JPS61226362A - パワ−ステアリング装置の操舵トルク検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はパワーステアリング装置の操舵トルク検出器に
関するもので、特に、トーション・バー機構等の捻りを
静電容量の変化に変換して、非接触でトルク検出を行う
パワーステアリング装置の操舵トルク検出器に関するも
のである。

［従来の技術］ 従来のこの種のパワーステアリング装置の操舵トルク検
出器として特開昭５７−４７２５１号公報の技術を挙げ
ることができる。

前記公報の技術は、入力軸と出力軸との相対回転をトー
ション・バーによる角変位に変換し、更に、前記角変位
を入力軸の外周面に形成した螺旋状のカム溝にボールを
嵌合させ、入力軸の軸方向の変位に変換し、この軸方向
の移動を磁気スケールで電気信号に変換している。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし、磁気スケールで検出精度を上げるには、第７図
の原理図に示す様に、磁気スケールの各単位磁石Ｍ１〜
Ｍｎの構成する着磁を、軸方向のＮ極の長さＬＨ、Ｓ極
の長さＬＳとする単極の長さを短くする必要がある。ま
た、その厚みｔにおいても、薄くする必要がある。当然
ながら、それを積橿的に行うと着磁が弱いものになって
しまい、その検出出力の低下及び温度特性の劣化が生ず
るという電磁気的な問題があった。

また、機械的にも検出部ＳＥと磁気スケールとの間隙Ｇ
は、常に、均一にしかも微少に管理しなければならない
という問題があった。更に、磁気検出手段及びその検出
出力のディジタル波形の処理が特殊であるため、そのデ
ィジタル波形の処理回路が高価にならざるを得ないとい
う信号処理回路の問題があった。

そこで、本発明は上記問題点を除去して、精度の高いア
ナログ出力を得ることができると共に、検出器の構造を
簡単とし、廉価なパワーステアリング装置の操舵トルク
検出器の提供をその目的とするものである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明にかかるパワーステアリング装置の操舵トルク検
出器は、ステアリングシャフト等の入力軸とビニオン軸
等の出力軸との間に配設された、ステアリングホイール
に加えられた操舵トルクを角変位に変換するトーション
・バー等の捻り角変位発生部材と、前記捻り角変位に伴
い軸方向の移動に変換するボールねじに嵌合し、摺動ガ
イドにその回動を規制され、軸方向に沿って移動する可
動部材と、前記可動部材の移動を静電容量の変化に変換
する可動電極板と、前記可動電極板に並設された固定電
極板からなるものである。

し作用］ 本発明によれば、ステアリングホイールに加えられた操
舵トルクは、入力軸のステアリングシャフトと、出力軸
のラックアンドビニオン式ステアリングのビニオンとの
間に配設された捻り角変位発生部材であるトーション・
バーによって、角変位に変換される。前記変換された角
変位は入力軸に設けられたボールねじに嵌合し、出力軸
に設けられた摺動ガイドによって回動を規制され、軸方
向に沿って移動する可動部材の軸方向の移動に変換され
る。

前記可動部材には可動電極板が取り付けられていて、可
動部材の軸方向の移動は可動電極板に並設された固定電
極板との間の静電容量の変化となる。

このとき、可動電極板に並設された固定電極板を、前記
可動電極板の両面にそれぞれ並設して２個の固定電極板
を設けた場合は、前記可動電極板は２個の固定電極板の
間に位置するから、一方の固定電極板で形成される静電
容量がその間隙に反比例して増加するとき、他方の固定
電極板で形成される静電容量がその間隙に反比例して減
少することになる。

したがって、捻り角変位発生部材と前記捻り角変位に伴
い軸方向の移動に変換する可動部材によって、ステアリ
ングホイールに加えられた操舵トルクを静電容量の変化
として出力できると共に、両静電容量の変化を差動検出
出力とすることができる。

［実施例］ 第１図は本発明のパワーステアリング装置の操舵トルク
検出器の一実施例の断面図で、第２図はパワーステアリ
ングの全体構成図を示すものである。

図において、モータ１の回転軸にはビニオンギア２が取
り付けられている。前記モータ１のケースはアッパーハ
ウジング３に固着されている。前記ビニオンギア２はア
ッパーハウジング３のベアリング７と、ロアーハウジン
グ４のベアリング８間で軸支されている減速ギア５ａに
噛合している。

前記減速ギア５ａの回転はこれと締結部材で連結された
減速ギア５ｂを介して、出力ギア口に伝達される。前記
出力ギア口はラックアンドビニオン式ステアリングのラ
ック１０と噛合するビニオン　・部９ａを有する出力軸
９とキーによって固着されている。前記出力軸９はロア
ーハウジング４に配設したベアリング１４及びベアリン
グ１５によって軸支されている。そして、前記出力軸９
の端部にボルトを設け、これにナツト１６を噛合せるこ
とにより、ロアーハウジング４に前記ベアリング１４及
び１５を堅固に固着し、前記ナツト１６はキャップねじ
１．７によって、ロアーハウジング４に封止される。前
記出力軸９のビニオン部９ａと噛合するラック１０は、
第２図のパワーステアリングの全体構成図に示す様に、
ステアリングハウジング１００内に装着されたラック１
０の左右の移動により、その両端に取り付けられている
リンクロッド１０１及びリンクロッド１０２が移動し、
左右両輪のナックルアーム（図示せず）を動かして、ホ
イール１０３及び１０４、即ち、左右両輪の操向を行う
ものである。

前記ラック１０は摺接支持部材１１によって出力軸９の
ビニオン部９ａとの噛合を維持される。

即ち、前記摺接支持部材１１はスプリング１２を介して
、ロアーハウジング４に螺合した押圧ねじ１３によって
ラック１０に押圧力が加えられている。

前記出力軸９と、ステアリングシャフト１１０とセレー
ションによって接続された入力軸２０との間は、トーシ
ョン・バー１９の一端をビン２１で、他端をビン１８で
係止することによって接続している。そして、入力軸２
０はアッパーハウジング３に挿着された固定電極支持部
材２３を介してベアリング２２によって支持されると共
に、出力軸９に嵌合している。したがって、入力軸２０
に加えられたトルクはトーション・バー１９を介して出
力軸９に伝達される。

即ち、トーション・バー１９は、入力軸２０と出力軸９
にビン２１及び１８によって係止され、入力軸２０に加
えられたトルクにより、入力軸２０と出力軸９との相対
的な角変位として現われ、捻り角変位を発生する捻り角
変位発生部材として機能する。

前記入力軸２０のステアリングシャフト１１０側は、前
記ベアリング２２で軸支されると共に、前記ベアリング
２２の外側をシール部材２４でベアリング２２の固定及
び入力軸２０と固定電極支持部材２３との間の封止を行
っている。前記固定電極支持部材２３は、アッパーハウ
ジング３に挿着され、０リングで封止すると共にスナッ
プリング２５によってアッパーハウジング３に固着され
ている。そして、これら固定電極支持部材２３及びシー
ル部材２４及びスナップリング２５の外側はダストカバ
ー２６によって包囲しており、塵埃の侵入を防止してい
る。

入力軸２０には、第３図の角変位−電気変位変換部の要
部断面図にその詳細を示す様に、その外周面にボールね
じ２０ａが刻設されている。前記ボールねじ２０ａには
ボール３０が嵌合しており、前記ボール３０は可動部材
３１によってボールねじ２０ａからの離脱を防止する。

即ち、ボール３０は可動部材３１と共にボールねじ２０
ａの円周方向に移動可能に取り付けられている。そして
、摺動ガイド３２と嵌合する嵌合孔３１ａによって、前
記可動部材３１の回転を規制し、その軸方向の移動のみ
を可能としている。

前記摺動ガイド３２は出力軸９に固着されているから、
入力軸２０と出力軸９との相対角変位によって、ボール
３０と嵌合するボールねじ２０ａの位置が変化し、その
変化が可動部材３１の変化となる。したがって、可動部
材３１は入力軸２０と出力軸９との相対角変位を軸方向
の変位に変換することができる。

前記軸方向の変位に変換された可動部材３１の一端には
、可動電極板４０が螺子止めされており、更に、これら
は可動電極押圧用スプリング３３によって押圧されてお
り、前記可動電極押圧用スプリング３３はベアリング２
２側で固定されている。

そして、前記可動電極板４０の一方の面に対応してアッ
パーハウジング３に固定電極板４１が絶縁材料である固
定電極基板４２を介して固着されている。前記可動電極
板４０の他方の面に対応して、アッパーハウジング３に
挿着した固定電極支持部材２３に、固定電極板４３が絶
縁材料からなる固定電極基板４４を介して固着されてい
る。即ち、第４図の電極板の正面図に示す様に、固定電
極板４１及び４３は、エポキシ等の絶縁材料の固定電極
基板４２または４４の表面に金属、例えば、銅箔等によ
って形成したものである。したがって、可動電極板４０
はアッパーハウジング３側の固定電極板４１と、固定電
極支持部材２３側の固定電極板４３との間で、両電極板
４１及び電極板４３の表面に平行した状態を維持しなが
ら、可動電極板４０が移動する。

このとき、固定電極板４１と可動電極板４０間の静電容
ｆｆ１ｃｘと、固定電極板４３と可動電極板４０との間
の静電容量Ｃｙは、固定電極板４１と固定電極板４３と
の間隙をｄ１可動電極板４０の変位をΔｘ１静電容ＩＣ
ｘの間隙をＸとすれば、ＣＸ＝εεｏＳ／ｘ ｃｙ−εεｏＳ／　（ｄ−ｘ） 但し、ε。は真空中の誘電率、 εは空気中の比誘電率、 Ｓは電極板の有効面積、 となる。

ここで、第５図に示す前記固定電極板４１及び４３と可
動電極板４０との間の静電容ｆｆ１ｃｘ及びＣｙによっ
て、その検出出力Ｅ　ｏｕｔｌを得る検出回路を用いて
、可動電極板４０の動きと検出出力Ｅｏｕｔ１との関係
を示すと次の様になる。

外部に接続した発振器の電圧Ｅを固定電極板４１と固定
電極板４３に印加し、静電容量Ｃｘと静電容量Ｃｙから
なる並列回路を構成し、コンデンサＣｏｕｔと静電容量
Ｃｘ及びＣｙが分圧する電圧降下を検出すれば、 　０ｕｔｌ ｏｃ　（Ｃｘ　−Ｃｙ　）　−ＥＨ ｗ（１／ｘ−１／（ｄ−ｘ））−ＥＨ・　（１）ここで
ｘ＝　（（ｄ／２）＋ΔＸ）とすれば、（１）式は、 ・・・（２） となる。

ここで、　　（ｄ／２）＞ΔＸ　とすれば、（２）式は
、 卿−８Δｘ　−ＥＨ／ｄ” 但し、上式の、ＥＨ＝Ｅ／　（Ｓｉｎωｔ　）となる。

即ち、Ｅ　ｏｕｔｌとして、略−８Δｘ　−ＥＨ／ｄ２
の出力が得られる。

したがって、（ｄ／２＞）ΔＸの条件であれば、出力は
リニアなものが得られる。また。１サイクルで静電容量
Ｃｘ及びＣｙに蓄積した電荷を放電するために、ダイオ
ードＤ１及びＤ２で放電するように構成しである。ゆえ
に、第５図の回路は連続的に動作可能である。なお、オ
ペアンプＯＰはバッファアンプとして使用している。こ
のようにして、トルク検出器によって得られた静電容量
ＣＸと静電容量Ｃｙの変化はその電圧差として検出する
ことができる。

したがって、オペアンプＯＰの出力Ｅ　０ｕｔ２は、可
動電極板４０の位置が固定電極板４１と固定電極板４３
との中央にあるとき零となり、固定電極板４１と可動電
極板４０との間の静電容量Ｃｘが、固定電極板４３と可
動電極板４０との間の静電容量Ｃｙより大のとき正の出
力となる。そして、逆のとき負の出力となる。ゆえに、
この種の可動電極板４０及び２個の固定電極板４１と固
定電極板４′３で構成されるそれぞれの静電容ｆｆ１ｃ
Ｘと静電容量Ｃｙの変化を、差動検出出力として取り出
すと、その極性によって回動方向及びその値によってト
ルクの値が検出できる。

上記の様に本実施例のパワーステアリング装置の操舵ト
ルク検出器は、ステアリングホイール１２０に加えられ
た操舵力は、ステアリングシャフト１１０を介して入力
軸２０に伝達される。出力軸９のビニオン部９ａがラッ
ク１０を移動し、左右輪を操向するに必要な負荷に対応
するステアリングホイール１２０の操舵力は、入力軸２
０と出力軸９間に接続されたトーション・バーの捻り角
変位となって現われる。

前記入力軸２０の外周にはボールねじ２０ａが刻設され
ていて、可動部材３１に取り付けられたボール３０が、
前記ボールねじ２０ａに嵌合しており、前記可動部材３
１の軸方向に穿設された嵌合孔３１ａは、出力軸９に固
着され軸方向に伸びた摺動ガイド３２と嵌合しているか
ら、前記可動部材３１はトーション・バーによって得ら
れた捻り角変化を軸方向の移動に変換する。前記可動部
材３１には可動電極板４０が可動部材３１の軸方向の移
動可能に取り付けられており、前記可動電極板４０に並
設された固定電極板４１及び４４間との距離が、可動部
材３１の軸方向の移動に伴って変化する。このとき、相
対向する固定電極板４１と可動電極板４０との間の静電
容量Ｃｘまたは固・定電極板４３と可動電極板４０との
間の静電容ｆｆ１ｃｙのいずれか、或いは両者を外部に
導き、その変化を検出することにより、ステアリングホ
イール１２０に加えられるトルクに応じた静電容量の変
化として出力することができる。

したがって、本実施例のパワーステアリングの操舵トル
ク検出器ＴＳの出力を受けて、第２図に示す制御回路１
３０は前記検出トルクに応じてモータ１を駆動して、動
力の附与を行うことができる。ステアリングホイール１
２０が復元して操舵力が与えられなくなると、前記操舵
トルク検出器ＴＳの出力によって、モータ１の回転が停
止される。

なお、本実施例では、可動部材３１を入力軸２０の周囲
に刻設したボールねじ２０ａに嵌合させると共に、出力
軸９に固着した摺動ガイド３２によって可動部材３１の
回動を拘束し、軸方向のみの移動を可能にしている。し
かし、可動部材３１は、入力軸２０と出力軸９との相対
角変位を軸方向の移動に変換すればよいので、本発明を
実施する場合には、本実施例に限定されるものではなく
、出力軸９側にボールねじを刻設し、入力軸２０側に摺
動ガイド３２を配設してもよい。本実施例の如く、入力
軸２０の径が出力軸９よりもその径が細い場合には、入
力軸２０側にボールねじを刻設する方が小型化できる。

また、前記ボールねじ２０ａは、入力軸２０の周囲に、
入力軸２０の角変位に対して軸方向の移動を直線的に変
化するように刻設したものである。

このとき、例えば、静電容量ＣＸはその電極板間隔Ｘに
反比例する出力となる。したがって、前記入力軸２０の
角変位に対して軸方向の移動を特定の曲線に従って変化
するように刻設し、静電容量Ｃｘの変化が、入力軸２０
の角変位に対してリニアに変化するようにしてもよい。

しかし、本実施例のボールねじ２０ａは、一般の旋盤で
切削加工ができるが、角変位に対してリニアに静電容量
を変化させる場合には、入力軸２０に刻設するボールね
じ２０ａが、その円周に対して曲線となり、ＮＧ旋盤等
による切削加工が必要となる。

そして、可動部材３１に取り付けられたボール３０とボ
ールねじ２０ａは、入力軸２０と出力軸９との相対的な
角変位を可動部材３１の軸方向の移動に変換すればよい
のであるから、可動部材３１の内周にボールねじを刻設
し、入力軸２０に穿設した孔にボール３０を取り付け、
前記ボールねじにボール３０を嵌合させてもよい。また
は、ボール３０を用いることなく、直接可動部材３１を
入力軸に刻設したボールねじに螺合させてもよい。

本実施例の静電容量を得る固定電極板４１及び４３と、
これらの間に配設された可動電極板４０は、静電容ｆｆ
１ｃｘ及びＣｙを得るものであるが、本発明を実施する
場合には本実施例に限定されるものではなく、固定電極
板４１または固定電極板４３のいずれかの一方のみとし
てもよい。

また、固定電極板４１または４３は、固定電極基板４２
または４４に形成されているが、第６図の他の固定電極
板の例の如く、固定電極板４１ａの外周にシールド電極
板４１ｂを配して形成し、前記シールド電極板４１ｂを
アース側に設定すると電極間の静電容ｆｉＣｘ及びＣｙ
は、他の導電体との間の静電容量の影響を少なくするこ
とができる。

そして、可動電極板４０は可動部材３１と一体となって
移動するものであるから、本実施例の如く可動電極板４
０と可動部材３１とを別体に形成する必要はなく、可動
部材と可動電極板と一体に形成してもよい。

［発明の効果］ 以上の様に本発明は、操舵トルクを角変位に変換する捻
り角変位発生部材と、前記捻り角変位を軸方向の移動に
変換する可動部材と、前記可動部材の移動を静電容量の
変化に変換する可ｌｌＩ電極板と、前記可動電極板に並
設された固定電極板から構成し、特に、前記捻り角変位
を軸方向の移動に変換する可動部材を、軸に刻設したボ
ールねじと嵌合すると共にその回動を摺動ガイドで規制
したものであるから、構造が簡単でしかも廉価に製造で
きる。また、検出出力が機械的な精度のみで決定でき精
度の高いアナログ出力を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のパワーステアリング装置の操舵トルク
検出器の一実施例の断面図、第２図はパワーステアリン
グの全体構成図、第３図は回転角変位を電気出力に変換
する変換部の要部断面図、第４図は本実施例で使用する
固定電極板の正面図、第５図は固定電極板と可動電極板
との間の静電容量によってその検出出力を得る検出回路
図、第６図は固定電極板の他の実施例の正面図、第７図
は従来のパワーステアリング装置の操舵トルク検出器に
用いた磁気スケールの例の原理図である。 図中、 ９・・・出力軸、 １９・・・トーション・バー、 ２０・・・入力軸、 ２０ａ・・・ボールねじ、 ３２・・・摺動ガイド、 ３１・・・可動部材、 ４０・・・可動電極板、 ４１．４３・・・固定電極板、 である。 なお、図中、同−符号及び同一記号は、同一または相当
部分を示す。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）入力軸と出力軸との間に配設された操舵トルクを
   角変位に変換する捻り角変位発生部材と、前記軸に刻設
   したボールねじと嵌合すると共にその回動を摺動ガイド
   で規制した前記捻り角変位を軸方向の移動に変換する可
   動部材と、 前記可動部材の移動を静電容量の変化に変換する可動電
   極板と、前記可動電極板に並設された固定電極板から構
   成されたことを特徴とするパワーステアリング装置の操
   舵トルク検出器。
2. （２）前記可動電極板に並設された固定電極板は、前記
   可動電極板の両面に対応してそれぞれ２個の固定電極板
   を並設したことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
   載のパワーステアリング装置の操舵トルク検出器。
3. （３）前記可動電極板及び２個の固定電極板で構成され
   るそれぞれの静電容量の変化を、差動検出出力として取
   り出すことを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の
   パワーステアリング装置の操舵トルク検出器。
4. （４）前記ボールねじを刻設した軸を、入力軸としたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のパワース
   テアリング装置の操舵トルク検出器。