(57)【要約】【課題】放熱性や耐振性に優れ、コンパクト化を図ることができる車輪装置を提供する。【解決手段】モータコイル１５０と配線基板１６０、１７０との間にアルミ製のステータホルダ１４０を配置し、熱抵抗を下げ、さらに、ＦＥＴ１６１を有する配線基板１６０の配線層の間にアルミ基板をサンドイッチ構造に設け、このアルミ基板をステータホルダ１４０に一部熱伝導性の高い密着用の樹脂を介して接触させ、ＦＥＴ１６１が実装されている電力系の回路配線を中間のアルミ基板上で、かつモータコイル１５０の反対側に設ける構造とした。また、構造材と電気的リード材、接点材を兼ねた第１、第２の通電支柱２００、２１０を設けることで、構造の簡素化や配線ケーブルの削減を図る。【選択図】        図１
2005012967.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持軸の端部に略同軸状に結合された金属製のステータホルダと、
前記ステータホルダの外周部に装着されたモータコイルと、
前記支持軸に軸受けを介して回転自在に結合されたホイールと、
前記ホイールに装着されてモータコイルに対向配置されたマグネットと、
前記ステータホルダの一側面に配置され、前記モータコイルへの給電回路を含むモータ駆動回路が実装される配線層と放熱材料よりなる放熱層との積層基板よりなる第１の配線基板と、
前記第１の配線基板の外側に配置され、前記モータ駆動回路を制御するモータ制御回路が実装される第２の配線基板と、
前記第１の配線基板から第２の配線基板にわたって形成された貫通孔に挿着されて前記第１の配線基板と第２の配線基板とを電気的及び機械的に結合する第１の通電支柱と、
を有することを特徴とする車輪装置。
【請求項２】
前記第２の配線基板は信号系の配線層と電力系の配線層とを分けて積層した積層基板よりなることを特徴とする請求項１記載の車輪装置。
【請求項３】
前記第１の配線基板の放熱層はアルミ基板よりなることを特徴とする請求項１記載の車輪装置。
【請求項４】
前記第１の通電支柱は絶縁性の支柱の外周に部分的な導電膜を設けたものであることを特徴とする請求項１記載の車輪装置。
【請求項５】
前記ステータホルダの他側面に配置され、リプル防止用のコンデンサが実装される第３の配線基板と、前記第３の配線基板からステータホルダを介して第１の配線基板にわたって形成された貫通孔に挿着されて前記第１の配線基板と第３の配線基板とを電気的及び機械的に結合する第２の通電支柱とを有することを特徴とする請求項１記載の車輪装置。
【請求項６】
前記ステータホルダはアルミ材よりなることを特徴とする請求項１記載の車輪装置。
【請求項７】
前記ステータホルダ、第１の配線基板、及び第２の配線基板の間に耐振用の樹脂モールド板を介在させたことを特徴とする請求項１記載の車輪装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば電動アシスト自転車や小型移動体装置等の電動車両において各種の駆動車輪に用いられる車輪装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種の車輪装置としては、支持軸（スピンドル）に結合されたステータホルダにモータコイルやモータ駆動用の各種配線基板を搭載するとともに、支持軸にベアリングを介して回転自在に支持されたロータに、モータコイルと対向するマグネットを配置し、モータコイルに駆動回路から駆動パルスを供給することでロータを回転し、このロータに結合された車輪を駆動するようにしたものが各種提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平０８−２４４６６８号公報
【特許文献２】
特開平１０−１７８７６１号公報
【特許文献３】
特開２００２−３２１６７９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術では、温度、振動、及び配線の問題からコンパクトな設計は困難であり、特にモータドライバやモータコントローラを実装するための基板スペースを確保する上で以下のような課題があった。
例えば、温度に関しては、熱抵抗を下げるべくステータホルダの厚み、スピンドルの肉厚を厚く取ることが重要であるが、従来のモールド樹脂ケースの代わりにアルミケースを使用するタイプでは、アルミケースによって放熱用基板とモールド樹脂ケースを兼ねる利便性はあるものの、アルミ材の成形性からくる要請（例えばコーナの曲率、強度確保から小さいフランジを設けたい等）が加わるため、広い基板スペースを確保することが困難であった。
また、従来のモールド樹脂ケースを用いる方法では、放熱用の基板を別途設ける必要があるとともに、耐震性の問題も生じる。
さらに、モータドライバとモータコントローラの２つの基板を支えるための支柱や、３０Ａもの大電流を流すリード線、及び接点端子等を全て別々の部品で構成されていたため、ますます基板スペースの確保は困難であった。
【０００５】
そこで本発明の目的は、放熱性や耐振性に優れ、コンパクト化を図ることができる車輪装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するため、支持軸の端部に略同軸状に結合された金属製のステータホルダと、前記ステータホルダの外周部に装着されたモータコイルと、前記支持軸に軸受けを介して回転自在に結合されたホイールと、前記ホイールに装着されてモータコイルに対向配置されたマグネットと、前記ステータホルダの一側面に配置され、前記モータコイルへの給電回路を含むモータ駆動回路が実装される配線層と放熱材料よりなる放熱層との積層基板よりなる第１の配線基板と、前記第１の配線基板の外側に配置され、前記モータ駆動回路を制御するモータ制御回路が実装される第２の配線基板と、前記第１の配線基板から第２の配線基板にわたって形成された貫通孔に挿着されて前記第１の配線基板と第２の配線基板とを電気的及び機械的に結合する第１の通電支柱とを有することを特徴とするものである。
【０００７】
本発明の車輪装置では、金属製のステータホルダによって耐振性を確保するとともに、モータ駆動回路を設けた第１の配線基板を配線層と放熱層の積層基板構造とし、その外側にモータ制御回路を設けた第２の配線基板を配置した構造により、モータコイルで生じる熱を有効に放熱する構造とし、さらに、第１の配線基板と第２の配線基板とを第１の通電支柱によって電気的及び機械的に結合することにより、配線の省略が可能となり、放熱性及び耐振性に優れ、配線や支柱の省略による構造の簡素化を達成でき、コンパクト化を図ることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による車輪装置の実施の形態例について説明する。本例の車輪装置は、例えば小型電動アシスト自転車の前輪に適用されるものである。
図１は本発明の実施の形態例による車輪装置の構成を示す断面図である。また、図２及び図３は図１に示す車輪装置の主要構成要素を示す概略分解斜視図である。
まず、図２及び図３に基づいて本例を適用する車輪装置の概要について説明する。本例の車輪装置は、図２に示すように、外周側からタイヤ１０、チューブ２０、フロントホイールリム３０を結合して構成され、フロントホイールリム３０は図３に示すフロントホイールにねじ止めにて締結されている。
【０００９】
図３において、フロントホイール１００は、フロントアクスルハブスピンドル１１０を支持軸として、ベアリング１１１を介して回転自在に結合されている。このフロントホイール１００にはモータカバー１２０が装着され、その内周面には周回り方向に等間隔で複数のマグネット１３０が配置され、アウターロータタイプモータのロータの機能を果している。なお、フロントホイール１００とモータカバー１２０とで車輪装置のケースを構成している。
一方、フロントアクスルハブスピンドル１１０にはステータホルダ１４０が固着されており、このステータホルダ１４０の外周部にはモータコイル１５０が装着され、ロータのマグネット１３０と対向配置されている。また、ステータホルダ１４０には、モータコイル１５０への駆動パルスの供給を制御してモータの駆動を制御するモータドライバ（ＭＤ）を実装した配線基板１６０や、このモータドライバの動作を制御するモータコントローラ（ＭＣ）を実装した配線基板１７０が配置されている。なお、これらの具体的構造については図１に基づいて後述する。
モータコントローラは、システム全体を制御するＣＰＵを含み、各種センサからの検出信号や操作キーからの入力信号に応じてモータの駆動トルク量を算出し、その算出値に対応する指令信号（例えば、ＰＷＭのデューティ値等）をモータドライバに供給する。
モータドライバは、モータコントローラからの指令信号に基づいてモータコイル１５０に供給する駆動電流を例えばＰＷＭ制御等によって制御する。
【００１０】
次に、図１に基づいて本例の具体的な構成について説明する。
フロントアクスルハブスピンドル１１０は、その基端部が例えば自転車のフォーク等のような固定支持部材に固定されており、その先端側で上述したステータホルダ１４０やフロントホイール１００が結合され、車輪装置の支持軸の機能を果たすものである。このスピンドル１１０は中空に形成されて、内部に図示しない配線ケーブル等が配置される。また、このスピンドル１１０内の基端側には、ノイズキャンセル用のチョークコイル１１１を搭載したチョークコイル用基板１１２が配置されている。なお、このフロントアクスルハブスピンドル１１０は、基端側にフランジ部を有し、その外径と肉厚を大きくし、強度向上、低熱抵抗化を図っている。
【００１１】
ステータホルダ１４０は、例えばアルミモールド製のものであり、フロントホイール１００内に収納されるほぼ円盤状に形成されている。
このステータホルダ１４０の外周部には、Ｌ字状に屈曲したフランジ部１４１が形成されている。そして、このステータホルダ１４０の外周部には、珪素鋼板等によるモータコイル１５０用の固定枠１５１が設けられ、その外周部にモータコイル１５０が配置されている。
また、ステータホルダ１４０のスピンドル１１０側の面には、フランジ部１４１の内周部に沿ってリプル吸収用電界コンデンサ１８１及びコンデンサ用基板１８２が配置されている。また、ステータホルダ１４０の外周部には、固定枠１５１の内周部に沿って凹部１４２が形成されており、この凹部１４２内には振動吸収用の樹脂モールド板１９１が配置されている。
すなわち、この樹脂モールド板１９１とコンデンサ用基板１８２は、ステータホルダ１４０を介して対向配置されている。
【００１２】
また、ステータホルダ１４０の外側面には、上述したモータドライバを搭載した配線基板１６０が配置されており、この配線基板１６０、樹脂モールド板１９１、ステータホルダ１４０、及びコンデンサ用基板１８２の間には、複数の貫通孔が形成され、各貫通孔には第１の通電支柱２００が挿着されている。
この第１の通電支柱２００は、絶縁した支柱本体に部分的なニッケルメッキによる導電膜を設けたものであり、例えば両端部を加熱や加圧によってリベット状に変形させることにより、固定されている。
このような第１の通電支柱２００により、配線基板１６０、樹脂モールド板１９１、及びコンデンサ用基板１８２をステータホルダ１４０に対して機械的に位置決め固定するとともに、配線基板１６０とコンデンサ用基板１８２の配線を電気的に接続している。これにより、電気的な配線と機械的な補強の両方の機能を第１の通電支柱２００で実現でき、構造の簡素化とコンパクト化を実現している。
【００１３】
また、本例で用いる配線基板１６０は、モータドライバを構成する２層の薄型配線基板とその放熱用及び補強用の２層のアルミ基板とを交互にサンドイッチ構造で配置した４層基板を用いている。また、ＦＥＴ１６１等の発熱素子は最も外側の配線層に外向きに配置している。また、この配線基板１６０の外側面には、ＦＥＴ１６１等の回路素子を包囲する構造で樹脂モールド板１９２が一体に配置されている。
このような構成により、コンパクトな構成にかかわらず、モータドライバ用の配線基板１６０の各回路素子を発熱性の高いモータコイルから離間して配置し、熱による影響を極力抑制する構造となっている。さらに、樹脂モールド板１９２によって各回路素子を振動等から保護している。
【００１４】
また、この配線基板１６０の外側面には、樹脂モールド板１９２、１９３を介して上述したモータコントローラを搭載した配線基板１７０が配置され、さらにこの配線基板１７０の外側面には、樹脂モールド板１９４が配置されている。
そして、上述した樹脂モールド板１９１、配線基板１６０、樹脂モールド板１９２、１９３、及び配線基板１７０の間には、複数の貫通孔が形成され、各貫通孔には第２の通電支柱２１０が挿着されている。この第２の通電支柱２１０も第１の通電支柱２００と同様に、絶縁した支柱本体に部分的なニッケルメッキによる導電膜を設けたものであり、例えば両端部を加熱や加圧によってリベット状に変形させることにより、固定されている。このような第２の通電支柱２１０により、配線基板１７０、樹脂モールド板１９２、１９３、配線基板１６０、及び樹脂モールド板１９１をステータホルダ１４０に対して機械的に位置決め固定するとともに、配線基板１６０と配線基板１７０の配線を電気的に接続している。これにより、電気的な配線と機械的な補強の両方の機能を第２の通電支柱２１０で実現でき、構造の簡素化とコンパクト化を実現している。
【００１５】
また、本例で用いる配線基板１７０は、モータコントローラを構成する信号系の配線層と電力系の配線層とを分けて積層した８層構造の基板を用いている。また、ＣＰＵ１７１等の温度管理が必要な素子は最も外側の配線層に外向きに配置している。また、この配線基板１７０の両側面には、上述した樹脂モールド板１９３、１９４が一体に配置され、ＣＰＵ１７１等の回路素子を包囲する構造となっている。
このような構成により、コンパクトな構成にかかわらず、モータコントローラ用の配線基板１７０の各回路素子を発熱性の高いモータコイルから離間して配置し、熱による影響を極力抑制する構造となっている。さらに、樹脂モールド板１９３、１９４によって各回路素子を振動等から保護している。
【００１６】
なお、図１において、ステータホルダ１４０の外周を包囲する構造でフロントホイール１００及びモータカバー１２０が配置され、モータカバー１２０の内周面にマグネット１３０が配置されている。
また、モータカバー１２０の外側面には外側カバー１２１が設けられ、フロントホイールリム３０と結合されている。
そして、本例では、このようなモータケースを構成する部材を、樹脂モールド品でなく、アルミ等の軽量な金属材を用いて構成することにより、強度（振動防止）と軽量化の両方を実現できるようにしたものである。
【００１７】
以上のような構成の車輪装置では、モータコイル１５０とマグネット１３０との組み合わせにより、ブラシレスＤＣモータを構成しており、例えば始動トルクで最大２４ＮＭ程度の始動トルクを出力できるように設計してある。
そして、このモータを例えば１４インチの電動アシスト自転車のアシストモータとして使用し、例えば８度の登り坂道２０ｍを時速８ｋｍで上りきるためには、最大３０Ａ程度の電流を間欠的なパルス信号ではあるが、１０秒にわたり放電できる電源が必要である。
したがって、上述したモータドライバ用の配線基板１６０では、最大３０Ａを流すことができ、平均的にも１０数Ａを連続定格として流すよう設計されている。また、一般電気部品を使用して回路を構成するためには、電圧値も最大３０Ｖ程度で収めるのが耐圧的に好ましいので、これらの要求から、連続定格として３０Ｖ・１０数Ａで、３００Ｗ以上、瞬間で、９００Ｗ程度出力できることが要求されている。
このようなニーズに対し、なおかつ、移動体の車輪装置であるため、熱設計としての工夫に追加して、さらに振動、衝撃に対する工夫も必要であることから、上述のようなアルミ製のステータホルダを採用して振動を抑制し、さらに、樹脂モールド板１９１〜１９４を適宜に配置し、さらに第１の通電支柱２００、第２の通電支柱２１０によって構造の簡素化と強度の向上を図るようにしたものである。
【００１８】
また、本車輪装置では、移動体としてはほぼ最小の１４インチ小径車用として設計しているため、１４インチ以上の装置に対しては、プリント基板の銅箔の厚み等、さらに大電流化の工夫は必要であるが、回路基板をインチサイズに比例して増大させる必要はなく、今後の他のインチサイズ車に対しても標準としてそのまま使えるものと考えることが可能である。
また、本例の車輪装置では、限られた狭い空間内にもかかわらず３００Ｗ以上の電力を連続定格で使用できるようにするため、試作品について様々な熱測定試験を行ったが、その結果、一番温度が上昇するのはモータコイル１５０であり、次にスイッチングのためのＦＥＴ１６１であったことから、図１に示すように、モータコイル１５０と配線基板１６０、１７０との間にアルミ製のステータホルダ１４０を配置し、熱抵抗を下げ、さらに、ＦＥＴ１６１を有する配線基板１６０の配線層の間にアルミ基板をサンドイッチ構造に設け、このアルミ基板をステータホルダ１４０に一部熱伝導性の高い密着用の樹脂を介して接触させ、ＦＥＴ１６１が実装されている電力系の回路配線を中間のアルミ基板上で、かつモータコイル１５０の反対側に設ける構造とした。
モータコイル１５０からの熱は、ステータホルダ１４０からスピンドル１１０に向かい流れ、マイコン（ＣＰＵ）１７１を搭載した８層構造の配線基板１７０を最も外側に設け、コイル１５０による熱の影響をほとんど受けないようにした。また、電解コンデンサ１８１についてはステータホルダ１４０に触れない条件でよしとした。
【００１９】
また、従来の樹脂モールド製ケースを用いた車輪装置は、かなりの衝撃Ｇ値を受け振動する。そこで、電気部品は極力表面実装を行いシリコン系の樹脂１９１〜１９４でモールドし、振動対策を実施するが、上述したように、ホイール等の外筐ケースについては、樹脂モールドケースを使用しない構造とした。
【００２０】
したがって、本例の車輪装置では、部品の全体の配置の最適化と、構造材と電気的リード材、接点材を兼ねた第１の通電支柱２００、第２の通電支柱２１０、モールドケースの廃止、アルミ基板サンドイッチ構造４層基板１６０、信号系・パワー系の回路階層別８層基板１７０の採用により、３００Ｗの電力にもかかわらず、温度的にも、振動的にも、実用に耐える車輪装置を設計することが可能となる。
なお、本例では、第１の通電支柱２００と第２の通電支柱２１０が別体であるものとしたが、第１の通電支柱２００と第２の通電支柱２１０を一体に構成することもでき、この場合には部品点数を削減することによりコストを低減する上で有利となる。
また、以上は本発明を電動アシスト自転車の前輪に適用した例を説明したが、本発明は上記例に限らず、多様な電動車輪に適用し得るものである。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の車輪装置では、金属製のステータホルダによって耐振性を確保するとともに、モータ駆動回路を設けた第１の配線基板を配線層と放熱層の積層基板構造とし、その外側にモータ制御回路を設けた第２の配線基板を配置した構造により、モータコイルで生じる熱を有効に放熱する構造とし、さらに、第１の配線基板と第２の配線基板とを第１の通電支柱によって電気的及び機械的に結合することにより、配線の省略が可能となり、放熱性及び耐振性に優れ、配線や支柱の省略による構造の簡素化を達成でき、コンパクト化を図ることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の実施の形態例による車輪装置の構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す車輪装置の主要構成要素を示す概略分解斜視図である。
【図３】図１に示す車輪装置の主要構成要素を示す概略分解斜視図である。
【符号の説明】
１００……フロントホイール、１１０……フロントアクスルハブスピンドル、１２０……モータカバー、１３０……マグネット、１４０……ステータホルダ、１５０……モータコイル、１６０、１７０……配線基板、２００……第１の通電支柱、２１０……第２の通電支柱。
【図１】
2005012967.tif 000003
【図２】
2005012967.tif 000004
【図３】
2005012967.tif 000005