(57)【要約】【課題】低コストなトルクセンサを提供する。【解決手段】第１の回転軸１１と第２の回転軸１２とがトーションバー１３によって連結された動力伝達軸１のトルクを検出するトルクセンサ２は、動力伝達軸１１を中心部に挿通させる環状のコイル３と、第１の回転軸１１に固定された第１のセンサ部材４、及び第２の回転軸１２に固定された第２のセンサ部材５を有し、トーションバー２の捩れ量に応じてコイル３の巻線３１と第１及び第２のセンサ部材４，５との間の静電容量が変化する静電容量可変機構１０と、コイル３の巻線３１に電気信号を入力すると共に、静電容量の変化に基づいてトルクを検出する検出部６とを備える。【選択図】図１
2020051907.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の回転軸と第２の回転軸とが捩れ軸によって連結された動力伝達軸のトルクを検出するトルクセンサであって、
前記動力伝達軸を中心部に挿通させる環状のコイルと、
前記第１の回転軸に固定された第１のセンサ部材、及び前記第２の回転軸に固定された第２のセンサ部材を有し、前記捩れ軸の捩れ量に応じて前記コイルの巻線と前記第１及び第２のセンサ部材との間の静電容量が変化する静電容量可変機構と、
前記静電容量の変化に基づいて前記トルクを検出する検出部と、
を備えたトルクセンサ。
【請求項２】
前記検出部は、前記コイルの巻線に電気信号を入力すると共に、前記静電容量の変化によって前記コイルにおいて発生する前記電気信号の遅延時間の変化に基づいて前記トルクを検出する、
請求項１に記載のトルクセンサ。
【請求項３】
前記第１のセンサ部材は、その一部又は全部が誘電体からなり、
前記第２のセンサ部材は、その一部又は全部が導電体からなる、
請求項１又は２に記載のトルクセンサ。
【請求項４】
前記第１のセンサ部材は、前記第２のセンサ部材の内側に配置されており、
前記コイルは、前記第２のセンサ部材の外側に配置されている、
請求項１乃至３の何れか１項に記載のトルクセンサ。
【請求項５】
前記第１及び第２のセンサ部材のそれぞれは、環状の基部と、前記基部から軸方向に突出する櫛歯状突起とを有し、
前記捩れ軸の捩れ量に応じて前記第１のセンサ部材の前記櫛歯状突起と前記第２のセンサ部材の前記櫛歯状突起との径方向の重なり量が変化する、
請求項４に記載のトルクセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１の回転軸と第２の回転軸とが捩れ軸によって連結された動力伝達軸のトルクを検出するトルクセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、第１の回転軸と第２の回転軸とが捩れ軸によって連結された動力伝達軸のトルクを検出するトルクセンサが、例えば車両の電動パワーステアリング装置において操舵トルクを検出するために用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載のトルクセンサは、ステアリングホイールに連結される入力軸に固定された環状の上ヨークと、操舵機構に連結される出力軸に固定された環状の下ヨークと、上ヨークの外側に配置された上リング及び下ヨークの外側に配置された下リングと、上ヨーク及び下ヨークの内側に配置された永久磁石と、上リングと下リングとの間の磁束を検出する検出部とを有して構成されている。
【０００４】
入力軸と出力軸とは、操舵トルクによって捩れる捩れ軸（トーションバー）によって連結されている。上ヨーク及び下ヨークは、複数の突出部が互い違いに対向するように組合わされており、捩れ軸の捩れ量によって突出部同士の対向面積が変化する。そして、この対向面積の変化によって上ヨークと下ヨークとの間の磁気抵抗が変化し、この磁気抵抗の変化による磁束の変化を検出部によって検出することでトルクが検出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１５／１４６５５８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように構成されたトルクセンサにおいて、上下のヨークやリングには、比透磁率が大きく磁心損失が少ないＦｅ−Ｎｉ系材料が用いられており、特に好適には、約７８質量％のＮｉと、Ｆｅと、さらにＭｏ、Ｃｕ、Ｃｒなどを添加して初比透磁率や最大比透磁率を大きくしたＪＩＳ−Ｃ２５３１に規定されるパーマロイＰＣが用いられる。しかし、このような材料は高価であるため、より低コストなトルクセンサが望まれていた。
【０００７】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、低コストなトルクセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決することを目的として、第１の回転軸と第２の回転軸とが捩れ軸によって連結された動力伝達軸のトルクを検出するトルクセンサであって、前記動力伝達軸を中心部に挿通させる環状のコイルと、前記第１の回転軸に固定された第１のセンサ部材、及び前記第２の回転軸に固定された第２のセンサ部材を有し、前記捩れ軸の捩れ量に応じて前記コイルの巻線と前記第１及び第２のセンサ部材との間の静電容量が変化する静電容量可変機構と、前記コイルの巻線に電気信号を入力すると共に、前記静電容量の変化に基づいて前記トルクを検出する検出部と、を備えたトルクセンサを提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、トルクセンサを低コスト化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態に係るトルクセンサを動力伝達軸と共に示す断面図である。
【図２】トルクセンサの斜視図である。
【図３】トルクセンサの分解斜視図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、検出対象のトルクに応じて変化する第１及び第２のセンサ部材の各状態を示す斜視図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、第１及び第２のセンサ部材の複数の櫛歯状突起のうちそれぞれ一つの櫛歯状突起とコイルの巻線との関係を模式的に示す模式図である。
【図６】（ａ）は、信号発生部で発生するパルス信号の波形を示し、（ｂ）〜（ｄ）は、図５（ａ）〜（ｃ）のそれぞれの状態に対応するコイルの巻線の他端におけるパルス信号の波形を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［実施の形態］
図１は、本発明の実施の形態に係るトルクセンサを動力伝達軸と共に示す断面図である。図２は、トルクセンサの斜視図である。図３は、トルクセンサの分解斜視図である。
【００１２】
動力伝達軸１は、車両のステアリング機構に操舵トルクを伝達するステアリングシャフトであり、ステアリングホイールが一端部に取り付けられた第１の回転軸１１と、第１の回転軸１１と同軸配置された第２の回転軸１２と、第１の回転軸１１と第２の回転軸１２を連結する捩れ軸としてのトーションバー１３とを有している。トーションバー１３は、操舵トルクに応じて捩れる弾性を有している。動力伝達軸１は、ステアリングホイールの操舵操作に応じて回転軸線Ｏを中心として回転する。以下、回転軸線Ｏに平行な方向を軸方向といい、回転軸線Ｏに垂直な方向を径方向という。
【００１３】
第１の回転軸１１は、ステアリングホイールとは反対側の他端部が有底円筒状に形成されており、第２の回転軸１２も同様に、第１の回転軸１１側の端部が有底円筒状に形成されている。トーションバー１３は、両端部が第１の回転軸１１及び第２の回転軸１２にそれぞれ形成された有底円筒状の部分に収容されており、一端部が第１の回転軸１１に、他端部が第２の回転軸１２に、それぞれ相対回転不能に固定されている。
【００１４】
トルクセンサ２は、動力伝達軸１のトーションバー１３を中心部に挿通させる環状のコイル３と、第１の回転軸１１に固定された筒状の第１のセンサ部材４と、第２の回転軸１２に固定された筒状の第２のセンサ部材５と、コイル３の巻線３１が電気的に接続された検出部６とを有している。第１のセンサ部材４は、第１の回転軸１１の他端部に例えば図略のボルトによって固定されており、第１の回転軸１１と一体に回転する。
【００１５】
第２のセンサ部材５は、第１のセンサ部材４の外側に配置され、第２の回転軸１２の端部に例えば図略のボルトによって固定されている。また、第２のセンサ部材５は、第２の回転軸１２と一体に回転することにより、トーションバー１３の捩れ量に応じて第１のセンサ部材４に対して相対回転する。
【００１６】
第１のセンサ部材４は、その一部又は全部が誘電体からなる。この誘電体としては、成形の容易性を考慮して、誘電分極が発生しやすい樹脂を好適に用いることができ、特に誘電率が高い６６ナイロンを好適に用いることができる。本実施の形態では、第１のセンサ部材４の全体が６６ナイロンからなる。
【００１７】
また、第１のセンサ部材４は、第１の回転軸１１に外嵌固定された環状の基部４１と、基部４１の端部から第２の回転軸１２側に向かって軸方向に突出する複数の櫛歯状突起４２とを一体に有している。本実施の形態では、第１のセンサ部材４が１２個の櫛歯状突起４２を周方向等間隔に有している。
【００１８】
第２のセンサ部材５は、その一部又は全部が導電体からなる。この導電体としては、例えばアルミニウム等の導電性の金属を好適に用いることができるが、これに限らず、例えば樹脂部材の表面に導電性の金属がメッキされていてもよいし、樹脂部材中にカーボンブラックや金属微粒子等の導電性微粒子を混入したものでもよい。本実施の形態では、第２のセンサ部材５の全体がアルミニウムからなる。第２のセンサ部材５は、例えば第２の回転軸１２を介して電気的に接地される。第２の回転軸１２は、例えば炭素鋼等の導電材料からなる。また、第２のセンサ部材５では、樹脂成型された成形体の表面に銅、スズなどのめっき処理をほどこした物でも良い。
【００１９】
また、第２のセンサ部材５は、第２の回転軸１２に外嵌固定された環状の基部５１と、基部５１の端部から第１の回転軸１１側に向かって軸方向に突出する複数の櫛歯状突起５２とを一体に有している。第２のセンサ部材５の櫛歯状突起５２の数は、第１のセンサ部材４の櫛歯状突起４２と同数である。本実施の形態では、第２のセンサ部材５が１２個の櫛歯状突起５２を周方向等間隔に有している。第１及び第２のセンサ部材４，５の櫛歯状突起４１，５２の横幅、隣り合う櫛歯状突起４１，４１の間隔、及び隣り合う櫛歯状突起５１，５１の間隔は、すべて同じである。
【００２０】
第１のセンサ部材４は、第２のセンサ部材５の内側に配置され、コイル３は、第２のセンサ部材５の外側に配置されている。第１のセンサ部材４の複数の櫛歯状突起４２が配置された軸方向の範囲と、第２のセンサ部材５の複数の櫛歯状突起５２が配置された軸方向の範囲とは、コイル３の内側で重なっている。第１のセンサ部材４における複数の櫛歯状突起４２の外周面と、第２のセンサ部材５における複数の櫛歯状突起５２の内周面との間には、僅かな隙間が形成される。
【００２１】
コイル３は、非磁性材料からなる環状のボビン３０に巻線３１が複数ターン巻き回されている。ボビン３０は、例えばナイロンからなる。巻線３１は、例えばエナメル線からなる。巻線３１の両端部は、ボビン３０から導出されて検出部６に接続されている。ボビン３０の内周面は、第２のセンサ部材５における複数の櫛歯状突起５２の外周面と僅かな隙間を介して向かい合っている。
【００２２】
図４（ａ）は、操舵トルクがゼロでトーションバー１３が捩れていない状態の第１及び第２のセンサ部材４，５を示している。図４（ｂ）は、トルクセンサ２が検出可能な最大トルク値の２分の１のトルクでトーションバー１３が捩れた状態の第１及び第２のセンサ部材４，５を示している。図４（ｃ）は、トルクセンサ２が検出可能な最大トルク値のトルクでトーションバー１３が捩れた状態の第１及び第２のセンサ部材４，５を示している。
【００２３】
トルクセンサ２は、トーションバー１３の捩れ量に応じて第１のセンサ部材４の櫛歯状突起４２と第２のセンサ部材５の櫛歯状突起５２との径方向の重なり量が変化する。本実施の形態では、トーションバー１３が捩れていない状態で第１のセンサ部材４の櫛歯状突起４２及び第２のセンサ部材５の櫛歯状突起５２の全体が重なり合い、トルクセンサ２が検出可能な最大トルク値のトルクでトーションバー１３が捩れた状態で櫛歯状突起４２，５２の重なり量がゼロとなる。
【００２４】
そして、この重なり量の変化により、コイル３の巻線３１と第１及び第２のセンサ部材４，５との間に作用する静電容量が変化する。すなわち、第１及び第２のセンサ部材４，５は、トーションバー１３の捩れ量に応じてコイル３の巻線３１に作用する静電容量が変化する静電容量可変機構１０を構成する。検出部６は、コイル３の巻線３１に電気信号を入力すると共に、静電容量の変化によってコイル３において発生する電気信号の遅延時間の変化基づいてトルクを検出する。次に、このトルク検出の原理について詳細に説明する。
【００２５】
図５（ａ）〜（ｃ）は、第１及び第２のセンサ部材４，５の複数の櫛歯状突起４２，５２のうちそれぞれ一つの櫛歯状突起４２，５２とコイル３の巻線３１との関係を模式的に示す模式図である。図５（ａ）は図４（ａ）に対応する状態を示しており、図５（ｂ）は図４（ｂ）に、図５（ｃ）は図４（ｃ）に、それぞれ対応する状態を示している。
【００２６】
コイル３と第１のセンサ部材４との間には、第２のセンサ部材５が配置されているので、第１及び第２のセンサ部材４，５の櫛歯状突起４２，５２が重なると、コイル３から見た場合に、第１のセンサ部材４の櫛歯状突起４２が第２のセンサ部材５の櫛歯状突起５２によって遮蔽される。
【００２７】
図５（ａ）〜（ｃ）では、コイル３の巻線３１と第１及び第２のセンサ部材４，５の櫛歯状突起４２，４５との間の静電容量をそれぞれＣ１，Ｃ２で模式的に示している。コイル３の巻線３１と第２のセンサ部材５の櫛歯状突起５２との間の静電容量（Ｃ２）は、トーションバー１３の捩れ量にかかわらずほぼ一定であるが、コイル３の巻線３１と第１のセンサ部材４の櫛歯状突起４２との間の静電容量（Ｃ１）は、櫛歯状突起４２，５２の重なり量によって大きく変わる。
【００２８】
検出部６は、コイル３の巻線３１に電気信号を入力する信号発生部６１と、信号発生部６１で発生した信号のコイル３による遅延時間を測定してトルクを演算する測定演算部６２とを有している。信号発生部６１は、コイル３の巻線３１の一端にパルス信号を入力する。測定演算部６２は、信号発生部６１で発生したパルス信号と、コイル３の巻線３１の他端におけるパルス信号との時間的な差によって遅延時間を測定する。なお、２つのパルス信号の伝播経路長の差によって元々生じる遅延時間は、補正等によって予め差し引かれており、静電容量の変化によって遅延が生じるようにされている。
【００２９】
図６（ａ）は、信号発生部６１で発生するパルス信号の波形の一例を示し、図６（ｂ）〜（ｄ）は、図５（ａ）〜（ｃ）のそれぞれの状態に対応するコイル３の巻線３１の他端におけるパルス信号の波形の一例を示している。図６（ａ）〜（ｄ）において、横軸は時間軸であり、縦軸は電圧を示している。横軸のｔ０は、パルス信号の発生時刻である。また、縦軸のＶ０はパルス信号の波高値を示し、Ｖ１はＶ０・（１−ｅ−１）の電圧を示している。なお、ｅは自然対数（ｅ≒２．７１８）であり、Ｖ１はＶ０の約６３％である。
【００３０】
図６（ｂ）〜（ｄ）において、横軸のｔ１〜ｔ３は、パルス信号の電圧がＶ１に達した時刻を示している。図６（ｂ）〜（ｄ）に示すように、ｔ０とｔ２との時間差はｔ０とｔ１との時間差よりも大きく、ｔ０とｔ３との時間差はｔ０とｔ２との時間差よりもさらに大きい。このように、コイル３の巻線３１の他端におけるパルス信号は、第１のセンサ部材４の櫛歯状突起４２との間の静電容量（Ｃ１）が大きくなるほど立ち上がりが大きく遅れる。そして、この時間差によってトーションバー１３によって伝達されるトルクを検出することができる。具体的には、例えば、この時間差とトルクとの関係について、予めデータを取得しておき、このデータを電子制御ユニットのメモリに格納しておくとよい。このメモリを参照することにより、時間差からトルクを求めることができる。
【００３１】
（実施の形態の作用及び効果）
以上説明した実施の形態によれば、例えばパーマロイからなるヨークや磁性リング及び永久磁石などを用いることなくトルクセンサ２を構成することができるので、低コスト化が可能となる。
【００３２】
（実施の形態のまとめ）
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。
【００３３】
［１］第１の回転軸（１１）と第２の回転軸（１２）とが捩れ軸（トーションバー２）によって連結された動力伝達軸（１）のトルクを検出するトルクセンサ（２）であって、前記動力伝達軸（１）を中心部に挿通させる環状のコイル（３）と、前記第１の回転軸（１１）に固定された第１のセンサ部材（４）、及び前記第２の回転軸（１２）に固定された第２のセンサ部材（５）を有し、前記捩れ軸（２）の捩れ量に応じて前記コイル（３）の巻線（３１）と前記第１及び第２のセンサ部材（４，５）との間の静電容量が変化する静電容量可変機構（１０）と、前記コイル（３）の巻線に電気信号を入力すると共に、前記静電容量の変化に基づいて前記トルクを検出する検出部（６）と、を備えたトルクセンサ（２）。
【００３４】
［２］前記検出部（６）は、前記コイル（３）の巻線（３１）に電気信号を入力すると共に、前記静電容量の変化によって前記コイル（３）において発生する前記電気信号の遅延時間の変化に基づいて前記トルクを検出する、前記［１］に記載のトルクセンサ（２）。
【００３５】
［３］前記第１のセンサ部材（４）は、その一部又は全部が誘電体からなり、前記第２のセンサ部材（５）は、その一部又は全部が導電体からなる、前記［１］又は［２］に記載のトルクセンサ（２）。
【００３６】
［４］前記第１のセンサ部材（４）は、前記第２のセンサ部材（５）の内側に配置されており、前記コイル（３）は、前記第２のセンサ部材（５）の外側に配置されている、前記［１］乃至［３］の何れか一つに記載のトルクセンサ（２）。
【００３７】
［５］前記第１及び第２のセンサ部材（４，５）のそれぞれは、環状の基部（４１，５１）と、前記基部（４１，５１）から軸方向に突出する櫛歯状突起（４２，５２）とを有し、前記捩れ軸（２）の捩れ量に応じて前記第１のセンサ部材（４）の前記櫛歯状突起（４２）と前記第２のセンサ部材（５）の前記櫛歯状突起（５２）との径方向の重なり量が変化する、前記［４］に記載のトルクセンサ（２）。
【００３８】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【００３９】
また、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。例えば、上記の実施の形態では、パルス信号の伝搬遅延時間の変化によって静電容量可変機構１０における静電容量の変化を検出する場合について説明したが、これに限らず、例えばスイッチドキャパシタ方式、すなわち電荷を充電又は放電したときの電圧変化の時定数によって静電容量可変機構１０における静電容量の変化を検出する方式を採用してもよい。
【符号の説明】
【００４０】
１…動力伝達軸
１０…静電容量可変機構
１１…第１の回転軸
１２…第２の回転軸
１３…トーションバー（捩れ軸）
２…トルクセンサ
３…コイル
３１…巻線
４…第１のセンサ部材
４１…基部
４２…櫛歯状突起
５…第２のセンサ部材
５１…基部
５２…櫛歯状突起
６…検出部
【図１】
2020051907.tif 000003
【図２】
2020051907.tif 000004
【図３】
2020051907.tif 000005
【図４】
2020051907.tif 000006
【図５】
2020051907.tif 000007
【図６】
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