JPH02112701A - 長さまたは間隔変化の測定検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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ｉｌ１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、−船釣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“ＶＤ１報告”、第２
０号、１９８７年５月１５日には、軸上でねじれが機械
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。！１１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ｔｉ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りでおり、それらの間に第２
の一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の一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
い隣接すりう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、画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、画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　・ｔｏ　　・Ｆ／　（ｄ　１±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、ｄｌは電極対の電極の間の間
隔の初期値、またε。は誘電定数である０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。

英国特許筒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、千十パシタンス変化は
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る測定検出器ははる
かに敏感である。すなわち、はるかに小さい長さまたは
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
有場所が英国特許筒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、マタ構造を著しく
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、Ｍ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
ことは特に有利な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ラ
カー（ＥＪ、Ｂｅｃｋｅｒ）、ニーフェルト（Ｗ、Ｅｈ
ｒｆｅｌｄ）、ハゲマン（Ｐ、Ｈａｇ＊ａｎｎ　）　％
マグナー（Ａ、Ｍａｇｎｅｒ）およびミュンヒマイヤ（
Ｄ、　Ｍｉｉｎｃｈｓｅｙｅｒ　）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
合成櫂脂成形（ＬＩＣ；Ａ法）による大きいアスペクト
比および大きい構造高さを有するマイクロ構造の製作（
Ｈｅｒｓｔｅｌｌｕｎｇ　ｖｏｎ　Ｍｉｋｒｏｓｔｒｕ
ｋｔｕｒｅｎ　　ｓｉｔ　　ｇｒｏｐｅ＠　Ａｓｐｅｋ
ｔｖｅｒｈｊｉｌｔｎｉｓ　　ｕｎｄｇｒｏｃｅｒ　５
ｔｒｕｋｔｕｒｈ８ｈｅ　ｄｕｒｃｈ　Ｒ６ｎｔｇｅｎ
ｔｉｅｆｅｎｌｉｔｈ。

ｇｒａｆｉｅ　　ｗｉｔ　　Ｓｙｎｃｈｒｏｔｏｎｓｔ
ｒａｈｌｕｎｇ、Ｇａ１ｒａｎｏｆｏｒ＊ｕｎｇｕｎｄ
　　Ｋｕｎｓｔｓｔｏｆｆａｂｆｏｒｍｕｎｇ（ＬＩＧ
Ａ−Ｖｅｒｆａｈｒｅｎ））″ＫｆＫ報告３９９５、ケ
ルンフオルシュ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を利であ
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
て比較的大きいこの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
つの締付は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
れが両締付は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、締付はリングがそ
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、両締付は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ビンにより達成される
両締付は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はリングが構造的
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
装置の画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１
８０°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並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
の締付は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０両締付はリングの相互
すれとならんで、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はリングの間の角
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
に平行すれかなお可能であるように寸法を選定され得る
。枠が１つの締付はリングに小さい範囲で弾性的に回転
可能に、また他の締付は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、一方の締付はリ
ングへの枠の弾性的に回転可能な取付は、この締付はリ
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２をおい
た２つの測定点Ｍｐｌ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Ｍｐｌ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
るこのねじれか、測定点Ｍｐｌ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
はリングが、それらが周縁方向に線状の軸線方向の測定
間隔２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ＭｐｌとＭｐ２との間のねじれΔｘは締付
はリングＫｒ０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、締付はリングＫｒ上に示され
ている測定点Ｍｐ　１０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ζよれば、両締付はリング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Ｅ
ｓｌ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画電極構造ＥｓｌおよびＥ
ｓ２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ＴｓｌまたはＴａ２の上に位置し
ている。さらに、両締付はリング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Ｅｓｌ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。

はじれの測定を狂わせないように、ピンＳｔにより形成
される両締付はリング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Ｋμｍ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Ｅｓｌが櫛支持帯部Ｋｓｌ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Ｋｓｌ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Ｅｓｌは、個々の電極Ｅ１の自由端が対応
付けられている締付はリングＫｒの縁を越えて突出する
ように保持層ＴｓｌＯ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の一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は
リングＫｒの縁を越えて突出し、また第１の電極構造Ｅ
ｓｌ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
んだ櫛状の画電極構造Ｅｓｌ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Ｅｌ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図すの対
応付けられている等価回路図かられかるように、コンデ
ンサ装置Ｋμｍ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ＣＩ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ＭｐｌＯおよび
ＭＰ２０により第５図ａ中には、締付はリングＫｒ上に
配置された画電極構造Ｅｓｌ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−ｅ
＊　　・Ｆ　１／　（ｄ　１±Δｘ）に変換される。こ
こで、ｎは電極Ｅ１およびＥ２の数、Ｆｌは電極対の重
なり範囲の面積、ｄｌは電極対の電極Ｅ１とＥ２との間
の間隔の初期値、またｔｏ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＝６０ｍｍ
および軸線方向の測定間隔Ｉ！、−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Ｅｓｌ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Ｅｓｌ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ツチン
グにより製作されてよい。

１ないし５μｍの範囲のねじれΔχ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＝ 電極対の電極Ｅ１とＥ２との間の間隔：ｄ　１−５μｍ 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： ５−３００μｍ 電極Ｅ１およびＥ２の重なりの長さニ −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！！、−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Ｋμｍ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る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。

画電極構造Ｅｓｌ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た締付はリング
Ｋｒ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
ＫｓｌとＫｓ２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Ｅ
ｓｌ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８ｉＥ１およびＥ２の重なり範囲の保持層Ｔｓｌ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
れている締付はリング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Ｋ
ａ、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、−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一４０°Ｃ
〜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は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
つの締付はリング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Ｋμｍ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Ｋμｍ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Ｋａ２の位置を占め
得る。コンデンサ装置Ｋμｍ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Ｋμｍ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
しか滅ぜられないので、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はリ
ングＫｒ上へのコンデンサ装置Ｋμｍの取付が示されて
いる。しがし、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ＷＫａ２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Ｋμｍの側面図が示さ
れている。コンデンサ装置Ｋａが軸Ｗｅの軸＆ＩＡ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１１ｒ：ｇＪ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Ｋμｍ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Ｋμｍの電極間隔はｄｉ（第５図参照）で示されて
おり、またコンデンサ装置Ｋａ２の電極間隔は（ｉｌｌ
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Ｋ
ａ２の取付の幾何学的条件から、電橋間隔ｄ１がΔｄだ
け増大（または減少）すると、同時に電極間隔ｄｌｌ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。・ε１　・Ｆｌ／（（ａｘｘ＋Δｄ）＋（ｄｉ
−Δｄ）） ここで、ε。は絶対誘電定数、ａ、は相対誘電定数、ま
たＦｌ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１８０１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９
０”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２Ｋａ３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、Ｋａ
３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
ない締付は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Ｒ３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
両締付はリングはここで参照符号ＫｒｌおよびＫｒ２を
付されている。

リングコイルＲｓは締付はリングＫｒ２のすぐ下に軸Ｗ
ｅ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
づく両締付はリングＫｒｌおよびＫｒ２の相対的なずれ
とならんで、本来は平行な締付はリングＫｒｌ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Ｒμｍ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。締付はリングＫｒ２への固定結合と
締付はリングＫｒｌ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、締付はリングＫｒｌにおける弱い
個所Ｓｓｌ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Ｓｓｌの形成のために枠
Ｒａに対して平行に締付はリングＫｒｌに設けられてい
る０図示されている枠装置の種々の運動可能性は矢印Ｐ
ｆ１、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つの締付は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１Ｆ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 ＫｒｗＫｒ２・・・締付はリング Ｋｓ・・・締付けねじ Ｋｓ１、Ｋｓ２・・・櫛支持帯部 Ｍｐ１、Ｍｐ２・・・測定点 Ｐｍ・・・−次コイル Ｒａ・・・枠 Ｒｓ・・・リングコイル Ｓｍ・・・電流測定器 ５ｓＳＳｓｌ・・・弱い個所 Ｓｔ・・・ビン Ｔｓ１、Ｔ　ｓ　２　・・・保持層 Ｖｋ・・・被い Ｗｅ・・・軸 Ｗｇ・・・交流発生器

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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の一種の電極構造（Ｅ
   ｓ２）の電極（Ｅ２）が配置されており、 コンデンサ装置（Ｋａ）の金キャパシタン スが、それぞれ一方の電極構造（Ｅｓ１）の１つの電極
   （Ｅ１）と第２の一種の電極構造（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りう両電極構造
   （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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 １７）ねじれを取り出すため、周縁方向に線状に軸（Ｗ
   ｅ）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。 １８）締付けリング（Ｋｒ）がそれぞれ１つの平らにさ
   れた部分（Ａｆ）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。 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。 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。 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２
   ０の１つに記載の測定検出器。 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。 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）の金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。 ２４）対をなして軸（Ｗｅ）の軸線（Ａ）に対して１８
   ０°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２
   ３記載の測定検出器。 ２５）ねじれ（Δｘ）を取り出すため、軸（Ｗｅ）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（Ｋ
   ｒ１、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。 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。 ２７）一方の締付けリング（Ｋｒ１）への枠（Ｒａ）の
   弾性的に回転可能な取付がこの締付けリング（Ｋｒ１）
   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。