JP5001662B2 - 電動式パワーステアリング装置 - Google Patents
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Description
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を備えた電動式パワーステアリング装置の構成及びその製造方法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、この電動モータを駆動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式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、特許文献２参照）
この電動式パワーステアリング装置では、電動モータに操舵トルクに応じたモータ電流を流すためのブリッジ回路を搭載した金属基板と、ブリッジ回路を制御するための制御回路を搭載した制御基板と、金属基板と制御基板を積層して固定するための支持部材であると同時にインサート成形により複数の導電板と樹脂製の基材が一体化され、電解コンデンサやリレー等の大電流部品が実装されたベース基板を有している。そして金属基板、制御基板及びベース基板がヒートシンクに積層配置されている。
この電動式パワーステアリング装置では、電動モータに操舵トルクに応じたモータ電流を流すためのブリッジ回路を搭載した金属基板と、ブリッジ回路を制御するための制御回路を搭載した制御基板と、金属基板と制御基板を積層して固定するための支持部材であると同時にインサート成形により複数の導電板と樹脂製の基材が一体化され、電解コンデンサやリレー等の大電流部品が実装されたベース基板を有している。そして金属基板、制御基板及びベース基板がヒートシンクに積層配置されている。
従来の電動式パワーステアリング装置では、ブリッジ回路で構成されたパワー回路を搭載した金属基板とブリッジ回路を制御するための制御回路を搭載した制御基板とを電気的に接続するため、インサート成形により複数の導電板を樹脂製の基材と一体化したベース基板が必要であるため、部品点数が増加すると共に電気的接続箇所が多くなる。その結果、高コスト化、大型化さらに電気的接続の信頼性が低下するという課題があった。
また、近年、装置搭載車両の大型化に伴い、モータ電流の大電流化が求められているが、金属基板上で配線パターンを形成する銅箔の厚さには限界があるため、単純にモータ電流を大電流化すると配線パターンの電気抵抗によるジュール熱が大きくなり、配線パターンの耐久性が低下すると共に、大電流部品の温度上昇が大きくなり、部品の接合信頼性が低下する問題があった。一方、配線パターン幅を太くしてジュール熱を低減しようとすると、装置が大型化して車載性が悪くなるという問題があった。
また、近年、装置搭載車両の大型化に伴い、モータ電流の大電流化が求められているが、金属基板上で配線パターンを形成する銅箔の厚さには限界があるため、単純にモータ電流を大電流化すると配線パターンの電気抵抗によるジュール熱が大きくなり、配線パターンの耐久性が低下すると共に、大電流部品の温度上昇が大きくなり、部品の接合信頼性が低下する問題があった。一方、配線パターン幅を太くしてジュール熱を低減しようとすると、装置が大型化して車載性が悪くなるという問題があった。
この発明に係わる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、及びこの電動モータの駆動を制御する制御装置を備えた電動式パワーステアリング装置において、
上記電動モータの電流を切り換える複数の半導体スイッチング素子が搭載された主基板と、
上記複数の半導体スイッチング素子を制御する駆動信号を生成する制御基板と、上記複数の半導体スイッチング素子の配線パターンを構成すると共に上記主基板と上記制御基板とを電気的に接続する導電部材と、上記制御基板を外部電源に電気的に接続するコネクタとを、上記制御装置に設け、
上記主基板と上記導電部材は、打ち抜き加工、および曲げ加工を施した金属板で形成され、上記コネクタと共にモールド樹脂で一体にインサート成形したものである。
上記電動モータの電流を切り換える複数の半導体スイッチング素子が搭載された主基板と、
上記複数の半導体スイッチング素子を制御する駆動信号を生成する制御基板と、上記複数の半導体スイッチング素子の配線パターンを構成すると共に上記主基板と上記制御基板とを電気的に接続する導電部材と、上記制御基板を外部電源に電気的に接続するコネクタとを、上記制御装置に設け、
上記主基板と上記導電部材は、打ち抜き加工、および曲げ加工を施した金属板で形成され、上記コネクタと共にモールド樹脂で一体にインサート成形したものである。
この発明の電動式パワーステアリング装置によれば、主基板、この主基板と絶縁多層基板である制御基板とを電気的に接続する導電部材、及び制御装置と外部電源などと電気的に接続するためのコネクタなどが、モールド樹脂でインサート成形により一体化して形成されるので、小型化、部品点数の削減による低コスト化及び電気的接続箇所の低減により信頼性の向上を達成できる。
さらに、導電部材のサイズを自由に選定できるためモータ電流の大電流化に対応できる電動式パワーステアリング装置を提供することができる。
さらに、導電部材のサイズを自由に選定できるためモータ電流の大電流化に対応できる電動式パワーステアリング装置を提供することができる。
以下、図面に基づいて、この発明の実施の形態を説明する。
なお、各図間において、同一符号は同一あるいは相当部分を示す。
なお、各図間において、同一符号は同一あるいは相当部分を示す。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る電動式パワーステアリング装置を示す断面図である。
この電動式パワーステアリング装置は、車両ハンドルの操舵系に対してトルクセンサー（図示しない）で検出した操舵トルクに応じて補助トルクを発生する電動モータ１と、この電動モータ１を駆動制御する制御装置２と、外部電源及びセンサー類と電気的に接続するためのコネクタ３を備えている。
電動モータ１は、３相ブラシレスモータであり、出力軸４と出力軸４に８極の磁極を有する永久磁石５が固定された回転子６と、この回転子６の周囲に設けられた固定子７と、
出力軸４の出力側に配設され、回転子６の回転位置を検出する回転位置センサー（図示しない）とを備えている。
固定子７は、永久磁石５の外周に相対した１２個の突極８と、この突極８に装着されたインシュレータ９と、このインシュレータ９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１０とを有している。
電動モータ１には、減速ギヤ１１が固定されている。減速ギヤ１１は、電動モータ１のモータハウジング１２に接続されたギヤケース１３と、このギヤケース１３内に設けられ出力軸４の回転を減速するためのウォームギヤ１４と、このウォームギヤ１４に歯合したウォームホイール１５とを有している。ウォームギヤ１４の端部には、スプラインが形成されている。出力軸４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１６が圧入されている。このカップリング１６とウォームギヤ１４の端部とがスプライン嵌合されており、電動モータ１から減速ギヤ１１にトルクが伝達されるようになっている。
図１は、この発明の実施の形態１に係る電動式パワーステアリング装置を示す断面図である。
この電動式パワーステアリング装置は、車両ハンドルの操舵系に対してトルクセンサー（図示しない）で検出した操舵トルクに応じて補助トルクを発生する電動モータ１と、この電動モータ１を駆動制御する制御装置２と、外部電源及びセンサー類と電気的に接続するためのコネクタ３を備えている。
電動モータ１は、３相ブラシレスモータであり、出力軸４と出力軸４に８極の磁極を有する永久磁石５が固定された回転子６と、この回転子６の周囲に設けられた固定子７と、
出力軸４の出力側に配設され、回転子６の回転位置を検出する回転位置センサー（図示しない）とを備えている。
固定子７は、永久磁石５の外周に相対した１２個の突極８と、この突極８に装着されたインシュレータ９と、このインシュレータ９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１０とを有している。
電動モータ１には、減速ギヤ１１が固定されている。減速ギヤ１１は、電動モータ１のモータハウジング１２に接続されたギヤケース１３と、このギヤケース１３内に設けられ出力軸４の回転を減速するためのウォームギヤ１４と、このウォームギヤ１４に歯合したウォームホイール１５とを有している。ウォームギヤ１４の端部には、スプラインが形成されている。出力軸４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１６が圧入されている。このカップリング１６とウォームギヤ１４の端部とがスプライン嵌合されており、電動モータ１から減速ギヤ１１にトルクが伝達されるようになっている。
図２は、図１の電動式パワーステアリング装置を示す分解斜視図、図３は、図１の制御装置２を示す分解斜視図である。また、図４は、図３の制御基板である絶縁多層基板１８を示す正面図、図５は、上記主基板、上記導電部材、及び上記コネクタを、モールド樹脂で一体にインサート成型した、大電流基板１９を示す正面図である。
制御装置２は、電気回路的（回路図は図示せず）には、電動モータ1にモータ電流を供給するパワー回路と、後述のブリッジ回路を制御する駆動信号を生成する制御回路から構成されている（特許文献１、特許文献２参照）。
パワー回路は、電動モータ１に流れるモータ電流のリップル成分を除去する大容量の電解コンデンサ２０と、モータ電流を検出するためのシャント抵抗器２１と、電磁ノイズを除去するコイル２２と、モータ電流を回転子６の回転位置及び補助トルクの大きさと方向に応じて切り換えるための半導体スイッチング素子２３からなるブリッジ回路で構成されている。
パワー回路は、電動モータ１に流れるモータ電流のリップル成分を除去する大容量の電解コンデンサ２０と、モータ電流を検出するためのシャント抵抗器２１と、電磁ノイズを除去するコイル２２と、モータ電流を回転子６の回転位置及び補助トルクの大きさと方向に応じて切り換えるための半導体スイッチング素子２３からなるブリッジ回路で構成されている。
制御回路は、シャント抵抗器２１を介して電動モータ１に流れるモータ電流値を検出するための電流検出回路を構成する回路素子と、トルクセンサーからの操舵トルク信号に基づいて補助トルクを演算すると共にモータ電流及び回転子６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モータ電流を演算するマイクロコンピュータを備え、必要な補助トルクの大きさと方向に応じたモータ電流が流れるように半導体スイッチング素子２３からなるブリッジ回路を制御している。
また、制御装置２は、構造的にはアルミニウム製のカバー１７と大電流基板１９と制御基板である絶縁多層基板１８とから構成され、ヒートシンク部を兼ねた電動モータ１のアルミニウム製モータハウジング１２の後端部、すなわち電動モータ１の反出力軸側に取り付け固定されている。
そして、各回路部品は、後述するように絶縁多層基板１８と大電流基板１９とにそれぞれ搭載され、両者は後述するように導電板２４に形成された接続端子２４ｂで接続されている。
そして、各回路部品は、後述するように絶縁多層基板１８と大電流基板１９とにそれぞれ搭載され、両者は後述するように導電板２４に形成された接続端子２４ｂで接続されている。
図６は、図５に示す大電流基板１９の斜視図、図７は図５に示す大電流基板１９を構成する導電板２４の正面図である。
大電流基板１９は、打ち抜き加工及び曲げ加工が施された一枚の金属板で形成された導電板２４とコネクタ３をモールド樹脂２５でインサート成形することにより製造される。
その後、導電板２４のタイバー（連結部材）２７を打ち抜き加工することにより、導電板２４は、主基板と導電部材に分割される。また、導電部材には配線パターンと接続端子が形成されており、配線パターンは、ブリッジ回路を構成する配線パターン、接続端子は、電動モータ１との接続端子２４ａ、絶縁多層基板１８との接続端子２４ｂなどで構成される。
そして、接続端子２４ａ、接続端子２４ｂは、電気的な接続を行うため導電板２４の表面がモールド樹脂２５から露出している。
また、絶縁多層基板１８との電気的な接続を行う端子２４ｂは、導電板２４の突出部により構成され、この突出部が半導体スイッチング素子２３の実装面に対して直角方向に曲げ加工され、絶縁多層基板１８のスルーホールメッキ穴を貫通し、絶縁多層基板１８に噴流はんだ付けされる。
また、このインサート成形時に、制御装置２を外部電源及びセンサー類と電気的に接続するためのコネクタ３と、絶縁多層基板１８を支持する複数のターミナル（支持脚）２６とがモールド樹脂２５で大電流基板１９と一体に形成される。これにより、絶縁多層基板１８は、ターミナル２６にネジ固定され取り付けられている。このため、両者を結合するための支持部材が不要となり、部品点数の削減が可能になり、小型・低コスト化を実現することができる。
大電流基板１９は、打ち抜き加工及び曲げ加工が施された一枚の金属板で形成された導電板２４とコネクタ３をモールド樹脂２５でインサート成形することにより製造される。
その後、導電板２４のタイバー（連結部材）２７を打ち抜き加工することにより、導電板２４は、主基板と導電部材に分割される。また、導電部材には配線パターンと接続端子が形成されており、配線パターンは、ブリッジ回路を構成する配線パターン、接続端子は、電動モータ１との接続端子２４ａ、絶縁多層基板１８との接続端子２４ｂなどで構成される。
そして、接続端子２４ａ、接続端子２４ｂは、電気的な接続を行うため導電板２４の表面がモールド樹脂２５から露出している。
また、絶縁多層基板１８との電気的な接続を行う端子２４ｂは、導電板２４の突出部により構成され、この突出部が半導体スイッチング素子２３の実装面に対して直角方向に曲げ加工され、絶縁多層基板１８のスルーホールメッキ穴を貫通し、絶縁多層基板１８に噴流はんだ付けされる。
また、このインサート成形時に、制御装置２を外部電源及びセンサー類と電気的に接続するためのコネクタ３と、絶縁多層基板１８を支持する複数のターミナル（支持脚）２６とがモールド樹脂２５で大電流基板１９と一体に形成される。これにより、絶縁多層基板１８は、ターミナル２６にネジ固定され取り付けられている。このため、両者を結合するための支持部材が不要となり、部品点数の削減が可能になり、小型・低コスト化を実現することができる。
絶縁多層基板１８と大電流基板１９の接合が完了後、制御装置２はヒートシンク部を兼ねたモータハウジング１２にネジ固定され、大電流基板１９のモータとの接続端子２４ａを電動モータ１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各接続端子にネジ固定する。
この構成では、ブリッジ回路を構成する半導体スイッチング素子２３と電動モータ１の距離が近いため、配線パターンによる電圧降下が小さくなり、モータの効率が向上する。
この構成では、ブリッジ回路を構成する半導体スイッチング素子２３と電動モータ１の距離が近いため、配線パターンによる電圧降下が小さくなり、モータの効率が向上する。
また、絶縁多層基板１８には、パワー回路の構成部品の一部である電解コンデンサ２０、シャント抵抗器２１及び制御回路の構成部品が実装されるが、これらは全て表面実装部品であり、リフローはんだ付法により実装される。従って制御装置２の製造工程において、接合は全てはんだ付により行われ、溶接等の他の接合工程が不要なため、製造コストを低減することができる。
図８は、図１に示す電動式パワーステアリング装置の断面図における半導体スイッチング素子２３の実装部の拡大図である。
導電板２４の表面である半導体スイッチング素子２３の実装面２４ｃでは、リフローはんだ付を可能にするため、導電板２４の表面がモールド樹脂２５から露出した露出面が設けられている。これにより、半導体スイッチング素子２３は、リフローはんだ付法で大電流基板１９に実装されるが、モールド樹脂２５がPPS、PEEK、PBT、PES、PPE、PAI系樹脂、PEI系樹脂等の半田のリフロー温度下に耐える強度を有する高耐熱性樹脂であるため、リフロー炉の加熱温度下においても熱変性を生じることはない。
導電板２４の表面である半導体スイッチング素子２３の実装面２４ｃでは、リフローはんだ付を可能にするため、導電板２４の表面がモールド樹脂２５から露出した露出面が設けられている。これにより、半導体スイッチング素子２３は、リフローはんだ付法で大電流基板１９に実装されるが、モールド樹脂２５がPPS、PEEK、PBT、PES、PPE、PAI系樹脂、PEI系樹脂等の半田のリフロー温度下に耐える強度を有する高耐熱性樹脂であるため、リフロー炉の加熱温度下においても熱変性を生じることはない。
また、実装面２４ｃの反対側の反実装面２４ｄにも、モールド樹脂２５から露出させた導電板２４の露出面が設けられ、モータハウジング１２すなわちヒートシンク部には、大電流基板１９をモータハウジング１２に固定した際に、導電板２４の露出面である反実装面２４ｄと熱伝導的に接触する平面状の***部２９が形成されている。この反実装面２４ｄとモータハウジング１２の間には、アルミナ等のセラミックスを分散させた絶縁性の熱伝導性グリース２８を充填、または放熱シート（放熱材）を介在させている。これによって、導電板２４とモータハウジング１２の間の電気的な絶縁を確保しながら半導体スイッチング素子２３の発熱を小さな熱抵抗値で大きな熱容量を持つモータハウジング１２に放熱でき、半導体スイッチング素子２３の温度上昇を低減することが可能になる。
配線パターンを構成する導電板２４の厚さは、800μm程度あるため、厚さ100μm前後の銅箔を配線パターンとして使用する金属基板を採用する場合と比較して、配線抵抗によるジュール熱の発生及び電圧降下を低減することができる。このため、より大きなモータ電流を流すことが可能になる。
さらに、導電板２４の板厚を厚くすることができるため、半導体スイッチング素子２３の発熱を導電板２４の平面方向に拡散しやすくなると同時に、導電板２４の熱容量が増加するため操舵時に生じる過渡熱を蓄えて半導体スイッチング素子２３の温度上昇を抑制する熱バッファとしても機能する。
また、一般的な金属基板の銅箔と比較して、導電板２４は板厚変更の自由度が大きく、板厚を厚くすることで幅を狭くすることが可能になるため、導電板２４の断面積が同一の条件下では、装置を小型化することができる。
さらに、導電板２４の板厚を厚くすることができるため、半導体スイッチング素子２３の発熱を導電板２４の平面方向に拡散しやすくなると同時に、導電板２４の熱容量が増加するため操舵時に生じる過渡熱を蓄えて半導体スイッチング素子２３の温度上昇を抑制する熱バッファとしても機能する。
また、一般的な金属基板の銅箔と比較して、導電板２４は板厚変更の自由度が大きく、板厚を厚くすることで幅を狭くすることが可能になるため、導電板２４の断面積が同一の条件下では、装置を小型化することができる。
１ 電動モータ ２ 制御装置
３ コネクタ ４ 出力軸
５ 永久磁石 ６ 回転子
７ 固定子 ８ 突極
９ インシュレータ １０ 電機子巻線
１１ 減速ギヤ １２ モータハウジング（ヒートシンク部）
１３ ギヤケース １４ ウォームギヤ
１５ ウォームホイール １６ カップリング
１７ アルミニウム製カバー １８ 絶縁多層基板（制御基板）
１９ 大電流基板 ２０ 大容量電解コンデンサ
２１ シャント抵抗器 ２２ コイル
２３ 半導体スイッチング素子 ２４ 導電板
２４ａ 電動モータ１との接続端子
２４ｂ 絶縁多層基板１８との接続端子
２４ｃ 半導体スイッチング素子２３の実装面 ２４ｄ 反実装面
２５ モールド樹脂 ２６ ターミナル（支持脚）
２７ タイバー（連結部材） ２８ 熱伝導性グリース
２９ ヒートシンク部の***部。
３ コネクタ ４ 出力軸
５ 永久磁石 ６ 回転子
７ 固定子 ８ 突極
９ インシュレータ １０ 電機子巻線
１１ 減速ギヤ １２ モータハウジング（ヒートシンク部）
１３ ギヤケース １４ ウォームギヤ
１５ ウォームホイール １６ カップリング
１７ アルミニウム製カバー １８ 絶縁多層基板（制御基板）
１９ 大電流基板 ２０ 大容量電解コンデンサ
２１ シャント抵抗器 ２２ コイル
２３ 半導体スイッチング素子 ２４ 導電板
２４ａ 電動モータ１との接続端子
２４ｂ 絶縁多層基板１８との接続端子
２４ｃ 半導体スイッチング素子２３の実装面 ２４ｄ 反実装面
２５ モールド樹脂 ２６ ターミナル（支持脚）
２７ タイバー（連結部材） ２８ 熱伝導性グリース
２９ ヒートシンク部の***部。
Claims (11)
- 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、及びこの電動モータの駆動を制御する制御装置を備えた電動式パワーステアリング装置において、
上記電動モータの電流を切り換える複数の半導体スイッチング素子が搭載された主基板と、
上記複数の半導体スイッチング素子を制御する駆動信号を生成する制御基板と、上記複数の半導体スイッチング素子の配線パターンを構成すると共に上記主基板と上記制御基板とを電気的に接続する導電部材と、上記制御基板を外部電源に電気的に接続するコネクタとを、上記制御装置に設け、
上記主基板と上記導電部材は、打ち抜き加工、および曲げ加工を施した金属板で形成され、上記コネクタと共にモールド樹脂で一体にインサート成形したことを特徴とする電動式パワーステアリング装置。 - 上記制御装置は、上記電動モータのモーターハウジングに取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の電動式パワーステアリング装置。
- 上記主基板の各接続端子は、インサート成形により上記主基板と一体化されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電動式パワーステアリング装置。
- 上記半導体スイッチング素子の実装面は、上記モールド樹脂から露出させた上記導電部材の露出面に設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動式パワーステアリング装置。
- 上記半導体スイッチング素子は、上記主基板にリフローはんだ付法により実装されていることを特徴とする請求項４に記載の電動式パワーステアリング装置。
- 上記電動モータのモーターハウジングは、上記半導体スイッチング素子実装面の反対側で上記モールド樹脂から露出させた上記導電部材の露出面と、熱伝導的に接触する***部を設けたことを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の電動式パワーステアリング装置。
- 上記電動モータのモーターハウジングの***部と上記導電部材の間は、熱伝導性グリースを充填又は放熱材を介在させることを特徴とする請求項６に記載の電動式パワーステアリング装置。
- 上記主基板は、上記制御基板を支持する複数の支持脚を、上記モールド樹脂で一体にインサート成形したことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の電動式パワーステアリング装置。
- 上記モールド樹脂は、半田のリフロー温度下に耐える強度を有する高耐熱性樹脂であることを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載の電動式パワーステアリング装置。
- 上記主基板と上記制御基板の電気的な接続を行う端子は、上記モールド樹脂から露出して形成された上記導電部材の突出部を、曲げ加工することにより形成されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の電動式パワーステアリング装置。
- 上記主基板は、上記電動モータのモーターハウジングを介して上記電動モータの反出力軸側に固定したことを特徴とする請求項２〜１０のいずれか１項に記載の電動式パワーステアリング装置。
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