JP2011250488A - インバータ装置、及び、それを用いた駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ブリッジ回路を構成する複数のパワー素子の放熱性を向上するインバータ装置を提供する。
【解決手段】モータを駆動する２系統の三相交流インバータ装置において、ブリッジ回路の電源側のパワー素子は、ユニットベース７１に搭載されて上アームユニット５０、６０を構成する。ブリッジ回路のグランド側のパワー素子は、ユニットベース７１に搭載されて下アームユニット５９、６９を構成する。上アームユニット５０、６０と、下アームユニット５９、６９とは、ヒートシンク８０の放熱ブロック８１１、８１２の上面８２１、８２２および外側面８３１、８３２に分離して配置される。これにより、複数のパワー素子が発生する熱は、互いに干渉することなく破線矢印Ｈに示すようにヒートシンク８０に放出される。
【選択図】図１３

Description

本発明は、直流電力から複数相の交流電力を生成するインバータ装置、及び、それを用いた駆動装置に関する。

従来、運転者による操舵をアシストする電動式パワーステアリング装置が知られている。この電動式パワーステアリング装置においてモータの駆動を制御するコントローラとして、直流電力から交流電力を生成するインバータ装置が利用される。インバータ装置は、トランジスタ等の半導体パワー素子、抵抗器、コンデンサ等の電子部品がパワー基板に搭載されて構成されている。例えば、特許文献１、２には、電動式パワーステアリング制御装置に適用され、インバータ装置に相当する「コントロールユニット」および「電力変換装置」が開示されている。

特開２００４−２３７８３２号公報 特開２００８−０２９０９３号公報

特許文献１に記載の電動パワーステアリング用コントロールユニットでは、パワー基板（駆動基板）と制御基板とが互いに直交状態に配置して設けられる。しかし、パワー基板自体は一平面に形成されており、一平面上に複数のパワー素子（半導体スイッチング素子）が実装されている。そのため、隣接するパワー素子同士が発生する熱が互いに干渉し、放熱が阻害される。したがって、パワー素子の温度上昇による故障や誤動作を招くおそれがある。

特許文献２に記載の電力変換装置では、ブリッジ回路１組につき１つのユニット（パワースイッチングデバイス群）が構成されている。例えば三相交流を生成するためのブリッジ回路では３組のユニットを含むこととなる。また、三相交流を生成する回路が２系統の場合は６組のユニットを含むこととなり、ユニット数が増大する。

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、ブリッジ回路を構成する複数のパワー素子の放熱性を向上するインバータ装置、及び、それを用いた駆動装置を提供することにある。

請求項１に記載のインバータ装置は、直流電力から複数相の交流電力を生成するインバータ装置であって、複数のパワー素子、ヒートシンク、制御配線部およびパワー配線部を備える。
複数のパワー素子は、ブリッジ回路を構成する。ヒートシンクは、複数のパワー素子が搭載され複数のパワー素子が発生する熱を受容可能である。制御配線部は、複数のパワー素子に制御信号を出力する。パワー配線部は、複数のパワー素子に通電される電流を入出力する。
そして、複数のパワー素子は、本体部の一方の側から延びてパワー配線部に電気的に接続されるリード部を設けている。また、ブリッジ回路の電源側の複数のパワー素子が集合してなる上アームユニットと、ブリッジ回路のグランド側の複数のパワー素子が集合してなる下アームユニットとが分離して配置される。

複数のパワー素子がヒートシンクに搭載され、また、上下アームユニットが分離して配置されるため、パワー素子が発生する熱が互いに干渉することなくヒートシンクに放出される。よって、パワー素子の放熱性を向上することができ、パワー素子の温度上昇による故障や誤動作を防止することができる。
ここで「パワー素子」には、ブリッジ回路を構成するスイッチング用パワー素子の他、電源ラインとブリッジ回路との間に接続され、ブリッジ回路への電流供給を遮断して回路を保護するための電源リレー用パワー素子等が含まれてもよい。本発明では、少なくともブリッジ回路の上下アームを構成するスイッチング用パワー素子が、上アームユニットと下アームユニットとに分離して配置される。

三相交流を生成するインバータ装置において、特許文献２記載の従来技術では、６個のスイッチング用パワー素子は、２個のスイッチング用パワー素子からなるユニットを相毎に３組構成する。これに対し本発明では、６個のスイッチング用パワー素子を上アームユニットと下アームユニットとに分離することで３個のスイッチング用パワー素子からなるユニットを２組構成し、ユニット数を減少することができる。さらに、インバータ装置が２系統の三相インバータ回路を含む場合は、従来技術に対し、ユニット数を６組から４組に減少することができる。

また、１系統の三相インバータ回路につき電源リレー用パワー素子がさらに２個使用される場合、１個の電源リレー用パワー素子を上アームユニットに含み、もう１個の電源リレー用パワー素子を下アームユニットに含むことで、上アームユニットおよび下アームユニットを、それぞれ４個のパワー素子で構成することができる。

請求項２に記載の発明では、上アームユニットおよび下アームユニットは、パワー素子のリード部がパワー配線部に向くように配置される。すると必然的に、上アームユニットのパワー素子のリード部と下アームユニットのパワー素子のリード部とは、互いに近接する方向に向くことになる。
これにより、上下アームのパワー素子間の配線距離、及び、パワー素子と電源、グランド、生成電圧等との配線距離を短縮することができる。したがって、配線インピーダンスを低減することができる。よって、インバータ装置の電力ロスを低減することができる。

請求項３に記載の発明では、上アームユニットと下アームユニットとは、ヒートシンクの異なる面上に搭載される。
これにより、上アームユニットおよび下アームユニットを同一平面上に並べて設ける場合に比べ、上下アームユニットが占めるスペースを立体的に集約し、投影面積を縮小することができる。その結果空いたスペースに、例えばチョークコイルや電解コンデンサ等の電子部品を配置してスペースを有効に利用することにより、インバータ装置を小型化することができる。

請求項４に記載の発明では、さらに、上アームユニットと下アームユニットとは、ヒートシンクの互いに隣接する面上に搭載される。
これにより、上下アームユニットを特に近接させることができる。したがって、上下アーム間の配線距離を短縮することができ、配線インピーダンスを低減することができる。よって、インバータ装置の電力ロスを低減することができる。また、インバータ装置を小型化することができる。

請求項５に記載の発明では、上アームユニットと下アームユニットとは、ヒートシンクの互いに直交する面上に搭載される。この場合、請求項６に記載の発明では、パワー配線部は平板状のパワー基板によって構成され、上アームユニットと下アームユニットとは、一方がパワー基板に平行な面に搭載され、他方がパワー基板に垂直な面に搭載される。

例えばヒートシンクの外郭が略直方体に形成される場合、略直方体の上面と側面とは、互いに隣接し、かつ互いに直交する。また、上面はパワー基板と平行になり、側面はパワー基板と垂直になる。そして、上面に上アームユニットが搭載され、側面に下アームユニットが搭載される。このようにヒートシンクの外郭を略直方体に形成することで、インバータ装置の設計および加工が容易となる。

請求項７に記載の発明では、上アームユニットおよび下アームユニットは、複数のパワー素子が平板状のユニットベース上に搭載されて構成される。
上下アームユニットをサブアセンブリとすることにより、インバータ装置の組立工程を簡略化することができる。

請求項８に記載の発明では、ユニットベースは、熱伝導性材料で形成されヒートシンクに当接する放熱層を有する。
これにより、パワー素子の放熱効果が一層増大する。
請求項９に記載の発明では、ユニットベースは、複数のパワー素子同士を絶縁するための絶縁層を有する。
一般に、市販の汎用パワー素子は、基板に実装される側の面にドレイン電極が露出している。そこで、ユニットベースが絶縁層を有しドレイン電極が絶縁層に当接することで、汎用パワー素子を使用する場合でもパワー素子同士の短絡を防ぐことができる。

請求項１０に記載の発明では、上アームユニットおよび下アームユニットは、複数のパワー素子が一体に樹脂モールドされたパワーモジュールとして構成される。
これにより、部品点数を削減することができ、インバータ装置の組立工程を簡略化することができる。

請求項１１に記載の発明は、駆動装置に係る発明である。この駆動装置は、複数相を構成するように巻線が巻回されるステータ、ステータの径内方向に該ステータに対し相対回転可能に配置されるロータ、及び、ロータの軸方向の一方の側に設けられる請求項１〜１０のいずれか一項に記載のインバータ装置を備える。
本発明のインバータ装置は、パワー素子の放熱性を向上することができるため、例えば電動パワーステアリング装置用の高出力モータ駆動装置として適用されると特に有効である。

本発明の第１実施形態の電動パワーステアリング装置の構成を説明する概略構成図である。 本発明の第１実施形態による駆動装置の断面図である。 本発明の第１実施形態による駆動装置の平面図である。 カバーを取り外した状態の図３のＩＶ方向矢視図である。 本発明の第１実施形態による駆動装置の分解斜視図である。 本発明の第１実施形態によるインバータ装置の平面図である。 図６のＶＩＩ方向の矢視図である。 図６のＶＩＩＩ方向の矢視図である。 本発明の第１実施形態によるインバータ装置の斜視図である。 本発明の第１実施形態によるインバータ装置の底面斜視図である。 本発明の第１実施形態によるインバータ装置のヒートシンクに上下アームユニットを搭載した状態の平面図である。 図１１のＸＩＩ方向の矢視図である。 （ａ）：図１１のＸＩＩＩ方向の矢視図である。（ｂ）：（ａ）の要部模式図である。 本発明の第１実施形態によるインバータ装置のヒートシンクに上下アームユニットを搭載した状態の斜視図である。 本発明の第１、第２実施形態によるインバータ装置に用いられるパワー素子の（ａ）平面図、（ｂ）側面図である。 本発明の第１実施形態によるインバータ装置のパワー基板アセンブリの底面図である。 図１６のＸＶＩＩ方向の矢視図である。 本発明の第１実施形態によるインバータ装置のパワー基板アセンブリの斜視図である。 本発明の第２実施形態によるインバータ装置の斜視図である。 本発明の第２実施形態によるインバータ装置のヒートシンクに上下アームユニットを搭載した状態の（ａ）側面図、（ｂ）要部模式図である。 本発明の第２実施形態によるインバータ装置のヒートシンクに上下アームユニットを搭載した状態の斜視図である。 本発明の第３実施形態によるインバータ装置のヒートシンクに上下アームユニットを搭載した状態の（ａ）平面図、（ｂ）側面図である。 本発明の第３実施形態によるインバータ装置のヒートシンクに上下アームユニットを搭載した状態の斜視図である。 本発明の第３実施形態によるインバータ装置の要部模式図である。 比較例のインバータ装置の模式図である。

以下、本発明によるインバータ装置および駆動装置を図面に基づいて説明する。なお、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。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態によるインバータ装置、及び、それを用いた駆動装置を図１〜図１８に示す。本実施形態の駆動装置１は、電動パワーステアリング装置に適用される。駆動装置１は、モータ２およびインバータ装置４を備える。インバータ装置４は、制御基板アセンブリ９０、ヒートシンク８０、ヒートシンク８０に搭載される複数のパワー素子、及びパワー基板アセンブリ４０等から構成されている。制御基板アセンブリ９０は特許請求の範囲に記載の「制御配線部」に相当し、パワー基板アセンブリ４０は特許請求の範囲に記載の「パワー配線部」に相当する。

最初に、電動パワーステアリング装置の電気的構成を図１に基づいて説明する。ここで説明する電気的構成は、以下の実施形態にも共通する。
図１に示すように、駆動装置１は、車両のステアリング５の回転軸であるコラム軸６に取り付けられたギア７を介しコラム軸６に回転トルクを発生させ、ステアリング５による操舵をアシストする。具体的には、ステアリング５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６に生じる操舵トルクをトルクセンサ８によって検出し、また、車速情報を図示しないＣＡＮ（Controller Area Network）から取得して、運転者のステアリング５による操舵をアシストする。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５の操作を自動制御することも可能である。

モータ２は、ギア７を正逆回転させるブラシレスモータである。モータ２は、インバータ装置４により電流の供給および駆動が制御される。インバータ装置４は、モータ２の駆動電流が通電されるパワー部４００、および、パワー部４００の駆動を制御する制御部９００から構成される。

パワー部４００は、バッテリ９から電源ラインに介在するチョークコイル４４、電解コンデンサ４３、および、２系統のインバータ回路５００、６００を有している。第１系統のインバータ回路５００と第２系統のインバータ回路６００とは同様の構成であるので、第１系統のインバータ回路５００を代表として説明する。
なお、インバータ装置４が２系統のインバータ回路を含むことにより、駆動装置１は、１系統が故障した場合でも他の１系統で駆動を継続することができる。

インバータ回路５００は、８個のパワー素子５１〜５８を含む。６個のパワー素子５１〜５６は、スイッチング用のパワー素子であり、三相のブリッジ回路を構成する。
２個のパワー素子５７、５８は、電源リレー用のパワー素子である。パワー素子５７、５８は、バッテリ９とブリッジ回路の電源側である電源ラインとの間に設けられる。パワー素子５７、５８は、寄生ダイオードが互いに逆向きに設けられる。パワー素子５７、５８は、駆動装置１の異常時に制御部９００からの指令によりオフし、ブリッジ回路を経由してモータ２側へ流れる電流等を遮断する。
パワー素子５１〜５８は、例えばＭＯＳ電解効果トランジスタである。特に本実施形態では、パワー素子５１〜５８として市販の汎用ＭＯＳが使用されることを想定している。なお、第２系統のインバータ回路６００では、パワー素子６１〜６８（図１１等参照）がパワー素子５１〜５８に対応する。

スイッチング用パワー素子５１〜５６は、ゲート電位により、ソース−ドレイン間がオン（導通）またはオフ（遮断）される。パワー素子５１、５３、５５は、ドレインが電源ラインに接続され、ソースがそれぞれパワー素子５２、５４、５６のドレインに接続されている。パワー素子５２、５４、５６のソースは、グランドに接続されている。パワー素子５１、５３、５５とパワー素子５２、５４，５６との接続点は、それぞれモータ２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相コイルに接続されている。

シャント抵抗４６は、グランド側のパワー素子５２、５４、５６とグランドとの間に電気的に接続される。シャント抵抗４６に印加される電圧または電流を検出することにより、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルに通電される電流を検出する。

チョークコイル４４および電解コンデンサ４３は、バッテリ９と電源リレー８７との間に電気的に接続されている。チョークコイル４４および電解コンデンサ４３は、フィルタ回路を構成し、バッテリ９を共有する他の装置から伝わるノイズを低減する。また、駆動装置１からバッテリ９を共有する他の装置へ伝わるノイズを低減する。

１系統につき２個の電解コンデンサ４５は、電源ラインとグランドラインとの間に、電源側パワー素子５１、５３、５５、グランド側パワー素子５２、５４、５６およびシャント抵抗４６と並列に接続されている。電解コンデンサ４５は、電荷を蓄え、パワー素子５１〜５６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。

制御部９００は、プリドライバ９１、カスタムＩＣ９２、位置センサ９３およびマイコン９４を備えている。カスタムＩＣ９２は、機能ブロックとして、レギュレータ部９５、位置センサ信号増幅部９６および検出電圧増幅部９７を含む。

レギュレータ部９５は、電源を安定化する安定化回路である。レギュレータ部９５は、各部へ供給される電源を安定化する。例えばマイコン９４は、このレギュレータ部９５により、安定した所定電圧（例えば５Ｖ）で動作する。

位置センサ信号増幅部９６には、位置センサ９３からの信号が入力される。位置センサ９３は、モータ２の回転位置信号を検出し、検出された回転位置信号は、位置センサ信号増幅部９６に送られる。位置センサ信号増幅部９６は、回転位置信号を増幅してマイコン９４へ出力する。
検出電圧増幅部９７は、シャント抵抗４６の両端電圧を検出し、当該両端電圧を増幅してマイコン９４へ出力する。

マイコン９４には、モータ２の回転位置信号、および、シャント抵抗４６の両端電圧が入力される。また、マイコン９４には、コラム軸６に取り付けられたトルクセンサ８から操舵トルク信号が入力される。さらにまた、マイコン９４には、ＣＡＮを経由して車速情報が入力される。マイコン９４は、操舵トルク信号および車速情報が入力されると、ステアリング５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てプリドライバ９１を介してインバータ回路５００を制御する。具体的には、マイコン９４は、プリドライバ９１を介してパワー素子５１〜５６のオン／オフを切り替えることにより、インバータ回路５００を制御する。つまり、パワー素子５１〜５６のゲートがプリドライバ９１の６つの出力端子に接続されているため、プリドライバ９１によりゲート電圧を変化させることにより、パワー素子５１〜５６のオン／オフを切り替える。

また、マイコン９４は、検出電圧増幅部９７から入力されるシャント抵抗４６の両端電圧に基づき、モータ２へ供給する電流を正弦波に近づけるべくインバータ回路５００を制御する。

次に、インバータ装置４および駆動装置１の構造について、図２〜図１８に基づいて説明する。図２〜図５は、駆動装置１の全体を示した図であり、図６〜図１０は、インバータ装置４を示した図である。図１１〜図１４は、ヒートシンク８０および複数のパワー素子を示した図であり、図１６〜図１８は、パワー基板アセンブリ４０を示した図である。
本実施形態の駆動装置１は、モータ２の軸方向の端面１３側にインバータ装置４が設けられており、モータ２とインバータ装置４とが積層構造になっている。

まず、モータ２について説明する。モータ２は、モータケース１０、ステータ２０、ロータ３０、シャフト３５等を備えている。
モータケース１０は、鉄等により筒状に形成される。モータケース１０のインバータ装置４と反対側の端部には、アルミニウムにより形成されるフレームエンド１４がねじ等により固定される。モータケース１０のインバータ装置４側の端部の軸中心には、開口１１が設けられている。開口１１には、シャフト３５が挿通される。
モータケース１０のインバータ装置４側の端部には、樹脂ガイド１６が設けられる。樹脂ガイド１６は、略環状に形成され、中心部が開口している。また、樹脂ガイド１６には、６つの孔１７が設けられる。

モータケース１０の径方向内側には、ステータ２０が配置される。ステータ２０は、モータケース１０の径方向内側に突出する１２個の突極２１を有している。突極２１は、モータケース１０の周方向に所定間隔で設けられている。巻線２６は、図示しないインシュレータに巻回され、Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相の三層巻線を構成している。

モータ線２７は、巻線２６の６箇所から引き出されている。モータ線２７は、樹脂ガイド１６に設けられる６つの孔１７に挿通される。これにより、モータ線２７は、樹脂ガイド１６により位置決めされるとともに、モータケース１０との絶縁が確保される。また、モータ線２７は、インバータ装置４側へ引き出され、ヒートシンク８０の径方向外側を通ってパワー基板４１に接続される。

ステータ２０の径方向内側には、ロータ３０がステータ２０に対して相対回転可能に設けられる。ロータ３０は、例えば鉄等の磁性体材料で筒状に形成される。ロータ３０は、ロータコア３１と、ロータコア３１の径方向外側に設けられる永久磁石３２を有している。永久磁石３２は、Ｎ極とＳ極とが周方向に交互に配列されている。

シャフト３５は、ロータコア３１の軸中心に形成された軸穴３３に固定されている。シャフト３５は、モータケース１０に設けられる軸受１２およびフレームエンドに設けられる軸受１５によって回転可能に支持される。これにより、シャフト３５は、ステータ２０に対し、ロータ３０とともに回転可能となっている。

シャフト３５は、制御基板９８側の端部にマグネット３６を有している。マグネット３６は、制御基板９８に実装される位置センサ９３と対向する位置に配置される。
また、シャフト３５は、制御基板９８と反対側の端部に出力端３７を有している。シャフト３５の出力端３７側には、内部にギア７を有する図示しないギアボックスが設けられる。ギア７は、出力端３７と連結され、シャフト３５の駆動力によって回転駆動される。

次に、インバータ装置４について説明する。インバータ装置４は、モータ２の反ギアボックス側に設けられている。インバータ装置４は、軸方向において、モータ２側から、制御基板アセンブリ９０、ヒートシンク８０および複数のパワー素子、パワー基板アセンブリ４０がこの順で配列されている。

制御基板アセンブリ９０は、図１の制御部９００を構成する各種電子部品が制御基板９８に実装されている。
制御基板９８は、例えばガラスエポキシ基板により形成される。制御基板９８は、モータ２側からねじ８９によってヒートシンク８０に螺着される。

制御基板９８のモータ２側の端面には、プリドライバ９１、カスタムＩＣ９２、位置センサ９３、マイコン９４が実装されている。位置センサ９３は、制御基板９８の略中心に設けられ、シャフト３５のマグネット３６と対向している。位置センサ９３は、シャフト３５とともに回転するマグネット３６による磁界の変化を検出することでシャフト３５の回転を検出する。また、制御基板９８のモータ２と反対側であって、短手側の一側に、制御コネクタ９９が接続されている。制御コネクタ９９は、モータ２の径方向外側から配線を接続可能に設けられ、各種センサからのセンサ情報が入力される。

図１１〜図１４に示すように、アルミニウム等の熱伝導性材料で形成されるヒートシンク８０は、パワー素子５１〜５８、６１〜６８が発生する熱を受容可能な体積を有している。ヒートシンク８０は、対称軸Ｘに対して対称に２つの放熱ブロック８１１、８１２が対峙している。放熱ブロック８１１、８１２は連結部８４で連結されている。

放熱ブロック８１１、８１２のパワー基板４１側の上面８２１、８２２と、放熱ブロック８１１、８１２の径外方向に面する外側面８３１、８３２とは隣接し、かつ直交する。すなわち、上面８２１、８２２は、モータ２の軸方向に対して垂直であり、外側面８３１、８３２は、モータ２の軸方向に対して平行である。

放熱ブロック８１１、８１２の両端寄りに、４個の貫通孔８６がモータ３の軸方向と平行に設けられている。一方の対角線上の貫通孔８６には、２本のねじ８７ｂが挿通されてモータケース１０に螺着される。また、後述するカバー８８から他方の対角線上の貫通孔８６を経由して、２本のねじ８７ａが挿通されてモータケース１０に螺着される。

放熱ブロック８１１の上面８２１および外側面８３１には、それぞれ、後述する上アームユニット５０および下アームユニット５９がねじ７２で取り付けられる。放熱ブロック８１２の上面８２２および外側面８３２には、それぞれ、後述する上アームユニット６０および下アームユニット６９がねじ７２で取り付けられる。

次に、上下アームユニットについて説明する。上下アームユニットは、系統毎にインバータ装置４のブリッジ回路を構成する。第１系統の上アームユニット５０および下アームユニット５９は、図１のインバータ回路５００からシャント抵抗４６を除いた部分に対応する。第２系統の上アームユニット６０および下アームユニット６９は、図１のインバータ回路６００からシャント抵抗４６を除いた部分に対応する。ここでは、第１系統の上アームユニット５０および下アームユニット５９を代表として説明する。第２系統の上アームユニット６０および下アームユニット６９については、第１系統と同様である。

上アームユニット５０は、４個のパワー素子５１、５３、５５、５７およびユニットベース７１から構成される。パワー素子５１、５３、５５は電源側スイッチング素子である。パワー素子５７は電源リレー用パワー素子である。パワー素子５１、５３、５５、５７は、リード部７９の方向が揃うようにユニットベース７１上に並べて搭載される。

下アームユニット５９は、４個のパワー素子５２、５４、５６、５８およびユニットベース７１から構成される。パワー素子５２、５４、５６はグランド側スイッチング素子である。パワー素子５８は電源リレー用パワー素子である。パワー素子５２、５４、５６、５８は、リード部７９の方向が揃うようにユニットベース７１上に並べて搭載される。

各パワー素子５１〜５８は、市販の汎用ＭＯＳである。図１５に示すように、各パワー素子５１〜５８は、半導体チップが樹脂モールドされた本体部７７の一方の側面に３本のリード部７９が延びている。３本のリード部７９は、ゲート７９ｇ、ソース７９ｓ、ドレイン７９ｄである。また、本体部７７の一方の端面にドレイン電極７８が露出している。ドレイン７９ｄとドレイン電極７８とは電気的に短絡している。

ユニットベース７１は、アルミニウム製の金属層７１ｍに樹脂層７１ｐを積層したものである。金属層７１ｍは特許請求の範囲に記載の「放熱層」に相当し、樹脂層７１ｐは特許請求の範囲に記載の「絶縁層」に相当する。
パワー素子５１〜５８がユニットベース７１に搭載される際、ドレイン電極７８が絶縁層７１ｐに当接するようにはんだ付けされる。ドレイン電極７８と金属層７１ｍとは絶縁層７１ｐにより絶縁される。

上アームユニット５０は、ユニットベース７１の金属層７１ｍが放熱ブロック８１１の上面８２１に当接するように取り付けられる。このとき、パワー素子５１、５３、５５、５７のリード部７９は、本体部７７の外側面８３側から略直角に曲げられてパワー基板４１側（図１３の上方）に延びている。
下アームユニット５９は、ユニットベース７１の金属層７１ｍが放熱ブロック８１１の外側面８３１に当接するように取り付けられる。このとき、パワー素子５２、５４、５６、５８のリード部７９は、パワー基板４１側（図１３の上方）に真っ直ぐ延びている。
すなわち、上アームユニット５０と下アームユニット５９とは、パワー素子５１〜５８のリード部７９がパワー基板４１に向き、かつ、リード部７９が互いに近接するように配置されている。

一方、第２系統の上下アームユニット６０、６９は、ヒートシンク８０の対称軸Ｘに対して第１系統の上下アームユニット５０、５９と対称に、ヒートシンク８０の他方の放熱ブロック８１２の上面８２２および外側面８３２に搭載されている。

次に、パワー基板アセンブリ４０について説明する。図１６〜図１８に示すように、パワー基板アセンブリ４０は、チョークコイル４４、電解コンデンサ４３、４個の電解コンデンサ４５およびパワーコネクタ４７がパワー基板４１のモータ２側の面に実装されている。パワー基板アセンブリ４０および上下アームユニット５０、５９、６０、６９は、図１のパワー部４００を構成している。
パワー基板４１は、モータ２の反対側からねじ３９によってヒートシンク８０に螺着されている。

パワー基板４１には、モータ２を駆動する駆動電流が通電されるパワー配線が形成される。第１系統にて例示すると、スイッチング用パワー素子５１、５３、５５を電源ライン側で繋ぐ配線、スイッチング用パワー素子５２、５４、５６をグランド側で繋ぐ配線、電源リレー用パワー素子５８とスイッチング用パワー素子５１、５３、５５とを繋ぐ配線、電源リレー用パワー素子５７とチョークコイル４４および電解コンデンサ４３とを繋ぐ配線等がパワー基板４１に形成されている。

パワー基板４１のスルーホール４１ｈにパワー素子５１〜５８、６１〜６８のリード部７９が挿通され、はんだ付け等により、パワー基板４１とパワー素子５１〜５８、６１〜６８とが電気的に接続される。また、パワー基板４１は、スルーホール４１ｈの外側で、はんだ付け等によりモータ線２７と電気的に接続される。インバータ装置４が生成した交流電力は、モータ線２７を経由して、ステータ２０に巻回された巻線２６へ供給される。

チョークコイル４４、電解コンデンサ４３、４個の電解コンデンサ４５およびパワーコネクタ４７は、ヒートシンク８０の連結部８４とパワー基板４１との間であって放熱ブロック８１１、８１２の間に形成される空間に配置される。すなわち、上下アームユニット５０、５９、６０、６９を搭載するために必要なスペース以外の空間に、これらの電子部品が配置されている。

パワーコネクタ４７は、制御コネクタ９９と反対側に設けられている。パワーコネクタ４７がバッテリ９と接続されることにより、パワー基板４１に電力が供給される。
基板接続ターミナル４２は、パワー基板４１と制御基板９８とを電気的に接続する。制御基板アセンブリ９０から出力される制御信号は、基板接続ターミナル４２およびパワー基板４１を経由してパワー素子５１〜５８、６１〜６８のゲート７９ｇに入力される。

カバー８８は、鉄等の磁性材料で略有底筒状に形成される。カバー８８は、インバータ装置４側から外部へ電解が漏れるのを防ぐとともに、インバータ装置４側へ埃等が入り込むのを防止する。カバー８８は、ねじ８７ａがカバー８８の孔およびヒートシンク８０の貫通孔５６を貫通してモータケース１０に螺着されることにより、ヒートシンク８０およびモータケース１０に固定される。
カバー８８には、制御コネクタ９９およびパワーコネクタ４７と対応する位置に切欠８８ｎが設けられている。パワーコネクタ４７側の切欠８８ｎには、樹脂ガイド１６の凸部１８が嵌合する。

（作動）
次に、インバータ装置４および駆動装置１の作動を説明する。
制御基板アセンブリ９０のマイコン９４は、位置センサ９３、トルクセンサ８、シャント抵抗４６等からの信号に基づき、駆動装置１が車速に応じてステアリング５の操舵をアシストするように、プリドライバ９１を介してＰＷＭ制御により作出されたパルス信号を生成する。

このパルス信号は、基板接続ターミナル４２、パワー基板４１を経由して、スイッチング用パワー素子５１〜５６、６１〜６６に出力され、パワー素子のオン／オフの切り替え動作を制御する。これにより、モータ２の巻線２６の各相に位相のずれた正弦波電流が通電され、回転磁界が生じる。この回転磁界を受けてロータ３０およびシャフト３５が一体となって回転する。そして、シャフト３５の回転により、出力端３７からコラム軸６のギア７に駆動力が出力され、運転者のステアリング５による操舵をアシストする。

スイッチング用パワー素子５１〜５８、６１〜６８が発生する熱は、ユニットベース７１を介してヒートシンク８０へ放熱され、パワー素子５１〜５６、６１〜６６の温度上昇による故障や誤動作が防止される。

（効果）
上記の構成により、第１実施形態のインバータ装置４は以下（１）〜（７）の効果を奏する。
（１）上アームユニット５０、６０、及び、下アームユニット５９、６９が分離して、ヒートシンク８０の放熱ブロック８１１、８１２に配置される。そのため、パワー素子５１〜５８、６１〜６８が発生する熱は、互いに干渉することなく、図１３（ｂ）の破線矢印Ｈに示すように放熱ブロック８１１、８１２に放出される。したがって、パワー素子５１〜５８、６１〜６８の放熱性を向上することができ、温度上昇による故障や誤動作を防止することができる。

（２）２系統の三相インバータ回路を含むインバータ装置において、パワー素子を系統毎に上アームユニットと下アームユニットとに分離しているので、パワー素子を相毎に分離する場合に対し、ユニット数を６組から４組に減少することができる。

（３）上アームユニット５０と下アームユニット５９、及び、上アームユニット６０と下アームユニット６９とは、それぞれ、パワー素子のリード部７９がパワー基板４１に向き、かつ、リード部７９が互いに近接するように配置されている。
これにより、上下アームのパワー素子５１〜５８、６１〜６８間の配線距離、及び、パワー素子５１〜５８、６１〜６８と電源、グランド、生成電圧等との配線距離を短縮することができる。したがって、配線インピーダンスを低減することができる。よって、インバータ装置４の電力ロスを低減することができる。

（４）上アームユニット５０および下アームユニット５９は、ぞれぞれ、放熱ブロック８１１の上面８２１および外側面８３１に配置される。また、上アームユニット６０および下アームユニット６９は、ぞれぞれ、放熱ブロック８１２の上面８２２および外側面８３２に配置される。上アームユニットと下アームユニットとを同一平面ではなく異なる面上に配置することで、上下アームユニットが占めるスペースを立体的に集約し、投影面積を縮小することができる。その結果、放熱ブロック８１１、８１２の間にスペースを設け、チョークコイル４４、電解コンデンサ４３、電解コンデンサ４５等の電子部品を配置してスペースを有効に利用することができる。よって、インバータ装置４を小型化することができる。

（５）放熱ブロック８１１の上面８２１と外側面８３１、及び、放熱ブロック８１２の上面８２２と外側面８３２とは互いに隣接しかつ直交する。これにより、上アームユニット５０、６０と下アームユニット５９、６９とを特に近接して配置させることができる。したがって、上下アーム間の配線距離を短縮することができ、配線インピーダンスを低減することができる。よって、インバータ装置の電力ロスを低減することができる。また、インバータ装置４を小型化することができる。
また、放熱ブロック８１１、８１２を略直方体形状に形成することで、インバータ装置４の設計および加工が容易となる。

（６）上下アームユニット５０、５９、６０、６９をそれぞれユニットベース７１上に設けてサブアセンブリとすることにより、インバータ装置４の組立工程を簡略化することができる。

（７）ユニットベース７１の金属層７１ｍは、パワー素子５１〜５８、６１〜６８からヒートシンク８０への放熱効果を一層増大する。また、ユニットベース７１の樹脂層７１ｐは、パワー素子とユニットベース７１との接触面を絶縁する。よって、ユニットベース７１側の面にドレイン電極７８が露出している汎用パワー素子を使用する場合でもパワー素子同士の短絡を防ぐことができる。

（比較例）
比較例のインバータ装置におけるパワー素子の配置を図２５に示す。
比較例では１６個のパワー素子４８が一枚の基板４９上に集結して配置されている。パワー素子４８が分離して配置されていないため、破線矢印Ｈで示すように、各パワー素子４８が発生する熱が互いに干渉し、放熱が阻害される。したがって、パワー素子４８の温度上昇により故障や誤動作が発生するおそれがある。
また、１６個のパワー素子４８が同一平面上に配置されているため基板４９の面積が大きくなり、インバータ装置全体の体格の大型化を招く。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態によるインバータ装置について図１９〜図２１に基づいて説明する。
第２実施形態のインバータ装置３は、１系統の駆動装置に適用される。ヒートシンク８０の一方の放熱ブロック８１１の外側面８３１には、パワー素子５１〜５４から構成される上アームユニット５０が取り付けられる。ヒートシンク８０の他方の放熱ブロック８１２の外側面８３２には、パワー素子５５〜５８から構成される下アームユニット５９が取り付けられる。このように、上アームユニット５０と下アームユニット５９とは、異なる平面上に配置される。
第２実施形態では、第１実施形態の効果のうち（１）〜（４）、（６）、（７）の効果を奏する。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態によるインバータ装置について図２２〜図２４に基づいて説明する。
第３実施形態のインバータ装置は、２系統の駆動装置に適用される。第１実施形態とは異なり、パワー素子５１〜５８、６１〜６８がユニットベースに搭載されず、それぞれ単独でヒートシンク８０にねじ７３または接着剤で取り付けられる。

この場合、ドレイン電極露出型のパワー素子を直接ヒートシンク８０に取り付けると、パワー素子同士が短絡するため、ドレイン電極７８とヒートシンク８０との間に絶縁シート７４を介在させる必要がある。絶縁シートは、シリコン等の絶縁性材料の薄板である。あるいは、ドレイン電極を樹脂で絶縁被覆したタイプのパワー素子を用いてもよい。
第３実施形態では、第１実施形態の効果のうち（１）〜（５）の効果を奏する。

（その他の実施形態）
（ア）上記の実施形態では、車両の電動パワーステアリング装置に適用される駆動装置について説明したが、他の用途に適用されるものであってもよい。
（イ）上記の実施形態では、２系統または１系統の三相交流インバータ装置について説明した。しかし、インバータ装置は、３系統以上に対応するものであってもよく、あるいは、三相以外の多相交流電力を生成するものであってもよい。

（ウ）上記の実施形態では、インバータ装置は、モータ２の反ギアボックス側に設けられている。本発明の他の実施形態では、インバータ装置は、モータとギアボックスとの間に設けてもよい。この場合、インバータ装置の反モータ側にシャフトの出力端が設けられる。すなわち、シャフトは、モータから、対峙するヒートシンクの放熱ブロックの間を通過しつつ、制御基板およびパワー基板を貫通して延びる。

（エ）上記の第１、第２実施形態では、ユニットベース７１は、放熱層としての金属層７１ｍを含む。しかし、ヒートシンクのみで充分な放熱効果が得られる場合には、ユニットベースは放熱層を含まず、絶縁性の樹脂板等で構成されてもよい。

（オ）上記の実施形態では、パワー素子として市販の汎用ＭＯＳを使用する。その他、例えば４個のＭＯＳを一体に樹脂モールドした専用のパワーモジュールを使用することもできる。これにより、駆動装置の設計仕様に応じてパワー素子の特性やパワーモジュールのサイズをカスタマイズすることができ、また、部品点数を削減することができる。

（オ）上記の実施形態では、上下アームユニットは、スイッチング用パワー素子の他、電源リレー用のパワー素子を含む。しかし、電源リレー用のパワー素子は、スイッチング素子と別に、例えばパワー基板に配置されてもよい。

（カ）上記の実施形態では、ヒートシンク８０の放熱ブロック８１１、８１２は、連結部８４によって連結されている。しかし、放熱ブロックを別々に形成してもよい。

以上、本発明はこのような実施形態に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、種々の形態で実施することができる。

１ ・・・駆動装置
２ ・・・モータ
４ ・・・インバータ装置
１０ ・・・モータケース
２０ ・・・ステータ
２６ ・・・巻線
２７ ・・・モータ線
３０ ・・・ロータ
３５ ・・・シャフト
４００ ・・・パワー部
４０ ・・・パワー基板アセンブリ（パワー配線部）
４１ ・・・パワー基板
５００、６００ ・・・インバータ回路
５０、６０ ・・・上アームユニット
５１〜５６、６１〜６６・・・パワー素子、スイッチング用パワー素子
５７、５８、６７、６８・・・パワー素子、電源リレー用パワー素子
５９、６９ ・・・下アームユニット
７１ ・・・ユニットベース
７１ｍ ・・・金属層（放熱層）
７１ｐ ・・・樹脂層（絶縁層）
７７ ・・・本体部
７８ ・・・ドレイン電極
７９ ・・・リード部
８０ ・・・ヒートシンク
８１１、８１２ ・・・放熱ブロック
８２１、８２２ ・・・上面
８３１、８３２ ・・・外側面
９００ ・・・制御部
９０ ・・・制御基板アセンブリ（制御配線部）
９８ ・・・制御基板

Claims (11)

1. 直流電力から複数相の交流電力を生成するインバータ装置であって、
   ブリッジ回路を構成する複数のパワー素子と、
   前記複数のパワー素子が搭載され前記複数のパワー素子が発生する熱を受容可能なヒートシンクと、
   前記複数のパワー素子に制御信号を出力する制御配線部と、
   前記複数のパワー素子に通電される電流を入出力するパワー配線部と、
   を備え、
   前記複数のパワー素子は、半導体チップが樹脂モールドされる本体部、及び、該本体部の一方の側から延びて前記パワー配線部に電気的に接続されるリード部を設けており、
   前記ブリッジ回路の電源側の前記複数のパワー素子が集合してなる上アームユニットと前記ブリッジ回路のグランド側の前記複数のパワー素子が集合してなる下アームユニットとが分離して配置されることを特徴とするインバータ装置。
2. 前記上アームユニットおよび前記下アームユニットは、前記リード部が前記パワー配線部に向くように配置されることを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記上アームユニットと前記下アームユニットとは、前記ヒートシンクの異なる面上に搭載されることを特徴とする請求項１または２に記載のインバータ装置。
4. 前記上アームユニットと前記下アームユニットとは、前記ヒートシンクの互いに隣接する面上に搭載されることを特徴とする請求項３に記載のインバータ装置。
5. 前記上アームユニットと前記下アームユニットとは、前記ヒートシンクの互いに直交する面上に搭載されることを特徴とする請求項３または４に記載のインバータ装置。
6. 前記パワー配線部は平板状のパワー基板によって構成され、前記上アームユニットと前記下アームユニットとは、一方が前記パワー基板に平行な面に搭載され、他方が前記パワー基板に垂直な面に搭載されることを特徴とする請求項５に記載のインバータ装置。
7. 前記上アームユニットおよび前記下アームユニットは、前記複数のパワー素子が平板状のユニットベース上に搭載されて構成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のインバータ装置。
8. 前記ユニットベースは、熱伝導性材料で形成され前記ヒートシンクに当接する放熱層を有することを特徴とする請求項７に記載のインバータ装置。
9. 前記ユニットベースは、前記複数のパワー素子同士を絶縁するための絶縁層を有することを特徴とする請求項７または８に記載のインバータ装置。
10. 前記上アームユニットおよび前記下アームユニットは、前記複数のパワー素子が一体に樹脂モールドされたパワーモジュールとして構成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のインバータ装置。
11. 複数相を構成するように巻線が巻回されるステータと、
    前記ステータの径内方向に該ステータに対し相対回転可能に配置されるロータと、
    前記ロータの軸方向の一方の側に設けられる請求項１〜１０のいずれか一項に記載のインバータ装置と、
    を備えることを特徴とする駆動装置。

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