JP5390979B2 - 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 - Google Patents

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、フルブリッジ回路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。

特開２００４−３２０８３５号公報（特許文献１）には、電動油圧式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。かかる電動油圧式パワーステアリング装置は、モータ部及び制御装置部（これらの構成によって、特許請求の範囲における電動パワーステアリング用モータユニットが構成される）を備え、モータ部は制御装置部の一方の面に固定される。制御装置部は、二つの筐体部品によって構成されるハウジングを備え、ハウジングには、モータに適宜な電力を供給させるパワー半導体素子、入力電力のノイズを低減させるフィルター回路、パワー半導体素子を駆動制御させる制御基板が収容されている。また、ハウジングの内部には、ベアリングが設けられ、モータ部の出力シャフトが回動自在に軸支され、制御装置部（ハウジング）の他方の面では、出力シャフトをハウジングの外部へ突出させ、当該出力シャフトが油圧装置に接続される。

特開２００４−３２０８３５号公報

しかしながら、特許文献１に係る技術では、制御基板、この他、フィルター回路，フルブリッジ回路等を構成するパワー半導体素子等の構成全てをハウジングに収容させているため、ハウジングが非常に大きなものとされる。従って、かかる大きなハウジングにベアリングを取付けなければならないので、組立て作業の煩雑化を招き、更に、生産ラインにおける固定治具の大型化を招くとの問題が生じる。

また、ハウジングの内部にベアリングが固定されるため、ベアリングの取替え又は修繕を行なう場合、制御基板等を収容させたハウジングを分解させてから作業を行なわなければならず、ベアリングの取替作業又は修繕作業が煩雑になるとの問題が生じる。更に、かかるハウジングでは、電動パワーステアリング装置のギヤボックスから取り外しただけではベアリングを目視できないため、故障の原因がハウジングのベアリングであるか否かの判断を容易に行うことができない。

本発明は上記課題に鑑み、組立作業の簡素化と、ベアリングの取替作業又は修繕作業の簡素化と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及び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が実装された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に装着され前記駆動軸を回動自在に軸支させる軸受と、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、を備える電動パワーステアリング用モータユニットにおいて、
前記ベアリングを収容させるベアリングホルダーは、前記モータ側ブラケットのうちギヤボックス構造部との当接面に形成され、前記ギヤボックス構造部との当接面からモータ側へ向かって前記ベアリングを装着させており、
前記パワー素子用基板は、接着樹脂またはグリスを介して前記モータ側ブラケットに積層され、
前記接着樹脂または前記グリスは、前記モータ側ブラケットの材質及び前記パワー素子用基板の材質よりも弾性係数が高い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。

好ましくは、前記制御基板と前記パワー素子用基板との間には、入力電力を中継させる電路と前記電路に介挿された電路用回路とから成る配電部を備えていることとする。

好ましくは、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する。

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。

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、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、ベアリングを取り付けるモータ側ブラケットが小型化されるので、当該ベアリングの取付作業が容易となる。また、モータ側ブラケットが小型化されるので、電動パワーステアリング用モータユニットの装置全体が小さくなり、生産ラインにおける固定治具の小型化を実現できる。

また、モータ側ブラケットに取り付けられるベアリングは、当該モータ側ブラケットの外部から取付られるので、制御基板等の煩雑な分解作業を行なうことなく、当該ベアリングの取り外し作業が可能となる。

更に、本発明に係る電動パワーステアリング装置によると、当該電動パワーステアリング装置から電動パワーステアリング用モータユニットを取り外しただけで、ベアリングの状態を目視することが可能となり、これにより、モータ側ブラケットに固定されたベアリングの故障判断が容易となる。

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が配される側をリア側ＤＲと称し、当該リア側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、モータユニット１００、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２１１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２１１では、操縦者からの操舵トルクに当該アシストトルクが加えられ、これにより、適宜な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ＥＭ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１５１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ＥＭ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ＥＭは、リレー回路１８０の動作に応じてフルブリッジ回路から駆動電力が印加される。また、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ＥＭに出力する駆動電力の許可／不許可を規定する。即ち、電動モータＥＭ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。

フルブリッジ回路１７５（特許請求の範囲における電力変換部）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。パワー半導体素子１７５ａ〜１７５ｄには、ゲート端子を保護するセラミックコンデンサ，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ＥＭへ供給させる。尚、特許請求の範囲における電力変換部は、フルブリッジ回路に限定されるものでなく、例えば、インバータ回路であっても良く、この他、上述したパワー半導体素子を用いて電力変換を行なうものであれば良い。

パワー半導体素子１７５ｋは、入力電路を中継させる電路に接続される。かかるパワー半導体素子１７５ｋは、ドライブ回路１５１ｄの制御信号に応じて駆動され、ある場面では、電源端子Ｖｂに印加される入力電力をフィルター回路１４４に中継させ、他の場面では、フィルター回路に対する入力電力の供給を遮断させる。

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、当該フルブリッジ回路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。ドライブ回路１５１ｄは、パワー半導体素子１７５ａ〜１７５ｄ，１７５ｋを駆動させる制御信号を各々出力させる。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，１７５ｋ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ＥＭ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１５１ｃ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ＥＭ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、フルブリッジ回路と電動モータＥＭ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からフルブリッジ回路迄の電路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。

尚、電路用回路とは、リレー回路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、電路１７７ａ〜１７７ｄに接続された回路を指す。

図５乃至図７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、矢線方向ＤＭをモータ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。かかる駆動軸１１４は、一端がモータ方向ＤＭの軸受機構１６２によって支持され、他端（放熱側ＤＨ）が後述するベアリングＢＲによって支持されることとなる。そして、駆動軸１１４の放熱側ＤＨには、雄側のスプライン１１４ａが形成され、雌側のスプラインを形成させたソケットＳＣを介して入力シャフト２５３に接続される。

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，１７５ｋを実装させている。また、サーミスタ１７５ｅ、シャント抵抗１７５ｆを実装させても良い。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。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。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、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，１７５ｋ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。かかる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。高い伝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。

加えて、モータ側ブラケット１３０には、ベアリングホルダーＢＨが形成され、当該ベアリングホルダーＢＨには、ベアリングＢＲの外輪が装着される。ベアリングＢＲは、圧入または焼嵌め等の工法によって装着される。一方、ベアリングＢＲの内輪は、圧入等によって駆動軸１１４に固定され、これにより、当該駆動軸１１４は、モータ側ブラケットに対して回動自在に軸支される。尚、本実施の形態では、ベアリングＢＲを軸受として耐久性の向上を図っているが、これに限らず、すべり軸受等を採用しても良い。

ベアリングＢＲを収容させるベアリングホルダーＢＨは、モータ側ブラケット１３０の放熱側ＤＨに形成され、且つ、ベアリングＢＲは、パワー素子用基板１７０よりも放熱側ＤＨの位置からモータ側ＤＭへ向かって挿入され、ベアリングホルダーＢＨに装着されるのが好ましい。これにより、ベアリングホルダの開口部は、モータ側ブラケット１３０の外周面側に配され、ベアリングＢＲは、取替作業又は修繕作業を行なう際、モータ側ブラケット１３０の内部の回路を分解する必要がなくなる。また、かかるモータ側ブラケット１３０は、ギヤボックス２５０から取り外すと、ベアリングＢＲの状態を目視することが可能となり、当該ベアリングＢＲが故障しているか否かの判断を容易に行うことが可能となる。

尚、本実施の形態では、ベアリングＢＲ（すべり軸受であっても良い）を用いるため、軸受をモータ側ブラケット１３０に装着させる場合、圧入を行なうこととすると、モータ側ブラケット１３０の底部には衝撃によってパワー半導体素子を破損させる惧れがある。また、焼嵌めを行なうこととすると、熱応力によってパワー素子用基板１７０を変形させ、ブリッジ回路等の機能を損なわせてしまうとの惧れもある。そこで、かかる問題を回避させるため、モータ側ブラケット１３０とパワー素子用基板１７０との積層構造は、以下の構成とされるのが好ましい。

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。放熱性グリス２０１は、半流動体とされるため、モータ側ブラケット１３０に加えられた衝撃を緩和させ、パワー半導体素子１７５を保護する役割を担う。

尚、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１７３ｂ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。また、接着剤２０２は、固形化された後の弾性係数がモータ側ブラケット１３０の材質及びパワー素子用基板（金属セラミック）よりも大きい値であることが好ましい。これにより、ベアリングＢＲをモータ側ブラケット１３０に圧入させる際、パワー素子用基板に加えられる衝撃が緩和され、パワー半導体素子１７５の保護が図られる。尚、ベアリングＢＲを焼嵌めさせる際にあっても、熱応力による歪みが接着剤２０２によって緩和されるので、パワー素子用基板１７０の機能が守られる。

図７（ｂ）におけるパワー素子用基板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の影響を殆ど受けることなく、低値に抑えることが可能とされる。従って、パワー半導体素子１７５で発生した熱量は、金属セラミック基板の板厚ｔ２による熱抵抗の影響を抑えた上で、当該熱量が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。

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ため、以下の問題を生じる。

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、使用する周波数ｆ１で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、金属セラミックから成るパワー素子用基板の積層構造では、絶縁層の板厚ｔ２を適宜に調整することにより、以下の如く、結合容量に係る問題を解消させている。即ち、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、十分な厚さの絶縁層を確保できるので、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では、結合容量Ｃ２が小さくなると、使用する周波数ｆ１でのインピーダンスが上昇し、金属セラミックによる絶縁機能が向上することが示されている。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。

図５及び図６に戻り、制御装置１５０及び配電部１４０の構成について説明する。

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１５０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、フィルター回路等の構成も排除されるので、これによっても、制御装置１５０の小型化が図られる。

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構造とから成り、端子部は、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、これにより、電路１７７ｃ及び１７７ｄの役割を担う。電路用回路は、電路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。即ち、配電部１４０に大型の電気的素子を集約させることにより、制御基板１５３の更なる小型化が可能となる。

また、かかる配電部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が好ましい。これにより、配電部１４０は、パワー半導体素子に中継させ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等を構成させるため、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。即ち、配電部１４０は、フィルター回路１４４の小型化に伴い、当該配電部の筐体が小型化される。

また、配電部１４０は、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ので、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。

本実施の形態に係るモータユニット１００によると、ベアリングＢＲを取り付けるモータ側ブラケット１３０が小型化されるので、当該ベアリングＢＲの取付作業が容易となる。また、モータ側ブラケット１３０が小型化されるので、モータユニット１００の装置全体が小さくなり、生産ラインにおける固定治具の小型化を実現できる。

また、モータ側ブラケット１３０に取り付けられるベアリングＢＲは、当該モータ側ブラケット１３０の外部から取付られるので、モータユニット１００の煩雑な分解作業を行なうことなく、当該ベアリングＢＲの取り外し作業が可能となる。

本実施の形態に係る電動パワーステアリング装置２００によると、当該電動パワーステアリング装置２００からモータユニット１００を取り外しただけで、ベアリングＢＲの状態を目視することが可能となり、これにより、モータ側ブラケット１３０に固定されたベアリングＢＲの故障判断が容易となる。

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 (5)

1. 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が実装された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に装着され前記駆動軸を回動自在に軸支させるベアリングと、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、を備える電動パワーステアリング用モータユニットにおいて、
   前記ベアリングを収容させるベアリングホルダーは、前記モータ側ブラケットのうちギヤボックス構造部との当接面に形成され、当該ギヤボックス構造部との当接面からモータ側へ向かって前記ベアリングを装着させており、
   前記パワー素子用基板は、接着樹脂またはグリスを介して前記モータ側ブラケットに積層され、
   前記接着樹脂または前記グリスは、前記モータ側ブラケットの材質及び前記パワー素子用基板の材質よりも弾性係数が高い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。
2. 前記制御基板と前記パワー素子用基板との間には、入力電力を中継させる電路と前記電路に介挿された電路用回路とから成る配電部を備えてい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。
3. 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。
4. 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３に記載の電動用パワーステアリング用ユニット。
5. 請求項１乃至請求項４のうち何れか一項に記載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、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。

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