JP4671605B2 - トルク検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、トルク検出装置に関し、特に入力軸に入力されるトルクを、連結軸に生じる捻れによるコイルのインダクタンス変化として検出することにより、連結軸に加わるトルクを検出する非接触式のトルク検出装置に関する。

トルク検出装置は、トルクが入力される入力軸と、入力されたトルクを出力する出力軸と、入力軸及び出力軸を連結するトーションバーの連結軸と、該連結軸、入力軸及び出力軸を囲繞し、入力軸から連結軸に加わるトルクを、連結軸に生じる捻れ角によって検出するコイルとを備える。入力軸及び出力軸夫々は、磁性体である検出リングを外周に備えており、トルクを入力軸に入力した場合、連結軸が捻れ、２つの検出リングの周方向における相対位置が変化し、連結軸、入力軸及び出力軸を囲繞するコイルのインダクタンスが変化する。このインダクタンスの変化を、交流回路に繋がるコイルのインピーダンス変化として検出することにより、入力軸及び出力軸に入出力し、連結軸に加わるトルクを検出する。コイルは、圧粉体により形成された収容筒に同軸的に収容されており、収容筒の内面全周に亘る凹部に嵌装されている。

ところで、前記収容筒は、収容筒を所定箇所に設置するための凸部を外面に備えており、従来のトルク検出装置においては、収容筒の両環状面間に亘って凸部が形成されている。前記凸部は、収容筒を被覆する合成樹脂製の被覆部材と一体的に形成された条体である（特許文献１）。

このように構成されるトルク検出装置は、例えば車両の電動パワーステアリング装置において使用されている。即ち、車両を操作するステアリングホイールの回転により、ステアリングホイールと繋がる入力軸に入力されるトルクを検出するために用いられている。トルク検出装置の取り付けは、電動パワーステアリング装置を構成する中空のハウジングの内周面にトルク検出装置の凸部を当接させ、トルク検出装置を内嵌固定することにより行われる。

なお、圧粉体は、鉄又はステンレス鋼等に比べ電気抵抗が高い。従って、圧粉体により収容筒を形成することにより、鉄又はステンレス鋼等により収容筒を形成する場合に比べ、コイルに流れる電流により収容筒内に発生する渦電流を小さくでき、トルクの検出精度をより高くすることができる。
特開２００２−１３９９０号公報

しかしながら、電動パワーステアリング装置を使用する場合、トルク検出装置及びハウジングの温度は常温から大きく変化する。温度変化があった場合、ハウジング及びトルク検出装置を構成する部材の線膨張係数の差によって、ハウジング及びトルク検出装置は異なる比率で膨張し又は収縮し、その結果、収容筒が備える凸部に強い圧力、即ち常温において凸部に働いている圧力以上の圧力が働く。特に低温の場合、アルミニウム製のハウジングは、トルク検出装置に比べて大きく収縮し、凸部に強い圧力が働く。収容筒の径方向の圧力が凸部に働いた場合、収容筒が変形し、コイルのインダクタンスが変化し、その結果、トルクの検出値が変化する。このように、従来のトルク検出装置においては、トルク検出装置を所定箇所に支持させる凸部に働く圧力が変化する場合、トルクの検出が不正確になるという問題があった。

電動パワーステアリング装置にトルク検出装置を使用する場合において、車両の温度変化により、トルク検出が不正確になると、トルクの検出値に応じて操舵補助を行う電動パワーステアリング装置の動作も不正確になり、車両の操舵感覚の悪化を招来する。

また、収容筒を形成する圧粉体は強度的に弱く、特に凹部を有する部分においては、収容筒の厚みが薄いため、トルク検出装置をハウジング内に圧入する際、当該部分において収容筒が破損する恐れがあり、トルク検出装置をハウジング内に強く圧入することができないという問題があった。

ハウジング内にトルク検出装置を強く圧入できない場合、凸部をハウジングの内周面に強く当接させることができず、トルク検出装置を安定した状態に取り付けることができない。

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、トルク検出装置が備える凸部に働く圧力が変化した場合であっても、トルク検出を正確に行うことができ、また、凸部に強い圧力又は衝撃が働いた場合であっても破損する恐れの低いトルク検出装置を提供することを目的とする。

本発明に係るトルク検出装置は、トルクが入力される入力軸と、該入力軸に入力されたトルクを出力する出力軸と、前記入力軸及び前記出力軸を連結し、トルクを伝達する連結軸と、該連結軸に加わるトルクを前記連結軸に生じる捻れ角によって検出するコイルと、該コイルによるトルク検出を温度補償する補償コイルと、前記コイル及び前記補償コイル夫々を同軸的に収容する収容筒とを備え、該収容筒は、周方向に亘る２つの凹部を内側に有しており、一方の前記凹部に前記コイルが嵌装され、他方の前記凹部に前記補償コイルが嵌装されてなるトルク検出装置において、前記収容筒は、中空円盤状の中間体と、該中間体を同軸的に挟む２つの筒部とからなり、該中間体の外周面上に複数の凸部が等配されており、前記２つの筒部の外周面は、前記複数の凸部よりも前記収容筒の径方向内側に位置していることを特徴とする。

本発明にあっては、収容筒の径方向の圧力が凸部に働いた場合、収容筒に働く応力は、２つの凹部を隔てる軸方向部分を中心として、２つの凹部に対して均等に働く。従って、凸部に働く圧力の影響は、コイル及び補償コイル夫々に均等に及び、コイルの前記圧力によるインダクタンス変化は、補償コイルのインダクタンス変化と同程度である。このため、収容筒の径方向の圧力が変化した場合であっても、補償コイルに対するコイルのインダクタンスの値は、大きく変化しない。
また、収容筒の径方向の圧力が凸部に働いた場合、内側に凹部を有する外面部分に凸部を備える収容筒に比べ、収容筒に働く応力は広く分散する。従って、トルク検出装置を所定箇所に取り付ける際、凸部に収容筒の径方向の強い圧力が働いた場合であっても、収容筒が破損する恐れは低い。

本発明にあっては、２つの筒部にコイル及び補償コイルを収容し、２つの筒部の間に中間体を介装して収容筒を構成することができ、収容筒内にコイル及び補償コイルを容易に収容することができる。

本発明にあっては、複数の凸部が収容筒の周方向に等配されているため、各凸部に同程度の圧力が働いた場合、複数の凸部が収容筒の周方向に非等配されている収容筒に比べ、収容筒に働く応力は広く均等に分散する。従って、前記圧力による収容筒の変形、及び該変形によるコイルのインダクタンス変化を抑えることができる。

本発明にあっては、凸部に働く圧力が変化する場合であっても、トルク検出値は変動せず、入力軸に入力されるトルクを正確に検出することが可能となる。例えば、電動パワーステアリング装置を構成するハウジング内にトルク検出装置が支持されている場合において、電動パワーステアリング装置及びトルク検出装置の温度が変化したときであっても、トルクの検出値は変動せず、入力軸に入力されるトルクを正確に検出することができ、良好な操舵感覚を維持することが可能となる。

また、凸部に加わる強い圧力又は衝撃により収容筒が破損する恐れがない。例えば、電動パワーステアリング装置を構成するハウジング内にトルク検出装置を取り付ける際、収容筒をハウジング内に強く圧入することができ、トルク検出装置を安定した状態に取り付けることができる。

本発明にあっては、収容筒内にコイル及び補償コイルを容易に収容することができるため、トルク検出装置を効率的に組み立てることができる。

以下に、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
図１は、本発明に係るトルク検出装置を備える電動パワーステアリング装置を、車両側面側から見た場合の模式的断面図である。本発明に係るトルク検出装置は、トルクが入力される入力軸１０と、入力軸１０に入力されたトルクを出力する出力軸３２と、前記入力軸１０及び前記出力軸３２を連結し、トルクを伝達するトーションバーの連結軸１と、連結軸１に加わるトルクにより生じる連結軸１の捻れ角を検出するコイル２０ａと、コイル２０ａのトルク検出を温度補償する補償コイル２０ｂと、コイル２０ａ及び補償コイル２０ｂ夫々を同軸的に収容する収容筒２とを備える。前記トルク検出装置は、電動パワーステアリング装置の内部に組み込まれ、電動パワーステアリング装置に入力されるトルクを検出するように構成されている。

トルク検出装置について説明する。図２は、本発明に係るトルク検出装置が備えるコイル２０ａ及び補償コイル２０ｂを収容した収容筒２を、収容筒２の中心軸を含む平面において模式的に示した断面図である。収容筒２は、中空円盤状の中間体２２ｃと、中間体２２ｃを挟む２つの筒部である第１筒部２２ａ及び第２筒部２２ｂとから構成され、コイル２０ａ及び補償コイル２０ｂを嵌装する２つの凹部２８ａ、２８ｂを内面全周に亘って有する。

絶縁体であるコイルボビン２１は、筒状の第１コイルボビン２１ａと、第１コイルボビン２１ａと同形の第２コイルボビン２１ｂとを所定の間隔を隔てて同軸的に有している。第１コイルボビン２１ａには、コイル２０ａが巻着され、第２コイルボビン２１ｂには、補償コイル２０ｂが巻着されている。コイル２０ａは、第１筒部２２ａに囲繞され、補償コイル２０ｂは、第１筒部２２ａと同形の第２筒部２２ｂに囲繞されている。第１コイルボビン２１ａと第２コイルボビン２１ｂとの間には、中空円盤状の中間体２２ｃがスペーサとして介装されている。第１及び第２筒部２２ａ、２２ｂ、及び中間体２２ｃ夫々の外径は同程度であり、第１及び第２筒部２２ａ、２２ｂは、収容筒２の両端部において、内径が縮径しており、中間体２２ｃの内径は、第１筒部２２ａの縮径している一端部における内径と同程度である。第１及び第２筒部２２ａ、２２ｂ、及び中間体２２ｃは、軟磁性粉末の圧粉体により形成されており、収容筒２の外面は、フェノール樹脂、又はポリアミド等の合成樹脂製の被覆部材２３により被覆されている。コイル２０ａ及び補償コイル２０ｂを構成する導線は端子２４に繋がり、端子２４は、外部の交流回路に接続している。

図３（ａ）は、収容筒２を模式的に示す側面図であり、図３（ｂ）は、収容筒２の上面図、即ち収容筒２の環状面側から見た場合の平面図である。収容筒２は、２つの凹部２８ａ、２８ｂを隔てる軸方向部分の外周、即ち中間体２２ｃの外周面側に６つの凸部２３ａ〜２３ｆを備えており、凸部２３ａ〜２３ｆは、収容筒２の周方向に等配されている。凸部２３ａ〜２３ｆは、収容筒２の中心軸に平行的な条体であり、軸方向の長さは中間体２２ｃの軸方向の厚みと同程度である。凸部２３ａ〜２３ｆは、合成樹脂製であり、被覆部材２３と一体的に形成されている。

図４は、コイル２０ａ及び補償コイル２０ｂに繋がり、トルクを検出する交流回路を示す回路図である。コイル２０ａを構成する導線の一端は接地され、他端は電気抵抗２５ａを介して、発振器２６に繋がる。同様に補償コイル２０ｂを構成する導線の一端は接地され、他端は電気抵抗２５ｂを介して発振器２６に繋がる。図中２７は、Ａ点とＢ点との電位差に応じた信号を出力する差動増幅回路である。Ａ点は、コイル２０ａ及び電気抵抗２５ａを繋ぐ配線部分であり、Ｂ点は、補償コイル２０ｂ及び電気抵抗２５ｂを繋ぐ配線部分である。

次に、トルク検出装置を備える電動パワーステアリング装置を図１に基づいて説明する。トルク検出装置を構成する連結軸１は中空の入力軸１０に内嵌しており、連結軸１及び入力軸１０は上端部において、上部軸３１が備える筒状部分に同軸的に内嵌し、上部軸３１、入力軸１０及び連結軸１夫々を貫くピン孔にピン３１ａが嵌入されている。また、連結軸１及び入力軸１０は、下端部において、中空の出力軸３２に同軸的に内嵌し、出力軸３２及び連結軸１夫々を貫くピン孔にピン３２ａが嵌入されている。入力軸１０と出力軸３２とはブッシュを介して、同軸的に配置されているが、一体的には回転せず、連結軸１が捻れた場合、入力軸１０と出力軸３２とは、周方向について相対的にずれるように構成されている。上部軸３１は上方にステアリングホイール３１ｂを備え、出力軸３２は、車両を操向する舵取機構、例えばラックピニオン式の舵取機構（不図示）に繋がっている。また出力軸３２は、外周に圧入されているウォームホイールである大歯車３０を備えており、大歯車３０に直交的に噛合するウォームである小歯車４０を介してモータ４に繋がっている。

図１中５は、収容筒２、連結軸１等を収容するセンサハウジングであり、大歯車３０、小歯車４０等を収容するギアハウジング６に嵌合している。センサハウジング５、及びギアハウジング６夫々はアルミニウムにより形成されている。収容筒２は、中空のセンサハウジング５の内面に凸部２３ａ〜２３ｆを介して、支持されている。収容筒２に囲繞される入力軸１０は、センサハウジング５に軸受８を介して支持され、出力軸３２は転がり軸受７ａ、７ｂを介してセンサハウジング５及びギアハウジング６に支持されている。モータ４はギアハウジング６に取り付けられ、小歯車４０を有するモータ４の出力軸は、図示しない転がり軸受を介して、ギアハウジング６に支持されている。

入力軸１０は、磁性体である第１検出リング１１を外周に備えており、出力軸３２は、第１検出リング１１に対向する磁性体である第２検出リング１２を外周に備えている。第１検出リング１１及び第２検出リング１２夫々は互いに対向する環状面に、周方向に等配された歯１１ａ、１２ａを有している。更に、入力軸１０は、第１検出リング１１に対向する環状の磁性体である第３検出リング１３を備えており、第３検出リング１３のみが、第１検出リング１１に対向する環状面に、周方向に等配された歯１３ａを有している。第１及び第２検出リング１１、１２は、互いに対向する部分がコイル２０ａに囲繞されるように取り付けられており、第１及び第３検出リング１１、１３は、互いに対向する部分が補償コイル２０ｂに囲繞されるように取り付けられている。

このように構成される電動パワーステアリング装置においては、ステアリングホイール３１ｂの回転が入力軸１０、連結軸１及び出力軸３２を介して舵取機構に伝達され、車両が操向される。ステアリングホイール３１ｂの回転によって入力軸１０にトルクが入力した場合、モータ４が駆動し、モータ４の回転が小歯車４０及び大歯車３０を介して出力軸３２に減速伝達され、ステアリングホイール３１ｂの回転運動が補助される。モータ４は、トルク検出装置が検出する入力軸１０に入力されたトルクに応じて制御される。

トルク検出装置の動作を、図１及び図４に基づいて説明する。交流回路におけるコイル２０ａのインピーダンスは、コイル２０ａ、入力軸１０、出力軸３２、及び収容筒２、並びに発振器２６の周波数等により定まる。ところで、ステアリングホイール３１ｂから入力軸１０にトルクが入力された場合、連結軸１が捻れ、入力軸１０と出力軸３２との相対位置が周方向について変化し、第１検出リング１１と第２検出リング１２との相対位置も変化する。従って、第１及び第２検出リング１１、１２が有する歯１１ａ、１２ａの対向関係も変化し、結果としてコイル２０ａのインピーダンスが変化する。インピーダンスの変化は、交流回路におけるＡ点の電位変化として検出でき、Ａ点の電位変化から、入力軸１０に入力され、連結軸１に加わるトルクを検出することができる。

また、温度が変化した場合、コイル２０ａのインピーダンスが変化するが、該変化は補償コイル２０ｂのインピーダンス変化により温度補償される。補償コイル２０ｂのインピーダンスは、コイル２０ａと同様に、入力軸１０、収容筒２等によって定まるが、連結軸１がトルクにより捻れた場合であっても、第１及び第３検出リング１１、１３の対向関係は変化せず、補償コイル２０ｂのインピーダンスは、専ら温度変化に応じて変化する。補償コイル２０ｂは、コイル２０ａとほぼ同じ構成を有しているため、温度変化によるインピーダンスの変化は、コイル２０ａのインピーダンス変化と同程度である。従って、補償コイル２０ｂに係るＢ点の電位と、コイル２０ａに係るＡ点の電位との電位差を差動増幅回路２７によって検出することにより、温度によらない一定のトルク検出を行うことが可能となる。

次に、トルク検出装置をセンサハウジング５に圧入した場合に、収容筒２に働く応力について説明する。図５は、センサハウジング５に対するトルク検出装置の圧入代と、収容筒２に働く第１主応力との関係を示すグラフである。図５に示すグラフは、収容筒２の外径を４３ｍｍ、収容筒２の両端部における内径を３１．５ｍｍ、凸部２３ａ〜２３ｆを有する部分における外径を４５．０８ｍｍ、第１筒部２２ａの高さを１２．５ｍｍ、凹部２８ａを有する部分における第１筒部２２ａの内径を４０ｍｍ、凹部２８ａの軸方向の幅を９．５ｍｍ、中間体２２ｃの軸方向の厚さを５ｍｍ、内径を３１．５ｍｍとし、収容筒２の外周に６つの凸部を等配した場合のＦＥＭ解析（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ 解析）の結果である。丸印は、凸部を中間体２２ｃの外面に設けた場合の解析結果を示し、四角印は、凸部を、凹部２８ａを内側に有する外面部分に設けた場合の解析結果である。凸部の総面積は両者とも同じである。図５の結果から、凸部を中間体２２ｃの外面に設けた場合、凹部２８ａを内側に有する外面部分に設けた場合に比べ、収容筒２に働く第１主応力は約６分の１になることがわかる。

本発明に係るトルク検出装置にあっては、凸部２３ａ〜２３ｆを備える中間体２２ｃの径方向の厚みは、凹部２８ａ、２８ｂを有する軸方向部分における第１及び第２筒部２２ａ、２２ｂの厚みに比べ厚い。従って、凸部２３ａ〜２３ｆに収容筒２の径方向の圧力が働いた場合であっても、中間体２２ｃに働く応力は広く分散し、収容筒２の変形を抑えることができるため、凸部２３ａ〜２３ｆに働く圧力が変化した場合であってもコイル２０ａのインダクタンス変化を抑えることができ、より正確なトルク検出を行うことができる。

また、第１及び第２筒部２２ａ、２２ｂの間に介装されている中間体２２ｃの外周に凸部２３ａ〜２３ｆが備えられているため、凸部２３ａ〜２３ｆに収容筒２の径方向の圧力が働いた場合であっても、中間体２２ｃに働く応力は、中間体２２ｃを中心に、第１筒部２２ａ及び第２筒部２２ｂにほぼ均等に分散する。従って、凸部２３ａ〜２３ｆに働く圧力による影響、つまりインダクタンスの変化は、コイル２０ａ及び補償コイル２０ｂの双方に及ぶため、該圧力がコイル２０ａに及ぼす影響は、補償コイル２０ｂにより相殺される。

更に、凸部２３ａ〜２３ｆに働く圧力は広く分散するため、収容筒２をセンサハウジング５内に収容する際に、凸部２３ａ〜２３ｆに強い圧力が働いた場合であっても、収容筒２が破損する恐れがない。従って、センサハウジング５に収容筒２を強く圧入することができ、トルク検出装置を安定した状態で取り付けることが可能となる。

更にまた、凸部２３ａ〜２３ｆは、金属に比べて弾性率の小さい弾性体で形成されているため、例えば、低温下においてセンサハウジング５が収縮した場合であっても、凸部２３ａ〜２３ｆの変形により収容筒２に加わる圧力は小さく、収容筒２の変形を抑えることができる。従って、収容筒２を支持するセンサハウジング５の変形による、トルク検出値の変化を抑えることができ、正確なトルク検出を行うことができる。

更にまた、凸部２３ａ〜２３ｆの形状は、収容筒２の中心軸に平行的な条体であるため、凸部２３ａ〜２３ｆから収容筒２に働く応力が、収容筒２の軸方向に分配され、応力集中による収容筒２の変形を抑えることができ、より正確なトルク検出を行うことが可能となる。

なお、凸部を形成する箇所は、本実施の形態において示したものに限らず、凹部を有しない軸方向部分に凸部を形成してもよい。例えば、中間体の外周と、収容筒の両端部において内径が縮径している外周部分とに凸部を設けてもよい。この場合、収容筒をより安定的にセンサハウジングに内嵌固定することが可能となる。

本発明に係るトルク検出装置を備える電動パワーステアリング装置を、車両側面側から見た場合の模式的断面図である。 本発明に係るトルク検出装置が備えるコイル及び補償コイルを収容した収容筒を、収容筒の中心軸を含む平面において模式的に示した断面図である。 収容筒を模式的に示す側面図及び上面図である。 トルクを検出する交流回路を示す回路図である。 センサハウジングに対するトルク検出装置の圧入代と、収容筒に働く第１主応力との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 連結軸
２ 収容筒
１０ 入力軸
１１ 第１検出リング
１２ 第２検出リング
１３ 第３検出リング
２０ａ コイル
２０ｂ 補償コイル
２２ａ 第１筒部（筒部）
２２ｂ 第２筒部（筒部）
２２ｃ 中間体
２３ａ〜２３ｆ 凸部
２８ａ、２８ｂ 凹部
３２ 出力軸

Claims (1)

1. トルクが入力される入力軸と、該入力軸に入力されたトルクを出力する出力軸と、前記入力軸及び前記出力軸を連結し、トルクを伝達する連結軸と、該連結軸に加わるトルクを前記連結軸に生じる捻れ角によって検出するコイルと、該コイルによるトルク検出を温度補償する補償コイルと、前記コイル及び前記補償コイル夫々を同軸的に収容する収容筒とを備え、該収容筒は、周方向に亘る２つの凹部を内側に有しており、一方の前記凹部に前記コイルが嵌装され、他方の前記凹部に前記補償コイルが嵌装されてなるトルク検出装置において、
   前記収容筒は、
   中空円盤状の中間体と、該中間体を同軸的に挟む２つの筒部とからなり、該中間体の外周面上に複数の凸部が等配されており、
   前記２つの筒部の外周面は、
   前記複数の凸部よりも前記収容筒の径方向内側に位置している
   ことを特徴とするトルク検出装置。

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