JPH0458123A - トルク検出機構及び検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ｃ産業上の利用分野］ 本発明はトルク検出機構及び検出装置に関し。

特にこのトルク検出機構及び検出装置は時間と共に変化
し、或いは振動する微小トルクの検出に有用である。

［従来の技術］ トルク検出機構及び検出装置としては、従来種々の形式
のものが採用されており、大別するとトルク伝達時のシ
ャフトの捩れ角を測定する方法によるものと、捩れによ
る磁気特性の変化を測定する方法によるものとがある。

捩れ角の測定方法に属する本発明のトルク検出機構に対
して最も近い従来のトルク検出機構としては、歪ゲージ
式トルク検出機構が知られている。この検出機構では、
シャフト上に配された四個の半導体ストレン（歪）ゲー
ジに対してシャフトの軸と直角方向に働く捩れ歪を夫々
の半導体ストレンゲージにおける抵抗変化として感知し
、この抵抗変化をホイートストーンブリッジ等で検出す
る方式を採用する。この方式でシャフトに作用している
トルクを検出する場合には、半導体ストレンゲージをシ
ャフトに貼付する接着剤によって発生する応力が、各四
個の抵抗について等量の歪を発生させるように貼付する
という困難さがあり、また抵抗変化を検出するためには
別に電源を供給する必要がある。なおこの半導体ストレ
ンゲージ式及び他の従来のトルク検出機構の場合。

検出できるトルク値の下限としてはほぼ１ｋｇ−（２）
のオーダーである。

［発明が解決しようとする課題］ 車両の動力伝達系等にあっては、その伝達系の固有振動
数に関連するトルク振動が発生し勝ちであり、このトル
ク振動は伝達系において金属疲労をもたらし、やがては
金属の破壊に至る等のおそれもあるので、この金属疲労
を防止するために伝達系に発生するこのようなトルク振
動を測定・検出したいとする要請がある。またこれら伝
達系において振動トルクとは別にある時点におけるトル
ク変化を１例えば回転軸のロック発生を検出したいとす
る要請もある。

このようなトルク変化乃至はトルク振動はきわめて微小
なトルク値を有するものもあり、前記歪ゲージ式トルク
検出機構等によっては感度が不足なため特に微小な振動
トルクについては測定することができなかった。

本発明は、車両等の伝達系等において微小な変化するト
ルク或いは一定の周波数で振動する微小トルクの測定・
検出を行うことが可能な新規なトルク検出機構及び検出
装置を提供することを目的とする。

［課題を達成するための手段］ 本発明の目的は２弾性材料から成り３表面の少くとも一
部が平坦面として形成されたシャフトの該平坦面にシャ
フトの軸と直角方向の成分を有する方向に分極処理され
た圧電材料から成る捩れセンサを配設したことを特徴と
するトルク検出機構によって達成される。

分極の方向を軸と直角の方向１例えば軸回りの方向とす
ることでセンサの感度が良好となり、また２分極の方向
をシャフトの表面と直角方向とすることでセンサの構成
が簡単になり、製作が容易になる。シャフトの断面形状
を多角形とすれば捩れセンサの形状が簡単になり、特に
製作に好適である。

従来捩り機構によって圧電素子に周期的に振動する歪を
与える例としては、メカニカルフィルタに使用される圧
電捩り振動子が知られており。

特開昭５０−１０５２８９号公報に記載された圧電捩り
振動子の場合には、トルクを伝達すべき二軸の間に圧電
捩り振動子を介在させる構成を採用している。しかし１
本発明のトルク検出機構のように。

分極処理された圧電材料からなる捩れセンサを弾性材料
から成るシャフトの表面に配したトルク検出機構及びト
ルク検出装置は従来知られていなかったものである。

［作用］ 振動又は変化するトルクによって生ずる。シャフトの軸
と直角方向の弾性変形歪が、シャフトの軸と直角方向の
成分を有する方向に分極処理された圧電材料から成る捩
れセンサにシャフトの平坦面を介して伝達されると、捩
れセンサは、この振動又は変化する歪を受けて分極方向
に電荷の変化を発生させ、この電荷の変化量は電流或い
は起電力として測定できる。

分極処理の方向をシャフトの軸と直角方向。

例えば軸回りの方向とすることで歪の検出において感度
が良好であり７例えば１　ｋｇ・鰭等の如ききわめて微
小なトルク値のトルクでも検出可能である。

捩れセンサはシャフトの平坦面に配されるので、軸方向
の圧縮応力を受けることがなく９分極の方向が軸方向の
成分を有していても１例えば従来の捩り機構において回
転力を伝達する軸の間に配された圧電捩り振動子とは異
なり、トルク検出において誤差となる軸方向の応力歪を
受ける恐れがない。

分極処理された圧電材料から成る捩れセンサを採用した
ことにより、この捩れセンサは歪応力を受けると歪に比
例した電荷変化を直接発生することができ、半導体スト
レンゲージ等の場合とは異なり、歪検出のために特別な
エネルギを供給する必要がない。従って１回転するシャ
フトにおけるトルク検出の場合には特に有利である。

［実施例］ 図面を参照して本発明について更に説明する。

第１図は本発明の一実施例に係るトルク検出機構ｌＯの
斜視図である。同図においてトルク入力部として成る入
力フランジ１１とトルク出力部として成る出力フランジ
１２との間には、角型シャフトとして成り、金属弾性材
料から形成される一軸シャフト２が配されている。

角型シャフト２の三方の平坦面を囲んで２分極処理され
た圧電材料から成る捩れセンサ３が配される。角型シャ
フト２の残る一つの平坦面には。

捩れセンサ３の自由端３ａ、３ｂを相互に固定するため
の補強材をこれらの間に配することもできる。角型シャ
フト２と捩れセンサ３との間には絶縁膜４が配され、絶
縁膜４と角型シャフト２及び捩れセンサ３とは融着材料
によって固着されている。なお、捩れセンサ３のコの字
形状の脚部３１゜３２の内の一方を省略することは可能
である。

−軸シャフト２を構成する弾性材料としては。

周囲温度による形状変化やヤング率の変化が極めて小さ
く、高弾性係数、好ましくは１５．０００ｋｇ／ｊ以上
のヤング率を有する金属材料が選定され１例えば極低膨
張材として知られるスーパーインバー合金、ヤング率不
変材として知られるエリンバ−合金等が好適である。

捩れセンサ３はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）或いは
チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ２）等の強誘電性セラミ
ックス材料から製作されており、コの字形状の脚部３１
．３２において第１図に示した矢印Ａ、　　Ｂの方向に
、即ち一軸シャフト２の軸回り方向に分極処理されてい
る。

捩れセンサ３のコの字形状の夫々の脚部３１．３２の先
端となる自由端３ａ、３ｂの表面及びコの字形状の底部
３ｃ下面には夫々、Ｎ１無電解メツキにより電極５，５
′が形成されている。

捩れセンサ３と一軸シャフト２との間に配される絶縁膜
４としては、変形のおそれがなく強度も十分なテフロン
等の膜材料乃至はテープ材料が好適である。絶縁膜４と
一軸シャフト２及び捩れセンサ３とを固着し、また場合
によっては捩れセンサ３の双方の自由端３ａ、３ｂを相
互に固着するための融着材料としては、ガラス転移点ｔ
。が実際の使用条件となるシャフト温度Ｔより十分高い
低融点フリットを使用することができる。例えばシャフ
ト温度Ｔ−８５℃ならばｔｃ＝１１０℃の融着材料が使
用される。

融着材料は導電性を良好とすることが好ましく、この目
的のためＩｏｎ程度の直径を有するＮ１等の金属製球状
粉（フィラー）を体積比で１０％以上混入させることが
好適である。融着材料層の厚みはできるだけ薄いことが
望ましく例えばｌＯ〜２０μ園程度とされる。

第２図は、第１図の実施例のトルク検出機構ＩＯと、こ
のトルク検出機構１０の捩れセンサ３の電極５．５′間
に発生する起電力を測定する電圧測定部２０とを有し、
一定の周波数以上で振動しピーク値が一定乃至は緩かに
変動する振動トルクを測定するためのトルク検出装置を
示す。このトルク検出装置において、トルク検出機構Ｉ
Ｏはトルク出力側のフランジＩ２を固定支持され、トル
ク入力側の入力フランジ１１より微小振動トルクが入力
される。

微小振動トルクを受けると一軸シャフト２には軸回りに
振動する捩れが発生し、この捩れによる応力を受けて捩
れセンサ３には軸と直が方向に応力歪が生ずる。コの字
状の捩れセンサ３には、この歪のため、自由端３ｍ、３
ｂの表面とコの字底部３ｃの底面の分極電荷に振動変化
が生じ、この電荷の振動変化量は電圧測定部２ｏによっ
て測定されることとなる。

電圧測定部２０は、オペレーションアンプＯＰＩから成
り抵抗Ｒ０及びコンデンサＣ６を負帰還部とする負帰還
増幅器として構成されており、捩れセンサ３の自由端３
ａ、３ｂ表面及びコの学匠部３ｃ底面の夫々の電極５，
５′に発生した振動する電荷変化は、起電力信号として
オペレーションアンプＯＰＩの正相入力端子（＋）及び
逆相入力端子（−）に入力されてオペレーションアンプ
ＯＰＩによって増幅され、オペレーションアンプＯＰＩ
の出力端子での出力値によって微小トルクのトルク値が
計算される。負帰還部を構成する抵抗Ｒ０及びコンデン
サＣ０と、測定される微小振動トルクの振動周波数との
間には なる関係が必要であり、測定すべきトルクの周波数ｆに
合わせてこのＲｏ、Ｃ，が選定される。

この実施例のトルク検出機構１０及び電圧測定部２０を
有するトルク検出装置によって微小な振動トルクを検出
する場合には１例えば１ｇ・ａｌｌ程度の小さなトルク
を検出することができる。この場合分極方向と捩れ方向
とによって定まる圧電定数ｇ＋、の値としては。

ｇｙｒ−３，７Ｘ１０−１２　Ｃ／ｋｇ”ｌ／Ｓ２が実
測値として測定されている。

第３図は、第１図の実施例のトルク検出機構を介して回
転中の一軸シャフト２における微小振動トルクのトルク
値を検出する方法を概念的に示すものであり、この場合
周知のテレメータ方式が採用されている。即ち、　ＬＣ
発振器６を介して捩れセンサ３に発生した電荷の振動変
化を発振させ。

この発振信号をアンテナ７を介して静止のレシーバ−８
で受信することにより、−軸シャフト２に生じた振動ト
ルクを検出する方式である。

本発明のトルク検出機構の捩れセンサ３の場合１分極処
理された圧電材料の採用により特にセンサ励起のための
電源を要しないで捩れを検出することができ、トルク検
出にあたって回転部に対して電源エネルギを供給するこ
となく回転中の一軸シャフトの捩れの測定が可能となる
。従来の半導体ストレンゲージでは電源を供給するため
のスリップリングが必要であったことに比べ１本発明の
トルク検出機構ではスリップリングを要しないためこの
摩耗の恐れがなくまたスリップリングの保守も要しない
ので、極めて有利である。

上記実施例において示したトルク検出機構１０では、変
化する微小トルクのトルク値又はピーク値一定乃至は緩
かに変化する振動トルクのピーク値が２発生した電荷変
化量を介して測定されるものである。このように軸回り
の方向に分極処理された圧電材料から成る捩れセンサを
備えたトルク検出機構では、前記の如＜Ｔｍ１ｇ−ｍ５
程度のトルク値が検出可能であり、従来の歪ゲージ式ト
ルク検出機構で検出可能なトルク値が約１　ｋｇ−ａｎ
程度の感度しかなかったことに比べると、　１７ｔｏｏ
ｏ以下の極めて小さなトルク値が検出可能である。また
このように軸回り方向に分極した圧電材料から成る捩れ
センサ３の採用により、従来のメカニカルフィルタの圧
電捩れ振動子として使用された圧電素子に比べても同じ
トルク値を加えた場合には約ｌＯ倍程度の電荷変化量を
発生するという高感度を有する。

第４図及び第５図は夫々、第１図及び第２図の捩れセン
サ３を別の捩れセンサ３１〜３４に置き換えた別の実施
例のトルク検出機構及びトルク検出装置を示す。第４図
及び第５図において四枚の捩れセンサ３１〜３４は、角
型シャフト２の平坦面に夫々直接接して配されており、
シャフト２の平坦面と夫々直角方向に、即ち、捩れセン
サ３１〜３４の夫々の厚み方向Ｃに分極処理されている
。この方式の捩れセンサ３１〜３４の場合、シャフトの
軸回り方向に分極処理された第１図及び第２図のコの字
状捩れセンサに比べると感度は良好とは言えないが。

捩れセンサの製作上は好適であり、また絶縁層を配する
必要がなく材料の節約にもなる。

なお、上記各実施例においては１本発明の好適な実施例
である軸と直角方向に分極処理された強誘電性セラミッ
クスによって捩れセンサを構成したトルク検出機構を示
したが１本発明はこれら実施例に限定されるものではな
く、シャフト平坦面に配されシャフトの軸と直角方向の
成分を有する方向に分極処理された圧電材料から成る捩
れセンサを介してトルクを検出する方式のトルク検出機
構はいずれも本発明の範囲に含まれる。

本発明のトルク検出機構は、車両のステアリングセンサ
或いはパワートレイン等において急激に発生し或いは変
化するトルク又は振動する微小トルクのトルク値検出に
有用であり、その他プラント或いは船舶、航空機のパワ
ートレインのトルク検出にも応用できる。変化する微小
トルクとして例えば車両等の伝達係における回転ロック
発生の検出などには、このトルク検出機構は高感度なた
め素早い検出が可能であり特に好適である。

［発明の効果］ 本発明のトルク検出機構において１弾性材料から成るシ
ャフトの平坦面にシャフトの軸と直角方向の成分を有す
る方向に分極処理された圧電材料から成る捩れセンサを
配設したことにより、捩れセンサを平坦面に配すること
でこの捩れセンサーは形状加工及び分極処理が容易とな
り、更に圧電材料の特性に従って、特別な電源を必要と
しないで捩れを電荷の変化量として発生させることがで
き１回転シャフトの微小な変化又は振動するトルクの測
定の際においてスリップリング等を必要としない高感度
のセンサとすることができ、従来検出が困難であった微
小な変化又は振動するトルクの測定・検出が可能なトル
ク検出機構を提供することができた。

分極方向をシャフトの軸と直角方向１例えば軸回りの方
向とすることで捩れセンサとしての感度が良好となり、
またシャフトの表面と直角方向とすることで捩れセンサ
の構成が簡単なトルク検出機構とすることができた。

シャフトを断面多角形状とすることで、捩れセンサの形
状加工及び分極処理が特に容易なトルク検出機構とする
ことができた。

上記トルク検出機構とこのトルク検出機構の捩れセンサ
の起電力を測定する電圧測定部とを有するトルク検出装
置により、微小な変化或いは振動トルクの検出が容易な
トルク検出装置の提供が可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のトルク検出機構の斜視図。 第２図は第１図のトルク検出機構を採用したトルク検出
装置の回路図。 第３図は回転中の一軸シャフトにおけるトルク検出のた
めの構成を示す概念図。 第４図は本発明の別の実施例のトルク検出機構の斜視図
。 第５図は、第４図のトルク検出機構を採用したトルク検
出装置の回路図。 である。 （符号の説明） １１・・・トルク入力部　　１２・・・トルク出力部２
・・・−軸シャフト ３．３１〜３４・・・捩れセンサ ４・・・絶縁層　　　　　２０・・・電圧測定部Ａ、Ｂ
、Ｃ・・・分極方向 第３図 第４図 第５図 手 続 ＊５−１３ 正 書 （自発） 平成２年７月 ２６日

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）弾性材料から成り，表面の少くとも一部が平坦面
   として形成されたシャフトの該平坦面にシャフトの軸と
   直角方向の成分を有する方向に分極処理された圧電材料
   から成る捩れセンサを配設したことを特徴とするトルク
   検出機構。
2. （２）前記分極処理の方向が前記シャフトの軸回りの方
   向であることを特徴とする請求項１記載のトルク検出機
   構。
3. （３）前記分極処理の方向が前記シャフトの表面と直角
   方向であることを特徴とする請求項１記載のトルク検出
   機構。
4. （４）前記シャフトが多角形断面を有し，前記捩れセン
   サが少くとも該多角形の二辺に配されることを特徴とす
   る請求項１〜３の一に記載のトルク検出機構。
5. （５）前記シャフトが多角形断面を有し，前記捩れセン
   サがコの字形状乃至はＵ字形状に配されることを特徴と
   する請求項１又は２記載のトルク検出機構。
6. （６）請求項１〜５の一に記載のトルク検出機構と，該
   トルク検出機構の捩れセンサの起電力を測定する電圧測
   定部と，を備えることを特徴とするトルク検出装置。