JP6351168B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、操舵トルクに応じた補助トルクをステアリング系に付加する電動パワーステアリング装置の改良された技術に関する。

電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイールに生じる操舵トルクをトルクセンサによって検出し、該操舵トルクに応じた補助トルクを電動モータが発生し、該操舵トルクに補助トルクを付加することによって、運転者の負担を軽減するものである。

一般的な電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイールに連結されるコラムシャフトと、該コラムシャフトに自在継手及び中間軸を介して連結されるピニオン軸と、該ピニオン軸にラックアンドピニオン機構を介して連結されるラック軸と、該ステアリングホイールに生じた操舵トルクに補助トルクを付加する補助トルク機構とから成る。このような電動パワーステアリング装置は、特許文献１などが知られている。

特許文献１で知られている電動パワーステアリング装置の補助トルク機構は、コラムシャフトの操舵トルクをトルクセンサによって検出するとともに、該操舵トルクに基づいて電動モータが発生した補助トルクを該コラムシャフトに付加するというものである。

該コラムシャフトは、ステアリングホイール側のアッパシャフトと、自在継手側のロアシャフトとに、軸方向へ二分割されており、互いにスプライン嵌合によって連結されている。つまり、該コラムシャフトは、スプライン嵌合の部分（伸縮機構）によって軸方向へ伸縮可能である。該アッパシャフトと該ロアシャフトとは、ステアリングコラムによって回転可能に支持されている。

一般に、該アッパシャフトは、ステアリングロック装置によって該ステアリングコラムにロック可能である。イグニションキーをロック位置に回して鍵穴から引き抜くことにより、該ステアリングロック装置はロック作動して、該ステアリングコラムに対する該アッパシャフトの回転を阻止する。

該補助トルク機構は、該トルクセンサと該電動モータと補助トルク伝達機構とを一体的にユニット化した構成である。該ステアリングホイールに生じた操舵トルクは、該アッパシャフトとスプライン嵌合の部分とを介して、該ロアシャフトに伝わる。該トルクセンサは、該ロアシャフトに伝わった操舵トルクを検出する。該電動モータが発生した補助トルクは、該ロアシャフトに付加される。

上述のように、該トルクセンサは、該スプライン嵌合の部分よりも操舵トルク下流、つまり自在継手寄りに配置されている。このため、該トルクセンサは、該スプライン嵌合の部分の嵌合の公差の影響、つまり嵌合の隙間によるガタの影響を受ける。このことは、該トルクセンサによって該操舵トルクを検出する、検出精度を高める上で、不利である。該電動パワーステアリング装置の操舵フィーリングを高めるために、該検出精度を高めることが求められる。

これに対し、ステアリングロック装置を廃止し、廃止したことによって空いたスペースに該補助トルク機構を配置することが考えられる。しかし、該補助トルク機構は、該トルクセンサと該電動モータと補助トルク伝達機構とを一体的にまとめた、比較的大型のユニットである。このため、単に該補助トルク機構の配置を変更するだけでは、該スペースに収まらない。

特開２０１０−０８３３２７号公報

本発明は、電動パワーステアリング装置を大型化することなく、該電動パワーステアリング装置の操舵フィーリングを、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に係る発明によれば、ステアリングホイールに連結されるコラムシャフトと、該コラムシャフトに自在継手及び中間軸を介して連結されるピニオン軸と、該ピニオン軸にラックアンドピニオン機構を介して連結されるラック軸と、前記ステアリングホイールに生じた操舵トルクに補助トルクを付加する補助トルク機構とを含む、電動パワーステアリング装置において、
前記補助トルク機構は、前記ステアリングホイールに生じた前記操舵トルクを検出するトルクセンサと、該トルクセンサにより検出された前記操舵トルクに基づき前記補助トルクを発生する電動モータと、該電動モータが発生した前記補助トルクを前記ラック軸と前記ピニオン軸のいずれか一方に伝達する補助トルク伝達機構とを含み、前記コラムシャフトは、軸方向へ伸縮可能な伸縮機構を有することで、軸方向へ伸縮可能な構成であり、前記トルクセンサは、前記コラムシャフトのなかの、前記伸縮機構よりも前記ステアリングホイール寄りに位置するとともに、前記コラムシャフトを回転可能に支持するためのステアリングコラムに配置されていることを特徴とする電動パワーステアリング装置が提供される。

請求項１に係る発明では、補助トルク機構のなかのトルクセンサを、他の部分から分離している。このため、コラムシャフトの周囲からステアリングロック装置を廃止した場合に、廃止したことによって空いたスペースに、該トルクセンサを配置することができる。該スペースを有効活用することができるので、その分、ステアリングコラムの全長を短縮することができる。

該トルクセンサは、コラムシャフトのなかの、伸縮機構よりもステアリングホイール寄りに位置するとともに、該コラムシャフトを回転可能に支持するためのステアリングコラムに配置されている。このため、該トルクセンサは該伸縮機構の影響、例えば、該ステアリングホイールからピニオン軸へ伝わる操舵トルクの伝達遅れ（トルク伝達の応答性）の影響を受けない。この結果、該トルクセンサによって該操舵トルクを検出する検出精度を、高めることができる。しかも、ステアリングホイールに生じた該操舵トルクを、該トルクセンサによって時間遅れなく検出する、つまり検出応答性を高めることができる。

一方、該補助トルク機構の電動モータが発生した補助トルクは、ラック軸とピニオン軸のいずれか一方に伝達される。つまり、該電動モータが発生する補助トルクは、ステアリングホイールから操舵車輪に至るステアリング系のなかの、左右の操舵車輪の近くに付加される。

このように、該トルクセンサによる操舵トルクの検出精度及び検出応答性が高まるとともに、該補助トルク機構からステアリング系への補助トルクの伝達応答性が高まる。この結果、ステアリングホイールに生じた該操舵トルクの変化に追従した、正確な該補助トルクを、該補助トルク機構から該ステアリング系へ迅速に付加して、運転者による操舵トルクをきめ細かく補助することができる。

従って、電動パワーステアリング装置の補助トルク伝達応答性を高めることができるので、操舵フィーリングを、より高めることができる。しかも、補助トルク機構のなかのトルクセンサを、他の部分から分離した構成であるから、電動パワーステアリング装置が大型化になることはない。

本発明の実施例１に係る電動パワーステアリング装置の模式図である。 図１に示されるコラムシャフト及びステアリングコラム周りを軸線方向に断面した断面図である。 図２に示されるコラムシャフト及びトルクセンサ周りを軸線方向に断面した断面図である。 本発明の実施例２に係る電動パワーステアリング装置の模式図である。

本発明を実施するための形態を添付図に基づいて以下に説明する。

実施例１に係る電動パワーステアリング装置について図面に基づき説明する。

図１に示されるように、実施例１の電動パワーステアリング装置１０は、自動車等の車両に搭載され、電動モータ６３が発生した補助トルクを操舵トルクに付加することによって、運転者の負担を軽減するものである。以下、該電動パワーステアリング装置１０のことを「ステアリング装置１０」と略称する。

該ステアリング装置１０は、ステアリングホイール２１に連結されるコラムシャフト２２と、該コラムシャフト２２に自在継手２３，２４及び中間軸２５を介して連結されるピニオン軸２６と、該ピニオン軸２６にラックアンドピニオン機構２７を介して連結されるラック軸２８と、ステアリングホイール２１に生じた操舵トルクに補助トルクを付加する補助トルク機構６０とを含む。

以下、該ステアリング装置１０について、より詳しく説明する。該ステアリング装置１０は、ステアリング系２０と補助トルク機構６０とから成る。以下、該ピニオン軸２６のことを「第１ピニオン軸２６」と言い換え、該ラックアンドピニオン機構２７のことを「第１ラックアンドピニオン機構２７」と言い換える。

該ステアリング系２０は、運転者によって操舵されるステアリングホイール２１から操舵車輪３３，３３（例えば前輪）に至る系統である。詳しく述べると、該ステアリング系２０は、該ステアリングホイール２１にコラムシャフト２２と２つの自在継手２３，２４と中間軸２５とを介して、第１ピニオン軸２６を連結し、該第１ピニオン軸２６に第１ラックアンドピニオン機構２７を介してラック軸２８を連結し、該ラック軸２８の両端に左右のタイロッド３１，３１及び左右のナックル３２，３２を介して左右の操舵車輪３３，３３を連結したものである。

該コラムシャフト２２は、ステアリングシャフトとも言われており、該ステアリングホイール２１に連結されるとともに、ステアリングコラム４１に収納され且つ回転可能に支持されている。該ステアリングコラム４１は、車体４２にステアリングハンガ４３によって取り付けられている。該ステアリングハンガ４３は、車体４２の前部において車幅方向に延び、両端が該車体４２に取り付けられている。この結果、該ステアリングコラム４１は、車体４２に固定される。

図１及び図２に示されるように、該コラムシャフト２２は、軸方向へ伸縮可能な伸縮機構２２ｃを有することで、軸方向へ伸縮可能な構成である。つまり、該コラムシャフト２２は、伸縮機構２２ｃを有することで、テレスコピック形式の構成とすることができる。

詳しく述べると、該コラムシャフト２２は、該ステアリングホイール２１に連結される第１コラムシャフト２２ａと、第１の自在継手２３を介して中間軸２５に連結される第２コラムシャフト２２ｂと、該第１コラムシャフト２２ａに対して該第２コラムシャフト２２ｂを軸方向へ伸縮可能に連結する該伸縮機構２２ｃとから成る。

該第１コラムシャフト２２ａは、第１軸５１とトーションバー５２と第２軸５３とから成る。該第１軸５１の一端部は、該ステアリングホイール２１に連結されている。該第１軸５１の他端部は、該トーションバー５２を介して第２軸５３の一端部に連結されている。該第２軸５３の他端部は、該伸縮機構２２ｃによって該第２コラムシャフト２２ｂに連結されている。なお、該第１コラムシャフト２２ａは、該第１軸５１と該トーションバー５２と該第２軸５３との組み合わせ構造に限定されるものではなく、１軸によって構成してもよい。

該伸縮機構２２ｃは、例えばスプライン嵌合の構成である。つまり、該伸縮機構２２ｃは、該第１コラムシャフト２２ａと該第２コラムシャフト２２ｂの、いずれか一方に形成された雌スプライン５４と他方に形成された雄スプライン５５とから成る。両スプライン５４，５５を互いに嵌合することによって、互いに軸方向へのスライド可能且つ互いにトルク伝達可能に組み合わされる。

該第１軸５１の一端部は、ステアリングコラム４１に軸受５６によって支持されている。該第１軸５１の他端部は、該第２軸５３の一端部に嵌め込まれている。該第１軸５１と該第２軸５３との間には、軸受５７が介在している。この結果、該第１軸５１と該第２軸５３とは相対回転が可能である。該第２軸５３の他端部は、ステアリングコラム４１に軸受５８によって支持されている。

図１に示されるように、該中間軸２５は、コラムシャフト２２に該第１ピニオン軸２６を連結するものである。該中間軸２５の両端には、該自在継手２３，２４が連結されている。

該第１ラックアンドピニオン機構２７は、該第１ピニオン軸２６に設けられた第１ピニオン２７ａと、該ラック軸２８に設けられた第１ラック２７ｂとから成る。該ステアリング系２０のなかの、少なくとも該第１ピニオン軸２６と該第１ラックアンドピニオン機構２７と該ラック軸２８とは、車幅方向に細長いハウジング５１に収納されている。該ラック軸２８は、該ハウジング５１内にスライド可能に支持されている。

該ステアリング系２０によれば、運転者が該ステアリングホイール２１を操舵することにより、該操舵トルクにより該第１ラックアンドピニオン機構２７及び該左右のタイロッド３１，３１を介して、該左右の操舵車輪３３，３３を操舵することができる。

該補助トルク機構６０は、該トルクセンサ６１により検出された操舵トルクに基づき補助トルクを発生して、該ラック軸２８に付加する。該補助トルク機構６０は、トルクセンサ６１と、制御部６２と、該電動モータ６３と、補助トルク伝達機構６４とを含む。つまり、該補助トルク機構６０は、該電動モータ６３が発生した補助トルクを、該ラック軸２８に直接に伝達する方式を採用している。

詳しく述べると、該補助トルク機構６０は、該トルクセンサ６１のトルク検出信号に基づき制御部６２で制御信号を発生し、該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６３によって発生し、該電動モータ６３が発生した補助トルクを、該補助トルク伝達機構６４を介して第２ピニオン軸６５に伝達し、さらに該第２ピニオン軸６５から第２ラックアンドピニオン機構６６を介してラック軸２８に伝達するようにした機構である。

該第２ラックアンドピニオン機構６６は、第２ピニオン軸６５に設けられた第２ピニオン６６ａと、ラック軸２８に設けられた第２ラック６６ｂとから成る。

図２及び図３に示されるように、該トルクセンサ６１は、該コラムシャフト２２のなかの、該伸縮機構２２ｃよりもステアリングホイール２１寄り（図１参照）に位置、つまり該第１コラムシャフト２２ａの部分に位置するとともに、該コラムシャフト２２を回転可能に支持するためのステアリングコラム４１に配置されている。該トルクセンサ６１は、該コラムシャフト２２に加えられた該操舵トルクを検出し、トルク検出信号として出力する。

より具体的には、上述のように、該第１軸５１と該第２軸５３とは、該トーションバー５２を介して互いに連結されている。該第１軸５１と該第２軸５３との間には、該操舵トルクの大きさに従って、相対的な捩れ変位が発生する。該トルクセンサ６１は、該第１軸５１と該第２軸５３との相対的な捩れ変位量を検出することによって、該捩れ変位量に応じた該操舵トルクを検出することができる。

該トルクセンサ６１は、例えば特開２０１３−９２４６１号公報によって知られている。つまり、図３に示されるように、該トルクセンサ６１は、該第１軸５１の外周面に嵌合且つ固定された円筒状の磁石６１ａと、該磁石６１ａを囲うとともに軸方向に配置された一対の環状ヨーク６１ｂ，６１ｃと、該一対の環状ヨーク６１ｂ，６１ｃに発生した磁気を集磁リング６１ｄ，６１ｅによって導入される磁気検出部６１ｆとを主要な構成要素とする。

なお、該トルクセンサ６１は、該コラムシャフト２２に生じるトルクに応じて変化した磁気の変化を検出する、磁歪式トルクセンサの構成であってもよい。

図１に示されるように、該電動モータ６３は、該トルクセンサ６１により検出された操舵トルクに基づき補助トルクを発生する。

図１に示されるように、該補助トルク伝達機構６４は、該電動モータ６３が発生した補助トルクを該ラック軸２８に伝達する。該補助トルク伝達機構６４は、例えばウォームギヤ機構によって構成されている。以下、該補助トルク伝達機構６４のことを、適宜「ウォームギヤ機構６４」と言い換える。

該ウォームギヤ機構６４は、電動モータ６３のモータ軸６３ａに軸継手８１によって連結されたウォーム軸８２と、該ウォーム軸８２に設けられたウォーム８３と、該ウォーム８３に噛み合うウォームホイール８４とから成る。該ウォームホイール８４は、第２ピニオン軸６５に設けられている。

補助トルク機構６０は、該ハウジング５１に配置されている。つまり、該電動モータ６３及び該ウォームギヤ機構６４は、該ハウジング５１に配置されている。より具体的には、補助トルク機構６０のなかの、電動モータ６３はハウジング５１に組み付けられ、ウォームギヤ機構６４はハウジング５１に収納されている。

乗員がステアリングホイール２１を操舵すると、ステアリングホイール２１と共にコラムシャフト２２が回転する。回転することにより、コラムシャフト２２には、操舵トルクが発生する。この操舵トルクをトルクセンサ６１によって検出する。検出された操舵トルクに基づいて、制御部６２は電動モータ６３を作動させる。電動モータ６３が作動することにより、補助トルクがウォームギヤ機構６４と第２ピニオン軸６５と第２ラックアンドピニオン機構６６とを介して、ラック軸２８に伝達される。

該ステアリング装置１０によれば、運転者の操舵トルクに電動モータ６３の補助トルクを加えた複合トルクにより、ラック軸２８によって操舵車輪３３，３３を操舵することができる。

なお、本発明では、該補助トルク機構６０は、該電動モータ６３が発生した補助トルクを、ウォームギヤ機構６４から第２ピニオン軸６５を介して、該ラック軸２８に伝達する構成に限定されるものではない。つまり、該補助トルク機構６０は、該電動モータ６３が発生した補助トルクをラック軸２８とピニオン軸２６のいずれか一方に伝達するものであればよい。例えば、該補助トルク機構６０は、ウォームギヤ機構６４を「ボールねじ」に変更し、該ボールねじによって補助トルクをラック軸２８に直接に伝達する構成にすることが可能である。

また、該補助トルク機構６０は、図４に示される実施例２のように、該補助トルクをウォームギヤ機構６４によって第１ピニオン軸２６（ピニオン軸２６）に直接に伝達する構成にすることが可能である。

実施例２の電動パワーステアリング装置について、図４に基づき説明する。図４は、図１に対応して表されている。実施例２の電動パワーステアリング装置１０Ａは、図１に示される該補助トルク機構６０を、図４に示される補助トルク機構６０Ａに変更した他には、実施例の電動パワーステアリング装置１０と同じ構成であり、同一符号を付し、説明を省略する。

具体的には、実施例２の補助トルク機構６０Ａのウォームホイール８４は、第１ピニオン軸２６に設けられている。このため、図１に示された第２ピニオン軸６５及び第２ラックアンドピニオン機構６６は不要である。実施例２は、実施例１と同様の効果を発揮する。

実施例１及び２の説明をまとめると、次の通りである。図１及び図４に示されるように、補助トルク機構６０，６０Ａのなかのトルクセンサ６１は、他の部分６３，６４（電動モータ６３及び補助トルク伝達機構６４）から分離されている。このため、コラムシャフト２２の周囲からステアリングロック装置（図示せず）を廃止した場合に、廃止したことによって空いたスペースに、該トルクセンサ６１を配置することができる。該スペースを有効活用することができるので、その分、ステアリングコラム４１の全長を短縮することができる。

該トルクセンサ６１は、コラムシャフト２２のなかの、伸縮機構２２ｃよりもステアリングホイール２１寄りに位置するとともに、該コラムシャフト２２を回転可能に支持するためのステアリングコラム４１に配置されている。このため、該トルクセンサ６１は該伸縮機構２２ｃの影響、例えば、該ステアリングホイール２１から第１ピニオン軸２６（ピニオン軸２６）へ伝わる操舵トルクの伝達遅れ（トルク伝達の応答性）の影響を受けない。この結果、該トルクセンサ６１によって該操舵トルクを検出する検出精度を、高めることができる。しかも、ステアリングホイール２１に生じた該操舵トルクを、該トルクセンサ６１によって時間遅れなく検出する、つまり検出応答性を高めることができる。

一方、該補助トルク機構６０，６０Ａの電動モータ６３が発生した補助トルクは、ラック軸２８と第１ピニオン軸２６（ピニオン軸２６）のいずれか一方に伝達される。つまり、該電動モータ６３が発生する補助トルクは、ステアリングホイール２１から操舵車輪３３，３３に至るステアリング系２０のなかの、左右の操舵車輪３３，３３の近くに付加される。

このように、該トルクセンサ６１による操舵トルクの検出精度及び検出応答性が高まるとともに、該補助トルク機構６０，６０Ａから該ステアリング系２０への補助トルクの伝達応答性が高まる。この結果、ステアリングホイール２１に生じた該操舵トルクの変化に追従した、正確な該補助トルクを、該補助トルク機構６０，６０Ａから該ステアリング系２０へ迅速に付加して、運転者による操舵トルクをきめ細かく補助することができる。

従って、電動パワーステアリング装置１０，１０Ａの補助トルク伝達応答性を高めることができるので、操舵フィーリングを、より高めることができる。しかも、補助トルク機構６０，６０Ａのなかのトルクセンサ６１を、他の部分６３，６４（電動モータ６３及び補助トルク伝達機構６４）から分離した構成であるから、電動パワーステアリング装置１０，１０Ａが大型化になることはない。

本発明の電動パワーステアリング装置１０，１０Ａは、乗用車に採用するのに好適である。

１０ 電動パワーステアリング装置
１０Ａ 電動パワーステアリング装置
２０ ステアリング系
２１ ステアリングホイール
２２ コラムシャフト
２２ｃ 伸縮機構
２３ 自在継手
２４ 自在継手
２５ 中間軸
２６ ピニオン軸（第１ピニオン軸）
２７ ラックアンドピニオン機構（第１ラックアンドピニオン機構）
２８ ラック軸
４１ ステアリングコラム
６０ 補助トルク機構
６０Ａ 補助トルク機構
６１ トルクセンサ
６３ 電動モータ
６４ 補助トルク伝達機構

Claims (1)

1. ステアリングホイールに連結されるコラムシャフトと、該コラムシャフトに自在継手及び中間軸を介して連結されるピニオン軸と、該ピニオン軸にラックアンドピニオン機構を介して連結されるラック軸と、前記ステアリングホイールに生じた操舵トルクに補助トルクを付加する補助トルク機構とを含む、電動パワーステアリング装置において、
   前記補助トルク機構は、前記ステアリングホイールに生じた前記操舵トルクを検出するトルクセンサと、該トルクセンサにより検出された前記操舵トルクに基づき前記補助トルクを発生する電動モータと、該電動モータが発生した前記補助トルクを前記ラック軸と前記ピニオン軸のいずれか一方に伝達する補助トルク伝達機構とを含み、
   前記コラムシャフトは、軸方向へ伸縮可能な伸縮機構を有することで、軸方向へ伸縮可能な構成であり、
   前記トルクセンサは、前記コラムシャフトのなかの、前記伸縮機構よりも前記ステアリングホイール寄りに位置するとともに、前記コラムシャフトを回転可能に支持するためのステアリングコラムに配置されていることを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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