JP2010111252A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの大電流化及び制御装置の小型化に対応可能であり、しかも運転者による操舵力の負担増を抑制することができる電動パワーステアリング装置の提供。
【解決手段】操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段で検出された操舵トルクに応じて、操舵補助力を車両の操舵系に付与するモータを制御する制御装置１５が、カバー４１と、電子部品５２が実装された制御基板４２と、制御基板４２に電気的に接続されるインサートベース４３と、インサートベース４３に電気的に接続されるとともに発熱性の電子部品５５，５６が実装された金属基板４４と、ヒートシンク４５とを積層構造とし、さらに、ヒートシンク４５にファン４６を設ける。
【選択図】図３

Description

本発明は、モータによる操舵補助力を車両の操舵系に付与する電動パワーステアリング装置に関し、特にその制御装置の過熱保護に関するものである。

自動車等の車両のステアリング装置をモータの回転力で助勢する電動パワーステアリング装置は、操向ハンドルの操作によりステアリングシャフトに発生する操舵トルクを検出し、その検出信号に基づいて制御装置がモータを駆動して操向ハンドルの操舵力を補助するものである。ところで、このような電動パワーステアリング装置の制御装置には電子部品が実装されているが、電子部品の中には過熱状態になると熱破壊を生じてしまうものがある。このため、制御装置内の電子部品の近傍の温度を温度センサによって検出し、この検出温度に応じてモータに流れる電流を制限することで制御装置内の電子部品の発熱を抑制し、その熱破壊を防ぐ技術がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−３４１７９５号公報

上記のような電動パワーステアリング装置においては、搭載車両の大型化に伴うアシスト力の増大等の観点から更なるモータの大電流化の要求があり、また、車両搭載性の観点から制御装置の更なる小型化の要求もあって、制御装置に実装された電子部品の過熱保護の観点からは一層不利な状況となっている。つまり、モータの大電流化によって電子部品の発熱量が多くなる一方で、制御装置の小型化により電子部品の放熱のための容積が少なくなり十分に放熱できなくなってしまうのである。このため、上記のように、モータに流れる電流を制限することで制御装置内の電子部品の発熱を抑制することだけでは、モータに流れる電流を制限する頻度が高くなるとともにその時間も長くなり、結果として操舵力の運転者による負担が増大してしまう。例えば、何度も据え切り操作する時などでは、電動パワーステアリング装置によるフルアシストができない状況となり、運転者による操舵力の負担が増大してしまう。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、モータの大電流化及び制御装置の小型化に対応可能であり、しかも運転者による操舵力の負担増を抑制することができる電動パワーステアリング装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る電動パワーステアリング装置は、操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、操舵補助力を車両の操舵系に付与するモータと、前記操舵トルク検出手段で検出された操舵トルクに応じて前記モータを制御する制御装置とを有する電動パワーステアリング装置において、前記制御装置は、表面に電子部品が実装された金属基板及び制御基板と、該金属基板と該制御基板を電気的に接続するインサートベースと、前記金属基板に接続されたヒートシンクと、前記ヒートシンクに接続されたファンと、を有する。

係る構成とすることにより、金属基板に実装された発熱性の電子部品の熱を金属基板によって良好に吸熱し、さらに良好にヒートシンクに伝熱するとともに、この熱をさらにファンによって強制的に放熱することができる。よって、発熱性の電子部品の熱を効率良く放熱できることになり、モータの大電流化及び制御装置の小型化に対応しても、モータに流す電流を制限する頻度を低く且つその時間を短くすることができる。

この場合、前記発熱性の電子部品の近傍に実装された温度センサの検出温度が第１の温度に達したとき、前記ファンの駆動を行うのが好ましい。

係る構成とすることにより、温度が、過熱保護を必要とする第１の温度に達したときにファンを駆動するため、過熱保護が不要な状況下で無駄にファンを駆動することがなく、効率良くファンを駆動できる。

また、前記温度センサの検出温度が前記第１の温度よりも高い第２の温度に達したとき、前記モータに流す電流の制限を行うのが好ましい。

係る構成とすることにより、ファンの駆動だけでは温度上昇が抑えられずに温度が第２の温度に達してしまったときに、モータに流す電流の制限による過熱保護を行うことで、電子部品の熱破壊という事態は回避できる。
また、前記温度センサの検出温度に対応して、前記ファンの回転数を制御してもよい。係る構成とすることにより、ファンの消費電力を低減でき、また、ファンの動作音を低減することができる。

本発明によれば、モータの大電流化及び制御装置の小型化に対応可能であり、しかもモータに流す電流を制限する頻度を低く且つその時間を短くすることができるため、運転者による操舵力の負担増を抑制することができる。

以下、本発明に係る電動パワーステアリング装置の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、電動パワーステアリング装置の概略構成図である。ステアリングホイール１に連結されたステアリングシャフト２は、運転者の操舵力が作用する入力軸２ａと出力軸２ｂとを有し、入力軸２ａと出力軸２ｂとの間にトルクセンサ（操舵トルク検出手段）３及び減速ギヤ１１が介装されている。ステアリングシャフト２の出力軸２ｂに伝達された操舵力は、ユニバーサルジョイント４を介してロアシャフト５に伝達され、更にユニバーサルジョイント６を介してピニオンシャフト７に伝達される。ピニオンシャフト７に伝達された操舵力は、ステアリングギヤ８を介してタイロッド９に伝達され、図示しない転舵輪を転舵させる。ステアリングギヤ８は、ピニオンシャフト７に連結されたピニオン８ａと、このピニオン８ａに噛合するラック８ｂとを有するラックアンドピニオン形式に構成され、ピニオン８ａに伝達された回転運動をラック８ｂで直進運動に変換している。

ステアリングシャフト２の出力軸２ｂには、操舵補助力を出力軸２ｂに伝達する操舵補助機構１０が連結されている。操舵補助機構１０は、出力軸２ｂに連結した減速ギヤ１１と、この減速ギヤ１１に連結され且つ操舵補助力を発生する電動機としての無結線式モータ１２とを備えている。

操舵トルクセンサ３は、ステアリングホイール１に付与されて入力軸２ａに伝達された操舵力を操舵トルクとして検出するものであり、例えば操舵トルクを入力軸２ａ−出力軸２ｂ間のトーションバーの捻れ角変位に変換し、この捻れ角変位をポテンショメータで検出するように構成されている。この操舵トルクセンサ３は、入力される操舵トルクが０のときに所定の中立電圧Ｖ０となり、この状態から右切りすると、操舵トルクの増加に応じて中立電圧Ｖ０より増加する電圧となり、操舵トルクが０の状態から左切りすると操舵トルクの増加に応じて中立電圧Ｖ０より減少する電圧となるトルク検出値Ｔを出力するように構成されている。

電動パワーステアリング装置を制御する制御装置（制御回路）１５には、イグニッションスイッチＩＧがオンの状態でバッテリＢから電力が供給され、制御装置１５は、操舵トルクセンサ３で検出された操舵トルクＴ及び走行速度センサ１６で検出された走行速度Ｖに基づいてアシスト指令の操舵補助指令値Ｉを算出し、その算出された操舵所指令値Ｉに基づいてモータ１２への供給電流値を制御する。

制御装置１５の内部で実行される演算処理の機能を示すと図２のようになる。例えば、位相補償器３１は独立したハードウエアとしての位相補償器を示すものではなく、演算処理装置で実行される演算処理としての位相補償機能、即ちソフトウエアを示している。この制御装置１５の機能及び作用を説明すると、トルクセンサ３で検出された操舵トルクＴは、操舵系の安定を高めるために位相補償器３１で位相補償され、位相補償された操舵トルクＴＡが操舵補助指令値演算器３２に入力される。また、走行速度センサ１６で検出された走行速度Ｖも操舵補助指令値演算器３２に入力される。

操舵補助指令値演算器３２は、入力された操舵トルクＴＡ及び走行速度Ｖに基づいてモータ１２に供給する電流の制御目標値である操舵補助指令値Ｉを算出する。この操舵補助指令値演算器３２にはメモリ３３が付設されており、このメモリ３３には、走行速度Ｖをパラメータとし且つ操舵トルクＴＡに対応する操舵補助指令値Ｉを格納しており、この格納されたデータに基づいて操舵補助指令値Ｉを設定する。

操舵補助指令値Ｉは減算器３０Ａに入力されると共に、応答速度を高めるためのフィードフォワード系の微分補償器３４に入力され、減算器３０Ａの出力（Ｉ−ｉ）は比例演算器３５に入力され、その比例出力は加算器３０Ｂに入力されると共に、フィードバック系の特性を改善するための積分補償器３６に入力される。微分補償器３４の出力及び積分補償器３６の出力も加算器３０Ｂに入力され、その出力である電流制御値Ｅがモータ駆動回路３７に入力される。モータ１２のモータ電流値ｉはモータ電流検出回路３８で検出され、モータ電流値ｉは減算器３０Ａを介してフィードバックされる。

操舵補助に使用されるモータ１２は例えばブラシレスモータである。ブラシレスモータのロータには、複数のＮ極とＳ極が縁周に沿って交互に配置、固定されており、ロータを除く周囲には複数のステータコイルが配置されている。そして、図示しないロータ位相センサでロータの位相を検出し、その検出されたロータの位相に対応してステータコイルの夫々に流す電流を選択的に切換えることにより回転力が得られる。モータ駆動回路３７（図２）は、この電流の供給と切換えを行う。また、例えば前記ステータコイルに直列に挿入されたシャント抵抗などからなるモータ電流検出回路３８でモータ電流値ｉを検出し、そのモータ電流値ｉを減算器３０で操舵補助指令値Ｉから減算することにより、操舵補助指令値Ｉが達成されるような動作が行われる。

図３は、本実施形態の制御装置１５のハード構成を概略的に示すものである。この制御装置１５は、上側から順に、カバー（蓋、覆い）４１と、制御基板４２と、インサートベース４３と、金属基板４４と、ヒートシンク（例えば、金属枠）４５とを積層構造として構成されており、ヒートシンク４５の下部にファン４６が取り付けられる。図では、ヒートシンク４５内に、制御基板４２と、インサートベース４３と、金属基板４４が内蔵され、ヒートシンク４５の下部にファン４６が配置されている。

カバー４１は、略長方形状の天井板５０と天井板５０の周縁部から垂直方向に延出する囲壁板部５１とを有しており、下方に開口する形状をなしている。
制御基板４２には、モータ１２の駆動を制御するマイクロコンピュータ５２を含む比較的発熱量の少ない電子部品が実装されている（図３ではマイクロコンピュータ５２のみ図示）。
このマイクロコンピュータ５２は、複数の信号線（Ｓ１ａ〜Ｓ１ｃ）により、ファン４６と接続されている。Ｓ１ａは、ファン駆動用電源信号線（＋）、Ｓ１ｂは、ファン駆動用電源信号線（−）であり、Ｓ１ｃは、例えば、回転数信号線である。なお、これらの信号線は、装置１５の外周に配置されても良いし（図３参照）、装置１５の内部およびハーネス接続部５７などを通じてファン４６に接続されても良い。

金属基板４４は、伝熱性に優れた金属を主体として構成されており、この金属基板４４には、モータ１２の駆動に必要なＦＥＴ（Field effect transistor）５５、リレー５６及びコイルを含む比較的発熱量の多い発熱性の電子部品が実装されている（図３ではこれらのうちＦＥＴ５５及びリレー５６のみ図示）。また、金属基板４４には、発熱性の電子部品であるＦＥＴ５５及びリレー５６の近傍に温度センサとしてサーミスタ５８が実装されている。

インサートベース４３は、図示略のハーネスが接続されるハーネス接続部５７を有するもので、制御基板４２に電気的に接続されるとともに金属基板４４に電気的に接続されており、その結果、これら制御基板４２と金属基板４４とを電気的に接続させている。上記ハーネスは、例えば、モータ１２に接続されている。
ヒートシンク４５は伝熱性に優れた金属からなるもので、略長方形の枠状に形成されている。金属基板４４は、このヒートシンク４５の内側に配置された状態でネジ止め等でヒートシンク４５に接続されている。このヒートシンク４５はカバー４１の囲壁板部５１の内側に嵌合する。なお、ヒートシンク４５には、インサートベース４３のハーネス接続部５９を外に突出させるための切欠部５９が形成されている。

そして、このヒートシンク４５の下部に放熱用のファン４６が配置され、このファン４６はネジ止め等でヒートシンク４５に接続されている。このファン４６はヒートシンク４５の内側に嵌合されるフレーム６０と、このフレーム６０に例えば金属板で接続され、支持されたファン本体６１とを有しており、ファン本体６１が回転することで、図４に示すようにカバー４１で上側が覆われたヒートシンク４５の熱の放熱性を向上させる。

制御基板４２に設けられたマイクロコンピュータ５２には、操舵トルクセンサ３で検出された操舵トルクＴ及び走行速度センサ１６で検出された走行速度Ｖが入力され、マイクロコンピュータ５２は、これら操舵トルクＴ及び走行速度Ｖから上記のようにモータ１２に流れるモータ電流値を決定する。

金属基板４４に設けられた発熱性を有するＦＥＴ５５及びリレー５６等の電子部品は、上記したモータ駆動回路３７を構成するもので、このモータ駆動回路３７はマイクロコンピュータ５２に接続されている。マイクロコンピュータ５２は、上記したように操舵トルクＴ及び走行速度Ｖ等から決定されたモータ電流値を、ＦＥＴ５５及びリレー５６を含むモータ駆動回路３７に流すことにより、モータ１２を駆動させる。

そして、本実施形態においては、金属基板４４に実装された、いずれも発熱性のＦＥＴ５５及びリレー５６等の電子部品の熱を、これらが接続された金属基板４４によって良好に吸熱し、さらにその伝熱性の高さによって良好にヒートシンク４５に伝熱して、ヒートシンク４５が放熱することになるが、これでは十分でない場合に、マイクロコンピュータ５２はサーミスタ５８による検出温度に応じてファン４６の駆動制御と、モータ１２に流す電流の制御とを行う。

つまり、まず、サーミスタ５８の検出温度が第１の過熱保護温度しきい値（第１の温度）ｔ１に達したとき、それまで停止していたファン４６を駆動することで過熱保護を行う。これにより、金属基板４４に実装された発熱性のＦＥＴ５５及びリレー５６等の電子部品の熱を上記のように金属基板４４によって良好に吸熱し、さらに良好にヒートシンク４５に伝熱して、この熱をさらにファン４６によって強制的に外に放熱する。

また、サーミスタ５８の検出温度が第１の過熱保護温度しきい値ｔ１よりも高い第２の過熱保護温度しきい値（第２の温度）ｔ２に達したとき、上記したファン４６の駆動は継続しつつ、それまでは実行していなかった、モータ１２に流す電流の制限を行うことにより過熱保護を行う。つまり、例えば上記した電流制御値Ｅを演算値よりも低くし、本来必要なモータ１２のモータ電流値ｉを低くする。

このように本実施形態によれば、金属基板４４に実装されたＦＥＴ５５及びリレー５６等の発熱性の電子部品の熱を金属基板４４によって良好に吸熱し、さらに良好にヒートシンク４５に伝熱するとともに、この熱をさらにファン４６によって強制的に制御装置１５の外に放熱することができる。よって、ＦＥＴ５５及びリレー５６等の発熱性の電子部品の熱を効率良く放熱することができることになり、モータ１２の大電流化及び制御装置１５の小型化に対応しても、モータ１２に流す電流を制限する頻度を低く且つその時間を短くすることができて、運転者による操舵力の負担増を抑制することができる。

例えば、図５に一例を示すように、本実施形態のファン４６の駆動による過熱保護及びモータ１２の電流の制限による過熱保護がない場合に、図５にＸ１で示すように温度が比例的に上がるようにモータ１２に電流を流す条件下において、サーミスタ５８による検出温度が、第１の過熱保護温度しきい値ｔ１に達した時点Ｔ１で、ファン４６の駆動を行うことにより過熱保護を行う。これにより、図５にＸ２で示すように、モータ１２に流す電流の制限が必要となる第２の過熱保護温度しきい値ｔ２に達する時刻が、ファン４６の駆動による過熱保護のない場合の時刻Ｔ２に対して、時刻Ｔ３と十分に（Ｔ３−Ｔ２の時間分）遅らせることができる。これにより、フルアシストできる時間を大幅に長くすることができる。なお、これは、例えば何度も据え切りする場合等、温度が比例的に上がるようにモータ１２に電流を流す条件下の例を示しており、通常のステアリング操作時であれば、モータ１２に流す電流の制限が必要となる時刻Ｔ３となる前に電流が下がって温度も下がるため、モータ１２に流す電流を制限する頻度が低くなる。その結果、ファン４６の駆動による過熱保護のない場合は、時点Ｔ２から電流の制限制御が行われるためフルアシストができなくなるが、このような状況になる頻度を低くできる。

また、サーミスタ５８の検出温度が第１の過熱保護温度しきい値ｔ１よりも高い第２の過熱保護温度しきい値ｔ２に達したとき、上記したファン４６の駆動は継続しつつ、モータ１２に流す電流の制限を行うことにより過熱保護を行う。（つまりファン４６の駆動と電流の制限制御とを同時に行う）ことから、図５にＸ３で示すようにファン４６の駆動のない状態でモータ１２に流す電流の制限制御のみを行う場合に対して、図５にΔｔで示すように電流の制限制御時の温度を下げることができる。よって、ステアリング操作が終了し電流が下がったときに、温度が第２の過熱保護温度しきい値ｔ２を下回る時間が早くなるため、過熱保護のためモータ１２に流す電流を制限する時間を短くすることができる。言い換えれば、同じ温度となるようにモータ１２への電流を制御する場合に、ファン４６の駆動のない状態での電流の制限値よりも、ファン４６を駆動した場合の電流の制限値を高くでき、その分モータ１２によるアシスト力を高くできる。

なお、上記のように、サーミスタ５８の検出温度が、過熱保護を必要とする第１の過熱保護温度しきい値ｔ１に達したときにファン４６を駆動することによって、過熱保護が不要な状況下（温度ｔ１未満）で無駄にファン４６を駆動することがなく、効率良くファン４６を駆動できる。

また、ファン４６の駆動だけでは温度上昇が抑えられずに温度が第２の過熱保護温度しきい値ｔ２に達してしまったときに、モータ１２に流す電流の制限を行うことにより過熱保護を行うことで、図５に示すように、ＦＥＴ５５及びリレー５６等の電子部品の限界温度よりも温度を低く抑えることができ、ＦＥＴ５５及びリレー５６等の電子部品の熱破壊を回避できる。

また、上記例においては、第１の過熱保護温度しきい値ｔ１に達したときにファン４６を駆動したが、サーミスタ５８の検出温度に対応して、ファン４６の回転数を制御してもよい。

図６は、本実施の形態の電動パワーステアリング装置の構成を示すブロック図である。図示するように、電動パワーステアリング装置を制御する制御装置１５には、電動パワーステアリング用のモータ制御ブロック１５ａおよび冷却ファン用のモータブロック１５ｂが設けられている。制御装置１５は、バッテリＢのプラス（＋）端子およびマイナス（−）端子と接続されている。

この電動パワーステアリング用のモータ制御ブロック１５ａは、車両信号線Ｓ２ａ、トルクセンサ信号線Ｓ２ｂおよびモータ角度信号線（レゾルバ信号線）Ｓ２ｃが接続され、これらの信号が入出力される。また、電動パワーステアリング用のモータ制御ブロック１５ａは、複数の信号線を介してモータ１２と接続され、上記信号に基づきモータ１２を制御する。

また、冷却ファン用のモータブロック１５ｂは、ファン（冷却ファン用のモータ）４６と複数の信号線（Ｓ１ａ〜Ｓ１ｃ）を介して接続される。前述したように、Ｓ１ａは、ファン駆動用電源信号線（＋）、Ｓ１ｂは、ファン駆動用電源信号線（−）であり、Ｓ１ｃは、例えば、回転数信号線である。

例えば、冷却ファン用のモータブロック１５ｂにおいて、サーミスタ５８による検出温度を読み出し、当該温度に応じてファン４６用のモータに供給する電力（電圧）を決定する。

図７に、ファンの回転数と検出温度との関係を示す。縦軸がファンの回転数（Ｎ）で、横軸が検出温度（Ｔ）である。なお、ファンの回転数は、ファンのモータに供給する電力（電圧）と、読み替えることもできる。

図示するように、サーミスタ５８の検出温度がしきい値温度Ｔ１に達すると、それまで停止していたファン４６を駆動させる。この際の駆動電圧は、Ｖ１であり、ファンの回転数はＮ１である。その後、サーミスタ５８の検出温度がＴ２に達すると、ファン４６の駆動電圧を上げ（Ｖ２＞Ｖ１）、ファンの回転数をＮ２（＞Ｎ１）とする。さらに、サーミスタ５８の検出温度が上昇し、Ｔ３に達すると、ファン４６の駆動電圧を（Ｖ３＞Ｖ２）とし、ファンの回転数をＮ３（＞Ｎ２）とする。このように、検出温度の上昇に伴い（Ｔ１→Ｔ２→Ｔ３）、ファンの回転数を多くする（Ｎ１→Ｎ２→Ｎ３）。なお、Ｎ３は、ファンの最大回転数を表すものとする。

このように、検出温度がＴ１未満においては、制御装置１５自身の発熱が小さいことからファンによる過熱保護を行わず、また、検出温度がＴ１以上においても、温度上昇に応じてファンの回転数を制御したので、ファンの消費電力を低減することができる。また、ファンを必要以上に動作させず、また、ファンの回転数を下げることで、ファンの動作音を低減することができる。

本発明の電動パワーステアリング装置の一実施形態を示す概略構成図である。 同実施形態の制御系ブロック図である。 同実施形態の制御装置の分解斜視図である。 同実施形態の制御装置の側面図である。 同実施形態等の温度特性を示す特性線図である。 本実施の形態の電動パワーステアリング装置の構成を示すブロック図である。 ファンの回転数と検出温度との関係を示す図である。

符号の説明

３…操舵トルクセンサ（操舵トルク検出手段）、１２…モータ、１５…制御装置、１５ａ…電動パワーステアリング用のモータ制御ブロック、１５ｂ…冷却ファン用のモータブロック、４１…カバー、４２…制御基板、４３…インサートベース、４４…金属基板、４５…ヒートシンク、４６…ファン、５２…マイクロコンピュータ（電子部品）、５５…ＦＥＴ（発熱性の電子部品）、５６…リレー（発熱性の電子部品）、５８…サーミスタ（温度センサ）、Ｎ１〜Ｎ３…回転数、ｔ１、ｔ２、Ｔ１〜Ｔ３…温度、１ａ…ファン駆動用電源信号線（＋）、Ｓ１ｂ…ファン駆動用電源信号線（−）、Ｓ１ｃ…回転数信号線、Ｓ２ａ…車両信号線、Ｓ２ｂ…トルクセンサ信号線、Ｓ２ｃ…モータ角度信号線。

Claims (4)

1. 操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、操舵補助力を車両の操舵系に付与するモータと、前記操舵トルク検出手段で検出された操舵トルクに応じて前記モータを制御する制御装置とを有する電動パワーステアリング装置において、
   前記制御装置は、表面に電子部品が実装された金属基板及び制御基板と、該金属基板と該制御基板を電気的に接続するインサートベースと、前記金属基板に接続されたヒートシンクと、前記ヒートシンクに接続されたファンと、を有することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記電子部品の近傍に実装された温度センサの検出温度が第１の温度に達したとき、前記ファンの駆動を行うことを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記温度センサの検出温度が前記第１の温度よりも高い第２の温度に達したとき、前記モータに流す電流の制限を行うことを特徴とする請求項２記載の電動パワーステアリング装置。
4. 前記温度センサの検出温度に対応して、前記ファンの回転数を制御することを特徴とする請求項２記載の電動パワーステアリング装置。

Images