JP7036018B2 - モータ、および電動パワーステアリング装置 - Google Patents

モータ、および電動パワーステアリング装置 Download PDF

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Description

本発明は、モータ、および電動パワーステアリング装置に関する。
一般的に、出力軸の一方の端部側に制御ユニットを搭載したモータが知られている(例えば特許文献1)。このようなモータは、出力軸の端部にセンサマグネットを有し、対向して配置された磁気式の回転センサにより出力軸の回転角を検出する。
特許第5414869号公報
特許文献1には、軸受ホルダにヒートシンクの役目を担わせることが記載されている。すなわち、軸受ホルダは、制御ユニット(例えば基板)の下面に密着して、制御ユニットで発生した熱を放熱する。軸受ホルダには、磁石を制御ユニットに対向させて配置するために貫通孔が設けられている。貫通孔は、軸受ホルダと制御ユニットとが対向する面積を減少させるため、軸受ホルダと制御ユニットとの伝熱効率を低下させる要因となっていた。
本発明の一つの態様は、上記問題点に鑑みて、基板で生じた熱を効率的に放熱できるモータ、およびそのようなモータを備えた電動パワーステアリング装置を提供することを目的の一つとする。
本発明のモータの一つの態様は、上下方向に延びる中心軸を中心として回転するシャフトと、前記シャフトの上端部を支持するベアリングと、前記ベアリングを直接または間接的に保持する金属製のヒートシンクと、前記ヒートシンクの上側に配置された基板と、前記シャフトの上端部の前記ベアリングより上側で前記シャフトに固定されたセンサマグネットと、軸方向から見て前記基板の前記センサマグネットと重なる位置に実装された回転センサと、前記基板と前記ヒートシンクとの間に位置する放熱材と、を備え、前記ヒートシンクには、下側に開口し前記センサマグネットが収容される凹部が設けられている。
本発明の一つの態様によれば基板で生じた熱を効率的に放熱できるモータ、およびそのようなモータを備えた電動パワーステアリング装置が提供される。
実施形態のモータを示す断面図。 図1の一部を拡大したモータの拡大断面図。 変形例のモータの拡大断面図。 実施形態の電動パワーステアリング装置を示す模式図。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係るモータについて説明する。なお、本発明の範囲は、以下の実施の形態に限定されず、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等を異ならせる場合がある。
また、図面においては、適宜3次元直交座標系としてXYZ座標系を示す。XYZ座標系において、Z軸方向は、図1に示す中心軸Jの軸方向と平行な方向とする。X軸方向は、Z軸方向と直交する方向であって図1の左右方向とする。Y軸方向は、X軸方向とZ軸方向との両方と直交する方向とする。
また、以下の説明においては、Z軸方向の正の側(+Z側,一方側)を「上側」と呼び、Z軸方向の負の側(-Z側,他方側)を「下側」と呼ぶ。なお、上側および下側とは、単に説明のために用いられる名称であって、実際の位置関係や方向を限定しない。また、特に断りのない限り、中心軸Jに平行な方向(Z軸方向)を単に「軸方向」と呼び、中心軸Jを中心とする径方向を単に「径方向」と呼び、中心軸Jを中心とする周方向、すなわち、中心軸Jの軸周りを単に「周方向」と呼ぶ。
<モータ>
図1は、本実施形態のモータ1を示す断面図である。図2は、図1の一部を拡大した拡大断面図である。 モータ1は、モータハウジング11と、基板ハウジング12と、シャフト21を有するロータ20と、ステータ30と、上側ベアリング(ベアリング)24と、下側ベアリング25と、センサマグネット63と、ベアリングホルダ(ヒートシンク)40と、第1の基板66と、第2の基板67と、回転センサ61と、放熱グリス(放熱材)Gと、を備える。
[ハウジング]
モータハウジング11および基板ハウジング12は、モータ1の各部を内部に収容する。モータハウジング11は、上側(+Z側)に開口する筒状である。また、基板ハウジング12は、下側(-Z側)に開口する筒状である。モータハウジング11と基板ハウジング12とは、互いに開口を対向させて配置されている。モータハウジング11と基板ハウジング12との間には、後述するベアリングホルダ40の周縁部が挟み込まれている。
モータハウジング11は、第1の筒状部14と、第1の底部13と、下側ベアリング保持部18と、を有する。第1の筒状部14は、ステータ30の径方向外側を囲む筒状である。本実施形態において第1の筒状部14は、例えば、円筒状である。第1の筒状部14は、上端においてベアリングホルダ40の周縁に設けられた段差部40bに嵌め込まれている。第1の筒状部14の内側面には、ステータ30が固定されている。
第1の底部13は、第1の筒状部14の下側(-Z側)の端部に設けられている。第1の底部13には、第1の底部13を軸方向(Z軸方向)に貫通する出力軸孔部13aが設けられている。下側ベアリング保持部18は、第1の底部13の上側(+Z側)の面に設けられている。下側ベアリング保持部18は、下側ベアリング25を保持する。
基板ハウジング12は、モータハウジング11の上側に(+Z側)に位置する。本実施形態では、基板ハウジング12は、第1の基板66および第2の基板67を収容する。第1の基板66および第2の基板67の上面および下面の少なくともいずれか一方には、電子部品等が実装される。基板ハウジング12は、第2の筒状部15と、第2の底部16と、を有する。なお、モータ1において用いられる基板の枚数は、2枚に限られず、1枚でもよく、3枚以上であってもよい。
第2の筒状部15は、第1の基板66および第2の基板67の径方向外側を囲む筒状である。第2の筒状部15は、例えば、円筒状である。第2の筒状部15の下端にはフランジ部15aが設けられている。第2の筒状部15は、フランジ部15aにおいてベアリングホルダ40の上面40aに接続されている。
[ロータ]
ロータ20は、シャフト21と、ロータコア22と、ロータマグネット23と、を有する。シャフト21は、上下方向(Z軸方向)に延びる中心軸Jを中心とする。シャフト21は、下側ベアリング25と上側ベアリング24とによって、中心軸Jの軸周りに回転可能に支持されている。シャフト21の下側(-Z側)の端部は、出力軸孔部13aを介してハウジング10の外部に突出している。シャフト21の下側の端部には、例えば、出力対象に接続するためのカプラー(図示略)が圧入される。シャフト21の上端面21aには穴部が設けられている。シャフト21の穴部には、取付部材62が嵌め合わされている。取付部材62は、軸方向に延びる棒状部材である。
ロータコア22は、シャフト21に固定されている。ロータコア22は、シャフト21を周方向に囲んでいる。ロータマグネット23は、ロータコア22に固定されている。より詳細には、ロータマグネット23は、ロータコア22の周方向に沿った外側面に固定されている。ロータコア22およびロータマグネット23は、シャフト21とともに回転する。なお、ロータコア22が貫通孔または凹部を有し、当該貫通孔または凹部の内部にロータマグネット23が収容されてもよい。
[ステータ]
ステータ30は、ロータ20の径方向外側を囲んでいる。ステータ30は、ステータコア31と、ボビン32と、コイル33と、を有する。ボビン32は、絶縁性を有する材料から構成される。ボビン32は、ステータコア31の少なくとも一部を覆う。モータ1の駆動時において、コイル33は、ステータコア31を励磁する。コイル33は、導電線が巻き回されて構成される。コイル33は、ボビン32に設けられている。コイル33を構成する導電線の端部には、図示略の接続端子が設けられている。接続端子は、コイル33から上側に向かって延びる。接続端子は、ベアリングホルダ40を貫通して第1の基板66に接続されている。なお、コイル33を構成する導電線の端部が直接的に第1の基板66に接続されてもよい。
[上側ベアリングおよび下側ベアリング]
本実施形態において、上側ベアリング24は、ボールベアリングである。上側ベアリング24は、シャフト21の上端部を回転可能に支持する。上側ベアリング24は、ステータ30の上側(+Z側)に位置する。上側ベアリング24は、ベアリングホルダ40に保持されている。 本実施形態において、下側ベアリング25は、ボールベアリングである。下側ベアリング25は、シャフト21の下端部を回転可能に支持する。下側ベアリング25は、ステータ30の下側(-Z側)に位置する。下側ベアリング25は、モータハウジング11の下側ベアリング保持部18に保持されている。
上側ベアリング24と下側ベアリング25とは、ロータ20のシャフト21を支持している。上側ベアリング24および下側ベアリング25の種類は、特に限定されず、他の種類のベアリングを用いてもよい。
[センサマグネット]
センサマグネット63は、図2に示すように、上側ベアリング24よりも上側(+Z側)に位置する。センサマグネット63は、本実施形態において、円環状である。センサマグネット63は、シャフト21に固定された取付部材62の外側面に嵌め合わされている。これにより、センサマグネット63は、シャフト21に取り付けられている。また、センサマグネット63は、上側ベアリング24より上側に位置する。すなわち、センサマグネット63は、シャフト21の上端部の上側ベアリング24の上側で取付部材62を介してシャフト21に固定されている。なお、センサマグネット63の形状は、円環状に限られず、環状や円盤状など他の形状であってもよい。この場合、センサマグネット63には、凹部が設けられ、当該凹部に取付部材62の先端が圧入や接着等によって固定されてもよい。また、センサマグネット63はシャフト21の先端に直接取り付けられてもよい。
[ベアリングホルダ]
ベアリングホルダ40は、図1に示すように、ステータ30の上側(+Z側)に位置している。ベアリングホルダ40は、上側ベアリング24を直接的に保持する。本実施形態では、ベアリングホルダ40の平面視(XY面視)形状は、例えば、中心軸Jと同心の円形状である。ベアリングホルダ40は、金属製である。本実施形態においてベアリングホルダ40は、モータハウジング11と基板ハウジング12との間に挟み込まれている。なお、ベアリングホルダ40の平面視(XY面視)形状は、円形状に限られず、多角形状などの他の形状であってもよい。
ベアリングホルダ40には、下側に開口する凹部45が設けられている。凹部45は、ベアリングホルダ40の略中央に位置する。凹部45の内側には、シャフト21の上端部が配置される。
図2に示すように、凹部45の内周面には、底面45bと、下向き段差面45aと、下側内周面45cと、上側内周面45dと、が設けられている。 底面45bは、凹部45の底部分に位置する面である。下向き段差面45aは、下側を向く段差面である。下側内周面45cは、下向き段差面45aより下側に位置する。上側内周面45dは、下向き段差面45aより上側に位置する。下側内周面45cおよび上側内周面45dは、軸方向から見て同心の円形状である。下側内周面45cの直径は、上側内周面45dの直径より大きい。
凹部45は、下向き段差面45aより下側の領域(下側内周面45cに囲まれる領域)において上側ベアリング24を収容する。凹部45は、下向き段差面45aより上側の領域(上側内周面45dに囲まれる領域)において、センサマグネット63を収容する。
下向き段差面45aには、ウェーブワッシャ46を介して上側ベアリング24の外輪の上面が接触する。また、下側内周面45cは、上側ベアリング24の外輪と嵌合する。下向き段差面45aが設けられていることで、ベアリングホルダ40に対して上側ベアリング24を容易に位置決めすることができる。また、下向き段差面45aと上側ベアリング24の外輪との間にウェーブワッシャ46を介在させることで、上側ベアリング24に予圧を付与させることができる。 なお、本実施形態において、上側ベアリング24の外輪は、下向き段差面45aにウェーブワッシャを介して間接的に接触するが、これらは直接的に接触してもよい。
ベアリングホルダ40は、ベアリングホルダ40の凹部45内の空間と、ベアリングホルダの上側の空間とを区画する天板部70を有する。天板部70の一部は、凹部45の底面45bを構成する。天板部70の厚さは、十分な剛性を確保するとともにベアリングホルダ40を安価に製造するために0.5mm以上5mm以下とすることが好ましい。
図1に示すように、ベアリングホルダ40は、上側を向く上面40aを有する。上面40aは、第1の基板66の下面66aと対向する。上面40aには、一対のスペーサ収容凹部41と、上面凹部71と、が設けられている。スペーサ収容凹部41および上面凹部71は、上面40aから下側に窪む。また、スペーサ収容凹部41および上面凹部71は、上側に開口する。
上面凹部71は、ベアリングホルダ40の略中央に位置する。上面凹部71は、中心軸Jの軸方向から見て、第1の基板66の回転センサ61と重なる。 回転センサ61は、第1の基板66の下面66aに実装され、ベアリングホルダ40の上面40aと対向する。上面40aに上面凹部71を設けることにより、センサマグネット63と回転センサ61とを上下方向に近づけて配置できる。これにより、回転センサ61の回転角の検出精度を高めることができる。また、上面40aに上面凹部71を設けることで、ベアリングホルダ40と回転センサ61とが干渉することを抑制できる。
一対のスペーサ収容凹部41は、ベアリングホルダ40の周縁部に沿ってそれぞれ配置されている。一対のスペーサ収容凹部41は、中心軸Jを挟んで互いに反対側に位置する。一対のスペーサ収容凹部41には、スペーサ80が挿入されている。
スペーサ80は、スペーサ収容凹部41の内側面に沿う側壁部81と、スペーサ収容凹部41の底面に沿う底壁部82と、側壁部81の上端に位置するフランジ部83と、を有する。スペーサ80は、絶縁材料からなる。フランジ部83は、ベアリングホルダ40と第1の基板66との間に挟み込まれた状態で、第1の基板66とともにフランジ部83にネジ止めされる。フランジ部83は、ベアリングホルダ40に対する第1の基板66の上下方向の位置を決める。
[放熱グリス(放熱材)]
放熱グリスGは、ベアリングホルダ40の上面40aと第1の基板66の下面66aとの間に位置する。放熱グリスGは、第1の基板66および第1の基板66に実装された実装部品において生じた熱を、ベアリングホルダ40に伝える。ベアリングホルダ40は、放熱グリスGから伝わる熱を外部に放熱する。
本実施形態によれば、ベアリングホルダ40は、第1の基板66および第1の基板66の実装部品で生じた熱を、放熱グリスGを介して受け取り外部に放熱する。すなわち、本実施形態によれば、ベアリングホルダ40をヒートシンクとして機能させることができる。
本実施形態において、放熱グリスGは、絶縁性を有する。これにより、放熱グリスは、第1の基板66とベアリングホルダ40との間での放電を抑制することができる。なお、放熱グリスGが、絶縁性を有さない場合には、ベアリングホルダ40の上面40aに絶縁シートを貼付するなどの絶縁対策を行ってもよい。
本実施形態のベアリングホルダ40は、下側に開口する凹部45にセンサマグネット63を収容するため、貫通孔が設けられていない。ベアリングホルダ40は、貫通孔が設けられる場合と比較して、ベアリングホルダ40の上面40aに放熱グリスGの配置領域を広くすることができる。これにより、第1の基板66からベアリングホルダ40への伝熱効率を高め、第1の基板66で生じた熱を、ベアリングホルダ40を介してより効率的に放熱できる。
また、本実施形態のベアリングホルダ40は、貫通孔が設けられていないために、放熱材として放熱グリスGを採用した場合において、放熱グリスGがモータ1の駆動部分に侵入することを抑制できる。これにより、放熱グリスGが上側ベアリング24の機能やステータ30の機能に影響を及ぼすことを抑制できる。
また、本実施形態のベアリングホルダ40は、貫通孔が設けられていないために、第1の基板66の面内の熱を、ベアリングホルダ40に向かって均一に移動させることができる。すなわち、第1の基板66の放熱効率の分布を均一とすることができる。したがって、電子部品等の第1の基板66に対する実装の自由度を高めることができる。これにより、第1の基板66に、実装部品を高密度に実装しモータ1の小型化を図ることができる。
本実施形態のベアリングホルダ40は、熱伝導効率の高い材料から構成されることが好ましく、例えばアルミニウム合金からなることが好ましい。なお、ベアリングホルダ40は、アルミニウム、銅、あるいは銅合金などの材料から構成されてもよい。また、ベアリングホルダ40は、天板部70においてセンサマグネット63と第1の基板66に実装された回転センサ61との間に位置する。したがって、ベアリングホルダ40は、センサマグネット63が生じる磁場への影響を抑制するため非磁性材料から構成することが好ましい。
[第1の基板、第2の基板]
第1の基板66および第2の基板67は、モータ1を制御する。すなわち、モータ1は、第1の基板66および第2の基板67から構成され、シャフト21の回転を制御する制御装置60を備える。第1の基板66および第2の基板67には、電子部品が実装されている。第1の基板66および第2の基板67に実装される電子部品は、回転センサ61、電解コンデンサ、チョークコイル等である。
第1の基板66は、ベアリングホルダ40の上側(+Z側)に配置されている。第2の基板67は、第1の基板66の上側に配置されている。第1の基板66および第2の基板67の板面方向は、ともに軸方向に対して垂直である。第1の基板66および第2の基板67は、軸方向からみて互いに重なり合って配置されている。すなわち、第1の基板66および第2の基板67は、軸方向に沿って所定の隙間を介し積層されている。
第1の基板66は、下面66aと上面66bとを有する。同様に、第2の基板67は、下面67aと上面67bとを有する。第1の基板66の上面66bと第2の基板67の下面67aは、隙間を介して上下方向に対向している。また、第1の基板66の下面66aとベアリングホルダ40の上面40aは、隙間を介して上下方向に対向する。第1の基板66の下面66aとベアリングホルダ40の上面40aとの間の隙間には、放熱グリスGが充填されている。
第1の基板66と第2の基板67とは、複数の接続ピン(配線)51により電気的に接続されている。第1の基板66および第2の基板67には、それぞれ上下方向に貫通する複数の孔66c、67cが設けられている。第1の基板66の孔66cと第2の基板67の孔67cとは、軸方向からみて互いに重なりあって配置されている。接続ピン51は、孔66c、67cとの間で軸方向(上下方向)に沿って延びている。接続ピン51は、下側に位置する第1の先端部51aと、上側に位置する第2の先端部51bと、を有する。第1の先端部51aは、上面66b側から第1の基板66の孔66cに圧入されている。また、第2の先端部51bは、下面67a側から第2の基板67の孔67cに圧入されている。
第1の基板66の下面66aには、回転センサ61が実装されている。また、回転センサ61は、軸方向から見て、第1の基板66のセンサマグネット63と重なるように配置されている。回転センサ61は、センサマグネット63の回転を検出する。本実施形態において回転センサ61は、磁気抵抗素子である。回転センサ61は、例えば、ホール素子など他の種類のセンサであってもよい。
<変形例>
図3に、上述の実施形態に採用可能な変形例のベアリングホルダ(ヒートシンク)140、第1の基板166の断面図を示す。なお、上述の実施形態と同一態様の構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略する。
第1の基板166は、上述の実施形態と同様に、ベアリングホルダ140の上側に下面166aを対向させて配置されている。また本変形例において回転センサ161は、第1の基板166の上面166bに実装されている。
ベアリングホルダ140には、上述の実施形態と同様に、凹部145が設けられている。また本変形例において、ベアリングホルダ140の上面140aには、上側に突出する突出部170が設けられている。突出部170は、中心軸Jの軸方向から見て、第1の基板166の回転センサ161と重なって配置されている。また、突出部170は、中心軸Jの軸方向から見て、凹部145の底面145bの全体を覆う。
本変形例によれば、ベアリングホルダ140の上面140aに突出部170を設けることで、第1の基板66の上面66bに実装された回転センサ161とセンサマグネット63との距離を近づけて配置できる。これにより、回転センサ161の回転角の検出精度を高めることができる。
<その他の変形例>
本実施形態においては、下記の構成を採用してもよい。 本実施形態では、ヒートシンクが上側ベアリング24を直接的に保持するベアリングホルダ40である場合を例示した。しかしながら、ヒートシンク(上述の実施形態のベアリングホルダ40に相当)は、別途用意されたベアリングホルダを介して間接的に上側ベアリング24を保持してもよい。この場合ヒートシンクは、ベアリングホルダに固定された構造とすることが好ましい。
本実施形態では、第1の基板66とベアリングホルダ40との間に位置する放熱材として、流動性のある放熱グリスGを採用した場合を例示した。しかしながら、放熱材は、たとえばゲル状又は固形の放熱材であってもよい。
<電動パワーステアリング装置>
次に、本実施形態のモータ1を搭載する装置の実施形態について説明する。本実施形態においては、モータ1を電動パワーステアリング装置に搭載した例について説明する。図4は、本実施形態の電動パワーステアリング装置2を示す模式図である。
電動パワーステアリング装置2は、自動車の車輪の操舵機構に搭載される。電動パワーステアリング装置2は、操舵力を油圧により軽減する装置である。図4に示すように、本実施形態の電動パワーステアリング装置2は、モータ1と、操舵軸114と、オイルポンプ116と、コントロールバルブ117と、を備える。
操舵軸114は、ステアリング111からの入力を、車輪112を有する車軸113に伝える。オイルポンプ116は、車軸113に油圧による駆動力を伝えるパワーシリンダ115に油圧を発生させる。コントロールバルブ117は、オイルポンプ116のオイルを制御する。電動パワーステアリング装置2において、モータ1は、オイルポンプ116の駆動源として搭載されている。
本実施形態の電動パワーステアリング装置2は、本実施形態のモータ1を備えるため、第1の基板66で生じた熱を効率的に放熱できる。これにより、本実施形態によれば、信頼性に優れた電動パワーステアリング装置2が得られる。
以上に、本発明の実施形態および変形例を説明したが、実施形態における各構成およびそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはない。
1…モータ、2…電動パワーステアリング装置、21…シャフト、24…上側ベアリング(ベアリング)、40,140…ベアリングホルダ(ヒートシンク)、41…上面凹部、45,145…凹部、60…制御装置、61,161…回転センサ、63…センサマグネット、111…ステアリング、170…突出部、G…放熱グリス(放熱材)、J…中心軸

Claims (9)

  1. 上下方向に延びる中心軸を中心として回転するシャフトと、
    前記シャフトの上端部を支持するベアリングと、
    前記ベアリングを直接または間接的に保持する金属製のヒートシンクと、
    前記ヒートシンクの上側に配置された基板と、
    前記シャフトの上端部の前記ベアリングより上側で前記シャフトに固定されたセンサマグネットと、
    軸方向から見て前記基板の前記センサマグネットと重なる位置に実装された回転センサと、
    前記基板と前記ヒートシンクとの間に位置する放熱材と、を備え、
    前記ヒートシンクには、下側に開口し前記センサマグネットが収容される凹部が設けられ、
    前記凹部の内周面には、前記凹部の底部分に位置する底面が設けられ、
    前記ヒートシンクの上面には、前記上面から下側に窪む上面凹部、または、前記上面から上側に突出する突出部が設けられ、
    軸方向から見たときに、前記上面凹部または前記突出部は、前記センサマグネット、前記底面、および前記回転センサに重なる、
    モータ。
  2. 前記ヒートシンクの上面には、前記上面凹部が設けられ、
    前記回転センサが、前記基板の下面に実装される、
    請求項1に記載のモータ。
  3. 前記ヒートシンクの上面には、前記突出部が設けられ、
    前記回転センサが、前記基板の上面に実装される、
    請求項1に記載のモータ。
  4. 前記凹部には、下側を向く段差面が設けられ、前記段差面に前記ベアリングが接触する、請求項1~3の何れか一項に記載のモータ。
  5. 前記ベアリングが、前記凹部に収容される、請求項1~3の何れか一項に記載のモータ。
  6. 前記ヒートシンクが、非磁性材料の金属からなる、請求項1~5の何れか一項に記載のモータ。
  7. 前記放熱材が、絶縁性を有する、請求項1~6の何れか一項に記載のモータ。
  8. 前記シャフトの回転を制御する制御装置を備える、請求項1~7の何れか一項に記載のモータ。
  9. 請求項1~8の何れか一項に記載のモータを有する電動パワーステアリング装置。
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