トルクセンサーは、機械の動作や製品の性能を正確に管理・制御するために欠かせないセンサーです。自動車や製造業をはじめ、さまざまな分野で利用されており、機械の効率化や安全性の向上に貢献しています。

本記事では、トルクセンサーの仕組みや種類、そしてメリット・デメリットまでを徹底解説します。トルクセンサーの導入を検討している方や、より深く理解したい方はぜひご一読ください。

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１．トルクセンサーとは？

トルクセンサーは、物体の回転やねじれに伴う力、すなわちトルク（回転力）を計測するためのセンサーです。
トルクは物体を回転させる力のことで、ドライバーでネジを回す時の力やエンジンのシャフトの回転に伴う力などがその例です。トルクセンサーは、機械の効率的な運用や故障の予防に役立ちます。

また、トルクセンサーに似た用語でトルクモータがありますが、トルクモータは「トルクを生成し、機械の動力源として機能する」デバイスです。
トルクモータについては以下の記事を参考にしてください。

（1）トルクセンサーの役割

トルクセンサーの主な機能は、機械にかかるトルク（回転力）をリアルタイムで検出し、そのデータを基に制御や監視を行うことです。トルクの値は、機械や装置がどれだけの力を発揮しているか、またはどれだけの負荷がかかっているかを示す重要な指標であり、これを正確に把握することが、機械の効率的かつ安全な運用には不可欠です。
以下に、トルクセンサーの具体的な役割を詳しく解説します。

①エネルギー効率の向上

トルクセンサーを導入することで、機械のエネルギー効率を高めることが可能です。
トルクは機械の負荷や出力を反映する重要な指標であり、これを正確に測定することで、機械の運転状態を最適化できます。
例えば電動モーターを使用する機械では、適正なトルクを維持することで最適なエネルギー消費で運転を持続することが可能です。特に製造業の複数モーターを使用するラインでは、エネルギー削減とコストカットに繋がる重要な役割を果たします。

②機械の保護

トルクセンサーは、過剰なトルクが機械にかかることによる故障や破損を防ぎます。
例えば、工作機械で過度なトルクが工具にかかると破損のリスクがありますが、トルクセンサーが異常を検知し自動で動作を制御することでリスク低減が可能です。また、トルクを適切に管理することで、機械の寿命が長くなり、メンテナンスコストの削減も期待できます。

③品質管理

製造プロセスにおいて、正確なトルク管理は製品の品質を左右します。
締め付け作業ではトルクが不足すると部品が緩む可能性があり、過剰だと損傷する恐れがあります。トルクセンサーを用いることで、均一な品質を維持し、不良品の発生を抑制することが可能です。
またトルクセンサーは、品質検査の効率化や信頼性向上にも貢献します。

（2）トルクセンサーが必要とされる理由

トルクセンサーは、なぜこれほどまでに広範囲の分野で必要とされているのでしょうか？その理由について解説します。

①高精度なトルク管理の必要性

製品が安全基準を満たすためには、トルクの正確な計測が不可欠です。
例えば自動車のエンジンやトランスミッションの性能評価でも、トルクの変化を正確に計測することで、より高効率な動力伝達を実現できます。

②機械の寿命延長とコスト削減

適切なトルク管理は機械の寿命を延ばし、メンテナンスコストを削減するためにも重要です。
トルクが適正に管理されていないと、機械の部品が早期に摩耗したり、故障が発生したりするリスクが高まります。トルクセンサーを導入することでこれらの問題を防ぎ、長期間にわたって安定した稼働を実現できます。

③安全性の向上

トルクセンサーは、機械の異常な動作や過負荷を検出するためにも使用されます。
例えば自動車のステアリングシステムでは、ステアリングホイールにかかるトルクを常に監視し、異常が検知された場合にアラートを出すことで、事故の発生を未然に防止可能です。
また、産業機械やロボットの安全性確保にもトルクセンサーが活用されています。機械が予期せぬ力を受けた際に即座に停止するシステムと連動させることで、作業者の安全を守ることができます。

【参考動画】トルクセンサーについては以下の動画も参考にして下さい。

引用：DQH型トルクセンサーの紹介 – YouTube

引用：両軸回転式トルクセンサー TSシリーズの紹介- 東陽テクニカ – YouTube

２．トルクセンサーの仕組みと種類

トルクセンサーは、機械や装置にかかる回転力（トルク）を検出し、その情報を電気信号に変換して解析するセンサーです。
この解析により、トルクの大きさや変動をリアルタイムでモニタリングし、機械の制御や保護、さらには効率的な運用が可能です。またトルクセンサーの仕組みにはさまざまな技術が採用されており、用途に応じた異なるタイプのセンサーが存在します。
ここでは、トルクセンサーの動作原理と種類について詳しく解説します。

（1）トルクセンサーの動作原理

トルクセンサーには、いくつかの異なる動作原理があり、それぞれの用途や条件に応じた選択が可能です。
代表的なものを以下に紹介します。

①ひずみゲージ式

引用：https://product.kyowa-ei.com/learn/transducers/sensors_torque

最も一般的なトルクセンサーで、回転軸にトルクが加わると軸がわずかに変形し、その変形をひずみゲージが検出します。ひずみゲージは応力や変形に伴う電気抵抗の変化を捉え、その変化量を電気信号に変換してトルクを算出します。
ひずみゲージ式は、高い精度と幅広い測定範囲に対応しており、モーターや産業用機械のトルク管理に広く使用されています。

②磁歪式

引用：https://monoist.itmedia.co.jp/mn/articles/2405/13/news049_2.html

磁歪式（じわいしき）トルクセンサーは、磁性材料の特性を利用してトルクを測定します。磁性材料にトルクが加わると、その磁気特性が変化し、その変化をセンサーが検出してトルクを電気信号として出力します。非接触で計測できるため、摩耗が少なく耐久性に優れ、特に過酷な環境下での使用に適しています。また、長寿命でメンテナンスが容易な点も特徴です。

③光ファイバー式

光ファイバーを使用したトルクセンサーは、光の伝送特性を利用してトルクを計測します。回転軸にかかるトルクによるひずみが光ファイバーの伸縮に反映され、その変化を光の位相変化として捉えます。光ファイバー式は外部の電磁干渉を受けにくく、非常に高精度な計測が可能です。主に医療機器や精密装置など、高度な精度が求められる分野で活躍しています。

④電磁誘導式

電磁誘導式トルクセンサーは、トルクがかかることで回転軸内の電磁誘導が変化し、その変化を検出してトルクを測定する方式です。トルクを非接触で測定可能なため、高速回転する機械や大きなトルクが発生するシステムに適しています。特に、自動車や航空機のエンジンなど、高速で動作する装置での利用が一般的です。

（2）トルクセンサーの種類

トルクセンサーは、さまざまな原理に基づいて動作し、それぞれの使用目的や用途に応じて分類されます。以下に、代表的なトルクセンサーの種類を詳しく説明します。

①回転型トルクセンサー

回転型トルクセンサーは、回転軸に直接取り付けて回転中のトルクを測定します。エンジンやモーターなど、動力を発生させる装置でのトルク測定に適しており、リアルタイムでの動作監視や制御に利用されます。動的なトルク変動にも対応できるため、性能試験や品質管理に不可欠です。

②静的トルクセンサー

静的トルクセンサーは、動かない状態でのトルクを測定するためのセンサーで、ボルトやナットの締付けトルクの管理や、固定部材の応力測定に使用されます。品質管理や製品検査での精密な計測が求められる場面で効果を発揮します。

③動的トルクセンサー

動的トルクセンサーは、変動するトルクをリアルタイムで測定できるセンサーです。エンジンやトランスミッションの性能試験、回転機械の動作解析など、動的な環境下での使用に適しており、正確なトルクのモニタリングが可能です。

④非接触型トルクセンサー

非接触型トルクセンサーは、回転軸に直接接触せずにトルクを測定します。磁気や光を利用してトルクを検出するため摩耗が発生せず、耐久性に優れた設計となっています。特に高速回転する機械や過酷な環境での使用に適しており、自動車や航空機のエンジンに広く採用されています。

３．トルクセンサーの用途

トルクセンサーは、トルク（回転力）を計測するためのセンサーであり、その用途は多岐にわたります。トルクセンサーは、自動車業界、産業機械、医療機器、さらにはスポーツやフィットネス機器など、さまざまな分野で活用されており、それぞれの分野で重要な役割を果たしています。
ここでは、トルクセンサーが各分野でどのように利用されているかを詳しく説明します。

（1）自動車業界におけるトルクセンサーの役割

自動車産業では、トルクセンサーが車両の性能向上、燃費改善、安全性の確保に大きく貢献しています。特にトルクのリアルタイム監視と制御は、以下のような各部品の適切な動作に不可欠です。

エンジン制御	・エンジンの出力トルクをリアルタイムで測定することで、燃料供給や点火タイミングの最適化が可能 ・燃費改善や排出ガス削減に寄与
パワーステアリングシステム	・電動パワーステアリング（EPS）では、運転者がステアリングにかける力をトルクセンサーが検出し、その力に応じて電動モーターが補助 ・操舵が軽くなり、安全かつ快適な運転をサポート
トランスミッションの制御	・オートマチックトランスミッションでは、トルクセンサーがエンジンとトランスミッションの間でトルクを監視し、スムーズなシフトチェンジを実現 ・変速時のショックを最小限に抑え、快適なドライブ体験が提供される

（2）産業機械や製造分野でのトルクセンサーの利用

トルクセンサーは、産業機械や製造分野において、機械の制御や品質管理に欠かせない存在です。精密なトルク管理が製品の品質や生産効率に直結するため、以下のようなさまざまな機械や装置にトルクセンサーが導入されています。

ねじ締め装置	製造業ではねじの締付けトルクが正確でないと、部品の損傷や緩みが発生する可能性があります。トルクセンサーは正確なトルクを保証することで、不良品の発生を防ぎ、製品の品質を確保します。
ロボットのトルク制御	産業用ロボットにおいてトルクセンサーは力加減を調整し、組立や加工を精密に行うために重要です。これにより、製品の一貫した品質が維持されます。
加工機械の負荷監視	トルクセンサーは、切削や研削などの加工機械で、工具の負荷をリアルタイムで監視し、過剰な負荷がかかる前に対策を講じます。これにより、工具の寿命が延び、生産コストを削減できます。

（3）医療分野でのトルクセンサーの利用

医療分野でも、トルクセンサーは患者の安全や治療の効果を高めるために重要な役割を果たしています。以下の表のように、手術用ロボットやリハビリ機器、義肢など、さまざまな医療機器にトルクセンサーが組み込まれています。

手術ロボット	手術用ロボットにはトルクセンサーが搭載されており、外科医が操作する際の微細な力を検出します。これにより、手術の安全性と精度が向上し、手術リスクの低減に貢献しています。
リハビリ機器	リハビリ機器にはトルクセンサーが組み込まれ、患者の筋力や関節の動きを正確に測定し、最適な負荷を提供します。これにより、リハビリの効果をデータとして可視化し、個々の患者に合わせたリハビリプログラムを提供できます。
義肢や補助具	トルクセンサーは人工関節や義肢の動作を制御するためにも使用されており、患者の自然な動きをサポートします。これにより、歩行や日常動作の改善が図られています。

（4）スポーツや健康機器へのトルクセンサーの応用

トルクセンサーは、スポーツ科学やフィットネスの分野でも、パフォーマンス向上や健康管理に大きく貢献しています。以下のように、アスリートの動作解析やトレーニング機器での負荷調整に利用され、より効果的なトレーニングを支援しています。

フィットネスマシン	フィットネスマシンにはトルクセンサーが搭載されており、トレーニング中の負荷をリアルタイムで測定し、個々のトレーニングレベルに合わせて調整されます。これにより、安全で効果的なトレーニングが可能になります。
スポーツ用計測機器	アスリートの動作解析にはトルクセンサーが利用され、体にかかる負荷や動きのデータをもとに、技術改善や怪我の予防が行われています。

４．トルクセンサーの選び方

トルクセンサーを選定する際には、使用目的や環境、求められる精度、コストなど、さまざまな要素を考慮する必要があります。適切なトルクセンサーを選ぶことで、機械やシステムの効率化、安全性向上、そしてコスト削減が可能となります。
ここでは、トルクセンサーを選定する際に重要なポイントについて解説します。

（1）使用環境や必要なトルク範囲に応じた選定

トルクセンサーを選ぶ際、まず考慮すべきは「使用環境」と「測定したいトルク範囲」です。これにより、センサーが適切な性能を発揮できるかが決まります。

①使用環境の確認

トルクセンサーを使用する環境によっては、防塵、防水、耐熱性などを備えたセンサーが必要です。
例えば製造現場や工場では、センサーが高温や多湿環境にさらされることがあります。そのため、耐熱性や防湿性を備えたセンサーが求められます。
また建設現場や製造業では、粉塵が多く発生する環境での使用が多いです。この場合、防塵性能を持つトルクセンサーを選定することが重要です。

②トルク範囲の選定

トルクセンサーは、特定のトルク範囲に対応しており、使用する装置のトルクがトルクセンサーの測定範囲内であることを確認することが不可欠です。
トルクセンサーが対応できる最小・最大トルク範囲を確認し、実際の使用状況に適した範囲内のセンサーを選定しましょう。余裕のある範囲を選ぶことで、過負荷によるセンサー損傷を防ぎます。

（2）精度と耐久性での選定

トルクセンサーの性能は、その測定精度と耐久性に大きく依存します。用途や求められる測定精度によって、選ぶべきセンサーの性能は異なります。

①計測精度

トルクセンサーの測定精度は、特に自動車や航空宇宙産業など精密な制御が必要な分野で重要です。高精度なトルクセンサーは、機械の品質管理や最適な制御に欠かせません。
精度レベルが±0.1%や±0.5%の高精度が求められる場合があります。用途に応じて、どの程度の精度が必要かを検討し、最適なトルクセンサーを選びましょう。

②耐久性

長期間使用する機械や装置では、トルクセンサーが繰り返し負荷に耐えられることが求められます。過酷な環境や高頻度で使用される場合、耐久性の高いモデルを選ぶことが重要です。
耐久性が低いセンサーは頻繁に交換が必要になるため、耐久性に優れたセンサーを選ぶことで長期的なコスト削減に繋がります。

③信頼性

センサーを製造するメーカーの信頼性も選定時に考慮すべきです。長年の実績や品質保証体制が整っているメーカーの製品を選ぶことで、導入後のトラブルを防ぐことができます。

（3）コストとパフォーマンスのバランスを考慮した選定

トルクセンサー選定の際には、コスト面も重要な要素です。価格だけでなく、性能や耐久性とのバランスを考えることが必要です。

①予算の設定

まず予算を設定し、その範囲内で最適なトルクセンサーを選定します。初期費用だけでなく、設置やメンテナンスコストも考慮することで、トータルコストを正確に見積もることができます。
コスト削減のために必要な性能を妥協すると、長期的に運用コストが増える可能性があります。必要な性能を維持しつつ、予算に合った製品を選ぶことが大切です。

②トータルコストの考慮

トルクセンサーの初期コストだけでなく、長期間のメンテナンスや運用コストを考慮しましょう。高性能で耐久性が高いセンサーは初期投資が高いことがありますが、長期的にはメンテナンス費用の削減に繋がります。
初期投資を抑えるために低価格のセンサーを選ぶと、将来的に高額なメンテナンスや交換費用が発生することがあります。これを避けるためには、耐久性や信頼性の高いモデルを選定することが推奨されます。

５．トルクセンサーのメリットと注意点

トルクセンサーは、多くの産業や分野で幅広く使用されており、その導入には多くのメリットがあります。しかし、導入に伴うデメリットも無視できないため、両者を十分に理解した上で選定を行うことが重要です。
ここでは、トルクセンサーのメリットとデメリットを詳しく解説します。

（1）トルクセンサーを導入するメリット

トルクセンサーには、製造業や自動車産業をはじめとする多くの分野で多大な利点を提供する重要な役割があります。以下、トルクセンサーを導入する主なメリットについて説明します。

①高精度なトルク計測

トルクセンサーの最大の強みは、トルクを非常に高精度に測定できる点です。
微小なトルクの変動をリアルタイムで検出できるため、精密な機械制御や調整が可能です。自動車のエンジンやトランスミッションの動作を最適化したり、産業用ロボットの精密作業に活用されています。特に、締付けトルクの管理によって、製品の不具合を未然に防ぐことができ、製造業においても欠かせない技術です。

②機械や設備の安全性向上

トルクセンサーは、機械や設備の安全性を確保する重要な役割を果たします。トルクが異常に増加した際にセンサーがそれを検知し、システムを停止させたり警告を発したりします。これにより、過負荷による機械の損傷や事故を防ぎ、作業者の安全を守ることができます。自動車の電動パワーステアリングシステムでは、トルクを検出してドライバーの操作をアシストし、安全で快適な運転を支援しています。

③生産効率の向上

トルクセンサーを導入することで、リアルタイムにトルクをモニタリングし、機械や装置の動作を最適化できます。これにより、エネルギーの無駄を減らし、さらに機械の故障を未然に防ぐことができ、メンテナンスの頻度も抑えられます。製造ラインでは、トルクセンサーの導入により不良品の発生が減り、品質管理が自動化されることで、効率的な生産が実現します。

④長期的なコスト削減

トルクセンサーは機械や装置の寿命を延ばし、故障やトラブルを未然に防ぐことで長期的なコスト削減に貢献します。また、エネルギー効率の向上により、運用コストの削減も期待できます。トルクセンサーの初期投資は高いですが、その後のメンテナンスや修理費用の低減により、総合的なコストパフォーマンスが向上します。

⑤品質管理の強化

製造業では製品の品質管理が厳しく求められます。トルクセンサーを使うことで、ボルトやナットの締付けトルクを正確に管理でき、製品の品質ばらつきを防ぐことができます。特に、自動車や航空機などの安全性が重視される産業では、精密なトルク管理が欠かせません。

（2）トルクセンサーを導入する際の注意点

トルクセンサーには多くのメリットがある一方で、導入や使用に際していくつかのデメリットも存在します。これらのデメリットを理解し、事前に対策を講じることが重要です。

①初期導入コストが高い

トルクセンサーは非常に精密な機器であり、特に高精度なモデルや特殊な環境で使用できるタイプは高額になります。さらに、トルクセンサー自体のコストだけでなく、周辺機器の購入や設置作業にも費用がかかります。特に中小規模の企業にとっては、この初期投資が大きな負担となることがあります。

②設置や運用に専門的な技術が必要

トルクセンサーの設置や運用には、高度な専門知識と技術が求められます。正確な計測を行うためには、設置の際に適切なキャリブレーションが必要です。また、センサーから得られたデータを解析して装置に反映するためには、熟練した技術者が必要になります。これに伴う教育や訓練も必要となり、追加のコストやリソースが求められます。

③環境条件による影響

トルクセンサーは使用環境に影響されやすく、温度や湿度、振動などによって測定精度が低下することがあります。特に電磁ノイズが多い場所では、センサーの精度が低下することがあり、適切な対策が必要です。これらの環境条件に対応したトルクセンサーを選ぶことが重要ですが、それによりコストがさらに増加する場合があります。

④定期的なメンテナンスが必要

トルクセンサーは長期間使用することで劣化し、測定精度が低下することがあります。特にひずみゲージ式のトルクセンサーは長期使用により部品が摩耗しやすく、定期的なメンテナンスや校正が必要です。これに伴い、メンテナンス費用やダウンタイムが発生するため、運用コストに影響を与えます。

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