JP2003098020A - 差動容量式トルクセンサー - Google Patents

差動容量式トルクセンサー

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JP2003098020A
JP2003098020A JP2002195590A JP2002195590A JP2003098020A JP 2003098020 A JP2003098020 A JP 2003098020A JP 2002195590 A JP2002195590 A JP 2002195590A JP 2002195590 A JP2002195590 A JP 2002195590A JP 2003098020 A JP2003098020 A JP 2003098020A
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shaft
torque
torque sensor
concentric
ring
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Asad M Madni
エム マドニ エイサド
Robert K Hansen
ケイ ハンセン ロバート
Jim B Vuong
ジー ヴオン ジム
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    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
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    • G01L3/106—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving electrostatic means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/22—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 正確な差動容量式トルクセンサーを供給す
る。 【解決手段】 自動車のステアリングコラムのような連
続して回転するシャフトのための差動容量式トルクセン
サーは、誘電体の回転部を遮蔽する穴あき金属ケージを
提供する。トルクセンサーは、それぞれ、トーションバ
ーにより接続された別々のシャフトの反対側に取付けら
れる。穴あき導電性板と回転体との間の相対的回転は、
システムの全差動静電容量を変え、時計方向、または反
時計方向のトルクを比例して示す。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、連続的に回転する
シャフトのための差動容量性トルクセンサに関し、より
詳細にはステアリングを含む自動車の適用のためのセン
サに関する。
【０００２】
【発明の背景】エンジンのパワー消費量を削減するため
の自動車業界からの最近の要請は、パワーステアリング
油圧ポンプを、ステアリング・シャフトに連動された非
常に効率的な電気モータと交換させ、ステアリングの作
動力を助力することである。主な問題はステアリングの
作動力をどの程度助力すべきかを知るために、運転者に
よって加えられた作動力を検知することである。
【０００３】自動車業界は、直径４分の３インチのステ
アリング・シャフトの使用可能な１インチの長さでねじ
れを正確に探知する安価な方法を見出すことにほとんど
成功しなかった。解決法はステアリング・シャフトにト
ーションバーを含むことであり、これにより、ねじれの
柔軟性をより許容することができる。この動きは、はる
かに安価な手段を使用して検知可能であり、運転者がス
テアリングホイールにどの程度の作動力を加えたかを決
定し、順番に、助力のためモータにどれ位の電力が供給
されるかを指示することができる。
【０００４】この感知は抵抗素子（ポテンショメータ）
で実現可能であるが、これは接触技術を用いており、磨
耗を生じやすく電気的に雑音を発生させる。それ故、非
接触型の解決方法が大変好ましい。別の可能性として
は、光学エンコーダの使用がある。この方法もまた関数
を実行するが、大変高価であり（特に絶対光学エンコー
ダ）、光源の使用は信頼性の理由のためすすめられな
い。一般的に、トルクを測定するこれらのまたは他の技
術としては、現在、ねじり棒の各側に一個つずつ、2個
の角度変位センサーを使用している。
【０００５】差動式角度変位方法の不利な点は、２つの
別々の出力センサーがあり、ねじれ角度はこれらの出力
信号間の差であることである。これはあまり正確ではな
い。この問題の解決方法の一つは、ルステンベルガー特
許No.4,680,976に示されており、これは対向するコイル
による電磁気技術を用いている。これは外部電源からの
電波干渉を受けやすいし、その正確性は十分でないこと
がある。
【０００６】
【発明の目的と要約】そのため、本発明の目的は、差動
容量式トルクセンサーを供給することである。
【０００７】上記目的に従って、埋め込まれたトーショ
ンバーにより第１半片と第２半片に分割された連続して
回転するシャフトのための差動容量式トルクセンサーで
あって、シャフトの第１半片での回転のために取付けら
れた複数のスポークを有する誘電体ディスクを備えた差
動容量式トルクセンサーを供給する。
【０００８】一対の第１及び第２の穴あき導電性ディス
クは、誘電体ディスクを取囲み、シャフトの第２半片と
共に回転するように取付けられ、加えられたシャフトト
ルクに比例して前記誘電体ディスクのスポークの遮蔽部
分を取囲む。共通平面にある一対の同心状のコンデンサ
板リングは第１シャフト半片を取囲み、第１穴あき導電
性ディスクと並列に配置されている。対向するコンデン
サ板は第２シャフト半片を取囲み、第２穴あき導電性デ
ィスクと並列に配置されている。電気ブリッジ手段は対
の同心リングと対向するコンデンサ板の間に形成された
静電容量を比較し、加えるシャフトトルクを決定する。
【０００９】
【好ましい実施例の詳細な説明】容量式検知技術は周知
である。コンデンサ容量はコンデンサ板間の誘電体材料
の誘電率と、その板の面積と、２枚の板間の距離に依存
する。これらのパラメータのどれか一つが検知処理に利
用される。
【００１０】変位センサーは、コンデンサの平行板の外
側の誘電体材料片をスライドすることにより構成され
る。これは湿気などの環境による影響のため実生活にお
ける利用には適していない。空気の誘電率は乾燥状態に
おける誘電率に大変近い。しかしながら、湿気が増加し
た時、媒体はもはや純粋な空気ではなく、空気と水の分
子の混合物となり、誘電率が大きくなり大きな変位誤差
を発生させる。この問題の克服のため、比例容量センサ
ーを利用することは公知である。並列板コンデンサは並
行に整列され、可動誘電体材料の長さは個々のコンデン
サの長さよりも大きい。この構成の特徴は、２つの静電
容量の割合の比例式によって定義づけ可能である。この
構成においては、その板間の誘電体の移動が検知される
ことが望ましい。これらは、商業的に入手可能な図３に
示された容量センサー信号処理回路によって実現可能で
ある。ここに、電圧出力Ｖｔは電荷容量に定数を掛けた
ものの差と和の比である。センサーはこのような湿度、
温度等、比例配列の環境の影響に基づいており、Ｃ１、
Ｃ２の値がお互いに一定の間隔を保つ（比例的に増減す
る）事実のため、正確性に対し最小の影響しか有さない
だろう。前述したものは、センサーの線形変位に適して
いるだけである。しかしながら、前述の技術を用いる
と、回転容量センサーは可能ではあるが、１８０度の最
大角度に制限される。そのような構成は、回転誘電体を
はさんでいる半円状に分割された容量性板をを有する１
つの共通円形の容量板を有するだろう。例えば、ロック
状態からロック状態まで何度か回転する自動車の回転機
構又はステアリングホイールのトルクを検知するのが望
ましいが、そのような構成は利用できない。
【００１１】図１Ａ，図１Ｂ及び図２は、挿入された誘
電体のない本発明のコンデンサ板を示している。図１Ａ
はシャフト１１（シャフトの軸だけが示されている）を
取囲む環状または輪状のコンデンサ板１０を示してい
る。これは、お互いに同一平面にあり、シャフト軸１１
を再度取囲む一対の同心状コンデンサ板リング１２及び
１３に対向している。上述のように、図２に示すよう
に、これらは近接しているがその間に誘電体１６を有し
てシャフト１１に取付けられるだろう。図２に示されて
いるように、静電容量Ｃ１は板１０と外側の同心円状リ
ング１３との間に発生し、静電容量Ｃ２は板１０と内側
のリング１２との間に発生する。リング板１２及び１３
はゼロトルクで（同等の静電容量Ｃ１及びＣ２の）釣り
合った容量性出力を供給するため同じ面積を有している
のが望ましい。同じ面積は簡単な外形により容易に供給
可能である。図１Ｂを参照すると、３つの適切な半径は
同じ面積の容量性板のために適用され、次の式が適用さ
れる。 r2=√((r1 2 + r3 2)/2)
【００１２】図６はシャフト１１での回転のために取付
けられた複数のセクター又はスポーク１７を有する誘電
体ディスクを１６で示し、図２を参照すると、破線によ
り示されているように、板１０と同心状容量板リング１
２及び１３の間に挿入されている。誘電体ディスク１６
は、図５で１８及び１９として示された一対の穴あき導
電性ディスクによって両側を取囲まれ、又は遮蔽されて
いる。図５には一つのディスクのみが示されている。２
つのディスクは誘電体ディスク１６を取囲み、お互いに
整列されたディスクの穴と共に接続されている。より詳
細には、図５を参照すると、各々の導電性ディスクは外
側の穴あきリング２１と内側の穴あきリング２２を含
み、図１Ｂのリング１２，１３と同じ大きさである。穴
あきリング２１，２２は円の回りの固体の導電性部分と
交互になっており、同心状リング２１及び２２はお互い
に１８０度オフセットしており、１つのリングの固体部
分は他のリングの穴あき部分に一致するようになってい
る。
【００１３】図７は穴あき導電性ディスク１８又は１９
の一つの誘電体１６の配置を示しており、セクタまたは
スポーク１７の幅はリング２１または２２の開口部の延
長にほぼ等しい。したがって、図８に示されているよう
に、図１Ｂの同心状導電板が図７のディスクの下に置か
れ、トルクが加えられない状態では、これらのセクター
またはスポーク１７はリング１３の反対側の穴の半分を
占めると共にリング１２の反対側の穴の半分、すなわ
ち、２１及び２２（図５参照）を占有する。したがっ
て、これは同心状リング１２及び１３の面積が同じなの
で、等しい値、又は釣り合った静電容量Ｃ１及びＣ２を
供給する。
【００１４】図９は（１方向の回転のための）最大トル
ク状態を示し、内側の同心状リング１２の穴は、スポー
ク１７によって最小限だけ覆われ、外側の同心状リング
１３では最大に覆われる。電気的観点から前述したもの
が意味することは、金属導電性ディスク内の誘電体スポ
ークにより、これが対向するコンデンサ板（図２参照）
からそれらを遮蔽するのに役立ち、静電容量Ｃ１及びＣ
２にいかなる影響をも与えないであろうことである。換
言すれば、金属ケージはそれらの間の誘電体部分を見え
なくさせる。それはこのケージ又はシールドの範囲から
移動し、穴又は開口部に移動するので、それは容量を変
化させるだろう。したがって、図９に関して、誘電体ス
ポーク１７は実質的にシールドされていないため外側リ
ング１３は最大容量を有し、内側リング１２は最小容量
を有するであろう。図８に示された初期のバランスした
状態のため、これらの容量は正確に同じ量だけ増加また
は減少するであろう。反対方向へのトルクは穴の反対側
を覆う結果となるだろう。
【００１５】今、図３、図４を参照すると、静電容量Ｃ
１及びＣ２が比較された時、それらは出力電圧Ｖｔを発
生させ、図４に示すように、例えば２．５ボルトでバラ
ンスされた状態の時、これはゼロトルクを示す。時計回
りの最大トルクは５．０ボルトより僅かに小さくてもよ
く、反時計回りの最大トルクは０．０ボルトより僅かに
大きくてもよい。
【００１６】図１０はトルクセンサーの個々の部品と機
構的な組立を示す分解図である。その主な適用の１つは
自動車産業におけるステアリングトルクセンサーであ
る。シャフト１１は図１０に示された構成部品の全てを
貫通しており、これは図１１でより詳細に説明されるだ
ろう。端部の構成部品のため、右端部にハウジング２
６、左端部にカバーがある。ユニット２８は図１Ｂに示
された２個のコンデンサリングを含むプリント回路基板
である。また、信号調整回路も含んでいる。図１Ａの他
のコンデンサリングは１０で示されている。結局、誘電
体ディスク１６は穴あき導電板１８及び１９の間に挟ま
れ、取囲まれている。
【００１７】図１１は、これらの部品のすべてがシャフ
ト１１上に共にどのように取付けられているかを示して
いる。対向するコンデンサ板１０及び１２，１３はシャ
フト１１を取囲んでいるが、図示するようにそれと共に
回転しない。シャフトはシャフトの第一半片１１Ａを第
二半片１１Ｂに接続するトーションバー３１を含んでい
る。穴あき導電板１８及び１９はシャフト部分１１Ａに
固定されているカラー３２上に一緒に取付けられる。ピ
ン３３は穴あきディスク１９をディスク１８に接続し、
それらは一緒に回転し、整列した状態に保持されるよう
になっている。誘電体ディスク１６は８個のピン３４を
経由してカラー３６に取付けられ、このカラーはシャフ
ト半片１１Ｂと共に回転するよう固定されている。ピン
３４は図８及び図９の両方に示されており、図５に示さ
れた板１８及び１９のさらなる開口された円３７の中で
移動可能である。穴あき導電板１８及び１９は導線３７
によって電気的に接続されている。それらはまた地面か
ら絶縁されている。
【００１８】したがって、要約すると、非接触型トルク
センサーのための本発明は、シャフトの果てしない回転
中、一定のトルクで、その容量を維持しながら、差動的
回転の小角度のため容量の変化を検知することができ
る。特定の構造は、共通の隣接板の２つの同心状リング
間の容量が反対方向に変化することを与える。誘電体ロ
ータを遮蔽する金属ケージは、容量性ディスクのため一
定の結合を表わす。ケージ内の誘電体部分により全容量
の効果はゼロとなる。誘電体は時計方向または反時計方
向のトルクによってケージから現われるので、容量は比
例的に変化する。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】本発明の２つのコンデンサ部分の平面図であ
る。
【図１Ｂ】本発明の２つのコンデンサ部分の平面図であ
る。
【図２】ねじりが決定されるシャフトに実際に使用され
る時の図１Ａ及び１Ｂを組合わせた斜視図である。
【図３】図２の静電容量がどのように処理されるかを示
す概要図である。
【図４】図３の動作を示す図である。
【図５】本発明の一部分の平面図である。
【図６】本発明の他の部分の平面図である。
【図７】図５及び６の組合せを示す平面図である。
【図８】トルクが０の時の図７と図１Ｂの組合せを示す
平面図である。
【図９】トルクが最大時の図８と同様の平面図である。
【図１０】本発明の構成部品がどのようにシャフトに取
付けられるかを示す分解斜視図である。
【図１１】図１０の構成部品がどのように取付けられ連
結されるかを非常に詳細に示す断面分解図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エイサド エム マドニ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 90064 ロサンジェルス ウッドバイン ストリート 3281 (72)発明者 ロバート ケイ ハンセン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 91505 バーバンク ワイオミング 3014 (72)発明者 ジム ジー ヴオン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 91326 ノースリッジ タートル スプリ ングス ウェイ 19761 Ｆターム(参考） 3D033 CA28 DB05

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 埋め込まれたトーションバーにより第一
    半片と第二半片とに分割されたシャフトであって、連続
    して回転するシャフトのための差動容量式トルクセンサ
    ーにおいて、 前記シャフトの第一半片と共に回転するように取付けら
    れた複数のスポークを有する誘電体ディスクと、 前記誘電体ディスクを取囲み、前記シャフトの前記第二
    半片と共に回転するよう取付けられ、加えられたシャフ
    トトルクに比例して前記誘電体ディスクの前記スポーク
    の遮蔽された部分を取囲む一対の第一、第二の穴あき導
    電性ディスクと、 前記第一シャフト半片を取囲む共通平面にあり、前記第
    一穴あき導電性ディスクと並列に設置されている一対の
    同心円状コンデンサ板リングと、 前記第二シャフト半片を取囲み、前記第二穴あき導電性
    ディスクと並列に設置された対向するコンデンサ板と、 前記シャフトに加えられたトルクを決定するために前記
    一対の同心円状リングと前記対向するコンデンサー板と
    の間に形成された静電容量を比較するための電気式リッ
    ジ手段と、を備えていることを特徴とする差動容量式ト
    ルクセンサー。
  2. 【請求項２】 前記穴あき導電性ディスクは、お互いに
    整列された同一の開口パターンを有している請求項１に
    記載のトルクセンサー。
  3. 【請求項３】 前記穴あき導電性ディスクは、共に電気
    的に接続されている請求項１に記載のトルクセンサー。
  4. 【請求項４】 前記同心状板リングは同じ面積を有して
    いる請求項１に記載のトルクセンサー。
  5. 【請求項５】 それぞれの穴あき導電性ディスクは、前
    記第一シャフト半片を取囲む第一、第二の同心円状板リ
    ングと合致している同心板リングに配置されてた穴であ
    って、前記同心リングがお互いに１８０度オフセットす
    る円の回りの固体導電性部分と交互になっており、一方
    のリングの固体部分が他方の穴と合致するようになって
    いる穴を有している請求項１に記載のトルクセンサー。
  6. 【請求項６】 前記複数のスポークは、加えられたトル
    クによって、各同心状リングの穴の少なくとも一部分を
    覆うように放射状に延び、これによって前記静電容量の
    誘電体パラメータが決定される請求項５に記載のトルク
    センサー。
  7. 【請求項７】 ゼロトルク状態において、実質的に各穴
    の半分は各スポークにより覆われ、同じ静電容量の値を
    供給する請求項６に記載のトルクセンサー。
  8. 【請求項８】 一回転方向に加えられたトルクが最大の
    時、一方のリングの穴が実質的に覆われ、他方のリング
    の穴は最小限に覆われ、また、反対方向に加えられたト
    ルクが最大の時、穴の反対が覆われる請求項６に記載の
    トルクセンサー。
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