JP5617904B2 - トルク検出装置、電動パワーステアリング装置及び車両 - Google Patents

Description

本発明は、回転軸に発生するトルクを検出するトルク検出装置、そのトルク検出装置を備える電動パワーステアリング装置及び車両に関する。

従来の電動パワーステアリング装置としては、例えば特許文献１に記載の技術がある。この技術は、制御基板に穿設されたスルーホールにトルクセンサの外部接続端子を挿通させてからビス止めし、次いで外部接続端子とスルーホールとを半田付けすることで、制御基板とトルクセンサとを接続するようにしたものである。

特開２００７−２７６７４２号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術にあっては、トルクセンサを組立てる際、制御基板との接続に半田付けを行う必要があり組立工数がかかる。
また、環境負荷低減を背景として、近年、鉛を含まない鉛フリーはんだが採用されており、当該はんだの特徴である、ぬれ性の低下が起因して、生産タクトが増加したり品質安定性が低下したりする点が懸念される。
そこで、本発明は、組立性の向上と品質向上とを実現することができるトルク検出装置、そのトルク検出装置を備える電動パワーステアリング装置及び車両を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、本発明に係るトルク検出装置の一態様は、回転軸に生じるトルクに応じて互いに逆方向にインピーダンスが変化する少なくとも１対の検出コイルと、前記検出コイルの出力電圧を検出し、当該出力電圧に基づいて前記トルクを検出するトルク検出機能を有する回路基板と、を備えるトルク検出装置であって、電磁ヨークと、前記検出コイルがそれぞれ巻き付けられて前記電磁ヨークの内部に保持されるリール状のコイルボビンと、前記回路基板上に実装された基板側コネクタと、前記コイルボビンに形成され、前記検出コイルの先端部分及び終端部分が接続された端子を有し、前記基板側コネクタと電気的接続が可能なコイル側コネクタと、を備えることを特徴としている。

これにより、コイル側コネクタと基板側コネクタとを接続することにより、検出コイルと回路基板との電気的接続がなされる。このように、コネクタ接続を採用するので、従来のように検出コイルと回路基板とを接続するために半田付けを行う必要がない。そのため、組立工程を簡素化できると共に品質を向上することができる。
また、上記において、前記基板側コネクタは、前記検出コイルと同数の可動片を有するコネクタであってもよい。

このように、基板側コネクタを可動式コネクタとすることで、組立誤差に起因してコイル側端子の相対位置ずれが発生した場合であっても、コイル側コネクタを基板側コネクタに確実に接続することができる。
さらに、上記において、前記検出コイルは１対であり、前記基板側コネクタは、２つの前記可動片を有していてもよい。このように、検出コイルを１対（２つ）とするので、組立が容易となると共に、基板側コネクタの構造も簡素化できる。

また、上記において、前記コイル側コネクタは、前記コイルボビンの側面端部に形成された端子取付部と、前記端子取付部に、当該コイル側コネクタの前記基板側コネクタへの挿入方向に立設された前記端子と、前記端子取付部の少なくとも１つの側面に形成され、前記挿入方向に突出する平板状のガイド部と、を備えていてもよい。
これにより、コイル側コネクタを基板側コネクタに挿入する際の挿入性を向上することができる。また、ガイド部を、コイル側端子を囲む位置に設けることができるので、コイル側端子の保護にもなる。

さらにまた、上記において、対になる前記検出コイルをそれぞれ巻き付けた前記コイルボビンを互いに向かい合わせて組み付けるように構成されており、前記コイルボビンは、円周方向への位相差を規制する規制部を備えていてもよい。
これにより、対になるコイルボビンが円周方向に回転するのを防止し、位相のずれを規制することができる。そのため、コイル側端子の位置を常に所定の位置に保つことができる。したがって、コイル側コネクタを基板側コネクタに確実に接続することができる。

また、上記において、前記規制部は、前記各コイルボビンの合わせ面側において軸方向に凹部と凸部とで形成された段差であってもよい。このように、比較的簡易な構成で両コイルボビンの円周方向への位相差を規制することができる。
また、本発明に係る電動パワーステアリング装置の一態様は、操舵系に運転者の操舵負担を軽減する操舵補助力を付与する電動パワーステアリング装置であって、ステアリング機構に入力される操舵トルクを検出する上記の何れかのトルク検出装置と、少なくとも前記トルク検出装置で検出した操舵トルクに基づいて、前記操舵補助力を付与すべく前記電動モータを駆動制御するモータ制御部と、を備えることを特徴としている。

このように、検出コイルと回路基板とをコネクタ接続により確実に接続し、操舵トルクを適切に検出可能なトルク検出装置を用いるので、信頼性の高い電動パワーステアリング装置とすることができる。
さらに、本発明に係る車両の一態様は、上記の電動パワーステアリング装置を備えることを特徴としている。これにより、信頼性の高い操舵補助制御を行うことができる車両とすることができる。

本発明のトルク検出装置では、回路基板に実装された基板側コネクタにコイル側コネクタを挿入するだけで、コイルと回路基板との電気的接続が得られるため、組立工程の簡素化による生産効率の向上と品質向上とを実現することができる。そのため、適切なトルク検出が可能となる。
そして、上記トルク検出装置を備える電動パワーステアリング装置及び車両では、信頼性の高い操舵補助制御を行うことができる。

本発明に係るトルク検出装置を備える電動パワーステアリング装置の主要部を示す断面図である。 トルク検出部の構成を示す図である。 コイルボビンの構成を示す図である。 トルク検出部と回路基板との接続方法を示す図である。 回路基板側コネクタを示す図である。 トルク検出部と回路基板との接続状態を示す図である。 トルク検出部と回路基板との接続方法の別の例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態は、本発明に係るトルク検出装置を車両の電動パワーステアリング装置に適用したものである。
図１は、本発明に係る電動パワーステアリング装置の主要部を示す断面図である。
図１において、符号５はハウジングであって、このハウジング５は、入力軸側ハウジング部５ａと出力軸側ハウジング部５ｂとに２分割された構造を有する。入力軸側ハウジング部５ａの内部には、入力軸１が軸受６ａによって回転自在に支持されている。また、出力軸側ハウジング部５ｂの内部には出力軸２が軸受６ｂ及び６ｃによって回転自在に支持されている。

そして、入力軸１及び出力軸２は、入力軸１の内部に配設されたトーションバー３を介して連結されている。
入力軸１、トーションバー３及び出力軸２は同軸に配置されており、入力軸１とトーションバー３とはピン結合し、また、トーションバー３と出力軸２とはスプライン結合している。図１において、入力軸１の突出端には、図示しないステアリングホイールが一体的に取り付けられている。また、出力軸２には入力軸１とは反対側にピニオン軸２ａが一体的に形成されており、ピニオン軸２ａはラック４と噛合してラックアンドピニオン式ステアリング機構を構成している。

また、出力軸２には、これと同軸で且つ一体に回転するウォームホイール７が固着されており、図示しない電動モータで駆動されるウォーム８と出力軸側ハウジング部５ｂ内で噛合している。ウォームホイール７は金属製のハブ７ａに合成樹脂製の歯部７ｂが一体的に固定されている。電動モータの回転力は、ウォーム８及びウォームホイール７を介して出力軸２に伝達され、電動モータの回転方向を適宜切り換えることにより、出力軸２に任意の方向の操舵補助トルクが付与される。

次に、入力軸１及び出力軸２間のトルクを検出するトルクセンサ（トルク検出装置）ＴＳを構成するトルク検出部１０の構成について説明する。
トルク検出部１０は、入力軸１に形成されたセンサシャフト部１１と、入力軸側ハウジング部５ａの内側に配置された１対の検出コイル１３ａ及び１３ｂと、両者の間に配置された円筒部材１２とを備える。

センサシャフト部１１は磁性材料で構成されており、センサシャフト部１１の表面には、図２に示すように、軸方向に延びた複数（図２の例では９個）の凸条１１ａが円周方向に沿って等間隔に形成されている。また、凸条１１ａの間には溝部１１ｂが形成されている。
センサシャフト部１１の外側には、センサシャフト部１１に接近して導電性で且つ非磁性の材料、例えばアルミニウムで構成された円筒部材１２がセンサシャフト部１１と同軸に配置されており、図１に示すように、円筒部材１２の延長部１２ｅは出力軸２の端部２ｅの外側に固定されている。

円筒部材１２には、前記したセンサシャフト部１１の表面の凸条１１ａに対向する位置に、円周方向に等間隔に配置された複数個（図２では９個）の長方形の窓１２ａからなる第１の窓列と、当該第１の窓列から軸方向にずれた位置に、窓１２ａと同一形状で、円周方向の位相が異なる複数個（図２では９個）の長方形の窓１２ｂからなる第２の窓列とが設けられている。
円筒部材１２の外周は、同一規格の検出コイル１３ａ及び１３ｂが捲回されたコイルボビン１８を保持するヨーク１５ａ及び１５ｂで包囲されている。即ち、検出コイル１３ａ、１３ｂは円筒部材１２と同軸に配置され、検出コイル１３ａは窓１２ａからなる第１の窓列部分を包囲し、検出コイル１３ｂは窓１２ｂからなる第２の窓列部分を包囲する。

ヨーク１５ａ及び１５ｂは、図１に示すように、入力軸側ハウジング部５ａの内部に固定され、検出コイル１３ａ，１３ｂの出力線はコネクタ（コイル側コネクタ）１６を介して入力軸側ハウジング部５ａの内部に配置された回路基板１７のコネクタ（基板側コネクタ）１９に接続されている。ここで、基板側コネクタ１９をはじめとして、回路基板１７の電気回路を担う電子部品は、リフロー半田付けによる表面実装、若しくはリード半田付け等によって実装されている。

図３は、コイルボビン１８の構成を示す図である。コイルボビン１８は、プラスチック等の不導体からなるリール状の部材であって、入力軸側ハウジング部５ａに入力軸２や出力軸３と同軸に固定される。このコイルボビン１８は、一対のフランジ部１８ａ，１８ｂを有し、フランジ部１８ａ，１８ｂの間の溝部１８ｃには、コイル１３ａ若しくはコイル１３ｂが捲回されるようになっている。

本実施形態のトルク検出部１０では、コイル１３ａ，１３ｂがそれぞれ捲回された同一形状の２つのコイルボビン１８を、互いに向かい合わせて用いる。
フランジ部１８ｂの側面端部には、基板側コネクタ１９と接続可能なコイル側コネクタ１６を構成する後述する端子取付部１８ｅが形成されており、端子取付部１８ｅをコイルボビン１８の上端部に位置させた状態でのコイルボビン１８の中心を通る垂線を対称軸として、線対称の位置には、規制部１８ｄが形成されている。

規制部１８ｄは、フランジ部１８ｂの一部が径方向外側に突出したベース部と、該ベース部を円周方向に等分した一方の領域に、コイルボビン１８の軸方向外側に向かって突出形成された凸部とで構成されている。つまり、２つのコイルボビン１８を、フランジ部１８ｂを対向させて同一軸上に配置した状態では、円周方向において両者の規制部１８ｄが突き当てられ、回転角度方向の相対位置が決定される構造となっている。
なお、規制部１８ｄは、１つのコイルボビン１８に対して２つ以上であれば、その数は適宜選択可能である。

端子取付部１８ｅは、フランジ部１８ｂの側面上端部からさらに径方向外側に突出する略直方体状の部材であり、その上面には、基板側コネクタ１９と接続するための２本の端子（コイル側端子）１８ｆが圧入固定されている。これら２本のコイル側端子１８ｆは平行に配設され、端子取付部１８ｅの上面から径方向外側に突出するように固定されている。
さらに、端子取付部１８ｅの一方の側方部には、端子取付部１８ｅの上面からさらに径方向外側に突出する平板状のガイド部１８ｇが形成されている。

上記において、２つのコイルボビン１８の端子取付部１８ｅ、コイル側端子１８ｆ及びガイド部１８ｇでコイル側コネクタ１６を構成している。
また、回路基板１７には、図４に示すように基板側コネクタ１９が実装されている。基板側コネクタ１９はメス端子を有するものであり、この基板側コネクタ１９にコイル側コネクタ１６が基板厚み方向に接続することにより、トルク検出部１０と回路基板１７との間の電気的接続が得られる。

図５は、基板側コネクタ１９の構成を示す図である。
基板側コネクタ１９は、端子１９ａと、端子１９ａの一部形状をＵ字にした端子可動部１９ｂと、２つのハウジング１９ｃとを備える。この基板側コネクタ１９は、可動式コネクタであって、端子１９ａ及びハウジング１９ｃが端子可動部１９ｂの弾性変形構造により個別に可動するようになっている。

トルク検出部１０を組み立てる際には、先ず、コイル１３ａ，１３ｂをそれぞれコイルボビン１８に巻き付ける。コイル１３ａをコイルボビン１８に巻き付ける場合、コイル１３ａの先端部分を一方のコイル側端子１８ｆに絡げて半田またはティグ溶接で固定し、コイル１３ａを溝部１８ｃに巻き付けた後、その終端部分を他方のコイル側端子１８ｆに絡げて半田またはティグ溶接で固定する。コイル１３ｂについても同様である。

次に、コイル１３ａ，１３ｂを巻き付けた２つのコイルボビン１８を、それぞれヨーク１５ａ，１５ｂの内側に嵌着する。そして、これら２つのコイルボビン１８を、フランジ部１８ｂを互いに向かい合わせるように配置して、ヨーク１５ａ，１５ｂを入力軸側ハウジング５ａの内側に装着する。
このとき、一方のコイルボビン１８における規制部１８ｄと他方のコイルボビン１８における規制部１８ｄとが嵌合し、２つのコイルボビン１８は互いの規制部１８の段差部分により円周方向へ回転することが防止されると共に、位相のずれが規制される。

そして、２つのコイルボビン１８が対向して合わさることでコイル側コネクタ１６が形成され、このコイル側コネクタ１６を、図６に示すように回路基板１７の基板側コネクタ１９に接続する。
回路基板１７にはトルクセンサＴＳを構成する図示しないトルク演算回路が搭載されており、このトルク演算回路は、２つのコイル１３ａ，１３ｂの出力電圧を検出し、当該出力電圧の差分に基づいて、ステアリングホイールに付与されて入力軸１に伝達された操舵トルクを検出する。このように、トルクセンサＴＳは、入力軸１と出力軸２との相対的な変位（回転変位）を、コイル対のインピーダンスの変化に対応させて検出する。

トルクセンサＴＳで検出した操舵トルクは、図示しないコントローラに入力される。コントローラは、操舵トルクの他に車速を入力し、これらに応じた操舵補助力を操舵系に付与する操舵補助制御を行う。具体的には、上記操舵補助力を電動モータで発生するための操舵補助トルク指令値を公知の手順で算出し、算出した操舵補助トルク指令値とモータ電流検出値とにより、電動モータに供給する駆動電流をフィードバック制御する。このようにして、操舵補助制御が実施される。
なお、上記において、入力軸２、出力軸３及びトーションバー４が回転軸に対応し、コイル１３ａ及び１３ｂが検出コイルに対応し、ヨーク１５ａ，１５ｂが電磁ヨークに対応している。

ところで、従来、インダクタンス式トルクセンサは、電動パワーステアリング装置におけるギアボックス内に収められ、コイル側端子を、信号処理を行うためのセンサ基板のスルーホールに挿入、半田付けされることで、コイルとセンサ基板との電気的接続が行われている。ところが、近年、環境負荷低減を背景として、鉛を含まない鉛フリーはんだが採用されていることから、上記のように半田付けによる電気的接続を行うものでは品質安定の低下といった課題がある。

これに対して、本実施形態では、コイルとセンサ基板との電気的接続にコネクタを用いる。したがって、半田付けによる電気的接続と比較して、品質安定性の向上を図ることができる。また、コイルとセンサ基板とを容易に接続することができるので、組立性を向上させることができる。
また、コイルボビン１８に２つ以上の規制部１８ｄを設け、当該規制部１８ｄにより２つのコイルボビン１８の回転方向の位置決めをするため、コイル側端子１８ｆの位置精度を向上させることができる。さらに、コイル側端子１８ｆ付近には、ガイド部１８ｇを設けているため、基板側コネクタ１９に対する挿入性を向上させることができる。このように、基板側コネクタ１９との接続を容易に行うことができる。

さらに、同一形状の２つのコイルボビン１８を用いてトルク検出部１０を構成するので、成型時の型の点数を削減できる。また、部品（コイルボビン１８）の共通化が図れるので、製造コストを低減することができる。
また、基板側コネクタ１９を、接点可動部を有する可動式コネクタとするので、２つのコイル１３ａ，１３ｂをより容易且つ適切に接続することができる。

トルクセンサＴＳを構成するコイルは概ね２つ以上（本実施形態では２つ）で構成されており、各コイルのコイル側端子１８ｆは、組立誤差に起因して相対位置ずれが発生する可能性が高い。このように、コイル側端子１８ｆの相対位置ずれが発生すると、基板側コネクタ１９に接続できず、適切に電気的接続が得られないおそれがある。
これに対して、本実施形態では、基板側コネクタ１９を、端子１９ａ及びハウジング１９ｃが個別に可動する構成とするので、各々のコイル側端子１８ｆを容易に挿入できることができる。したがって、コイル側端子１８ｆの相対位置ずれを吸収しつつ基板側コネクタ１９と嵌合することができ、コイルとセンサ基板との間の電気的接続を確実に得ることができる。

このように、センサ組立時は、コネクタ（基板側コネクタ１９）が実装された基板（回路基板１７）をコイル（トルク検出部１０）に対して挿入するだけでよく、組立工程の簡素化及び生産効率の向上が期待できる。また、基板（回路基板１７）とコイル（トルク検出部１０）との電気的接続を確実に確保することができるトルク検出装置（トルクセンサＴＳ）とすることができる。
したがって、本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では、適切に操舵トルクを検出し、操舵系に運転者の操舵負担を軽減する操舵補助力を付与する操舵補助制御を実施することができる。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されずに種々の変更、改良を行うことができる。
例えば、トルク検出部１０のコイルとして１対のコイル１３ａ、１３ｂを用いているが、２対以上のコイルを用いるようにしてもよい。
また、上記実施形態では、回路基板１７をトルク検出部１０に水平に取り付ける場合について説明したが、図７に示すように、回路基板１７をトルク検出部１０に垂直に取り付けることも可能である。このように、製品制約サイズの中でコネクタの形状も含めてレイアウトの選択ができる。

１…入力軸、２…出力軸、３…トーションバー、５…ハウジング、５ａ…入力軸側ハウジング部、５ｂ…出力軸側ハウジング部、７…ウォームホイール、８…ウォーム、ＴＳ…トルクセンサ、１０…トルク検出部、１１…センサシャフト、１２…円筒部材、１３ａ，１３ｂ…検出コイル、１５ａ，１５ｂ…ヨーク、１６…コイル側コネクタ、１７…回路基板、１８…コイルボビン、１８ａ，１８ｂ…フランジ部、１８ｃ…溝部、１８ｄ…規制部、１８ｅ…端子取付部、１８ｆ…コイル側端子、１８ｇ…ガイド部、１９…基板側コネクタ、１９ａ…端子、１９ｂ…端子可動部、１９ｃ…ハウジング

Claims (9)

1. 回転軸に生じるトルクに応じて互いに逆方向にインピーダンスが変化する少なくとも１対の検出コイルと、前記検出コイルの出力電圧を検出し、当該出力電圧に基づいて前記トルクを検出するトルク検出機能を有する回路基板と、を備えるトルク検出装置であって、
   電磁ヨークと、前記検出コイルがそれぞれ巻き付けられて前記電磁ヨークの内部に保持されるリール状のコイルボビンと、
   前記回路基板上に実装された基板側コネクタと、
   前記コイルボビンに形成され、前記検出コイルの先端部分及び終端部分が接続された端子を有し、前記基板側コネクタと直接的に接続されて電気的接続が可能なコイル側コネクタと、を備えることを特徴とするトルク検出装置。
2. 前記基板側コネクタと前記コイル側コネクタとは、前記基板側コネクタの雌部と前記コイル側コネクタの雄部とを嵌合して直接的に接続されることを特徴とする請求項１に記載のトルク検出装置。
3. 前記基板側コネクタは、前記検出コイルと同数の可動片を有するコネクタであることを特徴とする請求項１又は２に記載のトルク検出装置。
4. 前記検出コイルは１対であり、前記基板側コネクタは、２つの前記可動片を有することを特徴とする請求項３に記載のトルク検出装置。
5. 前記コイル側コネクタは、前記コイルボビンの側面端部に形成された端子取付部と、前記端子取付部に、当該コイル側コネクタの前記基板側コネクタへの挿入方向に立設された前記端子と、前記端子取付部の少なくとも１つの側面に形成され、前記挿入方向に突出する平板状のガイド部と、を備えることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のトルク検出装置。
6. 対になる前記検出コイルをそれぞれ巻き付けた前記コイルボビンを互いに向かい合わせて組み付けるように構成されており、
   前記コイルボビン間の円周方向への位相差を規制する規制部を備えることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のトルク検出装置。
7. 前記規制部は、前記各コイルボビンの合わせ面側において円周方向に凹部と凸部とを並設した段差であることを特徴とする請求項６に記載のトルク検出装置。
8. 操舵系に運転者の操舵負担を軽減する操舵補助力を付与する電動パワーステアリング装置であって、
   ステアリング機構に入力される操舵トルクを検出する前記請求項１〜７の何れか１項に記載のトルク検出装置と、
   少なくとも前記トルク検出装置で検出した操舵トルクに基づいて、前記操舵補助力を付与すべく電動モータを駆動制御するモータ制御部と、を備えることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
9. 前記請求項８に記載の電動パワーステアリング装置を備えることを特徴とする車両。

Images