JP4139019B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電動パワーステアリング装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ステアリングハンドルの操舵力を軽減して快適な操舵感を与えるために、電動パワーステアリング装置が多用されてきた。この種の電動パワーステアリング装置は、電動機で操舵トルクに応じた補助トルクを発生し、この補助トルクをステアリング系のラックアンドピニオン機構に伝達するものであって、例えば特開平９−１９３８１５号「電動パワーステアリング装置」（以下、「従来の技術」と言う。）が知られている。
【０００３】
上記従来の技術は、同公報の図４に示される通り、モータ１１（番号は公報に記載されたものを引用した。以下同じ。）で操舵トルクに応じた補助トルクを発生し、この補助トルクを小傘歯車７ｂと大傘歯車７ａを介して、ピニオン２ａとラック軸５の組合せからなるラックアンドピニオン機構に伝達し、このラックアンドピニオン機構によって操舵輪を操舵するというものである。
【０００４】
ところで、自動車のステアリング装置は、一般に操舵輪の最大操舵角を制限するためのストッパ機構を備えている。
具体的には、ストッパ機構は、ラック軸５をスライド可能に収容したハウジング４の長手方向両端部にラックエンドストッパ（図示せず）を取付け、また、ラック軸５の両端部にボールジョイント（図示せず）を取付けたものである。ラック軸５が所定量だけスライドすると、ボールジョイントがラックエンドストッパに当る。このようにラック軸５の移動量を規制することで、操舵輪の最大操舵角を制限することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の技術において、ラックアンドピニオン機構におけるピニオン２ａとラックは、「すぐば歯車」又は「はすば歯車」であり、これらのすぐば歯車やはすば歯車の歯形は、一般にインボリュート歯形である。はすば歯車は、すぐば歯車よりも噛み合いが円滑であり、振動や騒音が小さく、高負荷・高速歯車として広く採用されている。
【０００６】
電動パワーステアリング装置のラックアンドピニオン機構においても、小型で高負荷対応のはすば歯車が用いられている。はすば歯車は所定のねじれ角を有する歯車であるから、回転力に応じたスラストが、常に生じることになる。
通常の操作時において、ピニオン２ａには、運転者の操舵トルクにモータ１１の補助トルクを加えた複合トルクが作用するとともに、この複合トルクに応じたスラストが作用する。
【０００７】
ところで、ラック軸５は所定量だけスライドしたときに、ストッパ機構によって移動が規制される。ラック軸５が停止するので、ピニオン２ａには、通常の操作時に比べて大きな複合トルクが作用するとともに、この複合トルクに応じた大きなスラストが作用する。このときの複合トルクは最大トルクであり、スラストも最大スラストである。
【０００８】
電動パワーステアリング装置の動力伝達部、軸受、ハウジング等の各部材は、このような最大スラストを勘案した大きな強度を要する。各部材の強度を高めるためには、比較的高級な材料を使用したり、大径の部材を使用することになる。このため、電動パワーステアリング装置が大型になったり、高価格になるので、改良の余地がある。
【０００９】
そこで本発明の目的は、電動機の慣性による負荷トルクに対して十分な耐久性を有するラックアンドピニオン機構を備えた、電動パワーステアリング装置を小型で低価格にできる技術を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１は、電動機で操舵トルクに応じた補助トルクを発生し、この補助トルクを歯車式減速機構を介して、ステアリング系のラックアンドピニオン機構に伝達し、このラックアンドピニオン機構によって操舵輪を操舵するようにした電動パワーステアリング装置において、ラックアンドピニオン機構のピニオン並びにラックをはすば歯車とし、はすば歯車としてのピニオンのねじれ角を、はすば歯車の摩擦角を越えない範囲に設定するとともに、はすば歯車の歯形を、１組の歯車の両方共に、歯末の面及び歯元の面が、基準ピッチ線上をほぼ中心とする円弧面である、円弧歯形としたことを特徴とする。
請求項２は、電動機で操舵トルクに応じた補助トルクを発生し、この補助トルクを歯車式減速機構を介して、ステアリング系のラックアンドピニオン機構に伝達し、このラックアンドピニオン機構によって操舵輪を操舵するようにした電動パワーステアリング装置において、ラックアンドピニオン機構のピニオン並びにラックをはすば歯車とし、はすば歯車としてのピニオンのねじれ角を、はすば歯車の摩擦角を越えない範囲に設定するとともに、はすば歯車の歯形を、１組の歯車のうち、一方の歯車の歯末の面が、基準ピッチ線上をほぼ中心とする円弧面だけで形成され、他方の歯車の歯元の面が、基準ピッチ線上をほ ぼ中心とする円弧面だけで形成されている、円弧歯形としたことを特徴とする。
【００１１】
請求項１及び請求項２は、はすば歯車であるから、すぐば歯車（平歯車）よりも大きいトルクを伝達することができる。
操舵輪を左又は右へ最大操舵角まで操舵して、ラック軸がラックエンドストッパに衝突したとき、すなわち、ラック軸が移動終端まで移動したとき、ラックは即時に停止する。このときのトルクは、静トルクではなく衝撃トルクであるから、通常の操舵時よりも極めて大きい。しかし、はすば歯車としてのピニオンのねじれ角が、はすば歯車の摩擦角を越えない範囲にあるから、このときには、ピニオンにスラストが作用しない。従って、ピニオンに作用するスラストは、ラックが左又は右の移動終端で停止していない通常の状態にあるときの、極めて小さい力だけである。
さらには、円弧歯形であるから、インボリュート歯形よりも表面疲れ強さ、曲げ強さ、曲げ疲れ強さが大きい。このため、運転者の操舵トルクに電動機の補助トルクを加えた複合トルクが、通常の操作時よりも大きい場合であっても、十分に伝達することができる。
【００１２】
請求項３は、電動機と歯車式減速機構との間にトルクリミッタを介在させたことを特徴とする。
【００１３】
所定以上のトルクをトルクリミッタにてカットすることで、電動機から歯車式減速機構へ伝達する補助トルクを制限する。従って、ラック軸がラックエンドストッパに衝突したときに、電動機に反力として過大なトルクが発生することはない。
【００１４】
請求項４は、操舵トルクを操舵トルクセンサにて検出するようにし、この操舵トルクセンサを、ラックアンドピニオン機構におけるピニオン軸の磁歪を検出する磁歪式センサで構成したことを特徴とする。
【００１５】
従来の操舵トルクセンサで操舵トルクを検出する場合のように、ピニオン軸を長手方向に二分割して、これら分割軸間をトーションバーにて連結する必要がない。分割しないので、ピニオン軸を長くすることができる。ピニオン軸を長くできると加工精度が高まり、ピニオンとラックの噛み合い精度が高まる。特に、円弧歯形のラックアンドピニオン機構では、噛み合い精度と動力伝達効率の相関関係が非常に強いので、噛み合い精度の向上は重要である。
【００１６】
請求項５は、歯車式減速機構を、駆動ギヤと従動ギヤの組合せ構造とし、これらの駆動ギヤの歯面と従動ギヤの歯面のいずれか一方又は両方を、低摩擦剤からなる被膜層にて被覆するとともに、駆動ギヤの歯面と従動ギヤの歯面とを、バックラッシが無いように噛み合わせたことを特徴とする。
ここで、「低摩擦剤からなる被膜層にて被覆する」ことには、低摩擦剤にてコーティングしたり低摩擦剤を含浸させることを包含する。
【００１７】
駆動ギヤの歯面と従動ギヤの歯面とを、バックラッシが無いように噛み合わせた。このため、駆動ギヤと従動ギヤの噛み合いのガタが無い。ガタが無いので、電動機の慣性による衝撃トルクが、駆動ギヤの歯面から従動ギヤの歯面に作用することはない。従って、歯車式減速機構の耐久性は、より一層高まる。
さらには、駆動ギヤの歯面と従動ギヤの歯面のいずれか一方又は両方を、低摩擦剤からなる被膜層にて被覆した。駆動ギヤの歯面と従動ギヤの歯面との間の滑り面の摩擦係数を、低摩擦剤にて低減させる。従って、駆動ギヤと従動ギヤの噛み合いのガタが無いにもかかわらず、動力伝達効率を高めることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図面に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係る車両用ステアリングシステムの模式図である。
車両用ステアリングシステム１０は、車両のステアリングハンドル１１から操舵輪（車輪）２１，２１に至るステアリング系２２に電動パワーステアリング装置３０を備えた、電動パワーステアリングシステムである。
【００１９】
詳しくは、車両用ステアリングシステム１０は、ステアリングハンドル１１にステアリングシャフト１２及び自在軸継手１３，１３を介して、電動パワーステアリング装置３０の入力軸３１を連結し、入力軸３１にラックアンドピニオン機構３２を連結し、ラックアンドピニオン機構３２に左右のタイロッド３７，３７を介して左右の操舵輪２１，２１を連結したものである。
ラックアンドピニオン機構３２は、入力軸３１に設けたピニオン３３と、ピニオン３３に噛み合うためのラック３４を設けたラック軸３５とからなる。電動パワーステアリング装置３０は操舵トルクセンサ７０を備える。
【００２０】
このような車両用ステアリングシステム１０によれば、運転者がステアリングハンドル１１を操舵し、この操舵トルクにより入力軸３１、ラックアンドピニオン機構３２及び左右のタイロッド３７，３７を介して、左右の操舵輪２１，２１を操舵することができる。
【００２１】
さらには、ステアリングハンドル１１で発生したステアリング系２２の操舵トルクを操舵トルクセンサ７０で検出し、この検出信号に基づき制御手段８１で制御信号を発生し、この制御信号に基づき操舵トルクに応じた補助トルクを電動機８２で発生し、補助トルクをトルクリミッタ９０、歯車式減速機構１１０及び入力軸３１を介して、ステアリング系２２のラックアンドピニオン機構３２に伝達し、このラックアンドピニオン機構３２及び左右のタイロッド３７，３７によって、左右の操舵輪２１，２１を操舵することができる。
従って、運転者の操舵トルクに電動機８２の補助トルクを加えた複合トルクによって、操舵輪２１，２１を操舵することができる。
【００２２】
図２（ａ），（ｂ）は本発明に係る操舵トルクセンサの原理図である。
操舵トルクセンサ７０は、鉄鋼材のように磁歪特性を有する入力軸３１にトルクが作用したときに、このトルクに応じて生じる磁歪効果を電気コイルにて電気磁気的に検出する、磁歪式トルクセンサである。このような磁歪式トルクセンサは、特開平６−２２１９４０号公報「磁歪式トルクセンサ」に示されるように、公知のセンサである。以下、操舵トルクセンサ７０の概要について説明する。
【００２３】
（ａ）に示す操舵トルクセンサ７０は、概ね８の字状に形成した励磁コイル７１と、励磁コイル７１とほぼ同様の大きさで概ね８の字状に形成した検出コイル７２とを、ほぼ同心上に互いに略直交させて重ね、これらの励磁・検出コイル７１，７２を１組の磁気ヘッド７３として、入力軸３１の外周面の近傍に配置したものである。すなわち、入力軸３１の外周面に対向して、概ね８の字状の励磁コイル７１を配置し、この励磁コイル７１に概ね８の字状の検出コイル７２を９０゜位相を変えた状態で重ね合わせた。この場合、励磁コイル７１をなす８の字状の直線部分を、入力軸３１の外周にほぼ平行又は軸方向にほぼ平行にして配置する。７４は励磁電圧供給源、７５は出力電圧増幅器である。
【００２４】
励磁電圧供給源７４から励磁コイル７１に２０〜１００ｋＨｚ程度の高周波数の交流電圧（励磁電圧）を供給すれば、トルクに基づく入力軸３１の磁歪効果に対応して、検出コイル７２にて励磁電圧と同じ周波数の交流電圧（出力電圧）を得ることができる。
出力電圧は、入力軸３１に作用するトルクの方向によって、励磁電圧と同相又は逆相になる。このときの出力電圧の振幅は、トルクの大きさに比例する。従って、励磁電圧の位相を基準として、出力電圧を同期整流すれば、トルクの大きさと方向を検出することができる。
【００２５】
出力電圧は出力電圧増幅器７５にて増幅され、操舵トルクセンサ７０の検出信号として、制御手段８１に発することになる。
なお、入力軸３１の磁化力が小さければ、励磁コイル７１と検出コイル７２の巻数を増し、これらの励磁・検出コイル７１，７２を１巻ずつ交互に配列することで、対応すればよい。
【００２６】
（ｂ）に示す操舵トルクセンサ７０は、励磁・検出コイル７１，７２からなる磁気ヘッド７３を２組準備し、これら２組の磁気ヘッド７３，７３を、入力軸３１の外周面の近傍に且つ入力軸３１の軸線の対称位置に配置したものである。そして、出力電圧増幅器７５で、検出コイル７２，７２からの出力電圧の差を増幅することにより、環境温度の変化に対してあまり変化しない操舵トルク信号を得ることができる。
【００２７】
上記（ａ）や（ｂ）の操舵トルクセンサ７０を採用することにより、従来の電動パワーステアリング装置において操舵トルクを検出する場合のように、入力軸３１を長手方向に二分割して、これら分割軸間をトーションバーにて連結する必要がない。従って、入力軸３１を簡素な構成にすることができるとともに、入力軸３１を十分に長く設定することができる。
しかも、図１に示す入力軸３１に設けたピニオン３３を加工する場合に、入力軸３１を加工機械にセッテイングすることが容易であり、加工精度を一層高めることができる。加工精度が高まると、ピニオン３３とラック３４との噛み合い精度も高まる。この結果、ラックアンドピニオン機構３２の動力伝達効率を高めることができる。
【００２８】
図３は本発明に係る電動パワーステアリング装置の全体構成図であり、左端部及び右端部を断面して表したものである。この図は、電動パワーステアリング装置３０のラック軸３５を、車幅方向（図左右方向）に延びるハウジング４１に軸方向へスライド可能に収容したことを示す。
ラック軸３５は、ハウジング４１から突出した長手方向両端にボールジョイント３６，３６をねじ結合し、これらのボールジョイント３６，３６に左右のタイロッド３７，３７を連結した軸である。ハウジング４１は、図示せぬ車体に取付けるためのブラケット４２，４２を備えるとともに、長手方向両端部にストッパ４３，４３を取付けたものである。
【００２９】
ラック軸３５が右へ所定量だけスライドすると、左のボールジョイント３６の当接端面（ラックエンド）３８がストッパ４３に当る。ラック軸３５が左へ所定量だけスライドすると、右のボールジョイント３６の当接端面（ラックエンド）３８がストッパ４３に当る。このようにしてラック軸３５の移動量を規制することで、左右の操舵輪２１，２１（図１参照）の最大操舵角を制限することができる。すなわち、ラック軸３５が移動終端まで移動したときに、左右の操舵輪２１，２１の操舵角は最大になる。
図中、４４，４４はダストシール用ブーツである。
【００３０】
図４は図３の４−４線断面図であり、電動パワーステアリング装置３０の縦断面構造を示す。
電動パワーステアリング装置３０は、入力軸３１、ラックアンドピニオン機構３２、操舵トルクセンサ７０、トルクリミッタ９０（図１参照）、歯車式減速機構１１０をハウジング４１に収納し、このハウジング４１の上部開口をリッド４５で塞いだものである。操舵トルクセンサ７０は、ハウジング４１又はリッド４５に取付けたものである。
【００３１】
ハウジング４１は、入力軸３１の下端部及び長手中央部を、上下２個の軸受５１，５２を介して回転可能に支承することで、縦置きにセットしたものであり、ラックガイド６０を備える。５３はリッド取付ボルト、５４は止め輪である。
【００３２】
入力軸３１は、下部にピニオン３３を一体に形成し、さらに下端部にねじ部５５を形成するとともに、上端部をリッド４５から外方へ突出したピニオン軸である。ラック３４は、ラック軸３５に一体に形成したものである。ねじ部５５にナット５６をねじ込むことで、入力軸３１の長手方向（軸方向）の移動を規制することができる。５７は袋ナット、５８はオイルシール、５９はスペーサである。
【００３３】
ラックガイド６０は、ラック３４と反対側からラック軸３５に当てるガイド部６１と、このガイド部６１を圧縮ばね６２を介して押す調整ボルト６３とからなる。このようなラックガイド６０によれば、ハウジング４１にねじ込んだ調整ボルト６３にて、圧縮ばね６２を介してガイド部６１を適切な押圧力で押すことで、ガイド部６１でラック３４に予圧を与えて、ラック３４をピニオン３３に押し付けることができる。６４はラック軸３５の背面を滑らせる当て部材、６５はロックナットである。
【００３４】
図５は図４の５−５線断面図であり、入力軸３１と電動機８２とトルクリミッタ９０と歯車式減速機構１１０との関係を示す。
電動機８２は、出力軸８３を横向きにしてハウジング４１に取付け、ハウジング４１内に出力軸８３を延したものである。
【００３５】
歯車式減速機構１１０は、電動機８２で発生した補助トルクを入力軸３１に伝達するトルク伝達手段であって、駆動ギヤと従動ギヤの組合せ構造である、ウォームギヤ機構からなる。詳しくは、歯車式減速機構１１０は、電動機８２の出力軸８３にトルクリミッタ９０を介して連結した伝動軸１１１と、伝動軸１１１に形成したウォーム（駆動ギヤ）１１２と、ウォーム１１２に噛み合うとともに入力軸３１に結合したウォームホイール（従動ギヤ）１１３とからなる。電動機８２の補助トルクを、入力軸３１を介してラックアンドピニオン機構３２（図１参照）に伝達することができる。
【００３６】
本発明は、ウォーム１１２の歯面とウォームホイール１１３の歯面との、いずれか一方又は両方を、表面処理することによって、低摩擦剤からなる被膜層にて被覆したことを特徴とする。低摩擦剤からなる被膜層にて被覆するには、例えば、低摩擦剤にてコーティングしたり低摩擦剤を含浸させる。低摩擦剤にて、ウォーム１１２の歯面とウォームホイール１１３の歯面との間の、滑り面の摩擦係数を所定値まで低減させることにより、動力伝達効率を高めることができる。
低摩擦剤としては、例えば、ポリテトラフルエチレン（略記；ＰＴＦＥ、登録商標；テフロン）等のフッ素樹脂がある。フッ素樹脂は摩擦係数が極めて小さい。
【００３７】
上記低摩擦剤を用いる表面処理方法としては、次の第１表面処理方法や第２表面処理方法がある。
（１）第１表面処理方法は、ウォーム１１２やウォームホイール１１３の材質を機械構造用炭素鋼鋼材（JIS-G-4051）等の鉄鋼とし、所定の処理液中でウォーム１１２の歯面やウォームホイール１１３の歯面に無電解ニッケルとＰＴＦＥを共析させ、被膜の中にＰＴＦＥを容積比で１０〜３０％まで均一に含ませ、被膜生成後に熱処理（約４００℃で焼成）を施すことで、歯面に無電解ニッケルとＰＴＦＥの被膜を強固に密着させる処理方法である。被膜の厚みは５〜２０μｍである。この第１表面処理方法は、アルバックテクノ（株）の「ニフグリップ（登録商標）」として知られている。
【００３８】
（２）第２表面処理方法は、ウォーム１１２やウォームホイール１１３の材質を機械構造用炭素鋼鋼材（JIS-G-4051）等の鉄鋼とし、ウォーム１１２の歯面やウォームホイール１１３の歯面に、無電解メッキ法にてニッケル・リンの多孔性被膜を形成し、この多孔性被膜にＰＴＦＥを含浸させ、その後に、熱処理（約４００℃で焼成）を施すことで、歯面に被膜を強固に密着させる処理方法である。歯面に密着した被膜は、粒子状に析出したニッケル・リンの多孔性被膜にＰＴＦＥを含浸させたものであり、厚みは５〜２０μｍである。この第２表面処理方法は、アルバックテクノ（株）の「ニダックス（登録商標）」として知られている。
【００３９】
伝動軸１１１は、出力軸８３と同心上に配置し、２個の軸受１１４，１１５を介してハウジング４１にて回転可能に支承した軸である。ハウジング４１は、出力軸８３に近い位置にある第１軸受１１４を軸方向移動不能に取付け、出力軸８３から遠い位置にある第２軸受１１５を軸方向移動可能に嵌合したものである。
さらには、第２軸受１１５の外輪の端面を、板ばね１１６を介して調整ボルト１１７で出力軸８３側に押している。調整ボルト１１７と薄板円盤状の板ばね１１６の押圧力にて、第１・第２軸受１１４，１１５に予圧を与えることで、伝動軸１１１の軸方向の遊びがないように調整する、すなわち、ガタ取りすることができる。しかも、ウォーム１１２の軸方向変位を調整して、ウォーム１１２とウォームホイール１１３の噛み合いを、適切な摩擦を保ちつつガタが無いように調整することができる。
また、板ばね１１６の弾性力により、伝動軸１１１の軸方向の熱膨張等を吸収することができる。１１８はロックナット、１１９は止め輪である。
【００４０】
ところで、本発明は、ウォーム１１２の歯面とウォームホイール１１３の歯面とを、バックラッシが無いように噛み合わせたことを特徴とする。バックラッシを無くする構成としては、例えば、次の（１）〜（４）の組合せからなる。
（１）ウォーム１１２を金属製品にするとともに、その歯面を上記低摩擦剤からなる被膜層にて被覆する。
（２）ウォームホイール１１３を樹脂製品にする。
（３）ウォーム１１２の中心Ｏ1からウォームホイール１１３の中心Ｏ2までの距離Ｘを、所定の理論値（基準値）に設定する。
（４）ウォーム１１２の基準ピッチ円直径ｄ１又はウォームホイール１１３の基準ピッチ円直径ｄ２を、所定の理論値（基準値）よりも若干大きく設定する。
【００４１】
歯車式減速機構１１０を組立たときに、基準ピッチ円直径ｄ１又はｄ２が大きい分だけ、ウォーム１１２の歯面とウォームホイール１１３の歯面とを、予圧を付加して噛み合わせることになる。この結果、ウォーム１１２の歯面とウォームホイール１１３の歯面との間のバックラッシ（噛み合い隙間）が無くなるので、噛み合いのガタが無くなる。噛み合いのガタが無いので、電動機８２の慣性による衝撃トルクが、ウォーム１１２の歯面からウォームホイール１１３の歯面に作用することはない。従って、歯車式減速機構１１０の耐久性が、より一層高まる。
【００４２】
但し、バックラッシが無いので、ウォーム１１２の歯面とウォームホイール１１３の歯面との間の噛み合い抵抗（フリクション）が増す。この点を解消するために、ウォーム１１２の歯面を上記低摩擦剤からなる被膜層にて被覆した。この結果、低摩擦剤にて、ウォーム１１２の歯面とウォームホイール１１３の歯面との間の、滑り面の摩擦係数を低減させることができる。従って、ウォーム１１２とウォームホイール１１３の噛み合いのガタが無いように調整したにもかかわらず、各ギヤ１１２，１１３の歯面同士の摩擦を適切に保って、動力伝達効率を高めることができる。
【００４３】
図６は本発明に係るトルクリミッタの断面図である。
本発明は、電動機８２と歯車式減速機構１１０との間にトルクリミッタ９０を介在させたことを特徴とする。トルクリミッタ９０は、電動機８２の出力軸８３にセレーション結合したインナ部材９１を、伝動軸１１１にセレーション結合した筒状のアウタ部材９３に嵌合したトルク制限機構である。
【００４４】
インナ部材９１は外周面９２を、伝動軸１１１の先端に向って先細りテーパとした雄部材である。アウタ部材９３は内周面９４を、インナ部材９１の外周面９２が嵌合するべく先広がりテーパとした雌部材である。テーパ状の外周面９２をテーパ状の内周面９４に嵌合し、インナ部材９１の後端面９５を皿ばね９６で弾発しつつ止め輪９７で抜け止めすることで、トルクリミッタ９０を組立ることができる。１０１はスペーサ、１０２はワッシャ、１０３は皿ばねである。
【００４５】
皿ばね９６の弾発力で、外周面９２を内周面９４に押し付けて予圧を与えることにより、外周面９２を内周面９４に所定の摩擦力を有して、連結することができる。このようなトルクリミッタ９０であるから、所定の摩擦力を上回る大きなトルクが作用すると、外周面９２と内周面９４との間がスリップする。この結果、電動機８２から歯車式減速機構１１０へ伝達する補助トルクを制限、すなわち、オーバートルクをカットすることができる。従って、電動機８２に過大なトルクが発生することはなく、また、負荷側に過大なトルクが伝わることもない。
【００４６】
さらには、インナ部材９１をアウタ部材９３にテーパにて嵌合したので、両者の組立精度は高く、心合せも容易である。従って、出力軸８３に対する伝動軸１１１の組立精度は高く、心合せも容易である。
また、比較的高速回転する電動機８２と歯車式減速機構１１０との間に、トルクリミッタ９０を介在させたので、トルクリミッタ９０が小さくてすみ、トルクリミッタ９０の小型化、低コスト化を図ることができる。小型のトルクリミッタ９０であるから配置スペースが少なくてすむので、ハウジング４１に収納することが容易である。
【００４７】
図７（ａ）〜（ｄ）は本発明に係るラックアンドピニオン機構の構成図である。なお、理解を容易にするために、ラック３４よりも図手前側にピニオン３３を配置して表した。Ｌ１はピニオンの中心線、Ｌ２はラック軸の中心線、Ｌ３はラックの歯面に直角な線である。
なお、図７及び図８においては、ピニオンの中心線Ｌ１がラック軸の中心線Ｌ２に直交する場合について、説明する。
【００４８】
（ａ）は、ラックアンドピニオン機構３２のピニオン３３並びにラック３４を「はすば歯車（ヘリカルギヤ）」としたことを示す。すなわち、ピニオン３３は、はすばピニオンであり、ラック３４は、はすばラックである。
例えば、ピニオン３３をなす「はすば歯車」とは、（ｂ）に示すように、基準ピッチ面となる円筒３３ａの周面と歯面３３ｂとの交線である、歯すじ３３ｃが、所定のねじれ角θを有したつる巻線である、円筒歯車を言う。「ねじれ角θ」とは、つる巻線３３ｄとつる巻線３３ｄを考える円筒３３ａの母線３３ｅとのなす、鋭角θを言う。
【００４９】
（ｃ）は、ラック３４をなす「はすば歯車」の部分拡大斜視図であり、はすば歯車のねじれ角が、ピニオン３３をなす「はすば歯車」のねじれ角θと同一であることを示す。
本発明は、ピニオン３３並びにラック３４をなす、はすば歯車のねじれ角θを、はすば歯車の摩擦角を越えない範囲に設定したことを特徴とする。その理由については後述する。
【００５０】
（ｄ）は、ピニオン３３並びにラック３４をなす「はすば歯車」の歯形の拡大断面図であり、はすば歯車の歯形が円弧歯形であることを示す。
円弧歯形の歯車については、「［新しい歯車とその応用］円弧歯形歯車」（機械設計・第２６巻第３号（１９８２年３月号）第４７頁〜第５１頁、日刊工業新聞社発行）の文献等によって知られている。以下、円弧歯形の概要について説明する。
【００５１】
円弧歯形の歯車とは、１組の歯車のうち、少なくとも一方の歯車の歯末の面を、基準ピッチ線Ｐｉ上をほぼ中心とする円弧面に形成し、少なくとも他方の歯車の歯元の面を、基準ピッチ線Ｐｉ上をほぼ中心とする円弧面に形成した、円弧歯形を有する歯車であって、Ｗ／Ｎ歯車とも言う。円弧歯形の歯車には、対称形の円弧歯形と非対称形の円弧歯形がある。
ここで、歯元の面とは、歯底曲面と基準ピッチ線Ｐｉとの間にある歯面の部分であり、歯末の面とは、歯先曲面と基準ピッチ線Ｐｉとの間にある歯面の部分である。
【００５２】
ピニオン３３において、対称形の円弧歯形とは、（ｄ）に示すように、歯末の面３３ｆを円弧面に形成するとともに歯元の面３３ｇも円弧面に形成、すなわち、歯末の面３３ｆと歯元の面３３ｇとを、基準ピッチ線Ｐｉに対してほぼ点対称形の円弧面に形成した円弧歯形であり、例えば、ノビコフ歯車第３種やシンマーク歯車がある。ｒは円弧面の半径である。
ラック３４における、対称形の円弧歯形も、上記ピニオン３３における対称形の円弧歯形と同一であって、歯末の面３４ａと歯元の面３４ｂとを、基準ピッチ線Ｐｉに対してほぼ点対称形の円弧面に形成したものである。
【００５３】
一方、非対称形の円弧歯形とは、１組の歯車のうち、一方の歯車の歯を、基準ピッチ線Ｐｉ上をほぼ中心とする歯末円弧だけで形成し、他方の歯車の歯を、基準ピッチ線Ｐｉ上をほぼ中心とする歯元円弧だけで形成した円弧歯形であり、例えば、ノビコフ歯車第１，２種やサーカーク歯車がある。
本発明においては、はすば歯車の歯形を、対称形の円弧歯形にすることが、より好ましい。
【００５４】
インボリュート歯形の正面歯形は、凸歯面と凸歯面との噛み合いである。これに対して本発明は、はすば歯車の歯形を円弧歯形にした。円弧歯形の正面歯形は、凹歯面と凸歯面との噛み合いである。歯すじ方向の相対曲率半径が大きいので、負荷が作用したときには、接触線が大きな面積を有した領域となる。一般に、円弧歯形の強度はインボリュート歯車に比べて、表面疲れ強さが６〜７倍、曲げ強さが１．５〜１．６倍、曲げ疲れ強さが１．５〜１．６倍である。
【００５５】
ピニオン３３並びにラック３４を上述の円弧歯形のはすば歯車にしたことにより、これらの歯車の強度をより一層高めることができ、例えば、次のようなときに効果を発揮する。
左右の操舵輪を最大操舵角まで操舵したとき、すなわち、図３においてラック軸３５が移動終端まで移動したとき、左のボールジョイント３６がストッパ４３に当ったり、右のボールジョイント３６がストッパ４３に当たることで、ラック３４（図１参照）は即時に停止する。このとき、通常の操舵時よりも極めて大きなトルクが、ピニオン３３（図１参照）とラック３４とに作用する。このような場合であっても、強度を高めたピニオン３３並びにラック３４は、大トルクを十分に受けることができる。
【００５６】
図８（ａ）〜（ｃ）は本発明に係るラックアンドピニオン機構の概念図である。
（ａ）は、ピニオン３３を回転させることで、ラック３４を図左方向に移動させたことを示す。左右の操舵輪を右へ最大操舵角まで操舵したとき、すなわち、ラック軸３５が移動終端まで移動したとき、右のボールジョイント３６がストッパ４３に当たることで、ラック３４は即時に停止する。このときのトルクは、衝撃トルクであるので、通常の操舵時よりも極めて大きい最大トルクである。
【００５７】
（ｂ）は、ピニオン３３の歯面でラック３４の歯面を図左方向に押している状態を示した模式図である。（ｃ）は、（ｂ）を更に模式的に示した図であり、ラック３４の歯面を斜辺Ｄとする直角三角形を、△ＡＢＣとして表した。
（ｂ）及び（ｃ）において、斜辺Ｄの傾斜角は、はすば歯車のねじれ角θと同一のθである。斜辺Ｄをピニオン３３の歯Ｅで押す力はＷ0であり、この力Ｗ0はピニオン３３のピッチ円上の円周方向に作用する力（ピニオン３３の回転力）に相当する。従って、力Ｗ0は線ＡＢに直角方向に働く。
【００５８】
移動終端で停止した状態のラック３４を、ピニオン３３で更に押した場合には、歯Ｅは斜辺Ｄ上を点Ａ方向へ滑って移動しようとする。斜辺Ｄと歯Ｅとの間に働く直圧力、すなわち、ピニオン３３の歯面とラック３４の歯面との間に働く直圧力（歯面に直角に働く力）Ｗ1は、
Ｗ1＝Ｗ0×cosθ ………（１）
斜辺Ｄに平行に働く力（ラック３４の歯面に平行に働く力）Ｗ2は、
Ｗ2＝Ｗ0×sinθ ………（２）
【００５９】
また、力Ｗ2によって、歯Ｅが斜辺Ｄ上を点Ａ方向へ滑って移動しないように、線ＡＢと平行な力Ｐ0で支える必要がある。この支える力Ｐ0はピニオン３３に働くスラストであり、力Ｐ0の方向は力Ｗ0の方向と直交する。支える力Ｐ0の分力は、斜辺Ｄに直角な分力Ｐ1と斜辺Ｄに平行な分力Ｐ2とであり、次式で表すことができる。
Ｐ1＝Ｐ0×sinθ ………（３）
Ｐ2＝Ｐ0×cosθ ………（４）
【００６０】
斜辺Ｄに直角な方向の力の成分の総和、すなわち、複合直圧力Ｒは直圧力Ｗ1と分力Ｐ1の和であるから、これを次式で表すと、
Ｒ＝Ｗ1＋Ｐ1 ………（５）
ピニオン３３の歯面とラック３４の歯面との間の最大摩擦力をＦとしたとき、最大摩擦力Ｆの大きさは複合直圧力Ｒに比例する。
これを次式で表すと、
Ｆ＝μ×Ｒ ………（６）
但し、μは、はすば歯車としてのピニオン３３の歯面とラック３４の歯面との間の、摩擦係数である。摩擦係数μに対応する、はすば歯車の摩擦角をρとすれば、
μ＝tanρ ………（７）
力Ｗ2によって、歯Ｅが斜辺Ｄ上を点Ａ方向へ滑って移動しようとするので、摩擦力Ｆは力Ｗ2の方向と逆向きに働く。
【００６１】
斜辺Ｄに平行な３つの力Ｆ、Ｗ2、Ｐ2は次式の関係にある。
Ｐ2＝Ｗ2−Ｆ ………（８）
（８）式に（１）〜（６）式を代入すると、
Ｐ0×cosθ＝Ｗ0×sinθ−μ×Ｒ
＝Ｗ0×sinθ−μ（Ｗ1＋Ｐ1）
＝Ｗ0×sinθ−μ（Ｗ0×cosθ＋Ｐ0×sinθ）
＝Ｗ0×sinθ−μ×Ｗ0×cosθ−μ×Ｐ0×sinθ …（９）
（９）式を整理すると、
Ｐ0（cosθ＋μ×sinθ）＝Ｗ0（sinθ−μ×cosθ） ………（１０）
Ｐ0＝Ｗ0（sinθ−μ×cosθ）／（cosθ＋μ×sinθ） ………（１１）
（１１）式に（７）式を代入すると、
【００６２】
【数１】
【００６３】
上記（１２）式から明らかなように、θ＝ρのときにはＰ0＝０となる。また、θ＜ρのときにはＰ0＜０となる。従って、ラック３４が停止した状態では、ピニオン３３に大きなトルクが作用しても、ピニオン３３にスラスト、すなわち、力Ｐ0が働くことはない。これが、はすば歯車のねじれ角θを、はすば歯車の摩擦角ρを越えない範囲（０°＜θ≦ρ）に設定したことの、理由である。
【００６４】
一方、ラック３４が左又は右の移動終端で停止していない、通常の状態にあるとき、ピニオン３３でラック３４を左又は右へ駆動する場合には、斜辺Ｄをピニオン３３の歯Ｅで押す力は、力Ｗ0よりも極めて小さい力である。この小さい力に応じたスラストがピニオン３３に働くことになる。
このように、ピニオン３３に作用するスラストを、極めて小さなものに抑制することができる。
【００６５】
次に、入力軸３１を傾けて取付けた場合の、ピニオン３３に作用するスラストについて、図９に基づき説明する。
図９（ａ），（ｂ）は本発明に係るラックアンドピニオン機構の変形概念図である。
（ａ）は、ラック軸３５の中心線Ｌ２に直交する直線を基準線Ｓとしたとき、この基準線Ｓから図左へ、入力軸３１を傾き角αだけ傾けた場合を示す。（ｂ）は、基準線Ｓから図右へ、入力軸３１を傾き角αだけ傾けた場合を示す。
【００６６】
ここで、はすば歯車としてのラック３４のねじれ角をβとする。（ａ）のラック３４のねじれ角はβ＝θ＋αであり、（ｂ）のラック３４のねじれ角はβ＝θ−αである。しかし、ピニオン３３のねじれ角θは、入力軸３１の傾き角αにかかわらず、一定である。ピニオン３３のねじれ角θが常に一定であるから、ピニオン３３に働くスラストＰ0も一定であり、上記（１２）式で表すことができる。
上述のように、ピニオン３３のねじれ角θについては、はすば歯車の摩擦角ρを越えない範囲（０°＜θ≦ρ）に設定してある。従って、入力軸３１の傾き角αにかかわらず、ラック３４が停止した状態では、ピニオン３３に大きなトルクが作用しても、ピニオン３３にスラスト、すなわち、力Ｐ0が働くことはない。
【００６７】
以上をまとめると、ピニオン３３並びにラック３４をはすば歯車としたので、すぐば歯車（平歯車）に比べて、比較的大きいトルクを伝達することができる。この結果、ラックアンドピニオン機構３２を小型にすることができる。
しかも、はすば歯車としてのピニオン３３のねじれ角θを、はすば歯車の摩擦角ρを越えない範囲に設定したので、ピニオン３３に作用するスラストは、ラック３４が左又は右の移動終端で停止していない、通常の状態にあるときの小さい力だけである。このため、図８（ａ）の入力軸３１や図９（ａ），（ｂ）の入力軸３１に作用するスラストは小さく、入力軸３１を支承した軸受５１，５２や、入力軸３１に連結した歯車式減速機構１１０（図４参照）に、作用するスラストも小さい。
従って、はすば歯車を採用したにもかかわらず、入力軸３１、軸受５１，５２、歯車式減速機構１１０の強度を高める必要がなく、これらの部材を小型にすることができるとともに、安価にすることができる。
【００６８】
図１０は本発明に係る歯車式減速機構の変形例図（その１）であり、歯車式減速機構１１０における伝動軸１１１の支持構造の変形例を示す。
変形例の支持構造は、伝動軸１１１を第１・第２軸受１１４，１１５並びに偏心スリーブ１２１を介して、ハウジング４１にて支承したことを特徴とする。詳しくは、偏心スリーブ１２１は、ハウジング４１の孔に回転可能に嵌合した管状スリーブであり、この管状スリーブの内部の孔に第１・第２軸受１１４，１１５を嵌合し、これらの第１・第２軸受１１４，１１５を介して伝動軸１１１を回転可能に支承したものである。ハウジング４１に偏心スリーブ１２１をリング状ボルト１２２にて軸方向に押し付けることで、ハウジング４１に偏心スリーブ１２１を摩擦力で固定することができる。
【００６９】
図１１は本発明に係る歯車式減速機構の変形例図（その２）であり、上記図１０の１１−１１線断面における、ウォーム１１２とウォームホイール１１３と偏心スリーブ１２１との関係を表したものである。
この図は、偏心スリーブ１２１の中心Ｏ3に対して、ウォーム１１２の中心Ｏ1（伝動軸１１１の中心Ｏ1）が、上又は下へ偏心量δだけ偏心していることを示す。偏心スリーブ１２１の偏心した位置で伝動軸１１１を支承するので、偏心スリーブ１２１を回転させると、ウォーム１１２の中心Ｏ1が中心Ｏ2に接・離するように移動する。この結果、ウォーム１１２の中心Ｏ1からウォームホイール１１３の中心Ｏ2までの距離Ｘが変わる。このため、偏心スリーブ１２１を回転させるだけで、ウォームホイール１１３に対するウォーム１１２のバックラッシを容易に調整することができる。なお、この変形例においても、ウォーム１１２を金属製品にするとともに、その歯面を上記低摩擦剤からなる被膜層にて被覆し、また、ウォームホイール１１３を樹脂製品にすることが好ましい。
【００７０】
従って、ウォーム１１２の歯面とウォームホイール１１３の歯面とを、バックラッシが無いように噛み合わせ調整し、更に、ウォーム１１２の歯面とウォームホイール１１３の歯面とを、予圧を付加して噛み合わせることができる。バックラッシが無くなるので、ウォーム１１２とウォームホイール１１３との噛み合いのガタが無くなる。噛み合いのガタが無いので、電動機８２（図１０参照）の慣性による衝撃トルクが、ウォーム１１２の歯面からウォームホイール１１３の歯面に作用することはない。従って、変形例においても、歯車式減速機構１１０の耐久性が、より一層高まる。
【００７１】
このような歯車式減速機構１１０の噛み合わせ調整作業は、次の手順による。
（１）上記図１０において、電動機８２及びリング状ボルト１２２を外した状態で、偏心スリーブ１２１を工具で徐々に回転させる。この結果、伝動軸１１１の中心Ｏ1が移動するので、ウォームホイール１１３に対するウォーム１１２のバックラッシを調整することができる。
（２）調整完了後にリング状ボルト１２２を締めて、ハウジング４１に偏心スリーブ１２１を摩擦力で固定する。
（３）電動機８２に組込んだ状態のトルクリミッタ９０を、ハウジング４１内に挿入して、伝動軸１１１に嵌合させる。
（４）ハウジング４１に電動機８２をボルト１２３にて取付けて、作業を完了する。なお、電動機８２のボルト孔１２４は、通常のボルト孔径よりも大きい孔である。従って、電動機８２の出力軸８３の中心を伝動軸１１１の中心Ｏ1に容易に合せることができる。
【００７２】
なお、上記実施の形態において、トルクリミッタ９０は、摩擦式トルクリミッタに限定されるものではない。
また、歯車式減速機構１１０は、ウォームギヤ機構に限定されるものではなく、例えば、ベベルギヤ機構や平歯車機構であってもよい。
【００７３】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項１及び請求項２記載の発明は、電動パワーステアリング装置におけるラックアンドピニオン機構のピニオン並びにラックをはすば歯車としたので、すぐば歯車（平歯車）よりも大きいトルクを伝達することができる。
さらには、はすば歯車としてのピニオンのねじれ角を、はすば歯車の摩擦角を越えない範囲に設定したので、ピニオンに作用するスラストは、ラックが左又は右の移動終端で停止していない、通常の状態にあるときの小さい力だけである。このため、入力軸に作用するスラストは小さく、入力軸を支承した軸受や、入力軸に連結した歯車式減速機構に、作用するスラストも小さい。従って、はすば歯車を採用したにもかかわらず、入力軸、軸受、歯車式減速機構の強度を高める必要がなく、これらの部材を小型にすることができるとともに、安価にすることができる。
【００７４】
さらにまた、はすば歯車の歯形を円弧歯形としたので、歯車の強度がより一層高まる。従って、運転者の操舵トルクに電動機の補助トルクを加えた複合トルクが、通常の操作時よりも大きい場合であっても、大きいトルクを十分に伝達することができる。
このようなことから、電動機の慣性による負荷トルクに対して十分な耐久性を有するラックアンドピニオン機構を備えた、電動パワーステアリング装置を小型で安価にすることができる。
【００７５】
請求項３は、電動機と歯車式減速機構との間にトルクリミッタを介在させたので、所定以上のトルクをトルクリミッタにてカットすることにより、電動機から歯車式減速機構へ伝達する補助トルクを制限することができる。従って、ラック軸がラックエンドストッパに衝突したときに、電動機に反力として過大なトルクが発生することはなく、また、負荷側に過大なトルクが伝わることもない。
【００７６】
請求項４は、操舵トルクを操舵トルクセンサにて検出するようにし、この操舵トルクセンサを、ラックアンドピニオン機構におけるピニオン軸の磁歪を検出する磁歪式センサで構成したので、従来の操舵トルクセンサで操舵トルクを検出する場合のように、ピニオン軸を長手方向に二分割して、これら分割軸間をトーションバーにて連結する必要がない。このようにピニオン軸を分割しないので、ピニオン軸を長くすることができる。ピニオン軸を長くできると加工精度が高まり、ピニオンとラックの噛み合い精度が高まる。特に、円弧歯形のラックアンドピニオン機構では、噛み合い精度と動力伝達効率の相関関係が非常に強いので、噛み合い精度の向上は重要である。
【００７７】
請求項５は、歯車式減速機構の駆動ギヤの歯面と従動ギヤの歯面とを、バックラッシが無いように噛み合わせたので、駆動ギヤと従動ギヤの噛み合いのガタを無くすることができる。ガタが無いので、電動機の慣性による衝撃トルクが、駆動ギヤの歯面から従動ギヤの歯面に作用することはない。従って、歯車式減速機構の耐久性を、より一層高めることができる。
さらには、駆動ギヤの歯面と従動ギヤの歯面のいずれか一方又は両方を、低摩擦剤からなる被膜層にて被覆することによって、駆動ギヤの歯面と従動ギヤの歯面との間の滑り面の摩擦係数を、低摩擦剤にて低減させることができる。従って、駆動ギヤと従動ギヤの噛み合いのガタが無いにもかかわらず、歯車式減速機構の動力伝達効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る車両用ステアリングシステムの模式図
【図２】 本発明に係る操舵トルクセンサの原理図
【図３】 本発明に係る電動パワーステアリング装置の全体構成図
【図４】 図３の４−４線断面図
【図５】 図４の５−５線断面図
【図６】 本発明に係るトルクリミッタの断面図
【図７】 本発明に係るラックアンドピニオン機構の構成図
【図８】 本発明に係るラックアンドピニオン機構の概念図
【図９】 本発明に係るラックアンドピニオン機構の変形概念図
【図１０】 本発明に係る歯車式減速機構の変形例図（その１）
【図１１】 本発明に係る歯車式減速機構の変形例図（その２）
【符号の説明】
２１…操舵輪（車輪）、２２…ステアリング系、３０…電動パワーステアリング装置、３１…ピニオン軸（入力軸）、３２…ラックアンドピニオン機構、３３…ピニオン、３３ｆ…歯末の面、３３ｇ…歯元の面、３４…ラック、３４ａ…歯末の面、３４ｂ…歯元の面、７０…操舵トルクセンサ（磁歪式センサ）、８２…電動機、９０…トルクリミッタ、１１０…歯車式減速機構、１１２…駆動ギヤ（ウォーム）、１１３…従動ギヤ（ウォームホイール）、１２１…偏心スリーブ、Ｐｉ…基準ピッチ線、θ…はすば歯車のねじれ角、ρ…はすば歯車の摩擦角。
【発明の属する技術分野】
本発明は電動パワーステアリング装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ステアリングハンドルの操舵力を軽減して快適な操舵感を与えるために、電動パワーステアリング装置が多用されてきた。この種の電動パワーステアリング装置は、電動機で操舵トルクに応じた補助トルクを発生し、この補助トルクをステアリング系のラックアンドピニオン機構に伝達するものであって、例えば特開平９−１９３８１５号「電動パワーステアリング装置」（以下、「従来の技術」と言う。）が知られている。
【０００３】
上記従来の技術は、同公報の図４に示される通り、モータ１１（番号は公報に記載されたものを引用した。以下同じ。）で操舵トルクに応じた補助トルクを発生し、この補助トルクを小傘歯車７ｂと大傘歯車７ａを介して、ピニオン２ａとラック軸５の組合せからなるラックアンドピニオン機構に伝達し、このラックアンドピニオン機構によって操舵輪を操舵するというものである。
【０００４】
ところで、自動車のステアリング装置は、一般に操舵輪の最大操舵角を制限するためのストッパ機構を備えている。
具体的には、ストッパ機構は、ラック軸５をスライド可能に収容したハウジング４の長手方向両端部にラックエンドストッパ（図示せず）を取付け、また、ラック軸５の両端部にボールジョイント（図示せず）を取付けたものである。ラック軸５が所定量だけスライドすると、ボールジョイントがラックエンドストッパに当る。このようにラック軸５の移動量を規制することで、操舵輪の最大操舵角を制限することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の技術において、ラックアンドピニオン機構におけるピニオン２ａとラックは、「すぐば歯車」又は「はすば歯車」であり、これらのすぐば歯車やはすば歯車の歯形は、一般にインボリュート歯形である。はすば歯車は、すぐば歯車よりも噛み合いが円滑であり、振動や騒音が小さく、高負荷・高速歯車として広く採用されている。
【０００６】
電動パワーステアリング装置のラックアンドピニオン機構においても、小型で高負荷対応のはすば歯車が用いられている。はすば歯車は所定のねじれ角を有する歯車であるから、回転力に応じたスラストが、常に生じることになる。
通常の操作時において、ピニオン２ａには、運転者の操舵トルクにモータ１１の補助トルクを加えた複合トルクが作用するとともに、この複合トルクに応じたスラストが作用する。
【０００７】
ところで、ラック軸５は所定量だけスライドしたときに、ストッパ機構によって移動が規制される。ラック軸５が停止するので、ピニオン２ａには、通常の操作時に比べて大きな複合トルクが作用するとともに、この複合トルクに応じた大きなスラストが作用する。このときの複合トルクは最大トルクであり、スラストも最大スラストである。
【０００８】
電動パワーステアリング装置の動力伝達部、軸受、ハウジング等の各部材は、このような最大スラストを勘案した大きな強度を要する。各部材の強度を高めるためには、比較的高級な材料を使用したり、大径の部材を使用することになる。このため、電動パワーステアリング装置が大型になったり、高価格になるので、改良の余地がある。
【０００９】
そこで本発明の目的は、電動機の慣性による負荷トルクに対して十分な耐久性を有するラックアンドピニオン機構を備えた、電動パワーステアリング装置を小型で低価格にできる技術を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１は、電動機で操舵トルクに応じた補助トルクを発生し、この補助トルクを歯車式減速機構を介して、ステアリング系のラックアンドピニオン機構に伝達し、このラックアンドピニオン機構によって操舵輪を操舵するようにした電動パワーステアリング装置において、ラックアンドピニオン機構のピニオン並びにラックをはすば歯車とし、はすば歯車としてのピニオンのねじれ角を、はすば歯車の摩擦角を越えない範囲に設定するとともに、はすば歯車の歯形を、１組の歯車の両方共に、歯末の面及び歯元の面が、基準ピッチ線上をほぼ中心とする円弧面である、円弧歯形としたことを特徴とする。
請求項２は、電動機で操舵トルクに応じた補助トルクを発生し、この補助トルクを歯車式減速機構を介して、ステアリング系のラックアンドピニオン機構に伝達し、このラックアンドピニオン機構によって操舵輪を操舵するようにした電動パワーステアリング装置において、ラックアンドピニオン機構のピニオン並びにラックをはすば歯車とし、はすば歯車としてのピニオンのねじれ角を、はすば歯車の摩擦角を越えない範囲に設定するとともに、はすば歯車の歯形を、１組の歯車のうち、一方の歯車の歯末の面が、基準ピッチ線上をほぼ中心とする円弧面だけで形成され、他方の歯車の歯元の面が、基準ピッチ線上をほ ぼ中心とする円弧面だけで形成されている、円弧歯形としたことを特徴とする。
【００１１】
請求項１及び請求項２は、はすば歯車であるから、すぐば歯車（平歯車）よりも大きいトルクを伝達することができる。
操舵輪を左又は右へ最大操舵角まで操舵して、ラック軸がラックエンドストッパに衝突したとき、すなわち、ラック軸が移動終端まで移動したとき、ラックは即時に停止する。このときのトルクは、静トルクではなく衝撃トルクであるから、通常の操舵時よりも極めて大きい。しかし、はすば歯車としてのピニオンのねじれ角が、はすば歯車の摩擦角を越えない範囲にあるから、このときには、ピニオンにスラストが作用しない。従って、ピニオンに作用するスラストは、ラックが左又は右の移動終端で停止していない通常の状態にあるときの、極めて小さい力だけである。
さらには、円弧歯形であるから、インボリュート歯形よりも表面疲れ強さ、曲げ強さ、曲げ疲れ強さが大きい。このため、運転者の操舵トルクに電動機の補助トルクを加えた複合トルクが、通常の操作時よりも大きい場合であっても、十分に伝達することができる。
【００１２】
請求項３は、電動機と歯車式減速機構との間にトルクリミッタを介在させたことを特徴とする。
【００１３】
所定以上のトルクをトルクリミッタにてカットすることで、電動機から歯車式減速機構へ伝達する補助トルクを制限する。従って、ラック軸がラックエンドストッパに衝突したときに、電動機に反力として過大なトルクが発生することはない。
【００１４】
請求項４は、操舵トルクを操舵トルクセンサにて検出するようにし、この操舵トルクセンサを、ラックアンドピニオン機構におけるピニオン軸の磁歪を検出する磁歪式センサで構成したことを特徴とする。
【００１５】
従来の操舵トルクセンサで操舵トルクを検出する場合のように、ピニオン軸を長手方向に二分割して、これら分割軸間をトーションバーにて連結する必要がない。分割しないので、ピニオン軸を長くすることができる。ピニオン軸を長くできると加工精度が高まり、ピニオンとラックの噛み合い精度が高まる。特に、円弧歯形のラックアンドピニオン機構では、噛み合い精度と動力伝達効率の相関関係が非常に強いので、噛み合い精度の向上は重要である。
【００１６】
請求項５は、歯車式減速機構を、駆動ギヤと従動ギヤの組合せ構造とし、これらの駆動ギヤの歯面と従動ギヤの歯面のいずれか一方又は両方を、低摩擦剤からなる被膜層にて被覆するとともに、駆動ギヤの歯面と従動ギヤの歯面とを、バックラッシが無いように噛み合わせたことを特徴とする。
ここで、「低摩擦剤からなる被膜層にて被覆する」ことには、低摩擦剤にてコーティングしたり低摩擦剤を含浸させることを包含する。
【００１７】
駆動ギヤの歯面と従動ギヤの歯面とを、バックラッシが無いように噛み合わせた。このため、駆動ギヤと従動ギヤの噛み合いのガタが無い。ガタが無いので、電動機の慣性による衝撃トルクが、駆動ギヤの歯面から従動ギヤの歯面に作用することはない。従って、歯車式減速機構の耐久性は、より一層高まる。
さらには、駆動ギヤの歯面と従動ギヤの歯面のいずれか一方又は両方を、低摩擦剤からなる被膜層にて被覆した。駆動ギヤの歯面と従動ギヤの歯面との間の滑り面の摩擦係数を、低摩擦剤にて低減させる。従って、駆動ギヤと従動ギヤの噛み合いのガタが無いにもかかわらず、動力伝達効率を高めることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図面に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係る車両用ステアリングシステムの模式図である。
車両用ステアリングシステム１０は、車両のステアリングハンドル１１から操舵輪（車輪）２１，２１に至るステアリング系２２に電動パワーステアリング装置３０を備えた、電動パワーステアリングシステムである。
【００１９】
詳しくは、車両用ステアリングシステム１０は、ステアリングハンドル１１にステアリングシャフト１２及び自在軸継手１３，１３を介して、電動パワーステアリング装置３０の入力軸３１を連結し、入力軸３１にラックアンドピニオン機構３２を連結し、ラックアンドピニオン機構３２に左右のタイロッド３７，３７を介して左右の操舵輪２１，２１を連結したものである。
ラックアンドピニオン機構３２は、入力軸３１に設けたピニオン３３と、ピニオン３３に噛み合うためのラック３４を設けたラック軸３５とからなる。電動パワーステアリング装置３０は操舵トルクセンサ７０を備える。
【００２０】
このような車両用ステアリングシステム１０によれば、運転者がステアリングハンドル１１を操舵し、この操舵トルクにより入力軸３１、ラックアンドピニオン機構３２及び左右のタイロッド３７，３７を介して、左右の操舵輪２１，２１を操舵することができる。
【００２１】
さらには、ステアリングハンドル１１で発生したステアリング系２２の操舵トルクを操舵トルクセンサ７０で検出し、この検出信号に基づき制御手段８１で制御信号を発生し、この制御信号に基づき操舵トルクに応じた補助トルクを電動機８２で発生し、補助トルクをトルクリミッタ９０、歯車式減速機構１１０及び入力軸３１を介して、ステアリング系２２のラックアンドピニオン機構３２に伝達し、このラックアンドピニオン機構３２及び左右のタイロッド３７，３７によって、左右の操舵輪２１，２１を操舵することができる。
従って、運転者の操舵トルクに電動機８２の補助トルクを加えた複合トルクによって、操舵輪２１，２１を操舵することができる。
【００２２】
図２（ａ），（ｂ）は本発明に係る操舵トルクセンサの原理図である。
操舵トルクセンサ７０は、鉄鋼材のように磁歪特性を有する入力軸３１にトルクが作用したときに、このトルクに応じて生じる磁歪効果を電気コイルにて電気磁気的に検出する、磁歪式トルクセンサである。このような磁歪式トルクセンサは、特開平６−２２１９４０号公報「磁歪式トルクセンサ」に示されるように、公知のセンサである。以下、操舵トルクセンサ７０の概要について説明する。
【００２３】
（ａ）に示す操舵トルクセンサ７０は、概ね８の字状に形成した励磁コイル７１と、励磁コイル７１とほぼ同様の大きさで概ね８の字状に形成した検出コイル７２とを、ほぼ同心上に互いに略直交させて重ね、これらの励磁・検出コイル７１，７２を１組の磁気ヘッド７３として、入力軸３１の外周面の近傍に配置したものである。すなわち、入力軸３１の外周面に対向して、概ね８の字状の励磁コイル７１を配置し、この励磁コイル７１に概ね８の字状の検出コイル７２を９０゜位相を変えた状態で重ね合わせた。この場合、励磁コイル７１をなす８の字状の直線部分を、入力軸３１の外周にほぼ平行又は軸方向にほぼ平行にして配置する。７４は励磁電圧供給源、７５は出力電圧増幅器である。
【００２４】
励磁電圧供給源７４から励磁コイル７１に２０〜１００ｋＨｚ程度の高周波数の交流電圧（励磁電圧）を供給すれば、トルクに基づく入力軸３１の磁歪効果に対応して、検出コイル７２にて励磁電圧と同じ周波数の交流電圧（出力電圧）を得ることができる。
出力電圧は、入力軸３１に作用するトルクの方向によって、励磁電圧と同相又は逆相になる。このときの出力電圧の振幅は、トルクの大きさに比例する。従って、励磁電圧の位相を基準として、出力電圧を同期整流すれば、トルクの大きさと方向を検出することができる。
【００２５】
出力電圧は出力電圧増幅器７５にて増幅され、操舵トルクセンサ７０の検出信号として、制御手段８１に発することになる。
なお、入力軸３１の磁化力が小さければ、励磁コイル７１と検出コイル７２の巻数を増し、これらの励磁・検出コイル７１，７２を１巻ずつ交互に配列することで、対応すればよい。
【００２６】
（ｂ）に示す操舵トルクセンサ７０は、励磁・検出コイル７１，７２からなる磁気ヘッド７３を２組準備し、これら２組の磁気ヘッド７３，７３を、入力軸３１の外周面の近傍に且つ入力軸３１の軸線の対称位置に配置したものである。そして、出力電圧増幅器７５で、検出コイル７２，７２からの出力電圧の差を増幅することにより、環境温度の変化に対してあまり変化しない操舵トルク信号を得ることができる。
【００２７】
上記（ａ）や（ｂ）の操舵トルクセンサ７０を採用することにより、従来の電動パワーステアリング装置において操舵トルクを検出する場合のように、入力軸３１を長手方向に二分割して、これら分割軸間をトーションバーにて連結する必要がない。従って、入力軸３１を簡素な構成にすることができるとともに、入力軸３１を十分に長く設定することができる。
しかも、図１に示す入力軸３１に設けたピニオン３３を加工する場合に、入力軸３１を加工機械にセッテイングすることが容易であり、加工精度を一層高めることができる。加工精度が高まると、ピニオン３３とラック３４との噛み合い精度も高まる。この結果、ラックアンドピニオン機構３２の動力伝達効率を高めることができる。
【００２８】
図３は本発明に係る電動パワーステアリング装置の全体構成図であり、左端部及び右端部を断面して表したものである。この図は、電動パワーステアリング装置３０のラック軸３５を、車幅方向（図左右方向）に延びるハウジング４１に軸方向へスライド可能に収容したことを示す。
ラック軸３５は、ハウジング４１から突出した長手方向両端にボールジョイント３６，３６をねじ結合し、これらのボールジョイント３６，３６に左右のタイロッド３７，３７を連結した軸である。ハウジング４１は、図示せぬ車体に取付けるためのブラケット４２，４２を備えるとともに、長手方向両端部にストッパ４３，４３を取付けたものである。
【００２９】
ラック軸３５が右へ所定量だけスライドすると、左のボールジョイント３６の当接端面（ラックエンド）３８がストッパ４３に当る。ラック軸３５が左へ所定量だけスライドすると、右のボールジョイント３６の当接端面（ラックエンド）３８がストッパ４３に当る。このようにしてラック軸３５の移動量を規制することで、左右の操舵輪２１，２１（図１参照）の最大操舵角を制限することができる。すなわち、ラック軸３５が移動終端まで移動したときに、左右の操舵輪２１，２１の操舵角は最大になる。
図中、４４，４４はダストシール用ブーツである。
【００３０】
図４は図３の４−４線断面図であり、電動パワーステアリング装置３０の縦断面構造を示す。
電動パワーステアリング装置３０は、入力軸３１、ラックアンドピニオン機構３２、操舵トルクセンサ７０、トルクリミッタ９０（図１参照）、歯車式減速機構１１０をハウジング４１に収納し、このハウジング４１の上部開口をリッド４５で塞いだものである。操舵トルクセンサ７０は、ハウジング４１又はリッド４５に取付けたものである。
【００３１】
ハウジング４１は、入力軸３１の下端部及び長手中央部を、上下２個の軸受５１，５２を介して回転可能に支承することで、縦置きにセットしたものであり、ラックガイド６０を備える。５３はリッド取付ボルト、５４は止め輪である。
【００３２】
入力軸３１は、下部にピニオン３３を一体に形成し、さらに下端部にねじ部５５を形成するとともに、上端部をリッド４５から外方へ突出したピニオン軸である。ラック３４は、ラック軸３５に一体に形成したものである。ねじ部５５にナット５６をねじ込むことで、入力軸３１の長手方向（軸方向）の移動を規制することができる。５７は袋ナット、５８はオイルシール、５９はスペーサである。
【００３３】
ラックガイド６０は、ラック３４と反対側からラック軸３５に当てるガイド部６１と、このガイド部６１を圧縮ばね６２を介して押す調整ボルト６３とからなる。このようなラックガイド６０によれば、ハウジング４１にねじ込んだ調整ボルト６３にて、圧縮ばね６２を介してガイド部６１を適切な押圧力で押すことで、ガイド部６１でラック３４に予圧を与えて、ラック３４をピニオン３３に押し付けることができる。６４はラック軸３５の背面を滑らせる当て部材、６５はロックナットである。
【００３４】
図５は図４の５−５線断面図であり、入力軸３１と電動機８２とトルクリミッタ９０と歯車式減速機構１１０との関係を示す。
電動機８２は、出力軸８３を横向きにしてハウジング４１に取付け、ハウジング４１内に出力軸８３を延したものである。
【００３５】
歯車式減速機構１１０は、電動機８２で発生した補助トルクを入力軸３１に伝達するトルク伝達手段であって、駆動ギヤと従動ギヤの組合せ構造である、ウォームギヤ機構からなる。詳しくは、歯車式減速機構１１０は、電動機８２の出力軸８３にトルクリミッタ９０を介して連結した伝動軸１１１と、伝動軸１１１に形成したウォーム（駆動ギヤ）１１２と、ウォーム１１２に噛み合うとともに入力軸３１に結合したウォームホイール（従動ギヤ）１１３とからなる。電動機８２の補助トルクを、入力軸３１を介してラックアンドピニオン機構３２（図１参照）に伝達することができる。
【００３６】
本発明は、ウォーム１１２の歯面とウォームホイール１１３の歯面との、いずれか一方又は両方を、表面処理することによって、低摩擦剤からなる被膜層にて被覆したことを特徴とする。低摩擦剤からなる被膜層にて被覆するには、例えば、低摩擦剤にてコーティングしたり低摩擦剤を含浸させる。低摩擦剤にて、ウォーム１１２の歯面とウォームホイール１１３の歯面との間の、滑り面の摩擦係数を所定値まで低減させることにより、動力伝達効率を高めることができる。
低摩擦剤としては、例えば、ポリテトラフルエチレン（略記；ＰＴＦＥ、登録商標；テフロン）等のフッ素樹脂がある。フッ素樹脂は摩擦係数が極めて小さい。
【００３７】
上記低摩擦剤を用いる表面処理方法としては、次の第１表面処理方法や第２表面処理方法がある。
（１）第１表面処理方法は、ウォーム１１２やウォームホイール１１３の材質を機械構造用炭素鋼鋼材（JIS-G-4051）等の鉄鋼とし、所定の処理液中でウォーム１１２の歯面やウォームホイール１１３の歯面に無電解ニッケルとＰＴＦＥを共析させ、被膜の中にＰＴＦＥを容積比で１０〜３０％まで均一に含ませ、被膜生成後に熱処理（約４００℃で焼成）を施すことで、歯面に無電解ニッケルとＰＴＦＥの被膜を強固に密着させる処理方法である。被膜の厚みは５〜２０μｍである。この第１表面処理方法は、アルバックテクノ（株）の「ニフグリップ（登録商標）」として知られている。
【００３８】
（２）第２表面処理方法は、ウォーム１１２やウォームホイール１１３の材質を機械構造用炭素鋼鋼材（JIS-G-4051）等の鉄鋼とし、ウォーム１１２の歯面やウォームホイール１１３の歯面に、無電解メッキ法にてニッケル・リンの多孔性被膜を形成し、この多孔性被膜にＰＴＦＥを含浸させ、その後に、熱処理（約４００℃で焼成）を施すことで、歯面に被膜を強固に密着させる処理方法である。歯面に密着した被膜は、粒子状に析出したニッケル・リンの多孔性被膜にＰＴＦＥを含浸させたものであり、厚みは５〜２０μｍである。この第２表面処理方法は、アルバックテクノ（株）の「ニダックス（登録商標）」として知られている。
【００３９】
伝動軸１１１は、出力軸８３と同心上に配置し、２個の軸受１１４，１１５を介してハウジング４１にて回転可能に支承した軸である。ハウジング４１は、出力軸８３に近い位置にある第１軸受１１４を軸方向移動不能に取付け、出力軸８３から遠い位置にある第２軸受１１５を軸方向移動可能に嵌合したものである。
さらには、第２軸受１１５の外輪の端面を、板ばね１１６を介して調整ボルト１１７で出力軸８３側に押している。調整ボルト１１７と薄板円盤状の板ばね１１６の押圧力にて、第１・第２軸受１１４，１１５に予圧を与えることで、伝動軸１１１の軸方向の遊びがないように調整する、すなわち、ガタ取りすることができる。しかも、ウォーム１１２の軸方向変位を調整して、ウォーム１１２とウォームホイール１１３の噛み合いを、適切な摩擦を保ちつつガタが無いように調整することができる。
また、板ばね１１６の弾性力により、伝動軸１１１の軸方向の熱膨張等を吸収することができる。１１８はロックナット、１１９は止め輪である。
【００４０】
ところで、本発明は、ウォーム１１２の歯面とウォームホイール１１３の歯面とを、バックラッシが無いように噛み合わせたことを特徴とする。バックラッシを無くする構成としては、例えば、次の（１）〜（４）の組合せからなる。
（１）ウォーム１１２を金属製品にするとともに、その歯面を上記低摩擦剤からなる被膜層にて被覆する。
（２）ウォームホイール１１３を樹脂製品にする。
（３）ウォーム１１２の中心Ｏ1からウォームホイール１１３の中心Ｏ2までの距離Ｘを、所定の理論値（基準値）に設定する。
（４）ウォーム１１２の基準ピッチ円直径ｄ１又はウォームホイール１１３の基準ピッチ円直径ｄ２を、所定の理論値（基準値）よりも若干大きく設定する。
【００４１】
歯車式減速機構１１０を組立たときに、基準ピッチ円直径ｄ１又はｄ２が大きい分だけ、ウォーム１１２の歯面とウォームホイール１１３の歯面とを、予圧を付加して噛み合わせることになる。この結果、ウォーム１１２の歯面とウォームホイール１１３の歯面との間のバックラッシ（噛み合い隙間）が無くなるので、噛み合いのガタが無くなる。噛み合いのガタが無いので、電動機８２の慣性による衝撃トルクが、ウォーム１１２の歯面からウォームホイール１１３の歯面に作用することはない。従って、歯車式減速機構１１０の耐久性が、より一層高まる。
【００４２】
但し、バックラッシが無いので、ウォーム１１２の歯面とウォームホイール１１３の歯面との間の噛み合い抵抗（フリクション）が増す。この点を解消するために、ウォーム１１２の歯面を上記低摩擦剤からなる被膜層にて被覆した。この結果、低摩擦剤にて、ウォーム１１２の歯面とウォームホイール１１３の歯面との間の、滑り面の摩擦係数を低減させることができる。従って、ウォーム１１２とウォームホイール１１３の噛み合いのガタが無いように調整したにもかかわらず、各ギヤ１１２，１１３の歯面同士の摩擦を適切に保って、動力伝達効率を高めることができる。
【００４３】
図６は本発明に係るトルクリミッタの断面図である。
本発明は、電動機８２と歯車式減速機構１１０との間にトルクリミッタ９０を介在させたことを特徴とする。トルクリミッタ９０は、電動機８２の出力軸８３にセレーション結合したインナ部材９１を、伝動軸１１１にセレーション結合した筒状のアウタ部材９３に嵌合したトルク制限機構である。
【００４４】
インナ部材９１は外周面９２を、伝動軸１１１の先端に向って先細りテーパとした雄部材である。アウタ部材９３は内周面９４を、インナ部材９１の外周面９２が嵌合するべく先広がりテーパとした雌部材である。テーパ状の外周面９２をテーパ状の内周面９４に嵌合し、インナ部材９１の後端面９５を皿ばね９６で弾発しつつ止め輪９７で抜け止めすることで、トルクリミッタ９０を組立ることができる。１０１はスペーサ、１０２はワッシャ、１０３は皿ばねである。
【００４５】
皿ばね９６の弾発力で、外周面９２を内周面９４に押し付けて予圧を与えることにより、外周面９２を内周面９４に所定の摩擦力を有して、連結することができる。このようなトルクリミッタ９０であるから、所定の摩擦力を上回る大きなトルクが作用すると、外周面９２と内周面９４との間がスリップする。この結果、電動機８２から歯車式減速機構１１０へ伝達する補助トルクを制限、すなわち、オーバートルクをカットすることができる。従って、電動機８２に過大なトルクが発生することはなく、また、負荷側に過大なトルクが伝わることもない。
【００４６】
さらには、インナ部材９１をアウタ部材９３にテーパにて嵌合したので、両者の組立精度は高く、心合せも容易である。従って、出力軸８３に対する伝動軸１１１の組立精度は高く、心合せも容易である。
また、比較的高速回転する電動機８２と歯車式減速機構１１０との間に、トルクリミッタ９０を介在させたので、トルクリミッタ９０が小さくてすみ、トルクリミッタ９０の小型化、低コスト化を図ることができる。小型のトルクリミッタ９０であるから配置スペースが少なくてすむので、ハウジング４１に収納することが容易である。
【００４７】
図７（ａ）〜（ｄ）は本発明に係るラックアンドピニオン機構の構成図である。なお、理解を容易にするために、ラック３４よりも図手前側にピニオン３３を配置して表した。Ｌ１はピニオンの中心線、Ｌ２はラック軸の中心線、Ｌ３はラックの歯面に直角な線である。
なお、図７及び図８においては、ピニオンの中心線Ｌ１がラック軸の中心線Ｌ２に直交する場合について、説明する。
【００４８】
（ａ）は、ラックアンドピニオン機構３２のピニオン３３並びにラック３４を「はすば歯車（ヘリカルギヤ）」としたことを示す。すなわち、ピニオン３３は、はすばピニオンであり、ラック３４は、はすばラックである。
例えば、ピニオン３３をなす「はすば歯車」とは、（ｂ）に示すように、基準ピッチ面となる円筒３３ａの周面と歯面３３ｂとの交線である、歯すじ３３ｃが、所定のねじれ角θを有したつる巻線である、円筒歯車を言う。「ねじれ角θ」とは、つる巻線３３ｄとつる巻線３３ｄを考える円筒３３ａの母線３３ｅとのなす、鋭角θを言う。
【００４９】
（ｃ）は、ラック３４をなす「はすば歯車」の部分拡大斜視図であり、はすば歯車のねじれ角が、ピニオン３３をなす「はすば歯車」のねじれ角θと同一であることを示す。
本発明は、ピニオン３３並びにラック３４をなす、はすば歯車のねじれ角θを、はすば歯車の摩擦角を越えない範囲に設定したことを特徴とする。その理由については後述する。
【００５０】
（ｄ）は、ピニオン３３並びにラック３４をなす「はすば歯車」の歯形の拡大断面図であり、はすば歯車の歯形が円弧歯形であることを示す。
円弧歯形の歯車については、「［新しい歯車とその応用］円弧歯形歯車」（機械設計・第２６巻第３号（１９８２年３月号）第４７頁〜第５１頁、日刊工業新聞社発行）の文献等によって知られている。以下、円弧歯形の概要について説明する。
【００５１】
円弧歯形の歯車とは、１組の歯車のうち、少なくとも一方の歯車の歯末の面を、基準ピッチ線Ｐｉ上をほぼ中心とする円弧面に形成し、少なくとも他方の歯車の歯元の面を、基準ピッチ線Ｐｉ上をほぼ中心とする円弧面に形成した、円弧歯形を有する歯車であって、Ｗ／Ｎ歯車とも言う。円弧歯形の歯車には、対称形の円弧歯形と非対称形の円弧歯形がある。
ここで、歯元の面とは、歯底曲面と基準ピッチ線Ｐｉとの間にある歯面の部分であり、歯末の面とは、歯先曲面と基準ピッチ線Ｐｉとの間にある歯面の部分である。
【００５２】
ピニオン３３において、対称形の円弧歯形とは、（ｄ）に示すように、歯末の面３３ｆを円弧面に形成するとともに歯元の面３３ｇも円弧面に形成、すなわち、歯末の面３３ｆと歯元の面３３ｇとを、基準ピッチ線Ｐｉに対してほぼ点対称形の円弧面に形成した円弧歯形であり、例えば、ノビコフ歯車第３種やシンマーク歯車がある。ｒは円弧面の半径である。
ラック３４における、対称形の円弧歯形も、上記ピニオン３３における対称形の円弧歯形と同一であって、歯末の面３４ａと歯元の面３４ｂとを、基準ピッチ線Ｐｉに対してほぼ点対称形の円弧面に形成したものである。
【００５３】
一方、非対称形の円弧歯形とは、１組の歯車のうち、一方の歯車の歯を、基準ピッチ線Ｐｉ上をほぼ中心とする歯末円弧だけで形成し、他方の歯車の歯を、基準ピッチ線Ｐｉ上をほぼ中心とする歯元円弧だけで形成した円弧歯形であり、例えば、ノビコフ歯車第１，２種やサーカーク歯車がある。
本発明においては、はすば歯車の歯形を、対称形の円弧歯形にすることが、より好ましい。
【００５４】
インボリュート歯形の正面歯形は、凸歯面と凸歯面との噛み合いである。これに対して本発明は、はすば歯車の歯形を円弧歯形にした。円弧歯形の正面歯形は、凹歯面と凸歯面との噛み合いである。歯すじ方向の相対曲率半径が大きいので、負荷が作用したときには、接触線が大きな面積を有した領域となる。一般に、円弧歯形の強度はインボリュート歯車に比べて、表面疲れ強さが６〜７倍、曲げ強さが１．５〜１．６倍、曲げ疲れ強さが１．５〜１．６倍である。
【００５５】
ピニオン３３並びにラック３４を上述の円弧歯形のはすば歯車にしたことにより、これらの歯車の強度をより一層高めることができ、例えば、次のようなときに効果を発揮する。
左右の操舵輪を最大操舵角まで操舵したとき、すなわち、図３においてラック軸３５が移動終端まで移動したとき、左のボールジョイント３６がストッパ４３に当ったり、右のボールジョイント３６がストッパ４３に当たることで、ラック３４（図１参照）は即時に停止する。このとき、通常の操舵時よりも極めて大きなトルクが、ピニオン３３（図１参照）とラック３４とに作用する。このような場合であっても、強度を高めたピニオン３３並びにラック３４は、大トルクを十分に受けることができる。
【００５６】
図８（ａ）〜（ｃ）は本発明に係るラックアンドピニオン機構の概念図である。
（ａ）は、ピニオン３３を回転させることで、ラック３４を図左方向に移動させたことを示す。左右の操舵輪を右へ最大操舵角まで操舵したとき、すなわち、ラック軸３５が移動終端まで移動したとき、右のボールジョイント３６がストッパ４３に当たることで、ラック３４は即時に停止する。このときのトルクは、衝撃トルクであるので、通常の操舵時よりも極めて大きい最大トルクである。
【００５７】
（ｂ）は、ピニオン３３の歯面でラック３４の歯面を図左方向に押している状態を示した模式図である。（ｃ）は、（ｂ）を更に模式的に示した図であり、ラック３４の歯面を斜辺Ｄとする直角三角形を、△ＡＢＣとして表した。
（ｂ）及び（ｃ）において、斜辺Ｄの傾斜角は、はすば歯車のねじれ角θと同一のθである。斜辺Ｄをピニオン３３の歯Ｅで押す力はＷ0であり、この力Ｗ0はピニオン３３のピッチ円上の円周方向に作用する力（ピニオン３３の回転力）に相当する。従って、力Ｗ0は線ＡＢに直角方向に働く。
【００５８】
移動終端で停止した状態のラック３４を、ピニオン３３で更に押した場合には、歯Ｅは斜辺Ｄ上を点Ａ方向へ滑って移動しようとする。斜辺Ｄと歯Ｅとの間に働く直圧力、すなわち、ピニオン３３の歯面とラック３４の歯面との間に働く直圧力（歯面に直角に働く力）Ｗ1は、
Ｗ1＝Ｗ0×cosθ ………（１）
斜辺Ｄに平行に働く力（ラック３４の歯面に平行に働く力）Ｗ2は、
Ｗ2＝Ｗ0×sinθ ………（２）
【００５９】
また、力Ｗ2によって、歯Ｅが斜辺Ｄ上を点Ａ方向へ滑って移動しないように、線ＡＢと平行な力Ｐ0で支える必要がある。この支える力Ｐ0はピニオン３３に働くスラストであり、力Ｐ0の方向は力Ｗ0の方向と直交する。支える力Ｐ0の分力は、斜辺Ｄに直角な分力Ｐ1と斜辺Ｄに平行な分力Ｐ2とであり、次式で表すことができる。
Ｐ1＝Ｐ0×sinθ ………（３）
Ｐ2＝Ｐ0×cosθ ………（４）
【００６０】
斜辺Ｄに直角な方向の力の成分の総和、すなわち、複合直圧力Ｒは直圧力Ｗ1と分力Ｐ1の和であるから、これを次式で表すと、
Ｒ＝Ｗ1＋Ｐ1 ………（５）
ピニオン３３の歯面とラック３４の歯面との間の最大摩擦力をＦとしたとき、最大摩擦力Ｆの大きさは複合直圧力Ｒに比例する。
これを次式で表すと、
Ｆ＝μ×Ｒ ………（６）
但し、μは、はすば歯車としてのピニオン３３の歯面とラック３４の歯面との間の、摩擦係数である。摩擦係数μに対応する、はすば歯車の摩擦角をρとすれば、
μ＝tanρ ………（７）
力Ｗ2によって、歯Ｅが斜辺Ｄ上を点Ａ方向へ滑って移動しようとするので、摩擦力Ｆは力Ｗ2の方向と逆向きに働く。
【００６１】
斜辺Ｄに平行な３つの力Ｆ、Ｗ2、Ｐ2は次式の関係にある。
Ｐ2＝Ｗ2−Ｆ ………（８）
（８）式に（１）〜（６）式を代入すると、
Ｐ0×cosθ＝Ｗ0×sinθ−μ×Ｒ
＝Ｗ0×sinθ−μ（Ｗ1＋Ｐ1）
＝Ｗ0×sinθ−μ（Ｗ0×cosθ＋Ｐ0×sinθ）
＝Ｗ0×sinθ−μ×Ｗ0×cosθ−μ×Ｐ0×sinθ …（９）
（９）式を整理すると、
Ｐ0（cosθ＋μ×sinθ）＝Ｗ0（sinθ−μ×cosθ） ………（１０）
Ｐ0＝Ｗ0（sinθ−μ×cosθ）／（cosθ＋μ×sinθ） ………（１１）
（１１）式に（７）式を代入すると、
【００６２】
【数１】
上記（１２）式から明らかなように、θ＝ρのときにはＰ0＝０となる。また、θ＜ρのときにはＰ0＜０となる。従って、ラック３４が停止した状態では、ピニオン３３に大きなトルクが作用しても、ピニオン３３にスラスト、すなわち、力Ｐ0が働くことはない。これが、はすば歯車のねじれ角θを、はすば歯車の摩擦角ρを越えない範囲（０°＜θ≦ρ）に設定したことの、理由である。
【００６４】
一方、ラック３４が左又は右の移動終端で停止していない、通常の状態にあるとき、ピニオン３３でラック３４を左又は右へ駆動する場合には、斜辺Ｄをピニオン３３の歯Ｅで押す力は、力Ｗ0よりも極めて小さい力である。この小さい力に応じたスラストがピニオン３３に働くことになる。
このように、ピニオン３３に作用するスラストを、極めて小さなものに抑制することができる。
【００６５】
次に、入力軸３１を傾けて取付けた場合の、ピニオン３３に作用するスラストについて、図９に基づき説明する。
図９（ａ），（ｂ）は本発明に係るラックアンドピニオン機構の変形概念図である。
（ａ）は、ラック軸３５の中心線Ｌ２に直交する直線を基準線Ｓとしたとき、この基準線Ｓから図左へ、入力軸３１を傾き角αだけ傾けた場合を示す。（ｂ）は、基準線Ｓから図右へ、入力軸３１を傾き角αだけ傾けた場合を示す。
【００６６】
ここで、はすば歯車としてのラック３４のねじれ角をβとする。（ａ）のラック３４のねじれ角はβ＝θ＋αであり、（ｂ）のラック３４のねじれ角はβ＝θ−αである。しかし、ピニオン３３のねじれ角θは、入力軸３１の傾き角αにかかわらず、一定である。ピニオン３３のねじれ角θが常に一定であるから、ピニオン３３に働くスラストＰ0も一定であり、上記（１２）式で表すことができる。
上述のように、ピニオン３３のねじれ角θについては、はすば歯車の摩擦角ρを越えない範囲（０°＜θ≦ρ）に設定してある。従って、入力軸３１の傾き角αにかかわらず、ラック３４が停止した状態では、ピニオン３３に大きなトルクが作用しても、ピニオン３３にスラスト、すなわち、力Ｐ0が働くことはない。
【００６７】
以上をまとめると、ピニオン３３並びにラック３４をはすば歯車としたので、すぐば歯車（平歯車）に比べて、比較的大きいトルクを伝達することができる。この結果、ラックアンドピニオン機構３２を小型にすることができる。
しかも、はすば歯車としてのピニオン３３のねじれ角θを、はすば歯車の摩擦角ρを越えない範囲に設定したので、ピニオン３３に作用するスラストは、ラック３４が左又は右の移動終端で停止していない、通常の状態にあるときの小さい力だけである。このため、図８（ａ）の入力軸３１や図９（ａ），（ｂ）の入力軸３１に作用するスラストは小さく、入力軸３１を支承した軸受５１，５２や、入力軸３１に連結した歯車式減速機構１１０（図４参照）に、作用するスラストも小さい。
従って、はすば歯車を採用したにもかかわらず、入力軸３１、軸受５１，５２、歯車式減速機構１１０の強度を高める必要がなく、これらの部材を小型にすることができるとともに、安価にすることができる。
【００６８】
図１０は本発明に係る歯車式減速機構の変形例図（その１）であり、歯車式減速機構１１０における伝動軸１１１の支持構造の変形例を示す。
変形例の支持構造は、伝動軸１１１を第１・第２軸受１１４，１１５並びに偏心スリーブ１２１を介して、ハウジング４１にて支承したことを特徴とする。詳しくは、偏心スリーブ１２１は、ハウジング４１の孔に回転可能に嵌合した管状スリーブであり、この管状スリーブの内部の孔に第１・第２軸受１１４，１１５を嵌合し、これらの第１・第２軸受１１４，１１５を介して伝動軸１１１を回転可能に支承したものである。ハウジング４１に偏心スリーブ１２１をリング状ボルト１２２にて軸方向に押し付けることで、ハウジング４１に偏心スリーブ１２１を摩擦力で固定することができる。
【００６９】
図１１は本発明に係る歯車式減速機構の変形例図（その２）であり、上記図１０の１１−１１線断面における、ウォーム１１２とウォームホイール１１３と偏心スリーブ１２１との関係を表したものである。
この図は、偏心スリーブ１２１の中心Ｏ3に対して、ウォーム１１２の中心Ｏ1（伝動軸１１１の中心Ｏ1）が、上又は下へ偏心量δだけ偏心していることを示す。偏心スリーブ１２１の偏心した位置で伝動軸１１１を支承するので、偏心スリーブ１２１を回転させると、ウォーム１１２の中心Ｏ1が中心Ｏ2に接・離するように移動する。この結果、ウォーム１１２の中心Ｏ1からウォームホイール１１３の中心Ｏ2までの距離Ｘが変わる。このため、偏心スリーブ１２１を回転させるだけで、ウォームホイール１１３に対するウォーム１１２のバックラッシを容易に調整することができる。なお、この変形例においても、ウォーム１１２を金属製品にするとともに、その歯面を上記低摩擦剤からなる被膜層にて被覆し、また、ウォームホイール１１３を樹脂製品にすることが好ましい。
【００７０】
従って、ウォーム１１２の歯面とウォームホイール１１３の歯面とを、バックラッシが無いように噛み合わせ調整し、更に、ウォーム１１２の歯面とウォームホイール１１３の歯面とを、予圧を付加して噛み合わせることができる。バックラッシが無くなるので、ウォーム１１２とウォームホイール１１３との噛み合いのガタが無くなる。噛み合いのガタが無いので、電動機８２（図１０参照）の慣性による衝撃トルクが、ウォーム１１２の歯面からウォームホイール１１３の歯面に作用することはない。従って、変形例においても、歯車式減速機構１１０の耐久性が、より一層高まる。
【００７１】
このような歯車式減速機構１１０の噛み合わせ調整作業は、次の手順による。
（１）上記図１０において、電動機８２及びリング状ボルト１２２を外した状態で、偏心スリーブ１２１を工具で徐々に回転させる。この結果、伝動軸１１１の中心Ｏ1が移動するので、ウォームホイール１１３に対するウォーム１１２のバックラッシを調整することができる。
（２）調整完了後にリング状ボルト１２２を締めて、ハウジング４１に偏心スリーブ１２１を摩擦力で固定する。
（３）電動機８２に組込んだ状態のトルクリミッタ９０を、ハウジング４１内に挿入して、伝動軸１１１に嵌合させる。
（４）ハウジング４１に電動機８２をボルト１２３にて取付けて、作業を完了する。なお、電動機８２のボルト孔１２４は、通常のボルト孔径よりも大きい孔である。従って、電動機８２の出力軸８３の中心を伝動軸１１１の中心Ｏ1に容易に合せることができる。
【００７２】
なお、上記実施の形態において、トルクリミッタ９０は、摩擦式トルクリミッタに限定されるものではない。
また、歯車式減速機構１１０は、ウォームギヤ機構に限定されるものではなく、例えば、ベベルギヤ機構や平歯車機構であってもよい。
【００７３】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項１及び請求項２記載の発明は、電動パワーステアリング装置におけるラックアンドピニオン機構のピニオン並びにラックをはすば歯車としたので、すぐば歯車（平歯車）よりも大きいトルクを伝達することができる。
さらには、はすば歯車としてのピニオンのねじれ角を、はすば歯車の摩擦角を越えない範囲に設定したので、ピニオンに作用するスラストは、ラックが左又は右の移動終端で停止していない、通常の状態にあるときの小さい力だけである。このため、入力軸に作用するスラストは小さく、入力軸を支承した軸受や、入力軸に連結した歯車式減速機構に、作用するスラストも小さい。従って、はすば歯車を採用したにもかかわらず、入力軸、軸受、歯車式減速機構の強度を高める必要がなく、これらの部材を小型にすることができるとともに、安価にすることができる。
【００７４】
さらにまた、はすば歯車の歯形を円弧歯形としたので、歯車の強度がより一層高まる。従って、運転者の操舵トルクに電動機の補助トルクを加えた複合トルクが、通常の操作時よりも大きい場合であっても、大きいトルクを十分に伝達することができる。
このようなことから、電動機の慣性による負荷トルクに対して十分な耐久性を有するラックアンドピニオン機構を備えた、電動パワーステアリング装置を小型で安価にすることができる。
【００７５】
請求項３は、電動機と歯車式減速機構との間にトルクリミッタを介在させたので、所定以上のトルクをトルクリミッタにてカットすることにより、電動機から歯車式減速機構へ伝達する補助トルクを制限することができる。従って、ラック軸がラックエンドストッパに衝突したときに、電動機に反力として過大なトルクが発生することはなく、また、負荷側に過大なトルクが伝わることもない。
【００７６】
請求項４は、操舵トルクを操舵トルクセンサにて検出するようにし、この操舵トルクセンサを、ラックアンドピニオン機構におけるピニオン軸の磁歪を検出する磁歪式センサで構成したので、従来の操舵トルクセンサで操舵トルクを検出する場合のように、ピニオン軸を長手方向に二分割して、これら分割軸間をトーションバーにて連結する必要がない。このようにピニオン軸を分割しないので、ピニオン軸を長くすることができる。ピニオン軸を長くできると加工精度が高まり、ピニオンとラックの噛み合い精度が高まる。特に、円弧歯形のラックアンドピニオン機構では、噛み合い精度と動力伝達効率の相関関係が非常に強いので、噛み合い精度の向上は重要である。
【００７７】
請求項５は、歯車式減速機構の駆動ギヤの歯面と従動ギヤの歯面とを、バックラッシが無いように噛み合わせたので、駆動ギヤと従動ギヤの噛み合いのガタを無くすることができる。ガタが無いので、電動機の慣性による衝撃トルクが、駆動ギヤの歯面から従動ギヤの歯面に作用することはない。従って、歯車式減速機構の耐久性を、より一層高めることができる。
さらには、駆動ギヤの歯面と従動ギヤの歯面のいずれか一方又は両方を、低摩擦剤からなる被膜層にて被覆することによって、駆動ギヤの歯面と従動ギヤの歯面との間の滑り面の摩擦係数を、低摩擦剤にて低減させることができる。従って、駆動ギヤと従動ギヤの噛み合いのガタが無いにもかかわらず、歯車式減速機構の動力伝達効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る車両用ステアリングシステムの模式図
【図２】 本発明に係る操舵トルクセンサの原理図
【図３】 本発明に係る電動パワーステアリング装置の全体構成図
【図４】 図３の４−４線断面図
【図５】 図４の５−５線断面図
【図６】 本発明に係るトルクリミッタの断面図
【図７】 本発明に係るラックアンドピニオン機構の構成図
【図８】 本発明に係るラックアンドピニオン機構の概念図
【図９】 本発明に係るラックアンドピニオン機構の変形概念図
【図１０】 本発明に係る歯車式減速機構の変形例図（その１）
【図１１】 本発明に係る歯車式減速機構の変形例図（その２）
【符号の説明】
２１…操舵輪（車輪）、２２…ステアリング系、３０…電動パワーステアリング装置、３１…ピニオン軸（入力軸）、３２…ラックアンドピニオン機構、３３…ピニオン、３３ｆ…歯末の面、３３ｇ…歯元の面、３４…ラック、３４ａ…歯末の面、３４ｂ…歯元の面、７０…操舵トルクセンサ（磁歪式センサ）、８２…電動機、９０…トルクリミッタ、１１０…歯車式減速機構、１１２…駆動ギヤ（ウォーム）、１１３…従動ギヤ（ウォームホイール）、１２１…偏心スリーブ、Ｐｉ…基準ピッチ線、θ…はすば歯車のねじれ角、ρ…はすば歯車の摩擦角。
Claims (5)
- 電動機で操舵トルクに応じた補助トルクを発生し、この補助トルクを歯車式減速機構を介して、ステアリング系のラックアンドピニオン機構に伝達し、このラックアンドピニオン機構によって操舵輪を操舵するようにした電動パワーステアリング装置において、前記ラックアンドピニオン機構のピニオン並びにラックをはすば歯車とし、はすば歯車としてのピニオンのねじれ角を、はすば歯車の摩擦角を越えない範囲に設定するとともに、前記はすば歯車の歯形を、１組の歯車の両方共に、歯末の面及び歯元の面が、基準ピッチ線上をほぼ中心とする円弧面である、円弧歯形としたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
- 電動機で操舵トルクに応じた補助トルクを発生し、この補助トルクを歯車式減速機構を介して、ステアリング系のラックアンドピニオン機構に伝達し、このラックアンドピニオン機構によって操舵輪を操舵するようにした電動パワーステアリング装置において、前記ラックアンドピニオン機構のピニオン並びにラックをはすば歯車とし、はすば歯車としてのピニオンのねじれ角を、はすば歯車の摩擦角を越えない範囲に設定するとともに、前記はすば歯車の歯形を、１組の歯車のうち、一方の歯車の歯末の面が、基準ピッチ線上をほぼ中心とする円弧面だけで形成され、他方の歯車の歯元の面が、基準ピッチ線上をほぼ中心とする円弧面だけで形成されている、円弧歯形としたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
- 前記電動機と前記歯車式減速機構との間にトルクリミッタを介在させたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電動パワーステアリング装置。
- 前記操舵トルクを操舵トルクセンサにて検出するようにし、この操舵トルクセンサを、前記ラックアンドピニオン機構におけるピニオン軸の磁歪を検出する磁歪式センサで構成したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電動パワーステアリング装置。
- 前記歯車式減速機構は、駆動ギヤと従動ギヤの組合せ構造であり、これらの駆動ギヤの歯面と従動ギヤの歯面のいずれか一方又は両方を、低摩擦剤からなる被膜層にて被覆するとともに、駆動ギヤの歯面と従動ギヤの歯面とを、バックラッシが無いように噛み合わせたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電動パワーステアリング装置。
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