JP6306218B2 - トルク検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、トルク検出装置に関する。

近年、自動車に用いられる回転シャフトなどに生じるトルクを検出する装置が各種開発されている。例えば、特許文献１に記載のトルク検出装置では、回転駆動シャフトのトルクを平面上の歪みに変換する平板状のアタッチメントを、回転駆動シャフトの外周面に固定する構造が採用されている。アタッチメントの平坦部には、表面弾性波センサが装着される。

また、トルク印加時にシャフトに発生するひずみを検出するセンサとして、例えば、特許文献２に記載のような半導体歪センサが知られている。半導体歪センサは、シリコン（Ｓｉ）などの半導体に不純物をドープして形成した半導体ピエゾ抵抗を利用するデバイスである。半導体歪センサは、歪に対する抵抗変化率が金属薄膜を用いた歪ゲージの数十倍と大きく、微小な歪を測定することが可能である。さらに半導体歪センサは抵抗変化が大きいため、得られた電気信号を外部のアンプを用いずに使用することができる。

特開２０１３−１７４５６２号公報 特開２００６−２２０５７４号公報

ところで、平板状のアタッチメントにセンサを装着する場合、歪み感度が大きい位置に搭載することで、計測が必要な定格トルク印加時の発生歪み量を大きくでき、計測精度の向上を図ることができる。しかしながら、半導体歪みセンサを使用した場合、センサ部材であるシリコンの破壊強度は、シャフト材に用いる鉄鋼材料の破壊強度よりも小さいため、定格よりも大きな歪みが発生した場合にセンサが破壊するおそれがあった。

本発明の一態様に係るトルク検出装置は、シャフトの軸方向に延在すると共に両端が前記シャフトの外周面に固定され、前記シャフトの捩れに伴って表裏方向に撓む平板と、前記平板の表面または裏面に搭載され、該平板の歪みを検出する歪みセンサと、前記シャフトの捩れが所定量以上の場合に、前記平板の撓み量を制限する制限部と、を備え、前記制限部は、前記平板に対してシャフト捩れ方向に離間して前記外周面上に設けられ、前記シャフトの捩れが所定量以上の場合に前記平板のシャフト軸方向中央よりも一端側に偏った位置に当接し、前記歪みセンサは、前記制限部が当接する位置よりも前記一端側に配置される。
本発明の他の一態様に係るトルク検出装置は、シャフトの軸方向に延在すると共に両端が前記シャフトの外周面に固定され、前記シャフトの捩れに伴って表裏方向に撓む平板と、前記平板の表面または裏面に搭載され、該平板の歪みを検出する歪みセンサと、前記シャフトの捩れが所定量以上の場合に、前記平板の撓み量を制限する制限部と、を備え、前記制限部は、前記平板の一端側において前記外周面に固定される第１の固定部と、前記第１の固定部から前記平板の他端側に向けて伸延し、前記外周面から離間して設けられた第１の腕部と、前記平板の他端側において前記外周面に固定される第２の固定部と、前記第２の固定部から前記平板の一端側に向けて伸延し、前記外周面から離間して設けられた第２の腕部と、を備え、前記シャフトの捩れが所定量以上の場合に、前記第１の腕部と前記第２の腕部とが前記シャフト捩れ方向において互いに当接し、前記平板は、一端が前記第１の固定部に固定され、および／または、他端が前記第２の固定部に固定され、前記平板が固定された前記固定部の少なくとも一つは、前記固定部および前記腕部よりも弾性率が小さい弾性部材を介して前記シャフトの外周面に固定されている。

本発明によれば、歪みセンサに過大な歪みが生じるのを防止することができる。

図１は、トルク検出装置が設けられたシャフトの斜視図である。 図２は、トルク検出装置の平面図である。 図３は、突起をリング形状とした場合の斜視図である。 図４は、突起をリング形状とした場合の平面図である。 図５は、平板に設けられた歪みセンサを示す図である。 図６Ａは、歪みセンサの平面図である。 図６Ｂは、歪みセンサの側面図である。 図７は、歪みセンサの他の例を示す平面図である。 図８は、シャフト外周面におけるねじり変形量を示す模式図である。 図９は、トルク印加前のトルク検出装置の側面図である。 図１０は、トルク印加時のトルク検出装置の状態を示す模式図である。 図１１Ａは、図１０の中央Ｓから左側の部分を示す図であり、ストッパが接触したときの状態を示す。 図１１Ｂは、図１０の中央Ｓから左側の部分を示す図であり、ストッパが接触時からΔＲだけねじれた状態を示す。 図１２は、負荷トルクとセンサ搭載位置に発生する歪みとの関係を説明する図である。 図１３は、従来の場合の負荷トルクと発生する歪みとの関係を説明する図である 図１４は、所定位置を説明する図である。 図１５は、接触点Ｐにおける拘束条件を完全拘束と仮定した場合の図である。 図１６は、歪みセンサを所定位置からずらした場合の負荷トルクとセンサ搭載位置に発生する歪みとの関係を説明する図である。 図１７は、第１の変形例を示す図である。 図１８は、第２の変形例を示す図である。 図１９は、第３の変形例を示す図である。 図２０は、第２の実施の形態のトルク検出装置の斜視図である。 図２１は、第２の実施の形態のトルク検出装置の平面図である 図２２は、図２１のＡ１−Ａ１断面図である。 図２３は、第３の実施の形態のトルク検出装置の斜視図である。 図２４は、第３の実施の形態のトルク検出装置の平面図である。 図２５は、図２４のＡ２−Ａ２断面図である。 図２６は、第４の変形例を示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
−第１の実施の形態−
図１，２は、本発明に係るトルク検出装置の第１の実施の形態を説明する図である。図１はトルク検出装置が設けられたシャフト１の斜視図であり、図２は平面図である。図１，２に示すように、トルク検出装置は、平板４、歪みセンサ５、回路部１１、無線通信部１２が設けられている。なお、図１では、配線部１０、回路部１１および無線通信部１２の図示を省略した。

シャフト１は、回転軸（軸芯）８を中心に回転する。シャフト１には、矢印６方向にトルクが印加される。本実施の形態では、シャフト１は中空軸であるが、中空軸に限定されず、中実軸にも適用することができる。測定対象であるシャフト１の外周面には突起３ａ，３ｂが、シャフト軸方向に離間して一対設けられている。

平板４の一方の端部は突起３ａに固定され、他方の端部は突起３ｂに固定されている。図２に示すように、平板４は、その長手方向がシャフト１の回転軸８と略平行となるように、かつ、平板４の表面４ａおよび裏面４ｂがシャフト１の周方向と略垂直となるように、突起３ａ，３ｂに固定されている。すなわち、平板４は、シャフト１の回転軸８に垂直な断面上において、シャフト１の回転軸８から放射方向（径方向）に伸ばした直線上に配置され、表裏面４ａ，４ｂは前記直線に平行となっている。歪みセンサ５は平板４の表面４ａに設けられている。歪みセンサ５は、配線部１０（例えば、フレキシブル配線基板やガラスエポキシ基板など）を介して回路部１１と接続されている。

平板４の裏面４ｂと対向する位置には、寸法Ｇの隙間を介してストッパ３２が設けられている。すなわち、ストッパ３２は、シャフト１の外周面上の、負荷トルクによるシャフト１の捩れ方向に関して、平板４と離間した位置に設けられている。ストッパ３２の周方向先端領域にはＲが形成されており、平板４の裏面４ｂとの距離が最も近い領域が、このＲ先端部となっている。それにより、平板４とストッパ３２との接触は線接触（シャフト径方向の線接触）となり、負荷トルクの増加により平板４の撓みが変化しても、接触位置が安定している。

平板４は、ネジ留めや溶接などによって突起３ａ，３ｂに固定される。なお、図１，２に示す例では、平板４と突起３ａ，３ｂとを別体としたが、例えば切削加工などによって、シャフト１、突起３ａ，３ｂおよび平板４を一体に形成しても良い。なお、シャフト１、突起３ａ，３ｂおよび平板４の材質は、特に指定はないが、機械構造用鋼などの金属材料を用いることが多い。また、シャフト１、突起３ａ，３ｂおよび平板４の材質は、同じ材質とすることが望ましい。異なる材質の場合、両部材の線膨張係数差に起因した熱ひずみが発生し、トルク検出時のひずみ計測精度が低下するためである。

なお、図１，２に示す例では、平板４をシャフト１に固定するために丘状の突起３ａ，３ｂを形成したが、図３，４に示すようなリング状の突起３０ａ，３０ｂを形成しても良い。リング状の突起３０ａ，３０ｂは、シャフト１の外周面の全周に亘って形成されているので、シャフト１の回転バランスの点で優れている。なお、以下では、リング状の突起３０ａ，３０ｂが形成されたシャフト１を例に説明する。

図５は、平板４の表面４ａに設けられた歪みセンサ５を示す図である。配線部１０は、歪みセンサ５の複数の電極パッド９と電気的に接続される複数の配線を備えている。例えば、配線部１０は、複数の金属パターンから成る配線が樹脂フィルム内に封止されて構成される。樹脂フィルムの一部に設けられた開口部において、複数の配線の一部が露出して、この露出部分が複数の端子１０ａを構成する。配線部１０の端子１０ａが設けられた部分は、平板４の表面４ａに固定される。

歪みセンサ５の複数の電極パッド９と配線部の複数の端子１０ａとは、複数のＡｕワイヤ１３（導電性部材）を介して電気的に接続されている。ワイヤ１３は、例えば、線径が１０μｍ〜２００μｍ程度の金線（Ａｕ線）である。また、歪みセンサ５およびＡｕワイヤ１３は、封止樹脂１６により封止されている。封止樹脂１６でワイヤ１３を覆うことにより、隣り合うワイヤ同士の短絡を防止できる。

また、配線部１０の他方の端部は回路部１１に接続される。回路部１１には、歪み計測回路を搭載した基板部品が設けられており、配線部１０はその基板部品に接続される。基板部品への接続は、コネクタを用いても良いし、配線部１０を基板部品に直接接続するようにしても良い。

なお、図５では、配線部１０とワイヤ１３とを区別して説明したが、複数のワイヤ１３を含めて配線部と見做すこともできる。また、配線部１０は、歪みセンサ５と図示しない外部機器の間で、入出力電流を伝送することができれば良く、図５に示す態様には限定されない。

歪みセンサ５で計測された歪み計測値は、図２に示す無線通信部１２によって外部の計測システム部（不図示）に伝送される。なお、上述した実施形態では、回路部１１にバッテリを備えているが、バッテリを搭載せず、電磁誘導方式や磁気共鳴方式などによる無線給電を用いることも可能である。

（歪みセンサ５の説明）
本実施の形態では、歪みセンサ５として半導体歪みセンサを用いている。図６Ａ，６Ｂ，７は、半導体歪みセンサを説明する図である。図６Ａは歪みセンサ５の表面側の構成を模式的に示す平面図であり、図６Ｂは歪みセンサ５の側面を模式的に示す図である。

歪みセンサ（半導体歪みセンサ）５は、図６Ａに示すように、表面（主面）５ａおよび表面５ａの反対側に位置する裏面５ｂを備える。歪みセンサ５の裏面５ｂには金属膜が形成されている。この金属膜は、例えば半導体基板側からチタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）が順に積層された積層膜（金属積層膜）から成り、例えばスパッタ法により形成することができる。このように歪みセンサ５の裏面５ｂに金属膜を形成することで、はんだなどの金属製の接合材との接合強度を向上させることができる。

また、表面５ａおよび裏面５ｂはそれぞれ四辺形（四角形）を成す。図６Ａに示す例では、例えば、一辺の長さが２ｍｍ〜５ｍｍ程度の正方形を成す。歪みセンサ５は、表面５ａ側の中央部に位置するセンサ領域１４に形成された複数の抵抗素子１５（ピエゾ抵抗素子）を備える。複数の電極パッド９は、複数の抵抗素子１５（ピエゾ抵抗素子）と電気的に接続される。電極パッド９は、表面５ａ側のセンサ領域１４よりも周縁部側に位置する入出力回路領域に形成されている。

複数の抵抗素子１５は、例えば（１００）面を有するシリコン基板の素子形成面に不純物をドープし、拡散させた不純物拡散領域により構成される。歪みセンサ５は、例えば４本の抵抗素子１５を電気的に接続したホイートストンブリッジ回路（検知回路）２５を備える。このホイートストンブリッジ回路２５は、ピエゾ抵抗効果による抵抗素子１５の抵抗変化を計測してひずみを検知する検知回路（ひずみ検知回路）を構成する。

また、検知回路２５は、複数の配線を介して複数の電極パッド９に接続される。複数の電極パッド９は、歪みセンサ５の入出力端子となっている。入出力端子には、例えば、センサチップに電源電位（第１電源電位）を供給する端子Ｖｃｃ、基準電位（第２電源電位）を供給する端子ＧＮＤ、および検知信号を出力する端子ＳＩＧが含まれる。

また、検知回路２５を構成する複数の抵抗素子１５のレイアウトは、図６Ａに示す態様に限定されるものではないが、本実施形態では以下の構成としている。すなわち、歪みセンサ５が備える半導体基板（例えばシリコン（Ｓｉ）から成るシリコン基板）を単結晶（シリコン単結晶）とした場合、検知回路２５を構成する複数の抵抗素子１５の延在方向（長手方向）は、それぞれ（１００）面を有する半導体基板の＜１１０＞方向または＜１００＞方向と一致する。

図６Ａに示す例では、歪みセンサ５が備える半導体基板（シリコン基板）には、シリコン単結晶の＜１１０＞方向（図６ＡではＸ方向およびＸ方向と直交するＹ方向）の結晶方位に沿って電流が流れるように４本のｐ型拡散領域（導電型がｐ型である不純物をドープした領域）が形成される。言い換えれば、半導体歪みセンサでは、シリコン基板のシリコン単結晶の＜１１０＞方向の結晶方位に沿って延びるように４箇所にｐ型の不純物をドープして、４本の抵抗素子１５が形成される。

また、図７に示す例のように、シリコン基板のシリコン単結晶の＜１００＞方向の結晶方位に沿って延びるように４箇所にｎ型の不純物をドープして、４本の抵抗素子１５を形成しても良い。この場合、半導体基板（シリコン基板）には、シリコン単結晶の＜１００＞方向（図７ではＸ方向およびＸ方向と直交するＹ方向）の結晶方位に沿って電流が流れるように４本のｎ型拡散領域（導電型がｎ型である不純物をドープした領域）が形成される。

図６Ａおよび図７に示すように、検知回路を構成する複数の抵抗素子１５の延在方向が、それぞれ（１００）面を有する半導体基板の＜１１０＞方向または＜１００＞方向と一致する半導体歪みセンサは、例えば、図６Ａおよび図７に示すＸ方向のひずみと、Ｙ方向のひずみの差分を出力することができる。詳しくは、図６Ａおよび図７に示す端子ＳＩＧから、Ｘ方向のひずみとＹ方向のひずみの差分を電位差として出力することができる。このように、Ｘ方向のひずみとＹ方向のひずみの差分を出力する計測方式は、歪みセンサ５に印加される熱ひずみの影響を低減する観点から有利である。

歪みセンサ５は、図５に示すように平板４である被測定物上に取り付けられる。そのため、測定環境温度が変化すると、平板４と歪みセンサ５の線膨張係数の違いに起因した熱ひずみが生じる。この熱ひずみは測定対象となるひずみとは異なるノイズ成分なので、熱ひずみの影響は低減する方が好ましい。

一方、図６Ａおよび図７に示すように、歪みセンサ５の平面形状が正方形の場合、熱ひずみの影響は、Ｘ方向とＹ方向で同程度となる。このため、例えば、Ｘ方向に発生するひずみを検出する場合には、Ｘ方向のひずみとＹ方向のひずみの差分を出力すれば、熱ひずみに起因するひずみ量はキャンセルされ、測定対象であるひずみを選択的に検出することができる。

つまり、図６Ａおよび図７に示すような歪みセンサ５を用いれば、熱ひずみによる影響を低減できるので、環境温度の変化によるひずみ値のばらつきを低減することができる。また、歪みセンサ５を構成する抵抗素子１５や電極パッド９などの各部材は、公知の半導体装置の製造技術を適用して形成することができるので、素子や配線の微細化が容易である。また、製造効率を向上させて、製造コストを低減することができる。

なお、歪みセンサ５を平板４に取り付ける接合材は、歪みセンサ５の裏面５ｂ全体、および歪みセンサ５の側面の一部を覆うように設けられる。言い換えれば、接合材の周縁部は、歪みセンサ５の側面の外側まで広がり、フィレットを形成することもある。歪みセンサ５と平板４を固定する観点からは、接合材は金属材料に限定されず、例えば熱硬化性樹脂などの樹脂製接着材を用いることもできる。

次に、本実施の形態のトルク検出装置の特徴点、すなわちストッパ３２の機能について説明する。図８は、シャフト右端部１７を完全固定し、シャフト１の左端部１８に矢印６で示すようなトルクを印加した場合の、シャフト外周面におけるねじり変形量を矢印Ｒで模式的に示したものである。ねじり変形量Ｒは、固定端であるシャフト右端部１７からの軸方向距離に比例して増加する。

図９は、トルク印加前のトルク検出装置の側面図を示す。上述したように、シャフト外周面には、平板４の裏面４ｂに対向する位置にストッパ３２が形成されている。トルク印加前の状態においては、ストッパ３２と裏面４ｂとの間には寸法Ｇの隙間が形成されている。

図１０は、トルク印加時のトルク検出装置の状態を示す模式図である。図１０は、リング状の突起３０ａを固定端とし、リング状の突起３０ｂをねじり変形によって矢印６の方向に回転させた場合を示している。このとき、平板４は、中央Ｓよりも左側の領域では下に凸の変形、中央よりも右側の領域では上に凸の変形となり、全体としてはＳ字形状に変形する。これは、印加トルクによって平板４に曲げ変形が発生した際、平板４の両端箇所が突起３０ａ，３０ｂによって完全拘束されているため、平板４の両端箇所の曲げたわみ角度が０°となることに起因する。

その結果、歪みセンサ５が搭載されている平板４の表面４ａ側においては、下に凸の変形になる中央Ｓから左側では圧縮歪みが発生する。一方、上に凸の変形となる中央Ｓから右側の領域では、引張歪みが発生する。表面４ａ上の歪みは圧縮歪みから引張歪みに連続的に変化するので、突起３０ａと突起３０ｂとの間に歪みがゼロとなる箇所が必ず存在する。Ｓ字形状が中央Ｓに関して点対称であれば、この中央Ｓにおいて歪みがゼロとなる。

図１０において、破線３５は、突起３０ａと突起３０ｂとの間を直線で結んだ場合を示している。これは、図８からも分かるように、シャフト外周のねじり変形量Ｒに相当している。シャフト外周のねじり変形量Ｒは、固定端に相当する突起３０ａから軸方向距離に比例して増加する。すなわち、中央Ｓから右側においては、平板４の回転方向のたわみ量（突起３０ａを基準とするたわみ量）は、シャフト外周面のねじり変形量Ｒよりも小さい。逆に、中央Ｓから左側においては、平板４の回転方向のたわみ量は、シャフト外周面のねじり変形量Ｒよりも大きい。

シャフト外周面に設けられたストッパ３２は、シャフト外周面のねじり変形に伴って回転方向に移動する。図１０では、ストッパ３２は平板４の中央Ｓよりも左側に設けられているので、上述したように、シャフト１のねじれによるストッパ３２の回転方向の移動量は平板４のたわみ量よりも小さい。そのため、シャフト１がねじれるにつれて、ストッパ３２と平板４との隙間は徐々に小さくなる。なお、図１０に示す隙間寸法Ｇは、負荷前の隙間寸法を示している。

そして、ある一定トルク値に達すると、図１０に示すように、平板４の裏面４ｂとストッパ３２とが接触する。ストッパ３２が平板４の裏面４ｂに接触した後は、その接触点が新たな拘束支点となるため、平板４の変形モードが変化する。

次に、図１１Ａ，１１Ｂを参照して、平板４とストッパ３２が接触した後の変形状態について説明する。図１１Ａは、図１０における中央Ｓよりも左側の部分を示す図である。すなわち、平板４の裏面がストッパ３２に接触した瞬間の状態を示す。図１１Ａに示すように平板４がストッパ３２に当接するまでは、歪みセンサ５が搭載されている表面４ａの中央Ｓから左側の領域では、圧縮ひずみとなっている。

一方、図１１Ｂは、図１１Ａの状態から突起３０ａのねじり変形量がΔＲだけ増加した場合を示す。図１１Ｂに示すように、平板４とストッパ３２とが接触した後は、平板４にはその接触点Ｐを支点とした曲げ変形が発生する。その結果、ΔＲのようにシャフト１がさらにねじれた場合でも歪みが変化しない点が、接触点Ｐと突起３０ｂとの間において発生する。ここでは、その点の位置を所定位置４１と呼ぶことにする。

本実施の形態では、センサ中央位置が所定位置４１に配置されるように歪みセンサ５を搭載する。図１２は、負荷トルクと歪みセンサ５の搭載位置（所定位置４１）に発生する歪みとの関係を説明する図である。縦軸に示す許容値とは歪みセンサ５に許容される歪み値であって、搭載位置（所定位置４１）に生じる歪みをこれ以下に抑える必要がある。横軸に示す定格トルクとは、トルク検出装置として計測が必要なトルク値を示している。また、最大トルクは、シャフト１に印加される最大の負荷トルクを示す。

本実施の形態では、負荷トルクが定格トルクに達したときに、ストッパ３２が平板４に当接するように図９の隙間寸法Ｇの大きさを設定する。ストッパ３２が平板４に当接するまでは（すなわち、定格トルクまでは）、図１１Ａに示すように所定位置４１には圧縮歪みが発生し、負荷トルクの増加と共に歪みの大きさが増加する。そのため、発生歪みのラインＬ１は右上がりのラインとなる。負荷トルクが定格トルクに達するとストッパ３２が平板４に当接し、さらに負荷トルクが増加しても所定位置４１における歪みは一定のままとなる。

ところで、従来のようにストッパ３２を設けない構成においては、負荷トルクが定格トルクに達した後もセンサ搭載位置の歪みは増加し続ける。そのため、歪みセンサ５の搭載位置における歪みは、図１３のラインＬ２に示すようにさらに増加する。ところで、Ｓｉで形成された半導体歪みセンサの場合、大きな歪みが発生すると脆性破壊を起こしやすい。そのため、最大トルク印加時に歪みセンサに発生する歪み量が、所定の許容ひずみ値（例えば、±１０００με）以内となるように、設計する必要がある。例えば、ラインＬ２のようにセンサ搭載位置の歪み量が許容値を超える場合には、歪みセンサ５が破壊されるおそれがある。

そのようなセンサ破壊を避けるためには、ラインＬ３で示すように歪み感度がより小さい位置に歪みセンサ５を搭載する必要がある。ここで、歪み感度とは、一定トルク印加時に発生するひずみ量を表す。例えば、図１０のように変形する平板４の場合には、中央Ｓの近傍に搭載した場合には歪み感度が小さく、突起３０ｂの近傍に搭載した場合には、歪み感度が大きくなる。ラインＬ３のような歪み感度の場合、最大トルク印加時の発生歪み量を歪みセンサ５の許容ひずみ値以内に調整できるため、センサの破壊を防止することができる。しかし、定格トルク印加時の発生ひずみ量が小さくなるため、定格トルク値以内の計測精度が低下するという課題が発生する。

一方、本実施の形態では、ストッパ３２を設けたことにより、図１２のように定格トルクから最大トルクまでは、搭載位置における歪みが変化しない。その結果、最大負荷トルクが印加された場合でも発生歪みを許容値以下とすることができ、歪みセンサ５の破壊を防止することができる。また、定格トルクから最大トルクまで歪みが変化しないので、定格トルクにおいて歪みが許容値となるような、歪み感度の大きな搭載位置に歪みセンサ５を搭載することができる。その結果、トルク計測精度の向上を図ることができる。すなわち、本実施の形態では、センサ破壊を防止しつつ、計測精度の向上を図ることができる。

図１４，１５は、所定位置４１を説明する図である。本実施の形態の場合、図１４のように突起３０ｂからストッパ３２までの距離をＬ、突起３０ｂから所定位置４１までの距離をｘとしたとき、ｘは次式（１）のように関係を満たす。
Ｌ/２＜ｘ＜Ｌ ・・・（１）

上述したように、平板４にストッパ３２が当接した後は、平板４は図１１Ｂのように変形する。この場合、接触点Ｐにおける拘束条件は、回転フリーである。ここで、接触点Ｐにおける拘束条件を、図１５のように回転不可の完全拘束と仮定した場合を考える。この場合、歪みの変化がゼロとなる位置ｘａは、左右対称構造であるためｘａ＝Ｌ／２となる。

一方、ストッパ３２が平板４に当接する構成の場合には、接触点Ｐは回転フリーの拘束条件であるため、完全拘束の場合と比較して曲げモーメントが減少し、搭載面に発生する引張ひずみが減少する。したがって、歪みの変化がゼロとなる位置ｘは、ｘａ＝Ｌ／２の位置よりも右側となる。

なお、センサ搭載位置の発生歪みが図１２に示すラインＬ１となるように歪みセンサ５およびストッパ３２の位置を設定した場合、定格トルクを超える負荷トルクが印加された場合の歪み感度はゼロとなる。そのため、定格トルクから最大トルクまでの負荷トルクが印加された場合、センサ出力からトルク値を推定することができなくなる。そこで、定格トルク以上のトルク値も計測したい場合には、歪みセンサ５を、所定位置４１よりも歪み感度が小さい方向に僅かにずらして設置すれば良い。

その結果、負荷トルクと歪みとの関係は図１６のラインＬ４のようになる。センサ搭載位置を所定位置４１よりも歪み感度が小さい方向にずらしたので、定格トルクにおける歪みが図１２の場合よりも小さくなる。さらに、所定位置４１からずらしたことにより、定格トルクから負荷トルクを増加させると、歪みも増加するようになる。すなわち、歪み感度がゼロから僅かに上昇する。

（変形例１）
図１７は、第１の変形例を示す図である。上述した実施の形態では、図１０に示すように中央Ｓから突起３０ｂ側の平板４の表面４ａに歪みセンサ５を搭載し、裏面４ｂに対応する位置に隙間寸法Ｇの隙間を介してストッパ３２を配置したが、図１７に示すような配置としても良い。図１７では、中央Ｓから突起３０ａ側の裏面４ｂに歪みセンサ５が搭載され、表面４ａの側にストッパ３２が配置されている。図１７に示す構成は、図１０に示す構成と平板４の中央Ｓに関して点対称な関係にあるので、負荷トルクと発生歪みとの関係は図１２と同様となる。

（変形例２）
図１８は、第２の変形例を示す図である。図１０に示す構成では、ストッパ３２が平板４の裏面４ｂに接触するまでは、平板４の表面４ａの中央Ｓから突起３０ｂ側では圧縮歪みが発生しており、中央Ｓから突起３０ａ側では引張歪みが発生している。逆に、平板４の裏面４ｂにおいては、中央Ｓから突起３０ｂ側では引張歪みが発生しており、中央Ｓから突起３０ａ側では圧縮歪みが発生している。

図１８に示すように裏面４ｂにストッパ３２が当接する場合、裏面４ｂの所定位置４２における引張歪みは、当接以後は大きさが変化しない。そこで、変形例２ではこの所定位置４２に歪みセンサ５を搭載するようにした。負荷トルクに対する歪みの変化は、引張歪みである点を除いては図１２のラインＬ１と同様の変化を示す。また、歪みセンサ５の搭載位置を所定位置４２から歪み感度が小さい方へずらすことにより、図１６と同様のラインＬ４を得ることができる。

（変形例３）
図１９は第３の変形例を示す図であり、平板４の表面４ａの所定位置４１には歪みセンサ５が搭載されている。図１９は矢印７の方向に負荷トルクが印加された場合を示している。この場合、歪みセンサ５では引張歪みが検出され、ストッパ３２Ｂが表面４ａに当接すると、歪みセンサ５で検出される歪みの変化がゼロとなる。これは、図１８に示す構成の場合と同様である。逆に、矢印７と反対方向に負荷トルクが作用すると、平板４は二点鎖線で示すようなＳ字形状に変形する。この場合、歪みセンサ５で検出される歪み（圧縮歪み）は、図１１Ａ，１１Ｂに示す構成の場合と同様となる。このように、平板４の表面４ａに当接するストッパ３２Ｂと裏面４ｂに当接するストッパ３２Ａとを設けることにより、一つの歪みセンサで正逆両方向の負荷トルクを検出することができる。

−第２の実施の形態−
図２０〜２２を用いて、トルク検出装置の第２の実施の形態について説明する。図２０はトルク検出装置が設けられたシャフト１の斜視図であり、図２１は平面図、図２２は図２１のＡ１−Ａ１断面図である。なお、図２０〜２２では、配線部１０、回路部１１、無線通信部１２の図示を省略した。基本的な構成は、第１の実施の形態の図３，４に示した構成と同様であるが、第２の実施の形態ではストッパ３２の構成が異なる。

ストッパ３２は、突起３０ａに固定された腕部３２１と、腕部３２１の先端に設けられた当接部３２２とを備えている。腕部３２１は突起３０ａの側面からシャフト軸方向に伸延するように形成され、シャフト１の外周面に対して離間して設けられている（図２２参照）。当接部３２２は、腕部３２１から平板４方向に突出しており、その先端と平板４の裏面４ｂとの間には寸法Ｇ１の隙間（図２１参照）が形成されている。当接部３２２の先端領域はＲ形状となっており、Ｇ１はＲ形状先端と裏面４ｂとの距離である。当接部３２２のシャフト軸方向位置、および、平板４の表面４ａにおける歪みセンサ５の搭載位置は、第１の実施の形態の図３，４に示したものと同様に設定されている。

第１の実施の形態の図３，４に示すように、ストッパ３２をシャフト１の外周面に形成した場合、シャフト１がねじれたときのストッパ３２の周方向移動量は、その位置のシャフト外周面のねじり変形量Ｒ（図８参照）に等しい。一方、第２の実施の形態のストッパ３２は固定端である突起３０ａに固定されているので、シャフト１にねじれが生じても、ストッパ３２の周方向移動量はゼロである。そのため、図３，４の場合と同一負荷トルクにおいてストッパ３２が平板４の裏面４ｂに当接するためには、隙間寸法Ｇ１を次式（２）のように設定すれば良い。当接後の平板４の変形挙動については、第１の実施の形態と同様なので、説明を省略する。
Ｇ１＝Ｇ＋Ｒ ・・・（２）

このように、第２の実施形態では、制限部としてのストッパ３２は、平板４の一端側において外周面に固定される突起３０ａと、突起３０ａに設けられた腕部３２１と、腕部３２１の先端部分に設けられた当接部３２２とを備える。腕部３２１は、突起３０ａから平板４の他端側に向けて伸延するように外周面から離間して設けられ、当接部３２２は、シャフト１の捩れが所定量以上の場合に平板４のシャフト軸方向中央よりも一端側に偏った位置に当接する。

ストッパ３２は突起３０ａに固定されているため、負荷トルクを印加した際の当接部３２２と裏面４ｂとの距離の減少率は、図３，４に示した構成の場合に比べて大きくなる。その結果、第２の実施の形態では、式（２）に示したように、無負荷時の隙間寸法Ｇ１を図３，４の場合の寸法Ｇよりも大きく設定することができる。そして、隙間寸法Ｇ１をより大きく設定できることから、ストッパ３２の加工精度や組立精度を緩和できることになる。

−第３の実施の形態−
図２３〜２５は、トルク検出装置の第３の実施の形態を示す図である。図２３はトルク検出装置が設けられたシャフト１の斜視図であり、図２４は側面図、図２５は図２４のＡ２−Ａ２断面図である。なお、図２３〜２５では、配線部１０、回路部１１、無線通信部１２の図示を省略した。

本実施の形態の構成は、上述した第１および第２の実施の形態と異なり、平板４に当接するストッパ３２は設けられていない。そして、ストッパ３２の代わりに、突起３０ａからシャフト軸方向の突起３０ｂ側に伸延する腕部３０１と、突起３０ｂからシャフト軸方向の突起３０ａ側に伸延する腕部３０２とを備えている。腕部３０１，３０２とシャフト１の外周面との間は離間している。その他の構成は第１および第２の実施の形態と同様であって、両端が突起３０ａ，３０ｂに固定された平板４の表裏一方の面に歪みセンサ５が搭載されている。

第１および第２の実施の形態では、ストッパ３２は、負荷トルクが許容トルクを超えた場合に平板４に当接することで、歪みセンサ５が搭載されている部分（所定位置）の歪み量を制限するものとして機能している。本実施の形態では、負荷トルクが許容トルクを超えた場合に腕部３０１と腕部３０２とが周方向に当接することで、歪みセンサ５が搭載されている部分の歪み量を制限している。

図２５に示すように、腕部３０１，３０２の断面形状は略半円環形状となっており、腕部３０１の周方向端面３０１ａ，３０１ｂは、隙間を介して腕部３０２の周方向端面３０２ａ，３０２ｂと対向している。突起３０ｂ側に負荷トルクが印加されて矢印６の方向にシャフト１がねじれると、腕部３０２が形成されている突起３０ｂが矢印６の方向に回転する。そして、突起３０ｂと一体に腕部３０２も破線で示すように回転し、腕部３０２の端面３０２ｂと腕部３０１の端面３０１ｂとが当接する。端面３０２ｂと端面３０１ｂとの隙間は、図２５に示すように略平行となっており、端面３０２ｂと端面３０１ｂとが当接したときに、端面３０２ｂの全面と端面３０１ｂの全面とが互いに接触するように形成されている。

一方、矢印６と逆方向の負荷トルクが印加された場合には、突起３０ｂおよび腕部３０２は図２５の場合と逆方向に回転する。そして、端面３０２ａと端面３０１ａとが当接する。端面３０２ａと端面３０１ａとの隙間も、図２４に示すように略平行となっており、端面３０２ａと端面３０１ａとが当接したときに、端面３０２ａの全面と端面３０１ａの全面とが互いに接触するように形成されている。

本実施の形態では、定格トルクが印加されたときに腕部３０１と腕部３０２の端面同士が当接するように隙間Ｇ２の寸法が設定されている。そのため、負荷トルクと発生歪みとの関係は、図１６に示すラインＬ４と同様になる。すなわち、定格トルクが印加されて、腕部３０１，３０２の端面同士が当接すると、シャフト１に印加されたトルクの一部が腕部３０１，３０２に伝達されることになる。その結果、シャフト１のねじり剛性が増加して、歪み感度が低下する。すなわち、負荷トルクが定格トルクを超えると、ラインＬ４の傾きは小さくなる。

このように、第３の実施の形態においても、上述した第１及び第２の実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。

（変形例４）
図２６は、第３の実施の形態における変形例（第４の変形例）を示す図である。図２６は、図２４のＡ３−Ａ３断面に相当する断面図であって、突起３０ａの部分の断面を示す。上述した第３の実施の形態では、突起３０ａはシャフト１と一体に形成されているか、または、シャフト１の外周面に直接固定されている。一方、変形例４では、円環形状の突起３０ａが弾性率の小さな円環部材４６を介してシャフト１に固定されている。このような３重構造は、突起３０ａおよび突起３０ｂの部分の少なくとも一方に採用される。なお、３重構造の円環形状の突起３０ａ，３０ｂの一方のみ（例えば突起３０ａ）を設けて、突起３０ｂに固定されていた平板４の一端をシャフト１に固定し、突起３０ｂに固定されていた腕部３０２をシャフト１に固定するような構成としてもよい。

円環部材４６の弾性率は、シャフト１、突起３０ａ，３０ｂおよび腕部３０１，３０２よりも小さく設定されている。そのため、腕部３０１，３０２の端面同士が当接するまで、すなわち、負荷トルクが定格トルクに達するまでは、負荷トルクはシャフト１のみに伝達され、発生歪みは図１６のラインＬ４と同様に変化する。

一方、腕部３０１，３０２の端面同士が当接した後は、当接部を介して、円環部材４６および突起３０ａに矢印で示すような力４４が発生する。円環部材４６の弾性率は、突起３０ａおよび腕部３０１の弾性率よりも小さく設定され、剛性が小さいため、円環部材４６にねじり変形４５が発生する。

すなわち、腕部３０１，３０２の端面同士が当接した後は、シャフト１に印加されるトルクによってシャフト１のねじり変形が増加しても、図２５に示すように円環部材４６がねじり変形４５を起こして突起３０ａが突起３０ｂと一体に回転するため、突起３０ａに対する突起３０ｂの回転ずれは殆ど生じない。その結果、平板４の撓みも殆ど変化せず、歪みセンサ５によって検出される歪み量もほとんど増加しない。円環部材４６の弾性率は腕部３０１，３０２の弾性率よりも小さいので、負荷トルクが定格トルクを超えると、図１６のラインＬ４のようになる。

以上説明したように、トルク検出装置は、シャフト１の軸方向に延在すると共に両端がシャフト１の外周面に固定され、シャフト１の捩れに伴って表裏方向に撓む平板４と、平板４の表面４ａまたは裏面４ｂに搭載され、該平板４の歪みを検出する歪みセンサ５と、シャフト１の捩れが所定量以上の場合に、平板４の撓み量を制限する制限部であるストッパ３２や腕部３０１，３０２等を備える。所定量として定格トルクが印加されたときの捩じれ量を選んだ場合、定格トルクを超える負荷トルクが印加された際でも、平板４の撓み量が制限され、歪みセンサ５に過大なトルクが掛かるのを防止することができる。そのため、歪みセンサ５に半導体歪みセンサを用いた場合に、過大な歪みの発生によるセンサの破壊を防止することができる。

印加トルクに対する歪みセンサ５の歪み検出値を表す歪み感度値は、シャフト１の捩れが所定量未満の場合よりも所定量以上の場合の方が小さくなるように設定される。それにより、歪みセンサ５に過度な歪みが生じるのを防止することができる。さらに、シャフト１の捩れが所定量以上の場合に歪み感度がゼロとなるように設定することで、歪みセンサの破壊を確実に防止できる。

例えば、制限部として、図１，２に示すようなストッパ３２を設けるようにしても良い。ストッパ３２は、平板４に対してシャフト捩れ方向に離間して外周面上に設けられ、図１０のようにシャフト１の捩れが所定量以上の場合に、平板４のシャフト軸方向中央よりも一端側に偏った位置に当接するように配置される。歪みセンサ５は、ストッパ３２が当接する位置よりも前記一端側に配置される。

このように、制限部であるストッパ３２が平板４に当接する構成においては、平板４の一端から歪みセンサ５の搭載位置までの距離ｘと、平板４の一端から当接位置までの距離Ｌとが、式「Ｌ／２＜ｘ＜Ｌ」を満足するように設定するのが望ましい。

また、図２３〜２５に示すように、制限部として、平板４の一端側において外周面に固定される突起３０ａと、突起３０ａから平板４の他端側に向けて伸延し、外周面から離間して設けられた腕部３０１と、平板４の他端側において外周面に固定される突起３０ｂと、突起３０ｂから平板４の一端側に向けて伸延し、外周面から離間して設けられた腕部３０２と、を備える構成としても良い。シャフト１の捩れが所定量以上の場合に、腕部３０１と腕部３０２とがシャフト捩れ方向において互いに当接することにより、負荷トルクがさらに大きくなった場合でも平板４の撓みが制限される。

なお、本発明は上記した各実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。

３ａ，３ｂ，３０ａ，３０ｂ…突起、４…平板、５，５Ａ，５Ｂ…歪みセンサ、１０…配線部、１１…回路部、１２…無線通信部、３２，３２Ａ，３２Ｂ…ストッパ、４６…円環部材、３０１，３０２，３２１…腕部、３２２…当接部

Claims (6)

1. シャフトの軸方向に延在すると共に両端が前記シャフトの外周面に固定され、前記シャフトの捩れに伴って表裏方向に撓む平板と、
   前記平板の表面または裏面に搭載され、該平板の歪みを検出する歪みセンサと、
   前記シャフトの捩れが所定量以上の場合に、前記平板の撓み量を制限する制限部と、を備え、
   前記制限部は、前記平板に対してシャフト捩れ方向に離間して前記外周面上に設けられ、前記シャフトの捩れが所定量以上の場合に前記平板のシャフト軸方向中央よりも一端側に偏った位置に当接し、
   前記歪みセンサは、前記制限部が当接する位置よりも前記一端側に配置される、トルク検出装置。
2. 請求項１に記載のトルク検出装置において、
   前記制限部は、
   前記平板の一端側において前記外周面に固定される固定部と、
   前記固定部から前記平板の他端側に向けて伸延し、前記外周面から離間して設けられた腕部と、
   前記腕部の先端部分に設けられて、前記シャフトの捩れが所定量以上の場合に前記平板のシャフト軸方向中央よりも一端側に偏った位置に当接する当接部と、を備えるトルク検出装置。
3. 請求項１または２に記載のトルク検出装置において、
   前記平板の一端から前記歪みセンサの搭載位置までの距離ｘと、前記平板の一端から前記制限部が当接する位置までの距離Ｌとが、次式（ａ）を満足している、トルク検出装置。
   Ｌ／２＜ｘ＜Ｌ …（ａ）
4. シャフトの軸方向に延在すると共に両端が前記シャフトの外周面に固定され、前記シャフトの捩れに伴って表裏方向に撓む平板と、
   前記平板の表面または裏面に搭載され、該平板の歪みを検出する歪みセンサと、
   前記シャフトの捩れが所定量以上の場合に、前記平板の撓み量を制限する制限部と、を備え、
   前記制限部は、
   前記平板の一端側において前記外周面に固定される第１の固定部と、
   前記第１の固定部から前記平板の他端側に向けて伸延し、前記外周面から離間して設けられた第１の腕部と、
   前記平板の他端側において前記外周面に固定される第２の固定部と、
   前記第２の固定部から前記平板の一端側に向けて伸延し、前記外周面から離間して設けられた第２の腕部と、を備え、
   前記シャフトの捩れが所定量以上の場合に、前記第１の腕部と前記第２の腕部とが前記シャフト捩れ方向において互いに当接し、
   前記平板は、一端が前記第１の固定部に固定され、および／または、他端が前記第２の固定部に固定され、
   前記平板が固定された前記固定部の少なくとも一つは、前記固定部および前記腕部よりも弾性率が小さい弾性部材を介して前記シャフトの外周面に固定されている、トルク検出装置。
5. 請求項１または４に記載のトルク検出装置において、
   印加トルクに対する前記歪みセンサの歪み検出値を表す歪み感度値は、前記シャフトの捩れが所定量未満の場合よりも所定量以上の場合の方が小さい、トルク検出装置。
6. 請求項５に記載のトルク検出装置において、
   前記シャフトの捩れが所定量以上の場合に前記歪み感度がゼロとなる、トルク検出装置。

Images