(57)【要約】【課題】コンパクトでありながら、伝達比を可変とできるステアリング装置を提供する。【解決手段】一般的な遊星歯車機構と異なり、中央に太陽歯車を有しない構成を採用しているため、歯車の噛み合いは、内歯歯車と外歯歯車（遊星歯車）との噛み合いのみとなる。外歯と内歯のかみ合いは凹面と凸面の接触であるから、かみ合い率も高くなり、外歯歯車同士のかみ合いに比べて、歯元の曲げ応力および接触面圧が有利になる。従って、太陽歯車を使う従来の機構に比べ、大幅に小型化することが可能となる。さらには、歯車に生じる応力が小さくいので、歯車材料として樹脂を使用することが可能となり、軽量化ばかりでなく、歯車の騒音を抑えることも可能となる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステアリングホイールから操舵力を伝達される入力軸と、
前記入力軸に連結された第１内歯歯車と、
前記第１内歯歯車に噛合する第１遊星歯車と、
操舵機構に操舵力を伝達する出力軸と、
前記出力軸に連結された第２内歯歯車と、
前記第２内歯歯車に噛合する第２遊星歯車と、
前記第１内歯歯車と前記第２内歯歯車とを、相互の位相を固定した状態で回転自在に支持するキャリヤと、
前記キャリヤを前記入力軸に対して変位させるアクチュエータとを有することを特徴とするステアリング装置。
【請求項２】
ステアリングホイールから操舵力を伝達される入力軸と、
操舵機構に操舵力を伝達する出力軸と、
内歯歯車とそれに噛合する遊星歯車とを有し、前記入力軸から前記出力軸に操舵力を伝達する第１伝達手段と、
前記入力軸から前記出力軸に伝達される操舵力に応じて、前記出力軸に補助トルクを出力する電動モータと、
前記電動モータの補助トルクを前記出力軸に伝達する第２伝達手段とを有し、
前記第２伝達手段は、前記電動モータの回転軸に連結されたウォームと、前記出力軸に連結され前記ウォームと噛合するウォームホイールとからなり、
前記ウォームホイールの内周に、前記内歯歯車が形成されていることを特徴とするステアリング装置。
【請求項３】
前記第１伝達手段は、コラム部に設けられ、前記入力軸の回転角に対する前記出力軸の回転角を変更可能に操舵力を伝達することを特徴とする請求項２に記載のステアリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステアリング装置に関し、特に舵角を重畳させることができるステアリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両において、ステアリングホイールの回転角とタイヤの転舵角との関係を１対１に対応させた、いわゆるステアリングギヤ比を固定したステアリング装置が一般的に使用されている。しかるに、ステアリングギヤ比を固定したステアリング装置の場合、そのステアリングギヤ比は、車両の高速安定性を確保するために設定される。すなわち、高速走行時に車両が過敏に応答しないように、ステアリングギヤ比は大きく設定されることが多い。ところが、かかるステアリングギヤ比の場合、車庫入れなどの低速走行時に、ステアリングホイールを多く回転させる必要があり、操作が煩雑となる。このような問題に対し、特許文献１には、ステアリング装置に舵角重畳機構（差動機構を用いて入力角と出力角の関係を変えられる機構）を設けて舵角を重畳させることが開示されている。
【特許文献１】特開２００２−８７３１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
かかる特許文献１に記載の舵角重畳機構によれば、車速等に応じて伝達比（ここでは、舵角重畳機構の出力軸の回転速度÷入力軸の回転速度をいう）を可変とすることができ、例えば高側走行時には、伝達比を大きくして、ステアリングホイールの回転に対する車輪の転舵角を抑えて直進安定性を確保すると共に、低速走行時には、伝達比を小さくして、ステアリングホイールの回転に対する車輪の転舵角を大きくとることで、車庫入れ時などにおいてステアリング操作が煩雑とならないようにできる。
【０００４】
しかるに、特許文献１においては、遊星歯車式の差動機構を用いた、コラム部に配置が可能な舵角重畳機構が開示されているが、これは歯車機構を使用しているので、かみ合う歯数が基本的に少ないため、大きなトルクを伝達しなければならない車重の大きな車両などにおいては、小型化することが困難である。また、このようにモータを固定した遊星式の差動機構を用いた場合、モータ故障時などにフェールセーフとしてモータを任意の角度にロックさせて操舵する場合、伝達比が１とならないという問題がある。かかる伝達比を１とするためには別個の変速機構が必要となるため、それによりコスト高や、慣性や摩擦の増大、バックラッシ増大による操作性の悪化といった問題が生じる。
【０００５】
本発明は、かかる従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、コンパクトでありながら、伝達比を可変とできる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】
【０００６】
第１の本発明のステアリング装置は、
ステアリングホイールから操舵力を伝達される入力軸と、
前記入力軸に連結された第１内歯歯車と、
前記第１内歯歯車に噛合する第１遊星歯車と、
操舵機構に操舵力を伝達する出力軸と、
前記出力軸に連結された第２内歯歯車と、
前記第２内歯歯車に噛合する第２遊星歯車と、
前記第１内歯歯車と前記第２内歯歯車とを、相互の位相を固定した状態で回転自在に支持するキャリヤと、
前記キャリヤを前記入力軸に対して変位させるアクチュエータとを有することを特徴とする。
【０００７】
第２の本発明のステアリング装置は、
ステアリングホイールから操舵力を伝達される入力軸と、
操舵機構に操舵力を伝達する出力軸と、
内歯歯車とそれに噛合する遊星歯車とを有し、前記入力軸から前記出力軸に操舵力を伝達する第１伝達手段と、
前記入力軸から前記出力軸に伝達される操舵力に応じて、前記出力軸に補助トルクを出力する電動モータと、
前記電動モータの補助トルクを前記出力軸に伝達する第２伝達手段とを有し、
前記第２伝達手段は、前記電動モータの回転軸に連結されたウォームと、前記出力軸に連結され前記ウォームと噛合するウォームホイールとからなり、
前記ウォームホイールの内周に、前記内歯歯車が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
第１の本発明によれば、前記第１内歯歯車に噛合する第１遊星歯車と、前記第２内歯歯車に噛合する第２遊星歯車と、前記第１内歯歯車と前記第２内歯歯車とを、相互の位相を固定した状態で回転自在に支持するキャリヤとを用いて、前記入力軸から前記出力軸へと操舵力を伝達するので、従来技術のように太陽歯車が不要であり、その分構成のコンパクト化を図ることができる。更に、前記アクチュエータにより、前記キャリヤを前記入力軸に対して変位させることで、舵角重畳を実現することができる。
【０００９】
第２の本発明によれば、前記入力軸から前記出力軸に伝達される操舵力に応じて、前記電動モータの補助トルクを前記出力軸に出力することで、操舵力の電動アシストを実現できる。更に、前記電動モータの補助トルクを前記出力軸に伝達する第２伝達手段を構成するウォームホイールの内周に、前記内歯歯車を形成することで、よりコンパクトな構成を実現できる。
【００１０】
前記第１伝達手段は、コラム部に設けられ、前記入力軸の回転角に対する前記出力軸の回転角を変更可能に操舵力を伝達すると、舵角重畳を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して以下に詳細に説明する。図１は、本実施の形態にかかるステアリング装置を示す概念図である。図１において、ステアリングホイール１は、ステアリングシャフトの一部を構成する入力軸２に連結されている。コラムチューブ４内に挿通された入力軸２の下端は、コラムチューブ４の下端に取り付けられた駆動ユニット１００を介して、出力軸３に連結されている。駆動ユニット１００から補助操舵力を受ける出力軸３は、カルダンジョイントＣＪを介して、中間軸５に連結されている。中間軸５は、カルダンジョイントＣＪを介して、ピニオン軸６に連結されている。ピニオン軸６の下端に形成されたピニオン６ａは、それと交差する方向に延在するラック軸７のラック歯７ａに噛合している。ラック軸７の両端は、タイロッド８，８を介して一対のタイヤ１０，１０を操舵する操舵機構９，９に連結されている。
【００１２】
なお、車両制御装置ＶＣＵから、操舵制御装置ＳＣＵには、車速、ヨー、横Ｇ車輪側、横荷重、エンジン出力等の信号が入力されるようになっており、それに基づいて、操舵制御装置ＳＣＵは、舵角比コントローラＣＴ１から駆動ユニット１００の舵角モータ１１３に制御信号を送信し、ＥＰＳコントローラＣＴ２から駆動ユニット１００の補助操舵モータ１１９に制御信号を出力するようになっている。
【００１３】
図２は、駆動ユニット１００の断面図である。図３は、駆動ユニット１００の一部断面斜視図であるが、ハウジングは省略している。ハウジング１０１の上部に、コラムチューブ４が取り付けられている。コラムチューブ４内には、入力軸２が挿通され、不図示の軸受により回転自在に支持されている。コラムチューブ４と入力軸２との間には、コラムチューブ４に対する入力軸２の回転角度を検出する入力軸センサ１０２が設けられている。入力軸２の下端は中空となっており、その内部に挿入されたトーションバー１０３の上端が入力軸２にピン結合されている。一方、トーションバー１０３の下端は、ギヤケース１０４の上部にピン結合されている。１０４は、舵角重畳機構の入力軸となっている。
【００１４】
下部が中空円盤状のギヤケース（第１内歯歯車）１０４は、その内周に第１内歯１０４ａを形成しており、ハウジング１０１に対して軸受１０５により回転自在に支持されている。ハウジング１０１とギヤケース１０４との間には、ハウジング１０１に対するギヤケース１０４の回転角度を検出するギヤケースセンサ１０６が設けられている。
【００１５】
ギヤケース１０４の第１内歯１０４ａに噛合するようにして、複数の第１遊星歯車１０７が周方向に等間隔に配置されている。各第１遊星歯車１０７の中央孔に、一端（上端）を圧入したシャフト１０８は、その他端（下端）を第２遊星歯車１０９の中央孔に圧入してなる。なお、第１遊星歯車１０７，シャフト１０８，第２遊星歯車１０９は圧入でなくとも、キー結合など一体となって運動するように構成されていればよい。各シャフト１０８は、第１遊星歯車１０７と第２遊星歯車１０９との間に設けられた円盤状のキャリヤ１１０を貫通しており、それに対してニードル軸受１１１により回転自在に支持されている。即ち、第１遊星歯車１０７と第２遊星歯車１０９とは、出力軸２の軸線方向に見て互いに位相を固定された状態で、キャリヤ１１０に支持されている。
【００１６】
キャリヤ１１０の外周には、ウォームホイール歯１１０ａが形成されている。ウォームホイール歯１１０ａには舵角ウォーム１１２が噛合している。舵角ウォーム１１２は、アクチュエータである舵角モータ１１３の回転軸１１３ａに連結されている。回転軸１１３ａの先端には、ハウジング１０１に対して取り付けられ、キャリヤ１１０の方向に向かって回転軸１１３ａを付勢することで、舵角ウォーム１１２とウォームホイール歯１１０ａとの間に任意の予圧を与える予圧装置ＰＳ１（図３）が配置されている。このような予圧装置ＰＳ１は、例えば特開２００４−３０６８９８号公報に記載されている。
【００１７】
出力軸３は、上部の径の細い細軸部３ａと、下部の径の太い太軸部３ｂと、その間に形成された中空円盤部（第２内歯歯車）３ｃとを有している。中空円盤部３ｃは、キャリヤ１１０を挟んだ状態で、ギヤケース１０４に対向して配置されている。細軸部３ａは、キャリヤ１１０の中央孔を貫通して、ギヤケース１０４まで延在しており、その先端がギヤケース１０４に対して軸受１２０により相対回転可能に支持されている。また、太軸部３ｂはハウジング１０１に対して軸受１１４，１１５により回転自在に支持されている。キャリヤ１１０は、細軸部３ａに対して軸受１２１，１２２により回転自在に支持されている。
【００１８】
更に出力軸３は、中空円盤部３ｃの内周に第２内歯３ｄを形成しており、これに第２遊星歯車１０９が噛合している。ハウジング１０１と出力軸３との間には、ハウジング１０１に対する出力軸３の回転角度を検出する出力軸センサ１１６が設けられている。ここで、ギヤケース１０４，第１の遊星歯車１０７，キャリヤ１１０，第２の遊星歯車１０９、出力軸３の中空円盤部３ｃにより第１伝達手段、（舵角重畳機構）を構成する。
【００１９】
出力軸３の中空円盤部３ｃの外周には、樹脂製のウォームホイール環状部（ウォームホイールともいう）１１７が接着されており、その外周に形成されたウォームホイール歯１１７ａが補助操舵ウォーム１１８に噛合している。捕縄操舵ウォーム１１８と、ウォームホイール環状部１１７とで第２伝達手段（パワーステアリング機構）を構成する。補助操舵ウォーム１１８は、補助操舵モータ１１９の回転軸１１９ａに連結されている。回転軸１１９ａの先端には、ハウジング１０１に対して取り付けられ、ウォームホイール環状部１１７の方向に向かって回転軸１１３ａを付勢することで、補助操舵ウォーム１１８とウォームホイール歯１１７ａとの間に任意の予圧を与える予圧装置ＰＳ２（図３）が配置されている。このような予圧装置ＰＳ２は、例えば特開２００４−３０６８９８号公報に記載されている。
【００２０】
次に、本実施の形態の動作について説明する。まず、第１遊星歯車１０７、第２遊星歯車１０９、第１内歯１０４ａ、第２内歯３ｄの歯数をそれぞれ、Ｚａ、Ｚｂ、Ｚｉａ、Ｚｉｂとする。しかるに、Ｚａ／Ｚｉａ≠Ｚｂ／Ｚｉｂ（遊星歯車１０７、１０９が同一モジュールの場合）であると、ギヤケース１０４の角度，出力軸３の角度、キャリヤ１１０の角度の３つの関係が一意に決まるので、これらを差動機構として使うことができる。即ち、キャリヤ１１０の角度を制御すると、ギヤケース１０４（＝入力軸２）と、出力軸３との回転位相を制御することが可能となる。より具体的には、入力軸２の１回転あたりにおけるキャリヤ１１０の回転数をＮｗとすると、出力軸３は、（（Ｚｉａ×Ｚｂ）＋（Ｚｉａ−Ｚａ）・（Ｚａ−Ｚｂ）・Ｎｗ）÷（Ｚｉｂ×Ｚａ)だけ回転する。但し、遊星歯車１０７、１０９が同一モジュールで標準歯車（転位係数０）の場合である。
【００２１】
車両制御装置ＶＣＵから、車速、ヨー、横Ｇ車輪側、横荷重、エンジン出力等の信号が入力されたとき、操舵制御装置ＳＣＵの舵角比コントローラＣＴ１は、最適な伝達比を決定し、舵角モータ１１３を駆動制御する。より具体的には、駆動ユニット１００において、伝達比を１としたいときは、ステアリングホイール１の操作により入力軸２が角度θだけ左回転したときに、舵角モータ１１３を駆動してウォーム１１２を介して、キャリヤ１１０を、以下の数１式で表される角度λ０だけ回転させる。
【００２２】
【数１】
2007145273.tif 000003
【００２３】
それにより出力軸３は同じ角度θで左回転する。この際に、入力軸センサ１０２と、ギヤケースセンサ１０６と、出力軸センサ１１６の出力信号を、操舵制御装置ＳＣＵの舵角比コントローラＣＴ１に入力することでフィードバック制御を行うことができる。
【００２４】
一方、伝達比を１より大きくしたい場合、入力軸２が角度θだけ左回転したときに、舵角モータ１１３を駆動してウォーム１１２を介して、キャリヤ１１０を角度λａ（＞λ０）だけ回転させると、出力軸３は角度（θ＋ａ）分回転する（Ｚａ＞Ｚｂの場合）。それによりステアリングホイール１の小舵角の入力に対してタイヤ１０の大舵角を出力できるので、車速が低速のとき、伝達比を大きくし、小さなハンドル角度で車庫入れ等の小半径での旋回が可能なようにすることができる。
【００２５】
これに対し、伝達比を１より小さくしたい場合、入力軸２が角度θだけ左回転したときに、舵角モータ１１３を駆動してウォーム１１２を介して、キャリヤ１１０を角度λｄ（＜λ０、Ｚａ＞Ｚｂ）だけ回転させると、出力軸３は角度（θ−ｄ）分回転する。それによりステアリングホイール１の大舵角の入力に対してタイヤ１０の小舵角を出力できるので、操舵特性が敏感になり過ぎないようにすることで安定した高速走行を行うことができる。
【００２６】
更に車両が直進状態にあり、ステアリングホイール１から、入力軸２に操舵力が入力されていないとすると、トーションバー１０３はねじれないので、入力軸センサ１０２の出力信号と、ギヤケースセンサ１０６との出力信号との間に位相遅れは生じないため、操舵制御装置ＳＣＵのＥＰＳコントローラＣＴ２は補助操舵モータ１１９を駆動せず、補助操舵力は発生しない。
【００２７】
これに対し、車両がカーブを曲がろうとするときに運転者がステアリングホイール１を操作すると、その力に応じてトーションバー１０３がねじれ、入力軸２とギヤケース１０４との間で相対回動が発生する。すると、入力軸センサ１０２の出力信号と、ギヤケースセンサ１０６との出力信号との間に位相遅れが生じるので、それに基づき操舵制御装置ＳＣＵのＥＰＳコントローラＣＴ２は、この相対回動の方向および量に応じた駆動信号を補助操舵モータ１１９に送信するので、補助操舵モータ１１９は所望の補助操舵力を発生する。かかる補助操舵モータ１１９の発生したトルクは、ウォーム１１８とウォームホイール環状部１１７とからなる動力伝達部により減速されて出力軸３に伝達され、それにより操舵アシストを行うことができる。
【００２８】
更に、車両のスピンなどを防ぐため、車両情報（ヨーレート、車速、車輪速、舵角など）から、車輪のスリップやすべり角大を検知すると、操舵制御装置ＳＣＵの舵角比コントローラＣＴ１とＥＰＳコントローラＣＴ２は、舵角モータ１１３の駆動制御と補助操舵モータ１１９の駆動制御とを協調して行うことで、自動的に修正舵角を与えることもできる。
【００２９】
本実施の形態の駆動ユニット１００では、一般的な遊星歯車機構と異なり、中央に太陽歯車を有しない構成を採用しているため、歯車の噛み合いは、内歯歯車と外歯歯車（遊星歯車）との噛み合いのみとなる。外歯と内歯のかみ合いは凹面と凸面の接触であるから、かみ合い率も高くなり、外歯歯車同士のかみ合いに比べて、歯元の曲げ応力および接触面圧が有利になる。従って、太陽歯車を使う従来の機構に比べ、大幅に小型化することが可能となる。さらには、歯車に生じる応力が小さくいので、歯車材料として樹脂を使用することが可能となり、軽量化ばかりでなく、歯車の騒音を抑えることも可能となる。従って、本実施の形態では、樹脂として６６ナイロン（ガラス繊維強化）を使用している。その他材料としては、ジュラコン等強度の高いエンジニアリングプラスチックが使用可能である。
【００３０】
さらに、内歯歯車に樹脂を用いて、遊星歯車を鋼製にするなど、鋼と樹脂の組み合わせで小型化を狙うことも可能である。加えて、本実施の形態では、出力軸３の第２内歯３ｄを、操舵補助トルクを伝達するウォームホイール環状部１１７の半径方向内側に設けている。これにより、設置スペースの有効利用を図ることができ、駆動ユニット１００全体としてさらに小型のシステムとすることができる。コラム部のアクチュエータは、車両の衝突時の乗員保護のために、特に軽量化、小型化が求められるが、上記構成とすれば、このような要求にも対応可能となる。
【００３１】
なお、歯車のバックラッシにより操作フィーリングの低下の恐れがあるが、本実施の形態では、ウォーム１１２，１１８を予圧装置ＰＳ１，ＰＳ２（単なるばねでも良い）により、キャリヤ１１０，ウォームホイール環状部１１７方向にそれぞれ付勢する構成としている。これにより、ウォーム歯面のバックラッシの除去と共に、キャリヤ１１０をラジアル方向に変位させることで、第１遊星歯車１０７、第２遊星歯車１０９と、それに噛合する第１内歯１０４ａ、第２内歯３ｄとの間のバックラッシを除去することができ、操作フィーリングを向上させることが可能となる。
【００３２】
また、舵角モータ１１３が万一故障した場合にも操舵が可能なように、舵角ウォーム１１２は、逆作動（キャリヤ１１０から伝達される力で舵角モータ１１３を回転させること）が不可能なようなウォームの進み角にしている。従って、舵角モータ１１３がフリーな状態になってもキャリヤ１１０は回転しないため、入力軸２の回転力を出力軸３に伝達可能となっている。ただしこの際、伝達比が１とはならず、Ｚｉａ×Ｚｂ÷Ｚｉｂ÷Ｚａとなるが、ＺｂとＺａを近い値にすると、伝達比を０．７〜０．９程度と１に近い値にでき、通常操舵が十分可能な伝達比に設定できる。
【００３３】
なお、逆作動を不可能とするウォームの効率は低いので、それによるトルクのロス分を補うべく、舵角モータ１１３を大型化しなければならない場合もある。そこで、効率の高いウォーム（もしくは歯車等の伝動機構）を使用する場合には、舵角モータ１１３は回転軸１１３ａに電磁ブレーキを備えたタイプとし、舵角モータ１１３が故障した場合は、回転軸１１３ａをロックさせる構成としてもよい。
【００３４】
以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本実施の形態にかかるステアリング装置を示す概念図である。
【図２】本実施の形態にかかる駆動ユニット１００の断面図である。
【図３】駆動ユニット１００の一部断面斜視図である。
【符号の説明】
【００３６】
１ ステアリングホイール
２ 入力軸
３ 出力軸
３ａ 細軸部
３ｂ 太軸部
３ｃ 中空円盤部
３ｄ 第２内歯
４ コラムチューブ
５ 中間軸
６ ピニオン軸
６ａ ピニオン
７ ラック軸
７ａ ラック歯
８，８ タイロッド
９，９ 操舵機構
１０、１０ タイヤ
１００ 駆動ユニット
１０１ ハウジング
１０２ 入力軸センサ
１０３ トーションバー
１０４ ギヤケース
１０４ａ 第１内歯
１０５ 軸受
１０６ ギヤケースセンサ
１０７ 第１遊星歯車
１０８ シャフト
１０９ 第２遊星歯車
１１０ キャリヤ
１１０ａ ウォームホイール歯
１１１ ニードル軸受
１１２ 舵角ウォーム
１１３ 舵角モータ
１１３ａ 回転軸
１１４，１１５ 軸受
１１６ 出力軸センサ
１１７ ウォームホイール環状部
１１７ａ ウォームホイール歯
１１８ 補助操舵ウォーム
１１９ 補助操舵モータ
１１９ａ 回転軸
１２０ 軸受
１２１，１２２ 軸受
ＣＪ カルダンジョイント
ＣＴ１ 舵角比コントローラ
ＣＴ２ コントローラ
ＰＳ１，ＰＳ２ 予圧装置
ＳＣＵ 操舵制御装置
ＶＣＵ 車両制御装置
【図１】
2007145273.tif 000004
【図２】
2007145273.tif 000005
【図３】
2007145273.tif 000006