JPWO2017046940A1 - 一体型電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

一体型電動パワーステアリング装置は、電源の正側とインバータ回路の正側とを接続する正側配線パターンと、電源の負側とインバータ回路の負側とを接続する負側配線パターンとのうちの一方の配線パターンが配線基板の中央側に設けられ、他方の配線パターンが配線基板の外周側に設けられている。インバータ回路を構成している複数のスイッチング素子は、配線基板における正側配線パターンと負側配線パターンとの間に搭載されている。

Description

本発明は、モータとモータを制御する制御ユニットとを一体化した一体型電動パワーステアリング装置に関するものである。

従来の電動パワーステアリング装置（例えば、特許文献１、２参照）には、センサ用および電源用の複数のコネクタと、モータに電流を供給するためのインバータ回路と、ＣＰＵを含む制御回路と、これらの部品を接続するための配線等とが存在する。モータと制御ユニットを一体化した構造を採用している電動パワーステアリング装置において、特に、制御ユニットの小型化および軽量化を実現することが必要とされている。

国際公開第２０１４／０５４０９８号 特許第５３１６４６９号公報

特許文献１、２に記載の電動パワーステアリング装置では、モータの出力軸の出力側と反対に装着された制御ユニットと、外装側に配置されたコネクタとの間において、制御基板、インバータ回路を構成するインバータ回路部品、ヒートシンクおよび回転センサ等の部品が積層されて構成されている。また、これらの部品だけでなく、コネクタが搭載されたモールド樹脂、さらには、これらの部品を電気的または機械的に接続するための部品が必要となる。さらに、制御ユニットを組み立てるための工作において、複数の工程が必要であるので、制御ユニットの工作性を改善する必要がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、制御ユニットの小型化および軽量化を実現するとともに、制御ユニットの工作性の改善を図った一体型電動パワーステアリング装置を得ることを目的とする。

本発明における一体型電動パワーステアリング装置は、モータと、モータと一体化しており、モータを制御する制御ユニットと、を備えた一体型電動パワーステアリング装置であって、制御ユニットは、複数のスイッチング素子を有し、複数のスイッチング素子のそれぞれが制御されることで、電源からの直流電力を交流電力に変換し、変換後の交流電力をモータに供給するインバータ回路と、複数のスイッチング素子のそれぞれを制御するＣＰＵと、インバータ回路およびＣＰＵを搭載し、インバータ回路が搭載されるインバータ回路搭載面と、インバータ回路搭載面に対向するインバータ回路非搭載面とを有する１枚の配線基板と、を備え、電源の正側とインバータ回路の正側とを接続する正側配線パターンと、電源の負側とインバータ回路の負側とを接続する負側配線パターンとのうちの一方の配線パターンが配線基板の中央側に設けられ、他方の配線パターンが配線基板の外周側に設けられ、複数のスイッチング素子は、一方の配線パターンと他方の配線パターンとの間に搭載されたものである。

本発明によれば、正側配線パターンおよび負側配線パターンのうちの一方の配線パターンが配線基板の中央側に設けられ、他方の配線パターンが配線基板の外周側に設けられ、インバータ回路を構成している複数のスイッチング素子は、配線基板における正側配線パターンと負側配線パターンとの間に搭載されている。これにより、制御ユニットの小型化および軽量化を実現するとともに、制御ユニットの工作性の改善を図った一体型電動パワーステアリング装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１における一体型電動パワーステアリング装置の回路構成を示す全体回路図である。 本発明の実施の形態１における一体型電動パワーステアリング装置の構造を示す要部断面図である。 図１の上アーム側スイッチング素子の上面図である。 図１の上アーム側スイッチング素子の断面図である。 図２のモータ側から配線基板を見たときの平面図である。 図５の配線基板の側面図である。 本発明の実施の形態２における配線基板の平面図である。 図７の配線基板の側面図である。 本発明の実施の形態３における配線基板の平面図である。 図９のＡ−Ａ矢視断面図である。 本発明の実施の形態４における一体型電動パワーステアリング装置の回路構成を示す全体回路図である。 本発明の実施の形態４における配線基板の平面図である。

以下、本発明による一体型電動パワーステアリング装置を、好適な実施の形態にしたがって図面を用いて説明する。なお、図面の説明においては、同一部分または相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、本発明は、例えば、車両用の電動パワーステアリング装置に適用可能である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における一体型電動パワーステアリング装置の回路構成を示す全体回路図である。一体型電動パワーステアリング装置は、モータ２とモータ２を制御する制御ユニット１とを一体化したものである。

図１において、制御ユニット１は、モータ２に電流を供給するインバータ回路３と、ＣＰＵ１０、駆動回路１１、入力回路１２および電源回路１３を有する制御回路と、コイル１７ａおよびコンデンサ１７ｂを有するフィルタ１７と、電源リレーの役割を果たす電源用スイッチング素子５（以下、単にスイッチング素子５と略す）とを備える。なお、フィルタ１７およびスイッチング素子５は、電源６とインバータ回路３とを接続する際に用いられる電源系部品の一例である。

制御ユニット１には、電源６と、イグニッションスイッチ７と、車速を検出する車速センサおよびハンドルの操舵トルクを検出するトルクセンサ等といったセンサ８と、モータ２の回転角を検出する回転センサ９とが、それぞれ接続される。回転センサ９は、モータ２の回転角を検出可能に配置され、例えば、モータ２の出力軸の近くに配置されている。

モータ２は、三相ブラシレスモータであり、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線およびＷ相巻線から構成された三相巻線を有する。なお、本実施の形態１では、モータ２が三相ブラシレスモータである場合を例示するが、モータ２がブラシ付きモータ、または三相以上の多相巻線を有する多相モータであってもよい。

続いて、制御ユニット１の各部の動作の概略について説明する。イグニッションスイッチ７がドライバーによって投入されると、電源回路１３によって、ＣＰＵ１０、駆動回路１１および入力回路１２に定電圧が供給される。また、インバータ回路３用の電源は、電源回路１３によって、フィルタ１７を介して供給される。

センサ８によって検出される情報は、入力回路１２を介してＣＰＵ１０に入力される。ＣＰＵ１０は、センサ８から入力された情報から、モータ２へ電力を供給するための制御量を演算し、演算された制御量は、出力としての初段の駆動回路１１を介して出力される。センサ等を用いて検出されたインバータ回路３内の各部の電圧または電流の情報と、回転センサ９によって検出された回転角の情報とは、入力回路１２を介してＣＰＵ１０に入力される。

電源６として、例えば、車両に搭載されたバッテリを用いることができる。電源６の正側の電源ラインには、電源６とインバータ回路３との間を開閉するリレー機能を有したスイッチング素子５が挿入されている。また、電源６の負側の電源ラインは、接地されている。以下、電源６の正側を「＋Ｂ側」、電源６の負側を「グランド側」と称す。ＣＰＵ１０は、駆動回路１１を介して、スイッチング素子５の駆動を制御する。

スイッチング素子５は、例えばＦＥＴであり、スイッチング素子５がＦＥＴである場合、寄生ダイオードは、ソースとドレインとの間に設けられている。スイッチング素子５が設けられることで、ＣＰＵ１０による故障判定の結果、インバータ回路３またはモータ２に故障が発生した場合等に、電源６からの電力供給を強制的に遮断することができる。また、寄生ダイオードが設けられることで、仮に電源６の逆接続配線を行った場合、電流が流れるラインを遮断することになる。つまり、寄生ダイオードは、バッテリ逆接保護の役割も担っている。

インバータ回路３は、インバータ回路部品によって構成される。ここで、インバータ回路３を構成するインバータ回路部品の一例として、コンデンサ３０、上アーム側スイッチング素子３１（以下、単にスイッチング素子３１と略す）、下アーム側スイッチング素子３２（以下、単にスイッチング素子３２と略す）、シャント抵抗３３およびモータリレー用スイッチング素子３４（以下、単にスイッチング素子３４と略す）等が挙げられる。なお、図１では、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のそれぞれで用いられるインバータ回路部品を区別するために、これらの部品の各符号にＵ、Ｖ、Ｗを付している。

インバータ回路３は、モータ２のＵ相巻線に対応するＵ相回路と、モータ２のＶ相巻線に対応するＶ相回路と、モータ２のＷ相巻線に対応するＷ相回路とを有し、これらの３つの回路は、互いに並列に接続されている。

Ｕ相回路は、コンデンサ３０Ｕと、スイッチング素子３１Ｕと、スイッチング素子３２Ｕと、シャント抵抗３３Ｕとを有する。また、Ｕ相巻線とＵ相回路との間には、Ｕ相巻線とＵ相回路との間を開閉するリレー機能を有したスイッチング素子３４Ｕが設けられている。

同様に、Ｖ相回路は、コンデンサ３０Ｖと、スイッチング素子３１Ｖと、スイッチング素子３２Ｖと、シャント抵抗３３Ｖとを有する。また、Ｖ相巻線とＶ相回路との間には、Ｖ相巻線とＶ相回路との間を開閉するリレー機能を有したスイッチング素子３４Ｖが設けられている。

同様に、Ｗ相回路は、コンデンサ３０Ｗと、スイッチング素子３１Ｗと、スイッチング素子３２Ｗと、シャント抵抗３３Ｗとを有する。また、Ｗ相巻線とＷ相回路との間には、Ｗ相巻線とＷ相回路との間を開閉するリレー機能を有したスイッチング素子３４Ｗが設けられている。

なお、上記のとおり、Ｕ相回路、Ｖ相回路およびＷ相回路の各構成は同様であるので、以下では、Ｕ相回路の各部について代表して説明する。

スイッチング素子３１Ｕ、スイッチング素子３２Ｕおよびシャント抵抗３３Ｕは、直列に接続される。コンデンサ３０Ｕは、スイッチング素子３１Ｕ、スイッチング素子３２Ｕおよびシャント抵抗３３Ｕから構成される直列回路と並列に接続される。

スイッチング素子３１Ｕおよびスイッチング素子３２Ｕは、ＣＰＵ１０からの指令に従って、ＰＷＭ方式で駆動制御されるので、ノイズ抑制の目的でコンデンサ３０Ｕが近傍に設けられている。また、Ｕ相巻線に流れる電流を検出するために、シャント抵抗３３Ｕが設けられている。

ＣＰＵ１０には、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各相について、上アーム側のスイッチング素子と下アーム側のスイッチング素子との間の電圧、またはモータ２の巻線の端子間電圧が入力される。また、ＣＰＵ１０には、各相について、シャント抵抗の電圧が入力される。

ＣＰＵ１０は、モータ２への制御指令と、モータ２の各相巻線に流れる電流およびモータ２の各相巻線の端子間電圧との偏差を演算し、その演算結果から、いわゆるフィードバック制御を行うとともに、故障判定を行っている。また、ＣＰＵ１０は、回転センサ９によって検出されたモータ２の回転角から、モータ２の回転位置またはモータ２の回転速度を演算し、その演算結果も、上記のフィードバック制御に利用している。

図２は、本発明の実施の形態１における一体型電動パワーステアリング装置の構造を示す要部断面図である。図２における一体型電動パワーステアリング装置では、図中下側にモータ２が位置し、図中上部に制御ユニット１が位置している。制御ユニット１は、モータ２の出力軸２１と同軸上に位置している状態で、モータ２と一体化されている。

ここで、モータ２には、後述する各種部品が組みつけられる。また、モータ２への各種部品の組み付けは、制御ユニット１の組み立てとは別に行うことができる。モータ２への各種部品の組み付けと、制御ユニット１の組み立てとをそれぞれ個別に行った後、両者が一体化される。

モータ２は、モータケース２５に収納されている。モータケース２５は、筒状の筒部に対して、取り付け部フランジ２５ａと、減速機（図示せず）と接続するための接続部２５ｂとが一体となっている。なお、モータケース２５の材質として、例えば、金属を用いることができ、放熱性および外形の形状を考慮すると、例えばアルミニウムを用いることが好ましい。モータケース２５の最下部の中央には、出力軸２１が貫通可能な穴が設けられ、その穴の周囲には、出力軸２１を支持する第１の軸受２６ａが設けられている。

モータ２の本体部は、従来と同様に、出力軸２１の周囲に位置するロータ２３と、ロータ２３と間隔を空けた状態で位置するステータ２２とで構成される。ロータ２３は、極対を形成するように複数極の永久磁石が周方向に設けられている。

ステータ２２には、巻線２４が巻装されている。ステータ２２に巻装されている巻線２４によって、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線およびＷ相巻線の三相巻線が構成されている。各相巻線を接続するために、環状の接続リング２７が巻線２４上に設けられている。各相巻線の巻線端部、すなわち、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線およびＷ相巻線のそれぞれの巻線端部が制御ユニット１側に引き出されている。出力軸２１の反出力側の先端には、回転センサ９に用いる回転センサ用ロータ９ａが設けられている。

モータケース２５の上部には、フレーム２９がモータケース２５の内周面に接した状態で設けられている。フレーム２９の材質として、例えば、金属を用いることができる。フレーム２９の中央には、出力軸２１が貫通可能な穴が設けられ、その穴の周囲には、出力軸２１を支持する第２の軸受２６ｂが設けられている。

フレーム２９は、モータ２と制御ユニット１とを隔てる仕切り壁としての役割、および第２の軸受２６ｂを保持する軸受保持部材としての役割を果たしている。また、フレーム２９には、各相巻線の巻線端部を挿通させるための穴が３カ所設けられている。さらに、フレーム２９は、制御ユニット１の放熱を実現するためのヒートシンクとしての役割を果たしている。このように、フレーム２９が複数の役割を果たすように工夫したので、その結果、部品点数を削減することができる。

モータケース２５の最上部には、フレーム２９の上部に位置するハウジング１６がモータケース２５の内周面に接した状態で設けられている。ハウジング１６の材質として、例えば、樹脂を用いることができる。

制御ユニット１において、先の図１を用いて説明したインバータ回路３、制御回路、フィルタ１７およびスイッチング素子５は、配線基板４に搭載されている。制御ユニット１の配線基板４は、フレーム２９とハウジング１６とで囲まれたスペースに位置する。配線基板４は、インバータ回路３が搭載されるインバータ回路搭載面と、インバータ回路搭載面に対向するインバータ回路非搭載面とを有する。以下では、インバータ回路搭載面を「表面」と称し、インバータ回路非搭載面を「裏面」と称す。

配線基板４の表面には、スイッチング素子５、スイッチング素子３１、スイッチング素子３２およびスイッチング素子３４の各種スイッチング素子と、コンデンサ３０と、シャント抵抗３３と、コイル１７ａとが搭載されている。

一方、配線基板４の裏面には、制御回路、すなわち、ＣＰＵ１０、駆動回路１１、入力回路１２および電源回路１３が搭載されている。なお、図２において、図面の関係上、配線基板４の表面および裏面のそれぞれに搭載される各種部品のうち、一部の図示を省略している。

フレーム２９には、配線基板４の表面に搭載されている発熱部品、具体的には、各種スイッチング素子と接触する放熱面を有する突出部２９ａが設けられている。配線基板４の表面に搭載されている発熱部品は、突出部２９ａの放熱面を介して、放熱が可能となる。なお、発熱部品と突出部２９ａの放熱面との間に絶縁および伝熱可能なシートを敷き、シートを介して発熱部品と放熱面とが接触するようにしてもよい。

このように、モータケース２５に収納されるモータ２と、制御ユニット１を仕切るフレーム２９には、配線基板４に搭載される複数のスイッチング素子のそれぞれと接触することで複数のスイッチング素子のそれぞれが発生させる熱を放熱する突出部２９ａが設けられている。なお、突出部２９ａだけでなく、フレーム２９自体も放熱可能であるので、突出部２９ａを設けずに、発熱部品とフレーム２９とが接触可能となるように構成してもよい。このように構成した場合であっても、発熱部品は、フレーム２９を介して放熱が可能となる。また、このように構成した場合、発熱部品とフレーム２９との間に絶縁および伝熱可能なシートを敷き、シートを介して発熱部品とフレーム２９とが接触するようにしてもよい。

ハウジング１６の最上部には、電源用コネクタ１４およびセンサ用コネクタ１５が一体化されている。電源用コネクタ１４は、大電流の電源６の＋Ｂ側およびグランド側と接続するコネクタである。また、センサ用コネクタ１５は、センサ８と接続するコネクタであり、少なくとも２種類のコネクタで構成される。

電源用コネクタ１４およびセンサ用コネクタ１５の各コネクタには、複数のコネクタピンが内蔵されている。また、各コネクタのコネクタピンの一端が車両側のハーネスに接続され、他端が図中の破線で示したように制御ユニット１側へ引き出されている。

電源用配線１４ａは、電源６の＋Ｂ側と接続される＋Ｂ側配線と、電源６のグランド側と接続されるグランド側配線とを含む少なくとも２本の配線で構成される。また、電源用配線１４ａは、ハウジング１６の天板を通って図中下方向に引き出され、配線基板４に形成された電源用端子孔を貫通している。同様に、センサ用配線１５ａは、ハウジング１６の天板を通って図中下方向に引き出され、配線基板４に形成されたセンサ用端子孔を貫通している。

コイル１７ａおよびコンデンサ３０は、上記のとおり、配線基板４の表面に搭載され、配線基板４とフレーム２９と間に位置している。

続いて、配線基板４の表面に搭載されている各種スイッチング素子の構造について説明する。なお、ここでは、各種スイッチング素子を代表して、スイッチング素子３１について説明する。また、ここでは、スイッチング素子３１は、半導体スイッチング素子であって、ＭＯＳＦＥＴである場合を例示する。

図３は、図１の上アーム側スイッチング素子３１の上面図である。図４は、図１の上アーム側スイッチング素子３１の断面図である。なお、図４では、スイッチング素子３１が搭載されている配線基板４も併せて図示している。

図３および図４において、スイッチング素子３１のチップ３１ｃは、例えば銅製のプレート３１ｄに搭載されている。また、スイッチング素子３１のドレインは、プレート３１ｄと直接接続されているので、プレート３１ｄがドレインの役割を果たす。

スイッチング素子３１のソース３１ｓおよびゲート３１ｇは、チップ３１ｃに対して下方向に突出された状態で構成されている。ソース３１ｓの最下面と、ゲート３１ｇの最下面と、プレート３１ｄの最下面３１ｄｐとは、同一平面を構成している。

図４に示したように、ゲート３１ｇの最下面およびソース３１ｓの最下面は、配線基板４に形成されている当接パッド、または配線基板４に形成されている配線パターンと接続される。プレート３１ｄも同様に、最下面３１ｄｐが例えばハンダ付けによって、配線基板４と電気的に接続されている。

配線基板４は、多層基板であり、図中の最上面にパターンとして、後述する＋Ｂパターン１４ｄが設けられ、内層には、複数のパターン（図中では、３本のパターン４ｂ）が設けられ、図中の最下面にも、同様にパターンが設けられている。ゲート３１ｇは、配線基板４に設けられたビア４ｃと例えばハンダ付けによって接続され、さらに、駆動回路１１と接続されている。

続いて、配線基板４について説明する。図５は、図２のモータ２側から配線基板４を見たときの平面図である。図６は、図５の配線基板４の側面図である。なお、図５において、一点鎖線は、配線基板４の表面に設けられている配線パターンを示す。

ここで、配線基板４は、１枚の配線基板であり、配線基板４には、配線基板４に搭載される複数の部品を電気的に接続するための複数の配線パターンが設けられている。また、配線基板４は、多層基板であり、配線基板４の表面には、＋Ｂ側配線と接続される正側配線パターンである＋Ｂパターン１４ｄと、グランド側配線と接続される負側配線パターンであるグランドパターン１４ｅとが設けられている。

上記から分かるように、＋Ｂパターン１４ｄは、電源６の正側と、インバータ回路３の正側とを接続し、グランドパターン１４ｅは、電源６の負側とインバータ回路３の負側とを接続する。また、＋Ｂパターン１４ｄおよびグランドパターン１４ｅは、配線基板４の他の層に形成されるパターンと比べて厚い銅箔パターンである。このように構成することで、複数の部品の接続を効率良く行うことが可能となる。

配線基板４の外周には、電源用配線１４ａが貫通する電源用端子孔として、端子孔１４ｂおよび端子孔１４ｃが設けられている。電源用配線１４ａにおいて、＋Ｂ側配線が端子孔１４ｂを貫通し、グランド側配線が端子孔１４ｃを貫通する。なお、端子孔１４ｂおよび端子孔１４ｃのそれぞれは、電流容量を考慮して、２つの端子孔から構成される。端子孔１４ｂおよび端子孔１４ｃを設けることで、電源用配線１４ａにおいて、＋Ｂ側配線が＋Ｂパターン１４ｄと接続可能となり、グランド側配線がグランドパターン１４ｅと接続可能となる。

配線基板４の外周には、センサ用配線１５ａが貫通するセンサ用端子孔として、端子孔１５ｂおよび端子孔１５ｃが設けられている。端子孔１５ｂおよび端子孔１５ｃは、端子孔１４ｂおよび端子孔１４ｃと離れた位置に設けられている。

＋Ｂパターン１４ｄは、＋Ｂ側配線とコイル１７ａとが接続可能に形成されている。また、コンデンサ１７ｂは、比較的大型部品であるので、配線基板４の表面のスペースの効率利用を考慮して、配線基板４の裏面に搭載されている。なお、コイル１７ａがコンデンサ１７ｂの近くに位置するように、コイル１７ａを配線基板４の裏面に搭載することも可能である。

続いて、＋Ｂパターン１４ｄは、配線基板４の表面においてコイル１７ａに隣り合って位置する２つのスイッチング素子５が互いに直列に接続可能、かつコイル１７ａとスイッチング素子５とが直列に接続可能に形成されている。なお、スイッチング素子５として、先の図３および図４に示すＦＥＴを使用している。

続いて、＋Ｂパターン１４ｄは、スイッチング素子５と、インバータ回路３とが接続可能となるよう、配線基板４の中央側で環状に形成されている。＋Ｂパターン１４ｄが環状に形成されている部分の中央、すなわち、配線基板４の中央には、回転センサ９、より詳しくは回転センサ９用のＩＣが搭載されている。

ここで、先の図２で示したとおり、回転センサ用ロータ９ａと対向する位置に回転センサ９を設ける必要がある。また、回転センサ９にノイズが混入すると、回転角を正確に検出することができず、その結果、ロータ２３を正確に回転させることができなくなる。そのため、回転センサ９にノイズが混入しないように工夫する必要がある。なお、ノイズ源として回転センサ９に最も影響を及ぼす部品は、大電流をオンおよびオフに切り替えるスイッチング素子と、そのスイッチング素子に接続されているモータの巻線端子である。

以上を踏まえて、回転センサ９および回転センサ用ロータ９ａを取り囲むようにこれらを金属壁で覆ってしまう構造を採用することで、回転センサ９へのノイズの混入を抑制することが可能である。

また、回転センサ９を取り囲むグランドパターン１４ｅおよび＋Ｂパターン１４ｄを配線基板４の表面に設けることで、回転センサ９へのノイズの混入を抑制することが可能である。

図５に示すとおり、回転センサ９は、＋Ｂパターン１４ｄの内側に設けられており、回転センサ９の上面は、グランドパターン１４ｅの上面および＋Ｂパターン１４ｄの上面と同一平面を構成している。

グランドパターン１４ｅは、配線基板４の外周に沿って形成されている。また、グランドパターン１４ｅは、＋Ｂパターン１４ｄが環状に形成されている部分よりも外側に位置する。グランドパターン１４ｅは、コンデンサ３０Ｕ、３０Ｖおよび３０Ｗのそれぞれの負側端子と接続され、さらに、シャント抵抗３３Ｕ、３３Ｖおよび３３Ｗのそれぞれの負側端子とも接続されている。

図５に示すとおり、インバータ回路３を構成するインバータ回路部品のそれぞれは、＋Ｂパターン１４ｄと、グランドパターン１４ｅとの間に設けられている。特に、インバータ回路部品のうちのコンデンサ３０は、＋Ｂパターン１４ｄとグランドパターン１４ｅとに跨るように設けられている。

また、インバータ回路３の各相において、スイッチング素子３１、スイッチング素子３２およびスイッチング素子３４の各スイッチング素子は、同じ向きに設けられている。その結果、各スイッチング素子を接続する配線パターンの長さが最短となる。

グランドパターン１４ｅは、配線基板４の外周側に形成され、かつ＋Ｂパターン１４ｄに並行して形成されている。また、グランドパターン１４ｅは、ノイズ混入を防ぐように形成されているだけでなく、配線長が最短で太くなるように形成されている。

配線基板４には、インバータ回路３の各相において、モータ２の巻線端部２８と、スイッチング素子３４とを接続するための四角孔が設けられている。なお、図５では、各相の巻線端部２８を区別するために、２８Ｕ、２８Ｖ、２８Ｗと表記している。

インバータ回路３の各相において、巻線端部２８が配線基板４に設けられた四角孔に挿入された後、例えばハンダ付けによって巻線端部２８とスイッチング素子３４とが接続される。このように構成することで、各相において、巻線端部２８とスイッチング素子３４との接続に関して、接続用部品、例えばターミナル等の部品を使用する必要がなくなる。

また、インバータ回路３の各相において、巻線端部２８は、フレーム２９に設けられた巻線端部２８を挿通させるための穴を挿通するとともに、配線基板４に設けられた四角孔に挿通するので、巻線端部２８の位置決めを容易に行うことができる。このように、インバータ回路３と接続されるモータ２の各相巻線の巻線端部２８が配線基板４に配置されている。

配線基板４の裏面には、ＣＰＵ１０および駆動回路１１等の制御回路が搭載されている。また、ＣＰＵ１０周辺の比較的小電流が流れる小電流配線パターンと、＋Ｂパターン１４ｄおよびグランドパターン１４ｅを含む大電流配線パターンとを、配線基板４の表裏に分離している。このように構成することで、発熱およびノイズを考慮して、配線基板４へ各種部品を搭載することが可能となる。

ここで、各種スイッチング素子は、フレーム２９の突出部２９ａと接触可能となるように配線基板４に集中して搭載されている。また、各種スイッチング素子の頭部が同一平面上に位置するように構成されている。このように、各種スイッチング素子の頭部が同一平面上に位置するように構成することで、各種スイッチング素子の頭部がフレームまたはフレームに設けられた突出部と接触するようにすることが容易となる。また、各種スイッチング素子の放熱性の確保と同時に、配線基板４において各種スイッチング素子が搭載されていない他の場所にスペースを設けることができる。このスペースには、コンデンサ３０およびコイル１７ａ等の比較的大型の部品が分散して搭載されている。

小電流配線パターンは、配線基板４の内層と、配線基板４において大電流配線パターンが設けられていないスペースとを利用し、これらの箇所に設けられる。なお、配線基板４に設けられている４カ所の穴１８は、配線基板４をフレーム２９に固定するための柱を挿入するためのものである。

以上、本実施の形態１によれば、電源の正側とインバータ回路の正側とを接続する正側配線パターンと、電源の負側とインバータ回路の負側とを接続する負側配線パターンとのうちの正側配線パターンが配線基板の中央側に設けられ、負側配線パターンが配線基板の外周側に設けられている。また、インバータ回路を構成する複数のスイッチング素子は、正側配線パターンと負側配線パターンとの間に搭載されている。

これにより、制御ユニットの小型化および軽量化を実現するとともに、制御ユニットの工作性の改善を図ることができる。

また、１枚の配線基板を用いて複数の部品を効率良く配置することができるとともに、各種部品間を効率良く接続することができる。また、大電流配線パターンを配線基板の表面に設けているので、配線基板の内層に大電流配線パターンを設けるときと比べて、パターン自体からの放熱性を向上させることができる。さらに、各種スイッチング素子の頭部が同一平面上に位置するように構成されているので、各種スイッチング素子の頭部と、放熱用のヒートシンクとして機能するフレームまたはフレームの突出部との当接が容易となる。

また、配線基板に各種スイッチング素子を集中配置しているので、各種部品間の間隔が近くなり、さらに、その間隔を接続する配線パターンが短くなる。その結果、配線パターンによる電流損失を低減することができる。また、このように電流損失が低減することができるので、配線基板の温度上昇および各種スイッチング素子の温度上昇を抑制することができる。その結果、一体型電動パワーステアリング装置の稼働時間を延ばすことができる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２では、先の実施の形態１の構成に対して、配線基板４の＋Ｂパターン１４ｄと、グランドパターン１４ｅとを入れ替える場合について説明する。なお、本実施の形態２では、先の実施の形態１と同様である点の説明を省略し、先の実施の形態１と異なる点を中心に説明する。

図７は、本発明の実施の形態２における配線基板４の平面図である。図８は、図７の配線基板４の側面図である。図７に示すとおり、先の実施の形態１における配線基板４に対して、本実施の形態２における配線基板４では、グランドパターン１４ｅが内側に設けられ、＋Ｂパターン１４ｄが外側に設けられている。

グランドパターン１４ｅは、配線基板４の中央側で回転センサ９を取り巻くように環状に形成されている。一方、＋Ｂパターン１４ｄは、グランドパターン１４ｅの外側で配線基板４の外周に沿って環状に形成されている。

また、先の実施の形態１とは異なり、本実施の形態２では、インバータ回路３の各相におけるインバータ回路部品は、周方向に沿って配線基板４に搭載され、各相のインバータ回路部品間にコンデンサ３０が搭載されている。つまり、各相のインバータ回路部品は、各相間で分散して配置されている。

図７に示すとおり、配線基板４の面積に余裕がある場合、各相のインバータ回路部品のうちの発熱部品、すなわち、各相の各種スイッチング素子を分散して配置することで、互いの発熱の影響がないようすることができる。なお、このように各相のインバータ回路部品を分散配置する場合、フレーム２９の突出部２９ａも３カ所設ける必要がある。また、各相のインバータ回路部品、すなわち、スイッチング素子３１、３２および３４と、シャント抵抗３３とは、各相において、互いに分散配置せずに集中配置する方が、配線パターンの配線長の観点、放熱性の観点、およびヒートシンクとして機能する突出部２９ａの配置の観点からメリットがある。

コンデンサ３０およびコイル１７ａは、電気的接続のための電極が２カ所それぞれ部品の両端に配置されている。また、コンデンサ３０およびコイル１７ａのそれぞれの本体の中央部は、両端に配置された電極から分離された形で絶縁体である。そのため、この両端に配置された電極の位置を有効に利用することができ、その結果、コンデンサ３０およびコイル１７ａのそれぞれを、＋Ｂパターン１４ｄとグランドパターン１４ｅとに跨るように配置するとともに、これらのパターンと接続するようにすることが可能となる。コンデンサ３０およびコイル１７ａのこのような配置も、配線基板４の面積を有効に利用していることとなる。

＋Ｂパターン１４ｄおよびグランドパターン１４ｅと、各種部品との接続箇所以外においては、絶縁層を形成することで、絶縁処理が施されている。ここで、配線基板４の複数の箇所に複数の絶縁層剥離部１４ｇを設け、その絶縁層剥離部１４ｇにハンダ付けすることで、放熱性の向上および電流容量の増加を図ることが可能となる。したがって、配線基板４において、複数の箇所、またはパターン幅が他の場所より細い箇所に絶縁層剥離部１４ｇを設けることで、電流容量の増加が実現される。その結果、さらに、制御ユニット１の小型化を図ることも可能である。

以上、本実施の形態２によれば、先の実施の形態１とは異なり、負側配線パターンが配線基板の中央側に設けられ、正側配線パターンが配線基板の外周側に設けられている。

これにより、配線パターンの配線長の短縮化を実現するとともに、ヒートシンクとして機能するフレームの突出部への発熱部品の当接の容易化を実現することができ、その結果、制御ユニットの小型化を図ることができる。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３では、先の実施の形態１、２の構成に対して、配線基板４の表面に制御回路を搭載する場合について説明する。なお、本実施の形態３では、先の実施の形態１、２と同様である点の説明を省略し、先の実施の形態１、２と異なる点を中心に説明する。

図９は、本発明の実施の形態３における配線基板４の平面図である。図１０は、図９のＡ−Ａ矢視断面図である。図９に示すとおり、本実施の形態３における配線基板４は、先の実施の形態２と同様に、グランドパターン１４ｅが内側に設けられ、＋Ｂパターン１４ｄが外側に設けられている。一方、本実施の形態３における配線基板４では、先の実施の形態２とは異なり、各相のインバータ回路部品は、各相間で分散して配置されておらず、各相間で集中して配置されている。

したがって、配線基板４の面積の半分をインバータ回路３のインバータ回路部品が占有している。配線基板４でのインバータ回路部品が占有するスペース以外のスペースの一部にスイッチング素子５が搭載され、さらにそのスペースの空いた部分に制御回路が搭載されている。

このように構成することで、配線基板４の面積を有効に利用することができるだけでなく、さらに、インバータ回路部品の発熱部品と、制御回路とを分離することとなるので、放熱性およびノイズ耐量を向上させることも可能である。

次に、図１０を参照しながら、本実施の形態３における配線基板４についてさらに説明する。配線基板４は、外層４ｅ、外層４ｆ、内層４ｇ、内層４ｈ、内層４ｉおよび内層４ｊからなる６層のパターン層を有している。

配線基板４は、内層４ｇ、内層４ｈ、内層４ｉおよび内層４ｊからなる４層が内層として設けられている。また、配線基板４において、表面側に外層４ｅが設けられ、裏面側に外層４ｆが設けられている。内層４ｈおよび４ｉの厚みは、他の層の厚みと比較して厚くなっている。

内層４ｈでは、図９に示す＋Ｂパターン１４ｄおよびグランドパターン１４ｅが形成されている。最外層である外層４ｅには、インバータ回路部品および制御回路が搭載されている。図１０において、大電流が流れるスイッチング素子、具体的には、スイッチング素子３１Ｖおよび３４Ｕは、大電流配線パターンと接続されていなければならない。

そのため、配線基板４において、スイッチング素子３１Ｖおよび３４Ｕと当接する外層４ｅと、厚みの厚い内層４ｈとが電気的に接続されている。このような接続を実現するために、配線基板４には、複数のスルーホール４ｋおよび４ｌが設けられている。

スルーホール４ｋおよび４ｌは、配線基板４に設けられた各種孔、例えば、端子孔１５ｂおよびビア４ｃのような配線基板４を貫通する構造とは異なり、いわゆるブラインドホールの構造を採用している。

配線基板４の内層に大電流配線パターンを設けることで、大電流配線パターンが配線基板４に搭載される各種部品と直接当接されないようになる。その結果、先の実施の形態１、２と比べて、パターン幅を自由に広げて、大電流配線パターン設けることができる。

端子孔１５ｂおよびビア４ｃは、電気的接続のために配線基板４のパターン層のいずれかと接続される場合もあるが、少なくとも内層４ｈとは非接触となっている。一方、巻線端部２８が挿通する孔２８ｂは、内層４ｈおよび外層４ｅと接続されている。内層として厚みの厚いパターン層を厚み方向に対称に２層配置することで、配線基板４自体の反りを防止することができる。

また、上記の構成は、直接外気に触れる外層に大電流配線パターンを設ける場合と比べて、大電流配線パターンの放熱性が若干劣る程度である。その理由としては、第１に、ブラインドホールの利用以外に、大電流配線パターンが部品と直接当接していないため、パターン幅の広い内層パターンを利用することができるからである。第２に、最外層パターンも一部使用しているからである。第３に、配線基板４自体の絶縁層の厚みが極めて薄いからである。

以上、本実施の形態３によれば、先の実施の形態１、２とは異なり、パターン幅の広い大電流配線パターンを配線基板の内層に形成するとともに、配線基板にブラインドホールを設けている。これにより、大電流配線パターンの放熱性をそれほど低減させることなく、制御ユニットの小型化が可能となる。また、厚みの厚いパターン層を内層に配置したことで、パターン抵抗を低減するとともに、配線基板自体の平面度を確保することが容易となる。

実施の形態４．
本発明の実施の形態４では、先の実施の形態１〜３の構成に対して、２つのインバータ回路３が配線基板４に搭載される場合について説明する。なお、本実施の形態４では、先の実施の形態１〜３と同様である点の説明を省略し、先の実施の形態１〜３と異なる点を中心に説明する。

図１１は、本発明の実施の形態４における一体型電動パワーステアリング装置の回路構成を示す全体回路図である。図１２は、本発明の実施の形態４における配線基板４の平面図である。なお、図１１では、２つのインバータ回路３を区別するために、符号を３ａ、３ｂとし、２組のスイッチング素子５を区別するために、符号を５ａ、５ｂとしている。

図１１から分かるように、本実施の形態４における一体型電動パワーステアリング装置は、モータ２の三相巻線を独立に２組要したタイプとなっている。また、コンデンサ３０として、コンデンサ３０ａ〜３０ｄを用いている。なお、インバータ回路３を２つ必要とするので、駆動回路１１も２つ必要となるが、図１１では、駆動回路１１を１つにまとめて記載している。

ＣＰＵ１０においては、単一であってもよいし、図１１に示すとおり、２つから構成される二重系であってもよい。また、回転センサ９においては、２つから構成される二重系である。

次に、図１２を参照しながら、本実施の形態４における配線基板４について説明する。図１２において、配線基板４の中央には、回転センサ９が搭載されている。配線基板４の外周には、端子孔１４ｂおよび端子孔１４ｃに加えて、＋Ｂ側配線が貫通する端子孔１４ｆが２カ所設けられている。端子孔１４ｃは、端子孔１４ｂおよび端子孔１４ｆとで挟まれている。グラントパターン１４ｅは、配線基板４の中央側で回転センサ９を取り巻くように環状に形成され、さらに環状部から配線基板４の外周側に向かって伸びている。

＋Ｂパターン１４ｄは、端子孔１４ｂを貫通する＋Ｂ側配線とスイッチング素子５ａとが接続可能、かつ端子孔１４ｆを貫通する＋Ｂ側配線とスイッチング素子５ｂがと接続可能に形成され、さらに、配線基板４の外周に沿って形成されている。

インバータ回路３ａにおいて、各相のインバータ回路部品がそれぞれ集まった状態で配線基板４に搭載されている。同様に、インバータ回路３ｂにおいても、各相のインバータ回路部品がそれぞれ集まった状態で配線基板４に搭載されている。また、インバータ回路３ａおよびインバータ回路３ｂのそれぞれを構成するインバータ回路部品は、配線基板４の中心を通る中心線を境界として、互いに分離して搭載されている。

各相のインバータ回路部品は、＋Ｂパターン１４ｄとグランドパターン１４ｅとの間に配置されているので、これらの部品間を接続する配線パターンのパターン長を最短にすることができる。

インバータ回路３ａおよびインバータ回路３ｂのそれぞれにおいて、巻線端部２８Ｕ、２８Ｖおよび２８Ｗが配線基板４に設けられた四角孔を貫通した状態でそれらがハンダ付けされている。インバータ回路３ａおよびインバータ回路３ｂのそれぞれにおいて、巻線端部２８Ｕ、２８Ｖおよび２８Ｗが＋Ｂパターン１４ｄとグランドパターン１４ｅの間に配置されている。また、巻線端部２８Ｕ、２８Ｖおよび２８Ｗが各相のインバータ回路部品の外側に集中して配置されているので、配線パターンのパターン長を最短にすることができる。

また、回転センサ９へのノイズを抑制するために、各相について、インバータ回路３ａに接続される巻線端部２８と、インバータ回路３ｂに接続される巻線端部２８とが、配線基板４の中心に対して点対称となるように配線基板４に配置されている。

このように、モータ２の２組の巻線において、インバータ回路３ａおよびインバータ回路３ｂのうちの一方に接続される第１の巻線端部と、他方に接続される第２の巻線端部とが、各相で配線基板４の中心に対して点対称となるように配線基板４に配置されている。

コンデンサ３０ａ、３０ｂ、３０ｃおよび３０ｄは、インバータ回路３ａおよび３ｂの近くに配置され、これらも＋Ｂパターン１４ｄとグランドパターン１４ｅとの間に配置されているので、これらの部品間を接続する配線パターンのパターン長を最短にすることができる。また、各種スイッチング素子は、図３および図４に示したように銅製のプレート３１ｄのドレインが同一の高さを有しており、各相において、集中して配置されている。したがって、ヒートシンクとして機能するフレーム２９の突出部２９ａと当接させることが容易である。

以上、本実施の形態４によれば、先の実施の形態１〜３とは異なり、モータは、２組の巻線を有し、制御ユニットは、２つのインバータ回路を有し、インバータ回路のそれぞれを構成する複数のスイッチング素子は、配線基板の中心を通る中心線を境界として、互いに分離して搭載されている。

これにより、配線基板に搭載される各種部品の配置および配線の簡略化が実現されるとともに、配線パターンのパターン長の最短化が実現される。また、配線パターンの厚みを内層よりも厚くすると、大電流供給することも可能となり、さらに、パターン自体の放熱性も改善される。

なお、本実施の形態４では、＋Ｂパターン１４ｄとグランドパターン１４ｅとを入れ替えることも可能である。大電流配線パターンを配線基板の表面に設けたので、配線基板の裏面および配線基板の内層を、制御信号用、小電流電源用、グランド用に使用することができ、その結果、配線効率が下がらないようにすることができる。

また、本実施の形態１〜４について個別に説明してきたが、本実施の形態１〜４のそれぞれで開示した構成例は、任意に組み合わせることが可能である。

Claims (11)

1. モータと、
   前記モータと一体化しており、前記モータを制御する制御ユニットと、
   を備えた一体型電動パワーステアリング装置であって、
   前記制御ユニットは、
   複数のスイッチング素子を有し、前記複数のスイッチング素子のそれぞれが制御されることで、電源からの直流電力を交流電力に変換し、変換後の前記交流電力を前記モータに供給するインバータ回路と、
   前記複数のスイッチング素子のそれぞれを制御するＣＰＵと、
   前記インバータ回路および前記ＣＰＵを搭載し、前記インバータ回路が搭載されるインバータ回路搭載面と、前記インバータ回路搭載面に対向するインバータ回路非搭載面とを有する１枚の配線基板と、
   を備え、
   前記電源の正側と前記インバータ回路の正側とを接続する正側配線パターンと、前記電源の負側と前記インバータ回路の負側とを接続する負側配線パターンとのうちの一方の配線パターンが前記配線基板の中央側に設けられ、他方の配線パターンが前記配線基板の外周側に設けられ、
   前記複数のスイッチング素子は、前記一方の配線パターンと前記他方の配線パターンとの間に搭載された
   一体型電動パワーステアリング装置。
2. 前記モータの回転角を検出し、前記インバータ回路搭載面に搭載される回転センサをさらに備え、
   前記回転センサは、前記正側配線パターンおよび前記負側配線パターンに取り囲まれ、前記回転センサの上面は、前記正側配線パターンの上面および前記負側配線パターンの上面と同一平面を構成する
   請求項１に記載の一体型電動パワーステアリング装置。
3. 前記複数のスイッチング素子のそれぞれの頭部は、同一平面上に位置するように構成されている
   請求項１または２に記載の一体型電動パワーステアリング装置。
4. 前記モータを収納するモータケースと、
   前記モータケースに設けられ、前記モータケースに収納される前記モータと、前記制御ユニットを仕切り、前記複数のスイッチング素子のそれぞれが発生させる熱を放熱可能なフレームと、
   をさらに備え、
   前記制御ユニットは、前記複数のスイッチング素子のそれぞれの頭部が前記フレームと接触するように設けられた
   請求項１から３のいずれか１項に記載の一体型電動パワーステアリング装置。
5. 前記フレームには、前記複数のスイッチング素子のそれぞれが発生させる熱を放熱可能な突出部が設けられ、
   前記制御ユニットは、前記複数のスイッチング素子のそれぞれの頭部が前記フレームに設けられた前記突出部と接触するように設けられた
   請求項４に記載の一体型電動パワーステアリング装置。
6. 前記電源と前記インバータ回路とを接続する際に用いられ、前記インバータ回路搭載面または前記インバータ回路非搭載面に搭載される電源系部品をさらに備えた
   請求項１から５のいずれか１項に記載の一体型電動パワーステアリング装置。
7. 前記ＣＰＵは、前記インバータ回路搭載面または前記インバータ回路非搭載面に搭載された
   請求項１から６のいずれか１項に記載の一体型電動パワーステアリング装置。
8. 前記インバータ回路と接続される前記モータの各相巻線の巻線端部が、前記配線基板に配置された
   請求項１から７のいずれか１項に記載の一体型電動パワーステアリング装置。
9. 前記モータは、２組の巻線を有し、
   前記制御ユニットは、２つの前記インバータ回路を有し、
   ２つの前記インバータ回路のそれぞれを構成する前記複数のスイッチング素子は、前記配線基板の中心を通る中心線を境界として、互いに分離して搭載された
   請求項１から８のいずれか１項に記載の一体型電動パワーステアリング装置。
10. 前記２組の巻線において、２つの前記インバータ回路のうちの一方に接続される第１の巻線端部と、他方に接続される第２の巻線端部とが、各相で前記配線基板の中心に対して点対称となるように、前記配線基板に配置された
    請求項９に記載の一体型電動パワーステアリング装置。
11. 前記インバータ回路は、コンデンサをさらに有し、
    前記コンデンサは、前記一方の配線パターンと前記他方の配線パターンとに跨って搭載された
    請求項１から１０のいずれか１項に記載の一体型電動パワーステアリング装置。

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