JP5947613B2

JP5947613B2 - 計測機器

Info

Publication number: JP5947613B2
Application number: JP2012103234A
Authority: JP
Inventors: 幸弘小林
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2032-04-27
Also published as: JP2013231646A

Description

本発明は、高速回転する被計測物の例えばトルクなどの回転による特性を計測するのに優れた計測機器に関する。

従来から高速回転する被計測物の例えばトルクなどの回転による特性を計測するのに優れた計測機器としてトルク変換器（トルク計測器）が知られている（例えば、特許文献１参照）。このトルク変換器は、同文献の図１に示すように、駆動側フランジ部２と従動側フランジ部３との間に、中心軸Ｌ方向に向かって切削加工等の手段によって起歪部５が形成されている。そして、起歪部５の外周面８は、中心軸Ｌに向かって円弧状（Ｒ溝形状）に形成され、そのＲ溝の中央部で起歪部５の肉厚が最も薄くなるようになっている。この特許文献１において開示されたトルク変換器は、起歪部５に形成する薄肉部の形状を円弧状の溝形状とすることによって、薄肉部に発生する捩じれ角度及び軸の曲げによる撓みを小さくし、高い応答性を保つための高い捩り剛性を得ることを可能としたものである。

特開２００１−３３０５２５号公報

上述した特許文献１に記載されたトルク変換器には、起歪部５の内周面の円周方向４箇所にひずみゲージが周方向等間隔で設けられている。一般にこれらのひずみゲージ同士の抵抗値の変化量を計測してトルクを計測するにあたって、各ひずみゲージ同士をケーブルで繋ぐと、起歪部５が例えば毎分２万回転程度で高速回転した場合に、ケーブルの断線等が生じてしまう虞がある。従って、起歪部の内周面にフレキシブルプリント基板を貼付して、各ひずみゲージ同士をフレキシブルプリント基板を介して電気的に接続し、起歪部５に作用するトルク計測時に各ひずみゲージの抵抗値の変化を算出するようにしている。

しかしながら、複数枚のフレキシブルプリント基板を起歪部に貼付した場合、各フレキシブルプリント基板の間隔が不均一となってしまうことがある。これを防止するために、一枚のフレキシブルプリント基板を起歪部の周方向に貼付する構成も考えられる。しかしながら、このような構成によると、ひすみゲージとの接続用の端子接点部の半田位置が円筒状をなす起歪部の中心軸線に対して円周方向非対称となってしまうことがある。このようにフレキシブルプリント基板の不適切な状態で配置されたまま起歪部が高速回転した場合、仮に起歪部にねじりモーメントが生じていなくても、フレキシブルプリント基板の起歪部周方向における不均等な配置状態に起因して、起歪部の重量バランスが崩れてしまう。そして、上述のような要因に基づいて、ひずみゲージの出力にもずれが生じてしまう。

このようなずれ（ゼロ点シフト）は、起歪部の回転中にその回転数に応じて生じるものであり、回転を止めるとそのずれは生じなくなるため、起歪部の回転数に応じたひずみゲージの抵抗値のずれをそれぞれのトルク変換器ごとに個々に計測して補正値を算出し、これを個々のトルク変換器にメモリー機能を設けてゼロ点シフト用の補正値として入力しなければトルクの正確な計測を行うことができない。

上述のようなフレキシブルプリント基板の貼付状態によると、起歪部が高速回転した場合に起歪部の重量バランスが崩れてしまい、その円周方向に等間隔で貼付されたひずみゲージの出力にもずれが生じてしまう。これらのずれを上述した補正方法により個々のトルク変換器について行うのは、起歪部の回転数に応じて抵抗値の変化を補正する複雑な補正回路を設けなければならず、コスト的に非常に高くつくと共に、起歪部の回転数に応じて抵抗値の変化を補正する複雑な補正回路をトルク変換器に取り付けたままトルク変換器を長期に亘って使用すると、トルク変換器自体の信頼性低下や故障の原因となることが考えられる。

本発明の目的は、高速回転する被計測物の例えばトルクなどの回転による特性を正確に計測することができる計測機器を簡易な構成かつ低コストで提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の計測機器は、
複数の抵抗体からの電気信号をフレキシブルプリント基板を介して検出し、被計測物の回転による特性を計測する計測機器であって、
前記フレキシブルプリント基板には、
基板本体と、
前記基板本体上に形成され、前記複数の抵抗体を接続する端子接点部と、
前記基板本体上に形成され、前記複数の抵抗体の抵抗値を電気信号として検出するために前記複数の抵抗体に電気的に導通する配線用導体パターンが備えられており、
前記被計測物又は該被計測物の回転による特性を計測する特性検出器の該回転による特性を計測する部分に前記フレキシブルプリント基板を貼付した場合に、前記端子接点部及び前記配線用導体パターンが、前記回転による特性を計測する部分の中心軸線に対して周方向軸対称となるように配置されていることを特徴としている。

請求項１に係る計測機器によると、フレキシブルプリント基板の端子接点部や配線用導体パターンがこのように配置されていることで、被計測物や被計測物の回転による特性を計測する特性検出器の回転による特性を計測する部分が高速で回転した場合であっても、この回転による特性を計測する部分に仮に遠心力のみが作用した場合、これらの部分に均等に力が作用し重量バランスが保てるようになる。そのため、起歪体の出力にずれ（ゼロ点シフト）が生じることがなく、この回転による特性を計測する部分においてトルク等の回転による特性を正確に計測することができる。従って、このようなフレキシブルプリント基板を有さない場合と異なり被計測物や被計測物の回転による特性を計測する特性検出器の回転数に応じた出力特性のずれ（ゼロ点シフト）を計測機器ごとに個別に計測して補正する必要がなくなり、被計測物の回転による特性を低コストかつ高精度で計測できる計測機器とすることができる。

また、本発明の請求項２に係る計測機器は、請求項１に記載の計測機器において、
前記端子接点部又は前記配線用導体パターンの少なくとも一方が、前記回転による特性を計測する部分の中心軸線に対して周方向軸対称の位置に配置されるように、配線による電気接続を行わない疑似端子接点部及び疑似配線用導体パターンの少なくとも一方を前記フレキシブルプリント基板に設けることを特徴としている。

請求項２に係る計測機器によると、このような疑似端子接点部や疑似配線用導体パターンをフレキシブルプリント基板に設けることで、被計測物又はこの回転による特性を計測する特性検出器の回転による特性を計測する部分が高速回転した場合であっても、この回転による特性を計測する部分に仮に遠心力のみが作用した場合、その周方向における不均等な力の作用に伴う重量バランスの不均衡や回転むらが生じるのをより確実に防ぎ、回転による特性を抵抗体を介してより正確に計測することができるようになる。

また、本発明の請求項３に係る計測機器は、請求項１又は請求項２に記載の計測機器において、
前記フレキシブルプリント基板を前記回転による特性を計測する部分に貼付した場合に、前記端子接点部が、前記被計測物又はこの回転による特性を計測する特性検出器の回転による特性を計測する部分の円周方向において等間隔に配置されることを特徴としている。

例えばフレキシブルプリント基板の端子接点部に半田を用いる場合、端子接点部に付着する半田の質量が周方向にばらつくと、これらが回転による特性を計測する部分の特性計測時に悪影響を与えるが、請求項３に係る計測機器がこのような構成を有することで、回転による特性を計測する部分の特性計測時に悪影響を与えることを防止し、回転による特性を計測する部分の回転特性を抵抗体を介してより正確に計測することができるようになる。

本発明によると、高速回転する被計測物の例えばトルクなどの回転による特性を正確に計測することができる計測機器を簡易な構成かつ低コストで提供することができる。

本発明に係る計測機器の一例としてのトルク変換器の一実施形態を示す正面図である。図１に示したトルク変換器の側面図である。図１に示したトルク変換器の一部を示すIII-III断面図である。図１に示したトルク変換器に用いるひずみゲージの平面図である。図４に示したひずみゲージの図１乃至図３における電気的接続状態を概略的に示す回路図である。図１に示したトルク変換器に用いるフレキシブルプリント基板の平面図である。図６に示したフレキシブルプリント基板を起歪部の内周面に貼付した状態を起歪部及びひずみゲージを除いて示す説明図である。

以下、本発明に係る計測機器の好ましい態様としてトルク変換器の実施形態について説明する。このトルク変換器は、例えば車両におけるトルク伝達部の伝達トルクの計測に利用されるようになっている。図１は、本発明に係る計測機器の一例としてのトルク変換器の一実施形態を示す正面図である。また、図２は、図１に示したトルク変換器の側面図である。また、図３は、図１に示したトルク変換器の一部を示すIII-III断面図である。

トルク変換器１は、図１及び図２に示すように、ステーター２０とローター１０からなり、ステーター２０は、制御演算部３００（図５参照）を内蔵したベース部２１と、ベース部２１の上方に延在したアンテナ部２２を有し、ローター１０（以下、適宜「起歪体１０」とする）は、駆動側フランジ部１１と、従動側フランジ部１２と、これらのフランジ部１１、１２に挟まれた起歪部（回転による特性を計測する部分）１３を有している。ステーター２０に備わったベース部２１は、制御演算部３００（図５参照）を内蔵した基台としての役目を果たしている。ベース部２１の制御演算部３００は、アンテナ２２に交流電流を流す際にこれを制御するようになっている。また、ベース部２１の制御演算部３００は、ローター１０の起歪部１３がねじりモーメントを受けながら回転した際に生じるひずみをローター１０から非接触の伝送信号（後述）として受信してこれを処理し、起歪部１３の後述するひずみゲージ（抵抗体）２００に生じた抵抗値の変化をトルク値としてコネクタ２５を介して外部に出力するようになっている。

ステーター２０に備わったアンテナ２２は、延在する軸線方向に直角の断面が矩形形状を有し半円弧状に延在する２つアンテナ部材２２Ａ，２２Ｂが組み合わさって１つの略円環状をなし、下部にはこれをベース部２１に取り付ける取付け部２２ａ，２２ｂを有すると共に、その上部の端面同士が締結具を介して互いに当接した状態で締結具で連結されている。アンテナ２２には所定の周波数の交流電流が流され、ローター１０に設けたコイル１５を介して電磁誘導により非接触でローター１０に電力を供給するようになっている。

一方、起歪体１０は、本実施形態においては、鉄系の合金でできており、上述したように、駆動側フランジ部１１と、従動側フランジ部１２と、これらの間に挟まれる円筒状の起歪部１３を有している。そして、本実施形態では、駆動側フランジ部１１にかかる回転力を従動側フランジ部に伝える際のトルクを後述するひずみゲージ２００によって起歪部１３において被計測物の回転による特性として計測するようになっている。

駆動側フランジ部１１は、外径がアンテナ２２の内径よりも小さく両者間に十分な隙間を確保するようになっており、周囲に周方向等間隔で固定孔１１ａを備え、固定孔１１ａに例えば自動車の駆動輪を回転させる動力伝達用の駆動軸に連結された駆動側連結部材が図示しないボルトを介して固定されるようになっている。また、駆動側フランジ１１の外周には、図３において一部断面で概略的に示すように、全周に亘って電力供給用コイル１５が備わっており、ステーター２０のアンテナ２２からローター１０に電力が供給されるようになっている。また、従動側フランジ１２は、外径が駆動側フランジ１１の外径よりも少し小さくステーター２０のベース部２１上面との間に後述する信号伝達に支障のない程度の隙間を確保するようになっており、例えば自動車の駆動輪など駆動力伝達系の従動側となる負荷部材が図示しない固定孔１２ａにおいて締結具を介して取り付けられるようになっている。

起歪部１３は、後述する４つのひずみゲージ２１０，２２０，２３０，２４０（２００）の抵抗値から起歪部１３に作用するトルクを算出するための出力値を出力する演算手段の実装された回路基板（図示せず）と、演算手段からの出力値をステーター２０側の制御演算部３００に非接触で伝送する信号伝送手段（図示せず）と、起歪部１３に作用するトルクを算出するにあたって利用する温度補償ゲージ（図示せず）を備えている。なお、この温度補償ゲージは、温度の影響でひずみゲージの出力に誤差が生じるが、その温度による出力の差をキャンセルするゲージである。

図４は、図１に示したトルク変換器に用いるひずみゲージの平面図である。また、図５は、図４に示したひずみゲージの図１乃至図３における電気的接続状態を概略的に示す回路図である。起歪部１３は、上述したように円筒体形状を有し、その内周面の４箇所に周方向等間隔でひずみゲージ２１０，２２０，２３０，２４０（２００）が貼付されている（図３では３箇所のみ図示）。また、その内周面の全周に亘ってフレキシブルプリント基板１００が貼付されている（図３では半周のみ図示）。なお、このフレキシブルプリント基板１００には、所定の配線パターンが周囲との絶縁性を確保しつつ形成されている。

各ひずみゲージ２００は、図４から分かるように、それぞれ２つのゲージパターン２０１，２０２，（２１１，２１２）、（２２１，２２２），（２３１，２３２）、（２４１，２４２）を備え、各ゲージパターンの形成方向は互いに所定角度をなしてゲージベース上にパターニングされている。なお、４つのひずみゲージ２００は、図５に示すように、互いに協働してホイートストンブリッジ回路を形成している。そして、負荷を伴う被計測物の回転に応じて起歪部１３にねじりモーメントが発生することで、各ひずみゲージ２００の一方のゲージパターン２０１（２０２）が伸びて抵抗値が大きくなり、他方のゲージパターン２０２（２０１）が縮んで抵抗値が小さくなる。このようにしてホイートストンブリッジ回路の抵抗値にばらつきが生じて電流が流れ、この電流が流れた部分の電圧を計測して出力伝達信号としてステーター２０側の制御演算部３００に伝達し、この制御演算部３００で演算することによって起歪部１３に生じたトルクを計測するようになっている。

図６は、図１に示したトルク変換器に用いるフレキシブルプリント基板の平面図である。フレキシブルプリント基板１００は、図６に示すように、細長の長方形形状を有し樹脂でできており十分な可撓性を有したフィルム状の基板本体１００Ａと、基板本体１００Ａ上に形成され、ひずみゲージ２００を構成する複数のひずみゲージ２１０，２２０，２３０，２４０と電気的に接続する端子接点部１１１，１１２，１１３，１１４（１１０）と、同じく基板本体１００Ａ上に形成され、ひずみゲージ２００の抵抗値を電気信号として検出するために複数のひずみゲージ２１０，２２０，２３０，２４０（２００）を電気的に導通する配線用導体パターン１６０が備えられている。

より詳細には、フレキシブルプリント基板１００の全長は、起歪部１３の内周面の周長と一致しており、その幅方向一方の側縁（図６中下側）には、矩形上の切欠き１０１，１０２，１０３，１０４が互いに等間隔で形成され、各切欠きにおいてはひずみゲージ２００の４つの端子接点部２５１，２５２，２５３，２５４とワイヤボンディングによりそれぞれ電気的接続する４つの端子接点部１１１，１１２，１１３，１１４が形成されている。また、これらのひずみゲージ２００との電気的接続用の４つの端子接点部１１１，１１２，１１３，１１４の間は、フレキシブルプリント基板１００の表裏に形成された配線用導体パターンによって接続されている。なお、図６においては、説明の都合上、フレキシブルプリント基板１００の表側の面についてのみ図示する。また、必ずしもフレキシブルプリント基板１００の両面に配線用導体パターンが形成されている必要はない。図６から分かるように、フレキシブルプリント基板１００の長手方向においてひずみゲージ２００との接続部においては多数の端子接点部１１１，１１２，１１３，１１４が形成され、これらの丁度中間領域には少数の端子接点部１２０が形成されている。

そして、図７に示すように、フレキシブルプリント基板１００を円筒形状の起歪部１３の内周面に貼付した場合に、上述した多数の端子接点部同士（図７の中心から円周方向に向かう矢印Ｘに対応する領域に形成された端子接点部）及びこれら多数の接点部間の基板長手方向ほぼ中間に形成された少数の端子接点部同士（図７の中心から円周方向に向かう矢印Ｙに対応する領域に形成された端子接点部）が、円筒状をなす起歪部の中心軸線に対して周方向軸対称となるように配置されている。

また、上述したように多数の端子接点部１１０同士及び少数の端子接点部１２０同士が円筒状をなす起歪部１３の中心軸線に対して周方向軸対称の位置に配置されるようにするために、配線による電気接続を行わないダミー（疑似）端子接点部１２１（図６中の黒丸で示す端子接点部参照）（以下「ダミー端子接点部１２１」とする）がフレキシブルプリント基板１００に形成されている。なお、好ましくはフレキシブルプリント基板１００を円筒状の起歪部１３の内周面に貼付した場合において、フレキシブルプリント基板１００の端子接点部１１０（１１１，１１２，１１３，１１４），１２０，１２１が、起歪部１３の円周方向において等間隔に配置されるのがよい。

また、フレキシブルプリント基板１００に形成された配線用導体パターン１６０のうち、一部の配線用導体パターンは実際に電気の流れないいわゆるダミー（疑似）配線用導体パターン１６１（以下、「ダミー配線用導体パターン１６１」とする）となっている。このダミー配線用導体パターン１６１は、図６に示すような位置に形成され、フレキシブルプリント基板１００を円筒状をなす起歪部１３の内周面に貼付したとき、この起歪部１３の中心軸線に対して配線用導体パターン１６０及びダミー配線用導体パターン１６１が周方向軸対称の位置となるようにフレキシブルプリント基板上に形成されている。

続いて、上述した実施形態に係るトルク変換器１の作用について説明する。上述した実施形態に係るトルク変換器１は、フレキシブルプリント基板１００の端子接点部１１０，１２０や配線用導体パターン１６０が上述したように配置されていることによって、起歪体１０の起歪部１３が高速で回転した場合であっても、起歪部１３に仮に遠心力のみが作用した際に、この部分に均等に力が作用し重量バランスが保てるようになる。その結果、ひずみゲージ２００の出力にずれ（ゼロ点シフト）が生じることがなく、起歪部１３に作用するトルクを正確に計測することができる。従って、このようなフレキシブルプリント基板１００を有さない場合において、トルク変換器１の起歪体１０の回転数に応じたゼロ点シフトをトルク変換器ごとに個別に計測して補正する必要がなくなり、トルク変換器１の起歪部１３に作用するトルクを低コストかつ高精度で計測できる。

また、端子接点部１１０や配線用導体パターン１６０が起歪部１３に作用するトルクを計測する部分の中心軸線に対して周方向軸対称の位置に配置されるように、配線による電気接続を行わないダミー端子接点部１２１やダミー配線用導体パターン１６１をフレキシブルプリント基板１００に設けているので、起歪体１０が高速回転しても、このトルクを計測する部分である起歪部１３に仮に遠心力のみが作用した場合、その周方向における不均等な力の作用に伴う重量バランスの不均衡や回転むらが生じることなくなるので、起歪部１３に通常のトルクが作用した場合に、起歪部１３に作用するトルクをひずみゲージ２００から正確に計測することができる。

なお、トルク変換器１の起歪体１０の材質が金属ではなく、樹脂等の慣性質量が小さい材質の場合、端子接点部１１０に付着する半田の質量が周方向にばらつくと起歪部１３のトルク計測時に与える悪影響がより大きくなるが、本実施形態に係るフレキシブルプリント基板１００を起歪部１３に貼付した場合、フレキシブルプリント基板１００の端子接点部１１０及びダミー端子接点部１２１が、起歪部１３の円周方向において中心軸線に対して周方向軸対称の位置に配置されるようになることで、このような不具合の発生を防止し、正確なトルクを起歪部１３で計測することができる。更に、フレキシブルプリント基板１００の端子接続部１１０（半田位置）を起歪部１３の円周方向において等間隔に配置されることにより、重量バランスが保たれ、起歪体１０が高速で回転することによりひずみゲージ２００の出力のずれ（ゼロ点シフト）が生じるのを有効に防止することができる。

なお、上述した実施形態と異なり、端子接点部及び配線用導体パターンの何れか一方が回転による特性を計測する部分の中心軸線に対して軸対称の位置に配置されるように、ダミー端子接点部及びダミー配線用導体パターンの何れかをフレキシブルプリント基板に設けるようにしても、本発明の作用を発揮することは可能である。

また、上述の実施形態は、本発明に係る計測機器をトルク変換器に適用した場合について説明したが、本発明は必ずしも上述の実施形態の範囲内に限定されるものではない。即ち、本発明に係る計測機器を例えば被計測物としてのシャフトに直接貼り付けてそのシャフトに作用するトルクを計測してもよい。この場合のシャフトは、車両の駆動輪や従動輪に限定されず、例えば、マシニングツール等の工作機械の駆動シャフトや従動シャフトとしてもよい。また、回転体の特性の対象としては、回転トルクに限定されるものではなく、例えば回転体のひずみそのもの、回転体の回転数（回転速度）、回転体の疲労度合、回転体の加速度、回転体自体に作用する圧力などを計測する際に本発明を適用してもよい。

なお、上述の実施形態における各構成要件の材質、形状、寸法、個数は、あくまで一例を示したものに過ぎず、本発明の作用を発揮し得る範囲内であれば、いかなる態様をとっていてもよいことは言うまでもない。従って、本発明で言う「軸対称」や「等間隔」の用語は、厳密な意味での軸対称や等間隔ではなく、本発明の範囲を逸脱しなければ若干ずれた場合であっても、本発明の許容範囲内である。

１トルク変換器
１０ローター（起歪体）
１１駆動側フランジ部
１２従動側フランジ部
１３起歪部
１５電力供給用コイル
２０ステーター
２１ベース部
２２アンテナ部
１００フレキシブルプリント基板
１１１，１１２，１１３，１１４（１１０）端子接点部
１２０端子接点部
１２１ダミー端子接点部
１６０配線用導体パターン
１６１ダミー配線用導体パターン
２０１，２０２、（２１１，２１２）、（２２１，２２２），（２３１，２３２）、（２４１，２４２）ゲージパターン
２１０，２２０，２３０，２４０（２００）ひずみゲージ
２５１，２５２，２５３，２５４（２５０）端子接点部
３００制御演算部

Claims

複数の抵抗体からの電気信号をフレキシブルプリント基板を介して検出し、被計測物の回転による特性を計測する計測機器であって、
前記フレキシブルプリント基板には、
基板本体と、
前記基板本体上に形成され、前記複数の抵抗体を接続する端子接点部と、
前記基板本体上に形成され、前記複数の抵抗体の抵抗値を電気信号として検出するために前記複数の抵抗体に電気的に導通する配線用導体パターンが備えられており、
前記被計測物又は該被計測物の回転による特性を計測する特性検出器の該回転による特性を計測する部分に前記フレキシブルプリント基板を貼付した場合に、前記端子接点部及び前記配線用導体パターンが、前記回転による特性を計測する部分の中心軸線に対して周方向軸対称となるように配置されていることを特徴とする計測機器。
前記端子接点部又は前記配線用導体パターンの少なくとも一方が、前記回転による特性を計測する部分の中心軸線に対して周方向軸対称の位置に配置されるように、配線による電気接続を行わない疑似端子接点部及び疑似配線用導体パターンの少なくとも一方を前記フレキシブルプリント基板に設けることを特徴とする請求項１に記載の計測機器。
前記フレキシブルプリント基板を前記回転による特性を計測する部分に貼付した場合に、前記端子接点部が、前記被計測物又はこの回転による特性を計測する特性検出器の回転による特性を計測する部分の円周方向において等間隔に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の計測機器。