JP4073901B2 - 電動ステアリング装置 - Google Patents

Description

この発明は、電動ステアリング装置に関するものである。

車両用ステアリング装置として、電動ステアリング装置が知られている。この電動ステアリング装置では、操舵トルクを検出するトルクセンサからの信号に基づいて電動機を駆動し、ステアリング系に転舵トルクを付与して車両を転舵させる（特許文献１参照）。
また、非接触式トルクセンサとして、磁歪に起因する磁気特性の変化に基づいてトルクを検出する磁歪式トルクセンサが知られている。
この種の磁歪式トルクセンサには、磁気異方性を異にする２つの磁歪膜を回転シャフトに設けるとともに、各磁歪膜に対向してそれぞれ検出コイルを配置して構成されたものがある（特許文献２参照）。この磁歪式トルクセンサの原理は、回転シャフトにトルクが加えられると磁歪膜の透磁率が変化し、これに応じて検出コイルのインダクタンスが変化し、この変化に基づいてトルクを検出する。

ところで、この種の磁歪式トルクセンサを用いる場合、トルクを検出する際に該トルクセンサの故障検出を行う必要がある。
前述した２つの磁歪膜を備えた磁歪式トルクセンサの場合においては、トルクを検出するときには一方の検出コイルの検出出力（以下、第１検出出力ＶＴ１と称す）と他方の検出コイルの検出出力（以下、第２検出出力ＶＴ２と称す）の差に基づいてトルク検出出力ＶＴ３を算出し、故障を検出するときには第１検出出力ＶＴ１と第２検出出力ＶＴ２の和に基づいて故障検出出力ＶＴＦを算出し閾値との比較から故障を検出することがある。

図３は、（１）式に基づいてトルク検出出力ＶＴ３を算出した場合の出力特性図であり、図５は（２）式に基づいて故障検出出力ＶＴＦを算出した場合の出力特性図である。なお、（１）式、（２）式において、ｋ、Ｖ０，Ｃは定数である。
ＶＴ３＝ｋ・（ＶＴ１−ＶＴ２）＋Ｖ０ ・・・ （１）式
ＶＴＦ＝｜ＶＴ１＋ＶＴ２｜−Ｃ ・・・ （２）式
特開２００２−３１６６５８号公報 特開昭５９−１６４９３２号公報

ところで、操舵トルクを検出するトルクセンサとして磁歪式トルクセンサを用いた場合に、例えば、路面に磁石が設置してあったり、あるいは、スタータモータなどのアクチュエータを大電流で起動したときなどに、車室内に磁場変化が発生すると、第１検出出力ＶＴ１および第２検出出力ＶＴ２に変化が生じ、トルク検出出力ＶＴ３が変化する場合がある。

また、磁場変化により第１検出出力ＶＴ１と第２検出出力ＶＴ２が図３において点線で示すように変化した場合には、トルク検出出力ＶＴ３は第１検出出力ＶＴ１と第２検出出力ＶＴ２の差動出力であることから、磁場変化による影響を殆ど受けない。このような場合には、磁場変化があってもトルク検出出力ＶＴ３は正しい値となる。
しかしながら、故障検出出力ＶＴＦは第１検出出力ＶＴ１と第２検出出力ＶＴ２の和動出力であることから、磁場変化により第１検出出力ＶＴ１と第２検出出力ＶＴ２が図５において点線で示すように変化すると、故障検出出力ＶＴＦも磁場変化による影響を受けることとなり、場合によっては図４、図５に示されるように故障検出出力ＶＴＦが故障検出閾値から外れてしまい、トルクセンサが正常であるにも関わらず故障とみなされてしまう虞がある。
そこで、この発明は、磁場変化があっても誤検出を防止することができ、操舵フィーリングの向上を図ることができる電動ステアリング装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、操舵手段（例えば、後述する実施例におけるハンドル２）に加えられた操舵トルクを連結部材（例えば、後述する実施例における連結部材４）を介してピニオン軸（例えば、後述する実施例におけるピニオン軸５）へ伝達し、前記操舵トルクを検出するトルクセンサからの信号に基づいて電動機（例えば、後述する実施例における電動機１１）を駆動して補助操舵力を発生させ、該補助操舵力を減速機構（例えば、後述する実施例におけるウォームギヤ１２、ウォームホイールギヤ１３）を介して前記ピニオン軸に伝達し、該ピニオン軸に転舵トルクを付与する電動ステアリング装置（例えば、後述する実施例における電動パワーステアリング装置１００）において、前記トルクセンサは、前記ピニオン軸に設けられ互いに磁気異方性を異にする２つの磁歪膜（例えば、後述する実施例における磁歪膜３１，３２）と、前記各磁歪膜に対向配置された第１検出コイル（例えば、後述する実施例における第１検出コイル３３）および第２検出コイル（例えば、後述する実施例における第２検出コイル３４）とを備え、前記磁歪膜の磁気特性の変化に基づいて操舵トルクを検出するとともに、前記第１検出コイルの出力（例えば、後述する実施例における出力電圧ＶＴ１）と前記第２検出コイルの出力（例えば、後述する実施例における出力電圧ＶＴ２）との和に基づいて該トルクセンサの故障を検出する磁気式トルクセンサ（例えば、後述する実施例における磁歪式トルクセンサ３０）であり、前記連結部材は、互いに軸方向に離間して配置された前記操舵手段と前記ピニオン軸とを連結し、前記連結部材を非磁性材で構成したことを特徴とする。
このように構成することにより、連結部材において磁束が通りにくくなるので、磁束がステアリングシャフトの全長を貫きにくくなり、その結果、磁場変化によるトルクセンサのトルク検出出力および故障検出出力への影響を低減することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記連結部材は、転舵機構のラック（例えば、後述する実施例におけるラック８ａ）に噛合するピニオン（例えば、後述する実施例におけるピニオン７）が設けられたピニオン軸（例えば、後述する実施例におけるピニオン軸５）と操舵手段（例えば、後述する実施例におけるハンドル２）との間に設けられた自在継手（例えば、後述する実施例における自在継手２２，２３）であることを特徴とする。
このように構成することにより、ピニオン軸から操舵手段の間に設置された自在継手において磁束が通りにくくなるので、磁束がステアリングシャフトの全長を貫きにくくなり、その結果、磁場変化によるトルクセンサの検出出力への影響を低減することができる。
また、自在継手はピニオン軸に、より近い位置なので磁場変化によるトルクセンサの検出出力への影響を低減する効果が大きい。

請求項１および請求項２に係る発明によれば、磁場変化によるトルクセンサのトルク検出出力および故障検出出力への影響を低減することができるので、磁場変化による誤検出を防止することができ、電動ステアリング装置の信頼性向上と操舵フィーリングの向上を図ることができる。

以下、この発明に係る電動ステアリング装置の実施例を図１、図２、図５の図面を参照して説明する。
図１に示すように、車両用電動パワーステアリング装置（電動ステアリング装置）１００はハンドル（操舵手段）２に連結されたステアリングシャフト１を備えている。ステアリングシャフト１は、ハンドル２に一体結合されたメインステアリングシャフト３と、ラック＆ピニオン機構のピニオン７が設けられたピニオン軸５とが、連結部材４によって連結されて構成されている。

連結部材４は、中間軸２１によって連結された２つの自在継手２２，２３から構成されている。自在継手２２において回動自在に連結された１対の継手要素２２ａ，２２ｂのうちの一方の継手要素２２ａが中間軸２１の一端に固定され、他方の継手要素２２ｂがメインステアリングシャフト３に固定されており、自在継手２３において回動自在に連結された１対の継手要素２３ａ，２３ｂのうちの一方の継手要素２３ａが中間軸２１の他端に固定され、他方の継手要素２３ｂがピニオン軸５に固定されている。

ピニオン軸５はその下部、中間部、上部を軸受６ａ，６ｂ，６ｃによって支持されており、ピニオン７はピニオン軸５の下端部に設けられている。ピニオン７は、車幅方向に往復動し得るラック軸８のラック８ａに噛合し、ラック軸８の両端には、タイロッド９，９を介して転舵輪としての左右の前輪１０，１０が連結されている。この構成により、ハンドル２の操舵時に通常のラック＆ピニオン式の転舵操作が可能であり、前輪１０，１０を転舵させて車両の向きを変えることができる。ここで、ラック軸８、ラック８ａ、タイロッド９，９は転舵機構を構成する。

また、電動パワーステアリング装置１００は、ハンドル２による操舵力を軽減するための補助操舵力を供給する電動機１１を備えており、この電動機１１の出力軸に設けられたウォームギヤ１２が、ピニオン軸５において中間部の軸受６ｂの下側に設けられたウォームホイールギヤ１３に噛合している。

また、ピニオン軸５において中間部の軸受６ｂと上部の軸受６ｃとの間には、磁歪膜の磁気特性の変化に基づいて操舵トルクを検出する磁歪式トルクセンサ３０が配置されている。なお、磁歪式トルクセンサ３０は磁気式トルクセンサの１種である。
磁歪式トルクセンサ３０は、ピニオン軸５の外周面に周方向全周に亘って環状に設けられた２つの磁歪膜３１，３２と、各磁歪膜３１，３２に対向配置された第１検出コイル３３と第２検出コイル３４と、第１検出コイル３３および第２検出コイル３４にそれぞれ接続された検出回路３５，３６を主要構成としている。
磁歪膜３１，３２は、歪みの変化に対して透磁率の変化が大きい素材からなる金属膜であり、例えば、ピニオン軸５の外周にメッキ法で形成したＮｉ−Ｆｅ系の合金膜からなる。

一方の磁歪膜３１は、ピニオン軸５の軸線に対して約４５度傾斜した方向に磁気異方性を備えるように構成されており、他方の磁歪膜３２は、磁歪膜３１の磁気異方性の方向に対して約９０度傾斜した方向に磁気異方性を備えるように構成されている。すなわち、２つの磁歪膜３１，３２の磁気異方性は互いに約９０度位相を異にしている。
第１検出コイル３３は磁歪膜３１の周囲にこれと所定の隙間を有した状態で同軸状に配置されており、第２検出コイル３４は磁歪膜３２の周囲にこれと所定の隙間を有した状態で同軸状に配置されている。

磁歪膜３１，３２の磁気異方性を前述のように設定したことにより、ピニオン軸５にトルクが作用しない状態では、磁歪膜３１，３２の主応力方向の一方に圧縮力が作用し、他方に引っ張り力が作用するようになるが、磁歪膜３１，３２の透磁率は概ね等しく設定されている。ピニオン軸５にトルクが作用した状態では、一方の磁歪膜の透磁率が増加し、他方の磁歪膜の透磁率が減少する。そして、これに応じて検出コイル３３，３４の一方のインダクタンスが増加し、他方のインダクタンスが減少する。
第１検出コイル３３は変換回路を備えた検出回路３５に接続され、第２検出コイル３４は変換回路を備えた検出回路３６に接続されており、これら検出回路３５，３６において各検出コイル３３，３４のインダクタンス変化は電圧変化に変換されて電子制御装置（ＥＣＵ）５０に出力される。

図２に示すように、ＥＣＵ５０では、検出回路３５，３６からの出力電圧に基づいて、ピニオン軸５に作用する操舵トルクの検出と、磁歪式トルクセンサ３０の故障検出が実行される。
ここで、トルク検出電圧ＶＴ３と故障検出電圧ＶＴＦは、検出回路３５からの出力電圧をＶＴ１、検出回路３６からの出力電圧をＶＴ２としたときに、（３）式、（４）式に基づいて算出する。なお、（３）式、（４）式において、ｋ、Ｖ０，Ｃは定数である。
ＶＴ３＝ｋ・（ＶＴ１−ＶＴ２）＋Ｖ０ ・・・ （３）式
ＶＴＦ＝｜ＶＴ１＋ＶＴ２｜−Ｃ ・・・ （４）式
そして、ＥＣＵ５０は、検出されたトルク検出電圧ＶＴ３に応じて電動機１１の目標電流を設定し、該目標電流によって電動機１１を駆動して補助操舵力を発生させ、転舵機構を介してステアリング系に転舵トルクを付与し、車両を転舵させる。また、ＥＣＵ５０は、故障検出出力ＶＴＦが所定の閾値Ａを超えたときに磁歪式トルクセンサ３０が故障であると判定する。

ところで、この電動パワーステアリング装置１００を搭載した車両には、一般に、スタータモータ、パワーウインドウ装置、照明装置、リヤデフロスター装置、ブロアモータ、ワイパー装置（いずれも図示せず）などのアクチュエータも搭載されており、これらアクチュエータを起動したときに磁場変化が発生すると、検出回路３５，３６の出力電圧ＶＴ１，ＶＴ２に変化が生じる。また、磁石が設置してある路面を車両が通過した場合にも磁場変化が発生し、検出回路３５，３６の出力電圧ＶＴ１，ＶＴ２に変化が生じる。

この磁場変化に起因する出力電圧ＶＴ１，ＶＴ２の変化は、ステアリングシャフト１を軸線方向に流れる磁束による影響が大きく、磁束の通り道が長いほど影響が大きい。従来は、ステアリングシャフト１をメインステアリングシャフト３からピニオン軸５に至るまで低炭素鋼などの磁性材で構成していたため、ステアリングシャフト１の全長を貫通するように磁束が通ることができ、磁場変化が出力電圧ＶＴ１，ＶＴ２に与える影響が大きくなって、その結果、トルク検出電圧ＶＴ３や故障検出電圧ＶＴＦを誤検出する場合があった。
そこで、この実施例の電動パワーステアリング装置１００においては、連結部材４の少なくとも一部を非磁性材で構成することにより、非磁性材で構成した部分において磁束を流れにくくし、磁束がステアリングシャフト１の全長を貫通して流れるのを阻止し、磁束の通り道を従来よりも短くして、磁場変化が出力電圧ＶＴ１，ＶＴ２に与える影響を低減するようにした。
これにより、磁場変化に起因して出力電圧ＶＴ１，ＶＴ２が変動するのを抑制することができ、磁場変化が生じているときにもトルク検出電圧ＶＴ３を正しく検出することができるとともに、正常であるにもかかわらず磁歪式トルクセンサ３０が故障であると誤検出するのを防止することができる。その結果、電動パワーステアリング装置１００の信頼性向上と操舵フィーリングの向上を図ることができる。

なお、非磁性材で構成する部材は、中間軸２１、自在継手２２の一方の継手要素２２ａ、他方の継手要素２２ｂ、自在継手２３の一方の継手要素２３ａ、他方の継手要素２３ｂのいずれか１つでもよいし、２つ以上であってもよいし、総てであってもよい。
また、非磁性材としては、アルミニウム、ステンレス、銅、カーボン、樹脂等を例示することができる。

〔他の実施例〕
この発明は、前述した実施例の電動パワーステアリング装置への適用に限るものではなく、ステアリング・バイ・ワイヤ・システムの車両用電動ステアリング装置にも適用可能である。ステアリング・バイ・ワイヤ・システムとは、操舵手段と転舵機構とが機械的に分離されていて、操舵手段に作用する操舵トルクに応じて、転舵機構に設けられたステアリングモータを駆動して車両の転舵輪を転舵させる操舵システムであり、この操舵手段に作用する操舵トルクの検出にこの発明に係る磁歪式トルクセンサを用いることができる。

この発明に係る電動ステアリング装置の一実施例における概略構成図である。 磁歪式トルクセンサによるトルク検出と故障検出を説明する図である。 トルク検出時の磁歪式トルクセンサの出力特性図である。 磁場変化時の磁歪式トルクセンサの出力変化の一例を示す図である。 故障検出時の磁歪式トルクセンサの出力特性図である。

符号の説明

１ ステアリングシャフト
２ ハンドル（操舵手段）
４ 連結部材
５ ピニオン軸
７ ピニオン
８ａ ラック
１１ 電動機
２２，２３ 自在継手
３０ 磁歪式トルクセンサ（磁気式トルクセンサ）
３１，３２ 磁歪膜
１００ 電動パワーステアリング装置（電動ステアリング装置）

Claims (2)

1. 操舵手段に加えられた操舵トルクを連結部材を介してピニオン軸へ伝達し、前記操舵トルクを検出するトルクセンサからの信号に基づいて電動機を駆動して補助操舵力を発生させ、該補助操舵力を減速機構を介して前記ピニオン軸に伝達し、該ピニオン軸に転舵トルクを付与する電動ステアリング装置において、
   前記トルクセンサは、前記ピニオン軸に設けられ互いに磁気異方性を異にする２つの磁歪膜と、前記各磁歪膜に対向配置された第１検出コイルおよび第２検出コイルとを備え、前記磁歪膜の磁気特性の変化に基づいて操舵トルクを検出するとともに、前記第１検出コイルの出力と前記第２検出コイルの出力との和に基づいて該トルクセンサの故障を検出する磁気式トルクセンサであり、
   前記連結部材は、互いに軸方向に離間して配置された前記操舵手段と前記ピニオン軸とを連結し、前記連結部材を非磁性材で構成したことを特徴とする電動ステアリング装置。
2. 前記連結部材は、転舵機構のラックに噛合するピニオンが設けられたピニオン軸と操舵手段との間に設けられた自在継手であることを特徴とする請求項１に記載の電動ステアリング装置。

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