JP2005351848A

JP2005351848A - 電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP2005351848A
Application number: JP2004175532A
Authority: JP
Inventors: Shinji Naruse; 信治成瀬; Yoshinori Ogiso; 好典小木曽
Original assignee: Kayaba Industry Co Ltd
Current assignee: KYB Corp
Priority date: 2004-06-14
Filing date: 2004-06-14
Publication date: 2005-12-22

Abstract

【課題】レゾルバの故障を自動的に検出できる電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】ケーシングａ内に設けたスタブシャフト３とピニオン４とをトーションバー５で連結し、スタブシャフト３とピニオン４との相対回転角から操舵トルクを電気的に検出し、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とし、ケーシングａ内にはスタブシャフト３とピニオン４との相対回転角を検出するレゾルバＲを設け、レゾルバＲには故障検出手段１８を接続し、故障検出手段１８はレゾルバＲからｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号を検出するとともに、検出信号に基づいてベクトルＡ＝ｓｉｎ^２θ＋ｃｏｓ^２θを演算し、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Ｒの故障と判定する機能を備えた。
【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、その出力が異常に大きい場合、あるいは異常に小さい場合にも、それがレゾルバの故障が原因なのか、あるいは実際の入力トルクの大小を反映しているのかが判定できないという問題があった。
この発明の目的は、レゾルバの故障を自動的に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、この発明は、ケーシング内には、スタブシャフトとピニオンとの相対回転角を検出するレゾルバを設けるとともに、このレゾルバには故障検出手段を接続するとともに、この故障検出手段は、レゾルバからｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号を検出するとともに、その検出信号に基づいて、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機能を備えた点に特徴を有する。

この発明によれば、故障検出手段が、レゾルバの検出信号に基づいて、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機能を備えたので、レゾルバ自体の故障を自動的に検出できる。

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本体１にギヤケース２を組み合わせて、ケーシングａを構成している。そして、ケーシング本体１は、図示していないステアリングホイ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イ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Ｒ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Ｒ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Ｒ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、上記ケーシング本体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をケーシング本体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、角度算出手段１７および故障検出手段１８に接続している。この角度算出手段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、この角度算出手段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イールを回転して、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を介して角度算出手段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を介して上記角度算出手段１７に入力される。
このようにｓｉｎ信号とｃｏｓ信号とが角度算出手段１７に入力すると、角度算出手段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、角度算出手段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Ｒ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Ｒ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、故障検出手段１８がレゾルバＲ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。
また、この第１実施形態では、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。

さらに、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とケーシング本体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、通常はケーシング本体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をケーシング本体１外の角度算出手段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。

さらにまた、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、角度算出手段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。

なお、上記第１実施形態では、スタブシャフト３に環状突部７を一体に形成し、この環状突部７にステータを設けるようにしたが、スタブシャフト３にそれとは別部材である環状部材をはめ着け、この環状部材にステータ９を設け、その環状部材の外側に第１励磁電圧印可コイル１１、第１ｓｉｎ信号出力コイル１２および第１ｃｏｓ信号出力コイル１３を設けるようにしてもよい。さらに、また、ケーシング本体１側においても、別部材である環状部材を圧入し、この圧入した環状部材に第２励磁電圧印可コイル１４、第２ｓｉｎ信号出力コイル１５および第２ｃｏｓ信号出力コイル１６を設けるようにしてもよい。いずれにしても、この場合のレゾルバの構成は、上記第１実施形態と同様である。ただし、この場合には、スタブシャフトおよびケーシング本体１に環状部材を組み付けるだけで足りるので、レゾルバ全体として組み付け性は向上する。

図４および図５に示したこの発明の第２実施形態は、スタブシャフト３とピニオン４とのそれぞれの外周にロータ１９，２０を設けるとともに、ケーシング本体１の内周には、上記ロータ１９と対応するステータ２１と、ロータ２０に対応するステータ２２とを設け、これらロータ１９とステータ２１とで第１レゾルバＲ１を構成し、ロータ２０とステータ２２とで第２レゾルバＲ２を構成するようにしている。

そして、上記第１レゾルバＲ１のステータ２１は、図５からも明らかなように、励磁電圧印加コイル２３と、ｓｉｎ信号出力コイル２４と、ｃｏｓ信号出力コイル２５とからなるものである。
また、第２レゾルバＲ２のステータ２２は、図５からも明らかなように、励磁電圧印加コイル２６，２７と、ｓｉｎ信号出力コイル２８と、ｃｏｓ信号出力コイル２９とからなるものである。なお、上記励磁電圧印加コイル２５および２６は、第１レゾルバＲ１のｓｉｎ信号出力コイル２４およびｃｏｓ信号出力コイル２５に接続している。また、上記ｓｉｎ信号出力コイル２８およびｃｏｓ信号出力コイル２９は、角度算出手段１７と故障検出手段１８のそれぞれに接続している。

そして、この第２実施形態においても、励磁電圧印加コイル２３を励磁した状態で、図示していないステアリングホイールを回転して、スタブシャフト３とピニオン４とを相対回転させると、第１レゾルバＲ１のステータ２１とロータ１９とが相対回転する。このようにステータ２１とロータ１９とが相対回転すれば、そのｓｉｎ信号出力コイル２４にはｓｉｎカーブをもとにした電圧が検出される。また、ｃｏｓ信号出力コイル２５にはｃｏｓカーブをもとにした電圧が検出される。

上記のようにしてｓｉｎ信号出力コイル２４およびｃｏｓ信号出力コイル２５で検出された電圧によって、今度は第２レゾルバＲ２の励磁電圧印加コイル２６，２７を励磁するとともに、ｓｉｎ信号出力コイル２８にはｓｉｎカーブをもとにした電圧が検出される。また、ｃｏｓ信号出力コイル２９にはｃｏｓカーブをもとにした電圧が検出される。
そして、上記第１レゾルバＲ１の検出角度信号θ1と、第２レゾルバＲ１の検出角度信号θ2とが、角度算出手段１７に入力される。角度算出手段１７は、検出角度信号θ1と検出角度信号θ2とから相対角度差（θ1−θ2）を算出し、トーションバー５の捩れ角を算出する。

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、第１実施形態と同様に、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。

上記のように、第２実施形態におていも、故障検出手段１８が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。

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、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。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。

符号の説明

ａ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
Ｒレゾルバ
９ステータ
９ｂｓｉｎ信号検出コイル
９ｃｃｏｓ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角度算出手段
１８故障検出手段
Ｒ１第１レゾルバ
Ｒ２第２レゾルバ
１９，２０ロータ
２１，２２ステータ
２３励磁電圧印加コイル
２４ｓｉｎ信号出力コイル
２５ｃｏｓ信号出力コイル
２６励磁電圧印加コイル
２７励磁電圧印加コイル
２８ｓｉｎ信号出力コイル
２９ｃｏｓ信号出力コイル

Claims

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、ケーシング内には、スタブシャフトとピニオンとの相対回転角を検出するレゾルバを設け、このレゾルバには故障検出手段を接続するとともに、この故障検出手段は、レゾルバが検出したｓｉｎ信号およびｃｏｓ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機能を備えた電動パワーステアリング装置。
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、励磁電圧印可コイル、信号出力コイルを設けてレゾルバを構成した請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
スタブシャフトおよびピニオンのそれぞれにロータを設け、ケーシングの内周にステータを設けて、これらロータおよびステータでレゾルバを構成した請求項１記載の電動パワーステアリング装置。