| 【発明の名称】 |
トルクセンサ |
| 【発明者】 |
【氏名】永野 英信
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| 【要約】 |
【課題】歯部同士を対向させる従来のトルクセンサでは、歯部の加工に手間がかかる。歯部間の位置決めが困難であり、個体毎に検出特性がばらつく。
【解決手段】舵輪にトルクが付与されて入力軸２と出力軸３に相対回転が生ずると、コイルばね９が捩じりを強めたり弱めたりする。その結果、コイルばね９のピッチが変化するので、隣接する巻き線間のエアギャップの量が変化し、検出コイル１６，１７による磁気回路の磁気抵抗が増減する。これに伴って、検出コイル１６，１７のインピーダンスが変化する。これを検出コイル１６，１７の両端の電圧として取り出し、トルクに応じた出力を得る。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】トーションバーを介して相対回転可能に連結された入力軸及び出力軸に負荷されるトルクを検出するトルクセンサにおいて、前記入力軸及び出力軸の相対回転に伴って捩じられるように、各端部が対応する軸に係合する磁性体からなる螺旋状のコイルばねと、このコイルばねの周囲を取り囲み、コイルばねのピッチ変化に伴う磁気抵抗の変化に基づいてトルクを検出する検出コイルとを備えることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２】前記コイルばねは、入力軸及び出力軸の相対向する一対の端面同士の間に介在し、前記一対の端面は軸方向に対して傾斜した傾斜面とされ、これら傾斜面間の位相ずれによりコイルばねのばね長を変化させることを特徴とする請求項１記載のトルクセンサ。
【請求項３】前記コイルばねの巻き線は角形断面をしていることを特徴とする請求項１又は２記載のトルクセンサ。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はトルクセンサに関し、例えば自動車の電動パワーステアリング装置に適用するのに好適なトルクセンサを提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】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として電動式のものが開発されつつある。これは操舵輪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構造となっている。ところで、このトルク検出手段としては、例えば特開昭５９−２０８４３１号公報に示されているトルクセンサが知られている。
【０００３】このトルクセンサでは、トーションバーを介して連結された入力軸及び出力軸とそれぞれ一体に回転する筒体を設けると共に、これら筒体の対向端面にそれぞれ歯部を設け、互いの歯部間に入力軸の軸方向及び回転方向にそれぞれ所定の隙間を設けて対向させている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところが、複数の筒体に歯部を加工するので、手間がかかり、製造コストが高くなっていた。また、各筒体の歯部同士は軸方向及び回転方向の双方にその位置がオーバーラップしており、歯部間の隙間の設定が検出精度に大きく影響する。また、トルク検出装置の組立時において、トルクが負荷されていないニュートラルな状態で高精度で位置決めして組み付ける必要があるが、この組み付け作業が非常に困難であった。
【０００５】さらに、トルクがゼロの状態で前記のような歯部同士の正確な位置決めを行うことは実質的に不可能であり、このため、トルクセンサの個体間で検出特性のばらつきが大きい。本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、手間のかかる加工や困難な組み付け作業をなくすことができ、検出特性のばらつきも少ないトルクセンサを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するための課題解決手段として、請求項１記載の発明の態様は、トーションバーを介して相対回転可能に連結された入力軸及び出力軸に負荷されるトルクを検出するトルクセンサにおいて、前記入力軸及び出力軸の相対回転に伴って捩じられるように、各端部が対応する軸に係合する磁性体からなる螺旋状のコイルばねと、このコイルばねの周囲を取り囲み、コイルばねのピッチ変化に伴う磁気抵抗の変化に基づいてトルクを検出する検出コイルとを備えることを特徴とするものである。
【０００７】本態様では、入力軸と出力軸が相対回転すると、コイルばねがその捩じりを強めたり弱めたりし、コイルばねの巻き線間のピッチが変化する。このピッチ変化に伴う磁気抵抗の変化に基づいて、検出コイルによりトルクを検出する。単純で標準的な機械要素である螺旋状のコイルばねを用いるので、困難な加工や組み付けは不要である。また、厳格な位置決めを行わずとも、コイルばねの巻き線のピッチはあまりばらつかず、このようなコイルばねのピッチ変化に基づいてトルクを検出するので、検出特性のばらつきも少ない。
【０００８】請求項２記載の発明の態様は、請求項１において、前記コイルばねは、入力軸及び出力軸の相対向する一対の端面同士の間に介在し、前記一対の端面は軸方向に対して傾斜した傾斜面とされ、これら傾斜面間の位相ずれによりコイルばねのばね長を変化させることを特徴とするものである。本態様では、入力軸と出力軸とが相対回転すると、傾斜面からなる両軸の端面が互いの間で、コイルばねのばね長を変化させる。これにより、コイルばねを単にねじるだけの場合と比較して、コイルばねのピッチ変化をより大きくして検出出力をより大きくすることができる。その結果、検出感度や検出精度を向上することができる。
【０００９】請求項３記載の発明の態様は、請求項１又は２において、前記コイルばねの巻き線は角形断面をしていることを特徴とするものである。角形断面であれば、丸形断面の場合と比較して、隣接する巻き線間の最小隙間を検出コイルに近い側で得ることができる。したがって、磁気回路の長さを短くして検出出力を向上でき、結果として検出感度を向上させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明の好ましい実施の形態を添付図面を参照しつつ説明する。図１は本発明のトルクセンサが組み込まれた操舵装置の要部の模式的断面図である。図１を参照して、本操舵装置１は図示しない舵輪に連結される入力軸２と、図示しない舵取り機構に連結される出力軸３と、入力軸２と出力軸３とを相対回転可能に連結するトーションバー４とを備えている。入力軸２及び出力軸３の対向端部には、それぞれの軸２，３と一体回転する第１及び第２の筒体５，６が取り付けられている。両筒体５，６の対向する端面７，８は互いに平行な傾斜面とされており、これら端面７，８同士の間に螺旋状のコイルばね９が介在している。
【００１１】このコイルばね９は鉄等の磁性体からなり、コイルばね９の巻き端としての両端部９ａ，９ｂは、各筒体５，６の端面７，８から突出する環状のスプリングガイド１０，１１の外周に嵌められている。１２はコイルばね９の各端部９ａ，９ｂを対応するスプリングガイド１０，１１に固定するピン又はリベットからなる固定部材である。コイルばね９の巻き線の断面は図２（ａ）及び（ｂ）に示すように矩形をしている。
【００１２】両筒体５，６とこれらの間に介在するコイルばね９の周囲は、車両の所定部に固定される筒状のハウジング１３によって取り囲まれている。第１の筒体５は、針状ころ軸受１４を介してハウジング１３に回動自在に支持されており、第２の筒体６は玉軸受１５を介してハウジング１３に回動自在に支持されている。また、ハウジング１３の内周にはコイルばね９の周囲を取り囲む第１及び第２の検出コイル１６，１７が軸方向に相隣接して配置されている。各検出コイル１６，１７は、ハウジング１３の内周の第１の環状凹部１８に保持された断面コの字形形状の磁性体製の筒体１９，２０の周溝内に巻回状態で収容保持されている。２１は両筒体１９，２０間に介在して検出コイル１６，１７間の距離を規制するスペーサである。
【００１３】２２は第１の環状凹部１８よりも大径の第２の環状凹部２３の一端の周溝に嵌め入れられた止め輪であり、この止め輪２２と筒体２０の端面との間には、両筒体１９，２０及びスペーサ２１を一体的に軸方向に付勢する付勢手段としての皿ばね２４が介在している。皿ばね２４により付勢された筒体１９が第１の環状凹部１８の一端の位置決め段部２５に当接し、これにより、両検出コイル１６，１７が軸方向に位置決めされ保持されている。
【００１４】第１及び第２の筒体５，６、コイルばね９、並びに第１及び第２の検出コイル１６，１７によってトルクセンサＴが構成されている。次いで、本トルクセンサの動作について説明する。図示しない発振器の発振動作によって各検出コイル１６，１７に発生した磁束は、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、螺旋状のコイルばね９の隣接する巻き線９ｃ，９ｄを介する磁気回路Ｃ１，Ｃ２を構成するが、磁気回路Ｃ１，Ｃ２の磁気抵抗は、コイルばね９の隣接する巻き線９ｃ，９ｄ間のエアギャップの量ｄ１，ｄ２により左右される。一方、このエアギャップの量は、操舵が行われて入力軸２と出力軸３との間に相対回転を生じたときにコイルばね９が捩じりを強めたり弱めたりすることにより変化する。
【００１５】例えばコイルばね９が右巻きである場合に、舵輪が右に切られると、コイルばね９は捩じりを強めるため、コイルばね９の巻き線のピッチが狭くなり、その結果、操舵装置が中立位置にあるときと比較してエアギャップ量ｄ１は図２（ａ）のように狭くなる。このため、各検出コイル１６，１７による磁気回路の磁気抵抗が減少し、各検出コイル１６，１７のインピーダンスが増大する。
【００１６】一方、舵輪が左に切られるとコイルばね９は捩じりを弱めるため、コイルばね９の巻き線のピッチが広くなり、その結果、操舵装置が中立位置にあるときと比較してエアギャップ量ｄ２は図２（ｂ）のように広くなる。このため、各検出コイル１６，１７の磁気回路の磁気抵抗が増大し、各検出コイル１６，１７のインピーダンスが減少する。これらのインピーダンス変化を各検出コイル１６，１７の両端の電圧として取り出し、図示しない増幅器にて増幅して、トルクに応じた出力を得る。
【００１７】本実施の形態では、入力軸２と出力軸３の端部に固定した筒体５，６間にコイルばね９を取り付け、これを検出コイル１６，１７が装着されたハウジング１３内に挿入することで、トルクセンサＴを簡単に組み立てることができる。歯部同士を対向させる従来の場合では、トルクがゼロの状態で、歯部同士を軸方向及び回転方向の双方に位置決めしなければならなかったが、単純な機械要素であるコイルばね９のピッチ変化に基づいてトルクを検出する本実施の形態では、軸方向の位置決めはラフで良く、この点からも組立が簡単である。また、厳格な位置決めを行わずとも、コイルばね９の巻き線のピッチはあまりばらつかず、このようなコイルばね９のピッチ変化に基づいてトルクを検出するので、検出特性のばらつきも少ない。
【００１８】特に、各検出コイル１６，１７はコイルばね９の全周にわたってのエアギャップ変化を検出することになるので、組み付け時のコイルばね９のセット長のばらつきは検出特性にほとんど影響を与えない。また、入力軸２と出力軸３の相対回転に伴って、第１及び第２の筒体５，６の傾斜面からなる端面７，８が互いの位相をずらし、これにより、コイルばね９の全長が周方向の一部で部分的に変化する。一方、検出コイル１６，１７はコイルばね９の全周にわたってのエアギャップ変化の影響を受けるので、前記のピッチの部分的な変化を検出することができる。すなわち、入、出力軸２，３間に相対回転を生じたときに、単にコイルばね９の捩じりが増減されるだけでなく、コイルばね９の全長が部分的に変化する。これにより、入、出力軸２，３の相対回転の量に対して相対的に大きなピッチ変化を得ることができ、その結果、検出コイル１６，１７の検出出力を高めることができる。ひいては検出感度を向上させることができる。
【００１９】さらに、コイルばね９の巻き線の断面を矩形としたので、断面が丸形である場合と比較して、隣接する巻き線間の最小隙間の量（最小のエアギャップ量）を各検出コイル１６，１７に近い側で得ることができる。したがって、磁気回路の長さを短くして検出コイル１６，１７の検出出力を向上でき、結果として検出感度を向上させることができる。
【００２０】また、第１及び第２の検出コイル１６，１７の出力性向を互いに逆向き（一方の出力が増加するとき他方の出力が減少すること）にしておけば、両検出コイル１６，１７の差動出力を取ってこれを１／２とすることにより、各検出コイル１６，１７の出力にそれぞれ同等量含まれている温度影響成分を相殺して、温度補償を行うことができる。
【００２１】なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、例えば、筒体５，６の端面７，８を、入力軸２や出力軸３の中心軸線と直交する面とすることもできる。また、コイルばね９の巻き線の断面形状は丸形であっても良い。さらに、筒体５，６を対応する入力軸２及び出力軸３と一体に形成しても良い。また、本実施の形態では温度補償を目的として検出コイルを一対設けたが、単一の検出コイルを用いるようにしても良く、その他、本発明の範囲で種々の変更を施すことができる。
【００２２】
【発明の効果】請求項１記載の発明では、単純で標準的な機械要素である螺旋状のコイルばねを用いるので、困難な加工や組み付けは不要であり、製造コストを安くすることができる。また、厳格な位置決めを行わずとも、コイルばねの巻き線のピッチはあまりばらつかず、このようなコイルばねのピッチ変化に基づいてトルクを検出するので、検出特性のばらつきも少ない。
【００２３】請求項２記載の発明では、入力軸と出力軸の相対回転に伴って、コイルばねの全長をも変化させることができるので、コイルばねを単にねじるだけの場合と比較して、コイルばねのピッチ変化をより大きくでき、その結果、検出出力をより大きくして、検出感度を向上させることができる。請求項３記載の発明では、隣接する巻き線間の最小隙間を検出コイルに近い側で得ることができるので、磁気回路の長さを短くして検出出力を向上できる結果、検出感度を向上させることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００１２４７
【氏名又は名称】光洋精工株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年２月２４日（１９９９．２．２４） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７５１５５
【弁理士】
【氏名又は名称】亀井 弘勝 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開２０００−２４１２６５（Ｐ２０００−２４１２６５Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年９月８日（２０００．９．８） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−４６８５９ |
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