(57)【要約】【課題】  レイアウト性が良く、操作感の良好な電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。【解決手段】  電動パワーステアリング装置は、ラック軸４を駆動させるモータ５を有している。モータ５は、ハウジングに固定された環状のステータと、ステータの内側に回転自在に配設されるロータ１３とを有している。ロータ１３は、筒状のロータシャフト１４を有し、ロータシャフト１４の外周面には、ハルバッハ着磁されたマグネット１７が接着されている。【選択図】    図３
2006027385.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング内に設けられた筒状のモータ固定子を有し、前記モータ固定子の内側には筒状のモータ回転子が回転自在に挿通され、前記モータ回転子の外周にはマグネットが配置され、前記モータ固定子に巻回された巻線を流れる電流に基づいて前記モータ回転子を軸線回りに回転させるモータと、
前記モータ回転子に取り付けられ、前記モータ回転子と共に回転するピニオンと、
前記ピニオンに噛み合うボールスクリューを備え、前記モータ回転子内を貫通するラック軸と、
を有し、前記マグネットは、ハルバッハ着磁が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。
【請求項２】
ハウジング内に設けられた筒状のモータ固定子を有し、前記モータ固定子の内側には筒状のモータ回転子が回転自在に挿通され、前記モータ回転子の外周にはマグネットが配置され、前記モータ固定子に巻回された巻線を流れる電流に基づいて前記モータ回転子を軸線回りに回転させるモータと、
前記モータ回転子に取り付けられ、前記モータ回転子と共に回転するピニオンと、
前記ピニオンに噛み合うボールスクリューを備え、前記モータ回転子内を貫通するラック軸と、
を有し、前記マグネットは、極異方性を有するリング状マグネットであることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
【請求項３】
前記マグネットは、複数の極を有し、前記極は配向が段階的に異なる５個以上のセグメントからな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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動パワーステアリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車などの車両には、運転者の転舵操作をアシストする電動パワーステアリング装置が搭載されていることが多い。電動パワーステアリング装置としては、モータをラック軸の長さ方向に沿って配置した同軸タイプと呼ばれるものがある。モータは、ハウジングを有し、ハウジング内に円筒状のロータシャフトと、ロータシャフトを回転駆動させるステータとが設けられている。ロータシャフトの外周面にはマグネットが接着されており、内周面にはボールスクリューナットが取り付けられている。ボールネジナットには、ラック軸のボールスクリューが螺入されており、ラック軸は、ラックアームなどを介して車輪に連結されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ここで、ロータシャフトに固定されるマグネットとしては、セグメントマグネットや、異方性焼結リングマグネットを用いることが知られている（例えば、特許文献２参照）。セグメントマグネットは、複数の磁石をロータシャフトの外周に沿って、磁極が径方向に配列されるように接着させたものである。異方性焼結リングマグネットは、リング状のマグネットをロータシャフトの外周面に接着させたもので、正弦波的な表面磁束密度分布が得られるように着磁されている。いずれのマグネットを使用した場合であっても、ロータシャフトが磁路として用いられる。
このような電動パワーステアリング装置では、磁束の大きいマグネットを使用することで体格を小さくし、レイアウト性を向上させたり、自動車の燃費を向上させたりする試みがなされている。
【特許文献１】特開２００３−１１１３１３号公報
【特許文献２】特開２００２−３５４７２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、モータは、ロータシャフトを磁路として用いるので、ロータシャフトから内部に磁束が漏れ、ボールスクリューに磁路が形成されることがあった。ボールスクリューに磁路が形成されると、ボールスクリューに作用する力が発生するが、この力が偏って作用するとボールスクリュー及びラック軸の寿命を低下させることがあった。
ボールスクリューに磁路が形成されることを防ぐためには、ロータシャフトを肉厚にしたり、ボールスクリューとロータシャフトとの間の距離（エアギャップ）を広くしたりすれば良いが、これらの対策を講じるとモータの外径が大きくなってしまうので好ましくない。また、ロータシャフトに磁路が形成されると、組付け時にロータシャフト内部に金属粉などのゴミが付着しやすくなり、そのゴミがラック軸の動きを悪化させる可能性があった。
この発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、レイアウト性が良く、操作感の良好な電動パワーステアリング装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決する本発明の請求項１に係る発明は、ハウジング内に設けられた筒状のモータ固定子を有し、前記モータ固定子の内側には筒状のモータ回転子が回転自在に挿通され、前記モータ回転子の外周にはマグネットが配置され、前記モータ固定子に巻回された巻線を流れる電流に基づいて前記モータ回転子を軸線回りに回転させるモータと、前記モータ回転子に取り付けられ、前記モータ回転子と共に回転するピニオンと、前記ピニオンに噛み合うボールスクリューを備え、前記モータ回転子内を貫通するラック軸と、を有し、前記マグネットは、ハルバッハ着磁が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とした。
【０００６】
請求項２に係る発明は、ハウジング内に設けられた筒状のモータ固定子を有し、前記モータ固定子の内側には筒状のモータ回転子が回転自在に挿通され、前記モータ回転子の外周にはマグネットが配置され、前記モータ固定子に巻回された巻線を流れる電流に基づいて前記モータ回転子を軸線回りに回転させるモータと、前記モータ回転子に取り付けられ、前記モータ回転子と共に回転するピニオンと、前記ピニオンに噛み合うボールスクリューを備え、前記モータ回転子内を貫通するラック軸と、を有し、前記マグネットは、極異方性を有するリング状マグネットであることを特徴とする電動パワーステアリング装置とした。
【０００７】
この電動パワーステアリング装置では、ラック軸の外周側に、モータのモータ回転子が配置され、モータ回転子の回転中心とラック軸の軸線とが一致するようになっている。さらに、モータ回転子は、外周面にマグネットが配設されている。マグネットは、その外表面に正弦波状の磁束密度分布が形成されるように着磁されている。このように着磁されたマグネットは、その内周面には磁束が発生しないので、モータ回転子からラック軸に磁束が漏れることはない。
【０００８】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載の電動パワーステアリング装置において、前記マグネットは、複数の極を有し、前記極は配向が段階的に異なる５個以上のセグメントからなることを特徴とする。
この電動パワーステアリング装置では、複数の極を有するマグネットがハルバッハ着磁されている場合に、１つの極は、磁化の配向が段階的に異なる５個以上のセグメントからなるようにしたので、マグネットの外周面の磁束密度分布が滑らかな正弦波状になる。ここで、セグメント数が５個未満の場合には、セグメント間の配向の差が大きくなるので、磁束密度分布が従来のような台形波状に近づき、コギングトルクが増える。なお、セグメント数が５個よりも多くなっても磁束密度分布の形状には、ほとんど変化がないので、セグメント数が５個以上であれば、同じ作用及び効果が得られる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ラック軸と同軸にモータのモータ回転子を設け、モータ回転子のマグネットをハルバッハ型のマグネット、又は極異方性を有するリング状マグネットとしたので、ロータ回転子の内側に磁束が漏れることを防止できる。このため、ラック軸の磁化が防止され、ラック軸の高寿命化が図れる。また、ラック軸とロータ回転子との間の距離を小さくすることができるので、電動パワーステアリング装置を小型化できる。電動パワーステアリング装置が小型化すると、車両におけるレイアウトの自由度が高くなり、例えば、緩衝隙間などを形成しやすくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１に示すように電動パワーステアリング装置１は、一対のタイヤ２のそれぞれにラックアームなどを介して接続される細長のラック軸４と、ラック軸４をその軸線方向に進退移動させるモータ５とを有しており、車体の前側に取り付けられている。
モータ５は、略筒状のモータハウジング６を有し、モータハウジング６は、ラックハウジング７に固定されている。ラックハウジング７はラック軸４を収容するもので、車体側に固定されている。モータハウジング６の内周面には、モータ固定子であるステータ１０が固定されている。ステータ１０は、電磁鋼板を積層させた環状のステータコア１１を有し、このステータコア１１に形成されている複数のスロットのそれぞれには、巻線が巻回され、コイル１２が形成されている。巻線の端部は、ターミナル８に接続されている。ターミナル８は、モータハウジング６を貫通し、外部に引き出されており、通電用のソケットが接続できるようになっている。このようなステータ１０の内周側には、モータ回転子であるロータ１３が挿入されている。
【００１１】
ロータ１３は、ステータ１０と同軸上に配置される筒状のロータシャフト１４を有している。ロータシャフト１４の一端部は、ベアリング１５でラックハウジング７に回転自在に支持されている。ロータシャフト１４の外周面には、マグネット１７が接着されている。マグネット１７と、ステータ１０との間には、所定の隙間が形成されている。図３に示すように、マグネット１７は、一定の配向を持つように着磁された複数のセグメントマグネット１８を連結して環状にしたハルバッハ型マグネットである。各セグメントマグネット１８は、図３に矢印で示すような向きに着磁されている。すなわち、図３において、セグメントマグネット１８は、６極のリング状マグネットであり、１つの磁極は５つのセグメントマグネット１８からなる。セグメントマグネット１８は、隣り合うセグメントマグネット１８と磁束の向きが異なるように着磁されており、Ｓ極又はＮ極から磁束の向きが段階的に変向されている。
【００１２】
ここで、図４に、セグメントマグネット１８の磁束の向きに対する磁束密度分布の変化を示す。この図において、横軸は、セグメントマグネット１８の配置と、各セグメントマグネット１８の磁束の向きとを示し、縦軸は、マグネット１７の表面又は裏面における磁束密度の分布を示している。
図４中の上側に示すように、マグネット１７の表面（外周面）の磁束は、セグメントマグネット１８が着磁された方向に応じて滑らかに変化しており、全体として正弦波状になっている。磁束密度は、Ｎ極の中央に相当する位置で最大値になり、Ｓ極の中央に相当する位置で最小値になる。なお、図中の破線は、従来のラジアル型のマグネットにおける表面の磁束密度分布を示すものである。ラジアル型のマグネットでは、磁束密度分布は台形波状になっており、実線で示す曲線部分から破線で示す直線部分に切り替わる際にコギングトルクが発生していた。
一方、図４中の下側に示すように、マグネット１７では、裏面（内周面）に磁束が発生しない。従来のラジアル型のマグネットでは、破線で示すように、台形状の磁束密度分布が発生している。
【００１３】
さらに、図５に、６極のマグネット１７における１極当たりのセグメントマグネット１８の数と、基本波成分の含有率との関係を示す。基本波成分の含有率は、この値が大きいほど磁束密度の分布が正弦波状になることを示す指標である。図５に示すように、セグメントマグネット１８の数が５個で基本波成分の含有率が８５％に達し、これ以上ではセグメントマグネット１８の数が増えても基本波成分の含有率は略一定になっている。つまり、本実施の形態のように、６極のハルバッハ型を採用する場合のセグメントマグネット１８の数は、５個以上であることが好ましい。これは、５個以上であれば、磁束密度分布が正弦波に近づき、コギングトルクを小さくすることができるが、５個未満であれば基本波成分の含有率が低くなり、磁束密度分布が台形波に近づいてコギングトルクが大きくなるからである。そして、５個以上であれば、磁束密度分布が略一定になり、同様の性能が得られる。
【００１４】
また、図２に示すように、マグネット１７を備えるロータ１３には、ピニオンであるボールスクリューナット２１が取り付けられている。ボールスクリューナット２１は、ロータシャフト１４の他端部に固定されており、ロータシャフト１４の長さ方向に沿って延びている。ボールスクリューナット２１の外周面は、アンギュラベアリング１６で回転自在に支持されている。アンギュラベアリング１６は、ラックハウジング７内周にベアリングナット１６ａによって固定されている。また、ボールスクリューナット２１の内周には、ネジ溝２２が刻まれている。このネジ溝２２には、ラック軸４に設けられたボールスクリュー２３が螺入されている。ラック軸４は、ボールスクリューナット２１及びロータシャフト１４を貫通し、タイヤ２（図１参照）に連結されている。
【００１５】
なお、図１に示すように、モータ５は、制御装置３０に接続されている。制御装置３０は、ステアリングホイール３１の回転方向及び回転量をレゾルバ３２（センサ）で検出した結果に基づいてモータ５の回転方向及び回転量を制御するように構成されている。ここで、レゾルバ３２は、図２において、ベアリング１５の近傍に配置されており、ラック軸４と共に回転するレゾルバロータと、モータハウジング６に固定され、レゾルバロータの回転位置を検出するレゾルバステータとから構成され、その誘起電圧により、モータ５の回転方向及び回転量を検出している。
また、図１に示すステアリングホイール３１は、ステアリングコラム３３に回転自在に支持されており、ステアリングホイール３１の回転は、ラック軸４に機械的に伝達されるようになっている。
【００１６】
次に、電動パワーステアリング装置１の作用について図１から図５を参照して説明する。
ステアリングホイール３１が操作されると、その回転方向及び回転量に応じて制御装置３０からモータ５に通電される。電流は、ステータ１０のコイル１２に流れ、ここに磁束を発生させる。磁束は、ステータ１０とマグネット１７との間を流れ、マグネット１７に駆動力が発生する。これによって、ロータシャフト１４が中心軸回りに回転し、ロータシャフト１４に取り付けられているボールスクリューナット２１も一体的に回転する。ボールスクリューナット２１が回転すると、その内面に螺着されているボールスクリュー２３が回転しつつ軸線方向に移動させられる。その結果、ラック軸４が回転しながら移動し、ステアリングホイール３１によって機械的に移動させられるラック軸４の動きがアシストされ、タイヤ２が所定方向に転舵される。
【００１７】
この実施の形態によれば、モータ５のロータ１３に使用されるマグネット１７をハルバッハ型にしたので、ロータ１３の内側に磁束が漏れることがなく、ボールスクリュー２３に磁路が形成されなくなる。したがって、ボールスクリュー２３に不必要な力が作用することがなくなり、ボールスクリュー２３及びラック軸４の耐久性が向上する。
また、マグネット１７の内側に磁束が発生しないので、ロータ１３の内側に磁束が漏れないようにロータシャフト１４の肉厚を大きくする必要がなくなり、モータ５を小型化できると共に、ロータ１３のイナーシャを抑制することができる。さらに、ロータシャフト１４とボールスクリュー２３との間に大きな隙間を確保する必要もない。したがって、モータ５を小径化することができる。これらのことから、電動パワーステアリング装置１を小型化、軽量化でき、車体に対するレイアウトの自由度が高まる。
また、車両の衝突時の衝撃を吸収して乗員を保護するために、エンジンと電動パワーステアリング装置１との間に緩衝隙間（クラッシュゾーン）が設けられることが多いが、電動パワーステアリング装置１を小型にすることで、このような緩衝隙間を確保し易くなる。さらに、図１に示すように、路面から電動パワーステアリング装置１までの距離ｈを十分に確保することができる。
【００１８】
また、マグネット１７をハルバッハ型にしたので、マグネット表面における磁束密度の分布を滑らかな正弦波状にすることができるので、従来のマグネットのように台形波状となる場合に比べて、コギングトルクを低減させることができる。このようにコギングトルクを低減させると、ステアリングホイール３１の直進性が向上し、車両の高速運転時の操舵フィーリングを向上させることができる。さらに、従来のモータにおいては、コギングトルクを減少させるためにマグネットをスキューさせることがあったが、この場合にはコギングトルクは減少するものの出力が減少してしまう。しかしながら、本実施の形態では、このような出力の減少は生じない。つまり、着磁のみが異なるマグネット１７と従来のラジアル型マグネットとを比較した場合に、マグネット１７は、図５に示すように磁束密度分布が正弦波状になることで、コギングトルクが減少すると共に、磁束密度分布のピーク値が高くなるので出力が増加する。具体的には、マグネット１７の方が２０％エネルギを大きくすることができる。このため、同一のエネルギを発生させる場合には、マグネット１７を使用した方がモータ５を小型にすることができる。
【００１９】
ここで、モータ５のロータ１３として使用されるマグネットは、図６に示すような極異方性を有するマグネット４０であっても良い。このマグネット４０は、マグネット４０内の隣接する異極間を曲線で結んだ異方性方向を有する６極のリング状マグネットである。このようなマグネット４０は、磁極間で正弦波的な磁束密度の分布が得られるので、ロータ１３の内側に磁束が漏れることがなくなる。また、ピーク位置では大きな磁束密度が得られる。したがって、このマグネット４０を備えるモータ５、及び電動パワーステアリング装置１は、前記と同様の効果を得ることができる。
【００２０】
なお、本発明は前記の実施の形態に限定されずに広く応用することができる。
例えば、マグネット１７，４０の極数は、６極に限定されずに、２極や、８極でも良い。
電動パワーステアリング装置１は、ロータ１３と、ラック軸４とが同軸上に配置されていれば良く、ボールスクリューナット２１やボールスクリュー２３の配置は、図２に示すものに限定されない。
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３１とラック軸４とが機械的に分離された構成であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態における電動パワーステアリング装置の概略構成を示す図である。
【図２】モータに係る部分の概略構成を示す拡大断面図である。
【図３】モータの回転軸に垂直な断面図であって、ハルバッハ着磁されたマグネットの構成を示す図である。
【図４】セグメントマグネットの配向と、マグネットの磁束密度の分布との関係を示す図である。
【図５】１極あたりのセグメントマグネットの数と基本波成分含有量との関係を示す図である。
【図６】極異方性を有する６極のリングマグネットの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２２】
１      電動パワーステアリング装置
４      ラック軸
５      モータ
６      ハウジング
１０    ステータ（モータ固定子）
１３    ロータ（モータ回転子）
１７，４０    マグネット
１８    セグメントマグネット
２１    ボールスクリューナット（ピニオン）
２３    ボールスクリュー
【図１】
2006027385.tif 000003
【図２】
2006027385.tif 000004
【図３】
2006027385.tif 000005
【図４】
2006027385.tif 000006
【図５】
2006027385.tif 000007
【図６】
2006027385.tif 000008