JP2004245636A

JP2004245636A - Rotating torque detection mechanism and electric power steering apparatus

Info

Publication number: JP2004245636A
Application number: JP2003033739A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Shimizu; 康夫清水; Yoshito Nakamura; 義人中村; Shunichiro Sueyoshi; 俊一郎末吉
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-02-12
Filing date: 2003-02-12
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2023-02-12
Also published as: JP4133403B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a rotating torque detection mechanism capable of accurately detecting the size and direction of a rotating torque acting on a rotating shaft. <P>SOLUTION: The rotating torque detection mechanism 210 is provided with the rotating shaft 140 connected to a steering (not shown in Fig.) via a steering shaft and a universal coupling (not shown in Fig.); a first bearing 211 for rotation-freely supporting a lower end part 140a of the rotating shaft 140; a second bearing 212 for rotation-freely supporting a center part 140c of the rotating shaft 140; exciting circuits 213A and 213B for exciting magnetostrictive films 142A and 142B by impressing an AD current on the magnetostrictive films 142A and 142B; and detection circuits 214A and 214B for electrically detecting changes in the magnetic permeability of the magnetostrictive films 142A and 142B. An upper end part 140b of the rotating shaft 140 is a free end and not supported by bearings 211 and 212 unlike the lower end part 140a and the intermediate part 140c. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転自在に支持された回転軸に作用する回転トルクの大きさ及び方向を検出する回転トルク検出機構、及び回転トルク検出機構を備えた電動パワーステアリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、運転者がステアリングホイール（ハンドル）を回転操作した際に、運転者の操舵力を軽減し、運転者に対して快適な操舵感を与えるための電動パワーステアリング装置が広く用いられている。この種の電動パワーステアリング装置は、運転者がハンドルを回転操作した際に、車両のステアリング系に作用する回転トルク（操舵トルク）の大きさ及び方向を回転トルク検出機構で検出し、回転トルク検出機構での検出結果に応じた補助トルクを電動機で発生し、その補助トルクをステアリング系に付加するように構成されている。
【０００３】
図１１は、従来の電動パワーステアリング装置に含まれる回転トルク検出機構３００を示す断面図である。図１１に示すように、回転トルク検出機構３００は、いわゆる磁歪式トルクセンサであり、回転自在に支持された回転軸３１０と、回転軸３１０の表面に設けられ、回転軸３１０に作用する回転トルクの大きさ及び方向に応じて透磁率が変化する磁歪膜３２０Ａ，３２０Ｂと、磁歪膜３２０Ａ，３２０Ｂに交流電流を印加する励磁回路３３０Ａ，３３０Ｂと、励磁回路３３０Ａ，３３０Ｂと対向して配置され、磁歪膜３２０Ａ，３２０Ｂの透磁率の変化を電気的に検出する検出回路３４０Ａ，３４０Ｂとを備えており、磁歪膜３２０Ａ，３２０Ｂの透磁率の変化を検出回路３４０Ａ，３４０Ｂで検出することにより、回転軸３１０に作用する回転トルクの大きさ及び方向を検出するように構成されている。なお、図１１では、励磁回路３３０Ａと検出回路３４０Ａ、及び励磁回路３３０Ｂと検出回路３４０Ｂは、それぞれまとめて表示している。
【０００４】
なお、図１１における、符号４１０は図示しないタイロッド及びナックルを介して転舵輪としての左右の前輪（図示せず）に連結されるラック軸、符号４２０は補助トルクを発生する電動機、符号４３０は電動機４２０で発生した補助トルクを倍力して回転軸３１０に伝達する減速機構、符号４４０は回転トルク検出機構３００の各部やラック軸４１０等を収納するハウジングである。
【０００５】
そして、回転軸３１０の上端部３１０ａは、図示しないステアリングシャフト及び自在軸継手を介してステアリングホイール（図示せず）に連結されている。また、回転軸３１０の下端部３１０ｂにはピニオン３１１が形成されており、下端部３１０ｂのピニオン３１１は、ラック軸４１０に形成されたラック４１１と噛み合ってラックアンドピニオン機構４５０を構成している。また、回転軸３１０の上端部３１０ａ、下端部３１０ｂ及び中間部３１０ｃは、軸受け３５０、軸受け３６０及び軸受け３７０によってそれぞれ回転自在に支持されている。励磁回路３３０Ａ，３３０Ｂ及び検出回路３４０Ａ，３４０Ｂは、回転軸３１０の上端部３１０ａを支持する軸受け３５０と、回転軸３１０の中間部３１０ｃを支持する軸受け３６０との間に配置されている。また、減速機構４３０は、励磁回路３３０Ａ，３３０Ｂ及び検出回路３４０Ａ，３４０Ｂと、軸受け３６０との間に配置されている。
【０００６】
この種の従来技術としては、例えば、特許文献１に開示されている「トルク検出装置及びトルク検出装置を搭載した電動パワーステアリング装置」がある。なお、特許文献１における「トルク検出装置」は、前記した回転トルク検出機構に相当する。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−２５７６４８号公報（第１０‐１１頁、第６図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記した従来の回転トルク検出機構３００では、回転軸３１０の上端部３１０ａ、中間部３１０ｃ及び下端部３１０ｂは、軸受け３５０、軸受け３６０及び軸受け３７０によってそれぞれ支持されているので、外部から回転軸３１０に力Ｆ１及び力Ｆ２が加わると、回転軸３１０には曲げモーメントが作用するため、各軸受け間で撓みが発生する（図１２（ａ）及び図１２（ｂ）参照）。そのため、従来の回転トルク検出機構３００では、回転トルクの検出時に、前記曲げモーメントの大きさも検出されるため、回転軸３１０に作用する回転トルクの大きさ及び方向を精度良く検出することができないという問題があった。なお、力Ｆ１は、ラック軸４１０から回転軸３１０の軸方向に垂直に加わる力であり、力Ｆ２は、減速機構４３０から回転軸３１０の軸方向に垂直に加わる力である。
【０００９】
また、図１２（ｂ）に示すように、回転軸３１０の上端部３１０ａと中間部３１０ｃとの間では、回転軸３１０に作用する曲げモーメントの大きさが、回転軸３１０の軸方向の各位置において異なっているため、回転軸３１０の軸方向に配置された検出回路３４０Ａ，３４０Ｂではそれぞれ検出値が異なる。そのため、回転軸３１０に作用する回転トルクの大きさ及び方向を精度良く検出することができないという問題があった。
【００１０】
また、回転軸３１０の表面に設けられる磁歪膜３２０の厚さが回転軸３１０の周方向によって異なると、磁歪膜３２０の厚さの差に起因して、回転軸３１０の周方向の各位置における検出回路３４０Ａ（３４０Ｂ）の検出値が異なるという問題があった。つまり、回転軸３１０に作用する回転トルクの大きさ及び方向を精度良く検出することができないという問題があった。
【００１１】
そこで、本発明は、回転軸に作用する回転トルクの大きさ及び方向を精度良く検出することができる回転トルク検出機構、及び回転トルク検出機構を備えた電動パワーステアリング装置を提供することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、請求項１に記載の回転トルク検出機構は、回転自在に支持され、その一端部が外部と連結された回転軸と、前記回転軸の表面に設けられ、前記回転軸に作用する回転トルクの大きさ及び方向に応じて透磁率が変化する磁歪膜と、前記回転軸と対向して配置され、前記磁歪膜を励磁する励磁回路と、前記回転軸と対向して配置され、前記磁歪膜の透磁率の変化を電気的に検出する検出回路とを備え、前記磁歪膜の透磁率の変化を前記検出回路で検出することによって、前記回転軸に作用する回転トルクの大きさ及び方向を検出するように構成された回転トルク検出機構であって、前記回転軸の一端部を自由端とし、前記回転軸の他端部を支持したことを特徴とする。
【００１３】
請求項１に記載の回転トルク検出機構によれば、回転軸の一端部を自由端とし、回転軸の他端部を支持するように構成したので、外部から回転軸に対して軸方向に垂直に働く力が加わった際に、回転軸における一端部側では、撓みが発生した場合でも、曲げモーメントは作用しない。したがって、外部から回転軸に軸方向に垂直に働く力が加わった際でも、曲げモーメントによる影響を受けないので、回転軸に作用する回転トルクの大きさ及び方向を精度良く検出することができる。なお、磁歪膜を励磁する励磁回路としては、例えば、交流又は矩形波電圧を出力する回路を用いることができる。
【００１４】
また、請求項２に記載の回転トルク検出機構は、請求項１に記載の回転トルク検出機構において、前記一端部の周囲に、前記一端部と摺動自在に弾性体を配置したことを特徴とする。
【００１５】
請求項２に記載の回転トルク検出機構によれば、回転軸の一端部の周囲に、一端部と摺動自在に弾性体を配置したので、回転軸の剛性が低下し、回転軸の曲げ共振周波数が低下した場合でも、弾性体が回転軸の一端部と接触することによって、回転軸に生じる曲げ共振の振幅を減衰させることができる。そのため、回転軸の剛性が低下し回転軸の曲げ共振周波数が低下した場合でも、回転軸に生じる曲げ共振による曲げモーメントの増大を抑制することができるので、過大なトルク検出信号を出力することはない。したがって、回転軸に作用する回転トルクの大きさ及び方向を精度良く検出することができる。
【００１６】
また、請求項３に記載の回転トルク検出機構は、請求項１に記載の回転トルク検出機構において、前記一端部の周囲に、前記一端部と所定の隙間を隔てて軸受けを配置したことを特徴とする。
【００１７】
請求項３に記載の回転トルク検出機構によれば、回転軸の一端部の周囲に、一端部と所定の隙間を隔てて軸受けを配置したので、外部から回転軸に対して軸方向に垂直に働く力が過大に加わり、回転軸がその軸方向に所定以上撓もうとした場合でも、回転軸を軸受けによって支持することができる。したがって、回転軸がその軸方向に所定の隙間以上撓むことがないので、回転軸が塑性変形するのを防止することができる。
【００１８】
また、請求項４に記載の回転トルク検出機構は、回転自在に支持され、その一端部が外部と連結された回転軸と、前記回転軸の表面に設けられ、前記回転軸に作用する回転トルクの大きさ及び方向に応じて透磁率が変化する磁歪膜と、前記回転軸と対向して配置され、前記磁歪膜を励磁する励磁回路と、前記回転軸と対向して配置され、前記磁歪膜の透磁率の変化を電気的に検出する検出回路とを備え、前記磁歪膜の透磁率の変化を前記検出回路で検出することによって、前記回転軸に作用する回転トルクの大きさ及び方向を検出するように構成された回転トルク検出機構であって、前記磁歪膜の厚さを３０μｍ以下に規定したことを特徴とする。
【００１９】
請求項４に記載の回転トルク検出機構によれば、磁歪膜の厚さを３０μｍ以下に規定したことにより、磁歪膜の膜厚のばらつきによって回転軸の回転位置による磁歪膜の透磁率が変動しても、磁歪膜の厚さが十分薄く形成されているため、検出トルクの変動を抑えることができる。したがって、この回転トルク検出機構を車両の電動パワーステアリング装置に適用した場合、運転時における運転者の操舵感（操舵フィーリング）を良好なレベルに保つことができる。
【００２０】
そして、請求項５に記載の電動パワーステアリング装置は、運転者がステアリングホイールを回転操作した際に、車両のステアリング系に作用する回転トルクの大きさ及び方向を検出する回転トルク検出機構と、補助トルクを発生する電動機とを備え、前記回転トルク検出機構での検出結果に応じた補助トルクを電動機で発生し、その補助トルクを前記ステアリング系に付加するように構成された電動パワーステアリング装置であって、前記回転トルク検出機構として請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の回転トルク検出機構を用いたことを特徴とする。
【００２１】
請求項５に記載の電動パワーステアリング装置によれば、車両のステアリング系に作用する回転トルク（操舵トルク）の大きさ及び方向を検出する回転トルク検出機構として請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の回転トルク検出機構を用いたので、運転者がステアリングホイールを回転操作した際に、車両のステアリング系に作用する回転トルクの大きさ及び方向を精度良く検出することができる。その結果、運転者の操舵感（操舵フィーリング）を向上させることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る回転トルク検出機構及び電動パワーステアリング装置の実施の形態について、適宜図面を参照して詳細に説明する。なお、回転トルク検出機構は、車両のステアリング系に設けられた電動パワーステアリング装置に含まれる。
【００２３】
まず、車両のステアリング系１００と、ステアリング系１００に設けられた電動パワーステアリング装置２００とについて、図１、図２及び図３を参照して詳しく説明する。参照する図面において、図１は、車両のステアリング系１００と、ステアリング系１００に設けられた電動パワーステアリング装置２００とを模式的に示した図である。また、図２は、図１に示した電動パワーステアリング装置２００を示す部分破断断面図である。また、図３は、図２におけるＡ−Ａ線断面図である。
【００２４】
図１に示すように、ステアリング系１００は、ステアリングホイール（ハンドル）１１０にステアリングシャフト（シャフト）１２０及び自在軸継手１３０，１３０を介して回転軸１４０が連結され、回転軸１４０にラックアンドピニオン機構１５０を介してラック軸１６０が連結されて構成されている。そして、ラック軸１６０の両端には、タイロッド１７０及びナックル１８０を介して、転舵輪としての左右の前輪Ｗがそれぞれ連結されている。
【００２５】
ラックアンドピニオン機構１５０は、図３に示すように、回転軸１４０の下端部１４０ａに形成されたピニオン１４１と、ラック軸１６０に形成されたラック１６１とを噛み合わせた機構であり、回転軸１４０の回転運動をラック軸１６０の軸方向の直線運動に変換するように構成されている。また、図１及び図２に示すように、ラック軸１６０の両端にはボールジョイント１９０，１９０が結合されており、ボールジョイント１９０，１９０には前記したタイロッド１７０，１７０が連結されている。このように構成されたステアリング系１００によれば、運転者がハンドル１１０を回転操作することにより、左右の前輪Ｗ，Ｗを転舵させることができる。
【００２６】
電動パワーステアリング装置２００は、運転者がハンドル１１０を回転操作した際に、ハンドル１１０に連結された回転軸１４０に補助トルクを付加し、運転者の操舵力を軽減させるための装置である。この電動パワーステアリング装置２００は、図１に示すように、運転者がハンドル１１０を回転操作した際に、回転軸１４０に作用する回転トルク（操舵トルク）の大きさ及び方向を検出する回転トルク検出機構２１０と、補助トルクを発生する電動機２２０と、電動機２２０で発生した補助トルクを倍力して回転軸１４０に伝達する減速機構２３０と、回転トルク検出機構２１０での検出結果に応じた補助トルクを発生するように電動機２２０を制御する制御部２４０とを備えて構成されている。
【００２７】
減速機構２３０は、図３に示すように、電動機２２０の駆動軸２２１に形成されたウォーム（駆動ギア）２３１と、回転軸１４０に結合されたウォームホイール（従動ギア）２３２とを噛み合わせた機構であり、電動機２２０で発生した補助トルクを、ウォーム２３１及びウォームホイール２３２を介して回転軸１４０に伝達するように構成されている。なお、電動機２２０で発生した補助トルクは、ウォーム２３１とウォームホイール２３２とのギア比に応じて倍力される。
【００２８】
制御部２４０は、例えばコンピュータからなり、後記する回転トルク検出機構２１０の検出回路２１４Ａ，２１４Ｂ（図３参照）での検出値に基づいて回転軸１４０に作用する回転トルクの大きさ及び方向を求め、その求めた回転トルクの大きさ及び方向に応じた補助トルクを発生するように電動機２２０を制御する。
【００２９】
そして、図３に示すように、回転軸１４０、ラックアンドピニオン機構１５０、回転トルク検出機構２１０、減速機構２３０などは、上ハウジング２５０Ａと下ハウジング２５０Ｂとからなるハウジング２５０内に収納されている。また、下ハウジング２５０Ｂには電動機２２０が取り付けられている。また、回転軸１４０の上端部１４０ｂは、上ハウジング２５０Ａの上部から外部に突出しており、ステアリングシャフト１２０及び自在軸継手１３０，１３０を介してハンドル１１０に連結されている（図１参照）。
【００３０】
以上のように構成された電動パワーステアリング装置２００によれば、運転者がハンドル１１０を回転操作した際に、回転軸１４０に作用する回転トルク（操舵トルク）の大きさ及び方向を回転トルク検出機構２１０で検出し、その検出結果に応じた補助トルクを電動機２２０で発生させることができる。そして、電動機２２０で発生した補助トルクを減速機構２３０で倍力して回転軸１４０に伝達することにより、回転軸１４０に補助トルクを付加し、運転者の操舵力を軽減することができる。
【００３１】
（第１の実施の形態）
次に、回転トルク検出機構の第１の実施の形態について、図３及び図４を参照して詳しく説明する。なお、第１の実施の形態に係る回転トルク検出機構は、特許請求の範囲における請求項１及び請求項４に記載の回転トルク検出機構に相当する。参照する図面において、図３は、第１の実施の形態に係る回転トルク検出機構２１０を示す図であり、図２におけるＡ−Ａ線断面図である。また、図４（ａ）は、回転軸１４０に力Ｆ１，Ｆ２を加えた際に回転軸１４０に生じた撓みを模式的に示す図であり、図４（ｂ）は、そのときに回転軸１４０に作用する曲げモーメントを示す曲げモーメント線図である。
【００３２】
図３に示すように、回転トルク検出機構２１０は、ステアリングシャフト１２０及び自在軸継手１３０，１３０を介してハンドル１１０に連結される回転軸１４０（図１参照）と、回転軸１４０の下端部１４０ａを回転自在に支持する第１の軸受け２１１と、回転軸１４０の中間部１４０ｃを回転自在に支持する第２の軸受け２１２と、回転軸１４０における上端部１４０ｂ側と中間部１４０ｃとの間に回転軸１４０と対向して配置され、後記する磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂに交流電圧を印加して磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂを励磁する励磁回路２１３Ａ，２１３Ｂと、前記磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂの透磁率の変化を電気的に検出する検出回路２１４Ａ，２１４Ｂとを備えて構成されている。図３では、励磁回路２１３Ａと検出回路２１４Ａ、及び励磁回路２１３Ｂと検出回路２１４Ｂは、それぞれまとめて表示している。なお、回転軸１４０の上端部１４０ｂは、特許請求の範囲における「一端部」に相当する。また、回転軸１４０の下端部１４０ａは、特許請求の範囲における「他端部」に相当する。
【００３３】
なお、回転軸１４０における下端部１４０ａとは、ラック１６１と噛み合うピニオン１４１が形成される側の端部のことであり、上端部１４０ｂとは、ステアリングシャフト１２０及び自在軸継手１３０，１３０を介してハンドル１１０に連結される側の端部のことである（図１参照）。回転軸１４０の上端部１４０ｂは、下端部１４０ａや中間部１４０ｃのように第１の軸受け２１１及び第２の軸受け２１２によって支持されておらず、自由端となっている。また、回転軸１４０における中間部１４０ｃとは、下端部１４０ａと上端部１４０ｂとの中間から、やや下端部１４０ａ側寄りの位置のことである。中間部１４０ｃの上端部１４０ｂ側には、ウォームホイール２３２が結合されている。
【００３４】
そして、回転軸１４０の表面には、回転軸１４０に作用する回転トルクの大きさ及び方向に応じて透磁率が変化する磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂが設けられている。磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂは、Ｎｉ−Ｆｅ系合金などの磁歪材からなる膜であり、回転軸１４０における上端部１４０ｂと中間部１４０ｃとの間の表面にメッキされている。
【００３５】
このように構成された回転トルク検出機構２１０によれば、運転者がハンドル１１０を回転操作し、回転軸１４０に回転トルクが作用した際に、磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂの透磁率の変化を検出回路２１４Ａ，２１４Ｂで電気的に検出することにより、回転軸１４０に作用する回転トルクの大きさ及び方向を検出することができる。
【００３６】
そして、運転者がハンドル１１０を回転操作した際には、回転軸１４０には、ラックアンドピニオン機構１５０から回転軸１４０の軸方向に垂直に働く力Ｆ１と、減速機構２３０から回転軸１４０の軸方向に垂直に働く力Ｆ２とが加わるが、回転軸１４０の上端部１４０ｂは軸受けによって支持されていない自由端であるので、励磁回路２１３Ａ，２１３Ｂ及び検出回路２１４Ａ，２１４Ｂが配置されている回転軸１４０における上端部１４０ｂと中間部１４０ｃとの間では、回転軸１４０に撓みが発生した場合でも、曲げモーメントは作用しない（図４（ａ）、図４（ｂ）参照）。したがって、回転トルク検出機構２１０は、ラックアンドピニオン機構１５０から回転軸１４０の軸方向に垂直に働く力Ｆ１と、減速機構２３０から回転軸１４０の軸方向に垂直に働く力Ｆ２とが加わった際でも、曲げモーメントによる影響を受けないので、回転軸１４０に作用する回転トルクの大きさ及び方向を精度良く検出することができる。
【００３７】
（第２の実施の形態）
次に、本発明に係る回転トルク検出機構の第２の実施の形態について、図５を参照して説明する。なお、第２の実施の形態に係る回転トルク検出機構は、特許請求の範囲における請求項２に記載の回転トルク検出機構に相当する。参照する図面において、図５は、第２の実施の形態に係る回転トルク検出機構２６０を示す図であり、図２におけるＡ−Ａ線断面図である。
【００３８】
図５に示す回転トルク検出機構２６０は、回転軸１４０の上端部１４０ｂの周囲に、上端部１４０ｂと摺動自在に弾性体であるオイルシール２６１を配置したことが、図３に示した第１の実施の形態に係る回転トルク検出機構２１０と異なる。なお、前記した第１の実施の形態と同一の部分については、同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３９】
図５に示すように、回転軸１４０の上端部１４０ｂの周囲に、上端部１４０ｂと摺動自在に弾性体であるオイルシール２６１を配置すると、回転軸１４０の曲げ剛性が低下し、回転軸１４０の曲げ共振周波数が回転トルク検出機構２６０の検出周波数範囲まで低下した場合でも、オイルシール２６１が回転軸１４０の上端部１４０ｂと接触することによって、回転軸１４０に生じる曲げ共振を減衰させることができる。そのため、回転トルク検出機構２６０は、回転軸の１４０の剛性が低下し、回転軸１４０の曲げ共振周波数が低下した場合でも、回転軸に生じる曲げ共振による曲げモーメントの増大を抑制することができるので、過大なトルク検出信号を出力することはない。したがって、回転軸１４０に作用する回転トルクの大きさ及び方向を精度良く検出することができる。
【００４０】
（第３の実施の形態）
次に、回転トルク検出機構の第３の実施の形態について、図６を参照して詳しく説明する。なお、第３の実施の形態に係る回転トルク検出機構は、特許請求の範囲における請求項３に記載の回転トルク検出機構に相当する。参照する図面において、図６は、第３の実施の形態に係る回転トルク検出機構２７０を示す図であり、図２におけるＡ−Ａ線断面図である。
【００４１】
図６に示す回転トルク検出機構２７０は、回転軸１４０の上端部１４０ｂの周囲に、上端部１４０ｂと所定の隙間ｄを隔ててすべり軸受け２７１を配置したことが、図３に示した第１の実施の形態に係る回転トルク検出機構２１０と異なる。なお、前記した第１の実施の形態と同一の部分については、同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４２】
図６に示すように、回転軸１４０の上端部１４０ｂの周囲に、所定の隙間ｄを隔ててすべり軸受け２７１を配置すると、外部から回転軸１４０に軸方向に垂直に働く力が過大に加わり、回転軸１４０がその軸方向に所定の隙間ｄ以上撓もうとした場合でも、回転軸１４０をすべり軸受け２７１によって支持することができる。したがって、回転トルク検出機構２７０は、回転軸１４０がその軸方向に所定の隙間ｄ以上撓むことがないので、回転軸１４０が塑性変形するのを防止することができる。
【００４３】
（第４の実施の形態）
次に、本発明に係る回転トルク検出機構の第４の実施の形態について、図７を参照して説明する。参照する図面において、図７は、第４の実施の形態に係る回転トルク検出機構２８０を示す図であり、図２におけるＡ−Ａ線断面図である。
【００４４】
図７に示す回転トルク検出機構２８０は、回転軸１４０の上端部１４０ｂと、回転軸１４０のウォームホィール２３２が結合される部分１４０ｄとの間に、回転軸１４０を回転自在に支持する第３の軸受け２８１を配置したことが、図３に示した第１の実施の形態に係る回転トルク検出機構２１０と異なる。第３の軸受け２８１はウォームホィール２３２の近傍に配置されることが望ましい。また、前記した第１の実施の形態と同一の部分については、同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４５】
図７に示すように、回転軸１４０の上端部１４０ｂと、回転軸１４０のウォームホィール２３２が結合される部分１４０ｄとの間に、第３の軸受け２８１を配置すると、減速機構２３０から回転軸１４０の中間部１４０ｃに外力が加わった際に、上端部１４０ｂと回転軸１４０の第３の軸受け２８１に支持される部分１４０ｅとの間では、曲げモーメントが作用しない。したがって、回転トルク検出機構２８０は、減速機構２３０から回転軸１４０のウォームホィール２３２が結合される部分１４０ｄに外力が加わった際でも、曲げモーメントによる影響を受けないので、回転軸１４０に作用する回転トルクの大きさ及び方向を精度良く検出することができる。
【００４６】
（第５の実施の形態）
次に、本発明に係る回転トルク検出機構の第５の実施の形態について、図８、図９及び図１０を参照して説明する。なお、第５の実施の形態に係る回転トルク検出機構は、特許請求の範囲における請求項４に記載の回転トルク検出機構に相当する。参照する図面において、図８は、第５の実施の形態に係る回転トルク検出機構２９０を示す図であり、図２におけるＡ−Ａ線断面図である。また、図９は回転軸１４０の横断面図であり、回転軸１４０の表面に形成された磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂの偏心（膜厚のばらつき）を表わしている。なお、図９では、説明の便宜上、磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂの偏心を誇張して表わしている。また、図１０は、磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂの厚さと回転トルク検出機構２１０の検出感度との関係、及び磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂの厚さと運転者の操舵フィーリングとの関係を示すグラフである。
【００４７】
図８に示す回転トルク検出機構２９０は、図１１に示した従来の回転トルク検出機構３００と同様に、回転軸３１０の上端部１４０ｂ（図１１では上端部３１０ａ）を、軸受け２９１（図１１では軸受け３５０）で支持している点と、磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂの厚さを３０μｍとした点が、図３に示した第１の実施の形態に係る回転トルク検出機構２１０と異なる。なお、前記した第１の実施の形態と同一の部分については、同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４８】
一般に、回転軸１４０の表面にメッキされた磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂの膜厚は、回転軸１４０の回転方向において、多少のばらつきが生じている（図９（ａ）参照）。そのため、回転軸１４０の軸方向に垂直に働く力によって、回転軸１４０の一方向に曲げモーメントが作用している状態で、回転軸１４０を回転させると（図９の例では、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の順に、時計回りに回転させている）、回転軸１４０の中立面を中心に、磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂには圧縮と引っ張りの歪みが発生する。なお、中立面とは、曲げモーメントが作用しても圧縮も引っ張りも受けない面のことである。
【００４９】
そして、磁歪膜は、一般に「圧縮歪み」又は「引張り歪み」の一方が発生した場合にのみ透磁率を変化させるので、例えば、回転軸１４０の軸方向に垂直に働く力によって、回転軸１４０の一部に「圧縮歪み」が発生している場合には、回転軸１４０を図９において、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の順に回転させると、透磁率は磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂの膜厚が最も厚い（ｃ）のときに最も大きくなり、逆に、磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂの膜厚が最も薄い（ａ）の時に最も小さくなる。すなわち、磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂの透磁率の大きさは、回転軸１４０の回転位置により変動する。
【００５０】
ここで、磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂの膜さを３０μｍ以下にすると、磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂの偏心に起因して回転軸１４０の回転位置による磁歪膜の透磁率が変動しても、磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂの厚さが十分薄く形成されているため、例えば、運転者がステアリングを一定の力で操舵している場合に、磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂの膜厚差に起因する検出トルクの変動を十分に抑えることができる。したがって、この回転トルク検出機構２９０を備えた車両の電動パワーステアリング装置２００（図１参照）によれば、運転時における運転者の操舵感（操舵フィーリング）を良好なレベルに保つことができる。（図１０参照）。
【００５１】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態にのみ限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく限りにおいて、種々の変形が可能である。
【００５２】
例えば、本実施の形態に係る回転トルク検出機構は、回転軸１４０（図１参照）に補助トルクを付加するように構成されたピニオンアシスト式の電動パワーステアリング装置に適用することを想定しているが、ラック軸１６０（図１参照）に補助トルクを付加するように構成するラックアシスト式の電動パワーステアリング装置に適用することもできる。
【００５３】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明の請求項１に記載の回転トルク検出機構によれば、外部から回転軸に対して垂直に働く力が加わった際でも、曲げモーメントによる影響を受けないので、回転軸に作用する回転トルクの大きさ及び方向を精度良く検出することができる。
【００５４】
また、本発明の請求項２に記載の回転トルク検出機構によれば、回転軸の剛性が低下し回転軸の曲げ共振周波数が低下した場合でも、回転軸に生じる曲げ共振による曲げモーメントの増大を抑制することができるので、過大なトルク検出信号を出力することはない。したがって、回転軸に作用する回転トルクの大きさ及び方向を精度良く検出することができる。
【００５５】
また、本発明の請求項３に記載の回転トルク検出機構によれば、回転軸がその軸方向に所定の隙間以上撓むことがないので、回転軸が塑性変形するのを防止することができる。
【００５６】
本発明の請求項４に記載の回転トルク検出機構によれば、検出トルクの変動を十分に抑えることができる。したがって、この回転トルク検出機構を車両の電動パワーステアリング装置に適用した場合、運転時における運転者の操舵感（操舵フィーリング）を良好なレベルに保つことができる。
【００５７】
本発明の請求項５に記載の電動パワーステアリング装置によれば、運転者がステアリングホイールを回転操作した際に、車両のステアリング系に作用する回転トルクの大きさ及び方向を精度良く検出することができる。その結果、運転者の操舵感（操舵フィーリング）を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】車両のステアリング系１００と、ステアリング系１００に設けられた電動パワーステアリング装置２００とを模式的に示した図である。
【図２】図１に示した電動パワーステアリング装置２００を示す部分破断断面図である。
【図３】第１の実施の形態に係る回転トルク検出機構２１０を示す図であり、図２におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図４】（ａ）は、回転軸１４０に力Ｆ１，Ｆ２を加えた際に回転軸１４０に生じた撓みを模式的に示す図であり、（ｂ）は、そのときに回転軸１４０に作用する曲げモーメントを示す曲げモーメント線図である。
【図５】第２の実施の形態に係る回転トルク検出機構２６０を示す図であり、図２におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図６】第３の実施の形態に係る回転トルク検出機構２７０を示す図であり、図２におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図７】第４の実施の形態に係る回転トルク検出機構２８０を示す図であり、図２におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図８】第５の実施の形態に係る回転トルク検出機構２９０を示す図であり、図２におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図９】回転軸１４０の横断面図であり、回転軸１４０の表面に形成された磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂの偏心（膜厚のばらつき）を表わしている。
【図１０】磁歪膜１４２の厚さと回転トルク検出機構２１０の検出感度との関係、及び磁歪膜１４２の厚さと運転者の操舵フィーリングとの関係を示すグラフである。
【図１１】従来の電動パワーステアリング装置に含まれる回転トルク検出機構３００を示す断面図である。
【図１２】（ａ）は、回転軸３１０に力Ｆ１，Ｆ２を加えた際に回転軸３１０に生じた撓みを模式的に示す図であり、（ｂ）は、そのときに回転軸３１０に作用する曲げモーメントを示す曲げモーメント線図である。
【符号の説明】
１００ステアリング系
１１０ステアリングホイール（ハンドル）
１２０ステアリングシャフト（シャフト）
１３０自在軸継手
１４０回転軸
１４１ピニオン
１４２Ａ，１４２Ｂ磁歪膜
１５０ラックアンドピニオン機構
１６０ラック軸
１６１ラック
１７０タイロッド
１８０ナックル
１９０ボールジョイント
Ｗ前輪
２００電動パワーステアリング装置
２１０回転トルク検出機構
２１１第１の軸受け
２１２第２の軸受け
２１３Ａ，２１３Ｂ励磁回路
２１４Ａ，２１４Ｂ検出回路
２２０電動機
２３０減速機構
２３１ウォーム
２３２ウォームホイール
２４０制御部
２５０ハウジング[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a rotation torque detection mechanism that detects the magnitude and direction of a rotation torque acting on a rotatably supported rotation shaft, and an electric power steering device including the rotation torque detection mechanism.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, when a driver rotates a steering wheel (steering wheel), an electric power steering device for reducing a driver's steering force and giving the driver a comfortable steering feeling has been widely used. In this type of electric power steering device, when a driver turns a steering wheel, the magnitude and direction of a rotational torque (steering torque) acting on a steering system of the vehicle are detected by a rotational torque detecting mechanism, and the rotational torque is detected. An auxiliary torque corresponding to a detection result of the mechanism is generated by the electric motor, and the auxiliary torque is added to the steering system.
[0003]
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a rotational torque detecting mechanism 300 included in a conventional electric power steering device. As shown in FIG. 11, the rotation torque detection mechanism 300 is a so-called magnetostrictive torque sensor, and includes a rotation shaft 310 rotatably supported, and a rotation torque provided on the surface of the rotation shaft 310 and acting on the rotation shaft 310. Magnetostrictive films 320A and 320B whose magnetic permeability changes according to the size and direction of the magnetic field, exciting circuits 330A and 330B for applying an alternating current to the magnetostrictive films 320A and 320B, and facing the exciting circuits 330A and 330B, Detection circuits 340A and 340B for electrically detecting changes in the magnetic permeability of the magnetostrictive films 320A and 320B are provided, and the detection circuits 340A and 340B detect changes in the magnetic permeability of the magnetostrictive films 320A and 320B, thereby rotating the film. It is configured to detect the magnitude and direction of the rotational torque acting on the shaft 310. In FIG. 11, the excitation circuit 330A and the detection circuit 340A and the excitation circuit 330B and the detection circuit 340B are collectively displayed.
[0004]
In FIG. 11, reference numeral 410 denotes a rack shaft connected to left and right front wheels (not shown) as steered wheels via tie rods and knuckles (not shown), reference numeral 420 denotes an electric motor for generating auxiliary torque, and reference numeral 430 denotes an electric motor. Reference numeral 440 denotes a housing for accommodating the components of the rotation torque detection mechanism 300, the rack shaft 410, and the like.
[0005]
The upper end 310a of the rotating shaft 310 is connected to a steering wheel (not shown) via a steering shaft and a universal joint (not shown). Further, a pinion 311 is formed at a lower end 310 b of the rotating shaft 310, and the pinion 311 of the lower end 310 b is engaged with a rack 411 formed on the rack shaft 410 to form a rack and pinion mechanism 450. The upper end 310a, lower end 310b, and intermediate portion 310c of the rotating shaft 310 are rotatably supported by bearings 350, 360, and 370, respectively. The excitation circuits 330A and 330B and the detection circuits 340A and 340B are arranged between a bearing 350 that supports the upper end 310a of the rotating shaft 310 and a bearing 360 that supports an intermediate portion 310c of the rotating shaft 310. Further, the speed reduction mechanism 430 is disposed between the excitation circuit 330A, 330B, the detection circuit 340A, 340B, and the bearing 360.
[0006]
As this kind of related art, for example, there is a “torque detecting device and an electric power steering device equipped with the torque detecting device” disclosed in Patent Document 1. The “torque detection device” in Patent Document 1 corresponds to the above-described rotation torque detection mechanism.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-257648 (pages 10 to 11, FIG. 6)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional rotation torque detecting mechanism 300, the upper end 310a, the intermediate portion 310c, and the lower end 310b of the rotating shaft 310 are supported by the bearings 350, 360, and 370, respectively. When the force F1 and the force F2 are applied to 310, a bending moment acts on the rotating shaft 310, so that bending occurs between the bearings (see FIGS. 12A and 12B). Therefore, in the conventional rotation torque detection mechanism 300, the magnitude of the bending moment is also detected when the rotation torque is detected, so that the magnitude and direction of the rotation torque acting on the rotation shaft 310 cannot be accurately detected. There was a problem. The force F1 is a force applied perpendicularly to the axial direction of the rotating shaft 310 from the rack shaft 410, and the force F2 is a force applied perpendicularly to the axial direction of the rotating shaft 310 from the reduction mechanism 430.
[0009]
Further, as shown in FIG. 12B, between the upper end 310a of the rotating shaft 310 and the intermediate portion 310c, the magnitude of the bending moment acting on the rotating shaft 310 varies depending on each position in the axial direction of the rotating shaft 310. , The detection values are different from each other in the detection circuits 340A and 340B arranged in the axial direction of the rotating shaft 310. For this reason, there has been a problem that the magnitude and direction of the rotating torque acting on the rotating shaft 310 cannot be accurately detected.
[0010]
Further, when the thickness of the magnetostrictive film 320 provided on the surface of the rotating shaft 310 varies depending on the circumferential direction of the rotating shaft 310, the difference in the thickness of the magnetostrictive film 320 causes the thickness at each position in the circumferential direction of the rotating shaft 310. There is a problem that the detection values of the detection circuits 340A (340B) are different. In other words, there is a problem that the magnitude and direction of the rotating torque acting on the rotating shaft 310 cannot be detected with high accuracy.
[0011]
Therefore, an object of the present invention is to provide a rotation torque detection mechanism capable of accurately detecting the magnitude and direction of a rotation torque acting on a rotation shaft, and an electric power steering device including the rotation torque detection mechanism. I do.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, the rotation torque detecting mechanism according to claim 1 is rotatably supported, and is provided on a surface of the rotation shaft, one end of which is connected to the outside, and the rotation shaft, A magnetostrictive film whose magnetic permeability changes according to the magnitude and direction of the rotating torque acting on the magnetostrictive film, an exciting circuit arranged to face the rotating shaft, and an exciting circuit for exciting the magnetostrictive film, and arranged to face the rotating shaft. A detection circuit for electrically detecting a change in the magnetic permeability of the magnetostrictive film, and detecting the change in the magnetic permeability of the magnetostrictive film by the detection circuit, thereby obtaining a magnitude of the rotational torque acting on the rotating shaft. A rotational torque detecting mechanism configured to detect a direction and a direction, wherein one end of the rotating shaft is a free end, and the other end of the rotating shaft is supported.
[0013]
According to the rotation torque detection mechanism of the first aspect, since one end of the rotation shaft is a free end and the other end of the rotation shaft is configured to be supported, it is vertically perpendicular to the rotation shaft from outside. When the force acting on the rotating shaft is applied, no bending moment acts on one end of the rotating shaft even if the bending occurs. Therefore, even when a force acting on the rotating shaft in a direction perpendicular to the axial direction is applied from outside, the magnitude and direction of the rotating torque acting on the rotating shaft can be detected with high accuracy since the bending moment is not affected. Note that, as the excitation circuit that excites the magnetostrictive film, for example, a circuit that outputs an AC or rectangular wave voltage can be used.
[0014]
According to a second aspect of the present invention, there is provided the rotational torque detecting mechanism according to the first aspect, wherein an elastic body is disposed around the one end so as to be slidable with the one end. I do.
[0015]
According to the rotation torque detecting mechanism of the second aspect, since the elastic body is disposed around the one end of the rotating shaft so as to be slidable with the one end, the rigidity of the rotating shaft is reduced, and the bending resonance of the rotating shaft is reduced. Even when the frequency decreases, the amplitude of the bending resonance generated on the rotating shaft can be attenuated by the elastic body coming into contact with one end of the rotating shaft. Therefore, even when the rigidity of the rotating shaft is reduced and the bending resonance frequency of the rotating shaft is reduced, it is possible to suppress an increase in bending moment due to bending resonance generated in the rotating shaft, so that it is not possible to output an excessive torque detection signal. Absent. Therefore, the magnitude and direction of the rotational torque acting on the rotating shaft can be accurately detected.
[0016]
According to a third aspect of the present invention, there is provided a rotational torque detecting mechanism according to the first aspect, wherein a bearing is disposed around the one end with a predetermined gap from the one end. And
[0017]
According to the rotation torque detecting mechanism of the third aspect, since the bearing is arranged around the one end of the rotating shaft with a predetermined gap from the one end, the bearing is vertically perpendicular to the rotating shaft from outside. Even when the working force is excessively applied and the rotating shaft tries to bend more than a predetermined amount in the axial direction, the rotating shaft can be supported by the bearing. Therefore, since the rotating shaft does not bend in the axial direction beyond a predetermined gap, plastic deformation of the rotating shaft can be prevented.
[0018]
The rotation torque detection mechanism according to claim 4, wherein the rotation torque is provided on a surface of the rotation shaft, the rotation shaft having one end thereof rotatably supported and connected to the outside, and the rotation torque acting on the rotation shaft. A magnetostrictive film whose magnetic permeability changes according to the size and direction of the magnetostrictive film, an exciting circuit arranged to face the rotating shaft, and exciting the magnetostrictive film, and an exciting circuit arranged to face the rotating shaft, A detection circuit for electrically detecting a change in magnetic permeability of the magnetostrictive film, and detecting the change in the magnetic permeability of the magnetostrictive film by the detection circuit, thereby detecting the magnitude and direction of the rotational torque acting on the rotating shaft. In this case, the thickness of the magnetostrictive film is specified to be 30 μm or less.
[0019]
According to the rotation torque detecting mechanism of the fourth aspect, since the thickness of the magnetostrictive film is specified to be 30 μm or less, the magnetic permeability of the magnetostrictive film varies depending on the rotation position of the rotating shaft due to the variation of the thickness of the magnetostrictive film. However, since the thickness of the magnetostrictive film is formed sufficiently small, the fluctuation of the detected torque can be suppressed. Therefore, when this rotational torque detecting mechanism is applied to an electric power steering device for a vehicle, the driver's steering feeling (steering feeling) during driving can be maintained at a favorable level.
[0020]
An electric power steering apparatus according to a fifth aspect of the present invention includes a rotation torque detection mechanism that detects the magnitude and direction of a rotation torque acting on a steering system of a vehicle when a driver rotates the steering wheel; An electric power steering apparatus comprising: an electric motor that generates torque; an electric motor that generates an auxiliary torque according to a detection result of the rotation torque detection mechanism, and adds the auxiliary torque to the steering system. The rotational torque detecting mechanism according to any one of claims 1 to 4 is used as the rotational torque detecting mechanism.
[0021]
According to the electric power steering apparatus of the present invention, the rotational torque detecting mechanism detects the magnitude and direction of the rotational torque (steering torque) acting on the steering system of the vehicle. Since the rotational torque detecting mechanism described in the item (1) is used, it is possible to accurately detect the magnitude and direction of the rotational torque acting on the steering system of the vehicle when the driver rotates the steering wheel. As a result, the driver's steering feeling (steering feeling) can be improved.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a rotation torque detection mechanism and an electric power steering device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. The rotation torque detecting mechanism is included in an electric power steering device provided in a steering system of the vehicle.
[0023]
First, a steering system 100 of a vehicle and an electric power steering device 200 provided in the steering system 100 will be described in detail with reference to FIGS. 1, 2, and 3. FIG. In the drawings to be referred to, FIG. 1 is a diagram schematically showing a steering system 100 of a vehicle and an electric power steering device 200 provided in the steering system 100. FIG. 2 is a partially cutaway sectional view showing the electric power steering device 200 shown in FIG. FIG. 3 is a sectional view taken along line AA in FIG.
[0024]
As shown in FIG. 1, the steering system 100 includes a steering wheel (handle) 110, a rotating shaft 140 connected via a steering shaft (shaft) 120 and universal shaft joints 130, 130, and a rack and pinion mechanism connected to the rotating shaft 140. The rack shaft 160 is connected via a 150. Left and right front wheels W as steered wheels are connected to both ends of the rack shaft 160 via tie rods 170 and knuckles 180, respectively.
[0025]
As shown in FIG. 3, the rack and pinion mechanism 150 is a mechanism in which a pinion 141 formed on the lower end 140 a of the rotating shaft 140 and a rack 161 formed on the rack shaft 160 are engaged. Of the rack shaft 160 is converted into a linear motion in the axial direction. As shown in FIGS. 1 and 2, ball joints 190, 190 are connected to both ends of the rack shaft 160, and the tie rods 170, 170 are connected to the ball joints 190, 190. According to the steering system 100 configured as described above, the driver can turn the steering wheel 110 to steer the left and right front wheels W, W.
[0026]
The electric power steering device 200 is a device for applying an auxiliary torque to the rotating shaft 140 connected to the steering wheel 110 when the driver rotates the steering wheel 110 to reduce the steering force of the driver. As shown in FIG. 1, the electric power steering device 200 detects a rotation torque (steering torque) acting on the rotation shaft 140 when the driver rotates the steering wheel 110 to detect the magnitude and direction of the rotation torque. A mechanism 210, an electric motor 220 that generates an auxiliary torque, a reduction mechanism 230 that boosts the auxiliary torque generated by the electric motor 220 and transmits the boosted torque to the rotating shaft 140, and an auxiliary torque corresponding to a detection result of the rotation torque detection mechanism 210. And a control unit 240 that controls the electric motor 220 so as to generate the electric current.
[0027]
As shown in FIG. 3, the speed reduction mechanism 230 is a mechanism in which a worm (drive gear) 231 formed on the drive shaft 221 of the electric motor 220 and a worm wheel (driven gear) 232 connected to the rotation shaft 140 are engaged. The configuration is such that the auxiliary torque generated by the electric motor 220 is transmitted to the rotating shaft 140 via the worm 231 and the worm wheel 232. The auxiliary torque generated by electric motor 220 is boosted according to the gear ratio between worm 231 and worm wheel 232.
[0028]
The control unit 240 is composed of, for example, a computer, and obtains the magnitude and direction of the rotation torque acting on the rotation shaft 140 based on the detection values of detection circuits 214A and 214B (see FIG. 3) of the rotation torque detection mechanism 210 described later. The motor 220 is controlled so as to generate an auxiliary torque corresponding to the magnitude and direction of the obtained rotational torque.
[0029]
As shown in FIG. 3, the rotation shaft 140, the rack and pinion mechanism 150, the rotation torque detection mechanism 210, the reduction mechanism 230, and the like are housed in a housing 250 including an upper housing 250A and a lower housing 250B. The electric motor 220 is attached to the lower housing 250B. The upper end 140b of the rotating shaft 140 projects outside from the upper part of the upper housing 250A, and is connected to the handle 110 via the steering shaft 120 and the universal joints 130, 130 (see FIG. 1).
[0030]
According to the electric power steering device 200 configured as described above, when the driver rotates the steering wheel 110, the magnitude and direction of the rotating torque (steering torque) acting on the rotating shaft 140 are determined by the rotating torque detecting mechanism. The electric torque can be detected at 210 and the electric motor 220 can generate an auxiliary torque according to the detection result. Then, the auxiliary torque generated by the electric motor 220 is boosted by the speed reduction mechanism 230 and transmitted to the rotary shaft 140, so that the auxiliary torque is added to the rotary shaft 140 and the steering force of the driver can be reduced.
[0031]
(First Embodiment)
Next, a first embodiment of the rotation torque detecting mechanism will be described in detail with reference to FIGS. The rotation torque detection mechanism according to the first embodiment corresponds to the rotation torque detection mechanism described in claims 1 and 4 of the claims. In the drawings to be referred to, FIG. 3 is a diagram showing the rotational torque detecting mechanism 210 according to the first embodiment, and is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. FIG. 4A is a diagram schematically showing the bending generated on the rotating shaft 140 when the forces F1 and F2 are applied to the rotating shaft 140, and FIG. It is a bending moment diagram which shows the bending moment which acts on 140.
[0032]
As shown in FIG. 3, the rotation torque detecting mechanism 210 includes a rotation shaft 140 (see FIG. 1) connected to the handle 110 via the steering shaft 120 and the universal joints 130, 130, and a lower end 140 a of the rotation shaft 140. The first bearing 211 rotatably supports the rotating shaft 140, the second bearing 212 rotatably supports the intermediate portion 140 c of the rotating shaft 140, and rotates between the upper end 140 b of the rotating shaft 140 and the intermediate portion 140 c. Excitation circuits 213A and 213B, which are arranged opposite to the shaft 140 and apply an AC voltage to the magnetostrictive films 142A and 142B described later to excite the magnetostrictive films 142A and 142B, and change the permeability of the magnetostrictive films 142A and 142B. It is provided with detection circuits 214A and 214B for detecting electrically. In FIG. 3, the excitation circuit 213A and the detection circuit 214A and the excitation circuit 213B and the detection circuit 214B are collectively displayed. The upper end 140b of the rotating shaft 140 corresponds to "one end" in the claims. Further, the lower end portion 140a of the rotating shaft 140 corresponds to the “other end portion” in the claims.
[0033]
The lower end 140a of the rotary shaft 140 is an end on the side where the pinion 141 that meshes with the rack 161 is formed, and the upper end 140b is via the steering shaft 120 and the universal joints 130, 130. This is the end on the side connected to the handle 110 (see FIG. 1). The upper end portion 140b of the rotating shaft 140 is not supported by the first bearing 211 and the second bearing 212 like the lower end portion 140a and the intermediate portion 140c, and is a free end. Further, the intermediate portion 140c of the rotating shaft 140 is a position slightly closer to the lower end 140a from the middle between the lower end 140a and the upper end 140b. A worm wheel 232 is connected to the upper end 140b of the intermediate portion 140c.
[0034]
Further, on the surface of the rotating shaft 140, there are provided magnetostrictive films 142A and 142B whose magnetic permeability changes in accordance with the magnitude and direction of the rotating torque acting on the rotating shaft 140. The magnetostrictive films 142A and 142B are films made of a magnetostrictive material such as a Ni—Fe-based alloy, and are plated on the surface of the rotating shaft 140 between the upper end portion 140b and the intermediate portion 140c.
[0035]
According to the rotation torque detection mechanism 210 configured as described above, when the driver rotates the steering wheel 110 and a rotation torque acts on the rotation shaft 140, the detection circuit detects a change in the magnetic permeability of the magnetostrictive films 142A and 142B. By electrically detecting the rotation at 214A and 214B, the magnitude and direction of the rotation torque acting on the rotation shaft 140 can be detected.
[0036]
When the driver rotates the steering wheel 110, the force F1 acting on the rotating shaft 140 in the direction perpendicular to the axis of the rotating shaft 140 from the rack and pinion mechanism 150 and the shaft of the rotating shaft 140 from the speed reduction mechanism 230 A force F2 acting perpendicular to the direction is applied, but since the upper end 140b of the rotating shaft 140 is a free end not supported by the bearing, the rotating shaft on which the excitation circuits 213A and 213B and the detection circuits 214A and 214B are arranged. A bending moment does not act between the upper end portion 140b and the intermediate portion 140c of the 140 even when the rotating shaft 140 is bent (see FIGS. 4A and 4B). Therefore, the rotational torque detecting mechanism 210 receives the force F1 acting vertically from the rack and pinion mechanism 150 in the axial direction of the rotating shaft 140 and the force F2 acting perpendicularly from the speed reducing mechanism 230 in the axial direction of the rotating shaft 140. However, since it is not affected by the bending moment, the magnitude and direction of the rotating torque acting on the rotating shaft 140 can be detected with high accuracy.
[0037]
(Second embodiment)
Next, a second embodiment of the rotation torque detecting mechanism according to the present invention will be described with reference to FIG. The rotation torque detection mechanism according to the second embodiment corresponds to the rotation torque detection mechanism described in claim 2 of the claims. In the drawings to be referred to, FIG. 5 is a diagram showing a rotational torque detecting mechanism 260 according to the second embodiment, and is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
[0038]
The rotation torque detecting mechanism 260 shown in FIG. 5 has an oil seal 261 which is an elastic body slidably disposed on the upper end 140b of the rotary shaft 140 around the upper end 140b. This is different from the rotation torque detection mechanism 210 according to the embodiment. The same portions as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description is omitted.
[0039]
As shown in FIG. 5, when an oil seal 261 that is an elastic body is slidably disposed around the upper end 140 b of the rotating shaft 140, the bending rigidity of the rotating shaft 140 decreases, and Even when the bending resonance frequency of the rotating shaft 140 falls to the detection frequency range of the rotating torque detecting mechanism 260, the bending resonance generated in the rotating shaft 140 can be attenuated by the oil seal 261 coming into contact with the upper end portion 140b of the rotating shaft 140. . Therefore, even when the rigidity of the rotating shaft 140 is reduced and the bending resonance frequency of the rotating shaft 140 is reduced, the rotating torque detecting mechanism 260 can suppress an increase in bending moment due to bending resonance generated in the rotating shaft. , And does not output an excessive torque detection signal. Therefore, the magnitude and direction of the rotating torque acting on the rotating shaft 140 can be accurately detected.
[0040]
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the rotation torque detecting mechanism will be described in detail with reference to FIG. The rotation torque detection mechanism according to the third embodiment corresponds to the rotation torque detection mechanism described in claim 3 of the claims. In the drawings to be referred to, FIG. 6 is a diagram showing a rotation torque detection mechanism 270 according to the third embodiment, and is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
[0041]
The rotational torque detecting mechanism 270 shown in FIG. 6 has the first arrangement shown in FIG. 3 in which the slide bearing 271 is arranged around the upper end 140b of the rotating shaft 140 with a predetermined gap d from the upper end 140b. This is different from the rotation torque detection mechanism 210 according to the embodiment. The same portions as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description is omitted.
[0042]
As shown in FIG. 6, when the slide bearing 271 is arranged around the upper end portion 140 b of the rotating shaft 140 with a predetermined gap d therebetween, a force acting vertically on the rotating shaft 140 from outside is applied to the rotating shaft 140 excessively. Even when the rotating shaft 140 attempts to bend in the axial direction by a predetermined gap d or more, the rotating shaft 140 can be supported by the slide bearing 271. Therefore, the rotating torque detecting mechanism 270 can prevent the rotating shaft 140 from being plastically deformed because the rotating shaft 140 does not bend in the axial direction by more than the predetermined gap d.
[0043]
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the rotation torque detecting mechanism according to the present invention will be described with reference to FIG. In the drawings to be referred to, FIG. 7 is a diagram showing a rotational torque detection mechanism 280 according to a fourth embodiment, and is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
[0044]
The rotation torque detecting mechanism 280 shown in FIG. 7 is configured to rotatably support the rotation shaft 140 between an upper end portion 140b of the rotation shaft 140 and a portion 140d of the rotation shaft 140 to which the worm wheel 232 is coupled. The arrangement of the bearing 281 is different from the rotation torque detection mechanism 210 according to the first embodiment shown in FIG. The third bearing 281 is desirably disposed near the worm wheel 232. The same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the detailed description is omitted.
[0045]
As shown in FIG. 7, when the third bearing 281 is disposed between the upper end 140b of the rotating shaft 140 and the portion 140d of the rotating shaft 140 to which the worm wheel 232 is coupled, the speed reducing mechanism 230 When an external force is applied to the intermediate portion 140c, no bending moment acts between the upper end portion 140b and the portion 140e of the rotary shaft 140 supported by the third bearing 281. Therefore, even when an external force is applied to the portion 140d of the rotating shaft 140 to which the worm wheel 232 is coupled from the speed reduction mechanism 230, the rotating torque detecting mechanism 280 is not affected by the bending moment, so that the rotation acting on the rotating shaft 140 is not affected. The magnitude and direction of the torque can be accurately detected.
[0046]
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment of the rotation torque detecting mechanism according to the present invention will be described with reference to FIGS. 8, 9, and 10. FIG. The rotation torque detection mechanism according to the fifth embodiment corresponds to the rotation torque detection mechanism described in claim 4 of the claims. In the drawings to be referred to, FIG. 8 is a diagram showing a rotational torque detection mechanism 290 according to a fifth embodiment, and is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. FIG. 9 is a cross-sectional view of the rotating shaft 140, and shows eccentricity (variation in film thickness) of the magnetostrictive films 142A and 142B formed on the surface of the rotating shaft 140. In FIG. 9, the eccentricity of the magnetostrictive films 142A and 142B is exaggerated for convenience of explanation. FIG. 10 is a graph showing the relationship between the thickness of the magnetostrictive films 142A and 142B and the detection sensitivity of the rotation torque detecting mechanism 210, and the relationship between the thickness of the magnetostrictive films 142A and 142B and the driver's steering feeling.
[0047]
The rotation torque detection mechanism 290 shown in FIG. 8 uses the upper end 140b (the upper end 310a in FIG. 11) of the rotation shaft 310 and the bearing 291 (in FIG. 11) similarly to the conventional rotation torque detection mechanism 300 shown in FIG. The difference from the rotation torque detecting mechanism 210 according to the first embodiment shown in FIG. 3 in that the bearing is supported by the bearing 350) and that the thickness of the magnetostrictive films 142A and 142B is 30 μm. The same portions as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description is omitted.
[0048]
Generally, the thickness of the magnetostrictive films 142A and 142B plated on the surface of the rotating shaft 140 has some variation in the rotating direction of the rotating shaft 140 (see FIG. 9A). Therefore, when the rotating shaft 140 is rotated in a state where a bending moment is acting in one direction of the rotating shaft 140 by a force acting perpendicularly to the axial direction of the rotating shaft 140 ((a) in the example of FIG. 9, (The clockwise rotation is performed in the order of (b) and (c).) Compression and tensile strain are generated in the magnetostrictive films 142A and 142B around the neutral plane of the rotating shaft 140. Note that the neutral surface is a surface that does not receive compression or tension even when a bending moment acts.
[0049]
And, since the magnetostrictive film generally changes the magnetic permeability only when one of “compression strain” or “tensile strain” occurs, for example, the force acting perpendicular to the axial direction of the In the case where “compression strain” is generated in a part, when the rotating shaft 140 is rotated in the order of (a), (b), and (c) in FIG. 9, the magnetic permeability becomes smaller than that of the magnetostrictive films 142A and 142B. When the film thickness is the thickest (c), it becomes largest, and conversely, when the film thickness of the magnetostrictive films 142A and 142B is the thinnest (a), it becomes smallest. That is, the magnitude of the magnetic permeability of the magnetostrictive films 142A and 142B varies depending on the rotational position of the rotating shaft 140.
[0050]
Here, if the thickness of the magnetostrictive films 142A and 142B is set to 30 μm or less, even if the magnetic permeability of the magnetostrictive films varies depending on the rotation position of the rotating shaft 140 due to the eccentricity of the magnetostrictive films 142A and 142B, Since the thickness of 142B is formed sufficiently thin, for example, when the driver is steering the steering wheel with a constant force, the fluctuation of the detected torque due to the difference in the thickness of the magnetostrictive films 142A and 142B is sufficiently reduced. Can be suppressed. Therefore, according to the electric power steering device 200 (see FIG. 1) of the vehicle including the rotation torque detecting mechanism 290, the driver's steering feeling (steering feeling) during driving can be maintained at a favorable level. (See FIG. 10).
[0051]
As described above, the embodiments of the present invention have been described, but the present invention is not limited to such embodiments, and various modifications are possible as long as they are based on the technical idea of the present invention.
[0052]
For example, it is assumed that the rotation torque detection mechanism according to the present embodiment is applied to a pinion assist type electric power steering device configured to apply an auxiliary torque to rotation shaft 140 (see FIG. 1). However, the present invention can also be applied to a rack assist type electric power steering device configured to apply an auxiliary torque to the rack shaft 160 (see FIG. 1).
[0053]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the rotation torque detecting mechanism according to the first aspect of the present invention, even when a force acting perpendicularly to the rotation axis is applied from the outside, the rotation torque detection mechanism is not affected by the bending moment. Therefore, the magnitude and direction of the rotating torque acting on the rotating shaft can be accurately detected.
[0054]
Further, according to the rotating torque detecting mechanism of the present invention, even when the rigidity of the rotating shaft is reduced and the bending resonance frequency of the rotating shaft is reduced, an increase in bending moment due to bending resonance generated in the rotating shaft is prevented. Since it can be suppressed, an excessive torque detection signal is not output. Therefore, the magnitude and direction of the rotational torque acting on the rotating shaft can be accurately detected.
[0055]
Further, according to the rotation torque detecting mechanism according to the third aspect of the present invention, since the rotating shaft does not bend in the axial direction beyond a predetermined gap, it is possible to prevent the rotating shaft from being plastically deformed. .
[0056]
According to the rotation torque detecting mechanism of the fourth aspect of the present invention, the fluctuation of the detected torque can be sufficiently suppressed. Therefore, when this rotational torque detecting mechanism is applied to an electric power steering device for a vehicle, the driver's steering feeling (steering feeling) during driving can be maintained at a favorable level.
[0057]
According to the electric power steering apparatus described in claim 5 of the present invention, when the driver rotates the steering wheel, the magnitude and direction of the rotational torque acting on the steering system of the vehicle can be accurately detected. it can. As a result, the driver's steering feeling (steering feeling) can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a steering system 100 of a vehicle and an electric power steering device 200 provided in the steering system 100.
FIG. 2 is a partially broken sectional view showing the electric power steering device 200 shown in FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a rotational torque detection mechanism 210 according to the first embodiment, and is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 4A is a diagram schematically showing the bending generated on the rotating shaft 140 when the forces F1 and F2 are applied to the rotating shaft 140, and FIG. It is a bending moment diagram which shows the bending moment which acts.
FIG. 5 is a diagram showing a rotational torque detection mechanism 260 according to a second embodiment, and is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 6 is a diagram showing a rotation torque detection mechanism 270 according to a third embodiment, and is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 7 is a diagram showing a rotational torque detection mechanism 280 according to a fourth embodiment, and is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 8 is a view showing a rotational torque detection mechanism 290 according to a fifth embodiment, and is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 9 is a cross-sectional view of the rotating shaft 140, showing eccentricity (variation in film thickness) of the magnetostrictive films 142A and 142B formed on the surface of the rotating shaft 140.
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the thickness of the magnetostrictive film 142 and the detection sensitivity of the rotation torque detection mechanism 210, and the relationship between the thickness of the magnetostrictive film 142 and the driver's steering feeling.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a rotation torque detection mechanism 300 included in a conventional electric power steering device.
FIG. 12A is a diagram schematically showing the bending generated on the rotating shaft 310 when the forces F1 and F2 are applied to the rotating shaft 310, and FIG. It is a bending moment diagram which shows the bending moment which acts.
[Explanation of symbols]
100 steering system
110 Steering wheel (handle)
120 Steering shaft (shaft)
130 Universal shaft coupling
140 rotation axis
141 Pinion
142A, 142B Magnetostrictive film
150 Rack and pinion mechanism
160 rack axis
161 rack
170 Tie rod
180 Knuckle
190 ball joint
W front wheel
200 Electric power steering device
210 Rotation torque detection mechanism
211 first bearing
212 second bearing
213A, 213B Excitation circuit
214A, 214B detection circuit
220 motor
230 Speed reduction mechanism
231 Warm
232 worm wheel
240 control unit
250 housing

Claims

A rotatable shaft rotatably supported, one end of which is connected to the outside; and a magnetostriction provided on a surface of the rotatable shaft, the magnetic permeability of which varies in accordance with the magnitude and direction of the rotating torque acting on the rotatable shaft. A film, an excitation circuit arranged to face the rotation axis, and exciting the magnetostrictive film, and a detection circuit arranged to face the rotation axis, and electrically detects a change in magnetic permeability of the magnetostriction film. A rotation torque detection mechanism configured to detect a magnitude and a direction of the rotation torque acting on the rotation shaft by detecting a change in the magnetic permeability of the magnetostrictive film by the detection circuit,
A rotating torque detecting mechanism, wherein one end of the rotating shaft is a free end, and the other end of the rotating shaft is supported.

The rotation torque detecting mechanism according to claim 1, wherein an elastic body is disposed around the one end so as to be slidable with the one end.

The rotation torque detecting mechanism according to claim 1, wherein a bearing is arranged around the one end with a predetermined gap from the one end.

A rotatable shaft rotatably supported, one end of which is connected to the outside; and a magnetostriction provided on a surface of the rotatable shaft, the magnetic permeability of which varies in accordance with the magnitude and direction of the rotating torque acting on the rotatable shaft. A film, an excitation circuit arranged to face the rotation axis, and exciting the magnetostrictive film, and a detection circuit arranged to face the rotation axis, and electrically detects a change in magnetic permeability of the magnetostriction film. A rotation torque detection mechanism configured to detect a magnitude and a direction of the rotation torque acting on the rotation shaft by detecting a change in the magnetic permeability of the magnetostrictive film by the detection circuit,
A rotation torque detecting mechanism wherein the thickness of the magnetostrictive film is specified to be 30 μm or less.

A rotational torque detecting mechanism for detecting a magnitude and a direction of a rotational torque acting on a steering system of the vehicle when a driver rotates the steering wheel; and a motor for generating an auxiliary torque, the rotational torque detecting mechanism comprising: An electric power steering apparatus configured to generate an auxiliary torque according to the detection result in the electric motor and to add the auxiliary torque to the steering system,
5. An electric power steering device using the rotation torque detection mechanism according to claim 1 as the rotation torque detection mechanism.