JPH09280973A

JPH09280973A - トルクセンサ

Info

Publication number: JPH09280973A
Application number: JP12099296A
Authority: JP
Inventors: Shuhei Takasu; 高巣周平
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-04-17
Filing date: 1996-04-17
Publication date: 1997-10-31
Anticipated expiration: 2016-04-17
Also published as: JP3692494B2

Abstract

(57)【要約】【目的】停止から高速回転時までの、微小なトルクを
検出する小型のトルクセンサを提供する。【構成】円周上等間隔に複数の斜めスリットを入れた
弾性体でできた円筒体の外周に一様な間隙で同心円状の
静電容量式あるいは磁気式などの非接触変位センサを配
置する。トルクが加わると、加えたトルクの向きによ
り、斜めスリットを入れた円筒体のブリッジ部の半径が
縮んだり膨らんだりするので、その変位量をその外周に
配置した非接触変位センサにより検出することにより、
トルクの大きさを知ることができる。非接触
変位センサとしては、上記以外にも、渦電流式、光学式
などが利用できる。

Description

【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21
2，212'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1
1b,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1
1b,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2
3a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５
１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12
3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１７Ａ／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

Claims

【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、直径に比較し厚みの薄い鉄鋼などの弾性
体でできた円筒体の軸方向の一部に、円周全周にわたっ
て円周方向に対し斜め方向に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の
周りに、ごくわずかの間隙を持って非接触に円周方向に
取り囲む円環状の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。
【請求項２】非接触変位センサとして環状の絶縁体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たしことを特徴
とする特許請求項１のトルクセンサ。
【請求項３】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
特徴とする請求項１のトルクセンサ。
【請求項４】弾性円筒体の軸方向２カ所に、互いに傾き
の方向が逆向きになるようにスリットを成形し、各々の
スリット部に対し円環状の非接触変位センサを設置し、
それぞれの非接触変位センサの出力の差分をとり、トル
ク検出出力としたことを特徴とする請求項１のトルクセ
ンサ。
【請求項５】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６】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７】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
静電容量型の非接触変位センサを置いたことを特徴とす
るトルクセンサ内蔵のＤＣブラシレスモータ