JP3307317B2

JP3307317B2 - トルクセンサ

Info

Publication number: JP3307317B2
Application number: JP6040498A
Authority: JP
Inventors: 一穂力石
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1998-02-26
Filing date: 1998-02-26
Publication date: 2002-07-24
Anticipated expiration: 2018-02-26
Also published as: JPH11248562A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、回転軸に発生す
るトルクを検出するトルクセンサに関し、特に、信頼性
の向上を図ったものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の従来の技術としては、例えば本
出願人が先に提案した特開平８−２４０４９１号公報に
開示されたものがある。かかる公報に開示されたトルク
センサは、同軸に配設された第１及び第２の回転軸をト
ーションバーを介して連結するとともに、導電性で且つ
非磁性の材料からなる円筒部材を、前記第１の回転軸の
外周面を包囲するように、前記第２の回転軸と回転方向
に一体とし、前記第１の回転軸の少なくとも前記円筒部
材に包囲された被包囲部を磁性材料で形成し、前記被包
囲部に軸方向に延びる溝を形成し、前記円筒部材には、
前記第１の回転軸との間の相対回転位置に応じて前記溝
との重なり具合が変化するように窓を形成し、そして、
前記円筒部材の前記窓が形成された部分を包囲するよう
にコイルを配設し、そのコイルのインダクタンスに基づ
いてトルクを検出するようになっており、これにより、
簡易な構造で高精度のトルク検出が行え、しかも装置の
小型化も図られるという効果が得られる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】確かに、上記公報に開
示された従来のトルクセンサであれば、上記のような効
果を奏することができるが、本発明者等が鋭意研究を行
った結果、トルクセンサの高い信頼性を確保するために
は、回転軸への円筒部材の固定構造が重要であることが
判った。

【０００４】即ち、上記公報に開示されたようなトルク
センサの場合、円筒部材はアルミニウム等から形成され
るのに対し、これが固定される回転軸は鉄等から形成さ
れるため、両者の熱膨張係数が異なることが多く、する
と、円筒部材を回転軸に圧入するだけの構造では、円筒
部材の回転軸への保持力が温度によって変動してしま
い、保持力を維持できない場合がある。そして、保持力
が低下してしまうと、回転軸に対する円筒部材の回転方
向位置や軸方向位置がずれてしまい、検出精度が低下し
てしまうのである。

【０００５】本発明は、このような従来の技術が有する
解決すべき課題に着目してなされたものであって、円筒
部材の回転軸に対する位置ずれを確実に防止でき、もっ
て高い信頼性が得られるトルクセンサを提供することを
目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、同軸に配設され且つトーションバーを介
して連結された第１及び第２の回転軸を有し、前記第１
の回転軸の端部に、前記第２の回転軸の少なくとも一部
分を包囲するように円筒部材を固定し、その円筒部材
と、前記第２の回転軸との重なり状態に基づいてトルク
を検出するようになっているトルクセンサにおいて、前
記第１の回転軸の前記円筒部材を固定する側の端部外周
面に、軸方向に延びる複数の軸方向溝と、周方向に連続
した周方向溝と、を形成し、前記円筒部材の内周面に
は、前記複数の軸方向溝のそれぞれに嵌合する複数の突
起を形成し、前記軸方向溝に前記突起を嵌合することに
より、前記円筒部材の前記第１の回転軸に対する相対回
転を防止し、前記円筒部材の前記周方向溝に外嵌する部
分をかしめることにより、前記円筒部材の前記第１の回
転軸に対する軸方向への相対変位を防止するようにし
た。

【０００７】なお、第１の回転軸に形成する前記軸方向
溝は、その第１の回転軸に形成するストッパ構造ととも
に、冷間鍛造製とすることが望ましい。ここでいうスト
ッパは、第１の回転軸と第２の回転軸との相対回転角度
を、所定角度範囲（±５度程度）内に規制するためのス
トッパであって、例えば、第２の回転軸の端部外周面に
形成された径方向に突出する凸部（オスストッパ）と、
第１の回転軸の端面に形成され前記凸部より若干幅広の
凹部（メスストッパ）とで構成される。

【０００８】そして、軸方向溝とストッパ構造（前記例
では、メスストッパ）とを一緒に冷間鍛造で作り込め
ば、各部材の組立時には、第１の回転軸と第２の回転軸
とをストッパ中立位置に合わせて組み合わせるととも
に、第１の回転軸の軸方向溝に突起を嵌合させることに
より円筒部材の周方向の位置決めを行えば、円筒部材と
第１の回転軸との組立位相も保証される。これに対し、
円筒部材を第１の回転軸に圧入する構成では、第１の回
転軸と第２の回転軸とを組み合わせた後に、第２の回転
軸と円筒部材との位相合わせを行いつつ、円筒部材を第
１の回転軸に圧入しなければならず、組立工程が煩雑で
ありコストアップの一因となる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１乃至図６は本発明の一実施の
形態を示す図であって、この実施の形態は、本発明に係
るトルクセンサを、車両の電動パワーステアリング装置
に適用したものであり、図１は操舵系の要部を示す縦断
面図である。

【００１０】先ず、構成を説明すると、上側ハウジング
１Ａ及び下側ハウジング１Ｂからなるハウジング１内に
は、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及び５ｃによって回転自在
に支持されている。これら入力軸２，出力軸３及びトー
ションバー４は、同軸に配設されていて、トーションバ
ー４の上端側は入力軸２内に深く入り込んだ位置におい
てその入力軸２にピン結合されて回転方向に一体となっ
ており、また、トーションバー４の下端側は出力軸３に
スプライン結合されて回転方向に一体となっている。入
力軸２及び出力軸３は鉄等の磁性材料から形成されてい
る。

【００１１】そして、入力軸２の上端部には、図示しな
い自在継ぎ手やステアリングシャフト等を介してステア
リングホイールが回転方向に一体に取り付けられてお
り、また、出力軸３の下端部にはピニオン軸３ａが一体
に形成されていて、ピニオン軸はラック軸６に噛合して
いる。これらピニオン軸３ａ及びラック軸６は、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も
のであり、従って、運転者がステアリングホイールを操
舵することにより発生した操舵力は、入力軸２，トーシ
ョンバー４，出力軸３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、図示しない転舵輪に伝達され
る。

【００１２】さらに、出力軸３には、これと同軸に且つ
一体に回転するウォームホイール７が外嵌し、このウォ
ームホイール７の樹脂製の噛合部７ａと、電動モータ８
の出力軸８ａ外周面に形成されたウォーム８ｂとが噛み
合っている。従って、電動モータ８の回転力は、その出
力軸８ａ，ウォーム８ｂ及びウォームホイール７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
８の回転力及び回転方向を適宜制御することにより、出
力軸３に適切な操舵補助トルクを付与できるようになっ
ている。

【００１３】そして、図１並びに入力軸２，出力軸３
（端部のみ）及びトーションバー４を各別に分解した状
態の斜視図である図２に示すように、入力軸２の出力軸
３に近接した部分の外周面には、入力軸２と同軸の大径
部２Ａが形成されていて、この大径部２Ａ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１０が配
設されている。

【００１４】即ち、円筒部材１０は、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、その
下端部が、出力軸３の入力軸２側端部外周面に固定され
ている。

【００１５】具体的には、出力軸３端部の図２とは異な
る方向からの斜視図である図３、出力軸３端部の断面図
である図４（ａ）、及びトーションバー４及び円筒部材
１０を固定した状態での断面図である図５に示すよう
に、出力軸３の入力軸２側端部には、大径部３Ａが形成
されていて、その大径部３Ａの外周面には、軸方向に延
びる複数（この例では、４本）の軸方向溝１１と、周方
向に連続した周方向溝１２とが形成されている。なお、
図４（ｂ）は同（ａ）のＡ方向矢視図であり、同（ａ）
は同（ｂ）のＢ−Ｂ線断面図に相当する。また、図５
（ａ）は同（ｂ）のＣ−Ｃ線断面図に相当する。

【００１６】そして、各軸方向溝１１は、互いに周方向
に等間隔（９０度）離れて、大径部３Ａの両端部間に渡
って形成されており、また、周方向溝１２は、円筒部材
１０を固定した際にその円筒部材１０の端部が位置する
付近に形成されている。

【００１７】一方、円筒部材１０の内周面には、その下
端部から若干張り込んだ位置に、複数（この例では、４
つ）の半球状の突起１３が形成されている。これら突起
１３の個数及び形成位置は出力軸３の軸方向溝１１に対
応していて、従って、突起１３は、互いに周方向に等間
隔（９０度）離れている。また、突起１３の高さは、軸
方向溝１１の深さと同程度である。

【００１８】そして、円筒部材１０を大径部３Ａに固定
する際には、その突起１３を軸方向溝１１に嵌合させる
ことにより、円筒部材１０の出力軸３に対する周方向の
位置決めを行い、それから円筒部材１０を押し込み、そ
の端部を周方向溝１２に近接させ、その状態で円筒部材
１０端部を内側にかしめて周方向溝１２に食い込ませ
る。つまり、出力軸３に対する円筒部材１０の周方向位
置は、軸方向溝１１に突起１３が嵌合することにより固
定され、出力軸３に対する円筒部材１０の軸方向位置
は、その端部が周方向溝１２に食い込むことにより固定
されている。

【００１９】また、出力軸３の入力軸２側端部には、ト
ーションバー４とのスプライン結合用のスプライン孔３
Ｂが同軸に形成されるとともに、そのスプライン孔３Ｂ
の端面側内周面には、メスストッパ１４が形成されてい
る。メスストッパ１４は、図４に詳細に図示されるよう
に、内周面が径方向外側に凹んだ四つの凹部１４Ａを有
する十字形の孔である。

【００２０】そして、メスストッパ１４に対応して、入
力軸２の端部には、オスストッパ１５が形成されてい
る。オスストッパ１５は、図２に詳細に図示されるよう
に、外周面が径方向外側に突出した四つの凸部１５Ａを
有する十字形の軸であって、各凸部１５Ａの周方向の幅
は、凹部１４Ａの周方向の幅よりも若干小さくなってい
て、これにより、入力軸２及び出力軸３間の相対回転を
所定角度範囲（±５度程度）に規制するようになってい
る。

【００２１】一方、円筒部材１０の組立後に大径部２Ａ
を包囲する部分には、突起１３から遠い側に、周方向に
等間隔離隔した長方形の複数の窓１０ａが形成され、突
起１３に近い側に、窓１０ａ，…，１０ａと位相が１８
０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１０ｂが形成されている。

【００２２】これに対し、入力軸２の大径部２Ａには、
軸方向に延びる複数の溝２ａが等間隔に形成されてい
る。但し、溝２ａの本数は、窓１０ａ，１０ｂのそれぞ
れの個数と同じである。

【００２３】そして、入力軸２と出力軸３との間に相対
回転が生じていないとき（操舵トルクが零のとき）に、
各溝２ａの幅方向中心と、窓１０ａの幅方向中心との位
相が９０度となるように位置し、各溝２ａの幅方向中心
と、窓１０ｂの幅方向中心との位相が逆方向に９０度と
なるように位置するようになっている。

【００２４】つまり、入力軸２，出力軸３，トーション
バー４及び円筒部材１０を組み立てる際に、溝２ａと窓
１０ａ，１０ｂとの重なり具合が上述のようになるよう
に、入力軸２と円筒部材１０との位相合わせを行うこと
が必要なのであるが、円筒部材１０は出力軸３に固定さ
れるものであり、入力軸２及び出力軸３はトーションバ
ー４を介して結合されるものであるため、各部の位相関
係を以下のように決定する。

【００２５】先ず、操舵トルクが零の際には、入力軸２
に形成されたオスストッパ１５と、出力軸３に形成され
たメスストッパ１４とが中立位置で組み合わされる、つ
まり凹部１４Ａの中央部に凸部１５Ａが位置すればよい
のであるから、オスストッパ１５の各凸部１５Ａの周方
向位置を入力軸２の各部位の位相を考える際の基準と
し、メスストッパ１４の各凹部１４Ａの周方向位置を出
力軸３の各部位の位相を考える際の基準とする。

【００２６】そこで、入力軸２に関しては、大径部２Ａ
に形成される溝２ａ，…，２ａの周方向位置を、凸部１
５Ａを基準に決定する。これに対し、出力軸３に関して
は、大径部３Ａの外周面に形成される軸方向溝１１，
…，１１の周方向位置を、凹部１４Ａを基準に決定す
る。

【００２７】さらに、円筒部材１０に関しては、各窓１
０ａ，…，１０ａ、１０ｂ，…，１０ｂの周方向位置
を、突起１３を基準に決定する。このように各部位の周
方向位置を決定すれば、組み立てる際には特に円筒部材
の位相合わせをしなくても、各溝２ａ，…，２ａと、各
窓１０ａ，…，１０ａ、１０ｂ，…，１０ｂとの位相関
係は、ストッパの中立合わせを行うことで上記のように
なる。

【００２８】そして、そのような位相関係を確実に得る
ためには、各部の加工精度が極めて重要である。そこ
で、本実施の形態では、入力軸２に関しては、溝２ａや
オスストッパ１５を冷間鍛造により入力軸２と一体に形
成するとともに、出力軸３に関しては、溝１１を冷間鍛
造により出力軸３と一体に形成することとしている。

【００２９】図１に戻って、上側ハウジング１Ａの内側
には、円筒部材１０を包囲するように、同一規格のコイ
ル２０Ａ，２０Ｂが巻き付けられたボビンを内周側に支
持する磁性材料からなるヨーク２０が固定されている。
但し、コイル２０Ａ，２０Ｂは円筒部材１０と同軸にな
っていて、一方のコイル２０Ａは、円筒部材１０の窓１
０ａ，…，１０ａが形成された部分を包囲し、他方のコ
イル２０Ｂは、円筒部材１０の窓１０ｂ，…，１０ｂが
形成された部分を包囲している。

【００３０】そして、各コイル２０Ａ，２０Ｂの端部２
０ａは、上側ハウジング１Ａに形成されたセンサケース
２１内に収容された基板２２に接続されていて、基板２
２上には、図示しないモータ制御回路が構成されてい
る。モータ制御回路の具体的な構成は本発明の要旨では
ないため、詳細には説明しないが、例えば上記特開平８
−２４０４９１号公報に開示されるように、所定周波数
の交流電流をコイル２０Ａ，２０Ｂに供給する発振部
と、コイル２０Ａの自己誘導起電力を整流及び平滑して
出力する第１整流平滑回路と、コイル２０Ｂの自己誘導
起電力を整流及び平滑して出力する第２整流平滑回路
と、第１，第２整流平滑回路の出力の差を増幅して出力
する差動アンプと、差動アンプの出力から高周波ノイズ
を除去するノイズ除去フィルタと、ノイズ除去フィルタ
の出力に基づいて入力軸２及び円筒部材１０の相対回転
変位の方向及び大きさを演算しその結果に例えば所定の
比例定数を乗じて操舵系に発生している操舵トルクを求
めるトルク演算部と、トルク演算部の演算結果に基づい
て操舵トルクを軽減する操舵補助トルクが発生するよう
な駆動電流を電動モータ８に供給するモータ駆動部と、
を備えて構成することができる。

【００３１】次に、本実施の形態の動作を説明する。
今、操舵系が直進状態にあり、操舵トルクが零であるも
のとすると、入力軸２及び出力軸３間には相対回転は生
じない。従って、入力軸２と円筒部材１１との間にも相
対回転は生じない。

【００３２】これに対し、ステアリングホイールを操舵
して入力軸２に回転力が生じると、その回転力は、トー
ションバー４を介して出力軸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、入力軸２及び円
筒部材１０間にも相対回転が生じる。そして、その相対
回転の方向及び量は、ステアリングホイールの操舵方向
や発生している操舵トルクに応じて決まってくる。

【００３３】入力軸２及び円筒部材１０間に相対回転が
生じると、溝２ａと、窓１０ａ，…，１０ａ、１０ｂ，
…，１０ｂとの重なり具合が当初の状態から変化する
し、溝１０ａ，…，１０ａと溝１０ｂ，…，１０ｂとの
位相関係を上記のように設定しているため、溝２ａと窓
１０ａ，…，１０ａとの重なり具合と、溝２ａと窓１０
ｂ，…，１０ｂとの重なり具合とは、互いに逆方向に変
化する。

【００３４】その結果、入力軸２及び円筒部材１０間の
相対回転に応じて、コイル２０Ａの自己インダクタンス
と、コイル２０Ｂの自己インダクタンスとは、互いに逆
方向に変化するから、それらコイル２０Ａ，２０Ｂの自
己誘導起電力も互いに逆方向に変化するようになる。よ
って、コイル２０Ａ，２０Ｂの自己誘導起電力の差を求
めると、その差は、操舵トルクの方向及び大きさに従っ
てリニアに変化するようになる。その一方で、温度等に
よる自己インダクタンスの変化は、モータ制御回路内の
差動アンプにおいてキャンセルされる。

【００３５】そして、モータ制御回路内のトルク演算部
が、差動アンプの出力に基づいて操舵トルクを求め、モ
ータ駆動部が、その操舵トルクの方向及び大きさに応じ
た駆動電流を電動モータ８に供給する。すると、電動モ
ータには、操舵系に発生している操舵トルクの方向及び
大きさに応じた回転力が発生し、その回転力がウォーム
８ｂ及びウォームホイール７を介して出力軸３に伝達さ
れるから、出力軸３に操舵補助トルクが付与されたこと
になり、操舵トルクが減少し、運転者の負担が軽減され
る。

【００３６】そして、本実施の形態では、出力軸３の端
部に、複数の軸方向溝１１と、周方向溝１２とを形成
し、軸方向溝１１に円筒部材１０の突起１３を嵌合さ
せ、円筒部材１０の端部をかしめて周方向溝１２に食い
込ませているため、鉄製の出力軸３とアルミニウム製の
円筒部材１０という材料の異なる部材間であっても、熱
膨張係数の違いなどに起因して保持力が低減するような
こともない。このため、円筒部材１０の出力軸３に対す
る相対的な周方向位置や軸方向位置が当初の状態からず
れ、それがトルク検出値に含まれてしまう可能性を大幅
に低減できるのである。よって、安全性の点から高い信
頼性が必要な電動式パワーステアリング装置用のトルク
センサとして、極めて好適である。

【００３７】また、本実施の形態では、溝２ａ及びオス
ストッパ１５を冷間鍛造により入力軸２と一体に形成す
るとともに、軸方向溝１１を冷間鍛造により出力軸３と
一体に形成しているため、組立時の位相合わせが容易で
あり、製造コストの低減に寄与できるという利点もあ
る。

【００３８】ここで、本実施の形態では、入力軸２が第
２の回転軸に対応し、出力軸３が第１の回転軸に対応す
る。なお、上記実施の形態では、本発明に係るトルクセ
ンサを車両用の電動式パワーステアリング装置に適用し
た場合について説明したが、これに限定されるものでは
なく、他の用途のトルクセンサであっても、本発明は当
然に適用することができる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
第１の回転軸の円筒部材を固定する側の端部外周面に軸
方向に延びる複数の軸方向溝と周方向に連続した周方向
溝とを形成し、円筒部材の内周面に複数の軸方向溝のそ
れぞれに嵌合する複数の突起を形成し、軸方向溝に前記
突起を嵌合することにより円筒部材の回転を防止し、円
筒部材の前記周方向溝に外嵌する部分をかしめることに
よりその軸方向への変位を防止するようにしたため、第
１の回転軸に対する円筒部材の周方向位置及び軸方向位
置がずれる可能性を低減でき、信頼性の高いトルクセン
サとすることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態の全体構成を示す縦断面
図である。

【図２】実施の形態の要部を構成する各部材の斜視図で
ある。

【図３】出力軸端部の図２とは異なる方向からの斜視図
である。

【図４】出力軸端部の構成を示す図である。

【図５】トーションバーを組み込んだ状態での出力軸端
部の構成を示す図である。

【符号の説明】

１ハウジング２入力軸（第２の回転軸）２Ａ大径部２ａ溝３出力軸（第１の回転軸）４トーションバー１０円筒部材１１縦方向溝１２周方向溝１３突起１４メスストッパ１５オスストッパ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】同軸に配設され且つトーションバーを介
して連結された第１及び第２の回転軸を有し、前記第１
の回転軸の端部に、前記第２の回転軸の少なくとも一部
分を包囲するように円筒部材を固定し、その円筒部材
と、前記第２の回転軸との重なり状態に基づいてトルク
を検出するようになっているトルクセンサにおいて、前記第１の回転軸の前記円筒部材を固定する側の端部外
周面に、軸方向に延びる複数の軸方向溝と、周方向に連
続した周方向溝と、を形成し、前記円筒部材の内周面には、前記複数の軸方向溝のそれ
ぞれに嵌合する複数の突起を形成し、前記軸方向溝に前記突起を嵌合することにより、前記円
筒部材の前記第１の回転軸に対する相対回転を防止し、
前記円筒部材の前記周方向溝に外嵌する部分をかしめる
ことにより、前記円筒部材の前記第１の回転軸に対する
軸方向への相対変位を防止するようになっていることを
特徴とするトルクセンサ。