(57)【要約】【課題】  常温環境下で使用することができ、供試体の測定温度に依存せず常温での校正データからトルク測定が可能なトルク測定装置を提供することができるトルクセンサを提供する。【解決手段】  供試体と、供試体に働くトルクを検出するトルクセンサとを、低熱伝導材料を使用したトルク伝達軸により結合するようにトルク測定装置を構成する。また、トルク伝達軸と供試体の出力軸をフレキシブルカップリングで結合するとともに、前記トルク伝達軸と前記供試体に働くトルクを検出するトルクセンサとをギャップのあるフリージョイントで結合する。【選択図】          図２
2006284501.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低熱伝導材料を使用したトルク伝達軸を介して、供試体と、当該供試体に働くトルクを検出するトルクセンサとを結合することにより、前記供試体に働くトルクを測定することを特徴とするトルク測定装置。
【請求項２】
トルク伝達軸の熱伝導率が２［Ｗ／（ｍＫ）］以下であることを特徴とする請求項１に記載のトルク測定装置。
【請求項３】
トルク伝達軸と供試体の出力軸をフレキシブルカップリングで結合するとともに、前記トルク伝達軸と前記供試体に働くトルクを検出するトルクセンサとをギャップのあるフリージョイントで結合することを特徴とするトルク測定装置。
【請求項４】
トルクセンサの検出するトルクが供試体に働くトルクのみとなるように、前記トルクセンサと前記供試体が結合されていることを特徴とするトルク測定装置。
【請求項５】
供試体を輻射伝熱を抑制するための断熱シールドで覆うとともに、前記供試体を対流伝熱を抑制するための真空チャンバ内に設けたことを特徴とするトルク測定装置。
【請求項６】
トルクセンサを収める測定ユニットチャンバと、前記供試体と前記断熱シールドを収める供試体チャンバと、前記測定ユニットチャンバおよび前記供試体チャンバのうち小さい方のチャンバ径の２分の１以下であるチャンバ径を有し、トルク伝達軸を収める狭路チャンバとで真空チャンバが構成されていることを特徴とする請求項５に記載のトルク測定装置。
【請求項７】
供試体の出力軸を回転駆動させるサーボモータを前記真空チャンバの外部に配置することを特徴とする請求項５に記載のトルク測定装置。
【請求項８】
供試体に働くトルクを検出するトルクセンサと、前記供試体の出力軸を回転駆動させるサーボモータとを、前記真空チャンバの内部に配置することを特徴とする請求項５に記載のトルク測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は供試体とトルクセンサとを熱的に分離することで６００[Ｋ]から０[Ｋ]までの温度環境下にある供試体のトルク測定を高感度・高精度で実施することが可能なトルク測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のトルク測定は、例えば、供試体からの出力軸にロードセル、又はカンチレバー等のトルクセンサを取り付ける方式が一般的である（例えば特許文献１）。特に、ベアリング等のように微小抵抗トルクを測定する必要がある供試体の場合には、トルクセンサを供試体近傍に取り付けることで他の抵抗トルク発生要素を介在させないようにすることが考えられる。しかし、このような装置構成では供試体の測定環境温度に変動があった場合に、温度変動によるセンサの感度、及びセンサの零点の変動により測定精度が劣化するという問題点がある。
【０００３】
また、上記問題点解決のため、磁歪材を軸として使用し軸周囲に検出コイルを配置する構成が提案され、コイルで検出される信号の交流成分からトルクを、直流成分から温度を検知し、センサ又はコイルに温度変動があった場合にも感度、及び零点の変動が補償できる。これにより測定環境温度に変動がある場合にも精度の高い抵抗トルクの測定が可能となった（例えば特許文献２）。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２４６８８６（第８頁、図１）
【特許文献２】特開平６−２６９５０（第３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述のものでは、コイルで検出された信号の交流成分からトルクを算出するか、又は、直流成分から補償すべき感度、及び、零点の変動量を算出するためには、予め測定する各温度でのセンサの校正が必要であり、広い温度範囲に及ぶ場合には校正方法、及び、作業時間の観点から実現が困難である。特に、低温域ではコイルの抵抗値が小さくなるため直流成分の信号検出感度が低くなり測定精度が低下するという問題点があった。
【０００６】
本発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、トルクセンサは常温環境下で使用することができ供試体の測定温度に依存せず常温での校正データからトルク測定が可能なトルク測定装置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】
【０００７】
この発明のトルク測定装置は、低熱伝導材料を使用したトルク伝達軸により、供試体とトルクセンサとを結合したものである。
【発明の効果】
【０００８】
上記の構成によれば、供試体の測定環境温度が高温から極低温まで大きく変動する場合に、測定点毎のセンサ校正を必要とせず、６００［Ｋ］から０［Ｋ］までの温度範囲で、測定感度、及び、零点の変動がない高感度・高精度なトルク測定を実施できる。特に、供試体が６００［Ｋ］から常温、あるいは、常温から０［Ｋ］のように特殊環境温度での測定を必要とし、且つ、ベアリング等のように微小抵抗トルクを高精度に測定する必要がある場合に有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、この発明の各実施の形態を図に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１によるトルク測定装置を示す全体図である。また、図２は本発明の実施の形態１によるトルク測定装置の要部を示す断面図である。なお、図２中の右上部分に示した矢印は装置の配置に関わる座標系であり、１１１が紙面に垂直な方向でかつ紙面の裏側から表側への方向を示し、１１２、１１３は紙面内方向で互いに直交する方向で１１３はトルク測定装置の軸方向を示している（これらの座標系については以下図３から図６でも同様である）。これらの図において、供試体９は出力軸８にトルクを印加すると回転する機構を有したトルク測定対象であり、測定環境温度にするために、流体などの適当な加熱用媒体あるいは冷却用媒体１０で満たされた容器１２の底面に固定され、トルクセンサ４により供試体９のトルクが検出されるよう構成されている。容器１２は締結、溶接、接着あるいは粘着するもので、供試体ステージ１１に固定されている。トルクセンサ４と供試体９の出力軸８は、トルク伝達軸６で供試体９の抵抗トルク以外に他の抵抗トルク発生要素を介在させずに結合されている。トルク伝達軸６と出力軸８との結合部分には供試体９とトルクセンサ４との軸芯が加工精度、組み立て誤差または熱変形によりずれた場合にトルクセンサ４で検出される偏芯により発生する周期的なトルク変動の振幅がトルクセンサ４の測定精度の約１０分の１以下になるように選定されるフレキシブルカップリング７が、また、トルク伝達軸６とトルクセンサ４との結合部分には１１１、１１２で定まる面内方向、及び、１１１、１１２で定まる面外方向(すなわち１１３方向)にギャップを有するフリージョイント５が、各々設けられている。上記トルク伝達軸６は、供試体９とトルクセンサ４との間の熱流入量（供試体の測定温度と常温との温度差と、トルク伝達軸６の熱伝導率（ここでは、２［Ｗ／（ｍＫ）］以下の低熱伝導率を有するトルク伝達軸を意味する。ここで単位の記号の意味は、Ｗ：ワット、ｍ：長さでメートル、Ｋ：温度を示す単位でケルビン。）と、トルク伝達軸６のサイズ（「サイズ」とは断面積と長さの比を意味する。以下同様）とからこの「熱流入量」が決まる。以下同様）が、供試体９の測定温度とトルクセンサ４の常温の状態に影響を及ぼさないようにその材質及びサイズを選択され使用されている。サーボモータ１は、測定ユニットフランジ２に固定され、信号伝達装置２、トルクセンサ４、フリージョイント５、トルク伝達軸６、フレキシブルカップリング７を介して供試体９の出力軸８を回転駆動させる。この時、供試体９の抵抗トルクはトルクセンサ４で検出され、この信号は信号伝達装置３、及び、センサ信号ポート１４を介して外部記録装置１５に出力される。また、サーボモータ１はモータ駆動装置２４により制御される。なお、装置の上部と下部のハッチング部は装置が固定されて使用されることを示している（図３から図６の装置下部の同様のハッチング部分も同じ状態を示している）。
【００１０】
このようなトルク測定装置では、供試体９とトルクセンサ４との間の上述の熱流入量が供試体９の測定温度とトルクセンサ４の常温の状態に影響を及ぼさないようにその材質及びサイズを選択されたトルク伝達軸６により、供試体９とトルクセンサ４の温度環境を分離することができる。このため、高温、又は、極低温環境下に供試体９がある場合にも、トルクセンサ４は常温環境下にあるため常温でのセンサ校正データのみで供試体９のトルク測定が実施できる。
【００１１】
トルク伝達軸６を供試体９とトルクセンサ４との軸芯が加工精度、組み立て誤差または熱変形によりずれた場合にトルクセンサ４で検出される偏芯により発生する周期的なトルク変動の振幅がトルクセンサ４の測定精度の１０分の１以下になるように選定されたフレキシブルカップリング７を介して出力軸８と、１１１、１１２で定まる面内方向、及び、１１１、１１２で定まる面外方向(すなわち１１３方向)にギャップを有するフリージョイント５を介してトルクセンサ４と結合することで、加工精度、組み立て誤差、及び、高温から極低温の広い温度範囲における温度変化・温度分布で発生する熱変形による出力軸８とトルクセンサ４の１１１、１１２面内の偏芯によるトルク測定誤差を抑制することができる。
【００１２】
また、６００［Ｋ］から０［Ｋ］までの広い温度範囲における温度変化・温度分布で発生する熱変形による出力軸８とトルクセンサ４の１１１、１１２で定まる面外方向(すなわち１１３方向)の相対距離変化もフリージョイント５のギャップにより吸収できる。
【００１３】
このように供試体９とトルクセンサ４は供試体９の抵抗トルク以外に他の抵抗トルク発生要素を介在させずに結合されているためトルクセンサの測定分解能レベルの微小な抵抗トルクを検出することができる。
【００１４】
以上のことより、実施形態１のトルク測定装置ではトルクセンサ４の常温校正のみで６００［Ｋ］から０［Ｋ］までの高感度・高精度な抵抗トルクの測定が実施できる。具体的には、供試体９はベアリング、ボールネジ、及び、回転モータ等が考えられる。
【００１５】
また、供試体９を冷却、或いは、加熱するためには冷却用媒体あるいは加熱用媒体１０ではなく、機械式冷凍機、又は、ヒータの機能を有する温度制御装置１７を利用する方法も考えられる。供試体９とトルクセンサ４を更に確実に熱的に分離するために供試体９の周囲に断熱シールド１３を設けてもよい。このとき、断熱シールド１３には開口を設けてトルク伝達軸６を通す必要があるが、その開口の寸法は、トルク伝達軸６と接触しない最小限の寸法にとどめることにより、断熱効果が劣化しないようにするとよい。
【００１６】
実施の形態２．
図３は本発明の実施の形態２によるトルク測定装置の要部を示す断面図である。実施の形態１で示した構成で６００［Ｋ］から０［Ｋ］までの測定環境温度にある供試体９とトルクセンサ４の対流伝熱を抑制するために、信号伝達装置３、トルクセンサ４、フリージョイント５、トルク伝達軸６、フレキシブルカップリング７、供試体９、及び、供試体ステージ１１を真空チャンバ１９内部に置き、真空チャンバ１９内部を真空排気装置１６で真空状態にする。
【００１７】
更に、供試体９と外界との間の輻射伝熱を抑制するために２層以上の断熱シールド１３で供試体９の周囲が覆われている。真空チャンバ１９内部は真空状態であるため、供試体９を冷却、又は、加熱するために冷凍機（機械式でもよいし、あるいは、外部に設けた液体窒素、液体ヘリウム等の冷媒溜まりとの間で熱交換をおこなうものなどでもよい）、又は、ヒータの機能を有する温度制御装置１７を設ける。また、測定ユニットフランジ２とサーボモータ１の取り付け部において真空漏れをなくすために、サーボモータ１は真空シール１８を介して測定ユニットフランジ２に取り付けられる。
【００１８】
このようなトルク測定装置では、６００［Ｋ］から０［Ｋ］までの測定環境温度にあ
る供試体９と常温環境下にあるトルクセンサ４の間の熱伝導は、供試体９とトルクセンサ４との間の上述の熱流入量が、供試体９の測定温度とトルクセンサ４の常温の状態に影響を及ぼさないように選択された材質及びサイズを有するトルク伝達軸６を設けることで低減できる。また、対流伝熱は、真空チャンバ１９(図中ハッチングで示した部分)を設けて内部を真空状態にすることで低減できる。さらに、輻射伝熱が断熱シールド１３を設けることで低減できる。従って、これらの効果により実施の形態１の場合よりも供試体９とトルクセンサ４の間の熱流入量を低減することができる。
【００１９】
このため、実施の形態１の場合よりも供試体９を冷却するための冷凍機（機械式でもよいし、あるいは、外部に設けた液体窒素、液体ヘリウム等の冷媒溜まりとの間で熱交換をおこなうものなどでもよい）、又は、供試体９を加熱するためのヒータの機能を有する温度制御装置１７の冷却能力、または加熱能力の低下を許容することができる。また、実施の形態１と同様の冷却用媒体あるいは加熱用媒体１０で機械式冷凍機、又はヒータの機能を有する温度制御装置１７を利用する場合には、実施の形態１の場合よりも安定して供試体９の測定温度を維持することができる。
【００２０】
また、真空チャンバ１９内部に信号伝達装置３、及び、トルクセンサ４を設けることで、真空シール１８をサーボモータ１と信号伝達装置３の間に設けることができ、これにより、供試体９とトルクセンサ４の間には抵抗トルクを発生する要素がないためトルクセンサの測定分解能レベルの微小なトルク測定が実施できる。
【００２１】
これらより、実施の形態２のトルク測定装置ではトルクセンサ４の常温校正のみで実施の形態１よりも冷却能力、又は、加熱能力が低下した冷却用媒体あるいは加熱用媒体１０で、あるいは、機械式冷凍機、又は、ヒータの機能を有する温度制御装置１７で６００［Ｋ］から０［Ｋ］までの範囲において高感度・高精度の抵抗トルクの測定が実施できる。あるいは、実施の形態１と同様の冷却用媒体あるいは加熱用媒体１０で、あるいは、機械式冷凍機、又は、ヒータの機能を有する温度制御装置１７を利用する場合には、実施の形態１の場合よりも安定した測定温度環境下において供試体９の抵抗トルクを高感度・高精度に測定することができる。
【００２２】
また、上記の特徴をもったままでありながら、発熱源となったり、真空中でのアウトガスや回転部の凝着等の問題を回避して動作保証を必要とするサーボモータ部を、一般大気環境中に設置することができるので、動作のより安定したトルク測定が実施できる。
真空シール部１８には、O(オー)リングやラビリンス等を用いたシールを用いてもよいし、磁性流体を用いたシールを用いてもよい。
【００２３】
実施の形態３．
図４は本発明の実施の形態３によるトルク測定装置の要部を示す断面図である。実施の形態２の構成において高温から極低温域までの温度領域の測定環境温度にある供試体９とトルクセンサ４の輻射伝熱を更に抑制するために、実施の形態２の真空チャンバ１９を、信号伝達装置３、トルクセンサ４を内部に設ける測定ユニットチャンバ２１(図中ハッチングで示した最上部の部分)、及び、供試体９及び断熱シールド１３を内部に設ける供試体チャンバ２０(図中ハッチングで示した最下部の部分)の２種類のチャンバに分割し、この間をトルク伝達軸６を内部に設けられる程度の細い狭路チャンバ２２(図中ハッチングで示した中央の部分)で結合する。
【００２４】
このようなトルク測定装置では、実施の形態２の場合よりも供試体９とトルクセンサ４の間の輻射伝熱が抑制されるため、供試体９とトルクセンサ４の間の熱流入量を低減することができる。このため、供試体９を実施の形態２の場合よりもさらに低温に冷却するための冷凍機（機械式でもよいし、あるいは、外部に設けた液体窒素、液体ヘリウム等の冷媒溜まりとの間で熱交換を行うものなどでもよい）、又は、高温に加熱するためのヒータの機能を有する温度制御装置１７の冷却能力、または、加熱能力が低下した場合にも、トルクセンサ４は常温環境下にあるため常温でのセンサ校正のみで供試体９のトルク測定が実施できる。
【００２５】
逆に、実施の形態２の場合と同様の冷凍機、又は、ヒータの機能を有する温度制御装置１７を利用する場合には、供試体９で実施の形態２の場合以上の発熱を伴う運動があっても、トルクセンサ４は常温環境下にあるため常温でのセンサ校正のみで供試体９のトルク測定を安定した測定温度環境下で実施することができる。
【００２６】
実施の形態４．
図５、６は本発明の実施の形態４によるトルク測定装置の要部を示す断面図である。実施の形態２，又は、３で示した構成でサーボモータ１を真空チャンバ１９(図５中ハッチングで示した部分)、又は、測定ユニットチャンバ２１(図６中ハッチングで示した最上部の部分。なお図６中ハッチングで示した中央の部分は狭路チャンバ２２、最下部の部分は供試体チャンバ２０を示す。)の内部に置いており、サーボモータ１はモータ駆動信号ポート２３を介してサーボモータ駆動装置で制御されている。また、サーボモータ１にはモータの回転により発生する熱が供試体９に影響を与えないようモータ用排熱装置２５を設ける。
【００２７】
これにより、実施の形態２、３で示した真空シール１８が必要なくなる。これはサーボモータの駆動が高速、長期連続運転、及び、往復動の場合に真空シール１８の劣化、又は、真空漏れを考慮することなく、高温から極低温域までの温度範囲において供試体９のトルク測定が実施できる。
【００２８】
また、モータ用排熱装置２５を設けることで真空中に置かれたサーボモータ１を駆動させた場合に発生する熱を排熱することができ、トルクセンサ、及び、供試体側に熱を伝達することがなく安定したサーボモータ１の動作、及び、抵抗トルクの測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の形態１によるトルク測定装置の全体図である。
【図２】本発明の実施の形態１によるトルク測定装置の要部の断面図である。
【図３】本発明の実施の形態２によるトルク測定装置の要部の断面図である。
【図４】本発明の実施の形態３によるトルク測定装置の要部の断面図である。
【図５】本発明の実施の形態４によるトルク測定装置の要部の断面図である。
【図６】本発明の実施の形態４の他の例によるトルク測定装置の要部の断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  サーボモータ、２  測定ユニットフランジ、３  信号伝達装置、４  トルクセンサ、５  フリージョイント、６  トルク伝達軸、７  フレキシブルカップリング、８  出力軸、９  供試体、１０  加熱用あるいは冷却用媒体、１１  供試体ステージ、１２  容器、１３  断熱シールド、１４  センサ信号ポート、１５  外部記録装置、１６  真空排気装置、１７  温度制御装置、１８  真空シール、１９  真空チャンバ、２０  供試体チャンバ、２１  測定ユニットチャンバ、２２  狭路チャンバ、２３  モータ駆動信号ポート、２４  サーボモータ駆動装置、２５  モータ用排熱装置。
【図１】
2006284501.tif 000003
【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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