JP3581290B2 - トルクセンサ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば操舵トルクに応じた操舵補助力を付与するパワーステアリング装置において、その操舵トルクを検出するのに適したトルクセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば車両のパワーステアリング装置においては、ステアリングホイールの回転をステアリングシャフトを介して車輪に伝達する際、そのステアリングシャフトにより伝達されるトルクをトルクセンサにより検出し、その検出トルクの大きさに応じて操舵補助力を付与している。
【0003】
そのトルクセンサとして、トルク変化に応じた磁気抵抗の変動に基づきトルクを検出するものが従来から用いられている。その検出原理に基づくトルクセンサは、第1シャフトと、この第1シャフトに弾性的に相対回転可能に連結された第2シャフトと、第1シャフトに固定される磁性材製の第1検出リングと、第2シャフトに固定される磁性材製の第2検出リングと、両検出リングの対向間を覆うコイルとを備えている。各検出リングの端面に複数の歯が周方向に沿って設けられ、一方の検出リングの歯と他方の検出リングの歯とはエアギャップを介して対向する。このトルクセンサにおいては、両シャフトによるトルク伝達により両検出リングが相対回転する時、一方の検出リングの歯と他方の検出リングの歯との対向面積が変化する。その面積変化により、両検出リングの歯の間のエアギャップを通過する上記コイルの発生磁束に対する磁気抵抗が変化する。その磁気抵抗の変化に基づき両シャフトにより伝達されるトルクが検出される。さらに、温度変化によるトルク検出値の変動を補償するため、上記コイルと同一仕様の磁束発生用コイルと、その磁束に対する磁気抵抗の温度変化による変化を検出するための磁気回路とが設けられている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のトルクセンサは、両シャフトから径方向に張り出す第1、第2検出リングを必要とするため大型になる。また、組み立て誤差や加工誤差の累積による検出精度の低下が問題になる。また、検出感度を増大するためには各検出リングに設ける歯の数を多くする必要があるが、そうすると各検出リングの各シャフトからの張り出し寸法が大きなって大型化する。さらに、温度変化による補償のためだけに専用の磁気回路が必要になる。
【0005】
本発明は、上記問題を解決することのできるトルクセンサを提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明のトルクセンサの第1の特徴は、第1シャフトと、その第1シャフトに同軸心かつ弾性的に相対回転可能に連結される第2シャフトと、その第1シャフトの外周に、両シャフトと同軸心の円筒に沿う電極面を介して対向する一方側の電極と、その第1シャフトの外周における前記一方側の電極との対向部位とは異なる部位に、両シャフトと同軸心の円筒に沿う電極面を介して対向する他方側の電極と、その第2シャフトに同行回転するように連結されると共に、両シャフトと同軸心の円筒に沿う静電容量調節用部材とを備え、その第1シャフトの外周における両電極との対向部位は、両シャフトと同軸心の円筒に沿う導電性を有する電荷蓄積部とされ、その電荷蓄積部と両電極とでコンデンサを構成するように、その電荷蓄積部と両電極との対向間に誘電体が介在するものとされ、その静電容量調節用部材は、前記誘電体の誘電率と相異する誘電率の誘電体とされると共に、その電荷蓄積部と両電極との対向間に配置され、その静電容量調節用部材に開口が形成され、その電荷蓄積部を部分的に除去することで除去部が形成され、少なくとも一方の電極は、その開口と除去部とにシャフト径方向において対向するように配置され、その開口と除去部とは、シャフト径方向における互いとの重なり面積が両シャフトの相対回転に応じて変化するように相対配置され、その重なり面積の変化に応じた前記コンデンサの静電容量の変化に基づき、両シャフトにより伝達されるトルクが検出される点にある。
その電荷蓄積部と両電極との対向間に配置される誘電体としては例えば空気や絶縁油等を用いることができ、その誘電体と異なる誘電率の誘電体とされる静電容量調節用部材は例えばプラスチック製とされる。
上記構成においては、トルク伝達時における両シャフトの相対回転により、第1シャフトにおける電荷蓄積部に形成された除去部と、第2シャフトと同行回転する静電容量調節用部材に形成された開口との、シャフト径方向における互いとの重なり面積が変化する。その電荷蓄積部と両電極との間に介在する誘電体の誘電率と、その静電容量調節用部材の誘電率とは相異するので、その重なり面積の変化に応じて両電極と電荷蓄積部とで構成されるコンデンサの静電容量が変化する。すなわち、その静電容量調節用部材の誘電率が誘電体の誘電率よりも大きい場合は、その重なり面積の増加に応じて静電容量は増加し、その重なり面積の減少に応じて静電容量は減少する。また、その静電容量調節用部材の誘電率が誘電体の誘電率よりも小さい場合は、その重なり面積の増加に応じて静電容量は減少し、その重なり面積の減少に応じて静電容量は増加する。その静電容量の変化は伝達トルクに対応する両シャフトの相対回転に対応することから、その静電容量の変化に基づき両シャフトにより伝達されるトルクを検出できる。
【0007】
本発明のトルクセンサの第2の特徴は、第1シャフトと、その第1シャフトに同軸心かつ弾性的に相対回転可能に連結される第2シャフトと、その第1シャフトの外周に、両シャフトと同軸心の円筒に沿う電極面を介して対向する一方側の電極と、その第1シャフトの外周における前記一方側の電極との対向部位とは異なる部位に、両シャフトと同軸心の円筒に沿う電極面を介して対向する他方側の電極と、その第2シャフトに同行回転するように連結されると共に、両シャフトと同軸心の円筒に沿う静電容量調節用部材とを備え、その第1シャフトの外周における両電極との対向部位は、両シャフトと同軸心の円筒に沿う導電性を有する電荷蓄積部とされ、その電荷蓄積部と両電極とでコンデンサを構成するように、その電荷蓄積部と両電極との対向間に誘電体が介在するものとされ、その静電容量調節用部材は、その電荷蓄積部と両電極との対向間に配置される導体とされ、その静電容量調節用部材は、その電荷蓄積部に電気的に接続されると共に両電極から絶縁され、その静電容量調節用部材に開口が形成され、その電荷蓄積部を部分的に除去することで除去部が形成され、少なくとも一方の電極は、その開口と除去部とにシャフト径方向において対向するように配置され、その開口と除去部とは、シャフト径方向における互いとの重なり面積が両シャフトの相対回転に応じて変化するように相対配置され、その重なり面積の変化に応じた前記コンデンサの静電容量の変化に基づき、両シャフトにより伝達されるトルクが検出される点にある。
その電荷蓄積部と両電極との対向間に配置される誘電体としては例えば空気や絶縁油等を用いることができる。
上記構成においては、トルク伝達時における両シャフトの相対回転により、第1シャフトにおける電荷蓄積部に形成された除去部と、第2シャフトと同行回転する静電容量調節用部材に形成された開口との、シャフト径方向における互いとの重なり面積が変化する。その静電容量調節用部材は、その電荷蓄積部に電気的に接続される導体であるので、その重なり面積の変化に応じて両電極と電荷蓄積部とで構成されるコンデンサの静電容量が変化する。すなわち、その重なり面積の増加に応じて電荷蓄積面積が減少するのでコンデンサの静電容量が減少し、その重なり面積の減少に応じて電荷蓄積面積が増加するのでコンデンサの静電容量が増加する。その静電容量の変化は伝達トルクに対応する両シャフトの相対回転に対応することから、その静電容量の変化に基づき両シャフトにより伝達されるトルクを検出できる。
【0008】
本発明の構成によれば、両シャフトの相対回転に応じた可変コンデンサの静電容量の変化により、両シャフトによる伝達トルクを検出できる。その可変コンデンサは、電極と第1シャフトの外周の電荷蓄積部との間に誘電体と円筒に沿う静電容量調節用部材を介在させ、その電荷蓄積部に除去部を形成し、その静電容量調節用部材に開口を形成するだけで構成できるので、構造が簡単で、両シャフトから径方向に大きく張り出すことはないので小型化を図ることができる。
【0009】
シャフト軸方向において、各電極の寸法は、均一とされると共に前記開口の寸法および除去部の寸法未満とされ、シャフト軸方向において、両電極は前記開口および除去部の両端間に配置され、前記開口は、前記電極とシャフト径方向において重なる位置で、シャフト軸方向に平行な互いに対向する一対の縁を有し、前記除去部は、前記電極とシャフト径方向において対向する位置で、シャフト軸方向に平行な互いに対向する一対の縁を有するのが好ましい。
これにより、第1シャフト、第2シャフト、両電極、および静電容量調節用部材のシャフト軸方向における相対位置が、製造公差や組み立て公差により変動しても、シャフト軸方向において両電極を開口および除去部の両端間に配置できる。これにより、上記静電容量の公差による変動をなくし、検出精度の低下を防止できる。
【0010】
前記一方側の電極として、シャフト軸方向における間隔をおいて配置される互いに同一仕様の第1電極と第2電極とを備え、前記他方側の電極として、シャフト軸方向における間隔をおいて配置される互いに同一仕様の第1電極と第2電極とを備え、前記電荷蓄積部として、シャフト軸方向における間隔をおいて配置されると共に互いから絶縁されている第1電荷蓄積部と第2電荷蓄積部とを備え、その第1電荷蓄積部と一方側の第1電極と他方側の第1電極とで第1コンデンサが構成され、その第2電荷蓄積部と一方側第2電極と他方側の第2電極とで第2コンデンサが構成され、前記開口として、シャフト軸方向における間隔をおいて配置される第1開口と第2開口とを備え、前記除去部として、第1電荷蓄積部に形成される第1除去部と、第2電荷蓄積部に形成される第2除去部とを備え、その第1開口と第1除去部とは、両シャフトが一方向に相対回転する時は互いとの前記重なり面積が増加し、両シャフトが他方向に相対回転する時は互いとの前記重なり面積が減少するように相対配置され、その第2開口と第2除去部とは、両シャフトが一方向に相対回転する時は互いとの前記重なり面積が減少し、両シャフトが他方向に相対回転する時は互いとの前記重なり面積が増加するように相対配置され、両シャフトが相対回転していない検出原点位置にある時、その第1開口と第1除去部との前記重なり面積と、その第2開口と第2除去部との前記重なり面積とは互いに等しくされ、両シャフトの相対回転時において、その第1開口と第1除去部との前記重なり面積の変化に対応する前記第1コンデンサの静電容量の変化の絶対値と、その第2開口と第2除去部との前記重なり面積の変化に対応する前記第2コンデンサの静電容量の変化の絶対値とは互いに等しくされ、その第1開口と第1除去部との重なり面積の変化に応じた前記第1コンデンサの静電容量の変化と、その第2開口と第2除去部との重なり面積の変化に応じた前記第2コンデンサの静電容量の変化との差に基づき、両シャフトにより伝達されるトルクが検出されるのが好ましい。
この構成によれば、トルク伝達時に両シャフトが一方向に相対回転すると、その相対回転量に応じて第1開口と第1除去部との上記重なり面積が増加し、第2開口と第2除去部との上記重なり面積が減少する。トルク伝達時に両シャフトが他方向に相対回転すると、その相対回転量に応じて第1開口と第1除去部との上記重なり面積が減少し、第2開口と第2除去部との上記重なり面積が増加する。各重なり面積の変化に応じて各コンデンサの静電容量が変化する。また、両シャフトの相対回転時において、その第1開口と第1除去部との上記重なり面積の変化に対応する前記第1コンデンサの静電容量の変化の絶対値と、その第2開口と第2除去部との上記重なり面積の変化に対応する前記第2コンデンサの静電容量の変化の絶対値とは互いに等しくされている。よって、その第1コンデンサの静電容量の変化と第2コンデンサの静電容量の変化との差に基づき、両シャフトにより伝達されるトルクを検出し、トルク検出感度を増大できる。しかも、温度が変動した場合、第1コンデンサの静電容量と第2コンデンサの静電容量とは同じだけ変化するので、両静電容量の変化の差に基づきトルクを検出することで温度変動による検出トルクの変動を相殺できる。
【0011】
前記第1開口は、前記静電容量調節用部材の周方向における等間隔をおいて並列するように複数形成され、前記第2開口は、前記静電容量調節用部材の周方向における等間隔をおいて並列するように複数形成され、前記第1除去部は、シャフト周方向における等間隔をおいて並列するように複数設けられ、前記第2除去部は、シャフト周方向における等間隔をおいて並列するように複数設けられ、トルク検出範囲に対応する両シャフトの相対回転範囲では、各第1開口は第1除去部におけるシャフト軸方向に沿う単一の縁とシャフト径方向において重なり、各第2開口は各第2除去部におけるシャフト軸方向に沿う単一の縁とシャフト径方向において重なるように配置され、各第1開口が重なる第1除去部における単一の縁は、第1除去部の中央からみてシャフト周方向の一方側に位置し、各第2開口が重なる第2除去部における単一の縁は、第2除去部の中央からみてシャフト周方向の他方側に位置するのが好ましい。
これにより第1、第2開口と第1、第2除去部の数を多くしてトルク検出感度を向上できる。
【0012】
【発明の実施の形態】
図1〜図5に示す第1実施形態のトルクセンサ1は、車両のパワーステアリング装置における操舵トルクを検出する。そのトルクセンサ1は、ハウジング2と、第1シャフト3と、第2シャフト4とを備えている。その第1シャフト3は、軸受5を介してハウジング2により支持され、ブッシュ6を介して第2シャフト4の一端に形成された凹部4aの内周により支持される。その第2シャフト4は、軸受7を介してハウジング2により支持される。その検出トルクに応じて操舵補助力が付与される。
【0013】
その第1シャフト3に形成された軸方向孔3aと、その第2シャフト4の凹部4aとにトーションバー8が挿入されている。そのトーションバー8の一端はピン9により第1シャフト3に同行回転するように連結され、他端はセレーション10を介して第2シャフト4に同行回転するように連結されている。これにより、その第2シャフト4は、第1シャフト3と同軸心に配置されると共に、第1シャフト3に弾性的に相対回転可能に連結されている。その第1シャフト3の一端側はステアリングホイール(図示省略)に接続され、その第2シャフト4の他端側は例えばラックピニオン式ステアリングギア等のステアリングギアに接続される。これにより、操舵のためのステアリングホイールの回転が第1、第2シャフト3、4を介して車輪に伝達され、操舵角が変化する。
【0014】
その第2シャフト4に静電容量調節用部材12が同行回転するように連結されている。その静電容量調節用部材12は両シャフト3、4と同軸心の円筒形状を有し、本実施形態では、その静電容量調節用部材12は第2シャフト4の一端側外周に圧入されているが、ネジ等の他の適当な固着手段により一体化されてもよい。
【0015】
そのハウジング2の内周に、絶縁材製の電極ホルダー31が挿入されている。その電極ホルダー31は、両シャフト3、4と動軸心の円筒形状を有し、ハウジング2の内周に形成される段差2aと、ハウジング2の内周に嵌め合わされる止め輪53とにより、板バネ54を介して挟み込まれることで、ハウジング2に固定されている。
【0016】
その電極ホルダー31の内周に形成された周溝に、一方側の電極33a、34aと他方側の電極33b、34bとが嵌め込まれることで保持されている。その一方側の電極は、両シャフト3、4の軸方向における間隔をおいて配置される互いに同一仕様の第1電極33aと第2電極34aにより構成される。その他方側の電極は、両シャフト3、4の軸方向における間隔をおいて配置される互いに同一仕様の第1電極33bと第2電極34bにより構成される。各電極33a、34a、33b、34bは円弧形であって、それぞれ第1シャフト3の外周における互いに異なる部位に、両シャフト3、4と同軸心の円筒に沿う電極面を介して対向する。本実施形態では、一方側の第1電極33aと他方側の第1電極33bとが、シャフト軸方向において同一位置であってシャフト径方向に互いに対向する位置に配置される。また、一方側の第2電極34aと他方側の第2電極34bとが、シャフト軸方向において同一位置であってシャフト径方向に互いに対向する位置に配置されている。
【0017】
その第1シャフト3の外周における両第1電極33a、33bとの対向部位は、両シャフト3、4と同軸心の円筒に沿う導電性を有する第1電荷蓄積部3aとされている。その第1シャフト3の外周における両第2電極34a、34bとの対向部位は、両シャフト3、4と同軸心の円筒に沿う導電性を有する第2電荷蓄積部3bとされている。その第1電荷蓄積部3aと第2電荷蓄積部3bとは、両シャフト3、4の軸方向における間隔をおいて配置されると共に互いから絶縁されている。図2、図3に示すように、本実施形態では、その第1シャフト3は、導電性を有する金属製の本体3cと、この本体3cの外周に一体化されるように嵌め合わされる絶縁材製円筒部3dと、その絶縁材製円筒部3dの外周にシャフト軸方向の間隔をおいて一体化されるように嵌め合わされる一対の円筒状導電性部材とから構成され、その円筒状導電性部材が第1、第2電荷蓄積部3a、3bとされている。
【0018】
その第1電荷蓄積部3aと両第1電極33a、33bとで一対の直列接続される第1コンデンサ51a、51bを構成するように、その第1電荷蓄積部3aと両第1電極33a、33bとの対向間に誘電体が介在する。また、その第2電荷蓄積部3bと両第2電極34a、34bとで一対の直列接続される第2コンデンサ52a、52bを構成するように、その第2電荷蓄積部3bと両第2電極34a、34bとの対向間に誘電体が介在する。その誘電体として本実施形態では空気が用いられる。
【0019】
上記静電容量調節用部材12は、第1電荷蓄積部3aと両第1電極33a、33bとの間、および第2電荷蓄積部3bと両第2電極34a、34bとの対向間に配置されると共に、上記誘電体の誘電率とは相異する誘電率の誘電体とされ、例えばプラスチック製とされる。
【0020】
その静電容量調節用部材12に複数の第1開口43と複数の第2開口44とが形成されている。その第1開口43と第2開口44とは、両シャフト3、4の軸方向における間隔をおいて並列するように配置されている。それら第1開口43は、互いに静電容量調節用部材12の周方向における等間隔をおいて並列する。それら第2開口44は、互いに静電容量調節用部材12の周方向における等間隔をおいて並列する。各開口43、44の形状、寸法は互いに等しくされ、本実施形態では両シャフト3、4の回転軸方向に平行な縁と回転周方向に平行な縁とを有する4辺形に沿う形状を有する。各第1開口43は、第1電極33a、33bとシャフト径方向において重なる位置で、シャフト軸方向に平行な互いに対向する一対の縁43a、43bを有し、各第2開口44は、第2電極34a、34bとシャフト径方向において重なる位置で、シャフト軸方向に平行な互いに対向する一対の縁44a、44bを有するように配置されている。
【0021】
その第1電荷蓄積部3aを部分的に除去することで複数の第1除去部41が形成され、その第2電荷蓄積部3bを部分的に除去することで複数の第2除去部42が形成されている。その第1除去部41と第2除去部42とは、両シャフト3、4の軸方向における間隔をおいて配置されている。シャフト周方向においては、各第1除去部41の中央の周方向間に各第2除去部42の中央が配置されている。それら第1除去部41は、互いに第1シャフト3の周方向における等間隔をおいて並列する。それら第2除去部42は、互いに第1シャフト3の周方向における等間隔をおいて並列する。各除去部41、42は、各電荷蓄積部3a、3bを構成する円筒状導電性部材に形成される開口により構成され、各除去部41、42の形状、寸法は互いに等しくされ、本実施形態では両シャフト3、4の回転軸方向に平行な縁と回転周方向に平行な縁とを有する4辺形に沿う形状を有する。各第1除去部41は、第1電極33a、33bとシャフト径方向において対向する位置で、シャフト軸方向に平行な互いに対向する一対の縁41a、41bを有し、各第2除去部42は、第2電極34a、34bとシャフト径方向において対向する位置で、シャフト軸方向に平行な互いに対向する一対の縁42a、42bを有するように配置されている。
【0022】
図4に示すように、シャフト軸方向において、各電極33a、34a、33b、34bの寸法L1は、均一とされると共に各開口43、44の寸法L2および各除去部41、42の寸法L3未満とされている。また、シャフト軸方向において、両第1電極33a、33bは各第1開口43および第1除去部41の両端間に配置され、両第2電極34a、34bは各第2開口44および第2除去部42の両端間に配置される。これにより、両シャフト3、4、両第1、第2電極33a、34a、33b、34b、および静電容量調節用部材12のシャフト軸方向における相対位置が、製造公差や組み立て公差により変動しても、シャフト軸方向において両第1電極33a、33bを第1開口43および第1除去部41の両端間に配置でき、両第2電極34a、34bを第2開口44および第2除去部42の両端間に配置できる。よって、後述の静電容量の公差による変動をなくし、検出精度の低下を防止できる。
【0023】
各第1電極33a、33bは、複数の第1開口43と複数の第1除去部41とにシャフト径方向において対向するように配置され、各第2電極34a、34bは、複数の第2開口44と複数の第2除去部42とにシャフト径方向において対向するように配置されている。その第1開口43と第1除去部41とは、シャフト径方向における互いとの重なり面積が両シャフト3、4の相対回転に応じて変化するように相対配置され、その第1開口43と第2除去部42とは、シャフト径方向における互いとの重なり面積が両シャフト3、4の相対回転に応じて変化するように相対配置されている。また、その第1開口43と第1除去部41とは、両シャフト3、4が一方向に相対回転する時は互いとの上記重なり面積が増加し、両シャフト3、4が他方向に相対回転する時は互いとの上記重なり面積が減少するように相対配置され、その第2開口44と第2除去部42とは、両シャフト3、4が一方向に相対回転する時は互いとの前記重なり面積が減少し、両シャフト3、4が他方向に相対回転する時は互いとの前記重なり面積が増加するように相対配置されている。
【0024】
すなわち、図4に示すように、各電荷蓄積部3a、3bの周方向において、各除去部41、42の周方向寸法S1は、相隣接する除去部相互間における電荷蓄積部3a、3bの周方向寸法S2よりも大きくされると共に、各開口43、44の周方向寸法S3よりも大きくされている。また、トルク検出範囲に対応する両シャフト3、4の相対回転範囲では、各第1開口43は第1除去部41におけるシャフト軸方向に沿う単一の縁41aとシャフト径方向において重なり、各第2開口44は各第2除去部42におけるシャフト軸方向に沿う単一の縁42bとシャフト径方向において重なるように配置されている。各第1開口43が重なる第1除去部41における単一の縁41aは、第1除去部41の中央からみてシャフト周方向の一方側に位置し、各第2開口44が重なる第2除去部42における単一の縁42bは、第2除去部42の中央からみてシャフト周方向の他方側に位置する。
【0025】
両シャフト3、4が相対回転していない検出原点位置にある時、すなわち舵角が零の時、その第1開口43と第1除去部41との上記重なり面積と、その第2開口44と第2除去部42との上記重なり面積とは互いに等しくされている。すなわち図4に示すように、両シャフト3、4が検出原点位置にある時、各第1除去部41のシャフト軸方向に沿う一方の縁41aは、各第1開口43のシャフト軸方向に沿う中心線とシャフト径方向において重なるように配置され、各第2除去部42のシャフト軸方向に沿う一方の縁42bは、各第2開口44のシャフト軸方向に沿う中心線とシャフト径方向において重なるように配置されている。これにより、両シャフト3、4の相対回転時において、その第1開口43と第1除去部41との上記重なり面積の変化に対応する第1コンデンサ51a、51bの静電容量の変化の絶対値と、その第2開口44と第2除去部42との上記重なり面積の変化に対応する第2コンデンサ52a、52bの静電容量の変化の絶対値とは互いに等しくされている。
【0026】
上記構成においては、トルク伝達時における両シャフト3、4の相対回転により、電荷蓄積部3a、3bにおける除去部41、42と静電容量調節用部材12における開口43、44とのシャフト径方向における互いとの重なり面積が変化する。その電荷蓄積部3a、3bと電極33a、34a、33b、34bとの間に介在する誘電体の誘電率と、その静電容量調節用部材12の誘電率とは相異するので、その重なり面積の変化に応じて電極33a、34a、33b、34bと電荷蓄積部3a、3bとで構成されるコンデンサ51a、51b、52a、52bの静電容量が変化する。すなわち、その静電容量の変化は伝達トルクに対応する両シャフト3、4の相対回転に対応することから、その重なり面積の変化に応じた静電容量の変化に基づき両シャフト3、4により伝達されるトルクを検出できる。
【0027】
また、上記構成によれば、トルク伝達時に両シャフト3、4が一方向に相対回転すると、その相対回転量に応じて第1開口43と第1除去部41との上記重なり面積が増加し、第2開口44と第2除去部42との上記重なり面積が減少する。トルク伝達時に両シャフト3、4が他方向に相対回転すると、その相対回転量に応じて第1開口43と第1除去部41との上記重なり面積が減少し、第2開口44と第2除去部42との上記重なり面積が増加する。各重なり面積の変化に応じて各コンデンサ51a、51b、52a、52bの静電容量が変化する。また、両シャフト3、4の相対回転時において、その第1開口43と第1除去部41との上記重なり面積の変化に対応する第1コンデンサ51a、51bの静電容量の変化の絶対値と、その第2開口44と第2除去部42との上記重なり面積の変化に対応する第2コンデンサ52a、52bの静電容量の変化の絶対値とは互いに等しくされている。よって、その第1コンデンサ51a、51bの静電容量の変化と第2コンデンサ52a、52bの静電容量の変化との差に基づき、両シャフト3、4により伝達されるトルクを検出し、トルク検出感度を増大できる。しかも、温度が変動した場合、第1コンデンサ51a、51bの静電容量と第2コンデンサ52a、52bの静電容量とは同じだけ変化するので、両静電容量の変化の差に基づきトルクを検出することで温度変動による検出トルクの変動を相殺できる。
【0028】
本実施形態では、各電荷蓄積部3a、3bは、ハウジング2の外面側に取り付けられるプリント基板35に配線を介して接続される。そのプリント基板35に、図5に示すトルク検出回路を構成するための回路が形成されている。そのトルク検出回路において、第1、第2コンデンサ51a、51b、52a、52bは発振器53に接続され、第1コンデンサ51a、51bは第1検波回路54aに、第2コンデンサ52a、52bは第2検波回路54bに、抵抗55a、55b、55c、55dを介して接続され、各検波回路54a、54bは差動増幅回路56に接続される。これにより、両シャフト3、4間でのトルク伝達によりトーションバー8が捩れることで両シャフト3、4が弾性的に相対回転し、その伝達トルクに応じて各開口43、44と除去部41、42との重なり面積が変化することで、各コンデンサ51a、51b、52a、52bの静電容量が変化する。その第1開口43と第1除去部41との重なり面積の変化に応じた第1コンデンサ51a、51bの静電容量の変化と、その第2開口44と第2除去部42との重なり面積の変化に応じた第2コンデンサ52a、52bの静電容量の変化との差に対応する差動増幅回路56の出力信号に基づき、両シャフト3、4により伝達されるトルクが検出される。その差動増幅回路56から出力される伝達トルクに対応した信号に応じて駆動されるモータ等の図外アクチュエータにより操舵補助力が付与される。その操舵補助力の付与機構は公知の構成を採用できる。
【0029】
上記構成によれば、両シャフト3、4の相対回転に応じた可変コンデンサ51a、51b、52a、52bの静電容量の変化により、両シャフト3、4による伝達トルクを検出できる。その可変コンデンサ51a、51b、52a、52bは、電極33a、34a、33b、34bと第1シャフト3の外周の電荷蓄積部3a、3bとの間に誘電体と円筒に沿う静電容量調節用部材12を介在させ、その電荷蓄積部3a、3bに除去部41、42を形成し、その静電容量調節用部材12に開口43、44を形成するだけで構成できるので、構造が簡単で、両シャフト3、4から径方向に大きく張り出すことはないので小型化を図ることができる。また、両シャフト3、4が一方向に相対回転した時と、他方向に相対回転した時の何れの場合にも、その相対回転量に応じたトルクを検出できる。さらに、各開口43、44と除去部41、42の数が多いことによってもトルク検出感度を向上できる。
【0030】
図6は本発明の第2実施形態のトルクセンサ1の要部を示し、第1実施形態では静電容量調節用部材12が誘電体とされているのに代えて、導体とされた静電容量調節用部材12′が電荷蓄積部3a、3bと電極33a、34a、33b、34bとの対向間に配置されている。その静電容量調節用部材12′は電荷蓄積部3a、3bに電気的に接続されると共に電極33a、34a、33b、34bから絶縁されている。また、その静電容量調節用部材12は、第1電荷蓄積部3aに対向する第1開口43が形成される導電性第1部材12aと、第2電荷蓄積部3bに対向する第2開口44が形成される導電性第2部材12bとを、絶縁性部材12cを介して連結することで構成され、これにより、第1電荷蓄積部3aと第2電荷蓄積部3bとが互いから絶縁されている。なお、静電容量調節用部材12′と電荷蓄積部3a、3bとの電気的な接続は、例えば第1電荷蓄積部3aと第1部材12aとをブラシ60aを介して接続し、第2電荷蓄積部3bと第2部材12bとをブラシ60bを介して接続することで行う。他は第1実施形態と同様の構成とされ、同一部分は同一符号で示す。
【0031】
上記第2実施形態においては、トルク伝達時における両シャフト3、4の相対回転により、第1シャフト3における電荷蓄積部3a、3bに形成された除去部41、42と、第2シャフト4と同行回転する静電容量調節用部材12に形成された開口43、44との、シャフト径方向における互いとの重なり面積が変化する。その静電容量調節用部材12は、その電荷蓄積部3a、3bに電気的に接続される導体であるので、その重なり面積の変化に応じて電極33a、34a、33b、34bと電荷蓄積部3a、3bとで構成されるコンデンサ51a、51b、52a、52bの静電容量が変化する。すなわち、その重なり面積の増加に応じて電荷蓄積面積が減少するのでコンデンサ51a、51b、52a、52bの静電容量が減少し、その重なり面積の減少に応じて電荷蓄積面積が増加するのでコンデンサ51a、51b、52a、52bの静電容量が増加する。その静電容量の変化は伝達トルクに対応する両シャフト3、4の相対回転に対応することから、その静電容量の変化に基づき両シャフト3、4により伝達されるトルクを検出できる。他は第1実施形態と同様の作用効果を奏する。
【0032】
本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、上記実施形態では各コンデンサを構成する一対の電極の両方が開口と除去部とにシャフト径方向において対向するが、少なくとも一方の電極が対向すればよい。また、第1シャフト3の一端側をステアリングギアに接続し、第2シャフト4の他端側をステアリングホイールに接続するようにしてもよい。また、本発明のトルクセンサをステアリング装置以外においてトルクを検出するために用いてもよい。
【0033】
【発明の効果】
本発明によれば、小型化と検出精度、検出感度の向上を図ることができるトルクセンサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態のトルクセンサの断面図
【図2】本発明の第1実施形態のトルクセンサの要部の断面図
【図3】本発明の第1実施形態のトルクセンサの要部の横断面図
【図4】本発明の第1実施形態のトルクセンサの筒状部材の部分展開図
【図5】本発明の第1実施形態のトルク検出回路を示す図
【図6】本発明の第2実施形態のトルクセンサの要部の断面図
【符号の説明】
1 トルクセンサ
3 第1シャフト
3a 第1電荷蓄積部
3b 第2電荷蓄積部
4 第2シャフト
12、12′ 静電容量調節用部材
33a 一方側第1電極
33b 他方側第1電極
34a 一方側第2電極
34b 他方側第2電極
41 第1除去部
42 第2除去部
43 第1開口
44 第2開口
51a、51b 第1コンデンサ
52a、52b 第2コンデンサ
Claims (5)
- 第1シャフトと、
その第1シャフトに同軸心かつ弾性的に相対回転可能に連結される第2シャフトと、
その第1シャフトの外周に、両シャフトと同軸心の円筒に沿う電極面を介して対向する一方側の電極と、
その第1シャフトの外周における前記一方側の電極との対向部位とは異なる部位に、両シャフトと同軸心の円筒に沿う電極面を介して対向する他方側の電極と、
その第2シャフトに同行回転するように連結されると共に、両シャフトと同軸心の円筒に沿う静電容量調節用部材とを備え、
その第1シャフトの外周における両電極との対向部位は、両シャフトと同軸心の円筒に沿う導電性を有する電荷蓄積部とされ、
その電荷蓄積部と両電極とでコンデンサを構成するように、その電荷蓄積部と両電極との対向間に誘電体が介在するものとされ、
その静電容量調節用部材は、前記誘電体の誘電率と相異する誘電率の誘電体とされると共に、その電荷蓄積部と両電極との対向間に配置され、
その静電容量調節用部材に開口が形成され、
その電荷蓄積部を部分的に除去することで除去部が形成され、
少なくとも一方の電極は、その開口と除去部とにシャフト径方向において対向するように配置され、
その開口と除去部とは、シャフト径方向における互いとの重なり面積が両シャフトの相対回転に応じて変化するように相対配置され、
その重なり面積の変化に応じた前記コンデンサの静電容量の変化に基づき、両シャフトにより伝達されるトルクが検出されるトルクセンサ。 - 第1シャフトと、
その第1シャフトに同軸心かつ弾性的に相対回転可能に連結される第2シャフトと、
その第1シャフトの外周に、両シャフトと同軸心の円筒に沿う電極面を介して対向する一方側の電極と、
その第1シャフトの外周における前記一方側の電極との対向部位とは異なる部位に、両シャフトと同軸心の円筒に沿う電極面を介して対向する他方側の電極と、
その第2シャフトに同行回転するように連結されると共に、両シャフトと同軸心の円筒に沿う静電容量調節用部材とを備え、
その第1シャフトの外周における両電極との対向部位は、両シャフトと同軸心の円筒に沿う導電性を有する電荷蓄積部とされ、
その電荷蓄積部と両電極とでコンデンサを構成するように、その電荷蓄積部と両電極との対向間に誘電体が介在するものとされ、
その静電容量調節用部材は、その電荷蓄積部と両電極との対向間に配置される導体とされ、
その静電容量調節用部材は、その電荷蓄積部に電気的に接続されると共に両電極から絶縁され、
その静電容量調節用部材に開口が形成され、
その電荷蓄積部を部分的に除去することで除去部が形成され、
少なくとも一方の電極は、その開口と除去部とにシャフト径方向において対向するように配置され、
その開口と除去部とは、シャフト径方向における互いとの重なり面積が両シャフトの相対回転に応じて変化するように相対配置され、
その重なり面積の変化に応じた前記コンデンサの静電容量の変化に基づき、両シャフトにより伝達されるトルクが検出されるトルクセンサ。 - シャフト軸方向において、各電極の寸法は、均一とされると共に前記開口の寸法および除去部の寸法未満とされ、
シャフト軸方向において、両電極は前記開口および除去部の両端間に配置され、
前記開口は、前記電極とシャフト径方向において重なる位置で、シャフト軸方向に平行な互いに対向する一対の縁を有し、
前記除去部は、前記電極とシャフト径方向において対向する位置で、シャフト軸方向に平行な互いに対向する一対の縁を有する請求項1または2に記載のトルクセンサ。 - 前記一方側の電極として、シャフト軸方向における間隔をおいて配置される互いに同一仕様の第1電極と第2電極とを備え、
前記他方側の電極として、シャフト軸方向における間隔をおいて配置される互いに同一仕様の第1電極と第2電極とを備え、
前記電荷蓄積部として、シャフト軸方向における間隔をおいて配置されると共に互いから絶縁されている第1電荷蓄積部と第2電荷蓄積部とを備え、
その第1電荷蓄積部と一方側の第1電極と他方側の第1電極とで第1コンデンサが構成され、その第2電荷蓄積部と一方側第2電極と他方側の第2電極とで第2コンデンサが構成され、
前記開口として、シャフト軸方向における間隔をおいて配置される第1開口と第2開口とを備え、
前記除去部として、第1電荷蓄積部に形成される第1除去部と、第2電荷蓄積部に形成される第2除去部とを備え、
その第1開口と第1除去部とは、両シャフトが一方向に相対回転する時は互いとの前記重なり面積が増加し、両シャフトが他方向に相対回転する時は互いとの前記重なり面積が減少するように相対配置され、
その第2開口と第2除去部とは、両シャフトが一方向に相対回転する時は互いとの前記重なり面積が減少し、両シャフトが他方向に相対回転する時は互いとの前記重なり面積が増加するように相対配置され、
両シャフトが相対回転していない検出原点位置にある時、その第1開口と第1除去部との前記重なり面積と、その第2開口と第2除去部との前記重なり面積とは互いに等しくされ、
両シャフトの相対回転時において、その第1開口と第1除去部との前記重なり面積の変化に対応する前記第1コンデンサの静電容量の変化の絶対値と、その第2開口と第2除去部との前記重なり面積の変化に対応する前記第2コンデンサの静電容量の変化の絶対値とは互いに等しくされ、
その第1開口と第1除去部との重なり面積の変化に応じた前記第1コンデンサの静電容量の変化と、その第2開口と第2除去部との重なり面積の変化に応じた前記第2コンデンサの静電容量の変化との差に基づき、両シャフトにより伝達されるトルクが検出される請求項1〜3の中の何れかに記載のトルクセンサ。 - 前記第1開口は、前記静電容量調節用部材の周方向における等間隔をおいて並列するように複数形成され、
前記第2開口は、前記静電容量調節用部材の周方向における等間隔をおいて並列するように複数形成され、
前記第1除去部は、シャフト周方向における等間隔をおいて並列するように複数設けられ、
前記第2除去部は、シャフト周方向における等間隔をおいて並列するように複数設けられ、
トルク検出範囲に対応する両シャフトの相対回転範囲では、各第1開口は第1除去部におけるシャフト軸方向に沿う単一の縁とシャフト径方向において重なり、
各第2開口は各第2除去部におけるシャフト軸方向に沿う単一の縁とシャフト径方向において重なるように配置され、
各第1開口が重なる第1除去部における単一の縁は、第1除去部の中央からみてシャフト周方向の一方側に位置し、各第2開口が重なる第2除去部における単一の縁は、第2除去部の中央からみてシャフト周方向の他方側に位置する請求項4に記載のトルクセンサ。
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