JPH0822674B2 - 電動式パワーステアリング - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明はステアリング操作力を軽減するパワーステア
リングに係り、詳しくは、空圧パワーユニットと電動パ
ワーユニットを組み合わせて構成した電動式パワーステ
アリングに関するものである。

〈従来の技術〉 バスあるいは大型トラックなどで代表される大型自動
車においては、パワーステアリングを設けてステアリン
グ操作力を軽減することが多い。また、このようなパワ
ーステアリングとしては、油圧式パワーステアリングと
電動式パワーステアリングがある。

ここに、油圧式パワーステアリングは出力が大きいた
めに大型自動車にも適用できる。しかしながら、油圧式
パワーステアリングにおいては動力源として用いる油圧
を蓄積することは実質的に不可能であるために、油圧ポ
ンプを常にエンジンで駆動するようにしている。従っ
て、例えば高速走行時のようにステアリング操作力が小
さい場合は油圧が低くてもよいにも拘らず油圧ポンプが
高回転で駆動されるために動力のロスが大きくなってし
まう。

また、据え切りあるいはこれに近い低速走行時におい
てはステアリング操作力が大きくなる。従って、この場
合はエンジンの回転数を走行に要する回転数よりも高く
して油圧ポンプの出力を増大させる必要性がある。な
お、油圧式パワーステアリングにおいては油圧ポンプ、
制御バルブ、油圧シリンダおよびこれらを接続する油圧
配管などを用いる必要性があるために構成が複雑になる
とともに重量が大きくなり、しかも、圧力流体の漏れを
厳密に予防する必要性から取付および配管処理も面倒で
ある。

これに対して、動力源として電動モータを用いた電動
式パワーステアリングにおいては、柔軟な電気配線を用
いて給電するだけでステアリング操作力を軽減すること
ができるとともに、各種制御も容易であるという利点が
ある。

このような電動式パワーステアリングは、例えば第４
図に示したように構成されており、ステアリングホイー
ル１にステアリングシャフト２を結合し、このステアリ
ングシャフト２にステアリングギア３のウォーム４を結
合している。そして、ウォーム４に噛み合うウォームホ
イール５の回転軸に取り付けたピットマンアーム６と前
輪８のナックルアーム９をドラッグリンク７を介して連
結することにより、ステアリングホイール１を回動操作
すればステアリングギア３、ピットマンアーム６、ドラ
ッグリンク７およびナックルアーム９を介して前輪８が
操向操作されるようにしている。

また、電動モータ10の出力軸11に設けたピニオンギア
12をウォームホイール５に噛み合わせることにより、電
動モータ10によってもウォームホイール５を回転させる
ことができるようにしている。そして、ステアリングシ
ャフト２の途中に取り付けたトルクセンサ13から出力さ
れた信号を電動モータ10のコントローラ14に供給するこ
とにより、バッテリ15から電動モータ10に供給される電
力をトルクセンサ13の出力に基づいて制御して電動モー
タ10の出力を増減制御してステアリングホイール１に加
えるステアリング操作力が所定の値になるようにするも
のである。

従って、運転者は実際に必要とされる操作力よりも小
さい力でステアリング操作をすることができる。なお、
電動式パワーステアリングは上記の他に、特開昭59-508
46号公報、特開昭60-53463号公報などに記載されたも
の、あるいは、実開昭56-4973号公報、実開昭56-4974号
公報に見られるようにステアリングシャフトと電動モー
タを同心的に設けて小型化を図るようにしたものもあ
る。

このように、電動式パワーステアリングは電動モータ
を用いてステアリング操作力を軽減するものであり、取
り扱いおよび制御が容易である。しかしながら、大型自
動車のようにステアリング操作力が大きな自動車に対応
させるためには、電動モータの出力を増大する必要性が
ある。しかしながら、これまでに小型自動車において具
体化されている電動式パワーステアリングを大型自動車
に適用するためには、電動モータの駆動電流および出力
を例えば24V、250A、6Kwというように実現不可能な程に
増大させる必要性があるために、電動式パワーステアリ
ングを大型自動車に適用することは不可能であるとされ
ていた。

〈発明が解決しようとする課題〉 本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、小出
力の電動モータを用いながらも大型自動車にも適用でき
る電動式パワーステアリングの構成を簡略化するととも
に省エネルギ化することを課題としている。

〈課題を解決するための手段〉 上記課題を解決するために本発明は、ステアリングホ
イールに結合された上部シャフトにトルクセンサを介し
て下部シャフトを結合している。また、前記下部シャフ
トにユニバーサルジョイントを介して連結された入力軸
を有する空圧パワーユニットを設けるとともに、前記下
部シャフトを回転自在に支持するステアリングコラムに
該下部シャフトを回転駆動する電動パワーユニットを取
り付けている。そして、車速に応答する信号を出力する
車速センサおよび前記トルクセンサから出力された信号
に基づいて前記電動パワーユニットの出力を制御するコ
ントローラを設けたことを特徴としている。

〈作用〉 ステアリングホイールを回転操作して上部シャフトを
回転させると、トルクセンサを介して下部シャフトが回
転操作され、この下部シャフトによって空圧パワーユニ
ットの入力軸が回転制御される。トルクセンサは、上部
シャフトから下部シャフトに伝達されるトルクに応答し
た信号を出力する。

コントローラは車速センサから出力された車速信号に
基づいてそのときの最適ステアリング操作力を算出し、
この算出された最適操作力とトルクセンサから出力され
た運転者の実際のステアリング操作力を比較してその偏
差を算出する。また、コントローラはこの偏差出力に基
づいて前記偏差がゼロとなるように電動パワーユニット
の出力を制御するために、運転者に要求される実際のス
テアリング操作力はその時々の車速に応答した最適値に
保持される。

一方、上記のようにして下部シャフトに伝達されたス
テアリング操作力は、空圧パワーユニットを介して前輪
に伝達される。従って、運転者のステアリング操作力が
電動パワーユニットの倍力作用および空圧パワーユニッ
トの倍力作用を受けた後に前輪に伝達されるために、実
用範囲内の小出力の電動パワーユニットを用いて大型自
動車の電動式パワーステアリングを構成することができ
る。

〈実施例〉 以下に本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。なお、第４図に示した従来例と同一機能を有する構
成部品には同一の符号を付している。

第１図は本発明に係る電動式パワーステアリングの一
実施例を示す概略説明図、第２図は第１図のＡ−Ａ断面
図であり、ステアリングホイール１で回動操作されるス
テアリングシャフト２は、ステアリングホイール１に固
定された上部シャフト16と、ステアリングコラム18に回
転自在に保持された中空の下部シャフト17で構成されて
おり、下部シャフト17に上部シャフト16の下部を回転自
在に挿入している。また、上部シャフト16と下部シャフ
ト17をトルクセンサ13を介して結合するとともに、下部
シャフト17を回転駆動する電動パワーユニット19をコラ
ム18に取り付けている。

トルクセンサ13は第２図に示したように構成されてお
り、接触子20を突出形成したカム21を上部シャフト16に
取り付けるとともに、、凹字状の圧電素子保持金具22を
下部シャフト17に取り付けている。そして、保持金具22
の内側面に取り付けた圧電素子23R、23Lの間に接触子20
を挟み込み保持させることにより、上部シャフト16から
下部シャフト17に伝達されるトルクの大きさおよび回転
方向に応答した信号を出力するようにしている。24は圧
電素子23R、23Lを保護すべく保持金具22と接触子20の間
に張圧保持させたスプリングである。

そして、コラム18の下方に露出した下部シャフト17の
下端部に固定した被駆動ギア25とコラム18に取り付けた
電動モータ26の出力軸に取り付けた駆動ギア27を噛み合
わせることにより、電動モータ26が駆動されるとギア2
7、25を介して下部シャフト17が回転駆動される電動パ
ワーユニット19を構成している。

下部シャフト17の下端に空圧パワーユニット28の入力
軸29をユニバーサルジョイント30を介して結合してい
る。そして、空圧パワーユニット28の出力軸31にはピッ
トマンアーム６を取り付けることにより、下部シャフト
17が回転するとピットマンアーム６が揺動するようにし
ている。

すなわち、空圧パワーユニット28はコントロールバル
ブ32とパワーシリンダ33によって構成されており、入力
軸29の回転にともなってコントロールバルブ32の弁体
（図示省略）が変位すると、この弁体の変位量に応答し
た量の圧縮空気が空圧タンク34からパワーシリンダ33に
供給されてピストン36が駆動される。そして、ピストン
36の動きがラックピニオン方式でセクタギア37に伝達さ
れ、セクタギア37の回転が出力軸31を介してピットマン
アーム６に伝達されるようにしている。なお、ピットマ
ンアーム６の動きはドラッグリンク７を介して前輪８の
ナックルアーム９に伝達される。

空圧タンク34にはエンジンによって駆動されるコンプ
レッサ35を接続している。なお、空圧タンク35に設けた
圧力センサ50は、空圧タンク35の圧力が所定の範囲内に
保持されるようにコンプレッサ35を制御する。

コントローラ14にはトルクセンサ13から出力された信
号および車速センサ45から出力された信号が供給され、
これらの信号に基づいて倍力値を演算して電動モータ26
に供給される駆動電流を制御する。

第３図はコントローラ14のブロック図であり、トルク
センサ13の圧電素子23R、23Lから出力された信号は増幅
器38、39およびA/D変換器40、41によって処理され、ス
イッチング回路42を介して比較増幅器43に供給されると
ともに、方向判別器44に供給される。車速センサ45から
出力された信号は、波形整形器46を経て増幅器47に供給
される。

増幅器47には車速に応じた増幅条件を予め設定してお
り、この条件に従って増幅された信号が前記比較増幅器
43に供給される。比較増幅器43から出力された信号はD/
A変換器48でアナログ信号に変換された後に駆動回路49
で増幅されて電動モータ26に供給される。

方向判別器44は、圧電素子23R、23Lから出力された信
号に基づいてステアリングホイール１の回転方向を判別
する。また、この方向判別器44の出力信号はスイッチン
グ回路42に切換信号として供給されるとともに、駆動回
路49に正逆切換の指令信号として供給される。

空圧タンク34に設けた圧力センサ50から出力された信
号は比較増幅器51に供給される。比較増幅器51は、供給
された信号に基づいて空圧タンク34の圧力が上下限内に
あるか否かを判断し、判断結果を増幅駆動回路52に出力
する。増幅駆動回路52は、比較増幅器51から供給された
信号に基づいてコンプレッサ35の駆動系路に設けたクラ
ッチをON-OFF制御し、空圧タンク34の圧力を上下限内に
保持させる。

以上のように構成された電動式パワーステアリングに
おいて、運転者がステアリングホイール１を例えば右方
向に回動操作すると、ステアリングホイール１に固定さ
れた上部シャフト16が同方向に回転する。上部シャフト
16の回転はカム21、圧電素子23Rスプリング24および保
持金具22を介して下部シャフト17に伝達される。下部シ
ャフト17の回転はユニバーサルジョイント30を介して空
圧パワーユニット28の入力軸29に伝達される。

また、入力軸29の回転にともなってコントロールバル
ブ32に設けた図示しない弁体が変位すると、この弁体の
変位量に応答した量の圧縮空気が空圧タンク34からパワ
ーシリンダ33に供給されてピストン36が駆動される。そ
して、ピストン36の動きがラックピニオン方式でセクタ
ギア37に伝達され、セクタギア37の動き（回動）が出力
軸31を介してピットマンアーム６に伝達される。なお、
ピットマンアーム６の動きがドラッグリンク７を介して
ナックルアーム９に伝達されるために、前輪８が操向作
動される。

このような一連の操向作動の過程において、ステアリ
ングホイール１が右方向に回動操作されている。従っ
て、トルクセンサ13に設けた一対の圧電素子34R、34Lの
うちの一方の圧電素子34Rには上部シャフト16から下部
シャフト17に伝達されるトルクが圧縮力として作用する
ために、この圧電素子34Rからは上部シャフト16から下
部シャフト17に伝達されるステアリング操作力（トル
ク）の大きさに対応した信号を出力する。なお、他方の
圧電素子34Lにはトルクが圧縮力として作用しないため
に信号は出力されない。

圧電素子34Rから出力された信号は、増幅器38およびA
/D変換器40で処理された後に方向判別器44に供給され
る。方向判別器44はA/D変換器40から信号が供給されて
いることを検出して右方向への回転であると判別し、ス
イッチング回路42を図示の状態に切換保持させる。従っ
て、スイッチング回路42はその時々における実際のステ
アリング操作力に対応する信号を比較増幅器43に供給す
る。

一方、車速センサ45から出力された信号は波形整形器
46を介して増幅器47に供給される。また、増幅器47には
車速に応じた増幅条件を予め設定しているために、その
時々の車速に応答した最適なステアリング操作力に対応
する信号が比較増幅器43に供給される。

比較増幅器43は、増幅器47から供給された最適操作力
に対応する信号とスイッチング回路42を介して供給され
た実際の操作力に対応する信号を比較し、その偏差を増
幅してD/A変換器48を介して駆動回路49に供給する。駆
動回路49においては、D/A変換器48から供給された信号
と方向判別器44から供給された信号に基づいて電動モー
タ26に供給する駆動電流を制御して電動モータ26の回転
方向および出力を最適制御する。

また、電動モータ26の回転力は駆動ギア27および被駆
動ギア25を介して下部シャフト17に伝達されるために、
空圧パワーユニット28の倍力作用に電動モータ26の回転
力が加算されることになり、しかも、電動モータ26の回
転力はステアリングホイール１に加える操作力がその時
々の車速に対応した最適値となるように制御されるため
に、ステアリング操作力は常に最適な状態に保持され
る。

一方、ステアリングホイール１を左方向に回動操作し
た場合は、前記の場合とは逆に別の圧電素子23Lから操
作力に応答した信号が出力される。また、このように圧
電素子23Lから信号が出力されると方向判別器44の出力
が右方向への回動操作の場合と反転してスイッチング回
路42を反転作動させるために、圧電素子23Lから出力さ
れた信号はスイッチング回路42を経て比較増幅器43に供
給される。

従って、駆動回路49は比較増幅器43から供給された偏
差信号および方向判別器44から供給された方向判別信号
に基づいて電動モータ26を逆方向に所定の出力で回転駆
動する。なお、その他の作用についてはステアリングホ
イール１を右方向に回動操作した前記の場合と同様であ
るのでその説明を省略する。

なお、空圧パワーユニット28の倍力作用にともなって
空圧タンク34の圧縮空気が消費されるが、タンク34の圧
力は圧力センサ50によって監視されている。そして、空
圧タンク34の圧力が予め定めた下限値より低くなると比
較増幅器51から駆動信号が出力されて駆動回路52がクラ
ッチをONさせるためにコンプレッサ35が駆動される。な
お、コンプレッサ35の駆動により空圧タンク34の圧力が
上限値まで上昇した場合は、比較増幅器51から停止信号
が出力されて駆動回路52がクラッチをOFFさせるため
に、コンプレッサ35が停止されてエンジンの動力の浪費
が予防される。

ところで、ステアリングシャフト２を上部シャフト16
と下部シャフト17で構成し、ステアリングコラム18に回
転自在に支持された下部シャフト17に上部シャフト16を
回転自在に取り付けるとともに、両シャフト16、17をト
ルクセンサ13を介して連結し、かつ、下部シャフト17と
空圧パワーユニット28の入力軸29をユニバーサルジョイ
ント30を介して結合している。このために、ステアリン
グホイール１の支持安定性およびステアリング操作力の
検出精度を悪化させることなくドラッグリンク７あるい
は空圧パワーユニット28などの振動にともなう上部シャ
フト16の振動を抑制することができる。さらに、電動パ
ワーユニット19をステアリングコラム18に取り付けて路
面からの振動あるいは跳上水などによる電動パワーユニ
ット19の損傷を予防するようにしている。従って、振動
あるいは跳上水などによるトラブルを回避する特別な保
護装置を電動パワーユニット19に設ける必要性もない。

さらにまた、電動パワーユニット19の動力源である電
力および空圧パワーユニット28の動力源である圧縮空気
はいずれも蓄積可能である。従って、例えば油圧式パワ
ーステアリングの油圧ポンプのように常に駆動してステ
アリング操作を待機する必要性がなく、エンジンの動力
の浪費を回避することができる。

なお、実施例では一対の圧電素子23R、23Lを用いたト
ルクセンサ13でステアリング操作力を検出するようにし
ているが、トルクセンサ13の具体的な構造は実施例に限
定されない。

〈発明の効果〉 以上の説明から明らかなように本発明に係る電動式パ
ワーステアリングにおいては、出力の制御が容易で特性
設定の自由度が高い電動パワーユニットを用い、この電
動パワーユニットの出力の不足分を空圧パワーユニット
で補うようにしているために、電動パワーユニットの出
力を実用範囲内の小出力に設定した場合にも大型自動車
のパワーステアリングを容易に構成することができる。
また、ステアリングシャフトを上部シャフトと下部シャ
フトで構成し、ステアリングコラムに回転自在に支持さ
れた下部シャフトに上部シャフトを回転自在に取り付け
るとともに、トルクセンサを介して両シャフトを連結す
るとともに、下部シャフトと空圧パワーユニットの入力
軸をユニバーサルジョイントを介して結合しているため
に、ステアリングホイールの支持安定性およびステアリ
ング操作力の検出精度を悪化させることなくドラッグリ
ンクあるいは空圧パワーユニットなどの振動にともなう
上部シャフトの振動を抑制することができる。さらに、
電動パワーユニットをステアリングコラムに取り付けて
いるために格別な保護装置を設けることなく電動パワー
ユニットを路面からの振動あるいは跳上水などから保護
することができる。さらにまた、空圧パワーユニットの
動力源である圧縮空気は電動パワーユニットの動力源で
ある電力と同様に蓄積可能であり、しかも大型自動車に
搭載されているエアタンクの圧縮空気を空圧パワーユニ
ットの動力源として有効利用できるために大型自動車に
適用可能な電動式パワーユニットの構成を簡略化できる
とともに省エネルギ化することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る電動式パワーステアリングの一実
施例を示す概略説明図、第２図は第１図のＡ−Ａ断面
図、第３図はコントローラ14のブロック図、第４図は従
来例の説明図である。 １……ステアリングホイール、２……ステアリングシャ
フト、６……ピットマンアーム、７……ドラッグリン
ク、８……前輪、９……ナックルアーム、13……トルク
センサ、14……コントローラ、16……上部シャフト、17
……下部シャフト、18……ステアリングコラム、19……
電動パワーユニット、20……接触子、21……カム、22…
…保持金具、23R、23L……圧電素子、24……スプリン
グ、25……被駆動ギア、26……電動モータ、27……駆動
ギア、28……空圧パワーユニット、29……入力軸、30…
…ユニバーサルジョイント、31……出力軸、32……コン
トロールバルブ、33……パワーシリンダ、34……空圧タ
ンク、35……コンプレッサ、36……ピストン、37……セ
ンタギア、38、39、47……増幅器、40、41……A/D変換
器、42……スイッチング回路、43、51……比較増幅器、
44……方向判別器、45……車速センサ、46……波形整形
器、48……D/A変換器、49……駆動回路、50……圧力セ
ンサ、52……増幅駆動回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ステアリングホイールに結合された上部シ
   ャフトと、該上部シャフトにトルクセンサを介して結合
   された下部シャフトと、該下部シャフトを回転自在に支
   持するステアリングコラムと、前記下部シャフトにユニ
   バーサルジョイントを介して結合された入力軸を有する
   空圧パワーユニットと、前記ステアリングコラムに取り
   付けられて下部シャフトを回転駆動する電動パワーユニ
   ットと、車速に応答する信号を出力する車速センサおよ
   び前記トルクセンサから出力された信号に基づいて前記
   電動パワーユニットの出力を制御するコントローラを備
   えてなる電動式パワーステアリング。