JP4843411B2

JP4843411B2 - トルクセンサ

Info

Publication number: JP4843411B2
Application number: JP2006230652A
Authority: JP
Inventors: 博文奥村
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2006-08-28
Filing date: 2006-08-28
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2026-08-28
Also published as: JP2008051760A; EP1895284A2; EP1895284A3; EP1895284B1

Description

本発明は、トルクセンサに関し、特に、トーションバーを介して連結される入力シャフト（第１シャフト）と出力シャフト（第２シャフト）に加わるトルクを検出するトルクセンサに関する。

従来、入力軸と出力軸とに磁性の突起を配設して、この磁性突起に感応する磁気センサ（検出素子）の出力差を利用して入力軸、出力軸に加わるトルクを検出するトルクセンサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。かかるトルクセンサにおいては、入力軸と出力軸に加わるトルクを、これらを連結するトーションバーに生じる捩れ角度により検出するものである。
特開２００１−３２４３９４号公報

しかしながら、上述したような従来のトルクセンサにおいては、入力軸及び出力軸の磁性の突起に感応する複数の磁気センサ（検出素子）を配設しなければならず、その製造に要するコストを低減することが難しいという問題がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、製造に要するコストを低減しつつ、簡単にトルクを検出することができるトルクセンサを提供することを目的とする。

本発明のトルクセンサは、入力ギアが設けられた入力シャフトと、前記入力シャフトに連結され出力ギアが設けられた出力シャフトと、前記入力ギアに噛合する第１のピニオンギアと、前記出力ギアに噛合する第２のピニオンギアと、前記第２のピニオンギアから延在するヘリカルギアと、前記第１のピニオンギアから延在するラックと、前記ラックに係合し前記第１のピニオンギアのスライド移動に応じて回転する回転体と、を具備し、前記第１のピニオンギアを前記ヘリカルギアに装着し、前記入力シャフトと出力シャフトとの回転角度の差分によりスライド移動させると共に、当該第１のピニオンギアの移動量に応じて回転する前記回転体の回転量に応じて前記入力シャフト及び出力シャフトに加わる回転トルクを検出することを特徴とする。

上記トルクセンサによれば、入力シャフトと出力シャフトとの回転角度の差分に応じて第１のピニオンギアをスライド移動させ、第１のピニオンギアの移動量に応じて入力シャフト及び出力シャフトに加わる回転トルクを検出することから、第１のピニオンギアの移動量を検出する単一の検出素子を備えるだけで入力シャフト及び出力シャフトに加わる回転トルクを検出することができるので、複数の検出素子を必要とする従来のトルクセンサに比べて、製造に要するコストを低減しつつ、簡単に回転トルクを検出することが可能となる。また、第１のピニオンギアのスライド移動を回転体の回転運動に変換し、この回転体の回転量を検出することで入力シャフト及び出力シャフトに加わる回転トルクを検出できることから、トルクセンサの構成要素の設計の自由度を増すことができ、トルクセンサの小型化に寄与することが可能となる。

例えば、上記トルクセンサにおいては、前記回転体に磁石を組み込み、当該磁石の回転を検出することで前記回転体の回転量を検出するようにしても良い。この場合には、非接触で回転体の回転量を検出することができるため、接触式を採用する検出素子等と比べて耐久性に優れたトルクセンサを提供することが可能となる。

また、上記トルクセンサにおいては、前記第１のピニオンギアを一定方向に付勢することが好ましい。この場合には、一定方向に付勢することによってスライド移動する第１のピニオンギアのガタつきを防止することができるため、より高い精度で入力シャフト及び出力シャフトに加わる回転トルクを検出することが可能となる。

例えば、上記トルクセンサにおいては、前記回転体で前記ラックを介して前記第１のピニオンギアを付勢することが好ましい。この場合には、第１のピニオンギアのスライド移動を回転運動に変換する回転体を用いて第１のピニオンギアを付勢することから、新たに第１のピニオンギアを付勢する部材を追加することなく第１のピニオンギアを付勢することができるので、製造コストの上昇を抑制しつつ、スライド移動する第１のピニオンギアのガタつきを防止することが可能となる。

本発明によれば、製造に要するコストを低減しつつ、簡単に回転トルクを検出することができるトルクセンサを提供することが可能となる。

以下、本発明の一実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係るトルクセンサの構成を示す要部拡大図である。また、図２は、本実施の形態に係るトルクセンサが有する第１及び第２のピニオンギア、回転体及び回路基板を抜き出した図である。なお、図２においては、図１に示す下方側から第１及び第２のピニオンギア、回転体及び回路基板を見た場合について示している。

なお、本実施の形態に係るトルクセンサは、例えば、自動車に搭載され、電動モータを駆動して操舵補助を行ない、運転者の負担を軽減する電動パワーステアリング装置に適用される。以下においては、本実施の形態に係るトルクセンサが電動パワーステアリングに適用される場合について説明するものとする。

図１に示すように、本実施の形態に係るトルクセンサ１０は、自動車のハンドルに連結される入力シャフト１１と、タイヤの舵取機構に連結される出力シャフト１２とを備えている。入力シャフト１１及び出力シャフト１２は、中空形状に構成されており、その内側にはトーションバー１３が配設されている。トーションバー１３は、一端が壁部１１ａを介して入力シャフト１１の内壁に固定され、他端が壁部１２ａを介して出力シャフト１２の内壁に固定されている。また、入力シャフト１１の外周面には入力ギア１１ｂが設けられ、出力シャフト１２の外周面には出力ギア１２ｂが設けられている。なお、入力ギア１１ｂと出力ギア１２ｂとは、同一の歯数を有している。

また、トルクセンサ１０は、入力シャフト１１の入力ギア１１ｂに噛合する第１のピニオンギア１４と、出力シャフト１２の出力ギア１２ｂに噛合する第２のピニオンギア１５とを備えている。なお、第１のピニオンギア１４と第２のピニオンギア１５とは、同一の歯数を有している。第２のピニオンギア１５には、一方の側面から図１に示す左方側に延在するヘリカルギア１６が形成されている。第１のピニオンギア１４には、一方の側面から図１に示す左方側に延在し、その内壁部でヘリカルギア１６に係合する円筒ラック１７が形成されている。第２のピニオンギア１５は、トルクセンサ１０が固定される筐体に支持されるシャフト１８に回転可能に取り付けられ、第１のピニオンギア１４は、第２のピニオンギア１５のヘリカルギア１６に回転可能に取り付けられている。

さらに、トルクセンサ１０は、図２に示すように、円筒ラック１７に噛合するギア部１９ａを有する回転体１９と、この回転体１９と一定距離を空けて対向配置され、当該回転体１９の回転を検出する検出素子２０が固定される回路基板２１とを備えている。回転体１９は、図２に示すように、シャフト１８と直交する方向に回転軸芯を有しており、後述するように円筒ラック１７のスライド運動に応じて図１に示す矢印Ａ又は矢印Ｂ方向に回転する。

ここで、回転体１９と検出素子２０との関係について説明する。図３は、回転体１９と検出素子２０との関係について説明するための拡大図である。なお、図３においては、検出素子２０が固定される回路基板２１を省略し、回転体１９及び検出素子２０をやや下方側から示している。

図３に示すように、回転体１９には、検出素子２０と対向する面（図３に示す下方側の面）に溝部１９ｂが形成されており、この溝部１９ｂに円環形状を有する磁石２２が固定されている。本実施の形態において、磁石２２は、Ｎ極とＳ極との２極に着磁されている。

検出素子２０は、例えば、巨大磁気抵抗効果を発揮する磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）で構成され、円環形状を有する磁石２２の中央部分に対応する位置に配置されている。トルクセンサ１０は、磁石２２による外部磁界を磁気抵抗効果素子に作用させる。そして、磁気抵抗効果素子の電気抵抗値の変化を、磁石２２による外部磁界の向きにより生じさせ、当該磁気抵抗効果素子の出力信号から磁気抵抗効果素子と磁石２２との相対角度量を検出するものである。トルクセンサ１０を制御するコンピュータは、トルクセンサ１０で検出される上記相対角度量に基づいて回転体１９の回転角度を検出することにより、入力シャフト１１及び出力シャフト１２に加わる回転トルクを検出することが可能となる。

磁気に感応して出力信号を出力する磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）は、基本的構成として、交換バイアス層（反強磁石層）、固定層（ピン止め磁性層）、非磁性層及び自由層（フリー磁性層）を基板上に積層して形成され、巨大磁気抵抗効果を利用したＧＭＲ(Giant Magnet Resistance)素子の一種である磁気抵抗効果素子として構成されている。

なお、磁気抵抗効果素子が巨大磁気抵抗効果を発揮するためには、例えば、交換バイアス層がα−Ｆｅ２０３層、固定層がＮｉＦｅ層、非磁性層がＣｕ層、自由層がＮｉＦｅ層から形成されることが好ましいが、これらのものに限定されるものではなく、巨大磁気抵抗効果を発揮するものであれば、いずれのものであってもよい。また、磁気抵抗効果素子は、巨大磁気抵抗効果を発揮するものであれば、上記の積層構造のものに限定されるものではない。

次に、以上のような構成を有するトルクセンサ１０の動作について図１を参照しながら説明する。

本実施の形態に係るトルクセンサ１０において、運転者のハンドル操作に応じて入力シャフト１１が回転すると、その回転力がトーションバー１３を介して出力シャフト１２に伝達される。このとき、入力シャフト１１及び出力シャフト１２の回転は、それぞれ入力ギア１１ｂ及び出力ギア１２ｂを介して、第１のピニオンギア１４及び第２のピニオンギア１５に伝達される。従って、第１のピニオンギア１４及び第２のピニオンギア１５は、運転者のハンドル操作に応じてシャフト１８上を回転する。

この場合において、入力シャフト１１と、出力シャフト１２との回転角度が同一の場合には、第１のピニオンギア１４及び第２のピニオンギア１５は、一体として回転することとなるため、ヘリカルギア１６上を第１のピニオンギア１４及び円筒ラック１７がスライド移動することはない。このため、回転体１９が回転することもない。

これに対し、入力シャフト１１と、出力シャフト１２との回転角度が相違する場合、すなわち、入力シャフト１１と、出力シャフト１２とに捩れが発生する場合には、第１のピニオンギア１４及び第２のピニオンギア１５は、それぞれ入力シャフト１１及び出力シャフト１２の回転角度に応じて独立して回転することとなる。このため、これらの回転角度の差分に応じて、第１のピニオンギア１４及び円筒ラック１７は、ヘリカルギア１６上をスライド移動する。円筒ラック１７がヘリカルギア１６上をスライド移動すると、これに応じて回転体１９が回転する。回路基板２１上の検出素子２０は、この回転体１９の回転角度を検出することにより、入力シャフト１１及び出力シャフト１２に加わるトルクを検出する。

このように本実施の形態に係るトルクセンサ１０においては、入力シャフト１１と、出力シャフト１２とに生じる回転角度の差分を、第１のピニオンギア１４及び円筒ラック１７のスライド移動量に変換し、このスライド移動量に応じた回転体１９の回転角度を検出することによって入力シャフト１１及び出力シャフト１２に加わるトルクを検出している。この場合においては、ヘリカルギア１６上をスライド移動する第１のピニオンギア１４及び円筒ラック１７のガタつきを防止することが重要な課題となる。このため、本実施の形態に係るトルクセンサ１０においては、回転体１９にコイルばね等の付勢部材を配備させ、図１に示す矢印Ａ方向に一定の付勢力を付与している。これにより、第１のピニオンギア１４及び円筒ラック１７のガタつきが防止されるので、より高い精度で入力シャフト１１及び出力シャフト１２に加わるトルクを検出することが可能となる。なお、第１のピニオンギア１４及び円筒ラック１７のガタつきを防止する構成としては、これに限定されるものではなく、適宜変更が可能である。例えば、円筒ラック１７の図１に示す左方側の端面を右方側に付勢する付勢部材を備えるようにしても良い。

このように本実施の形態に係るトルクセンサ１０によれば、入力シャフト１１と出力シャフト１２との回転角度の差分に応じて第１のピニオンギア１４をスライド移動させ、第１のピニオンギア１４の移動量に応じて入力シャフト１１及び出力シャフト１２に加わるトルクを検出することから、第１のピニオンギア１４の移動量を検出する単一の検出素子２０を備えるだけで入力シャフト１１及び出力シャフト１２に加わるトルクを検出することができるので、複数の検出素子を必要とする従来のトルクセンサに比べて、製造に要するコストを低減しつつ、簡単に回転トルクを検出することが可能となる。

また、本実施の形態に係るトルクセンサ１０によれば、第１のピニオンギア１４から延在する円筒ラック１７と、この円筒ラック１７に係合し、第１のピニオンギア１４のスライド移動に応じて回転する回転体１９とを具備し、この回転体１９の回転量に応じてトルクを検出するようにしている。これにより、第１のピニオンギア１４のスライド移動を回転体１９の回転運動に変換し、この回転体１９の回転量を検出することで入力シャフト１１及び出力シャフト１２に加わる回転トルクを検出できることから、トルクセンサ１０の構成要素の設計の自由度を増すことができ、トルクセンサの小型化に寄与することが可能となる。

特に、本実施の形態に係るトルクセンサ１０によれば、回転体１９に磁石２２を組み込み、当該磁石２２の回転を検出することで回転体１９の回転量を検出するようにしている。これにより、非接触で回転体１９の回転量を検出することができるため、接触式を採用する検出素子等と比べて耐久性に優れたトルクセンサ１０を提供することが可能となる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

例えば、上記実施の形態に係るトルクセンサ１０においては、第１のピニオンギア１４から延在する円筒ラック１７のスライド移動に応じて回転する回転体１９の回転量を検出することで入力シャフト１１及び出力シャフト１２に加わるトルクを検出する場合について示しているが、これに限定されるものではなく、第１のピニオンギア１４のスライド移動を検出し、この移動量に応じて入力シャフト１１及び出力シャフト１２に加わるトルクを検出することができれば、必ずしも円筒ラック１７や回転体１９は必要ない。このように第１のピニオンギア１４のスライド移動を検出し、この移動量に応じて入力シャフト１１及び出力シャフト１２に加わる回転トルクを検出する場合においても、上記実施の形態と同様の効果を得ることが可能である。

また、上記実施の形態に係るトルクセンサ１０においては、検出素子２０をＧＭＲ素子で構成する場合について示しているが、検出素子２０の構成についてはこれに限定されるものではなく、適宜変更が可能である。例えば、ＭＲ素子やホール素子などの他の磁電変換素子で構成するようにしても良い。このように変更した場合においても、上記実施の形態と同様の効果を得ることが可能である。

本発明の一実施の形態に係るトルクセンサの構成を示す要部拡大図である。上記実施の形態に係るトルクセンサが有する第１及び第２のピニオンギア、回転体及び回路基板を抜き出した図である。上記実施の形態に係るトルクセンサが有する回転体と検出素子との関係について説明するための拡大図である。

符号の説明

１０トルクセンサ
１１入力シャフト
１１ｂ入力ギア
１２出力シャフト
１２ｂ出力ギア
１３トーションバー
１４第１のピニオンギア
１５第２のピニオンギア
１６ヘリカルギア
１７円筒ラック
１９回転体
２０検出素子
２１回路基板
２２磁石

Claims

入力ギアが設けられた入力シャフトと、前記入力シャフトに連結され出力ギアが設けられた出力シャフトと、前記入力ギアに噛合する第１のピニオンギアと、前記出力ギアに噛合する第２のピニオンギアと、前記第２のピニオンギアから延在するヘリカルギアと、前記第１のピニオンギアから延在するラックと、前記ラックに係合し前記第１のピニオンギアのスライド移動に応じて回転する回転体と、を具備し、前記第１のピニオンギアを前記ヘリカルギアに装着し、前記入力シャフトと出力シャフトとの回転角度の差分によりスライド移動させると共に、当該第１のピニオンギアの移動量に応じて回転する前記回転体の回転量に応じて前記入力シャフト及び出力シャフトに加わる回転トルクを検出することを特徴とするトルクセンサ。
前記回転体に磁石を組み込み、当該磁石の回転を検出することで前記回転体の回転量を検出することを特徴とする請求項１記載のトルクセンサ。
前記第１のピニオンギアを一定方向に付勢したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のトルクセンサ。
前記回転体で前記ラックを介して前記第１のピニオンギアを付勢したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のトルクセンサ。