JP2013130482A - トルクセンサ及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

トルクセンサ及び電動パワーステアリング装置 Download PDF

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Abstract

【課題】回転軸及びトーションバーを連結する連結ピンが連通孔から抜け出るのを、コストアップを抑えながら確実に防止することができるトルクセンサを提供する。
【解決手段】第1回転軸2の軸心に貫通した軸貫通孔2aにトーションバー4の一端部を挿入し、これら第1回転軸及びトーションバーの一端部に径方向に延在する連通孔2b,4aを形成し、これら連通孔に連結ピン6を装着する。第1回転軸2の連通孔2bを包囲するように延在している円筒部材11の延長筒部に、連通孔2bから連結ピン6が抜け出るのを防止する抜け止め部17を設けている。
【選択図】図1

Description

本発明は、トーションバーと回転軸とが連結ピンを介して連結されているトルクセンサ及び電動パワーステアリング装置に関する。
例えば車両の操舵系の一部に捩じれ方向に弾性変形可能なトーションバーを設けることにより、トーションバーを介して連結される軸間に操舵トルクに比例した相対回転を発生させ、その相対回転を測定することにより操舵トルクを検出することができ、その検出されたトルクに応じて操舵補助トルクを発生させることにより運転者の負担を軽減する電動パワーステアリング装置がある。
電動パワーステアリング装置には、例えば特許文献1、特許文献2に記載されているように、トーションバーと、同軸に配置した出力側回転軸及び入力側回転軸とを連結するため、出力側回転軸、入力側回転軸及びトーションバーの両端側の径方向に連通孔を形成し、出力側回転軸の連通孔及びトーションバーの一端側の連通孔を対応させて連結ピンを挿通し、入力側回転軸の連通孔及びトーションバーの他端側の連通孔を対応させて連結ピンを挿通して連結している。連結ピンを介して連結したトーションバーと出力側回転軸及び入力側回転軸は、軸方向及び回転方向に相対移動不能となり、トーションバーのねじれに応じた適切な操向補助力が付与される。
特開平11−281504号公報 実開平5−32231号公報
ところで、特許文献1は、出力側回転軸、入力側回転軸及びトーションバーの連通孔に挿入した連結ピンの抜け防止対策を行っていない。
また、特許文献2は、入力側回転軸及びトーションバーを連結している連結ピンの外方を覆うようにハウジングが配置されており、連結ピンが連通孔から抜け落ちるのは防止されるが、連結ピンが連通孔から抜け出てハウジングに接触すると、ハウジングに対する入力側回転軸及びトーションバーの相対回転に影響を与えてしまう。そこで、連通孔に挿入した連結ピンをカシメ等により変形させて抜け止めを行うことが考えられる。しかし、連通孔に挿入した連結ピンに対してカシメ等の変形を行う専用工具が必要となり、しかも、狭い空間で専用工具を使用した作業となるので多くの作業時間が費やされ、コストアップに繋がるおそれがある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、回転軸及びトーションバーを連結する連結ピンが連通孔から抜け出るのを、コストアップを抑えながら確実に防止することができるトルクセンサ及び電動パワーステアリング装置を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明に係る請求項1記載のトルクセンサは、同軸に配置した磁性材料からなる第1回転軸及び第2回転軸を、トーションバーを介して連結し、導電性且つ非磁性材料からなり、前記第1回転軸及び前記第2回転軸の相対的な変位をインダクタンスの変化として反映させるインダクタンス変化手段を、前記第1回転軸に一体としたトルクセンサにおいて、前記第1回転軸の軸心に貫通した軸貫通孔に前記トーションバーの一端部を挿入し、これら前記第1回転軸及び前記トーションバーの一端部に径方向に延在する連通孔を形成し、前記連通孔に連結ピンを装着するとともに、前記連結ピンが装着されている前記第1回転軸の前記連通孔を包囲するように延在している前記インダクタンス変化手段の延長筒部に、前記連通孔から前記連結ピンが抜け出るのを防止する抜け止め部を設けた。
また、請求項2記載の発明は、請求項1記載のトルクセンサにおいて、前記抜け止め部は、前記延長筒部の一部を切り欠いて切欠き片を形成し、この切欠き片を、前記連通孔内に位置する前記連結ピンの端部に係合する係合爪として変形させてなるものである。
また、請求項3記載の発明は、請求項1又は2記載のトルクセンサにおいて、前記インダクタンス変化手段が、導電性且つ非磁性材料からなり周方向に窓を形成した円筒部材を、前記第2回転軸の溝を形成した外周面を包囲するように前記第1回転軸の回転方向に一体とし、前記円筒部材の前記窓を形成した部分を包囲するようにコイルを配設しており、前記連結ピンが装着されている前記第1回転軸の前記連通孔を包囲するように延在している前記円筒部材の延長筒部に前記抜け止め部を設けた。
また、請求項4記載の電動パワーステアリング装置は、請求項1乃至3の何れか1項に記載のトルクセンサの前記第1回転軸を、ステアリングホイールに連結した入力軸とし、前記トルクセンサの前記第2回転軸を、ステアリング機構に連結した出力軸とし、前記トルクセンサが検出したトルクに基づいて前記ステアリング機構に伝達する操舵補助トルクを発生するようにした。
また、請求項5記載の電動パワーステアリング装置は、請求項1乃至3の何れか1項に記載のトルクセンサの前記第2回転軸を、ステアリングホイールに連結した入力軸とし、前記トルクセンサの前記第1回転軸を、ステアリング機構に連結した出力軸とし、前記トルクセンサが検出したトルクに基づいて前記ステアリング機構に伝達する操舵補助トルクを発生するようにした。
本発明に係るトルクセンサによれば、連結ピンが装着されている第1回転軸の連通孔を包囲するように延在しているインダクタンス変化手段の延長筒部に、連通孔から前記連結ピンが抜け出るのを防止する抜け止め部を設けているので、回転軸及びトーションバーを連結する連結ピンが連通孔から抜け出るのを、コストアップを抑えながら確実に防止することができる。
また、本発明に係る電動パワーステアリング装置によると、ステアリングホイールを操舵することによって発生した操舵トルクをトルクセンサが高精度に検出し、操舵補助トルクを伝達することができる。
本発明に係る第1実施形態の電動パワーステアリング装置の要部を示す断面図である。 本発明に係るトルクセンサを示す斜視図である。 入力軸及びトーションバーを連結している連結ピンの抜け止め部を示す平面図である。 図3のA−A線矢視である入力軸及びトーションバーを連結している連結ピンの抜け止め部を示す断面図である。 本発明に係る第2実施形態の電動パワーステアリング装置の要部を示す断面図である。 出力軸及びトーションバーを連結している連結ピンの抜け止め部を示す平面図である。 図6のB−B線矢視である出力軸及びトーションバーを連結している連結ピンの抜け止め部を示す断面図である。
以下、本発明を実施するための形態(以下、実施形態という。)を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、本発明に係る第1実施形態の電動パワーステアリング装置の主要部を示す断面図であり、図2は、図1の電動パワーステアリング装置のトルクセンサの構成を示す斜視図である。
本実施形態の電動パワーステアリング装置は、図1に示すように、ハウジング1内に、トーションバー4を介して連結された入力軸2及び出力軸3が、軸受5a,5bによって回転自在に支持されている。
入力軸2及び出力軸3には、それぞれの軸中心を貫通する軸貫通孔2a,3aが形成されており、それら軸貫通孔2a,3aにトーションバー4が挿入されている。
トーションバー4の両端部には径方向に延在する連通孔4a,4bが形成されている。
入力軸2の左端部にも、前述した連通孔4aと同径の連通孔2bが径方向に延在して形成されており、出力軸3の図1における左端部にも、前述した連通孔4bと同径の連通孔3bが径方向に延在して形成されている。
そして、互いに対応させたトーションバー4の一端部の連通孔4a及び入力軸2の連通孔2bに連結ピン6が挿入され、互いに対応させたトーションバー4の他端部の連通孔4b及び出力軸3の連通孔3bに連結ピン7が挿入されている。
また、入力軸2の左端部には、出力軸3の右端部の外周面を包囲する部分が形成され、この部分の内周面に軸方向に長い複数の凸部2cが形成されている。これら凸部2cに対向する出力軸3の右端部の外周面には、軸方向に長い複数(凸部2cと同数)の溝3cが形成されており、これら凸部2c及び溝3cは周方向に余裕を持って嵌め合わされている。
入力軸2の図示しない右端側には、ステアリングホイール(不図示)が回転方向に一体に取り付けられており、また、出力軸3の左端には、ユニバーサルジョイント8を介して、例えば公知のラックアンドピニオン式ステアリング装置を構成するピニオン軸(不図示)が連結されている。従って、操縦者がステアリングホイールを操舵することによって発生した操舵力は、入力軸2、トーションバー4、出力軸3、ユニバーサルジョイント8及びラックアンドピニオン式ステアリング装置を介して転舵輪(不図示)に伝達する。
出力軸3には、これと同軸且つ一体に回転するウォームホイール9が外嵌し、このウォームホイール9の樹脂製の噛合部9aと、電動モータ10の出力軸10aの外周面に形成されたウォーム10bとが噛み合っている。したがって、電動モータ10の回転力は、その出力軸10a,ウォーム10b及びウォームホイール9を介して出力軸3に伝達されるようになっており、電動モータ10の回転方向を適宜切り換えることにより、出力軸3に任意の方向の操舵補助トルクが付与されるようになっている。
入力軸2には、トーションバー4との連結のために連結ピン6が挿入されている位置を覆い、出力軸3の右端部側の外周面に近接してこれを包囲するように、肉薄の円筒部材11が回転方向に一体に固定されている。
円筒部材11は、図2に示すように、導電性で且つ非磁性の材料(例えば、アルミニウム)から形成されており、出力軸3を包囲する部分に、軸方向に離間した第1窓列及び第2窓列が形成されている。第1窓列は、周方向に等間隔離隔した長方形の複数の窓11A,…,11Aからなり、第2窓列は、第1窓列と同数であり、窓11A,…,11Aと位相が180度ずれるように周方向に等間隔離隔した長方形の複数の窓11B,…,11Bからなる。
出力軸3の円筒部材11に包囲された部分の外周面には、軸方向に延びる横断面略長方形の複数(第1窓列及び第2窓列と同数)の溝3A,…,3Aが形成されているとともに、これら溝3Aの間に、横断面凸型の歯部3B,…,3Bが形成されている。
そして、円筒部材11は、同一規格の一対のコイル12,13が巻き付けられたヨーク14で包囲されている。即ち、一対のコイル12,13は、円筒部材11と同軸に配置されていて、一方のコイル12は窓11A,…,11Aが形成された部分を包囲するようにヨーク14に巻き付けられ、他方のコイル13は窓11B,…,11Bが形成された部分を包囲するようにヨーク14に巻き付けられていて、ヨーク14はハウジング1に固定されている。
コイル12及び13は、センサケース15内の制御基板16上に構成されているモータ制御回路(不図示)に接続されている。
ここで、図1に示すように、円筒部材11の周方向に180度離れた位置に、入力軸2とトーションバー4との連結のために連通孔2b,4aに挿入した連結ピン6の両端部に係合する一対の係合爪17,17が形成されている。
すなわち、図3に示すように、連通孔2b,4aに挿入されている連結ピン6の両端部に対応している円筒部材11の位置に、一部を切り残した切欠き片17を形成し、図4に示すように、円筒部材11の内側に切欠き片17を折り曲げて連結ピン6の両端部に係合することで、係合爪17として形成されている。
この係合爪17は、入力軸2に嵌合後にかしめても良いし、予め曲げた状態で、入力軸2に嵌合しても良い。
また、円筒部材11の連結ピン6の両端部に対向する位置が軸方向端部である場合には、円筒部材11の軸方向端部を切り欠いて係合爪17を形成しても良い。
ここで、連通孔2b,4aに挿入されている連結ピン6の両端部に対応している円筒部材11の位置が本発明の円筒部材の延長筒部に対応し、入力軸2が本発明の第1回転軸に対応し、出力軸3が本発明の第2回転軸に対応している。
次に、本実施形態の電動パワーステアリング装置の動作について説明する。
操舵系が直進状態にあって操舵トルクが零である場合は、トーションバー4には捩れが発生せず、入力軸2と出力軸3とは相対回転しない。出力軸3と円筒部材11との間にも、相対回転は生じない。
一方、ステアリングホイールを操作して入力軸2に回転力が加わると、その回転力はトーションバー4を経て出力軸3に伝達される。このとき、出力軸3には、転舵輪及び路面間の摩擦力や出力軸3の図示しない左端側に構成されたラックアンドピニオン式ステアリング装置のギアの噛み合い等の摩擦力に応じた抵抗力が生じるため、入力軸2及び出力軸3間には、トーションバー4が捩じれることによって出力軸3が遅れる相対回転が発生し、出力軸3及び円筒部材11にも相対回転が生じる。
円筒部材11に窓がない部位では、円筒部材11は導電性で且つ非磁性材(例えば、アルミニウム)で構成されていることから、コイル12,13に交流電流を流して交番磁界を発生させると、円筒部材11の外周面にコイル電流と反対方向の渦電流が発生する。この渦電流による磁界とコイル電流による磁界とを重畳すると、円筒部材11の内側の磁界は相殺される。
円筒部材11に窓が形成されている部位では、円筒部材11の外周面に発生した渦電流は、窓11A及び11Bによって外周面を周回できないため、窓11A及び11Bの端面に沿って円筒部材11の内周面側に回り込み、内周面をコイル電流と同方向に流れ、また隣の窓11A及び11Bの端面に沿って外周面側に戻り、ループを形成する。つまり、コイル12,13の内側に渦電流のループを、円周方向に周期的に配置した状態が発生する。コイル電流による磁界と渦電流による磁界とは重畳され、円筒部材11の内外には、円周方向に周期的に強弱変化する磁界と、中心に向かうほど小さくなる半径方向に勾配を持った磁界が形成される。円周方向の周期的な磁界の強弱は、隣り合う渦電流の影響を受ける窓11A及び11Bの中心で強く、そこからずれるに従い弱くなる。
円筒部材11の内側に配置された出力軸3の歯部3Bは、円筒部材11の11A及び11Bと同じ周期で配置されている。磁界中に置かれた磁性体は磁化して磁束を生じるが、磁束の量は飽和するまでは磁界の強さに応じて大きくなる。このため、円筒部材11により円周方向の周期的な磁界の強弱と中心に向かうほど小さくなる半径方向に勾配を持った磁界とにより、出力軸3に発生する磁束は、円筒部材11と出力軸3との相対的な位相により増減する。磁束が最大となる位相は、円筒部材11の窓11A及び11Bの中心と出力軸3の歯部3Bの中心とが一致した状態で、磁束の増減に応じてコイル12,13のインダクタンスも増減し、略正弦波状に変化する。
トルクが作用しない状態では、インダクタンスが最小となる位相(窓11A及び11Bと歯部3Bとが重なっていない位相)に位置に設定されているから、トルクが作用してトーションバー4が捩れ、出力軸3と円筒部材11との間に位相差が生じると、2つのコイル12,13のインダクタンスは、一方が増加し、他方は減少する。
次に、本実施形態の電動パワーステアリング装置の作用効果について説明する。
本実施形態は、円筒部材11に形成した一対の係合爪17,17が、入力軸2とトーションバー4とを連結している連結ピン6の軸方向の両端部に係合しているので、連結ピン6は連通孔2b,4aから抜け出るおそれがなく、内部部品(ハウジング1の内周面等)との接触のおそれがない。
また、従来のように、連結ピンをカシメ等により変形させて抜け止めを行う等の作業が無くなり、狭い空間での作業も不要となるので、連結ピン6の抜け止め作業を大幅に短縮することができ、コストアップを抑制することができる。
そして、係合爪17が連結ピン6の軸方向の両端部に係合することで、円筒部材11の回り止めと、連結ピン6の抜け止めを同時に行うことができる。
また、円筒部材11に形成した一対の係合爪17,17は、入力軸2の連通孔2bに入り込んで連結ピン6の軸方向の両端部に係合していることから、入力軸2及び円筒部材の相対回転が確実に防止されるので、ステアリングホイールを操作して入力軸2に回転力が加わる際に、出力軸3及び円筒部材11の相対回転を測定することにより操舵トルクを高精度に検出し、その操舵トルクに応じて操舵補助トルクを的確に発生させることができる。
次に、図5に示すものは、本発明に係る第2実施形態の電動パワーステアリング装置の主要部を示す断面図である。なお、図1から図4で示した第1実施形態の電動パワーステアリング装置と同一構成部分には、同一符号を付して説明は省略する。
本実施形態の電動パワーステアリング装置は、ハウジング1内に、トーションバー4を介して連結された入力軸2及び出力軸3が、軸受20a〜20cによって回転自在に支持されている。
トーションバー4の右端部と入力軸2とは、スプライン結合又はセレーション結合している。
トーションバー4の左端部には径方向に延在する連通孔4cが形成されている。
出力軸3の右端部には、トーションバー4の連通孔4cと同径の連通孔3dが径方向に延在して形成されている。
そして、互いに対応させたトーションバー4の左端部の連通孔4c及び出力軸3の連通孔3dに連結ピン21が挿入されている。
出力軸3にはピニオン軸22が一体的に形成されており、ピニオン軸22はラック19と噛合して公知のラックアンドピニオン式ステアリング機構を構成している。
また、出力軸3には、トーションバー4との連結のために連結ピン21が挿入されている位置を覆い、入力軸2の左端部側の外周面に近接してこれを包囲するように、肉薄の円筒部材23が回転方向に一体に固定されている。
円筒部材23は、図2で示した円筒部材11に類似した構成であり、導電性で且つ非磁性の材料(例えば、アルミニウム)から形成されており、入力軸2を包囲する部分に、軸方向に離間した第1窓列及び第2窓列が形成されている。第1窓列は、図2と同様に、周方向に等間隔離隔した長方形の複数の窓からなり、第2窓列も、第1窓列と同数であり、第1窓列の窓と位相が180度ずれるように周方向に等間隔離隔した長方形の複数の窓からなる。
入力軸2の円筒部材23に包囲された部分の外周面には、軸方向に延びる横断面略長方形の複数(第1窓列及び第2窓列と同数)の溝2A,…,2Aが形成されているとともに、これら溝2Aの間に、横断面凸型の歯部2B,…,2Bが形成されている。そして、円筒部材23は、同一規格の一対のコイル12,13が巻き付けられたヨーク14で包囲されている。
また、円筒部材23の周方向に180度離れた位置に、入力軸3とトーションバー4との連結のために連通孔3d,4cに挿入した連結ピン21の両端部に係合する一対の係合爪24,24が形成されている。
すなわち、図6に示すように、連通孔3d,4cに挿入されている連結ピン21の両端部に対応している円筒部材23の位置に、一部を切り残した切欠き片24を形成し、図7に示すように、円筒部材23の内側に切欠き片24を折り曲げて連結ピン21の両端部に係合することで、係合爪24として形成されている。
この係合爪24は、出力軸3に嵌合後にかしめても良いし、予め曲げた状態で、出力軸3に嵌合しても良い。
また、円筒部材23の連結ピン21の両端部に対向する位置が軸方向端部である場合には、円筒部材23の軸方向端部を切り欠いて係合爪24を形成しても良い。
ここで、連通孔3d,4cに挿入されている連結ピン21の両端部に対応している円筒部材23の位置が、円筒部材の延長筒部に対応し、出力軸3が本発明の第1回転軸に対応し、入力軸2が本発明の第2回転軸に対応している。
本実施形態によると、円筒部材23に形成した一対の係合爪24,24が、出力軸3とトーションバー4とを連結している連結ピン21の軸方向の両端部に係合しているので、連結ピン21は連通孔3d,4cから抜け出るおそれがなく、内部部品(ハウジング1やウォームホイール9)との接触のおそれがない。
また、連結ピン21の抜け止め作業を大幅に短縮することができ、コストアップを抑制することができる。
そして、係合爪24が連結ピン21の軸方向の両端部に係合することで、円筒部材23の回り止めと、連結ピン21の抜け止めを同時に行うことができる。
また、円筒部材23に形成した一対の係合爪24,24は、出力軸3の連通孔3dに入り込んで連結ピン21の軸方向の両端部に係合していることから、出力軸3及び円筒部材23の相対回転を確実に防止することができ、ステアリングホイールを操作して入力軸2に回転力が加わる際に、入力軸2及び円筒部材23の相対回転を測定することにより操舵トルクを高精度に検出し、その操舵トルクに応じて操舵補助トルクを的確に発生させることができる。
1…ハウジング、2…入力軸、2a…軸貫通孔、2b…連通孔、2c…凸部、3…出力軸、3a…軸貫通孔、3A…溝、3B…歯部、3b,3d…連通孔、3c…溝、4…トーションバー、4a,4b,4c…連通孔、5a,5b…軸受、6,7…連結ピン、8…ユニバーサルジョイント、9…ウォームホイール、9a…噛合部、10…電動モータ、10a…出力軸、10b…ウォーム、11…円筒部材、11A,11B…窓、12,13…コイル、14…ヨーク、15…センサケース、16…制御基板、17…係合爪、19…ラック、20a〜20c…軸受、21…連結ピン、23…円筒部材、2A…溝、2B…歯部、24…係合爪

Claims (5)

  1. 同軸に配置した磁性材料からなる第1回転軸及び第2回転軸を、トーションバーを介して連結し、導電性且つ非磁性材料からなり、前記第1回転軸及び前記第2回転軸の相対的な変位をインダクタンスの変化として反映させるインダクタンス変化手段を、前記第1回転軸に一体としたトルクセンサにおいて、
    前記第1回転軸の軸心に貫通した軸貫通孔に前記トーションバーの一端部を挿入し、これら前記第1回転軸及び前記トーションバーの一端部に径方向に延在する連通孔を形成し、前記連通孔に連結ピンを装着するとともに、
    前記連結ピンが装着されている前記第1回転軸の前記連通孔を包囲するように延在している前記インダクタンス変化手段の延長筒部に、前記連通孔から前記連結ピンが抜け出るのを防止する抜け止め部を設けたことを特徴とするトルクセンサ。
  2. 前記抜け止め部は、前記延長筒部の一部を切り欠いて切欠き片を形成し、この切欠き片を、前記連通孔内に位置する前記連結ピンの端部に係合する係合爪として変形させてなることを特徴とする請求項1記載のトルクセンサ。
  3. 前記インダクタンス変化手段は、導電性且つ非磁性材料からなり周方向に窓を形成した円筒部材を、前記第2回転軸の溝を形成した外周面を包囲するように前記第1回転軸の回転方向に一体とし、前記円筒部材の前記窓を形成した部分を包囲するようにコイルを配設しており、
    前記連結ピンが装着されている前記第1回転軸の前記連通孔を包囲するように延在している前記円筒部材の延長筒部に前記抜け止め部を設けたことを特徴とする請求項1又は2記載のトルクセンサ。
  4. 請求項1乃至3の何れか1項に記載のトルクセンサの前記第1回転軸を、ステアリングホイールに連結した入力軸とし、前記トルクセンサの前記第2回転軸を、ステアリング機構に連結した出力軸とし、前記トルクセンサが検出したトルクに基づいて前記ステアリング機構に伝達する操舵補助トルクを発生するようにしたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
  5. 請求項1乃至3の何れか1項に記載のトルクセンサの前記第2回転軸を、ステアリングホイールに連結した入力軸とし、前記トルクセンサの前記第1回転軸を、ステアリング機構に連結した出力軸とし、前記トルクセンサが検出したトルクに基づいて前記ステアリング機構に伝達する操舵補助トルクを発生するようにしたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
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