JP2007232602A5

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Publication number: JP2007232602A5
Application number: JP2006055718A
Authority: JP
Filing date: 2006-03-02
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2026-03-02

Description

トルクセンサ

この発明は、入力軸と出力軸との間の捩じれによりトルクを検出するトルクセンサ、特に車両用の電動パワーステアリング装置に適用されるトルクセンサの構造に関する。

車両用の電動パワーステアリング装置は、操向ハンドルと操舵機構とを連結するステアリングシャフトに発生する操舵トルクを検出し、検出された操舵トルクと車速センサで検出された車速とに基づいてモータの出力を制御し、モータの駆動力をギアその他の減速機構によりステアリングシャフトに伝達して操向ハンドルの操舵トルクを適正に補助するように構成されている。

このような電動パワーステアリング装置の制御装置では、操舵トルクを検出するトルク検出回路、検出された操舵トルクに基づいてモータ電流の大きさを制御する制御回路、制御回路から出力されたモータ電流の制御値に基づいて決定されたデューテイ比によりモータを駆動するモータ駆動回路など複数の回路が必要とされ、それぞれの回路は、センサモジュール、制御モジュール、パワーモジュールなどの複数の回路モジュールにまとめられ、ステアリング装置のギヤボックス付近にそれぞれ個別に配置されていたが、部品点数及び組立工数が増加するという不都合があった。このため、これら複数の回路モジュールをさらに集約してステアリング装置のギヤボックスに取付けるようにしたものがある。

一方、トルクセンサとしてはステアリングシャフトに繋がるトーションバーの捩り角に応じて変化する磁気抵抗を、インダクタンスの変化として検出する検出コイルを使用するものがあり、上記したような構成のギヤボックスを使用する場合は、検出コイルを収容したコイルヨークを前記ギヤボックスに接近して配置し、検出コイルの端子を回路モジュールに接続するように構成されたものが知られている（特許文献１参照）。

図６は上記した構成を備えたギヤボックスの断面図であり、図７はその検出コイルの端子を回路モジュールに接続する接続部分の拡大断面図である。

図６及び図７を参照して、トルク検出部の構成と動作を簡単に説明する。ハウジング１０１の内部には、トーションバー１０４を介して連結された入力軸１０２及び出力軸１０３が配置され、出力軸１０３は玉軸受１０５ａ、１０５ｂにより回転自在に指示されている。入力軸１０２、トーションバー１０４、出力軸１０３は同軸に配置され、入力軸１０２とトーションバー１０４とはスプライン結合し、トーションバー１０４と出力軸１０３とはピン結合している。

出力軸１０３にはウォームホイール１０６が結合されており、ウォームホイール１０６は電動モータ１０７の軸１０７ａに結合されたウォーム１０７ｂと噛合している。

入力軸１０２の端部に固定されたスリーブ１０２Ａには、その端部にアルミニウム等の非磁性材料から構成され、円周方向に等間隔に配置された複数の窓１０８ａ、１０８ｂを備えた円筒部材１０８が固定されている。一方、出力軸１０３は磁性材料から構成され、前記円筒部材１０８の複数の窓１０８ａ、１０８ｂに対応する位置に複数の凸部１０３Ａ、１０３Ｂが形成されている。また、ハウジング１０１の内部には、検出コイルＬ１、Ｌ２を備えたコイルヨーク１０９Ａ、１０９Ｂが前記円筒部材１０８の外周に同軸に配置されている。

以上の構成において、入力軸１０２に回転力が作用すると、トーションバー１０４を介して出力軸１０３に伝達され、トーションバー１０４に発生する捩じれにより、前記入力軸側の円筒部材１０８の複数の窓１０８ａ、１０８ｂと、出力軸側の複数の凸部１０３Ａ、１０３Ｂとの間にずれが生じ、非磁性材料からなる入力軸１０２側の円筒部材の複数の窓１０８ａ、１０８ｂを通じて露出する複数の磁性材料からなる出力軸１０３側の凸部１０３Ａ、１０３Ｂの面積が増加或いは減少し、検出コイルＬ１、Ｌ２のインダクタンスが増加或いは減少する。検出コイルＬ１、Ｌ２のインダクタンスの変化を検出することで、トーションバー１０４に発生する捩じれの大きさ、即ち入力軸１０２に作用したトルクの大きさを検出することができる。

検出コイルの端子を回路モジュールに接続する接続部分を、図７を参照して説明する。１１４は回路モジュールの回路基板、１１５、１１６は検出コイルＬ１、Ｌ２の端子ピンである。図７から明らかなように、検出コイルの端子や回路基板は、入力軸及び出力軸の軸心方向に平行に配置されているが、これは検出コイルや回路基板の構造によるものである。
特開平９−１０１２１２号公報。

しかしながら、上記した構成では、検出コイルＬ１、Ｌ２の出力端子は回路モジュールの回路基板に向けて垂直に立っており、結果としてコイルヨーク１０９Ａの外径が大きくなってしまい、検出コイルの出力端子の高さを低くしたいという要望がある。

また、検出コイルをハウジングの内部に組み立てるときは、２つの検出コイルを入力軸及び出力軸の軸心に対して回転させながら組み立てるので、回り止めを設けることが必要となる。さらに、検出コイルの出力端子を回路モジュールの回路基板に接続するため、出力端子の回転方向の角度を精度よく設定する必要がある。この発明は上記課題を解決することを目的とするものである。

この発明は上記課題を解決するもので、請求項１の発明は、入力軸と出力軸との間の捩じれによりトルクを検出するトルクセンサであって、トルクを検出する２個の検出コイルと、前記検出コイルの出力端子に接続され、検出コイルから出力される検出信号を処理する制御モジュールとを備え、前記制御モジュールの回路基板は同軸に配置された入力軸及び出力軸の軸心方向に対して垂直に配置され、前記２個の検出コイルはそれぞれコイルヨークの内部に収納され、相互の回転角度を規制する回転規制部材を備え、入力軸及び出力軸が収容されるハウジングの内部で、前記軸心の回りに回転可能に配置されていることを特徴とするトルクセンサである。

そして、前記検出コイルは、出力端子を保持する端子保持部を備え、前記回転規制部材は端子保持部に形成されるものとする。

そして、前記検出コイルの出力端子は、基部が前記端子保持部に保持され、先端部は基部に対して直角に折れ曲がってＬ字状に形成されている。

請求項４の発明は、電動パワーステアリング装置のトルクセンサであって、操舵トルクにより発生する同軸に配置された入力軸及び出力軸との間の捩じれをインダクタンスの変化として検出する２個の検出コイルと、前記検出コイルの出力端子に接続され、検出コイルから出力される検出信号を処理する制御モジュールとを備え、前記制御モジュールの回路基板は同軸に配置された入力軸及び出力軸の軸心方向に対して垂直に配置され、前記２個の検出コイルはそれぞれコイルヨークの内部に収納され、相互の回転角度を規制する回転規制部材を備え、入力軸及び出力軸が収容されるハウジングの内部で、前記軸心の回りに回転可能に配置されていることを特徴とする電動パワーステアリング装置のトルクセンサである。

以上説明したとおり、請求項１乃至３の発明によれば、２個のトルク検出コイルは入力軸及び出力軸が収容されるハウジングの内部で、軸心の回りに回転可能に配置されているから、組立の際にトルク検出コイルを回転させながら組み立てることができ、作業性が向上する。

そして、２個の検出コイルを収容するコイルヨークは、相互の回転角度を規制する回転規制部材を備えるから、出力端子の回転方向の角度を精度よく設定することができる。

また、検出コイルの出力端子は、基部が端子保持部に保持され、先端部は基部に対して直角に折れ曲がってＬ字状に形成されているので、コイルヨークの外径を小さくすることができる。

また、検出コイルの出力端子の先端部を、端子保持部の外周の移動軌跡の内側にあるようにすることで、予め他の部材を移動軌跡の外側に配置することで、検出コイルを回転させても他の部材との干渉を排除することができる。

請求項４乃至６の発明は、電動パワーステアリング装置のトルクセンサであって、トルクセンサの検出コイルの構成は、請求項１の発明と同様の構成を備えるものであるから、請求項１の発明と同様の効果を奏するものである。

以下、この発明を、電動パワーステアリング装置に適用した実施の形態について説明する。図１は電動パワーステアリング装置の主要構成部を分解した斜視図、図２はトルク検出コイルとこれに関連する部材を示す斜視図である。なお、図面が繁雑になることを避けるため、ステアリングシャフト、これに連結される入力軸及び出力軸、減速機構などは図示を省略してある。

図１及び図２において、１１はステアリング装置のギアボックス、１２はモータである。図示されていないが、ギアボックス１１の内部にはステアリングシャフトに連結された筒状の入力軸と、その内部に同軸に配置されたトーションバー、及びトーションバーに連結され入力軸と同軸に配置された出力軸が、矢印ａ方向に貫通して回転自在に支承されており、出力軸には図示されていないウォームホイールが結合している。なお、矢印ａの右下側が入力軸側、左上側が出力軸側となる。入力軸、トーションバー及び出力軸の構成、及びトルクセンサの構成は、図６及び図７を参照して説明した従来の構成と類似した公知の構成であるから、詳細な説明は省略する。

モータ１２のフランジ１２ａは、ギアボックス１１のモータ取付面１１ａに固定されるように構成されており、モータ１２の軸は図示されていないが前記ギアボックス１１に収容されているウォーム軸に結合可能に構成されている。また、ウォームとウォームホイールとは適正な噛合状態が維持されるように構成されていることは言うまでもない。

図１及び図２を参照して、個々の部材の構成と配置を説明する。ギアボックス１１は、その上半分は内部にウォームが収容される箱型形状の直方体１１ｂに形成されており、ウォームとウォームホイールとの噛合部からみて、ウォーム軸に繋がるモータ軸の軸芯よりも外側にある第１の平面１１ｂ１と、第１の平面１１ｂ１に直角にＬ字状に交差する入力軸側の第２の平面１１ｂ２が形成されており、第１の平面１１ｂ１と第２の平面１１ｂ２とは、後述する回路モジュールの取付面として使用される。

また、第１の平面１１ｂ１は、ウォームとウォームホイールとの噛合部からみて、モータ軸の軸芯よりも外側で、前記噛合部とモータ軸の軸芯とを含む平面と交差する前記噛合部から最も離れた位置にある平面である。

ギアボックス１１の下半分はウォームホイールが収容される半円形の箱体１１ｃに形成され、箱型形状の直方体１１ｂと一体に形成されている。半円形の箱体１１ｃには、図示されていないが、入力軸と出力軸とを結合するトーションバーの捩れにより操舵トルクを検出するためのトルクセンサと入力軸の玉軸受を保持する筒状部材１１ｄが付設されており、トルクセンサのトルク検出コイル１５の出力端子１５ａが、筒状部材１１ｄの第２の平面１１ｂ２に接近して設けられた開口部１１ｅに露出している。

モジュール取付部材１３は、前記したＬ字状に配置されているギアボックス１１の第１の平面１１ｂ１と第２の平面１１ｂ２との２つの面に対向して取り付けられる部材であって、合成樹脂により全体がＬ字状に成形されている。モジュール取付部材１３には複数の回路モジュール、即ち、スイッチングトランジスタなどからなるモータ駆動用のパワー回路を構成するパワーモジュールＰＭ、制御回路及びトルク検出回路が組み込まれた制御モジュールＣＭ、電源回路その他の回路要素が組み込まれたフレームモジュールＦＭが組み付けられる。

モジュール取付部材１３には、車体の各部分との間の制御信号線を接続する信号線コネクタ１４ａ及び駆動電源（バッテリ）を接続する電源コネクタ１４ｂ、及びモータ端子を接続するモータ端子コネクタ１４ｃが設けられており、また、モジュール取付部材１３に装着されたパワーモジュールＰＭ、制御モジュールＣＭ、フレームモジュールＦＭなどの回路モジュール相互の接続を行なう配線部材が組み込まれており、モジュール取付部材１３に回路モジュールを装着することで回路モジュール相互の接続が完了し、また、前記信号線コネクタ１４ａ、電源コネクタ１４ｂ、及びモータ端子コネクタ１４ｃとの接続も完了するように構成されている。

ギアボックス１１の内部にはステアリングシャフトに連結された入力軸、トーションバー、及び出力軸が回転自在に支承されており、出力軸には減速機構を構成するウォームホイールが結合し、前記ウォームホイールに噛合するウォームもギアボックス１１内に配置された軸受により回転自在に支承されている。

また、モータ１２は、ギアボックス１１のモータ取付面１１ａに固定されると、モータ１２の軸はギアボックス１１の内部に支承されているウォームに結合され、モータ１２の駆動によりウォームとウォームホイールからなる減速機構を介して出力軸が回転駆動されるように組み立てられている。

また、パワーモジュールＰＭ、制御モジュールＣＭ、フレームモジュールＦＭのそれぞれの回路モジュールは組み付け可能な状態に仕上げられており、モータ１２の給電端子１２ｄはフレームモジュールＦＭに設けられたモータ端子コネクタ１４ｃに組み付け可能に仕上げられている。

制御モジュールＣＭはフレームモジュールＦＭの外側に位置するモジュール取付部材１３に取り付けられる。制御モジュールＣＭの制御信号端子はフレームモジュールＦＭの該当する制御信号端子に電気的に接続され、また、ギアボックス１１の入力軸側の第２の平面１１ｂ２に接近した開口部１１ｅに露出しているトルクセンサの検出コイル１５の出力端子１５ａも、制御モジュールＣＭの該当する端子に電気的に接続される。

モータ１２をギアボックス１１のモータ取付面１１ａにビスで固定する。モータ１２の回転軸はギアボックス１１に収容されているウォーム軸に結合され、モータ１２の給電端子１２ｄはフレームモジュールＦＭのモータ端子コネクタ１４ｃに固定することにより電気的に接続される。

次に、この発明の特徴部分の構成である制御モジュールＣＭと、トルクセンサの検出コイル１５のハウジング内部への取付けについて説明する。

モジュール取付部材１３に取付けられる制御モジュールＣＭの回路基板は、同軸に配置されている入力軸、トーションバー及び出力軸の軸心に対して垂直な平面上に配置されている。一方、トルクセンサの検出コイル１５は、筒状部材１１ｄの内部に配置される出力軸の周囲に配置されている。

図３は、ギアボックス内部に配置されるトルクセンサの検出コイル１５の配置を説明する軸方向に沿った断面図、図４は図３のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図３及び図４において、２１は出力軸、２２はトーションバーを示す。出力軸２１の外周には、図示しない入力軸の端部にアルミニウム等の非磁性材料から構成され、円周方向に等間隔に配置された複数の窓２３ａを備えた円筒部材２３が固定されている。一方、出力軸２１は磁性材料から構成され、前記円筒部材２３の複数の窓２３ａに対応する位置に複数の凸部が形成されている。

操舵トルクが加わったときにトーションバー２２に生ずる捩じれにより、非磁性材料から構成される円筒部材２３の複数の窓２３ａと磁性材料から構成される出力軸２１との間で生じる磁気抵抗の変化を検出コイル１５（ここでは２個の検出コイル１５ｐ、１５ｑからなる）のインダクタンスの変化としてとらえ、操舵トルクを検出する構成は、先に図６及び図７を参照して説明した公知技術と同じであるから、ここでは説明を省略する。

また、ギアボックス１１の内部には、出力軸２１の軸心方向に沿って、検出コイル１５ｐを収納したコイルヨーク１６Ｐ、検出コイル１５ｑを収納したコイルヨーク１６Ｑが円筒部材２３の外囲に同軸に配置され、検出コイル１５ｐの出力端子１５ａ１、検出コイル１５ｑの出力端子１５ａ２は、それぞれＬ字状に折り曲げられた先端部がギアボックス１１に設けられた開口部１１ｅ（図１参照）から外部に突出し、制御モジュールＣＭの回路基板の該当するスルーホール１８に挿入されるように構成されている。

コイルヨーク１６Ｐ及びコイルヨーク１６Ｑは円環状に構成され、コイルヨーク１６Ｐの内部に収納された検出コイル１５ｐは出力端子１５ａ１を保持する端子保持部１６Ｐ１を備え、コイルヨーク１６Ｑの内部に収納された検出コイル１５ｑは出力端子１５ａ２を保持する端子保持部１６Ｑ１を備えている。

２つのコイルヨーク１６Ｐ及び１６Ｑは、ギアボックス１１の内部で出力軸の軸心の回りに回転可能に保持され、軸方向の左右はギアボックス内部のガイド部材１１ｆと押え部材１１ｇで保持される。

コイルヨーク１６Ｐ及び１６Ｑを出力軸の軸心の回りに回転可能に保持するのは、コイルヨーク１６Ｐ及び１６Ｑをギアボックス１１の内部に取り付けるとき、検出コイル１５の出力端子１５ａ（出力端子１５ａ１、１５ａ２）の先端部を制御モジュールＣＭの回路基板のスルーホール１８に挿入するときの位置合わせを容易にするためである。また、コイルヨーク１６Ｐ及び１６Ｑを回転しても、出力端子１５ａ（出力端子１５ａ１、１５ａ２）のＬ字状の先端部は軸心を中心とする出力端子１５ａの移動軌跡（円弧Ｓで示す）の内側にあるから、ギアボックス１１の内部で他の部品を上記円弧Ｓの外側に配置するよう設計することで、コイルヨーク１６Ｐ及び１６Ｑと他の部品との干渉を防ぐことができる。

図５は、コイルヨーク１６Ｐ及び１６Ｑを軸心の回りに回転したときの回転角度を規制する構成を説明する図で、線Ｒは端子保持部１６Ｐ１と１６Ｑ１との接触面の方向を示す。接触面は出力軸の軸心方向に平行で、コイルヨーク１６Ｐ及び１６Ｑの回転軸に平行である。

コイルヨーク１６Ｐに収納される検出コイルの出力端子１５ａ１を保持する端子保持部１６Ｐ１と、コイルヨーク１６Ｑに収納される検出コイルの出力端子１５ａ２を保持する端子保持部１６Ｑ１とは、回転軸方向に端面にそれぞれ突当段部ｍとｎが形成されており、コイルヨーク１６Ｐとコイルヨーク１６Ｑとは、端子保持部１６Ｐ１の突当段部ｍと端子保持部１６Ｑ１の突当段部ｎとで互いに突き当り、コイルヨーク１６Ｐに収納される検出コイルの出力端子１５ａ１と、コイルヨーク１６Ｑに収納される検出コイルの出力端子１５ａ２とが重ならないように回転角度が規制される。

なお、ギアボックス内部のガイド部材１１ｆの端面には、この端面に当接するコイルヨーク１６Ｐとの間に位置決め部材を設け、ガイド部材１１ｆに対するコイルヨーク１６Ｐの回転角度を規制するようにするとよい。

以上、この発明のトルクセンサを、電動パワーステアリング装置に適用した実施の形態について説明したが、この発明のトルクセンサは電動パワーステアリング装置への適用に限られるものではなく、その他の機械装置のトルクセンサへ適用できることは言うまでもない。

産業上の利用分野

入力軸及び出力軸の軸心方向に対してトルク検出コイルを回転可能に構成すると共に、回転角度を規制する部材を設けて検出コイルの出力端子を精度良く配置可能とし、ギアボックス内へのトルク検出コイルの組立を容易にし、また、制御モジュールへの検出コイルの出力端子を容易に接続することができるトルクセンサである。

電動パワーステアリング装置の主要構成部を分解した斜視図。トルク検出コイルとこれに関連する部材を示す斜視図。ギアボックス内部に配置されるトルクセンサの検出コイルの配置を説明する軸方向に沿った断面図。検出コイルの配置を説明する図３のＡ−Ａ線に沿った断面図。コイルヨークを軸心の回りに回転したときの回転角度を規制する構成を説明する図。従来の電動パワーステアリング装置の要部の構成の一例を説明する断面図。図６に示す従来の電動パワーステアリング装置の回路基板とトルクセンサの検出コイルとの接続部分を拡大した断面図。

１１ギアボックス（ステアリング装置のギアボックス）
１１ａモータ取付面
１１ｂ箱型形状の直方体
１１ｂ１第１の平面
１１ｂ２第２の平面
１１ｃ半円形の箱体
１１ｄ筒状部材
１１ｅ開口部
１１ｆガイド部材
１２モータ
１３モジュール取付部材
１４ａ信号線コネクタ
１４ｂ電源コネクタ
１４ｃモータ端子コネクタ
１５、１５ｐ、１５ｑ検出コイル（トルク検出コイル）
１５ａ、１５ａ１、１５ａ２出力端子（トルク検出コイルの出力端子）
１６Ｐ、１６Ｑコイルヨーク
１５ａ２先端部（トルク検出コイルの出力端子の先端部）
１６Ｐ１、１６Ｑ１端子保持部
１８スルーホール（回路基板の接続部）
ＰＭパワーモジュール
ＣＭ制御モジュール
ＦＭフレームモジュール

Claims

入力軸と出力軸との間の捩じれによりトルクを検出するトルクセンサであって、
トルクを検出する２個の検出コイルと、
前記検出コイルの出力端子に接続され、検出コイルから出力される検出信号を処理する制御モジュールとを備え、
前記制御モジュールの回路基板は同軸に配置された入力軸及び出力軸の軸心方向に対して垂直に配置され、
前記２個の検出コイルはそれぞれコイルヨークの内部に収納され、相互の回転角度を規制する回転規制部材を備え、入力軸及び出力軸が収容されるハウジングの内部で、前記軸心の回りに回転可能に配置されていること
を特徴とするトルクセンサ。
前記検出コイルは、出力端子を保持する端子保持部を備え、前記回転規制部材は端子保持部に形成されること
を特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
前記検出コイルの出力端子は、基部が前記端子保持部に保持され、先端部は基部に対して直角に折れ曲がってＬ字状に形成されていること
を特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
電動パワーステアリング装置のトルクセンサであって、
操舵トルクにより発生する同軸に配置された入力軸及び出力軸との間の捩じれをインダクタンスの変化として検出する２個の検出コイルと、
前記検出コイルの出力端子に接続され、検出コイルから出力される検出信号を処理する制御モジュールとを備え、
前記制御モジュールの回路基板は同軸に配置された入力軸及び出力軸の軸心方向に対して垂直に配置され、
前記２個の検出コイルはそれぞれコイルヨークの内部に収納され、相互の回転角度を規制する回転規制部材を備え、入力軸及び出力軸が収容されるハウジングの内部で、前記軸心の回りに回転可能に配置されていること
を特徴とする電動パワーステアリング装置のトルクセンサ。
前記検出コイルは、出力端子を保持する端子保持部を備え、前記回転規制部材は端子保持部に形成されること
を特徴とする請求項４に記載の電動パワーステアリング装置のトルクセンサ。
前記検出コイルの出力端子は、基部が前記端子保持部に保持され、先端部は基部に対して直角に折れ曲がってＬ字状に形成されていること
を特徴とする請求項４に記載の電動パワーステアリング装置のトルクセンサ。