JP2009180645A - パワー素子の温度検出方法、温度検出回路、及びそれを備えたアクチュエータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度検出対象から離間した位置からでも高精度にパワー素子の温度検出を行うことができるパワー素子の温度検出方法を提供する。
【解決手段】基板に実装されているパワー素子に電力を供給する配線上又は配線の近傍に温度検出素子を設け、前記温度検出素子の検出値から前記パワー素子の温度を検出することを特徴とする。これにより、パワー素子の近傍に温度検出素子を配置しなくても、高精度にパワー素子の温度を検出することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、パワー素子の温度検出方法、温度検出回路、及びそれを備えたアクチュエータ装置に関する。

パワーデバイスは、電力を制御する絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタなどのパワー素子を高速スイッチングすることで、バッテリーから供給される高圧直流電流を交流電流に変換してモータを駆動するものである。パワー素子としては、パワートランジスタ、パワー集積回路、電界効果トランジスタ、インテリジェント・パワー・モジュール等があげられる。これらのパワーデバイスに搭載されるパワー素子は作動時の発熱が非常に大きいため、いかに放熱を行うかが重要な課題となる。

一般的に、パワーデバイスは、放熱板上に絶縁板を介してパワー素子を実装して構成されており、放熱板と接合することで、パワー素子からの発熱を放熱するように構成されている。しかし、ユーザーが仕様を逸脱して使用した場合、放熱板だけでは対応できない。

従来、基板に実装されたパワートランジスタやパワー集積回路等の電子部品が過熱し焼損等を起こすことを防止するために、基板上のパワー素子にサーマルスイッチやサーミスタを直接取り付けて、パワー素子の温度検出が行われている。水晶発振子やバッテリー等の温度補償用の素子温度検出も同様の方法で行われている。

例えば、特許文献１では、電子制御装置内でプリント基板に実装されている発熱を伴う電気部品からマイクロコンピュータへの熱的な影響を正確に検出し、過熱を防止するために、電子制御装置のプリント基板面上のバッテリー電源等による通電動作に応じて発熱する出力ドライバ等の温度上昇によるマイクロコンピュータに対する電気部品からの熱的な悪影響を的確に知るよう、マイクロコンピュータの近傍にチップサーミスタを実装し、この温度が所定温度以上となったときには、外部から強制冷却することで過熱を防止する技術が開示されている。

しかし、特許文献１が開示する温度検出技術では、温度検出対象の近傍にチップサーミスタを設ける必要があり、近年、電子デバイスの小型化、高集積化が進むなかにあっては、必ずしも温度検出対象の近傍にチップサーミスタを設けることができないという問題がある。

従来の温度検出素子の構造では、回路基板上の配線や他部品との配置の関係から、温度検出素子を温度検出対象部品に十分近づけて設けることができず、このため高精度に温度を検出できないという課題がある。

かかる課題に対し特許文献２では、素子本体部と、前記素子本体部に設けられた電極部と、温度検出対象側から伝導される熱を受容する熱受容部とを含み、前記熱受容部が前記素子本体部の表面素材に対して非オーミック性接触の金属薄膜層を有する温度検出素子が開示されている。

しかし、このような特殊な機構を備えた温度検出素子は、汎用の温度検出素子と比較して高価であるという問題がある。更に、特許文献２が開示する技術も基本的には、温度検出対象の近傍に温度検出素子を設けることが好ましいとしている。
特開２０００−０４５８５０号公報 特開２００３−３０３７０２号公報

上述したように、電子デバイスの小型化、高集積化が進むなかで、高精度の温度検出が求められているが、基板に実装されているパワー素子以外の電子素子との配置の関係から、温度検出対象部品に温度検出素子を十分近づけることができない場合がある。また、熱源と温度検出素子との位置関係のみならず、周囲の状況や、基板の熱放散係数などによって温度検出素子の感熱条件が異なるため、従来の温度検出素子による温度測定誤差は約±５℃と精度が低いという問題がある。

本発明は上記の実状に鑑みてなされたものであって、本発明の課題とするところは、温度検出対象から離間した位置からでも高精度にパワー素子の温度検出を行うことができるパワー素子の温度検出方法、温度検出回路、及びそれを備えたアクチュエータ装置を提供することにある。

本発明は、基板に実装されているパワー素子に電力を供給する配線上又は配線の近傍に温度検出素子を設け、前記温度検出素子の検出値から前記パワー素子の温度を検出することを特徴とする。

本発明は、基板に実装されているパワー素子に電力を供給する配線上又は配線近傍に設けられた温度検出素子と、前記温度検出素子の検出値から前記パワー素子の過熱を防止する過熱防止手段とを備えたことを特徴とする温度検出回路を含む。

以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
図１は、例えば、駆動回路１０を含む駆動装置１の構成を示したブロック図である。本実施例における駆動装置１は、同期モータ３０ａ，３０ｂの２台を駆動する２軸モータ駆動装置を示したものである。

駆動装置１は、交流電源と、駆動回路１０と、同期モータ３０とを含んで構成されている。駆動回路１０は、交流電源に接続し交流を直流に変換するＡＣ−ＤＣコンバータ１０１（１０１ａ，１０１ｂ）と、これに接続し同期モータ３０ａ，３０ｂに駆動電流を供給するパワー素子であるインバータ１００（１００ａ，１００ｂ）とを備え、基板１２０に実装されている。ここで、駆動回路１０（１０ａ，１０ｂ）は、同期モータ毎（軸系毎）に設けられている。同期モータ３０ａに接続されているのが駆動回路１０ａであり、同期モータ３０ｂに接続されているのが駆動回路１０ｂである。２台の同期モータ（３０ａ，３０ｂ）を制御するのが制御指令部２０である。インバータ１００の温度は、温度検出素子５０とこれに接続する温度検出部４０とにより検出される。インバータの温度が所定の温度以上になった場合は、その過熱を防止する必要があるが過熱を防止するのが過熱防止手段６０であり、過熱防止手段６０は制御指令部２０と温度検出部４０とから構成されている。

制御指令部２０は、同期モータ３０の位置を算出するエンコーダ（図外）からのフィードバック信号に基づいて同期モータの走行制御を行う役割を有する。

本実施例では、温度検出部４０と制御指令部２０とにより、インバータ１００の温度が一定以上の温度になった場合は、インバータ１００の過熱を防止するため、同期モータ３０への電力の供給を停止するように構成している。即ち、パワー素子であるインバータ１００の過熱防止手段６０を制御指令部２０と温度検出部４０とにより構成している。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、制御指令部２０が温度検出素子の役割を兼ね備えた過熱防止手段として用いても良い。

図２は、上述した駆動回路１０と、制御指令部２０、同期モータ３０、及びインバータ１００の温度を検出する温度検出部４０との関係を示したブロック図である。温度検出部４０は、インバータ１００の温度を検出し、温度信号として制御指令部２０に送る。制御指令部２０はあらかじめ設定した温度、例えば、インバータの温度が１００℃以上になった場合には、インバータ１００が過熱する危険があるとし、同期モータ３０への電力供給を停止する信号を生成し、同期モータ３０を停止させる。

本実施例では、インバータ１００の温度検出を表面実装型の温度検出素子（サーミスタセンサー）で行った。表面実装型の温度検出素子としては、例えばチップ型サーミスタがある。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、リニアサーミスタ、薄膜温度センサー等、基板の表面に実装できるものであれば良い。例えば、ディスク型サーミスタ、チップ型サーミスタ、リード型サーミスタなど、いずれのサーミスタセンサーでも用いることができる。

図３は、インバータ１００、その放熱を行うヒートシンク１１０、及びインバータ１００の温度を検出するチップ型サーミスタ５０が実装された基板１２０の平面図（図３（ａ））、及び、図３(a)に示すＡ方向から見たときの側面図（図３（ｂ））である。

図３（ａ）において、端子Ｐ，Ｎは図２に示すＡＣ−ＤＣコンバータ１０１から供給される直流電源の端子（Ｐ:プラス、Ｎ:マイナス）である。また、Ｕ，Ｖ，Ｗはインバータ１００から同期モータ３０に供給する交流電源の端子である。端子Ｐに接続しているコンデンサ１０２は、インバータ１００の入力側に設けられているノイズ除去の役割を果たしている。また、端子Ｎに接続している抵抗１０４は、端子Ｎから抵抗１０４を通って直流電源のマイナスに接続しており、インバータ１００の短絡防止の役割を果たしている。温度検出部４０を構成する検出回路１０６は、チップ型サーミスタ５０の両端の電圧を検出し、その電圧値を温度に換算し、インバータ１００の温度データとして制御指令部２０に送るための回路である。この温度検出回路１０６としては、例えばオペアンプを使用することができる。

図３（ｂ）において、基板１２０の主面（図の上側の面）にはＡＣ−ＤＣコンバータ１０１（１０１ａ，１０１ｂ）、温度検出素子であるチップ型サーミスタ５０、過熱防止手段６０が実装され、他の面（図の下側の面）にはインバータ１００が実装されている。なお、インバータ１００にはヒートシンク１１０が密着して設けられている。

ここで、本実施形態では、チップ型サーミスタ５０を温度検出対象であるインバータ１００に密着して設けるのではなく、インバータ１００に電力を供給する配線の近傍に設けている。基板１２０の主面には、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０１等、様々な電子素子が密集して配置されている。しかし、そのような場合であっても、配線近傍にチップ型サーミスタ５０を設けることにより、インバータ１００に非接触であっても、インバータ１００の温度を高精度に検出することができる。なお、本実施例ではチップ型サーミスタ５０を配線の近傍に設けたが、これを配線上又は配線を跨いで設けても良い。また、本実施例では、様々な電子素子が密集している基板１２０の主面にチップ型サーミスタ５０を設けたが、これに限定されるものではなく、電子素子の実装面積の少ない他面のインバータに接続された配線上、又は配線近傍であっても同様の効果が得られる。

図４は、図３（ａ）に示す領域Ｘをサーモグラフィーにより測定したときのインバータ１００が実装されている他の面（図３（ｂ）に示す下側の面）の熱分布を示した図である。かかる熱分布の測定条件は、実際の使用環境に近い雰囲気６０℃に駆動回路１０を設置し、同期モータ３０に１．２Ａを供給した。図４において、白色に近くなるほど温度が高いことを示している。

図４に示すように、インバータ１００の入出力端子（Ｐ，Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｎ）近傍は、いずれも他の場所よりも高温になっており、ここで測定される温度はインバータ１００の温度と相関関係にある。なお、温度検出素子は、パワー素子に電力を供給した状態で、パワー素子に電力を供給する配線上又は配線近傍の熱分布をサーモグラフィーにより測定し、これにより得られた熱分布の高温領域に設置してもよい。これにより、適確な場所に短時間で温度検出素子を設置することができる。

これを更に実証するため、図３（ａ）に示す場所にチップ型サーミスタ５０を設け、かかるチップ型サーミスタ５０から得られた温度と、インバータ１００の実際の温度との関係を次の条件ごとに４回測定した。測定条件は、（１）駆動回路１０を５５℃の雰囲気中に配置し、０．６Ａを同期モータ３０に供給、（２）駆動回路１０を６０℃の雰囲気中に配置し、１．２Ａを同期モータ３０に供給、（３）駆動回路１０を６５℃の雰囲気中に配置し、１．８Ａを同期モータ３０に供給の３条件である。

その結果、表１のような結果を得ることができた。即ち、インバータ１００が６０℃であったときにチップ型サーミスタ５０が検出した温度は、５８．８℃，５８．４℃，５８．２℃，５７．９℃であった。また、インバータ１００が６５℃であったときにチップ型サーミスタ５０が検出した温度は、６３．９℃，６３．９℃， ６３．１℃，６２．８℃であった。また、インバータ１００が７０℃であったときにチップ型サーミスタ５０が検出した温度は、６９．０℃，６９．０℃，６８．１℃，６７．９℃であった。

これらの結果から、本実施例による温度検出対象物（インバータ）の温度測定誤差は、最大で約２℃であり、これは従来のサーマルスイッチを用いた温度測定法が±５℃程度であることと比較しても、同等以上の精度を得ることができることが実証された。なお、オフセット温度の設定を変えることにより、温度検出素子を配置する位置の制約を軽減することができる。

図５は、本発明をアクチュエータ装置に適用したときのブロック構成図である。アクチュエータ３００が、電源ライン３２０とエンコーダ信号ライン３３０により駆動回路３１０に接続されている。電力が駆動回路３１０からアクチュエータ３００に供給され、アクチュエータ３００の運動制御が行われる。駆動回路３１０には、上述した温度検出素子５０、過熱防止手段６０が備えられており、所定の温度以上になった場合、駆動回路３１０の稼働を停止させ、駆動回路３１０の過熱による破壊を防止するように構成されている。

本発明の実施例として、アクチュエータの駆動回路を取り上げたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばロボットや家電製品等の駆動回路にも同様に適用することができる。

本発明の一実施形態における駆動回路を含む駆動装置の構成を示したブロック図 図１の駆動回路、制御指令部、同期モータ、及び温度検出部との関係を示したブロック図 ヒートシンク、チップ型サーミスタ等が実装された基板の平面図（ａ）、及びＡ方向から見た側面図（ｂ） 図３（ａ）に示す領域Ｘをサーモグラフィーにより測定したときの熱分布を示した図 本発明をアクチュエータ装置に適用したときのブロック構成図

符号の説明

１…駆動装置，１０…駆動回路，２０…制御指令部，３０…同期モータ，４０…温度検出部，５０…温度検出素子（チップ型サーミスタ），６０…過熱防止手段，１００…インバータ，１０１…ＡＣ−ＤＣコンバータ，１０２…コンデンサ，１０４…抵抗，１０６…検出回路，１１０…ヒートシンク，１２０…基板，１３０…インバータの入出力端子，３００…アクチュエータ，３１０…駆動回路，３２０…電源ライン，３３０…エンコーダ信号ライン

Claims (6)

1. 基板に実装されているパワー素子に電力を供給する配線上又は配線の近傍に温度検出素子を設け、前記温度検出素子の検出値から前記パワー素子の温度を検出することを特徴とするパワー素子の温度検出方法。
2. 前記パワー素子に電力を供給した状態で、前記配線上又は配線の近傍の熱分布を測定し、前記熱分布の高温領域に前記温度検出素子を設けることを特徴とする請求項１に記載のパワー素子の温度検出方法。
3. 前記温度検出素子は、サーミスタセンサーであることを特徴とする請求項１又は２に記載のパワー素子の温度検出方法。
4. 基板に実装されているパワー素子に電力を供給する配線上又は配線近傍に設けられた温度検出素子と、
   前記温度検出素子の検出値から前記パワー素子の過熱を防止する過熱防止手段と
   を備えたことを特徴とする温度検出回路。
5. 前記温度検出素子は、サーミスタセンサーであることを特徴とする請求項４に記載の温度検出回路。
6. 請求項４又は５に記載の温度検出回路を備えたアクチュエータ装置。