JP6160575B2 - 駆動装置、および、これを用いた電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、駆動装置、および、これを用いた電動パワーステアリング装置に関する。

従来より、運転者によるステアリング操作を補助する電動パワーステアリング装置に用いられる駆動装置において、モータとコントローラとが一体に構成されたものが知られている。
特許文献１に記載の駆動装置が備えるコントローラは、モータが有するロータの回転軸（以下「モータ軸」という）に対して垂直に設けられた２枚の基板と、その２枚の基板の間に設けられたヒートシンクを備えている。ヒートシンクの外壁のうちモータ軸に対して平行に位置する箇所に、インバータ回路を構成する複数のスイッチング素子を樹脂モールドしたパワーモジュールが取り付けられている。これにより、この駆動装置は、パワーモジュールに通電した際に発生する熱をヒートシンクに吸収させ、パワーモジュールの放熱性を高めている。

特開２０１１−１７６９９８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の駆動装置を構成するコントローラは、２枚の基板を備えているので、基板とそこに実装される電子部品の板厚分、モータ軸方向の体格が大きくなる。また、モータ軸に対して平行に位置するヒートシンクの外壁に矩形状のパワーモジュールを取り付けているので、基板を覆う有底筒状のカバーの内側に無駄な空間が形成されることが懸念される。
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、モータ軸方向の体格を小型化可能な駆動装置、および、これを用いた電動パワーステアリング装置を提供することにある。

第１発明は、モータの軸方向の一方にモータ軸に対して垂直に基板が設けられた駆動装置において、ヒートシンクは、モータの基板側を覆うフレームエンド部と、基板のモータ側に配置されたコネクタよりも径内側に設けられた受熱部とを一体に有する。
ステータは、受熱部と一体であるフレームエンド部に直接固定されている。また、モータへ供給する電流を制御する電子部品が、１枚の基板上の両面に実装されている。

これにより、モータを制御するコントローラを構成する電子部品のうちで比較的体格の大きいコネクタは、基板のモータ側に配置される。ヒートシンクは、フレームエンド部と受熱部とを一体として、その受熱部をコネクタの径内側に設けることにより、熱容量を大きく確保することが可能である。したがって、基板を覆う有底筒状のカバーの内側に無駄な空間が形成されることなく、駆動装置は、モータ軸方向の体格を小型化することができる。
また、ヒートシンクの受熱部の反モータ側の端面を基板に近づけることで、ヒートシンクの熱容量を大きくすると共に、基板に実装される電子部品の放熱性を高めることが可能である。したがって、駆動装置は、基板に実装される電子部品に大電流を供給することができる。

第２発明は、駆動装置を備えた電動パワーステアリング装置の発明である。この電動パワーステアリング装置は、駆動装置を小型化することにより、車両への搭載性を高めることができる。

本発明の第１実施形態による駆動装置が用いられた電動パワーステアリング装置の模式図である。 本発明の第１実施形態による駆動装置の側面図である。 図２のカバーの一部を除いた側面図である。 図３のＩＶ方向の矢視図において、カバーの一部を除いた図である。 図４のＶ−Ｖ線の断面図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線の断面図である。 本発明の第２実施形態による駆動装置のカバーの一部を除いた側面図である。 図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線の断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図１から図６に示す。本実施形態の駆動装置１は、車両の電動パワーステアリング装置２に用いられる。
図１に示すように、電動パワーステアリング装置２は、運転者のステアリングホイール３の操作によりコラム軸４に生じるトルクを検出するトルクセンサ５から取得される信号、及び、車両のＣＡＮ（Controller Area Network）から取得される車速情報等の信号に基づき、駆動装置１が操舵のアシストトルクを出力する。駆動装置１が出力したそのアシストトルクは、減速ギア６を通じてコラム軸４に伝達される。コラム軸４の回転運動は、ピニオンギア７によりラック軸８の直線運動に変換される。そのラック軸８の変位量に応じて操舵輪９が操舵される。
本実施形態のコラム軸４、ピニオンギア７、及びラック軸８等が特許請求の範囲に記載の「ステアリングホイールと操舵輪との間の動力伝達を行う動力伝達機構」の一例に相当する。

図２から図５に示すように、駆動装置１は、モータ１０と、そのモータ１０を駆動制御するコントローラ２０が一体に構成されたものである。コントローラ２０は、モータ１０の出力端１６とは反対側に設けられている。なお、この駆動装置１は、車両に取り付けられた状態で、モータ１０が重力方向下側に位置し、コントローラ２０が重力方向上側に位置する。

図５に示すように、モータ１０は、例えばブラシレスモータであり、ステータ１１及びロータ１２を備えている。ステータ１１は、磁性体から円筒状に形成され、軸方向の一端がフロントフレームエンド１３に支持され、軸方向の他端がフレームエンド部３１に支持されている。このフレームエンド部３１は、後述するコントローラ２０が備えるヒートシンク３０の一部である。

ステータ１１のスロットにはコイル１４が巻かれている。ロータ１２は、磁性体から円筒状に形成され、ステータ１１の径方向内側に設けられている。ロータ１２は、ステータ１１に対し相対回転可能である。ロータ１２の有するシャフト１５は、出力端１６側がフロントフレームエンド１３に設けられた軸受１７に回転可能に支持され、他端がフレームエンド部３１に設けられた軸受１８に回転可能に支持されている。
モータ１０は、コントローラ２０からコイル１４に通電されると、ステータ１１が回転磁界を発生し、ロータ１２とシャフト１５が軸周りに回転する。

図３から図５に示すように、コントローラ２０は、フレームエンド部３１と一体に形成されたヒートシンク３０と、そのヒートシンク３０の反モータ側に設けられた基板４０などを備えている。基板４０のモータ側には、コネクタ５０が取り付けられている。また、ヒートシンク３０と基板４０は、有底筒状のカバー６０により保護されている。

ヒートシンク３０は、ステータ１１及びロータ１２の基板側を覆うフレームエンド部３１、及びそのフレームエンド部３１から基板側へ延びる受熱部３２を一体に有する。ヒートシンク３０は、例えばアルミニウム等から鋳造又は切削等により形成される。ヒートシンク３０は、フレームエンド部３１によりモータ１０の外郭を構成すると共に、受熱部３２により後述する電子部品４１等が通電時に発生する熱を吸収するものである。

ヒートシンク３０は、基板側からモータ側に凹む凹部３３を有する。この凹部３３にコネクタ５０が設けられている。受熱部３２は、その凹部３３よりも径内側に位置している。受熱部３２の基板側の端面３２１は、基板４０に対して平行に形成されると共に、その基板４０のヒートシンク側端面に実装された電子部品４１に対して平行に形成され、電子部品４１に隣接又は当接している。これにより、ヒートシンク３０は、カバー６０内の無駄な空間を排除し、熱量量を大きく確保することが可能である。なお、図３及び図６に示すように、ヒートシンク３０には、モータ１０のコイル１４と基板４０とを接続するモータ線１９を通すための空間６１が形成されている。モータ線１９は、モータ１０側からその空間６１を通り、基板４０のスルーホールを貫通し、基板４０の反モータ側に突出している。

本実施形態の駆動装置１は、１枚のみの基板４０を備える。
図３から図６に示すように、基板４０は、例えば多層プリント基板４０であり、ヒートシンク３０の支持部３４に形成されたねじ穴に螺合する４本のねじ３５により、ヒートシンク３０に固定されている。基板４０は、モータ軸Ｏ（図５参照）に対して垂直に設けられている。
基板４０のヒートシンク側に、例えばＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子を有する電子部品４１、ロータ１２の位置を検出する回転角センサ４２、及び、ロータ１２の位置に応じてコイル１４に供給する電力を制御するための集積回路４３等が実装されている。なお、図６では、基板４０と、その基板４０のヒートシンク側に実装された電子部品４１、回転角センサ４２及び集積回路４３の一例を破線で示している。

基板４０のヒートシンク側に実装された電子部品４１、回転角センサ４２及び集積回路４３等は、基板４０に平行な長さと幅がモータ軸方向の高さよりも大きい扁平形状である。また、集積回路４３及びスイッチング素子を有する電子部品４１は、通電により発熱する熱量が比較的大きいものである。
なお、基板４０のヒートシンク側に実装された電子部品４１と、ヒートシンク３０との間には、図示していない絶縁放熱材が設けられる。絶縁放熱材は、例えば放熱ゲル（「放熱グリス」ともいう）又は放熱シート等であり、電子部品４１とヒートシンク３０との間に空気が介在することを防ぐことで、その間の熱伝導率を高めている。

基板４０に実装された電子部品４１は、モータ１０に電力を供給するための三相インバータ回路、又は、コネクタ５０からその三相インバータ回路に供給される電力を遮断可能な電源スイッチ等として機能する。三相インバータ回路は、マイコン４６からの指示に応じてモータ１０のコイル１４に電力を供給する。

基板４０の反ヒートシンク側に、例えばコンデンサ４４、チョークコイル４５及びマイコン４６等が実装されている。コンデンサ４４とチョークコイル４５は、フィルタ回路を構成する。また、コンデンサ４４は、インバータ回路への電力供給を補助する。これらのコンデンサ４４及びチョークコイル４５等は、いずれもスイッチング素子を有する電子部品４１よりも体格がモータ軸方向に大きいものである。また、コンデンサ４４及びチョークコイル４５等は、スイッチング素子を有する電子部品４１と比較して通電により発熱する熱量が比較的小さいものである。このように、一枚の基板４０のヒートシンク側と反ヒートシンク側に、モータ１０に供給する電流を制御するほぼ全ての電子部品が実装される。

カバー６０は、有底筒状に形成され、基板４０とヒートシンク３０を覆っている。カバー６０は、筒部のモータ側の開口端６２がヒートシンク３０のフレームエンド部３１の外側に重なっている。

図３から図６に示すように、コネクタ５０は、基板４０のモータ側に取り付けられ、ヒートシンク３０の凹部３３に配置される。コネクタ５０は、コントローラ２０を構成する電子部品４１のうち、コンデンサ４４やチョークコイル４５等と比べて体格が大きい電子部品である。このコネクタ５０を基板４０のモータ側、且つ、ヒートシンク３０の凹部３３に配置することで、カバー６０の内側に無駄な空間を形成することなく、コントローラ２０におけるモータ軸方向の体格を小型化することが可能である。

コネクタ５０は、コネクタ本体５１、複数の端子５２、上フランジ５３、下フランジ５４、右フランジ５５及び左フランジ５６を有する。
コネクタ本体５１は、カバー６０の内側から外側に亘り設けられる。また、コネクタ本体５１は、外部端子が接続可能な開口部５７を、モータ軸Ｏに対して径外方向に有する。コネクタ本体５１のモータ側の端面は、ヒートシンク３０の凹部３３の底面から僅かに離れている。コネクタ本体５１のモータ側の端面とヒートシンク３０の凹部３３の底面との隙間を通気空間５８と称する。

複数の端子５２は、コネクタ本体５１にモールドされると共に、両端がコネクタ本体５１から露出している。複数の端子５２は、一端がコネクタ本体５１の開口部５７に露出し、他端がコネクタ本体５１の反開口部５７側から受熱部３２側へ突出してから重力方向上側に延び、基板４０に接続している。さらに、複数の端子５２は、基板４０から基板４０のスルーホールを貫通し、反モータ側に突出している。そのため、複数の端子５２は、基板４０の反モータ側に突出したモータ線１９と同時にはんだ付けを行うことが可能である。
複数の端子５２には、コネクタ本体５１の開口部５７に接続する外部端子から、モータ１０に通電するためバッテリから供給される電流、トルクセンサ５の信号、及び、車速情報等の信号等が入力される。複数の端子５２は、それらの電流及び信号を基板４０に形成された電子回路に伝送する。

コネクタ本体５１の外周には、コネクタ本体５１から反モータ側に延びる上フランジ５３、コネクタ本体５１からモータ側に延びる下フランジ５４、上フランジ５３と下フランジ５４とを接続する右フランジ５５及び左フランジ５６が設けられる。
図４では、説明のため、図の左側に位置するカバー６０の一部を切り欠いた状態で示すと共に、図の右側に位置するカバー６０内側の構成を破線で示している。

図４に示すように、上フランジ５３、右フランジ５５及び左フランジ５６は、カバー６０の内側に設けられている。一方、下フランジ５４は、カバー６０から外気に露出している。
上フランジ５３、右フランジ５５及び左フランジ５６とカバー６０の内面とは、当接するか、又はその隙間が小さく設定される。そのため、上フランジ５３、右フランジ５５及び左フランジ５６とカバー６０との隙間にラビリンス流路が形成される。これにより、外気側からそのラビリンス流路を伝ってカバー６０の内側へ水が浸入することが防がれる。また、仮にそのラビリンス流路に水が浸入した場合、その水を、下フランジ５４がカバー６０から露出した個所５４１、又は、ラビリンス流路の重力方向下側の開口５４２から排出することが可能である。

第１実施形態は、次の作用効果を奏する。
（１）第１実施形態では、駆動装置１は、コントローラ２０が備える電子部品４１のうちで比較的体格の大きいコネクタ５０を基板４０のモータ側に配置している。コントローラ２０が備えるヒートシンク３０は、モータ１０の基板側を覆うフレームエンド部３１と、コネクタ５０よりも径内側に配置されてフレームエンド部３１から基板側へ延びる受熱部３２とを一体に有する。これにより、基板４０を覆う有底筒状のカバー６０の内側に無駄な空間が形成されることなく、駆動装置１は、モータ軸方向の体格を小型化することができる。
また、駆動装置１は、受熱部３２の反モータ側の端面３２１を基板４０に近づけることで、ヒートシンク３０の熱容量を大きくすると共に、基板４０に実装される電子部品４１の放熱性を高めることが可能である。したがって、駆動装置１は、基板４０に実装される電子部品４１に大電流を供給することができる。

（２）第１実施形態では、ヒートシンク３０は、基板側からモータ側へ凹む凹部３３を有する。コネクタ５０は、ヒートシンク３０が有するその凹部３３に設けられる。
これにより、駆動装置１は、モータ軸方向の体格を小型化することができる。

（３）第１実施形態では、ヒートシンク３０の受熱部３２の電子部品４１側の端面は、基板４０に対して平行である。基板４０の受熱部３２側に実装された電子部品４１と、受熱部３２との間に絶縁放熱材が設けられる。
これにより、電子部品４１と受熱部３２との隙間を小さくして、駆動装置１の体格を小型化することが可能である。また、その隙間に絶縁放熱材を設けることにより、電子部品４１とヒートシンク３０の間の熱伝導率を高めることができる。

（４）第１実施形態では、コネクタ５０が有する複数の端子５２は、一端がコネクタ本体５１の開口部５７に露出し、他端がコネクタ本体５１の反開口部５７側から突出してから重力方向上側に延びて基板４０に接続する。
これにより、仮に外気側からカバー６０の内側へ水が浸入した場合でも、その水が複数の端子５２を伝って重力方向上側に位置する基板４０に付着することを防ぐことができる。

（５）第１実施形態では、コネクタ５０が有する上フランジ５３、右フランジ５５及び左フランジ５６は、カバー６０の内側に設けられる。コネクタ５０が有する下フランジ５４は、カバー６０から外気に露出している。
これにより、上フランジ５３、右フランジ５５及び左フランジ５６と、カバー６０との隙間にラビリンス流路を形成することが可能である。駆動装置１は、そのラビリンス流路により、外気側からカバー６０の内側へ水が浸入することを防ぐことができる。
また、仮にラビリンス流路に水が浸入した場合でも、その水を、下フランジ５４がカバー６０から露出した個所５４１、又は、ラビリンス流路の重力方向下側の開口５４２から排出することが可能である。

（６）第１実施形態では、コネクタ本体５１のモータ側の端面とヒートシンク３０の凹部３３の底面との間に通気空間５８が形成される。
これにより、仮に外気側からカバー６０の内側へ水が浸入した場合でも、コネクタ本体５１とヒートシンク３０との間にその水が留まることを防ぎ、カバー６０の外側へ排出することが可能である。

（８）第１実施形態では、基板４０のヒートシンク側の面にスイッチング素子を有する電子部品４１が実装され、基板４０の反ヒートシンク側の面にスイッチング素子を有する電子部品４１よりも体格がモータ軸方向に大きい他の電子部品４４，４５が実装される。
これにより、基板４０のヒートシンク側の面に体格が大きい電子部品４４，４５が実装されることがないので、ヒートシンク３０の体積をコネクタ５０の高さの範囲内で大きくすることが可能である。したがって、ヒートシンク３０の熱容量を増加し、スイッチング素子を有する電子部品４１に大電流を供給することが可能になるので、モータ１０の出力を高めることができる。

（９）第１実施形態では、基板４０からモータ１０へ供給される電流が流れるモータ線１９は、基板４０のスルーホールを貫通し、基板４０から反モータ側へ突出する。また、コネクタ５０の有する端子５２は、コネクタ本体５１の反開口部側から突出して基板４０に接続し、さらにその基板４０のスルーホールを貫通し、基板４０の反モータ側へ突出している。
これにより、基板４０に形成された電子回路に対し、モータ線１９とコネクタ５０の端子５２を同じ方向から同時にはんだ付けすることが可能である。したがって、コントローラ２０を製造する際の作業効率を向上することができる。

（１０）第１実施形態の電動パワーステアリング装置２は、駆動装置１のモータ軸方向の体格を小型化することにより、車両への搭載性を高めることができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図７及び図８に示す。第２実施形態の説明において、上述した第１実施形態と実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
第２実施形態では、ヒートシンク３０は、フレームエンド部３１の径外方向の外壁に、ヒートシンク３０の凹部３３の底面と外気とを連通するスリット３６を有する。スリット３６は、ヒートシンク３０の凹部３３の底面と外気とを連通可能な位置であれば、カバー６０の内側のどの位置に設けられていてもよく、その個数及び形状も任意に設定可能である。
第２実施形態では、仮に外気側からカバー６０の内側へ水が浸入した場合でも、その水を、コネクタ本体５１のモータ側の端面とヒートシンク３０の凹部３３の底面との隙間に形成された通気空間５８からスリット３６を通じて外気側へ排出することができる。

（他の実施形態）
上述した実施形態では、駆動装置１がコラム軸４の回転をアシストする所謂「コラムアシスト式の電動パワーステアリング装置２について説明した。これに対し、他の実施形態では、電動パワーステアリング装置２は、駆動装置１がラック軸８の駆動をアシストする所謂ラックアシスト式としてもよい。

上述した実施形態では、駆動装置１のモータ１０はブラシレスモータであり、コントローラ２０が備えるスイッチング素子を有する電子部品４１は、そのブラシレスモータに電力を供給する三相インバータ回路等を構成するものとして説明した。これに対し、他の実施形態では、駆動装置１のモータ１０は例えばブラシ付きのモータ１０としてもよく、この場合、電子部品４１は、そのモータ１０に電力を供給するＨブリッジ回路等を構成するものとしてもよい。

上述した実施形態では、電動パワーステアリング装置２に用いられる駆動装置１について説明した。これに対し、他の実施形態では、駆動装置１は、電動パワーステアリング装置２以外の種々の装置に適用することが可能である。
上述した実施形態では、駆動装置１のモータ１０は電動機として機能するものとして説明した。これに対し、他の実施形態では、駆動装置１のモータ１０は発電機として機能するものとしてもよい。
このように、本発明は、上記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において種々の形態で実施することが可能である。

１ ・・・駆動装置
１０・・・モータ
３０・・・ヒートシンク
３１・・・フレームエンド部
３２・・・受熱部
４０・・・基板
４１・・・電子部品
５０・・・コネクタ
５７・・・開口部
６０・・・カバー

Claims (10)

1. ステータ（１１）に対して回転可能に設けられたロータ（１２）を有するモータ（１０）と、
   前記モータの軸方向の一方に設けられた有底筒状のカバー（６０）と、
   前記カバーの内側でモータ軸（Ｏ）に対して垂直に設けられ、前記モータへ供給する電流を制御する電子部品が実装された基板（４０）と、
   前記基板の前記モータ側に設けられ、外部端子が接続可能な開口部（５７）をモータ軸に対して径外方向に有するコネクタ（５０）と、
   前記ステータ及び前記ロータの前記基板側を覆うフレームエンド部（３１）、及び前記コネクタよりも径内側で前記フレームエンド部から前記基板側へ延びる受熱部（３２）を一体に有し、前記基板に実装された前記電子部品が発生する熱を吸収可能なヒートシンク（３０）と、を備え、
   前記ステータは、前記受熱部と一体である前記フレームエンド部に直接固定されており、
   前記電子部品は、１枚の前記基板上の両面に実装されていることを特徴とする駆動装置（１）。
2. 前記ヒートシンクは、前記基板側から前記モータ側へ凹む凹部（３３）を有し、
   前記コネクタは、前記ヒートシンクが有する前記凹部に配置されることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記フレームエンド部は、径外方向の外壁に、前記ヒートシンクの前記凹部の底面と外気とを連通するスリット（３６）を有することを特徴とする請求項２に記載の駆動装置。
4. 前記受熱部の前記基板側の端面（３２１）は前記基板に対して平行であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の駆動装置。
5. 前記コネクタは、
   前記外部端子が接続可能な前記開口部が形成されたコネクタ本体（５１）と、
   一端が前記開口部に露出し、他端が前記コネクタ本体の反開口部側から突出して前記基板に向かって延び前記基板に接続する端子（５２）を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の駆動装置。
6. 前記コネクタ本体には、
   前記コネクタ本体から反モータ側に延びる上フランジ（５３）と、
   前記コネクタ本体から前記モータ側に延びる下フランジ（５４）と、
   前記上フランジと前記下フランジとを接続する右フランジ（５５）及び左フランジ（５６）と、が形成され、
   前記上フランジ、前記右フランジ及び前記左フランジは、前記カバーの内側に設けられ、
   前記下フランジは前記カバーから外気に露出していることを特徴とする請求項５に記載の駆動装置。
7. 前記コネクタ本体の前記モータ側の端面と、前記ヒートシンクとの間に通気空間（５８）が形成されることを特徴とする請求項５または６に記載の駆動装置。
8. 前記基板から前記モータへ供給される電流が流れるモータ線（１９）は、前記基板から反モータ側へ突出し、
   前記端子は、前記コネクタ本体の反開口部側から突出して前記基板に接続し、さらにその基板から反モータ側へ突出していることを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載の駆動装置。
9. 前記基板の前記ヒートシンク側の面に実装される前記電子部品には、インバータ回路を構成するスイッチング素子が含まれ、
   前記基板の前記ヒートシンクと反対側の面には、前記ヒートシンク側の面に実装される前記電子部品よりも体格がモータ軸方向に大きい前記電子部品が実装されることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の駆動装置。
10. ステアリングホイール（３）と操舵輪（９）との間の動力伝達を行う動力伝達機構（４、７、８）と、
    前記動力伝達機構に対し、操舵アシストトルクを前記モータから出力する請求項１に記載の駆動装置と、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（２）。

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