(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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