JP2005067371A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電動モータのコギングトルクそのものを低下させなくても被補助軸のトルク変動を簡単に抑制できるようにして、電動パワーステアリングの操舵フィーリングの悪化をより低コストで防止する。
【解決手段】 操舵部材２に連動連結されている動力補助対象である被補助軸４と、操舵部材２の操舵に伴って生じる操舵トルクを検出するトルクセンサ６と、このセンサ６の検出結果に基づいて被補助軸４を補助的に回転駆動させる電動モータ７と、このモータ７の出力軸２４の回転を減速して被補助軸４に伝達する減速機構８とを備えている電動パワーステアリング装置において、減速機構８の回転によって生じるトルク変動Ｔ２を電動モータ７のコギングトルクＴ１とほぼ同周期でかつ逆の位相となるように設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電動モータによって車両の操舵補助力を得るようにした電動パワーステアリング装置に関し、より具体的には、同装置における操舵フィーリングの改善に関する。

従来より、自動車用の電動パワーステアリング装置（以下、必要に応じて、電動パワステと略記することがある。）として、操舵部材に連動連結されている動力補助対象である被補助軸と、この被補助軸が内部に回転自在に挿通されたハウジングと、操舵部材の操作に伴って生じる操舵トルクを検出するトルクセンサと、このセンサの検出結果に基づいて前記被補助軸を補助的に回転駆動させる電動モータと、このモータの出力軸の回転を減速して前記被補助軸に伝達する減速機構とを備えたものが知られている（特許文献１参照）。かかる電動パワステにおいては、運転時における特に中立状態での操舵フィーリングの滑らかさが重要な性能の一つになっている。

一方、電動モータに生じる出力トルクのリプル（脈動）は、モータにおける極数やスロット数等の構造上の要因で発生するコギングトルクと、モータにおける誘導起電力波形が理想波形からずれることに伴う電気リプルとに大別される。そして、これらのリプルのうち、電動モータのコギングトルクは前記中立状態での操舵フィーリングを大きく阻害することから、この種の電動パワステにおいては、従来より、モータの極数とスロット数の組み合わせを改善したり（特許文献２）、或いはティース形状を改善したりして（特許文献３）、電動モータに生じるコギングトルクそのものを低下させるようにしている。
特開２００２−２６６８９０号公報（図１〜図５） 特開２００１−２７５３２５号公報（請求項１） 特開平８−３０８１９８号公報（請求項１）

しかし、従来のように電動モータの内部構造を改善してそのコギングトルクを低下させる手段では、電動モータ自体の構造が複雑になって価格が高騰化するため、電動パワステの製造コストが高くなるという欠点がある。
一方、この種の電動パワステにおいて、トルクリプルが発生するのは電動モータだけではなく、例えば、モータの出力軸の回転を減速して被補助軸に伝達する減速機構においても発生している。すなわち、かかる減速機構には、ギヤ同士の噛み合い度合いに応じたトルクの変動が生じており、このトルク変動はギヤ間のバックラッシを防止すべく一方のギヤを他方のギヤに押し付けている場合に特に著しい。

従って、この種の電動パワステにおいて、電動モータ自体のコギングトルクを低下させるだけでは、仮に減速機構でトルク変動が生じている場合には当該変動が被補助軸に伝達されてしまうので、操舵フィーリングの悪化をそれほど有効に防止することができない。
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、電動モータのコギングトルクそのものを低下させなくても被補助軸のトルク変動を簡単に抑制できるようにして、電動パワーステアリングの操舵フィーリングの悪化をより低コストで防止することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は次の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明は、操舵部材に連動連結されている動力補助対象である被補助軸と、前記操舵部材の相対的な回転変位に基づく操舵トルクを検出するトルクセンサと、このセンサの検出結果に基づいて前記被補助軸を補助的に回転駆動させる電動モータと、このモータの出力軸の回転を減速して前記被補助軸に伝達する減速機構とを備えている電動パワーステアリング装置において、前記減速機構は、その回転によって生じるトルク変動が前記電動モータのコギングトルクとほぼ同周期でかつ逆の位相となるように設定されていることを特徴としている。

この場合、減速機構でのトルク変動が電動モータのコギングトルクとほぼ同周期でかつ逆の位相となっているので、これら双方のリプルが互いに相殺される。このため、電動モータのコギングトルクそのものを低下させなくても、被補助軸のトルク変動を簡単に抑制することができる。
ところで、後の実施形態でも述べる通り、永久磁石のＳＮ各極が周方向に並ぶロータを内部に有するブラシレスモータの場合には、そのロータを極めて低速で回転させると一回転当たりで極数（Ｓ極とＮ極とを合わせた合計数）と同じ数の波数を含むリプルが発生することが知られている。他方、バックラッシがほぼ零の状態で互いに噛み合っている第一及び第二ギヤの場合には、第二ギヤ側から見た第一ギヤのトルク変動は、当該第一ギヤの歯数と同じ波数のリプルとなる。

そこで、本発明において、前記減速機構は、具体的には、電動モータの出力軸に同軸心状に連結されかつ同モータの極数と同じ歯数を有する第一ギヤと、この第一ギヤと噛み合うように被補助軸に設けられた第二ギヤとから構成することが好ましい。この場合、電動モータの出力軸に同軸心状に連結された第一ギヤが同モータの極数と同じ歯数を有しているので、電動モータのコギングトルクが最大となる時に第一ギヤの歯底と第二ギヤの歯先が一致する噛み合い状態（この時に第一ギヤのトルク変動が最小となる。）となるように設定しておけば、減速機構でのトルク変動と電動モータのコギングトルクを確実に相殺することができる。

また、本発明において、第一ギヤと第二ギヤ同士を押し付ける押圧手段を設けるようにすれば、バックラッシに伴う歯打ち音や異常なトルク変動を防止することができるが、かかる押圧手段として、第一ギヤと第二ギヤを互いに近づく方向に弾性的に押し付ける押圧部材と、この押圧部材による押し付け力を調節するための調節部材とを有するものを採用することが好ましい。
この場合、押圧部材による押し付け力を調節することで、第一ギヤに発生するトルク変動の振幅の大きさを調節できるようになる。このため、例えば、別仕様の電動モータを採用するために相殺すべきコギングトルクの振幅が変化したような場合でも、調節部材を操作することによって第一ギヤのトルク変動の振幅をコギングトルクの振幅に合わせることにより、相殺後における被操舵軸のトルクリプルをほぼ零に収束させることができる。

以上説明したように、本発明によれば、電動モータのコギングトルクそのものを低下させなくても被補助軸のトルク変動を簡単に抑制できるので、電動パワーステアリング装置の操舵フィーリングの悪化をより低コストで防止することができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を説明する。
図５は本発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置（操舵補助装置）を示す側面断面図である。
このステアリング装置１は、コラム軸にモータの動力を付与するコラムアシスト式のものであり、上端に操舵部材（ステアリングホイル）２が取り付けられた第一操舵軸３と、この第一操舵軸３の下端にトーションバー５を介して連結された筒状の第二操舵軸４と、これら第一操舵軸３と第二操舵軸４との相対的な回転変位から操舵部材２の操舵に伴って生じる操舵トルクを検出するトルクセンサ６と、このトルクセンサ６の検出結果に基づいて駆動される操舵補助用の電動モータ７と、この電動モータ７の回転を減速して第二操舵軸４に伝達する減速機構８とを備えている。

第一操舵軸３は、上部側に位置する筒状の第一コラム９と、この第一コラム９の下端部に連結された筒状の第二コラム１０の内部に回転自在に挿通されており、第一コラム９はブラケット１２を介して自動車の車体１１側に取り付けられている。第二コラム１０の下端部には鋳鉄製のハウジング１４が固定されており、このハウジング１４は、前記トルクセンサ６が内部に収容されたセンサハウジング１４Ａと、前記減速機構８が内部に収容されたギヤハウジング１４Ｂとからなり、電動モータ７はギヤハウジング１４Ｂに取り付けられている。

第一操舵軸３は、上端部に操舵部材２が取り付けられた筒状の第一軸体１５と、この第一軸体１５の下端部に軸方向への移動が許容された状態で一体回転可能に嵌合された棒状の第二軸体１６と、この第二軸体１６の下端部にピン１７により連結された筒状の第三軸体１８とを備えている。このうち、第一軸体１５は、その中間部がベアリング１９を介して円筒状の前記第一コラム９に回転自在に支持されており、第一軸体１５と第二軸体１６の間には、自動車の衝突時において運転者から操舵部材２に作用する衝撃エネルギーを吸収する合成樹脂製の緩衝部材２０が設けられている。更に、第三軸体１８と第二操舵軸４との間には前記トルクセンサ６が配置されている。

第二コラム１０の上端部は第一コラム９に摺動自在に嵌合され、かつ、第二コラム１０の下端部は前記センサハウジング１４Ａに嵌入されており、これにより、上記衝撃エネルギーを吸収する際に第一コラム９を第二コラム１０に対して軸方向へ移動させ得るようになっている。第二操舵軸４の内部には前記トーションバー５が同軸心状に挿通され、当該第二操舵軸４の下端部はピン４Ａによってトーションバー５に一体回転可能に連結されている。また、第二操舵軸４の軸方向の中間部は、一対の軸受２１，２２を介してギヤハウジング１４Ｂに回転可能に支持されており、第二操舵軸４における軸受２１，２２相互間の部分に、後述する前記第二ギヤ２７のボス部が一体回転可能に嵌合されている。

図１及び図５に示すように、前記減速機構８は、電動モータ７の出力軸２４にジョイント２５を介して連結されたインボリュートはすば歯車よりなる第一ギヤ２６と、動力補助の対象となる被補助軸として機能する前記第二操舵軸４に一体回転可能に嵌合された第二ギヤ２７とを備えている。この第二ギヤ２７は、第一ギヤ２６と平行な軸心回りに回転する同第一ギヤ２６よりも歯数の大きいインボリュートはすば歯車よりなり、第一ギヤ２６の軸方向ほぼ中央部に噛み合っている。従って、電動モータ７の出力軸２４の回転運動は、第一ギヤ２６と第二ギヤ２７の噛み合いを介して減速して第二操舵軸４に伝達され、この第二操舵軸４の回転は、車輪に連結された例えばラックピニオン式の舵取機構にユニバーサルジョイントＪ（図５参照）を介して伝達される。

図１及び図３に示すように、電動モータ７の出力軸２４と第一ギヤ２６とを連結するジョイント２５は、出力軸２４に取り付けられた第一伝達部材２８と、この第一伝達部材２８を隙間を有して包囲する第二伝達部材２９と、前記第一ギヤ２６が取り付けられた第三伝達部材３０と、第一伝達部材２８と第二伝達部材２９との間に介在した筒状の弾性部材３１と、第一伝達部材２８と第三伝達部材３０との間の空間に設けられたトルクリミッタ３２とを備えている。

このうち、第一伝達部材２８は短筒体からなり、その内周が出力軸２４の外周に対して一体回転可能に圧入されていて、この第一伝達部材２８の外周の相対向する二箇所には、互いに平行な平坦面（図示せず）が形成されている。第二伝達部材２９は、第一伝達部材２８よりも大径かつ短寸の筒体からなり、第一伝達部材２８の外周面に対して隙間を設けて包囲した状態で当該第一伝達部材２８と同軸心状に配置されている。第二伝達部材２９の内周の相対向する二箇所には、前記した第一伝達部材２８の平坦面に対向する互いに平行な平坦面が形成されており、このため、両伝達部材２８，２９が相対回動するのがそれらの平坦面によって規制されている。

第三伝達部材３０は第二伝達部材２９よりも大径かつ長尺の筒体からなり、第二伝達部材２９の外周面に対して隙間を設けて包囲した状態で、当該第二伝達部材２９と同軸心状に配置されている。前記第一ギヤ２６の基端部は、第三伝達部材３０の端部に形成されたセレーション等の回り止め孔に嵌合することによって、当該第三伝達部材３０に相対回転不能に連結されている。第三伝達部材３０の内空部には段部が形成されており、この段部の軸方向端面はばね受け部３０Ａとして機能する。
前記弾性部材３１はゴム又は合成樹脂からなる筒体で構成され、その内周面を第一伝達部材２８の外周面に当接させ、かつ、外周面を第二伝達部材２９の内周面に当接させた状態で、これら両伝達部材２８，２９間の隙間に介在してある。

前記トルクリミッタ３２は、第二伝達部材２９の先端面２９Ａと第三伝達部材３０の前記ばね受け部３０Ａとの間に介在したばね３３と、第三伝達部材３０に係止させた係止部材としてのサークリップ３４とから構成されている。ばね３３は圧縮コイルばねからなり、弾性収縮させた状態で前記先端面２９Ａとばね受け部３０Ａとの間に介在してある。
また、サークリップ３４の外周側は、第三伝達部材３０の電動モータ７側の端部内周に形成された環状溝３５に、周方向への移動が規制された状態で装着されており、サークリップ３４の内周側は、第二伝達部材２９の基端面２９Ｂ側の外周コーナ部に対して摺動可能に接触している。このため、第二伝達部材２９が軸方向基端側（電動モータ７側）に抜け出るのが阻止されているとともに、サークリップ３４と第二伝達部材２９との接触面に対して、ばね３３の付勢力に応じた摩擦抵抗が付与されている。

前記トルクリミッタ３２は、第二伝達部材２９とサークリップ３４との接触面における摩擦抵抗によって、第二伝達部材２９の回転を第三伝達部材３０に伝達する。この第三伝達部材３０に伝達する回転トルクは、操舵補助に必要な回転トルクに対して十分大きい値に設定されている。一方、電動モータ７の故障や第一ギヤ２６の回転不良等に起因して、第二伝達部材２９又は第三伝達部材３０の回転抵抗が所定値を超えた場合には、第二伝達部材２９とサークリップ３４との接触面において滑りが発生し、第二伝達部材２９と第三伝達部材３０との相対回転が許容される。

上記構成に係るジョイント２５は、電動モータ７の出力軸２４の回転を、第一伝達部材２８及び弾性部材３１を介して第二伝達部材２９に伝達し、この第二伝達部材２９の回転をトルクリミッタ３２及び第三伝達部材３０を介してさらに第一ギヤ２６に伝達する。このさい、弾性部材３１によって、出力軸２４と第一ギヤ２６との偏心及び傾きが吸収ないし許容されるので、それらの連結精度に特に配慮しなくても両者を容易に連結できるとともに、第一ギヤ２６の振動が操舵部材２に伝わって操舵フィーリングが低下するのを防止することができる。

また、電動モータ７が故障して出力軸２４の回転抵抗が異常に増加した場合には、トルクリミッタ３２が第三伝達部材３０及び第一ギヤ２６の回転を許容するので、操舵部材２の操作が異常に重くなることがなくなる。しかも、構造が簡素であり、筒状の第一伝達部材２８、第二伝達部材２９、第三伝達部材３０及び弾性部材３１をそれぞれ同軸心状に配置していることと相まって、その全長を短くすることができ、減速機構８の小型化を図ることができる。

第一ギヤ２６は、第二操舵軸４の軸線と平行な状態で配置されており、その軸方向両端部は第一軸受３８と第二軸受３９を介してギヤハウジング１４Ｂに回転可能に支持されている（図１参照）。この第一ギヤ２６の基端側（電動モータ７側）に配置された第一軸受３８はボール軸受によって構成され、先端側に配置された第二軸受３９はメタル軸受によって構成されている。この第二軸受３９は、第二ギヤ２７に向かって移動自在となるようにギヤハウジング１４Ｂの軸受孔４０に収納されている。すなわち、図２に示すように、軸受孔４０の奥部と第二軸受３９との間には隙間４０Ａが設けられており、この隙間４０Ａの分だけ第二軸受３９が第二ギヤ２７側へ移動することができる。

また、軸受孔４０の開口側には調整プラグ４１がねじ込まれており、このプラグ４１と第二軸受３９との間には、当該第二軸受３９を第二ギヤ２７側に向かって常時付勢する付勢手段として機能する、圧縮コイルばね４２が圧縮状態で介在されている。このばね４２は、第二軸受３９の外周部に突設された有底筒状の突部４３の内部に収容されている。また、この圧縮コイルばね４２の付勢力は、軸受孔４０へのプラグ４１のねじ込み量を調整することによって最適な値に調整されている。

かかる構成により、第一ギヤ２６がジョイント２５部分を中心として第二ギヤ２７側へ傾動可能となっており、圧縮コイルばね４２の付勢力により第一ギヤ２６を第二ギヤ２７に弾性的に押し付けておくことができる。このように、本実施形態では、上記圧縮コイルばね４２は、第一ギヤ２６と第二ギヤ２７を互いに近づく方向に弾性的に押し付ける押圧部材として機能する。また、前記調整プラグ４１は、圧縮コイルばね４２による押し付け力を調節するための調節部材として機能する。
従って、長期間の使用によって第一ギヤ２６及び第二ギヤ２７の歯面が摩耗した場合でも、この摩耗に追従して両ギヤ２６，２７間の接触が有効に確保され、これによってバックラッシが生じるのを防止することができる。

特に本実施形態のステアリング装置では、ジョイント２５の弾性部材３１によって電動モータ７の出力軸２４に対する第一ギヤ２６の偏心及び傾動を許容しているので、圧縮コイルばね４２の付勢力により当該第一ギヤ２６を無理なく第二ギヤ２７側へ移動させることができ、しかも、熱等によって第二ギヤ２７が膨張した場合には、第一ギヤ２６を第二ギヤ２７の反対側へ逃がして回転トルクが大きくなるのを防止することができる。
また、前記のように第一ギヤ２６を第二ギヤ２７に弾性的に押し付けることができるので、両者を組み付ける際に両者を含む部品の寸法誤差に影響されることなくバックラッシを調整することができる。なお、第一ギヤ２６は第一及び第二軸受３８，３９によって拘束されているが、実際には、これら各軸受３８，３９自体のラジアル隙間や第一ギヤ２６との隙間があることから、第一ギヤ２６の傾動には支障がない。

前記電動モータ７は、永久磁石のＳＮ各極が周方向に並ぶロータを内部に有するブラシレスモータよりなる。本実施形態では、当該電動モータ７として、ＳＮ各極が５対（合計１０極）でかつステータが４対（ＵＶＷ３相で合計１２）のものが採用されており、かかる電動モータ７は、そのロータ（出力軸２４）を極めて低速で回転させると、図１（ｂ）に示すように、一回転当たりでその極数（本実施形態では１０）と同じ数の歯数を含むリプル（コギングトルクＴ１）が発生する。

他方、本実施形態の減速機構８では、圧縮コイルばね４２の付勢力によって第一ギヤ２６と第二ギヤ２７をバックラッシがほぼ零の状態で互いに噛み合わせているが、この場合には、第二ギヤ２７側から見たトルク変動として、図１（ｃ）に示すように、一回転当たりで第一ギヤ２６の歯数と同じ数だけの歯数を含むリプル（トルク変動Ｔ２）が発生する。そして、かかる第一ギヤ２６によるトルク変動Ｔ２は、第一ギヤ２６の歯先２６Ａが第二ギヤ２７の歯底２７Ｂと一致する図４（ａ）の噛み合い状態の時に最大となり、逆に、第一ギヤ２６の歯底２６Ｂが第二ギヤ２７の歯先２７Ａと一致する図４（ｂ）の噛み合い状態の時に最小となる。

そこで、本実施形態では、電動モータ７の出力軸２４に同軸心状に連結される第一ギヤ２６として、当該電動モータ７の極数と同じ１０個の歯数を有するギヤを採用することにより、電動モータ７のコギングトルクＴ１と第一ギヤ２６のトルク変動Ｔ２の一回転当たりの波数を合わせるとともに、電動モータ７のコギングトルクＴ１が最大となる時に第一ギヤ２６の歯底２６Ｂと第二ギヤ２７の歯先２７Ａが一致する噛み合い状態となるように、第一ギヤ２７と出力軸２４との回転軸心回りの連結角度を調整することにより、電動モータ７のコギングトルクＴ１と第一ギヤ２６のトルク変動Ｔ２とがほぼ同周期でかつ逆の位相となるように設定されている。

このため、本実施形態に係る電動パワーステアリング装置１によれば、図１（ｄ）に示すように、電動モータ７と減速機構８において発生する双方のリプル（図１（ｂ）のＴ１と図１（ｃ）のＴ２）が互いに相殺され、これによって被補助軸である第二操舵軸４に発生するトルク変動Ｔ３をほぼ零にすることができる。従って、電動モータ７のコギングトルクＴ１そのものを低下させなくても、第二操舵軸４に発生するトルク変動Ｔ３を簡単に抑制することができる。

また、本実施形態のステアリング装置１によれば、前記したように、調整プラグ４１によって圧縮コイルばね４２の押し付け力を調節することで、第一ギヤ２６に発生するトルク変動Ｔ２の振幅の大きさを調節することができる。このため、別仕様の電動モータ７を採用するために相殺すべきコギングトルクＴ１の振幅が変化したような場合でも、プラグ４１のねじ込み度合いを調整して第一ギヤ２６のトルク変動Ｔ２の振幅をコギングトルクＴ１の振幅に合わせることにより、相殺後における第二操舵軸４のトルクリプルをほぼ零に収束させることができる。

なお、上記実施形態は例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって規定され、そこに記載された構成と均等の範囲内のすべての変更も本発明に含まれる。
例えば、第一ギヤ２６を第二ギヤ２７に押し付ける押圧手段としては、第一軸受３８及び第二軸受３９に外嵌されてこれらを弾性的に支持するＯリング等から構成することもできる。また、上記実施形態では、コラム軸にモータの動力を付与するコラムアシスト式の電動パワーステアリング装置１を例示したが、本発明は、ステアリングギヤボックス内のラックの移動を補助するラックアシスト式の電動パワーステアリング装置にも採用することができる。

（ａ）は本発明の電動パワーステアリング装置の要部拡大図であり、（ｂ）は電動モータのコギングトルクを示すグラフ、（ｃ）は減速機構のトルク変動を示すグラフ、（ｄ）は被補助軸である第二操舵軸のトルク変動を示すグラフである。 第一ギヤの先端部の支持状態を示す断面図である。 第一ギヤとモータの出力軸とを連結するジョイントの断面図である。 第一ギヤと第二ギヤの噛み合い状態を示す拡大図であり、（ａ）は第一ギヤのトルクが最大になる状態、（ｂ）は第一ギヤのトルクが最小になる状態を示す。 本発明に係る電動パワーステアリング装置の側面断面図である。

符号の説明

１ 電動パワーステアリング装置
２ 操舵部材（ステアリングホイール）
３ 第一操舵軸
４ 第二操舵軸（被補助軸）
６ トルクセンサ
７ 電動モータ
８ 減速機構
２４ 出力軸
２６ 第一ギヤ
２６Ａ 歯先
２６Ｂ 歯底
２７ 第二ギヤ
２７Ａ 歯先
２７Ｂ 歯底
４１ 調整プラグ（調整部材）
４２ 圧縮コイルばね（押圧部材）
Ｔ１ コギングトルク
Ｔ２ トルク変動

Claims (4)

1. 操舵部材に連動連結されている動力補助対象である被補助軸と、前記操舵部材の操舵に伴って生じる操舵トルクを検出するトルクセンサと、このセンサの検出結果に基づいて前記被補助軸を補助的に回転駆動させる電動モータと、このモータの出力軸の回転を減速して前記被補助軸に伝達する減速機構とを備えている電動パワーステアリング装置において、
   前記減速機構は、その回転によって生じるトルク変動が前記電動モータのコギングトルクとほぼ同周期でかつ逆の位相となるように設定されていることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 減速機構は、電動モータの出力軸に同軸心状に連結されかつ同モータの極数と同じ歯数を有する第一ギヤと、この第一ギヤと噛み合うように被補助軸に設けられた第二ギヤとから構成されている請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 減速機構は、電動モータのコギングトルクが最大となる時に第一ギヤの歯底と第二ギヤの歯先が一致する噛み合い状態となるように設定されている請求項２に記載の電動パワーステアリング装置。
4. 第一ギヤと第二ギヤを互いに近づく方向に弾性的に押し付ける押圧部材と、この押圧部材による押し付け力を調節するための調節部材とを備えている請求項１〜３のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。

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