静电容量式转矩传感器及转矩检测方法技术

横截面为圆形的棒３１和的外周面至少一部分形成因变形介电常数发生变化的电介质层３２。电介质层相对交叉指电极构成－个电容器。交叉指电极设有相对棒的轴心倾斜了规定倾角的多个线状电极３４ａ、３４ｂ。电介质层设有隔开微小缝隙且相对的筒状绝缘体３３，最好将线状电极形成于筒状绝缘体的周面。线状电极也可直接形成于电介质层的表面。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及转矩传感器及转矩检测方法，具体地说是涉及适用于汽车的电动式动力转向装置、电动助力自行车等的转矩传感器及转矩检测方法。
技术介绍
以往，为辅助操作操舵轮(下称方向盘)的力，开发了电动式动力转向装置。其电动式动力转向装置是在检测出驾驶者对方向盘施加的转矩后，设于操舵机构的电动机根据检测到的转矩产生辅助操舵的驱动力的装置。它与油压式动力转向装置相比，具有不耗费驱动油压泵的引擎输出和由于辅助驱动力为电气控制因而控制性优异的长处。对此种电动式动力转向装置，从可靠性、成本方面要求转矩传感器结构简单并可进行非接触检测。能适合这种用途的转矩传感器的一例如附图说明图1所示。图1的转矩传感器中，转矩的输入轴与输出轴之间设有因变形而改变导磁率的材料，即采用磁致伸缩材料构成的扭轴11。扭轴11的外周隔开固定的间隔设置着两个线圈12、13。扭轴11的表面，对应两个线圈12、13形成相对其轴心呈±45°倾斜的细长的缝隙14。当输入轴与输出轴之间发生转矩时，扭轴11上加载转矩，扭轴11发生扭曲变形。一般情况，圆柱或圆筒发生的扭曲变形分解为对圆柱或圆筒的长度方向呈45°方向的拉伸变形和与此呈直角方向的压缩变形。从而在扭轴11表面形成的缝隙14的方向上分别产生拉伸变形和压缩变形，各部分的导磁率呈一方增加和他方减少式变化，其大小与加载的转矩成正比。上述结果，二个线圈12、13的电感呈一方增加他方减少式变化。分别将这二个线圈12、13作为电感元件，经固定电阻连接于接地端子，在固定电阻与接地端子间加载额定频率的交流电压。当将此时的线圈12、13的端电压送往差动放大电路时，差动放大电路便生成与加载的转矩大小成正比的输出电压。从而能检测出与此输出电压联动的转矩的大小。通常，汽车或电动助力自行车等使用含有强力磁石的电动机。为防止由磁石产生的磁场的影响，必须有强固的磁屏避。由此造成的缺点是转矩传感器周围的结构复杂化。又，在电动式动力转向装置中，如前所述，在检测方向盘加载的转矩的同时，为检测方向盘转切速度及转切角度并控制由电动机产生的操舵辅助力，需要有检测操舵方向的操舵角传感器。该操舵角传感器一般采用以霍尔元件检测多极磁化环状磁石的N极、S极的方式。为防止此环状磁石泄漏的磁场影响上述磁致伸缩，仍旧需要转矩传感器部的屏蔽。因此存在结构复杂化的缺点。本专利技术的目的在于提供一种不用磁屏蔽且结构简单的静电容量式转矩传感器。本专利技术的其他目的在于提供一种使用上述静电容量式转矩传感器的转矩检测方法。专利技术的公开根据本专利技术得到的静电容量式转矩传感器的特征在于其含有横截面为圆形的棒和在上述棒的外周面至少一部分形成的因变形介电常数发生变化的电介质层以及相对上述电介质层构成-个电容器的一对交叉指电极，上述交叉指电极具有相对上述棒的轴心以规定倾角倾斜的多条线状电极。又，根据本专利技术得到的转矩检测方法的特征在于使用横截面为圆形的棒和在上述棒的外周面至少一部分形成的因变形介电常数发生变化的电介质层以及具有相对上述电介质层对上述棒的轴心以规定倾角倾斜的交叉指电极式电容器的静电容量式转矩传感器，随上述交叉指电极式电容器的静电容量变动而引起调制动作并产生调制频率信号，再由上述调制频率信号进行转矩检测。图5为本专利技术实施例3的静电容量式转矩传感器的外观透视图；图6为图5所示使用静电容量式转矩传感器的转矩检测电路的电路框图。此静电容量式转矩传感器含有由绝缘性塑料或绝缘性陶瓷组成的横截面为圆形的圆形棒21。圆形棒21串联地结合于方向盘的转矩输入轴与输出轴之间。从而随方向盘的操作，圆形棒21为之转动。圆形棒21的外周面上直接形成着由因变形使介电常数变化的材料组成的厚膜或薄膜的电介质层22。进一步，在电介质层22的表面，线状电极(指状电极)23a、23b相对圆形棒21的轴心(长度方向)具有约45°的规定倾角并形成倾斜。线状电极23a、23b每隔一个地分别连接于共通电极24a、24b，形成所谓交叉指电极或交叉指电极式电容器。这便构成具有静电容量的一个电容器。交叉指电极上连接着一对端子25a、25b。进一步，在圆形棒21的一部分上，沿棒的外周与棒的轴方向呈直角的方向设有第1线圈26，构成电感线圈。此电感线圈并联地连接于上述电容器，构成闭回路。也就是说，第1线圈26的两端分别连接25a、25b。此时端子25a、25b的作用是构成闭回路的连接部。而后，与第1线圈26隔开微小间隙，设有相对的第2线圈27。第2线圈27是静止的。以下对图2的静电容量式转矩传感器的工作原理进行说明。当操作方向盘时，输入轴与输出轴之间作用相对的转动力并对圆形棒21施加扭曲转矩。于是，圆形棒21表面形成的电介质层22上产生变形、介电常数发生变化。也就是说，电介质层22具有变形-电介率变化特性。电介质层22的变形相对扭曲的轴方向可分解为+45°方向的拉伸变形和-45°方向的压缩变形。因此，通过针对扭曲转矩，交叉指电极的线状电极23a、23b的相对方向的介电常数发生变化，随之端子25a、25b的静电容量的值发生变化。根据此静电容量的变化，能够检测所发生的转矩的大小。此容量变化以非接触式进行检测，因此通过上述结构，使第1线圈26与第2线圈27做电磁耦合。这样一来，就将交叉指电极的容量变化转换为线圈27的阻抗变化，可由此变化进行转矩大小的检测。根据图2的静电容量式转矩传感器，可进行不靠磁屏蔽且不受外部磁场影响地非接触式转矩检测，并能方便地以简单的结构提高检测的可靠性。圆形棒21也可以采用在具有导电性的金属棒的表面形成介电常数低的塑料层或陶瓷层。又，通过在第1线圈26作用的部分使用磁性体，使与第2线圈27的电磁耦合得到提高，并能得到更高灵敏度的静电容量转矩传感器。再则，沿圆形棒21的圆周形成收纳第1线圈26的凹部，当相对上述凹部形成收纳第2线圈27的凹部时，也能因同样的作用方便地得到静电容量式转矩传感器。图2中LC共振用电感线圈与电磁耦合互感器用电感线圈具有共同的结构，而以将两个电感线圈分开的结构也同样能得到静电容量式转矩传感器。参照图2就本专利技术实施例1的静电容量式转矩传感器进行说明。此静电容量式转矩传感器含有由绝缘性塑料或绝缘性陶瓷组成的横截面为圆形的圆形棒31。圆形棒31串联地结合于方向盘的转矩输入轴与输出轴之间。从而随方向盘的操作，圆形棒31为之转动。圆形棒31的周面的一部分上形成着由因变形使介电常数变化的厚膜或薄膜的电介质层32。圆形棒31上嵌装着同心圆状的筒状绝缘体33。筒状绝缘体33相对电介质层32隔有微小的缝隙，为静止状。在其微小缝隙处最好配置轴承。筒状绝缘体33的外周面上，线状电极34a、34b相对圆形棒31的轴心形成具有约45°规定倾角的倾斜。线状电极34a、34b每隔一个分别连接于共通电极35a、35b，形成所谓交叉指电极或交叉指电极式电容器。由此构成具有静电容量的一个电容器。在交叉指电极上连接着一对端子36、37。以下对图3的静电容量式转矩传感器的动作原理进行说明。当操作方向盘时，输入轴与输出轴之间作用相对的转动力并对圆形棒31施加扭曲转矩。于是，圆形棒31表面形成的电介质层32上产生变形、介电常数发生变化。也就是说，电介质层32具有规定的变形-电介率变化特性。线状电极34a、34b隔开微小缝本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种静电容量式转矩传感器，其特征在于含有横截面为圆形的棒和在上述棒的外周面至少一部分形成的因变形介电常数发生变化的电介质层以及相对上述电介质层构成一个电容器的一对交叉指电极，上述交叉指电极具有相对上述棒的轴心以规定倾角倾斜的多条线状电极。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：上野亨，若生直树，吉田哲男，
申请(专利权)人：NEC东金株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]