JP4875111B2 - 角度位置を検出する検出装置、電動機、ステアリングコラムおよび減速装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動機軸の角度位置検出の分野に関する。

本発明はまた、角度位置を正確に確認することが求められる電動機車両ステアリングコラムの分野に関する。

具体的には、車両は、電力補助ステアリング装置およびステアリングコラムの振れ角度のセンサーを利用して、車輪の角度を判定し、そしてそれにより、ブレーキを作動させて軌道修正を行うようにますますなってきている。電力補助ステアリング装置は、多くの場合、ブラシレス直流電動機を使用しているので、その切換え動作を厳密に制御しなければならず、したがって、回転子の絶対角度位置を知らねばならないものである。したがって、電力補助電動機は、該電力補助電動機が機械的に接続されているゾーンの方向付けのシステムを動作させる。電力補助電動機と車輪方向付けシステムとの間の機械的接続は、車両のタイプおよびメーカーにもよるが、可能的な異なる位置、例えばステアリングコラム軸において、さもなければ、車輪方向付けラックにおいて、行うことができる。ステアリングコラムでは、ステアリングコラムの回転速度と電動機の回転速度との間に、一般に１０〜２０のオーダーの歯車減速がされており、したがって、ステアリングコラムが一回転する間に、電動機軸は１０〜２０回転する。ステアリングコラムの一方の終端振れ位置から他方の終端振れ位置までの総回転数は、４回転のオーダーである。したがって、電動機軸の絶対角度は、４０〜８０軸回転に亘り判定することが必要となり、また、ステアリングコラムの絶対角度は、４回転に亘り判定することが必要となる。

特許文献１は、ステアリングシャフト、非整数減速比を有するギヤボックスを介してステアリングシャフトに動作的に接続されている回転子を有する電動機、ステアリングシャフトの角度位置の関数としての出力を生ずる第一の検出手段、および回転子の角度位置の関数としての出力を生ずるよう設計されている第二の検出手段、および二つの出力信号を処理して、完全な１回転より大きな範囲に亘ってステアリングシャフトの角度位置を示す角度位置信号を生ずるよう設計されている処理手段を備える電力補助ステアリングについて述べている。電動機軸またはステアリングコラム軸には、絶対角度センサーを設けることができるが、これは、多回転絶対センサーであるので、高価である。さらに、ステアリングシャフトまたは電動機軸には、指標を設けることができる。しかしながら、この指標は、十分な正確さを有していない。

特許文献２は、ステアリングコラムに二つのセンサーおよび電動機に一つのセンサーが設けられた電力補助ステアリングについて述べている。センサーを３個有することは、高価であり、かつ、比較的高級な処理電子装置も必要となる。

特許文献３は、ステアリングコラム軸と連係した精密センサーおよび近接センサーを備え、精密センサーは、対応するエンコーダをより迅速に駆動することを可能にする歯車によって、４倍の歯車減速をもたらす、車輪の振れの角度位置を判定する装置について述べている。この装置は、比較的複雑であり、電動機の極の位置を確認することを可能にするものではない。

特許文献４は、二つのセンサーユニットを備え、一方が振れ回転の全範囲の角度セグメントにおける角度位置を検出し、他方のユニットは１以外の比を有する歯車を介して振れ回転を検出し、したがって、二つのセンサーによって検出される回転速度が異なることによって、絶対角度位置が検出される、車輪の振れの絶対角度位置を判定するための振れ角度センサーについて述べている。この文献もまた、電気駆動電動機の回転子の絶対角度位置を確認することを可能にするものではない。

特許文献５は、全電動ステアリングタイプの車両用振れ装置について述べている。この電動ステアリング電動機は、二つの減速装置と連係しており、一方は車輪の振れ用、他方は中立位置からの１回転に亘る回転、すなわち、合計２回転に亘る回転で、回転の検出を行うものである。
ＥＰ１０２６０６８（ＴＲＷ） ＥＰ１４１３４９９（Ｔｏｙｏｄａ） ＵＳ５６４６５２３（Ｋａｉｓｅｒ） ＵＳ６２４８９９３（Ｌｅｏｐｏｌｄ Ｋｏｓｔａｌ） ＪＰ２００５０５３４１６（Ｔｏｙｏｄａ Ｍａｃｈ Ｗｏｒｋｓ）

本発明の目的は、上記文献の欠点および限界を無くすことである。

本発明の目的は、単一のモジュールを用いることにより、電動ステアリング電動機の軸の絶対角度位置およびステアリング車輪の振れの角度を得ることである。一般に、ステアリング車輪の振れの角度は、ステアリングコラムの角度位置と１対１の関係となっている。

本発明の目的は、信頼性そして原価効果の高い手段で前記角度位置を得ることである。

非回転要素に対する電動機の軸の角度位置を検出するための検出装置であって、軸に接続されて回転する入力側、そして出力側を有する減速装置を備え、減速装置の出力側に、２πより小さい角度に亘って移動し、減速装置の出力側の角度を測定するため一回転角度位置センサーが配設されており、かつ、減速装置の入力側に角度位置センサーが配設されている検出装置において、減速装置は、転がり軸受とケーシングを備え、転がり軸受は、ケーシングに取り付けられている外輪と軸に取り付けられ角度位置センサーと協働するエンコーダを支持している内輪とを備えている。したがって、この検出装置は、入力角度位置センサーおよび出力角度位置センサーが設けられ、かつ、ステアリング機構内に取り付けられたとき、電動機の回転子の角度位置および車輪の振れの角度位置を十分な正確さで判定することを可能にする二つの信号を供給することができる減速装置を提供する。したがって、車両の軌道上で、補助システムによって動作することができる。その二つのセンサーが付与されている減速装置は、従来のタイプの電動ステアリング電動機に取り付けることができるサブアセンブリを形成している。

減速装置の減速比は、５と１００との間で設定されていることができる。

一形態では、減速装置は、転がり軸受およびケーシングを備えている。転がり軸受は、軸に取り付けられた内輪およびケーシング内に取り付けられた外輪を備えることができる。エンコーダは、内輪によって支持し、かつ、角度位置センサーと協働することができる。

一形態では、一回転角度位置センサーは、絶対角度位置センサーである。一回転絶対角度位置センサーは、多回転絶対角度位置センサーより大幅に安価である。

一形態では、一回転角度位置センサーは、減速装置のケーシングによって支持されている電子回路ボードに取り付けられている。二つのセンサーは、電子回路ボードに取り付けることができる。エンコーダは、転がり軸受に取り付けることができる。

一形態では、検出装置は、軸に取り付けられて回転する内輪および非回転外輪を有する転がり軸受を備えている。

一形態では、減速装置は、少なくとも一つの遊星歯車列を備えている。これは、５〜２０のオーダーの減速比を得ることを可能にする。

別の形態では、減速装置は、少なくとも一つの調和減速歯車を備えている。これは、１５と１００との間に在る減速比を得ることを可能にする。

一形態では、出力側は、減速装置それ自体の抗力トルクに対応するトルクで設計されている。検出装置の抗力トルクは、本質的に減速装置の転がり軸受の抗力トルクおよび減速装置の歯車の抗力トルクから成る。減速装置の抗力トルクは、非常に僅かである。

一形態では、入力角度位置は、２πの角度を測定可能である。したがって、絶対タイプまたはインクレメンタルタイプの経済的な角度位置センサーを使用することができる。

一形態では、軸は、減速比が１と５との間の歯車伝動によって駆動される要素に接続されている。

一形態では、入力角度位置センサーは、多極エンコーダを備えている。

角度位置センサーは、半径方向でエンコーダの外側に配置することができる。一回転角度位置センサーは、エンコーダと軸方向エアーギャップを形成しているようにすることができる。

一回転角度位置センサーは、半径方向で角度位置センサーの外側に配設することができる。

センサーは、エンコーダ要素の反対側に配設される一つまたはそれ以上の高感度な要素、例えば、多極磁気エンコーダリングの反対側に配設される一つまたはそれ以上のホール効果セルを備えるようにすることができる。

電動機は、回転子、固定子、回転子を支持する軸および非回転要素に対する軸の角度位置を検出するための検出装置を備えている。減速装置は、軸に接続されて回転する入力側、そして出力側を備えている。減速装置の減速比は、５と１００との間で設定され、したがって、減速装置の出力は、２πより小さい角度に亘って移動する。また、減速装置の出力側の角度を測定するため、一回転角度位置センサーが配設されており、また、減速装置の入力側に、角度位置センサーが配設されている。

電力補助ステアリング装置は、上記の電動機を備えることができ、電動機によって駆動される軸は、車両の車輪の振れを生ずるよう設けられている。

本発明によれば、減速装置は、減速機構、入力側、出力側、出力側の角度を測定するよう配設されている一回転角度位置センサー、および入力側に配設されている角度位置センサーを備えるようにすることができ、減速装置の減速比は、減速装置の出力が２πより小さい角度に亘って移動するよう、選択できる。

減速装置は、転がり軸受およびケーシング、軸に取り付けられる内輪を備える転がり軸受、ケーシングに取り付けられた外輪、そして内輪によって支持され、かつ、角度位置センサーと協働するエンコーダを備えるようにすることができる。

本発明は、いかなる点でも限定的でなく、かつ、添付の図面によって説明されている例として示された実施形態の詳細な説明を読むことによって、よりよく理解されよう。

図で判るように、角度位置検出装置１は、電動機の軸２に取り付けられている。また、軸２はキー４によってキー固定されているピニオン３を支持しており、例えば、ステアリングコラムの追加の歯車を駆動するようになっている。

検出装置１は、減速装置５（この例では、調和減速装置）、転がり軸受６および検出部分７を備えている。

減速装置５（この例では、調和減速装置）は、内径面に歯が設けられているクラウン歯車８、直径方向で正反対に位置する二つの域でクラウン歯車８と噛み合い半径方向での可撓性を有する可撓性歯車９（図３参照）、そして同心に取り付けられた信号波発生器１０を備えている。可撓性歯車９は、軸方向内側面が設けられている。信号波発生器１０は、キー１２によって内径部が軸２に取り付けられて軸２とともに回転するリング１１を備えてる。リング１１からは、直径方向で正反対の二位置でアームが半径方向に外方に延出している。信号波発生器１０は、それぞれアームに取り付けられた二つの支持フィンガー１３を備えている。リング、アームおよびフィンガーは、一体にすることができる。信号波発生器１０は、それぞれフィンガー１３に補助的に取り付けられた低摩擦なブッシュ１４を有している。ブッシュ１４は、可撓性歯車９の内側の面と接触しており、前記可撓性歯車９を直径方向で正反対の二位置で半径方向に変形させてクラウン歯車８の歯と該二位置で噛み合わせている。ブッシュ１４の代わりに軸受を用いることも考えられる。信号波発生器１０は、キー１２によって軸２にキー固定されている。

転がり軸受６は、軸方向においてピニオン３と減速装置５との間で軸２に取り付けられている。転がり軸受６は、例えば、軸２にスリーブ嵌めされた内輪１５、外輪１６、保持器によって円周方向に均等に間隔を保って配列された転動体１７（この場合はボール）、および外輪１６の溝に取り付けられ、内輪１５の軸方向円筒外面と狭い通路を形成しているシールフランジ１８を備えている。内輪１５および外輪１６は、それぞれ、転動体１７を受け入れるために、円環面の一部分の形状をなしている軌道面を有している。内輪１５および外輪１６は、深溝タイプの軸受輪である。転がり軸受６は、大量生産で経済的に製造された標準タイプのものとすることができる。

検出装置１は、減速装置５および転がり軸受６を包囲しているケーシング１９（例えば、合成材料で作られている）を備えている。図示の実施形態では、ケーシング１９は、環状であり、小径軸方向部分２０を有しており、その内径部には、転がり軸受６の外輪１６が固定的に取り付けられている。ピニオン３の側では、小径軸方向部分２０が、半径方向内方に延びて、外輪１６の前面と接触している短い半径方向リム２１を有していて、該半径方向リム２１により、軸方向ストッパを形成している。ケーシング１９はまた、軸方向で半径方向リム２１と反対側で、小径軸方向部分２０の端部から半径方向外方に延び、転がり軸受６の内輪１５そして外輪１６の側端面を含む平面上に位置する面を有している半径方向部分２２を備えている。ケーシング１９は、半径方向部分２２の外径部から、ピニオン３と反対側で軸方向に延びている大径軸方向部分２３を備えている。クラウン歯車８は、大径軸方向部分２３に固定的に取り付けられている。

有利には、ケーシング１９およびクラウン歯車８は、例えば、成型によって一体に作られている。ケーシング１９は、鉱物充填材によって補強されたポリアミドで作ることができる。

検出部分７は、概略、軸方向では、一方の側が減速装置５によって、そして、他方の側が転がり軸受６によって限界付けられ、かつ、半径方向では、一方の側が軸２によって、そして、他方の側がケーシング１９の大径軸方向部分２３によって限界付けられた空間内に配設されている。検出部分７は、限定された角度セクター（例えば９０°のオーダーのセクター）を占有し、ケーシング１９の半径方向部分２２の内方側の半径方向面に対して取り付けられ、減速装置５の側の、転がり軸受１６の外輪の側端面と接触している電子回路ボード２４（図２および３参照）を備えている。別法として、電子回路ボードは、外輪１６に取り付け、ケーシング１９に接触した状態にすることができる。

電子回路ボード２４は、電子処理回路２５および二つのセンサー２６および２７（例えば、磁気感知性タイプのセンサー）を支持している。センサー２６は、周方向では電子回路ボード２４の略中央、そして半径方向では可撓性歯車に対応する位置で上記電子回路ボード２４に取り付けられている。センサー２７は、周方向では電子回路ボード２４の略中央、そして半径方向では該電子回路ボード２４の内縁部の位置で半径方向内方に向け取り付けられている。したがって、センサー２６は、センサー２７の半径方向外側に配設されている。センサー２６および２７は、それぞれ、光学または磁気タイプのものとすることができる。以下の記述では、二つのセンサー２６および２７が磁気感知性タイプの場合を想定している。

検出部分７は、環状の二つのエンコーダ２８および２９を備えている。エンコーダ２８は、例えば接着によって、あるいはオーバーモールディングによって、可撓性歯車９の半径方向面に半径方向に取り付けられ、かつ、僅かな軸方向エアーギャップでセンサー２６に対向している長方形断面の多極リングをなしている。エンコーダ２８は、可撓性歯車９より剛性が低いので、該可撓性歯車９の半径方向変形に追随して、センサー２６は磁気信号を生成することができる。

エンコーダ２８と歯車９とは、一つにして、一体の部品とすることができる。

エンコーダ２９は、転がり軸受６の内輪１５によって支持されており、センサー２７にて磁気信号を生成する。エンコーダ２９は、支持体３０と能動部分３１とを有している。支持体３０は、内輪１５の外周面にスリーブ嵌めされる大径軸方向部分、減速装置５の側にて内輪１５の側端面に当接している半径方向部分、および減速装置５の方向に延びているより小さな直径の小径軸方向部分を有していて、例えば金属シートブッシュの形態として作られている。能動部分３１は、上記支持体３０の小径軸方向部分および大径軸方向部分の一部を囲むように該支持体３０にオーバーモールドされており、センサー２７に小さな半径方向エアギャップで対向する軸方向外面を有する、例えば、プラストフェライトタイプとして作られている。

図示の実施形態では、転がり軸受６は、エンコーダ２９の側にはシールフランジを備えていない。しかしながら、エンコーダ２９の一部分と協働する適切な形状の摩擦シールまたはフランジを設けることができる。

したがって、検出部分７は、二つのセンサーと、該センサーからの出力信号を受け、例えば、有線または無線リンク（図示せず）を介して、軸２の絶対角度位置を表す情報のアイテムおよび振れの角度に対する情報のアイテムを外部に伝達することができる電子回路を支持する同じタイプの電子回路ボード２５とを備えている。電子回路ボード２５は、簡単なフォーマッティング後に、センサー２６およびセンサー２７からの出力信号を伝達することができ、あるいは、別法として、一方では、センサー２７によって供給される情報に基づいて、他方では、車両車輪の振れの角度をセンサー２６の出力信号およびセンサー２７の出力信号の関数として、電動機の軸２の絶対角度位置を所望の正確さで判定することを可能にする処理を行うことができる。

したがって、検出装置１は、単一の転がり軸受、減速装置、二つのエンコーダ、二つのセンサーおよび該センサーを支持する単一の電子回路ボード（これは、具体的には経済的およびコンパクトである）を備えることができる。また、検出装置１は、電動機の軸２の一端部で、例えば、ステアリングコラム駆動ピニオンと電動機のケーシング（図示せず）との間で、容易に組み立てられるサブアセンブリを形成する。したがって、これは、従来技術では、ステアリングコラムに亘って分散配置され、又、電力補助ステアリング電動機に分散配置されたシステムに代わって、単一でコンパクトなシステムを用いることとするものである。

動作中、電動機の軸２は、回転しながらピニオン３を駆動して、車輪振れ装置を動作させることができるが、これは、電動機の軸２は、電動機の軸２の角度移動とステアリングコラム軸の角度移動との間の減速比が、１０〜２０のオーダーとなるよう、車輪方向付けシステムに機械的に接続されているためである。転がり軸受６の内輪１５、したがって、エンコーダ２９は、軸２と同じ速度で駆動される。したがって、軸２の角度移動は、センサー２７によって検出され、電子回路２５に伝達され、外部部材に伝達されて、適宜処理される。減速装置５の信号波発生器１０も、軸２と同じ回転速度で駆動され、軸２は、可撓性歯車９を５〜１００の減速比で、好ましくは４０〜８０のオーダーで回転させる。換言すれば、可撓性歯車９およびエンコーダ２８は、軸２の移動角度４０〜８０°に対して、１°の角度移動をする。エンコーダ２８および可撓性歯車９の角度移動は、センサー２６によって検出され、電子回路２５に伝達され、外部部材に伝達されて、適宜処理される。

可撓性歯車９およびエンコーダ２８の角度移動を１回転よりも小さい回転に限定するには、減速装置５の減速比が、ステアリングコラムに対する軸２の減速比に、ステアリングコラムの一つのストップから別のストップまで（すなわち、車両車輪の左側への振れの終端位置から右側への振れの終端位置まで）の回転数を掛けた値を超えるか、あるいは、等しいように設計する。これは、エンコーダ２８が、３６０°を下回る回転範囲を有することを確実とする。したがって、明らかに多回転センサーよりも経済的である一回転タイプのエンコーダ２８およびセンサー２６を用いることができる。センサー２６およびエンコーダ２８が、正確さがより低い信号しか与えなくても、軸２の正確な角度位置が、センサー２７およびエンコーダ２９によって供給されるので、センサー２６およびエンコーダ２８の分解能は、比較的低くすることができる。歯車減速は減速装置５によってなされるため、したがって、０．１°のオーダーという非常に高い正確さで、ステアリングコラムの角度位置を判定することが可能である。

エンコーダ２８は、極が円周方向で交番するタイプか、さもなければ、外装Ｎ極および内蔵Ｓ極を１８０°に、かつ、内蔵Ｎ極および外装Ｓ極を１８０°に有する４極タイプとすることができる。センサーによって感知される磁界は、可撓性歯車９の半径方向の変形のため、エンコーダ２８の角度位置および半径方向位置にしたがって変化する。

電動機２（これは、ブラシレス直流タイプとすることができる）を制御するには、回転子の、したがって、軸２の極の角度位置を正確に知ることが望ましい。センサー２７およびエンコーダ２９は、高い分解能を有するか、さもなければ、絶対角度を供給する多回転タイプである。

図示の実施形態では、ケーシング１９は、非回転であるように、例えば、電動機のケーシングに回転が固定的に取り付けられるように設計されているが、エンコーダの一方は、転がり軸受の内輪と連係し、他方が、減速装置の可撓性歯車と連係している。変形例としては、エンコーダ２９は、信号波発生器１０の軸方向環状部分１１に、さもなければ、軸２に直接取り付けることができ、したがって、二つの標準タイプのシール要素を有する標準タイプの転がり軸受を使用することができる。これは、クラウン歯車が、センサーを支持するよう設計することができる減速装置をもたらし、したがって、転がり軸受で、クラウン歯車と電動機の軸との同心性が保証される。

図１では、より明瞭にするために、電動機のケーシング３２およびステアリングコラム３３を破線で示してある。

本発明により、ユーザーは、電力補助ステアリングまたは全電動ステアリングの電動機軸にサブアセンブリとして取り付けられ、かつ、電動機軸の正確な角度位置を表す信号および車輪の振れの角度を表す信号の両方を供給する電子回路ボードが設けられた非常にコンパクトで経済的な装置を有することになる。これらのデータを供給するには、二つのセンサーだけで十分である。加えて、例えば、ステアリングコラムの転がり軸受、あるいは、ステアリングラックに配設された他の追加の検出システムを不要にすることが可能となる。

また、調和タイプの減速装置の代わりに、本発明の範囲から逸脱することなく、遊星タイプの減速装置を設けることも可能である。

角度位置検出装置の軸方向断面図である。 図１の装置の分解組立て斜視図である。 図１の装置の側面立面図である。

Claims (12)

1. 非回転要素に対する電動機の軸（２）の角度位置を検出するための検出装置（１）であって、軸（２）に接続されて回転する入力側、そして出力側を有する減速装置（５）を備え、減速装置の出力側に、２πより小さい角度に亘って移動し、減速装置の出力側の角度を測定するため一回転角度位置センサー（２６）が配設されており、かつ、減速装置の入力側に角度位置センサー（２７）が配設されている検出装置において、
   減速装置（５）は、転がり軸受（６）とケーシング（１９）を備え、転がり軸受（６）は、ケーシング（１９）に取り付けられている外輪（１６）と軸（２）に取り付けられ角度位置センサー（２７）と協働するエンコーダ（２９）を支持している内輪（１５）とを備えていることを特徴とする検出装置。
2. 減速装置の減速比は、５と１００との間で設定されていることとする請求項１に記載の検出装置。
3. 一回転角度位置センサー（２６）は、絶対角度位置センサーであることとする請求項１または請求項２に記載の検出装置。
4. 一回転角度位置センサー（２６）は、減速装置のケーシング（１９）によって支持されている電子回路ボードに取り付けられていることとする請求項１、請求項２そして請求項３のうちの一つに記載の検出装置。
5. 一回転角度位置センサー（２６）は、軸（２）を囲んで位置し軸（２）まわりに回転する部分（９）と軸線方向で対向するようにケーシング（１９）内に組み込まれていることとする請求項４に記載の検出装置。
6. 減速装置は、少なくとも一つの遊星歯車列または少なくとも一つの調和減速歯車を備えていることとする、請求項１ないし請求項５のうちのいずれか一つに記載の検出装置。
7. 角度位置センサー（２７）が半径方向でエンコーダ（２９）の外側に位置していること、そして一回転角度位置センサー（２６）がエンコーダ（２８）と軸方向エアーギャップを有していること、の二つの条件のうち少なくとも一方の条件を備えている請求項１ないし請求項６のうちのいずれか一つに記載の検出装置。
8. 一回転角度位置センサー（２６）は、半径方向で角度位置センサー（２７）の外側に配設されていることとする、請求項１ないし請求項７のうちのいずれか一つに記載の検出装置。
9. 角度位置センサー（２７）は、２πの角度を測定可能であることとする、請求項１ないし請求項８のうちのいずれか一つに記載の検出装置。
10. 減速装置が単一の転がり軸受を備えていることとする請求項１ないし請求項９のうちの一つに記載の検出装置。
11. 電動機であって、回転子、固定子、および請求項１ないし請求項１０のうちのいずれか一つに記載の検出装置を備え、前記回転子は、減速装置（５）の入力側に接続されていることを特徴とする電動機。
12. 電力補助ステアリング装置であって、請求項１１に記載の電動機と、電動機によって駆動されて、車両の車輪をスティアリングする軸（２）とを備えていることを特徴とする電力補助ステアリング装置。

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