JPS59111028A - 静電容量式トルク測定器 - 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】 この発明は、円筒形状のトルク検出軸における捩れ角変
位が印加されるトルク（測定トルク）に比例することを
利用し、該変位を静電容量変化に変換してトルクを測定
する静電容量式トルク測定器に関する。

一般ニトルク測定器（トルクセンサともいう。）におい
ては、印加されるトルクを抵抗変化や電圧。

電流の如く演算処理が容易な電気量に精度良く変換して
出力することが望ましい。

従来、この種の測定器としては♂トレイン拳ゲージ（Ｓ
　ｔｒａｉｎ　Ｇａｇｅ　）式のトルク測定器が良く知
られている。第１図はかかるトルク測定器の概略を示す
構成概略図である０ これは、円筒形状のトルク検出軸（トルクチューブとも
いう。）ＴＴの表面に所定の角度をもって貼り付けられ
た１対のストレインゲージＧｌ　ｅＧ２の抵抗変化が印
加されるトルクＴに比例することを利用するもので、ゲ
ージＧｔ　ｔ　Ｇ２の貼り付は角度は引張りまたは圧縮
歪が最大となる主歪み方向（軸線に対して土４５度の方
向戸こ取り付をする場合が最も多い。かかるス）レイン
ゲージ方式は、弾性体に作用する荷重の測定方法として
番ま極めて簡単であるため最も多く使用されている反面
１次のような欠点を有している。

１）ゲージを貼り付けるための接着剤層のクリープや割
れによって特性が劣化するばかりでなく、接着剤の経年
変化によって安定性が悪くなる。

２）ストレインゲージのゲージファクターや抵抗の温度
係数変化が大きく、かつ個々のバラツキが大きい。

３）ｖ＆湿作用によって絶縁抵抗が変化する。

４）ワイヤストレインゲージではトルクに対する抵抗変
化量（信号分）が小さくて感度が悪く、また、半導体ゲ
ージは抵抗変化率は大きいが、温度特性が悪い。

５）ストレインゲージの機械的強度が小さいために、過
負荷や衝撃負荷によって破損し易い上に、接着剤層が破
壊されるおそれがある。

６）測定トルク以外の曲げモーメント、集中荷重および
軸力の影響を受は易い。なお１これらの影響を除くには
、飼えば第１１ｉｌ！、ｌに示されるように、ストレイ
ンゲージの組Ｇｌ　ｖ　Ｇ２を表、裏にそれぞれ設ける
ことにより成る程度は補正することができるが、完全に
補正することは難かしく、また１これらゲージを精度良
く貼り付ける作業は必ずしも容易ではない。

この発明は上述の如き欠点を除去すべくなされたもので
、曲げモーメント、集中荷重または軸力の影智を受けに
＜＜、より安定かつ高精度で、しかも構造が簡単な静電
容量式トルク測定器を提供することを目的とする。

その特徴は、測定トル・りが作用するトルクデユープの
各端部に回転７ランジと固定７ランジとを固着し、回転
７ランジには可動電極を、また固定７ランジには一対の
固定電極を設けるとともに、固定電極間に可動電極を配
置して構成される静電容量式トルク測定器において、該
可動電極の長さを固定電極のそれよりも所定の１だけ長
くするとともに、その中心がトルクチューブの長さの１
／２〜１／３のところにある如く構成した点にある。

さらに、可動電極と固定電極とによって形成されるコン
デンサ部分を密閉構造にするとともに、該コンデンサ部
分の媒体や電極部の構成に種々の工夫をこらすことによ
り安定性と精度の向上を図るものである。

以下、この発明の実施例を図１面を参照して説明する。

第２図はこの発明にｊるトルク測定器の全体的構成を示
す斜視図、第３図はトルク測定原理を説明する原理図で
ある。第２図において、１は測定トルクを伝達する回転
（可動）７ランジ、２は固定７ランジ、３は測定トルク
が作用する中空円筒体、すなわちトルクチューブ、４は
可動電極、５、　、５２は１対の固定電極、６は絶縁体
、７は固定電極支持部材である。

つまり、トルクチューブ３の各端部には回転７ランジｌ
と固定７ランジ２とが固着されており、回転７ランジ１
には同動電極４が、また固定フランジ２には１対の固定
電極５１　、５２がそれぞれ固着されている。したがっ
て、可動７ランジ１に測定トルクＴが作用すると、トル
クチューブ３は第３図（イ）の如く角度θ（以下、この
角度θを捩れ角ともいう。）だけ捩れ、これによってＩ
ｓ３　ｅ（ロンの如く可動電極４と固定電極５１　ｅ　
５２との間隙が変化する。この可動電極４と固定電極５
１　ｔ　”！２とは差動的に働くコンデンサを形成し、
その測定容量に所定の演算を施すことによりトルクＴに
比例する量を導出し得るので、これを利用してトルクＴ
を測定することができる。なお、上記電極、すなわちコ
ンデンサを１対設けて差動的に構成するのは、主として
温度による影響を除去するためである。

ここで、この発明によるトルク測定器の各部の構造につ
いて説明する。

第４図は特に電極部の構造を説明するための説明図であ
り、符号１〜７は第２図に示されるものと同様である。

すなわち、第４図Ｕ）はトルク測定器を上がら見た上面
図、同図（ロ）はその側面図、同図（ハ）〜（ト）は同
じく正面図である。ここで、可動電極４および固定電極
５１ｐ　５２　（なお、電極５１ｓ５２Ｔ！：合わぜて
符号５を付すこともある。）はその全体を金属で形成し
てもよく、あるいはその本体はセラミック（磁器）等の
絶縁物とし、電極部分のみ金属を蒸着するようにしても
よい。つまり、第４図（ハ）は固定電極５１ｐ５２を金
属製とした場合、同図に）は絶縁体６に金属を蒸着して
形成した場合（なお、支持部材も金属製ではなく絶縁物
７としている。）、！ 同図（ホ）は金属製であるが、支持部材を絶縁物７で形
成するとともに、絶縁体６を省略した場合である。また
、同図（へ）は固定電極５．　、５２および絶縁体６の
構造は同図（ハ）と同様であるが、金属製の支持部材７
を２分割して製作を容易ならしめたものである。こうす
るかわりに、同図（ト）の如く支持部材を絶縁物７とし
、該絶縁物７に金属を蒸着して固定電極５１　ｅ　５２
を形成するようにすれば、電極部の構造および製造が容
易となるばかりでなく小型にし得る利点が得られること
になる。

第５図は電極の防湿構造を説明するための説明図で、（
イ）は７ランジ部を除去してトルク測定器を上から見た
場合の上面図、（ロ）、（ハ）はともに正面図である。

すなわち、コンデンサの容量は一般に誘電率によって変
化するから、可動電極と固定電極とによって形成される
間隙内には、トルク測定器がどのような使用条件にあっ
ても略同じ誘電体が存在すること、また、該誘電体が空
気である場合は湿度の影響を受すないようにすることが
望ましい。したがって、この発明では第５図←〉の如く
、可動電極４と固定電極５１　ｔ　５２との間をベロー
８の如き弾性体を用いて密閉するとともに、同図（ロ）
、（ハ）に示す如く、これら電極によって形成される間
隙内の水分を除去したり、あるいは乾燥空気やアルゴン
、窒素等の不活性ガスと置換するためのパイプ９を設け
るようにしている。なお、これら所要の作業が完了した
後は、パイプ９は封じ切られ、固定電極のリード線とし
て使用される。また、誘電体としてはシリコンゴムを使
用することができるが、この場合は、その比誘電率が高
いことから浮遊容量の影響を小さくすることができるば
かりでなく、湿度による影響を小さくし得るという効果
が得られるものである。なお、同図（ロ）は可動電極４
を可動電極固定子４に固着した場合であり、同図（ハ）
は一体化した場合を示すものである。

ここで、かかる測定器におけるトルク測定原理について
、再び第３図を参照して説明する。

いま、第３図ピ）の如くトルクＴによって角度θだけト
ルクチューブ３が捩られるものとすると、これらの間に
は次式の如き関係式が成立する。

ただし、’２　ｅ　ｄｌはトルクチューブの外径、内径
（第３図（ロ）参照）、Ｇはトルクチューブの横弾性係
数、ｌはトルクチューブの長さである。このときの可動
電極４の平均変位Δｄは、第３図（明こ示す如くトルク
チューブ３の半径をＲ（−ｄ２／２　）とし４．電極の
幅をｂとすると、 として求めることができる。（１）　、　（２）式から
θを消去すると、 となり、平均変位ΔｄによってトルクＴを求めることが
できる。一方、対向する電極によって形成される容量Ｃ
は、空気の誘電率をＣ０，電極間の比誘電率を６１．電
極間距離をｄｏ１電極の面積をＳとすると、一般に で表わされる。第３図（ロ）に示される如く、トルクＴ
が作用した場合は上記各電極間距離は一方では増加（ｄ
ｏ＋Δｄ）し、他方では減少（ｄｏ−Δｄ）するから１
可動電極４と固定電極５．　、５２間の容量Ｃ１，Ｃ２
は と表わされることになる。なお、Ｃｘは浮遊容量である
。上記（５）　、　（６）式の和と差の比をとると、と
なって、変位Δｄを容量Ｃ１，Ｃ２の関数として表わす
ことができる。したがって、容量ＣＩｐＣ２を測定する
ことにより、上記（３）式の関係からトルクＴを求める
ことができる。なお−％ｃｔｏ　、　Ｃｘは既知とする
。また、第５図で説明した如くベローが用いられている
場合の変位Δｄは、−°−−−−　（８） で与えられる。ただし、ｋはベローのバネ定数であり、
その他の記号は上記（３）式と同様である。

ここで、バネ定Ｗ１．ｋを の如く選ぶことにより、上記（９）式は（３）式と一致
し、したがって、第５図の如くベローを使用した場合で
も精度の良い測定か可能となる。

第６図はこの発明によるトルク測定方式の概略を示すブ
ロック図である。

すなわち、上述の如きトルクセンサ１１によって測定さ
れる容量Ｃ，、Ｃ２は、演算器１２により上記（７）式
の如き演算が行なわれ、電圧／電流（■／Ｉ）変換器１
３によって電流値に変換された後、所定の機器へ送出さ
れる。

次にかかるトルクセンサにおける曲げモーメント、集中
荷重および軸力に対する影響について第７図および第８
図を参照して説明する。なお、第７図は上述の如き測定
トルク以外の外力に対する影響を説明するための説明図
、第８図はこれら外力の影響を除去し得るトルクセンサ
の実施例を概略的に示す概要図である。

１）曲げモーメントについて 第７図の如く、Ａ点をｘｓＹ座標軸の原点とし、トルク
チューブに曲げモーメントＭが作用したときの可動電極
の変位は次式の如く表わされる。

ここに、Ｅはヤング率、■は（ルクチューブの断面二次
モーメント、ｌはその長さである。つまり、ｘ＝ｆを中
心にして可動電極が変位することになるから、この点に
関して対称となるような電極構造にすれば、可動電極と
１対の固定電極との平均変位は変わらず、したがって、
曲げモーメントの影響を除くことができる。第８図（イ
）はこのようにした場合を概略的に示す構成図である。

２）集中荷重について 第７図の如く、Ａ点を゛ｘ、ｙ座標軸の原点とし、同図
の点Ｂに集中荷重Ｗが働く場合の可動電極の変位を表わ
す式は の如くなる。００式は、Ｘ−ｆを中心に可動電極が３ 変位することを表わしており、したがって、この点を対
称の中心とする如き電極構造にすれば、集中荷重による
影響を除去することができる０第８図（ロ）はこのよう
にした場合を概略的に示す構成図である。

３）軸力について 第７図のＢ点にＸ軸方向の軸力Ｆが作用する場合の、ト
ルクチューブの伸びΔｌは、次式の如く表わされる。

なお、Ｓはトルクチューブの断面積である。このＵ式は
、可動電極がＸ軸方向の軸力ＦによってΔノだけ伸びる
ことを表わしており、したがって、この伸びに相当する
分だけ可動電極を固定電極よりも長くしておけば、該伸
びにもとづく両電極間の静電容量変化を除くことができ
る。ただ、この軸力には圧縮の場合と引張りの場合とが
あるので、それぞれに対応してΔｌずつ長くする、つま
り、全体として２Δｌだけ長くすることにより軸力の影
響を取り除くものである。第８図（ハ）、に）はこのよ
うにした場合を概略的に示す構成図で、（ハ）は引張り
軸力の場合、に）は圧縮軸力の場合をそれぞれ示すもの
である。

次に、以上の如く構成されるトルクセンサの適用例につ
いて説明する。

第９図（イ）〜（ハ）はモータの発生トルクを測定する
場合の適用例を示すブロック図である。例えば、第９図
（イ）において、符号１〜３は今迄説明したものと同様
であり、またＳはトルクセンサの電極等を含む検出部を
示すものである。２１は円筒形のモータケーシングであ
り、図示されないモータ内の固定子に固定され′ζいる
。モータケーシング２１の端部には取付け７ランジ２２
が形成されており、ボルト穴２４．２５を貫通するボル
ト２６およびナツト２７によりトルクセンサの可動７ラ
ンジ１に締結されている。トルクチューブ３は、モータ
回転軸２３と同心となるように配置されており、一方の
端部は上記可動７ランジｌに１また他方の端部は固定７
ランジ２に連結されている。なお、該固定７ランジ２は
図示は省略されているが、ボルト等によって土台２８に
固定されている。つまり、モータ回転軸２３に成るトル
ク負荷が与えられると、そのトルクＴはモータ固定子に
反作用として作用し、モータケーシング２１．取付け７
ランジ２２および可動７ランジ１を介してトルクチュー
ブ３に伝達されるので、上述と同様にしてそのトルクを
測定することが可能となる。なお、第９図（イ）はモー
タ回転軸２３がトルクチューブ３内を貫通する如く構成
した例、同図←）はトルクチューブ３をモータケーシン
グ２１を境として反対側に取り付けた例、同図（ハ）は
モータケーシング２１を同軸に包むようにドルクチ且−
ブ３を配置した例をそれぞれ示すものであるが、いずれ
の場合もモータ本体がトルクチューブ３を介して設置、
固定されている。すなわち、モータケーシングに作用す
るトルク反力を、モータケーシングと土台との間にとり
付けたトルクチューブの捩れとして検出するようにして
いるため、モータとトルクセンサとを一体的にコンパク
トに構成することができ、したがってスペース的な制約
がなく、またモータの回転軸から直接電気信号を取り出
す必要がないため、従来のトルクセンサの如き高価なス
リップリングを必要とせず、しかも摩耗部分がないので
耐久性に便れ、信頼性が向上するという種々の利点を有
するものである。

第１０図はトルクドライバに適用した例を示す構成図で
ある。同図において、３１は基部、３２は変換器、ＴＴ
はトルクチューブ、Ｓは検出部、３３．３４は電動弁、
空気弁、３５はエアモータ３５１、駆動軸３５２、カッ
プリング機構３５３および減速、打撃機構３５４からな
るネジ締め機構、３６はドライバ軸、３７は操作部であ
る。基部３１は該トルクドライバのケーシングに相当し
、通常はネジ締め作業者によって保持されるが、または
所定の機器に固定される。トルクチューブＴＴは該基部
３１にボルト等により固着され、該トルクチューブＴＴ
はカップリング機構３５３を介して減速、打撃機構３５
４と接続され、さらにその他端にはドライバ軸３６が接
続される。

図示されないボルトまたはナツトは、ネジ締め機構３５
のドライバ軸３６により所定の方向に回転されて締め付
けられるとともに、ネジ締めトルクＴの反力ＴＬがネジ
締め機構３５を介してトルクチューブＴＴに作用する。

このトルクＴはトルク検出部Ｓにより上述の如く静電容
量変化として取り出され、さらに変換器３２によってト
ルク反力ＴＬに比例する電気信号に変換されて所定の機
器に与えられる。また、トルク反力ＴＬが予め設定され
たトルク設定値に達したときは、変換器３２を介して電
動弁３３へ所定の信号が田され、空気弁３４が閉成され
る。弁３４が閉じられると、エアモータ３５１への空気
送入が遮断されるので、エアモータ３５１はその動作を
停止する。

以上のように、この発明によれば、測定トルクを円筒形
のトルクチューブを備えたセンサにより回転変位に変換
し、これをさらに静電容量変化として検出するようにし
た＼め、次の如き種々の利点を有する。

イ）検出部に接着剤を用いず、全て無機材料で構成する
ことができるので安定性に優れている。また、直線性、
再現性がトルクチューブの材料特性のみで決まるから、
良好である。

口）温度特性がトルクチューブの弾性係数の湿度変化だ
けであるから、極めて小さい。

ハ）トルクに対する静電容量変化比が従来のものに比較
して大きいので、トルクの測定範囲が広くなりルンジア
ビリテイを大きくすることができる。

二）測定トルク以外の曲げモーメント、集中荷重または
軸力の影響は、電極構造を工夫することにより減少さぜ
ることができる。

ホ）電極部を密閉構造とすることにより、湿度による誘
電率の変化を減少させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のトルク測定器を示す概略構成図、第２図
はこの発明によるトルク測定器の構成を示す斜視図、第
３図はこの発明によるトルク測定原理を説明する原理図
、第４図は電極部の構造を説明する説明図、第５図は電
極部の密閉構造を説明する説明図、第６図はこの発明に
よるトルク検出方式を示すブロック図、第７図はこの発
明によるトルク測定器における曲げモーメント、集中荷
重または軸力の影響を説明する説明図、第８図はこれら
測定トルク以りＩの外力の影響を除去する電極構造例を
示す説明図、第９図はこの発明によるトルク測定器を使
用してモータ発生トルクを測定する例を示すブロック図
、第１θ図はこの発明をトルクドライバに適用した例を
示す構成図である。 符号説明 １・・・・・・可動７ランジ、２・・・・・・固定７ラ
ンジ、３゜ＴＴ・・・・・・トルクチューブ、４・・・
・・・可動電極、４・・・・・・可動電極固定子、５１
，５２・・・・・・固定電極、６・・・・・・絶縁体、
７，７・・・・・・固定電極支持部材、８・・・・・・
ベロー、９・・・・・・パイプ、１１・・・・・・トル
ク測定器、１２・・・・・・演算器、１３・・・・・・
電圧／電流（Ｖ／Ｉ）変換器、２１・・・・・・モータ
ケーシング、２２・・・・・・取付け７ランジ、２３・
・・・・・モータ回転軸、２４．２５・・・・・・ボル
ト穴、２６・・・・・・ボルト、２７・・・・・・ナツ
ト、２８・・・・・・土台、３１・・・・・・基部、３
２・・・・・・変換器、３３．３４・・・・・・電動弁
、空気弁、３５・・・・・・ネジ締め機構、３５１・・
・・・・エアモータ、３５２・・・・・・駆動軸、３５
３・・・・・・カップリング機構、３５４・・・・・・
減速、打撃機構、３６・・・・・・ドライバ軸、３７・
・・・・・操作部、Ｓ・・・・・・検出部 代理人　弁理士　並　木　昭　夫 代理人　弁理士　松　崎　　　　清 第１図 １ｓ　４　図 第５図 ４フ 第６図 第７ＷＪ 第９ｒｇ （イン 嬉　９　図 （ロ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）測定トルクが作用するトルクチューブの各端部にそ
   れぞれ固着された第１．第２の７ランジと、第１フラン
   ジに該トルクチューブと平行して固定される第１電極と
   、該第２フランジに固定されるとともに第１電極に対し
   てそれぞれ所定の間隔をもって対向配置される１対の第
   ２電極とを備え、該第１．第２７ランジ部の少なくとも
   一方を介してトルクチューブに測定トルクを作用させた
   とき生じる第１．第２電極の相対的変位を静電容量変化
   として取り出す静電容量式トルク測定器であって、前記
   第１電極の長さを第２電極のそれよりも所定の量だけ長
   くするとともに、第１電極の中心位置を第２電極固定端
   から測ってトルクチューブ長さの略１／３ないし１／２
   の距離とすることを特徴とする静電容量式トルク測定器
   。 ２、特許請求の範囲第１項に記載の静電容量式トルク測
   定器において、前記第１．第２電極によって形成される
   部分を所定の材料を用いて密閉することを特徴とする静
   電容量式トルク測定器。 ３）特許請求の範ｖ！ｉ第２項に記載の静電容量式トル
   ク測定器において、前記密閉した部分に所定の誘電体を
   封入してなることを特徴とする静電容量式トルク測定器
   。 ４）特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記
   載の静電容量式トルク測定器において、前記第１．第２
   電極をそれぞれ金属板とすることを特徴とする静電容量
   式トルク測定器。 ５）特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記
   載の静電容量式トルク測定器において、前記第１．第２
   電極の少なくとも一方を蒸着された金属薄膜とすること
   を特徴とする静電容量式トルク測定器。 ６）特許請求の範囲第１項に記載の静電容量式トルク測
   定器において、前記第１７ランジをモータ発生トルクの
   反力が作用するモータケーシングと係合してモータ発生
   トルクを測定することを特徴とする静電容量式トルク測
   定器０