JPS6365331A - トルクセンサ - 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〕 本発明は、トルクセンサに係り、具体的にはトルクによ
り生ずる軸のねじれをコンデンサの静電容量変化に変換
してトルクを検出するコンデンサ型のトルクセンサに関
する。

〔従来の技術〕

斯かるコンデンサのトルクセンサとしては、従来、特開
昭５９−６８６３３号公報に記載されたものが知られて
いる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記従来のものにあっては、複数のコン
デンサの静電容量変化をそれぞれ別々に測定し、その測
定値に基づいてトクルを演算するようになっているため
、コンデンサを形成する電極間の間隙を変化させたり、
誘電率を変化させるような外乱、すなわち温度変化や振
動などの外乱によって測定誤差が生ずるという問題があ
った。

このような問題は、自動車のエンジンのトルクを測定す
る場合に特に影響が大きい。

また、上記従来例のものにあっては、コンデンサと演算
手段とを結ぶリード線はコンデンサの数に対応して必要
となる。リード線が多くなるとその浮遊容量が大きくな
り、測定したい静電容量の変化量に対して相対的に無視
できないものとなり、トクル測定値のＳ／Ｎ比が劣化し
て誤差が発生するという問題があった。しかも、上記浮
遊容量は測定環境の温度によって変化し、その補正をす
ることは困難であることから、補正により誤差を除去す
ることはできないという問題があった。

本発明の目的は、上記従来の問題点を解決すること、言
い換えれば、温度変化や振動などの外乱やリード線浮遊
容量による外乱を除去することができ、トルクの測定精
度を向上することができるトルクセンサを提供すること
にある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するため、相互に対向された
電極支持面を有する１対の電極支持体を当該電極支持面
が被測定軸のねじれ角に応じて回転変位可能にし、前記
電極支持面に複数の電極を対向配設して少なくとも４個
のコンデンサを形成し、これらのコンデンサを２個１組
として各組のコンデンサの電極対向面積が前記電極支持
面を回転変位したとき相補的に増減されるように形成し
、前記相補的関係にあるコンデンサをそれぞれ対アーム
としてホイートストンブリッジ回路を形成し、このブリ
ッジ回路の出力電圧に基づいて前記被測室軸のトルクを
測定する構成としたことを特徴とする。

〔作用〕

このように構成することにより、トルクに比例した回転
変位が電極支持体に加えられると、各コンデンサの対向
面積が増減され、これによってホイートストンブリッジ
回路のバランスがくずれてトルクに比例した出力電圧が
出力される。これを測定することにより被測定軸に作用
したトルクを求める。温度変化や振動によって電極間隙
が変化したり誘電率が変化しても、各コンデンサはブリ
ッジ回路を構成していることから、出力電圧は電極間隙
や誘電率と無関係になり、それらの外乱は除去される。

また、ブリッジ回路を用いたことから、コンデンサの数
が増大してもリード線の数は一定（４本）となり、リー
ド線浮遊容量の影響が低減される。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

第１図に本発明の一実施例を一部断面にして示し、第２
図に第１図の矢印■−■からみた電極の配置形状を示す
。

第１図に示すように、測定対象のトルクが作用する被測
定軸１の外周をとりまいて、１対の電極支持体２，３が
設けられている。各電極支持体２゜３は被測定軸１の外
径よりも大きな内径を有する管体からなる直状部４，５
を被測定軸１に嵌装し、その対向する端部に円環状の電
板支持板６，７を相対させて固定するとともに、これら
の電極支持板６と７が一定の間隙を保持するように、直
状部４．５の他端を被測定軸１に固定してなる基部８゜
９を有して形成されている。

電極支持板６，７の対向面にはそれぞれ絶縁板１０．１
１が接着などの方法で取付けられ、これらの絶縁板１０
．１１の表面にはそれぞれ電極１２　（１２ａ、１２ｂ
、１２ｃ、１２ｄ）と電極１３　（１３ａ、１３ｂ）が
対向させて設けられている。

これら電極の形状と配置関係は第２図に示すようになっ
ている。すなわち、電極１２ａおよび１２ｂ、１２ｃお
よび１２ｄはそれぞれ対をなすものであり、被測定軸１
の回転中心０を中心とした扇形の電極となっており、一
定のギャップθｇを有して同一円周上に隣接配置されて
いる。なお、電極１２ａおよび１２ｂと１２ｃおよび１
２ｄの配置関係は、必らずしも図示例のように中心０に
対して点対称にする必要はない。

一方、電極１３ａと１３ｂは中心Ｏを中心とする扇形の
電極となっており、その電極中心を電極１２ａと１２ｂ
又は１２ｃと１２ｄの中間に位置させて対向配置されて
いる。

このように対向配置された電極１２と電極１３により、
静電容量ｃ、、ｃ、、ｃ、、ｃ４を有するコンデンサが
形成されている。これらのコンデンサは、第３図のホイ
ートストンブリッジ回路を形成するように接続され、そ
れらの端子ａ、ｂ、Ｑ。

ｄは電極支持板７の背面に設けられたロータリートラン
ス１４を介して電源１５と図示していない測定器に接続
される。

ロータリートランス１４は、軸１と共に回転する円板状
のコア１６ａとこれに対向配置された静止コア１６ｂと
、中心０に対して同心円状にコア１６ａのスロットに埋
込まれたコイル１７ａ。

１８ａと、これらに対向させて静止コア１６ｂのスロッ
トに埋込まれたコイル１７ｂ、１８ｂとから形成されて
いる。そして、コイル１７ｂに電源１５から電圧を印加
すると、コイル１７ａに電圧が誘起され、ブリッジ回路
の端子ｃ、ｄに印加される。一方、ブリッジ回路の端子
ａ、ｂの出力電圧はコイル１８ａを介してコイル１８ｂ
に誘起され、この電圧が測定器に入力されている。

このように構成される実施例の動作について次に説明す
る。

第２図に示した初期状態（トルクがＯ）のとき、各電極
１２ａ〜１２ｄとこれらに対向する電極１３ａ、１３ｂ
の対向面積が、すべて等しい値Ａになるように形成され
ているとすると、第３図のブリッジ回路はバランスし、
出力電圧ｅ。はＯとなる。

次に被測定軸１にトルクが作用して軸にねじれが生ずる
と、電極支持板６と７は相対的に回転変位される。これ
によって、例えば電極１３が個別電極１２に対し、第２
図において、時計方向に微小角回転されると、電極間の
対向面積が±ΔＡだけ変化し、静電容量Ｃ１，Ｃ，が減
少する一方Ｃ２゜Ｃ４は増加する。これによってブリッ
ジのバランスがくずれ出力端ａｂにトルクに比例した出
力電圧ｅＩｌが得られる。これを測定することによりト
ルクを測定することができる。このことを更に詳しく説
明する。

まず、トルク二〇のときの対向面積をＡとすると、（１
）式が得られる。

但し、ε：電極間物質の誘電率 ｄ：電極間のギャップ トルクが作用して対向面積が±ΔＡだけ変化すると、（
２）　、　（３）式が得られる。

ブリッジの端子ａの電圧をｅａ、端子すの電圧をｅｂと
すると、（４）、（５）式が得られる。但し、ｅＢはブ
リッジの印加電圧である。

これらのことから、出力電圧ｅ０は次の（６）式により
表わされる。

さらに、（６）式に（２）　、（３）式を代入すると（
７）式となる。

すなわち、ブリッジの出力電圧ｅ０は対向面積Ａの変化
ΔＡに比例するから、被測定軸１に作用したトルクに比
例することが理解される。

なお、（７）式から判るように、温度変化やその他の原
因により電極１２と１３間のギャップｄが変化しても、
また電極間の誘電率ξが変化しても、それらがすべての
コンデンサに対して一様なものであれば、出力電圧ｅＩ
、には無関係となる。

また、第２図においてＸ軸に対して電極間のギャップｄ
が、例えば上側でせま＜　（ｄ−Δｄ）下側で広くなる
（ｄ十Δｄ）方向に変化したとすると、（８）〜（１１
）式が得られる。

これらの（８）〜（１１）式を（６）式に代入すると、
（１２）式を得る。

同様にＹ軸に対してすきまｄが変化してもブリッジの出
力電圧ｅ０は（１２）式のようになる。以上のことから
電極は任意の方向に傾いてもブリッジの出力電圧ｅ８に
は無関係となることが理解される。

したがって、本実施例によれば、温度変化や振動などに
よる電極間隙変化や誘電率変化の外乱を除去でき、高い
測定精度を得ることができる。

ここで、電極寸法の設定について説明する。いま、測定
範囲の最大トルクが作用したときの被測定軸１のねじれ
角が±θｎ１ａｘであれば、各電極１２ａ〜１２ｄの扇
形中心角θｉを２ｅｒｓａｘとし、電極１３ａは対応す
る電極１２ａと１２ｂの扇形中心がなす角、すなわち（
θｇ＋２θｗａｘ）を中心角とする扇形に設定する。電
極１３ｂについても同様とする。

このような電極寸法とすることにより、±θｗａｘに対
応するトルクが作用すると、電極１３ａの角変位はその
左端が電極１２ａの右端又は左端に一致する範囲となり
、一方、右端が電極１２ｂの右端又は左端に一致する範
囲となる。したがって、これらによって形成されるＣ１
とＣ２、Ｃ３とＣ４は差動的に変化するものとなり、前
式（１２）における変化率ΔＡ／Ａが最大となって、ト
ルクの検出感度が向上されることになる。

上述したように、本実施例によれば、相対的に回転変位
可能に対向配置された１対の円板状の電極支持板を、被
測定軸の軸方向に距離をおいて固定された基部を有する
電極支持体によって被測定軸と同軸に設け、前記電極支
持板の一方に４個の電極を同一円周上に配置し、これら
の電極に対向させて他方の電極支持板に電極を配置して
４個のコンデンサを形成し、これらのコンデンサを２個
１組として各組のコンデンサ容量を前記電極支持体を回
転変化したときに相補的に増減されるように形成し、前
記相補的関係にあるコンデンサをそれぞれ対アームとし
てホイートストンブリッジ回路を形成し、このブリッジ
回路の出力電圧に基づいて前記被測定軸のトルクを測定
するようにしていることから、温度変化や振動などによ
る電極間の隙間変化や、電極支持板の傾き、あるいは誘
電率の変化に拘らず、被測定軸に作用するトルクを高精
度で測定することができるとともに、ブリッジ回路方式
としたことから、入出力のリード線の数を低減して浮遊
容量の外乱を低減することができる。

また、本実施例によれば、前記各組のコンデンサを、同
一円周上に延在された２の電極と、この電極に対向され
かつそれぞれの電極との対向面積が等しくなるように設
けられた１の電極とから形成していることから、すなわ
ちトルクによる電極の対向面積の変化率が最大となるよ
うな電極形状としていることからトルクの検出感度を大
きくすることができる。

また、ホイートストンブリッジ回路の入出力リード線を
ロータリートランスを介して非接触で接続していること
から、寿命が延長される。

これらのことから、特に自動車のエンジントルクを検出
する場合のように、広い範囲（−４０℃〜１５０℃）に
亘って温度が変化し、かつ振動の多い環境下でトルクを
検出する場合に最適である。

つぎに、リード線の浮遊容量の影響をさらに低減する場
合について説明する。第４図は、ブリッジ回路とその入
出力リード線の浮遊容量を考慮した等価回路である。図
において、Ｃｉはブリッジ入力リード線の浮遊容量、Ｃ
０は出力リード線の浮遊容量、Ｃゎ′は測定器の入力浮
遊容量である。

いま、電源１５の内部インピーダンスをＯとすると、ホ
ーテブナンの定理によって、その等価回路は、第５図の
ようになる。但しｅｏはＣ０、Ｃ０′がＯのときのブリ
ッジの出力電圧、　、／はＣ８゜Ｃｏ′が存在するとき
の測定器の入力電圧、Ｃは端子ａ、ｂからみたブリッジ
回路の静電容量である。

第５図の等価回路から、測定器に入力される電圧ｅ。′
は次の（１３）式で示すものとなり、浮遊容量Ｃ８，Ｃ
ｏ’および全体の静電容量Ｃの影響を受けることが判る
。

つまり、前述したように、ブリッジ回路自体の出力電圧
ｅ。は、温度変化その他外乱の影響を受けない考慮がな
されているが、リード線及び測定器入力回路の浮遊容量
の影響を受けることがある。

しかし、（１３）式において、（１４）式が成立する関
係になっていれば、ｅａ”！ｅ０となり、リード線等の
浮遊容量の影響を排除することができる。

ｃ＞＞ｃ、＋ｃａ’　　　　　　−・−・−・　　（１
４）そこで、（１４）式を満足させるためには、電極１
２と電極１３により形成されるコンデンサの全体容量Ｃ
をできるだけ大きくすればよいことになる。

第６図に電極１２と電極１３により形成されるコンデン
サの合計容量Ｃを増大させてなる実施例を示す。電極１
２ａ〜１２ｈを同一円周上に配列し、隣り合う電極１２
ｈと１２ａ、１２ａと１２ｂ、１２ｂと１２ｃ、・・・
・・・に対向させて電極１３ａ〜１３ｈを配列したもの
であり、これによって静電容量Ｃ□〜Ｃ１ｓからなる１
６個のコンデンサが形成される。これらのコンデンサを
第７図に示すように接続してホイートストンブリッジ回
路を形成する。

したがって、第６図実施例によれば、対向面積の変化率
ΔＡ／Ａを最大にしたままで合計容量Ｃを大きくできる
ことから、第１図実施例の効果に加えて、入出力リード
線等の浮遊容量Ｃ０，ＣＯ′を相対的に無視することが
でき、Ｓ／Ｎ比が改善されるので、測定精度を向上する
ことができる。

また、第６図実施例によれば、トルク以外の外乱によっ
て、各コンデンサの静電容量が変化しても、隣り合うコ
ンデンサの静電容量が同じように変化するので、トルク
の測定誤差にはならず、外乱が作用しても常に安定して
トルクを高精度に測定できる。

なお、第６図によっても（１４）式を十分には満足する
ことができない場合は、電極１２と電極１３間に高分子
系フィルムなどの高誘電体を挿入することもできる。

第８図に本発明の他の実施例の断面図を示す。

本実施例は第１図実施例の円板を対向させてなる電極支
持板６，７に代えて、電極支持体２２゜２３の直状部２
４，２５の一方を異径として二重筒部を形成し、これら
の対向する内外周面に第９図に示すように、プリント基
板からなる電極２６゜２７を配列したものであり、電極
の寸法、配置の関係については第１図又は第６図実施例
の考え方と同一である。

したがって１本実施例によれば、第１図実施例の効果に
加えて、装置の外径寸法を小さくできるとともに、電極
の軸方向寸法には制限がないことから、第６図実施例の
効果に加えてコンデンサの合計容量を容易に大きくする
ことができるという効果がある。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、温度変化や振動
などによる電極間隙や誘電率変化の外乱、およびリード
線浮遊容量の外乱を受けることなく、トルクを高精度で
測定することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を一部断面にして示した図、
第２図は第１図ｎ−ｎにおける矢視図、第３図は第１図
実施例の回路構成図、第４図はリード線の浮遊容量がト
ルクの検出精度におよぼす影響を説明する回路図、第５
図は第４図の等価回路図、第６図は本発明の他の実施例
における電極の配置図、第７図は第６図の回路構成図、
第８図は本発明のさらに他の実施例の断面図、第９図は
第８図実施例の電極配置を示す展開図である。 １・・・被測定軸、２，３・・・電極支持体、６．７・
・・電極支持板、１２．１３・・・電極。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）　相互に対向された電極支持面を有する１対の電
   極支持体を当該電極支持面が被測定軸のねじれ角に応じ
   て回転変位可能にし、前記電極支持面に複数の電極を対
   向配設して少なくとも４個のコンデンサを形成し、これ
   らのコンデンサを２個１組として各組のコンデンサの電
   極対向面積が前記電極支持面を回転変位したとき相補的
   に増減されるように形成し、前記相補的関係にあるコン
   デンサをそれぞれ対アームとしてホイートストンブリッ
   ジ回路を形成し、このブリッジ回路の出力電圧に基づい
   て前記被測定軸のトルクを測定することを特徴とするト
   ルクセンサ。
2. （２）　前記１対の電極支持体は被測定軸と同軸に配設
   された円板状の対向する電極支持面と前記被測定軸の軸
   方向に相互に距離を有して固定された基部を有するもの
   としたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のト
   ルクセンサ。
3. （３）　前記１対の電極支持体は被測定軸と同軸に配設
   された同心円筒状の対向する電極支持面と前記被測定軸
   の軸方向に相互に距離を有して固定された基部を有する
   ものとしたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   のトルクセンサ。
4. （４）　前記各組のコンデンサは前記電極支持面の同一
   円周上に延在された２の電極と、この電極に対向されか
   つ対向面積が等しくなるように設けられた１の電極とか
   らなり、各組は回転軸に対して対象位置に形成されたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項〜第３項いずれか
   に記載のトルクセンサ。