JP2012020646A

JP2012020646A - 車両用操舵装置

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Publication number: JP2012020646A
Application number: JP2010159734A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Tanimoto; 清谷本
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2010-07-14
Filing date: 2010-07-14
Publication date: 2012-02-02
Anticipated expiration: 2030-07-14
Also published as: JP5594523B2

Abstract

【課題】耐久性に優れた車両用操舵装置を提供することである。
【解決手段】第１及び第２の電動モータ２１，２２によってボールナット３４を回転駆動し、ねじ軸３３を有する転舵軸６の軸方向移動に変換して、転舵する。両電動モータ２１，２２が共通のロータコア２８を有する。ロータコア２８の肉厚ｔが、中央部２８３から各端部２８１，２８２に近づくにしたがって次第に薄くなる。路面反力によるラジアル荷重Ｆ１が転舵軸６の端部６１に負荷されて、ねじ軸３３が撓むときに、その撓みに追従して、ロータコア２８が撓み、ボールナット３４を径方向に変位させる（逃がす）。ボールナット３４が、ねじ軸３３の撓みに抗してラジアル方向に突っ張るようなことがない。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両用操舵装置に関する。

車両用操舵装置として、近年、車室内部のステアリングホイール等の操舵部材を車室外部の転舵機構から機械的に分離して配し、この操舵部材の操作方向及び操作量の検出結果に基づいて、転舵機構のための転舵モータを駆動制御し、転舵機構に動作力を加えて操舵を行わせる構成とした操舵装置、いわゆるステアバイワイヤ式の操舵装置が提案されている。

このようなステアバイワイヤ式の操舵装置においては、操舵部材と転舵機構との機械的な連結が絶たれていることから、転舵機構に設けられる転舵モータのフェイルセーフ対策が不可欠である。そこで、特許文献１では、転舵機構に２つの電動モータを設け、一方の電動モータに異常が生じたとき、他方の電動モータを単独にて駆動して補助的な操舵を行わせ得ることが提案されている。

また、特許文献２では、中空のモータ軸の一側の内周面とこのモータ軸に挿通されるラック軸の外周面との間に、モータ軸の回転トルクをラック軸の軸方向における往復動に変換するボールねじ機構が介装されている。また、モータ軸の他側の外周面とモータを収容するハウジングとの間には、軸受が設けられている。このため、モータ軸は、ボールねじ機構および軸受を介してラック軸およびハウジングにより回転可能に支持されることとなる。

また、特許文献２では、内周側からの外力に対して弾性変形可能な環状ブッシュが、モータ軸の一側の外周面に対して隙間を介して対向するようにハウジングに固定されている。これにより、操舵輪およびラック軸を介してモータ軸に過大な外力が伝達されて当該モータ軸が軸受を支点としてラジアル方向に変位する場合、環状ブッシュの内周面にモータ軸の外周面が接触し上記外力に応じて環状ブッシュが弾性変形する。この環状ブッシュの弾性変形に応じた弾性力により、モータ軸のラジアル方向への変位が抑制される。

特開２００９−２９２３３１号公報（図２、第１４段落）特開２０１０−６４５３６号公報（第８、第９段落）

ところで、転舵用の２つの電動モータのロータのロータコアを一体化した共通のロータコアを用い、このロータコアの軸方向の両端を軸受を介してハウジングによって支持する場合を想定する。この場合、路面反力等でラック軸にラジアル負荷がかかったときに、長尺である一体ロータが撓み難いと、ロータコアの中央部に配置されたボールねじ機構のねじ嵌合部に、多大なラジアル荷重が負荷され、耐久性が低下するという問題がある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、耐久性に優れた車両用操舵装置を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明は、筒状のハウジング（５）と、上記ハウジング内に挿通され、軸方向（Ｘ１）に移動可能な転舵軸（６）と、上記転舵軸の一部に設けられたねじ軸（３３）と、ボール（３５）を介して上記ねじ軸と螺合するボールナット（３４）と、上記ボールナットを回転駆動する第１および第２の電動モータ（２１，２２）と、を備え、上記第１および第２の電動モータは、上記軸方向に並び上記ハウジングの内周面（５ａ）に固定された第１および第２のステータ（２４，２６）と、上記第１および第２のステータにそれぞれ対向する第１および第２のロータ（２５，２７）と、を含み、上記第１および第２のロータは、共通の筒状のロータコア（２８）と、上記第１および第２のステータとそれぞれ対向し上記ロータコアの外周面（２８ａ）に同伴回転可能に支持された第１および第２の永久磁石（２９，３０）と、を有し、上記ロータコアの軸方向の第１および第２の端部（２８１，２８２）が、上記ハウジングによって支持された第１および第２の軸受（３１，３２）によって、それぞれ回転可能に支持され、上記ボールナットは、上記ロータコアの軸方向の中央部（２８３）に配置され、上記ロータコアの肉厚（ｔ１）が、上記ロータコアの上記軸方向の中央部から各端部に近づくにしたがって次第に薄くされている車両用操舵装置を提供する（請求項１）。

本発明によれば、ロータコアの肉厚が、上記ロータの上記軸方向の中央部から各端部に向かうにしたがって次第に薄くされているので、ロータコアが、その端部に近づくにしたがって撓み易くなる。路面反力によって転舵軸の端部にラジアル荷重が負荷され、これに伴って、ねじ軸が撓むときに、そのねじ軸の撓みに追従して、ボールナットを支持しているロータコアが撓み、これにより、ボールナットを径方向に変位させる（逃がす）ことができる。すなわち、ボールナットが、ねじ軸の撓みに抗してラジアル方向に突っ張るようなことがないので、ボールナットに負荷されるラジアル荷重を格段に低減することができる。その結果、ボールねじ機構に負荷されるラジアル荷重を格段に低減して、耐久性を向上することができる。

また、上記第１のロータは、上記ロータコアの外周面に嵌合された筒状の第１の弾性部材（３８）と、上記第１の弾性部材の外周面（３８ａ）に嵌合された硬質の第１の円筒部材（３９）と、上記第１の円筒部材の外周面（３９ａ）に嵌合された第１の永久磁石（２９）と、を含み、上記第２のロータは、上記ロータコアの外周面に嵌合された筒状の第２の弾性部材（４０）と、上記第２の弾性部材の外周面（４０ａ）に嵌合された硬質の第２の円筒部材（４１）と、上記第２の円筒部材の外周面（４１ａ）に嵌合された第２の永久磁石（３０）と、を含む場合がある（請求項２）。

この場合、各永久磁石を対応する硬質の円筒部材で支持し、その対応する硬質の円筒部材とロータコアとの間に、対応する弾性部材を介在している。したがって、ロータコアが曲げ変形したとしても、そのロータコアの変形を各弾性部材によって吸収することができる。その結果、各永久磁石が曲げ変形しないので、耐久性を向上することができる。また、各永久磁石を対応する硬質の円筒部材で支持しているので、各永久磁石の心ずれが少なく、各電動モータの出力特性が安定している。

なお、上記において、括弧内の数字等は、後述する実施形態における対応構成要素の参照符号を表すものであるが、これらの参照符号により特許請求の範囲を限定する趣旨ではない。

本発明の一実施の形態にかかる車両用操舵装置の概略構成を示す模式図である。転舵軸と転舵軸を駆動する機構の概略断面図である。転舵軸を駆動する機構の要部の拡大図である。第１のロータの概略拡大断面図である。第２のロータの概略拡大断面図である。

本発明の好ましい実施の形態を添付図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明の一実施の形態の車両用操舵装置の概略構成を示す模式図である。図１を参照して、本車両用操舵装置１は、ステアリングホイール等の操舵部材２と転舵輪３との機械的な結合が解除された、いわゆるステアバイワイヤシステムを構成している。
操舵部材２の回転操作に応じて駆動される、例えばブラシレスの電動モータを含む転舵用アクチュエータ４の動作を、ハウジング５に支持された転舵軸６の車幅方向の直線運動に変換し、この転舵軸６の直線運動を舵取り用の左右の転舵輪３の転舵運動に変換することにより転舵が達成される。

転舵用アクチュエータ４の駆動力（出力軸の回転力）は、転舵軸６に関連して設けられた運動変換機構（たとえば、ボールねじ機構）により、転舵軸６の軸方向Ｘ１（車幅方向）の直線運動に変換される。この転舵軸６の直線運動は、転舵軸６の両端から突出して設けられたタイロッド７に伝達され、ナックルアーム８の回動を引き起こす。これにより、ナックルアーム８に支持された転舵輪３の転舵が達成される。

転舵軸６、タイロッド７およびナックルアーム８などにより、転舵輪３を転舵するための転舵機構５０が構成されている。転舵軸６を支持するハウジング５は、図示しないブラケット等を介して車体に固定されている。
操舵部材２は、車体に対して回転可能に支持された回転シャフト９に連結されている。この回転シャフト９には、操舵部材２に操作反力を与えるための反力用アクチュエータ１０が付設されている。反力用アクチュエータ１０は、回転シャフト９と一体の出力シャフトを有するブラシレスモータ等の電動モータを含む。

回転シャフト９の操作部材２とは反対側の端部には、例えば渦巻きばね等からなる弾性部材１１が車体との間に結合されている。この弾性部材１１は、反力用アクチュエータ１０が操舵部材２にトルクを付加していないときに、その弾性力によって、操舵部材２を直進操舵位置に復帰させる。
操舵部材２の操作入力値を検出するために、回転シャフト９に関連して、操舵部材２の操舵角θ_hを検出するための操舵角センサ１２が設けられている。また、回転シャフト９には、操舵部材２に加えられた操舵トルクＴを検出するためのトルクセンサ１３が設けられている。一方、転舵軸６に関連して、転舵輪３の転舵角δ_W（タイヤ角）を検出するための転舵角センサ１４が設けられている。

これらのセンサの他にも、車速Ｖを検出する車速センサ１５と、車体６０の上下加速度Ｇ_Zを検出する悪路状態検出センサとしての上下加速度センサ１６と、車両の横加速度Ｇ_yを検出する横加速度センサ１７と、車両のヨーレートγを検出するヨーレートセンサ１８とが設けられている。
上記のセンサ類１２〜１８の各検出信号は、マイクロコンピュータを含む構成の電子制御ユニット（ＥＣＵ）からなる車両制御手段としての制御装置１９に入力されるようになっている。

制御装置１９は、操舵角センサ１２によって検出された操舵角θ_hおよび車速センサ１５によって検出された車速Ｖに基づいて、目標転舵角を設定し、この目標転舵角と転舵角センサ１４によって検出された転舵角δ_Wとの偏差に基づいて、駆動回路２０Ａを介し、転舵用アクチュエータ４を駆動制御（転舵制御）する。
一方、制御装置１９は、センサ類１２〜１８が出力する検出信号に基づいて、操舵部材２の操舵方向と逆方向の適当な反力が発生されるように、駆動回路２０Ｂを介して、反力用アクチュエータ１０を駆動制御（反力制御）する。

図２を参照して、転舵軸６の途中部は、筒状のハウジング５内に挿入されている。ハウジング５の両端部に支持された第１および第２のブッシュ５１，５２によって、転舵軸６が軸方向Ｘ１に移動可能に支持されている。ハウジング５の内周面５ａとハウジング５内に挿入された転舵軸６との間に、転舵用アクチュエータ４を構成する第１および第２の電動モータ２１，２２と、これら電動モータ２１，２２の出力回転を転舵軸６の軸方向移動に変換する運動変換機構としてのボールねじ機構２３とが配置されている。

転舵用アクチュエータ４を構成する第１の電動モータ２１および第２の電動モータ２２は、ハウジング５内に、軸方向Ｘ１に並んで配置されている。第１の電動モータ２１は、ハウジング５の内周面５ａに固定された第１のステータ２４と、第１のステータ２４に対向する第１のロータ２５とを備えている。第２の電動モータ２２は、ハウジング５の内周面５ａに固定された第２のステータ２６と、第２のステータ２６に対向する第２のロータ２７とを備えている。

第１のロータ２５および第２のロータ２７は、転舵軸６の周囲を取り囲む共通の筒状のロータコア２８を有している。第１のロータ２５は、共通のロータコア２８の円筒状の外周面２８ａを取り囲んで配置された第１の永久磁石２９を有している。第２のロータ２７は、共通のロータコア２８の外周面２８ａを取り囲んで配置された第２の永久磁石３０を有している。

ハウジング５は、第１および第２の軸受３１，３２を介して、ロータコア２８の軸方向の両端部を回転可能に支持している。具体的には、ロータコア２８は軸方向に関して第１および第２の端部２８１，２８２を有している。第１および第２の端部２８１，２８２は、それぞれ、断面Ｌ字形形状をなしている。ハウジング５は、第１の軸受３１を介して、ロータコア２８の第１の端部２８１を回転可能に支持している。また、ハウジング５は、第２の軸受３２を介して、ロータコア２８の第２の端部２８２を回転可能に支持している。第１の軸受３１および第２の軸受３２の各外輪は、ハウジング５に対する軸方向移動が規制され、また、第１の軸受３１および第２の軸受３２の各内輪は、ロータコア２８に対する軸方向移動が規制されている。これにより、ハウジング５に対するロータコア２８の軸方向移動が規制されている。

ボールねじ機構２３は、転舵軸６の一部に形成されたねじ軸３３と、ねじ軸３３の周囲を取り囲み、上記ロータコア２８と同伴回転するボールナット３４と、列をなす多数のボール３５とを備えている。上記ボール３５は、ボールナット３４の内周に形成された螺旋状のねじ溝３６（雌ねじ溝）と、ねじ軸３３の外周に形成されたらせん状のねじ溝３７（雄ねじ溝）との間に介在している。

ボールナット３４は、ロータコア２８の軸方向の中央部２８３において、ロータコア２８の内周面２８ｂに同伴回転可能に嵌合されている。また、ロータコア２８の内周溝（図示せず）に係止された止め輪（図示せず）等を用いて、ボールナット３４とロータコア２８の軸方向相対移動が規制されている。
ロータコア２８の内周面２８ｂは、上記中央部２８３においては、円筒面に形成されている。ロータコア２８の内周面２８ｂは、中央部２８３から、断面Ｌ字形の第１の端部２８１側へ近づくにしたがって、湾曲状に或いはテーパ状に次第に拡径されている。また、ロータコア２８の内周面２８ｂは、中央部２８３から、断面Ｌ字形の第２の端部２８２側へ近づくにしたがって、湾曲状に或いはテーパ状に次第に拡径されている。これにより、ロータコア２８の肉厚ｔ１は、中央部２８３から各端部２８１，２８２に近づくにしたがって、次第に薄くなっている。その結果、ロータコア２８が、各端部２８１，２８２に近づくにしたがって、撓み易くなっている。

これは、例えば、転舵軸６の端部６１に路面反力によるラジアル荷重Ｆ１が負荷されたときに、ボールねじ機構２３に負荷されるラジアル荷重を低減するためである。具体的には、第１のブッシュ５１に、上記ラジアル荷重Ｆ１とは反対方向のラジアル荷重Ｇ１が発生する。また、第１のブッシュ５１を中心とする力のモーメントの釣り合いから、ロータコア２８からボールナット３４を介してねじ軸３３に、ラジアル荷重Ｆ１と同方向のラジアル荷重Ｈ１が負荷されることになる。

図２の拡大図である図３に示すように、第１のロータ２５の第１の永久磁石２９は、ロータコア２８の外周面２８ａに、筒状の第１の弾性部材３８および硬質の第１の円筒部材３９を介して同伴回転可能に支持されている。また、第２のロータ２７の第２の永久磁石３０は、ロータコア２８の外周面２８ａに、筒状の第２の弾性部材４０および硬質の第２の円筒部材４１を介して同伴回転可能に支持されている。第１および第２の円筒部材３９，４１としては、例えば非磁性体であるアルミニウム板を用いることができる。

第１および第２の弾性部材３８，４０としては、変形し易いが復元し易いシート状のゴム材を用いることが好ましく、ゴム材としては、例えば、天然ゴム（ＮＲ）、ポリイソプレンゴム（ＩＲ）、ハロゲン化ブチレンゴム（塩素化ブチルゴム、臭素化ブチルゴムなど）、ポリブタジエンゴム（ＢＲ）、スチレーンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、エチレン−プロピレンゴム（ＥＰＭ）、エチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、アクリロニトリル−ブタジエンゴム（ＮＢＲ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）などを用いることができる。

図４に示すように、ロータコア２８の外周面２８ａに、筒状の第１の弾性部材３８が同伴回転可能に嵌合されている。その第１の弾性部材３８の外周面３８ａに、硬質の第１の円筒部材３９が同伴回転可能に嵌合されている。その第１の円筒部材３９の外周面３９ａに、第１の永久磁石２９が同伴回転可能に嵌合されている。第１の弾性部材３８は、ロータコア２８および第１の円筒部材３９の少なくとも一方に、接着されていてもよい。

無負荷の状態では、ロータコア２８、第１の弾性部材３８、第１の円筒部材３９および第１の永久磁石２９は、同心に配置されている。第１の円筒部材３９および第１の永久磁石２９は、第１の弾性部材３８によって、径方向に変位可能（ロータコア２８に対して偏心可能）に弾性支持されている。
図５に示すように、ロータコア２８の外周面２８ａに、筒状の第２の弾性部材４０が同伴回転可能に嵌合されている。その第２の弾性部材４０の外周面４０ａに、硬質の第２の円筒部材４１が同伴回転可能に嵌合されている。その第２の円筒部材４１の外周面４１ａに、第２の永久磁石３０が同伴回転可能に嵌合されている。第２の弾性部材４０は、ロータコア２８および第２の円筒部材４１の少なくとも一方に、接着されていてもよい。

無負荷の状態では、ロータコア２８、第２の弾性部材４０、第２の円筒部材４１および第２の永久磁石３０は、同心に配置されている。第２の円筒部材４１および第２の永久磁石３０は、第２の弾性部材４０によって、径方向に変位可能（ロータコア２８に対して偏心可能）に弾性支持されている。
本実施の形態によれば、ロータコア２８の肉厚ｔ１が、軸方向の中央部２８３から各端部２８１，２８２に近づくにしたがって次第に薄くされているので、ロータコア２８の剛性を、その端部２８１，２８２に近づくにしたがって低下させることができる。すなわち、端部２８１，２８２に近づくにしたがってロータコア２８が撓み易くなる。

したがって、図２に示すように、路面反力によるラジアル荷重Ｆ１が転舵軸６の端部６１に負荷され、これに起因して、ねじ軸３３の中央部が撓むときに、ねじ軸３３の撓みに追従して、ボールナット３４のハウジングとなるロータコア２８が撓むので、ボールナット３４を径方向に変位させる（逃がす）ことができる。
換言すると、ボールナット３４が、ねじ軸３３の撓みに抗してラジアル方向に突っ張るようなことがない。したがって、ボールナット３４に負荷されるラジアル荷重Ｈ１を格段に低減することができる。その結果、ボールねじ機構２３に負荷されるラジアル荷重を格段に低減して、耐久性を向上することができる。

また、第１および第２の永久磁石２９，３０のそれぞれを、対応する硬質の円筒部材３９，４１で支持し、その対応する硬質の円筒部材３９，４１とロータコア２８との間に、対応する弾性部材３８，４０を介在している。したがって、路面反力により転舵軸６に追従してロータコア２８が曲げ変形したとしても、そのロータコア２８の変形を各弾性部材３８，４０によって吸収することができる。その結果、第１および第２の永久磁石２９，３０が曲げ変形しないので、耐久性を向上することができる。また、第１および第２の永久磁石２９，３０を対応する硬質の円筒部材３９，４１で支持しているので、第１および第２の永久磁石２９，３０の心ずれが少なく、第１および第２の電動モータ２１，２２の出力特性が安定している。

上述の実施形態では、本発明が、操舵部材と転舵輪との機械的な連結が解除されたステア・バイ・ワイヤ式の車両用操舵装置に適用された例について説明したが、これに限らない。例えば、電動モータの出力を操舵補助力として出力する電動パワーステアリング装置に本発明を適用してもよい。また、操舵部材の操舵角に対する転舵輪の転舵角の比を変更可能な伝達比可変機構を備え、伝達比可変機構を駆動するために電動モータの出力を用いる伝達比可変式の車両用操舵装置に、本発明を適用してもよい。その他、請求項記載の範囲内で種々の変更を施すことができる。

１…車両用操舵装置、２…操舵部材、３…転舵輪、４…転舵用アクチュエータ、５…ハウジング、５ａ…内周面、６…転舵軸、２１…第１の電動モータ、２２…第２の電動モータ、２３…ボールねじ機構、２４…第１のステータ、２５…第１のロータ、２６…第２のステータ、２７…第２のロータ、２８…ロータコア、２８ａ…外周面、２８ｂ…内周面、２８１…第１の端部、２８２…第２の端部、２８３…中央部、２９…第１の永久磁石、３０…第２の永久磁石、３１…第１の軸受、３２…第２の軸受、３３…ねじ軸、３４…ボールナット、３５…ボール、３８…第１の弾性部材、３８ａ…外周面、３９…第１の円筒部材、３９ａ…外周面、４０…第２の弾性部材、４０ａ…外周面、４１…第２の円筒部材、…外周面、ｔ１…肉厚、Ｘ１…軸方向

Claims

筒状のハウジングと、
上記ハウジング内に挿通され、軸方向に移動可能な転舵軸と、
上記転舵軸の一部に設けられたねじ軸と、
ボールを介して上記ねじ軸と螺合するボールナットと、
上記ボールナットを回転駆動する第１および第２の電動モータと、を備え、
上記第１および第２の電動モータは、上記軸方向に並び上記ハウジングの内周面に固定された第１および第２のステータと、上記第１および第２のステータにそれぞれ対向する第１および第２のロータと、を含み、
上記第１および第２のロータは、共通の筒状のロータコアと、上記第１および第２のステータとそれぞれ対向し上記ロータコアの外周面に同伴回転可能に支持された第１および第２の永久磁石と、を有し、
上記ロータコアの軸方向の第１および第２の端部が、上記ハウジングによって支持された第１および第２の軸受によって、それぞれ回転可能に支持され、
上記ボールナットは、上記ロータコアの軸方向の中央部に配置され、
上記ロータコアの肉厚が、上記ロータコアの上記軸方向の中央部から各端部に近づくにしたがって次第に薄くされている車両用操舵装置。
請求項１において、上記第１のロータは、上記ロータコアの外周面に嵌合された筒状の第１の弾性部材と、上記第１の弾性部材の外周面に嵌合された硬質の第１の円筒部材と、上記第１の円筒部材の外周面に嵌合された第１の永久磁石と、を含み、
上記第２のロータは、上記ロータコアの外周面に嵌合された筒状の第２の弾性部材と、上記第２の弾性部材の外周面に嵌合された硬質の第２の円筒部材と、上記第２の円筒部材の外周面に嵌合された第２の永久磁石と、を含む車両用操舵装置。