JPH11248563A - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】製造コストを低減したい。 【解決手段】軸方向に延びる複数の溝３ａ，…，３ａ
と、これを包囲する円筒部材１０の窓１０ａ，１０ｂと
の重なり具合が変化することを利用して、トルクを検出
するトルクセンサにおいて、溝３ａ，…，３ａが外周面
に形成される溝形成部材３Ａを、出力軸３とは別部材と
し、溝３ａ，…，３ａは、冷間鍛造により溝形成部材３
Ａに一体的に形成し、それら溝３ａ，…，３ａが形成さ
れた溝形成部材３Ａを、適宜位相合わせをしつつ、出力
軸３の端部に圧入固定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、回転軸に発生す
るトルクを検出するトルクセンサに関し、特に、製造コ
ストが低減されるようにしたものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の従来の技術としては、例えば本
出願人が先に提案した特開平８−２４０４９１号公報に
開示されたものがある。かかる公報に開示されたトルク
センサは、同軸に配設された第１及び第２の回転軸をト
ーションバーを介して連結するとともに、導電性で且つ
非磁性の材料からなる円筒部材を、前記第１の回転軸の
外周面を包囲するように、前記第２の回転軸と回転方向
に一体とし、前記第１の回転軸の少なくとも前記円筒部
材に包囲された被包囲部を磁性材料で形成し、前記被包
囲部に軸方向に延びる溝を形成し、前記円筒部材には、
前記第１の回転軸との間の相対回転位置に応じて前記溝
との重なり具合が変化するように窓を形成し、そして、
前記円筒部材の前記窓が形成された部分を包囲するよう
にコイルを配設し、そのコイルのインダクタンスに基づ
いてトルクを検出するようになっており、これにより、
簡易な構造で高精度のトルク検出が行え、しかも装置の
小型化も図られるという効果が得られる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】確かに、上記公報に開
示された従来のトルクセンサであれば、上記のような効
果を奏することができるが、これを実際に電動式パワー
ステアリング装置用のトルクセンサに適用しようとした
場合、以下のような解決すべき課題があることが判っ
た。

【０００４】即ち、上記公報記載のトルクセンサの場
合、円筒部材と溝との重なり状態はその円筒部材を包囲
するコイルを利用して検出されるようになっているが、
車両において、ステアリングシャフトの上端部に、盗難
防止用のステアリングロックを構成するカラー部を溶接
等により固定すると、そのカラー部が通過できるように
コイル内径を決めなければならない。

【０００５】つまり、操舵系の実際の組立時には、ステ
アリングホイールと例えばラック軸との間に介在する操
舵系の中間部分を予め組み立てておき、その中間部分
を、ステアリングシャフト上端部を先頭に、ハウジング
下方からその内側に差し込み、ステアリングシャフトを
ハウジングに連結されたコラム内に収容するようになっ
ているが、トルクセンサ用のコイルは、その中間部分を
差し込むよりも前にハウジング内に固定しておく必要が
あるため、コイルの内径は、ステアリングシャフトやそ
の付属物のうち最大外径を有する部位，部材が通過でき
るように決定する必要があるからである。

【０００６】そして、コイルの内径が大きくなると、セ
ンサの検出精度を確保するために、円筒部材の外径や、
その円筒部材に包囲された回転軸の溝を形成する部分の
外径を大きくすることにより、各部材間の隙間を充分に
小さくすることになる。

【０００７】一方、操舵系を構成する回転軸は冷間鍛造
により形成することが多いが、上記のような理由から回
転軸の溝を形成する部分の外径が大きいと、冷間鍛造で
の加工度が大きくなり、冷間鍛造により回転軸と一体に
溝を形成することが現実には不可能な場合がある。する
と、溝は機械加工により形成しなければならず、冷間鍛
造により一体に形成する場合に比べて、コストが嵩んで
しまう。

【０００８】本発明は、このような従来の技術が有する
解決すべき課題に着目してなされたものであって、製造
コストの低減が図られるトルクセンサを提供することを
目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、同軸に配設され且つトーションバーを介
して連結された第１及び第２の回転軸を有し、前記第１
の回転軸の端部に、前記第２の回転軸の少なくとも一部
分を包囲するように円筒部材を固定し、前記第２の回転
軸の前記円筒部材に包囲された部分に、軸方向に延びる
溝を形成し、前記円筒部材と前記溝との重なり状態に基
づいてトルクを検出するようになっているトルクセンサ
において、前記第２の回転軸の前記溝を形成する部分
を、前記第２の回転軸に外嵌する別部材とした。

【００１０】なお、別部材とした前記第２の回転軸の前
記溝を形成する部分を冷間鍛造により製造し、これを第
２の回転軸に圧入固定するようにしてもよいし、或い
は、別部材とした前記第２の回転軸の前記溝を形成する
部分を焼結により製造し、これを第２の回転軸に圧入固
定するようにしてもよい。

【００１１】また、円筒部材には、第２の回転軸との相
対回転位置に応じて前記溝との重なり具合が変化するよ
うに窓を形成し、その窓と溝との重なり状態に基づいて
トルクを検出するようにしてもよい。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
面に基づいて説明する。図１及び図２は本発明の一実施
の形態を示す図であって、この実施の形態は、本発明に
係るトルクセンサを、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り、図１は操舵系の要部を示す縦
断面図である。

【００１３】先ず、構成を説明すると、上側ハウジング
１Ａ及び下側ハウジング１Ｂからなるハウジング１内に
は、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及び５ｂによって回転自在に支持
されている。これら入力軸２，出力軸３及びトーション
バー４は、同軸に配設されていて、トーションバー４の
上端側は入力軸２にスプライン結合されて回転方向に一
体となっており、また、トーションバー４の下端側は出
力軸３内に深く入り込んだ位置においてその出力軸３に
ピン結合されて回転方向に一体となっている。入力軸２
及び出力軸３は鉄等の磁性材料から形成されている。

【００１４】そして、入力軸２の上端部には、ステアリ
ングシャフト６の下端部が回転方向に一体になるように
スプライン結合されていて、そのステアリング６の上端
部には、図示しないステアリングシャフトが回転方向に
一体に取り付けられている。また、出力軸３の下端部に
は、図示しないラックアンドピニオン式ステアリング装
置のピニオン軸が回転方向に一体に結合されている。従
って、運転者がステアリングホイールを操舵することに
より発生した操舵力は、ステアリングシャフト６，入力
軸２，トーションバー４，出力軸３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、図示しない転舵輪
に伝達される。

【００１５】さらに、出力軸３には、これと同軸に且つ
一体に回転するウォームホイール７が外嵌し、このウォ
ームホイール７の樹脂製の噛合部７ａと、電動モータ８
の出力軸８ａ外周面に形成されたウォーム８ｂとが噛み
合っている。従って、電動モータ８の回転力は、その出
力軸８ａ，ウォーム８ｂ及びウォームホイール７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
８の回転力及び回転方向を適宜制御することにより、出
力軸３に適切な操舵補助トルクを付与できるようになっ
ている。

【００１６】また、ステアリングシャフト６は、下端部
が上側ハウジング１Ａに固定され中途部がブラケット９
ａを介して車体（図示せず）に固定されたステアリング
コラム９内に収容されていて、そのステアリングシャフ
ト６のステアリングコラム９に収容された部分には、車
両衝突時のエネルギを吸収するためのエネルギ吸収部６
Ａが形成されるとともに、盗難防止用のステアリングロ
ックを構成するロックカラー６Ｂが固定されている。ス
テアリングロックの具体的な構成は本発明の要旨ではな
いためここでの詳細な説明は省略するが、例えば、本出
願人が先に提案した特開平８−２９５２０２号公報に開
示された構成が適用可能である。

【００１７】そして、図１並びに入力軸２（端部の
み），出力軸３及びトーションバー４を各別に分解した
状態の斜視図である図２に示すように、出力軸３の入力
軸２に近接した部分の外周面には、出力軸３と同軸に円
筒形の溝形成部材３Ａが外嵌していて、この溝形成部材
３Ａを包囲するように、肉薄の円筒部材１０が配設され
ている。

【００１８】即ち、円筒部材１０は、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、その
上端部が、入力軸２の出力軸３側端部外周面に固定され
ている。

【００１９】具体的には、入力軸２の出力軸３側端部に
は、大径部２Ａが形成されていて、その大径部２Ａの外
周面には、軸方向に延びる複数（この例では、４本）の
軸方向溝１１（図２で裏側に位置する二本の溝は図示せ
ず）と、周方向に連続した周方向溝１２とが形成されて
いる。

【００２０】そして、各軸方向溝１１は、互いに周方向
に等間隔（９０度）離れて、大径部２Ａの両端部間に渡
って形成されており、また、周方向溝１２は、円筒部材
１０を固定した際にその円筒部材１０の端部が位置する
付近に形成されている。

【００２１】一方、円筒部材１０の内周面には、その上
端部から若干入り込んだ位置に、複数（この例では、４
つ）の半球状の突起１３が形成されている。これら突起
１３の個数及び形成位置は入力軸２の軸方向溝１１に対
応していて、従って、突起１３は、互いに周方向に等間
隔（９０度）離れている。また、突起１３の高さは、軸
方向溝１１の深さと同程度である。

【００２２】そして、円筒部材１０を大径部２Ａに固定
する際には、その突起１３を軸方向溝１１に嵌合させる
ことにより、円筒部材１０の入力軸２に対する周方向の
位置決めを行い、それから円筒部材１０を押し込み、そ
の端部を周方向溝１２に近接させ、その状態で円筒部材
１０端部を内側にかしめて周方向溝１２に食い込ませ
る。つまり、入力軸２に対する円筒部材１０の周方向位
置は、軸方向溝１１に突起１３が嵌合することにより固
定され、入力軸２に対する円筒部材１０の軸方向位置
は、その端部が周方向溝１２に食い込むことにより固定
されている。

【００２３】また、入力軸２の出力軸２側端部には、ト
ーションバー４とのスプライン結合用のスプライン孔２
Ｂが同軸に形成されるとともに、そのスプライン孔２Ｂ
の端面側内周面には、メスストッパ１４が形成されてい
る。メスストッパ１４は、例えば内周面が径方向外側に
凹んだ四つの凹部からなる十字形の孔である。

【００２４】そして、メスストッパ１４に対応して、出
力軸３の端部には、オスストッパ１５が形成されてい
る。オスストッパ１５は、例えば外周面が径方向外側に
突出した四つの凸部を有する十字形の軸であって、各凸
部の周方向の幅は、メスストッパ１４の凹部の周方向の
幅よりも若干小さくなっていて、これにより、入力軸２
及び出力軸３間の相対回転を所定角度範囲（±５度程
度）に規制するようになっている。

【００２５】一方、円筒部材１０の組立後に溝形成部材
３Ａを包囲する部分には、突起１３に近い側に、周方向
に等間隔離隔した長方形の複数の窓１０ａが形成され、
突起１３から遠い側に、窓１０ａ，…，１０ａ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１０ｂが形成されている。

【００２６】これに対し、溝形成部材３Ａには、軸方向
に延びる複数の溝３ａが等間隔に形成されている。但
し、溝３ａの本数は、窓１０ａ，１０ｂのそれぞれの個
数と同じである。

【００２７】そして、入力軸２と出力軸３との間に相対
回転が生じていないとき（操舵トルクが零のとき）に、
各溝２ａの幅方向中心と、窓１０ａの幅方向中心との位
相が９０度となるように位置し、各溝２ａの幅方向中心
と、窓１０ｂの幅方向中心との位相が逆方向に９０度と
なるように位置するようになっている。

【００２８】つまり、入力軸２，出力軸３，トーション
バー４及び円筒部材１０を組み立てる際に、溝３ａと窓
１０ａ，１０ｂとの重なり具合が上述のようになるよう
に、入力軸２と円筒部材１０との位相合わせを行うこと
が必要なのであるが、円筒部材１０は入力軸２に固定さ
れるものであり、入力軸２及び出力軸３はトーションバ
ー４を介して結合されるものであるため、各部の位相関
係を以下のように決定する。

【００２９】先ず、操舵トルクが零の際には、入力軸２
に形成されたメスストッパ１４と、出力軸３に形成され
たオスストッパ１５とが中立位置で組み合わされればよ
いのであるから、メスストッパ１４の各凹部の周方向位
置を入力軸２の各部位の位相を考える際の基準とし、オ
スストッパ１４の各凸部の周方向位置を出力軸３の各部
位の位相を考える際の基準とする。

【００３０】そこで、入力軸２に関しては、大径部２Ａ
の外周面に形成される軸方向溝１１，…，１１の周方向
位置と、メスストッパ１４の凹部を基準に決定する。一
方、出力軸３に関しては、溝形成部材３Ａに形成されて
いる溝３ａ，…，３ａの周方向位置と、オスストッパ１
５の凸部とが所定の位相関係になるように、その溝形成
部材３Ａを出力軸３に圧入固定する。

【００３１】さらに、円筒部材１０に関しては、各窓１
０ａ，…，１０ａ、１０ｂ，…，１０ｂの周方向位置
を、突起１３を基準に決定する。このように各部位の周
方向位置を決定すれば、組み立てる際には特に円筒部材
の位相合わせをしなくても、各溝３ａ，…，３ａと、各
窓１０ａ，…，１０ａ、１０ｂ，…，１０ｂとの位相関
係は、ストッパの中立合わせを行うことで上記のように
なる。

【００３２】そして、本実施の形態では、出力軸３とは
別部材である溝形成部材３Ａの外周面に溝３ａ，…，３
ａを形成しているが、これら溝３ａ，…，３ａは、冷間
鍛造により溝形成部材３Ａに一体的に形成し、その溝３
ａ，…，３ａが形成された溝形成部材３Ａを、上記のよ
うに位相合わせをしつつ、出力軸３の端部に圧入固定す
るようになっている。

【００３３】図１に戻って、上側ハウジング１Ａの内側
には、円筒部材１０を包囲するように、同一規格のコイ
ル２０Ａ，２０Ｂが巻き付けられたボビンを内周側に支
持する磁性材料からなるヨーク２０が固定されている。
但し、コイル２０Ａ，２０Ｂは円筒部材１０と同軸にな
っていて、一方のコイル２０Ａは、円筒部材１０の窓１
０ａ，…，１０ａが形成された部分を包囲し、他方のコ
イル２０Ｂは、円筒部材１０の窓１０ｂ，…，１０ｂが
形成された部分を包囲している。

【００３４】なお、コイル２０Ａ，２０Ｂの内径は、ロ
ックカラー６Ｂの外径よりも若干大きな寸法とする。こ
れは、上側ハウジング１Ａにステアリングコラム９を連
結した状態で、その上側ハウジング１Ａの下方から、ス
テアリングシャフト６，入力軸２，トーションバー４，
出力軸３及び溝形成部材３Ａを一体とした操舵系の中間
部分を、ステアリングシャフト６側から挿入する際に、
ロックカラー６Ｂがコイル２０Ａ，２０Ｂの内側を通過
できるようにするためである。

【００３５】そして、各コイル２０Ａ，２０Ｂの端部２
０ａは、上側ハウジング１Ａに形成されたセンサケース
２１内に収容された基板２２に接続されていて、基板２
２上には、図示しないモータ制御回路が構成されてい
る。モータ制御回路の具体的な構成は本発明の要旨では
ないため、詳細には説明しないが、例えば上記特開平８
−２４０４９１号公報に開示されるように、所定周波数
の交流電流をコイル２０Ａ，２０Ｂに供給する発振部
と、コイル２０Ａの自己誘導起電力を整流及び平滑して
出力する第１整流平滑回路と、コイル２０Ｂの自己誘導
起電力を整流及び平滑して出力する第２整流平滑回路
と、第１，第２整流平滑回路の出力の差を増幅して出力
する差動アンプと、差動アンプの出力から高周波ノイズ
を除去するノイズ除去フィルタと、ノイズ除去フィルタ
の出力に基づいて入力軸２及び円筒部材１０の相対回転
変位の方向及び大きさを演算しその結果に例えば所定の
比例定数を乗じて操舵系に発生している操舵トルクを求
めるトルク演算部と、トルク演算部の演算結果に基づい
て操舵トルクを軽減する操舵補助トルクが発生するよう
な駆動電流を電動モータ８に供給するモータ駆動部と、
を備えて構成することができる。

【００３６】次に、本実施の形態の動作を説明する。
今、操舵系が直進状態にあり、操舵トルクが零であるも
のとすると、入力軸２及び出力軸３間には相対回転は生
じない。従って、入力軸２と円筒部材１１との間にも相
対回転は生じない。

【００３７】これに対し、ステアリングホイールを操舵
して入力軸２に回転力が生じると、その回転力は、トー
ションバー４を介して出力軸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、円筒部材１０及
び出力軸３間にも相対回転が生じる。そして、その相対
回転の方向及び量は、ステアリングホイールの操舵方向
や発生している操舵トルクに応じて決まってくる。

【００３８】円筒部材１０及び入力軸２間に相対回転が
生じると、溝３ａと、窓１０ａ，…，１０ａ、１０ｂ，
…，１０ｂとの重なり具合が当初の状態から変化する
し、溝１０ａ，…，１０ａと溝１０ｂ，…，１０ｂとの
位相関係を上記のように設定しているため、溝３ａと窓
１０ａ，…，１０ａとの重なり具合と、溝３ａと窓１０
ｂ，…，１０ｂとの重なり具合とは、互いに逆方向に変
化する。

【００３９】その結果、入力軸２及び円筒部材１０間の
相対回転に応じて、コイル２０Ａの自己インダクタンス
と、コイル２０Ｂの自己インダクタンスとは、互いに逆
方向に変化するから、それらコイル２０Ａ，２０Ｂの自
己誘導起電力も互いに逆方向に変化するようになる。よ
って、コイル２０Ａ，２０Ｂの自己誘導起電力の差を求
めると、その差は、操舵トルクの方向及び大きさに従っ
てリニアに変化するようになる。その一方で、温度等に
よる自己インダクタンスの変化は、モータ制御回路内の
差動アンプにおいてキャンセルされる。

【００４０】そして、モータ制御回路内のトルク演算部
が、差動アンプの出力に基づいて操舵トルクを求め、モ
ータ駆動部が、その操舵トルクの方向及び大きさに応じ
た駆動電流を電動モータ８に供給する。すると、電動モ
ータには、操舵系に発生している操舵トルクの方向及び
大きさに応じた回転力が発生し、その回転力がウォーム
８ｂ及びウォームホイール７を介して出力軸３に伝達さ
れるから、出力軸３に操舵補助トルクが付与されたこと
になり、操舵トルクが減少し、運転者の負担が軽減され
る。

【００４１】そして、本実施の形態では、出力軸３の端
部に、複数の軸方向溝１１と、周方向溝１２とを形成
し、軸方向溝１１に円筒部材１０の突起１３を嵌合さ
せ、円筒部材１０の端部をかしめて周方向溝１２に食い
込ませているため、鉄製の出力軸３とアルミニウム製の
円筒部材１０という材料の異なる部材間であっても、熱
膨張係数の違いなどに起因して保持力が低減するような
こともない。このため、円筒部材１０の出力軸３に対す
る相対的な周方向位置や軸方向位置が当初の状態からず
れ、それがトルク検出値に含まれてしまう可能性を大幅
に低減できるのである。よって、安全性の点から高い信
頼性が必要な電動式パワーステアリング装置用のトルク
センサとして、極めて好適である。

【００４２】さらに、本実施の形態では、溝形成部材３
Ａを出力軸３とし、そして、冷間鍛造により外周面に一
体に溝３ａ，…，３ａを形成した溝形成部材３Ａを、出
力軸３の端部に圧入固定するようにしているため、ロッ
クカラー６Ｂの外径に合わせてコイル２０Ａ，２０Ｂの
内径を大きくしても、高い寸法精度が求められる溝３ａ
を、特に問題なく冷間鍛造により形成することができ、
同様の精度を機械加工により達成する場合に比べて、製
造コストを低減できるという利点がある。

【００４３】ここで、本実施の形態では、入力軸２が第
１の回転軸に対応し、出力軸３が第２の回転軸に対応す
る。なお、上記実施の形態では、本発明に係るトルクセ
ンサを車両用の電動式パワーステアリング装置に適用し
た場合について説明したが、これに限定されるものでは
なく、他の用途のトルクセンサであっても、本発明は当
然に適用することができる。

【００４４】また、上記実施の形態では、溝形成部材３
Ａを冷間鍛造により形成することとしているが、これに
限定されるものではなく、溝形成部材３Ａは、例えば焼
結により形成してもよい。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
第１の回転軸の端部に、第２の回転軸の少なくとも一部
分を包囲するように円筒部材を固定し、第２の回転軸の
円筒部材に包囲された部分に、軸方向に延びる溝を形成
し、円筒部材と前記溝との重なり状態に基づいてトルク
を検出するようになっているトルクセンサにおいて、第
２の回転軸の溝を形成する部分を、第２の回転軸に外嵌
する別部材としたため、製造コストの低減に寄与できる
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態の全体構成を示す縦断面
図である。

【図２】実施の形態の要部を構成する各部材の斜視図で
ある。

【符号の説明】

１ ハウジング ２ 入力軸（第１の回転軸） ２Ａ 大径部 ３ 出力軸（第２の回転軸） ３Ａ 溝形成部材（別部材） ３ａ 溝 ４ トーションバー １０ 円筒部材

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 同軸に配設され且つトーションバーを介
   して連結された第１及び第２の回転軸を有し、前記第１
   の回転軸の端部に、前記第２の回転軸の少なくとも一部
   分を包囲するように円筒部材を固定し、前記第２の回転
   軸の前記円筒部材に包囲された部分に、軸方向に延びる
   溝を形成し、前記円筒部材と前記溝との重なり状態に基
   づいてトルクを検出するようになっているトルクセンサ
   において、 前記第２の回転軸の前記溝を形成する部分を、前記第２
   の回転軸に外嵌する別部材としたことを特徴とするトル
   クセンサ。