JPH07134072A - トルク及び回転角検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 相互に連結されて同軸上にて回転する入力軸
と出力軸とに加わるトルク及び回転角度を同時に検出し
得る装置を簡素な構成にて提供する。 【構成】 入力軸１と出力軸２とをトーションバー４を
介して同軸上に連結する。入力軸１に、軸心回りの回転
を拘束すると共に軸長方向の摺動を許容して筒体５を外
嵌し、また出力軸２に、軸心回りの回転及び軸長方向の
摺動を拘束して筒体６を外嵌する。筒体５及び筒体６の
先端に夫々備えられた傾斜面を、筒体５の基端側から押
しばね12により押し付け、入力軸１と出力軸２とがこれ
らに加わるトルクによりトーションバー４の捩れを伴っ
て相対変位するとき、筒体５が軸長方向に摺動する構成
とする。筒体５の中途部に対して傾斜せしめて検出円板
７を周設し、筒体５の回転及び摺動に伴う検出円板７の
移動を、径方向に相対向する位置に接触する接触子80，
90を夫々備えたポテンシオメータ８，９により検出し、
これらの出力を加算した結果により作用トルクを、同じ
く減算した結果により回転角を夫々求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、自動車の電動
式動力舵取装置において、舵輪の操作状態を知るべく用
いられるトルク及び回転角検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】舵取りのための舵輪（ステアリングホィ
ール）操作に要する力を補助し、快適な操舵感覚を得る
べく自動車に装備される動力舵取装置（パワーステアリ
ング装置）として、電動式のものが開発されている。こ
れは、操舵補助力の発生源としてのモータを舵取機構の
一部に配する一方、舵取りのために舵輪に加えられる操
舵トルクを検出し、この検出結果に基づいて回転制御さ
れる前記モータの回転力を舵取機構に加える構成となっ
ている。

【０００３】前記操舵トルクを検出するためのトルク検
出器としては、従来から種々の提案がなされているが、
舵輪に連動連結された入力軸と舵取機構に連動連結され
た出力軸とをトーションバー等の捩ればね要素を介して
連結し、入力軸に加えられる操舵トルクにより舵取機構
側からの負荷（舵取りに抗して車輪に作用する路面反力
等）に抗して出力軸が回転するとき、前記捩ればね要素
の捩れを伴って入力軸と出力軸との間に相対角変位（捩
れ変位）が生じるようになし、この捩れ変位を媒介とし
て前記操舵トルクを検出する構成としたトルク検出器が
広く用いられている。

【０００４】ところが、自動車の舵取りに要する力は、
走行速度の高低、舵取り角度の大小等、車両の走行状態
に応じて異なるのに対し、前述した構成の動力舵取装置
においては、トルク検出器の検出結果に基づく操舵補助
用モータの回転制御により、舵輪に加わる操舵トルクに
応じて操舵補助力が一義的に定められることから、高速
下での走行中に過剰な操舵補助が行われて、走行安定性
の悪化を招来するという問題があり、また逆に、車庫入
れ時、幅寄せ時等、低速下にて大なる舵取りを繰り返し
行う場合に十分な操舵補助力が得られず、運転者に過度
の負担を強いるという問題がある。

【０００５】これらの問題を解消すべく従来の電動式動
力舵取装置では、車速の高低、舵取り角度の大小等、舵
取りに影響を及ぼす状態量を検出し、これらの検出結果
を用いて操舵トルクに基づいて行われる操舵補助用モー
タの回転制御を補完することにより、各種の走行状態に
応じて常に適正な補助力特性が得られるようにしてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】さて、以上の如き動力
舵取装置において、舵取りに影響を与える状態量の１つ
である舵取り角度は、舵取機構の各部において所定の中
立位置からの移動量を媒介として検出でき、例えば、舵
輪に連動連結された前記入力軸に中立位置からの回転角
度を検出する回転角検出器を取り付け、この検出結果を
用いて現状の舵取り角度を求めるようにしている。

【０００７】このように従来においては、舵輪の操作状
態に関連する２種の状態量、即ち、舵輪に加わる操舵ト
ルクと舵輪の操作に伴って生じる入力軸の回転角度とを
各別の検出器により検出し、これらの検出結果を操舵補
助用モータの回転制御に用いているが、両検出器の夫々
に付随する検出回路の初期調整に多くの工数を要すると
共に、舵輪と舵取機構とを連結する軸系周辺に両検出器
の配設空間を確保することが難しい等の問題があった。

【０００８】本発明は斯かる事情に鑑みてなされたもの
であり、電動式の動力舵取装置において必要な操舵トル
ク及び舵輪の回転角度等、相互に連結されて同軸上にて
回転する入力軸と出力軸とに加わるトルク及び回転角度
を同時に検出し得る検出装置を簡素な構成にて提供する
ことを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係るトルク及び
回転角検出装置は、入力軸と出力軸とを同軸上に連結
し、入力軸に加わるトルクを、該トルクの作用に伴って
生じる入力軸又は出力軸の回転角と共に検出するトルク
及び回転角検出装置において、前記入力軸又は前記出力
軸に、軸心回りの相対回転を拘束すると共に軸長方向の
摺動を許容して外嵌された筒体と、前記トルクの作用に
伴って前記入力軸と前記出力軸との間に生じる捩れ変位
に応じて前記筒体を摺動させる手段と、前記筒体の外側
に軸心に対して傾斜して周設された検出円板と、該検出
円板の径方向に相対向する位置に夫々当接する接触子を
有し、各別の接触子の軸長方向変位に応じた出力を発す
る一対又は複数対のポテンシオメータと、各対のポテン
シオメータの出力を加算する加算回路と、該加算回路の
出力に基づいて前記トルクを算出するトルク算出手段
と、各対のポテンシオメータの出力を減算する減算回路
と、該減算回路の出力に基づいて前記回転角を算出する
回転角算出手段とを具備することを特徴とする。

【００１０】

【作用】本発明においては、同軸上に連結された入力軸
と出力軸とがこれらに加わるトルクに応じた捩れ変位を
伴って回転するとき、両軸の一方に外嵌された筒体が、
前記回転に伴って回転すると共に、捩れ変位に伴って軸
長方向に摺動する。従って、この筒体に軸心に対して傾
斜して周設された前記検出円板の軸長方向変位を検出す
るポテンシオメータの出力は、検出円板の傾斜に応じた
レベルを有し筒体の一回転を一周期とする正弦波出力
と、前記トルクの作用により生じる筒体の摺動長さに応
じて変動する出力とが重畳されたものとなる。このよう
なポテンシオメータを検出円板の径方向に相対向する位
置に設けた場合、夫々の正弦波出力は半周期ずれるた
め、これらの出力を加算する加算回路の出力は、回転に
関連する正弦波出力が相殺されてトルクに関連する変動
出力のみが残ったものとなり、この加算出力からトルク
を算出できる。逆に、前記ポテンシオメータの出力を減
算する減算回路の出力は、夫々に含まれる前記トルクに
関連する変動出力が相殺されて回転に関連する正弦波出
力のみが残ったものとなり、この減算出力から回転角を
算出できる。

【００１１】

【実施例】以下本発明をその実施例を示す図面に基づい
て詳述する。図１は本発明に係るトルク及び回転角検出
装置（以下本発明装置という）の一実施例を示す縦断面
図である。

【００１２】図中１は入力軸、２は出力軸であり、これ
らは、筒形をなすハウジング３の内部に、各別の軸受1
0，20を介して軸心回りでの回動自在に支承され、軸心
部に挿通されたトーションバー４を介して同軸上に連結
されている。入力軸１の端部と出力軸２の端部とは、ハ
ウジング３の内部において、軸長方向に所定の間隔を隔
てて対向させてあり、この突き合わせ側の入力軸１及び
出力軸２の外周には、筒体５，６が夫々取り付けてあ
る。

【００１３】次に、前記筒体５及び筒体６の形状につい
て詳述する。図２は筒体５及び筒体６の斜視図である。
筒体５及び筒体６の夫々の先端部は、その周方向の所定
の第１点から中心角 180度分だけ離隔した第２点まで、
及び該第２点から前記第１点まで、同一回転方向に斜め
に切り込んだ２つの斜面を有しており、前記第１点及び
第２点における切り込み開始点から切り込み終了点まで
は、軸長方向に直線的に切り込まれた垂直面となってい
る。このような形状をなす筒体５と筒体６とは、一方の
２つの斜面の夫々が他方の２つの斜面の夫々に沿うよう
に当接し、前記トーションバー４に捩れがない状態にお
いて、筒体５及び筒体６における夫々の垂直面が所定の
間隙を隔てて対向するように入力軸１及び出力軸２に取
り付けられている。

【００１４】入力軸１側の筒体５には、周方向の一か所
に、基端面に開口して軸長方向に所定の長さを有する長
孔50が形成してあり、該筒体５の入力軸１への取り付け
は、図１に示す如く、入力軸１の外周に打設された係合
ピン11に前記長孔50を係合せしめて行われている。一
方、出力軸２側の筒体６には、周方向の一か所を貫通す
るピン孔60が形成してあり、該筒体６の出力軸２への取
り付けは、前記ピン孔60を貫通する固定ピン21を出力軸
２に打設して行われている。即ち、筒体５の取り付け
は、入力軸１に回転を拘束すると共に軸長方向の移動を
許容してなされ、また筒体６の取り付けは、出力軸２と
一体化せしめて行われている。

【００１５】以上の如き取り付けに際し、筒体５，６
は、夫々の先端側の前記傾斜面を直線的に接続する接続
面同士が周方向に所定の間隔を隔てて対向するように、
図１に示す如く位置決めされている。また、筒体５の基
端側には、入力軸１を支承する軸受10との間に押しばね
12が介装してあり、該押しばね12のばね力により出力軸
２側に向けて付勢され、筒体５先端の傾斜面が筒体６先
端の傾斜面に押し付けられており、この押し付けは、ト
ーションバー４に捩れ変位が生じていない中立状態にお
いて、前述した周方向位置を保って生じている。

【００１６】また入力軸１側の筒体５の中途部外側に
は、軸心に対して所定角度傾斜して、検出円板７が同軸
的に周設されている。入力軸１及び出力軸２を支承する
前記ハウジング３には、前記検出円板７の配設位置と軸
長方向に略整合し、径方向に相対向する位置に、周壁を
内外に貫通する態様に一対のポテンシオメータ８，９が
固設してある。これらのポテンシオメータ８，９は、入
力軸１及び出力軸２の軸長方向に直線的に摺動する摺動
子（図示せず）を備えている。夫々の摺動子に連なる摺
動子軸81，91は、ハウジング３の内側に向けて突設され
ており、これらの突設端に回転自在に取り付けた各別の
接触子80，90は、図１に示す如く、軸長方向同側から前
記検出円板７に転接させてある。

【００１７】検出円板７への接触子80，90の転接位置
は、入力軸１及び出力軸２の軸心を中心とする所定の円
周上において径方向に相対向する位置に設定してあり、
また、接触子80，90は、図示しない適宜の付勢手段の付
勢により、検出円板７との転接状態を保つようになして
ある。

【００１８】以上の如く構成された本発明装置を電動式
の動力舵取装置に適用する場合、ハウジング３の外側に
突出する入力軸１の端部を図示しない舵輪（ステアリン
グホィール）に連動連結し、同じく出力軸２の端部を図
示しない舵取機構に連動連結する。舵取りのための舵輪
操作が行われた場合、舵輪操作に伴って生じる入力軸１
の回転は、トーションバー４を介して出力軸２に伝わ
り、該出力軸２の回転が舵取機構に伝達されて舵取りが
行われる。

【００１９】この過程において、入力軸１と出力軸２と
を連結するトーションバー４には、舵輪に加わる操舵ト
ルクの作用により捩れが生じ、入力軸１と出力軸２との
間には、トーションバー４の捩れに応じた相対角変位が
生じる。入力軸１及び出力軸２に夫々取り付けられた筒
体５，６は、前述の如く、夫々の先端の傾斜面を相互に
押し付けた状態にあり、また、入力軸１側の筒体５のみ
が軸長方向の摺動が可能であることから、前記相対角変
位が生じた場合、前記筒体５が、筒体６との当接部位の
変化に応じて軸長方向に移動する。

【００２０】図３は、以上の如き筒体５の移動状態を示
す説明図である。図３（ａ）は、トーションバー４に捩
れが生じていない中立状態を示しており、図３（ｂ）
は、筒体５側から筒体６側を見て、即ち、入力軸１側か
ら出力軸２側を見て時計回りとなる操舵トルクが入力軸
１に加えられた状態（右切り状態）を、図３（ｃ）は、
同じく反時計回りとなる操舵トルクが入力軸１に加えら
れた状態（左切り状態）を夫々示している。

【００２１】図３（ｂ）の場合、筒体５と筒体６とが当
接する傾斜面においては、図中に矢符により示す如く、
筒体５側が上、筒体６側が下となる向きの相対回転が生
じ、筒体５は、図中に白抜矢符にて示す如く、軸長方向
位置が固定された筒体６から離反する向きに移動する。
図３（ｃ）の場合には逆に、筒体５側が下、筒体６側が
上となる向きの相対回転が生じ、筒体５は、筒体６に近
付く向きに移動する。なおこの場合の移動は、筒体５の
他側に介装された押しばね12（図１参照）のばね力によ
り筒体５が押圧されて生じる。

【００２２】このように筒体５の移動方向は、入力軸１
に加わる操舵トルクの方向に応じて異なり、また移動長
さは、前記相対角変位の大きさ、即ち、入力軸１に加わ
る操舵トルクの大きさに対応する。一方、ハウジング３
に固設されたポテンシオメータ８，９の接触子80，90
は、前記筒体５に周設された検出円板７に当接させてあ
るから、ポテンシオメータ８，９の出力は、筒体５の移
動に追随する夫々の接触子80，90の移動に応じて、即
ち、入力軸１に加わる操舵トルクの方向及び大きさに応
じて変化する。

【００２３】例えば、図３における右方向への接触子8
0，90の直線移動により出力を増大するようにポテンシ
オメータ８，９を設けた場合、これらの出力は、図３
（ｂ）に示す右切り時に共に増大し、図３（ｃ）に示す
左切り時に共に減少する。このとき、ポテンシオメータ
８，９の出力の変化量は等しいが、両出力の絶対値は一
般的に異なる。これは、筒体５の軸心に対して傾斜する
検出円板７の周方向における夫々の接触子80，90の転接
位置が異なるためである。

【００２４】ところが、操舵トルクの作用により以上の
如く生じる筒体５の移動は、図３に示す状態、即ち、筒
体５及び筒体６の回転位置が変化しない状態ではなく、
実際には、舵輪操作に伴う入力軸１及び出力軸２の回
転、即ち、筒体５及び筒体６の回転を伴って生じる。

【００２５】筒体５に周設された検出円板７は、軸心に
対して所定角度傾斜していることから、筒体５の回転に
応じて回転しつつ、軸心線上に揺動中心を有して一回転
を一周期とする揺動動作をなす。ポテンシオメータ８，
９の接触子80，90は検出円板７の所定の円周上に転接し
ており、これらの接触点に着目した場合、前記揺動は軸
長方向の往復動作となり、ポテンシオメータ８，９の出
力は、筒体５の一回転を一周期とする正弦波出力とな
る。

【００２６】図４及び図５は、筒体５の回転に伴って生
じるポテンシオメータ８，９の出力変化の様子を示す説
明図である。ポテンシオメータ８，９の接触子80，90
は、前記円周上の径方向に相対向する位置に転接してお
り、筒体５の一回転の間における夫々の転接位置での検
出円板７の往復動作は、図示の如く互いに逆方向に生じ
る。つまり、一方のポテンシオメータ８の出力は、接触
子80の転接位置が最も右側となる図４（ａ）に示す回転
位置（図５（ａ）中のＡ点）において最大となり、この
状態から半回転後の図４（ｂ）に示す回転位置（図５
（ａ）中のＢ点）において最小となるのに対し、他方の
ポテンシオメータ９の出力は、逆に、図４（ａ）に示す
回転位置（図５（ｂ）中のＡ点）において最小、図４
（ｂ）に示す回転位置（図５（ｂ）中のＢ点）において
最大となる。

【００２７】即ち、ポテンシオメータ８，９夫々の正弦
波出力は、図５（ａ），（ｂ）に示す如く、接触子80，
90の転接周上での検出円板７の往復動ストロークに対応
する相等しい振幅を有し、他方の出力に対して半周期ず
れたものとなり、これらを相互に加算した場合、図５
（ｃ）に示す如く、両者夫々の基準レベルを加算した一
定出力が得られ、両出力を相互に減算した場合、図５
（ｄ）に示す如く、夫々の倍の振幅を有する正弦波出力
が得られる。

【００２８】さて、前述した如く、入力軸１及び出力軸
２の回転は、入力軸１に加わる操舵トルクに応じた筒体
５の移動を伴って生じ、ポテンシオメータ８，９の実際
の出力は、入力軸１の回転に伴う正弦波出力に、操舵ト
ルクの作用により前述の如く生じる出力変化が重畳され
たものとなる。ところが、この操舵トルクの出力変化
は、前述した如く、ポテンシオメータ８，９夫々の出力
に等しく現れるから、ポテンシオメータ８，９の出力を
相互に加算して得られる加算出力においては２倍に増幅
され、同じく減算出力においては互いに相殺される。

【００２９】このように、ポテンシオメータ８，９の出
力を相互に加算した場合、入力軸１の回転に関連する正
弦波出力が相殺されて、入力軸１に加わる操舵トルクに
対応する変動出力が残り、逆に、ポテンシオメータ８，
９の出力を相互に減算した場合、操舵トルクに対応する
変動出力が相殺され、回転に関連する正弦波出力が残
る。

【００３０】図６は、本発明装置の信号処理系のブロッ
ク図である。本図に示す如くポテンシオメータ８，９の
出力は、加算回路15と減算回路16とに与えられ、加算回
路15及び減算回路16の出力は、演算部17に与えられてい
る。加算回路15は、ポテンシオメータ８，９の出力を加
算し、この加算結果を出力するものであり、この出力
は、前述の如く、入力軸１に加わる操舵トルクに対応す
るものとなる。また減算回路16は、ポテンシオメータ
８，９の出力を減算し、この減算結果を出力するもので
あり、この出力は、前述した如く、入力軸１の回転に関
連する正弦波出力となる。

【００３１】演算部17は、加算回路15の出力を用い、例
えば、この出力と所定の基準出力との差を求めて変動分
を抽出し、更に、この結果に所定の定数を乗じて操舵ト
ルクを算出すると共に、減算回路16の出力を用い、例え
ば、この出力が中立位置から何周期分ずれた位置にある
かによって入力軸１の回転角を算出する。

【００３２】図７は、本発明装置の他の実施例を示す縦
断面図である。この実施例においては、入力軸１側の筒
体５と出力軸２側の筒体６とが、夫々の先端面間に介装
された周方向に複数個の球体13，13…を介して押し付け
られた構成となっている。他の部分の構成は、図１に示
す実施例と同様であり、同一の参照符号を付して説明を
省略する。この構成によれば、操舵トルクの作用による
筒体５，６の滑りが、前記球体13，13…の転動を伴って
滑らかに生じることから、操舵トルクの方向及び大きさ
の変化に伴うポテンシオメータ８，９の出力変化が速や
かに生じ、ヒステリシスの発生を低減することができ
る。

【００３３】なお以上の実施例においては、検出円板７
の移動を径方向に対向する位置にて検出する一対のポテ
ンシオメータ８，９を設けた場合について述べたが、こ
のようなポテンシオメータ８，９を周方向に複数対設け
てもよく、このようにした場合、各対のポテンシオメー
タ８，９の故障時に、他の対の検出結果により補完する
ことができる。

【００３４】また、以上の実施例においては、軸長方向
への移動を許容された筒体５を入力軸１側に設けたが、
該筒体５を出力軸２側に設けてもよい。更に、出力軸２
側の筒体６は本発明装置に必須の要件ではなく、実施例
中に示す如く、前記筒体６は出力軸２に一体化されたも
のであることから、出力軸２の連結側端面を筒体６の先
端面と同様の傾斜面とすることにより筒体６を省略する
ことができる。

【００３５】また、以上の実施例においては、電動式動
力舵取装置の操舵状態の検出手段としての使用について
述べたが、本発明装置の適用範囲はこれに限るものでは
なく、同軸上に連結された入力軸と出力軸とに作用する
トルクと、このトルクの作用により生じる両軸の回転角
度を同時に検出することが要求される他の用途への適用
が可能であることは言うまでもない。

【００３６】

【発明の効果】以上詳述した如く本発明装置において
は、同軸上に連結された入力軸及び出力軸の一方に外嵌
された筒体が、両軸の回転に伴って回転しつつ入力軸へ
の作用トルクに応じて軸長方向に摺動するようになし、
この筒体の外側に軸心に対して傾斜して周設された検出
円板の軸長方向変位を径方向に相対向する位置に配した
ポテンシオメータにより検出する簡素な構成により、入
力軸への作用トルクとこのトルクの作用により生じる両
軸の回転角度とを同時に得ることができ、例えば、電動
式の動力舵取装置に適用した場合、操舵補助用のモータ
の回転制御に必要な２種の状態量を１つの検出器により
得ることができ、検出器の配設空間の確保が容易にな
り、また周辺回路の初期調整に要する工数の削減が図れ
る等、本発明は優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明装置の一実施例を示す縦断面図である。

【図２】筒体の斜視図である。

【図３】トルクの作用による筒体の移動状態を示す説明
図である。

【図４】筒体の回転に伴って生じるポテンシオメータの
出力変化の様子を示す説明図である。

【図５】筒体の回転に伴って生じるポテンシオメータの
出力変化の様子を示す説明図である。

【図６】本発明装置の信号処理系のブロック図である。

【図７】本発明装置の他の実施例を示す縦断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 入力軸 ２ 出力軸 ３ ハウジング ４ トーションバー ５ 筒体 ６ 筒体 ７ 検出円板 ８ ポテンシオメータ ９ ポテンシオメータ 11 係合ピン 12 押しばね 15 加算回路 16 減算回路 17 演算部 50 長孔 80 接触子 90 接触子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力軸と出力軸とを同軸上に連結し、入
   力軸に加わるトルクを、該トルクの作用に伴って生じる
   入力軸又は出力軸の回転角と共に検出するトルク及び回
   転角検出装置において、前記入力軸又は前記出力軸に、
   軸心回りの相対回転を拘束すると共に軸長方向の摺動を
   許容して外嵌された筒体と、前記トルクの作用に伴って
   前記入力軸と前記出力軸との間に生じる捩れ変位に応じ
   て前記筒体を摺動させる手段と、前記筒体の外側に軸心
   に対して傾斜して周設された検出円板と、該検出円板の
   径方向に相対向する位置に夫々当接する接触子を有し、
   各別の接触子の軸長方向変位に応じた出力を発する一対
   又は複数対のポテンシオメータと、各対のポテンシオメ
   ータの出力を加算する加算回路と、該加算回路の出力に
   基づいて前記トルクを算出するトルク算出手段と、各対
   のポテンシオメータの出力を減算する減算回路と、該減
   算回路の出力に基づいて前記回転角を算出する回転角算
   出手段とを具備することを特徴とするトルク及び回転角
   検出装置。