JP3672014B2 - Electric power steering device - Google Patents

Description

ただし、
μ：透磁率
Ｈ_０：磁界
σ：導電率
ω：励磁周波数の角速度
【数２】

【０００７】
従来技術のトルクセンサにおいて、電動モータの補助操舵力等をに基づくねじりトルクを受ける出力軸は、その強度を確保するため、及びトルク検出特性を変化させる錆の発生を抑止するために、磁性ステンレス材料又はメッキされた構造用鋼から形成されることが多い。ところが、数１によれば、これらの材料は導電性を有するため、交番磁界中においてはいわゆる表皮効果が生じ、トルク検出に必要な磁束は、材料の表面近傍にのみ生じることが判る。又、数１より、磁界の位相も、材料表面からの距離に応じて遅れることが判る。かかる位相遅れにより、材料の表面から深い部分では、表面近傍とは逆向きの自発磁化を生じることとなって、材料全体で発生する自発磁化量を相殺してしまい、それによりトルクセンサの検出感度の向上が妨げられるものと考えられる。
【０００８】
かかる現象は、材料の表面からの深さが深いこと、すなわち素材が中実であったり、中空でもある程度の厚さがあることに起因して発生するものである。そこで、本発明は、外周に軸線方向に延在する複数の凹部を形成した凹部部材を、磁性材料薄板部材から形成するものである。かかる本発明によれば、凹部部材を薄板部材により形成しても、表皮効果によって、その表面近傍にのみ自発磁化が生じるので、トルクセンサの検出感度が低下することがない。一方、凹部部材の最も表面から遠い部分においても、大きな磁界の位相遅れが生じないことから、凹部部材全体で発生する自発磁化量を相殺することがないので、むしろトルクセンサの検出感度は増大することとなる。
【０００９】
尚、本明細書において用いる薄板には、筒状の板部材と平板部材などを含むがこれらに限られない。更に凹部とは、外周に対して半径方向内方に引き込まれた部分をいい、例えば溝が含まれるがこれに限られず、溝の底がないような仕切られた空間も含む。
【００１０】
尚、前記磁性材料薄板は、フェライト又はマルテンサイト系のステンレスであれば、錆の発生を抑止できるため好ましい。又、前記磁性材料薄板の厚さは、表皮深さ√（２／（ωσπ））のπ倍以下であると、磁束密度の波長の周期が２πＤであることから、最も材料の奥側でもその半周期以下となり、従って逆側の磁界の位相遅れを防止できるため好ましい。
【００１１】
【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は、本発明の実施の形態である電動式のパワーステアリング装置を、入力軸の軸線に沿って切断して示す断面図である。
【００１２】
図１において、本体１ａと蓋部材１ｂとからなるハウジング１内を、入力軸２および出力軸３が延在している。中空の入力軸２は、上端を図示しないステアリングシャフトに連結されており、更にステアリングシャフトは図示しないステアリングホイールに連結されている。入力軸２は、軸受４によりハウジング１に対して回転自在に支持されている。上端を入力軸２にピン結合され、下端を出力軸３に圧入により連結したトーションバー５が、入力軸２内を延在している。
【００１３】
入力軸２の下端周囲において、受けたトルクに比例してトーションバー５がねじれることに基づき、操舵トルクを検出する検出装置すなわちトルクセンサ６が設けられている。詳細は後述するこのトルクセンサ６は、非接触トルクセンサであって、トーションバー５のねじれに基づく入力軸２と出力軸３との相対角度変位を、所定の磁気回路におけるインピーダンスの変化としてコイルにより検出し、電気信号として不図示の制御回路へ出力するものである。
【００１４】
出力軸３の中央部にはピニオン歯車３ａが形成されており、紙面垂直方向に延在するラック軸１１のラック歯１１ａと噛合している。ラック軸１１は、ラックガイド１２ａ、スプリング１２ｂ、ロック部材１２ｃからなる公知のラックサポート装置１２により背面から支持され、ピニオン歯車３ａに向かって押圧されている。
【００１５】
出力軸３の上方端外周には、ウォームホイール１３が圧入等により固定的に取り付けられている。ウォームホイール１３は、不図示の電動モータの回転軸３０に連結されたウォーム３０ａと噛合している。この電動モータは、不図示の制御回路に連結されているが、かかる制御回路は、トルクセンサ６の出力や車速等の情報を入力し、所定の電力を電動モータに供給して適切な補助トルクを発生させるものである。
【００１６】
出力軸３は、軸受１４，１５により回転自在に支持されている。より具体的には、出力軸３の上方端におけるウォームホイール１３の近傍に、上方軸受１４が嵌合している。更に、出力軸３の下方端には下方軸受１５が嵌合している。下方軸受１５の外輪は、ねじカバー９をハウジング１に対してねじ込むことにより、ハウジング１の段部１ｄに対して固定されるようになっている。一方、下方軸受１５の内輪は、ナット１７を出力軸３に対してねじ込むことにより、出力軸３に対して取り付けられるようになっている。なお軸受１５は、アキシャルガタの少ないアンギュラコンタクトタイプであるので、かかる軸受１５を用いることにより、出力軸３の軸線方向の位置決めができる。
【００１７】
図２は、入力軸２の一部，出力軸３及びトーションバー５の分解図である。図２に示すように、出力軸３の入力軸２に近接した部分の外周面には、出力軸３と同軸に、星形の溝部材３Ａが例えばプロジェクション溶接などで固定される。凹部部材としての溝部材３Ａの厚さは、表皮深さ√（２／（ωσπ））のπ倍以下である。フェライト又はマルテンサイト（すなわち磁性）ステンレスから形成された溝部材３Ａを包囲するように、肉薄の円筒部材１０が配設されている。
【００１８】
かかる円筒部材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、その上端部が、入力軸２の出力軸３側端部外周面に固定されている。
【００１９】
具体的には、入力軸２の出力軸３側端部には、大径部２Ａが形成されていて、その大径部２Ａ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（図２で裏側に位置する二本の溝は図示せず）と、周方向に連続した周方向溝１２とが形成されている。
【００２０】
各軸方向溝１１は、互いに周方向に等間隔（この例では９０度）離れて、大径部２Ａの上下端部間にわた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の上端部が位置する付近に形成されている。
【００２１】
一方、円筒部材１０の内周面には、その上端部から若干入り込んだ位置に、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、入力軸２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（この例では９０度）離れている。
【００２２】
円筒部材１０を大径部２Ａ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の入力軸２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、入力軸２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が係合することにより固定され、入力軸２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。
【００２３】
また、入力軸２の出力軸３側端部には、メスストッパ２４（図１）が形成されている。メスストッパ２４は、例えば内周面が径方向外側に凹んだ四つの凹部からなる十字形の孔である。
【００２４】
そして、メスストッパ２４に対応して、出力軸３の端部には、オスストッパ２５が形成されている。オスストッパ２５は、例えば外周面が径方向外側に突出した四つの凸部を有する十字形の軸であって、各凸部の周方向の幅は、メスストッパ２４の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（±５度程度）に規制するようになっている。尚、オスストッパ２５の軸方向長さは、嵌合部材３Ａの全長より長く形成されており、後述するようにして嵌合部材３Ａを嵌合させたときに、オスストッパ２５の上端が突出し、かかる突出部がメスストッパ２４に内包されることとなる。
【００２５】
一方、円筒部材１０を組み付けた状態で、溝部材３Ａを包囲する部分には、突起１３に近い側に、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から遠い側に、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。
【００２６】
図３は、溝部材３Ａを軸線方向に見た図である。図３に示すように、凹部部材としての溝部材３Ａは薄板部材の円筒をプレスして周方向に凹凸を形成するように加工され、それにより軸方向に延びる複数の凹部すなわち溝３ａが等間隔に形成されている。但し、溝３ａの本数は、窓１０ａ，１０ｂのそれぞれの個数と同じである。
【００２７】
本実施の形態によれば、各部材を組み付けた状態で、入力軸２と出力軸３との間に相対回転が生じていない状態（操舵トルクが零の状態）では、各溝３ａ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３ａ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。
【００２８】
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。
【００２９】
本実施の形態においては、トルクセンサ６は、溝部材３Ａと、円筒部材１０と、コイル２０Ａ、２０Ｂとから構成される。
【００３０】
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（不図示）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１０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５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、円筒部材１０及び出力軸３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】
円筒部材１０及び入力軸２間に相対回転が生じると、溝３ａ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３ａと窓１０ａ，・・・，１０ａとの重なり具合と、溝３ａと窓１０ｂ，・・・，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（巨視的に見れば正弦波状の変化であるが使用範囲においては略リニア）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】
更に、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不図示の電動モータに供給する。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３０ａ及びウォームホイール１３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】
本実施の形態によれば、溝部材３Ａを薄板部材により形成しても、表皮効果によって、その表面近傍にのみ自発磁化が生じるので、トルクセンサ６の検出感度が低下することがない。一方、溝部材の最も表面から遠い部分においても、大きな磁界の位相遅れが生じないことから、溝部材全体で発生する自発磁化量を相殺することがないので、むしろトルクセンサの検出感度は増大することとなる。
【００３７】
更に、溝部材３Ａを形成する磁性材料薄板が、フェライト又はマルテンサイト系のステンレスであるので、錆の発生を抑止できる。又、溝部材３Ａの厚さが、表皮深さ√（２／（ωσπ））のπ倍以下であるので、数１に基づき、逆側の磁界の位相遅れを防止できる。
【００３８】
図４は、本実施の形態の変形例を示す図である。図４に示すように、薄板部材から形成された溝部材１０３Ａは、８個の凹部１０３ａを有している。従って、これに応じて、円筒部材の窓も８個にする必要があるが、それ以外の構成については同様であるので、説明は省略する。
【００３９】
本実施の形態においては、隣接する溝部１０３ａの間には凸部１０３ｂが形成されているが、かかる凸部１０３ｂは、略台形形状すなわち、半径方向外方に向いた２つの角部がとがった形状を有している。かかる角部が形成されているので、トルクセンサ６の検出感度がより向上する。
【００４０】
図５は、第２の実施の形態を示す図２と同様な図である。図５に示す本実施の形態においては、図２の実施の形態に対し、溝部材３Ａの代わりに凹部部材２０３Ａを設けている点が異なり、その他の点は共通するので共通する部分についての説明は省略する。
【００４１】
溝部材３Ａは、円筒部材を周方向にプレスすることによって形成するが、凹部部材２０３Ａは、一枚の平板金をプレスで型抜きすることによりより低コストに製造できる。
【００４２】
図６は、凹部部材２０３Ａを軸線方向に見た図であり、図７は、凹部部材２０３Ａの製造態様を説明するための図である。図面を参照して、凹部部材２０３Ａの製造態様について説明する。まず、薄い平板金をプレスで型抜きし、図７（ａ）に示すような梯子状部材２０１を形成する。梯子状部材２０１は、両側に延在する連結部２０１ａ、２０１ｂと、連結部２０１ａ、２０１ｂを連結する複数の柱部２０１ｃとからなる。尚、連結部２０１ａ、２０１ｂに連結する柱部２０１ｃの端部２０１ｄは、より幅が狭くなっている。
【００４３】
次に、図７（ｂ）に示すように、梯子状部材２０１の各柱部２０１ｃの長手方向両側を全体にわたって折り曲げる。その端部２０１ｄが狭くなっているので、折り曲げは容易である。また、連結部２０１ａ、２０１ｂの端部２０１ｅ、２０１ｆに段差を付ける。最後に、図７（ｃ）に示すように、梯子状部材２０１を円筒状に巻いて、連結部２０１ａ、２０１ｂの両端を溶接する。このとき、一方の端部２０１ｅ、２０１ｆに段差を付けているので、図６に示す如く、梯子状部材２０１は、略真円筒の凹部部材２０３Ａとして形成できる。
【００４４】
本実施の形態においては、凹部部材２０３Ａは、出力軸３の外周に圧入されて取り付けられる。このとき、両側を軸線方向に折り曲げられた柱部２０１ｃの奥縁が、出力軸３（図６の一点鎖線）の外周に突き当たり、溝２０１ｓを形成するようになっている。このように、凹部部材２０３Ａが薄板部材から形成されているので、上述した実施の形態と同様に、トルクセンサの検出感度を向上させることできる。
【００４５】
図８は、本実施の形態の第１の変形例を示す図である。図８に示すように、柱状部材の一方の端部２１１ｅをフック形状として、他方の端部に孔２１１ｇを設け、孔２１１ｇに端部２１１ｅを係合させることによって、凹部部材２０３Ｂを形成するようにしても良い。
【００４６】
図９は、本実施の形態の第２の変形例を示す図であり、図１０は、本実施の形態の第３の変形例を示す図である。図９の凹部部材２０３Ｃは、図６の実施の形態に対して、柱部の数をより増大したものであり、図１０の凹部部材２０３Ｄは、図８の変形例に対して、柱部の数をより増大したものである。
【００４７】
図１１は、第３の実施の形態を示す図５と同様な図である。図１１に示す本実施の形態においては、図５の実施の形態に対し、凹部部材２０３Ａの内側に導電性非磁性の円筒部材４０１を内挿した点のみが異なり、その他の点は共通するので共通する部分についての説明は省略する。
【００４８】
すなわち、凹部部材２０３Ａの内側に、導電性非磁性の円筒部材４０１を内挿すると、出力軸３が円筒部材４０１により磁気的にシールド状態に維持され、それにより、凹部部材２０３Ａと出力軸３とによって形成される溝の底における自発磁化を抑制して、凹部部材２０３Ａ全体に生じる磁束密度を増大させて、トルクセンサの感度を上昇させることができる。
【００４９】
尚、出力軸３と溝部材３Ａ又は凹部部材２０３Ａとを一体で形成しようとすると、センサとしての強磁性と耐食性と、操舵軸の強度とを満足させるため、高価なマルテンサイト系ステンレス鋼を用い、熱処理を行って形成する必要があったが、本実施の形態によれば、出力軸３は、操舵軸の強度のみを満足すれば足りるため、安価な構造用鋼を用い、熱処理することなく冷間鍛造による加工硬化によって強度を確保できるので、製造コストをより低減できる。又、嵌合部材３Ａは、強度を必要としないため、磁気特性の良好な材料を用いて形成でき、検出感度の向上を図ることができる。
【００５０】
以上、実施の形態を参照して本願発明を詳細に説明してきたが、本願発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきでなく、その趣旨を損ねない範囲で適宜変更、改良可能であることはもちろんである。たとえば、溝部材や凹部部材の固定は、溶接や圧入に限らず、カシメなど他の態様でも良い。
【００５１】
【発明の効果】
本発明のトルクセンサによれば、製造コストを低く抑えながら、より検出感度を向上させたトルクセンサを有する電動式パワーステアリング装置が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態である電動式のパワーステアリング装置を、入力軸の軸線に沿って切断して示す断面図である。
【図２】入力軸２（端部のみ），出力軸３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３】溝部材３Ａを軸線方向に見た図である。
【図４】本実施の形態の変形例を示す図である。
【図５】第２の実施の形態を示す図２と同様な図である。
【図６】凹部部材２０３Ａを軸線方向に見た図である。
【図７】凹部部材２０３Ａの製造態様を説明するための図である。
【図８】本実施の形態の第１の変形例を示す図である。
【図９】実施の形態の第２の変形例を示す図である。
【図１０】本実施の形態の第３の変形例を示す図である。
【図１１】第３の実施の形態を示す図５と同様な図である。
【符号の説明】
１ ハウジング
２ 入力軸
３ 出力軸）
３Ａ 溝部材
３ａ 溝
２０３Ａ 凹部部材
２０３ｓ 溝
５ トーションバー
６ トルクセンサ
１０ 円筒部材[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electric power steering apparatus, and more particularly to an electric power steering apparatus that can detect steering torque with high accuracy and perform steering control.
[0002]
[Prior art]
In an electric power steering device installed in a vehicle, a torque sensor is provided to detect steering torque for use in motor drive control. As a conventional example of such a torque sensor, for example, there is one disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 8-240491 previously proposed by the present applicant. The torque sensor disclosed in this gazette connects an input shaft and an output shaft arranged coaxially via a torsion bar, and connects a cylindrical member made of a conductive and nonmagnetic material to the outer periphery of the output shaft. A groove extending in the axial direction of the magnetic material is formed in at least a portion of the output shaft surrounded by the cylindrical member so as to surround the input shaft in the rotational direction, and is formed in the cylindrical member. The window is formed so that the degree of overlap with the groove changes according to the relative rotational position with respect to the output shaft, and the coil is arranged so as to surround the portion of the cylindrical member where the window is formed. Set up. According to such a torque sensor, the torque is detected based on the spontaneous magnetization generated in the enveloped portion due to the phase angle difference between the enveloped portion and the cylindrical member, thereby enabling high accuracy with a simple structure. Torque can be detected, and the apparatus can be downsized.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Here, when it is going to improve the detection sensitivity of a torque sensor more, it is possible to improve the spontaneous magnetization of an enclosure part. However, for that purpose, it is necessary to take measures such as replacing the magnetic material with a material having a higher magnetic permeability and a lower conductivity, which leads to an increase in cost.
[0004]
An object of the present invention is to provide an electric power steering apparatus having a torque sensor with improved detection sensitivity while keeping manufacturing costs low.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, an electric power steering apparatus according to the present invention includes a housing, an input shaft for inputting a steering force, an electric motor for generating a rotational force, an output shaft connected to a steering mechanism, A torsion bar that connects between the input shaft and the output shaft, a detection device that detects a torsion amount of the torsion bar, and a power transmission mechanism that transmits the rotational force from the electric motor to the output shaft. The detection device is provided on one of the input shaft and the output shaft, and is formed by bending a plurality of concave portions extending in the axial direction on the outer periphery by pressing a magnetic material thin plate, and A cylindrical member provided on the other of the input shaft and the output shaft and extending so as to surround at least a part of the concave member, and based on the overlapping state of the concave portion and the cylindrical member And it detects the torsion amount of the torsion bar.
[0006]
Here, the instantaneous value B _Z of the magnetic flux density, the distance from the material surface as x, represented by the number 1, the skin depth D is represented by the number 2.
[Expression 1]

However,
μ: permeability H ₀ : magnetic field σ: conductivity
ω: Angular velocity of excitation frequency [Equation 2]

[0007]
In the conventional torque sensor, the output shaft that receives the torsional torque based on the auxiliary steering force of the electric motor is magnetic stainless steel in order to ensure its strength and to suppress the occurrence of rust that changes the torque detection characteristics. Often formed from material or plated structural steel. However, according to Equation 1, since these materials have conductivity, it is understood that a so-called skin effect occurs in an alternating magnetic field, and a magnetic flux necessary for torque detection is generated only near the surface of the material. Further, it can be seen from Equation 1 that the phase of the magnetic field is also delayed according to the distance from the material surface. Due to this phase lag, spontaneous magnetization occurs in the direction deep from the surface of the material in the opposite direction to the vicinity of the surface, canceling out the amount of spontaneous magnetization generated in the entire material, and thereby the detection sensitivity of the torque sensor. It is thought that the improvement of this is hindered.
[0008]
Such a phenomenon occurs because the depth from the surface of the material is deep, that is, the material is solid or has a certain thickness even if it is hollow. Therefore, the present invention is to form a concave member in which a plurality of concave portions extending in the axial direction on the outer periphery is formed from a magnetic material thin plate member. According to the present invention, even when the recess member is formed of a thin plate member, spontaneous magnetization occurs only in the vicinity of the surface due to the skin effect, so that the detection sensitivity of the torque sensor does not decrease. On the other hand, since the phase lag of the large magnetic field does not occur even in the portion farthest from the surface of the recess member, the amount of spontaneous magnetization generated in the entire recess member is not canceled out, so that the detection sensitivity of the torque sensor increases. It will be.
[0009]
The thin plate used in this specification includes, but is not limited to, a cylindrical plate member and a flat plate member. Further, the concave portion refers to a portion drawn inward in the radial direction with respect to the outer periphery, and includes, for example, a groove, but is not limited thereto, and includes a partitioned space where there is no groove bottom.
[0010]
In addition, if the said magnetic material thin plate is a ferrite or a martensitic stainless steel, since generation | occurrence | production of rust can be suppressed, it is preferable. Further, when the thickness of the magnetic material thin plate is not more than π times the skin depth √ (2 / (ωσπ)), the period of the magnetic flux density wavelength is 2πD. This is preferable because it is less than a half cycle, and therefore the phase lag of the opposite magnetic field can be prevented.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an electric power steering device according to an embodiment of the present invention cut along the axis of an input shaft.
[0012]
In FIG. 1, an input shaft 2 and an output shaft 3 extend within a housing 1 composed of a main body 1a and a lid member 1b. The hollow input shaft 2 has an upper end connected to a steering shaft (not shown), and the steering shaft is connected to a steering wheel (not shown). The input shaft 2 is rotatably supported with respect to the housing 1 by a bearing 4. A torsion bar 5 whose upper end is pin-coupled to the input shaft 2 and whose lower end is connected to the output shaft 3 by press fitting extends through the input shaft 2.
[0013]
Around the lower end of the input shaft 2, a detection device, that is, a torque sensor 6 is provided for detecting a steering torque based on the torsion bar 5 being twisted in proportion to the received torque. The torque sensor 6, which will be described in detail later, is a non-contact torque sensor, and a relative angular displacement between the input shaft 2 and the output shaft 3 based on torsion of the torsion bar 5 is detected by a coil as an impedance change in a predetermined magnetic circuit. This is detected and output as an electric signal to a control circuit (not shown).
[0014]
A pinion gear 3a is formed at the center of the output shaft 3 and meshes with the rack teeth 11a of the rack shaft 11 extending in the direction perpendicular to the paper surface. The rack shaft 11 is supported from the back by a known rack support device 12 including a rack guide 12a, a spring 12b, and a lock member 12c, and is pressed toward the pinion gear 3a.
[0015]
A worm wheel 13 is fixedly attached to the outer periphery of the upper end of the output shaft 3 by press fitting or the like. The worm wheel 13 meshes with a worm 30a connected to a rotating shaft 30 of an electric motor (not shown). The electric motor is connected to a control circuit (not shown). The control circuit inputs information such as the output of the torque sensor 6 and the vehicle speed, and supplies predetermined electric power to the electric motor to obtain an appropriate auxiliary torque. Is generated.
[0016]
The output shaft 3 is rotatably supported by bearings 14 and 15. More specifically, the upper bearing 14 is fitted in the vicinity of the worm wheel 13 at the upper end of the output shaft 3. Further, a lower bearing 15 is fitted to the lower end of the output shaft 3. The outer ring of the lower bearing 15 is fixed to the step portion 1 d of the housing 1 by screwing the screw cover 9 into the housing 1. On the other hand, the inner ring of the lower bearing 15 is attached to the output shaft 3 by screwing a nut 17 into the output shaft 3. In addition, since the bearing 15 is an angular contact type with little axial backlash, the output shaft 3 can be positioned in the axial direction by using the bearing 15.
[0017]
FIG. 2 is an exploded view of a part of the input shaft 2, the output shaft 3, and the torsion bar 5. As shown in FIG. 2, a star-shaped groove member 3 </ b> A is fixed to the outer peripheral surface of a portion of the output shaft 3 near the input shaft 2 coaxially with the output shaft 3 by, for example, projection welding. The thickness of the groove member 3A as the concave member is not more than π times the skin depth √ (2 / (ωσπ)). A thin cylindrical member 10 is disposed so as to surround the groove member 3A formed of ferrite or martensite (ie, magnetic) stainless steel.
[0018]
The cylindrical member 10 is made of a conductive and nonmagnetic material (for example, aluminum), and an upper end portion thereof is fixed to the outer peripheral surface of the input shaft 2 side end portion of the input shaft 2.
[0019]
Specifically, a large-diameter portion 2A is formed at the end of the input shaft 2 on the output shaft 3 side, and a plurality of (in this example, 4 in the axial direction) are formed on the outer peripheral surface of the large-diameter portion 2A. 2) axial grooves 11 (two grooves located on the back side in FIG. 2 are not shown) and circumferential grooves 12 that are continuous in the circumferential direction.
[0020]
The axial grooves 11 are formed at equal intervals in the circumferential direction (90 degrees in this example) and are formed between the upper and lower end portions of the large diameter portion 2A. It is formed in the vicinity where the upper end of the cylindrical member 10 is located when fixed.
[0021]
On the other hand, a plurality of (four in this example) hemispherical protrusions 13 are formed on the inner peripheral surface of the cylindrical member 10 at a position slightly entering from the upper end portion thereof. The number and formation position of these protrusions 13 correspond to the axial grooves 11 of the input shaft 2, and thus the protrusions 13 are spaced apart from each other at equal intervals (90 degrees in this example).
[0022]
When the cylindrical member 10 is fixed to the large-diameter portion 2A, the projection 13 is fitted into the axial groove 11, thereby positioning the cylindrical member 10 with respect to the input shaft 2 in the circumferential direction. The end portion is pushed close to the circumferential groove 12, and in this state, the end portion of the cylindrical member 10 is caulked inward to bite into the circumferential groove 12. That is, the circumferential position of the cylindrical member 10 with respect to the input shaft 2 is fixed by engaging the projection 13 with the axial groove 11, and the axial position of the cylindrical member 10 with respect to the input shaft 2 is circumferential at its end. It is fixed by biting into the groove 12.
[0023]
A knife stopper 24 (FIG. 1) is formed at the end of the input shaft 2 on the output shaft 3 side. The female stopper 24 is, for example, a cross-shaped hole including four concave portions whose inner peripheral surface is recessed radially outward.
[0024]
A male stopper 25 is formed at the end of the output shaft 3 corresponding to the female stopper 24. The male stopper 25 is, for example, a cruciform shaft having four convex portions whose outer peripheral surfaces protrude radially outward, and the circumferential width of each convex portion is slightly larger than the circumferential width of the concave portion of the female stopper 24. As a result, the relative rotation between the input shaft 2 and the output shaft 3 is restricted to a predetermined angle range (about ± 5 degrees). The length of the male stopper 25 in the axial direction is longer than the total length of the fitting member 3A. When the fitting member 3A is fitted as described later, the upper end of the male stopper 25 protrudes, and the protrusion The part is included in the knife stopper 24.
[0025]
On the other hand, in a state where the cylindrical member 10 is assembled, a plurality of rectangular windows 10a that are equally spaced apart in the circumferential direction are formed on the side surrounding the groove member 3A on the side that surrounds the groove member 3A. In addition, a plurality of rectangular windows 10b that are equally spaced apart in the circumferential direction are formed so that the phases of the windows 10a,.
[0026]
FIG. 3 is a view of the groove member 3A as viewed in the axial direction. As shown in FIG. 3, the groove member 3A as a concave member is processed so as to form a concave / convex shape in the circumferential direction by pressing a thin plate member cylinder, whereby a plurality of concave portions or grooves 3a extending in the axial direction are equally spaced. Is formed. However, the number of the grooves 3a is the same as the number of the windows 10a and 10b.
[0027]
According to the present embodiment, in the state in which each member is assembled and no relative rotation occurs between the input shaft 2 and the output shaft 3 (the steering torque is zero), the width direction of each groove 3a The phase between the center and the width direction center of the window 10a is 90 degrees, and the phase between the width direction center of each groove 3a and the width direction center of the window 10b is 90 degrees in the opposite direction. It is supposed to be located.
[0028]
Returning to FIG. 1, inside the upper housing 1A, a yoke 20 made of a magnetic material that supports a bobbin around which coils 20A and 20B of the same standard are wound on the inner peripheral side so as to surround the cylindrical member 10 is fixed. Has been. However, the coils 20A and 20B are coaxial with the cylindrical member 10, and one coil 20A surrounds the portion of the cylindrical member 10 where the windows 10a, ..., 10a are formed, and the other coil 20B The portion of the cylindrical member 10 where the windows 10b,..., 10b are formed is surrounded.
[0029]
In the present embodiment, the torque sensor 6 includes a groove member 3A, a cylindrical member 10, and coils 20A and 20B.
[0030]
Ends 20a of the coils 20A and 20B are connected to a substrate 22 housed in a sensor case 21 formed in the upper housing 1A, and a motor control circuit (not shown) is configured on the substrate 22. . Since the specific configuration of the motor control circuit is not the gist of the present invention, it will not be described in detail. For example, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 8-240491, an alternating current having a predetermined frequency is applied to the coils 20A and 20B. An oscillating unit to be supplied to the coil, a first rectifying / smoothing circuit that rectifies and smoothes and outputs the self-induced electromotive force of the coil 20A, and a second rectifying and smoothing circuit that rectifies and smoothes and outputs the self-induced electromotive force of the coil 20B. A differential amplifier that amplifies and outputs the difference between the outputs of the first and second rectifying and smoothing circuits, a noise removal filter that removes high-frequency noise from the output of the differential amplifier, and an input shaft based on the output of the noise removal filter 2 and a torque calculating unit for calculating the direction and magnitude of the relative rotational displacement of the cylindrical member 10 and multiplying the result by, for example, a predetermined proportionality constant to obtain a steering torque generated in the steering system; A motor driving unit supplies a driving current such as the steering assist torque is generated to reduce the steering torque on the basis of the calculation result to the electric motor (not shown) of the arithmetic unit can be configured with a.
[0031]
Next, the operation of the present embodiment will be described.
Now, assuming that the steering system is in a straight traveling state and the steering torque is zero, no relative rotation occurs between the input shaft 2 and the output shaft 3. Therefore, no relative rotation occurs between the input shaft 2 and the cylindrical member 10.
[0032]
In contrast, when the steering wheel is steered and a rotational force is generated on the input shaft 2, the rotational force is transmitted to the output shaft 3 via the torsion bar 4. At this time, a resistance force corresponding to a frictional force such as a frictional force between the steered wheels and the road surface and a gear mesh of the rack and pinion type steering device is generated on the output shaft 3. In other words, relative rotation in which the output shaft 3 is delayed by twisting the torsion bar 5 occurs, and relative rotation also occurs between the cylindrical member 10 and the output shaft 3. The direction and amount of the relative rotation are determined according to the steering direction of the steering wheel and the generated steering torque.
[0033]
When relative rotation occurs between the cylindrical member 10 and the input shaft 2, the overlapping state of the groove 3a and the windows 10a, ..., 10a, 10b, ..., 10b changes from the initial state, and the groove 10a ,..., 10a and the grooves 10b,..., 10b are set as described above, so that the overlap between the grooves 3a and the windows 10a,. The overlapping state with the windows 10b,..., 10b changes in opposite directions.
[0034]
As a result, the self-inductance of the coil 20A and the self-inductance of the coil 20B change in opposite directions according to the relative rotation between the input shaft 2 and the cylindrical member 10, so that the self-induction of the coils 20A and 20B occurs. The power also changes in the opposite direction. Therefore, when the difference between the self-induced electromotive forces of the coils 20A and 20B is obtained, the difference is linear according to the direction and the magnitude of the steering torque (a macroscopic change is a sinusoidal change, but is approximately linear in the use range). To change. On the other hand, the change in self-inductance due to temperature or the like is canceled in the differential amplifier in the motor control circuit.
[0035]
Further, the torque calculation unit in the motor control circuit obtains the steering torque based on the output of the differential amplifier, and the motor drive unit supplies a drive current corresponding to the direction and magnitude of the steering torque to the electric motor (not shown). Supply. Then, a rotational force corresponding to the direction and magnitude of the steering torque generated in the steering system is generated in the electric motor, and the rotational force is transmitted to the output shaft 3 via the worm 30a and the worm wheel 13. Thus, the steering assist torque is applied to the output shaft 3, the steering torque is reduced, and the burden on the driver is reduced.
[0036]
According to the present embodiment, even if the groove member 3A is formed of a thin plate member, spontaneous magnetization occurs only in the vicinity of the surface due to the skin effect, so that the detection sensitivity of the torque sensor 6 does not decrease. On the other hand, since the phase lag of the large magnetic field does not occur even in the portion farthest from the surface of the groove member, the amount of spontaneous magnetization generated in the entire groove member is not canceled out, so the detection sensitivity of the torque sensor increases rather. It will be.
[0037]
Furthermore, since the magnetic material thin plate forming the groove member 3A is ferrite or martensitic stainless steel, the generation of rust can be suppressed. Further, since the thickness of the groove member 3A is not more than π times the skin depth √ (2 / (ωσπ)), the phase lag of the opposite magnetic field can be prevented based on the equation (1).
[0038]
FIG. 4 is a diagram showing a modification of the present embodiment. As shown in FIG. 4, the groove member 103A formed from a thin plate member has eight concave portions 103a. Accordingly, in accordance with this, the number of windows of the cylindrical member needs to be eight, but since the other configurations are the same, description thereof will be omitted.
[0039]
In the present embodiment, a convex portion 103b is formed between adjacent groove portions 103a, but the convex portion 103b has a substantially trapezoidal shape, that is, two corners facing outward in the radial direction. It has a shape. Since such a corner | angular part is formed, the detection sensitivity of the torque sensor 6 improves more.
[0040]
FIG. 5 is a view similar to FIG. 2 showing the second embodiment. The present embodiment shown in FIG. 5 differs from the embodiment shown in FIG. 2 in that a recess member 203A is provided instead of the groove member 3A, and the other points are the same. Is omitted.
[0041]
The groove member 3A is formed by pressing a cylindrical member in the circumferential direction. However, the recess member 203A can be manufactured at a lower cost by die-cutting one flat metal plate with a press.
[0042]
6 is a view of the recessed member 203A as viewed in the axial direction, and FIG. 7 is a view for explaining a manufacturing mode of the recessed member 203A. With reference to the drawings, a manufacturing mode of the recess member 203A will be described. First, a thin flat metal plate is die-cut with a press to form a ladder-like member 201 as shown in FIG. The ladder-like member 201 includes connecting portions 201a and 201b extending on both sides, and a plurality of pillar portions 201c that connect the connecting portions 201a and 201b. In addition, the end part 201d of the column part 201c connected to the connection parts 201a and 201b is narrower.
[0043]
Next, as shown in FIG.7 (b), the longitudinal direction both sides of each pillar part 201c of the ladder-shaped member 201 are bent over the whole. Since the end 201d is narrow, the bending is easy. Further, steps are provided on the end portions 201e and 201f of the connecting portions 201a and 201b. Finally, as shown in FIG. 7C, the ladder-like member 201 is wound into a cylindrical shape, and both ends of the connecting portions 201a and 201b are welded. At this time, since one end 201e, 201f is stepped, the ladder-like member 201 can be formed as a substantially true cylindrical recess 203A as shown in FIG.
[0044]
In the present embodiment, the recess member 203A is press-fitted and attached to the outer periphery of the output shaft 3. At this time, the inner edge of the column part 201c whose both sides are bent in the axial direction hits the outer periphery of the output shaft 3 (the one-dot chain line in FIG. 6) to form a groove 201s. Thus, since the recessed member 203A is formed of a thin plate member, the detection sensitivity of the torque sensor can be improved as in the above-described embodiment.
[0045]
FIG. 8 is a diagram illustrating a first modification of the present embodiment. As shown in FIG. 8, one end portion 211e of the columnar member is formed into a hook shape, a hole 211g is provided at the other end portion, and the end portion 211e is engaged with the hole 211g to form the recessed member 203B. Anyway.
[0046]
FIG. 9 is a diagram illustrating a second modification of the present embodiment, and FIG. 10 is a diagram illustrating a third modification of the present embodiment. The recessed member 203C in FIG. 9 is obtained by further increasing the number of pillars compared to the embodiment in FIG. 6, and the recessed member 203D in FIG. The number is increased more.
[0047]
FIG. 11 is a view similar to FIG. 5 showing the third embodiment. The present embodiment shown in FIG. 11 differs from the embodiment of FIG. 5 only in that a conductive nonmagnetic cylindrical member 401 is inserted inside the recess member 203A, and the other points are common. Description of common parts is omitted.
[0048]
That is, when the conductive non-magnetic cylindrical member 401 is inserted inside the concave member 203A, the output shaft 3 is maintained in a magnetically shielded state by the cylindrical member 401, whereby the concave member 203A and the output shaft 3 By suppressing the spontaneous magnetization at the bottom of the groove formed by the above, the magnetic flux density generated in the entire recess member 203A can be increased, and the sensitivity of the torque sensor can be increased.
[0049]
When the output shaft 3 and the groove member 3A or the recess member 203A are formed integrally, an expensive martensitic stainless steel is used to satisfy the ferromagnetism and corrosion resistance as a sensor and the strength of the steering shaft. However, according to the present embodiment, since the output shaft 3 only needs to satisfy the strength of the steering shaft, it is possible to use an inexpensive structural steel without heat treatment. Since the strength can be ensured by work hardening by cold forging, the manufacturing cost can be further reduced. Further, since the fitting member 3A does not require strength, it can be formed using a material having good magnetic properties, and detection sensitivity can be improved.
[0050]
As described above, the present invention has been described in detail with reference to the embodiments. However, the present invention should not be construed as being limited to the above-described embodiments, and can be appropriately changed and improved without departing from the spirit thereof. Of course there is. For example, the fixing of the groove member and the recessed member is not limited to welding and press-fitting, and other modes such as caulking may be used.
[0051]
【The invention's effect】
According to the torque sensor of the present invention, it is possible to provide an electric power steering apparatus having a torque sensor with improved detection sensitivity while keeping the manufacturing cost low.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an electric power steering apparatus according to an embodiment of the present invention, cut along the axis of an input shaft.
FIG. 2 is a perspective view showing a state in which an input shaft 2 (only an end portion), an output shaft 3 and a torsion bar 4 are separately disassembled.
FIG. 3 is a view of the groove member 3A as viewed in the axial direction.
FIG. 4 is a diagram showing a modification of the present embodiment.
FIG. 5 is a view similar to FIG. 2 showing a second embodiment.
FIG. 6 is a view of a concave member 203A as viewed in the axial direction.
7 is a view for explaining a manufacturing mode of the recess member 203A. FIG.
FIG. 8 is a diagram showing a first modification of the present embodiment.
FIG. 9 is a diagram illustrating a second modification of the embodiment.
FIG. 10 is a diagram showing a third modification of the present embodiment.
FIG. 11 is a view similar to FIG. 5 showing a third embodiment.
[Explanation of symbols]
1 Housing 2 Input shaft 3 Output shaft)
3A Groove member 3a Groove 203A Recess member 203s Groove 5 Torsion bar 6 Torque sensor 10 Cylindrical member

Claims (2)

A housing, an input shaft for inputting a steering force, an electric motor for generating a rotational force, an output shaft connected to a steering mechanism, a torsion bar connecting between the input shaft and the output shaft, and the torsion A detecting device for detecting a twist amount of the bar, and a power transmission mechanism for transmitting the rotational force from the electric motor to the output shaft, wherein the detecting device is provided on one of the input shaft and the output shaft. A recess member formed by bending a plurality of recesses extending in the axial direction on the outer periphery by pressing a magnetic material thin plate, and provided on the other of the input shaft and the output shaft, and at least a part of the recess member And a cylindrical member extending so as to surround the motor, and detecting an amount of twist of the torsion bar based on an overlapping state of the concave portion and the cylindrical member. Steering system.  The electric power steering apparatus according to claim 1, wherein the magnetic material thin plate is made of ferrite or martensitic stainless steel.

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