JP4883337B2 - トルクセンサおよび電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば自動車の電動パワーステアリング装置に適用されて操舵トルクを検出するトルクセンサ、および電動パワーステアリング装置に関するものである。

操舵トルクに応じた操舵補助力をラックアンドピニオン機構等の操舵機構に付与して操舵補助する電動パワーステアリング装置がある。
上記の操舵トルクを検出するためのトルクセンサでは、トーションバーを介して互いに連結された２つの軸（入力軸および出力軸）に、それぞれ磁性材製の検出リングを取り付け、各検出リングをそれぞれ対応する励磁コイルにより包囲している。また、一方の検出リングはピンを用いて対応する軸に固定されている。具体的には、ピンは検出リングの挿通孔を挿通して軸の固定孔に圧入されている。（例えば特許文献１参照）。

一方、軸からの迷い込み磁束を遮る目的で軸を非磁性材製のスリーブで包囲し、このスリーブの外周に上記の一方の検出リングを配置するトルクセンサが提供されている（例えば特許文献２，３，４参照）。
実開平３−４８７４０号公報 特公平６−７５０１８号公報 特許第２５０９０９２号公報 特開２００３−５０１６８号公報

通例、検出リングを固定するためのピンとしては軸受鋼（ＳＵＪ−２）製のピンが用いられており、このピンを介する漏れ磁束も若干発生している。
ところが、他方の温度補償用の検出リングの歯部と上記のピンとの位置関係（軸の回転方向の位相）は任意となるため、ピンを介する漏れ磁束の量がばらつく。その結果、トルクセンサの検出性能がばらつくという問題がある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、ばらつきの少ない検出性能を得ることのできるトルクセンサおよびこれを含む電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、トーションバーを介して互いに連結された２つの軸にそれぞれ取り付けられた磁性材製の一対の検出リングと、各検出リングをそれぞれ取り囲む磁束発生用のコイルとを備えるトルクセンサにおいて、上記コイルを収容するホルダと、上記ホルダを筒状のハウジングの内周段部に位置決めするように上記ホルダを上記ハウジングの軸方向に弾性的に付勢する付勢部材と、上記ホルダと上記付勢部材との間に介在したスペーサとを備え、上記付勢部材は上記スペーサを介して上記ホルダを付勢し、上記スペーサは、上記ホルダに対向する第１の面と上記付勢部材に対向する第２の面とを含む環状板からなり、上記第１の面の全体が上記ホルダと接触するとともに、上記第２の面の一部が上記付勢部材と接触しており、上記一対の検出リングの少なくとも一方が、非磁性材製のピンによって対応する軸に固定されていることを特徴とするトルクセンサを提供するものである。

本発明では、ピンを非磁性材製とすることにより、ピンを介する漏れ磁束を低減することができる。ピンを介する漏れ磁束の量自体が格段に少ないので、ピンと検出リングの歯部との位置関係がばらついたり、温度により変化したりしたとしても、トルクセンサの検出性能が悪影響を受けることがない。
上記付勢部材は、上記スペーサの上記第２の面の一部に接触する複数の弾性爪を有し、これらの弾性爪が、上記スペーサを介して上記ホルダを付勢していてもよい。
上記ピンがステンレス鋼製のピンを含んでいれば、錆や腐食の発生を抑えることができる点で好ましい。

上記のトルクセンサを用いて操舵トルクを検出する電動パワーステアリング装置であれば、常に適正な操舵補助力を発生できる点で好ましい。

本発明の好ましい実施の形態を添付図面を参照しつつ説明する。
図１は電動パワーステアリング装置に適用された本発明の一実施の形態のトルクセンサを示している。図１を参照して、トルクセンサ１は、導電材製の筒状のハウジング２と、操舵トルクを伝達するトルク伝達軸Ｓとを備え、このトルク伝達軸Ｓは同軸上に配置された入力軸３と出力軸４とを有する。

入力軸３は、ハウジング２により軸受５を介して回転自在に支持され、ステアリングホイール等の操舵部材６に接続される。出力軸４は、ハウジング２により軸受７を介して回転自在に支持されている。出力軸４は、図示しないステアリングギヤを介して自動車の車輪に接続される。
入力軸３および出力軸４の中心孔に挿入されたトーションバー８は、その一端部が入力軸３にピン９により連結され、その他端部が出力軸４にピン等（図示せず）により連結される。これにより、出力軸４は入力軸３に同軸的に弾性的に相対回転可能に連結されている。

出力軸４の外周にウォームホイール１０が取り付けられ、このウォームホイール１０に噛み合うウォーム１１が、ハウジング２に取り付けられる操舵補助力発生用のモータ（図示せず）により駆動される。
入力軸３の外周に、非磁性材製のスリーブ１２が一体回転可能に嵌め合わされている。このスリーブ１２の外周に、磁性材製の第１の検出リング１３が嵌め合わされている。

スリーブ１２にピン挿通孔１２１が形成されると共に、第１の検出リング１３にピン挿通孔１３１が形成されている。第１の検出リング１３のピン挿通孔１３１およびスリーブ１２のピン挿通孔１２１に挿通された固定部材としてのピン３０が、入力軸３に形成された固定孔３ａに圧入されることで、第１の検出リング１３が入力軸３に固定されている。ピン３０は非磁性材製であり、例えばＳＵＳ３０４等のステンレス鋼製である。

出力軸４の外周には、磁性材製の第２の検出リング１４が一体回転可能に嵌め合わされており、入力軸３の外周には、磁性材製の第３の検出リング１５が一体回転可能に嵌め合わされている。第２および第３の検出リング１４，１５は、第１の検出リング１３を挟んだ両側に配置されている。
第１の検出リング１３の一端は、第２の検出リング１４の一端に隙間を設けて対向する。第１の検出リング１３の他端は、第３の検出リング１５の一端に隙間を設けて対向する。第１の検出リング１３の一端、第２の検出リング１４の一端、および第３の検出リング１５の一端は、周方向に沿って並列する複数の歯１３ａ、１４ａ、１５ａによりそれぞれ構成されている。第１の検出リング１３の他端は平坦面とされている。

ハウジング２により保持されるホルダ１６に、トルク伝達軸Ｓを覆う磁束発生用の第１のコイル１７と第２のコイル１８とが収納されている。ホルダ１６は、第１のコイル１７を覆う磁性材製の第１のコア１９と、第２のコイル１８覆う磁性材製の第２のコア２０と、第１および第２のコア１９，２０を覆う絶縁材製のカバー２１とで構成されている。
ハウジング２には基板収容部２２を区画するための周壁２ａが形成されており、この基板収容部２２内に、回路基板２３が収容されている。基板収容部２２内には、ホルダ１６のカバー２１に形成された基板受け部２４が進出している。回路基板２３は、この基板受け部２４によって受けられた状態で、ねじ２５によって基板受け部２４に固定されている。基板収容部２２は蓋部材２６により閉じられている。

回路基板２３には、各コイル１７、１８に接続される検出回路が設けられている。具体的には、各コイル１７，１８は、ホルダ１６のカバー２１の基板受け部２４から突出するコイル端子１７ａ，１８ａを有しており、各コイル端子１７ａ，１８ａを介して検出回路と対応するコイル１７、１８とが接続されている。
図１の要部の拡大図である図２を参照して、第１のコア１９は、第１コイル１７の外周を覆う円筒状周壁１９ａと、第１のコイル１７の一端を覆う環状側壁１９ｂと、第１のコイル１７の他端を覆う蓋部材１９ｃとを有する。

第２のコア２０は、第２コイル１８の外周を覆う円筒状周壁２０ａと、第２のコイル１８の一端を覆う環状側壁２０ｂと、第２のコイル１８の他端を覆う蓋部材２０ｃとを有する。
カバー２１は、両コア１９、２０の外周を覆う円筒状周壁２１ａと、第１のコア１９の一端を覆う第１の環状側壁２１ｂと、第２のコア２０の一端を覆う第２の環状側壁２１ｃとを有する。カバー２１の外周がハウジング２の内周により保持されている。各コア１９、２０は軟磁性粉末を圧縮することで成形され、カバー２１は合成樹脂材から型成形されている。

カバー２１の第１の環状側壁２１ｂは、環状の板ばねからなる付勢部材３１によって、スペーサ３２を介してハウジング２の軸方向に弾性的に付勢されている。付勢部材３１による付勢力を受けたカバー２１は、その第２の環状側壁２１ｃを筒状のハウジング２の内周に形成された環状段部２ｂに当接させることにより、ハウジング２の軸方向に位置決めされている。

図３を参照して、上記の付勢部材３１は、その径方向に延びるスリット３３を有する環状板３４と、環状板３４の内周から傾斜状に延設されて環状板３４の内周により片持ち状に支持されると共に、周方向に沿って並列する複数の弾性爪３５とを備える。スペーサ３２は付勢部材３１の内径よりも小さい内径を有する環状板からなり、例えばアルミニウム合金により形成されている。

図２に示すように、スペーサ３２はカバー２１の第１の環状側壁２１ｂに沿わせて配置されており、付勢部材３１の各弾性爪３５はスペーサ３２を介して第１の環状側壁２１ｂを付勢する。
第１のコイル１７の発生磁束が、第１の検出リング１３、第２の検出リング１４、第１のコア１９を通過することで第１の磁気回路Ｃ１が構成される。また、第２のコイル１８の発生磁束が第１の検出リング１３、第３の検出リング１５、第２のコア２０を通過することで第２の磁気回路Ｃ２が構成される。上述したように、回路基板２３には、各コイル１７、１８に接続される検出回路が設けられている。

図４は、その検出回路の一例を示すもので、第１のコイル１７は抵抗４１を介して発振器４２に接続され、第２のコイル１８は抵抗４３を介して発振器４２に接続される。また第１のコイル１７は演算増幅器４４の反転入力端子に接続され、第２のコイル１８は演算増幅器４４の非反転入力端子に接続され、アース端子４５はハウジング２を介してアースされる。

入力軸３および出力軸４によるトルクの伝達時においては、そのトルクに応じてトーションバー８がねじれ、第１の検出リング１３と第２の検出リング１４とが同軸中心に相対回転する。この相対回転により第１の検出リング１３の一端の歯１３ａと第２の検出リング１４の一端の歯１４ａとの軸方向において重合する部分の面積が変化する。このため、その第１の磁気回路Ｃ１における通過磁束に対する磁気抵抗は、そのトルク変化による、入力軸３および出力軸４の弾性的な相対回転量に応じて変化する。その変化に応じて第１のコイル１６の出力が変化する。

第１の検出リング１３と第３の検出リング１５とは同行回転するので、第２の磁気回路Ｃ２における通過磁束に対する磁気抵抗は、入力軸３および出力軸４による伝達トルクの変化によっては変動することがない。その第１の磁気回路Ｃ１における磁気抵抗は、入力軸３および出力軸４によるトルクの非伝達時にあっては、第２の磁気回路Ｃ２における磁気抵抗と等しくされる。

これにより、第１の磁気回路Ｃ１における磁気抵抗の変化による第１のコイル１７の出力に基づき、トルク伝達軸Ｓにより伝達されるトルクの検出信号が検出回路により出力される。その検出トルクに応じて上記操舵補助力発生用モータが駆動され、操舵補助力が付与される。
さらに、第２のコイル１８の発生磁束が通過する第２の磁気回路Ｃ２における磁気抵抗は、トルク伝達軸Ｓによる伝達トルクの変化によっては変動しないので、温度変動による第１のコイル１７の出力変動と第２のコイル１８の出力変動とが演算増幅器４４において打ち消され、検出トルクの温度変動を補償することができる。

本実施の形態によれば、第１の検出リング１３を入力軸３に固定するためのピン３０を非磁性材製とすることにより、当該ピン３０を介する漏れ磁束Ｌ１，Ｌ２（図２において一点鎖線で示す）を格段に低減することができる。
ピン３０を介する漏れ磁束Ｌ１，Ｌ２の量自体が格段に少ないので、ピン３０と第２の検出リング１４の歯部１４ａとの位置関係（すなわち周方向の互いの位相差Ｄ：図５参照）が組み付け精度によってばらついたり、温度により変化したりしたとしても、トルクセンサ１の検出性能が悪影響を受けることがない。

特に、ピン３０をステンレス鋼製とすることにより、錆や腐食の発生を抑えることができる。
また、付勢部材３１の弾性爪３５とカバー２１の第１の環状側壁２１ｂとの間に環状板からなるスペーサ３２を介在させたので、下記の利点がある。
すなわち、仮に弾性爪３５がカバー２１の第１の環状側壁２１ｂを直接付勢する場合、カバー２１と内部の第１のコア１９が部分的に強く押圧される。このため、第１のコイル１７および第１のコア１９を含む検出側コイルアセンブリの磁気特性が変化し、その結果、第２のコイル１８および第２のコア２０を含む補償側コイルアセンブリとの間で磁気特性のバランスが崩れるという問題がある。

これに対して、本実施の形態では、アルミニウム合金等の環状体からなるスペーサ３２で弾性爪３５を受けることにより、弾性爪３５による付勢力をスペーサ３２の全面に分散させることができる。これにより、カバー２１の第１の環状側壁２１ｂや内部の第１のコア１９が受ける面圧を低減させることができる。その結果、検出側と補償側のコイルアセンブリの磁気特性の相互のバランスを適正に保つことができる。ひいては、組み付け精度や温度変化に伴う、トルクセンサの検出性能のばらつきを抑えることが可能となる。

本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、実施形態における温度補償のための第２のコイル１８は必須の構成ではない。また、上記実施形態の検出回路は一例であり、コイルの出力に基づき、その軸により伝達されるトルクの検出信号を出力するものであれば構成は限定されない。
また、第２の検出リング１４や第３の検出リング１５がピンを用いて対応する軸に固定される場合において、当該ピンを非磁性材製にするようにしてもよい。

電動パワーステアリング装置に適用された本発明の一実施の形態のトルクセンサの概略構成を示す模式的断面図である。 図１の要部を拡大した断面図である。 付勢部材およびスペーサの正面図である。 トルクセンサの検出回路を示す模式図である。 検出リングの歯とピンの関係を示す模式図である。

符号の説明

１ トルクセンサ
２ ハウジング
３ 入力軸
４ 出力軸
８ トーションバー
１２ スリーブ
１３ 第１の検出リング
１２１，１３１ ピン挿通孔
１４ 第２の検出リング
１５ 第３の検出リング
１３ａ，１４ａ，１５ａ 歯
１６ ホルダ
１７ 第１のコイル
１８ 第２のコイル
１９ 第１のコア
２０ 第２のコア
２１ カバー
２１ａ 円筒状周壁
２１ｂ 第１の環状側壁
２１ｃ 第２の環状側壁
２３ 回路基板
３０ ピン
３１ 付勢部材
３２ スペーサ
３３ スリット
３４ 環状板
３５ 弾性爪
Ｃ１ 第１の磁気回路
Ｃ２ 第２の磁気回路
Ｌ１，Ｌ２ 漏れ磁束

Claims (4)

1. トーションバーを介して互いに連結された２つの軸にそれぞれ取り付けられた磁性材製の一対の検出リングと、各検出リングをそれぞれ取り囲む磁束発生用のコイルとを備えるトルクセンサにおいて、
   上記コイルを収容するホルダと、
   上記ホルダを筒状のハウジングの内周段部に位置決めするように上記ホルダを上記ハウジングの軸方向に弾性的に付勢する付勢部材と、
   上記ホルダと上記付勢部材との間に介在したスペーサとを備え、
   上記付勢部材は上記スペーサを介して上記ホルダを付勢し、
   上記スペーサは、上記ホルダに対向する第１の面と上記付勢部材に対向する第２の面とを含む環状板からなり、
   上記第１の面の全体が上記ホルダと接触するとともに、上記第２の面の一部が上記付勢部材と接触しており、
   上記一対の検出リングの少なくとも一方が、非磁性材製のピンによって対応する軸に固定されていることを特徴とするトルクセンサ。
2. 請求項１において、上記付勢部材は、上記スペーサの上記第２の面の一部に接触する複数の弾性爪を有し、これらの弾性爪が、上記スペーサを介して上記ホルダを付勢するトルクセンサ。
3. 請求項１または２において、上記ピンがステンレス鋼製のピンを含むトルクセンサ。
4. 請求項１から３の何れか１項に記載のトルクセンサを用いて操舵トルクを検出する電動パワーステアリング装置。

Images