(57)【要約】      （修正有）【課題】信頼性のあるトルクトレーサビリティ体系構築のために、相対拡張不確かさで0.05 %（定格出力（R.O.）に対してではなく各読み値に対して）より小さい能力を持つトルク変換器を得るには20分クリープ0.01 %以内、相対ヒステリシス0.03 %以内の特性を有する。【解決手段】起歪体に材質SKD61（硬さ50±3HRC）またはSKD11（硬さ60±3HRC）を適用し、ひずみゲージのタブ比をひずみゲージ式トルク変換器のクリープ特性を略零とする値に設定し、クリープ特性が相殺される起歪体とひずみゲージとを組み合わせたものを使用し、該起歪体に該ひずみゲージを接着剤により接着し、加圧状態でのキュアリング処理後、無加圧状態でのエージング処理を行って作成されるひずみゲージ式トルク変換器の製作方法であって、エージング温度から室温近くの50℃までの平均冷却速度が一日あたり25℃以下程度とする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ひずみゲージのタブ比をひずみゲージ式トルク変換器のクリープ特性を略零とする値に設定し、クリープ特性が相殺される起歪体とひずみゲージとを組み合わせたものを使用し、該起歪体に該ひずみゲージを接着剤により接着し、加圧状態でのキュアリング処理後、無加圧状態でのエージング処理を行って作成されるひずみゲージ式トルク変換器の製作方法であって、
エージング温度から室温近くの50℃までの平均冷却速度が一日あたり25℃以下程度とすることを特徴とするひずみゲージ式トルク変換器の製作方法。
【請求項２】
前記起歪体の硬さHRC47〜63としたことを特徴とする請求項１に記載のひずみゲージ式トルク変換器の製作方法。
【請求項３】
前記起歪体は、材質SKD61（硬さ50±3HRC）、またはSKD11（硬さ60±3HRC）としたことを特徴とする請求項１または２に記載のひずみゲージ式トルク変換器の製作方法。
【請求項４】
前記起歪体は、ひずみゲージにより起歪体の曲げによって生じるひずみを検出することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のひずみゲージ式トルク変換器の製作方法。
【請求項５】
前記ひずみゲージのタブ比は、実測値で8.5から9.2であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のひずみゲージ式トルク変換器の製作方法。
【請求項６】
前記エージング処理は、エージング温度から50℃まで25℃程度ずつ温度を低下させ、各段階的温度をそれぞれ24時間維持したことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のひずみゲージ式トルク変換器の製作方法。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載のひずみゲージ式トルク変換器の製作方法により製作したことを特徴とするひずみゲージ式トルク変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高精度トルク計測に用いるトルクメータならびにトルクレンチ、トルク校正装置同士の比較を行う際のトランスファ標準器に要求される相対拡張不確かさを達成できるひずみゲージ式トルク変換器の製作方法及びひずみゲージ式トルク変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
トルク測定のＳＩトレーサビリティ（質量，重力加速度及び長さ（または力及び長さ）によるトレーサビリティを確保し，校正事業者または使用者が自らトルク単位を組み立てることではなく，ＳＩに基づく力のモーメントの単位（N・m）でもってトレーサビリティを確保することを意味する）体系を構築するために、非回転式の超高精度トルク変換器の開発が不可欠となった。
【０００３】
すなわち、精密な静トルクを実現するトルク標準機（国家計量標準）からトルク基準機（校正事業者が所有する実用標準）へ、トルク基準機から各種トルク試験機へと校正値と不確かさを伝播させるためには、それを仲介する非回転式のトルク変換器が必要となる（これをトランスファ標準器と呼ぶ）。
【０００４】
トルクの負荷により発生する起歪体の弾性変形又はそれに比例する量を測定することによってトルクを測定するトルク計測機器（トルク変換器、ケーブル、指示計器まで含むシステムとして一体とみなせる機器）は、工作機械、自動車などの回転駆動機器やエンジン又はモータテストスタンド、捻り試験機などの材料試験機等、産業界で広く取り扱われる機器である。
【０００５】
トルク変換器の変換仕様としては最も一般的なひずみゲージの他、磁歪式、誘導電圧式、光位相差式など様々な方式があるが、従来の技術では、トルク変換器はロータ部とステータ部を持つ回転式が主であり、その精度レベルは0.2 % R.O.（定格出力に対する相対拡張不確かさと考えることができる）が限界である。起歪体にはSNCM439（硬さ45HRC以下）を用いる場合が多い。
【０００６】
校正方法としては、日本計量機器工業連合会規格JMIF016「参照用トルクレンチ校正事業者のためのガイドライン、2004-11制定」によれば、予備負荷としてトルク零から最大トルクまで負荷を与え、最大トルクで一定時間保持後に零まで除荷し、一定の休止時間後に再び同様の方法で予備負荷を加えた後、校正サイクルを実行する。この校正サイクルは、トルク零から段階的に最大トルクまで徐々にトルクを増し、最大トルクに達すると逆に段階的にトルク零まで徐々にトルクを減少させる。例えば３０秒毎にトルクを所定値ずつ増加・減少させる。そして、この校正サイクルを複数回行う。
【０００７】
このトルク校正は、段階的にトルクを所定値ずつ増加・減少させる時に、そのときのトルク負荷状態を一定時間保持するため、トルク値を計測するための変換手段としてのひずみゲージに対し、いわゆるクリープ特性を知ることが重要となる。クリープとは、一定荷重を負荷した状態を持続させたときに、負荷した時点からの時間の経過に伴って出力値が変化する現象である。ひずみゲージのクリープの発生原因としては、例えばゲージベース材料、グリッド形状、ひずみゲージを起歪体に接着する接着剤に起因すると考えられている。
【０００８】
クリープを補正する方法として、一般には起歪体（弾性体）の材料クリープ（−）とひずみゲージのクリープ（＋）とで相殺することによりクリープ補償を行っており、例えばクリープ（−）の大きい起歪体に対しては、クリープ（＋）の大きなひずみゲージを使用している。
【０００９】
また、クリープ特性を略零とするロードセルが提案されている（特許文献１）。
【００１０】
この特許文献１には、起歪体にひずみゲージを貼り付けたロードセルにおいて、ひずみゲージのタブ比を変化させることによりロードセルのクリープ特性を調整しようとしても、タブ比だけでは調整できる範囲が限られることより、ひずみゲージを構成する合成樹脂製ベース部材に含有されるフィラーの量と、該ベース部材上に蛇行状に配設される金属箔製抵抗線のタブ比とを適切に設定することで、低定格荷重のロードセルとして、クリープ率が略零が得られることが記載されている。
【特許文献１】特開平１１−０６４１２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、信頼性のあるトレーサビリティ体系構築のためには、定格容量に対してではなく各読み値に対する相対拡張不確かさで0.05 %より小さい能力を持つトルク変換器が必要となってきた。
【００１２】
そのためには、トルク変換器に対し、20分クリープ0.01 %以内、相対ヒステリシス0.03 %以内の特性が不可欠となるが、そのようなトルク変換器を製造する技術体系は上述した特許文献１に開示のロードセルを含めて未だ未開発である。
【００１３】
すなわち、相対拡張不確かさ１％のトルクレンチテスタを校正する場合、上位標準である常用参照標準の参照用トルクレンチは相対拡張不確かさがおおよそ0.2 ％、トルク基準機は0.04 ％となる。（上位標準はおおよそ1/5の相対拡張不確かさを確保させる。）さらに、国家計量標準であるトルク標準機と、校正事業者の実用標準であるトルク基準機を仲介する特定二次標準器である参照用トルクレンチは0.02 ％程度の相対拡張不確かさが求められる。さらに参照用トルクレンチは、長期的に校正値が安定していることも重要である。参照用トルクレンチとは、トルクレンチ形のトルク変換器、ケーブル、指示計器までを含む一体としてトルク計測機器の一種を指す。
【００１４】
現段階におけるトレーサビリティ体系の実用上での信頼性確保には参照用トルクレンチに使われるようなトルク変換器の相対拡張不確かさを0.05 %より小さくする必要がある。そしてトルク変換器の相対拡張不確かさに影響を及ぼす20分クリープを0.01 %以内、相対ヒステリシス0.03 %以内の特性とすることが経験上不可欠である。
【００１５】
本発明は、かかる観点に鑑みなされたもので、上述の要求された各特性を達成できるひずみゲージ式トルク変換器の製作方法及びひずみゲージ式トルク変換器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】
【００１６】
本発明の目的を実現する第１の製作方法は、ひずみゲージのタブ比をひずみゲージ式トルク変換器のクリープ特性を略零とする値に設定し、クリープ特性が相殺される起歪体とひずみゲージとを組み合わせたものを使用し、該起歪体に該ひずみゲージを接着剤により接着し、加圧状態でのキュアリング処理後、無加圧状態でのエージング処理を行って作成されるひずみゲージ式トルク変換器の製作方法であって、エージング温度から室温近くの50℃までの平均冷却速度が一日あたり25℃以下程度とすることを特徴とする。
【００１７】
本発明の目的を実現する第２の製作方法は、上記第１の製作方法で、前記起歪体の硬さHRC47〜63としたことを特徴とする。
【００１８】
本発明の目的を実現する第３の製作方法は、上記いずれかの製作方法で、前記起歪体は、材質SKD61（硬さ50±3HRC）、またはSKD11（硬さ60±3HRC）としたことを特徴とする。
【００１９】
本発明の目的を実現する第４の製作方法は、上記いずれかの製作方法で、前記起歪体は、ひずみゲージにより起歪体の曲げによって生じるひずみを検出することを特徴とする。
【００２０】
本発明の目的を実現する第５の製作方法は、上記いずれかの製作方法で、前記ひずみゲージのタブ比は、実測値で8.5から9.2であることを特徴とする。
【００２１】
本発明の目的を実現する第６の製作方法は、上記いずれかの製作方法で、前記エージング処理は、エージング温度から50℃まで25℃程度ずつ温度を低下させ、各段階的温度をそれぞれ24時間維持したことを特徴とする。
【００２２】
本発明の目的を実現するひずみゲージ式トルク変換器は、上記したいずれかの製作方法により製作したことを特徴とする。
【００２３】
本発明において、クリープ特性の異なる複数のひずみゲージを用意して予備実験を行い、起歪体のクリープ特性と相殺する最適なクリープ特性のひずみゲージを見つける。
【００２４】
そして、20分クリープ0.01 %以内、相対ヒステリシス0.03 %以内を達成するために、弾性特性に優れた合金工具鋼を起歪体に用いる。
【００２５】
一方、長期安定性などの諸特性を悪化させる接着層の残留応力を除去することを主目的とした長時間エージングを実施する。
【発明の効果】
【００２６】
以上説明したように、本発明によれば、一度最適製作条件を見いだしたので今後最適なクリープ特性を備えたひずみゲージをみつけるための予備実験を行う必要がなく、トランスファ標準器レベルのトルク変換器を開発するコストを低く抑えられる。
【００２７】
また、本発明によれば、定格容量に対してではなく各読み値に対する相対拡張不確かさで0.05 %より小さい能力を持つトルク変換器を提供することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下本発明を実施形態に基づいて説明する。
【００２９】
トランスファ標準器として使用され得る不確かさを備えたひずみゲージ式高精度トルク変換器を製作する上で、クリープ特性、ヒステリシス特性及び長期安定性の向上を目的に、）起歪体の材質の選択、起歪体で生じるクリープを相殺するクリープ補正のためのひずみゲージの選択、ひずみゲージを起歪体に接着する際のエージング処理について探索した。
【００３０】
[１]  起歪体にひずみゲージを接着剤にて接着して構成されるセンシング部における曲げ試験片を用いたセンシング部の最適製作条件の探索
（イ）  曲げ試験片の製作
材質の異なる３つの試験片を用意し、材質(1)としてSNCM439（硬さ設定45HRC）,材質(2)としてSKD61（硬さ設定50HRC）,材質(3)としてSKD11（硬さ設定60HRC）を用いた。
【００３１】
図１に示す曲げ試験装置に装着される試験片１は、全長２１２ｍｍ、幅３０ｍｍ、厚さ７．５ｍｍの寸法とし、固定台の固定面上に片持ち支持にて固定し、先端部にウエイト取付ブラケット２を固定し、このウエイト取付ブラケット２から吊り下げたリボン（極薄板）にウエイトＷを取り付けるようにした。そして、固定端からウエイト負荷位置までを１５０ｍｍ、ウエイト負荷位置から固定端側に１１０ｍｍの位置をひずみゲージ貼付け中心位置としている。
【００３２】
（ロ）  ゲージタブ比の異なる３種類のひずみゲージを用意した。用意したひずみゲージは東京測器研究所製QFLA-3-350-C-11のクリープコードC8、C6、C4を使用し、ゲージ平均タブ比12.5（クリープコードC8）ゲージ平均タブ比8.9（クリープコードC6）、ゲージ平均タブ比7.1（クリープコードC4）を用いた。なお、ゲージクリープの大小関係は、クリープコードで示すと、C4＞C6＞C8である。
【００３３】
図２に示すように、ひずみゲージ３は、ベース部材４上に例えば金属箔（又は抵抗線）によるパターンを蛇行状に形成し、該金属箔パターンのグリッド部６の幅をａ、該金属箔パターンのエンドタブ部５の長さをｂとすると、ｂ/ａをタブ比という。
【００３４】
（ハ）  ひずみゲージの接着及び硬化条件
接着層の硬化を主目的としたキュアリング処理と、接着層の残留応力を除去することを主目的としたエージング処理とを以下の標準設定と、長時間設定で行った。
【００３５】
[標準時間設定]
キュアリング設定（加圧状態）
80℃/1hr＋130℃/2hr＋150℃/2hr
エージング設定（フリー状態）
150℃/3hr
［長時間設定］
キュアリング設定（加圧状態）
80℃/1hr＋130℃/2hr＋150℃/2hr
エージング設定（フリー状態）
150℃/24hr＋125℃/24hr＋100℃/24hr＋75℃/24hr＋50℃/24hr
上記（イ）（ロ）（ハ）の条件の組合せで、曲げ試験片を用いたクリープ試験及び校正負荷試験を行い、ヒステリシスを測定した。
【００３６】
ヒステリシス測定の結果、材質（3）SKD11と材質（2）SKD61の試験片にクリープコードC6のひずみケージを接着剤により接着し、長時間設定のエージング処理の条件でのみ20分クリープ0.01 %以内、相対ヒステリシス0.03 %以内を達成した。
【００３７】
［２］  トルク変換器の製作
（イ）  定格容量500 N・mのトルク変換器を製作。
【００３８】
センシング部の製作条件は上記[1]の最適条件を踏襲。
【００３９】
（ロ）  製作したトルク変換器をトルク標準機を用いて校正し、クリープ試験を実施した。クリープ試験結果は、20分クリープ0.01 %以内、相対ヒステリシス0.03 %以内を達成した。
【００４０】
（ハ）  トルク変換器をトルク標準機を用いて日時を空けて校正した。５箇月間での安定性（校正値の変化）は相対値で0.008 %以内を達成した。
【００４１】
実施例１
曲げ試験片の評価
図１に示す装置により材質（1）、（2）、（3）の試験片について曲げ試験を行った。負荷Ｗは、定格負荷294 Nにて実施した。曲げひずみ検出のひずみゲージのホイートストンブリッジの組み方は、４アクティブゲージ法を用いた。
【００４２】
クリープ試験
クリープ試験は、日本計量機器工業連合会規格JMIF016「参照用トルクレンチ校正事業者のためのガイドライン」付録A.4.クリープ試験に準じる形で実施し、算出し、クリープ（％）、クリープ回復（％）を求めた。
【００４３】
ヒステリシス試験
ヒステリシス試験は、クリープ試験と同じ負荷方法にて定格負荷294 Nに対して無負荷状態から増加ステップ10、20、30、40、50、60、80、100 ％の負荷を加え、減少ステップ80、60、50、40、30、20、10 ％の負荷を加え、各ステップの増加と減少時の出力差を各ステップの平均出力で割った値の絶対値をヒステリシス（％）として求めた。
【００４４】
ひずみゲージ
QFLA-3-350-C-11（東京測器研究所製）クリープコードC8、C6、C4を使用した。タブ比（b/ａ）はそれぞれ寸法ａ、ｂを微分干渉計付光学顕微鏡にて測定して算出しており、表１にクリープコードC8、C6、C4のタブ比を示す。
【００４５】
【表１】
2008232670.tif 000002
【００４６】
ひずみゲージ接着硬化条件
接着剤は、PC-6（共和電業製）を用い、上述の標準処理と長時間処理の接着条件で比較を行った。
【００４７】
試験結果
以下の表２、表３に曲げ試験片の製作条件を示す。硬さはロックウエル硬さ（ＨＲＣ）で示す。表２に比較試験片を示し、表３に本発明試験片を示す。
【００４８】
【表２】
2008232670.tif 000003
【００４９】
【表３】
2008232670.tif 000004
【００５０】
下記の表４、表５にクリープ試験結果を示す。ヒステリシスは、定格容量の10 ％点での値を示す。表４は比較試験片のクリープ試験結果、表５は本発明試験片のクリープ試験結果を示している。
【００５１】
【表４】
2008232670.tif 000005
【００５２】
【表５】
2008232670.tif 000006
【００５３】
表４に示すクリープ試験結果において、起歪体の硬さとクリープ（％）、回復（％）、ヒステリシス（％）の評価項目より、硬さが異なる材料を用いた試験番号（試験片番号）T1、T2、T3の比較により、SKD61（T2）とSKD11（T3）の効果が明確である。
【００５４】
試験番号（試験片番号）T7とT4は同じ材質であるSKD61の起歪体に異なるクリープコードC6とC8のひずみゲージを使用し、また試験番号（試験片番号）T5とT6は同じ材質であるSKD11の起歪体に異なるクリープコードC6とC4を使用しており、共にクリープコードC6を使用している試験番号（試験片番号）T5、T7のクリープ（％）、回復（％）、ヒステリシス（％）の値に大きな差があることが明確である。
【００５５】
一方、材質（SKD61）およびクリープコード（C6）が同じで、エージング処理が標準設定と長時間設定とで異なる試験番号（試験片番号）T8とT5の比較により、長時間エージング設定の試験番号（試験片番号）T5が標準エージング設定のT7よりもクリープ（％）、回復（％）、ヒステリシス（％）の値に大きな差があることが明確である。
【００５６】
なお、試験番号（試験片番号）T2とT4の比較では、長時間エージングの効果が明確でないが、これはクリープコードがC8であるためである。
【００５７】
表６に曲げ試験片のヒステリシス特性を示す。
【００５８】
【表６】
2008232670.tif 000007
【００５９】
試験番号（試験片番号）T5、T7のヒステリシスは、これら以外の試験番号（試験片番号）のものと比べてその差が大きく異なっていることが明確である。
【００６０】
実施例２
実施例１に示した曲げ試験片の最適製作条件を適用した定格容量500 N・mの参照用トルクレンチに用いられるトルクレンチ形のひずみゲージ式トルク変換器（図３、図４）を作製し評価した。
【００６１】
実施例２のトルク変換器の起歪部は、実施例1の試験片番号T5に相当する条件で製作されたものである。評価には、産業技術総合研究所内のトルク標準機（国家計量標準）を用いた。また、指示計器は、ホッティンガ・ボールドウィン・メステヒニク製の高精度ひずみ計測器DMP40S2を使用した。
【００６２】
図３（ａ）（ｂ）はトルクレンチ形のひずみゲージ式トルク変換器の全体構成を示す上面図および正面図、図４（ａ）は図３の一部を拡大した上面図および、（ｂ）は図４（ａ）のAーA矢視図である。図３および図４に示すトルク変換器１０は、内軸部１１と外輪部１２との間に放射状に複数の板状の起歪体１３を一体に形成し、レバー１４を外輪部１２から径方向外方に向けて固定した構成とし、起歪体１３の外周面にひずみゲージ１５を固定している。また、内軸部１１に角ドライブ１６が取り付けられ、この角ドライブを上記したトルク標準機に固定する。
【００６３】
クリープ試験は、日本計量機器工業連合会規格JMIF016「参照用トルクレンチ校正事業者のためのガイドライン」付録A.4.クリープ試験に準じる形で実施し、算出した。
【００６４】
ヒステリシス（表７、表８）は、独立行政法人製品評価技術基盤機構  認定センター発行のJCG209S11 不確かさの見積りに関するガイド（トルクメータ及び参照用トルクレンチ）に準じて求めた。
【００６５】
【表７】
2008232670.tif 000008
【００６６】
ヒステリシスは、定格容量の10 ％点での値を示す。
【００６７】
表８に実施例２のトルク変換器のヒステリシス特性を示す。
【００６８】
【表８】
2008232670.tif 000009
【００６９】
表９に本発明品の５ヶ月の長期安定性（校正値の変化）を示す。
【００７０】
評価には、産業技術総合研究所内のトルク標準機（国家計量標準）を用いた。また、指示計器は、ホッティンガ・ボールドウィン・メステヒニク製の高精度ひずみ計測器DMP40S2を使用した。
【００７１】
【表９】
2008232670.tif 000010
【００７２】
表９より、５ヶ月経過後の変化量は右ねじり、左ねじりとも非常に小さいことが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】曲げ試験装置の概略図。
【図２】ひずみゲージのタブ比を説明する図。
【図３】（ａ）（ｂ）はトルク変換器の全体構成を示す上面図および正面図。
【図４】（ａ）は図３の一部を拡大した上面図、（ｂ）は図４（ａ）のAーA矢視図である。
【符号の説明】
【００７４】
Ｗ  ウエイト
１  試験片
２  ウエイト取付ブラケット
３  ひずみゲージ
４  ベース部材
５  金属箔パターンのエンドタブ部
６  金属箔パターンのグリッド部
１０  トルクレンチ形ひずみゲージ式トルク変換器
１１  内軸部
１２  外輪部
１３  起歪体
１４  レバー
１５  ひずみゲージ
１６  角ドライブ
【図１】
2008232670.tif 000011
【図２】
2008232670.tif 000012
【図３】
2008232670.tif 000013
【図４】
2008232670.tif 000014