JP2006297974A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型かつ簡単な構成で、組み付け性に優れ、広い角度範囲で高精度の舵角センサを提供する。
【解決手段】入力軸２０と出力軸２１を連結するトーションバー１９の捩れ角度に基づいてトルクを検出するトルクセンサ１８と、該トルクセンサ１８で検出されたトルクに応じて操舵補助を行うとともに、モータ７の出力位相を検出するための位相検出手段を有するモータ７と、該モータ７の出力軸に一体に連結される駆動ギア１６と、該駆動ギア１６との噛合によって伝達トルクを減速する従動ギア３０と、該従動ギア３０の位相を検出する舵角センサとを備えた電動パワーステアリング装置において、前記駆動ギア１６の歯数（Ｚ０）と前記従動ギア３０の歯数（Ｚ１）の関係を、Ｚ１＝Ｚ０×ｎ＋Ｐ（ｎ、Ｐ：整数）で設定し、前記モータ７の出力位相と前記従動ギア３０の位相を比較しながらハンドルの操舵角を検出するようにした。
【選択図】図３

Description

本発明は、電動パワーステアリング装置でハンドルの操舵角を検出するための舵角センサの改良に関する。

電動パワーステアリング装置は、モータから減速機を介してステアリング軸或いはラック軸に操舵補助を行うようになっている。かかる従来の電動パワーステアリング装置は、操舵補助力を正確に発生させるため、モータ電流のフィードバック制御が行われる。その際、ハンドルの操舵角が舵角センサによって検出され、モータの制御に使用される。

この種の舵角センサとして、例えば特許文献１では、図７に示すように、ステアリング出力部７１に外嵌されたウォームホイール（ピニオンギア）７２の下面に、リング状の平面歯車７３が一体に形成され、この平面歯車７３と、検出ユニット７４の入力歯車７５との噛合によって増速機構が構成され、また、モータ７６の出力軸に取り付けられたウォームギア７７と、ウォームホイール７２とで減速機構が構成される。そして、これらの増速機構および減速機構の増・減速比を適宜に組み合わせ、検出部材の回転角をステアリング出力部の回転角の１／Ｎとすることにより、舵角センサの検出角度範囲を広くするようになっている。なお、７８は、舵角センサの検出軸である。

また、特許文献２に、舵角センサとハンドルとを１対１の回転比率で連結し、舵角センサの出力信号から検出できるハンドルの舵角範囲を、中立ゾーンと、この中立ゾーンに隣接する左右のゾーンと、３つのゾーンに分け、ヨーレートや車速、或いは車輪速度などの情報に基づいて舵角センサで検出された操舵角がいずれのゾーンに属するかを判定して、ハンドルの回転角（操舵角）を検出するようにしたものが開示される。
特開２００３−３２９４３６号公報 特開平８−２９１５８号公報

ところが、特許文献１では、舵角センサの検出角度範囲を広く設定すると、増速ギアや減速ギアの増速比や減速比が大きくなり、ギアの噛合面でのすべりなどによって誤差が生じてしまい、検出精度の悪化を招いてしまう。さりとて、検出部材とステアリング出力部との回転比を一定にすると、舵角センサは、検出精度を高めることができるが、検出可能な角度範囲（３６０度まで）が狭くなってしまうという問題があった。さらに、前記舵角センサでは、装置内部に別々に増速機構と減速機構を設けたり、ハーネスによって各別に組み付ける必要があって、装置構成が複雑になってしまうという問題があった。

また、特許文献２では、舵角センサをハンドルと１対１の回転比率で連結させて、検出精度を高く維持するようにした。

ところが、特許文献２では、ハンドルの回転角度を検出するのに、舵角以外の情報、すなわち車輪速比、ヨーレート、車速などが必要になる。そのため、これらの情報に誤差や異常が生じると、ゾーンの判定を正確に行うことができず、また、これらの情報を初期化しなければ、ゾーンを正確に判定することができないという問題があった。

そこで、本発明の目的は、モータの出力位相を検出する位相検出手段を備え、かつモータの出力軸に連結された駆動ギアと、該駆動ギアとの噛合によってトルクを減速する従動ギアとで構成される減速機構で、駆動ギアの歯数（Ｚ０）と従動ギアの歯数（Ｚ１）の関係を、Ｚ１＝Ｚ０×ｎ＋Ｐ（ｎ、Ｐ：０を除く自然数）にし、モータの出力位相を参酌しながらハンドルの操舵角を検出することにより、小型かつ簡単な構成で、組み付け性に優れ、広い角度範囲で高精度の舵角センサを提供することにある。
特開２００３−３２９４３６号公報 特開平８−２９１５８号公報

本発明の前記目的は、入力軸と出力軸を連結するトーションバーの捩れ角度に基づいてトルクを検出するトルクセンサと、該トルクセンサで検出されたトルクに応じて操舵補助を行うとともに、モータの出力位相を検出するための位相検出手段を有するモータと、該モータの出力軸に一体に連結される駆動ギアと、該駆動ギアとの噛合によって伝達トルクを減速する従動ギアと、該従動ギアの位相を検出する舵角センサとを備えた電動パワーステアリング装置において、前記駆動ギアの歯数（Ｚ０）と前記従動ギアの歯数（Ｚ１）の関係を、Ｚ１＝Ｚ０×ｎ＋Ｐ（ｎ、Ｐ：０を除く自然数）で設定し、前記モータの出力位相と前記従動ギアの位相を比較しながら、ハンドルの操舵角を検出するようにしたことにより、達成される。

また、前記目的は、前記駆動ギアの歯数（Ｚ０）と前記従動ギアの歯数（Ｚ１）の関係で、前記Ｐは、前記Ｚ０の１以外の約数でないことにより、効果的に達成される。

また、前記目的は、前記舵角センサを、前記トーションバーの入力軸側に設け、前記トルクセンサによって検出されたトルクに基づいて前記トーションバーの出力軸の操舵角を演算によって推定することにより、効果的に達成される。

また、前記目的は、前記トルクセンサと前記舵角センサを、同一の基板に構成された回路で検出信号を処理することにより、効果的に達成される。

以上のように、本発明の電動パワーステアリング装置によると、モータの出力位相を検出するための位相検出手段を備えるとともに、電動モータの出力軸に連結される駆動ギアと、該駆動ギアと噛合する従動ギアと、該従動ギアの位相を検出する舵角センサとを備え、駆動ギアの歯数（Ｚ０）と従動ギアの歯数（Ｚ１）の関係を、Ｚ１＝Ｚ０×ｎ＋Ｐ（ｎ、Ｐ：整数）に設定し、前記モータの出力位相を参照しながら、ハンドルの操舵角を検出するようにした。その結果、ハンドルの操舵角を、簡単な構成で、高精度でかつ広範囲に亘って検出することができる。また、前記舵角センサは、トルクセンサと同一の基板上に磁気抵抗素子や回路を設け、同一のコネクタを使用したので、部品の組み付け性が高まるとともに、ＥＣＵに接続するコネクタの数を減らすことができ、コストの低減を図ることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る電動パワーステアリング装置の概略構成を示す。同図において、ステアリングコラム１内には、ステアリング軸２が図示しないハンドルから軸方向に延び、一対のユニバーサルジョイント３、３を介してラック・ピニオン機構４に連結される。このラック・ピニオン機構４は、車幅方向に延びるラック軸５と、ラック軸５に対して斜め方向に支承されるピニオン軸６とから構成され、ステアリング軸２の回転運動をラック軸５の直線往復運動に変換するようになっている。

また、ステアリング軸２の中間には、アシスト用の電動モータ７が配されている。この電動モータ７は、図２に示すように、一方の底部が閉塞された円筒形のセンタハウジング８ａと、このセンタハウジング８ａの他方の開口端部を閉塞する略円板形のフロントハウジング８ｂとを有し、各ハウジング８ａ、８ｂに配された軸受９ａ、９ｂによって回転軸１０を回転自在に支持している。

また、回転軸１０の外周側には、センタハウジング８ａ内に、永久磁石を備えたロータ１１と、ロータ１１の永久磁石を包囲するように巻回された励磁コイル１２を備えたステータ１３とが配されている。また、回転軸１０は、先端側に延びる出力軸１４に一体に連結されて軸受１５ａ、１５ｂで回転自在に支持され、出力軸１４にはウォーム１６が取り付けられている。

また、フロントハウジング８ｂ側には、レゾルバやホール素子などからなる位相検出手段１７が配され、ロータ１１の回転位置を検出し、励磁コイル１２に供給する電流を制御するようになっている。なお、上記電動モータ７は、ブラシレスモータを示すが、ブラシ付モータに位相検出手段を設けてもよい。

また、ステアリングコラム１には、図３に示すように、操舵トルクを検出するためのトルクセンサ１８が配されている。このトルクセンサ１８は、トーションバー１９を介して連結される入力軸２０と出力軸２１とを備え、ステアリング軸２に作用するトルクを、トーションバー１９を介して入力軸２０から出力軸２１に伝えるようになっている。また、トルクセンサ１８のハウジング２２内には、コイル２３を内蔵するコイルユニット２４を有し、コイル２３は、連結ピン２５を介してセンサケース２６内の回路基板２７に繋がっている。これにより、トーションバー１９に発生する捩れを、入力軸２０と出力軸２１の位相差に起因する磁気的な変化としてコイル２３で検出するようになっている。なお、２８は、インタミシャフトであり、２９ａ、２９ｂは、前記出力軸２１を回転自在に支持する軸受である。

また、出力軸２１には、これと同軸にかつ一体に回転するウォームホイール３０が外嵌され、ウォーム１６とで電動モータ７の減速機構を構成している。このウォームホイール３０は、図４に示すように、ディスク状の金属製芯管３１と、該芯管３１の外周側に略円環状の樹脂部３２とからなり、樹脂部３２の外周面および内周面には、それぞれ外、内ギア歯３３、３４が形成されている。樹脂部３２の外ギア歯３３は、ウォーム１６と噛合することによって、電動モータ７の回転を減速して出力軸２１に伝えるようになっている。

また、ウォームホイール３０は、側方に舵角センサ３５が配され、該舵角センサ３５は、外方からウォームホイール３０に延びる検出軸３６を備えている。この検出軸３６の外周には、前記樹脂部３２の内周面に形成された内ギア歯３４に噛合する検知ギア歯３７が形成されている。而して、樹脂部３２の内ギア歯３４を被検出部とし、検出軸３６の検知ギア歯３７を検出部として、ハンドルの操舵角（回転角）を検出するための舵角検出機構が構成される。

この舵角センサ３５は、検出角度に基づいて、図５に示すようなリニア特性を有する出力信号を発するようになっている。その結果、ウォーム１６の歯数をＺ０とし、ウォームホイール３０の歯数をＺ１とした場合、両歯数間の関係Ｒを、Ｚ１＝Ｚ０×ｎ＋Ｐ（Ｚ０−１≧Ｐ＞０、ｎを整数）に設定すると、舵角センサ３５の検出位相と電動モータ７の位相検出手段１４によって検出される位相との差を比較すれば、ハンドルの絶対角を広い角度範囲でかつ高い精度で検出することができる。すなわち、舵角センサ３５は、例えば操舵角として９０度を検出した場合、±５４０度の角度範囲で、ａ、ｂ、及びｃ（図５参照）と、３箇所の検出角度が得られる。この場合、モータの出力位相を参酌することによって、３箇所の検出角度のうち正確な操舵角が得られる。ここで、歯数間の関係ＲにおけるＰは、Ｚ０の１以外の約数にしない方が、検出角度範囲を広げることができる。

例えば、ウォーム１６の条数を３とし、ウォームホイール３０の歯数を５５とすると、ウォーム１６は、ウォームホイール３０が３回転して初めて同じ噛合い位相になる。すなわち、位相検出手段１４によって電動モータ７の位相を検出すると、図５に示すように、ハンドルが−５４０度から５４０度まで回転するのに対応して、電動モータ７の出力位相は、Ａから、Ｂ、Ｃ、およびＤまで変化することがわかる。その結果、舵角センサ３５で検出された出力値（ハンドルの回転角）が同じでも、電動モータ７の位相が異なるため、両者を比較すれば、ハンドルの回転角（絶対角）を確実に検出することができる。

具体的な数値を挙げて説明すると、例えばウォーム１６の歯数Ｚ０を４条、ｎを１０、Ｐを２とし、ウォームホイール３０の歯数Ｚ１を４２歯とする場合、絶対角の検出は２回転である。その際、ＰをＺ０の１以外の約数、例えばＰを３にすれば（４３歯＝４×１０＋３）、絶対角の検出は４回転まで可能になり、検出可能な角度範囲を拡げることができる。

また、図６は、本発明の第２実施形態に係る電動パワーステアリング装置の概略構成を示し、前記第１実施形態と同じ部材は同一の符号を付して、その説明を省略する。

第２実施形態では、図６に示すように、ステアリングコラム１に、操舵トルクを検出するためのトルクセンサ１８が配される。また、トルクセンサ１８のハウジング２２内に収納されたコイル２３は、連結ピン２５を介してセンサケース２６内の回路基板２７に繋がり、トーションバー１９に発生する捩れを、入力軸２０と出力軸２１の位相差に起因する磁気的な変化をコイル２３で検出するようになっている。

そして、入力軸２０には、被検出部としての磁石４１が外嵌され、該磁石４１と対向する位置に検出部としての２種類の磁気検出素子４２が設けられている。この磁気検出素子４２は、磁石４１によって形成される磁界の方向を検出し、磁石４１が３６０度回転するときに１周期となる波形出力と、この波形出力と位相が９０度ずれた波形曲線とを得て、磁石４１の回転角度を検出するように構成される。

また、磁気検出素子４２と、その磁気検出回路は、トルクセンサ１８の回路基板２７と同一の基板上に設けられ、トルクセンサ１８および舵角センサ３５からの信号は、ハーネスによって同一のコネクタに纏められ、ＥＣＵに接続するようになっている。

その際、舵角センサ３５からの出力信号には、トーションバー１９の捩り角度も含まれるため、トルクセンサ１８によって検出されたトルクに基づいてトーションバー１９のばね定数から捩り角度を推定し、これを参酌することによってトーションバー１９の出力軸２１の操舵角を補正し、ハンドルの正確な操舵角（回転角）を決定するようになっている。

なお、第２実施形態は、磁気検出素子４２によって磁界の方向を検出してハンドルの回転角を得るようにしたが、トルクセンサ１８の入力軸２０と、舵角センサの角度検出軸に、前記第１実施形態の関係Ｒを有する一対のギア歯を設けてもよく、前記第１実施形態と同様の効果を奏する。

本発明の第１実施形態に係る電動パワーステアリング装置を示す図である。 前記電動パワーステアリング装置に使用されるモータの減速機構を説明する図である。 前記電動パワーステアリング装置の減速機構に舵角センサが取り付けられた状態を示す図である。 前記舵角センサがウォームホイールの側面に設けられる状態を説明する図である。 舵角センサおよびトルクセンサによって検出されるハンドル舵角に対するセンサ出力を説明する図である。 本発明の第２実施形態に係る電動パワーステアリング装置を示し、舵角センサをトーションバーの入力軸側に設けた状態を示す図である。 従来の舵角センサを説明する図である。

符号の説明

１ ステアリングコラム
７ 電動モータ
１０ 回転軸
１１ ロータ
１２ 励磁コイル
１３ ステータ
１６ ウォーム
１８ トルクセンサ
２０ 入力軸
２１ 出力軸
２３ コイル
２６ センサケース
２７ 回路基板
３０ ウォームホイール
３１ 芯管
３２ 樹脂部
３３ 外ギア歯
３４ 内ギア歯
３５ 舵角センサ
３６ 検出軸
３７ 検知ギア
４１ 磁石
４２ 磁気検出素子

Claims (4)

1. 入力軸と出力軸を連結するトーションバーの捩れ角度に基づいてトルクを検出するトルクセンサと、該トルクセンサで検出されたトルクに応じて操舵補助を行うとともに、モータの出力位相を検出するための位相検出手段を有するモータと、該モータの出力軸に一体に連結される駆動ギアと、該駆動ギアとの噛合によって伝達トルクを減速する従動ギアと、該従動ギアの位相を検出する舵角センサとを備えた電動パワーステアリング装置において、
   前記駆動ギアの歯数（Ｚ０）と前記従動ギアの歯数（Ｚ１）の関係を、Ｚ１＝Ｚ０×ｎ＋Ｐ（ｎ、Ｐ：０を除く自然数）で設定し、前記モータの出力位相と前記従動ギアの位相を比較しながらハンドルの操舵角を検出するようにしたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記駆動ギアの歯数（Ｚ０）と前記従動ギアの歯数（Ｚ１）の関係で、前記Ｐは、前記Ｚ０の１以外の約数でない請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記舵角センサは、前記トーションバーの入力軸側に設けられ、前記トルクセンサによって検出されたトルクに基づいて前記トーションバーの出力軸の操舵角を演算によって推定する請求項１又は２に記載の電動パワーステアリング装置。
4. 前記トルクセンサと前記舵角センサは、同一の基板に構成された回路で検出信号を処理する請求項１ないし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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