JP2013217684A - シャフトのトルク検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体型歪みセンサ４の破損や汚損を回避しつつ高精度なトルク検出を実現する。
【解決手段】検出対象となるシャフト１は、少なくとも一部が円筒状に構成されており、その内周面１ａに、中継板１１を介してトルク検出モジュール２が取り付けられている。トルク検出モジュール２は、基板３と、歪みセンサ４と、無線給電のための受電部５と、無線信号通信のための信号送信部６と、を有し、歪みセンサ４のチップは、基板３の開口部を通して中継板１１の平坦面１１ｂに直接に接合されている。中心部の棒状部材１４には、給電部１５と信号受信部１６とが設けられる。中継板１１はシャフト１と同じ材質からなり、トルクに応じた歪みが歪みセンサ４によって検出される。外部の異物やノイズ等に対して、歪みセンサ４が保護される。
【選択図】図１

Description

この発明は、自動車や内燃機関などにおける種々のシャフトにおいて、該シャフトに作用するトルクをシャフトの歪みから検出するトルク検出装置に関する。

特許文献１には、シャフトが伝達する軸トルクを検出するために、シャフト外周面の１８０°離れた２箇所に２ゲージ型の抵抗線式歪みゲージをそれぞれ取り付け、全体としてホイートストンブリッジ回路を構成するようにして、軸トルクに比例した電圧信号を得るようにしたトルク検出装置が開示されている。

また、近年、従前の抵抗線式歪みゲージに代えて、半導体基板に複数の拡散抵抗からなるホイートストンブリッジ回路を形成するとともに、増幅回路を同じ基板上に形成した半導体型歪みセンサが本出願人らによって種々提案されている（例えば特許文献２参照）。

特開２００６−２００９５３号公報 特開２００５−１１４４４３号公報

上記の半導体型歪みセンサは、従前の抵抗線式歪みゲージに比べて遙かに感度が高く、シャフトのトルクに関連した微小な歪みの検出に適しているが、その反面、脆い薄肉の半導体チップとして構成されているため、仮に特許文献１のようにシャフト外周面に取り付けたとすると、何らかの原因（例えばシャフトの組立時の他部品との接触や使用中の異物との接触その他）によって破損しやすい。また、自動車や内燃機関などの用途では、その使用環境による歪みセンサの汚損が生じやすい。さらには、適用箇所によっては、内燃機関の点火系などからのノイズの影響も受けやすい。

この発明に係るシャフトのトルク検出装置は、トルクが作用するシャフトの少なくとも一部が円筒状に構成されており、この円筒状部分の内周面を歪みを検出する歪みセンサが、上記円筒状部分の内側空間内に配置されていることを特徴としている。

すなわち、トルクに関連したシャフトの歪みは、基本的に半径に比例して増大するので、トルクの検出に際しては、上記特許文献１に開示されているように、シャフト外周面における歪みを計測しようとするのが一般的である。これに対し、本発明は、半導体型歪みセンサが極めて高い感度を有することに着目し、シャフトに円筒状部分を設けて、その内周面の歪みを検出する。これにより、歪みセンサは、円筒状部分の内側空間内に配置され、シャフト外部に露出しないため、外部環境による汚損や何らかの異物等との接触による破損が生じにくくなる。また、一般に金属製であるシャフトの円筒状部分に歪みセンサが囲まれるため、ノイズの影響も抑制される。

本発明の好ましい一つの態様では、一方の面が上記内周面に合致する円弧面をなし、かつ他方の面が平坦面をなす中継板を備えており、上記平坦面に上記歪みセンサのチップが貼着されているとともに、この中継板が上記内周面に取り付けられている
脆い半導体基板からなる歪みセンサのチップは、湾曲面に取り付けることが一般に困難である。上記のように一方の面が円弧面をなす中継板を介して歪みセンサのチップをシャフト内周面に取り付けるようにすれば、シャフト内周面に直接に平坦面（チップ取付面）を加工するよりも容易に歪みセンサを取り付けることができる。

また本発明の好ましい一つの態様では、無線給電のための受電部および無線信号通信のための信号送信部が、上記円筒状部分の内側空間に設けられている。そして、好ましくは、無線給電のための給電部および無線信号通信のための信号受信部が、上記内側空間内に挿入配置された棒状部材に配置される。このようにすれば、円筒状部分の内側空間内に無線給電のための受電部ならびに給電部と無線信号通信のための信号送信部ならびに信号受信部とが歪みセンサとともに全て収容されることとなり、外部からの汚損やノイズに対して一層有利となる。

なお、本発明の他の態様では、無線給電のための受電部および無線信号通信のための信号送信部が、上記シャフトの外周面に配置されており、これらに対応する無線給電のための給電部および無線信号通信のための信号受信部が、上記シャフトの外周側に配置されている。

この発明によれば、歪みセンサがシャフト外周面に露出せず、円筒状部分の内側空間内に保護されるため、何らかの原因による歪みセンサの破損を回避できるとともに、外部環境による汚損やノイズの影響を抑制することができる。

この発明に係るトルク検出装置の一実施例を示す一部切欠の斜視図。 歪みセンサのチップ部分の拡大断面図。 中継板の取付構造の一例を示す一部切欠の斜視図。 中継板の取付構造の他の例を示す一部切欠の斜視図。 中継板の取付構造のさらに他の例を示す一部切欠の斜視図。 基板とチップとの間の接続の他の例を示す拡大断面図。 チップのみを中継板上に配置した例を示す拡大断面図。 シャフトの一部のみを円筒状とした実施例を示す一部切欠の斜視図。 受電部および信号送信部をシャフト外周側に配置した実施例を示す一部切欠の斜視図。 シャフトの回転位置を変えて示す図９と同じ実施例の斜視図。

図１は、この発明に係るトルク検出装置の一実施例を示す斜視図である。この実施例では、トルクが作用する検出対象となる金属製のシャフト１が全体として円筒状に構成されており、その一端部の内側空間内に、トルク検出モジュール２が配置されている。

トルク検出モジュール２は、必要なプリント配線を具備した細長い帯状をなす基板３と、この基板３の一端部、特にシャフト１の中央により近い側となる端部に配置された歪みセンサ４と、必要な電力を無線給電によって受ける受電部５と、歪みセンサ４からの出力信号を無線信号通信によって送信する信号送信部６と、を備えている。上記受電部５および上記信号送信部６は、それぞれ単一のパッケージのデバイスとして構成され、上記基板３上に実装されている。詳しくは、受電部５と信号送信部６と歪みセンサ４の三者がシャフト１の軸方向に沿って一列に並ぶように基板３の長手方向に沿って配置されている。

上記トルク検出モジュール２の基板３はシャフト１の内周面１ａに直接には固定されておらず、一定幅の細長い板状をなす中継板１１を介してシャフト１に取り付けられている。この中継板１１は、シャフト１を構成する材質の剛性に近似した剛性を有する金属、望ましくはシャフト１と同一の材質の金属材料にて形成されており、一方の面１１ａが上記シャフト１の内周面１ａと等しい曲率の円弧面をなし、かつ他方の面１１ｂが内周面１ａの弦に沿った平坦面をなしている。つまり、上記中継板１１は、内周面１ａの周方向の一箇所においてシャフト１の軸方向に延びるように配置され、この状態において、上記円弧面１１ａがシャフト１の内周面１ａに隙間なく合致するようになっている。そして、この中継板１１は、後述する適宜な手段によってシャフト１内周面１ａに固定されている。

上記トルク検出モジュール２の基板３は、上記中継板１１の平坦面１１ｂに接着あるいはハンダ付け等の適宜な手段によって取り付けられている。なお、中継板１１の幅（シャフト１の周方向の幅）は、過度に大きいと検出精度の低下の要因となり得るので、トルク検出モジュール２の支持の上で必要な最小限のものであることが望ましい。

上記歪みセンサ４は、例えば特許文献２に開示されているように半導体基板に複数の拡散抵抗からなるホイートストンブリッジ回路を形成するとともに、増幅回路を同じ基板上に形成した半導体型歪みセンサからなり、例えば１〜２ｍｍ角程度の１つのチップとして構成されている。この歪みセンサ４は、中継板１１の平坦面１１ｂの表面に直接に取り付けられている。つまり、図２に示すように、トルク検出モジュール２の基板３に、歪みセンサ４のチップの大きさに対応した矩形の開口部１２が設けられており、この開口部１２内に配置された歪みセンサ４が、接着やハンダ付け等の適宜な手段でもって中継板１１の平坦面１１ｂに接合されている。そして、ワイヤボンディング１３を介して基板３と接続されている。脆い半導体基板からなる歪みセンサ４のチップは、湾曲面に取り付けることが困難であるが、上記のように中継板１１の平坦面１１ｂに取り付けることで、その取付が可能となる。なお、上記のような半導体型歪みセンサは、特定の方向（一般には互いに直交する２方向）に沿った歪みに対し高い感度を有しているが、この歪み検出方向が上記シャフト１のトルクに起因する歪み発生方向に対応するように、歪みセンサ４が構成されている。

一方、上記のように中空円筒状をなすシャフト１の中心には、該シャフト１と同心状をなすように棒状部材１４が配置されている。この棒状部材１４は、図示せぬブラケット等を介して非回転に固定されているものであって、円筒状のシャフト１の端部開口部からシャフト１の内側空間内に挿入されており、この棒状部材１４に対し上記シャフト１が相対回転する構成となっている。この棒状部材１４には、上記受電部５との間で無線給電を行う給電部１５と、上記信号送信部６との間で無線信号通信を行う信号受信部１６と、がそれぞれトルク検出モジュール２の受電部５および信号送信部６の位置に対応した軸方向位置に配設されている。これらの給電部１５および信号受信部１６は、例えば合成樹脂材料からなる棒状部材１４の内部にモールドしてもよく、あるいは棒状部材１４を金属材料から構成するような場合には、棒状部材１４の表面に取り付けるようにしてもよい。これらの給電部１５および信号受信部１６に必要な配線は、棒状部材１４の内部を通して、あるいは棒状部材１４の長手方向に沿って形成した凹溝（図示せず）内に埋設した形として、外部へ引き出すことができる。

上記のようなトルク検出装置によれば、シャフト１にトルクが作用すると、シャフト１の捩れに伴ってシャフト１さらには中継板１１に微小な歪みが発生し、歪みセンサ４によってトルクに応じた出力信号が得られる。トルク検出モジュール２に必要な電力は、シャフト１中心の給電部１５からトルク検出モジュール２の受電部５へと無線給電され、またトルク検出モジュール２で得られた検出信号は、トルク検出モジュール２の信号送信部６からシャフト１中心の信号受信部１６へと無線送信される。従って、車両のステアリングシャフトなどのようにシャフト１の回転量が一定量に制限される用途に用いうるのは勿論のこと、内燃機関のカムシャフトなどのようにシャフト１が無限に回転する用途においても適用することが可能である。給電部１５および信号受信部１６がシャフト１の中心部に位置し、受電部５および信号送信部６との位置関係がシャフト１の回転位置に拘わらずにほぼ一定に維持されるので、無線給電および無線信号通信を安定的に行うことができる。なお、回転停止時等にも確実な電力供給を維持するために、受電部５に、適当な容量の二次電池を内蔵させるようにしてもよい。また、受電部５と給電部１５との軸方向の位置合わせを確実なものとするために、図１に示すように、受電部５および給電部１５を、信号送信部６および信号受信部１６よりもシャフト１の端部寄りに配置することが好ましい。歪みセンサ４はシャフト１の中央に近い側に配置されているので、トルクによる歪みが比較的均一に分布する位置においてトルクの検出を行うことができ、検出精度の上で有利となる。

半導体型歪みセンサからなる歪みセンサ４は比較的脆く、外力などに対し弱いが、上記構成では、円筒状のシャフト１の内側に保護された形となり、例えばシャフト１の組立作業の際に作業者が手指で触れたり使用中に何らかの異物が接触したりすることが回避され、歪みセンサ４の損傷を確実に防止できる。また、歪みセンサ４がシャフト１の外表面に露出しないため、塵埃や雨水、オイル等による汚損からも保護される。さらには、歪みセンサ４を含むトルク検出モジュール２全体ならびに信号受信部１６が金属製の円筒状シャフト１によって包囲され、シールドされることとなるため、例えば内燃機関の点火系など外部からの種々のノイズの影響が抑制される。

上記中継板１１は、接着、溶接、圧入、ねじ止め、などの適宜な手段でシャフト１内周面１ａに固定される。このように平坦面１１ｂを有する中継板１１を介在させることで、裏面が平面をなす歪みセンサ４のチップを容易に取り付けることができる。換言すれば、シャフト１内周面１ａに平坦な座面（チップ取付面）を機械加工する必要がない。そして、口径が異なる種々のシャフト１に適用するに際して、中継板１１のみを各シャフト１に対応したものとすればよく、トルク検出モジュール２は汎用性を有する部品とすることができる。

なお、上記中継板１１の寸法（主に板厚）を変更することで、歪み検出の感度を調整することも可能である。つまり、トルク検出モジュール２としてのゲインの調整が中継板１１の寸法変更によっても可能となる。

図３は、中継板１１の取付構造の一例を示しており、中継板１１が両端の２箇所（符号２１，２２で示す点）においてシャフト１に溶接もしくはねじ止めされている。これらの点２１，２２に対向する位置つまり１８０°離れた位置には、溶接ガンあるいはねじ止め用のドライバを挿入するための作業孔２３，２４が設けられている。これらの作業孔２３，２４は、必要に応じて作業後にプラグ（図示せず）で封止するようにしてもよい。なお、中継板１１端部が円筒状シャフト１の開口端まで延びている場合には、作業孔２３，２４を設けずに該開口端を通して溶接等の作業を行うこともできる。

図４は、中継板１１の取付構造の他の例を示している。この例は、一種のあり継ぎ構造として中継板１１を固定するようにしたものであって、シャフト１の内周面１ａに軸方向に沿った係止溝２６が凹設されており、この係止溝２６に対応した断面形状を有する中継板１１が、シャフト１の開口端から軸方向に沿って該係止溝２６内に圧入されている。

図５は、中継板１１の取付構造のさらに他の例を示している。この例では、平坦面１１ｂを有する中継板１１が、円筒状中継部材３１の一部をなしている。この円筒状中継部材３１は、シャフト１内周面１ａの口径に対して、しばり嵌めの関係となる外径を有し、シャフト１の開口端から該シャフト１内に圧入されている。

なお、図３〜図５のいずれの場合も、トルク検出モジュール２が予め中継板１１上に搭載されており、このトルク検出モジュール２を備えた中継板１１がシャフト１に組み付けられる。

上記実施例では、中継板１１に取り付けられた歪みセンサ４のチップとトルク検出モジュール２の基板３とがワイヤボンディング１３を介して接続（図２参照）されているが、図６に示すように、上面にバンプ４１を備えた半導体型歪みセンサ４のチップの上に、フレキシブル基板４２を重ね、上記のバンプ４１を介して歪みセンサ４とフレキシブル基板４２との接続を行うようにしてもよい。上記フレキシブル基板４２としては、受電部５および信号送信部６が取り付けられるトルク検出モジュール２の基板３そのものをフレキシブル基板としたものであってもよく、あるいは基板３とは別のフレキシブル基板であってもよい。

また、図７に示す実施例は、シャフト１と同じ材質とした中継板１１を歪みセンサ４の取付に必要な最小限の大きさのものとし、基板３は別の板状部材５１の上に支持するようにしたものである。上記板状部材５１は、シャフト１と同じ材質である必要はなく、溶接やねじ止め、あるいは接着等の適宜な手段でシャフト１内周面１ａに固定される。上記基板３と歪みセンサ４とは、図２の例と同様に、ワイヤボンディング１３を介して接続されている。

本発明は、シャフト１の長手方向の少なくとも一部が円筒状であれば適用が可能である。図８は一例として、一端部のみが円筒状であり、長手方向の残部が中実となったシャフト１に本発明を適用した実施例を示している。この例では、特に、トルク検出モジュール２を備えた中継板１１の収容に必要な軸方向長さだけ円筒状に形成されており、シャフト１全体に作用するトルクを端部の円筒状部分の歪みとして検出している。

次に、図９および図１０は、この発明の異なる実施例、特に、無線給電および無線信号通信をシャフト１の外周側で行うようにした実施例を示している。なお、図１０は、図９に比較して、シャフト１が１８０°回転した状態を示している。

この実施例においては、歪みセンサ４のチップと接続される第１の基板３Ａと、受電部５および信号送信部６が実装された第２の基板３Ｂと、両基板３Ａ，３Ｂを互いに接続する帯状のフレキシブル配線６１と、によってトルク検出モジュール２が構成されており、上記第１の基板３Ａが中継板１１を介してシャフト１の円筒状部分の内周面１ａに取り付けられているとともに、上記第２の基板３Ｂがシャフト１の円筒状部分の外周面１ｂに取り付けられている。つまり、円筒状部分の周方向の一部を両側から挟むように第１の基板３Ａと第２の基板３Ｂとが配置され、シャフト１端面に位置するフレキシブル配線６１が両者を接続している。なお、歪みセンサ４のチップは、前述した図２の例と同様に、中継板１１の平坦面１１ｂに直接に取り付けられている。

上記受電部５および信号送信部６に対応して、シャフト１外周側には、給電・受信ユニット６２が配置されている。この給電・受信ユニット６２は、シャフト１を環状に囲むように構成されており、シャフト１側の受電部５との間で無線給電を行う給電部（図示せず）と、シャフト１側の信号送信部６との間で無線信号通信を行う信号受信部（図示せず）と、を内蔵している。なお、図示例では、受電部５および信号送信部６がシャフト１の周方向に並んで配置されているため、給電・受信ユニット６２の軸方向の寸法が小さくなっている。

このような実施例においても、前述した実施例と同様に、半導体型歪みセンサからなる歪みセンサ４のチップをシャフト１の内側空間において破損や汚損から保護することができ、また外部からのノイズの影響を抑制できる。

以上、この発明の一実施例を説明したが、本発明は、図示した実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。

１…シャフト
２…トルク検出モジュール
３…基板
４…歪みセンサ
５…受電部
６…信号送信部
１１…中継板
１４…棒状部材
１５…給電部
１６…信号受信部

Claims (8)

1. トルクが作用するシャフトの少なくとも一部が円筒状に構成されており、この円筒状部分の内周面を歪みを検出する歪みセンサが、上記円筒状部分の内側空間内に配置されていることを特徴とするシャフトのトルク検出装置。
2. 一方の面が上記内周面に合致する円弧面をなし、かつ他方の面が平坦面をなす中継板を備え、上記平坦面に上記歪みセンサのチップが貼着されているとともに、この中継板が上記内周面に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載のシャフトのトルク検出装置。
3. 無線給電のための受電部および無線信号通信のための信号送信部が、上記円筒状部分の内側空間に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のシャフトのトルク検出装置。
4. 無線給電のための受電部および無線信号通信のための信号送信部が、上記中継板上に設けられていることを特徴とする請求項２に記載のシャフトのトルク検出装置。
5. 無線給電のための給電部および無線信号通信のための信号受信部が、上記内側空間内に挿入配置された棒状部材に配置されており、上記棒状部材に対し上記シャフトが回転することを特徴とする請求項３または４に記載のシャフトのトルク検出装置。
6. 上記チップと上記受電部と上記信号送信部との三者が、上記中継板上において上記シャフトの軸方向に並んで配置されていることを特徴とする請求項４に記載のシャフトのトルク検出装置。
7. 無線給電のための受電部および無線信号通信のための信号送信部が、上記シャフトの外周面に配置され、これらに対応する無線給電のための給電部および無線信号通信のための信号受信部が、上記シャフトの外周側に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のシャフトのトルク検出装置。
8. 上記中継板が上記シャフトと同一の材質を有することを特徴とする請求項２，４，６のいずれかに記載のシャフトのトルク検出装置。

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