JP2008179188A - パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁歪膜を介して操舵入力トルクを精度良く検出できるパワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】ステアリングハンドルに連係して回転するトルクシャフト３０と、このトルクシャフト３０の運動方向を変換して操舵系に伝達するステアリングギヤ機構４と、トルクシャフト３０の表面に設けられる磁歪膜５５と、この磁歪膜５５のまわりに設けられる電磁コイル５１とを備え、電磁コイル５１のインダクタンス変化に基づいてトルクシャフト３０に入力される操舵入力トルクを検出するパワーステアリング装置１であって、トルクシャフト３０を軸方向について分割した第一、第二シャフト３１，４１と、第一、第二シャフト３１，４１を互いに係合してトルクシャフト３０の曲げ応力を吸収する曲げ応力吸収継ぎ手３５とを備え、第二シャフト４１の表面に磁歪膜５５を設けるものとした。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両のパワーステアリング装置の改良に関するものである。

一般に、車両のパワーステアリング装置は、ステアリングハンドルに連係して回転するトルクシャフトと、このトルクシャフトの運動方向を変換して操舵系に伝達するステアリングギヤ機構と、トルクシャフトに入力される操舵入力トルクを検出するトルクセンサとを備え、トルクセンサの検出信号に応じて操舵補助トルクを操舵系に付与するようになっている。

従来例えば特許文献１に開示されたトルクセンサは、トルクシャフトの表面に設けられる磁歪膜と、この磁歪膜のまわりに設けられる電磁コイルとを備える。

この場合、トルクシャフトに操舵入力トルクが与えられることによってトルクシャフトと磁歪膜にねじれ歪みが生じると、磁歪膜の透磁率が変化するのに伴って電磁コイルのインダクタンスが変化し、この電磁コイルのインダクタンス変化に基づいてトルクシャフトに入力される操舵入力トルクが検出される。

また、特許文献２に開示されたトルクセンサは、磁歪膜を形成した樹脂製の磁歪フィルムを備え、トルクシャフトの表面に磁歪フィルムを接着している。
特開２００３−２９１８３０号公報 特開平５−５６６０号公報

しかしながら、このような従来のパワーステアリング装置において、ステアリングギヤ機構のギヤ等に加工誤差やトルクシャフトの延び等がある場合、トルクセンサのトルクシャフトと磁歪膜には、操舵入力トルクによって生じるねじれ歪みだけでなく、ステアリングギヤ機構からの反力によって曲げ歪みが生じる可能性がある。この曲げ歪みは操舵入力トルクによって生じるねじれ歪みとの相対関係が一定ではないため、電磁コイルのインダクタンス変化が乱れる原因になり、トルクセンサの検出精度が低下するという問題点があった。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、磁歪膜を介して操舵入力トルクを精度良く検出できるパワーステアリング装置を提供することを目的とする。

本発明は、ステアリングハンドルに連係して回転するトルクシャフトと、このトルクシャフトの運動方向を変換して操舵系に伝達するステアリングギヤ機構と、トルクシャフトの表面に設けられる磁歪膜と、この磁歪膜のまわりに設けられる電磁コイルとを備え、この電磁コイルのインダクタンス変化に基づいてトルクシャフトに入力される操舵入力トルクを検出するパワーステアリング装置であって、トルクシャフトを軸方向について分割した第一、第二シャフトと、第一、第二シャフトを互いに係合してトルクシャフトの曲げ応力を吸収する曲げ応力吸収継ぎ手とを備え、第一、第二シャフトの少なくとも一方の表面に磁歪膜を設けたことを特徴とするものとした。

本発明によると、操舵時にトルクシャフトと磁歪膜にはステアリングハンドルからの操舵入力トルクによってねじり応力が働くとともに、ステアリングギヤ機構からの反力によって曲げ応力が働く可能性があるが、曲げ応力吸収継ぎ手がトルクシャフトの曲げ応力を吸収する。これにより、ステアリングギヤ機構からの反力によってトルクシャフトと磁歪膜に曲げ歪みが生じることが抑えられ、操舵入力トルクによってトルクシャフトと磁歪膜にねじれ歪みのみが生じるため、パワーステアリング装置は電磁コイルのインダクタンス変化に基づいて操舵補助トルクを的確に検出できる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１に示すように、車両のパワーステアリング装置１は、運転者の操舵入力トルクを操舵系に伝達する動力伝達機構として、ステアリングハンドル（図示せず）に連係するトルクシャフト（操舵系）３０と、車輪（図示せず）に連係するラック軸（出力系）３とを備え、トルクシャフト３０の回転によってラック軸３が軸方向に移動することにより車輪が操舵されるようになっている。

トルクシャフト３０はケーシング５，６に第一、第二ベアリング７，８を介して中心線Ｏを中心に回転可能に支持され、第一、第二ベアリング７，８によってトルクシャフト３０のラジアル加重とスラスト加重が受けられる。第一、第二ベアリング７，８はインナレースとアウタレースの間に複数のボールが介装された、ボールベアリングである。

各ケーシング５，６は複数のボルト１９を介して締結され、各ケーシング５，６の間に第二ベアリング８のアウタレースが挟持される。

トルクシャフト３０の上端部にはセレーションを刻んだセレーション軸部３２が形成され、このセレーション軸部３２にステアリングハンドルに連係する継手（図示せず）が連結され、運転者がステアリングハンドルを操作する操舵入力トルクがセレーション軸部３２に入力される。

ステアリングギヤ機構４はトルクシャフト３０に刻まれるピニオン４２と、ラック軸３に刻まれるラック３ａとを備え、このピニオン４２がラック３ａに噛み合う。トルクシャフト３０が回転すると、ピニオン４２の回転によってラック軸３が軸方向に移動し、ラック軸３に連係するタイロッド（図示せず）等を介して左右の車輪が操舵される。

ラック軸３は車両の横方向に移動するようにケーシング６に対して摺動可能に支持される。ケーシング６にはラック軸３の外周面に摺接するガイド１１と、このガイド１１を付勢するバネ１２が介装され、このバネ１２の付勢力によってラック３ａがピニオン４２に押し付けられる。バネ１２の付勢力はケーシング６に螺合した調整ボルト１３によって調整される。

なお、ステアリングギヤ機構４はラック３ａとピニオン４２を備える機構に限らず、他の機構を用いてもよい。

トルクシャフト３０の下端には下端軸部４３が形成され、この下端軸部４３がケーシング６にニードルベアリング９を介して回転可能に支持される。これによりトルクシャフト３０のピニオン４２が刻まれる部位に働くラジアル荷重がニードルベアリング９と第二ベアリング８を介して両持ち支持される。

パワーステアリング装置１は、操舵トルクを補助的に付与するアシスト機構として、トルクシャフト３０に入力される操舵入力トルクを検出するトルクセンサ５０と、ラック軸３を駆動する電動モータ（図示せず）とを備え、コントローラ（図示せず）がトルクセンサ５０によって検出される操舵入力トルクに応じて電動モータがラック軸３に操舵補助トルクを付与するようになっている。

なお、電動モータがラック軸３を駆動する機構に限らず、他の機構を用いてもよい。

トルクセンサ５０は、トルクシャフト３０のねじり歪み量に応じて変化する磁歪特性を電気的に検出する磁歪式検出装置である。トルクセンサ５０は、トルクシャフト３０の表面に２つの磁歪膜５５が軸長手方向に並べて設けられ、これら各磁歪膜５５の周囲に各磁歪膜５５に生じた磁歪特性の変化を電気的に検出する対の電磁コイル５１がケーシング５の内側に設けられる。各磁歪膜５５と各電磁コイル５１はトルクシャフト３０の回転中心線Ｏと同心円上に配置される。

磁歪膜５５は例えばＮｉ−Ｆｅ系、またはＦｅ−Ｂ系の合金膜であり、トルクシャフト３０にトルクが印加されてトルクシャフト３０がねじれることにより歪みが生じ、応力磁気効果により透磁率が変化する薄膜である。磁歪膜５５に歪みが生じて磁歪膜５５の透磁率が変化すると、各電磁コイル５１のインダクタンスが変化する。

なお、磁歪膜５５はこれに限らず、Ｎｉ−Ｆｅ系の合金をメッキ層として形成しても良い。

トルクシャフト３０に操舵入力トルクが与えられることによってトルクシャフト３０と各磁歪膜５５にねじれ歪みが生じると、一方の磁歪膜５５の透磁率が大きくなるのに伴ってこれに対峙した電磁コイル５１のインダクタンスが小さくなり、他方の磁歪膜５５の透磁率が小さくなるのに伴ってこれに対峙した電磁コイル５１のインダクタンスが大きくなる。コントローラは各電磁コイル５１のインダクタンス変化を検出回路（図示せず）を介して入力し、トルクシャフト３０に与えられる操舵入力トルクの大きさと方向をそれぞれ検出する。

ところで、ステアリングギヤ機構４のピニオン４２、ラック３ａの加工誤差やトルクシャフト３０の延び等がある場合、各磁歪膜５５には、操舵入力トルクによって生じるねじれ歪みだけでなく、ステアリングギヤ機構４からの反力によって曲げ歪みが生じる可能性がある。この曲げ歪みは操舵入力トルクによって生じるねじれ歪みとの相対関係が一定ではないため、各電磁コイル５１のインダクタンス変化が乱れる原因になり、操舵入力トルクの検出精度が低下する可能性がある。

これに対処して、本発明は、金属製のトルクシャフト３０を軸方向について分割した第一、第二シャフト３１，４１を設け、第一、第二シャフト３１，４１を両者間に所定の間隙を持たせる曲げ応力吸収継ぎ手３５によって連結し、ステアリングギヤ機構４からの反力によってトルクシャフト３０に曲げ歪みが生じないようにする。

図２の（ａ），（ｂ）に示すように、曲げ応力吸収継ぎ手３５は、第一シャフト３１に形成されるストッパ凸部３６と、第二シャフト４１に形成されるストッパ凹部４４と、このストッパ凸部３６とストッパ凹部４４の間に形成される間隙４７，４８，４９と、第一、第二シャフト３１，４１を連結する弾性体６０とによって構成され、トルクシャフト３０に働く曲げ応力を吸収するようになっている。

なお、曲げ応力吸収継ぎ手３５は、第一シャフト３１にストッパ凹部を形成し、第二シャフト４１にストッパ凸部を形成し、両者の間に設けられる間隙を介してトルクシャフト３０に働く曲げ応力を吸収するようにしても良い。

トルクシャフト３０は第一、第二ベアリング７，８の間に位置する部位にて第一、第二シャフト３１，４１に分割され、第一シャフト３１はケーシング５に第一ベアリング７を介して回転可能に支持され、第二シャフト４１は各ケーシング５，６に第二ベアリング８を介して回転可能に支持される。

第一シャフト３１は、その上端部に前記したセレーション軸部３２が形成され、その下端部に曲げ応力吸収継ぎ手３５のストッパ凸部３６が形成され、セレーション軸部３２とストッパ凸部３６の間に第一ベアリング７のインナレースが嵌合する軸受部３７が形成される。

第一シャフト３１は、回転中心線Ｏを中心とした円筒状に形成された円筒部３８と、この円筒部３８の端面３８ａから軸方向に突出する対のストッパ凸部３６とを有する。円筒部３８はその内径、外径が後述するセンサ筒部４６の内径、外径とそれぞれ同一となるように形成される。このストッパ凸部３６は円筒部３８と段差なく連続する円筒状に形成され、回転中心線Ｏと平行に延びる側端面３６ａと、回転中心線Ｏと直交して延びる頂面３６ｂとを有する。各ストッパ凸部３６の側端面３６ａは互いに平行に延びる平面状に形成される。各ストッパ凸部３６の頂面３６ｂと円筒部３８の端面３８ａはそれぞれ回転中心線Ｏと直交して延びる平面状に形成される。

第二シャフト４１は、その上端部にセンサ筒部４６が形成され、その下端部にピニオン４２と下端軸部４３が形成され、センサ筒部４６とピニオン４２の間に第二ベアリング８のインナレースが嵌合する軸受部４５が形成される。第二シャフト４１のピニオン４２が刻まれる部位に働くラジアル荷重がニードルベアリング９と第二ベアリング８を介して両持ち支持される。

第二シャフト４１はセンサ筒部４６の端面４６ａに対して凹状に窪む対のストッパ凹部４４とを有し、このストッパ凹部４４が第一シャフト３１のストッパ凸部３６に係合することにより、第一、第二シャフト３１，４１の相対回転が係止される。

各ストッパ凹部４４は回転中心線Ｏと平行に延びる側端面４４ａと、回転中心線Ｏと直交して延びる底面４４ｂとを有する。各ストッパ凹部４４の側端面４４ａは互いに平行に延びる平面状に形成される。各ストッパ凹部４４の底面４４ｂは回転中心線Ｏと直交して延びる平面状に形成される。

軸方向の間隙４９は円筒部３８の端面３８ａとセンサ筒部４６の端面４６ａの間に画成され、所定のスキマＣ１を持つ。

軸方向の間隙４７は各ストッパ凸部３６の頂面３６ｂと各ストッパ凹部４４の底面４４ｂの間に画成され、所定のスキマＣ２を持つ。

回転方向の間隙４８は各ストッパ凸部３６の側端面３６ａと各ストッパ凹部４４の側端面４４ａの間に画成され、所定のスキマＣ３を持つ。このスキマＣ３はステアリングギヤ機構４からの反力によってトルクシャフト３０に曲げ歪みが生じないようにする範囲で最小限に設定し、第一、第二シャフト３１，４１の回転方向のガタツキを抑えるようになっている。

なお、図示した各スキマＣ１、Ｃ２、Ｃ３の寸法は、便宜上実際よりも誇張して大きくしてある。

各ストッパ凸部３６は車両の左右方向に並ぶように配置され、各ストッパ凸部３６の側端面３６ａはラック軸３と平行に形成される。これにより、ステアリングギヤ機構４からの反力によってトルクシャフト３０に働く曲げ荷重を有効に吸収することができる。

第一、第二シャフト３１，４１の間には弾性体６０が介装され、この弾性体６０によって第一、第二シャフト３１，４１が軸方向に離れるように付勢される。

弾性体６０は円柱状に形成した樹脂材からなり、トルクシャフト３０の軸方向に所定量圧縮された状態で第二シャフト４１のセンサ筒部４６と第一シャフト３１の円筒部３８の間に介装される。弾性体６０はセンサ筒部４６と円筒部３８によって包囲されている。弾性体６０の外周面は円筒部３８の内側に嵌合され、弾性体６０とセンサ筒部４６の間には環状の間隙が形成される。

磁歪膜５５は磁歪フィルムに形成され、この磁歪フィルムが第二シャフト４１のセンサ筒部４６の外周面に接着される。

また、第一シャフト３１に中空筒状のセンサ筒部を形成し、このセンサ筒部の外周面に磁歪膜を形成しても良い。

以上のように、運転者の操舵入力トルクはトルクシャフト３０の第一シャフト３１から曲げ応力吸収継ぎ手３５を介して第二シャフト４１に伝達され、第二シャフト４１からステアリングギヤ機構４を介してラック軸３に伝達されるとともに、トルクセンサ５０によって検出される操舵入力トルクに応じて電動モータが操舵補助トルクを発生し、ラック軸３は操舵入力トルクと操舵補助トルクを合わせ操舵複合トルクによって駆動され、ラック軸３が軸方向に移動することによって左右の車輪が操舵される。

上記した操舵時にて、ステアリングギヤ機構４からの反力によってトルクシャフト３０に曲げ荷重が働くと、曲げ応力吸収継ぎ手３５はストッパ凸部３６とストッパ凹部４４が間隙４７，４８，４９を拡縮しながら弾性体６０がわずかに曲折する弾性変形をしてトルクシャフト３０の曲げ応力を吸収する。こうして曲げ応力吸収継ぎ手３５がトルクシャフト３０の曲げ応力を吸収することにより、第一、第二シャフト３１、４１自体がそれぞれ曲折することを回避し、第二シャフト４１と各磁歪膜５５に曲げ歪みが生じることが抑えられ、操舵入力トルクによってねじれ歪みのみが生じる。このため、各電磁コイル５１のインダクタンスはトルクシャフト３０に生じるねじれ歪みのみに応じて変化し、トルクセンサ５０は各電磁コイル５１のインダクタンスに基づいてトルクシャフト３０に入力される操舵入力トルクを精度良く検出できる。この結果、パワーステアリング装置１は、トルクセンサ５０の検出信号に基づいて操舵補助トルクを的確に制御できる。

曲げ応力吸収継ぎ手３５は、第一シャフト３１に形成されるストッパ凸部３６と、第二シャフト４１に形成されるストッパ凹部４４と、このストッパ凸部３６とストッパ凹部４４の間に形成される間隙４７，４８，４９とを備えたため、ステアリングギヤ機構４からの反力によってトルクシャフト３０に曲げ荷重が働くと、曲げ応力吸収継ぎ手３５はストッパ凸部３６とストッパ凹部４４が間隙４７，４８，４９を拡縮しながらわずかに曲折してトルクシャフト３０の曲げ応力を吸収し、トルクセンサ５０がトルクシャフト３０に生じるねじれ歪みに応じて操舵入力トルクを検出する精度を高められる。

曲げ応力吸収継ぎ手３５は、第一、第二シャフト３１，４１の間に介装される弾性体６０を備えたため、ステアリングギヤ機構４からの反力によってトルクシャフト３０に曲げ荷重が働くと、弾性体６０が弾性変形してトルクシャフト３０の曲げ応力を吸収し、トルクセンサ５０がトルクシャフト３０に生じるねじれ歪みに応じて操舵入力トルクを検出する精度を高められる。

弾性体６０はラック軸３から伝達される例えば電動モータのトルクリップル等の振動を吸収するため、この振動がステアリングハンドルに伝わることを抑えられる。

パワーステアリング装置１は、トルクシャフト３０を回転可能に支持する第一、第二ベアリング７，８を備え、トルクシャフト３０を第一、第二ベアリング７，８の間に位置する部位にて第一、第二シャフト３１，４１に分割し、曲げ応力吸収継ぎ手３５を第一、第二ベアリング７，８の間に配置したため、トルクシャフト３０の支持剛性が十分に確保され、操舵入力トルクを曲げ応力吸収継ぎ手３５を介してステアリングギヤ機構４に伝達される機能が損なわれない。

曲げ応力吸収継ぎ手３５は、第二シャフト４１に中空筒状のセンサ筒部４６を形成し、このセンサ筒部４６の外周面に各磁歪膜５５が形成された磁歪フィルムを接着したため、センサ筒部４６の外径を大きくすることにより、センサ筒部４６に接着される磁歪フィルムがセンサ筒部４６から剥離することを抑えられる。センサ筒部４６の外径を大きくしてもセンサ筒部４６を薄肉化することによりセンサ筒部４６に生じるねじれ歪み量を確保し、トルクセンサ５０がトルクシャフト３０に生じるねじれ歪みに応じて操舵入力トルクを検出する精度を高められる。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

本発明の実施の形態を示すパワーステアリング装置の断面図である。 同じく（ａ）図はパワーステアリング装置の要部を示す側面図であり、（ｂ）図は（ａ）図のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

符号の説明

１ パワーステアリング装置
３ ラック軸
４ ステアリングギヤ機構
７，８ 第一、第二ベアリング
３０ トルクシャフト
３１ 第一シャフト
３５ 曲げ応力吸収継ぎ手
３６ ストッパ凸部
４１ 第二シャフト
４２ ピニオン
４４ ストッパ凹部
４６ センサ筒部
４７，４８，４９ 間隙
５０ トルクセンサ
５１ 電磁コイル
５５ 磁歪膜
６０ 弾性体

Claims (5)

1. ステアリングハンドルに連係して回転するトルクシャフトと、このトルクシャフトの運動方向を変換して操舵系に伝達するステアリングギヤ機構と、前記トルクシャフトの表面に設けられる磁歪膜と、この磁歪膜のまわりに設けられる電磁コイルとを備え、この電磁コイルのインダクタンス変化に基づいて前記トルクシャフトに入力される操舵入力トルクを検出するパワーステアリング装置であって、
   前記トルクシャフトを軸方向について分割した第一、第二シャフトと、この第一、第二シャフトを互いに係合して前記トルクシャフトの曲げ応力を吸収する曲げ応力吸収継ぎ手とを備え、前記第一、第二シャフトの少なくとも一方の表面に前記磁歪膜を設けたことを特徴とするパワーステアリング装置。
2. 前記曲げ応力吸収継ぎ手は、前記第一、第二シャフトの一方に形成されるストッパ凸部と、前記第一、第二シャフトの他方に形成されるストッパ凹部と、前記ストッパ凸部と前記ストッパ凹部の間に形成される間隙とを備えたことを特徴とする請求項１に記載のパワーステアリング装置。
3. 前記曲げ応力吸収継ぎ手は、前記第一、第二シャフトの間に介装される弾性体を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のパワーステアリング装置。
4. 前記トルクシャフトを回転可能に支持する前記第一、第二ベアリングを備え、前記トルクシャフトをこの第一、第二ベアリングの間に位置する部位にて前記第一、第二シャフトに分割し、前記曲げ応力吸収継ぎ手を前記第一、第二ベアリングの間に配置したことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載のパワーステアリング装置。
5. 前記曲げ応力吸収継ぎ手は、前記第一、第二シャフトの少なくとも一方に中空筒状のセンサ筒部を形成し、このセンサ筒部の外周面に前記磁歪膜を形成した磁歪フィルムを接着したことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載のパワーステアリング装置。