JP2013174562A - トルク検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転駆動シャフトの周辺部品との干渉がなく、良好にトルク計測でき、小型軽量で無線無給電のトルク検出装置を実現する。
【解決手段】トルク検出装置１００は、回転駆動シャフト１の外周面に固定され、回転駆動シャフト１のトルクを平面上の歪みに変換する平坦部１１を有するアタッチメント１０と、アタッチメント１０の平坦部１１に装着される表面弾性波センサ２０と、回転駆動シャフト１の周囲に装着され、送受信機側アンテナ４０と送受信するフィルムアンテナ３０と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転駆動シャフトのトルクを検出するためのトルク検出装置に関する。

従来、車両の動力伝達系統に連結されたプロペラシャフトやドライブシャフト等の回転駆動シャフトのトルクを検出するためトルク検出装置が種々開発されている。

プロペラシャフトのトルク検出に関する技術として、プロペラシャフトの外周面に磁気異方性溝を形成し、検出コイルを備えた筒体を遊嵌してトルクセンサを取り付けたトルクセンサ取付構造が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。

実開平６−３７７３１号公報

特許文献１のトルクセンサ取付構造は、プロペラシャフトに検出コイルを備えた筒体を遊嵌している。さらに、車体側には、複数のスプリングで支承されたアーチ状のプロペラシャフトガードを取り付ける必要がある。

したがって、トルク検出装置が全体として大型となり、車両の種類によってはプロペラシャフトの周辺部品との干渉が生じ、トルク検出装置の取り付けが困難となる。

また、トルク検出装置の取り付けが可能であっても、実走行時の挙動変化により部品間の干渉が生じる可能性があり、検出コイル等の損傷によってトルク計測が不可能になる。

本発明は、上記の事情に鑑みて創案されたものであり、回転駆動シャフトの周辺部品との干渉がなく、良好にトルク計測することができるトルク検出装置の提供を目的とする。

また、本発明は、小型軽量、無線で送受信ができ、給電が不要なトルク検出装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するためのトルク検出装置は、アタッチメント、表面弾性波センサおよびフィルムアンテナを備える。

アタッチメントは、回転駆動シャフトの外周面に固定され、該回転駆動シャフトのトルクを平面上の歪みに変換する平坦部を有する。

表面弾性波センサは、アタッチメントの上記平坦部に装着される。

フィルムアンテナは、上記回転駆動シャフトの周囲に装着され、送受信機側アンテナと送受信する。

本発明に係るトルク検出装置によれば、回転駆動シャフトのトルクを平面上の歪みに変換する平坦部を有するアタッチメントと、表面弾性波を利用して歪みや温度を計測可能な表面弾性波センサと、送受信機側アンテナと送受信するフィルムアンテナとを有する。

アタッチメントは、回転駆動シャフトの外周面に軸方向に沿って設けられた小型部材であり、フィルムアンテナも薄肉の部材である。したがって、本発明に係るトルク検出装置は、回転駆動シャフトの周辺部品との干渉がなく、良好にトルク計測することができる。

また、本発明は、アタッチメントと表面弾性波センサとフィルムアンテナとを組み合わせることにより、小型軽量かつ無線無給電のトルク検出装置を実現することができる。

本実施形態のトルク検出装置の概略構成図である。 本実施形態におけるアタッチメントの構造の概略図である。 本実施形態における表面弾性波センサの本体構造の概略斜視図である。 本実施形態におけるフィルムアンテナの設置状態の概略断面図である。 本実施形態におけるフィルムアンテナへの給電方式のブロック図である。 トルク検出装置を構成要素とするトルク計測システムの概略図である。 本実施形態におけるフィルムアンテナの配置の最適化の説明図である。 回転駆動シャフトの外径−アンテナ必要個数、アンテナ間距離−アンテナ必要個数の関係の説明図である。 フィルムアンテナの数に対する電波強度状態の説明図である。

以下、図面を参照してトルク検出装置の実施形態を説明する。

トルク検出装置は、回転駆動シャフトのトルクを効率よく平面上の歪みに変換できるように最適化されたアタッチメントと、表面弾性波を利用して歪みや温度を計測可能な表面弾性波センサと、送受信機側アンテナと送受信するフィルムアンテナと、を有する。本実施形態によれば、アタッチメント、表面弾性波センサおよびフィルムアンテナを組み合わせることにより、小型軽量かつ無線無給電のトルク検出装置が提供できるようになる。

［トルク検出装置の構成］
まず図１から図６を参照して、本実施形態のトルク検出装置の構成について説明する。

図１は本実施形態のトルク検出装置の概略構成図である。図２は本実施形態におけるアタッチメントの構造の概略図である。

図１に示すように、本実施形態のトルク検出装置１００は、アタッチメント１０、表面弾性波センサ２０およびフレキシブルアンテナ３０を有する。

アタッチメント１０は、プロペラシャフトやドライブシャフトなどの回転駆動シャフト１に、表面弾性波センサ２０を取り付けるための部材である。

アタッチメント１０の形状は、回転駆動シャフト１のトルクを効率よく平面上の歪みに変換できるように最適化される。アタッチメント１０は、回転駆動シャフト１のトルクを平面上の歪みに変換する支持構造として、平坦部１１を有する。本実施形態のアタッチメント１０は、たとえば、平板状の部材であり、両端にほぼ台形状の支持部１２ａ，１２ｂを有する。

平坦部１１には、表面弾性波センサ２０が装着される。図２に示すように、平坦部１１の一部には、表面弾性波センサ２０の一部をアタッチメント１０から離間させるための微少な溝１３が形成される。

アタッチメント１０の構成材料には、回転駆動シャフト１と同じ強度、剛性を有する材料が用いられる。たとえば、車両用プロペラシャフトは軽量かつ曲げ強度、ねじれ剛性が必要で、一般にＳＣＭ４１５等のクロムモリブデン鋼やＳＮＣＭ８等のニッケルクロムモリブデン鋼などで形成されている。したがって、アタッチメント１０の構成材料には、クロムモリブデン鋼やニッケルクロムモリブデン鋼などの共材が用いられる。

アタッチメント１０は小型かつ軽量に形成する。アタッチメント１０は、たとえば、長さが４０ｍｍで厚さが３、４ｍｍ程度の小型寸法である。アタッチメント１０が小型であるので、回転駆動シャフト１の周辺部品との干渉を防止することができる。アタッチメント１０の回転駆動シャフト１への負荷重量は、たとえば、１０ｇ程度であり、回転シャフト１の回転バランスに影響を及ぼさない。

アタッチメント１０は、回転駆動シャフト１の外周面に、当該回転駆動シャフト１の軸方向に沿って固定する。アタッチメント１０の固定手段としては、たとえば、溶接や接着が挙げられるが、これらの手段に限定されない。

表面弾性波センサ２０は、表面弾性波（ｓｕｒｆａｃｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗａｖｅｓ）の伝播速度(または位相)の変化量を観測して、物質に作用した歪みや温度等の物理量を計測するセンサである（以下、「ＳＡＷセンサ」と称する）。

図３は本実施形態における表面弾性波センサの本体構造の概略斜視図である。

図３に示すように、ＳＡＷセンサ２０は、圧電材料基板２１の表面上に金属材料の微細パターンが形成されている。圧電材料としては、たとえば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、酸化亜鉛などが挙げられる。

微細パターンは、たとえば、アルミニウム等を用いて、蒸着やスパッタ等の物理的気相法により形成する。微細パターンは、１つの表面弾性波変換器２２と、４つの反射器２３ａ〜２３ｄと、からなる。

表面弾性波変換器２１は、フレキシブルアンテナ３０で受信した電磁波を表面弾性波に変換（逆も可能）する機能を有する。

反射器２３ａ〜２３ｄは、圧電材料基板の表面上を伝播する表面弾性波を反射する機能を有する。反射器２３ａ，２３ｂが形成されている領域Ｔは、温度のみを検出する領域である。反射器２３ｃ，２３ｄが形成されている領域ＴＳは、ＳＡＷセンサ２０の温度と歪みの双方を検出する領域である。

ＳＡＷセンサ２０は、アタッチメント１０の平坦部１１に接着される（図２参照）。ＳＡＷセンサ２０側の接着部２４は、圧電材料基板２１を挟んで反射器２３ｃ，２３ｄが形成されている領域の裏面側の領域である（図２の斜線範囲を参照）。反射器２３ａ，２３ｂが形成されている領域、すなわちＳＡＷセンサ２０の温度と歪みの双方を検出する領域ＴＳのみが平坦部１１に接着される。

一方、反射器２３ａ，２３ｂが形成されている領域、すなわち温度のみを検出する領域Ｔは微少な溝１３上に配置され、アタッチメント１０から離間されている（図２参照）。温度のみを検出する領域Ｔがアタッチメント１０に接着されていないので、ＳＡＷセンサ２０の温度補償機能が有効となる。すなわち、トルク計測時に周辺環境の温度変化が生じたとしても、その温度変化の影響を無視することができ、ＳＡＷセンサ２０として使用温度範囲を広げることが可能となる。

図４は本実施形態におけるフィルムアンテナ（フレキシブルアンテナ）の設置状態の概略断面図である。

フィルムアンテナ３０は柔軟性を有するので、フレキシブルアンテナとも称される。図４に示すように、フィルムアンテナ３０は、回転駆動シャフト１の周囲に複数枚設けられる。本実施形態では、２枚のフィルムアンテナ３０ａ，３０ｂが用いられる。以下の説明では、フィルムアンテナ３０を２枚用いる場合を例示するが、フィルムアンテナ３０の枚数は２枚に限定されない。

フィルムアンテナ３０は、金属製の回転駆動シャフト１の外周面に直接装着するのではなく、当該回転駆動シャフト１とフィルムアンテナ３０との間に、数ｍｍの空気層３２を介して装着される。本実施形態では、たとえば、回転駆動シャフト１の外周面に５ｍｍの発泡スチロールを巻き付けることにより、実質的に空気層３２が形成される。回転駆動シャフト１とフィルムアンテナ３０との間に空気層３２を設けることにより、フィルムアンテナ３０の背後に存する金属製の回転駆動シャフト１の無線通信への悪影響を軽減することができ、無線通信の安定性を確保することができる。

図５は本実施形態におけるフィルムアンテナへの給電方式のブロック図である。

本実施形態のトルク検出装置１００は、電力分配器（パワーデバイダ）３３を使用して２枚のフィルムアンテナ３０ａ,３０ｂに並列に給電する方式を採用する。

図５に示すように、第１フィルムアンテナ３０ａおよび第２フィルムアンテナ３０ｂは、並列給電するための電力分配器３３を介して、ＳＡＷセンサ２０と接続される。回転駆動シャフト１の周囲に配置した２枚のフィルムアンテナ３０に並列給電することにより、回転駆動シャフト１の回転時においても、安定した無線通信状態が確立される。

回転駆動シャフト１の周囲に２枚のフィルムアンテナ３０ａ,３０ｂを配置する際は、フィルムアンテナ３０ａ,３０ｂに対する給電点３１の位置や、各フィルムアンテナ３０ａ,３０ｂの周波数帯域特性を考慮する（図４参照）。回転駆動シャフト１の３６０度どの方向においても電波強度が一定値以上となるように、２枚のフィルムアンテナ３０ａ,３０ｂの最適配置を決定する。

図６は本実施形態のトルク検出装置を構成要素とするトルク計測システムの概略図である。

図６に示すように、フィルムアンテナ３０と送受信する送受信機側アンテナ４０の他、送受信機４１、パーソナルコンピュータ等の演算装置４２、ＲＡＭやＨＤＤ等のデータ記録装置４３、増幅器（アンプ）４４、ブリッジボックス４５および緊張ゲージ４６が接続されている。

［トルク検出装置の動作］
次に、再び図１から図３を参照して、本実施形態のトルク検出装置の動作について説明する。

回転駆動シャフト１にトルクが負荷されると、アタッチメント１０にトルクの力が伝達される。アタッチメント１０の平坦部１１には、トルク負荷方向に応じて引張力もしくは圧縮力が作用する。引張力もしくは圧縮力が作用する結果、アタッチメント１０に接着されたＳＡＷセンサ２０には歪みとなって現れる。

ＳＡＷセンサ２０は、歪み（圧電材料の伸び縮み）を反射器２２ｃ，２２ｄと送受信機間の電磁波−表面弾性波応答の遅延時間を用いて検出する。

ここで、周囲の環境温度が変化した場合、圧電材料の温度特性にもよるが、温度変化が圧電材料上で伸び縮みとなって現れる。したがって、ＳＡＷセンサ２０は、上記遅延時間が歪みによる現象であるのか、それとも温度変化による現象であるのかを判別することはできなくなる。

この解決策として、反射器２２ａ，２２ｂと送受信機間の電磁波−表面弾性波応答の遅延時間を利用する。反射器２２ａ，２２ｂが形成されている領域は、アタッチメント１０に直接接着されておらず、歪みの影響を受けない。したがって、温度変化のみによる遅延時間が検出可能となる。

ＳＡＷセンサ２０は、反射器２２ｃ，２２ｄによる遅延時間から反射器２２ａ，２２ｂによる遅延時間を差し引くことにより、歪みのみによる遅延時間を算出することができる。そして、予め校正により求めておいたトルク−歪み換算式に計測値を代入することにより、回転駆動シャフト１に負荷されたトルクを検出することが可能となる。

［無線データ通信の安定性］
次に、図７から図９を参照して、回転駆動シャフトの回転中における無線データ通信の安定性について説明する。図７は本実施形態におけるフィルムアンテナの配置の最適化の説明図である。図８は回転駆動シャフトの外径−アンテナ必要個数、アンテナ間距離−アンテナ必要個数の関係の説明図である。図９はフィルムアンテナの数に対する電波強度状態の説明図である。

ＳＡＷセンサ２０による無線データ通信は、通常、１個の送受信機側アンテナに対して、１個のセンサ側アンテナで実施される。そうすると、図７（ａ）に示すように、フィルムアンテンナ３０を使用する場合は、１個の送受信機側アンテナ４０に対して、センサ側のフィルムアンテナ３０も１枚という構成になる。

しかし、回転駆動シャフト１のような回転体にＳＡＷセンサ２０を配置する場合は、フィルムアンテナ３０が１枚のみであると、回転角度によっては、フィルムアンテナ３０が送信機側アンテナ４０から隠れてしまい、通信の安定性を確保することができない。

したがって、電力を分配する機能を有する電力分配器３３を介在させて、２枚のフィルムアンテナ３０ａ，３０ｂを用いている（図５参照）。回転駆動シャフト１の周囲に２枚のフィルムアンテナ３０ａ，３０ｂを設けることにより、送信機側アンテナ４０からフィルムアンテナ３０ａ，３０ｂが完全に隠れることがなく、通信の安定性がある程度確保される。

フィルムアンテナ３０の必要個数は、図８に示すように、回転駆動シャフト１の外径と、センサ側アンテナ−送受信機側アンテナ間の必要距離などに応じて決めればよい。すなわち、図８において実線で示すように、回転駆動シャフトの外径が大きくなるほどアンテナの必要個数は多くなる。一方、図８において破線で示すように、アンテナ間距離が大きくなるほどアンテナの必要個数は少なくなる。これら双方の関係で、図７（ｂ）に示す第１フィルムアンテナ３０ａと第２フィルムアンテナ３０ｂとのアンテナ必要個数を決定する。

さらに、各フィルムアンテナ３０ａ，３０ｂの個々の周波数帯域特性や給電点３１の位置を考慮して、フィルムアンテナ３０ａ，３０ｂの配置を決定する。

たとえば、図７において、第１フィルムアンテナ３０ａの方が、第２フィルムアンテナ３０ｂよりも電磁波特性（周波数帯域の広さ、中心周波数など）が良いと仮定すると、第１フィルムアンテナ３０ａについては中心より若干オフセットされた給電点３１側に感度の高い部位が広がる傾向にある。したがって、図７（ｂ）のように第２フィルムアンテナ３０ｂを第１フィルムアンテナ３０ａの給電点３１側から少し離して配置することで、どの角度に対しても必要感度を確保することができる。

図９において実線で示すように、回転駆動シャフト１に１枚のみフィルムアンテナ３０を設けた場合は、回転駆動シャフト１にフィルムアンテナ３０が隠れ、電波強度に偏りが生じる。一方、図９において破線で示すように、回転駆動シャフト１に２枚のフィルムアンテナ３０ａ，３０ｂを設けた場合は、回転駆動シャフト１にフィルムアンテナ３０が隠れることなく、ほぼ均一な電波強度が得られる。

本実施形態のトルク検出装置１００は、回転駆動シャフト１のトルクを平面上の歪みに変換する平坦部１１を有するアタッチメント１０と、表面弾性波を利用して歪みや温度を計測可能なＳＡＷセンサ２０と、送受信機側アンテナ４０と送受信する複数枚のフィルムアンテナ３０ａ，３０ｂとを有する。

アタッチメント１０は、回転駆動シャフト１の外周面に軸方向に沿って設けられた小型部材であり、フィルムアンテナ３０も薄肉の部材である。したがって、本実施形態のトルク検出装置１００は、回転駆動シャフト１の周辺部品との干渉がなく、良好にトルク計測することができる。

また本実施形態のトルク検出装置１００は、アタッチメント１０とＳＡＷセンサ２０と複数枚のフィルムアンテナ３０ａ，３０ｂとを組み合わせることにより、小型軽量かつ無線無給電のトルク検出装置を実現することができる。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、これらは本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をこれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、上記実施形態とは異なる種々の態様で実施することができる。

１ 回転駆動シャフト、
１０ アタッチメント、
１１ 平坦部、
１３ 溝、
２０ 表面弾性波センサ（ＳＡＷセンサ）、
３０（３０ａ、３０ｂ） フィルムアンテナ、
３２ 空気層、
３３ 電力分配器、
４０ 送受信機側アンテナ、
１００ トルク検出装置
ＴＳ 温度と歪みの双方を検出する領域、
Ｔ 温度のみを検出する領域。

Claims (7)

1. 回転駆動シャフトの外周面に固定され、該回転駆動シャフトのトルクを平面上の歪みに変換する平坦部を有するアタッチメントと、
   前記アタッチメントの前記平坦部に装着される表面弾性波センサと、
   前記回転駆動シャフトの周囲に装着され、送受信機側アンテナと送受信するフィルムアンテナと、
   を有することを特徴とするトルク検出装置。
2. 前記アタッチメントは、前記回転駆動シャフトと同じ強度、剛性を有する材料で形成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。
3. 前記アタッチメントの平坦部の一部に溝が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のトルク検出装置。
4. 前記表面弾性波センサの温度と歪みの双方を検出する領域は前記平坦部に接着され、温度のみを検出する領域は前記溝上に配置されることを特徴とする請求項３に記載のトルク検出装置。
5. 前記フィルムアンテナは、前記回転駆動シャフトの周方向に沿って複数設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のトルク検出装置。
6. 前記表面弾性センサは、並列給電するための電力分配器を介して、前記複数のフィルムアンテナに接続されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のトルク検出装置。
7. 前記フィルムアンテナは、空気層を介して前記回転駆動シャフトの周囲に装着されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のトルク検出装置。