JPH07125677A - 移動体のモータ制御ユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電動モータ駆動の移動体に取付けられるモー
タ制御ユニットにおいて、組立性および冷却性を良く
し、軽量化に適するものにする。 【構成】 車体フレームに固定され下面が開口した樹脂
製の上ケース半体と、この上ケース半体にその下面開口
を塞ぐように下方から取付けられる金属製の下ケース半
体と、この下ケース半体の内底面に固定されその上面に
電動モータの主回路の少くともスイッチング素子が取付
けられた板状のヒートシンクと、このヒートシンクの一
辺から上方へ起立し下ケース半体を上ケース半体に下方
から取付ける際に上ケース半体内に進入して上縁が上ケ
ース半体の内面に係止される回路基板とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電動モータ付き自転車
などの移動体の取付けられるモータ制御ユニットに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】電動モータによる補助力を利用して踏力
を軽減させた電動モータ付きの自転車が公知である。ま
た電動式の無人運搬車やロボット、あるいは電動モータ
による補助力と人力とを併用した人力運搬車や車椅子な
ども考えられている。

【０００３】この種の小型の移動体においては、電気回
路を収容するモータ制御ユニットに振動が加わるため、
耐震性を高くする必要があり、また冷却性、組立性、軽
量化等の要求も満足させる必要がある。従来は電気回路
の配線回路基板にＩＣや半導体パワー素子などの電気部
品を組付け、この基板をケース内にビス止めしていた。
そしてこのケースを蓋板で密封して車体フレームに固定
していた。

【０００４】

【従来の技術の問題点】このように従来は配線回路基板
をケース内に固定した後、蓋板を固定するため、組立性
が悪く点検・整備もしにくいという問題がある。またケ
ースは密封されるため、電気回路部品特に主回路のパワ
ートランジスタなどのスイッチング素子の冷却性が悪く
なるという問題もあった。

【０００５】冷却性を向上させるためケース全体を金属
で作ることも考えられるが、こうすると重量が増える。
そこでケースを樹脂製としてヒートシンクをケースの一
部に設けた開口から外部に臨ませたり、ケース内に冷却
風を導くことも考えられる。しかしこの場合には防水性
や組立性が悪くなる。

【０００６】

【発明の目的】本発明はこのような事情に鑑みなされた
ものであり、組立性および冷却性が良く、軽量化にも適
する移動体のモータ制御ユニットを提供することを目的
とする。

【０００７】

【発明の構成】本発明によればこの目的は、電動モータ
駆動の移動体に取付けられるモータ制御ユニットにおい
て、車体に固定され下面が開口した樹脂製の上ケース半
体と、この上ケース半体にその下面開口を塞ぐように下
方から取付けられる金属製の下ケース半体と、前記下ケ
ース半体の内底面に固定されその上面に前記電動モータ
の主回路の少くともスイッチング素子が取付けられた板
状のヒートシンクと、このヒートシンクの一辺から上方
へ起立し前記下ケース半体を前記上ケース半体に下方か
ら取付ける際に前記上ケース半体内に進入して上縁が前
記上ケース半体の内面に係止される回路基板とを備える
ことを特徴とする移動体のモータ制御ユニットにより達
成される。

【０００８】

【実施例】図１は本発明の一実施例の側面図、図２はそ
の動力系統図、図３はそのコントローラの機能を示すブ
ロック図、図４は主回路を示す図である。

【０００９】

【車体構成】まず図１〜３を用いて車体の全体構成を説
明する。図１において符号１０はメインフレームであ
り、ヘッドパイプ１２から斜下後方へのびるダウンチュ
ーブ１４と、このダウンチューブ１４の下端から後方へ
のびる左右一対のチェーンステー１６（一方のみ図示）
と、ダウンチューブ１４の下部から上方へ起立するシー
トチューブ１８および左右一対の補助ステー２０（一方
のみ図示）と、シートチューブ１８および補助ステー２
０の上端をチェーンステー１６の後端に結合する左右一
対のバックステー２２（一方のみ図示）とを備える。

【００１０】ヘッドパイプ１２には前フォーク２４が回
動自在に保持され、その下端に前輪２６が、上端にバー
ハンドル２８が取付けられている。シートチューブ１８
にはシートポスト３０が上方から挿入されて高さ調節可
能に固定され、その上端にサドル３２が取付けられてい
る。

【００１１】３４は動力ユニットであり、この動力ユニ
ット３４はボトムブラケットケース（以下ＢＢケースと
いう）３６と、永久磁石式直流電動モータ３８とを一体
化したものである。ＢＢケース３６はブラケット４０、
４２によりダウンチューブ１４の後部下方に固定されて
いる。動力ユニット３４のＢＢケース３６にはクランク
軸４４が貫挿され、その両端にクランク４６が固定され
ている。クランク４６にはクランクペダル４８、４８が
取付けられている。

【００１２】動力ユニット３４には、クランク軸４４の
回転をクランク軸側一方向クラッチ５０（図２）を介し
てチェーン５２に伝える歯車やスプロケット等（図示せ
ず）が内装されている。またこのクランク軸４４とチェ
ーン５２との間には遊星歯車機構が介在されている。

【００１３】この遊星歯車機構は遊星歯車からペダル踏
力が入力され、リング歯車からチェーン５２に踏力が出
力される。そして中央のサン歯車に加わるトルクをポテ
ンショメータからなる踏力検出機構５４で検出すること
により踏力Ｆを検出するように構成されている。モータ
３８の回転は遊星ローラ式減速機５６およびモータ側一
方向クラッチ５７を介してチェーン５２に伝えられる。

【００１４】５８は後輪であり、チェーンステー１６の
後端すなわちチェーンステー１６とバックステー２２と
の結合部に取付けられている。ここに後輪５８のハブは
フリーホイール６０となっていて、チェーン５２により
後輪５８は前進方向へだけ駆動される。図１で６２は鉛
電池などの充電可能な電池であり、シートチューブ１８
と補助ステー２０との間に取付けられた縦長の電池ケー
ス６４に上方から縦方向に並べて装填されている。

【００１５】ＢＢケース３６にはクランク軸連動回転部
分（図示せず）の回転速度を検出する回転センサ６６が
取付けられている。この回転センサ６６は車速Ｓを検出
する車速検出手段ともなっている。６８は制御ユニット
であり、ダウンチューブ１４の前部下方に取付けられて
いる。なおこの制御ユニット６８と動力ユニット３４は
車体カバー７０により覆われている。

【００１６】ポテンショメータからなる踏力検出機構５
４で検出した踏力Ｆと、車速センサ６６で検出した車速
Ｓとはモータ制御ユニット６８に入力され、この制御ユ
ニット６８はこの踏力Ｆと車速Ｓとに基づいてモータ電
流を制御しモータ出力すなわちモータトルクＴ_M を発生
させる。

【００１７】

【モータ制御ユニットの回路構成】モータ制御ユニット
６８の回路は図３に示すように構成される。モータ３８
と電池６２とは、スイッチング回路７２と共に閉回路を
形成し、この閉回路が主回路７４となる。スイッチング
回路７２は、例えば図４に示すように並列接続された同
一特性の２つのＭＯＳ−ＦＥＴ７２Ａ、７２Ｂなどのス
イッチング素子で構成される。なおモータ３８にはフラ
イホールダイオード７６が並列接続され、電流検出用の
シャント７８が主回路７４に取付けられ、また電池６２
と並列にサージ吸収用のコンデンサ７９が取付けられて
いる。スイッチング素子は２つと限らず３ケ以上のこと
もある。

【００１８】８０はＣＰＵであり、踏力Ｆや車速Ｓなど
に基づいてモータ３８の出力（トルク）Ｔ_M の指令値ｉ
を出力する。すなわち踏力Ｆの周期的増減に同期してモ
ータ３８の出力（トルク）Ｔ_M を周期的に増減させるよ
うに指令値ｉを出力する。また一定の車速Ｓになったら
モータ出力Ｔ_M を制限して車速Ｓを制限するようにして
もよい。

【００１９】８２はゲート回路であり、ＣＰＵ８０から
供給されるデューティ比が変化する指令値ｉに対応して
スイッチング回路７２を駆動するゲート信号ｇを出力す
る。すなわちモータ出力Ｔ_M を増加させる時には指令値
ｉの（オン時間）／（オフ時間＋オン時間）の値（デュ
ーティーという）を大きくする。

【００２０】ゲート回路８２が指令値ｉに基づいて出力
するゲート信号ｇは、スイッチング回路７２のＦＥＴ７
２Ａ、７２Ｂのゲートに送られ、各ＦＥＴ７２Ａ、７２
Ｂを同時にオン・オフさせる。

【００２１】図３において８４はメインキースイッチで
あり、このメインスイッチ８４をオンにするとＣＰＵ８
０は初期設定の後主回路７４に介在するメインリレー８
６をオンにすると共に、電源部８８、補器制御部９０、
ゲート回路８２、その他制御ユニット６８の各部を全て
起動状態にする。電源部８８は、例えばスイッチングレ
ギュレータによって走行用の電池６２の電圧を降圧し、
ＣＰＵ８０の電源電圧や、補器９２の駆動電圧などを作
る。

【００２２】なお電源部８８には電池６２とは別の小容
量の電池（図示せず）を接続し、電池６２の電圧をスイ
ッチングレギュレータにより降圧してこの小容量の電池
を充電するようにしても良い。補器９２はランプ、メー
タ類を含み、これらは補器制御部９０の指令により電源
部８８の電力により駆動される。

【００２３】

【モータ制御ユニットの収納構造】次にモータ制御ユニ
ット６８の収納構造すなわち機械的構成について説明す
る。図５は制御ユニット６８の外観を示す左側面図、図
６は同じく後面図、図７はその上ケース半体の左側面
図、図８はその内部を下方から見た底面図、図９は図７
におけるIX−IX線断面図である。

【００２４】図１０は下ケース半体に基板およびヒート
シンクを組付けた予備組立体を示す側断面図、図１１は
その分解斜視図、図１２はこの基板の上縁を上ケース半
体の内面に係止するためのリブ群を示す一部拡大断面図
である。また図１３は基板下部のヒートシンク取付部付
近と主回路の配線の概念とを示す側面図、図１４は主回
路の実際の配線を示すための平面図である。

【００２５】この制御ユニット６８は樹脂製の上ケース
半体１００と、金属製の下ケース半体１０２とを有す
る。上ケース半体１００は前後に長く下面が開口した箱
状であり、その上部に右側へ偏位して前後に突設された
フランジ１０４、１０６を持つ。上ケース半体１００
は、このフランジ１０４、１０６によってメインフレー
ム１０のダウンチューブ１４に固定される（図１）。

【００２６】この上ケース半体１００のフランジ１０
４、１０６側の内面上部には、後記配線基板１２０の上
縁が下方から係入されるリブ群１０８、１１０が一体成
形されている。これらリブ群１０８、１１０は同一構造
であるからその一方１０８のみを図１２を用いて説明す
る。リブ群１０８は上ケース半体１００の長手方向（前
後方向）に所定間隔をもって対向する対向リブ１０８
ａ、１０８ｂと、これらに直交して外側から支える支え
リブ１０８ｃ、１０８ｄとを持つ。

【００２７】対向リブ１０８ａ、１０８ｂの対向面が挟
む角度θは、図１２に示すように上に向ってテーパ状と
され、また支えリブ１０８ｃ、ｄの下縁は対向リブ１０
８ａ、１０８ｂの下縁に向って次第に高くなるように傾
斜している。このため基板１２０は下方から押し上げた
時に円滑に対向リブ１０８ｃ、１０８ｂ間に進入し保持
される。

【００２８】下ケース半体１０２は図１０、１１に示す
ように、金属例えばアルミ合金のダイカスト鋳造により
略皿状に作られている。この下ケース半体１０２の後部
上面は平板状のヒートシンク取付面１１２とされる一
方、前部は前へ向って浅くなるように傾斜した傾斜面１
１４となっている。

【００２９】この傾斜面１１４には、前記リブ群１０８
の対向リブ１０８ａ、１０８ｂの間隙の下方に位置する
溝１１６が形成されている。ヒートシンク取付面１１２
の外側の面すなわち下ケース半体１０２の外底面には、
前後方向に長い５枚の放熱フィン１１８が一体形成され
ている。これらのフィン１１８は、制御ユニット６８を
メインフレーム１０に取付けた状態で、車体カバー７０
に設けた開口から下方へ突出し、走行風が当たり易くな
る。

【００３０】１２０はプリント配線回路基板であり、そ
の下辺は下ケース半体１０２の内底面に沿うように形成
される。この基板１２０の後部下縁には、厚板状のヒー
トシンク１２２が直角にすなわち水平に固定されてい
る。図１３に符号１２４、１２４で示すものは、このヒ
ートシンク１２２を固定するために基板１２０に設けた
ボルト孔である。

【００３１】このヒートシンク１２２はアルミニューム
板などで作られ、その上面には前記したスイッチング素
子としてのＦＥＴ７２Ａ、７２Ｂ、ダイオード７６およ
びシャント抵抗７８がビス止めされる。ここに用いるＦ
ＥＴ７２Ａ、７２Ｂ、ダイオード７６およびシャント抵
抗７８は長方形のブロック状であり、その一端面に３本
あるいは２本の端子が平行に突出したパッケージを持
つ。これらは図１１に示すようにヒートシンク１２２の
上面にビス止めされる。

【００３２】基板１２０には、これらＦＥＴ７２Ａ、７
２ＢのソースＳ、ドレインＤ、ゲートＧの３つの端子が
入るスルーホール（それぞれ対応するスルーホールに
Ｓ、Ｄ、Ｇを付した）、抵抗７８の端子Ｒ₁ 、Ｒ₂ が入
るスルーホール、ダイオード７６の端子Ｄ₁ Ｄ₂ が入る
スルーホールがそれぞれ設けられている。また基板１２
０には、これらのスルーホールの上方に近接して大径の
スルーホールが形成され、これらの大径スルーホールは
半田コーティングしたプリント回路パターン１２６によ
って対応する小径のスルーホールに接続されている。こ
れらの大径のスルーホールは大径のリード線Ｊ１〜Ｊ４
およびＪ５、Ｊ６等によって所定位置に接続される。

【００３３】ここにリード線Ｊ１〜Ｊ４は、図４に示す
ＦＥＴ７２Ａ、７２ＢのドレインＤ、ソースＳをそれぞ
れダイオード７６の端子Ｄ₂ と抵抗７８の端子Ｒ₁ とに
接続するものである。図１０にＪ１〜Ｊ４で示す部分は
これらリード線Ｊ１〜Ｊ４の断面である。またリード線
Ｊ５はモータ３８に接続され、リード線Ｊ６は接地され
る。

【００３４】この実施例では、２つのＦＥＴ７２Ａ、７
２Ｂを並列接続して電流容量の増大を図っているから、
両ＦＥＴ７２Ａ、７２Ｂの電流が均一になるように、回
路条件を揃えておくことが必要になる。すなわち、図４
に示す端子Ｄ₂ から両ＦＥＴ７２Ａ、７２Ｂのドレイン
Ｄに至る回路の抵抗値を同一にし、また同様に端子Ｒ₂
から各ＦＥＴ７２Ａ、７２ＢのソースＳに至る回路の抵
抗値を同一にする。そこで前記リード線Ｊ１〜Ｊ４を同
一径かつ略同一長さとした。図１４はこれらのリード線
Ｊ１〜Ｊ４の配置を示す。

【００３５】この基板１２０には、ヒートシンク１２２
側の面にコンデンサ７９やＣＰＵ８０（図１０参照）や
他のディスクリート部品が取付けられてから、さらに下
ケース半体１０２に固定される。すなわちヒートシンク
１２２を下ケース半体１０２のヒートシンク取付面１１
２に当て、下方からビス１２８、１２８（図１０）をヒ
ートシンク１２２に螺入する。この時基板１２０の前部
は、傾斜面１１４の溝１１６に係入し保持される。この
ようにして基板１２０、ヒートシンク１２２を下ケース
半体１０２に組付けた予備組立体１３０が形成される。

【００３６】この予備組立体１３０は、上ケース１００
に下方から挿入される。この際基板１２０の上縁はリブ
群１０８、１１０に係止され、基板１２０の振動が防止
される。そして上・下のケース半体１００、１０２の開
口縁がシールされてビスで結合される。なお上ケース半
体１００の後面にはメインリレー８６（図３、５、６）
が固定されている。このメインリレー８６は、上ケース
半体１００の後面の開口１３２に嵌め込まれたグロメッ
ト１３４を貫通するリード線により、基板１２０に接続
される。

【００３７】この実施例ではヒートシンク１２２にはＦ
ＥＴ７２Ａ、７２Ｂだけでなくダイオード７６、抵抗７
８も取付けられているが、本発明は最も発熱量の多いも
の、例えばＦＥＴなどのスイッチング素子だけをヒート
シンクに取付けたものであってもよい。また基板１２０
は、フランジ１０４、１０６側に偏位させたから、車体
振動により制御ユニット６８全体が左右に揺れた時に基
板１２０に加わる衝撃が小さくなる。

【００３８】

【発明の効果】請求項１の発明は以上のように、基板の
下縁にほぼ直交するヒートシンクを固定し、このヒート
シンクを金属製の下ケース半体に予め固定して予備組立
体を形成し、これを上ケース半体に下方から挿入し、基
板の上縁を上ケース半体の内面に下方から係止させた状
態で下ケース半体を上ケース半体に固定するものであ
る。

【００３９】従って基板を含む電気回路部分は下ケース
半体と共に着脱でき、組立性が良い。またヒートシンク
を金属製の下ケース半体に固定するから、このヒートシ
ンクに取付けられる主回路のスイッチング素子などの熱
がヒートシンクから下ケース半体に良好に伝わってその
外面から良好に放熱され得る。このため放熱性が向上す
る。さらに上ケース半体は樹脂製であるから軽量化にも
適する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるモータ付き自転車の側
面図

【図２】その動力系統図

【図３】コントローラの機能ブロック図

【図４】主回路を示す図

【図５】制御ユニットの外観を示す左側面図

【図６】同じく後面図

【図７】上ケース半体の左側面図

【図８】その内部を下から見た底面図

【図９】図７におけるIX−IX線断面図

【図１０】予備組立体を示す側断面図

【図１１】その分解斜視図

【図１２】リブ群を示す一部拡大断面図

【図１３】基板下部付近を示す側面図

【図１４】主回路のリード線配置を示す平面図

【符号の説明】

３８ 電動モータ ６８ モータ制御ユニット ７２Ａ、７２Ｂ スイッチング素子としてのＦＥＴ ８０ ＣＰＵ １００ 上ケース半体 １０２ 下ケース半体 １０８、１１０ リブ群 １２０ 回路基板 １２２ ヒートシンク １３０ 予備組立体

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成５年１２月２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図４】

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図５

【補正方法】変更

【補正内容】

【図５】

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図６

【補正方法】変更

【補正内容】

【図６】

【手続補正４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図７

【補正方法】変更

【補正内容】

【図７】

【手続補正５】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図８

【補正方法】変更

【補正内容】

【図８】

【手続補正６】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図９

【補正方法】変更

【補正内容】

【図９】

【手続補正７】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１０

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１０】

【手続補正８】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１１】

【手続補正９】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１２】

【手続補正１０】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１３】

【手続補正１１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１４】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 永井 末次 静岡県磐田市新貝2500番地 ヤマハ発動機 株式会社内 (72)発明者 菅沼 泰夫 静岡県磐田市新貝2500番地 ヤマハ発動機 株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電動モータ駆動の移動体に取付けられる
   モータ制御ユニットにおいて、車体に固定され下面が開
   口した樹脂製の上ケース半体と、この上ケース半体にそ
   の下面開口を塞ぐように下方から取付けられる金属製の
   下ケース半体と、前記下ケース半体の内底面に固定され
   その上面に前記電動モータの主回路の少くともスイッチ
   ング素子が取付けられた板状のヒートシンクと、このヒ
   ートシンクの一辺から上方へ起立し前記下ケース半体を
   前記上ケース半体に下方から取付ける際に前記上ケース
   半体内に進入して上縁が前記上ケース半体の内面に係止
   される回路基板とを備えることを特徴とする移動体のモ
   ータ制御ユニット。