JP7255099B2

JP7255099B2 - モータ

Info

Publication number: JP7255099B2
Application number: JP2018130041A
Authority: JP
Inventors: 亨大岩
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2018-07-09
Filing date: 2018-07-09
Publication date: 2023-04-11
Anticipated expiration: 2038-07-09
Also published as: JP2020010512A

Description

本発明は、トルクリミッタ機能を有するモータに関する。

従来、トルクを伝達する装置において、通常使用範囲に対し過大なトルクが入力されたとき摺動部が摺動することでトルクリミッタの機能を有する装置が知られている。例えば特許文献１に開示された技術では、トレランスリングがトルクリミッタとして機能する。

特許２０１７－１５５８１６号公報

電動パワーステアリング装置に用いられる操舵アシストモータにおいて、トルクが出力される回転伝達部には、車両の走行中に車輪が縁石に乗り上げた場合等に過大なトルクが負荷から逆入力される可能性がある。そのため、過大なトルクが入力されたときに摺動部が摺動するトルクリミッタの機能を回転伝達部に設けることで、モータの破損を防止することが望まれる。

一方、操舵アシストモータの制御では、車輪が縁石に乗り上げた場合等でもアシスト機能を維持するように、回転角が正しくフィードバックされることが求められる。したがって、トルクリミッタにより摺動部が摺動した場合にも回転角検出機能が損なわれないようにすることが必要である。

本発明は上述の課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、過大トルクが入力され摺動部が摺動した場合にも回転角検出機能が確保されるモータを提供することにある。

本発明は、ロータに固定されたシャフトの回転により、負荷（９５）にトルクを出力するモータであって、当該モータの駆動を制御するモータ制御装置（６０）が一体に構成されている。本発明のモータは、筒状のステータ（２１）と、ロータ（３１）と、回転伝達部（８５）と、シャフト（３５）と、センサマグネット（４５）と、摺動部（８７０）とを備える。ロータは、ステータの内側に回転可能に設けられ、励磁磁極（３３）が固定されている。回転伝達部は、外部の負荷（９５）にトルクを出力し、且つ負荷からトルクが逆入力される可能性がある。シャフトは、回転伝達部とロータとを連結する。センサマグネットは、シャフトの回転伝達部とは反対側の端部に固定され、ロータの励磁磁極の回転位置に応じた磁束を発生する。摺動部は、回転伝達部における負荷側とシャフトとの間で摺動し、負荷から逆入力されるトルクの伝達を制限する。
回転伝達部は、シャフトのトルク出力側の端部に固定された内輪（８６０）、内輪と径方向に対向する外輪（８５０）、及び、外輪と内輪との間に設けられ径方向の弾性力によりトルクを伝達可能なばね部材（８７０）を含む。ばね部材は、負荷から逆入力されるトルクの絶対値が所定の限界値を超えたとき「摺動部」として機能する。

この構成では、ロータ、シャフト、及び、シャフトの端部に固定されたセンサマグネットは一体であり、シャフト端部のセンサマグネットの励磁磁極に対する回動トルクの絶対値（｜Ｔｓ｜）は実質的に無限大となる。また、この構成では、摺動部をジョイント等の回転伝達部に内蔵可能であるため、摺動部有無のバリエーション対応が容易である。

シャフト、ロータ、シャフトを軸支するベアリング（４１、４３）、シャフトの端部に固定されたセンサマグネット（４５）、及び、シャフトの外周に当接するオイルシールを、シャフトの回転又は負荷へのトルク伝達に関わる保護対象部材と定義する。
モータ制御装置は、回転ストレス判定部（６５）を備える。回転ストレス判定部は、保護対象部材が負荷から逆入力されるトルクによって受ける回転ストレスに関し、モータの回転角速度（ω）又は回転角加速度（α）である回転評価量の絶対値が、通常の駆動制御によって実現される上限値を超える値に設定されるストレス閾値を超えたことに基づいて、回転ストレスが過大状態である回転ストレス異常を判定する。

ストレス閾値は、短期閾値、及び、短期閾値より小さい値に設定される一つ以上の常用閾値を含む少なくとも二水準の値が設定される。回転ストレス判定部は、回転評価量の絶対値が短期閾値を１回超えたとき、短期ストレス異常であると判定する。また、回転ストレス判定部は、回転評価量の絶対値が常用閾値を超えたとき、回転評価量の絶対値に基づく換算値を算出し、当該換算値の積算値が判定閾値を超えたとき、積算ストレス異常であると判定する。

本発明では、トルクリミッタ機能を有する摺動部の固定強度がシャフトの端部に固定されたセンサマグネットの固定強度よりも小さい。したがって、絶対値の大きい加速度が印加され摺動部が摺動した場合でも、シャフト端部のセンサマグネットと励磁磁極との間の固定余裕度の方が大きいため、シャフト端部のセンサマグネットは確実に固定される。つまり、シャフト端部のセンサマグネットが位置ずれしないため、回転角検出機能が確保され、逆回転やトルク過不足等の駆動機能の失陥を防止することができる。

ここで、トルクと角加速度との間には、「トルク＝力×距離＝質量×距離×角加速度＝イナーシャ（慣性モーメント）×角加速度」の関係がある。摺動部（リミッタ）のイナーシャをＩＬ、シャフト端部のセンサマグネットのイナーシャをＩｓとすると、角加速度αが印加されたとき摺動部にかかるトルクＴＬ（α）、及び、シャフト端部のセンサマグネットにかかるトルクＴｓ（α）は、下式で表される。
ＴＬ（α）＝ＩＬ×α、Ｔｓ（α）＝Ｉｓ×α
よって、センサマグネットと励磁磁極との固定強度が大きく、ＩＬ＜Ｉｓの関係が成り立つとすると、｜ＴＬ｜＜｜Ｔｓ｜となる。なお、摺動部の摺動トルク（ＴＬ）は、モータの定格駆動トルク（Ｔｍ）よりも大きく設定される（Ｔｍ＜ＴＬ）ことが好ましい。

参考態様のモータは、筒状のステータ（２１）と、ロータ（３１）と、回転伝達部（８５）と、シャフト（３５）と、センサマグネット（３３）と、摺動部（３７）とを備える。ロータ、回転伝達部及びシャフトは、第１の態様と同様である。センサマグネットは、ロータに固定された励磁磁極そのものであり、それ自身の回転位置に応じた磁束を発生する。摺動部は、シャフトの外周面とロータのロータコア（３２）の内周面との間に配置され、シャフトとロータコアとの間で摺動し、負荷から逆入力されるトルクの伝達を制限する。この構成では、励磁磁極と同一であるセンサマグネットの固定力は主磁気回路の破壊強度と見做すことができる。また、この構成では、ロータ磁気回路を形成する励磁磁極がセンサマグネットの機能を兼ね、励磁磁極の磁束を用いて回転位置が検出されるため、別部材としてのシャフト端部のセンサマグネットは不要となる。

第１実施形態のモータの概略断面図。各実施形態のモータが適用されるＥＰＳ（電動パワーステアリングシステム）の一例であるラックパラレル式ＥＰＳの全体構成図。ＥＰＳの別の例であるデュアルピニオン式ＥＰＳの全体構成図。ＥＰＳの別の例であるコラム式ＥＰＳの全体構成図。第１実施形態のモータに用いられるジョイントの断面図。図５のジョイントのばね部材の（ａ）側面図、（ｂ）軸方向断面図。｜Ｔｓ｜と｜Ｔｓ（α₀）｜との関係を示す図。モータ制御装置の構成図。モータ制御装置による判定処理例のフローチャート。ストレス閾値と｜α（Ｔｓ）｜、｜α（ＴＬ）｜との関係を示す図。第２実施形態のモータの概略断面図。｜Ｔｓ１｜と｜Ｔｓ１（α₀）｜との関係を示す図。比較例のジョイントの断面図。

以下、モータの複数の実施形態を図面に基づいて説明する。複数の実施形態において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。また、第１、第２実施形態を包括して「本実施形態」という。本実施形態のモータは、車両の電動パワーステアリングシステム（以下「ＥＰＳ」）において運転者の操舵トルクをアシストする操舵アシストモータである。また、本実施形態のモータは、回転機構部と制御部とが一体に構成された、いわゆる機電一体式の三相ブラシレスモータである。以下、モータの符号について、各実施形態に共通する構成を示す場合、「１０」を付す。第１実施形態、第２実施形態に特有の構成を示す場合、それぞれ「１０１」、「１０２」を付す。

（第１実施形態）
第１実施形態のモータについて図１～図１０を参照して説明する。図１に第１実施形態のモータ１０１の内部構成を示す。図１において下側に記載された出力軸側をフロント、上側に記載された制御部側をリアと称する。モータ１０１の回転機構部２０は、フロントフレーム１１、リアフレーム１３、及び、モータケース１６で形成された筐体内部に組み立てられている。各部材は、シャフト３５を中心軸とする回転体状に設けられている。

フロントフレーム１１の中心には、フロントベアリング収容部１２が形成されている。フロントベアリング収容部１２には、フロントベアリング４１が収容されている。モータケース１６は、筒部１７及び底部１８を有する有底筒状を呈している。筒部１７の開口端はフロントフレーム１１に当接している。底部１８は、リアフレーム１３のフロント側底面１４に当接し、中心にリアベアリング収容部１９が形成されている。リアベアリング収容部１９には、リアベアリング４３及びワッシャ４４が収容されている。リアフレーム１３のリア側端面１５には制御部５０のヒートシンク５１が当接する。

ステータ２１は、筒状に形成され、ステータコア２２、各相の巻線２３及びリード線２４を含む。ステータコア２２は、モータケース１６の筒部１７の内壁に沿って設けられ、巻線２３が巻回される。各相の巻線２３の端部は、リード線２４を介してパワー基板５３に接続される。

ロータ３１は、ロータコア３２及び複数の励磁磁極３３を含み、ステータ２１の内側に回転可能に設けられる。励磁磁極３３は、永久磁石のＮ極とＳ極とが周方向に交互に配置されたものであり、ステータコア２２の内面に対向するようにロータ３１に固定される。巻線２３に三相交流が通電されステータ２１に回転磁界が形成されることにより、ロータ３１が回転し、モータ１０はトルクを発生する。

シャフト３５は、ロータコア３２の中心に形成されたシャフト孔３４に挿入され、軸方向の中間部がロータコア３２に固定される。ロータコア３２に対しフロント側で、シャフト３５は、フロントベアリング４１により回転可能に軸支される。また、ロータコア３２に対しリア側で、シャフト３５は、リアベアリング４３により回転可能に軸支される。ワッシャ４４は、リアベアリング４３を介して、シャフト３５及びロータコア３２をフロント側に押し付ける。

シャフト３５の一端であるフロント側の端部には、「回転伝達部」としてのジョイント８５が設けられる。すなわちシャフト３５は、「回転伝達部」としてのジョイント８５とロータ３１とを連結する。ジョイント８５は、シャフト３５の一端に嵌合固定された内輪８６０、内輪８６０と径方向に対向する外輪８５０、及び、外輪８５０と内輪８６０との間に設けられ径方向の弾性力によりトルクを伝達可能なばね部材８７０を含む。ジョイント８５の外輪８５０は、負荷側の連結軸８８と係合し、シャフト３５の回転を連結軸８８に伝達する。ジョイント８５の詳細な構成については図５、図６を参照して後述する。

シャフト３５の他端であるリア側の端部には、ロータ３１の励磁磁極３３の回転位置に応じた磁束を発生するセンサマグネット４５が固定されている。制御部５０の制御基板５４の中心には、磁気抵抗素子等の角度センサ５５がセンサマグネット４５と対向するように設けられる。

制御部５０は、カバー５８の内部の空間に収容され、ヒートシンク５１、複数の半導体モジュール５２、パワー基板５３、制御基板５４等を含む。インバータ等を構成する複数の半導体モジュール５２は、ヒートシンク５１の側面に沿って設けられる。各種電子部品が実装されたパワー基板５３及び制御基板５４は、ヒートシンク５１の軸方向両端面に沿って設けられる。制御基板５４には、モータ１０の駆動を制御するモータ制御装置６０が実装されている。

ＥＰＳにおけるモータ１０の力行動作時、制御部５０は、要求されるアシストトルクをモータ１０が出力するようにステータ２１の巻線２３への通電を制御し回転磁界を発生させる。この回転磁界と励磁磁極３３の磁束との相互作用により、ロータ３１及びシャフト３５が回転する。そして、回転伝達部であるジョイント８５は、「外部の負荷」としてのラック軸にトルクを出力する。

続いて、本実施形態のモータ１０が適用される各種ＥＰＳの全体構成について、図２～図４を参照する。図２にはラックパラレル式ＥＰＳ９０１、図３にはデュアルピニオン式ＥＰＳ９０２、図４にはコラム式ＥＰＳ９０３を示す。各図のＥＰＳに共通して、運転者による操舵トルクは、ステアリングホイール９１からコラム軸９２に伝達され、ピニオンギア９４にて回転運動がラック軸９５の直線運動に変換される。そして、ラック軸９５の直線運動変位に応じた角度について一対の車輪９９が操舵される。コラム軸９２の途中には、操舵トルクＴｓを検出するトルクセンサ７５が設けられている。モータ１０は、操舵トルクＴｓに基づいて、運転者の操舵をアシストするアシストトルクを出力する。

図２のラックパラレル式ＥＰＳ９０１では、モータ１０は、ラック軸９５に設けられたハウジング９６に取り付けられ、回転軸であるシャフト３５がラック軸９５に平行に配置される。シャフト３５の回転は、ギア等を介して減速しつつラック軸９５に伝達される。

図３のデュアルピニオン式ＥＰＳ９０２では、コラム軸９２の回転を直線運動に変換するピニオンギア９４に加えて、モータ１０の回転を直線運動に変換するＥＰＳ用ピニオンギア９７がラック軸９５に設けられる。モータ１０のシャフト３５の回転は、ＥＰＳ用ピニオンギア９７によって減速しつつ変換され、ラック軸９５の直線運動をアシストする。

図４のコラム式ＥＰＳ９０３では、モータ１０は、コラム軸９２の近傍に配置される。モータ１０のシャフト３５の回転は、コラム軸９２とピニオンギア９４との間の出力軸９３に減速しつつ伝達される。操舵トルクにアシストトルクが加えられた出力軸９３のトルクがピニオンギア９４で変換され、ラック軸９５を直線運動させる。

ところでＥＰＳでは、例えば車両の走行中に車輪が縁石に乗り上げたとき、外力によって車輪が急激に転舵され、ラック軸９５等の負荷から回転伝達部であるジョイント８５にトルクが逆入力される可能性がある。そのとき、モータ１０の回転角速度やトルクが、通常の駆動制御によって実現される上限値を超える場合がある。そのため、過大なトルクが入力されたときに摺動部が摺動するトルクリミッタの機能を回転伝達部に設けることで、モータ１０の破損を防止することが望まれる。

一方、操舵アシストモータの制御では、車輪が縁石に乗り上げた場合等でもアシスト機能を維持するように、回転角が正しくフィードバックされることが求められる。したがって、トルクリミッタにより摺動部が摺動した場合にも回転角検出機能が損なわれないようにすることが必要である。そこで、本実施形態のモータ１０では、センサマグネット４５の励磁磁極３３に対する回動トルクと、摺動部の摺動トルクとの関係に注目する。

続いて、第１実施形態のモータ１０１におけるジョイント８５の詳細な構成について、比較例と対比しつつ説明する。図１３に示す比較例のモータ１０９では、ジョイント８９は、中心軸に沿って嵌合孔８９２が形成された本体８９１、及び複数の爪部８９３を有する。シャフト３５は、フロントベアリング４１に嵌合する大径部３５１の先端に、大径部３５１より小径の小径部３５２が形成されており、小径部３５２が本体８９１の嵌合孔８９２に圧入等により嵌合して固定される。

複数の爪部８９３は、周方向の数箇所で本体８９１のフロント側端面から軸方向に突出し、図１に示す負荷側の連結部８８と係合可能である。比較例のジョイント８９は、外部の負荷から逆入力されるトルクがそのままシャフト３５に伝達される。すなわち、トルクリミッタ機能が無いため、過大なトルクが入力されたときにモータ１０９が破損するおそれがある。

比較例に対し第１実施形態のモータ１０１におけるジョイント８５は、図５、図６に示すように、外輪８５０、内輪８６０、及び、「摺動部」として機能するばね部材８７０を含む。「摺動部」は、回転伝達部における負荷側と励磁磁極との間で摺動し、負荷から逆入力されるトルクの伝達を制限する部分であり、これによりトルクリミッタ機能が実現される。

外輪８５０は、円筒状の基部８５１、円盤部８５２及び複数の爪部８５３を有する。円盤部８５２は、基部８５１のフロント側で径内方向に突出する。複数の爪部８５３は、周方向の数箇所で基部８５１のフロント側端面から軸方向に突出し、図１に示す負荷側の連結部８８と係合可能である。

内輪８６０は、筒部８６１及びフランジ部８６２を有する。シャフト３５は、フロントベアリング４１に嵌合する大径部３５１の先端に、大径部３５１より小径の小径部３５２が形成されている。筒部８６１は、シャフト３５の小径部３５２に嵌合固定される。フランジ部８６２は、筒部８６１のリア側で径外方向に突出する。

ばね部材８７０は、外輪８５０の基部８５１の内周面と、内輪８６０の筒部８６１の外周面との間に嵌挿される。ばね部材８７０の軸方向の両端は、外輪８５０の円盤部８５２及び内輪８６０のフランジ部８６２によりガイドされ、位置ずれが防止される。ばね部材８７０は、連結部８７１、切欠部８７２及び凸部８７３を有する。連結部８７１は、帯状の板が略円筒形に丸められて形成されており、周方向の両端間が切欠部８７２となっている。連結部８７１の外周には、連結部８７１の内壁から径外方向に押し出されるように形成された複数の凸部８７３が放射状に配置されている。凸部８７３は、径方向の弾性力を有している。ばね部材８７０は、硬度及び引張強度の高い材料で形成されることが望ましい。例えばＳＵＳ３０４等のステンレス材、ＳＫ８５等の高炭素系の鉄材、リン青銅やベリリウム銅等の銅材があげられる。

本明細書では、回転角速度、回転角加速度及びトルクの符号は、ステアリングホイールの中立位置に対する回転方向又はトルクの印加方向に応じて、例えば右回転方向が正、左回転向が負というように正負が定義されるものとする。そのため、例えばトルクの大きさについては、原則として「トルクの絶対値」として記載する。

負荷から逆入力されるトルクの絶対値が所定の限界値以下のとき、ばね部材８７０は、凸部８７３の弾性力により、外輪８５０と内輪８６０との間でトルクを伝達可能である。すなわち、外輪８５０と内輪８６０とは一体に回転する。一方、負荷から逆入力されるトルクの絶対値が所定の限界値を超えたとき、「回転伝達部における負荷側」に相当する外輪８５０と、励磁磁極３３に連結された内輪８６０とが凸部８７３の弾性力に抗して摺動し相対回転する。なお、摺動部の摺動トルクＴＬは、モータ１０の定格駆動トルクＴｍよりも大きく設定される（Ｔｍ＜ＴＬ）ことが好ましい。

ここで、「摺動部」としてのばね部材８７０が摺動開始する絶対値最小の回転角加速度を「α₀」と表す。また、回転角加速度α₀が印加されたとき、センサマグネット４５に印加されるトルクの絶対値を｜Ｔｓ（α₀）｜と表し、センサマグネット４５の励磁磁極３３に対する回動トルクの絶対値を｜Ｔｓ｜と表す。第１実施形態ではロータ３１、シャフト３５及びセンサマグネット４５は一体であり、センサマグネット４５の励磁磁極３３に対する回動トルクの絶対値｜Ｔｓ｜は実質的に無限大となる。したがって、図７に示すように、｜Ｔｓ（α₀）｜と｜Ｔｓ｜との間に、
｜Ｔｓ（α₀）｜＜｜Ｔｓ｜
の関係が常に成立する。なお、右回転方向のトルクを正、左回転方向のトルクを負とした場合、本実施形態では正負の値が実質的に等しい前提で論述しているが、左右の方向で差があっても良い。その場合は、絶対値でなく、正負の回動トルクが独立して定義されればよい。以下の絶対値形式の各式に関しても同様とする。

つまり第１実施形態では、トルクリミッタ機能を有する摺動部であるばね部材８７０の固定強度がセンサマグネット４５の固定強度よりも小さい。したがって、絶対値の大きい加速度が印加さればね部材８７０が摺動した場合でも、センサマグネット４５と励磁磁極３３との間の固定余裕度の方が大きいため、センサマグネット４５は確実に固定される。つまり、センサマグネット４５の回転位置がずれないため、回転角検出機能が確保され、逆回転やトルク過不足等の駆動機能の失陥を防止することができる。また、第１実施形態の構成では、摺動部であるばね部材８７０をジョイント８５に内蔵可能であるため、摺動部有無のバリエーション対応が容易である。

次に、モータ制御装置６０の構成及び作用について図８～図１０を参照して説明する。この説明は第２実施形態にも共通するため、モータの符号を「１０」と記す。図８に示すように、モータ制御装置６０は、駆動制御部６１、微分器６３、二階微分器６４、回転ストレス判定部６５、記憶装置６６等を備え、インバータ６２への駆動指令を通じてモータ１０の駆動を制御する。

駆動制御部６１は、トルクセンサから操舵トルクＴｓを取得する。また、モータ１０からモータ電流Ｉｍ及びロータの回転角θがフィードバックされる。なお、図８の回転角θは、機械的な１回転を基準とした角度を想定している。複数の極対を有する交流モータの場合、駆動制御部６１は、回転角θを電気角に換算してベクトル制御の座標変換演算等に用いる。

駆動制御部６１は、取得した操舵トルクＴｓ及びフィードバック電流の情報に基づき、インバータ６２に指令する駆動信号を演算する。電流フィードバック制御によるモータ駆動制御は周知技術であるため、詳細な説明を省略する。インバータ６２は、駆動制御部６１から指令された駆動信号に基づき動作することで、駆動電圧Ｖｄをモータ１０に印加する。

上述の通り、ＥＰＳでは、例えば車両の走行中に車輪が縁石に乗り上げたとき、外力によって車輪が急激に転舵され、ラック軸９５等の負荷からモータ１０にトルクが逆入力される可能性がある。そのとき、モータ１０の回転角速度やトルクが、通常の駆動制御によって実現される上限値を超える場合がある。そのため、ＥＰＳのモータ１０において、特にシャフトの回転又は負荷へのトルク伝達に関わる部材は、通常の駆動制御によって実現される回転範囲内での耐久強度が要求されることはもちろん、更に負荷から逆入力されるトルクを考慮した強度設計が必要となる。

以下、逆入力トルクに対する耐久強度の設計対象となる、シャフトの回転又は負荷へのトルク伝達に関わるモータ１０の構成部材を総括して「保護対象部材」という。例えば、シャフト３５の回転に伴って回転ストレスを受ける部材として、シャフト３５及びロータコア３２の他、フロントベアリング４１、リアベアリング４３、センサマグネット４５や図示しないオイルシール等の部材が「保護対象部材」に該当する。負荷へのトルク伝達に関わるジョイント８５等の回転伝達部を構成する部材も、シャフト３５の回転に伴って回転ストレスを受けるため、「保護対象部材」に該当する。また、負荷からの逆入力トルクによって保護対象部材が受ける機械的なストレスを「回転ストレス」という。回転ストレスの蓄積により、保護対象部材の摩耗や劣化等が生じる。

車両の耐用年数である数年間にわたって発生する回転ストレスを正確に予測することは困難であり、十分な安全率を見込んで保護対象部材の強度を設計しようとすると、製品の体格や重量が増大し、コストアップを招くこととなる。そこで、本実施形態のモータ制御装置６０は、保護対象部材が受ける回転ストレスを適切に評価し、回転ストレスが過大である場合に異常と判定する回転ストレス判定部６５を備える。また、回転ストレス判定部６５へ入力される情報として回転角速度ωを算出する微分器６３、及び、回転角加速度αを算出する二階微分器６４を備える。

微分器６３は、回転角θを時間で微分し、モータ１０の回転角速度ωを算出する。回転角速度ω［ｒａｄ／ｓ］は、適宜、回転数［ｒｐｍ］等の単位に換算される。ただし、本明細書では、直接的に［ｒａｄ／ｓ］単位で表される量に限らず、回転数［ｒｐｍ］等を含めて、「回転角速度」の用語、及び、記号ωを用いることとする。その理由は、「回転数」の用語が単位時間当たりに回転した回数を示すのか、或いは、時間と関係なく単に回転した回数を示すのかが区別しにくいためである。そこで本明細書では、単位時間当たりに回転した回数を、単位に関係なく「回転角速度ω」と記す。

二階微分器６４は、回転角θを時間で二階微分し、モータ１０の回転角加速度αを算出する。回転角速度ωと同様に、本明細書では、直接的に［ｒａｄ／ｓ²］単位で表される量に限らず、換算され得る各単位の量を含めて、「回転角加速度」の用語、及び記号αを用いる。「トルク＝力×距離＝質量×距離×角加速度＝イナーシャ（慣性モーメント）×角加速度」」の関係にあることから、イナーシャが一定の条件のもと、トルクを回転角加速度の相関量として扱うことができる。

以下、回転ストレス判定部６５に入力される回転角速度ω及び回転角加速度αの情報をまとめて「回転評価量」という。モータ１０に過大な角速度ωの回転が加わると、ロータに遠心力が作用し、ロータの半径方向に回転ストレスが印加される。そこで本実施形態の回転ストレス判定部６５は、回転評価量として、モータ１０に実際に加わる回転角速度ω及び回転角加速度αの情報に基づいて回転ストレスを評価する。なお、本実施形態の回転ストレス判定部６５による判定では、基本的に回転評価量の絶対値を用いる。つまり、回転方向によって判定レベルを変えることはない。

回転ストレス判定部６５は、微分器６３及び二階微分器６４から取得した回転評価量の絶対値｜ω｜、｜α｜をストレス閾値と比較する。このストレス閾値は、通常の駆動制御によって実現される上限値を超える値に設定されている。そして、回転ストレス判定部６５は、回転評価量の絶対値がストレス閾値を超えたことに基づいて、回転ストレス異常を判定する。回転ストレス判定部６５が実施する具体的な判定処理例については後述する。

回転ストレス判定部６５が判定した回転ストレス異常の情報は、例えば、車内ＬＡＮであるＣＡＮバス７０を経由して車両制御装置７１に通知される。車両制御装置７１は、具体的には車両ＥＣＵとして構成され、車両の各部から通知される情報に基づき、車両の動作を統括的に制御する。図８に示す構成では、回転ストレス判定部６５が回転ストレス異常を判定すると、その情報が車両制御装置７１に通知される。通知を受けた車両制御装置７１は、操作パネルへの表示、警告音の発生等により警報を出力し、運転者に異常を知らせる。

このように本実施形態のモータ制御装置６０は、回転ストレス判定部６５により回転ストレス異常であると判定されたとき、その異常判定情報を外部に通知することで、モータ機能の失陥前に運転者に通知し、早期の対処を促すことができる。また、異常の情報を、車内ＬＡＮを経由して通信するため、失陥前に運転者への通知が容易となる。

また、モータ制御装置６０は、回転評価量の絶対値｜ω｜、｜α｜がストレス閾値を超えたとき、その値を記憶する不揮発性ＲＯＭ等の記憶装置６６を内部に備える。例えば、車両の定期点検等のメンテナンス時に記憶装置６６のデータが読み出されることで、回転ストレスの診断が可能となる。図８に示すように、記憶装置６６は、ストレス閾値を超えた回転評価量の絶対値の最大値｜ω｜ｍａｘ、｜α｜ｍａｘのみを記憶してもよい。これにより、記憶装置６６の記憶機能を最小限にすることができる。

次に、回転ストレス判定部６５による判定処理例について、図９のフローチャートを参照する。フローチャートの説明で記号Ｓは「ステップ」を表す。この判定処理例では、ストレス閾値として、短期閾値ωｔｈ１、αｔｈ１、及び、常用閾値ωｔｈ２、αｔｈ２の二水準の値が設定される。常用閾値ωｔｈ２、αｔｈ２は、短期閾値ωｔｈ１、αｔｈ１より小さい値に設定される。なお他の処理例では、常用閾値が短期閾値より小さい複数の段階に設定され、短期閾値と合わせて三水準以上のストレス閾値が設定されてもよい。

回転ストレス判定部６５は、回転評価量の絶対値｜ω｜、｜α｜が短期閾値ωｔｈ１、αｔｈ１を１回超えたとき、短期ストレス異常であると判定する。また、回転ストレス判定部６５は、回転評価量の絶対値｜ω｜、｜α｜が常用閾値ωｔｈ２、αｔｈ２を超えたとき、回転評価量の絶対値｜ω｜、｜α｜に基づく換算値を算出し、当該換算値の積算値が判定閾値を超えたとき、積算ストレス異常であると判定する。

ところで、車両の仕向地、環境温度、使用期間等に応じて、回転ストレスの発生頻度や保護対象部材が受ける影響の程度が異なることが考えられる。そこで、ストレス閾値は、それらの要因によって設定が調整され、回転ストレス判定部６５に記憶されてもよい。例えば仕向地別の設定については、車両の製造時に仕向地毎にデフォルト値を変更すればよい。環境温度については、回転ストレス判定部６５が温度センサから取得した環境温度に基づいてマップを参照し、随時、記憶値を変更してもよい。使用期間については、タイマの情報を基に回転ストレス判定部６５が随時、記憶値を変更してもよく、或いは、定期点検毎に回転ストレス判定部６５の記憶値を更新してもよい。

以下の説明では、「回転角速度の絶対値｜ω｜」又は「回転角加速度の絶対値｜α｜」を適宜省略し、「回転角速度｜ω｜」又は「回転角加速度｜α｜」と記す。回転ストレス判定部６５は、Ｓ１１で、微分器６３及び二階微分器６４からモータ１０の回転角速度ω及び回転角加速度αを取得する。続くＳ１２で、回転ストレス判定部６５は、回転角速度｜ω｜が短期閾値ωｔｈ１を１回超えたか、又は、回転角加速度｜α｜が短期閾値αｔｈ１を１回超えたか判断する。Ｓ１２でＹＥＳと判断された場合、Ｓ１８に移行し、ＮＯの場合、Ｓ１３に移行する。

回転ストレス判定部６５は、Ｓ１３で、回転角速度｜ω｜が常用閾値ωｔｈ２を超えたか、又は、回転角加速度｜α｜が常用閾値αｔｈ２を超えたか判断する。Ｓ１３でＹＥＳと判断された場合、Ｓ１４に移行し、ＮＯの場合、Ｓ１１の前に戻る。Ｓ１４では、常用閾値ωｔｈ２を超えた回転角速度｜ω｜、又は、常用閾値αｔｈ２を超えた回転角加速度｜α｜が記憶される。なお、回転評価量として回転角速度｜ω｜及び回転角加速度｜α｜のいずれを用いるかは、保護対象部材として想定される部品の劣化特性等に基づいて、適宜選択すればよい。

回転ストレス判定部６５は、Ｓ１５で、その回転角速度｜ω｜又は回転角加速度｜α｜に基づく換算値を算出し、Ｓ１６で換算値の積算値Ｘを算出する。そして、回転ストレス判定部６５は、Ｓ１７で、積算値Ｘが判定閾値Ｘ０を超えたか判断する。Ｓ１７でＹＥＳと判断された場合、Ｓ１８に移行し、ＮＯの場合、Ｓ１１の前に戻る。

回転ストレス判定部６５は、Ｓ１２でＹＥＳと判定された場合、短期ストレス異常であると判定し、Ｓ１７でＹＥＳと判定された場合、積算ストレス異常であると判定する。図８に示すように車内ＬＡＮに通信可能な構成では、回転ストレス判定部６５は、異常情報を車両制御装置７１に通知する。通知を受けた車両制御装置７１は、警報を出力し、運転者に異常を知らせる。

Ｓ１５の換算値は、回転角速度｜ω｜又は回転角加速度｜α｜による回転ストレスが、例えば短期閾値ωｔｈ１、αｔｈ１又は破壊強度相当値ω０、α０での回転ストレスの何回分に相当するかという観点から算出される。回転角加速度αを例として、換算値の算出及び積算例を説明する。（例１）回転角加速度｜α｜が常用閾値αｔｈ２を超える毎に、換算値Ｘとして「１」が積算される。つまり、回転角加速度｜α｜が常用閾値αｔｈ２を超えた回数に基づいて、ストレス異常が判定される。（例２）回転角加速度｜α｜が常用閾値αｔｈ２を超えた超過量が換算値Ｘとして積算される。

さらに図１０を参照し、「摺動部の摺動トルクＴＬ」及び「センサマグネットの励磁磁極に対する回動トルクＴｓ」に対応する回転評価量の絶対値と、短期閾値及び常用閾値との関係について、回転評価量を回転角加速度αとして説明する。図１０において、「摺動部の摺動トルクＴＬ」に対応する回転角加速度αの絶対値を｜α（ＴＬ）｜と表し、「センサマグネットの励磁磁極に対する回動トルクＴｓ」に対応する回転角加速度αの絶対値を｜α（Ｔｓ）｜と表す。

ここで、｜ＴＬ｜＜｜Ｔｓ｜であることから、｜α（ＴＬ）｜＜｜α（Ｔｓ）｜の関係となる。そして、短期閾値αｔｈ１及び常用閾値αｔｈ２を含むストレス閾値は、｜α（Ｔｓ）｜よりも小さい値に設定される。詳しくは、短期閾値αｔｈ１は、｜α（ＴＬ）｜の１０５％以上、且つ、｜α（Ｔｓ）｜の９５％以下に設定される。また、常用閾値αｔｈ２は、｜α（ＴＬ）｜の９５％以下に設定される。すなわち、以下の関係が成立する。
｜α（ＴＬ）｜×１．０５≦αｔｈ１≦｜α（Ｔｓ）｜×０．９５
αｔｈ２≦｜α（ＴＬ）｜×０．９５

このように、摺動部が摺動に至る加速度｜α（ＴＬ）｜が印加された状態の９５％以下の値を常用閾値αｔｈ２に設定することで、回転ストレスの繰り返しによる保護対象部材の破損を確実に防止することができる。また、センサマグネットの固定トルクＴｓに対応する加速度｜α（Ｔｓ）｜が印加された状態の９５％以下の値を短期閾値αｔｈ１に設定することで、１回の回転ストレスによる保護対象部材の破損を確実に防止することができる。さらに、摺動部が摺動に至る加速度｜α（ＴＬ）｜が印加された状態の１０５％以上の値を短期閾値αｔｈ１に設定することで、常用閾値αｔｈ２と短期閾値αｔｈ１とを適度に隔離し、警報が出力されない範囲で安全性を確保することができる。

ここで、９５％及び１０５％という値は、一般的なばらつきや検出誤差のレベルを前提としたとき、ばらつきや誤差を考慮しても「１００％より小さい」ことが保証される最大限の値、及び、「１００％より大きい」ことが保証される最小限の値として採用される。つまり、例えば９８％及び１０２％とすると、ばらつきや誤差が吸収されず、保護が十分とならない場合がある。一方、例えば９０％及び１１０％とすると、通常の使用可能範囲に常用閾値αｔｈ２を設定することになり、制限が過剰となるおそれがある。そのため、９５％及び１０５％という値に基づきストレス閾値を設定することで、過不足のない効率的な保護を実現することができる。

このように、モータ制御装置６０の回転ストレス判定部６５は、モータ１０の回転角速度の絶対値｜ω｜又は回転角加速度の絶対値｜α｜がストレス閾値ωｔｈ、αｔｈを超えたことに基づいて、保護対象部材が受ける回転ストレスの異常を判定する。これにより、回転ストレス判定部６５は、実際に発生した回転ストレスの大きさや頻度に応じて、保護対象部材の交換が必要となるストレス異常に至ったことを適切に判定することができる。

特にＥＰＳでは、車両の走行中に車輪が縁石に乗り上げた場合等、ラック軸９５側から過大なトルクが急激にモータ１０に逆入力される可能性がある。ただし、その可能性は、走行地域の道路状況や運転者の運転技術等によって千差万別であり、標準的な範囲を想定することが困難である。仮に、安全率を高く見込んで保護対象部材の強度を設計すると、多くの車両にとっては過剰品質となり、モータ１０の体格や重量が増大し、コストアップを招くおそれがある。

それに対し、本実施形態では、回転評価量の絶対値｜ω｜、｜α｜を、通常の駆動制御によって実現される上限値を超える値に設定されるストレス閾値と比較することにより、回転ストレス異常を適切に判定することができる。したがって、過剰品質となることを回避しつつ、高い信頼性を確保することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態のモータ１０２について、第１実施形態の図１、図７に対応する図１１、図１２を参照し、第１実施形態との相違点を中心に説明する。図１１に示すように、第２実施形態のモータ１０２は、「摺動部」としてのばね部材３７がシャフト３５の外周面とロータコア３２の内周面との間に配置されている。ばね部材３７の構成は、例えば第１実施形態のジョイント８５のばね部材８７０を軸方向に伸ばした構成に相当する。なお、回転伝達部であるジョイント８５には摺動部は設けられない。

また第２実施形態のモータ１０２では、ロータ３１の励磁磁極３３の回転位置に応じた磁束を発生する「センサマグネット」は、ロータ３１に固定された励磁磁極３３そのものである。つまり、第２実施形態では、ロータ磁気回路を形成する励磁磁極３３がセンサマグネットの機能を兼ね、励磁磁極３３の磁束を用いて回転位置が検出される。そして、センサマグネットとしての励磁磁極３３が発生する磁束に基づき回転位置を検出する主角度センサ５６がモータケース１６の底部１８におけるリアベアリング収容部１９の径外側に設置されている。

また、第１実施形態と同様にシャフト３５のリア側端部に固定されたセンサマグネット４５は、励磁磁極３３とは別に、ロータ３１の励磁磁極３３の回転位置に応じた磁束を発生する「補助センサマグネット」として用いられる。制御基板５４に設けられた補助角度センサ５５は、補助センサマグネット４５が発生する磁束に基づき回転位置を検出する。さらに、主角度センサ５６の検出角度θｍと補助角度センサ５５の検出角度θｓとの差を所定の角度差閾値と比較判定する判定部５７が制御基板５４に実装されている。

ここで、第１実施形態と同様に「摺動部」としてのばね部材３７が摺動開始する絶対値最小の回転角加速度を「α₀」と表す。また、回転角加速度α₀が印加されたとき、励磁磁極３３に印加されるトルクの絶対値を｜Ｔｓ（α₀）｜と表し、励磁磁極３３の励磁磁極３３自身に対する回動トルクの絶対値を｜Ｔｓ｜と表す。第２実施形態では、「センサマグネット」と励磁磁極３３とは同一であり、センサマグネットの励磁磁極３３に対する回動トルクの絶対値｜Ｔｓ｜は実質的に無限大となる。言い換えれば、センサマグネットの固定力は主磁気回路の破壊強度と見做すことができる。したがって、第１実施形態と同じ図７に示すように、｜Ｔｓ（α₀）｜と｜Ｔｓ｜との間に、
｜Ｔｓ（α₀）｜＜｜Ｔｓ｜
の関係が常に成立する。これによる作用効果は、第１実施形態と同様である。

また、回転角加速度α₀が印加されたとき、補助センサマグネット４５に印加されるトルクの絶対値を｜Ｔｓ１（α₀）｜と表し、補助センサマグネット４５の励磁磁極３３に対する回動トルクの絶対値を｜Ｔｓ１｜と表す。第２実施形態では、絶対値の大きな角加速度αが印加され、ばね部材３７が摺動し始めると、シャフト３５に固定された補助センサマグネット４５は励磁磁極３３に対して摺動する。したがって、図１２に示すように、｜Ｔｓ１（α₀）｜と｜Ｔｓ１｜との間に、
｜Ｔｓ１（α₀）｜≧｜Ｔｓ１｜
の関係が成立する。

要するに、回転角加速度α₀が印加されたとき、「センサマグネット」である励磁磁極３３は励磁磁極３３自身に対し回動しないが、補助センサマグネット４５は励磁磁極３３に対し回動する。そして、補助センサマグネット４５が励磁磁極３３に対し回動すると、主角度センサ５６の検出角度θｍと補助角度センサ５５の検出角度θｓとがずれるため、判定部５７により、ずれが発生したことが検出され、警報が出力される。

このように第２実施形態では、二つの角度センサ５５、５６を冗長的に備えるため高い信頼性が得られる。なお、角度センサが一つの構成でも、モータ制御装置６０の回転ストレス判定部６５により回転ストレスが過大状態であることを判定可能であるものの、その判定は、あくまでストレス閾値に対する相対的な評価に基づくものである。したがって、使用環境等によってはストレス閾値の設定が信頼性に影響する可能性がある。

それに対し二つの角度センサ５５、５６を備える第２実施形態では、摺動部が摺動する回転角加速度α₀が印加されたとき、主角度センサ５６の検出角度θｍと補助角度センサ５５の検出角度θｓとが実際にずれるため、過大なトルクが逆入力されたことを直接的に検出することができる。よって、過大な逆入力トルクに対するモータ１０の保護に関し、より高い信頼性が得られる。

（その他の実施形態）
（ａ）第１実施形態におけるシャフト３５に固定されたセンサマグネット４５、及び、第２実施形態における励磁磁極そのものであるセンサマグネット３３は、いずれも励磁磁極と一体に回動するように構成されている。このような構成に限らず、本発明のモータのセンサマグネットは、あるトルクが印加されたとき、励磁磁極に対して回動してもよい。その場合、励磁磁極に対する回動トルクの絶対値｜Ｔｓ｜が、摺動部が摺動開始する時にセンサマグネットに印加されるトルクの絶対値｜Ｔｓ（α₀）｜より大きくなるように構成されればよい。

（ｂ)本発明の摺動部は、径方向の間に介在されたばね部材に限らず、所定の限界値を超えるトルクが印加されたときに摺動するものであればよい。また、モータの回転伝達部は、上記実施形態のジョイント８５の他、例えばベルトに回転を伝達するプーリ等で構成されてもよい。その場合、摺動部としてのばね部材８７０がジョイント８５に収納された第１実施形態に対し、摺動部の構成がプーリに収納されてもよい。

（ｃ）上記の第２実施形態は、シャフト３５とロータコア３２との間にばね部材３７が設けられる構成と、二つの角度センサ５５、５６を冗長的に備える構成とが組み合わせている。これに対し、シャフト３５とロータコア３２との間にばね部材３７が設けられ、且つ、センサマグネットとして励磁磁極３３のみを備え、補助センサマグネットを備えない構成としてもよい。その場合、励磁磁極の磁束を用いて磁極の回転位置を検出するため、別部材としてのセンサマグネットは不要となる。

（ｄ）上記とは逆に、第２実施形態以外の摺動部の構成を採用しつつ、センサマグネット及び補助センサマグネットに対応する二つの角度センサを備える構成としてもよい。

（ｅ）図８に示すモータ制御装置６０は、車両制御装置７１とは独立に制御基板５４上に構成され、内部の回転ストレス判定部６５が回転ストレス異常を判定する。ただし、例えば判定処理例を実施するとき、制御基板５４上の回路側で回転評価量が常用閾値を超えたことまでを判定して、その情報を車両制御装置７１に通知し、車両制御装置７１が換算値の算出や積算を行って異常を確定し警報を出力するようにしてもよい。その場合、車両制御装置が「回転ストレス判定部」の機能の一部を構成するものとして解釈される。また、「モータ制御装置」は、制御基板５４上の回路及び車両制御装置の一部を含むものとして解釈される。

（ｆ）上記実施形態では、ロータ３１の回転角θを時間微分した回転角速度ω及び回転角加速度αが回転評価量として用いられる。この場合、通常のモータ駆動制御でフィードバック制御に用いる回転角θの情報を有効に利用することができる。ただし、回転角速度ωや回転角加速度αと相関する量が回転評価量として用いられてもよい。例えば車両制御装置７１等からラック軸９５の移動速度や加速度等の情報が取得され、回転評価量に換算されてもよい。

（ｇ）本発明のモータは、ＥＰＳ用の操舵アシストモータに限らず、負荷からトルクが逆入力される可能性のあるどのようなモータであってもよい。

以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、そ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できる。

１０（１０１、１０２）・・・モータ、
２１・・・ステータ、３１・・・ロータ、
３３・・・励磁磁極、センサマグネット、
３５・・・シャフト、３７・・・ばね部材（摺動部）、
４５・・・センサマグネット、補助センサマグネット、
８５・・・ジョイント（回転伝達部）、
８５０・・・外輪（摺動部）、８６０・・・内輪（摺動部）、
８７０・・・ばね部材（摺動部）、
９５・・・ラック軸（負荷）。

Claims

ロータに固定されたシャフトの回転により、負荷（９５）にトルクを出力するモータであって、当該モータの駆動を制御するモータ制御装置（６０）が一体に構成されており、
前記モータは、
筒状のステータ（２１）と、
前記ステータの内側に回転可能に設けられ、励磁磁極（３３）が固定されたロータ（３１）と、
外部の負荷にトルクを出力し、且つ前記負荷からトルクが逆入力される可能性がある回転伝達部（８５）と、
前記回転伝達部と前記ロータとを連結するシャフト（３５）と、
前記シャフトの前記回転伝達部とは反対側の端部に固定され、前記ロータの前記励磁磁極の回転位置に応じた磁束を発生するセンサマグネット（４５）と、
前記回転伝達部における前記負荷側と前記シャフトとの間で摺動し、前記負荷から逆入力されるトルクの伝達を制限する摺動部（８７０）と、
を備え、
前記回転伝達部は、前記シャフトのトルク出力側の端部に固定された内輪（８６０）、前記内輪と径方向に対向する外輪（８５０）、及び、前記外輪と前記内輪との間に設けられ径方向の弾性力によりトルクを伝達可能であり、且つ前記負荷から逆入力されるトルクの絶対値が所定の限界値を超えたとき前記摺動部として機能するばね部材（８７０）を含み、
前記シャフト、前記ロータ、前記シャフトを軸支するベアリング（４１、４３）、前記シャフトの端部に固定された前記センサマグネット（４５）、及び、前記シャフトの外周に当接するオイルシールを、前記シャフトの回転又は前記負荷へのトルク伝達に関わる保護対象部材と定義すると、
前記モータ制御装置は、
前記保護対象部材が前記負荷から逆入力されるトルクによって受ける回転ストレスに関し、
前記モータの回転角速度（ω）又は回転角加速度（α）である回転評価量の絶対値が、通常の駆動制御によって実現される上限値を超える値に設定されるストレス閾値を超えたことに基づいて、前記回転ストレスが過大状態である回転ストレス異常を判定する回転ストレス判定部（６５）を備え、
前記ストレス閾値は、短期閾値、及び、前記短期閾値より小さい値に設定される一つ以上の常用閾値を含む少なくとも二水準の値が設定され、
前記回転ストレス判定部は、
前記回転評価量の絶対値が前記短期閾値を１回超えたとき、短期ストレス異常であると判定し、
前記回転評価量の絶対値が前記常用閾値を超えたとき、前記回転評価量の絶対値に基づく換算値を算出し、当該換算値の積算値が判定閾値を超えたとき、積算ストレス異常であると判定するモータ。
前記モータ制御装置は、前記回転ストレス判定部により前記回転ストレス異常であると判定されたとき、その情報を外部に通知する請求項１に記載のモータ。
車両に搭載されるモータであって、
前記モータ制御装置の前記回転ストレス判定部は、前記回転ストレス異常の情報を、車内ＬＡＮを経由して車両制御装置（７１）に通信する請求項２に記載のモータ。
前記モータ制御装置の前記回転ストレス判定部は、前記回転評価量の絶対値が前記ストレス閾値を超えたとき、その値を内部の記憶装置（６６）に記憶する請求項１に記載のモータ。
前記記憶装置は、前記ストレス閾値を超えた前記回転評価量の絶対値の最大値のみを記憶する請求項４に記載のモータ。
前記シャフトと前記ロータとが固定されており、前記センサマグネットが前記励磁磁極に対して回動しない構成において、
回転角速度、回転角加速度及びトルクの符号は回転方向又はトルクの印加方向に応じて定義されるものとし、前記摺動部が摺動開始する絶対値最小の回転角加速度（α_０）が前記回転伝達部の前記外輪に印加されたとき、前記センサマグネットに印加されるトルクの絶対値を｜Ｔｓ（α_０）｜と表し、前記センサマグネットの前記励磁磁極に対する回動トルクの絶対値を｜Ｔｓ｜と表し、｜Ｔｓ｜は実質的に無限大となるとすると、
｜Ｔｓ（α_０）｜と｜Ｔｓ｜との間に、
｜Ｔｓ（α_０）｜＜｜Ｔｓ｜
の関係が成立する請求項１～５のいずれか一項に記載のモータ。