JP2015201957A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数を削減するとともに、組付工数を低減することのできるモータ制御装置を提供する。
【解決手段】バスバー１２のスイッチング素子１０との対向部位にスイッチング素子１０に向かってＶ字の突起形状を有する接点部１３が形成される。樹脂モジュール１４が固定されると、接点部１３の先端下面がスイッチング素子１０本体とバスバー１２との間に配置されたスイッチング素子１０の電極端子１１上面に接触する。接点部１３はスイッチング素子１０にヒートシンク９に向かう方向の押圧力Ｆを付与する。ヒートシンク９と樹脂モジュール１４との間の距離Ｄは、スイッチング素子１０の厚みｔ１と、接点部１３および電極端子１１の厚みｔ２との加算値より小さく設定されている。このため、接点部１３が電極端子１１を押圧して接触後の間隔が縮小する。バスバー１２がスイッチング素子１０を押圧し、スイッチング素子９をヒートシンク６に密着させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、モータ制御装置に関し、特に、複数のスイッチング素子をバスバーに接続して構成されるインバータ回路の冷却構造を有するモータ制御装置に関するものである。

従来、電動パワーステアリング装置等に用いられる車載用のモータ制御装置として、バッテリ等の電源から供給される直流電圧を３相の交流電圧に変換するインバータ回路、およびインバータ回路を駆動させるマイコンを含む制御回路を備えた装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のモータ制御装置は、インバータ回路に設けられるスイッチング素子のパワーＭＯＳＦＥＴ（以下、ＦＥＴという）の放熱性を高めるためのヒートシンクを備えている。複数のＦＥＴは、ねじでヒートシンクに締結されることによりヒートシンクの表面に密着して固定されている。

特開２０１１−２３８８５０号公報

しかしながら、このようなモータ制御装置では、ＦＥＴをヒートシンクに固定するためにねじや、専用の押え板等の固定部品が必要となる。また、バスバーをＦＥＴと電気的に接続するために、バスバーは基板を介して、あるいは直接ＦＥＴとはんだ付けや溶接により接合されている。このため、ヒートシンクへの固定が部品点数を増加させる要因の一つとなり制御装置が大型化するとともに、ねじ締結や押さえ板の取付作業、ならびにバスバーとＦＥＴとの結合作業により製造工程、組付工数の増加を招いている。
なお、このような課題は、モータ制御装置に限らず、ＦＥＴ等の発熱部品の放熱性を高めるためのヒートシンクを備える各種電子機器に共通して存在している。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、部品点数を削減するとともに、組付工数を低減することのできるモータ制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、モータ制御装置において、モータ本体へ駆動電圧を供給するインバータのスイッチング素子と、前記スイッチング素子に接触して前記スイッチング素子の発熱を放出するヒートシンクと、外部電源から前記スイッチング素子に電圧を供給するバスバーと、前記バスバーを一体的に収容し、ハウジングに固定される樹脂モジュールと、を備え、前記バスバーには、前記スイッチング素子の電極端子と電気的に接続される突起形状の接点部が形成され、前記スイッチング素子および前記ヒートシンクは、前記接点部から付与される押圧力により互いに密着していることを要旨とする。

上記構成によれば、バスバーにはスイッチング素子の電極端子と接触する突起形状の接点部が形成され、バスバーが収容された樹脂モジュールを固定するときに接点部が電極端子を押圧して電気的に接続される。このとき、接点部から付与される押圧力によりスイッチング素子はヒートシンクに押し付けられて密着する。これにより、スイッチング素子とヒートシンクとを密着させるためのねじや押さえ板等の固定部品が不要となるため、部品点数を削減することができる。そして、バスバーとスイッチング素子とを電気的に安定して接続し導通させることができるため、はんだ付けや溶接等の接合工程が不要となり、組付工数を低減することが可能になる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のモータ制御装置において、前記スイッチング素子は、前記バスバーと前記ヒートシンクとの間に配置され、前記接点部は、前記バスバーにおける前記スイッチング素子に対向する部位に形成され、前記樹脂モジュールと前記スイッチング素子との間に屈曲して延出する前記電極端子に接触し対向方向に押圧していることを要旨とする。

上記構成によれば、スイッチング素子がバスバーとヒートシンクとの間に設置されている場合には、接点部をバスバーにおけるスイッチング素子と対向する部位に形成する。接点部から付与される押圧力により電極端子はバスバーに接触し対向方向に押圧される。このため、樹脂モジュールを組付固定するときのバスバーの押し込みによりスイッチング素子はバスバーと電気的に接続され、スイッチング素子をヒートシンクに押し付けることでヒートシンクに密着する。これにより、ねじや押さえ板等の固定部品が不要になるので、部品点数が削減される。また、バスバーと電極端子との接合工程も不要となるので、組付工数を低減することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のモータ制御装置において、前記樹脂モジュールと前記ヒートシンクとの対向面の間の距離は、前記スイッチング素子の厚みと、押圧前の前記接点部および前記電極端子の厚みと、を加算した値より小さく設定されていることを要旨とする。

上記構成によれば、対向する樹脂モジュールとヒートシンクとの面の間の距離は、スイッチング素子本体の厚みと、押圧前の状態の接点部およびスイッチング素子の電極端子それぞれの厚みと、の加算値よりも小さい値に設定されている。このため、樹脂モジュールが組付固定されるときの押し込みにより接点部がスイッチング素子の電極端子を押圧し、接点部または電極端子が変形し厚みが縮小する。これにより、バスバーがスイッチング素子を押し付け、確実にスイッチング素子をヒートシンクに密着させることができる。

本発明によれば、部品点数を削減するとともに、組付工数を低減することのできるモータ制御装置を提供できる。

本発明の一実施形態に係るモータ制御装置を含むモータ装置の概略構造を示す部分断面図。 図１のモータ制御装置の動作を説明するための回路図。 本発明の第１の実施形態に係る図１のモータ制御装置のバスバーとスイッチング素子との詳細構造を示す図。 （ａ）は、本発明の第２実施形態に係るバスバーの接点部の形状を示す図、（ｂ）は、本発明の第３の実施形態に係るバスバーの接点部の形状を示す図。 本発明の他の実施形態に係るモータ制御装置のバスバーとスイッチング素子との詳細構造を示す図。

以下、本発明の実施形態に係るモータ制御装置３について、図に基づいて具体的に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るモータ制御装置３を含むモータ装置１の概略構造を示す部分断面図である。本実施形態のモータ装置（モータコントロールユニット）１は、モータ本体２およびモータ制御装置３から構成され、例えば、電動パワーステアリング装置に搭載されて、操舵機構にアシスト力を付与するための動力源として用いられるものである。

図１に示すように、モータ装置１は、モータ本体２と、複数のスイッチング素子１０を含む電子部品を通じてモータ本体２へ供給する駆動電圧を制御するモータ制御装置３とが一体化された構造からなる。モータ本体２およびモータ制御装置３は、回転軸線ｍを中心に円筒状に形成されたモータハウジング４およびＥＣＵハウジング５の内部にそれぞれ収容されている。モータハウジング４およびＥＣＵハウジング５は、ねじ等により一体に結合されている。

モータ制御装置３は、モータ本体２に近い方から上方向に順に配置されたヒートシンク９、スイッチング素子１０、および樹脂モジュール１４を備えている。ヒートシンク９および樹脂モジュール１４は、図示しない支持構造を介して、それぞれモータハウジング４およびＥＣＵハウジング５に固定されている。

樹脂モジュール１４は、平板状導体（例えば、銅または銅合金）からなるバスバー１２を一体的に収容し、後述する平滑コンデンサを含むノイズを除去するフィルタ等の電子部品を樹脂封止した構造からなる。樹脂モジュール１４は、回転軸線ｍに直交する水平方向（図中、左右方向）に延びるように形成されている。また、樹脂モジュール１４は、ヒートシンク９との対向面と反対側の面からＥＣＵハウジング５の外部に導出される配線部（例えば、電線またはバスバー部材）７を介して後述するバッテリなどの外部電源６に接続されている。

バスバー１２は、例えば、樹脂モジュール１４のヒートシンク９との対向面から突出しスイッチング素子（例えば、ＦＥＴなど）１０に対して図中、右方向に延出して、先端部に接点部１３が形成されている。接点部１３は、スイッチング素子１０の接続配線部である電極端子（例えば、ゲート、ソース、ドレインの３端子）１１に接触しスイッチング素子１０を押圧している。

樹脂モジュール１４は、外部電源６から配線部７を介して供給される直流電圧に含まれるノイズをフィルタ等を通じて除去するとともに、ノイズが除去された直流電圧をバスバー１２を介してスイッチング素子１０等に供給する。

ヒートシンク９は、回転軸線ｍに直交して水平方向に延びるように配置されている。ヒートシンク９には、インバータ回路を中心に構成されるパワー系回路のスイッチング素子（ＦＥＴ）１０等の各種電子部品が実装されている。実装された電子部品のうち、インバータ回路を構成するスイッチング素子１０は、ヒートシンク９とバスバー１２との間に配置される。

スイッチング素子１０の電極端子１１は、屈曲してバスバー１２とスイッチング素子１０本体との間を水平方向（図中、左方向）に延出して、先端部はバスバー１２の接点部１３と接触して押圧されている。これにより、スイッチング素子１０の発熱を放出する放熱面はヒートシンク９に対向した位置でヒートシンク９の表面に密着して固定されている。

スイッチング素子１０は、樹脂モジュール１４からバスバー１２を介して供給される外部電源６の直流電圧から、モータ本体２に供給するための交流電圧を生成する。生成された交流電圧は図示しない電源系バスバーを介してモータ本体２に供給される。モータ本体２は、供給される交流電圧に基づいて駆動し、モータ本体２に結合されたモータ出力軸８を回転させる。

次に、図２は、図１のモータ制御装置３の動作を説明するための回路図である。
図２に示すように、モータ制御装置３は、大容量の平滑コンデンサ１６と、平滑コンデンサ１６に並列に接続されモータ本体２へ駆動電圧を供給するインバータ１７とを備えている。モータ制御装置３には、外部電源であるバッテリ１５と、インバータ１７を介してモータ本体２が接続される。図２において、モータ本体２は、図示しない３相の巻線（Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相巻線）を有する３相ブラシレスモータである。また、バッテリ１５は、インバータ１７に接続されモータ本体２を駆動する低電圧（例えば、１２Ｖ）、または高電圧（例えば、１００Ｖ以上）の直流電源である。

平滑コンデンサ１６は、バッテリ１５の正負両極の電源線１８と接地線１９と間に設けられている。平滑コンデンサ１６は、バッテリ１５と双方からインバータ１７に電力を供給する。特に、平滑コンデンサ１６からは、インバータ１７に瞬間的に大電力を供給する。具体的には、平滑コンデンサ１６は電荷を蓄積し、バッテリ１５からインバータ１７に流れる電流が不足するときには蓄積した電荷を放電する。このように、平滑コンデンサ１６は、電流リップルを吸収しモータ本体２を駆動するための電源電圧を平滑するコンデンサとして機能している。

インバータ１７は、複数（本実施形態では、６個）のスイッチング素子（例えば、ＦＥＴ，ＩＧＢＴなど）１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆを含んでいる。これら６個のスイッチング素子１０ａ〜１０ｆを２個ずつ直列に接続して上下アーム（例えば、１０ａ，１０ｄ）が形成された３つの回路は、電源線１８と接地線１９との間に並列に設けられている。上下アームのスイッチング素子１０のそれぞれの接続点は、モータ本体２のＵ相、Ｖ相、およびＷ相の巻線の一端に直接接続されている。そして、モータ本体２の３相の巻線の他端は、図示しない共通の接続点（中性点）に接続されている。

インバータ１７に含まれる各スイッチング素子１０ａ〜１０ｆは図示しない制御回路により制御される。より具体的には、制御回路は、モータ回転角度などの入力されたデータに基づき、モータ本体２に供給すべき３相の駆動電流（Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相電流）の目標値（目標電流）を決定し、図示しない電流センサ等により検出した各相電流値を目標電流に一致させるためのＰＷＭ信号を出力する。制御回路から出力された各相のＰＷＭ信号は、インバータ１７に含まれるスイッチング素子１０ａ〜１０ｆのゲート端子にそれぞれ供給されている。

＜第１の実施形態＞
次に、本発明の第１の実施形態に係るスイッチング素子１０周辺の構造について説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態に係る図１のモータ制御装置３のバスバー１２とスイッチング素子１０との詳細構造を示す図である。

図３に示すように、バスバー１２におけるスイッチング素子１０との対向部位には、スイッチング素子１０に向かってＶ字の突起形状を有する接点部１３が一体に形成されている。接点部１３の突起形状は、例えば、平板状導体の折り曲げ加工などにより形成される。スイッチング素子１０の電極端子１１は、図中、左方向に屈曲して先端部がバスバー１２とスイッチング素子１０本体との間に配置されている。樹脂モジュール１４を矢印方向（下側）に押し込んでＥＣＵハウジング５（図１参照）内に組付固定すると、この接点部１３のＶ字の先端下面がスイッチング素子１０の電極端子１１の上面に接触する。このとき、接点部１３はスイッチング素子１０に対してヒートシンク９に向かう方向の押圧力Ｆを付与している。

また、接触部位の電位が異なる場合等、必要に応じてスイッチング素子１０およびヒートシンク９間、ならびにスイッチング素子１０本体および電極端子１１間に絶縁シート等の絶縁体が挟み込まれ、互いに電気的に絶縁されている。例えば、絶縁体の板厚を変更して押圧力Ｆの大きさを調整することができるため、密着性をより高めることができる。

ここで、対向する樹脂モジュール１４の下面とヒートシンク９の上面との間の距離Ｄは、所定の寸法に管理されている。上記距離Ｄは、スイッチング素子１０の上下方向の厚みｔ１と、押圧前の接点部１３および電極端子１１の上下方向の厚みｔ２との加算値よりも小さい値に設定されている（Ｄ＜ｔ１＋ｔ２）。樹脂モジュール１４が押し込まれ組付固定されると、接点部１３は電極端子１１を下方向に押圧する。このため、押圧する接点部１３（または押圧される電極端子１１）が変形することによりその厚みが減少し、全体的に接触後の接点部１３ｍあるいは電極端子１１の厚みが縮小する。そして、あらかじめ設定された距離Ｄ内にスイッチング素子１０、電極端子１１および接点部１３が重畳して設置される。バスバー１２が押圧力Ｆによりスイッチング素子１０を押圧し、確実にスイッチング素子１０をヒートシンク９に密着させることができる。

＜第２および第３の実施形態＞
次に、第２および第３の実施形態に係るスイッチング素子１０周辺の構造について説明する。
図４（ａ）は、本発明の第２実施形態に係るバスバー１２の接点部１３の形状を示す図、図４（ｂ）は、本発明の第３の実施形態に係るバスバー１２の接点部１３の形状を示す図である。

図４（ａ），（ｂ）に示すように、図３を参照して、電極端子１１と接触する接点部１３の形状は、第１の実施形態のＶ字の突起形状に折り曲げ加工されたものに限らない。図４（ａ）のバスバー１２の先端部を平板状に１８０°屈曲させた平面からなる接点部１３、あるいは図４（ｂ）のバスバー１２の先端部を直角に屈曲させた端面からなる接点部１３を有して形成されていてもよい。

以上により、スイッチング素子１０がバスバー１２とヒートシンク９との間に配置されている場合には、接点部１３をバスバー１２におけるスイッチング素子１０と対向する部位に形成することが有効である。これにより、樹脂モジュール１４を固定するときに、バスバー１２に一体に形成した接点部１３がスイッチング素子１０の屈曲し延出した電極端子１１を押圧し電気的に接続させる。さらに、接点部１３からスイッチング素子１０に付与される押圧力Ｆによりスイッチング素子１０とヒートシンク９とを確実に密着させることができる。

次に、上記のように構成された本発明の各実施形態に係るモータ制御装置３の作用および効果について説明する。

上記実施形態によれば、スイッチング素子１０がバスバー１２とヒートシンク９との間に設置されている場合には、バスバー１２におけるスイッチング素子１０と対向する部位にＶ字の突起形状を有する接点部１３が形成されている。接点部１３は、スイッチング素子１０本体から突出して屈曲しスイッチング素子１０とバスバー１２との間に延びる電極端子１１を対向方向に押圧し接触する。バスバー１２が収容された樹脂モジュール１４をＥＣＵハウジング５に押し込み固定するときに、接点部１３は電極端子１１を押圧し電気的に接続する。このとき、スイッチング素子１０は、接点部１３から付与される押圧力Ｆによりヒートシンク９に押し付けられて密着する。

また、対向する樹脂モジュール１４の下面とヒートシンク９の上面との間の距離Ｄは、スイッチング素子１０の上下方向の厚みｔ１と、押圧前の接点部１３および電極端子１１の上下方向の厚みｔ２との加算値よりも小さい値に設定されている。このため、樹脂モジュール１４が組付固定されると、電極端子１１は接点部１３により押圧され、下側に押圧する接点部１３、または押圧された電極端子１１が変形し、その厚みが減少することにより全体的に接点部１３および電極端子１１が接触した後の厚みが縮小する。そして、あらかじめ設定された距離Ｄ内にスイッチング素子１０、電極端子１１および接点部１３が重畳して設置される。バスバー１２はスイッチング素子１０を押圧し、確実にスイッチング素子１０をヒートシンク９に密着させる。

これにより、従来のモータ制御装置で用いられていたようなＦＥＴ等のスイッチング素子１０とヒートシンク９とを密着させるためのねじや押さえ板等の固定部材が不要となるため、部品点数を削減することができる。さらに、バスバー１２とスイッチング素子１０とをはんだ付けや溶接することなく電気的に安定して接続させることができるため、接合工程が不要となり、組付工数を低減することが可能になる。

以上のように、本発明の各実施形態によれば、部品点数を削減するとともに、組付工数を低減することのできるモータ制御装置を提供できる。

以上、本発明に係る各実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することも可能である。

＜他の実施形態＞
上記各実施形態において、ヒートシンク９がモータハウジング４内に固定される場合について説明したが、これに限定されるものでなく、例えば、小型のヒートシンク９が基板２０上に実装されて、スイッチング素子１０に接触して冷却する場合にも適用することができる。

以下、他の実施形態に係るスイッチング素子１０周辺の構造について説明する。
図５は、本発明の他の実施形態に係るモータ制御装置のバスバー１２とスイッチング素子１０との詳細構造を示す図である。なお、便宜上、上記第１の実施形態と同一の構成については、同一の符号を付して説明する。

図５に示すように、基板２０に実装されたヒートシンク９に隣接して電極端子１１がＶ字形状に折り曲げ加工されたスイッチング素子１０が配置される。樹脂モジュール１４から下方に突出するバスバー１２におけるスイッチング素子１０との対向部位には、スイッチング素子１０に向かってＶ字の突起形状を有する接点部１３が形成されている。樹脂モジュール１４が矢印方向（下側）に押し込まれ図示しないＥＣＵハウジングに組付固定されると、この接点部１３のＶ字の先端側面がスイッチング素子１０の電極端子１１の側面に接触する。そして、基板２０に実装された他の電子部品（例えば、コネクタなど）２１にバスバー１２の端部が接触して押し付けられる。このとき、接点部１３はスイッチング素子１０に対してヒートシンク９に向かう方向の押圧力Ｆを付与している。

ここで、接点部１３は、基板２０の方向（下側）に向って径が小さくなるテーパ状の先端部を有して電極端子１１の側面側に押圧力Ｆを付与するようにしてもよい。また、電子部品２１に代えて、他の基板接続用コネクタを共用してバスバー１２の先端部を押圧方向とは反対方向に接続するようにしてもよい。また、バスバー１２の先端部を基板２０に設けた貫通孔等に挿入して直接固定するようにしてもよい。

上記構成によれば、ＦＥＴ等のスイッチング素子１０とヒートシンク９とを密着させるためのねじや押さえ板等の固定部材が不要となるため、部品点数を削減することができる。さらに、バスバー１２とスイッチング素子１０とをはんだ付けや溶接することなく電気的に安定して接続させることができるため、接合工程が不要となり組付工数を低減することができる。

上記各実施形態では、樹脂モジュール１４を最後にＥＣＵハウジング５に押し込み組付固定して接点部１３が押圧し接触させるようにしたが、これに限定されるものでなく、樹脂モジュール１４を組付固定した後にヒートシンク９（または基板２０）をモータハウジング４側から押し込んで組付けるようにしてもよい。

上記各実施形態では、ヒートシンク９の冷却対象としてスイッチング素子（ＦＥＴ）１０を例示したが、これに限定されるものでなく、モータ制御装置３に搭載される適宜の部材を採用することができる。

上記各実施形態では、バスバー１２は外部電源６から電圧を供給する電源系のバスバーを例示したが、これに限定されるものでなく、基板と基板との間に接続される信号系のバスバーにも適用することができる。

上記各実施形態では、モータ本体２およびモータ制御装置３が一体化されたモータ装置１を例示したが、これに限定されるものでなく、モータ本体から分離されたモータ制御装置にも適用することができる。

上記各実施形態では、モータ制御装置３の冷却構造を例示したが、これに限定されるものでなく、電気的に接続されるバスバーと、ＦＥＴ等のスイッチング素子に接触するヒートシンクとを備える各種電子機器に適用することができる。

１：モータ装置（モータコントロールユニット）、２：モータ本体、
３：モータ制御装置、４：モータハウジング、５：ＥＣＵハウジング、６：外部電源、
７：配線部、８：モータ出力軸、９：ヒートシンク、
１０，１０ａ〜１０ｆ：スイッチング素子（ＦＥＴ）、１１：電極端子、
１２：バスバー、１３：接点部、１４：樹脂モジュール、１５：バッテリ、
１６：平滑コンデンサ、１７：インバータ、１８：電源線、１９：接地線、２０：基板、２１：電子部品、
Ｄ：樹脂モジュールおよびヒートシンクの対向面間の距離、
ｔ１：スイッチング素子の厚み、ｔ２：押圧前の接点部および電極端子の厚み、
Ｆ：押圧力、ｍ：回転軸線

Claims (3)

1. モータ本体へ駆動電圧を供給するインバータのスイッチング素子と、
   前記スイッチング素子に接触して前記スイッチング素子の発熱を放出するヒートシンクと、
   外部電源から前記スイッチング素子に電圧を供給するバスバーと、
   前記バスバーを一体的に収容し、ハウジングに固定される樹脂モジュールと、を備え、
   前記バスバーには、前記スイッチング素子の電極端子と電気的に接続される突起形状の接点部が形成され、前記スイッチング素子および前記ヒートシンクは、前記接点部から付与される押圧力により互いに密着していることを特徴とするモータ制御装置。
2. 請求項１に記載のモータ制御装置において、
   前記スイッチング素子は、前記バスバーと前記ヒートシンクとの間に配置され、前記接点部は、前記バスバーにおける前記スイッチング素子に対向する部位に形成され、前記樹脂モジュールと前記スイッチング素子との間に屈曲して延出する前記電極端子に接触し対向方向に押圧していることを特徴とするモータ制御装置。
3. 請求項２に記載のモータ制御装置において、
   前記樹脂モジュールと前記ヒートシンクとの対向面の間の距離は、前記スイッチング素子の厚みと、押圧前の前記接点部および前記電極端子の厚みと、を加算した値より小さく設定されていることを特徴とするモータ制御装置。

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