JP2005219652A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 一組のレゾルバだけで操舵トルクを検出できるようにして、コストダウンをはかることができる電動パワーステアリング装置を提供することである。
【解決手段】 スタブシャフト３の端部にステータ９を固定し、ピニオン４の端部にロータ１０を固定するとともに、これらステータ９とロータ１０を半径方向に互いに対向させ、ステータ９には励磁コイル９ａ、信号検出コイル９ｂ，９ｃを設けてレゾルバを構成し、ステータ９を設けたスタブシャフト３に励磁電圧印加コイル１１、信号出力コイル１２，１３を設けるとともに、励磁コイル９ａと励磁電圧印加コイル１１、信号検出コイル９ｂ，９ｃと信号出力コイル１２，１３とを結線する一方、ケーシング１内には励磁電圧印加コイル１４、信号出力コイル１５，１６を設けた点に特徴を有する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、操舵トルクを電気的に検出して、電動モータの出力を制御する電動パワーステアリング装置に関する。

この種の装置として、例えば、特許文献１に記載されたものが従来から知られている。
この従来の装置は、スタブシャフト側である入力側と、ピニオン側である出力側とのそれぞれにレゾルバを設け、それらレゾルバからの出力電圧の差を求め、その出力電圧の差から、操舵トルクを検出するようにしていた。
特開２００１−２７２２０４号公報

上記のようにした従来の装置では、レゾルバを入力側と出力側との両方に設けなければならないので、コスト的に非常に不利なものになっていた。
また、この従来の装置では、ｓｉｎθだけから回転角を検出するようにしているので、ｓｉｎθ＝ｓｉｎ（１８０°−θ）となることがある。したがって、角度が違っても出力が同じになることがあるが、その角度の差を見分けることができなかった。そのために、ｓｉｎカーブの中で、線形領域しか使えないというように、その検出範囲が限られてしまうという問題もあった。
この発明の目的は、一組のレゾルバだけで操舵トルクを検出できるようにして、コストダウンをはかれるとともに、ｓｉｎθ＝ｓｉｎ（１８０°−θ）の角度差も見分け、かつ、レゾルバの故障も検出できる電動パワーステアリング装置を提供することである。

この発明は、ケーシング内に設けたスタブシャフトとピニオンとをトーションバーで連結するとともに、これらスタブシャフトとピニオンとの相対回転角から操舵トルクを電気的に検出し、その検出した操舵トルクに応じて電動機の出力を制御する電動パワーステアリング装置を前提にする。

上記の装置を前提にしつつ、ピニオンと対向する側のスタブシャフトの端部には、円周方向に連続するステータあるいはロータのいずれか一方を固定し、スタブシャフトと対向する側のピニオンの端部には、その円周方向に連続するロータあるいはステータのいずれか他方を固定するとともに、これらステータあるいはロータを半径方向あるいは軸方向において互いに対向させる一方、このステータには、励磁コイル、信号検出コイルを設けてレゾルバを構成し、さらに、上記ステータを設けたスタブシャフトあるいはピニオンのいずれか一方には、上記励磁コイルに対応した励磁電圧印加コイル、信号検出コイルに対応した信号出力コイルをそれぞれ円周方向に連続して設けるとともに、それら励磁コイルと励磁電圧印加コイル、信号検出コイルと信号出力コイルとを結線する一方、上記ケーシング内には、上記励磁電圧印加コイルに対応した励磁電圧印加コイル、信号出力コイルに対応した信号出力コイルをそれぞれ円周方向に連続して設けた点に特徴を有する。

この発明によれば、従来の装置のように二組のレゾルバを必要とせず、レゾルバは一組で足りるので、その分、従来のものに比べてコストダウンを図ることができる。また、従来の構成では不可能であったレゾルバの故障も検出することができる。

図１〜図３はこの発明の第１実施形態を示すものである。そして、図１に示すように、円筒状のケーシング１にギヤケース２を組み合わせている。そして、ケーシング１は、図示していないステアリングホィールに連係したスタブシャフト３を回転自在に支持し、ギヤケース２はピニオン４を回転自在に支持している。そして、これらスタブシャフト３およびピニオン４のそれぞれはトーションバー５を介して連結している。

上記スタブシャフト３は、その一端、すなわちピニオン４との対向端に軸線方向に凹んだ凹部６を形成するとともに、この凹部６の周囲に環状突部７を形成している。このようにしたスタブシャフト３の凹部６内には、スタブシャフト３との対向端であるピニオン４の一端を臨ませている。このようにピニオン４の一端を凹部６内に臨ませることによって、上記ピニオン４の一端外周と環状突部７の内周とが対向する構成にしている。そして、このピニオン４は、両端をタイヤ（図示していない）に連係したラック８にかみ合わせている。

今、上記ステアリングホィールを回してスタブシャフト３を回転すると、その回転力はトーションバー５を介してピニオン４に伝達されるが、ピニオン４にはラック８を介してタイヤ側の負荷が作用しているので、この時点では、ピニオン４が回転しない。そのためにスタブシャフト３とピニオン４とは、トーションバー５をねじりながら相対回転するが、トーションバー５をねじりながら両者が相対回転するときのねじれ反力が操舵トルクということになる。そして、トーションバー５のばね特性が決まれば、スタブシャフト３とピニオン４との相対回転角によって、トーションバー５のねじれ反力も決まるので、スタブシャフト３とピニオン４との相対回転角によって操舵トルクを計ることができる。

そして、この第１実施形態は、レゾルバを利用してスタブシャフト３とピニオン４との相対回転角を検出するようにしたものである。
上記レゾルバは、スタブシャフト３側に固定したステータ９と、ピニオン４側に固定したロータ１０とからなるが、その具体的な構成は次の通りである。

すなわち、上記スタブシャフト３であって上記凹部６の周囲に形成した環状突部７の内周には、ステータ９を固定している。そして、このステータ９は、図２に示すように励磁コイル９ａ、ｓｉｎ信号検出コイル９ｂおよびｃｏｓ信号検出コイル９ｃとからなり、これらコイル９ａ〜９ｃを上記環状突部７の内側円周方向に連続して設けている。
また、ピニオン４の一端、すなわち凹部６内に臨ませたピニオン４の端部外周には、ロータ１０をピニオン４の円周方向に連続して設けている。そして、上記ステータ９とロータ１０とは、非接触の状態で互いに対向させるとともに、これらステータ９とロータ１０とでこの発明のレゾルバを構成するものである。

上記のようにしたスタブシャフト３の外周には、第１励磁電圧印加コイル１１、第１ｓｉｎ信号出力コイル１２および第１ｃｏｓ信号出力コイル１３を円周方向に連続して設けている。そして、上記第１励磁電圧印加コイル１１は上記励磁コイル９ａに結線し、第１ｓｉｎ信号出力コイル１２はｓｉｎ信号検出コイル９ｂに結線し、さらに、第１ｃｏｓ信号出力コイル１３はｃｏｓ信号検出コイル９ｃに結線している。

さらに、上記ケーシング１の内周には、第２励磁電圧印加コイル１４、第２ｓｉｎ信号出力コイル１５、第２ｃｏｓ信号出力コイル１６をケーシング１の円周方向に連続して設けている。
そして、上記第１励磁電圧印加コイル１１と第２励磁電圧印加コイル１４、第１ｓｉｎ信号出力コイル１２と第２ｓｉｎ信号出力コイル１５、第１ｃｏｓ信号出力コイル１３と第２ｃｏｓ信号出力コイル１６とのそれぞれを、非接触状態を保ちながら対向させて、それら対向させたコイル毎にトランスを構成している。

上記のようにした第２励磁電圧印加コイル１４、第２ｓｉｎ信号出力コイル１５、第２ｃｏｓ信号出力コイル１６のそれぞれは、角度演算手段１７および故障検出手段１８に接続している。この角度演算手段１７には、スタブシャフト３とピニオン４との相対回転角であるθを算出するための式θ＝ｔａｎ^−１（ｓｉｎθ／ｃｏｓθ）が記憶され、さらに、この角度演算手段１７はこの相対回転角θをもとにして操舵トルクを演算する機能を備えている。

今、第２励磁電圧印加コイル１４を励磁すると、そのときの励磁電圧が第１励磁電圧印加コイル１１を介して励磁コイル９ａに印加される。この状態で、図示していないステアリングホィールを回転して、スタブシャフト３とピニオン４とを相対回転させると、ステータ９とロータ１０とが相対回転する。このようにステータ９とロータ１０とが相対回転すれば、そのｓｉｎ信号検出コイル９ｂにはｓｉｎカーブをもとにした電圧が検出される。また、ｃｏｓ信号検出コイル９ｃにはｃｏｓカーブをもとにした電圧が検出される。

このようにして検出された電圧信号のうち、ｓｉｎ信号は、第１ｓｉｎ信号出力コイル１２および第２ｓｉｎ信号出力コイル１５を介して角度演算手段１７に入力され、ｃｏｓ信号は、第１ｃｏｓ信号出力コイル１３および第２ｃｏｓ信号出力コイル１６を介して上記角度演算手段１７に入力される。
このようにｓｉｎ信号とｃｏｓ信号とが角度演算手段１７に入力すると、角度演算手段１７は、スタブシャフト３とピニオン４との相対回転角であるθを、あらかじめ記憶しているθ＝ｔａｎ^−１（ｓｉｎθ／ｃｏｓθ）の演算式を利用して算出する。さらに、角度演算手段１７は、算出した上記相対回転角θをもとにして操舵トルクを演算する。

さらに、上記ｓｉｎ信号とｃｏｓ信号とは、故障検出手段１８にも入力される。この故障検出手段１８は、上記ｓｉｎ信号とｃｏｓ信号とが入力されると、それらの信号に基づいて、ベクトルＡ＝ｓｉｎ^２θ＋ｃｏｓ^２θ＝１という演算をする。そして、故障検出手段１８は、このベクトルＡの絶対値が、図３に示した正常な範囲ｎにあるかどうかを監視し、正常の範囲ｎを超えたとき、レゾルバに異常が発生したものと判定する。

例えば、ｓｉｎθの値、あるいはｃｏｓθの値が異常な場合には、上記したＡ＝１の関係が成立しなくなる。したがって、このＡ＝１の関係が成立しないときに、レゾルバの異常が発生したと考えられる。ただし、厳密な意味でＡ＝１だけが正常だとするのではなく、正常な範囲ｎを決めてその範囲を逸脱したときにのみ異常と判定するようにしている。

上記のように、第１実施形態によれば、ステータ９とロータ１０とを非接触にする一方、スタブシャフト３の内周に固定したステータ９と、スタブシャフト３の外周に固定した第１励磁電圧印加コイル１１、第１ｓｉｎ信号出力コイル１２および第１ｃｏｓ信号出力コイル１３とを結線しているので、スタブシャフト３とピニオン４とがどのように相対回転したとしても、ステータ９と上記各コイル１１〜１３の相対関係がずれたりしない。

また、上記第１励磁電圧印加コイル１１と第２励磁電圧印加コイル１４、第１ｓｉｎ信号出力コイル１２と第２ｓｉｎ信号出力コイル１５、第１ｃｏｓ信号出力コイル１３と第２ｃｏｓ信号出力コイル１６とを、非接触状態で対向させているので、スタブシャフト３とケーシング１とが相対回転しても、両者の相対関係がずれたりしない。しかも、通常はケーシング１が回転することがないので、上記第２励磁電圧印加コイル１４、第２ｓｉｎ信号出力コイル１５、第２ｃｏｓ信号出力コイル１６をケーシング１外の角度演算手段１７に結線しても、スタブシャフト３の回転中に、結線のためのコードが絡まったりしない。

さらに、上記第１実施形態では、レゾルバが一つで足りるので、従来の装置に比べてレゾルバを少なくできる。このようにレゾルバを少なくできる分、全体のコストダウンが図れる。また、角度演算手段１７は、ｓｉｎ信号とｃｏｓ信号とを基にして、相対回転角θをθ＝ｔａｎ^−１（ｓｉｎθ／ｃｏｓθ）の演算式をもとにして算出できるので、ｓｉｎθとｓｉｎ（１８０°−θ）とを見分けることができる。したがって、ｓｉｎカーブの中で検出範囲を広く取ることができ、その分解能を高くすることができる。
さらにまた、この第１実施形態では、レゾルバの異常を検出できるので、異常が発生したときに、速やかに対処することができるようになる。

図４に、この発明の第２実施形態を示すが、この第２実施形態では、上記第１実施形態でスタブシャフト３に形成した環状突部７を、別部材の第１環状部材２０とし、この第１環状部材２０をスタブシャフト３の外周に嵌めつけるとともに、ケーシング１の内周に第２環状部材２１を圧入した点に特徴を有する。したがって、以下には、上記第１環状部材２０および第２環状部材２１について詳細に説明する。

上記第１環状部材２０には、その突端部２０ａ内周に励磁コイル９ａ、ｓｉｎ信号検出コイル９ｂ、ｃｏｓ信号検出コイル９ｂからなるステータ９を設けるとともに、外周に第１励磁電圧印加コイル１１、第１ｓｉｎ信号出力コイル１２、第１ｃｏｓ信号出力コイル１３を円周方向に連続して設けている。
上記第１励磁電圧印加コイル１１は上記励磁コイル９ａに結線し、第１ｓｉｎ信号出力コイル１２はｓｉｎ信号検出コイル９ｂに結線している。そして、第１ｃｏｓ信号出力コイル１３はｃｏｓ信号検出コイル９ｃに結線している。

上記のように構成した第１環状部材２０は、突端部２０ａ内周に設けたステータ９とピニオン４の端部外周に設けたロータ１０とが対向する位置で、スタブシャフト３の外周に嵌めつけるようにしている。なお、上記ステータ９とロータ１０とでこの発明のレゾルバを構成すること上記第１実施形態と同様である。

一方、上記第２環状部材２１には、第２励磁電圧印加コイル１４、第２ｓｉｎ信号出力コイル１５、第２ｃｏｓ信号出力コイル１６をケーシング１の円周方向に連続して設けている。このようにした第２環状部材２１は、ケーシング１の内周に圧入するようにしている。
そして、上記第１励磁電圧印加コイル１１と第２励磁電圧印加コイル１４、第１ｓｉｎ信号出力コイル１２と第２ｓｉｎ信号出力コイル１５、第１ｃｏｓ信号出力コイル１３と第２ｃｏｓ信号出力コイル１６とのそれぞれを、非接触状態を保ちながら対向させて、それら対向させたコイル毎にトランスを構成している。

上記第２実施形態では、第１環状部材２０および第２環状部材２１に、あらかじめステータや各コイルを取り付けてから、第１環状部材２０および第２環状部材２１をそれぞれスタブシャフト３およびケーシング１に組み付けるようにしている。したがって、上記第１実施形態よりも、簡単にレゾルバおよびトランスを構成することができる。つまり、組み立て性の向上を図ることができるようになる。

また、上記第１環状部材２０と第２環状部材２１とは、あらかじめ決められた所定位置に各コイルを固定しているので、これら第１、第２環状部材２０，２１は、スタブシャフト３およびケーシング１の所定位置に組み付けるだけで、トランスとして正確な相対位置に設定することができる。

なお、上記第１、第２実施形態においては、スタブシャフト３側にステータ９とこのステータ９と結線する第１励磁電圧印加コイル１１、第１ｓｉｎ信号出力コイル１２、第１ｃｏｓ信号出力コイル１３とを固定し、ピニオン４側にロータ１０を固定しているが、これらの構成は常に相対的である。したがって、例えば、図５に示すように、ピニオン４側にステータ９とこのステータ９と結線する各コイル１１〜１３を固定し、スタブシャフト３側にロータ１０を固定してもかまわない。

また、上記第１、第２実施形態では、ステータ９とロータ１０を半径方向に対向させてレゾルバを構成しているが、図６に示すように、軸方向に対向させてレゾルバを構成するようにしてもよい。このように構成することによって、装置の径方向の寸法が小さくすることができる。

そして、上記第１励磁電圧印加コイル１１と第２励磁電圧印加コイル１４、第１ｓｉｎ信号出力コイル１２と第２ｓｉｎ信号出力コイル１５、第１ｃｏｓ信号出力コイル１３と第２ｃｏｓ信号出力コイル１６もまた、それぞれ半径方向に対向させてトランスを構成しているが、図７に示すように、軸方向に対向させてトランスを構成するようにしてもよい。

いずれにしても、上記したように、ステータ９およびロータ１０のそれぞれの固定位置は、スタブシャフト３側、ピニオンシャフト４側のどちらでもかまわない。また、レゾルバおよびトランスの対向方向は、半径方向であっても軸方向であってもどちらでもかまわない。したがって、この発明のレゾルバおよびトランスは、様々な組み合わせをすることが可能である。

この発明の第１実施形態を示す装置の断面図である。 スタブシャフトとピニオンとの相対回転角を検出する電気回路図である。 ベクトルＡ＝ｓｉｎ^２θ＋ｃｏｓ^２θが正常の範囲内にあるかどうかを判定する原理を示した説明図である。 第２実施形態を示す装置の断面図である。 スタブシャフトにロータを固定し、ピニオンシャフトにステータを固定した状態を示す装置の部分拡大図である。 レゾルバを軸方向に対向させた状態を示す装置の部分拡大図である。 トランスを軸方向に対向させた状態を示す装置の部分拡大図である。

符号の説明

１ ケーシング
３ スタブシャフト
４ ピニオン
５ トーションバー
７ 環状突部
９ ステータ
９ａ 励磁コイル
９ｂ ｓｉｎ信号検出コイル
９ｃ ｃｏｓ信号検出コイル
１０ ロータ
１１ 第１励磁電圧印加コイル
１２ 第１ｓｉｎ信号出力コイル
１３ 第１ｃｏｓ信号出力コイル
１４ 第２励磁電圧印加コイル
１５ 第２ｓｉｎ信号出力コイル
１６ 第２ｃｏｓ信号出力コイル
１７ 角度演算手段
１８ 故障検出手段

Claims (3)

1. ケーシング内に設けたスタブシャフトとピニオンとをトーションバーで連結するとともに、これらスタブシャフトとピニオンとの相対回転角から操舵トルクを電気的に検出し、その検出した操舵トルクに応じて電動機の出力を制御する電動パワーステアリング装置において、ピニオンと対向する側のスタブシャフトの端部には、円周方向に連続するステータあるいはロータのいずれか一方を固定し、スタブシャフトと対向する側のピニオンの端部には、その円周方向に連続するロータあるいはステータのいずれか他方を固定するとともに、これらステータあるいはロータを半径方向あるいは軸方向において互いに対向させる一方、このステータには、励磁コイル、信号検出コイルを設けてレゾルバを構成し、さらに、上記ステータを設けたスタブシャフトあるいはピニオンのいずれか一方には、上記励磁コイルに対応した励磁電圧印加コイル、信号検出コイルに対応した信号出力コイルをそれぞれ円周方向に連続して設けるとともに、それら励磁コイルと励磁電圧印加コイル、信号検出コイルと信号出力コイルとを結線する一方、上記ケーシング内には、上記励磁電圧印加コイルに対応した励磁電圧印加コイル、信号出力コイルに対応した信号出力コイルをそれぞれ円周方向に連続して設けてなる電動パワーステアリング装置。
2. ステータには、励磁コイル、ｓｉｎ信号検出コイルおよびｃｏｓ信号検出コイルを設けてレゾルバを構成し、さらに、上記ステータを設けたスタブシャフトあるいはピニオンのいずれか一方には、上記励磁コイルに対応した第１励磁電圧印加コイル、ｓｉｎ信号検出コイルに対応した第１ｓｉｎ信号出力コイルおよびｃｏｓ信号検出コイルに対応した第１ｃｏｓ信号出力コイルをそれぞれ円周方向に連続して設けるとともに、それら励磁コイルと第１励磁電圧印加コイル、ｓｉｎ信号検出コイルと第１ｓｉｎ信号出力コイル、ｃｏｓ信号検出コイルと第１ｃｏｓ信号出力コイルとを結線する一方、上記ケーシング内には、上記第１励磁電圧印加コイルに対応した第２励磁電圧印加コイル、第１ｓｉｎ信号出力コイルに対応した第２ｓｉｎ信号出力コイル、第１ｃｏｓ信号出力コイルに対応した第２ｃｏｓ信号出力コイルをそれぞれ円周方向に連続して設けるとともに、上記第１励磁電圧印加コイルと第２励磁電圧印加コイル、第１ｓｉｎ信号出力コイルと第２ｓｉｎ信号出力コイル、第１ｃｏｓ信号出力コイルと第２ｃｏｓ信号出力コイルとのそれぞれでトランスを構成し、かつ、上記第２ｓｉｎ信号出力コイルおよび第２ｃｏｓ信号出力コイルを角度演算手段に接続する一方、この角度演算手段は、上記第２ｓｉｎ信号出力コイルおよび第２ｃｏｓ信号出力コイルの出力信号から、スタブシャフトとピニオンとの相対回転角θ＝ｔａｎ^−１（ｓｉｎθ／ｃｏｓθ）を算出して、操舵トルクを演算する機能を実現する請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
3. 上記第２ｓｉｎ信号出力コイルおよび第２ｃｏｓ信号出力コイルを故障検出手段に接続するとともに、この故障検出手段は、上記第２ｓｉｎ信号出力コイルおよび第２ｃｏｓ信号出力コイルからの出力信号に基づいて、ベクトルＡ＝ｓｉｎ^２θ＋ｃｏｓ^２θを演算し、このベクトルＡが、あらかじめ設定した正常な範囲内にあるかどうかを監視するとともに、ベクトルＡが正常な範囲を超えたときに、レゾルバの故障と判定する請求項２記載の電動パワーステアリング装置。

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