JP2011031756A

JP2011031756A - 電動パワーステアリング用モータユニット及び電動パワーステアリング装置

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Publication number: JP2011031756A
Application number: JP2009180234A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Yamaguchi; 山口　　剛
Original assignee: Diamond Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Diamond Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2009-08-01
Filing date: 2009-08-01
Publication date: 2011-02-17

Abstract

【課題】誤動作を誘発させない程度の十分な放熱機能を確保させると共に、制御装置の小型化を実現させ得る電動パワーステアリング用モータユニットを提供する。
【解決手段】モータ側ブラケット１３０は、有底状の円筒体とされ、ブラケット部１３１と、ケース固定片１３２とが一体的に形成されている。ブラケット部１３１は、ボルト穴１３１ａが形成され、ギヤ側ブラケットとボルトナットによって固定される。かかるモータ側ブラケット１３０の内部には、パワー素子用基板１７０が収容され、当該パワー素子用基板１７０は、パワー半導体素子１７５ａ〜１７５ｄが実装され、駆動軸１１４の放熱側に配置される。これにより、モータユニット１００がギヤ側ブラケットに固定されると、モータ側ブラケット１３０の底面とギヤ側ブラケットとが当接し、パワー半導体装置で生じた熱量が当接面を介してキヤボックスへ伝達される。
【選択図】図５

Description

本発明は、電動パワーステアリング用モータユニット及びこれを備える電動パワーステアリング装置に関する。

車両に搭載される電動パワーステアリング装置ＥＰＳ（Electric Power-Steering System）は、操舵トルクを検出するトルクセンサと、トルクセンサの信号に応じて電動モータの出力を制御させ操舵トルクに加えるアシストトルクを適宜に調整させる電動パワーステアリング用モータユニット（以下、モータユニットと呼ぶ。）と、操舵トルクにアシストトルクを加えた出力トルクを発生させるギヤボックスとから構成される。かかる電動パワーステアリング装置は、トルクセンサの信号に応じて電動モータをドライブさせ、操縦者の操縦意図に応じたアシストトルクを与えることにより、車両に設けられた操縦ハンドルの操作性を快適にさせる装置である。

モータユニットは、パワー半導体素子から成り電動モータをＰＷＭ（Power Width Modulation）方式で制御させるフルブリッジ回路と、当該パワー半導体素子に制御信号を出力させフルブリッジ回路の出力電力を調整させる制御基板とを配したモータ制御装置が設けられる。かかるモータ制御装置は、フルブリッジ等のパワー半導体素子を備えるため、ヒートシンク等の放熱体が必要とされる。しかし、当該放熱体の機能を十分に発揮させるためには、モータ制御装置の放熱体の配置位置を選ぶこととなり、それ故、当該モータ制御装置は、モータユニットの筐体から離れた位置に配置されるのが一般的であった。かかる場合、モータユニットに内蔵される電動モータとモータユニットから独立して配置されるモータ制御装置とはハーネスによって電気的接続が行なわれるため、当該ハーネスによって生じる電圧降下、及び、組立作業の煩雑化、これらに伴い、生産コストの高騰に繋がるとの問題が指摘されていた。

そこで、近年の電動パワーステアリング装置にあっては、これらの問題を回避させる種々の検討が為されている。以下、その一例について紹介する。

特許第３６７５２０５号公報（特許文献１）には、組立作業の簡素化と低コスト化とを企図したパワーステアリング装置（特許請求の範囲における電動パワーステアリング装置）が紹介されている。かかるパワーステアリング装置は、モータ（特許請求の範囲における電動モータ）と、モータを収容する筐体の側壁に設けられた制御装置と、モータの電力端子と制御装置の回路とを連通させる貫通穴と、モータの電力端子と制御装置の回路とを接続させるバスバーとを備え、かかる構成により、制御回路及びパワー素子をモータユニットの側壁側に集約させている。

特許第３６７５２０５号公報

しかしながら、特許文献１に係る技術では、制御装置にフルブリッジ回路が内蔵されるので、放熱機能を十分に確保させようとすると放熱フィン等の構造が必要となり、制御装置の大型化を招くとの問題が生じる。一方、かかる技術で制御装置の小型化を追求すると、制御基板に実装される電気的素子の動作が熱によって不安定となり、パワーステアリング装置の誤動作を招くとの問題も生じる。特に、制御基板に実装されるマイコン等は、サーミスタの信号によってフェールセーフが働くと、電動モータのアシストトルクを急激に与えなくさせるので、高速で車両がカーブに進入した場合、電動パワーステアリング装置は、カーブの極率に応じた出力トルクを発生させることが出来なくなり、人命に関わる事故を招いてしまうとの問題も有している。

また、回路のレイアウトに着目すると、制御基板及びフルブリッジ回路を同一平面にレイアウトさせる場合、制御装置の大型化を招くとの問題が生じる。一方、制御基板及びフルブリッジ回路の基板を多層構造にレイアウトさせると、バスバーと所望の基板との間に他の基板が配されることも起こり得るため、当該バスバーの配線が煩雑になり、組立作業の複雑化を招くとの問題が生じる。更に、制御基板及びフルブリッジ回路の基板をディスクリートさせた技術では、基板を多層構造にレイアウトさせたとしても、パワー半導体素子の発熱を十分に外部へ伝達させる構造が不可欠であるため、当該制御装置の大型化を回避させる積極策とはなり得ない。

本発明は上記課題に鑑み、誤動作を誘発させない程度の十分な放熱機能を確保させると供に、制御装置の小型化を実現させ得る電動パワーステアリング用モータユニットの提供を目的とする。また、誤動作の無い安全な電動パワーステアリング装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では次のような電動パワーステアリング用モータユニットの構成とする。即ち、内蔵された回転子の回動動作に応じて駆動軸に駆動トルクを発生させる電動モータと、パワー半導体素子を具備するものであって入力された電力を変換して前記電動モータを駆動させるための駆動電力を出力する電力変換部と、前記パワー半導体素子を実装させ前記駆動軸の放熱側に配置されるパワー素子用基板と、前記パワー素子用基板を収容させるモータ側ブラケットと、前記モータ側ブラケットから独立した状態で設けられ前記パワー半導体素子の制御信号を出力させる制御基板とを備えることとする。

好ましくは、前記モータ側ブラケットは、前記電動モータの駆動トルクをアシストトルクへ変換させる従動装置に当接され、前記パワー素子用基板は、高伝熱性の接着樹脂または放熱グリスを介して、前記モータ側ブラケットに積層されることとする。

好ましくは、前記パワー素子用基板は、金属基板と前記金属基板に積層されたエポキシ層と前記エポキシ層に積層されたプリント配線とから成ることとする。また、これに限らず、前記パワー素子用基板は、絶縁性を有する金属セラミック基板と前記金属セラミック基板に積層されたプリント配線とを含んでいることとしても良い。この場合、好ましくは、前記金属セラミック基板は、材質が窒化アルミ又はアルミナとされることとする。

好ましくは、前記モータ側ブラケットは、更に、前記電動モータのブラシを収容させることを特徴とする請求項１乃至請求項５に記載の電動パワーステアリング用モータユニット。

好ましくは、前記モータ側ブラケットは、材質が高伝熱性の金属性材料とされることとする。

好ましくは、前記パワー素子用基板は、更に、サーミスタ及び／又はシャント抵抗が実装されていることとする。

好ましくは、前記制御基板に接続される制御用端子群と、前記電力変換部に接続された電路に介挿された電路用回路と、前記電力変換部の駆動電力を前記電動モータへ中継させる電路用端子群とから成る配電部を更に備えることとする。

好ましくは、前記電路用回路は、前記直流電力のリレー回路及び／又は前記直流電力のフィルター回路及び／又は前記駆動電力のリレー回路であることとする。

好ましくは、前記配電部は、前記制御基板と前記モータ側ブラケットとの間に配置され、前記制御基板の配置される一方の面に前記制御用端子群が配列され、前記一方の面と異なる他の面に前記電路用端子群が配列されていることとする。

好ましくは、前記電路用回路及び前記制御用端子群及び前記電路用端子群のうち少なくとも何れか一つは、前記パワー素子用基板に形成された前記プリント配線に導通されることとする。

好ましくは、前記制御用端子群及び前記電路用端子群のうち少なくとも何れか一つの端子は、略鉛直に延在する鉛直端子とされることとする。

また、本発明では次のような電動パワーステアリング装置の構成としても良い。即ち、上述した発明の何れか一つの電動パワーステアリング用モータユニットと、操縦ハンドルの回動動作に応じた操舵トルクへ前記アシストトルクを加えるギヤボックスと、前記ギヤボックスに一体的に形成され前記電動用パワーステアリング用モータユニットとの当接面を具備するモータ固定部とを備えることとする。

本発明に係る電動パワーステアリング用モータユニットによると、制御基板を内蔵させた制御装置とパワー半導体素子とが独立した場所に配置されるので、制御装置では、大掛かりな放熱構造が不要となり、装置の小型化か実現される。

また、当該制御装置は、パワー半導体素子等の電路に設けられる回路が排除されるので、制御基板及び当該制御基板に接続される端子の構成が簡素化され、組立作業の容易化が図られる。

更に、パワー素子用基板を収容させたモータ側ブラケットは、電動パワーステアリング装置の筐体（ギヤボックス）に当接されるので、パワー半導体素子で生じた熱は、モータ側ブラケットを介して効果的に電動パワーステアリング装置の筐体（ギヤボックス）へと放熱される。

加えて、パワー素子用基板では、制御基板に実装される弱電素子が排除されるので、当該パワー素子用基板の回路構成が簡素なものとなり、組立作業の容易化が図られる。

併せて、パワー素子用基板のプリント配線について、電路を構成する端子のランドと制御基板へ導通される端子のランドとのエリアを振り分けることにより、組立作業の更なる容易化が図られる。

また、窒化アルミ又はアルミナ等の金属セラミック基板をパワー素子用基板として用いると、当該パワー素子用基板の板厚を厚くしても熱抵抗を抑えることができるので、本発明に係るパワー素子用基板では、絶縁層とされる金属セラミック基板の板厚を適宜に厚くし、結合容量を低下させることが可能となる。即ち、かかる構成とされたパワー素子用基板では、結合容量の低下に応じて絶縁区間のインピーダンスが高くなるので、プリント配線とモータ側ブラケットとの間の絶縁が保障され、これにより、パワー素子用基板に実装された電気的素子の安定動作が実現される。

また、本発明に係る電動パワーステアリング装置によると、モータ側ブラケットを介してパワー半導体素子の熱が効果的に放熱されるので、誤動作の生じない安全な操舵制御が実現される。

電動パワーステアリング装置を搭載させた車両の構成を示す図。実施の形態に係る電動パワーステアリング装置の構成を示す図。実施の形態に係る電動パワーステアリング装置の内部構造を示す図。実施の形態に係る電動パワーステアリング装置の回路構成を示す。本実施の形態に係る電動パワーステアリング用モータユニットの構成を示す図。本実施の形態に係る電動パワーステアリング用モータユニットの断面図。本実施の形態に係るパワー素子用基板の積層構造を示す図。プリント配線に印加される電圧の周波数と絶縁層に生じるインピーダンスとの関係を示す図。

以下、本発明に係る実施の形態につき図面を参照して説明する。図１に示す如く、車両ＣＡＲは、シャーシに設けられた前輪ＦＴ及び後輪ＲＴを備え、前輪ＦＲに舵角を与えることにより、車体のヨーイングの姿勢を制御する。かかる前輪ＦＲは、ラックＲＣＫが設けられ、当該ラックＲＣＫの軸動動作に応じて操舵される。また、近年の車両には、前後輪を車速に応じて操舵させる、所謂、４ＷＳ（4Wheel Steering）を採用したものも広く普及している。

図示の如く、電動パワーステアリング装置（特許請求の範囲における従動装置）を搭載させた車両ＣＡＲは、車載バッテリＢＴＴと車速センサＶＭＵとＥＣＵ１（Engine Control Unit／Electric Control Unit）とハンドル装置ＨＤＭと電動パワーステアリング装置２００とイグニッションリレーＩＧとピニオンギヤボックスＳＧＢとから構成される。

車載バッテリＢＴＴは、充電可能なバッテリパックから成り、１２〜２４Ｖ程度の電圧を出力させる。尚、かかるバッテリパックは、その電池の種類を問うものではない。

車速センサＶＭＵは、車輪回転センサ又は路面からの反射波を検出するセンサ等を用いて車速に関する情報を電気信号に変換させる。尚、本実施の形態に係る車両ＣＡＲでは、車速センサＶＭＵの情報がＥＣＵ１へと送信される。

ＥＣＵは、内燃機関を搭載する車両の場合（Engine Control Unit）と呼ばれ、電気自動車の場合（Electric Control Unit）と呼ばれるのが一般的である。但し、本実施の形態にあっては、これらの相違によって区別されるものでなく、車速ＶＭＵから受けた速度情報に基づき、電動パワーステアリング装置２００へ所望の信号を送信させる。また、かかるＥＣＵ１は、この他、車両内に設置されたセンサの情報を受信し、車両ＣＡＲの動作制御に関する適宜な処理を行なう。近年、ＥＣＵは、各センサに設けられ、ＣＡＮ（Control Area Network）によって各センサの情報を互いに共有できるようになっている。尚、後述するが、本実施の形態では、電動パワーステアリングユニット１００にも、当該装置を制御させるためのＥＣＵが搭載されている。

ハンドル装置ＨＤＭは、ドライバシートに設けられ、ドライバの操舵意図に応じた操舵トルクを電動パワーステアリング装置２００へと伝達させる。また、当該ハンドル装置ＨＤＭには、イグニッションキーが設けられ、当該イグニッションキーが回動されると、イグニッションリレーＩＧがＯＮ状態に切換わり、内燃機関の場合には、セルモータが駆動され、電気自動車の場合には、車輪用モータの制御回路又は他の装置の制御回路が起動され、スタンバイ状態に切換わる。

電動パワーステアリング装置２００は、図示の如く、トルクセンサＴＳと減速ギヤボックスＷＧＢと電動パワーステアリング用モータユニット１００とを主構成要素とし、当該電動パワーステアリング用モータユニット（以下、モータユニットと呼ぶ。）１００は、ＥＣＵ２と電動モータＥＭとを主構成要素としている。尚、電動パワーステアリング装置２００及びモータユニット１００については、その詳細な構成及び動作について追って説明することとする。

ピニオンギヤボックスＳＧＢは、ラックＲＣＫに形成された歯と伝達シャフトＣＳＨに固定されたピニオンギヤとが歯合され、伝達シャフトＣＳＨの回転運動をラックＲＣＫの軸方向運動へと変換させる。尚、伝達シャフトＣＳＨには、ユニバーサルジョイントが適宜に設けられ、電動パワーステアリング装置２００から付与された出力トルクを円滑にピニオンギヤボックスＳＧＢへと伝達させる。

かかる構成を具備する車両ＣＡＲは、操縦者によってハンドル装置ＨＤＭが操舵されると、ＥＣＵ２では、トルクセンサＴＳの信号及びＥＣＵ１からの速度情報に基づいて電動モータＥＭをドライブさせ、これにより、電動パワーステアリング装置２００では、操縦者による操舵トルクにアシストトルクが加えられ、当該操縦者の操舵意図に応じた出力トルクを発生させる。このとき、車両ＣＡＲでは、かかる出力トルクがラックＲＣＫに軸方向の力を与えるため、タイヤに加わる負荷の状態に関わらず、操縦者の操舵意図に応じた舵角が前輪ＦＴに与えられ、操縦者によるハンドル操作の負担を軽減させ、操作性の向上が図られる。

図２は、本実施の形態に係るコラム式の電動パワーステアリング装置が示されている。かかる電動パワーステアリング装置２００は、シャフト２１０及びシャフトケース２２０及びトルクセンサ収容部２３０及び信号端子２４０及びギヤボックス２５０（図１における減速キヤボックスＷＧＢ）から成る本体部と、当該本体部に固定されるモータユニット１００とから構成される。以下、シャフト２１０の軸心を軸方向とすると、当該軸方向のギヤボックス２５０が配される側をリヤ側ＤＲと称し、当該リヤ側ＤＲの反対側をフロント側ＤＦと称することとする。尚、フロント側ＤＦには、伝達シャフトＣＳＨを介してピニオンギヤボックスＰＧＷが接続され、リア側ＤＲには、ハンドル装置ＨＤＭが接続される。

シャフト２１０は、円柱状の棒体を成し、フロント側シャフト２１１及びリア側シャフト２１２と図示されないトーションバーとから構成される。フロント側シャフト２１１は、雄ネジ２１１ａ及びスプライン２１１ｂが形成され、リア側シャフト２１２にもスプラインが形成されている。また、シャフト２１０は、ハンドル装置ＨＭＤから操舵トルクが入力されると、当該操舵トルクに応じた捩り角がトーションバーに与えられる。更に、フロント側シャフト２１１及びリア側シャフト２１２には、各々に略中空状のセンサーシャフトが固定されている。当該センサーシャフトは、突合せ面の断面積を捩り方向に変化させる溝が形成され、トーションバーの捩れ角に応じて軸回転方向の相対運動を生じさせ、当該突合せ断面の断面積を変化させる。尚、トーションバー及びセンサーシャフトの機構は、シャフトケース２２０及びトルクセンサ収容部２３０の内部に格納されている。

トルクセンサ収容部２３０は、センサーシャフトの突合せ部が内部に配置されている。かかるセンサーシャフトは、一方に一次コイルが軸着され、他方に二次コイルが軸着されている（図示なし）。また、当該一次コイル及び二次コイルは、信号端子２４０に接続され、図示されない信号ケーブルを介してモータユニット１００に接続される。即ち、一次コイルに電圧が印加され且つトーションバーに捩れ角が発生すると、二次コイルではセンサーシャフトによって磁束変化が生じるので、信号端子２４０の二次コイル側の端子からは、かかる捩れ角を示す誘起電圧がモータユニット１００へ出力される。

ギヤボックス２５０は、図示の如く、ギヤ側ブラケット２５２が一体的に形成され、ボルトナットＢ／Ｎを用いてモータユニット１００を固定させている。図３を参照し、ギヤボックス２５０の内部構造について説明する。同図には、図２にて説明したＡ−Ａ断面を矢線方向に観察した断面図が示されている。かかるギヤボックス２５０は、ウォーム収容部２５１と平ウォーム収容部２５２とが一体的に形成されている。

ウォーム収容部２５１は、モータユニット１００の動作に連動して回動する入力シャフト２５３を備えている。当該入力シャフト２５３は、ウォームギヤ２５３ｇが形成され、ベアリング２５４ａ，２５４ｂによって回動自在に軸支される。

平ウォ−ム２５２ｇは、ウォームギヤ２５３ｇと同一モジュールの歯が形成され、当該ウォームギヤ２５３ｇに歯合される。平ウォーム収容部２５２は、中心部にリア側シャフト２１２が軸着され、当該リア側シャフト２１２は、平ウォーム２５２ｇの動作に連動して回動する。

ギヤボックス２５０は、リア側シャフト２１２に操舵トルクが加えられると、トーションバーの捩り変形に応じてトルクセンサから信号を出力させ、モータユニット１００に駆動トルクの出力を要求する。そして、モータユニット１００から駆動トルクが出力されると、ウォームギヤ２５３ｇを回動させ、平ウォーム２５２ｇにアシスト力を与える。かかるアシスト力は、平ウォーム２５２ｇを介してフロント側シャフト２１３にアシスト力を加え、これにより、ギヤボックス２５０のフロント側シャフト２１３では、操縦者からの操舵トルクに当該アシストトルクを加えた出力トルクが発生する。

図４は、モータユニット１００の回路構成が示されている。尚、同図には、トルクセンサＴＳの構成が便宜的に示されている。図示の如く、モータユニット１００の回路構成は、電動モータＭと、電力変換部１７５を構成するフルブリッジ回路と、制御基板に実装された制御回路と、電路用回路とから成り、この他、適宜な電気的素子が必要に応じて設けられる。

電動モータＭは、リレー回路１８０を介してフルブリッジ回路に接続される。かかる電動モータＭは、リレー回路１８０の動作に応じてフルブリッジから駆動電力が印加される。即ち、当該電動モータＭは、リレー回路１８０がＯＮ状態のとき、フルブリッジ回路によって駆動され、リレー回路１８０がＯＦＦ状態のとき、フルブリッジ回路からの駆動電力が断たれる。尚、リレー回路１８０は、中央処理回路１５１ｂによって制御され、電動モータＭに出力する駆動電力の許可／不許可を規定する。

フルブリッジ回路は、パワー半導体素子１７５ａ〜１７５ｄを具備し、各々のインバータ部に出力ラインが設けられている。かかる出力ラインは、一方がリレー回路１８０を介して端子Ｔｍ１に接続され、他方が端子Ｔｍ２に接続される。パワー半導体素子１７５ａ〜１７５ｄは、ゲート端子を有するＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴ等が用いられる。従って、パワー半導体素子１７５ａ〜１７５ｄには、ゲート端子を保護するコンデンサ，ツェナーダイオード等が適宜に設けられる。パワー半導体素子１７５ａ〜１７５ｄは、ゲート端子に制御信号が入力されると、通過電流によって発熱される。尚、本実施の形態にあっては、直流電力による電圧値は約５０Ｖ程度に昇圧されている。そのため、これに応じた熱量がパワー半導体素子で発生することとなる。かかるフルブリッジ回路は、入力された直流電力を変換して駆動電力を出力させ、先の如く、駆動電力を電動モータＭへ供給させる。

制御回路１５１は、フルブリッジ回路から物理的に独立した状態で設けられ、当該フルブリッジで発生した熱の影響を受けない位置に設置される。かかる制御回路１５１は、図示の如く、トルクセンサ検出回路１５１ａと中央処理回路１５１ｂと動作監視回路１５１ｃとドライブ回路１５１ｄとサーマル検出回路１５１ｅと過電流検出回路１５１ｆとＣＡＮ通信回路とから構成される。トルクセンサ検出回路１５１ａは、トルクセンサＴＳの両コイル間に生じた電位差を検出し、中央処理回路１５１ｂへ出力させる。ＣＡＮ通信回路は、速度情報をＥＣＵから受信し、この他、必要な情報を双方向に通信する。サーマル検出回路１５１ｅ及び過電流検出回路１５１ｆは、サーミスタ１７５ｅ，シャント抵抗１７５ｆからの信号を受け取り、各々の基準値を超えた場合に警告信号を中央処理回路１５１ｂへと出力させる。中央処理回路１５１ｂは、トルクセンサＴＳの信号及び速度情報に基づいて制御信号を出力させる。かかる制御信号は、パワー半導体素子１７５ａ〜１７５ｄを各々駆動させる。尚、中央処理回路１５１ｂには、複数のフェールセーフ機能が設けられている。例えば、サーマル検出回路１５１ｅ又は過電流検出回路１５１ｆから異常の状態を示す信号が入力されると、中央処理回路１５１ｂでは、制御信号の出力を停止させ、電動モータＭの駆動を停止させる。また、中央処理回路１５１ｂには、動作監視回路１５１ｃが双方向通信可能に接続されている。かかる動作監視回路１５１ｃは、中央処理回路１５１ｂと同様の演算処理を実行させ、かかる処理結果を所定タイミング毎に中央処理回路１５１ｂへ出力させる。このとき、中央処理回路１５１ｂでは、自己の処理結果と動作監視回路からの処理結果とが一致する場合にのみ制御信号を出力させ、双方の処理結果が不一致な場合には、当該制御信号の出力を停止させる。即ち、中央処理回路１５１ｂでは、動作監視回路１５１ｃの処理結果に対して差異が生じると、自己の処理結果に誤りが生じたと判断し、電動モータＭの動作を停止させることとなる。尚、トルクセンサ検出回路１５１ａ，ドライブ回路１５１ｄ，サーマル検出回路１５１ｅ，過電流検出回路１５１ｆ，ＣＡＮ通信回路等は、適宜なＩＣによって構成され、中央処理回路１５１ｂ及び動作監視回路１５１ｃは、ＣＰＵこの他メモリ回路等を具備するマイコン，ＤＳＰによって構成される。即ち、制御回路１１５として構成される電気的素子は、全てが弱電電力によって駆動され、パワー半導体素子のような大電力を必要としない。

尚、上述した電路用回路は、本実施の形態の場合、フィルター回路１４４とリレー回路１７０，１８０とから構成される。また、電路とは、直流電力が印加される電源端子Ｖｂからフルブリッジ回路に至る電源ライン１７７ａと、フルブリッジ回路からグランド端子ＧＮＤに至る電源ライン１７７ｂと、フルブリッジと電動モータＭとを接続させる出力ライン１７７ｃ，１７７ｄとを含むものとする。

フィルター回路１４４は、直流電力が入力される端子Ｖｂからフルブリッジ迄の電路１７７ａに介挿される。かかるフィルター回路１４４は、コンデンサ，リアクトル，抵抗，等の電気的素子が適宜に設けられる。

リレー回路１７０は、電路１７７ａに介挿されている。そして、中央処理回路１５１ｄの信号に応じてＯＮ／ＯＦＦ動作を行なう。ここで、当該リレー回路１７０がＯＦＦ状態とされると、電路１７７ａにおける電流の流れが遮断されるので、電動モータＭは駆動されなくなる。一方、リレー回路１７０がＯＮ状態とされると、端子Ｖｂから電力が印加される。このとき、電路１７７ａでは、フィルター回路１４４によってノイズ処理が実施され、フルブリッジ回路では、電路１７７ａを介して直流電力が供給される。

尚、電路用回路とは、リレー回路１７０，１８０又はフィルター回路１４４のうち少なくとも一つの回路が存在しているのであれば、その構成が満足されるものとする。例えば、フィルター回路１４４が無い場合であっても、リレー回路１７０，１８０によって電路用回路が形成されるものとし、フィルター回路１４４しか存在しない場合には、かかる回路を以って電路用回路を成すものとする。即ち、電路用回路とは、図示の如く、電力変換部１７５に接続された電路１７７ａ〜１７７ｄに介挿された回路を指す。

図５乃至図８は、本実施の形態に係るモータユニット１００の構成が示されている。図示の如く、モータユニット１００は、電動モータＥＭと中底面１２０とドライブシャフト１１４と電力変換部１７５とパワー素子用基板１７０と配電部１４０と制御基板を内蔵させた制御装置１５０とから構成される。尚、同図中の矢線方向ＤＨを放熱方向として、以下説明する。

電動モータＥＭは、本実施の形態においてブラシモータが用いられ、具体的には、回転子１１１ａと永久磁石１１１ｅとモータカバー１６０とコミュテータ１１１ｃとブラシアセンブリ１１１ｂとから構成される。回転子１１１ａは、スリットの内部にコイルが捲回され、電力変換部１７５から駆動電力が印加されると、当該回転子１１１ａの内部にて磁束の状態を変化させる。モータカバー１６０は、略円筒体とされており、内部に回転子１１１ａを収容させる。また、当該モータカバー１６０には、内壁に永久磁石が極性を交互にした状態で配列される。コミュテータ１１１ｃは、回転子１１１ａに固定され、円筒表面に導体領域と絶縁領域とを交互に配列させ、且つ、電流の極性を領域毎に反転させる。当該導通領域は、回転子１１１ａのコイルと電気的に接続される。ブラシアセンブリ１１１ｂは、図示の如く、内部に複数のブラシ素子１１２を配置させている。かかるブラシアセンブリ１１１ｂの筐体は、絶縁性材料によって形成され、ブラシ素子１１２に導通する配線が一体形成されている。

図６に示す如く、電動モータＥＭは、アセンブルされると、ブラシ素子１１２の各々の接面とコミュテータ１１１ｃの表面とが接触している。従って、ブラシ素子１１２に駆動電力が印加されると、コイルに生じた磁力によって回転子１１１ａが回転し、これに伴って、コミュテータ１１１ｃも回転する。このとき、回転子１１１ａは、コイルに流れる電流がコミュテータ１１１ｃによって転流され、当該回転子１１１ａの回転動作が維持される。かかる電動モータＥＭは、内蔵された回転子１１１ａの回動動作に応じて、駆動軸１１４に駆動トルクを発生させる。

駆動軸１１４は、図示の如く、回転子１１１ａに固定され、当該回転子１１１ａが駆動されると、駆動トルクを出力させる。かかるモータユニット１００は、駆動軸１１４の上端側にベアリング等の軸受機構１６２が設けられている。そして、駆動軸１１４は、ギヤボックス２５０の入力シャフト２５３に接続され、各々の軸１１４，２５３は、軸受機構１６２及びベアリング２５４によって回動自在に軸支されることとなる。

電力変換部１７５は、上述の如く、パワー半導体素子１７５ａ〜１７５ｄ、サーミスタ１７５ｅ、シャント抵抗１７５ｆから構成される。かかるパワー半導体素子は、制御信号によって駆動されると、高い熱量を発生させる。シャント抵抗１７５ｆも電路１７７ｂに設けられるので、高い熱量を発生させる。また、サーミスタ１７５ｅは、パワー半導体素子１７５ａ〜１７５ｄの温度を検出するため、当該パワー半導体素子の近傍に配置されるのが好ましい。

パワー素子用基板１７０は、電力変換部１７５、即ち、パワー半導体素子１７５ａ〜１７５ｄ、サーミスタ１７５ｅ、シャント抵抗１７５ｆを実装させている。また、本実施の形態では、更に、制御用鉛直端子１７６及び電路用鉛直端子１７７を適宜に配列させている。

モータ側ブラケット１３０は、図示の如く有底状の円筒体とされ、ブラケット部１３１と、ケース固定片１３２とが一体的に形成されている。ブラケット部１３１は、ボルト穴１３１ａが形成され、ギヤ側ブラケット２５２とボルトナットＢ／Ｎによって固定される。また、ケース固定片１３２は、雌ネジタップ１３２ａが形成され、ビスによってモータケース１６０が固定される。更に、モータ側ブラケット１３０には、矩形状の開口部１３２が形成されている。かかるモータ側ブラケット１３０の内部には、パワー素子用基板１７０を収容させ、当該パワー素子用基板１７０は、モータ側ブラケット１３０の底面に積層される。即ち、パワー素子用基板１７０は、駆動軸１１４の放熱側ＤＨに配置される。

図７は、パワー素子用基板の積層構造が示されている。先ず、図７（ａ）を参照して、エポキシ層を具備するパワー素子用基板について説明する。かかるパワー素子用基板１７０は、図示の如く、金属基板１７１ａとエポキシ層１７２ａとプリント配線１７３ａとから構成される。このうち、金属基板１７１ａは、アルミの板材であっても良く、この他、熱伝導率の高い金属製合金であっても良い。エポキシ層１７２ａは、エポキシ樹脂が金属基板１７１ａの表面に積層され、板厚ｔ１の絶縁層を形成させる。プリント配線１７３ａは、適宜な配線パターンに形成され、エポキシ層１７２ａに積層される。

また、プリント配線１７３ａには、半田層１７４を介してパワー半導体素子１７５が積層され、当該パワー半導体素子１７５には、ボンディングワイヤが適宜に接続される。かかるパワー半導体素子１７５は、プリント配線１７３ａ及び半田層１７４を介して電力が供給され、入力される信号によって、当該電力に応じた電流を断続させる。

更に、エポキシ層を具備するパワー素子用基板１７０は、放熱性グリス２０１を介してモータ側ブラケット１３０に積層される。かかる放熱性グリス２０１は、シリコン等の熱伝導率の高い材質が用いられ、金属基板１７１ａに伝達された熱量をモータ側ブラケット１３０へ伝達させる。

エポキシ層を具備するパワー素子用基板１７０にあっては、エポキシ樹脂の熱抵抗が高いため、エポキシ層１７２ａの板厚ｔ１を薄くするとにより、熱抵抗の低減を図っている。そして、かかる如く熱抵抗を抑えることにより、パワー半導体素子１７５で発生した熱量は、モータ側ブラケット１３０へと効果的に伝達されることとなる。

次に、図７（ｂ）を参照して、金属セラミック基板を用いた場合のパワー素子用基板について説明する。かかるパワー素子用基板１７０は、図示の如く、金属セラミック基板１７２ｂとプリント配線１７３ｂとから構成され、更に、金属セラミック基板１７２ｂの下層に銅のメッキ層１７１ｂが積層されている。このうち、金属セラミック基板１７２ｂは、アルミナ又は窒化アルミ等が用いられ、この他、熱伝導率の高いセラミック製の金属基板が用いられる。かかる金属セラミック基板１７２ｂは、絶縁層を形成させる材質であるが、熱伝導率が高いため、上述したエポキシ層の板厚と比較すると厚い板厚ｔ２（＞ｔ１）に設定することが可能である。尚、プリント配線１７３ａは、適宜な配線パターンに形成され、金属セラミック基板１７３ｂに積層される。

また、プリント配線１７３ｂには、上述同様、半田層１７４を介してパワー半導体素子１７５が積層され、当該パワー半導体素子１７５には、ボンディングワイヤが適宜に接続される。

更に、金属セラミック基板を用いたパワー素子用基板１７０は、高伝熱性の接着剤２０２を介してモータ側ブラケット１３０に積層される。かかる高伝熱性の接着剤２０２は、放熱性グリスと同様、シリコーン樹脂等の熱伝導率の高い材質が用いられる。

金属セラミック基板を用いたパワー素子用基板１７０にあっては、金属セラミック基板の熱伝導率が高いため、金属セラミック基板の熱抵抗は、当該金属セラミック基板の板厚ｔ２を厚く設定しても、所定の範囲であれば当該熱抵抗を低値に抑えることが可能とされる。

尚、かかる絶縁層では、一方がプリント配線の電流によって所定の電位が与えられ、他方がグランドに接続されるので、両端に電荷が帯電することとなり、これにより、所定の結合容量が発生する。そして、かかる結合容量は、絶縁層の層間距離に反比例する値をとる。

図８は、絶縁層に生じるインピーダンスに係る周波数特性が示されている。尚、同図には、エポキシ層による絶縁層の周波数特性が曲線Ｃｒｖ１で示され、金属セラミック基板による絶縁層の周波数特性が曲線Ｃｒｖ２で示されている。また、周波数帯ｆ１は、パワー半導体素子１７５の駆動周波数を示す。

エポキシ樹脂を積層させたパワー素子用基板は、エポキシ樹脂の板厚ｔ１が薄く形成されるので、絶縁層の層間距離が少なくなり、結合容量Ｃ１は大きくなる。そして、曲線Ｃｒｖ１では、結合容量Ｃ１が大きくなると、インピーダンスが減少し、エポキシ樹脂による絶縁機能が低下することを示している。従って、エポキシ樹脂を積層させたパワー素子用基板では、プリント配線１７３ａからモータ側ブラケット１３０に電流が漏れ、パワー半導体素子１７５の動作が不安定となる。

これに対し、金属セラミック基板１７２ｂの板厚ｔ２は、熱抵抗が低いので、エポキシ樹脂の板厚ｔ１よりも厚くすることが可能である。この場合、金属セラミック基板を用いたパワー素子用基板は、金属セラミック基板１７２ｂの板厚ｔ２がエポキシ樹脂の板厚ｔ１よりも厚く形成させると、絶縁層の層間距離が長くなり、この場合の結合容量Ｃ２は小さくなる。そして、曲線Ｃｒｖ２を参照すると、結合容量Ｃ２が小さくなるに応じて、インピーダンスが上昇し、金属セラミック基板による絶縁機能が向上することが理解できる。従って、金属セラミック基板を用いたパワー素子用基板では、プリント配線１７３ｂとモータ側ブラケット１３０との絶縁が保障され、パワー半導体素子１７５の動作が安定する。

上述の如く、窒化アルミ又はアルミナ等の金属セラミック基板をパワー素子用基板として用いると、当該パワー素子用基板の板厚を厚くしても熱抵抗を抑えることができるので、本実施の形態に係るパワー素子用基板では、絶縁層とされる金属セラミック基板の板厚を適宜に厚くし、結合容量を低下させることが可能となる。即ち、かかる構成とされたパワー素子用基板では、結合容量の低下に応じて絶縁区間のインピーダンスが高くなるので、プリント配線とモータ側ブラケットとの間の絶縁が保障され、これにより、パワー素子用基板に実装された電気的素子の安定動作が実現される。

これにより、モータユニット１００がギヤ側ブラケット２５２に固定されると、図２に示す如く、モータ側ブラケット１３０の底面とギヤ側ブラケット２５２とが当接し、パワー半導体装置１７５ａ〜１７５ｄで生じた熱量が当接面を介してキヤボックス２５０へ効果的に伝達される。

尚、図６に示す如く、パワー素子用基板１７０には、サーミスタ１７５ｅ及びシャント抵抗１７５ｆを実装させるのが好ましい。かかる素子は、パワー半導体素子１７５ａ〜１７５ｄの近くに配置されることで、その機能を発揮させるためである。

また、モータ側ブラケット１３０は、高い伝熱性能を具備する材質を用いるのが好ましい。高い放熱性能を具備する材質とは、例えば、アルミ、銅、及び、これらの合金であるのが好ましい。また、これに限らず、鉄を母材とする金属製材料を用いても良い。

配電部１４０は、図５に示す如く、電力端子１４１と制御用端子群１４２と電路用端子群１４５と電路用回路とが配備されている。このうち、電力端子１４１は、端子部と絶縁性のコネクタ部とから成り、端子部は、電路１７７ａ〜１７７ｄに接続される端子Ｖｂ及びＧＮＤ等が設けられる。また、制御用端子群１４２は、制御基板に設けられた端子と電気的に接続される。かかる制御用端子群１４２は、配電部１４０に制御装置１５０が接続されると、図６に示す如く、一端が制御側端子１５２を介して制御基板１５３に接続され、他端が制御用鉛直端子１７６を介してパワー素子用基板１７０のプリント配線に接続される。更に、電路用端子群１４５は、モータ側ブラケット１３０に配電部１４０及びブラシアセンブリ１１１ｂが組み付けられると、図示の如く、一端がブラシ用端子１１１ｄを介してブラシ素子１１２に接続され、他端が電路用鉛直端子１７７を介してパワー素子用基板１７０のプリント配線に接続される。かかる電路用端子群１４５は、電力変換部１７５の駆動電力を電動モータＥＭへ中継させる役割を担う。電路用回路は、電力変換部に接続された電路１７７ａ〜１７７ｄに介挿された回路であって、回路基板にフィルター素子１４４ａ，１４４ｂ及びリレー回路１７０，１８０が適宜に実装されている。尚、フィルター素子とは、電解コンデンサ、フィルムコンデンサ、コイル等の比較的大型の素子を指す。

かかる構成により、配電部１４０は、電路１７７ａ〜１７７ｄに印加される強電電力と制御基板１５３で用いられる弱電電力を分配させ、これにより、制御基板１５３とパワー素子用基板１７０とを物理的に独立させることが可能となる。また、当該配電部１４０は、ハーネスを用いずに各々の端子群によって短い経路の電路１７７ａ〜１７７ｂを構成させるため、寄生インダクタンスの影響が少なくなり、フィルター回路１４４の素子体格を小さくすることが可能となる。従って、かかる配電部１４０についても、フィルター回路と同様に、小型化が図られる。

また、配電部１４０は、制御基板１５３とパワー素子用基板１７０との間に配置されるので、当該制御装置１５０とパワー素子用基板１７０との物理的距離を形成させる。従って、パワー素子用基板１７０で発生した熱量は、制御基板１５３へ伝達され難くなり、制御基板１５３は、良好な温度環境の下で、誤動作を伴わない制御信号を出力させることが可能となる。また、フェールセーフによる緊急停止の危険度が低下するので、電動パワーステアリング装置２００では、アシストトルクを安定的に供給させることが可能となる。

また、かかる配電部１４０は、制御基板１５３の配置される一方の面に制御用端子群１４２が配列され、側面側に電路用端子群１４５が配列されている。これにより、モータユニット１００を組み立てる際、複数配列される端子の位置が分配されているので、組立作業の簡素化が図られ、併せて、生産コストの低減に寄与する。

制御装置１５０は、図示の如く、制御基板１５３を収容させており、制御基板１５３は、制御回路１５１を構成する弱電性の電気的素子を実装させている。かかる制御基板１５３は、パワー素子用基板１７０から独立した状態で設けられるので、当該制御装置１５における放熱機構の構成が極力省略され、制御基板１５３及び当該制御装置１５０の小型化が実現される。また、電路１７５ａ〜１７５ｄに設けられた電気的素子も排除されるので、これによっても、制御装置１５０の小型化が図られる。

また、本実施の形態では、電路用回路の端子１７８及び制御用端子群１４２及び電路用端子群１４５は、各々が混在することなく、適宜な領域に分かれて配列されている。

これにより、これらの端子とプリント配線とを繋ぐ配線が簡略化され、組立て作業の容易化が図られる。

更に、本実施の形態では、制御用端子群１４２及び電路用端子群１４５の双方が、制御用鉛直端子１７６及び電路用鉛直端子１７７（特許請求の範囲における鉛直端子）を介してプリント配線と接続されている。

かかる如く、鉛直に延在する端子を使用することにより、端子同士、又は、端子と基板同士の交錯が避けられ、これによっても、配線状態の簡素化及び組立工程の容易化が図られる。

上述の如く、本実施の形態に係る電動パワーステアリング用モータユニット１００によると、制御基板１５３を内蔵させた制御装置１５０とパワー半導体素子１７５ａ〜１７５ｄとが独立した場所に配置されるので、制御装置１５０では、大掛かりな放熱構造が不要となり、装置の小型化か実現される。

また、当該制御装置１５０は、フィルター回路等の電路１７７ａ〜１７７ｄに設けられる回路が排除されるので、制御基板１５３及び当該制御基板１５３に接続される端子の構成が簡素化され、組立作業の容易化が図られる。

更に、パワー半導体素子を実装させたパワー素子用基板１３０は、電動パワーステアリング装置２００のギヤボックス１５０に当接されるので、パワー半導体素子１７５ａ〜１７５ｄで生じた熱は、パワー素子用基板１３０を介して効果的に電動パワーステアリング装置２００へと放熱される。

加えて、パワー素子用基板１３０は、制御基板１５３に実装される弱電素子が排除されるので、当該パワー素子用基板１３０の回路構成が簡素なものとなり、組立作業の容易化が図られる。

併せて、パワー素子用基板１３０に積層させるプリント配線について、電路を構成する端子のランドと制御基板へ導通される端子のランドとのエリアを振り分けることにより、組立作業の更なる容易化が図られる。

また、本発明に係る電動パワーステアリング装置２００によると、モータ側ブラケット１３０によってパワー半導体素子の熱が効果的に放熱されるので、誤動作の生じない安全な操舵制御が実現される。

１００電動パワーステアリング用モータユニット
２００電動パワーステアリング装置
ＥＭ電動モータ
１７５電力変換部
１３０モータ側ブラケット
１５３制御基板

Claims

内蔵された回転子の回動動作に応じて駆動軸に駆動トルクを発生させる電動モータと、パワー半導体素子を具備するものであって入力された電力を変換して前記電動モータを駆動させるための駆動電力を出力する電力変換部と、前記パワー半導体素子を実装させ前記駆動軸の放熱側に配置されるパワー素子用基板と、前記パワー素子用基板を収容させるモータ側ブラケットと、前記モータ側ブラケットから独立した状態で設けられ前記パワー半導体素子の制御信号を出力させる制御基板とを備えることを特徴とする電動パワーステアリング用モータユニット。
前記モータ側ブラケットは、前記電動モータの駆動トルクをアシストトルクへ変換させる従動装置に当接され、
前記パワー素子用基板は、高伝熱性の接着樹脂または放熱グリスを介して、前記モータ側ブラケットに積層されることを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング用モータユニット。
前記パワー素子用基板は、金属基板と前記金属基板に積層されたエポキシ層と前記エポキシ層に積層されたプリント配線とから成ることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電動パワーステアリング用ユニット。
前記パワー素子用基板は、絶縁性を有する金属セラミック基板と前記金属セラミック基板に積層されたプリント配線とを含んでいることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電動パワーステアリング用ユニット。
前記金属セラミック基板は、材質が窒化アルミ又はアルミナとされることを特徴とする請求項４に記載の電動用パワーステアリング用ユニット。
前記モータ側ブラケットは、更に、前記電動モータのブラシを収容させることを特徴とする請求項１乃至請求項５に記載の電動パワーステアリング用モータユニット。
前記モータ側ブラケットは、材質が高伝熱性の金属性材料とされることを特徴とする請求項１乃至請求項６に記載の電動パワーステアリング用モータユニット。
前記パワー素子用基板は、更に、サーミスタ及び／又はシャント抵抗が実装されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７に記載の電動パワーステアリング用モータユニット。
前記制御基板に接続される制御用端子群と、前記電力変換部に接続された電路に介挿された電路用回路と、前記電力変換部の駆動電力を前記電動モータへ中継させる電路用端子群とから成る配電部を更に備えることを特徴とする請求項１乃至請求項８に記載の電動パワーステアリング用モータユニット。
前記電路用回路は、前記直流電力のリレー回路及び／又は前記直流電力のフィルター回路及び／又は前記駆動電力のリレー回路であることを特徴とする請求項９に記載の電動パワーステアリング用モータユニット。
前記配電部は、前記制御基板と前記モータ側ブラケットとの間に配置され、前記制御基板の配置される一方の面に前記制御用端子群が配列され、前記一方の面と異なる他の面に前記電路用端子群が配列されていることを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の電動パワーステアリング用モータユニット。
前記電路用回路及び前記制御用端子群及び前記電路用端子群のうち少なくとも何れか一つは、前記パワー素子用基板に形成された前記プリント配線に導通されることを特徴とする請求項９乃至請求項１１に記載の電動パワーステアリング用モータユニット。
前記制御用端子群及び前記電路用端子群のうち少なくとも何れか一つの端子は、略鉛直に延在する鉛直端子とされることを特徴とする請求項９乃至請求項１２に記載の電動用パワーステアリング用モータユニット。
前記従動装置は、請求項１乃至請求項１３に記載の何れか一項の電動パワーステアリング用モータユニットと、操縦ハンドルの回動動作に応じた操舵トルクへ前記アシストトルクを加えるギヤボックスと、前記ギヤボックスに一体的に形成され前記電動用パワーステアリング用モータユニットとの当接面を具備するモータ固定部とを備えることを特徴とする電動パワーステアリング装置。