(57)【要約】【課題】センサとコントロールユニットを電気的に接続するための機構を別途配設する必要がなく、寸法及びコストを抑えることが可能であり、多重系を構成した場合でもセンサ間の磁気的な干渉などが発生せず、ロバスト性良く、回転角度を正確に検出することが可能な回転角度センサ及びそれを備えたブラシレスモータ並びにそれを搭載した電動パワーステアリング装置及び車両を提供する。【解決手段】制御基板を有するコントロールユニットが回転軸の出力側とは反対側の一端部に配設され、回転軸の一端部に磁石部が固定され、磁石部は回転軸と垂直方向に２極着磁されており、制御基板の磁石部に対向する位置に磁気検出素子が設置され、磁気検出素子により磁石部を介して回転軸の回転角度を検出する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御基板を有するコントロールユニットが回転軸の出力側とは反対側の一端部に配設され、前記回転軸の一端部に磁石部が固定され、前記磁石部は前記回転軸と垂直方向に２極着磁されており、前記制御基板の前記磁石部に対向する位置に磁気検出素子が設置され、前記磁気検出素子により前記磁石部を介して前記回転軸の回転角度を検出するようになっている回転角度センサ。
【請求項２】
前記磁気検出素子が２個若しくは３個以上の複数個設置されている請求項１に記載の回転角度センサ。
【請求項３】
ステータ及びロータがモータケースに収容されており、ロータ回転軸の出力側とは反対側の一端部に固定されると共に、前記ロータ回転軸と垂直方向に２極着磁された磁石部を備え、制御基板を有するコントロールユニットをモータ本体の背面側に装着できる構造であり、前記磁石部に対向するように配設された前記制御基板に磁気検出素子が設置されており、
前記磁気検出素子により前記磁石部を介して前記ロータ回転軸の回転角度を検出する機能を具備し、前記コントロールユニットにより駆動制御されるブラシレスモータ。
【請求項４】
前記磁気検出素子が２個若しくは３個以上の複数個設置されている請求項３に記載のブラシレスモータ。
【請求項５】
請求項３又は４に記載のブラシレスモータを搭載し、少なくとも操舵トルクに基づいて演算された電流指令値により、車両の操舵系にアシスト力を付与する電動パワーステアリング装置。
【請求項６】
請求項５に記載の電動パワーステアリング装置を搭載している車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御基板を有するコントロールユニットをブラシレスモータのロータ回転軸の出力側と反対側に装着した構成であり、ブラシレスモータのロータ回転軸の軸端に、ロータ回転軸と垂直方向に２極（Ｎ極、Ｓ極）着磁された磁石部を固定し、その磁石部の回転角度を制御基板上に設置した磁気検出素子により磁気的に検出する回転角度センサ及びそれを備えたブラシレスモータ並びにそれを搭載した電動パワーステアリング装置及び車両に関する。  
【０００２】
車両に搭載される電動パワーステアリング装置は、少なくとも操舵トルクに基づいて演算された電流指令値により、車両の操舵系にモータ（例えばブラシレス３相モータ）によるアシスト力を付与するものであり、ブリッジ回路で成るインバータによって駆動制御される。
【背景技術】
【０００３】
モータを制御するモータ制御装置を搭載した装置として電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）があり、電動パワーステアリング装置は、車両のステアリング機構にモータの回転力で操舵補助力（アシスト力）を付与するものであり、インバータから供給される電力で制御されるモータの駆動力を、ギア等の伝達機構により、ステアリングシャフト或いはラック軸に操舵補助力を付与する。
【０００４】
かかる従来の電動パワーステアリング装置は、操舵補助力のトルクを正確に発生させるため、モータ電流のフィードバック制御を行っている。フィードバック制御は、操舵補助指令値（電流指令値）とモータ電流検出値との差が小さくなるようにモータ印加電圧を調整するものであり、モータ印加電圧の調整は、一般的にＰＷＭ（パルス幅変調）制御のデューティの調整で行っており、モータとしては保守性に優れたブラシレスモータが一般的に使用されている。
【０００５】
電動パワーステアリング装置の一般的な構成を図１に示して説明すると、ハンドル１のコラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）２は減速部内の減速ギア３、ユニバーサルジョイント４ａ及び４ｂ、ピニオンラック機構５、タイロッド６ａ，６ｂを経て、更にハブユニット７ａ，７ｂを介して操向車輪８Ｌ，８Ｒに連結されている。また、コラム軸２には、ハンドル１の操舵トルクを検出するトルクセンサ１０及び操舵角θを検出する舵角センサ１４が設けられており、ハンドル１の操舵力を補助するモータ２０が減速ギア３を介してコラム軸２に連結されている。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１３から電力が供給されると共に、イグニションキー１１を経てイグニションキー信号が入力される。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Ｔｓと車速センサ１２で検出された車速Ｖｓとに基づいてアシスト（操舵補助）指令の電流指令値の演算を行い、電流指令値に補償等を施した電圧制御指令値Ｖｒｅｆによって、ＥＰＳ用モータ２０に供給する電流を制御する。
【０００６】
なお、舵角センサ１４は必須のものではなく、配設されていなくても良く、また、モータ２０に連結されたレゾルバ等の回転位置センサから操舵角を取得することも可能である。
【０００７】
コントロールユニット３０には、車両の各種情報を授受するＣＡＮ（Controller  Area  Network）４０が接続されており、車速ＶｓはＣＡＮ４０から受信することも可能である。また、コントロールユニット３０には、ＣＡＮ４０以外の通信、アナログ／ディジタル信号、電波等を授受する非ＣＡＮ４１も接続可能であり、コントロールユニット３０は電子部品等を装着された制御基板を有している。
【０００８】
コントロールユニット３０は主としてＣＰＵ（ＭＣＵ、ＭＰＵ等も含む）で構成されるが、そのＣＰＵ内部においてプログラムで実行される一般的な機能を示すと図２のようになる。
【０００９】
図２を参照してコントロールユニット３０の機能及び動作を説明すると、トルクセンサ１０で検出された操舵トルクＴｓ及び車速センサ１２で検出された（若しくはＣＡＮ５０からの）車速Ｖｓは、電流指令値Ｉｒｅｆ１を演算する電流指令値演算部３１に入力される。電流指令値演算部３１は、入力された操舵トルクＴｓ及び車速Ｖｓに基づいてアシストマップ等を用いて、モータ２０に供給する電流の制御目標値である電流指令値Ｉｒｅｆ１を演算する。電流指令値Ｉｒｅｆ１は加算部３２Ａを経て電流制限部３３に入力され、最大電流を制限された電流指令値Ｉｒｅｆｍが減算部３２Ｂに入力され、フィードバックされているモータ電流値Ｉｍとの偏差Ｉ（Ｉｒｅｆｍ−Ｉｍ）が演算され、その偏差Ｉが操舵動作の特性改善のためのＰＩ制御部３５に入力される。ＰＩ制御部３５で特性改善された電圧制御指令値ＶｒｅｆがＰＷＭ制御部３６に入力され、更に駆動部としてのインバータ３７を介してモータ２０がＰＷＭ駆動される。モータ２０の電流値Ｉｍはモータ電流検出器３８で検出され、減算部３２Ｂにフィードバックされる。インバータ３７は駆動素子としてＦＥＴが用いられ、ＦＥＴのブリッジ回路で構成されている。
【００１０】
加算部３２Ａには補償信号生成部３４からの補償信号ＣＭが加算されており、補償信号ＣＭの加算によって操舵システム系の特性補償を行い、収れん性や慣性特性等を改善するようになっている。補償信号生成部３４は、セルフアライニングトルク（ＳＡＴ）３４−３と慣性３４−２を加算部３４−４で加算し、その加算結果に更に収れん性３４−１を加算部３４−５で加算し、加算部３４−５の加算結果を補償信号ＣＭとしている。
【００１１】
このような電動パワーステアリング装置で使用されるモータは、高出力化、小型化、低騒音化の要求より、通常ブラシレスモータが採用される。このブラシレスモータには、ロータの磁極位置検出センサが必要になるが、そのロータの磁極位置検出センサとしてレゾルバを用いる場合、レゾルバのロータに対するステータの回転方向の位置を高精度に調整する必要がある。
【００１２】
このため、組付性も考慮して、出力側におけるモータケースの外側にレゾルバを配置して、外部からレゾルバステータの位置調整を可能としたもの（例えば特許第３８８１３５１号公報（特許文献１））や、モータケース内にレゾルバを収納し、モータケース内部のレゾルバステータを外部から回転させる構造のもの（例えば特開２００６−３２０１８９号公報（特許文献２））などが提案されている。
【００１３】
しかしながら、ロータ回転軸が突出した出力側にレゾルバを設けた場合には、例えばモータケースの出力側にあるフランジが大型化し、形状も複雑化し、部品点数も増加してしまう。また、モータケース内部にレゾルバを収納する構造の場合には、モータケース内部のレゾルバステータを外部から回転させなければならないため、構造の複雑化及び部品点数の増加を招く。このため、いずれの場合も高コスト化、組付性及び搭載性の悪化が避けられない。しかも、内部にレゾルバを配置する後者の場合には、レゾルバがモータのコイルからの熱の影響を受け易くなるなどの不具合が生じる。
【００１４】
かかる問題を解決したブラシレスモータ（角度センサ）として、特開２００９−１７７９６８号公報（特許文献３）に示されるものがある。即ち、特許文献３のブラシレスモータ（角度センサ）は、図３に示すようにロータのロータ回転軸１０１がブラシレスモータ本体１００に軸受を介して収容された構造であって、モータケース内にはステータも収容されている。モータケースの前方側は、ロータの回転力を回転軸１０１により出力する出力側であり、当該モータケースの背面側の壁部には、回転軸１０１が貫通し、当該回転軸１０１がモータケースの外側まで突出しており、回転軸１０１の突出部分には角度センサとしてレゾルバ１１０が同軸に連結されている。
【００１５】
また、ブラシレスモータ１００の背面側（レゾルバ１１０の外側）にはコントロールユニット（ＥＣＵ）１２０が配設され、レゾルバ１１０の駆動信号及び角度検出信号の授受をハーネス１１１及びコネクタ１１２を介して、内臓の制御基板１２１との間で行うようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特許第３８８１３５１号公報
【特許文献２】特開２００６−３２０１８９号公報
【特許文献３】特開２００９−１７７９６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
このように従来の構成では、ブラシレスモータの回転角度センサとしてレゾルバが使用されている。そのため、レゾルバとコントロールユニットを電気的に接続するために、ハーネスやコネクタなどの接続部品が必要になっている。また、従来の構成では、機能継続のために多重系を構成する場合、レゾルバを２つ直列に並べる必要があるため、センサに必要なサイズが２倍になってしまい、大型化する問題がある。更に、多重系を構成するために複数のレゾルバを使用した場合、それぞれのレゾルバで交流磁場を発生させるため、レゾルバ間に磁気的な干渉が発生し、検出精度が悪化してしまう問題が生じる。
【００１８】
本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、センサとコントロールユニットを電気的に接続するための機構を別途配設する必要がなく、寸法及びコストを抑えることが可能であり、多重系を構成した場合でもセンサ間の磁気的な干渉などが発生せず、ロバスト性良く、回転角度を正確に検出することが可能な回転角度センサ及びそれを備えたブラシレスモータ並びにそれを搭載した電動パワーステアリング装置及び車両を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は回転角度センサに関し、本発明の上記目的は、制御基板を有するコントロールユニットが回転軸の出力側とは反対側の一端部に配設され、前記回転軸の一端部に磁石部が固定され、前記磁石部は前記回転軸と垂直方向に２極着磁されており、前記制御基板の前記磁石部に対向する位置に磁気検出素子が設置され、前記磁気検出素子により前記磁石部を介して前記回転軸の回転角度を検出するようになっていることにより達成される。
【００２０】
また、本発明はブラシレスモータに関し、本発明の上記目的は、ステータ及びロータがモータケースに収容されており、ロータ回転軸の出力側とは反対側の一端部に固定されると共に、前記ロータ回転軸と垂直方向に２極着磁された磁石部を備え、制御基板を有するコントロールユニットをモータ本体の背面側に装着できる構造であり、前記磁石部に対向するように配設された前記制御基板に磁気検出素子が設置されており、前記磁気検出素子により前記磁石部を介して前記ロータ回転軸の回転角度を検出する機能を具備し、前記コントロールユニットにより駆動制御されることにより達成される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の回転角度センサによれば、制御基板を有するコントロールユニットが回転軸の出力側と反対側の一端部に配設され、回転軸の一端部に、回転軸と垂直方向に２極着磁された磁石部が固定され、制御基板の磁石部に対向する位置に磁気検出素子が設置され、磁気検出素子により磁石部を介して回転軸の回転角度を検出するようになっている。また、ブラシレスモータでは、ロータ回転軸の軸端に磁石部が固定され、コントロールユニットの制御基板上に１個若しくは複数の磁気検出素子を設置する構成となっている。
【００２２】
このため、本発明の回転角度センサによれば、磁石部とコントロールユニットの磁気検出素子を電気的に接続するための機構を別途構成する必要がなく、絶対角で回転角度を検出できると共に、寸法及びコストを抑えることができる。ブラシレスモータでは、コントロールユニットの制御基板上に磁気検出素子を設置することにより、回転角度センサとコントロールユニットを電気的に接続するための機構が別に必要なくなるため、従来構造に比べ寸法及びコストを抑えることができ、磁石の着磁方向を回転軸と垂直にすることにより、ロバスト性を良くすることができる。
【００２３】
また、磁気検出素子を複数設置することにより、機能継続のための多重系を容易に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】電動パワーステアリング装置の概要を示す構成図である。
【図２】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）の構成例を示すブロック図である。
【図３】従来の角度センサ付きブラシレスモータの構造例を示す断面図である。
【図４】本発明の原理を説明するための構造図である。
【図５】本発明の原理を説明するための構造図である。
【図６】本発明の特性例を比較して示す特性図である。
【図７】本発明の角度センサ付きブラシレスモータ（第１実施形態）の構造例を示す断面図である。
【図８】磁石部の構造例を示す平面図である。
【図９】本発明の角度センサ付きブラシレスモータ（第２実施形態）の構造例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明は、制御基板を有するコントロールユニットが回転軸の一端部に配設され、回転軸の一端部に、回転軸と垂直に２極着磁された磁石部が固定されると共に、制御基板の磁石部に対向する位置に、磁気抵抗効果素子（ＭＲ，ＡＭＲ，ＧＭＲ等）、磁気インピーダンス素子などの磁気検出素子が１個若しくは２個以上の複数個設置され、磁気検出素子により磁石部を介して回転軸の回転角度を絶対角で検出するようになっている回転角度センサである。
【００２６】
また、かかる構造の回転角度センサを備えたブラシレスモータでは、ロータ回転軸の出力側とは反対側の一端部に固定され、ロータ回転軸と垂直方向に２極着磁（Ｎ極、Ｓ極）された磁石部を備え、制御基板を有するコントロールユニットをモータ本体の背面側に装着できる構造であり、２極着磁された磁石部に対向するように配設された制御基板に、磁気検出素子が１個若しくは２個以上の複数個設置されており、磁気検出素子により磁石部を介してロータ回転軸の回転角度を絶対角で検出する機能を具備している。
【００２７】
コントロールユニットの制御基板上に磁気検出素子を設置することにより、回転角度センサとコントロールユニットを電気的に接続するための機構が別に必要なくなるため、従来構造に比べ寸法及びコストを抑えることができ、特にブラシレスモータとして電動パワーステアリング装置への適用に適している。また、磁気検出素子を２個以上の複数設置することにより、アシスト制御等の機能継続のための多重系を容易に構成することができる。
【００２８】
図４及び図５を参照して、本発明の原理を説明する。
【００２９】
本発明では図４及び図５に示すように、回転軸２００の一端部に２極（Ｎ極、Ｓ極）着磁された磁石部２０１が固定されており、図４の例では回転軸２００に対して垂直にＡＤ方向に着磁され、図５の例では回転軸２００に対して並行にＰＲ１方向及びＰＲ２方向に着磁されている。いずれの場合も磁石によって磁束線は形成され、磁束線内に磁気検出素子２０２を配置することにより、磁石部２０１の回転角度を検出することができる。しかしながら、軸ズレ量に対する検出角度の誤差は、例えば図６に示すような結果となり、磁石部２０１の着磁方向を回転軸２００に対して垂直のＡＤ方向にする方が良い。
【００３０】
磁石部２０１の着磁方向を回転軸２００と垂直方向とすることにより、磁気検出素子２０２を設置する、磁石部２０１の対向面の広い範囲に平面磁場を作り出すことができるため、回転軸２００と並行方向に着磁した場合に比べロバスト性が良い。そのため、センサの組立てを容易にすることが可能である。また、多重系を構成するために複数の磁気検出素子２０２を設置した場合、複数の磁気検出素子２０２の中心を回転軸２００の中心と一致させることはできないが、磁石部２０１の着磁方向を回転軸２００と垂直方向とすることにより、磁気検出素２０２子を複数設置した場合でも精度良く絶対角度を検出することが可能である。
【００３１】
本発明に係る回転角度センサ及びブラシレスモータの磁気検出素子と磁石部の関係は、上記原理に基づいている。
【００３２】
以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００３３】
図７は第１の実施形態を図３に対応させて示しており、ブラシレスモータ本体１００のロータ回転軸１０１の出力側とは反対側の一端に円盤状の磁石部１０２が固定されている。磁石部１０２の平面図は例えば図８に示すようになっており、円盤部材の上半分がＮ極、下半分がＳ極で構成されている。Ｎ極及びＳ極の磁石そのもので構成しても、円盤に磁石を配設（埋め込み等）して構成しても良く、着磁方向がロータ回転軸１０１に対して垂直方向になっていれば良い。なお、磁石部の形状は円盤に限定されるものではなく、２の倍数角の多角形状であっても良い。
【００３４】
また、ブラシレスモータ本体１００の背面側には、制御基板１２１を有するコントロールユニット１２０が装着できるようになっていると共に、磁石部１０２に対向する制御基板１２１上に、磁気抵抗効果素子（ＭＲ，ＡＭＲ，ＧＭＲ等）、磁気インピーダンス素子などの磁気検出素子１２２が設置されている。磁気検出素子１２２は非接触で磁石部１０２の回転を検出できるので、磁気検出素子１２２と磁石部１０２との間の配線は不要である。
【００３５】
このような構造で、ブラシレスモータが駆動されるとロータ回転軸１０１が回転し、ロータ回転軸１０１の一端に固定されている磁石部１０２も連動して回転する。磁石部１０２の回転は磁気的に磁気検出素子１２２で検出することができ、回転角度を検出することができる。
【００３６】
以上の構成により、寸法及びコストを抑えることができる。また、ロバスト性が良いため、センサの組立てを容易にすることが可能である。
【００３７】
従来の構成では、ブラシレスモータの回転角度センサとしてレゾルバが使用されているため、レゾルバとコントロールユニットを電気的に接続するために、ハーネスやコネクタなどの接続部品が必要になっている。しかしながら、本発明では、ブラシレスモータの回転軸の軸端に磁石部、コントロールユニットの制御基板上に磁気検出素子を設置する構成となっているため、回転角度センサとコントロールユニットを電気的に接続するための機構を別途構成する必要がなく、寸法及びコストを抑えることができる。
【００３８】
なお、本発明の回転角度センサは絶対値での検出が可能であり、センサの電源を入れただけで角度を検出することができる。従って、回転軸１０１が回転しなくても、角度を検出することができる。
【００３９】
図９は第２の実施形態を図４に対応させて示しており、本実施形態では多重系を構成するために２個の磁気検出素子１２３Ａ及び１２３Ｂを制御基板に設置している。２個の磁気検出素子１２３Ａ及び１２３Ｂを設置しているため、一方の磁気検出素子１２３Ａ又は１２３Ｂが故障若しくは異常となっても、角度検出を継続することができ、機能の継続が可能である。
【００４０】
以上の構成により、寸法及びコストを抑えて多重系を構成することができる。また、ロバスト性が良いため、軸検出素子を複数設置した場合でも、精度良く角度を検出することが可能である。
【００４１】
従来のレゾルバを使用した構成では、機能継続のために多重系を構成する場合、レゾルバを２つ直列に並べる必要があるため、センサに必要なサイズが２倍になってしまい、更にそれぞれのレゾルバで交流磁場を発生させるため、レゾルバ間に磁気的な干渉が発生し、検出精度が悪化してしまう。しかしながら、本発明では、磁気検出素子を複数使用することにより、サイズやコストを抑えながら、しかも容易にかつ簡易な構造で、機能継続のための多重系を構成することが可能である。
【００４２】
また、回転軸に固定された磁石部の回転角度を複数の磁気検出素子により検出するため、多重系にしたことによるセンサ間の磁気的な干渉などは発生しないため、精度よく角度を検出することが可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１                      ハンドル
２                      コラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）
１０                    トルクセンサ
１２                    車速センサ
１４                    舵角センサ
２０                    モータ
３０、１２０            コントロールユニット（ＥＣＵ）
１００                  ブラシレスモ−タ本体
１０１                  回転軸（出力軸）
１０２、１０２Ａ，１０２Ｂ      磁石部
１１０                  レゾルバ
１１１                  ハーネス
１１２                  コネクタ
１２１                  制御基板
１２２，１２３Ａ，１２３Ｂ    磁気検出素子
２００                  回転軸
２０１                  磁石部
２０２                  磁気検出素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2016118500.tif 000006
【図５】
2016118500.tif 000007
【図６】
2016118500.tif 000008
【図７】
2016118500.tif 000009
【図８】
2016118500.tif 000010
【図９】
2016118500.tif 000011