JP2001219856A - 直線的に駆動されるアクチュエーター・シャフトを有する自動車用操舵システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気的アクチュエーターを有する車両用操舵
システムにおける、トルク伝達性及び／又はトルクから
力への変換特性の向上。 【解決手段】 車両用操舵システム16は、両操舵輪12、
14間に配置されたアクチュエーター26を持つ。シャフト
28が、アクチュエーターのハウジング40内部と、その内
部で軸受支持されたローター・チューブ56を通過する。
ハウジング40外部でシャフト28の一端が一方の車輪に、
他端が他方輪に連結されている。車輪の操舵時、ハウジ
ング40内部のモーター52がローター・チューブ56を回転
させる。ローター・チューブ56の雌ネジ68とシャフト28
の雄ネジ70が、ローター・チューブ56とシャフト28の間
の双方向運動伝達を行う様にローラー76の組74により作
動可能に連結され、ローター・チューブ56の回転がシャ
フト28のハウジング40の軸方向変位を、その変位がロー
ター・チューブ56の回転を生じさせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は概略的には自動車用
操舵システムに関し、より具体的には車両両側の車輪を
同調して回動させるために直線的に移動するシャフトを
持つ電気的アクチュエーターを有する操舵システムに関
する。

【０００２】

【従来の技術】四輪車両の左右前輪など車両両側の操舵
輪の回動を補助するための車両操舵システムにおいて、
電気的に駆動されるアクチュエーターを用いることが知
られている。操舵輪は、操舵輪に連結されたステアリン
グ・ラックに直線運動を与える機械的ステアリング・ピ
ニオン・ギアに、ステアリング・コラム・シャフトを介
して連結されたステアリング・ホイールにより回動され
る。ステアリング・ホイールが回転されると、電気的に
駆動されるアクチュエーターのシャフトが、車輪を回動
させる力の多くを供給することによりラックの変位を補
助する様に直線的に移動する。この形式のシステムは、
電動アシスト・ステアリングや電動パワー・ステアリン
グなどの種々の呼称を持つ。

【０００３】他の形式の操舵システムの１つとして、ス
テアリング・ホイールが、操舵輪に機械的には接続され
ておらず、車輪を回動させるための電気的アクチュエー
ターに配線を介して電気的に接続されたものも知られて
いる。その様な操舵システムは、ラックを動かす機械的
な操舵ギアを介して車輪に接続されるステアリング・コ
ラム・シャフトを持たない。その様な形式のシステム
は、ステア・バイ・ワイヤー（steer-by-wire）システ
ムと称される場合が有る。

【０００４】車両の左右の操舵輪を操舵する際、電気的
アクチュエーターのシャフトには両操舵輪を回動させる
ために確実に直線的な力を発生することが要求される。
電気的アクチュエーターの機構の形式の１つとして、上
述した様な操舵システムの二形式のうちのいずれかにお
いて用いられるのに適した機構は、電気エネルギーを回
転運動に変換し、そしてその回転運動をアクチュエータ
ー・シャフトの移動のための直線運動に変換するもので
ある。そのため車輪によってシャフトに加えられる力
は、アクチュエーターの回転部分にかかるトルク負荷と
して反映される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、電気的アク
チュエーターを有する車両用操舵システムの上述の形式
において、トルク伝達性及び／又はトルクから力への変
換特性を向上するアクチュエーターの構成を提供するも
のであり、具体的にはその様なアクチュエーターの双方
向の運動特性を向上させる。その様な向上により、上記
システムの多様な車両への適用の拡大、具体的にはより
多種のサイズの車両への利用を拡大し得る。上記改良さ
れたシステムをより広範に適用することにより、自動車
用操舵システムの量産メーカーに対し、コスト面での利
点をもたらすことになろう。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の概略的な観点の
１つは、右操舵輪、左操舵輪、及び車両を操舵するよう
該両操舵輪を同調して操舵するための操舵機構を有する
自動車用操舵システムに関する。上記操舵機構は、上記
両操舵輪の間に配置され、軸方向に延び軸方向両端部を
持つ側壁により包囲される内部空間を含むハウジングを
有する。シャフトが、上記ハウジングの軸方向両端部の
間で上記ハウジング内部空間を軸方向に通過し、上記ハ
ウジング内部空間の外部にある軸方向両端部を持つ長軸
を持つ。電気モーターが、上記シャフトの軸と同軸の軸
周りに回転するために上記ハウジングの内部空間内に配
置されるローターを有する。上記ローターが、上記シャ
フトが同軸に通過する軸方向開放両端部を持ち、そして
上記シャフトと自身との共通軸周りに回転可能な円筒型
ローター・チューブを含む。上記モーターが更に、該ロ
ーター・チューブを回転させるよう上記ローターを動作
させるためのステーターを有する。上記ローター・チュ
ーブ上には雌ネジが、上記シャフト上には雄ネジが設け
られている。伝達ローラーの組が、上記ローター・チュ
ーブと上記シャフトとの間の双方向の運動伝達を行う様
に上記雌ネジと上記雄ネジとを作動可能に連結すること
により、上記ローター・チューブの回転が上記シャフト
の上記ハウジング軸方向の変位を生じさせ、そして上記
シャフトの軸方向変位が上記ローター・チューブの回転
を生じさせる。右側操舵継手が上記シャフトの一端を上
記右操舵輪に連結し、左側操舵継手が上記シャフトの他
端を上記左操舵輪に連結する。

【０００７】別の概略的な観点は、右操舵輪、左操舵
輪、及び車両を操舵するよう該両操舵輪を同調して操舵
するための操舵機構を有する自動車用操舵システムに関
する。上記操舵機構は、上記両操舵輪の間に配置され、
軸方向に延び軸方向両端部を持つ側壁により包囲される
内部空間を含むハウジングを有する。シャフトが、上記
ハウジングの軸方向両端部の間で上記ハウジング内部空
間を軸方向に通過し、上記ハウジング内部空間の外部に
ある軸方向両端部を持つ長軸を持つ。電気モーターが、
上記シャフトの軸と同軸の軸周りに回転するために上記
ハウジングの内部空間内に配置されるローターを有す
る。上記ローターが、上記シャフトが同軸に通過する軸
方向開放両端部を持ち、そして上記シャフトと自身との
共通軸周りに回転可能な円筒型ローター・チューブを含
む。上記モーターが更に、該ローター・チューブを回転
させるよう上記ローターを動作させるためのステーター
を有する。上記ローター・チューブ上には内部形状部
が、上記シャフト上には外部形状部が設けられている。
要素の組が、上記ローター・チューブと上記シャフトと
の間の双方向の運動伝達を行う様に上記内部形状部と上
記外部形状部とを作動可能に連結することにより、上記
ローター・チューブの回転が上記シャフトの上記ハウジ
ング軸方向の変位を生じさせ、そして上記シャフトの軸
方向変位が上記ローター・チューブの回転を生じさせ
る。

【０００８】上記組の各要素が、上記シャフトと上記ロ
ーター・チューブとの共通軸周りに周方向に離間して配
置され、上記内部形状部と上記外部形状部との両方と噛
合い、上記内部形状部と上記外部形状部との間で運動を
伝達する際に上記共通軸周りに遊星歯車としての動作を
行う。右側操舵継手が上記シャフトの一端を上記右操舵
輪に連結し、左側操舵継手が上記シャフトの他端を上記
左操舵輪に連結する。

【０００９】上述した様な、及び他の発明としての観点
は、詳細な説明及び請求項から明らかとなろう。

【００１０】

【発明の実施の形態】添付の図面を組合わせて、最適な
実施形態を通した本発明の技術思想、及び該技術思想を
具現化するための現時点にて考えられ得る最適な実施態
様を、以下に説明する。

【００１１】図１は、車両両側に一対の操舵輪12及び14
を持つシャシーを有する自動車10の一部を示す。図１に
おいて右側の車輪12が車両の左前輪であり、一方図１に
おいて左側の車輪14が車両の右前輪である。車両10を操
舵するべく車輪12、14を回動させるための操舵システム
16が、ステアリング・ホイール18、ステアリング・コラ
ム・シャフト20、及び全体として図示符号22にて示され
る操舵機構22を有する。操舵機構22は、従来同様車輪12
と14の間に配置され、ステアリング・ギア24とアクチュ
エーター26を有する。図３乃至６に更なる詳細が図示さ
れている。

【００１２】長軸29を持つシャフト28が、ステアリング
・ギア24とアクチュエーター26の両者に共有されてい
る。継手30がシャフト28の一端を左車輪12に連結し、継
手32がシャフト28の他端を右車輪14に連結する。それら
の継手は、例えばボール・ジョイントを持つタイロッド
であり得る。車輪12、14は、各車輪スピンドル周りの回
転のため、ホイール・ベアリング（不図示）を介して取
付けられている。車輪懸架装置とブレーキ（不図示）
が、車輪と連携される。各スピンドルは、各回動軸33、
35周りの回動のために設けられており通常垂直である
が、本発明には直接関係しない種々のステアリングとサ
スペンションの要件に関する理由により、完全な直立状
態から傾斜されている場合も有る。スピンドルは、継手
30、32が連結される各ステアリング・ナックル（不図
示）を有する。長軸29に沿ってシャフト28に与えられる
直線的な変位は、スピンドルを回動させることで車輪12
と14を回動軸33、35周りに同調して回動させるよう作用
し、それで車両を操舵する。

【００１３】ステアリング・ギア24が、ステアリング・
ホイール18の回転操作により回転されるピニオン・ギア
34を有する。ピニオン・ギアはシャフト28の一部に設け
られたラック36を動作させるので、ステアリング・ホイ
ール18により回転された際にピニオン・ギア34は長軸29
に沿ってシャフト28を直線的に変位させる。ステアリン
グ・ホイール18の一方向への回転がシャフト28の長軸29
に沿った一方向への変位を生じさせ、逆方向への回転が
シャフト28の逆方向への変位を生じさせる。ステアリン
グ・ギア24は車両のシャシーに付随したハウジングを有
するので、ステアリング・ホイール18が回転するとその
ハウジングを通してシャフト28が移動する。シャフト28
が操舵軸33、35の後方にある車両においては、図３にお
ける左方向へのシャフト28の変位が、車両進行方向に関
して左方向に車輪12、14を操舵するよう右車輪14用ステ
アリング・ナックルを押し動かすとともに左車輪12用ス
テアリング・ナックルを引き動かす。図３における右方
向にシャフト28が変位した際には、シャフトは車両進行
方向に関して右方向に車輪12、14を操舵するよう左車輪
12用ステアリング・ナックルを押し動かし右車輪14用ス
テアリング・ナックルを引き動かす。

【００１４】アクチュエーター26が、軸方向に延びると
ともに内部空間を包囲する円筒型側壁42を持つハウジン
グ40を有する。シャフト28は、側壁42の軸方向両端の間
のハウジング内部空間を軸方向に通過する。ハウジング
40は、軸方向各端部において、ハウジング内部空間の両
端を閉塞する各端部壁44、46を有する。シャフト28は端
部壁44、46の開口部を通過する。開口部は、その開口部
を通したシャフトの変位を可能としつつ外部の異物のハ
ウジング内部空間への侵入を防止するためのハウジング
内部と外部のシールを行うシール48、50を収容してい
る。

【００１５】電気モーター52が、ハウジング40内部に収
容されるとともにシャフト軸29と同軸の軸周りの回転の
ためハウジング内部に配置されたローター54を有する。
ローター54は、軸方向両端部において開放するとともに
シャフト28が同軸に通過する円筒型ローター・チューブ
56を有する。ベアリング組立体58、60が、ローター・チ
ューブをシャフト28とローター54の共通軸29周りに回転
可能とする様に、ハウジング40の内面上でローター・チ
ューブ56の両端部を軸受支持する。ローター・チューブ
56の中間部分は、永久磁石62を含むモーター・アーマチ
ュアを保持する。モーター52は更に、ローター・チュー
ブ56を回転させるようローター54を動作させるためのス
テーター64を有する。ステーター64は、ローター・チュ
ーブ56にトルクを与えるために、磁石62と相互作用する
回転磁場を生成するべくモーター回路により駆動される
電気モーター巻線66を有し得る。モーター回路は、ハウ
ジング40上かあるいはハウジング40から離間した位置に
取付けられたモジュール内に、配置されることが出来よ
う。いずれの場合にしても、モーター52まで適切な配線
がなされねばならない。アクチュエーター26は、車輪1
2、14を回動させるためにステアリング・ギア24を用い
てシャフト28に加えられる力をアシストするので、モー
ター回路がモーター52に適切な電流を流すことを可能と
するために、ステアリング・ギアに入力されるトルクが
トルク・センサー63により検出されて電気信号入力とし
てモーター回路に送信されるようにしても良い。モータ
ー制御回路は、シャフト28の、ハウジング40に対する長
軸29に沿った位置を検出するのにふさわしいいずれかの
適切な態様で設けられた位置センサーからのフィードバ
ック信号を使用することも出来る。

【００１６】ローター・チューブ56は回転のため軸受支
持されているが、長軸29に沿った軸方向の動きに対して
は固定されている。長軸29周りに螺旋状の雌ネジ（内ね
じ）68が、ローター・チューブ56の内面に設けられてい
る。ネジ山は、ローター・チューブの壁面に切られてい
ても、あるいはローター・チューブに組付けられた別部
品に内包されていても良い。長軸29周りに同様に螺旋状
で同心状の雄ネジ70が、シャフト28上に設けられてい
る。ネジ部70は、シャフト28上に組付けられる別部品72
に設けられている。各ネジ部68、70は、１インチ当たり
同数のネジ山（メートル法においては１センチメートル
当たり同数のネジ山）を持つが、互いに異なるピッチ円
直径を持つためにそれら２つのネジ部は完全に同一とい
うわけではない。

【００１７】伝達ローラー76の組74を収容する環状空間
を形成するため、ネジ山の歯先により規定された仮想円
筒の断面について測定されるネジ部70の基準外径は、同
様に測定されたネジ部68の基準外径よりも小さくされて
いる。伝達ローラー76は、ローター・チューブ56とシャ
フト28の間で双方向の運動伝達を行わせる様にネジ部68
及びネジ部70に作動可能に連結されているため、ロータ
ー・チューブ56の回転はシャフト28にハウジング40の軸
方向の変位を生じさせ、そしてハウジングに対するシャ
フトの軸方向変位はローター・チューブの回転を生じさ
せる。図面においては、図示のみを目的とするため数個
の伝達ローラーの必ずしも正確な位置に無いものが図示
されている一方、所定のアクチュエーターのいずれにお
いても、用いられる伝達ローラーの数は特定の設計仕様
に依存し得ることが理解されるべきである。一実施形態
としての例では、７個の伝達ローラー76を有しそれらの
中心が長軸29周りに等間隔に配置されている。伝達ロー
ラーは、米国特許第5,491,372号及び米国特許第5,557,1
54号の実施形態に開示されたものと同様のものが使用さ
れ得る。

【００１８】伝達ローラー76のそれぞれは、上述の様に
シャフト28とローター・チューブ56の間の双方向の運動
伝達が可能な態様で動作する螺旋状ネジ部78を有する。
ネジ部78は、１インチ当たり又は１センチメートル当た
りの数がネジ部68、70のものと同数のネジ山を持つ。し
かしネジ部78の基準外径はネジ部68又は70のものよりず
っと小さいため、そのねじれ角はネジ部68、70のものに
比べ極めて大きい。ある時点においては、各伝達ローラ
ー軸周りに周方向に測定した場合の、各伝達ローラー76
における螺旋状ネジ部の多数の各螺旋の所定長さ部分
が、長軸29周りに測定した場合の、螺旋状ネジ部68の各
螺旋の所定長さ部分と噛合うことになる一方、上記各伝
達ローラーの実質的に径方向で反対側の螺旋の所定長さ
部分が、螺旋状ネジ部70の各螺旋の周方向所定長さ部分
と噛合うことになる。ローター・チューブ56を回転させ
るのに充分なトルクがモーター52により発生されると、
後者のネジ部68は伝達ローラー76を介してシャフト28を
移動させるよう動作する。車輪10が右又は左方向への回
動状態から戻る場合の様に、充分な力が長軸29に沿って
シャフト28に加えられた場合、ネジ部70は伝達ローラー
76を介してローター・チューブ56を回転させるよう動作
する。伝達ローラー76のネジ部のねじれ角とネジ部68の
ねじれ角の違い、及び他方で伝達ローラー76のネジ部の
ねじれ角とネジ部70のねじれ角の違いは、アクチュエー
ターに双方向の運動伝達を可能とするインターフェイス
になると考えられる。

【００１９】伝達ローラー76は、伝達ローラーの両端部
においてシャフト28に付随するとともにそれらに嵌合さ
れた支持リング80、82の開口部内にその端部を軸受支持
されることにより組74の状態に維持される。各伝達ロー
ラーのネジ部78における螺旋の両端部分は、各伝達ロー
ラーの両端部において一体ピニオン・ギア84と同等なも
のを形成するために伝達ローラー軸の周りに互いに平行
にかつ等間隔に配置された軸方向の短溝83を形成するよ
う加工されている。支持リング80に隣接するピニオン・
ギア84は、ネジ部70の一端部に隣接するシャフト28の周
囲に形成されたピニオン・ギア86と噛合うとともに、支
持リング82に隣接するピニオン・ギア84は、ネジ部70の
他端部に隣接するシャフト28の周囲に形成されたピニオ
ン・ギア86と噛合う。伝達ローラーのピニオン・ギア84
とピニオン・ギア86の間の相互作用は、アクチュエータ
ーが動作した際に各伝達ローラーを有利に回転させ、そ
れらに遊星歯車の動作をさせると考えられる。その様な
回転は、伝達ローラーのネジ山の各側面と、ネジ山68及
び70の各側面の間に、相互に転動させる様な作用を与え
ると考えられる。その相互の転動作用は、伝達ローラー
のネジ山側面とネジ山68及び70の側面との間の滑りを除
去する、あるいは少なくとも最小とするのに有益である
と考えられる。

【００２０】図示上の都合により、図５においてネジ山
は多少の歪みを持つものが示されている。その図におい
ては伝達ローラーのネジ山は単一の連続した螺旋部分を
有するものが示されているが、各ネジ山68、70は単一の
連続螺旋形状とは異なるものであっても良い。好ましい
実施形態として示された各ネジ山68、70は、実際には単
一連続螺旋形状であること、更に各ネジ部68、70の螺旋
部分は同じ方向に進行することが、理解されるべきであ
る。ネジ部68及び70のつるまき線は同じ位相であるた
め、長軸29から放射状にネジ山68の歯元を横切る仮想線
はネジ山70の歯先を通過することになる。ネジ部68、70
及び78のいずれにおいても、ネジ部の螺旋部分を通過す
る各つるまき線に垂直な部分断面は、ネジ山の側面がネ
ジ山の歯元について実質的に対称であることを示すこと
になる。ネジ山の歯先と歯元は、多少丸められていても
良い。

【００２１】シャフト28は、ステアリング・ギア24とア
クチュエーター26の両者に共有されているものとして上
述したが、互いに取付けられる複数部品から構成され得
るため必ずしも一部品として構成される必要は無い。例
えば、一方がステアリング・ギア24の一部で、他方がア
クチュエーター26の一部であることが出来よう。

【００２２】図２は、ステアリング・コラム・シャフト
20とステアリング・ギア24を介して車輪12、14をステア
リング・ホイール18に直結する機械的連結部を持たな
い、第２の操舵システムの形式を示している。操舵機構
22は、同様に車輪12、14の間に配置されるとともに、継
手30、32により車輪12、14に連結されたアクチュエータ
ー26を有する。ステアリング・ホイール18の動きは、ス
テアリング・ホイールに連携した電気送信機90からハウ
ジング40上のモジュール内に収容され得る電気的制御器
に、配線を介して送信される。送信機90からの信号に応
答して、制御器は、ステアリング・ホイール18の回転量
に対応した位置へシャフト28を移動させるのに適した電
流をモーター52内に生成する。アクチュエーター26の他
の詳細とその動作態様は、図１に示した操舵システムに
ついてすでに説明したものと同様であり、対応する構成
要素は先に用いたものと同じ図示符号にて示される。図
２に示すアクチュエーター26の更なる詳細な記載は、先
の説明と重複すると思われるため省略する。

【００２３】以上好ましい実施形態について例示及び説
明したが、本発明は特許請求の範囲から逸脱しない範疇
で種々の変形例にて実施され得ることが理解されよう。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、電気的アクチュエータ
ーを有する車両用操舵システムにおいて、トルク伝達性
及び／又はトルクから力への変換特性を向上し、具体的
にはその様なアクチュエーターにおいて双方向の運動伝
達特性を向上させることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を具現化する操舵システムの１形式を含
む自動車の概略的正面図である。

【図２】本発明を具現化する操舵システムの別の形式を
含む自動車の概略的正面図である。

【図３】図１における線３−３の矢視断面拡大図であ
る。

【図４】図３の一部を拡大した図である。

【図５】図４の一部を拡大した図である。

【図６】図４における線６−６の矢視断面図である。

【符号の説明】

10 車両 12 左操舵輪 14 右操舵輪 16 操舵システム 22 操舵機構 28 シャフト 29 共通軸 30 左側操舵継手 32 右側操舵継手 40 ハウジング 42 側壁 52 電気モーター 54 ローター 56 円筒型ローター・チューブ 64 ステーター 68 内部形状部 70 外部形状部 74 要素の組 76 伝達ローラー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マイケル ケネス リウバッカ アメリカ合衆国 ミシガン州 48188，カ ントン フェザント ウッズ ドライヴ 860 (72)発明者 グレゴリー ジェイムズ スタウト アメリカ合衆国 ミシガン州 48108，ア ン アーバー ウェストブルック ドライ ヴ 4172

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 右操舵輪、左操舵輪、及び車両を操舵す
   るよう該両操舵輪を同調して操舵するための操舵機構を
   有する自動車用操舵システムであって、該操舵機構は、 上記両操舵輪の間に配置され、軸方向に延び軸方向両端
   部を持つ側壁により包囲される内部空間を含むハウジン
   グと、 上記ハウジングの軸方向両端部の間で上記ハウジング内
   部空間を軸方向に通過し、上記ハウジング内部空間の外
   部にある軸方向両端部を持つ長軸を持つシャフトと、 上記シャフトの軸と同軸の軸周りに回転するために上記
   ハウジングの内部空間内に配置され、上記シャフトが同
   軸に通過する軸方向開放両端部を持ち、そして上記シャ
   フトと自身との共通軸周りに回転可能な円筒型ローター
   ・チューブを含むローターと、該ローター・チューブを
   回転させるよう上記ローターを動作させるためのステー
   ターとを有する電気モーターと、 上記ローター・チューブ上の内部形状部と、 上記シャフト上の外部形状部と、 上記ローター・チューブと上記シャフトとの間の双方向
   の運動伝達を行う様に上記内部形状部と上記外部形状部
   とを作動可能に連結することにより、上記ローター・チ
   ューブの回転が上記シャフトの上記ハウジング軸方向の
   変位を生じさせ、そして上記シャフトの軸方向変位が上
   記ローター・チューブの回転を生じさせる要素の組と、 上記シャフトと上記ローター・チューブの共通軸周りに
   周方向に離間して配置され、上記内部形状部と上記外部
   形状部との両方と噛合い、上記内部形状部と上記外部形
   状部との間で運動を伝達する際に上記共通軸周りに遊星
   歯車としての動作を行う上記組の各要素と、 上記シャフトの一端を上記右操舵輪に連結する右側操舵
   継手と、 上記シャフトの他端を上記左操舵輪に連結する左側操舵
   継手と、を有する操舵システム。