JP2019022414A - 電動駆動装置及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

電動駆動装置及び電動パワーステアリング装置 Download PDF

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Abstract

【課題】電力変換回路部を小型化することができ、更には電力変換回路部の熱を効率よく外部に放熱することができる新規な電動駆動装置及び電動パワーステアリング装置を提供することにある。
【解決手段】合成樹脂によってパッケージ化された、電動モータの回転軸23の側に向けて形成された回転軸側辺44Aと、電動モータのコイル入力端子の側に向けて形成された制御出力端子側辺44Bと、回転軸側辺と制御出力端子側辺の夫々の端部を結ぶ側辺とからなる電力変換回路部16を形成し、コイル入力端子と接続される三相の夫々の制御出力端子48U〜48Wを制御出力端子側辺44Bに設けると共に、夫々の相の上下アームを形成するパワースイッチング素子38を、制御出力端子側辺44Bに沿って、しかも回転軸側辺44Aと制御出力端子側辺44Bの間の中央付近から制御出力端子側辺44Bに寄せて千鳥状に配置した。
【選択図】図12

Description

本発明は電動駆動装置及び電動パワーステアリング装置に係り、特に電子制御装置を内蔵した電動駆動装置及び電動パワーステアリング装置に関するものである。
一般的な産業機械分野においては、電動モータによって機械系制御要素を駆動することが行われているが、最近では電動モータの回転速度や回転トルクを制御する半導体素子等からなる電子制御部を電動モータに一体的に組み込む、いわゆる機電一体型の電動駆動装置が採用され始めている。
機電一体型の電動駆動装置の例として、例えば自動車の電動パワーステアリング装置においては、運転者がステアリングホィールを操作することにより回動するステアリングシャフトの回動方向と回動トルクとを検出し、この検出値に基づいてステアリングシャフトの回動方向と同じ方向へ回動するように電動モータを駆動し、操舵アシストトルクを発生させるように構成されている。この電動モータを制御するため、電子制御部(ECU:Electronic Control Unit)がパワーステアリング装置に設けられている。
従来の電動パワーステアリング装置としては、例えば、特開2013−138610号公報(特許文献1)に記載のものが知られている。特許文献1には、電動モータ部と電子制御部とにより構成された電動パワーステアリング装置が記載されている。そして、電動モータ部の電動モータは、アルミ合金等から作られた筒部を有するモータハウジングに収納され、電子制御部の電子部品が実装された基板は、モータハウジングの軸方向の出力軸とは反対側に配置されたモータハウジングの閉塞蓋として機能するヒートシンク部材に取り付けられている。
ヒートシンク部材に取り付けられる基板には、電源回路部、電動モータを駆動制御するMOSFET、或いはIGBT等のようなパワースイッチング素子を有する電力変換回路部(パワーモジュール)、及びパワースイッチング素子を制御する制御回路部が載置され、パワースイッチング素子の出力端子と電動モータの入力端子とはバスバーを介して電気的に接続されている。
そして、ヒートシンク部材に取り付けられた電子制御部には、合成樹脂から作られたコネクタケースを介して電源から電力が供給され、また検出センサ類から運転状態等の検出信号が供給されている。コネクタケースは蓋体として機能しており、ヒートシンクを密閉して塞ぐように固定され、また固定ねじによってヒートシンクの外周表面に固定されている。
このように、特許文献1にあるような構成の電動パワーステアリング装置においては、制御回路部、電源回路部、電力変換回路部を一枚の回路基板に載置し、この回路基板からの熱を外部に放熱するために、回路基板をモータハウジングの蓋部材を兼ねるヒートシンク部材に固定する構成としている。
尚、この他に電子制御装置を一体化した電動駆動装置としては、電動ブレーキや各種油圧制御用の電動油圧制御器等が知られているが、以下の説明では代表して電動パワーステアリング装置について説明する。
特開2016−36246号公報
この種の電動パワーステアリング装置は、自動車のエンジンルーム内に配置されることから、小型に構成されることが必要である。特に最近では自動車のエンジンルーム内は、排気ガス対策機器や安全対策機器等の補機類が多く設置される傾向にある。このため、電動パワーステアリング装置を含めて各種補機類はできるだけ小型化することが必要であるが、特に径方向に小型することが求められている。
また、小型化とは別の要因であるが、電子制御回路部を二重系に構成することも求められており、このため1枚の回路基板に二重系を構成する電子制御回路部を載置すると、更に回路基板が径方向に大きくなるという課題がある。
このような課題に対応するためには、回路基板を2枚以上の複数の回路基板として、夫々の回路基板に必要な電子制御回路を載置し、この回路基板をモータハウジングの軸方向に積層して配置すると、径方向の形状を小さくできるので小型化に対して有効な手法である。
ところで、電動モータの電力を制御する電力変換回路部を構成するパワースイッチング素子のような電気部品は発熱量が大きい。このため、小型化の要求に応えると共に効率よくパワースイッチング素子の熱を放熱してやる必要がある。このように、電力変換回路部を小型化し、パワースイッチング素子の熱を効率よく外部に放熱することができる電動駆動装置が求められている。
本発明の目的は、電力変換回路部を小型化することができ、更には電力変換回路部の熱を効率よく外部に放熱することができる新規な電動駆動装置及び電動パワーステアリング装置を提供することにある。
本発明の特徴は、合成樹脂によってパッケージ化された、電動モータの回転軸の側に向けて形成された回転軸側辺と、電動モータの三相コイル入力端子の側に向けて形成された制御出力端子側辺と、回転軸側辺と制御出力端子側辺の夫々の端部を結ぶ側辺とからなる電力変換回路部を形成し、三相コイル入力端子と接続される三相の夫々の制御出力端子を制御出力端子側辺に設けると共に、夫々の相の上下アームを形成するパワースイッチング素子を、制御出力端子側辺に沿って、しかも回転軸側辺と制御出力端子側辺の間の中央付近から制御出力端子側辺に寄せて千鳥状配置とした、ところにある。
本発明によれば、夫々の相の上下アームを形成するパワースイッチング素子を、制御出力端子側辺に沿って、しかも回転軸側辺と制御出力端子側辺の間の中央付近から制御出力端子側辺に寄せて配置したので、上下アームを形成するパワースイッチング素子と制御出力端子を結ぶ配線長を短くでき、電力変換回路を小型化することができる。また、上下アームを形成するパワースイッチング素子を千鳥状配置としているため、金属配線板の面積を大きくでき、この分だけ放熱性能を向上することができる。
本発明が適用される一例としての操舵装置の全体斜視図である。 本発明の実施形態になる電動パワーステアリング装置の全体斜視図である。 図2に示す電動パワーステアリング装置の分解斜視図である。 図3に示すモータハウジングの斜視図である。 図4に示すモータハウジングを軸方向に断面した断面図である。 図4に示すモータハウジングに電力変換回路部を載置した状態を示す斜視図である。 図4に示すモータハウジングに電源回路部を載置した状態を示す斜視図である。 図4に示すモータハウジングに制御回路部を載置した状態を示す斜視図である。 図4に示すモータハウジングに金属カバーを固定する状態を示す斜視図である。 二重系を構成する電力変換回路部の回路構成を説明する回路図である。 二重系の一方の系の電力変換回路部の断面を模式的に示した断面図である。 二重系の一方の系の電力変換回路部の金属配線板とパワースイッチング素子の配置構成を説明する説明図である。
以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。
本発明の実施形態を説明する前に本発明が適用される一例としての操舵装置の構成について図1を用いて簡単に説明する。
まず、自動車の前輪を操舵するための操舵装置について説明する。操舵装置1は図1に示すように構成されている。図示しないステアリングホイールに連結されたステアリングシャフト2の下端には図示しないピニオンが設けられ、このピニオンは車体左右方向へ長い図示しないラックと噛み合っている。このラックの両端には前輪を左右方向へ操舵するためのタイロッド3が連結されており、ラックはラックハウジング4に覆われている。そして、ラックハウジング4とタイロッド3との間にはゴムブーツ5が設けられている。
ステアリングホイールを回動操作する際のトルクを補助するため、電動パワーステアリング装置6が設けられている。即ち、ステアリングシャフト2の回動方向と回動トルクとを検出するトルクセンサ7が設けられ、トルクセンサ7の検出値に基づいてラックにギヤ10を介して操舵補助力を付与する電動モータ部8と、電動モータ部8に配置された電動モータを制御する電子制御装置(ECU)部9とが設けられている。電動パワーステアリング装置6の電動モータ部8は、出力軸側の外周部の3箇所が図示しないボルトを介してギヤ10に接続され、電動モータ8部の出力軸とは反対側に電子制御部9が設けられている。
電動パワーステアリング装置6においては、ステアリングホイールが操作されることによりステアリングシャフト2がいずれかの方向へ回動操作されると、このステアリングシャフト2の回動方向と回動トルクとをトルクセンサ7が検出し、この検出値に基づいて制御回路部が電動モータの駆動操作量を演算する。この演算された駆動操作量に基づいて電力変換回路部のパワースイッチング素子により電動モータが駆動され、電動モータの出力軸はステアリングシャフト1を操作方向と同じ方向へ駆動するように回動される。出力軸の回動は、図示しないピニオンからギヤ10を介して図示しないラックへ伝達され、自動車が操舵されるものである。これらの構成、作用は既によく知られているので、これ以上の説明は省略する。
ところで、上述した通り、回路基板を2枚以上の複数の回路基板として、夫々の回路基板に必要な電子制御回路を載置し、この回路基板をモータハウジングの軸方向に積層して配置すると、径方向の形状を小さくできるので小型化に対して有効な手法である。
ところで、電動モータの電力を制御する電力変換回路部を構成するパワースイッチング素子のような電気部品は発熱量が大きい。このため、小型化の要求に応えると共に効率よくパワースイッチング素子の熱を放熱してやる必要がある。このような背景から、本実施形態では次のような構成の電動パワーステアリング装置を提案するものである。
つまり、本実施形態においては、合成樹脂によってパッケージ化された、電動モータの回転軸の側に向けて形成された回転軸側辺と、電動モータの三相コイル入力端子の側に向けて形成された制御出力端子側辺と、回転軸側辺と制御出力端子側辺の夫々の端部を結ぶ側辺とからなる電力変換回路部を形成し、三相コイル入力端子と接続される三相の夫々の制御出力端子を制御出力端子側辺に設けると共に、夫々の相の上下アームを形成するパワースイッチング素子を、制御出力端子側辺に沿って、しかも回転軸側辺と制御出力端子側辺の間の中央付近から制御出力端子側辺に寄せて千鳥状配置とした、構成を提案するものである。
この構成によれば、夫々の相の上下アームを形成するパワースイッチング素子を、制御出力端子側辺に沿って、しかも回転軸側辺と制御出力端子側辺の間の中央付近から制御出力端子側辺に寄せて配置したので、上下アームを形成するパワースイッチング素子と制御出力端子を結ぶ配線長を短くでき、電力変換回路を小型化することができる。また、上下アームを形成するパワースイッチング素子を千鳥状配置としているため、金属配線板の面積を大きくでき、この分だけ放熱性能を向上することができる。
以下、本発明の一実施形態になる電動パワーステアリング装置の具体的な構成について、図2乃至図12を用いて詳細に説明する。尚、図2は本実施形態になる電動パワーステアリング装置の全体的な構成を示した図面であり、図3は図2に示す電動パワーステアリング装置の構成部品を分解して斜め方向から見た図面であり、図4から図9は各構成部品の組み立て順序にしたがって各構成部品を組み付けていった状態を示す図面であり、図10乃至図12は、本実施形態の特徴となる具体的な構成を説明する図面である。したがって、以下の説明では、各図面を適宜引用しながら説明を行うものとする。
図2に示すように、電動パワーステアリング装置を構成する電動モータ部8は、アルミ合金等から作られた筒部を有するモータハウジング11及びこれに収納された図示しない電動モータとから構成され、電子制御部9は、モータハウジング11の軸方向の出力軸とは反対側に配置された、アルミ合金等で作られた金属カバー12及びこれに収納された図示しない電子制御部から構成されている。
モータハウジング11と金属カバー12はその対向端面で、接着剤、或いは溶着、或いは固定ボルトによって一体的に固定されている。金属カバー12の内部の収納空間に収納された電子制御部は、必要な電源を生成する電源回路部や、電動モータ部8の電動モータを駆動制御するMOSFET或いはIGBT等からなるパワースイッチング素子を有する電力変換回路や、このパワースイッチング素子を制御する制御回路部からなり、パワースイッチング素子の出力端子と電動モータのコイル入力端子とはバスバーを介して電気的に接続されている。
金属カバー12の端面にはコネクタ端子組立体13が固定ボルトによって固定されている。コネクタ端子組立体13には電力供給用のコネクタ端子形成部13A、検出センサ用のコネクタ端子形成部13B、制御状態を外部機器に送出する制御状態送出用のコネクタ端子形成部13Cを備えている。そして、金属カバー12に収納された電子制御部は、合成樹脂から作られた電力供給用のコネクタ端子形成部13Aを介して電源から電力が供給され、また検出センサ類から運転状態等の検出信号が検出センサ用のコネクタ形成端子部13Bを介して供給され、現在の電動パワーステアリング装置の制御状態信号が制御状態送出用のコネクタ端子形成部13Cを介して送出されている。
図3に電動パワーステアリング装置6の分解斜視図を示している。モータハウジング11には内部に円環状の鉄製のサイドヨーク(図示せず)が嵌合されており、このサイドヨーク内に電動モータ(図示せず)が収納されているものである。電動モータの出力部14はギヤを介してラックに操舵補助力を付与している。尚、電動モータの具体的な構造は良く知られているので、ここでは説明を省略する。
モータハウジング11はアルミ合金から作られており、電動モータで発生した熱や、後述する電源回路部や電力変換回路部で発生した熱を、ヒートシンク自体の熱容量により蓄熱し、その後に外部大気に放出するヒートシンク部材として機能している。電動モータとモータハウジング11で電動モータ部を構成している。
電動モータ部の出力部14の反対側のモータハウジング11の側端壁15には電子制御部ECが取り付けられている。電子制御部ECは、電力変換回路部16、電源回路部17、制御回路部18から構成されている。モータハウジング11の側端壁15は、モータハウジング11と一体的に形成されているが、この他に側端壁15だけを別体に形成し、ボルトや溶接によってモータハウジング11と一体化しても良いものである。
ここで、電力変換回路部16、電力変換回路部17、制御回路部18は冗長系を構成するものであり、主電子制御部と副電子制御部の二重系を構成している。そして、通常は主電子制御部によって電動モータが制御、駆動されているが、主電子制御部に異常や故障が生じると、副電子制御部に切り換えられて電動モータが制御、駆動されるようになるものである。
したがって、通常は主電子制御部からの熱がモータハウジング11に伝えられ、主電子制御部に異常や故障が生じると、主電子制御部が停止して副電子制御部が作動し、モータハウジング11には副電子制御部からの熱が伝えられるものである。
また、この他に主電子制御部と副電子制御部を合せて正規の電子制御部として機能させ、一方の電子制御部に異常、故障が生じると、他方の電子制御部で半分の能力によって電動モータを制御、駆動する方式もある。この場合、電動モータの能力は半分となるが、操舵機能は確保されるようになっている。尚、冗長系を採用しない場合でも本実施形態は差し支えないものである。
電子制御部ECは制御回路部18、電源回路部17、電力変換回路部16、コネクタ端子組立体13から構成されており、側端壁15側から離れる方向に向かって、電力変換回路部16、電源回路部17、制御回路部18、コネクタ端子組立体13の順序で配置されている。制御回路部18は電力変換回路部16のパワースイッチング素子を駆動する制御信号を生成するもので、マイクロコンピュータ、周辺回路等から構成されている。電源回路部17は、制御回路部18を駆動する電源及び電力変換回路部16の電源を生成するもので、コンデンサ、コイル、スイッチング素子等から構成されている。電力変換回路部16は、電動モータの三相のコイルに流れる電力を調整するもので、三相の上下アームを構成するパワースイッチング素子等から構成されている。
電子制御部ECで発熱量が多いのは、主に電力変換回路部16、電源回路部17であり、電力変換回路部16、電源回路部17の熱は、アルミ合金からなるモータハウジング11から放熱されるものである。
制御回路部18と金属カバー12の間には、合成樹脂からなるコネクタ端子組立体13が設けられており、車両バッテリ(電源)や電動パワーステアリング装置の現在の制御状態を外部の図示しない他の制御装置と接続されている。もちろん、このコネクタ端子組立体13は、電力変換回路部16、電源回路部17、制御回路部18と接続されていることはいうまでもない。
金属カバー12は、電力変換回路部16、電源回路部17、制御回路部18を収納してこれらを水密的に封止する機能を備えているものであり、本実施形態では溶着によってモータハウジング11に固定されている。この金属カバー12は金属で作られているので、電力変換回路部16、電源回路部17等によって発生した熱を外部に放熱する機能も併せ備えている。
次に、図4から図9に基づき各構成部品の構成と組み立て方法について説明する。先ず、図4はモータハウジング11の外観を示しており、図5はその軸方向断面を示している。
図4、図5において、モータハウジング11は、筒状の形態に形成されて側周面部11Aと、側周面部11Aの一端を閉塞する側端壁15と、側周面部11Aの他端を閉塞する側端壁19とから構成されている。本実施形態では、モータハウジング11は有底円筒状であり、側周面部11Aと側端壁15は一体的に形成されている。また、側端壁19は、蓋の機能を備えており、側周面部11Aに電動モータを収納した後に側周面部11Aの他端を閉塞するものである。
図5にあるように、側周面部11Aの内部には、鉄心にコイル20が巻回されたステータ21が嵌合されており、このステータ21の内部に、永久磁石を埋設したロータ22が回転可能に収納されている。ロータ22には回転軸23が固定されており、一端は出力部14となり、他端は回転軸23の回転位相や回転数を検出するための回転検出部24となっている。回転検出部24には永久磁石が設けてあり、側端壁15に設けた貫通孔25を貫通して外部に突き出している。そして、図示しないGMR素子等からなる感磁部によって回転軸23の回転位相や回転数を検出するようになっている。
図4に戻って、回転軸23の出力部14とは反対側に位置する側端壁15の面には、電力変換回路部16、電源回路部17の放熱領域15A、15Bが形成されている。側端壁15の四隅には、回路基板固定部26が一体的に植立されており、内部にねじ穴が形成されている。回路基板固定部26は後述する制御回路部18のガラスエポキシ回路基板34を固定するために設けられており、制御回路部18の回路基板の熱をモータハウジング11に放熱する機能も併せ備えている。
また、後述する電力変換用放熱領域15Aから植立した回路基板固定部26には、これも後述する電源用放熱領域15Bと軸方向で同じ高さの回路基板受け部27が形成されている。この回路基板受け部27は後述する電源回路部17のガラスエポキシ回路基板31を載置するためのものである.
図4からわかる通り、側端壁15を形成する回転軸23と直交する径方向の平面領域は、2分割されている。1つは電力変換回路部16が取り付けられる電力変換用放熱領域15Aを形成し、もう1つは電源回路部17が取り付けられる電源用放熱領域15Bを形成している。本実施形態では、電力変換用放熱領域15Aの方が電源用放熱領域15Bより面積が大きく形成されている。これは、上述したように二重系を採用しているため、電力変換回路部16の設置面積を確保するためである。
尚、図には示していないが、電力変換用放熱領域15Aにはコイル入力端子引出開口が形成されており、後述する電力変換回路部16の制御力端子と接続される、電動モータの三相コイル入力端子が引き出されている。この三相コイル入力端子は、これも後述する電力変換回路部16の制御出力端子側辺44B(図12参照)と互いに向き合うようにして対向配置されている。
そして、電力変換用放熱領域15Aと電源用放熱領域15Bは、軸方向(回転軸23が延びる方向)に向けて高さが異なる段差を有している。つまり、電源用放熱領域15Bは、電動モータの回転軸23の方向で見て、電力変換用放熱領域15Aに対して離れる方向に段差を有して形成されている。この段差は、電力変換回路部16を設置した後に電源回路部17を設置した場合に、電力変換回路部16と電源回路部17が夫々干渉しない長さに設定されている。
電力変換用放熱領域15Aには、3個の細長い矩形の突状放熱部28が形成されている。この突状放熱部28は後述する二重系の電力変換回路部16が設置されるものである。また、突状放熱部28は、電動モータの回転軸23の方向で見て電動モータから離れる方向に突出して延びているものである。
この突状放熱部28は、図6に示すように主電力変換回路部16M、副電力変換回路部16S、異常対応回路部16Eの形状に合わせた長方形に形成され、一方の長辺は回転軸23側に向けて形成され、他方の長辺は上述した三相コイル入力端子側に向けて形成されている。
また、電源用放熱領域15Bは平面状であって、後述する電源回路部17が設置されるものである。したがって、突状放熱部28は電力変換回路部16で発生した熱を側端壁15に伝熱する放熱部として機能し、電源用放熱領域15Bは電源回路部17で発生した熱を側端壁15に伝熱する放熱部として機能するものである。尚、突状放熱部28は省略することができ、この場合は電力変換用放熱領域15Aが電力変換回路部16で発生した熱を側端壁15に伝熱する放熱部として機能する。
このように、本実施形態になるモータハウジング11の側端壁15においてはヒートシンク部材として機能するので、別に構成されたヒートシンク部材を省略して軸方向の長さを短くできるようになるものである。また、モータハウジング11は十分な熱容量を有しているので、電源回路部17や電力変換回路部16の熱を効率よく外部に放熱することができるようになるものである。
次に、図6は電力変換回路部16を突条放熱部28に設置した状態を示している。図6にある通り、電力変換用放熱領域15Aに形成された突状放熱部28の上部には二重系よりなる電力変換回路部16が設置されている。電力変換回路部16は、主電力変換回路部16Mと、副電力変換回路部16Sと、異常対応回路部16Eとから電力変換回路部16が構成されている。そして、これらを構成するスイッチング素子及び金属配線板を含めて合成樹脂によってパッケージ化されている。これの詳細については図10乃至図12で説明する。
したがって、電力変換回路部16は突状放熱部28に熱的に接続される構成となっている。このため、パワースイッチング素子で発生した熱を効率良く突状放熱部28に伝熱させることができる。電力変換回路部16と突状放熱部28の間には、伝熱性グリースが塗布され、電力変換回路部16の熱を突状放熱部28に伝え易くしている。また、電力変換回路部16は、回転軸23の端部に取り付けられた電力変換回路部固定部材の弾発機能部材によって突状放熱部28側に向けて押圧、保持されている。
突状放熱部28に伝えられた熱は電力変換用放熱領域15Aに拡散され、更にモータハウジング11の側周面部11Aに伝熱されて外部に放熱されるものである。ここで、上述した通り、電力変換回路部16の軸方向の高さは、電源用放熱領域15Bの高さより低くなっているので、後述する電源回路部17と干渉することはないものである。
次に、図7は電力変換回路部16の上から電源回路部17を設置した状態を示している。図7にある通り、電源用放熱領域15Bの上部には電源回路部17が設置されている。電源回路部17を構成するコンデンサ29やコイル30等はガラスエポキシ回路基板31に載置されている。電源回路部17も二重系が採用されており、図からわかるように、夫々対称にコンデンサ29やコイル30等からなる電源回路が形成されている。
このガラスエポキシ回路基板31の電源用放熱領域15B側の面は、電源用放熱領域15Bと接触するようにして側端壁15に固定されている。固定方法は、図7にあるように、回路基板固定部26の基板受け部27に設けられたねじ穴に図示しない固定ボルトによって固定されている。また、電源用放熱領域15Bに設けられたねじ穴にも図示しない固定ボルトによって固定されている。
尚、電源回路部17がガラスエポキシ回路基板31で形成されているため、両面実装が可能となっている。そして、ガラスエポキシ回路基板31の電源用放熱領域15B側の面には、図示しないGMR素子やこれの検出回路等からなる回転位相、回転数検出部が実装され、回転軸23に設けた回転検出部24と協働して、回転軸23の回転位相や回転数を検出するようになっている。
このように、ガラスエポキシ回路基板31は電源用放熱領域15Bに接触するようにして固定されているので、電源回路部17で発生した熱を効率良く電源用放熱領域15Bに伝熱させることができる。電源用放熱領域15Bに伝えられた熱は、モータハウジング11の側周面部11Aに拡散して伝熱されて外部に放熱されるものである。ここで、ガラスエポキシ回路基板31と電源用放熱領域15Bの間は、熱伝達性の良い接着剤、放熱グリース、放熱シートのいずれか1つを介在させることで、更に熱伝達性能を向上させることができる。
次に、図8は電源回路部17の上から制御回路部18を設置した状態を示している。図8にある通り、電源回路部17の上部には制御回路部18が設置されている。制御回路部18を構成するマイクロコンピュータ32や周辺回路33はガラスエポキシ回路基板34に載置されている。制御回路部18も二重系が採用されており、図からわかるように、夫々に対称にマイクロコンピュータ32やトランジスタ等の周辺回路33からなる制御回路が形成されている。尚、マイクロコンピュータ32や周辺回路33は、ガラスエポキシ回路基板34の電源回路17側の面に設けられている。
このガラスエポキシ回路基板34は、図8にあるように、回路基板固定部26の頂部に設けられたボルト穴に図示しない固定ボルトによって固定されており、電源回路部17のガラスエポキシ回路基板31と制御回路部18のガラスエポキシ回路基板34の間は、図7に示す電源回路部17のコンデンサ29やコイル30等が配置される空間となっている。
次に、図9は制御回路部18の上からコネクタ端子組立体13を設置した状態を示している。図9にある通り、制御源回路部18の上部にはコネクタ端子組立体13が設置されている。そして、コネクタ端子組立体13は基板固定部26の頂部に設けられたねじ穴に制御回路部18を挟み込むようにして固定ねじ36によって固定されている。この状態で、図3に示すようにコネクタ端子組立体13が電力変換回路部16、電源回路部17、制御回路部18と接続されている。更に、この後に金属カバー12の開口端37が、モータハウジング11の段部35に係合され、溶着によって相互に固定されている。
次に、図10乃至図12に基づいて本実施形態の電力変換回路部16について説明する。図10は二重系を構成する電力変換回路部16の回路構成示し、図11は二重系の一方の系の電力変換回路部の断面を模式的に示し、図12は二重系の一方の系の電力変換回路部の金属配線板とパワースイッチング素子の配置構成を示している。
図10に示す回路は、主電子制御部と副電子制御部を合せて正規の電子制御部として機能させ、一方の電子制御部に異常、故障が生じると、他方の電子制御部で半分の能力によって電動モータを制御、駆動する方式の回路を示している。この場合、電動モータの能力は半分となるが、操舵機能は確保されるようになっている。したがって、電動モータのコイル20は、U相主側コイルUM、V相主側コイルVM、W相主側コイルWMと、U相副側コイルUS、V相副側コイルVS、W相副側コイルWSとから構成されている。
U相主側コイルUM、V相主側コイルVM、W相主側コイルWMは、主電力変換回路部16Mで制御され、U相副側コイルUS、V相副側コイルVS、W相副側コイルWSは、副電力変換回路部16Sで制御されるものである。主電力変換回路部16Mと副電力変換回路部16Sとは同じ回路構成であり、それぞれ半分のコイル20を分担している。
主電力変換回路部16Mは、U相、V相、W相の夫々に上下アームを構成するパワースイッチング素子を備えている。U相側には、上アームパワースイッチング素子38UUと、これと対となる下アームパワースイッチング素子38ULが直列に接続され、その中点がU相主側コイルUMと接続されている。V相側には、上アームパワースイッチング素子38VUと、これと対となる下アームパワースイッチング素子38VLが直列に接続され、その中点がV相主側コイルVMと接続されている。W相側には、上アームパワースイッチング素子38WUと、これと対となる下アームパワースイッチング素子38WLが直列に接続され、その中点がW相主側コイルWMと接続されている。
同様に、副電力変換回路部16Sは、U相、V相、W相の夫々に上下アームを構成するパワースイッチング素子を備えている。U相側には、上アームパワースイッチング素子39UUと、これと対となる下アームパワースイッチング素子39ULが直列に接続され、その中点がU相副側コイルUSと接続されている。V相側には、上アームパワースイッチング素子39VUと、これと対となる下アームパワースイッチング素子39VLが直列に接続され、その中点がV相副側コイルVSと接続されている。W相側には、上アームパワースイッチング素子39WUと、これと対となる下アームパワースイッチング素子39WLが直列に接続され、その中点がW相副側コイルWSと接続されている。
また、主電力変換回路部16Mの上アームパワースイッチング素子38UU、38VU、38WU、及び副電力変換回路部16Sの上アームパワースイッチング素子39UU、39VU、39WUは、電源線BLに接続されている。更に、主電力変換回路部16Mの下アームパワースイッチング素子38UL、38VL、38WL、及び副電力変換回路部16Sの下アームパワースイッチング素子39UL、39VL、39WLは、接地線ELに接続されている。
尚、主電力変換回路部16Mと副電力変換回路部16Sの動作は、一般的な電力変換回路の動作と実質的に同じ動作であるため、詳細な説明は省略する。
異常対応回路部16Eも夫々主側と副側を備えており、U相主側コイルUM、V相主側コイルVM、W相主側コイルWMは、夫々の中性点リレースイッチング素子40Mに接続され、U相副側コイルUS、V相副側コイルVS、W相副側コイルWSは、夫々の中性点リレースイッチング素子40Sに接続されている。したがって、一方の系に異常が生じた時は、異常が生じた方の中性点リレースイッチング素子40M、40Sをオフにしてコイルに電流が流れるのを停止して対応することができる。
図11は主電力変換回路部16Mの断面を模式的に示したものである。モータハウジング11の側端壁15の突状放熱部28の上面には、合成樹脂43でパッケージ化された主電力変換回路部16Mが載置されている。主電力変換回路部16Mは、基板の上に載置されていなく、単に合成樹脂でモールドされているだけである。これによって、主電力変換回路部16Mの高さ方向の厚さを薄くして小型化、部品点数の低減を図っている。
このため、合成樹脂43内には、配線パターンとしての金属配線板41が配置され、その上にパワースイッチング素子38が電気的に接続されて載置されている。更にパワースイッチング素子38の上にはジャンパー線のクリップ42が電気的に接続されて載置されている。尚、図11は、1つのパワースイッチング素子38の断面を示したものであるが、他のパワースイッチング素子38も同様の構成とされている。もちろん、副電力変換回路部16S、及び異常対応回路16Eも実質的に同様の構成とされている。
図12は、主電力変換回路部16Mの金属配線板とパワースイッチング素子の配置構成を示したものである。主電力変換回路部16Mは金属配線板とパワースイッチング素子を所定の位置に配置して合成樹脂43で一体的にモールドしたものである。尚、図12ではモールドした合成樹脂43は透明にして、金属配線板とパワースイッチング素子を可視化している。
図12において、主電力変換回路部16Mは合成樹脂43によって一体化されており、ほぼ長方形(矩形)の形状に形成されている。そして、一方の長辺(以下、回転軸側辺と表記する)44Aは回転軸23の側に向けて対向しており、他方の長辺(以下、制御出力端子側辺と表記する)44Bは電動モータの三相コイル入力端子の側に向けて形成されている。また、回転軸側辺44Aと制御出力端子側辺44Bは平行な関係にあり、回転軸側辺44Aと制御出力端子側辺44Bの夫々の端部を結ぶ側辺44C、44Dとから主電力変換回路部16Mは形成されている。
金属配線板は電源線BLとして機能する細長い電源配線板45と、電源配線板45に隣接して接地線ELとして機能する細長い接地配線板46と、電源配線板45に隣接して制御線として機能する分離された3個の制御配線板47U、47V、47Wとから構成されている。接地配線板46は、回転軸側辺44Aに沿って長手方向に延びて配置されており、その端面で接地されている。また、3個の制御配線板47U、47V、47Wは、制御出力端子側辺44Bに沿って長手方向に延びて互いに等間隔で配置されている。更に3個の制御配線板47U、47V、47Wと接地配線板46の間の中央付近には、電源配線板44が回転軸側辺44Aに沿って長手方向に延びて配置されており、その端面で電源に接続されている。
電源配線板45の上面には、上アームパワースイッチング素子38UU、38VU、38WUが等間隔に配置されている。また、3個の制御配線板47U、47V、47Wの上面には、下アームパワースイッチング素子38UL、38VL、38WLが等間隔に配置されている。
ここで、上アームパワースイッチング素子38UU、38VU、38WUと、下アームパワースイッチング素子38UL、38VL、38WLは、長辺方向(回転軸側辺44A及び出力端子側辺44Bの方向)で見て、上アームパワースイッチング素子38UU、38VU、38WUの夫々の間に、下アームパワースイッチング素子38UL、38VL、38WLの夫々が位置するように、また、上アームパワースイッチング素子38UU、38VU、38WUの列と下アームパワースイッチング素子38UL、38VL、38WLの列が所定の距離をおいて、相互に千鳥状配置とされている。
制御出力端子側辺44Bに沿って長手方向に延びて互いに等間隔で配置された3個の制御配線板47U、47V、47Wは、U相主側コイルUM、V相主側コイルVM、W相主側コイルWMに接続されるU相制御出力端子48U、V相制御出力端子48V、W相制御出力端子48Wが一体的に形成されている。
また、制御出力端子側辺44Bの辺には、各相の制御出力端子48U、48V、48Wに隣接して、夫々の相の上下アームのパワースイッチング素子38のゲート端子G、及びドレン端子Dが配置されている。夫々の相のゲート端子Gは、接続配線49によって上下アームのパワースイッチング素子38のゲートに接続されている。
更に、電源配線板45の上アームパワースイッチング素子38UU、38VU、38WUは、対応する3個の制御配線板47U、47V、47Wとジャンパー線50U、50V、50Wによって接続されている。同様に、3個の制御配線板47U、47V、47Wの下アームパワースイッチング素子38UL、38VL、38WLは、接地配線板46とジャンパー線51U、51V、51Wによって接続されている。
このように、コイル入力端子と接続される三相の夫々の制御出力端子48U、48V、48Wを制御出力端子側辺44Bに形成すると共に、夫々の相の上下アームを形成するパワースイッチング素子38UU、38VU、38WU、38UL、38VL、38WLを、制御出力端子側辺44Bに沿って、しかも回転軸側辺44Aと制御出力端子側辺44Bの間の中央付近から制御出力端子側辺44Bに寄せて配置した構成としている。
これによって、上下アームを形成するパワースイッチング素子38UU、38VU、38WU、38UL、38VL、38WLと制御出力端子48U、48V、48Wを結ぶ配線長を短くでき、電力変換回路を小型化することができる。更に、配線長を短くできるのでインピーダンスの増加を低く抑えることが可能となる。
また、本実施形態では、上アームパワースイッチング素子38UU、38VU、38WUと、下アームパワースイッチング素子38UL、38VL、38WLは、長辺方向で見て、上アームパワースイッチング素子38UU、38VU、38WUの間に、下アームパワースイッチング素子38UL、38VL、38WLが位置するように、相互に千鳥状配置とされている。
このため、電源配線板45は、対応する制御配線板47U、47V、47W側に突出する形状に形成でき、逆に、制御配線板47U、47V、47Wは、これに対応して後退する形状となる。同様に、制御配線板47U、47V、47Wは電源配線板45側に突出する形状に形成でき、逆に、電源配線板45は、これに対応して後退する形状となる。このように、電源配線板45と制御配線板47U、47V、47Wは、この突出した形状によって放熱面積を大きく形成できるので、図11に示す突状放熱部28に効率良く熱を放熱することが可能となる。
これに加えて、上アームパワースイッチング素子38UU、38VU、38WUと、下アームパワースイッチング素子38UL、38VL、38WLを近づけることができ、ジャンパー線50U、50V、50W、及びジャンパー線51U、51V、51Wを更に短くすることが可能となる。
また、電源配線板45と接地配線板46の合成樹脂43によってモールドされる領域には、樹脂流れ開口52が形成されている。この樹脂流れ開口52を設けることによって、電源配線板45と接地配線板46の両面に良好なモールドが可能となる。尚、この樹脂流れ開口52はジャンパー線51U、51V、51Wが位置する領域に設けると、ジャンパー線51U、51V、51Wの領域にも良好なモールドが可能となる。加えて、上面から見た面積が、ジャンパー線51U、51V、51Wと樹脂流れ開口52がオーバーラップするため小面積化され、電力変換回路部全体が小型化できる効果がある。
以上述べた通り、本発明は合成樹脂によってパッケージ化された、電動モータの回転軸の側に向けて形成された回転軸側辺と、電動モータのコイル入力端子の側に向けて形成された制御出力端子側辺と、回転軸側辺と制御出力端子側辺の夫々の端部を結ぶ側辺とからなる電力変換回路部を形成し、コイル入力端子と接続される三相の夫々の制御出力端子を制御出力端子側辺に設けると共に、夫々の相の上下アームを形成するパワースイッチング素子を、制御出力端子側辺に沿って、しかも回転軸側辺と制御出力端子側辺の間の中央付近から制御出力端子側辺に寄せて千鳥状に配置した構成とした。
これによれば、夫々の相の上下アームを形成するパワースイッチング素子を、制御出力端子側辺に沿って、しかも回転軸側辺と制御出力端子側辺の間の中央付近から制御出力端子側辺に寄せて配置したので、上下アームを形成するパワースイッチング素子と制御出力端子を結ぶ配線長を短くでき、電力変換回路を小型化することができる。また、上下アームを形成するパワースイッチング素子を千鳥状配置しているため、金属配線板の面積を大きくでき、この分だけ放熱性能を向上することができる。
尚、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
6…電動パワーステアリング装置、8…電動モータ部、9…電子制御部、11…モータハウジング、12…金属カバー、13…コネクタ端子組立体、14…出力部、15…側端壁、16…電力変換回路部、17…電源回路部、18…制御回路部、19…側端壁、20…コイル、21…ステータ、22…ロータ、23…回転軸、24…回転検出部、25…貫通孔、26…回路基板固定部、27…基板受け部、28…突状放熱部、29…コンデンサ、30…コイル、31…ガラスエポキシ回路基板、32…マイクコンピュータ、33…周辺回路、34…ガラスエポキシ回路基板、35…段部、36…固定ねじ、37…開口端、38UU、38VU、38VU、39UU、39VU、39VU…上アームパワースイッチング素子、38UL、38VL、38VL、39UL、39VL、39VL…下アームパワースイッチング素子、40M、40S…中性点リレースイッチング素子、41…金属配線板、42…クリップ、43…合成樹脂、44A…回転軸側辺、44B…出力端子側辺、45…電源配線板、46…接地配線板。47U、47V,47W…制御配線板、48U、48V,48W…制御出力端子、50U、50V、50W、51U、51V、51W…ジャンパー線。

Claims (10)

  1. 機械系制御要素を駆動する電動モータが収納されたモータハウジングと、前記電動モータの回転軸の出力部とは反対側の前記モータハウジングの側端壁の側に配置された、前記電動モータを駆動するための制御回路部、電源回路部、電力変換回路部からなる電子制御部とを備え、
    前記モータハウジングの前記側端壁には、少なくとも電力変換用放熱領域が形成されて前記電力変換回路部が設置され、前記電力変換回路部で発生した熱が、前記電力変換用放熱領域を介して前記モータハウジングに放熱されると共に、
    前記電力変換回路部は、合成樹脂によってパッケージ化された、前記電動モータの前記回転軸の側に向けて形成された回転軸側辺と、前記電動モータの三相コイル入力端子の側に向けて形成され前記回転軸側辺と平行な制御出力端子側辺と、前記回転軸側辺と前記制御出力端子側辺の夫々の端部を結ぶ側辺とからなる電力変換回路部からなり、
    前記三相コイル入力端子と接続される三相の夫々の制御出力端子を前記制御出力端子側辺に設けると共に、夫々の相の上下アームを形成するパワースイッチング素子を、前記制御出力端子側辺に沿って、しかも前記回転軸側辺と前記制御出力端子側辺の間の中央付近から前記制御出力端子側辺に寄せて千鳥状配置した
    ことを特徴とする電動駆動装置。
  2. 請求項1に記載の電動駆動装置において、
    前記電力変換回路部は、
    前記回転軸側辺に沿って配置された接地線として機能する長手方向に延びた接地配線板と、
    前記接地配線板に隣接し電源線として機能する長手方向に延びた電源配線板と、
    前記電源配線板に隣接し前記制御出力端子側辺に沿って配置された、制御線として機能すると共に、前記制御出力端子が形成された夫々分離された3個の制御配線板と
    を備え、
    前記電源配線板には上アームを構成する3個の上アームパワースイッチング素子が配置されると共に、3個の前記制御配線板には、下アームを構成する3個の下アームパワースイッチング素子が配置され、3個の前記上アームパワースイッチング素子、及びこれと対となる3個の前記下アームパワースイッチング素子が配置された前記制御配線板は第1のジャンパー線で接続され、更に、3個の前記下アームパワースイッチング素子と前記接地配線板は第2のジャンパー線で接続されている
    ことを特徴とする電動駆動装置。
  3. 請求項2に記載の電動駆動装置において、
    3個の前記上アームパワースイッチング素子と、3個の前記下アームパワースイッチング素子は、前記制御出力端子側辺の方向で見て、前記上アームパワースイッチング素子の夫々の間に、前記下アームパワースイッチング素子の夫々が位置すると共に、前記上アームパワースイッチング素子の列と前記下アームパワースイッチング素子の列が所定の距離をおいて相互に千鳥状配置とされている
    ことを特徴とする電動駆動装置。
  4. 請求項3に記載の電動駆動装置において、
    前記電源配線板は、前記上アームパワースイッチング素子が配置されている部分が前記制御配線板の側に突出する形状に形成され、逆に、前記制御配線板は、これに対応して後退する形状に形成され、
    前記制御配線板は、前記下アームパワースイッチング素子が配置されている部分が前記電源配線板の側に突出する形状に形成され、逆に、前記電源配線板は、これに対応して後退する形状に形成されている、
    ことを特徴とする電動駆動装置。
  5. 請求項2に記載の電動駆動装置において、
    前記接地配線板及び前記電源配線板の一部には、前記合成樹脂が流通する樹脂流れ開口が形成されている
    ことを特徴とする電動駆動装置。
  6. ステアリングシャフトの回動方向と回動トルクとを検出するトルクセンサからの出力に基づきステアリングシャフトに操舵補助力を付与する電動モータと、
    前記電動モータが収納されたモータハウジングと、
    前記電動モータの回転軸の出力部とは反対側の前記モータハウジングの側端壁の側に配置された、前記電動モータを駆動するための制御回路部、電源回路部、電力変換回路部からなる電子制御部とを備え、
    前記モータハウジングの前記側端壁には、少なくとも電力変換用放熱領域が形成されて前記電力変換回路部が設置され、前記電力変換回路部で発生した熱が、前記電力変換用放熱領域を介して前記モータハウジングに放熱されると共に、
    前記電力変換回路部は、合成樹脂によってパッケージ化された、前記電動モータの前記回転軸の側に向けて形成された回転軸側辺と、前記電動モータの三相コイル入力端子の側に向けて形成され前記回転軸側辺と平行な制御出力端子側辺と、前記回転軸側辺と前記制御出力端子側辺の夫々の端部を結ぶ側辺とからなる電力変換回路部からなり、
    前記三相コイル入力端子と接続される三相の夫々の制御出力端子を前記制御出力端子側辺に設けると共に、夫々の相の上下アームを形成するパワースイッチング素子を、前記制御出力端子側辺に沿って、しかも前記回転軸側辺と前記制御出力端子側辺の間の中央付近から前記制御出力端子側辺に寄せて千鳥状配置した
    ことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
  7. 請求項6に記載の電動パワーステアリング装置において、
    前記電力変換回路部は、
    前記回転軸側辺に沿って配置された接地線として機能する長手方向に延びた接地配線板と、
    前記接地配線板に隣接し電源線として機能する長手方向に延びた電源配線板と、
    前記電源配線板に隣接し前記制御出力端子側辺に沿って配置された、制御線として機能すると共に三相の制御出力端子が形成された夫々分離された3個の制御配線板と
    を備え、
    前記電源配線板には上アームを構成する3個の上アームパワースイッチング素子が配置されると共に、3個の前記制御配線板には、下アームを構成する3個の下アームパワースイッチング素子が配置され、3個の前記上アームパワースイッチング素子、及びこれと対となる3個の前記下アームパワースイッチング素子が配置された前記制御配線板は第1のジャンパー線で接続され、更に、3個の前記下アームパワースイッチング素子と前記接地配線板は第2のジャンパー線で接続されている
    ことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
  8. 請求項7に記載の電動パワーステアリング装置において、
    3個の前記上アームパワースイッチング素子と、3個の前記下アームパワースイッチング素子は、前記制御出力端子側辺の方向で見て、前記上アームパワースイッチング素子の夫々の間に、前記下アームパワースイッチング素子の夫々が位置すると共に、前記上アームパワースイッチング素子の列と前記下アームパワースイッチング素子の列が所定の距離をおいて相互に千鳥状配置とされている
    ことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
  9. 請求項8に記載の電動パワーステアリング装置において、
    前記電源配線板は、前記上アームパワースイッチング素子が配置されている部分が前記制御配線板の側に突出する形状に形成され、逆に、前記制御配線板は、これに対応して後退する形状に形成され、
    前記制御配線板は、前記下アームパワースイッチング素子が配置されている部分が前記電源配線板の側に突出する形状に形成され、逆に、前記電源配線板は、これに対応して後退する形状に形成されている、
    ことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
  10. 請求項7に記載の電動パワーステアリング装置において、
    前記接地配線板及び前記電源配線板の一部には、前記合成樹脂が流通する樹脂流れ開口が形成されている
    ことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
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