JP2016217993A - 回転角検出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】永久磁石および基板で発生する磁気による不都合を低減し、信頼性を向上できる回転角検出装置を提供する。
【解決手段】回転角検出装置1は、放熱板10を貫通するシャフト18を有するモータ15の回転角を検出する。回転角検出装置1は、シャフト18の基端部18bに取り付けられた永久磁石30と、放熱板10上に配置され、モータ15の駆動回路34および駆動回路34の制御回路39が実装された基板31と、永久磁石30に対向するように基板31に設けられた磁気センサ32と、放熱板10と基板31との間に配置され、平面視で永久磁石30を取り囲む筒状の磁気遮蔽部材42とを含む。
【選択図】図1

Description

本発明は、永久磁石および磁気感応素子を備えた回転角検出装置に関する。
近年、互いに離間して配置された永久磁石および磁気感応素子によって、モータの回転角を検出する非接触型の回転角検出装置が提案されている。このような回転角検出装置は、たとえば特許文献1に開示されている。
特許文献1は、モータケースと、モータケースに収容されるモータと、モータケースを閉塞する第1フレーム(金属板)と、第1フレーム(金属板)から間隔を空けて第1フレーム(金属板)上に配置された制御基板(基板)と、回転角検出装置とを開示している。モータは、第1フレーム(金属板)を貫通し、当該第1フレーム(金属板)の上方に突出した一端部を有するシャフト(回転軸)を含む。
回転角検出装置は、シャフト(回転軸)の一端部に取り付けられたマグネット(永久磁石)と、制御基板(基板)に取り付けられた位置検出センサ(磁気感応素子)とを含む。マグネット(永久磁石)と位置検出センサ(磁気感応素子)とは、互いに対向するように配置されている。
特開2014−225998号公報
特許文献1のように、磁気感応素子と永久磁石とを対向させる構成の回転角検出装置では、基板に実装された磁気感応素子以外の回路部品にも永久磁石の磁気が及ぶ結果、回路部品の正常な動作が妨げられる虞がある。つまり、モータの駆動回路や、当該駆動回路の制御回路等が基板に実装されている場合、駆動回路や制御回路等は、永久磁石の磁気の影響を受けて誤作動する虞がある。また、これとは反対に、駆動回路や制御回路等を流れる電流によって生じた磁気が磁気感応素子で検出される結果、磁気感応素子の検出信号に歪みやノイズ等が生じる虞もある。
そこで、本発明は、永久磁石および基板で発生する磁気による不都合を低減し、信頼性を向上できる回転角検出装置を提供することを目的とする。
請求項1に記載の発明は、金属板(10)を貫通する回転軸(18)を有するモータ(15)の回転角を検出する回転角検出装置(1)であって、前記回転軸の一端部(18b)に取り付けられた永久磁石(30)と、前記永久磁石に対して前記金属板とは反対側において前記金属板に対向し、前記モータの駆動回路(34)および前記駆動回路の制御回路(39)の少なくとも一方が実装された基板(31)と、前記永久磁石に対向するように前記基板に設けられた磁気感応素子(32)と、前記金属板と前記基板との間において、平面視で前記永久磁石を取り囲むように配置された筒状の磁気遮蔽部材(42)とを含む、回転角検出装置(1)である。なお、括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素等を表すが、特許請求の範囲を実施形態に限定する趣旨ではない。以下、この項において同じ。
この構成によれば、金属板と基板との間において、平面視で永久磁石を取り囲む筒状の磁気遮蔽部材が配置されている。これにより、永久磁石および基板で発生する磁気による不都合を低減できるので、信頼性を向上できる。より具体的には、永久磁石と、基板に実装された駆動回路および/または制御回路との間を結ぶ磁気経路を磁気遮蔽部材により遮蔽できるので、永久磁石の磁気が駆動回路および/または制御回路に及ぶのを抑制できる。これにより、駆動回路および/または制御回路が永久磁石の磁気によって誤作動するのを抑制できる。
また、磁気感応素子と、駆動回路および/または制御回路との間を結ぶ磁気経路を磁気遮蔽部材により遮蔽できるので、駆動回路および/または制御回路で発生した磁気が磁気感応素子に及ぶのを抑制できる。これにより、駆動回路および/または制御回路で発生した磁気が磁気感応素子で検出されるのを抑制できる。その結果、永久磁石の磁気を磁気感応素子によって良好に検出できるので、磁気感応素子の検出精度を向上できる。
請求項2に記載の発明は、前記基板には、前記磁気遮蔽部材の基板側端部(42b)に係合する係合部(45)が形成されている、請求項1に記載の回転角検出装置である。
この構成によれば、基板に形成された係合部に、磁気遮蔽部材の基板側端部を係合させることによって、放熱板に対する基板の位置決めを容易に行うことができる。また、放熱板に対する基板の位置決めの精度が向上するから、永久磁石と磁気感応素子との位置決めの精度も向上できる。これにより、磁気感応素子の検出精度を一層向上できる。前記係合部は、請求項3に記載の発明のように、前記磁気遮蔽部材の前記基板側端部に嵌合する凹部(46)であることが好ましい。
請求項4に記載の発明のように、前記磁気遮蔽部材は、前記金属板と一体的に設けられていてもよい。
請求項5に記載の発明は、前記基板には、グランド配線(47)が形成されており、前記磁気遮蔽部材は、前記グランド配線に電気的に接続されている、請求項1〜4のいずれか一項に記載の回転角検出装置である。この構成によれば、基板に形成されたグランド配線と金属板とを磁気遮蔽部材を介して電気的に接続できるので、グランド配線の配線面積を増加させることができる。これにより、グランド電位の安定性を向上できるので、駆動回路および/または制御回路で発生するノイズを低減できる。
図1は、本発明の一実施形態に係る回転角検出装置が適用された一体型モータ/ECUを示す模式的な断面図である。 図2は、図1の磁気遮蔽部材を示す拡大断面図である。 図3は、図2に示すIII-III線に沿う断面図である。
以下では、本発明の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る回転角検出装置1が適用された一体型モータ/ECU(Electronic Control Unit)101を示す模式的な断面図である。
本実施形態では、一体型モータ/ECU101は、後述するモータ15と、ECU48とを一体的に含むEPS(Electric Power Steering:電動パワーステアリング)用の一体型モータ/ECUである。以下、一体型モータ/ECU101の構成についてより具体的に説明する。
一体型モータ/ECU101は、モータハウジング2を含む。モータハウジング2は、円板状の底壁3と、当該底壁3の周縁に設けられ、当該底壁3の反対側に開口部4を形成する円筒状の側壁5とを一体的に有する有底円筒状を成している。モータハウジング2は、底壁3に、第1軸受6を保持するための第1軸受保持部7を有している。第1軸受保持部7は、底壁3の中央部において、平面視略円形状に一段窪んだ凹所である。この凹所内に第1軸受6が収容されて、保持されている。第1軸受6は、本実施形態では、ボールベアリングである。第1軸受保持部7の底面中央部には、底壁3を貫通する貫通孔8が形成されている。モータハウジング2の開口部4は、略円板状の金属製(たとえばアルミニウム製)の放熱板(金属板)10により、閉塞されている。
放熱板10は、モータハウジング2の底壁3に対向する第1主面10aとその反対の第2主面10bとを有している。放熱板10は、第1主面10aの中央部に、第2軸受11を保持するための第2軸受保持部12を有している。第2軸受保持部12は、放熱板10の第1主面10aの中央部において、平面視略円形状に一段窪んだ凹所である。この凹所内に第2軸受11が収容されて、保持されている。第2軸受11は、本実施形態では、ボールベアリングである。第2軸受保持部12の底面中央部には、放熱板10を貫通する貫通孔13が形成されている。この放熱板10により閉塞されたモータハウジング2内にモータ15が収容されている。
モータ15は、本実施形態では、三相ブラシレスモータである。モータ15は、モータハウジング2の側壁5の内周面5aに固定された円筒状のステータ16と、ステータ16の径方向内側に配置されたロータ17と、ロータ17の中央部を貫通するように当該ロータ17に取り付けられた円柱状のシャフト(回転軸)18とを含む。
ステータ16は、モータハウジング2の側壁5の内周面5aから径方向内側に向って延設された複数のステータティース19と、複数のステータティース19に巻回されたステータ巻線20とを有している。ステータ巻線20は、モータ15のU相、V相およびW相に対応するU相巻線、V相巻線およびW相巻線を含む。ステータ巻線20の放熱板10側に位置する一端20aには、円柱状のモータバスバー21が電気的に接続されている。モータバスバー21は、放熱板10に形成されたバスバー挿通孔22を介して放熱板10の第2主面10b側に引き出されている。
ロータ17は、シャフト18と一体回転する円柱状のロータコア23と、ロータコア23の外周に固定された永久磁石24とを含む。ロータコア23は、軟磁性材料により形成されており、平面視中央部にシャフト挿通孔25が形成されている。永久磁石24は、ロータコア23の周方向に沿ってS極とN極とが互いに交互に着磁されたリング状の磁石からなる。
シャフト18は、ロータコア23のシャフト挿通孔25に挿通されて、固定されている。シャフト18は、たとえばステンレス鋼(SUS)等の非磁性材金属で形成されている。シャフト18は、モータハウジング2の底壁3に設けられた第1軸受6と、放熱板10の第1主面10aに設けられた第2軸受11とによって軸支されている。これにより、ロータ17が、モータハウジング2内で回転自在に支持されている。この構成において、シャフト18は、貫通孔8を貫通してモータハウジング2の外側に突出する先端部18aと、貫通孔13を貫通して放熱板10の第2主面10b側に突出する基端部(一端部)18bとを有している。
シャフト18の先端部18aには、連結部材26が取り付けられている。連結部材26は、一体型モータ/ECU101の外部の機構(たとえば、EPS用の減速機)に接続されることによって、モータ15の回転駆動力を当該外部の機構(たとえば、EPS用の減速機)に伝達する。一方、シャフト18の基端部18bには、シャフト18と一体回転するように略円板状の永久磁石30が取り付けられている。
永久磁石30は、その周方向に沿ってS極およびN極が交互に着磁されることにより形成されている。永久磁石30は、図1に示すように、当該永久磁石30の周縁部30aが第2主面10bに対向するようにシャフト18の径方向の幅よりも幅広に形成されていてもよい。永久磁石30は、シャフト18の径方向の幅と略同一の幅で形成されていてもよい。永久磁石30に対して放熱板10とは反対側には、放熱板10の第2主面10bに対向するように略円板状の基板31が配置されている。
基板31は、シャフト18の軸方向に放熱板10から所定の間隔(たとえば、5mm程度)を空けて配置されており、放熱板10の第2主面10bに対向する対向面31aとその反対の非対向面31bとを有している。基板31は、たとえば多層配線基板であってもよい。多層配線基板は、複数の絶縁層と、複数の配線層と、絶縁層を挟んで上下に配置された配線層を電気的に接続するビアとを有していてもよい。基板31の対向面31aの中央部には、磁気センサ(磁気感応素子)32が実装される平面視略円形状のセンサ実装領域33が設定されている。基板31の対向面31aの周縁部には、駆動回路34が実装される平面視略円環状の駆動回路実装領域35がセンサ実装領域33を取り囲むように設定されている。
磁気センサ32は、センサ実装領域33において、永久磁石30の板面30b全域に対向する領域内に配置されている。より具体的には、磁気センサ32は、基板31の対向面31aにおけるシャフト18の回転中心と一致する位置に配置されている。これにより、磁気センサ32は、空間を挟んで永久磁石30に対向している。磁気センサ32は、シャフト18の回転に伴って変動する永久磁石30からの磁界(磁束)を検出する。これら永久磁石30および磁気センサ32によって、回転角検出装置1の一部が構成されている。回転角検出装置1は、磁気センサ32の出力に基づいてモータ15の回転角を演算する演算手段(図示略)を含む。
駆動回路34は、モータ15に電力を供給する三相インバータ回路であり、モータ15のU相、V相およびW相に対応する複数のスイッチング素子36を含む。各スイッチング素子36は、金属製の放熱部材37を介して放熱板10に熱的に接続されている。各スイッチング素子36および各スイッチング素子36に接続された放熱部材37は、封止樹脂38により封止されている。
基板31の非対向面31bには、駆動回路34に電気的に接続されることによって、当該駆動回路34を制御する制御回路39が実装されている。つまり、基板31は、モータ15の駆動回路34と、駆動回路34の制御回路39とが共通の基板31の上下面(対向面31aおよび非対向面31b)に実装された複合型の回路基板である。制御回路39は、メモリに格納された所定の動作プログラムを実行するマイクロコンピュータ40を含む。制御回路39には、基板31に形成されたバスバー挿通孔41を介して基板31の非対向面31b側に引き出されたモータバスバー21が電気的に接続されている。
基板31に実装された駆動回路34および制御回路39によって、ECU48の一部が構成されている。ECU48において、制御回路39は、駆動回路34を制御して、複数のスイッチング素子36をオン・オフ制御させることにより、駆動回路34からモータバスバー21にモータ15を正弦波駆動させる信号を出力させる。モータバスバー21に出力された信号は、ステータ16に伝達される。これにより、モータ15が正弦波駆動される。
放熱板10と基板31との間には、強磁性材料を含む磁気遮蔽部材42が配置されている。以下、図2および図3を参照して、磁気遮蔽部材42の具体的な構成について説明する。図2は、図1の磁気遮蔽部材42の要部を示す拡大断面図である。図3は、図2に示すIII-III線に沿う断面図である。
図2および図3に示すように、磁気遮蔽部材42は、筒状を成しており、平面視で永久磁石30および磁気センサ32の周囲を取り囲むように配置されている。本実施形態では、磁気遮蔽部材42は、略円筒状に形成された例を示しているが、磁気遮蔽部材42は、略角筒状であってもよい。放熱板10の第2主面10bからの磁気遮蔽部材42の高さTは、たとえば5mm程度である。
磁気遮蔽部材42は、放熱板10側に位置する放熱板側端部42aと、基板31側に位置する基板側端部42bとを有している。磁気遮蔽部材42の放熱板側端部42aは、放熱板10と一体を成しており、磁気遮蔽部材42の基板側端部42bは、基板31に当接している。磁気遮蔽部材42は、本実施形態では、放熱板10と同一の材料からなり、放熱板10と一体を成すアルミニウム製の本体部43と、本体部43の表面全域を被覆するめっき膜44とを含む。めっき膜44は、たとえばニッケル(Ni)等の強磁性材料からなるめっき膜である。
図2に示すように、基板31には、磁気遮蔽部材42の基板側端部42bに係合する係合部45が形成されている。本実施形態では、係合部45は、磁気遮蔽部材42の基板側端部42bに嵌合するように平面視略円環状に形成された凹部46である。基板31には、駆動回路34および/または制御回路39にグランド電位(基準電圧)を提供するグランド配線47が形成されている。グランド配線47は、たとえば銅箔からなる。凹部46(係合部45)は、このグランド配線47の一部が露出するように基板31に形成されている。磁気遮蔽部材42の基板側端部42bは、基板31に形成された凹部46(係合部45)に嵌合(係合)されている。磁気遮蔽部材42の基板側端部42bは、凹部46(係合部45)内において、グランド配線47に電気的に接続されている。
この磁気遮蔽部材42により、磁気センサ32が実装されたセンサ実装領域33と、駆動回路34が実装された駆動回路実装領域35とが磁気的に遮蔽されている。より具体的には、磁気遮蔽部材42により、永久磁石30と、基板31に実装された駆動回路34(駆動回路実装領域35)との間を結ぶ磁気経路が遮蔽され、かつ、磁気センサ32(センサ実装領域33)と、駆動回路34(駆動回路実装領域35)との間を結ぶ磁気経路が遮蔽されている。
図1を再度参照して、放熱板10には、モータハウジング2側に開口部50aを有する有底円筒状のカバー部材50が、当該放熱板10との間で基板31を収容するように取り付けられている。
以上、本実施形態では、放熱板10と基板31との間において、平面視で永久磁石30および磁気センサ32を取り囲む略円筒状の磁気遮蔽部材42が配置されている。これにより、永久磁石30および基板31で発生する磁気による不都合を低減できるので、信頼性を向上できる。より具体的には、永久磁石30と、基板31に実装された駆動回路34(駆動回路実装領域35)との間を結ぶ磁気経路を磁気遮蔽部材42により遮蔽できるので、永久磁石30の磁気が駆動回路34に及ぶのを抑制できる。これにより、駆動回路34(複数のスイッチング素子36等)が永久磁石30の磁気によって誤作動するのを抑制できる。また、駆動回路34の誤作動を抑制できるから、当該駆動回路34に電気的に接続された制御回路39(マイクロコンピュータ40等)の誤作動も抑制できる。
また、磁気センサ32と、駆動回路34との間を結ぶ磁気経路を磁気遮蔽部材42により遮蔽できるので、駆動回路34側で発生した磁気が磁気センサ32に及ぶのを抑制できる。とりわけ、本実施形態では、比較的大きい電流が流れるモータバスバー21で発生した磁気や複数のスイッチング素子36等で発生した磁気を磁気遮蔽部材42により遮蔽できる。これにより、駆動回路34側で発生した磁気が磁気センサ32で検出されるのを抑制できる。その結果、永久磁石30の磁気を磁気センサ32によって良好に検出できるので、磁気センサ32の検出精度を向上できる。
また、本実施形態では、磁気遮蔽部材42により永久磁石30および基板31で発生する磁気による不都合を低減できるから、永久磁石30と基板31(駆動回路34および制御回路39)とを比較的近づけて配置できる。これにより、一体型モータ/ECU101の小型化および低コスト化に寄与できる。とりわけ、本実施形態では、共通の基板31の上下面(対向面31aおよび非対向面31b)に駆動回路34および制御回路39が実装された構成を採用しているので、一体型モータ/ECU101の小型化および低コスト化により一層寄与できる。
また、本実施形態では、磁気遮蔽部材42の基板側端部42bに嵌合(係合)する凹部46(係合部45)が基板31に形成されている。この凹部46(係合部45)に、磁気遮蔽部材42の基板側端部42bを嵌合(係合)させることによって、放熱板10に対する基板31の位置決めを容易に行うことができる。また、放熱板10に対する基板31の位置決めの精度が向上するから、永久磁石30と磁気センサ32との位置決めの精度も向上できる。これにより、磁気センサ32の検出精度を一層向上できる。
また、本実施形態では、放熱板10の第1主面10aに第2軸受11を保持するための第2軸受保持部12(凹所)が形成されている。これにより、比較的コンパクトな設計で、シャフト18(モータ15)の位置決めを行うことができる。また、シャフト18の位置決めの精度が向上するから、シャフト18に取り付けられた永久磁石30と磁気センサ32との位置決めの精度を向上できる。これにより、磁気センサ32の検出精度を一層向上できる。
また、本実施形態では、磁気遮蔽部材42の基板側端部42bは、凹部46(係合部45)内でグランド配線47に電気的に接続されている。これにより、基板31に形成されたグランド配線47と放熱板10とを磁気遮蔽部材42を介して電気的に接続できるので、グランド配線47の配線面積を増加させることができる。その結果、グランド電位の安定性を向上させることができるので、基板31(駆動回路34および制御回路39)で発生するノイズを低減できる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することもできる。
たとえば、前述の実施形態では、駆動回路34が基板31の対向面31aに実装され、制御回路39が基板31の非対向面31bに実装された例について説明した。しかし、駆動回路34が基板31の非対向面31bに実装され、制御回路39が基板31の対向面31aに実装されていてもよい。この構成によれば、磁気遮蔽部材42により、制御回路39と永久磁石30とを結ぶ磁気経路を遮蔽でき、かつ、制御回路39と磁気センサ32とを結ぶ磁気経路を遮蔽できる。また、駆動回路34および制御回路39が別々の基板に形成されていてもよい。つまり、基板31には、駆動回路34および制御回路39のいずれか一方が実装されていてもよい。
また、前述の実施形態では、磁気遮蔽部材42が放熱板10と一体的に形成された例について説明した。しかし、放熱板10とは別体の磁気遮蔽部材42が設けられていてもよい。この場合、磁気遮蔽部材42は、ニッケル等の強磁性材料により形成されていてもよい。
また、前述の実施形態では、磁気遮蔽部材42にのみニッケル等の強磁性材料からなるめっき膜44が形成された例について説明した。このめっき膜44は、放熱板10の第2主面10bの一部の領域または全域を被覆するように形成されていてもよい。この構成によれば、放熱板10の第2主面10bの一部の領域または全域を磁気遮蔽部材として利用できる。
また、前述の実施形態では、磁気遮蔽部材42が、基板31に形成されたグランド配線47に電気的に接続された例について説明した。しかし、磁気遮蔽部材42は、基板31に形成された放熱用の金属膜に接続されることによって、基板31と放熱板10とを熱的に接続させてもよい。むろん、グランド配線47が放熱用の金属膜を兼ねていてもよい。
また、前述の実施形態では、基板31の凹部46(係合部45)から露出するようにグランド配線47が形成された例について説明した。しかし、グランド配線47は、基板31の非対向面31b上に形成されていてもよい。この場合、磁気遮蔽部材42の基板側端部42bは、凹部46(係合部45)内において、基板31を貫通して形成されたビアを介して基板31の非対向面31b上のグランド配線47に電気的に接続されていてもよい。この構成によれば、基板31の対向面31aに凹部46(係合部45)を形成した後、当該基板31を貫通するビアを形成し、基板31の非対向面31b上にビアを被覆するグランド配線47を形成すればよいので、製造容易である。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
1…回転角検出装置、10…放熱板、15…モータ、18…シャフト(回転軸)、18b…シャフトの基端部(一端部)、30…永久磁石、31…基板、32…磁気センサ(磁気感応素子)、34…駆動回路、39…制御回路、42…磁気遮蔽部材、42b…磁気遮蔽部材の基板側端部、45…基板の係合部、46…基板の凹部、47…グランド配線

Claims (5)

  1. 金属板を貫通する回転軸を有するモータの回転角を検出する回転角検出装置であって、
    前記回転軸の一端部に取り付けられた永久磁石と、
    前記永久磁石に対して前記金属板とは反対側において前記金属板に対向し、前記モータの駆動回路および前記駆動回路の制御回路の少なくとも一方が実装された基板と、
    前記永久磁石に対向するように前記基板に設けられた磁気感応素子と、
    前記金属板と前記基板との間において、平面視で前記永久磁石を取り囲むように配置された筒状の磁気遮蔽部材とを含む、回転角検出装置。
  2. 前記基板には、前記磁気遮蔽部材の基板側端部に係合する係合部が形成されている、請求項1に記載の回転角検出装置。
  3. 前記係合部は、前記磁気遮蔽部材の前記基板側端部に嵌合する凹部である、請求項2に記載の回転角検出装置。
  4. 前記磁気遮蔽部材は、前記金属板に一体的に設けられている、請求項1〜3のいずれか一項に記載の回転角検出装置。
  5. 前記基板には、グランド配線が形成されており、
    前記磁気遮蔽部材は、前記グランド配線に電気的に接続されている、請求項1〜4のいずれか一項に記載の回転角検出装置。
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