JP4622703B2

JP4622703B2 - パワーステアリング装置

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Publication number: JP4622703B2
Application number: JP2005189524A
Authority: JP
Inventors: 昌寛原田; 弘上野
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2005-06-29
Filing date: 2005-06-29
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2025-06-29
Also published as: JP2007008256A

Description

この発明は、自動車などの車両に用いられ運転者の操舵動作を補助するパワーステアリング装置に関する。

自動車などの車両に用いられる従来のパワーステアリング装置としては、ステアリングホイールに連結される入力軸（操舵軸）と、自動車の車輪側とラックピニオン式伝達機構を介して連結される出力軸と、入力軸と出力軸とを連結しているトーションバーと、このトーションバーの捩れに応じて操舵補助を行う補助駆動機構とを備えているものがある。
補助駆動機構として油圧シリンダを有している油圧パワーステアリング装置においては、トーションバーの捩れ角に応じて開度調整されるロータリバルブを備えており、このバルブが油圧を制御することによって出力軸側に連結させた油圧シリンダを動作させ、その油圧力によって操舵補助を行っている。
補助駆動機構として電動モータを有している電動パワーステアリング装置においては、トーションバーに作用するトルク（捩れ）をトルクセンサにより検出し、検出したトルクの値に基づいて、出力軸側に連結させた電動モータを回転させ、電動モータの動力によって操舵補助を行っている。
つまり、従来のパワーステアリング装置は、ステアリングホイールから入力されたトルクがトーションバーに伝わってトーションバーが捩れ、その捩れに応じて油圧アクチュエータや電動モータを動作させ、出力軸側に対して操舵補助を行っている。

電動パワーステアリング装置において、トーションバーに作用するトルクを検出するための従来のトルクセンサとしては、トーションバーの捩れを計測するために、歪みゲージや、磁気抵抗の変化を測定する磁気センサなどが用いられている。トルクセンサとして磁気センサが用いられているものとしては例えば特許文献１に示しているものがある。

特開２００５−３４６１号公報

特許文献１に記載されている従来の電動パワーステアリング装置はトーションバーを必要としており、トーションバーの捩れを磁気センサにより測定している。トーションバーの捩れを磁気センサにより検出する構成は、微小な捩れの変化に対して検出精度が低くなるため、繊細な操舵補助の制御が困難となる。そこで、トーションバーの捩れ角を大きくさせて検出精度を高めるためにトーションバーを長くしている。つまり、従来のパワーステアリング装置は軸方向に長いトーションバーを必要としている。これにより、パワーステアリング装置全体が軸方向に長くなり、大型化を招いている。

また、油圧パワーステアリング装置においてもトーションバーを必要としており、前記ロータリバルブにおいて開度調整を行わせるためには、トーションバーにおいてある程度大きなねじれ（ねじれ角度）が必要であるため、トーションバーを長くする必要がある。これにより、油圧パワーステアリング装置においても全体が軸方向に長くなってしまう。
そこで、この発明は軸方向寸法を短くして小型化を図ることのできるパワーステアリング装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するためのパワーステアリング装置は、ステアリングホイール側の入力軸と、この入力軸と連結部を介して連結されている車輪側の出力軸と、前記入力軸に付与されるトルクに応じて操舵補助を行う補助駆動機構とを備え、前記連結部は、前記入力軸と前記出力軸のうちの一方と一体回転する環状部材と、前記環状部材の内周側に設けられて他方と一体回転する内側部材と、前記環状部材と前記内側部材とが相対回転可能となるように当該環状部材の内周面と当該内側部材の外周面との間に転動可能に介在した転動体とを有し、前記環状部材の内周面と前記内側部材の外周面の少なくとも一方が、前記環状部材と前記内側部材の相対回転に伴い前記転動体を転動させつつ当該転動体の挟持間隔を漸次狭くして、前記相対回転により生じた位相差を解消する方向の回動付勢力を当該環状部材と当該内側部材の間に生じさせる異形軌道面を少なくとも一部に有していることを特徴としている。

このような構成によれば、入力軸と出力軸とを連結している連結部において、入力軸に付与されたトルクが環状部材と内側部材の間に伝わって相互間にトルクが生じると、当該環状部材と当該内側部材が相対回転して、異形軌道面と転動体とにより、当該相対回転による位相差を解消する方向の回動付勢力を環状部材と内側部材の間に生じさせることができる。つまり、環状部材と内側部材との間にねじりばね性を持たせることができる。このため、入力軸を回転させると出力軸を共に回転させることが可能となって、車輪の操舵を行うことができると共に、入力軸と出力軸との間、つまり環状部材と内側部材の間に生じる位相差（捩れ角）に応じて補助駆動機構により操舵補助を行わせることができる。従って、従来必要であった軸方向に長いトーションバーを不要とできる。

また、前記補助駆動機構は、操舵補助力を出力するモータと、前記環状部材と前記内側部材の相対回転により生じる位相差を検出するためのセンサと、このセンサによる検出結果に基づいて前記モータの出力を制御する制御手段とを備えている。
この場合、センサにより環状部材と内側部材の位相差を検出し、その検出結果に基づいて制御手段がモータの出力を制御できる。従って、位相差に応じた操舵補助が可能となる。

また、前記センサは、前記環状部材と前記内側部材との相対回転による当該環状部材と当該内側部材との間隔の変化を測定する変位センサであるのが好ましい。
この構成によれば、環状部材と内側部材との位相差と、この位相差における環状部材と内側部材との間隔の関係を予め求めておけば、変位センサで当該間隔の変化を測定することによって、環状部材と内側部材との位相差を求めることができる。このため、簡単な構成により環状部材と内側部材との位相差を求めることができる。
さらに、この変位センサを内側部材の外周部又は環状部材の内周部に取り付ければ、内側部材と環状部材との径方向の間においてセンサ部を構成させることができ、パワーステアリング装置をコンパクトにできる。

本発明によれば、径方向内外に配設された内側部材と環状部材との間においてねじりばね性を持たせることができるため、軸方向寸法を短くすることができ、パワーステアリング装置のコンパクト化が可能となる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１はこの発明の実施の一形態に係るパワーステアリング装置の概略を示す断面図であり、まず全体構成の概略を説明する。
このパワーステアリング装置は、例えば自動車に搭載され、ステアリングホイール１０側と連結される入力軸１１と、車輪（図示せず）を操舵するために車輪側とラックピニオン式伝達機構（図示せず）を介して連結される出力軸１２とを備えている。
出力軸１２はラックピニオン式伝達機構のピニオン軸と連結又は一体とされており、このピニオン軸のピニオンギヤがラック軸のラック歯に噛み合うように構成されており、ピニオン軸の回転によりラック軸が左右動し、ラック軸の両端部に連結されている車両の左右両側の車輪を操舵することができる。そして、このパワーステアリング装置はハウジング９を有しており、ハウジング９は車体フレーム（図示せず）に固定されている。入力軸１１と出力軸１２とは軸中心Ｘ上に同軸状とされ、双方ともこのハウジング９内において回転可能に支持されており、入力軸１１の下部と出力軸１２の上部が連結部５を介して連結されている。

さらにこのパワーステアリング装置は、入力軸１１に付与されるトルク（操舵力）に応じて操舵補助を行う補助駆動機構１４を備えている。図１に示すパワーステアリング装置は電動式のものであり、補助駆動機構１４は電動モータ１７を有しており、操舵補助力として電動モータ１７による出力（動力）を出力軸１２側へ付与することができる。さらに、ステアリングホイール１０側から入力されて入力軸１１に作用したトルクに応じた前記連結部５における挙動（位相差、トルク）を検出するためのセンサ７と、この検出結果に基づいて電動モータ１７の出力を制御する制御手段１８とを備えている。
前記センサ７は、入力軸１１と出力軸１２との間の連結部５において生じる位相差、及びその位相差から連結部５において作用しているトルクを検出するためのものであり、このセンサ７については後に詳しく説明する。
補助駆動機構１４の構成をさらに説明すると、図１において、出力軸１２に外嵌固定させたウォームホイール１５と、これに噛み合うウォーム１６とを有しており、このウォーム１６に電動モータ１７の出力軸が連結されている。そして、前記センサ７と電動モータ１７が制御手段１８にそれぞれ接続されており、センサ７の検出結果に応じて制御手段１８の作用により電動モータ１７を回転させ、電動モータ１７の回転力による操舵補助力を出力軸１２に付与している。なお、車両本体に設けられている制御ユニット（ＥＣＵ）が前記制御手段１８を備えている。

入力軸１１と出力軸１２とを連結している連結部５の構成について説明する。図３は連結部５を軸方向から見た断面図であり、図１と図３において、連結部５は、環状部材３と、この環状部材３の内周側に設けられている内側部材としての軸部材２と、環状部材３の内周面と軸部材２の外周面との間に転動可能に介在した転動体としての円筒ころ４を備えている。環状部材３は出力軸１２と一体回転するようにされており、出力軸１２の上部に一体状として有している。軸部材２は入力軸１１と一体回転するようにされており、入力軸１１の下部に一体状として有している。
円筒ころ４は環状部材３の内周面と軸部材２の外周面に転動可能とされており、環状部材３と軸部材２とは相対回転可能となる。従って、環状部材３の内周面は円筒ころ４が転動可能となる外側軌道面３１とされ、軸部材２の外周面は円筒ころ４が転動可能となる内側軌道面２１とされている。

軸部材２と環状部材３とは、同軸状でかつ相互間に環状の空間部が形成されるように配設されており、その空間部に円筒ころ４が介在して、軸部材２と環状部材３とは相対的に回転可能とされている。軸部材２と環状部材３の共通する回転中心が入力軸１１と出力軸１２との共通軸中心Ｘと一致する。
図１において、連結部５におけるラジアル荷重を支持させるために、前記円筒ころ４と並列となるように別の転動体２３（公知の転がり軸受により使用されているもの）が、軸部材２と環状部材３の間に設けられている。但し、前記円筒ころ４は、軸部材２と環状部材３との間におけるラジアル荷重を支持できるため、前記転動体２３を省略して実施することができる。

さらに、この連結部５は、後に詳しく説明するが、環状部材３と軸部材２の間にトルクが生じて両者が相対回転すると、この相対回転により生じた位相差に応じて当該位相差を解消する方向に所定の大きさの回動付勢力を、環状部材３と軸部材２の間に生じさせるように構成されている。つまり、連結部５は、環状部材３と軸部材２の間に位相差が生ずるとそれを解消する方向の回動付勢力を生じさせるため、環状部材３と軸部材２との間にねじりばね性（周方向の弾力性）を持たせることができると言える。
そして、この位相差と回動付勢力（ねじりばね力）との関係は、軸部材２の外周面と環状部材３の内周面の形状や転動体としての円筒ころ４の力学的性質などによって、予め設計的に求めたり、予め測定されて求めることができる。

次に、図１の電動パワーステアリング装置における動作の概略について説明する。
ステアリングホイール１０を操作することによって入力軸１１にトルクが入力されると、入力軸１１側の軸部材２と出力軸１２側の環状部材３との間にトルクが生じる。これにより、環状部材３と軸部材２は、このトルクに反対向きの回動付勢力を発生（増加）させながら相対回転する。そして、入力されたトルクと回動付勢力とがつり合えば、環状部材３と軸部材２とは所定の位相差で相対的に静止状態となる。なお、後に詳しく説明するが、環状部材３と軸部材２が相対回転して位相差が生じると、後述する異形軌道面と転動体としての円筒ころ４により、当該位相差に応じて所定の大きさの回動付勢力を、環状部材３と軸部材２の間に生じさせるように連結部５は関連付けられている。
従って、センサ７が、前記つり合い状態となっている環状部材３と軸部材２の位相差を計測することで、位相差と回動付勢力との相関に基づいて、回動付勢力とつり合っているトルクを求めることができる。そして、このトルクの値に応じて電動モータ１７を回転させ、出力軸１２側に対して操舵補助力を作用させることができる。
または、センサ７が、環状部材３と軸部材２との位相差を計測し、その位相差に基づいて電動モータ１４を回転させ、出力軸１２側に対して操舵補助力を作用させることができる。
また、図１と図３において、入力軸１１側が軸部材２を有し、出力軸１２側が環状部材３を有している構成としているが、これとは逆に、図示しないが入力軸１１側が環状部材３を有し、出力軸１２側が軸部材２を有している構成であってもよい。つまり、入力軸１１と出力軸１２のうちの一方が環状部材３を有し、他方がこの環状部材３の内周側に設けられている軸部材２を有していればよい。

連結部５の具体的な構成と、その構成によって生ずる回動付勢力について、図３により説明する。
軸部材２の外周面である前記内側軌道面２１と環状部材３の内周面である前記外側軌道面３１の形状は、軸中心（回転軸）Ｘを中心とした円周面とはされていない。つまり、内側軌道面２１は、回転軸Ｘを中心とする円周面とは異なる異形軌道面、すなわち内側異形軌道面２ｋの連続により構成されている。外側軌道面３１は、異形軌道面としての外側異形軌道面３ｋの連続により構成されている。内側軌道面２１を構成する４個の内側異形軌道面２ｋはすべて同一形状であり、外側軌道面３１を構成する４個の外側異形軌道面３ｋもすべて同一形状である。内側軌道面２１は周方向に均等に（９０度ごとに）４分割され、各分割部分がそれぞれ内側異形軌道面２ｋとされている。同様に、外側軌道面３１も周方向に均等に（９０度ごとに）４分割され、各分割部分がそれぞれ外側異形軌道面３ｋとされている。
そして、各異形軌道面２ｋ，３ｋ間に１個ずつ円筒ころ４が配置されている。内側異形軌道面２ｋ及び外側異形軌道面３ｋにより、軸部材２と環状部材３の間には、円筒ころ４の周方向側方に、軌道面間隔が周方向に漸次狭くなる漸縮空間部（くさび状空間部）が形成されており、軸部材２と環状部材３の間にトルクが生じて両者が相対回転すると、軸部材２と環状部材３との相対回転に伴い所謂くさび効果によって円筒ころ４が圧縮弾性変形する。上記の如く、内側軌道面２１及び外側軌道面３１をそれぞれ異形軌道面２ｋ、３ｋの連続により形成することで、内側軌道面２１及び外側軌道面３１はそれぞれ異形軌道面２ｋ，３ｋのみによって占められている。しかも、各異形軌道面２ｋ，３ｋは周方向に等配されている。よって、各異形軌道面２ｋ，３ｋの周方向範囲はそれぞれ最大限に拡げられており、回動付勢力が得られる周方向範囲の拡大に寄与している。

各異形軌道面２ｋ，３ｋについて説明すると、各異形軌道面２ｋ，３ｋは、回転軸Ｘとは異なる位置に曲率中心を有する曲面とされている。
まず、外側軌道面３１を構成する４個の外側異形軌道面３ｋは、それぞれ凹曲面とされている。具体的には、外側異形軌道面３ｋは軸中心Ｘよりも軌道面（当該外側異形軌道面３ｋ）に近くなる側に位置する外側軌道曲率中心Ｃｏを中心とする円弧面（円周面）とされている。この外側異形軌道面３ｋの曲率半径ｇｒｏは、外側軌道面３１の断面輪郭線に外接する円の半径（外側軌道面３１と軸中心Ｘとの距離の最大値）である外側軌道基準半径Ｒｏよりも小さい。また、断面視において、４つの各外側異形軌道面３ｋのそれぞれに関し、外側軌道曲率中心Ｃｏは、軸中心Ｘからの距離が外側異形軌道面３ｋ上において最大値となる外側最大径位置３ｍと、軸中心Ｘと、を含む直線ｐ３上にある。

次に、内側軌道面２１を構成する４個の内側異形軌道面２ｋは、それぞれ凸曲面とされている。具体的には、内側異形軌道面２ｋは軸中心Ｘよりも軌道面（当該内側異形軌道面２ｋ）から遠くなる側に位置する内側軌道曲率中心Ｃｉを中心とする円弧面（円周面）とされている。この内側異形軌道面２ｋの曲率半径ｇｒｉは、内側軌道面２１の断面輪郭線に内接する円の半径（内側軌道面２１と軸中心Ｘとの距離の最小値）である内側軌道基準半径Ｒｉよりも大きい。また、断面視において、４つの各内側異形軌道面２ｋのそれぞれに関し、内側軌道曲率中心Ｃｉは、軸中心Ｘからの距離が内側異形軌道面２ｋ上において最小値となる内側最小径位置２ｍと、軸中心Ｘと、を含む直線ｐ２上にある。

以上のような形状の内側軌道面２１と外側軌道面３１とを有することにより、軸部材２と環状部材３との間に周方向の回動付勢力を生じさせることができる回動付勢機能を有している。この点について説明する。
内側軌道面２１及び外側軌道面３１がいずれも軸中心Ｘを中心とする円周面ではないため、内側軌道面２１と外側軌道面３１との間の空間（転動空間）の形状は軸部材２と環状部材３との相対位相関係により変化するが、図３の状態は、外側軌道面３１の外側最大径位置３ｍと内側軌道面２１の内側最小径位置２ｍとが同位相とされた状態である。以下、この状態を基準状態ということとする。基準状態において、各円筒ころ４は、内側最小径位置２ｍ及び外側最大径位置３ｍと接する周方向位置に配置される（図３参照）。この基準状態は、円筒ころ４の挟持間隔（円筒ころ４の接触位置における軌道面間隔）が最も広い状態である。よって、この基準状態では、両軌道面２ｋ、３ｋから円筒ころ４に作用する圧縮力は最小値（たとえば０）となる。
なお、基準状態における内側最小径位置２ｍと外側最大径位置３ｍとの間の径方向距離は円筒ころ４の直径と略一致させるが、若干のラジアル隙間（プラス隙間又はマイナス隙間）を与えても良い。

次に、この基準状態から環状部材３が軸部材２に対して回転すると、円筒ころ４が両軌道面２１，３１を転動するとともに、当該円筒ころ４の挟持間隔は漸次狭くなる。よってこの回転に伴い円筒ころ４は内側軌道面２１及び外側軌道面３１により圧縮されて弾性圧縮変形する。これにより、前記回転によって生じた位相差に応じて当該位相差を解消する方向に所定の大きさのトルクが軸部材２と環状部材３との間に発生する。そして、このトルクが、軸部材２と環状部材３との間の回動付勢力として作用する。つまり、軸部材２と環状部材３とを回転方向に弾性的に連結していることとなる。

回動付勢力が生じる点について更に詳細に説明する。図４は、発生するトルクについて説明するための断面図であり、理解しやすいように内側異形軌道面２ｋの一部、外側異形軌道面３ｋの一部、及び、円筒ころ４のそれぞれの輪郭線のみを示している。図４は、固定状態としている軸部材２に対して、環状部材３を反時計回りに角度θだけ回転させて静止させたつり合い状態を示している。基準状態では、外側最大径位置３ｍは図４のｘ軸上の位置３ｍｉに位置し、且つ内側最小径位置２ｍもｘ軸上にある。またこの基準状態では円筒ころ４の中心Ｐｒもｘ軸上にある。かかる基準状態から環状部材３を角度θだけ反時計回りに回転させると、円筒ころ４が図４に示す位置まで反時計回りに転動する。この転動による円筒ころ４の公転角度は、内側軌道曲率中心Ｃｉに対して角度φｉである。このとき、内側異形軌道面２ｋと円筒ころ４との接触位置の中心をＰｉ、外側異形軌道面３ｋと円筒ころ４との接触位置の中心をＰｏとすると、ＰｉとＰｏとの間の間隔は、基準状態における内側最小径位置２ｍと外側最大径位置３ｍとの間の間隔よりも狭くなっており、且つ、円筒ころ４の直径（円筒ころ４の半径Ｒｒの２倍）よりも狭くなっている。よって、円筒ころ４は、内側軌道面２１から垂直力Ｑｉを受けるとともに、外側軌道面３１から垂直力Ｑｏを受けて圧縮弾性変形する。つり合って静止している状態では、円筒ころ４に接線力は殆ど働かず、図４に示すように点Ｃｉ，Ｃｏ，Ｐｉ，Ｐｒ，Ｐｏは直線Ｌ１上に並ぶこととなる。そして、上記垂直力Ｑｉ及び垂直力Ｑｏのベクトルの向きも直線Ｌ１と同じ向きとなり、軸部材２が円筒ころ４から受ける垂直力Ｑｉ′、及び、環状部材３が円筒ころ４から受ける垂直力Ｑｏ′も直線Ｌ１と同じ向きとなる。そして、環状部材３が円筒ころ４から受ける垂直力Ｑｏ′は、連結部５の径方向（円筒ころ４との接触位置の中心Ｐｏと軸中心Ｘとを結ぶ直線の方向）と相違しており、当該径方向の成分とともに時計回りの成分を有することとなる。このようにして、環状部材３は、回動付勢力として発生させる時計回り方向のモーメント（以下、回転付勢モーメントともいう）を受ける。回転付勢モーメントの大きさは、〔（ベクトルＱｏ′の大きさ）×（軸中心Ｘから直線Ｌ１までの距離Ｕ１）〕となる。

上述したように、内側異形軌道面２ｋは凸曲面であり、且つ、外側異形軌道面３ｋは凹曲面である。しかも、各内側異形軌道面２ｋ及び各外側異形軌道面３ｋは滑らかに連続した曲面を構成している。内側軌道面２１において滑らかに連続した曲面となっていないのは、隣り合った内側異形軌道面２ｋ同士間の境界位置２１ｂのみであり（図３参照）、外側軌道面３１において滑らかに連続した曲面となっていないのは、隣り合った外側異形軌道面３ｋ同士間の境界位置３１ｂのみである（図３参照）。したがって、円筒ころ４の側方に形成されている漸縮空間部は、円筒ころ４と軌道面２１，３１との接触位置がこれら境界位置２１ｂ，３１ｂのいずれかに達するまで、軸部材２と環状部材３との相対回転に伴う円筒ころ４接触位置における軌道面間隔は漸次（徐々に）変化する形状とされている。そして、図３を用いて説明した上記機構により、環状部材３の回転により生じた位相差を解消する方向の回動付勢力が軸部材２と環状部材３の間に付与される。

このような連結部５によれば、ねじりコイルバネを用いることなく軸部材２と環状部材３との間に回動付勢力（ねじりばね性）を持たせることができ、その構成を簡素化できる。更に、この連結部５では、ねじり剛性（ばね定数）等の設計自由度が極めて高くされている。すなわち、異形軌道面２ｋ，３ｋの設計（曲率、曲率中心の位置等）や円筒ころ４の剛性等によりねじり剛性等を自在に設計できる。従って、部材のサイズ（体格）を変えなくても、異形軌道面２ｋ，３ｋの形状の変更により、ねじり剛性等の特性を広範囲に亘って設定することができる。更に、ねじりコイルバネを用いた場合では位相差（ねじれ角）とねじり剛性との関係は線形（一定）であるが、この連結部５によれば、異形軌道面２ｋ，３ｋの形状の変更により、位相差（ねじれ角）に対してねじり剛性を非線形に変化させる等、位相差に応じてねじり剛性を自在に変化させることもできる。なお、環状部材３の軸部材２に対する回転角度をθとした場合に、その回転角度θとねじり剛性との関係を示した一例を図５に示している。このように、回転角度θ（位相差）とねじり剛性とは単調増加で非線形の関係にあり、位相差と回動付勢力とは所定の関係にある。

また図３に示している連結部５において、周方向に等配された４個の内輪異形軌道面２ｋの連続により構成された内輪軌道面２１と、周方向に等配された４個の外輪異形軌道面３ｋの連続により構成された外輪軌道面３１と、４個の円筒ころ４とを備え、環状部材３の回転に伴い全ての円筒ころ４において、円筒ころ４の挟持間隔はそれぞれ均等に変化する構成としている。これにより、軸部材２と環状部材３の間で生ずる回動付勢力の方向及び大きさを全円筒ころ４において均等とすることができ、周方向に均一に回動付勢力が生ずることとなる。

また、図３では４個の円筒ころ４を等間隔で配設して構成した４等配型としたが、これに限らず、３個の円筒ころからなる３等配型や、５等配型以上であってもよい。
さらに、図３では異形軌道面を軸部材２の内側軌道面２１と環状部材３の外側軌道面３１の双方にそれぞれ形成したが、異形軌道面は、内側軌道面２１と外側軌道面３１の少なくとも一方に形成されていればよい。つまり、図示しないが、外輪軌道面３１は図３と同様に４つの連続した外輪異形軌道面３ｋで構成されているが、内輪軌道面２１は軸中心Ｘを中心とする円周面（真円）であってもよい。または、内輪軌道面２１は図３と同様に４つの連続した内輪異形軌道面２ｋで構成されているが、外輪軌道面３１は軸中心Ｘを中心とした円周面（真円）であってもよい。異形軌道面の成形を一方のみとすることにより加工が容易となる。

次に、図１の電動パワーステアリング装置において、軸部材２と環状部材３の相対回転により生じる位相差を計測するためにセンサ７について説明する。このセンサ７は、例えば軸部材２と環状部材３の間の位相差を直接的に角度として検出するロータリエンコードなどの角度センサとすることができるが、図３の形態においては、軸部材２の内側軌道面２１と環状部材３の外側軌道面３１の間隔の変化を測定している非接触式の変位センサ７としている。
このような非接触式の変位センサ７により前記位相差を検出することができるのは、転動体としての円筒ころ４の周方向側方に形成されている漸縮空間部において、異形軌道面２ｋ，３ｋの形状により、軸部材２と環状部材３とが相対回転すると異形軌道面上の周方向所定位置（例えば非接触センサ７の計測位置）における当該軸部材２の内側軌道面２１と当該環状部材３の外側軌道面３１との間隔が所定の関係で連続的に変化するようされているからであり、内側軌道面２１と外側軌道面３１の形状は前記のとおり予め所定の形状により設定されて形成されているからである。つまり、軸部材２と環状部材３との位相差と、内側軌道面２１と外側軌道面３１との間隔との関係が予め設定されているからである。

すなわち、図３の変位センサ７は軸部材２の外周部に設けられており、対向している環状部材３の外側軌道面３１までの距離を計測している。変位センサ７は隣り合う内側異形軌道面２ｋ，２ｋ間の境界位置に設けられており、基準状態において変位センサ７は外側軌道面３１までの最小間隔寸法を計測する。そして、軸部材２と環状部材３とが相対回転して所定の位相差でつり合った状態となった際、変位センサ７がその計測位置における外側軌道面３１までの距離を計測する。これにより、基準状態からの計測値（間隔）の変化（差）を検出することができ、その変化によって基準状態からの位相差を求めることができる。
また、図示しないが、非接触式の変位センサ７を環状部材３の内周部に設けて、軸部材２の内側軌道面２１までの距離の変化を計測するようにしてもよい。この場合も同様に、軸部材２と環状部材３との位相差を求めることができる。

以上のようなセンサ７によれば、センサ７が環状部材３と軸部材２との位相差を計測することができ、さらに、相互間における回動付勢力を求めることができ、これとつり合っているステアリングホイール１０側から入力されたトルクを検出することができる。そして、計測した位相差や、トルクの大小に応じて補助駆動機構１４の電動モータ１７を動作させることで出力軸１２側に対して操舵補助を行うことができる。
さらに、この連結部５において、軸部材２と環状部材３との間に前記ねじりばね性を持たせることができるため、これらの部材に作用するトルク変動を吸収することができ、さらに、過大なトルクが生じてもそれによる衝撃を緩和させることができる。
また、入力軸１１と出力軸１２との間の入力トルクが変化することで軸部材２と環状部材３とが相対回転し、前記センサ７がその位相差の変化を精度よく検出できるため、微小なトルクの変化を検出することができる。これにより、良好な操舵フィーリングを実現できる。

さらに、入力軸１１と出力軸１２とを連結している前記構成の連結部５を有するパワーステアリング装置によれば、入力軸１１を回転させると前記回動付勢力の発生により出力軸１２を共に回転させることが可能となって、ステアリングホイール１０の動作に応じて車輪（図示せず）の操舵を行うことができると共に、入力軸１１と出力軸１２との間、つまり環状部材３と軸部材２の間に生じる位相差（捩れ角）に応じて補助駆動機構１４により操舵補助を行わせることができる。従って、従来では必要であった長いトーションバーが不要となり、コンパクト化が可能となる。
また、図５において説明したように、回転角度θ（位相差）とねじり剛性とは単調増加の関係にあり、かつ、回転角度θが大きくなるにつれてねじり剛性の増加度（増加割合）が大きくなる関係（非線形の関係）にある。これにより、回転角度θが大きい場合は剛性のあるステアリングとでき、操舵フィーリングの良いものとできる。

なお、本発明では、連結部５における円筒ころ４の形状等は特に限定されず、環状部材３と軸部材２との相対回転に伴い転動するものであればよい。よって、上述した実施形態のように円筒ころ４に限られず、例えば球や円すいころ等でもよく、従来の内輪と外輪とを有する転がり軸受で用いていた転動体を適宜応用することができる。また、ねじり剛性の設定自由度を高めるため、弾性圧縮変形しやすい中空の転動体（例えば中空の円筒ころや中空の球）等を用いることもできる。

図２は本発明の他の実施形態を示す概略断面図であり、油圧パワーステアリング装置を示している。この装置についても図１と同様に、ステアリングホイール１０側の入力軸１１と、この入力軸１１と連結部５を介して連結されている車輪（図示せず）側の出力軸１２と、入力軸１１に付与されるトルクに応じて操舵補助を行う補助駆動機構（図示せず）とを備えている。そして、出力軸１２は、図示しないが、車輪側とラックピニオン式伝達機構を介して連結される。
この補助駆動機構は、図外の油圧アクチュエータ（油圧シリンダ）と、入力軸１１の回転（トルク）による位相差に応じて開度調整されるロータリバルブ１９を備えている。そして、入力軸１１の回転に応じてこのバルブ１９の開度が変化し、このバルブ１９が油圧（流量）を制御することによって出力軸１２側に連結させた油圧アクチュエータを動作させ、油圧力によって操舵補助を行っている。なお、油圧アクチュエータは前記ラックピニオン式伝達機構のうちのラック側に対して操舵補助力を付与するよう構成することができる。

入力軸１１と出力軸１２とを連結している連結部５の構成について説明する。この連結部５の構成は図１に示したものと同様であり、図２と図３において、連結部５は、環状部材３と、この環状部材３の内周側に設けられている内側部材としての軸部材２と、環状部材３の内周面と軸部材２の外周面との間に転動可能に介在した転動体としての円筒ころ４を備えている。環状部材３は出力軸１２と一体回転するようにされており、出力軸１２の上部に一体状として有している。軸部材２は入力軸１１と一体回転するようにされており、入力軸１１の下部に一体状として有している。
円筒ころ４は環状部材３の内周面と軸部材２の外周面に転動可能とされており、環状部材３と軸部材２とは相対回転可能となる。従って、環状部材３の内周面は円筒ころ４が転動可能となる外側軌道面３１とされ、軸部材２の外周面は円筒ころ４が転動可能となる内側軌道面２１とされている。

さらに、この連結部５は、図１の形態と同様に、環状部材３と軸部材２の間にトルクが生じて両者が相対回転すると、この相対回転により生じた位相差に応じて当該位相差を解消する方向に所定の大きさの回動付勢力を、環状部材３と軸部材２の間に生じさせるように構成されている。つまり、連結部５は、環状部材３と軸部材２の間に位相差が生ずるとそれを解消する方向の回動付勢力を生じさせるため、環状部材３と軸部材２との間にねじりばね性（周方向の弾力性）を持たせることができると言える。

そして、図２の油圧パワーステアリング装置において、ステアリングホイール１０を操作することによって入力軸１１にトルクが入力されると、入力軸１１側の軸部材２と出力軸１２側の環状部材３との間にトルクが生じる。これにより、環状部材３と軸部材２は、このトルクに反対向きの回動付勢力を発生（増加）させながら相対回転することができる。つまり、入力軸１１が出力軸１２に対して回転することで、ロータリバルブ１９の開度を変化させ、補助駆動機構が有する油圧アクチュエータ（図示せず）を動作させて操舵補助力を作用させることができる。

連結部５の具体的な構成と、その構成によって生ずる回動付勢力についても、図１の形態によるものと同様であり、その説明は前記のとおりである。
以上のように、油圧パワーステアリング装置によれば、入力軸１１を回転させると連結部５において前記回動付勢力の発生により出力軸１２を共に回転させることが可能となって、ステアリングホイール１０の動作に応じて車輪（図示せず）の操舵を行うことができると共に、入力軸１１と出力軸１２との間、つまり環状部材３と軸部材２の間に生じる位相差（捩れ角）に応じて油圧アクチュエータ（図示せず）により操舵補助を行わせることができる。従って、従来では必要であった長いトーションバーが不要となり、コンパクト化が可能となる。
なお、図１と図２の実施形態において、電動と油圧のそれぞれの補助駆動機構の構成はこれに限らず、従来知られているものを適用することができ、他の形態のものであってもよい。

本発明の実施の一形態に係るパワーステアリング装置の概略を示す断面図である。他の実施形態であるパワーステアリング装置の概略を示す断面図である。入力軸と出力軸との連結部を説明する断面図である。ねじりばね力が生ずる原理を説明するための図である。回転角度とねじり剛性の関係を示すグラフである。

符号の説明

２軸部材（内側部材）
３環状部材
４円筒ころ（転動体）
５連結部
７センサ
１１入力軸
１２出力軸
１４補助駆動機構
２１内側軌道面（外周面）
２ｋ内側異形軌道面
３１外側軌道面（内周面）
３ｋ外側異形軌道面
Ｘ軸中心

Claims

ステアリングホイール側の入力軸と、この入力軸と連結部を介して連結されている車輪側の出力軸と、前記入力軸に付与されるトルクに応じて操舵補助を行う補助駆動機構と、を備え、
前記連結部は、前記入力軸と前記出力軸のうちの一方と一体回転する環状部材と、前記環状部材の内周側に設けられて他方と一体回転する内側部材と、前記環状部材と前記内側部材とが相対回転可能となるように当該環状部材の内周面と当該内側部材の外周面との間に転動可能に介在した転動体と、を有し、
前記環状部材の内周面と前記内側部材の外周面の少なくとも一方が、前記環状部材と前記内側部材の相対回転に伴い前記転動体を転動させつつ当該転動体の挟持間隔を漸次狭くして、前記相対回転により生じた位相差を解消する方向の回動付勢力を当該環状部材と当該内側部材の間に生じさせる異形軌道面を少なくとも一部に有していることを特徴とするパワーステアリング装置。
前記補助駆動機構は、操舵補助力を出力するモータと、前記環状部材と前記内側部材の相対回転により生じる位相差を検出するためのセンサと、このセンサによる検出結果に基づいて前記モータの出力を制御する制御手段と、を備えている請求項１に記載のパワーステアリング装置。
前記センサは、前記環状部材と前記内側部材との相対回転による当該環状部材と当該内側部材との間隔の変化を測定する変位センサである請求項２に記載のパワーステアリング装置。