JP2013205208A

JP2013205208A - トルク検出装置、電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP2013205208A
Application number: JP2012074194A
Authority: JP
Inventors: Naoki Murakami; 直樹村上
Original assignee: Showa Corp
Current assignee: Showa Corp
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2013-10-07
Anticipated expiration: 2032-03-28
Also published as: JP5898548B2

Abstract

【課題】トルクが加えられる回転軸の剛性の低下を抑制することができるとともに耐久性を向上させることができる技術を提供する。
【解決手段】ねじり変形可能であって外面にらせん状の溝が形成された回転軸１１０と、回転軸１１０に光を放射する光源２０と、回転軸１１０の外周と対向するように配置され、回転軸１１０の外面に形成された溝Ｇの画像を読み取る撮像素子３０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、トルク検出装置および電動パワーステアリング装置に関する。

近年、例えば電動パワーステアリング装置には、入力軸と、出力軸との間の相対回転角度を基にトルクを検出する装置（トルク検出装置（相対角度検出装置））が備えられている。
例えば、特許文献１に記載のトルクセンサは、以下のように構成されている。すなわち、ハウジングにベアリングを介して回転自在に軸支され同軸に挿入された入力軸と出力軸とが、内部でトーションバーにより連結されている。円筒状のコアが出力軸の大径端部の外周面にセレーション嵌合して出力軸に対して軸方向にのみ摺動自在に設けられ、入力軸より突設されたスライダピンが大径端部の周方向に長尺の長孔を貫通してコアのスパイラル溝に係合している。ハウジングの内部に支持された２個のトルク検出用のコイルが、軸方向に摺動する円筒状のコアの外周に空隙を介して設けられている。２個のコイルは、コアの軸方向の移動中心に関して互いに反対側に配置されている。そして、入力軸に捩じり力が作用すると、トーションバーを介して出力軸に回転力が伝達されるが、トーションバーは弾性変形して入力軸と出力軸との間に回転方向の相対的変位が生じる。この回転方向の相対的変位は、スライダピンとスパイラル溝との係合を介してコアを軸方向に摺動させる。コアが軸方向に移動すると、コイルのそれぞれコアを囲む面積が変化し、一方の面積が増すと他方の面積が減る関係にある。コアを囲む面積が大きくなると、磁気損失が増えコイルのインダクタンスは減り、逆にコアを囲む面積が小さくなると、磁気損失が減りコイルのインダクタンスは増す。そして、このコイルのインダクタンスの変化に基づいてトルクを検出する。

特開２０００−２３４９６６号公報

トーションバーを用いたトルク検出装置の場合、内部に挿入されたトーションバーを介して入力軸と出力軸とが連結されるため、入力軸、出力軸およびトーションバーを含む回転軸全体としての捩じり剛性が低下する。
また、装置を構成する部品同士が機械的に接触することによりトルクを検出する構成では、接触することに起因して部品が摩耗するため耐久性が悪化するおそれがある。
本発明は、トルクが加えられる回転軸の剛性の低下を抑制することができるとともに耐久性を向上させることができるトルク検出装置を提案することを目的とする。

かかる目的のもと、本発明は、ねじり変形可能であって外面にらせん状の溝が形成された回転軸と、前記回転軸に光を放射する光源と、前記回転軸の外周と対向するように配置され、当該回転軸の外面に形成された溝の画像を読み取る撮像素子と、を備えることを特徴とするトルク検出装置である。
ここで、前記撮像素子が読み取った前記回転軸の溝の幅に基づいて当該回転軸に加えられたトルクを演算するトルク演算部をさらに備えるとよい。

また、前記トルク演算部は、前記回転軸の溝の幅の変化量が大きいほど当該回転軸に加えられたトルクが大きいと演算するとよい。
また、前記トルク演算部は、前記回転軸の溝の幅が大きくなるように変化した場合には当該回転軸に一方方向のトルクが加えられ、当該回転軸の溝の幅が小さくなるように変化した場合には当該回転軸に他方方向のトルクが加えられたと演算するとよい。

他の観点から捉えると、本発明は、ねじり変形可能であって外面にらせん状の溝が形成された回転軸と、前記回転軸に光を放射する光源と、前記回転軸の外周と対向するように配置され、当該回転軸の外面に形成された溝の画像を読み取る撮像素子と、前記撮像素子が読み取った前記回転軸の溝の幅に基づいて当該回転軸に加えられたトルクを演算するトルク演算部と、を備えることを特徴とする電動パワーステアリング装置である。

本発明によれば、トルクが加えられる回転軸の剛性の低下を抑制することができるとともに耐久性を向上させることができる。

本実施の形態に係るトルク検出部を適用した電動パワーステアリング装置の断面図である。回転軸に右方向の操舵トルクが加えられた状態を示す図である。回転軸に左方向の操舵トルクが加えられた状態を示す図である。回転軸に形成された溝の幅と操舵トルクとの関係を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本実施の形態に係るトルク検出部１０を適用した電動パワーステアリング装置１００（以下、単に「ステアリング装置１００」と称する場合もある。）の断面図である。
ステアリング装置１００は、ステアリングホイール１０１が取り付けられるステアリングシャフト（不図示）が連結される回転軸１１０を備えている。回転軸１１０の回転軸方向（以下、単に「軸方向」と称する場合もある。）の一方の端部側（図１においては下側）には、車輪に連結されるラック軸（不図示）のラック（不図示）と噛み合うピニオン１１１が形成されている。そして、回転軸１１０の回転運動がピニオン１１１，ラックを介してラック軸の直線運動に変換され、車輪が操舵される。また、この回転軸１１０は、後述するトルク検出部１０の構成要素の１つとして機能する。

また、ステアリング装置１００は、回転軸１１０を回転可能に支持するハウジング１４０を備えている。ハウジング１４０は、例えば自動車などの乗り物の本体フレーム（以下、「車体」と称する場合もある。）に固定される部材であり、第１ハウジング１５０、第２ハウジング１６０から構成される。

第１ハウジング１５０は、回転軸１１０を回転可能に支持する軸受け１５１を、軸方向の一方の端部側（図１においては下側）に有し、軸方向の他方の端部側（図１においては上側）が開口した部材である。第１ハウジング１５０には、後述する電動モータ１９０が装着される。また、第１ハウジング１５０は、後述するウォームホイール１８０を収納する。

第２ハウジング１６０は、回転軸１１０を回転可能に支持する軸受け１６１を、軸方向の他方の端部側（図１においては上側）に有し、軸方向の一方の端部側（図１においては下側）が開口した部材である。そして、軸方向の一方の端部側の開口部が第１ハウジング１５０における軸方向の他方の端部側の開口部と対向するように配置されるとともに、例えばボルトなどにより第１ハウジング１５０に固定される。

また、ステアリング装置１００は、第１ハウジング１５０に装着された電動モータ１９０と、回転軸１１０に固定されたウォームホイール１８０と、を備えている。電動モータ１９０の出力軸に連結されたウォームギヤ１９１とウォームホイール１８０とは噛み合っており、電動モータ１９０の回転力がウォームホイール１８０により減速されて回転軸１１０に伝達される。

また、ステアリング装置１００は、回転軸１１０の捩れ量に基づいて、ステアリングホイール１０１に加えられた操舵トルクを検出するトルク検出部１０と、このトルク検出部１０からの出力値に基づいて電動モータ１９０の駆動を制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ）２００を備えている。
トルク検出部１０については後で詳述する。

ＥＣＵ２００は、各種演算処理を行うＣＰＵと、ＣＰＵにて実行されるプログラムや各種データ等が記憶されたＲＯＭと、ＣＰＵの作業用メモリ等として用いられるＲＡＭと、を用いて、トルク検出部１０からの出力値を基にステアリングホイール１０１に加えられた操舵トルクを演算するトルク演算部２１０を有している。また、ＥＣＵ２００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを用いて、トルク演算部２１０にて演算された操舵トルクに基づいて目標補助トルクを算出し、この目標補助トルクを電動モータ１９０が供給するのに必要となる目標電流を算出する目標電流算出部（不図示）と、目標電流算出部が算出した目標電流に基づいてフィードバック制御などを行う制御部（不図示）とを有している。

以上のように構成されたステアリング装置１００においては、ステアリングホイール１０１に加えられた操舵トルクが回転軸１１０の捩れ量として現れることに鑑み、回転軸１１０の捩れ量をトルク検出部１０にて検出する。そして、ＥＣＵ２００が、トルク検出部１０からの出力値に基づいて操舵トルクを把握し、把握した操舵トルクに基づいて電動モータ１９０の駆動を制御する。そして、電動モータ１９０の発生トルクをウォームギヤ１９１、ウォームホイール１８０を介して回転軸１１０に伝達する。これにより、電動モータ１９０の発生トルクが、ステアリングホイール１０１に加える運転者の操舵力をアシストする。つまり、回転軸１１０は、ステアリングホイール１０１に加えられた操舵トルクと電動モータ１９０から付与される補助トルクとで回転する。

以下に、トルク検出部１０について詳述する。
トルク検出部１０は、上述した回転軸１１０と、ハウジング１４０の第２ハウジング１６０に取り付けられて、回転軸１１０の外周面に対して光を放射する光源２０とを有している。
回転軸１１０の外周面には、所定幅Ｗの溝Ｇがらせん状に全周に渡って形成されている。

光源２０は、光を放射する機器であり、光を増幅して放射するレーザ装置、ＬＥＤ、冷陰極管ランプやキセノンランプなどの照明ランプであることを例示することができる。光源２０をハウジング１４０の第２ハウジング１６０に固定する方法としては、締付部材（例えば、ボルト、ビスなど）で締め付ける方法を例示することができる。また、例えば、光源２０を装着したブラケット（不図示）を第２ハウジング１６０に固定する方法を例示することができる。光源２０をブラケットに固定する方法としては、締付部材にて締め付ける方法、溶接すること、接着剤にて接着することを例示することができる。また、光源２０としてのＬＥＤを回路基板（不図示）に実装し、その回路基板をブラケットに締付部材で締め付けてもよい。さらに、光源２０としてのＬＥＤを実装した回路基板を第２ハウジング１６０に締付部材にて固定してもよい。

また、トルク検出部１０は、ハウジング１４０の第２ハウジング１６０に回転軸１１０の外周面に対向するように取り付けられて、回転軸１１０の外周面に形成された溝Ｇの画像を読み取る撮像素子３０を有している。撮像素子３０は、回転軸１１０からの反射光を受光することによって、回転軸１１０の外周面に形成された溝Ｇの画像を読み取る、ＣＣＤイメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサであることを例示することができる。

撮像素子３０の軸方向の長さは、回転軸１１０における溝Ｇが形成されている長さ以上である。言い換えれば、撮像素子３０の軸方向の長さは、回転軸１１０がいずれの回転角度であっても、撮像素子３０が回転軸１１０の外周面の全周に渡って形成された溝Ｇのいずれかの部位と、その幅を十分に読み取ることができる程度に対向できる長さに設定されている。

なお、撮像素子３０を第２ハウジング１６０に固定する方法としては、撮像素子３０を回路基板（不図示）に実装し、その回路基板を第２ハウジング１６０に締付部材で締め付けることを例示することができる。あるいは撮像素子３０を実装した回路基板をブラケット（不図示）に装着し、そのブラケットを第２ハウジング１６０に締付部材にて固定してもよい。
また、上述した光源２０は、２つ設けられており、撮像素子３０の下端部よりも下方の部位と、撮像素子３０の上端部よりも上方の部位とに装着されている。

撮像素子３０が出力する信号は、電線（不図示）を介してＥＣＵ２００に伝達される。例えば、電線の一方の端部が、コネクタなどを介して撮像素子３０が実装された回路基板に、他方の端部が、コネクタなどを介してＥＣＵ２００に接続されている。また、電線は、第２ハウジング１６０の側面に形成されて第２ハウジング１６０の内外を連通する連通孔に嵌め合わされたグロメットに保持されることを例示することができる。

以上のように構成されたトルク検出部１０においては、ステアリングホイール１０１に操舵トルクが加わっていない状態、つまり回転軸１１０に捩れが生じていない中立状態のときには、回転軸１１０の溝Ｇの幅は所定幅Ｗである。ゆえに、撮像素子３０にて読み取られる溝Ｇの幅は所定幅Ｗとなる。

図２は、回転軸１１０に右方向の操舵トルクが加えられた状態を示す図である。
ステアリングホイール１０１が右方向に回転され（右方向の操舵トルクが加えられ）、回転軸１１０が右方向に捩れた状態では、回転軸１１０の溝Ｇの幅は所定幅Ｗよりも大きくなる。そして、操舵トルクの右方向への大きさが増加（回転軸１１０の右方向への捩れ量が増加）するのに伴って溝Ｇの幅は大きくなっていく特性を有する。

図３は、回転軸１１０に左方向の操舵トルクが加えられた状態を示す図である。
ステアリングホイール１０１が左方向に回転され（左方向の操舵トルクが加えられ）、回転軸１１０が左方向に捩れた状態では、回転軸１１０の溝Ｇの幅は所定幅Ｗよりも小さくなる。そして、操舵トルクの左方向への大きさが増加（回転軸１１０の左方向への捩れ量が増加）するのに伴って溝Ｇの幅は小さくなっていく特性を有する。

図４は、回転軸１１０に形成された溝Ｇの幅と操舵トルクとの関係を示す図である。
上述したように、以上のように構成されたトルク検出部１０においては、図４に示すように、操舵トルクの右方向への大きさが増加するのに伴って回転軸１１０に形成された溝Ｇの幅は大きくなり、操舵トルクの左方向への大きさが増加するのに伴って回転軸１１０に形成された溝Ｇの幅は小さくなる。そして、撮像素子３０が回転軸１１０に形成された溝Ｇの画像を読み取り、その情報が電線を介してＥＣＵ２００に伝送される。

そして、ＥＣＵ２００のトルク演算部２１０は、図４に示したような、回転軸１１０の溝Ｇの幅と操舵トルクとの関係を示すマップを記憶領域（例えばＲＯＭ）に記憶しておき、トルク演算部２１０は、このマップに、トルク検出部１０の撮像素子３０から出力される電気信号に基づいて把握した溝Ｇの幅を代入することにより操舵トルクを算出する。あるいは、撮像素子３０から出力される電気信号に基づいて把握した溝Ｇの幅と操舵トルクとの関係を示す関数を組み込んでおき、トルク演算部２１０は、この関数に撮像素子３０からの電気信号に基づいて把握した溝Ｇの幅を代入して操舵トルクを算出してもよい。

以上のように構成されたトルク検出部１０においては、軸方向の一方の端部にラック軸のラックと噛み合うピニオン１１１が形成された回転軸１１０であって、ステアリングホイール１０１が回されると操舵トルクが加えられる回転軸１１０に溝Ｇを形成し、その溝Ｇを撮像素子３０にて読み取るので、捩じり剛性は低下しない。すなわち、例えば、ステアリングホイール１０１が回されると操舵トルクが入力される入力軸と、トーションバーと、トーションバーを介して操舵トルクが伝達される出力軸と含む構成よりは、捩じり剛性が高くなる。つまり、ステアリングホイール１０１に加えられた操舵トルクを車輪に伝達する伝達系で捩じり剛性が低下することを抑制することができる。また、ヒステリシスを抑制することができる。

また、入力軸、トーションバー、出力軸を含む構成では、ステアリングホイール１０１に加えられたトルクが、トーションバーが捩れた後に出力軸へ伝達されるために、伝達速度が遅くなり、操舵フィーリングに悪影響を及ぼすおそれがある。これに対して、本実施の形態に係るステアリング装置１００では、トーションバーを用いていないので、操舵フィーリングが向上する。

また、回転軸１１０と撮像素子３０とが互いに接触することなしに、つまり非接触で回転軸１１０の捩れ量を検出できるので、接触式の検出装置と比べて、再現性や耐久性を向上させることができる。また、ヒステリシスを抑制することができる。
例えば、回転軸１１０に形成された溝Ｇの幅の変化を、この溝Ｇ内に装着された歪みセンサにて検出するのではないので、歪みセンサを備える構成よりも再現性や耐久性を向上させることができるとともに、ヒステリシスを抑制することができる。

１０…トルク検出部、２０…光源、３０…撮像素子、１００…電動パワーステアリング装置、１１０…回転軸、１４０…ハウジング、２００…電子制御ユニット（ＥＣＵ）、２１０…トルク演算部、Ｇ…溝

Claims

ねじり変形可能であって外面にらせん状の溝が形成された回転軸と、
前記回転軸に光を放射する光源と、
前記回転軸の外周と対向するように配置され、当該回転軸の外面に形成された溝の画像を読み取る撮像素子と、
を備えることを特徴とするトルク検出装置。
前記撮像素子が読み取った前記回転軸の溝の幅に基づいて当該回転軸に加えられたトルクを演算するトルク演算部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のトルク検出装置。
前記トルク演算部は、前記回転軸の溝の幅の変化量が大きいほど当該回転軸に加えられたトルクが大きいと演算することを特徴とする請求項２に記載のトルク検出装置。
前記トルク演算部は、前記回転軸の溝の幅が大きくなるように変化した場合には当該回転軸に一方方向のトルクが加えられ、当該回転軸の溝の幅が小さくなるように変化した場合には当該回転軸に他方方向のトルクが加えられたと演算することを特徴とする請求項２または３に記載のトルク検出装置。
ねじり変形可能であって外面にらせん状の溝が形成された回転軸と、
前記回転軸に光を放射する光源と、
前記回転軸の外周と対向するように配置され、当該回転軸の外面に形成された溝の画像を読み取る撮像素子と、
前記撮像素子が読み取った前記回転軸の溝の幅に基づいて当該回転軸に加えられたトルクを演算するトルク演算部と、
を備えることを特徴とする電動パワーステアリング装置。