JP5942967B2 - 駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、駆動源としてのモータを備える駆動装置に関する。

従来、モータおよび制御ユニットが一体に設けられた駆動装置が知られている。制御ユニットは、モータの回転角を検出可能な回転角センサと、モータのステータの巻線への通電を切り替えるスイッチング素子を有する半導体モジュールとを含む。例えば特許文献１では、半導体モジュールはヒートシンクに固定され、また回転角センサは、ヒートシンクに固定された基板に取り付けられている。ヒートシンクは、モータの回転軸の一端部の延長上に設けられ、モータのハウジングに固定されている。

特開２０１２−１５２０９１号公報

ヒートシンクおよび基板は、互いに異なる材料から構成されている。そのため、基板には、温度変化時、ヒートシンクとの熱膨張率の違いに起因する熱応力がかかる。ここで、特許文献１では、ヒートシンクの形状が歪であることから、基板にかかる熱応力分布は、基板の面方向で偏ったものとなる。特に、回転角センサを挟んだ両側の熱応力には大きな差が生じる。したがって、回転角センサに作用する応力が増大し、回転角センサの検出誤差が大きくなる問題があった。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転角センサの検出誤差を低減することができる駆動装置を提供することである。

本発明の駆動装置は、ハウジングと、ハウジング内に設けられているステータと、ステータに対し相対回転可能なロータと、ロータと一体に設けられている回転軸と、ハウジング外で回転軸の一端部の延長上に設けられているヒートシンクと、ヒートシンクとハウジングとの間に設けられている基板と、ステータの巻線への通電を切り替えるスイッチング素子を有している半導体モジュールと、ハウジング外で回転軸の一端部に取り付けられている被検出部材と、被検出部材の回転角を検出可能であり、基板に取り付けられている回転角センサと、を備えている。

ヒートシンクはハウジングに固定されており、また、基板および半導体モジュールはヒートシンクに固定されている。基板は、回転角センサが取り付けられている中央部、および、ヒートシンクに固定されている外周部を有している。
ヒートシンクは、回転軸の軸方向から見て基板の外周部に沿うように形成されている筒部、当該筒部に対しハウジング側に位置している底部、および、底部から外側に突き出しておりハウジングに固定されているフランジ部を有している。ヒートシンクの筒部は、周方向において全周連続している形状であり、軸方向の長さが全周均一である。

このように構成することで、温度変化に伴いヒートシンクが変形するとき、周方向における筒部の変形量の差は小さくなる。そのため、基板にかかる熱応力分布は、基板の面方向での偏りが抑えられる。つまり、熱応力は、基板の中央部から周囲の外周部にかけて変化するようになる。これにより、回転角センサが取り付けられている基板の中央部は、面方向の応力変化が小さくなる。したがって、回転角センサに作用する応力を可及的に小さくすることができる。よって、回転角センサの検出誤差を低減することができる。

本発明の一実施形態による駆動装置の断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 図２のヒートシンクを矢印ＩＩＩ方向から見た図である。 図３のヒートシンクを矢印ＩＶ方向から見た図である。 図４のヒートシンクを矢印Ｖ方向から見た図である。 図４のＶＩ−ＶＩ線断面図である。 図５のヒートシンクに制御基板およびコネクタを固定したときの図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づき説明する。
＜一実施形態＞
本発明の一実施形態による駆動装置は、例えば車両の電動パワーステアリング装置に用いられる。図１に示すように、駆動装置１０は、モータ２０とこれを制御する制御ユニット４０とが一体に設けられている機電一体型の駆動装置である。

［全体構成］
先ず、駆動装置１０の全体構成について図１、図２を参照して説明する。
（モータ）
モータ２０は、ハウジング２１、ステータ２８、ロータ３３および回転軸３６を備えている。本実施形態では、モータ２０は三相ブラシレスモータから構成されている。

ハウジング２１は、ケース２２、第１フレーム２３および第２フレーム２４から構成されている。ケース２２は、軟磁性材からなる円筒状部材である。第１フレーム２３は、ケース２２の一端部を塞ぐように設けられている。第１フレーム２３の中央には、軸受２５が設けられている。第２フレーム２４は、ケース２２の他端部を塞ぐように設けられている。第２フレーム２４の中央には、軸受２６が設けられている。第１フレーム２３および第２フレーム２４は、ケース２２を挟持しており、複数のスルーボルト２７によって締結されている。

ステータ２８は、ケース２２の内側に嵌めつけられているステータコア２９と、ステータコア２９に巻回されている巻線３１とから構成されている。巻線３１は、Ｕ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルからなる３相巻線を構成している。本実施形態では、巻線３１は、２組の３相巻線を構成している。各相コイルから取り出されたモータ線３２は、第１フレーム２３を挿通してハウジング２１外に延び出している。

ロータ３３は、ステータ２８の内側で回転可能に設けられており、ロータコア３４と複数の永久磁石３５とから構成されている。ロータコア３４は、筒状であり、ステータコア２９と同軸上に設けられている。各永久磁石３５は、径方向外側の磁極が周方向で交互になるように、ロータコア３４の外周面に貼り付けられている。

回転軸３６は、ロータ３３と同軸上に位置し、ロータコア３４と一体に設けられている。回転軸３６は、ロータコア３４を軸方向へ挿通しており、軸受２５、２６により回転可能に支持されている。回転軸３６の一端部３７および他端部３８は、ハウジング２１外へ延び出している。回転軸３６の一端部３７には、永久磁石から構成される被検出部材３９が固定されている。この被検出部材３９は、後述の回転角センサ４５が回転軸３６の回転角を検出するために用いられる。

（制御ユニット）
制御ユニット４０は、ヒートシンク４１、制御基板４３、回転角センサ４５、パワー基板４６、半導体モジュール４８およびコネクタ５５等を備えている。
ヒートシンク４１は、回転軸３６の一端部３７の延長上に設けられ、スクリュー４２により第１フレーム２３に固定されている。スクリュー４２は、特許請求の範囲に記載の「第２締結部材」に相当する。ヒートシンク４１は、アルミ等の熱伝導性のよい材料から成る。

制御基板４３は、例えば樹脂製であり、ヒートシンク４１と第１フレーム２３との間に設けられ、スクリュー４４によりヒートシンク４１に固定されている。スクリュー４４は、特許請求の範囲に記載の「第１締結部材」に相当する。制御基板４３には、回転角センサ４５および図示しないマイコン等の比較的通電量の小さい制御系の電子部品が実装されている。

回転角センサ４５は、軸方向において被検出部材３９と対向する位置に設けられ、制御基板４３に取り付けられている。回転角センサ４５は、被検出部材３９の磁束を検出することによって、被検出部材３９の回転角、すなわち回転軸３６およびロータ３３の回転角を検出可能である。

パワー基板４６は、ヒートシンク４１に対し制御基板４３とは反対側に設けられ、スクリュー４７によりヒートシンク４１に固定されている。パワー基板４６には、図示しないコンデンサやチョークコイル等の比較的通電量の大きいパワー系の電子部品が実装されている。

半導体モジュール４８は、ステータ２８の各相コイルへの通電を切り替える図示しないスイッチング素子を有している。本実施形態では、半導体モジュール４８は、２組の３相巻線に対応して２個設けられている。半導体モジュール４８は、ヒートシンク４１を挟んで両側に設けられ、スクリュー４９によりヒートシンク４１に固定されている。

また、半導体モジュール４８は、スイッチング素子をモールドしているモールド部５１から突き出している端子として、制御端子５２、パワー端子５３およびモータ端子５４を有している。制御端子５２は、制御基板４３に半田等により接続されている。パワー端子５３は、パワー基板４６に半田等により接続されている。モータ端子５４には、モータ線３２が半田等により接続されている。

コネクタ５５は、外部との電力および電気信号のやりとりに使用され、制御接続端子５６およびパワー接続端子５７を有している。制御接続端子５６は、制御基板４３に半田等により接続されている。パワー接続端子５７は、パワー基板４６に半田等により接続されている。また、コネクタ５５は、カラム５８を形成しており、このカラム５８を挿通されたスクリュー４４によって制御基板４３と共にヒートシンク４１に締め付けられている。

このように構成されたモータ２０では、回転角センサ４５により検出された回転軸３６の回転角を示す電気信号がマイコンに出力される。そしてマイコンによってステータ２８の巻線１６の各相コイルへの通電が順次切り替えられると回転磁界が発生し、この回転磁界がロータ３３を引っ張ることによって回転軸３６が回転する。

［特徴構成］
次に、駆動装置１０の特徴構成について図１〜図７を参照して説明する。
（ヒートシンク）
図１〜図６に示すように、ヒートシンク４１は、回転軸３６の軸方向へ延びている筒部６１と、筒部６１に対し第１フレーム２３側に位置している底部６２と、底部６２から外側に突き出している２つのフランジ部６３、６４とを形成している。
筒部６１は、軸方向から見て長方形状に形成されている。半導体モジュール４８は、筒部６１の外壁のうち長辺部分に固定されている。フランジ部６３、６４は、筒部６１の外壁のうち短辺部分から外側に突き出すように形成されている。

フランジ部６３は、２つの通孔６５を有しており、当該通孔６５に挿入されたスクリュー４２によって第１フレーム２３に締め付けられている。また、フランジ部６３は、スクリュー４４が締め込まれている２つの雌ねじ６６を有している。
フランジ部６４は、１つの通孔６５を有しており、当該通孔６５に挿入されたスクリュー４２によって第１フレーム２３に締め付けられている。また、フランジ部６４は、スクリュー４４が締め込まれている２つの雌ねじ６６を有している。

図３、図５に示すように、ヒートシンク４１を軸方向から見たときの外形状は、軸方向に直交する所定の仮想直線６７に対して略線対称に形成されている。
図５に示すように、フランジ部６３の２つの通孔６５、および、４つの雌ねじ６６は、仮想直線６７に対して線対称に位置している。また、フランジ部６３の通孔６５は、仮想直線６７上に位置している。

（制御基板）
図７に示すように、制御基板４３は、軸方向から見たとき長方形状であり、仮想直線６７に対して線対称な形状である。また、制御基板４３は、回転角センサ４５が取り付けられている中央部６８（図７中において二点鎖線のハッチングで示す部分）、および、ヒートシンク４１に固定されている外周部６９（中央部６８以外の部分）を形成している。ここで、制御基板３４のうち、一対の長辺が対向する方向の幅を長辺対向幅とし、一対の短辺が対向する方向の幅を短辺対向幅とする。本実施形態では、例えば、中央部６８は、長辺対向の幅が長辺対向幅の約半分に設定され、また短辺対向の幅が短辺対向幅の約半分に設定されている。
ヒートシンク４１の通孔６５、すなわちスクリュー４２によるヒートシンク４１の締結箇所は、制御基板４３を軸方向から見たとき当該制御基板４３に対し外側に位置している。

制御基板４３の外周部６９のうち、仮想直線６７と平行な方向で対向する一対の辺部を第１辺部７１および第２辺部７２とし、仮想直線６７を挟んで対向する一対の辺部を第３辺部７３および第４辺部７４とする。第１辺部７１は、仮想直線６７に対して線対称な２つの通孔７５を有しており、通孔７５に挿入された２つのスクリュー４４によってヒートシンク４１のフランジ部６３に締め付けられている。また、第１辺部７１には、コネクタ５５の制御接続端子５６が接続されている。第２辺部７２は、仮想直線６７に対して線対称な２つの通孔７５を有しており、通孔７５に挿入された２つのスクリュー４４によってヒートシンク４１のフランジ部６４に締め付けられている。第３辺部７３および第４辺部７４には、半導体モジュール４８の制御端子５２が接続されている。これにより、制御基板４３の全ての辺部７１、７２、７３、７４は、スクリュー４４または半導体モジュール４８によりヒートシンク４１に固定されている。

（回転角センサ）
回転角センサ４５は、制御基板４３の中央部６８のうち、仮想直線６７上に設けられている。
（ヒートシンクの筒部）
ヒートシンク４１の筒部６１は、軸方向から見て制御基板４３の外周部６９に沿うように周方向において全周連続して形成され、軸方向の長さが全周均一である。

［効果］
以上説明したように、本実施形態では、制御基板４３は、回転角センサ４５が取り付けられている中央部６８、および、ヒートシンク４１に固定されている外周部６９を形成している。
ヒートシンク４１は、回転軸３６の軸方向から見て制御基板４３の外周部６９に沿うように形成されている筒部６１、当該筒部６１に対し第１フレーム２３側に位置している底部６２、および、底部６２から外側に突き出し第１フレーム２３に固定されているフランジ部６３、６４を形成している。ヒートシンク４１の筒部６１は、周方向において全周連続して形成され、軸方向の長さが全周均一である。

このように構成することで、温度変化に伴いヒートシンク４１が変形するとき、周方向における筒部６１の変形量の差は小さくなる。そのため、制御基板４３にかかる熱応力分布は、制御基板４３の面方向での偏りが抑えられる。つまり、熱応力は、制御基板４３の中央部６８から周囲の外周部６９にかけて変化するようになる。これにより、回転角センサ４５が取り付けられている制御基板４３の中央部６８は、面方向の応力変化が小さくなる。したがって、回転角センサ４５に作用する応力を可及的に小さくすることができる。よって、回転角センサ４５の検出誤差を低減することができる。

また、第１実施形態では、スクリュー４４による制御基板４３の締結箇所は、軸方向に直交する所定の仮想直線６７に対して線対称に位置している。そのため、制御基板４３にかかる熱応力分布の面方向での偏りがさらに抑えられる。したがって、回転角センサ４５の検出誤差をさらに低減することができる。

また、第１実施形態では、回転角センサ４５は、仮想直線６７上に設けられている。したがって、制御基板４３のうち、熱応力分布の偏りが最も少ない位置に回転角センサ４５が設けられるので、回転角センサ４５の検出誤差をさらに低減することができる。

また、第１実施形態では、スクリュー４２によるヒートシンク４１の締結箇所は、制御基板４３を軸方向から見たとき当該制御基板４３に対し外側に位置している。そのため、制御基板４３を仮想直線６７に対して線対称な形状に形成しやすい。

また、第１実施形態では、制御基板４３は、軸方向から見たとき矩形状であり、全ての辺部７１、７２、７３、７４がヒートシンク４１に固定されている。そのため、温度変化時のヒートシンク４１の歪みを制御基板４３の面全体で受けることができる。したがって、回転角センサ４５にかかる応力を低減することができる。

また、第１実施形態では、制御基板４３の第１辺部７１および第２辺部７２は、スクリュー４４によりヒートシンク４１に固定され、制御基板４３の第３辺部７３および第４辺部７４は、半導体モジュール４８を介してヒートシンク４１に固定されている。このようにして制御基板４３の全ての辺部７１、７２、７３、７４をヒートシンク４１に固定することができる。

また、第１実施形態では、外部との電気信号のやりとりに使用するコネクタ５５は、制御基板４３の第１辺部７１に接続されている制御接続端子５６を有し、制御基板４３と共にスクリュー４４によりヒートシンク４１に締め付けられている。これにより、コネクタ５５を介して制御基板４３の第１辺部７１をヒートシンク４１に固定することができる。

＜他の実施形態＞
本発明の他の実施形態では、ヒートシンクの筒部を軸方向から見た形状は、長方形状に限らず、例えば正方形状や楕円形状など、他の形状であってもよい。要するに、筒部は、周方向で連続して形成されていればよい。
本発明の他の実施形態では、ヒートシンクの締結箇所は、２箇所、または４箇所以上であってもよい。また、ヒートシンクの締結箇所は、仮想直線に対し完全に線対称でなくてもよい。

本発明の他の実施形態では、制御基板の締結箇所は、３箇所以下、または５箇所以上であってもよい。また、制御基板の締結箇所は、仮想直線に対し完全に線対称でなくてもよい。
本発明の他の実施形態では、制御基板を軸方向から見たときの形状は、長方形状に限らず、例えば正方形状や楕円形状など、他の形状であってもよい。また、制御基板を軸方向から見たときの形状は、仮想直線に対し完全に線対称でなくてもよい。

本発明の他の実施形態では、回転角センサは、仮想直線から外れた位置に設けられてもよい。要するに、回転角センサは、制御基板の中央部に設けられればよい。
本発明の他の実施形態では、駆動装置は、電動パワーステアリング装置以外に適用してもよい。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。

１０ ・・・駆動装置 ２１・・・ハウジング
２８ ・・・ステータ ３１・・・巻線
３３ ・・・ロータ ３６・・・回転軸
３７ ・・・一端部 ３９・・・被検出部材
４１ ・・・ヒートシンク ４３・・・制御基板（基板）
４５ ・・・回転角センサ ４８・・・半導体モジュール
６１ ・・・筒部 ６２・・・底部
６３、６４・・・フランジ部 ６８・・・中央部
６９ ・・・外周部

Claims (7)

1. ハウジング（２１）と、
   前記ハウジング内に設けられているステータ（２８）と、
   前記ステータに対し相対回転可能なロータ（３３）と、
   前記ロータと一体に設けられており、前記ハウジングにより回転可能に支持されており、一端部（３７）が前記ハウジング外へ延び出している回転軸（３６）と、
   前記回転軸の前記一端部の延長上に設けられており、前記ハウジングに固定されているヒートシンク（４１）と、
   前記ヒートシンクと前記ハウジングとの間に設けられており、前記ヒートシンクに固定されている基板（４３）と
   前記ステータの巻線（３１）への通電を切り替えるスイッチング素子を有し、前記ヒートシンクに固定されている１個または複数個の半導体モジュール（４８）と、
   前記ハウジング外で前記回転軸の前記一端部に取り付けられている被検出部材（３９）と、
   前記被検出部材の回転角を検出可能であり、前記基板に取り付けられている回転角センサ（４５）と、
   を備え、
   前記基板は、前記回転角センサが取り付けられている中央部（６８）、および、前記ヒートシンクに固定されている外周部（６９）を有しており、
   前記ヒートシンクは、前記回転軸の軸方向から見て前記基板の前記外周部に沿うように形成されている筒部（６１）、当該筒部に対し前記ハウジング側に位置している底部（６２）、および、前記底部から外側に突き出しており前記ハウジングに固定されているフランジ部（６３、６４）を有しており、
   前記ヒートシンクの前記筒部は、周方向において全周連続している形状であり、前記軸方向の長さが全周均一であることを特徴とする駆動装置。
2. 前記基板と前記ヒートシンクとを締結している複数の第１締結部材（４４）をさらに備え、
   前記第１締結部材による前記基板の締結箇所は、前記軸方向に直交する所定の仮想直線（６７）に対して線対称に位置していることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記回転角センサは、前記仮想直線と重なる位置に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の駆動装置。
4. 前記ヒートシンクの前記フランジ部と前記ハウジングとを締結している複数の第２締結部材（４２）をさらに備え、
   前記第２締結部材による前記ヒートシンクの締結箇所は、前記基板を前記軸方向から見たとき当該基板に対し外側に位置していることを特徴とする請求項３に記載の駆動装置。
5. 前記基板の形状は、前記軸方向から見たとき矩形状であり、
   前記基板の全ての辺部（７１、７２、７３、７４）は、前記ヒートシンクに固定されていることを特徴とする請求項４に記載の駆動装置。
6. 前記基板のうち、前記仮想直線と平行な方向で対向する一対の辺部を第１辺部（７１）および第２辺部（７２）とし、前記仮想直線を挟んで対向する一対の辺部を第３辺部（７３）および第４辺部（７４）とすると、
   前記半導体モジュールは２個設けられ、
   一方の半導体モジュールは、前記基板の前記第３辺部に接続されている端子（５２）を有し、
   他方の半導体モジュールは、前記基板の前記第４辺部に接続されている端子（５２）を有し、
   前記基板の前記第１辺部および第２辺部は、前記第１締結部材により前記ヒートシンクに固定されており、
   前記基板の前記第３辺部および第４辺部は、前記半導体モジュールを介して前記ヒートシンクに固定されていることを特徴とする請求項５に記載の駆動装置。
7. 外部との電気信号のやりとりに使用するコネクタ（５５）をさらに備え、
   前記コネクタは、前記基板の前記第１辺部に接続されている端子（５６）を有し、前記基板と共に前記第１締結部材により前記ヒートシンクに締め付けられていることを特徴とする請求項６に記載の駆動装置。

Images