WO2012153402A1

WO2012153402A1 - 電動パワーステアリング装置

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Publication number: WO2012153402A1
Application number: PCT/JP2011/060852
Authority: WO
Inventors: 藤本　忠行
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2011-05-11
Filing date: 2011-05-11
Publication date: 2012-11-15
Also published as: JPWO2012153402A1; EP2708444B1; EP2708444A4; EP2708444A1; JP5619279B2; US9099901B2; CN103502081A; CN103502081B; US20130300264A1

Abstract

　制御装置の小型化を図ると共に、制御装置を電動モータの軸と減速構造のギヤ軸の間に配置することにより、組立性と搭載性に優れた電動パワーステアリング装置を提供する。制御装置９０が電動モータ１０と減速機構との間で電動モータの出力軸１１と同一軸上に配置され、ヒートシンク３０と、パワー回路基板４０と、制御回路基板５０と、パワー回路基板と前記制御回路基板を収容するハウジング７０とを有し、パワー回路基板と電動モータとの間にモータ電流を通電、遮断する電子リレー回路基板６０をハウジングに収容し電子リレー回路基板の発熱をハウジングに放熱する。

Description

電動パワーステアリング装置

　この発明は、車両のハンドルに対して補助トルクを出力する電動モータと、この電動モータの駆動を制御する制御装置とを備えた電動パワーステアリング装置に関するものである。

　従来、車両のハンドルに対して補助トルクを出力する電動モータと、この電動モータの駆動を制御する制御装置とを備え、制御装置が電動モータに取り付けられている電動パワーステアリング装置が知られている。（例えば、特許文献１参照）
この電動パワーステアリング装置では、電動モータの電流を切り換えるためのブリッジ回路が搭載されたパワー回路基板と、ブリッジ回路を制御するための駆動信号を生成するマイクロコンピュータが搭載された絶縁プリント基板と、大電流の配線パターンを構成する導電板がインサート成形された絶縁樹脂に、電流リップルを吸収するためのコンデンサが搭載された大電流基板を有している。
そして、パワー回路基板、大電流基板及び絶縁プリント基板の順序で積み重ねられた３重層構造の制御装置が、電動モータの軸に平行に重ねられた配置になっており、パワー回路基板と大電流基板は接続部材で電気的に接続されている。

特許第３６３８２６９号公報

　図８は、従来の電動パワーステアリング装置を示す縦断面図である。
この電動パワーステアリング装置では、制御装置１００の基板がパワー回路基板１０１、大電流基板１０２及び絶縁プリント基板１０３の３つで構成され、大電流基板１０２に搭載されたコンデンサ１０４がパワー回路基板１０１と絶縁プリント基板１０３の間に配置され、パワー回路基板１０１の発熱をヒートシンク１０５に放熱するために、締結部品、例えばネジで、パワー回路基板１０１の面を均等にヒートシンク１０５に固定している。そしてこの３重層構造の制御装置１００を、電動モータ１０６の軸に平行に配置して電動モータ１０６に取り付け、電動モータ１０６のコイル線に接続された導電板１０７に機械的に、例えばボルトで固定することで、電気的な接続を行っていた。なお、１０８は電動モータ１０６の軸に結合された減速機構を示している。
このような構成では、装置が大型化するとともに、多数の締結部品を必要とすることで組立性が悪化しており、また、電動モータ１０６の軸と平行して制御装置１００が置かれているため、搭載性に悪影響を与えるという問題点があった。

　この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、車両のハンドルに対して補助トルクを出力する電動モータと、この電動モータの駆動を制御する制御装置とを備えた電動パワーステアリング装置において、制御装置の小型化を図ると共に、制御装置を電動モータの軸と減速構造のギヤ軸の間に配置することにより、組立性と搭載性に優れた電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。

　この発明は、車両のハンドルに対して補助トルクを出力する電動モータと、この電動モータの回転を減速する減速機構、及び前記電動モータと前記減速機構との間に配置された前記電動モータの駆動を制御する制御装置とを備えた電動パワーステアリング装置であって、前記制御装置は、高熱伝導率の金属材料で構成されたヒートシンクと、前記ハンドルに対して補助するトルクに応じて前記電動モータの電流を切り換えるための複数の半導体スイッチング素子からなるブリッジ回路を有し、前記ヒートシンクに固定されたパワー回路基板と、前記ハンドルの操舵トルクに基づいて前記ブリッジ回路を制御するための駆動信号を生成する制御回路を有し、前記パワー回路基板と導電体を介して電気的に接続された制御回路基板と、前記電動モータに供給されるモータ電流を通電、遮断するリレー回路を有し、前記パワー回路基板と導電体を介して電気的に接続された電子リレー回路基板と、前記電子リレー回路基板が装着されると共に、前記パワー回路基板と前記制御回路基板を収容するハウジングとで構成されたものである。

　この発明の電動パワーステアリング装置によれば、制御装置は、電動モータの出力軸上の減速機構側に配置され、減速機構と組み付けることにより、従来装置のように電動モータの軸に平行に配置するよりも、電動モータ周囲の小型化を図れるとともに、搭載性を改善することができる。
また、電動モータに供給されるモータ電流を通電、遮断するリレー部として、電子リレー回路基板をハウジングに固定することにより、機械式リレーに比べて電気的接続の簡略化と小型化を図れると共に、電子リレー回路基板の放熱と搭載性を改善できる。

この発明の実施の形態１に係る電動パワーステアリング装置を示すブロック回路図である。実施の形態１に係る電動パワーステアリング装置を示す縦断面図である。実施の形態１に係る電動パワーステアリング装置を示す別角度からの縦断面図である。実施の形態１に係る電動パワーステアリング装置を示す分解斜視図である。実施の形態１に係る電動パワーステアリング装置の制御装置のパワー回路基板部を示す断面図である。実施の形態１に係る電動パワーステアリング装置において、ハウジング側から見た電子リレー基板部を示す平面図である。実施の形態１に係る電動パワーステアリング装置の電子リレー回路基板と制御回路基板の接続部を示す断面図である。従来の電動パワーステアリング装置を示す縦断面図である。

実施の形態１．
　図１は、この発明に係る電動パワーステアリング装置を示すブロック回路図である。この電動パワーステアリング装置は、車両のハンドル（図示せず）に対して補助トルクを出力する電動モータ１０と、この電動モータ１０の駆動を制御する制御装置９０と、電動モータ１０を駆動するための電流を供給するバッテリ１と、ハンドルの操舵トルクを検出するトルクセンサ２と、車速を検出する車速センサ３と、制御装置９０と電動モータ１０とを電気的に接続するモータコネクタ８１と、バッテリ１と制御装置９０とを電気的に接続するパワーコネクタ８２と、トルクセンサ１２と制御装置６０とを電気的に接続する信号コネクタ８３とを備えている。

　電動モータ１０は、固定子（図示せず）に３相接続された電機子巻線１５と回転子（図示せず）の回転位置を検出する回転位置センサ１４とを有している。
制御装置９０は、モータ電流ＩＭを補助トルクの大きさ及び方向に応じて切り替えるための複数の半導体スイッチング素子（例えば、ＦＥＴ）Ｑ１～Ｑ６からなる３相のブリッジ回路４１と、モータ電流ＩＭを検出するためのシャント抵抗４２と、電動モータ１０に流れるモータ電流ＩＭのリップル成分を吸収するための大容量のコンデンサ（２２００μＦ×３程度）４３と、電磁ノイズを除去するためのコイル４４と、電動モータ１１に供給されるモータ電流ＩＭを通電、遮断する電子リレー回路６１を備えている。

　制御装置９０は、シャント抵抗４２の一端を介して電動モータ１０に流れる電流を検出するための電流検出手段５４と、操舵トルク信号に基づいて補助トルクを演算するとともにモータ電流ＩＭ及び回転子の回転位置をフィードバックして補助トルクに相当する電流を演算するマイクロコンピュータ５２と、マイクロコンピュータ５２の演算出力に応じてブリッジ回路４１の半導体スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６を制御するための駆動信号を出力する駆動回路５３を有している。
なお、図示していないが、マイクロコンピュータ５２は、ＡＤ変換器やＰＷＭタイマ回路等の他に周知の自己診断機能を含み、システムが正常に動作しているか否かを常に自己診断しており、異常が発生するとモータ電流ＩＭを遮断するようになっている。

　次に、上記構成の電動パワーステアリング装置の動作について説明する。
マイクロコンピュータ５２は、トルクセンサ２から操舵トルク及び回転位置センサ１２から電動モータ１０の回転子の回転位置を取り込むとともに、シャント抵抗４２からモータ電流ＩＭを電流検出手段５４を介してフィードバック入力し、パワーステアリングの回転方向指令及び補助トルクに相当する電流制御量を生成し、駆動回路５３に入力する。
駆動回路５３は、回転方向指令及び電流制御量が入力されると、ＰＷＭ駆動信号を生成し、ブリッジ回路４１の半導体スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６に印加する。
これにより、バッテリ１から外部配線、パワーコネクタ８１、コイル４４、ブリッジ回路４１、電子リレー回路６１、モータコネクタ８２及び外部配線を介して電動モータ１０に電流が流れ、所要方向に所要量の補助トルクが出力される。

　このとき、モータ電流ＩＭは、シャント抵抗４２及び電流検出手段５４を介して検出され、マイクロコンピュータ５２にフィードバックされることにより、モータ電流指令Ｉｍと一致するよう制御される。
また、モータ電流ＩＭは、ブリッジ回路４１のＰＷＭ駆動時のスイッチング動作によりリップル成分を含むが、大容量のコンデンサ４３により平滑されて制御される。
さらに、コイル４４は、ブリッジ回路４１がＰＷＭ駆動時に、スイッチング動作することにより発生するノイズが外部に放出されて、ラジオノイズとなることを防止する。

　図２～７は、実施の形態１に係る電動パワーステアリング装置を示す図で、図２～７において、この電動パワーステアリング装置のブラシレスモータである電動モータ１０は、出力軸１１と、この出力軸に８極の磁極を有する永久磁石が固定された回転子１２と、この回転子の周囲に設けられた固定子１３と、出力軸の出力側に配設され、回転子の回転位置を検出する回転位置センサ１４とを備えている。
固定子１３は、永久磁石の外周に相対した１２個の突極と、この突極に装着されたインシュレータ（図示せず）と、このインシュレータに巻回され、かつＵ、Ｖ及びＷの３相に接続された電機子巻線１５とを有している。
電機子巻線１５の３個の端部は、出力軸の出力側軸線方向に延びた３個の巻線端子に各々接続されている。

　回転位置センサ１４は、レゾルバ２０であり、レゾルバ用回転子２１及びレゾルバ用固定子２２を有している。
レゾルバ用回転子２１の外径は、レゾルバ用固定子２２とレゾルバ用回転子２１との間の径方向隙間のパーミアンスが角度で正弦波状に変化するような特殊曲線になっている。
レゾルバ用固定子２２には励磁コイル及び２組の出力コイルが巻回されており、このレゾルバ用回転子２１及びレゾルバ用固定子２２間の径方向隙間の変化を検出してｓｉｎとｃｏｓで変化する２相出力電圧を出力する。

　制御装置９０は、電動モータ１０と同軸上に配置された減速機構(図示せず)である減速ギヤと電動モータ１０の間に配置されている。
減速ギヤは、ギヤケースと、このギヤケース内に設けられ出力軸の回転を減速するためのウォームギヤと、このウォームギヤに歯合したウォームホイールとを有している。
ウォームギヤの電動モータ１０側の端部にはスプラインが形成されている。
出力軸の減速ギヤ側の端部には内側にスプラインが形成されたカップリングが圧入されている。
このカップリングとウォームギヤの端部とがスプライン結合されており、電動モータ１０から減速ギヤにカップリングを介してトルクが伝達されるようになっている。

　電動モータ１０は、ハウジング７０に固定され、電動モータ１０を駆動制御する制御装置９０を同軸上に構成している。
制御装置９０は、図４に示すように、箱型状であって高熱伝導率の金属材料であるアルミニウム製のヒートシンク３０と、ハンドルに対して補助するトルクに応じて電動モータ１０の電流を切り換えるための複数の半導体スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６からなるブリッジ回路４１を有し、ヒートシンク３０に固定されたパワー回路基板４０と、ハンドルの操舵トルクに基づいてブリッジ回路４１を制御するための駆動信号を生成する制御回路５１を有し、複数の柔軟性を持った導電板４５を介してパワー回路基板４０と電気的に接続された制御回路基板５０と、電動モータ１０に供給されるモータ電流を通電、遮断する電子リレー回路６１を有し、パワー回路基板４０と導電体を介して電気的に接続された電子リレー回路基板６０と、電子リレー回路基板６０が装着されると共に、パワー回路基板４０と制御回路基板５０を収容するハウジング７０とを有している。

　パワー回路基板４０には、複数の半導体スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６からなるブリッジ回路４１を有するパワー回路部と、コンデンサ４３、コイル４４が設けられている。（図５参照）
また、制御回路基板５０上の配線パターンには、マイクロコンピュータ５２、駆動回路５２及びモータ電流検出手段５４を含む周辺回路素子等の小電流部品が、半田付けされて実装されている。
更に、電子リレー回路基板６０には、Ｕ、Ｖ及びＷの３相に接続された電機子巻線１５の３個の巻線端子に各々接続された半導体スイッチング素子Ｑ７～Ｑ９が搭載され、電子リレー回路６１を経て電動モータ１０の出力軸の出力側軸線方向に延びた３個の出力端子である導電板４５に各々接続されている。（図６参照）

　コネクタ８０は絶縁性樹脂で一体的に成形されている。
このコネクタ８０は、車両のバッテリ１と電気的に接続されるパワーコネクタ８１と、制御装置９０と電動モータ１０とを電気的に接続するモータコネクタ８２と、外部配線を介して信号が入力されるトルクセンサ２と車両の走行速度を計測する車速センサ３に接続される信号コネクタ８３とから構成されている。

　コネクタ８０は、ヒートシンク３０の開口部である穴に挿入され、ヒートシンク３０に固定されている。
ヒートシンク３０をハウジング７０と締付けることで、コネクタ８０はヒートシンク３０とハウジング７０の間に挟まれて固定されるように構成されている。

　次に、上記のように構成された電動パワーステアリング装置の組立手順について説明する。
まず、電動モータ１０を組み立てるが、出力軸に永久磁石を接着固定後、着磁器で極に着磁し、軸受の内輪を圧入して回転子を形成する。
次に、固定子１３の１２個の突極にインシュレータを介してＵ、Ｖ、Ｗの各電機子巻線１５を電気角で１２０度位置を移動して巻回し、Ｕ、Ｖ、Ｗ各相４個で計１２個の巻線を形成する。
Ｕ相各巻線の巻始め同士、巻終わり同士を接続し、Ｕ層の電機子巻線１５を形成する。
同様にＶ層及びＷ層の電機子巻線１５を形成し、Ｕ、Ｖ及びＷ層の電機子巻線１５の巻終わりを互いに接続して中性点とする。
Ｕ、Ｖ及びＷ層の電機子巻線１５の巻始めはそれぞれ巻線端子に接続される。
その後、巻線された固定子１３をヨークに圧入する。

　次にハウジング７０に軸受の外輪を固定後、軸受の内輪に回転子１２の出力軸１１を圧入し、回転位置センサ１４の回転子及びカップリングを出力軸１１に圧入する。
各電極にクリーム半田を塗布した金属基板であるパワー回路基板４０上に半導体スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６、抵抗等の部品を配置し、導電板４５を接続するための保持部材を介してパワー回路基板４０上に配置し固定して、リフロー装置を用いクリーム半田を溶かし、半田付けをした電子リレー回路基板６０をハウジング７０に固定し、さらにこのハウジング７０に回転位置センサ１４の固定子を固定する。
この時、ハウジング７０と電子リレー回路基板６０間に熱伝導グリスを塗布して放熱効果を高めても良い。
ハウジング７０に固定子が組み込まれたヨークを挿入し、その後ネジ（図示せず）でハウジング７０にヨークを固定する。

　次に、制御装置９０の組立手順について説明する。
まず、各電極にクリーム半田を塗布した制御回路基板５０上にマイクロコンピュータ５２及びその周辺回路素子等の部品を配置し、パワーコネクタ８２とコイル３０間、及び、電動モータ１０のＵ、Ｖ、Ｗ線と導電板をつなぐ大電流用導電板を配置し、さらに、導電板４５を接続するためのチップを配置して、リフロー装置を用い、制御回路基板５０を熱し、クリーム半田を溶かして各上記部品を半田付けする。
同様に、各電極にクリーム半田を塗布したパワー回路基板４０上に半導体スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６及びシャント抵抗２２等の部品を配置し、制御回路基板５０と同様に導電板を接続するためのチップを配置して、リフロー装置を用いクリーム半田を溶かし、半田付けをする。
このパワー回路基板４０をヒートシンク３０に固定し、制御回路基板５０は、対向するように並行に組み付け、パワー回路基板４０から延長され、制御回路基板５０に挿入された導電板を半田付け等により電気的に接続する。
この時、ヒートシンク３０とパワー回路基板４０間に熱伝導グリスを塗布して放熱効果を高めても良い。
電動モータ１０のＵ、Ｖ、Ｗ層に接続された電子リレー回路基板６０から出された導電板とレゾルバ用固定子２２から出された導電板の端部はプレスフィット端子６２で構成しているので制御装置９０の制御回路基板５０側を電動モータ１０側にして圧入する。（図７参照）
圧入することにより、電動モータ１０と制御装置９０は図２及び図３のように一体化される。

　以上説明したように、この実施の形態１の電動パワーステアリング装置によれば、制御装置９０は、ハンドルに対して補助するトルクに応じて電動モータ１０の電流を切り換えるための複数の半導体スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６からなるブルッジ回路４１が搭載されたパワー回路基板４０と、電流のリップルを吸収するコンデンサ５及びハンドルの操舵トルクに基づいてブルッジ回路４１を制御するための駆動信号を生成するマイクロコンピュータ５２が搭載された制御回路基板５０と、パワー回路基板４０と制御回路基板５０を電気的につなぐ大電流が流れる大電流用導電板及び小電流の信号が入出力される信号用導電板とを備え、電子リレー回路基板６０をハウジング７０に配置することで、装置が小型化され、締結部品も削減できると共に、電子リレー回路基板６０の放熱と搭載性を改善できる。

　また、電動パワーステアリング装置は、電動モータ１０のＵ、Ｖ、Ｗ層から出された導電板とレゾルバ用固定子２２から出された導電板のそれぞれの端部が制御装置９０の制御回路基板５０に電気的に接続されているので、電動モータ１０と制御装置９０とを電気的に接続する外部配線及びコネクタが不要となり、装置のコストが低減でき、電力ロスも低減できるとともに、放射ノイズを抑制することができる。

　また、図７に示すように、電子リレー回路基板６０と制御回路基板５０は、電子リレー回路基板６０に設けられた導電端子で接続され、導電端子の一端はプレスフィット端子６２が形成されるとともに、制御回路基板５０は内面にメッキがなされたスルーホールが設けられ、プレスフィット端子６２がこのスルーホールに圧入されることで、両者の電気的な接続が行われるため、工作性の向上が図られる。
その時、電子リレー回路基板６０を電動モータ１０の軸に同心状に設けることにより、プレスフィット端子６２の圧入力を受けるので、電子リレー回路基板６０を安定的に装着することができる。

　なお、パワー回路基板４０は、金属基板に限定されるものではなく、配線パターンが絶縁層を介してアルミニウム等の伝熱性のよい金属ベース上に形成されたものや、銅のような熱伝導性のよい回路基板であってもよく、セラミック基板であってもよい。
また、回転位置センサ１４はレゾルバ２０を用いているが、レゾルバに限定されるものではなく磁気抵抗器（ＭＲ）、巨大磁気抵抗器（ＧＭＲ）やホール素子またはホールＩＣ等他の磁気検出素子を用いたものであってもよい。
また、電動モータ１０はブラシレスモータに限定されるものでなく、インダクションモータ、スイッチトリラクタンスモータ（ＳＲモータ）またはブラシ付のＤＣモータであってもよい。

１：バッテリ、２：トルクセンサ、３：車速センサ
１０：電動モータ、１１：出力軸、１２：回転子、１３：固定子、
１４：回転位置センサ、１５：電機子巻線
２０：レゾルバ、２１：レゾルバ用回転子、２２：レゾルバ用固定子、
３０：ヒートシンク
４０：パワー回路基板、４１：ブリッジ回路、４２：シャント抵抗、
４３：コンデンサ、４４：コイル、４５：導電板、Ｑ１～Ｑ６：半導体スイッチング素子
５０：制御回路基板、５１：制御回路、５２：マイクロコンピュータ、
５３：駆動回路、５４：電流検出手段、
６０：電子リレー回路基板、６１：電子リレー回路、
６２：プレスフィット端子　Ｑ７～Ｑ９：半導体スイッチング素子
７０：ハウジング
８０：コネクタ、８１：パワーコネクタ、８２：モータコネクタ、
８３：信号コネクタ、
９０：制御装置

Claims

　車両のハンドルに対して補助トルクを出力する電動モータと、この電動モータの回転を減速する減速機構、及び前記電動モータの駆動を制御する制御装置とを備えた電動パワーステアリング装置において、
前記制御装置は、前記電動モータと前記減速機構との間で前記電動モータの出力軸と同一軸上に配置され、
かつ、高熱伝導率の金属材料で構成されたヒートシンクと、
前記ハンドルに対して補助するトルクに応じて前記電動モータの電流を切り換えるための複数の半導体スイッチング素子からなるブリッジ回路を有し、前記ヒートシンクに固定されたパワー回路基板と、
前記ハンドルの操舵トルクに基づいて前記ブリッジ回路を制御するための駆動信号を生成する制御回路を有し、前記パワー回路基板と導電体を介して電気的に接続された制御回路基板と、
前記電動モータに供給されるモータ電流を通電、遮断する電子リレー回路を有し、前記パワー回路基板と導電体を介して電気的に接続された電子リレー回路基板と、
前記電子リレー回路基板が装着されると共に、前記パワー回路基板と前記制御回路基板を収容し保護するハウジングとで構成された
ことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
　前記パワー回路基板、前記制御回路基板、前記電子リレー回路基板及び前記ハウジングを、前記電動モータの出力軸に対して同心状に配置したことを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
　前記電子リレー回路基板は、前記ハウジングの前記制御回路基板取付け側の内側に配置され、前記ハウジングは、前記電子リレー回路基板を収容するように前記ヒートシンクに組み付けられたことを特徴とする請求項１または２記載の電動パワーステアリング装置。
　前記電子リレー回路基板に設けられたプレスフィット端子を前記制御回路基板に形成されたスルーホールに圧入して前記電子リレー回路基板と前記制御回路基板とを電気的に接続したことを特徴とする１乃至３のいずれか一つに記載の電動パワーステアリング装置。