JP4484491B2 - トルクセンサ - Google Patents

Description

本発明は、車両のステアリングの入力トルク等を検出するトルクセンサに関し、とりわけ、トルクをトーションバーの捩れ量に変換し、その捩れ量をさらにコイルのインピーダンス変化として検出するトルクセンサに関するものである。

この種のトルクセンサとして特許文献１に記載されるようなものが案出されている。

このトルクセンサは、同軸に配置された第１，第２シャフトをトーションバーによって連結し、両シャフトの相対的な回動位置を求めることによってトーションバーの捩りに応じたトルクを検出する基本構成となっており、両シャフトの相対的な回動位置を求める手段としてコイルのインピーダンス変化を利用した検出手段を用いている。

この検出手段は、第１シャフト側に磁気抵抗の大きい領域と小さい領域が外周面に沿って交互に配置された内側磁路構成部が設けられると共に、第２シャフト側に非磁性でかつ導電性を有する材料から成る円筒部材が前記内側磁路構成部の周域を囲繞するように取り付けられている。そして、円筒部材には円周方向に沿って複数の透過窓が形成され、円筒部材の外周側にはコイルが非接触状態で対向配置されている。この検出手段の場合、コイルのインピーダンスは、透過窓と内側磁路部材の磁気抵抗の小さい部分とのラップ状態に応じて変化するため、両シャフトの相対回動位置はコイルのインピーダンス変化から求めることができる。

また、前記内側磁路構成部は、導電性を有する第１シャフトの外周面に、非磁性でかつ導電性を有する材料から成る円筒状の遮蔽部材が被着され、その遮蔽部材に複数のスリットが円周方向に沿って形成された構造となっており、円筒部材は第２シャフトの外周面に片持ち状態で支持固定されている。
特開平８−１１４５１８号公報

この従来のトルクセンサの場合、円筒部材が第２シャフトに片持ち状態で支持固定されているため、第１，第２シャフト間に曲げ荷重が作用した状態でトーションバーが捩られると、円筒部材の透過窓が内側磁路構成部に接触し、このときセンサ出力に悪影響を及ぼすことがある。

そこで本発明は、円筒部材と内側磁路構成部が直接接触することがないようにして、常時安定したセンサ出力を得ることのできるトルクセンサを提供しようとするものである。

前記課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明は、とりわけ、前記円筒部材の他端側を、前記遮蔽部材の軸方向外端部よりも軸方向外側に延出させると共に内向きフランジ状に縮径させ、この縮径部の内周面を前記第１シャフトに対向させ、この対向面同士の径方向の隙間を、前記円筒部材と前記遮蔽部材の径方向の隙間よりも小さく設定したことを特徴としている。

この発明の場合、両シャフト間に曲げ荷重が作用した状態でトーションバーが捩られると、円筒部材の他端側と第１シャフトの対向面が先に当接することにより、円筒部材と遮蔽部材の直接接触が回避される。

また、円筒部材の縮径部は、非磁性で、しかも、遮蔽部材の軸方向外側の空間を取り囲むように配置されているため、トルク検出にかかわる磁束が外側に漏れるのを防止することができる。

本発明は、円筒部材の他端側と第１シャフトの対向面が当接することで、円筒部材と内側磁路構成部の直接接触を回避できるため、円筒部材と内側磁路構成部が接触することによるセンサ出力への悪影響を無くすことができる。

次に、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。

まず、図１，図２に示す第１の実施形態について説明する。この実施形態は、本発明にかかるトルクセンサ１を車両用パワーステアリング装置の操舵トルク検出部に適用したものであり、パワーステアリング装置は以下のような概略構成となっている。

即ち、図１に示すように、車体に支持固定されるハウジング２にはステアリングホイール側の第１シャフト３と、転舵機構であるラック＆ピニオン２０に連係される第２シャフト４が夫々軸受を介して回動自在に支持されており、第１シャフト３と第２シャフト４はトーションバー５を介して連結され、両者間に作用するトルクがトーションバー５の捩れ量に変換されるようになっている。第２シャフト４には、電動モータ２１の動力を受けるウォームホイール６が一体に取付けられており、電動モータ２１は両シャフト３，４のトルクに応じたアシスト力を発生するようになっている。本発明にかかるトルクセンサ１は、トーションバー５の捩れに伴なう第１，第２シャフト３，４の相対回動位置の変化をコイル７Ａ，７Ｂのインピーダンス変化として検出するようになっている。

第１シャフト３の下端部はトーションバー５を囲繞した状態で第２シャフト４との突き合わせ部まで延び、その先端部の縮径部８が第２シャフト４の上面の凹部９に非接触状態で挿入されている。そして、第１シャフト３の縮径部８と第２シャフトの凹部９には、両シャフト３，４の相対回動を制限する図外のストッパが設けられている。

また、第１，第２シャフト３，４は磁性を有する金属等によって形成されている。トーションバー５を囲繞する第１シャフト３の下端側外周には、全体がほぼ円筒状を呈する遮蔽部材１１が取付けられている。この遮蔽部材１１は、第１シャフト３の下端部と共にこの発明における内側磁路構成部を成す部材であり、アルミニウム等の非磁性でかつ導電性を有する金属材料によって形成されている。そして、遮蔽部材１１の周壁には軸方向に沿う複数のスリット１２が円周方向等間隔に形成され、隣接するスリット１２，１２間の梁部１１ａ（図２参照。）が磁束の通過を遮断する遮蔽領域を成すようになっている。したがって、遮蔽部材１１は磁気抵抗の大きい領域と小さい領域とが梁部１１ａとスリット１２によって交互に形成されている。

一方、第２シャフト４の上端部には、前記第１シャフト３の下端部と遮蔽部材１１の外周側を非接触状態で囲繞する円筒部材１３が取り付けられている。この円筒部材１３は上述の遮蔽部材１１と同様にアルミニウム等の非磁性でかつ導電性を有する金属材料から成り、その周壁には遮蔽部材１１のスリット１２（梁部１１ａ）と同数の透過窓１４Ａ…，１４Ｂ…の列が上下二段に設けられている。そして、各段の透過窓１４Ａ…，１４Ｂ…は円周方向等間隔に配置され、両段の透過窓１４Ａ，１４Ｂ同士は周方向に相互にオフセットされている。透過窓１４Ａ，１４Ｂは、トーションバー５が捩られない中立位置において、遮蔽部材１１のスリット１２に対して（スリット１２から露出した第１シャフト３に対して。）夫々左右で半分の面積分だけ重なり合っており、この状態からトーションバー５が捩られると、その捩れ量と方向に応じてスリット１２に対する重なり面積が相反して増減変化するようになっている。

また、円筒部材１３の各透過窓１４Ａ，１４Ｂの外周側にはヨーク１５に保持された一対のコイル７Ａ，７Ｂが非接触状態で配置されている。ヨーク１５はハウジング２の内周面に固定され、各コイル７Ａ，７Ｂは図示しないインピーダンス検出回路（インピーダンス検出手段）に接続されている。各コイル７Ａ，７Ｂのインピーダンスは前記上段と下段の透過窓１４Ａ，１４Ｂの開口面積の関係から、トーションバー５が捩られると、常に逆向きに同量だけ増減変化する。インピーダンス検出回路においては、両コイル７Ａ，７Ｂのインピーダンスの差を求め、その差を基にして入力トルクを求めるようにしている。したがって、温度変化等の入力トルク以外の要因によるインピーダンス変化は相殺される。

前記円筒部材１３はその下端側が第２シャフト４の上部にかしめ固定され、その上端部は、第１シャフト３の遮蔽部材取付位置よりも上方側まで延出している。円筒部材１３の上端部は内向きフランジ状に縮径され、その縮径部１６の内周面が第１シャフト３上の遮蔽部材１１のない領域３ａに対向している。この実施形態では縮径部１６の内周面と第１シャフト３上の前記領域３ａの外周面が本発明における対向面を構成している。

そして、この縮径部１６と第１シャフト３の対向面同士の径方向の隙間ｄ₁は、円筒部材１３の透過窓形成領域と遮蔽部材１１の間の径方向の隙間ｄ₂よりも小さくなるように設定されている（図１中の拡大部分参照。）。

したがって、このトルクセンサ１の場合、第１シャフト３と第２シャフト４に曲げ荷重が作用すると、円筒部材１３の縮径部１６の内周面が第１シャフト３に当接し、円筒部材１３の透過窓形成領域はこれによって遮蔽部材１１に当接しなくなる。このため、このトルクセンサ１においては、円筒部材１３が遮蔽部材１１に接触することによるセンサ出力特性への悪影響が生じず、常時安定したトルク検出を行うことができる。即ち、円筒部材１３と遮蔽部材１１には磁界によって渦電流が生じており、両者が接触するとその瞬間にその渦電流が変化する不具合を招くが、このトルクセンサ１においてはこのような不具合の発生を無くすことができる。

また、このトルクセンサ１においては、円筒部材１３の上端を内向きに屈曲させて縮径部１６を形成し、その縮径部１６を微小な隙間をもって第１シャフト３に対向させるようにしているため、遮蔽部材１１の軸方向の端部を回り込もうとする磁束の流れを非磁性の縮径部１６によって遮ることができる。したがって、縮径部１６によって磁束の漏れを少なくすることができることから、トルク検出精度をより高めることができる。

さらに、円筒部材１３と遮蔽部材１１の直接接触を無くすために設けた縮径部１６は円筒部１３の端部において円筒部材１３の剛性を高めるように機能する。このため、円筒部材１３の肉厚を厚くすることなく、円筒部材１３の変形を効果的に防止することができる。

つづいて、図３に示す第２の実施形態について説明する。

この実施形態のトルクセンサは、円筒部材１３の上端部がストレート状に形成され、その上端部の内周面に対向する第１シャフト３の外周面には所定隆起高さをもつ環状突起２５が形成されている。そして、環状突起２５と円筒部材１３の径方向の隙間ｄ₁は円筒部材１３の透過窓形成領域と遮蔽部材１１の間の径方向の隙間ｄ₂よりも小さくなるように設定されている。このトルクセンサの場合、両シャフト３，４に曲げ荷重が入力されると、円筒部材１３の上端部が環状突起２５に当接し、同様に円筒部材１３と遮蔽部材１１の直接接触を阻止することができる。

また、以上説明した実施形態は、第１シャフト３側の内側磁路構成部を第１シャフト３とその外周に被着した遮蔽部材１１によって形成したが、図４に示す第３の実施形態のように第１シャフト３の外周面に軸方向に長い雄スプライン状の複数の歯３０…を形成し、その部分を内側磁路構成部としても良い。この場合、径方向外側に配置されるコイルに対し、歯３０の頂部が磁気抵抗の小さい領域となり、底部が磁気抵抗の大きい領域となる。

尚、この発明の実施形態は以上で説明したものに限るものでなく、例えば、上述した実施形態では、円筒部材１３の上端部内面と第１シャフト３の間を設定隙間ｄ₁を持たせて離間させたが、隙間ｄ₁をゼロにして常態で両者が摺動するようにしても良い。このようにした場合、隙間ｄ₁からの磁束の回り込みをより確実に無くすことができる。ただし、この場合には、非接触にするときに比較して摺動抵抗が大きくなるため、円筒部材と第１シャフトの少なくとも一方に低摩擦材を取り付けるようにしても良い。

次に、上述した実施形態の内容から把握し得る前記請求項に記載した発明以外の発明について、以下にその効果と共に記載する。

（イ） 前記縮径部の内周面を常態において第１シャフトに対して非接触にしたことを特徴とする請求項２に記載のトルクセンサ。

この場合、両シャフトが曲げ変形しない通常時には縮径部と第１シャフトが接触しないため、必要外のフリクションの発生と部材摩耗を防止することができる。

（ロ） 円筒部材と第１シャフトの対向面の少なくとも一方に低摩擦材を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載のトルクセンサ。

この場合、円筒部材と第１シャフトの当接時の摺動抵抗を低減することができる。

本発明の第１の実施形態を示す縦断面図。 同実施形態を示す要部の分解斜視図。 本発明の第２の実施形態を示す要部の分解斜視図。 本発明の第３の実施形態を示す要部の分解斜視図。

符号の説明

１…トルクセンサ
３…第１シャフト
３ａ…遮蔽部材のない領域（対向面）
４…第２シャフト
５…トーションバー
７Ａ，７Ｂ…コイル
１１…遮蔽部材（内側磁路構成部）
１３…円筒部材
１４Ａ，１４Ｂ…透過窓
１６…縮径部（対向面）
２５…環状突起（対向面）
３０…歯（内側磁路構成部）

Claims (3)

1. トーションバーによって連結された第１，第２シャフトと、
   この第１シャフトの外周面に設けられ、非磁性でかつ導電性を有する金属材料で形成され、磁気抵抗の大きい領域と小さい領域が外周面に沿って交互に配置された内側磁路構成部を前記第１シャフトと共に構成する遮蔽部材と、
   前記遮蔽部材の周域を囲繞した状態で一端が前記第２シャフトに一体に取り付けられ、周壁に透過窓が形成された非磁性でかつ導電性を有する材料から成る円筒部材と、
   この円筒部材の外周側に非接触状態で配置されたコイルと、
   このコイルのインピーダンス変化を検出するインピーダンス検出手段と、
   を備えたトルクセンサにおいて、
   前記円筒部材の他端側を、前記遮蔽部材の軸方向外端部よりも軸方向外側に延出させると共に内向きフランジ状に縮径させ、この縮径部の内周面を前記第１シャフトに対向させ、この対向面同士の径方向の隙間を、前記円筒部材と前記遮蔽部材の径方向の隙間よりも小さく設定したことを特徴とするトルクセンサ。
2. トーションバーによって連結された第１，第２シャフトと、
   この第１シャフトの外周面に設けられ、非磁性でかつ導電性を有する金属材料で形成され、磁気抵抗の大きい領域と小さい領域が外周面に沿って交互に配置された内側磁路構成部を前記第１シャフトと共に構成する遮蔽部材と、
   前記遮蔽部材の周域を囲繞した状態で一端が前記第２シャフトに一体に取り付けられ、周壁に透過窓が形成された非磁性でかつ導電性を有する材料から成る円筒部材と、
   この円筒部材の外周側に非接触状態で配置されたコイルと、
   このコイルのインピーダンス変化を検出するインピーダンス検出手段と、
   を備えたトルクセンサにおいて、
   前記円筒部材の他端側を、前記遮蔽部材の軸方向外端部よりも軸方向外側に延出させると共に内向きフランジ状に縮径させ、この縮径部の内周面を前記第１シャフトに対向させ、この対向面同士の径方向の隙間を、前記円筒部材と前記遮蔽部材の径方向の隙間よりも小さくかつ前記遮蔽部材の肉厚よりも小さく設定したことを特徴とするトルクセンサ。
3. トーションバーによって連結された第１，第２シャフトと、
   この第１シャフトの外周面に設けられ、非磁性でかつ導電性を有する金属材料で形成され、磁気抵抗の大きい領域と小さい領域が外周面に沿って交互に配置された内側磁路構成部を前記第１シャフトと共に構成し、前記内側磁路構成部の前記第２シャフトに対して前記第１シャフトが位置する方向の軸方向端部に設けられる遮蔽領域を有する遮蔽部材と、
   前記遮蔽部材の周域を囲繞した状態で一端が前記第２シャフトに一体に取り付けられ、周壁に透過窓が形成された非磁性でかつ導電性を有する材料から成る円筒部材と、
   この円筒部材の外周側に非接触状態で配置されたコイルと、
   このコイルのインピーダンス変化を検出するインピーダンス検出手段と、
   を備えたトルクセンサにおいて、
   前記円筒部材の他端側を、前記遮蔽部材の軸方向外端部よりも軸方向外側に延出させると共に内向きフランジ状に縮径させ、この縮径部の内周面を前記第１シャフトに対向させ、この対向面同士の径方向の隙間を、前記円筒部材と前記遮蔽部材の径方向の隙間よりも小さくかつ前記遮蔽部材の肉厚よりも小さく設定したことを特徴とするトルクセンサ。

Images