JP2018131079A - ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトなブラシレスモータを提供すること。【解決手段】反力モータ１００は、ハウジング４０に回転自在に支持されたシャフト５０と、シャフト５０の回転角度を検出する回転角度センサ９０と、回転角度センサ９０の検出結果に基づいてロータ６０の回転を制御するコントローラ３５，３６が実装された制御基板８０と、を備え、制御基板８０は、シャフト５０が貫通してハウジング４０に収容され、回転角度センサ９０は、制御基板８０に形成され、励磁信号が入力される励磁コイルパターン９１ａ及び検出信号を出力する検出コイルパターン９１ｂと、シャフト５０に固定され、励磁コイルパターン９１ａ及び検出コイルパターン９１ｂに対向して回転するセンサロータ９２と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、ブラシレスモータに関するものである。

特許文献１には、ステアリングシャフトを介してステアリングホイールに操舵反力を付与する反力モータと、その反力モータの駆動を制御する反力コントローラと、を備え、反力モータと反力コントローラが別体に設けられた技術が開示されている。

この種の電動モータとしては、ロータの回転角度を検出する回転角度センサを有し、回転角度センサの検出結果に基づいてコントローラが電動モータの駆動を制御するブラシレスモータが主流となっている。回転角度センサとしては、レゾルバが用いられる場合には、レゾルバステータの端子がコントローラに電気的に接続される。

特開２０１０−２８０３１２号公報

従来のブラシレスモータでは、コントローラが別体に設けられると共に、コントローラと回転角度センサとを電気的に接続する必要があったため、ブラシレスモータ及びそれに付随する装備をコンパクトに構成することは困難であった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、コンパクトなブラシレスモータを提供することを目的とする。

第１の発明は、ブラシレスモータであって、ハウジングに回転自在に支持されたシャフトと、シャフトの回転角度を検出する回転角度センサと、回転角度センサの検出結果に基づいてロータの回転を制御するコントローラが実装された制御基板と、を備え、制御基板は、シャフトが貫通してハウジングに収容され、回転角度センサは、制御基板に形成され、励磁信号が入力される励磁コイルパターン及び検出信号を出力する検出コイルパターンと、シャフトに固定され、励磁コイルパターン及び検出コイルパターンに対向して回転するセンサロータと、を有することを特徴とする。

第１の発明では、ロータの回転を制御するコントローラが実装された制御基板はシャフトが貫通してハウジングに収容される。また、シャフトの回転角度を検出する回転角度センサの励磁コイルパターン及び検出コイルパターンが制御基板に形成される。

第２の発明は、シャフトはその両端部がハウジングから突出して形成されることを特徴とする。

第３の発明は、シャフトは運転者によるステアリングホイールの操作に伴って回転するステアリングシャフトの一部を構成し、ブラシレスモータは、ステアリングシャフトに操舵反力を付与する反力モータであることを特徴とする。

第３の発明では、コンパクトな反力モータが得られるため、車両への反力モータの搭載性が向上する。

第４の発明は、ブラシレスモータは車輪を転舵するラックシャフトに回転力を直接付与する転舵モータであることを特徴とする。

第４の発明では、コンパクトな転舵モータが得られるため、車両への転舵モータの搭載性が向上する。

本発明によれば、コンパクトなブラシレスモータを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係るブラシレスモータが用いられるステアリング装置の構成図である。 本発明の第１実施形態に係るブラシレスモータの断面図である。 本発明の第１実施形態に係るブラシレスモータの分解斜視図である。 本発明の第１実施形態に係るブラシレスモータの制御基板の平面図である。 本発明の第２実施形態に係るブラシレスモータが用いられるステアリング装置の構成図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係るブラシレスモータは、ステアリング装置１０１に搭載される反力モータ１００である。

まず、図１を参照して、ステアリング装置１０１について説明する。

ステアリング装置１０１は、運転者によるステアリングホイール１の操作（以下、「ステアリング操作」と称する。）に応じて車輪２を転舵するステアバイワイヤ制御と、運転者によるステアリング操作を補助するアシスト制御と、の双方が可能なものである。

ステアリング装置１０１は、運転者によるステアリング操作に伴って回転する第１ステアリングシャフト３と、車輪２を転舵するラックシャフト５に連係する第２ステアリングシャフト４と、第１ステアリングシャフト３と第２ステアリングシャフト４との接続と切断を切り換える接続切換部としてのクラッチ６と、を備える。

クラッチ６は電磁クラッチであり、電磁コイルが励磁状態で第１ステアリングシャフト３と第２ステアリングシャフト４を切断し、電磁コイルが非励磁状態で第１ステアリングシャフト３と第２ステアリングシャフト４を機械的に接続する。クラッチ６が切断された状態ではステアバイワイヤ制御が行われ、クラッチ６が接続された状態ではアシスト制御が行われる。

第２ステアリングシャフト４は、クラッチ６に接続された入力シャフト１１と、ピニオンギヤ１２ａが形成されたピニオンシャフト１２と、入力シャフト１１とピニオンシャフト１２を連結するトーションバー１３と、を有する。ピニオンギヤ１２ａは、ラックシャフト５に形成されたラックギヤ５ａと噛み合う。

クラッチ６が接続された状態で、ステアリングホイール１が操作されると、第１ステアリングシャフト３及び第２ステアリングシャフト４が回転し、その回転がピニオンギヤ１２ａ及びラックギヤ５ａによってラックシャフト５の直線運動に変換され、ナックルアーム１４を介して車輪２が転舵される。

第１ステアリングシャフト３には、ステアリングホイール１の回転角度である操舵角度を検出する舵角センサ２１が設けられる。舵角センサ２１は、図示しないが、第１ステアリングシャフト３と一体に回転するセンターギアと、センターギアに噛み合う２つのアウターギアと、を備え、２つのアウターギアの回転に伴う磁束の変化に基づいて、センターギアの回転角度、すなわち第１ステアリングシャフト３の回転角度を演算するものである。

第２ステアリングシャフト４には、クラッチ６が接続された際に、運転者によるステアリング操作によって入力される操舵トルクを検出するトルクセンサ２２が設けられる。トルクセンサ２２は、入力シャフト１１とピニオンシャフト１２との相対回転に伴うトーションバー１３のねじれ変形に基づいて操舵トルクを検出する。

ステアリング装置１０１は、減速機構３２を介してピニオンシャフト１２に回転力を付与する転舵モータ３１をさらに備える。転舵モータ３１は、クラッチ６が切断された状態では、車輪２を転舵する転舵力をピニオンシャフト１２を通じてラックシャフト５に付与する。また、転舵モータ３１は、クラッチ６が接続された状態では、運転者によるステアリング操作を補助するアシスト力をピニオンシャフト１２に付与する。

減速機構３２は、転舵モータ３１の出力軸に連結されたウォームシャフト３２ａと、ウォームシャフト３２ａと噛み合うと共にピニオンシャフト１２に連結されたウォームホイール３２ｂと、を有する。

ステアリング装置１０１は、クラッチ６が切断された状態で第１ステアリングシャフト３に操舵反力を付与する反力モータ１００をさらに備える。反力モータ１００が駆動すると、運転者のステアリング操作に対して第１ステアリングシャフト３に操舵反力が付与される。これにより、運転者のステアリング操作に対して擬似的なハンドルの重さを与えることができる。

ステアリング装置１０１は、転舵モータ３１の駆動を制御する転舵コントローラ３５と、反力モータ１００の駆動を制御する反力コントローラ３６と、をさらに備える。転舵モータ３１は、転舵コントローラ３５を一体に有するコントローラ一体型のブラシレスモータとして構成される。同様に、反力モータ１００は、反力コントローラ３６を一体に有するコントローラ一体型のブラシレスモータとして構成される。転舵コントローラ３５及び反力コントローラ３６には、車両コントローラ３７を通じて車速等の車両の情報が入力される。

次に、ステアリング装置１０１によるステアリング制御について説明する。

通常時には、クラッチ６が切断されてステアバイワイヤ制御が行われる。ステアバイワイヤ制御では、運転者によるステアリング操作に応じて転舵コントローラ３５が転舵モータ３１を制御することによって、車輪２が転舵される。具体的には、転舵コントローラ３５は、舵角センサ２１の検出結果や車速に基づいて目標転舵角を設定し、車輪２の転舵角が目標転舵角に一致するように転舵モータ３１を制御する。また、ステアバイワイヤ制御では、車輪２の転舵状態に応じて反力コントローラ３６が反力モータ１００を制御することによって、ステアリングホイール１に操舵反力が付与される。具体的には、反力コントローラ３６は、ステアリング操作によって路面から受ける反力に相当する目標操舵反力を設定し、第１ステアリングシャフト３に付与される操舵反力が目標操舵反力に一致するように反力モータ１００を制御する。

制御系統に異常が発生した場合には、クラッチ６が接続されてステアバイワイヤ制御からアシスト制御に切り換えられる。アシスト制御では、転舵コントローラ３５は、トルクセンサ２２の検出結果に基づいて運転者によるステアリング操作を補助するアシスト力がピニオンシャフト１２に付与されるように転舵モータ３１を制御する。この際、反力モータ１００は、ステアリング操作の負荷とならないように無負荷状態となる。

次に、図２〜４を参照して、反力モータ１００について詳しく説明する。

反力モータ１００は、ハウジング４０と、ハウジング４０に回転自在に支持されたシャフト５０と、シャフト５０が固定されたロータ６０と、ハウジング４０に支持されロータ６０に対して径方向に対向して配置されたステータ７０と、ロータ６０の回転を制御する反力コントローラ３６が実装された制御基板８０と、を備える。

ハウジング４０は、ロータ６０及びステータ７０を収容するメインハウジング４１と、メインハウジング４１に締結され制御基板８０を収容するサブハウジング４２と、サブハウジング４２の開口部を封止するカバー４３と、を有する。

メインハウジング４１は、ロータ６０及びステータ７０を収容する略有底筒状の本体部４４と、本体部４４から径方向に突出して形成されコネクタ３９ａ，３９ｂが取り付けられるコネクタ接続部４５と、本体部４４及びコネクタ接続部４５に亘って形成され外周面にボス４６ａが形成されたフランジ部４６と、を有する。

本体部４４の底部には、シャフト５０が挿通する貫通孔４４ａが形成される。本体部４４の外周面には、複数の取付部４４ｂが突出して形成される。反力モータ１００は、取付部４４ｂを介して車体に取り付けられる。

サブハウジング４２は、制御基板８０の外周形状に沿う内周面を有し制御基板８０を収容する本体部４７と、外周面にボス４８ａが形成されたフランジ部４８と、を有する。本体部４７の内周面には、制御基板８０の一方の面の外周縁が当接する段部４７ａが形成される。また、本体部４７には、内外面を貫通する孔４７ｂが形成される。

メインハウジング４１とサブハウジング４２との締結は、メインハウジング４１のフランジ部４６の端面４６ｂとサブハウジング４２のフランジ部４８の端面４８ｂとを互いに面接触させた状態で、ボス４６ａとボス４８ａに亘ってボルト４９を締結することによって行う。

カバー４３は、サブハウジング４２の本体部４７の外周形状に沿った外周を有する板状部材である。カバー４３におけるサブハウジング４２側の面には、サブハウジング４２の本体部４７の内周面に沿って環状に形成された突出部４３ａと、本体部４７の孔４７ｂに係止されるフック４３ｂと、が形成される。また、カバー４３には、シャフト５０が挿通する貫通孔４３ｃが形成される。

サブハウジング４２へのカバー４３の取り付けは、突出部４３ａを本体部４７の内周面に圧入すると共に、フック４３ｂを孔４７ｂに係止させることによって行う。

カバー４３がサブハウジング４２に取り付けられた状態では、カバー４３のフック４３ｂの先端部が制御基板８０に当接する。これにより、制御基板８０は、サブハウジング４２の本体部４７の段部４７ａとフック４３ｂとの間で挟持されて固定される。制御基板８０には、シャフト５０が貫通する貫通孔８１が形成される。このように、制御基板８０は、シャフト５０が貫通した状態で、ハウジング４０内に収容される。

シャフト５０は、ロータ６０を挟んで配置された第１軸受５１及び第２軸受５２を介してハウジング４０に回転自在に支持される。第１軸受５１は、メインハウジング４１の本体部４４の底部に形成された軸受収容部４４ｃに固定される。第２軸受５２は、サブハウジング４２に形成された軸受収容部４２ａに固定される。

シャフト５０は、その両端部がハウジング４０から突出して形成される。具体的には、シャフト５０の一方側は、メインハウジング４１の本体部４４の貫通孔４４ａを挿通し、他方側は、カバー４３の貫通孔４３ｃを挿通する。シャフト５０の一端部５０ａはクラッチ６に接続され、他端側はステアリングホイール１に連係する。このように、シャフト５０は、第１ステアリングシャフト３の一部を構成する。

ロータ６０は、シャフト５０に固定されたロータコア６１と、ロータコア６１の外周面に固定された永久磁石６２と、を有する。

ステータ７０は、メインハウジング４１の本体部４４の内周面に圧入されたステータコア７１と、ステータコア７１のティースに樹脂製のインシュレータ７２を介して巻回されたコイル７３と、を有する。

サブハウジング４２内には、制御基板８０と電気的に接続されたパワー基板８５が収容される。パワー基板８５は、ステータ７０のコイル７３と電気的に接続される。

コネクタ３９ａは、車両に搭載されるバッテリと電気的に接続される。これにより、コネクタ３９ａを介してバッテリから制御基板８０に電源が供給される。また、コネクタ３９ｂは、車両コントローラ３７と電気的に接続される。これにより、コネクタ３９ｂを介して制御基板８０に車両の情報が入力される。

反力モータ１００は、シャフト５０の回転角度を検出する回転角度センサ９０（図４参照）をさらに備える。制御基板８０に実装された反力コントローラ３６は、反力モータ１００が第１ステアリングシャフト３に付与する操舵反力が設定された目標操舵反力に一致するように、回転角度センサ９０の検出結果に基づいてロータ６０の回転を制御する。

回転角度センサ９０は、制御基板８０にパターニングによって形成されたパターンコイル９１と、シャフト５０に固定されパターンコイル９１に対向して回転する金属製のセンサロータ９２と、シャフト５０の回転角度の演算等を行うセンサ回路９５（図３参照）と、を備える。

パターンコイル９１は、図４に示すように、励磁信号が入力される励磁コイルパターン９１ａと、検出信号を出力する検出コイルパターン９１ｂと、を有する。励磁コイルパターン９１ａ及び検出信号を出力する検出コイルパターン９１ｂは、貫通孔８１の周りに形成される。なお、図３では、制御基板８０の図中下面にパターンコイル９１が形成される。

センサロータ９２は、シャフト５０の外周面に圧入される環状の圧入部９３と、圧入部９３の外周面から径方向に放射状に延びて形成され、周方向に所定間隔を空けて配置された複数のプレート部９４と、を有する。センサロータ９２はシャフト５０と一体に回転し、シャフト５０の回転に伴って、プレート部９４が検出コイルパターン９１ｂに対して相対回転する。

センサ回路９５は、制御基板８０に実装される。センサ回路９５は、励磁コイルパターン９１ａへの励磁指令や、検出コイルパターン９１ｂの検出結果に基づくシャフト５０の回転角度の演算を行う。

回転角度センサ９０は、検出コイルパターンで検出したインダクタンス変化に基づいてシャフト５０の回転角度を演算するインダクタンス式のセンサである。具体的には、センサ回路９５から励磁コイルパターン９１ａへの励磁指令によって励磁コイルパターン９１ａが磁界を発生し、センサロータ９２の回転に伴う磁界の変化を検出コイルパターン９１ｂによって検出し、その検出結果に基づいてセンサ回路９５がシャフト５０の回転角度を演算する。

このように、制御基板８０には、反力コントローラ３６の他に、回転角度センサ９０のパターンコイル９１及びセンサ回路９５が実装される。

回転角度センサ９０が検出したシャフト５０の回転角度は反力コントローラ３６に出力される。反力コントローラ３６は回転角度センサ９０の検出結果及び車両コントローラ３７からの車両の情報に基づいて制御電流を演算し、制御電流はパワー基板８５を介してステータ７０のコイル７３に供給されて反力モータ１００が駆動する。

回転角度センサ９０のパターンコイル９１及びセンサ回路９５を２系統設けるようにしてもよい。このように構成すれば、一方の系統が故障した場合であっても、シャフト５０の回転角度の検出を継続することができる。

以上の第１実施形態によれば、以下に示す効果を奏する。

反力コントローラ３６が実装された制御基板８０は、シャフト５０が貫通してハウジング４０に収容される。このように、反力モータ１００はコントローラ一体型のブラシレスモータとして構成される。また、シャフト５０の回転角度を検出する回転角度センサ９０の励磁コイルパターン９１ａ及び検出コイルパターン９１ｂが制御基板８０に形成されるため、レゾルバのようなステータ部が不要となる。よって、反力モータ１００をコンパクトに構成することができる。また、反力モータ１００の部品点数を削減することができると共に、組み立てが容易となる。

＜第２実施形態＞
次に、図５を参照して、本発明の第２実施形態に係るブラシレスモータについて説明する。以下では、上記第１実施形態と異なる点を中心に説明し、上記第１実施形態と同一の構成には図５に同一の符号を付して説明を省略する。

本発明の第２実施形態に係るブラシレスモータは、ステアリング装置２０１に搭載される転舵モータ２００である。ステアリング装置２０１では、第１実施形態の転舵モータ３１に代わり、ラックシャフト５に回転力を直接付与する転舵モータ２００を備える。

転舵モータ２００は、ハウジング４０の取付部４４ｂを介してラックシャフト５を収容するラックハウジングに取り付けられる。

転舵モータ２００の構成は、基本的には、図２及び３に示す反力モータ１００の構成と同じである。転舵モータ２００は、ロータ６０に固定されたシャフト５５が中空状である点で反力モータ１００と異なる。シャフト５５は、その両端部がハウジング４０から突出する構成である必要はなく、一方の端部のみがハウジング４０から突出する構成であってもよい。

転舵モータ２００の回転力は、ボールねじ機構にてラックシャフト５の軸方向への移動へと変換される。具体的に説明すると、シャフト５５の内周にはボールナット２５が支持され、ボールナット２５はラックシャフト５のラックギヤ５ａと噛み合う。転舵モータ２００の回転力は、ボールナット２５及びラックギヤ５ａを介して、ラックシャフト５の軸方向への移動へと変換される。

転舵モータ２００は、クラッチ６が切断された状態では、車輪２を転舵する転舵力をラックシャフト５に付与する。また、転舵モータ２００は、クラッチ６が接続された状態では、運転者によるステアリング操作を補助するアシスト力をラックシャフト５に付与する。

転舵モータ２００においても、制御基板８０は、シャフト５５が貫通した状態で、ハウジング４０内に収容される。また、制御基板８０には、転舵コントローラ３５の他に、回転角度センサ９０のパターンコイル９１及びセンサ回路９５が実装される。

以下、本発明の実施形態の構成、作用、及び効果をまとめて説明する。

ブラシレスモータ（反力モータ１００，転舵モータ２００）は、ハウジング４０と、ハウジング４０に回転自在に支持されたシャフト５０と、シャフト５０が固定されたロータ６０と、ハウジング４０に支持され、ロータ６０に対して径方向に対向して配置されたステータ７０と、シャフト５０の回転角度を検出する回転角度センサ９０と、回転角度センサ９０の検出結果に基づいてロータ６０の回転を制御するコントローラ３５，３６が実装された制御基板８０と、を備え、制御基板８０は、シャフト５０が貫通してハウジング４０に収容され、回転角度センサ９０は、制御基板８０に形成され、励磁信号が入力される励磁コイルパターン９１ａ及び検出信号を出力する検出コイルパターン９１ｂと、シャフト５０に固定され、励磁コイルパターン９１ａ及び検出コイルパターン９１ｂに対向して回転するセンサロータ９２と、を有する。

この構成では、ロータ６０の回転を制御するコントローラ３５，３６が実装された制御基板８０はシャフト５０，５５が貫通してハウジング４０に収容される。また、シャフト５０，５５の回転角度を検出する回転角度センサ９０の励磁コイルパターン９１ａ及び検出コイルパターン９１ｂが制御基板８０に形成される。よって、コンパクトなブラシレスモータを提供することができる。

また、シャフト５０はその両端部がハウジング４０から突出して形成される。

また、シャフト５０は運転者によるステアリングホイール１の操作に伴って回転する第１ステアリングシャフト３の一部を構成し、ブラシレスモータは、第１ステアリングシャフト３に操舵反力を付与する反力モータ１００である。

この構成では、コンパクトな反力モータ１００が得られるため、車両への反力モータ１００の搭載性が向上する。

また、ブラシレスモータは車輪２を転舵するラックシャフト５に回転力を直接付与する転舵モータ２００である。

この構成では、コンパクトな転舵モータ２００が得られるため、車両への転舵モータ２００の搭載性が向上する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

１００・・・反力モータ（ブラシレスモータ）、２００・・・転舵モータ（ブラシレスモータ）、１０１，２０１・・・ステアリング装置、１・・・ステアリングホイール、２・・・車輪、３・・・第１ステアリングシャフト、４・・・第２ステアリングシャフト、５・・・ラックシャフト、３６・・・反力コントローラ、３７・・・車両コントローラ、４０・・・ハウジング、５０，５５・・・シャフト、６０・・・ロータ、７０・・・ステータ、８０・・・制御基板、９０・・・回転角度センサ、９１ａ・・・励磁コイルパターン、９１ｂ・・・検出コイルパターン、９２・・・センサロータ、９５・・・センサ回路９５

Claims (4)

1. ハウジングと、
   前記ハウジングに回転自在に支持されたシャフトと、
   前記シャフトが固定されたロータと、
   前記ハウジングに支持され、前記ロータに対して径方向に対向して配置されたステータと、
   前記シャフトの回転角度を検出する回転角度センサと、
   前記回転角度センサの検出結果に基づいて前記ロータの回転を制御するコントローラが実装された制御基板と、を備え、
   前記制御基板は、前記シャフトが貫通して前記ハウジングに収容され、
   前記回転角度センサは、
   前記制御基板に形成され、励磁信号が入力される励磁コイルパターン及び検出信号を出力する検出コイルパターンと、
   前記シャフトに固定され、前記励磁コイルパターン及び前記検出コイルパターンに対向して回転するセンサロータと、を有する
   ことを特徴とするブラシレスモータ。
2. 前記シャフトは、その両端部が前記ハウジングから突出して形成されることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ。
3. 前記シャフトは、運転者によるステアリングホイールの操作に伴って回転するステアリングシャフトの一部を構成し、
   前記ブラシレスモータは、前記ステアリングシャフトに操舵反力を付与する反力モータであることを特徴とする請求項１又は２に記載のブラシレスモータ。
4. 前記ブラシレスモータは、車輪を転舵するラックシャフトに回転力を直接付与する転舵モータであることを特徴とする請求項１又は２に記載のブラシレスモータ。

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