JP2005247255A - トルク検出装置およびこれを備えるパワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ステアリングホイールに入力される操舵トルクを素早く検出することのできるトルク検出装置およびこれを備えるパワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】トルク関連情報センサ１５を、ステアリングホイール２のリム部１９とスポーク部２０との結合部２１にそれぞれ設ける。運転者からステアリングホイール２のリム部１９に入力される操舵トルクを当該リム部１９の極めて近い部位で検出できるので、ステアリングホイール２に付与される操舵トルクを素早く検出できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ステアリングホイールに付与される操舵トルクを検出するためのトルク検出装置およびこれを備えるパワーステアリング装置に関するものである。

自動車等の車両用のパワーステアリング装置は、運転者からステアリングホイールに付与される操舵トルク等に基づいて、舵取り機構に付与する操舵捕助力を決定するようになっており、当該操舵トルクを検出するためにトルクセンサを用いている。
通例、上記トルクセンサは、ステアリングホイールと舵取り機構とを連結するステアリングシャフトの周囲に設けられている。当該ステアリングシャフトは、ステアリングホイールに連結された入力側部材と、舵取り機構に連結された出力側部材と、両部材間を連結するトーションバーとに分割されている。ステアリングホイールに付与される操舵トルクに応じてトーションバーが捩れることで、入力側部材と出力側部材が互いに所定量相対回転するようになっている。トルクセンサは、これら両部材間の相対回転量を検出することで、操舵トルクを検出するようになっている。しかしながら、トーションバーを用いた場合、トーションバーの捩れに起因して、運転者がステアリング剛性の不足を感じるという問題があった。

一方、捩れ性（ばね性）を有して剛性の低い上記トーションバーを廃止したものがある（例えば、特許文献１，２参照）。特許文献１は、ステアリングシャフトを入力側部材と出力側部材とに分割して、入力側部材に押圧部を設けると共に出力側部材に圧力検出素子を設け、両部材間で伝達されるトルクに応じた圧力で押圧部が圧力検出素子を押圧することで、操舵トルクを検出する。

特許文献２は、ステアリングホイールのスポークの軸方向中央部に、付与される操舵トルクに応じて歪みを生じる起歪部を形成してストレインゲージを取り付け、当該ストレインゲージの電気抵抗値の変化を検出することで操舵トルクを検出する。
特開平１０−１０４０９３号公報。 実開昭６３−３５９３１号公報。

特許文献１の場合、運転者からステアリングホイールに入力された操舵トルクは、ステアリングシャフトの入力軸を介して検出される。すなわち、トルクセンサは、ステアリングホイールの操舵トルクの入力部位から遠いので、ステアリングホイールからトルクセンサへの操舵トルクの入力が遅れる。その結果、ステアリングホイールの操作に対する舵取り機構の動作が遅れ、運転者がステアリング剛性の不足を感じる。すなわち、マニュアルステアリング装置のような剛性感のある操舵フィーリングを得ることが困難である。

特許文献２においても、ストレインゲージは、ステアリングホイールのスポークの軸方向中央部、すなわち運転者が通例保持するステアリングホイールのリムから比較的遠い位置に設けられているので、ステアリングホイールからトルクセンサへの操舵トルクの入力が遅れ、特許文献１と同様の問題がある。
本発明は、かかる背景のもとでなされたもので、ステアリングホイールに入力される操舵トルクを素早く検出することのできるトルク検出装置およびこれを備えるパワーステアリング装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、リム部およびスポーク部を含むステアリングホイールに付与される操舵トルクを検出するためのトルク検出装置において、上記ステアリングホイールのリム部とスポーク部との結合部またはその近傍に力または歪みを検出するための手段を備え、力または歪みを検出するための手段により検出された力または歪みに基づいて操舵トルクを検出することを特徴とするトルク検出装置を提供する。

例えば車両の運転者がステアリングホイールを保持する場合、通例、当該運転者はステアリングホイールのリム部を保持する。本発明によれば、リム部に入力される操舵トルクを当該リム部に極めて近い部位で検出できるので、ステアリングホイールに付与される操舵トルクを素早く検出できる。
また、本発明において、上記ステアリングホイールのリム部は、スポーク部を介してステアリングシャフトに一体回転可能に連結される内リム部と、内リム部を覆い内リム部に対して相対回転可能な外リム部とを含み、スポーク部および内リム部の何れか一方と外リム部とにそれぞれ設けられステアリングホイールの回転方向に互いに係合可能な第１および第２の係合部を備え、上記力または歪みを検出するための手段は、第１および第２の係合部間に介在する感圧素子を含む場合がある。

この場合、例えば車両の運転者がステアリングホイールを保持する際には、当該運転者はステアリングホイールの外リム部を保持する。本発明によれば、外リム部に入力される操舵トルクを当該外リム部の極めて近い部位で検出できるので、ステアリングホイールに付与される操舵トルクを素早く検出できる。
また、本発明は、上記トルク検出装置と、上記ステアリングホイールの動作に応じて駆動し転舵輪を転舵するための舵取り機構と、上記トルク検出装置により検出される操舵トルクに応じた操舵捕助力を生成して舵取り機構に付与するための操舵補助力生成手段とを備えることを特徴とするパワーステアリング装置を提供する。

本発明によれば、ステアリングホイールに付与される操舵トルクを素早く検出できる結果、ステアリングホイールの操作に対して舵取り機構が素早く動作でき、マニュアルステアリング装置のような、応答性に優れた剛性感のある操舵フィーリングを得ることができる。

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、本発明の一実施の形態のパワーステアリング装置１の概略構成を示す模式図である。図１を参照して、本パワーステアリング装置１は、操舵部材としてのステアリングホイール２に連結されるステアリングシャフト３と、このステアリングシャフト３と自在継手４を介して連結される中間軸５と、この中間軸５と自在継手６を介して連結されるピニオン軸７と、このピニオン軸７に連なるラックアンドピニオン機構等を含む舵取り機構９とを備えている。ステアリングシャフト３は、単品の部材で形成されており、極めて高い剛性を有している。

舵取り機構９は、ステアリングホイール２の動作に応じて駆動し転舵輪８を転舵するためのものであり、ピニオン軸７の先端部に設けられるピニオン１０と、車両の左右方向に延びて配置されて軸方向に移動可能な転舵軸１１と、この転舵軸１１の両端にタイロッド１２を介して結合され、転舵輪８を支持するナックルアーム１３とを備えている。
転舵軸１１の一部にはラック１４が形成されており、ピニオン１０が噛み合わされている。ステアリングホイール２の操作に応じてステアリングシャフト３、中間軸５およびピニオン軸７が回転駆動されると、この回転は、ピニオン１０およびラック１４により転舵軸１１の軸方向の移動に変換される。転舵軸１１の軸方向への移動により、ナックルアーム１３が回動されて転舵輪８の転舵が達成される。

ステアリングホイール２に付与される力を検出するための手段としての感圧素子等からなる力センサを含むトルク関連情報センサ１５が設けられている。トルク関連情報センサ１５からの検出信号は、マイクロプロセッサ等を含む制御部１６に入力される。また、制御部１６には図示しない車速センサからの車速検出信号が入力されるようになっている。
制御部１６は、トルク関連情報センサ１５により検出された力に基づいて操舵トルクを算出し、さらに当該操舵トルクや上記車速センサにより検出された車速等に基づいて、操舵捕助力生成手段としての操舵捕助力生成部１７の駆動を制御し、当該操舵捕助力生成部１７に所定の操舵捕助力を発生させる。操舵捕助力生成部１７で発生された操舵捕助力は、例えば転舵軸１１から舵取り機構９に与えられて運転者の操舵が補助される。

操舵捕助力生成部１７は、上述のように検出される操舵トルクに応じた操舵捕助力を生成して舵取り機構９に付与するためのものであり、図示しない動力源を備えている。この動力源として、電動モータを例示することができ、また、ピストンおよびシリンダを含む油圧装置を例示することができる。
ステアリングホイール２は、例えばスプライン嵌合によりステアリングシャフト３の一端部と一体回転可能に連結される連結部１８と、運転者が掴んで保持するための円形のリム部１９と、連結部１８とリム部１９とを一体回転可能に連結するスポーク部２０とを備えている。スポーク部２０は例えば３本設けられており、各スポーク部２０の一端部が連結部１８に結合されている。各スポーク部２０の他端部がリム部１９に結合されている。

本実施の形態の特徴とするところは、ステアリングホイール２のリム部１９とスポーク部２０との結合部２１に上記のトルク関連情報センサ１５を設けることで、ステアリングホイール２に付与される操舵トルクを検出するためのトルク検出装置２２を形成し、これにより車両の運転者からステアリングホイール２に付与される操舵トルクを素早く検出できるようになっている点にある。トルク関連情報センサ１５は、図１に示すようにリム部１９に設けられていても良いし、スポーク部２０に設けられていても良い。トルク関連情報センサ１５が力センサを含む場合、リム部１９と各スポーク部２０との間の少なくとも一部のトルク伝達は、各トルク関連情報センサ１５を介して行われる。

本パワーステアリング装置１が設けられる車両の運転者がステアリングホイール２を保持する場合、通例、当該運転者は、ステアリングホイール２のリム部１９を保持する。
以上の次第で、本実施の形態によれば、運転者からステアリングホイール２のリム部１９に入力される操舵トルクを当該リム部１９に極めて近い部位で検出できるので、ステアリングホイール２に付与される操舵トルクを素早く検出できる。その結果、ステアリングホイール２の操作に対して舵取り機構９が素早く動作でき、マニュアルステアリング装置のような、応答性に優れた剛性感のある操舵フィーリングを得ることができる。

また、ステアリングシャフトにトーションバーを設ける従来の場合と異なり、ステアリングシャフト３を単品に形成して高い剛性を確保しているので、運転者がステアリング剛性の不足を感じることが無く、且つコスト安価である。さらに、上記従来の場合、トルクセンサは、トーションバーを取り囲むようにして、配置スペースの限られたステアリングコラム内に配置される必要があるが、本実施の形態では、トルク関連情報センサ１５をステアリングコラム内に配置する必要が無い。その結果、ステアリングコラムに設けられる衝撃吸収構造の設計上の自由度を高めることが可能となった。

なお、上記実施の形態において、トルク関連情報センサ１５として、歪みを検出するための手段としての歪みゲージ等からなる歪みセンサを用い、この歪みセンサにより検出される歪みに基づいて操舵トルクを検出するようにしても良い。この場合、ステアリングホイール２のリム部１９とスポーク部２０との間で直接トルク伝達される。
図２は、本発明の他の実施の形態のトルク検出装置２２の正面図である。以下では、図１に示す実施の形態と異なる点について主に説明し、同様の構成については図に同一の符号を付してその説明を省略する。図２を参照して、本実施の形態において、トルク関連情報センサ１５は、ステアリングホイール２の結合部２１の近傍にそれぞれ設けられている。具体的には、各トルク関連情報センサ１５は、リム部１９に設けられ、対応するスポーク部２０を挟むようにして一対設けられている。このトルク関連情報センサ１５として、圧電素子等からなる力センサを例示することができ、また歪みゲージ等からなる歪みセンサを例示することができる。トルク関連情報センサ１５が力センサを含む場合、リム部１９と各スポーク部２０との間の少なくとも一部のトルク伝達は、各トルク関連情報センサ１５を介して行われる。また、トルク関連情報センサ１５が歪みセンサを含む場合、リム部１９とスポーク部２０との間で直接トルク伝達される。

なお、本実施の形態において、トルク関連情報センサ１５を各スポーク部２０に設けても良い。この場合、トルク関連情報センサ１５は、対応するスポーク部２０の少なくとも軸方向中央部よりもリム側に配置される。
図１および図２に示す各実施の形態において、ステアリングホイール２のスポーク部２０の本数は１本でも２本でも良いし、４本以上であっても良い。また、１つの結合部２１に対応して設けられるトルク関連情報センサ１５の数は、１個でも良いし、２個でも良い。

図３は、本発明のさらに別の実施の形態のトルク検出装置２２の断面正面図であり、図４は、図３のトルク関連情報センサ１５周辺の拡大図である。
図３および図４を参照して、ステアリングホイール２のリム部１９は、スポーク部２０および連結部１８を介してステアリングシャフト３に一体回転可能に連結される内リム部２３と、内リム部２３を覆い内リム部２３に対して相対回転可能な外リム部２４とを含んでいる。

本実施の形態の特徴とするところは、スポーク部２０および外リム部２４にそれぞれ、ステアリングホイール２の回転方向Ｒ（周方向）に互いに対向し且つ係合可能な第１および第２の係合部２５，２６が形成されると共に、これらの係合部２５，２６間にトルク関連情報センサ１５が介在している点にある。
具体的には、トルク関連情報センサ１５として、圧電素子等の感圧素子からなる力センサを例示することができる。スポーク部２０は例えば４本設けられている。各スポーク部２０の一端部が連結部１８に結合されると共に、各スポーク部２０の他端部が内リム部２３に結合されている。外リム部２４は、例えば環状の中空部材により形成されている。外リム部２４には、対応するスポーク部２０をそれぞれ挿通させるための挿通孔２７が形成されている。

１ないし複数の（本実施の形態では単一の）スポーク部２０が回転方向Ｒに応じた一対の第１の係合部２５を有していると共に、対応する挿通孔２７の内周面が上記一対の第１の係合部２５にそれぞれ対向する一対の第２の係合部２６を有しており、対応する第１および第２の係合部２５，２６間にそれぞれトルク関連情報センサ１５が介在している。すなわち、対応する第１および第２の係合部２５，２６は、対応するトルク関連情報センサ１５を介して互いに係合している。

トルク関連情報センサ１５は、第１および第２の係合部２５，２６の何れか一方または双方に固定される。トルク関連情報センサ１５が固定されない側の係合部２５または係合部２６とトルク関連情報センサ１５との間に、微小な隙間（例えば０．５ｍｍ）を形成可能としても良いし、隙間が形成されないようにしても良い。
車両の運転者がステアリングホイール２を保持する際には、当該運転者はステアリングホイール２の外リム部２４を保持する。運転者が外リム部２４を保持してステアリングホイール２を何れかの回転方向に回転操作すると、運転者から外リム部２４に付与される操舵トルクが対応するトルク関連情報センサ１５を介してスポーク部２０に伝達され、さらにステアリングシャフト３等を介して舵取り機構９（図１参照）に伝達される。

このように、本実施の形態によれば、運転者から外リム部２４に入力される操舵トルクを当該外リム部２４に極めて近い部位で検出できるので、運転者からステアリングホイール２に付与される操舵トルクを素早く検出できる。その結果、ステアリングホイール２の操作に対して舵取り機構９が素早く動作でき、マニュアルステアリング装置のような、応答性に優れた剛性感のある操舵フィーリングを得ることができる。さらに、トルク関連情報センサ１５を２個設けることで、操舵トルクの作用する方向も検出することができる。

なお、図３の実施の形態において、一対のトルク関連情報センサ１５の一方を、他のスポーク部２０に設けられた第１の係合部２５およびこれに対応する第２の係合部２６間に介在させ、両方のトルク関連情報センサ１５を用いてステアリングホイール２に付与される操舵トルクの値および作用する方向を検出するようにしても良い。
図５は、本発明のさらに別の実施の形態の要部の一部断面図である。なお、以下では、図４に示す実施の形態と異なる点について主に説明し、同様の構成には図に同一の符号を付してその説明を省略する。図５を参照して、本実施の形態では、内リム部２３および外リム部２４の何れか一方に形成される凸部３１と他方に形成される凹部３０とにそれぞれ、第１および第２の係合部２５，２６を設けている。

例えば、外リム部２４の内周面に形成される凸部３１が、内リム部２３に形成される凹部３０に収容されている。凸部３１は一対の第２の係合部２６を含み、凹部３０の内壁面が一対の第１の係合部２５を含んでいる。この場合、トルク関連情報センサ１５として、圧電素子等の感圧素子からなる力センサを例示することができる。
なお、本実施の形態において、複数組の凹部３０および凸部３１を設けて各組の凹部３０および凸部３１において互いに対応する第１および第２の係合部２５，２６間にそれぞれトルク関連情報センサ１５を介在させても良い。また、外リム部２４に凹部３０を形成すると共に内リム部２３に凸部３１を形成しても良い。さらに、図４および図５に示す各実施の形態において、スポーク部２０の本数は３本以下でも良いし、５本以上でも良い。

本発明は、上記各実施の形態に限定されない。例えば、力センサとして圧力センサ等を用いてもよいし、歪みセンサとして磁歪素子等を用いても良い。また、操舵捕助力生成部１７の操舵捕助力を、図示しない減速機構等を介してステアリングシャフト３に付与するようにしても良い。
その他、本発明は、ステアリングシャフトと舵取り機構との間の機械的な連結が解除された、いわゆるステア・バイ・ワイヤ（ＳＢＷ）装置に適用できる等、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。

本発明の一実施の形態のパワーステアリング装置の概略構成を示す模式図である。 本発明の他の実施の形態のトルク検出装置の正面図である。 本発明のさらに別の実施の形態のトルク検出装置の断面正面図である。 図３のトルク関連情報センサ周辺の拡大図である。 本発明のさらに別の実施の形態の要部の一部断面図である。

符号の説明

１ パワーステアリング装置
２ ステアリングホイール
３ ステアリングシャフト
８ 転舵輪
９ 舵取り機構
１５ トルク関連情報センサ（力または歪みを検出するための手段、感圧素子）
１７ 操舵捕助力生成部（操舵補助力生成手段）
１９ リム部
２０ スポーク部
２１ 結合部
２２ トルク検出装置
２３ 内リム部
２４ 外リム部
２５ 第１の係合部
２６ 第２の係合部
Ｒ 回転方向

Claims (3)

1. リム部およびスポーク部を含むステアリングホイールに付与される操舵トルクを検出するためのトルク検出装置において、上記ステアリングホイールのリム部とスポーク部との結合部またはその近傍に力または歪みを検出するための手段を備え、力または歪みを検出するための手段により検出された力または歪みに基づいて操舵トルクを検出することを特徴とするトルク検出装置。
2. 請求項１において、上記ステアリングホイールのリム部は、スポーク部を介してステアリングシャフトに一体回転可能に連結される内リム部と、内リム部を覆い内リム部に対して相対回転可能な外リム部とを含み、
   スポーク部および内リム部の何れか一方と外リム部とにそれぞれ設けられステアリングホイールの回転方向に互いに係合可能な第１および第２の係合部を備え、
   上記力または歪みを検出するための手段は、第１および第２の係合部間に介在する感圧素子を含むことを特徴とするトルク検出装置。
3. 請求項１または２に記載のトルク検出装置と、
   上記ステアリングホイールの動作に応じて駆動し転舵輪を転舵するための舵取り機構と、
   上記トルク検出装置により検出される操舵トルクに応じた操舵捕助力を生成して舵取り機構に付与するための操舵補助力生成手段とを備えることを特徴とするパワーステアリング装置。

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