JP4816127B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載される電動パワーステアリング装置に関し、特に、減速機構におけるバックラッシュによる騒音（ラトルノイズ）を抑制するように改良した電動パワーステアリング装置に関する。

近年、車両には、電動モータの駆動力を用いて、運転者によるステアリングホイールの操舵を補助する電動パワーステアリング装置が搭載されている。この種の電動パワーステアリング装置では、操舵補助用の電動モータとして、比較的高回転、低トルクであるモータが使用されるため、操舵補助用モータとステアリングシャフトとの間には減速機構が組み込まれている。一般に、このような減速機構には、少ない部品点数で大きな減速比が得られる等の理由から、ウォーム減速機が用いられる。

ウォーム減速機は、操舵補助用モータの駆動軸に連結されたウォームと、該ウォームに噛合するウォームホイールとからなり、操舵補助用モータの動力は、ウォームを介してウォームホイールに伝達され、運転者による操舵力を補助するようになっている。一般に、ウォームとウォームホイールのギヤ噛合部においては、円滑な作動を得るために、ギヤ間の遊び（バックラッシュ）が設けられている。また、設定されたバックラッシュに加えて、ウォーム減速機を組み付ける工程における寸法誤差などにより生じるバックラッシュ、あるいは、ウォームとウォームホイールの歯の磨耗が増大することによる生じるバックラッシュなどもある。

ところが、このバックラッシュは、車両が悪路を走行する際、特に操舵補助用モータの駆動力がステアリング機構に付与されない直線走行時に、ウォームとウォームホイールの歯面が衝突を繰り返し、ラトルノイズという不快な音を生じる要因になっていた。

この対策として、バックラッシュを極力小さく設定することが考えられるが、これは、ラトルノイズを低減する上では効果的であるが、歯面の磨耗（フリクション）が大きくなってしまうため、ギヤ寿命や操舵性（ハンドル戻りなど）の面で問題があった。

そこで、ウォーム端の軸受外輪とギヤハウジングとの間に、ゴムダンパーやバネなどの弾性部材を設けて、ウォームをウォームホイール側に付勢する予圧力を発生させるようにした装置が、例えば特許文献１，２に開示されている。

特開２００１−３２２５４４号公報 特開２００１−１０８０２５号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２に開示される装置では、常に予圧力が生じているため、ギヤ噛合部におけるフリクションが増加してしまい、操舵フィーリングの悪化をもたらすとともに、ギヤの寿命を縮めてしまうという問題があった。

また、弾性部材を用いて付勢する場合には、その予圧力は、弾性部材の変形量により決まるため、非常に高い加工精度が要求され、かつ、ギヤの噛み合いの振れ等によってウォームの予圧力が大きく変化してしまう、という問題があった。

さらに、このような従来の装置では、弾性部材が経年変形することによって、予圧力が減少してしまうという問題もあり、所望の予圧力を確保することが非常に困難であった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ウォーム減速機のウォームとウォームホイールの歯間のバックラッシュを動的に制御し、操舵性およびギヤの寿命を低下することなく、ラトルノイズを抑制できるように改良した電動パワーステアリング装置を提供することにある。

本発明の上記目的は、ステアリング機構に入力された操舵トルクに応じて操舵補助用モータを駆動し、該操舵補助用モータの回転をウォームとウォームホイールとからなる減速機構を介して前記ステアリング機構に伝達することにより、操舵を補助する電動パワーステアリング装置において、操舵が中立状態であるか否かを判別するための操舵中立状態判別手段と、前記操舵中立状態判別手段から出力された指令信号に基づいて、前記ウォームと前記ウォームホイールの歯を当接させるためのギヤ歯当接手段とを備え、前記操舵中立状態判別手段は、前記操舵が中立状態であると判別した場合にのみ、前記ギヤ歯当接手段を作動させて前記ウォームと前記ウォームホイールの歯を当接させ、前記ギヤ歯当接手段は、前記操舵補助用モータと一端側で連結している前記ウォームの他端側に連結するように配されたギヤ歯当接用モータであり、前記操舵中立状態判別手段から出力された指令信号に基づいて、前記ウォームと前記ウォームホイールの歯が当接する位置まで前記ウォームを回転するようになっていることにより、達成される。

また、上記目的は、前記ステアリング機構に入力された操舵トルクを検出し、操舵トルク信号を出力する操舵トルク検出手段と、前記操舵補助用モータの回転速度を推定し、モータ回転速度信号を出力するモータ回転速度推定手段とを備え、前記操舵中立状態判別手段が、前記操舵トルク信号および前記モータ回転速度信号に基づいて、操舵が中立状態であるか否かを判別するようにしたことにより、効果的に達成される。

以上のように、本発明に係る電動パワーステアリング装置によると、操舵中立状態判別手段によって、ステアリング機構に入力された操舵トルクおよび操舵補助用モータの回転速度などに基づいて、操舵が中立状態であるか否かを判別し、その判別の結果、操舵が中立状態である場合にのみ、ギヤ歯当接手段を作動するようにした。すなわち、ラトルノイズが生じ易い操舵中立状態時にのみ、ギヤ歯当接手段を作動させ、ウォーム減速機のウォームとウォームホイールの歯を当接させてバックラッシュを一時的に無くす、あるいは小さくするようになっている。これにより、操舵補助力を伝達する際のフリクションの増加や、操舵フィーリングの悪化を生じることなく、ウォームとウォームホイールのバックラッシュに起因していたギヤ打音（ラトルノイズ）の発生を防止することができる。

以下、図面を参照にしながら本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング装置を示す部分断面図である。同図において、電動パワーステアリング装置１は、ステアリング機構として、先端側（図１右側）でステアリングホイール（図示せず）に繋がっているステアリングシャフト２を備えている。このステアリングシャフト２は、ステアリングコラム３内で回転自在に支持されており、基端側（図１左側）には、トーションバー４を介して入力軸５と略円筒状の出力軸６とが連結されている。このトーションバー４は、出力軸６内に挿通されていて、その一端が入力軸５に圧入固定され、他端がピン等によって出力軸６に固定されている。

また、出力軸６の外周には、減速機構（減速ギア）７が一対の軸受８，９によって支持されている。この減速機構７は、出力軸６の外周に、圧入によって固定的に取付られたウォームホイール１０と、該ウォームホイール１０に噛合するウォーム１１とからなるウォーム減速機である。

また、減速機構７の先端側（図１右側）には、トルクセンサ１２が備えられている。このトルクセンサ１２は、出力軸６の先端側（図１右側）に形成されたスプライン溝１３の外周に配され、コイル巻線１４を収納した電磁ヨーク１５を有し、操舵トルクに応じてトーションバー３が捩れることにより生じる磁気的な変化を電磁ヨーク１５で検出するようになっている。

図２は、図１中のII−II線に沿った部分断面を示す説明図である。同図において、減速機構７のウォーム１１は、２つの軸受１６，１７によってハウジング１８に回転自在に支持されており、一端側（図２右側）で操舵補助用モータ１９の駆動軸２０に連結されている。

操舵補助用モータ１９は、マイクロプロセッサ等により構成されたコントロールユニット（ＥＣＵ）２１に、リード線２２を介して接続されている。ＥＣＵ２１は、トルクセンサ１４によって検出された操舵トルクなどに応じて、操舵補助用モータ１９の駆動電流を制御する。駆動電流が供給された操舵補助用モータ１９の回転は、ウォーム１１およびウォームホイール１０を介して出力軸６に伝達され、ステアリングシャフト２をアシストするようになっている。

また、ウォーム１１の他端側（図２左側）には、操舵補助用モータ１９より小型のモータ２３の駆動軸２３ａが連結されている。この小型モータ２３は、リード線２４を介してＥＣＵ２１に接続されたギヤ歯当接用モータ２３であり、後述するＥＣＵ２１の駆動制御によって、操舵中立状態時にウォーム１１を矢印Ｘまたは矢印Ｘ´方向に回動し、ウォーム１１とウォームホイール１０の歯を当接させる。通常、ウォーム１１とウォームホイール１０との歯間には、操舵補助用モータ１９の駆動による操舵補助力を、効率よくステアリングシャフト２に伝達できるように、初期バックラッシュが設けられている。しかし、操舵中立状態、すなわち操舵補助用モータ１９による操舵補助力が付与されていない場合には、このバックラッシュがあることにより路面反力がウォームホイール１０に伝達されてギア打音（ラトルノイズ）を生じてしまう。したがって、本実施形態では、操舵中立状態時にギヤ歯当接用モータ２３を作動し、ウォーム１１とウォームホイール１０の歯を当接させることにより、ウォーム減速機７のギヤ歯間のバックラッシュを無くす、あるいは小さくするようになっている。

［第１実施形態］
次に、本発明の第１実施形態に係る電動式パワーステアリング装置１の電気的な概略構成を図３に基づいて説明する。同図において、ステアリングシャフト（ステアリング機構）２に入力された操舵トルクを検出したトルクセンサ（操舵トルク検出手段）１２は、操舵トルク信号ＴｓをＥＣＵ２１内に設けられた操舵補助指令部２５に出力する。操舵補助指令部２５は、操舵補助指令値記憶部２６に記憶された操舵補助用モータ１９のトルク−電流マップ（図４）を参照して、入力された操舵トルク信号Ｔｓに応じた操舵補助用モータ１９に供給する電流指令値Ｉａを決定する。

この操舵補助用モータ１９のトルク−電流マップは、図４に示すように、操舵トルク（操舵トルク信号）Ｔｓと、操舵補助用モータ１９に供給する電流（電流指令値）Ｉａのパラメータである。同図に示すように、電流Ｉａは、操舵中立付近の領域では操舵補助用モータ１９に供給されず、操舵中立付近以外の領域では、操舵トルクＴｓの増減に応じて電流Ｉａが比例的に増減する。さらに、操舵トルクＴｓが所定値以上になると、電流Ｉａが飽和するようになっている。

決定された電流指令値Ｉａは、減算器２７および摩擦補正などを行う補正部２８を介して演算され、その演算結果である電流制御値Ｅａがモータ駆動信号としてモータ駆動回路２９に入力される。そして、モータ駆動回路２９は、入力された電流制御値Ｅａに基づいて操舵補助用モータ１９を駆動する。

また、操舵補助用モータ１９に流れたモータ電流Ｉｍは、モータ電流検出回路３０により検出された後、減算器２７に入力され、補正部２８で電流指令値Ｉａとモータ電流Ｉｍとの偏差分に基づいて両者が一致するように比例積分制御される。これにより、操舵補助用モータ１９に供給されたモータ電流がフィードバック制御されるので、ステアリングシャフト２に入力された操舵トルクに適した操舵補助トルクを操舵補助用モータ１９に発生させることができる。

一方、操舵補助用モータ１９の端子電圧を検出するモータ電圧検出回路（モータ電圧検出手段）３１から出力されたモータ電圧信号Ｖは、モータ回転速度推定部（モータ回転速度推定手段）３２に入力される。モータ回転速度推定部３２は、入力したモータ電圧信号Ｖに基づいて、操舵補助用モータ１９の回転速度を演算して、モータ回転速度信号ωを出力する。このモータ回転速度信号ωは、操舵中立状態判別部（操舵中立状態判別手段）３３に入力されるとともに、操舵補助指令部２５にも入力され、該操舵補助指令部２５が電流指令値Ｉａを決定する際に参照される。

モータ回転速度信号ωが入力された操舵中立状態判別部３３には、トルクセンサ１２から出力された操舵トルク信号Ｔｓも入力される。操舵中立状態判別部３３は、入力した操舵トルク信号Ｔｓおよびモータ回転速度信号ωに基づいて、操舵中立値記憶部３４に記憶されているギヤ歯当接用モータ２１のトルク−電流マップ（図５）およびギヤ歯当接用モータ２１のモータ回転速度−電流マップ（図６）を参照して、操舵中立状態であるか否かを判別する。

操舵中立状態判別部３３による判別の結果、操舵中立状態である場合には、操舵中立状態判別部３３から出力された電流指令値信号Ｉｗに基づいて、ギヤ歯当接用モータ２３に所定の駆動電流が供給され、ウォーム１１が図２中の矢印ＸまたはＸ´方向に回転される。これにより、ウォーム１１とウォームホイール１０のギヤ歯が当接され、ウォーム減速機７のバックラッシュがなくなる、あるいは小さくなるため、操舵中立時に生じていたラトルノイズの発生を防止、あるいは抑制することができる。一方、操舵中立状態判別部３３による判別の結果、操舵中立状態でない場合には、ギヤ歯当接用モータ２３に駆動電流は供給されず、ウォーム１１は、操舵補助用モータ１９の駆動により回転する。

ここで、ギヤ歯当接用モータ２３のトルク−電流マップは、図５に示すように、操舵トルク（操舵トルク信号）Ｔｓと、ギヤ歯当接用モータ２３に供給する電流（電流指令値）Ｉｗのパラメータであり、かつ、ギヤ歯当接用モータ２３のモータ回転速度−電流マップは、図６に示すように、操舵補助用モータ１９のモータ回転速度ωと、ギヤ歯当接用モータ２３に供給する電流（電流指令値）Ｉｗのパラメータである。すなわち、操舵中立状態判別部３３は、ステアリング機構２に入力された操舵トルクＴｓと操舵補助用モータ１９の回転速度ωとを監視することによって、操舵中立状態を判別するようになっている。

図７は、ギヤ歯当接用モータの作動条件を示す説明図である。同図に示すように、操舵中立状態判別部３３は、操舵トルクが小さく（０ ｏｒ Ｌｏｗ）、かつ、モータ回転速度が低速（０ ｏｒ Ｌｏｗ）である場合にのみ、ギヤ歯当接用モータ２３を作動させ、それ以外の場合にはギヤ歯当接用モータ２３を作動させないようになっている。

図８は、操舵補助用モータのトルク−電流マップとギヤ歯当接用モータのトルク−電流マップとを合成した特性図である。同図から明らかなように、操舵補助用モータ１９に駆動電流（同図の実線グラフ）が供給されていない領域（操舵トルクが０ ｏｒ Ｌｏｗの領域）、すなわち操舵中立状態時のみ、ギヤ歯当接用モータ２３に所定の駆動電流（同図の点線グラフ）が供給されている。このギヤ歯当接用モータ２３に供給される所定の駆動電流は、操舵補助用モータ１９に供給される駆動電流より非常に小さい値である。例えば、操舵補助用モータ１９の駆動電流が、操舵トルクＴｓのＨｉｇｈの領域で所定値を超えて飽和状態になっている値を６０［Ａ］とすると、ギヤ歯当接用モータ２３が作動時に供給される所定の駆動電流は、およそ１〜２［Ａ］である。すなわち、このギヤ歯当接用モータ２３は、ウォーム減速機７のウォームの歯をウォームホイール１１の歯に当接する位置まで回転できる程度の動力を備えていればよい。

以上のように、第１実施形態に係る電動パワーステアリング装置１では、操舵補助用モータ１９が駆動されていないためラトルノイズが生じ易い操舵中立状態時に、ギヤ歯当接用モータ２３の作動をＯＮにして、ウォーム１１の歯をウォームホイール１０の歯に当接させ、ウォーム減速機７の噛合部におけるバックラッシュを無くす、あるいは減少させる。一方、操舵補助用モータ１９が駆動している場合には、ギヤ歯当接用モータ２３の作動をＯＦＦにして、操舵補助用モータ１９の駆動によるウォーム１１の回転を妨げないようになっている。このように動的にバックラッシュを制御することにより、操舵補助時のフリクションの増加や操舵フィーリングの悪化を生じることなく、特に直線走行時に生じ易かったラトルノイズを抑制することができる。この結果、操舵性およびギヤの寿命を維持しつつ、ウォーム減速機７におけるラトルノイズの低減を図ることができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る電動式パワーステアリング装置１の電気的な概略構成を図９に基づいて説明する。なお、上述の第１実施形態と同一の構成部には同一の符号を付してその説明を省略する。

本発明の第２実施形態は、上述した第１実施形態に係る電動式パワーステアリング装置１と同じ構成であるが、図９に示すように、操舵補助用モータ１９およびギヤ歯当接用モータ２３の制御を担うＥＣＵ２１´に備えられたモータ回転速度推定部３２´が、操舵補助用モータ１９の回転子位置を検出する回転子位置センサ３５から出力された回転子位置信号Ｒに基づいて、操舵補助用モータ１９のモータ回転速度を推定する点で、第１実施形態のＥＣＵ２１とは異なる。

回転子位置センサ３５は、操舵補助用モータ１９内に備えられたレゾルバ等からなり、駆動した操舵補助用モータの回転子位置を検出して、回転子位置信号Ｒをモータ回転速度推定部３２´に出力する。そして、モータ回転速度推定部３２´は、回転子位置信号Ｒに基づいて操舵補助用モータ１９の回転速度を推定し、モータ回転速度信号ωを操舵補助指令部２５および操舵中立状態判別部３３´に出力する。

モータ回転速度信号ωを入力した操舵中立状態判別部３３´による操舵中立状態の判別、およびギヤ歯当接用モータ２３の作動制御は、第１実施形態と同様であり、第１実施形態の説明を読み替えることにより明らかになる。

以上のように、第２実施形態では、操舵補助用モータ１９の回転速度ωを操舵補助用モータ１９の回転子位置に基づいて推定するという点で、第１実施形態とは異なるが、第１実施形態と同様、操舵中立状態判別部３３´によって、ステアリングシャフト２に入力された操舵トルクＴｓおよび操舵補助用モータ１９の回転速度ωに基づいて、操舵中立状態であるか否かを判別し、操舵中立状態である場合にのみ、ギヤ歯当接用モータ２３を作動するようになっている。これにより、第２実施形態においても、操舵補助時のフリクションの増加や操舵フィーリングの悪化を生じることなく、特に直線走行時に生じ易かったラトルノイズを抑制することができる。

なお、第１および第２実施形態では、操舵中立状態判別部３３，３３´は、操舵トルクおよびモータ回転速度に基づいて操舵中立状態であるか否かを判別するようになっているが、例えば、操舵中立状態を判別するための他のパラメータとして、モータ指示電流、モータ検出電流、ハンドル上の舵角センサによる検出値などを用いてもよい。

以上、本発明の実施形態について具体的に説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング装置を示す部分断面図である。 図１中のII−II線に沿った部分断面を示す説明図である。 本発明の第１実施形態に係る電動パワーステアリング装置の主な電気的構成を示すブロック図である。 操舵補助用モータのトルク−電流マップを示す特性図である。 ギヤ歯当接用モータのトルク−電流マップを示す特性図である。 ギヤ歯当接用モータ用の回転速度−電流マップを示す特性図である。 ギヤ歯当接用モータの作動条件を示す説明図である。 図４の操舵補助用モータのトルク−電流マップと図５のギヤ歯当接用モータのトルク−電流マップとを合成した特性図である。 本発明の第２実施形態に係る電動パワーステアリング装置の電気的な概略構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 電動パワーステアリング装置
２ ステアリングシャフト（ステアリング機構）
７ 減速機構（ウォーム減速機）
１０ ウォームホイール
１１ ウォーム
１２ トルクセンサ（操舵トルク検出手段）
１９ 操舵補助用モータ
２１ コントロールユニット（ＥＣＵ）
２３ ギヤ歯当接用モータ（ギヤ歯当接手段）
３２ モータ回転速度推定部（モータ回転速度推定手段）
３３ 操舵中立状態判別部（操舵中立状態判別手段）

Claims (2)

1. ステアリング機構に入力された操舵トルクに応じて操舵補助用モータを駆動し、該操舵補助用モータの回転をウォームとウォームホイールとからなる減速機構を介して前記ステアリング機構に伝達することにより、操舵を補助する電動パワーステアリング装置であって、
   操舵が中立状態であるか否かを判別するための操舵中立状態判別手段と、
   前記操舵中立状態判別手段から出力された指令信号に基づいて、前記ウォームと前記ウォームホイールの歯を当接させるためのギヤ歯当接手段とを備え、
   前記操舵中立状態判別手段は、前記操舵が中立状態であると判別した場合にのみ、前記ギヤ歯当接手段を作動させて前記ウォームと前記ウォームホイールの歯を当接させ、
   前記ギヤ歯当接手段は、前記操舵補助用モータと一端側で連結している前記ウォームの他端側に連結するように配されたギヤ歯当接用モータであり、前記操舵中立状態判別手段から出力された指令信号に基づいて、前記ウォームと前記ウォームホイールの歯が当接する位置まで前記ウォームを回転するようになっていることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記ステアリング機構に入力された操舵トルクを検出し、操舵トルク信号を出力する操舵トルク検出手段と、
   前記操舵補助用モータの回転速度を推定し、モータ回転速度信号を出力するモータ回転速度推定手段とを備え、
   前記操舵中立状態判別手段は、前記操舵トルク信号および前記モータ回転速度信号に基づいて、操舵が中立状態であるか否かを判別する請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。

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