JP2006008049A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動ギヤと従動ギヤとが互いの歯部の噛み合いにより摩耗しても、バックラッシュの増大変化を抑制可能として、当該両歯部の噛合による噛合音を抑制する。
【解決手段】本電動パワーステアリング装置は、操舵部材１の操舵に応じて電動モータ５を駆動して操舵補助するものであって、電動モータ５の回転軸５ａに連結された駆動ギヤ６ａと、操舵軸２に嵌着され駆動ギヤ６ａに噛み合う従動ギヤ６ｂと、駆動ギヤ６ａを従動ギヤ６ｂ側に付勢する高分子アクチュエータ２２と、高分子アクチュエータ２２を電気的に制御する制御手段２８とを具備している。
【選択図】図３

Description

本発明は、運転者により行われるステアリングホイール（ハンドル）等の操舵部材の操作に応じて電動モータを駆動して運転者の操舵補助を行う電動パワーステアリング装置に関する。

上記電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイールの操舵トルクを検出するセンサと、操舵補助用の電動モータと、電動モータの回転を減速して操舵軸に伝達する減速機構と、これらを電子的に制御する電子制御ユニットとを備え、電子制御ユニットにおいては、センサから取り込んだセンサ信号に基づいて、上記操舵補助に適したトルクを発生するのに必要な電動モータの駆動量を演算し、その駆動量に対応する制御信号を、電子制御ユニットに含まれるモータ駆動回路に与えて電動モータを駆動する構成となっている（例えば、特許文献１参照）。

減速機構は、電動モータの回転軸に連結されたウォーム軸のような駆動ギヤと、操舵軸に嵌着され駆動ギヤに噛み合うウォームホイールのような従動ギヤとをハウジングに収容したものであり、駆動ギヤと従動ギヤとの噛み合いにより、電動モータの回転を減速して操舵軸に伝達することで、操舵部材の操作によって加えられる操舵トルクと、電動モータが発生する操舵補助トルクとの和を、出力トルクとして舵取機構に与える。

ところで、上記のような減速機構において、駆動ギヤと従動ギヤとの両歯部が経年使用により摩耗して生じるバックラッシュの増加が、噛合音の発生原因となっている。
特開２００２−１６６８３８号公報

したがって、本発明により解決すべき課題は、駆動ギヤと従動ギヤとの互いの歯合部が経年使用により摩耗してバックラッシュが増大変化するとき、当該バックラッシュの変化を抑制可能として噛合音の発生を低減することである。

本発明による電動パワーステアリング装置は、操舵部材の操舵に応じて電動モータを駆動して操舵補助する電動パワーステアリング装置であって、電動モータの回転軸に連結された駆動ギヤと、操舵軸に嵌着され上記駆動ギヤに噛み合う従動ギヤと、上記駆動ギヤを上記従動ギヤ側に付勢する高分子アクチュエータと、上記高分子アクチュエータを電気的に制御する制御手段とを具備したことを特徴とするものである。

上記構成において、高分子アクチュエータは、電界の印加により膨張収縮変形するもので、具体的には、例えば、この高分子アクチュエータを、駆動ギヤを支持する軸受の外周に当接配置するとともに、該高分子アクチュエータに電圧を印加する電圧印加手段を設け、駆動ギヤと従動ギヤとのバックラッシュを検出するセンサによりバックラッシュの増大を検出すると、上記電圧印加手段により上記高分子アクチュエータに電圧を印加して、高分子アクチュエータを膨張させることにより、上記軸受を介して駆動ギヤを従動ギヤ側に付勢する構成とすればよい。

上記の高分子アクチュエータの代表例としては、高分子ゲル・アクチュエータがある。高分子ゲル・アクチュエータは、溶媒を含み、その溶媒には溶けない３次元網目構造をもつ、ゼラチンのような高分子で、電界等の環境変化に応じて体積変化を生じるものであり、近年、ロボットのアクチュエータに使用が試みられている。

他の高分子アクチュエータには、液晶高分子を利用するものが考えられる。液晶高分子は、電界の印加により分子配向が変わり、形状変化を生じる。

さらに他の高分子アクチュエータとして、導電性エラストマーがある。この導電性エラストマーは、弾性高分子物質中に導電性粒子が充填されてなるもので、電圧印加により、内部の弾性高分子物質が発熱膨張して体積変化を起こす。

制御手段による高分子アクチュエータの制御には、必ずしも、センサによるバックラッシュの検出を必要とせず、運転者等の判断で、制御手段により高分子アクチュエータを制御して駆動ギヤを従動ギヤ側に付勢してもよい。

駆動ギヤと従動ギヤとのバックラッシュを検出するセンサとしては、例えば、上記軸受の外周に配置される圧力センサがある。また、無加圧時には高電気抵抗値を呈し加圧時には圧縮変形により低電気抵抗値を呈する導電性エラストマーを圧力センサとして用い、この導電性エラストマーを軸受の外周に配置し、上記導電性エラストマーとは別に設けた高分子アクチュエータ手段により、上記軸受を従動ギヤ側に押圧可能とし、導電性エラストマーが軸受から加圧されて電気抵抗値が低下したときに、制御手段により上記別の高分子アクチュエータで軸受を押圧して駆動ギヤを従動ギヤ側に付勢する構成としてもよい。

本発明によると、駆動ギヤと従動ギヤとが互いの歯部の噛み合いにより摩耗してバックラッシュが増大するようなとき、制御手段により高分子アクチュエータを制御して駆動ギヤを従動ギヤ側に付勢することにより、バックラッシュの上記変化を無くして駆動ギヤと従動ギヤとの互いの歯部を適正に噛合可能とし、当該両歯部の噛合による噛合音を抑制することができる。

本発明によると、駆動ギヤと従動ギヤとが互いの歯部の噛み合いにより摩耗してもバックラッシュの増大変化を無くして上記両歯部の噛合音を抑制することができる。

以下、添付図面を参照して本発明による最良の形態に係る電動パワーステアリング装置を説明する。図１は、同電動パワーステアリング装置の制御機構および制御ブロック回路を、それに関連する車両構成と共に示す図、図２は、図１の減速機構と電動モータとを機構的に拡大して示す図、図３は、図１の減速機構と電動モータの構成を図２のＡ−Ａ線断面で拡大して示すと共に、本形態の要部であるブロック回路構成を示す図である。

図１ないし図３を参照して、本形態の電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイールのような操舵部材１に一端が固着される操舵軸２と、その操舵軸２の他端に連結されたラックピニオン機構等からなる舵取機構３と、操舵部材１の操作によって操舵軸２に加えられる操舵トルクを検出するトルクセンサ４と、操舵部材１の操舵操作による運転者の負荷を軽減するための操舵補助トルクを発生させる電動モータ５と、電動モータ５が発生する操舵補助トルクを操舵軸２に伝達する減速機構６と、車載バッテリ７からイグニッションスイッチ８を介して電源の供給を受け、トルクセンサ４からの操舵トルク検出信号や車速センサ９からの車速検出信号やエンジン回転センサ１０からのエンジン回転数検出信号に基づき電動モータ５の駆動を制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ）１１とを備える。操舵軸２は、操舵部材１側の操舵軸部分と舵取機構３側の操舵軸部分とに分割され、これら両操舵軸部分は、図示省略のトーションバーで結合され、このトーションバーの個所にトルクセンサ４が設けられている。

上記電動パワーステアリング装置を搭載した車両においては、運転者が操舵部材１を操作すると、その操作による操舵トルクはトルクセンサ４により検出される。電子制御ユニット１１は、その検出された操舵トルクの情報と、車速センサ９によって検出された車速の情報等に基づいて、電動モータ５を駆動制御する。これにより、電動モータ５は操舵補助トルクを発生し、この操舵補助トルクが減速機構６を介して操舵軸２に加えられることにより、操舵操作を行う運転者の負担が軽減される。

すなわち、操舵部材１の操作によって加えられる操舵トルクと、電動モータ５が発生する操舵補助トルクとの和が、出力トルクとして、操舵軸２を介して舵取機構３に与えられる。これにより、舵取機構３の入力軸が回転し、その回転は舵取機構３によって出力軸であるラック軸の往復運動に変換される。ラック軸の両端はタイロッドおよびナックルアーム等からなる連結部材１２を介して操向用の車輪１３に連結されており、ラック軸の往復運動に応じて車輪１３の向きが変わる。

減速機構６は、図２で示すように、例えば、ヘリカルギヤからなる小径の駆動ギヤ６ａと、この駆動ギヤに噛み合う大径の従動ギヤ６ｂとにより構成され、駆動ギヤ６ａの一端側は電動モータ５の回転軸５ａに連結され、同他端側は軸受２０を介してハウジング２１に支持される。従動ギヤ６ｂは、操舵軸２に嵌着され、駆動ギヤ６ａに噛み合うように構成されている。軸受２０は、内輪２０ａが駆動ギヤ６ａに回転一体とされ、外輪２０ｂが高分子アクチュエータ２２を介してハウジング２１に固定され、内輪２０ａと外輪２０ｂとの間に転動体２０ｃが転動自在に介装された転がり軸受構成になっている。

以上の構成において、本形態は、軸受２０の外周部に、駆動ギヤ６ａを従動ギヤ６ｂ側に付勢する付勢手段として高分子アクチュエータ２２が固定される。高分子アクチュエータ２２は、軸受２０の外周部の反従動ギヤ６ｂ側に接する状態で、ハウジング２１の内周部に設けた収納溝２１ａ内に収納されている。ハウジング２１の収納溝２１ａには絶縁シート２３が配置されており、高分子アクチュエータ２２は、この絶縁シート２３によりハウジング２１から電気的に絶縁されている。軸受２０の外周部で、上記高分子アクチュエータ２２と径方向に対向する個所には、板ばね等からなる弾性部材２２ａが設けられている。この弾性部材２２ａは、軸受２０の外輪２０ｂとハウジング２１との間で圧縮変形することで、軸受２０および駆動ギヤ６ａの従動ギヤ６ｂ側への変位を許容する。

高分子アクチュエータ２２は、その両端に電極２４が設けられ、かつ、リレー接点等よりなる開閉手段２５を介して直流電源等よりなる電圧印加手段２６からの電圧が、電極２４を介して印加可能に構成されている。バックラッシュ検出手段２７は、駆動ギヤ６ａと従動ギヤ６ｂとのバックラッシュを検出し、その検出出力を、マイクロコンピュータ等よりなる制御手段２８に与えるよう構成されている。

制御手段２８は、バックラッシュ検出手段２７よりの検出出力に応答して開閉手段２５を開閉制御するＣＰＵと、ＣＰＵが上記制御を行うためのプログラムを記憶しているプログラムメモリと、ＣＰＵの動作に用いるデータを記憶するデータメモリとを含むマイクロコンピュータ等により構成され、バックラッシュ検出手段２７の検出出力により、駆動ギヤ６ａと従動ギヤ６ｂとの間のバックラッシュの増大変化を判定し、バックラッシュが増大したときは、開閉手段２５を閉じるよう制御し、電圧印加手段２６からの出力電圧が高分子アクチュエータ２２に印加されるよう制御する。

電圧印加手段２６の出力電圧の大きさは、本形態では、一定値とされているが、手動で可変調整可能にしたり、制御手段２８からのフィードバック制御により可変調整可能に構成することができる。

高分子アクチュエータ２２は、電界の印加により膨張収縮変形するもので、電圧印加手段２６からの電圧印加により膨張して、軸受２０を介して駆動ギヤ６ａを従動ギヤ６ｂ側に付勢するようになっている。

高分子アクチュエータ２２の代表例としては、高分子ゲル・アクチュエータがある。高分子ゲル・アクチュエータは、溶媒を含み、その溶媒には溶けない３次元網目構造をもつ高分子で、電界等の環境変化に応じて体積変化を生じる。他の高分子アクチュエータには、電界の印加により分子配向が変わり、形状変化を生じる液晶高分子を利用するものもある。

高分子アクチュエータ２２の他の例として、導電性エラストマーがある。導電性エラストマーは、弾性高分子物質中に導電性粒子を充填してなり、電圧印加により、内部の弾性高分子物質が発熱膨張する。上記弾性高分子物質としては、架橋構造を有するものが好ましく、例えば、シリコンゴム、ポリブタジエン、天然ゴム、ポリイソプレン、スチレン−ブタジエン共重合体ゴム、アクリロニトリル―ブタジエン共重合体ゴム、ウレタンゴム等を挙げることができる。導電性粒子としては、ニッケル、鉄、コバルト等の磁性金属の粒子、もしくはこれらの合金、非磁性金属粒子もしくは無機質粒子またはポリマー粒子を挙げることができる。

図４（ａ）（ｂ）を参照して動作を説明する。図４（ａ）（ｂ）では、図解の便宜上、バックラッシュ検出手段２７、制御手段２８の図示は省略されている。図４（ａ）で示すように、駆動ギヤ６ａの歯部と従動ギヤ６ｂの歯部との間のバックラッシュＢＬが増大していると、この増大したバックラッシュＢＬは、バックラッシュ検出手段２７により検出される。その検出出力は制御手段２８に与えられる。制御手段２８は、その検出出力から、上記バックラッシュＢＬが増大していると判定すると、制御信号を開閉手段２５に出力する。開閉手段２５は、この制御信号に応答して閉じる。これによって、電圧印加手段２６から高分子アクチュエータ２２に電圧が印加され、高分子アクチュエータ２２は、図４（ｂ）で示すように膨張する。高分子アクチュエータ２２が、バックラッシュＢＬにほぼ等しい膨張量Ｅだけ膨張すると、軸受２０を介して駆動ギヤ６ａは従動ギヤ６ｂ側に押圧される結果、駆動ギヤ６ａと従動ギヤ６ｂとの間の経年によるバックラッシュＢＬの増大した変化量をゼロに抑制できる。

以上の構成を備えた本形態においては、駆動ギヤ６ａと従動ギヤ６ｂとが互いの歯部が噛み合いにより摩耗しても、バックラッシュに増大変化が生じるようになるときは、制御手段２８により開閉手段２５を制御して高分子アクチュエータ２２を膨張させることにより、駆動ギヤ６ａを従動ギヤ６ｂ側に付勢するから、上記バックラッシュの変化をゼロに抑制可能となり、駆動ギヤ６ａと従動ギヤ６ｂとの両歯部の噛み合いによる噛合音を抑制することができる。

（他の形態）
図５を参照して、バックラッシュ検出手段２７は、軸受２０と高分子アクチュエータ２２との間に配置した各種の圧力センサ３０で構成することができる。また、開閉手段２５を省略し、電圧印加手段２６を電圧可変型のものに構成することができる。圧力センサ３０は、例えば、加圧導電ゴム製の感圧シート等よりなり、駆動ギヤ６ａと従動ギヤ６ｂとの間に規定以上のバックラッシュが存在すると、軸受２０から受ける圧力が変化し、この圧力に対応した検出出力を制御手段２８に入力する。制御手段２８は、圧力センサ３０からの検出出力に応答して、電圧印加手段２６から高分子アクチュエータ２２に印加する電圧値を調整し、高分子アクチュエータ２２を膨張させる。これによって、駆動ギヤ６ａは従動ギヤ６ｂ側に付勢され、上記バックラッシュの増大変化をゼロに調整される。

図６を参照して、軸受２０の周囲に差動トランス等よりなる複数の、この例では４個の駆動ギヤ位置検出センサ３１が円周方向略等間隔に配置される。各駆動ギヤ位置検出センサ３１それぞれは、駆動ギヤ６ａとの間の距離に対応した検出出力を制御手段２８に入力するようになっている。制御手段２８は、各駆動ギヤ位置検出センサ３１それぞれからの検出出力により、駆動ギヤ６ａの正規の位置からの移動量を演算し、その演算結果に対応して電圧印加手段２６の出力電圧を制御する。高分子アクチュエータ２２は、電圧印加手段２６よりの電圧に対応して膨張する結果、駆動ギヤ６ａは正規の位置に移動させられ、これによってバックラッシュの増大変化はゼロに調整される。

図７を参照して、軸受２０の外周全体に環状の高分子アクチュエータ３２が設けられ、この高分子アクチュエータ３２の外周の円周方向等間隔に表面側電極３３が複数、この例では４個配置される。高分子アクチュエータ３２の内周側は、軸受２０を裏面側電極としている。この軸受２０の外輪は直接あるいは間接に接地されている。

そして、各電圧印加手段２６から電圧が印加されると、高分子アクチュエータ３２は、各電圧印加手段２６からの電圧値に対応した形状に変形して駆動ギヤ６ａと従動ギヤ６ｂとのバックラッシュは最適に調整される。制御手段２８は、各表面側電極３３の二次元座標上の位置を不図示の圧力センサからの検出出力を利用して演算し、その演算結果に基づいて、電圧印加手段２６それぞれの出力電圧を設定する。高分子アクチュエータ３２は、対応する各表面側電極３３を介して、電圧印加手段２６それぞれから印加される電圧に対応して変形して、上記バックラッシュの増大変化はゼロに調整される。

本発明の最良の形態に係る電動パワーステアリング装置の制御機構と制御ブロック回路とを、それに関連する車両構成と共に示す図 図１の減速機構と電動モータとを示す図 図１の減速機構と電動モータの構成を、図２のＡ−Ａ線断面で拡大して示すと共に、本形態の要部であるブロック回路構成を示す図 本形態の動作の説明に供する図であり、（ａ）は駆動ギヤと従動ギヤとの間にバックラッシュが増大した状態、（ｂ）駆動ギヤと従動ギヤとの間のバックラッシュの増大を抑制した状態を示す図 本発明の他の形態に係る電動パワーステアリング装置の要部の構成を示す図 本発明のさらに他の形態に係る電動パワーステアリング装置の要部の構成を示す図 本発明のさらに他の形態に係る電動パワーステアリング装置の要部の構成を示す図

符号の説明

１ 操舵部材
２ 操舵軸
３ 舵取機構
５ 電動モータ
６ 減速機構
６ａ 駆動ギヤ
６ｂ 従動ギヤ
２０ 軸受
２１ ハウジング
２２ 高分子アクチュエータ
２３ 絶縁シート
２４ 電極
２５ 開閉手段
２６ 電圧印加手段
２７ バックラッシュ検出手段
２８ 制御手段

Claims (1)

1. 操舵部材の操舵に応じて電動モータを駆動して操舵補助する電動パワーステアリング装置であって、
   電動モータの回転軸に連結された駆動ギヤと、
   操舵軸に嵌着され上記駆動ギヤに噛み合う従動ギヤと、
   上記駆動ギヤを上記従動ギヤ側に付勢する高分子アクチュエータと、
   上記高分子アクチュエータを電気的に制御する制御手段と、
   を具備したことを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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