(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸廻りに回転可能に支持されたトーションバーと、
前記トーションバーの軸廻りの方向を周方向として、当該周方向に配置された複数のスリットを有すると共に、前記トーションバーの一端に固定された第１回転体と、
前記周方向に配置された複数のスリットを有すると共に、前記トーションバーの他端に固定された第２回転体と、
前記第１回転体と前記第２回転体とを通過した磁気信号の変化に応じて、前記トーションバーの捻れを検出する測定装置と、
警報手段とを有し、
前記第１回転体には、当該第１回転体の前記トーションバーの軸廻りの回転に伴って前記周方向に移動するピンが固定されており、
前記第２回転体は、前記ピンが挿入された孔を有し、
前記孔は、前記ピンよりも前記周方向の大きさが大きく、
前記トーションバーにトルクが加えられていない状態において、前記ピンは、前記孔の前記周方向についての中央に位置し、
前記孔の前記周方向の端に前記ピンが当接したときに前記トーションバーに加わるトルクの大きさが、当該トーションバーが塑性変形する大きさ以下となるように、前記ピンと前記孔の大きさは設定されており、
前記警報手段は、前記ピンと前記孔の縁との接触を検知して、警報を出力することを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２】
請求項１記載のトルクセンサであって、
前記第１回転体は、前記トーションバーの一端に固定された、前記トーションバーと同軸状に配置された第１の円筒であって、
前記第２回転体は、前記トーションバーの他端に固定された、前記第１の円筒が挿入された形態で、前記トーションバーと同軸状に配置された第２の円筒であることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項３】
請求項１記載のトルクセンサであって、
前記第１回転体は、前記トーションバーの一端に固定された、前記トーションバーと同軸状に配置された第１の円盤であって、
前記第２回転体は、前記トーションバーの他端に固定された、前記第１の円盤と対面する形態で、前記トーションバーと同軸状に配置された第２の円盤であることを特徴とするトルクセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トーションバーの捻れ角を検出することによりトルクを計測するトルクセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
トーションバーの捻れ角を検出することによりトルクを計測するトルクセンサとしては、トーションバーの捻れ量に応じて位置関係が変化するスリットを各々備えた二つの円筒や円盤を通過させた磁束の位相や強度変化より、トーションバーに加わるトルクを検出するトルクセンサが知られている（特許文献１、２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2008-175579号公報
【特許文献２】特開2008-268097号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したようなトルクセンサによれば、トーションバーに定格を大きく超える過大なトルクが加わった場合、トーションバーが塑性変形するなどダメージを受けてしまい、以降の測定を正しく行えなくなってしまうことがあった。
そこで、本発明は、トーションバーの捻れ角を検出することによりトルクを計測するトルクセンサにおいて、トーションバーを過大なトルクから保護することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題達成のために、本発明は、トーションバーと、前記トーションバーの軸廻りの方向を周方向として、当該周方向に配置された複数のスリットを有すると共に、前記トーションバーの一端に固定された第１回転体と、前記周方向に配置された複数のスリットを有すると共に、前記トーションバーの他端に固定された第２回転体と、前記第１回転体と前記第２回転体とを通過した磁気信号の変化に応じて、前記トーションバーの捻れを検出する測定装置とを備えたトルクセンサにおいて前記第１回転体に、当該第１回転体の前記トーションバーの軸廻りの回転に伴って前記周方向に移動するピンを固定し、前記第２回転体に、前記ピンが挿入された孔を設けたものである。但し、前記孔は、前記ピンよりも前記周方向の大きさが大きく、前記トーションバーにトルクが加えられていない状態において、前記ピンは、前記孔の前記周方向についての中央に位置しているものである。
【０００６】
このようなトルクセンサによれば、トーションバーにトルクが加わると、ピンと孔の縁が接しない範囲において、ピンは孔に対して相対的に周方向に自由に移動することができ、ピンと孔の縁が接することとなるトルクの大きさ以下の範囲を許容範囲として、この許容範囲において、トーションバーに加わったトルクを支障なく測定することができる。一方、トーションバーに加わるトルクが大きくなって、ピンと孔の縁が接するようになると、トーションバーに加わったトルクは、トーションバーの入力側端と出力側端の間に直接伝わり、トーションバーを捻る力として働かなくなる。したがって、トルクの許容範囲の上限が、トーションバーが塑性変形するなどダメージを受けてしまうトルクの大きさ以下になるように、ピンと孔の直径の関係を設定することにより、トーションバーを過大なトルクから保護することができるようになる。
【０００７】
ここで、このようなトルクセンサには、さらに、前記ピンと前記孔の縁との接触を検知して、警報を出力する警報手段を設けるようにしてもよい。
このようにすることにより、過剰なトルクがトルクセンサに加わっていることを警報によってオペレータに通知し、ピン等の各部材の損傷の発生を防止することができる。
または、このようなトルクセンサには、さらに、前記ピンと孔の縁との間に配置された、当該トルクセンサの固有振動数の振動を減衰させる防振材を設けるようにしてもよい。
このような防振材を設けることにより、トルクセンサの固有振動数において生じる共振によって、測定に悪影響が生じたり、トーションバーにダメージが加わってしまうことを抑制することができる。
なお、このようなトルクセンサにおいて、前記第１回転体は、前記トーションバーの一端に固定された、前記トーションバーと同軸状に配置された第１の円筒であってよく、この場合、前記第２回転体は、前記トーションバーの他端に固定された、前記第１の円筒が挿入された形態で、前記トーションバーと同軸状に配置された第２の円筒であってよい。
【０００８】
または、このようなトルクセンサにおいて、前記第１回転体は、前記トーションバーの一端に固定された、前記トーションバーと同軸状に配置された第１の円盤であってよく、この場合、前記第２回転体は、前記トーションバーの他端に固定された、前記第１の円盤と対面する形態で、前記トーションバーと同軸状に配置された第２の円盤であってよい。
【発明の効果】
【０００９】
以上のように、本発明によれば、トーションバーの捻れ角を検出することによりトルクを計測するトルクセンサにおいて、トーションバーを過大なトルクから保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係るトルクセンサの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係るトルクセンサの構造を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係るピンと孔の関係を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係るトルクセンサの他の構成例を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係るトルクセンサの他の構成例を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係るトルクセンサの他の構成例を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係るトルクセンサの他の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１に、本実施形態に係るトルクセンサの構成を示す。
ここで、図１ａはトルクセンサの正面を、図１ｂはトルクセンサの左側面を、図１ｃはトルクセンサの右側面を、図１ｄはトルクセンサの断面を、それぞれ模式的に表している。
図示するように、本トルクセンサは、測定対象のトルクが入力側（図１ａ、ｄにおける右方）端と出力側（図１ａ、ｄにおける左方）端との間の捻れ方向の力として加えられるトーションバー１０と、トーションバー１０に当該トーションバー１０の入力側で固定された入力側筒２１と、トーションバー１０に当該トーションバー１０の出力側で固定された出力側筒２２と、第１駆動コイル３１と、第２駆動コイル３２と、第１検出コイル４１と、第２検出コイル４２と、測定装置５０とを有している。
【００１２】
ここで、出力側筒２２は、非磁性導電体を用いて形成されており、トーションバー１０の入力側の底面が開放された円筒形状を有する。そして、トーションバー１０の出力側の底面の中心部分でトーションバー１０の出力側に固定されている。
次に、入力側筒２１は、非磁性導電体を用いて形成されており、出力側筒２２と同軸に、出力側筒２２の中空部に挿入した形態で配置されている。また、入力側筒２１は、同軸入れ子状に間隔をあけて配置された二つの両底面の無い中空の円筒形状部である内筒部と外筒部をトーションバー１０の出力側端で連結した形状を有する。そして、入力側筒２１の内側の円筒形状部である内筒部がトーションバー１０の入力側に固定されている。
【００１３】
そして、第１検出コイル４１と第２検出コイル４２は、出力側筒２２が中央孔に挿入された配置となるように、トーションバー１０の回転軸と同軸状に巻き回した形態で軸方向に並べて設けられている。
また、第１駆動コイル３１は、入力側筒２１の内筒部と外筒部の間に、トーションバー１０の回転軸と同軸状に巻き回した形態で、第１検出コイル４１に、入力側筒２１の外筒部と出力側筒２２の側壁を介して対面するように配置され、第２駆動コイル３２は、入力側筒２１の内筒部と外筒部の間に、トーションバー１０の回転軸と同軸状に巻き回した形態で、第２検出コイル４２に、入力側筒２１の外筒部と出力側筒２２の側壁を介して対面するように配置されている。
【００１４】
ここで、図２ａに出力側筒２２単体の斜視図を、図２ｂに入力側筒２１単体の斜視図を、図２ｃに出力側筒２２と入力側筒２１をトーションバー１０に連結した状態の斜視図を示す。
さて、図２ａ-ｃに示すように出力側筒２２の側壁と入力側筒２１の外筒部との、第１駆動コイル３１が、第１検出コイル４１と対面する箇所と、第２駆動コイル３２が、第２検出コイル４２と対面する箇所とには、各々複数のスリットが設けられている。
すなわち、図２ａに示すように、出力側筒２２の側壁には、軸方向中央部で分離した形態を有するスリットである基準スリット６１が複数、周方向に並べて設けられている。
また、図２ｂに示すように入力側筒２１の外筒部の、第１駆動コイル３１が第１検出コイル４１と対面する部分には第１検出用スリット６２が複数、周方向に並べて設けられ、第２駆動コイル３２が第２検出コイル４２と対面する部分には第２検出用スリット６３が複数、周方向に並べて設けられている。
【００１５】
そして、図２ｃに示すように、トルクセンサにおいて、基準スリット６１と第１検出用スリット６２、基準スリット６１と第２検出用スリット６３は軸方向位置が少なくとも一部重なり合うように配置されている。
ここで、入力側から出力側を見て時計廻りに進む方向を前方向とし、反時計廻りに進む方向を後方向として、トーションバー１０に捻れが生じていない状態では、図２ｄに示すように、径方向に見て基準スリット６１の後側半分が第１検出用スリット６２の前側半分と重なり、基準スリット６１の前側半分が第２検出用スリット６３の後側半分と重なるように、基準スリット６１と第１検出用スリット６２と第２検出用スリット６３の周方向の配置は各々設定されている。
【００１６】
ここで、図２ｅ１は、トーションバー１０に捻れが生じていない状態において、第１駆動コイル３１と第２駆動コイル３２側から、第１検出用スリット６２と第２検出用スリット６３を介して出力側筒２２方向を見たようすを表しており、図示するように、この状態において、基準スリット６１と第１検出用スリット６２との重なりの量（面積）と、基準スリット６１と第２検出用スリット６３との重なりの量は等しい。
【００１７】
一方、トーションバー１０の捻れが発生すると、基準スリット６１と第１検出用スリット６２との重なりの量と、基準スリット６１と第２検出用スリット６３との重なりの量は、大小方向について逆方向に変化する。すなわち、たとえば、トーションバー１０に、図２ｃに矢印で示すような捻れが生じると、基準スリット６１と第１検出用スリット６２との重なりの量は増加し、基準スリット６１と第２検出用スリット６３との重なりの量は減少し、この状態において駆動コイル３１側から、第１検出用スリット６２と第２検出用スリット６３を介して出力側筒２２方向を見たようすは図２ｅ２のようになる。
【００１８】
そして、このような、基準スリット６１と第１検出用スリット６２との重なりの量と、基準スリット６１と第２検出用スリット６３との重なりの量との、相互に逆方向の変化に伴って、直列接続した第１駆動コイル３１と第２駆動コイル３２とを交流信号で駆動したときに、第１検出コイル４１、第２検出コイル４２で検出される検出信号の位相や強度には異なる変化が表れる。結果、第１検出コイル４１、第２検出コイル４２で検出される検出信号の位相や強度には、トーションバー１０の捻れ量に応じて異なる変化が表れることになる。
【００１９】
そこで、測定装置５０は、第１駆動コイル３１と第２駆動コイル３２とを交流信号で駆動しながら、第１検出コイル４１、第２検出コイル４２で検出される検出信号の位相差または強度差を測定し、測定した位相差または強度差より、トーションバー１０の捻れ量トーションバー１０に加えられたトルクを算定する。
【００２０】
さて、図２ａ、ｃに示すように、出力側筒２２の出力側の底面には、孔２２１が３つ周方向に等間隔で設けられている。また、図２ｂに示すように、入力側筒２１の出力側にある内筒部と外筒部との連結部には、軸方向に起立した３つのピン２１１が３つ周方向に等間隔で設けられている。
【００２１】
ここで、図３ａに出力側筒２２と入力側筒２１とをトーションバー１０に連結した状態において、トーションバー１０にトルクを加えずに、出力側より出力側筒２２と入力側筒２１とを見たようすを示す。
図示するように、ピン２１１の直径は、孔２２１の直径よりも小さく、図１ｂ、ｄ、図２ｃにも示すように、トーションバー１０にトルクを加えていない状態において、入力側筒２１のピン２１１の各々が、出力側筒２２の孔２２１の中央に各々に挿入された状態となるように、出力側筒２２と入力側筒２１は、トーションバー１０に連結される。
【００２２】
ここで、図３ａに示すように、ピン２１１の直径は、孔２２１の直径よりも小さいので、ピン２１１と孔２２１の縁が接しない範囲において、図３ｂ１、ｃ１に示すように、ピン２１１は孔２２１に対して相対的に周方向に自由に移動することができる。したがって、ピン２１１と孔２２１の縁が接しない範囲において、トーションバー１０に加わったトルクは、トーションバー１０を捻る力として働き、入力側筒２１は出力側筒２２に対して相対的に移動する。よって、トーションバー１０に加わるトルクの大きさが、ピン２１１と孔２２１の縁が接することとなるトルクの大きさ以下の範囲を許容範囲として、この許容範囲において、トーションバー１０に加わったトルクは支障なく測定することができる。
【００２３】
一方、トーションバー１０に加わるトルクが大きくなって、図３ｂ２、ｃ２に示すように、ピン２１１と孔２２１の縁が接するようになると、当該接した方向への、ピン２１１の孔２２１に対する相対的な周方向への移動は制限される。よって、トーションバー１０に加わるトルクの大きさが許容範囲超の大きさとなると、トーションバー１０に加わったトルクは、入力側筒２１、ピン２１１、孔２２１の縁、出力側筒２２を介して、トーションバー１０の入力側端と出力側端の間に直接伝わり、トーションバー１０を捻る力として働かなくなる。なお、このようにトーションバー１０に加わるトルクの大きさが、許容範囲超の大きさとなると、トルクに応じて入力側筒２１は出力側筒２２に対して相対的に移動しなくなり、トーションバー１０に加わったトルクは正しく測定することはできなくなる。
【００２４】
そこで、トルクの許容範囲の上限が、トーションバー１０が塑性変形するなどダメージを受けてしまうトルクの大きさ以下になるように、ピン２１１と孔２２１の直径の関係を設定することにより、トーションバー１０の捻れ角を検出することによりトルクを計測するトルクセンサにおいて、トーションバー１０を過大なトルクから保護することができるようになる。
【００２５】
以上、本発明の実施形態について説明した。
ところで、以上の実施形態は、図４ａに示すように、ピン２１１と孔２２１の縁の間に、図４ｂに示すような樹脂などで形成した防振材４００を充填した形態で配置するようにしてもよい。
防振材４００の防振特性は、図４ｃに示すように、減衰の大きさが、トルクセンサの固有振動数Ｆで大きくなり、他の振動数に対して、無視できるほど小さくなるように設定する。すなわち、ルクセンサの固有振動数Ｆの振動を大きく減衰し、他の振動数の振動に対して影響を与えないように、防振材４００の防振特性を設定する。
【００２６】
すなわち、トルクセンサの固有振動数Ｆ以外の振動数の移動について、図４ｄに示すように、ピン２１１が孔２２１に対して自由に移動可能なようにする。
このような防振材４００を設けることにより、トルクセンサの固有振動数Ｆにおいて生じる共振によって、測定に悪影響が生じたり、トーションバー１０にダメージが加わってしまうことを抑制することができる。
また、以上のような実施形態は、ピン２１１と孔２２１の縁との接触を検知して、ブザー音や表示器の点滅/点灯などによる警報を出力するように構成してもよい。このようにすることにより、過剰なトルクがトルクセンサに加わっていることをオペレータに通知し、ピン２１１等の各部材の損傷の発生を防止することができる。
【００２７】
ここで、ピン２１１と孔２２１の縁との接触の検出は、たとえば、次のように行うことができる。
すなわち、図５ａに示すように、入力側筒２１を絶縁材５００を介してトーションバー１０と連結することにより、入力側筒２１と、トーションバー１０と電気的に接続している出力側筒２２を絶縁する。そして、潤滑材として導電性グリースを用いたベアリング５０１を介してトーションバー１０及び出力側筒２２を警報装置５１０の第１端子に電気的に接続すると共に、潤滑材として導電性グリースを用いたベアリング５０２を介して入力側筒２１と警報装置５１０の第２端子を電気的に接続し、警報装置５１０において第１端子と第２端子間の導通を監視する。そして、ピン２１１と孔２２１の縁との接触により、出力側筒２２と入力側筒２１とは電気的に接続し、第１端子と第２端子間が導通することとなるので、警報装置５１０は、第１端子と第２端子間の導通が検出されたならば、ブザー音や表示器の点滅/点灯などによる警報を出力するようにする。
【００２８】
または、ピン２１１と孔２２１の縁との接触の検出は、たとえば、次のようにして行うこともできる。
すなわち、図５ｂ１に示すように、孔２２１の縁部を圧電素子５２１で形成すると共に、図５ｂ２に示すようにピン２１１から所定の大きさ以上の力が加わったときに圧電素子５２１で発電された電力で点灯する赤外ＬＥＤ５２２を出力側筒２２に固定して設ける。
そして、図５ｃに示すように、赤外ＬＥＤ５２２から出射される赤外光を検出する赤外センサ５２３をトルクセンサに設け、警報装置５３０において赤外センサ５２３によって赤外光を検出されたならば、ブザー音や表示器の点滅/点灯などによる警報を出力するようにする。
【００２９】
なお、以上の実施形態は、ピン２１１と孔２２１とを、ピン２１１がトーションバー１０の径方向に孔２２１に挿入されるように設けるようにしてもよい。
すなわち、この場合には、たとえば、図６ａにトルクセンサの断面を、図６ｂに出力側筒２２単体の斜視図を、図６ｃに入力側筒２１単体の斜視図を、図６ｄに出力側筒２２と入力側筒２１をトーションバー１０に連結した状態の斜視図を示すように、出力側筒２２の側面に、孔２２１を３つ周方向に等間隔で設ける。また、入力側筒２１の側面には、径方向に起立した３つのピン２１１を周方向に等間隔で設ける。そして、トーションバー１０にトルクを加えていない状態において、入力側筒２１のピン２１１の各々が、出力側筒２２の孔２２１の中央に各々に挿入された状態となるように、出力側筒２２と入力側筒２１を、トーションバー１０に連結する。
【００３０】
また、以上の実施形態は、出力側筒２２と入力側筒２１に代えて、二つの円盤を用いるトルクセンサにも同様に適用することができる。
すなわち、この場合には、たとえば、図７ａにトルクセンサの断面を示すように、出力側筒２２と入力側筒２１に代えて、トーションバー１０に当該トーションバー１０の入力側で固定された入力側円盤７１と、トーションバー１０に当該トーションバー１０の出力側で固定された出力側円盤７２とを、近接して対面するように設ける。また、第１駆動コイル３１/第２駆動コイル３２は、入力側円盤７１と出力側円盤７２を間に挟んで、第１検出コイル４１/第２検出コイル４２と対面するように設ける。
【００３１】
そして、図７ｂに出力側円盤７２単体の斜視図を、図７ｃに入力側円盤７１単体の斜視図を、図７ｄに出力側円盤７２と入力側円盤７１をトーションバー１０に連結した状態の斜視図を示すように、入力側円盤７１には第１検出用スリット６２と第２検出用スリット６３とを、入力側円盤７１と出力側円盤７２との相対回転角度の変化に応じて、出力側円盤７２に設けた基準スリット６１との重なり量が変化するように設ける。
【００３２】
そして、出力側円盤７２には、孔２２１を３つ周方向に等間隔で設け、入力側円盤７１には軸方向に起立したピン２１１を３つ周方向に等間隔で設ける。そして、トーションバー１０にトルクを加えていない状態において、入力側円盤７１のピン２１１の各々が、出力側円盤７２の孔２２１の中央に各々に挿入された状態となるように、出力側円盤７２と入力側円盤７１とを、トーションバー１０に連結する。
【符号の説明】
【００３３】
１０…トーションバー、２１…入力側筒、２２…出力側筒、３１…第１駆動コイル、３２…第２駆動コイル、４１…第１検出コイル、４２…第２検出コイル、５０…測定装置、６１…基準スリット、６２…第１検出用スリット、６３…第２検出用スリット、２１１…ピン、２２１…孔、４００…防振材、５００…絶縁材、５２１…圧電素子、５２２…赤外ＬＥＤ、５２３…赤外センサ。
【図１】
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【図２】
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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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