JP2019124526A - トルクセンサ及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トーションバーを用いることなくシャフト間で伝達されるトルクを検出可能な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。【解決手段】トルクセンサ１０は、セレーション嵌合により連結されたアッパシャフト２１及び出力側シャフト２０と、アッパシャフト２１の回転角を検出する入力側回転角センサ６１と、出力側シャフト２０の回転角を検出する出力側回転角センサ６２と、を備える。アッパシャフト２１のセレーション突起２１１と出力側シャフト２０における中間シャフト２２のセレーション突起２２１との間には、伝達トルクによって弾性変形する緩衝材２４が介在して配置され、緩衝材２４の弾性変形により、入力側回転角センサ６１で検出される回転角と出力側回転角センサ６２で検出される回転角との間に伝達トルクに応じた角度差が生じ、この角度差に基づいて伝達トルクを求める。【選択図】図４

Description

本発明は、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。

従来、ステアリングホイールの操舵操作に応じて車両の転舵輪を転舵させるステアリング装置には、ステアリングホイールに付与される操舵トルクを検出し、操舵トルクに応じた操舵補助トルクを電動モータにより発生させるものがある。

このような電動パワーステアリング装置は、例えば特許文献１，２に記載されているように、操舵トルクの伝達経路にトーションバー（捩れ軸）を配置し、このトーションバーの一方及び他方の端部にそれぞれ固定された入力側及び出力側のシャフトの相対回転変位量によって操舵トルクを検出する。電動モータを制御するコントローラ（ＥＣＵ）は、操舵トルクの検出結果に応じた電流を電動モータに供給する。電動モータの出力回転は、減速機構により減速されてステアリングシャフトに伝達され、操舵トルクに応じた操舵補助トルクがステアリングシャフトに付与される。

トーションバーの捩れ量は、例えば特許文献２に詳細に記載されているように、一対のホール素子と、これらのホール素子によって検出される磁束密度がトーションバーの捩じれ量に応じて変化するように構成された磁気回路とを有するトルクセンサによって検出される。

特開２０１５−８５８０５号公報 特開２０１６−８８２０８号公報

上記のように構成された従来の電動パワーステアリング装置では、操舵トルクの伝達経路にトーションバーが配置されるため、例えば運動性能が重視されたスポーツ車などでは、特に中立位置付近での操舵の剛性感が不足してしまう場合がある。また、路面状況がステアリングホイールを介して運転者に伝わり難くなる場合もある。またさらに、トルクセンサの磁気回路の構成部品が多いため、その組み立てに多くの工数を要してしまう。

そこで、本発明は、トーションバーを用いることなくシャフト間で伝達されるトルクを検出可能な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する。

本発明は、上記の目的を達成するため、セレーション嵌合により連結された入力側シャフト及び出力側シャフトと、前記入力側シャフトの回転角を検出する入力側回転角センサと、前記出力側シャフトの回転角を検出する出力側回転角センサと、を備え、前記セレーション嵌合は、前記入力側シャフトから前記出力側シャフトへの伝達トルクによって弾性変形する緩衝材を介在してなされ、前記緩衝材の弾性変形により、前記入力側回転角センサで検出される回転角と出力側回転角センサで検出される回転角との間に前記伝達トルクに応じた角度差が生じる、トルクセンサを提供する。

また、本発明は、上記の目的を達成するため、操舵トルクが入力される入力側シャフトと、前記入力側シャフトとセレーション嵌合により連結された出力側シャフトと、前記入力側シャフトの回転角を検出する入力側回転角センサと、前記出力側シャフトの回転角を検出する出力側回転角センサと、電動モータの回転によって前記出力側シャフトに操舵補助トルクを付与する操舵補助装置と、を備え、前記セレーション嵌合は、前記入力側シャフトから前記出力側シャフトへの伝達トルクによって弾性変形する緩衝材を介在してなされ、前記緩衝材の弾性変形により、前記入力側回転角センサで検出される回転角と出力側回転角センサで検出される回転角との間に前記伝達トルクに応じた角度差が生じ、前記操舵補助装置は、前記角度差に基づいて求められた操舵トルクに応じた大きさの操舵補助トルクを前記出力側シャフトに付与する、電動パワーステアリング装置を提供する。

本発明に係るトルクセンサ及び電動パワーステアリング装置によれば、トーションバーを用いることなくシャフト間で伝達されるトルクを検出可能となる。これにより、ステアリングホイールを操舵する際の剛性感が高まり、路面状況が正確に運転者に伝わりやすくなると共に、磁気回路等が不要となるので、低コスト化にも寄与し得る。

本発明の実施の形態に係る電動パワーステアリング装置の構成図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図２の部分拡大図である。 図１のＢ−Ｂ線断面図である。

［実施の形態］
本発明の実施の形態について、図１乃至図４を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を実施する上での好適な具体例として示すものであり、技術的に好ましい種々の技術的事項を具体的に例示している部分もあるが、本発明の技術的範囲は、この具体的態様に限定されるものではない。

（ステアリング装置の全体構成）
図１は、本発明の実施の形態に係る電動パワーステアリング装置を示す構成図である。図２は、図１のＡ−Ａ線断面図である。図３は図２の部分拡大図である。図４は、図１のＢ−Ｂ線断面図である。なお、図１ではステアリング装置の一部を模式的に示している。

電動パワーステアリング装置１は、ステアリングホイール１００と共に回転するコラムシャフト２を含むステアリングシャフト１１と、ステアリングシャフト１１の回転に伴って車幅方向に移動するラックシャフト１２と、コラムシャフト２を挿通させるステアリングコラム３と、ステアリングコラム３を車体に対して支持する支持機構４と、運転者によるステアリングホイール１００の操舵操作を補助する操舵補助装置５とを有している。コラムシャフト２、ステアリングコラム３、支持機構４、及び操舵補助装置５は、ステアリングコラム装置１Ａを構成する。

ステアリングシャフト１１は、図１に示すように、コラムシャフト２と、コラムシャフト２に自在継手１１１を介して連結されたインタミディエイトシャフト１１２と、インタミディエイトシャフト１１２に自在継手１１３を介して連結されたピニオンシャフト１１４とを有している。ピニオンシャフト１１４の一端部には、ピニオン歯１１４ａが形成され、このピニオン歯１１４ａがラックシャフト１２のラック歯１２ａに噛み合っている。ラックシャフト１２の両端部には、一対のタイロッド１３，１３が揺動可能に連結されており、ステアリングシャフト１１の回転に伴ってラックシャフト１２が車幅方向に移動することで、左右の前輪１４，１４が転舵される。

コラムシャフト２は、自在継手１１１が端部に取り付けられる出力側シャフト２０と、ステアリングホイール１００が一端部に取り付けられる入力側シャフトとしてのアッパシャフト２１とを有している。出力側シャフト２０は、図４に示すように、アッパシャフト２１の他端部にセレーション嵌合により連結された第１軸部材としての中間シャフト２２、及び後述する操舵補助装置５のウォームホイール５４が固定された第２軸部材としてのロアシャフト２３からなる。中間シャフト２２とロアシャフト２３とは、中間シャフト２２に設けられた筒状の嵌合部２２０にロアシャフト２３の端部が圧入嵌合されることにより、相対回転不能に固定されている。なお、出力側シャフト２０を、中間シャフト２２に相当する第１軸部とロアシャフト２３に相当する第２軸部とが一体に成形された単一の軸部材としてもよい。

アッパシャフト２１には、ステアリングホイール１００から操舵トルクが入力される。アッパシャフト２１、中間シャフト２２、及びロアシャフト２３は、それぞれが円筒状に形成された鋼材からなり、ステアリングホイール１００と共に回転軸線Ｏを中心として回転する。以下、回転軸線Ｏに平行な方向を軸方向という。なお、中間シャフト２２及びロアシャフト２３は、円筒状に限らず、中心部に空洞のない中実の円柱状であってもよい。

アッパシャフト２１には、ステアリングホイール１００とは反対側の端部に、中間シャフト２２が嵌合する嵌合孔２１０が設けられている。嵌合孔２１０の内周面には、複数のセレーション突起２１１が形成されている。複数のセレーション突起２１１は、軸方向に沿って互いに平行に延在している。

中間シャフト２２には、アッパシャフト２１の嵌合孔２１０に嵌合する端部の外周面に複数のセレーション突起２２１が形成されている。中間シャフト２２の複数のセレーション突起２２１とアッパシャフト２１の複数のセレーション突起２１１とは、互いに噛み合い、この噛み合いによってアッパシャフト２１から中間シャフト２２に操舵トルクが伝達される。また、アッパシャフト２１は、セレーション突起２１１，２２１の噛み合い状態を維持しながら中間シャフト２２に対して軸方向に相対移動可能である。

中間シャフト２２は、部分的に強度が弱められた脆弱部２２２を有している。脆弱部２２２は、中間シャフト２２における他の部分よりも外径が小さく形成され、肉厚が薄くなっている。この構成により、例えば左右の前輪１４の一方が溝に嵌った状態でステアリングホイール１００からアッパシャフト２１に過大な操舵トルクが入力された場合には、この脆弱部２２２が破断又は塑性変形して、電動パワーステアリング装置１の他の部分に損傷が発生することが抑止されている。

図３に示すように、アッパシャフト２１のセレーション突起２１１と中間シャフト２２のセレーション突起２２１との間には、鋼材同士の接触を防ぐ緩衝材２４が介在して配置されている。本実施の形態では、この緩衝材２４が中間シャフト２２の外周面にコーティングされた樹脂からなる。緩衝材２４は、アッパシャフト２１から中間シャフト２２への伝達トルク（操舵トルク）によって弾性変形する弾性を有している。すなわち、アッパシャフト２１から中間シャフト２２に操舵トルクが伝達されるとき、アッパシャフト２１のセレーション突起２１１における両側面２１１ａのうち回転方向前方側の側面２１１ａと、この側面２１１ａに向かい合う中間シャフト２２のセレーション突起２２１の側面２２１ａとの間に介在する緩衝材２４が弾性的に圧縮される。

なお、本実施の形態では、アッパシャフト２１に設けられた嵌合孔２１０の内周面に形成された複数のセレーション突起２１１が中間シャフト２２の外周面に形成された複数のセレーション突起２２１に係合しているが、これとは逆に、中間シャフト２２に設けられた嵌合孔の内周面に形成された複数のセレーション突起がアッパシャフト２１の外周面に形成された複数のセレーション突起に係合するように両シャフト２１，２２をセレーション嵌合してもよい。この場合、アッパシャフト２１の外周面に樹脂をコーティングして緩衝材とすることが製造上好ましい。ただし、嵌合孔の内周面に樹脂をコーティングしてもよい。

ステアリングコラム３は、アウタチューブ３１と、アウタチューブ３１に一部が収容されたインナチューブ３２とを有し、アウタチューブ３１がインナチューブ３２よりもステアリングホイール１００側に配置されている。ステアリングコラム３には、アッパシャフト２１及び中間シャフト２２が挿通されており、アウタチューブ３１の内周面とアッパシャフト２１の外周面との間に第１軸受３３が配置されている。第１軸受３３は、外輪と内輪との間に複数の球状の転動体が配置された玉軸受である。

支持機構４は、図２に示すように、操作レバー４０と、アウタチューブ３１に固定された枠体４１と、一対の側板部４２１，４２２により枠体４１を車幅方向に挟んで支持する支持体４２と、操作レバー４０と共に回動するチルトボルト４３と、チルトボルト４３と一体に回転してインナチューブ３２をアウタチューブ３１に押し付ける押付部材４４と、操作レバー４０の操作によって作動するカム機構４５と、支持体４２が固定されたアッパブラケット４６と、アッパブラケット４６よりも車両前方に配置されたロアブラケット４７（図１参照）とを有している。アッパブラケット４６は、二次衝突時に離脱可能な一対のカプセル４８を介して車体に固定される。ロアブラケット４７は、ボルト挿通孔４７１に挿通される複数のボルトによって車体に固定される。

枠体４１には、回転軸線Ｏと平行な方向に長い長孔４１ａ，４１ｂが形成されており、この長孔４１ａ，４１ｂにチルトボルト４３が挿通されている。支持体４２には、側板部４２１，４２２のそれぞれに車両上下方向に長い長孔４２ａ，４２ｂが形成されており、この長孔４２ａ，４２ｂにチルトボルト４３が挿通されている。カム機構４５は、支持体４２の側板部４２２に固定された第１カム部材４５１と、操作レバー４０と共に回動する第２カム部材４５２とを有している。第１カム部材４５１と第２カム部材４５２とが相対回転してカム機構４５が作動すると、そのカム推力によって支持体４２の側板部４２１，４２２が枠体４１を挟持する。

押付部材４４は、チルトボルト４３と一体に回動する筒部４４１と、筒部４４１に対して偏心した押圧環４４２とを一体に有している。押圧環４４２は、操作レバー４０の先端部に設けられた把持部４０１（図１参照）が上方に持ち上げられるように操作レバー４０が回動したとき、アウタチューブ３１に設けられた開口３１ｂを介してインナチューブ３２に当接し、インナチューブ３２の下端部における外周面３２ａをアウタチューブ３１の内周面３１ａに押し付ける。また、把持部４０１が下方に押し下げられるように操作レバー４０が回動されると、押圧環４４２がインナチューブ３２から離間する。

以上の支持機構４の構成により、把持部４０１が下方に押し下げられるように操作レバー４０が回動すると、枠体４１が支持体４２に対して上下方向に移動可能となることによりチルト調整が可能となり、またアウタチューブ３１がインナチューブ３２に対して軸方向に移動可能となることによりテレスコピック調整が可能となる。本実施の形態では、中間シャフト２２の外周面に樹脂からなる緩衝材２４がコーティングされているので、テレスコピック調整の際にアッパシャフト２１が中間シャフト２２に対して円滑に軸方向移動可能である。また、把持部４０１が上方に持ち上げられるように操作レバー４０が回動すると、ステアリングホイール１００の位置が固定される。

図１及び図４に示すように、操舵補助装置５は、電動モータ５１と、電動モータ５１を制御するコントローラ５２と、電動モータ５１によって回転駆動されるウォームギヤ５３と、ウォームギヤ５３に噛み合わされたウォームホイール５４と、ロアブラケット４７を介して車体に支持されるハウジング５５とを有している。ハウジング５５には、ロアブラケット４７を挿通する支持ボルト４９が螺合しており、チルト調整時には支持ボルト４９の中心軸をチルト中心軸としてハウジング５５が揺動可能である。

ハウジング５５は、ウォームギヤ５３及びウォームホイール５４を収容する第１ハウジング部材５６と、インナチューブ３２が外嵌固定される筒部５７１を有する第２ハウジング部材５７とを有し、第１ハウジング部材５６と第２ハウジング部材５７とが図略のボルトによって締結されている。ウォームホイール５４は、第１ハウジング部材５６内でロアシャフト２３に固定されており、ウォームホイール５４からロアシャフト２３に操舵補助トルクが付与される。

また、第１ハウジング部材５６には、ロアシャフト２３を回転可能に支持するための第２軸受３４を保持する筒状の保持部５６１が設けられている。第２軸受３４は、保持部５６１の内周面とロアシャフト２３の外周面との間に配置されている。第２軸受３４は、第１軸受３３と同様、外輪と内輪との間に複数の球状の転動体が配置された玉軸受である。

コントローラ５２は、操舵トルクに応じた電流を電動モータ５１に供給する。電動モータ５１の回転によってロアシャフト２３に付与される操舵補助トルクは、操舵トルクが大きいほど大きくなる。本実施の形態に係る電動パワーステアリング装置１は、操舵トルクによって捩れるトーションバーや、トーションバーの捩れ量を磁気的に検出する磁気回路を有しておらず、次に述べる入力側回転角センサ６１で検出される回転角と出力側回転角センサ６２で検出される回転角との角度差によって操舵トルクを検出する。

（操舵トルクの検出方法）
アウタチューブ３１の内周面とアッパシャフト２１の外周面との間には、第１軸受３３に隣接して入力側回転角センサ６１が配置されている。また、第１ハウジング部材５６の保持部５６１の内周面とロアシャフト２３の外周面との間には、第２軸受３４に隣接して出力側回転角センサ６２が配置されている。入力側回転角センサ６１及び出力側回転角センサ６２は、緩衝材２４を介して連結された出力側シャフト２０及びアッパシャフト２１と共に、操舵トルクを検出するトルクセンサ１０として機能する。

なお、本実施の形態では、入力側回転角センサ６１が第１軸受３３の車両前方側に隣接して配置されているが、この並び順が逆でもよい。また、本実施の形態では、出力側回転角センサ６２が第２軸受３４の車両前方側に隣接して配置されているが、この並び順が逆でもよい。またさらに、入力側回転角センサ６１と第１軸受３３、及び出力側回転角センサ６２と第２軸受３４は、必ずしも隣接していなくともよい。

入力側回転角センサ６１及び出力側回転角センサ６２は、それ自体は周知のものであり、例えば光学式のものや磁気式のものを適宜用いることができる。入力側回転角センサ６１及び出力側回転角センサ６２により、ステアリングコラム３に対するアッパシャフト２１及び出力側シャフト２０のそれぞれの回転角を検出可能である。より具体的には、入力側回転角センサ６１がアウタチューブ３１に対するアッパシャフト２１の回転角を検出し、出力側回転角センサ６２がハウジング５５に対するロアシャフト２３の回転角を検出する。入力側回転角センサ６１及び出力側回転角センサ６２の検出結果を示す検出信号は、図略の信号線によってコントローラ５２に送られる。

なお、入力側回転角センサ６１及び出力側回転角センサ６２の検出結果は、操舵トルクの検出に用いる他、入力側回転角センサ６１の検出結果又は出力側回転角センサ６２の検出結果を、操舵角の情報として例えば自動運転に用いることも可能である。

前述のように、緩衝材２４は、アッパシャフト２１から中間シャフト２２への伝達トルクによって弾性変形する弾性を有しているので、ステアリングホイール１００が操舵されたとき、緩衝材２４の弾性変形によってアッパシャフト２１と中間シャフト２２とが僅かに相対回転する。これにより、入力側回転角センサ６１で検出される回転角と出力側回転角センサ６２で検出される回転角との間に操舵トルクに応じた角度差が生じる。そして、コントローラ５２においてこの角度差を算出することで、操舵トルクを求めることが可能である。操舵補助装置５は、上記の角度差に基づいて操舵トルクを求め、求められた操舵トルクに応じた大きさの操舵補助トルクを出力側シャフト２０（具体的にはロアシャフト２３）に付与する。

また、本実施の形態では、中間シャフト２２が脆弱部２２２を有しており、出力側回転角センサ６２が中間シャフト２２よりもトルク伝達下流側のロアシャフト２３の回転角を検出するので、通常の操舵トルクの範囲内において中間シャフト２２の脆弱部２２２が捩れた場合に、その捩じれ分によっても、入力側回転角センサ６１で検出される回転角と出力側回転角センサ６２で検出される回転角との間に角度差が生じる。これにより、中間シャフト２２が脆弱部２２２を有していない場合に比較して、操舵トルクの検出精度が向上する。ただし、中間シャフト２２が、軸方向の全体にわたって操舵トルクによって捩れることのない剛体であっても、緩衝材２４の弾性変形によって生じる角度差によって操舵トルクを求めることが可能である。

なお、操舵トルクの検出精度をさらに向上させるためには、製造工程においてステアリングコラム装置１Ａを組み立てた後、アッパシャフト２１にトルクをかけたときに入力側回転角センサ６１及び出力側回転角センサ６２で検出される回転角の角度差を測定し、この測定結果に基づいて定められる操舵トルクと角度差との関係を示す情報をコントローラ５２の不揮発性メモリに記憶することが望ましい。この測定は、例えばロアシャフト２３を回転不能に固定した状態で、アッパシャフト２１にトルクを付与して行うことができる。コントローラ５２は、電動パワーステアリング装置１が車両に搭載された状態において、記憶された情報を参照して操舵トルクを算出することで、例えば緩衝材２４の厚みや硬さのばらつき等に起因して発生する操舵トルクの検出誤差を小さくすることができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、従来の電動パワーステアリング装置に用いられていたトーションバーを用いることなく操舵トルクを検出することが可能となる。これにより、ステアリングホイール１００を操舵する際の剛性感が高まり、路面状況が正確に運転者に伝わりやすくなると共に、トーションバーの捩じれ量を検出するための磁気回路等が不要となるので、低コスト化が図られる。

（付記）
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、これらの実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

また、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。例えば、上記の実施の形態では、一端部にステアリングホイール１００が取り付けられたコラムシャフト２に本発明を適用した場合について説明したが、これに限らず、例えばピニオンシャフト１１４に本発明を適用することも可能である。またさらに、本発明に係るトルクセンサの適用対象は車両の電動パワーステアリング装置に限らず、例えば各種の機械装置や測定装置などの様々な装置に本発明に係るトルクセンサを用いることが可能である。

１…電動パワーステアリング装置 １０…トルクセンサ
１００…ステアリングホイール ２０…出力側シャフト
２１…アッパシャフト（入力側シャフト） ２１１…セレーション突起
２２…中間シャフト ２２１…セレーション突起
２２２…脆弱部 ２３…ロアシャフト
２４…緩衝材 ３３…第１軸受
３４…第２軸受 ５…操舵補助装置
６１…入力側回転角センサ ６２…出力側回転角センサ

Claims (5)

1. セレーション嵌合により連結された入力側シャフト及び出力側シャフトと、
   前記入力側シャフトの回転角を検出する入力側回転角センサと、
   前記出力側シャフトの回転角を検出する出力側回転角センサと、を備え、
   前記セレーション嵌合は、前記入力側シャフトから前記出力側シャフトへの伝達トルクによって弾性変形する緩衝材を介在してなされ、
   前記緩衝材の弾性変形により、前記入力側回転角センサで検出される回転角と出力側回転角センサで検出される回転角との間に前記伝達トルクに応じた角度差が生じる、
   トルクセンサ。
2. 前記入力側シャフトと前記出力側シャフトとは、これら両シャフトのうち一方のシャフトに設けられた嵌合孔の内周面に形成されたセレーション突起が他方のシャフトの外周面に形成されたセレーション突起に係合するようにセレーション嵌合され、
   前記緩衝材は、前記他方のシャフトの外周面にコーティングされた樹脂である、
   請求項１に記載のトルクセンサ。
3. 操舵トルクが入力される入力側シャフトと、
   前記入力側シャフトとセレーション嵌合により連結された出力側シャフトと、
   前記入力側シャフトの回転角を検出する入力側回転角センサと、
   前記出力側シャフトの回転角を検出する出力側回転角センサと、
   電動モータの回転によって前記出力側シャフトに操舵補助トルクを付与する操舵補助装置と、を備え、
   前記セレーション嵌合は、前記入力側シャフトから前記出力側シャフトへの伝達トルクによって弾性変形する緩衝材を介在してなされ、
   前記緩衝材の弾性変形により、前記入力側回転角センサで検出される回転角と出力側回転角センサで検出される回転角との間に前記伝達トルクに応じた角度差が生じ、
   前記操舵補助装置は、前記角度差に基づいて求められた操舵トルクに応じた大きさの操舵補助トルクを前記出力側シャフトに付与する、
   電動パワーステアリング装置。
4. 前記入力側シャフトは、その一端部に前記出力側シャフトが嵌合する嵌合孔が設けられ、かつ前記嵌合孔の内周面にセレーション突起が形成され、
   前記出力側シャフトは、前記嵌合孔に嵌合する端部の外周面にセレーション突起が形成され、
   前記緩衝材は、前記出力側シャフトの外周面にコーティングされた樹脂である、
   請求項３に記載の電動パワーステアリング装置。
5. 前記出力側シャフトは、前記入力側シャフトとセレーション嵌合により連結されると共に部分的に強度が弱められた脆弱部を有する第１軸部材と、前記第１軸部材に固定されて前記操舵補助トルクが付与される第２軸部材とを有し、
   前記出力側回転角センサは、前記第２軸部材の回転角を検出する、
   請求項３又は４に記載の電動パワーステアリング装置。

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