WO2015190330A1 - トルク検出装置 - Google Patents

Abstract

　本発明の目的は、半導体ひずみセンサのような脆性破壊を起こしやすいセンサを使用した場合でも、センサが破壊しないように信頼性を確保した上で、大トルクの計測を実現することができるトルク検出装置を提供することにある。　トルク計測の対象とするシャフト部材１の外周面に設けられた突起部２と、突起部２に搭載されたひずみを計測するひずみセンサ５とを備え、突起部２が前記ひずみセンサ５を搭載する搭載部４と搭載部４の両端部をシャフト部材１の軸方向に離間した２箇所でシャフト部材１の外周面に連結固定する２つの接続部３とで構成され、搭載部４がシャフト部材１の外周面から離間して設けられたトルク検出装置において、ひずみセンサ５は、搭載部４の前記軸方向における中央から一方の接続部３の側に偏って配置される。

Description

トルク検出装置

　本発明は、半導体ひずみセンサ等のひずみセンサを用いて、回転シャフトに印加されるトルクを検出する装置に関する。

　近年、自動車に用いられる回転シャフトなどに生じるトルクを検出する装置が各種開発されている。一例をあげると、特開２０１３－１７４５６２号公報（特許文献１）に記載されたトルク検出装置がある。本文献のトルク検出装置では、装置の小型軽量化を目的として、ひずみ検出部を有したアタッチメント部品をシャフトに取り付ける構造となっている。具体的には、トルク検出装置は、回転駆動シャフトの外周面に固定され、回転駆動シャフトのトルクを平面上の歪みに変換する平坦部を有するアタッチメントと、アタッチメントの平坦部に装着される表面弾性波センサと、回転駆動シャフトの周囲に装着され、送受信機側アンテナと送受信するフィルムアンテナとを備えている（要約参照）。

　また、トルク印加時にシャフトに発生するひずみを検出するセンサとして、半導体ひずみセンサがある。半導体ひずみセンサは、ひずみ検出部を金属薄膜ではなく、シリコン（Ｓｉ）などの半導体に不純物をドープして形成した半導体ピエゾ抵抗を利用するデバイスである。半導体ひずみセンサは、ひずみに対する抵抗変化率が金属薄膜を用いたひずみゲージの数十倍と大きく、微小なひずみを測定することが可能である。また、金属薄膜のひずみゲージでは、抵抗変化が小さいため、得られる電気信号を増幅するための外部のアンプが必要となる。半導体ひずみセンサは抵抗変化が大きいため、得られた電気信号を外部のアンプを用いずに使用することができる。アンプが必要な場合であっても、半導体ひずみセンサの半導体チップにアンプ回路を作りこむことが可能であるため、小型化や高精度化を実現することが可能である。このセンサを用いることによって、適用用途や使用上の利便性を大きく向上できると考えられている。本センサを用いたトルク検出装置の一例をあげると、例えば、特開２００６－２２０５７４号公報（特許文献２）に記載された回転体力学量測定装置がある。具体的には、回転体力学量測定装置は、特定の結晶方位を長手とする不純物拡散層で構成したホイートストンブリッジ回路を含む半導体単結晶によって形成されたチップ形状を成し、回転軸に貼り付けられて使用される（要約及び段落００１０参照）。

特開２０１３－１７４５６２号公報 特開２００６－２２０５７４号公報

　しかし、半導体ひずみセンサを被測定物であるシャフト（回転軸）外周面に直接貼り付けてひずみ計測を行う場合、シャフトのひずみ量が大きくなると、シリコンである半導体ひずみセンサ自体が破壊してしまうという課題が存在する。シリコンは、大きなひずみが印加されると脆性破壊を起こしやすく、弾性変形するひずみ範囲は、他の材料と比較して広くない。ひずみ計測が可能なひずみ範囲は、センサの実装条件などにも依存するが、例えば、±１０００με（以下、ひずみ量を表す記号としてεを用いる）以内とすることが一つの基準となる。

　したがって、半導体ひずみセンサをトルク検出装置に適用する場合、最大トルク印加時に本センサに発生するひずみ量が、ある許容ひずみ値（例．±１０００με）以内となるように、シャフト寸法を設計する必要がある。もし、発生ひずみが許容ひずみ値以上の場合、一般には、発生ひずみを低減するために、シャフト外径を大きくしてシャフトの剛性を上げる。しかし、シャフト寸法は、他の要因から決定していることも多く、容易に変更できないことが多い。

　特許文献１では、シャフトの外周面に固定したアタッチメントにトルクを検出する表面弾性波センサを取り付けている。しかし、表面弾性波センサを構成する圧電材料基板は、シャフトのトルクを平面上の歪みに変換する平坦部の、シャフトの軸方向における中心部に取り付けられている。そして、特許文献１では、平坦部上におけるセンサの取り付け位置は、特に配慮されていない。

　本発明の目的は、半導体ひずみセンサのような脆性破壊を起こしやすいセンサを使用した場合でも、センサが破壊しないように信頼性を確保した上で、大トルクの計測を実現することができるトルク検出装置を提供することにある。

　上記目的を達成するために、本発明のトルク検出装置は、トルク計測の対象とするシャフト部材１の外周面に設けられた突起部２と、突起部２に搭載されたひずみを計測するひずみセンサ５とを備え、突起部２が前記ひずみセンサ５を搭載する搭載部４と搭載部４の両端部をシャフト部材１の軸方向に離間した２箇所でシャフト部材１の外周面に連結固定する２つの接続部３とで構成され、搭載部４がシャフト部材１の外周面から離間して設けられたトルク検出装置において、ひずみセンサ５は、搭載部４の前記軸方向における中央から一方の接続部３の側に偏って配置される。

　本発明によれば、ひずみセンサとして半導体ひずみセンサのような脆性破壊を起こしやすいセンサを使用した場合でも、センサが破壊しないように信頼性を確保した上で、シャフトに印加される大トルクの計測が可能なトルク検出装置を実現できる。

　上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例であるトルク検出装置の斜視図である。 本発明の実施例であるトルク検出装置の側面図である。 シャフト形状が異なるトルク検出装置の斜視図である。 シャフト形状が異なるトルク検出装置の側面図である。 半導体ひずみセンサの表面側の構成を模式的に示す平面図である。 半導体ひずみセンサの表面側の構成を模式的に示す平面図である。 半導体ひずみセンサの側面から見た構成を模式的に示す側面図である。 本発明の実施例であるトルク検出装置の、半導体ひずみセンサ周辺の拡大図である。 トルクを印加されたシャフトの変形模式図である。 トルク印加時のシャフト部材の変形図である。 トルク印加時のシャフト部材に発生するひずみ分布図である。 トルク印加時の平板部上のひずみ分布図である。 本発明の実施例２であるトルク検出装置の側面図である。 本発明の実施例３であるトルク検出装置の側面図である。 本発明の実施例４であるトルク検出装置の側面図である。 本発明の実施例４であるトルク検出装置に用いるシャフトの側面図である。 本発明の実施例４であるトルク検出装置に用いる金属板の平面図である。

　以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

　図１および図２に、本発明のトルク検出装置の斜視図および側面図を示す。トルク検出装置は、測定対象であるシャフト１と、半導体ひずみセンサ５と、半導体ひずみセンサ５と電気的に接続される配線部１０（フレキシブル配線板やガラエポ基板など）と、バッテリー部品１１と、無線通信部品１２とで構成されている。シャフト１に印加されるトルク６を検出することが本実施例の目的である。なお、図１では、配線部１０、バッテリー部品１１および無線通信部品１２は図示していない。

　図１および図２を用いて、シャフト１の詳細について説明する。図示したシャフトは、中空軸であるが、本実施例は中空軸に限定したものではなく、中実軸も対象となる。シャフト１は、外周面に、突起部２を有している。突起部２は、切削加工などによって、シャフト１の回転軸と一体で形成されている。従って、突起部２はシャフト１と同じ材料でできている。突起部２は、２箇所の接続部３と平板部４とで構成されている。２箇所の接続部３は、シャフト１の回転軸（軸心）８の方向に間隔を置いて配置されており、シャフト１の外周面に接続している。平板部４は、２箇所の接続部３の間に形成され、平板部４の両端が接続部３とつながっている。平板部４は平板形状であり、平板の長手方向がシャフト１の回転軸８と略平行に配置され、センサを搭載する面７は、シャフト１の周方向と略垂直に形成されている。すなわち、平板部４は、シャフト１の回転軸８に垂直な断面上において、シャフト１の回転軸８から放射方向（径方向）に伸ばした直線上に配置され、センサ搭載面７は前記直線に平行である。

　図３および図４は、シャフト１の別形状案の斜視図、側面図である。図１および図２に示したシャフト１の接続部３は、シャフト外周面の一部に形成されていた。しかし、接続部３の形状は、図３および図４に示す通り、シャフト１の外周面の全周に形成されていてもよい。シャフト１の材質は、特に指定はないが、機械構造用鋼などの金属材料を用いることが多い。

　突起部２は、回転体であるシャフト１の回転バランスに配慮して、小型軽量化される。それでも、図１および図２の構成では、少なからず回転のアンバランスが生じることになる。図３および図４の構成によれば、接続部３がシャフト外周面の全周に形成されるため、アンバランスの解消には有利である。

　図５Ａおよび図５Ｂは、半導体ひずみセンサ５の表面側の構成を模式的に示す平面図である。図５Ｃは、半導体ひずみセンサ５の側面から見た構成を模式的に示す側面図である。なお、図５Ｃの側面図は、図５Ａおよび図５Ｂに示す半導体ひずみセンサ５に共通する。

　半導体ひずみセンサ５は、図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃに示すように、表面（主面）５ａおよび表面５ａの反対側に位置する裏面５ｂを備える。半導体ひずみセンサ５の裏面５ｂには金属膜が形成されている。この金属膜は、例えば半導体基板側からチタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）が順に積層された積層膜（金属積層膜）から成り、例えばスパッタ法により形成することができる。このように半導体ひずみセンサ５の裏面５ｂに金属膜を形成することで、はんだなどの金属製の接合材との接合強度を向上させることができる。また、表面５ａおよび裏面５ｂはそれぞれ四辺形（四角形）を成し、図５Ａおよび図５Ｂに示す例では、例えば、一辺の長さが２ｍｍ～５ｍｍ程度の正方形を成す。また、半導体ひずみセンサ５は、表面５ａ側の中央部に位置するセンサ領域１４に形成された複数の抵抗素子１５（ピエゾ抵抗素子）を備える。

　また、半導体ひずみセンサ５は、複数の抵抗素子１５（ピエゾ抵抗素子）と電気的に接続される複数の電極（パッド、電極パッド９）を備える。電極パッド９は、表面５ａ側のセンサ領域１４よりも周縁部側に位置する入出力回路領域に形成されている。複数の抵抗素子１５は、例えば（１００）面を有するシリコン基板の素子形成面に不純物をドープし、拡散させた不純物拡散領域により構成される。半導体ひずみセンサ５は、例えば４本の抵抗素子１５を電気的に接続したホイートストンブリッジ回路２５を備える。このホイートストンブリッジ回路２５は、ピエゾ抵抗効果による抵抗素子１５の抵抗変化を計測してひずみを検知する検知回路（ひずみ検知回路）を構成する。

　また、検知回路２５は、複数の配線を介して複数の電極パッド９に接続される。複数の電極パッド９は、半導体ひずみセンサ５の入出力端子となっており、例えば、センサチップ１に電源電位（第１電源電位）を供給する端子Ｖｃｃ、基準電位（第２電源電位）を供給する端子ＧＮＤ、および検知信号を出力する端子ＳＩＧが含まれる。また、検知回路２５を構成する複数の抵抗素子１５のレイアウトは、図５に示す態様に限定されるものではないが、本実施形態では以下の構成としている。すなわち、半導体ひずみセンサ５が備える半導体基板（例えばシリコン（Ｓｉ）から成るシリコン基板）を単結晶（シリコン単結晶）とした場合、検知回路２５を構成する複数の抵抗素子１５の延在方向（長手方向）は、それぞれ（１００）面を有する半導体基板の＜１１０＞方向または＜１００＞方向と一致する。例えば、図５Ａに示す例では、半導体ひずみセンサ５が備える半導体基板（シリコン基板）には、シリコン単結晶の＜１１０＞方向（図５ＡではＸ方向およびＸ方向と直交するＹ方向）の結晶方位に沿って電流が流れるように４本のｐ型拡散領域（導電型がｐ型である不純物をドープした領域）が形成される。言い換えれば、半導体ひずみセンサ５では、シリコン基板のシリコン単結晶の＜１１０＞方向の結晶方位に沿って延びるように４箇所にｐ型の不純物をドープして、４本の抵抗素子１５が形成される。

　また、図５Ｂに示す例では、半導体ひずみセンサ５が備える半導体基板（シリコン基板）には、シリコン単結晶の＜１００＞方向（図５ＢではＸ方向およびＸ方向と直交するＹ方向）の結晶方位に沿って電流が流れるように４本のｎ型拡散領域（導電型がｎ型である不純物をドープした領域）が形成される。言い換えれば、半導体ひずみセンサ５では、シリコン基板のシリコン単結晶の＜１００＞方向の結晶方位に沿って延びるように４箇所にｎ型の不純物をドープして、４本の抵抗素子１５が形成される。

　図Ａおよび図５Ｂに示すように、検知回路を構成する複数の抵抗素子１５の延在方向が、それぞれ（１００）面を有する半導体基板の＜１１０＞方向または＜１００＞方向と一致する半導体ひずみセンサ５は、例えば図５Ａおよび図５Ｂに示すＸ方向のひずみと、Ｙ方向のひずみの差分を出力することができる。詳しくは、図５Ａおよび図５Ｂに示す端子ＳＩＧから、Ｘ方向のひずみとＹ方向のひずみの差分を電位差として出力することができる。このように、Ｘ方向のひずみとＹ方向のひずみの差分を出力する計測方式は、半導体ひずみセンサ５に印加される熱ひずみの影響を低減する観点から有利である。

　すなわち、図１に示すように半導体ひずみセンサ５は、シャフト１である被測定物上に取り付けられるため、測定環境温度が変化すると、シャフト１と半導体ひずみセンサ５の線膨張係数の違いに起因した熱ひずみが生じる。この熱ひずみは測定対象となるひずみとは異なるノイズ成分なので、熱ひずみの影響は低減する方が好ましい。

　ここで、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、半導体ひずみセンサ５の平面形状が正方形の場合、熱ひずみの影響は、Ｘ方向とＹ方向で同程度となる。このため、例えば、Ｘ方向に発生するひずみを検出する場合には、Ｘ方向のひずみとＹ方向のひずみの差分を出力すれば、熱ひずみに起因するひずみ量はキャンセルされ、測定対象であるひずみを選択的に検出することができる。

　つまり、半導体ひずみセンサ５を用いれば、熱ひずみによる影響を低減できるので、環境温度の変化によるひずみ値のばらつきを低減することができる。また、半導体ひずみセンサ５を構成する抵抗素子１５や電極パッド９などの各部材は、公知の半導体装置の製造技術を適用して形成することができるので、素子や配線の微細化が容易である。また、製造効率を向上させて、製造コストを低減することができる。

　次に、半導体ひずみセンサ５をシャフト１に取り付ける接合材（図示していない）について説明する。接合材は、半導体ひずみセンサ５の裏面５ｂ全体、および半導体ひずみセンサ５の側面の一部を覆うように設けられる。言い換えれば、接合材の周縁部は、半導体ひずみセンサ５の側面の外側まで広がり、フィレットを形成することもある。半導体ひずみセンサ５とシャフト１を固定する観点からは、接合材は金属材料に限定されず、例えば熱硬化性樹脂などの樹脂製接着材を用いることができる。

　図６に、半導体ひずみセンサ５近傍の拡大図を示す。半導体ひずみセンサ５および配線部１０は、シャフト１の平板部４上に取りつけられている。配線部１０は、半導体ひずみセンサ５の複数の電極パッド９と電気的に接続される複数の配線を備えている。また、配線部１０は、複数の金属パターンである配線部が樹脂フィルム内に封止された構成であり、樹脂フィルムの一部に設けられた開口部において、複数の配線の一部が露出して、この露出部分が複数の端子１０ａを構成する。また、図６に示す例では、半導体ひずみセンサ５の複数の電極パッド９と配線部の複数の端子１０ａとは、複数のＡｕワイヤ１３（導電性部材）を介して電気的に接続されている。ワイヤ１３は、例えば、線径が１０μｍ～２００μｍ程度の金線（Ａｕ線）である。また、半導体ひずみセンサ５およびＡｕワイヤ１３は、封止樹脂１６により封止されている。封止樹脂１６でワイヤ１３を覆うことにより、隣り合うワイヤ同士の短絡を防止できる。また、配線部１０の一方の端部は、図６に示すように平板部４に固定される。配線部１０の他方の端部には例えば図示しないコネクタが形成され、例えば、ひずみを計測する回路（図示は省略）を搭載した基板部品などと電気的に接続される。配線部１０の他方の端部はひずみ計測回路を搭載した基板部品に直接接続されてもよい。なお、図６では、配線部１０とワイヤ１３とは区別して説明したが、複数のワイヤ１３を含めて配線部と見做すこともできる。また、配線部１０は、半導体ひずみセンサ５と図示しない外部機器の間で、入出力電流を伝送することができれば良く、図６に示す態様には限定されない。

　図２に示す通り、シャフト１には、バッテリー１１および無線通信部品１２が搭載されている。半導体ひずみセンサ５は、回転体であるシャフト１に固定されている。したがって、半導体ひずみセンサ５を動作させるためのバッテリー１０もシャフト１に固定されている。また、計測ひずみ値は、無線通信部品１２を経由して、外部の計測システム部（図示しない）に伝達される。なお、図２にはバッテリーを用いる実施例を示したが、本発明では、バッテリーを搭載せず、電磁誘導方式や磁気共鳴方式などによる無線給電を用いることも可能である。

　次に、図７～図１０を用いて、トルク検出原理について説明する。

　シャフト１に、トルク６が印加された場合、シャフト１の外周面には、ねじり変形が発生する。図７に、ねじり変形によるシャフト外周面の変形量を模式的に示す。図７は、図中のシャフト右端部１７を完全固定し、左端部１８にトルクを印加した場合のねじり変形量を矢印で示している。図に示す通り、シャフト１の回転軸８の方向に沿って、ねじり変形量は変化する。つまり、シャフト外周面上において、回転軸８方向に沿って離れた位置にある２箇所Ｐ１，Ｐ２におけるねじり変形量には差分が生じる。ここで、本実施例のシャフトの場合、シャフト外周面には、図２に示すように、回転軸８方向に沿って離れた位置に２つの接続部３が形成されているので、２つの接続部３のねじり変形量には差分が生じることになる。次に、平板部４は、その長手方向における両端のみが接続部３とつながる構造となっている。平板部４の回転軸８方向に沿う辺４ａ（図２参照）とシャフト外周面との間には隙間が形成され、辺４ａとシャフト外周面とは接続されていない。したがって、２つの接続部３にねじり変形量の差分が生じた場合、平板部４には曲げ変形が発生する。

　以上をまとめると、シャフト１にトルクが印加されると、平板部４には曲げひずみが発生する。平板部４上に搭載された半導体ひずみセンサ５によって、この曲げひずみを計測し、シャフト１に印加されたトルクを計測することが可能となる。

　図８～１０に、測定原理を検証した応力解析結果を示す。本実施例のシャフト材にトルクを負荷した場合の応力解析を実施し、平板部４の変形図および平板部４上に発生するひずみ分布を検証した。解析モデルは、図３および図４に示したシャフト１（接続部３がシャフト外周の全周に形成されているモデル）とした。シャフト１の右端部を完全固定とし、シャフト１の左端部にトルクを印加した。図８に、トルク印加時のシャフト変形図を示す。２箇所の接続部３のねじり変形量の差分に起因して、平板部４に曲げ変形が発生することが分かる。また、平板部４の固定側１９（平板部の右半分側）は図面上で下に凸の変形、平板部４のトルク負荷側２０（平板部の左半分側）は図面上で上に凸の変形となることが分かる。

　次に、図９に、平板部４に発生する曲げひずみ分布図を示す。また、図１０に、平板部４の長手方向（図９中のＡＡ’線上）におけるひずみ分布図を示す。図９では、ひずみの大きさを白黒の濃淡で表してある。白色に近づくほど圧縮ひずみが大きくなり、黒色に近づくほど引張ひずみが大きくなる。

　図９および図１０に示すように、平板部４の固定側１９の上面１９ａには圧縮ひずみが発生する。これは、平板部４が下に凸の変形となるためである。一方、平板部４のトルク負荷側２０の上面２０ａには引張ひずみが発生する。これは、上に凸の変形となるためである。なお、平板部４の固定側１９の下面１９ｂには引張ひずみが発生し、トルク負荷側２０の下面２０ｂには圧縮ひずみが発生する。

　また、図１０より、平板部４の長手方向の中心線２１に発生するひずみは０であり、平板部４の上面１９ａ，２０ａに発生するひずみは、平板部上の長手方向に沿って、ほぼ線形に圧縮から引張ひずみに変化していることが分かる。以上より、平板部４上には、想定通り、曲げひずみが発生することが確認できた。

　本発明の実施例であるトルク検出装置の効果について説明する。

　本実施例の半導体ひずみセンサ５は、平板部４の中心線２１上には搭載されず、中心線２１から外れた位置に搭載されている。図８～１０に示した応力解析結果から分かる通り、平板部４の中心線２１上の発生ひずみは０である。したがって、半導体ひずみセンサ５は、中心線２１上には搭載されず、外れた位置に搭載される。

　本実施例では、特に、半導体ひずみセンサ５全体が中心線（中央線）２１から一方の接続部３側に偏った位置に配置されている。これにより、ひずみを確実に検知することができる。なお、中心線２１は、平板部４の長手方向において、平板部４が２つの接続部３に接続される位置から等距離にある中央位置を表す。本実施例によれば、半導体ひずみセンサ５は、平板部（搭載部）４の回転軸（軸心）８方向における中央部から一方の接続部３の側に偏って配置される。

　また、応力解析結果より、平板部４に発生するひずみは、平板部上の長手方向に沿って、ほぼ線形に圧縮から引張ひずみに変化する。ここで、センサが破壊しないように信頼性を確保した上で、大トルクの計測を可能にするためには、最大トルクが印加された際に、半導体ひずみセンサ５に発生するひずみ値が、ある許容ひずみ値（例．±１０００με）以内となるように設計する必要がある。本実施例の場合、平板部４上の曲げひずみは、ほぼ線形に圧縮から引張ひずみに変化している。したがって、最大トルクが印加される際に発生するひずみ値が許容ひずみ値以下となる位置が、平板部４上に必ず存在することになる。そのような位置に、半導体ひずみセンサ５を搭載すれば、半導体ひずみセンサ５の破壊を防止して信頼性を確保することが可能となる。シャフト外周面のひずみを直接計測する場合は、発生ひずみ値がある許容値以下となるように、シャフト形状を変更する必要があることを述べたが、本実施例の場合、シャフト形状を変更することなく、平板部４への貼り付け位置のみを変更することによって、発生ひずみをある許容値以下となるように設計することが可能となる。

　図１１に、本実施例のトルク検出装置の側面図を示す。基本的な構成は、実施例１と同じである。半導体ひずみセンサ５を２個搭載している点が実施例１との相違点である。図１１に示す通り、半導体ひずみセンサ５は、平板部４の中心線２１に対して対称の位置に搭載されている。

　図９および図１０に示した通り、平板部４上に発生するひずみは、中心線２１を対称として、圧縮ひずみと引張ひずみが発生する。つまり、２個の半導体ひずみセンサ５に発生するひずみは、一方が引張ひずみであり、もう一方が圧縮ひずみである。よって、負荷トルクを推定する際、両センサによって計測したひずみ値の差分を取得することによって、負荷トルクに対するセンサ出力値の大きさ（すなわち、センサ感度）を上げることが可能となり、トルク検出精度を向上させることができる。

　図１２に、本実施例のトルク検出装置の側面図を示す。基本的な構成は、実施例１と同じである。本実施例では、突起部２Ａおよび突起部２Ｂに搭載された半導体ひずみセンサ５が、シャフト回転軸８に対して点対称の位置に２つ形成されている。なお、突起部２Ａおよび突起部２Ｂは実施例１で説明した突起部２と同じ構成であるが、突起部２Ａ、突起部２Ｂのように異なる符号を付して、両者を区別する。

　本実施例のトルク検出装置の効果について説明する。シャフト１には、トルクに起因したねじり変形以外に、外力の影響によって、図１２中に示す曲げ変形２２が印加されることが考えられる。この場合、半導体ひずみセンサ５には、曲げ変形２２に起因した曲げひずみが発生する。例えば、図１２中に示す曲げ変形２２が印加された場合、半導体ひずみセンサ５Ａには引張ひずみが、半導体ひずみセンサ５Ｂには圧縮ひずみが発生する。ここで、突起部２および半導体ひずみセンサ５が１個の場合、センサ出力値は、トルクによって発生したひずみと曲げ変形２２によって発生したひずみが加算されて出力されるため、求めたいトルク値の検出精度が低下することになる。

　一方、本実施例のように突起部２および半導体ひずみセンサ５がシャフト回転軸８に対して軸対称に複数配置されて、図１２に示す曲げ変形が発生した場合、半導体ひずみセンサ５Ａには引張ひずみが、半導体ひずみセンサ５Ｂには前記引張ひずみと大きさが同じである圧縮ひずみが発生する。このため、両センサ５Ａ，５Ｂの出力値を加算することによって、曲げ変形に起因して発生するひずみを打ち消すことが可能となる。

　このように、本実施例の場合、シャフト１の曲げ変形に起因したひずみ変動の影響を打ち消すことが可能となるため、測定対象であるトルク値の検出精度を向上させることが可能となる。

　本実施例の突起部２Ａおよび突起部２Ｂを、それぞれ実施例２の突起部２のように構成してもよい。すなわち、各突起部２Ａ，２Ｂに２つの半導体ひずみセンサ５を設けてもよい。

　図１３および図１４に、本実施例のトルク検出装置の斜視図および側面図を示す。基本的な構成は、実施例１と同じであるが、半導体ひずみセンサ５を搭載した平板部４が、シャフト１とは別体となっていることを特徴とする。

　図１３および図１４に示す通り、シャフト１に形成される突起部２は、接続部３のみで構成されている。また、接続部３には、隙間部２４が形成されている。また、図１５は、半導体ひずみセンサ５を搭載した金属板２３を示す。金属板２３は上述した各実施例の平板部４を構成するための部材である。なお、図１５には、配線部、ワイヤ、封止樹脂などのその他部品は図示していない。本実施例では、この金属板２３を、隙間部２４に挿入し、金属板２３の両端を固定する。固定する方法は、接着、溶接、ボルト締めなど各種方法が考えられる。図１３～１５はボルト締めすることを想定し、金属板２３の両端には、丸穴２３ａが加工されている。また、接続部３には、丸穴３ａとねじ部３ｂが加工されている。すなわち、隙間部２４を介して対向する２つの部分３Ａ，３Ｂには、一方の部分３Ａに丸穴３ａが形成され、他方の部分３Ｂにねじ部３ｂが形成されている。

　このように、半導体ひずみセンサ５を搭載する金属板２３とシャフト１とを別体とした場合、以下の効果が考えられる。まず、半導体ひずみセンサ５を金属板２３に接続するプロセスは、ヒーターや高温槽によって高温加熱することが多いが、サイズの小さい金属板２３に搭載する場合、金属板の温度上昇が速いので、製造時間を短縮できる。また、シャフト１には、接続部３のみを追加工すればよいので、シャフト１の加工を簡略化できる。

　なお、本実施例では、接続部３とシャフト１は同一部材としたが、両部材を別体としてもよい。接続部３とシャフト１とを別体とすることにより、シャフト１の製造時間が短縮され、材料費の低減も可能である。一方で、接続部３とシャフト１とを一体形成する場合は、回転バランスに配慮してシャフト１と接続部３とを設計することができ、取付誤差等による回転アンバランスが生じ難い。

　シャフト１、接続部３、金属板２３に使用される材料の線膨張係数（α）は全て同じである。この場合、使用環境温度が変化しても、線膨張係数差に起因した熱ひずみは発生せず、半導体ひずみセンサ出力の変動は小さくなる。つまり、トルク推定精度を向上させることができる。

　本発明に係る上述の各実施例では、平板部４の中心線（中央線）２１上は曲げひずみがゼロとなる。従って、ひずみセンサ５は中心線（中央線）２１上を避けて、接続部３，３Ａ，３Ｂ側に偏らせて配置される。このため、回転軸８方向において、中心線（中央線）２１の両側に、少なくともひずみセンサ５が一つずつ収まる長さ寸法が必要である。すなわち、回転軸８方向における平板部４の長さは、少なくともひずみセンサ５の二つ分の長さが必要である。さらに、中心線（中央線）２１の近傍では、曲げひずみが非常に小さな値になる。この曲げひずみの小さい領域を避けてひずみセンサ５を配置するため、回転軸８方向において、中心線（中央線）２１の両側に、少なくともひずみセンサ５が二つつずつ収まる長さ寸法のセンサ搭載部を設けることが望ましい。この場合、回転軸８方向における平板部４の長さは、少なくともひずみセンサ５の四個分の長さが必要である。上述した実施例では、ひずみセンサ５が受ける曲げひずみの大きさを確実に変化させて調整することができるように、中心線（中央線）２１の片方の側に、ひずみセンサ５の５個分の長さを確保しており、合計１０個分の長さを確保している。

　なお、本実施例の突起部２Ａ，２Ｂに係る構成を、実施例１～実施例３に適用してもよい。

　なお、本発明は上記した各実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

　１…シャフト、２，２Ａ，２Ｂ…突起部、３，３Ａ，３Ｂ…接続部、３ａ…丸穴、３ｂ…ねじ部、４…平板部、４ａ…平板部の長手方向に沿う辺、５，５Ａ，５Ｂ…半導体ひずみセンサ、５ａ…半導体ひずみセンサの表面、５ｂ…半導体ひずみセンサの裏面、６…負荷トルク、７…センサ搭載面、８…シャフト回転軸、９…電極パッド、１０…配線部、１０ａ…配線部の端子、１１…バッテリー、１２…無線通信部品、１３…ワイヤ、１４…センサ領域、１５…抵抗素子（ピエゾ抵抗素子）、１６…封止樹脂、１７…シャフト固定部（図中の右端）、１８…シャフト負荷部（図中の左端）、１９…平板部４の固定側（図中の右半分側）、１９ａ…固定側１９の上面、１９ｂ…固定側１９の下面、２０…平板部４のトルク負荷側（図中の左半分側）、２０ａ…トルク負荷側２０の上面、２０ｂ…トルク負荷側２０の下面、２１…平板部４の中心線、２２…曲げ変形、２３…金属板、２３ａ…丸穴、２４…隙間部。

Claims (8)

1. 　トルク計測の対象とするシャフト部材の外周面に設けられた突起部と、前記突起部に搭載されたひずみを計測するひずみセンサとを備え、前記突起部が前記ひずみセンサを搭載する搭載部と前記搭載部の両端部を前記シャフト部材の軸方向に離間した２箇所で前記シャフト部材の外周面に連結固定する２つの接続部とで構成され、前記搭載部が前記シャフト部材の外周面から離間して設けられたトルク検出装置において、
   　前記ひずみセンサは、前記搭載部の前記軸方向における中央から一方の接続部の側に偏って配置されたことを特徴とするトルク検出装置。
2. 　請求項１に記載のトルク検出装置において、
   　前記搭載部は、長手方向を有する平板形状であり、前記長手方向がシャフト回転軸と略平行に配置され、前記ひずみセンサを搭載する面が前記シャフト部材の周方向と略垂直に設置されていることを特徴とするトルク検出装置。
3. 　請求項２に記載のトルク検出装置において、
   　前記搭載部の前記中央に対して、前記センサが配置された位置と、前記軸方向において対称となる位置に、もう一つのひずみセンサが配設されたことを特徴とするトルク検出装置。
4. 　請求項１に記載のトルク検出装置において、
   　前記接続部は前記シャフト部材と一体に形成されたことを特徴とするトルク検出装置。
5. 　請求項４に記載のトルク検出装置において、
   　前記搭載部は前記接続部とは別体の金属板で構成され、前記接続部に継合されていることを特徴とするトルク検出装置。
6. 　請求項１に記載のトルク検出装置において、
   　前記ひずみセンサは、半導体基板の表面にピエゾ抵抗素子を形成した半導体ひずみセンサであることを特徴とするトルク検出装置。
7. 　請求項１に記載のトルク検出装置において、
   　前記突起部および前記ひずみセンサが前記シャフト部材の回転軸に対して軸対称に配置されていることを特徴とするトルク検出装置。
8. 　請求項５に記載のトルク検出装置において、
   　前記シャフト部材および前記接続部の材質の線膨張係数と前記金属板の材質の線膨張係数とが同じであることを特徴とするトルク検出装置。

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