JP2008076066A - Sensor assembly - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a sensor assembly including an angle sensor that detects a rotation angle and a torque sensor that detects a rotation torque.
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。
Some conventional sensor assemblies are incorporated in the torque controlled pulse tool shown in FIG. The torque-controlled pulse tool shown in FIG. 10 is the tool disclosed in FIG. 1 of Japanese Patent Laid-Open No. 8-267368. The code | symbol shown in FIG. 10 is a code | symbol attached | subjected to the same gazette. As shown in the schematic configuration in FIG. 10, the shaft to which the
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。
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。 The problem to be solved by the present invention is to increase the detection accuracy and reduce the size of the apparatus.
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。 A sensor assembly according to the present invention includes a single detection shaft interposed between a plurality of shafts in a torque transmission path, and an angle sensor for detecting a rotation amount (angle) of the detection shaft is mounted on the detection shaft. In addition, a non-contact magnetostrictive torque sensor is arranged on the detection shaft in proximity to the angle sensor.
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。 The sensor is not limited to being attached to the circuit board as in the embodiment, and may include attaching the whole to the detection shaft through an appropriate attachment member or mechanism by integrally molding with resin.
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。 This rotation detection can include a rotation angle, a rotation speed, and the like.
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。 According to the present invention, since the angle sensor and the torque sensor are mounted close to a single detection shaft, the mounting error of each of the angle sensor and the torque sensor is a case where each is mounted on a separate shaft. It is possible to reduce the rotational torque transmission control error and the rotational slip due to the fact that the conventional angle sensor mounting shaft and torque sensor mounting shaft are connected at the fastening portion is eliminated. Will be able to. Furthermore, in the present invention, since it is not necessary to increase the length of the detection shaft in order to increase the resolution of torque detection, the sensor assembly can be miniaturized, and in addition, they are independent in detection. Therefore, by arranging them close to each other, the detection shaft can be made shorter and the size can be reduced.
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。 In a preferred aspect of the present invention, a pair of disk-shaped circuit boards mounted with circuit parts for electrically processing the detection signals of the two sensors at a distance from the detection shaft are arranged opposite to each other, The torque sensor is constituted by a shaft portion between the two circuit boards facing each other and a magnetic sensor for detecting a change in magnetic characteristics of the shaft portion in a non-contact manner.
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。 In a preferred aspect of the present invention, a pair of bearings are provided at a predetermined interval on the detection shaft, and the detection signals of the two sensors are electrically transmitted to the shaft portion between the bearings at a predetermined interval. A pair of disk-like circuit boards loaded with circuit components to be processed are arranged opposite to each other, and the angle sensor is provided in a shaft portion between one bearing and one circuit board, and a shaft between both circuit boards is opposed to each other. It is to provide a torque sensor in the part.
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。 According to a preferred aspect of the present invention, one bearing is a double bearing and a cylindrical housing is placed on the double bearing, and the angle sensor is detected on the inner surface of the cylindrical housing and the substrate surface of one circuit board. A light encoder and a light receiver mounted opposite to each other in the axial direction of the shaft, and a rotary plate with a slit interposed between the light emitter and the light receiver so as to rotate integrally with the detection shaft, to form an optical encoder configuration. It is.
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。 In a preferred aspect of the present invention, a pair of bearings are provided at a predetermined interval on the detection shaft, and the detection signals of the two sensors are electrically transmitted to the shaft portion between the bearings at a predetermined interval. A pair of disk-like circuit boards on which circuit components to be processed are mounted is provided, and the angle sensor and the torque sensor are provided on a shaft portion between the opposite sides of both circuit boards.
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。 In a preferred aspect of the present invention, the angle sensor is mounted on the opposing substrate surfaces of the circuit boards so as to face each other in the axial direction of the detection shaft, and between the light emission and light reception means. An optical encoder configuration is formed by a rotating plate with a slit interposed in the shaft portion so as to be integrally rotatable with the shaft portion.
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。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, detection accuracy can be raised and size reduction as an apparatus can be achieved.
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。 Hereinafter, a sensor assembly according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
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。
FIG. 1 shows a use state of the
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。
FIG. 2 shows a detection configuration by the
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。
FIG. 3A shows a change in the torque detection signal by the non-contact magnetostrictive torque sensor. In FIG. 3A, the horizontal axis represents torque, and the vertical axis represents a torque sensor detection signal (sensor output voltage). FIG. 3B shows an angle detection signal. The horizontal axis in FIG. 3B represents the angle, that is, the amount of rotation of the
図4および図5にセンサアセンブリ10の構成例を示す。
4 and 5 show a configuration example of the
まず、図4を参照してセンサアセンブリ10を説明する。
First, the
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。
A pair of
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。
A
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。
The
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。
The
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)。
Specifically, a magnetic material, a non-magnetic material, and a composite magnetic material (published on
(1) A magnetized portion in which the
(2) A magnetized ring-shaped object is fixed to the shaft portion 50 (refer to Japanese Patent Publication No. 9-511832).
(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。
(3) A magnetized portion in which the
(4) Fix the ring-shaped object that has been subjected to the above-mentioned processing on the shaft (see Torque ducer on the Kubota website)
It can be set as this structure.
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。
In order to realize each, first, when a magnetic material is used for the
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。
In the
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。
Further, the
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。
Furthermore, since angle detection and torque detection can be performed independently of each other, it is not necessary to consider increasing the angle detection resolution in accordance with the torque detection resolution as in the prior art. Rather, since the resolution of angle detection can be lowered, the configuration can be changed according to the specifications required for the installation location of the
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。
In the
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。
Circuit parts constituting the detection circuit shown in FIG. 6 can be mounted on the
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。
The output of the A /
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。
7 shows a conceptual configuration of the sensor assembly of FIG. 4, FIG. 8 shows a conceptual configuration of the sensor assembly of FIG. 5, and FIG. 9 shows a conceptual configuration of the conventional sensor assembly. As shown in these drawings, first, in the
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。
In the
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。
The
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。
In the present invention, since it is not necessary to increase the length of the
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。
The
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
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---|---|---|---|
JP2006252315A JP2008076066A (en) | 2006-09-19 | 2006-09-19 | Sensor assembly |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101975548A (en) * | 2010-09-26 | 2011-02-16 | 上海交通大学 | Sensor for detecting high-precision corner and torque of precision mechanism |
CN102162741A (en) * | 2010-12-24 | 2011-08-24 | 上海交通大学 | Permanent magnetic rotation sensing device for detecting motion state of rotating machine |
JP2021012166A (en) * | 2019-07-09 | 2021-02-04 | 株式会社ジェイテクト | Sensor device |
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2006
- 2006-09-19 JP JP2006252315A patent/JP2008076066A/en active Pending
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