JP2011030407A - 半導体モジュール及びそれを用いた電子回路内蔵型モータ - Google Patents

半導体モジュール及びそれを用いた電子回路内蔵型モータ Download PDF

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Abstract

【課題】基板を介さずに巻線と接続可能な半導体モジュール、及びそれを用いた電子回路内蔵型モータを提供する。
【解決手段】V1半導体モジュール502は、巻線の取出線と直接接続できる巻線用端子508を有しているので、基板を介さずに巻線の取出線とV1半導体モジュール502とを接続することができる。したがって、電子部品間の接続に要する部品点数を削減できる。また、基板を介さずに接続できるので、基板の銅箔の厚みに囚われることなく、所望の大きさで巻線用端子508を形成することができる。また、巻線への通電を制御する制御部を有する基板と接続される制御用端子509と巻線用端子508とは、樹脂部11の異なる面に設けられている。これにより、基板と制御用端子509、また、巻線と巻線用端子508、を容易に接続することができ、装置の簡素化に寄与する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、半導体モジュール、及びそれを用いた電子回路内蔵型モータに関する。
従来、ステータに巻回された複数相の巻線に通電することにより回転磁界を発生させ、当該回転磁界によってロータを回転させるモータが知られている。このようなモータを駆動するために、スイッチング素子によって複数相の巻線への巻線電流を切り換える技術が公知である。
特開2002−345211号公報
ところで、例えば特許文献1では、巻線電流を切り換えるスイッチング素子を有する半導体モジュールは、プリント基板上に設けられており、プリント基板上に形成された配線パターンを介してモータを駆動する巻線やコンデンサなどの電子部品と接続されている。このようなプリント基板上において配線パターンを形成する銅箔は、通常100μm以下程度と非常に薄い。そのため、半導体モジュールと巻線とをプリント基板を介して接続する場合、要求される通電量を通電可能にするためには、プリント基板上に大きな面積を確保する必要があり、装置全体を小型化することが困難であった。
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、プリント基板を介さずに巻線と接続可能な半導体モジュール及びそれを用いた電子回路内蔵型モータを提供することにある。
請求項1に記載の発明では、半導体モジュールは、半導体チップと、半導体チップを搭載するランドと、樹脂部と、巻線用端子と、制御用端子と、を備える。半導体チップは、モータの駆動に係る巻線への通電を切り換えるスイッチング素子を有する。樹脂部は、半導体チップを封止し、ランドを埋設する。なお、本発明においては、半導体チップが封止されていれば、ランドの一部が樹脂部の外部に露出していてもよい。巻線用端子は、樹脂部に突設される。また、巻線用端子は、巻線と直接接続される。なお、「直接接続される」とは、プリント基板等の部材を介することなく、電気的に接続されることを意味している。
本発明の半導体モジュールは、巻線と直接接続できる巻線用端子を有しているので、プリント基板を介さずに半導体モジュールと巻線とを接続することができる。したがって、接続に要する部品点数を削減できる。また、巻線と半導体モジュールとをプリント基板を介さずに接続できるので、プリント基板の銅箔の厚みに囚われることなく、所望の大きさで端子部を形成することができる。例えば、巻線の一端と半導体モジュールとを近接させ、太く短い端子部を形成して接続することにより、インピーダンスを低減することができるので、モータ駆動の信頼性を向上することができる。
また、制御用端子は、巻線への通電を制御する制御部を有する基板と接続される。巻線用端子と制御用端子とは、樹脂部の異なる面に設けられる。具体的には、以下の構成が採用される。
請求項2に記載の発明では、巻線用端子と制御用端子とは、樹脂部を挟んで反対方向に突設される。請求項3に記載の発明では、巻線用端子と制御用端子とは、樹脂部の隣り合う面に設けられる。これにより、制御用端子を基板側に設け、巻線用端子を巻線の取出線近傍に設ける、といった具合に、基板および巻線の取出線の位置に応じて制御用端子および巻線用端子を形成できる。したがって、基板と制御用端子、また、巻線と巻線用端子、を容易に接続することができ、装置の簡素化に寄与する。特に、請求項2に記載の発明のように、巻線用端子と制御用端子とを樹脂部の反対側に設けた場合、巻線用端子がモータ側、制御用端子が基板側となるように、モータと基板との間に半導体モジュールを配置して接続することにより、スペースを有効に活用することができ、装置の小型化に寄与する。
請求項4に記載の発明では、樹脂部から突設され、樹脂部の外部に設けられるコンデンサと直接接続されるコンデンサ用端子を備える。これにより、プリント基板を介さずにコンデンサと半導体モジュールとを接続することができる。したがって、接続に要する部品点数を削減できる。また、コンデンサと半導体モジュールとをプリント基板を介さずに接続できるので、プリント基板の銅箔の厚みに囚われることなく、所望の大きさで端子部を形成することができる。例えば、コンデンサと半導体モジュールとが近接し、太く短い端子部を形成して接続することにより、インピーダンスを低減することができる。
コンデンサ用端子と巻線用端子との位置関係は、以下のように構成することができる。
請求項5に記載の発明では、コンデンサ用端子と巻線用端子とは、樹脂部の対向する面に突設される。
請求項6に記載の発明では、コンデンサ用端子と巻線用端子とは、樹脂部の隣り合う面に突設される。特に、樹脂部が直方体形状に形成される場合、コンデンサ用端子と巻線用端子とは、直交する。
請求項7に記載の発明では、コンデンサ用端子と巻線用端子とは、樹脂部の同一面の両端から突設される。コンデンサは、樹脂部の幅狭側面に配置される。
請求項8に記載の発明では、コンデンサ用端子と巻線用端子とは、樹脂部の同一面から突設される。コンデンサは、樹脂部の幅広側側面に配置される。
このように構成することにより、巻線の取り出し位置や、コンデンサの位置に応じて、コンデンサ用端子と巻線用端子とを設けることができ、装置を簡素化することができる。
請求項9に記載の発明では、コンデンサ用端子は、第1端子と第2端子とを有する。第1端子は、コンデンサのプラス端子に接続され、第2端子は、コンデンサのマイナス端子に接続に接続される。このように構成すれば、簡素な構成でコンデンサと半導体モジュールとを接続することができる。
請求項10に記載の発明では、コンデンサ用端子は、先端部にU字状に切り欠かれた切欠部を有している。このU字状の切欠部にてコンデンサの端子と容易に接続することができる。
請求項11に記載の発明では、樹脂部に埋設される埋設部、および、樹脂部から露出する露出部する連結部材を備える。連結部材は、露出部が他の半導体モジュールの樹脂部に埋設された埋設部と連続的に一体形成されることで他の半導体モジュールと連結する。これにより、連結部材により複数の半導体モジュールが連結されて、連結半導体モジュールを構成する。半導体モジュールが連結部材によって連結されているので、組み付け等が容易になる。
請求項12に記載の発明では、コンデンサ用端子は、連結部材と直交する方向に設けられる。これにより、例えば半導体モジュール毎にコンデンサが設けられている場合、スペースを有効に活用したレイアウトとすることができる。
請求項13に記載の発明では、連結部材がコンデンサ用端子を構成している。これにより、複数の半導体モジュールを連結する連結部材がコンデンサ用端子の機能を兼ね備えているので、コンデンサ用端子が不要になるので、より簡素な構成で半導体モジュールとコンデンサとを接続することができる。
請求項14、15に記載の発明では、巻線用端子は、連結部材と直交する方向に設けられる。これにより、例えば半導体モジュール毎にモータの各相の巻線と接続する場合、スペースを有効に活用したレイアウトとすることができる。
請求項16に記載の発明では、巻線用端子は、垂下部、中間部、起立部、および挟持部を有する。垂下部は、半導体チップの面と垂直な樹脂部の面である突設面から突設される。中間部は、垂下部から折り曲げられて形成される。起立部は、突設面から垂下部が突設される方向と反対方向に中間部から立ち上がって形成される。U字形状に形成された挟持部は、起立部の先端が折り曲げられて、巻線を挟持する。このように巻線用端子を折り曲げることによって巻線を挟持して接続するので、部品点数を低減し、簡素な構成とすることができる。なお、例えば半導体モジュールを略円筒形状のモータの軸に対して縦配置した場合、垂下部はモータの軸方向に突設され、中間部はモータの軸方向における端部の面に平行に設けられ、起立部はモータの軸方向に立ち上がる。
請求項17に記載の発明では、垂下部は、樹脂部の幅方向における中心からずれて設けられている。これにより、中間部および起立部の形状、折り曲げ位置、折り曲げ角度等を調整することにより、挟持部により巻線を挟持可能な位置に容易に配置することができる。
請求項18に記載の発明では、ランドは、半導体チップが搭載される搭載面と反対方向に突出し、前記樹脂部から露出する放熱部を有する。例えば、この放熱部をヒートシンクと接触させることにより、放熱を促進することができる。
請求項19に記載の発明では、放熱部は、巻線と電気的に接続される。すなわち、放熱部が巻線用端子を構成している。これにより、巻線用端子と放熱部とを別途に形成する必要がないので、より簡素な構成となる。
具体的には、以下のように構成することができる。
請求項20に記載の発明では、放熱部は、巻線を挿入する溝部を有する。これにより、放熱部と巻線とを容易に接続することができる。
請求項21に記載の発明は、上述の半導体モジュールを用いた電子回路内蔵型モータである。電子回路内蔵型モータは、外郭を形成する筒状のモータケース、当該モータケースの径内側に配置され複数相を構成する巻線が巻回されたステータ、当該ステータの径内側に配置されるロータ、当該ロータと共に回転するシャフト、およびモータの駆動に係る複数相の巻線に流れる巻線電流を切り換えるスイッチング素子を有する半導体モジュールを備える。半導体モジュールは、スイッチング素子を構成する半導体チップ、半導体チップが搭載されるランド、半導体チップを封止するとともにランドを埋設する樹脂部、樹脂部から突設され前記巻線と直接接続される巻線用端子、および樹脂部から突設され巻線への通電を制御する制御部を有する基板と接続される制御用端子を有する。巻線用端子と制御用端子とは、樹脂部の異なる面に設けられる。これにより、基板と巻線の取出線との位置に応じて巻線用端子と制御用端子とを樹脂部の異なる面に形成することにより、装置の簡素化に寄与する。
請求項22に記載の発明では、モータケース、半導体モジュール、および基板は、この順で配列される。制御用端子と巻線用端子とは、樹脂部を挟んで反対方向に突設される。これにより、巻線用端子がモータケース側、制御用端子が基板側となるように、モータと基板との間に半導体モジュールを配置して接続することにより、スペースを有効に活用することができ、装置の小型化に寄与する。
本発明の第1実施形態による半導体モジュールの平面図である。 本発明の第1実施形態による半導体モジュールの樹脂部を除いた平面図である。 図1のIII方向矢視図である。 電動パワーステアリングの概略構成を示す説明図である。 本発明の第1実施形態による半導体モジュールを用いた電子回路内蔵型モータの平面図である。 本発明の第1実施形態による半導体モジュールを用いた電子回路内蔵型モータの側面図である。 図6のVII−VII線断面図である。 本発明の第1実施形態による半導体モジュールを用いた電子回路内蔵型モータの斜視図である。 本発明の第1実施形態による半導体モジュールを用いた電子回路内蔵型モータの分解斜視図である。 電子回路一体化への開発の流れを示す説明図である。 本発明の第1実施形態による半導体モジュールの模式図である。 本発明の第2実施形態による半導体モジュールの模式図である。 本発明の第3実施形態による半導体モジュールの模式図である。 本発明の第4実施形態による半導体モジュールの模式図である。 本発明の第5実施形態による半導体モジュールの模式図である。 本発明の第5実施形態の半導体モジュールに巻線を組み付ける状態を説明する説明図である。 本発明の第6実施形態による半導体モジュールの模式図であって、(a)は半導体モジュールの模式的な正面図、(b)は(a)のb1方向矢視図、(c)は(b)のc方向矢視図である。 本発明の第6実施形態による連結半導体モジュールをモータに配置した状態を示す斜視図である。 本発明の第7実施形態による半導体モジュールの模式図であって、(a)は半導体モジュールの模式的な正面図、(b)は(a)のb2方向矢視図である。 本発明の第8実施形態による半導体モジュールの模式図であって、(a)は半導体モジュールの模式的な正面図、(b)は(a)のb3方向矢視図である。 本発明の第9実施形態による半導体モジュールの模式図であって、(a)は半導体モジュールの模式的な正面図、(b)は(a)のb4方向矢視図である。 本発明の第10実施形態による電子回路内蔵型モータの平面図である。 本発明の第10実施形態による電子回路内蔵型モータの側面図である。 本発明の第10実施形態による電子回路内蔵型モータの斜視図である。 本発明の第11実施形態による電子回路内蔵型モータの平面図である。 本発明の第11実施形態による電子回路内蔵型モータの側面図である。 本発明の第11実施形態による電子回路内蔵型モータの斜視図である。 本発明の第12実施形態による電子回路内蔵型モータの平面図である。 本発明の第12実施形態による電子回路内蔵型モータの側面図である。 本発明の第12実施形態による電子回路内蔵型モータの斜視図である。
以下、本発明による連結半導体モジュールを図面に基づいて説明する。
(第1実施形態)
第1実施形態は、車両の電動パワーステアリング装置(以下、「EPS」という。)の回路内蔵型モータに本発明を適用したものである。
最初に、電動パワーステアリング(以下「EPS」という)の電気的構成を、図4に基づいて説明する。ここで示す電気的構成は、以下の実施形態にも共通する。
電子回路内蔵型モータ1は、モータ30、パワー部50、及び、制御部70を備えている。図4に示すように、電子回路内蔵型モータ1は、車両のステアリング91の回転軸たるコラム軸92に取り付けられたギア93を介しコラム軸92に回転トルクを発生させ、ステアリング91による操舵をアシストする。具体的には、ステアリング91が運転者によって操作されると、当該操作によってコラム軸92に生じる操舵トルクをトルクセンサ94によって検出し、また、車速情報をCAN(Controller Area Network)から取得して(不図示)、運転者のステアリング91による操舵をアシストする。もちろん、このような機構を利用すれば、制御手法によっては、操舵のアシストのみでなく、高速道路における車線キープ、駐車場における駐車スペースへの誘導など、ステアリング91の操作を自動制御することも可能である。
モータ30は、上記ギア93を正逆回転させるブラシレスモータである。このモータ30へ電力供給を行うのがパワー部50である。パワー部50は、電源51からの電源ラインに介在するチョークコイル52、シャント抵抗53、アルミ電解コンデンサ54、55、56及び二組のインバータであるインバータ60、第2インバータ68を有している。なお、第1インバータ60と第2インバータ68とは、略同様の構成となっているため、以下、第1インバータ60について主に説明する。
第1インバータ60は、電界効果トランジスタの一種である7つのMOSFET(metal−oxide−semiconductor field−effect transistor)61、62、63、64、65、66、67で構成されている。これらMOSFET61〜67は、スイッチング素子である。具体的には、ゲートの電位により、ソース−ドレイン間がON(導通)またはOFF(遮断)される。
以下、MOSFET61〜67を、単に、FET61〜67と記述し、必要に応じてFET(Su+)61、FET(Sv+)62、FET(Sw+)63、FET(Su−)64、FET(Sv−)65、FET(Sw−)66と記述する。なお、電源51に最も近いFET67は、逆接保護のためのものである。すなわち、このFET67は、FET61〜66とは反対向きに接続されており、電源の誤接続がなされた場合に、逆向きの電流が流れないようにする電源リレーである。
ここで、残りの6つのFET61〜66の接続について説明しておく。FET61〜66は、モータ30の駆動に係る複数相、本実施形態では三相の巻線に流れる巻線電流を切り換えるスイッチング素子である。
FET61〜66のゲートは、後述するプリドライバ71の6つの出力端子に接続されている。
FET61〜66のソースとドレインの接続関係は、以下の通りである。すなわち、FET(Su+)61では、ドレインが電源ラインに接続され、ソースがFET(Su−)64のドレインに接続されている。FET(Sv+)62では、ドレインが電源ラインに接続され、ソースがFET(Sv−)65のドレインに接続されている。FET(Sw+)63では、ドレインが電源ラインに接続され、ソースがFET(Sw−)66のドレインに接続されている。
FET(Su−)64では、ドレインがFET(Su+)61のソースに接続され、ソースがグランドに接続されている。FET(Sv−)65では、ドレインがFET(Sv+)62のソースに接続され、ソースがグランドに接続されている。FET(Sw−)66では、ドレインがFET(Sw+)63のソースに接続され、ソースがグランドに接続されている。
また、図4中で上下ペアとなるFET61〜66同士の接続点がそれぞれ、モータ30のU相コイル、V相コイル、W相コイルに接続されている。具体的には、FET(Su+)61とFET(Su−)64との接続点がU相コイルに接続され、FET(Sv+)62とFET(Sv−)65との接続点がV相コイルに接続され、FET(Sw+)63とFET(Sw−)66との接続点がW相コイルに接続されている。
また、FET(Su+)61の電源ラインとFET(Su−)64のグランドとの間には、アルミ電解コンデンサ54が並列に接続されている。同様に、FET(Sv+)62の電源ラインとFET(Sv−)65のグランドとの間にはアルミ電解コンデンサ55が並列に接続されており、FET(Sw+)63の電源ラインとFET(Sw−)66のグランドとの間にはアルミ電解コンデンサ56が並列に接続されている。以下、アルミ電解コンデンサを単に「コンデンサ」と記述する。
チョークコイル52は、電源ノイズを低減する。また、コンデンサ54〜56は、電荷を蓄えることで、FET61〜66への電力供給を補助したり、サージ電圧などのノイズ成分を抑制したりする。なお、逆接保護用のFET67が設けられているため、電源の誤接続があっても、コンデンサ54〜56が損傷することはない。
シャント抵抗53は、回路に通電される電流量を検出するためのものである。
制御部70は、上記プリドライバ71、カスタムIC72、位置センサ73、及び、マイコン74を備えている。カスタムIC72は、機能ブロックとして、レギュレータ部75、位置センサ信号増幅部76、及び、検出電圧増幅部77を含む。
レギュレータ部75は、電源を安定化する安定化回路である。このレギュレータ部75は、各部へ供給される電源の安定化を行う。例えばマイコン74は、このレギュレータ部75により、安定した所定電源電圧(例えば5V)で動作することになる。
位置センサ信号増幅部76には、位置センサ73からの信号が入力される。位置センサ73は、後述するように、モータ30の回転位置信号を出力する。位置センサ信号増幅部76は、この回転位置信号を増幅してマイコン74へ出力する。
検出電圧増幅部77は、パワー部50に設けられたシャント抵抗53の両端電圧を検出し、当該両端電圧を増幅してマイコン74へ出力する。
したがって、マイコン74には、モータ30の回転位置信号、及び、シャント抵抗53の両端電圧が入力される。また、マイコン74には、コラム軸92に取り付けられたトルクセンサ94から操舵トルク信号が入力される。さらにまた、マイコン74には、CANを経由して車速情報が入力される。
これにより、マイコン74は、操舵トルク信号及び車速情報が入力されるとステアリング91による操舵を車速に応じてアシストするように、回転位置信号に合わせ、プリドライバ71を介し、インバータ60、68を制御する。インバータ60、68の制御は、具体的には、プリドライバ71を介したFET61〜66のON/OFFによって行う。つまり、6つのFET61〜66のゲートはプリドライバ71の6つの出力端子に接続されているため、プリドライバ71により、これらゲート電位が変化させられる。
また、マイコン74は、検出電圧増幅部77から入力されるシャント抵抗53の両端電圧に基づき、モータ30へ供給する電流を正弦波に近づけるべくインバータ60、68を制御する。
次に、本実施形態の電子回路内蔵型モータ1の構成について説明する。図5は電子回路内蔵型モータ1の平面図であり、図6は図5の矢印K方向に見た側面図であり、図7は図6のVII−VII線断面図であり、図8は斜視図であり、図9は分解斜視図である。なお、図5〜図9は、半導体モジュール501〜506等の組み付け構造を示すものであり、電力供給構造については図示していない。また、図5、図6、図8では、カバー103及びプリント基板801を省略して示している。
最初に、図7に基づいて、電子回路内蔵型モータ1の構成を説明する。
電子回路内蔵型モータ1は、モータハウジングとして、円筒状のモータケース101と、モータケース101に対し出力側に螺着されるフレームエンド102と、電子回路部分を覆う有底円筒状のカバー103とを備えている。カバー103には、図示しないコネクタが取り付けられ、このコネクタを経由して後述する連結部材としてのバスバー16〜19へ電力が供給される。
ここでモータ30は、モータケース101と、モータケース101の径内側に配置されたステータ201と、ステータ201の径内側に配置されたロータ301と、ロータ301と共に回転するシャフト401とを有している。
ステータ201は、モータケース101の径内方向に突出する12個の突極202を有している。この突極202は、モータケース101の周方向に所定間隔で設けられている。突極202は、磁性材料の薄板を積層してなる積層鉄心203と、積層鉄心203の軸方向外側に嵌合するインシュレータ204とを有している。このインシュレータ204には、巻線205が巻回されている。巻線205は、U相、V相、及び、W相の三相巻線を構成している。本実施形態では、巻線205は、2系統のU相、V相、及び、W相の三層巻線を構成し、系統毎に第1インバータ60または第2インバータ68により通電が制御されている。また、巻線205へ電流を供給するための取出線206は、巻線205の6箇所から引き出されており、モータケース101の軸方向の端部106に設けられた6つの穴から電子回路側へ引き出されている。取出線206は、モータケース101の軸方向の端部106から後述する半導体モジュール501〜506の径方向外側に引き出されている。取出線206と巻線用端子508とは、半導体モジュール501〜506の径方向外側の空間において、取出線206が巻線用端子508に挟持されるようにして電気的に接続される。
ロータ301は、例えば鉄等の磁性体から筒状に形成されている。ロータ301は、ロータコア302と、当該ロータコア302の径外側に設けられた永久磁石303とを有している。永久磁石303は、N極とS極とを周方向に交互に5極ずつ有し、計10極を有している。
シャフト401は、ロータコア302の軸中心に形成された軸穴304に固定されている。また、シャフト401は、モータケース101の端部の軸受け104と、フレームエンド102に設けられた軸受け105とによって、回転可能に軸支されている。これにより、シャフト401は、ステータ201に対し、ロータ301と共に回転可能となっている。さらにまた、シャフト401は、電子回路側へ延び、電子回路側の先端には、回転位置を検出するためのマグネット402が設けられている。シャフト401の電子回路側の先端付近には、樹脂製のプリント基板801が配置される。プリント基板801は、モータケース101と一体に形成されたヒートシンク601とカバー103との間に形成された離間スペースに配置される。プリント基板801には、制御部70(図7中には不図示、図4参照)が形成される。すなわち、プリント基板801上には、エッチング処理等による配線パターンが形成され、ここに制御部70を構成するICなどが実装される。プリント基板801は、その中央に、位置センサ73(図7中には不図示、図4参照)を有している。これにより、マグネット402の回転位置、すなわちシャフト401の回転位置が、位置センサ73によって検出される。なお、本実施形態では、シャフト401の中心線を延長した仮想直線を「モータの回転軸」とする。
図5〜図9に示すように、モータケース101には、ヒートシンク601が形成されている。ヒートシンク601は、モータケース101の軸方向の端部106から立設されている。ヒートシンク601は、図5に示すように、軸方向に垂直な断面形状が略台形状である2つの柱状部材602がモータ30の回転軸を挟むよう並べられている。さらに、柱状部材602は、モータ30の回転軸を中心として円弧状に切り欠かれた円弧部609を有している。この円弧部609により、ヒートシンク601の中心には、円柱状の空間が形成される。言い換えれば、ヒートシンク601は、肉厚の軸方向視八角形の筒形状とも言える。もちろん、八角形状には限定されず、例えば軸方向視六角形状としてもよい。2つの柱状部材602は不連続となるように形成されている。柱状部材602の不連続部分は、モータ30の回転軸を中心として切り欠かれた円弧部609、および円弧部609の両側に形成される直線状の切欠面603、604から構成される。
また、ヒートシンク601の柱状部材602は、径外方向へ向く側面のうち切欠面603、604と連続する側面よりも幅広に形成された側壁面605を有している。側壁面605は、円周方向に計6つ形成されている。柱状部材602の径方向内側であって各側壁面605と対応する位置には、円弧部609によって形成されるモータ30の回転軸を中心とする円柱状の空間に開口する収容部606が形成されている。この収容部606は、その径方向外側に、コンデンサ701〜706の外径に合わせた円弧面を有している。また、収容部606は、側壁面605と対応する位置であって、柱状部材602を挟んで半導体モジュール501〜506の反対側に形成されている。なお、ヒートシンク601において、収容部606が形成された部位は薄肉となっているが、収容部606からモータケース101の端部106までの間は、収容部606が設けられていない部分と同様に厚肉となる厚肉部607が形成されている。
ヒートシンク601の径外方向を向く側壁面605には、半導体モジュール501〜506が配置されている。以下、半導体モジュール501〜506を、必要に応じてU1半導体モジュール501、V1半導体モジュール502、W1半導体モジュール503、U2半導体モジュール504、V2半導体モジュール505、W2半導体モジュール506と記述することとする。半導体モジュール501〜503は、第1バスバー16および第2バスバー17によって連結されて連結半導体モジュール10を構成している。また、半導体モジュール504〜506は、第1バスバー18および第2バスバー19によって連結されて連結半導体モジュール20を構成する。半導体モジュール501〜506は、モータケース101側の側面112に突設され径方向外側へ折り曲げられて形成されている巻線用端子508を有し、モータケース101と反対側の側面111に突設される制御用端子509及びコンデンサ用端子510を有している。なお、半導体モジュール501〜506の詳細については後述する。
次に、半導体モジュール501〜506の配置について説明する。
半導体モジュール501〜506は、モータケース101の軸方向の端部106から立設されたヒートシンク601に対し取り付けられている。半導体モジュール501〜506は、ヒートシンク601の径外方向を向く側壁面605に一つずつ配置されている。本形態では、連結半導体モジュール10のバスバー16、17を折り曲げることにより、半導体モジュール501〜503により構成される連結半導体モジュール10をモータ30の回転軸の周囲に配置している。同様に、連結半導体モジュール20のバスバー18、19を折り曲げることにより、半導体モジュール504〜506により構成される連結半導体モジュール20をモータ30の回転軸の周囲に配置している。半導体モジュール501〜506は、モールドされた半導体チップの面の方向に広がる板状であり、相対的に面積の大きな面の一方が放熱面となっている。放熱面には、後述する放熱部569が露出している。半導体モジュール501〜506は、放熱面が側壁面605に面接触するように配置されている。このとき、側壁面605は平面で構成されており、これに合わせて、半導体モジュール501〜506の放熱面も平面となっている。半導体モジュール501〜506とヒートシンク601との間には、図示しない放熱絶縁シートが設けられ、放熱部569とヒートシンク601との間の絶縁を確保している。なお、放熱絶縁シート等のシート状の部材が半導体モジュール501〜506とヒートシンク601との間に介在している場合であっても、「半導体モジュール501〜506とヒートシンク601とが面接触している」とみなすものとする。
半導体モジュール501〜506は、上述のごとくヒートシンク601の側壁面605に配置されることで、ちょうど半導体チップ面の垂線がシャフト401の中心線に垂直となっている。すなわち、本実施形態において半導体モジュール501〜506は、縦配置されている。
ヒートシンク601の収容部606には、それぞれコンデンサ701、702、703、704、705、706が収容されている。これらのコンデンサ701〜706を、必要に応じて、U1コンデンサ701、V1コンデンサ702、W1コンデンサ703、U2コンデンサ704、V2コンデンサ705、W2コンデンサ706と記述する。図1との対応関係について言及すれば、コンデンサ701〜703が第1インバータ60に設けられ、コンデンサ704〜706が第2インバータ68に設けられる。U1コンデンサ701がコンデンサ54に対応する。また、V1コンデンサ702がコンデンサ55に対応する。さらにまた、W1コンデンサ703がコンデンサ56に対応する。なお、第2インバータ68については、U2コンデンサ704がU相コンデンサであり、V2コンデンサ705がV相コンデンサであり、W2コンデンサ706がW相コンデンサである。
コンデンサ701〜706は、半導体モジュール501〜506に対し、ヒートシンク601と同じ側、すなわち径方向内側、に配置されている。また、コンデンサ701〜706は、ヒートシンク601の収容部606に収容されて半導体モジュール501〜506に対して一つずつ、ヒートシンク601を挟んで径方向内側の半導体モジュール501〜506の近傍に配置されている。コンデンサ701〜706は円柱状を呈し、その軸がシャフト401の中心線に平行となるように配置されている。また、コンデンサ701〜706は、半導体モジュール501〜506のコンデンサ用端子510と直接的に接続されている。具体的には、U1半導体モジュール501とU1コンデンサ701が接続され、V1半導体モジュール502とV1コンデンサ702が接続され、W1半導体モジュール503とW1コンデンサ703が接続される。また、U2半導体モジュール504とU2コンデンサ704が接続され、V2半導体モジュール505とV2コンデンサ705が接続され、W2半導体モジュール506とW2コンデンサ706が接続される。
また、シャフト401が電子回路側へ延びていることは既に述べたが、図5等に示すように、このシャフト401が貫通した状態で、チョークコイル52が配置されている。チョークコイル52は、ヒートシンク601の中心に形成された円弧部609によって形成される円柱形状の空間に配置されている。チョークコイル52はドーナツ状の鉄心にコイル線が巻回されてなり、コイル端は、柱状部材602の一方の切欠面603の間を通り、径外方向へ引き出されている。
なお、チョークコイル52のコイル端は電源ラインに介在するように接続されるが(図4参照)、図5〜図9は、電力供給構造については図示していない。
このように、径方向外側から径方向内側へ向かって、モータケース101の外径の範囲内に、巻線用端子508と取出線206の接続部、半導体モジュール501〜506、ヒートシンク601、コンデンサ701〜706、チョークコイル52の順で配置され、径方向の空間が有効に活用されている。
ところで、このようにモータ30の駆動制御のためにはパワー部50及び制御部70が必要となる。これらのパワー部50及び制御部70が、いわゆるコントロールユニット(ECU)として構成されるのであるが、電子回路内蔵型モータ1は、このECUの内蔵構成に特徴を有する。
なお、EPSに用いられるモータ30は、その出力が500W〜2kW程度であり、電子回路内蔵型モータ1全体に占めるパワー部50及び制御部70の物理的な領域は、20〜40%程度となる。また、モータ30の出力が大きいため、パワー部50が大型化する傾向にあり、パワー部50及び制御部70の占める領域のうちの70%以上がパワー部50の占める領域となる。
パワー部50を構成する部品で大きなものは、チョークコイル52、コンデンサ54〜56、そして、FET61〜67である。
ここで、FET61〜67を有する半導体モジュール501〜506について詳述する。まず、図1との対応関係について言及すると、半導体モジュール501〜503が第1インバータ60を構成し、半導体モジュール504〜506が第2インバータ68を構成する。すなわち、U1、V1、W1の3つの半導体モジュール501〜503によって第1インバータ60が構成されており、U2、V2、W2の3つの半導体モジュール504〜506によって第2インバータ68が構成されている。ここで、第1インバータ60について詳細に説明すると、U1半導体モジュール501が、U相に対応するFET61、64を有している。また、V1半導体モジュール502が、V相に対応するFET62、65を有している。さらにまた、W1半導体モジュール503が、W相に対応するFET63、66及び逆接保護用のFET67を有している。
本実施形態では、半導体モジュール501〜503が第1バスバー16及び第2バスバー17によって連結されることにより連結半導体モジュール10を構成している。また同様に半導体モジュール504〜506が第1バスバー18及び第2バスバー19によって連結されることにより連結半導体モジュール20を構成している。ここで、連結半導体モジュール10、20について詳述する。
図5〜図9に示すように、本実施形態の連結半導体モジュール10は、U1半導体モジュール501、V1半導体モジュール502、及びW1半導体モジュール503が、第1導電部材としての第1バスバー16及び第2導電部材としての第2バスバー17により連結されたものである。また、連結半導体モジュール20は、U2半導体モジュール504、V2半導体モジュール505、及びW1半導体モジュール506が、第1導電部材としての第1バスバー18及び第2導電部材としての第2バスバー19により連結されたものである。第1バスバー16、18は電源ラインに接続され、第2バスバー17、19はグランドに接続されることにより、バスバー16〜19を経由して半導体モジュール501〜506に電力が供給される。すなわち、バスバー16〜19は、半導体モジュール501〜506を機械的に連結するとともに、電気的に接続している、といえる。本実施形態においては、連結半導体モジュール10が第1インバータ60を構成し、連結半導体モジュール20が図4に示す第2インバータ68を構成している。換言すると、本実施形態の電子回路内蔵型モータ1は、2組のインバータ60、68を有している。これにより、インバータ60、68のそれぞれに流れる電流を半分に減らしている。なお、バスバー16〜19が「連結部材」を構成している。
連結半導体モジュール10、20は、実質的に同一の構造であるため、以降、連結半導体モジュール10について主に説明する。
第1バスバー16及び第2バスバー17は、U1半導体モジュール501、V1半導体モジュール502、及びW1半導体モジュール503の樹脂部11に埋設される埋設部166(図2参照)、及び、樹脂部11に埋設されていない露出部161を有している。埋設部166と露出部161とは、連続的に一体形成されている。露出部161には、直線部から円弧状に膨らんで形成される屈曲部162が形成されている。同様に、第2バスバー17は、樹脂部11に埋設される埋設部176、および、樹脂部11に埋設されていない露出部171を有している。埋設部176と露出部171とは、連続的に一体形成されている。露出部171には、直線部から円弧状に膨らんで形成される屈曲部172が形成されている。
第1バスバー16及び第2バスバー17は、屈曲部162、171によって折り曲げ可能に構成される。図5〜図8に示すように、半導体モジュール501〜503は、巻線用端子508がモータ30側となるようにヒートシンク601の径方向外側においてヒートシンク601の側壁面605に面接触するように配置される。これにより、放熱を促進することができる。また、露出部161、171には円弧状に形成された屈曲部162、172が形成されているので、折り曲げたときに発生する応力集中を回避し、樹脂部11の損傷を防止することができる。
本実施形態の半導体モジュール501〜506は、プリント基板等の部材を介さずに巻線やコンデンサと接続可能である点に特徴を有している。ここで、半導体モジュール501〜506の端子構造について詳細に説明する。なお、図1及び図2においては、一例としてV1半導体モジュール502を示した。
図1に示すように、V1半導体モジュール502は、樹脂部11のモータケース101(図6等参照)の反対側の側面111に略垂直に突設されるコンデンサ用端子510、及び制御用端子509を有している。コンデンサ用端子510は、第1端子511及び第2端子514を有している。また、V1半導体モジュール502は、樹脂部11のモータケース101側の側面112(図1、図3参照)に略垂直に突設される巻線用端子508を有している。巻線用端子508は、連結半導体モジュール10の長手方向(図1における紙面横方向)において、側面112の中心からずれて設けられている。また、巻線用端子508は、図1における紙面下方向、右方向、上方向といった具合に、同一平面上にて略垂直に折れ曲がった形状に形成されている。巻線用端子508を折れ曲がった形状に形成することにより、加工の際、リードフレームの無駄を低減することが可能である。なお、側面112が「突設面」を構成する。
ここで、バスバー16、17、巻線用端子508、制御用端子509、および、コンデンサ用端子510の位置関係について説明する。
巻線用端子508と、制御用端子509およびコンデンサ用端子510とは、樹脂部11の異なる面に設けられている。本実施形態では、巻線用端子508と制御用端子509とは、樹脂部11を挟んで反対側に突設されている。すなわち、本実施形態では、制御用端子509とコンデンサ用端子510とは、いずれも巻線用端子508と対向する側面111に突設されている。
巻線用端子508は、バスバー16、17と直交する方向に設けられている。また、制御用端子509およびコンデンサ用端子510は、バスバー16、17と直交する方向に設けられている。
このような端子構造は、半導体モジュール501〜506に共通する構造である。なお、図5〜図8に示すように、連結半導体モジュール10、20は、巻線用端子508がモータケース101側、コンデンサ用端子510および制御用端子509が形成される側の側面111がプリント基板801側、となるように配置される。したがって、モータケース101、半導体モジュール501〜506、およびプリント基板801は、この順で配列されている。
コンデンサ用端子510、巻線用端子508、制御用端子509を用いた接続関係について、図5〜図8を用いて説明する。
第1端子511は、折曲部313においてヒートシンク601に沿って径内方向に折り曲げられる。また、第1端子511の先端部311には、U字状に切り欠かれた切欠部312が形成されており、この切欠部312においてコンデンサ701〜706のプラス端子と直接接続される。
第2端子514は、第1端子511と同様、折曲部343においてヒートシンク601に沿って折り曲げられる。また、第2端子514の先端部341には、U字状に切り欠かれた切欠部342が形成されており、この切欠部342においてコンデンサ701〜706のマイナス端子と直接接続される。
これにより、半導体モジュール501〜506とコンデンサ701〜706とは、プリント基板等の別部材を介することなく直接的に接続される。
また、電子回路内蔵型モータ1に縦配置されたとき、巻線用端子508は、図1に破線で示す箇所で折り曲げられて巻線205の取出線206を挟持する。本実施形態では、巻線用端子508は、垂下部581、中間部582、起立部583、および、挟持部584から構成される。垂下部581、中間部582、起立部583、および、挟持部584は、一体に形成されている。垂下部581は、後述する半導体チップ562、565(図2参照)の面と垂直な面であるモータケース101側の側面112から略垂直に突設される。また、垂下部581は、側面112の幅方向(図1における紙面横方向)の中心からずれて設けられている。中間部582は、垂下部581から樹脂部11の厚み方向に折り曲げられる。本実施形態では、中間部582は、折り曲げられて径外方向から周方向に延びるL字形状に形成される。起立部583は、モータケース101の端部106から離れる方向に立ち上がるように形成されている。起立部583と垂下部581とは、樹脂部11の幅方向における位置がずれて形成されている。挟持部584は、起立部583の先端に形成され、径方向外側に開口するU字形状に折り曲げられ、モータケース101の軸方向の端部106に形成された穴から取り出される巻線205の取出線206を挟持し、電気的に接続する。これにより、巻線用端子508と巻線205の取出線206とは、直接的に接続される。
具体的には、U1半導体モジュール501の巻線用端子508は、第1インバータ60のU相の取出線206uと接続する。これにより、U1半導体モジュール501は、巻線205のU相に接続され、U相の巻線電流のオン/オフを切り換える。V1半導体モジュール502の巻線用端子508は、第1インバータ60のV相の取出線206vと接続する。これにより、V1半導体モジュール502は、巻線205のV相に接続され、V相の巻線電流のオン/オフを切り換える。W1半導体モジュール503の巻線用端子508は、第1インバータ60のW相の取出線206wと接続する。これにより、W1半導体モジュール503は、巻線205のW相に接続され、W相の巻線電流のオン/オフを切り換える。
また同様に、U2半導体モジュール504の巻線用端子508は、第2インバータ68のU相の取出線206uと接続する。これにより、U2半導体モジュール504は、巻線205のU相に接続され、U相の巻線電流のオン/オフを切り換える。V2半導体モジュール505の巻線用端子508は、第2インバータ68のV相の取出線206vと接続する。これにより、V2半導体モジュール505は、巻線205のV相に接続され、V相の巻線電流のオン/オフを切り換える。W2半導体モジュール506の巻線用端子508は、W相の取出線206wと接続する。これにより、W2半導体モジュール506は、巻線第2インバータ68の205のW相に接続され、W相の巻線電流のオン/オフを切り換える。
なお、取出線206u、206v、206wが、取出線206を構成している。
制御用端子509の先端部は、制御部70を構成するプリント基板801(図7、9参照)のスルーホールに挿通され、半田付けされる。これにより、半導体モジュール501〜503が、制御部70(図4参照)に電気的に接続される。
ここで、図2に基づいて、V1半導体モジュール502の内部構造について説明する。
V1半導体モジュール502は、略直方体形状に形成される樹脂部11に埋設されるランド23、24を有している。ランド23は、巻線用端子508と一体に形成され、半導体チップ565が搭載されている。半導体チップ565は、FET(Su−)65を有し、ワイヤ41を用いワイヤボンディングにより第2バスバー17と接続されている。ランド24は、第1バスバー16と一体に形成され、半導体チップ562が搭載されている。半導体チップ562は、FET(Su+)62を有し、ワイヤ42を用いワイヤボンディングによりランド23と電気的に接続される。半導体チップ562、565は、樹脂部11に封止される。
制御用端子509の基端部は、第1バスバー16、第2バスバー17、ランド23、24、及び半導体チップ562、565等にワイヤボンディングにより接続される。
コンデンサ用端子510を構成する第1端子511の基端部は、ワイヤ43を用いてワイヤボンディングにより第1バスバー16と電気的に接続される。また、第2端子514の基端部は、第2バスバー17と一体に形成される。
また、図3に示すように、V1半導体モジュール502は、半導体チップ562、565を搭載する搭載面と反対方向に突出してプレス成形にて形成される放熱部569を有している。この放熱部569が図示しない放熱絶縁シートを介してヒートシンク601と接触することにより、放熱を促進することができる。なお、放熱部569は、全ての半導体モジュール501〜506において、同様に形成されている。
ここで、連結半導体モジュール10の製造方法について説明する。第1バスバー16、第2バスバー17、巻線用端子508、制御用端子509、コンデンサ用端子510、及びランドを含む各半導体モジュール501〜503に形成されるランドは、銅板等の導電性を有する1枚のリードフレームから形成されている。このリードフレームは、厚さ0.64mmであり、通常のプリント基板の銅箔の厚みよりも厚い。また、図5〜図8に示すように連結半導体モジュール10を縦配置した場合、バスバー16、17の厚さである径方向の幅が軸方向の幅よりも薄肉である。
各ランドに半導体チップを搭載し、ワイヤボンディング等によって電気的な接続を行った後、半導体モジュール501〜503毎に樹脂部11でモールドする。そして、リードフレームの不要部分を切り離して、連結半導体モジュール10が形成される。このように、平面上にて連結半導体モジュール10を形成した後、第1バスバー16及び第2バスバー17を折り曲げて、ヒートシンク601に沿うように配置する。なお、連結半導体モジュール20についても同様に形成されて配置される。
以上、詳述したように、本実施形態の半導体モジュール501〜506は、コンデンサ701〜706と直接接続できるコンデンサ用端子510、及び巻線205の取出線206と直接接続できる巻線用端子508を備えているので、プリント基板を介さずにコンデンサ701〜706或いは巻線205の取出線206と、半導体モジュール501〜506とを接続することができる。したがって、電子部品間の接続に要する部品点数を削減できる。また、半導体モジュール501〜506とコンデンサ701〜706とをプリント基板を介さずに接続できるので、プリント基板の銅箔の厚みに囚われることなく、所望の大きさでコンデンサ用端子510を形成することができる。そして、本実施形態では、半導体モジュール501〜506とコンデンサ701〜706とを近接させて配置し、太く短いコンデンサ用端子510を形成して接続しているので、インピーダンスを低減することができる。
また、半導体モジュール501〜506と巻線205の取出線206とをプリント基板を介さずに接続できるので、プリント基板の銅箔の厚みに囚われることなく、所望の大きさで巻線用端子508を形成することができる。本実施形態では、半導体モジュール501〜506を巻線205の取出線206の取り出し位置近傍に配置し、太く短い巻線用端子508を形成して接続しているので、インピーダンスを低減することができ、電子回路内蔵型モータ1の駆動の信頼性を向上することができる。
また、樹脂部11に突設され、巻線205への通電を制御する制御部70を有するプリント基板801と接続される制御用端子509を備える。巻線用端子508と制御用端子509とは、樹脂部11の異なる面に設けられる。本実施形態では、巻線用端子508と制御用端子509とは、樹脂部11を挟んで反対方向に突設される。また、モータケース101、半導体モジュール501〜506、およびプリント基板801は、この順で配列されている。また、巻線用端子508がモータケース101側、制御用端子509がプリント基板801側となるように配置しているので、スペースを有効に活用することができ、装置の小型化に寄与する。
本実施形態では、コンデンサ用端子510は、第1端子511及び第2端子514有する。第1端子511は、コンデンサ701〜706のプラス端子に接続される。第2端子514は、コンデンサ701〜706のマイナス端子に接続される。また、第1端子511は、電源ラインに接続される第1バスバー16と接続し、第2端子514は、グランドに接続される第2バスバー17と一体に形成されている。これにより、簡素な構成で半導体モジュール501〜506とコンデンサ701〜706とを接続することができる。
また、コンデンサ用端子510は、先端部311、341にU字状に切り欠かれた切欠部312、342を有し、この切欠部312、342によってコンデンサの端子と接続している。これにより、半導体モジュール501〜506と、コンデンサ701〜706とを容易に接続することができる。
また、ランド23、24は、半導体チップ562、565が搭載される搭載面と反対方向に突出し、樹脂部11から露出する放熱部569を有している。そして、放熱部569は、ヒートシンク601と直接接触するように半導体モジュール501〜506を配置している。これにより、放熱を促進することができる。
巻線用端子508は、垂下部581、中間部582、起立部583、および挟持部584が折り曲げられて形成されている。垂下部581は、樹脂部11のモータケース101の側の側面112から突設される。中間部582は、垂下部581から径方向外側に折り曲げられて形成されている。起立部583は、モータケース101から離れる方向に立ち上がって形成される。挟持部584は、起立部583の先端にて径方向外側に開口するU字形状に形成され、巻線205の取出線206を挟持する。このように巻線用端子508を折り曲げることによって巻線205の取出線206を挟持して接続するので、部品点数を低減し、簡素な構成とすることができる。
また、垂下部581は、樹脂部11の幅方向における中心からずれて設けられている。本実施形態では、取出線206は、樹脂部11の幅方向における略中心から取り出されているので、垂下部581を樹脂部の幅方向における中心からずらして形成した上で、折り曲げることにより、挟持部584を取出線206と接続可能な位置に容易に配置することができる。
本実施形態では、連結半導体モジュール10を電子回路内蔵型モータ1に用いている。モータは、外郭を形成する筒状のモータケース101、モータケース101の径内側に配置され3相を構成する巻線205が巻回されたステータ32、ステータの径内側に配置されるロータ33、ロータ33と共に回転するシャフト401を有している。半導体モジュール501〜506は、モータケース101の軸方向に対する投影内に配置される。また、半導体モジュール501〜503は、半導体チップの面の垂線がシャフト401の中心線に対し非平行となるように縦配置される。
すなわち、連結半導体モジュール10は、軸方向へモータケースを仮想的に延長したモータシルエット内に縦配置されている。つまり、軸方向へ立ち上がった状態で半導体モジュールを配置している。これにより、モータ30の径方向の体格を小さくすることができる。
なお、連結半導体モジュール20は、連結半導体モジュール10と実質的に同様の構成であり、上記連結半導体モジュール10と同様の効果を奏するものである。
以下、連結半導体モジュール10、20を用いた電子回路内蔵型モータ1が発揮する効果について述べる。
(1)本実施形態の電子回路内蔵型モータ1では、半導体モジュール501〜506がシャフト401の中心線方向に配置されている。これにより、径方向の体格を小さくすることができる。また、半導体モジュール501〜506を縦配置とし、ヒートシンク601の側壁面605に面接触させて配置した。さらにまた、ヒートシンク601に収容部606を設け、径方向に6つのコンデンサ701〜706を並べて配置した。すなわち、6つの半導体モジュール501〜506の径内方向にコンデンサ701〜706を配置した。従来の構成と異なり、軸方向の体格をも小さくすることができる。その結果、電子回路内蔵型モータ1の体格を可及的に小さくすることができる。
EPSに用いられるモータは、図10に示すようにして発展してきている。すなわち、当初、モータとECUとが別体である「機電別体」の構成から、配線等の取り回しをなくした「機電合体」が主流となっている。しかし、この「機電合体」では、ECUが直方体形状のケースに入れられており、モータケースの外側にECUを装着した形式であった。これをなるべくモータシルエット内に収めるという思想が「機電一体」の思想であるが、この場合、軸方向の体格が大きくなってしまうという問題があった。この点、本実施形態の電子回路内蔵型モータ1では、半導体モジュール501〜506を縦配置とするだけでなく、これによって確保されるスペースを利用することにより、コンデンサ701〜706との配置関係を工夫している。つまり、本実施形態の電子回路内蔵型モータ1は、各部品の配置関係の連関をその思想とする点において、「機電一体」を超える「機電融合」と言い得る。
(2)また、本実施形態の電子回路内蔵型モータ1では、半導体モジュール501〜506の半導体チップ面の垂線がシャフト401の中心線に垂直となっている。これにより、径方向のスペース確保に一層寄与する。
(3)さらにまた、本実施形態の電子回路内蔵型モータ1では、コンデンサ701〜706が半導体モジュール501〜506の近傍に配置されている。しかも、半導体モジュール501〜506がコンデンサ用の専用端子であるコンデンサ用端子510を有しており、コンデンサ701〜706は、その端子がコンデンサ用端子510にプリント基板801を介することなく直接接続されている。これにより、プリント基板801を介して半導体モジュール501〜506とコンデンサ701〜706とを接続する場合と比較して、半導体モジュール501〜506とコンデンサ701〜706との配線を極力短くすることができ、コンデンサ701〜706の機能を十分に発揮させることができる。また、各半導体モジュール501〜506に対し一つずつコンデンサ701〜706を配置する構成であるため、各コンデンサ701〜706の容量を比較的小さくすることができ、コンデンサ701〜706自体の体格を抑えることができる。
(4)また、本実施形態の電子回路内蔵型モータ1では、シャフト401の中心線方向にモータケース101の端部106から立設されたヒートシンク601を有している。半導体モジュール501〜506は、このヒートシンク601の側壁面605に配置される。本実施形態では、半導体モジュール501〜506は、ヒートシンク601の径方向外側でヒートシンク601に沿ってバスバー16〜19が折り曲げられ、モータ30の回転軸の周囲に配置される。これにより、半導体モジュール501〜506からの放熱が促進され、モータ30に大電流が流れるような電動アシスト装置へも容易に適用することができる。
(5)さらにまた、本実施形態の電子回路内蔵型モータ1では、半導体モジュール501〜506に対しヒートシンク601と同じ側、すなわち径方向内側、にコンデンサ701〜706が配置されている。具体的には、ヒートシンク601に形成された収容部606にコンデンサ701〜706が収容されている。これにより、半導体モジュール501〜506の径外方向にスペースが確保できる。結果として、配線の取り回しなどが容易になる。
(6)また、本実施形態の電子回路内蔵型モータ1では、半導体モジュール501〜506の放熱面がヒートシンク601の側壁面605に接触するように配置されている。これにより、半導体モジュール501〜506からの放熱を一層促進させることができる。
(7)また、側壁面605が平面であるため、半導体モジュール501〜506の放熱面も平面となっている。この点、半導体モジュール501〜506側の平面加工の容易性という観点から有利である。
(8)さらにまた、本実施形態の電子回路内蔵型モータ1では、ヒートシンク601が、シャフト401の中心線の周りに肉厚の八角柱形状の筒形状に形成されている。そして、チョークコイル52が、ヒートシンク601の径内側に配置されている。これにより、体格の比較的大きなチョークコイル52を使用する場合でも、電子回路内蔵型モータ1の体格を可及的に小さくすることができる。
(9)また、ヒートシンク601には、不連続部分を構成する2つの切欠面603、604が設けられている。そして、一方の切欠面603の間から、チョークコイル52のコイル線が径外方向へ取り出される。これにより、チョークコイル52の配線の取り回しが容易になっている。
(10)また、本実施形態の電子回路内蔵型モータ1では、半導体モジュール501〜506とプリント基板801とが軸方向に並べて配置されている。半導体モジュール501〜506は制御用端子509を備えており、これらの制御用端子509がプリント基板801に半田付けされる。これにより、制御部70が半導体モジュール501〜506から配置上独立する構成であっても、電気的な接続は制御用端子509によって行えるため、構成が複雑になることがない。
(11)さらにまた、本実施形態の電子回路内蔵型モータ1では、半導体モジュール501〜506がプリント基板801とは反対側の他端側に巻線用端子508を有している。そして、巻線用端子508が、取出線206に電気的に接続される。これにより、ステータ201の巻線205への電気的な接続を比較的容易に実現できる。
(12)また、本実施形態の電子回路内蔵型モータ1では、シャフト401の先端にマグネット402が設けられており、このマグネット402の回転位置をプリント基板801上の位置センサ73が検出することでシャフト401の回転位置が検出される。これにより、比較的簡単にモータ30の回転検出を行うことができる。
(13)また、本実施形態の電子回路内蔵型モータ1では、W1半導体モジュール503、及びU2半導体モジュール504が逆接保護用のFET67を有している。これにより、電源の誤接続があった場合でも、コンデンサ701〜706の損傷を防止することができる。
(14)さらにまた、本実施形態の電子回路内蔵型モータ1では、U相、V相、W相の三相のそれぞれに半導体モジュール501〜506が対応している。具体的に、U相に対してはU1及びU2の半導体モジュール501、504が対応し、V相に対してはV1及びV2の半導体モジュール502、505が対応し、W相に対してはW1及びW2の半導体モジュール503、506が対応している。さらに、半導体モジュール501〜503が第1バスバー16及び第2バスバー17で連結されて連結半導体モジュール10を構成している。また、半導体モジュール504〜506が、第1バスバー18及び第2バスバー19で連結されて連結半導体モジュール20を構成している。このように半導体モジュール501〜506が機能単位でモジュール化されているため、インバータ60の構成が簡単になる。
<半導体モジュールの端子構造>
ところで、巻線用端子508、制御用端子509、および、コンデンサ用端子510は、半導体モジュール501〜506の樹脂部11に対して、様々な位置に設けることができる。すなわち、巻線205の取出線206の位置やコンデンサ701〜706の位置、プリント基板801の位置に応じて設けることができる。そこで、巻線用端子508、制御用端子509、および、コンデンサ用端子510の位置関係を模式的に示した図11〜図15に基づいて説明する。以下、複数の実施形態において、実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。なお、図11に示すV1半導体モジュール502は、第1実施形態の半導体モジュールに対応するものであり、端子構造について説明を補足する。また、図12〜図15に基づき、第2実施形態〜第5実施形態の半導体モジュールの端子構造について説明する。
図11に示すように、V1半導体モジュール502では、巻線用端子508は、モータケース101(図8等参照)側の樹脂部11の側面112に略垂直に突設している。また、制御用端子509およびコンデンサ用端子510は、巻線用端子508が突設する側面112と対向する側面111に略垂直に突設している。すなわち、巻線用端子508と制御用端子509とは、樹脂部11を挟んで反対方向に突設されている。なお、側面112が「突設面」を構成する。また、V1半導体モジュール502は、側面111、112がモータ30の軸と略垂直となるように配置される。
巻線用端子508、制御用端子509、およびコンデンサ用端子510は、いずれもバスバー16、17と直交する方向に設けられている。
コンデンサ702は、その軸がモータ30の軸と平行となるように、樹脂部11の幅広側面115に配置されている。
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態による半導体モジュールを図12に示す。図12に示すように、半導体モジュール900では、巻線用端子508は、モータケース101(図8等参照)側の樹脂部11の側面212に略垂直に突設されている。制御用端子509は、巻線用端子508が突設する側面212と対向する樹脂部11の側面211に略垂直に突設している。すなわち、巻線用端子508と制御用端子509とは、樹脂部11を挟んで反対方向に突設されている。なお、側面212が「突設面」を構成する。また、半導体モジュール900は、側面211、212がモータ30の軸と略垂直となるように配置される。
コンデンサ用端子510は、巻線用端子508が突設する側面212と隣り合う幅狭側面216に略垂直に設けられている。すなわち、コンデンサ用端子510と巻線用端子508とは、直交する。幅狭側面216は、モータ30の軸方向と略平行である。コンデンサ用端子510は、上記実施形態と同様、第1端子511及び第2端子514とから構成され、第1端子511はコンデンサ710のプラス端子と直接接続され、第2端子514はコンデンサ710のマイナス端子と直接接続される。本実施形態では、第1端子511が第1バスバー16によって構成され、第2端子514が第2バスバー17によって構成されている。
コンデンサ710は、その軸がモータ30の軸と略垂直となるように、樹脂部11の幅広側面215に配置されている。
このように構成することにより、上記第1実施形態と同様の構成を奏するほか、コンデンサ710の端子と、巻線205の取出線206の位置に応じて適切に接続することができる。また、バスバー16、17がコンデンサ用端子510の機能を兼ね備えているので、より簡素な構成で半導体モジュール900とコンデンサ710とを接続することができる。
(第3実施形態)
本発明の第3実施形態による半導体モジュールを図13に示す。図13に示すように、半導体モジュール910では、巻線用端子508は、モータケース101(図8等参照)側の樹脂部11の側面222に略垂直に突設している。制御用端子509は、巻線用端子が突設する側面222と対向する樹脂部11の側面221に略垂直に突設している。すなわち、巻線用端子508と制御用端子509とは、樹脂部11を挟んで反対方向に突設されている。なお、側面222が「突設面」を構成する。また、半導体モジュール910は、側面221、222がモータ30の軸と略垂直となるように配置される。
コンデンサ用端子510と巻線用端子508とは、樹脂部11の同一の側面222の両端から突設される。すなわち、コンデンサ用端子510と巻線用端子508とは平行となっている。コンデンサ用端子510は、上記実施形態と同様、第1端子511及び第2端子514から構成され、第1端子511はコンデンサ711のプラス端子と直接接続され、第2端子514はコンデンサ711のマイナス端子と直接接続される。
コンデンサ711は、その軸がモータ30の軸と略平行となるように樹脂部11の幅狭側面226に配置される。
このように構成することにより、上記第1実施形態と同様の構成を奏するほか、コンデンサ711の端子と、巻線205の取出線206の位置に応じて適切に接続することができる。また、コンデンサ用端子510及び巻線用端子508が設けられない側、すなわち側面221側、におけるスペースを大きく確保することができる。
(第4実施形態)
本発明の第4実施形態による半導体モジュールを図14に示す。図14に示すように、半導体モジュール920では、巻線用端子508は、モータケース101側(図8等参照)の側面232に略垂直に突設している。制御用端子509は、巻線用端子508が突設する側面232と対向する樹脂部11の側面231に略垂直に突設している。すなわち、巻線用端子508と制御用端子509とは、樹脂部11を挟んで反対方向に突設されている。なお、側面232が「突設面」を構成している。また、半導体モジュール920は、側面231、232がモータ30の軸と略垂直となるように配置される。
コンデンサ用端子510と巻線用端子508とは、樹脂部11の同一の側面232に設けられている。すなわち、コンデンサ用端子510と巻線用端子508とは平行となっている。コンデンサ用端子510は、上記実施形態と同様、第1端子511及び第2端子514とから構成され、第1端子511はコンデンサ702のプラス端子と直接接続され、第2端子514はコンデンサ702のマイナス端子と直接接続される。
コンデンサ712は、その軸がモータ30の軸と略平行となるように、樹脂部11の幅広側面235に配置される。
このように構成することにより、上記第1実施形態と同様の構成を奏するほか、コンデンサ712の端子と、巻線205の取出線206の位置に応じて適切に接続することができる。また、コンデンサ用端子510及び巻線用端子508が設けられない側、すなわち側面231側、におけるスペースを大きく確保することができる。
(第5実施形態)
本発明の第5実施形態による半導体モジュールを図15および図16に示す。図15は、半導体モジュール930を巻線用端子570側から見た模式的な斜視図であり、図16は、巻線用端子570への巻線205の取出線206を組み付ける状態を説明する説明図である。
図15に示すように、半導体モジュール930では、巻線用端子570は、樹脂部11の幅広側面245から突設している。制御用端子509およびコンデンサ用端子510は、巻線用端子570が突設する幅広側面245と隣り合う側面であって、モータケース101と反対側の側面241に略垂直に突設している。制御用端子509およびコンデンサ用端子510は、いずれもバスバー16、17と直交する方向に設けられている。なお、半導体モジュール930は、側面241がモータ30の軸と略垂直となり、幅広側面245がモータ30の軸と略平行となるように配置される。
ここで、巻線用端子570について説明する。
巻線用端子570は、第1実施形態における放熱部569と略同様に形成される。すなわち、巻線用端子570は、半導体チップが搭載される搭載面と反対方向に導電部材で構成されるランドを突出させるようにプレス成形にて成型される。巻線用端子570は、樹脂部11の幅広側面245から露出している。巻線用端子570における幅広側面245と平行に形成される突出端面571は、幅広側面245よりも内側となるように形成される。突出端面571には、樹脂部11とは反対側に開口する溝部572が形成される。本実施形態では、溝部572は、側面241側と側面242側とを貫くように形成されている。図15および図16に示すように、溝部572には、側面242側から巻線205の取出線206が挿入される。溝部572に挿入された取出線206は、はんだ等によって巻線用端子570と接合される。これにより、取出線206は、巻線用端子570と電気的に接続される。
巻線用端子570は、放熱絶縁シートを介してヒートシンク601(図8等参照)と接触する。したがって、巻線用端子570と取出線206とは電気的に接続され、巻線用端子570および取出線206とヒートシンク601とは、絶縁が確保されている。また、巻線用端子570は、放熱絶縁シートを介してヒートシンク601と面接触しているので、これにより、放熱が促進される。すなわち、本実施形態では巻線用端子570が「放熱部」を構成している。このように構成することにより、上記第1実施形態と同様の構成を奏するほか、巻線用端子570と放熱部とを別途に形成する必要がないので、より簡素な構成となる。
<巻線用端子の形状>
巻線用端子508は、第1実施形態では、垂下部581、中間部582、起立部583、および、挟持部584から構成されていた。また、中間部582は、径方向外側から周方向へ延びるL字形状に形成されていた。巻線用端子は、これに限らず、様々な形状とすることができる。以下、巻線用端子の形状について、第6実施形態〜第9実施形態に示す。
(第6実施形態)
本発明の第6実施形態による半導体モジュールを図17および図18に示す。図17(a)は図1と対応する半導体モジュールの模式図であり、図17(b)は図17(a)のb1方向矢視図であり、図17(c)は図17(b)のc1方向矢視図である。
図17および図18に示すように、半導体モジュール941は、樹脂部11のモータケース101(図7等参照)側の側面112から略垂直に突設される巻線用端子810を有している。また巻線用端子810は、バスバー16、17と直交する方向に設けられている。巻線用端子810は、側面112の幅方向(図17(a)における横方向)における中心からずれて設けられている。本実施形態では、巻線用端子810は、図17(a)における紙面下方向、左方向、上方向、右方向といった具合に、略垂直に折れ曲がった形状に形成されている。これにより、リードフレームの無駄を低減することが可能である。
巻線用端子810は、図17(a)に破線で示す箇所で折り曲げられて、巻線205の取出線206を挟持する。巻線用端子810は、垂下部811、中間部812、起立部813、および、挟持部814から構成される。垂下部811は、樹脂部11の側面112から突設され、モータ30の回転軸と略平行となっている。中間部812は、垂下部811から径方向外側へ折り曲げられる。本実施形態では、中間部812は、挟持部814を取出線206を挟持可能な位置とすべく、樹脂部11の幅広側面195と鋭角をなすように折り曲げられる。起立部813は、モータケース101から離れる方向に立ち上がるように形成されている。挟持部814は、起立部813の先端に形成され、径方向外側に開口するU字形状に折り曲げられ、取出線206を挟持し、電気的に接続する。これにより、巻線用端子810と取出線206とは、直接的に接続される。図17(c)に示すように、挟持部814は、垂下部811、中間部812、および、起立部813よりも厚く形成されている。
図18に示すように、半導体モジュール941により構成される連結半導体モジュール100は、巻線用端子810が突設される側面112がモータケース101側となるように、縦配置される。また、バスバー16、17を折り曲げて、図示しないヒートシンクと面接触するように配置される。また、側面111、112がモータ30の軸と略垂直となるように配置される。
これにより、上記第1実施形態と同様の効果を奏するほか、リードフレームの無駄をより低減することができる。
(第7実施形態)
本発明の第7実施形態による半導体モジュールを図19に示す。図19(a)は図17(a)と対応する図であり、図19(b)は図19(a)のb2方向矢視図である。
図19に示すように、半導体モジュール942は、樹脂部11のモータケース101(図7等参照)側の側面112から略垂直に突設される巻線用端子820を有している。巻線用端子820は、側面112の幅方向(図19(a)における横方向)における中心からずれて設けられている。本実施形態では、巻線用端子820は、折り曲げる前の状態において、L字形状に形成されている。
巻線用端子820は、電子回路内蔵型モータにおいて、側面111、112がモータ30の軸と略垂直となるよう縦配置されたとき、図19(a)に破線で示す箇所で折り曲げられて、巻線205の取出線206を挟持する。巻線用端子820は、垂下部821、中間部822、および、挟持部824から構成される。垂下部821は、樹脂部11の側面112から突設され、モータ30の回転軸と略平行となっている。中間部822は、垂下部821から径方向外側へ折り曲げられる。本実施形態では、中間部822は、挟持部824を取出線206を挟持可能な位置とすべく、樹脂部11の幅広側面195と鋭角をなすように折り曲げられる。挟持部824は、中間部822の先端に形成され、幅広側面195と平行する方向に開口するU字形状に折り曲げられ、取出線206を挟持し、電気的に接続する。これにより、巻線用端子820と取出線206とは、直接的に接続される。
このように構成することにより、上記第1実施形態と同様の効果を奏する。
(第8実施形態)
本発明の第8実施形態による半導体モジュールを図20に示す。図20(a)は図17(a)と対応する図であり、図20(b)は図20(a)のb3方向矢視図である。
図20に示すように、半導体モジュール943は、モータ30の軸方向と平行な樹脂部11の幅狭側面194から略垂直に突設される巻線用端子830を有している。また巻線用端子830は、バスバー16、17と平行する方向に設けられている。巻線用端子830は、幅狭側面114の高さ方向(図20(a)における縦方向)の中心からモータケース101側にずれて設けられている。本実施形態では、巻線用端子830は、折り曲げる前の状態において、略直線状に形成されている。
巻線用端子830は、電子回路内蔵型モータにおいて、側面111、112がモータ30の軸と略垂直となるよう縦配置されたとき、図20(a)に破線で示す箇所で折り曲げられて、巻線205の取出線206を挟持する。巻線用端子830は、中間部832および挟持部834から構成される。中間部832は、挟持部834を取出線206を挟持可能な位置とすべく、樹脂部11の幅狭側面114から突設される方向とは略反対側へ折り返される。挟持部834は、幅広側面115と平行する方向に開口する方向に折り曲げられ、取出線206を挟持し、電気的に接続する。これにより、巻線用端子830と取出線206とは、直接的に接続される。図20(b)に示すように、巻線用端子830は、折り曲げられて全体として軸方向視S字形状をなす。
このように構成することにより、上記第1実施形態と同様の効果を奏する。
(第9実施形態)
本発明の第9実施形態による半導体モジュールを図21に示す。図21(a)は図17(a)と対応する図であり、図21(b)は図21(a)のb4方向矢視図である。
図21に示すように、半導体モジュール944は、モータ30の軸方向と平行な幅広側面195から略垂直に突設される巻線用端子840を有している。モータ30において半導体モジュール944が縦配置されたとき、巻線用端子840はモータ30の軸方向と略垂直である。また巻線用端子840は、バスバー16、17と略垂直である。巻線用端子840は、樹脂部11の幅方向(図21(a)における横方向)の中心からずれて設けられている。本実施形態では、巻線用端子840は、折り曲げる前の状態において、略直線状に形成されている。
巻線用端子840は、電子回路内蔵型モータにおいて、側面111、112がモータ30の軸と略垂直となるよう縦配置されたとき、折り曲げられて、巻線205の取出線206を挟持する。巻線用端子840は、中間部842および挟持部844から構成される。挟持部844は、樹脂部11側に開口する方向に折り曲げられ、取出線206を挟持し、電気的に接続する。これにより、巻線用端子840と取出線206とは、直接的に接続される。図21(b)に示すように、巻線用端子840は、折り曲げられて全体として軸方向視J字形状をなす。
このように構成することにより、上記第1実施形態と同様の効果を奏する。
<コンデンサの配置>
上記第1実施形態では、コンデンサ701〜706は、半導体モジュール501〜506の径方向内側に配置していたが、コンデンサを半導体モジュールの径方向外側に配置してもよい。以下、具体例を第10実施形態〜第12実施形態に示す。
(第10実施形態)
本発明の第10実施形態による電子回路内蔵型モータを図22〜図24に示す。図22は電子回路内蔵型モータ2の平面図であり、図23は図22の矢印K方向に見た側面図であり、図24は斜視図である。なお、図中では、カバー、プリント基板、およびバスバーを省略した。
図22に示すように、電子回路内蔵型モータ2は、6つの半導体モジュール531、532、533、534、535、536を備えている。
半導体モジュール531〜536は、モータケース101の端部106からシャフト401の中心線方向と同方向へ立設されたヒートシンク671に対し取り付けられている。
そこでヒートシンク671について説明しておく。
ヒートシンク671は、図22に示すように、軸方向に垂直な断面における形状が略台形状の2つの柱状部材がシャフト401の中心線を挟むよう並べられ、さらに、中心に円柱形状の空間が形成されるように所定半径部分を切り欠いた形状となっている。このとき、上記形態のヒートシンク601(図5参照)との違いは、径方向外側の壁面がモータケース101から離れるに従ってシャフト401の中心線から遠ざかるように傾斜していることである。言い換えれば、ヒートシンク671は、全体として見ると、底面に平行な面である頂面がモータケース101側に位置する角錐台のような形状となっている。ヒートシンク671は、シャフト401の中心線の周りに側壁672を有している。側壁672には、不連続部分を構成する2つの切欠部673、674が設けられている。
また、ヒートシンク671の側壁672は、径外方向へ向く6つの側壁面675を有している。側壁面675は、傾斜している。
以上のように形成されたヒートシンク671に対し、半導体モジュール531〜536は、径外方向を向く側壁面675に配置されている。半導体モジュール531〜536は、その放熱面が側壁面675に接触するように配置されている。このとき、側壁面675は平面であり、これに合わせて、半導体モジュール531〜536の放熱面も平面となっている。
また、半導体モジュール531〜536は、上述のごとくヒートシンク671の側壁面675に配置されることで、シャフト401の中心線に対し傾斜して配置されている。
さらにまた、半導体モジュール531〜536は、モータケース101側の端部に、巻線用端子508を有している(図23、図24参照)。また、半導体モジュール531〜536は、反モータケース101側の端部に、6本の制御用端子509と、2本のコンデンサ用端子510とを有している(図23、図24参照)。これらの点については、上記形態と同様である。本実施形態の巻線用端子508、制御用端子509、および、コンデンサ用端子510の配置等は、第1実施形態と略同様である。
図22等に示すように、半導体モジュール531〜536に対し、ヒートシンク671の反対側に、6つのコンデンサ701、702、703、704、705、706が配置されている。
コンデンサ701〜706は、半導体モジュール531〜536に対して一つずつ、半導体モジュール531〜536の近傍に配置されている。コンデンサ701〜706は円柱形状を呈し、半導体モジュール531〜536に沿って傾斜している。また、半導体モジュール531〜536の有するコンデンサ用端子510が径外方向へ折り曲げられていることで、この折り曲げられたコンデンサ用端子510に対し、コンデンサ701〜706の端子が、直接的に接続されている(図24参照)。
また、シャフト401が貫通した状態で、チョークコイル52が配置されている(図22参照)。チョークコイル52はドーナツ状の鉄心にコイル線が巻回されてなる。チョークコイル52のコイル端は、ヒートシンク671の一方の切欠部673から径外方向へ引き出されている。
次に、本形態の電子回路内蔵型モータ2が発揮する効果について説明する。
本形態の電子回路内蔵型モータ2によっても、上記第1実施形態と同様の効果が奏される。
特に本形態の電子回路内蔵型モータ2では、半導体モジュール531〜536が傾斜して配置されているため、軸方向の体格を一層小さくすることができる。
また、モータケース101の端部106から離間するに連れてシャフト401の中心線から遠ざかるようにヒートシンク671の側壁面675が傾斜しているため、モータケース101の端部106に、スペースを確保することができる。
さらにまた、本形態の電子回路内蔵型モータ2では、半導体モジュール531〜536に対しヒートシンク671の反対側にコンデンサ701〜706が配置されている。これにより、コンデンサ701〜706用の収容部をヒートシンク671に形成する必要がない。
(第11実施形態)
本発明の第11実施形態による電子回路内蔵型モータを図25〜図27に示す。図25は電子回路内蔵型モータ3の平面図であり、図26は図25の矢印K方向に見た側面図であり、図27は斜視図である。なお、図中では、カバー及びプリント基板を省略した。
本実施形態は、図12に示す第2実施形態の半導体モジュールを具現化したものである。図25に示すように、電子回路内蔵型モータ3は、6つの半導体モジュール541、542、543、544、545、546を備え、半導体モジュール541〜546は、モータケース101の端部106からシャフト401の中心線方向と同方向へ立設されたヒートシンク681に対し取り付けられている。また、半導体モジュール541〜546に対し、6つのコンデンサ701、702、703、704、705、706が「横配置」されている。ここで「横配置」とは、コンデンサ701〜706の軸が、シャフト401の中心線に垂直となっている。
本実施形態では、コンデンサ701〜706がヒートシンク681の反対側に配置されている点である。すなわち、コンデンサ701〜706は、半導体モジュール541〜546の径方向外側に配置されている。この場合、コンデンサ701〜706の端子は、電源ラインを兼ねるバスバー16〜19に直接接続されている。また、半導体モジュール541〜546の反モータケース側には、コンデンサ用端子が設けられておらず、6本の制御用端子509のみが設けられている(図27参照)。なお、巻線用端子508および制御用端子509の配置は、第1実施形態と略同様である。
このように構成することにより、上記第1実施形態および第2実施形態と同様の効果を奏する。
特に本形態の電子回路内蔵型モータ3では、コンデンサ701〜706が半導体モジュール541〜546の近傍に「横配置」されている。また、半導体モジュール541〜546の径方向外側に配置されている。これにより、ヒートシンク681には収容部を形成する必要がない。また、コンデンサ701〜706は、その端子が半導体モジュール541〜546のバスバー16〜19に直接接続されている。これにより、半導体モジュール541〜546とコンデンサ701〜706との配線を極力短くすることができ、コンデンサ701〜706の機能を十分に発揮させることができる。また、コンデンサ用端子を廃止することができるので、より簡素な構成とすることができる。さらにまた、各半導体モジュール541〜546に対し一つずつコンデンサ701〜706を配置する構成であるため、コンデンサ701〜706の容量を比較的小さくすることができ、コンデンサ701〜706自体の体格を抑えることができる。
(第12実施形態)
本実施形態は、図14に示す第4実施形態の半導体モジュールを具現化したものである。本形態の第12実施形態による電子回路内蔵型モータを図28〜図30に基づいて説明する。図28は電子回路内蔵型モータ4の平面図であり、図29は図28の矢印K方向に見た側面図であり、図30は斜視図である。なお、図中では、カバー及びプリント基板を省略した。
図28に示すように、電子回路内蔵型モータ4は、6つの半導体モジュール591、592、593、594、595、596を備えている。これら半導体モジュール591〜596を区別する場合、図28中の記号を用い、U1半導体モジュール591、V1半導体モジュール592、W1半導体モジュール593、U2半導体モジュール594、V2半導体モジュール595、W2半導体モジュール596と記述することとする。
ここで、U1〜W1の3つの半導体モジュール591〜593、及び、U2〜W2の3つの半導体モジュール594〜596は、バスバー16〜19で連結されてモジュールユニットを形成している。バスバー16〜19が連結機能を有すると共に電源ラインを兼ねることは、上記形態と同様である。
次に、半導体モジュール591〜596の配置について説明する。
半導体モジュール591〜596は、モータケース101の端部106からシャフト401の中心線方向と同方向へ立設されたヒートシンク951に対し取り付けられている。
そこでヒートシンク951について説明しておく。
ヒートシンク951は、図28に示すように、軸方向に垂直な断面における形状が略六角柱形状であり、内部には、円柱形状の空間が形成されている。ヒートシンク951の側壁952には、不連続部分を形成する切欠部953が形成されている。また、側壁952は、軸方向に垂直な断面における形状が略六角柱形状であることから、径外方向へ向く側壁面955を、円周方向に計6つ有している。
以上のように形成されたヒートシンク951に対し、半導体モジュール591〜596は、径外方向を向く側壁面955に一つずつ配置されている。ここで、半導体モジュール591〜596は、その放熱面が側壁面955に接触するように配置されている。このとき、側壁面955は平面で構成されており、これに合わせて、半導体モジュール591〜596の放熱面も平面となっている。
半導体モジュール591〜596は、上述のごとくヒートシンク951の側壁面955に配置されることで、ちょうど半導体チップ面の垂線がシャフト401の中心線に垂直となっている。
半導体モジュール591〜596は、モータケース101側の端部に、コンデンサ用端子510を有している。また、半導体モジュール591〜596は、反モータケース101側の端部に、9本の制御用端子509を有している(図30参照)。本実施形態では、半導体モジュール591〜596においてそれぞれ2本ずつ設けられているコンデンサ用端子510の一方は、折り曲げられて対応するコンデンサ701〜706のプラス端子を挟持し、接続する。また、コンデンサ用端子510の他方は、折り曲げられて対応するコンデンサ701〜706のマイナス端子を挟持し、接続する。具体的には、コンデンサ用端子510は、樹脂部11からモータケース101方向に突出し、径方向外側に折り曲げられる。また、コンデンサ用端子510の先端部は、径方向内側に開口するように折り返され、取出線206を挟持している。本実施形態においては、コンデンサ用端子510は、軸方向視J字形状に折り曲げられている。
なお、本実施形態においては、巻線用端子508およびコンデンサ用端子510と、制御用端子509とは、樹脂部11を挟んで反対方向に突設されている。また、巻線用端子508、制御用端子509、および、コンデンサ用端子510は、いずれもバスバー16、17と直交する方向に突設されている。
図28等に示すように、半導体モジュール591〜596に対し、ヒートシンク951の反対側に、6つのコンデンサ701、702、703、704、705、706が配置されている。すなわち、コンデンサ701〜706は、半導体モジュール591〜596の径方向外側に配置されている。これらコンデンサ701〜706は、専用の取り付け金具721を用いて取り付けられている。
コンデンサ701〜706は、半導体モジュール591〜596に対して一つずつ、半導体モジュール591〜596の近傍に配置されている。コンデンサ701〜706は円柱形状を呈し、その軸がシャフト401の中心線に平行となるように配置されている。また、半導体モジュール591〜596の有するコンデンサ用端子510に対し、コンデンサ701〜706の端子が、直接的に接続されている。
また、シャフト401が貫通した状態で、チョークコイル52が配置されている。チョークコイル52はドーナツ状の鉄心にコイル線が巻回されてなる。ここで、チョークコイル52のコイル端は、ヒートシンク951の一方の切欠部953から径外方向へ引き出されている(図28参照)。
このように構成することにより、上記第1実施形態および第4実施形態と同様の効果を奏する。
特に本形態の電子回路内蔵型モータ4では、半導体モジュール591〜596に対し半導体モジュール591〜596の径方向外側にコンデンサ701〜706が配置されている。これにより、コンデンサ701〜706用の収容部をヒートシンク951に形成する必要がない。
(他の実施形態)
上記実施形態では、第1バスバー及び第2バスバーにより、3つの半導体モジュールが連結されていたが、半導体モジュールが複数連結されず、1つの半導体モジュールによって構成してもよい。また、用途に応じて任意の数の半導体パッケージを連結することができる。例えば、巻線の組数に応じ、巻線組数に対応する個数の半導体パッケージを連結してもよい。また、半導体モジュール毎に、端子の位置や数は任意に変えることができる。
上記実施形態では、半導体モジュール501〜506は、モータ軸線に対して縦配置されていたが、半導体モジュールの配置は縦配置に限らず、横配置にしてもよい。ここで「横配置」とは、半導体チップ面の垂線がシャフト401の中心線と平行となるように配置することをいう。例えば、第1実施形態においてモータケース101の端部からシャフト401の中心線方向に立設されたヒートシンク601がない状態において、モータケース101の軸方向の端部106に半導体モジュール501〜506の放熱面を接触させ配置する。
上記実施形態では、車両の電動パワーステアリング装置の電子回路内蔵型モータに本発明の連結半導体パッケージを適用した例を説明したが、車両の電動パワーステアリング装置の電子回路内蔵型モータに限らず、他の用途にも適用することができる。特に、スイッチング素子のように、半導体パッケージに大きな電流を通電する必要がある用途に特に好適に用いられる。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
1:電子回路内蔵型モータ、10、20:連結半導体モジュール、11:樹脂部、16:第1バスバー、17:第2バスバー、18:第1バスバー、19:第2バスバー、23、24:ランド、30:モータ、50:パワー部、51:電源、56〜58:コンデンサ、61〜66:FET(スイッチング素子)、101:モータケース、111:側面(コンデンサ用端子突設面)、112:側面(巻線用端子突設面)、113:突設面(コンデンサ用端子突設面、巻線用端子突設面)161、171:露出部、162、172:屈曲部、201:ステータ、205:巻線、206:取出線、301:ロータ、311、341:先端部、312、342:切欠部、313、343:折曲部、401:シャフト、501〜506:半導体モジュール、508:巻線用端子、509:制御用端子、510:コンデンサ用端子、511:第1端子、514:第2端子、562、565:半導体チップ、569:放熱部、601:ヒートシンク、701〜706:コンデンサ、801:プリント基板

Claims (22)

  1. モータの駆動に係る巻線への通電を切り換えるスイッチング素子を有する半導体チップと、
    前記半導体チップを搭載するランドと、
    前記半導体チップを封止し、前記ランドを埋設する樹脂部と、
    前記樹脂部に突設され、前記巻線と直接接続される巻線用端子と、
    前記樹脂部に突設され、前記巻線への通電を制御する制御部を有する基板と接続される制御用端子と、
    を備え、
    前記巻線用端子と前記制御用端子とは、前記樹脂部の異なる面に設けられることを特徴とする半導体モジュール。
  2. 前記巻線用端子と前記制御用端子とは、前記樹脂部を挟んで反対方向に突設されることを特徴とする請求項1に記載の半導体モジュール。
  3. 前記巻線用端子と前記制御用端子とは、前記樹脂部の隣り合う面に設けられることを特徴とする請求項1に記載の半導体モジュール。
  4. 前記樹脂部から突設され、前記樹脂部の外部に設けられるコンデンサと直接接続されるコンデンサ用端子を備えることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  5. 前記巻線用端子と前記コンデンサ用端子とは、前記樹脂部の対向する面に設けられることを特徴とする請求項4に記載の半導体モジュール。
  6. 前記巻線用端子と前記コンデンサ用端子とは、前記樹脂部の隣り合う面に設けられることを特徴とする請求項4に記載の半導体モジュール。
  7. 前記巻線用端子と前記コンデンサ用端子とは、前記樹脂部の同一面の両端から突設され、
    前記コンデンサは、前記樹脂部の幅狭側面に配置されることを特徴とする請求項4に記載の半導体モジュール。
  8. 前記巻線用端子と前記コンデンサ用端子とは、前記樹脂部の同一面から突設され、
    前記コンデンサは、前記樹脂部の幅広側面に配置されることを特徴とする請求項4に記載の半導体モジュール。
  9. 前記コンデンサ用端子は、第1端子と第2端子とを有し、
    前記第1端子は、前記コンデンサのプラス端子に接続され、
    前記第2端子は、前記コンデンサのマイナス端子に接続されることを特徴とする請求項4〜8のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  10. 前記コンデンサ用端子は、先端部にU字状に切り欠かれた切欠部を有することを特徴とする請求項4〜9のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  11. 前記樹脂部に埋設される埋設部、および、前記樹脂部から露出する露出部を有し、前記露出部が他の半導体モジュールの樹脂部に埋設された埋設部と連続的に一体形成されることで前記他の半導体モジュールと連結する連結部材を備えることを特徴とする請求項4〜10のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  12. 前記コンデンサ用端子は、前記連結部材と直交する方向に設けられることを特徴とする請求項11に記載の半導体モジュール。
  13. 前記連結部材は、前記コンデンサ用端子を構成することを特徴とする請求項11に記載の半導体モジュール。
  14. 前記巻線用端子は、前記連結部材と直交する方向に設けられることを特徴とする請求項11〜13のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  15. 前記樹脂部に埋設される埋設部、および、前記樹脂部から露出する露出部を有し、前記露出部が他の半導体モジュールの樹脂部に埋設された埋設部と連続的に一体形成されることで前記他の半導体モジュールと連結する連結部材を備え、
    前記巻線用端子は、前記連結部材と直交する方向に設けられることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  16. 前記巻線用端子は、前記半導体チップの面と垂直な前記樹脂部の面である突設面から突設される垂下部、前記垂下部から折り曲げられて形成される中間部、前記突設面から前記垂下部が突設される方向と反対方向に前記中間部から立ち上がる起立部、および前記起立部の先端にて折り曲げられて前記巻線を挟持するU字形状に形成された挟持部を有することを特徴とする請求項1〜15のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  17. 前記垂下部は、前記樹脂部の幅方向における中心からずれて設けられていることを特徴とする請求項16に記載の半導体モジュール。
  18. 前記ランドは、前記半導体チップの搭載される搭載面と反対方向に突出し、前記樹脂部から露出する放熱部を有することを特徴とする請求項1〜17のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  19. 前記放熱部は、前記巻線と電気的に接続されることを特徴とする請求項18に記載の半導体モジュール。
  20. 前記放熱部は、前記巻線を挿入する溝部を有することを特徴とする請求項19に記載の半導体モジュール。
  21. 外郭を形成する筒状のモータケース、当該モータケースの径内側に配置され複数相を構成するよう巻線が巻回されたステータ、当該ステータの径内側に配置されるロータ、当該ロータと共に回転するシャフト、及びモータの駆動に係る複数相の巻線に流れる巻線電流を切り換えるスイッチング素子を有する半導体モジュールを備える電子回路内蔵型モータであって、
    前記半導体モジュールは、前記スイッチング素子を構成する半導体チップ、前記半導体チップが搭載されるランド、前記半導体チップを封止するとともに前記ランドを埋設する樹脂部、前記樹脂部から突設され前記巻線と直接接続される巻線用端子、及び前記樹脂部から突設され前記巻線への通電を制御する制御部を有する基板と接続される制御用端子を有し、
    前記巻線用端子と前記制御用端子とは、前記樹脂部の異なる面に設けられることを特徴とする電子回路内蔵型モータ。
  22. 前記モータケース、前記半導体モジュール、及び前記基板は、この順で配列され、
    前記制御用端子と前記巻線用端子とは、前記樹脂部を挟んで反対方向に突設されることを特徴とする請求項21に記載の電子回路内蔵型モータ。
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