JP2010193620A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動パワーステアリング装置の車両搭載性を改善する。
【解決手段】ウォーム軸（２４）の外周に設けられたウォームギア（２３）と、前記ウォームギアと噛合しているウォームホイール（２２）とを備えたウォーム減速機構（２０）、および前記ウォームギア減速機構を駆動させるための駆動機構（３）、を有しており、前記駆動機構は、前記ウォーム軸の両端部に設けられている、電動パワーステアリング装置（１０）を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ウォーム減速機構の両端に各々電動モータを備える電動パワーステアリング装置に関するものである。

従来より、自動車等の車両のステアリング装置を電動モータの回転力で助勢する電動パワーステアリング装置が提案され、実用化されている。かかる電動パワーステアリング装置は、操向ハンドルの操作によりステアリングコラムに発生する操舵トルクを検出し、その検出信号に基づいて、コントロールユニットが電動モータを駆動制御して操向ハンドルの操舵力を補助するものである。

図８は、従来方式の電動パワーステアリング装置の電動モータ３およびウォーム減速機２０を示すものである。ここでは、ウォーム軸２４の一端に電動モータ３のロータ軸３３が接続されており、さらにウォーム軸２４の外周に設けられたウォームギア２３とウォームホイール２２とが噛合していることによって、電動モータ３からの駆動力が伝達されて操向ハンドルの操舵力が助勢されている。

また、ウォーム軸を２軸とし、各ウォーム軸の端部に各々電動モータを設けることによって（例えば、特許文献１参照）より大きな駆動力で走行ハンドルの操舵力を助勢する装置が提案されている。

特開平５−２１３２１１公報

ところで、従来方式の電動パワーステアリング装置においては、高出力化に伴い、当該装置を構成する電動モータなどが大型化してしまうという傾向があり、車両レイアウト上の問題から小型化が求められ、またモータの高出力化によって製造コストの低減が困難であった。

また、特許文献１に記載された電動パワーステアリング装置においては、減速機構が、ウォーム軸２つに対してモータ軸２つという構成であるため、本発明と比較して車両レイアウトが悪化し、また低コスト化が困難であるという問題があるだけでなく、回転時の振れやアンバランスさが生じる恐れがあった。

加えて、従来の電動パワーステアリング装置は、電動モータ及びその制御ユニットが各々単体であるため、制御ユニット等に異常が発生した際に、電動パワーステアリング装置自体が停止してしまう恐れがあった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、電動パワーステアリング装置の車両レイアウト性を向上させ、さらにドライバの運転時における操舵感を向上させることを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は、ウォーム軸の外周に設けられたウォームギアと前記ウォームギアと噛合するウォームホイールとを備えたウォーム減速機構、および前記ウォームギア減速機構を駆動させる駆動機構、を有しており、前記駆動機構は、前記ウォーム軸の両端部に設けられている、電動パワーステアリング装置、を提供する。

かかる構成を採用すると、ウォーム軸両端にそれぞれ電動モータを設けることによって、操舵アシスト力を高出力化しつつ、各々小型の電動モータを用いることで車両レイアウト性を向上させ、製造コストを低減させることが可能となる。

前記電動パワーステアリング装置において、前記駆動機構は前記ウォーム軸と同心のロータ軸を備えた電動モータであり、前記電動モータの前記ロータ軸は、前記ウォーム軸と一体形成されている、ように構成することができる。

かかる構成を採用すると、電動モータの回転変動や軸ずれにより生じる操舵感の悪化を防ぎ、低振動・低騒音の電動パワーステアリング装置を得ることが出来る。

前記電動パワーステアリング装置において、前記駆動機構は前記ウォーム軸と同心のロータ軸を備えた電動モータであり、前記電動モータの少なくとも一方の前記ロータ軸は、カップリングを用いて前記ウォーム軸に連結されている、ように構成することが出来る。

かかる構成を採用すると、汎用のモータを用いた製造が可能となることで製造コストが低減され、電動モータの回転変動や軸ずれにより生じる操舵感の悪化を防ぎ、低振動・低騒音の電動パワーステアリング装置を得ることが出来る。

前記電動パワーステアリング装置において、一方の電動モータの誘起電圧位相が、他方の電動モータの誘起電圧位相と異なる、ように構成することが出来る。

かかる構成を採用すると、ウォーム軸両端にそれぞれ電動モータを設けることによって、操舵アシスト力を高出力化しつつ、各々小型の電動モータを用いることで車両レイアウト性を向上させ、製造コストを低減させることが可能となる。さらに、一方の電動モータにより発生するトルクリップルを他方の電動モータにより発生するトルクリップルで相殺することができるので、ドライバの運転時における操舵感を向上させることも可能となる。

前記電動パワーステアリング装置において、前記一方の電動モータの誘起電圧位相が、他方の電動モータの誘起電圧位相と比較してトルクリップル周期の略Ｎ（Ｎは整数）＋１／２倍ずれている、ように構成することが出来る。

かかる構成を採用すると、トルクリップルをより効率的に低減させるのみならず、高周波数化することも可能となり、ドライバの運転時における操舵感を向上させた電動パワーステアリング装置を得ることが出来る。

前記電動パワーステアリング装置において、各々の前記電動モータは、独立した制御系により同一回転方向にトルク制御される、ように構成することが出来る。

かかる構成を採用すると、一方の電動モータに対する制御に異常が生じた場合であっても他方の電動モータに対する制御が行えるので、操縦者にかかる操舵上の困難性を低減することが可能となる。

前記電動パワーステアリング装置において、各々の前記電動モータは、共通の制御系により同一回転方向にトルク制御される、ように構成することが出来る。

かかる構成を採用すると、部品点数の減少により、電動パワーステアリング装置の車両レイアウト性を向上させることが可能となる。

前記電動パワーステアリング装置において、前記独立した制御系の一方に異常を検知した場合に、操縦者に警告信号を送ると共に異常を検知した前記制御系に接続された前記電動モータの駆動電流を停止させ、異常を検知しなかった他方の前記制御系に接続された前記電動モータのみの制御・駆動によって、操舵補助を行う、ように構成することが出来る。

かかる構成を採用すると、一方の電動モータに対する制御に異常が生じた場合であっても他方の電動モータに対する制御が行えるので、操縦者にかかる操舵上の困難性を低減することが可能となる。

本発明によれば、高出力であっても小型化を実現し、操舵感に優れた電動パワーステアリング装置を提供することが出来る。さらに本発明によれば、制御ユニットに異常が発生した際にも安全に車両の操舵を行うことが出来る電動パワーステアリング装置を提供することが出来る。

本発明の電動パワーステアリング装置の概略構成図である。 本発明の第１実施例にかかる電動パワーステアリング装置の一部の断面図である。 図２に示す、本発明の第１実施例の変形例にかかる電動パワーステアリング装置の一部の断面図である。 本発明の第２実施例にかかる電動パワーステアリング装置の一部の断面図である。 図４に示す、本発明の第２実施例の変形例にかかる電動パワーステアリング装置の一部の断面図である。 本発明の３相交流モータ単体でのトルク波形を示すグラフである。 本発明の３相交流モータを二つ用い、各々のモータの位相を、電気角にして３０°ずらした場合の、合計トルクを示すグラフである。 従来方式の電動パワーステアリング装置の一部の断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング装置について説明する。

本実施形態に係るコラム式の電動パワーステアリング装置１０は、図１に示すように、ステアリング系（ステアリングシャフト１、ハウジング２、ラック・ピニオン式運動変換機構５、ウォーム減速機構２０等からなる構成）と、このステアリング系に操舵補助トルクを与えるパワーアシスト用の電動モータ３ａ及び３ｂと、トルクセンサ９と、を備えている。

ステアリングシャフト１は、ステアリング入力軸１ａと、ステアリング出力軸１ｂと、を有しており、ハウジング２の内部に軸心回りに回転自在に支持されている。ハウジング２は、車室内部の所定位置に下部を前方に向けて傾斜した状態に固定されている。ステアリング入力軸１ａは、その上端に、図示していないステアリングホイールが固定されることとなり、ステアリングホイールと同期回転する。

ステアリング入力軸１ａとステアリング出力軸１ｂとは、トルクセンサ９のトーションバーを介して連結されている。ステアリングホイールからステアリング入力軸１ａを経てステアリング出力軸１ｂに伝達される操舵トルクは、トルクセンサ９により検出される。そして、図示していない制御装置（ＥＣＵ）が、検出された操舵トルクに基づいて電動モータ３ａおよび３ｂの各々の出力を制御する。

ラック・ピニオン式運動変換機構５は、長手方向を車両の左右方向として車両前部のエンジンルーム内にほぼ水平に配置され軸方向に移動自在なラック軸６と、ラック軸６の軸心に対して斜めに支承されてラック軸６の歯部に噛合する歯部が設けられたピニオン軸７と、ラック軸６及びピニオン軸７を支承する筒状のケース８と、を有している。ラック・ピニオン式運動変換機構５のラック軸６の両端側に設けられた図示していないナックルには、前輪のホイールが取り付けられる。

ピニオン軸７とステアリング出力軸１ｂの下端とは、連結部材４で連結されている。また、ステアリング出力軸１ｂの軸方向の中間位置には、ウォーム減速機構２０が配置され、このウォーム減速機構２０を介して電動モータ３ａおよび３ｂから、ステアリング出力軸１ｂに対して操舵補助トルクが付与される。

次に、本願発明にかかるウォーム減速機構および電動モータについて説明する。

図２は、本発明の第１実施例を示すものである。本実施例では、ウォーム軸受２５によって回転可能に支持されたウォーム軸２４の両端に、ギアボックス２１に固定されて、電動モータ３ａおよび３ｂが各々設けられており、各電動モータのロータ軸３３ａ，ｂは、出力側ロータ軸受３４ａ，ｂ及び反出力側ロータ軸受３５ａ，ｂで回転可能に支持されている。

各電動モータ３ａおよび３ｂは、ウォーム減速機構２０のウォームギア２３に噛合しているウォームホイール２２の回転に、補助トルクを付与するために用いられる。本実施例は、従来単一の電動モータで行ってきた補助トルク付与動作を、２つの電動モータ３ａおよび３ｂで分担して行うことを特徴としており、必要とされる各モータの駆動力が略半分でよいことから各電動モータがより小型のものであってよく、結果として車両レイアウト上の自由度が向上する。加えて、用いられる各々の電動モータは、より安価なものが利用可能である。

ここで、各々のロータ軸３３ａおよび３３ｂは、ウォーム軸２４と一体形成されている。このように、電動パワーステアリング装置のモータ部とギア部とを一体化すること、即ち、モータ３ａおよびモータ３ｂのロータ軸とウォーム減速機構２０のウォーム軸とを同心とすることは、回転時の振れやアンバランスさを縮小し、それによって低振動・低騒音のＥＰＳが実現される。

各電動モータ３ａおよび３ｂの制御は、各々のモータ毎に設けられる独立した２つのＥＣＵ（図示せず）によって、同一回転方向にトルク制御する方法によって行われ、それによってウォームギア２２が回転駆動制御される。電動モータとして３相交流モータを用いる場合、各電動モータと対応するＥＣＵとが３相各々のパワーラインで接続されることとなる。モータの駆動に関して、一方のモータおよびＥＣＵにかかる３相接続ラインのうち任意の２相を入れ替えて接続したものを他方の３相接続ライン順序とすれば、両モータは逆方向に回転することとなり、それらモータをウォーム軸の両端に設けることで、ウォーム軸の同一回転方向制御が実現される。

本発明にかかる電動パワーステアリング装置では、独立した２系統の制御を行うＥＣＵの一方がトルクセンサ９や車速センサ（図示せず）等における異常を検知した場合、ドライバへ異常の発生を伝達するための警告信号を示すとともに、異常を検知した側の電動モータ３の駆動電流を停止させ、異常が検知されなかった側の電動モータの制御のみによって、操舵アシストを行うことができる。このように、各々の電動モータ３の制御を独立した２系統とすることによって、一方の異常が発生した電動モータ３が停止してしまうことにより電動パワーステアリング装置に必要とされる駆動力が得られなくなった場合であっても、他方の異常が発生していない電動モータ３は、依然として制御・駆動し続けることが可能である。この場合、片側の電動モータ３のみによる駆動力は、全体として必要とされる駆動力よりも小さくなってしまうかもしれないが、単一の電動モータのみで操舵補助トルクを付与しているがために、異常発生時に必要とされる制御・駆動力のすべてが失われてしまう場合と比較すると、瞬時に操縦者にかかる操舵上の困難性が低減されることとなる。

上述の通り、各電動モータ毎に独立したＥＣＵを設ける場合には、一方のＥＣＵに異常が生じた場合であっても、正常動作するＥＣＵのおかげで他方の電動モータが駆動制御可能であるという利点があるが、各々のＥＣＵ毎に、駆動回路、電流検出回路、レゾルバ処理回路、フェールリレー、ＣＰＵなどが必要となるために、製造コストが上昇してしまうとともに、全体としての装置サイズも大きくなってしまう。よって、上述した２系統の制御装置は、１系統であっても良い。電動モータとして３相交流モータを用いる場合、各電動モータと共通する一つのＥＣＵとが３相のパワーラインで接続される。即ち、共通する一つのＥＣＵは、相毎に双方の電動モータへ接続されることとなるので、合計６本の接続ラインを有する。モータの駆動に関して、一方のモータにかかる３相接続ラインのうち任意の２相を入れ替えて接続したものを他方の３相接続ライン順序とすれば、両モータは逆方向に回転することとなり、それらモータをウォーム軸の両端に設けることで、ウォーム軸の同一回転方向制御が実現される。モータの回転位置検出に関しても、３相の回転位置検出ラインを同様に入れ替えればよい。以上のように、１系統の制御装置で電動モータ２個を駆動させることで、製造コストが低減され、装置レイアウト上の自由度が向上する。

電動モータ３ａおよび３ｂを駆動させる際、各モータにおいて磁気飽和や電気子反作用に起因するトルクリップルが発生する。図６はモータ一個の場合のトルク値を示すグラフであり、トルクリップルとはトルク値の変動を意味する。図６によれば、電動モータとして３相交流モータを用いる場合、一般的には電気角１周期に対してトルクリップルが６回発生することが判る。ここで、モータで生じたトルクリップルは、コラム、ハンドルを通じてドライバに伝搬し、運転時の操舵感の悪化に繋がる恐れがある。

トルクリップルは、モータの構造が同一であれば概ねトルクに比例するので、トルクが略半分であればトルクリップルも略半分である。上述の如く、両モータを単純に逆回転させる場合には、各モータが全体として要求されるトルクに対して略半分のトルクしか発生させなくてよいので、各モータにて生じるトルクリップルも略半分になる。しかし、ウォーム軸２４の両端にて電動モータ３ａおよび３ｂの双方を同時に用いると、各モータにおけるトルクのみならずトルクリップルも合計されてしまい、例えば電動モータ３ａおよび３ｂの誘起電圧位相が同一に設定されている場合には、結果的に双方のモータにて生じるトルクリップルの合計がモータ一つ分のそれと同じ値となってしまう。

図７は、上記問題を解決すべく、各々のモータの位相を、トルクリップル周期（３６０°÷６＝６０°）の半分、電気角にして３０°ずらした場合の、合計トルクを示すグラフである。図７では、破線で示された電動モータ３ａおよび３ｂのトルクが合計・相殺され、実線で示された合計トルクが生じている。当該合計トルクの変動である合計トルクリップルと、各電動モータのトルクリップルを比較すると、合計トルクリップルが、各電動モータトルクリップルの略１／２以下となっている。

図７を参照すると、図６に示した単一のモータでは電気角１周期に対して６回しか出現しなかったトルクリップルが、電気角１周期に対して１２回出現している、即ち、周波数が倍になっていることがわかる。上述した様に、モータで生じたトルクリップルは、コラム、ハンドルを通じてドライバに伝搬し、運転時の操舵感の悪化の要因となる恐れがあるが、これらの伝達関数はローパスフィルタとしての性質を有しているので、高周波数成分を伝搬させにくい。つまり、本実施例の如く、各々のモータの位相を電気角にして３０°ずらした場合、合計トルクリップル周波数が高くなることで、トルクリップルの大きさが低減されるのみならず、トルクリップル自体が伝搬されにくくなり、ドライバの運転時における操舵感の向上に大きく貢献する。

図７に示す如く、各々のモータの位相を電気角にして３０°ずらすためには、両モータの誘起電圧の位相をずらす必要があるが、両モータのステータ位相が同一である場合、ロータの組み付け位置を電気角にして３０°分ずらせば良く、ロータ位置が同一である場合には、ステータの取り付け位置を電気角にして３０°分ずらせばよい。なお、本実施例では両モータの電気角を３０°ずらす場合について説明したが、トルクリップルを低減させるためには、一方のトルクの最大値がもう一方のトルクの最小値と重なるような設定であればよく、例えばトルクリップルの周期のＮ＋１／２倍（Ｎは整数）の角度であることが好ましい。

また、２つの電動モータ３ａおよび３ｂが必ずしも同一のものである必要はなく、例えば、モータ３ａのトルクがモータ３ｂのトルクより大きくてもよい。この場合、トルクの大きなモータ３ａとしては、車種が異なっても常に同一のものを使用することとし、大量生産によりコスト低減を図ることが可能となり、車種による必要合計トルクの調整は、トルクの異なるモータ３ｂを任意に選択・変更することにより可能である。ここで、先に説明したように、同一のモータでなければ、周期をずらしてトルクリップルを効果的に相殺させることは困難であるが、例えばトルクの異なるモータ３ｂのスキュー角度を調整することでモータＢのトルクリップルのみを意図的に増減させて、モータＡのトルクリップルと同等になるように調整すればよい。この調整を行うことにより、両モータを同型のものとしたときと同様のトルクリップル低減効果が得られる。

図３は、第１実施例の変形例を示すものであり、以下第１実施例と同一の構成要素については、同一の符号を付すとともにその説明を省略する。

本変形例では、ウォーム軸２４と一体形成された各々のロータ軸３３ａ，ｂが、電動モータ３内部でロータ３２と接続されているのみで、図２で示す第１実施例のように、出力側ロータ軸受３４若しくは反出力側ロータ軸受３５によっては回転可能に支持されていない。この構成は、各ロータ軸３３ａ，ｂと一体形成されているウォーム軸２４がギアボックス２１内に設けられているウォーム軸受２５によって回転可能に支持されていることによって可能となっており、各電動モータ３ａおよび３ｂの内部に軸受を設けなくてもよいことで、モータのロータ軸方向の更なる小型化が可能となり、ロータ軸３３とロータ軸受３４，３５との軸受部における接触がなくなることで、ＥＰＳをさらに低振動・低騒音とすることを可能とする。

図４は、本発明の第２実施例を示すものである。以下第１実施例と同一の構成要素については、同一の符号を付すとともにその説明を省略する。

上述の通り、ウォーム減速機構２０において、ロータ軸３３とウォーム軸２４とは一体形成されることが好ましいが、各電動モータ３のロータ軸３３とウォーム減速機構２０のウォーム軸２４との連結の一方又は双方は、製造の容易性の観点から、カップリング３６等の締結手段を用いて実現されても良い。この場合、ウォーム軸２４とロータ軸３３の締結に用いるカップリング３６には、金属または弾性体等を用いることが可能であるが、２つの回転体を同心に固定できるものであれば、その他の締結手段が用いられても良い。この実施例によれば、ウォーム軸両端に設けられる電動モータのうち、双方若しくは片方の電動モータとして汎用品を用いることも可能であり、本発明の電動パワーステアリング装置の製造を安価かつ容易にする。また、トルクの異なる二つのモータを用いる場合、一方のモータとして同一のものを使用し大量生産によりコスト低減を図りつつ、他方のモータを任意に選択・変更して車種による必要合計トルクの調整を行うことがより容易になる。

図５は、第２実施例の変形例を示すものであり、以下第２実施例と同一の構成要素については、同一の符号を付すとともにその説明を省略する。

本実施例では、ウォーム軸２４とロータ軸３３の連結がカップリング３６によってなされている側に設けられた電動モータ３ｂ内部のロータ軸受３５が、反出力側３５ｂについてのみ設けられている。この構成によれば、図３に示した実施例と同様に、電動モータのロータ軸方向における更なる小型化が可能となるのみならず、軸受との接触がなくなることによって、低振動・低騒音のＥＰＳを得ることが可能となる。図３に示した実施例と本実施例とは、前者がウォーム軸の双方が一体形成されており、後者は一方のみがカップリング３６による接続となっている、という相違点を有している。ここで、本実施例のカップリング３６側に設置された電動モータ３ｂには出力側ロータ軸受３４が存在しないものの、反出力側ロータ軸受３５は存在している。即ち、本発明にかかるコントロールユニットを製造するにあたっては、ウォーム軸２４とロータ軸３３の接続方法を勘案し、装置全体の剛性をふまえて、最適構造の電動モータを選択すればよい。

なお、上記実施例および変形例は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれに限定するものではなく、その要旨を逸脱しない限り各種構成部品を適宜設計することができることはいうまでもない。

１ ……ステアリングシャフト
２ ……ハウジング
３ａ，ｂ……電動モータ
４ ……連結部材
５ ……ラックアンド・ピニオン式運動変換機構
６ ……ラック軸
７ ……ピニオン軸
８ ……ケース
９ ……制御基板
１０……電動パワーステアリング装置
２０……ウォーム減速機構
２１……ギアボックス
２２……ウォームホイール
２３……ウォームギア
２４……ウォーム軸
２５……ウォーム軸受
３２……ロータ
３３ａ，ｂ……ロータ軸
３４ａ，ｂ……出力側ロータ軸受
３５ａ，ｂ……反出力側ロータ軸受
３６……カップリング
３７……ステータ

Claims (8)

1. ウォーム軸の外周に設けられたウォームギアと前記ウォームギアと噛合するウォームホイールとを備えたウォーム減速機構、および前記ウォームギア減速機構を駆動させる駆動機構、を有しており、
   前記駆動機構は、前記ウォーム軸の両端部に設けられている
   電動パワーステアリング装置。
2. 前記駆動機構は前記ウォーム軸と同心のロータ軸を備えた電動モータであり、
   前記電動モータの前記ロータ軸は、前記ウォーム軸と一体形成されている
   請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記駆動機構は前記ウォーム軸と同心のロータ軸を備えた電動モータであり、
   少なくとも一方の前記電動モータの前記ロータ軸は、カップリングを用いて前記ウォーム軸に連結されている
   請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
4. 一方の電動モータの誘起電圧位相が、他方の電動モータの誘起電圧位相と異なる
   請求項２又は３に記載の電動パワーステアリング装置。
5. 前記一方の電動モータの誘起電圧位相が、前記他方の電動モータの誘起電圧位相と比較してトルクリップル周期の略Ｎ（Ｎは整数）＋１／２倍分ずれている
   請求項４記載の電動パワーステアリング装置。
6. 各々の前記電動モータは、独立した制御系により同一回転方向にトルク制御される
   請求項２乃至５の何れかに記載の電動パワーステアリング装置。
7. 各々の前記電動モータは、共通の制御系により同一回転方向にトルク制御される
   請求項２乃至５の何れかに記載の電動パワーステアリング装置。
8. 前記独立した制御系の一方に異常を検知した場合に、操縦者に警告信号を送ると共に異常を検知した前記制御系に接続された前記電動モータの駆動電流を停止させ、異常を検知しなかった他方の前記制御系に接続された前記電動モータのみの制御・駆動によって、操舵補助を行う
   請求項６に記載の電動パワーステアリング装置。

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