JP5807846B2 - 駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータと当該モータを制御する制御部とを一体にした駆動装置に関する。

従来、運転者の操舵をモータの駆動力によってアシストする電動パワーステアリングシステム（以下「ＥＰＳ」という。）に用いられる駆動装置において、モータとそのモータの駆動を制御する制御部とを一体にした機電一体型の駆動装置が知られている。例えば、特許文献１に記載の駆動装置では、半導体モジュールをヒートシンクに設けることで放熱を図る。

特開２０１１−１７７００１号公報

ところが、特許文献１に記載の駆動装置では、ヒートシンクがカバー内に密閉されているため、ヒートシンクの放熱性能を十分に発揮することができない。
本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、放熱性能を向上させる駆動装置を提供することにある。

本発明は、シャフトを有するモータ、フレームエンド、および、ヒートシンクを有する制御部を備える駆動装置において、駆動素子は、シャフトの中心軸と直交する方向において、ヒートシンクと側壁との間に設けられている。また、ヒートシンク、駆動素子、およびフレームエンドをシャフトの軸方向と平行な平面に投影したとき、ヒートシンクと駆動素子とフレームエンドとは少なくとも一部が重なることを特徴としている。

これにより、ヒートシンクとフレームエンドとの接触面積を増大させることができ、ヒートシンクからフレームエンドへの熱伝導を促進することができる。よって、駆動装置の放熱性能を向上させることができる。
また、ヒートシンクとフレームエンドとが径方向に重なるため、駆動装置の軸方向の体格を小さくすることができる。

本発明の第１実施形態による駆動装置の電気的構成を示す模式図。 本発明の第１実施形態による駆動装置の機械的構成を示す分解斜視図。 本発明の第１実施形態による駆動装置の制御部を示す側面図。 図３のＩＶ−ＩＶ線断面図。 図３のＶ−Ｖ線断面図。 本発明の第２実施形態による駆動装置を示す断面図。 本発明の第３実施形態による駆動装置を示す断面図。 本発明の第４実施形態による駆動装置を示す断面図。

以下、本発明の複数の実施形態を図に基づいて説明する。なお、複数の実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による駆動装置は車両のＥＰＳに適用される。本実施形態による駆動装置を図１〜５に示す。
図１、２に示すように、駆動装置１は、車両のＥＰＳに適用され、モータ２０、フレームエンド３１、および制御部４０を備える。駆動装置１は、車両の左右の操舵輪９を接続するラック１０に対し、後述するシャフト２４とラック１０の軸とを平行にして取り付けられる。運転者によってステアリングホイール５が操舵されると、その操舵によってステアリングシャフト６に生じるトルクがトルクセンサ７により検出される。駆動装置１は、トルクセンサ７から出力される信号、および図示しないＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）から伝送される車速信号などに基づき、操舵をアシストするためのトルクを発生する。このトルクは、モータ２０の出力端２４２からギア８を経由しラック１０に伝達される。

まず、制御部４０の電気的構成を図１に基づいて説明する。図１に示すように、制御部４０の電気回路は、大電流をモータ２０に供給する駆動回路６０、この駆動回路６０を制御する制御回路７０から構成されている。
駆動回路６０は、第１平滑コンデンサ６２、チョークコイル６４、及び二組のインバータ回路９１、９２を有している。

第１平滑コンデンサ６２とチョークコイル６４とは、フィルタ回路を構成し、電源１００を共有する他の装置から伝わるノイズを低減する。チョークコイル６４は、電源１００と電源リレー９７、９８との間の配線に直列接続され電源変動を減衰する。

一方のインバータ回路９１は、電界効果トランジスタの一種であるＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor、以下、「ＭＯＳ」という。）９１１〜９１６を有している。ＭＯＳ９１１〜９１６は、ゲート電位により、ソース−ドレイン間がＯＮ／ＯＦＦされる。

上アーム側のＭＯＳ９１１、９１２、９１３は、ドレインが電源側に接続され、ソースが対応する下アーム側のＭＯＳ９１４、９１５、９１６のドレインに接続されている。下アーム側のＭＯＳ９１４、９１５、９１６のソースは、シャント抵抗９９を介してグランドに接続されている。上アーム側のＭＯＳ９１１、９１２、９１３と対応する下アーム側のＭＯＳ９１４、９１５、９１６との接続点は、モータ２０に電気的に接続されている。
他方のインバータ回路９２は、上述した一方のインバータ回路９１と同様の構成であるので説明を省略する。

駆動回路６０は、二組のインバータ回路９１、９２それぞれに電源リレー９７、９８を有している。電源リレー９７、９８は、ＭＯＳ９１１〜９１６と同様のＭＯＳＦＥＴにより構成されている。電源リレー９７、９８は、ＭＯＳ９１１〜９１３とチョークコイル６４との間に設けられ、異常時にＭＯＳ９１１〜９１６を経由してモータ２０側へ電流が流れるのを遮断可能である。

シャント抵抗９９は、ＭＯＳ９１４〜９１６とグランドとの間に電気的に接続される。シャント抵抗９９に印加される電圧または電流を検出することにより、モータに通電される電流を検出する。

第２平滑コンデンサ６３は、上アーム側のＭＯＳ９１１〜９１３の電源側の配線と、下アーム側のＭＯＳ９１４〜９１６のグランド側の配線に接続されている。つまり、第２平滑コンデンサ６３は、ＭＯＳ９１１〜９１６と並列接続されている。第２平滑コンデンサ６３は、電荷を蓄えることで、ＭＯＳ９１１〜９１６への電力供給を補助し、また電流の切り替えにより生じるリップル電流を吸収する。

制御回路７０は、プリドライバ７３、カスタムＩＣ７５、回転角センサ７４、及びマイコン７２を備えている。カスタムＩＣ７５は、機能ブロックとして、位置センサ信号増幅部７５１、レギュレータ部７５２、及び検出電圧増幅部７５３を有している。

レギュレータ部７５２は、電源を安定化する安定化回路である。レギュレータ部７５２は、各部へ供給される電源の安定化を行う。例えばマイコン７２は、このレギュレータ部７５２により、安定した所定電圧（例えば５Ｖ）で動作する。

位置センサ信号増幅部７５１には、回転角センサ７４からの信号が入力される。回転角センサ７４は、モータ２０の回転位置信号を検出し、検出された回転位置信号は、位置センサ信号増幅部７５１に送られる。位置センサ信号増幅部７５１は、回転位置信号を増幅してマイコン７２へ出力する。
検出電圧増幅部７５３は、シャント抵抗９９の両端電圧を検出し、その両端電圧を増幅してマイコン７２へ出力する。

マイコン７２には、モータ２０の回転位置信号、シャント抵抗９９の両端電圧、操舵トルク信号、及び、車速情報等が入力される。マイコン７２は、これらの信号が入力されると、回転位置信号に合わせてプリドライバ７３を介してインバータ回路９１を制御する。具体的にマイコン７２は、プリドライバ７３により６つのＭＯＳ９１１〜９１６のゲート電圧を変化させ、ＭＯＳ９１１〜９１６のＯＮ／ＯＦＦを切り替えることで、インバータ回路９１を制御する。

また、マイコン７２は、検出電圧増幅部７５３から入力されるシャント抵抗９９の両端電圧に基づき、モータ２０へ供給する電流を正弦波に近づけるようにインバータ回路９１を制御する。なお、マイコン７２は、一方のインバータ回路９１を制御するのと同様に他方のインバータ回路９２を制御する。

次に、駆動装置１の機械的構成について、図２〜５に基づいて説明する。
図２、３に示すように、モータ２０、フレームエンド３１、および制御部４０は、後述するシャフト２４の中心軸（以下、シャフト２４の中心軸を「回転軸」という）Ｏ方向に並べて配置され、フレームエンド３１はモータ２０と制御部４０との間に設けられている。また、回転軸Ｏと垂直な方向を「径方向」という。回転軸Ｏ方向において、制御部４０側を「一端側」といい、モータ２０側を「他端側」という。

モータ２０は、モータケース２１、ステータ２２、ロータ２３およびシャフト２４を有している。
モータケース２１は、例えば鉄板をプレス加工して有底筒状に形成され、モータ２０の外郭を形成する。モータケース２１は、筒状の周部２１１と、この周部２１１の中心軸方向の他端側に設けられる底部２１２とを有する。モータケース２１の周部２１１の一端側の開口は後述するフレームエンド３１が設けられている。

ステータ２２は、モータケース２１の周部２１１の内壁に設けられ、磁性材料の薄板を積層してなる積層鉄心に巻線２２１が巻回することで形成される。巻線２２１から引き出されたモータ線２２２は、制御部４０側へ引き出されている。モータ線２２２は、制御基板４４およびパワーモジュール４１、４２の径方向外側を通って駆動基板４３に電気的に接続されている。

ロータ２３は、ステータ２２の径方向内側に、ステータ２２に対して相対回転可能に設
けられている。ロータ２３は、例えば鉄等の磁性体から筒状に形成されている。ロータ２３は、ロータコア２３１、ロータコア２３１の径方向外側に設けられている永久磁石２３２、および、ロータコア２３１を覆うロータカバー２３３を有している。永久磁石２３２は、Ｎ極とＳ極とが周方向に交互に配列されている。

シャフト２４は、ロータコア２３１の中心に形成された軸穴２３４に固定されている。シャフト２４は、モータケース２１の底部２１２に設けられる軸受２１３および後述するフレームエンド３１に設けられる軸受３１３によって回転可能に支持されている。これにより、シャフト２４はロータ２３と共に、ステータ２２に対し相対回転可能となる。

シャフト２４は、制御部４０側の端部にマグネット２４１を有している。このマグネット２４１は、制御部４０側に露出し、制御基板４４のモータ２０側の端面と対向する。
一方、シャフト２４は、制御部４０の反対側の端部に出力端２４２を有する。出力端２４２は、シャフト２４が回転することによって、ギア８と連結し、ギア８を回転させることによりラック１０を駆動する（図１参照）。

フレームエンド３１は、例えば、アルミ等の熱伝導性の良い金属により形成され、モータケース２１の一端側に設けられている。フレームエンド３１は、有底筒状に形成され、支持部としての底壁３１１および側壁３１２を有する。

底壁３１１の中央には、シャフト２４を回転可能に支持する軸受３１３が設けられている。また、底壁３１１の径方向において互いに対向する位置に保持部材３１４が設けられている。保持部材３１４は複数の貫通孔３１５を有する。保持部材３１４は貫通孔３１５を通るモータ線２２２を支持する。

側壁３１２は、底壁３１１の径方向外側の縁部から回転軸Ｏ方向の一端側に立設され、周方向に延びて形成される。底壁３１１と側壁３１２とは、一端側に開口する収容空間３１０を有する。

制御部４０は、ヒートシンク４５、駆動素子としての二つのパワーモジュール４１、４２、駆動基板４３、制御基板４４、コネクタ４６、コンポーネントキャリア４７、および、カバー４８などを有する。

ヒートシンク４５は、例えばアルミなどの熱伝導性の高い金属から形成され、回転軸Ｏ方向において、フレームエンド３１の底壁３１１の一端側に設けられている。ヒートシンク４５は、回転軸Ｏ方向の一部がフレームエンド３１の収容空間３１０内に収容されるよう設けられる。つまり、ヒートシンク４５およびフレームエンド３１を回転軸Ｏ方向と平行な平面に投影したとき、ヒートシンク４５とフレームエンド３１とは一部が重なる。また、ヒートシンク４５は、フレームエンド３１の側壁３１２の内壁面と当接するよう設けられる（図５参照）。ヒートシンク４５は、回転軸Ｏを挟んで向き合うように設けられた２個のブロック４５１、４５２を有する。

一方のパワーモジュール４１は、一方のインバータ回路９１を形成する電源リレー９７、９８、ＭＯＳ９１１〜９１６、シャント抵抗９９およびそれらを接続する配線などを樹脂等の封止体で覆うことで構成される。

他方のパワーモジュール４２は、他方のインバータ回路９２を形成するＭＯＳなどを樹脂等の封止体で覆うことで構成される。一方のパワーモジュール４１と他方のパワーモジュール４２とは、実質的に同一の構成である。

パワーモジュール４１、４２は、径方向において、ヒートシンク４５とフレームエンド３１との間に設けられる。一方のパワーモジュール４１は一方のブロック４５１の外壁に取り付けられ、他方のパワーモジュール４２は他方のブロック４５２の外壁に取り付けられる。これにより、パワーモジュール４１、４２は、回転軸Ｏに対して対称配置されている。ここでいう「対称」は、厳密な意味での対称でなくてもよい。また、パワーモジュール４１、４２は、回転軸Ｏ方向と平行となるよう、ヒートシンク４５に設けられる。ここでいう、「平行」は、厳密な意味での平行でなくでもよい。

駆動基板４３には、上述した駆動回路６０を構成する第２平滑コンデンサ６３等が実装される。また、駆動基板４３には、電源１００から供給された電流が２個のパワーモジュール４１、４２を経由し、モータ２０の三相巻線に流れる配線が形成される。よって、駆動基板４３には、ＭＯＳ９１１〜９１６が電気的に接続され、モータ２０を駆動する駆動電流が流れる。駆動基板４３は、ヒートシンク４５の一端側に取り付けられ、ヒートシンク４５と当接する。

一方、制御基板４４には、制御部４０を構成するカスタムＩＣ７５、回転角センサ７４、マイコン７２およびプリドライバ７３等が実装される。制御基板４４には、２個のパワーモジュール４１、４２のＭＯＳ９１１〜９１６オンオフの切り替え動作を制御する信号を送信する配線が形成される。よって、制御基板４４には、ＭＯＳ９１１〜９１６が電気的に接続され、モータ２０を制御する制御電流が流れる。制御基板４４は、ヒートシンク４５の他端側に取り付けられ、ヒートシンク４５と当接する。

図４、５に示すように、ヒートシンク４５、パワーモジュール４１、４２、駆動基板４３、制御基板４４、および、フレームエンド３１が回転軸Ｏ方向に投影されたとき、ヒートシンク４５、パワーモジュール４１、４２、駆動基板４３、および制御基板４４がフレームエンド３１の内側に入る。

コネクタ４６およびコンポーネントキャリア４７は、例えば樹脂から一体に形成され、ヒートシンク４５から見て出力端２４２と反対側に設けられる。

コンポーネントキャリア４７は、モータ２０の回転軸Ｏ方向に対し略垂直に延びる略矩形の平板部４７１と、平板部４７１の矩形角部分からヒートシンク側に延びる足部４７２を有する。足部４７２に設けられた孔にボルト２５１が差し込まれ、コンポーネントキャリア４７とヒートシンク４５とフレームエンド３１とが固定される。コンポーネントキャリア４７には、コネクタ４６、チョークコイル６４、および第１平滑コンデンサ６２が電気的に接続されているコネクタ基板４６０が設けられる。コネクタ基板４６０は、信号配線４６１と電気的に接続している。また、信号配線４６１は、制御基板４４の電子回路と電気的に接続している。

カバー４８は、有底筒状に形成され、ヒートシンク４５、制御基板４４、駆動基板４３、コンポーネントキャリア４７を収容する。カバー４８は、ボルト２５２によりフレームエンド３１に固定される。
カバー４８は、出力端２４２と反対側にコネクタ４６が通る孔４８１を有する。コネクタ４６は、カバー４８の内側から孔４８１を通り、出力端２４２と反対側に延びている。

本実施形態の駆動装置１が奏する効果について説明する。
本実施形態では、ヒートシンク４５およびフレームエンド３１を回転軸Ｏ方向と平行な平面に投影したとき、ヒートシンク４５とフレームエンド３１とは一部が重なる。これにより、ヒートシンク４５とフレームエンド３１との接触面積を増大させることができ、ヒートシンク４５からフレームエンド３１への熱伝導を促進することができる。よって、駆動装置１の放熱性能を向上させることができる。
また、ヒートシンク４５およびフレームエンド３１を回転軸Ｏ方向と平行な平面に投影したとき、ヒートシンク４５とフレームエンド３１とは一部が重なるため、駆動装置１の回転軸Ｏ方向の体格を小さくすることができる。

本実施形態では、パワーモジュール４１、４２は、回転軸Ｏ方向と平行となるよう、ヒートシンク４５に設けられる。これにより、駆動装置１の径方向の体格を小さくすることができる。

本実施形態では、パワーモジュール４１、４２は、径方向において、ヒートシンク４５とフレームエンド３１との間に設けられる。これにより、駆動装置１の回転軸Ｏ方向の体格を小さくすることができる。

本実施形態では、パワーモジュール４１、４２は、回転軸Ｏに対して対称配置されている。これにより、パワーモジュール４１、４２の配置設計や取り付け作業に要する時間が短縮される。

本実施形態では、駆動基板４３はブロック４５１、４５２の一端側の端面に当接し、制御基板４４はブロック４５１、４５２の他端側の端面に当接する。これにより、駆動基板４３および制御基板４４からヒートシンク４５への熱伝導を促進することができる。

本実施形態では、ヒートシンク４５、パワーモジュール４１、４２、駆動基板４３、制御基板４４、第１平滑コンデンサ６２、チョークコイル６４、第２平滑コンデンサ６３、カスタムＩＣ７５、回転角センサ７４、マイコン７２、プリドライバ７３、および、フレームエンド３１が回転軸Ｏ方向に投影されたとき、ヒートシンク４５、パワーモジュール４１、４２、駆動基板４３、制御基板４４、第１平滑コンデンサ６２、チョークコイル６４、第２平滑コンデンサ６３、カスタムＩＣ７５、回転角センサ７４、マイコン７２、およびプリドライバ７３等がフレームエンド３１の内側に入る。これにより、駆動装置１の径方向体格を小さくすることができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による駆動装置を図６に示す。
図６に示すように、本実施形態では、フレームエンド３２は、側壁３１２の径方向外側の壁面（以下、「外壁面」という）に凹凸部３２１が形成されている。凹凸部３２１は、側壁３１２から径方向外側に突出し回転軸Ｏ方向に延びる凸部３２２、および、側壁３１２から径方向内側に窪み回転軸Ｏ方向に延びる凹部３２３を有する。凸部３２２と凹部３２３とは周方向に交互に配置されている。

本実施形態では、フレームエンド３２の側壁３１２の径方向外壁面に凹凸部３２１が形成されるため、フレームエンド３２の側壁３１２の外壁面の面積が増大する。よって、フレームエンド３２の放熱性能を向上させることができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態による駆動装置を図７に示す。
図７に示すように、本実施形態では、フレームエンド３３は、側壁３１２の外壁面に凹凸部３３１が形成されている。凹凸部３３１は、側壁３１２から径方向外側に突出し周方向に延びる凸部３３２、および、側壁３１２から径方向内側に窪み周方向に延びる凹部３３３を有する。凸部３３２と凹部３３３とは回転軸Ｏ方向に交互に配置されている。

本実施形態では、フレームエンド３３の側壁３１２の径方向外壁面に凹凸部３２１が形成されるため、フレームエンド３３の側壁３１２の外壁面の面積が増大する。よって、フレームエンド３３の放熱性能を向上させることができる。

（第４実施形態）
本実施形態の第４実施形態による駆動装置を図８に示す。
図７に示すように、本実施形態では、放熱部材８０をさらに備える。放熱部材８０は、径方向において、フレームエンド３１の側壁３１２とパワーモジュール４１、４２との間に設けられる。放熱部材８０は、例えば熱伝導性の良いシリコンなどにより形成され、フレームエンド３１の側壁３１２の内壁面、および、パワーモジュール４１、４２と当接するよう設けられている。
これにより、パワーモジュール４１、４２およびヒートシンク４５から、フレームエンド３１への熱伝導を促進する効果を高めることができる。

（他の実施形態）
上述した実施形態では、駆動装置を車両のＥＰＳに適用する例を示した。これに対し、他の実施形態では、駆動装置を他の分野へ適用することとしても良い。

上述した実施形態では、モータのギアボックスと反対側に制御部を設ける例を示した。これに対し、他の実施形態では、モータとギアボックスとの間に制御部を設けることとしても良い。この場合、モータのシャフトは、対峙するヒートシンクの間に形成される空間を通過しつつ、制御基板および駆動基板を貫通し、ギアボックス側へ延設される。
上述した実施形態では、二組のインバータ回路によりモータを駆動する例を示した。これに対し、本発明は、一組または三組以上のインバータ回路によりモータを駆動することとしても良い。

上述した実施形態では、ヒートシンクおよびフレームエンドを回転軸と平行な平面に投影したとき、ヒートシンクとフレームエンドとが一部が重なる例を示した。これに対し、他の実施形態では、ヒートシンクおよびフレームエンドを回転軸と平行な平面に投影したとき、ヒートシンクとフレームエンドとが全部が重なることとしても良い。

以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

１・・・駆動装置、
２０・・・モータ、
２１・・・モータケース、
２２・・・ステータ、
２３・・・ロータ、
２４・・・シャフト、
３１、３２、３３・・・フレームエンド、
３１１・・・底壁（支持部）、
３１２・・・側壁、
４０・・・制御部、
４１、４２・・・パワーモジュール（駆動素子）、
４５・・・ヒートシンク。

Claims (8)

1. 筒状のモータケース（２１）、当該モータケースに固定されるステータ（２２）、当該ステータの径方向内側に設けられるロータ（２３）、および、当該ロータと共に回転するシャフト（２４）を有するモータ（２０）と、
   前記モータケースの中心軸方向の一端に設けられる側壁（３１２）、および、前記シャフトを回転可能に支持する支持部（３１１）を有するフレームエンド（３１、３２、３３）と、
   前記支持部の前記モータケースとは反対側に設けられ、前記フレームエンドに当接するヒートシンク（４５）、および、当該ヒートシンクに当接し前記モータを駆動する駆動素子（４１、４２）を有する制御部（４０）と、を備え、
   前記駆動素子は、前記シャフトの中心軸と直交する方向において、前記ヒートシンクと前記側壁との間に設けられており、
   前記ヒートシンク、前記駆動素子、および前記フレームエンドを前記シャフトの中心軸方向と平行な平面に投影したとき、前記ヒートシンクと前記駆動素子と前記フレームエンドとは少なくとも一部が重なることを特徴とする駆動装置。
2. 前記フレームエンド（３２、３３）は、前記側壁の径方向外側の壁面が凹凸状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記シャフトと直交する方向において、前記側壁と前記駆動素子との間に設けられ、前記側壁および前記駆動素子に当接する放熱部材（８０）をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の駆動装置。
4. 前記駆動素子は、前記シャフトの中心軸と平行に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の駆動装置。
5. 前記駆動素子は複数設けられ、
   複数の前記駆動素子は、前記シャフトの中心軸に対して対称配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の駆動装置。
6. 前記ヒートシンクの前記フレームエンド側に設けられ、前記ヒートシンクと当接し、前記駆動素子に電気的に接続され、前記モータを制御する制御電流が流れる制御基板（４４）をさらに備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の駆動装置。
7. 前記ヒートシンクの前記フレームエンドとは反対側に設けられ、前記ヒートシンクと当接し、前記駆動素子に電気的に接続され、前記モータを駆動する駆動電流が流れる駆動基板（４３）をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の駆動装置。
8. 前記フレームエンド、前記ヒートシンク、前記駆動素子、前記制御基板、および前記駆動基板を前記シャフトの中心軸と直交する平面に投影したとき、前記フレームエンドの内側に前記ヒートシンク、前記駆動素子、前記制御基板、および前記駆動基板が入ることを特徴とする請求項７に記載の駆動装置。

Images