JP4604725B2 - 電動アクチュエータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動アクチュエータ装置に関するものである。

従来、モータを駆動源とする電動アクチュエータ装置には、反力アクチュエータ装置等、駆動対象側から出力軸に印加される入力トルクを検出可能なトルクセンサを備えたものがある。例えば、特許文献１に記載の反力アクチュエータ装置は、ステアリングホイール（ステアリング）が連結されたステアリングシャフトとモータ出力軸との間に設けられたトルクセンサを備えており、このトルクセンサにより検出される操舵トルクに基づいて、その操舵トルクに応じた反力トルクをステアリングに付与する（例えば特許文献１参照）。そして、このようなトルクセンサには、ステアリングシャフトとモータ出力軸との間に介在されたトーションバーの両端に一対のレゾルバを設け、これら両レゾルバにより検出されるステアリング側とモータ側との間の捻れ角（回転角差）に基づいて操舵トルクを検出するものを用いるのが一般的である（例えば特許文献２参照）。
特開２００４−３２２７１５号公報 特開２００３−３１５１７８号公報

ところで、従来、車両においては、あらゆる構成部品、ひいてはその細部に至るまで、絶え間なく改善が進められており、こうしたトルクセンサ付きの電動アクチュエータ装置についてもその更なる小型化及び構成の簡素化が求められている。しかしながら、上記従来例のごとく、ステアリングシャフトとモータ出力軸との間にトーションバーを設け、その捻れ角に基づきトルクを検出する構成では、その小型化には限界がある。また、その部品点数も多いことからコスト高となるという課題があり、この点において、なお改善の余地を残すものとなっていた。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、簡素な構成にて入力トルクの検出が可能な電動アクチュエータ装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、出力軸に連結されたモータシャフトと、該モータシャフトの回転角を検出するための一対の回転角センサとを備え、前記モータシャフトは、該モータシャフトに設けられたモータ回転子よりも前記連結側に捻り剛性の低い可捻部を有し、前記一対の回転角センサは、前記可捻部を挟んでその両側に設けられること、を要旨とする。

請求項２に記載の発明は、前記一対の回転角センサは、前記モータ回転子を挟んで設けられること、を要旨とする。
請求項３に記載の発明は、前記モータシャフトは中空状に形成され、前記可捻部はその肉厚を薄肉とすることにより形成されること、を要旨とする。

請求項４に記載の発明は、前記モータ回転子の外側には、駆動電力が供給されるモータコイルを備えたステータが設けられ、前記モータコイルには、反連結側の前記回転角センサにて検出された回転角に基づく前記駆動電力の供給がなされること、を要旨とする。

上記各構成よれば、モータシャフトにトーションバーとしての機能を持たせることができ、両回転角センサにより検出される可捻部両側の回転角差、即ち捻れ角に基づいて出力軸に印加される入力トルクを検出することができる。従って、簡素な構成にて入力トルクの検出が可能な電動アクチュエータ装置を提供することができ、そのサイズも小さなものとすることができる。また、請求項２，３の構成を組み合わせることで、その一層の小型化を図ることができ、特に請求項３の構成を採用することで、可捻部の形成が容易になるとともに、出力軸とモータとを同軸に配置することが可能になり、これにより更なる小型化を図ることができる。加えて、構成簡素であり、軸受等、部品点数も少ないことから製造コストを抑えることができる。特に両回転角センサのうち反連結側の回転角センサについては、モータ駆動用の回転角センサとして用いることが可能であり、請求項４の構成を採用することでより一層の低コスト化を図ることができる。

請求項５に記載の発明は、前記出力軸は、ステアリングホイールが連結されるステアリングシャフトであって、前記モータシャフトの回転トルクを該ステアリングシャフトに伝達することにより、前記ステアリングホイールに反力トルクを付与する反力アクチュエータ装置であること、を要旨とする。

上記構成よれば、簡素な構成にてステアリングホイールに入力される操舵トルクの検出が可能な反力アクチュエータ装置を提供することができる。
請求項６に記載の発明は、前記出力軸は、ステアリングホイールが連結されるステアリングシャフトであって、前記モータシャフトの回転トルクを該ステアリングシャフトに伝達することにより、操舵系にアシスト力を付与する電動パワーステアリング装置であること、を要旨とする。

上記構成よれば、簡素な構成にてステアリングホイールに入力される操舵トルクの検出が可能な電動パワーステアリング装置を提供することができる。

本発明によれば、簡素な構成にて入力トルクの検出が可能な電動アクチュエータ装置を提供することができる。

以下、本発明を反力アクチュエータ一体型の伝達比可変装置に具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１は、本実施形態のステアリング装置１の概略構成図である。同図に示すように、ステアリングホイール（ステアリング）２が固定されたステアリングシャフト３は、ラックアンドピニオン機構４を介してラック５に連結されており、ステアリング操作に伴うステアリングシャフト３の回転は、ラックアンドピニオン機構４によりラック５の往復直線運動に変換される。そして、このラック５の往復直線運動により操舵輪６の舵角、即ちタイヤ角が可変することにより、車両進行方向が変更されるようになっている。

また、本実施形態のステアリング装置１は、ステアリング２の舵角（操舵角）に対する操舵輪６の舵角（タイヤ角）の比率、即ち伝達比（ギヤ比）を可変させる伝達比可変装置８と、ステアリング２と伝達比可変装置８との間に設けられ、入力される操舵トルクに応じた反力トルクをステアリング２に付与する反力アクチュエータ９とを備えている。具体的には、本実施形態のステアリングシャフト３は、ステアリング２が連結された第１シャフト１０とラックアンドピニオン機構４に連結される第２シャフト１１とにより構成されており、伝達比可変装置８は、これら第１シャフト１０及び第２シャフト１１との間に設けられ、反力アクチュエータ９は、第１シャフト１０の途中に設けられている。そして、これら伝達比可変装置８及び反力アクチュエータ９は、ＥＣＵ１２によってその作動が制御されている。

詳述すると、伝達比可変装置８は、駆動源としてのモータ１３と、ステアリング操作に伴う第１シャフト１０の回転にモータ駆動に基づく回転を上乗せして第２シャフト１１に伝達する差動機構１４とを備え、第２シャフト１１の回転を増速（又は減速）することにより、ステアリング２と操舵輪６との間の伝達比（ギヤ比）を可変させる。そして、ＥＣＵ１２は、その駆動源であるモータ１３の回転を制御することにより、伝達比可変装置８の作動、即ち上記伝達比を制御する。

一方、反力アクチュエータ９は、駆動源としてのモータ１５と、該モータ１５の発生する出力トルクを第１シャフト１０に伝達する伝達機構１６と、ステアリング２、即ち第１シャフト１０に入力される操舵トルクτを検出するためのトルクセンサ１７とを備えている。そして、ＥＣＵ１２は、トルクセンサ１７により検出される操舵トルクτに応じてモータ１５の出力トルクを制御することにより、その操舵トルクに応じた反力トルクをステアリング２に付与すべく反力アクチュエータ９の作動を制御する。

さらに詳述すると、図２に示すように、本実施形態では、伝達比可変装置８及び反力アクチュエータ９は、筒状のハウジング２１内に一体に収容されている。具体的には、ハウジング２１は、ステアリング２側のアッパハウジング２２とラックアンドピニオン機構４側のロアハウジング２３とからなり、同ハウジング２１は、車両のボディ（図示略）に固定されている。ステアリングシャフト３を構成する第１シャフト１０は、アッパハウジング２２を軸方向に貫通することにより、その先端がロアハウジング２３内に延設されており、伝達比可変装置８はロアハウジング２３内に収容され、反力アクチュエータ９はアッパハウジング２２内に収容されている。

本実施形態では、伝達比可変装置８のモータ１３には、ブラシレスモータが採用されている。即ち、モータ１３は、ロアハウジング２３の内周に固定されたステータ２６と、該ステータ２６の内側において回転可能に軸支されたモータシャフト２７を備えて構成されており、本実施形態では、モータシャフト２７は、中空状に形成されている。そして、ロアハウジング２３内に延設された第１シャフト１０は、このモータシャフト２７内に挿通されることにより、その一端が差動機構１４に連結されている。尚、モータシャフト２７の一端（ステアリング側）には、同モータシャフト２７の回転角を検出するためのレゾルバ２８が設けられている。そして、ステータ２６のモータコイル２９には、このレゾルバ２８により検出される回転角に基づく駆動電力が供給されるようになっている。

また、本実施形態では、差動機構１４としてハーモニックドライブ（波動歯車装置）３０が採用されている。ハーモニックドライブ３０は、同軸に並置された一対のサーキュラスプライン３１，３２と、これら該各スプラインと噛み合うように同軸配置された筒状のフレキシブルスプライン３３とを備えており、各サーキュラスプライン３１，３２には、互いに異なる歯数が設定されている。そして、フレキシブルスプライン３３は、楕円状に撓められた状態で各サーキュラスプライン３１，３２の内側に配置されることにより、その外歯が該各サーキュラスプライン３１，３２の内歯とそれぞれ部分的に噛合されている。

本実施形態では、モータシャフト２７内に挿通された第１シャフト１０の先端は、連結部材３４を介してハーモニックドライブ３０の第１のサーキュラスプライン３１に連結されており、ハーモニックドライブ３０の第２のサーキュラスプライン３２には、連結部材３５を介して第２シャフト１１が連結されている。そして、モータシャフト２７の先端には、フレキシブルスプライン３３の内側に配置されることにより上記各スプラインとともにハーモニックドライブ３０を構成する波動発生器３６が固定されている。

即ち、ステアリング操作に伴う第１シャフト１０の回転は、該第１シャフト１０に連結された第１のサーキュラスプライン３１からフレキシブルスプライン３３を介して第２のサーキュラスプライン３２に伝達され、これにより第２シャフト１１へと伝達される。また、波動発生器３６は、モータ１３に駆動されフレキシブルスプライン３３の内側を回転することにより、上記撓められたフレキシブルスプライン３３の楕円形状、即ち両サーキュラスプライン３１，３２との噛合部を回転させる。そして、第１のサーキュラスプライン３１と第２のサーキュラスプライン３２と間の歯数差に基づいて、第２のサーキュラスプライン３２が波動発生器３６の回転方向と逆方向に回転することにより、モータ１３の回転が減速されて第２シャフト１１に伝達されるようになっている。

一方、本実施形態では、反力アクチュエータ９においても、モータ１５としてブラシレスモータが採用され、また伝達機構１６としてハーモニックドライブ３８が採用されている。即ち、モータ１５は、アッパハウジング２２の内周に固定されたステータ４１と、該ステータ４１の内側において回転可能に軸支されたモータシャフト４２を備えて構成されている。そして、モータシャフト４２は中空状に形成され、第１シャフト１０は、このモータシャフト４２の筒内に挿通されることにより、アッパハウジング２２を軸方向に貫通しその先端がロアハウジング２３内に延設されている。

ハーモニックドライブ３８は、上記ハーモニックドライブ３０と同様に、一対のサーキュラスプライン４３，４４、フレキシブルスプライン４５、及び波動発生器４６を備えており、第１のサーキュラスプライン４３は、連結部材４７を介して第１シャフト１０と連結され、第２のサーキュラスプライン４４は、アッパハウジング２２に固定されている。そして、波動発生器４６には、モータシャフト４２の一端が連結されている。即ち、上記伝達比可変装置８側のハーモニックドライブ３０の場合と同様に、波動発生器４６は、モータ１５に駆動されフレキシブルスプライン４５の内側を回転することにより、同フレキシブルスプライン４５と両サーキュラスプライン４３，４４との間の噛合部を回転させる。そして、これにより第１のサーキュラスプライン４３が波動発生器４６の回転と逆方向に回転することにより、その回転トルクが反力トルクとして第１シャフト１０に伝達されるようになっている。

また、本実施形態の反力アクチュエータ９には、上記第１シャフト１０に入力される操舵トルクτを検出するためのトルクセンサ１７が、モータ１５と一体に組み込まれている。具体的には、本実施形態では、モータシャフト４２には、そのモータ回転子５１よりも出力軸との連結部側、即ちハーモニックドライブ３８側に、その厚みが薄肉とされた薄肉部５２が形成されており、同薄肉部５２の軸方向両側には、モータシャフト４２の回転角を検出するための回転角センサとして、一対のレゾルバ５３，５４が設けられている。尚、本実施形態では、各レゾルバ５３，５４は、同薄肉部５２及びモータ回転子５１を挟んで設けられている。そして、本実施形態では、これら両レゾルバ５３，５４及びモータシャフト４２によってトルクセンサ１７が構成されている。

即ち、ステアリング操作に伴い第１シャフト１０に印加された操舵トルクは、ハーモニックドライブ３８を介してモータシャフト４２に伝達される。ここで、本実施形態のモータシャフト４２には、上記薄肉部５２によって捻り剛性の低い可捻部が形成されているため、その操舵トルクによって同薄肉部５２に捻れが生じる。そして、上記両レゾルバ５３，５４によって、その捻れに伴う薄肉部５２両側の回転角差、即ち捻れ角を検出することにより、出力軸である第１シャフト１０に印加された操舵トルクの検出が可能となっている。

尚、本実施形態では、上記各レゾルバ５３，５４のうち、薄肉部５２よりもモータ回転子５１側、即ち反連結側のレゾルバ５４は、モータ１５の回転角センサとして用いられている。そして、モータ回転子５１と対向するステータ４１のモータコイル５５には、この回転角センサにより検出される回転角に基づく駆動電力（三相）が供給されるようになっている。

以上、本実施形態によれば、以下のような特徴を得ることができる。
（１）反力アクチュエータ９のモータシャフト４２は、中空状に形成され、同モータシャフト４２内に挿通されたステアリングシャフト３（第１シャフト１０）とハーモニックドライブ３８を介して連結される。モータシャフト４２には、そのモータ回転子５１よりも出力軸との連結部側、即ちハーモニックドライブ３８側に、可捻部としてその厚みが薄肉とされた薄肉部５２が形成される。そして、同薄肉部５２の軸方向両側には、モータシャフト４２の回転角を検出するための回転角センサとして、一対のレゾルバ５３，５４が設けられる。

このような構成とすれば、簡素な構成にてモータシャフト４２にトーションバーとしての機能を持たせることができ、両レゾルバ５３，５４により検出される捻れ角に基づいて出力軸であるステアリングシャフト３に印加された操舵トルクを検出することができる。これにより、反力アクチュエータ９の大幅な小型化を図ることができる。また、モータシャフト４２を中空状に形成したことにより、薄肉部５２の形成のみにて容易に可捻部を形成することが可能になるとともに、モータ１５を出力軸としてのステアリングシャフト３と同軸に配置することが可能になる。その結果、一層の小型化を図ることができる。更に、モータシャフトにトーションバーの機能を持たせることで、軸受等、部品点数の削減が可能となり、その低コスト化を図ることができる。特に上記各レゾルバ５３，５４のうち、薄肉部５２よりもモータ回転子５１側、即ち反連結側のレゾルバ５４は、モータ１５の駆動用の回転角センサとして用いることが可能であり、これにより、大幅なコスト削減を図ることができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・本実施形態では、本発明を反力アクチュエータ一体型の伝達比可変装置に具体化した。しかし、これに限らず、ステアリングと操舵輪とが機械的に連結されない所謂ステア・バイ・ワイヤ型の車両用操舵装置の反力アクチュエータに具体化してもよく、また、トルクセンサ一体型の電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）に具体化してもよい。即ち、本発明は、駆動対象側から出力軸に印加される入力トルクを検出可能なトルクセンサを有する電動アクチュエータに具体化することができる。尚、本発明をＥＰＳに具体化する場合、例えば、本実施形態では、伝達比可変装置８に連結されるステアリングシャフト３（第１シャフト１０）の一端をラックアンドピニオン機構４に連結する構成とすればよく、これにより、モータシャフトの回転トルクをステアリングシャフトに伝達して操舵系にアシスト力を付与することができる。

・本実施形態では、反力アクチュエータ９のモータ１５には、ブラシレスモータを採用し、モータシャフト４２は中空状に形成されることとしたが、駆動源としてのモータ１５は、ブラシ付きモータでもよく、そのモータシャフト４２も中空状でなくともよい。そして、必ずしもステアリングシャフト３と同軸配置されなくともよい。

・本実施形態では、モータシャフト４２に薄肉部５２を設けることにより可捻部を形成したが、これに限らず、例えば、その一部に捻り剛性の弱い材質を挟む構成とすることで可捻部を形成してもよく、中実のモータシャフトを採用する場合には、小径部により可捻部を形成してもよい。

・本実施形態では、モータシャフト４２は、伝達機構１６（減速機構）としてのハーモニックドライブ３８を介してステアリングシャフト３と連結されることとしたが、伝達機構１６には、ハーモニックドライブ３８以外の減速機構を用いてもよく、また減速機構を介することなく連結される構成としてもよい。

・本実施形態では、一対の回転角センサとしてレゾルバ５３，５４を用いたが、これに限らず、回転角センサには、レゾルバ以外のもの、例えばホールＩＣ等を用いたものや、その他磁気抵抗を利用するもの等を用いてもよい。なお、この場合において、高精度の検出をし、又はモータ駆動用の回転角センサとして用いる場合には、分解能の高いものを用いるのが望ましいことはいうまでもない。

本実施形態のステアリング装置の概略構成図。 反力アクチュエータ（及び伝達比可変装置）の断面図。

符号の説明

１…ステアリング装置、２…ステアリングホイール（ステアリング）、３…ステアリングシャフト、９…反力アクチュエータ、１０…第１シャフト、１５…モータ、１６…伝達機構、１７…トルクセンサ、３８…ハーモニックドライブ、４１…ステータ、４２…モータシャフト、５２…薄肉部、５３，５４…レゾルバ、５５…モータコイル、τ…操舵トルク。

Claims (6)

1. 出力軸に連結されたモータシャフトと、該モータシャフトの回転角を検出するための一対の回転角センサとを備え、
   前記モータシャフトは、該モータシャフトに設けられたモータ回転子よりも前記連結側に捻り剛性の低い可捻部を有し、前記一対の回転角センサは、前記可捻部を挟んでその両側に設けられること、を特徴とする電動アクチュエータ装置。
2. 請求項１に記載の電動アクチュエータ装置において、
   前記一対の回転角センサは、前記モータ回転子を挟んで設けられること、
   を特徴とする電動アクチュエータ装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の電動アクチュエータ装置において、
   前記モータシャフトは中空状に形成され、前記可捻部はその肉厚を薄肉とすることにより形成されること、を特徴とする電動アクチュエータ装置。
4. 請求項１〜請求項３のうちの何れか一項に記載の電動アクチュエータ装置において、
   前記モータ回転子の外側には、駆動電力が供給されるモータコイルを備えたステータが設けられ、前記モータコイルには、反連結側の前記回転角センサにて検出された回転角に基づく前記駆動電力の供給がなされること、
   を特徴とする電動アクチュエータ装置。
5. 請求項１〜請求項４のうちの何れか一項に記載の電動アクチュエータ装置において、
   前記出力軸は、ステアリングホイールが連結されるステアリングシャフトであって、前記モータシャフトの回転トルクを該ステアリングシャフトに伝達することにより、前記ステアリングホイールに反力トルクを付与する反力アクチュエータ装置であること、
   を特徴とする電動アクチュエータ装置。
6. 請求項１〜請求項４のうちの何れか一項に記載の電動アクチュエータ装置において、
   前記出力軸は、ステアリングホイールが連結されるステアリングシャフトであって、前記モータシャフトの回転トルクを該ステアリングシャフトに伝達することにより、操舵系にアシスト力を付与する電動パワーステアリング装置であること、
   を特徴とする電動アクチュエータ装置。

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