JP2865721B2

JP2865721B2 - 長さまたは間隔変化の測定検出器

Info

Publication number: JP2865721B2
Application number: JP1202740A
Authority: JP
Inventors: ギユンター、デーメンス; マルクス、ギルヒ
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1988-08-11
Filing date: 1989-08-04
Publication date: 1999-03-08
Anticipated expiration: 2014-03-08
Also published as: DE58900556D1; EP0354386B1; JPH02112701A; ES2028421T3; EP0354386A1; US4941363A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は長さまたは間隔変化の検出、特に回転軸に
おける回転モーメントの無接触測定のための、静電容量
式変換器を有する測定検出器に関するものである。

〔従来の技術〕

伝達される回転モーメント、従ってまた回転軸におけ
る機械的動力の無接触精密測定は現在、エネルギーおよ
び自動化技術における最も緊急な検出問題の１つであ
る。応用分野は駆動装置の監視および調節ならびにエネ
ルギー変換装置の効率最適化にある。

回転モーメントの無接触測定のために現在、モーメン
トにより軸表面に発生される機械的応力の検出もしくは
ねじれの測定が行われている。

機械的応力を電気的量に変換するためにはストレンゲ
ージが軸上に取付けられ、また測定信号が搬送周波数を
介して回転軸から取り出される。この方法は古くから知
られているが、軸へのストレンゲージの取付および測定
伝送に大きな費用がかかるので、まず第一に実験室範囲
で応用される。最近、機械的応力による無定形金属層に
おける透磁率の変化を回転モーメント測定のために利用
するという方向の開発も行われている。しかし、その場
合、軸への無定形金属層の取付に関してなお問題があ
る。

軸直径および回転モーメントに関する通常の設計の際
の軸のねじれは非常に小さい。電動機の70mmの太さの軸
では、たとえば30mmの測定間隔での定格回転モーメント
におけるねじれは数μｍに過ぎない。従って、ねじれを
拡大するためには、軸端に１つのより長い軸が接続さ
れ、またそこからねじれが電磁誘導式システムを介して
無接触で取り出される。しかし、この方法は、一般に追
加の測定軸に対する場所が存在していないので、実際に
は使用されない。一般的に短い軸端でも回転モーメント
を測定可能にするため、雑誌“VDI報告”、第20号、198
7年５月15日には、軸上ねじれが機械的レバーシステム
により軸線方向の運動に変換される１つの方法が提案さ
れている。その場合に0.1mmのオーダーの範囲内の軸線
方向のずれが電磁誘導式システムを介して無接触に取り
出される。その際に軸上の軸線方向の測定間隔はほぼ軸
直径の２倍に相当する。しかし回転モーメントのこのよ
うな検出は比較的高価な機構を必要とし、その際に達成
される約５％の精度も多くの用途に十分でない。

英国特許第Ａ−2195183号明細書から、回転軸におけ
る回転モーメントの無接触測定のための測定検出器であ
って、ねじれが静電容量式変換器により検出されるもの
は知られている。調整可能なキャパシタンスとしては、
電極構造が互いに半径方向に間隔をおいて配置されてお
りまた軸表面に対して平行に延びているコンデンサ装置
が設けられている。その際にねじれまたは伝達される回
転モーメントに相当するキャパシタンス変化は電極表面
の変化により惹起される。コンデンサ装置の櫛状に構成
された両電極構造は軸表面上および軸を間隔をおいて包
囲する管上に配置されており、管はコンデンサ装置に対
して軸線方向に間隔をおいて軸と結合されている。この
軸線方向の間隔はほぼ軸直径の５倍の値に相当する。な
ぜならば、わずかなキャパシタンス変化がねじれの拡大
を必要とするからである。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の課題は、回転モーメントの測定のための測定
検出器であって、わずかな製作費用およびわずかな軸線
方向占有場所で、軸を介して伝達されるモーメント、従
ってまた機械的動力を１％以内の精度で無接触に検出す
ることができ、かつ回転モーメントに比例する電気的信
号を発する測定検出器を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

この課題は、本発明によれば、冒頭に記載した種類の
測定検出器において、コンデンサ装置の電気的に互いに絶縁された電極構造
が、検出すべき長さまたは間隔変化により互いに平行に
変位可能であり、一方の電極構造が平行に互いに間隔をおいて配置され
た複数個の平らな電極から成っており、それらの間に第
２の同種の電極構造の電極が配置されており、コンデンサ装置の全キャパシタンスが、それぞれ一方
の電極構造の１つの電極と第２の同種の電極構造の対応
付けられている隣接する電極とにより形成されている個
々の電極対の並列回路により決定されており、検出すべき長さまたは間隔変化に相応して可変の電極
対の電極間隔が全測定範囲内で互いに対応付けられてい
ない隣接する両電極構造の電極の間の間隔にくらべて小
さいことを特徴とする長さまたは間隔変化の測定検出器によ
り解決される。

すなわち、可変の測定キャパシタンスが検出すべき長
さまたは間隔変化に相応して直接に変更され、また比例
的なキャパシタンス変化が出力量として発生される機械
−電気測定量変換が行われる。測定キャパシタンスは互
いに相対的に調整可能な２つの電極構造により形成さ
れ、両電極構造の互いに平行に向けられた電極は交互に
配置されており、こうして並列に接続された電極対を形
成している。その際に重要なことは、両電極構造が互い
に強く非対称に配置されており、従って電極対の電極間
隔が隣接する電極対の電極間の間隔にくらべて小さく、
またこうして隣接する電極対の電極により形成されるキ
ャパシタンスが無視可能に小さいことである。全キャパ
シタンスは電極対により形成される個別キャパシタンス
の和からのみ生ずる。上記の非対称配置に基づいて長さ
または間隔変化Δｘがキャパシタンス変化Ｃ＝ｎ・ε_０・F/（d1±Δｘ）に変換される。ここで、ｎは電極構造の電極の数、Ｆは
電極対の電極の重なり範囲の面積、d1は電極対の電極の
間の間隔の初期値、またε_０は誘電定数である。面積Ｆ
および電極の数ｎが乗算的に作用し、またこうして特に
電極対の非常にわずかな電極間隔を有する多重配置の際
に非常に高い測定精度が得られることは明らかである。

英国特許第Ａ−2195183号明細書から公知の解決策と
対照的に、本発明によれば、キャパシタンス変化は電極
面積の変化によってではなく電極間隔の変化により達成
される。それにより本発明により測定検出器ははるかに
敏感である。すなわち、はるかに小さい長いまたは間隔
変化で同じ高いキャパシタンス変化が得られる。このこ
とは、回転モーメントの測定の際に、軸線方向の占有場
所が英国特許第Ａ−2195183号明細書から公知の回転モ
ーメントセンサの場合にくらべてはるかに小さいことを
意味する。

電極構造が２つの互いに入り込んだ櫛状構造により形
成されているならば、特に個々の電極対の必要な並列接
続を顧慮して占有場所を非常に小さく、また構造を著し
く簡単化することができる。この利点は、櫛状構造がそ
れぞれ一体に構成されていることにより一層高められ得
る。上記の利点を一層高め、かつ同時に取扱いを改善す
ることは、両櫛状構造が一緒に一体に製作され、また機
械的および電気的に互いに隔離されることにより達成さ
れ得る。櫛状構造を取付けた後に行うべき隔離は、両櫛
状構造が弱い個所を介して互いに結合されているなら
ば、特に簡単に行われる。

測定検出器の特に簡単な製作および高い温度安定性を
顧慮して、電極構造が温度に対して安定な材料、特にPD
FEから成る電気絶縁性保持層の上に取付けられているこ
とは特に有利がことが判明している。

２つの電極構造を有する本発明による測定検出器の利
点は特に、電極構造がリトグラフィにより製作されたマ
イクロ構造により形成されているときに効果を発揮す
る。非常に大きいアスペクト比を有するμｍ範囲内の相
応の構造による電極対の非常に小さい電極間隔は特にマ
イクロガルバノプラスチックと結び付いてＸ線リトグラ
フィにより製作可能である。この技術の詳細はたとえば
ベッカー（E.W.Becker）、エーフエルト（W.Ehrfel
d）、ハグマン（P.Hagmann）、マグナー（A.Magner）お
よびミユンヒマイヤ（D.Mnchmeyer）の論文“シンク
ロトロン放射によるＸ線リトグラフィ、ガルバノ成形お
よび合成樹脂成形（LIGA法）により大きいアスペクト比
および大きい構造高さを有するマイクロ構造の製作（He
rstellung von Mikrostrukturen mit groBem Aspektver
hltnis und groBer Strukturhhe durch Rntgenti
efenlitho grafie mit Synchrotonstrahlung,Galranofo
rmung und Kunststoffabformung（LIGA−Verfahre
n））”、KfK報告3995、ケルンフオルシユングスツエン
トルム、カールスルーエ、から知られている。

電極構造としてリトグラフィ法により製作されたマイ
クロ構造では、電極対の可変の電極間隔は10μｍよりも
小さい初期値を有し得る。これにより数μｍの範囲内の
長さまたは間隔変化の検出が可能となる。

できるかぎり多くの電極対を狭い場所に収容し得るよ
うに、電極が数100μｍの厚みを有することは有利であ
ることが判明している。

電極が数100μｍの高さを有することは好ましく、そ
の際に、マイクロ構造にとって比較的大きいような構造
高さは前記のリトグラフィ法により問題なく製作され得
る。その場合、電極の比較的大きい高さは他方において
コンデンサ装置の比較的大きい電極面積、従ってまた比
較的大きいキャパシタンス変化を意味する。

コンデンサ装置の全キャパシタンスが検出すべき長さ
または間隔変化の純粋な関数であることを保証するため
には、互いに対応付けられていない電極により形成され
るキャパシタンスは無視可能に小さく保たれなければな
らない。このことは、互いに対応付けられていない隣接
する電極の間の間隔が数100μｍの初期値を有するなら
ば、達成される。

マイクロ構造の好ましい寸法を求めると、電極対の電
極が数μｍだけ重なっており、またそれにより電極対が
面積の比較的大きいものとされることは有利であること
が判明している。

本発明により構成された測定検出器を回転軸における
回転モーメントの無接触測定のため使用するためには、
検出すべき長さまたは間隔変化として、軸の予め定め得
る軸線方向の測定間隔に生ずるねじれが電極構造に伝達
可能であるようにされている。その際、軸線方向の測定
間隔がたかだか軸の直径の半分に相当することにより、
占有場所を特に小さくすることができる。

本発明の１つの別の好ましい実施例によれば、ねじれ
を取り出すため、周縁方向に線状に軸の上に載っている
２つの締付けリングが設けられている、その場合、軸線
方向に測定間隔をおいて配置された線状の被覆の間のね
じれが両締付けリングの間の相対的運動として特に簡単
に電極構造に伝達され得る。その場合、締付けリングが
それぞれ１つの平らにされた部分を有し、その上に対応
付けられている電極構造が電気的に絶縁されて取付けら
れていることは目的にかなっている。これにより特に電
極構造の平らな構成が可能にされる。

組立の一層の簡単化は、両締付けリングが弾性的に結
合されており、この弾性的結合の剛性が軸の剛性と比較
して無視可能に小さいことにより達成される。その場
合、好ましくは軸線方向に向けられたピンにより達成さ
れる両締付けリングのこの弾性的結合により、既にその
上に取付けられた電極構造を有する両締付けリングが構
造的ユニットとして軸の上に載せられ得る。

コンデンサ装置に生ずるキャパシタンス変化は回転軸
から静電容量式に無接触で取り出され得る。しかし、構
造を一層簡単化するためには、コンデンサ装置のキャパ
シタンス変化の電磁誘導式伝達が行われることは好まし
い。その場合、この静電容量式伝達が軸上に配置された
リングコイルにより行われることは目的にかなってい
る。

回転モーメントの無接触測定のための本発明による測
定検出器の決定的な利点は、軸線方向の占有場所が非常
に小さいこと、過負荷に対する安全性が高いこと、既存
の回転機械に後から装備し得ること、精度が非常に高い
こと、また応答時間が短く振動の検出も可能であること
である。しかし、他方において、軸に作用する横力また
は曲げモーメントの生起は同じく測定キャパシタンスの
変化を惹起する。このことは、この場合に測定信号中に
回転モーメントおよび横力または曲げモーメントが重畳
されていることを意味する。いま軸に作用する横力およ
び曲げモーメントの影響を測定信号から完全に消去する
ために、コンデンサ装置に、軸の軸線に対して180゜の
角度だけ回転されて配置された同一の第２のコンデンサ
装置が対応付けられており、また測定キャパシタンスが
両コンデンサ装置の全キャパシタンスの直列回路により
形成されている。

横力および曲げモーメントは曲げ線に相応して軸の変
形を惹起する。その結果、軸線に対して垂直にコンデン
サ装置の両電極構造の相対的位置のずれが生ずる。この
ずれが電極対の互いに向かい合う面に平行に延びるかぎ
り、それは測定信号に大きな影響を与えない。しかし、
ずれが電極対の互いに向かい合う面に垂直に延びると、
電極間隔、従ってまた測定されるねじれまたは測定信号
の明白な変化が惹起される。これらの横力および曲げモ
ーメントの影響の分離ないし補償は、軸の軸線に対して
180゜の角度だけ回転されて配置された同一の第２のコ
ンデンサ装置により達成される。いま回転モーメントが
軸に作用すると、回転されて配置された両コンデンサ装
置の電極間隔が同一の量だけ増大し、従ってまた両コン
デンサ装置の全キャパシタンスが増大する。それに対し
て、横力または曲げモーメントが軸に作用すると、一方
のコンデンサ装置の電極間隔は減少し、同時に他方のコ
ンデンサ装置の電極間隔は同一の仕方で増大する。180
゜の角度だけ互いに回転されて配置された両コンデンサ
装置の全キャパシタンスの直列接続の際には、こうして
横力および曲げモーメントの影響の正確な補償が行わ
れ、他方において検出されるねじれの尺度としての測定
キャパシタンスは不変にとどまる。

本発明の１つの変形例によれば、対をなして軸の軸線
に対して180゜の角度だけ互いに回転されて配置された
同一の少なくとも２つの別のコンデンサ装置が設けられ
ており、その際に別の測定キャパシタンスが互いに対応
付けられているコンデンサ装置の全キャパシタンスの直
列回路により形成されており、また全測定キャパシタン
スが個々の測定キャパシタンスの直列回路により形成さ
れている。横力および曲げモーメントの影響の正確な補
償はここでもそれぞれ180゜の角度だけ互いに回転され
て配置されたコンデンサ装置の直列接続により可能にさ
れる。

本発明の１つの特に好ましい構成によれば、ねじれを
取り出すため、軸上に互いに間隔をおいて配置された２
つの締付けリングが配置されており、それらの間に弾性
的に変形可能な閉じられた枠がそれぞれコンデンサ装置
の受入れのために配置されている。両締付けリングの相
互ずれとならんで、横力および曲げモーメントは曲げ線
に基づいてそれ自体としては平行な締付けリングの間の
角度変化をも生じさせる。

この角度変化が個々の電極対の平行な面に伝達され、
それによって全キャパシタンスの変化を惹起しないよう
に、コンデンサ装置はそれぞれ弾性的に変形可能な閉じ
られた枠のなかに取付けられている。この枠は、接線方
向に平行ずれがなお可能であるように寸法を選定され得
る。枠が１つの締付けリングに小さい範囲で弾性的に回
転可能に、また他の締付けリングに固定的に取付けられ
ることは目的にかなっている。その際に、一方の締付け
リングへの枠の弾性的に回転可能な取付は、この締付け
リングの弱い個所により特に簡単な仕方で実現される。

〔実施例〕

以下、図面により本発明の実施例を一層詳細に説明す
る。

第１図には、軸線Ａのまわりに回転可能な軸Weが示さ
れており、その周囲面上に軸線方向に測定間隔ｌをおい
た２つの測定点Mp1およびMp2が配置されている。いま軸
Weを通じて矢印Dmにより示されている回転モーメントが
伝達されると、測定点Mp1とMp2との間に生ずる軸Weのね
じれは回転モーメントDmの１つの尺度である。第１図で
は、回転モーメントDmに比例するこのねじれが、測定点
Mp1とMp2との間に周縁方向に生ずる長さ変化Δｘにより
示されている。

第２図によれば、第１図中に示されているねじれΔｘ
を取り出すため、参照符号Krを付されている２つの締付
けリングが、それらが周縁方向に線状の軸線方向の測定
間隔ｌの台を有するように軸We上に固定される。その場
合、測定点Mp1とMp2との間のねじれΔｘは締付けリング
Krの間に生ずる周縁方向の相対的運動として取り出され
得る。すなわち、軸Weを通じての回転モーメントDmの伝
達の際に、締付けリングKr上に示されている測定点Mp10
およびMp20はねじれΔｘだけ互いに回転する。

第３図および第４図によれば、両締付けリングKrは平
らな部分Afを設けられており、その上に全体として参照
符号Kaを付されているコンデンサ装置の電極構造Es1お
よびEs2が取付けられている。互いに入り込んだ櫛状構
造として構成された両電極構造Es1およびEs2は、温度に
対して安定な材料、特にPTFEから成る電気絶縁性の保持
層Ts1またはTs2の上に位置している。さらに、両締付け
リングKrは、周縁に均等に分布し軸線方向に向けられた
３つのピンStを介して弾性的に互いに結合されており、
従ってそれらは既に被覆された電極構造Es1およびEs2と
共に構造的ユニットとして軸We上に載せられ、また締付
けねじKsにより固定され得る。ねじれの測定を狂わせな
いように、ピンStにより形成される両締付けリングKrの
弾性的結合は、軸Weの剛性と比較して無視可能に小さい
剛性を有していなければならない。

コンデンサ装置Kaの構成および作用の仕方を説明する
ため、さらに第５図および第６図を参照する。特に第５
図ａには、電極構造Es1が櫛支持帯部Ks1と、均等なピッ
チで平行に互いに間隔をおいて配置されており軸線方向
に櫛支持帯部Ks1から垂直に延びている多数の電極E1と
から成っていることが示されている。その際に電極構造
Es1は、個々の電極E1の自由端が対応付けられている締
付リングKrの縁を越えて突出するように保持層Ts1の上
に配置されている。１つの櫛支持帯部Ks2および多数の
電極E2から成る第２の同種に構成された電極構造Es2は
相応の仕方で、個々の電極E2の自由端が対応付けられて
いる締付リングKrの縁を越えて突出し、また第１の電極
構造Es1の電極E1の間の中間空所に入り込むように保持
層Ts2の上に配置されている。その際に，互いに入り込
んだ櫛状の両電極構造Es1およびEs2は互いに強く非対称
に配置されており、従ってそれぞれ対を成して互いに対
応付けられている隣接する電極E1とE2との間には、互い
に対応付けられていない隣接する電極E1とE2との間の間
隔d2にくらべて小さい僅かな間隔d1が存在する。それに
応じて、間隔d2を介して形成されるキャパシタンスC2は
電極対の間隔d1を介して形成されるキャパシタンスC1に
くらべて無視可能に小さい。キャパシタンスC1およびC2
を有する第５図ｂの対応付けられている等価回路図から
わかるように、コンデンサ装置Ksの全キャパシタンスは
個別キャパシタンスC1の和から成る電極対の並列接続に
より生じ、個別キャパシタンスC2の和は個別キャパシタ
ンスC1の和にくらべて無視され得る。

既に第３図に関連して言及された測定点Mp10およびMp
20により第５図ａ中には、締付けリングKr上に配置され
た両電極構造Es1およびEs2はねじれΔｘだけ互いに平行
にずれる。その場合、ねじれΔｘはキャパシタンス変化Ｃ＝ｎ・ε_０・F1/（d1±Δｘ）に変換される。ここで、ｎは電極E1およびE2の数、F1は
電極対の重なり範囲の面積、d1は電極対の電極E1とE2と
の間の間隔の初期値、またε_０と誘電定数である。

十分に大きい測定効果を得るため、間隔d1はねじれΔ
ｘよりもあまり大きくてはならない。直径Ｄ＝60および
軸線方向の測定間隔ｌ＝30mmを有するモータの軸Weで
は、定格回転モーメントにおけるねじれはたとえばΔｘ
＝２μｍであり、従ってここではたとえば間隔d1に対し
て約５μｍの値がとられている。電極対の電極E1および
E2の重なり範囲ｕの面積Ｆおよび電極対の数ｎは乗算的
に作用する。しかし、大きい面積Ｆは電極構造Es1およ
びEs2の大きい高さｈ（第６図参照）を意味する。その
結果、非常に小さい間隔d1は非常に大きいアスペクト比
を有するμｍ範囲の電極構造Es1およびEs2と結び付く。
このような構造はＸ線リトグラフィによりマイクロガル
バノプラスチックと結び付いて製作可能であり、その際
にここで材料としてはたとえばニッケルが適している。
しかし、構造はシリコンから成ってよく、またいわゆる
シリコン−マイクロメカニックにより、すなわちシリコ
ンの異方性エッチングにより製作されてよい。

１ないし５μｍの範囲のねじれΔｘではたとえば下記
の構造寸法選定が実証済である。

電極対の数：ｎ＝35 電極対の電極E1とE2との間の間隔： d1＝５μｍ互いに対応付けられていない隣接する電極E1とE2との間
の間隔： d2＝300μｍ電極E1またはE2の高さ：ｈ＝500μｍ電極E1またはE2の厚み：ｓ＝300μｍ電極E1およびE2の重なりの長さ：ｕ＝5mm 上記の構造寸法選定により、直径Ｄ＝60mmおよび軸線
方向の測定間隔ｌ＝30mmを有する軸Weでは、約100pFの
キャパシタンス変化が得られ、その際にコンデンサ装置
Kaのキャパシタンスは回転モーメントDmによる負荷なし
の約100pFから定格モーメントにおける約200pFへ増大し
た。すなわち、ここでは測定信号の変化は約100％であ
り、他方においてストレンゲージにより回転モーメント
の測定の際には相応の変化は0.1％範囲に過ぎない。

両電極構造Es1およびEs2は単一の部品として製作さ
れ、またピンStにより互いに結合された締付けリングKt
上への電気的に絶縁された取付の後に機械的且つ電気的
に互いに隔離されるのが目的にかなっている。その際に
隔離は第5a図中に示されているように櫛支持帯部Ks1とK
s2との間の横結合の範囲に配置されている弱い個所Ssを
介して行われるのが目的にかなっている。

ねじれΔｘにより変位可能性が阻害されない電極構造
Es1およびEs2の電極E1およびE2の相互入り込みは特に第
６図により説明される。電極E1およびE2の重なり範囲の
保持層Ts1およびTs2のわずかな段付けにより摩擦のない
変位が保証されている。第６図にはさらに、鎖線により
電極E1およびE2を有する全装置の密封被いが示されてい
る。この被いVkは湿気および塵埃が入って、場合によっ
ては測定を狂わせるのを防止する。

第７図には、第３図および第４図による測定検出器に
より検出されたキャパシタンス変化Ｃの無接触の電磁誘
導式伝達のための回路原理が著しく簡単化して示されて
いる。コンデンサ装置KaはリングコイルRsに並列に接続
されており、このリングコイルRsは第３図中に示されて
いる締付けリングKrとならんで軸We上に載せられてい
る。固定配置された一次コイルPmを介してコンデンサ装
置または測定キャパシタンスKaおよびリングコイルRsの
インダクタンスから成る軸We上の並列共振回路が共振状
態にもたらされる。そのとき共振周波数から一義的に測
定キャパシタンスKa、従ってまた回転モーメントDmの大
きさが知られる。その際に共振を検出するためには、一
次コイルPmおよび交流発生器Wgと直列に接続されている
電流測定器Smが用いられる。

上記の測定検出器により、軸Weを介して伝達される回
転モーメントDm、従ってまた機械的動力が−40℃〜200
℃の温度範囲内で±１％以内の高い精度で測定され得
る。公知の測定検出器にくらべて占有場所が非常に小さ
いこととならんで、製作費用が低いことも強調すべき利
点である。本発明の発明思想の範囲内の多数の変形可能
性のなかで特に強調すべきものとして、軸または測定す
べき対象物の上への直接の電気絶縁された電極構造の取
付がある。

以下には第８図〜第17図により、横力および曲げモー
メントの影響が完全に消去される回転モーメントの無接
触測定のための測定検出器の実施例を説明する。

横力および曲げモーメントは曲げ線に相応して軸の変
形を惹起する。その結果、軸の軸線に対して垂直に、軸
のねじれを取り出す両締付けリングの相対的位置のずれ
が生ずる。

第８図には、詳細には示されていない電極はそれぞれ
１つの締付けリングKrに取付けられるべきコンデンサ装
置Kaが著しく簡単化して示されている。コンデンサ装置
Kaの電極面に対して垂直な横力Ｆまたは相応の曲げモー
メントの作用の際に、コンデンサ装置Kaの電極間隔、従
ってまた全キャパシタンスの著しい変化が生ずる。横力
および曲げモーメントの影響の除去または補償は、軸線
Ａに関して180゜の角度だけコンデンサ装置Kaに対して
回転されて配置されている第２の同一のコンデンサ装置
Ka2により達成される。すなわちコンデンサ装置Kaは軸
線Ａの回りの180゜の回転により第２のコンデンサ装置K
a2の位置を占め得る。コンデンサ装置Kaの全キャパシタ
ンスおよび第２のコンデンサ装置Ka2の全キャパシタン
スの直列接続により、軸線方向のリングコイルRsに接続
されている測定キャパシタンスが形成されることは明ら
かである。いま回転モーメントDmが軸に作用すると、コ
ンデンサ装置KaおよびKa2の電極間隔、従ってまた全キ
ャパシタンスは同一の程度で増大する。第８図中に示さ
れている横力Ｆまたは相応の曲げモーメントの作用の際
にはコンデンサ装置Kaの電極間隔は増大し、しかし第２
のコンデンサ装置Ka2の電極間隔は同一の程度で増大す
る。こうしてコンデンサ装置KaおよびKa2の直列接続に
より正確な補償が行われる。すなわち、示されている直
列接続により形成される測定キャパシタンスは横力Ｆの
影響により変化しない。

第９図には、第８図の位置に対して90゜だけ回転され
たコンデンサ装置KaおよびKa2の位置での横力Ｆが示さ
れている。この位置では横力Ｆはコンデンサ装置Kaおよ
びKa2の電極面に対して平行に、著しく誇張して示され
ているずれを生じさせる。キャパシタンスの面積は0.1
％よりも小さい面積変化によりごくわずかしか減ぜられ
ないので、測定キャパシタンスに認められる影響または
有害な影響は生じない。

第10図〜第12図には、第８図に示されている原理の実
際的な応用が示されている。第10図には、第４図中に示
されている仕方と広範囲に類似の仕方での締付けリング
Kr上へのコンデンサ装置Kaの取付が示されている。しか
し、第４図による図示と異なり、第10図によれば、軸We
の軸線Ａに関して180゜の角度だけコンデンサ装置Kaに
対して回転されて配置されている第２の同一のコンデン
サ装置Ka2が設けられている。第11図には第２のコンデ
ンサ装置Ka2の側面図が、また第12図にはコンデンサ装
置Kaの側面図が示されている。コンデンサ装置Kaが軸We
の軸線Ａの回りの180゜の回転により第２のコンデンサ
装置Ka2の位置に移され得ることは明らかである。

第13図には、第11図および第12図中に示されているコ
ンデンサ装置Ka2およびKaの回路が示されている。コン
デンサ装置Ka2およびKaは直列に接続されており、また
この直列回路から成る測定キャパシタンスが既に第７
図、第８図および第９図で言及したリングコイルRsに並
列に接続されている。コンデンサ装置Kaの電極間隔はd1
（第５図参照）で示されており、またコンデンサ装置Ka
2の電極間隔はd11で示されている。第８図に示されてい
る原理から、また第10図〜第12図によるコンデンサ装置
KaおよびKa2の取付の幾何学的条件から、電極間隔d1が
Δｄだけ増大（または減少）すると、同時に電極間隔d1
1がΔｄだけ減少（または増大）する。第14図に示され
ている等価回路に対してキャパシタンスＣは下記の関係
式で表される。

Ｃ＝ε_０・ε_ｒ・F1/｛(d11＋Δｄ)＋（d1−Δｄ）｝ここで、ε_０は絶対誘導定数、ε_ｒは相対誘電定数、
またはF1は電極の重なり範囲の面積である。この関係式
から特に明白にわかるように、横力または曲げモーメン
トにより惹起される間隔変化は完全に補償または消去さ
れる。

第15図には、軸Weに作用する横力または曲げモーメン
トの補償の第８図に示されている原理が２つよりも多い
コンデンサ装置でも実現され得ることが示されている。
その際にコンデンサ装置KaおよびKa2はこれまでの説明
のように互いに180゜だけ回転されて配置され、また直
列に接続されており、この直列回路から成る測定キャパ
シタンスはリングコイルRsに並列に接続されている。コ
ンデンサ装置KaおよびKa2にくらべて90゜だけ回転され
て配置されている２つの別の同一のコンデンサ装置Ka3
およびKa4は同じく互いに180゜だけ回転されて配置さ
れ、また直列に接続されており、その際にこの直列回路
から成る測定キャパシタンスは同じくリングコイルRsに
並列に接続されている。シンボルで示されているコンデ
ンサ装置Ka、Ka2、Ka3およびKa4の第15図中に異なる太
さで示されている電極は、回転される装置またはここに
は図示されていない締付けリングの幾何学的条件を示し
ている。測定値伝達はこの装置でも同じく、軸We上に配
置されており全測定キャパシタンスと共に１つの並列共
振回路を形成する軸線方向コイルRsを介して行われる。
この並列共振回路は固定の一次コイルPmにより電磁誘導
的に励起され、また共振周波数を介して軸We上の回転モ
ーメントを決定する。

第16図には第15図に示す装置の等価回路図が示されて
いる。この図から、別のコンデンサ装置が対として、こ
れらが軸We（第15図参照）上に互いに180゜回転されて
配置されかつ直列に接続されるならば、追加し得ること
がわかる。その際に直列接続の結果としての測定キャパ
シタンスは同じくリングコイルRsに並列に接続される。

第17図には180゜だけ回転された同一の２つのコンデ
ンサ装置KaおよびKa2を有する回転モーメントの無接触
測定のための測定検出器が斜視図で示されている。互い
に軸線方向に間隔をおいて軸We上に配置された両締付け
リングはここで参照符号Kr1およびKr2を付されている。
リングコイルRsは締付けリングKr2のすぐ下に軸We上に
配置されている。

軸Weに作用する横力Ｆは、既に説明された曲げ線に基
づく両締付けリングKr1およびKr2の相対的なずれとなら
んで、本来は平行な締付けリングKr1とKr2との間の角度
変化をも生じさせる。この角度変化がコンデンサ装置Ka
およびKa2の平行な電極面に伝達されてキャパシタンス
変化を生じないように、コンデンサ装置KaおよびKa2の
各々は１つの対応付けられている閉じられた枠Raのなか
に取付けられる。これらの枠Raは、なお接線方向の平行
ずれが可能であるように寸法選定されている。締付けリ
ングKr2への固定結合と締付けリングKr1へのわずかな回
転を許す結合とは、横力Ｆまたは曲げモーメントが作用
する際にもコンデンサ装置KaおよびKa2の電極の平行な
配置が維持されていることを保証する。わずかな回転可
能性は、図示されている実施例では、締付けリングKr1
における弱い個所Ss1により得られ、その際に詳細には
図示されていないスリットがこの弱い個所Ss1の形成の
ために枠Raに対して平行に締付けリングKr1に設けられ
ている。図示されている枠装置の種々の運動可能性は矢
印Pf1、Pf2およびPf3により示されている。

【図面の簡単な説明】

第１図は伝達される回転モーメントの尺度としての１つ
の軸のねじれの検出の説明図、第２図は軸上に互いに間
隔をおいて配置された２つの締付リングによるねじれの
取り出しの説明図、第３図および第４図は１つの変位可
能なキャパシタンスを用いた機械的−電気的測定量変換
による回転モーメントの無接触測定のための測定検出器
の平面図および側面図、第５図ａ、ｂは第３図および第
４図による測定検出器において変位可能なキャパシタン
スとして用いられるコンデンサ装置の電極構造ならびに
このコンデンサ装置の対応付けられている等価回路を示
す図、第６図は第５図による電極構造の断面図、第７図
は第３図および第４図による測定検出器により検出され
るキャパシタンス変化の電磁誘導式伝達のための回路装
置を著しく簡単化して示す図、第８図および第９図は軸
に作用する横力または曲げモーメントの正確な補償の原
理を示す図、第10図は第８図および第９図による原理に
より構成された、回転モーメントの無接触測定のための
測定検出器を示す図、第11図および第12図は第10図に示
されている測定検出器の180゜だけ回転されて配置され
た両コンデンサ装置の側面図、第13図は第11図および第
12図に示されているコンデンサ装置の直列回路を示す
図、第14図は第13図による直列回路の等価回路図、第15
図は全体で４つのコンデンサ装置を有する回転モーメン
トの無接触測定のための１つの測定検出器の原理を示す
図、第16図は第15図による測定検出器の等価回路図、第
17図は180゜だけ回転された２つのコンデンサ装置を有
する回転モーメントの無接触測定のための１つの測定検
出器の斜視図である。 E1、E2……電極 Es1、Es2……電極構造Ｆ……横力 Ka〜Ka4……コンデンサ装置 Kr〜Kr2……締付けリング Ks……締付けねじ Ks1、Ks2……櫛支持帯部 Mp1、Mp2……測定点 Pm……一次コイル Ra……枠 Rs……リングコイル Sm……電流測定器 Ss、Ss1……弱い個所 St……ピン Ts1、Ts2……保持層 Vk……被い We……軸 Wg……交流発生器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 7/00 G01L 3/10 G01D 5/24

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】長さまたは間隔変化の検出、特に回転軸に
おける回転モーメントの無接触測定のための静電容量式
変換器を有する測定検出器において、コンデンサ装置（Ka）の電気的に互いに絶縁された電極
構造（Es1、Es2）が、検出すべき長さまたは間隔変化
（Δｘ）により互いに平行に変位可能であり、一方の電極構造（Es1）が平行に互いに間隔をおいて配
置された複数個の平らな電極（E1）から成っており、そ
れらの間に第２の同種の電極構造（Es2）の電極（E2）
が配置されており、コンデンサ装置（Ka）の全キャパシタンスが、それぞれ
一方の電極構造（Es1）の１つの電極（E1）と第２の同
種の電極構造（Es2）の対応付けられている隣接する電
極（E2）とにより形成されている個々の電極対の並列回
路により決定されており、検出すべき長さまたは間隔変化（Δｘ）に相応して可変
の電極対の電極間隔（d1）が全測定範囲内で互いに対応
付けられていない隣接する両電極構造（Es1、Es2）の電
極（E1、E2）の間の間隔（d2）にくらべて小さいことを特徴とする長さまたは間隔変化の測定検出器。
【請求項２】電極構造（Es1、Es2）が２つの互いに入り
込んだ櫛状構造により形成されていることを特徴とする
請求項１記載の測定検出器。
【請求項３】櫛状構造がそれぞれ一体に構成されている
ことを特徴とする請求項２記載の測定検出器。
【請求項４】両櫛状構造が一緒に一体に作られ、また機
械的および電気的に互いに隔離されていることを特徴と
する請求項２記載の測定検出器。
【請求項５】両櫛状構造が弱い個所を介して互いに隔離
可能に結合されていることを特徴とする請求項４記載の
測定検出器。
【請求項６】電極構造（Es1、Es2）が温度に対して安定
な材料から成る電気絶縁性保持層（Ts1、Ts2）の上に取
付けられていることを特徴とする請求項１ないし５の１
つに記載の測定検出器。
【請求項７】保持層（Ts1、Ts2）がPTFEから成っている
ことを特徴とする請求項６記載の測定検出器。
【請求項８】電極構造（Es1、Es2）がリトグラフィ法に
より作られたマイクロ構造により形成されていることを
特徴とする請求項１ないし７の１つに記載の測定検出
器。
【請求項９】電極対の可変の電極間隔（d1）が10μｍよ
りも小さい初期値を有することを特徴とする請求項１な
いし７の１つに記載の測定検出器。
【請求項１０】電極対の電極間隔（d1）が数μｍの範囲
内で調整可能であることを特徴とする請求項９記載の測
定検出器。
【請求項１１】電極（E1、E2）が数100μｍの厚み
（Ｓ）を有することを特徴とする請求項１ないし10の１
つに記載の測定検出器。
【請求項１２】電極（E1、E2）が数100μｍの高さ
（ｈ）を有することを特徴とする請求項１ないし11の１
つに記載の測定検出器。
【請求項１３】互いに対応付けられていない隣接する電
極（E1、E2）の間の間隔（d2）が数100μｍの初期値を
有することを特徴とする請求項１ないし12の１つに記載
の測定検出器。
【請求項１４】電極対の電極（E1、E2）が数μｍだけ重
なっていることを特徴とする請求項１ないし13の１つに
記載の測定検出器。
【請求項１５】検出すべき長さまたは間隔変化（Δｘ）
として、軸（We）の１つの予め定め得る軸線方向の測定
間隔（ｌ）に生ずるねじれが電極構造（Es1、Es2）に伝
達可能であることを特徴とする回転軸における回転モー
メントの無接触測定のための請求項１ないし14の１つに
記載の測定検出器。
【請求項１６】軸線方向の測定間隔（ｌ）がたかだか軸
（We）の直径（Ｄ）の半分に相当することを特徴とする
請求項15記載の測定検出器。
【請求項１７】ねじれを取り出すため、周縁方向に線状
に軸（We）の上に載っている２つの締付けリング（Kr）
が設けられていることを特徴とする請求項15または16記
載の測定検出器。
【請求項１８】締付けリング（Kr）がそれぞれ１つの平
らにされた部分（Ar）を有し、その上に対応付けられて
いる電極構造（Es1、Es2）が電気的に絶縁されて取付け
られていることを特徴とする請求項17記載の測定検出
器。
【請求項１９】両締付けリング（Kr）が弾性的に結合さ
れており、この弾性的結合の剛性が軸（We）の剛性と比
較して無視可能に小さいことを特徴とする請求項17また
は18記載の測定検出器。
【請求項２０】締付けリング（Kr）が軸線方向に向けら
れたピン（St）により弾性的に互いに結合されているこ
とを特徴とする請求項19記載の測定検出器。
【請求項２１】コンデンサ装置のキャパシタンス変化の
電磁誘導式伝達が行われることを特徴とする請求項15な
いし20の１つに記載の測定検出器。
【請求項２２】静電容量式伝達のために、軸（We）上に
配置された１つのリングコイル（Rs）が設けられている
ことを特徴とする請求項21記載の測定検出器。
【請求項２３】コンデンサ装置（Ka）に、軸（We）の軸
線（Ａ）に対して180゜の角度だけ回転されて配置され
た同一の第２のコンデンサ装置（Ka2）が対応付けられ
ており、また測定キャパシタンスが両コンデンサ装置
（Ka、Ka2）の全キャパシタンスの直列回路により形成
されていることを特徴とする請求項１ないし22の１つに
記載の測定検出器。
【請求項２４】対をなして軸（We）の軸線（Ａ）に対し
て180゜の角度だけ互いに回転されて配置された同一の
少なくとも２つの別のコンデンサ装置（Ka3、Ka4）が設
けられており、別の測定キャパシタンスが互いに対応付
けられているコンデンサ装置（Ka3、Ka4）の全キャパシ
タンスの直列回路により形成されており、また、全測定
キャパシタンスが個々の測定キャパシタンスの並列回路
により形成されていることを特徴とする請求項23記載の
測定検出器。
【請求項２５】ねじれ（Δｘ）を取り出すため、軸（W
e）上に互いに間隔をおいて配置された２つの締付けリ
ング（Kr1、Kr2）が配置されており、それらの間に弾性
的に変形可能な閉じられた枠（Ra）がそれぞれ１つのコ
ンデンサ装置（Ka、Ka1）の収容のために配置されてい
ることを特徴とする請求項23または24記載の測定検出
器。
【請求項２６】枠（Ra）が１つの締付けリング（Kr1）
に小さい範囲で弾性的に回転可能に、また他の締付けリ
ング（Kr2）に固定的に取付けられていることを特徴と
する請求項25記載の測定検出器。
【請求項２７】一方の締付けリング（Kr1）への枠（R
a）の弾性的に回転可能な取付がこの締付けリング（Kr
1）の弱い個所（Ss1）により形成されていることを特徴
とする請求項26記載の測定検出器。