(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作部材の操作に応じて回転するピニオン軸に設けたピニオン及び該ピニオンに噛合するラックがはす歯に形成されたラックピニオン式の伝動機構に適用され、前記操作部材に作用するトルクを検出するトルク検出装置において、
前記ピニオン軸は、ラジアル荷重の負荷が可能な一対のピニオン軸受により、前記ピニオンの軸方向の両側でピニオンハウジングの内部に支持されており、
前記一対のピニオン軸受による支持部の間に、
前記ピニオン軸の一部に当接するスラスト軸受と、該スラスト軸受に前記ピニオン軸の反対側から当接し、前記ピニオンハウジングに支持された荷重センサとを備えていることを特徴とするトルク検出装置。
【請求項２】
前記ピニオン軸受は、前記ピニオン軸に加わるスラスト荷重の一部も負荷可能なアンギュラ玉軸受であることを特徴とする請求項１に記載のトルク検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラックピニオン式の伝動機構に適用され、操作部材に加えられる操作トルクを検出するトルク検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の操舵を行う操舵装置は、運転者によるステアリングホイール等の操舵部材に加えられる操舵トルクを舵取機構に伝え、舵取機構を動作させるように構成されている。このような舵取機構として、操舵部材の回転操作に応じたピニオンの回転を、該ピニオンに噛合するラックを有するラック軸の軸長方向の移動に変換し、ラック軸の両端に連結された左右の操舵輪を押し引き操作するラックピニオン式の舵取機構が広く採用されている。多くのラックピニオン式の舵取機構において、ピニオン及びラックは、大容量の力の変換・伝達を可能とすべく、噛み合い率が大きいはす歯に夫々形成してある。
【０００３】
また操舵部材を操作する運転者の負担を軽減すべく、操舵部材に加えられる操舵トルクをトルクセンサにより検出して、検出された操舵トルクに基づいて操舵補助用のモータを駆動して舵取機構に補助力を加える電動パワーステアリング装置として構成された操舵装置が普及している。
【０００４】
前記トルクセンサは、操舵部材の操作を舵取機構に伝えるステアリング軸の中途に配してあり、操舵トルクによりステアリング軸に生じる捩れを大きくして操舵トルクの検出精度を高める目的で、ステアリング軸の中途に、操舵部材側の入力軸と舵取機構側の出力軸とを低剛性のトーションバーにより連結してなる連結部を設け、この連結部において前記トーションバーの捩れにより入力軸と出力軸との間に生じる相対角変位を検出するように構成してある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
特許文献１記載のトルクセンサでは、ハウジングの内部において対向する入力軸の中途部と出力軸の端部とに円筒形をなす検知筒が夫々外嵌固定されており、略一定のギャップを隔てて対向する入力軸の検知筒と出力軸の検知筒との対向端面の夫々には周方向に半部が対向するように複数の歯部が並設されている。また両検知筒の外側のハウジングの内部に両検知筒の対向部を囲うように検知コイルが配してある。この構成において、検知コイルへのコイル電流の通電により両検知筒の対向端面の歯部を通る磁気回路が形成され、入力軸と出力軸との相対角変位により両検知筒の歯部の対向関係が変化して該磁気回路の磁気抵抗が増減し検知コイルのインピーダンスが変化するので、前記入力軸と出力軸との相対角変位を検知コイルのインピーダンス変化として取り出し、入力軸に加わる操舵トルクを求めることができる。
【特許文献１】特開２００３−１１８３３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記載のトルクセンサにおいては、トーションバーが一種のダンパーの働きをするため、路面状態が操舵部材に伝わりにくく、操舵部材を操作するときに時間遅れを伴って舵取機構が反応するような状況が生じ、操舵操作における操作感が低下するという問題があった。この問題はラックピニオン式の舵取機構に限らず、操作部材の操作により回転するピニオン軸を備えたラックピニオン式の伝動機構に生じ得る。
【０００７】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、操作部材に加えられる操作トルクを的確に求めて、操作感の低下を回避させるとともにトルク検出の精度を向上させることができるトルク検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１発明に係るトルク検出装置は、操作部材の操作に応じて回転するピニオン軸に設けたピニオン及び該ピニオンに噛合するラックがはす歯に形成されたラックピニオン式の伝動機構に適用され、前記操作部材に作用するトルクを検出するトルク検出装置において、前記ピニオン軸は、ラジアル荷重の負荷が可能な一対のピニオン軸受により、前記ピニオンの軸方向の両側でピニオンハウジングの内部に支持されており、前記一対のピニオン軸受による支持部の間に、前記ピニオン軸の一部に当接するスラスト軸受と、該スラスト軸受に前記ピニオン軸の反対側から当接し、前記ピニオンハウジングに支持された荷重センサとを備えていることを特徴とする。
【０００９】
第２発明に係るトルク検出装置は、第１発明におけるピニオン軸受が、前記ピニオン軸に加わるスラスト荷重の一部も負荷可能なアンギュラ玉軸受であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
ラックピニオン式の伝動機構において、ピニオン及びラックがはす歯に形成されているので、操作部材の操作によりピニオン軸が回転したときにピニオンがラックから受ける反力の一部がピニオン軸の軸方向に作用する。第１発明に係るトルク検出装置によれば、前記ピニオン軸の軸方向に作用するスラスト力は、ピニオン軸の一部に当接するスラスト軸受にて受け止められ、さらに該スラスト軸受に当接しピニオンハウジングに支持された荷重センサに伝わって検出される。従って、荷重センサにより検出されるスラスト力と、予め定まったピニオン及びラックのはす歯の寸法パラメータとから、操作部材に加わるトルクが求められる。即ち、ピニオン軸の一部に当接するスラスト軸受を介して荷重センサによりピニオン軸に作用するスラスト力を検出する構成としてあり、これらのスラスト軸受及び荷重センサは、ピニオンの両側でピニオン軸をラジアル支持する一対のピニオン軸受間に配したので、荷重センサにはピニオン軸の軸方向に作用する力のみが加わり、この検出力に基づき操作部材に加えられる操作トルクを精度よく求めることができ、また操作部材の操作感の低下を回避させることができる。
【００１１】
第２発明に係るトルク検出装置によれば、ピニオン軸に作用するスラスト力の一部がピニオン軸受として設けたアンギュラ玉軸受により負荷されるから、スラスト軸受を小型化することができ、該スラスト軸受及び荷重センサを、一対のピニオン軸受の軸方向の内側端部とピニオンハウジングの内周壁とによって囲まれる限られた空間に配置することが可能となり、省スペースにより小型化されたトルク検出装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
実施の形態１
以下、本発明に係るトルク検出装置の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係るトルク検出装置が適用される操舵装置の全体構成を示す模式図である。本操舵装置はラックピニオン式の舵取機構を備えており、ラックアシスト型の電動パワーステアリング装置として構成されている。
【００１３】
ラックピニオン式の舵取機構１は、図示しない車体の左右方向に延設されたラックハウジング１１の内部に軸長方向への移動自在に支持されたラック軸１０と、ラックハウジング１１の中途に交叉するピニオンハウジング２０の内部に回転自在に支持されたピニオン軸２とを備えている。
【００１４】
ラックハウジング１１の両側から外部に突出するラック軸１０の両端は、各別にタイロッド１２，１２を介して操舵用車輪としての左右の前輪１３，１３に連結されている。またピニオンハウジング２０の一端から外部に突出するピニオン軸２の上端は、ステアリング軸３を介して操舵部材としてのステアリングホイール３０に連結されている。
【００１５】
ステアリング軸３は、筒形をなすコラムハウジング３１の内部に回転自在に支持され、該コラムハウジング３１を介して、図示しない車体の内部に前方を下とした傾斜姿勢を保って取り付けてあり、コラムハウジング３１から下方に突出するステアリング軸３の突出端にピニオン軸２が連結され、同じくステアリング軸３の上方への突出端にステアリングホイール３０が固設されている。
【００１６】
図２は、第１の実施の形態に係るトルク検出装置が適用される操舵装置のピニオンハウジング２０及びラックハウジング１１の交叉部周辺を略示する縦断面図である。ピニオン軸２は、図示のように、下部に他の部分よりも大きい軸径を有し一体形成されたピニオン２１を備えている。ピニオンハウジング２０は円筒形をなしており、ピニオン２１の上端部から上側に離間した位置に、ピニオンハウジング２０の内周壁に外輪を固定支持され、ピニオン軸２に内輪を固定支持されたアンギュラ玉軸受２２が設けられている。ピニオンハウジング２０の上端に、ピニオン軸２を突出させるための開口部が設けてあり、この開口部に、ピニオン軸２の外周をシールするオイルシールのホルダを兼ねる上蓋２７がねじ込み固定されている。上蓋２７の下部は、ピニオンハウジング２０の内部に延長されており、この延長端はアンギュラ玉軸受２２の外輪の上面に当接させてある。
【００１７】
ピニオン軸２はピニオン２１の下端部から下方に延長してあり、このピニオン軸２の延長部の下端部に内輪を固定支持され、ピニオンハウジング２０の内周壁に外輪を固定支持されたアンギュラ玉軸受２３が設けられている。ピニオンハウジング２０の下端に開口部が設けてあり、この開口部はねじ込み式の下蓋２４により閉止してある。下蓋２４の上面はアンギュラ玉軸受２３の外輪の下面に当接させてある。以上の如く、ピニオン軸２は、上下に位置する２個の荷重支持用のアンギュラ玉軸受２２，２３にてラジアル荷重及びスラスト荷重を支えられた状態で、ピニオンハウジング２０の内部に回転自在に支持されている。
【００１８】
ピニオンハウジング２０の下半部の一側には、円筒形をなすラックハウジング１１が、軸心を交叉させて連設されている。ラックハウジング１１の内部に支持されているラック軸１０は、ピニオンハウジング２０との連通部を臨む側に、軸長方向の適長に亘って一体形成されたラック１４を備えており、ラック１４はピニオン２１に噛合させてある。ピニオン２１及びラック１４ははす歯に形成されている。
【００１９】
ラックハウジング１１及びピニオンハウジング２０の交叉部には、これら夫々と略直交する向きに円筒形のヨ−クハウジング４０が突設されている。ヨ−クハウジング４０の内部には、円形断面を有するサポートヨーク４が嵌合され、ラック軸１０が該サポートヨーク４にて軸長方向への摺動自在に保持されている。
【００２０】
以上の構成により、操舵のためにステアリングホイール３０が回転操作された場合、この回転がステアリング軸３を介してピニオン軸２に伝達され、該ピニオン軸２の回転が、ピニオン２１とラック１４との噛合部においてラック軸１０の軸長方向の移動に変換されることとなり、このようなラック軸１０の移動により、左右の前輪１３，１３が各別のタイロッド１２，１２を介して押し引きされて舵取りがなされる。
【００２１】
ラックハウジング１１の左右方向の中途部外側には、操舵補助用のモータ５が取り付けてある。このモータ５の出力軸は、ラックハウジング１１の内部に延設され、ボールねじ機構等の運動変換機構を介してラック軸１０の中途に接続されている。モータ５は、後述するように求められる操舵トルクに基づいて駆動され、この駆動により発生したモータ５の回転を、前記運動変換機構を介してラック軸１０の軸長方向の移動に変換するように伝動することにより、前述の如く行われる舵取りを補助している。
【００２２】
ピニオン２１の上側に、ピニオン軸２の軸方向に作用する力を検出する手段が設けられている。具体的には、ピニオン２１の軸径よりも小さい内径の一対の転動輪１７ａ，１７ｂを有し、該一対の転動輪１７ａ，１７ｂの間に玉１７ｃ，１７ｃ…を配設したスラスト軸受１７が、一対の転動輪１７ａ，１７ｂをピニオン軸２と同心状態でピニオン軸２に遊嵌させてピニオン２１の上側に配置されている。スラスト軸受１７の下側の転動輪１７ａがピニオン２１の上端部に密接され、環状のロードセル１６ａがスラスト軸受１７の上側の転動輪１７ｂの上に密接されている。環状のロードセル１６ａの上側に円環状の押え部材１５が配置され、該押え部材１５の外周面とピニオンハウジング２０の内周壁とに夫々ネジ部が形成され、該両ネジ部をネジ結合させて、押え部材１５をピニオンハウジング２０の内周壁に上側からねじ込むことにより、該押え部材１５によって環状のロードセル１６ａを下向きに押圧している。この構造により、ピニオン軸２に上向きの力が作用したときに、ピニオン軸２がスラスト軸受１７によって、ピニオン軸２周りに回転可能な状態でスラスト方向の荷重を受け止められ、上側のロードセル１６ａにてピニオン軸２に上向きに作用する力（軸荷重）が検出される。
【００２３】
同様にピニオン２１の下側に、ピニオン軸２の軸方向に作用する力を検出する手段が設けられている。具体的には、ピニオン２１の軸径よりも小さい内径の一対の転動輪１９ａ，１９ｂを有し、該一対の転動輪１９ａ，１９ｂの間に玉１９ｃ，１９ｃ…を配設したスラスト軸受１９が、一対の転動輪１９ａ，１９ｂをピニオン軸２と同心状態でピニオン軸２に遊嵌させてピニオン２１の下側に配置されている。スラスト軸受１９の上側の輪軌道１９ａがピニオン２１の下端部に密接され、環状のロードセル１６ｂがスラスト軸受１９の下側の転動輪１９ｂの下に密接されている。環状のロードセル１６ｂの下側に円環状の押え部材１８が配置され、該押え部材１８の外周面とピニオンハウジング２０の内周壁とに夫々ネジ部が形成され、該両ネジ部をネジ結合させて、押え部材１８をピニオンハウジング２０の内周壁に下側からねじ込むことにより、該押え部材１８によって環状のロードセル１６ｂを上向きに押圧している。この構造により、ピニオン軸２に下向きの力が作用したときに、ピニオン軸２がスラスト軸受１９によって、ピニオン軸２周りに回転可能な状態でスラスト方向の荷重を受け止められ、下側のロードセル１６ｂにてピニオン軸２に下向きに作用する力（軸荷重）が検出される。
【００２４】
ロードセル１６ａ，１６ｂは、例えば、歪みゲージを弾性体に設け、付加された力による弾性体の変形を歪みゲージの電気抵抗の変化として検出し、この変化に基づいて付加された力を求める公知の力センサである。
【００２５】
以上の構成において、ステアリングホイール３０に操舵トルクが加えられ、該操舵トルクに応じて生じるピニオン２１からラック１４への作用力の反作用によりピニオン軸２の軸長方向に上向き又は下向きの力が作用することにより、ロードセル１６ａ，１６ｂにより検出されるピニオン軸力が増加又は減少する。
【００２６】
ピニオン軸２に下向きの力が作用したときは、下部のロードセル１６ｂがスラスト軸受１９を介して下蓋２４にピニオン軸方向に沿って押しつけられることになり、下部のロードセル１６ｂにより検出される力Ｓｄは増加する。一方、上部のロードセル１６ａは上蓋２７から離れようとし、上部のロードセル１６ａにより検出される力Ｓｕは減少する。また、ピニオン軸２に上向きの力が作用したときは、上部のロードセル１６ａがスラスト軸受１７を介して上蓋２７にピニオン軸方向に沿って押しつけられることになり、上部のロードセル１６ａにより検出される力Ｓｕは増加する。一方、下部のロードセル１６ｂは下蓋２４から離れようとし、下部のロードセル１６ｂにより検出される力Ｓｄは減少する。
【００２７】
本発明に係るトルク検出装置においては、以上のようにロードセル１６ａ，１６ｂを用いてピニオン軸２に軸方向に作用するピニオン軸力（軸荷重）を検出し、該ピニオン軸力からピニオン軸２に加えられるトルク（操舵トルク）を求めている。まず、ピニオン軸力とピニオン軸２に加えられるトルクとの関係について説明する。図３はピニオン軸力とピニオン軸のトルクとの関係を説明する図である。
【００２８】
図３に示すように、ラック１４は、はす歯に形成された複数のラック歯１４ａ，１４ａ…を備えており、これらのラック歯１４ａ，１４ａ…は、ピニオン２１の外周に、はす歯に形成されたピニオン歯２１ａ，２１ａ…に噛合させてある。ピニオン軸２にトルクＴが加えられたときに、ピニオン２１とラック１４との噛合部においてラック１４には、ピニオン歯２１ａ，２１ａ…及びラック歯１４ａ，１４ａ…の歯面に直交する力Ｎが作用する。ピニオン２１には、作用反作用の関係により作用力Ｎと大きさが等しい反力ＮＰが作用する。ピニオン歯２１ａ，２１ａ…及びラック歯１４ａ，１４ａ…は夫々はす歯に形成されているため、ピニオン２１に作用する反力ＮＰは、径方向の分力ＮＰｖと軸長方向の分力ＮＰａとにより表され、ラック１４に作用する力Ｎは、軸長方向の分力Ｎａと該軸長方向及びサポートヨーク４の軸心の夫々に直交する方向の分力Ｎｖとにより表される。
【００２９】
ピニオン軸２に加えられるトルクＴと、このトルクＴによりラック１４に作用する力Ｎの軸長方向の分力Ｎａとの関係は次式のように表される。
Ｔ＝Ｎａ・Ｓ／（２π）  …  （１）
ここで、Ｓはピニオン軸２が１回転する間にラック軸１０が移動する移動長さを表すラックストロークレシオである。ピニオン軸２に加えられるトルクＴは、操舵方向に応じて正負が定められており、例えば、右方向を正、左方向を負としてある。
【００３０】
はす歯に形成されたラック歯１４ａ，１４ａ…のねじれ角がθ°である場合、ラック１４に作用する力Ｎ及び軸長方向の分力Ｎａの関係は、次式のように表される。
Ｎａ＝Ｎ・ｃｏｓθ  …  （２）
また、図３に示す面内において、ピニオン軸２がラック軸１０の軸長方向と直交する方向に対してなす角度がθｐ°である場合、作用反作用の関係からＮＰ＝Ｎであるから、ラック１４に作用する力Ｎとピニオン２１に作用する分力ＮＰａとの関係は次式のように表される。
Ｎ＝ＮＰａ／ｓｉｎ（θ＋θｐ）  …  （３）
【００３１】
上述の（２）及び（３）式を（１）式に代入して、次式が得られる。
Ｔ＝Ｓ・ＮＰａ・ｃｏｓθ／（２π・ｓｉｎ（θ＋θｐ））  …  （４）
以上より、ピニオン２１に作用する反力ＮＰの軸長方向の分力ＮＰａを検出して、検出した分力ＮＰａの値を（４）式に適用してピニオン軸２に加えられるトルクＴを求めることができる。なお、本実施の形態において、ラック１４に作用する力Ｎの軸長方向の分力Ｎａは、右方向を正、左方向を負とし、またピニオン２１に作用する反力ＮＰの軸長方向の分力ＮＰａは、上向きを正、下向きを負としてある。
【００３２】
第１の実施の形態においては、ピニオン軸２に上下夫々の向きに加わる力Ｓｕ，Ｓｄがロードセル１６ａ，１６ｂにより検出されるから、一方のロードセル１６ｂにより検出された力Ｓｄを基準として、この力Ｓｄと他方のロードセル１６ａにより検出された力Ｓｕとの差（Ｓｕ−Ｓｄ）がピニオン２１に作用する反力ＮＰの軸長方向の分力ＮＰａとなる。差（Ｓｕ−Ｓｄ）が正の場合は上向きの分力ＮＰａを表し、差（Ｓｕ−Ｓｄ）が負の場合は下向きの分力ＮＰａを表す。
【００３３】
ロードセル１６ａ，１６ｂによる検出結果は、図１に示すように制御部７へ与えられている。制御部７は、ロードセル１６ａ，１６ｂにより検出された力Ｓｕ，Ｓｄの差（Ｓｕ−Ｓｄ）をピニオン２１に作用する反力ＮＰの軸長方向の分力ＮＰａとして求め、この求めた分力ＮＰａを（４）式に適用して演算する。演算により得られたピニオン軸２に加えられるトルクＴは、ステアリングホイール３０に加わる操舵トルクＴｈと等しくなる。
【００３４】
操舵補助用のモータ５の駆動電流を検出するモータ電流センサ８が設けられ、このモータ電流センサ８の検出結果が制御部７へ与えられている。制御部７は、モータ電流センサ８により検出された電流値を、操舵補助用のモータ５の駆動電流を制御するためのフィードバック信号として用いながら、演算により求めた操舵トルクＴｈに基づいてモータ５の駆動電流を増減制御するアシスト制御動作を行う。
【００３５】
以上のように、第１の実施の形態に係るトルク検出装置においては、ロードセル１６ａ，１６ｂにより検出された力Ｓｕ，Ｓｄに基づいてピニオン２１の軸長方向に作用する力ＮＰａを求め、求めた力ＮＰａからピニオン軸２に加えられるトルクＴを求めているから、ラックピニオン式の舵取機構に適用した場合に、従来のトルクセンサのように低剛性のトーションバーを設ける必要がなく、ステアリング軸３を剛性の高い中空材又は中実材により構成することにより操舵感を向上させることができる。
【００３６】
また、第１の実施の形態に係るトルク検出装置においては、ピニオン軸２のラジアル荷重及びスラスト荷重を上下に位置する２個のアンギュラ玉軸受２２，２３によって支えつつ、これとは別に設けたスラスト軸受１７，１９を介してロードセル１６ａ，１６ｂにてピニオン軸２のスラスト荷重の一部を検出し、該検出結果からピニオン２１の軸長方向に作用する力ＮＰａを検出する構成としたので、スラスト軸受１７，１９はラジアル荷重の影響を受けることがなく、ピニオン２１の軸長方向に作用する力ＮＰａを精度よく検出することができる。
【００３７】
実施の形態２
次に、本発明の第２の実施の形態に係るトルク検出装置について説明する。図４は、第２の実施の形態に係るトルク検出装置が適用される操舵装置のピニオンハウジング２０及びラックハウジング１１の交叉部周辺を略示する縦断面図である。第２の実施の形態に係るトルク検出装置は、ピニオン２１の上側及び下側に設けられて、ピニオン軸２の軸方向に作用する力を検出する手段が異なる。以下、第１の実施の形態と異なる構成について説明する。
【００３８】
ピニオン２１の上側でピニオン軸２の軸方向に作用する力を検出する手段では、ピニオン２１の軸径よりも小さい内径の一対の転動輪３３ａ，３３ｂを有し、該一対の転動輪３３ａ，３３ｂの間に玉３３ｃ，３３ｃ…を配設したスラスト軸受３３が、一対の転動輪３３ａ，３３ｂをピニオン軸２と同心状態でピニオン軸２に遊嵌させてピニオン２１の上側に配置されている。スラスト軸受３３の下側の転動輪３３ａがピニオン２１の上端部に密接されている。スラスト軸受３３の上側の転動輪３３ｂの上側に円環状の押え部材３２が配置され、該押え部材３２の外周面とピニオンハウジング２０の内周壁とに夫々ネジ部が形成され、該両ネジ部をネジ結合させて、押え部材３２をピニオンハウジング２０の内周壁に上側からねじ込むことにより、該押え部材３２によってスラスト軸受３３の上側の転動輪３３ｂを下向きに押圧している。押え部材３２の上面には有底孔３２ａが形成され、超音波センサ３４ａがスラスト軸受３３の上側の転動輪３３ｂと押え部材３２との接触面に臨むように有底孔３２ａに下向きに挿入されて押え部材３２に取り付けられている。この構造により、ピニオン軸２に上向きの力が作用したときに、ピニオン軸２がスラスト軸受３３によって、ピニオン軸周りに回転可能な状態でスラスト方向の荷重を受け止められ、上側の超音波センサ３４ａにてピニオン軸２に上向きに作用する力が検出される。
【００３９】
ピニオン２１の下側でピニオン軸２の軸方向に作用する力を検出する手段では、ピニオン２１の軸径よりも小さい内径の一対の転動輪３６ａ，３６ｂを有し、該一対の転動輪３６ａ，３６ｂの間に玉３６ｃ，３６ｃ…を配設したスラスト軸受３６が、一対の転動輪３６ａ，３６ｂをピニオン軸２と同心状態でピニオン軸２に遊嵌させてピニオン２１の下側に配置されている。スラスト軸受３６の上側の転動輪３６ａがピニオン２１の下端部に密接されている。スラスト軸受３６の下側の転動輪３３ｂの下側に円環状の押え部材３５が配置され、該押え部材３５の外周面とピニオンハウジング２０の内周壁とに夫々ネジ部が形成され、該両ネジ部をネジ結合させて、押え部材３５をピニオンハウジング２０の内周壁に下側からねじ込むことにより、該押え部材３５によってスラスト軸受３６の下側の転動輪３３ｂを上向きに押圧している。押え部材３５の下面には有底孔３５ａが形成され、超音波センサ３４ｂがスラスト軸受３６の下側の転動輪３６ｂと押え部材３５との接触面に臨むように有底孔３５ａに上向きに挿入されて押え部材３５に取り付けられている。この構造により、ピニオン軸２に下向きの力が作用したときに、ピニオン軸２がスラスト軸受３６によって、ピニオン軸周りに回転可能な状態でスラスト方向の荷重を受け止められ、下側の超音波センサ３４ｂにてピニオン軸２に下向きに作用する力が検出される。
【００４０】
超音波センサ３４ａ，３４ｂの動作について説明する。図５は超音波センサ３４ａ，３４ｂで得られるエコーの波形の一例を示す図であり、図６は超音波センサ３４ａ，３４ｂで得られるエコー比とピニオン軸荷重との関係を示すグラフである。超音波センサ３４ａ，３４ｂは、発信部から出力した超音波の反射波を受信部で受けて、図５に示すような反射エコーを得、この反射エコーより下式にてエコー比を求める。
【００４１】
エコー比＝１００×（Ｈ０−Ｈ１）／Ｈ０
Ｈ０：スラスト軸受３３，３６の玉３３ｃ，３３ｃ…，３６ｃ，３６ｃ…が超音波センサから半ピッチ離れたときのエコー強度
Ｈ１：スラスト軸受３３，３６の玉３３ｃ，３３ｃ…，３６ｃ，３６ｃ…が超音波センサ直下に位置するときのエコー強度
【００４２】
上記エコー比は、ピニオン軸２に軸方向に加わる力（ピニオン軸荷重）と図６に示す関係を有しており、これを利用してエコー比からピニオン軸荷重を求めることができる。
【００４３】
以上の構成において、ピニオン軸２に下向きの力が作用したときは、下部の超音波センサ３４ｂにて得られるエコー比が大きくなり、下部の超音波センサ３４ｂにより検出されるピニオン軸荷重Ｋｄは増加する。一方、上部の超音波センサ３４ａにて得られるエコー比は小さくなり、上部の超音波センサ３４ａにより検出されるピニオン軸荷重Ｋｕは減少する。
【００４４】
ピニオン軸２に上向きの力が作用したときは、上部の超音波センサ３４ａにて得られるエコー比が大きくなり、上部の超音波センサ３４ａにより検出されるピニオン軸荷重Ｋｕは増加する。一方、下部の超音波センサ３４ｂにて得られるエコー比は小さくなり、下部の超音波センサ３４ｂにより検出されるピニオン軸荷重Ｋｄは減少する。
【００４５】
第２の実施の形態に係るトルク検出装置においては、ピニオン軸２に上下夫々の向きに加わる力Ｋｕ，Ｋｄが超音波センサ３４ａ，３４ｂにより検出されるから、一方の超音波センサ３４ｂにより検出された力Ｋｄを基準として、この力Ｋｄと超音波センサ３４ａにより検出された力Ｋｕとの差（Ｋｕ−Ｋｄ）をピニオン２１に作用する反力ＮＰの軸長方向の分力ＮＰａとして求め、この求めた分力ＮＰａを（４）式に適用してピニオン軸２に加えられるトルクＴを演算することができる。
【００４６】
また、第２の実施の形態に係るトルク検出装置においては、ピニオン軸２のラジアル荷重及びスラスト荷重は上下に位置する２個のアンギュラ玉軸受２２，２３によって支えつつ、これとは別に設けたスラスト軸受３３，３６を介してピニオンハウジング２０が受けるピニオン軸２のスラスト荷重の一部を超音波センサ３４ａ，３４ｂにて検出し、該検出結果からピニオン２１の軸長方向に作用する力ＮＰａを検出する構成としたので、スラスト軸受３３，３６はラジアル荷重の影響を受けることがなく、ピニオン２１の軸長方向に作用する力ＮＰａを精度よく検出することができる。
【００４７】
上述の実施の形態１，２では、スラスト軸受１７，１９，３３，３６がピニオン２１の上端部及び下端部にスラスト方向の力を受け止めるように当接する構造を示したが、例えばピニオン軸２の一部に設けた環状の突起部にスラスト軸受１７，１９，３３，３６をスラスト方向の力を受け止めるように当接させる構造でもよい。
上述の実施の形態１，２では、本発明に係るトルク検出装置をラックピニオン式の操舵装置を備える車両へ適用した例が示されているが、本発明に係るトルク検出装置は車両用の操舵装置以外のピニオン軸のトルク検出装置に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明に係るトルク検出装置が適用される操舵装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】第１の実施の形態に係るトルク検出装置が適用される操舵装置のピニオンハウジング及びラックハウジングの交叉部周辺を略示する縦断面図である。
【図３】ピニオン軸力とピニオン軸に加えられる操作トルクとの関係を説明する図である。
【図４】第２の実施の形態に係るトルク検出装置が適用される操舵装置のピニオンハウジング及びラックハウジングの交叉部周辺を略示する縦断面図である。
【図５】超音波センサで得られるエコーの波形の一例を示す図である。
【図６】超音波センサで得られるエコー比と軸荷重との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４９】
２  ピニオン軸、１０  ラック軸、１４  ラック、１６ａ，１６ｂ  ロードセル（荷重センサ）、１７  スラスト軸受、１９  スラスト軸受、２０  ピニオンハウジング、２１  ピニオン、２２，２３  アンギュラ玉軸受（ピニオン軸受）、３０  ステアリングホイール（操作部材）、３３  スラスト軸受、３４ａ，３４ｂ  超音波センサ（荷重センサ）、３６  スラスト軸受
【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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