JPS6121861A - 電気式パワ−ステアリング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 し発明の対象］ 本発明は電気的な外力を利用して操作力を低減するパワ
ーステアリング装置に関するものであり、特に、パワー
ステアリングのトルク検出器として、トルジョン・バー
機構の捻りを静電容量の変化に置換して、非接触方式で
１−ルク検出を行う電気式パワーステアリング装置に関
するものである。

［発明の利用分野］ 上記電気式パワーステアリング装置に用いる１〜ルク検
出器”は、トーション・バー機構の捻り角度を垂直方向
の変位に変換して、更に、その変位を静電容量の変化に
変換したものであるから、スタビライザを電気的な外力
で制御する場合等に使用可能なものである。

し従来技術］ 従来からパワーステアリング装置の動力源として油圧式
、圧搾空気式、電気式等があったが、最す汎用されてい
たのは油圧式によるものであった。

しかし、電気リフト、電気乗用車等のような原動機とし
てモータを積載している乗物にあっては、別に油圧用コ
ンプレッサーを必要とすることから、電気式が用いられ
ていた。例えば、特開昭５７−１９０２４０号公報に記
載の技術もこの種のものである。前記技術はステアリン
グの入力軸と、出力軸間に相対変位を発生させる部材を
取り付け、インダクタを励磁することによって、前記部
材の変位を検出するものである。

［従来技術の問題点及びその技術的分析］前記技術は、
タンク回路の共振周波数付近の周波数を用いているから
、発振器の周波数に高精度を必要とし、また、検出器の
機械的及び電気的部品数が多く組み立てが複雑であり、
検出器の疲労等からして、頻繁な保守を必要とし、延い
ては、一般の車輌には敬遠されていた。

［技術的課題］ そこで、本発明は上記欠点を解消すべく、電気式パワー
ステアリングのトルク検出器でトルクの変動を静電容量
の変動に変換することによって、発振周波数の影響を受
は難く、かつ、検出器の機械的及び電気的部品数を少な
くし、しがも、部品疲労を少なくして長寿命とすること
を、その技術的課題とするものである。

［発明の構成］ 本発明は、ステアリングシャフトの入力軸と出力軸間に
トーション・バー機構を構成し、ハンドルに加えられた
トルクに比例゛する捻りをステアリングシャフト方向の
変位に変換し、更に、その変位を静電容量の変化に変換
したトルク検出器を構成したことを特徴とするものであ
る。

［発明の実施例］ 第１図は本発明のトルク検出器及び駆動機構を示す一実
施例の要部断面図である。第２図はＡ−Ａ切断による断
面図、第３図はＡ−Ａ切断部付近の要部正面図である。

まず、ハンドルに与えられたトルクを検出するトルク検
出器の構成について述べる。

ハンドルに固着されたステアリングシャフトは入力軸１
に、ステアリングギヤ側は出力軸２に、各々接続される
ものである。＠論、ステアリングシャフトのハンドル側
は入力軸１と、ステアリングギヤ側は出力軸２と一体で
構成づることもできる。入力軸１は出力＠ｌ１２に挿着
されピン３に係止され、入力軸１に与えられた力はピン
３によって出ツノ軸２に伝達される。前記ピン３から任
意の距離だけ離れた位置にピン６が挿着され、前記ピン
６は可動部材７の曲線溝１０及び出力軸２の長溝９と嵌
合している。可動部材７はキー８によって、上下動、即
ち、入・出力軸方向に移動可能であり、出力軸の上端部
のスナップリング１５に係止された係止板１６と可動部
材７の下端部の鍔部７ａとの間に］イルスプリング１７
が介在しており、ピン６は可動部材７の曲線溝１０の上
辺と当接している。

前記曲ｆｆＡ　ｉＦｉ　１０とピン６との当接は、コイ
ルスプリング１７が圧縮スプリングめ場合、曲線溝１０
の上辺となり、膨張スプリングの場合、曲線溝１０の下
辺となる。即ち、本実施例においては、ピン６と当接す
る曲線を曲線溝１０となしているが、可動部材７に付与
するスプリング圧の方向によって、一方にのみ曲線を有
する切欠部とすることもできる。

前記ピン３とピン６の間は、弾性限界内の適度な捩り弾
力を持つように入力軸１の材料及びその径及び長さを決
定している。即ち、適度な捩り弾力を得るように、細径
部を形成してピン３とピン６との間を適当な長さに設定
している。前記可動部材７の鍔部７ａに対向して、絶縁
物で形成された固定部材１２上の電極板１１が配設され
ている。

前記固定部材１２は電極設定部材１３によってハウジン
グ４ｂに螺合され、その螺合深さによって位置決めした
後、ロックナツト１９または固着剤によって固定される
。即ち、電極板１１と可動部材７の鍔部７ａとの間隔は
電極設定部材１３とハウジング４ｂとの螺含町１こよっ
て決定される。

前記電極板１１は絶縁物からなる基板に第４図に示すパ
ターンをその平面に形成したものである。

第４図において電極部１１ａは周辺電極部１１ｂによっ
てシールドされたものである。

前記可動部材７の鍔部７ａと電極板１１との面が平行面
であり、更に、電極部１１ａの周辺に静電シールドのた
めの電極部１１ｂを設けていることから、周波数特性に
優れていることは原理的にもうなず【プるところである
が、実測による周波数特性は第５図の変位−静電容量特
性図に示す如く変化した。即ち、同一波形においては、
はとんど周波数特性のずれは認められず、波形が異なっ
た揚台だけ若干の静電容量−周波数特性のずれが生じで
いるにすぎない。したがって、この種の構成によれば、
周波数特性に優れていることが第５図からも理解できる
。なお、前記電極部１１ａ及びその周辺に配置された静
電シールドのための電極部１１ｂは、静電シールドされ
たリード線４２にＪ：って、リード線封止体４３から導
ぎ出される。

以上の様に構成された、トルク検出器は、ハウジング４
ｂと固着されるハウジング４ａに内蔵される。なお、入
力軸１とハウジング４ａ間にはベアリング２０が設（プ
られている。

そして、モータ４０の回転力伝達機構は次の様に構成さ
れている。

出力軸２にはその外周にキー３０及びスナップリング３
１によって、出力軸歯車３２が固着されていて、モータ
４０のモータ軸４１に取付りるが、或いはモータ軸に直
接加工成形したモータ軸歯車３２の間を必要数の歯車３
４〜３７を介在さけて歯合し減速している。したがって
、モータ４０の回転力は出力軸２と平行に配設したモー
タ軸４１のモータ軸歯車３３から、必要数の歯車３４〜
３７を介して出力軸歯車３２に伝達される。前記歯車３
４〜３７は必要数のベアリング及びスナップスプリング
によってハウジング４ｂ及び４ｃに固定される。また、
出力軸２はベアリング３８及び３９によってハウジング
４ｂ及び４ｃに固定されている。

本実施例においては、出力軸２にモータ軸４１を並設さ
せ、コンパクトな構造にしてい・るが、伝達エネルギー
効率が下がることを問題視しな【プれば、出力＠２とモ
ータ軸４１どをウオーム歯車で歯合することを何等妨げ
るものではない。

更に、トルク検出器についてその作用と共に詳述する。

人力＠１と出力軸２はピン３で係止されており、そこに
おいては、相互の軸方向の変位を規制すると共に相互の
軸の回転角変位を規制している。また、出力軸２はベア
リング３８及び３９によってハウジングとの間において
軸方向の変位を規制している。そして、人力軸１もベア
リング２０で固定されており、更に、入力軸１と出力軸
２の端部間には、ベアリング２１で相互間が固定されて
いるから、ハウジング４ａど入力軸１との間は軸方向の
変位は規制されるが、回転角変位は自由であり、入力軸
１と出力軸２の端部間においても、軸方向の変位は規制
されるが回転角変位は自由である。そして、ピン６は出
力軸２の軸方向に対して垂直方向に穿設された長溝９と
嵌合しでおり、第２図のＡ−Ａ断面図が示すように、長
溝９の範囲で入）〕軸１ど出力軸２との相対回転角変位
が可能となる。このとき、ピン６は軸方向の変位を規制
していてもよい。即ち、上記構成によって、人力軸１に
加えられた回転力によって、ピン３を支点として入力軸
１の捻り運動が可能どなり、所謂、トーション・バー機
構を呈することが判る。なお、本実施例では、人力軸１
が出力軸２に装着されているが、両者によって前記トー
ション・バー機構を形成すればよいのであるから、上記
入力軸１と出力軸２との関係を逆にしてもよい。

したがって、トーション・バー機構によってピン６は、
可動部材７の曲線溝１０に従って＠ｌＩｈ向の変位に変
換することになる。

以下、第６図の（ａ）及び（ｂ）の曲線溝について詳述
覆る。

第６図はトーション・バー１１４１が作用−リ−るピン
と可動部材の曲線溝との関係を説明する説明図で、第６
図＜ａ）はその正面図、第６図（ｂ）は第６図（ａ）の
Ｂ−Ｂ断面図である。

可動部材７の下端部に形成した鍔部７ａと電極板１１と
の間の間隔が変化することは、両者間の静電容量ＣＸは
、その間隔りとの関係でＣｘ　＝に１　−　（１／Ｌ）
　・・−−−−−−−（１）但し、ｋｌは定数 となる。即ち、静電容量Ｃｘは電極間隔しに反比例する
ことになる。一方、トーション・バー機構による入力軸
１の入力］・ルクＴと回転角変位（捻れ角）θｔとの関
係は Ｔ＝Ｋｊ　　　・　θ　ｔ　　　　　　　　　　　　　
　　・・・　・・・　　（２）但し、Ｋｔは入力軸１の
バネ定数 となる。即ち、バネ定数Ｋｔの範囲内で、入ツノトルク
”［は捻れ角θｔに比例する。

ここで、可動部材７の下端部に形成した鍔部７ａと電極
板１１との静電容量Ｃｘを入力トルクＴとリニヤに対応
させ、トルク検出器の出力を直線どするには、 ＣＸ＝に２−Ｔ＋Ｃｏ・・・・−・（３）但し、Ｋ２は
定数 Ｃｏは中立時の静電容量 となればよい。

したがって、上記（１）、（２）、（３）式より、 Ｌ　　−Ｋ１　　　／　　　（（Ｋｔ　　　−に２　　
−　　　θ　ｔ）＋Ｃｏ）・・・・・・（４） となり、（４）式の定数を一般化すれば、Ｌ＝に／＜Ｋ
（１・θを十ｃｏ）・・・・・・（５）但し、Ｋ及びＫ
ｏは定数 となる。

したがって、可動部材７がピン６によって式（５）のよ
うに動く曲線に当接されれば、可動部材７の鍔部７ａと
電極板１１との静電容ＩＣＸはリニヤに変化することに
なり、入力１〜ルクＴの僅かの変動に対し、出力電圧■
が急変したり、或いは、入力トルクＴの大きな変動に対
して出力電圧Ｖの変動が僅かである等の問題が生じない
から、誤差の少ない検出が可能となる。

なお、式（１）は電極間の誘電率が大気によって決まる
ものであるから、厳密にいえば、電極間の静電容量は誘
電率の影響を受ることになる。前記誘電率の影響を受な
いようにするには、可動部材７の下端部に形成した鍔部
７ａと電極板１１との静電容ｆｆ１ｃｘに対応して、可
動部材７の上端部に鍔部を形成し、更に、鍔部に対抗す
る面に電極板を配設し、下部の静電容量と上部の静電容
量との比を検出すれば、前記誘電率の影響をなくするこ
とができる。

第７図は、本実施例のトルク検出器の静電容量型トルク
センサー検出回路である。発振器ｙｏｓｃからの両極性
出力は、電極板１１と可動部材７の鍔部７ａ間の静電容
量Ｃｘと、標準コンデンサＣ８に、ダイオードＤ１及び
Ｄ３で充電し、充電された両者の電荷は、ダイオードＤ
２及びＤ４によってコンデンサＣｏｕｔに両電荷を充電
する。静電容量ｔＣＸと椋準コンデンサＣ５の充電電荷
は互いに逆極性ひあるから、コンデンサＣｏｕｔには、
両者の差が蓄積される。コンデンサＣｏｕｔの電圧警よ
、オペアンプＯＰをバッファアンプとして動作するロー
パスフィルターに導かれ、その出力をトルク検出器によ
って得られた静電容量変化を電圧差として出力すること
ができる。

したがって、本発明によれば、入力軸１に与えたトルク
によって入力＠１と出力軸２との相対回転力により捻り
角変位が生じ、その捻り角変位を軸方向に移動可能な可
動部材７に設（づられ１ｃ曲線によって、前記可動部材
７を軸方向の変位とし、前記可動部材７とハウジング４
ａに固定された固定部材１２に配設された電極板１１間
の静雷容ωＣｘの変化を、シールドされたリード線４２
で取り出し、その静電容量Ｃｘの変化を公知のモータ制
御回路に導き、入力Ｉ＠ｉに与えられたトルクに応じた
モータ４０の回転力を制御することができる。

［発明の効果］ 以上の様に、本発明によれば、入力軸と出力軸との相対
回転力による捻り角変位を、前記軸方向に移動可能な可
動部材に設けられた曲線によって前記可動部材を軸方向
の変位に変換づると共に、前記可動部材をアース側電極
とし、前記電極とハウジングに固定された固定部材に配
設された電極板間に電圧を印加すれば、電極間の静電容
量の変化を検出できるものであるから、固定部材に配設
された電極板側に電圧を印加する構成をとればよく、リ
ード線を固定できるから、リード線の疲労を少なくする
ことができる。また、リード線の移動に伴う漂遊静電容
量の変化がなべ検出された静電容量誤差が少ない。

また、トーション・バー機構の捻り角変位に対して軸方
向に、 Ｋ／　（Ｋｏ　・θｔ＋Ｃ０） （但し、Ｋ及びＫｏは定数、θｔは捻り角度、Ｃｏは中
間位置の静電容量） なる変位をするようにしたものであるから、静電容量の
変化がトーション・バー機構の捻り角変位にリニアライ
ズした出力となり、入力トルクＴの僅かの変動に対して
出力電圧Ｖが急変したり、或いは、入力１〜ルクＴの大
きな変動に対して出力電圧■の変動が僅かである等の問
題が生じないから、誤差の少ない安定した静電容量の検
出が可能となる。

イして、入力軸と出力軸との相対回転力による捻り角変
位を、前記軸の軸方向に移動可能な可動部材に設（プた
曲線によって前記軸方向の変位に変換すると共に、前記
軸方向の変位によって入力１゛ルクを検知するトルク変
換器を構成するものであるから、ｌ・ルク検出部分が入
力軸及び出力軸との挿着部分によって構成されるから、
格別トルク検出器のスペースを必要とせず、しかも、出
力軸に並設したモータ軸を有するモータによって、出力
軸を回動制御できるものであるから、コンバクｈに構成
することができる。また、出力軸及びモータを同一ハウ
ジングに取り付けることができるから、電気式パワース
テアリング装置の組立て及びステアリングの組込みが容
易である。

更に、可動部材を一方の電極とし、電極とハウジングに
固定された固定部材に配設された電極板間の静電容量を
、前記可動部材の両端に形成したものにあっては、常に
、大気の誘電率の影響を受【プることなく、電極間の静
電容量の変化を検出できることになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のトルク検出器及び駆動機構を示づ一−
−実施例の要部断面図、第２図は第１図に示すＡ−Ａ切
断線による断面図、第３図は第１図に示−１−Ａ−Ａ切
断線付近の要部正面図、第４図は電極板のパターンの平
面図、第５図は変位−静電容量特性図、第６図はトーシ
ョン・バー機構が作用するピンと可動部材の曲線溝との
関係を説明する説明図で、（ａ）はその正面図、（ｂ）
は第６図（ａ＞のＢ−Ｂ線切断による断面図、第７図は
本実施例のトルク検出器の静電容量型トルクセンサー検
出回路図である。 図中、 １・・・入力Ｉｒ１ＩＩ２・・・出力軸４ａ、４ｂ、、
４ｃ・・・ハウジング ７・・・可動部材　　　　　１０・・・曲線溝１１・・
・電極板　　　　　１２・・・固定部材４０・・・モー
タ　　　　　４１・・・モータ軸に、Ｋｏ・・・定数 θｔ・・・捻り角度 ＧＯ・・・中間位置の静電容量 なお、図中、同−符号及び同一記号は、同一または相当
部分を示す。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）操舵回転力を入力軸と出力軸間に配設された捻り
   変位発生部材により変換した前記入力軸と出力軸の捻り
   角変位を、前記軸方向に移動可能な可動部材に設けられ
   た曲線によって前記可動部材を軸方向の変位に変換する
   と共に、前記可動部材を一方の電極とし、前記電極とハ
   ウジングに固定された固定部材に配設された電極板間の
   静電容量の変化を用いてモータ制御することを特徴とす
   る電気式パワーステアリング装置。
2. （２）前記可動部材に設けられた曲線を、捻り角変位に
   対して軸方向に Ｋ／（Ｋｏ・θｔ＋Ｃｏ） 但し、Ｋ及びＫｏは定数 θｔは捻り角度 Ｃｏは中間位置の静電容量 なる変位をするようにしたことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の電気式パワーステアリング装置。
3. （３）前記可動部材を一方の電極とし、前記電極とハウ
   ジングに固定された固定部材に配設された電極板間の静
   電容量を、前記可動部材の両端に形成したことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の電気式パワーステアリ
   ング装置。
4. （４）前記可動部材に設けられた曲線を可動部材に穿設
   した曲線溝からなることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の電気式パワーステアリング装置。
5. （５）入力軸と出力軸との相対回転力による捻り角変位
   を、前記軸の軸方向に移動可能な可動部材に設けた曲線
   によって前記軸方向の変位に変換すると共に、前記軸方
   向の変位によって入力トルクを検知するトルク変換器を
   有する電気式パワーステアリング装置において、出力軸
   に並設したモータ軸を有するモータによって出力軸を回
   動制御することを特徴とする電気式パワーステアリング
   装置。
6. （６）前記出力軸及びモータを同一ハウジングに取り付
   けたことを特徴とする特許請求の範囲第５項記載の電気
   式パワーステアリング装置。