JP4881647B2 - 電動ステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁歪式トルクセンサを備えた電動ステアリング装置に関する。

電動ステアリング装置は、磁歪式トルクセンサで検出された操舵トルクに基づいて、電動モータが発生したトルクを転舵用車輪に伝達することで、車両の転舵を行うものである。電動ステアリング装置には、例えば、運転者がステアリングハンドルを操舵することで、その操舵トルクを回転軸からラックアンドピニオン機構を介してラック軸に伝えるとともに、磁歪式トルクセンサで検出した操舵トルクに応じて発生した補助トルクをも、ラック軸に伝えるようにしたものがある。このような電動ステアリング装置が各種知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−２４５６３６公報

図１２は従来の電動ステアリング装置の概要図である。
図１２に示すように、特許文献１による従来の電動ステアリング装置２００は、図示せぬステアリングハンドルにステアリングシャフト及び自在軸継手２０１を介して回転軸２０２を連結し、この回転軸２０２の一端部２０２ａにラックアンドピニオン機構２０３を介してラック軸２０４を連結し、このラック軸２０４に操舵用車輪（図示せず）を連結したというものである。

さらに電動ステアリング装置２００は、磁歪式トルクセンサ２１０を備えている。磁歪式トルクセンサ２１０は、ステアリングハンドルに加えられた操舵トルクを検出するものであり、回転軸２０２の一部の表面に設けられた磁歪膜２１１，２１２と、この磁歪膜２１１，２１２の近傍に配置された検出コイル２１３，２１４と、磁歪膜２１１，２１２及び検出コイル２１３，２１４を収納するセンサハウジング２１５と、からなる。２１６，２１７はバックヨークである。

電動ステアリング装置２００によれば、回転軸２０２に伝達された操舵トルクを磁歪式トルクセンサ２１０にて検出し、操舵トルクに応じた補助トルクを電動モータ（図示せず）にて発生し、補助トルクをウォームギヤ機構２２１を介して回転軸２０２に伝達することで、操舵トルク及び補助トルクの両トルクによって車両の転舵を行うことができる。

回転軸２０２のうち、ピニオン２０８の両端部分は、軸受２２２，２２３を介してギヤハウジング２２４にて回転可能に支持されている。このように、回転軸２０２には、一端部２０２ａ側から他端部２０２ｂ側へ、第１軸受２２２、ラックアンドピニオン機構２０３のピニオン２０８、第２軸受２２３、ウォームギヤ機構２２１のウォームホイール２２５、及び磁歪膜２１２，２１１が、この順に設けられている。
回転軸２０２、ラックアンドピニオン機構２０３、軸受２２２，２２３、及びウォームホイール２２５は、ギヤハウジング２２４に収納されている。
ギヤハウジング２２４は、回転軸２０２を第２軸受２２３を介して軸方向への移動を規制して支承するとともに、センサハウジング２１５を取り付けるものである。

ところで、電動ステアリング装置２００を構成する各部材には、当然のことながら加工精度を有する。このため、回転軸２０２の軸方向において、ギヤハウジング２２４の基準点Ｐ２１に対する、各部材の高さにも組立精度を有する。
ここで、基準点Ｐ２１は、ギヤハウジング２２４に対する回転軸２０２の軸方向における取付け基準位置である。

また、ギヤハウジング２２４にはラックアンドピニオン機構２０３が収納され、その上方には、場合により、ウォームとウォームホイール２２５とからなるウォームギヤ機構２２１が配置されることもある。これらのラックアンドピニオン機構２０３やウォームギヤ機構２２１における、各ギヤの噛み合いを保障するために、回転軸２０２の位置決めについては、ギヤハウジング２２４に対する精度が優先されていた。この結果、磁歪式トルクセンサ２１０の軸方向位置がずれる場合が生じていた。

例えば、基準点Ｐ２１から磁歪膜２１２，２１１までの高さＨ２１，Ｈ２２は、基準点Ｐ２１から検出コイル２１４，２１３までの高さと同一に設定される。しかしながら、精度の関係上、これらの高さは必ずしも互いに合致するとは限らない。特に、ギヤハウジング２２４は複雑な形状を呈しているので、他の部材に比べて加工が容易でない。このため、加工精度を高めることは容易でない。

基準点Ｐ２１から磁歪膜２１２，２１１までの高さＨ２１，Ｈ２２に対して、検出コイル２１４，２１３の高さのバラツキが過大であると、磁歪式トルクセンサ２１０で検出される操舵トルクの値の誤差が大きくならざるを得ない。電動モータが発生するトルクを、より適切な値にするためには、磁歪式トルクセンサ２１０の検出精度を高めることが求められる。

本発明は、電動ステアリング装置における磁歪式トルクセンサのトルク検出精度を、より高めることができる技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明では、回転軸の一部の表面に設けられ操舵トルクに応じて磁歪特性が変化する第１磁歪部および第２磁歪部と、第１磁歪部に対し所定の距離を有して対向して配置され、第１磁歪部に生じた磁歪効果を検出する第１検出コイルおよび第２検出コイルと、第１検出コイルおよび第２検出コイルの周囲を囲う第１バックヨークと、第２磁歪部に対し所定の距離を有して対向して配置され、第２磁歪部に生じた磁歪効果を検出する第３検出コイルおよび第４検出コイルと、第３検出コイルおよび第４検出コイルの周囲を囲う第２バックヨークと、回転軸の第１磁歪部、第２磁歪部、第１検出コイル、第２検出コイル、第３検出コイル、第４検出コイル、および第１バックヨークと、第２バックヨークとを収納するセンサハウジングと、からなる磁歪式トルクセンサを有し、この磁歪式トルクセンサの出力に応じて電動モータを駆動する電動ステアリング装置において、回転軸には、一端部側から他端部側へ、ラックアンドピニオン機構のピニオン、軸受、ウォームギヤ機構のウォームホイール、および第２磁歪部、第１磁歪部が、この順に設けられており、センサハウジングには、第１検出コイル、第２検出コイル、第３検出コイル、第４検出コイルが軸方向に順に配置され、第１検出コイルと第３検出コイルの中間出力と、第２検出コイルと第４検出コイルの中間出力との加算値に基づいてセンサ異常を検出し、第１検出コイルの一端と第３検出コイルの一端が接続されることにより第１検出コイルと第３検出コイルとが直列に接続され、第２検出コイルの一端と第４検出コイルの一端が接続されることにより第２検出コイルと第４検出コイルとが直列に接続され、直列に接続された第１検出コイルおよび第３検出コイルは、直列に接続された第２検出コイルおよび第４検出コイルと並列に接続され、第１検出コイルの他端と第４検出コイルの他端が接続され、第２検出コイルの他端と第３検出コイルの他端が接続されており、ラックアンドピニオン機構、軸受及びウォームホイールは、ギヤハウジングに収納されたものであり、ギヤハウジングは、回転軸を軸受を介して回転可能に且つ軸方向への移動を規制して支承するとともに、センサハウジングを取り付けるものであり、第１磁歪部の幅寸法および第１バックヨークの幅寸法を、回転軸における軸方向の長さとしたときに、第１磁歪部の幅寸法は、第１バックヨークの幅寸法よりも大きく設定され、かつ、第２磁歪部の幅寸法および第２バックヨークの幅寸法を回転軸における軸方向の長さとしたときに、第２磁歪部の幅寸法は、第２バックヨークの幅寸法よりも大きく設定されていることを特徴とする。

請求項２に係る発明では、回転軸の端部には、ラックと噛み合うピニオンが設けられ、これらのラックおよびピニオンは、ギヤハウジングに収納されたものであり、ギヤハウジングは、中間固定部材を介してセンサハウジングを取り付けるものであり、中間固定部材は、ギヤハウジングに対するセンタハウジングの位置決めをするとともに、回転軸を軸受を介して回転可能に、かつ軸方向への移動を規制して支承する部材であることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、回転軸に設けられた磁歪部及び検出コイルをセンサハウジングに収納したものにおいて、磁歪部の幅寸法を、バックヨークの幅寸法よりも大きく設定したものである。このため、加工精度や組立精度の関係で、磁歪部に対して、検出コイル及びバックヨークの中心が、ある程度ずれた場合であっても、磁歪部から検出コイル及びバックヨークが、はみ出ることはない。

このため、複雑な形状のギヤハウジングで、軸受を介して回転軸を回転可能に且つ軸方向への移動を規制して支承するとともに、ギヤハウジングにセンサハウジングを取付けた構成であるにもかかわらず、磁歪部の位置に対して、検出コイル及びバックヨークの位置を確実に合わせることができる。従って、磁歪式トルクセンサのトルク検出精度を、より高めることができる。しかも、簡単な構成によって達成することができる。

磁歪式トルクセンサのトルク検出精度が高まるので、磁歪式トルクセンサの出力に応じて電動モータが発生するトルクは、より適切な値になる。例えば、電動モータが発生するトルクが、操舵トルクを補助する補助トルクである場合には、操舵トルクに対して、より適切な補助トルクを付加することができる。この結果、より円滑で良好な操舵感（操舵フィーリング）を得ることができる。また、請求項１に係る発明では、磁歪部の１つ当たり検出コイルを複数設けるとともに、これら複数の検出コイルを回転軸の軸方向に配置したので、外部から磁歪式トルクセンサに与える磁気的な影響や温度変化の影響を極力抑制することができる。このため、磁歪式トルクセンサの検出精度を高め且つ安定させるとともに、磁歪式トルクセンサの故障検出の精度に与える磁気的な影響を排除して、安定した故障検出をすることができる。

請求項２に係る発明では、回転軸に設けられた磁歪部及び検出コイルをセンサハウジングに収納したものにおいて、ギヤハウジングに中間固定部材を介してセンサハウジングを取り付け、ギヤハウジングに対して中間固定部材でセンサハウジングの位置決めをし、回転軸を軸受を介して中間固定部材で回転可能に且つ軸方向への移動を規制して支承したものである。このため、中間固定部材を基準として、磁歪部の位置と検出コイルの位置の両方を、精度良く設定することができる。磁歪部の位置に対して、検出コイルの位置を精度良く合わせることができる。従って、磁歪式トルクセンサのトルク検出精度を、より高めることができる。しかも、簡単な構成によって達成することができる。
また、磁歪式トルクセンサのトルク検出精度が高まるので、磁歪式トルクセンサの出力に応じて電動モータが発生するトルクは、より適切な値になる。例えば、電動モータが発生するトルクが、操舵トルクを補助する補助トルクである場合には、操舵トルクに対して、より適切な補助トルクを付加することができる。この結果、より円滑で良好な操舵感（操舵フィーリング）を得ることができる。
また、従来においては、車種が異なることによって回転軸の軸長が長くなるような場合に、ピニオン軸に対する磁歪式トルクセンサの軸方向位置を保障するために、電動ステアリング装置の機種に対応したギヤハウジングを製作しなければならなかった。これに対し、回転軸の軸長が異なる、つまり磁歪部の位置に対して、検出コイルの位置が大きくずれてしまうような場合であっても、寸法の異なる中間固定部材に交換するだけで、十分に対応することができる。このため、同一のギヤハウジングを多機種の電動ステアリング装置に用いることができるので、コストの低減に繋がる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。先ず、第１実施例について図１〜図７に基づいて説明する。
図１は本発明に係る第１実施例の電動ステアリング装置の模式図である。
電動ステアリング装置１０は、車両のステアリングハンドル２１から車両の転舵用車輪（例えば前輪）３１，３１に至るステアリング系２０と、このステアリング系２０に補助トルクを加える補助トルク機構４０とからなる。

ステアリング系２０は、ステアリングハンドル２１にステアリングシャフト２２及び自在軸継手２３，２３を介してピニオン軸２４（つまり、回転軸２４）を連結し、ピニオン軸２４にラックアンドピニオン機構２５を介してラック軸２６を連結し、ラック軸２６の両端にボールジョイント２７，２７、タイロッド２８，２８及びナックル２９，２９を介して左右の転舵用車輪３１，３１を連結したものである。
ラックアンドピニオン機構２５は、ピニオン軸２４に形成されたピニオン３２と、ラック軸２６に形成されたラック３３とからなる。

ステアリング系２０によれば、運転者がステアリングハンドル２１を操舵することにより、その操舵トルクによりラックアンドピニオン機構２５、ラック軸２６及び左右のタイロッド２８，２８を介して、左右の転舵用車輪３１，３１を操舵することができる。

補助トルク機構４０は、ステアリングハンドル２１に加えたステアリング系２０の操舵トルクを磁歪式トルクセンサ４１で検出し、このトルク検出信号に基づき制御部４２で制御信号を発生し、この制御信号に基づき操舵トルクに応じた補助トルク（つまり、モータトルク）を電動モータ４３で発生し、補助トルクをボールねじ４４を介してラック軸２６に伝達するようにした機構である。

電動モータ４３のモータ軸４３ａは、ラック軸２６を囲う中空軸である。ボールねじ４４は、ラック軸２６のうちラック３３を除く部分に形成したねじ部４５と、ねじ部４５に組付けたナット４６と、多数のボールとからなる、トルク伝達機構である。ナット４６は、モータ軸４３ａに連結したものである。

電動ステアリング装置１０によれば、ピニオン軸２４に伝わる操舵トルクを磁歪式トルクセンサ４１にて検出するとともに、ステアリングハンドル２１を操舵する操舵トルクをピニオン軸２４並びにラックアンドピニオン機構２５を介して、ラック軸２６に伝達することができる。そして、運転者の操舵トルクに電動モータ４３の補助トルクを加えた複合トルクにより、ラック軸２６で転舵用車輪３１，３１を操舵することができる。

図２は本発明に係る第１実施例の電動ステアリング装置の全体構成図であり、左端部及び右端部を断面して表した。図３は図２の３−３線断面図である。
図２及び図３に示すように、電動ステアリング装置１０は、ピニオン軸２４、ラックアンドピニオン機構２５、電動モータ４３及びボールねじ４４を、車幅方向（図２の左右方向）へ延びるギヤハウジング５１に収納したものである。

ギヤハウジング５１は、概ね管状の第１ハウジング５２並びに第２ハウジング５３の一端面同士をボルト結合することで、１つの細長いボックスに組立てたものである。第２ハウジング５３は、電動モータ４３におけるモータケースの役割を兼ねる。
図３に示すように、第１ハウジング５２は、上部開口に中間固定部材６１を介してセンサハウジング８６を取付けたものである。

さらに詳しく述べると、図３に示すように、ピニオン軸２４は、一端部２４ａ（下端部）側から他端部２４ｂ側へ、第１軸受６２、ピニオン３２、第２軸受６３及び磁歪式トルクセンサ４１の磁歪部８２，８１が、この順に設けられている。
ギヤハウジング５１は、ピニオン軸２４を第１軸受６２を介して回転可能に支承することになる。なお、ピニオン軸２４は、ギヤハウジング５１に収納された第１軸受６２に対して、軸方向への移動が可能である。ＣＬはピニオン軸２４の中心線である。

中間固定部材６１は、ギヤハウジング５１に対するセンサハウジング８６の位置決めをするとともに、ピニオン軸２４を第２軸受６３を介して回転可能に且つ軸方向への移動を規制して支承する、中空平板状の部材である
詳しくは、図３に示すように、ギヤハウジング５１の上部開口におけるフランジ５４に平板状の中間固定部材６１を重ね合わせてボルト止めし、中間固定部材６１の上端のフランジ面６１ａにセンサハウジング８６の下端のフランジ面８６ａを重ね合わせてボルト止めした構成である。
なお、ギヤハウジング５１に対して、中間固定部材６１は径方向への移動が規制されている。また、中間固定部材６１に対して、センサハウジング８６は径方向への移動が規制されている。

図４は図３に示される磁歪式トルクセンサ周りの拡大図である。
図３及び図４に示すように、磁歪式トルクセンサ４１は、ピニオン軸２４の一部の表面に設けられトルクに応じて磁歪特性が変化する上下一対の磁歪部８１，８２と、この磁歪部８１，８２に対し所定の距離を有して対向して配置され磁歪部８１，８２に生じた磁歪効果を検出する検出コイル８５Ａ〜８５Ｄと、一対の検出コイル８５Ａ，８５Ｂ又は検出コイル８５Ｃ，８５Ｄの周囲を囲う磁気シールド用のバックヨーク８７、８７と、ピニオン軸２４の磁歪部８１，８２、検出コイル８５Ａ〜８５Ｄ及びバックヨーク８７、８７を収納するセンサハウジング８６とからなる。

言い換えると、トルクセンサ４１は、ピニオン軸２４に設けられた一対の磁歪部８１，８２と、磁歪部８１，８２の周囲に設けられた一対の検出部８３，８３と、磁歪部８１，８２及び検出部８３，８３を収納するセンサハウジング８６とからなる。
さらにセンサハウジング８６は、図３に示すように、検出部８３，８３にて検出された検出信号を処理するセンサ回路部９０を収納している。

図４に示すように、磁歪部８１，８２は、ピニオン軸２４の軸長手方向に互いに逆方向の残留歪みが付与された磁歪膜からなる。以下、磁歪部８１，８２のことを、適宜、磁歪膜８１，８２と言い換えて説明する。
磁歪膜８１，８２は、歪みの変化に対して磁束密度の変化の大きい材料からなる膜であり、例えば、ピニオン軸２４の外周面に気相メッキ法で形成したＮｉ−Ｆｅ系の合金膜である。この合金膜の厚みは望ましくは２０〜５０μｍ程度である。なお、合金膜の厚みは、これ以下又はこれ以上であってもよい。第１磁歪膜８１の磁歪方向に対して、第２磁歪膜８２の磁歪方向は異なっている（磁歪異方性を有する）。なお、２つの磁歪膜８１，８２は、軸長手方向に所定の間隔を有して配列したものである。

Ｎｉ−Ｆｅ系の合金膜は、Ｎｉを概ね２０重量％含んだ場合と概ね５０重量％含んだ場合に、磁歪定数が大きくなるので磁歪効果が高まる傾向にあり、このようなＮｉ含有率の材料を使用することが好ましい。例えば、Ｎｉ−Ｆｅ系の合金膜として、Ｎｉを５０〜６０重量％含み、残りがＦｅである材料を使用する。なお、磁歪膜８１，８２は強磁性体の膜であればよく、パーマロイ（Ｎｉ；約７８重量％、Ｆｅ；残り）やスーパーマロイ（Ｎｉ；７８重量％、Ｍｏ；５重量％、Ｆｅ；残り）の膜であってもよい。ここで、Ｎｉはニッケル、Ｆｅは鉄、Ｍｏはモリブデンである。

図４に示すように、一対の検出部８３，８３は、磁歪部８１，８２に生じた磁歪効果を電気的に検出し、その検出信号をトルク検出信号として出力するものである。
検出部８３は、ピニオン軸２４が通された上下一対の筒状のコイルボビン８４，８４と、コイルボビン８４，８４にそれぞれ巻かれた検出コイル８５Ａ，８５Ｂ（又は、検出コイル８５Ｃ，８５Ｄ）と、コイルボビン８４，８４及び検出コイル８５Ａ，８５Ｂ（又は、検出コイル８５Ｃ，８５Ｄ）を収納する磁性を有したヨーク８７とからなる。コイルボビン８４，８４及び検出コイル８５Ａ，８５Ｂ（又は、検出コイル８５Ｃ，８５Ｄ）をヨーク８７で囲うことができる。

検出コイル８５Ａ〜８５Ｄは、ピニオン軸２４を包囲するように配置されることになる。磁歪部８１，８２の１つ当たりに、検出コイル８５Ａ〜８５Ｄが複数設けられている。これら複数の検出コイル８５Ａ〜８５Ｄは、ピニオン軸２４の軸方向に並べて配置されている。
具体的には、上部の第１磁歪部８１に対して、第１検出コイル８５Ａ及び第２検出コイル８５Ｂが配置される。下部の第２磁歪部８２に対して、第３検出コイル８５Ｃ及び第４検出コイル８５Ｄが配置される。

ヨーク８７は、一対の検出コイル８５Ａ，８５Ｂ（又は、一対の検出コイル８５Ｃ，８５Ｄ）の周囲を囲う磁気シールド用バックヨーク、つまり、磁路を形成するコイルヨークであり、磁性材料からなる。このヨーク８７は、上下一対のヨーク本体８８，８８と、これらのヨーク本体８８，８８の開口を塞ぐ１つのヨーク底板８９とからなる。なお、ヨーク８７は、センサハウジング８６内に径方向移動及び軸方向移動が規制されて、収納されることになる。

図３及び図４に示すように、磁歪部８１，８２の幅寸法Ｗ１及びヨーク８７，８７の幅寸法Ｗ２を、ピニオン軸２４における軸方向の長さとしたときに、磁歪部８１，８２の幅寸法Ｗ１は、ヨーク８７，８７の幅寸法Ｗ２よりも大きく設定されている。

ここで、中間固定部材６１に対する、ピニオン軸２４の軸方向における取付け基準位置Ｐ１のことを、「基準点Ｐ１」と言うことにする。基準点Ｐ１から下の磁歪部８２における幅中央の位置Ｐ２までの高さはＨ１である。下の磁歪部８２における幅中央の位置Ｐ２から上の磁歪部８１における幅中央の位置Ｐ３までの高さはＨ２である。基準点Ｐ１から磁歪部８２，８１までの高さＨ１，Ｈ２は、基準点Ｐ１からヨーク８７，８７までの高さと同一に設定されている。すなわち、基準点Ｐ１から下のヨーク８７における幅中央の位置Ｐ２までの高さはＨ１である。下のヨーク８７における幅中央の位置Ｐ２から上のヨーク８７における幅中央の位置Ｐ３までの高さはＨ２である。

ところで、図３に示すように、中間固定部材６１は上記各高さＨ１，Ｈ２を正確に設定するための、基準となる部材である。このため、中間固定部材６１において、上側のフランジ面６１ａから基準点Ｐ１までの奥行き寸法Ｈ３（ピニオン軸２４における軸方向の寸法。高さＨ３とも言う。）は、高精度に設定される。しかも、奥行き寸法Ｈ３の精度を高めるために、中間固定部材６１の形状は、比較的簡素に設定されている。例えば、中間固定部材６１は、上下面が互いに平行な平坦面である、概ね円盤状の形状に形成されている。

一方、中間固定部材６１に重ねられるセンサハウジング８６の形状も、比較的簡素に設定されている。このため、センサハウジング８６の下端のフランジ面８６ａからヨーク８７，８７における幅中央の位置Ｐ２，Ｐ３までの高さも、高精度に設定することができる。

従って、基準点Ｐ１から磁歪部８２，８１までの高さＨ１，Ｈ２と、基準点Ｐ１からヨーク８７，８７の位置Ｐ２，Ｐ３までの高さＨ１，Ｈ２との、両方を極めて精度良く設定することができる。しかも、簡単な構成によって達成することができる。

次に、上記構成の電動ステアリング装置１０の、組立手順について説明する。
図３に示すように、（１）先ず、ピニオン軸２４を第２軸受６３を介して中間固定部材６１に組付け、（２）次に、検出部８３，８３をセンサハウジング８６に組付け、（３）次に、センサハウジング８６をピニオン軸２４に通しつつ中間固定部材６１の上に重ねてボルト止めすることにより、磁歪式トルクセンサ４１を組み立てる。
これで、基準点Ｐ１から磁歪部８２，８１までの高さＨ１，Ｈ２、及び、基準点Ｐ１から検出コイル８５Ａ〜８５Ｄやヨーク８７，８７までの高さＨ１，Ｈ２は、自動的に且つ容易に決まる。しかも、磁歪部８１，８２の位置に対して、検出コイル８５Ａ〜８５Ｄやヨーク８７，８７の位置を精度良く合わせることができる。

次に、ピニオン軸２４をギヤハウジング５１内に位置合わせしつつ、中間固定部材６１をギヤハウジング５１の上に重ねてボルト止めすることにより、電動ステアリング装置１０の組立作業を完了する。

以上の説明をまとめると、次の通りである。
すなわち、図３及び図４に示すように第１実施例では、ピニオン軸２４に設けられた磁歪部８１，８２及び検出コイル８５Ａ〜８５Ｄをセンサハウジング８６に収納したものにおいて、ギヤハウジング５１に中間固定部材６１を介してセンサハウジング８６を取り付け、ギヤハウジング５１に対して中間固定部材６１でセンサハウジング８６の位置決めをし、ピニオン軸２４を第２軸受６３を介して中間固定部材６１で回転可能に且つ軸方向への移動を規制して支承したものである。

このため、中間固定部材６１を基準として、磁歪部８１，８２の位置と、検出コイル８５Ａ〜８５Ｄ及びヨーク８７，８７の位置との、両方を精度良く設定することができる。磁歪部８１，８２の位置に対して、検出コイル８５Ａ〜８５Ｄ及びヨーク８７，８７の位置を精度良く合わせることができる。従って、磁歪式トルクセンサ１０のトルク検出精度を、より高めることができる。しかも、簡単な構成によって達成することができる。

磁歪式トルクセンサ４１のトルク検出精度が高まるので、磁歪式トルクセンサ４１の出力に応じて電動モータ４３（図１参照）が発生するトルクは、より適切な値になる。第１実施例のように、電動モータ４３が発生するトルクが、操舵トルクを補助する補助トルクである場合には、操舵トルクに対して、より適切な補助トルクを付加することができる。この結果、より円滑で良好な操舵感（操舵フィーリング）を得ることができる。

また、従来においては、車種が異なることによってピニオン軸２４の軸長が長くなるような場合に、ピニオン軸２４に対する磁歪式トルクセンサ４１の軸方向位置を保障するために、電動ステアリング装置１０の機種に対応したギヤハウジング５１を製作しなければならなかった。
これに対して第１実施例では、ピニオン軸２４の軸長が異なる、つまり磁歪部８１，８２の位置に対して、検出コイル８５Ａ〜８５Ｄの位置が大きくずれてしまうような場合であっても、寸法（特に奥行き寸法Ｈ３）の異なる中間固定部材６１に交換するだけで、十分に対応することができる。このため、同一のギヤハウジング５１を多機種の電動ステアリング装置１０に用いることができるので、コストの低減に繋がる。

さらには、磁歪部８１，８２の幅寸法Ｗ１が、ヨーク８７，８７の幅寸法Ｗ２よりも大きく設定されているので、磁歪部８１，８２の位置に対してヨーク８７，８７の位置が若干ずれていても、寸法誤差を容易に吸収することができる。
すなわち、加工精度や組立精度の関係で、磁歪部８１，８２に対して、検出コイル８５Ａ〜８５Ｄ及び磁気シールド用のバックヨーク８７，８７の中心が、ある程度ずれた場合であっても、磁歪部８１，８２から検出コイル８５Ａ〜８５Ｄ及びバックヨーク８７，８７が、はみ出ることはない。

図５は本発明に係る第１実施例の磁歪式トルクセンサのセンサ回路部の模式的回路図である。
図５に示すように、磁歪式トルクセンサ４１のセンサ回路部９０は、励磁回路９１、第１変換回路９２、第２変換回路９３及びトルク信号出力回路９４からなる。
励磁回路９１は、Ｈブリッジに結線された４つの検出コイル８５Ａ〜８５Ｄに励磁電圧を印加するものである。第１変換回路９２は、第１検出コイル８５Ａと第３検出コイル８５Ｃとの接続点に接続され、検出信号を整流・増幅・変換して第１検出電圧ＶＴ１として出力するものである。第２変換回路９３は、第２検出コイル８５Ｂと第４検出コイル８５Ｄとの接続点に接続され、検出信号を整流・増幅・変換して第２検出電圧ＶＴ２として出力するものである。トルク信号出力回路９４は、第１変換回路９２及び第２変換回路９３の第１・第２検出電圧ＶＴ１，ＶＴ２を演算してトルク検出電圧ＶＴ３として出力するものである。トルク検出電圧ＶＴ３は、操舵トルク信号のことである。

トルク検出電圧ＶＴ３は、次の（１）式によって求めることができる。但し、ｋは係数、Ｖｏは基準電圧である。
ＶＴ３＝ｋ×（ＶＴ１−ＶＴ２）＋Ｖｏ ・・・・・・（１）

また、磁歪式トルクセンサの故障の有無については、次の（２）式で求められた故障検出電圧ＶＴＦによって判断することになる。
ＶＴＦ＝（ＶＴ１＋ＶＴ２）／２ ・・・・・・（２）

このように、磁歪式トルクセンサ４１は、上部の第１磁歪部８１に対して一対の検出コイル８５Ａ，８５Ｂを設け、下部の第２磁歪部８２に対して一対の検出コイル８５Ｃ，８５Ｄを設け、これら４つの検出コイル８５Ａ〜８５Ｄを、ピニオン軸２４の軸方向に並べて配置するとともにＨブリッジに結線したものである。
すなわち、磁歪部８１，８２の１つ当たりに検出コイル８５Ａ〜８５Ｄを複数設けるとともに、これら複数の検出コイル８５Ａ〜８５Ｄをピニオン軸２４の軸方向に配置したものである。

第１・第３検出コイル８５Ａ，８５Ｃ間の第１検出電圧ＶＴ１と、第２・第４検出コイル８５Ｂ，８５Ｄ間の第２検出電圧ＶＴ２とに基づいて、トルク検出電圧ＶＴ３及び故障検出電圧ＶＴＦを求めることができる。
従って、外部から磁歪式トルクセンサ４１に与える磁気的な影響や温度変化の影響を極力抑制することができる。このため、磁歪式トルクセンサ４１の検出精度を高め且つ安定させるとともに、磁歪式トルクセンサ４１の故障検出の精度に与える磁気的な影響を排除して、安定した故障検出をすることができる。

図５を参照しつつ、磁歪式トルクセンサ４１の特性を説明する。
図６は本発明に係る第１実施例の磁歪式トルクセンサのトルク検出電圧特性図であり、横軸を操舵トルクとし縦軸を検出電圧として、第１・第２検出電圧ＶＴ１，ＶＴ２及びトルク検出電圧ＶＴ３の特性を表したものである。

図６において、実線にて示す第１検出電圧ＶＴ１の特性直線は図右上がりの特性を有し、実線にて示す第２検出電圧ＶＴ２の特性直線は図左上がりの特性を有する。トルク原点０を通る垂直な基準線に対して、第１検出電圧ＶＴ１の特性直線と第２検出電圧ＶＴ２の特性直線とは線対称である。トルク検出電圧ＶＴ３は、第１・第２検出電圧ＶＴ１，ＶＴ２の各値に応じて、実線にて示す直線の特性となる。

ところで、例えば、磁歪部８１に対して第１検出コイル８５Ａがピニオン軸２４の軸方向にずれていた場合には、実線にて示す第１検出電圧ＶＴ１は、想像線にて示す第１検出電圧ＶＴ１ａのように緩やかな勾配の特性に変化する。この結果、実線にて示すトルク検出電圧ＶＴ３は、想像線にて示すトルク検出電圧ＶＴ３ａのように緩やかな勾配の特性に変化する。従って、トルク検出電圧ＶＴ３の値が低下する。これでは、実際の操舵トルクに対して、検出される操舵トルクが小さいので、適切な補助トルクを発生させることができない。

これに対して、第１実施例においては、磁歪部８１，８２に対して検出コイル８５Ａ〜８５Ｄがピニオン軸２４の軸方向にずれないように設定されている。このため、実線にて示す第１・第２検出電圧ＶＴ１，ＶＴ２の特性を確保できるので、トルク検出電圧ＶＴ３を実線にて示す適切な特性に維持することができる。

図７は本発明に係る第１実施例の磁歪式トルクセンサの故障検出電圧特性図であり、横軸を操舵トルクとし縦軸を検出電圧として、第１・第２検出電圧ＶＴ１，ＶＴ２及び故障検出電圧ＶＴＦの特性を表したものである。

図７において、実線にて示す第１検出電圧ＶＴ１の特性直線は図右上がりの特性を有し、実線にて示す第２検出電圧ＶＴ２の特性直線は図左上がりの特性を有する。トルク原点０を通る垂直な基準線に対して、第１検出電圧ＶＴ１の特性直線と第２検出電圧ＶＴ２の特性直線とは線対称である。実線にて示す故障検出電圧ＶＴＦの特性直線は、上記（２）式から明らかなように水平又はほぼ水平な特性である。

磁歪式トルクセンサ４１の故障検出しきい値は、水平な２本の破線にて示す範囲である。故障検出しきい値の範囲内に故障検出電圧ＶＴＦが入っている場合には、磁歪式トルクセンサ４１が正常であると判定する。一方、故障検出しきい値の範囲から外れている場合には、磁歪式トルクセンサ４１が故障しているとの判定になる。

上述のように、例えば、磁歪部８１に対して第１検出コイル８５Ａがピニオン軸２４の軸方向にずれていた場合には、実線にて示す第１検出電圧ＶＴ１は、想像線にて示す第１検出電圧ＶＴ１ａのように緩やかな勾配の特性に変化する。この結果、実線にて示す故障検出電圧ＶＴＦは水平ではなく、想像線にて示す故障検出電圧ＶＴＦａのように緩やかな勾配の特性に変化する。想像線にて示す故障検出電圧ＶＴＦａでは、正常であるにもかかわらず、故障検出しきい値の範囲から外れて故障の判定となる場合があり得る。

これに対して、第１実施例においては、磁歪部８１，８２に対して検出コイル８５Ａ〜８５Ｄがピニオン軸２４の軸方向にずれないように設定されている。このため、実線にて示す第１・第２検出電圧ＶＴ１，ＶＴ２の特性を確保できるので、故障検出電圧ＶＴＦを実線にて示す適切な特性に維持することができる。

次に、第２実施例について図８〜図１１に基づいて説明する。なお、上記図１〜図７に示す第１実施例と同様の構成については同一符号を付し、その説明を省略する。
図８は本発明に係る第２実施例の電動ステアリング装置の模式図である。図９は本発明に係る第２実施例の電動ステアリング装置の全体構成図であり、左端部及び右端部を断面して表した。図１０は図９の１０−１０線断面図である。

図８〜図９に示すように、第２実施例の電動ステアリング装置１００は、基本的な構成が上記図１に示す第１実施例と同じであり、補助トルク機構４０Ａの構成を変更したものである。
すなわち、第２実施例の補助トルク機構４０Ａは、ステアリングハンドル２１に加えたステアリング系２０の操舵トルクを磁歪式トルクセンサ４１で検出し、この検出信号に基づき制御部４２で制御信号を発生し、この制御信号に基づき操舵トルクに応じた補助トルクを電動モータ１１１で発生し、補助トルクをウォームギヤ機構１１２を介してピニオン軸２４に伝達するものである。

図９及び図１０に示すように、電動ステアリング装置１００は、ピニオン軸２４、ラックアンドピニオン機構２５及びウォームギヤ機構１１２を、車幅方向（図９の左右方向）へ延びるギヤハウジング５１に収納したものである。

図１０に示すように、ピニオン軸２４は、一端部２４ａ（下端部）側から他端部２４ｂ側へ、第１軸受１２１、ピニオン３２、第２軸受１２２、ウォームギヤ機構１１２のトルク伝達用ウォームホイール１１５、第３軸受１２３及び磁歪式トルクセンサ４１の磁歪部８２，８１が、この順に設けられている。
ギヤハウジング５１は、ピニオン軸２４を第１軸受１２１を介して回転可能に支承するとともに、ピニオン軸２４を第２軸受１２２を介して回転可能に且つ軸方向への移動を規制して支承することになる。なお、ピニオン軸２４は、ギヤハウジング５１に収納された第１軸受１２１に対して、軸方向への移動が可能である。

ギヤハウジング５１は、上部開口におけるフランジ５４に、センサハウジング８６の下端のフランジ面８６ａを重ね合わせてボルト止めした構成である。なお、ギヤハウジング５１に対して、センサハウジング８６は径方向への移動が規制されている。

電動モータ１１１（図８参照）のモータ軸１１１ａは、図１０における紙面の向こう側から手前のギヤハウジング５１内に水平に延びたものである。モータ軸１１１ａは、ウォームギヤ機構１１２のウォーム軸１１３を連結した出力軸である。ウォーム軸１１３は、一体に形成したウォーム１１４を備える。ギヤハウジング５１は、水平に延びるウォーム軸１１３の両端部を、軸受を介して回転可能に支承することになる。

ウォームギヤ機構１１２は、駆動側のウォーム１１４にトルク伝達用ウォームホイール１１５を噛合わせることで、ウォーム１１４からトルク伝達用ウォームホイール１１５を介して負荷側にトルクを伝達するようにした構成である。さらにウォームギヤ機構１１２は、トルク伝達用ウォームホイール１１５の他に補助ウォームホイール１１６を備える。補助ウォームホイール１１６は、ウォーム１１４とトルク伝達用ウォームホイール１１５との間の、バックラッシを除去するために設けた補助的な歯車である。なお、補助ウォームホイール１１６の有無は任意である。

センサハウジング８６は、ピニオン軸２４を第３軸受１２３を介して回転可能に支承することになる。なお、ピニオン軸２４は、センサハウジング８６に収納された第３軸受１２３に対して、軸方向への移動が可能である。

図１１は図１０に示される磁歪式トルクセンサ周りの拡大図である。
図１０及び図１１に示すように、ピニオン軸２４のうち上下の磁歪部８１，８２間は、第４軸受１２４と、第４軸受１２４を保持する軸受保持部材１２５と、軸受保持部材１２５の外周面に取り付けられた弾性体１２６とを介してセンサハウジング８６で支持されている。
このため、ピニオン軸２４は、センサハウジング８６と軸受保持部材１２５との隙間の分だけ径方向へ変位することができる。つまり、ピニオン軸２４に撓みが発生したときには、径方向に作用する力に応じて、弾性体１２６は弾性変形し得る。

ここで、ギヤハウジング５１に対する、ピニオン軸２４の軸方向における取付け基準位置Ｐ１１のことを、「基準点Ｐ１１」と言うことにする。基準点Ｐ１１から下の磁歪部８２における幅中央の位置Ｐ１２までの高さはＨ１１である。下の磁歪部８２における幅中央の位置Ｐ１２から上の磁歪部８１における幅中央の位置Ｐ１３までの高さはＨ１２である。基準点Ｐ１１から磁歪部８２，８１までの高さＨ１１，Ｈ１２は、基準点Ｐ１１からヨーク８７，８７までの高さと同一に設定されている。すなわち、基準点Ｐ１１から下のヨーク８７における幅中央の位置Ｐ１２までの高さはＨ１１である。下のヨーク８７における幅中央の位置Ｐ１２から上のヨーク８７における幅中央の位置Ｐ１３までの高さはＨ１２である。

第２実施例の説明をまとめると、次の通りである。
すなわち、図１０及び図１１に示すように第２実施例では、ピニオン軸２４に設けられた磁歪部８１，８２及び検出コイル８５Ａ〜８５Ｄをセンサハウジング８６に収納したものにおいて、上記第１実施例と同様に、磁歪部８１，８２の幅寸法Ｗ１を、ヨーク８７，８７の幅寸法Ｗ２よりも大きく設定したものである。

従って、磁歪部８１，８２の位置に対してヨーク８７，８７の位置が若干ずれていても、寸法誤差を容易に吸収することができる。
すなわち、加工精度や組立精度の関係で、磁歪部８１，８２に対して、検出コイル８５Ａ〜８５Ｄ及び磁気シールド用のバックヨーク８７，８７の中心が、ある程度ずれた場合であっても、磁歪部８１，８２から検出コイル８５Ａ〜８５Ｄ及びバックヨーク８７，８７が、はみ出ることはない。

このため、複雑な形状のギヤハウジング５１で、第２軸受１２２を介してピニオン軸２４を回転可能に且つ軸方向への移動を規制して支承するとともに、ギヤハウジング５１にセンサハウジング８６を取付けた構成であるにもかかわらず、磁歪部８１，８２の位置に対して、検出コイル８５Ａ〜８５Ｄ及び磁気シールド用のバックヨーク８７，８７の位置を確実に合わせることができる。従って、磁歪式トルクセンサ４１のトルク検出精度を、より高めることができる。しかも、簡単な構成によって達成することができる。

磁歪式トルクセンサ４１のトルク検出精度が高まるので、磁歪式トルクセンサ４１の出力に応じて電動モータ１１１（図８参照）が発生するトルクは、より適切な値になる。第２実施例のように、電動モータ１１１が発生するトルクが、操舵トルクを補助する補助トルクである場合には、操舵トルクに対して、より適切な補助トルクを付加することができる。この結果、より円滑で良好な操舵感（操舵フィーリング）を得ることができる。
このように、路面反力や電動モータ１１１等の影響による振動の発生を防止し、耐久性の向上を図りつつ、滑らかな操舵感を有する、電動ステアリング装置１００を得ることができる。

なお、本発明の実施の形態において、電動ステアリング装置１０，１００は、「ステアリングハンドルから転舵機構を機械的に分離し、操舵量に応じて電動モータが転舵用動力を発生し、この転舵用動力を転舵機構へ伝えることで操舵車輪を転舵させる」方式の、いわゆる、ステア・バイ・ワイヤ式（steer-by-wire、略称「ＳＢＷ」）の構成にも適用できる。

本発明の電動ステアリング装置１０，１００は、ステアリングハンドル２１で発生した操舵トルクを磁歪式トルクセンサ４１にて検出し、この磁歪式トルクセンサ４１の検出信号に応じて電動モータ４３，１１１が補助トルクを発生するようにしたものに好適である。

本発明に係る第１実施例の電動ステアリング装置の模式図である。 本発明に係る第１実施例の電動ステアリング装置の全体構成図である。 図２の３−３線断面図である。 図３に示される磁歪式トルクセンサ周りの拡大図である。 本発明に係る第１実施例の磁歪式トルクセンサのセンサ回路部の模式的回路図である。 本発明に係る第１実施例の磁歪式トルクセンサのトルク検出電圧特性図である。 本発明に係る第１実施例の磁歪式トルクセンサの故障検出電圧特性図である。 本発明に係る第２実施例の電動ステアリング装置の模式図である。 本発明に係る第２実施例の電動ステアリング装置の全体構成図である。 図９の１０−１０線断面図である。 図１０に示される磁歪式トルクセンサ周りの拡大図である。 従来の電動ステアリング装置の概要図である。

符号の説明

１０…電動ステアリング装置、２１…ステアリングハンドル、２４…回転軸（ピニオン軸）、２４ａ…回転軸の一端部、２４ｂ…回転軸の他端部、２５…ラックアンドピニオン機構、３１…転舵用車輪、３２…ピニオン、３３…ラック、４１，４１Ａ…磁歪式トルクセンサ、４３…電動モータ、５１…ギヤハウジング、６１…中間固定部材、６３…軸受（第２軸受）、８１，８２…磁歪部（磁歪膜）、８４…コイルボビン、８６…センサハウジング、８５…検出コイル、８７…バックヨーク、１００…電動ステアリング装置、１１１…電動モータ、１１２…ウォームギヤ機構、１１５…ウォームホイール、Ｗ１…磁歪部の幅寸法、Ｗ２…バックヨークの幅寸法。

Claims (2)

1. 回転軸の一部の表面に設けられ操舵トルクに応じて磁歪特性が変化する第１磁歪部および第２磁歪部と、
   前記第１磁歪部に対し所定の距離を有して対向して配置され、前記第１磁歪部に生じた磁歪効果を検出する第１検出コイルおよび第２検出コイルと、前記第１検出コイルおよび前記第２検出コイルの周囲を囲う第１バックヨークと、
   前記第２磁歪部に対し所定の距離を有して対向して配置され、前記第２磁歪部に生じた磁歪効果を検出する第３検出コイルおよび第４検出コイルと、前記第３検出コイルおよび前記第４検出コイルの周囲を囲う第２バックヨークと、
   前記回転軸の前記第１磁歪部、前記第２磁歪部、前記第１検出コイル、前記第２検出コイル、前記第３検出コイル、前記第４検出コイル、および前記第１バックヨークと、前記第２バックヨークとを収納するセンサハウジングと、からなる磁歪式トルクセンサを有し、この磁歪式トルクセンサの出力に応じて電動モータを駆動する電動ステアリング装置において、
   前記回転軸には、一端部側から他端部側へ、ラックアンドピニオン機構のピニオン、軸受、ウォームギヤ機構のウォームホイール、および前記第２磁歪部、前記第１磁歪部が、この順に設けられており、
   前記センサハウジングには、前記第１検出コイル、前記第２検出コイル、前記第３検出コイル、前記第４検出コイルが軸方向に順に配置され、
   前記第１検出コイルと前記第３検出コイルの中間出力と、前記第２検出コイルと前記第４検出コイルの中間出力との加算値に基づいてセンサ異常を検出し、
   前記第１検出コイルの一端と前記第３検出コイルの一端が接続されることにより前記第１検出コイルと前記第３検出コイルとが直列に接続され、
   前記第２検出コイルの一端と前記第４検出コイルの一端が接続されることにより前記第２検出コイルと前記第４検出コイルとが直列に接続され、
   直列に接続された前記第１検出コイルおよび前記第３検出コイルは、直列に接続された前記第２検出コイルおよび前記第４検出コイルと並列に接続され、
   前記第１検出コイルの他端と前記第４検出コイルの他端が接続され、
   前記第２検出コイルの他端と前記第３検出コイルの他端が接続されており、
   前記ラックアンドピニオン機構、前記軸受及び前記ウォームホイールは、ギヤハウジングに収納されたものであり、前記ギヤハウジングは、前記回転軸を前記軸受を介して回転可能に且つ軸方向への移動を規制して支承するとともに、前記センサハウジングを取り付けるものであり、
   前記第１磁歪部の幅寸法および前記第１バックヨークの幅寸法を、前記回転軸における軸方向の長さとしたときに、前記第１磁歪部の幅寸法は、前記第１バックヨークの幅寸法よりも大きく設定され、かつ、前記第２磁歪部の幅幅寸法および前記第２バックヨークの幅寸法を前記回転軸における軸方向の長さとしたときに、前記第２磁歪部の幅寸法は、前記第２バックヨークの幅寸法よりも大きく設定されていることを特徴とした電動ステアリング装置。
2. 前記回転軸の端部には、ラックと噛み合うピニオンが設けられ、これらのラックおよびピニオンは、ギヤハウジングに収納されたものであり、前記ギヤハウジングは、中間固定部材を介して前記センサハウジングを取り付けるものであり、前記中間固定部材は、前記ギヤハウジングに対する前記センタハウジングの位置決めをするとともに、前記回転軸を前記軸受を介して回転可能に、かつ軸方向への移動を規制して支承する部材であることを特徴とした請求項１記載の電動ステアリング装置。

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