(57)【要約】      （修正有）【課題】検出精度を上げかつ装置として小型化を図ること。【解決手段】本センサアセンブリ１０は、検出シャフト１４と、この検出シャフト１４に取り付けられた角度センサ４０と、この検出シャフト１４に上記角度センサ４０に隣接して取り付けられた非接触磁歪式のトルクセンサ４８とを備え、検出シャフト１４は使用時に回転トルクを伝達する伝達シャフトとこの回転トルクが伝達される被伝達シャフトとの間に介装されるものであり、伝達シャフトから被伝達シャフトに伝達される回転トルクと、この回転トルクによる回転角度とを上記両センサ４０，４８で検出する。【選択図】図４
2008076066.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トルク伝達経路内の複数のシャフト間に介装される単一の検出シャフトを備え、この検出シャフト上に該検出シャフトの回転量（角度）を検出する角度センサを取り付けると共にさらにこの検出シャフト上に非接触磁歪式トルクセンサを上記角度センサに近接配置した、ことを特徴とするセンサアセンブリ。
【請求項２】
上記検出シャフトに回転自在にかつ間隔を隔てて上記両センサの検出信号を電気的に処理する回路部品を搭載した一対の円盤状の回路基板を対向配置し、上記トルクセンサを、両回路基板の対向間のシャフト部分と、このシャフト部分の磁気特性変化を非接触で検出する磁気センサとにより構成した、ことを特徴とする請求項１に記載のセンサアセンブリ。
【請求項３】
上記検出シャフトに、一対のベアリングを所定間隔隔てて設け、両ベアリング間のシャフト部分に、回転自在でかつ所定間隔を隔てて上記両センサの検出信号を電気的に処理する回路部品を搭載した一対の円盤状の回路基板を対向配置し、上記角度センサを一方のベアリングと一方の回路基板との対向間のシャフト部分に設け、両回路基板の対向間のシャフト部分にトルクセンサを設けた、ことを特徴とする請求項１に記載のセンサアセンブリ。
【請求項４】
一方のベアリングをダブルベアリングとすると共にこのダブルベアリングに円筒ハウジングを被せ付け、上記角度センサを、該円筒ハウジングの内側面と一方の回路基板の基板面とに検出シャフトの軸心方向で対向して取り付けた発光手段と受光手段と、これら発光と受光の両手段間に検出シャフトと一体回転可能に介装したスリット付き回転板とにより光学式エンコーダ構成とした、ことを特徴とする請求項３に記載のセンサアセンブリ。
【請求項５】
上記検出シャフトに、一対のベアリングを所定間隔隔てて設け、両ベアリング間のシャフト部分に、回転自在でかつ所定間隔を隔てて上記両センサの検出信号を電気的に処理する回路部品を搭載した一対の円盤状の回路基板を設け、両回路基板の対向間のシャフト部分に上記角度センサと上記トルクセンサとを設けた、ことを特徴とする請求項１に記載のセンサアセンブリ。
【請求項６】
上記角度センサを、上記両回路基板の対向基板面に検出シャフトの軸心方向で対向して取り付けた発光手段と受光手段と、これら発光と受光の両手段間のシャフト部分に該シャフト部分と一体回転可能に介装したスリット付き回転板とにより光学式エンコーダ構成とした、ことを特徴とする請求項５に記載のセンサアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転角度を検出する角度センサと、回転トルクを検出するトルクセンサとを備えるセンサアセンブリに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のセンサアセンブリには図１０で示すトルク制御式パルスツールに組み込まれたものがある。図１０のトルク制御式パルスツールは特開平８−２６７３６８号公報の図１に開示されたツールである。図１０で示す符号は同公報に付されている符号である。図１０でその概略構成を示すように、角度センサ１００を取り付けたシャフトと、トルクセンサ２００を取り付けたシャフトとは、別体であり、これら両シャフトは矢印で示す締結箇所３００で接続された構成になっている。このトルク制御式パルスツールでは、角度センサ１００とトルクセンサ２００とが別々のシャフトに取り付けられているから、角度センサ１００とトルクセンサ２００それぞれの取り付け誤差、上記締結部３００での回転すべりが、検出精度に影響し、回転トルクの伝達制御誤差となるおそれがある。
【０００３】
従来から、角度センサ機能を持ったトルクセンサが提案されているが、その構成は、図１１で示すようにシャフト４００の軸心方向に間隔を隔てた設けた２つの円盤からなる角度センサ５００，６００のねじり量をトルクに換算するものであり、トルク検出の分解能を上げるには上記２つの角度センサ５００，６００の間隔を大きくする必要があるためにシャフト４００の長大化を招く。また、シャフト４００の長さを抑制して回路処理で行う場合では、複雑高価な回路が必要となってくる。
【特許文献１】特開平８−２６７３６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明により解決すべき課題は、検出精度を上げかつ装置として小型化を図ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によるセンサアセンブリは、トルク伝達経路内の複数のシャフト間に介装される単一の検出シャフトを備え、この検出シャフト上に該検出シャフトの回転量（角度）を検出する角度センサを取り付けると共にさらにこの検出シャフト上に非接触磁歪式トルクセンサを上記角度センサに近接配置したことを特徴とするものである。
【０００６】
上記センサは実施の形態のように回路基板に取り付けることに限定されず全体を樹脂で一体成型したりして適宜の取り付け部材ないしは機構を介して検出シャフト上に取り付けることも含むことができる。
【０００７】
この回転検出には回転角度、回転数等を含むことができる。
【０００８】
本発明によると、角度センサとトルクセンサとが単一の検出シャフトに近接して取り付けた構成になっているから、それら角度センサとトルクセンサそれぞれの取り付け誤差はそれぞれを別々のシャフトに取り付けた場合よりも小さく抑制することができるようになり、また、従来の角度センサ取り付けシャフトとトルクセンサ取り付けシャフトとが締結部で接続されていたことによる回転すべり等が無くなり回転トルクの伝達制御誤差を小さく抑制することができるようになる。さらに、本発明では、トルク検出の分解能を上げるべく検出シャフトの長さを長くする必要もないから、センサアセンブリとして小型化の実現が可能となることに加えて、互いに検出上、独立しているから、互いに近接配置することにより、より検出シャフトを短尺にして小型化を図ることができるようになる。
【０００９】
本発明の好適な一態様は、上記検出シャフトに回転自在にかつ間隔を隔てて上記両センサの検出信号を電気的に処理する回路部品を搭載した一対の円盤状の回路基板を対向配置し、上記トルクセンサを、両回路基板の対向間のシャフト部分と、このシャフト部分の磁気特性変化を非接触で検出する磁気センサとにより構成することである。
【００１０】
本発明の好適な一態様は、上記検出シャフトに、一対のベアリングを所定間隔隔てて設け、両ベアリング間のシャフト部分に、回転自在でかつ所定間隔を隔てて上記両センサの検出信号を電気的に処理する回路部品を搭載した一対の円盤状の回路基板を対向配置し、上記角度センサを一方のベアリングと一方の回路基板との対向間のシャフト部分に設け、両回路基板の対向間のシャフト部分にトルクセンサを設けることである。
【００１１】
本発明の好適な一態様は、一方のベアリングをダブルベアリングとすると共にこのダブルベアリングに円筒ハウジングを被せ付け、上記角度センサを、該円筒ハウジングの内側面と一方の回路基板の基板面とに検出シャフトの軸心方向で対向して取り付けた発光手段と受光手段と、これら発光と受光の両手段間に検出シャフトと一体回転可能に介装したスリット付き回転板とにより光学式エンコーダ構成とすることである。
【００１２】
本発明の好適な一態様は、上記検出シャフトに、一対のベアリングを所定間隔隔てて設け、両ベアリング間のシャフト部分に、回転自在でかつ所定間隔を隔てて上記両センサの検出信号を電気的に処理する回路部品を搭載した一対の円盤状の回路基板を設け、両回路基板の対向間のシャフト部分に上記角度センサと上記トルクセンサとを設けることである。
【００１３】
本発明の好適な一態様は、上記角度センサを、上記両回路基板の対向基板面に検出シャフトの軸心方向で対向して取り付けた発光手段と受光手段と、これら発光と受光の両手段間のシャフト部分に該シャフト部分と一体回転可能に介装したスリット付き回転板とにより光学式エンコーダ構成とすることである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、検出精度を上げかつ装置として小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係るセンサアセンブリを説明する。
【００１６】
図１は、実施の形態のセンサアセンブリ１０の使用状態を示す。このセンサアセンブリ１０は、図１では図上表れていない非接触式の角度センサと非接触磁歪式のトルクセンサとを内蔵するセンサカバー１２が装着されている検出シャフト１４が示されている。この検出シャフト１４は、使用時に回転トルクを伝達する伝達シャフト１６と、この回転トルクが伝達される被伝達シャフト１８との間に締結部２０，２１で締結された状態で介装され、伝達シャフト１６から被伝達シャフト１８に伝達される回転トルクと、この回転トルクによる回転角度とを上記センサカバー１２内の上記両センサで検出することができるようにしたものである。伝達シャフト１６はモータ等の駆動装置２２で回転駆動され、被伝達シャフト１８は先端に測定対象の回転体２３が装着されその回転体２３が液体や固溶体等２４に漬けられ上記伝達シャフト１６の回転により矢印向きに回転駆動されるようになっている。
【００１７】
図２は上記センサアセンブリ１０による検出構成を示す。このセンサアセンブリ１０はセンサカバー１２で内部が磁気シールドされ、インターフェースコネクタ２６を通じてトルク検出信号と角度検出信号とが出力することができるようになっている。
【００１８】
図３（ａ）に、非接触磁歪式トルクセンサによるトルク検出信号の変化を示す。図３（ａ）では横軸にトルク、縦軸にトルクセンサ検出信号（センサ出力電圧）をとっている。図３（ｂ）に角度検出信号を示す。図３（ｂ）の横軸は角度すなわち検出シャフト１４の回転量をとる。図３（ａ）、図３（ｂ）それぞれの検出信号の信号形態で示すように実施形態のセンサアセンブリ１０では、角度センサと非接触磁歪式トルクセンサは個別に角度検出信号、トルク検出信号を出力することができる。
【００１９】
図４および図５にセンサアセンブリ１０の構成例を示す。
【００２０】
まず、図４を参照してセンサアセンブリ１０を説明する。
【００２１】
上記検出シャフト１４に、一対のベアリング２８，３０が所定間隔隔てて設けられている。一方のベアリング２８はダブルベアリング構成である。これらベアリング２８，３０は、検出シャフト１４に固定された内輪と、外輪と、両輪間に介装された複数のボールとから構成されたボールベアリングが好ましい。ダブルベアリングは、軸心方向２列の内輪と、同じく軸心方向２列の外輪と、これら両列の内・外輪間に転動自在に配置された複数の転動体であるボールから構成されている。
【００２２】
ダブルベアリング２８には円筒ハウジング３２が被せ付けられている。両ベアリング２８，３０の対向間には円盤状の回路基板３４，３６が対向配置されている。両回路基板３４，３６の基板中心には検出シャフト１４の直径よりも大径の開口が形成されており、当該両回路基板３４，３６それぞれは検出シャフト１４が回転しても該検出シャフト１４に対して一体回転しない構成になっている。円筒ハウジング３２および回路基板３４，３６は、センサカバー３８で囲まれている。円筒ハウジング３２、回路基板３４，３６およびセンサカバー３８はベアリング２８，３０それぞれの外輪と一体回転する。これにより、円筒ハウジング３２と、回路基板３４，３６と、センサカバー３８は、検出シャフト１４が回転しても回転しない構成になっている。回路基板３６には上記インターフェースコネクタ２６が配置されている。両回路基板３４，３６には当該センサアセンブリ１０の回路構成部品が搭載されている。
【００２３】
実施形態の角度センサ４０は、光学式ロータリエンコーダの構成になっている。すなわち、角度センサ４０は、ベアリング２８を覆う円筒ハウジング３２の内側面３２ａに固定された発光ダイオード４２と、一方の回路基板３４の基板面に固定されたフォトダイオード４４と、これら両ダイオード４２，４４間の検出シャフト部分に一体回転可能に固定されたスリット付き回転板４６とにより構成されている。
【００２４】
トルクセンサ４８は、非接触磁歪式トルクセンサであり、両回路基板３４，３６の対向間のトルク応力で磁気特性が変化するシャフト部分５０と、このシャフト部分５０の磁気特性変化を非接触で検出する磁気センサ５２とにより構成されている。磁気センサ５２は両回路基板３４，３６間に渡された基板５４に搭載されている。磁気センサ５２はこの搭載でシャフト部分５０に平行に対向している。
【００２５】
具体的に、上記シャフト部分５０には、磁性材、非磁性材、複合磁性材（日立金属技報Ｖｏｌ．１３（１９９７）の第３３ページ掲載）を用いることができる。このシャフト部分５０に磁歪式トルクセンサ機能を持たせるには、
（１）シャフト部分５０に直接、着磁を行った着磁部とする（特許第３１６４５９０号参照）
（２）シャフト部分５０に磁化したリング形状物を固定する（特表平９−５１１８３２号参照）。
【００２６】
（３）シャフト部分５０に所定の加工（例えば磁気異方性の付与加工）を施した着磁部とする（特許第２８１１９８０号参照）
（４）シャフト部分に上記所定の加工を施したリング形状物を固定する（（株）クボタホームページのトルクデューサー参照）
の構成とすることができる。
【００２７】
それぞれを実現するために、まず、検出シャフト１４に磁性材を用いる場合では、上記（１）（３）で示すようにシャフト部分５０を磁化させるとか、あるいは、磁束を通す構成とする。この場合、上記（１）では外部から検出シャフト１４を通る磁束の影響を低減するため、着磁を行う箇所のみを磁性化する場合、複合磁性材も使用材料の候補とすることができる。一方、検出シャフト１４に非磁性材を用いる場合では、上記（２）（４）で示すように検出シャフト１４自体は磁化させない。磁束を検出シャフト１４内に伝達させないために必要である。
【００２８】
上記構成を備えたセンサアセンブリ１０においては、単一の検出シャフト１４に、角度センサ機能、トルクセンサ機能を持たせ、かつ、検出信号を取り出す角度センサ４０やトルクセンサ４８のセンサ部分であるフォトダイオード４４と磁気センサ５２は検出シャフト１４に非接触の構成であるから、角度センサ４０とトルクセンサ４８とを従来のように別々のシャフトに取り付けこれらを締結部で接続連結した構成ではなく単一の検出シャフト１４に組み付けることが可能となり、別々のシャフトに組み付けることによる組み付け誤差、締結部でのすべりによる出力誤差等が解消される。
【００２９】
また、検出シャフト１４を回転トルクを伝達する伝達シャフト１６と、この回転トルクが伝達される被伝達シャフト１８との間に締結部２０，２１で締結して用い、伝達シャフト１６から被伝達シャフト１８に伝達される回転トルクと、この回転トルクによる回転角度とを検出シャフト１４に組み付けた上記両センサ４０，４８で検出するので、角度検出とトルク検出とを同時にかつ正確に測定検出することができるようになる。また、検出シャフト１４に上記（１）ないし（４）により磁歪式トルクセンサ機能を持たせたので、例えば上記（１）（２）では検出シャフト１４に加えるトルクで生じる検出シャフト１４の変化すなわち捩れから検出シャフト１４の周囲磁場変化（逆磁歪現象）によりトルク変化量と磁場変化量とが比例することによりトルク検出が可能となる。また、上記（３）（４）では上記逆磁歪現象により高周波で励磁したときに生じる磁束信号がトルク変化量に比例することによりトルク検出が可能となる。上記では検出シャフト１４に対して非接触で角度とトルクの検出が可能となり、センサアセンブリ１０の構成が極めて簡素化する。また、このセンサアセンブリ１０では、検出シャフト１４に作用するトルク応力により検出シャフト１４の磁気特性が変化するという逆磁歪現象を利用するので、トルクにより変化する磁気を読み取ることができる範囲であれば、検出シャフト１４の長さを無理に長くする必要がなくなり、トルク検出の分解能を上げるため従来のようにシャフトの長さを長くして全体が大型化したり、あるいはその分解能向上のための複雑高度で高価な技術が必要でなくなる。
【００３０】
さらには、角度検出とトルク検出とが互いに独立して実施することができるので、従来のようにトルク検出の分解能に応じて角度検出の分解能を上げることを考慮しなくて済む。むしろ、角度検出の分解能を低くすることができるので、センサアセンブリ１０の設置箇所に必要な仕様に応じて構成を変化することができるようになる。また、角度センサ４０では分解能を上げると複雑な回路や高価な部材が必要となるが、実施形態のセンサアセンブリ１０では、角度センサ４０の分解能を下げることにより、コスト低減が可能となる。
【００３１】
図５に示すセンサアセンブリ１０では、検出シャフト１４に、一方がダブルベアリング２８である一対のベアリング２８，３０を所定間隔隔てて設け、両ベアリング２８，３０間のシャフト部分に上記した回路基板３４，３６を設け、両回路基板３４，３６の対向間のシャフト部分に上記角度センサ４０と上記トルクセンサ４８とを設けると共に、角度センサ４０を、光学式ロータリエンコーダとして、両回路基板３４，３６の対向基板面に検出シャフト１４の軸心方向で対向して取り付けたフォトダイオード４４および受光ダイオード４２と、これら発光と受光の両ダイオード４２，４４間のシャフト部分に該シャフト部分と一体回転可能に介装したスリット付き回転板４６とにより構成したものである。
【００３２】
上記回路基板３４，３６には図６に示す検出回路を構成する回路部品を搭載することができる。この検出回路は、検出シャフト１４に取り付けた角度センサ４０と、トルクセンサ４８それぞれの検出信号を増幅するアンプ５４，５６と、両アンプ５４，５６それぞれの出力をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器５８，６０と、このＡ／Ｄ変換器５８，６０出力を取り込むＣＰＵ６２と、ＣＰＵ６２出力をフィルタするＬＰＦ（ローパスフィルタ）６４−６８とを備える。第１ＬＰＦ６４はエラー検出信号を出力し、第２ＬＰＦ６６は角度検出信号を出力し、第３ＬＰＦ６８はＤ／Ａ変換器７０を介してトルク検出信号を出力する。
【００３３】
角度センサ出力をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器５８出力は角度検出にも用いることができる。また、ＣＰＵ６２には、温度補償、基準設定、トルクリミット等が入力され、ＣＰＵ６２はこれら入力に基づき必要な制御処理を行う。第３ＬＰＦ６８のトルク検出出力はＡ／Ｄ変換器５８，６０にフィードバックしてＡ／Ｄ変換動作の制御に用いることができる。
【００３４】
図７は図４のセンサアセンブリの概念構成を示し、図８は図５のセンサアセンブリの概念構成を示し、図９は従来のセンサアセンブリの概念構成を示す。これらの図で示すように、まず、図７のセンサアセンブリ１０では、検出シャフト１４に装着したセンサカバー３８内に角度センサ４０と非接触磁歪式トルクセンサ４８とを並設したものであり、図８のセンサアセンブリ１０では、検出シャフト１４に装着したセンサカバー３８内に角度センサ４０と非接触磁歪式トルクセンサ４８とを重ねて配置したものであり、図９のセンサアセンブリでは、別々のシャフト４００，５００に角度センサ１００と、トルクセンサ２００とを配置し、両シャフト４００，５００を締結部材３００で締結したものである。
【００３５】
実施形態のセンサアセンブリ１０では、図７、図８で示すように、単一の検出シャフト１４にそれら角度センサ４０とトルクセンサ４８それぞれの取り付け誤差はそれぞれを別々のシャフトに取り付けた場合よりも小さく抑制することができるようになり、また、従来の角度センサ取り付けシャフト４００とトルクセンサ取り付けシャフト５００とが締結部３００で接続されていたことによる回転すべり等が無くなり回転トルクの伝達制御誤差を小さく抑制することができるようになる。
【００３６】
なお、角度センサ４０における発光ダイオード４２や、トルクセンサ４８における磁気センサ５２は、回路基板に取り付けず、樹脂成型で検出シャフト１４に一体化したり、あるいは適宜の位置決め機構で位置決めすることができる。
【００３７】
また、本発明では、トルク検出の分解能を上げるべく検出シャフト１４の長さを長くする必要もないから、センサアセンブリ１０として小型化の実現が可能となる。
【００３８】
なお、角度センサ１４は、光学式に限定されず、磁気式、静電容量式、レゾルバ式等、他の形式の角度センサでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１は本発明の実施の形態に係るセンサアセンブリの使用例を示す図である。
【図２】図２は実施形態のセンサアセンブリの角度検出信号とトルク検出信号との出力取り出しの説明に用いる図である。
【図３】図３（ａ）はトルクに対する検出信号の変化を示す図、図３（ｂ）は角度に対する角度検出信号の変化を示す図である。
【図４】図４は実施形態のセンサアセンブリの構成を示す図である。
【図５】図５は実施形態の別のセンサアセンブリの構成を示す図である。
【図６】図６は実施形態のセンサアセンブリの検出回路を示す図である。
【図７】図７は図４のセンサアセンブリの概念を示す図である。
【図８】図８は図５のセンサアセンブリの概念を示す図である。
【図９】図９は従来のセンサアセンブリの概念を示す図である。
【図１０】図１０は特開平８−２６７３６８号公報に記載されているトルク制御式パルスツールの構成を示す図である。
【図１１】図１１は従来の角度検出機能を持つトルクセンサの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０  センサアセンブリ
１２  センサカバー
１４  検出シャフト
１６  伝達シャフト
１８  被伝達シャフト
２８，３０  ベアリング
３２  円筒ハウジング
３４，３６  回路基板
３８  センサカバー
４０  角度センサ
４２  発光ダイオード
４４  フォトダイオード
４６  スリット付き回転板
４８  トルクセンサ
【図１】
2008076066.tif 000003
【図２】
2008076066.tif 000004
【図３】
2008076066.tif 000005
【図４】
2008076066.tif 000006
【図５】
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【図６】
2008076066.tif 000008
【図７】
2008076066.tif 000009
【図８】
2008076066.tif 000010
【図９】
2008076066.tif 000011
【図１０】
2008076066.tif 000012
【図１１】
2008076066.tif 000013