JP2003307461A - トルク検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安定かつ高精度にトルクを検出できる装置を
提供する。 【解決手段】 駆動軸１３は減速器付きＤＣモータ１０
で駆動される。駆動軸１３と被駆動軸１８とはウォーム
ギアで係合される。被駆動軸１８にはタップなどの負荷
が接続される。負荷トルクはウォームギアのウォーム１
４ａにスラスト方向の力を加える。ウォーム１４ａには
ロードセル１６が設けられており、スラスト方向の力を
ロードセル１６で検出し、電気信号として出力する。予
め、負荷トルクの大きさとロードセル１６の出力とを対
応させておくことで、トルクを高精度に検出できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はトルク検出装置、特
に反力トルクによるスラスト力を検出することでトルク
を検出する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】電力切替機には複数接点を切替えるロー
タリスイッチ（タップ）が設けられている場合がある。
ロータリスイッチはモータで回転駆動され、稼働状況に
応じて接点を切り替える。ロータリスイッチでは、経時
劣化により接点間の回転抵抗が増し、接点切替が円滑に
行えない場合がある。このため、電力切替機の外部から
ロータリスイッチにトルク検出装置を係合させ、ロータ
リスイッチの負荷トルクを定期的に検出するメンテナン
スが必要となる。

【０００３】トルク検出装置としては反力型トルクメー
タがあり、低価格である一方、減速モータを含む大きい
重量を繊細なセンサで支える必要があるので構造上弱い
という欠点がある。また、軸の曲げモーメントによる出
力信号の干渉も生じる。

【０００４】一方、特開平９−２５０９５８号公報に
は、はすば歯車のスラスト変位を利用したトルク検出装
置が開示されている。はすば歯車の受動歯車にスラスト
力により伸縮する変位検出器を設け、その変位によりト
ルクを検出する。駆動軸に付加されたトルクは、駆動軸
に固定されたはすば歯車の駆動歯車から受動歯車の軸方
向にスラスト力を与え、このスラスト力は変位検出器に
変位を生じさせる。予め駆動トルクと変位との相対関係
を検定することで、トルクを簡易に検出することができ
るとしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、はすば
歯車を用いる場合、駆動軸と被駆動軸は平行な関係にあ
り、歯車が回転しなければスラスト力が発生せず、変位
検出器の変位は生じない。したがって、ロータリスイッ
チにトルクを印加して静止状態から回転を始めるまでの
負荷トルクを検出することができない問題がある。さら
に、スラスト力は歯車の動摩擦係数やリード角に大きく
依存するので、安定的なトルク検出が困難である問題も
ある。

【０００６】本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑
みなされたものであり、その目的は、構造上強度を維持
でき、また、安定して高精度にトルクを検出することが
できる装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のトルク検出装置は、駆動軸と被駆動軸とを
係合するウォームギアと、前記被駆動軸の負荷トルクに
応じて前記ウォームギアに作用するスラスト力を検出す
るセンサとを有することを特徴とする。

【０００８】前記センサは、ロードセルを用いることが
できる。

【０００９】また、前記駆動軸はモータで駆動され、前
記ウォームギアのウォームは前記駆動軸に設けられ、前
記ウォームギアのホイールは前記被駆動軸に設けられ、
前記ロードセルの荷重印加軸は前記ウォームの軸に平行
に設けられることが好適である。

【００１０】また、本発明のトルク検出装置は、駆動軸
と被駆動軸とを係合するハイポイドギアと、前記被駆動
軸の負荷トルクに応じて前記ハイポイドギアに作用する
スラスト力を検出するセンサとを有することを特徴とす
る。

【００１１】本装置においても、前記駆動軸はモータで
駆動され、前記ハイポイドギアの小歯車は前記駆動軸に
設けられ、前記ハイポイドギアの大歯車は前記被駆動軸
に設けられ、前記ロードセルの荷重印加軸は前記小歯車
の軸に平行に設けられることが好適である。

【００１２】このように、本発明のトルク検出装置で
は、ウォームギアあるいはハイポイドギアに印加される
スラスト力を用いて負荷トルクを検出する。ウォームギ
アあるいはハイポイドギアは、２つの軸が互いに直交
し、軸中心がオフセットを有する特徴がある。従って、
例えばウォームギアの場合、ロータリスイッチ等の負荷
に被駆動軸を接続し、被駆動軸にウォームホイールを接
続し、駆動軸にウォームを接続することで、負荷トルク
によりウォームにスラスト力が印加されることになる。
通常、ウォームにはスラスト軸受が設けられてスラスト
力を受けるが、本発明ではスラスト力をセンサ、例えば
ロードセルで受け、ロードセルに生じた歪みを検出す
る。ロードセルで検出した歪み量はスラスト力に比例
し、スラスト力は負荷トルクに比例する。従って、予め
歪み量と負荷トルクとの関係を検定しておけば、負荷ト
ルクを高精度に検出することができる。また、軸中心が
オフセットを有しているため、ギアが回転していなくて
も負荷トルクによりスラスト力が発生し、負荷が静止状
態から回転を始めるためのトルクも検出することができ
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づき本発明の実施
形態について、電力切替用のタップを回転させるために
必要な負荷トルクを検出する場合を例にとり説明する。

【００１４】図１には、本実施形態の概念構成図が示さ
れている。トルク検出装置１は、駆動用モータ２、ギア
機構３、センサ４、処理部５を含んで構成され、モータ
２の駆動軸と負荷６はギア機構３で係合される。ギア機
構は具体的にはウォームギアである。ギア機構３にはセ
ンサ４が設けられ、ギア機構に作用するスラスト力を検
出する。検出されたスラスト力は処理部５に供給され
る。処理部５は、センサからの信号を処理しトルク値と
して出力する。具体的には、予めセンサ検出値とトルク
値との対応関係をメモリに記憶しておき、入力センサ値
に応じたトルク値を出力する。負荷６は、電力切替用の
タップである。

【００１５】図２には、本実施形態に係るトルク検出装
置１の正面図が示されており、図３には図２のＸ−Ｘ断
面図が示されている。トルク検出装置１は、減速器付Ｄ
Ｃモータ１０を有し、このＤＣモータ１０で駆動軸１３
を駆動する。ＤＣモータ１０は、スラスト方向には動き
がないことが望ましい。ＤＣモータ１０と駆動軸１３と
はカプラ１２で結合される。カプラ１２はスラスト方向
の剛性が低い、あるいは自由であることが望ましい。駆
動軸１３にはウォームギアのウォーム１４ａが設けられ
ており、ウォームホイール１４ｂと噛合して被駆動軸１
８を回転駆動する。

【００１６】ウォーム１４ａの両端にはロバーバル型の
ロードセル１６が設けられており、ロードセル１６の上
端部にボールベアリング１５が設けられ、このボールベ
アリング１５で駆動軸１３を回転自在に支持する構成で
ある。ロードセル１６の下端は基台に固定されており、
上端は駆動軸１３に沿って移動できるようにロバーバル
機構で構成され、中央には歪み発生用の孔１６ｂが形成
されている。孔１６ｂはロードセル１６の荷重印加軸と
スラスト方向が平行であることを考慮して形成される。
ロードセル１６の所定位置（起歪部）には歪みセンサ１
６ａが設けられており、ウォーム１４ａが図１における
矢印方向（スラスト方向）の力を受けるとロードセル１
６がスラスト方向に歪み、この歪みを電気信号に変換し
て外部に出力する。

【００１７】また、ウォーム１４ａに噛み合うウォーム
ホイール１４ｂには被駆動軸１８が設けられている。す
なわち、ウォームホイール１４ｂは被駆動軸１８を回転
中心として軸支されている。被駆動軸もボールベアリン
グ１７を介して基台に支持されている。被駆動軸１８の
端部は、図示しないタップに接続される。

【００１８】電力切替機の通常動作時には、タップはモ
ータにより回転駆動され、接点が切り替わる。一方、メ
ンテナンス時には、本実施形態のトルク検出装置１の被
駆動軸１８をタップに接続する。そして、ＤＣモータ１
０を駆動し、タップにトルクを印加する。被駆動軸１８
の端部がタップに接続されていない状態ではウォーム１
４ａにスラスト力は発生しないが、タップを接続すると
その負荷トルクに比例したスラスト力がウォーム１４ａ
に発生する。

【００１９】図４には、ロードセル１６の変形の様子が
示されている。図４（ａ）は負荷トルクがゼロの状態、
図４（ｂ）は負荷トルクがあってスラスト力が印加され
たときの状態である。ロバーバル機構のロードセル１６
はスラスト方向に歪む。なお、図４（ｂ）では説明の都
合上、歪みが誇張されている。起歪部に設けられたセン
サ１６ａが歪みに応じた電気信号を出力する。電気信号
は処理部５に供給され、トルク値として出力される。ト
ルク検出装置１にディスプレイを設け、検出したトルク
値をディスプレイに数値として表示することも好適であ
る。検出した負荷トルクを所定のしきい値と比較し、所
定のしきい値以下であればＯＫのサインを表示し、しき
い値を超えた場合にＮＧのサインを表示することもでき
る。

【００２０】このように、本実施形態においては駆動軸
１３と被駆動軸１８との間の係合にウォームギアが設け
られている。ウォームギアにおいては、駆動軸１３と被
駆動軸１８が直交し、２つの軸中心にオフセットがあ
る。したがって、例えウォームギアが回転しなくても負
荷トルクはウォーム１４ａにスラスト方向の力を与え、
ロードセル１６でスラスト力を検出することが可能であ
る。これにより、タップの静止状態から回転を開始する
までに要する負荷トルク量も検出することができる。

【００２１】さらに、はすば歯車の場合にはリード角に
よりスラスト力が変化するが、ウォームギアの場合には
リード角に無関係にスラスト力が決定されるため、ギア
の成型精度や経時変化によらず安定的に検出することが
できる。

【００２２】なお、本実施形態においては駆動軸１３と
被駆動軸１８とをウォームギアで係合しているが、ウォ
ームギアと同様に２つの回転軸が直交し、その回転中心
がオフセットしている他の係合部材を用いることも可能
であろう。このような係合部材としては、例えばハイポ
イドギアがある。

【００２３】ハイポイドギアは、主にウォームギアの代
用として用いられ、円錐形の小歯車とこの小歯車と噛合
する大歯車から構成される。駆動軸１３に小歯車を設
け、その軸受けにロードセル１６を接続する。また、被
駆動軸１８に大歯車を設ける。ハイポイドギアを用いた
場合でも、負荷トルクにより小歯車にスラスト力が印加
され、これをロードセル１６で検出することで高精度に
負荷トルクを検出できる。

【００２４】以上、本発明の実施形態について説明した
が、本発明はこれに限定されるものではなく種々の変更
が可能である。

【００２５】例えば、本実施形態ではギアのスラスト力
を検出するためにロードセルを用いているが、ギアのス
ラスト力を検出できる任意のセンサを用いることができ
る。例えば、ウォーム１４ａの軸受に弾性部材を設け、
スラスト力による弾性部材の変位量を検出することでス
ラスト力を検出してもよい。

【００２６】また、本実施形態では、ウォームギアとハ
イポイドギアにより駆動軸と被駆動軸とを係合している
が、これらと均等な任意の係合機構を用いることが可能
である。このような係合機能が有すべき条件としては、
２つの軸が直交すること、及び２つの軸中心が一致せず
オフセットを有することである。したがって、２つの軸
が直交するものの、その軸中心が一致するかさ歯車機構
を用いることは好適ではない。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば高
精度にトルクを検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施形態の概念構成図である。

【図２】 実施形態に係るトルク検出装置の平面図であ
る。

【図３】 実施形態に係るトルク検出装置のＸ−Ｘ断面
図である。

【図４】 ロードセル説明図である。

【符号の説明】

１０ ＤＣモータ、１２ カプラ、１３ 駆動軸、１４
ａ ウォーム、１４ｂウォームホイール、１５，１７
ボールベアリング、１６ ロードセル、１８被駆動軸。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動軸と被駆動軸とを係合するウォーム
   ギアと、 前記被駆動軸の負荷トルクに応じて前記ウォームギアに
   作用するスラスト力を検出するセンサと、 を有することを特徴とするトルク検出装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の装置において、 前記センサはロードセルであることを特徴とするトルク
   検出装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の装置において、 前記駆動軸はモータで駆動され、 前記ウォームギアのウォームは前記駆動軸に設けられ、 前記ウォームギアのホイールは前記被駆動軸に設けら
   れ、 前記ロードセルの荷重印加軸は前記ウォームの軸に平行
   に設けられることを特徴とするトルク検出装置。
4. 【請求項４】 駆動軸と被駆動軸とを係合するハイポイ
   ドギアと、 前記被駆動軸の負荷トルクに応じて前記ハイポイドギア
   に作用するスラスト力を検出するセンサと、 を有することを特徴とするトルク検出装置。
5. 【請求項５】 請求項４記載の装置において、 前記センサはロードセルであることを特徴とするトルク
   検出装置。
6. 【請求項６】 請求項５記載の装置において、 前記駆動軸はモータで駆動され、 前記ハイポイドギアの小歯車は前記駆動軸に設けられ、 前記ハイポイドギアの大歯車は前記被駆動軸に設けら
   れ、 前記ロードセルの荷重印加軸は前記小歯車の軸に平行に
   設けられることを特徴とするトルク検出装置。