JP2006038768A - トルク検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 径を大きくする必要が無いトルク検出装置の提供。
【解決手段】 連結軸６により同軸に連結された第１回転体４及び第２回転体５を備え、第１回転体４又は第２回転体５にトルクが加えられたときに、連結軸６の捩れ角度に基づき、トルクを検出するトルク検出装置。第１回転体４の周面に設けられ、光線を出力する発光手段１と、第２回転体の周面に設けられ、発光手段１が出力した光線を、入射方向と異なる方向へ反射させる反射手段３と、第１回転体４の周面に設けられ、反射手段３が反射させた光線を受光し、受光した位置に応じた信号を出力する受光手段２とを備え、受光手段２が出力した信号を捩れ角度に対応させて、トルクを検出する構成である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車両の電動パワーステアリング装置等に好適に使用され、連結軸により同軸に連結された第１回転体及び第２回転体を備え、第１回転体又は第２回転体にトルクが加えられたときに、連結軸の捩れ角度に基づき、トルクを検出するトルク検出装置に関するものである。

車両の舵取装置に、電動モータを駆動して操舵補助を行ない、運転者の負担を軽減する電動パワーステアリング装置がある。これは、操舵部材（ステアリングホイール、ハンドル）に繋がる入力軸と、ピニオン及びラック等により操向車輪に繋がる出力軸と、入力軸及び出力軸を連結する連結軸とを備え、連結軸に生じる捩れ角度によって、トルク検出装置が入力軸に加わる操舵トルクを検出し、検出した操舵トルク値に基づき、出力軸に連動する操舵補助用の電動モータを駆動制御するものである。このような電動パワーステアリング装置のトルク検出装置には、従来、コイルを用いて回転位置を検出する磁気検知式レゾルバ、又は光の透過を検知する光学式エンコーダの検出装置等が使用されている。

特許文献１には、トーションバーの両端部にそれぞれ連結され、重ねられた２枚の遮光板と、これを挟むように対向して設けられた発光器及び光検出器とを備え、遮光板がそれぞれ有する孔の重なり合う部分の面積が、トーションバーの捩れ量に応じて変化し、その重なり合う部分を透過する光量に基づきトルクを検出するトルクセンサ（トルク検出装置）が提案されている。
特開平６−１６０２０８号公報

上述したような従来のトルク検出装置では、コイル又は遮光板を設ける為に、径が大きくなるという問題がある。
本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、径を大きくする必要が無いトルク検出装置を提供することを目的とする。

第１発明に係るトルク検出装置は、連結軸により同軸に連結された第１回転体及び第２回転体を備え、該第１回転体又は第２回転体にトルクが加えられたときに、前記連結軸の捩れ角度に基づき、前記トルクを検出するトルク検出装置において、前記第１回転体の周面に設けられ、光線を出力する発光手段と、前記第２回転体の周面に設けられ、前記発光手段が出力した光線を、入射方向と異なる方向へ反射させる反射手段と、前記第１回転体の周面に設けられ、前記反射手段が反射させた光線を受光し、受光した位置に応じた信号を出力する受光手段とを備え、該受光手段が出力した信号を前記捩れ角度に対応させて、前記トルクを検出するように構成してあることを特徴とする。

第２発明に係るトルク検出装置は、前記受光手段は、前記第１回転体の周方向に２つに分割された受光素子であり、分割された受光素子の各出力信号の差を前記信号とするように構成してあることを特徴とする。

本発明に係るトルク検出装置によれば、径を大きくする必要が無いトルク検出装置を実現することが出来る。また、絶対光量に基づく検出ではないので、光を密閉する為の構造が不要である。

以下に、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１及び図２は、本発明に係るトルク検出装置の実施の形態１の構成を模式的に示す正面図（図１）及び平面図（図２）である。このトルク検出装置は、入力軸４（第１回転体）と出力軸５（第２回転体）とを、細径のトーションバー６（連結軸）により同軸に連結している。
入力軸４の周面には、出力軸５方向へ向けて軸に平行な光線を出力する、発光ダイオード又はレーザダイオードである発光素子１（発光手段）が設けられている。発光素子１が出力する光線の光路上には、必要に応じて、光線を絞る為のレンズを設けても良い。

出力軸５の周面には、発光素子１が出力した光線を反射させる反射板３（反射手段）が、その光線の入射方向に対して微小角度θ傾斜して設けられている。反射板３が反射させた光線は、入力軸４の周面の発光素子１近傍に設けられた受光素子２（受光手段）で受光される。受光素子２は、入力軸４の周方向に分割された２つのフォトダイオード２ａ，２ｂから構成され、その分割線が、入力軸４にトルクが入力されておらず、トーションバー６が捩れていないときの、反射板３からの反射光線を２等分するように、位置決めされる。また、受光面が、その反射光線の光軸に垂直になるように位置決めされる。
受光素子２は、２つのフォトダイオード２ａ，２ｂの各出力電圧の差電圧を検出信号として出力する。

このような構成のトルク検出装置では、入力軸４に右回りのトルクが入力されると、トーションバー６が捩れ、発光素子１からの光線の反射位置は、図１上において、反射板３上を左へずれる。反射板３は、微小角度θ分傾斜しているので、その反射位置が、反射板３上を左へずれると、そのずれた分、その反射位置が発光素子１から遠ざかり、その遠ざかった分、反射板３からの反射光線が受光素子２上に入射する位置が左へずれる。従って、フォトダイオード２ａ，２ｂの出力電圧は、フォトダイオード２ａの方が高くなり、それらの差は、トーションバー６の捩れ角度が大きい程、大きくなる。

一方、入力軸４に左回りのトルクが入力されると、トーションバー６が捩れ、発光素子１からの光線の反射位置は、図１上において、反射板３上を右へずれる。その反射位置が、反射板３上を右へずれると、そのずれた分、その反射位置が発光素子１に近づき、その近づいた分、反射板３からの反射光線が受光素子２上に入射する位置が右へずれる。従って、フォトダイオード２ａ，２ｂの出力電圧は、フォトダイオード２ｂの方が高くなり、それらの差は、トーションバー６の捩れ角度が大きい程、大きくなる。

以上から、受光素子２は、図３に示すように、トーションバー６の捩れ角度が大きい程、大きい電圧信号を出力する。また、トーションバー６の捩れ角度は、入力されたトルクに対応しているから、受光素子２は、入力されたトルクに対応する電圧を出力する。また、トルクの右回り／左回りも電圧の正負に対応させることが出来る。従って、受光素子２の出力電圧に基づき、入力軸４に入力されたトルクを検出することが出来る。

（実施の形態２）
図４及び図５は、本発明に係るトルク検出装置の実施の形態２の構成を模式的に示す正面図（図４）及び平面図（図５）である。このトルク検出装置は、入力軸４（第１回転体）と出力軸５（第２回転体）とを、細径のトーションバー６（連結軸）により同軸に連結している。
入力軸４の周面には、出力軸５方向へ向けて、軸に対して僅かに傾斜した光線を出力する、発光ダイオード又はレーザダイオードである発光素子１ａが設けられている。発光素子１ａが出力する光線の光路上には、必要に応じて、光線を絞る為のレンズを設けても良い。

出力軸５の周面には、発光素子１ａが出力した光線を反射させる円筒形状又は円柱形状の反射鏡３ａが設けられている。反射鏡３ａが反射させた光線は、入力軸４の周面の発光素子１ａ近傍に設けられた受光素子２で受光される。受光素子２は、入力軸４の周方向に分割された２つのフォトダイオード２ａ，２ｂから構成され、その分割線が、入力軸４にトルクが入力されておらず、トーションバー６が捩れていないときの、反射鏡３ａからの反射光線を２等分するように、位置決めされる。また、受光面が、その反射光線の光軸に垂直になるように位置決めされる。
受光素子２は、２つのフォトダイオード２ａ，２ｂの各出力電圧の差電圧を検出信号として出力する。

このような構成のトルク検出装置では、入力軸４に右回りのトルクが入力されると、トーションバー６が捩れ、発光素子１ａからの光線の反射位置は、図１上において、反射鏡３ａ上を左へずれる。反射鏡３ａは曲面であるので、捩れ角度が小さければ、その反射位置が、反射鏡３ａ上を左へずれても、そのずれた分、その反射位置が発光素子１から遠ざかる程度は、反射板３（図１）の場合より小さい。しかし、反射鏡３ａ上での入射角度及び反射角度は大きくなり、その大きくなった分、反射光線が受光素子２上に入射する位置が左へずれる。従って、フォトダイオード２ａ，２ｂの出力電圧は、フォトダイオード２ａの方が高くなり、それらの差は、トーションバー６の捩れ角度が大きい程、大きくなる。

一方、入力軸４に左回りのトルクが入力されると、トーションバー６が捩れ、発光素子１ａからの光線の反射位置は、図１上において、反射鏡３ａ上を右へずれる。反射鏡３ａは曲面であるので、捩れ角度が小さければ、その反射位置が、反射鏡３ａ上を右へずれても、そのずれた分、その反射位置が発光素子１ａから遠ざかる程度は、反射板３（図１）の場合より小さい。しかし、反射鏡３ａ上での入射角度及び反射角度は小さくなり、その小さくなった分、反射光線が受光素子２上に入射する位置が右へずれる。従って、フォトダイオード２ａ，２ｂの出力電圧は、フォトダイオード２ｂの方が高くなり、それらの差は、トーションバー６の捩れ角度が大きい程、大きくなる。

以上から、受光素子２は、実施の形態１と同様に、トーションバー６の捩れ角度が大きい程、大きい電圧信号を出力する。また、トーションバー６の捩れ角度は、入力されたトルクに対応しているから、受光素子２は、入力されたトルクに対応する電圧を出力する。また、トルクの右回り／左回りも電圧の正負に対応させることが出来る。従って、受光素子２の出力電圧に基づき、入力軸４に入力されたトルクを検出することが出来る。
尚、上述した実施の形態１，２では、受光素子２は、入力軸４の周方向に分割された２つのフォトダイオード２ａ，２ｂであるが、これらに代えて、１次元ＣＣＤ（Charge Coupled Device）を用いて、反射光の入射位置を検出することも可能である。

図６は、今回開示されるトルク検出装置の構成を示す斜視図である。このトルク検出装置は、入力軸４ａ及び出力軸５ａの各軸芯回りの空間内に設けられた細径のトーションバー６（ここでは、説明の為に中間部で切り離してある）により、入力軸４ａと出力軸５ａとを同軸に連結している。
入力軸４ａは、外周面に平行な小径面及び大径面に挟まれ、開口部が出力軸５ａに対向する端面に設けられた空間２４を内蔵しており、出力軸５ａは、外周面に平行な小径面及び大径面に挟まれ、開口部が入力軸４ａに対向する端面に設けられ、端面に平行な断面形状が空間２４と同形状である空間２５を内蔵している。

入力軸４ａ及び出力軸５ａは、空間２４，２５のそれぞれの開口部が合致するように、また、トルクが入力された場合には、摺動自在に互いに逆方向に回転するように、グリス等が塗布された端面同士を接触させた状態で、空間２４，２５を外部と遮断している。

空間２４の内周面には、空間２５方向へ向けて軸に平行な光線を出力する、発光ダイオード又はレーザダイオードである発光素子１ｂが設けられている。発光素子１ｂが出力する光線の光路上には、必要に応じて、光線を絞る為のレンズを設けても良い。

空間２５の内周面には、発光素子１ｂが出力した光線を反射させる反射板３ｂが、その光線の入射方向に対して微小角度傾斜して設けられている。反射板３ｂが反射させた光線は、空間２４の内周面の発光素子１ｂ近傍に設けられた受光素子２ｅで受光される。受光素子２ｅは、入力軸４ａの周方向に分割された２つのフォトダイオード２ｃ，２ｄから構成され、その分割線が、入力軸４ａにトルクが入力されておらず、トーションバー６が捩れていないときの、反射板３ｂからの反射光線を２等分するように、位置決めされる。また、受光面が、その反射光線の光軸に垂直になるように位置決めされる。
受光素子２ｅは、２つのフォトダイオード２ｃ，２ｄの各出力電圧の差電圧を検出信号として出力する。

このような構成のトルク検出装置では、空間２４，２５に収納され外部と遮断されているので、塵埃が外部から侵入せず、光線が塵埃に遮られて減衰し、正確に検出出来なくなるという事態が生じる虞がなく、安定してトルクを検出することが出来る。その他の動作は、上述した実施の形態１のトルク検出装置の動作と同様であるので、説明を省略する。

本発明に係るトルク検出装置の実施の形態の構成を模式的に示す正面図である。 本発明に係るトルク検出装置の実施の形態の構成を模式的に示す平面図である。 図１，２に示すトルク検出装置の動作特性を示す特性図である。 本発明に係るトルク検出装置の実施の形態の構成を模式的に示す正面図である。 本発明に係るトルク検出装置の実施の形態の構成を模式的に示す平面図である。 今回開示されるトルク検出装置の構成を示す斜視図である。

符号の説明

１ 発光素子（発光手段）
２ 受光素子（受光手段）
２ａ，２ｂ フォトダイオード
３ 反射板（反射手段）
３ａ 反射鏡（反射手段）
４ 入力軸（第１回転体）
５ 出力軸（第２回転体）
６ トーションバー（連結軸）

Claims (2)

1. 連結軸により同軸に連結された第１回転体及び第２回転体を備え、該第１回転体又は第２回転体にトルクが加えられたときに、前記連結軸の捩れ角度に基づき、前記トルクを検出するトルク検出装置において、
   前記第１回転体の周面に設けられ、光線を出力する発光手段と、前記第２回転体の周面に設けられ、前記発光手段が出力した光線を、入射方向と異なる方向へ反射させる反射手段と、前記第１回転体の周面に設けられ、前記反射手段が反射させた光線を受光し、受光した位置に応じた信号を出力する受光手段とを備え、該受光手段が出力した信号を前記捩れ角度に対応させて、前記トルクを検出するように構成してあることを特徴とするトルク検出装置。
2. 前記受光手段は、前記第１回転体の周方向に２つに分割された受光素子であり、分割された受光素子の各出力信号の差を前記信号とするように構成してある請求項１記載のトルク検出装置。

Images