JP2007155576A - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、出力感度が大きいトルクセンサを提供することを目的とするものである。
【解決手段】第１の圧縮歪抵抗素子２２、第２の圧縮歪抵抗素子、第１の引張歪抵抗素子２６、第２の引張歪抵抗素子、電源電極、第１の出力電極２５、第２の出力電極、第１のＧＮＤ電極、第２のＧＮＤ電極および回路パターン２３を円筒形状の起歪体２１の外側面に直接的に設け、前記起歪体２１に発生する捩りトルクによる応力が、直接的に第１の圧縮歪抵抗素子２２、第２の圧縮歪抵抗素子、第１の引張歪抵抗素子２６、第２の引張歪抵抗素子に伝わる構成としたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に、自動車のシフトレバーに作用するトルクや、電動自転車のペダルに作用するトルクを検出するトルクセンサに関するものである。

従来のこの種のトルクセンサは、図５に示すような構成を有していた。

図５は従来のトルクセンサの斜視図を示したもので、この図５において、１は円柱形状の起歪体で、この起歪体１の外側面にはステンレス鋼材からなる基台２を設けている。３は前記起歪体１の基台２に設けられた薄膜抵抗からなる第１の圧縮歪抵抗素子で、この第１の圧縮歪抵抗素子３は一端を前記基台２の上面に設けられた第１のＧＮＤ電極４に電気的に接続し、かつ他端を第１の出力電極５に電気的に接続している。６は前記基台２の上面に設けられた第１の引張歪抵抗素子で、この第１の引張歪抵抗素子６は一端を前記基台２の上面に設けられた第１の出力電極５および第１の圧縮歪抵抗素子３に電気的に接続し、かつ他端を電源電極７に電気的に接続している。８は前記基台２の上面に設けられた第２の圧縮歪抵抗素子で、この第２の圧縮歪抵抗素子８は一端を前記基台２の上面に設けられた電源電極７および第１の引張歪抵抗素子６に電気的に接続し、かつ他端を第２の出力電極９に電気的に接続している。１０は前記基台２の上面に設けられた第２の引張歪抵抗素子で、この第２の引張歪抵抗素子１０は一端を前記基台２の上面に設けられた第２の出力電極９および第２の圧縮歪抵抗素子８に電気的に接続し、かつ他端を第２のＧＮＤ電極１１に電気的に接続している。そして、前記第１の圧縮歪抵抗素子３、第１の引張歪抵抗素子６、第２の圧縮歪抵抗素子８、第２の引張歪抵抗素子１０、電源電極７、第１の出力電極５、第２の出力電極９、第１のＧＮＤ電極４および第２のＧＮＤ電極１１を回路パターン１２で電気的に接続することにより、フルブリッジ回路を構成している。

以上のように構成された従来のトルクセンサについて、次にその動作を説明する。

基台２の上面に設けた電源電極７と第１のＧＮＤ電極４および第２のＧＮＤ電極１１との間に電圧を印加した状態で起歪体１の一端を固定するとともに他端を時計回りに回転させると、起歪体１に捩りトルクが発生する。そして、この捩りトルクに応じて、基台２に応力が伝わって、基台２の上面に設けた第１の引張歪抵抗素子６および第２の引張歪抵抗素子１０に引張応力が発生するとともに、第１の圧縮歪抵抗素子３および第２の圧縮歪抵抗素子８に圧縮応力が発生する。そして、この応力の変化による第１の圧縮歪抵抗素子３、第１の引張歪抵抗素子６、第２の引張歪抵抗素子１０および第２の圧縮歪抵抗素子８の抵抗値の変化をブリッジ回路の出力として検出し、そして第１の出力電極５および第２の出力電極９から差動電圧として出力することにより、トルクセンサに加わる捩りトルクを検出するものである。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開平９−８９６９２号公報

しかしながら、上記従来の構成においては、基台２の上面に第１の圧縮歪抵抗素子３、第１の引張歪抵抗素子６、第２の引張歪抵抗素子１０および第２の圧縮歪抵抗素子８を設けているため、起歪体１に発生した捩りトルクによる応力が基台２を伝達する際に減衰するとともに、基台２の上面の面積が小さいため、第１の圧縮歪抵抗素子３、第１の引張歪抵抗素子６、第２の引張歪抵抗素子１０および第２の圧縮歪抵抗素子８の抵抗体長さが小さくなり、これにより、第１の圧縮歪抵抗素子３、第１の引張歪抵抗素子６、第２の引張歪抵抗素子１０および第２の圧縮歪抵抗素子８の応力による抵抗値の変化が小となるため、トルクセンサの出力感度が小さくなってしまうという課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、出力感度が大きいトルクセンサを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。

本発明の請求項１に記載の発明は、回転トルクによる圧縮応力を検出する少なくとも１つの圧縮歪抵抗素子と、回転トルクによる引張応力を検出する少なくとも１つの引張歪抵抗素子と、前記圧縮歪抵抗素子および引張歪抵抗素子を電極に電気的に接続することによりブリッジ回路を構成する回路パターンと、前記圧縮歪抵抗素子、引張歪抵抗素子、電極および回路パターンを設けた円筒形状の起歪体と、この起歪体の一端開口部に固着された第１の取付部材と、前記起歪体の他端開口部に固着された第２の取付部材とを備え、前記圧縮歪抵抗素子、引張歪抵抗素子、電極および回路パターンを起歪体の外側面に直接的に設けたもので、この構成によれば、圧縮歪抵抗素子、引張歪抵抗素子、電極および回路パターンを起歪体の外側面に直接的に設けているため、起歪体に発生する捩りトルクによる応力は、直接的に圧縮歪抵抗素子および引張歪抵抗素子に伝わることになり、そしてこの圧縮歪抵抗素子および引張歪抵抗素子は円筒形状の起歪体の全周にわたって設けることができるため、圧縮歪抵抗素子、引張歪抵抗素子の抵抗体長さは大きくなり、これにより、圧縮歪抵抗素子、引張歪抵抗素子の応力による抵抗値の変化が大となるため、出力感度が大きくなるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項２に記載の発明は、特に、圧縮歪抵抗素子および引張歪抵抗素子の長手方向を円筒形状の起歪体の軸線長手方向に対して互いに反対の角度に傾斜させたもので、この構成によれば、起歪体に捩りトルクを付加すると、起歪体の微小な捩じれ回転により、圧縮歪抵抗素子に圧縮応力が加わると同時に、引張歪抵抗素子に引張応力が加わるため、圧縮歪抵抗素子の抵抗体長さが小となると同時に引張歪抵抗素子の抵抗体長さが大となり、そしてブリッジ回路の出力により、容易に捩りトルクを検出できるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項３に記載の発明は、特に、圧縮歪抵抗素子および引張歪抵抗素子をつづら折り形状としたもので、この構成によれば、圧縮歪抵抗素子および引張歪抵抗素子をつづら折り形状としているため、狭いスペースで、圧縮歪抵抗素子および引張歪抵抗素子の抵抗体長さを大きくすることができ、これにより、圧縮歪抵抗素子、引張歪抵抗素子の応力による抵抗値の変化が大となるため、トルクセンサの出力感度がさらに向上するという作用効果を有するものである。

以上のように本発明のトルクセンサは、回転トルクによる圧縮応力を検出する少なくとも１つの圧縮歪抵抗素子と、回転トルクによる引張応力を検出する少なくとも１つの引張歪抵抗素子と、前記圧縮歪抵抗素子および引張歪抵抗素子を電極に電気的に接続することによりブリッジ回路を構成する回路パターンと、前記圧縮歪抵抗素子、引張歪抵抗素子、電極および回路パターンを設けた円筒形状の起歪体と、この起歪体の一端開口部に固着された第１の取付部材と、前記起歪体の他端開口部に固着された第２の取付部材とを備え、前記圧縮歪抵抗素子、引張歪抵抗素子、電極および回路パターンを起歪体の外側面に直接的に設けているため、起歪体に発生する捩りトルクによる応力は、直接的に圧縮歪抵抗素子および引張歪抵抗素子に伝わることになり、そしてこの圧縮歪抵抗素子および引張歪抵抗素子は円筒形状の起歪体の全周にわたって設けることができるため、圧縮歪抵抗素子、引張歪抵抗素子の抵抗体長さは大きくなり、これにより、圧縮歪抵抗素子、引張歪抵抗素子の応力による抵抗値の変化が大となるため、出力感度が大きくなるという優れた効果を奏するものである。

以下、一実施の形態を用いて、本発明の請求項１〜３に記載の発明について、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施の形態におけるトルクセンサの斜視図、図２は同トルクセンサの上面図、図３は同トルクセンサにおける起歪体の展開図である。

図１〜図３において、２１はフェライト系ステンレスにより円筒形状に構成された起歪体で、この起歪体２１は、両端に開口部（図示せず）を設けている。２２は前記起歪体２１の外側面に直接的に設けられた厚膜抵抗からなる第１の圧縮歪抵抗素子で、この第１の圧縮歪抵抗素子２２はＡｇからなる回路パターン２３によりつづら折り形状に配設されるとともに、この第１の圧縮歪抵抗素子２２の長手方向を円筒形状の起歪体２１の軸線長手方向に対して左肩上がりに傾斜させて構成している。また、この第１の圧縮歪抵抗素子２２は一端を前記起歪体２１の外側面に直接的に設けられた第１のＧＮＤ電極２４に電気的に接続し、かつ他端を第１の出力電極２５に電気的に接続している。２６は前記起歪体２１の外側面に直接的に設けられた厚膜抵抗からなる第１の引張歪抵抗素子で、この第１の引張歪抵抗素子２６はＡｇからなる回路パターン２３によりつづら折り形状に配設されるとともに、この第１の引張歪抵抗素子２６の長手方向を円筒形状の起歪体２１の軸線長手方向に対して右肩上がりに傾斜させて構成している。また、この第１の引張歪抵抗素子２６は一端を前記起歪体２１の外側面に直接的に設けられた第１の出力電極２５および第１の圧縮歪抵抗素子２２に電気的に接続し、かつ他端を電源電極２７に電気的に接続している。２８は前記起歪体２１の外側面に直接的に設けられた厚膜抵抗からなる第２の圧縮歪抵抗素子で、この第２の圧縮歪抵抗素子２８はＡｇからなる回路パターン２３によりつづら折り形状に配設されるとともに、この第２の圧縮歪抵抗素子２２の長手方向を円筒形状の起歪体２１の軸線長手方向に対して左肩上がりに傾斜させて構成している。また、この第２の圧縮歪抵抗素子２８は一端を前記起歪体２１の外側面に直接的に設けられた電源電極２７および第１の引張歪抵抗素子２６に電気的に接続し、かつ他端を第２の出力電極２９に電気的に接続している。３０は前記起歪体２１の外側面に直接的に設けられた厚膜抵抗からなる第２の引張歪抵抗素子で、この第２の引張歪抵抗素子３０はＡｇからなる回路パターン２３によりつづら折り形状に配設されるとともに、この第２の引張歪抵抗素子３０の長手方向を円筒形状の起歪体２１の軸線長手方向に対して右肩上がりに傾斜させて構成している。また、この第２の引張歪抵抗素子３０は一端を前記起歪体２１の外側面に直接的に設けられた第２の出力電極２９および第２の圧縮歪抵抗素子２８に電気的に接続し、かつ他端を第２のＧＮＤ電極３１に電気的に接続している。そして、前記第１の圧縮歪抵抗素子２２、第１の引張歪抵抗素子２６、第２の圧縮歪抵抗素子２８、第２の引張歪抵抗素子３０、電源電極２７、第１の出力電極２５、第２の出力電極２９、第１のＧＮＤ電極２４および第２のＧＮＤ電極３１を回路パターン２３で電気的に接続することにより、フルブリッジ回路を構成している。

上記したように本発明の一実施の形態においては、第１の圧縮歪抵抗素子２２、第２の圧縮歪抵抗素子２８、第１の引張歪抵抗素子２６、第２の引張歪抵抗素子３０を起歪体２１の外側面に直接的に設けているため、起歪体２１に発生する捩りトルクによる応力は、直接的に第１の圧縮歪抵抗素子２２、第２の圧縮歪抵抗素子２８、第１の引張歪抵抗素子２６、第２の引張歪抵抗素子３０に伝わることになり、そしてこの第１の圧縮歪抵抗素子２２、第２の圧縮歪抵抗素子２８、第１の引張歪抵抗素子２６、第２の引張歪抵抗素子３０は円筒形状の起歪体２１の全周にわたって設けることができるため、第１の圧縮歪抵抗素子２２、第２の圧縮歪抵抗素子２８、第１の引張歪抵抗素子２６、第２の引張歪抵抗素子３０の抵抗体長さは大きくなり、これにより、第１の圧縮歪抵抗素子２２、第２の圧縮歪抵抗素子２８、第１の引張歪抵抗素子２６、第２の引張歪抵抗素子３０の応力による抵抗値の変化が大となるため、出力感度が大きくなるという効果が得られるものである。

また、第１の圧縮歪抵抗素子２２、第２の圧縮歪抵抗素子２８、第１の引張歪抵抗素子２６、第２の引張歪抵抗素子３０はつづら折り形状としているため、狭いスペースで、第１の圧縮歪抵抗素子２２、第２の圧縮歪抵抗素子２８、第１の引張歪抵抗素子２６、第２の引張歪抵抗素子３０の抵抗体長さを大きくすることができ、これにより、第１の圧縮歪抵抗素子２２、第２の圧縮歪抵抗素子２８、第１の引張歪抵抗素子２６、第２の引張歪抵抗素子３０の応力による抵抗値の変化が大となるため、トルクセンサの出力感度がさらに向上するという効果が得られるものである。

３２はＳＵＳ４３０からなる第１の取付部材で、この第１の取付部材３２は前記起歪体１１の一端側の開口部（図示せず）を閉塞するとともに、外側面にネジ部３３を設けている。３４は第１の取付部材３２と同様にＳＵＳ４３０からなる第２の取付部材で、この第２の取付部材３４は前記起歪体２１の他端側の開口部（図示せず）を閉塞するとともに、外側面にネジ部３５を設けている。

以上のように構成された本発明の一実施の形態におけるトルクセンサについて、次にその組立方法について説明する。

まず、ステンレス板（図示せず）の上面にガラスペースト（図示せず）を印刷した後、約８５０℃で約１０分間焼成して起歪体２１を形成する。

次に、前記起歪体２１の外側面に位置して銀のペースト（図示せず）を印刷し、約８５０℃で約１０分間焼成することにより、前記起歪体２１の上面に電源電極２７、第１の出力電極２５、第２の出力電極２９、第１のＧＮＤ電極２４および第２のＧＮＤ電極３１および回路パターン２３を形成する。

次に、前記起歪体２１の外側面における第１の圧縮歪抵抗素子２２、第１の引張歪抵抗素子２６、第２の圧縮歪抵抗素子２８および第２の引張歪抵抗素子３０を設ける位置にメタルグレーズ系ペースト（図示せず）を印刷した後、約１３０℃で約１０分間乾燥し、その後、前記起歪体２１を約８５０℃で約１０分間焼成することにより、起歪体２１に第１の圧縮歪抵抗素子２２、第１の引張歪抵抗素子２６、第２の圧縮歪抵抗素子２８および第２の引張歪抵抗素子３０を形成する。

次に、起歪体２１の一端側に第１の取付部材３２を当接させた後、溶接により起歪体２１の一端側開口部（図示せず）に第１の取付部材３２を固着する。

最後に、起歪体２１の他端側に第２の取付部材３４を当接させた後、溶接により起歪体２１の他端側開口部（図示せず）に第２の取付部材３４を固着する。

以上のようにして構成され、かつ組み立てられた本発明の一実施の形態におけるトルクセンサについて、次に、その動作を説明する。

捩りトルクを計測する被検出部材（図示せず）に第１の取付部材３２および第２の取付部材３４を螺合するとともに、起歪体２１の外側面に設けた電源電極２７と第１のＧＮＤ電極２４および第２のＧＮＤ電極３１との間に電圧を印加する。そして、図４に示すように、第１の取付部材３２を固定した状態で、第２の取付部材３４を時計回りに回転させると、起歪体２１に捩りトルクが発生し、この捩りトルクに応じて、起歪体２１の外側面に設けた第１の引張歪抵抗素子２６および第２の引張歪抵抗素子３０に引張応力が発生するとともに、第１の圧縮歪抵抗素子２２および第２の圧縮歪抵抗素子２８に圧縮応力が発生する。そして、この応力の変化による第１の圧縮歪抵抗素子２２、第１の引張歪抵抗素子２６、第２の引張歪抵抗素子３０および第２の圧縮歪抵抗素子２８の抵抗値の変化をブリッジ回路の出力として検出して第１の出力電極２５および第２の出力電極２９から差動電圧として出力することにより、トルクセンサに加わる捩りトルクを検出するものである。

上記した本発明の一実施の形態においては、第１の圧縮歪抵抗素子２２および第１の引張歪抵抗素子２６の長手方向を円筒形状の起歪体２１の長手方向に対して互いに反対の角度に傾斜させるとともに、第２の圧縮歪抵抗素子２８および第２の引張歪抵抗素子３０の長手方向を円筒形状の起歪体２１の長手方向に対して互いに反対の角度に傾斜させているため、起歪体２１に捩りトルクを付加すると、起歪体２１の微小な捩じれ回転により、第１の圧縮歪抵抗素子２２および第２の圧縮歪抵抗素子２８に圧縮応力が加わると同時に、
第１の引張歪抵抗素子２６および第２の引張歪抵抗素子３０に引張応力が加わるため、第１の圧縮歪抵抗素子２２および第２の圧縮歪抵抗素子２８の抵抗体長さが小となると同時に第１の引張歪抵抗素子２６および第２の引張歪抵抗素子３０の抵抗体長さが大となり、そしてブリッジ回路の出力により、容易に捩りトルクを検出できるという効果が得られるものである。

本発明に係るトルクセンサは、出力感度を大きくすることができるという効果を有し、自動車のシフトレバーに作用するトルクを検出する用途に適用できるものである。

本発明の一実施の形態におけるトルクセンサの斜視図 同トルクセンサの上面図 同トルクセンサにおける起歪体の展開図 同トルクセンサが動作した状態を示す上面図 従来のトルクセンサの斜視図

符号の説明

２１ 起歪体
２２，２８ 圧縮歪抵抗素子
２３ 回路パターン
２４，２５，２７，２９，３１ 電極
２６，３０ 引張歪抵抗素子
３２ 第１の取付部材
３４ 第２の取付部材

Claims (3)

1. 回転トルクによる圧縮応力を検出する少なくとも１つの圧縮歪抵抗素子と、回転トルクによる引張応力を検出する少なくとも１つの引張歪抵抗素子と、前記圧縮歪抵抗素子および引張歪抵抗素子を電極に電気的に接続することによりブリッジ回路を構成する回路パターンと、前記圧縮歪抵抗素子、引張歪抵抗素子、電極および回路パターンを設けた円筒形状の起歪体と、この起歪体の一端開口部に固着された第１の取付部材と、前記起歪体の他端開口部に固着された第２の取付部材とを備え、前記圧縮歪抵抗素子、引張歪抵抗素子、電極および回路パターンを起歪体の外側面に直接的に設けたトルクセンサ。
2. 圧縮歪抵抗素子および引張歪抵抗素子の長手方向を円筒形状の起歪体の軸線長手方向に対して互いに反対の角度に傾斜させた請求項１記載のトルクセンサ。
3. 圧縮歪抵抗素子および引張歪抵抗素子をつづら折り形状とした請求項１記載のトルクセンサ。

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