JP4788441B2 - ステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、操舵トルク検出用のトルクセンサと舵角検出用の回転角センサとのコンパクトな配置を実現したステアリング装置に関する。

ステアリングホイール等の操舵部材の回転操作に応じて操舵補助用のモータを駆動し、該モータの回転力を舵取機構に伝えて操舵を補助する電動パワーステアリング装置においては、操舵補助用のモータの駆動制御に用いるべく操舵部材に加えられる操舵トルクを検出する必要があり、この検出のために従来から、操舵部材と舵取機構とを連結する操舵軸の中途に構成されたトルクセンサが用いられている。

トルクセンサは、操舵トルクの作用により操舵軸に生じる捩れを、該操舵軸を支持するハウジングに固定された捩れ検出手段により検出し、操舵トルクを求める構成としてある。そして操舵軸の捩れの検出を容易にするためにトルクセンサは、一般的に、検出対象となる操舵軸を同軸上に連結された第１軸と第２軸とに分割し、これらの２軸をトーションバーにより同軸上に連結して、操舵軸に操舵トルクが加えられたとき、この操舵トルクの作用により第１，第２軸間に相対角変位が生じるようにし、この相対角変位を検出することにより前記回転トルクを精度良く求めるようにしてある。

第１，第２軸間の相対角変位の検出は、従来から種々の方法により実現されており、そのうちの一つとして、第１軸及び第２軸のいずれか一方と一体回転する円筒磁石と、他方と一体回転するヨークリングとを備え、この円筒磁石とヨークリングとの間の磁気回路の変化を利用して前記相対角変位を検出するように構成されたトルクセンサがある（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１のトルクセンサは、磁気回路の変化を検出するために、ヨークリング内に生じた磁束を集める集磁リングと、集められた磁束の密度を検出すべく集磁リング間に配設された磁気センサとを用い、これらの集磁リング及び磁気センサをモールド樹脂により一体化して操舵軸を支持するハウジングに固定し、ヨークリングの外周面と僅かなエアギャップを隔てて対向させて、前記捩れ検出手段を構成している。
特開２００５−９８８２１号公報

以上のようなトルクセンサが用いられる電動パワーステアリング装置においては、操舵トルクと共にステアリングホイールの操作に伴って変化する操舵用の車輪の向き（以下、舵角という）を車両の各種の制御に用いるべく、左右の最大舵角範囲（以下、全舵角範囲という）に亘って検出することが要求され、トルクセンサと共に回転角センサも設けられる場合がある。トルクセンサと回転角センサとを備える電動パワーステアリング装置においては、これらの軸長方向の設置スペースが大きくなり、例えば、二次衝突時の衝撃エネルギを吸収するために略一定の摺動抵抗下にて生じさせる操舵軸の短縮ストロークを確保することが難しくなるという問題がある。

またトルクセンサと回転角センサとを備える電動パワーステアリング装置においては、両センサを構成する部品点数が多く、これらをステアリング軸の中途に組み付ける際の工数が増加するという問題もある。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、回転角センサの筐体の一部にトルクセンサの捩れ検出手段を嵌合保持させて一体化することにより設置に要する軸長方向の長さを短縮することができ、組み付け工数を削減できるステアリング装置を提供することを目的とする。

本発明に係るステアリング装置は、操舵部材と舵取機構とを連結する操舵軸に加わる操舵トルクを、捩れ検出手段により検出される前記操舵軸の捩れに基づいて求めるトルクセンサと、前記操舵軸と一体回転する内歯車に噛合する外歯車の回転角度を回転角検出手段により検出し、該回転角検出手段の検出結果に基づいて前記操舵軸の回転角度を求める回転角センサとを備えるステアリング装置において、前記回転角センサは、前記外歯車及び回転角検出手段の取付け部を有する筐体を備え、該筐体は、前記捩れ検出手段を嵌合保持する保持部を備え、該保持部に前記捩れ検出手段が取り外し可能に保持してあることを特徴とする。

本発明によれば、回転角センサの構成部品を取付けてある筐体に保持部を設け、この保持部にトルクセンサの捩れ検出手段を取り外し可能に嵌合保持させてあるから、両センサを隣接配置することができ、両センサの設置に要する軸長方向の長さを短縮することが可能となるため、ステアリング装置の衝突安全設計の自由度を増すことができる上、両センサを操舵軸の中途に組み付ける際の工数を削減でき、またトルクセンサと回転角センサとを簡単に分離でき、点検、修理及び交換を含めたメンテナンスを容易に実施することができる。保持部に嵌合した捩れ検出手段は、例えば爪、クリップ等の手段により所定位置に位置決め可能であり、更にメンテナンス時の取外しを容易に実施することができる。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。図１は、本発明に係るステアリング装置の構成を示す模式図である。

図示のステアリング装置は、ラックピニオン式の舵取機構１を備える。ラックピニオン式の舵取機構１は、図示しない車体の左右方向に延設されたラックハウジング１１の内部に軸長方向への移動自在に支持されたラック軸１０と、ラックハウジング１１の中途に交叉するピニオンハウジング２０の内部に回転自在に支持されたピニオン軸２とを備える公知の構成を有している。

ラックハウジング１１の両側から外部に突出するラック軸１０の両端は、各別のタイロッド１２，１２を介して操舵輪としての左右の前輪１３，１３に連結され、またピニオンハウジング２０の一側から外部に突出するピニオン軸２の上端は、ステアリング軸３を介して操舵部材としてのステアリングホイール３０に連結されている。またピニオンハウジング２０の内部に延びるピニオン軸２の中途には、図示しないピニオンが形成されており、該ピニオンは、ラックハウジング１１との交叉部において、ラック軸１０の外面に適長に亘って形成されたラック歯に噛合させてある。

ステアリング軸３は、筒形をなすコラムハウジング３１の内部に回転自在に支持され、該コラムハウジング３１を介して、図示しない車室の内部に前方を下とした傾斜姿勢を保って取付けてあり、コラムハウジング３１の下方へのステアリング軸３の突出端にピニオン軸２が連結され、同じく上方への突出端にステアリングホイール３０が固設されている。

以上の構成により、操舵のためにステアリングホイール３０が回転操作された場合、この回転がステアリング軸３を介してピニオン軸２に伝達され、該ピニオン軸２の回転が、ピニオンとラック歯との噛合部においてラック軸１０の軸長方向の移動に変換されることとなり、このようなラック軸１０の移動により、左右の前輪１３，１３が各別のタイロッド１２，１２を介して押し引きされて舵取りがなされる。

ステアリング軸３を支持するコラムハウジング３１の中途には、ステアリングホイール３０の回転操作によりステアリング軸３に加わる操舵トルクを検出すべく、後述するように構成されたトルクセンサ４が設けてある。該トルクセンサ４よりも上位置には、ステアリング軸３の全舵角範囲に亘る回転角度を検出して舵角を求めるべく、後述するように構成された回転角センサ５が並設してあり、トルクセンサ４よりも下位置には、操舵補助用のモータ６が取付けてある。

操舵補助用のモータ６は、コラムハウジング３１の外側に軸心を略直交させて取付けてあり、例えば、コラムハウジング３１の内部に延びる出力端に固着されたウォームをステアリング軸３に外嵌固定されたウォームホイールに噛合させ、モータ６の回転を、ウォーム及びウォームホイールにより減速してステアリング軸３に伝えるように伝動構成し、前述の如く行われる舵取りをモータ６の回転力により補助する電動パワーステアリング装置を構成している。

このように取付けられた操舵補助用のモータ６は、アシスト制御部７から図示しないモータ駆動回路を介して与えられる制御指令に従って駆動される。アシスト制御部７には、トルクセンサ４による操舵トルクの検出値及び回転角センサ５による回転角度の検出値が夫々与えられている。アシスト制御部７は、操舵トルク及び回転角度の検出値に基づいて操舵補助用のモータ６に制御指令を発し、該モータ６の駆動電流を増減制御するアシスト制御動作を行う。また回転角センサ５による回転角度の検出値は、車両の舵角を示す情報として、トラクション制御、ＡＢＳ制御等の各種の制御にも用いられる。

図２は、トルクセンサ４及び回転角センサ５の取付け位置近傍を略示する断面図であり、図３は、トルクセンサ４の要部の分解斜視図である。トルクセンサ４は、図２に示すように、検出対象となるステアリング軸３をステアリングホイール３０の側の入力軸３３と舵取機構１の側の出力軸３４とに分割し、これらの２軸を捩れ特性が既知のトーションバー３２により同軸上に連結して、操舵トルクの作用によりトーションバー３２の捩れを伴って入力軸３３と出力軸３４との間に生じる相対角変位を検出するよう構成されている。

トルクセンサ４は、入力軸３３と一体回転する円筒磁石４０と、出力軸３４と一体回転する２個一組の磁性材料製のヨークリング４１，４１と、ヨークリング４１，４１の外側を各別に囲繞するように配置され、夫々のヨークリング４１，４１内に生じる磁束を集める集磁リング４２，４２と、これらの集磁リング４２，４２間に配設された磁気センサ４３，４３とを備えている。

円筒磁石４０は、図３に示すように、Ｎ極及びＳ極が周方向に交互に並設された多極磁石として構成されており、端面及び内面をモールド樹脂により覆い、図２に示すように該モールド樹脂を介して入力軸３３に同軸的に固定されている。

ヨークリング４１，４１は、図３に示すように、円環状をなすヨーク本体４１ａ，４１ａの内面に、軸長方向に延びる三角形をなす複数の磁極爪４１ｂ，４１ｂ…を夫々有しており、周方向に交互に磁極爪４１ｂ，４１ｂ…を並べた状態でモールド樹脂により一体化され、図２に示すようにモールド樹脂を一側に延長して形成されたボス部を介して出力軸３４に同軸的に固定されている。

以上のようなヨークリング４１，４１は、図２に示すように、内面が円筒磁石４０の外周面と僅かなエアギャップを隔てて対向し、ヨークリング４１，４１の磁極爪４１ｂ，４１ｂ…が円筒磁石４０の磁極の境界に夫々位置するように組み付けられている。この組み付け状態においては、ヨークリング４１，４１夫々のヨーク本体４１ａ，４１ａ内に生じる磁束が同一になる。

ヨークリング４１，４１の磁極爪４１ｂ，４１ｂ…と円筒磁石４０の磁極との位置関係は、操舵トルクの作用によるトーションバー３２の捩れに応じて、円筒磁石４０が固定された入力軸３３とヨークリング４１，４１が固定された出力軸３４との間に生じる相対角変位に伴って変化する。この変化した位置関係に応じて、一方のヨークリング４１の磁極爪４１ｂ，４１ｂ…と他方のヨークリング４１の磁極爪４１ｂ，４１ｂ…には、夫々逆の極性を有する磁力線が増加し、夫々のヨーク本体４１ａ，４１ａに正負の磁束が発生する。このとき発生する磁束の正負は、円筒磁石４０とヨークリング４１，４１との間、即ち、入力軸３３と出力軸３４との間に生じる相対角変位の向きに応じて定まり、正負の磁束の密度は、前記相対角変位の大きさに対応する。

このようなヨークリング４１，４１に発生する磁束を集める集磁リング４２，４２は、ヨーク本体４１ａ，４１ａの外径よりも若干大きい内径を有する磁性材料製の円環であり、周方向に適長離隔した２箇所に、軸長方向に延び、先端部を径方向外向きに屈曲成形してなる集磁突起４４，４４を備えている。集磁突起４４，４４を互いに僅かなエアギャップを隔てて対向させ、この集磁突起４４，４４の対向部間に、夫々磁気センサ４３，４３を配してある状態にて、集磁リング４２，４２及び磁気センサ４３，４３を樹脂製のモールド体４５の内側に一体化することにより、捩れ検出手段が構成されている。この樹脂製のモールド体４５は、集磁リング４２，４２の内周面がヨークリング４１，４１の外周面と近接対向するように後述の如く固定配置されている。

また磁気センサ４３，４３は、電源回路、信号処理回路等が形成された回路基板４６に各別のリードにより接続されており、回路基板４６は、コラムハウジング３１に取付けてある。

以上の構成により集磁リング４２，４２には、ヨークリング４１，４１に発生する磁束が誘導され、この磁束は、集磁突起４４，４４の先端に集束され、夫々に対向する集磁突起４４，４４間のエアギャップに漏れ出す。磁気センサ４３，４３は、この漏れ出す磁束密度に対応する出力を発し、この出力は回路基板４６を経て外部に取り出される。

このように磁気センサ４３，４３により検出される磁束密度は、夫々の集磁リング４２，４２に対応するヨークリング４１，４１のヨーク本体４１ａ，４１ａに生じる磁束によって変化し、ヨーク本体４１ａ，４１ａに生じる磁束は、円筒磁石４０に対する夫々の相対角変位、即ち入力軸３３と出力軸３４との相対角変位に応じて生じるから、磁気センサ４３，４３の出力は、入力軸３３に固設されたステアリングホイール３０に加えられる操舵トルクの方向及び大きさに対応するものとなり、磁気センサ４３，４３の出力変化に基づいて、操舵トルクを検出することができる。

以上のようなトルクセンサ４の上方には、ステアリング軸３の回転角度を検出する回転角センサ５が設けられている。図４は、図２のIV−IV線による横断面図であり、回転角センサ５の概略構成を示している。回転角センサ５は、図４に示すように、入力軸３３と一体回転する内歯車５０と、この内歯車５０と噛合する歯数の異なる２つの外歯車（第１外歯車５１及び第２外歯車５２）とを備え、この２つの外歯車５１，５２の回転角度に基づいて内歯車５０の複数回転に亘る回転角度を検出するように以下のように構成されている。

内歯車５０は、図２に示すように、円筒磁石４０よりも上位置の入力軸３３の中途部に外嵌固定されており、入力軸３３の回転に伴い一体回転する。

ステアリング軸３を支持するコラムハウジング３１には、入力軸３３に固定された内歯車５０と軸長方向に整合する位置に、円筒形をなす樹脂製の筐体５７が嵌め込み固定されている。図４に示すように筐体５７は、周壁の一部を外向きに張り出して形成された歯車室５７ａを備えており、回転角センサ５の２つの外歯車５１，５２は、ステアリング軸３と平行をなす軸回りでの回転自在に歯車室５７ａの内部に夫々取付けてある。

図４中に円板として略示する第１外歯車５１及び第２外歯車５２は、異なる外径を有し、外周に形成された歯の数が相違させてあり、同じく円板として略示する内歯車５０に周方向の異なる位置にて噛合させてある。第１外歯車５１と第２外歯車５２の歯数は、全舵角範囲に亘る回転角度よりも両者の最小公倍数が大きくなるように決められており、これにより第１外歯車５１と第２外歯車５２との回転角度の組み合わせは、全舵角範囲において一つのみ存在することとなる。

また第１外歯車５１及び第２外歯車５２の一面には、図２に示すように磁石５５，５６が固定され、歯車室５７ａには、第１外歯車５１及び第２外歯車５２との対向面に、夫々の磁石５５，５６と僅かなエアギャップを隔てて対向するように磁気センサ５３，５４が固設してある。第１外歯車５１及び第２外歯車５２の一面の磁石５５，５６は、周方向に２分割して着磁された２極着磁の磁石であり、２つの外歯車５１，５２が回転し、これらと共に磁石５５，５６が回転した場合、磁気センサ５３，５４は周期的に変化する出力を発するように構成されている。

このように構成された回転角センサ５の筐体５７の一側（上側）は、全面に亘って開口しており、この開口部は、異物の侵入を防止するために、開口形状に対応する板状の上蓋５７ｂによって覆ってある。一方筐体５７の他側（下側）には、同軸をなして下方に延びる円筒形の保持部５７ｄが連設されており、この保持部５７ｄに、前述したトルクセンサ４の捩れ検出手段を構成する集磁リング４２，４２及び磁気センサ４３，４３が、これらを一体に保持する樹脂製のモールド体４５を介して嵌合保持されている。この結果、回転角センサ５は、トルクセンサ４と一体化される。保持部５７ｄと樹脂製のモールド体４５とは、クリップ、爪等、適宜の手段により取り外し可能に結合することができる。

また磁気センサ５３，５４は、電源回路、信号処理回路等が形成された回路基板５８に各別のリードにより接続されており、回路基板５８は、保持部５７ｄの外周の一箇所に設けた基板室内に固定されている。

以上の構成により入力軸３３の回転に伴う内歯車５０の回転が、この内歯車５０に噛合する第１外歯車５１及び第２外歯車５２に夫々伝達され、磁石５５，５６が夫々取付けてある両外歯車５１，５２は、異なる回転速度で夫々回転する。磁気センサ５３，５４は、これら２つの磁石５５，５６の回転に伴い変化する磁界に対応する出力を夫々発し、この出力は回路基板５８を経て外部に取り出される。

このように磁気センサ５３，５４により検出される磁界の変化は、第１外歯車５１及び第２外歯車５２の夫々の回転角度に応じて生じるから、磁気センサ５３，５４の出力は、ステアリング軸３の回転角度に対応するものとなり、両外歯車５１，５２の回転角度の検出結果を組み合わせることにより、全舵角範囲に亘るステアリング軸３の回転角度を求めることができ、舵角が得られる。

このようなトルクセンサ４と回転角センサ５とを備える本発明に係るステアリング装置において、回転角センサ５の筐体５７の保持部５７ｄに、トルクセンサ４の捩れ検出手段が樹脂製のモールド体４５を介して嵌合保持してあり、回転角センサ５とトルクセンサ４とを隣接配置することができ、両センサ４，５の設置に要する軸長方向の長さを短縮することができる。この嵌合保持は、前述したように取り外し可能に実施することができ、両センサ４，５を操舵軸の中途に組み付ける際の工数を削減でき、更にトルクセンサ４と回転角センサ５とを簡単に分離でき、点検、修理及び交換を含めたメンテナンスを容易に実施することができる。

なお以上の実施の形態においては、回転角センサ５をトルクセンサ４よりも上位置に設けているが、回転角センサ５をトルクセンサ４よりも下位置に設けてもよい。

また以上の実施の形態においては、磁石５５，５６を外歯車５１，５２に固定してあるが、例えば、外歯車５１，５２の回転軸を適宜に延長し、この延長端に設けた回転板に磁石５５，５６を固定して、これらの磁石５５，５６が外歯車５１，５２と一体回転するように構成してもよい。この場合、軸長方向寸法の短縮要求に応えながら、磁石５５，５６及び磁気センサ５３，５４をトルクセンサ４から離して配置することができ、トルクセンサ４との磁気的な相互干渉を排除して、回転トルク及び回転角度の安定した検出が可能となる。

なお以上の実施の形態において、トルクセンサ４は、入力軸３３と一体回転する円筒磁石４０と、出力軸３４と一体回転するヨークリング４１，４１とを備え、この円筒磁石４０とヨークリング４１，４１との間の磁気回路の変化を利用して前記相対角変位を検出するように構成されているが、これに限定されないのは言うまでもない。トルクセンサ４は、ステアリング軸３に加わる操舵トルクに応じて生じるステアリング軸３の捩れを、ステアリング軸３を支持するコラムハウジング３１に保持部５７ｄを介して固定された捩れ検出手段により検出するよう構成されていればよい。

また以上の実施の形態においては、内歯車５０を大径歯車とし、外歯車５１，５２を小径歯車としてあるが、これとは逆に、内歯車５０を小径歯車とし、外歯車５１，５２を大径歯車としてもよく、内歯車５０と外歯車５１，５２とは、前述したように、内歯車５０が複数回転に亘って回転する間に両歯車５１，５２の回転角度の組み合わせが一通りのみ存在する歯数を定めてあればよい。

その他、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内において種々変更した形態にて実施することが可能であることは言うまでもない。

以上のような本発明に係るステアリング装置において、二次衝突の衝撃エネルギを吸収するエネルギ吸収機構をステアリング軸３の中途に介装した場合、回転角センサ５とトルクセンサ４の設置に要する軸長方向の長さを短縮することができるため、摺動抵抗下にて生じさせる操舵軸の短縮ストロークを十分確保することができる。

本発明に係るステアリング装置の構成を示す模式図である。 トルクセンサ及び回転角センサの取付け位置近傍を略示する断面図である。 トルクセンサの要部の分解斜視図である。 図２のIV−IV線による横断面図である。

符号の説明

１ 舵取機構、３ ステアリング軸（操舵軸）、３０ ステアリングホイール（操舵部材）、４ トルクセンサ、４０ 円筒磁石、４２ 集磁リング（捩れ検出手段）、４３ 磁気センサ（捩れ検出手段）、５ 回転角センサ、５０ 内歯車、５１ 第１外歯車（外歯車）、５２ 第２外歯車（外歯車）、５３，５４ 磁気センサ（回転角検出手段）、５７ 筐体、５７ａ 歯車室（取付け部）、５７ｄ 保持部

Claims (1)

1. 操舵部材と舵取機構とを連結する操舵軸に加わる操舵トルクを、捩れ検出手段により検出される前記操舵軸の捩れに基づいて求めるトルクセンサと、前記操舵軸と一体回転する内歯車に噛合する外歯車の回転角度を回転角検出手段により検出し、該回転角検出手段の検出結果に基づいて前記操舵軸の回転角度を求める回転角センサとを備えるステアリング装置において、前記回転角センサは、前記外歯車及び回転角検出手段の取付け部を有する筐体を備え、該筐体は、前記捩れ検出手段を嵌合保持する保持部を備え、該保持部に前記捩れ検出手段が取り外し可能に保持してあることを特徴とするステアリング装置。

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