KR20100132408A - 전자 제어 장치 - Google Patents

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KR20100132408A
KR20100132408A KR1020090077066A KR20090077066A KR20100132408A KR 20100132408 A KR20100132408 A KR 20100132408A KR 1020090077066 A KR1020090077066 A KR 1020090077066A KR 20090077066 A KR20090077066 A KR 20090077066A KR 20100132408 A KR20100132408 A KR 20100132408A
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heat sink
housing
circuit board
electronic control
power device
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KR1020090077066A
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신이치 이토
츠토무 토미나가
타카유키 키후쿠
슈조 아키야마
마사아키 타니가와
Original Assignee
미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 과제는 소형화, 고출력화, 고수명화를 가능하게 하는 전자 제어 장치를 얻는 것으로서, 상기 과제를 달성하기 위한 해결 수단에 있어서, 본 발명에 관한 전자 제어 장치는, 양단부에 개구부를 갖는 절연성 수지제의 하우징(3)과, 이 하우징(3)의 한쪽의 단부에 부착되고, 하우징(3)측의 표면에 반도체 스위칭 소자(2)가 탑재된 히트 싱크(5)와, 이 히트 싱크(5)와 대향하여 마련된 회로 기판(4)을 구비하고, 회로 기판(4)은, 한쪽의 면에 반도체 스위칭 소자(2)의 구동을 제어하는 마이크로 컴퓨터(41)를 포함하는 복수의 소전류 부품이 실장되고, 다른쪽의 면에 반도체 스위칭 소자(2)에 흐르는 전류의 리플을 흡수하는 콘덴서를 포함하는 복수의 대전류 부품이 실장되어 있다.
전자 제어 장치

Description

전자 제어 장치{ELECTRONIC CONTROL APPARATUS}
본 발명은, 예를 들면 전동 모터의 회전력에 의해 차량의 스티어링 장치에 보조 가세하는 전동식 파워 스티어링 장치에 사용하는 전자 제어 장치에 관한 것이다.
종래, 파워 디바이스인 반도체 스위칭 소자(FET)가 금속 기판상에 실장되어 있음과 함께, 금속 기판과 금속 기판 외의 부품을 전기적으로 접속하는 접속부재가 금속 기판상에 부착되어 있는 전자 제어 장치가 알려져 있다.
예를 들면, 특허 문헌 1에 기재된 전자 제어 장치는, 전동 모터의 전류를 전환하기 위한 반도체 스위칭 소자로 이루어지는 브리지 회로가 탑재된 파워 기판과, 도전판 등이 절연성 수지에 인서트 성형되어 있음과 함께 대전류 부품이 탑재된 하우징과, 마이크로 컴퓨터 등의 소전류 부품이 탑재된 제어 기판과, 파워 기판과 상기 하우징 및 상기 제어 기판을 전기적으로 접속한 접속부재와, 파워 기판에 밀착된 히트 싱크와, 파워 기판, 하우징 및 제어 기판을 덮으며 금속판으로 프레스 성형되어 있음과 함께 히트 싱크에 부착된 케이스를 구비하고 있다.
선행 기술 문헌(특허 문헌 1) : 특허 제3644835호 명세서(도 2)
특허 문헌 1에 기재된 전자 제어 장치에서는, 반도체 스위칭 소자를 탑재하는 파워 기판, 대전류 부품을 탑재하는 하우징, 및 소전류 부품을 탑재하는 제어 기판이 각각 필요하여, 부품 갯수 증가에 의한 장치의 대형화·복잡화·고비용이 생긴다는 문제점이 있다.
본 발명은, 상기한 바와 같은 문제점을 해결하는 것을 과제로 하는 것으로서, 소형화·간단화·비용 저감화에 더하여, 고출력화, 고수명화를 가능하게 한 전자 제어 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 관한 전자 제어 장치는, 양단부에 개구부를 갖는 절연성 수지제의 하우징과, 이 하우징의 한쪽의 상기 단부에 부착되고, 하우징측의 표면에 파워 디바이스가 탑재된 히트 싱크와, 이 히트 싱크와 대향하여 마련된 회로 기판을 구비하고, 상기 회로 기판은, 한쪽의 면에 상기 파워 디바이스의 구동을 제어하는 마이크로 컴퓨터를 포함하는 복수의 소전류 부품이 실장되고, 다른쪽의 면에 상기 파워 디바이스에 흐르는 전류의 리플을 흡수하는 콘덴서를 포함하는 복수의 대전류 부품이 실장되어 있다.
또한, 본 발명에 관한 전자 제어 장치는, 양단부에 개구부를 갖는 절연성 수지제의 하우징과, 이 하우징의 한쪽의 상기 단부에 부착되고, 하우징측 표면에 파워 디바이스가 탑재된 히트 싱크와, 이 히트 싱크와 대향하여 마련된 회로 기판을 구비하고, 상기 회로 기판은, 한쪽의 면에 상기 파워 디바이스의 구동을 제어하는 마이크로 컴퓨터를 포함하는 복수의 소전류 부품이 실장되고, 다른쪽의 면에 상기 파워 디바이스에 흐르는 전류를 검출하는 션트 저항을 포함하는 복수의 대전류 부품이 실장되어 있다.
본 발명에 관한 전자 제어 장치에 의하면, 파워 디바이스를 히트 싱크에 탑재함과 함께, 회로 기판의 한쪽의 면에 소전류 부품을 실장하고, 다른쪽의 면에 대전류 부품을 실장하였기 때문에, 소형화·간단화·비용 저감화에 더하여, 고출력화, 고수명화를 도모할 수 있다.
실시의 형태 1
이하, 본 발명의 각 실시의 형태를 도면에 의거하여 설명하지만, 각 도면에 있어서, 동일, 또는 상당 부재, 부위에 관해서는 동일 부호를 붙여서 설명한다.
본 실시의 형태에서는, 전동 모터의 회전력에 의해 차량의 스티어링 장치에 보조 가세하는 전동식 파워 스티어링 장치에 사용하는 전자 제어 장치(1)를 예로 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 전자 제어 장치(1)를 도시하는 분해 사시도, 도 2는 도 1의 전자 제어 장치(1)를 도시하는 분해 사시도를 상하 반대 방향에서 본 때의 분해 사시도, 도 3은 도 1의 전자 제어 장치(1)의 차량 커넥터(8)측을 도시한 측면도, 도 4는 도 1의 전자 제어 장치(1)의 모터 커넥터(9), 센서 커 넥터(10)측을 도시한 측면도, 도 5는 도 1의 전자 제어 장치(1)의 하우징(3)을 히트 싱크(5)가 부착되는 방향에서 도시한 사시도, 도 6은 도 5의 주요부 확대도, 도 7은 도 1의 전자 제어 장치(1)의 블록도, 도 8은, 도 1의 전자 제어 장치(1)의 단면도이다.
이 전자 제어 장치(1)는, 양단부에 각각 개구부를 갖는 절연성 수지제의 하우징(3)과, 이 하우징(3)의 한쪽의 단부에 나사(20)를 이용하여 부착되고, 표면에 절연 피막이 형성된 알루미늄제의 히트 싱크(5)와, 이 히트 싱크(5)에 탑재되고 판 스프링(21)에 의해 히트 싱크(5)측에 가압된, 파워 디바이스인 반도체 스위칭 소자(2)와, 히트 싱크(5)와 대향하여 마련된 회로 기판(4)과, 히트 싱크(5)와 협동하여 반도체 스위칭 소자(2), 회로 기판(4)을 격납한 커버(7)를 구비하고 있다.
회로 기판(4)의 커버(7)측의 표면에는, 신호용의 소전류가 흐르는 복수의 소전류 부품이 솔더링에 의해 실장되어 있다. 이 소전류 부품은, 도 1에 도시하는 바와 같이, 핸들의 조타 토오크, 및 차량의 차속에 의거하여 보조 토오크를 연산함과 함께, 모터 전류를 피드 백하여 보조 토오크에 상당하는 구동 신호를 생성하는 마이크로 컴퓨터(41), 전자 제어 장치(1)를 구동시키는 전원 IC(42), 반도체 스위칭 소자(2)의 동작을 제어하는 드라이버 IC(43)가 각각 상당한다.
회로 기판(4)의 히트 싱크(5)측의 표면에는, 모터 구동용의 대전류가 흐르는 복수의 대전류 부품이 솔더링에 의해 실장되어 있다. 이 대전류 부품은, 도 2에 도시하는 바와 같이, 반도체 스위칭 소자(2)의 스위칭 동작시에 발생하는 전자 노이즈가 외부로 유출되는 것을 방지하는 코일(44), 반도체 스위칭 소자(2)에 흐르는 전류의 리플을 흡수하는 콘덴서(45), 배터리(24)로부터 브리지 회로의 반도체 스위칭 소자(2)를 통하여 전동 모터(22)에 공급되는 모터 전류를 개폐하는 릴레이(46), 반도체 스위칭 소자(2)에 흐르는 전류를 검출하는 션트 저항(47)이 상당한다.
회로 기판(4)의 전류 회로는, 반도체 스위칭 소자(2)에 의해 구성된 브리지 회로와, 코일(44), 콘덴서(45), 릴레이(46), 션트 저항(47)과 전기적으로 접속되고, 배선 패턴에 의해 구성되고 모터 구동용의 대전류가 흐르는 대전류 회로와, 마이크로 컴퓨터(41), 전원 IC(42), 드라이버 IC(43)와 전기적으로 접속되고, 배선 패턴에 의해 구성되고 신호용의 소전류가 흐르는 소전류 회로로 구성되어 있다.
또한, 전자 제어 장치(1)는, 하우징(3)의 일측면에 마련되고, 차량의 배선과 전기적으로 접속되는 차량 커넥터(8)와, 하우징(3)의 타측면에 마련되고, 전동 모터(22)와 전기적으로 접속되는 모터 커넥터(9)와, 이 모터 커넥터(9)에 인접하고 토오크 센서(23)와 전기적으로 접속되는 센서 커넥터(10)를 구비하고 있다.
도 3에 도시되는 바와 같이, 차량 커넥터(8)는, 차량의 배터리(24)와 전기적으로 접속되는 판두께 0.8㎜의 구리, 또는 구리합금으로 형성된 전원 커넥터 단자(11)와, 차량의 배선을 통하여 신호가 입출력되는 두께 0.64㎜의 인청동제의 신호 커넥터 단자(12)를 구비하고 있다.
또한, 도 4에 도시되는 바와 같이, 모터 커넥터(9)는, 두께 0.8㎜의 고전기 도전률의 구리합금, 또는 인청동제의 모터 커넥터 단자(13)를 구비하고, 센서 커넥터(10)는, 두께 0.64㎜의 인청동제의 센서 커넥터 단자(14)를 구비하고 있다.
또한, 도 5에 도시되는 바와 같이, 전자 제어 장치(1)는, 기초부가 인서트 성형으로 하우징(3)과 일체화되어 있음과 함께, 회로 기판(4)과 반도체 스위칭 소자(2)를 전기적으로 접속한, 파워용 도전판(6a), 출력용 도전판(6b) 및 신호용 도전판(6c)과, 기초부가 인서트 성형으로 하우징(3)과 일체화되어 있음과 함께, 회로 기판(4)과 전원 커넥터 단자(11)를 전기적으로 접속한 도전판(6d)을 구비하고 있다.
또한, 전자 제어 장치(1)는, 회로 기판(4)과 신호 커넥터 단자(12) 및 센서 커넥터 단자(14)를 전기적으로 접속한 도전판(6e)과, 회로 기판(4)의 그라운드를 히트 싱크(5)에 접속하는 역할을 갖는 지지 부재(6f)를 구비하고 있다.
전원 커넥터 단자(11), 신호 커넥터 단자(12), 모터 커넥터 단자(13) 및 센서 커넥터 단자(14) 등의 부품은, 파워용 도전판(6a), 출력용 도전판(6b), 신호용 도전판(6c), 도전판(6d, 6e), 지지 부재(6f)가 인서트 성형되어 하우징(3)이 형성될 때에, 각각 동시에 인서트 성형되고, 차량 커넥터(8), 모터 커넥터(9), 센서 커넥터(10)가 하우징(3)에 일체화되어 형성되어 있다.
또한, 히트 싱크(5)가 부착된 하우징(3)의 개구부와 반대측의 개구부측의 측면에는, 전자 제어 장치(1)를 피부착체인 차량에 부착하기 위한 부착 다리부(3L)가 형성되어 있다.
병렬된 한 쌍의 각 반도체 스위칭 소자(2)의 각 단자는, 도 6에서 우측부터 공급 전원 단자(VS), 하이 사이드 M0SFET(2H)의 게이트 단자(GT1), 브리지 출력 단자(OUT), 로우 사이드 M0SFET(2L)의 게이트 단자(GT2), 및 그라운드 단자(GND)의 순서로 나열하여 배치되어 있다.
여기서, 공급 전원 단자(VS), 브리지 출력 단자(OUT), 그라운드 단자(GND)는, 전동 모터(22)를 작동시키기 위해, 최대로 50A 정도의 대전류가 흐르는 대전류용 단자, 게이트 단자(GT1), 게이트 단자(GT2)는, 최대로 3A 정도의 신호용의 작은 전류가 흐르는 소전류용 단자이고, 대전류용 단자와 소전류용 단자가 교대로 배치되어 있다.
병렬된 반도체 스위칭 소자(2)의 각 단자(0UT)는, 도 8에 도시하는 바와 같이 중간부의 2개소에서 기립(起立), 도복(倒伏)한 크랭크형상으로 동일형상으로 구부러져 있고, 동일 방향으로 각각 도출하고 있다. 이것은, 그 밖의 단자(VS, GT1, GT2, GND)에 관해서도 마찬가지이다.
반도체 스위칭 소자(2)의 단자(VS, GT1, OUT, GT2, GND)는, 폭이 0.8㎜, 두께가 0.5㎜, 단자의 간격이 1.7㎜로 형성되어 있다.
도 7에 도시하는 바와 같이, 반도체 스위칭 소자(2)는, 하이 사이드 M0SFET(2H)와 로우 사이드 M0SFET(2L)가 집적되어 하프 브리지가 형성되어 있다. 그리고, 반도체 스위칭 소자(2)는, 하프 브리지가 하나의 패키지에 수납되어 있음과 함께, 2개 1조가 되어 전동 모터(22)의 전류를 전환하기 위한 브리지 회로를 구성하고 있다.
또한, 도 5, 도 6에 도시하는 바와 같이, 하우징(3)에는, 반도체 스위칭 소자(2)의 본체와 하우징(3)의 위치 결정을 하는 위치 결정부(3d)가 형성되어 있다. 이 위치 결정부(3d)의 선단부에는 테이퍼가 형성되어 있고, 이 테이퍼부에 반도체 스위칭 소자(2)의 히트 스프레더부에 마련된 구멍(2a)이 안내되어 삽입되고, 위치 결정이 이루어진다. 위치 결정부(3d)는, 각 단자(VS, GT1, OUT, GT2, GND)의 도출 방향의 위치 결정을 겸하고 있다.
또한, 각 단자(VS, GT1, OUT, GT2, GND)와 도전판(6a, 6b, 6c)의 위치 결정을 행하는 위치 결정부(3e)가 마찬가지로 하우징(3)에 형성되어 있다. 이 위치 결정부(3e)는, 각 단자(VS, GT1, OUT, GT2, GND)의 도출 방향과 직각 방향의 위치 결정을 행하고 있다. 위치 결정부(3e)는, 반도체 스위칭 소자(2)의 양단의 단자(VS, GND)의 외측에 형성되어 있고, 선단부에는 테이퍼가 형성되어 있다. 이 테이퍼부로 반도체 스위칭 소자(2)의 각 단자(VS, GND)의 외측이 안내되어, 각 단자(VS, GT1, OUT, GT2, GND)와 도전판(6a, 6b, 6c)과의 위치 결정이 이루어진다.
도 6에 도시하는 바와 같이, 도전판(6a, 6b, 6c)은, 반도체 스위칭 소자(2)의 단자(VS, GT1, OUT, GT2, GND)가 도출하는 도출 방향으로 늘어나 겹쳐서 배치되고, 단자(VS, GT1, OUT, GT2, GND), 및 도전판(6a, 6b, 6c)은, 히트 싱크(5)와 대향하는 면에 배치되어 있다.
위치 결정부(3d, 3e)로 반도체 스위칭 소자(2)를 위치 결정 고정한 후, 각 단자(VS, GT1, OUT, GT2, GND)와 도전판(6a, 6b, 6c)이 예를 들면 레이저 용접으로 용접된다.
레이저 용접은, 히트 싱크(5)가 장착되기 전에, 히트 싱크(5)가 부착되는 방향에서 단자(VS, GT1, OUT, GT2, GND)의 표면을 향하여 레이저(LB)를 조사하여 행하여진다.
도 6에 도시하는 바와 같이, 파워용 도전판(6a)의 기단부는, 반도체 스위칭 소자(2)의 공급 전원 단자(VS), 그라운드 단자(GND)의 선단부에 각각 접속된다. 출력용 도전판(6b)의 기단부는, 브리지 출력 단자(OUT)의 선단부에 접속된다. 신호용 도전판(6c)의 기단부는, 게이트 단자(GT1, GT2)의 선단부에 각각 접속된다.
도전판(6a, 6b, 6c) 및 이들에 접속되는 주위 부품의 사시도를 도 9에 도시한다.
도전판(6a, 6b, 6c)에는, 각각 프레스 피트 단자(6ap, 6bp, 6cp)가 형성되어 있다. 회로 기판(4)에는 구리박에 의한 배선 패턴, 및 내면에 구리 도금이 이루어져서 상기 배선 패턴과 전기적으로 접속되는 복수의 스루홀(4a)이 형성되어 있고, 프레스 피트 단자(6ap, 6bp, 6cp)가 회로 기판(4)의 각각의 스루홀(4a)에 압입되어, 반도체 스위칭 소자(2)의 단자(VS, GT1, OUT, GT2, GND)와 회로 기판(4)의 배선 패턴이 전기적으로 접속되어 있다.
파워용 도전판(6a), 출력용 도전판(6b)은, 압연된 구리, 또는 구리합금으로 형성되어 있다. 단, 도전판(6a, 6b)과 반도체 스위칭 소자(2)의 단자(VS, OUT, GND)가 용접되면, 도전판(6a, 6b)에는 대전류가 흐르기 때문에, 도전판(6a, 6b)은 충분한 체적을 확보할 필요가 있다.
그러나, 프레스 피트 단자의 형성과 프레스 가공의 점에서는, 판두께를 두껍게 하는 것이 곤란하다. 그 때문에, 본 실시의 형태에서는, 파워용 도전판인 도전판(6a, 6b)의 판두께를, 단자(VS, OUT, GND)의 폭과 같은 0.8㎜로 하고, 판두께보다 판폭을 넓게 형성하여 반도체 스위칭 소자(2)의 단자(VS, OUT, GND)를 용접하고 있다.
또한, 신호용 도전판(6c)은, 소전류가 흐르기 때문에, 전기 저항의 저감화에 관해 고려할 필요성은 없지만, 대전류가 흐르는 파워용 도전판(6a), 출력용 도전판(6b)과 같은 판재로 형성되어 있다.
도 8, 도 9에 도시하는 바와 같이, 출력용 도전판(6b)은, 반도체 스위칭 소자(2)의 브리지 출력 단자(OUT)가 접속되어 있다.
또한, 기단부의 반대측 단부에는 모터 커넥터 단자(13)의 단부(13a)가 접속되어 있다. 그리고, 출력용 도전판(6b)과 반도체 스위칭 소자(2)의 브리지 출력 단자(OUT)가 접속되는 것과 마찬가지로, 모터 커넥터 단자(13)의 단부(13a)는, 출력용 도전판(6b)의 단부의 히트 싱크(5)와 대향하는 면에 배치되고, 히트 싱크(5)가 부착되는 방향에서 모터 커넥터 단자(13)의 표면을 향하여 레이저(LB)가 조사되어 용접되어 있다.
반도체 스위칭 소자(2)의 브리지 출력 단자(OUT)로부터의 모터 전류는, 회로 기판(4)을 경유하지 않고, 직접 모터 커넥터 단자(13)를 경유하여 전동 모터(22)에 흐르도록 구성되어 있다.
출력용 도전판(6b)의 중간부에는, 회로 기판(4)을 향하여 늘어난 프레스 피트 단자(6bp)가 형성되어 있고, 모터 커넥터 단자(13)의 전압을 모니터하기 위한 신호가 회로 기판(4)에 출력된다.
전원용 도전판(6d), 및 이들에 접속되는 주위 부품의 사시도를 도 10에 도시한다.
도 8, 도 10에 도시하는 바와 같이, 전원용 도전판(6d)에는, 전원 커넥터 단 자(11)의 단부(11a)가 접속되어 있다. 출력용 도전판(6b)과 모터 커넥터 단자(13)의 단부(13a)가 접속되어 있는 것과 마찬가지로, 전원 커넥터 단자(11)는, 전원용 도전판(6d)의 단부의 히트 싱크(5)와 대향하는 면에 배치되고, 히트 싱크(5)가 부착되는 방향에서 전원 커넥터 단자(11)의 단부(11a)의 표면을 향하여 레이저(LB)가 조사되어 용접되어 있다.
전원용 도전판(6d)의 중간부에는, 회로 기판(4)을 향하여 늘어난 프레스 피트 단자(6dp)가 형성되어 있고, 이 프레스 피트 단자(6dp)가 회로 기판(4)의 스루홀(4a)에 압입되어, 회로 기판(4)의 배선 패턴과 전기적으로 접속되어 있다. 그리고, 배터리(24)의 전류가 전원 커넥터 단자(11), 전원용 도전판(6d), 프레스 피트 단자(6dp)를 경유하고 회로 기판(4)에 공급된다.
도 11은, 도 8과 평행하고, 차량 커넥터(8) 및 센서 커넥터(10)에 따라 절단한 단면도이고, 도 12는, 각 도전판(6e), 및 이들에 접속되는 주위 부품의 사시도이다.
도 11, 도 12에 도시하는 바와 같이, 도전판(6e)은, 신호 커넥터 단자(12), 센서 커넥터 단자(14)의 단부(12a, 14a)와 겹치고, 이 이음면은, 히트 싱크(5) 부근에서, 또한, 히트 싱크(5)와 평행하게 형성되어 있다.
이 때, 신호 커넥터 단자(12), 센서 커넥터 단자(14)의 단부(12a, 14a)가 히트 싱크(5)측에 배치되고, 히트 싱크(5)가 부착되는 방향에서, 신호 커넥터 단자(12)의 단부(12a), 센서 커넥터 단자(14)의 단부(14a)의 표면을 향하여 레이저(LB)가 조사되어, 용접되어 있다.
또한, 도전판(6e)은, 용접부와는 반대측의 단부에는 프레스 피트 단자(6ep)가 형성되어 있고, 이 프레스 피트 단자(6ep)가 회로 기판(4)의 스루홀(4b)에 압입되어, 도전판(6e)에 접속된 신호 커넥터 단자(12), 센서 커넥터 단자(14)가 회로 기판(4)의 배선 패턴과 전기적으로 접속되어 있다.
도 13은 지지 부재(6f), 및 이 지지 부재(6f)에 접속되는 주위 부품의 사시도이고, 도 14는 도 8과 평행하고, 지지 부재(6f)의 중심에 따라 절단한 단면도이다.
지지 부재(6f)는, 회로 기판(4)의 그라운드를 히트 싱크(5)에 접속하는 기능을 갖고 있다. 단, 히트 싱크(5)의 표면에는 절연 피막(52)이 형성되어 있기 때문에, 지지 부재(6f)를 직접 히트 싱크에 접촉시킬 수는 없다. 그래서, 나사(20), 판 스프링(21)을 통하여, 회로 기판(4)과 히트 싱크(5)를 전기적으로 접속시킨다.
도 13에 도시하는 판 스프링(21)은, 스프링용 스테인리스 강판, 스프링용 인청동 등의 도전체로 형성되어 있고, 일단에는 슬릿(21s)이 마련되어 있다. 지지 부재(6f)가, 슬릿(2ls)에 압입 고정됨으로써, 지지 부재(6f)와 판 스프링(21)이 전기적으로 접속된다. 지지 부재(6f)가 고정된 판 스프링(21)은, 도 14에 도시하는 바와 같이, 하우징(3)과 나사(20)의 두부 사이에 배치되고, 하우징(3)과 함께 히트 싱크(5)에 체결 고정된다.
히트 싱크(5)에 마련된 나사 구멍에는 절연 처리가 시행되어 있지 않기 때문에, 지지 부재(6f)와 히트 싱크(5)와는 전기적으로 접속된다.
지지 부재(6f)에는, 선단부에 프레스 피트 단자(6fp)가 형성되어 있고, 프레 스 피트 단자(6fp)가, 회로 기판(4)의 스루홀(4a)에 압입된다.
이 구성에 의해, 프레스 피트 단자(6fp), 지지 부재(6f), 판 스프링(21), 나사(20)를 경유하고 회로 기판(4)의 배선 패턴과 히트 싱크(5)가 전기적으로 접속되어 있다.
도 8, 도 11에 도시되는 바와 같이, 본 실시의 형태에서는, 프레스 피트 단자(6ap, 6bp, 6cp, 6dp, 6ep)가 커버(7)측에 배치되고, 레이저 용접부가 히트 싱크(5)측에 배치된다.
이 구성에 의해, 프레스 피트 단자(6ap, 6bp, 6cp, 6dp, 6ep)와 레이저 용접부와의 거리가 길어지기 때문에, 레이저 용접시에 발생하는 열, 반사광, 실드용 가스의 영향이 프레스 피트 단자(6ap, 6bp, 6cp, 6dp, 6ep)에 주는 영향을 적게 할 수 있다.
또한, 프레스 피트 단자(6ap, 6bp, 6cp, 6dp, 6ep)와 레이저 용접부의 사이에, 절연성 수지(3a), 및 회로 기판(4)이 개재하기 때문에, 레이저 용접시에 발생하는 반사광이 프레스 피트 단자(6ap, 6bp, 6cp, 6dp, 6ep)에 도달하기 어렵게 되어 있다.
또한, 각 단자(VS, GT1, OUT, GT2, GND, 11, 12, 13, 14)는, 프레스 피트 단자(6ap, 6bp, 6cp, 6dp, 6ep)의 각 중심(예를 들면 도 11의 점선)을 통과하는 중심선에 대해 평행하게 떨어진 선상(線上)의 용접 부위에서 도전판(6a, 6b, 6c, 6d, 6e)에 용접되어 있다. 이와 같이, 용접 부위를 프레스 피트 단자(6ap, 6bp, .6cp, 6dp, 6ep)의 각 중심으로부터 떨어진 위치로 함으로써, 프레스 피트 단자(6ap, 6bp, 6cp, 6dp, 6ep)의 회로 기판(4)에 대한 압입시의 압입 하중이 용접부에 직접 작용하는 것을 막을 수 있고, 용접부의 왜곡, 또는 박리의 발생을 방지할 수 있다.
회로 기판(4)은, 스루홀(4a)에 프레스 피트 단자(6ap, 6bp, 6cp, 6dp, 6ep, 6fp)가 압입되어 기계적으로 지지되어 있다.
또한, 하우징(3)의 절연성 수지(3a)에, 각 도전판(6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 6f)의 기초부가 인서트 성형되어 있기 때문에, 프레스 피트 단자(6ap, 6bp, 6cp, 6dp, 6ep, 6fp)가 회로 기판(4)에 압입될 때에, 도 8, 도 11 및 도 14에 도시하는 바와 같이, 절연성 수지(3a)가 히트 싱크(5)와의 사이에 개재하여, 압입력(壓入力)을 히트 싱크(5)에서 받을 수 있도록 되어 있다. 단, 제조상의 정밀도에 의해 절연성 수지(3a)와 히트 싱크(5) 사이에 약간 간극이 발생하는 일이 된다.
프레스 피트 압입은, 프레스 피트 단자(6ap, 6bp, 6cp, 6dp, 6ep, 6fp)와 회로 기판(4)의 상대 높이 정밀도가 중요한데, 절연성 수지(3a)와 히트 싱크(5) 사이의 근소한 간극에 의해 이 상대 높이 정밀도가 악화하기 때문에, 이 간극에 접착제(도시 생략)를 도포하여 이 간극의 영향을 없애고 있다.
본 실시의 형태에서는, 파워용 도전판(6a)에는 프레스 피트 단자(6ap)가 2개, 출력용 도전판(6b)에는 프레스 피트 단자(6bp)가 1개, 신호용 도전판(6c)에는 프레스 피트 단자(6cp)가 1개 각각 형성되어 있고, 하나의 반도체 스위칭 소자(2)에 대해 7개의 프레스 피트 단자(6ap, 6bp, 6cp)가 배치되어 있다.
또한, 인접하는 도전판(6a, 6b, 6c)의 프레스 피트 단자(6ap, 6bp, 6cp)를 지그재그 모양으로 배치함으로써, 프레스 피트 단자(6ap, 6bp, 6cp) 사이의 거리를 크게 하여, 각 단자(6a, 6b, 6c) 사이의 단락을 막고 있다.
도전판(6d)에는, 전원 커넥터 단자 하나에 대해, 프레스 피트 단자(6dp)가 2개 형성되어 있고, 도전판(6e)에는, 신호 커넥터 단자(12)와 접속하는 프레스 피트 단자가 6개, 센서 커넥터 단자(14)와 접속하는 프레스 피트 단자가 5개, 합계 11개의 프레스 피트 단자(6ep)가 형성되어 있다.
또한, 지지 부재(6f)에는, 프레스 피트 단자(6fp)가 1개 형성되어 있다. 프레스 피트 단자(6ap, 6bp, 6cp, 6dp, 6fp)가 압입되는 회로 기판(4)의 스루홀(4a)의 구멍 지름은 1.45㎜, 프레스 피트 단자(6ep)가 압입되는 스루홀(4b)의 구멍 지름은 1㎜로 형성되어 있다.
상기 구성의 전자 제어 장치(1)에서는, 마이크로 컴퓨터(41)가 구동 신호를 생성하면, 회로에 전류가 흘러서 각 부분에서 발열이 생긴다. 이 때, 대전류 회로에 전기적으로 접속된, 코일(44), 콘덴서(45), 릴레이(46) 및 션트 저항(47)의 발열량은, 소전류 회로에 전기적으로 접속된, 마이크로 컴퓨터(41), 전원 IC(42) 및 드라이버 IC(43)의 발열량보다도 크다. 이들의 부품을 동일 공간에 배치하면, 발열이 작은 마이크로 컴퓨터(41), 전원 IC(42), 드라이버 IC(43)가, 발열이 큰 코일(44), 콘덴서(45), 릴레이(46), 션트 저항(47)으로부터 발생하는 열의 영향을 받아, 온도가 상승하여 버린다.
본 실시의 형태에서는, 대전류 부품인, 코일(44), 콘덴서(45), 릴레이(46) 및 션트 저항(47)을, 소전류 부품인, 마이크로 컴퓨터(41), 전원 IC(42) 및 드라이버 IC(43)가 실장되는 회로 기판(4)의 표면의 반대측의 면에 실장하고, 또한 코 일(44), 콘덴서(45), 릴레이(46)는, 히트 싱크(5)의 스위칭 소자(2)가 실장된 표면과 대향하도록 회로 기판(4)에 배치되어 있다.
본 실시의 형태에서의 회로 기판(4)상의 전류 부품의 위치 관계를 도 15 및 도 16에 도시한다. 도 15는, 도 8에 평행한 다른 단면을 도시하고, 도 16은, 도 15에 대해 직각 방향으로 절단한 단면을 도시하고 있다.
도 15에 도시하는 바와 같이, 코일(44), 콘덴서(45), 릴레이(46)는, 회로 기판(4), 히트 싱크(5) 및 하우징(3)의 내벽면에 둘러싸인 공간 내에 배치되어 있다.
또한, 도 16에 도시하는 바와 같이, 동일 공간 내에는, 션트 저항(47), 히트 싱크(5)에 탑재된 반도체 스위칭 소자(2)도 배치되어 있다.
소전류 부품인, 마이크로 컴퓨터(41), 전원 IC(42), 드라이버 IC(43)가 실장되는 측의 회로 기판(4)의 표면은, 커버(7)와 대향하도록 배치된다. 즉, 마이크로 컴퓨터(41), 전원 IC(42), 드라이버 IC(43)는, 회로 기판(4)과 커버(7)의 내벽면에 둘러싸인 공간 내에 배치되어 있다.
이 배치에 의해, 하우징(3), 히트 싱크(5), 커버(7)에 의해 형성된 전자 제어 장치(1)의 내부 공간은, 회로 기판(4)에 의해, 대전류 부품을 격납한 공간(A)과, 소전류 부품을 격납한 공간(B)의 2개로 분단되게 된다.
공간(A)에는, 대전류가 흐르는 대전류 부품, 즉, 발열량이 큰 대전류 부품이 격납되기 때문에, 공간 내부의 온도가 높아진다. 이에 대해, 공간(B)에는, 발열량이 작은 소전류 부품이 격납되고, 또한 회로 기판(4)이 단열재의 역할을 다하여, 공간(A)의 열을 단열하기 때문에, 공간(B)의 내부의 온도가 낮아진다.
마이크로 컴퓨터(41), 전원 IC(42) 및 드라이버 IC(43)는, 소형, 고성능인 집적 회로가 조립되어 있고, 다른 전류 부품에 비하여 열에 약하다.
그래서, 이들의 부품을 저온의 공간(B)에 배치함으로써, 수열(受熱)에 의한 온도 상승을 막을 수 있다.
전자 제어 장치(1)를 구성하는 부품중, 가장 온도가 낮아지는 것은, 비(非)발열체, 또한, 열전도율이 낮은 절연성 수지로 형성된 하우징(3)이다.
하우징(3)의 내벽면 부근에는 온도 경계층이 발달하기 때문에, 내벽면 부근에는 타부보다도 온도가 낮은 저온 공간이 형성된다. 또한, 당연하지만, 내벽면 부근은 외기와의 거리가 가까워지기 때문에, 외기로의 방열이 행하여지기 쉽게 된다.
즉, 회로 기판(4)에 실장되는 전류 부품을 회로 기판(4)의 주연부(周緣部)에 배치하면, 전류 부품이 하우징(3)의 내벽면 부근에 배치되게 되기 때문에, 방열이 촉진되고 온도 상승을 억제할 수 있다. 특히, 회로 기판(4)의 모서리부에 전류 부품을 배치하면, 전류 부품이 하우징(3)의 내벽면의 2면과 근접하게 되어, 보다 효과적으로 방열시킬 수 있기 때문에, 전자 제어 장치(1)의 소형화, 고출력화, 장수명화가 가능해진다.
본 실시의 형태에서의 회로 기판(4)의 정면도를 도 17에 도시한다.
도 17에서 알 수 있는 바와 같이, 콘덴서(45)가 회로 기판(4)의 모서리부에 배치되어 있기 때문에, 조립시에 하우징(3)의 내벽 모서리부 부근에 배치된다.
또한, 션트 저항(47)도 회로 기판(4)의 연부(緣部)에 배치되어 있고, 조립시 하우징(3)의 내벽 부근에 배치된다.
또한, 회로 기판(4)의 주연부에 배치하는 부품은, 콘덴서(45), 션트 저항(47)으로 한하지 않고, 예를 들면 코일(44), 릴레이(46), 마이크로 컴퓨터(41), 전원 IC(42), 드라이버 IC(43)라도 문제는 없다.
또한, 복수의 대전류 부품, 소전류 부품을 회로 기판(4)의 주연부에 각각 배치하여도 문제는 없다.
또한, 도 16, 도 17에 도시되는 바와 같이, 콘덴서(45)와 회로 기판(4)상에 형성된 배선과의 접속점과, 션트 저항(47)과 회로 기판(4)상에 형성된 배선과의 접속점이 근접하고 있다. 그 때문에, 콘덴서(45)와 션트 저항(47)은 회로 기판(4)상에서 근접 배치되어 있다.
콘덴서(45)와 션트 저항(47)의 접속 거리가 길어지면, 계(系)의 인덕턴스가 커지고, 노이즈가 커져 버린다. 그 때문에, 콘덴서(45)와 션트 저항(47)의 접속 사이 거리를 3㎜ 이내로 배치하고 있다.
또한, 히트 싱크(5)는, 히트 싱크 본체(51)와, 이 히트 싱크 본체(51)의 표면에 형성된 절연 피막인 알루마이트 피막(52)으로 구성되어 있다.
히트 싱크(5)는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 다이스로부터 압출하여 형성된 압출형재의 전면(全面)에 미리 알루마이트 피막(52)을 형성한 히트 싱크 소재를 제조하고, 이 히트 싱크 소재를 절단기로 소망하는 길이로 절단하고, 천공 등의 기계 가공을 시행하여 형성된다.
이 제조 방법에서는, 히트 싱크 개개에 대해 알루마이트 피막(52)을 형성할 필요가 없기 때문에, 제조 공정이 단순화되고 제조 비용이 저감한다.
알루마이트는, 알루미늄, 또는, 알루미늄 합금을 양극산화 처리함으로써, 표면에 절연성의 산화 피막을 형성하는 표면 처리법이다.
금속의 산화 피막은 일반적으로 0.8 내지 0.9 정도의 높은 방사율(放射率)을 갖는다.
즉, 알루마이트 처리가 시행된 히트 싱크(5)의 표면에는, 자연 공냉에 의한 방열과 방사에 의한 방열이 생기기 때문에, 높은 방열 성능을 얻을 수 있다.
히트 싱크(5)는, 알루마이트 피막(52)을 형성한 소재를 절단하여 제조되기 때문에, 단면(端面)(5a)에는 알루마이트 처리가 시행되지 않는다. 일반적으로 금속의 방사율은 0.1 내지 0.2 정도이기 때문에, 히트 싱크(5)의 단면(5a)을 외부에 노출해도 충분한 방열 성능을 얻을 수가 없다. 그래서, 히트 싱크(5)의 단면(5a)을 절연성 수지제의 하우징(3)의 개구부의 내벽면(3c)에 근접 대향시켜서 배치하고 있다.
본 실시의 형태에서의, 하우징(3)의 내벽면(3c)과 히트 싱크(5)의 단면(5a)의 위치 관계를 도시하는 사시도를 도 18, 도 19에 도시한다.
절연성 수지는, 금속에 비하면 충분히 높은 열방사율을 갖는다. 또한, 하우징(3)의 표면적은, 히트 싱크(5)의 단면(5a)의 표면적에 비하여 충분히 크다.
그래서, 히트 싱크(5)의 단면(5a)과 하우징(3)의 내벽면(3c)을 면접촉시킴으로써, 히트 싱크(5)의 다량의 열은, 단면(5a)을 통하여, 방열면적이 크고, 열방사율이 높은 하우징(3)으로 원활하게 흐르고, 하우징(3)을 통하여 외부로 방출되고, 히트 싱크(5)의 단면(5a)을 직접 외부에 노출시키는 것보다도 높은 방열 성능을 얻 을 수 있다.
또한, 표면에 알루마이트 피막(52)이 시행된 히트 싱크(5)의 한쪽의 측면(5b)은, 도 19에 도시하는 바와 같이, 외부에 노출하도록 구성되어 있다.
히트 싱크(5)는, 히트 싱크 본체(51)가 열전도율이 높은 알루미늄, 또는, 알루미늄 합금으로 제조되기 때문에, 히트 싱크(5) 자신의 열저항은 거의 제로로서 지장이 없다.
또한, 알루마이트 피막(52)은, 산화 알루미나(Al2O3)로 형성되어 있고, 또한 막두께는 10㎛ 정도로 매우 얇기 때문에, 열저항을 거의 제로로 간주할 수 있다.
히트 싱크(5)는, 단면(5a) 이외에서는, 표면에 알루마이트 피막(52)이 형성된다.
즉, 반도체 스위칭 소자(2)가 탑재되는 면, 및 반도체 스위칭 소자(2)의 단자(VS, GT1, OUT, GT2, GND)와 대향하는 면에도 알루마이트 피막(52)이 형성되어 있다. 알루마이트는, 방사율을 향상시키는 산화 피막으로서의 역할 외에, 절연 피막으로서의 역할도 갖는다.
반도체 스위칭 소자(2)는, 고전류가 흐르는데, 히트 싱크(5)의 표면에 알루마이트 피막(52)이 형성되어 있기 때문에, 히트 싱크(5)와의 단락을 막을 수 있다.
또한, 만일 반도체 스위칭 소자(2)의 부근에서, 알루마이트 피막(52)의 크랙 등에 의한 절연 불량이 생겨도, 히트 싱크(5)의 표면은, 알루마이트 피막(52)과 하우징(3)에 의해 절연되어 있기 때문에, 전자 제어 장치(1)의 외측으로부터 반도체 스위칭 소자(2)와 전기적으로 단락되는 일이 없고, 절연성능이 향상한 전자 제어 장치(1)를 얻을 수 있다.
본 실시의 형태에서는, 히트 싱크(5)는 압출형재를 사용하여 제조하였지만, 열간 또는 냉간 압연된 판재를 사용하여 제조하여도 좋다.
또한, 절연 피막을 알루마이트 피막(52)으로 하였지만, 절연 피막으로서, 프리코트된 절연성 수지를 사용하여도 좋다.
또한, 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 히트 싱크 표면을 도료로 도장하여도 좋다.
반도체 스위칭 소자(2)를 히트 싱크(5)에 설치할 때에는, 반도체 스위칭 소자(2)의 히트 스프레더부와 히트 싱크(5)의 알루마이트 피막(52) 사이에 열전도성 접착제(도시 생략)를 개재시켜서 고정시킨다. 히트 싱크(5)와 히트 스프레더의 표면에는, 작은 요철이 존재하기 때문에, 히트 스프레더부를 히트 싱크(5)에 밀착시켜도 약간의 간극이 발생하고, 진실 접촉면적이 외관의 접촉면적에 비하여 작다.
접촉면적이 작아지면, 반도체 스위칭 소자(2)에서 발생한 열이 히트 싱크(5)로 전열될 때의 전열(傳熱) 경로에서의 열저항이 커지기 때문에, 반도체 스위칭 소자(2)로부터의 방열이 방해된다.
그래서, 간극에 열전도성 접착제를 개재시킴으로써, 반도체 스위칭 소자(2)와 히트 싱크(5) 사이의 열저항을 저감시켜서, 방열 성능을 촉진시킬 수 있다.
또한, 반도체 스위칭 소자(2)와 히트 싱크(5)가 열전도성 접착제로 고정됨으로써, 예를 들면 전자 제어 장치(1)에 외력이 가해지는, 또는, 진동이 생긴 때에, 반도체 스위칭 소자(2)의 용접부에 가해지는 응력이 작아진다.
또한, 판 스프링(21)에는, 회로 기판(4)의 그라운드와 히트 싱크(5)를 접속하는 역할 외에, 반도체 스위칭 소자(2)를 하우징(3)에 고정하는 역할을 갖는다.
판 스프링(21), 및 그 주위의 부품을 나타냈던 주요부 사시도를 도 20에 도시한다.
도 14, 도 16 및 도 20에 도시하는 바와 같이, 판 스프링(21)의 결합 고정부(21b)는, 하우징(3)의 지지부(3b)에 결합 고정됨과 함께, 하우징(3)을 개재시켜서 나사(20)로 히트 싱크(5)에 고정되어 있다.
이 때, 판 스프링(21)의 누름부(21a)는, 반도체 스위칭 소자(2)의 수지 패키지 면에 꽉 눌린다. 이 결과, 열전도성 접착제가 판 스프링(21)의 가압에 의해 얇고 또한 균일하게 퍼지기 때문에, 히트 싱크(5)의 알루마이트 피막(52)과 반도체 스위칭 소자(2) 사이의. 열저항 편차를 저감시킬 수 있다.
또한, 반도체 스위칭 소자(2)는, 열전도성 접착제의 접착력에 더하여 판 스프링(21)의 가압에 의해 고정되기 때문에, 히트 싱크(5)와 반도체 스위칭 소자(2)의 열팽창 차에 의해 발생하는 알루마이트 피막(52)의 박리, 및 외력·진동에 의한 알루마이트 피막(52)의 박리를 막을 수 있다.
또한, 반도체 스위칭 소자(2)는, 히트 스프레더부가 브리지 출력 단자(OUT)와 내부에서 전기적으로 연결되어 있지만, 알루마이트 피막(52) 및 고열 전도 접착제로 히트 싱크(5)와 전기적으로 절연되어 있다.
커버(7)는, 하우징(3)과 같은 절연성 수지로 성형되고, 초음파 용착기로 하 우징(3)의 개구부에 용착되어 있다.
또한, 커버(7)와 하우징(3)의 용착은, 진동 용착기에 의한 진동 용착이라도 좋다.
진동 용착은, 커버(7)와 하우징(3)의 접합면의 양방향에 따라, 커버(7)를 왕복 진동시켜서, 마찰열에 의해 커버(7)와 하우징(3)의 수지를 서로 용융시켜서 접합하고 있다.
진동 용착은, 커버(7)와 하우징(3)의 접합면이 큰 경우에 적용된다.
또한, 초음파 용착기 대신에, 레이저 용착기에 의한 레이저 용착이라도 좋다.
레이저 용착은, 커버(7)가 레이저 투과율이 큰 재료로 구성되어 있음과 함께, 하우징(3)이 레이저 흡수률이 높은 재료로 구성되어 있다.
그리고, 레이저광을 커버(7)측에서 조사하면, 레이저광이 커버(7)를 투과하여, 하우징(3)의 접합면에서 레이저광이 흡수되고, 발열한다. 그 열이 커버(7)측에도 전도되어, 커버(7)도 발열하여 커버(7)와 하우징(3)의 접합면에서 서로 용융하고, 용착된다.
레이저 용착은, 휘어짐이나 수축이 큰 수지 성형으로는, 접합면에 레이저가 초점을 맞추는 것이 곤란하여 이용할 수 없지만, 휘어짐이나 수축이 작은 수지 성형인 경우에는, 용착 자체는 버르의 발생이 없고, 진동의 발생이 없기 때문에, 내부 부품에의 진동 전달이 없다는 이점이 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시의 형태 1의 전자 제어 장치(1)에 의하면, 히트 싱크(5)에 반도체 스위칭 소자(2)가 탑재되어 있기 때문에, 반도체 스위칭 소자(2)의 방열성이 향상함과 함께, 종래 필요로 하였던, 반도체 스위칭 소자(2)를 탑재하기 위한 파워 기판이 불필요하게 되어, 모든 높이(全高)를 낮게 소형화할 수 있다.
또한, 회로 기판(4)은, 한쪽의 면에 반도체 스위칭 소자(2)의 구동을 제어하는 마이크로 컴퓨터(41)를 포함하는 복수의 소전류 부품이 실장되고, 다른쪽의 면에 콘덴서(45)를 포함하는 복수의 대전류 부품이 실장되어, 하나의 회로 기판에 대전류 부품 및 소전류 부품이 실장되어 있기 때문에, 모든 높이(全高)를 더욱 낮게 소형화할 수 있다.
또한, 발열량이 큰 대전류 부품과 발열량이 작은 소전류 부품이 회로 기판(4)을 통하여 구분되고, 내열성에 약한 소전류 부품은 대전류 부품으로부터의 열의 영향이 억제되어, 전자 제어 장치(1)의 장수명화가 가능해진다.
게다가, 소전류 부품은, 반도체 스위칭 소자(2)와 대향하는 면의 반대측의 면에 실장되어 있기 때문에, 대전류가 흐르는 반도체 스위칭 소자(2)로부터의 열의 영향도 억제되어, 전자 제어 장치(1)가 더욱 장수명화된다.
또한, 콘덴서(45), 션트 저항(47)은, 회로 기판(4)의 연부에 배치되어 있기 때문에, 콘덴서(45), 션트 저항(47)의 방열성이 향상한다.
또한, 회로 기판(4)은, 션트 저항(47)과 콘덴서(45)가 근접하여 실장되어 있기 때문에, 션트 저항(47)과 콘덴서(45)의 전기적인 접속 거리를 단축할 수 있고, 계(系)의 인덕턴스를 작게 억제할 수 있고, 노이즈의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 히트 싱크(5)는, 반도체 스위칭 소자(2)가 탑재된 표면, 및 그 이면에 알루마이트 피막(52)이 형성되어 있기 때문에, 히트 싱크(5)의 열방사율이 높아지고, 히트 싱크(5)의 열방사성이 향상한다.
또한, 히트 싱크(5)는, 알루마이트 피막(52)을 갖지 않는 노출한 단면(5a)이, 하우징(3)의 내벽면(3c)과 면접촉하고 있기 때문에, 히트 싱크(5)의 다량의 열은, 단면(5a)을 통하여 방열면적이 크고, 열방사율이 높은 하우징(3)으로 원활히 흐르고, 하우징(3)을 통하여 외부로 방출되어, 히트 싱크(5)의 방열성이 향상한다.
또한, 히트 싱크(5)는, 열전도율이 높은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 히트 싱크 본체(51)의 표면에, 열저항이 거의 제로인 알루마이트 피막(52)이 형성되어 있기 때문에, 히트 싱크(5)의 방열성이 높다.
또한, 반도체 스위칭 소자(2)는, 알루마이트 피막(52)의 표면에 열전도성 접착제를 사용하여 고정되어 있기 때문에, 반도체 스위칭 소자(2)와 히트 싱크(5) 사이의 열저항이 저감되고, 반도체 스위칭 소자(2)의 방열성이 향상한다.
또한, 반도체 스위칭 소자(2)에 외력이 가해진 경우에는, 반도체 스위칭 소자(2)의 용접부에 대한 응력이 저감되고, 히트 싱크(5)에 대한 반도체 스위칭 소자(2)의 결합성이 향상한다.
또한, 반도체 스위칭 소자(2)는, 판 스프링(21)에 의해 히트 싱크(5)에 가압되어 있기 때문에, 반도체 스위칭 소자(2)와 히트 싱크(5)가 강고하게 결합되고, 양자 사이의 열팽창 차 및 외력·진동에 의한 반도체 스위칭 소자(2)의 박리의 발생을 방지할 수 있다.
또한, 판 스프링(21)은, 하우징(3)에 결합 고정됨과 함께, 하우징(3)을 통하여 나사(20)로 히트 싱크(5)에 고정되어 있기 때문에, 판 스프링(21)은, 반도체 스위칭 소자(2)를 히트 싱크(5)에 확실하게 가압할 수 있다.
실시의 형태 2
도 21은 본 발명의 실시의 형태 2에 관한 전자 제어 장치(1)의 주요부를 도시하는 단면도이다. 도 21에 도시하는 전자 제어 장치(1)는, 도 15에 도시한 구조에 대해, 대전류 부품인 콘덴서(45)가 개재물(45a)을 통하여 히트 싱크(5)와 접촉하고 있는 점, 소전류 부품인, 마이크로 컴퓨터(41), 전원 IC(42) 및 드라이버 IC(43)가 각각, 개재물(41a, 42a, 43a)을 통하여 커버(7)와 접촉하고 있다.
다른 구성은, 실시의 형태 1과 같다.
도 15에 도시한 실시의 형태 1의 전자 제어 장치(1)에서는, 전류 부품은, 배선 패턴 개소에서만 회로 기판(4)과 접촉하고, 그 밖의 전류 부품의 표면은, 하우징(3), 히트 싱크(5) 및 커버(7)에 의해 형성된 몸체 내부의 공기에 폭로되어 있다.
그 때문에, 전류 부품에서 발생한 열의 대부분은 하우징(3)의 내부 공기로 방열된다. 공기의 열전도율은, 상온에서 0.03W/mK이고, 고체의 열전도율에 비하여 작다.
또한, 몸체의 내부는 밀폐되어 있고, 내부에서 생기는 공기의 대류는, 온도차에 의해 공기의 밀도에 차가 생겨서 일어나는 자연 대류이다. 자연 대류의 유속은 일반적으로 0.1m/s 이하이고, 방열 효과는 미소하다.
즉, 전류 부품 주위에 공기가 존재하면, 열저항이 증가하고, 방열 성능이 현저하게 악화한다.
그래서, 콘덴서(45)를 개재물(45a)을 통하여 히트 싱크(5)와 접촉시키고, 마이크로 컴퓨터(41), 전원 IC(42) 및 드라이버 IC(43)를 각각 개재물(41a, 42a, 43a)을 통하여 커버(7)와 접촉시킴으로써, 각 전류 부품으로부터 발생한 열을, 방열 성능이 낮은 공기의 대류에 의하지 않고 열전도에 의해 직접 외부로 방열시킬 수 있다.
단, 전류 부품은 솔더로 회로 기판(4)에 고정되기 때문에, 전류 부품의 높이 정밀도를 충분히 확보하기는 어렵다. 높이가 낮으면 충분한 접촉 효과를 얻을 수 없고, 역으로 높이가 너무 높으면, 조립시에 무리한 힘이 가해지고 전류 부품을 파괴하여 버린다.
또한, 가령 전류 부품과, 히트 싱크(5) 또는 커버(7)와 접촉시켰다고 하여도, 전류 부품의 표면에는 미소한 요철이 다수 존재하기 때문에, 진실 접촉면적이 외관의 접촉면적에 비하여 작아진다. 접촉면적이 작아지면 열저항이 커지기 때문에, 결과적으로, 충분한 전열 성능을 얻기가 어려워진다.
그래서, 도 21에 도시하는 바와 같이, 전류 부품과 히트 싱크(5) 또는 커버(7)를 접촉시킬 때에는, 대상물의 사이에 겔상, 또는, 탄성체 재료를 개재시켜서 부품을 접촉시키는 수단이 유효하다. 조건에 해당하는 개재물로서는, 예를 들면 열전도성의 그리스나 열전도성 접착제, 전열 시트, 방열 러버를 들 수 있다.
이들의 물질은, 가압에 의해 변형시킬 수 있기 때문에, 대상이 되는 위치에 개재물을 도포, 또는, 부착하여 두면, 조립시에, 전류 부품과 히트 싱크(5) 또는 커버(7)에 끼워져서 가압 변형함으로써, 간극이 파묻혀서 부품끼리를 접촉시킬 수 있다.
또한, 본 실시의 형태의 개재물(41a, 42a, 43a, 45a)은, 열전도성의 그리스, 열전도성 접착제, 전열 시트 및 방열 러버의 어느 하나로 구성되어 있어서, 방열 성능이 향상하는 것과 아울러서, 전류 부품의 온도 상승 스피드를 늦출 수 있다.
전자 제어 장치(1)는, 핸들의 조타 토오크를 감지하여 작동하기 때문에, 전류치가 순간적으로 전환되는 비정상 작동을 반복한다.
즉, 순간적으로 대전류가 흐르는 것도 상정되는데, 열용량이 작은 소형의 전류 부품은, 온도가 급격하게 상승하여, 이상을 일으키는 것이 고려된다.
이에 대해, 전류 부품과, 히트 싱크(5) 또는 커버(7)가, 개재물(41a, 42a, 43a, 45a)을 통하여 접촉함으로써, 외관의 전류 부품의 열용량이 증가하기 때문에, 전류 부품의 온도 상승 스피드를 늦출 수 있다.
동일 시간 내의 핸들 조작이라면, 개재물(41a, 42a, 43a, 45a)이 존재한 쪽이, 열용량이 커지고, 전류 부품의 온도 상승 스피드가 늦어지기 때문에, 그 결과 온도 상승치를 저감시킬 수 있다.
또한, 도 15에 도시한 실시의 형태 1의 전자 제어 장치(1)에서는, 전류 부품은 배선 패턴 개소에서만 회로 기판(4)과 접촉하고 있기 때문에, 전류 부품을 지지하고 있는 것은 배선 패턴만이 된다. 따라서 이 구성에서는, 전류 부품을 매우 작은 부위에서 지지할 필요가 있기 때문에, 외력, 진동에 의한 응력, 또는, 열팽창에 의한 열응력이 생기고, 전류 부품이 파손, 또는, 박리할 가능성이 있다.
이에 대해, 본 실시의 형태에서는, 개재물(41a, 42a, 43a, 45a)은, 겔상, 또는 탄성체의 특성을 갖고 있기 때문에, 전류 부품을 지지하는 면적이 증가하기 때문에, 외력, 진동에 의해 생기는 응력, 또는, 열팽창에 의한 열응력의 영향을 작게 할 수 있다.
또한, 개재물(41a, 42a, 43a, 45a)의 스프링 효과에 의한 진동의 흡수, 열팽창의 억누르는 효과도 생긴다.
또한, 본 실시의 형태에서는, 콘덴서(45)는, 개재물(45a)을 통하여 히트 싱크(5)와 접촉하고 있지만, 하우징(3)과 접촉시키도록 하여도 좋다.
또한, 대전류 부품인 릴레이(46)에 대해서도, 콘덴서(45)와 마찬가지로, 히트 싱크(5), 또는 하우징(3)과 개재물을 통하여 접촉시켜도 좋다.
이상, 본 실시의 형태 2의 전자 제어 장치(1)에 의하면, 하우징(3)의 단부에는 커버(7)가 부착되고, 하우징(3), 히트 싱크(5) 및 커버(7)에 의해 몸체가 구성되고, 이 몸체 내의 대전류 부품, 소전류 부품은, 몸체의 내벽면과 열전도성을 갖는 개재물(41a. 42a, 43a, 45a)을 통하여 접촉하고 있기 때문에, 각 전류 부품으로부터 발생한 열을 방열 성능이 낮은 공기의 대류에 의하지 않고 열전도에 의해 직접 외부로 방열시킬 수 있다.
또한, 개재물(41a, 42a, 43a, 45a)은, 겔상 또는 탄성체 재료이기 때문에, 조립시에, 몸체와 대전류 부품, 소전류 부품 사이의 간극의 편차는 변형에 의해 흡수되고, 무리한 힘이 몸체, 대전류 부품 및 소전류 부품에 가해지는 것이 방지된 다.
또한, 상기 실시의 형태 1, 2에서는, 히트 싱크(5)의 외부에 노출하는 면은, 도 19에 도시하는 바와 같이, 평면으로 하였지만, 도 22와 같이 방열 핀(5c)을 마련함으로써, 히트 싱크(5)의 방열성을 향상시켜도 좋다.
또한, 반도체 스위칭 소자(2)의 각 단자(VS, GT1, OUT, GT2, GND), 및 접속 단자(11a, 12a, 13a, 14a)와 도전판(6a, 6b, 6c, 6d, 6e)의 접합은 레이저 용접으로 하였지만, 저항 용접, TIG 용접 등 다른 용접 방법이라도 좋다.
또한, 용접 이외의 초음파 접합이라도 좋다.
또한, 반도체 스위칭 소자(2)는, 하이 사이드 M0SFET(2H)와 로우 사이드 M0SFET(2L)가 집적된 하프 브리지가 하나의 패키지에 수납되어 있음과 함께, 2개 1조가 되어 전동 모터(22)의 전류를 전환하기 위한 브리지 회로를 구성하였지만, 하이 사이드 M0SFET(2H)와 로우 사이드 M0SFET(2L)가 제각기 구성되어 4개의 반도체 스위칭 소자(2)로 브리지 회로를 구성하여도 좋다.
또한, 6개의 반도체 스위칭 소자(2)로 브리지 회로를 구성하여 3상 브러시레스 모터를 구동 제어하는 구성이라도 좋다.
또한, 파워 디바이스는 반도체 스위칭 소자(2)로 하였지만, 다이오드, 사이리스터 등 다른 파워 디바이스라도 좋다.
또한, 상기 실시의 형태에서는, 자동차의 전동식 파워 스티어링 장치에 적용한 예에 관해 설명하였지만, 안티로크 브레이크 시스템(ABS)의 전자 제어 장치, 에어 컨디셔닝 관계의 전자 제어 장치 등, 파워 디바이스를 구비한 대전류(예를 들면 25A 이상)를 취급하는 전자 제어 장치에도 적용이 가능하다.
또한, 상술한 각 구성 부품의 치수, 형상 및 수는, 한 예이고, 물론 이 치수, 형상 및 수로 한정되는 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 의한 전자 제어 장치를 도시하는 분해 사시도.
도 2는 도 1의 전자 제어 장치를 도시하는 분해 사시도를 상하 반대 방향에서 본 때의 분해 사시도.
도 3은 도 1의 전자 제어 장치를 차량 커넥터측에서 본 때의 측면도.
도 4는 도 1의 전자 제어 장치를 모터 커넥터측에서 본 때의 측면도.
도 5는 도 1의 전자 제어 장치의 하우징을 히트 싱크가 부착되는 방향에서 본 때의 사시도.
도 6은 도 5의 주요부 확대도.
도 7은 도 1의 전자 제어 장치의 블록도.
도 8은 도 1의 전자 제어 장치의 측단면도.
도 9는 도 1의 전자 제어 장치의 도전판과 커넥터 단자의 조립을 도시하는 사시도.
도 10은 도 1의 전자 제어 장치의 도전판과 커넥터 단자의 조립을 도시하는 사시도.
도 11은 도 1의 전자 제어 장치에서의 도 8의 측단면과 평행한 측단면도.
도 12는 도 1의 전자 제어 장치의 도전판과 커넥터 단자의 조립을 도시하는 사시도.
도 13은 도 1의 전자 제어 장치의 지지 부재와 스프링재의 조립을 도시하는 사시도.
도 14는 도 1의 전자 제어 장치에서의 도 8의 측단면과 평행한 측단면도.
도 15는 도 1의 전자 제어 장치에서의 도 8의 측단면에 대해 직각 방향에 따라 절단한 때의 단면도.
도 16은 도 1의 전자 제어 장치에서의 도 8의 측단면과 평행한 측단면도.
도 17은 도 1의 전자 제어 장치의 회로 기판을 도시하는 정면도.
도 18은 도 1의 전자 제어 장치의 히트 싱크와 하우징의 위치 관계를 도시하는 분해 사시도.
도 19는 도 1의 전자 제어 장치의 히트 싱크와 하우징의 위치 관계를 도시하는 사시도.
도 20은 도 1의 전자 제어 장치의 주요부 사시도.
도 21은 본 발명의 실시의 형태 2에 의한 전자 제어 장치를 도시하는 측단면도.
도 22는 본 발명의 실시의 형태 1, 2에 의한 전자 제어 장치의 변형예를 도시하는 사시도.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
1 : 전자 제어 장치
2 : 반도체 스위칭 소자(파워 디바이스)
3 : 하우징 3a : 절연성 수지
3b : 지지부 3c : 개구부 내벽면
3d : 위치 결정부 3e : 위치 결정부
4 : 회로 기판 5 : 히트 싱크
5a : 단면 5b : 알루마이트 처리면
5c : 방열 핀 6a : 파워용 도전판
6b : 출력용 도전판 6c : 신호용 도전판
6d : 도전판 6e : 도전판
6f : 지지 부재 6ap 내지 6fp : 프레스 피트 단자
7 : 커버 8 : 차량 커넥터
9 : 모터 커넥터 10 : 센서 커넥터
11 : 전원 커넥터 단자 12 : 신호 커넥터 단자
13 : 모터 커넥터 단자 14 : 센서 커넥터 단자
20 : 나사 21 : 판 스프링
21a : 누름부 21b : 결합 고정부
21s : 슬릿부 22 : 전동 모터
23 : 토오크 센서 24 : 배터리
41 : 마이크로 컴퓨터(소전류 부품) 42 : 전원 IC(소전류 부품)
43 : 드라이버 IC(소전류 부품) 44 : 코일(대전류 부품)
45 : 콘덴서(대전류 부품) 46 : 릴레이(대전류 부품)
47 : 션트 저항(대전류 부품) 51 : 히트 싱크 본체
52 : 알루마이트 피막

Claims (19)

  1. 양단부에 개구부를 갖는 절연성 수지제의 하우징과,
    상기 하우징의 한쪽의 상기 단부에 부착되고, 하우징측의 표면에 파워 디바이스가 탑재된 히트 싱크와,
    상기 히트 싱크와 대향하여 마련된 회로 기판을 구비하고,
    상기 회로 기판은, 한쪽의 면에 상기 파워 디바이스의 구동을 제어하는 마이크로 컴퓨터를 포함하는 복수의 소전류 부품이 실장되고, 다른쪽의 면에 상기 파워 디바이스에 흐르는 전류의 리플을 흡수하는 콘덴서를 포함하는 복수의 대전류 부품이 실장되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 제어 장치.
  2. 양단부에 개구부를 갖는 절연성 수지제의 하우징과,
    상기 하우징의 한쪽의 상기 단부에 부착되고, 하우징측 표면에 파워 디바이스가 탑재된 히트 싱크와,
    상기 히트 싱크와 대향하여 마련된 회로 기판을 구비하고,
    상기 회로 기판은, 한쪽의 면에 상기 파워 디바이스의 구동을 제어하는 마이크로 컴퓨터를 포함하는 복수의 소전류 부품이 실장되고, 다른쪽의 면에 상기 파워 디바이스에 흐르는 전류를 검출하는 션트 저항을 포함하는 복수의 대전류 부품이 실장되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 제어 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 회로 기판은, 상기 파워 디바이스와 대향한 면의 반대측의 면에, 상기 소전류 부품이 실장되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 제어 장치.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 회로 기판은, 다른쪽의 상기 면에 상기 파워 디바이스의 구동시에 발생하는 전자 노이즈가 외부로 유출되는 것을 막는 코일이 실장되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 제어 장치.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 회로 기판은, 다른쪽의 상기 면에 상기 파워 디바이스에 흐르는 전류를 개폐하는 릴레이가 실장되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 제어 장치.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    복수의 상기 소전류 부품, 복수의 상기 대전류 부품중, 적어도 하나의 전류 부품이 상기 회로 기판의 연부에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 제어 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 회로 기판은, 다른쪽의 상기 면에 상기 파워 디바이스에 흐르는 전류를 검출하는 션트 저항이 상기 콘덴서와 근접하여 실장되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 제어 장치.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 히트 싱크는, 상기 파워 디바이스가 탑재된 표면, 및 그 이면의 적어도 한쪽에 열방사율을 높이기 위한 피막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 제어 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 히트 싱크는, 상기 껍질막을 갖지 않는 노출한 단면이, 상기 하우징의 내벽면과 면접촉하고 있는 것을 특징으로 하는 전자 제어 장치.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 피막은, 알루마이트 피막인 것을 특징으로 하는 전자 제어 장치.
  11. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 히트 싱크의 상기 파워 디바이스가 탑재되는 면의 반대측의 면에는, 방열 핀이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 제어 장치.
  12. 제 1항, 제 2항 및 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히트 싱크는, 히트 싱크 본체가 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 제어 장치.
  13. 제 8항에 있어서,
    상기 파워 디바이스는, 상기 껍질막의 표면에 열전도성 접착제를 통하여 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 제어 장치.
  14. 제 1항, 제 2항 및 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파워 디바이스는, 판 스프링에 의해 상기 히트 싱크에 가압되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 제어 장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 판 스프링은, 상기 하우징에 결합 고정됨과 함께, 상기 하우징을 통하여, 나사로 상기 히트 싱크에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 제어 장치.
  16. 제 1항, 제 2항 및 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하우징의 다른쪽의 상기 단부에는 커버가 부착되고, 상기 하우징, 상기 히트 싱크 및 상기 커버에 의해 몸체가 구성되고,
    상기 몸체 내의 상기 대전류 부품, 상기 소전류 부품중, 적어도 하나의 전류 부품이 상기 몸체의 내벽면과 열전도성을 갖는 개재물을 통하여 접촉하고 있는 것 을 특징으로 하는 전자 제어 장치.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 개재물은, 겔상 또는 탄성체 재료인 것을 특징으로 하는 전자 제어 장치.
  18. 제 1항, 제 2항 및 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파워 디바이스는, 반도체 스위칭 소자인 것을 특징으로 하는 전자 제어 장치.
  19. 제 1항, 제 2항 및 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자 제어 장치는, 전동식 파워 스티어링 장치인 것을 특징으로 하는 전자 제어 장치.
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