JP2015206606A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】磁気センサの検出対象である磁石以外の磁束源の影響を低減することによりモータ回転角の検出精度を確保することができるモータを提供する。
【解決手段】モータは出力軸２３の端部に固定されたバイアス磁石４１と、バイアス磁石４１の回転に伴う磁界の変化に応じた電気信号を生成する磁気センサ４２とを有する。磁気センサ４２により生成される電気信号に基づきモータに対する給電が制御される。またモータは電源ノイズを除去するチョークコイル３２ｂを有する。チョークコイル３２ｂはＣ字状のコア５１およびコイル５２を有する。コア５１は出力軸２３の軸線に沿って延びるコア本体５１ａと、コア本体５１ａの２つの端部にそれぞれ連結された第１および第２の腕部５１ｂ，５１ｃを有する。第１および第２の腕部５１ｂ，５１ｃのコア本体５１ａと反対側の端部はそれぞれ同一方向へ延びて強磁性体製のカバー３４の内壁面に接触している。
【選択図】図４

Description

本発明は、モータに関する。

従来、特許文献１に記載されるように、インバータおよびマイクロコンピュータを含む制御装置が内蔵されたモータが存在する。当該モータはロータの回転角を検出するための構成として、ロータと一体的に回転する出力軸の端部に設けられた磁石、および出力軸の軸線方向において磁石に対向する磁気センサを有している。磁気センサは磁石の回転に伴う磁界の変化に応じた電気信号を生成する。マイクロコンピュータは磁気センサにより生成される電気信号に基づきロータの回転角を求め、当該回転角に応じてインバータのスイッチングを制御することによりモータコイルに対する給電を制御する。

特開２０１２−３９７３７号公報（図１）

制御装置が内蔵されるモータにおいては、磁気センサの検出対象である磁石以外にも磁束源が存在する。当該磁束源としては、たとえば電源ノイズを低減するためのチョークコイルがある。チョークコイルには大電流が流れるため、発生する磁界も大きい。このため、磁石の磁界を検出する磁気センサがチョークコイルの周囲に形成される磁界の影響を受けるおそれがある。たとえば、磁石からの理想的な磁界以外にチョークコイルからの磁界が磁気センサに印加される場合、磁気センサを通じて検出されるモータの回転角と実際の回転角との間に誤差が生じることが懸念される。

本発明の目的は、磁気センサの検出対象である磁石以外の磁束源の影響を低減することによりモータ回転角の検出精度を確保することができるモータを提供することにある。

上記目的を達成し得るモータは、基板と、モータ本体の出力軸に固定された磁石と、前記基板に設けられて前記磁石の回転に伴う磁界の変化に応じた電気信号を生成する磁気センサと、前記基板に設けられて前記磁気センサにより生成される電気信号に基づき前記出力軸の回転角を演算し当該回転角に応じてモータ本体に対する給電を制御する制御回路と、前記基板に設けられてモータ本体に対する給電に伴い発生する電源ノイズを除去する開磁路型のチョークコイルと、前記チョークコイルのコアと協働して閉磁路を構成する磁路形成部材と、を有する。

この構成によれば、チョークコイルから発生する磁束は、チョークコイルのコアと磁路形成部材とにより構成される閉磁路に閉じ込められる。このため、チョークコイル、正確にはそのコアの外部に漏れる磁束が減少する。その結果、チョークコイルから発生する磁束が磁気センサに印加されたり磁石から発生する磁束に干渉したりすることが抑制される。したがって、磁気センサの検出誤差が低減されることにより、回転角の検出精度を確保することができる。

上記のモータにおいて、前記チョークコイルには前記基板に対して直交する前記コアとしての直線状のコア本体および前記コア本体に設けられたコイルを有するものが存在する。このようなチョークコイルを採用する場合、前記磁路形成部材は、前記磁石および前記基板を収容する強磁性体製のカバーと、前記コア本体における前記コイルよりも外側の２つの端部と前記カバーの内壁面との間にそれぞれ介在される第１および第２の磁路形成部材とを含むことが好ましい。

この構成によれば、チョークコイルから発生する磁束の一部は、コア本体、第１の磁路形成部材、カバーにおける第１の磁路形成部材と第２の磁路形成部材との間の部分、および第２の磁路形成部材を経由する閉磁路に閉じ込められる。

上記のモータにおいて、前記第１および第２の磁路形成部材は前記コアの一部分として前記コア本体と一体形成されていてもよい。
この構成によれば、コア本体、第１の磁路形成部材および第２の磁路形成部材を別体とする場合に比べて、チョークコイルの組み付け作業性を低下させることなく閉磁路を構成することが可能である。

上記のモータにおいて、前記第１および第２の磁路形成部材は前記カバーに固定されていてもよい。
この構成によれば、直線状のコアを有する既存の開磁路型のチョークコイルをそのまま利用して簡単に閉磁路を構成することができる。カバーに第１および第２の磁路形成部材を設けるだけでよいからである。

本発明によれば、磁気センサの検出対象である磁石以外の磁束源の影響を低減することによりモータ回転角の検出精度を確保することができる。

モータの断面図。 回転角センサの斜視図。 比較例における回転角センサの周辺構造を示すモータの断面図。 一実施の形態におけるチョークコイルの周辺構造を示すモータの断面図。 他の実施の形態におけるチョークコイルの周辺構造を示すモータの断面図。 他の実施の形態におけるチョークコイルの周辺構造を示すモータの断面図。 他の実施の形態におけるチョークコイルの周辺構造を示すモータの断面図。

以下、モータの一実施の形態を説明する。本例のモータは三相ブラシレスモータであって、たとえば車両の電動パワーステアリング装置の動力源として使用される。
図１に示すように、モータ１０はモータ本体２０および制御装置３０が一体的に設けられてなる。

モータ本体２０は、円筒状のハウジング２１、ステータ２２、出力軸２３およびロータ２４を有している。ステータ２２は円筒状のステータコア２２ａおよびステータコア２２ａに設けられたステータコイル２２ｂを有している。ステータコア２２ａはハウジング２１の内周面に対して嵌められた状態で固定されている。出力軸２３は２つの軸受２３ａ，２３ｂを介してハウジング２１に対して回転可能に支持されている。出力軸２３の２つの端部はそれぞれハウジング２１を貫通している。ロータ２４はステータ２２の内部に設けられている。ロータ２４は出力軸２３の外周面に固定された円柱状のロータコア２４ａおよびロータコア２４ａの表面に固定された円筒状の永久磁石２４ｂを有している。

制御装置３０は制御基板３１、駆動基板３２、回転角センサ３３およびカバー３４を有している。カバー３４は鉄などの強磁性体により有底円筒状に設けられている。カバー３４はその開口をハウジング２１へ向けた状態でハウジング２１の端部（図１中の上端部）に固定されている。カバー３４の内部には制御基板３１、駆動基板３２および回転角センサ３３がそれぞれ収容されている。制御基板３１および駆動基板３２はそれぞれ出力軸２３の軸線に対して直交する姿勢でカバー３４に固定されている。制御基板３１は出力軸２３の端部、正確にはカバー３４の内部に位置する第１の端部に対向している。

制御基板３１にはＭＰＵ（microprocessing unit）３１ａが設けられている。駆動基板３２には電源回路としてインバータ回路３２ａおよびチョークコイル３２ｂが設けられている。インバータ回路３２ａは複数のＦＥＴ（Field Effect Transistor）を有する。これらＦＥＴがＭＰＵ３１ａにより生成されるスイッチング指令に基づきスイッチングすることにより三相の交流電力が生成される。当該生成される交流電力は図示しない給電経路を介してステータコイル２２ｂに供給される。チョークコイル３２ｂはたとえばインバータ回路３２ａとモータ本体２０との間の給電経路に設けられる。チョークコイル３２ｂはインバータ回路３２ａのスイッチング動作などに起因して発生する電源ノイズを低減するノイズフィルタとして機能する。回転角センサ３３はロータ２４の回転角を検出する。ＭＰＵ３１ａは回転角センサ３３を通じて検出されるロータ２４の回転角に基づきインバータ回路３２ａに対するスイッチング指令を生成する。

つぎに、回転角センサの構成を説明する。
図１に示すように、回転角センサ３３は、円柱状のバイアス磁石４１および磁気センサ４２を有している。磁気センサ４２としては、たとえばＭＲセンサ（磁気抵抗効果センサ）が採用される。バイアス磁石４１は出力軸２３の第１の端部に固定されている。磁気センサ４２は制御基板３１に設けられている。磁気センサ４２は出力軸２３の軸線に沿う方向においてバイアス磁石４１と対向している。

図２に示すように、バイアス磁石４１は、その半径方向にＮ極およびＳ極が着磁された２極磁石である。バイアス磁石４１によって磁気センサ４２にはＮ極からＳ極へ向かう実線の矢印４３で示される方向の磁界が付与される。たとえば出力軸２３が図中の位置から矢印４４で示される方向へ向けて回転角θだけ回転したとき、バイアス磁石４１も矢印４４で示される方向へ向けて回転角θだけ回転する。これにより、磁気センサ４２に付与されるバイアス磁界の向きが実線の矢印４３で示される方向から軸線Ｏを中心として回転角θだけ回転した一点鎖線の矢印４５で示される方向に変化する。このように、磁気センサ４２に付与される磁界の方向は出力軸２３の回転角θに応じて変化する。ＭＰＵ３１ａは磁気センサ４２により生成される電気信号に基づき出力軸２３、すなわちロータ２４の回転角θを演算する。

つぎに、チョークコイル３２ｂについて説明する。
チョークコイル３２ｂには閉磁路型および開磁路型などの種々のタイプが存在する。閉磁路型としてはリング状のコアを有するトロイダルコイルが、開磁路型としては直線状のコアを有するソレノイドコイルが知られている。チョークコイル３２ｂとしては、トロイダルコイルおよびソレノイドコイルのいずれも採用可能である。しかし、トロイダルコイルは巻線工程の自動化が難しいことなどに起因してソレノイドコイルに比べて高価である。このため、製品コストの観点からソレノイドコイルが採用されることも多い。ここではまず、当該ソレノイドコイルを採用した場合について検討する。

図３に示すように、チョークコイル３２ｂはフェライトなどの強磁性体からなる直線状のコア５１およびコア５１の外周に導線が巻き回されてなるコイル５２を有している。コア５１は駆動基板３２における制御基板３１側の側面（図３中の下面）に対して直交して設けられている。コイル５２に電流が供給されるとき、チョークコイル３２ｂにはその軸線に対して直交する８の字状をなす磁界が発生する。すなわち、チョークコイル３２ｂから生じる磁束φ１はコイル５２の軸線（正確には、その中点）を基点として互いに反対側に位置する楕円を描くように分布する。コイル５２の互いに反対側の端部である２つのループ開口部のうち一方のループ開口部から出た磁束φ１は他方のループ開口部に入る。

ここで、チョークコイル３２ｂには大電流が流れるため、発生する磁界も大きい。このため、特にチョークコイル３２ｂが回転角センサ３３（磁気センサ４２およびバイアス磁石４１）の近傍に設けられる場合、磁気センサ４２がチョークコイル３２ｂの周囲に形成される磁界の影響を受けるおそれがある。たとえばバイアス磁石４１からの理想的な磁束φ２以外にもチョークコイル３２ｂからの磁束φ１が磁気センサ４２に印加されることが考えられる。また、チョークコイル３２ｂからの磁束φ１がバイアス磁石４１からの磁束φ２に干渉することによってバイアス磁石４１の磁界が歪められることも考えられる。この場合、磁気センサ４２を通じて検出されるロータ２４の回転角と実際の回転角との間に誤差が生じることが懸念される。

図２に示すように、たとえば出力軸２３が図中の位置から矢印４４で示される方向へ向けて回転角θだけ回転したとき、本来であれば磁気センサ４２に付与されるバイアス磁界の向きは実線の矢印４３で示される方向から軸線Ｏを中心として回転角θだけ回転した一点鎖線の矢印４５で示される方向に変化する。しかし、磁気センサ４２あるいはバイアス磁石４１からの理想的な磁束φ２がチョークコイル３２ｂからの磁束φ１の影響を受ける場合、磁気センサ４２に付与されるバイアス磁界の向きは矢印４５で示される本来の方向ではなく、たとえば二点鎖線の矢印４６で示される方向となることが想定される。この矢印４６で示される方向は、図２に実線の矢印４３で示される方向から回転角θよりも大きな回転角θ１だけ回転した方向になることもあるし、回転角θよりも小さな回転角θ２だけ回転した方向になることもある。このため、磁気センサ４２は本来の回転角θではなく、回転角θ１または回転角θ２に応じた電気信号を生成する。ＭＰＵ３１ａは回転角θ１または回転角θ２に応じた電気信号に基づき誤ったロータ２４の回転角θ１または回転角θ２を演算する。誤って演算される回転角θ１，θ２は実際の回転角θに対して、次式（Ａ），（Ｂ）で表される誤差δ１，δ２を含む。ただし、ここでは各回転角θ，θ１，θ２は正の値である。

δ１＝θ１−θ …（Ａ）
δ２＝θ−θ２ …（Ｂ）
そこで、本例ではつぎの構成を採用している。

図４に示すように、コア５１はフェライトなどの強磁性体によりＣ字状に一体形成されている。コア５１は、駆動基板３２に対して直交するコア本体５１ａ、および駆動基板３２に沿って同一方向へ向けて延びる第１および第２の腕部５１ｂ，５１ｃを有している。第１および第２の腕部５１ｂ，５１ｃはコア本体５１ａの両端部、正確にはコア本体５１ａにおけるコイル５２の両端よりも外側の部分に連結されている。第１および第２の腕部５１ｂ，５１ｃのコア本体５１ａと反対側の端部はそれぞれカバー３４の内壁面に接触した状態に維持されている。コア本体５１ａ、第１の腕部５１ｂ、カバー３４（第１の腕部５１ｂと第２の腕部５１ｃとの間の部分）および第２の腕部５１ｃは、コイル５２から発生する磁束φ１の通り路となる閉磁路を構成する。

したがって、本実施の形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）チョークコイル３２ｂに電流が供給されるとき、コイル５２から発生する磁束φ１の一部はコア本体５１ａ、第１の腕部５１ｂ、カバー３４および第２の腕部５１ｃを経由する閉磁路に閉じ込められる。このため、チョークコイル３２ｂ、正確にはコア５１の外部に漏れる磁束が減少する。その結果、チョークコイル３２ｂから発生する磁束が磁気センサ４２に印加されたりバイアス磁石４１から発生する磁束に干渉したりすることが抑制される。したがって、磁気センサ４２の検出誤差が低減されることにより、ロータ２４の回転角の検出精度を確保することができる。

＜他の実施の形態＞
なお、前記実施の形態は、つぎのように変更して実施してもよい。
・先の図３に示される直線状のチョークコイル３２ｂを基礎として、つぎの構成を採用してもよい。すなわち、図５に示すように、直線状のコア５１の両端部とカバー３４との間にそれぞれ２つの磁路形成部材６１ａ，６１ｂを介在させる。２つの磁路形成部材６１ａ，６１ｂの第１の端部はそれぞれカバー３４の内壁面に固定されている。２つの磁路形成部材６１ａ，６１ｂの第２の端部はそれぞれコア５１の側面に接触した状態に維持されている。このようにすれば、コア本体５１ａ、一方の磁路形成部材６１ａ、カバー３４の一部分および他方の磁路形成部材６１ｂからなる閉磁路が構成される。したがって、前記実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、コア５１は単純な直線状のままに２つの磁路形成部材６１ａ，６１ｂを設けるだけでよいので、既存のコア５１を利用して簡単に閉磁路を構成することができる。

・また、先の図５に示される２つの磁路形成部材６１ａ，６１ｂとコア５１およびカバー３４の少なくとも一方との間には、それぞれ隙間（ギャップ）を設けてもよい。たとえば図６に示すように、一方（図中の下方）の磁路形成部材６１ａの第１の端部はカバー３４の内壁面に固定されている。また当該一方の磁路形成部材６１ａの第２の端部とコア５１との間には隙間Ｌ１が形成されている。他方（図中の上方）の磁路形成部材６１ｂの第１の端部とカバー３４との間には隙間Ｌ２が、同じく第２の端部とコア５１との間には隙間Ｌ３が形成されている。このようにしても、前記実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、２つの磁路形成部材６１ａ，６１ｂとカバー３４およびコア５１との間にそれぞれ若干の隙間が形成されてもよいことから、２つの磁路形成部材６１ａ，６１ｂの寸法あるいはカバー３４の内部における取り付け位置などを厳密に管理する必要がない。

・また、先の図４に示されるＣ字状のチョークコイル３２ｂを基礎として、つぎの構成を採用してもよい。すなわち、図７に示すように、第１および第２の腕部５１ｂ，５１ｃはカバー３４から離れている。第１の腕部５１ｂおよび第２の腕部５１ｃとの間は磁路形成部材としてのピン７１により連結されている。ピン７１は第１および第２の腕部５１ｂ，５１ｃにおけるコア本体５１ａと反対側の端部にそれぞれ設けられた孔５１ｄ，５１ｅに対して貫通するかたちで圧入されている。このようにすれば、コア本体５１ａ、第１の腕部５１ｂ、ピン７１および第２の腕部５１ｃからなる閉磁路が構成される。したがって、前記実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、チョークコイル３２ｂをカバー３４の近傍に設けることができない場合に有効である。

・制御基板３１および駆動基板３２を単一の基板として構成してもよい。この基板にＭＰＵ３１ａおよび磁気センサ４２などを含む制御系の回路、ならびにインバータ回路３２ａおよびチョークコイル３２ｂなどを含む電源系の回路をそれぞれ設けてもよい。

・制御基板３１、駆動基板３２およびバイアス磁石４１の配置は適宜変更してもよい。たとえばバイアス磁石４１を出力軸２３の周面に設けるとともに、磁気センサ４２が出力軸２３の半径方向においてバイアス磁石４１に対向するように制御基板３１を設けてもよい。磁気センサ４２としてはＭＲセンサを採用してもよいし、ホールセンサを採用してもよい。このようにした場合であれ、駆動基板３２あるいはチョークコイル３２ｂの配置によっては、磁気センサ４２がチョークコイル３２ｂから発生する磁界の影響を受けるおそれがある。このため、チョークコイル３２ｂからの磁束漏れを抑制するための前記実施の形態の構成は有効である。

１０…モータ、２０…モータ本体、２３…出力軸、４１…磁石、３１…制御基板、３１ａ…ＭＰＵ（制御回路）、３２…駆動基板、３２ｂ…チョークコイル、３４…カバー（磁路形成部材）、４２…磁気センサ、５１…コア、５１ａ…コア本体、５１ｂ…第１の腕部、５１ｃ…第２の腕部、５２…コイル、６１ａ…磁路形成部材（第１）、６１ｂ…磁路形成部材（第２）。

Claims (4)

1. 基板と、
   モータ本体の出力軸に固定された磁石と、
   前記基板に設けられて前記磁石の回転に伴う磁界の変化に応じた電気信号を生成する磁気センサと、
   前記基板に設けられて前記磁気センサにより生成される電気信号に基づき前記出力軸の回転角を演算し当該回転角に応じてモータ本体に対する給電を制御する制御回路と、
   前記基板に設けられてモータ本体に対する給電に伴い発生する電源ノイズを除去する開磁路型のチョークコイルと、
   前記チョークコイルのコアと協働して閉磁路を構成する磁路形成部材と、を有するモータ。
2. 請求項１に記載のモータにおいて、
   前記チョークコイルは前記基板に対して直交する前記コアとしての直線状のコア本体および前記コア本体に設けられたコイルを有し、
   前記磁路形成部材は、前記磁石および前記基板を収容する強磁性体製のカバーと、前記コア本体における前記コイルよりも外側の２つの端部と前記カバーの内壁面との間にそれぞれ介在される第１および第２の磁路形成部材とを含むモータ。
3. 請求項２に記載のモータにおいて、
   前記第１および第２の磁路形成部材は前記コアの一部分として前記コア本体と一体形成されてなるモータ。
4. 請求項２に記載のモータにおいて、
   前記第１および第２の磁路形成部材は前記カバーに固定されているモータ。