JPH0687835U - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 検出感度を向上させたトルクセンサを提供す
る。 【構成】 軸１は、一端が固定され、他端がトルク入力
側である。軸１にホルダ５、５を固着する。ホルダ５、
５間に、長板状のセンサ部材４が配設される。センサ部
材４は、スパッタリングにより、長板状の素子プレート
３に面状のセンサ素子２を並設して形成する。センサ部
材４は、センサ部材Ａ４ａとセンサ部材Ｂ４ｂとで形成
され、軸１の周囲に２等配に設ける。センサ素子２でフ
ルブリッジ回路を構成する。センサ部材４は、そのセン
サ素子２がトルクの作用方向に対して直交するととも
に、長手方向が軸１の軸線に平行となるようにする。こ
れにより、センサ部材４は、トルクに対して変形が容易
となり、センサ素子２の歪み量が大きくなる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案はトルクセンサに関し、特に、軸に作用するトルクを検出するトルク センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術およびその問題点】

従来、この種のトルクセンサとして、図８および図９に示すようなものが知ら れている。 すなわち、図８および図９に示すトルクセンサは、一端が固定側に、また他端 がトルクの入力側になっている軸２１の周面に、センサ部材２４を２等配に設け たもので、このセンサ部材２４により、入力されたトルクが、その大きさに応じ た電気信号として検出されるようになっている。

【０００３】 図８および図９において、軸２１は、その一方端が固定されるとともに、他方 端がトルクの入力側となっている。この軸２１の周面上には、センサ素子２２を 有するセンサ部材２４が配設される。このセンサ部材２４は、一対のセンサ部材 Ａ２４ａとセンサ部材Ｂ２４ｂとで形成され、このセンサ部材Ａ２４ａとセンサ 部材Ｂ２４ｂとが軸２１の周面上において２等配に設けられる。

【０００４】 センサ部材２４は、長板状をなす基台２３の一方の端面中央部に、所謂歪みゲ ージと呼ばれるセンサ素子２２が取着されて形成されていて、このセンサ部材２ ４が軸２１の周面に直接取着される。このセンサ部材２４は、力が作用すると、 その力の作用方向に変位するとともに、基台２３の端面に歪みが生じるようにな っている。センサ素子２２は、面状をなすとともに、基台２３の歪み量を電気的 な変化量に変換するもので、このセンサ素子２２により、基台２３に生じた歪み が、その量に応じた電気信号として検知されるようにしてある。

【０００５】 この場合、センサ部材Ａ２４ａとセンサ部材Ｂ２４ｂとは、その長手方向を軸 ２１の軸線方向に対して４５°傾斜させるとともに、互いに９０°にねじれた位 置で配置される。そして、センサ部材Ａ２４ａおよびセンサ部材Ｂ２４ｂは、そ れぞれセンサ素子２２が取着されていない側の基台２３の他端面が軸２１の表面 に当接するように設けられる。

【０００６】 このトルクセンサは、上記のように構成したので、軸２１の入力側から図中の 矢印Ｆ方向にトルクが入力されると、このトルクによって、その大きさに応じた 歪みが軸２１の周面に生じる。これに伴って、軸２１の周面上に取り付けられた センサ部材２４に、軸２１の歪み量に応じた歪みが生じ、その歪み量に応じてセ ンサ素子２２から電気信号が発生するので、これにより、入力されたトルクが電 気信号として検知されるようになっている。

【０００７】 このとき、センサ部材Ａ２４ａとセンサ部材Ｂ２４ｂとは、軸２１の周面上に おいて２等配に設けられるとともに、軸２１に対して４５°の傾きで取り付けら れ、かつ互いに９０°ずれた状態で配設されることで、矢印Ｆ方向のトルクが入 力された際に、センサ部材Ａ２４ａには縮む方向の歪みが、また、センサ部材Ｂ ２４ｂには伸びる方向の歪みがそれぞれ生じることになる。そして、このセンサ 部材Ａ２４ａとセンサ部材Ｂ２４ｂとの歪みの差により、センサ素子２２、２２ 間に電気的変化量が得られ、このときの変化量の差によって、トルクの大きさに 応じた電気信号の出力を得るようにしている。 そして、センサ部材２４に発生した電気信号は、図示しない回路部材により電 気的な処理がなされたのち出力され、この結果、軸２１に入力されたトルクが検 出されることとなる。

【０００８】 しかしながら、このような従来のトルクセンサにあっては、入力されたトルク に対する感度が芳しくなかった。

【０００９】 すなわち、センサ部材Ａ２４ａおよびセンサ部材Ｂ２４ｂが、それぞれ軸２１ の周面に配設されていることにより、入力されたトルクは、基台２３の長辺（幅 ）方向（図１０中矢印方向）に作用することとなるため、センサ部材２４に大き な歪み量が得られないようになっている。

【００１０】 つまり、センサ部材２４が軸２１の周面に取り付けられたことにより、軸２１ にトルクが入力されると、このトルクは、図１０に示すように、センサ部材２４ の端面に平行に作用するようになる。一般に、長板状をなすセンサ部材２４にお いては、その端面と平行な方向から作用する力に対しては剛性が高いために、そ の力の作用方向への歪み量は小さい。したがって、センサ素子２２に生じる電気 信号も小さくなるため、入力されたトルクに対して得られる出力信号が小さくな り、この結果、感度が乏しくなって、微小なトルクを検出することができなかっ た。

【００１１】 また、上記のトルクセンサにあっては、量産性が低いものであった。

【００１２】 すなわち、センサ部材２４は軸２１に直接設けるようにしてあるために、軸２ １の周面には、センサ部材２４の基台２３を取り付けるための特別な加工を施す 必要がある。したがって、センサ部材２４を軸２１に取り付けるためには、逐一 、軸２１に加工を施さなければならず、センサ部材２４の取付作業が面倒であっ た。

【００１３】 この考案は上記の問題点を解消し、検出感度を向上させるとともに、量産性を 向上させることができるトルクセンサを提供することを目的とする。

【００１４】

【問題点を解決するための手段】

この考案は上記の問題点を解決するために、第１の考案として、面状のセンサ 素子を有するセンサ部材で軸に入力されたトルクを検出するトルクセンサであっ て、互いに離間した状態で前記軸に取り付けられる一対のホルダと、このホルダ 間に端部が固着された状態で、かつ前記軸の軸線と平行な状態で配設される一対 のセンサ部材と、各センサ部材のそれぞれに前記軸の軸線方向に離間した状態で 取り付けられる複数のセンサ素子とを具え、前記各センサ素子は、トルクの作用 方向と直交するように前記ホルダに取り付けられているという構成を有している ものである。 また、第１の考案含む第２の考案として、前記センサ部材は、センサ素子Ａお よびセンサ素子Ｂを有するセンサ部材Ａと、センサ素子Ｃおよびセンサ素子Ｄを 有するセンサ部材Ｂとで形成し、前記センサ素子Ａ、センサ素子Ｂ、センサ素子 Ｃ、センサ素子Ｄでフルブリッジ回路を構成してあるものである。

【００１５】

【作用】

この考案は上記の手段を採用したことにより、入力されたトルクに対して検出 感度を良好にすることができるようになっている。 すなわち、面状のセンサ素子を有する一対のセンサ部材が、軸の軸線と平行な 状態で、かつ、センサ素子をトルクの作用方向に直交させるように配設されたこ とにより、センサ部材は、入力されたトルクに対して容易に変形することとなる 。したがって、トルクの作用でセンサ部材に生じる歪み量を大きくすることがで きるので、検出感度を向上させることができることとなる。

【００１６】 また、前記センサ部材に、複数のセンサ素子を軸の軸線方向に並設したことに より、センサ部材がトルクの作用で湾曲変形した際に、センサ素子間の歪み量の 差を大きくすることができるので、得られる電気信号を大きくすることができる 。さらに、センサ素子でフルブリッジを構成したことで、センサ素子間に生じた 歪み量の差に応じて大きな出力を得ることができるようになっている。

【００１７】 しかも、この場合、センサ部材を取り付ける際には、被測定物である軸に対し て特別な加工を必要としないので、製作を非常に簡単にすることができるように なっている。

【００１８】

【実施例】

以下、図面に示すこの考案の実施例を説明する。 図１は、この考案によるトルクセンサの一実施例を示す図である。 すなわち、図１に示すトルクセンサは、一端が固定側に、また他端がトルクの 入力側になっている軸１に、面状のセンサ素子２を有するセンサ部材４が配設さ れたもので、このセンサ部材４により、軸１に入力されたトルクを検出するよう になっている。このとき、センサ部材４は、長板状の素子プレート３の端面上に センサ素子２を並列させて形成し、このセンサ素子２でフルブリッジ回路が構成 されている。そして、このセンサ部材４は、そのセンサ素子２がトルクの作用方 向に直交するとともに、長手方向が軸１の軸線と平行となる状態で配設し、かつ 、両端部がホルダ５、５で軸１に固定されている。

【００１９】 図１において、軸１は、その一方端が固定されるとともに、他方端がトルクの 入力側となっている。この軸１には、軸１から所定間隔で離間した状態でセンサ 部材４が配設される。このセンサ部材４は、一対のセンサ部材Ａ４ａとセンサ部 材Ｂ４ｂとで形成され、このセンサ部材Ａ４ａとセンサ部材Ｂ４ｂとが軸１の周 囲に２等配に取り付けられる。

【００２０】 センサ部材Ａ４ａは、長板状をなす素子プレートＡ３ａの一方の端面に、所謂 歪みゲージと呼ばれるセンサ素子２が取着されて形成される。このとき、センサ 素子２はセンサ素子Ａ２ａとセンサ素子Ｂ２ｂとで形成され、このセンサ素子Ａ ２ａおよびセンサ素子Ｂ２ｂが素子プレートＡ３ａの長手方向に直列に、かつ等 配に配設される。また、同様に、センサ部材Ｂ４ｂは、長板状をなす素子プレー トＢ３ｂの一方の端面にセンサ素子２が取着されて形成される。このとき、セン サ素子２はセンサ素子Ｃ２ｃとセンサ素子Ｄ２ｄとで形成され、このセンサ素子 Ｃ２ｃおよびセンサ素子Ｄ２ｄが素子プレートＢ３ｂの長手方向に直列に、かつ 等配に配設される。

【００２１】 そして、このセンサ部材Ａ４ａおよびセンサ部材Ｂ４ｂは、力が作用すると、 その力の作用方向に変位するとともに、素子プレート３の端面に歪みが生じるよ うになっている。センサ素子２は、面状をなすとともに、素子プレート３の歪み 量を電気的な変化量に変換するもので、このセンサ素子２により、素子プレート ３に生じた歪みが、その歪み量に応じて電気信号として検知されるようにしてあ る。

【００２２】 この場合、センサ部材４は、図４に示すように、スパッタリングにより、治具 上に並べられた複数の素子プレート３上にセンサ素子２がそれぞれ取着されて形 成される。したがって、センサ部材４は一度に複数個を製作することとなるため 、この中から特性が近似する２個を選択して軸１に取り付けるようにする。

【００２３】 そして、センサ部材Ａ４ａとセンサ部材Ｂ４ｂとは、それぞれ軸１の周面から 所定間隔で離間させるとともに、素子プレート３の長手方向を軸１の軸線方向と 平行にした状態で配置する。また、このとき、センサ部材Ａ４ａとセンサ部材Ｂ ４ｂとは、その端面を軸１の径方向と平行に配置し、これにより、センサ部材Ａ ４ａおよびセンサ部材Ｂ４ｂの端面上の各センサ素子２が、軸１に入力されるト ルクの作用方向に直交するようにしてある。

【００２４】 このセンサ部材Ａ４ａとセンサ部材Ｂ４ｂとは、一対のホルダ５、５間に配設 される。このとき、ホルダ５、５は軸１に固定されていて、これにより、センサ 部材Ａ４ａおよびセンサ部材Ｂ４ｂのそれぞれの両端部が軸１に対して固定され る。

【００２５】 ホルダ５、５は、それぞれ半円弧板状をなす一対のホルダＡ５ａとホルダＢ５ ｂとで形成され、このホルダＡ５ａとホルダＢ５ｂとが、軸１の軸線と直交する ような状態で面一にするとともに、内周部を軸１の周面に固着して配置される。 そして、このホルダＡ５ａとホルダＢ５ｂとの端部でセンサ部材Ａ４ａおよびセ ンサ部材Ｂ４ｂの端部を挟持し、その状態で両者４、５間が溶接されて固着され る（図３参照）。これにより、センサ部材Ａ４ａおよびセンサ部材Ｂ４ｂの固定 側の端部は、一方のホルダＡ５ａとホルダＢ５ｂとの間に挟持・固着され、また 、センサ部材Ａ４ａおよびセンサ部材Ｂ４ｂのトルク入力側の端部は、他方のホ ルダＡ５ａとホルダＢ５ｂとの間に挟持・固着されることとなる。

【００２６】 この場合、センサ部材Ａ４ａおよびセンサ部材Ｂ４ｂは、センサ素子Ａ２ａお よびセンサ素子Ｃ２ｃを固定側に、また、センサ素子Ｂ２ｂおよびセンサ素子Ｄ ２ｄをトルク入力側にそれぞれ位置するように配置する。センサ素子Ａ２ａ、セ ンサ素子Ｂ２ｂ、センサ素子Ｃ２ｃ、センサ素子Ｄ２ｄは、回路基板（図示せず ）上で図５に示すようなフルブリッジ回路が組まれ、各センサ素子２の内部抵抗 の変化に応じて出力が得られるようにしてある。

【００２７】 次に、上記のものの作用を説明する。 このトルクセンサは、上記のように構成したので、軸１に矢印Ｆ方向のトルク が入力されると、このトルクによって、その大きさに応じた歪みがセンサ部材４ に生じる。これに伴って、センサ部材４に、その歪み量に応じた電気信号が発生 するので、これにより、入力されたトルクが電気信号として検知されるようにな っている。

【００２８】 まず、常態にあっては、センサ部材Ａ４ａおよびセンサ部材Ｂ４ｂは、その素 子プレート３の長手方向が軸１の軸線と平行な状態となっている。

【００２９】 次いで、図１において、軸１の入力側から矢印Ｆ方向のトルクが入力されると 、軸１の周面が捩じれることで、トルク入力側のホルダ５の角変位量が、固定側 のホルダ５の角変位量よりも大きくなる。このため、両ホルダ５、５間の角変位 量の差によって、素子プレートＡ３ａと素子プレートＢ３ｂとがそれぞれ図６に 示すように略Ｓ字状をなすように湾曲変形することになる。

【００３０】 すると、素子プレートＡ３ａおよび素子プレートＢ３ｂの変形によって、固定 側のセンサ素子Ａ２ａとセンサ素子Ｃ２ｃとは縮む方向へ、また、トルク入力側 のセンサ素子Ｂ２ｂとセンサ素子Ｄ２ｄとは伸びる方向へそれぞれ歪みが生じる ようになる。そして、センサ素子Ａ２ａ、センサ素子Ｂ２ｂ、センサ素子Ｃ２ｃ 、センサ素子Ｄ２ｄで構成されるフルブリッジ回路により、各センサ素子２ａ、 ２ｂ、２ｃ、２ｄ間に生じた歪み量の差に応じて、電気信号の出力を得るように している。 こののち、センサ部材４に発生した電気信号は、図示しない回路部材により電 気的な処理がなされたのち出力され、この結果、軸１に入力されたトルクが検出 されることとなる。

【００３１】 そして、上記のトルクセンサにあっては、入力されたトルクに対する感度を向 上させることができるようになっている。

【００３２】 すなわち、センサ部材４が、入力されたトルクの作用に対して容易に変形する ように配設してあることにより、センサ素子２に生じる歪み量を大きくすること ができるので、微小なトルクの入力に対しても大きな出力が得られるようになっ ている。

【００３３】 つまり、センサ部材Ａ４ａとセンサ部材Ｂ４ｂとは、その素子プレートＡ３ａ および素子プレートＢ３ｂ上のセンサ素子２をそれぞれトルクの作用方向に対し て直交させるとともに、長手方向を軸１の軸線に平行に配設したことにより、ト ルクの作用を受けたときに、素子プレートＡ３ａおよび素子プレートＢ３ｂが変 形し易いようになっている。この場合、軸１の入力側からトルクが入力されると 、このトルクは、素子プレート３に対して短辺（厚さ）方向（図７中の矢印方向 ）に作用することになる。一般に、長板状をなした素子プレート３は、その端面 に直交する方向からの力の作用に対しては剛性が低いために、作用する力によっ て容易に変形するようになっている。

【００３４】 したがって、上記のものにあっては、センサ部材Ａ４ａとセンサ部材Ｂ４ｂと が、その両端部をホルダ５、５によって軸１に一体に固定しているので、トルク が入力されると、素子プレートＡ３ａおよび素子プレートＢ３ｂは、互いに相対 移動することで容易にトルクの作用方向へ湾曲変形する。このように、センサ部 材４の変形が容易になることで、その端面の歪み量を大きくすることができる。

【００３５】 しかも、センサ部材４は、素子プレート３の長手方向にセンサ素子２を並設し て形成したので、得られる電気信号の出力を大きくすることができる。つまり、 軸１にトルクが入力されたときに、このトルクの作用で素子プレートＡ３ａおよ び素子プレートＢ３ｂが湾曲変形すると、素子プレートＡ３ａ上の固定側に配設 されたセンサ素子Ａ４ａと、素子プレートＢ３ｂ上の固定側のセンサ素子Ｃ４ｃ とが縮む方向へ歪みが生じ、また、素子プレートＡ３ａ上のトルク入力側に配設 されたセンサ素子Ｂ４ｂと、素子プレートＢ３ｂ上のトルク入力側のセンサ素子 Ｄ４ｄとが伸びる方向へ歪みが生じることとなる。

【００３６】 したがって、センサ部材Ａ４ａとセンサ部材Ｂ４ｂとは、それぞれ素子プレー トＡ３ａおよび素子プレートＢ３ｂの端面上で伸びと縮みの両方の歪みが得られ るので、センサ素子Ａ２ａとセンサ素子Ｂ２ｂとの間、およびセンサ素子Ｃ２ｃ とセンサ素子Ｄ２ｄとの間に生じる歪み量の差を大きくすることができる。この 結果、センサ素子Ａ２ａ、センサ素子Ｂ２ｂ、センサ素子Ｃ２ｃ、センサ素子Ｄ ２ｄでフルブリッジを構成することで、発生する歪み量に対して大きな出力を得 ることができることとなる。

【００３７】 上記の場合、センサ部材４の感度を良好にするには、入力されたトルクに対し て各センサ素子２に生じる歪み量を大きくすることが重要であるが、この考案に あっては、素子プレート３の変形を容易にするとともに、当該素子プレート３上 に並設した各センサ素子２の歪み量を大きくしたことにより、従来のトルクセン サと比較すると、同レベルのトルクに対して得られる電気信号の出力を大きくす ることができるものである。

【００３８】 また、上記のトルクセンサにあっては、量産性を向上させることができる。

【００３９】 すなわち、センサ部材４は、スパッタリングにより、複数の素子プレート３に それぞれセンサ素子２を取着して形成するようにしたので、一度に大量生産をす ることができる。そして、センサ部材４を軸１に取り付ける際には、軸１に特別 な加工をする必要がないので、トルクセンサの製作を容易にすることができるよ うになっている。

【００４０】 なお、上記実施例において、ホルダ５は、一対のホルダＡ５ａとホルダＢ５ｂ とで形成したものを示したが、これに限定されるものではなく、例えば環状のも のを使用してもよい。また、上記実施例では、センサ部材４は長板状のものを示 したがこれに限定されなくてもよいものである。

【００４１】

【考案の効果】

以上のようにこの考案によれば、面状のセンサ素子を有するセンサ部材を、軸 に取り付けられた一対のホルダ間に端部を固着するとともに、軸の軸線に平行な 状態で配設し、センサ素子を、トルクの作用方向と直交するようにしたことによ り、センサ部材が、入力されたトルクの作用に対して容易に変形することとなる 。したがって、トルクの作用により生ずるセンサ素子の歪み量を大きくすること ができるので、トルクに対する検出感度が向上し、出力信号を大きくすることが できる。

【００４２】 また、この場合、センサ部材が、被測定物である軸に直接取り付けられる構造 ではないために、製作が容易である。したがって、量産性を向上させることがで きるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この考案によるトルクセンサの一実施例を示す
図である。

【図２】図１におけるＸ矢視図である。

【図３】図２におけるＹ部の拡大図である。

【図４】センサ部材を形成する工程を示す図である。

【図５】センサ素子による回路構成を示す図である。

【図６】センサ部材の作用を説明する図である。

【図７】この考案におけるセンサ部材とトルクの作用と
の関係を示す図である。

【図８】従来例を示す図である。

【図９】図８におけるＺ矢視図である。

【図１０】従来例におけるセンサ部材とトルクの作用と
の関係を示す図である。

【符号の説明】

１、２１……軸 ２、２２……センサ素子 ３……素子プレート ４、２４……センサ部材 ５……ホルダ ２３……基台

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 面状のセンサ素子（２）を有するセンサ
   部材（４）で軸（１）に入力されたトルクを検出するト
   ルクセンサであって、互いに離間した状態で前記軸
   （１）に取り付けられる一対のホルダ（５、５）と、該
   ホルダ（５、５）間に端部が固着された状態で、かつ前
   記軸（１）の軸線と平行な状態で配設される一対のセン
   サ部材（４）と、各センサ部材（４）のそれぞれに前記
   軸（１）の軸線方向に離間した状態で取り付けられる複
   数のセンサ素子（２）とを具え、前記各センサ素子
   （２）は、トルクの作用方向と直交するように前記ホル
   ダ（５、５）に取り付けられていることを特徴とするト
   ルクセンサ。
2. 【請求項２】 前記センサ部材（４）は、センサ素子Ａ
   （２ａ）およびセンサ素子Ｂ（２ｂ）を有するセンサ部
   材Ａ（４ａ）と、センサ素子Ｃ（２ｃ）およびセンサ素
   子Ｄ（２ｄ）を有するセンサ部材Ｂ（４ｂ）とで形成
   し、前記センサ素子Ａ（２ａ）、センサ素子Ｂ（２
   ｂ）、センサ素子Ｃ（２ｃ）、センサ素子Ｄ（２ｄ）で
   フルブリッジ回路を構成してある請求項１記載のトルク
   センサ。