JP4234867B2 - 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。ラック軸５は丸棒状の軸であり、この軸のうち、ピニオン２ａと対向する面にラックを形成したものである。
【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】
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。一方、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、モータ１１の慣性トルクが付加された大きな複合トルクが作用する。従って、ラックアンドピニオン機構は、モータ１１の慣性トルクを勘案した大きな強度を要する。強度を高めるには、ピニオン２ａ並びにラック軸５を大型にすることが考えられる。しかし、ラックアンドピニオン機構が大型で大重量になるので、改良の余地がある。
【０００６】
そこで本発明の目的は、電動パワーステアリング装置において、電動機の慣性による負荷トルクに対して十分な強度を有するラックアンドピニオン機構を小型で軽量にできる技術を提供することにある。
【０００７】
【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のラック軸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、ラック軸に第１軸受を介してハウジングに支承される支承部とラックを形成するラック形成部とを設け、このラック形成部の軸直角断面を支承部と同径の円形断面と仮定し、この円形断面の中心からラックの基準ピッチ線までの距離を所定寸法に設定したときに、この所定寸法によって定まるラックの歯幅よりも実際のラックの歯幅が大きくなるように、ラック形成部を形成し、ラックは、ラック軸における一端部と他端部との間に形成されており、第１軸受に支承される支承部は、ラック軸の一端部に形成されており、ラック軸の他端部は、ハウジングに設けた第２軸受の中に、隙間を有して通されていることを特徴とする。
【０００８】
これにより、従来のラックに比べて実質的な歯幅を大きくし、ラックの曲げ強さや面圧強さを高める。一方、ラック軸のうちラックが無い部分は、操舵輪を操舵するべくスライドする機構が必要であることに着目して、従来と同様の剛性を確保した。従って、ラック軸のうちラックの歯幅だけを大きくすればよいので、ラック軸の重量を抑制することができる。
【０００９】
請求項２は、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、はすば歯車の歯形を、１組の歯車のうち、少なくとも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であり、少なくとも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である、円弧歯形としたことを特徴とする。
【００１０】
補助トルクを伝達す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、特に、すぐば歯車に且つ円弧歯形にして強度を高めた。ラックアンドピニオン機構のピニオン並びにラックは、はすば歯車であるから、すぐば歯車（平歯車）よりも大きい補助トルクを伝達することができる。さらに、ラックアンドピニオン機構のピニオン並びにラックは、円弧歯形であるから、インボリュート歯形よりも表面の面圧が減少するので表面疲れ強さ、曲げ強さ、曲げ疲れ強さが大きい。このため、電動機の補助トルクが通常の操作時より大きい場合であっても、十分に伝達することができる。
【００１１】
【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は本発明に係る電動パワーステアリング装置の模式図である。
電動パワーステアリング装置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に介在した操舵機構２３と、この操舵機構２３に補助トルクを加える補助トルク機構２４とからなる。
【００１２】
操舵機構２３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を介して連結した入力軸３１と、入力軸３１に連結したラックアンドピニオン機構３２とからなる。
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とからなり、このラック軸３５の両端に、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。
【００１３】
補助トルク機構２４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の操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ７０と、操舵トルクセンサ７０の検出信号に基づき制御信号を発生する制御手段８１と、制御信号に基づき操舵トルクに応じた補助トルクを発生する電動機８２と、電動機８２にトルクリミッタ９０及び歯車式減速機構１１０を介して連結した上記入力軸３１並びにラックアンドピニオン機構３２とからなる。
すなわち、操舵機構２３に補助トルク機構２４の補助トルクを付加するために、操舵機構２３と補助トルク機構２４とで、入力軸３１並びにラックアンドピニオン機構３２を共用するようにした。
操舵トルクセンサ７０は、操舵機構２３に取付けたものである。
【００１４】
このような電動パワーステアリング装置１０によれば、運転者がステアリングハンドル１１を操舵することにより発生した操舵トルクを、入力軸３１及びラックアンドピニオン機構３２を介して、ラック軸３５に伝達することができる。
さらには、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、入力軸３１及びラックアンドピニオン機構３２を介して、ラック軸３５に伝達することができる。
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り、ラック軸３５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。
【００１５】
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。
【００１６】
（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。
【００１７】
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。
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。
【００１８】
（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、入力軸３１と磁気ヘッド７３，７３との間の間隙の変化や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。
【００１９】
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。
【００２０】
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１０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。４３，４３はダストシール用ブーツである。
【００２１】
図４は本発明に係るラック軸周りの平面断面図である。
ハウジング４１は、長手方向一端部の第１軸受４４と他端部のピニオン３３及び後述するラックガイドを介してラック軸３５を軸長手方向へスライド可能に収容するものである。３８Ａは、ラック軸３５のうち第１軸受４４にて支承される支承部である。
なお、ハウジング４１のピニオン３３に近い側の端部（他端部）に設けられた第２軸受４５は、ラック軸３５と若干の隙間δを有しており、ラック軸３５を支承していない。
【００２２】
第１・第２軸受４４，４５は、長手方向端部にストッパ４４ａ，４５ａを設けたものである。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）３６ａがストッパ４４ａに当る。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）３６ａがストッパ４５ａ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り、このとき４６，４６は緩衝材となる。
【００２３】
図５は図３の５−５線断面図であり、電動パワーステアリング装置１０の縦断面構造を示す。
電動パワーステアリング装置１０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４７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４７に取付けたものである。
【００２４】
ハウジング４１は、入力軸３１の下端部及び長手中央部を回転可能に支承するための上下２個の軸受５１，５２と、ラックガイド６０とを備える。５３はリッド取付ボルト、５４は止め輪である。
【００２５】
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４７から外方へ突出したピニオン軸である。ねじ部５５にナット５６をねじ込み、袋ナット５７を介して軸受５１の外輪をハウジング４１に固定することにより、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。５８はオイルシール、５９はスペーサである。
【００２６】
ラック３４は、ラック軸３５に一体に形成したものである。ラックガイド６０は、ラック３４の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。
【００２７】
ところで、上記操舵トルクセンサ７０については、次のような構成にすることができる。すなわち、入力軸３１に、作用トルクに応じて磁歪特性が変化する磁歪膜７７を所定幅で全周にわたって設け、この磁歪膜７７に対向して、上記図２に示す励磁・検出コイル７１，７２を配置する。入力軸３１を介して磁歪膜７７にトルクが作用したときに、このトルクに応じて磁歪膜７７に生じる磁歪効果を、検出コイル７２にて電気磁気的に検出することができる。磁歪膜７７は、例えば、入力軸３１に気相メッキ法で形成したＮｉ−Ｆｅ系の合金膜からなる、強磁性体膜である。
【００２８】
図６は図５の６−６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、回転センサにレゾルバを有したブラシレスモータであり、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。
【００２９】
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。詳述すると、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１１３とからなる。電動機８２の補助トルクを、大きな減速比にて倍力して入力軸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。
【００３０】
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。
【００３１】
図７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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
図８（ａ），（ｂ）は本発明に係るラック軸の構成図であって、（ａ）はラック軸３５の斜視図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図である。
（ａ）に示すように、ラック軸３５は直径Ｄ１の丸棒であって、長手途中にラック３４を形成したものである。より具体的にはラック軸３５に、図４に示す第１軸受４４を介してハウジング４１に支承される支承部３８Ａと、ラック３４を形成するラック形成部３９とを設けた。ラック形成部３９の長さＭは、操舵輪２１，２１（図１参照）を左右に最大操舵角だけ操舵するために所定量だけスライド可能な長さである。Ｒ１はラック軸３５の支承部３８Ａにおける中心である。
【００３６】
本発明は（ｂ）に示すように、ラック軸３５に形成したラック３４の歯幅Ｗ１を、支承部３８Ａの径Ｄ１よりも大きく設定したことを特徴とする（Ｗ１＞Ｄ１）。ラック形成部３９は、ラック形成面を平坦にした略半円状断面を呈するとともに、歯幅Ｗ１を大きくした分に見合うだけ肉厚Ｔ１を小さくしたものである。肉厚Ｔ１は、ラック３４の歯先からラック軸３５の背面までの厚みであり、当然のことながら、径Ｄ１よりも小さい（Ｔ１＜Ｄ１）。このように、ラック軸３５のうちラック３４の歯幅Ｗ１だけを大きくしたので、ラック軸３５の重量を抑制することができる。ラック軸３５の製造方法は、例えば鍛造による。
【００３７】
図９（ａ）〜（ｃ）は本発明に係るラック軸の製造手順図であり、ラック軸３５を鍛造にて製造した場合の軸断面を示す。
ラック軸３５を製造するには、先ず（ａ）において、鉄鋼材からなる丸棒３５Ａのうち、ラックを形成する部分３９のみを想像線にて示す略半円断面形状になるまで鍛造で成形する。丸棒３５Ａのうち、ラックを形成する部分３９の背面３９ａから後部までの断面積Ａ１は、ラックを形成する部分３９の突出した下部３９ｂ又は上部３９ｃの断面積Ａ２に概ね相当する。すなわち、ラックを形成する部分３９を幅Ｗ０に鍛造することによって、断面積Ａ１と断面積Ａ２とが概ね同一になり、その結果、厚みＴ２が定まる。
従って、実線にて示す丸棒３５Ａの断面積に対して、想像線にて示すラックを形成する部分３９の断面積はほとんど同一であり、ラックを形成する部分３９の幅Ｗ０が丸棒３５Ａの径より大きいにもかかわらず、ラック軸３５の重量はほとんど変わらない。
【００３８】
鍛造によって得られた、ラックを形成する部分３９の断面形状を（ｂ）に示す。
その後、（ｃ）において、ラックを形成する部分３９の全表面を切削加工により滑らかにするとともに、平坦面（ラック形成面）３９ｄに歯切盤による切削加工や転造加工等でラック３４を形成して、作業を完了する。
【００３９】
図１０（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、Ｒ２はラックの歯面に直角な線である。
【００４０】
（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。
【００４１】
（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。
【００４２】
（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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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、表面の面圧が減少するので表面疲れ強さが６〜７倍、また、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。
【００４７】
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４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４５ａに当ったり、右のボールジョイント３６がストッパ４４ａ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、モータの慣性トルクにより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。
【００４８】
次に、上記構成のラック軸３５の作用を、図８及び図１１に基づき説明する。
図１１（ａ）〜（ｃ）はラック軸の比較例図である。
（ａ）に示す比較例のラック軸３５ｘは、図示せぬハウジングにて支承される支承部３８ｘと、ラック３４ｘを形成するラック形成部３９ｘとを設けた、ストレート状の丸棒である。支承部３８ｘは直径Ｄ１の円形断面を呈する。Ｍはラック形成部３９ｘの長さ、Ｒ１は円形断面の中心である。
【００４９】
（ｂ）は上記（ａ）のｂ−ｂ線断面図であって、更にラック３４ｘにピニオン３３ｘを噛み合わせた状態を示す。この図は、ラック形成部３９ｘの軸直角断面を上記支承部３８ｘと同径の円形断面とし、この円形断面の中心Ｒ１からラック３４ｘの基準ピッチ線Ｐｉまでの距離Ｚを所定寸法に設定したときに、この所定寸法によってラック３４ｘの歯幅Ｗ２が自ずから定まることを示す。当然のことながら、歯幅Ｗ２は支承部３８ｘの直径Ｄ１よりも小さい（Ｗ２＜Ｄ１）。
ピニオン３３ｘのピッチ円直径はｄ２、ピニオン３３ｘの中心Ｌ１からラック軸３５ｘの中心Ｒ１までの距離はＹ１である。
【００５０】
ここで、（ｂ）に示すラック形成部３９ｘの軸直角断面において、ラック３４ｘの基準ピッチ線Ｐｉを通るラック歯幅方向の両端位置を点Ｏ1及び点Ｏ2とし、また、点Ｏ2を通り基準ピッチ線Ｐｉに直角な直線とラック形成部３９ｘの外周面（円弧）との交点を点Ｏ3とする。点Ｏ3は点Ｏ１と円形断面の中心Ｒ１とを通る直線と交わる。この結果、点Ｏ1，点Ｏ2，Ｏ3からなる△Ｏ1Ｏ2Ｏ3は直角三角形である。Ｏ1Ｏ2間の距離はＷ２、Ｏ2Ｏ3間の距離は２×Ｚ、Ｏ1Ｏ3間の距離はＤ１である。
（ｃ）は上記（ｂ）に示す直角三角形△Ｏ1Ｏ2Ｏ3を取り出して表したものである。直角三角形△Ｏ1Ｏ2Ｏ3の各辺の寸法関係は、次の（１）式の通りでありる。従って、
【００５１】
【数１】
【００５２】
これに対して、上記図８（ｂ）に示す本発明は上述のように、ラック３４の歯幅Ｗ１が支承部３８Ａの径Ｄ１よりも大きい（Ｗ１＞Ｄ１）。本発明の支承部３８Ａの径Ｄ１が、上記図１０に示す比較例の支承部３８ｘの径Ｄ１と同一であるとすれば、本発明のラック３４の歯幅Ｗ１は上記比較例のラック３４ｘの歯幅Ｗ２よりも大きい（Ｗ１＞Ｗ２）。
【００５３】
以上の説明をまとめると、本発明は上記図８（ｂ）において、ラック形成部３９の軸直角断面を、支承部３８Ａにおける中心Ｒ１と同心で、且つ、支承部３８Ａと同径（直径Ｄ１）の円形断面と仮定し、この円形断面の中心Ｒ１からラック３４の基準ピッチ線Ｐｉまでの距離Ｚを所定寸法に設定したときに、この所定寸法によって定まるラック３４の仮定の歯幅Ｗ２よりも実際のラック３４の歯幅Ｗ１が大きくなるように、ラック形成部３９を形成したことになる。この実施の形態においては、本発明の歯幅Ｗ１を比較例の歯幅Ｗ２のほぼ１．５倍に設定した。
【００５４】
このように、ラック３４の歯幅Ｗ１を大きく設定したので、ラック３４の機械的強度（曲げ強さや面圧強さ）は大幅に高まる。一方、ラック軸３５のうちラック３４が無い部分は、操舵輪を操舵するべくスライドする機能が必要であることに着目して、従来と同様の剛性を有するものであればよい。このため、ラック軸３５のうちラック３４の歯幅Ｗ１だけを大きく設定し、その分だけ肉厚Ｔ１を小さくした。ピッチ円直径ｄ２及び距離Ｙ１が一定であり、しかも、肉厚Ｔ１がラック軸３５の径Ｄ１より小さいので、ラック３４を形成する部分３９は、ラック軸の中心Ｒ１からピニオン３３側へ偏位したものである。
この結果、ラック軸３５の断面積に対して、ラックを形成する部分３９の断面積はほとんど同一であり、ラックを形成する部分３９の幅Ｗ１がラック軸３５の径Ｄ１より大きいにもかかわらず、ラック軸３５の重量はほとんど変わらない。このため、ラック軸３５の重量を抑制することができる。
【００５５】
以上の説明から明らかなように、ラック３４の歯幅Ｗ１を大きく設定したことにより、ラック軸３５の重量を抑制しつつ、ピニオン３３並びにラック３４の機械的強度（曲げ強さや面圧強さ）を高めることができる。
なお、ラック３４と反対側からラックガイド６０（図４参照）にてピニオン３３側へ押しているので、肉厚Ｔ１が小さいことによる、ラック軸３５の曲げ剛性については実質的に影響が無い。
【００５６】
次に、電動パワーステアリング装置の変形例について、図１２〜図１７に基づき説明する。なお、上記図１〜図１０の構成と同じ構成については同一符号を付し、その説明を省略する。
図１２（ａ），（ｂ）は本発明に係る電動パワーステアリング装置（第１変形例）のラック軸の構成図であり、（ａ）はラック軸３５の斜視図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図である。
【００５７】
第１変形例のラック軸３５は丸棒であって、長手途中をラック形成部３９Ａとし、このラック形成部３９Ａを大径に形成したことを特徴とする。より具体的にはラック軸３５に、ハウジング４１（図４参照）にて支承される小径の支承部３８Ａと、ラック３４を形成する大径のラック形成部３９Ａとを設けた。支承部３８Ａの直径Ｄ１はラック形成部３９Ａの直径Ｄ２よりも小さい（Ｄ１＜Ｄ２）。ラック軸の中心Ｒ１は、支承部３８Ａの中心とラック形成部３９Ａの中心を通る。
【００５８】
（ｂ）に示すように、ラック形成部３９Ａは一部に平坦なラック形成面３９ｅを形成し、このラック形成面３９ｅにラック３４を形成したものである。ラック３４の歯幅Ｗ３は支承部３８Ａの径Ｄ１よりも小さい（Ｗ３＜Ｄ１）。このように、ラック軸３５のうちラック形成部３９Ａだけを大きくしたので、ラック軸３５の重量を抑制することができる。ラック軸３５の製造方法は、例えば鍛造による。
【００５９】
以上の説明をまとめると、本発明は上記図１２（ｂ）において、ラック形成部３９Ａの軸直角断面を支承部３８Ａと同径（直径Ｄ１）の円形断面と仮定し、この円形断面の中心Ｒ１からラック３４の基準ピッチ線Ｐｉまでの距離Ｚを所定寸法に設定したときに、この所定寸法によって定まるラック３４の仮定の歯幅Ｗ２よりも実際のラック３４の歯幅Ｗ３が大きくなるように、ラック形成部３９Ａを形成したことになる（Ｗ２＜Ｗ３）。
従って、第１変形例の電動パワーステアリング装置においても、ラック３４の歯幅Ｗ３を大きく設定したことにより、ラック軸３５の重量を抑制しつつ、ピニオン３３（図５参照）並びにラック３４の機械的強度（曲げ強さや面圧強さ）を高めることができる。
【００６０】
図１３は本発明に係る電動パワーステアリング装置（第２変形例）の模式図である。
第２変形例の電動パワーステアリング装置２００は、操舵機構２３の第１ラックアンドピニオン機構２３２と補助トルク機構２４の第２ラックアンドピニオン機構３３２とに、分離したことを特徴とする。
第１ラックアンドピニオン機構２３２は、入力軸３１に設けた第１ピニオン２３３と、第１ピニオン２３３に噛み合うための第１ラック２３４を設けたラック軸２３５とからなる。第１ピニオン２３３並びに第１ラック２３４は、操舵トルクのみを伝達するものであるから伝達トルクは小さく、従来からのインボリュート歯形でよい。
【００６１】
第２変形例における補助トルク機構２４は、歯車式減速機構１１０にピニオン軸３３１を介して第２ラックアンドピニオン機構３３２を連結したものである。
第２ラックアンドピニオン機構３３２は、ピニオン軸３３１に設けた第２ピニオン３３３と、第２ピニオン３３３に噛み合う第２ラック３３４とからなる。第２ラック３３４は、第１ラックアンドピニオン機構２３２のラック軸２３５に設けたものである。すなわち、第１ラックアンドピニオン機構２３２のラック軸２３５が、第２ラックアンドピニオン機構３３２のラック軸を兼ねる。
【００６２】
このような電動パワーステアリング装置２００によれば、運転者がステアリングハンドル１１を操舵することにより発生した操舵トルクを、入力軸３１及び第１ラックアンドピニオン機構２３２を介して、ラック軸２３５に伝達することができる。
さらには、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、ピニオン軸３３１及び第２ラックアンドピニオン機構３３２を介して、ラック軸２３５に伝達することができる。
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、ラック軸２３５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。
【００６３】
図１４は本発明に係る電動パワーステアリング装置（第２変形例）の全体構成図であり、操舵機構２３と補助トルク機構２４とをハウジング４１に並列にして取付けたことを示す。
【００６４】
図１５は図１４の１５−１５線断面図であり、操舵機構２３の縦断面構造を示す。
第２変形例の操舵機構２３は、入力軸３１、操舵トルクセンサ７０、第１ラックアンドピニオン機構２３２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４７で塞いだものである。ハウジング４１は縦置きにセットしたものであり、第１ラックガイド２６０を備える。
【００６５】
第１ラックガイド２６０は、第１ラック２３４と反対側からラック軸２３５に当てるガイド部２６１と、このガイド部２６１を圧縮ばね２６２を介して押す調整ボルト２６３とからなる。このような第１ラックガイド２６０によれば、ハウジング４１にねじ込んだ調整ボルト２６３にて、圧縮ばね２６２を介してガイド部２６１を適切な押圧力で押すことで、ガイド部２６１で第１ラック２３４に予圧を与えて、第１ラック２３４を第１ピニオン２３３に押し付けることができる。２６４はラック軸２３５の背面を滑らせる当て部材、２６５はロックナットである。
【００６６】
図１６は図１４の１６−１６線断面図であり、補助トルク機構２４の縦断面構造を示す。
補助トルク機構２４は、トルクリミッタ９０（図１３参照）、歯車式減速機構１１０、ピニオン軸３３１、第２ラックアンドピニオン機構３３２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４８で塞いだものである。
ハウジング４１は、ピニオン軸３３１の下端部及び長手中央部を、上下２個の軸受３５１，３５２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、第２ラックガイド３６０を備える。３５３はリッド取付ボルト、３５４は止め輪である。
【００６７】
ピニオン軸３３１は、下部に第２ピニオン３３３を一体に形成し、さらに下端部にねじ部３５５を形成したものである。第２ラック３３４は、ラック軸２３５に一体に形成したものである。このような第２ピニオン３３３並びに第２ラック３３４は「はすば歯車」であり、はすば歯車の歯形が円弧歯形である。この点は、上記ピニオン３３並びにラック３４と同様の構成であり、詳細な説明を省略する。
ねじ部５５にナット５６をねじ込み、袋ナット３５７を介して軸受３５１の外輪をハウジング４１に固定することにより、ピニオン軸３３１の長手方向（軸方向）の移動を規制することができる。３５７は袋ナット、３５９はスペーサである。
【００６８】
第２ラックガイド３６０は、第２ラック３３４と反対側からラック軸２３５に当てるガイド部３６１と、このガイド部３６１を圧縮ばね３６２を介して押す調整ボルト３６３とからなる。このような第２ラックガイド３６０によれば、ハウジング４１にねじ込んだ調整ボルト３６３にて、圧縮ばね３６２を介してガイド部３６１を適切な押圧力で押すことで、ガイド部３６１で第２ラック３３４に予圧を与えて、第２ラック３３４を第２ピニオン３３３に押し付けることができる。３６４はラック軸２３５の背面を滑らせる当て部材、３６５はロックナットである。
【００６９】
なお、この図のＸ−Ｘ線断面の構成は、上記図５に示す電動機８２とトルクリミッタ９０と歯車式減速機構１１０との関係からなる構成と同一であるので省略する。但し変形例においては、上記図５に示す入力軸３１がピニオン軸３３１に代る。
【００７０】
図１７（ａ）〜（ｄ）は本発明に係るラック軸（第２変形例）の構成図であって、（ａ）はラック軸２３５の正面図、（ｂ）はラック軸２３５の平面図、（ｃ）は（ａ）のｃ−ｃ線断面図、（ｄ）は（ａ）のｄ−ｄ線断面図である。
（ａ），（ｂ）に示すように、第２変形例のラック軸２３５は直径Ｄ１の丸棒であって、長手途中に第１ラック２３４並びに第２ラック３３４を形成したものである。より具体的にはラック軸２３５に、図４のハウジング４１にて第１・第２軸受４４，４５を介して支承される支承部２３８Ａと、第１ラック２３４を形成する第１ラック形成部２３９と、第２ラック３３４を形成する第２ラック形成部３３９とを設けた。
第１・第２ラック形成部２３９，３３９の長さＭは、操舵輪２１，２１（図１３参照）を左右に最大操舵角だけ操舵するために所定量だけスライド可能な長さである。Ｒ１はラック軸の中心、Ｐ１は第１ピニオンの中心、Ｐ２は第２ピニオンの中心である。
【００７１】
（ｃ）は、丸棒からなるラック軸２３５のうち、第１ピニオンと対向する面にラック軸の中心Ｒ１から所定寸法Ｙ３だけ離れた平坦面２３５ａを形成し、この平坦面２３５ａに第１ラック２３４を形成したことを示す。具体的には、第１ラック形成部２３９の軸直角断面を上記支承部２３８Ａと同径（直径Ｄ１）の円形断面とし、この円形断面の中心Ｒ１から第１ラック２３４の基準ピッチ線Ｐｉまでの距離Ｚを所定寸法に設定した。この距離Ｚによって第１ラック２３４の歯幅Ｗ２が定まる。第１ラック２３４の歯幅Ｗ２はラック軸２３５の径Ｄ１よりも小さい（Ｗ２＜Ｄ１）。
【００７２】
（ｄ）は、第２ラック３３４の歯幅Ｗ１を支承部２３８Ａの径Ｄ１よりも大きく設定したことを特徴とする（Ｗ１＞Ｄ１）。（ｄ）に示す第２ラック３３４や第２ラック形成部３３９の断面構造は、上記図８（ｂ）に示すラック３４やラック形成部３９の断面構造と同一である。
すなわち、（ｃ）の第１ラック２３４の歯幅Ｗ２よりも（ｄ）の第２ラック３３４の歯幅Ｗ１を大きくした。具体的には、第２ラック形成部３３９の軸直角断面を支承部２３８Ａと同径（直径Ｄ１）の円形断面と仮定し、この円形断面の中心Ｒ１から第２ラック３３４の基準ピッチ線Ｐｉまでの距離Ｚを所定寸法に設定したときに、この所定寸法によって定まる第２ラック３３４の仮定の歯幅Ｗ２よりも実際の第２ラック３３４の歯幅Ｗ１が大きくなるように、第２ラック形成部３３９を形成した。ラック軸２３５の製造方法は、例えば鍛造による。
【００７３】
以上をまとめると、第２変形例の電動パワーステアリング装置２００においても、第２ラック３３４の歯幅Ｗ１を大きく設定したことにより、ラック軸２３５の重量を抑制しつつ、第２ピニオン３３３（図１６参照）並びに第２ラック３３４の機械的強度（曲げ強さや面圧強さ）を高めることができる。
【００７４】
なお、上記実施の形態並びに第１・第２変形例において、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。
さらにまた、上記変形例において、ラック軸２３５に形成した第２ラック３３４を延長して、第１ラック２３４を兼ねてもよい。その場合の第１ピニオン２３３並びに第１ラック２３４は、第２ピニオン３３３並びに第２ラック３３４と同一の、はすば歯車で且つ円弧歯形である。
さらには、請求項１において、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や、第２ラックアンドピニオン機構３３２の第２ピニオン３３３並びに第２ラック３３４は、インボリュート歯形でもよい。
【００７５】
【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は、ラック軸に第１軸受を介してハウジングに支承される支承部とラックを形成するラック形成部とを設け、このラック形成部の軸直角断面を支承部と同径の円形断面と仮定し、この円形断面の中心からラックの基準ピッチ線までの距離を所定寸法に設定したときに、この所定寸法によって定まるラックの歯幅よりも実際のラックの歯幅が大きくなるように、ラック形成部を形成したので、ラックの曲げ強さや面圧強さを高めることができる。ラック軸のうちラックが無い部分は、操舵輪を操舵するべくスライドするだけであるから、従来と同様の剛性を有するものであればよい。従って、ラック軸のうちラックの歯幅だけを大きくすればよいので、ラック軸の重量を抑制し且つ小型にしつつ、ピニオン並びにラックの曲げ強さや面圧強さを、より一層高めることができる。
さらに、請求項１では、ラックは、ラック軸における一端部と他端部との間に形成されており、第１軸受に支承される支承部は、ラック軸の一端部に形成されており、ラック軸の他端部は、ハウジングに設けた第２軸受の中に、隙間を有して通されている。
【００７６】
請求項２は、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、はすば歯車の歯形を円弧歯形としたので、歯車の強度をさらに高めることができる。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、電動パワーステアリング装置において、電動機の慣性による負荷トルクに対して十分な強度を有するラックアンドピニオン機構を小型で軽量にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電動パワーステアリング装置の模式図
【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】本発明に係るラック軸周りの平面断面図
【図５】図３の５−５線断面図
【図６】図５の６−６線断面図
【図７】本発明に係るトルクリミッタの断面図
【図８】本発明に係るラック軸の構成図
【図９】本発明に係るラック軸の製造手順図
【図１０】本発明に係るラックアンドピニオン機構の構成図
【図１１】ラック軸の比較例図
【図１２】本発明に係る電動パワーステアリング装置（第１変形例）のラック軸の構成図
【図１３】本発明に係る電動パワーステアリング装置（第２変形例）の模式図
【図１４】本発明に係る電動パワーステアリング装置（第２変形例）の全体構成図
【図１５】図１４の１５−１５線断面図
【図１６】図１４の１６−１６線断面図
【図１７】本発明に係るラック軸（第２変形例）の構成図
【符号の説明】
１０，２００…電動パワーステアリング装置、２１…操舵輪（車輪）、３１…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、３５…ラック軸、３８Ａ，２３８Ａ…支承部、３９，３９Ａ，２３９，３３９…ラック形成部、４１…ハウジング、８２…電動機、２３５…ラック軸、３３１…ピニオン軸、３３２…ラックアンドピニオン機構（第２ラックアンドピニオン機構）、３３３…ピニオン（第２ピニオン）、３３４…ラック（第２ラック）、Ｄ１…ラック軸の径、Ｐｉ…基準ピッチ線、Ｒ１…ラック軸の中心（円形断面の中心）、Ｗ１…ラックの歯幅、Ｚ…円形断面の中心からラックの基準ピッチ線までの距離。
【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。ラック軸５は丸棒状の軸であり、この軸のうち、ピニオン２ａと対向する面にラックを形成したものである。
【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】
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。一方、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、モータ１１の慣性トルクが付加された大きな複合トルクが作用する。従って、ラックアンドピニオン機構は、モータ１１の慣性トルクを勘案した大きな強度を要する。強度を高めるには、ピニオン２ａ並びにラック軸５を大型にすることが考えられる。しかし、ラックアンドピニオン機構が大型で大重量になるので、改良の余地がある。
【０００６】
そこで本発明の目的は、電動パワーステアリング装置において、電動機の慣性による負荷トルクに対して十分な強度を有するラックアンドピニオン機構を小型で軽量にできる技術を提供することにある。
【０００７】
【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のラック軸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、ラック軸に第１軸受を介してハウジングに支承される支承部とラックを形成するラック形成部とを設け、このラック形成部の軸直角断面を支承部と同径の円形断面と仮定し、この円形断面の中心からラックの基準ピッチ線までの距離を所定寸法に設定したときに、この所定寸法によって定まるラックの歯幅よりも実際のラックの歯幅が大きくなるように、ラック形成部を形成し、ラックは、ラック軸における一端部と他端部との間に形成されており、第１軸受に支承される支承部は、ラック軸の一端部に形成されており、ラック軸の他端部は、ハウジングに設けた第２軸受の中に、隙間を有して通されていることを特徴とする。
【０００８】
これにより、従来のラックに比べて実質的な歯幅を大きくし、ラックの曲げ強さや面圧強さを高める。一方、ラック軸のうちラックが無い部分は、操舵輪を操舵するべくスライドする機構が必要であることに着目して、従来と同様の剛性を確保した。従って、ラック軸のうちラックの歯幅だけを大きくすればよいので、ラック軸の重量を抑制することができる。
【０００９】
請求項２は、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、はすば歯車の歯形を、１組の歯車のうち、少なくとも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であり、少なくとも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である、円弧歯形としたことを特徴とする。
【００１０】
補助トルクを伝達す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、特に、すぐば歯車に且つ円弧歯形にして強度を高めた。ラックアンドピニオン機構のピニオン並びにラックは、はすば歯車であるから、すぐば歯車（平歯車）よりも大きい補助トルクを伝達することができる。さらに、ラックアンドピニオン機構のピニオン並びにラックは、円弧歯形であるから、インボリュート歯形よりも表面の面圧が減少するので表面疲れ強さ、曲げ強さ、曲げ疲れ強さが大きい。このため、電動機の補助トルクが通常の操作時より大きい場合であっても、十分に伝達することができる。
【００１１】
【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は本発明に係る電動パワーステアリング装置の模式図である。
電動パワーステアリング装置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に介在した操舵機構２３と、この操舵機構２３に補助トルクを加える補助トルク機構２４とからなる。
【００１２】
操舵機構２３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を介して連結した入力軸３１と、入力軸３１に連結したラックアンドピニオン機構３２とからなる。
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とからなり、このラック軸３５の両端に、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。
【００１３】
補助トルク機構２４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の操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ７０と、操舵トルクセンサ７０の検出信号に基づき制御信号を発生する制御手段８１と、制御信号に基づき操舵トルクに応じた補助トルクを発生する電動機８２と、電動機８２にトルクリミッタ９０及び歯車式減速機構１１０を介して連結した上記入力軸３１並びにラックアンドピニオン機構３２とからなる。
すなわち、操舵機構２３に補助トルク機構２４の補助トルクを付加するために、操舵機構２３と補助トルク機構２４とで、入力軸３１並びにラックアンドピニオン機構３２を共用するようにした。
操舵トルクセンサ７０は、操舵機構２３に取付けたものである。
【００１４】
このような電動パワーステアリング装置１０によれば、運転者がステアリングハンドル１１を操舵することにより発生した操舵トルクを、入力軸３１及びラックアンドピニオン機構３２を介して、ラック軸３５に伝達することができる。
さらには、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、入力軸３１及びラックアンドピニオン機構３２を介して、ラック軸３５に伝達することができる。
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り、ラック軸３５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。
【００１５】
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。
【００１６】
（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。
【００１７】
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。
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。
【００１８】
（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、入力軸３１と磁気ヘッド７３，７３との間の間隙の変化や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。
【００１９】
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。
【００２０】
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１０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。４３，４３はダストシール用ブーツである。
【００２１】
図４は本発明に係るラック軸周りの平面断面図である。
ハウジング４１は、長手方向一端部の第１軸受４４と他端部のピニオン３３及び後述するラックガイドを介してラック軸３５を軸長手方向へスライド可能に収容するものである。３８Ａは、ラック軸３５のうち第１軸受４４にて支承される支承部である。
なお、ハウジング４１のピニオン３３に近い側の端部（他端部）に設けられた第２軸受４５は、ラック軸３５と若干の隙間δを有しており、ラック軸３５を支承していない。
【００２２】
第１・第２軸受４４，４５は、長手方向端部にストッパ４４ａ，４５ａを設けたものである。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）３６ａがストッパ４４ａに当る。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）３６ａがストッパ４５ａ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り、このとき４６，４６は緩衝材となる。
【００２３】
図５は図３の５−５線断面図であり、電動パワーステアリング装置１０の縦断面構造を示す。
電動パワーステアリング装置１０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４７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４７に取付けたものである。
【００２４】
ハウジング４１は、入力軸３１の下端部及び長手中央部を回転可能に支承するための上下２個の軸受５１，５２と、ラックガイド６０とを備える。５３はリッド取付ボルト、５４は止め輪である。
【００２５】
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４７から外方へ突出したピニオン軸である。ねじ部５５にナット５６をねじ込み、袋ナット５７を介して軸受５１の外輪をハウジング４１に固定することにより、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。５８はオイルシール、５９はスペーサである。
【００２６】
ラック３４は、ラック軸３５に一体に形成したものである。ラックガイド６０は、ラック３４の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。
【００２７】
ところで、上記操舵トルクセンサ７０については、次のような構成にすることができる。すなわち、入力軸３１に、作用トルクに応じて磁歪特性が変化する磁歪膜７７を所定幅で全周にわたって設け、この磁歪膜７７に対向して、上記図２に示す励磁・検出コイル７１，７２を配置する。入力軸３１を介して磁歪膜７７にトルクが作用したときに、このトルクに応じて磁歪膜７７に生じる磁歪効果を、検出コイル７２にて電気磁気的に検出することができる。磁歪膜７７は、例えば、入力軸３１に気相メッキ法で形成したＮｉ−Ｆｅ系の合金膜からなる、強磁性体膜である。
【００２８】
図６は図５の６−６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、回転センサにレゾルバを有したブラシレスモータであり、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。
【００２９】
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。詳述すると、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１１３とからなる。電動機８２の補助トルクを、大きな減速比にて倍力して入力軸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。
【００３０】
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。
【００３１】
図７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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
図８（ａ），（ｂ）は本発明に係るラック軸の構成図であって、（ａ）はラック軸３５の斜視図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図である。
（ａ）に示すように、ラック軸３５は直径Ｄ１の丸棒であって、長手途中にラック３４を形成したものである。より具体的にはラック軸３５に、図４に示す第１軸受４４を介してハウジング４１に支承される支承部３８Ａと、ラック３４を形成するラック形成部３９とを設けた。ラック形成部３９の長さＭは、操舵輪２１，２１（図１参照）を左右に最大操舵角だけ操舵するために所定量だけスライド可能な長さである。Ｒ１はラック軸３５の支承部３８Ａにおける中心である。
【００３６】
本発明は（ｂ）に示すように、ラック軸３５に形成したラック３４の歯幅Ｗ１を、支承部３８Ａの径Ｄ１よりも大きく設定したことを特徴とする（Ｗ１＞Ｄ１）。ラック形成部３９は、ラック形成面を平坦にした略半円状断面を呈するとともに、歯幅Ｗ１を大きくした分に見合うだけ肉厚Ｔ１を小さくしたものである。肉厚Ｔ１は、ラック３４の歯先からラック軸３５の背面までの厚みであり、当然のことながら、径Ｄ１よりも小さい（Ｔ１＜Ｄ１）。このように、ラック軸３５のうちラック３４の歯幅Ｗ１だけを大きくしたので、ラック軸３５の重量を抑制することができる。ラック軸３５の製造方法は、例えば鍛造による。
【００３７】
図９（ａ）〜（ｃ）は本発明に係るラック軸の製造手順図であり、ラック軸３５を鍛造にて製造した場合の軸断面を示す。
ラック軸３５を製造するには、先ず（ａ）において、鉄鋼材からなる丸棒３５Ａのうち、ラックを形成する部分３９のみを想像線にて示す略半円断面形状になるまで鍛造で成形する。丸棒３５Ａのうち、ラックを形成する部分３９の背面３９ａから後部までの断面積Ａ１は、ラックを形成する部分３９の突出した下部３９ｂ又は上部３９ｃの断面積Ａ２に概ね相当する。すなわち、ラックを形成する部分３９を幅Ｗ０に鍛造することによって、断面積Ａ１と断面積Ａ２とが概ね同一になり、その結果、厚みＴ２が定まる。
従って、実線にて示す丸棒３５Ａの断面積に対して、想像線にて示すラックを形成する部分３９の断面積はほとんど同一であり、ラックを形成する部分３９の幅Ｗ０が丸棒３５Ａの径より大きいにもかかわらず、ラック軸３５の重量はほとんど変わらない。
【００３８】
鍛造によって得られた、ラックを形成する部分３９の断面形状を（ｂ）に示す。
その後、（ｃ）において、ラックを形成する部分３９の全表面を切削加工により滑らかにするとともに、平坦面（ラック形成面）３９ｄに歯切盤による切削加工や転造加工等でラック３４を形成して、作業を完了する。
【００３９】
図１０（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、Ｒ２はラックの歯面に直角な線である。
【００４０】
（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。
【００４１】
（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。
【００４２】
（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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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、表面の面圧が減少するので表面疲れ強さが６〜７倍、また、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。
【００４７】
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４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４５ａに当ったり、右のボールジョイント３６がストッパ４４ａ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、モータの慣性トルクにより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。
【００４８】
次に、上記構成のラック軸３５の作用を、図８及び図１１に基づき説明する。
図１１（ａ）〜（ｃ）はラック軸の比較例図である。
（ａ）に示す比較例のラック軸３５ｘは、図示せぬハウジングにて支承される支承部３８ｘと、ラック３４ｘを形成するラック形成部３９ｘとを設けた、ストレート状の丸棒である。支承部３８ｘは直径Ｄ１の円形断面を呈する。Ｍはラック形成部３９ｘの長さ、Ｒ１は円形断面の中心である。
【００４９】
（ｂ）は上記（ａ）のｂ−ｂ線断面図であって、更にラック３４ｘにピニオン３３ｘを噛み合わせた状態を示す。この図は、ラック形成部３９ｘの軸直角断面を上記支承部３８ｘと同径の円形断面とし、この円形断面の中心Ｒ１からラック３４ｘの基準ピッチ線Ｐｉまでの距離Ｚを所定寸法に設定したときに、この所定寸法によってラック３４ｘの歯幅Ｗ２が自ずから定まることを示す。当然のことながら、歯幅Ｗ２は支承部３８ｘの直径Ｄ１よりも小さい（Ｗ２＜Ｄ１）。
ピニオン３３ｘのピッチ円直径はｄ２、ピニオン３３ｘの中心Ｌ１からラック軸３５ｘの中心Ｒ１までの距離はＹ１である。
【００５０】
ここで、（ｂ）に示すラック形成部３９ｘの軸直角断面において、ラック３４ｘの基準ピッチ線Ｐｉを通るラック歯幅方向の両端位置を点Ｏ1及び点Ｏ2とし、また、点Ｏ2を通り基準ピッチ線Ｐｉに直角な直線とラック形成部３９ｘの外周面（円弧）との交点を点Ｏ3とする。点Ｏ3は点Ｏ１と円形断面の中心Ｒ１とを通る直線と交わる。この結果、点Ｏ1，点Ｏ2，Ｏ3からなる△Ｏ1Ｏ2Ｏ3は直角三角形である。Ｏ1Ｏ2間の距離はＷ２、Ｏ2Ｏ3間の距離は２×Ｚ、Ｏ1Ｏ3間の距離はＤ１である。
（ｃ）は上記（ｂ）に示す直角三角形△Ｏ1Ｏ2Ｏ3を取り出して表したものである。直角三角形△Ｏ1Ｏ2Ｏ3の各辺の寸法関係は、次の（１）式の通りでありる。従って、
【００５１】
【数１】
これに対して、上記図８（ｂ）に示す本発明は上述のように、ラック３４の歯幅Ｗ１が支承部３８Ａの径Ｄ１よりも大きい（Ｗ１＞Ｄ１）。本発明の支承部３８Ａの径Ｄ１が、上記図１０に示す比較例の支承部３８ｘの径Ｄ１と同一であるとすれば、本発明のラック３４の歯幅Ｗ１は上記比較例のラック３４ｘの歯幅Ｗ２よりも大きい（Ｗ１＞Ｗ２）。
【００５３】
以上の説明をまとめると、本発明は上記図８（ｂ）において、ラック形成部３９の軸直角断面を、支承部３８Ａにおける中心Ｒ１と同心で、且つ、支承部３８Ａと同径（直径Ｄ１）の円形断面と仮定し、この円形断面の中心Ｒ１からラック３４の基準ピッチ線Ｐｉまでの距離Ｚを所定寸法に設定したときに、この所定寸法によって定まるラック３４の仮定の歯幅Ｗ２よりも実際のラック３４の歯幅Ｗ１が大きくなるように、ラック形成部３９を形成したことになる。この実施の形態においては、本発明の歯幅Ｗ１を比較例の歯幅Ｗ２のほぼ１．５倍に設定した。
【００５４】
このように、ラック３４の歯幅Ｗ１を大きく設定したので、ラック３４の機械的強度（曲げ強さや面圧強さ）は大幅に高まる。一方、ラック軸３５のうちラック３４が無い部分は、操舵輪を操舵するべくスライドする機能が必要であることに着目して、従来と同様の剛性を有するものであればよい。このため、ラック軸３５のうちラック３４の歯幅Ｗ１だけを大きく設定し、その分だけ肉厚Ｔ１を小さくした。ピッチ円直径ｄ２及び距離Ｙ１が一定であり、しかも、肉厚Ｔ１がラック軸３５の径Ｄ１より小さいので、ラック３４を形成する部分３９は、ラック軸の中心Ｒ１からピニオン３３側へ偏位したものである。
この結果、ラック軸３５の断面積に対して、ラックを形成する部分３９の断面積はほとんど同一であり、ラックを形成する部分３９の幅Ｗ１がラック軸３５の径Ｄ１より大きいにもかかわらず、ラック軸３５の重量はほとんど変わらない。このため、ラック軸３５の重量を抑制することができる。
【００５５】
以上の説明から明らかなように、ラック３４の歯幅Ｗ１を大きく設定したことにより、ラック軸３５の重量を抑制しつつ、ピニオン３３並びにラック３４の機械的強度（曲げ強さや面圧強さ）を高めることができる。
なお、ラック３４と反対側からラックガイド６０（図４参照）にてピニオン３３側へ押しているので、肉厚Ｔ１が小さいことによる、ラック軸３５の曲げ剛性については実質的に影響が無い。
【００５６】
次に、電動パワーステアリング装置の変形例について、図１２〜図１７に基づき説明する。なお、上記図１〜図１０の構成と同じ構成については同一符号を付し、その説明を省略する。
図１２（ａ），（ｂ）は本発明に係る電動パワーステアリング装置（第１変形例）のラック軸の構成図であり、（ａ）はラック軸３５の斜視図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図である。
【００５７】
第１変形例のラック軸３５は丸棒であって、長手途中をラック形成部３９Ａとし、このラック形成部３９Ａを大径に形成したことを特徴とする。より具体的にはラック軸３５に、ハウジング４１（図４参照）にて支承される小径の支承部３８Ａと、ラック３４を形成する大径のラック形成部３９Ａとを設けた。支承部３８Ａの直径Ｄ１はラック形成部３９Ａの直径Ｄ２よりも小さい（Ｄ１＜Ｄ２）。ラック軸の中心Ｒ１は、支承部３８Ａの中心とラック形成部３９Ａの中心を通る。
【００５８】
（ｂ）に示すように、ラック形成部３９Ａは一部に平坦なラック形成面３９ｅを形成し、このラック形成面３９ｅにラック３４を形成したものである。ラック３４の歯幅Ｗ３は支承部３８Ａの径Ｄ１よりも小さい（Ｗ３＜Ｄ１）。このように、ラック軸３５のうちラック形成部３９Ａだけを大きくしたので、ラック軸３５の重量を抑制することができる。ラック軸３５の製造方法は、例えば鍛造による。
【００５９】
以上の説明をまとめると、本発明は上記図１２（ｂ）において、ラック形成部３９Ａの軸直角断面を支承部３８Ａと同径（直径Ｄ１）の円形断面と仮定し、この円形断面の中心Ｒ１からラック３４の基準ピッチ線Ｐｉまでの距離Ｚを所定寸法に設定したときに、この所定寸法によって定まるラック３４の仮定の歯幅Ｗ２よりも実際のラック３４の歯幅Ｗ３が大きくなるように、ラック形成部３９Ａを形成したことになる（Ｗ２＜Ｗ３）。
従って、第１変形例の電動パワーステアリング装置においても、ラック３４の歯幅Ｗ３を大きく設定したことにより、ラック軸３５の重量を抑制しつつ、ピニオン３３（図５参照）並びにラック３４の機械的強度（曲げ強さや面圧強さ）を高めることができる。
【００６０】
図１３は本発明に係る電動パワーステアリング装置（第２変形例）の模式図である。
第２変形例の電動パワーステアリング装置２００は、操舵機構２３の第１ラックアンドピニオン機構２３２と補助トルク機構２４の第２ラックアンドピニオン機構３３２とに、分離したことを特徴とする。
第１ラックアンドピニオン機構２３２は、入力軸３１に設けた第１ピニオン２３３と、第１ピニオン２３３に噛み合うための第１ラック２３４を設けたラック軸２３５とからなる。第１ピニオン２３３並びに第１ラック２３４は、操舵トルクのみを伝達するものであるから伝達トルクは小さく、従来からのインボリュート歯形でよい。
【００６１】
第２変形例における補助トルク機構２４は、歯車式減速機構１１０にピニオン軸３３１を介して第２ラックアンドピニオン機構３３２を連結したものである。
第２ラックアンドピニオン機構３３２は、ピニオン軸３３１に設けた第２ピニオン３３３と、第２ピニオン３３３に噛み合う第２ラック３３４とからなる。第２ラック３３４は、第１ラックアンドピニオン機構２３２のラック軸２３５に設けたものである。すなわち、第１ラックアンドピニオン機構２３２のラック軸２３５が、第２ラックアンドピニオン機構３３２のラック軸を兼ねる。
【００６２】
このような電動パワーステアリング装置２００によれば、運転者がステアリングハンドル１１を操舵することにより発生した操舵トルクを、入力軸３１及び第１ラックアンドピニオン機構２３２を介して、ラック軸２３５に伝達することができる。
さらには、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、ピニオン軸３３１及び第２ラックアンドピニオン機構３３２を介して、ラック軸２３５に伝達することができる。
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、ラック軸２３５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。
【００６３】
図１４は本発明に係る電動パワーステアリング装置（第２変形例）の全体構成図であり、操舵機構２３と補助トルク機構２４とをハウジング４１に並列にして取付けたことを示す。
【００６４】
図１５は図１４の１５−１５線断面図であり、操舵機構２３の縦断面構造を示す。
第２変形例の操舵機構２３は、入力軸３１、操舵トルクセンサ７０、第１ラックアンドピニオン機構２３２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４７で塞いだものである。ハウジング４１は縦置きにセットしたものであり、第１ラックガイド２６０を備える。
【００６５】
第１ラックガイド２６０は、第１ラック２３４と反対側からラック軸２３５に当てるガイド部２６１と、このガイド部２６１を圧縮ばね２６２を介して押す調整ボルト２６３とからなる。このような第１ラックガイド２６０によれば、ハウジング４１にねじ込んだ調整ボルト２６３にて、圧縮ばね２６２を介してガイド部２６１を適切な押圧力で押すことで、ガイド部２６１で第１ラック２３４に予圧を与えて、第１ラック２３４を第１ピニオン２３３に押し付けることができる。２６４はラック軸２３５の背面を滑らせる当て部材、２６５はロックナットである。
【００６６】
図１６は図１４の１６−１６線断面図であり、補助トルク機構２４の縦断面構造を示す。
補助トルク機構２４は、トルクリミッタ９０（図１３参照）、歯車式減速機構１１０、ピニオン軸３３１、第２ラックアンドピニオン機構３３２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４８で塞いだものである。
ハウジング４１は、ピニオン軸３３１の下端部及び長手中央部を、上下２個の軸受３５１，３５２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、第２ラックガイド３６０を備える。３５３はリッド取付ボルト、３５４は止め輪である。
【００６７】
ピニオン軸３３１は、下部に第２ピニオン３３３を一体に形成し、さらに下端部にねじ部３５５を形成したものである。第２ラック３３４は、ラック軸２３５に一体に形成したものである。このような第２ピニオン３３３並びに第２ラック３３４は「はすば歯車」であり、はすば歯車の歯形が円弧歯形である。この点は、上記ピニオン３３並びにラック３４と同様の構成であり、詳細な説明を省略する。
ねじ部５５にナット５６をねじ込み、袋ナット３５７を介して軸受３５１の外輪をハウジング４１に固定することにより、ピニオン軸３３１の長手方向（軸方向）の移動を規制することができる。３５７は袋ナット、３５９はスペーサである。
【００６８】
第２ラックガイド３６０は、第２ラック３３４と反対側からラック軸２３５に当てるガイド部３６１と、このガイド部３６１を圧縮ばね３６２を介して押す調整ボルト３６３とからなる。このような第２ラックガイド３６０によれば、ハウジング４１にねじ込んだ調整ボルト３６３にて、圧縮ばね３６２を介してガイド部３６１を適切な押圧力で押すことで、ガイド部３６１で第２ラック３３４に予圧を与えて、第２ラック３３４を第２ピニオン３３３に押し付けることができる。３６４はラック軸２３５の背面を滑らせる当て部材、３６５はロックナットである。
【００６９】
なお、この図のＸ−Ｘ線断面の構成は、上記図５に示す電動機８２とトルクリミッタ９０と歯車式減速機構１１０との関係からなる構成と同一であるので省略する。但し変形例においては、上記図５に示す入力軸３１がピニオン軸３３１に代る。
【００７０】
図１７（ａ）〜（ｄ）は本発明に係るラック軸（第２変形例）の構成図であって、（ａ）はラック軸２３５の正面図、（ｂ）はラック軸２３５の平面図、（ｃ）は（ａ）のｃ−ｃ線断面図、（ｄ）は（ａ）のｄ−ｄ線断面図である。
（ａ），（ｂ）に示すように、第２変形例のラック軸２３５は直径Ｄ１の丸棒であって、長手途中に第１ラック２３４並びに第２ラック３３４を形成したものである。より具体的にはラック軸２３５に、図４のハウジング４１にて第１・第２軸受４４，４５を介して支承される支承部２３８Ａと、第１ラック２３４を形成する第１ラック形成部２３９と、第２ラック３３４を形成する第２ラック形成部３３９とを設けた。
第１・第２ラック形成部２３９，３３９の長さＭは、操舵輪２１，２１（図１３参照）を左右に最大操舵角だけ操舵するために所定量だけスライド可能な長さである。Ｒ１はラック軸の中心、Ｐ１は第１ピニオンの中心、Ｐ２は第２ピニオンの中心である。
【００７１】
（ｃ）は、丸棒からなるラック軸２３５のうち、第１ピニオンと対向する面にラック軸の中心Ｒ１から所定寸法Ｙ３だけ離れた平坦面２３５ａを形成し、この平坦面２３５ａに第１ラック２３４を形成したことを示す。具体的には、第１ラック形成部２３９の軸直角断面を上記支承部２３８Ａと同径（直径Ｄ１）の円形断面とし、この円形断面の中心Ｒ１から第１ラック２３４の基準ピッチ線Ｐｉまでの距離Ｚを所定寸法に設定した。この距離Ｚによって第１ラック２３４の歯幅Ｗ２が定まる。第１ラック２３４の歯幅Ｗ２はラック軸２３５の径Ｄ１よりも小さい（Ｗ２＜Ｄ１）。
【００７２】
（ｄ）は、第２ラック３３４の歯幅Ｗ１を支承部２３８Ａの径Ｄ１よりも大きく設定したことを特徴とする（Ｗ１＞Ｄ１）。（ｄ）に示す第２ラック３３４や第２ラック形成部３３９の断面構造は、上記図８（ｂ）に示すラック３４やラック形成部３９の断面構造と同一である。
すなわち、（ｃ）の第１ラック２３４の歯幅Ｗ２よりも（ｄ）の第２ラック３３４の歯幅Ｗ１を大きくした。具体的には、第２ラック形成部３３９の軸直角断面を支承部２３８Ａと同径（直径Ｄ１）の円形断面と仮定し、この円形断面の中心Ｒ１から第２ラック３３４の基準ピッチ線Ｐｉまでの距離Ｚを所定寸法に設定したときに、この所定寸法によって定まる第２ラック３３４の仮定の歯幅Ｗ２よりも実際の第２ラック３３４の歯幅Ｗ１が大きくなるように、第２ラック形成部３３９を形成した。ラック軸２３５の製造方法は、例えば鍛造による。
【００７３】
以上をまとめると、第２変形例の電動パワーステアリング装置２００においても、第２ラック３３４の歯幅Ｗ１を大きく設定したことにより、ラック軸２３５の重量を抑制しつつ、第２ピニオン３３３（図１６参照）並びに第２ラック３３４の機械的強度（曲げ強さや面圧強さ）を高めることができる。
【００７４】
なお、上記実施の形態並びに第１・第２変形例において、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。
さらにまた、上記変形例において、ラック軸２３５に形成した第２ラック３３４を延長して、第１ラック２３４を兼ねてもよい。その場合の第１ピニオン２３３並びに第１ラック２３４は、第２ピニオン３３３並びに第２ラック３３４と同一の、はすば歯車で且つ円弧歯形である。
さらには、請求項１において、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や、第２ラックアンドピニオン機構３３２の第２ピニオン３３３並びに第２ラック３３４は、インボリュート歯形でもよい。
【００７５】
【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は、ラック軸に第１軸受を介してハウジングに支承される支承部とラックを形成するラック形成部とを設け、このラック形成部の軸直角断面を支承部と同径の円形断面と仮定し、この円形断面の中心からラックの基準ピッチ線までの距離を所定寸法に設定したときに、この所定寸法によって定まるラックの歯幅よりも実際のラックの歯幅が大きくなるように、ラック形成部を形成したので、ラックの曲げ強さや面圧強さを高めることができる。ラック軸のうちラックが無い部分は、操舵輪を操舵するべくスライドするだけであるから、従来と同様の剛性を有するものであればよい。従って、ラック軸のうちラックの歯幅だけを大きくすればよいので、ラック軸の重量を抑制し且つ小型にしつつ、ピニオン並びにラックの曲げ強さや面圧強さを、より一層高めることができる。
さらに、請求項１では、ラックは、ラック軸における一端部と他端部との間に形成されており、第１軸受に支承される支承部は、ラック軸の一端部に形成されており、ラック軸の他端部は、ハウジングに設けた第２軸受の中に、隙間を有して通されている。
【００７６】
請求項２は、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、はすば歯車の歯形を円弧歯形としたので、歯車の強度をさらに高めることができる。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、電動パワーステアリング装置において、電動機の慣性による負荷トルクに対して十分な強度を有するラックアンドピニオン機構を小型で軽量にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電動パワーステアリング装置の模式図
【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】本発明に係るラック軸周りの平面断面図
【図５】図３の５−５線断面図
【図６】図５の６−６線断面図
【図７】本発明に係るトルクリミッタの断面図
【図８】本発明に係るラック軸の構成図
【図９】本発明に係るラック軸の製造手順図
【図１０】本発明に係るラックアンドピニオン機構の構成図
【図１１】ラック軸の比較例図
【図１２】本発明に係る電動パワーステアリング装置（第１変形例）のラック軸の構成図
【図１３】本発明に係る電動パワーステアリング装置（第２変形例）の模式図
【図１４】本発明に係る電動パワーステアリング装置（第２変形例）の全体構成図
【図１５】図１４の１５−１５線断面図
【図１６】図１４の１６−１６線断面図
【図１７】本発明に係るラック軸（第２変形例）の構成図
【符号の説明】
１０，２００…電動パワーステアリング装置、２１…操舵輪（車輪）、３１…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、３５…ラック軸、３８Ａ，２３８Ａ…支承部、３９，３９Ａ，２３９，３３９…ラック形成部、４１…ハウジング、８２…電動機、２３５…ラック軸、３３１…ピニオン軸、３３２…ラックアンドピニオン機構（第２ラックアンドピニオン機構）、３３３…ピニオン（第２ピニオン）、３３４…ラック（第２ラック）、Ｄ１…ラック軸の径、Ｐｉ…基準ピッチ線、Ｒ１…ラック軸の中心（円形断面の中心）、Ｗ１…ラックの歯幅、Ｚ…円形断面の中心からラックの基準ピッチ線までの距離。
Claims (2)
- 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のラック軸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、
前記ラック軸に第１軸受を介してハウジングに支承される支承部とラックを形成するラック形成部とを設け、このラック形成部の軸直角断面を前記支承部と同径の円形断面と仮定し、この円形断面の中心からラックの基準ピッチ線までの距離を所定寸法に設定したときに、この所定寸法によって定まるラックの歯幅よりも実際のラックの歯幅が大きくなるように、前記ラック形成部を形成し、
前記ラックは、前記ラック軸における一端部と他端部との間に形成されており、
前記第１軸受に支承される前記支承部は、前記ラック軸の一端部に形成されており、
前記ラック軸の他端部は、前記ハウジングに設けた第２軸受の中に、隙間を有して通されている、ことを特徴とする電動パワーステアリング装置。 - 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は、はすば歯車であり、このはすば歯車の歯形は、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、基準ピッチ線上をほぼ中心とする円弧面に形成した、円弧歯形であることを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
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