JP3060270B2 - 高剛性型トルク変換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば自動車等の車輪
に生じるトルクを測定する際に、測定時に必要な高い捩
り剛性を維持しながらより高い感度と精度で測定するこ
とが可能な高剛性型トルク変換器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば自動車の車輪等に生じるトルクを
シャーシダイナモのような装置に載置して測定する場合
には、例えば実開平２−８８１４０号公報に開示された
ようなトルクメータ（トルク変換器）が用いられる。

【０００３】このトルクメータに限らず一般のトルク変
換器では、例えば車輪によって回転させられる駆動ロー
ラとダイナモメータやブレーキ装置との中間の駆動力伝
達系中に結合された駆動側カップリングと従動側カップ
リングとの間に円柱状や円筒状の起歪体を連結する。

【０００４】そして、この起歪体の外周面等にひずみゲ
ージ（ストレンゲージ）を添着して、駆動側カップリン
グから従動側カップリングに回転力が伝達されるときに
起歪体に生じるひずみ量（剪断ひずみ）を上記ひずみゲ
ージにより電気的に検出し、その検出値から各種の動力
データを測定するようにしている。

【０００５】この場合、ひずみ量をより精度よく検出す
るには、大きなひずみを生じさせ得るように起歪体の太
さを細くしたり、また、円筒の肉厚を薄くしたりしなけ
ればならない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、伝達す
べき回転力が大きい自動車用のトルク変換器において
は、急発進時や急停止時に動力伝達系中に急峻な変化を
示すトルクが発生する。このような変化を示すトルクを
も高い応答性をもって検出し得るように高い捩り剛性を
維持することも同時に要求されるために、単純に起歪体
の太さを細くしたり肉厚を薄くしたりすると、剛性が極
度に低下し、応答性が低下してしまうという大きな欠点
が生じることになる。

【０００７】また、逆に剛性面のことを考慮する余り、
起歪体の太さを太くしたり肉厚を厚くしたりすると、ト
ルクに対応したひずみ量を精度よく検出することが出来
なくなる。

【０００８】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たもので、所用の応答性が得られる高い捩り剛性を維持
しながらより高い出力感度でしかも高精度をもって測定
することが可能な高剛性型トルク変換器を提供すること
を目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、駆動側カップリングと従動側カップリン
グとの間に円筒状の起歪体を結合すると共にこの起歪体
の周面にひずみゲージを添着し、このひずみゲージを用
いて起歪体に生じるトルクに対応したひずみ量を電気量
に変換してトルクを検出するトルク変換器において、前
記円筒状の起歪体の回転軸方向の所定の狭小な領域に、
外径を太く設定した薄肉円筒部を形成すると共に、その
薄肉円筒部の外表面に前記薄肉円筒部の肉厚よりも薄い
肉厚を残すように中心軸に平行な摺割り加工を施して平
面状起歪部を形成し、そこにひずみゲージを添着して、
前記起歪体の捩り剛性を高めるように構成したことを特
徴とするものである。

【００１０】また、本発明は、上記目的をよりよく達成
するために、前記平面状起歪部は、前記薄肉円筒部の外
表面における１８０°離隔した２個所を互いに平行平面
状に研削し且つ研磨して形成されてなることを特徴とす
るものである。

【００１１】

【作用】上記のように構成された高剛性型トルク変換器
は、円筒状の起歪体の回転軸方向の所定の狭小な領域に
起歪部としての薄肉円筒部を、その外径を太く設定する
と共に、その薄肉円筒部の外表面に前記薄肉円筒部の肉
厚よりも薄い肉厚を残すように中心軸に平行な摺割り加
工を施して平面状起歪部を形成し、そこにひずみゲージ
を添着し、測定時にこの平面状起歪部に剪断応力を集中
発生させて大きなひずみ量が生じさせるようになし、発
生したひずみ量をひずみゲージで検出するようにして、
必要な応答性を示す高い捩り剛性を維持しながらより高
い感度と精度でトルクを測定することを可能にしてい
る。

【００１２】なお、起歪体の薄肉円筒部の外表面におけ
る１８０°離隔した２個所を薄肉円筒部の肉厚よりも薄
い肉厚を残すように互いに平行平面状に研削し且つ研磨
して平面状起歪部を形成することで、所望の剛性を維持
しながら、ここにより大きなひずみを生じさせ、より高
感度で且つ高精度なトルクを検出し得るようにしてい
る。

【００１３】

【実施例】以下、図示実施例に基づいて本発明に係る高
剛性型トルク変換器の構成および作用について説明す
る。

【００１４】図１に示すのは、本発明の一実施例に係る
高剛性型トルク変換器の構成を一部破断して示す正面図
であり、図２は図１の高剛性型トルク変換器に使用され
ている円筒状起歪体の詳細構成を示す部分縦断面図であ
る。

【００１５】図１および図２において、５０はその詳細
を図２に示すような構造を有する全体において円筒形の
可撓性を有する起歪体で、その両端部分は、駆動側フラ
ンジ１および従動側フランジ２を取り付けるための結合
径部（いわゆる、印ろう部）５１および５２として小径
断部に形成され、この結合径部５１，５２の間は、中央
部分に２つの鍔部５３ａを有する剛性大なる厚肉円筒部
５３として形成され、さらに、厚肉円筒部５３の鍔部５
３ａの間は、薄肉円筒部５４として形成されている。

【００１６】この薄肉円筒部５４は、厚肉円筒部５３と
の境界部分に適度の丸みを有するように形成され、ま
た、外周面の対称的（対向的）な２個所に後述するよう
な構造の起歪部５５ａ（５５ｂ）を有するように形成さ
れている。

【００１７】そして、これらの起歪部５５ａ（５５ｂ）
には、中心軸に対し、４５°および１３５°の方向に向
けて各１組のひずみゲージ５６ａおよび５６ｂ（５７ａ
および５７ｂ）が接着、蒸着、融着、スパッタリング等
の手段により添着されている。

【００１８】これら２組のひずみゲージ５６ａ，５６ｂ
および５７ａ，５７ｂをもって、組まれるホイートスト
ンブリッジ回路から出力される検出信号は、厚肉円筒部
５３の外周面に形成された配線用溝５３ｂ内を配設され
た配線部材５８を通して、起歪体５０内に内蔵された増
幅器５９等に導入されるように構成されている。

【００１９】なお、駆動側フランジ１および従動側フラ
ンジ２は、図４に示すように、左右の厚肉円筒部５３の
端面に形成されたボルトねじ穴５３ｃを利用して起歪体
５０に強固に結合されている。

【００２０】３は、例えば自動車の車輪により回転させ
られるシャーシダイナモの測定ローラとダイナモメータ
やブレーキ機構等の負荷との間の動力伝達系中に連結さ
れる駆動側連結部材（いわゆるカップリングフランジ）
で、それ自体公知である３個のダイヤフラム部材４〜６
を介して、駆動側フランジ１の外方端面に結合されるよ
うに構成されている。

【００２１】７は図示なきシャーシダイナモのトルク測
定装置の上記動力伝達系の従動側に連結される従動側連
結部材で、適宜のボルト結合手段により従動側フランジ
２の外方端面に強固に結合されている。

【００２２】この場合、３個のダイヤフラム部材４〜６
は、駆動側連結部材３から従動側連結部材７への回転力
の伝達時に、これら８個の部材１〜７、５０を共通の回
転軸Ｏ上に正確にアライメントするような働きを果すフ
レキシブル伝達部として構成されている。

【００２３】８は起歪体５０の大径の厚肉円筒部５３の
一方の部分に所定の間隔を隔てて囲繞するような状態に
設けられた送電側リングで、例えばその下端部が送電側
リングベース９に固定されるように構成されている。こ
の送電側リング８の内には、フェライトコア１０に巻回
された送電側コイル１１が設けられている。

【００２４】この送電側リング８は、起歪体５０の厚肉
円筒部５３の外側空間に設けられた、例えば４本の固定
用シャフト１２により支持リング１３に支持されるよう
に構成され、さらに、支持リング１３は、下側部分の台
座１４を介して固定されるように構成されている。な
お、送電側リング８の周側部と支持リング１３の周側部
との間には、適宜のカバー１５が取り付けられている。

【００２５】１６は起歪体５０と一体的に回転し得るよ
うに起歪体５０の厚肉円筒部５３の一方の部分に設けら
れた受電側リングで、送電側リング８の送電側コイル１
１と対向する端面には、フェライトコア１７に巻回され
た受電側コイル１８が設けられている。

【００２６】そして、この受電側コイル１８と送電側コ
イル１１とでロータリートランスを構成し、この送電側
コイル１１には、送電側リングベース９に設けられたコ
ネクタ１９を介して、外部から導入される電源が供給さ
れるように構成されている。

【００２７】さて、前述の起歪体５０の起歪部５５ａ，
５５ｂは、図３に示すように、薄肉円筒部５４の外周面
における対向する２個所をこの実施例の場合、最小肉厚
が０．６mmになるように平行平面状に摺割り加工により
研削し且つ研磨して形成されている。従って、この起歪
部５５ａ、５５ｂの平面的な形状は、いずれも矩形状と
なる。

【００２８】これらの起歪部５５ａ，５５ｂには、前述
したように各１組のひずみゲージ５６ａ，５６ｂ（５７
ａ，５７ｂ）が、図５に示すように、それぞれのゲージ
の受感軸方向が回転軸Ｏに対してそれぞれ４５°および
１３５°をなすように添着されている。

【００２９】そして、これら４つのひずみゲージ５６
ａ，５６ｂ，５７ａ，５７ｂは、図６に示すようにホイ
ートストンブリッジ回路２０を形成するように結線さ
れ、その出力ｅｏが起歪体５０の中空部に嵌入された増
幅器５９により適宜増幅され、図示は、省略したが、光
学的信号伝送系を介して非接触状態で固定側に設けられ
たそれ自体公知であるひずみ量検出回路（図示せず）に
伝送され、復調、デジタル／アナログ変換等の処理が施
されて、トルクが表示ないし、記録されるようになって
いる。

【００３０】ところで、図７に示すのは、円筒形起歪体
において、トルクＴ＝２００kgf・mを与えたときの、ホ
イートストンブリッジ回路のブリッジ出力εと単位長さ
当りの回転角θとの相関関係を、中実（あるいは無空）
の円柱形の起歪体との比較において表した相関特性図、
すなわち、中実の円柱形の起歪体および中空円筒形の起
歪体のそれぞれに、例えばトルクＴ＝２００kgf・m を与
えたときに、円柱形起歪体から出力されるひずみ出力
と、円筒形起歪体から出力されるひずみ出力とを比較的
に示した相関特性図である。

【００３１】この相関特性図から解明し得たことは、円
柱形起歪体では、起歪体の外径が大きくなるにつれてブ
リッジ出力（測定感度に相当）が小さくなるが、円筒形
起歪体の場合には、起歪体の外径を大きくしてもブリッ
ジ出力が殆ど低下しないというトルク変換器にとって頗
る好都合な特性を持っているということである。

【００３２】従って、起歪体を円筒形状に構成すると共
にその外径を或る値以上に大きく設定した場合には、測
定感度を鈍化させずに起歪体の剛性を大きくすることが
出来ることになる。

【００３３】また、図８に示すのは、円筒形の起歪体に
おいて、例えばトルクＴ＝２００kgf・m を与えたときに
特定のブリッジ出力（この例の場合、ε＝３０００×１
０^−６）に対する外径（横軸）と内径（縦軸）との関係
を表した特性図であるが、この相関特性図の意味するも
のは、特定のブリッジ出力に対する適正な外径と内径と
を有する円筒形状を図から適宜に選定することが可能で
あるということである。

【００３４】また、図９に示すのは、薄肉円筒部の平面
状に削成した他の個所より薄肉である平面状起歪部を薄
肉円筒部に具えた円筒形起歪体における、平面状起歪部
以外の薄肉円筒部個所（起歪部）の肉厚ｔｏおよび平面
状起歪部の最小肉厚ｔの肉厚比ｔ／ｔｏと応力比α（σ
／σｏ）との相関関係を示す相関特性図である。

【００３５】この相関特性図が意味するものは、図示実
施例のように円筒形起歪体５０の薄肉円筒部５４にこの
円筒部の他の個所ｔｏの肉厚よりも薄い最小肉厚ｔを有
する平面状起歪部５５ａ，５５ｂを設けた場合には、起
歪部５５ａ，５５ｂの最小肉厚ｔを他の個所の肉厚ｔｏ
の約１０％以下の厚さに設定するようにすれば、測定感
度を大幅に向上させることが可能であるということを表
わしている。換言すれば、目標とする測定感度を得るの
に必要な起歪部５５ａ、５５ｂの最小肉厚ｔを、この図
から容易に求めることが出来るということである。

【００３６】さらに、図１０に示すのは、薄肉円筒部の
他の個所より薄肉である平面状起歪部を薄肉円筒部に具
えた円筒形起歪体における、平面状起歪部以外の薄肉円
筒部個所の肉厚ｔｏおよび平面状起歪部の最小肉厚ｔの
肉厚比ｔ／ｔｏと剛性比ｋ／ｋｏとの相関関係を示す相
関特性図である。

【００３７】この相関特性図が意味するものは、図示実
施例のように、起歪体５０の薄肉円筒部５４に、他の個
所より薄肉である平面状起歪部５５ａ，５５ｂを形成し
た円筒形起歪体５０の場合には、均一肉厚である円筒形
起歪体の有する剛性と殆ど変わらない剛性が得られると
いうことである。

【００３８】これらのことを総合すると、薄肉円筒部５
４の他の個所の肉厚よりも薄い肉厚を持つ平面状起歪部
５５ａ，５５ｂを薄肉円筒部５４に形成した起歪体５０
では、厚肉円筒部５３の内外径値、薄肉円筒部５４の長
さ値、その外径値、その肉厚値、および、起歪部５５
ａ，５５ｂの幅値、その肉厚値を、予定される伝達力の
大きさ並びに目標とする測定感度を前提とした適当な値
に設定すれば、円柱形の起歪体に比べて飛躍的に大きな
捩り剛性を確保しながら、伝達されるトルクに伴って起
歪部５５ａ，５５ｂに生じるひずみ量を高い測定感度で
測定し得る起歪体５０を得ることが可能になるというこ
とが解る。

【００３９】そこで、本発明の発明者等は、このような
考え方に基づいて、起歪体５０の薄肉円筒部５４の円筒
形状を選定し、この薄肉円筒部５４にひずみ量を大きく
生じさせ得る起歪部（例えば５５ａ）を適当な数だけ形
成し、さらに、この表面に、所要数のひずみゲージ（例
えば５６ａ，５６ｂ）を添着して、起歪部に生じる大き
なひずみ量を電気的に検出するように構成した。

【００４０】参考までに、起歪体５０の各部の具体的な
寸法の一例を記すると、起歪体５０全体の長さは、１２
８mm、その大部分の内径は、５０mm〜６０mm、左右の結
合径部５１、５２の長さは、各１４mm、その外径は、各
７６mm、左右の厚肉円筒部５３の長さは、各４２mm、そ
の鍔部を除く外径は、各１２０mm、薄肉円筒部５４の長
さは、１６mm、その外径は、１１０mm、その内径は、１
０７mm（肉厚１．５mm）、２個所の起歪部５５ａ、５５
ｂの幅は、１１mm、その最小肉厚は、０．６mm、配線用
溝５３ｂの幅および深さは共に３mmとなるように構成し
てある。

【００４１】次に、このように構成された高剛性型トル
ク変換器の動作ないし作用について説明する。

【００４２】測定すべき回転力が適宜の方法で駆動側連
結部材３に加えられると、その回転力は、３つのダイヤ
フラム部材４〜６から成るフレキシブル伝達部を経て駆
動側フランジ１に伝達される。

【００４３】このとき、従動側連結部材７に結合した従
動側フランジ２と駆動側フランジ１との間に所定の回転
力が負荷されるから、起歪体５０の左右の厚肉円筒部５
３に挟まれた薄肉円筒部５４に回転軸Ｏに対し４５°お
よび１３５°の方向に主応力を持つ剪断応力が発生す
る。

【００４４】この剪断応力は、幅狭で且つ肉厚の薄い２
個所の起歪部５５ａ，５５ｂにおいて集中して大きなひ
ずみ量として表れるから、これらの起歪部５５ａ，５５
ｂに添着された各１組のひずみゲージ５６ａ，５６ｂ
（５７ａ，５７ｂ）がこの大きなひずみ量を電気量に変
換して検出することになる。

【００４５】この場合、各１組のひずみゲージ５６ａ，
５６ｂ（５７ａ，５７ｂ）が回転軸Ｏに対して４５°お
よび１３５°傾けて配設されているため、起歪部５５
ａ，５５ｂの表面に生じたテンションひずみは、例えば
一方向に傾いて添着されたひずみゲージ５６ａ，５７ａ
により検出され、また、コンプレッションひずみは、他
方向（９０°ずれた方向）に傾けて添着されたひずみゲ
ージ５６ｂ，５７ｂにより検出されることになる。

【００４６】このようにして検出された電気的検出信号
は、厚肉円筒部５３の配線用溝５３ｂに配設された配線
部材５８および起歪体５０の内空部内の増幅器５９等を
介して増幅され、アナログ／ディジタル変換回路でディ
ジタルのシリアル信号に変換され、さらに変調回路で変
調された上、投・受光伝送装置を介して非接触状態で固
定側に伝送されることになる。

【００４７】この場合、電源装置（図示なし）からの電
力がコネクタ１９を介してロータリートランスの送電側
コイル１１に供給され且つ送電側コイル１１から非接触
の状態で受電側リング１６に伝達される。そして、この
電力は、起歪体５０内の増幅器５９、Ａ／Ｄ変換器、変
調器、並びにホイートストンブリッジ回路２０入力端等
に給電される。

【００４８】そのため、２つの起歪部５５ａ，５５ｂに
生じたひずみ量は、ホイートストンブリッジ回路２０で
電気的ひずみ測定信号に変換され、例えば変調された測
定信号を発光素子と受光素子とからなる光電式の非接触
信号伝達手段（図示なし）を介して固定側に配設された
トルク測定装置に導いて復調、Ｄ／Ａ変換、等が行わ
れ、被測定トルク値が求めらることになる。なお、配線
用溝５３ｂを設けたことによる測定上の影響は、全くな
いことを付言する。

【００４９】以上、一実施例について説明したが、本発
明は、これに限定されるものではなく、その要旨を逸脱
しない範囲内で種々に変形実施することが可能である。

【００５０】例えば、図示実施例では、薄肉円筒部５４
の外周２個所を平面状に削成して２つの平面状起歪部５
５ａ，５５ｂを形成し、ここに各１組のひずみゲージ５
６ａ，５６ｂ（５７ａ，５７ｂ）を添着するように構成
しているが、起歪部の数および設定個所は、必要に応じ
て適宜に決定することが出来る。

【００５１】また、厚肉円筒部５３の内外径、薄肉円筒
部５４の長さ、外径および肉厚を適当な値に設定した場
合には、薄肉円筒部５４の外周面をそのまま起歪部とし
て使用し、外周面の適宜の個所に各１組のひずみゲージ
を添着するように構成することも可能である。

【００５２】

【発明の効果】以上述べたように、本発によれば、所望
の応答性が得られる高い捩り剛性を維持しながらより高
い感度と精度をもって大きなトルクを測定することがで
き、例えば自動車の出力トルクのような大きなトルクを
測定するのに最適な高剛性型トルク変換器を提供するこ
とが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る高剛性型トルク変換器
の概略構成を一部破断して示す正面図である。

【図２】図１の高剛性型トルク変換器に使用されている
円筒形起歪体の詳細構成を一部破断して示す正面図であ
る。

【図３】図２に示す円筒形起歪体のうち、その一部を薄
肉円筒部の中間部分で破断して示す右側面図である。

【図４】図２に示す円筒形起歪体をボルトねじ穴の中心
部分で破断して示す下半部の縦断面図である。

【図５】図２に示す円筒形起歪体の起歪部に添着される
各１組のひずみゲージの添着方法の一例を模式的に示す
ひずみゲージ配置図である。

【図６】各１組のひずみゲージを用いてホイートストン
ブリッジ回路に結線した場合の回路図である。

【図７】円筒形起歪体において、トルクＴ＝２００kgf・
m を与えたときの、ホイートストンブリッジ回路のブリ
ッジ出力と単位長さ当りの回転角との相関関係を、中実
の円柱形の起歪体との比較において表した相関特性図で
ある。

【図８】円筒形起歪体において、例えばトルクＴ＝２０
０kgf・m を与えたときに特定のブリッジ出力ε＝３００
０×１０^-6を生じさせようとする場合の起歪体の外径と
内径との相関関係を表した相関特性図である。

【図９】薄肉円筒部の他の個所より薄肉である平面状起
歪部を薄肉円筒部に具えた円筒形起歪体における、平面
状起歪部以外の薄肉円筒部個所の肉厚ｔｏと平面状起歪
部の最小肉厚ｔの肉厚比ｔ／ｔｏと応力比α（σ／σ
ｏ）との相関関係を示す相関特性図である

【図１０】薄肉円筒部の他の個所より薄肉である平面状
起歪部を薄肉円筒部に具えた円筒形起歪体における、起
歪部以外の薄肉円筒部個所の肉厚ｔｏと平面状起歪部の
最小肉厚ｔとの肉厚比ｔ／ｔｏと剛性比ｋ／ｋｏとの相
関関係を表した相関特性図である。

【符号の説明】

Ｏ 回転軸 １ 駆動側フランジ ２ 従動側フランジ ３ 駆動側連結部材 ４〜６ ダイヤフラム部材 ７ 従動側連結部材 ８ 送電側リング ９ 送電側リングベース １０ フェライトコア １１ 送電側コイル １２ 固定用シャフト １３ 支持リング １４ 台座 １５ カバー １６ 受電側リング １７ フェライトコア １８ 受電側コイル １９ コネクタ ２０ ホイートストンブリッジ回路 ５０ 起歪体 ５１，５２ 結合径部 ５３ 厚肉円筒部 ５３ａ 鍔部 ５３ｂ 配線用溝 ５３ｃ ボルトねじ穴 ５４ 薄肉円筒部 ５５ａ，５５ｂ 起歪部 ５６ａ，５６ｂ，５７ａ，５７ｂ ひずみゲージ ５８ 配線部材 ５９ 増幅器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 千葉 栄 東京都調布市調布ヶ丘３丁目５番地１ 株式会社共和電業内 (56)参考文献 特開 平２−87034（ＪＰ，Ａ) 特公 昭56−39407（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 3/10 G08C 19/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動側カップリングと従動側カップリン
   グとの間に円筒状の起歪体を結合すると共にこの起歪体
   の周面にひずみゲージを添着し、このひずみゲージを用
   いて起歪体に生じるトルクに対応したひずみ量を電気量
   に変換してトルクを検出するトルク変換器において、 前記円筒状の起歪体の回転軸方向の所定の狭小な領域
   に、外径を太く設定した薄肉円筒部を形成すると共に、
   その薄肉円筒部の外表面に前記薄肉円筒部の肉厚よりも
   薄い肉厚を残すように中心軸に平行な摺割り加工を施し
   て平面状起歪部を形成し、そこにひずみゲージを添着し
   て、前記起歪体の捩り剛性を高めるように構成したこと
   を特徴とする高剛性型トルク変換器。
2. 【請求項２】 請求項１に記載された高剛性型トルク変
   換器において、前記平面状起歪部は、 前記薄肉円筒部の外表面における
   １８０°離隔した２個所を互いに平行平面状に研削し且
   つ研磨して形成されてなることを特徴とする高剛性型ト
   ルク変換器。