电动助力转向用的电子控制单元
阅读说明：本技术 电动助力转向用的电子控制单元 (Electronic control unit for electric power steering ) 是由 原田一树 木暮荣和 阿部信吾 于 2019-03-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供电动助力转向用的电子控制单元,该电动助力转向用的电子控制单元与电动马达一体形成,其中,所述电子控制单元具有从外部接受电源供给的一个电路板,所述电路板的一面侧的基板区域具有安装有电源系统电路部件的区域和安装有控制系统电路部件的区域,在与安装有所述电源系统电路部件的区域对应的所述电路板的另一面侧的区域形成有导体图案,在与安装有所述控制系统电路部件的区域对应的所述电路板的另一面侧的区域安装有至少一部分的控制系统电路部件,所述导体图案至少包含所述电源系统电路部件的电源图案和接地端图案,所述电源图案和所述接地端图案包含多个电源图案和多个接地端图案。(The present invention provides an electronic control unit for electric power steering, which is formed integrally with an electric motor, wherein the electronic control unit has a circuit board for receiving power supply from outside, a substrate region on one surface side of the circuit board has a region where power system circuit components are mounted and a region where control system circuit components are mounted, a conductor pattern is formed in a region on the other surface side of the circuit board corresponding to a region where the power system circuit component is mounted, at least a part of the control system circuit components are mounted in a region on the other surface side of the circuit board corresponding to a region in which the control system circuit components are mounted, the conductor pattern includes at least a power supply pattern and a ground terminal pattern of the power supply system circuit part, the power supply pattern and the ground terminal pattern include a plurality of power supply patterns and a plurality of ground terminal patterns.)
本申请是申请号为201980022141.4(国际申请号为PCT/JP2019/013770)、申请日为2019年3月28日、发明名称为“电动助力转向用的电子控制单元”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及电动助力转向装置，尤其涉及电动助力转向装置的电子控制单元的散热机构。
背景技术
在汽车等车辆上搭载有电动助力转向装置，该电动助力转向装置具有对驾驶员的方向盘操作产生辅助扭矩的电动马达、该电动马达的控制装置等。关于电动助力转向装置，伴随着装置整体小型化的趋势，从控制装置等产生的热的散热变得很重要。
例如，在日本公开公报特开2016-36246号公报中，能够在将驱动装置的框架部件作为电动马达的外轮廓的同时，作为散热器而对在发热元件中产生的热进行散热，将发热元件、电子部件等配置在旋转电机的筒部轴向的投影区域内而实现小型化。日本公开公报特开2017-184294号公报的马达控制装置具有以下结构：将分流电阻配置在比功率半导体元件接近电路板的外周部分的位置，经由在该电路板的外周表层形成的热连接的电路图案和金属图案而向框架散热。
在日本公开公报特开2015-180155号公报的马达控制装置中，将来自开关元件、微型计算机等的发热传递给与电路板的背面接触的散热用基座，进而经由壳体主体(外壳)和致动器壳体而向外部散热，由此，一体地构成了电源模块和控制模块，实现了马达控制装置的小型化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本公开公报：特开2016-36246号公报
专利文献2：日本公开公报：特开2017-184294号公报
专利文献3：日本公开公报：特开2015-180155号公报
发明内容
发明要解决的课题
在上述日本公开公报特开2016-36246号公报、日本公开公报特开2017-184294号公报所记载的装置中，将控制部和电源部配置于基板的两面，对于发热部件，使其背面与散热器接触而散热。特别是在日本公开公报特开2017-184294号公报的情况下，即使通过双面配置而提高了部件的安装密度，但由于分别对功率半导体元件和分流电阻进行冷却，因此部件的配置上受到制约，装置的小型化受到限制。
另一方面，日本公开公报特开2015-180155号公报是应用于制动助力装置等的电动致动器的驱动控制装置，因此来自该电源模块的发热也比从电动助力转向装置的电源部产生的热低。因此，无法将日本公开公报特开2015-180155号公报的散热构造直接应用于电动助力转向装置中的散热。
电动助力转向装置始终动作，发热部件也持续发热，因此在上述现有散热机构中，也无法充分确保散热路径。因此，当无法高效地对操舵方向盘时来自电动助力转向装置的控制部的发热进行散热的情况下，会施加过热保护，产生无法达成辅助操舵方向盘这样的电动助力转向装置的原本目的这一问题。
本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于，使电动助力转向装置的电子控制单元中的散热高效化，排除因热所引起的辅助动作的限制，使电动助力转向装置小型化。
用于解决课题的手段
作为达成上述目的并解决上述课题的一个手段，具有以下结构。即，本申请的例示的第1发明的电路板的特征在于，在该电路板的一面侧搭载有电路部件，在该电路板的另一面侧形成有导体图案，该导体图案将该电路部件所产生的热从该另一面侧散热。
本申请的例示的第2发明是与电动马达一体形成的电动助力转向用的电子控制单元，其特征在于，所述电子控制单元具有从外部接受电源供给的一个电路板，从配置于所述电路板的一面侧的所述电动助力转向的电源系统电路部件产生的热由形成于所述电路板的另一面侧的导体图案散热。
本申请的例示的第3发明是对车辆等的驾驶员的方向盘操作进行辅助的电动助力转向装置，其特征在于，该电动助力转向装置具有：扭矩传感器，其检测通过所述方向盘操作而产生的扭矩；上述第2发明的电动助力转向用的电子控制单元；以及电动马达，所述电动助力转向用的电子控制单元根据由所述扭矩传感器检测到的扭矩而驱动该电动马达。
发明效果
根据本发明，在电动助力转向装置的电子控制单元中，能够对发热部件取得高散热效率，能够抑制因过热保护所引起的辅助动作的限制。
附图说明
图1是具有实施方式的电动助力转向装置的转向系统的概略结构。
图2是实施方式的与电子控制单元一体化的电动助力转向装置的分解立体图。
图3是俯视控制单元的布线板的正面侧时的外观图。
图4是俯视控制单元的布线板的背面侧时的外观图。
图5是控制单元的电源部的电路结构图。
图6a是示出电动助力转向装置的控制单元在散热对策前的温度上升率的图。
图6b是示出实施方式的电动助力转向装置的控制单元在散热对策后的温度上升率的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。
图1是具有本发明的实施方式的电动助力转向装置的转向系统的概略结构。转向系统1具有作为操舵部件的方向盘2、与方向盘2连接的旋转轴3、小齿轮6、齿条轴7、电动助力转向装置10等。
电动助力转向装置10由电子控制单元20、电动马达15等构成。在旋转轴3上设置有检测方向盘2被操作时的操舵扭矩的扭矩传感器9，检测到的操舵扭矩发送给电子控制单元20。
旋转轴3与设置于其前端的小齿轮6啮合。通过小齿轮6，旋转轴3的旋转运动被转换成齿条轴7的直线运动，设置于齿条轴7的两端的一对车轮5a、5b被操舵至与该齿条轴7的移位量对应的角度。
电子控制单元20根据从扭矩传感器9取得的操舵扭矩、来自车速传感器(未图示)的车速等信号，从电动马达15输出用于辅助操舵方向盘2的辅助扭矩，经由减速齿轮4而传递给旋转轴3。即，利用由电动马达15产生的扭矩来辅助旋转轴3的旋转，由此辅助驾驶员的方向盘操作。
图2是搭载有本发明的实施方式的电动助力转向用电子控制单元、并与该电子控制单元一体化的电动助力转向装置的分解立体图。在图2所示的电动助力转向装置10中，在被马达罩14覆盖的电动马达(无刷马达)15的轴向上部配置有散热器13，在散热器13的上部并且电动马达15的轴向反输出侧载置有控制单元(Electronic Control Unit：ECU)20，并通过螺钉等而固定于散热器13。
散热器13是轴承保持架、并且是用于对从所保持的控制单元20产生的热进行散热的部件，例如是成型铝压铸件而成的。通过将电动马达的轴承保持架用作外部散热体，能够削减电动助力转向用的电子控制单元的部件数量。
控制单元20的上部被金属制的单元罩12覆盖。外部连接器16是向电动马达15提供的电源、向控制单元20的控制信号等的连接用端子，被连接器外壳覆盖，固定于散热器13。
在图2所示的电动助力转向装置10中，当控制单元20处于被散热器13保持的状态时，控制单元20的基板背面的散热区域(散热部)27和在散热器13的上部呈平面状设置的受热区域(受热部)29维持着隔着一定间隔的空隙而对置的位置关系。通过将导热性的绝缘树脂填充于该空隙中，在控制单元20的发热部件中产生的热传导至配置于散热区域27的电路板图案等，从该电路板图案等向散热器13散热。
另外，基板上的散热区域27和散热器上的受热区域29具有大致相同的形状和面积，但在考虑到散热效果和效率的情况下，优选使受热区域29的面积大于散热区域27的面积。另外，关于受热区域29，也考虑有对应于基板上的散热区域27的形状来设计受热区域29，也可以对应于散热区域27的形状而形成受热区域29。
图3是俯视控制单元20的布线板22的正面(单元罩12侧)的外观图。另外，图4是俯视控制单元20的布线板22的背面(电动马达15侧)的外观图。另外，为了易于理解布线板22的正面的区域与背面的区域的对应，图4是从正面侧(图3)透视地观察背面时的图。
图3所示的布线板22的正面23具有以下区域：安装对电动助力转向装置进行控制的信号处理用部件、电流传感器等各种传感器这样的控制系统设备的区域(以下，称为控制部23a)；以及，安装有由FET 1～FET 6构成的FET桥电路、向马达通驱动电流的开关FET(FET9～FET 11)、电解电容器C1～C3等的区域(以下，称为电源部23b，但也适当称为电源模块)。
在控制单元20中，控制部23a和电源部23b分别占据布线板22的整个区域的大致二分之一，整个区域被控制部23a和电源部23b大致平分。
通过这样将布线板22的区域分为控制部23a和电源部23b，对于控制系统设备，不仅能够在基板正面23的控制部23a搭载，也能够像图4所示那样在基板背面25的控制部25a搭载例如对电动助力转向装置进行控制的微处理器31。由此，能够在基板的两面安装与一块电路板的控制系统相关的部件，因此能够在区域有限的基板中提高设计的自由度。
图5是图3等所示的控制单元20的电源部23b的电路结构图。在图5中，B+、B-是电动马达15等的驱动电源的正极电位和负极电位的输入端子，与外部连接器16连接。在电源部23b的电源输入侧具有由线圈56和电解电容器53构成的噪声滤波器。通过该噪声滤波器，能够吸收提供给控制单元20的电源所包含的噪声等，使电源电压平滑。
线圈56例如是由2个线圈等构成的共模线圈。另外，电解电容器53例如像图3所示那样由并联连接的3个电解电容器C1～C3构成。
作为电源模块的电源部23b由FET7、FET8、开关电路54等构成，其中，该FET7、FET8作为能够在来自电池的电源电压发生异常时等切断电力的半导体继电器而发挥功能，该开关电路54对电动马达15通驱动电流(3相交流电流)。开关电路54是由6个FET 1～FET 6构成的3相逆变器电路(FET桥电路)。
例如，通过来自由微型计算机、预驱动器等构成的控制电路(未图示)的信号，对构成开关电路54的6个FET 1～FET 6的栅极进行驱动，从而使其接通或断开。通过该接通或断开控制而生成的U、V、W的各相电流是经由由3个端子U、V、W构成的输出端子部57而向电动马达15提供的驱动电流。
FET 1和FET 2连接在正极的电源线L1与负极电位线(GND)L2之间，生成流通电动马达15的U绕组的U相电流。设置于FET 2与GND线L2之间的分流电阻R1作为检测U相电流的电流传感器而发挥功能(能够根据FET 2与分流电阻R1的连接节点的电位来求取U相电流)。而且，在FET 1与FET 2的连接节点和向电动马达15的输出端子U之间设置有作为能够切断U相电流的半导体继电器的FET 9。
同样地，FET 3和FET 4连接在正极的电源线L1与负极电位(GND)线L2之间，生成流通电动马达15的V绕组的V相电流。设置于FET 4与GND线L2之间的分流电阻R2作为用于检测V相电流的电流传感器而发挥功能(能够根据FET 4与分流电阻R2的连接节点的电位来求取V相电流)。此外，设置在FET 3与FET 4的连接节点和向电动马达15的输出端子V之间的FET10作为能够切断V相电流的半导体继电器而发挥功能。
而且，FET 5和FET 6连接在正极的电源线L1与负极电位(GND)线L2之间，生成流通电动马达15的W绕组的W相电流。作为用于检测W相电流的电流传感器，在FET 6与GND线L2之间设置有分流电阻R3(能够根据FET 6与分流电阻R3的连接节点的电位来求取W相电流)。另外，在FET 5与FET 6的连接节点和向电动马达15的输出端子W之间设置有FET 11作为能够切断W相电流的半导体继电器。
接下来，对本实施方式的搭载有电动助力转向用的电子控制单元的电动助力转向装置中的散热机构进行详细说明。
图4所示的控制单元20的基板背面25的区域能够分为与上述的控制部23a对应的控制部25a和与电源部23b对应的电源部25b。电源部25b中的虚线所包围的区域是散热区域27，具有与安装于图3的基板正面23侧的电源部23b中的发热量多的部件(发热部件)的配置区域对应的面积和形状。
在布线板22的散热区域27中，特别地，对应于发热量多的FET桥电路、开关FET的安装位置而埋入有贯通布线板22的导热部件(热传导部件)、即具有规定的直径的硬币形状的嵌铜。具体而言，如图4所示，在FET 1～FET 11各自的正下方配置有嵌铜IL1～IL11。在FET1～FET 11中产生的热量经由这些嵌铜而向布线板22的背面25侧散热。
而且，在布线板22中采用了以下结构：将用于向FET 1～FET 9等发热部件提供电源的电源图案和接地端(GND)图案配置于散热区域27内，也从这些图案对在发热部件中产生的热进行散热。这是如下的结构：在大型的FET的情况下，能够通过由嵌铜进行的部件正下方的散热来应对，但伴随着控制单元的小型化对基板面积的制约，在采用小型的FET的情况下，散热面积也会变小，因此仅通过嵌铜的话，散热不充分，另外，关注从发热部件产生的热也传导至电源图案和GND图案，通过使电源图案和GND图案也参与散热，提高散热效率。
布线板22中的电源图案和接地端(GND)图案与通常的布线图案不同，例如像图4所示的电源图案PW1～PW3、GND图案G1～G4那样，在散热区域27内配置在能够确保尽可能大的面积的区域。
布线板22可以是双面基板、多层基板中的任意基板。在双面基板的情况下，将上述的电源图案和GND图案配置于基板背面(焊料面)。另一方面，在多层基板的情况下，通过将这些电源图案和GND图案也配置于内层，能够实现面积大并且低电阻(低阻抗)的图案，随之能够提高散热效率。
将该电源图案和GND图案与图5的电路结构图对应的话，在控制单元20的电源部23b中，在作为向图5的构成开关电路54的FET 1～FET 6提供电源的路径的电源线L1和接地端(GND)线L2中流通大电流。电源线L1在图4的布线板22的散热区域27内配置为图案面大的电源图案PW1～PW3，GND线L2在图4的散热区域27内配置为图案面大的GND图案G1～G4。
作为该电源图案和接地端(GND)图案以外的布线图案，采用了以下结构：对于与在图5的电路结构图中示出的线L3(从FET 1与FET 2的连接节点至FET 9的路径)、线L4(从FET3与FET 4的连接节点至FET 10的路径)、线L5(从FET 5与FET 6的连接节点至FET 11的路径)、线L6(从FET 9至输出端子U的朝向电动马达15的电源输出图案)、线L7(从FET 10至输出端子V的朝向电动马达15的电源输出图案)、线L8(从FET 11至输出端子W的朝向电动马达15的电源输出图案)对应的布线板22上的图案，也配置于散热区域27内作为基于上述电源线L1和接地端(GND)线L2的电流流通的路径，也从该图案对来自发热部件的热进行散热。
在控制单元20中，与三相桥电路的正侧图案L1和负侧图案L2对应的图案的面积形成得比朝向电动马达15的电源输出图案L3～L8的面积大。更具体而言，处于以下关系：(电源图案PW1～PW3的面积)＞(GND图案G1～G4的面积)＞(朝向电动马达的电源输出图案L3～L8的面积)。
在本实施方式的电动助力转向装置中，如图4等所示，将向电动马达15提供的U、V、W的各相电流的输出端子部57配置于电源部25b侧。由此，能够缩短从3相逆变器电路等至电动马达15的布线距离，能够实现电力损失伴随着由电源路径的图案长度短所带来的低电阻值化而降低。
另外，图3、图4等所示的电路板中的发热部件(FET等)、嵌铜、电源图案以及接地端(GND)图案的配置个数、配置位置、面积等是一例，能够根据电动助力转向装置的规格而适当变更。
图6a和图6b示出了本实施方式的电动助力转向装置的控制单元中的散热效果。纵轴是温度上升率(％)，横轴是经过时间。这里，当基板的温度因来自发热部件的热而上升时，电解电容器的温度也会受其影响而上升，因此将安装于电源部23b的部件中的最高使用温度为例如125℃这样比较低的铝电解电容器(AEC)C1～C3作为温度的测定对象。
图6a是在对散热对策前的控制单元通恒定电流时安装于基板的电解电容器的主体部和端子的温度上升率测定结果，是对3个电解电容器中的能够进行测定的1个电解电容器进行了测定的结果。图6a的AEC1是该电解电容器的主体的温度上升率，AEC2是该电解电容器的端子温度上升率。
图6b是散热对策后的、搭载于本实施方式的电动助力转向装置的控制单元的电解电容器C1～C3的温度上升率测定结果，其中，该散热对策是使来自发热部件的热经由电源图案和接地端(GND)图案而散热。图6b的AEC3对应于这3个电解电容器各自的主体温度上升率，AEC4对应于这3个电解电容器各自的端子温度上升率。
对比图6a和图6b，实施了经由电源图案和GND图案来散热的散热对策后的本实施方式的控制单元上的电解电容器与对策前的现有控制单元的电解电容器相比，温度的上升趋势钝化。这表示本实施方式的控制单元中的散热对策实现了散热效果。
举一例，关于电解电容器的主体部的温度上升，在对策前，温度上升率是412％，而在对策后，能够抑制到348％。另外，关于与设置于基板的电源图案和GND图案直接连接的电解电容器的端子温度上升率，对于正侧端子，能够将上升率从对策前的476％抑制到对策后的280％。同样地，也能够将负侧端子的温度上升从对策前的356％抑制到对策后的280％。
像以上说明那样，在本实施方式的电动助力转向装置中，将向安装于控制单元的布线板上的发热部件提供电源的电源图案和接地端(GND)图案配置在设置于布线板的散热区域内，并设置有从该散热区域朝向电动马达的散热器的导热路径。由此，能够使来自发热部件的热经由电源图案和接地端(GND)图案而散热，因此能够对发热部件取得高散热效率。
此外，在位于散热区域内的发热部件各自的正下方配置有贯通布线板的嵌铜，因此除了基于电源图案和GND图案的散热之外，也能够进行基于嵌铜的有效的导热、散热。
通过上述的结构，能够在与电动马达一体形成的电动助力转向用的电子控制单元中进行有效的散热，包含电动马达的热容设计变得容易。另外，在操舵车辆时，特别是在比起行驶时更需要基于动力转向的辅助力的方向盘的静态操舵时，能够有效地进行散热，因此能够避免电动助力转向装置中的因过热所引起的电动马达的动作中止，能够继续进行所需的辅助。
标号说明
1：转向系统；2：方向盘；3：旋转轴；4：减速齿轮；6：小齿轮；7：齿条轴；10：电动助力转向装置；12：单元罩；13：散热器；15：电动马达；16：外部连接器；20：电子控制单元；22：布线板；23：基板正面；23a、25a：控制部；23b、25b：电源部；25：基板背面；27：放热区域(放热部)；29：受热区域(受热部)；31：微处理器；53：电解电容器；54：开关电路；56：线圈；57：输出端子部；C1～C3：电解电容器；G1～G4：GND图案；IL1～IL11：嵌铜；L1：电源线；L2：接地端(GND)线；PW1～PW3：电源图案。