JP2015152384A - トルクセンサと、トルクセンサを用いたトルク検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ハンドルとシャフトに挟まれて固定することが可能なトルクセンサを提供することにより、操舵フィーリングを向上させ、パワーステアリング装置を小型化可能なトルクセンサ装置を提供することを目的とする。
【解決手段】この目的を達成するために本発明は、ハンドル３２とシャフト３３に挟まれて固定されたトルクセンサ３５であって、中空構造の起歪体３６に歪検出素子３７ａ、３７ｂが取り付けられた構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車の電動パワーステアリング装置におけるトルクセンサと、トルクセンサを用いたトルク検出装置に関する。

従来、自動車業界においてシステムの電動化のためにパワーステアリングを油圧式から電動式へ転換されてきた。この電動パワーステアリングにおいて、操舵トルクをトルクセンサにより検出しモータによるアシスト量を制御している。

従来のトルクセンサは、図６に示すように構成されている。図６に示すトルクセンサは、入力軸１（第１軸）と出力軸２（第２軸）とを、細径のトーションバー３（連結軸）を介して同軸状に連結している。

入力軸１及び出力軸２は、それぞれピン４によりトーションバー３に連結されている。入力軸１には、２４極（Ｎ、Ｓ極各１２極）が周方向に等間隔で着磁された円筒形状の（２４極）永久磁石５が、同軸に固設されている。出力軸２には、半径方向に適当な隙間を設けて永久磁石５を囲む２つの磁気ヨーク６ａ、６ｂ（軟磁性体）が、同軸に固設されている。磁気ヨーク６ａ、６ｂは、板状のリングに、その板面に垂直な一方向に延びる１２個の二等辺三角形状の爪７が等間隔に周設されている。２つの磁気ヨーク６ａ、６ｂは、それぞれの爪７が周方向に適当な間隔でずれるように対向している。

磁気ヨーク６ａ、６ｂは、永久磁石５が形成する磁界内に配置されており、磁気ヨーク６ａ、６ｂ間のギャップに生じる磁束を検出する１又は複数のホールＩＣ８（ホール素子、磁気センサ、検出器）が、ギャップに挿入されている。磁気ヨーク６ａ、６ｂは、回転トルクが加えられない中立状態で、それぞれの爪７の先端が、永久磁石５のＮ極及びＳ極の境界を指すように配置される。また、磁気ヨーク６ａ、６ｂにそれぞれ磁気結合され、磁気ヨーク６ａ、６ｂからの磁束をそれぞれ誘導する２つの集磁リング９（補助軟磁性体）を備えている。

ホールＩＣ８は、出力軸２に固定され、トルク検出装置の外部とはスパイラルケーブル１０により接続されている。スパイラルケーブル１０は、トルク検出装置のハウジング１１を貫通するコネクタ１２に接続され、コネクタ１２の各端子は、図示しない基板に半田付けされている。（特許文献１）。

また、別の従来のトルクセンサは、図７に示すように構成されている。

センサモジュール２１はステンレス鋼材の冷間鍛造、粉末焼結、あるいは切削により製作されたもので、トーションバー２２の軸２３方向の前後両側の脚部２１ａ、２１ｂそれぞれの下端面がトーションバー２２の周面と同じ曲率の凹面となり、トーションバー２２の周面にぴったりと密着させて、例えば電子ビーム溶接法のような溶接法によって一体化してある。この一体化の方法は、トーションバー２２側には応力集中が発生するような溝、凹みを設けないで、センサモジュール２１の脚部２１ａ、２１ｂの下端部２１ｃ、２１ｄそれぞれをトーションバー２２の周面に溶着させる方法である。

センサモジュール２１の前後の脚部２１ａ、２１ｂ間を連結する胴部２１ｅはトーションバー２２の軸２３に対して平行な平板状を成し、その表面の４カ所に薄膜歪ゲージ素子２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄが形成されている。（特許文献２）

特許第４０３０９４５号公報 特開平９−８９６９２号公報

しかしながら、特許文献１、２に示されるような従来のトルク検出装置では、検出感度を向上させるためにトーションバーを介して捩れを伝達する構造としている。入力トルクに対しトーションバーが捩れ、捩れ量をトルクセンサが検出し、これを電気変換することにより入力トルクに換算しているため、トーションバーの捩れにより操舵感の遅れ、すなわち、操舵フィーリングの悪化を招くことが課題となっていた。

また、特許文献１の構造ではトーションバーの周りにホールＩＣを設ける必要があり、特許文献２の構造では、トーションバーにセンサモジュールを取り付ける構造であるため、どちらの構造においても、トーションバー周りにトルクセンサを設けるスペースが必要となるため、パワーステアリング装置が大型化するという課題があった。

本発明は、上記課題を解決し、操舵フィーリングが良好で、パワーステアリング装置を小型化可能なトルク検出装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために本発明は、ハンドルとシャフトに挟まれて固定されたトルクセンサであって、中空構造の起歪体に歪検出素子が取り付けられ構造としている。

上記構成により本発明は、中空構造の起歪体に歪検出素子を取り付けることにより、ハンドルとシャフトでトルクセンサを挟んで固定することができる。ハンドルとシャフトでトルクセンサを挟んで固定する構造とすることにより、シャフトに加わるトルクにより生じる歪を直接検出することが可能となるため、トーションバーのような捩れ部材が不用となり操舵感の遅れを解消できる。

また、ハンドルとシャフトでトルクセンサを挟んで固定する構造であるため、パワーステアリング装置を小型化することができる。

（ａ）本発明の実施の形態１のトルク検出装置の側面図、（ｂ）同トルク検出装置の断面図、（ｃ）同トルク検出装置の分解斜視図 同トルクセンサが取り付けられる起歪体の斜視図 （ａ）同トルクセンサの歪検出素子の上面図、（ｂ）同トルクセンサの歪検出素子のＡ―Ａ線断面図 （ａ）同トルクセンサの一部に平坦面を設けた起歪体の斜視図、（ｂ）同トルクセンサ一部に平坦面を設けた別の起歪体の斜視図 本発明の実施の形態２のトルク検出装置を示す図 従来のトルクセンサを示す図 従来のトルクセンサを示す図

（実施の形態１）
以下に、本発明の実施の形態１のトルク検出装置について図面を用いながら説明する。

図１（ａ）本発明の実施の形態１のトルク検出装置の側面図であり、図１（ｂ）は同トルク検出装置の断面図、図１（ｃ）は同トルク検出装置の分解斜視図である。また、図２は本発明の実施の形態１におけるトルクセンサの拡大図である。

図１、図２に示すように本発明の実施の形態１のトルク検出装置３１は、ハンドル３２と、ハンドル３２に接続されたシャフト３３と、ネジ３４によってハンドル３２とシャフト３３に挟まれて固定されたトルクセンサ３５により構成されている。シャフト３３は第１のシャフト３３ａと第２のシャフト３３ｂにより構成され、第１のシャフト３３ａとハンドルによってトルクセンサ３５が挟まれて固定され、第２のシャフト３３ｂはタイヤ（図示せず）と接続されている。トルクセンサ３５は中空構造の円筒形容器の起歪体３６と歪検出素子３７により構成されており、起歪体３６にはシャフト３３の延在する方向のシャフト３３の中心線３８に対して対称になるように歪検出素子３７３７ａ、３７ｂが２つ取り付けられており、歪検出素子３７ａ、３７ｂは長手方向の中心線３９がシャフト３３の中心線３８に対して４５度の角度になる位置に設けられている。

また、歪検出素子３７ａ、３７ｂはクロックスプリング４０に接続されており、クロックスプリング４０を介して車のホーン電源（図示せず）と接続し、ホーン電源から電力を供給することで歪検出素子３７ａ、３７ｂ用に独立した電源をトルク検出装置３１に設けなくても歪検出素子３７ａ、３７ｂに電力を供給することが可能となっており、省スペース化を図ることができている。

図３（ａ）に歪検出素子３７ａ、３７ｂの上面図、図３（ｂ）に歪検出素子３７のＡ―Ａ線断面図を示す。歪検出素子３７ａ、３７ｂは、シリコン等の半導体基板をエッチング処理して形成され、固定部４１とこの固定部４１に両端が接続された振動梁４２により構成されており、固定部４１の下面が起歪体３６に接続されている。振動梁４２の中央部に検出部４３が設けられ、固定部４１との接続部近傍に駆動部４４が設けられている。検出部４３と駆動部４４はそれぞれ白金等の金属材料で形成された下部電極と、下部電極の上に設けられチタン酸ジルコン酸鉛等の圧電材料で形成された圧電体層と、圧電体層の上に設けられ金等の金属材料で形成された上部電極で構成されている。

駆動部４４に電圧を印加すると圧電体層が逆圧電効果によって振動梁４２の厚み方向に伸縮動作し、圧電体が厚み方向と垂直な方向に曲げ変位し、振動梁４２は厚み方向に弦振動する。振動梁４２が振動すると、圧電効果により振動梁４２の固有振動数ｆに応じた交流信号が、検出部４３に接続された処理回路（図示せず）に入力される。処理回路に入力された交流信号は、処理回路において位相調整、増幅されて駆動部にフィードバックされる。これにより、振動梁４２は固有振動数ｆに等しい周波数で弦振動を持続する。

歪検出素子３７ａ、３７ｂが設けられた支持基板４５に働いた外力により歪が生じると、固定部５１を介して振動梁４２に歪が伝達される。ここで、支持基板４５に振動梁４２が伸縮する方向に引張力Ｆが印加された場合、振動梁４２に伸張力が働くことにより振動梁４２が硬化するため、歪検出素子３７ａの振動周波数はｆからｆ＋Δｆに上昇する。また、振動梁４２の長手方向の圧縮力−Ｆが印加されたとすると、振動梁４２の長手方向に縮み、歪検出素子３７の振動周波数はｆからｆ−Δｆに低下する。このようにして、出力される固有振動数差Δｆを測定することにより支持基板４５に働く歪や荷重を高感度に測定できる。

次に、本発明の実施の形態１におけるトルクセンサ３５の動作について説明する。運転者が操舵するためにハンドル３２を操作すると、ハンドル３２を介して第１のシャフト３３ａに回転トルクが加わり、第１のシャフト３３ａと接続された第２のシャフト３３ｂに回転トルクが伝達され、第２のシャフト３３ｂによりタイヤ（図示せず）に回転トルクが伝達され、操舵することができる。このとき、ハンドル３２と第１のシャフト３３ａによりトルクセンサ３５が挟まれて固定されているため、ハンドル３２からトルクセンサ３５に回転トルクが伝達され、トルクセンサ３５の起歪体３６が捩れ変形する。この起歪体３６の捩れ変形により、起歪体３６に設けられた歪検出素子３７ａの振動梁４２が伸縮し、振動梁４２の振動周波数が変化し、トルクセンサ３５に伝達された回転トルクを検出することができる。

このように、トルクセンサ３５を第１のシャフト３３ａとハンドル３２に挟まれて固定し、トーションバーを設けない構造としたことによって、操舵フィーリングを向上させることができている。ハンドル３２と第１のシャフト３３ａと第２のシャフト３３ｂを接続し、ハンドルに１．５ｋｇの重りを取り付け、第２のシャフト３３ｂの第１のシャフト３３ａと接続されていない側を固定し、重りを落下させることによってシャフトが回転する方向にステップ的に応力を印加した。この測定を、第１のシャフト３３ａと第２のシャフト３３ｂを接続するトーションバーを設けた構造と、トーションバーを設けない構造とで実施し、ハンドル３２、第１のシャフト３３ａ、第２のシャフト３３ｂとトーションバーの系全体の粘弾性係数とバネ乗数を求め、ここから夫々の系の時定数を求めた。なお、シャフトにはクロム・モリブデン鋼、トーションバーにはニッケル・クロム・モリブデン鋼を用いている。

この結果、トーションバーを設けた構造の時定数は０．０７０ｓであり、トーションバーを設けていない構造の時定数は０．０１１ｓであり、トーションバーを設けていない構造の応答はトーションバーを設けた構造の応答の約６倍速かった。この様に、トーションバーを設けないことによって、ハンドルを介してトルクをシャフトに印加したときの、トルクに対するシャフトの応答速度が速くなり、操舵フィーリングを向上させることができる。

ここで、トルクセンサ３５に伝達された回転トルクにより生じる歪は中心線に対して４５°の方向で最大となる。このため、本発明の実施の形態１における歪検出素子３７の中心線３９が中心線３８に対して４５°の角度をなすように起歪体３６に設置しているため、歪検出素子３７に最大の応力がかかり、効率よく回転トルクを検出することが可能になっている。

また、歪検出素子３７ａと歪検出素子３７ｂが中心線３８に対して対称に配置されていることにより、一方向にハンドル３２を回転させた（以下、正転とする）ときも、逆方向に回転させた（以下、逆転とする）ときも、歪みを効率よく検出することができ、ハンドル３２の回転方向によらず歪みを効率よく検出することが可能となる。つまり、歪検出素子３７ａに最大の圧縮力がかかったとき、歪検出素子３７ｂに最大の引張力がかかり、正転とは逆方向にハンドルを回転させた場合には、歪検出素子３７ａに最大の引張力がかかり、歪検出素子３７ｂに最大の圧縮力がかかる。このように、中心線に対して歪検出素子３７ａ、３７ｂを４５°の角度で対称に２つ配置することによって効率よく歪を検出することができる。

なお、起歪体３６は円筒形状であるため４５°の角度で配置することによって効率よく歪みを検出することができているが、起歪体３６が円筒形状ではなく、例えば、図４（ａ）、（ｂ）に示すように平坦面４６が設けられた構造のときは、歪みを効率よく検出できる角度は異なる。この場合でも、平坦面４６を設けた構造であっても、起歪体３６における主歪みの方向に歪み検出素子３７ａ、３７ｂを配置することで効率よく歪みを検出することができる。

また、歪検出素子３７ａ、３７ｂにより振動周波数の変化を検出しているが、感度は歪検出素子３７ａ、３７ｂに比べて低下するが、歪抵抗素子を起歪体３６に設けてもトルクを検出することができる。

また、歪検出素子３７ａ、３７ｂを設ける起歪体３６の構造として、中空構造の円筒形容器を用いているが、図４（ａ）又は（ｂ）に示すように、起歪体３６に平坦面４６を設け、平坦面に歪検出素子３７ａ、３７ｂを取り付ける構造としてもよい。平坦面４６に歪検出素子３７ａ、３７ｂを取り付けることにより、起歪体３６に歪検出素子３７ａ、３７ｂを取り付けやすく、また、より強固に取り付けることができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２のトルク検出装置について図面を用いて説明する。なお、本発明の実施の形態２におけるトルク検出装置は起歪体の取り付け位置が本実施の形態１のトルク検出装置と異なっており、本発明の実施の形態１と同様の構造については、同様の符号を付して説明する。

図５は本発明の実施の形態２のトルク検出装置５１を示す図である。

図５に示すように本発明の実施の形態２のトルク検出装置５１は、ハンドル３２側に接続された第１のシャフト５２ａと、第１のシャフト５２ａと接続された第２のシャフト５２ｂと、ネジ３４によって第１のシャフト５２ａと第２のシャフト５２ｂに挟まれて固定されたトルクセンサ３５により構成されている。運転者がハンドル３２を操作すると、ハンドル３２から第１のシャフト５２ａに回転トルクが伝達され、第１のシャフト５２ａから第２のシャフト５２ｂ、トルクセンサ３５にそれぞれ回転トルクが伝達される。第２のシャフト５２ｂからタイヤ（図示せず）に回転トルクが伝達され、これにより、運転者はタイヤを操舵することができる。また、起歪体３６には本発明の実施の形態１と同様にシャフト５２の中心線に対して対称に、４５°の角度で歪検出素子３７が取り付けられている。

本発明の実施の形態２におけるトルク検出装置５１では、本発明の実施の形態１と同様に、シャフト５２に加わるトルクにより生じる歪を直接検出することが可能となるため、操舵感を向上させることができる。また、第１のシャフト５２ａと第２のシャフト５２ｂでトルクセンサ３５を挟まれて固定することにより、簡易にトルクセンサ３５をシャフト５２に取り付けることが可能となり、シャフト５２の周囲にトルクセンサを設ける必要がないため、パワーステアリング装置を小型化することができる。

また、本発明の実施の形態２におけるトルク検出装置５１において、図５に示すようにコイル５３ａ、５３ｂを設け、コイル５３ａ、５３ｂを通じて歪検出素子３７ａ、３７ｂに非接触で給電をし、信号の受信をする。歪検出素子３７にワイヤー（図示せず）を用いて給電する構成とすると、運転者がハンドル３２を操作しシャフト５２を回転させたときに、ワイヤーが短ければワイヤーが切れる可能性があり、長ければワイヤーが邪魔になりスペースを有効に活用することが出来ない。

しかしながら、本発明の実施の形態２のトルクセンサ検出装置５１のように、歪検出素子３７ａ、３７ｂに対してコイル５３ａ、５３ｂで非接触で給電することによって、歪検出素子３７ａ、３７ｂと電源とを有線で接続する必要がなくなる。これによって、運転者が操舵するためにハンドルを回転させても、トルクセンサとつながれたワイヤーが切れることがなく、また、省スペース化をすることが出来る。このため、運転中にワイヤーが切れる等の事故を防ぐことができ、トルク検出装置５１の信頼性を向上させることができる。

本発明のトルク検出装置は、運転者によりハンドルを介してシャフトを伝達される回転トルクを直接検出することが出来るため、操舵感を向上させることができ、また、省スペース化することが出来るため、パワーステアリングのトルク検出に有用である。

３１、５１ トルク検出装置
３２ ハンドル
３３、５２ シャフト
３３ａ、５２ａ 第１のシャフト
３３ｂ、５２ｂ 第２のシャフト
３４ ネジ
３５ トルクセンサ
３６ 起歪体
３７ａ、３７ｂ 歪検出素子
３８、３９ 中心線
４０ クロックスプリング
４１ 固定部
４２ 振動梁
４３ 検出部
４４ 駆動部
４５ 支持基板
４６ 平坦面
５３ａ、５３ｂ コイル

Claims (6)

1. ハンドルとシャフトに挟まれて固定されたトルクセンサであって、
   中空構造の起歪体に歪検出素子が取り付けられているトルクセンサ。
2. ハンドルと、前記ハンドルにより加えられるトルクを車輪へ伝達するシャフトと、前記トルクを検出するトルクセンサと、を備え、
   前記トルクセンサは、中空構造の起歪体に歪検出素子が取り付けられ、前記中空構造を介して前記ハンドルと前記シャフトに挟まれることで固定されているトルク検出装置。
3. 前記起歪体は筒状であり、
   前記歪検出素子は、
   前記起歪体が延在する方向の前記起歪体の中心線に対して対称に前記起歪体に２つ取り付けられている請求項１に記載のトルクセンサ。
4. 前記起歪体は平坦面を有し、
   前記歪検出素子は前記平坦面に設けられている請求項１に記載のトルクセンサ。
5. 前記歪検出素子は、
   固定部と、
   前記固定部に両端が接続された振動梁を有し、
   前記固定部が前記起歪体に接続され、
   前記起歪体に生じた歪で前記振動梁の振動数が変化し、
   前記振動数の変化によってトルクを検出する請求項１に記載のトルクセンサ。
6. ハンドルと、前記ハンドルにより加えられるトルクを車輪へ伝達するシャフトと、前記トルクを検出するトルクセンサと、を備え、
   前記シャフトは第１のシャフトと第２のシャフトにより構成され、
   前記トルクセンサは、中空構造の起歪体に歪検出素子が取り付けられ、
   前記トルクセンサは、前記中空構造を介して前記第１のシャフトと前記第２のシャフトに挟まれることで固定されているトルク検出装置。

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