JP2006258793A - トルク検出装置およびピニオン軸支持用軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 パワーステアリング装置において、ステアリング軸の剛性を低下させることなく操舵補助力を検出することを可能とするとともに、各種動力伝達装置において、その動力伝達部分に悪影響を及ぼすことなくトルクを検出することを可能とするトルク検出装置およびピニオン軸支持用軸受装置を提供する。
【解決手段】 ピニオン軸14を支持する転がり軸受15,16に作用する軸受荷重を求めるセンサ17,18と、センサ17,18で得られた軸受荷重からピニオン軸14に作用するトルクを求める処理手段19とを備えている。
【選択図】 図５

Description

この発明は、ラックピニオン式パワーステアリング装置、動力伝達装置などにおいて好適に使用されるトルク検出装置、およびこのようなトルク検出装置を内蔵したピニオン軸支持用軸受装置に関する。

自動車のパワーステアリング装置として、左右の車輪を旋回させるための操作手段としてのハンドルに一端が固着されるステアリング軸と、ステアリング軸の他端と左右の車輪との間に設けられたラックピニオン機構と、ハンドルの操作によってステアリング軸に加えられる操舵トルクを検出するトルクセンサと、ハンドル操作による運転者の負荷を軽減するための操舵補助力を発生させるモータとを備えているものは、よく知られている（例えば、特許文献１）。このようなパワーステアリング装置では、操舵トルクを検出しやすいものとするために、ステアリング軸をピニオン軸に直接連結するのではなく、ねじれやすいように形成されたトーションバーを介してステアリング軸とピニオン軸とを連結し、このトーションバーにトルクセンサが取り付けられていた。
特開２００４−２１６９５１号公報

上記特許文献１のパワーステアリング装置によると、ねじれやすくしたトーションバーを介してステアリング軸とピニオン軸とが連結されているため、軸剛性が低下して操舵フィーリングが悪化するという問題があった。

一方、自動車のデファレンシャル装置やトランスファー装置などの動力伝達装置において、トルクを検出することは、トルクセンサ設置に伴ってその動力伝達部分に悪影響を及ぼす恐れがあり、難しいものであった。

この発明の目的は、パワーステアリング装置において、ステアリング軸の剛性を低下させることなく操舵補助力を検出することを可能とするとともに、各種動力伝達装置において、その動力伝達部分に悪影響を及ぼすことなくトルクを検出することを可能とするトルク検出装置およびピニオン軸支持用軸受装置を提供することにある。

この発明によるトルク検出装置は、トルク検出軸を支持する転がり軸受に作用する軸受荷重を求めるセンサと、センサで得られた軸受荷重からトルク検出軸に作用するトルクを求める処理手段とを備えているものである。

トルク検出軸は、トルクを検出する対称となる軸の意味で、例えば、ピニオンが一端部に設けられたピニオン軸とされる。トルク検出軸を支持する転がり軸受は、通常１対設けられ、センサは、少なくとも一方の転がり軸受に少なくとも１つ設けられる。処理手段には、センサの出力すなわち転がり軸受に作用する荷重から軸に作用するトルクを求めるための演算式が蓄えられる。この演算式は、理論的に求めることができ、また、トルクセンサを検定用のセンサとして使用して実験的に求めることもできる。

トルク検出軸となるピニオン軸は、自動車のパワーステアリング装置や各種の動力伝達装置において使用されており、このトルク装置は、このような装置のいずれにも適用することができる。動力伝達装置としては、自動車のデファレンシャル・ギヤ装置、トランスファー装置、トランスミッション装置などが挙げられる。トルク検出装置の用途は、自動車に限られるものではなく、工作機械等にも使用できる。

この発明によるピニオン軸支持用軸受装置は、一端部にピニオンが配設されたピニオン軸を回転自在に支持する転がり軸受を備えているピニオン軸支持用軸受装置において、転がり軸受に作用する軸受荷重を求めるセンサと、センサで得られた軸受荷重からピニオン軸に作用するトルクを求める処理手段とをさらに備えていることを特徴とするものである。

ピニオン軸に配設されるピニオンは、ラックと噛み合わされるように形成されることがあり、また、傘歯車と噛み合わされるように形成されることがある。

例えば、自動車においては、ファイナル・ギア装置、デファレンシャル・ギア装置、トランスファー装置などと称されてエンジン等回転駆動源からの駆動トルクを従動側の軸に伝達する動力伝達装置が使用されている。ファイナル・ギア装置は、一端部にピニオンが配設されかつエンジンからの駆動トルクが伝達されるピニオン軸と、ピニオン軸をディファレンシャル・キャリアに回転自在に支持する１対の転がり軸受とを備え、エンジンの回転力を減速するものであり、デファレンシャル・ギア装置は、ディファレンシャル・キャリアに回転自在に支持されかつ一端部にピニオンが配設されたピニオン軸と、ピニオンに噛み合わされたリング・ギアと、リング・ギアに取り付けられたディファレンシャル・ケースと、ディファレンシャル・ケースをディファレンシャル・キャリアに回転自在に支持する１対の転がり軸受とを備え、左右の車輪に回転差を与えるものであり、トランスファー装置は、ピニオン軸の一端部に設けられて後輪駆動用リング・ギアに噛み合わされたピニオンと、プロペラシャフトに接続されたピニオン軸と、ピニオン軸をケーシングに回転自在に支持する転がり軸受とを備え、４輪駆動車において、車両前側に配置されたエンジンから後輪に動力を伝達するものであり、いずれのものでも、基本構成として、一端部にピニオンが配設されたピニオン軸およびピニオン軸を回転自在に支持する１対の転がり軸受を備えているピニオン軸支持用軸受装置を有している。

この発明によるピニオン軸支持用軸受装置は、上記の動力伝達装置において好適に使用されるもので、トルク検出装置が内蔵されていることから、従来のピニオン軸支持用軸受装置をこの発明のものに置き換えることにより、種々の動力伝達装置におけるトルクを検出することができる。動力伝達装置において、ピニオン軸にトルクセンサを設ける場合、部品が増加するという問題だけでなく、センサ設置のために強度が低下するなどの動力伝達機能に影響を及ぼす可能性があるのに対し、この発明によるピニオン軸支持用軸受装置は、ピニオン軸を従来と全く同じ形状にしての使用が可能であり、動力伝達装置の信頼性が低下することがない。

この発明によるピニオン軸支持用軸受装置は、また、ラックピニオン式のパワーステアリング装置で使用されるピニオン軸支持用軸受装置においても好適に使用され、この場合には、ピニオン軸がステアリング軸とトーションバーを介さずに連結されており、処理手段は、センサの出力から運転者のステアリング操作のための操舵補助力を求める操舵補助力演算部を有しているものとされ、これにより、操舵フィーリングの悪化の要因となるトーションバーをなくすことができる。

上記のトルク検出装置およびピニオン軸支持用軸受装置において、センサは、例えば、転動体と固定輪との間または固定輪とこれを保持するハウジングとの間に作用する力をエコー比またはエコー強度として検知する超音波センサとされるが、これに限定されるものではなく、転動体から固定輪に作用する力による歪量を検知するＭＩセンサ（磁気インピーダンスセンサ）であってもよく、その他の荷重センサ（応力センサおよび歪センサを含む）であってもよい。センサは、固定輪に設けて、転動体と固定輪との間に作用する力を検出してもよく、固定輪を保持するハウジングに設けて、固定輪を介してハウジングに作用する転動体からの力を検出してもよい。センサの数および配置は、使用用途によって適宜変更される。例えば、ピニオン軸支持用転がり軸受が１対ある場合、いずれか一方の転がり軸受に１つ設けてもよく、各ピニオン軸支持用転がり軸受にそれぞれ１つずつ設けてもよく、１つの転がり軸受に付き２以上のセンサを設けるようにしてもよい。

超音波センサは、振動子から出力された超音波の反射波を受信部で受けることにより、超音波の反射エコーを求めるもので、転動体に作用する荷重が大きいと、接触面積も大きくなり、反射波は小さくなる。したがって、反射エコーから軸受荷重を求めることができる。

超音波センサの出力は、例えば、以下に示すエコー比として求められる。

エコー比＝１００×（Ｈ０−Ｈ１）／Ｈ０
Ｈ０：転動体が超音波センサから半ピッチ離れたときの反射エコー強度
Ｈ１：転動体が超音波センサ直下に位置するときの反射エコー強度
ピニオン軸支持用転がり軸受に作用する荷重が変化すると、この荷重変化によってエコー比が変化する。エコー比と軸受に作用する荷重との関係は、予め求めておくことができるので、これを例えば実験的に求めておくことにより、エコー比から転がり軸受に作用する荷重を求めることができる。こうして、トルク検出を容易とするために剛性を低下させたトーションバーを使用することなく、また、固定輪と転動体との接触部への特別な加工を施すことなく、転がり軸受に作用する荷重、したがって、トルク検出軸に作用するトルクを得ることができる。

軸受荷重は、以下の式で得られるエコー比から求められていることが好ましい。

エコー比＝１００×（Ｈ０−Ｈ１）／Ｈ０ｉ
Ｈ０：転動体が超音波センサから半ピッチ離れたときの反射エコー強度
Ｈ１：転動体が超音波センサ直下に位置するときの反射エコー強度
Ｈ０ｉ：所定温度における転動体が超音波センサから半ピッチ離れたときの反射エコー強度
後者のエコー比では、所定温度（たとえば常温）における転動体が超音波センサから半ピッチ離れたときの反射エコー強度を分母として使用している。超音波センサにおける反射エコー強度Ｈ０およびＨ１は、いずれも温度に依存するものの、（Ｈ０−Ｈ１）は温度にほぼよらないものとなる。前者のエコー比では、この温度に依存しない（Ｈ０−Ｈ１）を温度に依存するＨ０で割ることにより、相対的に温度依存性の高いものとなっている。これに対し、後者のエコー比は、分母を温度に依存しない項とすることにより、エコー比と荷重との相関性を生かし、しかも、温度依存性をなくすことができる。

超音波センサにより軸受荷重を求めるに際しては、エコー比に代えてエコー強度を用いることもできる。超音波センサで得られるエコー強度は、軸受荷重が同じ大きさでも、転動体の位置により変化する。すなわち、一定の軸受荷重が作用している場合、転動体が超音波センサの真下に位置する状態において、反射エコー強度が最小に、転動体が超音波センサから半ピッチ離れている状態において、反射エコー強度が最大になる。そこで、反射エコー強度の最小値に着目し、求めたいトルクとエコー強度最小値との相関関係を求めておくことにより、エコー強度を用いてトルクを検出することができる。

この発明によるパワーステアリング装置は、車体の左右方向にのびるラックハウジングの内部に軸方向移動可能に支持されたラック軸と、ラックハウジングと交差するピニオンハウジングの内部に少なくとも１つの転がり軸受を介して回転可能に支持されたピニオン軸と、ステアリング操作に必要なトルクを求めるトルク検出装置とを備えているパワーステアリング装置において、トルク検出装置が上記のトルク検出装置とされるとともに、ステアリング軸がピニオン軸とトーションバーを介さずに連結されており、処理手段は、センサの出力から運転者のステアリング操作のための操舵補助力を求める操舵補助力演算部を有していることを特徴とするものである。

このパワーステアリング装置によると、ステアリング操作を行うと、車輪が旋回し、このときに地面からタイヤに作用する力によって、ピニオン軸にトルクが作用する。ピニオン軸支持用転がり軸受に作用する荷重は、このトルクによって変化するので、この荷重の変化を適宜なセンサで検出することにより、ピニオン軸に作用するトルクを求めることができる。ピニオン軸に作用するトルクは、操舵力と対応しているので、転がり軸受に作用する荷重の大きさに応じてステアリング機構に操舵補助力を与えることにより、運転者が作用させるべき操舵力が軽減される。

パワーステアリング装置は、エンジンの回転で油圧を発生させ、この油圧をステアリング機構に作用させる油圧式のものであってもよく、また、電動モータを駆動することによりステアリング機構に必要な補助力を与える電動式のものであってもよい。具体的には、コラムタイプ電動パワーステアリング、ラック同軸タイプ電動パワーステアリング、ステップオリフィスタイプ電子制御式パワーステアリング、電動ポンプ式油圧パワーステアリング等のパワーステアリング装置にこの発明を適用することができる。

モータを含むパワーアシストユニットは、ピニオン軸に設けられてもよく（ピニオンアシストタイプ）、ラック軸に設けられてもよい（ラックアシストタイプ）。後者の場合、モータの数は、複数とされることがある。ピニオンアシストタイプでは、ピニオンとラック歯との間に、運転者の操舵トルクおよびモータの補助トルクの和のトルクが作用し、ラックアシストタイプでは、ピニオンとラック歯との間には、運転者の操舵トルクだけが作用する。いずれの場合でも、ピニオンとラック歯との間に作用するトルクがセンサ出力から求められる。

センサが超音波センサで、パワーステアリング装置がラックアシストタイプである（ラック軸を直接その軸方向に移動させるモータをさらに備えている）場合、処理手段は、具体的には、例えば、超音波センサから出力されたエコー波形よりそのエコー強度最小値を検出値として取り出す検出値取出し手段と、検出値が閾値に比べて大きいか小さいかを比較する比較手段と、検出値が閾値以下のときにモータ作動信号を出力するとともに、検出値が閾値より大きいときにモータ停止信号を出力する操舵補助モード制御手段とを有しているものとされる。

この発明のトルク検出装置およびピニオン軸支持用軸受装置によると、パワーステアリング装置に適用した場合に、トーションバーを使用せずに操舵補助力を求めるためのパワーステアリング用トルクを精度良く検出することができるので、ステアリング軸の剛性を低下させることなく操舵補助力を検出することが可能となり、軸剛性の低下に伴う操舵フィーリングの悪化を防止することができる。また、各種動力伝達装置に適用した場合に、その動力伝達部分に悪影響を及ぼすことなくトルクを検出することが可能となり、動力伝達装置の信頼性を低下させることなく、動力伝達装置の耐久性や性能を知るのに好適なトルクを検出することができる。

この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。以下の説明において、左右および上下は図１の左右および上下をいうものとする。

図１は、この発明によるトルク検出装置およびピニオン軸支持用軸受装置をパワーステアリング装置に適用した第１実施形態を示している。

パワーステアリング装置(1)は、左右の車輪(2)を旋回させるための操作手段としてのハンドル（ステアリングホイール）(3)に上端が固着されるステアリング軸(4)と、そのステアリング軸(4)の下端と左右の車輪(2)との間に設けられたラックピニオン機構(5)と、ラックピニオン機構(5)に設けられてハンドル(3)の操作によってステアリング軸(4)に加えられる操舵トルクを検出するトルク検出装置(6)と、ハンドル操作（ステアリング操作）による運転者の負荷（操舵力）を軽減するための操舵補助力を発生させる電動モータ(7)と、そのモータ(7)の発生する操舵補助力をステアリング軸(4)に伝達する減速ギヤ(8)と、車載バッテリ(9)からの電源の供給を受けてトルク検出装置(6)や車速センサ(20)からのセンサ信号に基づきモータ(7)の駆動を制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ）(10)とを備えている。

ラックピニオン機構(5)は、図２に詳細に示すように、車体の左右方向にのびるラックハウジング(11)と、ラックハウジング(11)の内部に軸方向（図１の左右方向、図２の紙面に直交する方向）移動自在に支持されたラック軸(12)と、ラックハウジング(11)に交差するように設けられたピニオンハウジング(13)と、 ピニオンハウジング(13)の内部に回転自在に支持されたピニオン軸(14)とを備えている。

トルク検出装置(6)は、トルク検出軸としてのピニオン軸(14)を支持する上下１対の転がり軸受(15)(16)と、少なくとも一方の転がり軸受(16)に作用する軸受荷重を求める少なくとも１つのセンサ(17)(18)と、センサ(17)(18)で得られた軸受荷重からピニオン軸(14)に作用するトルクを求める処理手段(19)とを備えている。

モータ(7)の回転は、減速ギヤ(8)を介してステアリング軸(4)に伝達され、ステアリング軸(4)の下端に連設されたピニオン軸(14)にこのモータ(7)の回転力が付与されることによって、ハンドル操作が補助される。

ラック軸(12)は、ピニオンハウジング(13)との交差部分に形成されたラック歯(12a)を有している。ラック軸(12)の両端部は、ラックハウジング(11)から突出させられており、この突出部分にタイロッド(21)を介して左右の車輪(2)が連結されている。

ピニオン軸(14)は、ラックハウジング(11)との交差部においてラック軸(12)のラック歯(12a)に噛合するピニオン(14a)を有している。ピニオン軸(14)の上部は、ピニオンハウジング(13)から突出させられており、ステアリング軸(4)に連結されている。ピニオン軸(14)は、ハンドル(3)操作に応じて時計回りまたは反時計回りに回転するようになされている。

なお、従来のパワーステアリング装置では、ハンドル(3)に上端を連結された入力軸と、ピニオンに連結された出力軸と、両軸同士を連結する小径のトーションバーとによって、ラックピニオン機構(5)とハンドル(3)とを連絡する操舵軸が構成されており、これに対し、この実施形態のパワーステアリング装置(1)では、ステアリング軸(4)とピニオン軸(14)とは、トーションバーを介さずに直接連結されている。

上下の転がり軸受(15)(16)は、固定輪である外輪(15a)(16a)、回転輪である内輪(15b)(16b)、転動体としての玉(15c)(16c)および保持器(15d)(16d)からなるアンギュラ玉軸受とされており、ピニオン軸(14)をピニオンハウジング(13)に回転自在に支持するとともに、ピニオンハウジング(13)の内部におけるピニオン軸(14)のガタ付きを防止している。

センサ(17)(18)は、２つとされて、ピニオン軸(14)をラック軸(12)の長手方向両側から挟むように、下の転がり軸受(16)の外輪(16a)に取り付けられている。これらのセンサ(17)(18)は、超音波センサとされており、固定輪である外輪(16a)と玉(16c)との間に作用する力（軸受荷重）を検出可能なように、図２に示すように、ピニオンハウジング(13)に設けられた貫通孔(13a)から転がり軸受(16)の外輪(16a)に設けられた有底孔(16e)に挿入されて、外輪(16a)と玉(16c)との接触面に臨まされている。

超音波センサ(17)(18)は、振動子から出力された超音波の反射波を受信部で受けることにより、図３に示すような反射エコーを求めるもので、その出力は、以下に示すエコー比として求められる。

エコー比＝１００×（Ｈ０−Ｈ１）／Ｈ０
Ｈ０：転動体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：転動体が超音波センサ直下に位置するときのエコー強度
このエコー比は、軸受荷重（転動体荷重）と図４に示す関係を有しており、これを利用してエコー比から軸受荷重を求めることができる。玉(16c)に作用する荷重が大きいと、接触面積が大きくなって反射波が小さくなることから、軸受荷重が大きい場合には、大きいエコー比が出力される。

なお、軸受荷重を求めるエコー比は、温度補正を施して、次のようにして求めてもよい。

エコー比＝１００×（Ｈ０−Ｈ１）／Ｈ０ｉ
Ｈ０：転動体が超音波センサから半ピッチ離れたときの反射エコー強度
Ｈ１：転動体が超音波センサ直下に位置するときの反射エコー強度
Ｈ０ｉ：所定温度における転動体が超音波センサから半ピッチ離れたときの反射エコー強度
処理手段(19)には、エコー比の式、各超音波センサ(17)(18)から得られたエコー比からそのセンサ位置の軸受荷重を求める式、これらの軸受荷重からステアリング軸(4)に作用する操舵トルクを求める式などが蓄えられている。

運転者がハンドル操作を行うと、ステアリング軸(4)に連結されたピニオン軸(14)が回転し、この回転が、ピニオン(14a)とラック歯(12a)とによりラック軸(12)の軸方向の移動に変換され、この移動がタイロッド(21)を介して左右の車輪(2)に伝達される。これに伴って、ステアリング軸(4)に作用する操舵トルクが増大し、その大きさがセンサ(17)(18)で得られた軸受荷重を使用して処理手段(19)において求められる。操舵トルクの大小は、ハンドル操作による運転者の負荷の大小に対応しているので、軸受荷重からハンドル操作による運転者の負荷を軽減するための操舵補助力を求め、この結果をＥＣＵ(10)を介してモータ(7)に与えることにより、必要な操舵補助力をモータ(7)によって発生させ、車両のステアリング機構に適切な操舵補助力を与えることができる。

パワーステアリング装置(1)で使用されるピニオン軸支持用軸受装置は、上述のように、一端部にピニオン(14a)が配設されたピニオン軸(14)を回転自在に支持する転がり軸受(15)(16)と、転がり軸受(16)に作用する軸受荷重を求めるセンサ(17)(18)と、センサ(17)(18)で得られた軸受荷重からピニオン軸(14)に作用するトルクを求める処理手段(19)とによって構成される。

上述のように構成されたピニオン軸支持用軸受装置は、パワーステアリング装置(1)だけでなく、種々の動力伝達装置に適用することができる。

上記第１実施形態のパワーステアリング装置(1)は、電動モータ(7)の発生する操舵補助力をステアリング軸(4)に減速ギヤ(8)を介して伝達するいわゆるピニオンアシストタイプのものであるが、上記トルク検出装置(6)は、以下に示すように、いわゆるラックアシストタイプのものにももちろん適用可能である。

図５は、この発明によるトルク検出装置およびピニオン軸支持用軸受装置をパワーステアリング装置に適用した第２実施形態を示している。以下の説明において、第１実施形態と同じ構成には同じ符号を付して、その説明を省略する。

第２実施形態のパワーステアリング装置(22)は、電動モータ(23)の出力回転が減速機構(27)(28)および運動変換機構(24)(25)を介してラック軸(12)の軸方向移動に変換され、その結果、操舵補助が達成されるようになされている。

具体的には、ラック軸(12)の軸方向中間部にはねじ軸(24)が形成されており、このねじ軸(24)の周囲をボールナットからなる回転筒(25)が同心に包囲している。回転筒(25)は、１対の転がり軸受(26)を介してラックハウジング（図示略）に回転自在に支持されるとともに、上記の軸受(26)によって、対応する軸方向への移動を規制されている。モータ(23)の出力軸には、駆動側傘歯車(27)が設けられ、ラック軸(12)の回りには、この駆動側傘歯車(27)に噛み合わされた従動側傘歯車(28)が設けられている。回転筒(25)は、従動側傘歯車(28)に一体化されるとともに、転動体（図示略）を介してラック軸(12)に形成されたねじ軸(24)にねじ合わされている。

第２実施形態のパワーステアリング装置(22)の処理手段(19)は、超音波センサ(17)(18)から出力されたエコー波形よりそのエコー強度最小値を検出値として取り出す検出値取出し手段と、検出値が閾値に比べて大きいか小さいかを比較する比較手段と、検出値が閾値以下のときにモータ作動信号を出力するとともに、検出値が閾値より大きいときにモータ停止信号を出力する操舵補助モード制御手段とを有している。

ピニオンハウジング(13)に対する転がり軸受(16)の位置関係は、図６（ａ）に示すように、転がり軸受(16)の外輪(16a)がピニオンハウジング(13)に同心に支持されている状態＝ハンドル(3)が中立位置にある状態と、図６（ｂ）に示すように、転がり軸受(16)の外輪(16a)がピニオンハウジング(13)に偏心して支持されている状態＝ハンドル(3)が操作された状態とがあり、また、図６（ｂ）のように、玉(16c)が超音波センサ(18)の真下に位置する状態と、図６（ｃ）のように、玉(16c)が超音波センサ(18)から半ピッチ離れている状態とがある。

上記の図６（ａ）（ｂ）（ｃ）に対応して超音波センサ(18)から出力されるエコー波形は、図７に示すようなものとなる。すなわち、ハンドル(3)が中立位置にある場合＝転がり軸受(16)に負荷が作用しないときは、図７に（１）で示すように、反射エコー強度は最も大きいものとなる。そして、ハンドル(3)が中立位置から回転すると、転がり軸受(16)に作用する荷重が増えるのにつれて、外輪(16a)とピニオンハウジング(13)との嵌め合い面に作用する面圧が増えて、エコーの透過率が大きくなり、それにより、エコー強度が小さくなる（図７の（２）まで低下する）。外輪(16a)に作用する面圧が同じ大きさでも、玉(16c)の位置により、エコー強度も変化する。図７の（２）は、図６（ｂ）に対応するもので、玉(16c)が超音波センサ(18)の真下に位置する状態において、反射エコー強度が最小になることを示し、図７の（３）は、図６（ｃ）に対応するもので、玉(16c)が超音波センサ(18)から半ピッチ離れている状態において、反射エコー強度が最大になることを示している。また、図７（ｂ）に示すエコー波形は、図７（ａ）に示すものに比べて、転がり軸受(16)に作用する荷重が大きい場合を示している。結局、エコー強度最小値に着目すると、操舵トルクとエコー強度最小値とは、図８に示すように、直線的相関関係となっている。そこで、１回目のエコー強度最小値が規定閾値より小さい場合に、電動モータ(23)を作動させ、その後、このエコー強度最小値を次のエコー強度最小値で順次書き換えていき、次の最小値が規定の閾値より小さければ、電動モータ(23)を作動させ続け、最小値の値が規定の閾値より大きい場合は、電動モータ(23)を停止させればよい。

上記知見に基づき、処理手段(19)においては、図９に示すステップにより、電動モータ(23)の作動・停止が行われる。エコー強度最小値の閾値Ｅthは予め設定されており（ステップ１(S1)）、自動車が始動した状態では、パワーステアリング装置(22)の電動モータ(23)（以下では「補助モータ」と称す）は停止している（ステップ２(S2)）。自動車の始動とともに、超音波センサ(17)(18)はエコー強度の検出を開始し、最小値取出し手段において、センサ出力からエコー強度最小値検出値Ｅminが求められる（ステップ３(S3)）。比較手段においては、このエコー強度最小値検出値Ｅminとエコー強度最小値閾値Ｅthとを使用して、その大小関係が比較される（ステップ４(S4)）。ここで、エコー強度最小値検出値Ｅminがエコー強度最小値閾値Ｅth以下であれば、転がり軸受(16)に作用している力が大きいので操舵を補助する必要があると判定され、操舵補助モード制御手段からのモータ作動信号出力により、補助モータ(23)が作動させられる（ステップ５(S5)）。エコー強度最小値検出値Ｅminがエコー強度最小値閾値Ｅthより大であれば、転がり軸受(16)に作用している力が小さいので、運転者による操舵力だけで操作が可能と判定され、補助モータ(23)は作動させられない。この場合には、ステップ３(S3)に戻り、エコー強度のモニタリングが継続される。ステップ４(S4)において、エコー強度最小値検出値Ｅminがエコー強度最小値閾値Ｅth以下の場合、補助モータ(23)の作動を継続する（ステップ５(S5)）とともに、補助モータ(23)の作動を停止するかどうかを判定するために、センサ出力のモニタリングが継続される（ステップ６(S6)）。そして、エコー強度最小値検出値Ｅminがエコー強度最小値閾値Ｅthより大となれば（ステップ７(S7)）、転がり軸受(16)に作用している力が小さくなったので、補助操舵力は不要と判定され、操舵補助モード制御手段からのモータ停止信号出力により、補助モータ(23)は停止させられる（ステップ８(S8)）。その後は、ステップ３(S3)に戻り、センサ出力のモニタリングが継続され、操舵トルクの大きさに応じて補助モータ(23)の作動・停止が繰り返される。

図１０は、この発明によるトルク検出装置およびピニオン軸支持用軸受装置を動力伝達装置の一例としての最終減速装置に適用した実施形態を示している。

最終減速装置は、ファイナル・ギア装置(A)およびデファレンシャル・ギア装置(B)を有している。

ファイナル・ギア装置(A)は、ディファレンシャル・キャリア(31)に回転自在に支持されかつ後端部にドライブピニオン(33)が配設されたピニオン軸(32)と、ドライブピニオン(33)に噛み合わされたリング・ギア(34)と、ピニオン軸(32)をディファレンシャル・キャリア(31)に回転自在に支持するピニオン軸支持用軸受装置(40)とを備えている。

ピニオン軸支持用軸受装置(40)は、一端部にドライブピニオン(33)が配設されたピニオン軸(32)を回転自在に支持する１対の転がり軸受(41)と、ドライブピニオン(33)に近い側の転がり軸受(41)に作用する軸受荷重を求めるセンサ(42)(43)と、センサ(42)(43)で得られた軸受荷重からピニオン軸(32)に作用するトルクを求める処理手段（図示略）とからなる。

各転がり軸受(41)は、円すいころ軸受とされており、センサ(42)(43)は、超音波センサとされて、ドライブピニオン(33)に近い側の円すいころ軸受(41)に左右１対で設けられている。

各超音波センサ(42)(43)は、ディファレンシャル・キャリア(31)に設けられた貫通孔(31a)から円錐ころ軸受(41)の外輪(41a)に設けられた有底孔(41e)に挿入されて、外輪(41a)ところ(41c)との接触面に臨まされており、第１実施形態と同じ原理によって、固定輪である外輪(41a)ところ(41c)との間に作用する軸受荷重を検出可能とされている。そして、軸受荷重を求めるセンサ(42)(43)と、センサ(42)(43)で得られた軸受荷重からトルク検出軸としてのピニオン軸(32)に作用するトルクを求める処理手段とによってトルク検出装置が構成され、処理手段に、エコー比の式、各超音波センサ(42)(43)から得られたエコー比からそのセンサ位置の軸受荷重を求める式、これらの軸受荷重からピニオン軸(32)に作用するトルクを求める式などが蓄えられていることにより、ピニオン軸(32)に作用するトルクを求められる。

デファレンシャル・ギア装置(B)は、リング・ギア(34)に取り付けられたディファレンシャル・ケース(35)と、ディファレンシャル・ケース(35)をディファレンシャル・キャリア(31)に回転自在に支持するピニオン軸支持用軸受装置(50)と、ディファレンシャル・ケース(35)から左右にのびる左右のピニオン軸(36)の内側端部にそれぞれ配設されたサイドピニオン(37)と、スパイダ(39)に回転可能に支持されかつサイドピニオン(37)に噛み合わされているデフピニオン(38)とを備えている。

ピニオン軸支持用軸受装置(50)は、一端部にサイドピニオン(37)が配設されたピニオン軸(36)を回転自在に支持する左右１対の転がり軸受(51)と、転がり軸受(51)に作用する軸受荷重を求めるセンサ(52)(53)と、センサ(52)(53)で得られた軸受荷重からピニオン軸(36)に作用するトルクを求める処理手段（図示略）とからなる。

各転がり軸受(51)は、円すいころ軸受とされており、センサ(52)(53)は、超音波センサとされて、左右の円すいころ軸受(41)にそれぞれ１つずつ設けられている。

各超音波センサ(52)(53)は、ディファレンシャル・ケース(35)に設けられた貫通孔(35a)から円錐ころ軸受(51)の外輪(51a)に設けられた有底孔(51e)に挿入されて、外輪(51a)ところ(51c)との接触面に臨まされており、第１実施形態と同じ原理によって、固定輪である外輪(51a)ところ(51c)との間に作用する軸受荷重を検出可能とされている。そして、軸受荷重を求めるセンサ(52)(53)と、センサ(52)(53)で得られた軸受荷重からトルク検出軸としてのピニオン軸(36)に作用するトルクを求める処理手段とによってトルク検出装置が構成され、処理手段に、エコー比の式、各超音波センサ(52)(53)から得られたエコー比からそのセンサ位置の軸受荷重を求める式、これらの軸受荷重からピニオン軸(36)に作用するトルクを求める式などが蓄えられていることにより、ピニオン軸(36)に作用するトルクを求められる。

なお、上記の各実施形態において、１つのピニオン軸支持用軸受装置で使用される超音波センサ(17)(18)(42)(43)(52)(53)の数をそれぞれ２つずつとしたが、この数および配置は、これに限定されるものではない。また、超音波センサ(17)(18)(42)(43)(52)(53)は、転がり軸受(16)(41)(51)の外輪(16a)(41a)(51a)に設けられた有底孔(16e)(41e)(51e)に挿入されて、外輪(15a)(16a)(41a)(51a)と転動体(16c)(41c)(51c)との接触面に臨まされているが、ハウジング、キャリアまたはケースなどの軸受を保持する部材（「ハウジング」と総称する）(13)(31)(35)に設けられる孔(13a)(31a)(35a)を有底孔とし、この有底孔に超音波センサ(17)(18)(42)(43)(52)(53)を挿入して、ハウジング(13)(31)(35)と外輪(15a)(16a)(41a)(51a)との接触面に超音波センサ(17)(18)(42)(43)(52)(53)が臨まされているようにしてもよい。この場合、外輪(15a)(16a)(41a)(51a)を介してハウジング(13)(31)(35)に作用した軸受荷重が超音波センサ(17)(18)(42)(43)(52)(53)によって検出される。

図１は、この発明によるトルク検出装置およびピニオン軸支持用軸受装置をパワーステアリング装置に適用した第１実施形態を示す模式図である。 図２は、パワーステアリング装置のラックピニオン機構を示す縦断面図である。 図３は、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４は、超音波センサで得られるエコー比と軸受荷重との関係を示すグラフである。 図５は、この発明によるトルク検出装置およびピニオン軸支持用軸受装置をパワーステアリング装置に適用した第２実施形態を示す模式図である。 図６は、パワーステアリング装置におけるハウジングと転がり軸受との位置関係を説明する図である。 図７は、転がり軸受が図６の各位置関係にあるときのエコー波形を示す図である。 図８は、操舵トルクとエコー強度の最小値との関係を示すグラフである。 図９は、パワーステアリング装置第２実施形態の処理手段を説明するフローチャートである。 図１０は、この発明によるトルク検出装置およびピニオン軸支持用軸受装置を動力伝達装置に適用した実施形態を示す縦断面である。

符号の説明

(1) パワーステアリング装置
(4) ステアリング軸
(6) トルク検出装置
(11) ラックハウジング
(12) ラック軸
(12a) ラック歯
(13) ピニオンハウジング（ハウジング）
(14)(32)(36) ピニオン軸（トルク検出軸）
(14a)(33)(38) ピニオン
(15)(16)(41)(51) 転がり軸受
(16a)(41a)(51a) 外輪（固定輪）
(16c) 玉（転動体）
(41c)(51c) ころ（転動体）
(17)(18)(42)(43)(52)(53) 超音波センサ（センサ）
(19) 処理手段
(22) パワーステアリング装置
(23) 電動モータ
(31) ディファレンシャル・キャリア（ケーシング）
(35) ディファレンシャル・ケース（ケーシング）
(40)(50) ピニオン軸支持用軸受装置

Claims (7)

1. トルク検出軸を支持する転がり軸受に作用する軸受荷重を求めるセンサと、センサで得られた軸受荷重からトルク検出軸に作用するトルクを求める処理手段とを備えているトルク検出装置。
2. センサは、転がり軸受の転動体と固定輪との間または固定輪とこれを保持するハウジングとの間に作用する力をエコー比またはエコー強度として検知する超音波センサである請求項１のトルク検出装置。
3. 一端部にピニオンが配設されたピニオン軸を回転自在に支持する転がり軸受を備えているピニオン軸支持用軸受装置において、
   転がり軸受に作用する軸受荷重を求めるセンサと、センサで得られた軸受荷重からピニオン軸に作用するトルクを求める処理手段とをさらに備えていることを特徴とするピニオン軸支持用軸受装置。
4. センサは、転がり軸受の転動体と固定輪との間または固定輪とこれを保持するハウジングとの間に作用する力をエコー比またはエコー強度として検知する超音波センサである請求項３のピニオン軸支持用軸受装置。
5. ラックピニオン式のパワーステアリング装置で使用されるピニオン軸支持用軸受装置であって、ピニオン軸がステアリング軸とトーションバーを介さずに連結されており、処理手段は、センサの出力から運転者のステアリング操作のための操舵補助力を求める操舵補助力演算部を有していることを特徴とする請求項３または４のピニオン軸支持用軸受装置。
6. 車体の左右方向にのびるラックハウジングの内部に軸方向移動可能に支持されたラック軸と、ラックハウジングと交差するピニオンハウジングの内部に少なくとも１つの転がり軸受を介して回転可能に支持されたピニオン軸と、ステアリング操作に必要なトルクを求めるトルク検出装置とを備えているパワーステアリング装置において、
   トルク検出装置が請求項１または２のものとされるとともに、ステアリング軸がピニオン軸とトーションバーを介さずに連結されており、処理手段は、センサの出力から運転者のステアリング操作のための操舵補助力を求める操舵補助力演算部を有していることを特徴とするパワーステアリング装置。
7. センサが超音波センサで、パワーステアリング装置は、ラック軸を直接その軸方向に移動させるモータをさらに備えており、処理手段は、超音波センサから出力されたエコー波形よりそのエコー強度最小値を検出値として取り出す検出値取出し手段と、検出値が閾値に比べて大きいか小さいかを比較する比較手段と、検出値が閾値以下のときにモータ作動信号を出力するとともに、検出値が閾値より大きいときにモータ停止信号を出力する操舵補助モード制御手段とを有している請求項６のパワーステアリング装置。

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