JP2005201711A - トルク検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軸もしくはステアリングシャフトにかかるトルク検出装置に関するものであり、トルク検出精度を高めることを目的とするものである。
【解決手段】第１の主歯車１０ａには第１の検出歯車１１ａが、第２の主歯車１０ｂには第２の検出歯車１１ｂがそれぞれ係合しており、この第１の検出歯車１１ａと第２の検出歯車１１ｂとの間にトーションバー１２を設けた構成にすることにより、トルクの検出にあたっては歯車の加工誤差や取り付けに起因する誤差が入り込まないので、センサの検出精度を高めることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は軸もしくはステアリングシャフトにかかるトルクを検出するトルク検出装置に関するものである。

従来、この種のトルク検出装置は図５に示されるような構成を有していた。図５において、軸１１０の中間部分にトルクを測定するためのトーションバー１２０が形成されている。軸１１０には歯車１０２が設けられている。この歯車１０２には歯車１０３が係合している。取り付け部１２１からスリーブ１２２が歯車１０２の方向に向かって延びており、その端部には歯車１２３が設けられており、この歯車１２３は歯車１０２と同じ歯数ｎを有している。さらに歯車１２３には歯車１２４を係合させ、この歯車１２４は歯車１０３と同じ歯数ｍを有している。そして歯車１０３と歯車１２４の近傍には、図示していないマグネットとこれに対応する磁気センサを備えている。

トーションバー１２０にトルクが作用すると、歯車１０２と歯車１２３とが互いに相対的に回動することにより、歯車１０３の回転角度に対して同じ歯数の歯車１２４の回転角度に差が生じる。この歯車１０３と歯車１２４の回転角度の差から角度変化を求めることにより、作用するトルクを検出することができる。

この角度変化量としては運転者がハンドルを操舵する際にハンドルとタイヤとの関係に違和感が生じないように、左回転、右回転それぞれ３度程度に設定されている。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
国際公開第００／０８４３４号パンフレット

しかしながら、上記従来の構成では軸１１０の一部に設けたトーションバー１２０にトルクが発生しその捻れ角を検出していたが、捻れ角が小さいため検出精度が悪いという問題点を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、検出精度の高いトルク検出装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有する。

本発明の請求項１に記載の発明は、操舵軸を第１の操舵軸と第２の操舵軸に分割してこの第１の操舵軸と第２の操舵軸との間にはリミッター部を配置し、前記第１の操舵軸および第２の操舵軸には歯数ｍの第１の主歯車および第２の主歯車をそれぞれ配置し、前記第１の主歯車に係合する歯数ｎの第１の検出歯車と、前記第２の主歯車に係合する歯数ｎの第２の検出歯車とを配置し、これら第１の検出歯車と第２の検出歯車との間にはトーションバーを配置し、前記第１の検出歯車と第２の検出歯車にそれぞれ対向して第１の回転角度検出部と第２の回転角度検出部とを設ける構成とすることにより、機械的誤差によるトルク検出誤差が少なく、トルクの検出が精度良くできるという作用効果が得られる。

本発明の請求項２に記載の発明は、第１および第２の回転角度検出部を、第１の検出歯車の回転中心に設けた第１の磁石とそれに対向して設けた第１の磁気検出素子と、第２の検出歯車の回転中心に設けた第２の磁石とそれに対向して設けた第２の磁気検出素子からなる構成とすることにより、回転角度検出部を簡単に構成でき、しかもトルクの検出が精度良くできるという作用効果が得られる。

本発明の請求項３に記載の発明は、第１の主歯車および第２の主歯車の歯数ｍを第１の検出歯車および第２の検出歯車の歯数ｎよりも大きくすることにより、検出歯車の回転角度が大きくとれるので更にトルクの検出精度が良くなるという作用効果が得られる。

本発明のトルク検出装置は、機械的誤差によるトルク検出誤差が少なく、トルクを精度良く検出することができるという効果を奏するものである。

図１は車両の操舵系の一部を示す斜視図である。この図１に示すようにハンドル２に連結した車の操舵軸としてのステアリングシャフト１にトルク検出装置８を配置し、ステアリングシャフト１の先端に設けたピニオン３と、連結ロッド５に設けたラック４とを連結している。この連結ロッド５と車軸７の左右にタイヤ６を設けている。

そして、操縦者がハンドル２を操舵することによって発生した操舵力は、ステアリングシャフト１に取り付けられたトルク検出装置８で検出され、さらにピニオン３からラック４を介してタイヤ６へ伝達される。

図２（ａ）、図２（ｂ）は本発明のトルク検出装置８の詳細を示す上面図および正面図である。図２（ｂ）において操舵軸は長手方向に２分割されており、ハンドル側の第１の操舵軸９ａとタイヤ側の第２の操舵軸９ｂとに分かれている。

第１の操舵軸９ａには第１の主歯車１０ａが、第２の操舵軸９ｂには第２の主歯車１０ｂがそれぞれ同軸上に設けられている。第１の主歯車１０ａには第１の検出歯車１１ａが、第２の主歯車１０ｂには第２の検出歯車１１ｂがそれぞれ係合している。第１の検出歯車１１ａと第２の検出歯車１１ｂはトーションバー１２の両端にそれぞれ配置されている。トーションバー１２の軸は操舵軸９ａ、９ｂに平行に配置されている。第１の主歯車１０ａと第２の主歯車１０ｂの歯数はｍ、第１の検出歯車１１ａと第２の検出歯車１１ｂの歯数はｎに設定している。ｍとｎの比は２〜５：１に設定してある。

第１の検出歯車１１ａの回転中心と第２の検出歯車１１ｂの回転中心には第１の磁石１３ａと第２の磁石１３ｂとが設けられている。第１の磁石１３ａに対向した位置には磁気検出素子１５ａが回路基板１４ａ上に設けられており、また第２の磁石１３ｂに対向した位置には磁気検出素子１５ｂが回路基板１４ｂ上に設けられている。この第１の磁石１３ａと磁気検出素子１５ａとで第１の回転角度検出部を、第２の磁石１３ｂと磁気検出素子１５ｂとで第２の回転角度検出部を構成している。

第１の操舵軸９ａと第２の操舵軸９ｂは、軸受け１６ａ、１６ｂによりそれぞれ滑らかに回動するように保持されている。第１の検出歯車１１ａと第２の検出歯車１１ｂとトーションバー１２は、軸受け１７ａ、１７ｂにより滑らかに回動するように保持されている。そしてそれぞれの軸受け１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂは筐体（図示せず）にそれぞれ保持されている。第１の操舵軸９ａと第２の操舵軸９ｂの結合部にはリミッター部１８を有している。

図３は図２（ｂ）のリミッター部１８のＡ−Ｂ断面図である。１９はリミッター部１８の第１の操舵軸９ａの端部に設けられた溝部である。２０はリミッター部１８の第２の操舵軸９ｂの端部に設けられた凸部である。溝部１９の幅に対して凸部２０の幅は狭く設定してあり、隙間ｔを有して結合されている。

図４は第１の回転角度検出部の磁石からの磁力線の様子を示す断面図であり、第１の磁石１３ａから出て第１の検出歯車１１ａを介して第１の磁気検出素子１５ａを通る磁力線２１の経路を示す。第２の磁石１３ｂの磁力線についても同様である。

次に、このトルク検出装置８の動作について説明する。

図２（ｂ）において、ハンドル２を回すと第１の操舵軸９ａが回り、その回転は第１の主歯車１０ａから第１の検出歯車１１ａに伝わり、更にトーションバー１２を介して第２の検出歯車１１ｂに伝達され、更に第２の主歯車１０ｂへと伝わり第２の操舵軸９ｂを回動させる。

この間、第１の磁石１３ａから発せられる磁力線２１は、第１の磁気検出素子１５ａ内で方向を変えながら回動する。第１の磁気検出素子１５ａはこの磁力線２１の方向を検出する。同様に第２の磁気検出素子１５ｂは第２の磁石１３ｂの磁力線２１の方向を検出する。そして、第２の操舵軸９ｂに負荷トルクが生じるとトーションバー１２には負荷トルクに応じた捻りが発生し、その結果第１の磁気検出素子１５ａと第２の磁気検出素子１５ｂの出力には相対的な差を生じ、この差の大きさによってトーションバー１２にかかっている負荷トルクの大きさを回路基板１４ａ上の計算回路（図示せず）により算定することができる。

所定の大きさを超える負荷トルクがかかるリミッター部１８の隙間ｔは０となり、第１の操舵軸９ａと第２の操舵軸９ｂとはトルク的には直結状態となり、所定の大きさを超える負荷トルクは全て第１の操舵軸９ａから第２の操舵軸９ｂへと直接伝わる。これによりトーションバー１２に過大なトルクがかかって破壊してしまうようなことは防止される。なお、隙間ｔは操舵の感触に違和感がないように左右ともに第１の操舵軸９ａと第２の操舵軸９ｂの間で右回り左回りともに３度ずつ程度の捻り角度に相当するように設定してある。

また、主歯車１０ａ、１０ｂと検出歯車１１ａ、１１ｂとの歯数の比を２〜５：１程度にしていることによって、操舵軸の捻れ角度は検出歯車１１ａ、１１ｂでは２〜５倍に拡大されており、それだけ磁気検出素子１５ａ、１５ｂでの測定上の精度が上がることになる。

このトルク検出装置８で検出された信号は操舵アシスト機構（図示せず）により倍力されて第２の操舵軸９ｂに加えられることになり、運転者は軽い操舵力で車のハンドル操作ができることになる。

次に本発明のトルク検出装置８の有効性について述べる。

本発明のトルク検出装置８の有利な点は、従来例のように操舵軸と同軸にトーションバーが設けられている方式のものと比較して、機械的誤差によるトルク検出誤差が少なくトルクの検出精度が優れている点にある。

負荷トルクの操舵軸での左右３度の小さい捻れの範囲内で検出する必要があるが、従来例のものでは検出歯車への歯車伝達の過程で歯車の加工誤差や取り付け誤差に起因する誤差の影響が１０パーセント程度もあり、その誤差が倍加されて第２の操舵軸に加えられるため、ハンドルを回す際にがたがたとした違和感を生じ微妙な角度のハンドル捌きが困難となるのに対して、本発明のトルク検出装置８においてはトーションバー１２で生じた捻れが第１の磁気検出素子１５ａと第２の磁気検出素子１５ｂとで直接に検出することができるため、回転角度差から求めるトルクが一義的に決まり、トルク値と信号値とが正確に対応して歯車の伝達による誤差の影響が入り込まないことになる。このようにして精度の良い負荷トルクの検出が可能となるものである。

本発明にかかるトルク検出装置は、第１の主歯車には第１の検出歯車が、第２の主歯車には第２の検出歯車がそれぞれ係合しており、この第１の検出歯車と第２の検出歯車との間にトーションバーを設けた構成にすることにより、トルクの検出にあたっては歯車の加工誤差や取り付けに起因する誤差が入り込まないので、センサの検出精度を高めることができるという効果を有し、車載用の電動パワーステアリング装置などに有用である。

本発明のトルク検出装置を取り付けた車両の操舵系の斜視図 （ａ）同トルク検出装置の上面図、（ｂ）同トルク検出装置の正面図 同トルク検出装置のリミッター部の断面図 同トルク検出装置の回転角度検出部の磁石からの磁力線の様子を示す断面図 従来のトルク検出装置の構成図

符号の説明

１ ステアリングシャフト
２ ハンドル
３ ピニオン
４ ラック
５ 連結ロッド
６ タイヤ
７ 車軸
８ トルク検出装置
９ａ 第１の操舵軸
９ｂ 第２の操舵軸
１０ａ 第１の主歯車
１０ｂ 第２の主歯車
１１ａ 第１の検出歯車
１１ｂ 第２の検出歯車
１２ トーションバー
１３ａ 第１の磁石
１３ｂ 第２の磁石
１４ａ、１４ｂ 回路基板
１５ａ 第１の磁気検出素子
１５ｂ 第２の磁気検出素子
１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂ 軸受け
１８ リミッター部
１９ 溝部
２０ 凸部
２１ 磁力線

Claims (3)

1. 操舵軸を第１の操舵軸と第２の操舵軸に分割してこの第１の操舵軸と第２の操舵軸との間にはリミッター部を配置し、前記第１の操舵軸および第２の操舵軸には歯数ｍの第１の主歯車および第２の主歯車をそれぞれ配置し、前記第１の主歯車に係合する歯数ｎの第１の検出歯車と、前記第２の主歯車に係合する歯数ｎの第２の検出歯車とを配置し、これら第１の検出歯車と第２の検出歯車との間にはトーションバーを配置し、前記第１の検出歯車と第２の検出歯車にそれぞれ対向して第１の回転角度検出部と第２の回転角度検出部とを設ける構成としたトルク検出装置。
2. 第１および第２の回転角度検出部を、第１の検出歯車の回転中心に設けた第１の磁石とそれに対向して設けた第１の磁気検出素子と、第２の検出歯車の回転中心に設けた第２の磁石とそれに対向して設けた第２の磁気検出素子とからなる構成とした請求項１に記載のトルク検出装置。
3. 第１の主歯車および第２の主歯車の歯数ｍを第１の検出歯車および第２の検出歯車の歯数ｎよりも大きくした請求項１に記載のトルク検出装置。

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