JP2018009818A

JP2018009818A - モータ装置

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Publication number: JP2018009818A
Application number: JP2016137123A
Authority: JP
Inventors: 康平石倉; Kohei Ishikura; 日比　勉; Tsutomu Hibi; 勉日比
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2016-07-11
Filing date: 2016-07-11
Publication date: 2018-01-18
Also published as: US20180013334A1; CN107612231A; EP3270112B1; US10491084B2; EP3270112A1

Abstract

【課題】２つの信号処理回路の間のノイズの影響をより均一化したモータ装置を提供する。【解決手段】回転角センサ６０は、バイアス磁石６１、磁気センサ部６２、第１信号処理回路６３ａ、および第２信号処理回路６３ｂを有している。第１信号処理回路６３ａは、基板２１の長手方向において、回転軸１１の軸心の延長線上にある磁気センサ部６２を基準として、第２信号処理回路６３ｂと対称的に配置されている。また、インバータ４０も、基板２１の長手方向において、磁気センサ部６２を基準として、インバータ５０と対称的に配置されている。【選択図】図３

Description

本発明は、モータ装置に関する。

従来、特許文献１に記載されるように、モータ装置を駆動源とする電動パワーステアリング装置が知られている。このモータ装置には、モータとモータを制御する制御装置とが一体的に設けられているものがある。

ところで、この制御装置には、モータの回転角を検出する回転角センサが設けられる。この回転角センサは、モータの回転軸に取り付けられた磁石の回転により生じる磁界の変化を検出する磁気センサ部と、磁気センサ部からの出力信号に基づいて回転角を演算する信号処理回路とを備えている。制御装置は、回転角センサから検出された回転角に基づいて、モータの駆動を制御する。

特開２０１５−２０６６０６号公報

ところで、近年、冗長化の観点から１つのモータに対して、２つの回転角センサを設ける回路構成も考えられている。これに伴って、１つのモータに対して２つの磁気センサ部と、２つの信号処理回路とが設けられる。しかし、単純に回転角センサを冗長化するだけでは、ノイズの影響が２つの信号処理回路の間で異なることにより、２つの信号処理回路から出力される出力値（回転角）の間で誤差が生じてしまう。

本発明の目的は、２つの信号処理回路の間のノイズの影響をより均一化したモータ装置を提供することにある。

上記目的を達成しうるモータ装置は、回転軸を有するモータと、前記回転軸の回転角を検出する回転角センサと、前記モータにおける前記回転軸の一端部に設けられ、前記回転角センサを通じて検出される回転角に基づいて前記モータの駆動を制御する制御部と、を備えるモータ装置において、前記回転角センサは、前記回転軸における前記一端部に設けられる磁石と、前記磁石に対向して設けられ、前記磁石の回転に伴う磁界の変化に対応した出力信号を生成する磁気センサ部と、前記磁気センサ部に対して対称的に設けられて、前記出力信号を処理する少なくとも２つの信号処理回路と、を備えている。

この構成によれば、少なくとも２つの信号処理回路が磁気センサ部に対して対称的に設けられているため、磁石から発生する磁界は、少なくとも２つの信号処理回路に対して等しくノイズとして影響する。このため、より少なくとも２つの信号処理回路の間のノイズの影響を均一化することができる。

上記のモータ装置において、前記磁気センサ部および前記少なくとも２つの信号処理回路は、同一の基板上に設けられ、前記少なくとも２つの信号処理回路は、前記回転軸の軸方向からみたとき、前記磁気センサ部に対して対称的に設けられることが好ましい。

この構成によれば、回転軸の軸方向からみたとき、同一の基板上に対称的に少なくとも２つの信号処理部が設けられることにより、磁石から発生する磁界は、少なくとも２つの信号処理回路に等しくノイズとして影響する。

上記のモータ装置において、前記モータに電力を供給する少なくとも２つの駆動回路を含むノイズ源は、前記回転軸の軸方向からみて、前記磁気センサ部に対して対称的に設けられることが好ましい。

この構成によれば、少なくとも２つの駆動回路を含むノイズ源が磁気センサ部に対して対称的に設けられることにより、ノイズ源から少なくとも２つの信号処理回路に対して作用するノイズの影響を等しくすることができ、少なくとも２つの信号処理回路の間のノイズの影響を均一化できる。

上記のモータ装置において、前記少なくとも２つの信号処理回路として、前記磁気センサ部に対して対称的に２つの信号処理回路が設けられており、前記回転軸の軸方向からみて、前記磁気センサ部は、前記回転軸の中心を基準として、対称的に２つ設けられており、２つの前記磁気センサ部の対称軸は、前記２つの信号処理回路の対称軸と直交していることが好ましい。

この構成によれば、磁気センサ部の対称軸と信号処理回路の対称軸とが直交していることにより、ノイズ源の配置が多少非対称であっても、磁気センサ部あるいは信号処理回路のいずれか一方に偏ってノイズの影響が作用することが抑制される。

上記のモータ装置において、前記少なくとも２つの信号処理回路として、前記磁気センサ部に対して対称的に２つの信号処理回路が設けられており、前記回転軸の軸方向からみて、前記磁気センサ部は、前記回転軸の中心を基準として、対称的に２つ設けられており、２つの前記磁気センサ部の対称軸は、前記２つの信号処理回路の対称軸と一致または平行であってもよい。

この構成によれば、磁気センサ部の対称軸と信号処理回路の対称軸とが直交していることにより、ノイズ源を磁気センサ部に対して対称的に設けた場合、いずれか一方の信号処理回路に偏ってノイズの影響が作用することが抑制される。

本発明のモータ装置によれば、より２つの信号処理回路の間のノイズの影響を均一化できる。

モータ装置の概略構成を示す斜視図。回転角センサの周辺構造を示すモータ装置の要部断面図。磁気センサ部および信号処理回路の周辺構造を示す平面図。磁気センサ部および信号処理回路の回路構造を示す回路ブロック図。他の実施形態における、磁気センサ部および信号処理回路の周辺構造を示す平面図。他の実施形態における、磁気センサ部および信号処理回路の周辺構造を示す平面図。

以下、モータ装置の一実施形態を説明する。本実施形態のモータ装置は、たとえば電動パワーステアリング装置の駆動源として使用される。
図１に示すように、モータ装置１は、モータ１０、制御装置２０、およびヒートシンク３０を有する。モータ１０は、回転軸１１を有している。回転軸１１の第１の端部は図１中の下方に突出している。制御装置２０は、基板２１，２２を有している。制御装置２０は、モータ１０の駆動を制御する。ヒートシンク３０および基板２１，２２は、モータ１０の軸方向における端部（図１中の上端）に設けられている。ヒートシンク３０は直方体状に設けられている。基板２１，２２は、それぞれ長方形状の板状に設けられている。基板２１は、モータ１０の軸方向に対して直交する向きで、ヒートシンク３０におけるモータ１０と反対側の端部に固定されている。また、基板２２は、基板２１とモータ１０との間において、モータ１０の軸線に沿うようにヒートシンク３０の側面に設けられている。

ヒートシンク３０において、基板２２が設けられた側面に対して直交する２つの側面には、インバータ４０，５０がそれぞれ設けられている。インバータ４０，５０は、モータ１０の軸線に沿う方向において、基板２１とモータ１０との間に位置している。インバータ４０は、ヒートシンク３０を間に介して、インバータ５０と対向して設けられている。なお、ヒートシンク３０は、インバータ４０，５０の放熱を促進するために設けられている。また、モータ装置１には、インバータ４０，５０に近接して図示しないチョークコイルが設けられている。

図２に示すように、制御装置２０には、回転軸１１の回転角を検出する回転角センサ６０が設けられている。回転角センサ６０は、円柱状のバイアス磁石６１、磁気センサ部６２、および信号処理回路６３を有している。磁気センサ部６２としては、たとえばＭＲセンサ（磁気抵抗効果センサ）などが採用される。バイアス磁石６１は、回転軸１１の第２の端部（図２中の上端）に固定されている。磁気センサ部６２は、基板２１に設けられている。磁気センサ部６２は、回転軸１１の軸線に沿う方向において、バイアス磁石６１と対向している。なお、図２では、図面の簡略化のためにヒートシンク３０などを省略して図示している。

また、図３に示すように、信号処理回路６３も基板２１に設けられている。信号処理回路６３は、磁気センサ部６２と同一平面上に設けられている。信号処理回路６３は、第１信号処理回路６３ａおよび第２信号処理回路６３ｂを有している。第１信号処理回路６３ａ、第２信号処理回路６３ｂ、および磁気センサ部６２は、回転軸１１の軸方向に対して直交する方向において、同一直線上に位置している。回転軸１１の軸方向に対して直交する方向において、第１信号処理回路６３ａと磁気センサ部６２との間の距離は、第２信号処理回路６３ｂと磁気センサ部６２との間の距離とほとんど等しい。第１信号処理回路６３ａは、基板２１の長手方向において、磁気センサ部６２を基準として、第２信号処理回路６３ｂと対称的に配置されている。また、インバータ４０も、基板２１の長手方向において、磁気センサ部６２を基準として、インバータ５０と対称的に配置されている。このため、回転軸１１の軸方向に対して直交する方向において、第１信号処理回路６３ａとインバータ５０との間の距離は、第２信号処理回路６３ｂとインバータ４０との間の距離とほとんど同じである。また、インバータ４０，５０に限らず、チョークコイルを始めとする様々なノイズ源に対して第１信号処理回路６３ａおよび第２信号処理回路６３ｂは、対称的あるいは等しい距離で配置されていることが好ましい。

図３に示すように、回転軸１１の軸方向から見て、磁気センサ部６２、第１信号処理回路６３ａ、および第２信号処理回路６３ｂは、それぞれ四角形のＩＣチップとして設けられている。磁気センサ部６２の４つの側面には、それぞれ複数の端子が延びている。また、第１信号処理回路６３ａおよび第２信号処理回路６３ｂの各側面にも、複数の端子が設けられている。磁気センサ部６２は、第１磁気センサ部６２ａおよび第２磁気センサ部６２ｂを有している。第１磁気センサ部６２ａにおける第１信号処理回路６３ａと対向する２つの端子が、第１信号処理回路６３ａにおける第１磁気センサ部６２ａと対向する２つの端子とそれぞれ接続されている。また、第１磁気センサ部６２ａにおける第２信号処理回路６３ｂと対向する２つの端子（第１磁気センサ部６２ａにおける第１信号処理回路６３ａと反対側の端部に設けられた端子）は、第１信号処理回路６３ａにおける第１磁気センサ部６２ａと対向する２つの端子とそれぞれ接続されている。

また、第２磁気センサ部６２ｂにおける第１信号処理回路６３ａと対向する２つの端子は、第２信号処理回路６３ｂにおける第２磁気センサ部６２ｂと対向する２つの端子と接続されている。第２磁気センサ部６２ｂにおける第２信号処理回路６３ｂと対向する２つの端子は、第２信号処理回路６３ｂにおける第２磁気センサ部６２ｂと対向する２つの端子と接続されている。第１磁気センサ部６２ａおよび第２磁気センサ部６２ｂは、回転軸１１の軸方向から見たとき、回転軸１１の軸心に対して、対称に設けられている。また、第１磁気センサ部６２ａおよび第２磁気センサ部６２ｂの対称軸は、第１信号処理回路６３ａおよび第２信号処理回路６３ｂの対称軸と直交している。

第１磁気センサ部６２ａと第１信号処理回路６３ａとの間の接続経路、および第２磁気センサ部６２ｂと第２信号処理回路６３ｂとの間の接続経路を介して、第１磁気センサ部６２ａおよび第２磁気センサ部６２ｂにより生成される電気信号（出力電圧）が第１信号処理回路６３ａおよび第２信号処理回路６３ｂへ送られる。

第１信号処理回路６３ａおよび第２信号処理回路６３ｂは、取り込んだ電気信号に基づいて、回転軸１１の回転角を検出する。
つぎに、磁気センサ部６２の回路構成について詳しく説明する。磁気センサ部６２は、バイアス磁石６１から付与されるバイアス磁石の向きに応じた電気信号を生成する。

図４に示すように、第１磁気センサ部６２ａは、第１ブリッジ回路７０および第２ブリッジ回路８０を備えている。また、第１信号処理回路６３ａには、オペアンプ部６４ａおよびマイクロプロセッサ６５ａが設けられている。

第１ブリッジ回路７０および第２ブリッジ回路８０は、それぞれ４つのＭＲ（磁気抵抗）素子がブリッジ状に配置されてなる。たとえば、第１ブリッジ回路では、４つのＭＲ素子のうち２つのＭＲ素子が直列接続されることにより第１のハーフブリッジが構成され、残る２つのＭＲ素子が直接接続されることにより第２のハーフブリッジが構成されている。これら２つのハーフブリッジは、それぞれ電源（電源電圧「＋Ｖｃｃ」）とグランドとの間に並列に接続されている。第１ブリッジ回路７０は、２つのハーフブリッジの中点電位を、それぞれ第１および第２の電気信号としてオペアンプ部６４ａへ出力する。同様に、第２ブリッジ回路８０は、２つのハーフブリッジの中点電位を、それぞれ第３および第４の電気信号としてオペアンプ部６４ａへ出力する。回転軸１１とともにバイアス磁石６１が回転すると、第１磁気センサ部６２ａおよび第２磁気センサ部６２ｂの各ＭＲ素子の抵抗値が変化する。各ＭＲ素子の抵抗値が変化することにより、各電気信号が変化する。すなわち、各電気信号は、回転軸１１の回転角に応じて変化する。

これら第１〜第４の電気信号は、ｓｉｎまたはｃｏｓによって表すことができる。たとえば、第１の電気信号は、回転軸１１の回転角に対して正弦波状に変化するｓｉｎ信号であり、第２の電気信号は、第１の電気信号に対して１８０度だけ位相がずれた−ｓｉｎ信号である。また、第３の電気信号は、回転軸１１の回転角に対して余弦波状に変化するｃｏｓ信号であり、第４の電気信号は、第３の電気信号に対して１８０度だけ位相がずれた−ｃｏｓ信号である。

オペアンプ部６４ａ（第１信号処理回路６３ａ）は、第１磁気センサ部６２ａから受け取った第１〜第４の電気信号を所定のサンプリング周期で取り込む。オペアンプ部６４ａは、たとえば第１の電気信号と第２の電気信号との差分、および第３の電気信号と第４の電気信号との差分をそれぞれ出力する。

マイクロプロセッサ６５ａは、第１の電気信号と第２の電気信号との差分、および第３の電気信号と第４の電気信号との差分を取り込み、これらの差分値に基づき、逆正接値を演算することにより、回転軸１１の回転角を検出する。

また、第２信号処理回路６３ｂについても、第１信号処理回路６３ａと同様に、オペアンプ部６４ｂおよびマイクロプロセッサ６５ｂを有している。第２磁気センサ部６２ｂの第３ブリッジ回路９０および第４ブリッジ回路１００は、第５〜第８の電気信号を出力する。オペアンプ部６４ｂは第５〜第８の電気信号から差分値を演算し、この差分値に基づいてマイクロプロセッサ６５ｂは回転軸１１の回転角を検出する。

制御装置２０は、マイクロプロセッサ６５ａにより演算された回転角、およびマイクロプロセッサ６５ｂにより演算された回転角に基づいて、モータ１０の駆動を制御する（図１参照）。

本実施形態の作用および効果について説明する。
回転角センサ６０に、第１磁気センサ部６２ａおよび第１信号処理回路６３ａ、ならびに第２磁気センサ部６２ｂおよび第２信号処理回路６３ｂが冗長的に設けられている。このため、第１磁気センサ部６２ａおよび第１信号処理回路６３ａ、または第２磁気センサ部６２ｂおよび第２信号処理回路６３ｂに異常が発生した場合であっても、制御装置２０は、モータ１０の駆動の制御を継続することができる。制御装置２０は、たとえば第１磁気センサ部６２ａで異常が発生した場合、第２磁気センサ部６２ｂおよび第２信号処理回路６３ｂによって検出された回転角を用いてモータ１０の駆動の制御を継続すればよい。

また、第１信号処理回路６３ａおよび第２信号処理回路６３ｂは、磁気センサ部６２を基準として、対称的に設けられている。インバータ４０およびインバータ５０も磁気センサ部６２を基準として対称的に設けられている。このため、第１信号処理回路６３ａと第２信号処理回路６３ｂとの間で、インバータ４０，５０のスイッチングノイズを始めとした各種のノイズによる影響に差が生じることが抑制される。第１信号処理回路６３ａとインバータ５０との間の距離、および第２信号処理回路６３ｂとインバータ４０との間の距離がほとんど等しいため、インバータ５０から第１信号処理回路６３ａに加わるノイズの影響は、インバータ４０から第２信号処理回路６３ｂに加わるノイズの影響とほとんど等しくなる。このため、第１信号処理回路６３ａと第２信号処理回路６３ｂとの間のノイズの影響は均一化される。これにより、ノイズの影響によって、第１信号処理回路６３ａのマイクロプロセッサ６５ａにより演算される回転角と、第２信号処理回路６３ｂのマイクロプロセッサ６５ｂにより演算される回転角とが、ノイズの影響によって異なる値であると判定されることを抑制できる。

また、インバータ４０，５０以外の他のノイズ源についても、他のノイズ源と第１信号処理回路６３ａとの間の距離、および他のノイズ源と第２信号処理回路６３ｂとの間の距離をほとんど等しくすることにより、他のノイズ源から第１信号処理回路６３ａおよび第２信号処理回路６３ｂに加わるノイズの影響は均一化される。

また、第１信号処理回路６３ａおよび第２信号処理回路６３ｂが磁気センサ部６２に対して対称的に設けられることにより、バイアス磁石６１の回転に伴って変化する磁気は、第１信号処理回路６３ａおよび第２信号処理回路６３ｂにほとんど等しく作用する。このため、この磁気の変化がノイズとして、第１信号処理回路６３ａおよび第２信号処理回路６３ｂに作用した場合であっても、第１信号処理回路６３ａおよび第２信号処理回路６３ｂに加わるバイアス磁石６１によるノイズの影響は均一化される。

なお、各実施形態は次のように変更してもよい。以下の他の実施形態は、技術的に矛盾しない範囲において、互いに組み合わせることができる。
・本実施形態では、信号処理回路６３（第１信号処理回路６３ａおよび第２信号処理回路６３ｂ）は、取り込んだ電気信号に基づいて回転軸１１の回転角を検出したが、これに限らない。たとえば、信号処理回路６３は、取り込んだ電気信号に基づいて、回転軸１１の回転角のうちの基礎成分を演算してもよい。一例としては、信号処理回路６３は、オペアンプ部６４ａのみが設けられ、信号処理回路６３とは別に設けられる制御装置が、オペアンプ部６４ａからの出力値に基づいて、回転軸１１の回転角を演算する。この場合、回転角の基礎成分は、オペアンプ部６４ａからの出力値である。

・本実施形態では、基板２１の長手方向において、磁気センサ部６２を基準として、第１信号処理回路６３ａおよび第２信号処理回路６３ｂが対称的に設けられたが、これに限らない。たとえば、基板２１の短手方向において、磁気センサ部６２を基準として、第１信号処理回路６３ａおよび第２信号処理回路６３ｂが対称的に設けられてもよい。また、インバータ４０，５０を始めとするノイズ源の位置に対して、第１信号処理回路６３ａおよび第２信号処理回路６３ｂが対称的に設けられるのであれば、どのように設けてもよい。たとえば、図５に示すように、磁気センサ部６２を通り、かつ第１信号処理回路６３ａと第２信号処理回路６３ｂとの間の中点Ｍを通る直線Ｌを基準に、第１信号処理回路６３ａおよび第２信号処理回路６３ｂが対称的に設けられればよい。

・本実施形態では、インバータ４０，５０が磁気センサ部６２と対称的に設けられたが、これに限らない。たとえば、信号処理回路６３がノイズ源であるインバータ４０，５０と十分離れている等の理由により、インバータ４０，５０のノイズの影響が信号処理回路６３にほとんど作用しないのであれば、インバータ４０，５０が磁気センサ部６２に対して非対称であってもよい。

・ノイズ源であるインバータ４０，５０、磁気センサ部６２、および信号処理回路６３は、同一基板上に実装されていてもよい。
・第１信号処理回路６３ａおよび第２信号処理回路６３ｂの磁気センサ部６２に対する対称性は、第１信号処理回路６３ａに対するノイズの影響と第２信号処理回路６３ｂに対するノイズの影響との差がある程度（たとえば閾値よりも）小さくなる程度であればよい。

・本実施形態では、磁気センサ部６２は、第１磁気センサ部６２ａおよび第２磁気センサ部６２ｂにより構成されたが、これに限らなくてよい。すなわち、第１信号処理回路６３ａおよび第２信号処理回路６３ｂが同じ磁気センサ部に接続されてもよい。

・本実施形態では、第１磁気センサ部６２ａおよび第２磁気センサ部６２ｂの対称軸は、第１信号処理回路６３ａおよび第２信号処理回路６３ｂの対称軸と直交していたが、これに限らない。たとえば、図６に示すように、本実施形態では、第１磁気センサ部６２ａおよび第２磁気センサ部６２ｂの対称軸は、第１信号処理回路６３ａおよび第２信号処理回路６３ｂの対称軸と平行であってもよい（または一致していてもよい）。

・本実施形態では、基板２１の短手方向において、第１磁気センサ部６２ａおよび第２磁気センサ部６２ｂは対称的に設けられたが、基板２１の長手方向において、第１磁気センサ部６２ａおよび第２磁気センサ部６２ｂが対称的に設けられてもよいし、非対称であってもよい。

・本実施形態では、信号処理回路６３は第１信号処理回路６３ａおよび第２信号処理回路６３ｂの２つの信号処理回路を有していたが、これに限らない。すなわち、信号処理回路６３は、３つ以上の信号処理回路から構成されていてもよい。この場合、３つ以上の信号処理回路は、磁気センサ部６２を基準として互いに対称的に配置されている。

・本実施形態では、磁気センサ部６２として、たとえばＭＲセンサが採用されたが、これに限らない。たとえば、磁気センサ部６２として、たとえばホールセンサなどの他の磁気センサが用いられてもよい。

１…モータ装置、１０…モータ、２０…制御装置、２１，２２…基板、３０…ヒートシンク、４０，５０…インバータ、６０…回転角センサ、６１…バイアス磁石、６２…磁気センサ部、６２ａ…第１磁気センサ部、６２ｂ…第２磁気センサ部、６３…信号処理回路、６３ａ…第１信号処理回路、６３ｂ…第２信号処理回路、６４ａ，６４ｂ…オペアンプ部、６５ａ，６５ｂ…マイクロプロセッサ、７０，８０，９０，１００…第１〜第４ブリッジ回路。

Claims

回転軸を有するモータと、前記回転軸の回転角を検出する回転角センサと、前記モータにおける前記回転軸の一端部に設けられ、前記回転角センサを通じて検出される回転角に基づいて前記モータの駆動を制御する制御部と、を備えるモータ装置において、
前記回転角センサは、
前記回転軸における前記一端部に設けられる磁石と、
前記磁石に対向して設けられ、前記磁石の回転に伴う磁界の変化に対応した出力信号を生成する磁気センサ部と、
前記磁気センサ部に対して対称的に設けられて、前記出力信号を処理する少なくとも２つの信号処理回路と、を備えるモータ装置。
請求項１に記載のモータ装置において、
前記磁気センサ部および前記少なくとも２つの信号処理回路は、同一の基板上に設けられ、
前記少なくとも２つの信号処理回路は、前記回転軸の軸方向からみたとき、前記磁気センサ部に対して対称的に設けられるモータ装置。
請求項１に記載のモータ装置において、
前記モータに電力を供給する少なくとも２つの駆動回路を含むノイズ源は、前記回転軸の軸方向からみて、前記磁気センサ部に対して対称的に設けられるモータ装置。
請求項１〜３のいずれか一項に記載のモータ装置において、
前記少なくとも２つの信号処理回路として、前記磁気センサ部に対して対称的に２つの信号処理回路が設けられており、
前記回転軸の軸方向からみて、前記磁気センサ部は、前記回転軸の中心を基準として、対称的に２つ設けられており、
２つの前記磁気センサ部の対称軸は、前記２つの信号処理回路の対称軸と直交しているモータ装置。
請求項１〜３のいずれか一項に記載のモータ装置において、
前記少なくとも２つの信号処理回路として、前記磁気センサ部に対して対称的に２つの信号処理回路が設けられており、
前記回転軸の軸方向からみて、前記磁気センサ部は、前記回転軸の中心を基準として、対称的に２つ設けられており、
２つの前記磁気センサ部の対称軸は、前記２つの信号処理回路の対称軸と一致または平行であるモータ装置。