(57)【要約】【課題】電流センサを新たに設けることなく多層配線基板のリーク電流を検出できる電動モータの駆動制御装置を提供する。【解決手段】電動モータの駆動制御装置は、多層配線基板２０に実装されたインバータ回路と、このインバータ回路の母線電流を検出するシャント抵抗２２とを備える。インバータ回路の上流側配線部と下流側配線部は、絶縁層を介在して多層配線基板の隣接層に対向配置されている。そして、多層配線基板に、上流側配線部から下流側配線部に流れるリーク電流をシャント抵抗に導くセンシングパターン層ＰＳｕ，ＰＳｖ，ＰＳｗ，ＰＳｒを設け、電動モータに回生電流が発生する期間に、シャント抵抗を流れる電流に基づいてリーク電流の有無を判定する。【選択図】図３
2018148693.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータ回路と、このインバータ回路の母線電流を検出するシャント抵抗とが多層配線基板に実装され、前記インバータ回路の上流側配線部と下流側配線部とが、絶縁層を介在して前記多層配線基板の隣接層に対向配置された電動モータの駆動制御装置であって、
前記多層配線基板に、前記上流側配線部から前記下流側配線部に流れるリーク電流を前記シャント抵抗に導くセンシングパターン層を設け、
前記電動モータに回生電流が発生する期間に、前記シャント抵抗を流れる電流に基づいてリーク電流の有無を判定する、ことを特徴とする電動モータの駆動制御装置。
【請求項２】
前記センシングパターン層が、前記上流側配線部と前記下流側配線部との間の前記絶縁層中に設けられ、前記シャント抵抗の一端に電気的に接続される、ことを特徴とする請求項１に記載の電動モータの駆動制御装置。
【請求項３】
前記電動モータに回生電流が発生する期間に、前記シャント抵抗に電流が流れた場合に、電流値が第１所定値以上の状態が所定期間継続したときに、リーク電流があると判定する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電動モータの駆動制御装置。
【請求項４】
前記所定期間は、前記シャント抵抗で検出した電流値が大きいほど短い、ことを特徴とする請求項３に記載の電動モータの駆動制御装置。
【請求項５】
前記第１所定値は、前記電動モータを駆動する最大電流よりも小さい電流値である、ことを特徴とする請求項３に記載の電動モータの駆動制御装置。
【請求項６】
前記シャント抵抗に流れる電流値が前記第１所定値よりも大きい第２所定値を上回るときには、前記電動モータの駆動を直ちに停止させる、ことを特徴とする請求項３乃至５いずれか１つの項に記載の電動モータの駆動制御装置。
【請求項７】
前記インバータ回路の前記上流側配線部及び前記下流側配線部のうち、前記シャント抵抗で電流検出を行う側の配線部の面積が、電流検出を行わない側の配線部より大きい、ことを特徴とする請求項１乃至６いずれか１つの項に記載の電動モータの駆動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多層配線基板にインバータ回路と母線電流検出用のシャント抵抗とが実装された電動モータの駆動制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、多層に積層した配線板により主回路の配線が構成された電力変換装置が記載されている。上記配線板内には、電力変換装置の正負の直流主回路導体がそれぞれ複数枚設けられており、これら正負の直流主回路導体が絶縁層を挟んで交互に積層されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１０２２５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、このような多層の配線板においては、実装した電子部品の発熱による熱負荷や経年変化などにより、配線（直流主回路導体）間の絶縁層が劣化し、この絶縁層を挟む配線間にリーク電流が発生する虞がある。このようなリーク電流を検出するためには、電流センサを設けなければならず、製品コストが上昇する要因となる。
【０００５】
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、電流センサを新たに設けることなく多層配線基板のリーク電流を検出できる電動モータの駆動制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の電動モータの駆動制御装置は、インバータ回路と、このインバータ回路の母線電流を検出するシャント抵抗とが多層配線基板に実装され、前記インバータ回路の上流側配線部と下流側配線部とが、絶縁層を介在して前記多層配線基板の隣接層に対向配置された電動モータの駆動制御装置であって、前記多層配線基板に、前記上流側配線部から前記下流側配線部に流れるリーク電流を前記シャント抵抗に導くセンシングパターン層を設け、前記電動モータに回生電流が発生する期間に、前記シャント抵抗を流れる電流に基づいてリーク電流の有無を判定する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明では、多層配線基板中に設けたセンシングパターン層と、母線電流検出用のシャント抵抗を利用してリーク電流を検出する。シャント抵抗には、電動モータに回生電流が発生する期間は電流が流れないので、この期間に電流が流れたか否かを検出することでリーク電流の有無を判定できる。
したがって、本発明によれば、電流センサを新たに設けることなく多層配線基板のリーク電流を検出でき、製品コストの上昇を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係る電動モータの駆動制御装置の概略構成を示す回路図である。
【図２】図１に示した電動モータの駆動制御装置におけるインバータ回路の他の構成例を示す回路図である。
【図３】図１に示した電動モータの駆動制御装置における電流検出部の構成例を示す回路図である。
【図４】図１に示した電動モータの駆動制御装置における多層配線基板の第１層目の配線パターンの平面図である。
【図５】図１に示した多層配線基板の第２層目の配線パターンの平面図である。
【図６】図１に示した多層配線基板の第３層目の配線パターンの平面図である。
【図７】図１に示した多層配線基板の第４層目の配線パターンの平面図である。
【図８】図１に示した電動モータの駆動制御装置におけるリーク電流の検出タイミングを示す波形図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る電動モータの駆動制御装置において、多層配線基板の配線パターン間に発生するリーク電流の検出に関係する要部を抽出して概略構成を示している。
制御対象の電動モータ１０は、本例では３相ＤＣブラシレスモータであり、図示しない円筒状の固定子に、スター結線されたＵ相、Ｖ相及びＷ相の３相巻線１１ｕ，１１ｖ，１１ｗを備える。この固定子の中央部に形成した空間には、永久磁石回転子（ロータ）が回転可能に設けられている。３相巻線１１ｕ，１１ｖ，１１ｗにはそれぞれ、これらの巻線に流れる電流（相電流）を検出する電流センサ１２ｕ，１２ｖ，１２ｗが直列接続されている。そして、この電動モータ１０には、駆動制御装置からＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号が供給されて駆動制御されるようになっている。
【００１０】
上記駆動制御装置は、多層配線基板２０に実装された電子部品とマイクロコンピュータなどの制御ユニット３０とで構成される。多層配線基板２０には、インバータ回路２１、シャント抵抗２２、相電圧検出器２３、平滑コンデンサ２４、フィルタ回路２５、電流検出部２６、遮断リレー２７及び逆流防止リレー２８などの電子部品が、例えば半田付けで実装されている。
インバータ回路２１は、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６が３相ブリッジ接続されて構成される。各スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６は、本例ではＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いているが、図２に示すようにＦＥＴ（Field Effect Transistor）Ｑ１〜Ｑ６など他の電力制御用の半導体素子でも良い。これらＩＧＢＴのコレクタ、エミッタ間にはそれぞれ、ダイオードＤ１〜Ｄ６のカソード、アノードが通電方向を逆にして接続されている。ＦＥＴの場合には、ドレイン・ソース間に寄生ダイオードＤ１’〜Ｄ６’が形成される。
【００１１】
このインバータ回路２１の上流側配線部２１ａと下流側配線部２１ｂとの間には、バッテリなどの直流電源４０から、電源用電線（ホットライン）４０ａに設けた遮断リレー２７、逆流防止リレー２８及びノイズ除去用のフィルタ回路２５を介して動作電源が供給される。ここでは、フィルタ回路２５をインダクタ２５ａとコンデンサ２５ｂのＬＣ型で構成している。また、直流電源４０の正極と負極間には、遮断リレー２７と逆流防止リレー２８を介して平滑コンデンサ２４が接続されている。
【００１２】
インバータ回路２１におけるスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６の制御端子（ゲート電極）には、制御ユニット３０の出力が供給され（図示せず）、これらのスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６のオン／オフがＰＷＭによって制御されることで、電動モータ１０に印加される電圧（モータ入力電圧）が制御される。
この電動モータ１０のＵ相、Ｖ相及びＷ相の電圧はそれぞれ、相電圧検出器２３によって検出される。相電圧検出器２３は、一端がＵ相、Ｖ相及びＷ相の駆動ライン２９ｕ，２９ｖ，２９ｗにそれぞれ接続された抵抗Ｒ１〜Ｒ３と、これら抵抗Ｒ１〜Ｒ３の他端とグランド間に接続された抵抗Ｒ４とで構成され、抵抗Ｒ１〜Ｒ３と抵抗Ｒ４との接続点から相電圧が出力される。この相電圧が、制御ユニット３０に供給されてスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６の制御に用いられる。
【００１３】
シャント抵抗２２の一端は、インバータ回路２１の下流側（グランド側）配線部２１ｂに接続され、他端はグランド用電線（コールドライン）４０ｂを介して直流電源４０の負極に接続される。このシャント抵抗２２は、インバータ回路２１の下流側配線部２１ｂを流れる母線電流Ｉｍを検出し、電動モータ１０の回転制御を行うために設けられている。
【００１４】
また、本実施形態では、シャント抵抗２２を、インバータ回路２１の上流側配線部２１ａと下流側配線部２１ｂとの間に介在される絶縁層に流れるリーク電流Ｉｓの検出にも利用している。シャント抵抗２２の両端の電圧は、電流検出部２６に供給され、モータ制御用とショート電流検出用の電圧が制御ユニット３０に内蔵されているＡ／Ｄコンバータに供給される。
【００１５】
図３は、図１に示した電動モータ１０の駆動制御装置における電流検出部２６の構成例を示している。電流検出部２６は、ここではゲインＧ１の増幅器２６ａとゲインＧ２の増幅器２６ｂ（ゲインＧ１＞Ｇ２）で構成される例を示している。シャント抵抗２２の両端に発生した電圧は、増幅器２６ａで増幅される。この増幅器２６ａには、オフセットバイアス電圧が印加されている。増幅器２６ａの出力信号は、電動モータ１０の制御用として制御ユニット３０中のＡ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ）に供給される。また、増幅器２６ａの出力信号が増幅器２６ｂで更に増幅された出力信号が、ショート電流検出用として制御ユニット３０中のＡ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ）に供給される。
このように２段の増幅器２６ａ，２６ｂを用いてゲインを上げることで、シャント抵抗２２で検出するリーク電流Ｉｓを高分解能、且つ高精度にモニタリングできる。特に、絶縁層を流れるショート電流は小さいので、２段の増幅器２６ａ，２６ｂで増幅することで、電流センサを設けた場合の検出精度の限界に近いような小さなリーク電流も検出できる。
【００１６】
図４乃至図７はそれぞれ、図１に示した電動モータ１０の駆動制御装置における多層配線基板２０の第１層目乃至第４層目の配線パターンを示している。各配線パターン間、すなわち、第１層目と第２層目との間、第２層目と第３層目との間、及び第３層目と第４層目との間にはそれぞれ、絶縁層が介在されており、隣接層の配線パターンが対向配置されている。
図４に示す第１層目の配線パターン２０−１は、電子部品の搭載面になっており、配線パターン２０−１上にはスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６、シャント抵抗２２、遮断リレー２７及び逆流防止リレー２８などが実装されている。
なお、ここでは、説明を簡単にするために、相電圧検出器２３、平滑コンデンサ２４、フィルタ回路２５及び電流検出部２６などは省略している。
【００１７】
第１層目の配線パターン２０−１には、電動モータ１０のＵ相、Ｖ相及びＷ相の駆動ライン２９ｕ，２９ｖ，２９ｗに対応するパターン部Ｐ２９ｕ，Ｐ２９ｖ，Ｐ２９ｗ、これらのパターン部Ｐ２９ｕ，Ｐ２９ｖ，Ｐ２９ｗに隣接して配置されたセンシングパターン層ＰＳｕ，ＰＳｖ，ＰＳｗが設けられている。パターン部Ｐ２９ｕ，Ｐ２９ｖ，Ｐ２９ｗにはそれぞれ、スイッチング素子Ｔ２，Ｔ４，Ｔ６のコレクタが接続され、センシングパターン層ＰＳｕ，ＰＳｖ，ＰＳｗにはそれぞれ、スイッチング素子Ｔ２，Ｔ４，Ｔ６のエミッタが接続される。これらパターン部Ｐ２９ｕ，Ｐ２９ｖ，Ｐ２９ｗには、モータ接続用コネクタ５０を介して電動モータ１０が接続される。
【００１８】
センシングパターン層ＰＳｕには、グランド用電線４０ｂに対応するパターン部Ｐ４０ｂが離隔して配置されており、センシングパターン層ＰＳｕとパターン部Ｐ４０ｂとがシャント抵抗２２を介して電気的に接続されている。センシングパターン層ＰＳｕ，ＰＳｖ，ＰＳｗはそれぞれ、インバータ回路２１における電子部品のリーク故障、例えばスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６のオン故障を検出するものであり、いずれかのスイッチング素子がオン状態のままになり、本来オフすべきタイミングで電流が流れ続けると、これを検出するようになっている。
【００１９】
例えば、電流検出部２６で、シャント抵抗２２に流れる電流値が、リーク電流検出のための第１所定値よりも大きい第２所定値を上回ることを制御ユニット３０が検出したときに、スイッチング素子がオフしない故障であると判定する。この場合には、大電流が流れてインバータ回路２１や他の電子部品の異常な発熱や焼損が発生する可能性があるので、制御ユニット３０により遮断リレー２７をオフさせて電動モータ１０の駆動を直ちに停止させる。
【００２０】
また、上記パターン部Ｐ２９ｕ，Ｐ２９ｖ，Ｐ２９ｗにはそれぞれ、スイッチング素子Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５のエミッタが接続され、インバータ回路２１の上流側配線部２１ａに対応するパターン部Ｐ２１ａにはスイッチング素子Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５のコレクタが接続される。電源用電線４０ａに対応するパターン部Ｐ４０ａは、上流側配線部２１ａに対応するパターン部Ｐ２１ａとの間に、パターン部Ｐ４０ｃを挟むように隣接配置されている。パターン部Ｐ４０ｃは、遮断リレー２７と逆流防止リレー２８とを接続する配線に対応する。そして、パターン部Ｐ４０ａとパターン部Ｐ４０ｃが遮断リレー２７を介して接続され、パターン部Ｐ４０ｃとパターン部Ｐ２１ａとが逆流防止リレー２８を介して接続されている。パターン部Ｐ４０ａとパターン部Ｐ４０ｂには、直流電源４０に接続するための電源線接続用コネクタ５１が接続される。
【００２１】
図５に示す第２層目の配線パターン（内層１）２０−２には、上述した第１層目のパターン部Ｐ２９ｕ，Ｐ２９ｖ，Ｐ２９ｗ、センシングパターン層ＰＳｕ，ＰＳｖ，ＰＳｗ、及びパターン部Ｐ２１ａに、図示しない絶縁層を介して対向し、これらのパターンよりも面積が大きいセンシングパターン層ＰＳｒが設けられている。このセンシングパターン層ＰＳｒは、第１層目と第３層目の配線パターン間の絶縁層に発生するリーク電流を検出するものであり、シャント抵抗２２を介して、グランド用電線４０ｂに対応するパターン部Ｐ４０ｂに接続されている。このセンシングパターン層ＰＳｒとセンシングパターン層ＰＳｕ，ＰＳｖ，ＰＳｗは、スルーホールを介して接続されてインバータ回路２１の下流側配線部２１ｂを形成しており、この下流側配線部２１ｂに流れる電流がシャント抵抗２２の一端に導かれる。
また、第１層目の配線パターン２０−１に対応する位置に、電源用電線４０ａのパターン部Ｐ４０ａ及びパターン部Ｐ４０ｃが配置されている。
【００２２】
図６に示す第３層目の配線パターン（内層２）２０−３上には、上述したパターン部Ｐ２９ｕ，Ｐ２９ｖ，Ｐ２９ｗに対応する位置に、これらのパターンよりも面積が大きいパターン部Ｐ２９ｕ，Ｐ２９ｖ，Ｐ２９ｗが配置されている。また、第１層目と第２層目に対応するパターン部Ｐ４０ａ、パターン部Ｐ４０ｃ、パターン部Ｐ２１ａ及びパターン部Ｐ４０ｂが配置されている。
【００２３】
図７に示す第４層目（半田面）の配線パターン２０−４上には、第３層目と同様なパターン部Ｐ２９ｕ，Ｐ２９ｖ，Ｐ２９ｗが配置されている。また、パターン部Ｐ４０ａ、パターン部Ｐ４０ｃ、パターン部Ｐ２１ａ及びパターン部Ｐ４０ｂが配置されている。
そして、インバータ回路２１、シャント抵抗２２、遮断リレー２７及び逆流防止リレー２８などが、配線パターン２０−４に半田付けされることで実装されている。
【００２４】
多層配線基板２０の第１層目乃至第４層目の配線パターン２０−１〜２０−４におけるパターン部Ｐ４０ａとパターン部Ｐ４０ｂには、コネクタ５１を介して直流電源４０が印加される。この直流電源４０は、遮断リレー２７と逆流防止リレー２８を介してパターン部Ｐ２１ａに供給されるとともに、パターン部Ｐ４０ｂからシャント抵抗２２を介してセンシングパターン層ＰＳｕ，ＰＳｖ，ＰＳｗ，ＰＳｒに供給される。これによって、インバータ回路２１の上流側配線部２１ａと下流側配線部２１ｂ間に動作電源が供給され、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６のオン／オフ状態に応じたＰＷＭ信号が、駆動ライン２９ｕ，２９ｖ，２９ｗに対応するパターン部Ｐ２９ｕ，Ｐ２９ｖ，Ｐ２９ｗに供給される。そして、パターン部Ｐ２９ｕ，Ｐ２９ｖ，Ｐ２９ｗにコネクタ５０で接続された電動モータ１０がＰＷＭ制御で駆動される。
【００２５】
次に、上記のような構成において、リーク電流の検出動作について説明する。図８は、図１に示した電動モータの駆動制御装置におけるリーク電流Ｉｓの検出タイミングを示している。１サイクルのＰＷＭ周期では、２相の母線電流しか検出できず、残りの１相は各電流の和が「０」であることから推定する。図８ではＷ相の電流−ＩｗとＵ相の電流Ｉｕを矢印で示すタイミングで検出する例を示しており、シャント抵抗２２で検出した電圧を電流検出部２６から制御ユニット３０中のＡ／Ｄコンバータに供給してディジタル化する。制御ユニット３０では、このディジタル化した電圧からＷ相の電流−ＩｗとＵ相の電流Ｉｕを求める。Ｖ相の電流Ｉｖは、「Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝０」の関係から制御ユニット３０で算出する。
【００２６】
本実施形態では、ＰＷＭ周期における電動モータ１０に回生電流が発生する期間に、シャント抵抗２２を流れる電流に基づいてリーク電流の有無を判定する。すなわち、ＰＷＭ制御による回生期間には、通常、母線電流Ｉｍは流れない。しかし、例えば多層配線基板２０における第１層目と第３層目の配線パターン２０−１，２０−３に介在される絶縁層が劣化し、炭化してリーク電流Ｉｓのパスができると電流が流れる。このリーク電流Ｉｓを、センシングパターン層ＰＳｒで受けてシャント抵抗２２に導く。そして、電動モータ１０に回生電流が発生する期間に、シャント抵抗２２の両端の電圧を増幅し、制御ユニット３０中のＡ／Ｄコンバータに供給してディジタル化して検出する。
【００２７】
具体的には、シャント抵抗２２に電流が流れた場合に、例えばこの電流の電流値が第１所定値以上の状態が所定期間継続したときに、リーク電流があると判定する。ここで、所定期間は、シャント抵抗２２で検出した電流値が大きいほど短く、第１所定値は、電動モータ１０を駆動する最大電流よりも小さい電流値である。これらのデータは、制御ユニット３０中の記憶装置に予め記憶しておき、リーク電流を検出したときに参照して判定に用いるようにしてもよい。
更に、シャント抵抗２２に流れる電流値が第１所定値よりも大きい第２所定値を上回る場合には、遮断リレー２７をオフして直流電源４０の供給を遮断することで、電動モータ１０の駆動を直ちに停止させれば、多層配線基板２０の異常な発熱や電子部品の焼損を抑制できる。
【００２８】
上記のような構成によれば、電動モータ１０に回生電流が発生する期間に、母線電流検出用のシャント抵抗２２を利用してリーク電流Ｉｓを検出できるので、電流センサを新たに設ける必要がない。センシングパターン層ＰＳｒは、多層配線基板２０の形成時、例えば上流側配線部２１ａ又は下流側配線部２１ｂの形成時に、導体パターンを形成すればよいので、製品コストの上昇を抑えることができる。
更に、インバータ回路２１におけるスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６がオン状態のままになり、本来オフすべきタイミングで電流が流れ続けるオン故障を検出することもできる。しかも、面積が広くシャント抵抗を介して電気的に接地されたセンシングパターン層ＰＳｒが両配線部２１ａ，２１ｂ間に介在されることで、多層配線基板２０から放射される電磁放射ノイズを遮蔽して抑制できる、という効果も得られる。
【００２９】
なお、上記実施形態では、インバータ回路２１のグランド側に設けたシャント抵抗２２を利用してリーク電流Ｉｓを検出する下流シャント方式を例に取って説明したが、母線電流を電源側で検出する上流シャント方式にも同様に適用できる。
また、センシングパターン層ＰＳｕ，ＰＳｖ，ＰＳｗ及びＰＳｒの配置や形状は、一例を示したに過ぎず、必要とする特性に合わせて様々な形状やサイズに変形可能なのは勿論である。
更に、制御ユニット３０を多層配線基板２０とは別に設ける例を示したが、多層配線基板２０上に実装しても構わない。
【００３０】
以上実施形態を用いて本発明の説明を行ったが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題の少なくとも１つが解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果の少なくとも１つが得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【符号の説明】
【００３１】
１０…電動モータ、１１ｕ，１１ｖ，１１ｗ…３相巻線、２０…多層配線基板、２０−１〜２０−４…配線パターン、２１…インバータ回路、２１ａ…上流側配線部、２１ｂ…下流側配線部、２２…シャント抵抗、２６…電流検出部、３０…制御ユニット（マイクロコンピュータ）、Ｔ１〜Ｔ６…スイッチング素子、ＰＳｕ，ＰＳｖ，ＰＳｗ，ＰＳｒ…センシングパターン層、Ｉｓ…リーク電流、Ｉｍ…母線電流
【図１】
2018148693.tif 000003
【図２】
2018148693.tif 000004
【図３】
2018148693.tif 000005
【図４】
2018148693.tif 000006
【図５】
2018148693.tif 000007
【図６】
2018148693.tif 000008
【図７】
2018148693.tif 000009
【図８】
2018148693.tif 000010