JP4101790B2 - 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つの磁歪膜をステアリング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、ステアリング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する。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。

図４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２００２−２５７６４８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、車両が縁石に乗り上げて転舵機構のラックからステアリングシャフトに過大な荷重が入力されたり、ハンドルからステアリングシャフトに過大なトルクが入力された場合に、ステアリングシャフトにおいて磁歪式トルクセンサが取り付けられているセンサ取付部が塑性変形（特に、捩れに対する塑性変形）すると、図７において実線で示すように中点ずれ（Ｔ０）が生じ、第１検出出力ＶＴ１、第２検出出力ＶＴ２が誤検出され、その結果、トルク検出出力ＶＴ３が誤検出される虞がある。なお、図７中、破線はセンサ取付部が塑性変形する前の出力特性（すなわち、図４の実線に対応する正常時の出力特性）を示す。
そこで、この発明は、ステアリングシャフトにおけるセンサ取付部の塑性変形を防止して、トルクセンサの誤検出を防止す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、磁歪膜（例えば、後述する実施例における磁歪膜３１，３２）の磁気特性の変化に基づいてハンドルから入力された操舵トルクを検出する磁歪式トルクセンサ（例えば、後述する実施例における磁歪式トルクセンサ３０）が取り付けられたセンサ取付部（例えば、後述する実施例におけるセンサ取付部５３）と、該センサ取付部の上下に配置され軸受（例えば、後述する実施例における軸受６ｃ，６ｂ）により支持される上部支持部（例えば、後述する実施例における支持部５２）および下部支持部（例えば、後述する実施例における支持部５１）と、該下部支持部の下部に設けられたピニオン（例えば、後述する実施例におけるピニオン７）と、前記下部支持部と前記ピニオンとの間に設けられたウォームホイールギヤ（例えば、後述する実施例におけるウォームホイールギヤ１３）と、を有するステアリングシャフト（例えば、後述する実施例におけるステアリングシャフト１）と、前記ウォームホイールギヤに噛合するウォームギヤ（例えば、後述する実施例におけるウォームギヤ１２）を備える電動機（例えば、後述する実施例における電動機１１）と、を備え、前記磁歪式トルクセンサからの信号に基づいて前記電動機を駆動し、前記ウォームギヤ、前記ウォームホイールギヤ、および前記ピニオンを介して転舵輪（例えば、後述する実施例における前輪１０）に転舵トルクを付与することで前記転舵輪を転舵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、前記ステアリングシャフトは、前記下部支持部から前記ピニオンが設けられている部分までの直径を前記センサ取付部の直径以上とし、且つ、前記上部支持部の直径を前記センサ取付部の直径よりも小径とし、前記センサ取付部と前記上部支持部との間に上方に進むにしたがって縮径するテーパ部（例えば、後述する実施例におけるテーパ部５４）を設けたことを特徴とする。
このように構成することにより、ステアリングシャフトに過大な入力が加わってステアリングシャフトが塑性変形する事態に至ったときにも、磁歪膜が設けられていない直径の小さい部分を塑性変形させることで、磁歪膜が設けられている部分の塑性変形を防止することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記磁歪膜は前記ステアリングシャフトに複数設けられ、それぞれの磁歪膜の磁気異方性は互いに略９０度位相を異にすることを特徴とする。
このように構成することにより、ステアリングシャフトにトルクが作用したときに、磁気異方性を異にする一方の磁歪膜の主応力方向には引っ張り力が作用し、他方の磁歪膜の主応力方向には圧縮力が作用するようにできる。つまり磁気異方性を異にする１対の磁歪膜に作用する応力方向を互いに逆にすることができる。

請求項１に係る発明によれば、磁歪膜が設けられている部分の塑性変形を防止することができるので、磁歪式トルクセンサは、ステアリングシャフトに過大な入力が加わったときに中点ずれを生じることがなく、過大入力後も入力前と変わることなく、操舵トルクの検出および故障検出を正確に行うことができ、良好な検出感度を維持することができる。その結果、電動ステアリング装置の信頼性が向上し、良好な操舵フィーリングを維持することができる。
請求項２に係る発明によれば、磁気異方性を異にする１対の磁歪膜に作用する応力方向を互いに逆にすることができるので、両磁歪膜の検出出力を所定に処理することにより、検出感度が２倍になり、および検出精度を高めることができる。

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から図６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、ユニバーサルジョイント４によって連結されて構成されている。

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。

図２の拡大図を参照して、ピニオン軸５において軸受６ｂに支持された支持部５１から軸受６ｃに支持された支持部５２に至る部分について詳述する。支持部５１はピニオン軸５において直径が一番大きく設定されており、この支持部５１の上側（すなわち、支持部５２に接近する側）に支持部５１よりも若干小径のセンサ取付部５３が連なり、さらに、センサ取付部５３の上側に上方に進むにしたがって縮径するテーパ部５４が連なり、このテーパ部５４の上端に、テーパ部５４よりもさらに小径の支持部５２が連なっている。つまり、この実施例では、支持部５２およびテーパ部５４のシャフト直径をセンサ取付部５３のシャフト直径よりも小さくすることにより、支持部５２およびテーパ部５４の剛性をセンサ取付部５３の剛性よりも小さくしている。

そして、このセンサ取付部５３に、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が取り付けられている。
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（図１参照）を主要構成としている。
磁歪膜３１，３２は、歪み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、センサ取付部５３の外周にメッキ法やスパッタリング法で形成した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も、磁歪膜３１，３２の一方の主応力方向に圧縮力が作用し、他方に引っ張り力が作用するようになるが、この状態で磁歪膜３１，３２の透磁率が概ね等しくなるように設定されている。次にピニオン軸５にトルクが作用すると、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３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

図４、図５は、（３）式と（４）式に基づいて算出したトルク検出および故障検出の出力特性図である。
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。
この磁歪式トルクセンサ３０では２つの磁歪膜３１，３２を前述のように設置し、且つ、前述のようにトルク検出電圧ＶＴ３、故障検出電圧ＶＴＦを算出しているので、単一の磁歪膜によって検出した場合よりも、検出感度が２倍になり、および検出精度が極めて高い。

また、この電動パワーステアリング装置１００では、ピニオン軸５の支持部５２およびテーパ部５４の直径をセンサ取付部５３の直径よりも小さくしてあるので、支持部５１，５２間において最弱の断面２次極モーメントになるのは、支持部５２とテーパ部５４との接続部５５となる。したがって、例えば、車両が縁石に乗り上げて転舵機構のラック８からステアリングシャフト１のピニオン軸５に過大な荷重が入力されたり、ハンドル２からステアリングシャフト１のピニオン軸５に過大なトルクが入力されて、万が一、ピニオン軸５の支持部５１，５２間で塑性変形する事態に至った場合にも、接続部５５が塑性変形することで、磁歪膜３１，３２を設けているセンサ取付部５３が塑性変形するのを防止することができる。
図６は、横軸にピニオン軸５の捩れ角、縦軸にピニオン軸５に作用するトルクを取って示す捩り特性図である。この図からわかるように、過大入力により塑性変形した接続部５５は過大入力前と後で捩り特性が変化（ヒステリシス）するが、センサ取付部５３は塑性変形しないので過大入力前後で捩り特性に変化がない。
その結果、ピニオン軸５に過大な入力が加わったときに磁歪式トルクセンサ３０は中点ずれを生じることがなく、過大入力後も入力前と変わることなく、磁歪式トルクセンサ３０は操舵トルクの検出および故障検出を正確に行うことができ、良好な検出感度を維持することができる。その結果、電動パワーステアリング装置１００の信頼性が向上し、良好な操舵フィーリングを維持することができる。

〔他の実施例〕
前述した実施例では、ステアリングシャフトにおいて磁歪膜が設けられている部分よりも磁歪膜が設けられていない部分のシャフト直径を小さくすることにより、前者の剛性を後者よりも高めたが、剛性を変える方法はこれに限るものではない。例えば、磁歪膜が設けられていない部分の少なくとも一部を磁歪膜が設けられている部分よりも剛性の小さい材料で形成するなど、種々の方法が採用可能である。

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。 ステアリングシャフトの要部拡大図である。 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。 故障検出時の磁歪式トルクセンサの出力特性図である。 塑性変形の有無により比較した捻れ特性図である。 従来の過大入力により中点ずれが生じたとき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
１１ 電動機
３０ 磁歪式トルクセンサ
３１，３２ 磁歪膜
５２ 支持部
５３ センサ取付部
５４ テーパ部
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. 磁歪膜の磁気特性の変化に基づいてハンドルから入力された操舵トルクを検出する磁歪式トルクセンサが取り付けられたセンサ取付部と、該センサ取付部の上下に配置され軸受により支持される上部支持部および下部支持部と、該下部支持部の下部に設けられたピニオンと、前記下部支持部と前記ピニオンとの間に設けられたウォームホイールギヤと、を有するステアリングシャフトと、
   前記ウォームホイールギヤに噛合するウォームギヤを備える電動機と、
   を備え、前記磁歪式トルクセンサからの信号に基づいて前記電動機を駆動し、前記ウォームギヤ、前記ウォームホイールギヤ、および前記ピニオンを介して転舵輪に転舵トルクを付与することで前記転舵輪を転舵する電動ステアリング装置において、
   前記ステアリングシャフトは、前記下部支持部から前記ピニオンが設けられている部分までの直径を前記センサ取付部の直径以上とし、且つ、前記上部支持部の直径を前記センサ取付部の直径よりも小径とし、
   前記センサ取付部と前記上部支持部との間に上方に進むにしたがって縮径するテーパ部を設けたことを特徴とする電動ステアリング装置。
2. 前記磁歪膜は前記ステアリングシャフトに複数設けられ、それぞれの磁歪膜の磁気異方性は互いに略９０度位相を異にす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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