JPH03178865A - パワーアシストステアリング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、自動車等の車両の操舵補助力を電気的に制
御するパワーアシストステアリング装置に関し、特に小
形軽量化によりコストダウンを実現すると共に信頼性を
向上させたパワーアシストステアリング装置に関するも
のである。

「従来の技術］ 従来より、車両の操舵力を補助するパワーアシストステ
アリング装置としては、エンジンによって駆動される油
圧ポンプと、油の流入方向及び流入圧力を制御する制御
バルブと、油圧によって補助力（パワーアシスト力）を
発生するパワーシリンダとを用いたものが良く知られて
いる。

この種の装置の操舵補助力調整手段としては、例えば、
「トヨタクラウン新型車解説書（１９８７−９）Ｊに参
照されるように、パワーシリンダの内油圧室間にバイパ
スバルブを設け、電子制御装置により車両速度等の情報
に基づいてバイパスバルブの開度を変化させ、パワーシ
リンダの内油圧室間の圧力差を可変としたものや、「日
産月報（昭和５８年、第１９号）Ｊの第７２頁〜第８２
頁に参照されるように、油圧ポンプの出口とリザーバタ
ンクとの間にバイパスバルブを設け、上述と同様にリザ
ーバタンクの開度を変化させて油の流量を可変としたも
のなどが公知である。

しかしながら、このような油圧パワーアシストステアリ
ング装置は、ステアリングトルクに対してパワーアシス
ト量を調整できるようにバイパスバルブ等の付加部品を
必要とするうえ、各部品に油圧制御用の複雑な流路を加
工し、且つ、回転部に油封止構造を施さなければならな
いので、小形軽量化及びコストダウンを実現することが
できない。

又、補助力を発生する手段として、−殻内な回転モータ
形の電磁アクチュエータを用いると、回転運動をラック
駆動用の直線運動に′Ｒｍする必要があり、やはり小形
軽量化を実現することはできない。

一方、油封止構造として、回転部にシールリングを設け
ると、シールリングの摺動抵抗によりステアリング特性
にズ・１し非線形な弾性特性を生にる、又、ステアリン
グトルク検出用のトルクセンサとして、公知の歪ゲージ
式のものやポテンショメータによる回転角度検出式のも
のを用いると、検出感度を高くする／ごめにトーション
バー等のバ本要素が必要となり、これによりステアリン
グシャフト（２）の剛性が低下してしまう。従−）で、
高性能化を実現することはできない。

［発明が解決しようとする課題］ 従来のパワーアシストステアリング装置は以上のように
、油圧によるパワーシリンダを用いているので、各種制
御バルブ等に複雑な油の流路や封止構造を確立しなけれ
ばならず、厳しい加工精度が要求されるうえ組立工数が
多くなり、コストア・ツブにつながるという問題点があ
った。又、機械的に補助力を伝達制御しているた♂ｉ、
ｉＫｍ性が４−分に得られないという問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、小形軽量化及び高性能化を実現したパワーア
シストステアリング装置を得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係るパワーアシストステアリング装置は、補
助力を発生するためのリニアモータと、ステアリングシ
ャフトに設けられ、ステアリングトルクを検出するトル
クセンサと、ステアリングトルクに基づいて推力指令値
を算出する演算制御部と、推力指令値に応じてリニアモ
ータに対する供給電流を決定する電流制御部とを備えた
ものである。

［作用］ この発明においては、油圧に関連する構成を一掃し、演
算制御部が、トルクセンサにより検出されたステアリン
グトルクに基づいて推力指令値を生成し、電流制御部が
、推力指令値に応じた供給′を流に変換し、リニアモー
タが、操舵機構に連結されたラックに対して、推力指令
値に応じた可変の補助力を発生する。

し実施例］ 以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図はこの発明の一実施例を示す構成図である。

図において、（１）は運転者により操作されるハンドル
即ちステアリングホイール、（２）はステアリングホイ
ール（１）に一端が固定されたステアリングシャフト、
（３）はステアリングホイール（２）の他端に固定され
たピニオンギヤである。

（４〉はピニオンギヤ（３）と噛み合うラックであり、
ピニオンギヤ（３）と共にステアリングトルク・！クス
（５）に収納されて互いに位置関係が保持されている。

ステアリングギヤボックス（５）は、車体（図示せず）
に保持されており、ステアリングシャフト（２）のトル
ク及び回転角を推力Ｉｓとして操舵機１１１（６）に伝
達するようになっている。

操舵機構（６）は、ラック（４）によって軸方向に駆動
されるタイロッド（７）と、タイロッド（７）に連結さ
れて直線運動を回転運動に変換するナックルアーム（８
）とから構成されている。ナックルアー１．（８）は、
軸（９）を中心として回転するようになっている。　（
１０）はナックルアーム（８）の一端に連結されて方向
変換されるタイヤである。

（１１）はステアリングギヤボックス（５〉に並列に設
けられたリニアモータであり、ラック（４〉に対して補
助力「ａを発生するようになっている。（１２）はステ
アリングシャフト（２）に設けられたトルクセンサであ
り、ステアリングトルクＴを検出するようになっている
。

（１３）は車両速度■を検出する車両速度検出部、〈１
４）はステアリングトルクＴ及び車両速度Ｖに基づいて
推力指令値ｒａｆを算出する演算制御部、（１５）は自
動車駆動用のエンジン、〈１６）はエンジン（１５）の
回転軸に連結された発電機、（１７〉は発電機（１６〉
により充電される電流源としてのバッテリである。

（１８〉は推力指令値ｆａ”に応じてリニアモータ（１
１）に対する供給電流ｉの方向及び大きさを決定する電
流制御部であり、公知の可逆トランジスタブリッジ回路
等から構成されている。

第２図は第１図内のリニアモータ（１１）をボイスコイ
ル形で構成した場合の具体例を示す断面図である。

図において、（２０）はヨークに相当する中心軸であり
、一端がラック（４〉に固定されている。〈２１〉は中
心軸（２０〉の外周に固定された永久磁石であり、径方
向に着磁されて閉ループの磁束φを発生ずるようになっ
ている。

（２２）はステアリングギヤボックス（５）に固定され
た外側ヨークであり、軸受（２３〉を介して中心軸（２
０）に設けられ、中心軸（２０）対して摺動可能となっ
ている。（２４）は外側ヨーク（２２）の内周に設けら
れたソレノイド形のコイルであり、磁束φが鎖交するよ
うになっている。　（２５）はリニアモータ（１１）の
端部に設けられたシール部材であり、リニアモータ（１
１〉内への水やほこりの侵入を防いでいる。尚、外側ヨ
ーク（２２〉及びコイル（２４）の軸方向の長さは、所
要ストロークに応じて設定されている。

第３図は第１図内のトルクセンサ（１２）の具体例を示
す構成図である。

図において、（３０）はステアリングシャフト（２）を
回転Ｑ在に支持するための軸受である。（３１）及び〈
３２〉はステアリングシャフト（２）の外周面に配設さ
れた磁性層であり、それぞれ正の磁歪定数を有し、ステ
アリングシャフト（２〉の軸方向に対して正負の所定角
度を持って複数個ずつ整列されている。

（３３〉及び（３４〉は各磁性Ｉ’ｌｌ　（３１）及び
り３２）に対して空隙を持って対向するように巻かれた
検出コイル、（３５）及び（３６）は各検出コイル（３
３）及び（３４）の外周に配設された高透磁率材料から
なるヨーク、（３７〉及び（３８）は各ヨーク（３５）
及び（３６〉の外周に配設された非磁性且つ高電導率材
料からなるシールド板である。（３９）は検出コイル（
３３〉及び（３４）、ヨーク（３５）及び（３６）、並
びに、シー・ルド板（３７）及びり３８）を一体に支持
する円筒状のコイルボビンであり、軸受（３０）に固定
され、ステアリングシャフト〈２）に対して回転自在と
なっている。

（４０）は各検出コイル（３１）及び（３２）に接続さ
れたインダクタンス差検出回路であり、各検出コイル（
３１〉及び（３２〉のインダクタンスＬ　、及びり、の
差をとってステアリングトルクＴに相当した信号を出力
するようになっている。

次に、推力指令値ｆａ”とステアリングトルクＴとの関
係を示す第４図の特性図を参照しながら、第１１１・〜
第３図に示したこの発明の一実施例の動作について説明
する。

運転者がステアリングホイール（１）を回転操作すると
、この操舵トルクは、ステアリングシャツ１〜（２）を
介してピニオンギヤ（３）を回転させ、ステアリングギ
ヤボックス（５）内のラック（４）を推力ｆｓで移動さ
せる。これにより、タイロッド（７〉が延長方向に移動
し、ナックルアーム（８〉は、軸（９）を中心に回転し
てタイヤ（１０）を所望の方向に操向させる、 又、これと同時に、トルクセンサ（１２）は、以下のよ
うにステアリングシャフト（２）に作用するステアリン
グトルクＴを検出する。まず、ステアリングシャフト（
２）に操舵トルク（第３図の矢印参照）が作用すると、
ステアリングシャフト（２）の表面には力学的に歪みが
生じる。この歪みは、ステアリングシャフト（２）の軸
方向に対して正の角度を持って配設された磁性層（３１
〉に対しては引っ張り歪みとなり、負の角度を持って配
設された磁性１’Ｗ　（３２）に対しては圧縮歪みとな
る。

一般に、正の磁歪定数を有する磁性材料においては、引
っ張り歪みが作用すると透磁率が上昇し、逆に、圧縮歪
みが作用すると透磁率が低下する。

従って、ステアリングシャフト（２〉に作用するトルク
により、磁性層（３１）の透磁率は上昇し、磁性＋１（
３２）の透磁率は低下する。この結果、検出コイル（３
３）の自己インダクタンスし、は上昇し、検出コイル（
３４）の自己インダクタンスし、は低下する。

インダクタンス差検出回路（４０〉は、各検出コイル（
３１）及び（３２）に電流を供給してインダクタンス検
出用の磁界を発生させ、それぞれの自己インダクタンス
Ｌ１及びＬ２に基づいてインダクタンス差（Ｌ＋　　Ｌ
２）を検出する。このインダクタンス差は、ステアリン
グシャフト（２）に印加されたトルクに比例しているた
め、ステアリングトルクＴに相当した信号として出力さ
れる。

このとき、ヨーク〈３５）及び（３６）は、検出コイル
〈３３）及び（３４）から発生する検出磁界の通路を形
成し、磁束発生効率の向上及びトルクセンサ（１２）の
小形化に寄与している。又、シールド板（３７〉及び（
３８〉は、各ヨーク（３５）及び（３６）からの微小な
磁束漏れを表皮効果により閉じ込めることにより、発生
磁束の外部への漏れを防止して耐外乱性を向上している
。更に、このような電気式のトルクセンサ（１２）によ
れば、ステアリングシャフト（２）と外部とを接続する
スリップリングが不要となり、且つ検出感度が高いため
ステアリングシャフト（２）の剛性が確保され、信頼性
及び組立性を向上させることができる。

尚、磁性層（３１）及び（３２）は、磁歪特性を有する
ものであればよいが、安定した特性を得るために適度な
透磁率及び磁歪定数を有し、製造上の点から入手及び設
置が容易なものが望ましい。例えば、Ｆｅ−Ｎｉ系のア
モルファス合金、又は、５０９ｇパーマロイ等の磁性材
料を用いて、接着剤を介してステアリングシャフト（２
）に固着することにより、ｓｘ　１０’［Ｇａｕｓｓ／
○ｅ］以上の高い透磁率、並びに、１２Ｘ　１０−’程
度の高い磁歪定数が得られる。このような磁性、ＩＩ　
（３＋）及び（３２〉により、インダクタンス検出用の
磁束の磁性層通過率が大きくなり、ステアリングシャフ
ト（２）の表面歪みに対する透磁率変化の程度も大きく
なる。従って、バネ要素を設けなくてもステアリングト
ルクＴの検出感度が十分に得られるので５ステアリング
シヤフト〈２〉の剛性が確保されて操舵性が向上する。

演算制御部（１４）は、トルクセンサ（１２〉からのス
テアリングトルクＴ及び車両速度検出部（１３〉からの
車両速度Ｖを一定のシーケンスに基づいて処理し、操舵
補助力ｆａの大きさ及び方向を示す推力指令値ｆａｔを
算出する。

続いて、電流制御部（１８）は、推力指令値ｆａ”に従
ってリニアモータ（１１）に対する供給電流ｉの大きさ
及び方向を決定する。これにより、リニアモータ（１１
）は、ラック（４）に対して推力指令値ｆａ”に応じた
補助力ｆａを与え、ピニオンギヤ（３）のみによる推力
「Ｓに補助力「ａを加算した推力Ｆでタイヤ（１０）を
操向させる。

ここで、ピニオンギヤ（３）の半径を ｒとすると、 ピニオンギヤ（３）によってラック（４）に発生する推
力ｆｓは、 ｆｓ＝Ｔ／ｒ　　　　　　　　　　・・・■で表わされ
る。一方、演算制御部（１４）で生成さ・れる推力指令
値ＦＸは、ステアリングトルクＴに対して、例えば第４
図のように変化する一次関数で与えられ、 ｆａ寡−α（Ｖ）・Ｔ　　　　　　・・・■で表わされ
る。但し、α（Ｖ）は車両速度Ｖに応じて変化する傾き
関数であり、車両速度Ｖが大きくなるほど傾きα（Ｖ）
は小さくなり、推力指令値Ｆ０が抑制されるようになっ
ている。ここでは、傾き関数α（Ｖ）をステアリングト
ルクＴに対して一定に設定し、■式を一次関数としたが
、ステアリングトルクＴに対して非線形特性を示すよう
に設定してもよい。又、ステアリングトルクＴの絶対値
が小さい範囲内では、運転者の操作のみで十分なため、
推力指令値ｆａ”を出力しないように不感帯を設定して
もよい。

電流制御部（１８）は、推力指令値ｆａ”に追従して補
助力ｆａを発生するための供給電流ｉを出力する。

リニアモータ（１１）内のコイル（２４〉が通電される
と、供給電流ｉが永久磁石（２１）からの磁束φと鎖交
するため、フレミングの左手の法則により、磁束φと供
給電流ｉとの間に力が発生する。このとき、コイル（２
４〉がハウジング即ちステアリングギヤボックス（５〉
に固定されているため、永久磁石（２１）が力を受け、
ラック（４〉を移動させようとする推力が補助力ｆａと
なって発生する。

この結果、最終的に得られるラック（４）の推力Ｆは、
０式及び■式より、 Ｆ＝ｆｓ＋ｆａ ＝　ｆ　ｓ＋　ｆ　ａ寥 ＝　Ｔ　／　ｒ＋α（Ｖ）・Ｔ ＝　Ｉ、　１　／　ｒ＋α（Ｖ　）］Ｔ　　　　・・■
となる。■式より、成る推力Ｆを得るために必要なステ
アリングトルクＴは、 Ｔ　　＝　　Ｆ　　／　［１／　ｒ＋　α　（Ｖ　）］
　　　　　　　　・・■で表わされる。

■式から、ステアリングトルク′）゛は、傾き関数α（
Ｖ）によって変ずヒし、α（Ｖ）を大きく設定すると軽
減され、逆に小さく設定すると増大することが分かる。

従って、ステアリングトルクＴの変動が大きく、運転者
の操舵トルク負担が大きい場合には、α（Ｖ）を大きく
設定して推力指令値ｆａ”を増大させ、逆に運転者の操
舵トルク負担が小さくてすむ場合には、α（Ｖ）を小さ
い設定して推力指令値ｆａ’を抑制すればよい。

このように、演算制御部（１４）にｉ３いて傾き関数α
（Ｖ）を任意に設定することにより、推力指令値ｆａ’
をステアリングトルクＴに応じ、て自由に変化させるこ
とができ、極めて可変性に優れたパワーアシストステア
リング装置が得られる。

又、リニアモータ（１１〉によって電気的に補助力「ａ
を発生ずるようにしたので、油圧変換による変換ロス等
がなくなり、２メインテナンス性も向上する。

尚、」：記実施渕では、リニアモータ（１１）を第２図
に示すようなボイスコイル形で構成したが、誘導モータ
などのｆ也のリニアモータで構成してもよい。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、補助力発生用のリニア
モータと、ステアリングトルクを検出するトルクセンサ
と、ステアリングトルクに基づいて推力指令値を算出す
る演算制御部と、推力指令値に応じてリニアモータに対
する供給電流を決定する￥１流制御部とを設け、油圧に
関連する構成を一掃し、リニアモータにより、タイヤ操
向用の操舵ｉ楕に連結されたラックに可変補助力を与え
るようにしたので、小形軽量化及び高性能化を実現した
パワーアシスト・ステアリング装置が得られる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明によるパワーアシストステアリング装
置の一実施例を示す構成図、第２図は第１図内のリニア
モータの具体例を示す断面図、第３図は第１図内のトル
クセンサの具体例を示す構成図、第４図は推力指令値と
ステアリングトルクとの関係を示す特性図である。 （２〉・・・ステアリングシャフト （３〉・・・ピニオンギヤ　　（４）・・・ラック（６
〉・・・操舵機構　　　　（１１）・・・リニアモータ
（１２〉・・・トルクセンサ　　（１４）・・・演算制
御部〈１８〉・・・電流制御部　　　ｆａ・・・補助力
Ｔ・・・ステアリングトルク ｆａ”・・・推力指令値　　　ｉ・・・供給電流尚、図
中、同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 運転者により操作されるステアリングシャフトと、 このステアリングシャフトの一端に設けられたピニオン
   ギヤと、 このピニオンギヤに噛み合い操舵機構を駆動するための
   ラックと、 このラックに対して補助力を発生するリニアモータと、 前記ステアリングシャフトのステアリングトルクを検出
   するトルクセンサと、 前記ステアリングトルクに基づいて推力指令値を算出す
   る演算制御部と、 前記推力指令値に応じて前記リニアモータに対する供給
   電流を決定する電流制御部と を備えたパワーアシストステアリング装置。