JP6144459B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電動パワーステアリング装置に関するものである。
従来の電動パワーステアリング装置として、特許文献１には、ロアコラムの外周に樹脂製のスリーブが装着されたものが開示されている。このスリーブは、ロアコラムとアッパコラムの間の応力集中を防止することを目的として設けられる。
特開２００９−１２６４４０号公報
スリーブには軸方向にスリットが設けられる。このスリットは、ロアコラムの外周へのスリーブの装着を容易にし、かつ、ロアコラムとアッパコラムの間でスリーブが締め付けられるようにするために設けられる。ロアコラムは、トルクセンサのセンサ部品が取り付けられるセンサケースに圧入される。この圧入作業は、ロアコラムに装着されたスリーブのスリットの周方向位置が何らかの設計思想に基づいて特定の位置となるように行われる。このように、ロアコラムをセンサケースに圧入する際には周方向の位相管理が必要となるため、製造コストの増加を招く。
一方、金属製のセンサケースにセンサ部品を取り付ける際には、センサケースに取付用の溝を加工する必要があり、また、センサ部品が回転及び脱落しないように、センサ部品をセンサケースの内周面に固定するためのカシメ加工を行う必要がある。このように、金属製のセンサケースにセンサ部品を取り付けるには、複数の加工が必要となるため、製造コストの増加を招く。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、電動パワーステアリング装置の製造コストを低減することを目的とする。
本発明は、ドライバーがステアリングホイールに加える操舵力を電動モータの回転トルクにて補助する電動パワーステアリング装置であって、前記ステアリングホイールが連結されるステアリングシャフトと、前記ステアリングシャフトとトーションバーを介して連結される出力シャフトと、前記トーションバーに作用する操舵トルクを検出するトルクセンサと、前記トルクセンサの構成部品である磁性材が固定されるセンサケースと、前記ステアリングシャフトを回転自在に支持するアッパコラムチューブと、前記アッパコラムチューブと相対移動可能なロアコラムチューブと、前記電動モータによって回転駆動されるウォームシャフトと、前記ウォームシャフトと噛合すると共に前記出力シャフトに連結されるウォームホイールと、を備え、前記ロアコラムチューブと前記センサケースは、樹脂材料からなる一体部品であり、前記センサケースは、前記ウォームホイールの一部を覆う蓋体を有することを特徴とする。
また、本発明は、ドライバーがステアリングホイールに加える操舵力を電動モータの回転トルクにて補助する電動パワーステアリング装置であって、前記ステアリングホイールが連結されるステアリングシャフトと、前記ステアリングシャフトとトーションバーを介して連結される出力シャフトと、前記トーションバーに作用する操舵トルクを検出するトルクセンサと、前記トルクセンサの構成部品である磁性材が固定されるセンサケースと、前記ステアリングシャフトを回転自在に支持するアッパコラムチューブと、前記アッパコラムチューブと相対移動可能なロアコラムチューブと、を備え、前記ロアコラムチューブと前記センサケースは、樹脂材料からなる一体部品であり、前記センサケースは、軸受を介して前記ステアリングシャフトを回転自在に支持する小径部と、軸受を介して前記出力シャフトを回転自在に支持する大径部と、を有することを特徴とする。
本発明によれば、ロアコラムチューブとセンサケースが樹脂材料からなる一体部品であるため、ロアコラムチューブをセンサケースに圧入する作業が不要となり、ロアコラムチューブの周方向の位相管理が不要となる。また、トルクセンサの構成部品である磁性材はロアコラムチューブ及びセンサケースと一体成形することが可能となるため、磁性材を固定するための溝加工及びカシメ加工が不要となる。よって、電動パワーステアリング装置の製造コストを低減することができる。
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側面図である。 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の部分拡大図である。 リング磁石、回転磁気回路部、固定磁気回路部、及び磁気センサの斜視図である。 樹脂成形体の斜視図である。 樹脂成形体の斜視図である。 樹脂成形体の断面図である。
図面を参照して、本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング装置１００について説明する。
まず、図１及び図２を参照して、電動パワーステアリング装置１００の全体構成について説明する。
電動パワーステアリング装置１００は、ドライバーがステアリングホイール８に加える操舵力を電動モータ１３の回転トルクにて補助する装置である。
電動パワーステアリング装置１００は、ステアリングホイール８が連結されるステアリングシャフト１と、内部を挿通するステアリングシャフト１を回転自在に支持するステアリングコラム２と、トーションバー３を介してステアリングシャフト１と連結される出力シャフト４と、を備える。
出力シャフト４は、ユニバーサルジョイント５，６、中間軸７、ピニオン、ラック等を介して車輪に連結される。ドライバーがステアリングホイール８を操舵することによって、ラックが軸方向に移動して車輪の向きが変化する。なお、以下では、ステアリングホイール８側を上方、車輪側を下方として説明する。
電動パワーステアリング装置１００は、ドライバーがステアリングホイール８に加える操舵力を補助するアシスト機構を備える。アシスト機構は、出力シャフト４に連結されるウォームホイール９と、ウォームホイール９と噛合するウォームシャフト１０と、ウォームシャフト１０を回転駆動する電動モータ１３と、トーションバー３に作用する操舵トルクを検出するトルクセンサ１４と、トルクセンサ１４の検出結果を基に電動モータ１３の駆動を制御するコントローラと、を備える。電動モータ１３が出力する回転トルクは、ウォームシャフト１０からウォームホイール９に伝達されて出力シャフト４に補助トルクとして付与される。電動モータ１３が出力する回転トルクは、トルクセンサ１４にて検出された操舵トルクに基づいて演算される。
トルクセンサ１４はセンサケース３１に収容され、ウォームホイール９及びウォームシャフト１０はギヤケース３２に収容される。センサケース３１とギヤケース３２はボルトによって締結される。ギヤケース３２はブラケット（図示せず）を介して車体に支持される。
ステアリングシャフト１は、上端部１１ａにステアリングホイール８が連結される略円筒状のアッパシャフト１１と、アッパシャフト１１と同軸的に接続され、下端部にトーションバー３が連結される略円筒状のロアシャフト１２と、からなる。ロアシャフト１２の上部側はアッパシャフト１１の中空部に挿入され、両者はセレーション結合される。アッパシャフト１１とロアシャフト１２は、セレーション結合によって、一体回転可能でかつ軸方向に相対移動可能である。ロアシャフト１２の下部側とセンサケース３１の内周面との間には、軸受２４が介装される。
ステアリングコラム２は、アッパシャフト１１を軸受２３を介して回転自在に支持する略円筒状のアッパコラムチューブ２１と、アッパコラムチューブ２１と同軸的に配置される略円筒状のロアコラムチューブ２２と、からなる。アッパコラムチューブ２１の下部側にはロアコラムチューブ２２の上部側が挿入され、両者は軸方向に相対移動可能である。アッパシャフト１１とアッパコラムチューブ２１は、軸受２３によって軸方向の相対移動が規制されている。ロアコラムチューブ２２とセンサケース３１は樹脂材料からなる一体部品で構成される。この点については、後に詳述する。
アッパコラムチューブ２１は、コラムブラケット（図示せず）を介して軸方向に移動可能に車体に支持される。これにより、ステアリングホイール８はドライバーから見て前後方向に移動可能となる。
出力シャフト４は、センサケース３１及びギヤケース３２にそれぞれ軸受１５，１６を介して回転自在に支持される。出力シャフト４は円筒状であり、中空部にトーションバー３が挿入される。
トーションバー３の上端部は、出力シャフト４の上端開口部より突出しており、ロアシャフト１２の下端部に圧入されて連結される。トーションバー３の下端部は、ピン２８を介して出力シャフト４の下端部に連結される。ロアシャフト１２と出力シャフト４は、トーションバー３を介して同軸状に連結される。トーションバー３は、ステアリングホイール８を介してステアリングシャフト１に入力される操舵トルクを出力シャフト４に伝達し、その操舵トルクに応じて軸中心にねじれ変形する。
トルクセンサ１４は、トーションバー３のねじれ変形の大きさに伴って変化する磁束密度に基づいてトーションバー３に作用する操舵トルクを検出する。以下では、図３及び図４を参照してトルクセンサ１４について説明する。
トルクセンサ１４は、ロアシャフト１２に固定されロアシャフト１２と共に回転する磁気発生部４０と、出力シャフト４に固定され出力シャフト４と共に回転する回転磁気回路部４１と、センサケース３１に固定された固定磁気回路部４２と、トーションバー３のねじれ変形に伴って磁気発生部４０から回転磁気回路部４１を通じて固定磁気回路部４２に導かれる磁束密度を検出する磁気検出器としての磁気センサ４３と、を備える。トルクセンサ１４は、トーションバー３に作用する操舵トルクを磁気センサ４３の出力に基づいて検出する。
上記構成に代え、磁気発生部４０を出力シャフト４と共に回転するように出力シャフト４に固定し、回転磁気回路部４１をロアシャフト１２と共に回転するようにロアシャフト１２に固定するようにしてもよい。
磁気発生部４０は、ロアシャフト１２に圧入される環状のバックヨーク４６と、バックヨーク４６の下端面に結合される環状のリング磁石４７と、を備える。リング磁石４７は、周方向に等しい幅で形成される複数の磁極を有する永久磁石であり、Ｎ極とＳ極が周方向に交互に配設される。
回転磁気回路部４１は、磁気発生部４０のリング磁石４７から発生する磁束が導かれる第１軟磁性リング４８及び第２軟磁性リング４９と、出力シャフト４に取り付けられる取付部材７０と、取付部材７０に第１軟磁性リング４８及び第２軟磁性リング４９を固定するモールド樹脂７１と、を備える。
第１軟磁性リング４８は、環状の第１磁路環部４８Ｃと、第１磁路環部４８Ｃから下向きに突出する６個の第１磁路柱部４８Ｂと、各第１磁路柱部４８Ｂの下端からそれぞれ内向きに屈折してリング磁石４７の下端面に対峙する第１磁路先端部４８Ａと、からなる。第２軟磁性リング４９は、環状の第２磁路環部４９Ｃと、第２磁路環部４９Ｃから上向きに突出する６個の第２磁路柱部４９Ｂと、各第２磁路柱部４９Ｂの上端からそれぞれ内向きに屈折してリング磁石４７の下端面に対峙する第２磁路先端部４９Ａと、からなる。
第１磁路先端部４８Ａ及び第２磁路先端部４９Ａは平板状に形成される。第１磁路先端部４８Ａと第２磁路先端部４９Ａは、トーションバー３の回転軸と直交する同一平面上に、回転軸を中心として周方向に交互に等間隔を空けて配置される。
また、第１磁路先端部４８Ａと第２磁路先端部４９Ａは、トーションバー３にトルクが作用していない中立状態で、トーションバー３の径方向に延びるそれぞれの中心線がリング磁石４７のＮ極とＳ極の境界を指すように配置される。
固定磁気回路部４２は、第１軟磁性リング４８の第１磁路環部４８Ｃの外周に沿って設けられた第１集磁リング５１と、第２軟磁性リング４９の第２磁路環部４９Ｃの外周に沿って設けられた第２集磁リング５２と、第１集磁リング５１に接続された第１集磁ヨーク５３と、第２集磁リング５２に接続された第２集磁ヨーク５４と、を備える。第１及び第２集磁リング５１，５２及び第１及び第２集磁ヨーク５３，５４は軟磁性材料で形成される。
第１集磁リング５１及び第２集磁リング５２は、部分的にスリットが形成されたＣ字形状であり、センサケース３１の内周面に固定される。第１集磁リング５１の内周面は第１軟磁性リング４８の第１磁路環部４８Ｃに対峙し、第２集磁リング５２の内周面は第２軟磁性リング４９の第２磁路環部４９Ｃに対峙する。
このように、第１集磁リング５１及び第２集磁リング５２は、回転磁気回路部４１の外周に配置され、回転磁気回路部４１の回転振れや偏心の影響を緩和して磁気センサ４３側へ磁束を導く機能を有する。
第１集磁ヨーク５３は第１集磁リング５１の外周面に当接する円弧状の内周面５３ａを有するブロック状に形成され、第２集磁ヨーク５４は第２集磁リング５２の外周面に当接する円弧状の内周面５４ａを有するブロック形状に形成される。
第１集磁ヨーク５３には一対の集磁凸部５３ｂが延設され、第２集磁ヨーク５４にも一対の集磁凸部５４ｂが延設され、集磁凸部５３ｂと集磁凸部５４ｂは所定の隙間である磁気ギャップをもって互いに対向する。磁気ギャップ内には磁気センサ４３が設置される。
第１集磁ヨーク５３及び第２集磁ヨーク５４は、回転磁気回路部４１からの磁束を第１集磁リング５１及び第２集磁リング５２を介して磁気センサ４３へ集める機能を有する。
第１集磁ヨーク５３、第２集磁ヨーク５４、磁気センサ４３、及び基板５５は、モールド樹脂を介して樹脂製のセンサホルダ５６に固定される。センサホルダ５６は、円筒部５６ａがセンサケース３１の開口部３１ａに嵌挿されると共に、ボルト３３を介してセンサケース３１に取り付けられる。
磁気センサ４３は、磁気ギャップの磁場の大きさ及び方向に応じた電圧を、基板５５及び端子４４を通じて出力する。端子４４は、センサホルダ５６に接続される配線を介してコントローラに接続される。
次に、トルクセンサ１４によるトーションバー３に作用する操舵トルクの検出方法について説明する。
トーションバー３にトルクが作用しない中立状態では、第１軟磁性リング４８の第１磁路先端部４８Ａと第２軟磁性リング４９の第２磁路先端部４９Ａとは、それぞれリング磁石４７のＮ極及びＳ極に同一の面積で対峙して両者を磁気短絡する。そのため、磁束は回転磁気回路部４１と固定磁気回路部４２に導かれない。
運転者によるステアリングホイール８の操作によってトーションバー３に特定の方向のトルクが作用した場合には、このトルクの方向に応じてトーションバー３はねじれ変形する。トーションバー３がねじれ変形すると、第１磁路先端部４８ＡがＳ極よりＮ極に大きな面積を持って対峙する一方、第２磁路先端部４９ＡがＮ極よりＳ極に大きな面積を持って対峙する。リング磁石４７からの磁束は回転磁気回路部４１を通じて固定磁気回路部４２に導かれる。具体的には、Ｎ極から第１軟磁性リング４８、第１集磁リング５１、第１集磁ヨーク５３、第２集磁ヨーク５４、第２集磁リング５２、第２軟磁性リング４９を経由してＳ極に向かう経路である。第１集磁ヨーク５３と第２集磁ヨーク５４の間の磁気ギャップに設置された磁気センサ４３は、磁束の大きさ及び方向に応じた信号を出力する。
一方、運転者によるステアリングホイール８の操作によってトーションバー３に上記とは逆方向のトルクが作用した場合には、このトルクの方向に応じてトーションバー３が逆方向にねじれ変形する。トーションバー３がねじれ変形すると、第１磁路先端部４８ＡがＮ極よりＳ極に大きな面積を持って対峙する一方、第２磁路先端部４９ＡがＳ極よりＮ極に大きな面積を持って対峙する。リング磁石４７からの磁束は、回転磁気回路部４１を通じて固定磁気回路部４２に導かれるが、上記とは逆の経路となる。具体的には、Ｎ極から第２軟磁性リング４９、第２集磁リング５２、第２集磁ヨーク５４、第１集磁ヨーク５３、第１集磁リング５１、第１軟磁性リング４８を経由してＳ極に向かう経路である。第１集磁ヨーク５３と第２集磁ヨーク５４の間の磁気ギャップに設置された磁気センサ４３は、磁束の大きさ及び方向に応じた信号を出力する。
第１磁路先端部４８Ａがリング磁石４７のＮ極とＳ極に対峙する面積差、及び第２磁路先端部４９Ａがリング磁石４７のＮ極とＳ極に対峙する面積差が大きいほど磁気ギャップに誘導される磁束が大きくなり、磁気センサ４３の出力信号も増大する。
上述したように、ロアコラムチューブ２２とセンサケース３１は樹脂材料からなる一体部品で構成される。以下では、主に図５〜７を参照して、この点について詳しく説明する。
トルクセンサ１４の構成部品の１つである第１集磁リング５１及び第２集磁リング５２は、ロアコラムチューブ２２及びセンサケース３１とインサート成形によって一体成形され、樹脂成形体１０１として構成される。図５及び図６は樹脂成形体１０１の斜視図であり、図７は樹脂成形体１０１の断面図である。
センサケース３１は、センサホルダ５６の円筒部５６ａが嵌挿される開口部３１ａが形成された大径部３４と、滑り軸受２４（図２及び図３参照）を介してロアシャフト１２を支持する小径部３５と、ギヤケース３２の開口部を塞ぐ蓋体３６と、を備える。蓋体３６は、ギヤケース３２の開口部に嵌るインロー部３６ａと、ギヤケース３２の端面に当接する環状の鍔部３６ｂと、鍔部３６ｂの外周面から突出して形成されギヤケース３２に締結されるフランジ部３６ｃと、を有する。
ロアコラムチューブ２２はセンサケース３１の小径部３５と一体に形成される。第１集磁リング５１及び第２集磁リング５２は、センサケース３１の大径部３４の内周面に固定される。
ロアコラムチューブ２２、センサケース３１、第１集磁リング５１、及び第２集磁リング５２を一体の樹脂成形体１０１として構成することによって、以下の効果を奏する。
（１）ロアコラムチューブ２２が樹脂材料にて形成されるため、ロアコラムチューブ２２が金属製である場合に必要であったアッパコラムチューブ２１とロアコラムチューブ２２の摺動特性を改善するためのスリーブを、ロアコラムチューブ２２の外周に装着する必要がない。つまり、部品点数を削減することができる。また、スリーブを廃止できた結果として、従来、ロアコラムチューブ２２をセンサケース３１に圧入する際に行われていた、スリーブのスリットの周方向位置が特定の位置となるように調整する位相管理が不要となる。
（２）ロアコラムチューブ２２とセンサケース３１は樹脂材料からなる一体部品であるため、従来必要であったロアコラムチューブ２２をセンサケース３１に圧入する作業が不要となる。
（３）従来は、ロアコラムチューブ２２が鉄鋼材料にて形成され、センサケース３１がアルミニウム系材料にて形成されるため、双方の熱膨張率の違いを考慮して、ロアコラムチューブ２２及びセンサケース３１の寸法等を設計する必要がった。しかし、ロアコラムチューブ２２とセンサケース３１は樹脂材料からなる一体部品であるため、熱膨張率を考慮する必要がない。
（４）第１集磁リング５１及び第２集磁リング５２はインサート成形によってセンサケース３１の大径部３４の内周面に埋め込まれて固定されるため、第１集磁リング５１及び第２集磁リング５２を固定するための溝加工をセンサケース３１の内周面に施す必要がない。また、第１集磁リング５１及び第２集磁リング５２をセンサケース３１の内周面に固定するためのカシメ加工も不要となる。
（５）第１集磁リング５１及び第２集磁リング５２をセンサケース３１の内周面の溝に嵌めてカシメ加工することによって固定する従来の方法では、周囲の温度変化やカシメ不良によって第１集磁リング５１及び第２集磁リング５２が回転及び脱落するおそれがあった。しかし、第１集磁リング５１及び第２集磁リング５２はインサート成形によってセンサケース３１に固定されるため、第１集磁リング５１及び第２集磁リング５２の回転及び脱落が防止され、トルクセンサ１４の信頼性が向上する。
以上のように、ロアコラムチューブ２２、センサケース３１、第１集磁リング５１、及び第２集磁リング５２を一体の樹脂成形体１０１として構成することによって、電動パワーステアリング装置１００の製造コストを低減することができる。また、ロアコラムチューブ２２及びセンサケース３１が樹脂材料で形成されるため、電動パワーステアリング装置１００を軽量化することができる。
本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
１００ 電動パワーステアリング装置
１０１ 樹脂成形体
１ ステアリングシャフト
２ ステアリングコラム
３ トーションバー
４ 出力シャフト
８ ステアリングホイール
１３ 電動モータ
１４ トルクセンサ
２１ アッパコラムチューブ
２２ ロアコラムチューブ
３１ センサケース
３２ ギヤケース
５１ 第１集磁リング
５２ 第２集磁リング

Claims (7)

  1. ドライバーがステアリングホイールに加える操舵力を電動モータの回転トルクにて補助する電動パワーステアリング装置であって、
    前記ステアリングホイールが連結されるステアリングシャフトと、
    前記ステアリングシャフトとトーションバーを介して連結される出力シャフトと、
    前記トーションバーに作用する操舵トルクを検出するトルクセンサと、
    前記トルクセンサの構成部品である磁性材が固定されるセンサケースと、
    前記ステアリングシャフトを回転自在に支持するアッパコラムチューブと、
    前記アッパコラムチューブと相対移動可能なロアコラムチューブと、
    前記電動モータによって回転駆動されるウォームシャフトと、
    前記ウォームシャフトと噛合すると共に前記出力シャフトに連結されるウォームホイールと、を備え、
    前記ロアコラムチューブと前記センサケースは、樹脂材料からなる一体部品であり、
    前記センサケースは、前記ウォームホイールの一部を覆う蓋体を有することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
  2. 前記ウォームホイールを収容するギヤケースをさらに備え、
    前記蓋体は、前記ギヤケースの開口部を塞ぐことを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
  3. ドライバーがステアリングホイールに加える操舵力を電動モータの回転トルクにて補助する電動パワーステアリング装置であって、
    前記ステアリングホイールが連結されるステアリングシャフトと、
    前記ステアリングシャフトとトーションバーを介して連結される出力シャフトと、
    前記トーションバーに作用する操舵トルクを検出するトルクセンサと、
    前記トルクセンサの構成部品である磁性材が固定されるセンサケースと、
    前記ステアリングシャフトを回転自在に支持するアッパコラムチューブと、
    前記アッパコラムチューブと相対移動可能なロアコラムチューブと、を備え、
    前記ロアコラムチューブと前記センサケースは、樹脂材料からなる一体部品であり、
    前記センサケースは、
    軸受を介して前記ステアリングシャフトを回転自在に支持する小径部と、
    軸受を介して前記出力シャフトを回転自在に支持する大径部と、
    を有することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
  4. 前記センサケースは、
    軸受を介して前記ステアリングシャフトを回転自在に支持する小径部と、
    軸受を介して前記出力シャフトを回転自在に支持する大径部と、
    を有し、
    前記大径部に支持される前記軸受は、前記出力シャフトの径方向に前記蓋体と重なる位置に設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載の電動パワーステアリング装置。
  5. 前記磁性材は、前記ロアコラムチューブ及び前記センサケースとインサート成形されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の電動パワーステアリング装置。
  6. 前記トルクセンサは、
    前記ステアリングシャフト及び前記出力シャフトの一方と共に回転する磁気発生部と、
    前記ステアリングシャフト及び前記出力シャフトの他方と共に回転する回転磁気回路部と、
    前記センサケースに固定された固定磁気回路部と、
    前記トーションバーのねじれ変形に伴って前記磁気発生部から前記回転磁気回路部を通じて前記固定磁気回路部に導かれる磁束密度を検出する磁気検出器と、を備え、
    前記磁性材は、前記固定磁気回路部の構成部品であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の電動パワーステアリング装置。
  7. 前記回転磁気回路部は、前記トーションバーのねじれ変形に伴って前記磁気発生部から発生する磁束が導かれる第１軟磁性リング及び第２軟磁性リングを備え、
    前記磁性材は、前記第１軟磁性リング及び前記第２軟磁性リングのそれぞれの外周に沿って設けられ、かつ前記センサケースの内周面に固定された第１集磁リング及び第２集磁リングであることを特徴とする請求項６に記載の電動パワーステアリング装置。
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