JP2007302249A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】操舵フィーリングが低下するのを防止することができるとともに、外乱に対して適切に対応することが可能な操舵系の摩擦を決定するための新たな技術的手段を提供する。
【解決手段】電動モータ６の回転力を用いて操舵補助を行う電動パワーステアリング装置において、操舵部材１とトルク検出機構Ｂとの間で操舵系Ａに加わる上側の摩擦をＦｉとし、トルク検出機構Ｂと操向車輪との間で操舵系Ａに加わる下側の摩擦をＦｏとしたときに、次の不等式、Ｆｏ ≦ Ｆｉを満足するように上側及び下側の摩擦Ｆｉ及びＦｏを決定する。また、トルク検出機構には、上端部側が前記操舵部材側に連結され、下端部側が前記操向車輪側に連結されるトーションバーが設けられている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、自動車等の車両に用いられ、電動モータを用いてドライバーの操舵動作を補助する電動パワーステアリング装置に関する。

例えば自動車用の電動パワーステアリング装置には、ドライバーが操舵部材に加える操舵トルクを検出するトルク検出機構が上記操舵部材から操向車輪に至る操舵系の途中に設けられている。この検出機構は、操舵部材に連結されるトーションバーの入力側及び出力側にそれぞれターゲット付きの回転体を設け、ターゲットに対向して配置されたセンサによりトーションバーの捻れ量すなわち、トーションバーの入力側と出力側との相対回転量を検出し、これに基づき操舵トルクを検出するように構成されている。そして、電動パワーステアリング装置では、検出したトルクに従って電動モータへの指令値を決定し、減速機構を介して操舵系にモータ回転力を伝達させることにより、当該操舵系に操舵補助力を付与してドライバーの操舵動作を補助する（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００２−１１６０９５号公報（第４頁、第１図）

ところで、上記のような従来装置の操舵系には、ドライバーの操舵動作や自動車走行に伴う路面抵抗などに応じて当該操舵系に摩擦を与える構成要素が多数存在している。具体的には、上記トーションバーの下方に連結されたピニオン軸と、このピニオン軸に接続されるとともに、両端部が左右の上記操向車輪にそれぞれ連結されたラック軸とを有するラックピニオン式伝達機構が操舵系に含まれており、上記ピニオン軸とラック軸との接続部分などで摩擦が発生する。

ところが、従来装置では、上記のような摩擦要素で生じる摩擦に関して適切な指針が定められておらず、発生した摩擦の大きさによっては、ドライバーの操舵フィーリングが低下したり、トルク検出機構が路面からの外乱を早急、かつ精度よく検出できずに、その外乱の補償を適切に行えなかったりすることがあった。また、路面状態の検出精度及びドライバーに体感させる操舵動作と車両挙動との一体感などの操舵特性（ひいては、操舵部材のふらつき感などの操舵フィーリング）を高める観点でいえば、操舵系の摩擦を極力小さくすることが好ましいが、ただ単に摩擦を小さくするだけでは操舵系全体が上記トーションバーを含んだ単なる振動系となり、逆に操舵フィーリングの低下や外乱補償の精度低下を招く。

したがって、本発明は、上記のような従来の問題点に鑑み、操舵フィーリングが低下するのを防止することができるとともに、外乱に対して適切に対応することが可能な操舵系の摩擦を決定するための新たな技術的手段を提供することを目的とする。

本発明は、操舵部材から操向車輪に至る操舵系の途中に設けたトルク検出機構により検出したトルクに基づいて、電動モータからの回転力を前記操舵系に付与し操舵補助を行う電動パワーステアリング装置であって、
前記操舵系において、前記操舵部材と前記トルク検出機構との間の摩擦をＦｉとし、前記トルク検出機構と前記操向車輪との間の摩擦をＦｏとしたときに、下記の不等式（１）を満足するように、
Ｆｏ ≦ Ｆｉ ――（１）
前記摩擦Ｆｉ及びＦｏを決定しており、且つ、
前記トルク検出機構には、上端部側が前記操舵部材側に連結され、下端部側が前記操向車輪側に連結されるトーションバーが設けられていることを特徴とするものである（請求項１）。

上記のように構成された電動パワーステアリング装置での操舵系において、その上側の上記摩擦Ｆｉを下側の上記摩擦Ｆｏ以上に設定することにより、本願の発明者は、操舵フィーリングが低下するのを防止することができるとともに、路面からの外乱に対して適切に対応することができることを見出した。すなわち、本願の発明者は、まず上記トルク検出機構を境にして操舵系に加わる摩擦を上側及び下側に分け、さらには上側摩擦Ｆｉを比較的大きくすることにより、ドライバーが操舵部材のふらつき感を感知するのを抑制して操舵フィーリングが低下するのを防止できることに着目した。しかも、上側摩擦Ｆｉ以下の下側摩擦Ｆｏを選択することにより、当該ステアリング装置は上記トルク検出機構によって外乱を早急、かつ精度よく検出させてその補償を適切に行わせることができるとともに、操舵フィーリングが低下するのを防ぐことができることを見出した。

また、上記電動パワーステアリング装置において、前記トルク検出機構には、上端部側が前記操舵部材側に連結され、下端部側が前記操向車輪側に連結されるトーションバーが設けられているので、上記操舵系においてトーションバーからなる弾性体の上側及び下側摩擦が適切に決定されることとなり、操舵フィーリング及び外乱補償性に優れた装置を構成することができる。

さらに、本発明は、操舵部材から操向車輪に至る操舵系の途中に設けたトルク検出機構により検出したトルクに基づいて、電動モータからの回転力を前記操舵系に付与し操舵補助を行う電動パワーステアリング装置であって、
前記操舵系において、前記操舵部材と前記トルク検出機構との間の摩擦をＦｉとし、前記トルク検出機構と前記操向車輪との間の摩擦をＦｏとしたときに、下記の不等式（１）を満足するように、
Ｆｏ ≦ Ｆｉ ――（１）
前記摩擦Ｆｉ及びＦｏを決定しており、且つ、
前記摩擦Ｆｉ及びＦｏの和の値が、２．０（Ｎ）以下であることを特徴とするものである（請求項２）。

この場合、下側摩擦Ｆｏが１．０（Ｎ）以下に制限されることとなり、トルク検出機構により外乱を高精度に素早く検出させて適切な外乱補償をより確実に行わせることができる。

本発明によれば、車両走行に伴う外乱に対する補償を適切に行うことができるとともに、ドライバーが体感する車両操作感に優れた電動パワーステアリング装置を構成することができる。

以下、本発明の電動パワーステアリング装置の好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態による電動パワーステアリング装置の要部構成を示す縦断面図である。図において、当該装置は、例えば自動車に搭載され、操舵部材（ステアリングホイール）１に加わるドライバーの操舵動作に応じて、図示を省略した操向車輪の向きを変える操舵軸２を備えている。この操舵軸２には、上記操舵部材１が上端部に取り付けられる筒状の取付軸２１と、この取付軸２１に一体回転可能に連結された筒状の入力軸２２と、トーションバー２３を介在させて入力軸２２に同軸的に連結された筒状の出力軸２４が設けられており、公知のラックピニオン式伝達機構（図示せず）などを介して出力軸２４に連結される左右の上記操向車輪での転舵動作を行うようになっている。

上記取付軸２１はステアリングコラム２５内に収納された状態で車体側に固定されるものであり、その下端部にはトーションバー２３の一端部を内嵌固定した入力軸２２の上端部がピン２６により連結されている。また、上記トーションバー２３の他端部はピン２７により出力軸２４の下端部に内嵌固定されている。
上記入力軸２２及び出力軸２４は、車体側に固定され、かつ図の上下に分離可能な上側及び下側ハウジングＨ１，Ｈ２の内部にニードル軸受３１及び玉軸受３２、３３を介してそれぞれ回転自在に取り付けられている。また、ニードル軸受３１は、ラジアル方向に所定荷重（予圧）が付与された状態で入力軸２２を支持しており、後述の上側摩擦Ｆｉを増大させる摩擦付与手段としての機能を有している。

また、上記出力軸２４には、ウォーム４１及びこれに噛み合うウォームホイール４２を有する減速機構４と、上記ウォーム４１が出力軸に一体回転可能に取り付けられ、制御ユニット（ＥＣＵ）５により制御される操舵補助用の電動モータ６とが連結されている。これら減速機構４と電動モータ６とが、操舵部材１から上記操向車輪に至る操舵系Ａにモータ回転力による操舵補助力を付与する操舵補助部を構成している。

上記操舵系Ａには、その途中の箇所にトルク検出機構Ｂが組み込まれている。このトルク検出機構Ｂは、ドライバーの操舵動作に応じて操舵部材１から操舵系Ａに入力される操舵トルクを検出するとともに、その検出した操舵トルクを基に電動モータ６を駆動させ上記操舵補助力を用いてドライバーの操舵動作をアシストさせる。また、トルク検出機構Ｂは、上記操向車輪側から操舵系Ａ側に逆入力される外乱、例えば自動車走行に伴う操向車輪と路面との間での摩擦（操舵抵抗）に起因して操舵系Ａに作用する力（つまり、操向車輪側から出力軸２４に作用して当該出力軸２４を一方向に回転させようとする回転トルク）も検出する。そして、トルク検出機構Ｂは、検出した外乱を低減するように電動モータ６を駆動させて、当該外乱の補償を行わせるようになっている。なお、外乱には、操向車輪を支持する支持構造などの自動車個々の構造により定められ、ドライバーによる操舵動作に対し反作用的に操舵系Ａに働く復元トルクとしてのセルフアライニングトルクが含まれている。また、このような外乱補償を行わせることにより、操舵部材１を介してドライバーに外乱の影響が伝えられるのを防いで操舵フィーリングが低下するのを防止することができる。

具体的には、上記トルク検出機構Ｂには、入出力軸２２、２４間に設けられた上記トーションバー２３と、入力軸２２に一体回転可能に取り付けられた筒状の回転体７１の下端外周に形成されたターゲット７１ａと、出力軸２４に一体回転可能に取り付けられた筒状の回転体７２の上端外周に形成されたターゲット７２ａ及び７２ｂとが設けられている。ターゲット７１ａ、７２ａ及び７２ｂは、例えば磁性体製の凹凸を周方向に一定ピッチで歯車状に形成し、回転によりその周辺に周期的な磁性変化をもたらすものであり、ターゲット７２ａ及び７２ｂの一方及び他方はそれぞれ相対角検出及び絶対角検出に用いられている。

さらに、上記トルク検出機構Ｂには、センサハウジング８の内部で上記ターゲット７１ａ、７２ａ及び７２ｂに対向して配置されるとともに、磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）等の磁気的変化を電気信号に変えて出力する複数のセンサが含まれており、これらセンサからの出力信号が上記ＥＣＵ５の演算部５１に逐次出力されるようになっている。そして、演算部５１が上記出力信号に基づいて、入出力軸２２、２４間の相対角（相対回転量）を検出しドライバーの操舵動作や外乱に応じて操舵系Ａに入力したトルクを演算により求め、駆動制御部５２が演算部５１で求めたトルクに応じて電動モータ６を駆動するための駆動信号を生成して、当該モータ６を駆動させることによって操舵アシストや外乱補償を行わせる。

また、上記操舵系Ａには、図２も参照して、ドライバーの操舵動作や自動車走行に伴う路面抵抗などに応じて摩擦を生じる構成（摩擦）要素が含まれており、当該操舵系Ａでは、上記操舵部材１とトルク検出機構Ｂとの間で当該操舵系Ａに加わる上側の摩擦Ｆｉと、トルク検出機構Ｂと操向車輪との間で当該操舵系Ａに加わる下側の摩擦Ｆｏとが、次の不等式、Ｆｉ≦Ｆｏを満足するように、これらの上側摩擦Ｆｉ及び下側摩擦Ｆｏの値を決定している。また、上側摩擦Ｆｉと下側摩擦Ｆｏとの和の値で得られる操舵系Ａ全体の摩擦力は、１．５〜２．０（Ｎ）（好ましくは２．０（Ｎ））である。また、上側摩擦Ｆｉの好ましい範囲は１．２〜１．３（Ｎ）であり、下側摩擦Ｆｏの好ましい範囲は０．７〜０．８（Ｎ）である。

詳細にいえば、トーションバー２３の上方で操舵部材１との間にて操舵系Ａに上側摩擦Ｆｉを付与する摩擦要素には、上記ニードル軸受３１が含まれている。このニードル軸受３１は、上側摩擦Ｆｉが下側摩擦Ｆｏ以上となるように、ラジアル方向の予圧を従来例に比べて大きくして取り付けられたものであり、上側摩擦Ｆｉが例えば１．２（Ｎ）となるよう入力軸２２とハウジングＨ１との間に組み込まれている。そして、操舵部材１がドライバーに回転操作されると、この軸受３１はドライバーの回転操作に従った操舵部材１からの回転（入力）トルクＴｈを入力軸２２との転がり接触により減衰させて、操舵トルクＴｉとしてトーションバー２３に伝える。そして、トルク検出機構Ｂがトーションバー２３の捻れ量に基づき操舵トルクＴｉを検出してこのトルクＴｉに応じたモータ回転力Ｔａを電動モータ６から操舵系Ａに付与させる。

一方、トーションバー２３の下方で操向車輪６０との間にて操舵系Ａに下側摩擦Ｆｏを付与する摩擦要素には、ウォーム４１とウォームホイール４２との噛み合い部及び出力軸２４側に連結された上記ラックピニオン式伝達機構内部の摺動部が含まれており、これら摩擦要素全体で下側摩擦Ｆｏが０．８（Ｎ）以下となるよう材質等が選定され、当該要素が構成されている。また、上記摺動部には、出力軸２４に連結されるピニオン軸と、このピニオン軸のピンオンと噛み合うラック歯部を有し、左右の操向車輪６０に連結されたラック軸とを有するラックピニオン式伝達機構において、上記ピンオンとラック歯部との噛み合い部、ラック軸をピニオン軸側に押圧するサポートヨークと当該ラック軸との摺動面、及び各操向車輪６０の近傍でラック軸をガイドするラックガイドと当該ラック軸との摺動面とがある。そして、例えばドライバーの操舵動作に応動して自動車がカーブを走行すると、路面からコーナリングパワー（Ｃ．Ｐ．）が操向車輪６０に働き、そのコーナリングパワーに応じたセルフアライニングトルク（Ｓ．Ａ．Ｔ）が操舵系Ａに入力され、下側摩擦Ｆｏによって減衰されてトーションバー２３に伝えられる。そして、トルク検出機構Ｂがトーションバー２３の捻れ量に基づきセルフアライニングトルクを検出してこのトルクを低減するようモータ回転力Ｔａを操舵系Ａに付与させる。

以上のように、本実施形態による電動パワーステアリング装置では、その操舵系Ａに加わる摩擦に関して、ドライバーの操舵フィーリングに比較的影響を与え易い上側摩擦Ｆｉと、上記外乱と相互に影響を及ぼしあう下側摩擦Ｆｏとに分け、さらには上側摩擦Ｆｉが下側摩擦Ｆｏ以上となるように、これらの各摩擦Ｆｉ、Ｆｏを決定している。これにより、操舵フィーリングが低下するのを防ぐことができるとともに、上記トルク検出機構Ｂによって外乱を早急、かつ精度よく検出させてその補償を適切に行わせることができる。すなわち、上側摩擦Ｆｉを比較的大きくすることにより、ドライバーが操舵部材１のふらつき感を感知するのを抑制することができる。さらに、下側摩擦Ｆｏを比較的小さくすることにより、操向車輪側からの逆入力（外乱）の変動を少しでも早くトルク検出機構Ｂに伝えて精度よく検出させることができ、当該外乱をいち早く補償させることが可能となる。また、このように外乱補償性を向上させることができることから、外乱が操舵系Ａを介してドライバーに伝わるのを阻止することができ、外乱の影響によってドライバーの操舵フィーリングが低下するのを防ぐことができる。

また、本実施形態では、上記上側摩擦Ｆｉと下側摩擦Ｆｏとの和の値を２．０（Ｎ）以下に制限しているので、下側摩擦Ｆｏを１．０（Ｎ）以下に制限することができ、トルク検出機構Ｂにより外乱を高精度に素早く検出させて適切な外乱補償をより確実に行わせることができる。
これに対して、上記従来例では、操舵系全体の摩擦は２．０（Ｎ）前後の値であったが、その上側及び下側摩擦は例えば０．５（Ｎ）及び１．５（Ｎ）と下側摩擦の方が３倍以上の値に設定されており、そのトルク検出機構が外乱を高精度に素早く検出するのが困難であった。

尚、上記の説明では、摩擦付与手段としてラジアル方向に予圧を付与した状態で入力軸２２を支持するニードル軸受３１を用いた場合について説明したが、本発明の摩擦付与手段は上記上側摩擦Ｆｉを大きくするものであれば何等限定されるものではなく、巻きブッシュなどの摩擦を生じる部材を入力軸２２に取り付ける構成でもよい。但し、上記ニードル軸受３１のように、ステアリング装置が本来的に有する部材を用いて上側摩擦Ｆｉを大きくする場合の方が部品点数の増加を抑えてコスト安価に当該装置を構成できる点で好ましい。

本発明の一実施形態による電動パワーステアリング装置の要部構成を示す縦断面図である。 上記電動パワーステアリング装置の操舵系に加わる力（トルク及び摩擦）を模式的に表した図である。

符号の説明

１ 操舵部材
２２ 入力軸（操舵部材側に設けられる部材）
２３ トーションバー
３１ ニードル軸受
Ａ 操舵系
Ｂ トルク検出機構

Claims (2)

1. 操舵部材から操向車輪に至る操舵系の途中に設けたトルク検出機構により検出したトルクに基づいて、電動モータからの回転力を前記操舵系に付与し操舵補助を行う電動パワーステアリング装置であって、
   前記操舵系において、前記操舵部材と前記トルク検出機構との間の摩擦をＦｉとし、前記トルク検出機構と前記操向車輪との間の摩擦をＦｏとしたときに、下記の不等式（１）を満足するように、
   Ｆｏ ≦ Ｆｉ ――（１）
   前記摩擦Ｆｉ及びＦｏを決定しており、且つ、
   前記トルク検出機構には、上端部側が前記操舵部材側に連結され、下端部側が前記操向車輪側に連結されるトーションバーが設けられていることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 操舵部材から操向車輪に至る操舵系の途中に設けたトルク検出機構により検出したトルクに基づいて、電動モータからの回転力を前記操舵系に付与し操舵補助を行う電動パワーステアリング装置であって、
   前記操舵系において、前記操舵部材と前記トルク検出機構との間の摩擦をＦｉとし、前記トルク検出機構と前記操向車輪との間の摩擦をＦｏとしたときに、下記の不等式（１）を満足するように、
   Ｆｏ ≦ Ｆｉ ――（１）
   前記摩擦Ｆｉ及びＦｏを決定しており、且つ、
   前記摩擦Ｆｉ及びＦｏの和の値が、２．０（Ｎ）以下である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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