JP3654012B2 - トルクセンサ - Google Patents

Description

【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、軸方向長さの短縮化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。
しかし、トルクセンサの小型化という要求は尽きることがなく、特に車両のパワーステアリング装置等のように配設スペース上の制約が大きいものにトルクセンサを適用する場合、装置の小型化は極めて重要である。
【０００４】
本発明は、このような技術的課題に着目してなされたものであって、さらなる小型化が図られるトルクセンサを提供することを目的としている。
【０００５】
【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の回転軸の前記第２の回転軸側の端面に凹部を形成し、その凹部の内側に前記円筒部材の端部を固定することにより、それら第１の回転軸及び円筒部材を、回転方向及び軸方向に一体とした。
【０００６】
円筒部材は、第１の回転軸の端面の凹部内周面に固定することができる。その場合、例えば、凹部内周面に、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、円筒部材の端部外周面には、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、そして、前記軸方向溝に前記突起を嵌合することにより、第１の回転軸及び円筒部材を回転方向に一体とし、前記円筒部材の前記周方向溝の内側に位置する部分を外側にかしめることにより、第１の回転軸及び円筒部材を軸方向に一体とすることができる。
【０００７】
本発明の構成であれば、円筒部材の端部が第１の回転軸の凹部内に入り込んでいるため、その第１の回転軸の外周面を有効に活用することができる。例えば、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場合であって、第１の回転軸及び第２の回転軸を操舵系の一部に組み入れ、第２の回転軸をトルクセンサの入力軸側（ステアリングホイール側）に、第１の回転軸をトルクセンサの出力軸側（車輪側）に配設した場合には、その第１の回転軸の凹部形成部分の外周面に、電動モータで発生した操舵補助トルクを伝達する歯車を外嵌させることにより、円筒部材の取付部分の軸方向位置と、歯車の軸方向位置とをオーバーラップさせることができる。また、例えば、第１の回転軸をハウジングに対して回転自在に支持するための軸受を、その第１の回転軸の凹部形成部分の外周面に配設することにより、円筒部材の取付部分の軸方向位置と、軸受の軸方向位置とをオーバーラップさせることができる。
【０００８】
【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３は本発明の第１の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。
【０００９】
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は鉄等の磁性材料から形成されている。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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側端部に固定されている。
具体的には、出力軸３の入力軸２側端部は、大径部３Ａとなっていて、その大径部３Ａの外周面に上述のウォームホイール７が外嵌するとともに、その大径部３Ａの内側には、三段の孔１１が形成されている。即ち、図１の要部拡大図である図３に詳細に示すように、出力軸３の入力軸２側の端面３Ｂに形成された孔１１は、端面３Ｂ側から、円筒部材１０固定用の上段孔１１Ａと、後述のストッパ形成用の中段孔１１Ｂと、トーションバー４結合用の下段孔１１Ｃと、から構成されている。
【００１４】
上段孔１１Ａは、円筒部材１０の外径寸法よりも若干大きな内径寸法を有していて、底の部分（中段孔１１Ｂとの境目）には、周方向に連続した円周溝１１ａが形成されている。そして、円筒部材１０の端部を上段孔１１Ａ内に挿入した後に、その円筒部材１０の挿入した側の先端を拡径方向にかしめて円周溝１１ａに食い込ませることにより、円筒部材１０を上段孔１１Ａ内に固定し、円筒部材１０と出力軸３とを回転方向及び軸方向に一体とするようになっている。
【００１５】
中段孔１１Ｂは、入力軸２と出力軸３との相対回転を所定角度範囲（例えば、±５度程度）に規制するためのストッパ構造のメスストッパを構成する孔であって、上段孔１１Ａよりも小径で、内周面が径方向外側に凹んだ四つの凹部を有する十字形の孔である。
【００１６】
下段孔１１Ｃは、トーションバー４の下端部を結合するためのスプライン孔であって、中段孔１１Ｂよりも小径である。
そして、メスストッパを構成する中段孔１１Ｂ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、中段孔１１Ｂに形成された凹部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に規制するようになっている。
【００１７】
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、端面３Ｂ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、端面３Ｂに近い側に、窓１０ａ，…，１０ａ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１０ｂが形成されている。
【００１８】
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。
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。
【００１９】
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いつつ、円筒部材１０を出力軸３に固定するようになっている。
【００２０】
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１０ａ，…，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。
【００２１】
そして、各コイル２０Ａ，２０Ｂの端部２０ａ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２２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。
【００２２】
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１０との間にも相対回転は生じない。
【００２３】
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。
【００２４】
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、窓１０ａ，…，１０ａと窓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１０ｂ，…，１０ｂとの重なり具合とは、互いに逆方向に変化する。
【００２５】
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、コイル２０Ａのインピーダンスと、コイル２０Ｂのインピーダンスとは、同じく互いに逆方向に変化し、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。
【００２６】
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。
【００２７】
さらに、本実施の形態では、出力軸３の端面３Ｂに孔１１を形成し、その孔１１の端面３Ｂ側の上段孔１１Ａ内に円筒部材１０を固定する一方、孔１１が形成された大径部３Ａの外周面にウォームホイール７を外嵌しているため、その円筒部材１０の出力軸３に対する固定部位と、ウォームホイール７の出力軸３に対する固定部位とが、軸方向でオーバーラップしている。このため、この電動パワーステアリング装置の入力軸２及び出力軸３を含む部分の軸方向寸法を、円筒部材１０を出力軸３の外周面に固定する場合に比べて、短縮できる。よって、本実施の形態の構成は、配設スペース上の制約が大きい車両の電動パワーステアリング装置として極めて好適である。
【００２８】
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の回転軸に対応し、上段孔１１Ａが凹部に対応する。
図４は本発明の第２の実施の形態を示す図であって、この実施の形態も、上記第１の実施の形態と同様に、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る。なお、上記第１の実施の形態と同様の構成には、同じ符号を付し、その重複する説明は省略する。
【００２９】
即ち、本実施の形態の電動パワーステアリング装置は、直動するラック軸６に対して例えば直動モータ（図示せず）によって操舵補助トルクを付与するタイプであって、従って、上記第１の実施の形態のようなウォームホイール７や電動モータ８は有していない。
【００３０】
そこで、本実施の形態では、出力軸３の大径部３Ａの外周面と、下側ハウジング１Ｂの内周面との間に軸受５ｂを配設することにより、その軸受５の配設位置と、円筒部材１０の出力軸３に対する固定部位とが、軸方向でオーバーラップするようにしている。このため、本実施の形態の構成であっても、電動パワーステアリング装置の入力軸２及び出力軸３を含む部分の軸方向寸法を、円筒部材１０を出力軸３の外周面に固定する場合に比べて、短縮でき、上記第１の実施の形態と同様の効果が得られる。
【００３１】
なお、軸受５ｂは、大径部３Ａに外嵌することになるため、ハウジング１Ｂの外径寸法をできるだけ小さくするためには、玉軸受よりもころ軸受を採用することが望ましい。
図５乃至図８は本発明の第３の実施の形態を示す図であって、この実施の形態も、上記第１の実施の形態と同様に、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る。なお、電動パワーステアリング装置としての全体構成は上記第１の実施の形態又は第２の実施の形態と同様であるため、その図示及び説明は省略するとともに、上記第１及び第２の実施の形態と同様の構成には、同じ符号を付し、その重複する説明は省略する。
【００３２】
即ち、本実施の形態では、円筒部材１０の出力軸３への固定構造が、上記第１及び第２の実施の形態とは異なっている。具体的には、図２と同様の斜視図である図５と、出力軸３の大径部３Ａ側端部並びに円筒部材１０の断面図である図６とに示すように、孔１１の上段孔１１Ａ内周面には、中段孔１１Ｂとの境目よりも若干端面３Ａ側に寄った位置に、周方向に連続した断面半円形の周方向溝１２ａが形成されるとともに、端面３Ｂ側の開口部から周方向溝１２ａに至る軸方向に連続した複数の軸方向溝１２ｂが形成されている。各軸方向溝１２ｂは、互いに周方向に等間隔（９０度）離れて、計４本形成されている。
【００３３】
一方、円筒部材１０の上段孔１１Ａに差し込まれる側の端部外周面には、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の個数及び周方向形成位置は、軸方向溝１２ｂ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、円筒部材１０の上段孔１１Ａに差し込まれる側の端部から突起１３までの軸方向距離は、上段孔１１Ａ及び中段孔１１Ｂの境目から周方向溝１２ａまでの軸方向距離よりも長くなっている（前者は、後者の二倍程度）。また、突起１３の高さは、軸方向溝１２ｂの深さと同程度である。
【００３４】
そして、円筒部材１０を出力軸３に固定する際には、その端部を上段孔１１Ａに挿入させつつ、その回転方向位置を調整し、各突起１３を各軸方向溝１２ｂに合わせて円筒部材１０の出力軸３に対する周方向の位置決めを行い、各軸方向溝１２ｂに各突起１３を沿わせながら円筒部材１０の端部を上段孔１１Ａにさらに押し込み、図７に示すように、円筒部材１０の端部を上段孔１１Ａの底に押し当てる。その状態で、図８に示すように、円筒部材１０の周方向溝１１ａの内側にある部分を拡径方向にかしめ、円筒部材１０の外周面に、周方向溝１１ａに嵌合する周方向に連続した凸部を形成する。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１２ｂ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、その外周面が周方向溝１１ａに食い込むことにより固定されている。
【００３５】
よって、本実施の形態であっても、上記第１、第２の実施の形態と同様の効果が得られる。
さらに、本実施の形態では、周方向溝１２ａ、軸方向溝１２ｂ及び突起１３を利用して出力軸３に対する円筒部材１０の位置決めを行えるため、下記のように各部の位置関係を決めることにより、組立時の各構成部材同士の位置決めが容易に且つ高精度に行えるという利点もある。
【００３６】
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の中段孔１１Ｂに形成されたメスストッパとが中立位置で組み合わされる、つまりメスストッパの凹部の中央部に凸部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、メスストッパの各凹部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。
【００３７】
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１５Ａを基準に決定する。
これに対し、出力軸３に関しては、上段孔１１Ａ内の各軸方向溝１２ｂの周方向位置を、中段孔１１Ｂ内のメスストッパの凹部を基準に決定する。
【００３８】
さらに、円筒部材１０に関しては、各窓１０ａ，…，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。
【００３９】
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、さらに望ましくは、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、軸方向溝１２ｂを冷間鍛造により出力軸３と一体に形成する。
【００４０】
さらに、本実施の形態では、上段孔１１Ａ内に、周方向溝１２ａと複数の軸方向溝１２ｂとを形成し、軸方向溝１２ｂ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１２ａ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という利点もある。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。
【００４１】
なお、上記各実施の形態では、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。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第１の回転軸の第２の回転軸側の端面に凹部を形成し、その凹部の内側に円筒部材の端部を固定することにより、それら第１の回転軸及び円筒部材を回転方向及び軸方向に一体としたため、トルクセンサを適用した装置の軸方向寸法を短くでき、配設スペース上の制約が大きい適用対象に好適に用い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】本発明の第１の実施の形態の全体構成を示す断面図である。
【図２】構成の一部を分解した各部材の斜視図である。
【図３】図１の部分拡大図である。
【図４】第２の実施の形態の全体構成を示す断面図である。
【図５】第３の実施の形態における構成の一部を分解した各部材の斜視図である。
【図６】第３の実施の形態の要部の断面図である。
【図７】組立手順の途中状態を説明する断面図である。
【図８】組立手順の完了状態を説明する断面図である。
【符号の説明】
１ ハウジング
２ 入力軸（第２の回転軸）
３ 出力軸（第１の回転軸）
４ トーションバー
１０ 円筒部材
１１Ａ 上段孔（凹部）
１２ａ 周方向溝
１２ｂ 軸方向溝
１３ 突起

Claims (1)

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の回転軸の前記第２の回転軸側の端面に凹部を形成し、その凹部の内側に前記円筒部材の端部を固定することにより、それら第１の回転軸及び円筒部材を、回転方向及び軸方向に一体としたことを特徴とするトルクセンサ。

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