JP2002071477A - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 軸方向変位のない、静止から回転までの非接
触のトルクセンサを提供する。 【構成】 軸心回りに回転して回転力を伝達する軸１の
途中に、該軸１と同心位置にあって、弾性材で出来た円
周方向に対し斜め方向にスリットを複数個等間隔に成形
した弾性リング２を、該弾性リング２の両端部分におい
て軸１に結合し、該弾性リング２のスリット成形面に対
面して、弾性リング２のスリット成形部の半径方向変位
を検出する非接触変位センサ３配置したことを特徴とす
るトルクセンサ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、軸の静止時及び回
転時において、回転力を伝達する軸に付加されるトルク
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、例えば図１１に
示す特開平９−２８０９７３に見られるように、トルク
伝達軸の負荷軸と駆動軸の間に円周方向に対し斜め方向
に複数のスリットを等間隔に設けた弾性リングを挿入
し、駆動軸、弾性円筒体、負荷軸の回転中心が一致する
ように配置結合し、弾性リング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、または弾性リン
グ内部に非接触変位センサを配置した構成となってい
た。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来のトルクセンサの
場合、弾性リングはトルクにりよねじられると、スリッ
ト成形部は半径方向に変位すると共に、その両端におい
て軸方向にも変位が生ずる。したがって、軸方向に変位
が生じては困るものに関しては、適用できなかったり、
軸方向の荷重が加わるものでは、軸方向荷重によって弾
性リングの半径方向の変位が生じ、正確なトルクの検出
が出来ないなどの問題点があった。本発明は上記従来技
術の欠点をなくし、軸方向の変位がなく、また軸方向の
加重が加わってもトルクの検出値に影響が及ばないトル
クセンサを提供することを目的とするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的は、トルク伝達
軸の途中に、ばね鋼などの磁性または導電性のある弾性
材でできた円筒体の側面に円周方向に対し斜め方向に複
数のスリットを等間隔に設けたねじり剛性の小さい弾性
リングを該軸と同心に配置し、該軸に弾性リングをその
軸方向両端部で結合し、弾性リングのスリット成形部に
対面して非接触変位センサを配置し、弾性リングのスリ
ット成形部の半径方向の変位を、該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。非接触変位センサ
には、静電容量型変位センサ、励磁コイルと検出コイル
による磁気抵抗変化検出方式、渦電流方式、光学的な変
位センサなどが利用できる。

【０００５】

【発明の実施の形態】トルク伝達軸にトルクが加わる
と、軸はねじり変形する。このトルク伝達軸の途中にそ
の両端が固定された弾性リングも同様にねじられ、中央
部の斜めスリットの成形部において、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、絞られて半
径が縮み、これと逆方向の場合、その半径が膨らむよう
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、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。このときのトルクによ
りねじられるトルク伝達軸の軸方向変位は無視できるほ
ど小さい。さらに、トルク伝達軸の弾性リングとの結合
部間の軸心に直角な断面積を小さくし、ねじり剛性を小
さくして、ねじれ量を大きくし、弾性リングのねじれ量
を大きくして半径方向の変位を大きくすることにより、
検出感度を高めることが出来る。

【０００６】

【実施例】図１は本発明の第１実施例である。回転自由
に軸受6a、6bにより支持された軸１に、この軸１の外周
同心位置ある、バネ鋼などの磁性及び導電性をもつ金属
製の直径に比べて肉厚の薄い円筒体の円筒面に、複数の
斜めスリット2bを円周方向に対しある任意の傾斜角度θ
（０＜θ＜９０度）をもって等間隔に成形した弾性リン
グ２をその両端で固着している。この弾性リング２のス
リット成形部2aを僅かの間隙をもって取り囲む様に、環
状の電極３が配置され、弾性リング２との間でコンデン
サを形成して静電容量型の変位センサを構成している。
電極３はプラスチック、セラミックスなどでできた絶縁
ホルダ５により覆われ絶縁されている。また弾性リング
２には絶縁スペーサ９で覆われたブラシ８により外部と
の電気的な導通が取られている。

【０００７】軸１にトルクが加わると、軸１にはねじり
変形が生ずる。軸１の途中にその両端が固着されている
弾性リング２もその固着間の長さに応じたねり変形が生
じる。弾性リング２のスリット成形部2aはこの弾性リン
グ２の両端のねじり量に比例して半径方向の変位が生ず
る。図２はこの様子を模式的に示したものである。図２
（ａ）は弾性リング２の斜めスリット成形部2a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、スリット成形部2aは絞られて半径がΔｒだけ縮
まる。図２（ｂ）は弾性リング２のスリット成形部2a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リングの変形状態を示したもの
で、この場合弾性リングのスリット成形部2aの半径がΔ
ｒ’だけ膨らむ。こ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。

【０００８】弾性リング２のスリット成形部2aの半径方
向の微少変位量の測定法としては、磁気抵抗変化検出方
式、渦電流方式、光学的な変位センサ、静電容量方式な
どが利用できるが、ここでは静電容量方式の変位計測法
について説明する。図３に示すように弾性リング２と電
極３の間でコンデンサが形成されているので、弾性リン
グ２の半径方向の変位により２つの電極間の距離が変化
し、その容量が変化する。この容量の変化を既知の適当
な電子回路を使って、例えば図３に示すように、発振回
路12、ブリッジ回路14、検波回路15、増幅回路16、フィ
ルタ回路17、出力回路18などよりなる電子回路により、
電気信号として取れ出すことにより、トルクの大きさと
方向を知ることができる。

【０００９】弾性リング２はねじられたとき、軸方向に
も変位しようとするが、トルク伝達軸にその両端が固着
されているため、軸方向へは変位は殆ど無い。

【００１０】図４は静電容量型変位センサの別の構成方
法を示したものである。上記した図３に示す方法では弾
性リング２と信号処理回路は電気的な導通をとるため、
ブラシ８を弾性リング２または軸１に接触させる必要が
あり、高速回転ではノイズの原因となりやすい。そこ
で、図４に示すように、メイン電極13aと、その側にサ
イド電極13b,13cをおき、メイン電極13aと弾性リング３
とのコンデンサー、及びサイド電極13b,13cと弾性リン
グ３との間でコンデンサーを構成し、これらのコンデン
サーが直列結合した構造とすることにより、弾性リング
３の変形によりそれぞれのコンデンサーの容量が変化す
るので、上記と同様の電子回路により、弾性リング２と
の物理的な接触無しに、変位を検出することが出来る。
静電容量型変位センサの特徴は、比較的温度変化の影響
を受けにくいことである。なお、サイド電極は１個でも
同様の機能が得られる。

【００１１】他の検出法として磁気抵抗変化検出方式の
変位測定法がある。これは弾性リング２のスリット成形
部2aを、磁気回路の一部とし、変位を磁気抵抗の変化と
して計測するものである。図５はこれを示したもので、
弾性リング２の外周に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の間には、弾性
リング２と僅かの隙間をもった環状の中間ヨーク24を、
弾性リング２のスリット成形部２ａの変位が最大となる
軸方向中央部に置いている。

【００１２】図６は弾性リングの変位検出の原理を模式
的に示したもので、円筒ヨーク25、端面ヨーク23aと弾
性リング２のスリット成形部2a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23
aとスリット成形部2a及び端面ヨーク23b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
を検波回路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。発生電圧はスリッ
ト成形部2a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。磁気回路における磁気抵抗は空隙部にお
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、スリット成形部2a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と弾性リング２のスリット成形部2a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、弾性リン
グ２の素材とし磁歪効果を有する合金を使用すると、ト
ルク負荷のため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】図７は、本発明の第２の実施例を示したも
のである。スリットを入れた弾性リング２では、回転数
が高くなると、遠心力の影響を受け、スリット成形部が
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、トルク無付加
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
の区別ができない。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の場合回転
数の変動を検出できないので、何らかの対策が必要にな
る。

【００１４】図７に示す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、弾性リングに軸方向に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33a,33bを成形している。そしてその各々のスリッ
ト成形部32a,33aに環状の非接触変位センサ34a、34bが
設けてある。遠心力に対しては、両方のスリット成形部
32a,33aはともに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、一方のスリット成形部
32aは半径が縮み、他方のスリット成形部33aは半径が広
がるので、二つの非接触変位センサ34a、34bの差分をと
ることにより、遠心力による半径方向変位をキャンセル
しトルクによる変位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。

【００１５】図８は、本発明の第３の実施例を示したも
のである。この図では、変更箇所の軸のみを示してい
る。トルク伝達軸のねじり剛性が高い場合、弾性リング
に十分なねじり変形が与えられず、したがって、その半
径方向変位が小さく十分な検出感度が得れない場合に対
する対応を示したものである。これは、図８に示すよう
にトルク伝達軸41の弾性リングを固着する間のねじれ部
41aで、その径を小さしたり、断面形状を矩形、三角形
又は十文字、あるいはＹ字形にして、そのねじり剛性を
小さくし、ねじれ易くしている。これにより小さなトル
クに対しても、軸のねじれ量を大きくでき、弾性リング
の半径方向変位も大きくできるので、検出感度を高くす
ることができる。ねじれ部の断面積を小さくしているの
で、軸方向に変位し易くなっているが、弾性リングのね
じり剛性が小さいので、無視できる。

【００１６】図９は本発明の第４の実施例である静止型
トルクセンサを示したもので、非接触変位センサ53を弾
性リング52の内側へ内包した構造をしている。最内周部
にベースプレート55の中央より軸方向に伸びたねじれ部
51があり、その外側に絶縁ホルダ54に保持された電極53
があり、その外側に、複数の斜めスリットを円周方向に
対し等間隔に成形した弾性リング52が同心状に配置され
ている。弾性リング52の一端はベースプレート55に、他
端はねじれ部51に固着されている。電極53と弾性リング
52はコンデンサを形成している。したがって、上記実施
例１と同様の原理・作用により、軸回転しない場合のト
ルクの大きさと方向が検出できる。本実施例の優れる点
は変位計測センサを内側に入れることにより、装置の小
型化が図れることである。

【００１７】また、図１０に示すように弾性リング52を
挟んでその内外に２個の環状電極53,57をおき、２つの
静電容量型変位センサを形成することもできる。内外の
変位センサの差分を取ることにより検出感度を２倍にす
ることができる。

【００１８】さらに、本発明では、図１１に示すよう
に、円筒状のトルク伝達軸61の内側に弾性リング62を固
着し、その内側にトルク伝達軸61が回転しても静止状態
を保つことが出来る用に軸受66a,66bで支持されたシャ
フト65に取り付けられた静電容量型変位センサ用電極63
を挿入した、センサ内蔵型のトルクセンサとすることも
できる。測定原理は上記の例と同様に、ねじりにより生
じた弾性リング62の半径方向の変位を内側から検出す
る。外側に変位センサを置くスペースが無い場合に有効
である。

【発明の効果】本発明ではトルク伝達軸に弾性リングを
その両端で固着しているので、軸方向の変位が無く、ま
た軸方向荷重の影響を受けないトルクセンサを提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のトルクセンサの基本構成を示した斜視
図

【図２】弾性リングのトルクによる変形状態を示した模
式図

【図３】トルク検出における静電容量変位センサの構成
と信号処理回路構成図

【図４】トルク検出における静電容量変位センサの別の
構成と信号処理回路構成図

【図５】励磁コイルと検出コイルによる非接触変位セン
サの構成図

【図６】励磁コイルと検出コイルによる非接触変位セン
サの原理と信号処理回路構成図

【図７】デュアル構造のトルクセンサの要部斜視図

【図８】ねじれ部の断面積を小さくした軸の斜視図

【図９】変位センサを内挿したトルクセンサの要部断面
図

【図１０】内外に変位センサを配置したトルクセンサの
要部断面図

【図１１】軸内部に変位検出系を設けたトルクセンサの
要部断面図

【図１２】従来の弾性リング方式トルクセンサの要部断
面図

【符号の説明】

１，３１，４１，６１，１０１ 軸、 ２，５２，６２ 弾性リング、 ２ａ，３２ａ，３３ａ スリット成形部、 ２ｂ，３２ｂ，３３ｂ スリット、 ３，１３，５３，５７，６３ 電極、 ４，１０５ ケース、 ５，５４，５８ 絶縁ホルダ、 ６，５６，６６，１０６ 軸受、 ９，６４ 絶縁スペーサ、 １２，２６ 発振回路、 １４ ブリッジ回路、 １５，２７ 検波回路、 １６ 増幅回路、 １７ フィルタ回路、 １８ 出力回路、 ２１ 励磁コイル、 ２２ 検出コイル、 ２３ 端面ヨーク、 ２４ 中間ヨーク、 ２５ 円筒ヨーク、 ２８ 信号処理回路、 ４１ａ，５１ ねじれ部 ６５ シャフト ６７ ナット ６８ シール ６９ カバー ７０ 信号ケーブル ７１ プーリ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】軸心回りの回転力を伝達する軸１の途中
   に、該軸１と同心位置にあって、弾性材で出来た円筒体
   の側面に円周方向に対し斜め方向にスリットを複数個等
   間隔に成形した弾性リング２を、該弾性リング２の両端
   部分において軸１に結合し、該弾性リング２のスリット
   成形面に対面して、弾性リング２のスリット成形部の半
   径方向変位を検出する非接触変位センサ３配置したこと
   を特徴とするトルクセンサ。