(57)【要約】【課題】合成樹脂製のギヤ部を有する歯車を被検歯車としてその損傷を有無を監視することができる歯車の損傷検出装置を提供する。【解決手段】損傷検出装置４０は、多数の噛合歯を有し且つ合成樹脂材により形成されたギヤ部３３を備えている被検歯車１６に、当該ギヤ部３３の損傷を検出するためのＡＥセンサ４１を取り付けてなる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の噛合歯を有し且つ合成樹脂材により形成されたギヤ部を備えている被検歯車に、当該ギヤ部の損傷を検出するためのＡＥセンサを取り付けてなることを特徴とする歯車の損傷検出装置。
【請求項２】
前記被検歯車が、前記ギヤ部と、このギヤ部の内周側に設けられた金属製の芯材とを有し、前記ＡＥセンサが、前記芯材に取り付けられている請求項１記載の歯車の損傷検出装置。
【請求項３】
電動モータと、この電動モータによって駆動される駆動歯車と、この駆動歯車に噛合し、舵取手段に連動連結される従動歯車と、この従動歯車を前記被検歯車とする請求項１又は２に記載の損傷検出装置と、を備えてい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、歯車の損傷検出装置及び電動パワーステアリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の車両には、ドライバーのステアリング操作の労力を軽減するためにパワーステアリング装置が装備されており、近年、特に小型車両については燃費向上やクリーン化等のために油圧パワーステアリングから電動パワーステアリングへの移行が進んでいる。例えば、下記特許文献１には、操舵補助用の電動モータと、電動モータの回転力を減速して操舵軸に伝達する減速歯車機構とを備えた電動パワーステアリング装置が開示されており、ステアリングホイールの回転に応じた操舵軸の回転を電動モータの回転力により補助している。
また、上記減速歯車機構は、電動モータの出力軸に連結されたウォーム（駆動歯車）と、このウォームに噛み合うウォームホイール（従動歯車）とを備え、ウォームホイールは、操舵軸に一体回転可能に連結されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−５３００６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１において、減速歯車機構に用いられるウォームホイールには、多数の噛合歯を有し且つ合成樹脂材により形成されたギヤ部と、ギヤ部の内周側に設けられた金属製の芯材とからなるものが用いられている。これにより、ウォームホイールの軽量化や、ウォームとの噛み合い等によって生じる騒音の低減が図られている。
【０００５】
しかし、合成樹脂製のギヤ部を有するウォームホイールは、金属製のギヤ部を有するウォームホイールと比べて強度及び耐久性が低くなるため、亀裂や摩耗等の損傷に対して如何に対応するかが重要な課題となる。万一、ウォームホイールが損傷すると動作不良やアシストトルクの低下等の不都合が生じる。
【０００６】
本発明は、上記の実情に鑑みてなされたものであり、合成樹脂製のギヤ部を有する歯車を被検歯車としてその損傷の有無を監視することができる歯車の損傷検出装置及びこの損傷検出装置を備えた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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の歯車の損傷検出装置は、多数の噛合歯を有し且つ合成樹脂材により形成されたギヤ部を備えている被検歯車に、当該ギヤ部の損傷を検出するためのＡＥセンサを取り付けてなることを特徴とするものである。
また、本発明の電動パワーステアリング装置は、電動モータと、この電動モータによって駆動される駆動歯車と、駆動歯車に噛合し、舵取手段に連動連結される従動歯車と、この従動歯車を前記被検歯車とする上記損傷検出装置と、を備えていることを特徴とするものである。
【０００８】
被検歯車には、アコースティックエミッション（ＡＥ）と呼ばれる弾性波が生じ、このＡＥは被検歯車の損傷に伴って変化する。そのため、本発明は、被検歯車にＡＥセンサを取り付けることにより、被検歯車に生じるＡＥを検出可能とし、このＡＥの変化から被検歯車の損傷を検出することができるようにしている。
一方、合成樹脂材の損傷に伴って発生するＡＥの変化は、一般に金属材の損傷に伴って発生するＡＥの変化よりも小さくなる。そのため、本発明では、被検歯車に直接ＡＥセンサを取り付けることによって、確実にＡＥの変化を検出することができるようにしている。
【０００９】
被検歯車は、他の歯車との噛み合いながら回転するため、実際にＡＥセンサを取り付けた箇所から周方向にずれた位置で損傷する場合もある。合成樹脂材は、金属材よりもＡＥが伝播し難いため、被検歯車の合成樹脂部分にＡＥセンサを取り付けると、当該ＡＥセンサから離れた位置で損傷が生じたときに、当該損傷に伴うＡＥを検出し難くなる。そのため本発明では、被検歯車が、前記ギヤ部と、このギヤ部の内周側に設けられた金属材よりなる芯材とを有している場合には、この芯材にＡＥセンサを取り付ける。これによって、ＡＥセンサから離れた位置で生じた損傷に伴うＡＥであっても芯材を介して伝播するので、当該ＡＥセンサによって適切に検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、本発明の実施形態にかかる電動パワーステアリング装置を示す断面図である。電動パワーステアリング装置１０は、操舵補助用の電動モータ１１と、この電動モータ１１の出力軸の回転を減速する減速歯車機構１２と、減速歯車機構１２によって減速された回転動力が伝達される舵取手段１３とを備えている。
また、減速歯車機構１２は、電動モータ１１の出力軸に接続されたウォーム（駆動歯車）１５と、このウォーム１５に噛合するウォームホイール（従動歯車；本発明の被検歯車）１６とを備えている。
【００１１】
舵取手段１３は、上端部が図示しないステアリングハンドル（操舵部材）に接続される第１操舵軸１８と、上端部が第１操舵軸１８にピン１９ａを介して連結されたトーションバー２０と、このトーションバー２０の下部にピン１９ｂを介して連結された第２操舵軸２１とを有している。この第２操舵軸２１は、ユニバーサルジョイント２２を介してラックピニオン式の舵取機構（図示略）に連動連結されている。また、第１操舵軸１８の外周側には、操舵トルクを検出するトルクセンサ２３が設けられている。
【００１２】
図２は、当該電動パワーステアリング装置の減速歯車機構１２を拡大して示す断面図である。ウォーム１５は、軸方向中央部にギヤ部２５を備え、軸方向両側に軸部２６を備えている。この軸部２６は、減速歯車機構１２のハウジング２７に軸受２８，２９を介して回転自在に支持され、一方の軸部２６は、電動モータ１１の出力軸１１ａに継手３０を介して一体回転可能に連結されている。
ウォームホイール１６は、金属製の環状の芯材３２の外周に、合成樹脂製のギヤ部３３を設けたものであり、芯材３２は、第２操舵軸２１の外周面に一体回転可能に取り付けられている。ギヤ部３３の外周面にはウォーム１５に噛み合う多数の噛合歯が歯切りされている。なお、ギヤ部３３に用いられる合成樹脂材としては、例えば、ＰＡ６，ＰＡ４６，ＰＡ６６，ＰＡ９Ｔ，ＰＡ６Ｔ，ＰＰＡ等のポリアミド系材料や、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド），ＰＯＭ（ポリアセタール），ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）等が用いられる。
【００１３】
芯材３２についてより具体的に説明すると、図１に示すように、芯材３２は、径方向内側に第２操舵軸２１に外嵌される円筒状のボス部３５を備え、径方向外側にギヤ部３３が固着される円筒状の取付部３６を備え、ボス部３５と取付部３６とは、軸方向の一端部において円環状の連結部３７により一体的に連結されている。したがって、芯材３２は、ボス部３５、連結部３７、取付部３６とに囲まれた凹溝３８を有する。
【００１４】
図１及び図２に示すように、本実施形態の電動パワーステアリング装置１０は、ウォームホイール１６の損傷を検出する損傷検出装置４０を備えている。この損傷検出装置４０は、ウォームホイール１６に取り付けられたＡＥ（アコースティックエミッション；弾性波）センサ４１を有し、ＡＥセンサ４１は、ウォームホイール１６のギヤ部３３に生じるＡＥを検出することによって損傷が生じているか否かを判別するために用いられる。
このＡＥセンサ４１は、ウォームホイール１６の芯材３２に取り付けられている。具体的には、ウォームホイール１６の凹溝３８内に配置された状態で、取付部３６に接触するように取り付けられている。このＡＥセンサ４１によって、ウォームホイール１６のギヤ部３３で発生し、芯材３２に伝播されたＡＥを検出する。
【００１５】
ＡＥセンサ４１は、芯材３２に対して接着剤により固着することができる。また、図４に示すように、ＡＥセンサ４１は、芯材３２の取付部３６の内周面に形成された凹部４７に一部を入り込ませるようにして取り付けることができる。この場合、凹部４７を形成するために除去された芯材３２の一部の重量とＡＥセンサ４１の重量とを一致させることによって、ウォームホイール１６の回転バランスを好適に維持することができる。
また、ＡＥセンサ４１は、芯材３２に取り付けられた鉤型の留め具４８によって固定することもできる。この留め具４８としては、図５に示すものを用いることもできる。この場合、先端にフック４８ａを有する留め具４８を連結部３７にナット等により固定し、このフック４８ａをＡＥセンサ４１に係合することによって取り付け状態を維持することができる。
【００１６】
電動パワーステアリング装置１０の使用中、ウォームホイール１６のギヤ部３３にはＡＥが発生し、また、ギヤ部３３に損傷が生じると、ＡＥに変化が生じる。しかし、一般に、合成樹脂材に発生するＡＥは、金属材に発生するＡＥに比べて小さく、その変化も微小であるため、ＡＥセンサによって検出するのが困難となる。本願出願人は、ギヤ部３３に用いられた合成樹脂材に発生するＡＥの変化を適切に検出するため、当該合成樹脂材に発生するＡＥの周波数特性について実験を行い、図３に示すようなＡＥのパワースペクトルを得た。
通常、合成樹脂材に発生するＡＥのパワーレベル（パワー値）は、低周波数で大きく、高周波数で小さくなるようになだらかに変化する。しかし、例えば合成樹脂材に使用されている無機充填材と母材との結合が破壊され、合成樹脂材に損傷が生じると、図３に点線円で示すように、１３０ｋＨｚ付近の特定の周波数帯においてパワーレベルが上昇することが分かった。すなわち、本願出願人は、実験の結果、当該合成樹脂材に損傷が生じたときに特に大きな変化が生じる特定の周波数帯を知得するに至った。
【００１７】
そのため、本実施形態の損傷検出装置は、ＡＥセンサ４１として、約１３０ｋＨｚの共振周波数を有するものが用いられ、このＡＥセンサ４１によって当該周波数におけるＡＥを検出するとともに、その変化を監視することによってウォームホイール１６のギヤ部３３に対する損傷の有無を検出するように構成している。
【００１８】
図６は、損傷検出装置４０の機能構成を示すブロック図である。この損傷検出装置４０は、ＡＥセンサ４１の他、車載コンピュータ等からなるデータ処理装置４２を含む。車両走行中、ＡＥセンサ４１によって検出されたＡＥ信号は、図示しない増幅器やＡ／Ｄ変換器を経た後データ処理装置４２に送られ、データ処理装置４２の信号処理部４３において、波形処理、ヒット処理、ＦＦＴ解析等の処理が行われる。そして、その処理結果はデータ処理部４２の判定部４４に送られる。判定部４４では、ＡＥのパワーレベルが所定の閾値と比較され、当該閾値よりも小さいときは、ウォームホイール１６に損傷がないと判定され、大きいときはウォームホイール１６に損傷があると判定される（損傷有り判定）。
【００１９】
さらに、この判定結果は、データ処理装置４２の動作制御部４５に送られる。この動作制御部４５は、電動モータ１１の動作制御や、ドライバーに電動パワーステアリング装置１０の異常を報知する警報装置４６の動作制御を行うものであり、判定部４４において損傷有り判定が出た場合は、電動モータ１１を停止させるとともに、警報装置４６を作動してドライバーに異常を伝える。これにより、電動パワーステアリング装置１０の動作不良やアシストトルクの低下等が生じる前に電動パワーステアリング装置１０を停止し、ドライバーにウォームホイール１６の損傷を早期に認識させることができる。
【００２０】
上記ＡＥセンサ４１は、ウォームホイール１６を構成する金属製の芯材３２に設けられているので、ギヤ部３３のどの場所で損傷が生じても芯材３２に伝播されたＡＥを検出することができる。すなわち、例えば、ＡＥセンサ４１がギヤ部３３に直接的に取り付けられた場合、ＡＥセンサ４１から離れた位置で生じた損傷に伴うＡＥは、合成樹脂材中を伝播し難いために、ＡＥセンサ４１によって検出し難くなるが、ＡＥの伝播し易い芯材３２にＡＥセンサ４１を設けることで、確実なＡＥ検出が可能となる。
【００２１】
前記ＡＥセンサ４１は、芯材３２のうちギヤ部３３に接触する取付部３６に取り付けられているので、ＡＥをより確実に検出することができる。また、ＡＥセンサ４１は、芯材３２の凹溝３８内に設けられているので、ＡＥセンサ４１を周囲の邪魔となることなくウォームホイール１６に取り付けることができる。
【００２２】
本発明は、上記実施形態に限定されることなく適宜設計変更可能である。上記ＡＥセンサ４１は、有線タイプであってもよいし、無線タイプであってもよい。無線タイプのＡＥセンサ４１の場合、例えば、特開２００６−２５０２３６号公報等に開示されている技術を適用することができる。この場合、ウォームホイール１６の芯材３２に環状の送信コイルを設け、ハウジング２７に、送信コイルに対向する配置で受信コイルを設け、送信コイルと受信コイルとの間で電磁誘導によってＡＥ信号を送受信するように構成することができる。
【００２３】
ＡＥセンサ４１の共振周波数は、ウォームホイール１６に用いられる合成樹脂材に応じて適宜変更することができ、例えば、５０ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚの範囲に含まれるものを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の断面図である。
【図２】電動パワーステアリング装置の減速歯車機構の拡大断面図である。
【図３】ウォームホイールを構成する合成樹脂材のパワースペクトルを示すグラフである。
【図４】ウォームホイールにＡＥセンサを取り付ける一例を示す正面図である。
【図５】ウォームホイールにＡＥセンサを取り付ける一例を示す断面図である。
【図６】損傷検出装置の機能構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００２５】
１０  電動パワーステアリング装置
１１  電動モータ
１２  減速歯車機構
１３  舵取手段
１５  ウォーム（駆動歯車）
１６  ウォームホイール（従動歯車；被検歯車）
３２  芯材
３３  ギヤ部
４０  損傷検出装置
４１  ＡＥセンサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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