(57)【要約】【課題】  ステアリングホイール回動時の操舵フィーリングを良好にする。【解決手段】  ステアリング系の操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段３と、ステアリング系にトルクを付加する電動機４と、操舵トルク検出手段３の信号に基づいて電動機４を駆動制御する電動機制御手段１０とからなる電動パワーステアリング装置１Ａにおいて、ステアリング系に、入力軸２１と、中間軸２４と、出力軸２８とを備え、入力軸２１と中間軸２４とを補助弾性部材７１で連結し、中間軸２４と出力軸２８とを補助弾性部材７１より大きなばね係数の弾性部材２６で連結し、電動機４からのトルクを、補助弾性部材７１よりもステアリングホイール２から遠い位置にてステアリング系に付加する。【選択図】      図１２
2004331073.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステアリング系の操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、
ステアリング系にトルクを付加する電動機と、
前記操舵トルク検出手段の信号に基づいて電動機を駆動制御する電動機制御手段とからなる電動パワーステアリング装置において、
前記ステアリング系は、入力軸と、中間軸と、出力軸とを備え、
該入力軸と該中間軸とを補助弾性部材で連結し、
該中間軸と該出力軸とを前記補助弾性部材より大きなばね係数の弾性部材で連結し、
前記電動機からのトルクを、前記補助弾性部材よりもステアリングホイールから遠い位置にてステアリング系に付加することを特徴とする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の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１で提案されている如くに、ステアリングホイールの操作力を軽減するために、適宜ステアリング系に電動機からの補助トルクを付加する技術がある。
【特許文献１】特開昭６１−８１８６８号公報
【０００３】
図１４は従来の電動パワーステアリング装置の原理図であり、ステアリングホイール１０１からの操舵トルクを操舵トルクセンサ１０２で検出し、トルクの大きさ及び転舵方向に基づいて制御装置１０３にて、電動機１０４と電磁クラッチ１０５とを制御駆動する。この際に、電動機１０４からの補助トルクは、例えばウォームギヤやハイポイドギヤなどの倍力機構１０６を介してステアリング系１０７に付加され、この補助トルクとステアリングホイールからの操舵トルクとの合計トルクで転舵を図るため、楽に操舵できるとともに、操舵トルク自体を軽減できるというものである。
【０００４】
図１５は従来の電動パワーステアリング装置のトルク図であり、操舵トルクセンサ１０２は、車両ではトーションバーを基本としているのでバネの印で表わした。
ステアリングホイール１０１で運転者から加えられる操舵トルクをＴS、操舵トルクセンサ１０２で検出するトルクをＴC、倍力機構１０６を介して付加される補助トルクをＴA、負荷側のトルク（負荷トルク）をＴLと定義すると次の式が成立する。
ＴS＋ＴA＝ＴL   ・・・（ａ）
ＴC＝ＴS    ・・・（ｂ）
電動機１０４の発生トルクをＴM、電動機や減速機の慣性・粘性抵抗・摩擦抵抗の影響をαとすると、
ＴA＝ＴM−α    ・・・（ｃ）
（ｃ）を（ａ）に代入して、ＴSについて整理すると、
ＴS＝ＴL−ＴM＋α・・・（ｄ）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電動機１０４の制御ゲインをｋとすると、
ＴM＝ｋ・ＴC    ・・・（ｅ）
上記（ｂ）により、
ＴM＝ｋ・ＴS    ・・・（ｆ）
（ｆ）を上記（ｄ）に代入して、ＴSについて整理すると、
ＴS＝（ＴL＋α）／（１＋ｋ）・・・（ｇ）
【０００６】
先に述べた通り、操舵トルクＴSと補助トルクＴAの合計トルクが、負荷トルクＴLと一致する。例えば、操舵トルクＴSを負荷トルクＴLの１／３と仮定して、
ＴS＝（１／３）ＴLとし、これを上記（ｇ）に代入し、且つαを無視すれば、
（１／３）＝１／（１＋ｋ）
ｋ＝２となる。
【０００７】
図１６は従来の操舵トルク信号と電動機トルクの関係を示すグラフであり、上記（ｅ）式にｋ＝２を代入して得たＴM＝２・ＴCに基づくグラフである。
グラフから明らかなように、制御ゲインが高く、電動機の制御が不安定になりやすい。
また、ステアリングホイールの回動時にガタ感があれば、ステアリング感が損なわれることになる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に係る発明は、ステアリング系の操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、ステアリング系にトルクを付加する電動機と、操舵トルク検出手段の信号に基づいて電動機を駆動制御する電動機制御手段とからなる電動パワーステアリング装置において、ステアリング系に、入力軸と、中間軸と、出力軸とを備え、入力軸と中間軸とを補助弾性部材で連結し、中間軸と出力軸とを補助弾性部材より大きなばね係数の弾性部材で連結し、電動機からのトルクを、補助弾性部材よりもステアリングホイールから遠い位置にてステアリング系に付加することを特徴とする。
【０００９】
例えば、電動機からのトルクを、操舵トルク検出手段よりもステアリングホイール寄りの位置にてステアリング系に付加した場合には電動機の制御ゲインをより低くできるとともに、入力軸と中間軸とを補助弾性部材で連結することによって、補助弾性部材がステアリングホイールにある程度の弾発力を付与することができるので、ステアリングホイールの回動時にガタ感が無くなって、手ごたえ感が残り、ステアリング感が良好になる。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に係る発明では、入力軸と中間軸とを補助弾性部材で連結したので、例えば、電動機からのトルクを、操舵トルク検出手段よりもステアリングホイール寄りの位置にてステアリング系に付加した場合に電動機の制御ゲインをより低くできるのに加え、補助弾性部材がステアリングホイールにある程度の弾発力を付与ることができるため、ステアリングホイールの回動時にガタ感が無くなって、手ごたえ感が残り、操舵フィーリングが良好になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係る電動パワーステアリング装置の参考例の全体構成図であり、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２で発生されたステアリング系の操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段３と、この操舵トルク検出手段３の信号に応じて補助トルクを発生する電動機４と、この電動機４の発生した補助トルクを、前記操舵トルク検出手段３よりもステアリングホイール２寄りの位置にてステアリング系に伝達するクラッチ手段５及び倍力機構等の伝達手段６と、前記電動機４を制御するための電動機制御手段１０とを有し、ピニオン７，ラック８を介して車輪９，９を転舵するものである。
【００１２】
図２は本発明の電動パワーステアリング装置（参考例）における制御装置の構成図であり、前記電動機制御手段１０は、操舵トルク検出手段３からの信号Ｔｓに基づき電動機４が発生すべき目標補助トルクＴａを決定する目標補助トルク決定手段１１と、目標トルク決定手段１１からの信号Ｔａに基づき電動機４を駆動する制御信号を発生する制御信号発生手段１４と、この制御信号発生手段１４の信号に基づいて電動機４を駆動する電動機駆動部１５とからなる。
【００１３】
図３は本発明の電動パワーステアリング装置（参考例）の断面図である。
電動パワーステアリング装置１は、図示せぬステアリングホイールで回動される入力軸２１と、この入力軸２１の先端（図では下端）に形成したフォーク部材２２と、このフォーク部材２２の外周に配置されたホイール２３と、前記フォーク部材２２の内側に配置された中間軸２４と、この中間軸２４内に収納され、上部のピン２５を介して機械的に連結されたトーションバー等の弾性部材２６と、この弾性部材２６の先端（図では下端）にスプライン軸２７を介して結合された出力軸２８と、位置的には前記スプライン軸２７を囲う如くに配置した操舵トルク検出手段３と、この操舵トルク検出手段３よりも入力軸２１寄りの位置に配置したクラッチ手段５及び電動機４とからなる。操舵トルク検出手段３及びクラッチ手段５について詳しく述べる。
図中、３１はハウジング、３２はオイルシール、３３ａ，３３ｂ，３３ｃは軸受である。
【００１４】
操舵トルク検出手段３は、中間軸２４と出力軸２８とに掛け渡した円筒形のスライダ３４と、このスライダ３４の外周面に嵌合された磁性体３５と、この磁性体３５を囲うコイル３６と、前記スライダ３４に軸方向に斜めに開けた傾斜長孔３７と、出力軸２８から突起して傾斜長孔３７に遊嵌するピン３８と、前記スライダ３４に軸方向に開けた溝３９と、中間軸２４から突起して溝３９に遊嵌するピン１２と、前記スライダ３４を図中下方に付勢してガタを取り除くスプリング１３とからなる。
【００１５】
操舵トルク検出手段３の作用を先に説明すると、ドライバによって与えられた操舵トルクは、入力軸２１→クラッチ手段５→中間軸２４→ピン２５→弾性部材２６→出力軸２８の順で伝達する。
この際に、弾性部材２６が捩れるためにそれの前後部材である中間軸２４と出力軸２８との間に操舵トルクに応じた角度のずれが発生する。スライダ３４は軸方向溝３９を介して中間軸２４のピン１２と、傾斜長孔３７を介して出力軸２８のピン３８とそれぞれ連結している。したがって、前記中間軸２４と出力軸２８の相対角変位に応じて、スライダ３４が軸方向にスライドする。このスライドの量を磁性体３５とコイル３６とで構成された差動変圧器にて電気的に測定する。
弾性部材２６はトルクと捩れ角の関係が分かっており、前記スライドの量をトルクに換算すれば操舵トルクが求まる。
【００１６】
図４は図３の４−４線断面図であり、入力軸２１と中間軸２４との係合状態を示し、平行面２１ａ，２１ａを有した入力軸２１の孔に、凸面２４ａ，２４ａを有する中間軸２４を嵌合したものであり、互いに回転方向にδ，δの遊びがある。従って、入力軸２１をδ以上回転した時に中間軸２４が回動を始める。
【００１７】
図５は図３の５−５線断面図であり、中間軸２４と出力軸２８との係合状態を示し、平行面２４ｂ，２４ｂを有した中間軸２４の孔に、凸面２８ａ，２８ａを有する出力軸２８を嵌合したものであり、互いに回転方向にΔ，Δの遊びがある。
図３で説明した通り、中間軸２４は弾性部材２６を介して出力軸２８に連結しているので、通常は遊びΔがゼロになることはない。しかし、弾性部材２６のねじれが過大になる虞れがあるので、そのときには中間軸２４が直接出力軸２８に連結する構造とした。それ以上は弾性部材２６はねじれは増加しないので、この構造は弾性部材２６の最大ねじれ角を規制する手段となる。
【００１８】
図６は図３の６−６線断面図であり、本図で補助トルク発生及び伝達機構を説明する。
電動機４は、周知の通り、ケース４ａに収納されたステータ（マグネット）４ｂ、このステータ４ｂで囲われたロータ（電気子巻線）４ｃ及びモータ軸４ｄとからなり、このモータ軸４ｄの先端は後述する摩擦係合手段５０を介して遊星減速機６０に連結し、また、モータ軸４ｄの後端は軸受４１で支持されるとともに、同軸受４１を介して伝達トルク調整機構４０で押圧する構成でる。
【００１９】
伝達トルク調整機構４０は、バネ部材４２、押しボルト４３、ロックナット４４及びカバー４５とからなり、押しボルト４３を押出すことでモータ軸４ｄを押出し、次に述べる摩擦係合手段５０における伝達トルクを高めることができる。押しボルト４３を戻すと伝達トルクは小さくなる。調整が終ったら、押しボルト４３をロックナット４４でロックし、カバー４５を被せればよい。
【００２０】
図７は図６の摩擦係合手段及び遊星減速機を説明するための斜視図であり、摩擦係合手段５０は、モータ軸４ｄの先端に形成したおすテーパ面５１と、遊星減速機６０の内輪６１に形成しためすテーパ面５２とからなり、前記伝達トルク調整機構４０でモータ軸４ｄにスラストを掛けることにより、摩擦トルクを発生させることのできる簡便な手段である。
【００２１】
遊星減速機６０は、前記内輪６１と、転動体６２・・・（・・・は複数個を示す。以下同様。）と、外輪６３と、前記転動体６２・・・を収容するリテーナ６４からなり、外輪６３を固定し、内輪６１を回転すると、転動体６２・・・を介してリテーナ６４を緩やかに回動することのできる減速機である。
【００２２】
図６に戻って、参考例では倍力手段としての伝達手段６を、ウオーム軸６６と前記ホイール２３とからなるウオーム減速機構とし、このウオーム軸６６の一端に前記遊星減速機６０を形成し、この遊星減速機６０でモータ軸４ｄの先端側を支持させる構造とした。
前記ホイール２３に内装したクラッチ手段５について次に説明する。
クラッチ手段５は、ホイール２３に形成された内周面２３ａと、中間軸２４に凹設されたカム面２４ｃ・・・と、これらカム面２４ｃ・・・と前記内周面２３ａとの間に差込まれたフォーク部材２２・・・と、カム面２４ｃ・・・と内周面２３ａとフォーク部材２２・・・とで囲まれた空間に配置された鋼球６７・・・及びスプリング６８・・・とからなる。
【００２３】
以上に述べた電動パワーステアリング装置１の作用を、前記クラッチ手段５を中心に説明する。
図８（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る電動パワーステアリング装置（参考例）のクラッチ手段の作用説明図である。
（ａ）において、ウオーム軸６６並びにホイール２３が停止、即ち、電動機が停止した状態で、図示せぬステアリングホイールを左回転させると、フォーク部材２２が矢印（１）の通り回動する。図４で説明した遊びδが存在するので、フォーク部材２２が中間軸２４に先立って回動し、想像線で示した（２）の位置で遊びδがゼロになる。この（２）の位置からはフォーク部材２２で、中間軸２４を矢印（３）の如く回動する。
従って、電動機が停止しているときには、ステアリングホイールで出力軸を、いわゆるマニュアル駆動できる。
【００２４】
（ｂ）において、フォーク部材２２が中立位置（上記（ａ）の初期状態と同じ。）にある状態で、ウオーム軸６６を介してホイール２３を図左回転させる。この状態ではホイール２３が廻るだけで、中間軸２４は停止したままである。鋼球６７が非連結位置にあるからである。
【００２５】
（ｃ）において、ウオーム軸６６が回転したままで、フォーク部材２２を矢印（４）側に回動する。前記遊びδの存在により、フォーク部材２２のみが中間軸２４に先立って移動し、その結果、スプリング６８で押された鋼球６７が、内周面２３ａとカム面２４ｃとの間に挟まり、更にこの鋼球６７がホイール２３で押されることにより、いわゆる「くさび」となってホイール２３と中間軸２４とを機械的に連結し、クラッチオンの状態になる。以降、ステアリング系に電動機からの補助トルクが伝達される。
【００２６】
ステアリングホイールに作用した操舵力を一定以下に弱めると、（ｃ）→（ｂ）と移行する。即ち、フォーク部材２２が噛合中の鋼球６７を強制的に外すので、クラッチはオフの状態になる。
なお、（ａ）〜（ｃ）において、ホイール２３を逆転（図右回転）すると、鋼球６７のくさび作用は解消される。従って、（ｃ）の作用は、ホイール２３の回転方向と、中間軸２４の回転方向が同じで、且つステアリンブホイールに加えられたトルクが一定以上大きいときに発生する。
（ａ）〜（ｃ）は図左回転について説明したが、鋼球６７はフォーク部材２２の左右に対称に配置されているので、右回転についても同様の作用が得られる。
【００２７】
次に、本発明において、「補助トルクを操舵トルク検出手段よりもステアリングホイール側に設けたこと」と「トルクが所定値以下のときに非連結状態になるクラッチ手段を設けたこと」の作用を順次説明する。
図９は本発明に係る電動パワーステアリング装置（参考例）のトルク図であり、操舵トルク検出手段３は、車両ではトーションバーを基本としているのでバネの印で表わした。
ステアリングホイール２で運転者から加えられる操舵トルクをＴS、操舵トルク検出手段３で検出するトルクをＴC、倍力機構を兼ねた伝達手段６を介して付加される補助トルクをＴA、負荷側のトルク（負荷トルク）をＴLと定義すると次の式が成立する。
ＴS＋ＴA＝ＴL   ・・・（ａ）
ＴC＝ＴL    ・・・（ｂ）
電動機４の発生トルクをＴM、電動機４の慣性・粘性抵抗・摩擦抵抗の影響をα
とすると、
ＴA＝ＴM−α    ・・・（ｃ）
（ｃ）を（ａ）に代入して、ＴSについて整理すると、
ＴS＝ＴL−ＴM＋α・・・（ｄ）
【００２８】
電動機４の制御ゲインをｋとすると、
ＴM＝ｋ・ＴC    ・・・（ｅ）
上記（ｂ）により、
ＴM＝ｋ・ＴL    ・・・（ｆ）
（ｆ）を上記（ｄ）に代入すると、
ＴS＝（１−ｋ）ＴL＋α・・・（ｇ）
【００２９】
先に述べた通り、操舵トルクＴSと補助トルクＴAの合計トルクが、負荷トルクＴLと一致する。例えば、操舵トルクＴSを負荷トルクＴLの１／３と仮定して、
ＴS＝（１／３）ＴLを上記（ｇ）に代入し、且つαを無視すれば、
（１／３）＝１−ｋ
ｋ＝２／３となる。
【００３０】
図１０は本発明に係る電動パワーステアリング装置（参考例）の操舵トルク信号と電動機トルクの関係を示すグラフであり、上記（ｅ）式にｋ＝２／３を代入して得たＴM＝２／３・ＴCに基づくグラフである。
グラフから明らかなように、制御ゲインが低く、電動機の制御が安定する。
以上が、「補助トルクを操舵トルク検出手段よりもステアリングホイール側に設けたこと」の作用である。
【００３１】
次に「トルクが所定値以下のときに非連結状態になるクラッチ手段を設けたこと」の作用を説明する。
図１１は本発明の電動パワーステアリング装置（参考例）の電動機トルクと補助トルクの関係を示すグラフであり、（ａ）は従来の比較例、（ｂ）は参考例を示し、いずれも横軸は電動機トルクＴM、縦軸は補助トルクＴAである。
上述した通りに、電動機や減速機の慣性・粘性抵抗・摩擦抵抗の影響をαとすると、ＴA＝ＴM−αとなる。
【００３２】
（ａ）において、グラフの第１・３象限を右（ステアリング方向右）、他を左とすると、ＴM≧０の領域では、ａ→ｂ→ｃの直線（ＴA＝ＴM−α）となる。ＴM＜０の領域では、前記直線の原点０に対する点対称の直線（ｄ→ｅ→ｆ）となる。
ステアリングホイールを右操舵トルク状態から左操舵トルク状態へと切り返すと、ａ→ｂ→ｃ→ｄ→ｅ→ｆの順にＴAが変化するが、ｂ→ｃの間はＴAはマイナスとなり、ハンドルが重くなる。ｄ→ｅの間も同様である。
グラフにハッチングを施した領域は、操舵頻度が最も高いところなので、ハンドルが重くなることは好しくない。
【００３３】
一方、図８（ｂ）で詳しく説明した通りに、参考例では操舵トルクが一定以下の場合に、クラッチ手段５がオフとなり、電動機系をステアリング系から分離する構造を採用している。
その結果、図１１（ｂ）に示す通りに、ＴMとＴAの関係は、ａ→ｂ→ｅ→ｆとなる。即ち、電動機や減速機の慣性や摩擦などに伴うαの成分がカットされたことになり、ｂ→ｅの範囲でハンドルが重くなるという課題は解消された。
これが、「トルクが所定値以下のときに非連結状態になるクラッチ手段を設けたこと」の作用である。
【００３４】
図１２は本発明の電動パワーステアリング装置の断面図であり、図３と同一構成については符号を準用し、詳しい説明は省略する。
即ち、この電動パワーステアリング装置１Ａは、入力軸２１を中空構造とし、また、中間軸２４に細い弾性部７１（前記弾性部材２６と区別するために「補助弾性部材７１」と記す。補助弾性部材７１は弾性部材２６よりもばね係数が低い部材である。）を付設し、この補助弾性部材７１を前記入力軸２１の中空部に挿入し、互いにピン７２で連結したことに特徴がある。その他は、参考例と同じである。前記補助弾性部材７１を付加したことによる作用を次に説明する。
【００３５】
図１３（ａ），（ｂ）は参考例及び実施例の比較作用図である。
（ａ）は補助弾性部材７１を備えていない参考例（図３に示したもの）を示し、例えばステアリングホイールを左操舵トルク状態から右操舵トルク状態へと切り返すと、ａ→ｂでクラッチ５が解放され、ｂ→０→ｅで入力軸のみが２×δ（図４参照）分だけ微量回動し、ｅ→ｆでクラッチ５が結合される。
【００３６】
（ｂ）は補助弾性部材７１を備えた実施例（図１２に示したもの）を示し、ａ→ｂでクラッチ５が解放され、ｂ→ｃで入力軸が図４に示した一方のδ分だけ微量回動し、ｃ→０→ｄで入力軸が更に微量回動し補助弾性部材のねじれが−βから＋βに切換わり、ｄ→ｅで更に入力軸はδ分だけ微量回動し、ｅ→ｆでクラッチ５が結合される。
実施例ではクラッチ手段５のオン→オフ→オン切換中において−β，＋βで示す間、補助弾性部材７１がステアリングホイールにある程度の弾発力を付与するので、手ごたえ感が残り、また入力軸２１と中間軸２４との間のガタ感が無くなり、ステアリング感が良好になる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明の電動パワーステアリング装置は、四輪車に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る電動パワーステアリング装置の参考例の全体構成図である。
【図２】本発明の電動パワーステアリング装置（参考例）における制御装置の構成図である。
【図３】本発明の電動パワーステアリング装置（参考例）の断面図である。
【図４】図３の４−４線断面図である。
【図５】図３の５−５線断面図である。
【図６】図３の６−６線断面図である。
【図７】図６の摩擦係合手段及び遊星減速機を説明するための斜視図である。
【図８】本発明に係る電動パワーステアリング装置（参考例）のクラッチ手段の作用説明図である。
【図９】本発明に係る電動パワーステアリング装置（参考例）のトルク図である。
【図１０】本発明に係る電動パワーステアリング装置（参考例）の操舵トルク信号と電動機トルクの関係を示すグラフである。
【図１１】本発明の電動パワーステアリング装置（参考例）の電動機トルクと補助トルクの関係を示すグラフである。
【図１２】本発明の電動パワーステアリング装置の断面図である。
【図１３】参考例及び実施例の比較作用図である。
【図１４】従来の電動パワーステアリング装置の原理図である。
【図１５】従来の電動パワーステアリング装置のトルク図である。
【図１６】従来の操舵トルク信号と電動機トルクの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３９】
１，１Ａ…電動パワーステアリング装置、２…ステアリングホイール、３…操舵トルク検出手段、４…電動機、５…クラッチ手段、６…伝達手段、１０…電動機制御手段、１１…目標補助トルク決定手段、１４…制御信号発生手段、２１…入力軸、２２…フォーク部材、２４…中間軸、２６…弾性部材、２８…出力軸、５０…摩擦係合手段、６０…遊星減速機、７１…補助弾性部材。
【図１】
2004331073.tif 000003
【図２】
2004331073.tif 000004
【図３】
2004331073.tif 000005
【図４】
2004331073.tif 000006
【図５】
2004331073.tif 000007
【図６】
2004331073.tif 000008
【図７】
2004331073.tif 000009
【図８】
2004331073.tif 000010
【図９】
2004331073.tif 000011
【図１０】
2004331073.tif 000012
【図１１】
2004331073.tif 000013
【図１２】
2004331073.tif 000014
【図１３】
2004331073.tif 000015
【図１４】
2004331073.tif 000016
【図１５】
2004331073.tif 000017
【図１６】
2004331073.tif 000018