JP7339618B2

JP7339618B2 - トルク変換器

Info

Publication number: JP7339618B2
Application number: JP2019136779A
Authority: JP
Inventors: 璋好小林
Original assignee: ユニパルス株式会社
Priority date: 2019-07-25
Filing date: 2019-07-25
Publication date: 2023-09-06
Anticipated expiration: 2039-07-25
Also published as: JP2021021586A

Description

本発明は、トルクを測定して電気信号に変換するトルク変換器に関するものである。

高速回転する自動車の車輪等に生じるトルクを測定する測定器としては、両端に接続用のフランジ部を有し、このフランジ間に円筒状の起歪部を連結する構造のトルク変換器が公知である。このトルク変換器は、円筒状の起歪部に感歪抵抗体を添着して、駆動側フランジ部から従動側フランジ部に伝達されるトルクに比例した起歪部の歪み量を電気的に変換している。そして高速回転と共に、急激なトルク変化を測定することが求められていて、起歪部には高剛性が求められると同時に、高い応答性を確保する必要がある。

特開平６－２２９８５３号公報

このようなトルク変換器は、特許文献１のように、感歪抵抗体の最大感度方向が起歪部の中心軸に対して４５度の角度になるように添着されているのが一般的である。しかしながら、例えば２００００ｒｐｍ等の高速回転においてトルクを検出する際には、起歪部に遠心力が働き、トルクが加わっていないのにもかかわらず歪みを検出してしまう場合があって改善の余地がある。

このような問題に鑑みて、本発明は、高速回転においても精確なトルク変換器を提供することを目的としている。

本発明の一態様に係るトルク変換器は、上記の目的を達成するために、
中空円柱形の起歪部を備えて起歪部に作用するねじりトルクを電気信号に変換するトルク変換器であって、
起歪部の内周面には複数の感歪抵抗体が添着され、
感歪抵抗体は、起歪部の中心軸と感歪抵抗体の最大感度方向のなす角度が、起歪部のポアソン比から定められて配置されている。

本発明の一態様に係るトルク変換器は、上記の目的を達成するために、
中空円柱形の起歪部を備えて起歪部に作用するねじりトルクを電気信号に変換するトルク変換器であって、
起歪部の内周面には複数の感歪抵抗体が添着され、
感歪抵抗体は、起歪部の中心軸と感歪抵抗体の最大感度方向のなす角度が、起歪部の円周方向に働く引張応力によって生じる歪みをキャンセルする角度にて配置されている。

本発明によれば、感歪抵抗体の最大感度方向が、起歪部の中心軸に対して、起歪部のポアソン比によって定まる角度にて配置されていることから、高速回転によって起歪部に生じる遠心力の影響を除外することができ、精確なトルク変換器を提供できる。

本発明の実施形態に係るトルク変換器の斜視外観図である。本発明の実施形態に係るトルク変換器の測定部の断面図である。本発明の実施形態に係るトルク変換器の測定部のＡＡ断面図である。本発明の実施形態に係るトルク変換器の感歪抵抗体を含んで構成される回路図である。本発明の実施形態に係るトルク変換器の起歪部の一部の模式図（ａ）～（ｃ）、モール円を示す図（ｄ）、感歪抵抗体の平面図（ｅ）である。

以下、本発明の実施形態に係るトルク変換器について、図面を基に詳細な説明を行う。図１は本発明の第１の実施形態に係るトルク変換器１の斜視外観図である。

トルク変換器１は、トルク測定部１３と、電装品ボックス９とを備えている。トルク測定部１３は、起歪部２と、フランジ部３ａ～３ｂと、これらの内部に図１には現れない感歪抵抗体Ｇ１～Ｇ８と、回路基板１２と含んでいる。電装品ボックス９の天面には給電部７と回転速度検出部８が設けられている。トルク測定部１３と電装品ボックス９とは別体で構成されていて、トルク変換器１はこの両者を所定の位置及び間隔にて設置して使用される。トルク変換器１は起歪部２に作用するトルクを電気信号に変換する。

フランジ部３ａは、容易には変形しない高い剛性の環状の金属でできている。フランジ部３ａは、等角度間隔で配置されたネジ穴を複数有して、ボルトによって駆動側の駆動部材と連結される。

フランジ部３ｂも、容易には変形しない高い剛性の環状の金属でできている。フランジ部３ｂは、等角度間隔で配置されたネジ穴を複数有して、ボルトによって従属側の負荷部材と連結される。

歯車４は、フランジ部３ａ側に設けられた平歯車である。歯車４は、フランジ部３ａの外周より半径方向に突出した形状で、中心軸方向ではフランジ部３ａとフランジ部３ｂの中間に配置されている。

起歪部２は、中心軸方向でフランジ部３ａとフランジ部３ｂの間にあって、フランジ部３ａ及びフランジ部３ｂとは同心である。起歪部２は中空円柱形の形状であって、起歪部２の両端にあるフランジ部３ａとフランジ部３ｂとは一体の部材で構成されている。そして起歪部２の外周円柱面の直径は、フランジ部３ａ及びフランジ部３ｂの外周の直径よりも小さく、その肉厚も比較的小さく形成されている。起歪部２は例えば炭素鋼で、そのポワソン比は０．２７～０．３である。

回転速度検出部８は、歯車４を使用してトルク測定部１３の回転速度及び回転方向を検出する。回転速度検出部８は、回転する歯車４に対してその歯先円に近接する円周上に、歯車４と所定の距離に２つの磁気抵抗素子を配置してあって、この磁気抵抗素子間を通過する歯車４の歯先による磁力変化を検出して、回転速度と回転方向を検出する。

アンテナ１４は、トルク測定部１３で測定したトルクの値の信号を無線で送信するためのものである。アンテナ１４は、例えば導体線を印刷した円環状のプリント配線板であって、フランジ部３ａの外周円柱面に嵌挿されて歯車４の側面に固着されている。そしてアンテナ１４からの引き出し線は、フランジ部３ａの外周円柱面に設けた穴によって、トルク測定部１３の内部へ導かれて、トルク測定部１３内部に固定されている回路基板１２に接続されている。

受電側コイル５は、フランジ部３ｂの外周に巻かれたコイルであって、給電部７から電力を受電するためのものである。そして受電側コイル５からの引き出し線は、フランジ部３ｂの円柱面に設けた穴によって、トルク測定部１３の内部へ導かれ、トルク測定部１３内部に固定されている回路基板１２に接続されている。

給電部７には送電側コイルが収容されている。送電側コイルは、受電側コイル５と所定の間隔にて結合して回転トランスを形成する。この回転トランスの構成により電力が電装品ボックス９からトルク測定部１３へ非接触で送電される。

蓋６はトルク測定部１３の内部に配置されている部材を、高速回転によって生ずる風力や塵埃から保護するために設けられている。

電装品ボックス９は、非接触送電回路と、トルク出力回路と、回転検出回路と、電源回路とを含む基板等を収容している。非接触送電回路は、給電部７を介してトルク測定部１３へ電力を非接触で送電する。トルク出力回路は、トルク測定部１３のアンテナ１４からトルクのデジタル信号を受信してこれを復調してトルク値を出力する。回転検出回路は、回転速度検出部８からトルク測定部１３の回転速度及び回転方向を検出して出力する。電源回路は、外部から供給される電力を変換して各回路用の電源を供給する。

図２は本発明の実施形態に係るトルク変換器の測定部の中心軸ＡＸを内包する鉛直平面で切断した断面図である。図３は図２におけるＡＡ断面図である。

起歪部２の外周面２ａには、例えば溝状の長円型の薄肉部１０ａ～１０ｄが設けられている。薄肉部１０ａ～１０ｄは、長円の溝形状であって、長手側は円周方向に沿って伸びている。４つの薄肉部１０ａ～１０ｄは起歪部２の中心軸ＡＸ周りに円周方向に沿って９０度の等間隔で配置されている。４つの薄肉部１０ａ～１０ｄは、それぞれ円周方向の長さＣ１が等長で、中心軸ＡＸ方向の幅Ｗも同一長さで、さらに中心軸ＡＸの方向でも同一位置で配置されている。４つの薄肉部１０ａ～１０ｄの円周方向に伸びた面、すなわち薄肉部１０ａ～１０ｄの底面は円柱面である。この薄肉部１０ａ～１０ｄの周囲の起歪部２は半径Ｒ０の円柱面であって、薄肉部１０ａ～１０ｄの底部は半径Ｒ１の円柱面である。すなわち溝状の各薄肉部１０ａ～１０ｄの底部は起歪部２の中心軸ＡＸから等距離である。なお各薄肉部の形状はこれに限らず、曲面などであってもよい。

そして各薄肉部１０ａ～１０ｄの内周面２ｂには、感歪抵抗体Ｇ（Ｇ１～Ｇ８）が添着されている。薄肉部１０ａに対応して感歪抵抗体Ｇ１と感歪抵抗体Ｇ２が添着されている。薄肉部１０ｂに対応して感歪抵抗体Ｇ３と感歪抵抗体Ｇ４が添着されている。薄肉部１０ｃに対応して感歪抵抗体Ｇ５と感歪抵抗体Ｇ６が添着されている。薄肉部１０ｄに対応して感歪抵抗体Ｇ７と感歪抵抗体Ｇ８が添着されている。感歪抵抗体Ｇ１～Ｇ８は、例えば中心軸ＡＸに交差する方向が最大感度となるような歪みゲージである。より詳細には、各感歪抵抗体Ｇ１～Ｇ８を中心軸ＡＸから半径方向にそれぞれ見た時、各感歪抵抗体は中心軸ＡＸと所定の角度に最大の感度を有するように添着される。例えば、感歪抵抗体Ｇ８は中心軸ＡＸと所定の角度（－θ）に最大の感度を有するように、感歪抵抗体Ｇ７は中心軸ＡＸと所定の角度（＋θ）に最大の感度を有するようにそれぞれ添着される。感歪抵抗体Ｇ１～Ｇ６も薄肉部１０ａ～１０ｃの内周面２ｂに同様に添着されている。そして隣り合う感歪抵抗体Ｇ８と感歪抵抗体Ｇ７とを例えば一つの基材上に形成されたものにすることで、添着する角度の誤差を低減することができる。もちろん、感歪抵抗体Ｇ１と感歪抵抗体Ｇ２、感歪抵抗体Ｇ３と感歪抵抗体Ｇ４、感歪抵抗体Ｇ５と感歪抵抗体Ｇ６、それぞれにおいても同様に一つの基材上に形成されたものを使用することで同様の効果が得られる。なお上記の所定の角度θについての詳細は後述する。

回路基板１２がトルク測定部１３の中空部に配置、固着されている。回路基板１２には、感歪抵抗体Ｇ１～Ｇ８から引き出された配線が接続されている。回路基板１２は、感歪抵抗体Ｇ１～Ｇ８を含んだホイートストンブリッジ回路を有している（図４）。回路基板１２は、増幅回路１５と、アナログ／デジタル変換回路１６と、演算回路１７と、変調回路１８と、送信回路１９を含んでいる（図４）。増幅回路１５は、感歪抵抗体Ｇ１～Ｇ８を含むホイートストンブリッジ回路から出力されるアナログ信号を増幅する。アナログ／デジタル変換回路１６は、このアナログ信号をデジタル信号に変換する。演算回路１７は、このデジタル信号を演算してトルク値を表す電気信号すなわちトルク信号を生成する。変調回路１８はデジタルのトルク信号を変調して被変調信号を生成する。送信回路１９は被変調信号を搬送波に乗せて電装品ボックス９内の受信回路へ送信する。また回路基板１２は、受電側コイル５から引き出された電線と繋がって、伝送された電力を受取り、これを整流する整流回路により、増幅回路１５と、アナログ／デジタル変換回路１６と、演算回路１７と、変調回路１８と、送信回路１９と、ホイートストンブリッジ回路と、に電力を供給する。なお演算回路１７はＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）、書き換え可能なＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、入出力部などで構成されている。

図４は、本発明の実施形態に係るトルク変換器の感歪抵抗体で構成されるホイートストンブリッジ回路を含む回路基板１２に実装されている回路を模式的に示す図である。

感歪抵抗体Ｇ１と感歪抵抗体Ｇ５は、実体的には（図３参照）起歪部２の中心軸ＡＸを挟んで１８０度の角度で対向して配置され、ホイートストンブリッジ回路では辺Ｓ１に直列に配置される。一方、感歪抵抗体Ｇ３と感歪抵抗体Ｇ７は、実体的には起歪部２の中心軸ＡＸを挟んで１８０度の角度で対向して配置され、ホイートストンブリッジ回路では辺Ｓ３に直列に配置される。そしてホイートストンブリッジ回路で、感歪抵抗体Ｇ１と感歪抵抗体Ｇ５が直列に配置された辺Ｓ１と、感歪抵抗体Ｇ３と感歪抵抗体Ｇ７が直列に配置された辺Ｓ３とが、ホイートストンブリッジ回路の向かい合う辺として構成されている。

感歪抵抗体Ｇ２及び感歪抵抗体Ｇ６も同様に、実体的には起歪部２の中心軸ＡＸを挟んで１８０度の角度で対向して配置され、ホイートストンブリッジ回路では辺Ｓ２に直列に配置される。一方、感歪抵抗体Ｇ４及び感歪抵抗体Ｇ８は、実体的には起歪部２の中心軸ＡＸを挟んで１８０度の角度で対向して配置され、ホイートストンブリッジ回路では辺Ｓ４に直列に配置される。そしてホイートストンブリッジ回路で、感歪抵抗体Ｇ２と感歪抵抗体Ｇ６が直列に配置された辺Ｓ２と、感歪抵抗体Ｇ４と感歪抵抗体Ｇ８が直列に配置された辺Ｓ４とが、ホイートストンブリッジ回路の向かい合う辺として構成されている。

図５は本発明の実施形態に係るトルク変換器１の起歪部２の状態を表した模式図である。図５（ａ）は、図２における起歪部２の薄肉部のうち、頂点ａ、頂点ｂ、頂点ｃ、頂点ｄで囲まれた矩形の領域を切り取ったものを表している。図５（ａ）において頂点ａ０、頂点ｂ０、頂点ｃ０、頂点ｄ０で囲まれた領域Ｒｅ１は長方形である。そして仮想線分ａ０－ｂ０及び仮想線分ｃ０－ｄ０の中点を結ぶ中心線と、仮想線分ａ０－ｂ０及び仮想線分ｃ０－ｄ０の距離の１／２をＬと定義する。

図５（ａ）は、起歪部２にねじりトルクが加わった状態である。起歪部２にねじりトルクが加わることから起歪部２に剪断歪みが発生する。例えば剪断応力の方向は、仮想線分ａ１－ｄ１側は鉛直上方向、仮想線分ｂ１－ｃ１側は鉛直下方向である。

図５（ｂ）は、起歪部２にねじりトルクが加わると共に、起歪部２が高速回転して遠心力が増加した状態を誇張して描いたものである。遠心力Ｆにより、起歪部２にはｙ軸方向に引張応力σｙが発生し、図５（ａ）で示された領域Ｒｅ１は、起歪部２の円周方向すなわちｙ軸方向に伸長する。そして起歪部２は、遠心力Ｆによってｘ軸方向に応力は発生せず、ｙ軸方向に伸長すると同時にｘ軸方向には収縮する。ゆえに領域Ｒｅ１は、頂点ａ２、頂点ｂ２、頂点ｃ２、頂点ｄ２に囲まれた領域Ｒｅ２に変化する。
従来の感歪抵抗体Ｇの最大感度方向が、中心軸ＡＸに対して±４５度の配置であった場合には、この引張応力σｙによって上積みされた歪みが感歪抵抗体Ｇによって検出されてしまうことから、発明者は鋭意検討して本発明を導き出し、次に述べる方法でこれを解決している。

そこで図５（ｃ）は図５（ｂ）の模式図の一部を拡大してｘｙ座標系にて表している。ここで頂点ａ１は遠心力Ｆが働いていないと仮定した時の位置を示していて、その座標をａ１（Ｌ，ｙ）とする。そして遠心力Ｆが働いてｙ軸方向に伸び、ｘ軸方向に縮んだ頂点ａ２の座標をａ２（（１－ｋν）Ｌ，（１＋ｋ）ｙ）とする。なおｙは未知のａ１の座標、νは起歪部２のポアソン比、ｋはｙ方向の伸び率である。そして仮想線分Ｏ－ａ１の長さＭ１と、仮想線分Ｏ－ａ２の長さＭ２とが同じになるような角度θを求めてこの方向に感歪抵抗体の最大感度方向を合わせると、起歪部２がｙ方向に伸び率ｋだけ伸びたとしても、感歪抵抗体の変化量は同じであるため、このｙ方向の伸びの影響を受けないことになる。

仮想線分Ｏ－ａ１の長さＭ１は次式で表される。

一方仮想線分Ｏ－ｂ２の長さＭ２は次式で表される。

（Ｍ１）^２＝（Ｍ２）^２として、次式を満足するｙを求める。

ｙについて整理すると

ｔａｎθ＝ｙ／Ｌであるから

ここで、例えば起歪部のポアソン比ν＝０．３、伸び率ｋ＝０．１とすると、θ＝２７．９度となる。

図５（ｄ）は、図５（ｂ）の模式図に対応したモール円を示している。従来の方法では引張応力σｙを検出してしまうので、モール円は＋σ方向にシフトしてしまうが、本発明ではこの影響を例えば対をなして設けられる感歪抵抗体Ｇにて打ち消すことから、原点Ｏを中心としたモール円として等価的に表すことができる。なおこの時感歪抵抗体が検出できるトルク値はモール円においてτｓｉｎ２θ分と読み取れるので、実際のトルク値との差分を演算回路１７にて演算してねじりトルク値を得ることになる。

ゆえに、感歪抵抗体は図５（ｅ）に示すように、起歪部２の中心軸ＡＸに対してそれぞれプラスマイナスθの角度に最大感度方向が向くように対をなして添着することで、遠心力Ｆによる円周方向の引張応力の歪みをキャンセルして検出しないようにすることができる。よって高速回転時においても精確なねじりトルクを検出するトルク変換器を提供できる。

以上、本発明を好ましい実施形態に基づいて説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

本発明の活用例として、高速で回転する自動車の車輪などに生じるトルクを測定する装置への適用が可能である。

１：トルク変換器
２：起歪部
２ａ：外周面
２ｂ：内周面
３ａ、３ｂ：フランジ部
４：歯車
５：受電側コイル
６：蓋
７：給電部
８：回転速度検出部
９：電装品ボックス
１０ａ～１０ｄ：薄肉部
１２：回路基板
１３：トルク測定部
１４：アンテナ
１５：増幅回路
１６：アナログ／デジタル変換回路
１７：演算回路
１８：変調回路
１９：送信回路
Ｇ、Ｇ１～Ｇ８：感歪抵抗体

Claims

中空円柱形の起歪部を備えて前記起歪部に作用するねじりトルクを電気信号に変換するトルク変換器であって、
前記起歪部の内周面には複数の感歪抵抗体が添着され、
前記感歪抵抗体は、前記起歪部の中心軸と前記感歪抵抗体の最大感度方向のなす角度が、前記起歪部のポアソン比から定められて対をなして配置されることを特徴とするトルク変換器。
中空円柱形の起歪部を備えて前記起歪部に作用するねじりトルクを電気信号に変換するトルク変換器であって、
前記起歪部の内周面には複数の感歪抵抗体が添着され、
前記感歪抵抗体は、前記起歪部の中心軸と前記感歪抵抗体の最大感度方向のなす角度が、前記起歪部の円周方向に働く引張応力によって生じる歪みをキャンセルする角度にて対をなして配置されることを特徴とするトルク変換器。