JPWO2004004992A1 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、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によって、自動車や車両の操舵系に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する。そして、ステアリングシャフトの回転角を検出するための回転角センサに関し、回転角センサの被検出部を前記減速機内に設けるとともに、前記回転角センサの検出部を前記ステアリングシャフトの半径方向で前記減速機の軸受より外側に設けた。

Description

本発明は、自動車や車両の操舵系に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）を検出するための回転角センサに関する。

車両には、通常、運転者の疲労を軽減し、安全に運転するために、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、モータの駆動力により減速機のギアなどの伝達機構を介して、ステアリングシャフトを補助負荷付勢するようになっている。
従来の電動パワーステアリング装置として、ステアリング系の概略構造は、一般に、図１に示される。同図において、先端（図１右側）にステアリングホイールを有するステアリングシャフト１は、同軸のステアリングコラム２内で玉軸受３によって回転自在に支持され、軸方向に延びている。このステアリングシャフト１は、筒状のアウターシャフト４と、該アウターシャフト４内に嵌着されるインナーシャフト５とからなる。また、ステアリングコラム２は、筒状のアウターコラム６と、該アウターコラム６内に圧入固定されるインナーコラム７とを結合してなる。そして、衝突時に、圧縮方向に衝撃荷重が作用すると、アウターシャフト４やアウターコラム６が、基端側（図１左側）に押し込まれて、前長を縮めることによってエネルギを吸収し、ステアリングホイールに衝突した運転者の身体に加わる衝撃を緩和するようになっている。
また、前記インナーシャフト５の基端側（図１左側）には、トーションバー８を介して入力軸９と略筒状の出力軸１０が連結されている。このトーションバー８は、出力軸１０内に挿通されていて、その一端が入力軸９に圧入固定され、他端がピン１１によって出力軸１０に固定されている。
また、出力軸１０の中央部外周には、減速機ユニット１２が一対の玉軸受１３，１３で支持されている。この減速機ユニット１２は、出力軸１０の外周に圧入により固定的に取り付けられたウォームホイール１４と、該ウォームホイール１４に噛合するウォーム１５と、該ウォーム１５を出力軸１６に取りつけたモータとからなり、モータの駆動により、ウォーム１５およびウォームホイール１４を介して、モータの回転を減速してトルクを伝達するようになっている。
また、減速機ユニット１２の先端側（図１右側）には、トルクセンサ１７が配され、該トルクセンサ１７は、トーションバー８と、出力軸１０の先端に形成されたスプライン溝１８の外周に、コイル巻線１９を収納した電磁ヨーク２０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て捩れ角を発生させることによって、磁気的な変化を電磁ヨーク２０内のコイル巻線１９で検出するようになっている。
そして、減速機ユニット１２の基端側（図１左側）には、回転角センサ（舵角センサ）２１が配され、該回転角センサ２１は、出力軸１０の外周に配された筒状の中空部材２２と、該中空部材２２を回転自在に支持するケーシング２３とからなる。ここで、中空部材２２には、内周面から内側に突起２４が延びていて、出力軸１０の外周面に設けられた係止孔２５と係合して、中空部材２２が出力軸１０と一体に回転するようになっている。そのため、ケーシング２３と中空部材２２との相対変位を、ケーシング２３に設けられた検出手段２６によって検出して、出力軸１０の回転角を検出するようになっている。これにより、回転角（操舵角）から、ステアリングホイールの操舵状態を検出するようになっている。
なお、２７は、インタミシャフトに連結するためのユニバーサルジョイントであり、２８は、ステアリング装置を車体に取り付けるためのブラケットである。
ところで、ステアリングコラム２には、車両の衝突時、乗員を保護するために、法規上若しくは安全上、エネルギ吸収機構を備える必要があった。そのため、上記従来のものでも、ステアリングシャフト１やステアリングコラム２を、それぞれ、２つの部材（アウターシャフト４とインナーシャフト５、並びにアウターコラム６とインナーコラム７）から構成し、衝突時、アウターシャフト４やアウターコラム６を軸方向に、ある範囲（ストロークｔ）で移動可能になっている。これにより、移動時にステアリングコラム２などを塑性変形させて、その変形エネルギによって乗員がステアリングホイールに衝突する際のエネルギを吸収するようになっている。
ちなみに、エネルギの吸収量は、衝撃によって作用する力とストロークｔの積で決まるので、乗員への衝撃力を小さくして、傷害を軽減するには、ストロークｔをできるだけ長くすることが重要である。
ところが、コラム型の電動パワーステアリング装置では、ステアリングシャフト１の軸方向には、減速機やトルクセンサ１７を設ける必要があるとともに、回転角センサ２１を、ユニバーサルジョイント２７と減速機ユニット１２との間でステアリングシャフト、すなわち出力軸１０が露出するスペースを設けなければならない。そのため、ストロークｔは、車体のスペースから一定長さに制限されてしまい、限られたスペースの中で、エネルギ吸収機構のストロークｔを十分な長さに確保するのが難しいという問題があった。
そこで、本発明の目的は、限られたスペースの中で、乗員を保護するためのエネルギ吸収機能を損なうことなく、ステアリングシャフトに、回転角センサを装着することができるような電動パワーステアリング装置を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により減速機のギアなどの伝達機構を介して、ステアリングシャフトの操舵力を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、ステアリングホイールの操舵状態を検出する回転角センサを備え、該回転角センサの被検出部を前記減速機内に設けるとともに、前記回転角センサの検出部を前記ステアリングシャフトの半径方向で前記減速機の軸受より外側に設けたことにより、効果的に達成される。
また、上記目的は、被検出部を、減速機内のウォームホイールに配し、前記検出部で該ウォームホイールの回転を検出するようにしたことにより、効果的に達成される。
また、上記目的は、検出部を、減速機内のウォームホイール内でいずれか一方の側に形成された凹溝内に取り付けることにより、効果的に達成される。
また、上記目的は、検出部を、前記被検出部の側面に対向する位置に配し、該被検出部からの磁気的或いは光学的に角度信号を検出するようにしたことにより、効果的に達成される。
また、上記目的は、被検出部を、前記減速機内のウォームホイール内のいずれか一方の側に形成された凹溝で構成し、該凹溝の内周面に設けられた小ギアからなるようにしたことにより、効果的に達成される。
また、上記目的は、回転角センサを、前記減速機内のウォームホイールの側面に設けられた環状の前記被検出部と、該被検出部に対向する位置に設けられた検出部とから構成したことにより、効果的に達成される。
さらに、上記目的は、減速機を、複数の軸受によって支持することにより、より効果的に達成される。

図１は、従来の電動パワーステアリング装置の概略構成を示す断面図である。
図２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断面図である。
図３は、上記電動パワーステアリング装置の減速機ユニットに設けられた回転角センサを示す説明図である。
図４は、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断面図である。
図５は、第２実施例の出力軸の回転角の検出機構を説明する拡大図である。
図６は、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断面図である。
図７は、第３実施例に係るの回転角センサの概略構造を示す図である。

符号の説明

３１ ステアリングシャフト
３５ ステアリングコラム
３９ トーションバー
４０ 入力軸
４１ 出力軸
４２ 減速機ユニット
４３ 軸受
４４ トルクセンサ
４６ コイル巻線
４７ 電磁ヨーク
４８ ウォームホイール
４９ ウォーム
５１ 回転角センサ
５２ 被検出部
５３ 検出部
６１ 芯金ボス部
６２ ギア基部
６３ 樹脂ギア
６４ 被検出部
６５ 回転角センサ
６７ 検出部
７２ 検出ギア

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
図２は、本発明の第１実施例を示し、操舵系の概略構成を示す図である。ステアリングホイールの操作に基づいて回転するステアリングシャフト３１は、筒状のアウターシャフト３２に中実円筒軸状のインナーシャフト３３を圧入固定することによって結合されている。また、ステアリングシャフト３１は、深溝型の玉軸受などの軸受３４によって、ステアリングコラム３５の端部で回転自在に支持されている。ステアリングコラム３５は、筒状のアウターコラム３６にインナーコラム３７を圧入固定することによって結合されている。
このステアリングシャフト３１およびステアリングコラム３５は、軸方向に大きな荷重が作用すると、軸方向にストロークｔの範囲内で、アウターシャフト３２がインナーシャフト３３に沿って、および、アウターコラム３６がインナーコラム３７に沿って、それぞれ軸方向に移動して塑性変形するようになっている。すなわち、ステアリングシャフト３１およびステアリングコラム３５は、いずれも、２つの部材３２と３３，３６と３７を組み合わせてなり、衝突時に、圧縮方向に衝撃荷重が加わると、ステアリングホイールに衝突した運転者の身体に加わる衝撃を緩和するようにしたエネルギ吸収機構を構成している。
なお、上記実施例では、ステアリングシャフト３１やステアリングコラム３５を、２部材間の相対移動時の塑性変形でエネルギを吸収するが、ステアリングコラム３５と、該ステアリングコラム３５を車体に固定するためのブラケット７５との間の塑性変形でエネルギを吸収することも可能である。
また、ステアリングシャフト３１の基端側（図１左側）には、トーションバー３９を介して入力軸４０と略円筒状の出力軸４１が連結されている。このトーションバー３９は、出力軸４１内に挿通されていて、その一端が入力軸４０に圧入固定され、他端がピン４１ａによって出力軸４１に固定されている。
また、出力軸４１の外周には、減速機ユニット４２が一対の玉軸受４３，４３で支持されるとともに、該減速機ユニット４２の先端側（図１右側）には、トルクセンサ４４が配されている。このトルクセンサ４４は、トーションバー３９と、出力軸４１の先端に形成されたスプライン溝４５の外周に配され、コイル巻線４６を収納した電磁ヨーク４７とを備え、ステアリングシャフト３１に生じるトルクに応じてトーションバー３９に捩れを発生させることによって、磁気的な変化を電磁ヨーク４７内のコイル巻線４６で検出するようになっている。
さらに、減速機は、出力軸４１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４８と、該ウォームホイール４８に噛合するウォーム４９と、該ウォーム４９を出力軸５０に取り付けたモータとからなり、モータの駆動により、ウォーム４９およびウォームホイール４８を介して、モータの回転を減速してトルクを伝達するようになっている。
そして、回転角センサ５１は、図３に示すように、減速機ユニット４２内に設けられたウォームホイール４８より小径の薄円盤状の被検出部５２と、ステアリングシャフト３１、すなわち出力軸４１の半径方向で軸受４３より外側に設けられた検出部５３とからなる。この検出部５３は、被検出部５２の側面に対向する位置に配され、ウォームホイール４８内でいずれか一方の側に形成された凹溝５４内で出力軸４１に一体に取り付けられる。また、検出部５３は、磁気的或いは光学的、若しくは電気抵抗式或いは静電容量式に、被検出部５２からの角度信号を検出することにより、出力軸４１の回転角を検出するようになっている。
従って、上記第１実施例では、回転角センサ５１の被検出部５２を減速機ユニット４２内に設けるとともに、検出部５３を出力軸４１の半径方向で玉軸受４３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３１上に、回転角センサ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ｔ、すなわちステアリングコラム３５のアウターコラム３６がインナーコラム３７に沿って移動する軸方向の距離を長くとることができる。その結果、コラム型の電動パワーステアリング装置などのように、ステアリングシャフト３１上における軸方向長さが制限される場合でも、ステアリングシャフト３１に回転角センサ５１を設けても、軸方向に十分なストロークｔを確保することができ、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。
また、図４は、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、ウォームホイール４８は、略円環状の芯金ボス部６１と、該芯金ボス部６１の外周側に一体に樹脂で成形されたギア基部６２と、該ギア基部６２のさらに外周側に形成され、ウォーム４９に噛合する樹脂ギア６３とから構成される。また、ウォームホイール４８には、同図左側に凹溝が形成され、該凹溝内でギア基部６２の内周側に小ギアで構成される被検出部６４が形成されている。よって、被検出部６４と、出力軸４１の回転を検出するための検出部６７とから出力軸４１の回転角センサ６５が構成されている。また、検出部６７は、減速機ユニット４２の外側に配された本体６８から、ハウジングカバー６９の挿通孔７０を介して減速機ユニット４２内に延びる突軸７１と、突軸７１の先端に取り付けられた検出ギア７２とを備える。これにより、回転角センサ６５は、図５に拡大して示すように、検出部６７の検出ギア７２と被検出部６４を構成する小ギアとの噛合により、検出ギア７２から突軸７１を介して本体６８で出力軸４１の回転を検出するようになっている。
従って、回転角センサ６５の被検出部６４は、減速機ユニット４２内に設けられるとともに、検出部６７は、出力軸４１の半径方向で減速機ユニット４２の軸受４３より外側に設けられる。そのため、ステアリングシャフト３１に回転角センサ６５を設けても、エネルギ吸収機構のストロークｔを十分に確保することができ、エネルギ吸収能力を犠牲にすることがない。よって、第２実施例でも、上記第１実施例と同じような作用および効果を奏することができる。
また、図６は、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合を付して、その説明を省略する。同図において、回転角センサ６５は、図７に示すように、ウォームホイール４８の先端側（図６右側）の側面に設けられた環状の被検出部６４と、該被検出部６４に対向する位置に設けられた検出部６７とから構成される。
従って、回転角センサ６５の被検出部６４は、減速機ユニット４２内に設けられるとともに、検出部６７は、出力軸４１の半径方向で減速機ユニット４２の軸受４３より外側に設けられる。そのため、ステアリングシャフト３１に回転角センサ６５を設けても、エネルギ吸収機構のストロークｔを十分に確保することができ、エネルギ吸収能力を犠牲にすることがない。よって、第３実施例でも、上記第１実施例および第２実施例と同じような作用および効果を奏することができる。
なお、図２，図４，および図６において、７４は、インタミシャフトに連結するためのユニバーサルジョイントであり、７５は、ステアリング装置を車体に取り付けるためのブラケットである。
以上のように、本発明に係る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回転角センサを設ける場合、被検出部を減速機内のウォームホイールなどに設けるとともに、検出部をステアリングシャフトの半径方向で減速機の軸受よりも外側に設けるようにした。これにより、減速機のウォームホイールを利用し、磁気的や光学的などの手法を用いてウォームホイールに設けられた被検出部からの角度信号を検出部で検出して、ステアリングシャフトの回転角を検出するようにした。その結果、ステアリングシャフトの軸方向には、回転角センサを設けるための専用のスペースを設ける必要がなくなり、エネルギ吸収機構のストロークを有効に利用することができる。よって、コラム型の電動パワーステアリング装置などのように、ステアリングシャフトの軸方向に限られたスペースの中で回転角センサを設けても、エネルギ吸収能力を犠牲にすることがなく、車両の衝突時などに生じる衝撃荷重に対して安全性を保つことができる。

Claims (7)

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により減速機のギアなどの伝達機構を介して、ステアリングシャフトの操舵力を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、ステアリングホイールの操舵状態を検出する回転角センサを備え、該回転角センサの被検出部を前記減速機内に設けるとともに、前記回転角センサの検出部を前記ステアリングシャフトの半径方向で前記減速機の軸受より外側に設けたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記被検出部は、前記減速機内のウォームホイールに配され、前記検出部で該ウォームホイールの回転を検出するようにした請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記検出部は、前記減速機内のウォームホイール内でいずれか一方の側に形成された凹溝内に取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
4. 前記検出部は、前記被検出部の側面に対向する位置に配され、該被検出部からの磁気的或いは光学的に角度信号を検出するようにした請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
5. 前記被検出部は、前記減速機内のウォームホイール内のいずれか一方の側に形成された凹溝であって、該凹溝の内周面に形成された小ギアからなる請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
6. 前記回転角センサは、前記減速機内のウォームホイールの側面に設けられた環状の前記被検出部と、該被検出部に対向する位置に設けられた検出部とから構成される請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
7. 前記減速機は、複数の軸受によって支持される請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。

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