(57)【要約】【課題】  小型軽量，高感度，高精度でかつ安価に製造でき、取付けの制約が少なく、従来の製造プロセスを踏襲できるトルク検出装置を提供する。【解決手段】  トルクを伝達する軸体と、この軸体に固定され軸体と共に回転可能で、軸体の捻れによって発生する微小変位を、モジュール支持部材の応力として受領し、この応力からトルク値を検出及び算出し、前記トルク情報を電磁波で軸外部へ送出するトルク被検出モジュールからなり、前記応力検出原理がトルクを伝達する軸体の材料特性又は、軸体表面に膜状に固定された材料の特性を利用せず、モジュール支持部材の材料特性又は支持部材表面に膜状に固定された材料の特性を利用する。また、トルク被検出モジュールは、支持部材形状の一部が、Ｘ形をなし、トルク検出原理がこの中心に配置されている。トルク被検出体モジュールの主たる支持部に最終的には使用しない部位（耳）を設ける。【選択図】図３
2006162304.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トルクを伝達する軸体と、この軸体に固定され軸体と共に回転可能で、軸体の捻れによって発生する微小変位を、モジュール支持部材の応力として受領し、この応力からトルク値を検出及び算出し、前記トルク情報を電磁波で軸外部へ送出するトルク被検出モジュールからなり、モジュール支持部材の材料特性又は支持部材表面に膜状に固定された材料の特性を用いることを特徴とするトルク検出装置。
【請求項２】
前記トルク被検出体モジュール支持部材形状の一部がＸ形をなし、トルク検出手段がこの中心に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のトルク検出装置。
【請求項３】
前記トルク検出手段を、前記トルク被検出モジュールの主たる支持部材上に固定された磁歪材料と、該磁歪材料の表面近傍に配置され該磁歪材料の逆磁歪効果をインピーダンス変化として検出する検出コイルにより構成することを特徴とする請求項１に記載のトルク検出装置。
【請求項４】
前記トルク被検出体モジュールのトルク検出部に半導体チップを用い、この半導体チップの少なくとも一表面にインピーダンス検出用の平面又は立体的なコイルを配置したことを特徴とする請求項１に記載のトルク検出装置。
【請求項５】
前記トルクを検出される軸体の円周に溝もしくは、トルク被検出体側モジュール部用の外径拡大部を設け、ねじりによる微小変位を増幅する手段を有することを特徴とする請求項１に記載のトルク検出装置。
【請求項６】
前記トルク被検出体モジュールの主たる支持部材に磁歪材料を使用することを特徴とした請求項１に記載のトルク検出装置。
【請求項７】
前記トルク被検出体モジュールの主たる支持部材表面の一部又は全面に磁歪材料を膜状に固定することを特徴とする請求項１に記載のトルク検出装置。
【請求項８】
前記トルク被検出体モジュールの支持部材として複数の被検出体モジュールの作成に適用するように帯状とすることを特徴とする請求項１に記載のトルク検出装置。
【請求項９】
前記トルク被検出体モジュール支持部と軸体の結合を、溶接又は、塑性変形又は、インサートモールド又は、融着又は、接着のいずれかを用いることを特徴とする請求項１に記載のトルク検出装置。
【請求項１０】
前記トルク被検出体モジュールの主たる支持部に支持部とは異なる部位を設け、軸体との結合が完了した後に、前記部位を切り離すことを特徴とする請求項１に記載のトルク検出装置。
【請求項１１】
前記トルク被検出体モジュール単体の両端を保持し、電気的に動作させながら、前記トルク被検出体モジュールの主たる支持部に外部から捻り応力を与えることによってモジュール単体の動作確認を行うことを特徴とする請求項１に記載のトルク検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は軸やギアやプーリーその他の回転体におけるトルクを検出するのに好適で、安価であり、また車両等の使用に適応可能なトルク検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
軸のトルクを電気信号として測定する方法としては、図８（Ｂ）のように軸体８０７の機械的な変位をひずみゲージ８０８で検出したり、図８（Ｃ）のように軸体の機械的変位を光学センサ８０９と光学スリット８１０で検出したり、図８(Ａ)のように、軸体８０２の表面に塗布した磁歪材料８０１の逆磁歪効果を利用したいわゆる磁歪式トルク検出装置などが一般的である。この磁歪式トルク検出装置のトルク検出原理で代表的なものを、図１，図２で説明する。
【０００３】
軸体にトルクＴを印加すると、軸体の機械的捻れによって図１における符号１０１，
１０２で示すような、軸体１０４の軸方向に対して＋４５度及び−４５度方向に一方が引っ張り、他方には圧縮方向となる応力が生じる。この応力は軸のどの部分でも発生しているものである。
【０００４】
ところで、正の飽和磁歪定数を有する磁歪材料は、図２に示すように材料を引っ張ると透磁率が増大し、圧縮すると逆に透磁率が減少する性質を持っている。このような磁歪材料を符号１０３で示すように軸体１０４の表面に固定すると、軸体１０４の軸方向に対して＋４５度及び−４５度の方向に逆磁歪効果が発生する。図８（Ａ）は、このような逆磁歪効果を利用した磁歪式トルクセンサの具体的構成を示したもので、軸体８０２の表面に磁歪材料８０１を塗布し、この軸体８０２上の磁歪材料８０１に、軸体８０２の軸方向に対してそれぞれ＋４５度及び−４５度で細長いスリット８０３，８０６を設け、それぞれのスリット８０３，８０６の外側に磁歪材料部分の磁気特性を検出する検出コイル８０４、８０５を配置している。このような磁歪効果を利用した磁歪式トルク検出装置としては、例えば、軸体の表面に磁歪材料の膜を設け、軸の周囲に検出コイルを配置したものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
また、他の磁歪式トルク検出装置としては、検出コイルのコア部を軸に対して傾斜かつ対向的に配置して検出コイルを磁気ヘッド形に小型簡略化したものや（例えば、特許文献２，３参照。）、軸体表面の磁歪層上にフィルム状の平面コイルを設けて感度や温度特性を改善したトルク検出装置（例えば、特許文献４参照。）、軸体上にトルク検出モジュールを固定して電磁波でトルク値を読み出すもの（例えば、特許文献５参照。）が知られている。
【０００６】
【特許文献１】特公平３−２６３３９号公報
【特許文献２】特開平６−２２１９４０号公報
【特許文献３】特開平１０−３８７１４号公報
【特許文献４】特開平７−６３６２７号公報
【特許文献５】特願２００４−０２８４０７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の一般的な機械変位検出型トルク検出装置には精度，構造的な制約や安価に製造する上での問題も多く、特に磁歪式トルク検出装置は以下に示す多様な課題があり、他の物理量検出センサに比べて普及が遅れている。
【０００８】
例えば、上記特許文献１に記載の磁歪式トルク検出装置は、その構造上、軸方向の寸法が大きくならざるを得ず、また、環状の検出コイルを軸に通す必要があるため、機器に組み込む際の制約も大きい。また、相反する逆磁歪現象の発生部位が物理的に離れているため、軸体に温度勾配があると磁気特性がバランスしなくなり、トルク検出特性に温度ドリフトが生じてしまう課題がある。これらの課題を改善するために、上記特許文献２又は３に記載のトルク検出装置では、磁気コアに十字形の溝を形成し、この溝に八の字形のコイルを挿入した磁気ヘッド形のトルクセンサとしている。これらは検出コイルを軸に通す必要が無く、軸周囲の一箇所に取付け可能である。検出部が小型なので温度ドリフト特性も改善するが、軸体と検出コイルコアのギャップ変化がトルク検出感度に影響するため、高精度な軸受け構造や厳密なギャップ管理が必要となり、センサ自体が小型にできても軸まわりの構造やセンサ取付けに多くの制約が発生する。また、磁気ヘッド形の検出コイルは高度な製造技術が必要であり、安価に製造する事が難しかった。
【０００９】
前記を改善したものに、特許文献４に記載のトルク検出装置のように磁歪材料を表面に持つ軸体にフィルム状平面コイルを直接張りつけ、軸上の異なる場所でこのコイルを軸外部から励磁する別の環状コイルを具備させ、検出感度，ギャップによる感度変動，温度ドリフト等をさらに改善したものが提案されている。しかしながら、この特許文献４に記載のトルク検出装置においても、軸体に励磁用の環状コイルを通さなければならず、センサの組付けに構造的な制約が大きく、又、トルク検出部のインピーダンス変化を環状コイル経由で間接的に検出しているので、感度向上にも限界があった。
【００１０】
上記を大幅に改善したものに、特許文献５及び図９に記載のトルク検出装置のように磁歪材料を直接固定し、この上にフィルム上の平面コイル及び、送受信アンテナ及び、信号処理チップで構成した軸側トルクセンサモジュール９０２を配置して、固定側モジュール９０５で電磁波による電源送受信とトルク検出値信号伝達を行うものが提案されている。この提案は軸で直接トルクを検出・処理して電磁波で検出値を送信するため、小型，高感度でセンサ取付けの自由度が高い。さらにその発展形として図９（Ｃ）に示すような各アンテナと検出コイルを半導体チップ上に成形して軸側トルクセンサモジュールワンチップ型としたものも提案されている。しかしながら、これらはいずれも軸表面に直接磁歪材料膜を蒸着やスパッタリング等で固定しなければならず、軸体の一般的な製造プロセスとスパッタリング等のプロセスでは、部品の重量，大きさ，清潔度，油等の付着物質，材質などの面でかけ離れており、軸体製造方法の大幅な見なおしや、特殊な膜固定装置が必要であるという問題があった。これらは総じて軸の製造や、トルク検出装置の価格増を招き、実用化の障害となる。
【００１１】
また、種々の理由から軸体を樹脂や非磁性金属や繊維強化プラスティックやその他の特殊材料で作成しなければならない場合は、磁歪材料膜の固定に問題があったり、軸の磁気特性の利用ができないため、逆磁歪効果が有効に利用できない。
【００１２】
また、軸強度を高めるための熱処理も、軸の磁気的な特性が変化することから、トルク検出性能や安定性に問題が発生するし、耐食や意匠の為に塗装が必要な場合もあり、特許文献５に記載の方法であっても、一般的に軸体へ要求される特質に制約を与え、ひいてはトルク検出装置の適用範囲は十分とは言えなかった。
【００１３】
本発明は、これらの課題を解決するものであり、小型軽量，高感度，高精度でかつ安価に製造でき、従来の製造プロセスをそのまま踏襲できるトルク検出装置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】
【００１４】
上記問題を解決するため、本発明に係るトルク検出装置は、トルクを伝達する軸体と、この軸体に固定され軸体と共に回転可能で、軸体の捻れによって発生する微小変位を、モジュール支持部材の応力として受領し、この応力からトルク値を検出及び算出し、前記トルク情報を電磁波で軸外部へ送出するトルク被検出モジュールからなり、モジュール支持部材の材料特性又は支持部材表面に膜状に固定された材料の特性を利用することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るトルク検出装置は、軸体表面に直接検出原理を固定したり、軸体の磁気的な特性を利用せず、軸体はその軸の機械的特性や材質を軸そのものの機能を優先させて構成し、トルク被検出部分はトルク検出機能を優先させた構成とし、軸体自身のの磁気特性を利用しないため、軸の材質の自由度が高く、非磁性金属，樹脂，繊維強化プラスティックなど広範囲な適用が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１７】
図３は、本発明に係るトルク検出装置の第１の実施の形態を示す図である。
【００１８】
図において、本例のトルク検出装置３００は、トルク被検出体である軸体３０１に固定され軸体３０１と一体に回転するトルク被検出体側モジュール３０５と、軸体３０１とは別に固定される固定側モジュール３１５とを有して構成され、これらトルク被検出体側モジュール３０５と固定側モジュール３１５とが一対となって機能するようになっている。
【００１９】
前記トルク被検出体側モジュール３０５は軸体に加工された取付け座面３０３，３１６の上に固定される。またこの実施例ではトルク検出部位の径方向全体に溝３０２を形成し、この溝３０２で座面を３０３と３１６に分割する事によって、座面３０３と３１６の間に印加トルクによる微小変位が生じるようにしている。トルク被検出体モジュール３０５は、センサモジュールの主たる支持部材であり、中央部がＸ形の形状をなした検出プレート３０７と、特許文献５及び図９（Ｃ）で説明されるようなセンサチップ３０６で構成され、検出プレート３０７の表面にセンサチップ３０６を固定している。検出プレートのＸ形部分は３１７に示すように、軸に対してそれぞれ＋／−４５度になるように配置する。前記検出プレート３０７は両端を座面３０３，３１６に溶接等で固定され、軸体にトルクが印加されることによる前記微小変位に応じて、検出プレート３０７に微小変位による応力が発生する。また、検出プレートの形状は、中央部がＸ形となっていれば図６（Ａ）
６０３，６０３のように他の形状であってもよいし、Ｘ形ではなく他の形状であってもよい。
【００２０】
次に図３（Ｂ），（Ｃ）を使用して軸体へのトルク印加と、検出プレート３０７に発生する応力の関係を説明する。図３（Ｂ）で軸体３０４にトルク＋Ｔが印加されると軸体の弾性力により座面３０３と３１６の間に微小な変位が発生する。この変位は軸の捻れに応じて発生し、溝３０２が深くなればこの変位も大きくなる。検出プレート３０７の両端は溶接等により強固に座面３０３，３１６に固定されているため、座面の変位は検出プレート３０７のＸ状部分でそれぞれ方向３１１に圧縮、方向３１２に引っ張りの応力が発生する。次に（Ｃ）の様に軸体３０４に反対側のトルク−Ｔが印加されると、検出プレート
３０７のＸ状部分で今度は方向３１１に引っ張り、方向３１２に圧縮の応力が発生する。これらは軸方向に対して＋／−４５度の相反する圧縮，引っ張り応力であり、先に図１，図２で説明した軸表面に発生する応力の関係と同一である。
【００２１】
よって、前記検出プレート３０７のＸ部中央表面へ図６（Ａ）６０１のように磁歪材料を膜状に固定したり、検出プレート自体を磁歪材料で作成し、＋／−４５方向それぞれの逆磁歪効果によるインピーダンス変化を計測すれば、軸体の表面に磁歪材料を固定したり、軸体材料の磁気特性を利用することなく、軸体のトルクを検出することが出来る。またこの発明によれば、検出プレート取付け座面３０３，３１６および検出プレートを曲面ではなく平面で構成できるため、軸径毎にセンサモジュールを変更する必要がなくなる。これにより、軸体は一般的な機械加工のみで済み、センサモジュール固定前であれば焼入れや、塗装等の後処理も可能である。さらにセンサモジュールの種類を増やさずに済み、検出プレートの材料自由度も高くなるため、大幅に軸体及びトルクセンサモジュール３０５の生産性を向上させることができ、ひいてはトルクセンサのコストを大幅に低減できる。
【００２２】
次に第２の実施例を図４を使用して説明する。前記軸体に形成するセンサモジュール用座面３０３，３１６の配置及び溝３０２の深さは、計測しようとするトルクの範囲や、検出プレート及びセンサチップの最大許容特性に対して適切でなければならない。よって、軸体の材質，熱処理，径，最大印加トルク等に応じ、座面の微小変位が十分発生するのであれば軸体４０１のように溝を廃止したり、逆に微小変位が不足する場合はトルク被検出部位のみ４０４のような外径拡大部を設けて微小変位を増幅しても良い。また、この外径拡大部は軸体と一体的に作られても良いし、４０４の部分を機械的に結合する構成であっても良い。
【００２３】
次に第３の実施例を図５を使用して説明する。これはセンサモジュール３０５の製造方法と、軸体への接合方法の一例を説明したものである。センサモジュール３０５は一般的に言う半導体製造に似た工程で製造された後、センサモジュール３０５単体で流通可能であり、センサモジュール３０５を固定する前の軸体３０１は一般的に言う機械部品製造の工程で製造され、軸単体でも流通可能であって、これら両者が結合されて、トルク検出装置付きの軸体となる。まず、センサモジュール３０５の検出プレート３０７は、薄板を巻き取った、いわゆるロール状の素材から、プレス加工等でＸ形やその他必要な形状に加工してロール状又は、棒状の検出プレート一次加工品５０１を作成する。これは半導体製品のリードフレームを製造する工程に酷似しているものである。検出プレートに磁歪材料の膜が必要な場合は、この段階で蒸着やスパッタリング等で磁歪膜を連続的に固定することが可能である。次に検出プレートの各Ｘ形部分にセンサチップ３０６を固定し、これらを切り離せばセンサモジュール製品５０２が完成する。なお、図３，図５では、説明のためにセンサチップがむき出しの状態となっているが、図６（Ｂ）のように、センサチップ部分を一般の半導体製品の様に樹脂モールド６０４等で覆ってもよい。また、センサモジュール製品５０２は、最終的に軸へ残るセンサモジュール３０５と後述する支持部位である耳５０５で構成され、耳５０５とセンサモジュール３０５の間に切り離し用の切りこみを形成してある。この耳５０５は軸へ固定する前までのセンサモジュール３０５の取り扱いと、位置決めを容易にするためのものであるので、この有無によりセンサモジュール機能に影響を与えるものではない。次にセンサモジュール製品５０２を加工済みの軸体３０１に固定する方法について説明する。まずセンサモジュール製品５０２を軸体の座面３０３，３１６の上に乗せ、所定の固定位置に合わせる。このとき座面３０３と３１６の端から端までの幅をセンサモジュール製品の幅と合わせておくと位置決めが容易である。又、センサモジュール製品５０２を軸体３０１に乗せるときや、位置合わせの時に耳５０５を利用すれば取り扱いが容易である。次に、センサモジュール製品５０２を軸体３０１の座面３０３，３１６上に位置決めした後、たとえばレーザーや電子などによる溶接ビーム504で検出プレート５０２を固定する。検出プレート５０２が固定されれば耳５０５は不要であるので、耳５０５を外側に引いて切り離せば良い。
【００２４】
上記の方法に係れば、センサモジュール３０５を半導体製品と同様な工程で製造でき、センサモジュール３０５の軸体３０１への取付けも従来通りの加工，固定技術が使用できる。
【００２５】
次にセンサモジュール検査装置の実施例を図７（Ａ）（Ｂ）を使用して説明する。特許文献５では、センサモジュールを軸体に固定した後、既知のトルクを与えてセンサからの検出トルク情報と、既知のトルクを比較して校正値を算出し、これをセンサモジュールに書きこんでトルクセンサとしてのトルク検出精度を高める方法が提案されている。本実施例では軸体３０１に取付けられる前のセンサモジュール３０５が単独に製造され、流通することから、センサモジュール３０５での機能保証を行う必要があり、このための検査手段として、図７（Ａ）に示す、微小角度を発生させ、センサモジュール製品５０２に角度変位を与える微小角度発生装置７０１と、発生した微小角度を計測する微小角度計７０２と、微小角度発生装置７０１で発生した角度変位をセンサモジュール製品５０２へ伝える可動側チャック７０３と、センサモジュール製品５０２の反対側を固定する固定側チャック７０４と、センサモジュールへ電源用電磁波と、センサモジュールが検出したねじり応力による信号を電磁波として受信するアンテナ７０５と、微小角度計７０２の角度検出値が所定の値になる様に微小角度発生装置７０１に角度発生を指示し、微小角度変化に応じて得られた図７（Ｂ）の特性と規格値７０７を比較するモジュール検査装置７０６からなる。
【００２６】
センサモジュール製品５０２は、微小角度によってねじられると、中央のＸ形部分に、軸体に固定された時と同一方向の交錯応力が働く。この応力は与えた角度に依存する為、予め求めた角度とセンサモジュールからの信号の関係と比較して合否判断を行う。
【００２７】
この検査方法によれば、センサモジュール製品５０２を軸に取付ける前でも単体での機能確認を実施でき、また、センサモジュールを軸体に取付けた後に校正し得る範囲内にばらつきが収まる様管理したり、精度のクラス分けができるようになるため、ひいてはセンサモジュールのコストを低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】磁歪材料の逆磁歪効果で軸トルクを検出する原理説明図。
【図２】正の飽和磁歪定数をもつ磁歪材料の応力と透磁率の関係図。
【図３】本発明の第１の実施の形態のトルク検出装置を示す図。
【図４】本発明の第２の実施の形態のトルク検出装置の構成を示す図。
【図５】本発明の第３の実施の形態のトルク検出装置の構成を示す図。
【図６】図１に示すセンサモジュールの信号処理チップの構成を示す図。
【図７】センサモジュールの検査装置の構成を示す図。
【図８】従来のトルク検出装置を示す図。
【図９】改良された従来のトルク検出装置を示す図。
【符号の説明】
【００２９】
１０１，１０２…軸体表面に発生する応力、１０３…磁歪材料、３０４，５０６…センサモジュールが固定された軸体、３０５…被検出体側センサモジュール、３０３，３１６…座面、３０６…センサチップ、３０７，６０２，６０３…検出プレート、３１５…固定側モジュール、５０１…切り離し前の検出プレート１次加工品、５０２…耳付きのセンサモジュール製品、５０４…溶接ビーム、５０５…耳、６０１，９０３…磁歪材料膜、604…樹脂モールド、７０１…微小角度発生装置、７０２…微小角度計、７０３…可動側チャック、７０４…固定側チャック、７０５…アンテナ、７０６…モジュール検査装置、707…規格値。
【図１】
2006162304.tif 000003
【図２】
2006162304.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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