專利名稱：靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器及轉(zhuǎn)矩檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及轉(zhuǎn)矩傳感器及轉(zhuǎn)矩檢測方法，具體地說是涉及適用于汽車的電動式動力轉(zhuǎn)向裝置、電動助力自行車等的轉(zhuǎn)矩傳感器及轉(zhuǎn)矩檢測方法。
背景技術(shù)：
以往，為輔助操作操舵輪(下稱方向盤)的力，開發(fā)了電動式動力轉(zhuǎn)向裝置。其電動式動力轉(zhuǎn)向裝置是在檢測出駕駛者對方向盤施加的轉(zhuǎn)矩后，設(shè)于操舵機構(gòu)的電動機根據(jù)檢測到的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生輔助操舵的驅(qū)動力的裝置。它與油壓式動力轉(zhuǎn)向裝置相比，具有不耗費驅(qū)動油壓泵的引擎輸出和由于輔助驅(qū)動力為電氣控制因而控制性優(yōu)異的長處。
對此種電動式動力轉(zhuǎn)向裝置，從可靠性、成本方面要求轉(zhuǎn)矩傳感器結(jié)構(gòu)簡單并可進行非接觸檢測。能適合這種用途的轉(zhuǎn)矩傳感器的一例如

圖1所示。
圖1的轉(zhuǎn)矩傳感器中，轉(zhuǎn)矩的輸入軸與輸出軸之間設(shè)有因變形而改變導(dǎo)磁率的材料，即采用磁致伸縮材料構(gòu)成的扭軸11。扭軸11的外周隔開固定的間隔設(shè)置著兩個線圈12、13。扭軸11的表面，對應(yīng)兩個線圈12、13形成相對其軸心呈±45°傾斜的細(xì)長的縫隙14。
當(dāng)輸入軸與輸出軸之間發(fā)生轉(zhuǎn)矩時，扭軸11上加載轉(zhuǎn)矩，扭軸11發(fā)生扭曲變形。一般情況，圓柱或圓筒發(fā)生的扭曲變形分解為對圓柱或圓筒的長度方向呈45°方向的拉伸變形和與此呈直角方向的壓縮變形。從而在扭軸11表面形成的縫隙14的方向上分別產(chǎn)生拉伸變形和壓縮變形，各部分的導(dǎo)磁率呈一方增加和他方減少式變化，其大小與加載的轉(zhuǎn)矩成正比。
上述結(jié)果，二個線圈12、13的電感呈一方增加他方減少式變化。分別將這二個線圈12、13作為電感元件，經(jīng)固定電阻連接于接地端子，在固定電阻與接地端子間加載額定頻率的交流電壓。當(dāng)將此時的線圈12、13的端電壓送往差動放大電路時，差動放大電路便生成與加載的轉(zhuǎn)矩大小成正比的輸出電壓。從而能檢測出與此輸出電壓聯(lián)動的轉(zhuǎn)矩的大小。
通常，汽車或電動助力自行車等使用含有強力磁石的電動機。為防止由磁石產(chǎn)生的磁場的影響，必須有強固的磁屏避。由此造成的缺點是轉(zhuǎn)矩傳感器周圍的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。
又，在電動式動力轉(zhuǎn)向裝置中，如前所述，在檢測方向盤加載的轉(zhuǎn)矩的同時，為檢測方向盤轉(zhuǎn)切速度及轉(zhuǎn)切角度并控制由電動機產(chǎn)生的操舵輔助力，需要有檢測操舵方向的操舵角傳感器。該操舵角傳感器一般采用以霍爾元件檢測多極磁化環(huán)狀磁石的N極、S極的方式。為防止此環(huán)狀磁石泄漏的磁場影響上述磁致伸縮，仍舊需要轉(zhuǎn)矩傳感器部的屏蔽。因此存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的缺點。
本發(fā)明的目的在于提供一種不用磁屏蔽且結(jié)構(gòu)簡單的靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器。
本發(fā)明的其他目的在于提供一種使用上述靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器的轉(zhuǎn)矩檢測方法。
發(fā)明的公開根據(jù)本發(fā)明得到的靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器的特征在于其含有橫截面為圓形的棒和在上述棒的外周面至少一部分形成的因變形介電常數(shù)發(fā)生變化的電介質(zhì)層以及相對上述電介質(zhì)層構(gòu)成-個電容器的一對交叉指電極，上述交叉指電極具有相對上述棒的軸心以規(guī)定傾角傾斜的多條線狀電極。
又，根據(jù)本發(fā)明得到的轉(zhuǎn)矩檢測方法的特征在于使用橫截面為圓形的棒和在上述棒的外周面至少一部分形成的因變形介電常數(shù)發(fā)生變化的電介質(zhì)層以及具有相對上述電介質(zhì)層對上述棒的軸心以規(guī)定傾角傾斜的交叉指電極式電容器的靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器，隨上述交叉指電極式電容器的靜電容量變動而引起調(diào)制動作并產(chǎn)生調(diào)制頻率信號，再由上述調(diào)制頻率信號進行轉(zhuǎn)矩檢測。
圖5為本發(fā)明實施例3的靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器的外觀透視圖；圖6為圖5所示使用靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器的轉(zhuǎn)矩檢測電路的電路框圖。
此靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器含有由絕緣性塑料或絕緣性陶瓷組成的橫截面為圓形的圓形棒21。圓形棒21串聯(lián)地結(jié)合于方向盤的轉(zhuǎn)矩輸入軸與輸出軸之間。從而隨方向盤的操作，圓形棒21為之轉(zhuǎn)動。
圓形棒21的外周面上直接形成著由因變形使介電常數(shù)變化的材料組成的厚膜或薄膜的電介質(zhì)層22。進一步，在電介質(zhì)層22的表面，線狀電極(指狀電極)23a、23b相對圓形棒21的軸心(長度方向)具有約45°的規(guī)定傾角并形成傾斜。線狀電極23a、23b每隔一個地分別連接于共通電極24a、24b，形成所謂交叉指電極或交叉指電極式電容器。這便構(gòu)成具有靜電容量的一個電容器。交叉指電極上連接著一對端子25a、25b。
進一步，在圓形棒21的一部分上，沿棒的外周與棒的軸方向呈直角的方向設(shè)有第1線圈26，構(gòu)成電感線圈。此電感線圈并聯(lián)地連接于上述電容器，構(gòu)成閉回路。也就是說，第1線圈26的兩端分別連接25a、25b。此時端子25a、25b的作用是構(gòu)成閉回路的連接部。而后，與第1線圈26隔開微小間隙，設(shè)有相對的第2線圈27。第2線圈27是靜止的。
以下對圖2的靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器的工作原理進行說明。
當(dāng)操作方向盤時，輸入軸與輸出軸之間作用相對的轉(zhuǎn)動力并對圓形棒21施加扭曲轉(zhuǎn)矩。于是，圓形棒21表面形成的電介質(zhì)層22上產(chǎn)生變形、介電常數(shù)發(fā)生變化。也就是說，電介質(zhì)層22具有變形-電介率變化特性。電介質(zhì)層22的變形相對扭曲的軸方向可分解為+45°方向的拉伸變形和-45°方向的壓縮變形。因此，通過針對扭曲轉(zhuǎn)矩，交叉指電極的線狀電極23a、23b的相對方向的介電常數(shù)發(fā)生變化，隨之端子25a、25b的靜電容量的值發(fā)生變化。根據(jù)此靜電容量的變化，能夠檢測所發(fā)生的轉(zhuǎn)矩的大小。
此容量變化以非接觸式進行檢測，因此通過上述結(jié)構(gòu)，使第1線圈26與第2線圈27做電磁耦合。這樣一來，就將交叉指電極的容量變化轉(zhuǎn)換為線圈27的阻抗變化，可由此變化進行轉(zhuǎn)矩大小的檢測。
根據(jù)圖2的靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器，可進行不靠磁屏蔽且不受外部磁場影響地非接觸式轉(zhuǎn)矩檢測，并能方便地以簡單的結(jié)構(gòu)提高檢測的可靠性。
圓形棒21也可以采用在具有導(dǎo)電性的金屬棒的表面形成介電常數(shù)低的塑料層或陶瓷層。
又，通過在第1線圈26作用的部分使用磁性體，使與第2線圈27的電磁耦合得到提高，并能得到更高靈敏度的靜電容量轉(zhuǎn)矩傳感器。
再則，沿圓形棒21的圓周形成收納第1線圈26的凹部，當(dāng)相對上述凹部形成收納第2線圈27的凹部時，也能因同樣的作用方便地得到靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器。
圖2中LC共振用電感線圈與電磁耦合互感器用電感線圈具有共同的結(jié)構(gòu)，而以將兩個電感線圈分開的結(jié)構(gòu)也同樣能得到靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器。
參照圖2就本發(fā)明實施例1的靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器進行說明。
此靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器含有由絕緣性塑料或絕緣性陶瓷組成的橫截面為圓形的圓形棒31。圓形棒31串聯(lián)地結(jié)合于方向盤的轉(zhuǎn)矩輸入軸與輸出軸之間。從而隨方向盤的操作，圓形棒31為之轉(zhuǎn)動。
圓形棒31的周面的一部分上形成著由因變形使介電常數(shù)變化的厚膜或薄膜的電介質(zhì)層32。圓形棒31上嵌裝著同心圓狀的筒狀絕緣體33。筒狀絕緣體33相對電介質(zhì)層32隔有微小的縫隙，為靜止?fàn)?。在其微小縫隙處最好配置軸承。
筒狀絕緣體33的外周面上，線狀電極34a、34b相對圓形棒31的軸心形成具有約45°規(guī)定傾角的傾斜。線狀電極34a、34b每隔一個分別連接于共通電極35a、35b，形成所謂交叉指電極或交叉指電極式電容器。由此構(gòu)成具有靜電容量的一個電容器。在交叉指電極上連接著一對端子36、37。
以下對圖3的靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器的動作原理進行說明。
當(dāng)操作方向盤時，輸入軸與輸出軸之間作用相對的轉(zhuǎn)動力并對圓形棒31施加扭曲轉(zhuǎn)矩。于是，圓形棒31表面形成的電介質(zhì)層32上產(chǎn)生變形、介電常數(shù)發(fā)生變化。也就是說，電介質(zhì)層32具有規(guī)定的變形-電介率變化特性。線狀電極34a、34b隔開微小縫隙與電介質(zhì)層32靜電結(jié)合，因此伴隨電介質(zhì)層32的介電常數(shù)的變化，端子36、37間的靜電容量發(fā)生變化。根據(jù)此靜電容量的變化，能夠檢測所發(fā)生的轉(zhuǎn)矩的大小。
圓形棒31也可以采用在具有導(dǎo)電性的金屬棒的表面形成介電常數(shù)低的塑料層或陶瓷層。又，交叉指電極也可以形成于筒狀絕緣體33的內(nèi)周面。
再參照圖4對圖3的使用靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器的轉(zhuǎn)矩檢測電路進行說明。
振蕩電路41是包括圖3的靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器的靜電容量的LC振蕩電路或RC振蕩電路，將隨圖3的靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器的靜電容量變化的頻率送至f-V轉(zhuǎn)換器42。f-V轉(zhuǎn)換器42將該頻率轉(zhuǎn)換為電壓，再將其電壓送至運算放大器43。從運算放大器43的輸出端子44可生成表示施加的扭曲轉(zhuǎn)矩的輸出信號。因此能對微小的轉(zhuǎn)矩進行高精度的檢測。
從振蕩電路41輸出的頻率輸入微電腦，通過該微電腦直接計數(shù)頻率，最好將輸出信號作為數(shù)字信號進行生成。
參照圖5就本發(fā)明實施例3的靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器進行說明。相同的部分附以相同的參照符號。
圖5的靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器中圓形棒31的表面的一部分上形成著由因變形使介電常數(shù)變化的厚膜或薄膜的電介質(zhì)層32。圓形棒31上嵌裝著二個圓狀的筒狀絕緣體33a、33b。這些筒狀絕緣體33a、33b在電介質(zhì)層32外周面上圓形棒31的軸方向的不同區(qū)域分別相對隔有微小的縫隙，為靜止?fàn)?。在其微小縫隙處最好配置軸承。
筒狀絕緣體33a、33b的各外周面上，線狀電極34a、34b相對圓形棒31的軸心形成具有約45°規(guī)定傾角的傾斜。一方的筒狀絕緣體33a與另一方的筒狀絕緣體33b向線狀電極34a、34b的傾斜互不相同。
線狀電極34a、34b每隔一個分別連接于共通電極35a、35b，形成所謂交叉指電極或交叉指電極式電容器。由此在圓形棒31的周圍加上圖3所示的檢測電容器部51形成標(biāo)準(zhǔn)電容器部52。
標(biāo)準(zhǔn)電容器部52的溫度特性與檢測電容器部51的溫度特性相同。從而，通過將檢測電容器部51相對周邊溫度變化的靜電容量的變化量用標(biāo)準(zhǔn)電容器部52的靜電容量的變化量進行校正，能取消依存于周圍溫度變化的特性變動，并能提高轉(zhuǎn)矩的檢測靈敏度2倍左右。
接著再參照圖6對圖5的使用靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器的轉(zhuǎn)矩檢測電路進行說明。
振蕩電路61是包括檢測電容器部51的靜電容量的LC振蕩電路或RC振蕩電路。振蕩電路61將隨檢測電容器部51的靜電容量變化的頻率送至f-V轉(zhuǎn)換器62。f-V轉(zhuǎn)換器62將該頻率轉(zhuǎn)換為電壓，再將其電壓送至運算放大器63。
振蕩電路64是包括標(biāo)準(zhǔn)電容器部52的靜電容量的LC振蕩電路或RC振蕩電路。振蕩電路64將隨標(biāo)準(zhǔn)電容器部52的靜電容量變化的頻率送至f-V轉(zhuǎn)換器65。f-V轉(zhuǎn)換器65將該頻率轉(zhuǎn)換為電壓，再將其電壓送至運算放大器63。
運算放大器63求出得到電壓的差，從其輸出端子66輸出表示施加的扭曲轉(zhuǎn)矩的輸出信號。由于進行了這一溫度校正，既使在溫度環(huán)境發(fā)生變化的場合也能對微小的轉(zhuǎn)矩進行高精度的檢測。
從振蕩電路61、64分別輸出的頻率輸入微電腦，通過該微電腦直接計數(shù)頻率，最好將輸出信號作為數(shù)字信號進行生成。
上述任-實施例中，作為電介質(zhì)層都可使用采用了陶瓷電容器等的電介質(zhì)陶瓷膜。又，在將電介質(zhì)材料、膜厚及交叉指電極尺寸幾乎彼此相等地形成于標(biāo)準(zhǔn)電容器及檢測電容器之間時，不必將標(biāo)準(zhǔn)電容器及檢測電容器形成于同一面上，若考慮的條件為檢測電容器和標(biāo)準(zhǔn)電容器的溫度環(huán)境相同的話，也可將這些另作其他配置。產(chǎn)業(yè)的可利用性本發(fā)明的靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器適用于汽車的電動式動力轉(zhuǎn)向裝置、電動助力自行車等的轉(zhuǎn)矩傳感器及轉(zhuǎn)矩檢測方法。
權(quán)利要求
1.一種靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器，其特征在于含有橫截面為圓形的棒和在上述棒的外周面至少一部分形成的因變形介電常數(shù)發(fā)生變化的電介質(zhì)層以及相對上述電介質(zhì)層構(gòu)成一個電容器的一對交叉指電極，上述交叉指電極具有相對上述棒的軸心以規(guī)定傾角傾斜的多條線狀電極。
2.權(quán)利要求項1所述的靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器，上述電介質(zhì)層形成的厚度幾乎一樣。
3.權(quán)利要求項1所述的靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器，上述規(guī)定傾角約為45°。
4.權(quán)利要求項1所述的靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器，上述棒由絕緣體組成。
5.權(quán)利要求項1所述的靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器，上述棒包括中心的導(dǎo)電體和形成于上述導(dǎo)電體表面的電介率低的層。
6.權(quán)利要求項1所述的靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器，上述線狀電極直接形成于上述電介質(zhì)的表面。
7.權(quán)利要求項6所述的靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器，包括沿上述棒的外周設(shè)置的構(gòu)成一個電感線圈的第1線圈和將上述電容器及上述電感線圈相互連接構(gòu)成閉回路的連接部，以及與第1線圈隔開微小縫隙并進行電磁耦合的第2線圈。
8.權(quán)利要求項7所述的靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器，上述棒沿軸心方向的至少一部份設(shè)有磁性體部分，上述第1線圈設(shè)于上述磁性體部分。
9.權(quán)利要求項8所述的靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器，上述磁性體部分設(shè)有沿上述棒的軸心的外周延伸的向外的凹部，上述第1線圈收納于上述向外的凹部。
10.權(quán)利要求項9所述的靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器，在上述向外的凹部設(shè)有沿徑向相對的向內(nèi)的凹部，上述第2線圈收納于上述向內(nèi)的凹部。
11.權(quán)利要求項1所述的靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器，包括嵌合于上述棒上且在上述電介質(zhì)層相對隔開微小縫隙的筒狀絕緣體，上述線狀電極形成于上述筒狀絕緣體的周面。
12.權(quán)利要求項11所述的靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器，上述交叉指電極形成于上述筒狀絕緣體的內(nèi)周面。
13.權(quán)利要求項11所述的靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器，上述交叉指電極形成于上述筒狀絕緣體的外周面。
14.權(quán)利要求項11所述的靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器，包括嵌合于上述棒上且在上述電介質(zhì)層相對隔開微小縫隙的附加筒狀絕緣體和形成于上述附加筒狀絕緣體的周面且構(gòu)成一個電容器的-對附加交叉指電極，上述附加交叉指電極具有相對上述棒的軸心以規(guī)定傾角傾斜的多條附加線狀電極。
15.一種轉(zhuǎn)矩檢測方法，其特征在于使用橫截面為圓形的棒和在上述棒的外周面至少一部分形成的因變形介電常數(shù)發(fā)生變化的電介質(zhì)層以及具有相對上述電介質(zhì)層對上述棒的軸心以規(guī)定傾角傾斜的交叉指電極式電容器的靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器，隨上述交叉指電極式電容器的靜電容量變動而引起調(diào)制動作并產(chǎn)生調(diào)制頻率信號，再由上述調(diào)制頻率信號進行轉(zhuǎn)矩檢測。
16.權(quán)利要求項15所述的轉(zhuǎn)矩檢測方法，上述靜電容量式轉(zhuǎn)矩傳感器具有相對上述電介質(zhì)層對上述棒的軸心以規(guī)定傾角傾斜的附加交叉指電極式電容器，隨上述附加交叉指電極式電容器的靜電容量變動而引起調(diào)制動作并產(chǎn)生附加調(diào)制頻率信號，使用上述附加調(diào)制頻率信號進行溫度校正。
全文摘要
橫截面為圓形的棒31和的外周面至少一部分形成因變形介電常數(shù)發(fā)生變化的電介質(zhì)層32。電介質(zhì)層相對交叉指電極構(gòu)成－個電容器。交叉指電極設(shè)有相對棒的軸心傾斜了規(guī)定傾角的多個線狀電極34a、34b。電介質(zhì)層設(shè)有隔開微小縫隙且相對的筒狀絕緣體33,最好將線狀電極形成于筒狀絕緣體的周面。線狀電極也可直接形成于電介質(zhì)層的表面。
文檔編號B62D5/04GK1337004SQ00802799
公開日2002年2月20日 申請日期2000年9月8日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月13日
發(fā)明者上野亨, 若生直樹, 吉田哲男 申請人:株式會社東金