JP4451631B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車や車両の操舵系に電動モータによる操舵補助力を付与するようにした電動パワーステアリング装置に関し、特にステアリングシャフトの回転角（操舵角）を検出するための角度検出器の改良に関する。

車両には、通常、運転時に操舵力を補助することによって操舵者の負担を軽減するために電動パワーステアリング装置が搭載される。この電動パワーステアリング装置は、電動モータの回転力を減速機を介して、ステアリングシャフトの操舵補助をするようになっている。

近年、自動車には、車両の状態に応じて各車輪に作用するブレーキ力などを個別に制御して、アンダーステアやオーバーステアによるスピンを回避するスタビリティコントロール装置が搭載されるようになってきている。また、車両情報から自動的に車庫入れを行う技術なども研究されている。これらを実行するためには、操舵角を検出する舵角検出手段が必要とされ、電動パワーステアリング装置に角度検出器が取り付けられるようになってきている。

この種の角度検出器としては、例えば、磁気式、光学式のインクリメンタル式エンコーダ等が用いられる。これらのエンコーダは、起動時の角度が原点となっていて、起動直後について、原点からの相対角を検出するようになっている。

また、３６０°の範囲を検出できるアブソリュート式の角度検出器として、例えば特許文献１に開示されている。同文献１では、図８に示すように、角度検出器は、ステアリングシャフト１０１に取り付けられた第１の歯車１０２と、永久磁石１０３に取り付けられた第２の歯車１０４とを備え、減速歯車１０５を介して、ステアリングホイールの回転を永久磁石１０３に伝達可能に係合している。また、第１の歯車１０２と減速歯車１０５との歯数比、および第２の歯車１０４と減速歯車１０５との歯数比から、車輪のステアリングホイールの回転範囲で、永久磁石１０３がちょうど３６０°回転する構成になっている。そして、演算処理部１０７に接続されたＭＲ素子１０６は、図９に示すように、互いに異なる角度で配された電磁コイル１０８、１０９を有し、永久磁石１０３の磁束と電磁コイル１０８、１０９の発生する磁界による磁束とを重畳した磁束方向変化波形に基づいて、ＭＲ素子１０６と永久磁石１０３の組み合わせで、ステアリングホイールの絶対回転角度情報を生成するようになっている。

２００２−３４０５１１号公報

ところが、上記従来のような角度検出器では、原点が起動時の角度になってしまうため、ステアリングホイールの中立位置からの絶対角を直ちに検出することができない。このため、しばらく走行しながら中立位置を推定することにより設定する必要があった。さらに、これらの角度検出器は、それ自体が高価であるため、製造コストが嵩んでしまうという問題があった。

また、特許文献１の角度検出器は、３６０°の範囲を絶対角で検出できるが、ステアリングの回転範囲は、通常、ロックｔｏロックで３回転前後のため、１回転目の出力値と２回転目の出力値との判別ができない。また、イグニッションがＯＦＦの状態でステアリングホイールが回動された場合、検出値の正誤判定ができない。

また、全域の絶対角を検出するためには、検出部である永久磁石１０３の回転量を１回転以下にする必要があり、ステアリングシャフト１０１と永久磁石１０３の間に減速歯車１０５が設けられるため、部品点数は増加し、コストも増加してしまうという問題があった。

さらに、上記従来の角度検出器の構成では、ステアリングシャフトの軸方向に角度検出器の設置スペースを必要とするため、衝突時のエネルギ吸収用のストロークが犠牲になってしまうという問題があった。

そこで本発明の目的は、減速機内のウォームホイールに回転型ポテンショメータを配することにより、ステアリングシャフトの軸方向のスペースを有効利用でき、ステアリングホイールのロックｔｏロックの全範囲に亘って、絶対角を正確に検出することができる角度検出器を低コストで提供することにある。

本発明の上記目的は、トルクセンサで検出された操舵トルクに基づいて、電動モータの回転力を減速機を介してステアリングシャフトを操舵補助するようにした電動パワーステアリング装置において、前記減速機内に回転型ポテンショメータを備え、該ポテンショメータの揺動アームの一部を前記減速機内のウォームホイール側面に設けられた渦巻き溝に係合させるとともに、前記ウォームホイールの回転に応じて前記揺動アームを揺動回転させるようにして、前記ステアリングシャフトの回転角を検出することにより、達成される。

また、上記目的は、前記ウォームホイールは、金属製の芯金部と、外周面にギアが形成された樹脂部とからなり、前記渦巻き溝は、前記樹脂部に設けられていることにより、効果的に達成される。

また、上記目的は、前記渦巻き溝は、前記樹脂部と同時に一体成形されることにより、効果的に達成される。

また、上記目的は、前記ウォームホイールは、金属製の芯金部と、外周面にギアが形成された樹脂部とからなり、前記渦巻き溝は、前記芯金部に設けられていることにより、効果的に達成される。

また、上記目的は、前記渦巻き溝は、前記芯金部と一体に設けられていることにより、効果的に達成される。

また、上記目的は、前記渦巻き溝は、前記ウォームホイールとは別体の被検出部材に設けられ、該被検出部材は、前記ウォームホイール側面に取り付けらていれることにより、効果的に達成される。

本発明の電動パワーステアリング装置によると、ステアリングホイールの操舵状態を検出する角度検出器を、揺動アームを有する回転型ポテンショメータで構成し、揺動アームの一部をウォームホイールの側面に設けられた渦巻き溝に係合させるとともに、ウォームホイールの回転に応じて揺動アームを揺動回転させるようにした。これにより、ステアリングホイールのロックｔｏロックの全範囲に亘って、電圧印加直後でも絶対角を正確に検出することができる。

また、この角度検出器は、ステアリングシャフトの軸方向に対して僅かなスペースで設けることができるため、電動パワーステアリング装置のエネルギ吸収のためのストロークを犠牲にすることなく、衝撃荷重に対しても安全性を良好に保つことができる。さらに、この角度検出器は、構造が複雑でなく、少ない部品点数で構成されているため、低コストで製造することができる。

以下、図面を参照にしながら、本発明の実施形態を説明する。

図1は、本発明の第1実施例に係る電動パワーステアリング装置の構成を示す要部断面図である。ステアリングホイールの操作に連動して回転するステアリングシャフト１は、トーションバー２を介して入力軸３と略円筒状の出力軸４が連結されている。このトーションバー２は、出力軸４内に挿通されていて、その一端が入力軸３に圧入固定され、他端がピン５によって出力軸４に固定される。

また、出力軸４の外周には、減速機ユニット６が一対の玉軸受７，７で支持されるとともに、該減速機ユニット６の先端側（図１上側）には、トルクセンサ８が配されている。このトルクセンサ８は、トーションバー２と、出力軸４の先端に形成されたスプライン溝９の外周に配され、コイル巻線１０を収納した電磁ヨーク１１とを備え、ステアリングシャフト１に生じるトルクに応じたトーションバー２の捩れに基づいて、磁気的な変化を電磁ヨーク１１内のコイル巻線１０で検出している。

さらに、減速機ユニット６は、金属製の芯金部１２ａと外周面にギアが形成された樹脂部１２ｂからなり、出力軸４の外周に圧入によって固定的に取り付けられたウォームホイール１２と、該ウォームホイール１２に噛合するウォーム１３と、該ウォーム１３を駆動軸１４に取り付けた電動モータ１５（図２）からなり、電動モータ１５の駆動により、ウォーム１３およびウォームホイール１２を介して、電動モータ１５の回転を減速して操舵補助力を伝達するようになっている。

また、図２は、図１のＸ−Ｘ線に沿った減速機ユニット６の断面図を示す。ステアリングホイール１２の回転角を検出するための回転型ポテンショメータ１６は、左右に揺動回転する揺動アーム１６ａを備え、該揺動アーム１６ａは、先端に係合ピン１６ｂを有し、該係合ピン１６ｂは、ウォームホイール１２側面に取り付けられた被検出部材１７の渦巻き溝１７aに嵌合している。この渦巻き溝１７aは、本実施例では、ステアリングホイールのロックｔｏロックの範囲に対応して、ステアリングホイール１の３回転分（±５４０°）を検出できるように設けられている。そして、ウォームホイール１２がＡ方向に回転すると、揺動アーム１６ａは、Ａ’方向に揺動回転し、ウォームホイール１２がＢ方向に回転すると、揺動アーム１６ａは、Ｂ’方向に揺動回転するようになっている。

また、ポテンショメータ１６内では、図３に示すように、揺動アーム１６ａの揺動回転に連動して、該揺動アーム１６ａに連結されている中央軸２０、および、中央軸２０に固定されている摺動子２１が回転するようになっている。そして、摺動子２１の先端は、円状に配された抵抗素子２２に摺動接触しながら移動し、その摺動接点の位置に応じた出力電圧ｖを出力するようになっている。また、ステアリングシャフト１の中立点（回転角０°）を設定するために、ステアリングシャフト１を中立位置に固定した状態で、係合ピン１６ｂを渦巻き溝１７ａの所定位置で係合し、ギアハウジング１８とポテンショメータ１６との位相を調整し、ポテンショメータ１６は、所定中立電圧ｖ_０を出力するように取り付けられる。すなわち、この所定中立電圧ｖ_０を出力する摺動接点２３が、中立点２３（ｖ＝ｖ_０）として設定される。

そして、摺動子２１がＡ’方向に移動するにつれて、出力電圧ｖは減少し、摺動子２１がＢ’方向に移動するにつれて、出力電圧ｖは増加するようになっていて、出力電圧ｖと揺動回転角θ’とは比例するようになっている。この摺動子２１および揺動アーム１６ａの揺動範囲は、係合ピン１６ｂが渦巻き溝１７ａの最内周に位置するθ_１’乃至最外周に位置するθ_２’である。

また、渦巻き溝１７ａは、揺動回転角θ’とステアリングシャフト１の回転角θが比例関係になるように設けられているので、図４に示すように、出力電圧ｖと回転角θとは比例する。そのため、従来のように、三角波形出力のために生じる複数個の同じ値を判別するための手段を設ける必要がない。その結果、出力電圧ｖと回転角θとの特性値を求めれば、ウォームホイールのロックｔｏロックの全範囲（θ_１乃至θ_２）に亘って、電圧印加直後でも、絶対角を正確に検出することができる。

尚、図５の回路構成図に示すように、回転型ポテンショメータ１６内の回路は、抵抗素子２２を２経路設け、メイン２４とサブ２５の２信号を出力するようにしてもよい。このメイン２４とサブ２５の出力特性が逆特性になるように構成し、絶対角検出の信頼性を向上させることができる。

また、上記第１実施例では、被検出部材１７を減速機ユニット６内に設けるとともに、ポテンショメータ１６を出力軸４の半径方向で軸受７より外側に設けた。そのため、従来のように、ステアリングシャフト１上に、角度検出器を取り付けるための専用スペースを設ける必要がない。その結果、エネルギ吸収機構のストロークをステアリングシャフト１の軸方向に長くとることができ、衝撃荷重に対するエネルギ吸収能力を犠牲にすることがない。さらに、従来の角度検出器よりも構造が簡単であり、部品点数が少ないので、検出精度の高い角度検出器を低コストで製造することができる。

上記第１実施例では、渦巻き溝１７ａを被検出部材１７に設け、該被検出部材１７をウォームホイール１２に取り付け、係合ピン１６ｂが渦巻き溝１７ａに嵌合するようにポテンショメータ１６が配されたが、被検出部材１７およびポテンショメータ１６の取り付け位置は限定されるものではなく、被検出部材１７がウォームホイール１２の回転に連動するようにウォームホイール１２側面に取り付けられるのであれば、ウォームホイール１２の軸芯寄り、あるいは外周寄りに配されてもよい。

また、図６に本発明の第２実施例を示し、第1実施例と同一の部材は同一の符号を付して、その説明を省略する。同図において、渦巻き溝１７ａは、ウォームホイール１２の樹脂部１２ｂに一体に設けられている。

従って、第２実施例では、上記第１実施例の作用および効果に加え、被検出部材１７を配さないことにより、部品点数を削減することができ、低コストで製造することができる。また、渦巻き溝１７ａは、ウォームホイール１２の製造過程で樹脂部１２ｂと同時に成形してもよく、これにより製造作業を短縮することができる。

また、図７に本発明の第３実施例を示し、第1実施例と同一の部材は同一の符号を付して、その説明を省略する。同図において、渦巻き溝１７ａは、ウォームホイール１２の芯金部１２ａに一体に設けられている。

従って、被検出部材１７を配さないことにより、第２実施例と同様の作用および効果を奏することができる。また、渦巻き溝１７ａは、ウォームホイール１２の製造過程で芯金部１２ａを冷間成形する際に同時に成形してもよいし、後加工で設けてもよい。

本発明の第1実施例に係る電動パワーステアリング装置の構成を示す要部断面図である。 図１のＸ−Ｘ線に沿った上記電動パワーステアリング装置の減速機ユニットの断面図である。 上記減速機ユニット内に設けられた回転型ポテンショメータの構成図である。 上記回転型ポテンショメータの出力電圧とステアリングシャフトの回転角との関係を示すグラフである。 抵抗素子が２経路設けられた回転型ポテンショメータの回路構成図である。 本発明の第２実施例に係る電動パワーステアリング装置の構成を示す要部断面図である。 本発明の第３実施例に係る電動パワーステアリング装置の構成を示す要部断面図である。 従来の角度検出器の概略構成図である。 従来の角度検出器の要部断面図である。

符号の説明

１ ステアリングシャフト
６ 減速機ユニット
８ トルクセンサ
１２ ウォームホイール
１２ａ 芯金部
１２ｂ 樹脂部
１５ 電動モータ
１６ 回転型ポテンショメータ
１６ａ 揺動アーム
１６ｂ 係合ピン
１７ 被検出部材
１７ａ 渦巻き溝

Claims (5)

1. トルクセンサで検出された操舵トルクに基づいて、電動モータの回転力を減速機を介してステアリングシャフトを操舵補助するようにした電動パワーステアリング装置において、
   前記減速機内のウォームホイール側面に設けられた渦巻き溝と、該渦巻き溝に揺動アームの一部を係合された回転型ポテンショメータとを備え、
   前記ウォームホイールが、金属製の芯金部と、外周面にギアが形成された樹脂部とからなるとともに、前記渦巻き溝が前記樹脂部に設けられ、
   前記ウォームホイールの回転に応じて前記揺動アームを揺動回転させるようにして、前記ステアリングシャフトの回転角を検出することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記渦巻き溝は、前記樹脂部と同時に一体成形される請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. トルクセンサで検出された操舵トルクに基づいて、電動モータの回転力を減速機を介してステアリングシャフトを操舵補助するようにした電動パワーステアリング装置において、
   前記減速機内のウォームホイール側面に設けられた渦巻き溝と、該渦巻き溝に揺動アームの一部を係合された回転型ポテンショメータとを備え、
   前記ウォームホイールが、金属製の芯金部と、外周面にギアが形成された樹脂部とからなるとともに、前記渦巻き溝が前記芯金部に設けられ、
   前記ウォームホイールの回転に応じて前記揺動アームを揺動回転させるようにして、前記ステアリングシャフトの回転角を検出することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
4. 前記渦巻き溝は、前記芯金部と一体に設けられている請求項３に記載の電動パワーステアリング装置。
5. トルクセンサで検出された操舵トルクに基づいて、電動モータの回転力を減速機を介してステアリングシャフトを操舵補助するようにした電動パワーステアリング装置において、
   前記減速機内のウォームホイール側面に設けられた渦巻き溝と、該渦巻き溝に揺動アームの一部を係合された回転型ポテンショメータとを備え、
   前記渦巻き溝が前記ウォームホイールとは別体の被検出部材に設けられるとともに、該被検出部材が前記ウォームホイール側面に取り付けられ、
   前記ウォームホイールの回転に応じて前記揺動アームを揺動回転させるようにして、前記ステアリングシャフトの回転角を検出す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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