(57)【要約】【課題】  ステアリングの操舵トルクを検出するのに好適な簡易な構造のトルクセンサと、これを備えたステアリングを提供する。【解決手段】  ステアリングホイール基部２に組み込まれ、ステアリングに入力された操舵トルクを、コラムシャフト６端に伝達するとともに、操舵トルクを検出するトルクセンサ１０が、ステアリングホイール基部２に固着される固定孔２２と、ステアリングホイール基部側２から突設されたトルク伝達ピン１５を受け入れる受圧孔２１と、固定孔２２と受圧孔２１との間に歪みゲージ２５が配設されたトルク検出プレート２０を有する。ステアリングホイール基部２からトルク伝達ピン１５を介してトルク検出プレート２０の受圧孔２１に操舵トルクが伝達された際に、固定孔２２と受圧孔２１間に生じた部材変位を、ホイートストンブリッジ回路を構成する歪みゲージ２５で抵抗変化値として検出し、抵抗変化値をもとに操舵トルク量を得る。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スポークを介してステアリングホイールを支持するステアリングホイール基部に組み込まれ、前記ステアリングホイール基部に入力された操舵トルクを、該ステアリングホイール基部に連結されたコラムシャフト端に伝達するとともに、操舵トルク伝達時に生じた部材変位から前記操舵トルクを検出するトルクセンサであって、
前記トルクセンサは、前記ステアリングホイール基部に固着される固定部と、前記ステアリングホイール基部側から突設されたトルク伝達部材を受け入れる受圧部と、前記固定部と受圧部との間に歪みセンサが配設されたトルク検出プレートを有し、前記ステアリングホイール基部から前記トルク伝達部材を介して前記トルク検出プレートの受圧部に前記操舵トルクが伝達された際に、前記固定部と前記受圧部間に生じた部材変位を前記歪みセンサで抵抗変化値として検出し、前記抵抗変化値をもとに操舵トルク量を得ることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２】
前記トルク検出プレートは、前記コラムシャフトの軸芯を中心とした同心円上に、対向した２個の前記固定部と、該固定部と直交した位置にある２個の前記受圧部とを有し、前記固定部と前記受圧部との間に少なくとも１個の前記歪みセンサが配設されたことを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
【請求項３】
前記トルク検出プレートは、前記コラムシャフトの軸芯を中心とした同心円上に、１個の前記固定部と、該固定部の両側に位置した２個の前記受圧部とを有し、前記固定部と前記受圧部との間にそれぞれ２個の歪みセンサが配設されたことを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
【請求項４】
前記歪みセンサは、前記トルク検出プレート表面の同心円上に４個が配置された歪みゲージであり、該４個の歪みゲージを含むホイートストンブリッジ回路が組まれ、前記歪みセンサに生じた歪みによる抵抗変化を、該回路の出力電圧変化値に変換し、前記操舵トルクを検出したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のトルクセンサ。
【請求項５】
トルク伝達部材と前記受圧部との間に緩衝樹脂部材が介装されたことを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
【請求項６】
前記ステアリングホイール基部は、軸受部材を介して回転可能に前記コラムシャフト端部に支持されたことを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
【請求項７】
前記トルク伝達部材は、前記ステアリングホイール基部に回転可能に嵌合された前記軸受部材の一部に設けられたことを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
【請求項８】
前記トルク検出プレートの一部に前記歪みセンサからの導線が集束されたコネクタが設けられたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のトルクセンサ。
【請求項９】
前記歪みセンサは、前記トルク検出プレート表面の所定位置にプリントされたことを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９に記載のいずれか１項に記載のトルクセンサが、前記ステアリングホイール基部に設けられ、前記ステアリングホイールに入力された操舵トルクを、前記ステアリングホイール基部に連結されたコラムシャフト端に伝達することを特徴とするステアリング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はトルクセンサ及びステアリングに係り、特に自動車等のステアリングホイールの操舵トルクを検出するのに好適なトルクセンサと同センサを備えたステアリングに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車等のステアリング操舵のパワーステアリング機構の制御に利用される操舵トルクの検知情報は、ステアリングシャフトの回転によって捻れを生じるトーションバー等の捻り部材の変位量（捻れ角）を検知したり、ステアリングホイール等の転舵装置との間に介装された回転伝達部材の変位量（回転角）等を検知し、それぞれの変位量を歪みレベルで検知し、ホイートストンブリッジ回路等で電気的信号に変換して制御回路への検知情報として利用していた。
【０００３】
特許文献１の図２、図３には、ステアリングコラムシャフトアセンブリ１のロワーシャフト５とアッパーシャフト６との間にトーションバー７がそれらを連結するように配置され、このトーションバー７上に取り付けられたステアリングトルクセンサ２が開示されている。ステアリングトルクセンサ２の詳細構成は、図３に開示されたように、円柱状のトーションバー７の周面に一体的に取り付けられたセンサモジュール２１と、センサモジュール２１に所定の電圧を印加し、センサモジュール２１の出力する信号を増幅し、トルク検出を行うセンサ回路２２と、センサ回路２２に接続されたワイヤハーネス２３と、センサ部品を覆うセンサカバー２４とからなる。
【０００４】
特許文献２には、ステアリングホイールのスポークに起歪部を形成し、その起歪部にストレインゲージを取り付け、ストレインゲージの抵抗値変化による信号に基づいて操舵トルクを検出するようにした操舵トルク検出装置が開示されている。この操舵トルク検出装置では、図２に示されたように、ステアリングホイールを保持する３本のスポークのうち、基部４から２本の直線状に延びたスポーク２，３に起歪部が設けられ、歪みゲージが取り付けられ、他の１本のスポークがステアリングホイールに作用する外力の規制を行うことで、スポーク２，３の起歪部ではステアリングホイールの回転トルクのみが検出できるようになっている。
【０００５】
【特許文献１】特開平９−８９６９２号公報
【特許文献２】実開昭６３−３５９３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、上述したように、ステアリングホイールの回転を伝達する中間部材である、ロワーシャフト５とアッパーシャフト６との接続部にトーションバー７が両者を連結する部材として設けられている。そしてこのトーションバー７上にステアリングトルクセンサ２が取り付けられている。この特許文献１の発明では、ステアリングホイールとトルク検出位置とが離れているため、ステアリングホイールから加わった操舵トルクの検知に対しての応答性が劣るという問題がある。また、検知部材が構造部材の一部として利用されるとともに、検知部品として用いられるため、部材設計が複雑で、部品点数が多くなり、その結果ステアリングの構造も複雑になるという問題もある。
【０００７】
一方、特許文献２に開示された操舵トルク検出位置は簡単な構造ではあるが、スポーク５の剛性、ストッパ７の構造等により、ステアリングホイールに入力された操舵トルクの検出値が大きく変化するため、検出精度を高めるための当初の部品設計が難しいという問題がある。また、ステアリングホイールの支持部材であるスポークの一部に起歪部が設けられているため、ステアリングホイールに操舵トルク以外の面外力等が作用しても起歪部に変位が生じ、検出信号が出力され、誤動作が生じるおそれもある。そこで、本発明の目的は上述した従来の技術が有する問題点を解消し、ステアリングホイールからコラムシャフトに伝達される操舵トルクの伝達経路上において、操舵トルク以外の外力の検出を確実に遮断できる構造の伝達部材を介してステアリングホイールの操舵トルクを検出できるようにしたトルクセンサと、該トルクセンサを備えたステアリングを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明はスポークを介してステアリングホイールを支持するステアリングホイール基部に組み込まれ、前記ステアリングホイール基部に入力された操舵トルクを、該ステアリングホイール基部に連結されたコラムシャフト端に伝達するとともに、操舵トルク伝達時に生じた部材変位から前記操舵トルクを検出するトルクセンサであって、前記トルクセンサは、前記ステアリングホイール基部に固着される固定部と、前記ステアリングホイール基部側から突設されたトルク伝達部材を受け入れる受圧部と、前記固定部と受圧部との間に歪みセンサが配設されたトルク検出プレートを有し、前記ステアリングホイール基部から前記トルク伝達部材を介して前記トルク検出プレートの受圧部に前記操舵トルクが伝達された際に、前記固定部と前記受圧部間に生じた部材変位を前記歪みセンサで抵抗変化値として検出し、前記抵抗変化値をもとに操舵トルク量を得ることを特徴とする。
【０００９】
前記トルク検出プレートは、前記コラムシャフトの軸芯を中心とした同心円上に、対向した２個の前記固定部と、該固定部と直交した位置にある２個の前記受圧部とを有し、前記固定部と前記受圧部との間に少なくとも１個の前記歪みセンサを配設することが好ましい。
【００１０】
前記トルク検出プレートは、前記コラムシャフトの軸芯を中心とした同心円上に、１個の前記固定部と、該固定部の両側に位置した２個の前記受圧部とを有し、前記固定部と前記受圧部との間にそれぞれ２個の歪みセンサを配設することが好ましい。
【００１１】
前記歪みセンサは、前記トルク検出プレート表面の同心円上に４個が配置された歪みゲージとし、該４個の歪みゲージを含むホイートストンブリッジ回路が組まれ、前記歪みセンサに生じた歪みによる抵抗変化を、該回路の出力電圧変化値に変換し、前記操舵トルクを検出することが好ましい。
【００１２】
トルク伝達部材と前記受圧部との間に緩衝樹脂部材が介装することが好ましい。
【００１３】
前記ステアリングホイール基部は、軸受部材を介して回転可能に前記コラムシャフト端部に支持させることが好ましい。
【００１４】
前記トルク伝達部材は、前記ステアリングホイール基部に回転可能に嵌合された前記軸受部材の一部に設けることが好ましい。
【００１５】
前記トルク検出プレートの一部に前記歪みセンサからの導線が集束されたコネクタを設けることが好ましい。
【００１６】
前記歪みセンサは、前記トルク検出プレート表面の所定位置にプリントすることが好ましい。これにより製作工程の簡単化が図れる。
【００１７】
上述したいずれかの構成からなるトルクセンサを、前記ステアリングホイール基部に設け、前記ステアリングホイールに入力された操舵トルクを、前記ステアリングホイール基部に連結されたコラムシャフト端に伝達するステアリングの構成を特徴とする。この構成により、高精度で簡易な構造からなる操舵トルク検出機構を組み込んだ、低コストのステアリングを提供することができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上に述べたように、本発明によれば、ステアリングホイール基部に設けられたトルクセンサのトルク検出プレートに伝達された操舵トルクを確実にコラムシャフトに伝達するとともに、その際にその操舵トルクを簡易な構成によって正確に得ることができ、またこのトルクセンサが一体的に組み込まれることにより、操舵トルク検出機構を備えた、低コストのステアリングを提供することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明のトルクセンサの実施するための最良の形態として、以下の実施例について添付図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００２０】
図１は、自動車用のステアリングホイールの装備のうち、その基部位置に配備されたエアバッグ装置類と、これらを覆うパッド状のリッドと、ホイールとスポークの各部の外装用樹脂製パッド部材とを取り除いて、トルクセンサアッセンブリ１０が露出した状態の芯金部材１を示した斜視図である。図２は、図１に示したステアリングホイール基部２からスポーク３が３方向に一体的に成形された芯金部材１と、このステアリングホイール基部２の上面に取り付けられたトクルセンサアッセンブリ１０とをドライバー側から見た部分拡大平面図である。本実施例では、芯金部材１はステアリングホイール基部２と、Ｔ字形をなすスポーク３とホイール４（図１参照）とが一体成形されたマグネシウム合金からなり、トルクセンサアッセンブリ１０が２本の固定ボルト５によってステアリングホイール基部２の表面に固定されている。
【００２１】
トルクセンサアッセンブリ１０の構成について図３の分解斜視図、図４〜図７の組立後側面図、一部断面図を参照して説明する。トルクセンサアッセンブリ１０は、コラムシャフト６を心棒として、その端部に固定され、ステアリングホイール基部２を回転可能に軸支してトルク伝達部材として保持するとともに、トルク検出プレート２０に操舵トルクを伝達する軸受け部材としての軸受ポスト１１と、その上面に固定され軸受ポスト１１から伝達された操舵トルクを検出するセンサ部が設けられたトルク検出プレート２０とからなる。すなわち、図３に示したように、ステアリングホイールの操舵軸として機能するコラムシャフト６の端部には軸受ポスト１１が固定され、この軸受ポスト１１の外周に、ステアリングホイール基部２が、その間に回転スリーブ１３，１４が介装された状態で回転可能に軸支されている。軸受ポスト１１の下端１１ｄはネジ加工されており、下方から位置保持ナット１２を締め込むことにより、ステアリングホイール基部２は軸受ポスト１１と位置保持ナット１２とで所定位置に固定される（図４，図５参照）。回転スリーブ１３，１４は４フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）からなり、軸受ポスト１１に外嵌する筒部１３ａ，１４ａと端部に周状に形成されたフランジ１３ｂ，１４ｂとで軸受ポスト１１の内周面と上下縁部とを覆うことで（図５参照）ステアリングホイール基部２と軸受ポスト１１との金属面同士が密着せず、ステアリングホイール基部２の滑らかな回転が確保されている。
【００２２】
軸受ポスト１１は、図３，図７に示したように、回転スリーブ１３，１４が外挿される肉薄のステアリングホイール軸受部１１ａと、ステアリングホイール軸受部１１ａの上部に形成された肉厚のピン支持部１１ｂとからなり、ピン支持部１１ｂあるいは後述するコラムシャフト６の軸芯Ｃに対して対称位置の側面に張り出すように形成された２枚の支持フランジ１１ｃ上にそれぞれトルク伝達ピン１５が形成されている。支持フランジ１１ｃはトルク伝達ピン１５を上面で支持するとともに、ステアリングホイール基部２の上面に形成された支持フランジ１１ｃを収容可能なほぼ同形の凹所２ａに所定のクリアランスをとって下半部が嵌め込まれた状態で位置保持ナット１２でステアリングホイール基部２を挟持することができる。
【００２３】
支持フランジ１１ｃ上に形成された各トルク伝達ピン１５上には合成樹脂製の緩衝キャップ１６が被されている（図３，図６，図７）。緩衝キャップ１６は上端が閉塞した筒部が後述するトルク検出プレート２０の受圧孔２１に挿通され、この部分が繰り返し荷重として作用する操舵トルクの受圧点となる。そのため、合成樹脂素材としては、耐久性、繰り返し荷重に対する耐荷性等に優れたポリアセタール樹脂（ＰＯＭ）が好適である。
【００２４】
トルク検出プレート２０は、図２，図３，図８に示したように、コラムシャフト６の軸芯Ｃを中心とした軸受ポスト１１の外径にほぼ等しい内径で開口がくり抜かれたリング状部２０ａと、リング状部２０ａから矩形状に張り出したコネクタ支持部２０ｂとで構成された薄板鋼板である。リング状部２０ａには、軸芯Ｃと対称位置に配置された２個の受圧孔２１と、受圧孔２１と直交位置に形成された２個のプレート固定孔２２とが形成され、プレート固定孔２２に対向するステアリングホイール基部２の上面にはプレート支持ボス２ｂが形成され、プレート支持ボス２ｂにボルト固定穴２ｄが形成されている（図５参照）。トルク検出プレート２０はプレート支持ボス２ｂのボルト固定穴２ｄに固定ボルト５で堅固に固定される。トルク検出プレート２０のリング状部２０ａの表面の同心円上に４箇所の歪みゲージ２５が設けられている。本実施例では歪みゲージ２５は、約９０°の角度間隔をとって受圧孔２１とプレート固定孔２２との間に配置されている。この歪みゲージ２５として、本実施例ではプレート面にゲージ２５を直接プリントしたタイプが使用されているが、ゲージ２５を所定位置に貼付したものでもよい。
【００２５】
以下、上述した各部材が組み立てられた状態での構成の特徴について図４〜図７各図を参照して説明する。
トルク検出プレート２０は図４，図５に示したように、ほぼ水平をなすように軸受ポスト１１上のプレート支持ボス２ｂに固定ボルト５で堅固に固定されている。そしてその表面には４枚の歪みゲージ２５がプリントされている（図３，図４，図７，図８）。これら歪みゲージ２５からはコネクタ支持部２０ｂに取り付けられたコネクタ２６に図示しないリード線が導かれ、コネクタ２６内で４個の歪みゲージ２５を組み合わせた公知のホイートストンブリッジ回路が構成され、さらにコネクタ２６に連結された図示しない信号線により、制御部に検出信号が出力される（図９）。
【００２６】
トルク検出プレート２０と、ステアリングホイール基部２の支持フランジ１１ｃに形成されたトルク伝達ピン１５との間には、図４，図６，図７に示したように、緩衝キャップ１６が位置している。この緩衝キャップ１６は、後述するように、ステアリングホイール４（図１）に加えられた操舵トルクがステアリングホイール基部２に固定されたトルク検出プレート２０に伝達される際の緩衝部材として作用する。すなわち、ドライバーがステアリングホイール４を回転（回転）した際には、その回転角に応じた操舵トルクがステアリングホイール基部２を経由して固定ボルト５で連結されたトルク検出プレート２０に伝達される。さらに操舵トルクはトルク検出プレート２０のトルク伝達ピン１５を介して軸受ポスト１１に伝達され、最終的に軸受ポスト１１の上面のナット７で軸受けポスト１１と一体固定されたコラムシャフト６に伝達される。この結果、トルク検出プレート２０には、後述するように、固定ボルト５位置とトルク伝達ピン１５位置とを境界として面内圧縮力域と面内引張域とが形成され、それぞれの位置に配置された歪みゲージ２５に圧縮あるいは引張応力が作用し、それぞれの状態に応じて歪みが生じる。このときトルク伝達ピン１５とトルク検出プレート２０との間には緩衝キャップ１６が装着されているため、たとえばドライバーが体を前方に倒してステアリングホイールに寄りかかったりした場合のように操舵トルク以外の力が作用しても緩衝キャップ１６の軟質合成樹脂がその外力を吸収して変形できる。このため、操舵トルク以外の外力を誤って検出して誤動作を起こすことはない。
【００２７】
ここで、トルクアッセンブリ１０のトルク検出プレート２０に装着された歪みゲージ２５による操舵トルク検知方法について、図８を参照して説明する。図８はトルク検出プレート２０の形状とプレート２０に作用する作用力を模式的に示した平面図である。歪みゲージ２５は、図８に明確に示されているように、コラムシャフト６の軸芯Ｃを中心とした同一円周上に設けられ、本実施例では上述したように周方向に約９０°の間隔をあけてプレート表面上に配置されている。ドライバーが図１に示したステアリングホイール４を左回転（左転舵）しようとすると、図８に示した白抜き矢印のようにステアリングホイール基部２に作用力（操舵トルク）Ｔｓが加わる。このとき、ステアリングホイール基部２の表面に２箇所の固定孔２２で固定されたトルク検出プレート２０には、軸受ポスト１１の支持フランジ１１ｃに立設された２本のトルク伝達ピン１５の受圧孔２１の受圧点側に緩衝キャップ１６を介して操舵トルクが作用し、さらに軸受ポスト１１と一体化したコラムシャフト６に伝達される。この操舵トルクの伝達経路としてのトルク検出プレート２０の部材変形に伴い、固定点と受圧点との間に交互に圧縮域ｃと引張域ｔとが生じる。これらのうち圧縮域ｃに位置する歪みゲージ２５（Ｒ１，Ｒ４）には圧縮ひずみが、引張域ｔに位置する歪みゲージ２５（Ｒ２，Ｒ３）には引張歪みが生じる。これらＲ１〜Ｒ４の歪みゲージ２５の抵抗値変化を用いて、図９に示したような公知のホイートストンブリッジ回路に印加される外部電源ＶccとＧnd＝０との電圧差において、その間の回路電圧の出力変化を求めることで、その操舵トルク値を知ることができる。
【実施例２】
【００２８】
図１０は、他の実施例として、トルク検出プレート２０のコンパクト化を図ったトルクセンサアッセンブリ１０の構成を示した分解斜視図で、図１１はトルク検出プレート２０の形状とプレートに作用する作用力を模式的に示した平面図である。この実施例では、図１１に示したトルク検出プレート２０を用いたため、図１０に示したように、軸受ポスト１１の支持フランジ１１ｃは、実施例１に示した形状に対して、コラムシャフト６の軸芯Ｃと左右に延びるスポーク３との位置関係から所定量だけ偏心した形状になっている。この支持フランジ１１ｃの表面にトルク伝達ピン１５が突設されている。このトルク伝達ピン１５に緩衝キャップ１６を被せて図１１に示したトルク検出プレート２０を、１本の固定ボルト５でステアリングホイール基部２の表面に固定するようになっている。この実施例では、図１１に示したように、左回りの操舵トルクが作用した場合、１箇所の固定点と２箇所の受圧点との間に圧縮域ｃと引張域ｔとが生じる。Ｒ１〜Ｒ４の歪みゲージ２５が略円弧状をなすトルク検出プレート２０上での圧縮域と引張域と同一円周上に所定間隔をあけて配置されている。これらのうち圧縮域ｃに位置する歪みゲージ２５（Ｒ１，Ｒ３）には圧縮ひずみが、引張域ｔに位置する歪みゲージ２５（Ｒ２，Ｒ４）には引張歪みが生じる。これらＲ１〜Ｒ４の歪みゲージ２５の抵抗値変化を利用し、実施例１と同様に、図９の公知のホイートストンブリッジ回路に印加する外部電源ＶccとＧnd＝０との関係において、その電圧変化出力を求め、操舵トルク値を知ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明のトルクセンサを組み込んだステアリングの全体を示した斜視図。
【図２】図１に示したステアリングホイール基部とスポークとトルクアッセンブリとを拡大して示した拡大平面図。
【図３】ステアリングホイール基部とトルクセンサアッセンブリの部材構成と組立状態を示した分解斜視図。
【図４】図２に示したIV-IV線に沿って示した矢視側面図。
【図５】図２に示したV-V断面線に沿って示した部分断面図。
【図６】図２に示したVI-VI線に沿って示した矢視側面図。
【図７】図２に示したVII-VII断面線に沿って示した部分断面図。
【図８】図２に示したトルクアッセンブリに用いたトルク検出プレートの平面形状及びトルク作用時の応力状態を示した模式説明図。
【図９】歪みゲージを用いて構成したホイートストンブリッジ回路の一例を示した回路図。
【図１０】他の実施例としてのトルク検出プレートを用いたトルクセンサアッセンブリの部材構成と組立状態を示した分解斜視図。
【図１１】図１０に示したトルクセンサアッセンブリに用いたトルク検出プレートの平面形状及びトルク作用時の応力状態を示した模式説明図。
【符号の説明】
【００３０】
１  芯金部材
２  ステアリングホイール基部
３  スポーク
５  固定ボルト
６  コラムシャフト
７  固定ナット
１０  トルクセンサアッセンブリ
１１  軸受ポスト
１２  位置保持ナット
１５  トルク伝達ピン
１６  緩衝キャップ
２０  トルク検出プレート
２５  歪みゲージ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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