JP5566355B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、操舵アシストトルクを発生する電動モータを備えた電動パワーステアリング装置に関する。

自動車の電動パワーステアリング装置は、運転者がステアリングホィールを操作することにより回動するステアリングシャフトの回動方向と回動トルクとを検出し、該検出値に基づいてステアリングシャフトの回動方向と同じ方向へ回動するように電動モータを駆動し、操舵アシストトルクを発生させるように構成されている。この電動モータをコントロールするため、コントロールユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）が設けられている。

従来の電動パワーステアリング装置のコントロールユニットとしては、例えば特許文献１に記載のものが知られている。特許文献１に記載の電動パワーステアリング装置は、特許文献１の図１に示すように、補助トルクを出力する電動モータ１０１と、該電動モータ１０１の回転を減速するためにウォームギヤ１１４とウォームホィール１１５とから構成された減速ギヤ１１２と、電動モータ１０１の駆動を制御する制御装置１２０とから構成されている。前記制御装置１２０は半導体スイッチング素子１２１，回路基板１２２，導電板１２３，カバー１２４から構成されており、前記制御装置１２０を前記電動モータ１０１と前記減速ギヤ１１２との間に配置することにより、電動パワーステアリング装置を小形化したものである。
特開２０１０−２６９６９３号公報

ところが、電動モータ１０１の電機子巻線１０９の端部には接続端子１１０が溶接接合され、該接続端子１１０は回路基板１２２に接続される一方、該回路基板１２２には導電板１２３を経由して発熱部品である半導体スイッチング素子１２１が接続され、該半導体スイッチング素子１２１は放熱のためにヒートスプレッダ１２９を介してカバー体１２４の内面に固定されている。このため、電動モータ１０１の電機子巻線１０９で発生した熱が、接続端子１１０，回路基板１２２，導電板１２３を経由して半導体スイッチング素子１２１へと移動する。つまり、電機子巻線１０９の熱が半導体スイッチング素子１２１に伝達され、電機子巻線１０９から半導体スイッチング素子１２１に伝わる熱と該半導体スイッチング素子１２１が発生する熱とが加算され、これらの熱がヒートスプレッダ１２９とカバー体１２４とを介してギヤケース１１３へ伝わり、該ギヤケース１１３の外表面から大気中へ放出される。電機子巻線１０９の熱は、発熱部品である半導体スイッチング素子１２１を介してギヤケース１１３へ伝わることになるので、電動モータ１０１の放熱が十分に行われない。

また、電機子巻線１０９からの熱を、半導体スイッチング素子１２１の放熱部として存在するギヤケース１１３から放出するので、ギヤケース１１３の熱マスを大きくすることが必要になり、ギヤケース１１３の大型化につながる。

そこで本発明は、上記の課題を解決し電動モータの放熱が十分に行われるようにし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。

請求項１に係る発明は、ステアリングシャフトに操舵補助力を付与する電動モータと、該電動モータを制御するコントロールユニットとにより構成され、
前記電動モータは、筒部を有するモータハウジングに収容され、
前記コントロールユニットは、前記モータハウジングの軸方向の出力軸とは反対側に配置されたＥＣＵハウジングと、該ＥＣＵハウジングの内部に収容され前記電動モータを駆動制御するための半導体スイッチを有する電力変換回路と、該ＥＣＵハウジングの内部に収容され前記半導体スイッチ等を制御する制御回路とを備えた電動パワーステアリング装置において、
前記半導体スイッチの出力端子と前記電動モータの入力端子とを電気接続する通電部材を設け、該通電部材の金属板の部分を、前記モータハウジングまたは前記ＥＣＵハウジングの内面に当接させたことを特徴とする。

この発明によれば、電動モータの電機子巻線で発生した熱は電機子巻線の入力端子から通電部材および絶縁材を介してモータハウジングまたはＥＣＵハウジングへと伝わり、該ハウジングの外部から大気中へ放出される。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の電動パワーステアリング装置において、
前記通電部材は、前記モータハウジングの内面に当接させたことを特徴とする。

この発明によれば、電動モータの電機子巻線で発生した熱は電機子巻線の入力端子から通電部材および絶縁材を介してモータハウジングへと伝達され、該モータハウジングの外部から大気中へ放出される。一方、半導体スイッチで発生した熱はＥＣＵハウジングに伝達され、該ＥＣＵハウジングの外部から大気中へ放出される。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の電動パワーステアリング装置において、
前記通電部材として金属基板を用い、該金属基板を保持するため絶縁材料からなる保持部材を設け、該保持部材を前記いずれかのハウジングに結合することにより、前記金属基板が前記保持部材と前記いずれかのハウジングとの間に挟まれて前記いずれかのハウジングの内面に押圧されていることを特徴とする。

この発明によれば、金属基板がいずれかのハウジングの内面に押圧されているので、金属基板といずれかのハウジングとが密着し、金属基板からハウジングへ効率よく熱が伝わる。

請求項１に係る電動パワーステアリング装置によれば、電動モータの電機子巻線で発生した熱は電動モータの入力端子と通電部材と絶縁材とを介していずれかのハウジングへと伝わり、該ハウジングの外部から大気中へ放出されるので、電動モータの放熱性が向上する。また、電動モータの電機子巻線で発生した熱が半導体スイッチの出力端子を介して半導体スイッチへ伝わるのが抑制される。

請求項２に係る電動パワーステアリング装置によれば、電動モータの電機子巻線で発生した熱はモータハウジングへ伝達される一方、半導体スイッチで発生した熱はＥＣＵハウジングに伝達され、異なるハウジングの外部から大気中へ夫々放出されるので、放熱効率が良い。換言すると、分散して放熱されるので、ハウジングの熱マスを増大させることなく、適正な放熱が実現できる。

請求項３に係る電動パワーステアリング装置によれば、金属基板がいずれかのハウジングに密着するので、金属基板からいずれかのハウジングへ効率よく熱が伝わり、電動モータの電機子巻線で発生した熱はいずれかのハウジングの外部から大気中へ効率よく放出される。また、保持部材によるいずれかのハウジングへの金属基板の押圧保持により、金属基板がいずれかのハウジングに強固に固定され、金属基板の取り付け性が高い。

電動パワーステアリング装置の要部に係り、保持部材を省略して示す斜視図（実施の形態）。 電動パワーステアリング装置の要部を示す斜視図（実施の形態）。 電動パワーステアリング装置の断面図（実施の形態）。 電動パワーステアリング装置の要部の拡大断面図（実施の形態）。 電動パワーステアリング装置の外観斜視図（実施の形態）。 電動パワーステアリング装置における熱の伝達方向と伝達量とに係り、（ａ）は従来の熱の伝達状態を示す説明図、（ｂ）は本発明における熱の伝達状態を示す説明図（実施の形態）。 電動パワーステアリング装置における各部の温度変化に係り、（ａ）は従来の温度変化を示すグラフ、（ｂ）は本発明の温度変化を示すグラフ（実施の形態）。

以下、本発明による電動パワーステアリング装置の実施の形態を説明する。
（構成）
自動車の前輪を操舵するための操舵機構を図５に示す。図示しないステアリングホィールに連結されたステアリングシャフト１の下端には図示しないピニオンが設けられ、該ピニオンは車体左右方向へ長い図示しないラックと噛み合っている。該ラックの両端には前輪を左右方向へ操舵するためのタイロッド２が連結されており、前記ラックはラックハウジング３に覆われている。そして、該ラックハウジング３と前記タイロッド１との間にはゴムブーツ４が設けられている。

ステアリングホィールを回動操作する際のトルクを補助するため、電動パワーステアリング装置６が設けられている。即ち、ステアリングシャフト１の回動方向と回動トルクとを検出するトルクセンサ５が設けられ、該トルクセンサ５の検出値に基づいてステアリングシャフト１に操舵補助力を付与する電動モータ７と、該電動モータ７を制御するコントロールユニット（ＥＣＵ）８とが設けられている。

図３に示すように、前記電動モータ７は、筒部を有するモータハウジング７ａ，７ｂに収容されている。モータハウジング７ａとモータハウジング７ｂとは軸方向に積み重ねられ、六角穴付ボルト７ｆにより結合されている。前記モータハウジング７ａには隔壁７ｇが、前記モータハウジング７ｂには隔壁７ｈが形成され、隔壁７ｇ，隔壁７ｈに軸受７ｉ，７ｊを介して出力軸７ｃが回転自在に支持されている。該出力軸７ｃの先端には、ピニオン７ｄが設けられ、該ピニオン７ｄは図５のギヤ９の部分を介して前記ステアリングシャフト１に接続されている。このギヤ９のギヤハウジングは、前記ラックハウジング３と一体に形成されている。

前記コントロールユニット８は、ＥＣＵハウジング８ａと、電力変換回路２６と、制御回路１０とから構成されている。

前記ＥＣＵハウジング８ａは、前記モータハウジング７ａ，７ｂの軸方向の出力軸７ｃとは反対側に配置されており、モータハウジング７ａとＥＣＵハウジング８ａとの間にはＯリング２８が設けられている。このＥＣＵハウジング８ａは、後述するＭＯＳＦＥＴ１２を冷却するためのＥＣＵヒートシンクを兼ねている。このＥＣＵハウジング８ａの内部には、内部を軸方向に仕切るための仕切壁２９が設けられ、該仕切壁２９の上方に電力変換室３０が形成され、該仕切壁２９の下方であってＥＣＵハウジング８ａの内部とモータハウジング７ａの内部とにわたって制御室３１が形成されている。

前記電力変換室３０には前記電力変換回路２６が収容されており、該電力変換回路２６は、第１金属基板１１に前記電動モータ７を駆動制御するための半導体スイッチとしてのＭＯＳＦＥＴ１２を実装して構成されている。３２はアルミコンデンサである。

前記制御室３１には前記制御回路１０が収容されている。該制御回路１０は、前記ＭＯＳＦＥＴ１２等を制御するものであり、前記モータハウジング７ａと前記ＥＣＵハウジング８ａとの境界位置に配置したプリント基板１３に電子部品を実装して構成されている。

２７は図示しないバッテリに接続されるコネクタであり、該コネクタ２７から前記電力変換回路２６および前記制御回路１０に電力が供給されている。

前記制御室３１には、前記電動モータ７の電機子巻線７ｅで発生する熱をモータハウジング７ａの外面から放出するための放熱機構が設けられている。図３における放熱機構の部分を抜き出して拡大したものを図４に示す。図４の部分の斜視図を図１に示すように、半導体スイッチであるＭＯＳＦＥＴ１２の出力端子１４ｕ，１４ｖ，１４ｗと、前記電動モータ７の入力端子１６ｕ，１６ｖ，１６ｗとが、通電部材としての第２金属基板１５に電気的に接続されている。ここで、通電部材とは、金属板の上に絶縁層を形成し該絶縁層の上に回路を構成する配線部分を形成したものを言い、前記第１金属基板１１，第２金属基板１５は、いずれもアルミニュウム板の上に絶縁層を形成し、該絶縁層の上に銅箔からなる配線パターンを印刷して構成されている。そして、第２金属基板１５の一方側（上方）に出力端子１４ｕ，１４ｖ，１４ｗが結合され、他方側（下方）に入力端子１６ｕ，１６ｖ，１６ｗが結合され、これらの端子は第２金属基板１５上の配線パターンに接続されている。

前記第２金属基板１５には２つのモータリレー１８ｕ，１８ｖが実装されている。これらのモータリレー１８ｕ，１８ｖは前記電動モータ７への通電または通電停止を行う半導体素子により構成されている。

次に、モータリレー１８ｕ，１８ｖの電気的な接続について説明する。第２金属基板１５上の配線パターンにより、モータリレー１８ｕは、前記半導体スイッチとしてのＭＯＳＦＥＴ１２の出力端子１４ｕと、前記電動モータ７の入力端子１６ｕとの間に接続され、モータリレー１８ｖは、前記半導体スイッチとしてのＭＯＳＦＥＴ１２の出力端子１４ｖと、前記電動モータ７の入力端子１６ｖとの間に接続されている。そして、半導体スイッチとしてのＭＯＳＦＥＴ１２の出力端子１４ｗと、前記電動モータ７の入力端子１６ｗとは、モータリレーを介在させることなく直接に接続されている。

モータリレー１８を実装した前記第２金属基板１５は、前記第２金属基板１５のアルミニュウム板の部分が、モータハウジング７ａの内面に押圧保持されている。そして、押圧するために、図２に示す保持部材１９が設けられている。該保持部材１９は、図１に示すように水平方向に沿って長い３つの接続金具２０ｕ，２０ｖ，２０ｗを絶縁材料としての樹脂によりモールドしたものである。

図２のように、保持部材１９は軸方向に沿う板状に形成されており、該保持部材１９には、後述するレゾルバ信号端子２５の配線スペースを確保するため一方側に２つの凸部１９ａが形成され、他方側には前記モータリレー１８ｕ，１８ｖが入り込む２つの凹部１９ｂが形成されている。保持部材１９の下部には水平方向へ突出する取付座１９ｃが形成され、該取付座１９ｃに形成された取付孔にネジ２１を挿通させてモータハウジング７ａの隔壁７ｇにねじ込み、該保持部材１９をモータハウジング７ａに結合することにより、第２金属基板１５が保持部材１９とモータハウジング７ａとの間に挟まれてモータハウジング７ａの内面に押圧されている。

前記電動モータ７の電機子巻線７ｅの端部２３ｕ，２３ｖ，２３ｗが軸方向に沿って出力軸７ｃのピニオン７ｄとは反対側へ導かれて隔壁７ｇを貫通しており、これらの電機子巻線７ｅの端部２３ｕ，２３ｖ，２３ｗが、樹脂モールドされた前記３つの接続金具２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの半径方向内側の一方の端部に溶接結合されている。そして、モールドされた３つの接続金具２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの半径方向外側の端部は、ネジ２２ａとナット２２ｂとを介して前記入力端子１６ｕ，１６ｖ，１６ｗの下端に接続されている。前記ネジ２２ａをモータハウジング７ａの外部から回動できるように、モータハウジング７ａを貫通する作業孔７ｋが形成されている。

図１，図２における符号２４はレゾルバであり、２４ａは電動モータ７の出力軸７ｃに固定されたロータ、２４ｂは隔壁７ｇに固定されてロータ２４ａの回転数を検出するステータである。レゾルバ２４が検出した出力軸７ｃの回転数を制御回路１０へ送るため、レゾルバ２４とプリント基板１３とを接続する６本のレゾルバ端子２５が、軸心方向に沿って配置されている。
（作用）
次に、電動パワーステアリング装置の作用を説明する。

ステアリングホィールが操作されることによりステアリングシャフト１がいずれかの方向へ回動操作されると、該ステアリングシャフト１の回動方向と回動トルクとをトルクセンサ５が検出し、該検出値に基づいて制御回路が電動モータ７の駆動操作量を演算し、この演算した数値に基づいて電力変換回路２６のＭＯＳＦＥＴ１２により電動モータ７が駆動される。電動モータ７の出力軸７ｃはステアリングシャフト１を操作方向と同じ方向へ駆動するように回動され、出力軸７ｃの回動は、ピニオン７ｄから図５のギヤ９を介してステアリングシャフト１へ伝達される。

この実施の形態によれば、電動モータ７の電機子巻線７ｅで発生した熱は電機子巻線７ｅの端部２３ｕ，２３ｖ，２３ｗから接続金具２０ｕ，２０ｖ，２０ｗを介して入力端子１６ｕ，１６ｖ，１６ｗへ伝わり、該入力端子１６ｕ，１６ｖ，１６ｗから第２金属基板１５，絶縁材を介してモータハウジング７ａへと伝わり、該モータハウジング７ａの外部から大気中へ放出され、あるいは該モータハウジング７ａからモータハウジング７ｂを介してギヤ９へも伝わる。また、電動モータ７の電機子巻線７ｅで発生した熱だけでなく、モータリレー１８としての半導体素子で発生した熱も、第２金属基板１５を介してモータハウジング７ａに伝わり、該モータハウジング７ａの外部から大気中へ放出され、あるいは該モータハウジング７ａからモータハウジング７ｂを介してギヤ９へも伝わる。

一方、ＭＯＳＦＥＴ１２で発生した熱は第１金属基板１１を介してＥＣＵハウジング８ａに伝達され、該ＥＣＵハウジング８ａの外部から大気中へ放出される。

この電動パワーステアリング装置によれば、電動モータ７の電機子巻線７ｅで発生した熱は電動モータ７の入力端子１６ｕ，１６ｖ，１６ｗと第２金属基板１５とを介してモータハウジング７ａへと伝わり、該モータハウジング７ａの外部から大気中へ放出され、あるいは該モータハウジング７ａからモータハウジング７ｂを介してギヤ９へも伝わるので、電動モータ７の放熱性が向上する。また、電動モータ７の電機子巻線７ｅで発生した熱が出力端子１４ｕ，１４ｖ，１４ｗを介して半導体スイッチとしてのＭＯＳＦＥＴ１２へ伝わるのが抑制される。

この電動パワーステアリング装置によれば、電動モータ７の電機子巻線７ｅで発生した熱はモータハウジング７ａへ伝達される一方、ＭＯＳＦＥＴ１２で発生した熱はＥＣＵハウジング８ａに伝達され、異なるハウジングの外部から大気中へ夫々放出されるので、放熱効率が良い。換言すると、分散して放熱されるので、ハウジングの熱マスを増大させることなく、適正な放熱が実現できる。

この実施の形態によれば、第２金属基板１５がモータハウジング７ａの内面に押圧されているので、第２金属基板１５とモータハウジング７ａとが密着し、第２金属基板１５からモータハウジング７ａへ効率よく熱が伝わる。

この電動パワーステアリング装置によれば、第２金属基板１５がモータハウジング７ａに密着するので、第２金属基板１５からモータハウジング７ａへ効率よく熱が伝わり、電動モータ７の電機子巻線７ｅで発生した熱はモータハウジング７ａの外部から大気中へ効率よく放出される。また、保持部材１９によるモータハウジング７ａへの第２金属基板１５の押圧保持により、第２金属基板１５がモータハウジング７ａに強固に固定され、第２金属基板１５の取り付け性が高い。

この電動パワーステアリング装置によれば、モータリレー１８を半導体素子により構成したので、半導体素子で発生した熱は第２金属基板１５を介してモータハウジング７ａに伝わり、該モータハウジング７ａの外部から大気中へ放出され、あるいは該モータハウジング７ａからモータハウジング７ｂを介してギヤ９へも伝わることになり、構造上からリレー内に熱がこもる機械式リレーに比べて放熱性が高く、モータハウジング７ａ内の温度上昇が抑制される。

半導体スイッチとしてのＭＯＳＦＥＴ１２と電動モータ７の電機子巻線７ｅとで発生した熱が他の部分へ伝達する際の伝達量の大きさを、従来の場合の図６（ａ）と本実施の形態の場合の図６（ｂ）とに示す。ＭＯＳＦＥＴ１２で発生した熱がいずれも矢印（イ）（ロ）で示すように第１金属基板１１を介してＥＣＵハウジング（ヒートシンク）８ａへ伝達される点については、従来と本実施の形態とで大差がない。一方、電動モータの電機子巻線で発生した熱は、従来は図６（ａ）に矢印（ハ）（ニ）（ホ）で示すように多くがバスバ端子，モータリレーを介してＭＯＳＦＥＴへ流れ、モータリレーで発生した熱も矢印（ホ）で示すようにＭＯＳＦＥＴへ流れ、残りの一部が矢印（へ）（ト）で示すようにモータハウジングを介してギヤへ伝達されていた。また、温度が高くなったモータハウジングから温度が低いＥＣＵハウジング（ヒートシンク）へも矢印（チ）で示すように熱が伝達されていた。

これに対し、本実施の形態では図６（ｂ）に示すように、ＭＯＳＦＥＴ１２と電動モータ７の電機子巻線７ｅとで発生した熱の一部は矢印（リ）（ヌ）で示すように共に中央部の第２金属基板１５へ伝達され、該第２金属基板１５から矢印（ル）（ヲ）で示すようにモータハウジング７ａ，７ｂおよびＥＣＵハウジング８ａへ伝達され、電機子巻線７ｅおよびモータリレー１８ｕ，１８ｖで発生した熱の残りは矢印（ワ）（カ）で示すようにモータハウジング７ａ，７ｂを介してギヤ９へ伝達される。温度が高くなったＥＣＵハウジング（ヒートシンク）８ａからは、矢印（ヨ）で示すようにモータハウジング７ａ，７ｂへ熱が伝達される。

ＭＯＳＦＥＴ１２では発熱量が多いので、ＭＯＳＦＥＴ１２の自己放熱には限界があり、電動モータ７の電機子巻線７ｅとモータリレー１８ｕ，１８ｖとで発生した熱がＭＯＳＦＥＴ１２へ伝達されると、過大な熱がＭＯＳＦＥＴ１２に蓄積されることになり、ＭＯＳＦＥＴ１２に蓄熱される熱量が多くなると電動パワーステアリングのフェイルセーフ機能が作用し、電動モータの駆動力を低下させて操舵駆動力を徐々に下げ、最終的には電動モータを停止させることから、ステアリングホィールの操作が重くなる。本実施の形態では電動モータ７の電機子巻線７ｅとモータリレー１８ｕ，１８ｖとで発生した熱は、第２金属基板１５を介してモータハウジング７ａ，７ｂおよびＥＣＵハウジング８ａへ伝達されることから、ＭＯＳＦＥＴ１２への伝達が抑制され、電動パワーステアリングのフェイルセーフ機能が作用するのを抑制する。

半導体スイッチとしてのＭＯＳＦＥＴ１２と電動モータ７の電機子巻線７ｅおよびモータリレー１８ｕ，１８ｖとで発生した熱の伝達による各部の時間と温度との関係を、従来の場合の図７（ａ）と本実施の形態の場合の図７（ｂ）とに示す。ギヤおよびモータハウジングにおける温度は従来と本実施の形態との間に差はないが、電動モータの入力端子の温度は、従来に対して本実施の形態では温度が低くなっているのがわかる。

なお、通電部材として第２金属基板１５を用いたが、金属基板以外の部材を用いることもできる。また、第２金属基板１５を保持部材１９を介してモータハウジング７ａに押圧しているが、金属基板をボルトにより直接にモータハウジング７ａに押圧してもよい。更に、通電部材をモータハウジング７ａの内面に当接させたが、ＥＣＵハウジング８ａの内面に当接させてもよい。

１…ステアリングシャフト
７…電動モータ
７ａ，７ｂ…モータハウジング
８…コントロールユニット
８ａ…ＥＣＵハウジング
１０…制御回路
１２…ＭＯＳＦＥＴ（半導体スイッチ）
１４ｕ，１４ｖ，１４ｗ…出力端子
１５…第２金属基板（通電部材・金属基板）
１６ｕ，１６ｖ，１６ｗ…入力端子
１９…保持部材
２６…電力変換回路

Claims (2)

1. ステアリングシャフトに操舵補助力を付与する電動モータと、該電動モータを制御するコントロールユニットとにより構成され、
   前記電動モータは、筒部を有するモータハウジングに収容され、
   前記コントロールユニットは、前記モータハウジングの軸方向の出力軸とは反対側に配置されたＥＣＵハウジングと、該ＥＣＵハウジングの内部に収容され前記電動モータを駆動制御するための半導体スイッチが実装された第１基板により構成される電力変換回路と、を備えた電動パワーステアリング装置において、
   前記第１基板とは別異の金属基板である第２基板上に配線パターンを形成してなる通電部材を設け、
   該通電部材により前記半導体スイッチの出力端子と前記電動モータの入力端子とを電気接続すると共に、
   該通電部材の金属板の部分を、前記モータハウジングまたは前記ＥＣＵハウジングの内面に当接させたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 請求項１に記載の電動パワーステアリング装置において、
   前記第２基板を保持するため絶縁材料からなる保持部材を設け、該保持部材を前記いずれかのハウジングに結合することにより、前記第２基板が前記保持部材と前記いずれかのハウジングとの間に挟まれて前記いずれかのハウジングの内面に押圧されていることを特徴とする電動パワーステアリング装置。