JP2005055392A - 回転角およびトルク検出装置 - Google Patents

回転角およびトルク検出装置 Download PDF

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正晴 牛原
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Abstract

【課題】軸若しくはシャフトの回転角およびトルクの検出装置に関するものであり、トルク検出精度を高めることを目的とするものである。
【解決手段】はすば歯車１０を備えた円筒部材からなる第１の主歯車部９と、歯車１４を備えた円筒部からなる第２の主歯車部１３とをステアリングシャフト１に設けたトーションバー１８の両端に配置し、前記第１の主歯車部９と前記第２の主歯車部１３とを相対回転が可能になるように同軸に嵌め合わせ、前記第１の主歯車部９が前記ステアリングシャフト１の軸方向に移動するように前記トーションバー１８の片側にスプライン１７を設け、前記第１の主歯車部９のはすば歯車１０に係合された第１の検知歯車２２と前記第２の主歯車部１３の歯車１４に係合された第２の検知歯車２３に第１と第２の磁石２４、２５を配置し、この第１と第２の磁石２４、２５に対向するように第１、第２のセンサ２６、２７を設けた構成としている。
【選択図】図２

Description

本発明は、特に軸若しくはシャフトの回転角およびトルク検出装置に関するものである。
従来、この種の検出装置は、図６に示されるような構成を有していた。図６は従来の検出装置の構成図である。
図６において、軸１１０の中間区分にトルク測定のためのトーションバー１２０が形成されている。歯部１０２がこの第１の角度発信器で軸１１０に設けられている。歯部１０２に、歯車１０３、１０４が相応して係合している。取り付け箇所１２１から、第２の角度発信器の形成のためにスリーブ１２２が第１の取り付け箇所に向かってのびていて、自由な端部に歯部１２３を保持しており、この歯部１２３が歯部１０２と同じ歯数ｎを有している。
歯部１２３に１つの歯車１２４を係合させ、この歯車１２４が歯車１０３若しくは１０４と同じ歯数ｍを有していて、同じく図示していないがマグネット及び対応するセンサを備えている。トーションバー１２０にトルクが作用すると、歯部１０２と歯部１２３とが互いに相対的に回動し、同じ歯数の歯車１０３に対する歯車１２４の異なる回転が生じる。
そして以上のような構成により、これにより歯車１２４と歯車１０３との間の角度変化から、作用するトルクが検出される。
この角度変化量としては運転者がハンドルを操舵する際にハンドルとタイヤとの関係に違和感が生じないように±３度程度に設定されている。
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開ＷＯ００−０８４３４号公報
しかしながら、上記従来の構成では、トーションバー１２０にトルクが発生しその捻れ角を検出していたが捻れ角が小さいため検出精度が悪いという問題点を有していた。
本発明は上記従来の課題を解決するもので、トーションバーにトルクが発生しその捻れ角を拡大しトルク検出精度を高めることを目的とするものである。
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有する。
本発明の請求項１に記載の発明は、はすば歯車を備えた円筒部材からなる第１の主歯車部と、歯車を備えた円筒部からなる第２の主歯車部とをステアリングシャフトに設けたトーションバーの両端に配置し、前記第１の主歯車部と前記第２の主歯車部とを相対回転が可能になるように同軸に嵌め合わせ、前記第１の主歯車部が前記ステアリングシャフトの軸方向に移動するように前記トーションバーの片側にスプラインを設け、前記第１の主歯車部のはすば歯車に係合された第１の検知用歯車と前記第２の主歯車部の歯車に係合された第２の検知用歯車に第１と第２の磁石を配置し、この第１と第２の磁石に対向するようにセンサ部を設けた回転角およびトルク検出装置であり、はすば歯車によって小さな捻れ角の検出を拡大することができるという作用効果が得られる。
本発明の請求項２に記載の発明は、特に、第１の主歯車部の円筒部の外周に設けた長尺の長孔に第２の主歯車部に突設したピンを貫通して係合した構成の請求項１に記載の回転角およびトルク検出装置であり、小さな捻れ角の検出を拡大することができるという作用効果が得られる。
本発明の請求項３に記載の発明は、特に、第１の主歯車部に長尺の長孔を設けた円筒部の外形がはすば歯車の外形と同等以上とした構成の請求項１に記載の回転角およびトルク検出装置であり、小さな捻れ角の検出を拡大することができるという作用効果が得られる。
本発明の請求項４に記載の発明は、特に、第１の主歯車部に設けたはすば歯車の傾斜角が４５度とした請求項１に記載の回転角およびトルク検出装置であり、小さな捻れ角の検出を拡大することができるという作用効果が得られる。
本発明の請求項５に記載の発明は、特に、第１の主歯車部の円筒部の外周に設けた長尺の長孔は軸方向に対して４５度とした請求項１に記載の回転角およびトルク検出装置であり、小さな捻れ角の検出を拡大することができるという作用効果が得られる。
本発明の回転角およびトルク検出装置は、はすば歯車を備えた円筒部材からなる第１の主歯車部と、歯車を備えた円筒部からなる第２の主歯車部とをステアリングシャフトに設けたトーションバーの両端に配置し、前記第１の主歯車部と前記第２の主歯車部とを相対回転が可能になるように同軸に嵌め合わせ、前記第１の主歯車部が前記ステアリングシャフトの軸方向に移動するように前記トーションバーの片側にスプラインを設け、前記第１の主歯車部のはすば歯車に係合された第１の検知用歯車と前記第２の主歯車部の歯車に係合された第２の検知用歯車に第１と第２の磁石を配置し、この第１と第２の磁石に対向するようにセンサ部を設けた回転角およびトルク検出装置であり、はすば歯車によって小さな捻れ角の検出を拡大することができるという効果を奏するものである。
（実施の形態１）
以下、一実施の形態を用いて、本発明の特に請求項１〜５記載の発明について説明する。
図１は車両の操舵系の一部を示す斜視図である。この図１に示すようにハンドル２に連結したステアリングシャフト１に検知部８を配置し、ステアリングシャフト１の先端に設けたピニオン３と、連結ロッド５に設けたラック４とを連結している。この連結ロッド５と車軸７の左右にタイヤ６を設けている。
そして、操縦者がハンドル２を操舵することによって発生した操舵力はステアリングシャフト１から検知部８へ、さらにピニオン３からラック４を介してタイヤ６へ伝達されている。
図２は検知部８の詳細図である。図２においてステアリングシャフト１に設けられたトーションバー１８の両端に第１の主歯車部９と第２の主歯車部１３とを連結している。
Ａ部は図１で示したステアリングシャフト１のハンドル２側を示している。Ｂ部はピニオン３側を示している。
Ａ部側のステアリングシャフト１にはスプライン１７を設けている。
円筒部材からなる第１の主歯車部９ははすば歯車１０とステアリングシャフト１に設けたスプライン１７と係合するスリーブ１２と円筒部外周に長孔２０を設けたスリーブ１１で構成している。
Ｂ部側のステアリングシャフト１には円筒部材からなる第２の主歯車部１３がピン１９にて連結している。
第２の主歯車部１３は歯車１４と第１の主歯車部９に設けられた長孔２０に貫通するピン２１を設けたスリーブ１６とステアリングシャフト１に連結するためのピン１９を挿入する貫通孔３０を設けたスリーブ１５で構成している。
そして前記第１の主歯車部９のはすば歯車１０と第１の検知歯車２２が係合している。この第１の検知歯車２２には磁石２４が備えられている。さらにこの磁石２４に対向して第１のセンサ２６がプリント基板２８上に配置してある。
同様に、第２の主歯車部１３の歯車１４と第２の検知歯車２３が係合している。この第２の検知歯車２３には磁石２５が設けられている。この磁石２５に対向して第２のセンサ２７をプリント基板２９上に配置し検知部８を構成している。
次に、この検知部８の動作について説明する。
図３は検知部８の断面図である。
図１に示したハンドル２を回すと図３に示すステアリングシャフト１にその回転が伝わり、このステアリングシャフト１に設けたスプライン１７と第１の主歯車部９のスリーブ１２とが係合してはすば歯車１０が回転する。さらにトーションバー１８を介してステアリングシャフト１に設けた貫通孔３１と第２の主歯車部１３のスリーブ１５に設けた貫通孔３０とをピン１９にて係合させることにより歯車１４が回転する。前記はすば歯車１０が回転するとこのはすば歯車１０に係合する第１の検知歯車２２が回転する。
図４（ａ）は第１の検知歯車２２に設けられた磁石２４とセンサ２６の上面図を示し、図４（ｂ）は同側面図を示している。
第１の検知歯車２２はポリアセタール等の耐熱、耐摩耗性に強い樹脂でできており、磁石２４をインサート成型により第１の検知歯車内部に埋め込んでいる。図４（ｂ）に示すように第１の検知歯車２２の内部に配置された磁石２４と同軸上に対面してセンサ２６を配置している。図示はしていないが図１に示した検知部８はカバーで覆うようにして車両本体に取り付けられるようになっておりこのカバー側に図４（ａ）、（ｂ）に示す第１の検知歯車２２に設けられた磁石２４とセンサ２６とを対面させて両者の平行度を保持している。
この第１の検知歯車２２に設けられた磁石２４が回転することで磁界が変化し、この磁界の変化をセンサ２６が検知する。同様に第２の主歯車部１３が回転することで第２の主歯車部１３に設けられた歯車１４が回転し、この歯車１４に係合する第２の検知歯車２３が回転する。第２の検知歯車２３に設けられた磁石２５が回転することで磁界が変化し、この磁界の変化をセンサ２７が検知する。
第１の主歯車部９のはすば歯車１０と第２の主歯車部１３の歯車１４とは同じ歯数ｍを有している。そして第１の検知歯車２２と第２の検知歯車２３はそれぞれ同じ歯数ｎを有している。
トーションバー１８にトルクが作用すると第１の主歯車部９のはすば歯車１０と第２の主歯車部１３の歯車１４とがお互いに相対的に回動するが、第１の検知歯車２２と第２の検知歯車２３との間には異なる回転が生じる。この回転の差をセンサ２６、２７から読みとり検出装置（図示せず）にてトルクが算出される。従って第１の検知歯車２２と第２の検知歯車２３との間の角度変化はトーションバー１８に作用するトルクによって引き起こされそのトルクが算出される。
この回転差が発生するときにはすば歯車１０は第１の主歯車部９とステアリングシャフト１に設けたスプライン１７と係合することにより、はすば歯車１０の回動時に第１の主歯車部９のスリーブ１１の外周部に長軸方向に対してある角度を設けた長孔２０と第２の主歯車部１３のスリーブ１６に設けたピン２１により第１の主歯車部９はＤに示す軸方向に平行移動する。
図５は軸方向に移動する時のはすば歯車１０の回動を示す側面図である。図５に示すｆははすば歯車１０と第１の検知歯車２２が噛み合っている部分を示している。はすば歯車１０が回転することで点ａの位置から点ｂの位置へ長軸方向にはすば歯車１０が平行移動する。このときはすば歯車１０に係合している第１の検知歯車２２は軸方向に固定されているのではすば歯車１０が点ａから点ｂに移動する量に対応して第１の検知歯車２２は点ｃから点ｂに移動する。
すなわち第１の主歯車部９が軸方向に点ａから点ｂへ平行移動することではすば歯車１０は点ｂから点ｃまで回動したことと等しくなる。
従って、第１の主歯車部９に結合された第１の検知歯車２２もはすば歯車１０が点ｃから点ｂまで余分に回動することになる。
例えば、長孔２０の傾斜角度θとはすば歯車１０の軸方向に対する傾斜角がそれぞれ４５度の場合、はすば歯車１０が単純に回動した時の回転角度α１に対応して第１の検知歯車２２は回転角度α２回転し、さらにはすば歯車１０は第１の主歯車部９の軸方向へ移動する。はすば歯車１０の軸方向に対する傾斜角が４５度であるからはすば歯車１０の軸方向の移動によって生じる回転角度はスリーブ１１の外形がはすば歯車１０の外形と同等であれば、第１の検知歯車２２がさらに角度α２回動される。結果として第１の検知歯車２２は２α２の角度を回動することになり回転角の検出精度を高めることができるのである。
なお、本実施の形態では第２の主歯車部１３の歯車１４に係合する第２の検知歯車２３は１個であったが、この第２の検知歯車２３の歯数より多い第３の検知歯車を第２の検知歯車２３に係合させた構成でも同様の効果が得られる。
なお、本実施の形態では第１の主歯車部９のスリーブ１１に長孔２０を設け、第２の主歯車部１３のスリーブ１６にピン２１を設けたが第１の主歯車部９のスリーブ１１にピン２１を設け、第２の主歯車部１３のスリーブ１６に長孔２０を設けた構成でも同様の効果が得られるものである。
本発明にかかる回転角およびトルク検出装置は、はすば歯車を備えた円筒部材からなる第１の主歯車部と、歯車を備えた円筒部からなる第２の主歯車部とをステアリングシャフトに設けたトーションバーの両端に配置し、前記第１の主歯車部と前記第２の主歯車部とを相対回転が可能になるように同軸に嵌め合わせ、前記第１の主歯車部が前記ステアリングシャフトの軸方向に移動するように前記トーションバーの片側にスプラインを設け、前記第１の主歯車部のはすば歯車に係合された第１の検知用歯車と前記第２の主歯車部の歯車に係合された第２の検知用歯車に第１と第２の磁石を配置し、この第１と第２の磁石に対向するようにセンサ部を設けた構成で第１の検知歯車と第２の検知歯車の位相角度を大きく検出することができセンサの精度を高めることができるという効果を有し、車載用の電動パワーステアリング機構に有用である。
本発明の回転角およびトルク検出装置は、はすば歯車を備えた円筒部材からなる第１の主歯車部と、歯車を備えた円筒部からなる第２の主歯車部とをステアリングシャフトに設けたトーションバーの両端に配置し、前記第１の主歯車部と前記第２の主歯車部とを相対回転が可能になるように同軸に嵌め合わせ、前記第１の主歯車部が前記ステアリングシャフトの軸方向に移動するように前記トーションバーの片側にスプラインを設け、前記第１の主歯車部のはすば歯車に係合された第１の検知用歯車と前記第２の主歯車部の歯車に係合された第２の検知用歯車に第１と第２の磁石を配置し、この第１と第２の磁石に対向するようにセンサ部を設けた回転角およびトルク検出装置であり、はすば歯車によって小さな捻れ角の検出を拡大することができる回転角およびトルク検出装置の用途にも適用できる。
本発明の回転角およびトルク検出装置を取り付けた車両の操舵系の斜視図 本発明の回転角およびトルク検出装置の正面図 本発明の回転角およびトルク検出装置の断面図 （ａ）本発明の回転角およびトルク検出装置の検知歯車に設けた磁石とセンサの上面図、（ｂ）本発明の回転角およびトルク検出装置の検知歯車に設けた磁石とセンサの側面図 本発明の回転角およびトルク検出装置のはすば歯車の回動軌跡図 従来の回転角およびトルク検出装置の構成図
符号の説明
１ ステアリングシャフト
２ ハンドル
３ ピニオン
４ ラック
５ 連結ロッド
６ タイヤ
７ 車軸
８ 検知部
９ 第１の主歯車部
１０ はすば歯車
１１、１２、１５、１６ スリーブ
１３ 第２の主歯車部
１４ 歯車
１７ スプライン
１８ トーションバー
１９、２１ ピン
２０ 長孔
２２ 第１の検知歯車
２３ 第２の検知歯車
２４、２５ 磁石
２６、２７ センサ
２８、２９ プリント基板
３０、３１ 貫通孔

Claims (5)

  1. はすば歯車を備えた円筒部材からなる第１の主歯車部と、歯車を備えた円筒部からなる第２の主歯車部とをステアリングシャフトに設けたトーションバーの両端に配置し、前記第１の主歯車部と前記第２の主歯車部とを相対回転が可能になるように同軸に嵌め合わせ、前記第１の主歯車部が前記ステアリングシャフトの軸方向に移動するように前記トーションバーの片側にスプラインを設け、前記第１の主歯車部のはすば歯車に係合された第１の検知歯車と前記第２の主歯車部の歯車に係合された第２の検知歯車に第１と第２の磁石を配置し、この第１と第２の磁石に対向するように第１、第２のセンサを設けた回転角およびトルク検出装置。
  2. 第１の主歯車部の円筒部の外周に設けた長尺の長孔に第２の主歯車部に突設したピンを貫通して係合した請求項１に記載の回転角およびトルク検出装置。
  3. 第１の主歯車部に長尺の長孔を設けた円筒部の外形がはすば歯車の外形と同等以上とした請求項１に記載の回転角およびトルク検出装置。
  4. 第１の主歯車部に設けたはすば歯車の傾斜角を４５度とした請求項１に記載の回転角およびトルク検出装置。
  5. 第１の主歯車部の円筒部の外周に設けた長尺の長孔は軸方向に対して４５度とした請求項１に記載の回転角およびトルク検出装置。
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