JP5910067B2 - トルクセンサ及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、トーションバーと回転軸とが連結ピンを介して連結されているトルクセンサ及び電動パワーステアリング装置に関する。

例えば車両の操舵系の一部に捩じれ方向に弾性変形可能なトーションバーを設けることにより、トーションバーを介して連結される軸間に操舵トルクに比例した相対回転を発生させ、その相対回転を測定することにより操舵トルクを検出することができ、その検出されたトルクに応じて操舵補助トルクを発生させることにより運転者の負担を軽減する電動パワーステアリング装置がある。

電動パワーステアリング装置には、例えば特許文献１、特許文献２に記載されているように、トーションバーと、同軸に配置した出力側回転軸及び入力側回転軸とを連結するため、出力側回転軸、入力側回転軸及びトーションバーの両端側の径方向に連通孔を形成し、出力側回転軸の連通孔及びトーションバーの一端側の連通孔を対応させて連結ピンを挿通し、入力側回転軸の連通孔及びトーションバーの他端側の連通孔を対応させて連結ピンを挿通して連結している。連結ピンを介して連結したトーションバーと出力側回転軸及び入力側回転軸は、軸方向及び回転方向に相対移動不能となり、トーションバーのねじれに応じた適切な操向補助力が付与される。

特開平１１−２８１５０４号公報 実開平５−３２２３１号公報

ところで、特許文献１は、出力側回転軸、入力側回転軸及びトーションバーの連通孔に挿入した連結ピンの抜け防止対策を行っていない。
また、特許文献２は、入力側回転軸及びトーションバーを連結している連結ピンの外方を覆うようにハウジングが配置されており、連結ピンが連通孔から抜け落ちるのは防止されるが、連結ピンが連通孔から抜け出てハウジングに接触すると、ハウジングに対する入力側回転軸及びトーションバーの相対回転に影響を与えてしまう。そこで、連通孔に挿入した連結ピンをカシメ等により変形させて抜け止めを行うことが考えられる。しかし、連通孔に挿入した連結ピンに対してカシメ等の変形を行う専用工具が必要となり、しかも、狭い空間で専用工具を使用した作業となるので多くの作業時間が費やされ、コストアップに繋がるおそれがある。

そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、回転軸及びトーションバーを連結する連結ピンが連通孔から抜け出るのを、コストアップを抑えながら確実に防止することができるトルクセンサ及び電動パワーステアリング装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る請求項１記載のトルクセンサは、同軸に配置した磁性材料からなる第１回転軸及び第２回転軸を、トーションバーを介して連結し、導電性且つ非磁性材料からなり、前記第１回転軸及び前記第２回転軸の相対的な変位をインダクタンスの変化として反映させるインダクタンス変化手段を、前記第１回転軸に一体としたトルクセンサにおいて、前記第１回転軸の軸心に貫通した軸貫通孔に前記トーションバーの一端部を挿入し、これら前記第１回転軸及び前記トーションバーの一端部に径方向に延在する連通孔を形成し、前記連通孔に連結ピンを装着するとともに、前記連結ピンが装着されている前記第１回転軸の前記連通孔を包囲するように延在している前記インダクタンス変化手段の延長筒部に、前記連通孔から前記連結ピンが抜け出るのを防止する抜け止め部を設けた。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のトルクセンサにおいて、前記抜け止め部は、前記延長筒部の一部を切り欠いて切欠き片が形成されており、この切欠き片を、前記連通孔内に位置する前記連結ピンの端部に係合する係合爪として変形させてなるものである。
また、請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載のトルクセンサにおいて、前記インダクタンス変化手段が、導電性且つ非磁性材料からなり周方向に窓を形成した円筒部材を、前記第２回転軸の溝を形成した外周面を包囲するように前記第１回転軸の回転方向に一体に固定し、前記円筒部材の前記窓を形成した部分を包囲するようにコイルを配設しており、前記連結ピンが装着されている前記第１回転軸の前記連通孔を包囲するように延在している前記円筒部材の延長筒部に前記抜け止め部を設けた。

また、請求項４記載の電動パワーステアリング装置は、請求項１乃至３の何れか１項に記載のトルクセンサの前記第１回転軸を、ステアリングホイールに連結した入力軸とし、前記トルクセンサの前記第２回転軸を、ステアリング機構に連結した出力軸とし、前記トルクセンサが検出したトルクに基づいて前記ステアリング機構に伝達する操舵補助トルクを発生するようにした。
また、請求項５記載の電動パワーステアリング装置は、請求項１乃至３の何れか１項に記載のトルクセンサの前記第２回転軸を、ステアリングホイールに連結した入力軸とし、前記トルクセンサの前記第１回転軸を、ステアリング機構に連結した出力軸とし、前記トルクセンサが検出したトルクに基づいて前記ステアリング機構に伝達する操舵補助トルクを発生するようにした。

本発明に係るトルクセンサによれば、連結ピンが装着されている第１回転軸の連通孔を包囲するように延在しているインダクタンス変化手段の延長筒部に、連通孔から前記連結ピンが抜け出るのを防止する抜け止め部を設けているので、回転軸及びトーションバーを連結する連結ピンが連通孔から抜け出るのを、コストアップを抑えながら確実に防止することができる。
また、本発明に係る電動パワーステアリング装置によると、ステアリングホイールを操舵することによって発生した操舵トルクをトルクセンサが高精度に検出し、操舵補助トルクを伝達することができる。

本発明に係る第１実施形態の電動パワーステアリング装置の要部を示す断面図である。 本発明に係るトルクセンサを示す斜視図である。 入力軸及びトーションバーを連結している連結ピンの抜け止め部を示す平面図である。 図３のＡ−Ａ線矢視である入力軸及びトーションバーを連結している連結ピンの抜け止め部を示す断面図である。 本発明に係る第２実施形態の電動パワーステアリング装置の要部を示す断面図である。 出力軸及びトーションバーを連結している連結ピンの抜け止め部を示す平面図である。 図６のＢ−Ｂ線矢視である出力軸及びトーションバーを連結している連結ピンの抜け止め部を示す断面図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係る第１実施形態の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り、図２は、図１の電動パワーステアリング装置のトルクセンサの構成を示す斜視図である。

本実施形態の電動パワーステアリング装置は、図１に示すように、ハウジング１内に、トーションバー４を介して連結された入力軸２及び出力軸３が、軸受５ａ，５ｂによって回転自在に支持されている。
入力軸２及び出力軸３には、それぞれの軸中心を貫通する軸貫通孔２ａ，３ａが形成されており、それら軸貫通孔２ａ，３ａにトーションバー４が挿入されている。
トーションバー４の両端部には径方向に延在する連通孔４ａ，４ｂが形成されている。
入力軸２の左端部にも、前述した連通孔４ａと同径の連通孔２ｂが径方向に延在して形成されており、出力軸３の図１における左端部にも、前述した連通孔４ｂと同径の連通孔３ｂが径方向に延在して形成されている。

そして、互いに対応させたトーションバー４の一端部の連通孔４ａ及び入力軸２の連通孔２ｂに連結ピン６が挿入され、互いに対応させたトーションバー４の他端部の連通孔４ｂ及び出力軸３の連通孔３ｂに連結ピン７が挿入されている。
また、入力軸２の左端部には、出力軸３の右端部の外周面を包囲する部分が形成され、この部分の内周面に軸方向に長い複数の凸部２ｃが形成されている。これら凸部２ｃに対向する出力軸３の右端部の外周面には、軸方向に長い複数（凸部２ｃと同数）の溝３ｃが形成されており、これら凸部２ｃ及び溝３ｃは周方向に余裕を持って嵌め合わされている。

入力軸２の図示しない右端側には、ステアリングホイール（不図示）が回転方向に一体に取り付けられており、また、出力軸３の左端には、ユニバーサルジョイント８を介して、例えば公知のラックアンドピニオン式ステアリング装置を構成するピニオン軸（不図示）が連結されている。従って、操縦者がステアリングホイールを操舵することによって発生した操舵力は、入力軸２、トーションバー４、出力軸３、ユニバーサルジョイント８及びラックアンドピニオン式ステアリング装置を介して転舵輪（不図示）に伝達する。

出力軸３には、これと同軸且つ一体に回転するウォームホイール９が外嵌し、このウォームホイール９の樹脂製の噛合部９ａと、電動モータ１０の出力軸１０ａの外周面に形成されたウォーム１０ｂとが噛み合っている。したがって、電動モータ１０の回転力は、その出力軸１０ａ，ウォーム１０ｂ及びウォームホイール９を介して出力軸３に伝達されるようになっており、電動モータ１０の回転方向を適宜切り換えることにより、出力軸３に任意の方向の操舵補助トルクが付与されるようになっている。

入力軸２には、トーションバー４との連結のために連結ピン６が挿入されている位置を覆い、出力軸３の右端部側の外周面に近接してこれを包囲するように、肉薄の円筒部材１１が回転方向に一体に固定されている。
円筒部材１１は、図２に示すように、導電性で且つ非磁性の材料（例えば、アルミニウム）から形成されており、出力軸３を包囲する部分に、軸方向に離間した第１窓列及び第２窓列が形成されている。第１窓列は、周方向に等間隔離隔した長方形の複数の窓１１Ａ，…，１１Ａからなり、第２窓列は、第１窓列と同数であり、窓１１Ａ，…，１１Ａ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１１Ｂ，…，１１Ｂからなる。
出力軸３の円筒部材１１に包囲された部分の外周面には、軸方向に延びる横断面略長方形の複数（第１窓列及び第２窓列と同数）の溝３Ａ，…，３Ａが形成されているとともに、これら溝３Ａの間に、横断面凸型の歯部３Ｂ，…，３Ｂが形成されている。

そして、円筒部材１１は、同一規格の一対のコイル１２，１３が巻き付けられたヨーク１４で包囲されている。即ち、一対のコイル１２，１３は、円筒部材１１と同軸に配置されていて、一方のコイル１２は窓１１Ａ，…，１１Ａが形成された部分を包囲するようにヨーク１４に巻き付けられ、他方のコイル１３は窓１１Ｂ，…，１１Ｂが形成された部分を包囲するようにヨーク１４に巻き付けられていて、ヨーク１４はハウジング１に固定されている。
コイル１２及び１３は、センサケース１５内の制御基板１６上に構成されているモータ制御回路（不図示）に接続されている。

ここで、図１に示すように、円筒部材１１の周方向に１８０度離れた位置に、入力軸２とトーションバー４との連結のために連通孔２ｂ，４ａに挿入した連結ピン６の両端部に係合する一対の係合爪１７，１７が形成されている。
すなわち、図３に示すように、連通孔２ｂ，４ａに挿入されている連結ピン６の両端部に対応している円筒部材１１の位置に、一部を切り残した切欠き片１７を形成し、図４に示すように、円筒部材１１の内側に切欠き片１７を折り曲げて連結ピン６の両端部に係合することで、係合爪１７として形成されている。
この係合爪１７は、入力軸２に嵌合後にかしめても良いし、予め曲げた状態で、入力軸２に嵌合しても良い。

また、円筒部材１１の連結ピン６の両端部に対向する位置が軸方向端部である場合には、円筒部材１１の軸方向端部を切り欠いて係合爪１７を形成しても良い。
ここで、連通孔２ｂ，４ａに挿入されている連結ピン６の両端部に対応している円筒部材１１の位置が本発明の円筒部材の延長筒部に対応し、入力軸２が本発明の第１回転軸に対応し、出力軸３が本発明の第２回転軸に対応している。

次に、本実施形態の電動パワーステアリング装置の動作について説明する。
操舵系が直進状態にあって操舵トルクが零である場合は、トーションバー４には捩れが発生せず、入力軸２と出力軸３とは相対回転しない。出力軸３と円筒部材１１との間にも、相対回転は生じない。
一方、ステアリングホイールを操作して入力軸２に回転力が加わると、その回転力はトーションバー４を経て出力軸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出力軸３の図示しない左端側に構成された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４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、出力軸３及び円筒部材１１にも相対回転が生じる。

円筒部材１１に窓がない部位では、円筒部材１１は導電性で且つ非磁性材（例えば、アルミニウム）で構成されていることから、コイル１２，１３に交流電流を流して交番磁界を発生させると、円筒部材１１の外周面にコイル電流と反対方向の渦電流が発生する。この渦電流による磁界とコイル電流による磁界とを重畳すると、円筒部材１１の内側の磁界は相殺される。

円筒部材１１に窓が形成されている部位では、円筒部材１１の外周面に発生した渦電流は、窓１１Ａ及び１１Ｂによって外周面を周回できないため、窓１１Ａ及び１１Ｂの端面に沿って円筒部材１１の内周面側に回り込み、内周面をコイル電流と同方向に流れ、また隣の窓１１Ａ及び１１Ｂの端面に沿って外周面側に戻り、ループを形成する。つまり、コイル１２，１３の内側に渦電流のループを、円周方向に周期的に配置した状態が発生する。コイル電流による磁界と渦電流による磁界とは重畳され、円筒部材１１の内外には、円周方向に周期的に強弱変化する磁界と、中心に向かうほど小さくなる半径方向に勾配を持った磁界が形成される。円周方向の周期的な磁界の強弱は、隣り合う渦電流の影響を受ける窓１１Ａ及び１１Ｂの中心で強く、そこからずれるに従い弱くなる。

円筒部材１１の内側に配置された出力軸３の歯部３Ｂは、円筒部材１１の１１Ａ及び１１Ｂと同じ周期で配置されている。磁界中に置かれた磁性体は磁化して磁束を生じるが、磁束の量は飽和するまでは磁界の強さに応じて大きくなる。このため、円筒部材１１により円周方向の周期的な磁界の強弱と中心に向かうほど小さくなる半径方向に勾配を持った磁界とにより、出力軸３に発生する磁束は、円筒部材１１と出力軸３との相対的な位相により増減する。磁束が最大となる位相は、円筒部材１１の窓１１Ａ及び１１Ｂの中心と出力軸３の歯部３Ｂの中心とが一致した状態で、磁束の増減に応じてコイル１２，１３のインダクタンスも増減し、略正弦波状に変化する。
トルクが作用しない状態では、インダクタンスが最小となる位相（窓１１Ａ及び１１Ｂと歯部３Ｂとが重なっていない位相）に位置に設定されているから、トルクが作用してトーションバー４が捩れ、出力軸３と円筒部材１１との間に位相差が生じると、２つのコイル１２，１３のインダクタンスは、一方が増加し、他方は減少する。

次に、本実施形態の電動パワーステアリング装置の作用効果について説明する。
本実施形態は、円筒部材１１に形成した一対の係合爪１７，１７が、入力軸２とトーションバー４とを連結している連結ピン６の軸方向の両端部に係合しているので、連結ピン６は連通孔２ｂ，４ａから抜け出るおそれがなく、内部部品（ハウジング１の内周面等）との接触のおそれがない。
また、従来のように、連結ピンをカシメ等により変形させて抜け止めを行う等の作業が無くなり、狭い空間での作業も不要となるので、連結ピン６の抜け止め作業を大幅に短縮することができ、コストアップを抑制することができる。

そして、係合爪１７が連結ピン６の軸方向の両端部に係合することで、円筒部材１１の回り止めと、連結ピン６の抜け止めを同時に行うことができる。
また、円筒部材１１に形成した一対の係合爪１７，１７は、入力軸２の連通孔２ｂに入り込んで連結ピン６の軸方向の両端部に係合していることから、入力軸２及び円筒部材の相対回転が確実に防止されるので、ステアリングホイールを操作して入力軸２に回転力が加わる際に、出力軸３及び円筒部材１１の相対回転を測定することにより操舵トルクを高精度に検出し、その操舵トルクに応じて操舵補助トルクを的確に発生させることができる。

次に、図５に示すものは、本発明に係る第２実施形態の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。なお、図１から図４で示した第１実施形態の電動パワーステアリング装置と同一構成部分には、同一符号を付して説明は省略する。
本実施形態の電動パワーステアリング装置は、ハウジング１内に、トーションバー４を介して連結された入力軸２及び出力軸３が、軸受２０ａ〜２０ｃによって回転自在に支持されている。
トーションバー４の右端部と入力軸２とは、スプライン結合又はセレーション結合している。
トーションバー４の左端部には径方向に延在する連通孔４ｃが形成されている。
出力軸３の右端部には、トーションバー４の連通孔４ｃと同径の連通孔３ｄが径方向に延在して形成されている。

そして、互いに対応させたトーションバー４の左端部の連通孔４ｃ及び出力軸３の連通孔３ｄに連結ピン２１が挿入されている。
出力軸３にはピニオン軸２２が一体的に形成されており、ピニオン軸２２はラック１９と噛合して公知の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３には、トーションバー４との連結のために連結ピン２１が挿入されている位置を覆い、入力軸２の左端部側の外周面に近接してこれを包囲するように、肉薄の円筒部材２３が回転方向に一体に固定されている。

円筒部材２３は、図２で示した円筒部材１１に類似した構成であり、導電性で且つ非磁性の材料（例えば、アルミニウム）から形成されており、入力軸２を包囲する部分に、軸方向に離間した第１窓列及び第２窓列が形成されている。第１窓列は、図２と同様に、周方向に等間隔離隔した長方形の複数の窓からなり、第２窓列も、第１窓列と同数であり、第１窓列の窓と位相が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からなる。

入力軸２の円筒部材２３に包囲された部分の外周面には、軸方向に延びる横断面略長方形の複数（第１窓列及び第２窓列と同数）の溝２Ａ，…，２Ａが形成されているとともに、これら溝２Ａの間に、横断面凸型の歯部２Ｂ，…，２Ｂが形成されている。そして、円筒部材２３は、同一規格の一対のコイル１２，１３が巻き付けられたヨーク１４で包囲されている。

また、円筒部材２３の周方向に１８０度離れた位置に、入力軸３とトーションバー４との連結のために連通孔３ｄ，４ｃに挿入した連結ピン２１の両端部に係合する一対の係合爪２４，２４が形成されている。
すなわち、図６に示すように、連通孔３ｄ，４ｃに挿入されている連結ピン２１の両端部に対応している円筒部材２３の位置に、一部を切り残した切欠き片２４を形成し、図７に示すように、円筒部材２３の内側に切欠き片２４を折り曲げて連結ピン２１の両端部に係合することで、係合爪２４として形成されている。
この係合爪２４は、出力軸３に嵌合後にかしめても良いし、予め曲げた状態で、出力軸３に嵌合しても良い。

また、円筒部材２３の連結ピン２１の両端部に対向する位置が軸方向端部である場合には、円筒部材２３の軸方向端部を切り欠いて係合爪２４を形成しても良い。
ここで、連通孔３ｄ，４ｃに挿入されている連結ピン２１の両端部に対応している円筒部材２３の位置が、円筒部材の延長筒部に対応し、出力軸３が本発明の第１回転軸に対応し、入力軸２が本発明の第２回転軸に対応している。
本実施形態によると、円筒部材２３に形成した一対の係合爪２４，２４が、出力軸３とトーションバー４とを連結している連結ピン２１の軸方向の両端部に係合しているので、連結ピン２１は連通孔３ｄ，４ｃから抜け出るおそれがなく、内部部品（ハウジング１やウォームホイール９）との接触のおそれがない。

また、連結ピン２１の抜け止め作業を大幅に短縮することができ、コストアップを抑制することができる。
そして、係合爪２４が連結ピン２１の軸方向の両端部に係合することで、円筒部材２３の回り止めと、連結ピン２１の抜け止めを同時に行うことができる。
また、円筒部材２３に形成した一対の係合爪２４，２４は、出力軸３の連通孔３ｄに入り込んで連結ピン２１の軸方向の両端部に係合していることから、出力軸３及び円筒部材２３の相対回転を確実に防止することができ、ステアリングホイールを操作して入力軸２に回転力が加わる際に、入力軸２及び円筒部材２３の相対回転を測定することにより操舵トルクを高精度に検出し、その操舵トルクに応じて操舵補助トルクを的確に発生させることができる。

１…ハウジング、２…入力軸、２ａ…軸貫通孔、２ｂ…連通孔、２ｃ…凸部、３…出力軸、３ａ…軸貫通孔、３Ａ…溝、３Ｂ…歯部、３ｂ，３ｄ…連通孔、３ｃ…溝、４…トーションバー、４ａ，４ｂ，４ｃ…連通孔、５ａ，５ｂ…軸受、６，７…連結ピン、８…ユニバーサルジョイント、９…ウォームホイール、９ａ…噛合部、１０…電動モータ、１０ａ…出力軸、１０ｂ…ウォーム、１１…円筒部材、１１Ａ，１１Ｂ…窓、１２，１３…コイル、１４…ヨーク、１５…センサケース、１６…制御基板、１７…係合爪、１９…ラック、２０ａ〜２０ｃ…軸受、２１…連結ピン、２３…円筒部材、２Ａ…溝、２Ｂ…歯部、２４…係合爪

Claims (5)

1. 同軸に配置した磁性材料からなる第１回転軸及び第２回転軸を、トーションバーを介して連結し、導電性且つ非磁性材料からなり、前記第１回転軸及び前記第２回転軸の相対的な変位をインダクタンスの変化として反映させるインダクタンス変化手段を、前記第１回転軸に一体としたトルクセンサにおいて、
   前記第１回転軸の軸心に貫通した軸貫通孔に前記トーションバーの一端部を挿入し、これら前記第１回転軸及び前記トーションバーの一端部に径方向に延在する連通孔を形成し、前記連通孔に連結ピンを装着するとともに、
   前記連結ピンが装着されている前記第１回転軸の前記連通孔を包囲するように延在している前記インダクタンス変化手段の延長筒部に、前記連通孔から前記連結ピンが抜け出るのを防止する抜け止め部を設けたことを特徴とするトルクセンサ。
2. 前記抜け止め部は、前記延長筒部の一部を切り欠いて切欠き片が形成されており、この切欠き片を、前記連通孔内に位置する前記連結ピンの端部に係合する係合爪として変形させてなることを特徴とする請求項１記載のトルクセンサ。
3. 前記インダクタンス変化手段は、導電性且つ非磁性材料からなり周方向に窓を形成した円筒部材を、前記第２回転軸の溝を形成した外周面を包囲するように前記第１回転軸の回転方向に一体に固定し、前記円筒部材の前記窓を形成した部分を包囲するようにコイルを配設しており、
   前記連結ピンが装着されている前記第１回転軸の前記連通孔を包囲するように延在している前記円筒部材の延長筒部に前記抜け止め部を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載のトルクセンサ。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載のトルクセンサの前記第１回転軸を、ステアリングホイールに連結した入力軸とし、前記トルクセンサの前記第２回転軸を、ステアリング機構に連結した出力軸とし、前記トルクセンサが検出したトルクに基づいて前記ステアリング機構に伝達する操舵補助トルクを発生するようにしたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
5. 請求項１乃至３の何れか１項に記載のトルクセンサの前記第２回転軸を、ステアリングホイールに連結した入力軸とし、前記トルクセンサの前記第１回転軸を、ステアリング機構に連結した出力軸とし、前記トルクセンサが検出したトルクに基づいて前記ステアリング機構に伝達する操舵補助トルクを発生するようにしたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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