JP2002145084A - トルクセンサ及び舵取装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 トーションバーを介して連結された第１，第
２軸に加わる回転トルクを、簡素な構成により高精度に
検出する。 【解決手段】 トーションバー３を介して連結された入
力軸１及び出力軸２の内、入力軸１の外周面に軸方向に
対して傾斜する螺旋状の係合溝10を形成し、該入力軸１
に回転自在に外嵌された保持筒４を出力軸２の端部に軸
長方向の移動可能に連結する。保持筒４の内部に偏心保
持させた送りベアリング５の内周に係合突起50を周設
し、この係合突起50を係合溝10に係合させて、入力軸１
と出力軸２との間にトーションバー３の捩れを伴って相
対角変位が生じたとき、係合溝10に沿って送りベアリン
グ５が転動して保持筒４が軸方向に変位する構成とし、
この変位をハウジングＨに固設した変位センサ６により
検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、軸体に加わる回転
トルクを、簡素な構成により高精度に検出するトルクセ
ンサに関し、更に．このトルクセンサを操舵トルクの検
出手段として備える車両の舵取装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】舵取りのために舵輪（ステアリングホイ
ール）に加えられる操舵トルクの検出結果に基づいて操
舵補助用のモータを駆動し、該モータの回転力を舵取機
構に伝えて操舵を補助する構成とした電動式の動力舵取
装置が実用化されている。この種の動力舵取装置におい
ては、前記操舵トルクの検出のために、舵輪と舵取機構
とを連絡する操舵軸を、舵輪側の入力軸（第１軸）と舵
取機構側の出力軸（第２軸）とを細径のトーションバー
を介して連結して構成し、これらの第１，第２軸の間に
前記トーションバーの捩れを伴って生じる相対角変位の
検出結果に基づいて前記操舵トルク（回転トルク）を求
めるようにしたトルクセンサが広く用いられている。

【０００３】このような操舵トルクの検出結果は、電動
式の動力舵取装置において操舵補助用のモータの駆動制
御に用いられると共に、エンジンの出力制御、トラクシ
ョン制御、ＡＢＳ制御等、車両の各部の制御において、
舵取装置の操舵状態を示す情報として利用されることが
あり、前記操舵トルクを高精度に検出し得る簡素な構成
のトルクセンサの実現が切望されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この種のトルクセンサ
においては、第１軸と第２軸との間に発生する相対角変
位を高精度に検出する必要がある。この検出のための一
般的な構成は、第１軸及び第２軸の回転角度を各別の回
転角センサにより検出し、これらの検出角度の差により
前記相対角変位を求めるようにしたものである。

【０００５】ところがこの構成においては、第１，第２
軸用の２つの回転角センサの出力特性の相違により前記
相対角変位の算出結果に誤差が発生する虞れがあり、高
精度の検出を可能とするためには、組立て時に２つの回
転角センサの出力調整が必要であり、この調整作業に多
大の手間を要するという問題がある上、この調整が正し
くなされたとしても、両回転角センサの経時的な特性変
化に起因する検出精度の低下が避けられない。

【０００６】また前記相対角変位を検出するための他の
構成として、第１軸及び第２軸の連結部近傍に互いに対
向する円板を夫々取り付け、これらの円板の一方に周設
された抵抗部に他方に突設された接触子を摺接させてポ
テンシオメータを構成し、第１軸と第２軸との相対角変
位を前記ポテンシオメータの出力変化を媒介として検出
するようにしたものがある。

【０００７】この構成においては、前記ポテンシオメー
タの出力が、前記第１，第２軸の相対角変位に直接的に
対応することから、組立て時における調整が容易であ
り、高精度での検出が可能となるが、抵抗部と接触子と
の摺接部の摩耗が避けられず、耐久性に劣るという問題
があった。

【０００８】前記相対角変位を検出する更に他の構成と
して、第１軸及び第２軸の連結部近傍に夫々嵌着された
筒体の対向面に複数の歯を並設する一方、これらの外側
に検出コイルを配してなり、該検出コイルの励磁に応じ
て前記筒体内に形成される磁気回路のインピーダンス
が、前記対向面に並設された歯の対向状態に応じて変化
することを利用して第１軸と第２軸との相対角変位を検
出するようにしたものがある。

【０００９】この構成においては、前記磁気回路のイン
ピーダンス変化が、第１，第２軸の相対角変位に直接的
に対応することから、組立て時における調整が容易であ
り、高精度での検出が可能となる上、摺接部分が存在せ
ず、耐久性に優れているが、前記検出コイル及びインピ
ーダンス変化の検出手段を含めた各部の構成が複雑とな
るという問題があった。

【００１０】本発明は斯かる事情に鑑みてなされたもの
であり、トーションバーを介して連結された第１，第２
軸の相対角変位を煩雑な調整作業を強いることなく直接
的に検出することができ、第１軸及び第２軸に加わる回
転トルクを、経時的な精度変化を生じることなく高精度
に検出することが可能な簡素な構成のトルクセンサ、及
びこのトルクセンサを操舵トルクの検出手段として備え
る車両の舵取装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の第１発明に係る
トルクセンサは、トーションバーを介して同軸上に連結
された第１軸及び第２軸に加わる回転トルクを、これら
両軸間に前記トーションバーの捩れを伴って生じる相対
角変位に基づいて検出するトルクセンサにおいて、前記
第１軸及び第２軸の一方に回転を拘束され、軸方向への
移動可能に他方に外嵌された保持筒と、該保持筒の内部
に偏心保持され、その内周面に係合突起が周設された送
りベアリングと、前記第１軸及び第２軸の他方の外周面
に軸方向に対して所定の傾斜を有して形成され、周方向
の一か所において前記係合突起と係合する係合溝と、該
係合溝に沿った前記送りベアリングの転動により、前記
第１，第２軸間の相対角変位に応じて生じる前記保持筒
の軸方向変位を検出する検出手段とを備えることを特徴
とする。

【００１２】本発明においては、トーションバーを介し
て連結された第１，第２軸に回転トルクが加わり、両軸
間に相対角変位が生じたとき、一方の軸に回転を拘束さ
れた保持筒に偏心保持された送りベアリングが他方の軸
の外周面に形成された係合溝に沿って転動し、前記保持
筒は、この転動に伴う反力の作用により前記係合溝の傾
斜に沿って軸方向に滑らかに変位する。この軸方向変位
の向き及び大きさは、第１，第２軸間の相対角変位の向
き及び大きさに対応するため、この変位を媒介として第
１，第２軸に加わる回転トルクを高精度に知ることがで
きる。

【００１３】また本発明の第２発明に係るトルクセンサ
は、第１発明の検出手段が、前記保持筒の外面に周設さ
れた環状溝に先端を係合させ、前記第１，第２軸の軸方
向と略平行をなす面内にて揺動する検出アームと、該検
出アームの基部を支持し、その揺動角度を検出する手段
とを備えることを特徴とする。

【００１４】この発明においては、保持筒の外面に周設
された環状溝に先端を係合させた検出アームを保持筒の
軸方向移動に伴って軸方向と略平行な面内にて揺動さ
せ、この揺動の角度を検出アームの基部を支持する検出
手段により検出して、この検出結果を用いて第１軸及び
第２軸に加わる回転トルクを求める。前記検出手段は、
例えば、検出アームの基部を入力端に連結してなるロー
タリ形のポテンシオメータとすることができ、保持筒の
軸方向移動による前記検出アームの揺動を前記ポテンシ
オメータの出力変化として取り出す構成により実現でき
る。

【００１５】また本発明の第３発明に係る舵取装置は、
車両の舵取りのために舵輪に加えられる操舵トルクを検
出すべく、該舵輪に連結された入力軸を前記第１軸と
し、舵取機構に連結された出力軸を前記第２軸として構
成された第１又は第２発明に係るトルクセンサを備える
ことを特徴とする。

【００１６】本発明においては、簡素な構成でありなが
ら高精度に回転トルクを検出し得る第１又は第２発明の
トルクセンサを車両の舵取装置に適用し、操舵軸に加え
られる回転トルク（操舵トルク）の正確な検出値を得
て、この結果を、操舵補助用のモータの駆動制御等、各
種の制御に利用する。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下本発明をその実施の形態を示
す図面に基づいて詳述する。図１は、本発明に係るトル
クセンサを操舵トルクの検出手段として備えるラックピ
ニオン式の舵取装置の要部の構成を示す縦断面図であ
る。本図に示す如く、舵取り操作用の舵輪（図示せず）
に連結された入力軸（第１軸）１と、下部に一体形成さ
れたピニオン20をラック軸21に噛合させた出力軸（第２
軸）２とをトーションバー３を介して同軸上に連結し、
これらを、図中に一部を示す円筒形のハウジングＨの内
部に、一対の軸受Ｂ₁ ，Ｂ₂ により軸回りの回動自在に
支持して、ラックピニオン式の舵取装置が構成されてい
る。

【００１８】中空軸である入力軸１の下端部（図の左端
部）は、出力軸２の上部を大径化して設けられた円筒部
22内に挿入され、両者間に介装された短寸の支持ブッシ
ュ23により同軸上に支持されている。前記トーションバ
ー３は、両端に大径の連結部3a，3bを備え、入力軸１の
中空部内に挿通された細径の丸棒であり、一方の連結部
3aを入力軸１の上端（図の右端）近傍に連結ピン30によ
り連結すると共に、他方の連結部3bを出力軸２の上端面
に形成された装着孔にスプライン結合して、入力軸１と
出力軸２とを同軸上に連結している。

【００１９】而して、舵取りのために舵輪が操作された
場合、該舵輪に連結された入力軸１が軸回りに回動し、
この回動が、トーションバー３を介して連結された出力
軸２に伝わり、該出力軸２の回動が前記ピニオン20に噛
合するラック軸21の軸長方向の移動に変換されて舵取り
がなされる。このとき前記トーションバー３には、舵輪
を介して入力軸１に加わる操舵トルクの作用により捩れ
が生じ、入力軸１と出力軸２との間には、トーションバ
ー３の捩れに応じた相対角変位が生じる。

【００２０】本発明に係るトルクセンサは、以上の如き
相対角変位を媒介として前記操舵トルクを検出すべく、
入力軸１と出力軸２との連結部近傍に構成されており、
薄肉の支持ブッシュ40を介して入力軸１に外嵌支持され
た保持筒４と、該保持筒４に内嵌保持された送りベアリ
ング５と、前記保持筒４の外側に臨ませてハウジングＨ
に固定された変位センサ６とを備えている。

【００２１】図示の如く保持筒４は、厚肉円筒形の保持
部41と、これの一側に一体に連設された薄肉円筒形の連
結部42とを備えている。出力軸２の側に向けた前記連結
部42には、周方向の一か所を適幅に切欠いてなる係合溝
43が、端面に開口を有して形成され、該係合溝43には、
出力軸２上端の前記円筒部22の端面に軸方向に打設され
たダウエルピン44が密に係合させてあり、この係合によ
り前記連結部42を備える保持筒４は、出力軸２と一体回
転すると共に、軸方向への移動可能となっている。

【００２２】一方前記保持部41には、連結部42と逆側の
端面に開口する保持孔45が、軸心に対して一側に所定長
偏心して形成されており、該保持孔45には、送りベアリ
ング５が内嵌保持させてある。該送りベアリング５は、
内輪と外輪との間に多数のボールを介在させてなる玉軸
受であり、内輪の内周面には、図示の如く、半円形断面
を有する係合突起50が周設されている。

【００２３】このような保持部41の内側に位置する入力
軸１の外周面には、前記係合突起50に対応する半円形の
断面形状を有する係合溝10が、軸方向に対して所定角度
傾斜する螺旋形をなして形成されており、該係合溝10に
は、前記送りベアリング５の内周に周設された係合突起
50が、前記保持筒４に対する偏心により入力軸１に近づ
いた周方向位置において係合させてある。

【００２４】図２は、保持筒４の動作説明図であり、図
１と直交する方向の断面が示されている。前述の如く保
持筒４は、連結部42に設けた係合溝43を出力軸２の端部
に打設されたダウエルピン44に係合させ、前記出力軸２
に対し、これと一体回転すると共に、軸方向への移動が
可能とされている。一方保持筒４は、保持部41に内嵌保
持された送りベアリング５の内周の係合突起50を入力軸
１外周の係合溝10に、図中のＡ点において係合させてあ
り、該入力軸１に対する軸方向位置が定められている。

【００２５】ここで、入力軸１に操舵トルクが加わり、
該操舵トルクの作用によるトーションバー３の捩れを伴
って出力軸２との間に相対角変位が生じた場合、出力軸
２と一体回転する保持筒４に内嵌保持された送りベアリ
ング５は、前記出力軸２に対し、図中に矢符により示す
如く生じる入力軸１の相対回転に応じて、該入力軸１外
周の係合溝10に沿って転動し、該保持筒４は、前記係合
溝10の傾斜に沿った前記係合点Ａの位置変化に応じて軸
方向に押され、図中に白抜矢符にて示す如く軸方向に変
位する。この軸方向変位の向き及び大きさは、入力軸１
と出力軸２との間の相対角変位の向き及び大きさに対応
するから、保持筒４の軸方向変位を検出することにより
入力軸１に加わる操舵トルクを高精度に知ることができ
る。

【００２６】保持筒４は、前記保持部41の外周面の一か
所に環状溝46が周設されており、この環状溝46の外側を
臨むハウジングＨの周上には、変位センサ６が固定支持
されている。該変位センサ６は、ハウジングＨの内部に
これの軸心と直交する向きに突設された入力端の回転角
度に応じて出力変化するロータリ形のポテンシオメータ
である。前記入力端には、検出アーム60の基部が固定さ
れており、概ね保持筒４の周方向に延びる該検出アーム
60の先端は、係合突起61を介して前記環状溝46に係合さ
せてある。

【００２７】このような変位センサ６の出力は、演算処
理部７に与えられており、該演算処理部７においては、
前記変位センサ６の出力を用いた所定の演算により、前
記入力軸１に加わる操舵トルクが算出される。

【００２８】図３は、変位センサ６の動作説明図であ
る。前述の如く、変位センサ６の出力端に取り付けた検
出アーム60は、保持筒４の周方向に延長され、該保持筒
４外周の環状溝46に係合させてあり、前記変位センサ６
の出力端を軸とし、前記保持筒４の軸方向、即ち、前記
入力軸１及び出力軸２の軸方向と略平行をなす面内にて
揺動可能である。

【００２９】従って、図３（ａ），（ｂ）に示す如く、
保持筒４が軸方向の両側に向けて移動した場合、検出ア
ーム60は、図中に矢符にて示す向きに夫々揺動し、この
揺動により変位センサ６の出力端が回転することとな
り、この回転に応じて変化する前記変位センサ６の出力
により、前記保持筒４の軸方向変位を、その向きを含め
て知ることができる。

【００３０】なお、検出アーム60の揺動角度は、これの
長さが長く、揺動半径が十分に大である場合、前記保持
筒４の軸方向変位に比例的に対応することとなり、変位
センサ６の出力を用いた保持筒４の軸方向変位の算出、
即ち、操舵トルクの算出が容易となる。しかしながら、
このようにした場合、入力軸１と出力軸２との相対角変
位に対する検出アーム60の揺動角度の絶対的な変化量が
小さく、前記相対角変位自体が小さい（±５°程度）こ
とから、高精度での検出は難しい。

【００３１】そこで、実際には、図示の如く比較的短寸
の検出アーム60を用い、該検出アーム60の揺動角度と保
持筒４の軸方向変位との対応関係、即ち、変位センサ６
の出力と検出対象となる操舵トルクの対応関係を示すテ
ーブルを予め用意しておき、前記演算処理部７において
は、逐次取り込まれる変位センサ６の出力を前記テーブ
ルに適用して操舵トルクを算出する構成とするのが望ま
しい。

【００３２】以上の如く本発明に係るトルクセンサにお
いては、出力軸２に回転を拘束された保持筒４に内嵌保
持させた送りベアリング５内周の係合突起50を入力軸１
の外周に形成された係合溝10に係合させ、入力軸１と出
力軸２との間にトーションバー３の捩れを伴って生じる
相対角変位を前記保持筒４の軸方向変位に変換して前記
入力軸１に加わる操舵トルクを検出する構成としてあ
る。

【００３３】このとき保持筒４の軸方向変位は、前記係
合溝10の傾斜に沿って玉軸受を用いてなる送りベアリン
グ５が転動することにより生じ、この転動は、内輪と外
輪間での多数のボールの転がり抵抗下にて滑らかに行わ
れるから、入力軸１と出力軸２との間の相対角変位は、
保持筒４の軸方向変位に抵抗なく変換され、この軸方向
変位の検出結果に基づいて高精度でのトルク検出が可能
となる。

【００３４】なお、図１に示す実施の形態と逆に、送り
ベアリング５の保持筒４を出力軸１に連結し、出力軸２
の外周に係合溝10を形成して、該係合溝10に前記送りベ
アリング５を係合せしめた構成としてもよいことは言う
までもない。また、保持筒４の内部に複数の送りベアリ
ング５を備え、これらを、共通の係合溝又は各別の係合
溝に係合せしめた構成としてもよい。

【００３５】また、保持筒４の軸方向変位は、該保持筒
４外周の環状溝46に係合する検出アーム60の揺動に変換
し、ロータリ形のポテンシオメータ等の既存の変位セン
サ６を用いて検出することができ、簡素な構成により高
精度でのトルク検出が可能となる。

【００３６】なお、前記変位センサ６としては、ロータ
リエンコーダ等の角度検出用ノ他のセンサを用いること
ができ、更には、保持筒４の外面に固着した磁石を磁気
センサ（ＭＲセンサ）により検出する構成、保持筒４の
外面に設けた標識をリニアスケールにより検出する構成
等、前記軸方向変位を直接的に検出する構成としてもよ
い。

【００３７】また以上の実施の形態においては、ラック
ピニオン式の舵取装置における操舵トルクの検出手段と
しての使用例について述べたが、本発明に係るトルクセ
ンサは、他の形式の舵取装置においても操舵トルクの検
出手段として好便に使用することができ、更には、回転
トルクの検出を必要とする種々の産業分野への広範な採
用が可能であることは言うまでもない。

【００３８】

【発明の効果】以上詳述した如く本発明の第１発明に係
るトルクセンサにおいては、トーションバーを介して同
軸上に連結された第１軸及び第２軸の一方に回転を拘束
された保持筒内に偏心保持させた送りベアリングを、他
方の外周に形成された螺旋状の係合溝に係合せしめた簡
素な構成により、第１，第２軸間の相対角変位を保持筒
の軸方向変位に変換し、この軸方向変位を検出する構成
としたから、前記第１，第２軸に加わる回転トルクを高
精度に検出することが可能となる。

【００３９】また本発明の第２発明に係るトルクセンサ
においては、前記保持筒の軸方向変位を、該保持筒の外
面に周設された環状溝に先端を係合させた揺動アームの
揺動角度を媒介として検出する構成としたから、ロータ
リ形のポテンシオメータ等、角度検出のために広く使用
されている安価な検出手段を用い、高精度のトルク検出
が可能となる。

【００４０】また本発明の第３発明に係る舵取装置にお
いては、舵輪と舵取機構とを連絡する操舵軸に加えられ
る操舵トルクを第１発明又は第２発明のトルクセンサに
より高精度に検出するから、この検出結果に基づいて行
われる操舵補助用のモータの駆動制御等の各種の制御
を、高い信頼性の下にて行わせることが可能となる等、
本発明は優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るトルクセンサを操舵トルクの検出
手段として備えるラックピニオン式の舵取装置の要部の
構成を示す縦断面図である。

【図２】保持筒の動作説明図である。

【図３】変位センサの動作説明図である。

【符号の説明】

１ 入力軸（第１軸） ２ 出力軸（第２軸） ３ トーションバー ４ 保持筒 ５ 送りベアリング ６ 変位センサ ７ 演算処理部 10 係合溝 46 環状溝 50 係合突起 60 検出アーム

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 トーションバーを介して同軸上に連結さ
   れた第１軸及び第２軸に加わる回転トルクを、これら両
   軸間に前記トーションバーの捩れを伴って生じる相対角
   変位に基づいて検出するトルクセンサにおいて、 前記第１軸及び第２軸の一方に回転を拘束され、軸方向
   への移動可能に他方に外嵌された保持筒と、 前記第１軸及び第２軸の他方の外周面に軸方向に対して
   所定の傾斜を有して形成された係合溝と、 前記保持筒の内部に偏心保持され、その内周面に周設さ
   れた係合突起を、周方向の一か所において前記係合溝に
   係合させてある送りベアリングと、 該送りベアリングの前記係合溝に沿った転動により、前
   記第１，第２軸間の相対角変位に応じて生じる前記保持
   筒の軸方向変位を検出する検出手段とを備えることを特
   徴とするトルクセンサ。
2. 【請求項２】 前記検出手段は、前記保持筒の外面に周
   設された環状溝に先端を係合させ、前記第１，第２軸の
   軸方向と略平行をなす面内にて揺動する検出アームと、
   該検出アームの基部を支持し、その揺動角度を検出する
   手段とを備える請求項１記載のトルクセンサ。
3. 【請求項３】 車両の舵取りのために舵輪に加えられる
   操舵トルクを検出すべく、該舵輪に連結された入力軸を
   前記第１軸とし、舵取機構に連結された出力軸を前記第
   ２軸として構成された請求項１又は請求項２記載のトル
   クセンサを備えることを特徴とする舵取装置。