JP5959693B1 - 制御ユニット一体型電動駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検出角度精度が良く、小型軽量かつトルクリップルの小さな制御ユニット一体型電動駆動装置を提供する。【解決手段】ハウジング４に回転自在に支持されたシャフト６の一端に固定され、ホルダ１０と一体化されたセンサ用マグネット９を備え、ホルダ１０は、一端に穴の空いた底面を有する円筒状の非磁性体で構成されると共に、センサ用マグネット９は、ホルダ１０の底面の両側かつ外周側に射出成形されて一体化され、ホルダ１０とセンサ用マグネット９は、シャフト６の一端と空隙を介して離間して配置されると共に、ホルダ１０のシャフト６との固定部分を円形接触面を有する構成とした。【選択図】図２

Description

この発明は、車両用の電動パワーステアリング装置に搭載されるモータと制御ユニットをモータの出力軸の同軸上に一体化した制御ユニット一体型電動駆動装置に関するものである。

モータと制御ユニットを一体化した制御ユニット一体型電動駆動装置に使用される半導体センサは、主に磁気抵抗素子が用いられ、モータの回転軸であるシャフトの端部にホルダを介して取り付けられるセンサ用マグネットの回転磁界を検出し、モータの回転角度を検出する。

従来、シャフトへのセンサ用マグネットの保持方法として、例えば特開２００５−３１８６８７号公報（特許文献１）に開示されているように、シャフトの端部を軸方向に切欠いて平面にした部分に、これよりひとまわり大きな中心穴の空いたセンサ用マグネットを挿入して、ワッシャで固定する技術が知られている。

また、シャフトへのセンサ用マグネットの別の保持方法として、例えば特開２０１３−７７３１号公報（特許文献２）に開示されているように、磁気誘導部なる磁性材を有するホルダの内部にセンサ用マグネットを保持し、ホルダをシャフトの外周に固定する技術が知られている。

更に、シャフトへのセンサ用マグネットの別の保持方法として、例えば特開２０１４−５７４３１号公報（特許文献３）に開示されているように、略円筒形状を有するホルダの一端内部にセンサ用マグネットを固定し、他端をシャフト外周に固定する技術が知られている。

特開２００５−３１８６８７号公報 特開２０１３−７７３１号公報 特開２０１４−５７４３１号公報

電動パワーステアリング装置に搭載されるモータと制御ユニットを一体化した制御ユニット一体型電動駆動装置のセンサ用マグネットには、簡易な構造でシャフトに固定できることなどの構造面からの課題、マグネットの着磁や平行な配向が容易なことなどの製造面からの課題、小型軽量で角度検出誤差が小さいことなどの機能面や性能面からの課題がある。

構造面については、例えば特許文献１のように、シャフトに平面部分を設けることは、加工工数や加工時間が増加することや、シャフトとセンサ用マグネットを位置決めして挿入しなければならないので、カメラ等の設備投資が増加するなどの問題がある。

また、製造面については、例えば特許文献２のように、一般的なＮＳ２極のパラレル配向に対して穴の空いたマグネット形状やシャフトが貫通した状態などでは着磁が難しいことや、ホルダの内部にセンサ用マグネットを保持する場合に、着磁ヨークとマグネットとの間に空隙とホルダを介して大電流で着磁しなければならず、発熱に対する冷却性能の大きな設備が必要になることやタクトタイムが増加するなどの問題がある。

更に、機能面や性能面については、例えば特許文献２のように、センサ用マグネットに穴が空いている形状では、回転軸上の近傍の磁界強度が低下するので、半導体センサを遠方に配置しなければならない。このため、電動駆動装置の大型化や重量増加によるステアリングギアへの搭載性の悪化や車両燃費の悪化が生じてしまう問題がある。また、例えば特許文献３のように、複雑なパーツからなるホルダや複雑な形状のホルダでは、センサ用マグネットの偏心や傾きが生じて角度誤差が悪化し、トルクリップルなどの操舵フィーリングが悪化する問題がある。

この発明は、上記のような従来装置の課題を解決するためになされたもので、小型軽量で、かつトルクリップルの小さな制御ユニット一体型電動駆動装置の提供を目的とするものである。

この発明による制御ユニット一体型電動駆動装置は、モータ部を制御する制御ユニットを前記モータ部の出力軸に同軸に配置し、前記制御ユニットと前記モータ部を一体化した制御ユニット一体型電動駆動装置において、
前記モータ部は、ハウジングの内周に嵌合された固定子と、前記ハウジングに回転自在に支持されたシャフトと、前記シャフトに固定され、前記固定子と空隙を介して対向する回転子と、前記シャフトのモータ出力側と反対側の一端に固定され、ホルダと一体化されたセンサ用マグネットと、前記センサ用マグネットの磁界を検出する回転角度検出手段と、前記回転角度検出手段で検出した前記回転子の回転角度に応じて前記モータ部の制御を行う制御ユニットと、を備え、
前記ホルダは、一端に穴の空いた底面を有する円筒状の非磁性体で構成されると共に、前記センサ用マグネットは、前記シャフトの軸方向に前記ホルダと重なっている部分の厚さをｔ２とし、前記厚さｔ２以外の前記ホルダと重なっていない部分の厚さをｔ１とした場合、ｔ１＞ｔ２なる関係を有して前記ホルダの底面の両側かつ外周側に一体化され、
前記ホルダと前記センサ用マグネットは、前記シャフトの一端と空隙を介して離間して配置されると共に、前記ホルダの前記シャフトとの固定部分を円形接触面を有する構成としたものである。

この発明によれば、前記構成により、小型軽量で、かつトルクリップルの小さな制御ユニット一体型電動駆動装置を提供することができる。

この発明の実施の形態１による制御ユニット一体型電動駆動装置を示す断面図である。 この発明の実施の形態１による制御ユニット一体型電動駆動装置のセンサ用マグネットとホルダを示す断面図である。 この発明の実施の形態２による制御ユニット一体型電動駆動装置のセンサ用マグネットとホルダを示す断面図である。 この発明の実施の形態２による制御ユニット一体型電動駆動装置のセンサ用マグネットとシャフト端面との空隙距離と、空隙１ｍｍあたりの磁界強度の増加率を示す図である。 この発明の実施の形態３による制御ユニット一体型電動駆動装置のセンサ用マグネットとホルダを示す断面図である。 この発明の実施の形態３による制御ユニット一体型電動駆動装置のセンサ用マグネットとホルダの異なる施例を示す断面図である。 この発明の実施の形態３による制御ユニット一体型電動駆動装置のセンサ用マグネットとホルダの異なる他の実施例を示す断面図である。 この発明の実施の形態３による制御ユニット一体型電動駆動装置のセンサ用マグネットとホルダの異なる他の実施例を示す断面図である。 この発明の実施の形態４による制御ユニット一体型電動駆動装置のセンサ用マグネットとホルダの断面図である。 この発明の実施の形態４による制御ユニット一体型電動駆動装置のセンサ用マグネットとホルダの異なる実施例を示す断面図である。 この発明の実施の形態４による制御ユニット一体型電動駆動装置のセンサ用マグネットとホルダの異なる他の実施例を示す断面図である。 この発明の実施の形態５による制御ユニット一体型電動駆動装置のセンサ用マグネットとホルダを示す断面図である。 この発明の実施の形態５による制御ユニット一体型電動駆動装置のセンサ用マグネットとホルダの異なる実施例を示す断面図である。 この発明の実施の形態５による制御ユニット一体型電動駆動装置のセンサ用マグネットとホルダの異なる他の実施例を示す断面図である。

以下、この発明による制御ユニット一体型電動駆動装置の好適な実施の形態について図面を参照して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による制御ユニット一体型電動駆動装置を示す断面図である。制御ユニット一体型電動駆動装置（以下、単に電動駆動装置という。）１は、電動パワーステアリング装置のステアリングギアを駆動する駆動装置として使用され、モータ部２と、モータ部２を制御すると共に電力を供給する制御ユニットであるＥＣＵ（Electronic Control Unit ）部３から構成される。モータ部２は、ステアリングギア（図示せず）に固定されたハウジング４と、ハウジング４の内部に固定された電機子である筒状の固定子５と、ハウジング４に回転自在に支持された磁性体のシャフト６と、シャフト６に固定され、固定子５と空隙を介して回転自在に対向する回転子７を備えている。なお、回転子７は永久磁石により構成されている。

運転者の操舵力に応じて電動駆動装置１が出力するアシストトルクは、シャフト６の一端に嵌合されたプーリまたはボスを介してステアリングギアのシャフトに伝達される。伝達されたトルクは回転運動からステアリングホイールの向きを変える平行運動の力に変換されて車両が操舵される。また、回転子７の回転角度を検出する回転角度検出手段としての半導体センサ８に対向するセンサ用マグネット９と、センサ用マグネット９を支持するホルダ１０が、シャフト６の他端に圧入して嵌合され、回転子７と一体に回転自在に設けられている。

ＥＣＵ部３は、ステアリングギアへの固定側１１とは反対側１２に、モータ部２と同軸に配置される。半導体センサ８は、回転自在なセンサ用マグネット９の磁界を検出するホールセンサや磁気抵抗センサなどから構成される。モータ部２は、半導体センサ８で検出された回転子７の回転角度に応じて電力供給と制御信号入出力を行うＥＣＵ部３、例えばインバータ回路とその制御回路により制御される。

図２は、電動駆動装置１のセンサ用マグネット９とホルダ１０を示す断面図で、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｃ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
センサ用マグネット９は、円柱部２０と円柱部２０の両端で平面部２１を有する形状の射出成形磁石で構成されている。センサ用マグネット９は、ステンレス等の非磁性材のホルダ１０に一体成型される。ホルダ１０は、中空の円筒部２２と円筒部２２の一端で平面部２３を有する形状に絞り加工されている。ホルダ１０の平面部２３には中心穴２４が形成され、この中心穴２４を通してセンサ用マグネット９がホルダ１０の円筒部２２の中空部２５にも射出成形により一体成形されている。

ここで、センサ用マグネット９は、シャフト６の軸方向にホルダ１０と重なっている部分の厚さをｔ２とし、厚さｔ２以外のホルダ１０と重なっていない部分の厚さをｔ１とすると、ｔ１＞ｔ２なる関係を有している。

前記のようにセンサ用マグネット９がホルダ１０の円筒部２２の中空部２５にも射出成形により一体成型されるので、センサ用マグネット９がホルダ１０から抜けない構造とすることができる。センサ用マグネット９とホルダ１０を一体化することにより、着磁工程やシャフト６への圧入工程での取り扱いが容易となる。

また、ホルダ１０の平面部２３はシャフト６へ圧入する場合に、過大な圧入応力をセンサ用マグネット９にかけることなく、圧入応力の受けとすることができるので、センサ用マグネット９の欠けや割れが発生しない。

また、ホルダ１０とシャフト６の嵌合部２６は互いに円形であり、相対的な位置決め形状を有していない。シャフト６の一端には、モータ部２の組み立てで回転子７を支持する中心穴２７が設けられており、センサ用マグネット９はシャフト６の端面とは離間して配置される。このため、ホルダ１０とシャフト６との圧入の残留応力がセンサ用マグネット９に作用することが無く、センサ用マグネット９の欠けや割れが発生しない。

実施の形態１による電動駆動装置１は前記のように構成されており、次のような効果が得られる。
まず、センサ用マグネット９を着磁した後にホルダ１０をシャフト６に圧入する場合、回転子７と着磁方向の相対角度に制約が無く、回転子角度を固定すれば、円形のシャフト６の嵌合部２６にそのまま圧入でき、嵌合部２６の角度をセンサやカメラで検出するなどの設備が不要となる特徴を有する。また、ホルダ１０は絞り加工で成形されているので、簡易な構造でこれを実現できる。

また、センサ用マグネット９はホルダ１０の形状に関わらず、空隙のみを介して着磁ヨークで着磁できるので、必要な電流値が小さく、着磁ヨークの温度上昇も低減できる効果が得られる。センサ用マグネット９には穴が無いので、着磁の配向ずれが小さく、均一なパラレル配向が得られる特徴を有する。

更に、センサ用マグネット９は円柱形状であること、およびシャフト６とセンサ用マグネット９とが当接されないので漏れ磁束が小さいことから、シャフト６の近傍の磁場強度が低下せず、半導体センサ８をセンサ用マグネット９に近接して配置できるので、モータ部２とＥＣＵ部３を一体化した電動駆動装置１の小型軽量化が可能となる顕著な効果が得られる。

通常、シャフト６の端面にはモータ部２の組み立てで回転子７を支持する中心穴が設けられているので、シャフト６の端面とシャフト６との直角度は良好でない。シャフト６の端面にセンサ用マグネット９を当接すると、シャフト６の端面が基準となることで、シャフト６に対してセンサ用マグネット９が傾いたり、ホルダ１０が座屈してシャフト６に対して偏心したりして、回転磁界が歪み、角度検出精度が悪化して、トルクリップルが悪化する。しかし、実施の形態１によれば、シャフト６とセンサ用マグネット９を当接させないので、この問題を解決でき、操舵フィーリングを改善できる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２による電動駆動装置について説明する。実施の形態２による電動駆動装置は、センサ用マグネットとホルダを除くと実施の形態１と同様であるので、図示説明を省略し、ここでは、構成の異なるセンサ用マグネットとホルダについて説明する。

図３は、実施の形態２による電動駆動装置のセンサ用マグネットとホルダを示す断面図で、実施の形態１と同一、若しくは相当する部分には同一符号を付している。なお、図３（ａ）は側面断面図、（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｃ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
図３において、シャフト６の端面とセンサ用マグネット９との空隙の距離をｇとする。このとき、空隙の距離ｇを１ｍｍ変化させた場合に、半導体センサ８（図１参照）が検知する磁界強度の増加率を図４に示す。例えば、空隙の距離ｇを０．５ｍｍから３．５ｍｍに増加させた場合には、横軸と縦軸で囲まれた面積、すなわち積分した値だけ磁界強度が増加することを表している。

これは、センサ用マグネット９の直径が１５ｍｍ、厚み５ｍｍ、シャフト６の外径が１０ｍｍ、ホルダ１０は０．５ｍｍ厚の非磁性材、半導体センサ８をセンサ用マグネット９の中心軸上２ｍｍの位置とした場合の計算結果である。縦軸はシャフト６の端面にセンサ用マグネット９を当接した場合の磁界強度を１００％としており、空隙の距離ｇに対して、磁性体のシャフト６への漏れ磁束が低減できるので、磁界強度の増加率は常にプラスの値となる。空隙の距離ｇが２ｍｍ以下では、磁界強度の増加率は大きいが、２ｍｍ以上ではシャフト６への漏れ磁束が空隙の磁気抵抗が大きくなり少なくなっていくことから増加率が小さくなり、ほとんど一定値となっていくことが分かる。

半導体センサ８での角度検出精度は、半導体センサ８とセンサ用マグネット９との相対距離にも依存する。モータと制御ユニットを一体化した電動駆動装置の個体ごとに相対距離が変動した場合、磁界強度ばらつきによる角度検出誤差のばらつきが大きく、出力トルクに重畳するトルクリップルのばらつきが大きくなってしまう特有の問題がある。

例えば、ホルダ１０をステアリングギアへの固定側１１（図１参照）を基準に圧入する場合、センサ用マグネット９の軸方向公差はシャフト公差で決まり、かつ、半導体センサ８はハウジング４やＥＣＵ部３を含んだ公差で決まるので、相対距離のばらつきが大きい。このような場合には空隙の距離ｇを２ｍｍ以上とすることで、磁界強度のばらつきを低減することができる特徴を有する。また、磁界強度も大きいので、漏れ磁束が減った分をセンサ用マグネット９の厚みを減らしてコストダウンを図ることができる利点もある。

一方、電動パワーステアリング装置が軽自動車や小型自動車に搭載される場合には、出力トルクの大きな中型自動車以上の車両に比べて、トルクリップルの許容値が小さく、操舵フィーリングへの影響が小さい場合がある。この場合、空隙の距離ｇを２ｍｍ以下にすることにより、モータと制御ユニットを一体化した電動駆動装置の全長を小さくすることができる。従って、電動ステアリング装置のステアリングコラムに直角方向に配置される小型自動車以下では、他の車載機器や運転者の脚部との干渉が少なくなるので、搭載性が改善されるという利点が得られる。また、車両重量の小さい小型自動車において、モータと制御ユニットを一体化した電動駆動装置の重量低減による燃費改善の効果は言うまでもない。

このように、実施の形態２による電動駆動装置では、実施の形態１からさらなるトルクリップル改善、もしくは、小型軽量化を選択的に実現できる顕著な効果を有する。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３による電動駆動装置について説明する。実施の形態３による電動駆動装置は、センサ用マグネットとホルダを除くと実施の形態１あるいは実施の形態２と同様であるので、図示説明を省略し、ここでは、構成の異なるセンサ用マグネットとホルダについて説明する。
図５は、実施の形態３による電動駆動装置のセンサ用マグネットとホルダを示す断面図で、実施の形態１あるいは実施の形態２と同一、若しくは相当する部分には同一符号を付している。なお、図５（ａ）は側面断面図、（ｂ）は図５（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｃ）は図５（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。

図５に示すように、実施の形態３による電動駆動装置のホルダ１０は、中心穴２４が多角形の形状に形成されている。このため、ホルダ１０に対するセンサ用マグネット９の回り止めとして機能する。

回り止めとして機能するための形状は多角形のみでなく、次のような形状でも同様の機能を発揮することができる。
即ち、図６は回転中心軸に対して、中心穴２４が偏心した位置に設けられている場合であり、図７は中心穴２４が複数個設けられている場合である。また、図８は中心穴２４のほかに、ホルダ１０の平面部２３に窪み３０を設けた場合である。

このように構成された実施の形態３による電動駆動装置においても、実施の形態１あるいは実施の形態２と同様の効果を得ることができる。

実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４による電動駆動装置について説明する。実施の形態４による電動駆動装置は、センサ用マグネットとホルダを除くと実施の形態１、実施の形態２、あるいは実施の形態３と同様であるので、図示説明を省略し、ここでは、構成の異なるセンサ用マグネットとホルダについて説明する。
図９は、実施の形態４による電動駆動装置のセンサ用マグネットとホルダを示す断面図で、実施の形態１、実施の形態２、あるいは実施の形態３と同一、若しくは相当する部分には同一符号を付している。なお、図９（ａ）は側面断面図、（ｂ）は図９（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｃ）は図９（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。

図９に示すように、実施の形態４による電動駆動装置のホルダ１０は、平面部２３が円筒部２２の外側に配置されている。
このように、ホルダ１０の平面部２３が円筒部２２の外側に配置された実施の形態４による電動駆動装置においても、実施の形態１、実施の形態２、あるいは実施の形態３と同様の効果を得られることは明らかである。特に、シャフト６の外径がセンサ用マグネット９の外径に比べて小さい場合に有効な構成である。同様に図１０、図１１に示すように、平面部２３に更に軸方向に延びる延長部３１を設けても同様の効果を得ることができる。

実施の形態５．
次に、この発明の実施の形態５による電動駆動装置について説明する。実施の形態５による電動駆動装置は、センサ用マグネットとホルダを除くと実施の形態１、実施の形態２、実施の形態３、あるいは実施の形態４と同様であるので、図示説明を省略し、ここでは、構成の異なるセンサ用マグネットとホルダについて説明する。
図１２は、実施の形態５による電動駆動装置のセンサ用マグネットとホルダを示す断面図で、実施の形態１、実施の形態２、実施の形態３、あるいは実施の形態４と同一、若しくは相当する部分には同一符号を付している。なお、図１２（ａ）は側面断面図、（ｂ）は図１２（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｃ）は図１２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。

図１２に示すように、実施の形態５による電動駆動装置のホルダ１０は、平面部２３に切欠き部３２を有している。
このように、ホルダ１０の平面部２３に切欠き部３２を有する実施の形態５による電動駆動装置においても、実施の形態１、実施の形態２、実施の形態３、あるいは実施の形態４と同様に、ホルダ１０に対するセンサ用マグネット９の回り止めとして機能する。

回り止めとして機能するための形状は多角形だけでなく、次のような形状でも同様の機能を発揮することができる。即ち、図１３および図１４に示すように、平面部２３に窪み３３を設けた場合である。

このように構成された実施の形態５による電動駆動装置においても、実施の形態１、実施の形態２、実施の形態３、あるいは実施の形態４と同様の効果を得ることができる。

以上、実施の形態１から実施の形態５について説明したが、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 電動駆動装置、２ モータ部、３ ＥＣＵ部、４ ハウジング、５ 固定子、６ シャフト、７ 回転子、８ 半導体センサ、９ センサ用マグネット、１０ ホルダ、１１ 固定側、１２ 反対側、２０ 円柱部、２１、２３ 平面部、２２ 円筒部、２４、２７ 中心穴、２５ 中空部、２６ 嵌合部、３０、３３ 窪み、３１ 延長部、３２ 切欠き部

Claims (4)

1. モータ部を制御する制御ユニットを前記モータ部の出力軸に同軸に配置し、前記制御ユニットと前記モータ部を一体化した制御ユニット一体型電動駆動装置において、
   前記モータ部は、ハウジングの内周に嵌合された固定子と、前記ハウジングに回転自在に支持されたシャフトと、前記シャフトに固定され、前記固定子と空隙を介して対向する回転子と、前記シャフトのモータ出力側と反対側の一端に固定され、ホルダと一体化されたセンサ用マグネットと、前記センサ用マグネットの磁界を検出する回転角度検出手段と、前記回転角度検出手段で検出した前記回転子の回転角度に応じて前記モータ部の制御を行う制御ユニットと、を備え、
   前記ホルダは、一端に穴の空いた底面を有する円筒状の非磁性体で構成されると共に、前記センサ用マグネットは、前記シャフトの軸方向に前記ホルダと重なっている部分の厚さをｔ２とし、前記厚さｔ２以外の前記ホルダと重なっていない部分の厚さをｔ１とした場合、ｔ１＞ｔ２なる関係を有して前記ホルダの底面の両側かつ外周側に一体化され、
   前記ホルダと前記センサ用マグネットは、前記シャフトの一端と空隙を介して離間して配置されると共に、前記ホルダの前記シャフトとの固定部分を円形接触面を有する構成としたことを特徴とする制御ユニット一体型電動駆動装置。
2. 前記ホルダは、前記センサ用マグネットの回り止めを備えていることを特徴とする請求項１に記載の制御ユニット一体型電動駆動装置。
3. 前記センサ用マグネットは、前記シャフトの端面との間に２ｍｍ以上の空隙を有して前記ホルダにより保持されていることを特徴とする請求項１または２に記載の制御ユニット一体型電動駆動装置。
4. 前記センサ用マグネットは、前記シャフトの端面との間に２ｍｍ未満の空隙を有して前記ホルダにより保持されていることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の制御ユニット一体型電動駆動装置。

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