JP2000153766A - 電動式パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】回転子の保護を確保しつつ、より高い出力トル
クを発生することの可能なパワーステアリング装置を提
供する。 【解決手段】磁性体のスリーブ２３ｅが、駆動用磁石２
３ｄの周囲に配置されているため、駆動用磁石２３ｄの
外周部を保護できると共に、スリーブ２３ｅの内部に磁
路を形成できる。従って、従来においては磁気的エアギ
ャップの一部を構成していた非磁性体の保護部材を設け
る場合に比し、より小さな磁気的エアギャップを確立で
き、それにより駆動用磁石２３ｄの保護を確保しつつ、
より高い出力トルクを発生できることとなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、車両のパワーステ
アリング装置に関し、より詳細には、ブラシレスモータ
を備えた電動式パワーステアリング装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】車両の電動式パワーステアリング装置の
一形式として、ラック・アンド・ピニオン式ステアリン
グ装置のラック軸が挿通されたスリーブ部材を、ラック
軸と同軸の電動モータにより回転させ、その回転出力
を、ボールねじ機構を介してラック軸の長手方向推力に
変換するようにしたものが知られている。

【０００３】この形式の電動式パワーステアリング装置
において、ボールねじ機構は、ラック軸の外周に設けら
れた外ねじ溝と、この外ねじ溝に対向するように形成さ
れた内ねじ溝を内周に有し、軸受によりラック軸に対し
て回転可能に支持されたボールスクリューナットと、両
ねじ溝間に形成された転動路内に転動自在に配置された
多数のボールとによって構成されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、電動式パワ
ーステアリング装置用の電動モータとして、回転子とし
ての円筒状の永久磁石の周囲に、たとえば樹脂やステン
レス等からなる非磁性体の保護部材（円筒スリーブ）を
設けて、かかる永久磁石を保護すると共に、隣接磁極等
に磁束が洩れるのを防止しているものがある（特開平９
−２２４３３９号参照）。

【０００５】しかるに、回転子の周囲に、非磁性体の円
筒スリーブを設けると、かかる円筒スリーブの厚さ分だ
け、回転子と、これを内包する固定子との磁気的な間隔
が広がってしまい、磁気的エアギャップが増大すること
となる。磁気的エアギャップが増大すると、かかるエア
ギャップ内の磁束密度が低下し、磁石の磁気エネルギー
を有効に活用できず、電動モータの出力低下を招く恐れ
がある。

【０００６】更に、ボールねじ機構を用いた電動式パワ
ーステアリング装置において、減速比を大きく設定する
ことは、ボールねじ機構の構成上困難であるため、電動
モータの出力トルクを極力大きくしたいという実情があ
る。従って、かかる電動モータの磁気的エアギャップ
は、極力小さくすることが望まれる。

【０００７】一方、磁気的エアギャップを小さくするに
は、回転子の保護部材である円筒スリーブを除去すれば
足りるという考えもある。しかしながら、ラック同軸形
式の電動モータを用いた電動式パワーステアリング装置
の場合、ステアリングホイールを急操舵で限界まで回し
たとき、ラックがストッパに衝接して、かかる電動モー
タに大きな衝撃が伝わることがある。その場合にも、回
転子を保護するために、保護部材としての円筒スリーブ
を除去することは難しく、高強度の磁石を使用したり、
衝撃吸収構造を設けることが必要で、コストが大幅に増
大する恐れがある。

【０００８】特に、複数の磁石を磁極を異ならせて貼り
合わせることによりロータ形状にしたセグメント磁石
や、一般的には脆性であるフェライト磁石等により形成
された回転子においては、機械的強度の高い円筒スリー
ブによる、より強い保護が望まれている。さらに、電動
モータの出力特性をより滑らかにしたい場合もある。

【０００９】このような問題点に鑑み、本発明は、回転
子の保護を確保しつつ、より高い出力トルクを発生する
ことの可能なパワーステアリング装置を提供することを
目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成すべ
く、本発明の電動式パワーステアリング装置は、往復動
作することにより操向装置を駆動するラック軸を備えた
電動式パワーステアリング装置であって、固定子と、外
周部の円周方向に、異なる磁極が交互に形成されるよう
に磁化された回転子手段と、前記回転子手段の外周部に
わたって配置された磁性体部材とで形成されているブラ
シレスモータを用いている。

【００１１】

【作用】本発明の電動式パワーステアリング装置によれ
ば、機械的強度が大きく、透磁率が高い前記磁性体部材
が、前記回転子手段の外周部にわたって配置されている
ため、前記回転子手段の外周部を保護できると共に、前
記磁性体部材の内部に磁束密度の高い磁路を形成でき
る。従って、従来においては磁気的エアギャップの一部
を構成していた非磁性体の保護部材を設ける場合に比
し、より小さな磁気的エアギャップを確立でき、それに
より回転子の保護を確保しつつ、より高い出力トルクを
発生できることとなる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本願発明の実施の形態を図
面を参照して以下に詳細に説明する。図１は、本発明の
実施の形態にかかる電動式パワーステアリング装置を示
す概略構成図である。図１において、ステアリングホイ
ール１は、ステアリングシャフト２の上部を構成する入
力軸２ａに連結されている。入力軸２ａの下端は、トル
クセンサ３を介して、ステアリングシャフト２の下部を
構成する出力軸２ｂの上端に連結されている。

【００１３】トルクセンサ３は、ステアリングシャフト
２に配設され、入力軸２ａに伝達された操舵トルクを検
出するものであり、例えば、繰舵トルクを入力軸２ａ及
び出力軸２ｂ間に介挿したトーションバーのネジレ角変
位に変換し、このネジレ角変位をポテンショメータで検
出するように構成され、操作者がステアリングホイール
１を操舵操作することによって、ステアリングシャフト
２に生じるネジレの大きさと方向とに応じたアナログ電
圧からなるトルク検出信号Ｔｖを、コントローラ１３に
出力するようになっている。

【００１４】かかるトルクセンサ３は、例えば、ステア
リングホイール１が中立状態にある場合には、所定の中
立電圧をトルク検出信号Ｔｖとして出力し、これよりス
テアリングホイール１を右旋した場合には、そのときの
操舵トルクに応じて中立電圧より増加する電圧を、左旋
した場合には、そのときの操舵トルクに応じて中立電圧
より減少する電圧を出力するようになされている。

【００１５】出力軸２ｂの下端は、ユニバ―サルジョイ
ント４を介してロアシャフト５の上端に連結され、さら
に、ロアシャフト５の下端は、ユニバーサルジョイント
６を介してピニオンシャフト７の上端に連結されてい
る。ピニオンシャフト７の下端には、不図示のピニオン
が連結されており、かかるピニオンは、ラック軸（図
２）のラック歯に噛合している。ラック軸周囲のラック
ハウジング８には、ラック軸同軸型３相ブラシレスモー
タ２３が後述する態様で配置されている。

【００１６】モータ２３を駆動制御し、操舵系への操舵
補助力の制御を行うため、コントローラ１３が設けられ
ている。コントローラ１３は、車載のバッテリ１６から
電源供給されることによって作動するようになされてい
る。バッテリ１６の負極は接地され、その正極はエンジ
ン始動を行うイグニッションスイッチ１４及びヒューズ
１５ａを介してコントロ―ラ１３に接続されると共に、
ヒューズ１５ｂを介してコントローラ１３に直接接続さ
れており、このヒューズ１５ｂを介して供給される電源
は例えば、メモリバックアップ用に使用される。コント
ローラ１３は、トルクセンサ３からのトルク検出信号Ｔ
ｖと、例えば、図示しない変速機の出力軸に配設された
車速センサ１７からの車速検出信号Ｖｐとに基づきモー
タ２３を駆動制御することができる。

【００１７】図２は、本実施の形態にかかるラック軸同
軸型ブラシレスモータ周辺の軸線方向断面図である。ラ
ックハウジング８は、ブラケット２１により図示しない
車体に固定されている。ラックハウジング８内にラック
軸２２が挿通され、ラック軸２２はその両端において、
タイロッド９，１０（図１）に連結されている。タイロ
ッド９，１０は、図示しない操向機構に連結されてい
る。

【００１８】ラックハウジング８内には円管状の固定子
２３ａが固定されており、また、固定子２３ａの一部を
巻回する複数のセグメントからなるコイル２３ｂが設け
られている。固定子２３ａに挿通するようにして、細長
い薄肉円管状の回転子２３ｃが設けられている。回転子
２３ｃの外周には、固定子２３ａに対向するようにし
て、円筒状の駆動用磁石２３ｄが設けられている。駆動
用磁石２３ｄは、円周方向にＮ極とＳ極とを交互に形成
するよう磁化されている。更に駆動用磁石２３ｄの周囲
には、駆動用磁石２３ｅの保護部材として機能する、金
属製の磁性体からなるスリーブ２３ｅが設けられてい
る。回転子２３ｃ内をラック軸２２が延在するようにな
っている。尚、固定子２３ａと、コイル２３ｂと、回転
子２３ｃと、駆動用磁石２３ｄと、スリーブ２３ｅと
で、ブラシレスタイプの電動モータ２３を構成してお
り、回転子２３ｃと駆動用磁石２３ｄとで回転子手段を
構成する。

【００１９】回転子２３ｃは、軸受２６により、ハウジ
ング８に対して回転自在に支持されている。回転子２３
ｃの外周であって、軸受２６の近傍には、位相検知用の
磁石２７が取り付けられている。この磁石２７は、駆動
用磁石２３ｄの極性を検知するため、その極性とある相
関関係を有するように設置されている。この極性位相
は、磁石２７に隣接配置されたホール素子２８により検
知され、かかる極性位相を示す電気信号が、コントロー
ラ１３へと出力されるようになっている。

【００２０】コントローラ１３は、回転方向に分割され
た各コイル２３ｂのセグメントに順次電流を供給分配
し、その結果、ブラシレスモータ２３は所定の回転出力
を発生するように駆動制御される。

【００２１】回転子２３ｃの左方端は、略円管状のボー
ルスクリューナット２９の右方端に形成された拡径部２
９ａに圧入嵌合されている。ボールスクリューナット２
９は、内側に螺旋状の内ねじ溝２９ｂを有し、内ねじ溝
２９ｂは、ラック軸２２の左方部に形成された外ねじ溝
２２ａに対向して転動路を形成し、該転動路内に複数の
ボール３０が収容されている。

【００２２】ボール３０は、ボールスクリューナット２
９とラック軸２２が相対回転する際に生じる摩擦力軽減
のために用いられる。なお、ボールスクリューナット２
９は、その内部に循環路２９ｃを有し、ボールスクリュ
ーナット２９の回転時に、循環路２９ｃを介してボール
３０は循環可能となっている。

【００２３】ボールスクリューナット２９の左方端は、
軸受２５によりラックハウジング８に対して回転自在に
支持されている。軸受２５，２６は、外輪、内輪、およ
び両輪間のボールとから形成されるアンギュラコンタク
トタイプの軸受である。軸受２６の外輪右方端がラック
ハウジング８に当接しているので、軸受２５の左方に配
置された押圧部材３１が、軸受２５の外輪を右方に押圧
すると、軸受２５のボールと内輪、ボールスクリューナ
ット２９、回転子２３ｃ、軸受２６の内輪及びボールを
介して押圧力が伝達され、軸受２６の外輪はラックハウ
ジング８より反力を受けるようになっている。すなわ
ち、軸受２５の内輪と軸受２６の内輪とは、介在する部
材を介して、互いに近接する方向の相対移動が禁止され
るようになっている。

【００２４】次に、図面を参照して本実施の形態の動作
を説明する。図１において、車両が直進状態にあり、ス
テアリングホイール１からラック軸２２へ操舵力が入力
されていない場合、トルクセンサ３から出力されるトル
ク検出信号Ｔｖは、ゼロもしくは低い値であるため、コ
ントローラ１３はブラシレスモータ２３を回転駆動しな
い。従って、この電動式パワーステアリング装置は補助
操舵力を出力しない状態にある。

【００２５】一方、車両がカーブを曲がろうとする場合
には、ステアリングホイール１が操舵されて操舵力がラ
ック軸２２へ伝達されるため、トルクセンサ３からは、
操舵トルクに応じたトルク検出信号Ｔｖが出力され、速
度センサ１７からの検出信号Ｖｐを考慮して、コントロ
ーラ１３は、適切なトルクでブラシレスモータ２３の回
転子２３ｃを回転させる。回転子２３ｃが回転するとボ
ールスクリューナット２９も回転し、それによりラック
軸２２を左もしくは右方向に移動させて補助操舵力を発
生させるようになっている。

【００２６】図３は、本実施の形態にかかるブラシレス
モータ２３を、従来技術と比較して示す一部断面図であ
る。図３において、従来技術のごとく、非磁性体のスリ
ーブを設けた場合、駆動用磁石２３ｄと固定子２３ａと
の磁気的エアギャップはＧ１である。これに対し、本実
施の形態にかかる磁性体のスリーブ２３ｅを設けた場
合、スリーブ２３ｅ内に磁路が形成されることから、駆
動用磁石２３ｄと固定子２３ａとの磁気的エアギャップ
は、Ｇ１より小さいＧ２となる。

【００２７】図４は、本実施の形態にかかるブラシレス
モータの３相矩形波駆動構成を示す図である。図５は、
本実施の形態と従来技術のブラシレスモータにおける、
電気角１回転分の磁束密度分布を比較した図である。図
６は、本実施の形態にかかるブラシレスモータの励磁パ
ターンを示す図である。

【００２８】図４において、コントローラ１３（図１）
に設けられたドライバ主回路Ａは、３対のトランジスタ
Ｔａ１〜Ｔｃ２を有する。これらトランジスタのいずれ
かが同期してオン・オフ制御されることにより、モータ
コイル回路Ｂ側のａ相，ｂ相，ｃ相のいずれかに電流が
流れ、発生した磁力に基づき回転子２３ｃ（図２）が駆
動力を受けるようになっている。各相においては、図６
に示すような励磁パターンに基づき、励磁が行われるよ
うになっているが、３０〜１５０度（及び２１０〜３３
０度）の電気角の範囲内で励磁されるようになっている
ａ相を例にとり、本実施の形態の特徴を説明する。

【００２９】図５において、縦軸はエアギャップ内の磁
束密度であり、横軸は電気角であり、本実施の形態のブ
ラシレスモータにおける磁束密度は、実線で示され、従
来技術のブラシレスモータにおける磁束密度は、点線で
示されている。図５から明らかなように、本実施の形態
のブラシレスモータにおける磁束密度の安定値Ｙ２は、
従来技術のブラシレスモータにおける磁束密度の安定値
Ｙ１より、大きくなっている。これは、本実施の形態の
ブラシレスモータは、磁性体のスリーブ２３ｅを用いて
いるため、スリーブ２３ｅ内に高磁束密度の磁路が形成
され、従ってスリーブ２３ｅの肉厚分だけ、従来技術の
ブラシレスモータに比較して磁気的エアギャップＧ２
（図３）が小さくなることに起因するものである。＋側
を例にとると３０乃至１５０度の電気角範囲内における
磁束密度は、ブラシレスモータの出力に寄与するため、
かかる範囲で磁束密度の大きい本実施の形態のブラシレ
スモータは、従来技術のブラシレスモータよりも高い出
力を発生することができるのである。

【００３０】更に、図５から明らかなように、本実施の
形態のブラシレスモータにおける磁束密度が安定してい
る領域（安定領域）での電気角Ｘ２は、従来技術のブラ
シレスモータにおける電気角Ｘ１より小さくなってい
る。これは、本実施の形態のブラシレスモータは、磁性
体のスリーブ２３ｅを用いているため、スリーブ２３ｅ
を通って隣接磁極に磁束が洩れ、それにより従来技術の
ブラシレスモータに比較して安定領域が狭くなることに
起因するものである。

【００３１】従来技術のブラシレスモータのように、か
かる安定領域が広ければ、磁束密度線図におけるゼロか
らの立ち上がり（角度θ１）が、本実施の形態のブラシ
レスモータの立ち上がり（角度θ２）に比較して、急峻
になる。立ち上がりが急峻になると、モータのトルクの
出方が唐突になり、角度（モータの回転位置）に対する
トルク変化が大きくなる。かかる現象をコギングトルク
が大きくなるという。コギングトルクが大きくなると、
操作者の操舵に応じて唐突に補助操舵力が働くため、操
舵が滑らかに行われない恐れがある。本実施の形態のブ
ラシレスモータによれば、コギングトルクを小さく抑え
て、滑らかな操舵を達成することが可能となる。

【００３２】尚、磁束が洩れる領域は、磁極の境界から
ある一定の幅の領域なので、１つの磁極の範囲の幅が狭
い回転子の外径が小さいモータや、磁極数が極端に多い
モータは、磁極の幅に対して安定領域の割合が狭くなっ
てしまう。しかしながら、本実施の形態のように、ボー
ルスクリュウ式ラック・アンド・ピニオン型パワーステ
アリング装置の場合には、回転子２３ｃが中空になって
おり、その中をラック軸２２が貫通しているため、駆動
用磁石２３ｄの外径が比較的大きくなる傾向にある。従
って、安定領域が狭くなっても励磁範囲である３０〜１
５０度の範囲は安定領域になっている。また、１極当た
りの磁極幅が広いため、磁極の両側の磁束が低下して
も、磁極の中心付近の磁束は低下しないということも、
安定領域を広げることに貢献している。

【００３３】図７は、本発明にかかる実施の形態の変形
例を示す、図３と同様な断面図である。上述した実施の
形態に対し、本変形例は、磁性体であるスリーブの形状
が異なっている。すなわち、スリーブ１２３ｅは、駆動
用磁石２３ｄの端部まで覆う形状となっており、それに
より駆動用磁石２３ｄの保護をより強固なものとしてい
る。上述した実施の形態に対して、構成を共通とするそ
の他の点については、その説明を省略する。

【００３４】以上、本発明を実施の形態を参照して説明
してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈さ
れるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることは
もちろんである。例えば、本実施の形態においては３相
矩形波駆動型のブラシレスモータについて説明している
が、本発明は、これに限定されることなく、たとえば５
相、７相等、他の種類の矩形波駆動式のブラシレスモー
タに適用可能である。また、正弦波駆動式のブラシレス
モータにおいても、磁極の中央付近の磁束密度が高くな
るため、高出力となる効果がある。

【００３５】

【発明の効果】本発明の電動式パワーステアリング装置
によれば、機械的強度が大きく、透磁率が高い磁性体部
材が、回転子の外周部にわたって配置されているため、
前記回転子手段の外周部を保護できると共に、前記磁性
体部材の内部に磁束密度の高い磁路を形成できる。従っ
て、従来においては磁気的エアギャップの一部を構成し
ていた非磁性体の保護部材を設ける場合に比し、より小
さな磁気的エアギャップを確立でき、それにより回転子
の保護を確保しつつ、より高い出力トルクを発生できる
こととなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態にかかる電動式パワーステ
アリング装置を示す概略構成図である。

【図２】本実施の形態にかかるラック軸同軸型ブラシレ
スモータ周辺の軸線方向断面図である。

【図３】本実施の形態にかかるブラシレスモータ２３
を、従来技術と比較して示す一部断面図である。

【図４】本実施の形態にかかるブラシレスモータの３相
矩形波駆動構成を示す図である。

【図５】本実施の形態と従来技術のブラシレスモータに
おける、電気角１回転分の磁束密度分布を比較した図で
ある。

【図６】本実施の形態にかかるブラシレスモータの励磁
パターンを示す図である。

【図７】本発明にかかる実施の形態の変形例を示す、図
３と同様な断面図である。

【符号の説明】

１ ステアリングホイール ２ ステアリングシャフト ３ トルクセンサ ４、６ ユニバーサルジョイント ５ ロアシャフト ７ ピニオンシャフト ８ ラックハウジング ９，１０ タイロッド １３ コントローラ １４ イグニッションスイッチ １５ａ、１５ｂ ヒューズ １６ バッテリ １７ 車速センサ ２１ ブラケット ２２ ラック軸 ２３ ブラシレスモータ ２３ａ 固定子 ２３ｂ コイル ２３ｃ 回転子 ２３ｄ 駆動用磁石 ２３ｅ、１２３ｅ スリーブ ２５，２６ 軸受 ２７ 磁石 ２８ ホール素子 ２９ ボールスクリューナット ３０ ボール ３１ 押圧部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3D033 CA02 CA03 CA16 CA21 5H019 AA00 BB01 BB05 BB15 BB19 BB23 CC03 CC09 DD01 EE01 FF01 5H621 BB07 GA01 GA04 HH02 JK14

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 往復動作することにより操向装置を駆動
   するラック軸を備えた電動式パワーステアリング装置に
   おいて、 固定子と、 外周部の円周方向に、異なる磁極が交互に形成されるよ
   うに磁化された回転子手段と、 前記回転子手段の外周部にわたって配置された磁性体部
   材とで形成されているブラシレスモータを用いた電動式
   パワーステアリング装置。
2. 【請求項２】 前記ブラシレスモータを矩形波駆動で制
   御する請求項１に記載の電動式パワーステアリング装
   置。