JP2010093943A - ギヤ機構付電動モータ及びこれを使用した電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ギヤ軸と電動モータの回転軸を一体構成とした場合に、電動モータで発生するトルクリップルによる振動や電磁振動がギヤ軸に伝達されることを抑制することができ、しかも構成を簡易化して軸方向長の短縮率も向上させることができるギヤ機構付電動モータ及びこれを使用した電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】ギヤハウジング１３ａに取付けられたモータフレーム２１に一端側が回転自在に支持され且つ他端側に前記ギヤハウジング１３ａ内に延長するギヤ１３ｃを形成したギヤ軸１３ｄの前記一端側にアウターロータ３１の回転軸部３１ａを支持し、前記モータフレーム２１に前記アウターロータ３１に対向してステータ３２を配置し、前記ギヤ軸及び前記アウターロータの回転軸部間に振動緩衝部材２５を配置した。
【選択図】図２

Description

本発明は、ギヤハウジングに前後一対の転がり軸受で支持されギヤを一体に形成したギヤ軸の自由端にロータを配置し、該ロータの外周面に対向する固定部にステータを配置したギヤ機構付電動モータ及びこれを使用した電動パワーステアリング装置に関する。

この種のギヤ機構付電動モータ及びこれを使用した電動パワーステアリング装置としては、たとえばモータ付減速機ユニットの一体形成されたユニットハウジングが、ウォームギヤ機構を主に収容する第１の部分と電動モータを主に収容する第２の部分とを含み、ウォーム軸の第２の端部に延伸部を設けてこれを中空ロータの近接する第１の端部に直接連結するようにした構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−３０４８７７号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の従来例にあっては、ユニットハウジングに設けた一対の転がり軸受でウォーム軸を回転自在に支持し、このウォーム軸の自由端にロータを一体に形成するので、電動モータ側で回転軸を支持する転がり軸受を必要としない利点を有すると共に、中空ロータを有するので、回転慣性特性を改善することができるものであるが、電動モータで発生するトルクリップルによる振動や電磁振動がギヤ軸に伝達されることを絶縁することができないという未解決の課題がある。

また、ステータの支持をユニットハウジングに直接固定した転がり軸受で行なう構成を有するので、ユニットハウジングの金型が大型化すると共に、構成が複雑となり、さらに機械加工によってステータコア固定部精度を確保する必要があり、製造コストが嵩むという未解決の課題もある。
さらに、ユニットハウジングをアルミニウム製である場合、ステータコア材との線膨張係数の差異により固定強度を確保するための構造設計が必要となることから重要品質管理項目が増えてしまうという未解決の課題もある。

さらにまた、電動モータがインナーロータ形式であるため、軸方向長の短縮率が小さく小型化しにくいという未解決の課題もある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、ギヤ軸と電動モータの回転軸を一体構成とした場合に、電動モータで発生するトルクリップルによる振動や電磁振動がギヤ軸に伝達されることを抑制することができ、しかも構成を簡易化して軸方向長の短縮率も向上させることができるギヤ機構付電動モータ及びこれを使用し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している。

上記目的を達成するために、一の形態に係るギヤ機構付電動モータは、ギヤハウジングに取付けられたモータフレームに一端側が回転自在に支持され且つ他端側に前記ギヤハウジング内に延長するギヤを形成したギヤ軸の前記一端側にアウターロータの回転軸部を支持し、前記モータフレームに前記アウターロータに対向してステータを配置し、前記モータ回転軸及び前記アウターロータの回転軸部間に振動緩衝部材を配置したことを特徴としている。

また、他の形態に係るギヤ機構付電動モータは、前記モータ回転軸は、前記アウターロータの回転軸部を、振動干渉材を介して内嵌していることを特徴としている。
さらに、他の形態に係るギヤ機構付電動モータは、前記ギヤ軸は、一端側が前記モータフレームの内周面に固定された前後一対の軸受で回転自在に支持されていることを特徴としている。

さらにまた、他の形態に係るギヤ機構付電動モータは、前記モータフレームは、前記ギヤ機構を収納するギヤハウジングに、軸方向位置調整可能に固定されることを特徴としている。
なおさらに、他の形態に係るギヤ機構付電動モータは、前記アウターロータの前記ギヤハウジング側に当該アウターロータの位相を検出する位相検出機構を配設したことを特徴としている。

また、他の形態に係るギヤ機構付電動モータは、前記一対の軸受の軸方向端部に前記ギヤ軸の軸方向反力を緩和する反力緩和部が形成されていることを特徴としている。
さらに、他の形態に係るギヤ機構付電動モータは、前記ギヤ軸に形成したギヤはウォームホイールに噛合するウォームで構成されていることを特徴としている。
さらにまた、一の形態に係る電動パワーステアリング装置は、前述した各形態の何れか１つに記載のギヤ機構付電動モータを操舵系に対して操舵補助力を伝達する操舵補助機構に適用したことを特徴としている。

本発明によれば、一端側がモータフレームに前後一対の軸受で支持され且つ他端側にギヤを形成したギヤ軸の前記一端側にアウターロータの回転軸部を支持し、前記モータフレームに前記アウターロータに対向してステータを配置し、前記モータ回転軸及び前記アウターロータの回転軸部間に振動緩衝部材を配置したので、振動干渉材によってモータで発生するトルクリップルや電磁振動がギヤ軸に伝達されることを絶縁することができ、これら振動や電磁振動がギヤ軸に伝達されることを抑制することができ、作動音を小さくすることができ、モータ回転軸とギヤ軸との連結部に別部品の振動絶縁機構を設ける必要がなく、この分一体型のギヤ軸の軸方向長さを短くすることができるという効果が得られる。

しかも、振動緩衝部材がギヤ軸の一端とアウターロータの回転軸部との間に介挿されているので、アウターロータの慣性とバネによる共振周波数での共振ピークを振動緩衝部材によってダンピングすることができ、電動モータの作動音を小さくすることができる。
また、モータフレームにギヤ軸及びモータの双方を支持することができ、ギヤ軸のギヤ側に軸受保持部を設ける必要がないので、モータ構成を簡易小型化することができるという効果が得られる。

さらに、電動モータをアウターロータ形式としたので、ギヤハウジングの軸方向長の短縮率を向上させることができる。
さらにまた、モータフレームをギヤハウジングに対して軸方向に位置調整可能に取付けることにより、ギヤをウォーム及びウォームホイールで構成した場合の噛合状態を適正化することができ、ギヤ噛合状態を適正化するための押付機構部材を別途設ける必要がなく、作動音を低減することができる。

なおさらに、ギヤ軸を支持する軸受に軸方向反力を緩和する反力緩和機構を設けることにより、ギヤ軸をフローティング構造で支持することができ、このフローティング構造でも振動緩衝効果を発揮することができる。
さらに、上記効果を有するギヤ機構付電動モータをパワーステアリング装置の操舵補助機構に適用することにより、作動音が小さく、小型化可能な電動パワーステアリング装置を提供するとこができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態を示す全体構成図であって、図中、１は電動パワーステアリング装置であり、この電動パワーステアリング装置１は、運転者が操舵するステアリング機構２を備えている。
このステアリング機構２は、ステアリングホイール３に運転者から作用される操舵力が伝達される入力軸４ａと出力軸４ｂとを有するステアリングシャフト４を有し、このステアリングシャフト４は、入力軸４ａの一端がステアリングホイール３に連結され、他端は操舵トルク検出手段としての操舵トルクセンサ５を介して出力軸４ｂの一端に連結されている。

そして、出力軸４ｂに伝達された操舵力は、ユニバーサルジョイント６を介してロアシャフト７に伝達され、さらに、ユニバーサルジョイント８を介してピニオンシャフト９に伝達される。このピニオンシャフト９に伝達された操舵力はステアリングギヤ機構１０を介してタイロッド１１に伝達され、図示しない転舵輪を転舵させる。
ここで、ステアリングギヤ機構１０は、ピニオンシャフト９に連結されたピニオン１０ａとこのピニオン１０ａに噛合するラック１０ｂとを有するラックアンドピニオン形式に構成され、ピニオン１０ａに伝達された回転運動をラック１０ｂで直進運動に変換している。

ステアリングシャフト４の出力軸４ｂには、操舵補助力を出力軸４ｂに伝達する操舵補助機構１２が連結されている。この操舵補助機構１２は、出力軸４ｂに連結したウォーム減速機１３と、このウォーム減速機１３に連結された操舵補助力を発生する電動モータとしてのブラシレスモータ１４とを備えている。
そして、このブラシレスモータ１４が、操舵トルクセンサ５で検出されるステアリングホイール３に付与されて入力軸４ａに伝達された操舵トルクが入力されると共に、車速を検出する車速センサ１５から出力される車速検出値が入力された制御装置１６によって駆動制御される。

この制御装置１６は、車速検出値をパラメータとして操舵トルクと操舵補助指令値との関係を記憶した制御マップを参照して、操舵補助指令値を算出し、算出した操舵補助指令値とブラシレスモータに流れるモータ電流とに基づいてフィードバック制御を行ってモータ電流指令値を算出し、算出したモータ電流指令値をインバータ回路で構成されるモータ駆動回路１７に供給して、このモータ駆動回路１７でモータ電流指令値と後述するブラシレスモータ１４のロータ回転角を検出するロータ位置センサ１８からの角度検出信号とに基づいて３相モータ駆動電流を形成し、この３相モータ駆動電流をブラシレスモータ１４に供給することにより、ブラシレスモータ１４で、操舵補助指令値に応じた操舵補助力を発生する。

ウォーム減速機１３は、図２に示すように、ギヤハウジング１３ａに内装された、出力軸４ｂに連結されたウォームホイール１３ｂと、このウォームホイール１３ｂに噛合するウォーム１３ｃを一体に形成したギヤ軸としてのウォーム軸１３ｄとで構成されている。ここで、ウォーム軸１３ｄのブラシレスモータ１４側の一端側がギヤハウジング１３ａに取付けられた円筒状のモータフレーム２１によって回転自在に支持されている。

すなわち、モータフレーム２１は、円筒部２１ａと、この円筒部２１ａのギヤハウジング１３ａ側の端面に形成されたフランジ部２１ｂと、このフランジ部２１ｂからギヤハウジング１３ａ側に突出する円筒状の軸受収納部２１ｃとで構成されている。
また、ギヤハウジング１３ａのウォーム軸１３ｄを収納するウォーム軸収納部１３ｅの右端面にモータフレーム２１のフランジ部２１ｂをウォーム軸１３ｄの軸方向からインロー結合する大径のモータフレーム取付凹部１３ｆが形成され、このモータフレーム取付凹部１３ｆの内周側にモータフレーム２１の軸受収納部２１ｃを挿通する小径凹部１３ｇが形成され、さらにモータフレーム取付凹部１３ｆの外周側にモータケースを取付けるケース取付面１３ｈが形成されている。

そして、モータフレーム２１がそのフランジ部２１ｂをギヤハウジング１３ａのモータフレーム取付凹部１３ｆ内にインロー結合させた状態で、ボルト２４によってギヤハウジング１３ａに固定されている。
また、モータフレーム２１の軸受収納部２１ｃに転がり軸受２２が収納固定されていると共に、円筒部２１ａの右端面側の内周面に転がり軸受２３が収納固定され、両転がり軸受２２及び２３によってウォーム軸１３ｄのブラシレスモータ１４側の一端側が回転自在に支持されている。

そして、ウォーム軸１３ｄの転がり軸受２２及び２３で回転自在に支持された一端側には右端面側から転がり軸受２２の近傍まで達する中心開口１３ｊが穿設され、この中心開口１３ｊ内に円筒状の振動緩衝部材２５を介してブラシレスモータ１４を構成するアウターロータ３１の回転軸部３１ａが固定されている。
アウターロータ３１は、回転軸部３１ａの右端に形成された円板状の端板部３１ｂと、この端板部３１ｂの外周面にギヤハウジング１３ａ側に向かう円筒部３１ｃと、この円筒部３１ｃの内周面に形成された永久磁石３１ｄとで構成されている。

また、モータフレーム２１の永久磁石３１ｄに対向する外周面にステータコア３２が固定されている。そして、アウターロータ３１の円筒部３１ｃの開放端面側に近接対向してロータ位置を検出する例えばホール素子などの磁気検出素子を用いたロータ位置センサ１８が配設されている。
さらにまた、モータフレーム２１に固定された転がり軸受２２の内輪のギヤ側とウォーム軸１３ｄのフランジ部１３ｉとの間及び転がり軸受２３の外輪の転がり軸受２２側とモータフレーム２１に形成された段部２１ｄとの間にそれぞれウォーム軸１３ｄの軸方向の反力を緩和するダンパーとなるウォーム反力緩和部材２６及び２７が配設されている。

なお、３５はアウターロータ３１を外側から覆うモータケースであり、ギヤハウジング１３ａのケース取付面１３ｈに固定されている。
次に、上記実施形態の動作を説明する。
ステアリングホイール３を操舵すると、操舵トルクセンサ５で検出された操舵トルクと車速センサ１５で検出した車速とに基づいて制御装置１６で操舵補助指令値が算出される。この操舵補助指令値がモータ駆動回路１７に供給され、このモータ駆動回路１７によってブラシレスモータ１４を回転駆動して操舵補助トルクを発生する。発生した操舵補助トルクはウォーム減速機１３を介してステアリングシャフト４に伝達される。

このとき、ウォーム減速機１３のウォーム軸１３ｄがモータフレーム２１に配設された転がり軸受２２及び２３で回転自在に支持され、このウォーム軸１３ｄの転がり軸受２２及び２３で支持されている一端にブラシレスモータ１４のアウターロータ３１の回転軸部３１ａが振動緩衝部材２５を介して支持されているので、転がり軸受２２及び２３で、ブラシレスモータ１４のアウターロータ３１の回転軸部３１ａとウォーム軸１３ｄとの双方を同時に支持することができ、アウターロータ３１側に別途軸受を設ける必要がなく、ウォーム軸１３ｄの全長を短くしてブラシレスモータ１４の軸方向長さを短くすることができ、ブラシレスモータ１４の突出長を短くして小型化することができると共に、部品点数を減少させて組付工数を減少させることができる。

また、ウォーム軸１３ｄの一端側に形成した中心開口１３ｊ内にブラシレスモータ１４のアウターロータ３１の回転軸部３１ａが挿通されて、振動緩衝部材２５を介して固定支持されているので、ウォーム軸１３ｄの全長を大幅に短縮することができる。
また、ウォーム軸１３ｄを回転自在に支持するモータフレーム２１の外周面にステータコア３２が固定されるので、機械加工部が小さく、内周面及び外周面を正確に加工することができるので、ステータコア３２とアウターロータ３１の永久磁石３１ｄとの間のギャップ精度を確保することができ、コギングトルクやラジアル吸引力のアンバランスを低減することができる。

しかも、ブラシレスモータ１４がアウターロータ形式に構成されているので、軸方向長の短縮率を向上させて、全体の軸長をより短くすることができる。このため、軸共振周波数の低周波化は僅かであり、振動、騒音への影響を小さくすることができる。
また、ウォーム軸１３ｄ及びアウターロータ３１の回転軸部３１ａとの間に振動緩衝部材２５が介挿されているので、この振動緩衝部材２５によって、アウターロータ３１で発生するトルクリップルによる振動や電磁振動を絶縁して、トルクリップルによる振動や電磁振動がウォーム軸１３ｄに伝達されることを抑制することができると共に、ロータの慣性とバネによる共振周波数での共振ピークを振動緩衝部材によってダンピングすることができ、電動モータの作動音を小さくすることができる。

さらに、ウォーム軸１３ｄとアウターロータ３１の回転軸部３１ａとが一体化されていることで、ウォーム軸１３ｄの軸方向の共振周波数が低周波数化することにより、振動、騒音問題が懸念されるが、ウォーム軸１３ｄにウォーム反力緩和部材２６及び２７が設けられているので、これらウォーム反力緩和部材２６及び２７がフローティング機構となり、振動緩衝効果を発揮することができる。

また、アウターロータ３１及びステータコア３２を支持するモータフレーム２１がギヤハウジング１３ａのモータフレーム取付凹部１３ｆにウォーム軸１３ｄの軸方向からインロー結合されて、ボルト２４で固定されており、モータフレーム２１にウォーム軸１３ｄが回転自在に支持されているので、モータフレーム２１のモータフレーム取付凹部１３ｆへの取付時にワッシャや間紙等で軸方向位置の調整を行なうことにより、ウォーム１３ｃとウォームホイール１３ｂとの噛合状態を最適化することができ、これによってもウォーム１３ｃとウォームホイール１３ｂとの噛合による異音の発生を防止することができる。

さらに、ロータ位置センサ１８をギヤハウジング１３ａ側に配置し、ブラシレスモータ１４の口出線とロータ位置センサ１８の位置検出信号ラインのハーネスを同一位置から引き出すことができる。
このようにブラシレスモータ１４をギヤ付電動モータで構成することにより、電動パワーステアリング装置１の構成も小型化することができ、電動パワーステアリング装置１を車両に搭載する際の他部品との緩衝に対する制約を緩和し、取付性を向上させることができると共に、標準化を容易にすることができる。また、電動パワーステアリング装置１の全体の部品点数の削減及び小型化を図ることができ、品質の改善、信頼性の向上及びコストダウンを図ることができる。

なお、上記実施形態においては、ロータ回転位置を検出するロータ位置センサ１８として、ホール素子等の磁気検出素子を用いた構成を適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ロータリエンコーダ、レゾルバ等の任意のロータ位置センサを適用することができる。
また、上記実施形態においては、ウォーム軸１３ｄにウォーム１３ｃを一体に形成した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ウォーム１３ｃを別体としてウォーム軸１３ｄに溶接、接着等の固定手段で固定するようにしてもよい。

さらに、上記実施形態においては、ウォーム軸１３ｄの中心開口１３ｊ内にアウターロータ３１の回転軸部３１ａを振動緩衝部材２５を介して連結した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ウォーム軸１３ｄの外周側にアウターロータ３１の回転軸部３１ａを振動緩衝部材２５を介して連結するようにしてもよく、この場合には、回転軸部３１ａを円筒状に形成してその外周面を転がり軸受２２及び２３で回転自在に支持する。

さらにまた、上記実施形態においては、電動モータとしてブラシレスモータを適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ブラシ付モータを適用することもでき、この場合にはロータ位置センサ１８を省略することができる。
なおさらに、上記実施形態においては、ギヤ機構付電動モータ１４をコラム式電動パワーステアリング装置１に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ステアリングギヤ機構１０のピニオン軸又はラック軸に操舵補助力を伝達するピニオン式又はラック式電動パワーステアリング装置にも本発明を適用することができる。

また、上記実施形態においては、本発明のギヤ機構付電動モータ１４を電動パワーステアリング装置に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、電動ブレーキ装置やその他の車載機器等の任意の機器の回転駆動源として適用することができ、さらには車載機器以外の任意の機器の回転駆動源として適用することができる。

本発明の一実施形態を示す概略構成図である。 本発明のギヤ機構付電動モータを示す断面図である。

符号の説明

１…電動パワーステアリング装置、２…ステアリング機構、３…ステアリングホイール、４…ステアリングシャフト、４ａ…入力軸、４ｂ…出力軸、１０…ステアリングギヤ、１２…操舵補助機構、１３…ウォーム減速機、１３ａ…ギヤハウジング、１３ｂ…ウォームホイール、１３ｃ…ウォーム、１３ｄ…ウォーム軸、１３ｅ…ウォーム軸収納部、１３ｆ…モータフレーム取付凹部、１３ｇ…小径凹部、１３ｈ…ケース取付面、１３ｊ…中心開口、１４…ブラシレスモータ、１６…制御装置、１７…モータ駆動回路、２１…モータフレーム、２２，２３…転がり軸受、２４…ボルト、２５…振動緩衝部材、２６，２７…ウォーム反力緩和部材、３１…アウターロータ、３１ａ…回転軸部、３１ｂ…端板部、３１ｃ…円筒部、３１ｄ…永久磁石、３２…ステータコア、３５…モータケース

Claims (8)

1. ギヤハウジングに取付けられたモータフレームに一端側が回転自在に支持され且つ他端側に前記ギヤハウジング内に延長するギヤを形成したギヤ軸の前記一端側にアウターロータの回転軸部を支持し、前記モータフレームに前記アウターロータに対向してステータを配置し、前記モータ回転軸及び前記アウターロータの回転軸部間に振動緩衝部材を配置したことを特徴とするギヤ機構付電動モータ。
2. 前記ギヤ軸の一端は、前記アウターロータの回転軸部を、振動干渉材を介して内嵌していることを特徴とする請求項１に記載のギヤ機構付電動モータ。
3. 前記ギヤ軸は、一端側が前記モータフレームの内周面に固定された前後一対の軸受で回転自在に支持されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のギヤ機構付電動モータ。
4. 前記モータフレームは、前記ギヤ機構を収納するギヤハウジングに、軸方向位置調整可能に固定されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のギヤ機構付電動モータ。
5. 前記アウターロータの前記ギヤハウジング側に当該アウターロータの位相を検出する位相検出機構を配設したことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のギヤ機構付電動モータ。
6. 前記一対の軸受の軸方向端部に前記ギヤ軸の軸方向反力を緩和する反力緩和部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載のギヤ機構付電動モータ。
7. 前記ギヤ軸に形成したギヤはウォームホイールに噛合するウォームで構成されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載のギヤ機構付電動モータ。
8. 前記請求項１乃至７の何れか１項に記載のギヤ機構付電動モータを操舵系に対して操舵補助力を伝達する操舵補助機構に適用したことを特徴とする電動パワーステアリング装置。

Images