(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トーションバーを介して同軸上に連結された第１軸及び第２軸に加わる回転トルクを、これら両軸間に前記トーションバーの捩れを伴って生じる相対角変位に基づいて検出するトルクセンサにおいて、
前記第１軸及び第２軸の一方に回転を拘束され、軸方向への移動可能に他方に外嵌された保持筒と、
前記第１軸及び第２軸の他方の外周面に軸方向に対して所定の傾斜を有して形成された係合溝と、
前記保持筒の内部に偏心保持され、その内周面に周設された係合突起を、周方向の一か所において前記係合溝に係合させてある送りベアリングと、
該送りベアリングの前記係合溝に沿った転動に伴って、該係合溝の傾斜の作用により前記送りベアリングと共に生じる前記保持筒の軸方向変位を検出する検出手段と
を備えることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２】
前記検出手段は、前記保持筒の外面に周設された環状溝に先端を係合させ、前記第１，第２軸の軸方向と略平行をなす面内にて揺動する検出アームと、該検出アームの基部を支持し、その揺動角度を検出する手段とを備える請求項１記載のトルクセンサ。
【請求項３】
車両の舵取りのために舵輪に加えられる操舵トルクを検出すべく、該舵輪に連結された入力軸を前記第１軸とし、舵取機構に連結された出力軸を前記第２軸として構成された請求項１又は請求項２記載のトルクセンサを備えることを特徴とする舵取装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸体に加わる回転トルクを、簡素な構成により高精度に検出するトルクセンサに関し、更に．このトルクセンサを操舵トルクの検出手段として備える車両の舵取装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
舵取りのために舵輪（ステアリングホイール）に加えられる操舵トルクの検出結果に基づいて操舵補助用のモータを駆動し、該モータの回転力を舵取機構に伝えて操舵を補助する構成とした電動式の動力舵取装置が実用化されている。この種の動力舵取装置においては、前記操舵トルクの検出のために、舵輪と舵取機構とを連絡する操舵軸を、舵輪側の入力軸（第１軸）と舵取機構側の出力軸（第２軸）とを細径のトーションバーを介して連結して構成し、これらの第１，第２軸の間に前記トーションバーの捩れを伴って生じる相対角変位の検出結果に基づいて前記操舵トルク（回転トルク）を求めるようにしたトルクセンサが広く用いられている。
【０００３】
このような操舵トルクの検出結果は、電動式の動力舵取装置において操舵補助用のモータの駆動制御に用いられると共に、エンジンの出力制御、トラクション制御、ＡＢＳ制御等、車両の各部の制御において、舵取装置の操舵状態を示す情報として利用されることがあり、前記操舵トルクを高精度に検出し得る簡素な構成のトルクセンサの実現が切望されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この種のトルクセンサにおいては、第１軸と第２軸との間に発生する相対角変位を高精度に検出する必要がある。この検出のための一般的な構成は、第１軸及び第２軸の回転角度を各別の回転角センサにより検出し、これらの検出角度の差により前記相対角変位を求めるようにしたものである。
【０００５】
ところがこの構成においては、第１，第２軸用の２つの回転角センサの出力特性の相違により前記相対角変位の算出結果に誤差が発生する虞れがあり、高精度の検出を可能とするためには、組立て時に２つの回転角センサの出力調整が必要であり、この調整作業に多大の手間を要するという問題がある上、この調整が正しくなされたとしても、両回転角センサの経時的な特性変化に起因する検出精度の低下が避けられない。
【０００６】
また前記相対角変位を検出するための他の構成として、第１軸及び第２軸の連結部近傍に互いに対向する円板を夫々取り付け、これらの円板の一方に周設された抵抗部に他方に突設された接触子を摺接させてポテンシオメータを構成し、第１軸と第２軸との相対角変位を前記ポテンシオメータの出力変化を媒介として検出するようにしたものがある。
【０００７】
この構成においては、前記ポテンシオメータの出力が、前記第１，第２軸の相対角変位に直接的に対応することから、組立て時における調整が容易であり、高精度での検出が可能となるが、抵抗部と接触子との摺接部の摩耗が避けられず、耐久性に劣るという問題があった。
【０００８】
前記相対角変位を検出する更に他の構成として、第１軸及び第２軸の連結部近傍に夫々嵌着された筒体の対向面に複数の歯を並設する一方、これらの外側に検出コイルを配してなり、該検出コイルの励磁に応じて前記筒体内に形成される磁気回路のインピーダンスが、前記対向面に並設された歯の対向状態に応じて変化することを利用して第１軸と第２軸との相対角変位を検出するようにしたものがある。
【０００９】
この構成においては、前記磁気回路のインピーダンス変化が、第１，第２軸の相対角変位に直接的に対応することから、組立て時における調整が容易であり、高精度での検出が可能となる上、摺接部分が存在せず、耐久性に優れているが、前記検出コイル及びインピーダンス変化の検出手段を含めた各部の構成が複雑となるという問題があった。
【００１０】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、トーションバーを介して連結された第１，第２軸の相対角変位を煩雑な調整作業を強いることなく直接的に検出することができ、第１軸及び第２軸に加わる回転トルクを、経時的な精度変化を生じることなく高精度に検出することが可能な簡素な構成のトルクセンサ、及びこのトルクセンサを操舵トルクの検出手段として備える車両の舵取装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１発明に係るトルクセンサは、トーションバーを介して同軸上に連結された第１軸及び第２軸に加わる回転トルクを、これら両軸間に前記トーションバーの捩れを伴って生じる相対角変位に基づいて検出するトルクセンサにおいて、前記第１軸及び第２軸の一方に回転を拘束され、軸方向への移動可能に他方に外嵌された保持筒と、前記第１軸及び第２軸の他方の外周面に軸方向に対して所定の傾斜を有して形成された係合溝と、前記保持筒の内部に偏心保持され、その内周面に周設された係合突起を、周方向の一か所において前記係合溝に係合させてある送りベアリングと、該送りベアリングの前記係合溝に沿った転動に伴って、該係合溝の傾斜の作用により前記送りベアリングと共に生じる前記保持筒の軸方向変位を検出する検出手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明においては、トーションバーを介して連結された第１，第２軸に回転トルクが加わり、両軸間に相対角変位が生じたとき、一方の軸に回転を拘束された保持筒に偏心保持された送りベアリングが他方の軸の外周面に形成された係合溝に沿って転動し、前記保持筒は、この転動に伴う反力の作用により前記係合溝の傾斜に沿って軸方向に滑らかに変位する。この軸方向変位の向き及び大きさは、第１，第２軸間の相対角変位の向き及び大きさに対応するため、この変位を媒介として第１，第２軸に加わる回転トルクを高精度に知ることができる。
【００１３】
また本発明の第２発明に係るトルクセンサは、第１発明の検出手段が、前記保持筒の外面に周設された環状溝に先端を係合させ、前記第１，第２軸の軸方向と略平行をなす面内にて揺動する検出アームと、該検出アームの基部を支持し、その揺動角度を検出する手段とを備えることを特徴とする。
【００１４】
この発明においては、保持筒の外面に周設された環状溝に先端を係合させた検出アームを保持筒の軸方向移動に伴って軸方向と略平行な面内にて揺動させ、この揺動の角度を検出アームの基部を支持する検出手段により検出して、この検出結果を用いて第１軸及び第２軸に加わる回転トルクを求める。前記検出手段は、例えば、検出アームの基部を入力端に連結してなるロータリ形のポテンシオメータとすることができ、保持筒の軸方向移動による前記検出アームの揺動を前記ポテンシオメータの出力変化として取り出す構成により実現できる。
【００１５】
また本発明の第３発明に係る舵取装置は、車両の舵取りのために舵輪に加えられる操舵トルクを検出すべく、該舵輪に連結された入力軸を前記第１軸とし、舵取機構に連結された出力軸を前記第２軸として構成された第１又は第２発明に係るトルクセンサを備えることを特徴とする。
【００１６】
本発明においては、簡素な構成でありながら高精度に回転トルクを検出し得る第１又は第２発明のトルクセンサを車両の舵取装置に適用し、操舵軸に加えられる回転トルク（操舵トルク）の正確な検出値を得て、この結果を、操舵補助用のモータの駆動制御等、各種の制御に利用する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。図１は、本発明に係るトルクセンサを操舵トルクの検出手段として備えるラックピニオン式の舵取装置の要部の構成を示す縦断面図である。本図に示す如く、舵取り操作用の舵輪（図示せず）に連結された入力軸（第１軸）１と、下部に一体形成されたピニオン20をラック軸21に噛合させた出力軸（第２軸）２とをトーションバー３を介して同軸上に連結し、これらを、図中に一部を示す円筒形のハウジングＨの内部に、一対の軸受Ｂ1 ，Ｂ2 により軸回りの回動自在に支持して、ラックピニオン式の舵取装置が構成されている。
【００１８】
中空軸である入力軸１の下端部（図の左端部）は、出力軸２の上部を大径化して設けられた円筒部22内に挿入され、両者間に介装された短寸の支持ブッシュ23により同軸上に支持されている。前記トーションバー３は、両端に大径の連結部3a，3bを備え、入力軸１の中空部内に挿通された細径の丸棒であり、一方の連結部3aを入力軸１の上端（図の右端）近傍に連結ピン30により連結すると共に、他方の連結部3bを出力軸２の上端面に形成された装着孔にスプライン結合して、入力軸１と出力軸２とを同軸上に連結している。
【００１９】
而して、舵取りのために舵輪が操作された場合、該舵輪に連結された入力軸１が軸回りに回動し、この回動が、トーションバー３を介して連結された出力軸２に伝わり、該出力軸２の回動が前記ピニオン20に噛合するラック軸21の軸長方向の移動に変換されて舵取りがなされる。このとき前記トーションバー３には、舵輪を介して入力軸１に加わる操舵トルクの作用により捩れが生じ、入力軸１と出力軸２との間には、トーションバー３の捩れに応じた相対角変位が生じる。
【００２０】
本発明に係るトルクセンサは、以上の如き相対角変位を媒介として前記操舵トルクを検出すべく、入力軸１と出力軸２との連結部近傍に構成されており、薄肉の支持ブッシュ40を介して入力軸１に外嵌支持された保持筒４と、該保持筒４に内嵌保持された送りベアリング５と、前記保持筒４の外側に臨ませてハウジングＨに固定された変位センサ６とを備えている。
【００２１】
図示の如く保持筒４は、厚肉円筒形の保持部41と、これの一側に一体に連設された薄肉円筒形の連結部42とを備えている。出力軸２の側に向けた前記連結部42には、周方向の一か所を適幅に切欠いてなる係合溝43が、端面に開口を有して形成され、該係合溝43には、出力軸２上端の前記円筒部22の端面に軸方向に打設されたダウエルピン44が密に係合させてあり、この係合により前記連結部42を備える保持筒４は、出力軸２と一体回転すると共に、軸方向への移動可能となっている。
【００２２】
一方前記保持部41には、連結部42と逆側の端面に開口する保持孔45が、軸心に対して一側に所定長偏心して形成されており、該保持孔45には、送りベアリング５が内嵌保持させてある。該送りベアリング５は、内輪と外輪との間に多数のボールを介在させてなる玉軸受であり、内輪の内周面には、図示の如く、半円形断面を有する係合突起50が周設されている。
【００２３】
このような保持部41の内側に位置する入力軸１の外周面には、前記係合突起50に対応する半円形の断面形状を有する係合溝10が、軸方向に対して所定角度傾斜する螺旋形をなして形成されており、該係合溝10には、前記送りベアリング５の内周に周設された係合突起50が、前記保持筒４に対する偏心により入力軸１に近づいた周方向位置において係合させてある。
【００２４】
図２は、保持筒４の動作説明図であり、図１と直交する方向の断面が示されている。前述の如く保持筒４は、連結部42に設けた係合溝43を出力軸２の端部に打設されたダウエルピン44に係合させ、前記出力軸２に対し、これと一体回転すると共に、軸方向への移動が可能とされている。一方保持筒４は、保持部41に内嵌保持された送りベアリング５の内周の係合突起50を入力軸１外周の係合溝10に、図中のＡ点において係合させてあり、該入力軸１に対する軸方向位置が定められている。
【００２５】
ここで、入力軸１に操舵トルクが加わり、該操舵トルクの作用によるトーションバー３の捩れを伴って出力軸２との間に相対角変位が生じた場合、出力軸２と一体回転する保持筒４に内嵌保持された送りベアリング５は、前記出力軸２に対し、図中に矢符により示す如く生じる入力軸１の相対回転に応じて、該入力軸１外周の係合溝10に沿って転動し、該保持筒４は、前記係合溝10の傾斜に沿った前記係合点Ａの位置変化に応じて軸方向に押され、図中に白抜矢符にて示す如く軸方向に変位する。この軸方向変位の向き及び大きさは、入力軸１と出力軸２との間の相対角変位の向き及び大きさに対応するから、保持筒４の軸方向変位を検出することにより入力軸１に加わる操舵トルクを高精度に知ることができる。
【００２６】
保持筒４は、前記保持部41の外周面の一か所に環状溝46が周設されており、この環状溝46の外側を臨むハウジングＨの周上には、変位センサ６が固定支持されている。該変位センサ６は、ハウジングＨの内部にこれの軸心と直交する向きに突設された入力端の回転角度に応じて出力変化するロータリ形のポテンシオメータである。前記入力端には、検出アーム60の基部が固定されており、概ね保持筒４の周方向に延びる該検出アーム60の先端は、係合突起61を介して前記環状溝46に係合させてある。
【００２７】
このような変位センサ６の出力は、演算処理部７に与えられており、該演算処理部７においては、前記変位センサ６の出力を用いた所定の演算により、前記入力軸１に加わる操舵トルクが算出される。
【００２８】
図３は、変位センサ６の動作説明図である。前述の如く、変位センサ６の出力端に取り付けた検出アーム60は、保持筒４の周方向に延長され、該保持筒４外周の環状溝46に係合させてあり、前記変位センサ６の出力端を軸とし、前記保持筒４の軸方向、即ち、前記入力軸１及び出力軸２の軸方向と略平行をなす面内にて揺動可能である。
【００２９】
従って、図３（ａ），（ｂ）に示す如く、保持筒４が軸方向の両側に向けて移動した場合、検出アーム60は、図中に矢符にて示す向きに夫々揺動し、この揺動により変位センサ６の出力端が回転することとなり、この回転に応じて変化する前記変位センサ６の出力により、前記保持筒４の軸方向変位を、その向きを含めて知ることができる。
【００３０】
なお、検出アーム60の揺動角度は、これの長さが長く、揺動半径が十分に大である場合、前記保持筒４の軸方向変位に比例的に対応することとなり、変位センサ６の出力を用いた保持筒４の軸方向変位の算出、即ち、操舵トルクの算出が容易となる。しかしながら、このようにした場合、入力軸１と出力軸２との相対角変位に対する検出アーム60の揺動角度の絶対的な変化量が小さく、前記相対角変位自体が小さい（±５°程度）ことから、高精度での検出は難しい。
【００３１】
そこで、実際には、図示の如く比較的短寸の検出アーム60を用い、該検出アーム60の揺動角度と保持筒４の軸方向変位との対応関係、即ち、変位センサ６の出力と検出対象となる操舵トルクの対応関係を示すテーブルを予め用意しておき、前記演算処理部７においては、逐次取り込まれる変位センサ６の出力を前記テーブルに適用して操舵トルクを算出する構成とするのが望ましい。
【００３２】
以上の如く本発明に係るトルクセンサにおいては、出力軸２に回転を拘束された保持筒４に内嵌保持させた送りベアリング５内周の係合突起50を入力軸１の外周に形成された係合溝10に係合させ、入力軸１と出力軸２との間にトーションバー３の捩れを伴って生じる相対角変位を前記保持筒４の軸方向変位に変換して前記入力軸１に加わる操舵トルクを検出する構成としてある。
【００３３】
このとき保持筒４の軸方向変位は、前記係合溝10の傾斜に沿って玉軸受を用いてなる送りベアリング５が転動することにより生じ、この転動は、内輪と外輪間での多数のボールの転がり抵抗下にて滑らかに行われるから、入力軸１と出力軸２との間の相対角変位は、保持筒４の軸方向変位に抵抗なく変換され、この軸方向変位の検出結果に基づいて高精度でのトルク検出が可能となる。
【００３４】
なお、図１に示す実施の形態と逆に、送りベアリング５の保持筒４を出力軸１に連結し、出力軸２の外周に係合溝10を形成して、該係合溝10に前記送りベアリング５を係合せしめた構成としてもよいことは言うまでもない。また、保持筒４の内部に複数の送りベアリング５を備え、これらを、共通の係合溝又は各別の係合溝に係合せしめた構成としてもよい。
【００３５】
また、保持筒４の軸方向変位は、該保持筒４外周の環状溝46に係合する検出アーム60の揺動に変換し、ロータリ形のポテンシオメータ等の既存の変位センサ６を用いて検出することができ、簡素な構成により高精度でのトルク検出が可能となる。
【００３６】
なお、前記変位センサ６としては、ロータリエンコーダ等の角度検出用ノ他のセンサを用いることができ、更には、保持筒４の外面に固着した磁石を磁気センサ（ＭＲセンサ）により検出する構成、保持筒４の外面に設けた標識をリニアスケールにより検出する構成等、前記軸方向変位を直接的に検出する構成としてもよい。
【００３７】
また以上の実施の形態においては、ラックピニオン式の舵取装置における操舵トルクの検出手段としての使用例について述べたが、本発明に係るトルクセンサは、他の形式の舵取装置においても操舵トルクの検出手段として好便に使用することができ、更には、回転トルクの検出を必要とする種々の産業分野への広範な採用が可能であることは言うまでもない。
【００３８】
【発明の効果】
以上詳述した如く本発明の第１発明に係るトルクセンサにおいては、トーションバーを介して同軸上に連結された第１軸及び第２軸の一方に回転を拘束された保持筒内に偏心保持させた送りベアリングを、他方の外周に形成された螺旋状の係合溝に係合せしめた簡素な構成により、第１，第２軸間の相対角変位を保持筒の軸方向変位に変換し、この軸方向変位を検出する構成としたから、前記第１，第２軸に加わる回転トルクを高精度に検出することが可能となる。
【００３９】
また本発明の第２発明に係るトルクセンサにおいては、前記保持筒の軸方向変位を、該保持筒の外面に周設された環状溝に先端を係合させた揺動アームの揺動角度を媒介として検出する構成としたから、ロータリ形のポテンシオメータ等、角度検出のために広く使用されている安価な検出手段を用い、高精度のトルク検出が可能となる。
【００４０】
また本発明の第３発明に係る舵取装置においては、舵輪と舵取機構とを連絡する操舵軸に加えられる操舵トルクを第１発明又は第２発明のトルクセンサにより高精度に検出するから、この検出結果に基づいて行われる操舵補助用のモータの駆動制御等の各種の制御を、高い信頼性の下にて行わせることが可能となる等、本発明は優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るトルクセンサを操舵トルクの検出手段として備えるラックピニオン式の舵取装置の要部の構成を示す縦断面図である。
【図２】保持筒の動作説明図である。
【図３】変位センサの動作説明図である。
【符号の説明】
１    入力軸（第１軸）
２    出力軸（第２軸）
３    トーションバー
４    保持筒
５    送りベアリング
６    変位センサ
７    演算処理部
10    係合溝
46    環状溝
50    係合突起
60    検出アーム
【図１】
0003815960.tif 000002
【図２】
0003815960.tif 000003
【図３】
0003815960.tif 000004