特開 2023-172421 トルク検出器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023172421

(43)【公開日】2023-12-06

(54)【発明の名称】トルク検出器

(51)【国際特許分類】

   G01L 3/10 20060101AFI20231129BHJP

【ＦＩ】

G01L3/10 311

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022084203

(22)【出願日】2022-05-24

(71)【出願人】

【識別番号】591156799

【氏名又は名称】ユニパルス株式会社

(72)【発明者】

【氏名】小林 璋好

(57)【要約】

【課題】トルク検出に際して、起歪部に加わる曲げモーメントにより生じる歪みを受感しないようにする。
【解決手段】Iカットの起歪部１１１を採用し、回転軸１１０に加えられる回転トルクを、起歪部１１１の平面部分１１１ａに添着された感歪抵抗体Ｇａ１，Ｇａ２、及び、起歪部１１１の平面部分１１１ｂに添着された感歪抵抗体Ｇｂ１，Ｇｂ２の抵抗値の変化を取得することで検出する。かかる検出に際し、感歪抵抗体Ｇａ１，Ｇａ２については、起歪部１１１に加わる曲げモーメントにより生じる歪みを受感しない方向となるように、平面部分１１１ａに添着される。また、かかる検出に際して、感歪抵抗体Ｇｂ１，Ｇｂ２についても、起歪部１１１に加わる曲げモーメントにより生じる歪みを受感しない方向となるように、平面部分１１１ｂに添着される。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転自在に支持され、弾性変形する起歪部を有する回転軸と、
前記起歪部に添着された感歪抵抗体と、を備え、
前記感歪抵抗体は、前記起歪部に加わる曲げモーメントにより生じる歪みを受感しない方向に添着され、
前記感歪抵抗体を含む回路の出力に基づいて、前記起歪部に作用するトルクを検出する、
ことを特徴とするトルク検出器。

【請求項2】

前記最大感度の方向は、前記起歪部のポアソン比から定められる、ことを特徴とする請求項１に記載のトルク検出器。

【請求項3】

前記起歪部は、前記回転軸の軸方向と平行な平面を有し、
前記感歪抵抗体は、前記平面に添着される、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のトルク検出器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、トルク検出器に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、回転軸のトルクを検出する様々な技術が提案されている。こうした提案技術の一つとして、ひずみゲージを用いて回転軸のねじれを直接的に測定するものがある。かかる技術では、回転軸に薄肉の起歪部を設け、当該起歪部にひずみゲージを添着する。そして、起歪部のねじれに伴ってひずみゲージが変形したときのフィラメントの抵抗値を測定することで、回転軸のトルクを検出するようになっている。

【0003】

ここで、回転軸のトルクを検出するために起歪部に添着されるひずみゲージの形状は、一方向回転のねじれだけでなく、逆方向回転のねじれについても精度良く検出するため、一般に、特許文献１の図７に示されるような一対のひずみゲージが用いられている（以下、従来例と呼ぶ）。かかる従来例の技術では、回転軸の軸方向に垂直な面による断面の外形が円状になる起歪部と、最大の感度方向が９０度で交差する２つのひずみゲージとを備えている。このように２つのひずみゲージの感度方向を交差させたゲージは、２軸剪断ゲージと呼ばれ、各ゲージは、回転軸の中心線方向（軸方向）を対称にして対向するように間隔なく並べられて配置される。従来例の２軸剪断ゲージでは、対のひずみゲージは、回転軸の軸方向と垂直な方向な線に対して、対称に４５度傾いている。以下では、従来例の２軸剪断ゲージを「４５度傾斜の２軸剪断ゲージ」とも記す。また、４５度傾斜の２軸剪断ゲージを構成するフィラメント（抵抗体）については、上位の概念として「４５度傾斜の感歪抵抗体」とも記す。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００４－０７７１７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

一般に、ひずみゲージは、フィラメント（「感歪抵抗体」、「受感素子」）、ポリイミドなどを材料とするゲージベース等を備えている。そして、トルク検出器の使用環境の湿度が上昇すると、ポリイミドが周囲の水分を吸収し、ゲージベースの厚さが増す。

【0006】

ここで、回転軸の軸方向に垂直な面による断面が円状になる起歪部（「丸棒型起歪体」とも記す）に４５度傾斜の２軸剪断ゲージを添着した場合、使用環境の湿度が上昇すると、ポリイミドが周囲の水分を吸収し丸棒の曲率に従って膨潤して、ゲージベースの厚さが増す。この結果、フィラメントに張力が付与される。この際、フィラメントが対称に丸棒型起歪部に添着されていれば、ゲージベースの膨張によるフィラメントに付与された張力の影響は補完される。しかしながら、この対称にわずかでもズレがあると、トルクが印加されていないときの出力値、つまりトルク検出器の零点出力が変動してしまい、トルク検出に際してトルク以外の邪魔な信号が含まれてしまう。このため、丸棒型起歪体を採用した場合には、高湿度の環境下で、トルクを精度良く検出することができないことがあった。

【0007】

こうした事態を回避するため、例えば、丸棒型起歪体を加工して、互いに１８０度異なる向きに、軸方向と平行な２面の平面部分を設けた起歪部にする。このとき、回転軸の軸方向に垂直な面による起歪部の断面は「Ｉ」状となる（以下、当該起歪部を「Ｉカットの起歪部」とも記す）。そして、各平面部分に、４５度傾斜の２軸剪断ゲージを、対称線が軸方向と平行になるように添着する構成が考えられる。こうした構成を採用した場合には、ゲージベースが平面部分に添着されているため、ゲージベースの厚さが増しても２軸剪断ゲージのフィラメントに張力は付与されない。この結果、２軸剪断ゲージが平面部分に添着されているときには、円柱又は円筒に添着されている場合に比べて、湿度変化上昇に伴うフィラメントの伸縮が小さくなり、トルク検出に都合がよい。

【0008】

しかしながら、２つの平面部分を挟む起歪部の厚さは、起歪部の平面部分となっていない部分の径の比べて薄くなっている。当該薄い部分は、厚い部分に比べて曲げモーメントに対する断面係数が小さい。このため、回転軸の角度が、断面係数が小さくなる回転軸の角度周辺のときには、トルク検出に邪魔な曲げモーメントの影響を受けてしまう。この回転軸の回転角度の変化によって変動するトルク検出に邪魔な曲げモーメントの影響のために、測定トルクの弁別が困難になってしまう。ここで、２軸剪断ゲージの対のフィラメントが曲げモーメント軸に完全に対称であれば、曲げモーメントの影響を補完することができる。しかしながら、対のフィラメントを曲げモーメント軸に完全に対称にすることができない場合には、曲げモーメントの影響が回転角度によって変動するトルク検出に邪魔な信号として現れてしまう。したがって、正確なトルクを測定することができなくなる。

【0009】

このため、高湿度の環境下において精度良くトルクを検出することが可能な起歪部を採用した場合に、曲げモーメントの影響を少なくしてトルクを検出することができる技術が待望されている。かかる要請に応えることが、本発明が解決すべき課題の一つとして挙げられる。

【0010】

本発明は、上記の事情を鑑みてなされたものであり、トルク検出に際して、起歪部に加わる曲げモーメントにより生じる歪みを受感しないトルク検出器を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明は、回転自在に支持され、弾性変形する起歪部を有する回転軸と、前記起歪部に添着された感歪抵抗体と、を備え、前記感歪抵抗体は、前記起歪部に加わる曲げモーメントにより生じる歪みを受感しない方向に添着され、前記感歪抵抗体を含む回路の出力に基づいて、前記起歪部に作用するトルクを検出する、ことを特徴とするトルク検出器である。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の一実施形態に係るトルク検出器の外観図である。

【図2】図１のトルク検出器の内部の図（その１）である。

【図3】図１のトルク検出器の内部の図（その２）である。

【図4】図１のトルク検出器の断面図である。

【図5】図２の回転軸の図である。

【図6】図５の回転軸の起歪部に添着される感歪抵抗体対の平面図である。

【図7】図６の感歪抵抗体を含んで構成されるホイートストンブリッジ回路及び周辺の構成図である。

【図8】図５の回転軸がねじれているときの起歪部の状態を概念的に説明するための図である。

【図9】図１のトルク検出器の曲げモーメントの評価を行っているときの外観図、及び、曲げモーメントが掛かっているときの起歪部の状態を概念的に説明するための図である。

【図10】曲げモーメントが掛かっているときの起歪部の変形状態を概念的に説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、発明の実施形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下の説明及び図面においては、同一又は同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

【0014】

［構成］
図１には、一実施形態に係るトルク検出器１００の外観図が示されている。当該トルク検出器１００を説明する座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、図示の通りに定義されている。

【0015】

図２及び図３には、トルク検出器１００の内部の図が示されている。ここで、図２は、トルク検出器１００の内部の斜視図である。また、図３（Ａ）は、図２に示したトルク検出器１００を＋Ｚ方向側から視た図であり、図３（Ｂ）は、図２に示したトルク検出器１００を－Ｙ方向側から視た図である。また、図４には、図１に示されるトルク検出器１００の回転軸を通るＸＺ平面Ｐで切断したときのトルク検出器１００の断面図が示されている。

【0016】

さらに、図５には、トルク検出器１００の回転軸の部分の外観図が示されている。ここで、図５（Ａ）は、図２に示したトルク検出器１００における回転軸の部分を示した外観図であり、回転軸の＋Ｚ方向側が見えている。また、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示した回転軸を１８０度回転させた外観図であり、回転軸の－Ｚ方向側が見えている。

【0017】

図１～図５により総合的に示されるように、トルク検出器１００は、回転軸（回転軸部材）１１０と、筐体１２１～１２３と、蓋部１２４とを備えている。当該回転軸１１０には、起歪部１１１が設けられている。また、トルク検出器１００は、起歪部１１１に添着される感歪抵抗体Ｇａ１，Ｇａ２，Ｇｂ１，Ｇｂ２を備えている、さらに、トルク検出器１００は、回転基板３１０、固定基板３２１，３２２、１次側コア２１１、２次側コア２２１等を備えている。

【0018】

上記の回転軸（回転軸部材）１１０は、軸方向ＡＸ（Ｘ方向）に沿って段階的に形状が変化する金属製の略円柱状の部材である。当該回転軸１１０の両端は、不図示の負荷装置及び駆動装置に接続することができるように、ＹＺ平面に平行な筐体１２１，１２２から突出している。そして、回転軸１１０は、ベアリング１３１，１３２を介して筐体１２１，１２２に回転自在に支持される。

【0019】

当該回転軸１１０に設けられた起歪部１１１は、互いに平行な２つの平面部分１１１ａ，１１１ｂを有するＩカット形状をしている。当該平面部分１１１ａ，１１１ｂは、軸方向ＡＸと平行な線分を含む平面であり、回転軸１１０の中心軸から等距離の位置に設けられている。ここで、図５（Ａ）では、平面部分１１１ａが見えており、図５（Ｂ）では、当該平面部分１１１ａに対向する平面部分１１１ｂが見えている。

【0020】

起歪部１１１の平面部分１１１ａには、感歪抵抗体Ｇａ１，Ｇａ２（以下、一対の感歪抵抗体Ｇａ１，Ｇａ２を含んだ抵抗体を「感歪抵抗体対Ｇａ」とも記す）が添着されている。起歪部１１１の平面部分１１１ｂには、感歪抵抗体Ｇｂ１，Ｇｂ２（以下、一対の感歪抵抗体Ｇｂ１，Ｇｂ２を含んだ抵抗体を「感歪抵抗体対Ｇｂ」とも記す）が添着されている。感歪抵抗体Ｇａ１，Ｇａ２，Ｇｂ１，Ｇｂ２の抵抗値の変化を取得することで、回転軸１１０に加えられる回転トルクを検出することができるようになっている。感歪抵抗体Ｇａ１，Ｇａ２の構成及び平面部分１１１ａへの添着、感歪抵抗体Ｇｂ１，Ｇｂ２の構成及び平面部分１１１ｂへの添着については後述する。

【0021】

上記の筐体１２１～１２３は、トルク検出器１００の内部の機器を覆い、当該機器を外界環境から保護する。筐体１２１，１２２は、ＹＺ平面に平行な面状の部材であり、対となっている。筐体１２１，１２２には、回転軸１１０を通す穴が設けられている。そして、筐体１２１，１２２は、対となっているベアリング１３１，１３２を介して、回転軸１１０を回転自在に支持している。筐体１２３は、開口部を有する中空の直方体形状の部材である。

【0022】

上記の蓋部１２４は、ＸＹ平面に平行な面状の部材であり、筐体１２３の開口部を塞いでネジ止めされる。そして、蓋部１２４は、トルク検出器１００の内部の機器を覆い、筐体１２１～１２３と一体となって、トルク検出器１００の当該機器を外界環境から保護する。

【0023】

上記の回転基板３１０は、中心部に回転軸１１０を通す穴が設けられ、円環円盤状の形状をしている。そして、回転基板３１０は、回転軸１１０に通され、段差を有する回転軸ツバ１１２とナット１２５とによって挟み込まれて、回転軸１１０に固定される。回転基板３１０には、回転側光学素子３３１を含む複数の電気電子部品が実装されている。回転基板３１０の回転時の偏りがある場合には、回転軸１１０の回転トルク検出に影響を及ぼすため、回転バランスを考慮して複数の電気電子部品が配置されている。回転基板３１０に配置された回転側光学素子３３１は、赤外線の発光を行う。また、回転基板３１０には、増幅回路３１１、ＡＤ変換回路３１２、回転側ＣＰＵ３１３（図８参照）などが設けられている。

【0024】

上記の固定基板３２１及び固定基板３２２は、不図示の基板対基板コネクタを介して電気的に接続されている。また、固定基板３２１及び固定基板３２２は、不図示のスペーサによって機械的にも配置関係が保たれるように接続固定されている。そして、固定基板３２２は、筐体１２１～１２３にネジ止めされて所定の位置に固定される。固定基板３２１には、固定側光学素子３３２が設けられ、回転側光学素子３３１が発光した赤外線の受光を行う。また、固定基板３２１，３２２には、スイッチング回路、固定側ＣＰＵ、ＤＡ（Digital to Analogue）変換回路などが設けられている。

【0025】

固定基板３２２には、回転基板３１０へ非接触で給電をするための分離型回転変圧器の１次側が設けられている。すなわち、固定基板３２２には、両端に突部を設けた断面がコ字型をしたフェライトの１次側コア２１１が、コアフォルダ２１３を介して取り付けられている。そして、１次側コア２１１の両突部間に、銅線を巻回した１次側コイル２１２が設けられている。

【0026】

一方、分離型回転変換器の２次側は、回転軸１１０に設けられている。すなわち、回転軸１１０には、２次側コア２２１が、２次側コアスペース２２３を介して取り付けられている。そして、２次側コア２２１の外周に、銅線を巻回した２次側コイル２２２が設けられている。１次側コア２１１及び２次側コア２２１は、対向して配置されている。

【0027】

ここで、回転基板３１０への非接触給電について説明する。トルク検出器１００は、コネクタ３４０を介して、不図示の外部の制御装置に接続されている。当該制御装置は、固定基板３２１，３２２と繋がっており、当該固定基板に設けられたスイッチング回路が、制御装置から供給された直流電流を交流電流に変換する。当該スイッチング回路は、１次側コイル２１２と結線されており、変換された交流電流を１次側コイル２１２へ出力する。スイッチング回路から１次側コイル２１２へ送られた交流電流は、１次側コイル２１２に交流磁場を発生させ、当該交流磁場が回転側の２次側コア２２１に透過することで、２次側コイル２２２に電流が誘起する。

【0028】

このため、２次側コイル２２２が、１次側コイル２１２から非接触で電力を受電できる。こうして誘起した電流は、回転基板３１０内の整流回路と安定化回路とによって直流電圧に変換され、当該直流電圧は、回転基板３１０に設けられた増幅回路３１１、ＡＤ変換回路３１２、回転側ＣＰＵ３１３などに供給される。

【0029】

＜感歪抵抗体Ｇａ１，Ｇａ２の構成＞
図６（Ａ）には、感歪抵抗体Ｇａ１，Ｇａ２を含む感歪抵抗体対Ｇａの平面図が示されている。図６（Ａ）に示されるように、感歪抵抗体対Ｇａは、ベースとなるフィルム状の基材ａ０上に抵抗体及び配線がパターン形成されていて、感歪抵抗体Ｇａ１と、感歪抵抗体Ｇａ２と、端子部ａ１，ａ２，ａ３とを備えている。当該感歪抵抗体Ｇａ１、感歪抵抗体Ｇａ２及び端子部ａ１，ａ２，ａ３は、基材ａ０上（同一面上）に配設されている。感歪抵抗体Ｇａ１、感歪抵抗体Ｇａ２、端子部ａ１，ａ２，ａ３及び基材ａ０により、２軸剪断のひずみゲージが形成される。

【0030】

本実施形態では、基材ａ０は、例えば誘電体のポリイミドフィルムである。また、感歪抵抗体Ｇａ１及び感歪抵抗体Ｇａ２並びに端子部ａ１，ａ２，ａ３は、金属であり、例えば銅とニッケルとの合金を使用している。感歪抵抗体Ｇａ１の一端は配線部を介して端子部ａ１に接続され、感歪抵抗体Ｇａ１の他端は配線部を介して端子部ａ３に接続されている。感歪抵抗体Ｇａ２の一端は配線部を介して端子部ａ２に接続され、感歪抵抗体Ｇａ２の他端は配線部を介して端子部ａ３に接続されている。また、必要に応じて、感歪抵抗体Ｇａ１，Ｇａ２、配線部等には、上面から保護層に覆われている。

【0031】

感歪抵抗体Ｇａ１及び感歪抵抗体Ｇａ２のそれぞれは、歪み検出用に、平行に配設された複数の線状の抵抗体の折返しパターンを含んで構成され、当該抵抗体の線幅は比較的小さく設けられている。感歪抵抗体Ｇａ１は、基材ａ０の領域Ｒａ１に配設され、感歪抵抗体Ｇａ２は、基材ａ０の領域Ｒａ２に配設されていて、当該感歪抵抗体Ｇａ１及び感歪抵抗体Ｇａ２は、軸方向ＡＸに平行な線分ＯＢに対称に配設されている。

【0032】

感歪抵抗体Ｇａ１は、方向ｐａ１に最大感度で歪みを検出できるようにした細い線状の一本の抵抗体であり、折返しパターンによって、方向ｐａ１と平行になるように線状の抵抗体が複数配設されている。感歪抵抗体Ｇａ２は、方向ｐａ２に最大感度で歪みを検出できるようにした細い線状の一本の抵抗体であり、折返しパターンによって、方向ｐａ２と平行になるように線状の抵抗体が複数配設されている。方向ｐａ１及び方向ｐａ２の角度θ（回転軸の軸方向ＡＸと垂直な方向な線方向からの角度）については、後述する。

【0033】

＜感歪抵抗体Ｇｂ１，Ｇｂ２の構成＞
図６（Ｂ）には、感歪抵抗体Ｇｂ１，Ｇｂ２を含む感歪抵抗体対Ｇｂの平面図が示されている。図６（Ｂ）に示されるように、感歪抵抗体対Ｇｂは、上述した感歪抵抗体対Ｇａと同様に構成され、フィルム状の基材ｂ０上に抵抗体及び配線がパターン形成されていて、感歪抵抗体Ｇｂ１と、感歪抵抗体Ｇｂ２と、端子部ｂ１，ｂ２，ｂ３とを備えている。当該感歪抵抗体Ｇｂ１、感歪抵抗体Ｇｂ２及び端子部ｂ１，ｂ２，ｂ３は、基材ｂ０上に配設されている。感歪抵抗体Ｇｂ１、感歪抵抗体Ｇｂ２、端子部ｂ１，ｂ２，ｂ３及び基材ｂ０により、２軸剪断のひずみゲージが形成される。

【0034】

本実施形態では、基材ｂ０は、例えば誘電体のポリイミドフィルムである。感歪抵抗体Ｇｂ１及び感歪抵抗体Ｇｂ２並びに端子部ｂ１，ｂ２，ｂ３は、金属であり、例えば銅とニッケルとの合金を使用している。感歪抵抗体Ｇｂ１の一端は配線部を介して端子部ｂ１に接続され、感歪抵抗体Ｇｂ１の他端は配線部を介して端子部ｂ３に接続されている。感歪抵抗体Ｇｂ２の一端は配線部を介して端子部ｂ２に接続され、感歪抵抗体Ｇｂ２の他端は配線部を介して端子部ｂ３に接続されている。また、必要に応じて、感歪抵抗体Ｇｂ１，Ｇｂ２、配線部等には、上面から保護層に覆われている。

【0035】

感歪抵抗体Ｇｂ１及び感歪抵抗体Ｇｂ２のそれぞれは、歪み検出用に、平行に配設された複数の線状の抵抗体の折返しパターンを含んで構成され、当該抵抗体の線幅は比較的小さく設けられている。感歪抵抗体Ｇｂ１は、基材ｂ０の領域Ｒｂ１に配設され、感歪抵抗体Ｇｂ２は、基材ｂ０の領域Ｒｂ２に配設されていて、当該感歪抵抗体Ｇｂ１及び感歪抵抗体Ｇｂ２は、軸方向ＡＸに平行な線分ＯＢに対称に配設されている。

【0036】

感歪抵抗体Ｇｂ１は、方向ｐｂ１に最大感度で歪みを検出できるようにした細い線状の一本の抵抗体であり、折返しパターンによって、方向ｐｂ１と平行になるように線状の抵抗体が複数配設されている。感歪抵抗体Ｇｂ２は、方向ｐｂ２に最大感度で歪みを検出できるようにした細い線状の一本の抵抗体であり、折返しパターンによって、方向ｐｂ２と平行になるように線状の抵抗体が複数配設されている。方向ｐｂ１及び方向ｐｂ２の角度θ（回転軸の軸方向ＡＸと垂直な方向な線方向からの角度）については、後述する。

【0037】

＜感歪抵抗体Ｇａ１～Ｇｂ２を含むホイートストンブリッジ回路等の構成＞
次いで、感歪抵抗体Ｇａ１，Ｇａ２，Ｇｂ１，Ｇｂ２を含むホイートストンブリッジ回路及び周辺回路の構成について、説明する。図７には、回転軸１１０の起歪部１１１に添着された感歪抵抗体Ｇａ１，Ｇａ２，Ｇｂ１，Ｇｂ２を含んで構成されるホイートストンブリッジ回路及び周辺回路の構成が示されている。図７に示されるように、当該回路は、ホイートストンブリッジ回路に加えて、上述した増幅回路３１１と、ＡＤ変換回路３１２と、回転側ＣＰＵ３１３とを有している。

【0038】

ホイートストンブリッジ回路では、感歪抵抗体Ｇａ１，Ｇａ２を有する感歪抵抗体対Ｇａの端子部ａ４が、端子Ｔ１に接続され、感歪抵抗体Ｇｂ１，Ｇｂ２を有する感歪抵抗体対Ｇｂの端子部ｂ４が、端子Ｔ３に接続されている。また、感歪抵抗体Ｇａ１の端子部ａ１が端子Ｔ４に接続され、感歪抵抗体Ｇａ２の端子部ａ２が端子Ｔ２に接続されている。また、感歪抵抗体Ｇｂ１の端子部ｂ１が端子Ｔ２に接続され、感歪抵抗体Ｇｂ２の端子部ｂ２が端子Ｔ４に接続されている。

【0039】

回転軸１１０の起歪部１１１に添着された感歪抵抗体Ｇａ１，Ｇａ２，Ｇｂ１，Ｇｂ２を含むホイートストンブリッジ回路の出力が増幅回路３１１へ送られると、増幅回路３１１は、ホイートストンブリッジ回路から送られたアナログ信号を増幅して、ＡＤ変換回路３１２へ送る。次いで、ＡＤ変換回路３１２が、増幅回路３１１から送られたアナログ信号をデジタル信号に変換して、回転側ＣＰＵ３１３へ送る。引き続き、回転側ＣＰＵ３１３は、ＡＤ変換回路３１２から送られたデジタル信号を処理して、回転側光学素子３３１を発光させて、トルク値に対応するデータ信号を赤外光線により送信する。

【0040】

回転側光学素子３３１が発光した赤外光線は、固定側光学素子３３２により受信される。固定側光学素子３３２は、受信結果を固定側ＣＰＵへ送り、固定側ＣＰＵは、受信結果を処理して、ＤＡ（Digital to Analogue）変換回路へ送る。次いで、ＤＡ変換回路が、固定側ＣＰＵから送られたデジタル信号をアナログ信号に変換する。変換結果であるトルク値に対応するアナログ信号は、コネクタ３４０を介して外部の制御装置へ送られる。

【0041】

＜回転軸１１０がねじれたときの平面部分１１１ａ，１１１ｂの状態＞
ここで、回転軸１１０がねじれたときの起歪部１１１の平面部分１１１ａ，１１１ｂ（感歪抵抗体対Ｇａ，Ｇｂ）の状態について、説明する。図８には、図示した方向τに回転軸１１０がねじれたときの起歪部１１１の平面部分１１１ａの状態が、概念的に示されている。点線は回転軸１１０がねじれる前の状態であり、実線は回転軸１１０がねじれたときの状態である。図８に示されるように、回転軸１１０が方向τにねじれると、点Ｈ２，Ｕ１を結ぶ線が伸びて、点Ｈ１，Ｕ２を結ぶ線が縮む。ここで、点線は回転軸１１０がねじれる前の状態であり、実線は回転軸１１０がねじれたときの状態である。ここで、［Ｔ］は伸びたことを表し、［Ｃ］は縮んだことを表している。起歪部１１１の平面部分１１１ｂについても、回転軸１１０が図示した方向τにねじれると、平面部分１１１ａと同様な変形をする。

【0042】

上述した図６（Ａ），（Ｂ）及び図８に示されるように、回転軸１１０が方向τにねじれて起歪部１１１が変形すると、当該変形に伴って、感歪抵抗体対Ｇａでは、感歪抵抗体Ｇａ１を構成する複数の抵抗体が伸びて、感歪抵抗体Ｇａ２を構成する複数の抵抗体が縮む。また、感歪抵抗体対Ｇｂでは、感歪抵抗体Ｇｂ１を構成する抵抗体が伸びて、感歪抵抗体Ｇｂ２を構成する複数の抵抗体が縮む。

【0043】

＜ラジアル評価試験＞
図９（Ａ）には、トルク検出器１００の曲げモーメントの評価試験の例が示されている。図９（Ａ）に示される曲げモーメントの評価試験では、テーブルＴＢＬ上にセットされたスタンド台ＳＴＤにトルク検出器１００を載置し、トルク検出器１００の回転軸１１０にロッドＲＯＤを取り付ける。当該ロッドＲＯＤの先端部に、錘受け皿ＰＬＴに連結された錘連結部材ＪＩＮを取り付けて、錘受け皿ＰＬＴを鉛直下方に吊り下げる。そして、当該錘受け皿ＰＬＴに乗せる錘ＷＧＴの重さを変えて、曲げモーメントの評価試験を行う。

【0044】

こうして曲げモーメントの評価が行われたときの回転軸１１０における起歪部１１１の状態を誇張した図が、図９（Ｂ）に示されている。このように、曲げモーメントが掛かると、起歪部１１１は図９（Ｂ）に示されるように変形する。

【0045】

このため、平面部分に添着する感歪抵抗体を４５度傾斜の感歪抵抗体対にすると、トルク検出に際して、曲げモーメントによる起歪部１１１の歪み成分も混じって検出されてしまう。

【0046】

＜方向ｐａ１，ｐａ２、及び、方向ｐｂ１，ｐｂ２の角度θ＞
そこで、曲げモーメントによる起歪部１１１の歪み成分を受感しない方向ｐａ１，ｐａ２、及び、方向ｐｂ１，ｐｂ２の角度θ（回転軸の軸方向ＡＸと垂直な方向な線方向からの角度）の算出方法について、説明する。

【0047】

曲げモーメントが掛かっているときの起歪部１１１における平面部分１１１ａに添着された感歪抵抗体対Ｇａの概念図が、図１０（Ａ）に示されている。ここで、図１０（Ａ）において、点線の長方形は、起歪部１１１に曲げモーメントが掛かっていないときの感歪抵抗体対Ｇａの外周であり、実線の長方形は、起歪部１１１に曲げモーメントが掛かっているときの感歪抵抗体対Ｇａの外周である。このように、起歪部１１１に曲げモーメントが掛かると、感歪抵抗体対Ｇａの外周は、点Ｈ１，Ｕ１，Ｂ，Ｕ２，Ｈ２，Ｈ１を通る点線の外周から、点Ｖ１，Ｗ１，Ｃ，Ｗ２，Ｖ２，Ｖ１を通る実線の外周に変形する。すなわち、起歪部１１１の平面部分１１１ａは、＋Ｘ方向に伸びる。そして、領域Ｒａ１及び領域Ｒａ２は、軸方向ＡＸに平行な線ＯＢに対称に変形する。

【0048】

感歪抵抗体Ｇａ１が配置される領域Ｒａ１について、曲げモーメントによって変形する線分（Ｖ１－Ｗ１）上にある点をＱ１とし、変形前の線分（Ｈ１－Ｕ１）上にある点をＰ１とする。そして、点Ｏと点Ｑ１とを結んだ線分の長さと、点Ｏと点Ｐ１とを結んだ線分の長さとが等しくなる角度に、感歪抵抗体Ｇａ１の最大感度方向が向くように、当該感歪抵抗体Ｇａ１を配置する（図１０（Ｂ）（iii），（iv）を参照）。

【0049】

感歪抵抗体Ｇａ２が配置される領域Ｒａ２について、曲げモーメントによって変形する線分（Ｖ２－Ｗ２）上にある点をＱ２とし、変形前の線分（Ｈ２－Ｕ２）上にある点をＰ２とする。そして、点Ｏと点Ｑ２とを結んだ線分の長さと、点Ｏと点Ｐ１とを結んだ線分の長さとが等しくなる角度に、感歪抵抗体Ｇａ２の最大感度方向が向くように、当該感歪抵抗体Ｇａ２を配置する（図１０（Ｂ）（ｉ），（ii）を参照）。

【0050】

ここで、感歪抵抗体Ｇａ１及び感歪抵抗体Ｇａ２は、軸方向ＡＸに平行な線分ＯＢに対称に配置されている。また、曲げモーメントによって、領域Ｒａ１及び領域Ｒａ２は、軸方向ＡＸに平行な線ＯＢに対称に変形する。このため、感歪抵抗体Ｇａ１における点Ｏと点Ｑ１とを結んだ線分の長さと、感歪抵抗体Ｇａ２における点Ｏと点Ｑ２とを結んだ線分の長さは同じになる（長さＬ１とする）。また、感歪抵抗体Ｇａ１における点Ｏと点Ｐ１とを結んだ線分の長さと、感歪抵抗体Ｇａ２における点Ｏと点Ｐ２とを結んだ線分の長さは同じになる（長さＬ２とする）。したがって、また、感歪抵抗体Ｇａ１及び感歪抵抗体Ｇａ２は、長さＬ１と長さＬ２とが等しくなる角度は同じになる（角度θとする）。

【0051】

長さＬ１と長さＬ２とが等しいことは、曲げモーメントによる変形前と変形後とで、感歪抵抗体の歪の量が同じということになる。このことは、回転軸１１０にラジアル方向の荷重が負荷されて起歪部１１１に曲げモーメントが発生して、起歪部１１１の軸方向への伸びがあっても、感歪抵抗体はその伸びを受感しないことを意味する（以下、「伸び不感」とも記す）。この長さＬ１と長さＬ２とが等しくなる角度θは、以下のようにして求められる。

【0052】

図１０（Ｂ）（i），（iii）において、長さｚは、角度θ（方向ｐａ１，ｐａ２）を定める長さである。また、長さａは、曲げモーメントが掛かる前の領域Ｒａ１，Ｒａ２における軸方向ＡＸ（Ｘ方向）に垂直な方向の長さである。また、νは起歪部１１１のポアソン比であり、ｋはＸ方向の伸び率である。

【0053】

このとき、長さＬ１は、次の（１）式で与えられる。
Ｌ１＝［(１－ｋν)²×ａ² ＋ (１＋ｋ)²×ｚ²］^1/2 …（１）
また、長さＬ２は、次の（２）式で与えられる。
Ｌ２＝［ａ² ＋ ｚ²］^1/2 …（２）

【0054】

（１）式、（２）式、及び、(Ｌ１)² ＝ (Ｌ２)²の関係から、次の（３）式が成立する。
(１－ｋν)²×ａ² ＋ (１＋ｋ)²×ｚ² ＝ ａ² ＋ ｚ² …（３）
したがって、長さｚは、次の（４）式で与えられる。
ｚ＝ ± [((２－ｋν)×ν)/(ｋ＋２)] ^1/2×ａ …（４）

【0055】

tanθ＝ｚ/ａの関係から、角度θは、次の（５）式で与えられる。
θ＝tan^-1 [((２－ｋν)×ν)/(ｋ＋２)] ^1/2 …（５）

【0056】

起歪部１１１のボアソン比νが０．３、伸び率ｋが０．１の場合、（５）式から、θ＝２７．９度となる。このときの感歪抵抗体が検出することができるせん断の歪みは、モール円においてτsin２θであるため（τ：せん断応力）、出力に(１/sin２θ)を乗じて、実際のせん断歪に対応する値を得る。したがって、感歪抵抗体Ｇａ１，Ｇａ２は、起歪部１１１の軸方向ＡＸへの伸び縮みについて感度がなく、回転軸１１０の歪みに感度を有する感歪抵抗体（伸び不感の感歪抵抗体）となっている。

【0057】

起歪部１１１における平面部分１１１ｂに添着された感歪抵抗体対Ｇｂの方向ｐｂ１，ｐｂ２の角度θについても、感歪抵抗体対Ｇａの場合と同様にして求められる。そして、方向ｐａ１，ｐａ２、及び、方向ｐｂ１，ｐｂ２の角度θは、上述した（５）式となる。したがって、感歪抵抗体Ｇｂ１，Ｇｂ２は、起歪部１１１の軸方向ＡＸへの伸び縮みについて感度がなく、回転軸１１０の歪みに感度を有する感歪抵抗体（伸び不感の感歪抵抗体）となっている。

【0058】

よって、感歪抵抗体Ｇａ１，Ｇａ２，Ｇｂ１，Ｇｂ２を使用することにより、トルク検出器１００の回転軸１１０にラジアル方向の荷重が負荷されてもトルクの測定に干渉せずに、精度良くトルクの測定を行うことができる。

【0059】

なお、感歪抵抗体Ｇａ１，Ｇａ２の軸方向の対称、感歪抵抗体Ｇｂ１，Ｇｂ２の軸方向の対称にわずかなズレがあっても、４５度傾斜の感歪抵抗体に比べて、曲げモーメントの影響を除去することができる。

【0060】

以上、説明したように、本実施形態では、Iカットの起歪部１１１を採用し、回転軸１１０に加えられる回転トルクを、起歪部１１１の平面部分１１１ａに添着された感歪抵抗体Ｇａ１，Ｇａ２、及び、起歪部１１１の平面部分１１１ｂに添着された感歪抵抗体Ｇｂ１，Ｇｂ２の抵抗値の変化を取得することで検出する。

【0061】

かかる検出に際し、感歪抵抗体Ｇａ１，Ｇａ２については、起歪部１１１に加わる曲げモーメントにより生じる歪みを受感しない方向となるように、平面部分１１１ａに添着される。また、かかる検出に際して、感歪抵抗体Ｇｂ１，Ｇｂ２についても、起歪部１１１に加わる曲げモーメントにより生じる歪みを受感しない方向となるように、平面部分１１１ｂに添着される。当該方向は、起歪部１１１のポアソン比から定められる。すなわち、感歪抵抗体Ｇａ１，Ｇａ２，Ｇｂ１，Ｇｂ２は、起歪体１１１の軸方向への伸び縮みについての感度がなく、回転軸１１０の歪みに感度を有する感歪抵抗体となっている。

【0062】

このため、本実施形態では、高湿度の環境化でもIカットの起歪部１１１を際し、曲げモーメントの影響を低減して正確なトルクを測定することができる。

【0063】

したがって、本実施形態によれば、トルク検出に際して、起歪部に加わる曲げモーメントにより生じる歪みを受感しないようにすることができる。
［実施形態の変形］
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

【0064】

上記の実施形態では、Ｉカットにした起歪部の２つの平面部分に感歪抵抗体対を添着したが、１つの平面部分面に感歪抵抗体を添着するようにしてもよい。

【0065】

また、上記の実施形態では、起歪部の形状を、平面部分を２つ有するIカットにしたが、平面部分を１つ又は３以上であってもよい。

【0066】

また、上記の実施形態では、丸棒型起歪体を加工して、互いに１８０度異なる向きに、軸方向と平行な２面の平面部分を設けた起歪部（Ｉカットの起歪体）とした。これに対し、丸棒型起歪体を加工して、互いに９０度異なる向きに、軸方向と平行な４面の平面部分（４角起歪体）を設けた起歪部にする。そして、当該４面のうちの少なくとも１面に、本実施形態の伸び不感の感歪抵抗体を添着するようにしてもよい。この場合にも、起歪部の曲げモーメントにより生じる軸方向の伸びを受感せず、回転軸に加わるトルクを精度良く検出することができる。

【0067】

また、丸棒型起歪体に、本実施形態の伸び不感の感歪抵抗体を添着する構成としてもよい。この場合には、丸棒型起歪体を採用するトルク検出器の曲げモーメントに対して不感であり、測定精度を向上させることができる。

【0068】

また、上記の実施形態では、２つの感歪抵抗体を有する２軸剪断のひずみゲージを採用したが、１つの感歪抵抗体から構成されるひずみゲージを、起歪部の各平面部分又は曲面部分に添着するようにしてもよい。また、１つの感歪抵抗体から構成されるひずみゲージを１枚、起歪部に添着する構成を採用する場合には、ホイートストンブリッジ回路の１辺に当該感歪抵抗体を配置して、ホイートストンブリッジ回路の他の３辺に固定値抵抗を配置するようにすればよい。

【符号の説明】

【0069】

１００ … トルク検出器
１１０ … 回転軸
１１１ … 起歪部
１１２ … 回転軸ツバ
１１１ａ，１１１ｂ … 平面部分
１２１，１２２，１２３ … 筐体
１２４ … 蓋
１２５ … ナット
１３１，１３２ … ベアリング
２１１ … １次側コア
２１２ … １次側コイル
２１３ … コアフォルダ
２２１ … ２次側コア
２２２ … ２次側コイル
２２３ … ２次側コアスペース
３１０ … 回転基板
３１１ … 増幅回路
３１２ … ＡＤ変換回路
３１３ … 回転側ＣＰＵ
３２１，３２２ … 固定基板
３３１ … 回転側光学素子
３３２ … 固定側光学素子
３４０ … コネクタ
ＡＸ … 軸方向
Ｇａ，Ｇｂ … 感歪抵抗体対
Ｇａ１，Ｇａ２，Ｇｂ１，Ｇｂ２ … 感歪抵抗体
Ｒａ１，Ｒａ２ … 領域
ａ０，ｂ０ … 基材
ａ１，ａ２，ａ３，ｂ１，ｂ２，ｂ３ … 端子部
ｐａ１，ｐａ２，ｐｂ１，ｐｂ２ … 方向

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】