JP2007196831A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ウォーム減速機におけるギヤ間のバックラッシュを動的に制御することにより、操舵性およびギヤの寿命を維持しつつ、ラトルノイズの発生を抑制するようにした電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】ステアリング機構に入力された操舵トルクに応じて電動モータを駆動し、該電動モータの回転をウォームとウォームホイールとからなる減速機構を介してステアリング機構に伝達することにより、操舵を補助する電動パワーステアリング装置において、操舵が中立状態であるか否かを判別するための操舵中立状態判別手段と、操舵中立状態判別手段から出力された指令信号に基づいてウォームをウォームホイール側に付勢するウォーム付勢手段とを備え、操舵中立状態判別手段が、操舵中立状態であると判別した場合にのみ、ウォーム付勢手段を作動させるようにした。
【選択図】図６

Description

本発明は、車両に搭載される電動パワーステアリング装置に関し、特に、減速機構におけるバックラッシュによる騒音（ラトルノイズ）を抑制するように改良した電動パワーステアリング装置に関する。

近年、車両には、電動モータの駆動力を用いて、運転者によるステアリングホイールの操舵を補助する電動パワーステアリング装置が搭載されている。この種の電動パワーステアリング装置では、操舵補助用モータとして、比較的高回転、低トルクである電動モータが使用されるため、電動モータとステアリングシャフトとの間には減速機構が組み込まれている。一般に、このような減速機構には、少ない部品点数で大きな減速比が得られる等の理由から、ウォーム減速機が用いられる。

ウォーム減速機は、電動モータの駆動軸に連結されたウォームと、該ウォームに噛合するウォームホイールとからなり、電動モータの動力は、ウォームを介してウォームホイールに伝達され、運転者による操舵力を補助するようになっている。一般に、ウォームとウォームホイールのギヤ噛合部においては、円滑な作動を得るために、ギヤ間の遊び（バックラッシュ）が設けられている。また、設定されたバックラッシュに加えて、ウォーム減速機を組み付ける工程における寸法誤差などにより生じるバックラッシュ、あるいは、ウォームとウォームホイールの歯の磨耗が増大することによる生じるバックラッシュなどもある。

このバックラッシュは、車両が悪路を走行する際、特に操舵補助用モータの駆動力がステアリング機構に付与されない直線走行時に、ウォームとウォームホイールの歯面が衝突を繰り返し、ラトルノイズという不快な音を生じる要因になっていた。

この対策として、バックラッシュを極力小さく設定することが考えられるが、これは、ラトルノイズを低減する上では効果的であるが、歯面の磨耗（フリクション）が大きくなってしまうため、ギヤ寿命や操舵性（ハンドル戻りなど）の面で問題があった。

そこで、ウォーム端の軸受外輪とギヤハウジングとの間に、ゴムダンパーやバネなどの弾性部材を設けて、ウォームをウォームホイール側に付勢する予圧力を発生させるようにした装置が、例えば特許文献１，２に開示されている。

特開２００１−３２２５４４号公報 特開２００１−１０８０２５号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２に開示される装置では、常に予圧力が生じているため、ギヤ噛合部におけるフリクションが増加してしまい、操舵フィーリングの悪化をもたらすとともに、ギヤの寿命を縮めてしまうという問題があった。

また、弾性部材を用いて付勢する場合には、その予圧力は、弾性部材の変形量により決まるため、非常に高い加工精度が要求され、かつ、ギヤの噛み合いの振れ等によってウォームの予圧力が大きく変化してしまう、という問題があった。

さらに、このような従来の装置では、弾性部材が経年変形することによって、予圧力が減少してしまうという問題もあり、所望の予圧力を確保することが非常に困難であった。

そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ウォーム減速機におけるギヤ間のバックラッシュを動的に制御することにより、操舵性およびギヤの寿命を維持しつつ、ラトルノイズを抑制するようにした電動パワーステアリング装置を提供することにある。

本発明の上記目的は、ステアリング機構に入力された操舵トルクに応じて電動モータを駆動し、該電動モータの回転をウォームとウォームホイールとからなる減速機構を介して前記ステアリング機構に伝達することにより、操舵を補助する電動パワーステアリング装置において、操舵が中立状態であるか否かを判別するための操舵中立状態判別手段と、前記操舵中立状態判別手段から出力された指令信号に基づいて前記ウォームを前記ウォームホイール側に付勢するウォーム付勢手段とを備え、前記操舵中立状態判別手段が、前記操舵が中立状態であると判別した場合にのみ前記ウォーム付勢手段を作動させるようにしたことにより、達成される。

また、上記目的は、前記ステアリング機構に入力された操舵トルクを検出し、操舵トルク信号を出力する操舵トルク検出手段と、前記電動モータの回転速度を推定し、モータ回転速度信号を出力するモータ回転速度推定手段とを備え、前記操舵中立状態判別手段が、前記操舵トルク信号および前記モータ回転速度信号に基づいて、操舵が中立状態であるか否かを判別するようにしたことにより、効果的に達成される。

また、上記目的は、前記ウォーム付勢手段がソレノイドアクチュエータであることにより、効果的に達成される。

また、上記目的は、前記ウォーム付勢手段が圧電素子アクチュエータであることにより、効果的に達成される。

以上のように、本発明に係る電動パワーステアリング装置によると、操舵中立状態判別手段によって、ステアリング機構に入力された操舵トルクおよび電動モータの回転速度などに基づいて、操舵が中立状態であるか否かを判別し、その判別の結果、操舵が中立状態である場合にのみ、ウォーム付勢手段を作動するようにした。すなわち、ラトルノイズが生じ易い操舵中立状態時に、ウォーム付勢手段を作動させて、ウォーム減速機の噛合部におけるバックラッシュが小さくなるようにし、一方、電動モータの駆動による操舵補助力が付与されている場合には、ウォーム付勢手段を作動させず、操舵補助力を効率よく伝達可能な初期バックラッシュを維持するようになっている。このようにウォーム減速機のギヤ間におけるバックラッシュを動的に制御することにより、操舵補助力を伝達する際のギヤ間におけるフリクションの増加や、操舵フィーリングへの悪影響を防止することができる。この結果、操舵性およびギヤの寿命を維持しつつ、ウォーム減速機におけるラトルノイズを抑制することができる。

以下、図面を参照にしながら本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング装置を示す部分断面図である。同図において、電動パワーステアリング装置１は、ステアリング機構として、先端側（図１右側）でステアリングホイール（図示せず）に繋がっているステアリングシャフト２を備えている。このステアリングシャフト２は、ステアリングコラム３内で回転自在に支持されており、基端側（図１左側）には、トーションバー４を介して入力軸５と略円筒状の出力軸６とが連結されている。このトーションバー４は、出力軸６内に挿通されていて、その一端が入力軸５に圧入固定され、他端がピン等によって出力軸６に固定されている。

また、出力軸６の外周には、減速機構（減速ギア）７が一対の軸受８，９によって支持されている。この減速機構７は、出力軸６の外周に、圧入によって固定的に取付られたウォームホイール１０と、該ウォームホイール１０に噛合するウォーム１１とからなるウォーム減速機である。

また、減速機構７の先端側（図１右側）には、トルクセンサ１２が備えられている。このトルクセンサ１２は、出力軸６の先端側（図１右側）に形成されたスプライン溝１３の外周に配され、コイル巻線１４を収納した電磁ヨーク１５を有し、操舵トルクに応じてトーションバー３が捩れることにより生じる磁気的な変化を電磁ヨーク１５で検出するようになっている。

図２は、図１中のＡ−Ａ線に沿った部分断面を示す説明図である。同図において、減速機構７のウォーム１１は、２つの軸受１６，１７によってハウジング１８に回転自在に支持されており、一端側（図２右側）で操舵補助用の電動モータ１９の駆動軸２０に連結されている。

電動モータ１９は、マイクロプロセッサ等により構成されたコントロールユニット（ＥＣＵ）２１に、リード線２２を介して接続されている。ＥＣＵ２１は、トルクセンサ１４によって検出された操舵トルクなどに応じて、電動モータ１９の駆動電流を制御するようになっている。電動モータ１９の回転は、ウォーム１１およびウォームホイール１０を介してステアリングシャフト１の出力軸５に伝達され、これにより、操舵力を補助して運転者の労力を軽減するようになっている。

また、ウォーム１１の他端側（図２左側）を支持する軸受１７の下部に形成されたハウジング１８の突出部１８Ａには、ウォーム１１および軸受１７をウォームホイール１０側（図２中の矢印Ｘ方向）に付勢するためのウォーム付勢手段２３として、圧電素子アクチュエータ２３ａが配されている。通常、ウォーム１１とウォームホイール１０のギヤ間には、電動モータ１９の駆動による操舵補助力を、効率よくステアリングシャフト２に伝達できるように、初期バックラッシュが設けられている。しかし、操舵が中立状態である場合には、このバックラッシュがあることにより路面反力がウォームホイール１０に伝達されてギア打音（ラトルノイズ）を生じてしまう。本実施形態に係る圧電素子アクチュエータ２３ａは、リード線２４を介してＥＣＵ２１に接続されており、後述するＥＣＵ２１の駆動制御によって、操舵中立状態時にのみ軸受１７およびウォーム１１を矢印Ｘ方向に付勢し、バックラッシュを無くす、もしくは小さくするようになっている。

図３は、図２中のII−II線に沿った要部断面図である。同図において、ウォーム軸１１Ａの他端（電動モータ１９と反対側）を回転自在に支持する軸受１７は、ハウジング１８に形成された軸受穴２５に収納されている。この軸受穴２５の内周面上方には有底のばね穴２６が形成されており、該ばね穴２６には圧縮されたばね２７が収納されている。一方、ハウジング１８の突出部１８Ａに形成されたアクチュエータ穴２８には、圧電素子アクチュエータ２３ａが収納されている。この圧電素子アクチュエータ２３ａと軸受１７の外輪との間には、ブッシュ２９が介在されている。また、アクチュエータ穴２８の下部には雌ねじが形成され、該雌ねじにボルト３０が調整可能に螺合している。さらに、このボルト３０は、ナット３１を締め付けることによって、ゆるみ止めがされる。

なお、本実施形態では、ばね２７および圧電素子アクチュエータ２３ａのブッシュ２９が、軸受１７の外輪を直接付勢するようになっているが、軸受１７の外輪の外周にカラーを介在し、該カラーを介して付勢するようにしてもよい。

次に、本発明の実施形態に係るウォーム付勢手段２３の変形例について図４および図５を参照にしながら説明する。なお、図４および図５において、図２および図３に示した実施形態の部材と同一の部材には、同一の符号を付して、その説明を省略する。

本変形例では、ウォーム１１および軸受１７をウォームホイール１０側（図２中の矢印Ｘ方向）に付勢するためのウォーム付勢手段２３として、ソレノイドアクチュエータ２３ｂが用いられている。プランジャーとしてのソレノイドアクチュエータ２３ｂの磁性体部３１と非磁性体部３２とは一体に接合されており、コイル３３は、リード線２４を介してＥＣＵ２１に接続されている。磁性体部３１および非磁性体部３２は、後述するＥＣＵ２１の駆動制御によりリード線２４を通じて駆動電力が供給されると、一体となって押し出され、軸受１７の外輪を上方（ウォームホイール１０側）に押し上げる。これにより、上述した実施形態と同様、ウォーム１１が矢印Ｘ方向に付勢され、バックラッシュが無くなる、もしくは小さくなるようになっている。

［第１実施形態］
次に、本発明の第１実施形態に係る電動式パワーステアリング装置１の電気的な概略構成を図６に基づいて説明する。同図において、ステアリングシャフト（ステアリング機構）２に入力された操舵トルクを検出したトルクセンサ（操舵トルク検出手段）１２は、操舵トルク信号ＴｓをＥＣＵ２１内に設けられた操舵補助指令部５１に出力する。操舵補助指令部５１は、操舵補助指令値記憶部５２に記憶された電動モータ１９用トルク−電流マップ（図７）を参照して、入力された操舵トルク信号Ｔｓに応じた電動モータ１９に供給する電流指令値Ｉａを決定する。

この電動モータ１９用トルク−電流マップは、図７に示すように、操舵トルク（操舵トルク信号）Ｔｓと、電動モータ１９に供給する電流（電流指令値）Ｉａのパラメータである。同図に示すように、電流Ｉａは、操舵中立付近では電動モータ１９に供給されず、操舵中立付近を超えると、操舵トルクＴｓの増加にしたがって電流Ｉが比例的に増加する。さらに、操舵トルクＴｓが所定値以上になると、電流Ｉが飽和するようになっている。

決定された電流指令値Ｉａは、減算器５３および摩擦補正などを行う補正部５４を介して演算され、その演算結果である電流制御値Ｅａがモータ駆動信号としてモータ駆動回路５５に入力される。そして、モータ駆動回路５５は、入力された電流制御値Ｅａに基づいて電動モータ１９を駆動する。

また、電動モータ１９に流れたモータ電流Ｉｍは、モータ電流検出回路５６により検出された後、減算器５３に入力され、補正部５４によって電流指令値Ｉａとモータ電流Ｉｍとの偏差分に基づいて両者が一致するように比例積分制御される。これにより、電動モータ１９に供給されたモータ電流ｉがフィードバック制御されるので、ステアリングシャフト２に入力された操舵トルクに適した操舵補助トルクを電動モータ１９に発生させるようになっている。

一方、電動モータ１９の端子電圧を検出するモータ電圧検出回路（モータ電圧検出手段）５７から出力されたモータ電圧信号Ｖは、モータ回転速度推定部（モータ回転速度推定手段）５８に入力される。モータ回転速度推定部５８は、電動モータ１９の端子電圧に基づいて、電動モータ１９の回転速度を演算して、モータ回転速度信号ωを出力する。このモータ回転速度信号ωは、操舵中立状態判別部（操舵中立状態判別手段）５９に入力されるとともに、操舵補助指令部５１にも入力され、該操舵補助指令部５１が電流指令値Ｉａを決定する際に参照される。

モータ回転数信号ωが入力された操舵中立状態判別部５９には、トルクセンサ１２から出力された操舵トルク信号Ｔｓも入力される。この操舵中立状態判別部５９は、入力した操舵トルク信号Ｔｓおよびモータ回転数信号ωに基づいて、操舵中立値記憶部６０に記憶されているウォーム付勢手段２１用トルク−電流マップ（図８）およびウォーム付勢手段２１用モータ回転速度−電流マップ（図９）を参照して操舵中立状態であるか否かを判別する。

操舵中立状態判別部５９による判別の結果、操舵中立状態である場合には、操舵中立状態判別部５９から出力された電流指令値信号Ｉｗに基づいてウォーム付勢手段２３が作動し、ウォーム１１を支持している軸受１７が図２中の矢印Ｘ方向に付勢され、これにより、ウォーム１１とウォームホイール１０の噛合部におけるバックラッシュが減少される。一方、操舵中立状態判別部５９による判別の結果、操舵中立状態でない場合には、ウォーム１１を付勢しない。したがって、判別前に、軸受１７が図２中の矢印Ｘ方向に付勢されていた場合には、ウォーム付勢手段２３の作動がＯＦＦになることにより、軸受１７が図２中の矢印Ｘ´方向に偏倚し、初期バックラッシュが維持される。

ここで、ウォーム付勢手段２１用トルク−電流マップは、図８に示すように、操舵トルク（操舵トルク信号）Ｔｓと、ウォームホイール付勢手段２３に供給する電流（電流指令値）Ｉｗのパラメータであり、かつ、ウォーム付勢手段２３用モータ回転速度−電流マップは、図９に示すように、電動モータ１９のモータ回転速度ωと、ウォームホイール付勢手段２３に供給する電流（電流指令値）Ｉｗのパラメータである。すなわち、操舵中立状態判別部５９は、ステアリング機構２に入力された操舵トルクＴｓと電動モータ１９の回転速度ωとを監視することによって、操舵中立状態を判別するようになっている。

また、操舵中立状態判別部５９は、図１０に示すように、操舵トルクが小さく（０ ｏｒ Ｌｏｗ）、かつ、モータ回転速度が低速（０ ｏｒ Ｌｏｗ）である場合にのみ、ウォーム付勢手段２３を作動させ、それ以外の場合にはウォーム付勢手段２３を作動させないようになっている。

以上のように、本第１実施形態に係る電動パワーステアリング装置１では、電動モータ１９が駆動されていないためラトルノイズが生じ易い操舵中立状態時に、ウォーム付勢手段２３の作動をＯＮにして、ウォーム１１をウォームホイール１０側に付勢してウォーム減速機６の噛合部におけるバックラッシュを減少させ、一方、電動モータ１９が駆動している場合には、ウォーム付勢手段２３の作動をＯＦＦにして初期バックラッシュを維持するようにした。このように動的にバックラッシュを制御することにより、特に直線走行時に生じ易かったラトルノイズを抑制することができるとともに、電動モータ１９からの操舵補助力が付与される際のフリクションの増加や、操舵フィーリングへの悪影響を防止することができる。この結果、操舵性およびギヤの寿命を維持しつつ、ウォーム減速機６におけるラトルノイズの低減を図ることができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る電動式パワーステアリング装置１の電気的な概略構成を図１１に基づいて説明する。なお、上述の第１実施形態と同一の構成部には同一の符号を付してその説明を省略する。

本発明の第２実施形態は、上述した第１実施形態に係る電動式パワーステアリング装置１と同じ構成であるが、図１１に示すように、電動モータ１９およびウォーム付勢手段２３の制御を担うＥＣＵ２１´に備えられたモータ回転速度推定部５８´が、電動モータ１９の回転子位置を検出する回転子位置センサ６１から出力された回転子位置信号Ｒに基づいて、電動モータ１９のモータ回転速度を推定する点で、第１実施形態のＥＣＵ２１とは異なる。

回転子位置センサ６１は、電動モータ１９内に備えられたレゾルバ等からなり、駆動した電動モータの回転子位置を検出して、回転子位置信号Ｒをモータ回転速度推定部５８´に出力する。そして、モータ回転速度推定部５８´は、回転子位置信号Ｒに基づいて電動モータ１９の回転速度を推定し、モータ回転速度信号ωを操舵補助指令部５１および操舵中立状態判別部５９に出力する。

モータ回転速度信号ωを入力した操舵中立状態判別部５９による操舵中立状態の判別、およびウォーム付勢手段２３の作動制御は、第１実施形態と同様であり、第１実施形態の説明を読み替えることにより明らかになる。

以上のように、本第２実施形態では、電動モータ１９の回転速度ωを電動モータ１９の回転子位置に基づいて推定するという点で、第１実施形態とは異なるが、第１実施形態と同様、操舵中立状態判別部５９によって、ステアリングシャフト２に入力された操舵トルクＴｓおよび電動モータ１９の回転速度ωに基づいて、操舵中立状態であるか否かを判別し、操舵中立状態である場合にのみ、ウォーム付勢手段２３を作動するようになっている。これにより、本第２実施形態においても、電動モータ１９からの操舵補助力が付与される際のフリクションの増加や、操舵フィーリングへの悪影響を招くことなく、特に直線走行時に生じ易かったラトルノイズを抑制することができる。

なお、第１および第２実施形態では、操舵中立状態判別部５９は、操舵トルクおよびモータ回転速度に基づいて操舵中立状態であるか否かを判別するようになっているが、例えば、操舵中立状態を判別するための他のパラメータとして、モータ指示電流、モータ検出電流、ハンドル上の舵角センサによる検出値などを用いてもよい。

以上、本発明の実施形態について具体的に説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング装置を示す部分断面図である。 本発明の実施形態に係るウォーム付勢手段の一例を示す説明図であり、図１中のＡ−Ａ線に沿った部分断面図である。 図２中のIII−III線に沿った要部断面図である。 本発明の実施形態に係るウォーム付勢手段の変形例を示す説明図であり、図１中のＡ−Ａ線に沿った部分断面図である。 図４中のV−V線に沿った要部断面図である。 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の主な電気的な概略構成を示すブロック図である。 電動モータ用トルク−電流マップを示す特性図である。 ウォーム付勢手段用トルク−電流マップを示す特性図である。 ウォーム付勢手段用回転速度−電流マップを示す特性図である。 ウォーム付勢手段の作動条件を示す説明図である。 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の電気的な概略構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 電動パワーステアリング装置
２ ステアリングシャフト（ステアリング機構）
７ 減速機構（ウォーム減速ギア）
１０ ウォームホイール
１１ ウォーム
１２ トルクセンサ（操舵トルク検出手段）
１９ 電動モータ
２１ コントロールユニット（ＥＣＵ）
２３ ウォーム付勢手段
２３ａ 圧電素子アクチュエータ
２３ｂ ソレノイドアクチュエータ
５８ モータ回転速度推定部（モータ回転速度推定手段）
５９ 操舵中立状態判別部（操舵中立状態判別手段）

Claims (4)

1. ステアリング機構に入力された操舵トルクに応じて電動モータを駆動し、該電動モータの回転をウォームとウォームホイールとからなる減速機構を介して前記ステアリング機構に伝達することにより、操舵を補助する電動パワーステアリング装置であって、
   操舵が中立状態であるか否かを判別するための操舵中立状態判別手段と、
   前記操舵中立状態判別手段から出力された指令信号に基づいて前記ウォームを前記ウォームホイール側に付勢するウォーム付勢手段とを備え、
   前記操舵中立状態判別手段は、前記操舵が中立状態であると判別した場合にのみ前記ウォーム付勢手段を作動させることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記ステアリング機構に入力された操舵トルクを検出し、操舵トルク信号を出力する操舵トルク検出手段と、
   前記電動モータの回転速度を推定し、モータ回転速度信号を出力するモータ回転速度推定手段とを備え、
   前記操舵中立状態判別手段は、前記操舵トルク信号および前記モータ回転速度信号に基づいて、操舵が中立状態であるか否かを判別する請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記ウォーム付勢手段は、ソレノイドアクチュエータである請求項１または２に記載の電動パワーステアリング装置。
4. 前記ウォーム付勢手段は、圧電素子アクチュエータである請求項１または２に記載の電動パワーステアリング装置。
   

Images