(57)【要約】【課題】軸で発生した歪による応力をセンサチップに均一に伝えることができる構造を備えたトルクセンサを提供する。【解決手段】ステージ３０の側面３２には、当該側面３２を穴部２２の壁面２４に直接接触させると共に当該ステージ３０を穴部２２に固定するための雄ネジ３３が形成されている。一方、軸２０の穴部２２の壁面２４には雌ネジ２５が形成されている。そして、ステージ３０が軸２０にネジ止めされる。これにより、軸２０で発生した歪による応力が穴部２２の壁面２４からステージ３０の側面３２全体に直接伝わると共に、ステージ３０が当該応力によって自ら変形する。したがって、軸２０で発生した歪による応力を、センサチップ４０に均一に伝えることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面（２１）の一部が凹んだことにより底面（２３）とこの底面（２３）及び前記表面（２１）に接する壁面（２４）とで構成された穴部（２２）を有する軸（２０）に発生する歪を測定するように構成されたトルクセンサであって、
一面（３１）と前記一面（３１）に対して傾けられた側面（３２）とを有すると共に、前記軸（２０）の穴部（２２）に配置されるステージ（３０）と、
前記ステージ（３０）の一面（３１）に設置されていると共に、前記ステージ（３０）を介して前記軸（２０）の歪を検出するセンサチップ（４０）と、
を備え、
前記軸（２０）の穴部（２２）は、前記壁面（２４）に、前記ステージ（３０）を固定するための第１係合手段（２５、２６、２７）を有し、
前記ステージ（３０）は、前記側面（３２）に、当該側面（３２）を前記穴部（２２）の壁面（２４）に直接接触させると共に、前記第１係合手段（２５、２６、２７）に引っ掛かることで当該ステージ（３０）を前記穴部（２２）に固定するための第２係合手段（３３、３４、３５）を有していることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２】
前記第１係合手段は、前記軸（２０）の壁面（２４）に形成された雌ネジ（２５）であり、
前記第２係合手段は、前記ステージ（３０）の側面（３２）に設けられた雄ネジ（３３）であり、
前記ステージ（３０）は、前記雌ネジ（２５）と前記雄ネジ（３３）のネジ止めにより前記穴部（２２）に対して固定されていることを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
【請求項３】
前記第１係合手段（２５、２６、２７）は、前記穴部（２２）の壁面（２４）に形成されていると共に前記軸（２０）の表面（２１）から前記底面（２３）側に延設された溝状の挿入穴（２６）であり、
前記第２係合手段は、前記ステージ（３０）の側面（３２）の一部が突出した突起部（３４）であり、
前記ステージ（３０）は、前記突起部（３４）が前記挿入穴（２６）に差し込まれることにより前記穴部（２２）に対して固定されていることを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
【請求項４】
前記第１係合手段は、前記穴部（２２）の壁面（２４）の一部が凹んだ嵌合穴（２７）であり、
前記第２係合手段は、前記ステージ（３０）の側面（３２）の一部が突出した嵌合部（３５）であり、
前記ステージ（３０）は、前記嵌合部（３５）が前記穴部（２２）の嵌合穴（２７）に嵌め込まれることにより前記穴部（２２）に対して固定されていることを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
【請求項５】
前記ステージ（３０）は、当該ステージ（３０）の一面（３１）が円形であると共に、前記軸（２０）の表面（２１）における平面形状が円形である前記穴部（２２）に固定されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のトルクセンサ。
【請求項６】
前記ステージ（３０）は、前記軸（２０）よりもヤング率が低いことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のトルクセンサ。
【請求項７】
前記ステージ（３０）は、当該ステージ（３０）の一面（３１）が前記軸（２０）の表面（２１）と同一平面上に位置するように、前記穴部（２２）に固定されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載のトルクセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸に発生する歪を測定するトルクセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、軸に発生する歪を測定するトルクセンサが、例えば特許文献１で提案されている。具体的には、平面部が設けられた軸と、歪を検出するためのセンシング部が設けられた歪検出基板と、を備えたトルクセンサの構成が提案されている。
【０００３】
また、軸の平面部にはネジ穴が設けられていると共に、歪検出基板にはネジが挿入される複数の貫通孔が設けられている。そして、ネジが歪検出基板の貫通孔に差し込まれて軸のネジ穴に締め付けられることにより、歪検出基板が軸に固定される構造が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３０１５０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の技術では、歪検出基板が軸にネジ止めされているので、軸で発生した歪による応力が軸とネジとの接触部及びネジと歪検出基板との接触部で伝わることになる。すなわち、応力は軸と歪検出基板との積層方向に伝わる。このように、ネジを介して軸から歪検出基板に応力を伝達させているので、センシング部への応力の伝達が不均一になり、歪の検出精度等に影響を及ぼすという問題がある。
【０００６】
本発明は上記点に鑑み、軸で発生した歪による応力をセンサチップに均一に伝えることができる構造を備えたトルクセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、表面（２１）の一部が凹んだことにより底面（２３）とこの底面（２３）及び表面（２１）に接する壁面（２４）とで構成された穴部（２２）を有する軸（２０）に発生する歪を測定するように構成されたトルクセンサであって、以下の点を特徴としている。
【０００８】
すなわち、一面（３１）と一面（３１）に対して傾けられた側面（３２）とを有すると共に、軸（２０）の穴部（２２）に配置されるステージ（３０）を備えている。また、ステージ（３０）の一面（３１）に設置されていると共に、ステージ（３０）を介して前記軸（２０）の歪を検出するセンサチップ（４０）を備えている。
【０００９】
そして、軸（２０）の穴部（２２）は、壁面（２４）に、ステージ（３０）を固定するための第１係合手段（２５、２６、２７）を有している。さらに、ステージ（３０）は、側面（３２）に、当該側面（３２）を穴部（２２）の壁面（２４）に直接接触させると共に、第１係合手段（２５、２６、２７）に引っ掛かることで当該ステージ（３０）を穴部（２２）に固定するための第２係合手段（３３、３４、３５）を有していることを特徴とする。
【００１０】
これによると、軸（２０）の第１係合手段（２５、２６、２７）とステージ（３０）の第２係合手段（３３、３４、３５）によってステージ（３０）が軸（２０）の穴部（２２）に固定されるので、軸（２０）で発生した歪による応力が穴部（２２）の壁面（２４）からステージ（３０）の側面（３２）に直接伝わる。これに伴い、ステージ（３０）が当該応力によって自ら変形する。したがって、軸（２０）で発生した歪による応力を、センサチップ（４０）に均一に伝えることができる。
【００１１】
なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態に係るトルクセンサの模式図である。
【図２】図１のトルクセンサの分解図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係るトルクセンサの分解図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係るトルクセンサの分解図である。
【図５】他の実施形態に係るステージの模式図である。
【図６】他の実施形態に係るステージの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
【００１４】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。本実施形態に係るトルクセンサは、例えば自動車のエンジンのシャフトやエアコン用のコンプレッサの軸のトルクを検出するものとして利用される。
【００１５】
図１及び図２に示されるように、トルクセンサ１０は、軸２０と、ステージ３０と、センサチップ４０と、を備えて構成されている。
【００１６】
軸２０は、棒状のいわゆるシャフトであり、歪の測定対象である。また、軸２０は表面２１が凹んだ穴部２２を有している。穴部２２は、軸２０の表面２１の一部が凹んだことにより底面２３とこの底面２３及び表面２１に接する壁面２４とで構成されている。また、穴部２２は、軸２０の表面２１における平面形状が円形になっている。つまり、底面２３の平面形状が円形である。そして、図２に示されるように、穴部２２の壁面２４はネジ切り加工されている。すなわち、穴部２２の壁面２４にはステージ３０を固定するための雌ネジ２５が形成されている。軸２０の材質として、例えば炭素鋼等の硬い材料が採用される。
【００１７】
ステージ３０は、一面３１とこの一面３１に対して傾けられた側面３２とを有する板状の部品である。本実施形態では、ステージ３０の一面３１の平面形状は円形である。すなわち、ステージ３０は円板状をなしている。したがって、本実施形態では、ステージ３０の一面３１は側面３２に接していると共に、一面３１と側面３２とが垂直の関係になっている。
【００１８】
ステージ３０の側面３２はネジ切り加工されている。すなわち、ステージ３０の側面３２には雄ネジ３３が形成されている。雄ネジ３３は、ステージ３０の側面３２を穴部２２の壁面２４に直接接触させると共に雌ネジ２５に引っ掛かることでステージ３０を穴部２２に固定するための係合手段である。したがって、図１に示されるように、ステージ３０は、ネジ止めにより軸２０の穴部２２に固定されている。
【００１９】
また、ステージ３０の一面３１の径は、軸２０の穴部２２の径すなわち底面２３の径と同じになっている。さらに、ステージ３０は、当該ステージ３０の一面３１が軸２０の表面２１と同一平面上に位置するように、穴部２２にネジ止めされている。なお、ステージ３０の一面３１には当該ステージ３０を軸２０にネジ止めするために必要な構造が設けられている。
【００２０】
また、ステージ３０が軸２０の穴部２２から外れにくくするために穴部２２の底面２３に図示しない接着剤が設けられている。これにより、軸２０とステージ３０とが接着剤によっても固定されるので、ステージ３０のネジ止めの緩みを防止することができる。
【００２１】
上記のようなステージ３０は、軸２０よりもヤング率が低い材質で構成されている。例えば、Ａｌ等の金属材料や樹脂等である。これにより、軸２０からステージ３０に伝わる応力が緩和されるので、穴部２２の底面２３に接着剤が設けられている場合には接着剤を剥がれにくくすることができる。
【００２２】
センサチップ４０は、ステージ３０を介して軸２０の歪を検出するように構成された歪計測センサである。センサチップ４０は、歪を検出するためのセンシング部を有している。センシング部の歪の検出方式としては、ゲージ抵抗の抵抗値の変化によって歪を検出する歪ゲージ方式や、弾性表面波を用いて歪を検出するＳＡＷ（surface acoustic wave）方式が採用される。センサチップ４０は、ステージ３０の一面３１に接着剤を介して配置されている。なお、センサチップ４０は、リード等の配線を介して外部機器と電気的に接続される。
【００２３】
センサチップ４０のセンシング部として歪ゲージを採用した場合、軸２０の歪を検出してトルクの情報を得るためにはセンサチップ４０における各ゲージ抵抗の延設方向を軸２０の長手方向に対して４５°に傾ける必要がある。これに対応するため、雄ネジ３３や雌ネジ２５のネジ切りの位置を調整することにより、ステージ３０を軸２０の穴部２２に締め付けたときにゲージ抵抗の延設方向が軸２０の長手方向に対して４５°傾けられるようにする。このように、雄ネジ３３及び雌ネジ２５のネジ切りの位置を調整することによって軸２０に対するステージ３０の取り付け角度を任意に設定することもできる。
【００２４】
次に、上記のトルクセンサ１０の歪検出方法について説明する。軸２０に歪が発生すると、歪による応力は軸２０内を伝達する。そして、軸２０とステージ３０との境界部では、軸２０の穴部２２の壁面２４からステージ３０の側面３２に歪による応力が伝わる。すなわち、歪は、軸２０の穴部２２の雌ネジ２５とステージ３０の雄ネジ３３との接触部分を介して軸２０からステージ３０に伝わる。そして、ステージ３０に伝わった応力がセンサチップ４０のセンシング部によって検出される。
【００２５】
以上説明したように、本実施形態では、トルクセンサ１０は、ステージ３０がネジ形状を有すると共に軸２０にネジ止めされる構造が特徴となっている。これにより、軸２０で発生した歪による応力が穴部２２の壁面２４からステージ３０の側面３２に直接伝わるようにすることができる。すなわち、ステージ３０の一面３１の面方向に軸２０からステージ３０に歪による応力を伝えることができる。また、当該応力によってステージ３０が自らを変形させるようにすることができる。したがって、軸２０で発生した歪による応力を、センサチップ４０に均一に伝えることができる。
【００２６】
特に、本実施形態では、ステージ３０の側面３２の全体がネジ形状になっているので、ステージ３０の側面３２の全体が穴部２２の壁面２４に接触する。これにより、軸２０からステージ３０への応力の伝達をより均一に伝達させることができる。また、歪によってステージ３０をより均一に変位させることができる。
【００２７】
そして、本実施形態では、ステージ３０の一面３１及び軸２０の穴部２２の平面形状がそれぞれ円形になっている。これにより、平面形状が多角形状の場合に対して、軸２０からステージ３０に伝わる応力の分散を最も均一にすることができる。さらに、ステージ３０の一面３１が軸２０の表面２１と同一平面上に位置しているので、応力の分散が最も良いというメリットもある。
【００２８】
例えば、軸２０がエンジンのシャフトの場合にはステージ３０を軸２０に溶接することは困難であり、作業性を考慮しても溶接の方法は好ましくない。しかしながら、本実施形態に係るステージ３０は、ステージ３０そのものがネジ形状になっていることから、ステージ３０を軸２０に溶接する必要がない。ステージ３０をネジ形状に形成することも容易である。また、溶接や接着剤によってステージ３０を軸２０に固定する場合よりも容易に軸２０にステージ３０を固定することができる。もちろん、軸２０からステージ３０を取り外してセンサチップ４０を交換することも可能である。
【００２９】
なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、雌ネジ２５が特許請求の範囲の「第１係合手段」に対応し、雄ネジ３３が特許請求の範囲の「第２係合手段」に対応する。
【００３０】
（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。図３に示されるように、軸２０の穴部２２は、壁面２４に、当該壁面２４の一部が凹んでいると共に軸２０の表面２１から底面２３側に延設された挿入穴２６を有している。
【００３１】
本実施形態では、挿入穴２６は軸２０の表面２１から底面２３側に一定の長さを持つと共に、挿入穴２６のうち底面２３側の端部から底面２３の周方向に一定の長さを持った溝部である。言い換えると、穴部２２の壁面２４にＬ字状の溝部が形成されている。
【００３２】
一方、ステージ３０は、側面３２に当該側面３２の一部が突出した突起部３４を有している。本実施形態では、突起部３４は円柱状をなしている。突起部３４におけるステージ３０の一面３１の周方向の幅は、挿入穴２６における軸２０の穴部２２の底面２３の周方向の幅と同等以下になっている。また、突起部３４の高さは挿入穴２６の深さと同等以上になっている。ステージ３０の一面３１の径は軸２０の穴部２２の底面２３の径と同じになっている。
【００３３】
本実施形態では、挿入穴２６及び突起部３４は穴部２２及びステージ３０にそれぞれ４カ所ずつ設けられている。また、各突起部３４は各挿入穴２６に対応した位置に形成されている。そして、ステージ３０の各突起部３４が対応する挿入穴２６に差し込まれると共に挿入穴２６内を挿入穴２６に沿って終端部まで移動することでステージ３０が穴部２２に固定される。このようして、図１に示されるようにステージ３０が軸２０に固定される。
【００３４】
以上の構成により、ステージ３０の突起部３４の先端と側面３２が穴部２２の壁面２４に接触するので、ステージ３０の一面３１の面方向に沿って軸２０からステージ３０に歪による応力を均一に伝えることができる。また、当該応力をセンサチップ４０に均一に伝えることができる。
【００３５】
なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、挿入穴２６が特許請求の範囲の「第１係合手段」に対応し、突起部３４が特許請求の範囲の「第２係合手段」に対応する。
【００３６】
（第３実施形態）
本実施形態では、第１、第２実施形態と異なる部分について説明する。図４に示されるように、軸２０の穴部２２は、壁面２４に、当該壁面２４の一部が凹んだ複数の嵌合穴２７を有している。一方、ステージ３０は、側面３２に当該側面３２の一部が突出した複数の嵌合部３５を有している。
【００３７】
本実施形態では、嵌合部３５は三角柱であり、嵌合穴２７は三角柱状の溝をなしている。また、嵌合部３５の平面形状と嵌合穴２７の平面形状は同じであり、嵌合部３５の平面サイズは嵌合穴２７の平面サイズと同等以下になっている。さらに、嵌合部３５の高さは嵌合穴２７の深さと同等以上になっている。嵌合穴２７及び嵌合部３５は穴部２２及びステージ３０にそれぞれ４カ所ずつ設けられている。各嵌合部３５は各嵌合穴２７に対応した位置に形成されている。
【００３８】
そして、ステージ３０が穴部２２に圧入等によって差し込まれると、嵌合部３５が嵌合穴２７に嵌め込まれて動けなくなる。すなわち、嵌合部３５が嵌合穴２７に強接合される。言い換えると、嵌合部３５は嵌合穴２７によって嵌め殺しの状態となる。これにより、ステージ３０は穴部２２に対して固定される。
【００３９】
以上により、ステージ３０の側面３２と軸２０の穴部２２の壁面２４を接触させて、軸２０からステージ３０に歪による応力を均一に伝えるようにすることができる。
【００４０】
なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、嵌合穴２７が特許請求の範囲の「第１係合手段」に対応し、嵌合部３５が特許請求の範囲の「第２係合手段」に対応する。
【００４１】
（他の実施形態）
上記各実施形態で示されたトルクセンサ１０の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、トルクセンサ１０は車両に用いられるものであったが、これはトルクセンサ１０の利用形態の一例であり、もちろん車両以外にも用いることができる。
【００４２】
第１実施形態では、ステージ３０自体がネジ形状になっていたが、例えば図５（ａ）に示されるように、ステージ３０の一面３１に六角の穴を設けてその穴にセンサチップ４０を配置しても良い。これにより、ステージ３０を軸２０に取り付けやすくすることができる。また、図５（ｂ）に示されるように、ステージ３０自体がボルトになっていても良い。さらに、図５（ｃ）に示されるように、ボルト部分に穴を設けて、穴の底をステージ３０の一面３１としてしても良い。これにより、センサチップ４０を保護することができる。一方、図６に示されるように、ステージ３０は円柱状ではなく、円錐状になっていても良い。この場合、ステージ３０の一面３１と側面３２とは所定の角度で傾けられた関係となる。これは、ステージ３０に突起部３４や嵌合部３５が設けられたものでも可能である。
【００４３】
第２実施形態では、円柱状の突起部３４が採用されていたが、これは突起部３４の一例である。したがって、突起部３４は多角柱でも良い。また、挿入穴２６の延設形状についてもＬ字状に限らず他の形状になっていても良い。第３実施形態で示された嵌合部３５についても同様に、嵌合部３５は三角柱以外の多角柱や円柱でも良い。さらに、突起部３４や嵌合部３５の数や位置についても適宜設定すれば良い。
【００４４】
上記各実施形態では、ステージ３０の一面３１と軸２０の表面２１とが同一平面上に位置していたが、これは軸２０に対するステージ３０の固定の一例である。したがって、ステージ３０が軸２０に取り付けられたときにステージ３０の一部が軸２０の表面２１と一致していなくても良い。例えば、ステージ３０の一面３１が軸２０の表面２１から突出していても良い。
【符号の説明】
【００４５】
２０  軸
２１  表面
２２  穴部
２３  底面
２４  壁面
２５  雌ネジ（第１係合手段）
３０  ステージ
３１  一面
３２  側面
３３  雄ネジ（第２係合手段）
４０  センサチップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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