(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１シャフトと、
その第１シャフトに弾性的に同軸中心に相対回転可能に連結される第２シャフトと、
その第１シャフトに軸方向移動可能に連結される移動体と、
両シャフトの相対回転量が移動体の軸方向移動距離に対応するように、両シャフトの相対回転を移動体の軸方向移動に変換する運動変換機構と、
その移動体の軸方向移動距離に対応するトルク信号を出力する手段とを備えるトルクセンサにおいて、
その運動変換機構は、第１転動ボールと、第２転動ボールと、その第１シャフト側に形成された第１案内溝と、その第２シャフト側に形成された第２案内溝とを有し、
その移動体は、その第１転動ボールの外周一部に接する弾性変形可能な合成樹脂製の第１ボール保持部と、その第２転動ボールの外周一部に接する弾性変形可能な合成樹脂製の第２ボール保持部とを有し、
各ボール保持部が各転動ボールに弾性変形による弾力を作用させることで、各転動ボールは各ボール保持部により転動可能に保持され、
その第１転動ボールは前記第１案内溝に、前記両シャフトの軸方向に沿って案内されるように転動可能に嵌め合わされ、
その第２転動ボールは前記第２案内溝に、前記両シャフトの軸まわりの螺旋方向に沿って案内されるように転動可能に嵌め合わされ、
各ボール保持部は、前記各転動ボールが転動可能かつ部分的に突出するように嵌め合わされる球面に沿うボール保持用凹面を有し、
各ボール保持用凹面の開口周囲部は、各転動ボールの通過を許容する位置まで弾性変形可能、且つ、各転動ボールの通過を阻止する位置まで復元変形可能とされ、その開口周囲部の弾性的な復元力により各転動ボールがボール保持用凹面に球面接触するように押し付けられることを特徴とするトルクセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トルクに応じた２つのシャフトの相対回転量に対応する移動体の軸方向移動量から、そのトルクを検出するトルクセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
実公平８−６２７６号公報に開示されるトルクセンサは、第１シャフトと、その第１シャフトに弾性的に同軸中心に相対回転可能に連結される第２シャフトと、その第１シャフトに軸方向移動可能に連結される移動体と、両シャフトの相対回転量が移動体の軸方向移動距離に対応するように、両シャフトの相対回転を移動体の軸方向移動に変換する運動変換機構と、その移動体の軸方向移動距離に対応するトルク信号を出力する手段とを備える。
【０００３】
その運動変換機構は、第１シャフトに圧入されるピンと、第２シャフトに形成された凹部に収容される転動ボールと、移動体に形成された長穴と、移動体に形成された螺旋溝とを有する。そのピンは長孔に、両シャフトの軸方向に沿って案内されるように挿入される。その転動ボールは螺旋溝に、両シャフトの軸まわりの螺旋方向に沿って案内されるように転動可能に嵌め合わされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の構成では、その転動ボールは第２シャフトの凹部内面と移動体の螺旋溝内面とにより挟まれることで脱落が防止されている。そのため、分解や組み立てに際して転動ボールが脱落するおそれがあり、作業性が低下するという問題がある。また、その転動ボールと第２シャフトの凹部内面との間の隙間により、移動体が第２シャフトに対してがたつき、トルク検出精度が低下するという問題がある。そのがたつき防止のために第２シャフトの凹部の寸法精度を向上するには精密な金属切削加工が必要でコストが増大する。
【０００５】
本発明は、上記問題を解決することのできる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】
本発明は、第１シャフトと、その第１シャフトに弾性的に同軸中心に相対回転可能に連結される第２シャフトと、その第１シャフトに軸方向移動可能に連結される移動体と、両シャフトの相対回転量が移動体の軸方向移動距離に対応するように、両シャフトの相対回転を移動体の軸方向移動に変換する運動変換機構と、その移動体の軸方向移動距離に対応するトルク信号を出力する手段とを備えるトルクセンサにおいて、その運動変換機構は、第１転動ボールと、第２転動ボールと、その第１シャフト側に形成された第１案内溝と、その第２シャフト側に形成された第２案内溝とを有し、その移動体は、その第１転動ボールの外周一部に接する弾性変形可能な合成樹脂製の第１ボール保持部と、その第２転動ボールの外周一部に接する弾性変形可能な合成樹脂製の第２ボール保持部とを有し、各ボール保持部が各転動ボールに弾性変形による弾力を作用させることで、各転動ボールは各ボール保持部により転動可能に保持され、その第１転動ボールは前記第１案内溝に、前記両シャフトの軸方向に沿って案内されるように転動可能に嵌め合わされ、その第２転動ボールは前記第２案内溝に、前記両シャフトの軸まわりの螺旋方向に沿って案内されるように転動可能に嵌め合わされていることを特徴とする。
本発明の構成によれば、移動体における弾性変形可能な合成樹脂製の各ボール保持部は、その弾性変形により転動ボールの保持が可能であるので、分解や組み立てに際して転動ボールが脱落することはないので作業性を向上できる。そのボール保持部は合成樹脂製であるため容易に成形できる。
【０００７】
各ボール保持部は、前記各転動ボールが転動可能かつ部分的に突出するように嵌め合わされる球面に沿うボール保持用凹面を有し、各ボール保持用凹面の開口周囲部は、各転動ボールの通過を許容する位置まで弾性変形可能、且つ、各転動ボールの通過を阻止する位置まで復元変形可能とされ、その開口周囲部の弾性的な復元力により各転動ボールがボール保持用凹面に球面接触するように押し付けられるが好ましい。
これにより、転動ボールをボール保持用凹面に押し込むだけで、移動体を各シャフトに対するがたつきなく確実に保持し、トルク検出精度を向上できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１に示すラックピニオン式パワーステアリング装置１は、ステアリングホイールＨに連結される入力シャフト２と、この入力シャフト２にトーションバー３を介して弾性的に同軸中心に相対回転可能に連結される出力シャフト４とを備えている。そのトーションバー３はピン５を介して入力シャフト２に連結され、また、セレーション６を介して出力シャフト４に連結されている。その出力シャフト４にピニオン７が形成され、このピニオン７に噛み合うラック８が操舵用車輪（図示省略）に連結されている。その入力シャフト２はベアリング９を介してバルブハウジング１０ａにより支持され、また、ブッシュ１１を介して出力シャフト４により支持されている。その出力シャフト４はベアリング１２、１３を介してラックハウジング１０ｂにより支持されている。これにより、操舵による入力シャフト２の回転がトーションバー３を介してピニオン７に伝達されてラック８が車両幅方向に移動し、このラック８の移動により車輪が操舵される。なお、その入出力シャフト２、４とバルブハウジング１０ａとの間にオイルシール１４、１５が設けられている。また、そのラック８を支持するサポートヨーク１６が設けられ、このサポートヨーク１６はバネ１７の弾力によりラック８に押し付けられている。
【０００９】
操舵補助力を付与する油圧アクチュエータとして油圧シリンダ１８が設けられている。その油圧シリンダ１８は、ラックハウジング１０ｂにより構成されるシリンダチューブと、ラック８に一体化されたピストン２０と、そのピストン２０により仕切られる一対の油室２１、２２とを備える。各油室２１、２２にロータリー式油圧制御弁２３が接続されている。その制御弁２３は、筒状の第１バルブ部材２４と、この第１バルブ部材２４に相対回転可能に挿入される第２バルブ部材２５とを備えている。その第１バルブ部材２４は出力シャフト４にピン２６を介し同行回転可能に取り付けられている。その第２バルブ部材２５は入力シャフト２の外周に一体に形成されている。
【００１０】
図２に示すように、第１バルブ部材２４の内周と第２バルブ部材２５の外周とに、軸方向に沿う複数の凹部が周方向等間隔に形成されている。
その第１バルブ部材側凹部は、互いに周方向等間隔に位置する４つの右操舵用凹部２７と、互いに周方向等間隔に位置する４つの左操舵用凹部２８とで構成される。
その第２バルブ部材側凹部は、互いに周方向等間隔に位置する４つの圧油供給用凹部２９と、互いに周方向等間隔に位置する４つの圧油排出用凹部３０とで構成される。
各右操舵用凹部２７と各左操舵用凹部２８とは周方向に交互に配置され、各圧油供給用凹部２９と各圧油排出用凹部３０とは周方向に交互に配置される。
各右操舵用凹部２７は、第１バルブ部材２４に形成された第１流路３１およびバルブハウジング１０ａに形成された第１ポート３２を介して、図１に示すように油圧シリンダ１８の一方の油室２１に通じる。各左操舵用凹部２８は、第１バルブ部材２４に形成された第２流路３３およびバルブハウジング１０ａに形成された第２ポート３４を介して、油圧シリンダ１８の他方の油室２２に通じる。
各圧油供給用凹部２９は、第１バルブ部材２４に形成された第３流路３５およびバルブハウジング１０ａに形成された入口ポート３６を介して、図１に示すようにポンプ３７に通じる。そのポンプ３７はモータ５０により駆動され、例えば、そのモータ５０の回転速度に応じた流量の圧油を吐出するベーンポンプやギヤポンプにより構成できる。
各圧油排出用凹部３０は、第２バルブ部材２５に形成された第１排出路３８、入力シャフト２とトーションバー３の内外周間の通路４７、図１に示す入力シャフト２に形成された第２排出路３９、及びバルブハウジング１０ａに形成された排出ポート４０を介して、タンク４１に通じる。
これにより、そのポンプ３７、タンク４１、及び油圧シリンダ１８の各油室２１、２２は、第１バルブ部材２４と第２バルブ部材２５の内外周間の弁間流路４２を通じ連絡する。
その弁間流路４２における第１バルブ部材側凹部と第２バルブ部材側凹部の間は、両バルブ部材２４、２５の相対回転により開度が変化する絞り部Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄとされ、その絞り部Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの開度変化により油圧シリンダ１８に作用する油圧が制御される。
【００１１】
図２は、操舵が行なわれていない舵角中点での両バルブ部材２４、２５の相対位置を示す。この状態において、各圧油供給用凹部２９と各圧油排出用凹部３０とは全絞り部Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを介して連絡するため、ポンプ３７から供給された圧油は直接タンク４１へ還流し操舵補助力は発生せず、そのため、上記モータ５０を操舵補助に必要な操舵補助速度で駆動する必要はない。
舵角中点から右方へ操舵すると、操舵トルクに応じてトーションバー３は捩じれ、両バルブ部材２４、２５は相対回転する。その結果、絞り部Ａの開度および絞り部Ｂの開度が大きくなり、絞り部Ｃの開度および絞り部Ｄの開度が小さくなる。これにより、ポンプ３７から油圧シリンダ１８の一方の油室２１へ圧油が供給され、油圧シリンダ１８の他方の油室２２からタンク４１へ圧油が還流され、車両の右方への操舵補助力がラック８に作用する。
舵角中点から左方へ操舵すると、各絞り部Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの開度は右方へ操舵した場合と逆に変化するので、車両の左方への操舵補助力がラック８に作用する。
【００１２】
図１に示すように、上記モータ５０はコントローラ６０に接続される。そのコントローラ６０は、制御回路６１と駆動回路６２とを有する。その制御回路６１はコンピュータにより主構成され、操舵トルクの大きさを検知するトルクセンサ７０に接続され、その検知トルクの大きさに応じた指示信号を駆動回路６２に出力する。その駆動回路６２はバッテリー電源６３に接続され、制御回路６１からの指示信号に対応する駆動電流をモータ５０に送る。
【００１３】
図３〜図７に示すように、そのトルクセンサ７０は、第１シャフト７１と第２シャフト７２とを備える。その第１シャフト７１は上記入力シャフト２に連結され、第２シャフト７２はステアリングホイールＨに連結される。
【００１４】
その第１シャフト７１に軸心に沿って形成された凹部７１ａと、第２シャフト７２に軸心に沿って形成された凹部７２ａとに、トーションバー７３が挿入される。そのトーションバー７３の一端は、第１シャフト７１にピン７４を介して連結される。そのトーションバー７３の他端は第２シャフト７２にピン７５を介して連結される。車体側に取り付けられる支持ハウジング７６により、第１、第２シャフト７１、７２はベアリング（図示省略）を介して支持される。また、第１シャフト７１の他端は、第２シャフト７２の一端の凹部７２ａの内周により、スリーブ８９を介して支持される。これにより、第２シャフト７２は第１シャフト７１に操舵トルクに応じて弾性的に同軸中心に相対回転可能に連結されている。なお、第１シャフト７１の他端外周の一部と第２シャフト７２の一端の凹部７２ａ内周一部は、横断面が非円形とされ、これにより、両シャフト７１、７２の相対回転量が一定範囲に規制されることでトーションバー７３の破損が防止されている。
【００１５】
その第１シャフト７１に弾性変形可能な合成樹脂製の移動体８０が軸方向移動可能に連結されている。その移動体８０は、小径部分と大径部分とを有する筒形状を有し、両シャフト７１、７２と同軸心に配置されている。その小径部分の内周に周方向に等間隔をおいて複数（本実施形態では２つ）の第１ボール保持部８１が形成され、その大径部分の内周に周方向に等間隔をおいて複数（本実施形態では４つ）の第２ボール保持部８２が形成されている。
【００１６】
その第１シャフト７１と第２シャフト７２の相対回転量が移動体８０の軸方向移動距離に対応するように、両シャフト７１、７２の相対回転を移動体８０の軸方向移動に変換する運動変換機構９０が設けられている。その運動変換機構９０は、各第１ボール保持部８１により転動可能に保持される第１転動ボール９１と、各第２ボール保持部８２により転動可能に保持される第２転動ボール９２と、上記第１シャフト７１の外周に周方向に等間隔をおいて形成された複数（本実施形態では２つ）の第１案内溝９３と、第２シャフト７２の外周に一体化された環状部材９９の外周に、周方向に等間隔をおいて形成された複数（本実施形態では４つ）の第２案内溝９４とを有する。その環状部材９９は、例えば圧入により第２シャフト７２に一体化される。
【００１７】
上記弾性変形可能な合成樹脂製の各ボール保持部８１、８２は、各転動ボール９１、９２の外周一部に接する。各ボール保持部８１、８２が各転動ボール９１、９２に弾性変形による弾力を作用させることで、各転動ボール９１、９２は各ボール保持部８１、８２により転動可能に保持される。すなわち図７に示すように、各ボール保持部８１、８２は、各転動ボール９１、９２が転動可能かつ部分的に突出するように嵌め合わされる球面に沿うボール保持用凹面Ｓを有する。各ボール保持用凹面Ｓの開口周囲部Ｓ′は、移動体８０の内周から内方に突出し、その開口径は各転動ボール９１、９２の径よりも小さくされている。その開口周囲部Ｓ′は、各転動ボール９１、９２の通過を許容する位置まで弾性変形可能、且つ、各転動ボール９１、９２の通過を阻止する位置まで復元変形可能とされている。その開口周囲部Ｓ′の弾性的な復元力により各転動ボール９１、９２がボール保持用凹面Ｓに球面接触するように押し付けられる。その押し付け力は、各転動ボール９１、９２の転動が許容され、且つ、転動ボール９１、９２の移動体８０に対するがたつきが防止されるように設定される。これにより、各転動ボール９１、９２は各ボール保持部８１、８２により、ボール保持用凹面Ｓに開口から押し込むだけで確実にがたつくことなく保持される。
【００１８】
その第１転動ボール９１は、上記第１案内溝９３に転動可能に嵌め合わされる。各第１案内溝９３は、両シャフト７１、７２の軸方向に沿って形成され、図４に示すように横断面はＶ字形状を有する。これにより、第１転動ボール９１は第１案内溝９３により両シャフト７１、７２の軸方向に沿って案内される。
【００１９】
その第２転動ボールは、上記第２案内溝９４に転動可能に嵌め合わされる。各第２案内溝９４は、図５に示すように横断面はＶ字形状を有する。図６に示すように、各第２案内溝９４の長手方向は、両シャフト７１、７２の軸方向一方に向かうに従い周方向一方に向かう螺旋に沿うように両シャフト７１、７２の軸方向に対して傾斜する。これにより、第２転動ボール９２は第２案内溝９４により両シャフト７１、７２の軸まわりの螺旋方向に沿って案内される。
【００２０】
直進操舵状態、すなわち両シャフト７１、７２に操舵トルクが作用していない状態において、両シャフト７１、７２の相対回転位置は基準位置とされる。この両シャフト７１、７２の相対回転位置が基準位置である時、第１転動ボール９１は第１案内溝９３の両端間に配置され、第２転動ボール９２は第２案内溝９４の両端間に配置される。第２転動ボール９２が第２案内溝９４に接することで、両シャフト７１、７２が相対回転しない限り移動体８０の軸方向移動は阻止される。
【００２１】
左右一方への操舵時の操舵トルクによりトーションバー７３がねじれ、両シャフト７１、７２が周方向一方に相対回転すると、第２転動ボール９２が第２案内溝９４により両シャフト７１、７２の軸まわりの螺旋方向に沿って案内され、第１転動ボール９１が第１案内溝９３により両シャフト７１、７２の軸方向に沿って案内されるので、操舵トルクに応じて移動体８０は軸方向一方に向かい移動する。
左右他方への操舵時の操舵トルクによりトーションバー７３がねじれ、両シャフト７１、７２が周方向他方に相対回転すると、第２転動ボール９２が第２案内溝９４により両シャフト７１、７２の軸まわりの螺旋方向に沿って案内され、第１転動ボール９１が第１案内溝９３により両シャフト７１、７２の軸方向に沿って案内されるので、操舵トルクに応じて移動体８０は軸方向他方に向かい移動する。
【００２２】
その移動体８０の軸方向移動距離に対応するトルク信号を出力する手段が設けられている。すなわち、両シャフト７１、７２の支持側である上記支持ハウジング７６にホルダー９７が取り付けられ、このホルダー９７により複数（本実施形態では４つ）のホール素子９５が、両シャフト７１、７２の周方向における等間隔位置において保持される。また、その移動体８０の外周に、そのホール素子を通過する磁束を発生するリング状の磁石９６が一体化されている。その磁石９６は、例えば磁性粉末を含む焼結材、樹脂材、ゴム材等から一体成形されたものを用いることができ、移動体８０の外周に圧入や接着剤等により一体化される。これにより、操舵トルクの大きさに対応する移動体８０の軸方向移動距離に応じてホール素子９５の出力が変化するものとされている。そのホール素子９５の出力信号が、両シャフト７１、７２により伝達される操舵トルクの大きさに対応するトルク信号として上記制御回路６１に入力される。
【００２３】
その制御回路６１は、そのトルク信号に対応する操舵トルクの大きさに基づき、操舵補助を行うか否かを判断する。例えば、その検知された操舵トルクの大きさが、直進操舵状態であるとみなせる設定トルク値を超えた場合に操舵有りと判断する。また、その操舵トルクの大きさが、設定トルク値を超えない場合や、操舵有りと判断された後に設定時間だけ設定トルク値を超えない場合に操舵なしと判断する。その制御回路６１が操舵有りと判断した場合、上記モータ５０の回転速度を操舵補助速度とする指示信号を駆動回路６２に出力し、その指示信号に応じ駆動回路６２はモータ５０に回転速度が操舵補助速度になるように電流を流す。その操舵補助速度は、上記ポンプ３７から送り出される圧油の流量が操舵補助に必要な流量になるように予め設定される速度である。なお、その制御回路６１に接続される車速センサを別途設け、車速に応じてモータ５０の操舵補助速度を変更し、低車速では操舵補助力を大きくして操舵を容易にし、高車速では操舵補助力を小さくして車両の走行安定性を向上してもよい。その制御回路６１が操舵なしと判断した場合、上記モータ５０の回転速度を操舵補助速度とする指示信号を駆動回路６２に出力することはなく、また、すでにモータ５０の回転速度が操舵補助速度である場合は、そのモータ５０の回転速度を待機速度とする指示信号を駆動回路６２に出力し、その指示信号に応じ駆動回路６２はモータ５０に回転速度が待機速度になるように電流を流すか、その待機速度が零である場合はモータ５０への通電を停止する。
【００２４】
上記構成によれば、移動体８０における弾性変形可能な合成樹脂製の各ボール保持部８１、８２は、その弾性変形により転動ボール９１、９２の保持が可能であるので、分解や組み立てに際して転動ボール９１、９２が脱落することはないので作業性を向上できる。そのボール保持部８１、８２は合成樹脂製であるため容易に成形できる。また、各ボール保持部８１、８２は弾力により各転動ボール９１、９２をボール保持用凹面Ｓに球面接触するように押し付けるので、移動体８０の各シャフト７１、７２に対するがたつきを確実になくし、トルク検出精度を向上できる。さらに、各転動ボール９１、９２をボール保持用凹面Ｓに押し込むだけで保持できる。また、ホール素子９５は大量生産されるため安価であることから、トルクセンサの製造コストを低減できる。また、第２シャフト７２に一体化する環状部材９９の外周に第２案内溝９４を形成することで、両シャフト７１、７２の軸心から第２案内溝９４までの距離を大きくし、両シャフト７１、７２の相対回転量に対する移動体８０の軸方向移動量を大きくし、トルク検出精度の向上を図っている。
【００２５】
本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、第２シャフトが入力シャフトに連結され、第１シャフトがステアリングホイールに連結されてもよい。また、上記実施形態ではホール素子を用いてトルク信号を検出したが、移動体の移動距離に応じた信号を出力できるものであれば特に限定されず、例えば移動体に取り付けた磁石を囲むコイルのインダクタンス変化や、移動体と同行移動する可動部を有するポテンショメータを用いてもよい。また、トルクセンサによりトルクの大きさだけでなく方向も検出するようにしてもよい。さらに、本発明は操舵トルク以外のトルクを検出するトルクセンサにも適用できる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、分解や組み立てが容易で、トルク検出精度の低下を防止でき、製造コストを低減できるトルクセンサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態のパワーステアリング装置の断面図
【図２】図１のＩＩ‐ＩＩ線断面図
【図３】本発明の実施形態のトルクセンサの断面図
【図４】図３のＩＶ‐ＩＶ線断面図
【図５】図３のＶ‐Ｖ線断面図
【図６】本発明の実施形態の環状部材の平面図
【図７】本発明の実施形態のボール保持部の部分断面図
【符号の説明】
７０  トルクセンサ
７１  第１シャフト
７２  第２シャフト
８０  移動体
８１  第１ボール保持部
８２  第２ボール保持部
９０  運動変換機構
９１  第１転動ボール
９２  第２転動ボール
９３  第１案内溝
９４  第２案内溝
Ｓ  ボール保持用凹面
Ｓ′  開口周囲部
【図１】
0003645123.tif 000002
【図２】
0003645123.tif 000003
【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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