JP5120632B2 - ボールねじ装置およびこれを備えた車両用操舵装置 - Google Patents

Description

本発明はボールねじ装置およびこれを備えた車両用操舵装置に関するものである。

回転運動を直線運動に変換するボールねじ装置は、ボールが循環する循環路として、ねじ軸の外周の軌道溝とナットの内周の軌道溝との間に形成された負荷路と、例えば負荷路の一端および他端を互いに連結する連結路とを備えている。
通例、連結路と負荷路の境界部分には段差が生じている。このため、連結路から負荷路に入るときにボールが段差を通過することになり、通過に伴って、打音が発生し、騒音の原因となっている。

そこで、鉄鋼製のボール間に、ボールよりも径の小さい合成樹脂のボールを用いることが提案されている（例えば特許文献１を参照）。
特開２００５−１４７３５４号公報

しかしながら、十分な騒音防止効果が得られないという問題があった。
上記のボールねじ装置を電動パワーステアリング装置等の車両用操舵装置に適用した 場合、高い静粛性が要求される車室内では、上記のボールねじによる騒音が特に問題となる。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、騒音を確実に低減することができるボールねじ装置およびこれを備えた車両用操舵装置を提供することを目的とする。

本願発明者は、鋭意研究の結果、鉄鋼製のボール間に樹脂製のボールを単に介在させるだけでは、騒音防止効果が低い理由は下記にあるという知見を得た。すなわち、特許文献１では、鉄鋼製のボールが、一定の周期で、負荷路と連結路の境界の段差を通過する。このため、特許文献１のボールねじ装置の打音を周波数分析したときに、図５に示すように、特定の周波数ｆ１での打音のピーク値Ｐ１（振幅成分）としては、依然高いままであり、これが騒音低下を阻害しているという知見を得た。

本発明は、かかる知見に基づいてなされたものであり、ねじ軸（２８）と、ねじ軸を取り囲むナット（２９）と、ねじ軸の外周（２８ｂ）の軌道溝（３６）とナットの内周（２９ｂ）の軌道溝（３５）との間に形成された負荷路（５０）と、負荷路を連結する連結路（６０）と、負荷路および連結路によって形成される循環路（７０）を循環するボール列（３０；３００）とを備え、上記ボール列は、鉄鋼を含む材料により形成された第１のボール（３１）と、隣接する第１のボール間に介在し合成樹脂により形成されて第１のボールよりも硬度の低い第２のボール（３２；３２Ａ，３２Ｂ）とを含み、隣接する第１のボールの距離は、相対的に長い第１の距離（Ｌ１）と、相対的に短い第２の距離（Ｌ２）とを有しており、上記第１の距離離隔する第１のボール間に介在する、第２のボールの直径（Ｄ２１）と、上記第２の距離離隔する第１のボール間に介在する、第２のボールの直径（Ｄ２２）とが、互いに異なっているボールねじ装置（２２）を提供するものである。

本発明によれば、相対的に硬度の高い第１のボールが負荷路および連結路の間に生じている段差を通過する周期が、不均一となる。このため、打音を周波数分析したときに、特定周波数でのピーク値（振幅成分）を低下させることができる。これにより、騒音を低減することができる。
また、上記第１の距離離隔する第１のボール間に介在する、第２のボールの直径（Ｄ２１）と、上記第２の距離離隔する第１のボール間に介在する、第２のボールの直径（Ｄ２２）とが、互いに異なっているので、第２のボールとして、複数種の径の異なるボールを用いることにより、隣接する第１のボール間の距離を不均一にすることができる。

また、上記ボールねじ装置を用いて操舵力を伝達する車両用操舵装置（１）であれば、騒音レベルを格段に低減することができる。
なお、上記において、括弧内の英数字は、後述する実施形態における対応構成要素の参照符号を表すものであるが、これらの参照符号により特許請求の範囲を限定する趣旨ではない。

本発明の好ましい実施の形態を添付図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の一実施の形態のボールねじ装置が適用された、車両用操舵装置としての電動パワーステアリング装置の概略構成を示す模式的断面図である。図１を参照して、本電動パワーステアリング装置１は、ステアリングホイールのような操舵部材２に連結される入力軸３と、中間軸４を介して転舵機構５に連なる出力軸６と、入力軸３および出力軸６を同軸的に連結するトーションバー７とを備える。

また、電動パワーステアリング装置１は、トーションバー７を介する入力軸３および出力軸６の相対回転変位量により操舵トルクを検出するためのトルクセンサ８と、トルクセンサ８により検出されるトルクや車速センサ９により検出される車速等に基づいてＥＣＵ（Electronic Control Unit ：電子制御ユニット）１０により駆動制御される操舵補助用の電動モータ１１とを備える。

転舵機構５は、中間軸４に連結されたピニオン軸１２の端部に設けられたピニオン１３と、このピニオン１３に噛み合うラック１４ａを有し車両の左右方向に延びる転舵軸１４と、この転舵軸１４の一対の端部にそれぞれタイロッド１５を介して連結され、対応する転舵輪１６をそれぞれ支持するナックルアーム１７とを備える。
転舵軸１４の軸方向の移動により、ナックルアーム１７が回動されて転舵輪１６の転舵が達成される。転舵軸１４は、図示しない軸受を介してハウジング１８によって軸方向に移動可能に支持されている。電動モータ１１のハウジング１１ａの一端部は、ハウジング１８の連結口１９に嵌合され、図示しない固定ねじ等によりハウジング１８に固定されている。

電動モータ１１の回転軸２０の回転は、図１に示す傘歯車機構のような減速機構２１に伝達され、さらに運動変換機構としてのボールねじ装置２２に伝達され、このボールねじ装置２２によって回転運動が転舵軸１４の軸方向移動に変換される。その結果、転舵軸１４に操舵補助力が与えられるようになっている。
減速機構２１は、電動モータ１１の回転軸２０に連結軸２３を介して連結された小径の第１の歯車２４と、第１の歯車２４に噛み合い転舵軸１４を包囲する大径の第２の歯車２５を含む。減速機構２１の第２の歯車２５の回転は、運動変換機構を提供する上記のボールねじ装置２２によって転舵軸１４の軸方向移動に変換される。

具体的には、電動モータ１１の回転軸２０には、例えばスプラインを用いる継手２６を介して連結軸２３の一端部が一体回転可能に連結されている。連結軸２３は、軸受２７を介してハウジング１８に回転自在に支持されている。連結軸２３の他端部には、減速機構２１の第１の歯車２４が一体回転可能に連結されている。
ボールねじ装置２２は、転舵軸１４の一部に形成されたねじ軸２８と、ねじ軸２８の周囲を取り囲み減速機構２１の第２の歯車２５とは一体回転するナット（ボールナットともいう）２９と、ボール列３０とを備えている。ボール列３０は、ねじ軸２８およびナット２９に係合可能な複数のボールとして、相対的に硬度の高い第１のボール３１と、相対的に硬度の低い第２のボール３２とを含んでいる。第１のボール３１は、鉄鋼を含む材料により形成されている。第２のボール３２は、合成樹脂により形成されている。

ねじ軸２８は、その軸線Ｃ１の回りの回転が規制されている。ナット２９の外周面２９ａには、第２の歯車２５が図示しないキー等を介して固定されている。ナット２９の一対の端部はそれぞれ対応する軸受３３，３４を介してハウジング１８に回転自在に支持される。ナット２９は、上記軸受３３，３４によって軸方向への移動が規制されている。
ナット２９の内周面２９ｂには、ボール転動用の第１の螺旋溝３５が形成され、ねじ軸２８の外周面２８ａには、ボール転動用の第２の螺旋溝３６が形成される。第１および第２の螺旋溝３５，３６で螺旋状の負荷路５０が形成されている。負荷路５０は、ナット２９の第１の螺旋溝３５の第１および第２の端部３５ａ，３５ｂにそれぞれ対応する第１および第２の端部４１，４２を有している。

上記の構成により、ねじ軸２８とナット２９とは負荷路５０内に位置する第１および第２のボール３１，３２を介して螺合し、ナット２９の回転に伴いねじ軸２８が軸方向に移動する。
図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。図２を参照して、ボール列３０の第１および第２のボール３１，３２は、例えばＵ字状のチューブ３７の内部に形成される連結路６０を介して、上記螺旋状の負荷路５０に循環されるようになっている。

具体的には、ナット２９は、負荷路５０の第１および第２の端部５１，５２にそれぞれ対応して取付孔３８を形成しており、各取付孔３８にチューブ３７の第１および第２の端部３７ａ，３７ｂがそれぞれ挿通されている。チューブ３７は、図示しない押さえ部材を介してナット２９に固定されている。
これにより、負荷路５０の第１および第２の端部５１，５２がそれぞれ連結路６０の対応する第１および第２の端部６１，６２に接続され、負荷路５０と連結路６０との相互の接続を達成している。すなわち、螺旋状の負荷路５０およびＵ字状の連結路６０により無限軌道である循環路７０が形成されている。また、負荷路５０と連結路６０の境界部分には、通例、微小な段差３９が生じている。

ボールねじ装置２２の第１および第２のボール３１，３２は、負荷路５０および連結路６０を含む循環路７０の全域に亘って隙間なく数珠つなぎ状に配置される、総ボールタイプ(full complement type)である。すなわち、隣接する第１および第２のボール３１，３２間に保持器を介在させていない。
また、第１のボール３１の直径Ｄ１よりも、第２のボール３２の直径Ｄ２が小さくされている（Ｄ１＞Ｄ２）。隣接する第１のボール３１間の距離として、相対的に長い第１の距離Ｌ１と、相対的に短い第２の距離Ｌ２が採用されている。このように距離を異ならせるために、第１の距離Ｌ１離隔する第１のボール３１間に介在する、第２のボール３２の数をｎ１（本実施の形態ではｎ１＝２）とし、第２の距離Ｌ２離隔する第１のボール３１間に介在する、第２のボール３２をｎ２（本実施の形態ではｎ２＝１）とし、互いの数ｎ１，ｎ２を異ならせてある。

したがって、第１の距離Ｌ１がｎ１×Ｄ２（本実施の形態ではＬ１＝２×Ｄ２）に相当し、第２の距離Ｌ２がｎ２×Ｄ２（本実施の形態ではＬ２＝Ｄ２）に相当することになる。
本実施の形態によれば、隣接する第１のボール３１間の距離として、相対的に長い第１の距離Ｌ１と、相対的に短い第２の距離Ｌ２が採用されているので、相対的に硬度の高い第１のボール３１が、負荷路５０および連結路６０の間に生じている段差３９を通過する周期が、不均一となる。したがって、第１のボール３１を含むボール列３０が段差３９と衝突する打音を周波数分析したときに、図３に示すよう、特定周波数でのピークを生じ難くすることができる。これにより、騒音を低減することができる。図３において、横軸が周波数（Ｈｚ）であり、縦軸が音圧レベル（ｄβＡ）である。

また、第１のボール３１間に介在する、第２のボール３２の直径Ｄ２を、第１のボール３１の直径Ｄ１よりも小さくし、その第１のボール３１間に介在する、第２のボール３２の数を、ｎ１，ｎ２の複数種類とした。すなわち、第１のボール３１間に介在する、第２のボール３２の数を相異ならせるという簡単な手法により、隣接する第１のボール３１間の距離を不均一にすることができる。

また、上記のボールねじ装置２２を用いて操舵力を伝達する電動パワーステアリング装置１であれば、騒音レベルを格段に低減することができる。
なお、本実施の形態では、第１のボール３２を挟んだ両側に、ｎ１個の第１のボール３２およびｎ２個の第２のボール３２が配置されるようにしたが、第１のボール３１を挟んだ両側に、ともにｎ１個の第２のボール３２が配置される領域や、第１のボール３１を挟んだ両側に、ともにｎ２個の第２のボール３２が配置される領域が存在していてもよい。すなわち、第１のボール３１とｎ１個またはｎ２個の第２のボール３２とが交互に配置されるという条件が満たされていれば、第２のボール３２のｎ１個、ｎ２個の個数の配置については、ランダムであってもよい。

次いで、図４は、本発明の別の実施の形態を示している。図４を参照して、本実施の形態が図２の実施の形態と異なるのは、ボール列３００において、第１の距離Ｌ１離隔する第１のボール３１間に介在する、第２のボール３２Ａの直径Ｄ２１と、第２の距離離Ｌ２隔する第１のボール３１間に介在する、第２のボール３２Ｂの直径Ｄ２２とが、互いに異なっている点にある。

本実施の形態では、第１のボール３１間に介在する、第２のボールとして、複数種の直径の異なるボール３２Ａ，３２Ｂを用いるという簡単な手法により、隣接する第１のボール３１間の距離を不均一にすることができる。その結果、段差３９に対しての、ボール列３００の衝突打音を周波数分析したときに、特定周波数でのピーク値が極力現れないようにし、騒音を低減することができる。ひいては、ボールねじ装置２２を用いて操舵力を伝達する電動パワーステアリング装置１において、騒音レベルを格段に低減することができる。

本実施の形態では、第２のボール３２Ａと第２のボール３２Ｂが第１のボール３１を挟んで交互に配置されるようにしたが、例えば、第１のボール３１を挟んだ両側に第２のボール３２Ａが配置される領域や、第１のボール３１を挟んだ両側に第２のボール３２Ｂが配置される領域があってもよい。すなわち、第１のボール３１と第２のボール３２Ａ，３２Ｂが交互に配置されるという条件が満たされていれば、第２のボール３２Ａおよび第２のボール３２Ｂの配置はランダムであってもよい。

本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、例えば、第１の距離Ｌ１離隔する第１のボール３１間に介在する、第２のボールと、第１の距離Ｌ２離隔する第１のボール３１間に介在する、第２のボールとで、その直径および個数の双方を異ならせることにより、第１の距離Ｌ１と第２の距離Ｌ２とを互いに異ならせるようにしてもよい。
また、ボールねじ装置のボールねじが２条以上の多条ねじであってもよい。また、上記の実施の形態では、連結路としてチューブを用いていたが、ナットに形成された孔を連結路として用いてもよい。上記の実施の形態では、連結路が負荷路の一端から他端にボールを戻していたが、これに代えて、ねじ軸を１周するごとに負荷路に戻す、いわゆるコマ式のものであってもよい。すなわち、ボールねじの循環形式はどのような形式であってもよい。

上記実施の形態では、本発明が、電動モータ１１の出力を操舵補助力として出力する電動パワーステアリング装置１に適用された例について説明したが、これに限らない。例えば、操舵部材２の操舵角に対する転舵輪１６の転舵角の比を変更可能な伝達比可変機構を備え、伝達比可変機構を駆動するために電動モータの出力を用いる伝達比可変式の車両用操舵装置や、操舵部材と転舵輪との機械的な連結が解除され、転舵輪を電動モータの出力で操向するステア・バイ・ワイヤ式の車両用操舵装置等に、本発明を適用してもよい。

その他、本発明の特許請求の範囲で種々の変更を施すことができる。

本発明の一実施の形態のボールねじ装置が適用された、電動パワーステアリング装置の概略構成を示す模式図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。 衝突打音の周波数特性を示すグラフである。 本発明の別の実施の形態のボールねじ装置の要部の断面図である。 従来のボールねじ装置の衝突打音の周波数特性を示すグラフ図である。

符号の説明

１…電動パワーステアリング装置（車両用操舵装置）、２…操舵部材、３…入力軸、４…中間軸、５…転舵機構、６…出力軸、７…トーションバー、８…トルクセンサ、１０…ＥＣＵ、１１…電動モータ、１３…ピニオン、１４…転舵軸、１６…転舵輪、２０…回転軸、２１…減速機構、２２…ボールねじ装置、２４…第１の歯車、２５…第２の歯車、２８…ねじ軸、２９…ナット、３０；３００…ボール列、３１…第１のボール、３２；３２Ａ，３２Ｂ…第２のボール、３５…第１の螺旋溝、３６…第２の螺旋溝、３７…チューブ、３８…取付孔、３９…段差、５０…負荷路、５１…第１の端部、５２…第２の端部、６０…連結路、６１…第１の端部、６２…第２の端部、７０…循環路、Ｌ１…第１の距離、Ｌ２…第２の距離、Ｄ１…（第１のボールの）直径、Ｄ２；Ｄ２１，Ｄ２２…（第２のボールの）直径、ｎ１，ｎ２…（第２のボールの）数

Claims (2)

1. ねじ軸と、ねじ軸を取り囲むナットと、ねじ軸の外周の軌道溝とナットの内周の軌道溝との間に形成された負荷路と、負荷路を連結する連結路と、負荷路および連結路によって形成される循環路を循環するボール列とを備え、
   上記ボール列は、鉄鋼を含む材料により形成された第１のボールと、隣接する第１のボール間に介在し合成樹脂により形成されて第１のボールよりも硬度の低い第２のボールとを含み、
   隣接する第１のボールの距離は、相対的に長い第１の距離と、相対的に短い第２の距離とを有しており、
   上記第１の距離離隔する第１のボール間に介在する、第２のボールの直径と、上記第２の距離離隔する第１のボール間に介在する、第２のボールの直径とが、互いに異なっていることを特徴とするボールねじ装置。
2. 請求項１に記載のボールねじ装置を用いて操舵力を伝達する車両用操舵装置。

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