JP2009248796A - 電動式パワーステアリング装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 この発明は、電動モータと減速機との間に配設された制御装置を有し、電動モータと、制御装置内の回路基板と、減速機のギヤ部とを一体化することにより、装置の組み立て性が向上でき、小型化を図る電動式パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】 この電動式パワーステアリング装置において、制御装置20は電動モータ出力軸2に沿って、制御基板20aとパワー基板20bを配置し、両基板の出力軸2貫通穴周囲に弾性体28と、これを保持する保持部材29により制御装置20をなし、ギヤケース13の端面に装着されたヒートシンク21とパワー基板20bを密着させることにより一体化を実現する。
【選択図】 図1

Description

この発明は、車両のハンドルに対して補助トルクを出力する電動モータと、この電動モータの駆動を制御する制御装置とを備えた電動式パワーステアリング装置において、特に電動モータと制御装置と減速機構との一体化に関するものである。
従来、車両のハンドルに対して補助トルクを出力する電動モータと、この電動モータを駆動制御する制御装置とを備え、制御装置が電動モータ部分に取り付けられている電動式パワーステアリング装置が知られている。この電動式パワーステアリング装置の制御装置は、電動モータの電流を切り換えるための複数の半導体スイッチング素子、電流リップルを吸収するためのコンデンサ等の大電流対応部品が主に搭載されたパワー基板と、半導体スイッチング素子の駆動を制御するための駆動信号を生成するマイクロコンピュータ等の小電流対応部品が主に搭載された制御基板と、配線パターンを構成する導電配線板及びモータ端子が絶縁性樹脂にインサート成形されたハウジングとを有している。そして、これらはパワー基板、ハウジング及び制御基板の順序で積み重ねられた3重層構造になっている。
特開2005−212722号公報 特開2002−345211号公報
特許文献1の電動パワーステアリング装置では、電動モータの出力軸方向と平行に置かれたヒートシンク上に積み重ねたパワー基板、制御基板、ハウジング、ケース等からなる制御装置を配置し、電動モータにネジで制御装置を固定している。その後、電動モータの巻線端子と制御装置のモータ端子とをネジで固定し、電気的に接続されていた。また、パワー基板とハウジングはヒートシンクにネジ止めされ、制御基板はハウジンクに固定されていた。
また特許文献2の電動パワーステアリング装置では、電動モータの出力軸方向と垂直に、減速機構と反対側の電動モータの軸端にパワー基板、制御基板、回路ケース等からなる制御装置を配置している。またパワー基板には金属(アルミニウム)基板を用い、ヒートシンクに密着させている。さらに電動モータとの接続はモータから延出された端子はヒートシンクを貫通し、パワー基板に半田付けされた電動機端子とを接続し、パワー基板は回路ケースにネジ止めされ、回路ケースをモータに装着されているヒートシンク部にネジ止めされていた。
上記電動式パワーステアリング装置の制御装置は、パワー基板、ハウジング(回路ケース)及び制御基板の3重層構造になっているので、制御装置の高さが高くなり、また、パワー基板、ハウジング及び制御基板をそれぞれ電気的に接続する接続部材が必要になるとともに、接続箇所が多くなる。また、各基板を取り付けるために多数のネジを用いており、装置の組立ての時間と設備を要してコストが高くなるという問題点があった。また、放熱性では、電動モータの一部を利用してパワー基板の放熱性を向上しようとしており、電動モータ自体も発熱体であるため、放熱性は改善の余地がある。
この発明は前記のような問題点を解決することを課題とするものであって、取付けネジを極力省くとともに、特にパワー基板の放熱性を向上しつつ、装置の小型化を図ることができる電動式パワーステアリング装置を提供することを目的とする。
この発明は、車両のハンドルに対して補助トルクを出力する電動モータと、この電動モータの回転を減速する減速機構、及び前記電動モータの駆動を制御する制御装置とを備えた電動式パワーステアリング装置において、電動モータの出力軸側に配設され、この出力軸の周囲に電動モータへ電流を供給する接続端子が貫通したカバーと、記制御装置は、電動モータ出力軸と減速機構の間に配置され、主に電動モータの電流を制御する複数の半導体スイッチング素子と、電動モータの電流のリップルを吸収するコンデンサが搭載されたパワー基板と、主に前記ハンドルの操舵トルクに基づいて、半導体スイッチング素子を駆動するための駆動信号を生成するマイクロコンピュータを搭載し、接続端子が接続される制御基板と、両基板を接続する導電板と、両基板間に弾性体とこの弾性体を支持する保持部材と、を備え、減速機構は、パワー基板と接触するヒートシンクを配し、電動モータの出力軸に沿って、制御装置及び減速機構のヒートシンクを装着したとき、弾性体がパワー基板をヒートシンクに密着される構造である。
この発明の電動式パワーステアリング装置によれば、パワー基板を弾性体で支持することによりギヤケースと一体化すると、ヒートシンクに押し付けられることでパワー基板とヒートシンクの密着性を確保し、放熱性が向上する。またパワー基板、制御基板ともネジ類を省き、組立て性が向上できる。さらに、装置全体を電気部分と機械部分とに分割できるので工作工程上、及び点検上利便性が向上する。
実施の形態1.
以下、この発明の各実施の形態を図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1に係る電動式パワーステアリング装置を示す断面図、図2は図1の電動式パワーステアリング装置の一部を示す分解斜視図、図3は図2の制御装置を示す分解斜視図、図4は図3を電動モータに組付けた斜視図、図5は電動式パワーステアリング装置全体を示す分解斜視図である。
図1において、この電動式パワーステアリング装置では、電動モータ1は、3相ブラシレスモータが用いられている。この電動モータ1は、出力軸2と、この出力軸2に8極の磁極を有する永久磁石3が固定された回転子4と、この回転子4の周囲に設けられた固定子5と、出力軸2の出力側に配設され、回転子4の回転位置を検出する回転位置センサ6を備えている。
上記固定子5は、永久磁石3の外周に相対した12個の突極7と、この突極7に装着されたインシュレータ8と、このインシュレータ8に巻回され、かつU、V及びWの3相に接続された電機子巻線9とを有している。電機子巻線9の3個の端部は、出力軸2の出力側軸線方向に延びた3個の接続部材である接続端子10に各々接続されている。回転位置センサ6は、レゾルバであり、レゾルバ用回転子コイル及びレゾルバ用固定子コイルを有しており、両コイルの端子6aが全部で6本延出している。
制御装置20は、電動モータと同軸上に配置された減速機構である減速ギヤ12と電動モータ1の間に配置されている。減速ギヤ12は、ギヤケース13内に設けられ電動モータ1の出力軸2の回転を減速するためのウォームギヤ14と、このウォームギヤ14に歯合したウォームホイール15とを有している。ウォームギヤ14の端部にはスプラインが形成されている。出力軸2の端部には内側にスプラインが形成されたカップリング16が圧入されている。このカップリング16とウォームギヤ14の端部とがスプライン結合されており、電動モータ1から減速ギヤ12にトルクが伝達される。
制御装置20は、電動モータ1側から順にカバー11、制御基板20a、パワー基板20b、ヒートシンク21を電動モータ出力軸2に沿って配置して構成している。カバー11は、制御基板20a側が開口した箱型状であって、箱型の蓋部に電動モータ出力軸2が貫通する穴があいており、この穴の周囲には電動モータ用接続端子10(3箇所)と、回転センサ6用のコイル端子6a(6箇所)も貫通している。また、この穴の中央には電動モータ出力軸2の軸受け部11aが突出している。
制御装置20は、マイクロコンピュータ等が搭載された制御基板20aと、パワー基板としての金属基板20bとが、この金属基板上に設けられた複数の柔軟性を持った導電板24a、24b、24c(図3)が電気的接続部材として、金属基板と対向する位置に配置された絶縁プリント基板からなる制御基板20aに電気的な接続をしている。制御基板20aはマイクロコンピュータ(図示せず)のほか周辺回路素子、さらにはコネクタ25も実装されている。このコネクタ25は、車両のバッテリに接続されるためのパワー用コネクタ25a、車両の各種信号を授受するための信号用コネクタ25bからなり、それぞれのコネクタから端子25c、25dが多数制御基板20aに挿入されている。マイクロコンピュータは、電動モータ1に流れるモータ電流を検出するための電流検出回路(図示せず)と、トルクセンサ(図示せず)からの操舵トルク信号に基づいて補助トルクを演算するとともに、モータ電流及び回転位置センサで検出される回転子の回転位置をフィードバックして補助トルクに相当する電流を演算する。そして、このマイクロコンピュータは、ブリッジ回路の半導体スイッチング素子26を制御するための駆動信号を出力する。
一方、パワー基板20bには電流リップルを吸収するコンデンサ27、上記半導体スイッチング素子26等が搭載され、半導体スイッチング素子26の放熱は放熱板となる金属基板に伝達されている。
また、両基板には電動モータ出力軸2が貫通できる穴20c、20dがあいている。この穴には、組立て前には例えば制御基板側に配設された円筒形弾性体28と、この弾性体の内周側に弾性体の位置決めを補助する保持部材29が設置されている。保持部材29は絶縁性樹脂で構成され、貫通穴20c、20dに装着できる形状で、かつ穴の円周上に延出しており(図1の29a、29b)、パワー基板20b側はパワー基板20bがはめ込みできるように係着状になっている(29b)。
一方、円筒状保持部材29の制御基板20a側はカバー軸受け部11aに当接し、カバー11と制御基板20aの位置決めができる構造となっている。さらに貫通穴20cの周囲で制御基板20a上に当接する脚部29cを有している。この脚部の一部は電動モータ接続端子10、回転センサコイル端子6aを包含する形状を有している。また、この保持部材29の外周には弾性体である例えばコイルバネ28が装着されている。図3において、両基板の貫通穴20c、20dを一致させると図2、または図4の状態になり、保持部材29がパワー基板20bの貫通穴20dの周囲を覆うように係着部29bに装着される。同時にコイルバネ28の制御基板20a側の端面は保持部材29に当接し、パワー基板20b側の端面はパワー基板を押圧している。図2の状態で両基板(20a、20b)の間隔は、コイルバネ28により、変化することができるが、コイルバネ28により図中左方向に伸びようと保持部材29及びパワー基板20bを押圧している。
ヒートシンク21は、電動モータ出力軸2が貫通できる穴21aと、コネクタ25の一部が通過できる程度の穴21bとがあいたアルミニウム等の伝熱性のよい材料で構成されている。両基板の貫通穴20c、20dの同心円上に穴21bを配置すると、ヒートシンクの基板側内面がパワー基板20bと接触することができる。これによりパワー基板20bに搭載された半導体スイッチング素子の放熱性を向上させる。またヒートシンク21と電動モータ1に装着されたカバー11とで制御装置20を挟持して装着し、例えばネジ止めすると、ヒートシンク21内周面がパワー基板20bを押圧しヒートシンク21とパワー基板20bがさらに密着することになる。一方、コイルバネ28により押された保持部材29は、貫通穴20cの延出部29aがカバー軸受け部11aに当接することにより、両基板20a、20bの位置が規定される。本装置を使用しているときの温度変化、振動等により両基板はコイルバネ28に可動でき、また両基板を従来装置のように固着していないため、各基板部位のストレスを緩和できるように作用する。これにより、耐久性が増加し高寿命製品となる効果がある。
また、両基板間の保持機構は、コイルバネ28、保持部材29により成し遂げられることにより、両基板を固定するハウジング部材が省略でき、このハウジングに組付け部品、工程も省くことができた。さらに両基板の間隔は、減速機構側のヒートシンクにより放熱性も向上したことにより、基板上に搭載する部品の高さまで縮小することができ、小型化を図ることもできる。
次に、上記のように構成された電動式パワーステアリング装置の組立手順について説明する。
まず、電動モータ1を組立てる場合、出力軸2に永久磁石3を接着固定後、着磁器で8極に着磁し、軸受の内輪を圧入して回転子4を形成する。
次に、固定子5の12個の突極7にインシュレータ8を介してU、V、Wの各電機子巻線9を電気角で120度位置を移動して巻回し、U、V、W各相4個で計12個の巻線を形成する。U相各巻線の巻始め同士、巻終わり同士を接続し、U層の電機子巻線を形成する。同様にV層及びW層の電機子巻線を形成し、U、V及びW層の電機子巻線の巻終わりを互いに接続して中性点とする。 U、V及びW層の電機子巻線9の巻始めはそれぞれ巻線端子に接続される。その後、巻線された固定子をヨーク17に圧入する。
次にカバー11に軸受19の外輪を固定後、軸受の内輪に回転子の出力軸2を圧入し、回転位置センサ6の回転子及びカップリング16を出力軸に圧入する。さらに、このカバー11に回転位置センサの固定子を固定する。その後、カバーに固定子が組み込まれたヨーク(図示せず)を挿入し、その後ネジ(図示せず)でカバーにヨーク17を固定する。
次に、制御装置の組立手順について説明する。
まず、各電極にクリーム半田を塗布した制御基板20a上にマイクロコンピュータ及びその周辺回路素子等の部品を配置し、リフロー装置を用い、制御基板を熱し、クリーム半田を溶かして各上記部品を半田付けする。
同様に、各電極にクリーム半田を塗布した金属基板(パワー基板)20b上に半導体スイッチング素子26及びコンデンサ27等の部品を配置し、制御基板同様にリフロー装置を用いクリーム半田を溶かし、半田付けをする。そして、接続部材の導電板24a、24b、24cの端部を半田付けしておいたチップ上にレーザー溶接して制御基板20aと金属基板20bの電気的接続をする。もちろん、この部分は、半田付けで代用しても問題無い。このとき、図3に示すように、導電板24、25、26は、金属基板と制御基板を電気的に接続するとともに可撓性のある導電板で構成しており、金属基板の電動モータ軸上の穴に配置した保持部材29で弾性体28を挟み、保持部材29の先端部の外周より一段小さくされた部分を金属基板の穴20dに挿入後、金属基板20bが抜けない程度にかしめる。保持部材29を取り付けられた金属基板20bと制御基板20aは、対向するように並行に置かれ二層構造となる。
コネクタ25の端子部(25c、25d)は、プレスフィットで構成されており、制御基板20aの端部に金属基板20b側から圧入される。電動モータ1のU、V、W層から出された接続端子10と、レゾルバから出されたコイル端子6aもプレスフィットで構成しているので、制御基板20a側を電動モータ1側にして圧入する。この時、保持部材29は、圧入力を受ける。圧入により、電動モータ1と制御装置は図4のように一体化される。次に、金属基板20b側からヒートシンク21を組み付け固定する。この時、ヒートシンク21と金属基板20b間に熱伝導グリスを塗布して放熱効果を高めても良い。またヒートシンク21のコネクタ用穴21bの周囲がコネクタ25の周囲を当接し、コネクタ25と端子部との軸方向長さが規定される。これによりコネクタの挿抜時の応力を受け止めることもできる。また、コネクタ端子部25c、25dはプレスフィットである必要はなく、通常の半田付けであってもよい。コネクタ25から制御基板20aまで延出した支持部25eを有し、コネクタ端子の長さを規定してもよい。
またコネクタ25は金属基板20b側から装着したが、カバー11側から装着するものであってもよい。ヒートシンク21、両基板20a、20bを電動モータに装着する際、または一体化した後の制御基板にかかる圧力を受けるためにカバー11内部に制御基板20aの一部を支持できる突起11bを設けてもよい。
電動モータ1側の接続用プレスフィットとコネクタ25の接続プレスフィットは、プレスフィット構造である必要はなく、通常の導電性金属ピンを基板に半田付けしてもよい。制御基板はネジ他により固着されておらず、可動性を持って保持されており半田付け部に応力が架かりにくい構造となっている。
電動モータのU、V、W層から出された接続端子とレゾルバコイルから出された端子のそれぞれの端部が、近傍に配置された制御装置の制御基板に電気的に接続されているので、電動モータと制御装置とを電気的に接続する外部配線およびコネクタが不要となり、装置のコストが低減でき、電力ロスも低減できるとともに、放射ノイズを抑制することができる。
電動モータ出力軸端にカップリング16を取り付けた後、制御装置の組付けを行ったが、カップリング16を制御装置組付け後に装着することも可能であり、この場合、貫通穴20c、20dが小径にでき両基板面積を有効に使用できる効果がある。また、弾性体28にコイルバネを用いたが、円筒状のゴムブッシュで構成することも可能である。
上記により、両基板20a、20bとヒートシンク21と装着する際にネジをなくすことが可能となり、組立て性が向上した。また保持部材29は、電動モータ出力軸2が貫通穴を覆う構造となり回転する部材による異物の制御装置への混入を防止できる効果を奏する。
また図5に示したように、電動モータ1、ケース11、制御基板20a、パワー基板20bを組付けたとき、本装置の電気的接続部はすべて組み付けられたことになる。一方、ヒートシンク21とギヤケース13は同一の材料、例えばアルミニウムで形成される場合、一体化することも可能である。つまり、ヒートシンクはコネクタ用の穴21bの構造が必要であるが、その他の部分はパワー基板20bとの接触部は単に平面でよく、ギヤケース13側はギヤケース13と嵌合できる形状であり、かつ中央に出力軸2の貫通穴があいているものである。従ってヒートシンク21とギヤケース13とを一体化することは容易であり、ギヤケースのヒートシンク部とパワー基板を出力軸貫通穴で同心円状に配置し、例えばネジ止めすることができる。このように電気的接続が必要な部分(電動モータ1、ケース11、制御基板20a、パワー基板20b)と、機械的な部分(図5中、減速機構12、ギヤケース13、ヒートシンク21)とを分離できることになり、工作工程上利便性が向上する。さらに、機能の違いで部品を分解できるので、故障他の点検にも便利となる。
パワー基板20bは、金属基板に限定されるものではなく、配線パターンが絶縁層を介してアルミニウム等の伝熱性のよい金属ベース上に形成されたものや、銅のような熱伝導性のよい他の金属基板であってもよく、セラミック基板であってもよい。
また、回転位置センサはレゾルバを用いているが、レゾルバに限定されるものではなく磁気抵抗器(MR)、巨大磁気抵抗器(GMR)やホール素子またはホールIC等他の磁気検出素子を用いたものであってもよい。
なお、上記の実施の形態では、永久磁石3の極数を8極、固定子5の突極数を12個としたが、この組み合わせに限定されるものではなく、他の極数と突極数の組み合わせであってもよい。
また、電動モータ1はブラシレスモータに限定されるものでなく、インダクションモータまたはスイッチトリラクタンスモータ(SRモータ)であってもよい。
実施の形態2.
弾性体、保持部材の別の形態について、図6に基づいて説明する。実施の形態1では、弾性体、保持部材を基板の中央付近の貫通穴に1個配設したが、貫通穴に取り付けるのみでなく、両基板の各所に複数取り付けることもできる。図6は複数箇所に配置される保持部材・弾性体の1箇所を示したものである。図6(a)において、保持部材31は柱状であり、パワー基板20bには小穴をあけ、保持部材31の先端を挿入後圧縮して係着部31aを作る。しかし、パワー基板の位置が可動できるように遊嵌している。一方、制御基板側には脚部31bを有している。弾性体30は保持部材の外周に沿って取り付けられており、パワー基板20bがヒートシンク(図示せず)に押し付けられた状態を図示している。また、制御基板にも保持部材31の位置決めするための小穴があいており、脚部から延びた位置決め突出部31cが挿入される。
また、図6(b)において、保持部材33は中空で、この中に弾性体32が内蔵されている。パワー基板20bには複数の小穴があいており、保持部材33を挿入した後遊嵌状態の係着部33aを形成する。同様に制御基板も複数の小穴があいており、保持部材の突出部33cを挿入し位置決めとなる。一方脚部としては制御基板に当接する33bが相当する。
上記の場合、圧力を複数箇所で受けるため基板全体により均等な力を受けることとなり、引いてはヒートシンクとの密着性も増加する。この分散タイプの場合は、弾性体、保持部材とも小径にでき、部品の搭載されていない場所に配置でき、配置の自由度があり、基板の面積を有効に利用できる効果を奏する。
この発明の実施の形態1に係る電動式パワーステアリング装置を示す断面図である。 図1の電動式パワーステアリング装置の一部を示す分解斜視図である。 制御装置の回路基板、パワー基板を示す展開図である。 電動モータと制御装置の組立て前の状態を示す斜視図である。 図1の電動式パワーステアリング装置全体を示す分解斜視図である。 実施の形態2に係る弾性体と保持部材を示す斜視図である。
符号の説明
1 電動モータ、2 出力軸、6 回転位置センサ、9 電機子巻線、10 接続端子、11 カバー、13 ギヤケース、20 制御装置、20a 制御基板、20b パワー基板、21 ヒートシンク、25 コネクタ、28、30、32 コイルバネ(弾性体)、29、31、33 保持部材。

Claims (8)

  1. 車両のハンドルに対して補助トルクを出力する電動モータと、この電動モータの回転を減速する減速機構、及び前記電動モータの駆動を制御する制御装置とを備えた電動式パワーステアリング装置において、
    前記電動モータの出力軸側に配設され、この出力軸の周囲に前記電動モータへ電流を供給する接続端子が貫通したカバーと、
    前記制御装置は、前記電動モータ出力軸と前記減速機構の間に配置され、主に前記電動モータの電流を制御する複数の半導体スイッチング素子と、前記電動モータの電流のリップルを吸収するコンデンサが搭載されたパワー基板と、主に前記ハンドルの操舵トルクに基づいて、前記半導体スイッチング素子を駆動するための駆動信号を生成するマイクロコンピュータを搭載し、前記接続端子が接続される制御基板と、両基板を接続する導電板と、両基板間に弾性体とこの弾性体を支持する保持部材と、を備え、
    前記減速機構は、前記パワー基板と接触するヒートシンクを配し、前記電動モータの出力軸に沿って、前記制御装置及び減速機構の前記ヒートシンクを装着したとき、前記弾性体が前記パワー基板を前記ヒートシンクに密着される構造であることを特徴とする電動式パワーステアリング装置。
  2. カバーは、電動モータ出力軸を回転保持する軸受け部を有し、電動モータの接続端子はこの軸受け部周囲に配置し、前記電動モータに装着され、前記接続端子は前記カバーを貫通し、制御装置の制御基板と組付けられることを特徴とする請求項1記載の電動式パワーステアリング装置。
  3. 弾性体は保持部材の内周面または外周面に配置され、保持部材はパワー基板に装着されパワー基板を遊嵌する係着部を有し、他端は制御基板に当接する脚部を有し、前記弾性体の一端は前記パワー基板と当接する構成をなすことを特徴とする請求項1記載の電動式パワーステアリング装置。
  4. ヒートシンクは電動モータ出力軸が貫通する穴を配し、制御装置側の内面はパワー基板と接触する平面を有し、カバーとヒートシンクの間に制御装置を配置し、カバーとヒートシンクを固定することで制御装置を構成することを特徴とする請求項1記載の電動式パワーステアリング装置。
  5. 制御装置は、電動モータ出力軸の貫通穴の周囲に弾性体及び保持部材を配置し、弾性体は前記保持部材の外周面に沿って配置され、保持部材は両基板の両貫通穴に渡り隔壁をなす円筒形状であり、一端はカバーの軸受け部に当接することを特徴とする請求項3記載の電動式パワーステアリング装置。
  6. 電動モータの接続端子は、一端にプレスフィット端子が形成されるとともに、制御基板の対応するスルーホールは内面にメッキがなされ、プレスフィット端子が圧入される際、円筒状保持部材により圧入応力を受けるように保持部材に脚部を有することを特徴とする請求項3または請求項5記載の電動式パワーステアリング装置。
  7. 電動モータの回転子の回転位置を検出する回転位置センサが、前記電動モータ出力軸の貫通穴の周囲に配置され、プレスフィット端子が形成され、制御基板のスルーホールにこのプレスフィット端子に圧入される際、円筒状保持部材により圧入応力を受けるように保持部材に脚部を有することを特徴とする請求項3、5、6のいずれかに記載の電動式パワーステアリング装置。
  8. 保持部材と弾性体は、複数個対が分離配置され、保持部材の一端はパワー基板と遊嵌された係着部を有し、他端は制御基板に挿入する突出部を有し、前記保持部材の周囲に弾性体が配置されたことを特徴とする請求項3記載の電動式パワーステアリング装置。
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