WO2015104766A1 - トルクセンサ、及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

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WO2015104766A1
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torsion bar
torsion
bar
cylindrical
torque sensor
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PCT/JP2014/006387
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English (en)
French (fr)
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幹彦 角田
保 近江
Original Assignee
日本精工株式会社
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    • G01L5/221—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers to steering wheels, e.g. for power assisted steering
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    • B62D5/04—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
    • B62D5/0409—Electric motor acting on the steering column

Definitions

  • the present invention relates to a torque sensor that detects a torque generated on a rotating shaft in an electric power steering apparatus.
  • an electric power steering apparatus (EPS: as a steering apparatus of a vehicle) applies a steering assist force to a steering mechanism by driving an electric motor according to a steering force for a driver (driver) to steer a steering wheel (handle). Electric Power Steering).
  • an electric power steering apparatus includes a torque sensor (torque detection apparatus) that detects a torque generated on a rotating shaft.
  • torque sensor torque detection apparatus
  • Patent Document 1 there is a technology described in Patent Document 1.
  • the amount of torsion (torque) of the torsion bar is determined by the peak (convex portion) of the stub, the window of the nonmagnetic sleeve and the exciting coil, and the rotational displacement relative to the torque is obtained. It is converted to a physical quantity by coarse and dense, its self-induced electromotive force is measured, and converted to a voltage by a circuit. That is, a torque sensor is shown which detects a voltage to torque.
  • the torsion bar is a type of spring utilizing the repulsive force when twisting a metal rod.
  • An object of the present invention is to provide an electric power steering apparatus that achieves a natural and refreshing steering feel to a driver by increasing the physical quantity of a torque sensor mechanism in the vicinity of the center (neutral position) of a steering wheel. It is.
  • the first torsion bar and the second torsion bar are arranged in parallel.
  • the second torsion bar is connected when the torsion of the first torsion bar reaches a predetermined rotation angle, and comprises a pair of torsion bar parts in which the torsion occurs in conjunction with the first torsion bar.
  • the elastic force of the second torsion bar is larger than the elastic force of the first torsion bar.
  • the one set of torsion bar parts is a coaxially arranged cylindrical part, and the first torsion bar is accommodated inside the cylindrical part, and both ends of the first torsion bar are fixed inside,
  • the torsion of the torsion bar 1 reaches a predetermined rotation angle, the teeth are engaged by the meshing teeth.
  • the number of meshing teeth is one to seven.
  • the second torsion bar has a gap of a predetermined rotation angle between the meshing teeth, and an elastic body is interposed in the gap.
  • the second torsion bar may have a nested structure in which a plurality of sets of torsion bar parts of different sizes are incorporated in order of size.
  • the above torque sensor can be mounted on an electric power steering apparatus (EPS).
  • EPS electric power steering apparatus
  • the physical quantity of the torque sensor mechanism in the vicinity of the center (neutral position) of the steering wheel is increased substantially without being concerned with the problems of quantization error, phase delay, processing ability, etc.
  • FIG. 1 is a schematic view showing an example of the overall configuration of an electric power steering apparatus. It is a sectional view showing an example of composition of the principal part of an electric-power-steering device. It is a figure showing an example of composition of a torque sensor. It is the schematic of the torsion bar which concerns on 1 aspect of this invention.
  • (A)-(d) is a figure which shows the example of a structure of a cylinder torsion bar at the time of making a meshing tooth into one sheet.
  • (A) to (b) are front views in the axial direction showing a configuration example in the case where an elastic body is disposed in a gap between meshing teeth.
  • FIG. 1 It is an axial direction front view which shows the example of a structure of the cylinder torsion bar at the time of setting a meshing tooth to seven pieces.
  • (A) to (d) are front views in the axial direction showing an operation example of the torque sensor. It is a figure which shows the contrast of the rotation direction displacement with respect to a torque.
  • (A) And (b) is a figure which shows the structural example at the time of making a cylinder torsion bar nesting shape.
  • FIG. 1 is a schematic view showing an example of the overall configuration of the electric power steering apparatus.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration example of the main part of the electric power steering apparatus.
  • a steering wheel 1a is integrally attached to the end of the projecting end of the input shaft 1.
  • the input shaft 1 and the output shaft 2 are connected via a torsion bar 3 disposed inside the input shaft 1.
  • the input shaft 1, the torsion bar 3 and the output shaft 2 are arranged coaxially.
  • the input shaft 1 and the torsion bar 3 are connected by pins. Further, the torsion bar 3 and the output shaft 2 are splined.
  • the input shaft 1 transmits a steering torque (steering force) applied from the driver via the steering wheel 1 a to the output shaft 2 via the torsion bar 3.
  • the housing 5 encloses and protects the input shaft 1 and the output shaft 2.
  • the housing 5 has a structure divided into two by an input shaft side housing portion 5a and an output shaft side housing portion 5b.
  • the input shaft 1 is rotatably supported by a bearing 6a inside the input shaft side housing portion 5a.
  • the output shaft 2 is rotatably supported by bearings 6b and 6c inside the output shaft side housing portion 5b.
  • the torque sensor 10 detects the amount of torsion of the torsion bar 3 to detect the torque between the input shaft 1 and the output shaft 2. Further, the torque sensor 10 is connected to a controller (ECU: Electronic Control Unit) 9 and notifies the controller (ECU) 9 of the torque detection value T.
  • the controller (ECU) 9 may be read as an EPS control unit.
  • the controller (ECU) 9 acquires (inputs) the vehicle speed Vs detected by the vehicle speed sensor 9a and the steering angle ⁇ detected by the steering angle sensor 9b.
  • the vehicle speed sensor 9a and the steering angle sensor 9b are provided in FIG. 1, the vehicle speed sensor 9a and the steering angle sensor 9b may not actually be provided.
  • the controller (ECU) 9 can also acquire (input) the vehicle speed Vs and the steering angle ⁇ received from CAN (Controller Area Network) or the like.
  • the controller (ECU) 9 operates by being supplied with power from a battery 9c as a DC power supply.
  • the battery 9 c has a negative electrode grounded and a positive electrode connected to the controller (ECU) 9 via two power lines. Of the two power lines, one of the power lines is connected to the controller (ECU) 9 via an ignition switch 9 d for starting the engine, and the other power line is directly connected to the controller (ECU) 9 without the ignition switch 9 d. .
  • the controller (ECU) 9 determines the steering assist torque to be applied to the output shaft 2 based on the torque detection value T, the vehicle speed Vs, and the steering angle ⁇ , and applies an inverter to apply the steering assist torque to the output shaft 2 By the control, a current supplied from the battery 9c flows to drive the electric motor 9e.
  • a pinion shaft 2a is integrally formed on the output shaft 2 on the opposite side to the input shaft 1, and the pinion shaft 2a meshes with the rack 4 to constitute a rack and pinion type steering mechanism. The end of the rack 4 is connected to the tie rod 4a.
  • a worm wheel 7 coaxial with and integrally rotating with the output shaft 2 is fixed to the output shaft 2, and the worm wheel 7 is integrally fixed with a tooth portion 7b made of synthetic resin on a metallic hub 7a. It is done.
  • the worm wheel 7 meshes with the worm 8 driven by the electric motor 9e in the output shaft side housing portion 5b. The rotational force of the electric motor 9e is transmitted to the output shaft 2 through the worm 8 and the worm wheel 7, and the steering assist torque in any direction is applied to the output shaft 2 by switching the rotation direction of the electric motor 9e as appropriate. Ru.
  • the sensor shaft (rotor) 11 is formed of the magnetic material on the input shaft 1, and a plurality of axially extending sensor shafts (rotors shown in FIG. 3) are formed on the surface of the sensor shaft 11 as shown in FIG. In the example, nine convex stripes 11a are formed at equal intervals along the circumferential direction. Moreover, the groove part 11b is formed between the convex streaks 11a.
  • a torsion bar 3 is disposed inside the sensor shaft 11 is hollow, and the torsion bar 3 is housed inside the sensor shaft 11.
  • a cylindrical member 12 made of a conductive and nonmagnetic material, for example, aluminum close to the sensor shaft 11 is arranged coaxially with the sensor shaft 11, as shown in FIG.
  • the extension 12 e of the cylindrical member 12 is fixed to the outside of the end 2 e of the output shaft 2.
  • the first cylindrical member 12 includes a plurality of (nine in FIG. 3) rectangular windows 12 a arranged at equal intervals in the circumferential direction at positions facing the ridges 11 a on the surface of the sensor shaft 11.
  • the outer periphery of the cylindrical member 12 is surrounded by yokes 15a and 15b for holding a coil bobbin 18 in which a pair of detection coils 13a and 13b of the same standard disposed inside the input shaft side housing 5a is wound.
  • the detection coils 13a and 13b are disposed coaxially with the cylindrical member 12, the detection coil 13a surrounds the first window row portion including the windows 12a, and the detection coil 13b includes the second window row portion including the windows 12b.
  • the yokes 15a and 15b are fixed to the inside of the input shaft side housing portion 5a, and the output lines of the detection coils 13a and 13b are connected via the connector (coil side connector) 16 to the input shaft side housing portion 5a. Is connected to the connector (substrate side connector) 19 of the circuit board 17 disposed inside the circuit board.
  • the coil end may be inserted into the through hole of the board and connected by soldering in a state where the coil end is tangled and soldered to the coil side terminal press-fitted to the coil bobbin 18 .
  • electronic components carrying the electric circuit of the circuit board 17 including the board side connector 19 are mounted by surface mounting by reflow soldering, lead soldering or the like.
  • the 1st torsion bar and the 2nd torsion bar in which elastic powers differ mutually are prepared, the 1st torsion bar is twisted first, and then the 2nd torsion is carried out.
  • the bar is configured to twist, and the torsion bars are twisted in multiple stages to provide a torque resolution that can be used for detailed control near the center (neutral position) of the steering wheel.
  • FIG. 4 is a schematic view of a torsion bar according to the present embodiment.
  • the upper drawing of FIG. 4 is an illustration of the conventional torsion bar
  • the lower drawing of FIG. 4 is an illustration of the torsion bar 3 according to the present embodiment.
  • the first torsion bar and the second torsion bar are arranged in parallel.
  • a second torsion bar is disposed around the first torsion bar.
  • the second torsion bar is connected when the torsion of the first torsion bar reaches a predetermined rotation angle, and comprises a pair of torsion bar parts in which the torsion occurs in conjunction with the first torsion bar.
  • a core torsion bar 3A is shown as an example of the first torsion bar.
  • the core torsion bar 3A is a torsion bar serving as a central axis.
  • the core torsion bar 3A is a torsion bar having a shape in which the conventional torsion bar is reduced to have spline shafts at both ends.
  • the cylinder torsion bar 3B is shown as an example of a 2nd torsion bar.
  • two cylindrical torsion bars (cylindrical parts) are shown.
  • the cylindrical torsion bar 3B accommodates the core torsion bar 3A inside the two cylindrical torsion bars, fixes both ends of the core torsion bar 3A inside, and the torsion of the core torsion bar 3A reaches a predetermined rotation angle.
  • the two cylindrical torsion bars are coupled by meshing teeth to form a single torsion bar.
  • a cylindrical torsion bar 3Ba and a cylindrical torsion bar 3Bb are shown as two cylindrical torsion bars (cylindrical parts) forming the cylindrical torsion bar 3B.
  • the cylindrical torsion bar 3Ba is on the side of the spline shaft in the conventional torsion bar
  • the cylindrical torsion bar 3Bb is on the side of the pin hole in the conventional torsion bar.
  • the inner side of each of the cylindrical torsion bar 3Ba and the cylindrical torsion bar 3Bb is hollow, and the core torsion bar 3A is accommodated inside.
  • the cylindrical torsion bar 3Ba is spline-coupled to one end of the core torsion bar 3A at the inner side, and the cylindrical torsion bar 3Bb is splined to the other end of the core torsion bar 3A at the inner side.
  • the spline connection is only an example.
  • the core torsion bar 3A becomes the core (central axis) of the tube torsion bar 3B.
  • the cylindrical torsion bar 3B has the same size (size) as the conventional torsion bar in a state in which the core torsion bar 3A is accommodated, it can be replaced with the conventional torsion bar, and the conventional torque It can be applied to sensors.
  • the cylindrical torsion bar 3B has the same size (size) as the conventional torsion bar. It does not have to be.
  • the relationship of the magnitude of the elastic force is set such that “elastic force of the core torsion bar 3A ⁇ elastic force of the conventional torsion bar ⁇ elastic force of the cylindrical torsion bar 3B”. The larger the elastic force, the larger the repulsive force.
  • the cylindrical torsion bar 3B is structured to be coupled by meshing engagement teeth 3Bat of the cylindrical torsion bar 3Ba and meshing teeth 3Bbt of the cylindrical torsion bar 3Bb.
  • the meshing teeth 3Bat are formed so as to project in the axial direction on the end face on the meshing side of the cylindrical torsion bar 3Ba. It has an arc shape along the circumferential direction.
  • the meshing teeth 3Bbt are formed to project in the axial direction on the end surface on the meshing side of the cylindrical torsion bar 3Bb, and have the same shape as the meshing teeth 3Bat.
  • 5 (a) and 5 (c) are plan views of the cylinder torsion bars 3Ba and 3Bb viewed from the axial direction (the meshing tooth side).
  • the meshing teeth 3Bat shown by dotted line
  • the meshing teeth 3Bbt of the cylinder torsion bar 3Bb are not meshed with each other.
  • the cylinder torsion bar 3B has a gap dg of a predetermined rotation angle ⁇ between the meshing teeth 3Bat of the cylinder torsion bar 3Ba and the meshing teeth 3Bbt of the cylinder torsion bar 3Bb in the state where the steering torque is not applied. Is configured. When torsion of the core torsion bar 3A occurs in the gap dg, and the meshing teeth 3Bat of the cylinder torsion bar 3Ba and the meshing teeth 3Bbt of the cylinder torsion bar 3Bb mesh with each other (meshing point), Twisting occurs.
  • the splined cylinder torsion bar 3Ba rotates about the axis, and the end face 3Ban of the meshing teeth 3Bbt in the circumferential direction is the periphery of the meshing teeth 3Bat of the cylinder torsion bar 3Bb. Abutment with the end face 3 Ban in the direction causes meshing.
  • an elastic body such as rubber or resin may be inserted or filled in the gap between the meshing teeth 3Bat and 3Bbt.
  • the elastic body is preferably nonmetallic.
  • a metal spring such as a leaf spring or a coil spring may be disposed as an elastic body in the gap between the meshing teeth 3Bat and 3Bbt.
  • the meshing tooth 3Bbt and 3Bat By the elastic deformation of the elastic body 50 at the time of meshing, it is possible to suppress the operation noise and the knocking.
  • the number of meshing teeth between the cylindrical torsion bar 3Ba and the cylindrical torsion bar 3Bb is assumed to be one to seven. If the number of meshing teeth is less than one, meshing does not occur. If the number of meshing teeth is more than seven, the teeth are too small to make.
  • the number of meshing teeth is limited to seven for manufacturing reasons, and the number of meshing teeth may be more than seven if manufacturing is possible.
  • the number of meshing teeth increases, the contact pressure at meshing decreases, and the durability improves.
  • meshing locations increase along the circumference, and the force is dispersed, so that there is less falling when meshing.
  • the number of meshing teeth is one.
  • the meshing teeth 3Bat1 to 3Bat of the cylinder torsion bar 3Ba and the meshing teeth 3Bbt1 to 3Bbt7 of the cylinder torsion bar 3Bb are each in the circumferential direction.
  • a gap dg in which only the core torsion bar 3A is twisted is formed between the teeth and the teeth arranged in parallel along the circumferential direction. That is, the circumferential length and the like of each tooth are determined so as to secure a desired gap dg. Even when the number of meshing teeth is two to six, the same configuration is obtained except for the number of teeth, the circumferential width, and the like.
  • the shape of the meshing teeth is a rectangular wave shape, but any shape may be used as long as it can be meshed in practice. For example, it may be triangular or trapezoidal, or may have a corner R or the like.
  • the cross section (inclined surface) may be meshing teeth by making the gap (boundary) between the cylindrical torsion bar 3Ba and the cylindrical torsion bar 3Bb oblique to the axial direction.
  • the positions of the meshing teeth are in the vicinity of the center of the cylinder torsion bar 3Ba and the cylinder torsion bar 3Bb, but in fact, they may be moved from the center for tuning of the elastic force Also good).
  • the cylindrical torsion bar 3Ba may be made longer or shorter than the cylindrical torsion bar 3Bb.
  • the length of the meshing teeth is arbitrary.
  • the cylindrical torsion bar 3Ba and the cylindrical torsion bar 3Bb are two half-cylindrical torsion bars facing each other with a gap of a predetermined rotation angle.
  • one of the cylindrical torsion bar 3Ba and the cylindrical torsion bar 3Bb may be a rigid body, and only the other may have an elastic force. That is, the elastic force of the cylindrical torsion bar 3Ba and the elastic force of the cylindrical torsion bar 3Bb may not be the same (may be different). However, in practice, it is not limited to these examples.
  • the input shaft 1 transmits a steering torque applied from the driver via the steering wheel 1 a to the output shaft 2 via the torsion bar 3.
  • a steering torque is applied to the torsion bar 3, as shown in FIG. 8A, first, torsion of the center torsion bar 3A occurs. Since the core torsion bar 3A is splined to the cylinder torsion bar 3B inside the cylinder torsion bar 3B, the core torsion bar 3A and the cylinder torsion bar 3B interlock with each other. Therefore, the torque increases and as shown in FIG.
  • the torque sensor 10 detects the amount of torsion of the torsion bar 3 to detect the amount of torsion of the core torsion bar 3A and the amount of torsion of the cylinder torsion bar 3B, and detects the torque between the input shaft 1 and the output shaft 2 Do.
  • FIG. 9 is a graph comparing physical quantities (displacement in the rotational direction with respect to torque) in the torque sensor mechanism of the conventional method and the present embodiment.
  • torsion of the core torsion bar 3A occurs to a position (meshing point) at which the meshing teeth 3Bat of the cylinder torsion bar 3Ba and the meshing teeth 3Bbt of the cylinder torsion bar 3Bb mesh with each other.
  • the rotational displacement increases so as to deviate from the rotational displacement in the conventional method.
  • the relationship of the magnitude of the elastic force is “elastic force of the core torsion bar 3A ⁇ elastic force of the conventional torsion bar”, a physical quantity having a gain higher than that of the conventional method is obtained. .
  • a physical quantity with high gain can be obtained, it can contribute to detailed control, and can realize a natural and refreshing steering feel to the driver.
  • the relationship of the magnitude of the elastic force is “the elastic force of the conventional torsion bar ⁇ the elastic force of the cylindrical torsion bar 3B”, if the meshing point is exceeded, the conventional torsion bar An elastic force stronger than the elastic force is generated to suppress the displacement in the rotational direction. For this reason, there is no concern that the core torsion bar 3A will be twisted off, or that the reliability will be lost.
  • a column assist type is assumed as the electric power steering apparatus (EPS), but in practice the rack assist type, the pinion assist type, etc. can be used if the configuration of the present embodiment can be applied. good.
  • the torsion bar may have a three or more-stage structure. For example, as shown in FIG. 10 (a), cylindrical torsion bars 3Bc and 3Bd which are one size smaller than the cylindrical torsion bar 3B are disposed between the core torsion bar 3A and the cylindrical torsion bar 3B shown in FIG. It is good.
  • the cylindrical torsion bar 3B has a nested structure (Nested structure) in which a plurality of the above-mentioned set of torsion bar parts (a pair of the cylindrical torsion bar 3Ba and the cylindrical torsion bar 3Bb) having different sizes (sizes) are incorporated in order of size. Can be nested).
  • the inner cylindrical torsion bars 3Bc and 3Bd are splined to the outer cylindrical torsion bars 3Ba and 3Bb inside the outer cylindrical torsion bars 3Ba and 3Bb.
  • the spline connection is only an example. At this time, more detailed torque resolution can be obtained by changing the elastic force and the rigidity for each level of the cylindrical torsion bar.
  • the cylindrical torsion bars are meshed sequentially from the inner one so that the elastic force becomes larger. That is, it is assumed that the elastic force is larger as the outer one is.
  • the inner tube torsion bars 3Bc and 3Bd are a circumferential end surface 3Bcn of the meshing teeth 3Bct and a circumferential surface 3Bdn of the meshing teeth 3Bdt. And a gap dg1 corresponding to a predetermined rotation angle .beta.
  • the outer cylinder torsion bars 3Ba and 3Bb have a predetermined rotation angle ⁇ between the circumferential end surface 3Ban of the meshing teeth 3Bat and the circumferential surface 3Bbn of the meshing teeth 3Bbt.
  • a minute gap dg2 is formed to be formed.
  • the core torsion bar 3A is twisted while the inner cylindrical torsion bar 3Bd rotates by the gap dg1.
  • the outer cylindrical torsion bar 3Bb is also rotated by a distance dg3 corresponding to the rotation angle ⁇ in conjunction with the inner cylindrical torsion bar 3Bd.
  • the inner cylindrical torsion bars 3Bc and 3Bd are twisted in addition to the core torsion bar 3A.
  • one pair of torsion bar parts is assumed to be two cylindrical torsion bars (cylindrical parts), but in fact, it is three or more cylindrical torsion bars. It is good also as a thing.
  • a cylindrical torsion bar 3Bf (not shown) is disposed between the cylindrical torsion bar 3Ba and the cylindrical torsion bar 3Bb, and the cylindrical torsion bar 3Ba and one end of the cylindrical torsion bar 3Bf are meshed with each other by meshing teeth.
  • the end and the cylindrical torsion bar 3Bb may be connected by meshing with each other by meshing teeth.
  • the first torsion bar and the second torsion bar are arranged in parallel.
  • the second torsion bar is connected when the torsion of the first torsion bar reaches a predetermined rotation angle, and comprises a pair of torsion bar parts in which the torsion occurs in conjunction with the first torsion bar.
  • control signal in the vicinity of the center (neutral position) of the steering wheel by a circuit or calculation at the stage of detecting the torsion of the torsion bar and converting it into an electric signal and replacing it with the control value.
  • the elastic force of the second torsion bar is larger than the elastic force of the first torsion bar.
  • a physical quantity with a higher gain than that of the conventional method can be obtained.
  • a strong elastic force is generated to suppress the displacement in the rotational direction, and there is no concern that the first torsion bar will be twisted or the reliability will be lost.
  • a pair of torsion bar components are coaxially arranged cylindrical components, and the first torsion bar is housed inside the cylindrical components, and both ends of the first torsion bar are fixed inside When the torsion of the first torsion bar reaches a predetermined rotation angle, the teeth are connected by meshing engagement.
  • the first torsion bar is accommodated and coupled to the inside of the second torsion bar, and the torsion bar has a multistage structure (hierarchical structure), whereby the first torsion bar is interlocked with the torsion of the first torsion bar. It is possible to obtain an optimal structure in which the torsion bar 2 is twisted. In addition, since the first torsion bar is accommodated inside the second torsion bar and the appearance becomes a single torsion bar, replacement with the conventional torsion bar is easy.
  • the number of meshing teeth is one to seven. Thereby, sufficient durability can be ensured while securing a sufficient size for the meshing teeth.
  • the second torsion bar may have a gap of a predetermined rotation angle between the meshing teeth, and an elastic body may be interposed in the gap. Thereby, in the second torsion bar, it is possible to suppress operation noise and knocking when meshed by the meshing teeth. Further, by adjusting the elasticity of the elastic body, it is possible to adjust the inflection point of the meshing point in the graph shown in FIG. 5, and it is possible to realize a smooth connection of a pair of torsion bar parts.
  • the second torsion bar is a nested structure in which a plurality of sets of the torsion bar parts having different sizes are incorporated in order of size. Thereby, the multistage structure (hierarchical structure) of the torsion bar can be most easily realized.
  • the torque sensor according to the present embodiment can be mounted on an electric power steering apparatus (EPS). Thereby, in the electric power steering apparatus (EPS), a refreshing feel in the vicinity of the center (neutral position) of the steering wheel 1a can be realized.
  • EPS electric power steering apparatus
  • Rack 4a: tie rod, 5: housing, 5a: input shaft side housing portion, 5b: output shaft side housing portion, 6a, 6b, 6c: bearing, 7: worm wheel, 8: worm, 9: controller (ECU), 9a: vehicle speed sensor, 9b: steering angle sensor, 9c: battery, 9d: ignition switch, 9e: electric motor DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Torque sensor, 11 ... Sensor shaft (rotor), 12 ... Cylindrical member, 13a, 13b ... Detection coil, 14 ... Yoke cover, 15a, 15b ... Yoke, 16 ... Coil side connector, 17 ... Circuit board, 18 ... Coil bobbin , 19 ... board side connector

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Abstract

　電動パワーステアリング装置のトルクセンサにおいて、ステアリングホイールのセンター（中立位置）付近のトルクセンサ機構の物理量を大きくして、運転者への自然で爽快な操舵フィールを実現する。トルクセンサ用のトーションバー（３）は、芯トーションバー（３Ａ）と、筒トーションバー（３Ｂ）を備える。筒トーションバー（３Ｂ）は、一組の筒状の部品（３Ｂａ，３Ｂｂ）からなり、その内側に芯トーションバー（３Ａ）を収納し、内側で芯トーションバー（３Ａ）の両端を固定し、芯トーションバー（３Ａ）の捩れが所定の回転角に達すると、一組の筒状の部品（３Ｂａ，３Ｂｂ）が噛み合い歯（３Ｂａｔ，３Ｂｂｔ）によって噛み合うことで連結し、１本のトーションバーを形成する構造である。筒トーションバー（３Ｂ）の弾性力は、芯トーションバー（３Ａ）の弾性力よりも大きい。

Description

トルクセンサ、及び電動パワーステアリング装置
　本発明は、電動パワーステアリング装置において、回転軸に発生するトルクを検出するトルクセンサに関する。
　従来、車両のステアリング装置として、運転者（ドライバー）がステアリングホイール（ハンドル）を操舵する操舵力に応じて電動モータを駆動することによりステアリング機構に操舵補助力を付与する電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｔｅｅｒｉｎｇ）がある。一般的に、電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）は、回転軸に発生するトルクを検出するトルクセンサ（トルク検出装置）を備えている。従来のトルクセンサとして、例えば特許文献１に記載の技術がある。特許文献１に記載のトルクセンサでは、トーションバー（ｔｏｒｓｉｏｎ　ｂａｒ）の捩れ量（トルク）をスタブの山（凸部）と非磁性体のスリーブの窓と励磁コイルによって、トルクに対する回転変位を磁束の粗密による物理量に変換し、その自己誘導起電力を測定し、回路によって電圧に変換する。すなわち、トルクに対する電圧を検出するトルクセンサが示されている。なお、トーションバーは、金属棒を捩る時の反発力を利用したバネの一種である。
　近年、電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）の電子制御装置（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）に対する要求として、運転者（ドライバー）への自然で爽快な操舵フィール（操舵感）が要求されている。例えば、操舵に対する路面反発力との関係、収斂性、操舵応答性等を考慮した高度な制御が要求されている。従来の方式でも、ステアリングホイールの切り始め（スタート）付近の低負荷領域から切り終り（エンド）付近の高負荷領域まで制御する必要があり、トルクセンサの信号を、ハードウェア的に増幅、又はソフトウェア的に乗算等して、電動モータ等の制御に利用している。
特許第３６４９０５７号公報
　しかしながら、現在においても、未だステアリングホイールのセンター（中立位置）付近の操舵フィールに違和感が生じるとの意見もある。これは、ソフトウェア的に倍率を上げても、量子化誤差や、ハードウェア的にゲイン（利得）を上げた際の高負荷時の制限信号の切り替えによる制御値の段差や急変等が発生して、センター付近の操舵フィールへの影響が発生するためであると考えられる。また、電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）内部のマイクロプロセッサ（ＭＰＵ：Ｍｉｃｒｏ－Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）のＡ／Ｄ変換の分解能と処理能力にも限界がある。そこで、元々のトルクセンサ機構内の物理量（トルクに対する回転方向変位）を大きくする必要がある。
　本発明の目的は、ステアリングホイールのセンター（中立位置）付近のトルクセンサ機構の物理量を大きくして、運転者（ドライバー）への自然で爽快な操舵フィールを実現する電動パワーステアリング装置を提供することである。
　本発明の一態様に係るトルクセンサでは、第１のトーションバーと第２のトーションバーとが並列に配置されている。第２のトーションバーは、第１のトーションバーの捩れが所定の回転角に達すると連結し、第１のトーションバーと連動して捩れが発生する一組のトーションバー部品からなる。第２のトーションバーの弾性力は、第１のトーションバーの弾性力よりも大きい。一組のトーションバー部品は、同軸に配置された筒状の部品であり、筒状の部品の内側に第１のトーションバーを収納し、内側で第１のトーションバーの両端を固定し、第１のトーションバーの捩れが所定の回転角に達すると噛み合い歯によって噛み合うことで連結する。噛み合い歯の枚数は、１枚から７枚までのいずれかである。第２のトーションバーは、噛み合い歯の間に所定の回転角の隙間を有し、隙間に弾性体を介装している。なお、第２のトーションバーは、大きさの異なる複数の上記一組のトーションバー部品を大きさの順に組み入れた入れ子構造であっても良い。上記のトルクセンサは、電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）に搭載することが可能である。
　本発明の一態様によれば、電気的な問題である量子化誤差、位相遅れ、処理能力等の問題に略関わることなく、ステアリングホイールのセンター（中立位置）付近のトルクセンサ機構の物理量を大きくして、運転者（ドライバー）への自然で爽快な操舵フィールを実現することができる。
電動パワーステアリング装置の全体の構成例を示す概略図である。 電動パワーステアリング装置の主要部の構成例を示す断面図である。 トルクセンサの構成例を示す図である。 本発明の一態様に係るトーションバーの概略図である。 （ａ）～（ｄ）は、噛み合い歯を１枚とした場合の筒トーションバーの構成例を示す図である。 （ａ）～（ｂ）は、噛み合い歯の隙間に弾性体を配置した場合の構成例を示す軸方向正面図である。 噛み合い歯を７枚とした場合の筒トーションバーの構成例を示す軸方向正面図である。 （ａ）～（ｄ）は、トルクセンサの動作例を示す軸方向正面図である。 トルクに対する回転方向変位の対比を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は、筒トーションバーを入れ子状にした場合の構成例を示す図である。
　以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
　（構成）
　まず、本実施形態に係るトルクセンサを備える電動パワーステアリング装置の構成について説明する。図１は、電動パワーステアリング装置の全体の構成例を示す概略図である。図２は、電動パワーステアリング装置の主要部の構成例を示す断面図である。
　電動パワーステアリング装置において、入力軸１の突出端の先には、ステアリングホイール１ａが一体的に取り付けられている。入力軸１及び出力軸２は、入力軸１の内側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いる。入力軸１とトーションバー３とはピン結合している。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。入力軸１は、運転者からステアリングホイール１ａを介して作用される操舵トルク（操舵力）を、トーションバー３を介して出力軸２に伝達する。ハウジング５は、入力軸１及び出力軸２を包んで保護する。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の内側には、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の内側には、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。トルクセンサ１０は、トーションバー３の捩れ量を検出することで、入力軸１及び出力軸２間のトルクを検出する。また、トルクセンサ１０は、コントローラ（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）９に接続されており、コントローラ（ＥＣＵ）９にトルク検出値Ｔを通知する。コントローラ（ＥＣＵ）９は、ＥＰＳコントロールユニットと読み替えても良い。また、コントローラ（ＥＣＵ）９は、トルク検出値Ｔの他に、車速センサ９ａで検出した車速Ｖｓや操舵角センサ９ｂで検出した操舵角θを取得（入力）する。なお、図１では、車速センサ９ａや操舵角センサ９ｂが設けられているが、実際には車速センサ９ａや操舵角センサ９ｂが設けられていなくても良い。例えば、コントローラ（ＥＣＵ）９は、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）等から受信した車速Ｖｓや操舵角θを取得（入力）することも可能である。ここで、コントローラ（ＥＣＵ）９は、直流電源としてのバッテリ９ｃから電源供給されることによって作動する。バッテリ９ｃは、負極が接地され、正極が２つの電力線を介してコントローラ（ＥＣＵ）９に接続されている。２つの電力線のうち、一方の電力線はエンジン始動を行うイグニッションスイッチ９ｄを介してコントローラ（ＥＣＵ）９に接続され、他方の電力線はイグニッションスイッチ９ｄを介さず直接コントローラ（ＥＣＵ）９に接続されている。コントローラ（ＥＣＵ）９は、トルク検出値Ｔ、車速Ｖｓ、及び操舵角θに基づいて、出力軸２に付与すべき操舵補助トルクを決定し、出力軸２に操舵補助トルクを付与すべく、インバータ制御によりバッテリ９ｃから供給される電流を流して電動モータ９ｅを駆動する。なお、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。ラック４の端はタイロッド４ａに連結されている。また、出力軸２には、出力軸２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、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。また、ウォームホイール７は、電動モータ９ｅにより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。電動モータ９ｅ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９ｅ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。
　図３を参照して、トルクセンサ１０の構成について説明する。
　トルクセンサ１０において、センサシャフト（ロータ）１１は、磁性材料で入力軸１に形成されており、センサシャフト１１の表面には、図３に示すように、軸方向に延びた複数（図３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１１の内側には、トーションバー３が配置される。センサシャフト１１の内側は中空となっており、トーションバー３はセンサシャフト１１の内側に収納される。センサシャフト１１の外側には、センサシャフト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１１と同軸に配置されており、図２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、センサシャフト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３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３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、入力軸側ハウジング部５ａの内側に配置された同一規格の１対の検出コイル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。すなわち、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２に示すように、入力軸側ハウジング部５ａの内側に固定され、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の内側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。また、別の方法として、図示しないが、コイルボビン１８に圧入されたコイル側端子にコイル先端部分を絡げて半田固定した状態で、基板スルーホールに挿入し、半田付けで接続されていても良い。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。
　なお、現行使用されている一般的なトルクセンサの機構では、トーションバーは１つしかない。トーションバーが１つしかない場合、トーションバーの弾性力（バネ力）として１種類の弾性力しか選択できないため、ステアリングホイールのセンター（中立位置）付近の詳細な制御に使用できるトルク分解能が得られない可能性がある。そこで、本実施形態では、トルクセンサの機構において、互いに弾性力が異なる第１のトーションバーと第２のトーションバーとを用意し、最初に第１のトーションバーが捩れ、次に第２のトーションバーが捩れるように構成し、トーションバーの捩れを多段階にすることで、ステアリングホイールのセンター（中立位置）付近の詳細な制御に使用できるトルク分解能が得られるようにする。以下に、本実施形態に係るトーションバーについて説明する。
　図４は、本実施形態に係るトーションバーの概略図である。図４の上図は従来のトーションバーの例示であり、図４の下図は本実施形態に係るトーションバー３の例示である。
　本実施形態に係るトーションバー３では、第１のトーションバーと第２のトーションバーとが並列に配置されている。例えば、第１のトーションバーの周囲に第２のトーションバーが配置されている。第２のトーションバーは、第１のトーションバーの捩れが所定の回転角に達すると連結し、第１のトーションバーと連動して捩れが発生する一組のトーションバー部品からなる。図４では、第１のトーションバーの一例として、芯トーションバー３Ａを示す。芯トーションバー３Ａは、中心軸となるトーションバーである。例えば、芯トーションバー３Ａは、従来のトーションバーを縮小して両端をスプライン軸とした形状のトーションバーである。また、第２のトーションバーの一例として、筒トーションバー３Ｂを示す。一組のトーションバー部品の一例として、２つの筒状のトーションバー（筒状の部品）を示す。筒トーションバー３Ｂは、２つの筒状のトーションバーの内側に芯トーションバー３Ａを収納し、内側で芯トーションバー３Ａの両端を固定し、芯トーションバー３Ａの捩れが所定の回転角に達すると、２つの筒状のトーションバーが噛み合い歯によって噛み合うことで連結し、１本のトーションバーを形成する構造である。
　以下に、筒トーションバー３Ｂの構造の詳細について説明する。
　図４では、筒トーションバー３Ｂを形成する２つの筒状のトーションバー（筒状の部品）として、筒トーションバー３Ｂａと、筒トーションバー３Ｂｂとを示している。図４では、筒トーションバー３Ｂａは、従来のトーションバーにおけるスプライン軸の側であり、筒トーションバー３Ｂｂは、従来のトーションバーにおけるピン穴の側である。また、筒トーションバー３Ｂにおいて、筒トーションバー３Ｂａ及び筒トーションバー３Ｂｂのそれぞれの内側は中空となっており、内側に芯トーションバー３Ａを収納している。筒トーションバー３Ｂａは、内側で芯トーションバー３Ａの一端とスプライン結合しており、筒トーションバー３Ｂｂは、内側で芯トーションバー３Ａの他端とスプライン結合している。なお、スプライン結合は一例に過ぎない。これにより、芯トーションバー３Ａは筒トーションバー３Ｂの芯（中心軸）となる。図４に示すように、筒トーションバー３Ｂは、芯トーションバー３Ａを収納した状態で従来のトーションバーと同じ大きさ（サイズ）であるため、従来のトーションバーと置換可能であり、従来のトルクセンサに適用することができる。但し、実際には、図３に示すようなトルクセンサのセンサシャフト１１の内径や長さを変更することが可能であれば、筒トーションバー３Ｂは従来のトーションバーと同じ大きさ（サイズ）にしなくても良い。このとき、弾性力の大きさの関係が「芯トーションバー３Ａの弾性力　＜　従来のトーションバーの弾性力　＜　筒トーションバー３Ｂの弾性力」となるようにする。なお、弾性力が大きいほど、反発力が大きい。
　図４では、筒トーションバー３Ｂは、筒トーションバー３Ｂａの噛み合い歯３Ｂａｔと筒トーションバー３Ｂｂの噛み合い歯３Ｂｂｔとが噛み合うことで連結する構造となっている。具体的に、噛み合い歯３Ｂａｔは、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、筒トーションバー３Ｂａの噛み合う側の端面に軸方向に突出して形成され、軸方向から平面視して端面の円周方向に沿った円弧形状を有している。また、噛み合い歯３Ｂｂｔは、図５（ｃ）に示すように、筒トーションバー３Ｂｂの噛み合う側の端面に軸方向に突出して形成され、噛み合い歯３Ｂａｔと同様の形状を有している。なお、図５（ａ）及び（ｃ）は、筒トーションバー３Ｂａ及び３Ｂｂを軸方向（噛み合い歯側）から見た平面図である。操舵トルクが付与されていない状態では、図５（ｄ）に示すように、筒トーションバー３Ｂａの噛み合い歯３Ｂａｔ（点線で図示）と筒トーションバー３Ｂｂの噛み合い歯３Ｂｂｔとは噛合しておらず、噛み合い歯３Ｂａｔ及び３Ｂｂｔの間に所定の回転角αの隙間ｄｇが存在する。すなわち、筒トーションバー３Ｂは、操舵トルクが付与されていない状態において、筒トーションバー３Ｂａの噛み合い歯３Ｂａｔと筒トーションバー３Ｂｂの噛み合い歯３Ｂｂｔとの間に所定の回転角αの隙間ｄｇを有するように構成されている。この隙間ｄｇで芯トーションバー３Ａの捩れが発生して、筒トーションバー３Ｂａの噛み合い歯３Ｂａｔと筒トーションバー３Ｂｂの噛み合い歯３Ｂｂｔとが噛み合う位置（噛合い点）まで来ると、筒トーションバー３Ｂの捩れが発生する。なお、芯トーションバー３Ａの捩れに伴って、スプライン結合した筒トーションバー３Ｂａが軸回りに回動して、その噛み合い歯３Ｂｂｔの周方向の端面３Ｂａｎが、筒トーションバー３Ｂｂの噛み合い歯３Ｂａｔの周方向の端面３Ｂａｎと当接することで噛み合いが生じる。また、動作音やノッキングの抑制のため、この噛み合い歯３Ｂａｔ及び３Ｂｂｔの隙間にゴムや樹脂等の弾性体（弾性部材）を挿入又は充填しても良い。上記の目的のため、弾性体は非金属であると望ましい。但し、実際には、この噛み合い歯３Ｂａｔ及び３Ｂｂｔの隙間に、弾性体として、板バネやコイルバネ等の金属製のバネを配置しても良い。
　例えば、図６（ａ）に示すように、噛み合い歯３Ｂｂｔの端面３Ｂｂｎに例えば樹脂製の弾性体５０を配置（固定）することで、図６（ｂ）に示すように、噛み合い歯３Ｂｂｔと３Ｂａｔとが噛み合い時に弾性体５０の弾性変形によって、動作音やノッキングを抑制することが可能である。
　筒トーションバー３Ｂａと筒トーションバー３Ｂｂとの噛み合い歯の枚数は、１枚から７枚までを想定している。噛み合い歯の枚数が１枚未満であると噛み合わない。噛み合い歯の枚数が７枚より上であると歯が小さ過ぎて造りづらい。すなわち、噛み合い歯の枚数を７枚までとしているのは製造上の都合によるものであり、製造可能であれば噛み合い歯の枚数を７枚より上にしても良い。噛み合い歯の枚数が増えるほど、噛み合ったときの面圧が低くなり、耐久性が向上する。また、噛み合い歯の枚数が増えるほど、円周上に噛み合い場所が増え、力が分散するため、噛み合ったときの倒れが少ない。図４では、噛み合い歯の枚数は１枚となっている。なお、例えば噛み合い歯を７枚とした場合は、図７に示すように、筒トーションバー３Ｂａの噛み合い歯３Ｂａｔ１～３Ｂａｔ７と、筒トーションバー３Ｂｂの噛み合い歯３Ｂｂｔ１～３Ｂｂｔ７とは、それぞれが周方向に沿って互い違いとなるように配置される。加えて、周方向に沿って並列する各歯と歯の間には、芯トーションバー３Ａのみが捩れる範囲となる隙間ｄｇが形成されている。即ち、所望の隙間ｄｇが確保されるように各歯の周方向の長さ等が決められている。噛み合い歯を２枚～６枚とした場合も枚数や周方向の幅等が異なるのみで同様の構成となる。
　また、図４では、噛み合い歯の形状は矩形波状であるが、実際には噛み合うことが可能な形状であれば何でも良い。例えば、三角形状や台形形状でも良いし、角Ｒ等をつけても良い。若しくは、筒トーションバー３Ｂａと筒トーションバー３Ｂｂとの隙間（境界）を軸方向に対して斜めにして、断面（斜面）を噛み合い歯としても良い。また、図４では、噛み合い歯の位置は、筒トーションバー３Ｂａと筒トーションバー３Ｂｂとの中央付近にあるが、実際には弾性力のチューニングのため、中央付近から移動しても良い（ずらしても良い）。例えば、筒トーションバー３Ｂｂに対して、筒トーションバー３Ｂａを長くしたり短くしたりしても良い。また、噛み合い歯の長さは任意である。例えば、芯トーションバー３Ａの周囲に配置された筒状の部分を、噛み合い歯を延伸して形成することが考えられる。若しくは、筒トーションバー３Ｂａと筒トーションバー３Ｂｂとを、所定の回転角の隙間を有して互いに対向する２つの半筒状のトーションバーとすることも考えられる。また、筒トーションバー３Ｂａ及び筒トーションバー３Ｂｂのうち、一方が剛体で、他方のみが弾性力を有していても良い。すなわち、筒トーションバー３Ｂａの弾性力と筒トーションバー３Ｂｂの弾性力は同一でなくても良い（異なっていても良い）。
　但し、実際には、これらの例に限定されない。
　（動作）
　入力軸１は、運転者からステアリングホイール１ａを介して作用される操舵トルクを、トーションバー３を介して出力軸２に伝達する。
　トーションバー３に操舵トルクが付与された場合、図８（ａ）に示すように、まず芯トーションバー３Ａの捩れが発生する。芯トーションバー３Ａは筒トーションバー３Ｂの内側で筒トーションバー３Ｂとスプライン結合しているため、芯トーションバー３Ａと筒トーションバー３Ｂは連動する。したがって、トルクが増大し、図８（ｂ）に示すように、芯トーションバー３Ａが捩れるにつれて、徐々に筒トーションバー３Ｂａの噛み合い歯３Ｂａｔ（点線図示）と筒トーションバー３Ｂｂの噛み合い歯３Ｂｂｔとが接近する。
　そして、図８（ｃ）に示すように、筒トーションバー３Ｂａの噛み合い歯３Ｂａｔと筒トーションバー３Ｂｂの噛み合い歯３Ｂｂｔとが噛み合う位置（噛合い点）に到達したとする。この場合、筒トーションバー３Ｂａの噛み合い歯３Ｂａｔと筒トーションバー３Ｂｂの噛み合い歯３Ｂｂｔとが噛み合うことで、筒トーションバー３Ｂａと筒トーションバー３Ｂｂとは１本の筒トーションバー３Ｂとなり、図８（ｄ）に示すように、筒トーションバー３Ｂの捩れが発生する。
　トルクセンサ１０は、トーションバー３の捩れ量を検出することで、芯トーションバー３Ａの捩れ量と筒トーションバー３Ｂのそれぞれの捩れ量を検出し、入力軸１及び出力軸２間のトルクを検出する。
　図９は、従来の方式と本実施形態とのトルクセンサ機構内の物理量（トルクに対する回転方向変位）を対比したグラフである。
　本実施形態における回転方向変位は、筒トーションバー３Ｂａの噛み合い歯３Ｂａｔと筒トーションバー３Ｂｂの噛み合い歯３Ｂｂｔとが噛み合う位置（噛合い点）までは、芯トーションバー３Ａの捩れが発生し、トルクが増大するにつれて、従来の方式における回転方向変位から乖離していくように、回転方向変位が増加している。
　このように、本実施形態では、弾性力の大きさの関係は「芯トーションバー３Ａの弾性力　＜　従来のトーションバーの弾性力」であるため、従来の方式よりもゲインの高い物理量が得られる。また、ゲインの高い物理量が得られるため、詳細な制御に寄与でき、運転者（ドライバー）への自然で爽快な操舵フィールを実現することができる。
　また、本実施形態における回転方向変位は、筒トーションバー３Ｂａの噛み合い歯３Ｂａｔと筒トーションバー３Ｂｂの噛み合い歯３Ｂｂｔとが噛み合う位置（噛合い点）を超えると、筒トーションバー３Ｂの捩れが発生し、トルクが増大するにつれて、筒トーションバー３Ｂの弾性力により、従来の方式における回転方向変位に徐々に近づいていくように、回転方向変位が減少する。
　このように、本実施形態では、弾性力の大きさの関係は「従来のトーションバーの弾性力　＜　筒トーションバー３Ｂの弾性力」であるため、噛合い点を超えると、従来のトーションバーの弾性力よりも強力な弾性力が発生して、回転方向変位を抑制する。このため、芯トーションバー３Ａが捩じ切られる心配や、信頼性が損なわれる心配もない。
　（変形例）
　本実施形態では、電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）として、コラムアシスト型を想定しているが、実際には、本実施形態の構成が適用可能であれば、ラックアシスト型や、ピニオンアシスト型等でも良い。
　また、本実施形態では、トーションバーを２段構造にした例について説明しているが、実際にはトーションバーを３段以上の構造にしても良い。例えば、図１０（ａ）に示すように、図４に示す芯トーションバー３Ａと筒トーションバー３Ｂとの間に、筒トーションバー３Ｂよりも１回り小さな筒状のトーションバー３Ｂｃ及び３Ｂｄを配置しても良い。すなわち、筒トーションバー３Ｂは、大きさ（サイズ）の異なる複数の上記一組のトーションバー部品（筒トーションバー３Ｂａと筒トーションバー３Ｂｂの組）を大きさの順に組み入れた入れ子構造（Ｎｅｓｔｅｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：ネスト構造）にすることができる。内側の筒トーションバー３Ｂｃ及び３Ｂｄは、外側の筒トーションバー３Ｂａ及び３Ｂｂの内側で外側の筒トーションバー３Ｂａ及び３Ｂｂとスプライン結合する。なお、スプライン結合は一例に過ぎない。このとき、筒トーションバーの階層毎に弾性力や剛性を変えることで、より詳細なトルク分解能が得られる。なお、筒トーションバーは、内側のものから順に噛合し、弾性力が大きくなっていくようにする。すなわち、外側のものほど弾性力が大きいものとする。
　例えば、図１０（ｂ）に示すように、操舵トルクが付与されていない状態において、内側の筒トーションバー３Ｂｃ及び３Ｂｄは、噛み合い歯３Ｂｃｔの周方向端面３Ｂｃｎと、噛み合い歯３Ｂｄｔの周方向端面３Ｂｄｎとの間に、所定の回転角β分の隙間ｄｇ１が形成されるように構成されている。また、操舵トルクが付与されていない状態において、外側の筒トーションバー３Ｂａ及び３Ｂｂは、噛み合い歯３Ｂａｔの周方向端面３Ｂａｎと、噛み合い歯３Ｂｂｔの周方向端面３Ｂｂｎとの間に、所定の回転角γ分の隙間ｄｇ２が形成されるように構成されている。
　かかる構成によって、付与される操舵トルクが大きくなるにつれて、内側の筒トーションバー３Ｂｄが隙間ｄｇ１だけ回動する間、芯トーションバー３Ａが捩れる。このとき、外側の筒トーションバー３Ｂｂも内側の筒トーションバー３Ｂｄと連動して回転角βに相当する距離ｄｇ３だけ回動する。続いて、噛み合い歯３Ｂｃｔと３Ｂｄｔとが噛合した後は、外側の筒トーションバー３Ｂｂが「ｄｇ２－ｄｇ３」だけ回動する間、芯トーションバー３Ａに加えて内側の筒トーションバー３Ｂｃ及び３Ｂｄが捩れる。そして、噛み合い歯３Ｂａｔと３Ｂｂｔとが噛合した後は、芯トーションバー３Ａ、内側の筒トーションバー３Ｂｃ及び３Ｂｄに加えて外側の筒トーションバー３Ｂａ及び３Ｂｂが捩れる。このように、付与される操舵トルクが大きくなるに従って、トーションバーの弾性力を大きくしていくことが可能である。
　また、本実施形態では、一組のトーションバー部品は、２つの筒状のトーションバー（筒状の部品）であるものとしているが、実際には、３つ以上の筒状のトーションバーであるものとしても良い。例えば、筒トーションバー３Ｂａと筒トーションバー３Ｂｂとの間に、図示しない筒トーションバー３Ｂｆを配置し、筒トーションバー３Ｂａと筒トーションバー３Ｂｆの一端とが噛み合い歯によって噛み合い、筒トーションバー３Ｂｆの他端と筒トーションバー３Ｂｂとが噛み合い歯によって噛み合うことで連結する構造となっていても良い。
　（本実施形態の効果）
　本実施形態によれば、以下のような効果を奏する。
　（１）本実施形態に係るトルクセンサでは、第１のトーションバーと第２のトーションバーとが並列に配置されている。第２のトーションバーは、第１のトーションバーの捩れが所定の回転角に達すると連結し、第１のトーションバーと連動して捩れが発生する一組のトーションバー部品からなる。
　これにより、ステアリングホイールのセンター（中立位置）付近のトルク分解能を上げて、詳細な制御に寄与することにより、ステアリングホイールのセンター（中立位置）付近の爽快なフィールを実現する電動パワーステアリング装置を提供することができる。また、トーションバーの捩れを検出して電気信号に変換後、制御値に置き換える段階においてステアリングホイールのセンター（中立位置）付近の制御信号を回路若しくは演算により増幅したり、切り替えたりする必要がない。
　（２）第２のトーションバーの弾性力は、第１のトーションバーの弾性力よりも大きい。
　これにより、噛み合い歯が噛み合う位置（噛合い点）までは、従来の方式よりもゲインの高い物理量が得られる。また、噛合い点を超えると、強力な弾性力が発生して、回転方向変位を抑制し、第１のトーションバーが捩じ切られる心配や、信頼性が損なわれる心配がない。
　（３）一組のトーションバー部品は、同軸に配置された筒状の部品であり、筒状の部品の内側に第１のトーションバーを収納し、内側で第１のトーションバーの両端を固定し、第１のトーションバーの捩れが所定の回転角に達すると噛み合い歯によって噛み合うことで連結する。
　このように、第２のトーションバーの内側に第１のトーションバーを収納して結合し、トーションバーを多段構造（階層構造）とすることで、第１のトーションバーの捩れと連動して第２のトーションバーの捩れが発生する最適な構造にすることができる。また、第１のトーションバーが第２のトーションバーの内側に収納され、外見上は１本のトーションバーとなるため、従来のトーションバーとの置換も容易である。
　（４）噛み合い歯の枚数は、１枚から７枚までのいずれかである。
　これにより、噛み合い歯について十分な大きさを確保しつつ、十分な耐久性を確保することができる。
　（５）第２のトーションバーは、噛み合い歯の間に所定の回転角の隙間を有し、隙間に弾性体を介装していても良い。
　これにより、第２のトーションバーにおいて、噛み合い歯によって噛み合う際の動作音やノッキングを抑制することができる。また、弾性体の弾性を調整することにより、図５に示すグラフにおける噛合い点の変極点を調整することができ、一組のトーションバー部品の滑らかな連結を実現できる。
　（６）第２のトーションバーは、大きさの異なる複数の上記一組のトーションバー部品を大きさの順に組み入れた入れ子構造である。
　これにより、トーションバーの多段構造（階層構造）を最も容易に実現できる。
　（７）本実施形態に係るトルクセンサは、電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）に搭載することが可能である。
　これにより、電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）において、ステアリングホイール１ａのセンター（中立位置）付近の爽快なフィールを実現することができる。
　以上、本願が優先権を主張する日本国特許出願Ｐ２０１４－２４７１（２０１４年１月９日出願）の全内容は、ここに引用例として包含される。
　また、本発明の実施形態を詳述してきたが、実際には、上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の変更があっても本発明に含まれる。
　即ち、ここでは限られた数の実施形態を参照しながら説明したが、権利範囲はそれらに限定されるものではなく、上記の開示に基づく各実施形態の改変は当業者にとって自明のことである。
　１…入力軸、１ａ…ステアリングホイール、２…出力軸、２ａ…ピニオン軸、３…トーションバー、３Ａ…芯トーションバー（第１のトーションバー）、３Ｂ…筒トーションバー（第２のトーションバー）、３Ｂａ，３Ｂｂ…筒トーションバーの部品（一組のトーションバー部品）、３Ｂｃ，３Ｂｄ…筒トーションバーの部品（一組のトーションバー部品）、３Ｂａｔ，３Ｂｂｔ，３Ｂｃｔ，３Ｂｄｔ…噛み合い歯、４…ラック、４ａ…タイロッド、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、６ａ，６ｂ，６ｃ…軸受、７…ウォームホイール、８…ウォーム、９…コントローラ（ＥＣＵ）、９ａ…車速センサ、９ｂ…操舵角センサ、９ｃ…バッテリ、９ｄ…イグニッションスイッチ、９ｅ…電動モータ、１０…トルクセンサ、１１…センサシャフト（ロータ）、１２…円筒部材、１３ａ，１３ｂ…検出コイル、１４…ヨークカバー、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、１９…基板側コネクタ

Claims (7)

  1. 　第１のトーションバーと、
    　前記第１のトーションバーと並列に配置され、前記第１のトーションバーの捩れが所定の回転角に達すると連結し、前記第１のトーションバーと連動して捩れが発生する一組のトーションバー部品からなる第２のトーションバーと、
    を備えることを特徴とするトルクセンサ。
  2. 　前記第２のトーションバーの弾性力は、前記第１のトーションバーの弾性力よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
  3. 　前記一組のトーションバー部品は、同軸に配置された筒状の部品であり、前記筒状の部品の内側に前記第１のトーションバーを収納し、内側で前記第１のトーションバーの両端を固定し、前記第１のトーションバーの捩れが前記所定の回転角に達すると噛み合い歯によって噛み合うことで連結することを特徴とする請求項１又は２に記載のトルクセンサ。
  4. 　前記噛み合い歯の枚数は、１枚から７枚までのいずれかであることを特徴とする請求項３に記載のトルクセンサ。
  5. 　前記第２のトーションバーは、前記噛み合い歯の間に前記所定の回転角の隙間を有し、前記隙間に弾性体を介装していることを特徴とする請求項３又は４に記載のトルクセンサ。
  6. 　前記第２のトーションバーは、大きさの異なる複数の前記一組のトーションバー部品を大きさの順に組み入れた入れ子構造であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のトルクセンサ。
  7. 　請求項１乃至６のいずれか一項に記載のトルクセンサ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。
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