(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トルク伝達系のトルクを非接触で検出する方法において、円筒体の一部に全周に円周方向に対し斜め方向スリットを複数等間隔に成形した弾性円筒体と、該弾性円筒体のスリット成形部に、間隙を持って非接触変位センサを設けたことを特徴とするトルクセンサにおいて、非接触変位センサとして絶縁体12内に３個の環状電極11b，11a，11cを軸方向に配置し、環状電極11aの外側にある２つの環状電極11b，11cを短絡し、中央の環状電極11aと弾性円筒体間、及び弾性円筒体と短絡した外側の環状電極11b、11c間でコンデンサを形成し、静電容量型の変位センサを構成したことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２】
トルク伝達系のトルクを非接触で検出する方法において、円筒体の一部に全周に円周方向に対し斜め方向スリットを複数等間隔に成形した弾性円筒体と、該弾性円筒体のスリット成形部に、間隙を持って非接触変位センサを設けたことを特徴とするトルクセンサにおいて、非接触変位センサとして、磁性体でできたケースヨーク内に励磁コイル及び検出コイルを軸方向に配置し、励磁コイル及び検出コイルの両端に磁性体でできた端面ヨークを置き、励磁コイルと検出コイルの間に中間ヨークを配置し、弾性円筒体と励磁コイル及び検出コイルを含む各ヨークにより磁気回路を構成したことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項３】
複数の円筒体の肉厚が異なる請求項１の弾性円筒体を用いたトルクセンサを直列に結合し、隣り合う弾性円筒体で肉厚の薄い方の入力軸と厚い方の出力軸がわずかの回転角度で結合するストッパを形成していることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項４】
非接触変位センサを内包するハウジング部がモータのフランジと結合でき、モータシャフトに勘合するスリーブと弾性円筒体のフランジ部が結合可能である特許請求項１のトルクセンサ。
【請求項５】
ステータの外側に環状のマグネットを置いて、該マグネットの外側のヨークがシャフトに結合しているＤＣブラシレスモータにおいて、ヨークのマグネットと軸間のつなぎ部に複数の斜めスリットを成形し、該斜めスリットに対面してその内側にステータの軸方向に非接触変位センサを置いたことを特徴とするトルクセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、停止時から高速回転時における軸に付加される微小なトルクを検出するのに好適なトルクセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のトルクセンサは、図14に示すように強磁性体で作られた全く同じ歯車202，203をト−ションバ−11の両側に取り付け、それぞれの歯車202，203の外周面に対面して、電磁ピックアップ204，204'を設置した構造となっていた。したがって、回転中にト−ションバ−の両端にトルクが加わるとト−ションがねじれ両側の歯車に位相差が生じる。この位相差からトルクの大きさを検出していた。
【０００３】
また、別のトルク検出法として、図15に示すように、軸211の長手方向に対し45゜及びー45゜をなすらせん形状に薄いアモルファス磁性合金212,212'を接着し、その外側に同心にコイル213,213'を配置したものがある。軸211にトルクが加わると、アモルファス磁性合金の一方212には引っ張り応力が、他方の212'には圧縮応力が発生し、この応力によりアモルファス磁性合金212，212'の透磁率が変化するので、コイル213,213'のインダクタンスの変化として検出し、２つのコイルの差動出力によりトルクの大きさと方向を検出していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする問題点】
第１の方式の場合、位相差を検出するには軸が回転していなければならない。したがって、静止時のトルク測定を行なおうとした場合、特殊な回転装置を必要とし構造が複雑になる。また微小なトルクを検出しようとした場合、軸両端に検出に必要な位相差を生じさせるには長いト−ションバ−が必要で検出装置の全長が長くなり小型化が難しいなどの問題点があった。
また、第２の方式では軸にアモルファス磁性合金を接着しているため、軸とアモルファス磁性合金の熱膨張係数が異なるため、温度変化による測定誤差が生じる。また微小なトルクでは歪みが少ないため、応力の発生がわずかであり、微小なトルクの検出は困難である。またモータ内などの磁気的外乱のある環境や、さらに磁気特性が変化するキューリー点以上の温度では使用できない等の問題があった。
本発明は上記従来技術の欠点をなくし、使用環境によらず、静止から高速回転時における微小トルクを検出できる省スペース型のトルクセンサを提供することを目的とするものである。
【０００５】
【問題点を解決するための手段】
上記目的は、トルク伝達系に設けたトルクにより撓むようにした弾性体円筒面の変位を、トルク伝達系外部または内部に設置した非接触変位センサにより検出することにより達成される。
すなわち、トルク伝達軸の負荷軸と駆動軸の間に円周方向に対し２０〜７０度斜め方向に複数のスリットを等間隔に設けた弾性円筒体を挿入し、駆動軸、弾性円筒体、負荷軸の回転中心が一致するように配置結合する。そして弾性円筒体のスリット成形部の半径方向の変位を検出できるように、円筒面を取り囲む円環状の非接触変位センサを配置した構成、または弾性円筒体内部に非接触変位センサを配置した構成のトルクセンサにより達成できる。なお非接触変位センサには、磁気及び温度の影響を受けない静電容量方式、あるいは磁気抵抗変化検出方式などが利用できる。
【０００６】
【作用】
負荷軸に加わったトルクにより、弾性円筒体はその両側がねじられ、中央部の斜めスリットを形成した円筒体の残りであるブリッジ部において、トルクの付加方向がスリットに引っ張り力が働く方向の場合、絞られて直径が縮み、これと逆方向の場合、その直径が脹らむように変形する。この変形量はトルクの大きさに比例するので、ブリッジ部を円周方向に取り囲む円環状の非接触変位計により検出することにより、回転、非被回転によらずトルクの大きさと方向を知ることができる。
また斜めスリットの円周方向に対する角度を変えること、及びスリットの成形本数を変えることにより、同一トルクに対するブリッジ部の半径方向変形量を任意の量に制御できる。すなわち斜めスリットの円周方向に対する角度を小さくするかスリットの本数を多くすると、大きな半径方向の変位が得られ、微小なトルクの検出が可能となる。
【０００７】
【実施例】
図１は第１の実施例で、本発明の基本的なトルクセンサを示したものである。鋼鉄などの金属製の直径に比べて薄肉の弾性円筒体１の円筒面に、複数の斜めスリット２を円周方向に対しある任意の傾斜角度（２０〜７０度）をもって等間隔に成形したブリッジ部３と、このブリッジ部３を取り囲む様に、環状の非接触変位センサ６を配置している。弾性円筒体１の一方の端面からは回転自由にベアリング１０aに支持された軸部９がでており、これと反対面はフランジ部４となって、このフランジ部４に対応する入力軸７のフランジ部８と接着剤またはねじにより結合されている。入力軸７はベアリング１０ｂにより回転自由に支持されている。軸部９、弾性円筒体１及び入力軸７はその軸心が同一線上にあり、入力軸７の回転力が弾性円筒体１を介して軸部９に伝えられる。
【０００８】
図２は本発明のトルク検出の原理を模式的に示したもので、図１における弾性円筒体１と非接触変位センサ６のみを表示している。図２ａは弾性円筒体１の斜めスリット２の間のブリッジ部３が引っ張られる方向に、すなわち図の矢印方向にトルクが作用したとき、ブリッジ部分３は絞られて半径が縮まる。図２ｂは弾性円筒体１のブリッジ部分３が圧縮される方向に、すなわち図の矢印の方向にトルクＴが作用した場合の弾性円筒体の変形状態を示したもので、この場合弾性円筒体のブリッジ部分３の半径が膨らむ。これらの変形量は弾性限度内であればトルクＴに比例するので、その変位量Δｒを検出することにより、トルクの大きさと方向を知ることができる。
【０００９】
弾性円筒体の微少な変位量を測定するには種々の方法が利用できるが、ここでは、まず静電容量の変化を利用する方法について述べる。非接触変位センサは図２に示すように絶縁体12の中に静電容量電極11aび11b,11cが埋め込まれた構造をしている。電極11bび11cは電気的に短絡しており、電極11a−弾性円筒体１−電極11b,11c間でコンデンサを形成している。コンデンサ容量はＣ＝μＡ／ｄ［Ｆ］で示される。ここでμは空気中の誘電率でほぼ真空の誘電率に等しくμ＝8.85×１０−７「Ｑ」である。Ａは電極間の面積で、ｄは電極間の距離である。電極11aと弾性円筒体１間及び弾性円筒体１と電極11b,11c間でコンデンサを形成しているので、電極間距離ｄが変化するとコンデンサ容量Ｃが変化し、このコンデンサ容量の変化量を計測することにより、距離ｄの変化量Δｒが分かりトルクＴの大きさが知れる。
【００１０】
図３はコンデンサ容量変化ΔＣの測定法を示したもので、既知の技術である発信回路13、ブリッジ回路14及び整流回路15を利用して静電容量の変化を電圧に変換し、増幅回路16を通してＡ／Ｄ変換回路17に送られアナログ／デジタル変換してデータ処理回路18に送られる。信号処理回路18ではトルク値を出力したり、しきい値との比較などの信号処理を行い、各種の制御信号が出力される。
【００１１】
弾性円筒体１のブリッジ部分３の半径方向の微少変位量の測定法としては、上に述べた静電容量型変位計のみでなく、弾性円筒体１のブリッジ部分３を、磁気回路の１部とし、変位を磁気抵抗の変化として計測することができる。図４は第２の実施例で、弾性円筒体１と変位検出コイルで構成したトルクセンサで、弾性円筒体１の円周方向に環状に巻き線した励磁コイル21と、検出コイル22が軸方向に並列に配置されている。励磁コイル21と検出コイル22の外周及び両端は強磁性体でできた円筒ヨーク25、端面ヨーク23a、23bで囲まれており、励磁コイル21と検出コイル22の境界には中間ヨーク24を置いている。中間ヨーク24は弾性円筒体１のブリッジ部３の変位が最大となる中央部と一致している。
【００１２】
図５は検出原理を示したもので、円筒ヨーク25、端面ヨーク23bと弾性円筒体１のブリッジ部３及び中間ヨーク24で一つの磁気回路ｘが形成され，円筒ヨーク25、端面ヨーク23bとブリッジ部３及び端面ヨーク23aでもう一つの磁気回路ｙが形成される。発信回路26により一定の交流電圧を励磁コイル21に印可して、一定の交流磁界を発生させると、検出コイル22には磁気回路ｙの磁束数と検出コイル22のコイルの巻き数との積の電圧が発生する。これを整流回路27により直流電圧に変換整流し、信号処理回路28に送って種々の信号処理を行う。発生電圧はブリッジ部３を通って検出コイル22へ漏れ出る磁束が多いほど大となる。磁気回路における抵抗は空隙部においてきわめて大きくなり、その距離に比例するから、トルクが加わって弾性変形により、ブリッジ部３が中間ヨーク24に近づくと弾性円筒体と中間ヨーク間の磁気抵抗が減って、中関ヨーク24を含む磁気回路ｘを通る磁束が増加し、検出回路を囲む磁気回路ｙの磁束が減って出力電圧が小さくなる。また逆方向にトルクが加わって、中間ヨーク24と弾性円筒体１のブリッジ部３との距離が大きくなると、磁気抵抗が増え、中間ヨーク24を含む磁気回路ｘの磁束が減り、検出コイル22を囲む磁気回路ｙを通る磁束が増え出力電圧が増加する。従って、この出力電圧の基準値からの大小によってトルクの大きさと方向を知ることができる。この場合、弾性円筒体にアモルファス磁性合金を使用すると、アモルファス磁性合金の応力による磁気抵抗の変化と、ギャップによる磁気抵抗の変化の両方の効果が得られ、より高い検出感度が実現できる。
【００１３】
スリットを入れた弾性円筒体１では、回転数が高くなると、遠心力の影響を受け、弾性円筒体が外側に膨らんで、見かけ上トルクが加わったような信号が出力される。使用回転数が一定ならば、無付加時の出力信号を記憶し負荷時の出力信号と比較することにより、トルクの大きさを知ることができるが、負荷により回転数も変化する場合、トルク変動か回転数変動かの区別がつきにくい。この場合、回転数も測定し回転数により出力変動を補正すれば良いが、実施例１あるいは２の非接触変位センサを用いた場合回転数の変動を検出できないので、何らかの補正が必要になる。図６に示す第３の実施例はこのような不都合をなくすために、考案したもので、弾性円筒体１に軸方向に２カ所並列に、その傾きが互いに逆方向になるようにスリット2a,2bを成形している。そしてその各々のブリッジ部3a,3bに環状の非接触変位センサ6a、6bが設けてある。遠心力に対しては、両方のブリッジ部3a,3bは外側に広がろうとするが、トルクに対しては、図の矢印の向きの場合、一方のブリッジ部3aは縮み他方のブリッジ部3bは半径が広がるので、両者の差分をとることにより、遠心力による変形をキャンセルしトルクによる変形分のみを検出することができる。この場合、差分をとっているので、変位センサ１個のみの場合より感度は２倍良くなる。従って本方式は感度向上にも有効である。
【００１４】
図７は第４の実施例で、広いトルクレンジの測定を行いたい場合のトルクセンサ構造を示したものである。厚みの異なる２個の弾性円筒体を軸方向に直列に結合している。厚みの薄い弾性円筒体５１では、小さなトルクにより大きな変位が得られ、厚みの厚い弾性円筒体５２では、大きなトルクに対して適切な出力が得られるので、小さいトルクから大きなトルクまで測定レンジを大きくできる。この場合、厚みの薄い弾性円筒体５１では、大きなトルクが加わった場合、変形量が大きくなりすぎ、弾性限界を越える可能性があるので、ある値以上変形が大きくならないように、図８に示すように軸55の弾性円筒体51へ内包される部分に凹部61を成形し、弾性円筒体52の先端部に凸部62を構成し、両者をわずかに回転方向に隙間をあけてかみ合せ、個の隙間以上の相対的な回転生じた場合、凹部61と凸部62が接触して、これ以上相対的な回転角が増加しないようストッパを構成している。
【００１５】
図８は第５の実施例の静止型トルクセンサを示したもので、非接触変位センサを弾性円筒体の内側へ内包した構造をしている。ベースプレート75の円柱部77の内部にある２個のベアリング74a，74bによりシャフト79が回転自由に支持されている。このシャフト79は先端側が、底面をベースプレート75に固定された弾性円筒体71と接着剤またはねじなどにより固着されている。円柱部77の外側には、弾性円筒体のブリッジ部73に内側から対面して、非接触変位センサが、図９の場合静電容量型センサ76が配置されている。シャフト79の先端にトルクが加わり、これに固着した弾性円筒体71がねじられ、ブリッジ部73が膨らみまたは絞られて半径が変位すると、その変位量を非接触変位センサ76により検出しトルクの大きさを知ることができる。
【００１６】
図９は第６の実施例で、高感度にするために図９の静止型トルクセンサにおいて、非接触変位センサ86を弾性円筒体83の外側にも配置した例である。動作原理は図８の第５実施例と同じである。この場合、非接触変位センサ85と86の差分をとって検出感度を２倍に高めている。
【００１７】
本発明によるトルクセンサは円筒状であるため、その内面側の空間を利用することができ省ペース化がはかれる。図１０は第７実施例の、モータの出力軸に直結したトルクセンサを示す。モータ軸114にスリーブ107がねじ116によりにねじ止めされている。スリーブ７のフランジ部105には弾性円筒体103のフランジ部102がねじ108によりねじ止めされている。弾性円筒体103の外側には非接触変位センサ106が置かれている。弾性円筒体103は先端シャフト部101がベアリング104により回転自在に支持されている。非接触変位センサ106及びベアリング104を内包したハウジング112が、モータ113の固定フランジ115にねじ止めされている。モータ113の回転力は弾性円筒体103を介して回転体に伝達されるので、シャフト101に加わるトルクにより弾性円筒体が変形されるから、この変位量を非接触変位センサ106により検出することによりトルクの大きさを検出できる。この構造にすることにより、モータとトルクセンサの間に継ぎ手などを挿入する必要が無くなるので、部品点数の削減と省スペース化の効果がある。
【００１８】
さらに、本発明によるトルクセンサは弾性円筒体が円筒であり、その内部の空間に非接触変位センサを置くことができるので、図１１の第８実施例に示すようにモータなどの内部に直接組み込むことができる。これは、図１１において、回転のために磁気力を得るステータ122に対面したマグネット124を内包したヨーク123は、弾性円筒体125を介して出力軸128へ結合している。出力軸128はベアリング127で支持されて、静電容量型の非接触変位センサ126が、弾性円筒体125に対面してその内側に設置されている。駆動力の発生源は、マグネット124、ステータ122であるので、出力軸に掛かる負荷は弾性円筒体125を通して、マグネット124へ伝達される。従って、トルクにより弾性円筒体125の半径が変化し、この変形量を非接触変位センサ126により検出できる。この場合、マグネット124及びステータ122から漏れ磁束があり、測定系に影響するので、磁気を利用した変位センサは使用できない。静電容量型変位センサ126は磁気の影響を受けないので、トルクの測定が可能である。
【００１９】
【発明の効果】
本発明ではトルクによる弾性円筒体の変位を利用してトルクを測定しているので、従来のトルクが加わると軸体の応力による透磁率の変化を利用したものよりはるかに高感度の測定が可能で、また磁気的な外乱の入る環境や、磁気特性が変わるキューリー点を超える高温環境等での使用が可能であるとともに、弾性円筒体の内部が空間となっていることから、内側に非接触変位センサを置いて省ペース化が計れるとともに、モータなどの内部にも容易に組み込みができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のトルク検出法の基本構成を示した斜視図
【図２】本発明のトルク検出法の基本原理を示した模式図
【図３】トルク検出における静電容量変位センサからの信号処理回路図
【図４】コイルによる非接触変位センサを用いたトルク検出法の模式図
【図５】コイルによる非接触変位センサの信号処理回路図
【図６】デュアル構造のトルクセンサの要部斜視図
【図７】２連式のハイブリッドトルクセンサの要部斜視図
【図８】静止型の非接触センサが内側にあるトルクセンサの要部断面斜視図
【図９】非接触変位センサが内外にある静止型トルクセンサ要部断面斜視図
【図１０】モータ軸に直結可能なトルクセンサの要部断面斜視図
【図１１】モータに組み込んだトルクセンサの要部断面斜視図
【図１２】従来のトーションバーを利用したトルクセンサ斜視図
【図１３】従来の磁歪効果を利用したトルクセンサの要部断面図
【符号の説明】
１、５１、５２、７１、８１、１０３、１２５  弾性円筒体
２  スリット
３、７３、８３  ブリッジ部      ４、１０２  フランジ部
５、５７、１１２  ハウジング
６、５３、５４、７６、８６、８８、１０６、１２６  非接触変位センサ
７、５６  入力軸
９、５５、７９、８９、１０１、１２８  軸部
１０、５８、５９、７４、８４、１０４、１２７  ベアリング
１１  静電容量電極      １２  絶縁体
１３  発信回路          １４  ブリッジ回路
１５  整流回路          １６  増幅回路
１７  Ａ／Ｄ変換回路    １８  信号処理回路
２１  発信コイル        ２２  検出コイル
２３  端面ヨーク        ２４  中間ヨーク
２５  円筒ヨーク        ２６  発信回路
２７  整流回路          ２８  信号処理回路
６０、１０９  ベアリング押さえ  ６１  凹部
６２  凸部              ７５、８５  ベースプレート
７７  円柱部            ７８、１０８、１１８  ボルト
１０５  フランジ部      １０７ スリーブ
１１０  ナット          １１１  スペーサ
１１３  モータ          １１４  モータ軸
１１５  固定フランジ    １１６、１１７  ねじ
１２２  ステータ        １２３  ヨーク
１２４  マグネット
２０１  トーションバー  ２０２、２０３  歯車
２０４  非接触センサ    ２１１  軸
２１２  アモルファス合金膜
２１３  検出コイル
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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