JP2007085740A

JP2007085740A - トルクセンサ

Info

Publication number: JP2007085740A
Application number: JP2005271308A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Isobe; 晋一磯部
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-09-20
Filing date: 2005-09-20
Publication date: 2007-04-05

Abstract

【課題】雰囲気温度の上昇時でも、入力軸に外嵌して、該入力軸よりも線膨張係数の大きな第１円筒部材の締結力の低下を防止しうるトルクセンサを提供する。
【解決手段】トーションバーを介して連結された入力軸３及び出力軸と、入力軸に外嵌固定された第１円筒部材１２と、前記出力軸に外嵌固定され、該第１円筒部材１２と相対回動自在に、所定の隙間をもって非接触状態に嵌合した第２円筒部材とを備えている。前記入力軸に第１円筒部材を組み付ける際に、入力軸の拡径部１１の一端側に設けられて、軸方向に沿って一端側に開口したＵ字形状の凹部１３に、第１円筒部材の一端側の端部をかしめによって固定した。すなわち、このかしめによって、第１円筒部材の内周側に突出した凸部１９の一対の外側面２０，２０を、前記凹部に形成された一対の対向内側面１４，１４に圧接させて、前記凸部を凹部に嵌合させた。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば第１円筒部材の温度変化による拡縮変形にかかわらず、第１円筒部を第１シャフトに確実に固定できるようにしたトルクセンサに関するものである。

従来のトルクセンサとしては、例えば以下の特許文献１に記載されたものが提案されている。

このトルクセンサは、トーションバーを介して接続され、鉄系の磁性材料から形成された入力軸及び出力軸と、アルミニウム系材料から形成され、前記出力軸を包囲するように外嵌した第１円筒部材及び前記入力軸に外嵌した第２円筒部材と、を備えている。

すなわち、前記第１円筒部材は、前記出力軸に対して焼き嵌めとかしめによって固定されている。同様に、前記第２円筒部材も、前記入力軸に対して焼き嵌めとかしめによって固定されている。また、前記第１円筒部材は、第２円筒部材に挿入されて、相対回転可能に同軸に嵌め合わされている。

そして、前記第１円筒部材及び第２円筒部材は、軸方向に延出した窓が夫々形成されており、第１円筒部材の窓と第２円筒部材の窓との重合位置が変化することによって発生する磁束の変化に基づいて、トルクを検出するようになっている。
特開平８−１１４５１８号公報

しかしながら、従来のトルクセンサにあっては、前述のように、例えば前記出力軸は鉄系材料で形成されている一方、該出力軸に固定される前記第１円筒部材はアルミニウム系材料で形成されており、前記両者は、材料の相異によって線膨張係数が異なっている。

すなわち、例えば雰囲気温度の上昇により、前記両者の温度が上昇した場合には、前記第１円筒部材は、前記出力軸に比べてより大きく膨張変形する。これにより、特に、前記第１円筒部材の径方向の膨張変形によって、該第１円筒部材のかしめ固定部分における前記出力軸との間の密着性が悪くなり、前記出力軸と前記第１円筒部材との結合力が低下してしまうおそれがある。この結果、トルクセンサの耐久性が低下してしまうという問題があった。

本発明は、このような技術的課題に着目して案出されたものであって、第１シャフトよりも線膨張係数の大きい材料からなる第１円筒部材を、雰囲気温度に影響されることなく、第１シャフトに確実に固定し得るトルクセンサを提供するものである。

請求項１に記載の発明は、トーションバーによって接続された第１シャフト及び第２シャフトと、前記第１シャフトに設けられ、該第１シャフトより大きい線膨張係数を有する材料により形成された第１円筒部材と、前記第１円筒部材を包囲するように前記第２シャフトに設けられ、導電性かつ非磁性材料により形成された第２円筒部材と、前記第１円筒部材と前記第２円筒部材との重なり具合に基づいて前記第１シャフトと前記第２シャフトとの間のトルクを検出する検出部と、前記第１円筒部材の軸方向一端側に設けられた係止部と、前記第１シャフトに設けられ、前記係止部に係止して前記第１円筒部材の軸方向他端側への移動を規制する被係止部と、前記第１円筒部材の軸方向他端側に設けられた凸部と、前記第１シャフトに設けられ、前記凸部に係止する凹部と、を備え、前記凹部に、前記凸部を介して前記第１円筒部材の周方向への移動を規制する周方向規制部を設けたことを特徴としている。

この発明によれば、雰囲気温度の上昇によって、例えば前記第１円筒部材と前記第１シャフトとの間に隙間が生じてしまっても、前記第１円筒部材の凸部が膨張変形することによって、前記第１シャフトの凹部の端縁に前記凸部の外周がより密着状態に係止するため、雰囲気温度の上昇による前記第１円筒部材の締結力の低下が防止される。

請求項２に記載の発明は、前記凹部に、前記凸部を介して前記第１円筒部材の軸方向一端側への移動を規制する軸方向規制部を設けたことを特徴としている。

この発明によれば、雰囲気温度の上昇によって、例えば前記第１円筒部材と前記第１シャフトとの間に隙間が生じてしまっても、前記第１円筒部材の凸部が膨張変形することによって、前記第１シャフトの凹部に設けられた軸方向規制部の端縁に前記凸部の外周がより密着状態に係止するため、前記第１円筒部材の軸方向の移動を規制することができる。

以下、本発明に係るトルクセンサの実施形態を図面に基づいて詳述する。この実施形態では、従来と同様に、車両のパワーステアリング装置に適用したものを示している。

すなわち、図５に示すように、車体に支持固定されるハウジング２内には、一端側が図外のステアリングホイールに連結された入力軸３と、一端側がラック＆ピニオン機構６に連係される出力軸４とが、同軸上に突き合わせ状態に配置されていると共に、夫々が軸受を介して回動自在に支持されている。

前記入力軸３と出力軸４とは、軸方向に対向する他端部が、導電性金属材のトーションバー５を介して連結され、両軸間に作用するトルクがトーションバー５の捩れ量に変換されるようになっている。

また、前記出力軸４には、電動モータ７の動力を伝達するウォームホイール８が一体に取り付けられており、この電動モータ７は、前記両軸３，４のトルクに応じた操舵補助トルクを付与するようになっている。

そして、トルクセンサ１は、トーションバー５の捩れに伴う入力軸３と出力軸４の相対回動位置の変化をコイルユニット９のインピーダンスの変化として検出するようになっている。

これにより、前記ステアリングホイールから入力された操舵力が、前記入力軸３、トーションバー５、出力軸４及びラック＆ピニオン機構６を介して、図外の転蛇輪に伝達されるようになっている。

前記入力軸３は、鉄系の磁性材料からなり、図２及び図５に示すように、内部には挿通孔２ａが貫通形成され、中空に一体形成されており、図５に示すように、前記挿通孔２ａに他端側から前記トーションバー５の先端部を除いたほぼ全体が挿入されている。

また、前記入力軸３は、他端側に形成された縮径部１０が、該入力軸３によって囲繞結合されたトーションバー５と共に、前記出力軸４の他端側に設けられた段付き形状の嵌合穴４ａに相対回動自在に嵌合されている。

なお、前記縮径部１０の他端側には、図５に示すように、制動凸部１０ａが設けられている一方、前記嵌合穴４ａには、前記制動凸部１０ａよりも若干周方向の幅が広く設定された制動凹溝４ｂが設けられており、該制動凹溝４ｂと前記制動凸部１０ａとが嵌合することによって、前記両軸３，４の所定範囲以上の相対回動を防止するようになっている。

さらに、前記入力軸３は、図１及び図２に示すように、前記トーションバー５を囲繞結合する他端側に、前記出力軸４の他端側と突き合わせ状態に対向する拡径部１１が形成されており、該拡径部１１の外周には、第１円筒部材１２が、すきま嵌め状態に外嵌されている。

前記拡径部１１は、他端側の周縁部に段差状の被係止部１１ａが設けられている一方、一端側の外周端部には、かしめによって第１円筒部材１２が該拡径部１１の外周側に嵌合係止する凹部１３が設けられている。

この凹部１３は、図３に示すように、端縁から軸方向に沿って延びる外観Ｕ字形状に形成されている。すなわち、前記凹部１３は、所定の深さを有するＵ字状溝に形成され、平坦な底面の両側縁から立ち上がって、平行に延設された周方向規制部である対向内側面１４，１４を有していると共に、該両内側面１４，１４の先端側に連続して、内側先端方向へ徐々に溝幅が減少するほぼ円弧面状に形成された軸方向規制部である凹曲面１５を有している。

また、前記凹部１３の一端側には、図１に示すように、前記第１円筒部材１２を入力軸３に取り付けた際に、第１円筒部材１２から露出する位置決め部１４ａを有しており、この位置決め部１４ａが第１円筒部材１２の端部をかしめ固定する際のかしめ位置の目印となっている。

前記第１円筒部材１２は、図２及び図５に示すように、非磁性で且つ導電性を有するアルミニウム系材料から成り、平板状の金属板をプレス加工によって、軸方向一端側から他端側へ絞り成形されている。

また、前記第１円筒部材１２は、図２に示すように、両端側が開口しており、一端側の開口端部には、絞り成形に伴う径方向外側にほぼ軸直角方向へ折曲した環状のフランジ部１６が形成されている一方、他端側の開口端部には、径方向内側にほぼ軸直角方向へ折曲して、前記被係止部１１ａに係止する環状の係止部１７が形成されている。

ここで、前記第１円筒部材１２の成形工程について簡単に説明すると、第１円筒部材１２は、図４（ａ）に示すような平板状の金属板を、プレス加工によって、図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示すように、有蓋円筒形状に、初期絞り工程と本絞り工程の二段階に絞り成形する一方、一端側にはプレス加工に伴うフランジ部１６が形成される。

そして、図４（ｄ）に示すように、絞り成型された円筒部の底部に穴あけ加工を施すことによって、他端側も開口して、この開口周縁部に前記係止部１７が形成され、前記フランジ部１６の先端側の不要な部分、つまり、後述する第２円筒部材２２を嵌合した際に干渉してしまう部分を切除することによって、前記第１円筒部材１２が成形される。

そして、この第１円筒部材１２は、図１に示すように、前記拡径部１１と共に内側磁路を形成しており、その外周壁には、軸方向に沿ったスリット状の貫通窓１８ａ・・・，１８ｂ・・・が、軸方向二段に且つ円周方向に等間隔に形成されている。

一方、隣接する貫通窓１８ａ，１８ａ間の梁部は、磁束の通過を遮断する遮蔽領域を成すようになっており、前記第１円筒部材１２には、磁気抵抗の大きい領域と小さい領域とが、前記各段の貫通窓１８ａ・・・，１８ｂ・・・と梁部とによって交互に形成されている。

そして、前記第１円筒部材１２は、図１及び図２に示すように、前記入力軸３に対する取り付け状態において、一端側の端部には、一端側の隣接する各貫通窓１８ａ，１８ａの周方向ほぼ中間となる位置に、横断面が前記凹部１３とほぼ同形状の凸部１９が、かしめによって内周側に突出形成され、該凸部１９が凹部１３に嵌合係止するようになっている。

この凸部１９は、図２に示すように、前記凹部１３の各対向内側面１４，１４に対向する外側面２０，２０と、前記凹曲面１５に対応する凸曲面２１と、を夫々有している。

また、前記第１円筒部材１２の外周側には、図５に示すように、第１円筒部材１２と同様に、前記出力軸４に対してすきま嵌め状態に外嵌されていると共に、一端側の端部がかしめによって固定された第２円筒部材２２が、該第１円筒部材１２と相対回動自在に、所定の隙間をもって非接触状態に嵌合している。

この第２円筒部材２２は、前記第１円筒部材１２と同様に、非磁性で且つ導電性を有するアルミニウム系材料によって形成され、その周壁には複数の図外の貫通窓が設けられており、左右の操舵トルク発生時、つまり前記トーションバー５が捩られると、その捩れ量と方向に応じて、第１円筒部材１２に対する第２円筒部材の周方向における重合位置が変化することによって、第１円筒部材１２の各段の貫通窓１８ａ・・・，１８ｂ・・・に対する第２円筒部材２２の各貫通窓の重合面積が夫々増減変化するようになっている。

前記コイルユニット９は、図５に示すように、前記第２円筒部材２２の貫通窓の外周側に非接触状態に配置された上下一対の第１、第２ヨーク２３ａ，２３ｂと、該第１、第２ヨーク２３ａ，２３ｂ内に収容保持された一対の第１、第２ボビン２４，２４と、該各ボビン２４，２４の外周面に巻回された一対のコイル巻線２５，２５と、前記両ボビン２４，２４の間に一体に介装された２枚のプレート板材２６，２６から構成されている。

また、このコイルユニット９は、前記ハウジング２の下部内に設けられ、前記第２ヨーク２３ｂの下面に当接する皿ばね２７によって上方に付勢されて、前記第１ヨーク２３ａの上面が、ハウジング２内に形成された段差部に突き当て状態に保持されている。

そして、前記各コイル巻線２５，２５に接続される各端子２５ａ，２５ｂは、ハーネス２８，２９を介してモータ制御回路３０に接続されている。

また、前記各コイル巻線２５，２５の自己インダクタンスは、前記トーションバー５が捩られると、前記第１円筒部材の各段の貫通窓１８ａ・・・，１８ｂ・・・と前記第２円筒部材２２の各貫通窓との重合面積、つまり前記拡径部１１の外周面の露出面積の変化に伴う磁束の変化に応じて増減変化する。

また、前記モータ制御回路３０では、前記各コイル巻線２５，２５の自己インダクタンスの差から入力トルクを演算するようになっているため、温度変化などの入力トルク以外の要因による自己インダクタンスの変化は相殺される。

次に、前記入力軸３に対する第１円筒部材１２の組み付け手順を説明すると、図１及び図２に示すように、まず、入力軸３の他端側から拡径部１１に、第１円筒部材１２をフランジ部１６側の開口から挿入して、第１円筒部材１２の係止部１７を入力軸３の被係止部１１ａに当接させて、軸方向の位置決めを行う。

続いて、前記第１円筒部材１２を回転させて、図１に示すように、前記拡径部１１の位置決め部１４ａを、一端側の隣接する貫通窓１８ａ，１８ａのほぼ中間となる位置に合わせる。

そして、前記拡径部１１の凹部１３とほぼ同形状の横断面を有するポンチの先端を、前記位置決め部１４ａを目安にして、前記第１円筒部材１２の外周側から凹部１３に合わせる。

その後、図２に示すように、前記第１円筒部材１２の一端側の端部をかしめることによって、前記入力軸３に第１円筒部材１２を固定する。

これにより、前記凹部１３とほぼ同形状の横断面を有する凸部１９が凹部１３に嵌合して、前記凸部１９の各外側面２０，２０が、凹部１３の各内側面１４，１４に圧接すると共に、凸部１９の凸曲面２１が、凹部１３の凹曲面１５に圧接するために、前記第１円筒部材１２が、入力軸３の拡径部１１に確実に固定される。

なお、前記出力軸４と第２円筒部材２２との組み付けについても、同様に行うことができる。

この実施形態によれば、雰囲気温度が上昇した際には、前記第１円筒部材１２の凸部１９が膨張変形することによって、前記凹部１３の各内側面１４，１４に対して、凸部１９の各外側面２０，２０が密着すると共に、摩擦抵抗が増大する。

したがって、雰囲気温度の上昇によって、前記第１円筒部材１２と入力軸３との間に隙間が生じてしまっても、前記第１円筒部材の締結力の低下が防止される。

また、雰囲気温度が上昇した際には、前記第１円筒部材１２の凸部１９が膨張変形することによって、前記凸部１９の各外側面２０，２０と同様に、前記凹部１３の凹曲面１５に対して、凸部１９の凸曲面２１も密着する。

これにより、前記第１円筒部材１２の他端側への移動が規制されると共に、第１円筒部材１２の係止部１７が拡径部１１の被係止部１１ａに係止することによって、第１円筒部材１２の一端側への移動が規制される。

すなわち、雰囲気温度が上昇して、前記第１円筒部材１２と入力軸３との間に隙間が生じてしまっても、第１円筒部材１２の軸方向の移動も規制される。

また、雰囲気温度が低下した際には、前記入力軸３よりも線膨張率が大きい第１円筒部材１２は、前記凸部１９が凹部１３よりも収縮することによって、凸部１９が凹部１３の縮幅した凹曲面１５側により入り込むため、第１円筒部材１２の他端側への移動が規制される。

これにより、前記第１円筒部材１２の係止部１７が、拡径部１１の他端側の周縁部に係止することによって、第１円筒部材１２の一端側への移動も規制されるために、雰囲気温度が低下した際にも、第１円筒部材１２の軸方向の移動を確実に規制することができる。

なお、前記凸部１９の凸曲面２１の形状を、前記凹部１３の凹曲面１５の形状とほぼ同形状に形成して、凹曲面１５の内側先端と凸曲面２１の先端とが一致する位置を、前記トルクセンサ１の出力が適正値となる基準位置とすることによって、雰囲気温度が低い状態においても、第１円筒部材１２の周方向位置を、適切な位置に保つことができる。

また、前記第１円筒部材１２が拡径部１１に被嵌した状態において、前記位置決め部１４ａが第１円筒部材１２から露出していることから、該第１円筒部材１２の一端側の端部を凹部１３にかしめる際の拡径部１１に対する第１円筒部材１２の位置決めが容易となると共に、第１円筒部材１２が拡径部１１に確実にかしめ固定されて、作業性の向上及び歩留まりの向上が図れる。

そして、前記第１円筒部材１２は、前記入力軸３の凹部１３とほぼ同形状の横断面を有する凸部１９を凹部１３に圧接嵌合させることによって、第１円筒部材１２が入力軸３の拡径部１１に強固に固定されるため、従来のような入力軸３に対する第１円筒部材１２の焼き嵌めによる固定が不要となり、組み付け作業性が向上して、製造コストの低廉化が図れる。

また、前記凸部１９を第１円筒部材１２に予め形成するのではなく、第１円筒部材１２が拡径部１１に被嵌した状態で、第１円筒部材１２の位置決めをした後に、前記凹部１３に対して第１円筒部材１２の一端側の端部をかしめて潰すことによって凸部１９を形成するようにしたため、拡径部１１に対する第１円筒部材１２の位置決め調整の自由度が高く、歩留まり向上が図れる。

そして、プレス加工に伴って、前記第１円筒部材１２にフランジ部１６を形成したことによって、第１円筒部材１２の剛性が向上すると共に、この剛性の高い部分を潰してかしめることによって、拡径部１１に対する第１円筒部材１２のかしめ固定時における第１円筒部材１２の凸部１９以外の変形が抑制されて、品質の向上が図れる。

さらに、前記第１円筒部材１２のかしめ位置、つまり凸部１９の形成位置を、一端側の隣接した各貫通窓１８ａ，１８ａのほぼ中間位置に設定したことによって、前記各貫通窓１８ａ，１８ａの変形が抑制されるため、凸部１９の位置が位置する部分におけるトルクセンサ１のトルク検出精度の低下が抑制される。

前記実施形態から把握される前記請求項に記載した発明以外の技術的思想について以下に説明する。

請求項（１）前記軸方向規制部は、前記第１円筒部材の一端側に向かって徐々に周方向幅が縮小する凹曲面を有することを特徴とする請求項２に記載のトルクセンサ。

この発明によれば、前記第１円筒部材が第１シャフトよりも線膨張率の大きいことから、前記凹部の軸方向規制部を、第１円筒部材の一端側に向かうにつれて徐々に細くなる形状としたため、雰囲気温度の低下により第１円筒部材が第１シャフトよりも収縮して、第１円筒部材の凸部が凹部の軸方向規制部に入り込むようになる。そこで、軸方向規制部の凹曲面の内側先端と凸部の先端とが一致した位置を、トルクセンサ出力が適正値となる基準位置とすることによって、雰囲気温度が低い状態においても、第１円筒部材の周方向位置が適切な位置に保たれる。

請求項（２）前記凸部の一端側の外周面は、前記軸方向規制部の凹曲面と対応する形状を有することを特徴とする請求項（１）に記載のトルクセンサ。

この発明によれば、前記凸部の一端側の外周面を、前記凹曲面と対応する形状にしたことによって、雰囲気温度が低下した場合における第１円筒部材の周方向位置を、より適切な位置とすることができる。

請求項（３）前記凹部は、前記第１円筒部材の端部よりも軸方向外側に露出する位置決め部を有することを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。

この発明によれば、第１シャフトに第１円筒部材を被嵌した状態において、位置決め部が第１円筒部材から露出しているため、第１シャフトに対する第１円筒部材の位置決め性が向上する。

請求項（４）前記凸部は、前記第１円筒部材を、前記凹部に対してパンチすることによって形成されたことを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。

この発明によれば、第１円筒部材の軸方向位置と周方向位置とを位置決めした後に、第１円筒部材を凹部に向けてパンチすることができるため、凸部を第１円筒部材に予め形成する場合と比べて、位置決め調整の自由度が向上する。

請求項（５）前記第１円筒部材の大径開口側の端部は、径方向外側にほぼ軸直角方向へ折曲した環状のフランジ部を有することを特徴とする請求項（４）に記載のトルクセンサ。

この発明によれば、前記第１円筒部材にフランジ部を設けたことによって、該第１円筒部材の剛性が向上すると共に、この剛性が向上した部分をパンチにより変形させることによって、前記凸部を形成するようにしたために、パンチする際の第１円筒部材全体の変形が抑制される。

請求項（６）前記第１円筒部材は、周方向に複数設けられた貫通窓を有し、前記凸部は、前記貫通窓と軸方向においてオーバーラップしない範囲に設けられたことを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。

この発明によれば、トルク検出精度に係る貫通窓とオーバーラップしない範囲に凸部を設けることによって、凸部におけるトルク検出精度の低下が抑制される。

本発明は、前記各実施の形態の構成に限定されるものではなく、例えば前記貫通窓１８ａ・・・，１８ｂ・・・の形状、大きさ及び数量を、自動車の仕様や大きさなどによって自由に変更することができる。

また、前記第１円筒部材１２を、非磁性で且つ導電性を有する銅系材料もしくは磁性材料である鉄系材料によって形成することも可能であり、さらには、前記凹曲面１５を、半円形状もしくは三角形状に形成することも可能である。

本発明に係る第１の実施の形態を示し、入力軸と第１円筒部材との組み付け状態を示す平面図である。図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図１の矢視Ｂの拡大図である。本発明に係る第１円筒部材の成形工程を示す断面図である。本発明に係るラック＆ピニオン式ステアリング装置の概略図である。

符号の説明

１…トルクセンサ（検出部）
３…入力軸（第１シャフト）
４…出力軸（第２シャフト）
５…トーションバー
１１ａ…被係止部
１２…第１円筒部材
１３…凹部
１４…対向内側面（周方向係止部）
１４ａ…位置決め部
１５…凹曲面（軸方向規制部）
１６…フランジ部
１７…係止部
１８ａ…貫通窓
１８ｂ…貫通窓
１９…凸部
２２…第２円筒部材

Claims

トーションバーによって接続された第１シャフト及び第２シャフトと、
前記第１シャフトに設けられ、該第１シャフトより大きい線膨張係数を有する材料により形成された第１円筒部材と、
前記第１円筒部材を包囲するように前記第２シャフトに設けられ、導電性かつ非磁性材料により形成された第２円筒部材と、
前記第１円筒部材と前記第２円筒部材との重合状態に基づいて前記第１シャフトと前記第２シャフトとの間のトルクを検出する検出部と、
前記第１円筒部材の軸方向一端側に設けられた係止部と、
前記第１シャフトに設けられ、前記係止部に係止して前記第１円筒部材の軸方向他端側への移動を規制する被係止部と、
前記第１円筒部材の軸方向他端側に設けられた凸部と、
前記第１シャフトに設けられ、前記凸部に係止する凹部と、を備え、
前記凹部に、前記凸部を介して前記第１円筒部材の周方向への移動を規制する周方向規制部を設けたことを特徴とするトルクセンサ。
前記凹部に、前記凸部を介して前記第１円筒部材の軸方向一端側への移動を規制する軸方向規制部を設けたことを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。