JP2007230258A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】タイヤからの逆入力によるステアリングノイズ（ラトル音）を低減することができる電動パワーステアリング装置の提供。
【解決手段】車両の操舵部材（図示せず）と車輪側の舵取機構（図示せず）とを連結する操舵軸（図示せず）の回転角度を、軸長方向の異なる位置で検出し、検出した回転角度の差に基づき操舵軸に加わるトルクを算出し、算出したトルクの方向及び大きさに応じた補助力を舵取機構に加えるように、舵取機構に付設された操舵補助用のモータ４を駆動回路３により駆動制御する電動パワーステアリング装置。算出したトルクが操舵部材側からの入力によるものか、舵取機構側からの入力によるものかを判定する手段２と、該手段２が舵取機構側からの入力によるものと判定したときに、モータ４及び駆動回路３間を所定時間切断する切断手段６，６ａ，６ｂとを備える構成である。
【選択図】図２

Description

本発明は、舵取りの為に車両の操舵軸に加えられるトルクを検出し、検出したトルクに基づいて、操舵補助用のモータを駆動制御する電動パワーステアリング装置に関するものである。

舵取り操作の為に操舵部材（ステアリングホイール）に加えられるトルクの検出結果に基づいて操舵補助用のモータを駆動し、モータの回転力を舵取機構に伝えて操舵を補助する構成とした電動パワーステアリング装置の適用範囲が、近年、拡大する傾向にある。電動パワーステアリング装置には、操舵補助力の発生源として油圧アクチュエータを用いる油圧パワーステアリング装置と比較して、車速の高低、操舵の頻度等、走行状態に応じた補助力特性の制御が容易であるという利点が有る。

このような電動パワーステアリング装置においては、操舵部材に加えられるトルクを検出する必要がある。一般的に、操舵部材と舵取機構とを連結する操舵軸の中途において、軸長方向に離隔した２か所の回転角度を検出することにより、トルクを検出することが出来る。即ち、舵取り操作中の操舵軸には、操舵部材に加えられるトルクの作用により捩れが生じており、この捩れは、前述した２か所での検出角度の差に対応するから、この差を用いてトルクを求めることが出来る。

このように求められるトルクの検出精度は、操舵部材側の入力軸と舵取機構側の出力軸とを細径のトーションバーを介して連結して操舵軸を構成し、トルクの作用時に、入力軸と出力軸との間に、トーションバーの捩れを伴って大きな回転角度差が生じるようにしておき、両軸の連結部においてそれぞれの回転角度を検出することにより高めることが出来る。

電動パワーステアリング装置では、モータの出力軸に繋がり、その出力軸の回転を減速して舵取機構側の操舵軸に伝達する減速歯車機構を備えている。
減速歯車機構は、図６の断面図に示すように、モータ４の回転軸５０に繋がるウォーム４１と、操舵軸を構成する出力軸１７の中間に嵌合固定されたウォームホイール４４とを備え、ハウジング４８に収容されている。ウォーム４１は、その両端に一体に設けられた軸部４３，４５に転がり軸受４９，４２が嵌合しており、出力軸１７の軸芯と交叉するように配置してある。出力軸１７には、操舵軸の入力軸及び出力軸１７を接続するトーションバー１９が内接されている。

これらウォーム４１及びウォームホイール４４が噛合することにより、回転軸５０の回転を減速して出力軸１７に伝達し、出力軸１７からユニバーサルジョイントを経て、例えばラックピニオン式の舵取機構へ伝達するように構成されている。
特開２００３−１６５４５７号公報 特開２００３−３４１５４１号公報

上述したような電動パワーステアリング装置の減速歯車機構では、モータ４がウォーム４１を回転させ、ウォーム４１がウォームホイール４４を回転させることにより、操舵補助力を生み出している。
車両が石畳路等を走行中に、タイヤ側から操舵軸を回そうとする逆入力が生じると、減速歯車機構のウォームホイール４４の歯が、バックラッシュの為にウォーム４１の歯に衝突する。

ところが、ウォーム４１を回転させるには、ウォーム４１の軸部４３，４５を支持する転がり軸受４９，４２を回転させるトルク、ウォーム４１及びモータ４のロータの慣性力、及びモータ４の発電損失等の影響から、非常に大きなトルクが必要である。その為、殆ど固定された状態のウォーム４１の歯にウォームホイール４４の歯が衝突することになり、これがタイヤからの逆入力によるステアリングノイズ（所謂ラトル音）を発生させるという問題がある。
ここで、上記のモータの発電損失はかなり大きく、例えば、軸受を回転させるトルクとウォーム４１及びモータ４のロータの慣性力との合計が１Ｎ・ｍ以下であるのに対して、モータの発電損失に起因する反力は４Ｎ・ｍ程度である。

このような問題に関連する技術として、本願出願人は、特許文献１，２において、逆入力を検知した際に、逆方向への操舵補助を行い、操舵感の向上を図った電動パワーステアリング装置を提案している。
本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、タイヤからの逆入力によるステアリングノイズ（ラトル音）を低減す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を目的とする。

第１発明に係る電動パワーステアリング装置は、車両の操舵部材と車輪側の舵取機構とを連結する操舵軸の回転角度を、軸長方向の異なる位置で検出し、検出した回転角度の差に基づき前記操舵軸に加わるトルクを算出し、算出したトルクの方向及び大きさに応じた補助力を前記舵取機構に加えるように、該舵取機構に付設された操舵補助用のモータを駆動回路により駆動制御する電動パワーステアリング装置において、前記トルクが前記操舵部材側からの入力によるものか、前記舵取機構側からの入力によるものかを判定する手段と、該手段が前記舵取機構側からの入力によるものと判定したときに、前記モータ及び駆動回路間を所定時間切断する切断手段とを備えることを特徴とする。

第２発明に係る電動パワーステアリング装置は、前記切断手段が切断する時間は０．２秒以下であることを特徴とする。

第１発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、判定する手段が、算出したトルクが操舵部材側からの入力によるものか、舵取機構側からの入力によるものかを判定し、判定する手段が、舵取機構側からの入力によるものと判定したときに、切断手段が、モータ及び駆動回路間を所定時間切断するので、モータの発電損失に起因する反力が発生せず、ロータが回転し易く、タイヤからの逆入力によるステアリングノイズ（ラトル音）を低減することができる。

第２発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、切断手段が切断する時間は０．２秒以下であるので、舵取機構側からの入力に対しては、モータ及び駆動回路間を所定時間切断して、ステアリングノイズを低減することができると共に、速やかに操舵補助制御へ復帰することができる。

以下に、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る電動パワーステアリング装置の実施の形態の要部構成を示す模式図である。この電動パワーステアリング装置は、例えば舵取りの為の操舵輪１５（操舵部材、ステアリングホイール）と、操舵輪１５の操舵に応じて駆動される操舵補助用のモータ４と、モータ４の回転を減速歯車機構３３を介して舵取機構３１，３１に伝える伝動手段２４と、モータ４を駆動するモータ駆動回路３（駆動回路）と、モータ駆動回路３を制御する制御部２とを備えている。操舵輪１５は、入力軸１６に連結されている。

伝動手段２４は、入力軸１６に図示しないトーションバーを介して連結される出力軸１７と、出力軸１７にユニバーサルジョイントを介して連結される連結軸３０と、連結軸３０にユニバーサルジョイントを介して連結されるピニオン軸１８と、ピニオン軸１８のピニオンに噛合するラック歯を有し、左右の操向輪Ａ，Ａに舵取機構３１，３１を介して連結されるラック軸３２とを備えている。入力軸１６及び伝動手段２４は操舵軸１３を構成している。
入力軸１６の周りには、操舵輪１５を操作することにより入力軸１６に加わる操舵トルクを、トーションバーに生じる捩れによって検出するトルクセンサ１が配置されており、トルクセンサ１が検出した操舵トルクに基づいて、制御部２がモータ駆動回路３を制御するように構成してある。

減速歯車機構３３は、上述したように（図６）、モータ４の回転軸５０に繋がるウォーム４１と、操舵軸を構成する出力軸１７の途中に嵌合されるウォームホイール４４とを備えており、モータ４の回転をウォーム４１及ウォームホイール４４から出力軸１７に減速して伝達するように構成してある。

このような構成の電動パワーステアリング装置では、操舵輪１５の操作による舵取り操作力を入力軸１６、トーションバー（図示せず）、出力軸１７、連結軸３０、及びピニオン軸１８を介してラック軸３２に伝達し、ラック軸３２を軸長方向へ移動させ、舵取機構３１，３１を作動させる。また、それと共に、トルクセンサ１が検出した操舵トルクに基づき、制御部２がモータ駆動回路３を制御してモータ４を駆動し、モータ４の駆動力を出力軸１７に伝達することにより、舵取り操作力を補助し、舵取りの為の運転者の労力負担を軽減する。

図２は、図１に示す電動パワーステアリング装置の要部構成を示すブロック図である。この電動パワーステアリング装置は、操舵軸１３（図１）に加えられたトルクを検出するトルクセンサ１が検出し出力したトルク検出信号が、演算処理回路１０により処理され、演算処理回路１０により処理作成されたトルク信号と、操舵軸１３の操舵輪１５（図１）側及び舵取機構３１（図１）側の各絶対舵角信号とが、制御部２へ与えられる。また、車両の速度を検出する車速センサ１１が検出し出力した車速信号が、制御部２へ与えられる。

制御部２から出力されるリレー制御信号がリレー駆動回路５へ入力され、リレー駆動回路５は、リレー制御信号に従ってフェイルセーフリレー接点５ａをオン又はオフ（通常はオン）させる。
制御部２は、トルク信号、車速信号、及び後述するモータ電流信号に基づき、内蔵するアシスト制御部８内のトルク／電流テーブル８ａを参照することにより、モータ電流目標値を作成する。
尚、車速信号は、これに限らず、車両の速度に関連する値、例えば、エンジンの回転数又は車輪の回転数、また電動車両の場合はモータの回転数等を示す信号であっても良い。

制御部２は、作成したモータ電流目標値をＰＷＭ信号及び回転方向指示信号としてモータ駆動回路３へ与える。モータ駆動回路３は、フェイルセーフリレー接点５ａを通じて、車載バッテリーＰの電源電圧が印加され、与えられたモータ電流目標値に基づき、操舵補助用のモータ４を回転駆動させる。
操舵補助用のモータ４に流れるモータ電流は、モータ電流検出回路７により検出され、モータ電流信号として制御部２に与えられ、モータ電流のフィードバック制御に使用される。
制御部２から出力される他のリレー制御信号がリレー駆動回路６（切断手段）へ入力され、リレー駆動回路６は、リレー制御信号に従って、操舵補助用のモータ４及びモータ駆動回路３間を接続するリレー接点６ａ，６ｂ（切断手段）をオン又はオフ（通常はオン）させる。

図３は、トルクセンサ１の要部構成例を模式的に示す模式図である。このトルクセンサ１は、上端を操舵輪１５に連結された入力軸１６と、下端を舵取機構のピニオン１８に連結された出力軸１７とを、細径のトーションバー１９を介して同軸上に連結し、操舵輪１５と舵取機構とを連結する操舵軸１３が構成されており、入力軸１６及び出力軸１７の連結部近傍は以下のように構成されている。

入力軸１６には、出力軸１７との連結側端部近傍に、円板形をなすターゲット板２０が同軸上に外嵌固定されており、ターゲット板２０の外周面には、磁性体製の凸起であるターゲット２１が、例えば３６個、周方向に等間隔で突設されている。
このターゲット２１は、インボリュート歯形を有する平歯車の歯からなり、環状の平歯車がターゲット板２０及びターゲット２１を構成している。

上述したのと同様のターゲット２１を備えたターゲット板２０が、出力軸１７の入力軸１６との連結側端部近傍にも外嵌固定されており、出力軸１７側のターゲット板２０の各ターゲット２１と、入力軸１６側のターゲット板２０の各ターゲット２１とは周方向に整合されて並設されている。
尚、前記歯は、入力軸１６，出力軸１７を磁性体製とし、入力軸１６，出力軸１７の周面を歯切り加工することにより形成されてもよい。

入力軸１６には、ターゲット板２０の操舵輪１５側に、ターゲット板２０と略同形状のターゲット板２２が更に同軸上に外嵌固定されており、ターゲット板２２の外周面には、磁性体製の凸起であるターゲット２３が、周方向に突設されている。
このターゲット２３は、ターゲット板２２の外周面に１周分、螺旋状に設けられている。

ターゲット板２０，２２の外側には、それぞれの外周のターゲット２１，２３の外縁を臨むようにセンサボックス１４が配設されている。センサボックス１４は、入力軸１６及び出力軸１７を支承するハウジング等の動かない部位に固定支持されている。センサボックス１４の内部には、入力軸１６側のターゲット２１の周方向に異なる部位に対向する磁気センサ１Ａ，１Ｂと、出力軸１７側のターゲット２１の周方向に異なる部位に対向する磁気センサ２Ａ，２Ｂとが、周方向位置を正しく合わせて収納され、ターゲット板２２のターゲット２３の部位に対向する磁気センサ１Ｃが収納されている。

磁気センサ１Ａ，２Ａ，１Ｂ，２Ｂ，１Ｃは、磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）等、磁界の作用により電気的特性（抵抗）が変化する特性を有する素子を用い、対向するターゲット２１，２３の近接する部位に応じて検出信号が変わるように構成されたセンサであり、これらの検出信号は、センサボックス１４外部又は内部のマイクロプロセッサを用いてなる演算処理回路１０に与えられている。

磁気センサ１Ａ，２Ａ，１Ｂ，２Ｂは、各ターゲット２１の通過に応じて、それぞれ図４（ａ）（ｂ）に示すような三角波（又はサイン波）に近似した検出信号を出力する。この検出信号は、上昇から下降に又は下降から上昇に転換する付近で非線形的な変化率が最大となるが、後述する信号処理方法により補間することが出来る。
一方、磁気センサ１Ｃは、ターゲット２３の通過に応じて、図４（ｃ）に示すような一方向に上昇又は下降する波形の検出信号を出力する。この検出信号は、ターゲット板２２が１回転する都度、１周期分を出力する。

このような構成のトルクセンサ１では、各磁気センサ１Ａ，１Ｂ（２Ａ，２Ｂ）は、対応するターゲット２１がそれぞれとの対向位置を通過する間、図４（ａ）（ｂ）に示すように、入力軸１６（出力軸１７）の回転角度の変化に応じて、上昇し下降する検出信号を出力する。

磁気センサ１Ａ，１Ｂの検出信号は、これらに対応するターゲット２１が設けられた入力軸１６の回転角度に対応するものとなり、磁気センサ２Ａ，２Ｂの検出信号は、これらが対向するターゲット２１が設けられた出力軸１７の回転角度に対応するものとなる。
従って、演算処理回路１０は、磁気センサ１Ａ，１Ｂの検出信号から入力軸１６の相対回転角度を算出することができ、演算処理回路１０及び磁気センサ１Ａ，１Ｂは入力軸１６の回転角度検出装置として作動する。また、演算処理回路１０は、磁気センサ２Ａ，２Ｂの検出信号から出力軸１７の相対回転角度を算出することが出来る。

入力軸１６にトルクが加わった場合、磁気センサ１Ａ，１Ｂの各検出信号と磁気センサ２Ａ，２Ｂの各検出信号とには差が生じる。
磁気センサ１Ａ，２Ａと磁気センサ１Ｂ，２Ｂとは、ターゲット板２０の周方向に、例えば電気角９０°位相が異なっている。それぞれの検出信号は、上昇及び下降の転換点である極大値及び極小値で非線形的な変化率が最大となるが、位相が異なっている為、相互に補間させることが出来る。尚、補間が可能であれば、異なる位相角度は電気角１°〜３６０°未満の何れでも良い。

ここで、磁気センサ１Ａの検出信号と磁気センサ２Ａの検出信号との差、又は磁気センサ１Ｂの検出信号と磁気センサ２Ｂの検出信号との差は、入力軸１６と出力軸１７との相対回転角度の差（相対角変位）に対応するものとなる。この相対角変位は、入力軸１６に加わるトルクの作用下において、入力軸１６と出力軸１７とを連結するトーションバー１９に生じる捩れ角度に対応する。従って、前述した検出信号の差に基づいて入力軸１６に加わるトルクを算出することができる。

一方、磁気センサ１Ｃは、ターゲット２３の通過に応じて、図４（ｃ）に示すような一方向に上昇又は下降する波形の検出信号を出力し、検出信号は、ターゲット板２２が１回転するのに応じて、１周期分を出力するので、検出信号とターゲット板２２の回転位置とを対応させることが出来る。従って、磁気センサ１Ｃの検出信号から、舵輪１５及び入力軸１６，出力軸１７の舵角中点からの絶対舵角を求めることが出来、上述した相対角変位から、入力軸１６，出力軸１７の舵角中点からの絶対舵角も容易に求めることが出来、演算処理回路１０は、算出したトルク信号と、入力軸１６及び出力軸１７の絶対舵角信号とを出力する。

以下に、このような構成の電動パワーステアリング装置の動作を、それを示す図５のフローチャートを参照しながら説明する。
制御部２は、先ず、パラメータ類の初期化を行い（Ｓ１）、次いで、車速センサ１１からの車速、演算処理回路１０からのトルク信号、入力軸１６及び出力軸１７の各絶対舵角θ１，θ２を読み込む（Ｓ３）。
制御部２は、次に、絶対舵角θ１，θ２に基づき、入力軸１６及び出力軸１７の各角速度の絶対値｜θ１′｜，｜θ２′｜を演算する（Ｓ５）。

制御部２は、次に、｜θ２′｜−｜θ１′｜を演算し（Ｓ７）、演算した｜θ２′｜−｜θ１′｜が所定角速度より大きいか否かを判定する（Ｓ９）。
尚、所定角速度は、ステアリングノイズが発生しない程度の逆入力では、通常の操舵補助を中断しないように定められる。
制御部２は、演算した｜θ２′｜−｜θ１′｜が所定角速度より大きければ（Ｓ９；ＹＥＳ）、舵取機構側からの入力があったとして、リレー駆動回路６にリレー接点６ａ，６ｂを０．２秒間オフにさせ、操舵補助用のモータ４及びモータ駆動回路３間を０．２秒間切断する（Ｓ１３）。次いで、新たに車速センサ１１からの車速、演算処理回路１０からのトルク信号、入力軸１６及び出力軸１７の各絶対舵角θ１，θ２を読み込む（Ｓ３）。

操舵補助用のモータ４及びモータ駆動回路３間を０．２秒間切断する（Ｓ１３）ことにより、モータの発電損失に起因する反力が発生せず、ロータが回転し易くなるので、ウォーム４１の歯にウォームホイール４４の歯が衝突しても、ウォーム４１の歯が逃げることになり、ステアリングノイズが低減される。
制御部２は、演算した｜θ２′｜−｜θ１′｜が所定角速度以下であれば（Ｓ９；ＮＯ）、トルク信号、車速信号及びモータ電流信号に基づき、内蔵するアシスト制御部８内のトルク／電流テーブル８ａを参照することにより、モータ電流目標値を作成して、通常の操舵補助を実行する（Ｓ１１）。次いで、新たに車速センサ１１からの車速、演算処理回路１０からのトルク信号、入力軸１６及び出力軸１７の各絶対舵角θ１，θ２を読み込む（Ｓ３）。

本発明に係る電動パワーステアリング装置の実施の形態の要部構成を示す模式図である。 図１に示す電動パワーステアリング装置の要部構成を示すブロック図である。 トルクセンサの要部構成例を模式的に示す模式図である。 トルクセンサの各磁気センサの検出信号を示す波形図である。 本発明に係る電動パワーステアリング装置の動作を示すフローチャートである。 電動パワーステアリング装置の減速歯車機構の構成例を示す断面図である。

符号の説明

１ トルクセンサ、１Ａ，２Ａ，１Ｂ，２Ｂ，１Ｃ 磁気センサ、２ 制御部（判定する手段）、３ モータ駆動回路（駆動回路）、４ モータ、６ リレー駆動回路（切断手段）、６ａ，６ｂ リレー接点（切断手段）、８ アシスト制御部、８ａ トルク／電流テーブル、１０ 演算処理回路、１３ 操舵軸、１５ 操舵輪（操舵部材、ステアリングホイール）、１６ 入力軸、１７ 出力軸、１８ピニオン軸、１９ トーションバー、２０，２２ ターゲット板、２１，２３ ターゲット、３１ 舵取機構、３２ ラック軸、３３ 減速歯車機構、４１ ウォーム、４４ ウォームホイール、Ａ 操向輪

Claims (2)

1. 車両の操舵部材と車輪側の舵取機構とを連結する操舵軸の回転角度を、軸長方向の異なる位置で検出し、検出した回転角度の差に基づき前記操舵軸に加わるトルクを算出し、算出したトルクの方向及び大きさに応じた補助力を前記舵取機構に加えるように、該舵取機構に付設された操舵補助用のモータを駆動回路により駆動制御する電動パワーステアリング装置において、
   前記トルクが前記操舵部材側からの入力によるものか、前記舵取機構側からの入力によるものかを判定する手段と、該手段が前記舵取機構側からの入力によるものと判定したときに、前記モータ及び駆動回路間を所定時間切断する切断手段とを備えることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記切断手段が切断する時間は０．２秒以下である請求項１記載の電動パワーステアリング装置。

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