(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トルクを測定すべき回転機器の出力軸にジンバルバネを介して取り付けられ気流の風圧を受ける風圧受け部を有するタービンと、
このタービンが配置される中央穴を有し、中央穴内周面に開口した吸引口から中央穴内にタービンに負荷を与える気流を導入する案内板と、
前記吸引口から導入させて前記風圧受け部に衝突する気流を発生させる気流発生手段と、
この気流発生手段で発生する気流量を調節する気流量調節手段と、
前記風圧受け部に作用する風圧を検出する風圧検出手段と、
前記タービンの回転数を検出する回転数検出手段と、
を備え、
前記出力軸を所定の回転数で回転させた状態で、前記気流発生手段で発生する気流量を前記気流量調節手段により増大させて、風圧受け部に衝突する風圧を増大させ、出力軸の回転数が低下する時点での前記風圧受け部に作用する風圧を前記風圧検出手段により検出して、所定の回転数での出力軸のトルクを測定するようになっているトルク測定装置。
【請求項２】
タービンとジンバルバネとは一体化されている請求項１に記載のトルク測定装置。
【請求項３】
風圧受け部である羽根はスパイラル形状である請求項１または請求項２に記載のトルク測定装置。
【請求項４】
風圧検出手段は、風圧受け部に衝突した気流が導かれる出口側チャンバ内に設けられた圧力センサであり、この圧力センサで測定された出口側チャンバ内の圧力と大気圧との差により、風圧受け部に作用する風圧を検出するようになっている請求項１ないし請求項３の何れかに記載のトルク測定装置。
【請求項５】
気流量調節手段は、可変変圧器である請求項１ないし請求項４の何れかに記載のトルク測定装置。
【請求項６】
回転数検出手段は、先端部が羽根に指向した光センサと、光センサからのパルス信号の出力波形の周波数を計測する周波数カウンタとを備えている請求項１ないし請求項５の何れかに記載のトルク測定装置。
【請求項７】
回転機器は、マイクロモータである請求項１ないし請求項６の何れかに記載のトルク測定装置。
【請求項８】
請求項１に記載のトルク測定装置のジンバルバネの製造方法であって、
表面に電極膜が形成された基板上にレジストを塗布する工程と、
マスクを用いてレジストを露光、現像する工程と、
その後、前記レジストの空隙部に電解めっきを施す工程と、
最後に、前記レジストを除去し、前記電極膜から前記電解メッキで構成されたジンバルバネを剥離する工程と
を含むトルク測定装置のジンバルバネの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば携帯端末や携帯電話等に用いられる超小型モータ等の微少な回転機器のトルク検出に好適なトルク測定装置及びそのジンバルバネの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は特開昭５９−１４２４２９号公報に示されたトルク測定装置の構成図である。
このトルク測定装置は、モータ１０１に取付けられた回転部分１０２がひげぜんまい１０３に取付けられた端子１０４と接触するようになっている。ひげぜんまい１０３は、わく１０５によって保持され、また全体が一対の受部材１０６によって支持されている。そして、モータ１０１が回転することによって、回転部分１０２と端子１０４を介してひげぜんまい１０３が巻かれるように構成されている。
【０００３】
このトルク測定装置では、モータ１０１が回転するに従って、ひげぜんまい１０３が巻かれ、徐々にひげぜんまい１０３に生じる力は大きくなる。ひげぜんまい１０３の力がモータ１０１の回転部分１０２の回転トルクに等しくなったときに、モータ１０１の回転は停止する。そして、モータ１０１の回転部分１０２を端子１０４に当てたときの初期位置から、モータ１０１の回転が停止した位置までの回転角をセンサ１０７で検出することで、トルクが算出される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
現在、民生機器、携帯端末や携帯電話などでは、機器の薄型化、軽量化が促進され、使用するモータの超小型化が図られている。機器の消費電力の低減や効率確保、信頼性向上の観点から、モータのトルクの測定法の開発が重要となっている。
しかし、上述した従来のトルク測定装置では、ひげぜんまい１０３の巻き量に制限があるため、回転角が大きくなるとトルクの測定が困難であるという問題点があった。
【０００５】
また、モータ１０１に回転部分１０２を取付ける必要があるため、モータ１０１のトルクが小さい場合には、回転部分１０２が負荷となって、トルクの正確な測定が困難になったり、ミニサイズのモータの場合には、モータ１０１の回転軸に回転部分１０２を取付けることが困難であるという問題点もあった。
【０００６】
さらに、ひげぜんまい１０３の中心とモータ１０１の軸芯が一致していないときには、モータ１０１の軸に対して斜めにひげぜんまい１０３のトルクが作用することになり、測定精度が悪いという問題点もあった。
【０００７】
さらにまた、モータ１０１とぜんまい１０３とは、半径方向に延びた回転部分１０２と、端子１０４を介して取付けられるため、モータ１０１には偏心荷重が作用して測定精度が悪いという問題点もあった。
【０００８】
また、モータ１０１が回転しているときのトルクを連続的に測定することが困難であるため、０〜数万ｒｐｍ以上の回転数に渡ってトルク測定を行うためには、ひげぜんまい１０３のバネ定数を変えたものを複数種類用意する必要があり、測定に時間を要するという問題点もあった。
【０００９】
この発明は、上記のような問題点を解消することを課題とするものであって、簡単に、かつ精度良くトルクを測定することができる等のトルク測定装置、及びそのジンバルバネの製造方法を得ることを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１に係るトルク測定装置は、トルクを測定すべき回転機器の出力軸にジンバルバネを介して取り付けられ気流の風圧を受ける風圧受け部を有するタービンと、このタービンが配置される中央穴を有し、中央穴内周面に開口した吸引口から中央穴内にタービンに負荷を与える気流を導入する案内板と、前記吸引口から導入させて前記風圧受け部に衝突する気流を発生させる気流発生手段と、この気流発生手段で発生する気流量を調節する気流量調節手段と、前記風圧受け部に作用する風圧を検出する風圧検出手段と、前記タービンの回転数を検出する回転数検出手段とを備え、前記出力軸を所定の回転数で回転させた状態で、前記気流発生手段で発生する気流量を前記気流量調節手段により増大させて、風圧受け部に衝突する風圧を増大させ、出力軸の回転数が低下する時点での前記風圧受け部に作用する風圧を前記風圧検出手段により検出して、所定の回転数での出力軸のトルクを測定するようになっているものである。
【００１１】
請求項２に係るトルク測定装置では、タービンとジンバルバネとが一体化されている。
【００１２】
請求項３に係るトルク測定装置では、羽根はスパイラル形状である。
【００１３】
請求項４に係るトルク測定装置では、風圧検出手段は、風圧受け部に衝突した気流が導かれる出口側チャンバ内に設けられた圧力センサであり、この圧力センサで測定された出口側チャンバ内の圧力と大気圧との差により、風圧受け部に作用する風圧を検出するようになっている。
【００１４】
請求項５に係るトルク測定装置では、気流量調節手段は、可変変圧器である。
【００１５】
請求項６に係るトルク測定装置では、回転数検出手段は、先端部が羽根に指向した光センサと、光センサからのパルス信号の出力波形の周波数を計測する周波数カウンタとを備えている。
【００１６】
請求項７に係るトルク測定装置では、回転機器は、マイクロモータである。
【００１７】
この発明のトルク測定装置のジンバルバネの製造方法は、表面に電極膜が形成された基板上にレジストを塗布する工程と、マスクを用いて前記レジストを露光、現像する工程と、その後、前記レジストの空隙部に電解めっきを施す工程と、最後に、前記レジストを除去し、前記電極膜から前記電解メッキで構成されたジンバルバネを剥離する工程とを含む。
【００１８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るトルク測定装置の構成図である。
このトルク測定装置は、トルクを測定すべき回転機器としてのマイクロモータ（以下の説明ではモータと略称する。）５の出力軸５ａにジンバルバネ８ｂを介して取り付けられるとともに気流の風圧を受ける風圧受け部としての羽根８ａを有するタービン８と、このタービン８が配置される中央穴９ｂを有し、この中央穴９ｂ内周面に開口する吸引口９ａから中央穴９ｂ内にタービン８の回転方向と逆方向の気流を導入し、導入された気流を中央穴９ｂのモータ５とは反対側の開口部からタービン８の軸線方向に排出する環状の案内板９と、案内板９の吸引口９ａから導入される気流を発生させる気流発生手段としてのクリーナ１７と、気流量を調節する気流量調節手段としての可変変圧器１８と、羽根８ａに作用する風圧を検出するための圧力センサ１６と、タービン８の回転数を検出するための回転数検出手段としての、光センサ１２及び周波数カウンタ１３とを備えている。
【００１９】
図２（ａ）は図１のトルク測定装置のタービン８及びモータ５の平面図、図２（ｂ）はその側面図である。
タービン８は円板状であり、かつ外周縁部に対向して羽根８ａが取り付けられている。この羽根８ａは板状で、この板面が半径方向に沿って配設され、風圧を受ける面が円周方向に対して直交するようになっている。
一方、案内板９は羽根５を含むタービン８全体を取り囲む中央穴９ｂを有する円盤形状で、中央穴９ｂの穴径はタービン８の外径よりも若干大きく、吸引口９ａは案内板９の内周側から外周側にタービン８の回転軸に対して直交する方向に貫通している。この吸引口９ａの位置は羽根８ａに向けて気流が当たってタービン８に偶力が作用するように構成されている。勿論、吸引口９ａの数は限定されず、３カ所以上に設けることもできるし、一つでもよい。
【００２０】
モータ５はモータ側チャンバ１１内に収納されている。このモータ側チャンバ１１は案内板９を介して出口側チャンバ１５に連結されている。
モータ側チャンバ１１内のモータ５は、モータ用ステージ１０によって位置調節自在に支持されている。
出口側チャンバ１５内の光センサ１２はセンサ用ステージ１４によって位置調節自在に支持され、かつリード線によって出口側チャンバ１５の外の周波数カウンタ１３と接続されている。
出口側チャンバ１５には通風路１５ａを介してクリーナ１７が接続され、クリーナ１７によって出口側チャンバ１５内の空気を吸引するようになっている。このクリーナ１７の出力は、可変変圧器１８によって調節可能となっている。
【００２１】
このトルク測定装置では、下記の手順に従ってモータ５のトルクを測定する。まず、モータ５の出力軸５ａに予め接着剤でジンバルバネ８ｂが接着されたタービン８を固定する。次に、タービン８を取付けたモータ５をモータ用ステージ１０に固定し、モータ側チャンバ１１内に配置する。その後、タービン８が案内板９の中心に位置するように、モータ用ステージ１０を調節する。
【００２２】
一方、モータ５の回転数を測定するための光センサ１２をセンサ用ステージ１４に固定して、出口側チャンバ１５内に配置する。次に、光センサ１２がタービン８の羽根８ａの外周部に位置するように、センサ用ステージ１４を調節する。このとき、モータ５を回転させながら、光センサ１２の出力が最大となるようにセンサ用ステージ１４の高さを調節する。光センサ１２は、通常、センサのファイバ先端と対象物との変位の測定に用いるものであり、タービン８の羽根８ａが光センサ１２を通過したときにパルス状の出力が得られる。この出力波形の周波数を周波数カウンタ１３で計測することにより、モータ５の回転数を求めることができる。
以上のようにして、モータ５、光センサ１２等の配置を行った後に、モータ５の回転トルクを計測する。
【００２３】
それには、まず、モータ５を所定の回転数で回転させる。
次に、可変変圧器１８の電圧を徐々に大きくして、クリーナ１７を回転させる。クリーナ１７を起動させることにより、トルク測定装置の周囲の空気は、図１中の矢印Ａで示すように、案内板９に設けられた吸引口９ａから、出口側チャンバ１５を通過し、クリーナ１７の出口側へ流れる。
【００２４】
可変変圧器１８の電圧を徐々に大きくしてクリーナ１７の出力を上昇させると、空気の流速が増加し、吸引口９ａからタービン８の羽根８ａに向かって吸引され、その空気はタービン８の羽根８ａに衝突した後、出口側チャンバ１５へ流出する。このときのモータ５の回転数は周波数カウンタ１３でモニタしておく。
【００２５】
羽根８ａは、空気と衝突することにより、出口側チャンバ１５と大気との差圧分の力を受けることになり、モータ５には負荷として作用する。このモータ５に作用する負荷の値は、出口側チャンバ１５内の圧力を測定する圧力センサ１６と大気との差圧に羽根８ａの面積を掛け合わせて求めることができる。空気の流れの増加によってタービン８が受ける力が増大して、それに伴い、モータ５の回転数が段階状に減少する。
【００２６】
周波数カウンタ１３の出力を確認しながら、徐々にクリーナ１７の出力を増大させ、周波数カウンタ１３の出力が段階状に小さくなったときの圧力センサ１６の値を計測する。この圧力値と大気圧とから差圧を求め、前述のようにしてモータ５に作用する負荷を求めて、タービン８の羽根８ａの平均半径に、測定して得られた負荷量を掛け合わせることによって、所定の回転数で回転中のそのときのトルクを求めることができる。
さらに、モータ５の回転数を変え、上述の操作を繰り返すことによって、新たな回転数でのモータ５のトルク値を測定することが可能である。
【００２７】
以上のように、このトルク測定装置では、風圧をタービン８に作用させることでモータ５のトルク値を測定することができ、任意のモータ５の回転数に対して、回転中のトルク値を測定することができる。
また、モータ５に作用させる負荷は空気のみであるために、モータ５に余分の負荷を与えることがなく、測定精度の向上を図ることができる。
さらに、タービン８をモータ５の出力軸５ａに取り付けるだけでトルクの測定ができるため、測定に要する時間を短縮することができる。
【００２８】
また、タービン８をモータ５の出力軸５ａに取り付けることでトルクの測定が可能であるが、タービン８に均一に風圧を与えるためには、タービン８をモータ５の出力軸５ａに対して、風圧方向に対して高精度に取り付ける必要がある。この実施の形態では、タービン８をジンバルバネ８ｂを介して出力軸５ａに取り付けているので、風力に対する負荷が最大限（風圧が羽根８ａに対して垂直に作用する。）になるように、タービン８ａが自動調心され、タービン８をモータ５の出力軸５ａに取り付けるのに時間を要する必要性がない。
【００２９】
次に、上記ジンバルバネ８ｂの製造方法について図３に基づいて説明する。
一般に、ジンバルバネの製造方法としては、機械加工や、エッチング等の物理化学加工で製作することができる。しかし、形状が非常に小さく、３次元の複雑な形状が要求される、このジンバルバネ８ｂでは、通常の機械加工や、エッチング等の方法で製造すること非常に難しく、半導体製造プロセスを利用している。
先ず、表面に電極膜３０が形成された基板１９上にレジスト２０を塗布する（図３（ａ））。次に、マスクを用いてレジスト２０を露光、現像する（図３（ｂ））。その後、レジスト２０の空隙部に電解めっき２１を施す（図３（ｃ））。最後に、レジスト２０を除去（図３（ｄ）し、電極膜３０から電解メッキで構成されたジンバルバネ８ｂを剥離する。
【００３０】
実施の形態２．
上記実施の形態では、タービン８とジンバルバネ８ｂとは別部品としたが、半導体製造プロセスを利用した場合、３次元的な構造も製作可能なため、ジンバルバネ３８ｂとタービン３８とを一体化して製造することが可能である。
図４に示すとおり、タービン３８は、ジンバルバネ３８ｂと一体化されているため、モータ５の出力軸５ａに取付けるのみでよく、取付作業を簡便にすることができる。
【００３１】
実施の形態３．
図５（ａ）はこの発明の実施の形態３のタービン４８の平面図、図５（ｂ）はその側面図であり、この実施の形態では、タービン４８とジンバルバネ４８ｂとが一体化されているとともに、さらにタービン４８の羽根４８ａはスパイラル形状に形成されている。それにより、風の抵抗が非常に小さい場合でも回転可能となり、微少なトルク域まで高精度に測定が可能となる。
なお、羽根は先端に行く程肉厚を小さくするようにしてもよい。また、上記の各実施の形態では、回転機器としてマイクロモータについて説明したが、勿論このものに限定されない。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の請求項１に係るトルク測定装置によれば、出力軸を所定の回転数で回転させた状態で、気流発生手段で発生する気流量を気流量調節手段により増大させて、フィルタで濾過された空気が風圧受け部に衝突する風圧を増大させ、出力軸の回転数が低下する時点での風圧受け部に作用する風圧を風圧検出手段により検出して、所定の回転数での出力軸のトルクを測定するようになっているので、回転機器に余分の負荷を作用させずに回転中のトルクを測定することができる。また、回転機器の出力軸の回転数を変えて、任意の回転数における回転中のトルクも測定することができる。さらに、タービンに回転機器を取り付けるだけで、回転機器のトルクを測定することができるため、測定期間を短縮することができる。
また、回転機器の出力軸にジンバルバネを介してタービンが取り付けられるので、風力に対する負荷が最大限になるように、タービンが自動調心され、タービンをモータの出力軸に取り付けるのに時間を要しないとともに、測定精度が向上する。
【００３３】
また、請求項２に係るトルク測定装置では、タービンとジンバルバネとは一体化されているので、部品点数を削減することができるとともに、組立時間を短縮することができる。
【００３４】
また、請求項３に係るトルク測定装置では、羽根はスパイラル形状であるので、微小なトルク域まで高精度で測定することができる。
【００３５】
また、請求項４に係るトルク測定装置では、風圧検出手段は、風圧受け部に衝突する気流が導かれる出口側チャンバ内に設けられた圧力センサであり、この圧力センサで測定された出口側チャンバ内の圧力と大気圧との差により、風圧受け部に作用する風圧を検出するようになっているので、簡単に風圧受け部に作用する風圧を検出することができる。
【００３６】
また、請求項５に係るトルク測定装置では、気流量調節手段は、可変変圧器であるので、簡単に気流量を調節することができる。
【００３７】
また、請求項６に係るトルク測定装置では、回転数検出手段は、先端部が羽根に指向した光センサと、光センサからのパルス信号の出力波形の周波数を計測する周波数カウンタとを備えているので、簡単、かつ正確にタービンの回転数を計測することができる。
【００３８】
また、請求項７に係るトルク測定装置では、回転機器は、マイクロモータであり、簡単に、かつ精度よくマイクロモータのトルクを測定することができる。
【００３９】
また、請求項８に係るトルク測定装置のジンバルバネの製造方法は、表面に電極膜が形成された基板上にレジストを塗布する工程と、マスクを用いて前記レジストを露光、現像する工程と、その後、前記レジストの空隙部に電解めっきを施す工程と、最後に、前記レジストを除去し、電極膜から電解メッキで構成されたジンバルバネを剥離する工程とを含むので、極小で、複雑な３次元形状のジンバルバネを大量に安価で、かつ安定した形状で製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係るトルク測定装置の概略構成を示す図である。
【図２】（ａ）は図１のタービン及びモータの平面図、（ｂ）は図１のタービン及びモータの側面図である。
【図３】（ａ）ないし（ｄ）はジンバルバネの各製造工程を示す図である。
【図４】（ａ）はこの発明の実施の形態２に係るトルク測定装置のタービンの平面図、（ｂ）はその側面図である。
【図５】（ａ）はこの発明の実施の形態３に係るトルク測定装置のタービンの平面図、（ｂ）はその側面図である。
【図６】従来のマイクロモータのトルク測定装置を示すもので、同図（ａ）は要部平断面図、同図（ｂ）は縦断面図である。
【符号の説明】
５  マイクロモータ、５ａ  出力軸、８，３８，４８  タービン、８ａ，３８ａ，４８ａ  羽根、８ｂ，３８ｂ，４８ｂ  ジンバルバネ、９  案内板、９ａ  吸引口、１２  光センサ（回転数検出手段）、１３  周波数カウンタ（回転数検出手段）、１６  圧力センサ（風圧検出手段）１７  クリーナ（気流発生手段）、１８  可変変圧器（気流量調節手段）、１９  基板、２０  レジスト、２１  電解メッキ。
【図１】
0003553411.tif 000002
【図２】
0003553411.tif 000003
【図３】
0003553411.tif 000004
【図４】
0003553411.tif 000005
【図５】
0003553411.tif 000006
【図６】
0003553411.tif 000007