JP4512128B2 - モータの回転角検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、車輪を転舵するアシストトルクを発生するモータの回転角を、環状のステータの内周面に環状のロータの外周面をエアギャップを介して相対回転自在に配置したレゾルバを用いて検出するモータの回転角検出装置に関する。

運転者がステアリングホイールに入力する操舵トルクを操舵トルクセンサで検出し、検出した操舵トルクに応じてアシストモータを作動させることで、そのアシストモータが発生するトルクで運転者のステアリング操作をアシストする電動パワーステアリング装置が、下記特許文献１により公知である。
特開２００５−２４７０７９号公報

ところで、電動パワーステアリング用のアシストモータに直流ブラシレスモータを採用した場合、そのステータのＵ相、Ｖ相、Ｗ相コイルへの通電を制御するためアシストモータの回転軸の回転角（位相）を検出する必要がある。この回転角の検出に一般的に用いられる可変リラクタンス型のレゾルバは、アシストモータのハウジングに固定したステータと、アシストモータの回転軸に設けたロータとを相互に対向させ、凹凸が形成されたロータの外周面と多数のコイルよりなるステータの内周面との間のエアギャップの変化に基づいて回転軸の回転角を検出するようになっている。

しかしながら、アシストモータの回転軸にロータを圧入して固定すると、圧入に伴う残留応力によってロータの透磁率が低下する部分が発生するため、レゾルバによる回転角の検出精度が低下する問題があった。またアシストモータの回転軸に捩じれトルクが加わると、その捩じれトルクによってロータに応力が発生することで、透磁率が低下してレゾルバの検出精度が低下する問題があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、レゾルバのロータの歪みを防止してモータの回転角を精度良く検出することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、車輪を転舵するアシストトルクを発生するモータの回転角を、環状のステータの内周面に環状のロータの外周面をエアギャップを介して相対回転自在に配置したレゾルバを用いて検出するモータの回転角検出装置において、前記モータの回転軸に前記ロータと一体で成形されたロータ支持部材を結合し、前記ロータを、前記ロータ支持部材の軸方向端部から前記回転軸の外周を囲み、かつ前記回転軸との間に所定の隙間が生じるように延出させ、該ロータの該ロータ支持部材側と反対側の端部を自由端としたことを特徴とするモータの回転角検出装置が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記ロータ支持部材は、前記モータの回転軸を減速機の入力軸に結合するカップリングであることを特徴とするモータの回転角検出装置が提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項２の構成に加えて、前記カップリングはオルダムカップリングであることを特徴とするモータの回転角検出装置が提案される。

また請求項４に記載された発明によれば、請求項２の構成に加えて、前記モータの回転軸は、前記カップリングに圧入により結合されることを特徴とするモータの回転角検出装置が提案される。

また請求項５に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記ロータと前記回転軸との間の隙間は、前記ロータの全周に亙って存在することを特徴とするモータの回転角検出装置が提案される。

また請求項６に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記ロータと前記回転軸との間の隙間は、前記ロータの軸方向全長に亙って存在することを特徴とするモータの回転角検出装置が提案される。

また請求項７に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記ロータの内径は前記ロータ支持部材の内径よりも大きく、前記ロータの内周面と前記ロータ支持部材の内周面との間に段差が形成されることを特徴とするモータの回転角検出装置が提案される。

尚、実施の形態の第１ハブ５３は本発明のカップリングあるいはロータ支持部材に対応し、実施の形態のカップリング６１は本発明のロータ支持部材に対応し、実施の形態のアシストモータＭは本発明のモータに対応する。

請求項１の構成によれば、車輪を転舵するアシストトルクを発生するモータの回転角を、環状のステータの内周面に環状のロータの外周面をエアギャップを介して相対回転自在に配置したレゾルバを用いて検出する際に、モータの回転軸に該ロータと一体で成形されたロータ支持部材を結合し、レゾルバのロータをロータ支持部材の軸方向端部からモータの回転軸の外周を囲み、かつ前記回転軸との間に所定の隙間が生じるように延出させ、ロータのロータ支持部材側と反対側の端部を自由端としたので、ロータ支持部材を回転軸に結合する圧入荷重や、モータのトルクによって回転軸に作用する捩じり荷重がロータに伝達され難くなり、ロータの透磁率の変化を防止してレゾルバによるモータの回転角の検出精度を高めることができる。

また請求項２の構成によれば、ロータ支持部材を、モータの回転軸を減速機の入力軸に結合するカップリングで構成したので、カップリングをロータ支持部材に兼用し部品点数を削減することができる。

また請求項３の構成によれば、モータの回転軸をオルダムカップリングを介して減速機の入力軸に結合したので、モータの回転軸の軸線および減速機の入力軸の軸線のずれをオルダムカップリングにより吸収して該回転軸に偏荷重が加わるのを防止し、レゾルバのロータの歪みを更に減少させて検出精度を一層高めることができる。

また請求項４の構成によれば、モータの回転軸を圧入によりカップリングに結合したので、回転軸およびカップリングの結合が容易になる反面、カップリングが拡径するように弾性変形するが、レゾルバのロータがカップリングの軸方向端部から回転軸の外周を囲むように延出するので、ロータの歪みを減少させて検出精度を高めることができる。

また請求項７の構成によれば、ロータの内径をロータ支持部材の内径よりも大きくすることで、ロータの内周面とロータ支持部材の内周面との間に段差を形成したので、ロータ支持部材の内周面に加わる回転軸の圧入荷重がロータの内周面に一層伝達され難くすることができる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１〜図６は本発明の第１の実施の形態を示すものであり、図１は電動パワーステアリング装置の全体斜視図、図２は図１の２−２線拡大断面図、図３は図１の３−３線拡大断面図、図４は図３の４−４線拡大断面図、図５は図３の５−５線拡大断面図，図６はオルダムカップリングの分解斜視図である。

図１に示すように、ステアリングホイール１１と一体に回転する上部ステアリングシャフト１２は、上部ユニバーサルジョイント１３、下部ステアリングシャフト１４および下部ユニバーサルジョイント１５を介して、減速機１６から上方に突出するピニオンシャフト１７に接続される。減速機１６の下端に接続されたステアリングギヤボックス１８の左右両端から突出するタイロッド１９，１９が、左右の車輪ＷＬ，ＷＲの図示せぬナックルに接続される。減速機１６には直流ブラシレスモータよりなるアシストモータＭが支持されており、このアシストモータＭの作動が、減速機１６の内部に収納した操舵トルク検出手段Ｓｔからの信号が入力される電子制御ユニットＵにより制御される。

図２に示すように、減速機１６はステアリングギヤボックス１８と一体の下部ハウジング２１と、その上面にボルト２２…で結合された中間ハウジング２３と、その上面にボルト２４…で結合された上部ハウジング２５とを備えており、下部ハウジング２１および上部ハウジング２５にボールベアリング２６，２７で前記ピニオンシャフト１７が回転自在に支持される。ピニオンシャフト１７の下端に設けられたピニオン２８が、ステアリングギヤボックス１８の内部を左右に移動するラックバー２９に設けられらラック３０に噛合する。ステアリングギヤボックス１８の一部を構成する下部ハウジング２１に形成した円形断面のガイド孔２１ａに概略円柱状のラックガイド３１が摺動自在に収納されており、ラックガイド３１に形成した凹部と、ガイド孔２１ａを閉塞するナット部材３２に形成した凹部との間に配置したスプリング３３でラックガイド３１の押圧面をラックバー２９の背面に向けて付勢することで、ラックバー２９の撓みを抑制してラック３０をピニオン２８に正しく噛合させることができる。

減速機１６の内部に延びる入力軸３４に設けられたウオーム３５は、ピニオンシャフト１７に固定されたウオームホイール３６に噛合する。従って、アシストモータＭが駆動されると、その入力軸３４に設けたウオーム３５に噛合するウオームホイール３６を介して減速機１６のピニオンシャフト１７が回転し、ピニオン２８に噛合するラック３０が駆動されることで、ドライバーがステアリングホイール１１に加える操舵トルクがアシストモータＭによってアシストされる。

図３〜図６に示すように、アシストモータＭの外郭は、有底円筒状のモータハウジング４１と、モータハウジング４１の開口端を閉塞するように複数本のボルト４２で固定された取付フランジ４３とで構成されており、取付フランジ４３が複数本のボルト４４…で下部ハウジング２１に締結される。モータハウジング４１および取付フランジ４３にそれぞれ設けた一対のボールベアリング４５，４６によってモータＭの回転軸４７が回転自在に支持される。回転軸４７の外周面には、内部に複数の永久磁石４８…を円周方向に配列した円柱状のロータ４９が固定され、モータハウジング４１の内周面には、複数のコイル５０…を円周方向に配列したステータ５１が固定される。

アシストモータＭの回転軸４７と減速機１６の入力軸３４とはオルダムカップリング５２を介して結合される。オルダムカップリング５２は、回転軸４７の先端がスプライン結合される金属製の第１ハブ５３と、入力軸３４の先端がスプライン結合される金属製の第２ハブ５４と、第１、第２ハブ５３，５４間に挟持される合成樹脂製のインサート５５とで構成される。

インサート５５の一側面には一対の平行な第１ガイド板５５ａ，５５ａが突設され、インサート５５の他側面には一対の平行な第２ガイド板５５ｂ，５５ｂが、前記第１ガイド板５３ａ，５３ａと直交するように突設される。第１ハブ５３にはインサート５５の一対の第１ガイド板５５ａ，５５ａを摺動自在に案内する第１突起５３ａ，５３ａが形成され、第２ハブ５４にはインサート５５の一対の第２ガイド板５５ｂ，５５ｂを摺動自在に案内する第２突起５４ａ，５４ａが形成される。

従って、アシストモータＭの回転軸４７の軸線と、減速機１６の入力軸３４の軸線とが非平行にずれていても、第１、第２ハブ５３，５４に対してインサート５５が直交する２方向に摺動することで、前記ずれを吸収しながら回転軸４７から入力軸３４にトルクを伝達することができるので、回転軸４７および入力軸３４に周期的な曲げモーメントが作用するのを防止することができる。

アシストモータＭのロータ４９の回転角を検出し、その回転角に応じてステータ５１の各コイル５０…に供給するＵ相、Ｖ相、Ｗ相電流の位相を制御するためのレゾルバ５６が、アシストモータＭの取付フランジ４３の内部にリテーナ５７を介して支持される。

レゾルバ５６は可変リラクタンス型のもので、取付フランジ４３の内周面に固定された複数（実施の形態では１０個）のコイル５８…から成るステータ５９と、オルダムカップリング５２の第１ハブ５３と一体に構成され、ステータ５９の内周面にエアギャップαを介して対向する円筒状の磁性体よりなるロータ６０とで構成される。ロータ６０は複数（実施の形態では各７個）の凸部６０ａ…および凹部６０ｂ…を交互に形成した短い筒状の部材であって、オルダムカップリング５２の第１ハブ５３のアシストモータＭ側の端部から回転軸４７の外周との間に隙間を存して軸方向に突出する。そしてロータ６０の外周面とステータ５９の内周面との間に形成されるエアギャップαは、前記凸部６０ａ…の部分で小さくなり、前記凹部６０ｂ…の部分で大きくなる。

次に、上記構成を備えた本発明の実施の形態の作用を説明する。

運転者がステアリングホイール１１を操作すると、操舵トルクは上部ステアリングシャフト１２、上部ユニバーサルジョイント１３、下部ステアリングシャフト１４、下部ユニバーサルジョイント１５、ピニオンシャフト１７およびピニオン２８を介してラック３０に伝達され、ステアリングギヤボックス１８の内部でラックバー２９を左右方向に駆動する。このとき、アシストモータＭが作動すると、そのアシストトルクがウオーム３４、ウオームホイール３６を介してピニオンシャフト１７に伝達され、運転者のステアリング操作がアシストされる。

アシストモータＭの回転軸４７が回転すると、回転軸４７に固定したオルダムカップリング５２の第１ハブ５３と一体のレゾルバ５６のロータ６０が回転し、ロータ６０の外周に交互に配置された凸部６０ａ…および凹部６０ｂ…とステータ５９との間のエアギャップαの大きさが周期的に変化し、その磁気特性の変化を鋸歯状の電圧波形として出力することで回転軸４７の回転位置を検出することができる。

さて、レゾルバ５６がアシストモータＭの回転軸４７の回転角を検出すると、その回転角に応じて直流ブラシレスモータのＵ相、Ｖ相、Ｗ相電流の位相が制御される。このとき、仮にアシストモータＭの回転軸４７の外周にレゾルバ５６のロータ６０を直接圧入すると、ロータ６０に応力が作用して該ロータ６０の透磁率が低下する部分が発生する可能性がある。またアシストモータＭの回転軸４７はトルクによって捩じれ変形し、ぞの捩じれ角はトルクに応じて時々刻々変化する。更に、アシストモータＭの回転軸４７と減速機１６の入力軸３４とが完全に同軸に配置されていないと、前記回転軸４７に周期的な曲げモーメントが作用する。これらの要因により、レゾルバ５６の三角波状の出力波形が乱れたり、周期が変化したりし、アシストモータＭの回転軸４７の回転角を精度良く検出することができなくなる可能性があった。

しかしながら、本実施の形態によれば、アシストモータＭの回転軸４７はオルダムカップリング５２の第１ハブ５３にスプライン結合され、かつレゾルバ５６のロータ６０が前記第１ハブ５３の端面から張り出して回転軸４７の外周を隙間を存して囲むように配置されるため、回転軸４７の圧入による応力や回転軸４７の捩じれによる応力がロータ６０に直接作用することがなくなり、ロータ６０の圧入による応力や回転軸４７の捩じれによる応力の影響を排除することで回転軸４７の回転角を精度良く検出することができる。しかもオルダムカップリング５２の第１ハブ５３を利用してロータ６０を支持したので、ロータ６０を支持する特別の部材が不要になって部品点数を削減することができる。

また回転軸４７と入力軸３４との間にオルダムカップリング５２を配置したので、回転軸４７の軸線と入力軸３４の軸線とが非平行にずれていても、回転軸４７が周期的な曲げ荷重を受けることなく、アシストモータＭの駆動力を減速機１６にスムーズに伝達することができる。その結果、レゾルバ５６のロータ６０に直接曲げモーメントが伝わることがないだけでなく、ロータ６０がこじれるような回転運動を行うことが防止され、回転軸４７の回転角を一層精度良く検出することができる。

図７および図８は本発明の第２の実施の形態を示すもので、図７は前記図３に対応する図、図８はカップリングの斜視図である。

第１の実施の形態ではアシストモータＭの回転軸４７と減速機１６の入力軸３４とをオルダムカップリング５２を介して結合しているが、第２の実施の形態ではオルダムカップリング５２に代えて筒状のカップリング６１を採用している。カップリング６１の一端側にはカラー６２が圧入され、そのカラー６２にアシストモータＭの回転軸４７の先端が圧入される。またカップリング６１の他端側には減速機１６の入力軸３４がスプライン嵌合する。

レゾルバ５６のロータ６０は、カップリング６１の一端部から回転軸４７の外周を囲むように軸方向に延びている。このとき、カラー６２が圧入されるカップリング６１の内周面６１ａに対してロータ６０の内周面６０ｃは距離δだけ径方向外側に拡径している。

この第２の実施の形態によれば、アシストモータＭの回転軸４７の圧入によってカップリング６１が変形しても、そのカップリング６１の端面から張り出すように形成されたロータ６０には、圧入による応力もアシストモータＭのトルクによる応力も伝達されないため、回転軸４７の回転角を精度良く検出することができる。更に、回転軸４７の圧入荷重はカップリング６１の内周面６１ａに最も強く作用するが、ロータ６０の内周面６０ｃは距離δの段差を介して前記カップリング６１の内周面６１ａから径方向外側に離れているため、前記圧入荷重の影響を更に受け難くして回転軸４７の回転角を精度良く検出することができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することなく種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施の形態ではシャフト式ステアリング装置を例示したが、本発明はケーブル式ステアリング装置やステア・バイ・ワイヤ式ステアリング装置に対して適用することができる。

またレゾルバ５６のステータ５９の極数やロータ６０の極数は適宜変更可能である。

第１の実施の形態に係る電動パワーステアリング装置の全体斜視図 図１の２−２線拡大断面図 図１の３−３線拡大断面図 図３の４−４線拡大断面図 図３の５−５線拡大断面図 オルダムカップリングの分解斜視図 第２の実施の形態に係る、前記図３に対応する図 カップリングの斜視図

１６ 減速機
３４ 入力軸
４７ 回転軸
５３ 第１ハブ（カップリング、ロータ支持部材）
５６ レゾルバ
５９ ステータ
６０ ロータ
６１ カップリング（ロータ支持部材）
Ｍ アシストモータ（モータ）
ＷＬ 車輪
ＷＲ 車輪
α エアギャップ

Claims (7)

1. 車輪（ＷＬ，ＷＲ）を転舵するアシストトルクを発生するモータ（Ｍ）の回転角を、環状のステータ（５９）の内周面に環状のロータ（６０）の外周面をエアギャップ（α）を介して相対回転自在に配置したレゾルバ（５６）を用いて検出するモータの回転角検出装置において、
   前記モータ（Ｍ）の回転軸（４７）に前記ロータ（６０）と一体で成形されたロータ支持部材（５３，６１）を結合し、前記ロータ（６０）を、前記ロータ支持部材（５３，６１）の軸方向端部から前記回転軸（４７）の外周を囲み、かつ前記回転軸（４７）との間に所定の隙間が生じるように延出させ、該ロータ（６０）の該ロータ支持部材（５３，６１）側と反対側の端部を自由端としたことを特徴とするモータの回転角検出装置。
2. 前記ロータ支持部材は、前記モータ（Ｍ）の回転軸（４７）を減速機（１６）の入力軸（３４）に結合するカップリング（５３，６１）であることを特徴とする、請求項１に記載のモータの回転角検出装置。
3. 前記カップリングはオルダムカップリング（５２）であることを特徴とする、請求項２に記載のモータの回転角検出装置。
4. 前記モータ（Ｍ）の回転軸（４７）は、前記カップリング（６１）に圧入により結合されることを特徴とする、請求項２に記載のモータの回転角検出装置。
5. 前記ロータ（６０）と前記回転軸（４７）との間の隙間は、前記ロータ（６０）の全周に亙って存在することを特徴とする、請求項１に記載のモータの回転角検出装置。
6. 前記ロータ（６０）と前記回転軸（４７）との間の隙間は、前記ロータ（６０）の軸方向全長に亙って存在することを特徴とする、請求項１に記載のモータの回転角検出装置。
7. 前記ロータ（６０）の内径は前記ロータ支持部材（６１）の内径よりも大きく、前記ロータ（６０）の内周面と前記ロータ支持部材（６１）の内周面との間に段差が形成されることを特徴とする、請求項１に記載のモータの回転角検出装置。

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