JP4285248B2 - トルクセンサ及び操舵角センサ - Google Patents

Description

本発明は、例えば自動車の電動パワーステアリング装置等に適用されるトルクセンサ及び操舵角センサに関するものである。

自動車の操舵輪を操作する力を補助するパワーステアリング装置（操舵装置）として電動式のものがある。これは、操舵軸に加えられたトルクを検出し、その検出トルクに応じて操舵機構に設けた電動機を回転させる機構となっている。

このようなトルク検出手段としては、出力軸に固定された第一の筒体と、トーションバーを介して出力軸に連結された入力軸に、第一の筒体に対向させて固定された第二の筒体と、これら第一、第二の筒体と電磁結合する検出コイルとを備えたトルクセンサが知られている（特許文献１等参照）。

各筒体の対向面又は外周面には、周方向に所定ピッチで歯面がそれぞれ設けられている。操舵軸にトルクが作用すると、軸方向に重合する歯面の面積が変化することによって、検出コイルに電気的変化が生じる。トルクセンサは、この電気的変化に基づいて、トルクを検出するものである。

また、トルクセンサとして、操舵軸の操舵角度を検出する操舵角センサとしての機能を合わせて有するものが知られている（特許文献２等参照）。

特開平７−２９４３４６号公報 特開２００１−９１３７５号公報

ところで、各筒体に設けられる歯面は、ＮＣ旋盤等の切削加工により、形成されるのが一般的であった。しかしながら、切削加工によると、加工に時間がかかる、加工時に生じる発熱により金属材料の材料特性（磁気特性等）が変化してしまうなどといった問題点があった。これにより、切削加工後のセンサ特性の調整が非常に困難となり、その調整に時間を要し、製造コスト上昇の要因となっていた。

そこで、本発明の目的は、製造を容易にすることで、安価に製造することができるトルクセンサ及び操舵角センサを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、トーションバーを介して連結された入力軸及び出力軸に装着されるトルクセンサであって、上記出力軸に固定された磁性体からなる第一の筒体と、上記入力軸に上記第一の筒体に対向させて固定された磁性体からなる第二の筒体と、上記入力軸に上記第二の筒体に対向させて固定された磁性体からなる第三の筒体と、各筒体の対向面に夫々装着され周方向に所定間隔を隔てて複数の貫通孔が形成された非磁性体からなる円板と、上記第一、第二の筒体と電磁結合する検出コイルと、上記第二、第三の筒体と電磁結合する温度補償コイルとを備えたことを特徴とするトルクセンサである。

請求項２の発明は、上記貫通孔は、打ち抜き加工により形成された請求項１記載のトルクセンサである。

請求項３の発明は、操舵軸に固定された磁性体からなる主の筒体と、固定側に上記主の筒体に対向させて取り付けられた磁性体からなる副の筒体と、各筒体の対向面に夫々装着され周方向に沿って所定長さの円弧状の貫通孔が形成された非磁性体からなる円板と、上記主、副の筒体と電磁結合する検出コイルとを備えたことを特徴とする操舵角センサである。

請求項４の発明は、上記貫通孔は、打ち抜き加工により形成された請求項３記載の操舵角センサである。

請求項５の発明は、上記貫通孔が、半円状である請求項３又は４いずれか記載の操舵角センサである。

本発明によれば、製造を容易にすることで、トルクセンサ及び操舵角センサを安価に製造することができるという優れた効果を奏する。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、本発明の一実施の形態に係るトルクセンサの側面断面図である。

図１に示すように、このトルクセンサは、自動車の操舵軸１に装着されている。この操舵軸１は、図示しない操舵輪に取り付けられた入力軸２と、図示しない操舵機構に取り付けられた出力軸３とを備えている。入力軸２と出力軸３とは、トーションバー４を介して連結されている。詳しくは、入力軸２及び出力軸３の端部には、開口部がそれぞれ設けられており、これら開口部にトーションバー４が収容されている。図示しない車体等の固定側には、環状のケース５が取り付けられている。このケース５は、軸受６を介して入力軸２に軸支されている。

出力軸３の外周面には、導電体且つ磁性体の材料（例えば、低炭素鋼、ステンレス鋼、鋳鉄等、以下同じ）からなる円筒状の第一の筒体７が固定されている。詳しくは、第一の筒体７は、出力軸３に圧入されている。

入力軸２の外周面には、第一の筒体７に軸方向から対向させて導電体且つ磁性体の材料からなる円筒状の第二の筒体８と、第二の筒体８に軸方向から対向させて導電体且つ磁性体の材料からなる円筒状の第三の筒体９とが固定されている。詳しくは、第二の筒体８及び第三の筒体９は、入力軸２に圧入されている。

第一、第二の筒体７、８、及び後述する検出コイル２０は、操舵軸１に作用する操舵トルクを検出することを目的として設けられている。第二、第三の筒体８、９、及び後述する温度補償コイル２１は、操舵トルク及び操舵角度を検出する際に、温度補償をするために設けられている。

後述する検出コイル２２（ヨーク１９）の内周面には、第三の筒体９に軸方向から対向させて導電体且つ磁性体の材料からなる円筒状の第四の筒体１０が固定されている。詳しくは、第四の筒体１０は、検出コイル２２（ヨーク１９）に圧入されている。第四の筒体１０の内周面は、入力軸２の外周面とは、所定間隔を隔てて接することなく設けられている。ここで、第四の筒体１０は、不動に設けられていれば良い。例えば、第四の筒体１０は、支持具等を介して、ケース５の内周面に固定されていても良い。

ここで、本実施の形態においては、特許請求の範囲における「主の筒体」は、「第三の筒体９」であり、「副の筒体」は、「第四の筒体１０」である。また、「主、副の筒体と電磁結合する検出コイル」は、「検出コイル２２」である。

第三、第四の筒体９、１０、及び検出コイル２２は、操舵軸１の操舵角度を検出することを目的として設けられている。つまり、図１に示すトルクセンサは、操舵トルクの検出に加え、操舵角度の検出もすることができる。

各筒体７、８、９、１０の対向面には、非磁性体の材料（例えば、アルミ、ステンレス等の低透磁率材料、以下同じ）からなる第一の円板１１又は第二の円板１２のいずれかがそれぞれ装着されている。詳しくは、第一、第二の筒体７、８及び第二、第三の筒体８、９の対向面には、第一の円板１１がそれぞれ装着されている。第三、第四の筒体９、１０の対向面には、第二の円板１２がそれぞれ装着されている。

図２は、第一の円板１１の正面図である。図３は、二つの第一の円板１１を軸方向に重ねた正面図である。図４は、第二の円板１２の正面図である。図５は、二つの第二の円板１２を軸方向に重ねた正面図である。

図２に示すように、第一の円板１１の側面には、周方向に所定間隔を隔てて複数の貫通孔１３が形成されている。この貫通孔１３は、打ち抜き加工により形成される。

図３に示すように、対向する第一の円板１１同士は、貫通孔１３が、ピッチの半分ずれるように配置されている。これにより、対向する貫通孔１３は、軸方向に重なる重合部分１４（図中、ハッチングで示す）を形成している。

図１に示すように、入力軸２の出力軸３側外周面には、軸方向に延びて、所定幅で形成されたストッパ１５が設けられている。一方、出力軸３の入力軸２側内周面には、軸方向に延びて、所定幅で形成されたストッパ案内溝１６が設けられている。

出力軸３のストッパ案内溝１６には、入力軸２のストッパ１５が挿入されており、入力軸２及び出力軸３が第一の円板１１の貫通孔１３の周方向の長さの略半分だけ相対回転し得るようになっている。

図４に示すように、第二の円板１２の側面には、周方向に沿って、所定長さの円弧状の貫通孔１７が形成されている。この貫通孔１７は、打ち抜き加工により、半円状（つまり、延出角度が１８０°の円弧状）に形成される。

図５に示すように、対向する第二の円板１２同士は、貫通孔１７が、ピッチの半分ずれるように配置されている。これにより、対向する貫通孔１７は、軸方向に重なる重合部分１８（図中、ハッチングで示す）を形成している。

ここで、図５においては、軸方向に重ねられた二つの第二の円板１２のうち、図中手前側に示されているのが第三の筒体９側であり、図中奥側に示されているのが第四の筒体１０側であるとする。本実施の形態においては、第四の筒体１０が、検出コイル２２の内周面に固定されていると共に、入力軸２の外周面に接することのないように設けられているため、第三の筒体９と第四の筒体１０とでは、装着される第二の円板１２の内径及び外径の大きさが異なる。

図１に示すように、ケース５の内周面には、磁性体の材料からなる三つのリング状のヨーク１９が並設して固定されている。各ヨーク１９の溝内には、それぞれ検出コイル２０、温度補償コイル２１、検出コイル２２が巻回されている。

検出コイル２０は、第一、第二の筒体７、８の外周面（第一、第二の筒体７、８の対向面）を覆うように設けられており、第一、第二の筒体７、８と電磁結合する。温度補償コイル２１は、第二、第三の筒体８、９の外周面（第二、第三の筒体８、９の対向面）を覆うように設けられており、第二、第三の筒体８、９と電磁結合する。検出コイル２２は、第三、第四の筒体９、１０の外周面（第三、第四の筒体９、１０の対向面）を覆うように設けられており、第三、第四の筒体９、１０と電磁結合する。

図６は、図１のトルクセンサの検出回路を示す概略図である。

図６に示すように、検出コイル２０、温度補償コイル２１及び検出コイル２２は、コンデンサ２３と並列回路をそれぞれ構成している。各並列回路は、抵抗器２４を介してインピーダンスを検出するための高周波信号を発生する発信器２５、差動増幅器２６を介して電圧・電流変換器２７にそれぞれ接続されている。

図中上側に示された差動増幅器２６及び電圧・電流変換器２７は、操舵トルクτを検出するためのものであり、検出コイル２０及び温度補償コイル２１の並列回路と接続されている。一方、図中下側に示された差動増幅器２６及び電圧・電流変換器２７は、操舵角度θを検出するためのものであり、検出コイル２２及び温度補償コイル２１の並列回路と接続されている。

次に、本実施の形態のトルクセンサの動作を説明する。

図６に示す発信器２５からの高周波信号により、検出コイル２０、温度補償コイル２１、及び検出コイル２２に電流が流されると、図１に示すように、検出コイル２０、第一、第二の筒体７、８を循環する磁気回路と、温度補償コイル２１、第二、第三の筒体８、９を循環する磁気回路と、検出コイル２２、第三、第四の筒体９、１０を循環する磁気回路とがそれぞれ形成される。これら磁気回路は、第一の円板１１の貫通孔１３（重合部分１４）、又は第二の円板１２の貫通孔１７（重合部分１８）を通って形成される。

操舵軸１（入力軸２及び出力軸３）が回転されないとき（操舵トルクが０のとき）、検出コイル２０及び温度補償コイル２１の電圧は等しい。操舵軸１が回転されると、トーションバー４に操舵トルクが作用し、第一の筒体７と第二の筒体８とが相対的に回転される。これにより、第一の円板１１の重合部分１４の面積が変化（増加又は減少）する。重合部分１４の面積が変化すると、検出コイル２０のインピーダンスが変化する。そうすると、検出コイル２０の端電圧が変化する。これに対して、温度補償コイル２１のインピーダンス及び端電圧は、操舵軸１が回転しても変化しない。

これらインピーダンスを、図６に示す検出回路により、検出コイル２０及び温度補償コイル２１の電圧として検出する。これら電圧の差、つまり、検出コイル２０の端電圧の変化量が、操舵トルクに対して比例的に変化するため、電圧変化により操舵トルクを検出できる。また、検出コイル２０の端電圧の変化（増加又は減少）は、操舵軸１の操舵方向に対応する。

温度補償コイル２１が電磁結合する、第二の筒体８及び第三の筒体９は、同一軸（本実施の形態では、入力軸２）上に固定されている。そのため、温度補償コイル２１のインピーダンスは、温度等の影響によって第二、第三の筒体８、９が変形した場合のみ変化する。従って、検出コイル２０と温度補償コイル２１との電圧差をとることにより、温度変化による電圧変化分を相殺でき、操舵トルクにより変化する検出コイル２０の出力値（電圧）を温度補償することができる。

また、操舵軸１（入力軸２及び出力軸３）が回転されると、第四の筒体１０に対して、第三の筒体９が相対的に回転される。これにより、第二の円板１２の重合部分１８の面積が変化（増加又は減少）する。重合部分１８の面積が変化すると、検出コイル２２のインピーダンスが変化する。このとき、温度補償コイル２１のインピーダンスは、変化しない。

これらインピーダンスを、図６に示す検出回路により、検出コイル２２及び温度補償コイル２１の電圧として検出する。これら電圧の差が、操舵角度に対応した電圧であり、この電圧の変化（増加又は減少）は、操舵軸１の操舵方向に対応する。温度補償コイル２１との差をとることにより、操舵トルクのときと同様に、操舵角度により変化する検出コイル２２の出力値（電圧）を温度補償することができる。

ここで、第二の円板１２の貫通孔１７は、半円状に形成されているので、±９０度程度の範囲の操舵角度の検出に対応することができる。ここで、主の筒体（本実施例では、第三の筒体９）を、減速機構等を介して操舵軸１に取り付けても良い。このようにすると、主の筒体（第三の筒体９）は、操舵軸１の回転に対して、所定比で減速回転される。これにより、貫通孔１７は、±９０度以上の範囲の操舵角度の検出に対応することができるようになる。ただし、この場合、第三の筒体９は、操舵軸１（入力軸２又は出力軸３）に対して相対回転するため、温度補償のために、出力軸２の外周面に固定された筒体を別途配置する必要がある。この筒体は、第二の筒体８、温度補償コイル２１と電磁結合するものとする。

次に、本実施の形態のトルクセンサを装着した操舵装置（パワーステアリング装置）について説明する。

図７は、図１のトルクセンサが装着された操舵装置の概略図である。

図７に示すように、この操舵装置は、入力軸２に取り付けられた操舵輪（ステアリング）２８と、出力軸３に取り付けられたピニオンギア２９とを備えている。このピニオンギア２９は、自動車の横方向の延びるタイロッド３０に設けられたラックギア部３１と噛合している。タイロッド３０は、ドラッグリンク３２及びナックルアーム３３等を介して、車輪３４に接続されている。

操舵輪２８が操作されて、操舵軸１が回転されると、この回転がピニオンギア２９及びタイロッド３０のラックギア部３１によって車両の横方向に沿った直線運動に変換される。これにより、車輪の転舵が達成される。このとき、操舵軸１に負荷された操舵トルク（トルクセンサからの検出信号）を制御部３５が検出する。制御部３５は、検出信号（操舵トルク）に基づき、電動機（電動モータ）３６を駆動する。電動機３６は、減速機３７を介して操舵軸１を回転させる。これにより、操舵輪２８を操舵する力が補助される。

自動車の走行中に運転者が操舵輪２８を手放した場合、車輪３４が自動車の走行方向に向くように戻す必要がある。このとき、操舵軸１の操舵角度（操舵角センサからの検出信号）を制御部３５が検出する。制御部３５は、検出信号（操舵角度）に基づき、電動機（電動モータ）３６を駆動する。電動機３６は、減速機３７を介して操舵軸１を回転させる。これにより、車輪３４が自動車の走行方向を向くように制御される。

次に、本実施の形態の作用について説明する。

各円筒７、８、９、１０の対向面には、非磁性体の材料からなる第一、第二の円板１１、１２が装着されている。この第一、第二の円板１１、１２の側面には、周方向に所定間隔を隔てて形成された貫通孔１３、又は周方向に沿って形成された円弧状の貫通孔１７が設けられている。この貫通孔１３、１７は、背景技術の欄で説明した筒体の歯面と同様の役割を果たす。本実施の形態においては、貫通孔１３、１７の重合部分１４、１８の変化に応じて、操舵トルク及び操舵角度が検出される。

本実施の形態においては、第一、第二の円板１１、１２に貫通孔１３、１７を、打ち抜き加工により形成して、第一、第二の円板１１、１２を円筒状の各筒体７、８、９、１０の対向面に装着している。このような構成とすると、切削加工により筒体７、８、９、１０に歯面を形成するのに比べ、大幅に加工時間を削減することができる。また、第一、第二の円板１１、１２は、非磁性体の材料からなるので、磁気特性を考慮する必要はなく、センサ特性の調整が容易となる。

このような構成にすることにより、各筒体７、８、９、１０（各円板１１、１２）を容易に製造することができ、製造コストを削減して、トルクセンサを安価で製造することができる。

ところで、金属材料は、熱変形により膨張又は収縮するものである。熱変形により、各円筒７、８、９、１０間の距離及びコイル２０、２１、２２（ヨーク１９）と円筒７、８、９、１０との間の距離が変化し、磁束量が変化するため、温度による誤差が生じてしまう虞がある。そのため、本実施の形態では、温度補償コイル２１と、温度補償コイル２１が電磁結合する、同一軸上（本実施の形態においては、入力軸２）に固定された第二、第三の筒体８、９とを備え、温度補償を行っている。

ここで、第三の筒体９は、出力軸３の外周面に固定されていても良い。この場合、第三の筒体９を、第二の筒体８と反対側から、第一の筒体７に対向させて設け、温度補償コイル２１を、第一、第三の筒体７、９の外周面（第一、第三の筒体７、９の対向面）を覆うように設ければ良い。要するに、温度補償を行うには、同軸（入力軸２又は出力軸３）上に設けられた一対の筒体と、一対の筒体と電磁結合する温度補償用のコイルとを備えていれば良い。

本実施の形態においては、温度補償コイル２１を、操舵トルク及び操舵角度の検出に共通使用している。このようにすることで、本実施の形態のトルクセンサは、温度変化に影響されることなく、操舵トルク及び操舵角度を高精度で検出することができる。

また、本実施の形態のトルクセンサは、操舵角度を検出するための第三、第四の筒体９、１０と、第三、第四の筒体９、１０と電磁結合する検出コイル２２とを備えている。本実施の形態によれば、トルクセンサと操舵角センサとを一体にすることができると共に、トルクセンサ及び操舵角センサの処理回路部を共通にすることができる。このような構成にすることにより、トルクセンサと操舵角センサとを別々に製造した場合に比べて安価にトルクセンサ（操舵角センサ）を製造することができると共に、トルクセンサ（操舵角センサ）の小型化を図ることができる。

なお、本実施の形態のトルクセンサは、自動車の操舵装置以外にも適用することが可能である。

例えば、本実施の形態のトルクセンサは、自動車の駆動軸、変速機の入力軸、及び変速機の出力軸に装着することができる。本実施の形態のトルクセンサを、これらの軸に取り付けることで、エンジン出力を限界まで削減することができるため、エネルギーを高効率に利用することができ、燃費を向上することができる。

また、自動車の電気ブレーキに装着して、ブレーキパッドの押し付けトルクを検出することで、ブレーキの応答性能の向上と、ブレーキ制御による車体安定性の向上を図ることができる。

本発明の一実施の形態に係るトルクセンサの側面断面図である。 第一の円板の正面図である。 二つの第一の円板を軸方向に重ねた正面図である。 第二の円板の正面図である。 二つの第二の円板を軸方向に重ねた正面図である。 図１のトルクセンサの検出回路を示す概略図である。 図１のトルクセンサが装着された操舵装置の概略図である。

符号の説明

１ 操舵軸
２ 入力軸
３ 出力軸
４ トーションバー
７ 第一の筒体
８ 第二の筒体
９ 第三の筒体（主の筒体）
１０ 第四の筒体（副の筒体）
１１ 第一の円板
１２ 第二の円板
１３ 貫通孔
１７ 貫通孔
２０ 検出コイル（操舵トルク）
２１ 温度補償コイル
２２ 検出コイル（操舵角度）

Claims (5)

1. トーションバーを介して連結された入力軸及び出力軸に装着されるトルクセンサであって、上記出力軸に固定された磁性体からなる第一の筒体と、上記入力軸に上記第一の筒体に対向させて固定された磁性体からなる第二の筒体と、上記入力軸に上記第二の筒体に対向させて固定された磁性体からなる第三の筒体と、各筒体の対向面に夫々装着され周方向に所定間隔を隔てて複数の貫通孔が形成された非磁性体からなる円板と、上記第一、第二の筒体と電磁結合する検出コイルと、上記第二、第三の筒体と電磁結合する温度補償コイルとを備えたことを特徴とするトルクセンサ。
2. 上記貫通孔は、打ち抜き加工により形成された請求項１記載のトルクセンサ。
3. 操舵軸に固定された磁性体からなる主の筒体と、固定側に上記主の筒体に対向させて取り付けられた磁性体からなる副の筒体と、各筒体の対向面に夫々装着され周方向に沿って所定長さの円弧状の貫通孔が形成された非磁性体からなる円板と、上記主、副の筒体と電磁結合する検出コイルとを備えたことを特徴とする操舵角センサ。
4. 上記貫通孔は、打ち抜き加工により形成された請求項３記載の操舵角センサ。
5. 上記貫通孔が、半円状である請求項３又は４いずれか記載の操舵角センサ。

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