(57)【要約】【課題】パワーステアリング装置において、装置の大型化抑制や小型化を図り、また操舵性を良好にする。【解決手段】ハンドル２の操舵角に対応して回動されるピニオンギヤ１０と、車輪１２に操舵力を伝える操舵力伝達部材１３に設けられていて上記ピニオンギヤ１０と噛合するラック１４とを備える。上記ピニオンギヤ１０はラック１４と噛合する範囲の外形が略楕円形曲線で形成し、且つその回転中心からの最短位置を中立位置ＳＰとしてラック１４の中立位置ＳＬと噛合する。【選択図】図２
2005271605.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハンドル（２）の操舵角に対応して回動されるピニオンギヤ（１０）と、車輪（１２）に操舵力を伝える操舵力伝達部材（１３）に設けられていて上記ピニオンギヤ（１０）と噛合するラック（１４）とが備えられ、
上記ピニオンギヤ（１０）はラック（１４）と噛合する範囲の外形が略楕円形曲線で形成されており、且つその回転中心からの最短位置を中立位置（ＳＰ）としてラック（１４）の中立位置（ＳＬ）と噛合されていることを特徴とするパワーステアリング装置。
【請求項２】
前記ラック（１４）は、その歯ピッチが中立位置（ＳＬ）付近で細かく且つその両側へ離れるにしたがって粗く形成されていることを特徴とする請求項１記載の記載のパワーステアリング装置。
【請求項３】
前記ラック（１４）は、その歯ピッチが中立位置（ＳＬ）付近で粗く且つその両側へ離れるにしたがって細かく形成されていることを特徴とする請求項１記載のパワーステアリング装置。
【請求項４】
前記ピニオンギヤ（１０）は、その歯ピッチが中立位置（ＳＰ）付近で粗くその両側へ離れるにしたがって細かく形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のパワーステアリング装置。
【請求項５】
前記ラック（１４）は、歯溝（１４ｂ）の深さが中立位置（ＳＬ）付近で浅く且つその両側へ離れるにしたがって深く形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記記載のパワーステアリング装置。
【請求項６】
前記ピニオンギヤ（１０）は電動モータ（７）の出力軸（８）に設けられ、この電動モータ（７）はハンドル（２）と機械的非伝動状態で操舵信号が伝達される信号処理装置（５）で接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の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、自動車のパワーステアリング装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車のステアリング装置は、ハンドルの回転を伝えるハンドル軸に対して機械的に連結されたピニオンギヤと、車輪に操舵力を伝えるステアリングロッド等の操舵力伝達部材と、この操舵力伝達部材に設けられて上記ピニオンギヤと噛合するラックとを有している。最近では、ハンドル軸とピニオンギヤとの間に、車速に応じて伝達特性を変えるための可変機構が介設されたものや、ラックの送りを補助するアシスト用モータが附属されたもの（いわゆる電動パワーステアリング装置である）も見受けられるが、いずれも、ハンドルからハンドル軸、ピニオンギヤ、ラック、操舵力伝達部材、そして車輪へと操舵力が機械的に伝えられる点は基本的に共通している。
【０００３】
この種のステアリング装置では、ハンドルを直進状態にしたうえでこれを狭い角度範囲内で操舵したとき（回転操作したとき）にはラックの移動量を小さく且つ重くし、反対にハンドルを角度範囲の限界寄りで操舵したときにはラックの移動量を非線形的に長大化して且つ軽快にするため、バリアブルレシオ機構を設けることが各種提案されている。
ラックの移動量が小さく且つ重くなれば、車輪の切れ挙動が鈍重になってそれだけ直進性能が増すので高速走行が安定するといった利点が得られ、またラックの移動量が長大化して且つ軽快になれば、車輪の切れ挙動が素早くなってそれだけ旋回性能が増すので車庫入れ等が容易になるといった利点が得られることは明らかである。
【０００４】
このバリアブルレシオ機構の一例としては、ラックの歯ピッチを中立位置で細かくさせ、両端位置ほど粗くさせる方式が知られている（特許文献等１参照）。この方式は、ピニオンギヤとラックとの噛み合いピッチ線が、ラック歯におけるピッチの細かい箇所（中立位置）ではラック歯にとっては歯先側で且つピニオンギヤにとっては径方向内方側となり、反対にラック歯におけるピッチの粗い箇所（両端位置寄り）ではラック歯にとっては歯元側で且つピニオンギヤにとっては径方向外方側となる（要は、ピニオンギヤのピッチ円直径が径小になったり径大になったりする）ことを利用して、ラックの送り量を変えるものである。
【０００５】
別のバリアブルレシオ機構としては、ピニオンギヤの回転中心を偏心させ、ハンドルが直進状態で且つラックが中立位置にあるときにピニオンギヤの最小半径位置をラックに噛合させる方式が知られている（特許文献２参照）。なお、偏心回転するピニオンギヤに対してラックのラック歯が噛み合いを維持できるように、ラック歯はラックの中立位置で高く両端寄りほど低くなる山なりカーブを有したものとされている。この方式では、ピニオンギヤの偏心回転によってピニオンギヤにおけるピッチ円の周長が非線形的に変化することを利用して、ラックの送り量を変えるものである。
【特許文献１】特開２０００−１０８９１３号公報
【特許文献２】特開平６−２３４３６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のバリアブルレシオ機構のうち、ピニオンギヤを偏心回転させる方式のものにおいて、ラックの送り量を最大にできるのは、ピニオンギヤにおけるピッチ円の周長が最も長い位置であり、それはピッチ円直径（回転半径）が最も径大になる位置である。すなわちそれは、ピニオンギヤの最小半径位置がラックの中立位置に噛合した状態から左方又は右方へ１８０°回転させなければならないことになる。従って当然に、ハンドルの操舵角（回転角度）を大きくするか、或いはハンドル軸とピニオンギヤとの間に車速応答型の伝達特性可変機構を介設する場合であればその機構の大型化及び複雑化を招来することに繋がっていた。
【０００７】
また、その他のバリアブルレシオ機構（ラックの歯ピッチを長手方向で異ならせた方式等）ではピニオンギヤの回転数は更に多くなるので、ハンドルの操舵角も一層大きくなる
ことになり、車速応答型の伝達特性可変機構についてもその大型化や複雑化は避けられないものとなる。
一方、このような従来のステアリング装置では、基本的にハンドルからハンドル軸、ピニオンギヤ、ラック、操舵力伝達部材、車輪にわたり操舵力が機械的に伝えられる構造であったので、ハンドルの操舵角と車輪の切れ角とは、仮に、両者間に非線形の関係を持たせている場合でも、互いに固定されていることになる。
【０００８】
例えば、ハンドルにおける操舵角の範囲（回転範囲）を１．５〜２回転とする場合、この範囲中、車輪を所定の切れ量の中でどのように挙動させるか（非線形を採用するか否か或いはどの程度の非線形にするか）といったことは種々に設計変更できるとしても、一旦設計されたものにおいてハンドルの操舵角と車輪の切れ量との関係を所望に応じて変更することは不可能であった。そのため、ハンドルの操舵角を１回転以内にしておきながら、車両形態や道路の種類、路面状況、タイヤの種類、ドライバーの趣向などに応じて車輪の切れ角や非線形動作度合いを所定だけ得るといった臨機応変的な使い方はできなかった。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、装置の大型化抑制、好ましくは小型化が可能であり、また操舵性に優れたパワーステアリング装置を提供することを目的とする。
また本発明は、車両形態や道路の種類、路面状況、タイヤの種類、ドライバーの趣向などに応じて車輪の切れ角や非線形動作度合いを所望に変更できるようにしたパワーステアリング装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するために、本発明は次の手段を講じた。
即ち、本発明に係るパワーステアリング装置１は、ハンドル２の操舵角に対応して回動されるピニオンギヤ１０と、車輪１２に操舵力を伝える操舵力伝達部材１３に設けられていて上記ピニオンギヤ１０と噛合するラック１４とが備えられ、
上記ピニオンギヤ１０はラック１４と噛合する範囲の外形が略楕円形曲線で形成されており、且つその回転中心からの最短位置を中立位置ＳＰとしてラック１４の中立位置ＳＬと噛合されている。
【００１１】
このようにピニオンギヤ１０が略楕円形曲線でラック１４と噛合する構成とすれば、ピニオンギヤ１０を中立状態ＳＰから左方又は右方へ回転させてゆくにしたがい、その円周長の増大によってラック１４の送り量は非線形で増大することになる。すなわち、これによってバリアブルレシオ機構が構成されていることになる。
この場合、ピニオンギヤ１０の回転によってその円周長が最大となるのは、中立状態から左方又は右方へ回転させていって９０°に達する直前の位置であるから、結果としてピニオンギヤ１０は、中立位置ＳＰを中心として左方へ９０°、右方へ９０°の計１８０°となる角度範囲内の回転だけでラック１４に対して十分な送りを伝えられることになる。
【００１２】
ラック１４は、その歯ピッチが中立位置ＳＰ付近で細かく且つその両側へ離れるにしたがって粗く形成することができる。このようにすることで、このラック１４自体でもバリアブルレシオ機構が構成されることになる。
なお、ラック１４の歯ピッチにおいて上記とは反対に、中立位置ＳＰ付近で粗く且つその両側へ離れるにしたがって細かく形成することもできる。この場合は、ピニオンギヤ１０を略楕円形にすることによって構成されるバリアブルレシオ機構の作用が勝る範囲内で、ラック１４の歯ピッチを設定すればよい。
【００１３】
ラック１４の歯ピッチをその長手方向で異ならせるのに合わせて、ピニオンギヤ１０についても、その歯ピッチを中立位置ＳＰ付近で粗くし、その両側へ離れるにしたがって細かくさせるように形成することもできる。
ピニオンギヤ１０を略楕円形とするのに対し、ラック１４では、歯溝１４ｂの深さを中立位置ＳＬ付近で浅く且つその両側へ離れるにしたがって深く形成すればよい。
なお、ピニオンギヤ１０を電動モータ７の出力軸８に設け、この電動モータ７をハンドル２と機械的非伝動状態で操舵信号が伝達される信号処理装置５で接続させることもできる。
【００１４】
このようにすることで、ピニオンギヤ１０の回転角度範囲（左へ９０°、右へ９０°の計１８０°）とハンドル２の操舵角（回転範囲）との相関関係を適宜変更する（電気的に制御する）ことができる。そのため、車両形態や道路の種類、路面状況、タイヤの種類、ドライバーの趣向などに応じて、車輪１２の切れ角や非線形動作度合いを所望に変更することもできるようになる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るパワーステアリング装置では、装置の大型化抑制や小型化を図ったり、操舵性を良好にしたり、車両形態や道路の種類、路面状況、タイヤの種類、ドライバーの趣向などに応じて、車輪の切れ角や非線形動作度合いを所望に変更したりすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき説明する。
図１及び図２は、電動式に構成した自動車のパワーステアリング装置１の一実施形態を示している。この電動パワーステアリング装置１では、ハンドル２と一体回転するハンドル軸３に対し、角度センサ４や信号処理装置５等を介して電動モータ７が電気的に接続され、この電動モータ７の出力軸８にピニオンギヤ１０が設けられている。
すなわち、ハンドル２を操舵することにより、これと一体回転するハンドル軸３の回転角が角度センサ４によって検出され、この検出信号が信号処理装置５で所定の操舵信号に処理され、電動モータ７がこの操舵信号に応じて出力軸８を回転駆動させ、結果、ピニオンギヤ１０が回転されることになる。
【００１７】
このように、ハンドル軸３とピニオンギヤ１０との間は電気的な情報を介した連動関係にはあるが、機械的な連結関係にはなく（機械的非伝動状態）、ハンドル２（ハンドル軸３）とピニオンギヤ１０との回転は互いに分離されていることになる。
また、自動車には、車輪（操舵輪）１２のタイヤ切れ角を検出する操舵角センサ、回転数を検出する回転センサ、路面の状況を検出する路面センサ、タイヤの種類・条件を設定する条件設定装置、希望のドライビング状態を設定するのドライビング条件設定装置等の検出・設定機器を搭載し、かつ信号処理装置５に接続しておいて、ピニオンギヤ１０を回動制御するための操舵情報として入力できるようにすることが好ましい。
【００１８】
前記ピニオンギヤ１０は、車輪１２に操舵力を伝えるステアリングロッド等の操舵力伝達部材１３に対して設けられたラック１４と噛合されている。言うまでもなく、ピニオンギヤ１０にはラック１４と噛合するためのピニオン歯１０ａが設けられ、ラック１４にはピニオン１０と噛合するためのラック歯１４ａが設けられている。
ピニオンギヤ１０は焦点を通る短径上の中立位置ＳＰを境として左方へ９０°及び右方へ９０°の合計１８０°の角度範囲で回転可能になっている。そして、このときの長径までの中立位置ＳＰを境とした左右各９０°の角度範囲でラック１４と噛合する。
【００１９】
ラック１４においても、ピニオンギヤ１０の中立位置ＳＰと噛合する位置が、送り動作のストローク中心位置、即ち、中立位置（車輪１２を直進状態にする位置）ＳＬとして設定されている。
前記ピニオンギヤ１０において、ラック１４と噛合する範囲の外形は略楕円形曲線で形成されており、当該ピニオンギヤ１０の上記中立位置ＳＰが、回転中心（焦点）Ｐから外縁までを最短距離とする位置（即ち、楕円の短径位置）として設定されている。
そのためピニオンギヤ１０は、中立状態ＳＰから左へ９０°、又は右へ９０°回転させるのを限度として、回転させれば回転させるほど、焦点からの距離が長くなり、その単位角度の円周長の増大によってラック１４の送り量は非線形で増大することになる。
【００２０】
すなわち、ピニオンギヤ１０及びラック１４を共に中立状態（車輪１２を直進状態）とさせたうえで、ピニオンギヤ１０を狭い角度範囲内で回転させたときには、ラック１４の移動量は小さく且つ重くなる。そのため、車輪１２の切れ挙動は鈍重になり、それだけ直進性能が増す。
しかし、ピニオンギヤ１０を回転角度範囲の両端寄りとなる位置（９０°付近）で回転させたときには、ラック１４の移動量も非線形的に長大化して且つ軽快になる。そのため
、車輪１２の切れ挙動は素早くなり、それだけ旋回性能が増す。
【００２１】
このように、ピニオンギヤ１０が略楕円形に形成されていることで、単位角度の径変化・周長変化によるバリアブルレシオ機構が構成されていることになる。
ピニオンギヤ1０は上記したようにラック１４と噛合する範囲の外形を略楕円形としていることに合わせ、ラック１４では、ラック歯１４ａとラック歯１４ａとの間に形成される歯溝１４ｂの深さを中立位置ＳＬ付近で浅くし、両端側へゆくほど深くなるように形成させてある。この場合、最も深くなる歯溝１４ｂでも、その溝深さがラック１４の１／２太さ分を超えないようにすることが、強度面で好適である。
【００２２】
また、ラック１４において、ラック歯１４ａの歯ピッチは中立位置ＳＬ付近で粗く且つその両側へ離れるにしたがって細かく形成されている。これに合わせ、ピニオンギヤ１０についても中立位置ＳＰではピニオン歯１０ａの歯ピッチを粗くし、この位置から両側へ離れるほど細かくさせるように形成されている。
前記ピニオンギヤ１０を略楕円形に形成するとは、実質的にはラック１４のラック歯１４ａと噛合するピニオン歯１０ａの噛合ピッチ線が略楕円形であることであり、ピニオン歯１０ａの歯ピッチ及び歯丈は種々設定でき、それに対応して、ラック歯１４ａの歯ピッチ及び歯丈も種々設定される。
【００２３】
このような構成の電動パワーステアリング装置１では次のような作用が得られる。すなわち、ピニオンギヤ１０を略楕円形に形成させたことに伴うバリアブルレシオ機構により、図３に示すように、ハンドル２を中立状態（直進状態）から狭い範囲Ｓ内で左方又は右方へ操舵（回転）したときには、車輪１２の左方又は右方への切れ挙動が鈍重になり、もって直進性能が増すことになり、またこの狭い範囲Ｓを超えてハンドル２を大きく左方又は右方へ操舵（回転）したときには、車輪１２の左方又は右方への切れ挙動が素早くなり、もって旋回性能が増すことになる。
【００２４】
しかも、このような車輪１２の切れ挙動は、ピニオンギヤ１０を中立状態から左方へ９０°、又は右方へ９０°という合計１８０°の回転角度範囲内において全て得られるものであるから、このピニオンギヤ１０に回転を伝えるハンドル操作としても少なく抑えることができるという利点がある。
のみならず、ハンドル２の回転とピニオンギヤ８の回転とは機械的な連結関係にしていないので、ハンドル２の操舵角（回転範囲）と、ピニオンギヤの回転範囲（左へ９０°、右へ９０°の計１８０°）との相関関係を適宜変更する（電気的に制御する）ことができる。すなわち、車輪１２に所定の切れ量Ｌ，Ｒを持たせるものとしたうえで、ハンドル２をどの程度操舵させるか、例えば操舵角（回転範囲）を１回転させるだけにするとか、或いは２回転させるとかを任意に設定でき（ａ，ｂ，ｃなど）、またその設定を所望に応じていつでも変更できることになる。
【００２５】
そのため、車両形態や道路の種類、路面状況、タイヤの種類、ドライバーの趣向などに柔軟に対応できることになる。
なお、ここにおいて車両形態に応じた設定変更が可能であることは、この電動パワーステアリング装置１（又は自動車）としての工場出荷時における設定を指すことをも意味している。この場合には、タイプや排気量の異なる種々の自動車相互間で、この電動パワーステアリング装置１としての汎用性を出せることになり、低コスト化が図れることになる。
【００２６】
また、道路の種類、路面状況、タイヤの種類、ドライバーの趣向に応じた設定変更が可能であるということは、使用者サイドでの随時の設定を指すことを意味している。この場合には、常に最適なハンドリング性能、操縦安定性が得られることになる。
ところで、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施の形態に応じて適宜変更可能である。
例えば、パワーステアリング装置１はハンドル２の回転とピニオンギヤ８の回転とは機械的な連結関係にしていない全電動式を例示したが、ハンドル２からピニオンギヤ８に操作力を機械的に伝達可能にしたアシスト式パワーステアリング装置にも適用可能であり、電動モータ７の代わりに油圧モータを使用してもよい。
【００２７】
ラック１４において、ラック歯１４ａの歯ピッチを中立位置ＳＬ付近で細かく且つその両側へ離れるにしたがって粗く形成することもできる。このようにすることで、このラック１４自体によってもバリアブルレシオ機構を構成させることができる。
ピニオンギヤ８とラック１４との歯の不等長ピッチによる正逆各バリアブルレシオは、ピニオンギヤ８の楕円形によるバリアブルレシオよりも小さい方が好ましい。
ラック１４において、ラック歯１４ｂとラック歯１４ｂとの間にできる歯溝１４ｂを端位置へゆくほど深くする不等深さ形状に変えて、ラック１４の上面（ピニオンギヤ１０と噛合する面）を山なりカーブに形成して等深さ形状にしておくことも可能である。
【００２８】
上記実施形態においてピニオンギヤ１０の回転角度範囲を左方９０°、右方９０°、合計１８０°としたのは一例であって、例えば左方６０°、右方６０°、合計１２０°としたり左方８５°、右方８５°、合計１７０°としたりしてもよい。
操舵する車輪１２は前輪でも後輪でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施形態を示した全体構成図である。
【図２】ラックとピニオンギヤとの噛合部分を判りやすく示した正面図である。
【図３】操舵状況を説明したグラフである。
【符号の説明】
【００３０】
１  電動パワーステアリング装置
２  ハンドル
３  ハンドル軸
７  モータ
８  出力軸
１０  ピニオンギヤ
１２  車輪
１３  操舵力伝達部材
１４  ラック
１４ａ  ラック歯
１４ｂ  歯溝
ＳＰ    ピニオンギヤ中立位置
ＳＬ    ラック中立位置
【図１】
2005271605.tif 000003
【図２】
2005271605.tif 000004
【図３】
2005271605.tif 000005