JP5833612B2 - トルクセンサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＳＡＷ（surface acoustic wave）方式の歪検出素子を備えたトルクセンサ及びその製造方法に関する。

従来より、トルクセンサ軸の外表面に当該トルクセンサ軸の歪を検出する歪ゲージが取り付けられたトルク測定装置が、例えば特許文献１で提案されている。具体的には、トルクセンサ軸がねじれて歪が生じると、歪ゲージはこの歪を検出し、この歪による電気抵抗の変化に応じた電気信号を出力し、この電気信号からトルク値が算出される構成が提案されている。

また、歪ゲージは薄い絶縁体上に金属の抵抗体が形成されて構成されており、トルクセンサ軸に対して接着剤によって貼り付けられている。したがって、トルクセンサ軸の歪を受けても柔軟に変形する。このため、歪ゲージがトルクセンサ軸の変形によって割れることはない。

特開２０１１−９４９９４号公報

ここで、歪を検出する手段として歪ゲージではなくＳＡＷ方式のトルクセンサを採用した場合、当該トルクセンサは硬い圧電体のセンサチップとして構成される。したがって、硬い圧電体が接着剤でトルクセンサ軸に直接固定される。このため、接着剤のクリープや劣化が発生すると、トルクセンサ軸の歪がＳＡＷ方式の硬いトルクセンサに伝わらず、歪の検出精度が低下してしまうという問題がある。

本発明は上記点に鑑み、測定対象である金属軸の歪をＳＡＷ方式の歪検出素子に確実に伝えることができる構造を備えたトルクセンサを提供することを第１の目的とする。また、当該トルクセンサの製造方法を提供することを第２の目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１、７、１２に記載の発明では、歪の測定対象であると共に棒状の金属軸（１０）に固定された台座部（２０、７０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０）を備えている。また、台座部（２０、７０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０）に配置されていると共に、台座部（２０、７０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０）を介して金属軸（１０）の歪を検出するＳＡＷ方式の歪検出素子（４０）を備えている。さらに、台座部（２０、７０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０）と歪検出素子（４０）との間に配置されると共に、歪検出素子（４０）を台座部（２０、７０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０）に固定する固定部（３０）を備えていることを特徴とする。
具体的に、請求項１に記載の発明では、金属軸（１０）は、一端（１０ａ）と、一端（１０ａ）の一部が当該金属軸（１０）の中心軸に沿って凹んだ穴部（１９）と、を有している。台座部は、一面（１０１）と当該一面（１０１）の反対側の他面（１０２）とを有すると共に、他面（１０２）の少なくとも一部が穴部（１９）のうち中心軸に平行な内壁面（１９ａ）に接触するように穴部（１９）に配置された板状の金属フレーム（１００）と、穴部（１９）に配置されると共に、金属フレーム（１００）を穴部（１９）の内壁面（１９ａ）に押し込む押し込み手段（１２０、１３０、１４０、１５０）と、を有して構成されており、さらに、歪検出素子（４０）は、金属フレーム（１００）の一面（１０１）に固定部（３０）を介して固定されていると共に、金属フレーム（１００）を介して金属軸（１０）の歪を検出することを特徴とする。
また、請求項７に記載の発明では、金属軸（１０）は、表面（１１）に設けられた平坦面（１２）と、当該平坦面（１２）の一部が凹んでいると共に壁面（１４）に雌ネジが形成された窪み（１３）と、窪み（１３）の底面（１５）の一部が凹んだ凹部（１７）と、を有している。凹部（１７）は、窪み（１３）の底面（１５）の面方向における当該凹部（１７）のサイズが当該凹部（１７）の深さ方向に向かって小さくなるようにテーパ状に形成されたテーパ面（１７ａ）を有している。台座部は、一面（１０１）と、当該一面（１０１）の反対側の他面（１０２）と、一面（１０１）及び他面（１０２）に接すると共に一面（１０１）から他面（１０２）に向かって当該他面（１０２）のサイズが小さくなるようにテーパ状に形成された側面（１０３）と、を有する板状をなしており、側面（１０３）が凹部（１７）のテーパ面（１７ａ）に接触するように凹部（１７）に嵌め込まれた金属フレーム（１００）と、中空部（１１１）を有する中空円筒状であると共に、外壁面（１１２）に雄ネジが形成されており、窪み（１３）にネジ止めされることで金属フレーム（１００）を金属軸（１０）に固定するボルト（１１０）と、を有して構成されており、さらに、歪検出素子（４０）は、金属フレーム（１００）の一面（１０１）のうち中空部（１１１）に対応する部分に固定部（３０）を介して固定されていると共に、金属フレーム（１００）を介して金属軸（１０）の歪を検出することを特徴とする。
さらに、請求項１２に記載の発明では、金属軸（１０）は、当該金属軸（１０）の表面（１１）に設けられた平坦面（１２）と、平坦面（１２）に当該平坦面（１２）の一部が凹んでいると共に壁面（１４）に雌ネジが形成された窪み（１３）と、を有している。台座部は、頭部（７１）と、この頭部（７１）に接続されていると共に雄ネジが形成されたネジ部（７２）と、を有して構成されたボルト（７０）である。歪検出素子（４０）は、ボルト（７０）の頭部（７１）に固定部（３０）を介して固定されている。ボルト（７０）は、雌ネジと雄ネジとによるネジ止めにより窪み（１３）に対して締結固定されていることを特徴とする。

これによると、歪検出素子（４０）は台座部（２０、７０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０）に固定部（３０）で固定されているので、固定部（３０）及び歪検出素子（４０）と金属軸（１０）との熱膨張係数の差によって固定部（３０）や歪検出素子（４０）が割れない構成とすることができる。したがって、金属軸（１０）の歪を台座部（２０、７０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０）及び固定部（３０）を介して歪検出素子（４０）に確実に伝えることができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係るトルクセンサの平面図である。 図１のII−II断面図である。 歪検出素子の平面図である。 図３のIV−IV断面図である。 第１実施形態に係るトルクセンサの一製造工程を示した図である。 本発明の第２実施形態に係るトルクセンサの断面図である。 第２実施形態に係るトルクセンサの一製造工程を示した図である。 （ａ）は金属軸の平坦面の歪を計測する場合の金属軸の断面図であり、（ｂ）は金属軸の平坦面に設けた窪みに金属フレームを固定して当該金属フレームの歪を計測する場合の金属軸及び金属フレームの断面図である。 金属軸のトルクと歪みとの関係を示した図である。 本発明の第３実施形態に係るトルクセンサの平面図である。 本発明の第４実施形態に係るトルクセンサの平面図である。 図１１のXII−XII断面図である。 本発明の第５実施形態に係るトルクセンサの断面図である。 本発明の第６実施形態に係るトルクセンサの断面図である。 第６実施形態において、ボルト形状に応じて金属軸から受けるトルクと歪との関係を示した図である。 第７実施形態において、金属軸の表面から底部（設置面）までの距離を示した図である。 第７実施形態において、金属軸の表面から底部（設置面）までの距離と歪み量との関係を示した図である。 本発明の第８実施形態に係るトルクセンサの平面図である。 図１８のXIX−XIX断面図である。 第８実施形態に係る金属フレームの一面の平面図である。 図２０のXXI−XXI断面図である。 第８実施形態に係る金属軸の平面図である。 図２２のXXIII−XXIII断面図である。 第８実施形態に係る金属フレームが金属軸から受けるトルクと歪との関係を示した図である。 本発明の第９実施形態に係る金属フレームの平面図及び側面図である。 本発明の第１０実施形態に係る金属フレームの平面図及び側面図である。 本発明の第１１実施形態に係る金属フレームの平面図及び側面図である。 本発明の第１２実施形態に係る金属フレームの平面図及び側面図である。 本発明の第１３実施形態に係るトルクセンサの平面図である。 本発明の第１４実施形態に係る金属軸の一端の端面の平面図である。 図３０のXXXI−XXXI断面図である。 本発明の第１４実施形態に係る金属フレームの平面図及び側面図である。 第１４実施形態に係る金属フレームが金属軸から受けるトルクと歪との関係を示した図である。 本発明の第１５実施形態に係る金属軸の一端の端面の平面図である。 図３４のXXXV−XXXV断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。図１に示されるように、本実施形態に係るトルクセンサは、金属軸１０と、金属フレーム２０と、ガラス３０と、歪検出素子４０と、プリント基板５０と、を備えて構成されている。

金属軸１０は、棒状のいわゆるシャフトであり、歪の測定対象である。また、金属軸１０は表面１１に平坦面１２を有している。平坦面１２はいわゆるザグリである。金属軸１０の材質として、例えばＳ３５Ｃが採用される。このＳ３５Ｃの熱膨張係数αは１１．３ｐｐｍ／Ｋである。

金属フレーム２０は、図２に示されるように、一面２１、当該一面２１の反対側の他面２２、一面２１及び他面２２に接する側面２３を有する板状の部品である。図１に示されるように、本実施形態では、金属フレーム２０の一面２１及び他面２２の平面形状は四角形状である。金属フレーム２０の厚みは例えば０．５ｍｍである。そして、図２に示されるように、金属フレーム２０は、他面２２が金属軸１０の平坦面１２側に向けられた状態で平坦面１２に配置され、他面２２の外縁部２４が金属軸１０の平坦面１２にレーザ溶接により接合固定されている。

ここで、金属フレーム２０の他面２２は、外縁部２４において一周するようにレーザ溶接されている。このため、金属フレーム２０の他面２２の中央部２５は金属軸１０の平坦面１２に接触しているが、接合されていない。

金属フレーム２０は、オーステナイト系ステンレスを材料として形成されたものである。具体的には、金属フレーム２０としてＳＵＳ３０４が採用される。このＳＵＳ３０４の熱膨張係数αは１７．３ｐｐｍ／Ｋである。

ガラス３０は、金属フレーム２０の一面２１と歪検出素子４０との間に配置されると共に、歪検出素子４０を金属フレーム２０の一面２１に固定するための固定部材である。ガラス３０の材質として、例えば鉛系が採用される。このような鉛系のガラス３０の熱膨張係数αは１０．０以上、１６．０以下であり、具体的には１５．４ｐｐｍ／Ｋである。さらに、鉛系のガラス３０の焼成温度は４００℃未満であり、ガラス転移温度は２２０℃である。つまり、ガラス３０は、低融点ガラスが材料となっている。

歪検出素子４０は、金属フレーム２０の一面２１に配置されていると共に、金属フレーム２０を介して金属軸１０の歪を検出するＳＡＷ方式の歪計測センサである。具体的には、歪検出素子４０は、図３に示されるように、２つの第１、第２ＳＡＷ共振子４１、４２を備えている。図示しないが、歪検出素子４０は、第１弾性表面波素子としての第１ＳＡＷ共振子４１を有する第１発振回路と、第２弾性表面波素子としての第２ＳＡＷ共振子４２を有する第２発振回路とを備え、第１、第２発振回路によって２つの発振器が形成されている。

また、歪検出素子４０は、図４に示されるように、圧電材料の単結晶で構成された圧電基板４３と、この圧電基板４３の上に形成された櫛歯電極４４、４５及び反射器４６、４７と、を備えて構成されている。圧電材料としては、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）が採用される。この圧電基板４３の熱膨張係数αは１６．０ｐｐｍ／Ｋである。

また、櫛歯電極４４、４５や反射器４６、４７の材質として、アルミニウム等の金属材料が採用される。このような材質の櫛歯電極４４、４５や反射器４６、４７を保護するため、４５０℃以下で焼成可能な低融点のガラス３０として上述のようにガラス転移温度が低い鉛系のものが採用されている。

図３に示されるように、櫛歯電極４４、４５は、圧電基板４３に弾性表面波を励振させるものである。具体的には、櫛歯電極４４、４５は、互いに平行であってＸ軸方向に延びている複数の櫛歯部４４ａ、４５ａと、複数の櫛歯部４４ａ、４５ａを連結するバスバー４４ｂ、４５ｂと、を有している。そして、櫛歯電極４４、４５の櫛歯部４４ａ、４５ａは同数であり、互いの櫛歯部４４ａ、４５ａが一本ずつ交互に配置されている。この一対の櫛歯電極４４、４５によって、櫛歯部４４ａ、４５ａの延伸方向に垂直な方向すなわちＹ軸方向に弾性表面波が伝搬する。

反射器４６、４７は、櫛歯電極４４、４５のＹ軸方向での両側に配置されており、櫛歯電極４４、４５から伝搬された弾性表面波を反射するものである。反射器４６、４７は、Ｙ軸方向に並ぶ複数本の電極によって構成されている。一本の電極は櫛歯部４４ａ、４５ａと平行に延びており、複数本の電極同士は互いに平行である。

本実施形態では、第１、第２ＳＡＷ共振子４１、４２は、櫛歯電極４４、４５の対数、反射器４６、４７を構成する電極の本数、櫛歯電極４４、４５及び反射器４６、４７を構成する各電極幅ｈ１、ｈ２、各電極のピッチｐ１、ｐ２等については同じである。また、各電極幅ｈ１、ｈ２と各電極のピッチｐ１、ｐ２とが同じであることから、メタライゼーションレシオ（Ｙ軸方向における各電極の幅と自由表面の幅との比率）も同じである。なお、櫛歯電極４４、４５の対数とは一対の櫛歯電極４４、４５がそれぞれ有する櫛歯部４４ａ、４５ａの数であり、各電極のピッチｐ１、ｐ２とは隣り合う電極における中心と中心との間隔である。

そして、第１、第２ＳＡＷ共振子４１、４２は、櫛歯電極４４、４５及び反射器４６、４７を構成する各電極の交差指幅Ｌ１、Ｌ２が異なっており、第２ＳＡＷ共振子４２の交差指幅Ｌ２が第１ＳＡＷ共振子４１の交差指幅Ｌ１よりも長くなっている。これにより、第１ＳＡＷ共振子４１を有する発振回路の発振周波数と、第２ＳＡＷ共振子４２を有する発振回路の発振周波数とが異なり、両者の差である差周波は微小な周波数となっている。すなわち、各歪検出素子４０は所望の微小な差周波に設定されている。

また、図１に示されるように、２つの歪検出素子４０は各歪検出素子４０の長手方向がそれぞれ所定の角度で交差するようにハの字状に配置されている。このような配置によると、金属軸１０にねじれ等により歪が生じた場合、圧縮ひずみが一方の歪検出素子４０に発生し、引張ひずみが他方の歪検出素子４０に発生する。各歪検出素子４０は、歪を第１、第２ＳＡＷ共振子４１、４２の発振周波数の差の変化として検出する。

プリント基板５０は、歪検出素子４０を外部と電気的に接続するための中継部品である。このため、プリント基板５０は端子部５１を備えている。プリント基板５０は例えば接着剤で金属フレーム２０の一面２１に設置されている。端子部５１は歪検出素子４０のバスバー４４ｂ、４５ｂに対してボンディングワイヤ６０で接続されている。なお、図１では、端子部５１と外部とを接続するためのボンディングワイヤ６０を省略している。

以上が、本実施形態に係るトルクセンサの構成である。上記のトルクセンサは、例えば自動車等の車両に搭載されて車両の制御等に利用される。

次に、図１に示されたトルクセンサの製造方法について説明する。まず、平坦面１２が設けられた金属軸１０を用意する。また、板状の金属フレーム２０を用意する。

続いて、図３に示された歪検出素子４０を用意し、ガラス３０を介して歪検出素子４０を金属フレーム２０の一面２１に固定する。具体的には、金属フレーム２０の一面２１に固形のガラス３０を配置し、ガラス３０をガラス転移温度以上に加熱してペースト状になるように溶融する。この状態でガラス３０に歪検出素子４０を乗せ、ガラス３０を冷やすことにより再びガラス３０を固める。これにより、金属フレーム２０の一面２１に歪検出素子４０を固定する。

また、端子部５１が形成されたプリント基板５０を用意し、金属フレーム２０の一面２１の所定の位置に接着剤で固定する。そして、歪検出素子４０と端子部５１とをボンディングワイヤ６０で接続する。

この後、歪検出素子４０が固定された金属フレーム２０の他面２２が平坦面１２側となるように金属フレーム２０を金属軸１０の平坦面１２に配置する。そして、図５に示されるように、金属フレーム２０の他面２２の外縁部２４を一周するように金属フレーム２０を金属軸１０の平坦面１２にレーザ光でレーザ溶接する。これにより、金属フレーム２０を金属軸１０の平坦面１２に接合固定する。

続いて、端子部５１と他の電気回路部品とを図示しないボンディングワイヤ等で接続することにより、歪検出素子４０の信号を外部に出力できるようにする。こうして、トルクセンサが完成する。

ここで、弾性表面波（ＳＡＷ）を発生させる圧電基板４３は硬いセラミック材料である。また、金属軸１０のトルクを測定するためには、トルクにより発生した金属軸１０の歪を歪検出素子４０の硬い圧電基板４３に正確に伝える必要がある。そのためには、接着剤のように容易に変形や劣化するものではなく、剛性が高く耐久性に優れる低融点のガラス３０が好ましい。

また、歪検出素子４０を金属軸１０の平坦面１２にガラス３０で直接固定するのではなく、歪検出素子４０を金属フレーム２０にガラス３０で固定している。これは、上述のように歪検出素子４０と金属軸１０の熱膨張係数は異なるため、ガラス３０を用いて歪検出素子４０を金属軸１０に直接貼り付けると、ガラスペースト焼成後に冷却する際に歪検出素子４０やガラス３０に収縮による応力が発生してしまうからである。すなわち、歪検出素子４０やガラス３０が割れたり剥離してしまう。しかしながら、歪検出素子４０と同じ熱膨張係数を持つ金属フレーム２０を介することで、低融点のガラス３０も同じ熱膨張係数のものが使用可能になる。その結果、歪検出素子４０と金属軸１０との熱膨張係数の違いにより、ガラスペースト焼成後の冷却過程で歪検出素子４０やガラス３０の割れを発生させないようにすることができる。

なお、金属軸１０と金属フレーム２０は熱膨張係数に差があるが、金属は伸び縮みするので割れたり裂けたりすることはない。したがって、金属軸１０と金属フレーム２０の熱膨張係数の差は問題にならない。

以上説明したように、本実施形態では、歪検出素子４０が金属軸１０に直接貼り付けられず、金属フレーム２０上に歪検出素子４０が低融点のガラス３０で結合され、さらに金属フレーム２０が金属軸１０に接合固定された構成が特徴となっている。

これによると、歪検出素子４０と同じ熱膨張係数を持つ金属フレーム２０に、歪検出素子４０及び金属フレーム２０と同じ熱膨張係数を持つ低融点のガラス３０を用いて接合することができるので、ガラスペーストの焼成時に熱膨張係数の差による歪検出素子４０の剥がれや割れ、さらにはガラス３０の割れを防止することができる。すなわち、金属フレーム２０を設けることにより、ガラス３０及び歪検出素子４０と金属軸１０との熱膨張係数の差によってガラス３０や歪検出素子４０が割れないようにすることができる。

また、金属フレーム２０の他面２２の外縁部２４が一周するように金属軸１０の平坦面１２にレーザ溶接されているので、金属フレーム２０の他面２２の中央部２５と金属軸１０とが接合されていなくても、効率良く歪を伝達することができる。したがって、測定対象である金属軸１０の歪をＳＡＷ方式の歪検出素子４０に確実に伝えることができ、ひいては歪の検出精度の低下を抑制することができる。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、ガラス３０が特許請求の範囲の「固定部」に対応する。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。図６の断面図に示されるように、金属軸１０は、平坦面１２に当該平坦面１２の一部が凹んだ窪み１３を有している。窪み１３の平面サイズは金属フレーム２０の一面２１及び他面２２と同じである。また、窪み１３の深さは金属フレーム２０の厚みと同じである。なお、窪み１３は平坦面１２の一部である。また、図６は図１のII−II断面に対応する図である。

そして、金属フレーム２０は金属軸１０の平坦面１２の窪み１３にはめ込まれている。さらに、金属フレーム２０の側面２３と窪み１３の壁面１４とが一体化するようにレーザ溶接されている。本実施形態では、金属フレーム２０の他面２２は窪み１３の底面１５に接触している。

なお、金属フレーム２０の他面２２の外縁部２４はレーザ溶接の際に多少溶けて金属軸１０に接合されている場合もあるが、本実施形態では、金属フレーム２０の側面２３のみが窪み１３の壁面１４に一体化されている。また、窪み１３の壁面１４及び底面１５は平坦面１２の一部である。

次に、本実施形態に係るトルクセンサの製造方法について説明する。本実施形態では、金属軸１０として、平坦面１２に窪み１３が形成されたものを用意する。上述のように金属フレーム２０に歪検出素子４０を固定した後、金属フレーム２０を窪み１３にはめ込む。この後、図７に示されるように、金属フレーム２０の側面２３と窪み１３の壁面１４とが一体化するように側面２３を壁面１４にレーザ光でレーザ溶接する。これにより、金属フレーム２０の他面２２と窪み１３の底面１５は接触しているだけとなる。この後の工程は第１実施形態と同じである。

そして、発明者らは、金属フレーム２０の側面２３を金属軸１０と一体化するだけで、金属フレーム２０の他面２２の全体が金属軸１０に接合されていなくても金属軸１０の歪を金属フレーム２０に正確に伝えることができることを実験により確認した。

具体的には、図８（ａ）に示されるように平坦面１２が形成された金属軸１０を用意し、当該平坦面１２に図示しない歪ゲージを設置して金属軸１０の歪を測定した。また、図８（ｂ）に示されるように金属軸１０の平坦面１２に形成された窪み１３に金属フレーム２０がはめ込まれ、当該金属フレーム２０の側面２３が窪み１３の壁面１４にレーザ溶接されたものを用意し、当該金属フレーム２０の一面に図示しない歪ゲージを設置して金属軸１０の歪を測定した。これらの歪の測定結果を図９に示す。

図９に示されるように、金属軸１０の歪から算出されたトルクと金属フレーム２０の歪から算出されたトルクとがほぼ同じ値を示している。これは、金属フレーム２０を介していることが歪の検出に影響しないことを明らかにしている。すなわち、金属軸１０の平坦面１２に窪み１３を設け、窪み１３の壁面１４と金属フレーム２０の側面２３をレーザ溶接で一体化することで、より確実に金属軸１０の歪を伝達することができる。

なお、本実施形態に係る実験結果は、第１実施形態のように金属フレーム２０の他面２２の外縁部２４を一周するように平坦面１２にレーザ溶接した形態においても同様である。

（第３実施形態）
本実施形態では、第２実施形態と異なる部分について説明する。図１０に示されるように、金属軸１０の平坦面１２、窪み１３、金属フレーム２０の一面２１及び他面２２の平面形状がそれぞれ円形になっている。窪み１３、金属フレーム２０の一面２１及び他面２２の円形の平面サイズはそれぞれ同じである。このように、それぞれの平面形状を円形とすることで、金属軸１０に対する平坦面１２や窪み１３、金属フレーム２０を形成しやすくすることができる。このため、歪の検出精度を向上させることができる。

なお、第１実施形態のように金属軸１０の平坦面１２に窪み１３を設けない構造においても、金属軸１０の平坦面１２、金属フレーム２０の一面２１及び他面２２の平面形状をそれぞれ円形にしても良い。

（第４実施形態）
本実施形態では、第１〜第３実施形態と異なる部分について説明する。図１１及び図１２に示されるように、トルクセンサは、金属軸１０と、ボルト７０と、ガラス３０と、歪検出素子４０と、プリント基板５０と、を備えて構成されている。

金属軸１０は、平坦面１２に当該平坦面１２が凹んだ窪み１３を有している。窪み１３の底面１５は、金属軸１０の平坦面１２における平面形状が円形になっている。また、窪み１３の壁面１４はネジ切り加工されている。すなわち、窪み１３の壁面１４にはボルト７０を固定するための雌ネジが形成されている。

ボルト７０は、正六角柱の頭部７１と、側面が雄ネジにネジ切り加工されたネジ部７２と、で構成されたいわゆる六角ボルトである。頭部７１は、ネジ部７２側に凹んだ溝部７３を有している。歪検出素子４０はガラス３０を介して溝部７３の底部７４に固定され、プリント基板５０は接着剤を介して溝部７３の底部７４に固定されている。ボルト７０が金属軸１０に締結固定されると、溝部７３の底部７４は金属軸１０の表面１１よりも高い位置に配置される。

また、ボルト７０は、歪検出素子４０等を被覆保護するためのキャップ８０を有している。キャップ８０にはプリント基板５０から配線を外部に取り出すための取り出し部８１が設けられている。キャップ８０は、溝部７３に配置されると共にポッティング材８２で覆われることでボルト７０の頭部７１に固定されている。

このような構成のボルト７０は、ネジ部７２が金属軸１０の窪み１３にネジ止めされることで金属軸１０に締結固定される。例えば、窪み１３の壁面１４とネジ部７２との間に嫌気性の接着剤等の埋込部材７６を設けることにより、壁面１４のネジ山とネジ部７２のネジ山とが接触する接触面（フランク部）の滑りを防止することができる。また、歪の検出値のヒステリシスを低減することができる。

なお、ネジ部７２のネジ山は細目のものを用いることが好ましい。これにより、金属軸１０に設けられる窪み１３の深さを小さくすることができる。もちろん、窪み１３の壁面１４のネジ山も細目に形成される。

さらに、金属軸１０に対してボルト７０をネジ止めにより締結固定するに際し、トルクにより金属軸１０に発生した歪を歪検出素子４０で検出するためには、歪検出素子４０は歪ゲージ同様に金属軸１０のねじれ方向に対して±４５°方向に取り付けられる必要がある。このため、ボルト７０の頭部７１には切り欠き等により第１目印７５が設けられている。第１目印７５は、金属軸１０に対して歪検出素子４０の配置方向を指示する役割を果たすものである。同様に、金属軸１０の平坦面１２にも切り欠き等の第２目印１６が設けられている。第２目印１６は、第１目印７５の位置を指示する役割を果たす。

各目印１６、７５は切り欠きの他に、ボルト７０の形状の一部分や金属軸１０の形状の一部分を第１目印１６、７５として利用しても良い。したがって、ボルト７０の第１目印７５と金属軸１０の第２目印１６とを合致させることで、金属軸１０に対する歪検出素子４０の位置関係を確保しつつ、所定の締結力を得ることができる。

ここで、第１目印７５は、ネジ部７２の雄ネジの切り出し位置に対応して設けられている。例えば、第１目印７５と雄ネジの切り始めの位置とが合うように、ボルト７０に第１目印７５が設けられている。同様に、金属軸１０に設けられた第２目印１６は窪み１３の壁面１４に形成された雌ネジの切り出し位置に対応して設けられている。例えば、第２目印１６と雌ネジの切り始めの位置とが合うように、金属軸１０に第２目印１６が設けられている。ボルト７０のネジ部７２の雄ネジの切り始めの位置と第１目印７５とを合わせるために、また、金属軸１０の窪み１３の雌ネジの切り始めの位置と第２目印１６とを合わせるために、ネジ形状はプラネタリ−タップで形成されていることが好ましい。

以上説明したように、歪検出素子４０をボルト７０に設置し、ボルト７０を金属軸１０に締結することにより、金属軸１０で発生した歪による応力が窪み１３の壁面１４からボルト７０のネジ部７２及び頭部７１に確実に伝わるようにすることができる。また、ボルト７０を金属軸１０に所定の締結力で締結するだけで良いので、ボルト７０を介して歪検出素子４０を容易に金属軸１０に固定することができる。

（第５実施形態）
本実施形態では、第４実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、図１３に示されるように、トルクセンサは、金属軸１０とボルト７０との間に設けられたワッシャ９０を備えている。ワッシャ９０はボルト７０の頭部７１と金属軸１０の平坦面１２とに挟まれている。ワッシャ９０は銅等の金属材料によって形成されたものである。なお、図１３は図１１のXII−XII断面に対応した断面図である。

このように、金属軸１０とボルト７０との間にワッシャ９０を介することにより、第１目印１６、７５に基づいて金属軸１０に対するボルト７０の位置合わせをしたときに、所定の締結力でボルト７０を金属軸１０に締結することができる。すなわち、金属軸１０に対するボルト７０の締結力を精度良く管理することができる。特に、ボルト７０毎に金属軸１０に対する所定位置での締結力のばらつきが大きい場合は、ワッシャ９０を介することで締結力のばらつきを抑えることができる。

（第６実施形態）
本実施形態では、第４、第５実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、図１４に示されるように、ボルト７０のネジ部７２が当該ネジ部７２の先端に向かって径が小さくなるようにテーパ形状になっている。これに伴い、金属軸１０の平坦面１２に設けられた窪み１３の壁面１４も窪み１３の底部７４に向かって径が小さくなるようにテーパ形状になっている。

このように、ボルト７０のネジ部７２及び窪み１３の壁面１４がテーパ形状になっているので、各ネジ山の接触面（フランク部）が拘束される。このため、ヒステリシスを低減することができる。

具体的に、発明者らは、ボルト形状による歪伝達特性の違いとして、図１２に示された平行ネジ形状のボルト７０が金属軸１０から受けるトルクと歪との関係、及び、図１４に示されたテーパ形状のボルト７０が金属軸１０から受けるトルクと歪との関係をそれぞれ調べた。その結果を図１５に示す。なお、図１５には参考として金属軸１０の平坦面１２の歪も表している。

図１５に示されるように、平行ネジ形状のボルト７０では、金属軸１０がねじれた際にネジのフランク部で滑りが生じ、金属軸１０から歪検出素子４０に伝わる歪量にヒステリシスが発生している。一方、テーパ形状のボルト７０の場合はヒステリシスがほぼ発生していないので、正確なトルク測定が行うことができる。すなわち、ネジ部７２をテーパ形状にすることで、フランク部が金属軸１０の壁面１４に拘束されるので、歪のヒステリシスを低減することができる。

また、第４実施形態で述べた嫌気性の接着剤等の埋込部材７６をネジ部７２に塗布してから金属軸１０に締結することで、フランク部の滑りを防止し、ヒステリシスをさらに低減することができる。以上のように、ボルト７０のネジ部７２をテーパ形状にすることで、歪のヒステリシスを発生させることなく歪を精度良く測定することができる。

（第７実施形態）
本実施形態では、第４〜第６実施形態と異なる部分について説明する。第４〜第６実施形態では、ボルト７０の頭部７１に設けられた溝部７３の底部７４の高さは金属軸１０の表面１１よりも高い位置に配置されていたが、これは一例である。例えば、金属軸１０の表面１１と溝部７３の底部７４とが同じ高さになるようにボルト７０を金属軸１０に取り付けても良い。一方、金属軸１０の中心軸から表面１１までの距離（つまり金属軸１０の径）をｒと定義すると、金属軸１０の中心軸からボルト７０の溝部７３の底部７４までの高さは、０．５ｒ以上、０．９ｒ以下となるように、ボルト７０が金属軸１０に締結固定されていても良い。

具体的には、図１６に示されるように、φ５５の金属軸１０に対し、中心軸から例えば２４．５ｍｍの位置に平坦面１２を設定し、この平坦面１２からφ２０の底部７４（設置面）を０、±５ｍｍ、±１０ｍｍに設けた場合の設置面中心の歪み量を調べた。その結果、図１７に示されるように、半径ｒが０．５から０．９の範囲で歪み量が大きくなることがわかった。この結果から上述のように０．５ｒ以上、０．９ｒ以下とすることが好ましいと言える。これにより、トルクによる金属軸１０の歪量が良くなるので、歪の検出精度を向上させることができる。なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、底部７４が特許請求の範囲の「設置面」に対応する。

（第８実施形態）
本実施形態では、第１〜第７実施形態と異なる部分について説明する。図１８に示されるように、本実施形態では、トルクセンサは、金属フレーム１００と、ボルト１１０と、歪検出素子４０と、ガラス３０と、を備えて構成されている。

図１９に示されるように、金属フレーム１００は、一面１０１と、当該一面１０１の反対側の他面１０２と、一面１０１及び他面１０２に接する側面１０３と、を有する板状をなしている。側面１０３は、一面１０１から他面１０２に向かって当該他面１０２のサイズが小さくなるようにテーパ状に形成されている。

図２０に示されるように、金属フレーム１００の一面１０１の平面形状は円形になっている。つまり、金属フレーム１００は円板状になっている。また、金属フレーム１００は、側面１０３に形成された回り止め部１０４を有している。回り止め部１０４は、側面１０３の一部が金属フレーム１００の径方向に突出した部分である。本実施形態では、回り止め部１０４は、２カ所設けられている。

回り止め部１０４は、ボルト１１０の中心軸を中心とした当該金属フレーム１００の回転を禁止する役割を果たす。また、回り止め部１０４は、歪検出素子４０を金属軸１０のねじれ方向に対して±４５°方向に位置させるための位置合わせ手段としての役割を果たす。

図２１に示されるように、金属フレーム１００を一面１０１に垂直な方向に断面を取ったときの側面１０３のうちの一方の面及び他方の面にそれぞれ平行な直線によって形成される角度をテーパ角度と定義する。そして、側面１０３は、テーパ角度が５°以上５５°以下、すなわち３０°±２５°となるようにテーパ状に形成されている。具体的に、本実施形態では、テーパ角度が４５°になるように側面１０３が形成されている。

テーパ角度の下限値を５°としているのは、テーパ角度が小さ過ぎると金属フレーム１００が凹部１７に取り付けられた後に金属軸１０の径方向に対する金属フレーム１００の位置が決まらないためである。一方、テーパ角度の上限値を５５°としているのは、テーパ角度が大き過ぎると側面１０３に滑りが生じて金属軸１０から金属フレーム１００に歪が伝わり難くなったり歪のヒステリシスが大きくなるからである。

ボルト１１０は、金属軸１０の窪み１３にネジ止めされることで金属フレーム１００を金属軸１０に固定する締結手段である。図１９に示されるように、ボルト１１０は、中空部１１１を有する中空円筒状であり、中心軸の軸方向に貫通している。また、ボルト１１０は、外壁面１１２に雄ネジが形成されている。ボルト１１０は、いわゆる六角ボルトである。

一方、図２２に示されるように、金属軸１０は、上述の窪み１３と、当該窪み１３の底面１５の一部が凹んだ凹部１７と、を有している。凹部１７は、金属フレーム１００の回り止め部１０４が配置される引っ掛かり部１８を有している。

また、図２３に示されるように、凹部１７は、窪み１３の底面１５の面方向における当該凹部１７のサイズが当該凹部１７の深さ方向に向かって小さくなるようにテーパ状に形成されたテーパ面１７ａを有している。テーパ面１７ａは、金属フレーム１００の側面１０３と同じテーパ角度となるように形成されている。これにより、凹部１７のテーパ面１７ａと金属フレーム１００の側面１０３とに隙間が発生しないようになっている。

そして、金属フレーム１００は、側面１０３が凹部１７のテーパ面１７ａに接触すると共に、回り止め部１０４が凹部１７の引っ掛かり部１８に位置するように凹部１７に嵌め込まれている。金属フレーム１００の他面１０２は凹部１７の底部には接触していない。さらに、ボルト１１０が窪み１３にネジ止めされている。これにより、金属フレーム１００が金属軸１０側に押し込まれると共に金属軸１０に固定されている。言い換えると、トルクセンサは金属軸１０に対して脱着可能な構造となっている。

ここで、金属フレーム１００の回り止め部１０４は、当該金属フレーム１００が凹部１７に嵌め込まれた状態で凹部１７の引っ掛かり部１８に引っ掛かる。すなわち、金属フレーム１００の回り止め部１０４と金属軸１０の凹部１７の引っ掛かり部１８とが互いに引っ掛かるので、金属フレーム１００の回転が禁止される。これにより、ボルト１１０の締め付け時に金属フレーム１００がボルト１１０と共に回転してしまうことを防止することができる。また、凹部１７に対する金属フレーム１００の位置を固定することができる。

歪検出素子４０は、図１８及び図１９に示されるように、金属フレーム１００の一面１０１のうちボルト１１０の中空部１１１に対応する部分にガラス３０を介して固定されている。また、金属フレーム１００は回り止め部１０４によって金属軸１０に対して回転が禁止されているので、歪検出素子４０は金属軸１０に対して所定の位置に固定されている。これにより、歪検出素子４０は、適切に金属軸１０の歪を検出することができる。

発明者らは、金属軸１０に対するボルト１１０の締め付けトルクを例えば３０Ｎｍとしたとき、金属フレーム１００が金属軸１０から受けるトルクと歪との関係を調べた。その結果を図２４に示す。図２４に示されるように、金属軸１０から歪検出素子４０に伝わる歪量にヒステリシスはほぼ発生していないので、正確なトルク測定を行うことができる。すなわち、歪検出素子４０が固定された金属フレーム１００と、この金属フレーム１００を金属軸１０に固定するボルト１１０と、が分離された構成になっていても、金属フレーム１００を介して歪検出素子４０に確実に歪みを伝達させることができる。したがって、金属軸１０の正確な歪を検出することができる。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、金属フレーム１００及びボルト１１０が特許請求の範囲の「台座部」に対応する。

（第９実施形態）
本実施形態では、第８実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、図２５に示されるように、回り止め部１０４は、金属フレーム１００の外縁部の一部が当該金属フレーム１００の中心軸側に窪んだノッチとして構成されている。なお、図２５では、上段に金属フレーム１００の平面図を示し、下段に金属フレーム１００の側面図を示している。以下の図２６〜図２８についても同様である。

一方、金属軸１０の引っ掛かり部１８は、凹部１７に設けられた図示しないノックピンとして構成されている。これにより、金属フレーム１００が凹部１７に嵌め込まれると、金属フレーム１００の回り止め部１０４にノックピンが差し込まれるので、回り止め部１０４とノックピンとが互いに引っ掛かる。したがって、金属フレーム１００の回転を禁止することができる。

（第１０実施形態）
本実施形態では、第８、第９実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、図２６に示されるように、金属フレーム１００は、一面１０１が四角形状に形成されている。この場合、金属フレーム１００の４つの角部が回り止め部１０４となる。したがって、金属軸１０の凹部１７も四角形状に形成されていると共に、凹部１７の角部が引っ掛かり部１８となる。以上の構成により、金属フレーム１００の角部が凹部１７の角部に引っ掛かることで、金属フレーム１００の回転を禁止することができる。

（第１１実施形態）
本実施形態では、第８〜第１０実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、図２７に示されるように、金属フレーム１００は外縁部のうちの２カ所が直線状に切り落とされた形状になっている。これにより、金属フレーム１００の一面１０１のうちの直線部が回り止め部１０４となる。

一方、金属軸１０の凹部１７は金属フレーム１００の一面１０１と同じ平面形状で形成されている。これにより、金属フレーム１００の直線部が凹部１７の直線部に引っ掛かることで、金属フレーム１００の回転を禁止することができる。

（第１２実施形態）
本実施形態では、第８〜第１０実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、図２８に示されるように、金属フレーム１００の他面１０２の一部が円柱状に突出している。この突出部分が回り止め部１０４となる。一方、金属軸１０の凹部１７は、底部に引っ掛かり部１８として回り止め部１０４が差し込まれる図示しない穴を有している。

したがって、金属フレーム１００が凹部１７に嵌め込まれると、回り止め部１０４である突出部分が凹部１７の穴に差し込まれる。これにより、金属フレーム１００の回転を禁止することができる。

（第１３実施形態）
本実施形態では、第８〜第１２実施形態と異なる部分について説明する。図２９に示されるように、金属フレーム１００は、筒部１０５と、キャップ１０６と、取り出し部１０７と、ポッティング材１０８と、を有している。

筒部１０５は中空筒状であると共に、一端部１０５ａが一面１０１に固定された部品である。筒部１０５の中空部分に歪検出素子４０が配置されている。また、キャップ１０６は、筒部１０５の中空部分に配置されると共に歪検出素子４０を覆う傘状の部品である。言い換えると、キャップ１０６は、筒部１０５の中空部分に歪検出素子４０を収容するための蓋部品であると言える。

取り出し部１０７はキャップ１０６に設けられていると共に、プリント基板５０から配線を外部に取り出すための部品である。すなわち、取り出し部１０７は、歪検出素子４０の検出信号を外部に取り出すためのコネクタとして形成されている。また、ポッティング材１０８は、筒部１０５の中空部分に配置されると共にキャップ１０６を覆うことで当該キャップ１０６を金属フレーム１００に固定する部品である。

一方、ボルト１１０は、中空部１１１に金属フレーム１００の筒部１０５が差し込まれている。また、ボルト１１０は、筒部１０５のうちの一端部１０５ａとは反対側の他端部１０５ｂがボルト１１０に引っ掛けられることで金属フレーム１００に一体化されている。筒部１０５の他端部１０５ｂは、例えばボルト１１０にかしめられている。

これにより、トルクセンサが部品毎にばらばらにならずに１個にまとまった状態となるので、トルクセンサの輸送を容易にすることができる。また、トルクセンサを測定対象である金属軸１０の窪み１３にネジ止めして取り出し部１０７に配線コネクタを接続するだけで良いので、組み付け作業性を向上させることができる。

さらに、ボルト１１０は、金属フレーム１００の一面１０１のうちテーパ面１７ａに対応した部分を金属軸１０側に押し込むリング状の端面１１３を有している。したがって、ボルト１１０は、当該リング状の端面１１３によって金属フレーム１００の一面１０１のうちテーパ面１７ａに対応した部分を重点的に金属軸１０に押さえ付ける。これにより、金属フレーム１００の変形を抑制することができる。また、金属フレーム１００の変形が抑制されるので、金属フレーム１００からの歪検出素子４０の剥離を防止することができると共に、金属軸１０から金属フレーム１００に確実に歪を伝達させることができる。

以上のように、金属フレーム１００に筒部１０５を設けることで、金属フレーム１００とボルト１１０とを予め一体化させた構造を実現することができる。

（第１４実施形態）
本実施形態では、上記各実施形態と異なる部分について説明する。図３０及び図３１に示されるように、金属軸１０は、一端１０ａと、この一端１０ａの端面の一部が当該金属軸１０の中心軸に沿って凹んだ穴部１９と、を有している。穴部１９は金属軸１０の中心軸上に設けられている。また、穴部１９は金属軸１０の中心軸に垂直な方向の平面形状が円形になっている。

本実施形態に係る金属軸１０は、自動車のエンジンの一部を構成するクランクシャフトとして構成されている。すなわち、金属軸１０の一端１０ａは、クランクシャフトのうち自動車のリア側に対応している。また、穴部１９は、クランクシャフトのリア側端面に設けられたセンタ穴に対応している。

そして、図３０に示されるように、穴部１９は当該穴部１９のうち金属軸１０の中心軸に平行な内壁面１９ａにおいて、当該内壁面１９ａの一部が金属軸１０の外径側に凹んだ凹部１９ｂを有している。凹部１９ｂは、当該凹部１９ｂのサイズが当該凹部１９ｂの深さ方向に向かって小さくなるようにテーパ状に形成された一対のテーパ面１９ｃを有している。このような凹部１９ｂは、金属フレーム１００が嵌め込まれる部分である。なお、凹部１９ｂは穴部１９の内壁面１９ａの一部である。

図３０〜図３２に示されるように、本実施形態に係るトルクセンサは、金属フレーム１００と、ガラス３０と、歪検出素子４０と、プリント基板５２と、第１ブロック１２０と、第２ブロック１３０と、ボルト１４０と、を備えて構成されている。なお、図３０及び図３１ではガラス３０や歪検出素子４０等を省略している。

図３２の上段に示されるように、金属フレーム１００は、一面１０１が四角形状に形成されている。また、図３２の下段に示されるように、金属フレーム１００は、一面１０１から他面１０２に向かって当該他面１０２のサイズが小さくなるようにテーパ状に形成された一対の側面１０３を有している。なお、これら一対の側面１０３に隣接する他の一対の側面はテーパ状に形成されていても良いし、テーパ状に形成されていなくても良い。

そして、図３０に示されるように、金属フレーム１００は、金属軸１０の穴部１９の内壁面１９ａに接触するように穴部１９に配置されている。具体的には、金属フレーム１００は、他面１０２の少なくとも一部すなわち一対の側面１０３が穴部１９の凹部１９ｂに設けられた一対のテーパ面１９ｃに接触するように凹部１９ｂに嵌め込まれている。

図３２の上段に示されるように、プリント基板５２は、金属フレーム１００の一面１０１に接着剤で固定されている。また、プリント基板５２は歪検出素子４０を外部と電気的に接続するための配線パターン５３と、歪検出素子４０が配置される溝５４と、を有している。そして、歪検出素子４０は、プリント基板５２の溝５４に配置されたガラス３０を介して金属フレーム１００の一面１０１に固定されている。

図３０に示されるように、第１ブロック１２０は半筒状の部品であり、金属軸１０の穴部１９に配置されている。第１ブロック１２０は、金属軸１０の中心軸に垂直な方向の断面がコの字状になっている。すなわち、第１ブロック１２０は、当該第１ブロック１２０を構成する板部分から突出した一対の突起部１２１を有している。また、第１ブロック１２０のうち一対の突起部１２１の間には空間１２２が構成されている。歪検出素子４０は、この空間１２２に収容されている。また、この空間１２２を介して配線パターン５３が外部機器と電気的に接続される。

図３１に示されるように、第１ブロック１２０は、当該第１ブロック１２０のうち一対の突起部１２１とは反対側に設けられた第１傾斜面１２３を有している。第１傾斜面１２３はテーパ面になっており、第１傾斜面１２３のうち金属軸１０の穴部１９の開口部１９ｄ側が穴部１９の底部１９ｅ側よりも内壁面１９ａ側に位置するように傾いている。

このような第１ブロック１２０は、一対の突起部１２１が金属フレーム１００の一面１０１に接触することで金属フレーム１００を穴部１９の内壁面１９ａに押さえ付ける役割を果たす。なお、一対の突起部１２１は金属フレーム１００の一面１０１のうちテーパ状の一対の側面１０３に対応する部分を押さえ付けることが好ましい。

第２ブロック１３０は、金属軸１０の穴部１９に配置されていると共に、第１ブロック１２０を金属フレーム１００側に押し込むための部品である。第２ブロック１３０は、ネジ穴１３１と、第２傾斜面１３２と、を有している。

ネジ穴１３１は、第２ブロック１３０の一部が金属軸１０の中心軸に沿って貫通した貫通孔である。このネジ穴１３１にボルト１４０が差し込まれている。

第２傾斜面１３２は、第２ブロック１３０のうち第１ブロック１２０に接触する部分に設けられている。第２傾斜面１３２はテーパ面になっており、第１傾斜面１２３と同様に、第２傾斜面１３２のうち穴部１９の開口部１９ｄ側が穴部１９の底部１９ｅ側よりも内壁面１９ａ側に位置するように傾いている。そして、第２ブロック１３０は、第２傾斜面１３２が第１ブロック１２０の第１傾斜面１２３に接触するように穴部１９に配置されている。

なお、本実施形態では、第２ブロック１３０は、第２ブロックのうち第１ブロック１２０とは反対側の部分が穴部１９の内壁面１９ａに接するような半円柱状の形状になっている。

ボルト１４０は、第２ブロック１３０のネジ穴１３１に挿入されると共に、穴部１９の底部１９ｅにネジ止めされる締結手段である。ボルト１４０は、先端部分にネジ部が設けられた六角ボルトである。

上記の第１ブロック１２０、第２ブロック１３０、及びボルト１４０は、金属フレーム１００を穴部１９の内壁面１９ａに押し込む押し込み手段として機能する。具体的には、ボルト１４０が締め付けられることで第２ブロック１３０が穴部１９の底部１９ｅ側に移動する。これにより、第２ブロック１３０の第２傾斜面１３２が第１傾斜面１２３を滑るので、第２傾斜面１３２が第１傾斜面１２３を金属フレーム１００側に面で押し込む。したがって、第２ブロック１３０が第１ブロック１２０を介して金属フレーム１００を金属軸１０の穴部１９に固定する。ボルト１４０をネジ締めするだけで良いので、金属フレーム１００の組み付け性作業が容易となる。以上の構成により、歪検出素子４０は、金属フレーム１００を介して金属軸１０の歪を検出することができる。

発明者らは、例えばＭ４のボルト１４０を用いて４Ｎｍの締め付けトルクで第２ブロック１３０を締め付けたとき、金属フレーム１００が金属軸１０から受けるトルクと歪との関係を調べた。その結果を図３３に示す。図３３に示されるように、歪検出素子４０によって検出された歪量にヒステリシスはほぼ発生しなかった。したがって、本実施形態のように、金属軸１０の穴部１９に金属フレーム１００を固定した場合でも金属軸１０の正確なトルク測定を行うことができる。

また、上記のように自動車用のクランクシャフトである金属軸１０の穴部１９にトルクセンサを搭載することで、クランクシャフトの表面にトルクセンサの搭載スペースを確保することが難しい状況においても歪を検出することができる。すなわち、クランクシャフトのセンタ穴のスペースを有効利用することができる。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、第１ブロック１２０、第２ブロック１３０、及びボルト１４０が特許請求の範囲の「押し込み手段」に対応する。

（第１５実施形態）
本実施形態では、第１４実施形態と異なる部分について説明する。図３４及び図３５に示されるように、本実施形態に係るトルクセンサは、金属フレーム１００と、ガラス３０と、歪検出素子４０と、プリント基板５２と、第１ブロック１２０と、ボルト１５０と、を備えて構成されている。

なお、金属軸１０、金属フレーム１００、ガラス３０、歪検出素子４０、及びプリント基板５２の構造は第１４実施形態と同じである。また、図３４及び図３５ではガラス３０や歪検出素子４０等を省略している。

そして、図３５に示されるように、第１ブロック１２０はネジ穴１２４を有している。ネジ穴１２４は、第１ブロック１２０のうち一対の突起部１２１とは反対側に設けられている。なお、図３５ではネジ穴１２４は第１ブロック１２０を貫通しているが、ネジ穴１２４は第１ブロック１２０を貫通していなくても良い。

ボルト１５０は、穴部１９において第１ブロック１２０と内壁面１９ａとの間に配置されると共に、第１ブロック１２０のネジ穴１２４にネジ止めされる締結手段である。ボルト１５０の長手方向は、金属軸１０の中心軸に垂直な方向に向いている。そして、ボルト１５０の頭部は、穴部１９の内壁面１９ａに接触している。また、ボルト１５０の締め付け時にボルト１５０の頭部が内壁面１９ａに引っ掛からないようにするために、ボルト１５０の頭部は球面になっていることが好ましい。これにより、ボルト１５０の頭部が内壁面１９ａを滑りやすくなる。

本実施形態では、上記の第１ブロック１２０及びボルト１５０が金属フレーム１００を穴部１９の内壁面１９ａに押し込む押し込み手段として機能する。具体的には、ボルト１５０が第１ブロック１２０に締め付けられることで、第１ブロック１２０が穴部１９の底部１９ｅ側に移動する。これに伴って第１ブロック１２０の一対の突起部１２１が金属フレーム１００を金属軸１０側に押し込む。ボルト１５０をネジ締めするだけで良いので、金属フレーム１００の組み付け性作業が容易となる。以上のように、金属フレーム１００を金属軸１０に固定することができる。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、第１ブロック１２０及びボルト１５０が特許請求の範囲の「押し込み手段」に対応する。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示されたトルクセンサの構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、トルクセンサは車両に用いられるものであったが、これは利用形態の一例であり、もちろん車両以外にも用いられる。

また、図３及び図４に示されたＳＡＷ方式の歪検出素子４０の構成は一例であり、他の構成としても良い。さらに、金属フレーム２０に設けられたプリント基板５０の配置やボンディングワイヤ６０を設ける構成も一例であり、歪検出素子４０の信号を外部に取り出す手段は適宜設定すれば良い。

上記各実施形態では、金属フレーム２０が金属軸１０にレーザ溶接されているが、これは金属フレーム２０を金属軸１０に接合固定するための一つの手段である。したがって、レーザ溶接以外の他の手段によって金属フレーム２０が金属軸１０に接合固定されていても良い。

第１実施形態では、金属フレーム２０の他面２２の外縁部２４が一周するように金属軸１０にレーザ溶接されているが、これは接合方法の一例である。例えば、金属フレーム２０の他面２２の全体が金属軸１０の平坦面１２に接合されていても良い。第２、第３実施形態では、金属フレーム２０の側面２３及び他面２２の全体が窪み１３の壁面１４及び底面１５に接合されていても良い。また、金属フレーム２０の側面２３の全体と他面２２の外縁部２４が窪み１３に接合されている形態でも構わない。

第２実施形態では、金属軸１０の平坦面１２の窪み１３の深さと金属フレーム２０の厚みとが同じであったが、これは形状の一例である。したがって、窪み１３の深さが金属フレーム２０の厚みよりも深くても良いし、逆に、金属フレーム２０の厚みが窪み１３の深さよりも厚くても良い。

また、窪み１３にはめ込まれた金属フレーム２０は、当該金属フレーム２０の他面２２が窪み１３の底面１５に接触している必要はない。すなわち、金属フレーム２０の他面２２が窪み１３の底面１５と離間していても良い。そして、少なくとも当該金属フレーム２０の側面２３が窪み１３の壁面１４に一体化されていれば良い。

第３実施形態では、平坦面１２、窪み１３、金属フレーム２０の全ての平面形状が円形であったが、平坦面１２の平面形状は四角形状であって、金属フレーム２０の一面２１及び他面２２の平面形状が円形でも良い。同様に、平坦面１２の平面形状は四角形状であって、窪み１３と金属フレーム２０の一面２１及び他面２２の平面形状が円形でも良い。逆に、金属フレーム２０や窪み１３の平面形状が四角形状であって、金属軸１０の平坦面１２の平面形状が円形でも良い。もちろん、平面形状は四角形や円形だけでなく、多角形でも良い。このように、平面形状は適宜選択できる。

第４〜第７実施形態では、ボルト７０の頭部７１に溝部７３が設けられたものについて説明したが、これはボルト７０の形態の一例であり、頭部７１に溝部７３が設けられていなくても良い。例えば、頭部７１の表面に歪検出素子４０をガラス３０で固定されていても良い。

第４〜第７実施形態では、ボルト７０のネジ部７２と金属軸１０との間に埋め込む埋込部材７６として嫌気性の接着剤が用いられていたが、これは埋込部材７６の一例である。したがって、ネジとネジとの間の隙間を埋めるものであれば接着剤に限らず他の部材が用いられても良い。また、ボルト７０のネジ山と金属軸１０のネジ山とが滑りにくい場合には埋込部材７６を設けなくても良い。

第４実施形態で示された各目印１６、７５は、第５〜第７実施形態の金属軸１０及びボルト７０に適用しても良い。各目印１６、７５が設けられていなくても歪検出素子４０の位置合わせが可能な場合には各目印１６、７５は不要である。また、第５実施形態で示されたワッシャ９０は、第６、第７実施形態に係るボルト７０に適用しても良い。

第４〜第７実施形態では、トルクセンサに金属軸１０が含まれていたが、これはトルクセンサの構成の一例である。すなわち、第４〜第７実施形態では、トルクセンサは、ボルト７０と、ガラス３０と、歪検出素子４０と、プリント基板５０と、を備えた構成でも良い。

第８〜第１３実施形態では、金属フレーム１００の回転を禁止するために金属フレーム１００に回り止め部１０４が設けられていたが、これらは回り止め部１０４の一例である。また、金属フレーム１００が金属軸１０に対して回転しない場合には金属フレーム１００に回り止め部１０４を設けなくても良い。

第８〜第１３実施形態では、ボルト１１０は六角ボルトとして構成されていたが、これはボルト１１０の形状の一例である。したがって、金属軸１０に対してネジ締めすることができる形状であれば他の形状でも良い。

第４〜第１３実施形態では、ボルト７０や金属フレーム１００にガラス３０を介して歪検出素子４０を固定していたが、ガラス３０は固定手段の一例である。第４〜第１３実施形態では、ボルト７０や金属フレーム１００は第１実施形態のように金属軸１０への固定について熱の影響を受けない。したがって、歪検出素子４０はボルト７０や金属フレーム１００に対して接着剤によって固定されていても良い。第１４、第１５実施形態についても同様に、歪検出素子４０は金属フレーム１００に対して接着剤によって固定されていても良い。なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、接着剤が特許請求の範囲の「固定部」に対応する。

第４〜第１３実施形態では、平坦面１２が設けられた金属軸１０に対してボルト７０や金属フレーム１００が固定されていたが、平坦面１２が設けられていない金属軸１０に対してボルト７０や金属フレーム１００が固定されていても良い。例えば、金属軸１０の表面１１に窪み１３が形成されており、この窪み１３にボルト７０が直接締結されていても良い。同様に、窪み１３に設けられた凹部１７に金属フレーム１００が嵌め込まれると共にボルト１１０が窪み１３に直接締結されていても良い。

第１３実施形態では、ボルト１１０の端面１１３が金属フレーム１００のテーパ面１７ａに対応するようにリング状に形成されていたが、これは端面１１３の形状の一例である。例えば、端面１１３は、金属フレーム１００のテーパ面１７ａに対応する部分を含むように形成されていても良い。また、第１３実施形態で示されたボルト１１０の端面１１３を第８〜第１２実施形態に適用しても良い。

第１４、第１５実施形態では、金属フレーム１００の一面１０１は四角形状であったが、これは平面形状の一例であり、上述のように円形等の形状でも良い。この場合、穴部１９の凹部１９ｂは金属フレーム１００の平面形状に応じて形成されることとなる。また、第１ブロック１２０は２つの突起部１２１を有する構成であればコの字状ではなく他の形状でも良い。さらに、金属軸１０は自動車のクランクシャフトに限られず、他のシャフトでも良い。

第１４実施形態では、第２ブロック１３０は当該第２ブロック１３０のうち第１ブロック１２０とは反対側が穴部１９の内壁面１９ａに接する形状になっていが、これは第２ブロック１３０の形状の一例である。したがって、第２ブロック１３０は第２傾斜面１３２を有する形状であれば他の形状でも良い。

第１５実施形態では、ボルト１５０の頭部が穴部１９の内壁面１９ａに接触する押し込み構造となっていたが、例えばボルト１５０のうち第１ブロック１２０とは反対側に第３ブロックを設けても良い。この場合、ボルト１５０は両端がネジ部になっており、第１ブロック１２０と第３ブロックとにネジ止めされている。そして、ボルト１５０がネジ締めされることで、第１ブロック１２０が金属フレーム１００側に移動すると共に第３ブロックが穴部１９の内壁面１９ａに押さえ付けられる。これにより、ボルト１５０のうち第１ブロック１２０とは反対側を第３ブロックによって安定させることができる。

なお、第１〜第１５実施形態では、歪検出素子４０の検出方式として発振周波数法を用いているが、位相差法を用いる場合においても同様の効果を得ることができる。

１０ 金属軸
１１ 金属軸の表面
１２ 金属軸の平坦面
２０ 金属フレーム（台座部）
２１ 金属フレームの一面
２２ 金属フレームの他面
２３ 金属フレームの側面
２４ 外縁部
３０ ガラス（固定部）
４０ 歪検出素子

Claims (18)

1. 歪の測定対象であると共に棒状の金属軸（１０）に固定された台座部（２０、７０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０）と、
   前記台座部（２０、７０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０）に配置されていると共に、前記台座部（２０、７０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０）を介して前記金属軸（１０）の歪を検出するＳＡＷ方式の歪検出素子（４０）と、
   前記台座部（２０、７０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０）と前記歪検出素子（４０）との間に配置されると共に、前記歪検出素子（４０）を前記台座部（２０、７０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０）に固定する固定部（３０）と、
   を備え、
   前記金属軸（１０）は、一端（１０ａ）と、前記一端（１０ａ）の一部が当該金属軸（１０）の中心軸に沿って凹んだ穴部（１９）と、を有し、
   前記台座部は、
   一面（１０１）と当該一面（１０１）の反対側の他面（１０２）とを有すると共に、前記他面（１０２）の少なくとも一部が前記穴部（１９）のうち前記中心軸に平行な内壁面（１９ａ）に接触するように前記穴部（１９）に配置された板状の金属フレーム（１００）と、
   前記穴部（１９）に配置されると共に、前記金属フレーム（１００）を前記穴部（１９）の内壁面（１９ａ）に押し込む押し込み手段（１２０、１３０、１４０、１５０）と、
   を有して構成されており、
   さらに、前記歪検出素子（４０）は、前記金属フレーム（１００）の一面（１０１）に前記固定部（３０）を介して固定されていると共に、前記金属フレーム（１００）を介して前記金属軸（１０）の歪を検出することを特徴とするトルクセンサ。
2. 前記穴部（１９）は、前記内壁面（１９ａ）において、当該内壁面（１９ａ）の一部が凹んでいると共に前記金属フレーム（１００）が嵌め込まれる凹部（１９ｂ）を有し、
   前記凹部（１９ｂ）は、当該凹部（１９ｂ）のサイズが当該凹部（１９ｂ）の深さ方向に向かって小さくなるようにテーパ状に形成された一対のテーパ面（１９ｃ）を有しており、
   前記金属フレーム（１００）は、前記一面（１０１）及び前記他面（１０２）に接すると共に前記一面（１０１）から前記他面（１０２）に向かって当該他面（１０２）のサイズが小さくなるようにテーパ状に形成された一対の側面（１０３）を有すると共に、当該一対の側面（１０３）が前記一対のテーパ面（１９ｃ）に接触するように前記凹部（１９ｂ）に嵌め込まれていることを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
3. 前記押し込み手段は、一対の突起部（１２１）が設けられていると共に、前記一対の突起部（１２１）が前記金属フレーム（１００）の一面（１０１）に接触することで前記金属フレーム（１００）を前記穴部（１９）の内壁面（１９ａ）に押さえ付ける第１ブロック（１２０）を有し、
   前記歪検出素子（４０）は、前記第１ブロック（１２０）のうち前記一対の突起部（１２１）の間に設けられた空間（１２２）に収容されていることを特徴とする請求項１または２に記載のトルクセンサ。
4. 前記第１ブロック（１２０）は、当該第１ブロック（１２０）のうち前記一対の突起部（１２１）とは反対側に設けられた第１傾斜面（１２３）を有し、
   前記第１傾斜面（１２３）は、前記穴部（１９）の開口部（１９ｄ）側が前記穴部（１９）の底部（１９ｅ）側よりも前記内壁面（１９ａ）側に位置するように傾いたテーパ状になっており、
   前記押し込み手段は、
   前記穴部（１９）の開口部（１９ｄ）側が前記穴部（１９）の底部（１９ｅ）側よりも前記内壁面（１９ａ）側に位置するように傾いたテーパ状の第２傾斜面（１３２）と、前記金属軸（１０）の中心軸に沿って貫通したネジ穴（１３１）と、を有すると共に、当該第２傾斜面（１３２）が前記第１傾斜面（１２３）に接触するように前記穴部（１９）に配置される第２ブロック（１３０）と、
   前記第２ブロック（１３０）のネジ穴（１３１）に挿入されると共に、前記穴部（１９）の底部（１９ｅ）にネジ止めされることに伴って前記第２ブロック（１３０）の第２傾斜面（１３２）を前記第１傾斜面（１２３）に滑らせることによって前記第１ブロック（１２０）を前記金属フレーム（１００）側に押し込むボルト（１４０）と、
   を有していることを特徴とする請求項３に記載のトルクセンサ。
5. 前記第１ブロック（１２０）は、当該第１ブロック（１２０）のうち前記一対の突起部（１２１）とは反対側に設けられたネジ穴（１２４）を有し、
   前記押し込み手段は、前記穴部（１９）において前記第１ブロック（１２０）と前記内壁面（１９ａ）との間に配置されると共に、前記第１ブロック（１２０）のネジ穴（１２４）にネジ止めされることに伴って前記第１ブロック（１２０）を前記金属フレーム（１００）側に押し込むボルト（１５０）を有していることを特徴とする請求項３に記載のトルクセンサ。
6. 前記金属軸（１０）は、自動車のエンジンの一部を構成するクランクシャフトであり、
   前記穴部（１９）は、前記クランクシャフトのうち前記自動車のリア側に位置する前記一端（１０ａ）に設けられていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のトルクセンサ。
7. 歪の測定対象であると共に棒状の金属軸（１０）に固定された台座部（２０、７０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０）と、
   前記台座部（２０、７０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０）に配置されていると共に、前記台座部（２０、７０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０）を介して前記金属軸（１０）の歪を検出するＳＡＷ方式の歪検出素子（４０）と、
   前記台座部（２０、７０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０）と前記歪検出素子（４０）との間に配置されると共に、前記歪検出素子（４０）を前記台座部（２０、７０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０）に固定する固定部（３０）と、
   を備え、
   前記金属軸（１０）は、表面（１１）に設けられた平坦面（１２）と、当該平坦面（１２）の一部が凹んでいると共に壁面（１４）に雌ネジが形成された窪み（１３）と、前記窪み（１３）の底面（１５）の一部が凹んだ凹部（１７）と、を有し、
   前記凹部（１７）は、前記窪み（１３）の底面（１５）の面方向における当該凹部（１７）のサイズが当該凹部（１７）の深さ方向に向かって小さくなるようにテーパ状に形成されたテーパ面（１７ａ）を有しており、
   前記台座部は、
   一面（１０１）と、当該一面（１０１）の反対側の他面（１０２）と、前記一面（１０１）及び前記他面（１０２）に接すると共に前記一面（１０１）から前記他面（１０２）に向かって当該他面（１０２）のサイズが小さくなるようにテーパ状に形成された側面（１０３）と、を有する板状をなしており、前記側面（１０３）が前記凹部（１７）のテーパ面（１７ａ）に接触するように前記凹部（１７）に嵌め込まれた金属フレーム（１００）と、
   中空部（１１１）を有する中空円筒状であると共に、外壁面（１１２）に雄ネジが形成されており、前記窪み（１３）にネジ止めされることで前記金属フレーム（１００）を前記金属軸（１０）に固定するボルト（１１０）と、
   を有して構成されており、
   さらに、前記歪検出素子（４０）は、前記金属フレーム（１００）の一面（１０１）のうち前記中空部（１１１）に対応する部分に前記固定部（３０）を介して固定されていると共に、前記金属フレーム（１００）を介して前記金属軸（１０）の歪を検出することを特徴とするトルクセンサ。
8. 前記金属フレーム（１００）は、前記凹部（１７）に嵌め込まれた状態で当該凹部（１７）に設けられた引っ掛かり部（１８）に引っ掛かると共に、前記ボルト（１１０）の中心軸を中心とした当該金属フレーム（１００）の回転を禁止する回り止め部（１０４）を有していることを特徴とする請求項７に記載のトルクセンサ。
9. 前記金属フレーム（１００）を前記一面（１０１）に垂直な方向に断面を取ったときの前記側面（１０３）のうちの一方の面及び他方の面にそれぞれ平行な直線によって形成される角度をテーパ角度と定義すると、
   前記側面（１０３）は、前記テーパ角度が５°以上５５°以下となるように形成されていることを特徴とする請求項７または８に記載のトルクセンサ。
10. 前記金属フレーム（１００）は、中空筒状であると共に一端部（１０５ａ）が前記一面（１０１）に固定された筒部（１０５）と、前記筒部（１０５）の中空部分に配置されると共に前記歪検出素子（４０）を覆う傘状のキャップ（１０６）と、前記キャップ（１０６）に設けられていると共に前記歪検出素子（４０）の検出信号を外部に取り出すための取り出し部（１０７）と、前記筒部（１０５）の中空部分に配置されると共に前記キャップ（１０６）を覆うことで当該キャップ（１０６）を前記金属フレーム（１００）に固定するポッティング材（１０８）と、を有し、
    前記ボルト（１１０）は、前記中空部（１１１）に前記金属フレーム（１００）の筒部（１０５）が差し込まれていると共に、前記筒部（１０５）のうちの前記一端部（１０５ａ）とは反対側の他端部（１０５ｂ）が前記ボルト（１１０）に引っ掛けられることで前記金属フレーム（１００）に一体化されていることを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１つに記載のトルクセンサ。
11. 前記ボルト（１１０）は、前記金属フレーム（１００）の一面（１０１）のうち前記テーパ面（１７ａ）に対応した部分を前記金属軸（１０）側に押し込むリング状の端面（１１３）を有していることを特徴とする請求項７ないし１０のいずれか１つに記載のトルクセンサ。
12. 歪の測定対象であると共に棒状の金属軸（１０）に固定された台座部（２０、７０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０）と、
    前記台座部（２０、７０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０）に配置されていると共に、前記台座部（２０、７０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０）を介して前記金属軸（１０）の歪を検出するＳＡＷ方式の歪検出素子（４０）と、
    前記台座部（２０、７０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０）と前記歪検出素子（４０）との間に配置されると共に、前記歪検出素子（４０）を前記台座部（２０、７０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０）に固定する固定部（３０）と、
    を備え、
    前記金属軸（１０）は、当該金属軸（１０）の表面（１１）に設けられた平坦面（１２）と、前記平坦面（１２）に当該平坦面（１２）の一部が凹んでいると共に壁面（１４）に雌ネジが形成された窪み（１３）と、を有し、
    前記台座部は、頭部（７１）と、この頭部（７１）に接続されていると共に雄ネジが形成されたネジ部（７２）と、を有して構成されたボルト（７０）であり、
    前記歪検出素子（４０）は、前記ボルト（７０）の頭部（７１）に前記固定部（３０）を介して固定されており、
    前記ボルト（７０）は、前記雌ネジと前記雄ネジとによるネジ止めにより前記窪み（１３）に対して締結固定されていることを特徴とするトルクセンサ。
13. 前記ボルト（７０）は、前記金属軸（１０）に対して前記歪検出素子（４０）の配置方向を指示する第１目印（７５）を有し、
    前記金属軸（１０）は、前記第１目印（７５）の位置を指示する第２目印（１６）を有しており、
    前記ボルト（７０）は、前記第１目印（７５）が前記金属軸（１０）の第２目印（１６）に合致するように前記金属軸（１０）に締結固定されていることを特徴とする請求項１２に記載のトルクセンサ。
14. 前記第１目印（７５）は、前記ネジ部（７２）の雄ネジの切り出し位置に対応して設けられていることを特徴とする請求項１３に記載のトルクセンサ。
15. 前記金属軸（１０）において、前記金属軸（１０）の中心軸から前記表面（１１）までの距離をｒとすると、
    前記金属軸（１０）の中心軸から前記歪検出素子（４０）が固定された設置面（７４）までの高さは、０．５ｒ以上、０．９ｒ以下となるように、前記ボルト（７０）が前記金属軸（１０）に締結固定されていることを特徴とする請求項１２ないし１４のいずれか１つに記載のトルクセンサ。
16. 前記ネジ部（７２）は、当該ネジ部（７２）の先端に向かって径が小さくなるようにテーパ形状になっており、
    前記金属軸（１０）の窪み（１３）は、当該窪み（１３）の底面（１５）に向かって径が小さくなるようにテーパ形状になっていることを特徴とする請求項１２ないし１５のいずれか１つに記載のトルクセンサ。
17. 前記雄ネジと前記雌ネジとの間の隙間には埋込部材（７６）が埋め込まれていることを特徴とする請求項１２ないし１６のいずれか１つに記載のトルクセンサ。
18. 前記ボルト（７０）は、ワッシャ（９０）を介して前記金属軸（１０）に締結固定されていることを特徴とする請求項１２ないし１７のいずれか１つに記載のトルクセンサ。

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