JP5229612B2

JP5229612B2 - 電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP5229612B2
Application number: JP2008132390A
Authority: JP
Inventors: 宏暢高橋; 将宏前田; 伸行小林
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2008-05-20
Filing date: 2008-05-20
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2028-05-20
Also published as: JP2009280018A

Description

本発明は、車両に搭載する電動パワーステアリング装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、電動パワーステアリング装置のコントロールユニット（ＥＣＵ）の構造に関する。

近年、車両の多くには、電動パワーステアリング（ＥＰＳ）装置が装備されている。電動パワーステアリング装置は、一般に、転舵輸に加わる操舵トルクを検出するトルクセンサと、運転者の操作を補助するモータと、このモータの駆動を制御するＥＣＵとを備え、トルクセンサで検出された操舵トルクに応じてモータを駆動させている。モータの回転出カは操舵補助トルクとなり、この回転出力が歯車機構により減速されて操舵機構の出力軸に伝達される。これにより、ステアリングホイールに与えられる操舵力が補助されつつ、車両の操舵が行われる。

従来、このような電動パワーステアリング装置として、機電一体構造（アクチュエータ部と電子制御部とが一体に設けられた構造）のものが開示されている。このような電動パワーステアリング装置においては、例えば、ギアボックスにモータ及びコントロールユニット（制御ユニット）が並設され、モータ及びコントロールユニットと近接対向する位置に接続端子及び端子台の何れか一方が少なくとも軸方向と交差する方向に突出して形成されている。

また、近接配置構造の電動パワーステアリング装置として、従来、例えば特許文献１に示されているものがある。その構成は、コントロールユニットがモータ近傍に配置され、モータ端子接続は、コントロールユニットの開口部からバスバーが突出しており、モータ内部に設けられたモータコイルに接続されている中継線にネジで接続される、というものである。
特許第３５９３１０２号公報

しかしながら、上述のような構成の電動パワーステアリング装置においては、汎用性とレイアウト自由度が制限されることがある。すなわち、従来の電動パワーステアリング装置にあっては、車種毎にコントロールユニットの搭載場所が変化することから、コントロールユニットは、その基板構成やケース形状、コネクタ位置など、コントロールユニット構造そのものを変更せざるを得ない状況にある。このため、車種毎に新規開発・設計を行わなければならない。

また、機電一体の構造の場合には、ギアボックスから離れた位置に配置しようとするとコントロールユニットの形状や回路基板を含む大幅な設計変更が必要になることがある。

さらに、特許文献１のようにコントロールユニットをモータ近傍に配置した近接配置構造の場合には、接続端子位置やコネクタ位置を変更したい場合や、機電一体構造の配置にしようとした場合に、大きな設計変更を要することが予想される。

そこで、本発明は、コントロールユニットの搭載位置を変更しても大幅な設計変更を要さず車両に搭載可能な構造の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。

上記目的を達成するために、本発明は、操舵補助トルクを付与可能なモータと、それを駆動するコントロールユニットを備えた電動パワーステアリング装置において、コントロールユニットは、各種電子部品を搭載する制御回路基板と、モータ駆動用の半導体スイッチング素子などを搭載するパワー回路基板により構成され、制御回路基板は、パワー回路基板よりも大きいことを特徴としている。

また、本発明は、操舵補助トルクを付与可能なモータと、それを駆動するコントロールユニットを備えた電動パワーステアリング装置において、コントロールユニットは、各種電子部品を搭載する制御回路基板と、モータ駆動用の半導体スイッチング素子などを搭載するパワー回路基板により構成され、制御回路基板とパワー回路基板との距離Ａは、制御回路基板に搭載され尚かつ当該電動パワーステアリング装置の外部に突出しない部品の中で最も背の高い部品の当該高さＢ以下であることを特徴としている。

上述のごとき本発明によれば、当該コントロールユニットひいてはこれを搭載する装置の小型化を図りやすい。このため、車種毎にコントロールユニットの搭載場所が変化するとしても当該コントロールユニットの基板構成やケース形状、コネクタ位置などの変更を従来の場合よりも抑えることが可能である。したがって、電動パワーステアリング装置の汎用性とレイアウト自由度の制限を抑え、コントロールユニットの搭載位置を変更しても大幅な設計変更を要することなく車両に搭載可能な構造の装置を実現することができる。

また、本発明は、操舵補助トルクを付与可能なモータと、それを駆動するコントロールユニットを備えた電動パワーステアリング装置において、コントロールユニットは、各種電子部品を搭載する制御回路基板と、モータ駆動用の半導体スイッチング素子などを搭載するパワー回路基板により構成され、モータ側の端子と電気的に接続されるモータ接続端子が絶縁部材で覆われ、コントロールユニットのいずれの辺にも配置できるように延長されていることを特徴としている。

モータ接続端子が絶縁部材で覆われているこの電動パワーステアリング装置においては、モータ接続端子をコントロールユニット内部で配線することにより、コントロールユニット外周の任意の場所でモータと接続することが可能になる。これによれば、車両の車種毎にコントロールユニットの搭載場所が変化しても、当該コントロールユニットの基板構成やケース形状、コネクタ位置など、コントロールユニット自体の構造そのものを変更せずに対応することが可能である。このように汎用性やレイアウト自由度が向上するから、本発明にかかる電動パワーステアリング装置によれば車種毎の新規開発・設計を省略することも可能である。また、制御回路部を変更せずに、車両レイアウトに応じて形状を設定することができるから、汎用性が高く、開発、設計、製造期間を短縮できる。

この電動パワーステアリング装置において、モータ接続端子は、基板に接続する位置とモータ端子に接続する位置がコントロールユニットの異なる辺に存在する場合は、ケース内で延長し配線されることが好ましい。

また、この電動パワーステアリング装置において、ケースには、モータ接続端子をガイドする部位が設けられていることも好ましい。例えばモータ接続端子をケース内で延長して配線する場合、配線を引き回す際のガイドとして用いることができる。

また、本発明は、操舵補助トルクを付与可能なモータと、それを駆動するコントロールユニットを備えた電動パワーステアリング装置において、コントロールユニットは、各種電子部品を搭載する制御回路基板と、モータ駆動用の半導体スイッチング素子などを搭載するパワー回路基板により構成され、モータとコントロールユニットが近接して配置されている場合、モータ側の端子と電気的に接続されるモータ接続端子の各端子間距離は等間隔で配置され、コントロールユニットの固定部材の位置の中心に合わせ左右対称に配置されることを特徴としている。

このような電動パワーステアリング装置においては、コントロールユニットをモータ近傍に配置した近接配置構造であっても、接続端子位置やコネクタ位置を変更したい場合や機電一体構造の配置にしようとした場合に大きな設計変更を回避することが可能である。したがって、コントロールユニットの搭載位置を変更したとしても大幅な設計変更を要さず車両に搭載可能な構造の電動パワーステアリング装置を実現することができる。また、ボルトのみで脱着可能なユニット構造とすれば、例えば機電一体構造とする場合、コントロールユニット組付けの際に半田や溶接等の電気的接続を行わずに済むため、組付け性や汎用性を向上させることが可能である。

本発明の電動パワーステアリング装置によれば、コントロールユニットの搭載位置を変更しても大幅な設計変更を要さず車両に搭載することができる。

以下、本発明に係る電動パワーステアリング装置の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、電動パワーステアリング装置の一般的な構成例を示す図である。この電動パワーステアリング装置において、操向ハンドル１のコラム軸２は減速ギアのギアボックス３、ユニバーサルジョイント４ａ，４ｂ、ピニオンラック機構５を経て操向車輪のタイロッド６に結合されている。コラム軸２には、操向ハンドル１の操舵トルクを検出するトルクセンサ１０が設けられており、操向ハンドル１の操舵力を補助するモータ２０がギアボックス３を介してコラム軸２に連結されている。この電動パワーステアリング装置を制御するコントロールユニット（ＥＣＵ）３０には、バッテリ１４から電力が供給されると共に、イグニションキー１１からイグニションキー信号が入力される。該コントロールユニット３０は、トルクセンサ１０で検出された操舵トルク値Ｔと車速センサ１２で検出された車速Ｖとに基づいて、アシストマップ等を用いてアシスト指令の操舵補助指令値Ｉの演算を行い、演算された操舵補助指令値Ｉに基づいてモータ２０に供給する電流を制御する。コントロールユニット３０は、主としてＣＰＵ（又はＭＰＵやＭＣＵ）で構成される。

図２に、本実施形態における電動パワーステアリング装置の主要構成部品の外観図を示す。図示するように、この電動パワーステアリング装置は、操舵補助トルクを付与可能なモータ２０、該モータ２０を駆動するコントロールユニット３０、減速ギアのギアボックス３等を備えている。

図３に、本実施形態の電動パワーステアリング装置の主要構成部品を分解した斜視図を示す。図示するように、本実施形態におけるコントロールユニット３０は、制御回路基板４０とパワー回路基板５０とを含む構成となっている。例えば本実施形態では、ヒートシンク３２にパワー基板５０を取り付け、さらにモータ接続端子６０と制御回路基板４０を取り付け、これらにカバー３１を被せた構造のコントロールユニット３０としている（図３（Ａ）等参照）。例えば本実施形態では、カバー３１とヒートシンク３２とでコントロールユニットケース（図１０において符号３５を付して示す）を形成している。

制御回路基板４０は、マイクロコンピュータ、コネクタ、リレー、ノイズ対策部品といった各種電子部品を搭載する基板である。図４に示す制御回路基板４０においては、マイクロコンピュータなどの電子部品を搭載し終えた後に、パワー回路基板５０との接続部に、スルーホールが存在するように電子部品が実装されている。例えば本実施形態の制御回路基板４０は、コネクタ４１、コイル４２、電源リレー４３、アルミ電解コンデンサ４４等が基板に取り付けられた構成となっている（図４（Ｂ）参照）。

パワー回路基板５０は、モータ駆動用の半導体スイッチング素子などを搭載する基板である。図５に示すパワー回路基板５０においては、制御回路基板４０と電気的に接続するための接続リード端子５１がさらに実装されている。この接続リード端子５１は、外力を受けた際の応力を緩和できる形状ないしは構造になっていれば、熱膨張などによって制御回路基板４０とパワー回路基板５０に相対的な位置変化が生じても接続部の信頼性を向上することができて好ましい。

なお、パワー回路基板５０は、当該基板の下側の面をコントロールユニットケース３５に設けた平面（例えば上述したヒートシンク３２の面）に接触させて固定することにより、当該パワー回路基板５０に発生する熱を放熱することができる（図３（Ａ）等参照）。このようにパワー回路基板５０をコントロールユニットケース３５に固定する際は、放熱グリースや放熱シートをコントロールユニットケース３５の平面とパワー回路基板５０の間に入れることで、効率よく熱を伝達することができる。あるいは、ギアボックス３をヒートシンクとして利用する場合は、コントロールユニットケース３５をギアボックス３に設けた平面と接触させて固定し放熱することが望ましい。この場合は、放熱グリースや放熱シートをコントロールユニットケース３５の平面とギアボックス３の平面との間に入れることで、効率よく熱を伝達することができる。

ここで、制御回路基板４０とパワー回路基板５０との距離Ａは、制御回路基板４０に搭載され尚かつ当該電動パワーステアリング装置の外部に突出しない部品の中で最も背の高い部品（例えばコンデンサやコイルなどであり、図９では当該部品を符号４５で示している）の当該高さＢ以下（Ａ≦Ｂ）であることが好ましい（図９参照）。こうした場合には、当該コントロールユニット３０ひいてはこれを搭載する装置の小型化を図りやすい。このため、車種毎にコントロールユニット３０の搭載場所が変化するとしても当該コントロールユニット３０の基板構成やケース形状、コネクタ位置などの変更を従来の場合よりも抑えることが可能である。

モータ２０側の端子と電気的に接続されるモータ接続端子６０は、例えば樹脂モールド等の絶縁部材で覆われている。このモータ接続端子６０は、コントロールユニット３０のいずれの辺にも配置できるように延長されていることが好ましい。モータ接続端子６０が絶縁部材で覆われている電動パワーステアリング装置においては、当該モータ接続端子６０をコントロールユニット３０の内部で配線することにより、コントロールユニット外周の任意の場所でモータと接続することが可能になる（図１０参照）。こうした場合には、車両の車種毎にコントロールユニットの搭載場所が変化しても、当該コントロールユニット３０の基板構成やケース形状、コネクタ位置など、ユニット自体の構造そのものを変更せずに対応することが可能となる。また、モータ接続端子６０は、基板に接続する位置とモータ端子に接続する位置がコントロールユニット３０の異なる辺に存在する場合は、当該コントロールユニットケース３５内で延長し配線されることがさらに好ましい（図１０参照）。また、コントロールユニットケース３５に、モータ接続端子６０をガイドする部位が設けられていることも好ましい。例えばモータ接続端子６０をコントロールユニットケース３５内で延長して配線する場合、配線を引き回す際のガイドとして用いることができる。以上のように、モータ接続端子６０をコントロールユニット３０の内部で配線することとすれば、コントロールユニット外周の任意の場所で当該コントロールユニット３０とモータ２０とを接続することが可能となり、設計時のレイアウト自由度が向上する。

図６は、モータ接続端子６０のバリエーション例を示す図である（図６（Ａ）〜（Ｄ）参照）。図中の「モータ接続端子位置（１）」が示すのは、当該モータ接続端子６０の制御回路基板４０に対する接続部分６０ａの位置とモータ側の端子６０ｂの位置とがコントロールユニット３０の異なる辺（あるいは面）に存在する場合の例である。この場合のモータ接続用端子６０は、制御回路基板４０との接続位置を変えずに、モータ側の端子６０ｂの位置までコントロールユニットケース３５内部で延長される形状である（図６（Ａ）、（Ｂ）参照）。一方、図中の「モータ接続端子位置（２）」が示すのは、当該モータ接続端子６０の制御回路基板４０に対する接続部分６０ａの位置とモータ側の端子６０ｂの位置とがコントロールユニット３０の同じ辺（あるいは面）に存在する場合の例である（図６（Ｃ）、（Ｄ）参照）。なお、図６（Ａ）、（Ｃ）に示しているのはいわゆる端子台タイプのモータ接続端子６０であり、図６（Ｂ）、（Ｄ）に示しているのはいわゆるバスバータイプのモータ接続端子６０である。

図７は、コントロールユニット３０の搭載場所のバリエーション例を示す図である（図７（Ａ）〜（Ｆ）参照）。図７の１段目に示しているのは、近接配置構造であって、コントロールユニット３０がモータ２０に対して縦置きになり、モータ端の上に電源、信号コネクタが配置されるタイプである（図７（Ａ）、（Ｂ）参照）。この場合、ギアボックス３またはモータ２０にコントロールユニット３０の固定部（コントロールユニット３０が固定される箇所あるいは固定のための装置）を設ける。また、図７の２段目に示しているのは、近接配置構造であって、コントロールユニット３０がモータ２０に対して縦置きになり、モータ２０の横に電源、信号コネクタが配置されるタイプである（図７（Ｃ）、（Ｄ）参照）。この場合、ギアボックス３またはモータ２０にコントロールユニット３０の固定部を設ける。図７の３段目に示しているのは、機電一体構造であって、ギアボックス３のウォーム収納部端に電源、信号コネクタが配置されるタイプである（図７（Ｅ）、（Ｆ）参照）。なお、上述したように図７はコントロールユニット３０の搭載場所のバリエーション例を示しているにすぎず、他部品と干渉しない範囲で、ウォーム軸を中心にコントロールユニット３０を回転させた配置が可能である。

また、モータ２０、コントロールユニット３０等の組付けは、図２の主要構成部品の製造工程に合わせて、組付け順のバリエーションを持たせることができる。これにより、主要構成部品の製造工程の自由度を向上させることが可能となる。組付け順のバリエーション例を説明すると以下のとおりである。すなわち、まずはモータ２０をギアボックス３に組み付け、次にコントロールユニット３０をギアボックス３に組み付けるというバリエーションがある（図７（Ａ）〜（Ｄ）参照）。これとは逆に、まずコントロールユニット３０をギアボックス３に組み付け、次にモータ２０をギアボックス３に組み付けてもよい（図７（Ｅ）、（Ｆ）参照）。あるいは、モータ２０にコントロールユニット３０を組み付け、次にこのモータ２０をギアボックス３に組み付けるようにしてもよい。

図８はコントロールユニットケース３５のバリエーション例を示す図である。ここに示すコントロールユニットケース３５は、ヒートシンク３２とコントロールユニット固定部をアルミニウム製とし、当該ケースの側面とコネクタ類４１’を樹脂で一体にしたものである。なお、図８においてはコネクタ類４１’が一体化された樹脂ケースの側面部分を符号３３で示している。

ここで、上述のようにモータ２０とコントロールユニット３０が近接して配置されている場合、モータ２０側の端子と電気的に接続されるモータ接続端子６０はその各端子間距離が等間隔で配置され、コントロールユニット３０の固定部材（例えば固定用のボルト）３４の位置の中心に合わせ左右対称に配置されていることが好ましい（図１１参照）。このような電動パワーステアリング装置においては、コントロールユニット３０をモータ２０の近傍に配置した近接配置構造であっても、接続端子位置やコネクタ位置を変更したい場合や機電一体構造の配置にしようとした場合に大きな設計変更を回避することが可能である。例えば本実施形態では、コントロールユニット３０の固定位置（より詳細には、当該コントロールユニット３０に複数ある固定部材３４間の中心位置）とモータ接続端子６０の中心が揃って配置され左右対称になっており、接続端子形状を変えずに、コントロールユニット３０の取付け方向を反転させることができる（図１１等参照）。このような場合、例えばコントロールユニット３０が端子を中心に１８０度回転したとしても端子部の形状の変更なしで取り付けが可能である（図７（Ｃ）、（Ｄ）等参照）。

次にコントロールユニット３０の組立工程を説明する（図７等参照）。

まず、コントロールユニットケース３５に形成されている平面に放熱グリースを塗布した上で、パワー回路基板５０をギアボックス３の所定位置へ固定する。そして、パワー回路基板５０からのリードの位置決めのため、ギアボックス３に形成されている面にパワー回路基板５０を突き当てて所定位置に設置し、ねじ留めなどにより固定する。次に、モータ接続端子部品をギアボックス３の所定位置へ、スナップフィット、ねじ等で固定する。次に、制御回路基板４０のスルーホールヘ、モータ端子台部品やパワー回路基板５０からのリード端子５１が貫通するように設置し、コントロールユニットケース３５にねじ留めなどにより固定する。次に、上記のリード端子５１を半田付けにて接続することで電気的に接続する。次に、カバー３１を取付けることでコントロールユニット３０を構成する。

続いて、コントロールユニット３０とモータ２０の組立工程を説明する。

コントロールユニット３０とモータ２０の組付けは、図７に示した搭載場所に応じて組み付けられる。なお、図７に例示した搭載場所は基本例であり、コントロールユニット３０は、モータ軸を中心に回転させた範囲で搭載可能であり、さらに、コラムシャフト軸を中心に回転させた範囲で搭載可能である。このとき、コントロールユニット３０は、コントロールユニット単体が脱着可能な方向から組み付けられる。また、コントロールユニット３０とモータ２０の接続部には、それぞれコントロールユニット３０側とモータ２０側から接続用の端子が設けられ、カバー３１が取り付けられる。また、搭載場所に応じて、それぞれの端子（モータ接続端子６０）は図６のような端子台タイプやバスバータイプに設定され、接続される。

以上、ここまで説明したように、本実施形態にかかる電動パワーステアリング装置は、回路基板の構成・配置等の変更を多彩な搭載場所に対応することが可能であるため、設計変更を最小限に留め、開発・設計工数を大幅に削減でき、短納期、およびコスト削減効果が得られる。具体的には、例えばコントロールユニット３０の搭載位置を変更しても、制御回路基板４０とパワー回路基板５０及び相互の接続関係を変更せずに搭載することが可能であり、車両レイアウトに応じて適宜対応可能であるから汎用性が高い。また、コントロールユニットケース３５の形状およびモータ接続端子６０を適宜変更することで、モータ２０と近接した近接配置構造、あるいはギアボックス３に直接結合した機電一体構造とすることもできる。

さらに、本実施形態の電動パワーステアリング装置において、コンデンサ、コイル等の大型の部品は、基板の構成と配置を変更せずに、モータ出力やその他要件に応じて変更可能である。別の表現をすれば、本実施形態では、モータ電流の大小や車両レイアウト制約により設計変更が必要となる箇所をモジュール部品に限定し、基板を共通仕様（プラットフォーム化）することで開発や評価の工数を削減できるようにしている。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば上述した実施形態において、制御回路基板４０とパワー回路基板５０の電気的接続をすべて制御回路基板４０を経由して半田付けで行う構造とすれば、部品間の半田付けを１つの面のみで行うことが可能となる。こうした場合には組立工程をさらに簡素化することが可能である。

一般的な電動式パワーステアリング装置の構成例を示す図である。本発明の一実施形態における電動パワーステアリング装置の主要構成部品の外観図である。電動パワーステアリング装置の主要構成部品を分解して示す斜視図であって、モータ接続端子の位置の異なる二つの形態を（Ａ）、（Ｂ）として示しているものである。制御回路基板の（Ａ）外観図、（Ｂ）分解斜視図である。パワー回路基板の外観図である。モータ接続用端子のバリエーション例を示す図である。コントロールユニット搭載場所のバリエーション例を示す図である。樹脂を使ったコントロールユニットケースの例を示す図である。小型化を図ったコントロールユニットの一形態を示す（Ａ）平面図、（Ｂ）正面図、（Ｃ）側面図である。モータ接続端子の位置が異なるコントロールユニットを（Ａ）と（Ｂ）にそれぞれ示す平面図である。モータ接続端子が、コントロールユニットの固定部材の位置の中心に合わせ左右対称に配置されているコントロールユニットの一例を示す側面図である。

符号の説明

３…ギアボックス、２０…モータ、３０…コントロールユニット、３４…固定用ボルト（固定部材）、３５…コントロールユニットケース（ケース）、４０…制御回路基板、４５…制御回路基板に搭載され尚かつ当該電動パワーステアリング装置の外部に突出しない部品の中で最も背の高い部品、５０…パワー回路基板、６０…モータ接続端子

Claims

操舵補助トルクを付与可能なモータと、それを駆動するコントロールユニットを備えた電動パワーステアリング装置において、
前記コントロールユニットは、各種電子部品を搭載する制御回路基板と、モータ駆動用の半導体スイッチング素子などを搭載するパワー回路基板とにより２層に構成され、
前記制御回路基板は、パワー回路基板よりも大きく、
前記モータ側の端子と電気的に接続されるモータ接続端子が絶縁部材で覆われ、前記コントロールユニットのいずれの辺にも配置できるように延長されており、
前記モータ接続端子は、基板に接続する位置と前記モータ端子に接続する位置が前記コントロールユニットの異なる辺に存在する場合は、ケース内で延長し配線されることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
前記ケースには、前記モータ接続端子をガイドする部位が設けられている、請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
前記モータと前記コントロールユニットが近接して配置されている場合、前記モータ側の端子と電気的に接続されるモータ接続端子の各端子間距離は等間隔で配置され、前記コントロールユニットの固定部材の位置の中心に合わせ左右対称に配置される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。
前記制御回路基板と前記パワー回路基板との距離Ａは、前記制御回路基板に搭載され尚かつ当該電動パワーステアリング装置の外部に突出しない部品の中で最も背の高い部品の当該高さＢ以下である、請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。