JP3774624B2

JP3774624B2 - 電動パワーステアリング装置

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Publication number: JP3774624B2
Application number: JP2000318309A
Authority: JP
Inventors: 努富永; 忠行藤本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-10-18
Filing date: 2000-10-18
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2020-10-18
Also published as: US20020060105A1; DE10127169B4; DE10127169A1; JP2002120739A; US6577030B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、車両の操舵装置にアシスト力を付与するための、特に生産性と信頼性とに優れた電動パワーステアリング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１４と図１５とは、一般的な電動パワーステアリング装置の構成図と駆動回路のブロック図とを示すものである。図１４において、１は車両の操舵装置であるハンドル、２はハンドル１の操舵トルクを検出するトルクセンサ、３は車両の走行速度を検出する車速センサ、４は操舵のアシストトルクを発生する電動機、５はトルクセンサ２や車速センサ３の信号を入力し、操舵トルクや車両の走行条件に対応して電動機４を制御し、操舵のアシストトルクのトルク値と方向とを制御する制御手段、６は電動機４など、装置の電源となるバッテリである。また、これらの各部品にて構成された電動パワーステアリング装置の回路構成は図１５に示す通りである。
【０００３】
図１５はブラシレスモータを使用した電動パワーステアリング装置の回路構成例であり、電動機４は図示しない磁石式の回転子と、固定子に巻装された三相の電機子巻線７と、回転子の回転角（回転位置）を検出する回転位置センサ８などから構成されている。また、制御手段５は、トルクセンサ２と車速センサ３と回転位置センサ８などの信号を入力して電動機４を制御するマイクロコンピュータ（以下ＣＰＵと称す）９と、ＣＰＵ９の信号により三相ブリッジ接続された半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を制御する駆動回路１０と、電動機４に流れる電流のリップルを除去する大容量のコンデンサ１１と、電動機４の電流を検出するためのシャント抵抗１２およびシャント抵抗１２の電圧降下から電流値を検出する電流検出手段１３と、必要に応じて電動機４に流れる電流を通電／遮断する開閉手段１４などから構成されている。
【０００４】
このように構成された一般的な電動パワーステアリング装置において、ＣＰＵ９はトルクセンサ２からの操舵トルク信号と、車速センサ３からの走行速度信号とを入力し、これらの信号に対応したアシストトルク値と駆動方向とを演算して駆動回路１０に出力し、駆動回路１０は半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６にＰＷＭ駆動信号を与えて電動機４に三相交流電力を供給する。また、ＣＰＵ９は、電流検出手段１３からの電流値信号と、回転位置センサ８からの回転位置信号とをフィードバック入力し、操舵トルクと車速とに対応した適切な駆動電流を電動機４に与えるように制御する。なお、駆動回路１０により制御される開閉手段１４は通常の使用状態では回路が閉じており、異常時において解放されるように構成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような電動パワーステアリング装置は、一般的にはトルクセンサ２と車速センサ３と電動機４とバッテリ６とは必要上エンジンルームに設置されるが、制御手段５は車室内に設置されるのが通常であり、この間を接続するために長いワイヤハーネスを必要としていた。このワイヤーハーネスは重量とコストに負担を与えるだけでなく、電力ロスと、ＰＷＭ駆動される電動機４の電流による放射ノイズの発生とにつながるものであり、この放射ノイズは他の制御機器に対して誤動作の原因となり、また、ラジオに対する雑音の原因となるものであった。
【０００６】
このような課題に対して、制御手段５を電動機４と一体構成としてエンジンルームに設置することにより、ワイヤーハーネスの一部を不要とし、全体を短縮する技術が提案されている。例えば、特開平９−３０４３４号公報に開示された技術は、ブラシ式ＤＣ電動機とこの電動機の回転を減速する減速機構との間に金属ケースを介在させ、この金属ケースに一枚の金属基板を収納してこの金属基板に制御手段と半導体スイッチング素子と電動機のブラシホルダとを搭載するようにしたものである。この公報に開示された技術によれば放射ノイズは低減され、放熱の配慮もなされているが電動機自体の大型化が避けられず、特に径方向には極端に大きくなってステアリング機構に対する装着性が悪化し、装着に際しては周辺の部品にスペース上の犠牲を強いるものである。
【０００７】
また、特開平８−１９２７５７号公報にはブラシ式ＤＣ電動機と電動機の回転を減速する減速機構との間に金属ケースを介在させ、この金属ケース内に半導体スイッチング素子と電動機のブラシホルダとを収納すると共に、金属ケースの径方向に隣接して制御手段を収納したケースを設ける技術が開示されているが、上記の従来例と同様に径方向には大きなスペースを要するものであり、ステアリング機構に対する装着性が悪く、また、電動パワーステアリング装置自体の生産性も悪化するものである。
【０００８】
さらに、特開平９−１１７０９３号公報にはブラシ式ＤＣ電動機を用いた電動パワーステアリング装置において、制御手段とスイッチング素子とを搭載した基板が電動機のブラシホルダを搭載する外部ケースに保持され、この基板を保持する外部ケースが電動機のハウジング内において電動機の側方に配置されるように構成した技術が開示されている。この技術によれば部品間の配線は簡略化でき、大型化もある程度抑制できるが、半導体スイッチング素子が発熱体である電動機の側方に、しかも、電動機のハウジング内に装着されるため、熱的な信頼性に課題を有し、半導体スイッチング素子の通電容量に限界を生じ、また、電動機の高出力化にも限界を生じるものであり、生産性にも課題を有するものである。
【０００９】
この発明は、このような課題を解決するためになされたもので、ＰＷＭ駆動による放射ノイズを低減すると共に、大出力化と生産性の向上と重量の低減とが可能な電動パワーステアリング装置を得ることを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる電動パワーステアリング装置は、電動機、この電動機の回転を減速する減速機構、および前記電動機と前記減速機構との間に配置された制御装置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、ヒートシンクと、絶縁樹脂製の回路ケースと、パワー基板と、制御基板を有し、前記ヒートシンクは、前記減速機構のギヤケースに取り付けられ、前記絶縁樹脂製の回路ケースは、前記電動機とヒートシンクとの間に配置され、操舵トルクを計測するトルクセンサに接続される第１コネクタと、車両の走行速度を計測する車速センサに接続される第２コネクタと、外部から電力供給を受ける第３コネクタとが、前記回路ケースの外側に一体に成形され、また配線用の導電板が、前記回路ケースにインサート成形されており、前記パワー基板は、前記ヒートシンクに密着され、前記電動機に電力を供給する半導体スイッチング素子を含む発熱部品が、前記パワー基板に搭載され、前記制御基板は、前記パワー基板と対向し、前記パワー基板の前記電動機側に配置されるともに、前記絶縁樹脂製の回路ケースに取り付けられ、前記トルクセンサと車速センサとの信号により前記半導体スイッチング素子を制御するマイクロコンピュータを含む非発熱部品が、前記制御基板に搭載され、また、前記電動機は、前記減速機構側のハウジングが、前記回路ケースの外側に位置する支持部材を有し、この支持部材により前記ヒートシンクに組み付けられるようにしたものである。
【００１１】
また、ヒートシンクと減速機構とに嵌合部を有して両者が同軸状に組み付けられると共に、ヒートシンクと電動機の支持部材とに嵌合部を設けることにより減速機構と電動機とが同軸状に組み付けられるように構成したしたものである。
さらに、第１コネクタと第２コネクタと第３コネクタとが電動機の軸心に対して直角方向に一列に並べて配置され、第１コネクタが中央に配設されると共に、少なくとも第２コネクタと第３コネクタとに対する外部リードが、電動機の軸方向の電動機側に脱着されるように構成したものである。
さらにまた、電動機の巻線端末が電動機からヒートシンク側に向かって延長された巻線端子に接続され、巻線端子と半導体スイッチング素子の出力端子とが回路ケースにインサート成型された配線用の導電板に接続されると共に、この接続部がヒートシンクと減速機構との嵌合部の内径側に位置するように構成したものである。
【００１２】
また、ヒートシンクとパワー基板と制御基板とに電動機の出力軸が貫通する出力軸穴が設けられ、ヒートシンクとパワー基板との出力軸穴径が制御基板の出力軸穴径より大径に形成されるようにしたものである。
さらに、電動機の出力軸に回転角を計測する回転位置センサが設けられ、この回転位置センサが多極に磁化された永久磁石と磁気検出素子とから構成されると共に、この磁気検出素子が制御基板上に配設されるようにしたものである。
さらにまた、電動機の電流リップルを吸収するためのコンデンサがパワー基板上の周辺部に配置されると共に、制御基板の切り欠き部に位置するように構成したものである。
【００１３】
また、電動機の巻線端末と接続された巻線端子が制御基板を貫通する近傍の制御基板上に電流検出手段が配設され、巻線端子の電流から電動機の電流を検出するように構成したものである。
さらに、電動機の巻線端末と接続された巻線端子が、制御基板上に配設された電流検出用の磁気検出素子の上面でＵ字状に形成され、このＵ字状部の磁気検出素子とは反対側に強磁性体よりなる集磁器を配設するようにしたものである。
さらにまた、電動機の巻線端末と接続された巻線端子がＵ字状に形成され、このＵ字状部の頂部を囲むようにＣ字状の強磁性体よりなる集磁器が配設されると共に、制御基板上に配設された電流検出用の磁気検出素子が集磁器のＣ字状の開口部に位置するように構成したものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１ないし図１０は、この発明の実施の形態１による電動パワーステアリング装置の構成を説明するためのもので、図１は電動パワーステアリング装置の構成を示す断面図、図２は図１における電動機部と制御装置部との拡大断面図、図３はパワー基板部の平面図、図４は制御基板部の平面図、図５はヒートシンクに対する取付状態を示す部分断面図、図６は回路構成を示すブロック図、図７と図８とは構成と組み付け状態とを示す斜視図、図９は回転位置センサの着磁パターンを説明する説明図、図１０は磁気検出素子のセンサ配置方向を説明する説明図であり、上記の従来例と同一部分には同一符号が付与されている。
【００１５】
まず、図６にて回路構成を説明すると、４は電動機、７は電動機４の固定子に巻装された三相の電機子巻線であり、詳細な構成は後述するが、電機子巻線７はＵ、Ｖ、Ｗの各相に例えば各４個のコイルを有して１２の磁極を構成した場合を示している。４０は電動機４とは一体に構成された制御装置であり、後述するように、制御基板６０に搭載される回転位置センサ８、ＣＰＵ９、駆動回路１０、電流検出手段１３と、後述するパワー基板に搭載された三相ブリッジ構成の半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６、リップル除去用コンデンサ１１、シャント抵抗１２、開閉手段１４などから構成されている。ＣＰＵ９はトルクセンサ２と車速センサ３と回転位置センサ８などの信号を入力して電動機４を制御するものであり、ＣＰＵ９の信号により駆動回路１０が三相ブリッジ接続されたスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６にＰＷＭ信号を与えるものである。また、これらの動作は基本的には上記の従来例と同様である。なお、図のＰｍとＭｍは後述する端子の回路上での位置を示すものである。
【００１６】
具体的な構成を図１ないし図１０により説明すると、４は三相のブラシレス交流電動機であり、例えば８極の磁極を有する永久磁石１５が出力軸１６の外周に設けられた回転子１７と、この回転子１７の外周に所定の空隙を介してヨーク１８に取り付けられ、例えば１２極の突極構成を持つ磁極１９およびこの各磁極１９に巻装された電機子巻線７とからなる固定子２０とにより構成されている。２１は電動機４の減速機構３５側のハウジングであり、固定子２０のヨーク１８がネジ３２により取り付けられると共に、出力軸１６を回転自在に支承するベアリング２２が取り付けられている。また、出力軸１６の他端はヨーク１８に設けられたベアリング２３により保持されている。星形結線された電機子巻線７の各相の巻線端末は図２と図７と図８とに示すように巻線端子２４ａ〜２４ｃに接続されており、巻線端子２４ａ〜２４ｃは出力軸１６の軸方向に後述するヒートシンク７０まで延長されている。また、ハウジング２１には図５と図７と図８に示すような複数の支持部材２１ａが回路ケース５０の外側に位置するように形成され、電動機４はこの支持部材２１ａにより後述するヒートシンク７０に取り付けられている。なお、３３は防水用のラバーリングである。
【００１７】
回転位置センサ８は出力軸１６に取り付けられたリング２５と、リング２５に取り付けられた円板磁石２６と、後述するように制御基板６０に取り付けられた磁気センサ２７とからなり、円板磁石２６はフェライト系磁石でリング２５には一体に形成され、一方の円板面には図９に示すように、最外周に２５６極に着磁された磁気トラック２６ｎとその内側に８極に着磁された３本の磁気トラック２６ｕ、２６ｖ、２６ｗとを有しており、磁気トラック２６ｖは２６ｕに対して回転方向に１５度ずれて磁化され、磁気トラック２６ｗは２６ｖに対して回転方向に１５度ずれて磁化されている。
【００１８】
３５は減速機構で、ギヤケース２８内に設けられたウォームギヤ２９とウォームホイール３０とからなり、ウォームギヤ２９は電動機４の出力軸１６とはスプラインを有するカップリング３１により結合され、電動機４の回転を減速してウォームホイール３０に伝達し、図示しないステアリングシャフトにトルクを伝達するように構成されている。
【００１９】
４０は制御装置で、電動機４と減速機構３５との間に配置される。この制御装置４０は、パワー基板としての金属基板４１と、複数の導電線および導電板がインサート成形された絶縁樹脂製の回路ケース５０と、絶縁プリント基板の制御基板６０と、ヒートシンク７０とから構成されている。金属基板４１は例えばＨＩＴＴ基板（電気化学工業の商品名）からなり、ＨＩＴＴ基板は２ｍｍのアルミニウム基板上に８０μｍの絶縁層を介して配線パターンが１００μｍの銅パターンとして形成されている。この金属基板４１は、裏面をヒートシンク７０上に密着して取り付けられ、放熱が増大するように考慮されている。また、ブリッジ回路を構成する半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６と、リップル除去用のコンデンサ１１およびシャント抵抗器１２などの大電流部品が金属基板４１上の配線パターンに半田実装されており、大型のコンデンサ１１は金属基板４１の周辺部に配置されている。この金属基板４１上に形成された配線パターンは、大電流に対応できるように充分な断面積を有し、電動機４に流れる大電流に対応する回路部品を実装できるようにされている。
【００２０】
回路ケース５０は、電動機４とヒートシンク７０との間に配置される。この回路ケースは、電源コネクタ５１とトルクセンサ用のコネクタ５２と車速信号などの車両信号コネクタ５３とがその外側面に一体に形成され、金属基板４１を覆うようにヒートシンク７０上に取り付けられている。また、制御基板６０は、金属基板４１と対向し、回路ケース５０に金属基板４１とは反対側、すなわち金属基板４１の電動機４側に取り付けられており、回路ケース５０にインサート成型された複数の導電線と導電板とは必要箇所において回路ケース５０内の表面に露出し、金属基板４１および制御基板６０を接続するための接続端子Ｃｍと、金属基板４０側の電源端子Ｐｍと、電動機用端子Ｍｍとを構成している。接続端子Ｃｍと電源端子Ｐｍと電動機用端子Ｍｍとの端部は回路ケース５０のほぼ中央にほぼ直線上に並ぶように配置され、金属基板４１の配線パターンに半田接合される。
【００２１】
電動機用端子Ｍｍの金属基板４１と接合される部分の反対側は、ヒートシンク７０に形成された接続穴７０ａに延長されており、電動機４から延長された巻線端子２４ａ〜２４ｃと接合されるように構成されている。また、接続端子Ｃｍの制御基板６０側端部は、制御基板６０の取付時に制御基板６０に設けられた各スルーホール内に挿入され半田接合される。電源端子Ｐｍの金属基板４１とは反対側の端部は電源コネクタ５１のターミナルとして電源コネクタ５１まで延長されると共に、途中で制御基板６０に接続する端子に分岐して接続端子Ｃｍと同様に制御基板６０に半田接合される。４３は回路ケース５０を金属基板４１に固定するためのネジ、４４は金属基板４１を挟持して回路ケース５０と金属基板４１とをヒートシンク７０に固定するネジ、４５は回路ケース５０とヒートシンク７０の防水用ラバーリングである。
【００２２】
トルクセンサ用のコネクタ５２および車両信号コネクタ５３の、ターミナルを形成する側とは反対側の端部は接続端子Ｃｍと同様に制御基板６０に半田接合される。これにより、制御基板６０および金属基板４１に実装された各部品がバッテリ６、トルクセンサ２、車速センサ３などとコネクタを介して電気的に接続される。これら電源コネクタ５１とトルクセンサ用のコネクタ５２と車両信号コネクタ５３は並べて配置され、外部リードの各コネクタに対する脱着は電動機４の出力軸１６に対して軸方向に、かつ、電動機４側に挿入と離脱とが可能なように形成され、また、トルクセンサ用のコネクタ５２が中央に配置されるように構成される。
【００２３】
制御基板６０の配線パターン上にはＣＰＵ９と、電流検出手段１３と、周辺回路素子（小電流部品）と、磁気センサ２７とが半田実装されており、トルクセンサ用のコネクタ５２および車両信号コネクタ５３を介して操舵トルク信号および車速信号がトルクセンサ２および車速センサ３からＣＰＵ９に入力される。磁気センサ２７は図１０に示すように、磁気トラック２６ｎ、２６ｕ、２６ｖ、２６ｗに各々対向して配置される巨大磁気抵抗器（以下ＧＭＲと称す）からなり、磁気トラック２６ｎに対向するＧＭＲは図１０（ａ）に示す４個の単体素子２７ａ〜２７ｄからなる２組の直交ハーフブリッジ、磁気トラック２６ｕ、２６ｖ、２６ｗに対向するＧＭＲは図１０（ｂ）に示す４個の単体素子２７ｅ〜２７ｈからなる１組のフルブリッジで構成されている。図中の矢印は内部磁化の方向を示すものである。また、制御基板６０は金属基板４１上のコンデンサ１１が出力軸１６の軸方向で重なる部分に切り欠き６０ｃを形成している。
【００２４】
ヒートシンク７０にはギヤケース２８の嵌合穴２８ａと嵌合する嵌合凸部７０ｂが形成されている。また、回路ケース５０とハウジング２１との間にはラバーリング４６が挿入され、ハウジング２１が支持部材２１ａによりヒートシンク７０に取り付けられることにより、ハウジング２１とヒートシンク７０とで回路ケース５０が挟まれて水の浸入が防止されている。さらに、図５に示すようにハウジング２１の支持部材２１ａの端面に形成された嵌合面２１ｂとヒートシンク７０に形成された嵌合面７０ｃとが嵌合することにより、ヒートシンク７０の嵌合凸部７０ｂと電動機４の出力軸１６との同軸度が確保されるように位置決め機構が形成されている。また、上記電動機端子Ｍｍと巻線端子２４ａ〜２４ｃとが接続される接続穴７０ａは、嵌合凸部７０ｂより内径側に配置されている。なお、７１はヒートシンク７０にハウジング２１の支持部材２１ａを固定するネジ、７２は電動機端子Ｍｍと巻線端子２４ａ〜２４ｃとの接続部を保護するカバーである。
【００２５】
図５に示すように、金属基板４１と回路ケース５０とヒートシンク７０とにはこれらが位置決めされて取り付けられるように位置決め穴４１ａ、５０ａおよび７０ｄが形成されている。また、図１に示すようにヒートシンク７０と金属基板４１と制御基板６０とには電動機４の出力軸１６が貫通するための出力軸穴７０ｅ、４１ｂ、６０ｂが各々形成されており、ヒートシンク７０の出力軸穴７０ｅおよび金属基板４１の出力軸穴４１ｂが制御基板６０の出力軸穴６０ｂより大径に形成されている。
【００２６】
このように構成されたこの発明の実施の形態１による電動式パワーステアリング装置の組立手順は次の通りであり、電動機４と制御装置４０とが別行程で組み立てられる。電動機４の組立は、出力軸１６に永久磁石１５を接着固定後８極に着磁し、ベアリング２３を圧入して回転子１７を完成させる。固定子２０は、１２個の磁極１９にインシュレータを介してＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各電機子巻線７を電気角にて１２０度間隔で巻回し、Ｕ１〜Ｕ４、Ｖ１〜Ｖ４、Ｗ１〜Ｗ４の１２個の巻線を形成する。Ｕ１〜Ｕ４の各巻始めおよび各巻終わりのそれぞれを接続してＵ相の電機子巻線７ｕを形成し、同様にＶ相およびＷ相の電機子巻線７ｖと７ｗとを形成し、各相の巻終わりを接続して中性点とする。また、各相の巻始めはそれぞれ巻線端子２４ａ〜２４ｃに接続され、固定子２０をヨーク１８に圧入する。
【００２７】
次にハウジング２１にベアリング２２を固定後、ベアリング２２に回転子１７の出力軸１６を圧入し、円板磁石２６と一体となったリング２５を回転子１７とは逆の方向から圧入する。このとき永久磁石１５と円板磁石２６の回転方向の角度位置は治具により位置が決められる。さらに、ハウジング２１にはラバーリング３３が挿入され、固定子２０が圧入されたヨーク１８が挿入されてネジ３２により固定される。このように組み立てられた電動機４は試験用の磁気センサを制御基板６０上の磁気センサ２７と同位置に配置して特性試験が行われ、性能が確認される。
【００２８】
制御装置７０の組立は、まず、各電極にクリーム半田を塗布した制御基板６０上にＣＰＵ９と周辺回路素子などを配置し、リフロー炉により制御基板６０の下側から、または周囲の雰囲気全体を加熱して各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金属基板４１上に半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６、シャント抵抗器１２、コンデンサ１１などの部品を配置し、位置決め穴４１ａおよび５０ａに組立治具の位置決めピンを通して位置決めしながら金属基板４１上を覆うように回路ケース５０を配置してネジ４３で固定し、リフロー炉により各部品を半田付する。次ぎに、ヒートシンク７０の溝にラバーリング４５を配置し、位置決め穴４１ａ、５０ａおよび７０ｄを組立治具の位置決めピンにより位置決めしながら回路ケース５０が取り付けられた金属基板４１をヒートシンク７０にネジ４４にて固定する。
【００２９】
続いて、制御基板６０が回路ケース５０に取り付けられ、組立治具によりヒートシンク７０の嵌合凸部７０ｂの外径と制御基板６０の出力軸穴６０ｂとの同軸の位置決めがなされ、回路ケース５０の接続端子Ｃｍ、電源端子Ｐｍ、トルクセンサコネクタ５２および車両信号コネクタ５３の端子が制御基板６０のスルーホール内に挿入され、ロボット半田または部分噴流半田により接続される。このとき、ヒートシンク７０の出力軸穴７０ｅおよび金属基板４１の出力軸穴４１ｂが制御基板６０の出力軸穴６０ｂより大径に形成されているので位置決め治具と出力軸穴４０ｅおよび４１ｂとが干渉することがない。このように組み立てられた制御装置４０は特性試験が行われ、性能が確認される。
【００３０】
このように別行程で組み立てられた電動機４と制御装置４０とは、ハウジング２１に設けられた支持部材２１ａの内側に回路ケース５０を挿入し、支持部材２１ａに形成された嵌合面２１ｂとヒートシンク７０に形成された嵌合面７０ｃとで位置決めがなされ、ネジ７１により固定される。ついで、ヒートシンク７０の接続穴７０ａを貫通して引き出された巻線端子２４ａ〜２４ｃと電動機端子Ｍｍが溶接される。この溶接による接合部はヒートシンク７０の嵌合凸部７０ｂより内径側に配置されているので、カバー７２を嵌合凸部７０ｂの内径側に挿入することにより保護される。
【００３１】
以上のように、この発明の実施形態１による電動パワーステアリング装置よれば、ＣＰＵ９とその周辺素子など、小電流部品のみが制御基板６０に実装されているので、制御基板６０の配線パターンの幅や厚さを大きくする必要がなく、部品の高密度実装が可能となり、基板の小型化を図ることが可能になる。また、半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６や、シャント抵抗器１２およびコンデンサ１１などの大電流部品は金属基板４１に実装され、この金属基板４１がヒートシンク７０に密着状態で取り付けられ、ヒートシンク７０が減速機構３５のギヤケース２８に取り付けられるようにしたので、大電流部品および配線パターンからの発熱が金属基板４１を介してヒートシンク７０、さらにはギヤケース２８に伝達され、ヒートシンク７０とギヤケース２８とから外気に放熱されるので、金属基板４１を小型化しても温度上昇が抑制できると共に、配線パターンの耐熱性および耐久性を損なうことがない。
【００３２】
また、電動機４が支持部材２１ａを介してヒートシンク７０に取り付けられ、ヒートシンク７０がギヤケース２８に取り付けられているので、電機子巻線７からの発熱はヨーク１８を介して外気に放熱されると共に、支持部材２１ａを介してヒートシンク７０、さらにはギヤケース２８に効果的に伝達され、ヒートシンク７０とギヤケース２８とから外気に放熱されるので、電動機４と制御装置４０とを一体化しても制御装置４０への熱伝達は抑制され、電動パワーステアリング装置全体の温度上昇を抑制できると共に、制御装置４０の耐熱性および耐久性を損なうこともなく、電動機４の大出力化にも対応ができる。
【００３３】
また、金属基板４１と電機子巻線７との間を電動機端子Ｍｍと巻線端子２４ａ〜２４ｃとで接続しているので接続長さが短縮され、電力ロスが低減できると共に放射ノイズを抑制することができる。さらに、電動機４と制御装置４０とが別行程で組立と性能試験とが行えるので、生産性および信頼性を向上することができると共に、電動機４と制御装置４０が分離されていた従来装置用の設備を使用して組み立てることができ、設備を新設することなく生産が可能になる。
【００３４】
また、支持部材２１ａの端面に形成された嵌合面２１ｂと、ヒートシンク７０に形成された嵌合面７０ｃとが嵌合するよう構成されているので、電動機４の出力軸１６とヒートシンク７０の嵌合凸部７０ｂとの同軸度が確保され、さらに、減速機構３５のウォームギヤ２９との同軸度も確保されることになり、電動機４の回転が円滑にウォームギヤ２９に伝達されるので、騒音や振動を低減することができる。
【００３５】
さらにまた、電源コネクタ５１とトルクセンサ用のコネクタ５２と車両信号コネクタ５３とが並べて配置され、電動機４の出力軸１６の軸方向に、かつ、減速機構３５側とは反対方向に挿入と離脱とが可能なように形成され、トルクセンサ用のコネクタ５２が中央に配置されるようにしたので、この電動パワーステアリング装置が予め装着されているラック＆ピニオンを含むステアリングモジュールが車両に装着されたとき、車両側配線のコネクタの挿入性を向上することができる。また、車両側配線を電動機４の後方に向かって配置できるので、車両側の配線スペースを低減することができる。なお、トルクセンサ用のコネクタ５２に対する接続はステアリングモジュールとしての状態で接続がなされている。
【００３６】
さらに、ヒートシンク７０の接続穴７０ａに突出してきた巻線端子２４ａ〜２４ｃと、電動機端子Ｍｍとは溶接により電気的に接合され、この電気的接合部がヒートシンク７０の嵌合凸部７０ｂの内径側に配置されているので、カバー７２を嵌合凸部７０ｂの内径側に装着することにより、異物の侵入および電気的短絡などから保護することができる。さらにまた、ヒートシンク７０の出力軸穴７０ｅおよび金属基板４１の出力軸穴４１ｂが制御基板６０の出力軸穴６０ｂより大径に形成されているので位置決め治具と出力軸穴７０ｅおよび４１ｂとが干渉することがなく、ヒートシンク７０および金属基板４０の変形および半田クラックの発生を防止することができる。また、コンデンサ１１は金属基板４０の周辺部に配置されると共に、制御基板６０にはコンデンサ１１が出力軸１６の軸方向に重なる部分に切り欠き６０ｃを設け、金属基板４０との軸方向間隔を短縮して配置できるようにしたので小型化が図られる。
【００３７】
さらに、磁気センサ２７が制御基板６０上に実装されているので、磁気センサ２７と制御基板６０とを接続する配線やコネクタが不要になり、配線途中で受ける外部ノイズによる誤動作も抑制される。なお、永久磁石１５の極数を８極、固定子２０の磁極数を１２としたが、この組み合わせに限定されるものではなく、他の極数と磁極数の組み合わせであってもよい。また、エンジンルーム装着として防水のためのラバーリング４２、７５、７６を挿入しているが、車室内装着であってもよく、この場合はラバーリング４２、７５、７６を削除することができる。
【００３８】
また、パワー基板はアルミニウムの金属基板４１としたが、銅のような熱伝導の良好な他の金属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、トルクセンサコネクタ５２は電動機４の軸方向で、電動機４側に挿入と離脱とを行うようにしたが、電動機４の径方向や減速装置３５の方向、あるいはその中間の方向であってもよい。また、磁気センサ２７はＧＭＲを用いているが、ＧＭＲに限定されるものではなく磁気抵抗器（ＭＲ）やホール素子またはホールＩＣなど他の磁気検出素子であってもよい。また、円板磁石５１の円盤面着磁と表面実装タイプのＧＭＲの組み合わせを用いたが、円板磁石５１の外周面着磁とリードタイプのＧＭＲの組み合わせであってもよい。
【００３９】
実施の形態２．
図１１は、この発明の実施の形態２による電動パワーステアリング装置の電流検出部を示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。図１１において、８０は電機子巻線７に接続され、図示しないヒートシンクまで延長される巻線端子で、制御基板６０の近傍でクランク状に折り曲げられ、制御基板６０とは平行なＵ字状部８０ａが形成されており、このＵ字状部８０ａには絶縁体８２を介して強磁性体であるパーマロイの集磁器８１が固定されている。８３はホール素子であり、磁気検出部がＵ字状部内側空間の中心に位置するように制御基板６０上に半田付されている。
【００４０】
巻線端子８０に電流が流れると巻線端子８０の周囲に磁界が発生し、Ｕ字状部８０ａは１／２ターン巻回されたコイルとなって、Ｕ字状部８０ａの中央では磁束密度が大きくなる。集磁器８１は洩れ磁束を集めてホール素子８３に対する磁束密度を高め、ホール素子８３を通過する磁束密度は電流に比例した値であるので、ホール素子８３は電動機４の電流に比例した起電力を発生する。
【００４１】
このように、この発明の実施の形態２の電動式パワーステアリング装置によれば、巻線端子８０に流れる電流に比例してホール素子８３に起電力が発生するので、この起電力を制御基板６０に設けたアンプで増幅することにより電動機４の電機子巻線７に流れる電流を非接触で検出することができ、この電流をフィードバックすることによりアシストトルクを制御することができると共に、巻線端子８０の途中を折り曲げて構成できるのでコストを低減することができる。また、制御基板上６０上にホール素子８３で構成した電流検出部を配置したので、他の場所に配置した場合に比べて配線のスペースを削減することができる。なお、集磁器８１はパーマロイとしたが、電磁鋼板またはフェライトコアなどの強磁性体であってもよい。
【００４２】
実施の形態３．
図１２と図１３とは、この発明の実施の形態３の電動パワーステアリング装置の電流検出部を示す断面図である。図１２において、９０は電機子巻線７に接続された巻線端子で、制御基板６０の近傍で折り曲げられてＵ字状部９０ａが形成されており、Ｕ字状部９０ａを挟んでＣ字状のフェライトコアの集磁器９１が絶縁性の樹脂９２により一体的に成形されている。９３はホール素子であり、磁気検出部が集磁器９１のＣ字状開口部９１ａに位置するように制御基板６０上に設けられている。Ｕ字状部９０ａは集磁器９１に１／２ターン巻回されたことになり、巻線端子９０に電流が流れることにより集磁器９１に磁界が発生し、フェライトコア９１の開口部９１ａに位置するホール素子９３には集磁器９１の磁界に比例した起電力が発生する。
【００４３】
以上のように、この発明の実施の形態３の電動パワーステアリング装置によれば、巻線端子９０に流れる電流に比例した起電力がホール素子９３に発生するのでこの起電力を制御基板６０上に設けたアンプで増幅することにより、電動機４の電機子巻線７に流れる電流を非接触で検出することができ、この電流をフィードバックすることによりアシストトルクを制御することができると共に、制御基板上６０上にホール素子９３で構成した電流検出部を配置したので、他の場所に配置した場合に比べて配線のスペースを排除することができる。なお、集磁器９１はフェライトコアとしたが、パーマロイまたは電磁鋼板などの強磁性体であってもよく、また、巻線端子９０は上記形態に限定されるものでなく、図１３に示すように巻線端子９０のＵ字状部９０ａの形成は板金プレスで打ち抜いたものとしてもよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上に説明したように、この発明の請求項１の電動パワーステアリング装置は、電動機、この電動機の回転を減速する減速機構、および前記電動機と前記減速機構との間に配置された制御装置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、ヒートシンクと、絶縁樹脂製の回路ケースと、パワー基板と、制御基板を有し、前記ヒートシンクは、前記減速機構のギヤケースに取り付けられ、前記絶縁樹脂製の回路ケースは、前記電動機とヒートシンクとの間に配置され、操舵トルクを計測するトルクセンサに接続される第１コネクタと、車両の走行速度を計測する車速センサに接続される第２コネクタと、外部から電力供給を受ける第３コネクタとが、前記回路ケースの外側に一体に成形され、また配線用の導電板が、前記回路ケースにインサート成形されており、前記パワー基板は、前記ヒートシンクに密着され、前記電動機に電力を供給する半導体スイッチング素子を含む発熱部品が、前記パワー基板に搭載され、前記制御基板は、前記パワー基板と対向し、前記パワー基板の前記電動機側に配置されるともに、前記絶縁樹脂製の回路ケースに取り付けられ、前記トルクセンサと車速センサとの信号により前記半導体スイッチング素子を制御するマイクロコンピュータを含む非発熱部品が、前記制御基板に搭載され、また、前記電動機は、前記減速機構側のハウジングが、前記回路ケースの外側に位置する支持部材を有し、この支持部材により前記ヒートシンクに組み付けられるので、制御装置と電動機とを個別に組立と試験とを行い、その後に一体化することができて生産性と信頼性とが確保でき、外部配線が短縮されて電力ロスと放射ノイズとが低減できるものである。また、小電流部品のみが制御基板に実装されて大電流部品は金属基板に実装されており、金属基板と電動機の発熱はヒートシンクと減速機構を通して放熱するので、小型で耐熱性の良好な、また、電動機の大出力化に対応可能な電動パワーステアリング装置を得ることができる。
【００４５】
また、請求項２の発明によれば、ヒートシンクと減速機構とに嵌合部を設けて両者が同軸状に組み付けられ、ヒートシンクと電動機の支持部材とにも嵌合部を設けるようにしたので減速機構と電動機とが同軸状に組み付けられ、電動機の回転が円滑にウォームギヤに伝達され、騒音や振動を低減することができる。
【００４６】
さらに、請求項３の発明によれば、第１コネクタと第２コネクタと第３コネクタとが電動機の軸心に対して直角方向に一列に並べて配置され、第１コネクタが中央に配設されると共に、少なくとも第２コネクタと第３コネクタとに対する外部リードの脱着方向が、電動機の軸方向で電動機側になされるようにしたので、車両の組立時などにおいて配線作業が容易となり、配線スペースの低減が可能になるものである。
【００４７】
さらにまた、請求項４の発明によれば、電動機の巻線端末が電動機からヒートシンクに向かって延長された巻線端子に接続され、巻線端子と半導体スイッチング素子の出力端子とが回路ケースにインサート成型された配線用の導電板に接続されると共に、この接続部がヒートシンクと減速機構との嵌合部の内径側に配設されるようにしたので、ヒートシンクの嵌合部内径側にカバーを装着することにより、接続部を異物の侵入から保護することができるものである。
【００４８】
また、請求項５の発明によれば、ヒートシンクとパワー基板と制御基板とに電動機の出力軸を貫通させる出力軸穴が設けられ、ヒートシンクとパワー基板との出力軸穴径が制御基板の出力軸穴径より大径に形成したので、組立時に治具を使用するとき、ヒートシンクとパワー基板の出力軸穴に治具が干渉することなく、パワー基板の変形や半田クラックを防止することができるものである。
【００４９】
さらに、請求項６の発明によれば、電動機の出力軸に回転角を計測する回転位置センサが設けられ、この回転位置センサが多極に磁化された永久磁石と磁気検出素子とから構成されると共に、この磁気検出素子が制御基板上に配設されるようにしたので、磁気センサと制御基板とを接続するコネクタや配線が不要になり、配線に伝播するノイズによる誤動作を防止することができるものである。
【００５０】
さらにまた、請求項７の発明によれば、電動機の電流リップルを吸収するためのコンデンサがパワー基板上の周辺部に配置されると共に、制御基板の切り欠き部に位置するように構成したので、パワー基板と制御基板との隙間を縮小することができ、小型化が図れるものである。
【００５１】
また、請求項８の発明によれば、電動機の巻線端末と接続された巻線端子が制御基板を貫通する近傍の制御基板上に電流検出手段が配設され、巻線端子の電流から電動機の電流を検出するように構成したので、電流検出のための配線が不要となり小型化が図れるものである。
【００５２】
さらに、請求項９の発明によれば、電動機の巻線端末と接続された巻線端子が制御基板上に配設された電流検出用の磁気検出素子の上面でＵ字状に形成され、このＵ字状部の磁気検出素子の反対側に強磁性体よりなる集磁器を配設するようにしたので、効果的に磁束の集中ができ電流測定精度を向上することができるものである。
【００５３】
さらにまた、請求項１０の発明によれば、電動機の巻線端末と接続された巻線端子がＵ字状に形成され、このＵ字状部の頂部を囲むようにＣ字状の強磁性体よりなる集磁器が配設されると共に、制御基板上に配設された電流検出用の磁気検出素子が集磁器のＣ字状の開口部に位置するように構成したので、請求項９の場合と同様に効果的に磁束の集中ができ、電流測定の精度を向上することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による電動パワーステアリング装置の構成を示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１による電動パワーステアリング装置の電動機部と制御装置部との拡大断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１による電動パワーステアリング装置のパワー基板部の平面図である。
【図４】この発明の実施の形態１による電動パワーステアリング装置の制御基板部の平面図である。
【図５】この発明の実施の形態１による電動パワーステアリング装置のヒートシンクに対する取付状態を示す部分断面図である。
【図６】この発明の実施の形態１による電動パワーステアリング装置の回路構成を示すブロック図である。
【図７】この発明の実施の形態１による電動パワーステアリング装置の構成と組み付け状態とを示す斜視図である。
【図８】この発明の実施の形態１による電動パワーステアリング装置の構成と組み付け状態とを示す斜視図である。
【図９】この発明の実施の形態１による電動パワーステアリング装置の回転位置センサの着磁パターンの説明図である。
【図１０】この発明の実施の形態１による電動パワーステアリング装置の磁気検出素子のセンサ配置方向をの説明図である。
【図１１】この発明の実施の形態２による電動パワーステアリング装置の電流検出部の構成図である。
【図１２】この発明の実施の形態３による電動パワーステアリング装置の電流検出部の断面図である。
【図１３】この発明の実施の形態３による電動パワーステアリング装置の電流検出部の断面図である。
【図１４】従来の電動パワーステアリング装置の構成図である。
【図１５】従来の電動パワーステアリング装置のブロック図である。
【符号の説明】
２トルクセンサ、３車速センサ、４電動機、６バッテリ、
７電機子巻線、８回転位置センサ、９マイクロコンピュータ、
１０駆動回路、１１コンデンサ、１２シャント抵抗、
１３電流検出手段、１５永久磁石、１６出力軸、１７回転子、
１８ヨーク、１９磁極、２０固定子、２１ハウジング、
２１ａ支持部材、２１ｂ、７０ｃ嵌合面、
２４ａ〜２４ｃ巻線端子、２５リング、
２６円板磁石、２７磁気センサ、２８ギヤケース、
２９ウォームギヤ、３０ウォームホイール、３１カップリング、
３５減速機構、４０制御装置、４１金属基板（パワー基板）、
４１ａ、５０ａ、７０ｄ位置決め穴、
４１ｄ、６０ｂ、７０ｅ出力軸穴、５０回路ケース、
５１第３コネクタ、５２第１コネクタ、
５３第２コネクタ、６０制御基板、７０ヒートシンク、
７０ｂ嵌合凸部、７２カバー、８０、９０巻線端子、
８１、９１集磁器、８３、９３ホール素子、
Ｑ１〜Ｑ６半導体スイッチング素子。

Claims

電動機、この電動機の回転を減速する減速機構、および前記電動機と前記減速機構との間に配置された制御装置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、ヒートシンクと、絶縁樹脂製の回路ケースと、パワー基板と、制御基板を有し、
前記ヒートシンクは、前記減速機構のギヤケースに取り付けられ、
前記絶縁樹脂製の回路ケースは、前記電動機とヒートシンクとの間に配置され、操舵トルクを計測するトルクセンサに接続される第１コネクタと、車両の走行速度を計測する車速センサに接続される第２コネクタと、外部から電力供給を受ける第３コネクタとが、前記回路ケースの外側に一体に成形され、また配線用の導電板が、前記回路ケースにインサート成形されており、
前記パワー基板は、前記ヒートシンクに密着され、前記電動機に電力を供給する半導体スイッチング素子を含む発熱部品が、前記パワー基板に搭載され、
前記制御基板は、前記パワー基板と対向し、前記パワー基板の前記電動機側に配置されるともに、前記絶縁樹脂製の回路ケースに取り付けられ、前記トルクセンサと車速センサとの信号を用いて前記半導体スイッチング素子を制御するマイクロコンピュータを含む非発熱部品が、前記制御基板に搭載され、
また、前記電動機は、前記減速機構側のハウジングが、前記回路ケースの外側に位置する支持部材を有し、この支持部材により前記ヒートシンクに組み付けられたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
ヒートシンクと減速機構とに嵌合部を有して両者が同軸状に組み付けられると共に、ヒートシンクと電動機の支持部材とに嵌合部を設けることにより減速機構と電動機とが同軸状に組み付けられるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
第１コネクタと第２コネクタと第３コネクタとが電動機の軸心に対して直角方向に一列に並べて配置され、第１コネクタが中央に配設されると共に、少なくとも第２コネクタと第３コネクタとに対する外部リードが、電動機の軸方向の電動機側に脱着されるように構成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動パワーステアリング装置。
電動機の巻線端末が電動機からヒートシンク側に向かって延長された巻線端子に接続され、巻線端子と半導体スイッチング素子の出力端子とが回路ケースにインサート成型された配線用の導電板に接続されると共に、この接続部がヒートシンクと減速機構との嵌合部の内径側に位置するように構成されたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の電動パワーステアリング装置。
ヒートシンクとパワー基板と制御基板とに電動機の出力軸が貫通する出力軸穴が設けられ、ヒートシンクとパワー基板との出力軸穴径が制御基板の出力軸穴径より大径に形成されたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の電動パワーステアリング装置。
電動機の出力軸に回転角を計測する回転位置センサが設けられ、この回転位置センサが多極に磁化された永久磁石と磁気検出素子とから構成されると共に、この磁気検出素子が制御基板上に配設されたことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の電動パワーステアリング装置。
電動機の電流リップルを吸収するためのコンデンサがパワー基板上の周辺部に配置されると共に、制御基板の切り欠き部に位置するように構成されたことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の電動パワーステアリング装置。
電動機の巻線端末と接続された巻線端子が制御基板を貫通する近傍の制御基板上に電流検出手段が配設され、巻線端子の電流から電動機の電流を検出するように構成したことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の電動パワーステアリング装置。
電動機の巻線端末と接続された巻線端子が、制御基板上に配設された電流検出用の磁気検出素子の上面でＵ字状に形成され、このＵ字状部の磁気検出素子とは反対側に強磁性体よりなる集磁器を配設したことを特徴とする請求項８に記載の電動パワーステアリング装置。
電動機の巻線端末と接続された巻線端子がＵ字状に形成され、このＵ字状部の頂部を囲むようにＣ字状の強磁性体よりなる集磁器が配設されると共に、制御基板上に配設された電流検出用の磁気検出素子が集磁器のＣ字状の開口部に位置するように構成したことを特徴とする請求項８に記載の電動パワーステアリング装置。