JP2014234071A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アシストピニオンに設ける電動モータと減速機構とを一体化させ、車両搭載性の向上が可能な電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】ピニオン軸１２がＣＷに回転中であるとき、ＳＥＴ３では内歯２３と外歯２４との位相が一致しており、コイル１７に流れる電流は、吸引状態の電流値から０に戻り、内歯２３は、戻し用弾性体２５により押圧され外歯２４との密着状態から離れ開放される。続くＳＥＴ２では内歯２３の位相は、外歯２４の位相に対して、位相差θだけＣＷにずれており、コイル１７に流れる電流は、吸引状態での最大電流値となり、歯面の接触により外歯２４にはＣＷに接触反力が働き、接触反力の方が吸引力より大きくなりアシストトルクが発生する。残りの各ＳＥＴではコイル１７に反発力を発生させる小電流が流れ、内歯２３を径方向外側に戻して外歯２４との干渉が防止される。
【選択図】図３

Description

本発明は、ダブルピニオンタイプの電動パワーステアリング装置に関し、特に、アシストピニオンの電動モータと減速機構を一体化させ、搭載性の向上を可能にした電動パワーステアリング装置に関する。

電動パワーステアリング装置には、例えば、操舵部材（ステアリングホイール）からの操舵力をラック軸に伝達するピニオン（マニアルピニオン）と、電動モータからの操舵補助力（アシスト力）をラック軸に伝達するピニオン（アシストピニオン）とを有する、いわゆるダブルピニオンタイプの電動パワーステアリング装置がある（例えば、特許文献１参照）。このタイプの電動パワーステアリング装置は、車両レイアウト上、電動モータをステアリングシャフト近傍に配置できない場合に有利となる。

特開２００２−１５４４４２号公報

ところが、特許文献１に記載されたアシストピニオンにウォームシャフトおよびウォームホイール減速機が設けられ、ウォームシャフトを電動モータで駆動するダブルピニオンタイプの電動パワーステアリング装置においては、電動モータに搭載性の自由度はあるものの、減速機と電動モータとの搭載スペースが大きくなり、また部品点数も増加するので車両レイアウト上不利となる場合がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、アシストピニオンに設ける電動モータと減速機構とを一体化させ、車両搭載性の向上が可能な電動パワーステアリング装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、ステアリングホイールに連結されたマニアルピニオンと、前記マニアルピニオンに噛合うラック軸と、前記マニアルピニオンと離間した位置で前記ラック軸に噛合うアシストピニオンと、前記アシストピニオンを減速機構を介して駆動する電動モータと、前記電動モータを収容するハウジングと、を備え、前記電動モータは、前記アシストピニオンのピニオン軸の外周面に周方向に等間隔に複数のマグネットが設けられたロータと、前記ハウジング内に固定されたベースに周方向に等間隔に複数のコイルが設けられたステータと、前記各マグネットの前記ラック軸側に配置され、前記ピニオン軸の外周面に形成された複数の外歯と、前記ベースに径方向に設けられた収納孔に支持され、前記各コイルの前記ラック軸側に配置され、前記ベースの内周面に形成された複数の内歯と、を備え、前記減速機構は、前記内歯と、前記内歯に噛み合う前記外歯とからなることを要旨とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の電動パワーステアリング装置において、前記内歯は、通電された前記コイルと、前記マグネットとの間に発生する吸引力または反発力により径方向に移動可能に設けられたことを要旨とする。

請求項３の発明は、請求項２に記載の電動パワーステアリング装置において、前記外歯の個数は、前記内歯の個数より少なくとも１個以上多くなるように形成されていることを要旨とする。

請求項４の発明は、請求項２または請求項３に記載の電動パワーステアリング装置において、前記ピニオン軸の外周に前記内歯を前記ピニオン軸と反対方向に付勢する弾性部材を備えたことを要旨とする。

請求項１に係る発明によれば、減速機構はピニオン軸外周面に固定された複数個の外歯とハウジング内のベース内周面に設けられた複数個の内歯とからなり、外歯と内歯との回転方向の位相がわずかにずれた所定の位相差を有した位置で外歯と内歯との間の吸引力が最大となる。このとき、外歯には、この歯面の接触により接触反力、すなわちアシストトルクが発生し、このときの接触反力が吸引力より大きいので、発生した回転力によりピニオン軸が回転する。これにより、電動モータによるアシスト力を減速機構を介してピニオン軸に発生させてラック軸に伝達することができる。また、減速機構を電動モータに一体化して小型化が図れるので、電動パワーステアリング装置の搭載スペースを小さくでき、搭載性の自由度が大きくなる。

請求項２に係る発明によれば、各コイルに流す電流を変化させることにより、内歯が吸引力または反発力によって外歯に対して移動可能になっているので、外歯と内歯との位相（回転方向位置）のずれの大きさに応じて、コイルに流す電流を変化させ、外歯に対する内歯の径方向の位置を調整できる。これにより、ピニオン軸に電動モータによるアシスト力を発生させラック軸に伝達することができる。

請求項３に係る発明によれば、外歯の個数は、内歯の個数より少なくとも１個以上多く設定されているので、各コイルへの通電を一周させると、ピニオン軸は外歯と内歯との位相のわずかなずれ分および歯の個数により設定される所定の角度だけ回転する。これにより、ピニオン軸は、外歯と内歯との歯の個数差により減速駆動され、ピニオン軸に電動モータによるアシスト力を発生させラック軸に伝達することができる。

請求項４に係る発明によれば、外歯と内歯との位相が一致した位置にある場合、コイルに流す電流を０として、内歯は、ピニオン軸外周側に設けた弾性部材により径方向にピニオン軸とは反対側に付勢される。これにより、内歯は、ピニオン軸から遠ざかる方向に移動して外歯との吸引力による密着状態から離され、隙間を有した開放状態となる。

本発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置の概略構成を示す模式図。 本発明の実施形態に係る電動モータの縦断面図。 図２をＡ−Ａ方向から見た減速機構の断面図。 （ａ）は、図２の磁気回路の詳細を示す構成図、（ｂ）は、図３の弾性部材と内歯との関係を示す図。 図３に対してピニオン軸が外歯と内歯との位相差だけ回転した後の外歯と内歯との関係を示す図。

次に、本発明の実施形態に係る車両に搭載される電動パワーステアリング装置について、図に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置１の概略構成を示す模式図である。図１に示すように、電動パワーステアリング装置１は、ステアリングホイール９と、ステアリングシャフト８と、操舵機構３を構成するマニアルピニオン６およびアシストピニオン１０と、ラック軸５と、アシストピニオン１０に連結される電動モータ４と、を備えて構成されている。操舵機構３は、ラック軸５の両端に連結されたタイロッド３ａにより、車輪２を操舵する。ラック軸５は、軸方向に移動可能に車両の左右方向に延在して配設されたギヤハウジング２６に支持されており、図１における左側の領域には第１ラック歯５ａが形成され、右側の領域には第２ラック歯５ｂが形成されている。そして、ギヤハウジング２６には、減速機構１１を一体化して収容した電動モータ４が一体的に取り付けられている。

第１ラック歯５ａには、マニアルピニオン６が噛合している。マニアルピニオン６は、トルクセンサ７を介してステアリングシャフト８に連結されてラック軸５と交差する軸線の回りに回転可能に支持されており、ステアリングシャフト８の上端に取り付けられているステアリングホイール９によって回転される。トルクセンサ７は、制御装置１３に電気的に接続されており、ステアリングシャフト８に連結された操舵力を検出し、制御装置１３に対して操舵力に応じた検出信号を送信可能となっている。

第２ラック歯５ｂには、アシストピニオン１０が噛合している。アシストピニオン１０は、ピニオン軸１２を介して電動モータ４に連結されている。電動モータ４は、制御装置１３に対して電気的に接続されており、図示しない電源装置および電源ケーブルにより、電力供給がおこなわれ、制御装置１３からの駆動信号に応じてアシスト力（操舵補助力）を出力可能となっている。

また、ギヤハウジング２６には、ラック軸５をマニアルピニオン６およびアシストピニオン１０に向けて押圧するサポートヨーク手段（図示せず）が設けられ、このサポートヨーク手段によってラック軸５とマニアルピニオン６およびアシストピニオン１０との噛合を適正に維持するようにしている。

上記した構成により、運転者がステアリングホイール９を操作すると、ステアリングシャフト８に連結されたマニアルピニオン６が回転し、ラック軸５を軸方向に移動させるとともに、トルクセンサ７がステアリングシャフト８の操舵力を検出し、制御装置１３に検出信号を送信する。制御装置１３は、この検出信号に応じて、操舵補助用の電動モータ４を駆動して、アシスト力をラック軸５に伝達することが可能となる。

次に、図２は、本発明の実施形態に係る電動モータ４の縦断面図、図３は、図２をＡ−Ａ方向から見た減速機構１１の断面図、図４（ａ）は、図２の磁気回路の詳細を示す構成図、（ｂ）は、図３の戻し用弾性体２５と内歯２３との関係を示す図である。図２に示すように、ピニオン軸１２の一端には、ピニオン軸１２の位相を検出する回転角センサ１４を連結している。ピニオン軸１２の他端は、ラック軸５（図１参照）に形成された第２ラック歯５ｂ（図１参照）と噛合している。

電動モータ４は、ステータ１５とロータ２０とから構成され、減速機構１１とともに、金属製（例えば、鉄）のモータハウジング２２の内側に収容されるように配置されている。ステータ１５は、円筒状に形成され、複数個（本実施形態では、１１個）のコイル１７がコア（鉄芯）１８に巻回されてモータハウジング２２の内周面に固定されたベース１６に嵌め込んで配置されている。ベース１６は、金属材料（例えば、鉄）または樹脂材料により形成されている。

ロータ２０は、複数個（本実施形態では、１２個）のセグメント磁石のマグネット（永久磁石）２１がピニオン軸１２の外周面に軸線方向に延設して固定され、ステータ１５のベース１６の内周面に対向するようにステータ１５に対して相対回転可能に配置されている。すなわち、ステータ１５の各コイル１７に電力を供給することにより、ロータ２０がステータ１５に対して回転軸（ピニオン軸１２）中心に回転するようになっている。

次に、減速機構１１の構成について説明する。減速機構１１は、モータハウジング２２の内部に収容され、内歯２３と、内歯２３を収納するベース１６と、外歯２４と、外歯２４を固定するピニオン軸１２とから構成される。外歯２４および内歯２３は、金属材料（例えば、鉄）からなり、インボリュート歯形に形成されており、外歯２４の個数（本実施形態では、１２個）Ｎ２は、内歯２３の個数（本実施形態では、１１個）Ｎ１より１個多くなるように形成されている。ここで、外歯個数Ｎ２はマグネット２１の個数と、内歯個数Ｎ１はコイルの個数と等しく配設されている。

内歯２３は、各コイル１７の軸線方向直下の位置に、回転軸中心から径方向に延出してベース１６に設けられた収納孔１９に移動可能に収納されている。また、外歯２４は、各マグネット２１の軸線方向直下の位置に、内歯２３と噛み合うようにピニオン軸１２の外周面に固定されている。図４（ａ）に示すように、コイル１７、内歯２３、外歯２４、およびマグネット２１によりそれぞれ磁気回路（矢印破線で示す）が形成されている。

次に、減速機構１１によるピニオン軸１２の減速動作について説明する。図３に示すように、コイル１７および内歯２３、ならびにマグネット２１および外歯２４は、それぞれピニオン軸１２を中心とした回転方向に等間隔となるように形成されている。回転角センサ１４（図２参照）により検出されるピニオン軸１２の位相に応じて、各コイル１７に流す電流は個別に制御される。その電流により内歯２３と近傍の外歯２４との間には吸引力または反発力が発生し、吸引力により内歯２３が径方向にピニオン軸１２側へ、または反発力により径方向にピニオン軸１２と反対方向へ移動する。

図３において、ピニオン軸１２はＣＷ（時計方向）に回転中である。ＳＥＴ３（外歯と内歯との周方向位置関係を表わす）では内歯２３と外歯２４との位相が一致している。このとき、コイル１７に流れる電流は、吸引状態の電流値から０に戻り、内歯２３は、図４（ｂ）に示す弾性部材（例えば、ゴムなど）からなる戻し用弾性体２５により押圧されマグネット２１により形成された磁気回路による外歯２４との密着状態から離れ開放される。続くＳＥＴ２では内歯２３の位相は、外歯２４の位相に対して、位相差θ（ｄｅｇ）（＝３６０°／内歯個数Ｎ１−３６０°／外歯個数Ｎ２）だけＣＷにずれている。このとき、コイル１７に流れる電流は、吸引状態での最大電流値となり、歯面の接触により外歯２４にはＣＷに接触反力が働き、アシストトルクが発生する。すなわち、歯面の圧力角による接触反力のＣＷ回転力が吸引力の同方向成分より大きくなる。残りの各ＳＥＴではコイル１７に反発力を発生させる小電流が流れ、反発力により内歯２３を径方向外側に戻して外歯２４との干渉が防止される。

続いて、図５は、図３に対してピニオン軸１２が外歯２４と内歯２３との位相差θだけ回転した後の外歯２４と内歯２３との関係を示す図である。ピニオン軸１２が図３に対して位相差θだけＣＷ回転した状態において、図５に示すＳＥＴ１’，ＳＥＴ２’，ＳＥＴ３’のそれぞれの内歯２３と外歯２４との位相関係は、図３におけるＳＥＴ２，ＳＥＴ３，ＳＥＴ４と同じ位相関係になっている。コイル１７に流れる電流も同様に連続的に制御されている。そして、この通電動作パターンが一周にわたって繰り返されたとき、ピニオン軸１２は、位相差θ×内歯個数Ｎ１（ｄｅｇ）（＝３６０°／外歯個数Ｎ２、ただし、外歯個数Ｎ２＝内歯個数Ｎ１＋１）だけＣＷ回転しているようになっている。

上述したように、本実施形態の減速機構１１は、外歯２４と内歯２３との個数差（本実施形態では、１個）を設け、各ＳＥＴにおいては位相差θのわずかな回転角度の間のみ歯面の摺動、接触反力を発生させることにより、個数差に基づいて減速するものである。ここで、減速機構１１の回転比１／Ｒは、１／Ｒ＝（Ｎ２−Ｎ１）／Ｎ２により算出される。外歯２４は内歯２３と噛み合っているため、ピニオン軸１２が一回転すると外歯２４は内歯２３との個数差Ｎ２−Ｎ１だけ、ベース１６（ステータ１５）に対して進む。つまり、ステータ１５側の各コイル１７へ通電動作が一回転（一周）すると、ピニオン軸１２は、（Ｎ２−Ｎ１）／Ｎ２だけ回転することになる。例えば、Ｎ１＝１１、Ｎ２＝１２に設定した場合、回転比１／Ｒは、１／１２となり大きな減速（減速比Ｒ＝１２）を得ることが可能になる。

次に、上記のように構成された本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング装置１の作用および効果について説明する。

本実施形態の構成によれば、アシストピニオン１０のピニオン軸１２に連結された電動モータ４内に一体的に設けられた減速機構１１は、ピニオン軸１２外周側の外歯２４とベース１６内周側の内歯２３とからなる。外歯２４と内歯２３との位相がわずかにずれた位相差θの位置で接触した外歯２４と内歯２３との間の吸引力が最大となり、このとき、歯面の接触により外歯２４には接触反力によるＣＷ回転力が発生する。これにより、接触反力がアシストトルクとなり、歯面の圧力角の効果によってこの接触反力による回転力は吸引力より大きいので、ピニオン軸１２がＣＷ回転する。ここで、各コイル１７に流す電流を変化させることにより、内歯２３が吸引力または反発力により外歯２４に対して移動可能になっているので、外歯２４と内歯２３との位相差θに応じて、コイル１７に流す電流を変化させ、内歯２３の径方向の位置を調整できる。

また、外歯２４の個数Ｎ２は、内歯２３の個数Ｎ１より少なくとも１個以上多く設定されている（本実施形態では、個数差１個）ので、各コイル１７への通電動作を一周させると、ピニオン軸１２（外歯２４）側は内歯２３との位相差θにより設定される所定の角度（θ×Ｎ１）だけ回転する。外歯２４と内歯２３との位相が一致した位置にある場合、コイル１７に流す電流を０として、内歯２３は、ピニオン軸１２外周面に設けた戻し用弾性体２５によりピニオン軸１２とは反対方向に付勢される。このとき、内歯２３は、ピニオン軸１２から遠ざかる方向へ移動して外歯２４との吸引力による密着状態から離され、隙間を有した開放状態となる。さらに、残りの外歯２４と内歯２３との位相では、コイル１７に反発力を発生させる小電流が流れ、内歯２３を径方向外側に戻して外歯２４との干渉が防止される。

これにより、アシストピニオン１０に設けた電動モータ４に連結されたピニオン軸１２は、噛み合う外歯２４と内歯２３との個数差により減速駆動され、電動モータ４による駆動力がピニオン軸１２に発生して、アシスト力としてラック軸５に伝達することができる。また、減速機構１１を電動モータ４に一体化して小型化が図れるので、電動パワーステアリング装置１の搭載スペースを小さくでき、搭載性の自由度が大きくなる。

以上のように、本発明の実施形態によれば、アシストピニオンに設ける電動モータと減速機構とを一体化させ、車両搭載性の向上が可能な電動パワーステアリング装置を提供できる。

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することも可能である。

上記実施形態では、内歯２３は、ピニオン軸１２に対して径方向に移動可能に形成されていたが、これに限らず、ピニオン軸１２の軸線方向に移動可能なように外歯２４と内歯２３とが噛み合うように構成されていてもよい。

上記実施形態では、外歯２４および内歯２３は、それぞれ一つの部材から形成された一体構造としたが、これに限らず、金属製（例えば、鉄）の歯部分と磁性材料（例えば、軟鉄）部分とからなる二重構造としてもよい。また、外歯２４は、個別の部材で構成するようにしたが、各歯が一体的に形成された歯車がピニオン軸１２の外周面に固定されるようにしてもよい。

上記実施形態では、外歯２４と内歯２３との位相が一致する場合、戻し用弾性体２５を用いて内歯２３を付勢して押圧し、内歯２３を外歯２４から分離するようにしたが、これに限らず、接触後の歯面を電流により分離可能であれば戻し用弾性体２５を設けなくてもよい。

上記実施形態では、外歯２４の個数Ｎ２が内歯２３の個数Ｎ１より１個多い場合について説明したが、これに限らず、減速比Ｒに応じて設定が可能である。

上記実施形態では、電動モータ４を回転制御する制御装置１３は別体としたが、これに限らず、車両のレイアウトに合わせて制御装置１３を電動モータ４と一体化した構成としてもよい。

上記実施形態では、減速機構１１を一体的に設けた電動モータ４をダブルピニオンタイプの電動パワーステアリング装置１に適用する例を説明したが、これに限らず、例えば、ウォームシャフトおよびウォームホイール減速機を電動モータで駆動する他の装置に適用することも可能である。

１：電動パワーステアリング装置、２：車輪、３：操舵機構、３ａ：タイロッド、
４：電動モータ、５：ラック軸、５ａ：第１ラック歯、５ｂ：第２ラック歯、
６：マニアルピニオン、７：トルクセンサ、８：ステアリングシャフト、
９：ステアリングホイール、１０：アシストピニオン、１１：減速機構、
１２：アシスト側ピニオン軸、１３：制御装置、１４：回転角センサ、１５：ステータ、１６：ベース、１７：コイル、１８：コア、１９：収納孔、２０：ロータ、
２１：マグネット、２２：モータハウジング、２３：内歯、２４：外歯、
２５：戻し用弾性体（弾性部材）、２６：ギヤハウジング、
Ｎ１：内歯個数、Ｎ２：外歯個数、θ：外歯と内歯との位相差、Ｒ：減速比

Claims (4)

1. ステアリングホイールに連結されたマニアルピニオンと、
   前記マニアルピニオンに噛合うラック軸と、
   前記マニアルピニオンと離間した位置で前記ラック軸に噛合うアシストピニオンと、
   前記アシストピニオンを減速機構を介して駆動する電動モータと、
   前記電動モータを収容するハウジングと、を備え、
   前記電動モータは、
   前記アシストピニオンのピニオン軸の外周面に周方向に等間隔に複数のマグネットが設けられたロータと、
   前記ハウジング内に固定されたベースに周方向に等間隔に複数のコイルが設けられたステータと、
   前記各マグネットの前記ラック軸側に配置され、前記ピニオン軸の外周面に形成された複数の外歯と、
   前記ベースに径方向に設けられた収納孔に支持され、前記各コイルの前記ラック軸側に配置され、前記ベースの内周面に形成された複数の内歯と、を備え、
   前記減速機構は、前記内歯と、前記内歯に噛み合う前記外歯とからなることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 請求項１に記載の電動パワーステアリング装置において、
   前記内歯は、通電された前記コイルと、前記マグネットとの間に発生する吸引力または反発力により径方向に移動可能に設けられたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
3. 請求項２に記載の電動パワーステアリング装置において、
   前記外歯の個数は、前記内歯の個数より少なくとも１個以上多くなるように形成さ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。
4. 請求項２または請求項３に記載の電動パワーステアリング装置において、
   前記ピニオン軸の外周に前記内歯を前記ピニオン軸と反対方向に付勢する弾性部材を備えた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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