JP2023023228A - モータユニットおよび電動アシスト自転車 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの漏れ磁束の影響を低減して、制御基板の信号線に発生するノイズを抑制することが可能なモータユニットを提供する。【解決手段】実施形態の一例であるモータユニットは、モータ軸、モータ軸に固定されたロータ、およびステータを有するモータと、少なくとも一部がモータとモータ軸方向に見て重なって配置される制御基板とを備える。制御基板には、モータ軸、ロータ、又はモータ軸と共に回転する回転体の磁界を検出するセンサ、およびセンサの検出情報を用いてモータを制御する制御素子が実装されている。また、制御基板は、センサと制御素子を接続する信号線を有する。信号線は、モータ軸の軸芯を中心とする円の径方向外側に凸となるように曲がった弧状配線部を含む。【選択図】図７

Description

本開示は、モータユニットおよび当該モータユニットを備えた電動アシスト自転車に関する。

従来、モータおよび制御基板を含むモータユニットを備え、ユーザーがペダルを踏む力をモータの動力でアシストする電動アシスト自転車が広く知られている（例えば、特許文献１参照）。モータユニットの制御基板には、一般的に、モータ軸と共に回転する回転体の磁界を検出するホール素子等のセンサ、およびセンサの検出情報等を用いて演算処理を行い、モータを制御するマイコンが実装されている。また、制御基板は、センサとマイコンを接続する信号線を有する。

特開２０１１－１６８１８０号公報

ところで、制御基板に実装されるホール素子はモータに近接配置される。このため、モータから発生する漏れ磁束の影響により、ホール素子とマイコンを接続する信号線にノイズが発生し、モータの制御性を低下させる場合がある。

本開示の目的は、モータの漏れ磁束の影響を低減して、制御基板の信号線に発生するノイズを抑制することが可能なモータユニットを提供することである。

本開示に係るモータユニットは、モータ軸、モータ軸に固定されたロータ、およびステータを有するモータと、モータ軸、ロータ、又はモータ軸と共に回転する回転体の磁界を検出するセンサ、およびセンサの検出情報を用いてモータを制御する制御素子が実装され、少なくとも一部がモータとモータ軸方向に見て重なって配置される制御基板とを備え、制御基板は、センサと制御素子を接続する信号線を有し、信号線は、モータ軸の軸芯を中心とする円の径方向外側に凸となるように曲がった弧状配線部を含むことを特徴とする。

本開示に係る電動アシスト自転車は、上記モータユニットを備えることを特徴とする。

本開示に係るモータユニットによれば、モータの漏れ磁束の影響を低減でき、制御基板の信号線に発生するノイズを抑制することが可能である。本開示に係るモータユニットを備えた電動アシスト自転車は、例えば、モータの制御性に優れ、良好なアシスト機能を有する。

実施形態の一例である電動アシスト自転車の外観を示す図である。 モータユニットの断面図である。 モータユニットの右側面図であって、ケースの第２分割体を取り外した状態を示す図である。 制御基板の第１面を示す図である。 制御基板の第２面を示す図である。 制御基板のホール素子用信号線の構成を説明するための図である。 制御基板のホール素子用信号線の構成を説明するための図である。

以下、図面を参照しながら、本開示に係るモータユニットおよび電動アシスト自転車の実施形態について詳細に説明する。以下で説明する実施形態はあくまでも一例であって、本開示は以下の実施形態に限定されない。また、以下で説明する複数の実施形態、変形例を選択的に組み合わせてなる形態は本開示に含まれている。

本開示に係るモータユニットは、電動アシスト自転車に好適であり、本実施形態では適用対象として電動アシスト自転車１を例示するが、電動自動車、電動バイク等の電動車両、および車両以外の電動機器に適用することも可能である。

図１は、実施形態の一例である電動アシスト自転車１の外観を示す図である。なお、本開示の電動アシスト自転車は、図１に例示するようなシティーサイクルに限定されず、例えば、スポーツサイクル、折り畳み式の自転車等であってもよい。以下では、説明の便宜上、前後上下左右の方向を示す用語を使用するが、電動アシスト自転車１および各構成要素の前後上下左右は、自転車の通常の使用状態における前後上下左右を意味する。

図１に示すように、電動アシスト自転車１は、モータユニット１０と、モータユニット１０に電力を供給するバッテリ１１とを備える。また、電動アシスト自転車１は、一般的な自転車と同様に、フレーム２、前輪３ａ、後輪３ｂ、ハンドル４、サドル５、クランクアーム６、ペダル７、チェーン８、および前照灯９を備える。クランクアーム６およびその一端部に取り付けられたペダル７は、電動アシスト自転車１の左右に１つずつ設けられ、左右のクランクアーム６の他端部は、クランク軸１２（後述の図２等参照）に固定されている。

電動アシスト自転車１は、ユーザーがペダル７を踏む力をモータ２０（後述の図２等参照）の動力によりアシストする自転車である。本実施形態では、ペダル７の踏力およびモータ２０の出力が、チェーン８を介して後輪３ｂに伝達される。電動アシスト自転車１は、ペダル７の回転に伴って回転するスプロケット１３（後述の図２参照）と、後輪３ｂに設けられた後輪スプロケット（図示せず）とを備え、スプロケット１３と後輪スプロケットがチェーン８を介して連結されている。

フレーム２は、前輪３ａ、後輪３ｂ、ハンドル４、サドル５等を連結する骨組みである。モータユニット１０およびバッテリ１１は、フレーム２によって支持される。フレーム２は、複数のパイプで構成される。本実施形態では、複数のパイプとして、ヘッドパイプ２ａ、フロントフォーク２ｂ、ダウンパイプ２ｃ、シートパイプ２ｄ、チェーンステー２ｅ、シートステー２ｆ、およびボトムブラケット（図示せず）が設けられている。ボトムブラケットは、ダウンパイプ２ｃ、シートパイプ２ｄ、およびチェーンステー２ｅをつなぐパイプである。

ヘッドパイプ２ａは、フロントフォーク２ｂおよびハンドル４を、当該パイプの中心軸の回りに回転可能な状態で支持する。フロントフォーク２ｂは、前輪３ａを回転可能に支持する一対のレッグと、レッグの上端部から上方に延びてヘッドパイプ２ａの筒内に挿し込まれるステアリングコラムとを有する。そして、ステアリングコラムの上端部に、ハンドル４が取り付けられている。

ダウンパイプ２ｃは、ヘッドパイプ２ａとボトムブラケットをつなぐパイプである。ダウンパイプ２ｃは、電動アシスト自転車１の前方に近づくほど上方に位置するように傾斜している。また、シートパイプ２ｄは、サドル５を保持するパイプであって、上端が下端よりも電動アシスト自転車１の後方に位置するように上下方向に対して傾斜している。本実施形態では、バッテリ１１がシートパイプ２ｄに取り付けられ、モータユニット１０がボトムブラケットに取り付けられている。

チェーンステー２ｅは、シートステー２ｆとボトムブラケットをつなぐパイプであって、ボトムブラケットの後方端部から自転車の後方に延び、後輪３ｂを両側から挟むように左右に１本ずつ設けられている。また、シートステー２ｆは、チェーンステー２ｅと同様に、後輪３ｂを両側から挟むように左右に１本ずつ設けられている。左右のシートステー２ｆは、シートパイプ２ｄの上部から後輪３ｂの径方向中央部まで延び、当該中央部で左右のチェーンステー２ｅと一対一で連結されている。チェーンステー２ｅの後方端部には、後輪３ｂが回転可能に固定されている。

以下、図２および図３を参照しながら、実施形態の一例であるモータユニット１０の構成について詳説する。

図２および図３に示すように、モータユニット１０は、モータ２０と、クランク軸１２を含むクランク軸ユニット３０と、モータ２０およびクランク軸ユニット３０を収容するケース４０とを備える。モータユニット１０は、ペダル７の踏力をアシストする駆動ユニットである。モータ２０は、例えば、一対のクランクアーム６（図１参照）を連結するクランク軸１２に作用するトルク（踏力）および車速に基づいて出力が制御される。また、クランク軸１２の回転数を用いてモータ２０の出力を制御してもよい。クランク軸１２は軸方向両側がケース４０内から左右に延出し、クランク軸１２の軸方向右側部分に、出力体３３を介してスプロケット１３が固定されている。

モータユニット１０では、出力軸１６に取り付けられた第２のスプロケット１４が設けられ、スプロケット１３，１４と後輪スプロケットがチェーン８を介して連結されている。出力軸１６は、モータ２０の動力を出力するための回転軸であって、減速機構１５を介してモータ２０のモータ軸２１に接続されている。なお、出力軸１６は減速機構１５の歯車の回転軸である。出力軸１６には、ワンウェイクラッチ１７を介して減速機構１５の歯車が取り付けられている。モータユニット１０は、モータ２０の動力がクランク軸１２とは別の出力軸１６から出力される二軸式のモータユニットであるが、本開示の構成は一軸式のモータユニットにも同様に適用可能である。

モータユニット１０は、さらに、モータ２０の出力を制御して適切な電動アシスト機能を実現するための制御基板５０を備える。制御基板５０は、基板５１と、基板５１上に実装された種々の電子部品とを含む。制御基板５０は、少なくとも一部がモータ２０とモータ軸方向に見て重なって配置され、モータ２０と共にケース４０に収容されている。詳しくは後述するが、制御基板５０には、モータ軸２１、ロータ２２、又はモータ軸２１と共に回転する回転体の磁界を検出するセンサ、およびセンサの検出情報を用いてモータ２０を制御するマイコン５３が実装されている。好適なセンサの一例は、ホール素子５２である。

モータ２０は、モータ軸２１と、モータ軸２１に固定されたロータ２２と、ステータ２３とを有する。モータ２０は、ロータ２２を囲むように環状のステータ２３が配置されたインナーロータ型であるが、モータはロータがステータの外側に配置されるアウターロータ型であってもよい。モータ２０は、ケース４０内において、モータ軸２１が左右方向に沿うように配置されている。なお、本明細書において、「モータ軸方向」とはモータ軸２１に沿った方向を意味する。

モータ軸２１は、軸受１９ａ，１９ｂにより回転可能に支持されている。そして、モータ軸２１の軸方向一端側にロータ２２が固定され、軸方向他端側に減速機構１５の歯車と噛み合う係合溝が形成されている。本実施形態では、モータ軸２１のロータ２２と係合溝との間に、回転体２４が固定されている。回転体２４は、永久磁石を含み、ホール素子５２の被検出部となる。回転体２４はモータ軸２１およびロータ２２と共に回転するので、ホール素子５２が回転体２４の磁界を検出することにより、ロータ２２の位置を検出できる。

ロータ２２は、モータ軸２１と共に回転する回転子であって、ステータ２３に囲まれたモータ２０の径方向中央部に配置されている。ロータ２２は、例えば、モータ軸２１に固定されたロータコア、およびロータコアに埋め込まれてロータ磁極を形成する複数の永久磁石を含む。ロータコアは、円環状の磁性体薄板がモータ軸方向に複数積み重ねられた積層体である。なお、ロータ２２の外周面とステータ２３の内周面との間には、所定のギャップ２７が形成されている。

ステータ２３は、ケース４０に固定される固定子であって、ステータコアと、コイルとで構成されている。ステータコアは、例えば、円環状のバックヨークと、ヨークから径方向内側に延びた複数のティース２５（後述の図７参照）とを含む。なお、モータ周方向に隣り合うティース２５同士の隙間は、スロット２６と呼ばれる。コイルは、ティース２５に巻回される巻線により構成されている。巻線の巻回方法は、巻線を１つのティース２５に巻回する集中巻、巻線を複数のティース２５に跨って巻回する分布巻のいずれであってもよい。

モータ２０は、電動アシスト自転車１の走行をアシスト可能なモータであればよいが、好適な一例は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相コイルを有する三相モータである。また、好適な三相モータとしては、三相ブラシレスＤＣモータが挙げられる。モータ２０は、ステータ２３が作る回転磁束成分と、ロータ２２が作る磁束成分が同期して回転トルクを発生する。ロータ２２とステータ２３との間には、ロータ２２からティース２５に向かって、またティース２５からロータ２２に向かって磁束が発生するが、磁束の向きは、例えば、モータ周方向に隣り合うティース２５間で逆となる。三相モータの場合、厳密に言えば、モータ周方向に隣り合う３つのティース２５において、磁束のベクトルの向きが反対となる。

なお、モータ２０からは、回転トルクに寄与しない漏れ磁束が発生する。ロータ２２とステータ２３の間から漏れた磁束は、ロータ２２とモータ軸方向に重なって配置される制御基板５０に到達し、制御系の電子部品や配線に磁界ノイズを発生させる。詳しくは後述するが、制御基板５０は、漏れ磁束の影響を低減して、かかる磁界ノイズを十分に抑制できる構成となっている。なお、漏れ磁束は、ロータ２２とステータ２３の間に形成されるギャップ２７上で特に発生しやすい。

本実施形態において、モータ２０の駆動電流の最大値は１５Ａ以上であり、好ましくは２５Ａ以上である。駆動電流の上限は、例えば５０Ａである。また、モータ２０の出力トルクの最大値は７５Ｎ・ｍ以上であり、好ましくは８０Ｎ・ｍ以上である。出力トルクの上限は、例えば１５０Ｎ・ｍである。制御基板５０の構成、特に後述の弧状配線部７１を含む配線構造を採用することにより、モータ２０の大電流化、高出力化を図ることができる。

クランク軸ユニット３０は、クランク軸１２と、クランク軸１２に取り付けられた筒状の入力体３１，３２とを有する。入力体３１は、例えば、スプライン結合によりクランク軸１２に固定される。入力体３２は、入力体３１を介してクランク軸１２に取り付けられている。クランク軸１２は、左右方向に沿うように配置され、軸受３６ａ，３６ｂにより回転可能に支持されている。また、クランク軸１２は、モータ２０よりもケース４０の前方において、モータ軸２１と平行に配置されている。

クランク軸ユニット３０は、さらに、スプロケット１３が固定された筒状の出力体３３を有する。入力体３２と出力体３３の間にはワンウェイクラッチ３４が設けられ、クランク軸１２の回転力は入力体３１，３２および出力体３３を介してスプロケット１３に伝達される。ワンウェイクラッチ３４のインナーには、アウター側に付勢されてアウターの内周面に接触すると共に、クランク軸１２が正方向に回転するときにアウターの歯に引っ掛かる爪が設けられている。本実施形態では、入力体３２の一部がワンウェイクラッチ３４のインナーを構成し、出力体３３の一部がアウターを構成していてもよい。

入力体３１の周囲には、トルクセンサ３５が設けられている。トルクセンサ３５は、例えば、磁歪式のセンサである。クランク軸１２に固定された入力体３１はペダル７の踏力により捩じれ、その捩じれの程度は踏力により変化するため、磁歪式のトルクセンサ３５を用いて踏力トルクを計測することができる。トルクセンサ３５の検出情報は、制御基板５０のマイコン５３に送信され、モータ２０の出力制御に使用される。

本実施形態では、クランク軸１２の回転数が、制御基板５０に実装されたホール素子６２を用いて計測される。クランク軸ユニット３０は、入力体３２に外篏された回転体３７ａと、クランク軸１２と平行に配置された回転軸３８と、回転軸３８の軸方向一端側に固定され回転体３７ａと係合する回転体３７ｂと、回転軸３８の軸方向他端側に固定された回転体３９とを有する。回転体３７ａ，３７ｂは、互いに噛み合う歯車を含む。回転体３９は、回転体２４と同様に、永久磁石を含み、ホール素子６２の被検出部となる。回転体３９はクランク軸１２と共に回転するので、ホール素子６２が回転体３９の磁界を検出することにより、クランク軸１２の回転数を計測することができる。

ケース４０は、モータ２０、クランク軸ユニット３０、減速機構１５等を収容する筐体であって、これらを保持している。ケース４０には、出力軸１６を支持する軸受１８ａ，１８ｂ、モータ軸２１を支持する軸受１９ａ，１９ｂ、およびクランク軸１２を支持する軸受３６ａ，３６ｂが取り付けられている。ケース４０は、例えば、第１分割体４１と、第２分割体４２とを含み、第１分割体４１から第２分割体４２を取り外して内部空間を開放可能に構成されている。第１分割体４１は、ケース４０の左側部分を構成し、モータ２０を収容している。

ケース４０は、一般的に金属製であるが、樹脂製であってもよい。ケース４０の後方には、モータ２０、減速機構１５、出力軸１６、リテーナ４３等が収容され、ケース４０の前方には、クランク軸ユニット３０等が収容されている。リテーナ４３は、軸受１８ａ，１８ｂを保持している。また、リテーナ４３は、減速機構１５が配置される空間と、制御基板５０が配置される空間とを隔てる隔壁として機能し、減速機構１５のグリースや潤滑油が飛散して制御基板５０に付着することを抑制している。

制御基板５０は、上述の通り、少なくとも一部がモータ２０とモータ軸方向に見て重なって配置されている。そして、ロータ２２とモータ軸方向に重なる位置に、ホール素子５２が実装されている。制御基板５０は、例えば、基板面積の１／３以上がモータ２０とモータ軸方向に重なっている。制御基板５０は、ケース４０の左右方向中央部に配置され、第１分割体４１にネジ止めされている。また、制御基板５０は、第２分割体４２を取り外した状態のモータユニット１０の右側面視（図３）において、モータ２０とクランク軸ユニット３０に跨るように配置されている。

制御基板５０は、基板５１上に実装される電子部品として、ホール素子５２，６２およびマイコン５３の他に、モータ２０を駆動させるスイッチング素子５８（後述の図４参照）、フィルタ素子５４、電解コンデンサ５６等を有する。基板５１は、略矩形状の基板であって、長手方向が上下方向に沿うように配置されている。モータ軸２１に近接する基板５１の端縁には、モータ軸２１を囲むように湾曲した凹部が形成されている。詳しくは後述するが、制御基板５０には、基板５１の上端側にマイコン５３が実装され、マイコン５３から離れた基板５１の下端側にスイッチング素子５８が実装されている。

制御基板５０は、例えば、ロータ２２とステータ２３との間に形成されるギャップ２７から制御基板５０までの最短距離が５ｍｍ以上２０ｍｍ以下、又は１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下となるように配置される。換言すると、ギャップ２７から制御基板５０までのモータ軸方向に沿った距離が、５ｍｍ以上２０ｍｍ以下、又は１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下に設定される。この場合、制御基板５０に対する漏れ磁束の影響を低減しつつ、モータユニット１０の小型化を図ることができる。

以下、図４および図５をさらに参照しながら、制御基板５０の構成について詳説する。図４は制御基板５０の第１面５１ａを示す図、図５は制御基板５０の第２面５１ｂを示す図である。制御基板５０（基板５１）の表面のうち、ロータ２２側を向いた表面を「第１面５１ａ」とし、第１面５１ａと反対側の表面を「第２面５１ｂ」とする。

図３～図５に示すように、制御基板５０は、ホール素子５２、マイコン５３等の電子部品が基板５１上に実装されて構成されている。基板５１は、例えば、絶縁性の樹脂基板の表面に、電子部品同士を電気的に接続する配線が形成されたプリント配線基板である。基板５１は、複層構造を有していてもよく、一部の配線は基板５１の内層に形成されていてもよい。基板５１は、配線の１つとして、ホール素子５２とマイコン５３を接続する信号線７０を有する。

基板５１の第１面５１ａには、ホール素子５２，６２、フィルタ素子５５、スイッチング素子５８、および慣性センサ５９等が実装されている。スイッチング素子５８の一例は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である。スイッチング素子５８はマイコン５３から出力される制御信号に基づいて駆動し、これにより、モータ２０の出力が制御される。慣性センサ５９の一例は、加速度センサ、６軸加速度センサ、傾斜センサ、およびジャイロセンサである。制御基板５０には、慣性センサ５９として、これらのセンサの少なくとも１つが設けられている。慣性センサ５９の検出情報は、マイコン５３に送信され、モータ２０の出力制御に使用される。

基板５１の第２面５１ｂには、マイコン５３、フィルタ素子５４、電解コンデンサ５６、および電源コネクタ５７等が実装されている。電解コンデンサ５６は、入力電圧を平滑化する機能を有する。電解コンデンサ５６の平滑効果を十分に発揮するため、電解コンデンサ５６をスイッチング素子５８等の電源系に近接配置し、電解コンデンサ５６とスイッチング素子５８をつなぐ配線を短くすることが好ましい。電源コネクタ５７には、バッテリ１１につながるケーブルが接続されている。

ホール素子５２は、モータ軸２１と共に回転する回転体２４の磁界を検出するセンサであるため、回転体２４に近い側の第１面５１ａに実装されることが好ましい。ホール素子６２についても同様に、回転体３９に近い側の第１面５１ａに実装されることが好ましい。一方、マイコン５３は、第２面５１ｂに実装されることが好ましい。磁界ノイズの発生源であるロータ２２、ステータ２３、および回転体２４から遠い側の第２面５１ｂにマイコン５３を配置することにより、マイコン５３における磁界ノイズの発生を抑制できる。ホール素子５２とマイコン５３を接続する信号線７０についても同様に、第２面５１ｂに形成されることが好ましい。

ホール素子５２は基板５１の第１面５１ａに、マイコン５３および信号線７０は第２面５１ｂにそれぞれ配置されるため、制御基板５０には、基板５１を厚み方向に貫通してホール素子５２と信号線７０を接続する導電経路が形成される。信号線７０は基板５１の両面に形成されてもよく、この場合、基板５１を厚み方向に貫通して各面の信号線７０同士を接続する導電経路が形成されてもよい。

マイコン５３は、上述のように、トルクセンサ３５、ホール素子５２、慣性センサ５９等の検出情報を用いてモータ２０を制御する制御素子である。マイコン５３は、例えば、プロセッサ、メモリ、および入出力インターフェイス等を含む。プロセッサは、例えばＣＰＵで構成され、電動アシスト自転車１の制御プログラムを読み出して実行することにより、モータ２０の出力を制御して適切なアシスト機能を実現する。メモリは、制御プログラム等を記憶する、ＲＯＭ、ＨＤＤ、ＳＳＤ等の不揮発性メモリと、ＲＡＭ等の揮発性メモリとを含む。

マイコン５３は、基板５１の第２面５１ｂにおいて、ステータ２３の内周縁（ギャップ２７）よりもモータ２０の径方向外側に実装されることが好ましく、モータ２０とモータ軸方向に重ならない位置に実装されることがより好ましい。慣性センサ５９についても同様に、基板５１の第１面５１ａにおいて、モータ２０とモータ軸方向に重ならない位置に実装されることが好ましい。この場合、マイコン５３、慣性センサ５９等の制御信号系における、モータ２０に起因した磁界ノイズの発生を抑制でき、例えば、磁界ノイズ耐性が低い安価なマイコン、センサ等を使用できる。

また、マイコン５３および慣性センサ５９は、基板５１の長手方向一端側（上端側）に実装され、スイッチング素子５８は、基板５１の長手方向他端側（下端側）に実装されている。即ち、マイコン５３、慣性センサ５９等の制御信号系と、スイッチング素子５８等の電源系とが、基板５１上のできるだけ離れた位置に配置されている。この場合、制御信号系における、電源系に起因した磁界ノイズの発生を抑制できる。

制御基板５０は、ステータ２３のコイルに電力を供給するためのケーブル６０を有する（図３参照）。本実施形態では、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相コイルに対応して３本のケーブル６０が設けられている。

また、制御基板５０は、上述の通り、ケース４０の第１分割体４１にネジ止めされている。基板５１に形成されたネジ孔６１の周縁には導電層が形成されており、当該導電層と導電性のネジによりグランドが形成されている。ネジ孔６１の周縁の導電層には、コンデンサを含むグランドラインが接続されている。グランドは電源系ラインに近接配置することが好ましく、本実施形態では、制御基板５０の下端前方にグランドを設けている。

以下、図６および図７をさらに参照しながら、ホール素子５２、フィルタ素子５４，５５、および信号線７０について詳説する。図６および図７は、信号線７０の構成をモータ２０と関連付けて説明するための図である。図６には、モータ２０のギャップ２７を図示している。図７（ｂ）は、図７（ａ）のギャップ２７上を横切る信号線７０を抜き出して示している。

図４～図７に示すように、制御基板５０は、複数のホール素子５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃと、各ホール素子とマイコン５３とを接続する複数の信号線７０とを有する。制御基板５０には、ホール素子５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃに対応して、信号線７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃが形成されている。また、制御基板５０には、上述の通り、フィルタ素子５４，５５が実装されている。フィルタ素子５４，５５は、信号線７０に接続され、ホール素子５２の検出信号を処理する。フィルタ素子５４，５５は、信号線７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃに、それぞれ１つずつ接続されている。

ホール素子５２は、ホール効果を利用して磁界を検出する素子であって、回転体２４の磁界を検出できるように、基板５１の第１面５１ａにおいて回転体２４とモータ軸方向に重なる位置に実装されている。モータ２０が三相ブラシレスＤＣモータである場合、ホール素子５２がロータ２２と共に回転する回転体２４の磁界を検出することで、ロータ２２の磁極位置を検出できる。マイコン５３は、例えば、ロータ２２の磁極位置に基づいてスイッチング素子５８をフィードバック制御し、モータ２０の出力制御を実行する。

ホール素子５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃには、同種の素子を用いることができる。ホール素子５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃは、モータ周方向に沿うように配置され、好ましくはモータ軸２１の軸芯２１ｘを中心とする円弧上に配置される。この場合、回転体２４の磁界を精度良く検出することができる。ホール素子５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃは、例えば、モータ軸２１の軸芯２１ｘを中心とする円弧上において等間隔で配置されている。なお、クランク軸１２の回転数を計測するためのホール素子６２も、回転軸３８を中心とする円弧上に複数配置されている。本実施形態では、ホール素子６２Ａ，６２Ｂの２つが配置されている。

フィルタ素子５４，５５の一例は、抵抗とコンデンサで構成されるＲＣローパスフィルタであって、ホール素子５２の検出信号の高周波成分をカットする信号処理を行う。フィルタ素子５４は、基板５１の第２面５１ｂにおいて、モータ２０のギャップ２７よりもモータ２０の径方向外側に配置されている。フィルタ素子５５は、基板５１の第１面５１ａにおいて、フィルタ素子５４よりもモータ２０の径方向外側に配置されている。即ち、フィルタ素子５４，５５は、ステータ２３とモータ軸方向に重なる位置に実装されてもよいが、ロータ２２およびギャップ２７とモータ軸方向に重ならない位置に実装されることが好ましい。この場合、フィルタ素子５４，５５に対するモータ２０の漏れ磁束の影響を低減できる。

信号線７０は、モータ軸２１の軸芯を中心とする円の径方向外側に凸となるように曲がった弧状配線部７１を含む。信号線７０はホール素子５２と同数形成され、信号線７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの各々が弧状配線部７１を有する。制御基板５０にはホール素子５２のグランド配線７２が形成され、信号線７０およびグランド配線７２により配線ループが形成されている。モータ２０の漏れ磁束は当該配線ループ内を貫通し、これにより、信号線間に起電圧が発生して信号線７０を伝搬するホール素子５２の検出信号にノイズが乗ることが想定されるが、弧状配線部７１を設けることによって漏れ磁束の影響を大きく低減することができる。

上述のように、ロータ２２とステータ２３のティース２５間の磁束の向きは、例えば、モータ周方向に隣り合うティース２５間で逆となる。このため、弧状配線部７１を設けて複数の磁束が配線ループを貫通するようにすることで、隣接磁束の相殺効果が得られ、信号線７０に発生する磁界ノイズが抑制される。つまり、弧状配線部７１は、ホール素子５２の検出信号に影響する磁界ノイズを打ち消す機能を有する。

各信号線の弧状配線部７１は、モータ２０の径方向に並んで配置されている。モータ径方向に隣り合う弧状配線部７１同士の間隔は、電気的に接触しない範囲で小さいことが好ましい。具体的には、０．３０ｍｍ以下が好ましく、０．２５ｍｍ以下がより好ましい。本発明者らの検討の結果、弧状配線部７１同士の間隔を０．３０ｍｍ以下とすれば、磁界ノイズの発生をより効果的に抑制できることが分かった。なお、モータ軸２１に近接する基板５１の端縁はモータ周方向に沿うように湾曲しており、各弧状配線部７１は、基板５１の湾曲した端縁に沿うように形成されている。

弧状配線部７１は、ロータ２２および回転体２４とモータ軸方向に重なる領域に形成されている。本実施形態では、回転体２４の直径がロータ２２の直径よりも小さく、かつ回転体２４がロータ２２よりも制御基板５０に近接配置されている。弧状配線部７１は、回転体２４とモータ軸方向に重なる領域のみに形成されていてもよい。信号線７０は、ロータ２２と重なり、かつ回転体２４と重ならない領域において直線状に形成されていてもよい。

信号線７０は、少なくともモータ２０のギャップ２７とモータ軸方向に重なる領域において、ロータ２２と反対側を向いた基板５１の第２面５１ｂに形成されている。基板５１が複層構造を有する場合、基板５１の内層に信号線７０が形成されていてもよい。即ち、信号線７０は、少なくとも信号線７０とモータ軸方向に重なる領域において、ロータ２２に近い第１面５１ａ以外に形成されることが好ましい。モータ２０の漏れ磁束はギャップ２７から特に発生しやすいため、信号線７０を第２面５１ｂに配置することで、磁界ノイズの抑制効果が高まる。

信号線７０は、さらに、基板５１の第２面５１ｂにおいて、マイコン５３に接続されている。また、信号線７０の弧状配線部７１も第２面５１ｂに形成されている。弧状配線部７１は、基板５１が複層構造を有する場合、基板５１の内層に形成されていてもよい。本実施形態では、弧状配線部７１を含む信号線７０の全てが第２面５１ｂに形成されている。磁界ノイズの発生源であるロータ２２、ステータ２３、回転体２４、およびギャップ２７から遠い側の第２面５１ｂに信号線７０を配置することにより、信号線７０における磁界ノイズの発生をより効果的に抑制できる。

図６および図７に示すように、信号線７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの弧状配線部７１は、モータ周方向に沿って延びている。また、各弧状配線部７１は、モータ軸２１の軸芯２１ｘを中心とする円弧状に配置されている。この場合、信号線７０に発生する磁界ノイズがより効果的に抑制される。ホール素子５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃは、この順でマイコン５３からの距離が遠くなっており、信号線７０Ａの弧状配線部７１が最も長く、信号線７０Ｃの弧状配線部７１が最も短くなっている。各弧状配線部７１がモータ径方向に並んだ部分では、各弧状配線部７１が上記間隔（例えば、０．３ｍｍ以下）を隔てて互いに平行に配置されている。

弧状配線部７１の少なくとも１つは、制御基板５０をモータ軸方向に見た場合に、モータ周方向に隣り合う３つのティース２５に対向する長さを有することが好ましい。即ち、制御基板５０をモータ軸方向に見た場合に、隣り合う３つのティース２５と対向する位置を通るように少なくとも１つの弧状配線部７１が形成されている。言い換えると、隣り合う３つのティース２５のモータ径方向内側に、モータ周方向に延びる１つの弧状配線部７１が存在している。図７（ａ）に示す例では、隣り合う３つのティース２５と対向する位置を通るように、信号線７０Ａの弧状配線部７１が形成されている。なお、全ての弧状配線部７１が隣り合う３つのティース２５に対向する長さを有していてもよい。

信号線７０は、弧状配線部７１を有していれば、その長さが短くても隣接磁束の相殺による磁界ノイズの抑制効果を得ることができるが、弧状配線部７１が隣り合う３つのティース２５に対向する長さを有する場合、ノイズ抑制効果がより顕著になる。本実施形態では、モータ２０に三相モータが適用されるので、厳密に言えば、モータ周方向に隣り合う３つのティース２５において磁束のベクトルの向きが反対となる。ゆえに、隣接磁束の相殺がより効果的に現れ、ノイズ抑制効果がより顕著になる。

信号線７０は、モータ２０のギャップ２７とモータ軸方向に重なる領域を短い長さで横切ることが好ましい。具体的には、図７（ｂ）に示すように、制御基板５０をモータ軸方向に見た場合に、信号線７０は、信号線７０がステータ２３の内周縁と重なる点Ｘと、信号線７０がロータ２２の外周縁と重なる点Ｙとを結ぶ仮想線が、点Ｙとモータ軸２１の軸芯２１ｘとを通る仮想線Ｚに対して４５°以下の角度となるように、ギャップ２７上を横切ることが好ましい。図７（ｂ）に示す角度θは、３０°以下又は２０°以下がより好ましく、実質的に０°であってもよい。漏れ磁束が発生しやすいギャップ２７上を横切る信号線７０の長さをできるだけ短くすることで、漏れ磁束の影響をより効果的に低減できる。角度θが４５°以下である場合に、ノイズ抑制効果が特に顕著である。

図７（ｂ）に示す例では、信号線７０のギャップ２７上を横切る部分は、曲がることなく直線状に形成されている。即ち、制御基板５０をモータ軸方向に見た場合に、信号線７０が仮想線Ｚに対して角度θでギャップ２７上を横切っている。なお、仮想線Ｚに対する、点Ｘおよび点Ｙを通る仮想線の角度が４５°以下であれば、信号線７０はギャップ２７上で多少曲がっていてもよい。また、信号線７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの各々において、ギャップ２７上を横切る部分は、例えば、０．３ｍｍ以下の間隔をあけて互いに平行に配置されている。

信号線７０は、さらに、隣り合うティース２５同士の隙間であるスロット２６とモータ軸方向に重なるように配置されることが好ましい。信号線７０は、ステータ２３とモータ軸方向に重なる領域を通ってモータ２０の外側に実装されるマイコン５３に接続されるが、ステータ２３とモータ軸方向に重なる領域において、できるだけスロット２６と重なる領域を通るように形成される。この場合、漏れ磁束の影響をより効果的に低減できる。信号線７０のうち、ステータ２３とモータ軸方向に重なる領域に形成される部分は、ティース２５上を横切る長さよりも、スロット２６上を横切る長さを長くすることが好ましい。

以上のように、上記構成を備えたモータユニット１０によれば、モータ２０の漏れ磁束の影響を低減でき、制御基板５０の信号線７０に発生するノイズを抑制することが可能である。また、制御基板５０の構成によれば、マイコン５３、フィルタ素子５４，５５、慣性センサ５９等の他の制御信号系における磁界ノイズについても効果的に抑制できる。このため、モータユニット１０を備えた電動アシスト自転車１は、例えば、モータ２０の制御性に優れ、良好なアシスト機能を有する。

なお、上述の実施形態は、本開示の目的を損なわない範囲で適宜設計変更できる。例えば、上述の実施形態では、ホール素子５２により、モータ軸２１と共に回転する回転体２４の磁界が検出される構成を例示したが、ホール素子５２はモータ軸２１又はロータ２２の磁界を検出するように構成されていてもよい。この場合、モータ２０は回転体２４を有していなくてもよい。

また、モータ軸、ロータ、又はモータ軸と共に回転する回転体の磁界を検出するセンサとして、ホール素子５２の代わりに、例えば、磁気抵抗効果素子（ＭＲセンサ）を用いてもよい。ＭＲセンサは、例えば、制御基板のロータ側を向いた第１面において、ロータとモータ軸方向に重なる位置に少なくとも１つ実装される。

１ 電動アシスト自転車、２ フレーム、２ａ ヘッドパイプ、２ｂ フロントフォーク、２ｃ ダウンパイプ、２ｄ シートパイプ、２ｅ チェーンステー、２ｆ シートステー、３ａ 前輪、３ｂ 後輪、４ ハンドル、５ サドル、６ クランクアーム、７ ペダル、８ チェーン、９ 前照灯、１０ モータユニット、１１ バッテリ、１２ クランク軸、１３，１４ スプロケット、１５ 減速機構、１６ 出力軸、１７，３４ ワンウェイクラッチ、１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂ，３６ａ，３６ｂ 軸受、２０ モータ、２１ モータ軸、２１ｘ 軸芯、２２ ロータ、２３ ステータ、２４，３７ａ，３７ｂ，３９ 回転体、２５ ティース、２６ スロット、２７ ギャップ、３０ クランク軸ユニット、３１，３２ 入力体、３３ 出力体、３５ トルクセンサ、３８ 回転軸、４０ ケース、４１ 第１分割体、４２ 第２分割体、４３ リテーナ、５０ 制御基板、５１ 基板、５１ａ 第１面、５１ｂ 第２面、５２，５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，６２，６２Ａ，６２Ｂ ホール素子、５３ マイコン、５４，５５ フィルタ素子、５６ 電解コンデンサ、５７ 電源コネクタ、５８ スイッチング素子、５９ 慣性センサ、６０ 配線、６１ ネジ孔、７０，７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ 信号線、７１ 弧状配線部、７２ グランド配線

Claims (23)

1. モータ軸、前記モータ軸に固定されたロータ、およびステータを有するモータと、
   前記モータ軸、前記ロータ、又は前記モータ軸と共に回転する回転体の磁界を検出するセンサ、および前記センサの検出情報を用いて前記モータを制御する制御素子が実装され、少なくとも一部が前記モータとモータ軸方向に見て重なって配置される制御基板と、
   を備え、
   前記制御基板は、前記センサと前記制御素子を接続する信号線を有し、
   前記信号線は、前記モータ軸の軸芯を中心とする円の径方向外側に凸となるように曲がった弧状配線部を含む、モータユニット。
2. 前記センサは、前記ロータと前記モータ軸方向に見て重なって配置され、
   前記制御素子は、前記ロータを囲む前記ステータの内周縁よりも前記モータの径方向外側に配置され、
   前記信号線は、前記制御基板を前記モータ軸方向に見た場合に、前記信号線が前記ロータの外周縁と重なる第１の点と、前記信号線が前記ステータの内周縁と重なる第２の点とを結んだ仮想線が、前記第１の点と前記モータ軸の軸芯とを通る仮想線に対して４５°以下の角度となるように、前記ロータと前記ステータとの間に形成されるギャップ上を横切る、請求項１に記載のモータユニット。
3. 前記弧状配線部は、モータ周方向に沿って延びている、請求項１又は２に記載のモータユニット。
4. 前記弧状配線部は、前記モータ軸の軸芯を中心とする円弧状に配置されている、請求項１～３のいずれか一項に記載のモータユニット。
5. 前記ステータは、モータ周方向に並ぶ複数のティースを含み、
   前記信号線は、隣り合う前記ティース同士の隙間と前記モータ軸方向に重なるように配置されている、請求項１～４のいずれか一項に記載のモータユニット。
6. 前記モータは、三相モータであり、
   前記弧状配線部は、前記制御基板を前記モータ軸方向に見た場合に、モータ周方向に隣り合う３つの前記ティースに対向する長さを有する、請求項１～５のいずれか一項に記載のモータユニット。
7. 前記センサは、少なくとも１つの磁気抵抗効果素子で構成されている、請求項１～６のいずれか一項に記載のモータユニット。
8. 前記センサは、複数のホール素子で構成されている、請求項１～７のいずれか一項に記載のモータユニット。
9. 前記複数のホール素子は、前記モータ軸の軸芯を中心とする円弧上に配置されている、請求項８に記載のモータユニット。
10. 前記信号線は、前記複数のホール素子と同数形成され、前記信号線の各々は前記弧状配線部を含み、
    複数の前記弧状配線部は、モータ径方向に並んで配置されている、請求項８又は９に記載のモータユニット。
11. 前記モータ径方向に隣り合う前記弧状配線部同士の間隔は、０．３ｍｍ以下である、請求項１０に記載のモータユニット。
12. 前記制御基板には、フィルタ素子が実装され、
    前記フィルタ素子は、前記ロータと前記ステータとの間に形成されるギャップよりも前記モータの径方向外側に配置されている、請求項１～１１のいずれか一項に記載のモータユニット。
13. 前記信号線は、少なくとも前記ロータと前記ステータとの間に形成されるギャップと前記モータ軸方向に重なる領域において、前記制御基板の前記ロータ側を向いた第１面と反対側の第２面、又は前記制御基板の内層に配置されている、請求項１～１２のいずれか一項に記載のモータユニット。
14. 前記弧状配線部は、前記制御基板の前記ロータ側を向いた第１面と反対側の第２面、又は前記制御基板の内層に配置されている、請求項１～１３のいずれか一項に記載のモータユニット。
15. 前記信号線は、前記制御基板の前記第２面において、前記制御素子に接続されている、請求項１３又は１４に記載のモータユニット。
16. 前記ロータと前記ステータとの間に形成されるギャップから前記制御基板までの最短距離は、５ｍｍ以上２０ｍｍ以下である、請求項１～１５のいずれか一項に記載のモータユニット。
17. 前記制御基板は、基板面積の１／３以上が前記モータと前記モータ軸方向に重なるように配置されている、請求項１～１６のいずれか一項に記載のモータユニット。
18. 前記制御素子は、前記制御基板上において、前記モータと前記モータ軸方向に重ならない位置に実装されている、請求項１～１７のいずれか一項に記載のモータユニット。
19. 前記制御基板には、前記モータを駆動させるスイッチング素子が実装され、
    前記制御素子が前記制御基板の一端側に、前記スイッチング素子が前記制御基板の他端側にそれぞれ配置されている、請求項１～１８のいずれか一項に記載のモータユニット。
20. 前記制御基板には、慣性センサが実装され、
    前記慣性センサは、前記制御基板の一端側において、前記モータと前記モータ軸方向に重ならない位置に実装されている、請求項１９に記載のモータユニット。
21. 前記モータの駆動電流の最大値は、１５Ａ以上である、請求項１～２０のいずれか一項に記載のモータユニット。
22. 前記モータの出力トルクの最大値は、７５Ｎ・ｍ以上である、請求項１～２１のいずれか一項に記載のモータユニット。
23. 請求項１～２２のいずれか一項に記載のモータユニットを備えた、電動アシスト自転車。
    

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