JP4133403B2

JP4133403B2 - Rotational torque detection mechanism and electric power steering device

Info

Publication number: JP4133403B2
Application number: JP2003033739A
Authority: JP
Inventors: 康夫清水; 義人中村; 俊一郎末吉
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-02-12
Filing date: 2003-02-12
Publication date: 2008-08-13
Anticipated expiration: 2023-02-12
Also published as: JP2004245636A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転自在に支持された回転軸に作用する回転トルクの大きさ及び方向を検出する回転トルク検出機構、及び回転トルク検出機構を備えた電動パワーステアリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、運転者がステアリングホイール（ハンドル）を回転操作した際に、運転者の操舵力を軽減し、運転者に対して快適な操舵感を与えるための電動パワーステアリング装置が広く用いられている。この種の電動パワーステアリング装置は、運転者がハンドルを回転操作した際に、車両のステアリング系に作用する回転トルク（操舵トルク）の大きさ及び方向を回転トルク検出機構で検出し、回転トルク検出機構での検出結果に応じた補助トルクを電動機で発生し、その補助トルクをステアリング系に付加するように構成されている。
【０００３】
図１１は、従来の電動パワーステアリング装置に含まれる回転トルク検出機構３００を示す断面図である。図１１に示すように、回転トルク検出機構３００は、いわゆる磁歪式トルクセンサであり、回転自在に支持された回転軸３１０と、回転軸３１０の表面に設けられ、回転軸３１０に作用する回転トルクの大きさ及び方向に応じて透磁率が変化する磁歪膜３２０Ａ，３２０Ｂと、磁歪膜３２０Ａ，３２０Ｂに交流電流を印加する励磁回路３３０Ａ，３３０Ｂと、励磁回路３３０Ａ，３３０Ｂと対向して配置され、磁歪膜３２０Ａ，３２０Ｂの透磁率の変化を電気的に検出する検出回路３４０Ａ，３４０Ｂとを備えており、磁歪膜３２０Ａ，３２０Ｂの透磁率の変化を検出回路３４０Ａ，３４０Ｂで検出することにより、回転軸３１０に作用する回転トルクの大きさ及び方向を検出するように構成されている。なお、図１１では、励磁回路３３０Ａと検出回路３４０Ａ、及び励磁回路３３０Ｂと検出回路３４０Ｂは、それぞれまとめて表示している。
【０００４】
なお、図１１における、符号４１０は図示しないタイロッド及びナックルを介して転舵輪としての左右の前輪（図示せず）に連結されるラック軸、符号４２０は補助トルクを発生する電動機、符号４３０は電動機４２０で発生した補助トルクを倍力して回転軸３１０に伝達する減速機構、符号４４０は回転トルク検出機構３００の各部やラック軸４１０等を収納するハウジングである。
【０００５】
そして、回転軸３１０の上端部３１０ａは、図示しないステアリングシャフト及び自在軸継手を介してステアリングホイール（図示せず）に連結されている。また、回転軸３１０の下端部３１０ｂにはピニオン３１１が形成されており、下端部３１０ｂのピニオン３１１は、ラック軸４１０に形成されたラック４１１と噛み合ってラックアンドピニオン機構４５０を構成している。また、回転軸３１０の上端部３１０ａ、下端部３１０ｂ及び中間部３１０ｃは、軸受け３５０、軸受け３６０及び軸受け３７０によってそれぞれ回転自在に支持されている。励磁回路３３０Ａ，３３０Ｂ及び検出回路３４０Ａ，３４０Ｂは、回転軸３１０の上端部３１０ａを支持する軸受け３５０と、回転軸３１０の中間部３１０ｃを支持する軸受け３６０との間に配置されている。また、減速機構４３０は、励磁回路３３０Ａ，３３０Ｂ及び検出回路３４０Ａ，３４０Ｂと、軸受け３６０との間に配置されている。
【０００６】
この種の従来技術としては、例えば、特許文献１に開示されている「トルク検出装置及びトルク検出装置を搭載した電動パワーステアリング装置」がある。なお、特許文献１における「トルク検出装置」は、前記した回転トルク検出機構に相当する。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−２５７６４８号公報（第１０‐１１頁、第６図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記した従来の回転トルク検出機構３００では、回転軸３１０の上端部３１０ａ、中間部３１０ｃ及び下端部３１０ｂは、軸受け３５０、軸受け３６０及び軸受け３７０によってそれぞれ支持されているので、外部から回転軸３１０に力Ｆ１及び力Ｆ２が加わると、回転軸３１０には曲げモーメントが作用するため、各軸受け間で撓みが発生する（図１２（ａ）及び図１２（ｂ）参照）。そのため、従来の回転トルク検出機構３００では、回転トルクの検出時に、前記曲げモーメントの大きさも検出されるため、回転軸３１０に作用する回転トルクの大きさ及び方向を精度良く検出することができないという問題があった。なお、力Ｆ１は、ラック軸４１０から回転軸３１０の軸方向に垂直に加わる力であり、力Ｆ２は、減速機構４３０から回転軸３１０の軸方向に垂直に加わる力である。
【０００９】
また、図１２（ｂ）に示すように、回転軸３１０の上端部３１０ａと中間部３１０ｃとの間では、回転軸３１０に作用する曲げモーメントの大きさが、回転軸３１０の軸方向の各位置において異なっているため、回転軸３１０の軸方向に配置された検出回路３４０Ａ，３４０Ｂではそれぞれ検出値が異なる。そのため、回転軸３１０に作用する回転トルクの大きさ及び方向を精度良く検出することができないという問題があった。
【００１１】
そこで、本発明は、回転軸に作用する回転トルクの大きさ及び方向を精度良く検出することができる回転トルク検出機構、及び回転トルク検出機構を備えた電動パワーステアリング装置を提供することを課題とする。
【００１２】
前記課題を解決するため、請求項１に記載の回転トルク検出機構は、その一端部が外部と連結され、その他端部が回転自在に支持された回転軸と、前記回転軸の前記一端部と前記他端部との間の表面に、軸方向に所定距離おいて配置され、前記回転軸に作用する回転トルクの大きさ及び方向に応じて透磁率が変化する第１の磁歪膜及び第２の磁歪膜と、前記回転軸と対向して配置され、前記第１及び第２の磁歪膜を励磁する励磁回路と、前記回転軸と対向して配置され、前記第１及び第２の磁歪膜の透磁率の変化を電気的に検出する検出回路とを備え、
前記第１及び第２の磁歪膜の透磁率の変化を前記検出回路で検出することによって、前記回転軸に作用する回転トルクの大きさ及び方向を検出するように構成された回転トルク検出機構であって、前記回転軸の前記第１及び第２の磁歪膜から前記一端部側を径方向に所定の変位が許容されるような自由端とし、前記一端部の周囲に、前記一端部と所定の隙間を隔てて軸受けを配置したことを特徴とする。
【００１３】
請求項１に記載の回転トルク検出機構によれば、回転軸の第１及び第２の磁歪膜から一端部側を径方向に所定の変位が許容されるような自由端とし、回転軸の他端部を支持するように構成したので、外部から回転軸に対して軸方向に垂直に働く力が加わった際に、回転軸における一端部側では、撓みが発生した場合でも、曲げモーメントは作用しない。したがって、外部から回転軸に軸方向に垂直に働く力が加わった際でも、曲げモーメントによる影響を受けないので、回転軸に作用する回転トルクの大きさ及び方向を精度良く検出することができる。なお、磁歪膜を励磁する励磁回路としては、例えば、交流又は矩形波電圧を出力する回路を用いることができる。
【００１７】
また、請求項１に記載の回転トルク検出機構によれば、回転軸の一端部の周囲に、一端部と所定の隙間を隔てて軸受けを配置したので、外部から回転軸に対して軸方向に垂直に働く力が過大に加わり、回転軸がその軸方向に所定以上撓もうとした場合でも、回転軸を軸受けによって支持することができる。したがって、回転軸がその軸方向に所定の隙間以上撓むことがないので、回転軸が塑性変形するのを防止することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る回転トルク検出機構及び電動パワーステアリング装置の実施の形態について、適宜図面を参照して詳細に説明する。なお、回転トルク検出機構は、車両のステアリング系に設けられた電動パワーステアリング装置に含まれる。
【００２３】
まず、車両のステアリング系１００と、ステアリング系１００に設けられた電動パワーステアリング装置２００とについて、図１、図２及び図３を参照して詳しく説明する。参照する図面において、図１は、車両のステアリング系１００と、ステアリング系１００に設けられた電動パワーステアリング装置２００とを模式的に示した図である。また、図２は、図１に示した電動パワーステアリング装置２００を示す部分破断断面図である。また、図３は、図２におけるＡ−Ａ線断面図である。
【００２４】
図１に示すように、ステアリング系１００は、ステアリングホイール（ハンドル）１１０にステアリングシャフト（シャフト）１２０及び自在軸継手１３０，１３０を介して回転軸１４０が連結され、回転軸１４０にラックアンドピニオン機構１５０を介してラック軸１６０が連結されて構成されている。そして、ラック軸１６０の両端には、タイロッド１７０及びナックル１８０を介して、転舵輪としての左右の前輪Ｗがそれぞれ連結されている。
【００２５】
ラックアンドピニオン機構１５０は、図３に示すように、回転軸１４０の下端部１４０ａに形成されたピニオン１４１と、ラック軸１６０に形成されたラック１６１とを噛み合わせた機構であり、回転軸１４０の回転運動をラック軸１６０の軸方向の直線運動に変換するように構成されている。また、図１及び図２に示すように、ラック軸１６０の両端にはボールジョイント１９０，１９０が結合されており、ボールジョイント１９０，１９０には前記したタイロッド１７０，１７０が連結されている。このように構成されたステアリング系１００によれば、運転者がハンドル１１０を回転操作することにより、左右の前輪Ｗ，Ｗを転舵させることができる。
【００２６】
電動パワーステアリング装置２００は、運転者がハンドル１１０を回転操作した際に、ハンドル１１０に連結された回転軸１４０に補助トルクを付加し、運転者の操舵力を軽減させるための装置である。この電動パワーステアリング装置２００は、図１に示すように、運転者がハンドル１１０を回転操作した際に、回転軸１４０に作用する回転トルク（操舵トルク）の大きさ及び方向を検出する回転トルク検出機構２１０と、補助トルクを発生する電動機２２０と、電動機２２０で発生した補助トルクを倍力して回転軸１４０に伝達する減速機構２３０と、回転トルク検出機構２１０での検出結果に応じた補助トルクを発生するように電動機２２０を制御する制御部２４０とを備えて構成されている。
【００２７】
減速機構２３０は、図３に示すように、電動機２２０の駆動軸２２１に形成されたウォーム（駆動ギア）２３１と、回転軸１４０に結合されたウォームホイール（従動ギア）２３２とを噛み合わせた機構であり、電動機２２０で発生した補助トルクを、ウォーム２３１及びウォームホイール２３２を介して回転軸１４０に伝達するように構成されている。なお、電動機２２０で発生した補助トルクは、ウォーム２３１とウォームホイール２３２とのギア比に応じて倍力される。
【００２８】
制御部２４０は、例えばコンピュータからなり、後記する回転トルク検出機構２１０の検出回路２１４Ａ，２１４Ｂ（図３参照）での検出値に基づいて回転軸１４０に作用する回転トルクの大きさ及び方向を求め、その求めた回転トルクの大きさ及び方向に応じた補助トルクを発生するように電動機２２０を制御する。
【００２９】
そして、図３に示すように、回転軸１４０、ラックアンドピニオン機構１５０、回転トルク検出機構２１０、減速機構２３０などは、上ハウジング２５０Ａと下ハウジング２５０Ｂとからなるハウジング２５０内に収納されている。また、下ハウジング２５０Ｂには電動機２２０が取り付けられている。また、回転軸１４０の上端部１４０ｂは、上ハウジング２５０Ａの上部から外部に突出しており、ステアリングシャフト１２０及び自在軸継手１３０，１３０を介してハンドル１１０に連結されている（図１参照）。
【００３０】
以上のように構成された電動パワーステアリング装置２００によれば、運転者がハンドル１１０を回転操作した際に、回転軸１４０に作用する回転トルク（操舵トルク）の大きさ及び方向を回転トルク検出機構２１０で検出し、その検出結果に応じた補助トルクを電動機２２０で発生させることができる。そして、電動機２２０で発生した補助トルクを減速機構２３０で倍力して回転軸１４０に伝達することにより、回転軸１４０に補助トルクを付加し、運転者の操舵力を軽減することができる。
【００３１】
以下に、第１の実施の形態から第５の実施の形態に係る回転トルク検出機構について説明するが、第１の実施の形態、第２の実施の形態、第４の実施の形態、第５の実施の形態は、参考例を示すものであり、第３の実施の形態が、特許請求の範囲における請求項１に記載の回転トルク検出機構に相当する。
（第１の実施の形態）
次に、回転トルク検出機構の第１の実施の形態について、図３及び図４を参照して詳しく説明する。
参照する図面において、図３は、第１の実施の形態に係る回転トルク検出機構２１０を示す図であり、図２におけるＡ−Ａ線断面図である。また、図４（ａ）は、回転軸１４０に力Ｆ１，Ｆ２を加えた際に回転軸１４０に生じた撓みを模式的に示す図であり、図４（ｂ）は、そのときに回転軸１４０に作用する曲げモーメントを示す曲げモーメント線図である。
【００３２】
図３に示すように、回転トルク検出機構２１０は、ステアリングシャフト１２０及び自在軸継手１３０，１３０を介してハンドル１１０に連結される回転軸１４０（図１参照）と、回転軸１４０の下端部１４０ａを回転自在に支持する第１の軸受け２１１と、回転軸１４０の中間部１４０ｃを回転自在に支持する第２の軸受け２１２と、回転軸１４０における上端部１４０ｂ側と中間部１４０ｃとの間に回転軸１４０と対向して配置され、後記する磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂに交流電圧を印加して磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂを励磁する励磁回路２１３Ａ，２１３Ｂと、前記磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂの透磁率の変化を電気的に検出する検出回路２１４Ａ，２１４Ｂとを備えて構成されている。図３では、励磁回路２１３Ａと検出回路２１４Ａ、及び励磁回路２１３Ｂと検出回路２１４Ｂは、それぞれまとめて表示している。なお、回転軸１４０の上端部１４０ｂは、特許請求の範囲における「一端部」に相当する。また、回転軸１４０の下端部１４０ａは、特許請求の範囲における「他端部」に相当する。
【００３３】
なお、回転軸１４０における下端部１４０ａとは、ラック１６１と噛み合うピニオン１４１が形成される側の端部のことであり、上端部１４０ｂとは、ステアリングシャフト１２０及び自在軸継手１３０，１３０を介してハンドル１１０に連結される側の端部のことである（図１参照）。回転軸１４０の上端部１４０ｂは、下端部１４０ａや中間部１４０ｃのように第１の軸受け２１１及び第２の軸受け２１２によって支持されておらず、自由端となっている。また、回転軸１４０における中間部１４０ｃとは、下端部１４０ａと上端部１４０ｂとの中間から、やや下端部１４０ａ側寄りの位置のことである。中間部１４０ｃの上端部１４０ｂ側には、ウォームホイール２３２が結合されている。
【００３４】
そして、回転軸１４０の表面には、回転軸１４０に作用する回転トルクの大きさ及び方向に応じて透磁率が変化する磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂが設けられている。磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂは、Ｎｉ−Ｆｅ系合金などの磁歪材からなる膜であり、回転軸１４０における上端部１４０ｂと中間部１４０ｃとの間の表面にメッキされている。
【００３５】
このように構成された回転トルク検出機構２１０によれば、運転者がハンドル１１０を回転操作し、回転軸１４０に回転トルクが作用した際に、磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂの透磁率の変化を検出回路２１４Ａ，２１４Ｂで電気的に検出することにより、回転軸１４０に作用する回転トルクの大きさ及び方向を検出することができる。
【００３６】
そして、運転者がハンドル１１０を回転操作した際には、回転軸１４０には、ラックアンドピニオン機構１５０から回転軸１４０の軸方向に垂直に働く力Ｆ１と、減速機構２３０から回転軸１４０の軸方向に垂直に働く力Ｆ２とが加わるが、回転軸１４０の上端部１４０ｂは軸受けによって支持されていない自由端であるので、励磁回路２１３Ａ，２１３Ｂ及び検出回路２１４Ａ，２１４Ｂが配置されている回転軸１４０における上端部１４０ｂと中間部１４０ｃとの間では、回転軸１４０に撓みが発生した場合でも、曲げモーメントは作用しない（図４（ａ）、図４（ｂ）参照）。したがって、回転トルク検出機構２１０は、ラックアンドピニオン機構１５０から回転軸１４０の軸方向に垂直に働く力Ｆ１と、減速機構２３０から回転軸１４０の軸方向に垂直に働く力Ｆ２とが加わった際でも、曲げモーメントによる影響を受けないので、回転軸１４０に作用する回転トルクの大きさ及び方向を精度良く検出することができる。
【００３７】
（第２の実施の形態）
次に、回転トルク検出機構の第２の実施の形態について、図５を参照して説明する。参照する図面において、図５は、第２の実施の形態に係る回転トルク検出機構２６０を示す図であり、図２におけるＡ−Ａ線断面図である。
【００３８】
図５に示す回転トルク検出機構２６０は、回転軸１４０の上端部１４０ｂの周囲に、上端部１４０ｂと摺動自在に弾性体であるオイルシール２６１を配置したことが、図３に示した第１の実施の形態に係る回転トルク検出機構２１０と異なる。なお、前記した第１の実施の形態と同一の部分については、同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３９】
図５に示すように、回転軸１４０の上端部１４０ｂの周囲に、上端部１４０ｂと摺動自在に弾性体であるオイルシール２６１を配置すると、回転軸１４０の曲げ剛性が低下し、回転軸１４０の曲げ共振周波数が回転トルク検出機構２６０の検出周波数範囲まで低下した場合でも、オイルシール２６１が回転軸１４０の上端部１４０ｂと接触することによって、回転軸１４０に生じる曲げ共振を減衰させることができる。そのため、回転トルク検出機構２６０は、回転軸の１４０の剛性が低下し、回転軸１４０の曲げ共振周波数が低下した場合でも、回転軸に生じる曲げ共振による曲げモーメントの増大を抑制することができるので、過大なトルク検出信号を出力することはない。したがって、回転軸１４０に作用する回転トルクの大きさ及び方向を精度良く検出することができる。
【００４０】
（第３の実施の形態）
次に、回転トルク検出機構の第３の実施の形態について、図６を参照して詳しく説明する。
なお、第３の実施の形態に係る回転トルク検出機構は、特許請求の範囲における請求項１に記載の回転トルク検出機構に相当する。
参照する図面において、図６は、第３の実施の形態に係る回転トルク検出機構２７０を示す図であり、図２におけるＡ−Ａ線断面図である。
【００４１】
図６に示す回転トルク検出機構２７０は、回転軸１４０の上端部１４０ｂの周囲に、上端部１４０ｂと所定の隙間ｄを隔ててすべり軸受け２７１を配置したことが、図３に示した第１の実施の形態に係る回転トルク検出機構２１０と異なる。なお、前記した第１の実施の形態と同一の部分については、同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４２】
図６に示すように、回転軸１４０の上端部１４０ｂの周囲に、所定の隙間ｄを隔ててすべり軸受け２７１を配置すると、外部から回転軸１４０に軸方向に垂直に働く力が過大に加わり、回転軸１４０がその軸方向に所定の隙間ｄ以上撓もうとした場合でも、回転軸１４０をすべり軸受け２７１によって支持することができる。したがって、回転トルク検出機構２７０は、回転軸１４０がその軸方向に所定の隙間ｄ以上撓むことがないので、回転軸１４０が塑性変形するのを防止することができる。
【００４３】
（第４の実施の形態）
次に、回転トルク検出機構の第４の実施の形態について、図７を参照して説明する。参照する図面において、図７は、第４の実施の形態に係る回転トルク検出機構２８０を示す図であり、図２におけるＡ−Ａ線断面図である。
【００４４】
図７に示す回転トルク検出機構２８０は、回転軸１４０の上端部１４０ｂと、回転軸１４０のウォームホィール２３２が結合される部分１４０ｄとの間に、回転軸１４０を回転自在に支持する第３の軸受け２８１を配置したことが、図３に示した第１の実施の形態に係る回転トルク検出機構２１０と異なる。第３の軸受け２８１はウォームホィール２３２の近傍に配置されることが望ましい。また、前記した第１の実施の形態と同一の部分については、同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４５】
図７に示すように、回転軸１４０の上端部１４０ｂと、回転軸１４０のウォームホィール２３２が結合される部分１４０ｄとの間に、第３の軸受け２８１を配置すると、減速機構２３０から回転軸１４０の中間部１４０ｃに外力が加わった際に、上端部１４０ｂと回転軸１４０の第３の軸受け２８１に支持される部分１４０ｅとの間では、曲げモーメントが作用しない。したがって、回転トルク検出機構２８０は、減速機構２３０から回転軸１４０のウォームホィール２３２が結合される部分１４０ｄに外力が加わった際でも、曲げモーメントによる影響を受けないので、回転軸１４０に作用する回転トルクの大きさ及び方向を精度良く検出することができる。
【００４６】
（第５の実施の形態）
次に、回転トルク検出機構の第５の実施の形態について、図８、図９及び図１０を参照して説明する。
参照する図面において、図８は、第５の実施の形態に係る回転トルク検出機構２９０を示す図であり、図２におけるＡ−Ａ線断面図である。また、図９は回転軸１４０の横断面図であり、回転軸１４０の表面に形成された磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂの偏心（膜厚のばらつき）を表わしている。なお、図９では、説明の便宜上、磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂの偏心を誇張して表わしている。また、図１０は、磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂの厚さと回転トルク検出機構２１０の検出感度との関係、及び磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂの厚さと運転者の操舵フィーリングとの関係を示すグラフである。
【００４７】
図８に示す回転トルク検出機構２９０は、図１１に示した従来の回転トルク検出機構３００と同様に、回転軸３１０の上端部１４０ｂ（図１１では上端部３１０ａ）を、軸受け２９１（図１１では軸受け３５０）で支持している点と、磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂの厚さを３０μｍとした点が、図３に示した第１の実施の形態に係る回転トルク検出機構２１０と異なる。なお、前記した第１の実施の形態と同一の部分については、同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４８】
一般に、回転軸１４０の表面にメッキされた磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂの膜厚は、回転軸１４０の回転方向において、多少のばらつきが生じている（図９（ａ）参照）。そのため、回転軸１４０の軸方向に垂直に働く力によって、回転軸１４０の一方向に曲げモーメントが作用している状態で、回転軸１４０を回転させると（図９の例では、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の順に、時計回りに回転させている）、回転軸１４０の中立面を中心に、磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂには圧縮と引っ張りの歪みが発生する。なお、中立面とは、曲げモーメントが作用しても圧縮も引っ張りも受けない面のことである。
【００４９】
そして、磁歪膜は、一般に「圧縮歪み」又は「引張り歪み」の一方が発生した場合にのみ透磁率を変化させるので、例えば、回転軸１４０の軸方向に垂直に働く力によって、回転軸１４０の一部に「圧縮歪み」が発生している場合には、回転軸１４０を図９において、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の順に回転させると、透磁率は磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂの膜厚が最も厚い（ｃ）のときに最も大きくなり、逆に、磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂの膜厚が最も薄い（ａ）の時に最も小さくなる。すなわち、磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂの透磁率の大きさは、回転軸１４０の回転位置により変動する。
【００５０】
ここで、磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂの膜さを３０μｍ以下にすると、磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂの偏心に起因して回転軸１４０の回転位置による磁歪膜の透磁率が変動しても、磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂの厚さが十分薄く形成されているため、例えば、運転者がステアリングを一定の力で操舵している場合に、磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂの膜厚差に起因する検出トルクの変動を十分に抑えることができる。したがって、この回転トルク検出機構２９０を備えた車両の電動パワーステアリング装置２００（図１参照）によれば、運転時における運転者の操舵感（操舵フィーリング）を良好なレベルに保つことができる。（図１０参照）。
【００５１】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態にのみ限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく限りにおいて、種々の変形が可能である。
【００５２】
例えば、本実施の形態に係る回転トルク検出機構は、回転軸１４０（図１参照）に補助トルクを付加するように構成されたピニオンアシスト式の電動パワーステアリング装置に適用することを想定しているが、ラック軸１６０（図１参照）に補助トルクを付加するように構成するラックアシスト式の電動パワーステアリング装置に適用することもできる。
【００５３】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明の請求項１に記載の回転トルク検出機構によれば、外部から回転軸に対して垂直に働く力が加わった際でも、曲げモーメントによる影響を受けないので、回転軸に作用する回転トルクの大きさ及び方向を精度良く検出することができる。
【００５５】
また、回転軸がその軸方向に所定の隙間以上撓むことがないので、回転軸が塑性変形するのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】車両のステアリング系１００と、ステアリング系１００に設けられた電動パワーステアリング装置２００とを模式的に示した図である。
【図２】図１に示した電動パワーステアリング装置２００を示す部分破断断面図である。
【図３】第１の実施の形態に係る回転トルク検出機構２１０を示す図であり、図２におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図４】（ａ）は、回転軸１４０に力Ｆ１，Ｆ２を加えた際に回転軸１４０に生じた撓みを模式的に示す図であり、（ｂ）は、そのときに回転軸１４０に作用する曲げモーメントを示す曲げモーメント線図である。
【図５】第２の実施の形態に係る回転トルク検出機構２６０を示す図であり、図２におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図６】第３の実施の形態に係る回転トルク検出機構２７０を示す図であり、図２におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図７】第４の実施の形態に係る回転トルク検出機構２８０を示す図であり、図２におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図８】第５の実施の形態に係る回転トルク検出機構２９０を示す図であり、図２におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図９】回転軸１４０の横断面図であり、回転軸１４０の表面に形成された磁歪膜１４２Ａ，１４２Ｂの偏心（膜厚のばらつき）を表わしている。
【図１０】磁歪膜１４２の厚さと回転トルク検出機構２１０の検出感度との関係、及び磁歪膜１４２の厚さと運転者の操舵フィーリングとの関係を示すグラフである。
【図１１】従来の電動パワーステアリング装置に含まれる回転トルク検出機構３００を示す断面図である。
【図１２】（ａ）は、回転軸３１０に力Ｆ１，Ｆ２を加えた際に回転軸３１０に生じた撓みを模式的に示す図であり、（ｂ）は、そのときに回転軸３１０に作用する曲げモーメントを示す曲げモーメント線図である。
【符号の説明】
１００ステアリング系
１１０ステアリングホイール（ハンドル）
１２０ステアリングシャフト（シャフト）
１３０自在軸継手
１４０回転軸
１４１ピニオン
１４２Ａ，１４２Ｂ磁歪膜
１５０ラックアンドピニオン機構
１６０ラック軸
１６１ラック
１７０タイロッド
１８０ナックル
１９０ボールジョイント
Ｗ前輪
２００電動パワーステアリング装置
２１０回転トルク検出機構
２１１第１の軸受け
２１２第２の軸受け
２１３Ａ，２１３Ｂ励磁回路
２１４Ａ，２１４Ｂ検出回路
２２０電動機
２３０減速機構
２３１ウォーム
２３２ウォームホイール
２４０制御部
２５０ハウジング[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a rotational torque detection mechanism that detects the magnitude and direction of rotational torque that acts on a rotational shaft that is rotatably supported, and an electric power steering device that includes the rotational torque detection mechanism.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, when a driver rotates a steering wheel (steering wheel), an electric power steering device for reducing a driver's steering force and giving a comfortable steering feeling to the driver is widely used. This type of electric power steering device detects the magnitude and direction of rotational torque (steering torque) acting on the steering system of a vehicle by a rotational torque detection mechanism when the driver operates the steering wheel to detect rotational torque. An auxiliary torque corresponding to the detection result of the mechanism is generated by the electric motor, and the auxiliary torque is added to the steering system.
[0003]
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a rotational torque detection mechanism 300 included in a conventional electric power steering apparatus. As shown in FIG. 11, the rotational torque detection mechanism 300 is a so-called magnetostrictive torque sensor. The rotational shaft 310 is rotatably supported, and the rotational torque acting on the rotational shaft 310 is provided on the surface of the rotational shaft 310. The magnetostrictive films 320A and 320B whose permeability changes according to the size and direction of the magnetic films, the exciting circuits 330A and 330B for applying an alternating current to the magnetostrictive films 320A and 320B, and the exciting circuits 330A and 330B are arranged opposite to each other. Detection circuits 340A and 340B that electrically detect the change in magnetic permeability of the magnetostrictive films 320A and 320B, and the change in the magnetic permeability of the magnetostrictive films 320A and 320B is detected by the detection circuits 340A and 340B. It is configured to detect the magnitude and direction of the rotational torque acting on the shaft 310. In FIG. 11, the excitation circuit 330A and the detection circuit 340A, and the excitation circuit 330B and the detection circuit 340B are collectively displayed.
[0004]
In FIG. 11, reference numeral 410 denotes a rack shaft connected to left and right front wheels (not shown) as steered wheels via tie rods and knuckles (not shown), reference numeral 420 denotes an electric motor that generates auxiliary torque, and reference numeral 430 denotes an electric motor. A decelerating mechanism that boosts and transmits the auxiliary torque generated in 420 to the rotating shaft 310, and a reference numeral 440 is a housing that houses each part of the rotating torque detecting mechanism 300, the rack shaft 410, and the like.
[0005]
And the upper end part 310a of the rotating shaft 310 is connected with the steering wheel (not shown) via the steering shaft and universal shaft coupling which are not shown in figure. A pinion 311 is formed at the lower end portion 310 b of the rotating shaft 310, and the pinion 311 at the lower end portion 310 b meshes with a rack 411 formed on the rack shaft 410 to constitute a rack and pinion mechanism 450. Further, the upper end portion 310a, the lower end portion 310b, and the intermediate portion 310c of the rotating shaft 310 are rotatably supported by a bearing 350, a bearing 360, and a bearing 370, respectively. The excitation circuits 330A and 330B and the detection circuits 340A and 340B are disposed between the bearing 350 that supports the upper end portion 310a of the rotating shaft 310 and the bearing 360 that supports the intermediate portion 310c of the rotating shaft 310. The speed reduction mechanism 430 is disposed between the excitation circuits 330A and 330B and the detection circuits 340A and 340B and the bearing 360.
[0006]
As this type of conventional technology, for example, there is a “torque detection device and an electric power steering device equipped with the torque detection device” disclosed in Patent Document 1. The “torque detection device” in Patent Document 1 corresponds to the rotational torque detection mechanism described above.
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-257648 (pages 10-11, FIG. 6)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional rotational torque detection mechanism 300 described above, the upper end portion 310a, the intermediate portion 310c, and the lower end portion 310b of the rotary shaft 310 are supported by the bearing 350, the bearing 360, and the bearing 370, respectively. When the force F1 and the force F2 are applied to 310, a bending moment acts on the rotating shaft 310, so that bending occurs between the bearings (see FIGS. 12A and 12B). Therefore, the conventional rotational torque detection mechanism 300 detects the magnitude of the bending moment when detecting the rotational torque, and therefore cannot accurately detect the magnitude and direction of the rotational torque acting on the rotary shaft 310. There was a problem. The force F1 is a force applied perpendicularly to the axial direction of the rotating shaft 310 from the rack shaft 410, and the force F2 is a force applied perpendicularly to the axial direction of the rotating shaft 310 from the speed reduction mechanism 430.
[0009]
In addition, as shown in FIG. 12B, between the upper end portion 310 a and the intermediate portion 310 c of the rotating shaft 310, the magnitude of the bending moment acting on the rotating shaft 310 is different in each axial position of the rotating shaft 310. Therefore, the detection values are different in the detection circuits 340A and 340B arranged in the axial direction of the rotation shaft 310. Therefore, there has been a problem that the magnitude and direction of the rotational torque acting on the rotary shaft 310 cannot be detected with high accuracy.
[0011]
Accordingly, it is an object of the present invention to provide a rotational torque detection mechanism that can accurately detect the magnitude and direction of rotational torque that acts on a rotational shaft, and an electric power steering device that includes the rotational torque detection mechanism. To do.
[0012]
In order to solve the above-described problem, the rotational torque detection mechanism according to claim 1 has a rotary shaft having one end connected to the outside and the other end rotatably supported, and the one end of the rotary shaft. A first magnetostrictive film and a second magnetostrictive film, which are arranged on the surface between the other end portions at a predetermined distance in the axial direction and whose permeability changes according to the magnitude and direction of the rotational torque acting on the rotary shaft. A magnetostrictive film, an excitation circuit that is disposed to face the rotating shaft and excites the first and second magnetostrictive films, and a first and second magnetostrictive film that are disposed to face the rotating shaft. And a detection circuit that electrically detects a change in magnetic permeability of
A rotational torque detection mechanism configured to detect the magnitude and direction of rotational torque acting on the rotational shaft by detecting a change in magnetic permeability of the first and second magnetostrictive films with the detection circuit; The one end side from the first and second magnetostrictive films of the rotating shaft is a free end that allows a predetermined displacement in the radial direction, and the one end portion and the predetermined end portion are disposed around the one end portion. The bearings are arranged with a gap therebetween .
[0013]
According to the rotational torque detection mechanism of the first aspect , the one end side from the first and second magnetostrictive films of the rotating shaft is a free end that allows a predetermined displacement in the radial direction, and the other of the rotating shaft. Since the end is supported, when a force acting perpendicularly to the rotation axis is applied from the outside to the rotation axis, even if bending occurs at one end of the rotation axis, the bending moment is applied. do not do. Therefore, even when a force acting perpendicularly to the axial direction is applied to the rotating shaft from the outside, it is not affected by the bending moment, so that the magnitude and direction of the rotating torque acting on the rotating shaft can be detected with high accuracy. As an exciting circuit for exciting the magnetostrictive film, for example, a circuit that outputs an alternating current or a rectangular wave voltage can be used.
[0017]
Further , according to the rotational torque detection mechanism of the first aspect , since the bearing is arranged around the one end portion of the rotating shaft with a predetermined gap from the one end portion, the bearing is arranged in the axial direction with respect to the rotating shaft from the outside. Even when the force acting vertically is excessively applied and the rotation shaft tries to bend more than a predetermined amount in the axial direction, the rotation shaft can be supported by the bearing. Therefore, since the rotating shaft does not bend more than a predetermined gap in the axial direction, it is possible to prevent the rotating shaft from being plastically deformed.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a rotational torque detection mechanism and an electric power steering device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. The rotational torque detection mechanism is included in an electric power steering device provided in a vehicle steering system.
[0023]
First, a vehicle steering system 100 and an electric power steering device 200 provided in the steering system 100 will be described in detail with reference to FIGS. 1, 2, and 3. In the drawings to be referred to, FIG. 1 is a diagram schematically showing a steering system 100 of a vehicle and an electric power steering device 200 provided in the steering system 100. FIG. 2 is a partially cutaway sectional view showing the electric power steering apparatus 200 shown in FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
[0024]
As shown in FIG. 1, the steering system 100 includes a steering wheel (handle) 110 connected to a rotating shaft 140 via a steering shaft (shaft) 120 and universal shaft joints 130 and 130, and a rack and pinion mechanism connected to the rotating shaft 140. A rack shaft 160 is connected via 150. The left and right front wheels W as steered wheels are connected to both ends of the rack shaft 160 via tie rods 170 and knuckle 180, respectively.
[0025]
As shown in FIG. 3, the rack and pinion mechanism 150 is a mechanism in which a pinion 141 formed on the lower end portion 140 a of the rotating shaft 140 and a rack 161 formed on the rack shaft 160 are engaged with each other. The rotational motion of the rack shaft 160 is converted into a linear motion in the axial direction of the rack shaft 160. As shown in FIGS. 1 and 2, ball joints 190 and 190 are coupled to both ends of the rack shaft 160, and the tie rods 170 and 170 are coupled to the ball joints 190 and 190. According to the steering system 100 configured in this manner, the driver can turn the left and right front wheels W, W by rotating the handle 110.
[0026]
The electric power steering device 200 is a device for reducing the steering force of the driver by applying auxiliary torque to the rotating shaft 140 connected to the handle 110 when the driver rotates the handle 110. As shown in FIG. 1, the electric power steering apparatus 200 detects a rotational torque that detects the magnitude and direction of the rotational torque (steering torque) that acts on the rotating shaft 140 when the driver rotates the handle 110. A mechanism 210, an electric motor 220 that generates auxiliary torque, a speed reduction mechanism 230 that boosts the auxiliary torque generated by the electric motor 220 and transmits it to the rotating shaft 140, and an auxiliary torque according to the detection result of the rotational torque detecting mechanism 210 And a control unit 240 that controls the electric motor 220 so as to generate electric power.
[0027]
As shown in FIG. 3, the speed reduction mechanism 230 is a mechanism in which a worm (drive gear) 231 formed on the drive shaft 221 of the electric motor 220 and a worm wheel (driven gear) 232 coupled to the rotary shaft 140 are engaged. The auxiliary torque generated by the electric motor 220 is transmitted to the rotary shaft 140 via the worm 231 and the worm wheel 232. The auxiliary torque generated by the electric motor 220 is boosted according to the gear ratio between the worm 231 and the worm wheel 232.
[0028]
The control unit 240 is composed of a computer, for example, and obtains the magnitude and direction of the rotational torque acting on the rotary shaft 140 based on detection values in detection circuits 214A and 214B (see FIG. 3) of the rotational torque detection mechanism 210 described later. Then, the electric motor 220 is controlled so as to generate an auxiliary torque according to the magnitude and direction of the obtained rotational torque.
[0029]
As shown in FIG. 3, the rotary shaft 140, the rack and pinion mechanism 150, the rotational torque detection mechanism 210, the speed reduction mechanism 230, and the like are housed in a housing 250 including an upper housing 250A and a lower housing 250B. An electric motor 220 is attached to the lower housing 250B. Further, the upper end portion 140b of the rotary shaft 140 protrudes from the upper portion of the upper housing 250A and is connected to the handle 110 via the steering shaft 120 and the universal shaft joints 130 and 130 (see FIG. 1).
[0030]
According to the electric power steering apparatus 200 configured as described above, when the driver rotates the handle 110, the magnitude and direction of the rotating torque (steering torque) acting on the rotating shaft 140 is determined as the rotating torque detection mechanism. The electric motor 220 can generate auxiliary torque corresponding to the detection result detected at 210. Then, the auxiliary torque generated by the electric motor 220 is boosted by the speed reduction mechanism 230 and transmitted to the rotating shaft 140, whereby the auxiliary torque can be added to the rotating shaft 140 and the driver's steering force can be reduced.
[0031]
Although the rotational torque detection mechanism according to the first to fifth embodiments will be described below, the first embodiment, the second embodiment, the fourth embodiment, and the fifth embodiment will be described. The embodiment shows a reference example, and the third embodiment corresponds to the rotational torque detection mechanism according to claim 1 in the claims.
(First embodiment)
Next, a first embodiment of the rotational torque detection mechanism will be described in detail with reference to FIGS .
In the drawings to be referred to, FIG. 3 is a diagram showing the rotational torque detection mechanism 210 according to the first embodiment, and is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. FIG. 4A is a diagram schematically showing the bending generated in the rotating shaft 140 when the forces F1 and F2 are applied to the rotating shaft 140, and FIG. 4B shows the rotating shaft at that time. FIG. 6 is a bending moment diagram showing a bending moment acting on 140.
[0032]
As shown in FIG. 3, the rotational torque detection mechanism 210 includes a rotating shaft 140 (see FIG. 1) connected to the handle 110 via the steering shaft 120 and the universal joints 130 and 130, and a lower end portion 140 a of the rotating shaft 140. The first bearing 211 that rotatably supports the second bearing 212 that rotatably supports the intermediate part 140c of the rotating shaft 140, and the upper end 140b side of the rotating shaft 140 and the intermediate part 140c rotate. An excitation circuit 213A, 213B, which is arranged opposite to the shaft 140 and applies an AC voltage to the magnetostrictive films 142A, 142B described later to excite the magnetostrictive films 142A, 142B, and changes in the permeability of the magnetostrictive films 142A, 142B. It comprises detection circuits 214A and 214B for electrical detection. In FIG. 3, the excitation circuit 213A and the detection circuit 214A, and the excitation circuit 213B and the detection circuit 214B are displayed together. The upper end portion 140b of the rotating shaft 140 corresponds to “one end portion” in the claims. The lower end 140a of the rotating shaft 140 corresponds to the “other end” in the claims.
[0033]
The lower end portion 140a of the rotating shaft 140 is an end portion on the side where the pinion 141 that meshes with the rack 161 is formed, and the upper end portion 140b is connected via the steering shaft 120 and the universal shaft joints 130 and 130. It is an end portion on the side connected to the handle 110 (see FIG. 1). The upper end portion 140b of the rotating shaft 140 is not supported by the first bearing 211 and the second bearing 212 like the lower end portion 140a and the intermediate portion 140c, and is a free end. Further, the intermediate portion 140c in the rotating shaft 140 is a position slightly closer to the lower end portion 140a side from the middle between the lower end portion 140a and the upper end portion 140b. A worm wheel 232 is coupled to the upper end portion 140b side of the intermediate portion 140c.
[0034]
Magnetostrictive films 142 </ b> A and 142 </ b> B whose magnetic permeability changes according to the magnitude and direction of the rotational torque acting on the rotational shaft 140 are provided on the surface of the rotational shaft 140. The magnetostrictive films 142A and 142B are films made of a magnetostrictive material such as a Ni—Fe alloy, and are plated on the surface of the rotating shaft 140 between the upper end portion 140b and the intermediate portion 140c.
[0035]
According to the rotational torque detection mechanism 210 configured as described above, when the driver rotates the handle 110 and the rotational torque acts on the rotary shaft 140, a change in the magnetic permeability of the magnetostrictive films 142A and 142B is detected. By detecting electrically with 214A and 214B, the magnitude | size and direction of the rotational torque which act on the rotating shaft 140 are detectable.
[0036]
When the driver rotates the handle 110, the rotation shaft 140 includes a force F1 that works perpendicularly to the axial direction of the rotation shaft 140 from the rack and pinion mechanism 150, and a shaft of the rotation shaft 140 from the speed reduction mechanism 230. Although the force F2 acting perpendicularly to the direction is applied, the upper end portion 140b of the rotating shaft 140 is a free end that is not supported by the bearing, and therefore the rotating shaft on which the excitation circuits 213A and 213B and the detection circuits 214A and 214B are disposed. The bending moment does not act between the upper end portion 140b and the intermediate portion 140c in 140 even if the rotation shaft 140 is bent (see FIGS. 4A and 4B). Therefore, the rotational torque detection mechanism 210 receives a force F1 that works perpendicularly to the axial direction of the rotating shaft 140 from the rack and pinion mechanism 150 and a force F2 that works perpendicularly to the axial direction of the rotating shaft 140 from the deceleration mechanism 230. However, since it is not affected by the bending moment, the magnitude and direction of the rotational torque acting on the rotary shaft 140 can be detected with high accuracy.
[0037]
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the rotary torque detection mechanism will be described with reference to FIG. In the drawings to be referred to, FIG. 5 is a view showing a rotational torque detection mechanism 260 according to the second embodiment, and is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
[0038]
The rotational torque detection mechanism 260 shown in FIG. 5 has an oil seal 261 that is an elastic body slidable with the upper end 140b around the upper end 140b of the rotary shaft 140. This is different from the rotational torque detection mechanism 210 according to the embodiment. The same parts as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof is omitted.
[0039]
As shown in FIG. 5, if an oil seal 261 that is an elastic body is slidable around the upper end portion 140 b of the rotating shaft 140, the bending rigidity of the rotating shaft 140 is reduced, and the rotating shaft 140. Even when the bending resonance frequency of the rotating shaft 140 decreases to the detection frequency range of the rotational torque detecting mechanism 260, the bending resonance generated in the rotating shaft 140 can be attenuated by the oil seal 261 coming into contact with the upper end portion 140b of the rotating shaft 140. . Therefore, the rotational torque detection mechanism 260 can suppress an increase in bending moment due to bending resonance occurring in the rotating shaft even when the rigidity of the rotating shaft 140 decreases and the bending resonance frequency of the rotating shaft 140 decreases. An excessive torque detection signal is not output. Therefore, the magnitude and direction of the rotational torque acting on the rotating shaft 140 can be detected with high accuracy.
[0040]
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the rotational torque detection mechanism will be described in detail with reference to FIG.
The rotational torque detection mechanism according to the third embodiment corresponds to the rotational torque detection mechanism according to claim 1 in the claims .
In the drawings to be referred to, FIG. 6 is a view showing a rotational torque detection mechanism 270 according to the third embodiment, and is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
[0041]
The rotational torque detection mechanism 270 shown in FIG. 6 has a sliding bearing 271 arranged around the upper end 140b of the rotary shaft 140 with a predetermined gap d between the first end shown in FIG. Different from the rotational torque detection mechanism 210 according to the embodiment. The same parts as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof is omitted.
[0042]
As shown in FIG. 6, when the sliding bearing 271 is disposed around the upper end portion 140b of the rotating shaft 140 with a predetermined gap d therebetween, an excessive force acting on the rotating shaft 140 from the outside in the axial direction is excessively applied. Even when the rotating shaft 140 attempts to bend more than a predetermined gap d in the axial direction, the rotating shaft 140 can be supported by the sliding bearing 271. Therefore, the rotational torque detection mechanism 270 can prevent the rotational shaft 140 from being plastically deformed because the rotational shaft 140 does not bend in the axial direction by a predetermined gap d or more.
[0043]
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the rotary torque detection mechanism will be described with reference to FIG. In the drawings to be referred to, FIG. 7 is a view showing a rotational torque detection mechanism 280 according to the fourth embodiment, and is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
[0044]
The rotational torque detection mechanism 280 shown in FIG. 7 has a third support for rotatably supporting the rotary shaft 140 between the upper end portion 140b of the rotary shaft 140 and a portion 140d to which the worm wheel 232 of the rotary shaft 140 is coupled. The arrangement of the bearing 281 is different from the rotational torque detection mechanism 210 according to the first embodiment shown in FIG. The third bearing 281 is preferably disposed in the vicinity of the worm wheel 232. Further, the same parts as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0045]
As shown in FIG. 7, when the third bearing 281 is disposed between the upper end portion 140 b of the rotating shaft 140 and the portion 140 d to which the worm wheel 232 of the rotating shaft 140 is coupled, the speed reducing mechanism 230 to the rotating shaft 140 are arranged. When an external force is applied to the intermediate portion 140c, no bending moment acts between the upper end portion 140b and the portion 140e supported by the third bearing 281 of the rotating shaft 140. Accordingly, the rotational torque detection mechanism 280 is not affected by the bending moment even when an external force is applied from the speed reduction mechanism 230 to the portion 140d to which the worm wheel 232 of the rotational shaft 140 is coupled. The magnitude and direction of the torque can be detected with high accuracy.
[0046]
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment of the rotary torque detection mechanism will be described with reference to FIGS. 8, 9 and 10.
In the drawings to be referenced, FIG. 8 is a diagram showing a torque detection mechanism 290 according to the fifth embodiment, which is a sectional view along line A-A in FIG. FIG. 9 is a transverse cross-sectional view of the rotating shaft 140 and shows the eccentricity (film thickness variation) of the magnetostrictive films 142A and 142B formed on the surface of the rotating shaft 140. FIG. In FIG. 9, for convenience of explanation, the eccentricity of the magnetostrictive films 142A and 142B is exaggerated. FIG. 10 is a graph showing the relationship between the thickness of the magnetostrictive films 142A and 142B and the detection sensitivity of the rotational torque detection mechanism 210, and the relationship between the thickness of the magnetostrictive films 142A and 142B and the steering feeling of the driver.
[0047]
As in the conventional rotational torque detection mechanism 300 shown in FIG. 11, the rotational torque detection mechanism 290 shown in FIG. 8 has an upper end portion 140b (upper end portion 310a in FIG. 11) and a bearing 291 (in FIG. 11). 3 is different from the rotational torque detection mechanism 210 according to the first embodiment shown in FIG. 3 in that it is supported by a bearing 350) and that the thickness of the magnetostrictive films 142A and 142B is 30 μm. The same parts as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof is omitted.
[0048]
In general, the film thickness of the magnetostrictive films 142A and 142B plated on the surface of the rotating shaft 140 varies somewhat in the rotating direction of the rotating shaft 140 (see FIG. 9A). Therefore, when the rotating shaft 140 is rotated in a state where a bending moment is acting in one direction of the rotating shaft 140 by a force acting perpendicularly to the axial direction of the rotating shaft 140 (in the example of FIG. 9, (a), (The rotation is clockwise in the order of (b) and (c)), and compression and tension are generated in the magnetostrictive films 142A and 142B around the neutral surface of the rotating shaft 140. The neutral surface is a surface that is neither compressed nor pulled even when a bending moment is applied.
[0049]
The magnetostrictive film generally changes the magnetic permeability only when one of “compression strain” or “tensile strain” occurs. For example, the force of the rotating shaft 140 is perpendicular to the axial direction of the rotating shaft 140. In a case where “compression strain” is partially generated, when the rotating shaft 140 is rotated in the order of (a), (b), and (c) in FIG. 9, the magnetic permeability becomes that of the magnetostrictive films 142A and 142B. When the film thickness is the thickest (c), the film thickness becomes the largest, and conversely, when the film thickness of the magnetostrictive films 142A and 142B is the thinnest (a), the film thickness becomes the smallest. That is, the magnitude of the magnetic permeability of the magnetostrictive films 142 </ b> A and 142 </ b> B varies depending on the rotational position of the rotating shaft 140.
[0050]
Here, if the thickness of the magnetostrictive films 142A and 142B is 30 μm or less, even if the permeability of the magnetostrictive film varies due to the rotational position of the rotary shaft 140 due to the eccentricity of the magnetostrictive films 142A and 142B, the magnetostrictive films 142A and 142B. Since the thickness of 142B is sufficiently thin, for example, when the driver is steering with a constant force, the variation in the detected torque due to the difference in film thickness between the magnetostrictive films 142A and 142B is sufficiently increased. Can be suppressed. Therefore, according to the electric power steering device 200 (see FIG. 1) for a vehicle including the rotational torque detection mechanism 290, the driver's steering feeling (steering feeling) during driving can be maintained at a good level. (See FIG. 10).
[0051]
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to such embodiments, and various modifications are possible as long as they are based on the technical idea of the present invention.
[0052]
For example, it is assumed that the rotational torque detection mechanism according to the present embodiment is applied to a pinion assist type electric power steering apparatus configured to add auxiliary torque to the rotating shaft 140 (see FIG. 1). However, the present invention can also be applied to a rack assist type electric power steering apparatus configured to apply an auxiliary torque to the rack shaft 160 (see FIG. 1).
[0053]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the rotational torque detection mechanism of the first aspect of the present invention, even when a force acting perpendicularly to the rotational axis is applied from the outside, it is not affected by the bending moment. Therefore, the magnitude and direction of the rotational torque acting on the rotating shaft can be detected with high accuracy.
[0055]
Further, since no rotating shaft is bent over a predetermined gap in the axial direction, it can be rotational shaft is prevented from being plastically deformed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a vehicle steering system 100 and an electric power steering apparatus 200 provided in the steering system 100. FIG.
2 is a partially cutaway cross-sectional view showing the electric power steering apparatus 200 shown in FIG.
3 is a diagram showing a rotational torque detection mechanism 210 according to the first embodiment, and is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 2;
FIG. 4A is a diagram schematically showing the bending generated in the rotating shaft 140 when the forces F1 and F2 are applied to the rotating shaft 140, and FIG. It is a bending moment diagram which shows the bending moment which acts.
5 is a diagram showing a rotational torque detection mechanism 260 according to a second embodiment, and is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
6 is a view showing a rotational torque detection mechanism 270 according to a third embodiment, and is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 2. FIG.
7 is a view showing a rotational torque detection mechanism 280 according to a fourth embodiment, and is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 2. FIG.
8 is a diagram showing a rotational torque detection mechanism 290 according to a fifth embodiment, and is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
9 is a cross-sectional view of the rotating shaft 140, showing the eccentricity (thickness variation) of the magnetostrictive films 142A and 142B formed on the surface of the rotating shaft 140. FIG.
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the thickness of the magnetostrictive film 142 and the detection sensitivity of the rotational torque detecting mechanism 210, and the relationship between the thickness of the magnetostrictive film 142 and the steering feeling of the driver.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a rotational torque detection mechanism 300 included in a conventional electric power steering apparatus.
FIG. 12A is a diagram schematically showing the bending generated in the rotating shaft 310 when the forces F1 and F2 are applied to the rotating shaft 310, and FIG. It is a bending moment diagram which shows the bending moment which acts.
[Explanation of symbols]
100 Steering system 110 Steering wheel (handle)
120 Steering shaft (shaft)
130 Universal shaft joint 140 Rotating shaft 141 Pinion 142A, 142B Magnetostrictive film 150 Rack and pinion mechanism 160 Rack shaft 161 Rack 170 Tie rod 180 Knuckle 190 Ball joint W Front wheel 200 Electric power steering device 210 Rotation torque detection mechanism 211 First bearing 212 First bearing 212 Two bearings 213A and 213B Excitation circuits 214A and 214B Detection circuit 220 Electric motor 230 Deceleration mechanism 231 Worm 232 Worm wheel 240 Control unit 250 Housing

Claims

A rotating shaft having one end connected to the outside and the other end rotatably supported;
The surface of the rotary shaft between the one end and the other end is arranged at a predetermined distance in the axial direction, and the magnetic permeability changes according to the magnitude and direction of the rotational torque acting on the rotary shaft. A first magnetostrictive film and a second magnetostrictive film;
An excitation circuit disposed opposite to the rotating shaft and exciting the first and second magnetostrictive films;
A detection circuit that is disposed to face the rotation axis and that electrically detects a change in magnetic permeability of the first and second magnetostrictive films;
A rotational torque detection mechanism configured to detect the magnitude and direction of rotational torque acting on the rotational shaft by detecting a change in magnetic permeability of the first and second magnetostrictive films by the detection circuit; There,
The one end side from the first and second magnetostrictive films of the rotating shaft is a free end that allows a predetermined displacement in the radial direction, and a predetermined gap is provided around the one end portion. A rotational torque detection mechanism characterized in that a bearing is arranged at a distance .