JP2008134261A - 回転トルク検出機構及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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を提供する。
【解決手段】回転トルク検出機構２１０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ハンドル（図示せず）に連結される回転軸１４０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の中央部１４０ｃを回転自在に支持する第２の軸受け２１２と、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、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。回転軸１４０の上端部１４０ｂは、下端部１４０ａや中間部１４０ｃのように軸受け２１１，２１２によって支持されておらず、自由端となっている。
【選択図】図３

Description

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。

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。

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。

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。

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。

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。
特開２００２−２５７６４８号公報（第１０‐１１頁、第６図）

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。

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。

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。

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、その一端部が外部と連結され、その他端部が回転自在に支持された回転軸と、前記回転軸の前記一端部と前記他端部との間の表面に、軸方向に所定距離おいて配置され、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第１の磁歪膜及び第２の磁歪膜と、前記回転軸と対向して配置され、前記第１及び第２の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、前記第１及び第２の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、
前記第１及び第２の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、前記回転軸の前記第１及び第２の磁歪膜から前記一端部側を径方向に所定の変位が許容されるような自由端としたことを特徴とする。

請求項１に記載の回転トルク検出機構によれば、回転軸の第１及び第２の磁歪膜から一端部側を径方向に所定の変位が許容されるような自由端とし、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。

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。

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。

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、前記第１及び第２の磁歪膜の厚さを３０μｍ以下に規定したことを特徴とする。

請求項３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。

回転軸の第１及び第２の磁歪膜から一端部側を径方向に所定の変位が許容されるような自由端とし、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、前記した磁歪膜の膜厚のばらつきによる検出トルクの変動を抑える効果がそのまま期待でき、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。

そして、請求項４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３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。

請求項４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３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。

請求項５に記載の電動パワーステアリング装置は、請求項４に記載の構成に加えて、運転者のハンドル操作に応じて回転する回転軸の動きを、転舵輪の方向を変えるラック軸の移動に変換するピニオンとラックとを含むラックアンドピニオン機構と、前記回転軸に設けられた前記回転トルク検出機構と、前記ピニオンの下部を回転自在に支持する第１の軸受けと、前記ピニオンの上部を回転自在に支持する第２の軸受けと、前記ラック軸、前記ラックアンドピニオン機構、前記回転トルク検出機構、並びに前記第１及び第２の軸受けを格納して覆うハウジングと、を有し、
前記回転トルク検出機構は、その一端部が前記ハンドル側と連結され、その他端部が前記第１及び第２の軸受けによって回転自在に支持された前記回転軸と、前記回転軸の前記一端部と前記他端部との間の表面に、軸方向に所定距離おいて配置され、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第１の磁歪膜及び第２の磁歪膜と、前記回転軸と対向して配置され、前記第１及び第２の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、前記第１及び第２の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、前記第１及び第２の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ものであって、前記回転軸の前記第１及び第２の磁歪膜から前記一端部側は、前記ハウジングにより軸支されず、径方向に所定変位を許容されるような自由端としたことを特徴とする。

請求項６に記載の電動パワーステアリング装置は、請求項４に記載の構成に加えて、運転者のハンドル操作に応じて回転する回転軸の動きを、転舵輪の方向を変えるラック軸の移動に変換するピニオンとラックとを含むラックアンドピニオン機構と、前記回転軸に設けられた減速機構を介して補助トルクを前記回転軸に付与する電動機と、前記回転軸に設けられた回転トルク検出機構と、前記ピニオンの下部を回転自在に支持する第１の軸受けと、前記減速機構の少なくとも上側又は下側に設けられ、前記回転軸を回転自在に支持する第２の軸受けと、前記ラック軸、前記ラックアンドピニオン機構、前記減速機構、前記回転トルク検出機構、並びに前記第１及び第２の軸受けを格納して覆うハウジングと、を有し、
前記回転トルク検出機構は、その一端部が前記ハンドル側と連結され、その他端部が前記第１及び第２の軸受けによって回転自在に支持された前記回転軸と、前記回転軸の前記一端部と前記他端部との間の表面に、軸方向に所定距離おいて配置され、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第１の磁歪膜及び第２の磁歪膜と、前記回転軸と対向して配置され、前記第１及び第２の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、前記第１及び第２の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、前記第１及び第２の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ものであって、前記回転軸の前記第１及び第２の磁歪膜から前記一端部側は、前記ハウジングにより軸支されず、径方向に所定変位を許容されるような自由端としたことを特徴とする。

請求項７に記載の電動パワーステアリング装置は、請求項４に記載の構成に加えて、運転者のハンドル操作に応じて回転する回転軸の動きを、転舵輪の方向を変えるラック軸の移動に変換するピニオンとラックとを含むラックアンドピニオン機構と、前記回転軸に設けられた減速機構を介して補助トルクを前記回転軸に付与する電動機と、前記回転軸に設けられた回転トルク検出機構と、前記ピニオンの下部を回転自在に支持する第１の軸受けと、前記減速機構の下側及び上側に設けられ、前記回転軸を回転自在に支持する第２及び第３の軸受けと、前記ラック軸、前記ラックアンドピニオン機構、前記減速機構、前記回転トルク検出機構、並びに前記第１、第２及び第３の軸受けを格納して覆うハウジングと、を有し、
前記回転トルク検出機構は、その一端部が前記ハンドル側と連結され、その他端部が前記第１、第２及び第３の軸受けによって回転自在に支持された前記回転軸と、前記回転軸の前記一端部と前記他端部との間の表面に、軸方向に所定距離おいて配置され、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第１の磁歪膜及び第２の磁歪膜と、前記回転軸と対向して配置され、前記第１及び第２の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、前記第１及び第２の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、前記第１及び第２の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ものであって、前記回転軸の前記第１及び第２の磁歪膜から前記一端部側は、前記ハウジングにより軸支されず、径方向に所定変位を許容されるような自由端としたことを特徴とする。

請求項５から請求項７に記載の電動パワーステアリング装置によれば、回転軸の第１及び第２の磁歪膜から一端部側は、ハウジングにより軸支されず、径方向に所定変位を許容されるような自由端とし、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、ハンドル側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。

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。

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。

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、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。

本発明の請求項４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。

本発明の請求項５から請求項７に記載の電動パワーステアリング装置によれば、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

以下に、第１の実施の形態から第５の実施の形態に係る回転トルク検出機構について説明するが、第３の実施の形態は、参考例を示すものである。
（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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

（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、参考例である。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。

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。

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。

（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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。 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。 （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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 （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 磁歪膜（第１の磁歪膜）
１４２Ｂ 磁歪膜（第２の磁歪膜）
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
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
２８１ 第３の軸受け
Ｗ 前輪

Claims (7)

1. その一端部が外部と連結され、その他端部が回転自在に支持された回転軸と、
   前記回転軸の前記一端部と前記他端部との間の表面に、軸方向に所定距離おいて配置され、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第１の磁歪膜及び第２の磁歪膜と、
   前記回転軸と対向して配置され、前記第１及び第２の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、前記第１及び第２の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、
   前記第１及び第２の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、
   前記回転軸の前記第１及び第２の磁歪膜から前記一端部側を径方向に所定の変位が許容されるような自由端としたことを特徴とする回転トルク検出機構。
2. 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請求項１に記載の回転トルク検出機構。
3. 前記第１及び第２の磁歪膜の厚さを３０μｍ以下に規定したことを特徴とする請求項１に記載の回転トルク検出機構。
4. 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３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電動パワーステアリング装置。
5. 運転者のハンドル操作に応じて回転する回転軸の動きを、転舵輪の方向を変えるラック軸の移動に変換するピニオンとラックとを含むラックアンドピニオン機構と、
   前記回転軸に設けられた前記回転トルク検出機構と、
   前記ピニオンの下部を回転自在に支持する第１の軸受けと、
   前記ピニオンの上部を回転自在に支持する第２の軸受けと、
   前記ラック軸、前記ラックアンドピニオン機構、前記回転トルク検出機構、並びに前記第１及び第２の軸受けを格納して覆うハウジングと、
   を有し、
   前記回転トルク検出機構は、
   その一端部が前記ハンドル側と連結され、その他端部が前記第１及び第２の軸受けによって回転自在に支持された前記回転軸と、
   前記回転軸の前記一端部と前記他端部との間の表面に、軸方向に所定距離おいて配置され、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第１の磁歪膜及び第２の磁歪膜と、
   前記回転軸と対向して配置され、前記第１及び第２の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、前記第１及び第２の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、
   前記第１及び第２の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ものであって、
   前記回転軸の前記第１及び第２の磁歪膜から前記一端部側は、前記ハウジングにより軸支されず、径方向に所定変位を許容されるような自由端とした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。
6. 運転者のハンドル操作に応じて回転する回転軸の動きを、転舵輪の方向を変えるラック軸の移動に変換するピニオンとラックとを含むラックアンドピニオン機構と、
   前記回転軸に設けられた減速機構を介して補助トルクを前記回転軸に付与する電動機と、
   前記回転軸に設けられた回転トルク検出機構と、
   前記ピニオンの下部を回転自在に支持する第１の軸受けと、
   前記減速機構の少なくとも上側又は下側に設けられ、前記回転軸を回転自在に支持する第２の軸受けと、
   前記ラック軸、前記ラックアンドピニオン機構、前記減速機構、前記回転トルク検出機構、並びに前記第１及び第２の軸受けを格納して覆うハウジングと、
   を有し、
   前記回転トルク検出機構は、
   その一端部が前記ハンドル側と連結され、その他端部が前記第１及び第２の軸受けによって回転自在に支持された前記回転軸と、
   前記回転軸の前記一端部と前記他端部との間の表面に、軸方向に所定距離おいて配置され、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第１の磁歪膜及び第２の磁歪膜と、
   前記回転軸と対向して配置され、前記第１及び第２の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、前記第１及び第２の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、
   前記第１及び第２の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ものであって、
   前記回転軸の前記第１及び第２の磁歪膜から前記一端部側は、前記ハウジングにより軸支されず、径方向に所定変位を許容されるような自由端とした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。
7. 運転者のハンドル操作に応じて回転する回転軸の動きを、転舵輪の方向を変えるラック軸の移動に変換するピニオンとラックとを含むラックアンドピニオン機構と、
   前記回転軸に設けられた減速機構を介して補助トルクを前記回転軸に付与する電動機と、
   前記回転軸に設けられた回転トルク検出機構と、
   前記ピニオンの下部を回転自在に支持する第１の軸受けと、
   前記減速機構の下側及び上側に設けられ、前記回転軸を回転自在に支持する第２及び第３の軸受けと、
   前記ラック軸、前記ラックアンドピニオン機構、前記減速機構、前記回転トルク検出機構、並びに前記第１、第２及び第３の軸受けを格納して覆うハウジングと、
   を有し、
   前記回転トルク検出機構は、
   その一端部が前記ハンドル側と連結され、その他端部が前記第１、第２及び第３の軸受けによって回転自在に支持された前記回転軸と、
   前記回転軸の前記一端部と前記他端部との間の表面に、軸方向に所定距離おいて配置され、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第１の磁歪膜及び第２の磁歪膜と、
   前記回転軸と対向して配置され、前記第１及び第２の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、前記第１及び第２の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、
   前記第１及び第２の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ものであって、
   前記回転軸の前記第１及び第２の磁歪膜から前記一端部側は、前記ハウジングにより軸支されず、径方向に所定変位を許容されるような自由端とした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。

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