JP2008114641A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 磁歪式トルクセンサを備えた電動パワーステアリング装置において、ステアリングギヤボックスのピニオンシャフトに作用する曲げモーメントが磁歪式トルクセンサの検出精度に及ぼす影響を最小限に抑える。
【解決手段】 電動パワーステアリング装置のステアリングホイール１１に操舵トルクを加えたとき、ラックアンドピニオン式のステアリングギヤボックス１６のピニオンシャフト２１が、ピニオン２０がラック１８から受ける反力による曲げモーメントで湾曲しても、磁歪式トルクセンサ３４が設けられたステアリングシャフト１４は前記ピニオンシャフト２１に自在継ぎ手１５を介して接続されているため、前記曲げモーメントがステアリングシャフト１４に伝達され難くなる。その結果、ステアリングシャフト１４に設けた磁歪式トルクセンサ３４の検出精度が、前記曲げモーメントにより受ける影響を最小限に抑えることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ステアリングホイールとラックアンドピニオン式のステアリングギヤボックスとをステアリングシャフトで接続し、前記ステアリングホイールに入力される操舵トルクを磁歪式トルクセンサで検出し、検出した操舵トルクに応じてステアリングアクチュエータを駆動して運転者のステアリング操作をアシストする電動パワーステアリング装置に関する。

ステアリングホイールに入力される操舵トルクを磁歪式トルクセンサで検出し、検出した操舵トルクに基づいて電動パワーステアリング装置のモータに発生させる目標トルクを算出するものが下記特許文献１により公知である。前記磁歪式トルクセンサは、ピニオンシャフトの外周に磁気異方性を有するように形成された磁歪膜と、磁歪膜の外周を囲むコイルとを備え、シャフトの捩じれ歪に応じて変化する磁歪膜の透磁率の変化を前記コイルのインダクタンスの変化として検出することで、ピニオンシャフトに伝達される操舵トルクを検出するようになっている。
特開２００６−７９３１号公報

ところで上記特許文献１に記載されたものは、磁歪式トルクセンサがラックアンドピニオン式のステアリングギヤボックスのピニオンシャフトに設けられているため、以下のような理由で検出精度が低下する問題があった。

即ち、図６において、ステアリングギヤボックスのラックバー０１に形成したラック０２に、ピニオンシャフト０３の下端に形成したピニオン０４が噛合しており、ピニオンシャフト０３のピニオン０４の上方に磁歪式トルクセンサ０５が設けられる。ピニオンシャフト０３は上部ボールベアリング０６、中間ボールベアリング０７および下部ボールベアリング０８で支持されており、磁歪式トルクセンサ０５は上部ボールベアリング０６および中間ボールベアリング０７間に設けられ、ピニオン０４は中間ボールベアリング０７および下部ボールベアリング０８間に設けられる。

ステアリングホイールからピニオンシャフト０３に操舵トルクが伝達され、ピニオン０４にラック０２からの反力Ｆが作用すると、この反力Ｆは上部ボールベアリング０６、中間ボールベアリング０７および下部ボールベアリング０８で支持されたピニオンシャフト０３をＳ字状に湾曲させるような曲げモーメントを発生させる。その結果、操舵トルクによるピニオンシャフト０３に捩じれに基づく第１、第２磁歪膜０９，０１０の歪み以外に、曲げモーメントによるピニオンシャフト０３の曲げに基づく第１、第２磁歪膜０９，０１０の歪みが発生してしまい、しかも第１、第２磁歪膜０９，０１０の位置での前記曲げモーメントの大きさｂ１，ｂ２が不均一であるため、その差によって磁歪式トルクセンサ０５の検出精度が低下してしまう問題があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、磁歪式トルクセンサを備えた電動パワーステアリング装置において、ステアリングギヤボックスのピニオンシャフトに作用する曲げモーメントが磁歪式トルクセンサの検出精度に及ぼす影響を最小限に抑えることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、ステアリングホイールとラックアンドピニオン式のステアリングギヤボックスとをステアリングシャフトで接続し、前記ステアリングホイールに入力される操舵トルクを磁歪式トルクセンサで検出し、検出した操舵トルクに応じてステアリングアクチュエータを駆動して運転者のステアリング操作をアシストする電動パワーステアリング装置において、前記磁歪式トルクセンサを、前記ステアリングギヤボックスのピニオンシャフトに自在継ぎ手を介して接続された前記ステアリングシャフトに設けたことを特徴とする電動パワーステアリング装置が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記磁歪式トルクセンサを車体にフローティング支持したことを特徴とする電動パワーステアリング装置が提案される。

尚、実施の形態の上部ステアリングシャフト１２および下部ステアリングシャフト１４は本発明のステアリングシャフトに対応し、実施の形態の上部自在継ぎ手１３および下部自在継ぎ手１５は本発明の自在継ぎ手に対応する。

請求項１の構成によれば、電動パワーステアリング装置のステアリングホイールに操舵トルクを加えたとき、ラックアンドピニオン式のステアリングギヤボックスのピニオンシャフトに操舵反力による曲げモーメントが作用しても、磁歪式トルクセンサが設けられたステアリングシャフトは前記ピニオンシャフトに自在継ぎ手を介して接続されているため、前記曲げモーメントがステアリングシャフトに伝達され難くなる。その結果、ステアリングシャフトに設けた磁歪式トルクセンサの検出精度が前記曲げモーメントにより受ける影響を最小限に抑え、操舵トルクの検出精度を確保することができる。

また請求項２の構成によれば、磁歪式トルクセンサを車体にフローティング支持したので、ステアリングギヤボックスのピニオンシャフトから磁歪式トルクセンサを設けたステアリングシャフトに多少の曲げモーメントが伝達されたとしても、その曲げモーメントが磁歪式トルクセンサに作用し難くして検出精度の低下を抑えることができる。

以下、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて説明する。

図１〜図４は本発明の第１の実施の形態を示すもので、図１は電動パワーステアリング装置の全体構造を示す図、図２は図１の２−２線拡大矢視図、図３は図１の３部拡大図、図４は操舵トルクに対するトルク検出信号の変化特性を示す図である。

図１に示すように、自動車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１１と一体に回転する上部ステアリングシャフト１２と、上部ステアリングシャフト１２に上部自在継ぎ手１３を介して接続された下部ステアリングシャフト１４と、下部ステアリングシャフト１４に下部自在継ぎ手１５を介して接続されたラックアンドピニオン式のステアリングギヤボックス１６と、ステアリングギヤボックス１６に設けられたステアリングアクチュエータ１７とを備える。

ステアリングギヤボックス１６は、ラック１８が形成されたラックバー１９と、このラック１８に噛合するピニオン２０を有して前記下部自在継ぎ手１５に接続されるピニオンシャフト２１と、ラックバー１９を左右摺動自在に支持するとともに、ピニオン２０を挟む位置でピニオンシャフト２１を一対のボールベアリング２２，２３を介して支持するハウジング２４とを備える。ラックバー１９の左右両端は、左右のボールジョイント２５，２５および左右のタイロッド２６，２６を介して左右の車輪Ｗ，Ｗに接続される。

ステアリングアクチュエータ１７は、ラックバー１９の外周に配置されたボールねじ機構２７と、このボールねじ機構２７のナット部材と一体に回転するウオームホイール２８と、このウオームホイール２８に噛合するウオーム２９と、このウオーム２９を回転駆動するモータ３０とを備える。

下部ステアリングシャフト１４は円筒状のハウジング３１の内部に上下一対のボールベアリング３２，３３を介して回転自在に支持されており、両ボールベアリング３２，３３の間に磁歪式トルクセンサ３４が設けられる。ハウジング３１は車体３５に弾性支持部材３６を介してフローティング支持される。

図２を併せて参照すると明らかなように、弾性支持部材３６はブラケット３７，３７をボルト３８，３８で車体３５に固定された外筒３９と、この外筒３９の内周にゴムブッシュ４０を介して接続された内筒４１とを備えており、ハウジング３１から延びるピン４２が内筒４１に嵌合する。この構造により、ハウジング３１は下部ステアリングシャフト１４の軸方向および径方向の移動を拘束されながら、ゴムブッシュ４０の弾性変形およびピン４２の内筒４１に対する摺動により車体３５に対してフローティング支持される。

ステアリングホイール１１に入力される操舵トルクを検出する磁歪式トルクセンサ３４は、下部ステアリングシャフト１４の表面を所定幅で覆うように形成された、例えばＮｉ−Ｆｅメッキよりなる第１、第２磁歪膜５１Ａ，５１Ｂと、第１磁歪膜５１Ａを囲む第１コイル５２Ａと、第２磁歪膜５１Ｂを囲む第２コイル５２Ｂと、第１コイル５２Ａを囲む第１ヨーク５３Ａと、第２コイル５２Ｂを囲む第２ヨーク５３Ｂとを備える。第１コイル５２Ａおよび第２コイル５２Ｂには、第１、第２出力選択回路５４Ａ，５４Ｂおよび差動増幅回路５５が接続される。

次に、上記構成を備えた本発明の実施の形態の作用を説明する。

運転者がステアリングホイール１１を操作すると、ステアリングホイール１１の回転が上部ステアリングシャフト１２、上部自在継ぎ手１３、下部ステアリングシャフト１４、下部自在継ぎ手１５，ピニオンシャフト２１、ピニオン２０、ラック１８、ラックバー１９およびボールジョイント２５，２５を介してタイロッド２６，２６に伝達され、左右の車輪Ｗ，Ｗが転舵される。

その際に、運転者がステアリングホイール１１に入力した操舵トルクが下部ステアリングシャフト１４の周囲に設けた磁歪式トルクセンサ３４により検出されると、図示せぬ電子制御ユニットが前記操舵トルクに応じてステアリングアクチュエータ１７のモータ３０を駆動することで、モータ３０のトルクがウオーム２９、ウオームホイール２８およびボールねじ機構２７を介してラックバー１９に伝達され、運転者のステアリング操作がステアリングアクチュエータ１７によりアシストされる。

磁歪式トルクセンサ３４による操舵トルクの検出は、次のようにして行われる。

第１、第２コイル５２Ａ，５２Ｂに交流電流を供給すると、下部ステアリングシャフト１４に操舵トルクが入力されたときに、第１磁歪膜５１ＡのインダクタンスがＬからＬ＋ΔＬに変化し、第２磁歪膜５１ＢのインダクタンスがＬからＬ−ΔＬに変化し、しかも前記変化量ΔＬが加えられた操舵トルクに比例するので、この変化量ΔＬを第１、第２コイル５２Ａ，５２Ｂで検出する。

即ち、図４において、第１コイル５２Ａが出力する第１電圧信号ＶＴ１および第２コイル５２Ｂが出力する第２電圧信号ＶＴ２は整流回路の役目をする第１、第２出力選択回路５４Ａ，５４Ｂにそれぞれ入力される。第１、第２出力選択回路５４Ａ，５４Ｂは、前記第１、第２電圧信号ＶＴ１，ＶＴ２に対応する第１、第２電圧信号ＶＴ１^* ，ＶＴ２^* を出力し、その第１、第２電圧信号ＶＴ１^* ，ＶＴ２^* は差動増幅回路５５に入力され、そこで操舵トルクの大きさに対応する第３電圧信号（トルク検出信号）が算出されて出力される。

具体的には、差動増幅回路５５は第１信号電圧ＶＴ１^* から第２信号電圧ＶＴ２^* を減算したＶＴ１^* −ＶＴ２^* にゲインｋを乗算して第３電圧信号（トルク検出信号）を算出する。第１信号電圧ＶＴ１^* は操舵トルクの増加に応じて増加し、第２信号電圧ＶＴ２^* は操舵トルクの増加に応じて減少するため、第３電圧信号は操舵トルクの増加に応じて増加する。操舵トルクが０のとき、第３電圧信号が所定のバイアス電圧Ｖｂ（例えば、２．５Ｖ）となるようにバイアスされる。

ＶＴ３＝ｋ（ＶＴ１^* −ＶＴ２^* ）＋Ｖｂ
このようにして、ステアリングホイール１１に入力される操舵トルクにより下部ステアリングシャフト１４が第１、第２磁歪膜５１Ａ，５１Ｂと共に捩じれ変形すると、第１、第２磁歪膜５１Ａ，５１Ｂおよび第１、第２ヨーク５３Ａ，５３Ｂで構成される二つの磁路に沿う磁束密度が変化することで、その磁束密度の変化に基づいて操舵トルクを検出することができる。

ところで、ステアリングホイール１１に入力された操舵トルクがピニオンシャフト２１に伝達されると、図６で既に説明したように、ピニオン２０がラック１８から反力Ｆを受けることで、ピニオンシャフト２１に曲げモーメントが作用する。しかしながら、本実施の形態では、曲げモーメントが作用するピニオンシャフト２１と下部ステアリングシャフト１４との間には下部自在継ぎ手１５が配置されており、また下部ステアリングシャフト１４と上部ステアリングシャフト１２との間には上部自在継ぎ手１３が配置されているため、前記曲げモーメントは磁歪式トルクセンサ３４が設けられた下部ステアリングシャフト１４に伝達されることはない。その結果、下部ステアリングシャフト１４の表面に形成した第１、第２磁歪膜５１Ａ，５１Ｂに曲げモーメントに起因する伸び縮みが発生するのを防止し、第１、第２磁歪膜５１Ａ，５１Ｂに操舵トルクに起因する捩じれ変形のみを発生させて検出精度を確保することができる。

また曲げモーメントが作用するピニオンシャフト２１から下部自在継ぎ手１５を介して下部ステアリングシャフト１４に若干の荷重が加わったとしても、その下部ステアリングシャフト１４を支持するハウジング３１が車体３５に弾性支持部材３６を介してフローティング支持されているので、下部ステアリングシャフト１４に曲げモーメントが伝達されるのを一層確実に防止することができる。

次に、図５に基づいて本発明の第２の実施の形態を説明する。

第１の実施の形態では磁歪式トルクセンサ３４が下部ステアリングシャフト１４に設けられ、ステアリングアクチュエータ１７がステアリングギヤボックス１６に設けられているが、第２の実施の形態では磁歪式トルクセンサ３４およびステアリングアクチュエータ１７が共に上部ステアリングシャフト１２に設けられる。上部ステアリングシャフト１２は、前記２個のボールベアリング３２，３３に加えて更にもう一つのボールベアリング４３を介して支持される。

磁歪式トルクセンサ３４の構造は、第１の実施の形態のものと同一である。但し、そのハウジング３１は車体３５に弾性支持部材３６を介してフローティング支持されておらず、車体３５に固定されている。ステアリングアクチュエータ１７は、上部ステアリングシャフト１２に固定したウオームホイール２８と、このウオームホイール２８に噛合するウオーム２９と、このウオーム２９を回転駆動するモータ３０とで構成される。

この第２の実施の形態によっても、ラック１８からピニオン２０が受ける反力でピニオンシャフト２１に曲げモーメントが作用しても、そのピニオンシャフト２１と上部ステアリングシャフト１２との間に下部自在継ぎ手１５および上部自在継ぎ手１３の二つが介在するため、磁歪式トルクセンサ３４が設けられた上部ステアリングシャフト１２にピニオンシャフト２１から曲げモーメントが伝達されるのを防止し、磁歪式トルクセンサ３４の検出精度を確保することができる。

しかも、第１の実施の形態ではピニオンシャフト２１と磁歪式トルクセンサ３４との間に１個の自在継ぎ手（下部自在継ぎ手１５）だけが配置されているのに対し、第２の実施の形態ではピニオンシャフト２１と磁歪式トルクセンサ３４との間に２個の自在継ぎ手（下部自在継ぎ手１５および上部自在継ぎ手１３）が配置されているので、ピニオンシャフト２１の曲げモーメントを磁歪式トルクセンサ３４により一層伝わり難くすることができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施の形態ではステアリングアクチュエータ１７をラックバー１９あるいは上部ステアリングシャフト１２に設けているが、それを下部ステアリングシャフト１４あるいはピニオンシャフト２１に設けることができる。

第１の実施の形態に係る電動パワーステアリング装置の全体構造を示す図 図１の２−２線拡大矢視図 図１の３部拡大図 操舵トルクに対するトルク検出信号の変化特性を示す図 第２の実施の形態に係る電動パワーステアリング装置の全体構造を示す図 従来例の電動パワーステアリングの問題点を説明する図

符号の説明

１１ ステアリングホイール
１２ 上部ステアリングシャフト（ステアリングシャフト）
１３ 上部自在継ぎ手（自在継ぎ手）
１４ 下部ステアリングシャフト（ステアリングシャフト）
１５ 下部自在継ぎ手（自在継ぎ手）
１６ ステアリングギヤボックス
１７ ステアリングアクチュエータ
２１ ピニオンシャフト
３４ 磁歪式トルクセンサ
３５ 車体

Claims (2)

1. ステアリングホイール（１１）とラックアンドピニオン式のステアリングギヤボックス（１６）とをステアリングシャフト（１２，１４）で接続し、前記ステアリングホイール（１１）に入力される操舵トルクを磁歪式トルクセンサ（３４）で検出し、検出した操舵トルクに応じてステアリングアクチュエータ（１７）を駆動して運転者のステアリング操作をアシストする電動パワーステアリング装置において、
   前記磁歪式トルクセンサ（３４）を、前記ステアリングギヤボックス（１６）のピニオンシャフト（２１）に自在継ぎ手（１３，１５）を介して接続された前記ステアリングシャフト（１２，１４）に設けたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記磁歪式トルクセンサ（３４）を車体（３５）にフローティング支持したことを特徴とする、請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。

Images