JP2009139187A - トルク測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 トルクリップルを精密に測定するのに適したトルク測定装置を提供する。
【解決手段】 トルク測定装置は、モータのフレーム１を支持する支持フレーム１６と、支持フレームで支持されたモータに負荷をかけた状態で駆動時に該モータのフレームに生じる反力を取り出すためのプレート２と、前記反力によって第１の方向に変位しようとするプレートを介して前記第１の方向に作用する第１の力を検出するための第１の検出部と、前記プレートに対して前記第１の方向と反対の第２の方向に第２の力を加えることにより前記反力の一部をキャンセルする第１のキャンセル部とを含む。特に、前記第１の検出部と前記第１のキャンセル部は前記プレートを挟むように設けられて、前記第１のキャンセル部によるキャンセル力と前記反力との差を前記第１の検出部により前記第１の力として検出する。
【選択図】 図１

Description

本発明はトルク測定装置に関し、特にモータやギアモータ等の駆動ユニットが発生するトルクにおけるトルクリップルを精密に測定するのに適したトルク測定装置に関する。

工作機械やロボットアームなど、モータを駆動源とする駆動ユニットにおいては、高精度化の要求が高まっている。これに伴い、駆動ユニットの供給メーカでは、駆動ユニットが発生したトルクを正確に評価することが要求されるようになっている。これは、要求の高まったトルク仕様の合否判定に必要なほか、駆動ユニット開発行為での評価基準としても必要となるためである。

トルク仕様の重要な項目にリップル仕様があり、所定のトルクを発生しているときに、所定のトルクからのわずかなトルクむらをトルクリップルとして正確に測定する要求がある。

なお、駆動ユニットというのは、トルクを取り出す手段として用いられる装置であって、モータやギアモータのほか、ギアモータの一部である変速機をも含むものとする。

一般に、トルク測定装置は、駆動ユニットの出力軸に、カップリングによってトルクメータとブレーキを接続して構成される。

従来のトルク測定装置は、例えば特許文献１に開示されている。

従来のトルクメータによるトルク測定方式は、スリップリング方式、歪みゲージ方式、光学方式等があげられるが、回転部分を測定対象とすることから配線の問題により方式が限定されていた。また、従来のトルクメータでは、測定精度はフルスケールの１／１０００程度が限界であり、フルスケールを２００Ｎｍとすると、０．２Ｎｍ程度が限界である。しかしながら、駆動ユニットの高精度化の要求に伴い、トルクリップルの測定に必要なスケールは微小な範囲となっている。従って、駆動ユニットが発生する大きなトルクに対するわずかなトルクむらを測定しようとする場合、既存の手法では測定精度が不足し、正確なトルクリップル評価が実施できない。よって、駆動ユニットが発生するトルクに対し、リップル成分のみを精密に測定することが可能なトルクリップル測定装置が必要とされている。

特開平６−１０９５６４号公報

上記のような要求に応えるために、本発明の課題はトルクリップルを精密に測定するのに適したトルク測定装置を提供することにある。

本発明によるトルク測定装置は、トルクを伝達する機能を持つ駆動ユニットを支持する支持手段と、前記支持手段で支持された前記駆動ユニットに負荷をかけた状態で駆動時に該駆動ユニットの一部に生じる反力を取り出すための突起状部材と、前記反力によって第１の方向に変位しようとする前記突起状部材を介して前記第１の方向に作用する第１の力を検出するための第１の検出部と、前記突起状部材に対して前記第１の方向と反対の第２の方向に第２の力を加えることにより前記反力の一部をキャンセルする第１のキャンセル部とを有する。これにより、例えば前記第１の検出部と前記第１のキャンセル部は前記突起状部材を挟むように設けられて、前記第１のキャンセル部によるキャンセル力と前記反力との差を前記第１の検出部により前記第１の力として検出する。

本発明によるトルク測定装置においては、前記第１のキャンセル部は、固定部材と前記突起状部材との間に接続されて該突起状部材に対して前記第２の方向に前記第２の力を加える第１のバネ部材と、該第１のバネ部材の付勢力を調整する調整手段を備えることが望ましい。

また、前記第１の検出部は、前記突起状部材に接する弾性体と該弾性体に内蔵した歪みセンサとを含むものであることが望ましい。

前記駆動ユニットが断面円筒状のケーシングを有する場合、前記支持手段は、前記駆動ユニットを、前記ケーシングとの間に周方向に間隔をおいて配置した複数の転動体を介して収容した円筒状の支持フレームからなるもの、あるいは前記ケーシングにおける前記突起状部材とは反対側の位置と前記固定部材との間に設置した弾性体からなるもので良い。

前記駆動ユニットが断面円筒状のケーシングを有する場合、前記ケーシングにおける直径方向に関して前記突起状部材とは反対位置に別の突起状部材を設け、前記反力によって反力方向に変位しようとする前記別の突起状部材を介して前記反力方向に作用する力を検出するための別の検出部と、前記別の突起状部材に対して前記反力方向と反対方向に力を加えることにより前記反力の一部をキャンセルする第２のキャンセル部とを含み、前記別の検出部と前記第２のキャンセル部は、前記駆動ユニットの中心軸に関して前記前記第１の検出部と前記第１のキャンセル部との位置関係が逆の状態で前記別の突起状部材を挟むように設けられて、前記第２のキャンセル部によるキャンセル力と前記反力との差を前記別の検出部により検出し、前記第１のキャンセル部と前記別の検出部とで前記駆動ユニットを支持する前記支持手段を兼ねるようにしても良い。この場合、前記第２のキャンセル部は、前記固定部材と前記別の突起状部材との間に接続されて該別の突起状部材に対して前記反力方向と反対方向に力を加える第２のバネ部材と、前記固定部材に取り付けられ、前記反力方向と反対方向に力を加えられた前記別の突起状部材を前記駆動ユニットの非駆動時に前記所定位置で係止すると共に前記反力方向と反対方向の力を検出するための更に別の検出部とを含む。

前記第２のキャンセル部も、前記第２のバネ部材の付勢力を調整する調整手段を備えることが望ましく、前記別の検出部、更に別の検出部もそれぞれ、前記別の突起状部材に接する弾性体と該弾性体に内蔵した歪みセンサとを含むものであることが望ましい。

本発明によれば、駆動ユニットの駆動時にそこに生じるトルク反力を、キャンセル部により機械的なオフセットとしてキャンセルして測定することが可能であり、大きなトルクに混入するわずかなトルクむらを測定することができる。

これによりトルクリップル測定の分解能が向上し、正確なトルクリップルの評価が可能となる。

以下に、図面を参照しながら、本発明をモータに適用することにより、モータのトルクリップルを高精度で測定するトルク測定装置の実施形態について説明する。

図１は本発明によりトルクリップルの測定を実施する場合の全体構成を示し、図２はトルク測定装置の第１の実施例を示す。

図１に示すように、駆動ユニットとしてのモータのフレーム（断面円筒状のケーシング）１が後述する支持構造により支持され、モータの出力軸９と負荷装置１２の出力軸１１とがカップリング１０で接続されている。負荷装置１２は、カップリング１０を介してモータに負荷を与えるものであり、ベース（固定部材）１３上に固定されている。以降で参照される図面においては、モータはケーシングとしてのフレーム１のみを象徴的に示す。

図２をも参照して、フレーム１を、周方向に間隔をおいて配置した複数のボールあるいはローラーベアリング等の転動体１５を介して支持フレーム１６内に収容することでフレーム１を円筒状の支持フレーム１６内で回動のみ自在に支持している。支持フレーム１６はベース１３に固定され、図２では左側半分のみを示している。フレーム１における出力軸方向から見て片側にプレート（突起状部材）２が設けられ、プレート２は弾性体３、５で上下から挟まれている。弾性体５、３はそれぞれ歪みセンサ（歪みゲージ）を内蔵することで第１、第２の検出部としても作用する。図１から明らかなように、上側の弾性体５は門型の支持板６に取り付けられ、下側の弾性体３は支持板６の内側に位置する支持板４に取り付けられている。弾性体３、５はフレーム１の回動方向に柔、他の方向に剛となるような部材が好ましいが、この限りではない。支持板４、６はそれぞれベース１３上に固定されて固定部材として機能する。支持板４にはプレート２の直下位置にプレート２と同じ方向に延びる取付板４−１が取り付けられ、取付板４−１には下側から上側に向けて貫通するように調整ネジ（調整手段）７が螺入されている。そして、調整ネジ７の先端とプレート２との間にはバネ８が接続されている。

プレート２は、出力軸９の径方向に延びるようにフレーム１に設けられるが、フレーム１が元々同様の突起状体を有していれば、この突起状体をプレートの代わりに利用しても良い。

弾性体３、５の備える歪みセンサはそれぞれ、負荷装置１２を連結した状態でモータを駆動させることでフレーム１に作用する反力を、弾性体３、５の歪み量で測定するものであり、測定した歪み量からそこに作用するトルクを取得する。２つの歪みセンサからの検出信号は、他の計測機器に入力される場合もある。

バネ８は、プレート２に対してフレーム１に作用する反力の方向（第１の方向）とは逆方向（第２の方向）に力（第２の力）を加えるように配置する。例えば、モータの駆動時、フレーム１に反時計方向の反力が作用する場合、バネ８には引っ張りコイルバネを用い、プレート２に対して引っ張り力を与えるようにされる。プレート２に加える力は調整ネジ７によって変えることができる。バネ８は、フレーム１に作用する反力とは逆方向に力を加えることができ、しかも加える力を調整可能なものであればどのようなバネであっても良く、力の調整も調整ネジ７のような手段に限定されない。また、プレート２に対して下向きの力を与える場合には、バネに代えて錘を用いることもできる。いずれにしても、弾性体３による第２の検出部とバネ８は、第１のキャンセル部として機能する。

図５、図６をも参照して、第１の実施例によるトルク測定装置の作用を説明する。図５は、モータが停止状態にある時のプレート２近傍を拡大して示す。この状態では、プレート２にはバネ８による引っ張り力（第２の力）Ｆｂが下向き（第２の方向）に作用している。下側の弾性体３はこの引っ張り力Ｆｂによるプレート２の回動を係止（制限）するリミッタとしても作用し、この時の下向きの力Ｆｂを弾性体３の持つ歪みセンサで検出することができる。厳密に言えば、弾性体３にはバネ８の引っ張り力に加えてモータ全体の重量に起因する荷重分も加わっているが、この値はあらかじめ知ることが出来るので、弾性体３の持つ歪みセンサで得られたトルクから差し引くようにすれば良い。

負荷装置１２を連結した状態でモータを駆動すると、図６に示すように、第１の実施例ではモータのフレーム１に反時計回り方向（第１の方向）の反力Ｆｒが発生する。第１の実施例では、モータのフレーム１にプレート２が設けられ、プレート２をその上下から歪みセンサを有した弾性体３、５で挟んでいる。弾性体３、５は支持板４、６を介してベース１３に固定されているので、モータの発生トルクはフレーム１に作用する反力Ｆｒとしてプレート２から弾性体５の歪みセンサに伝達される。

前述したように、モータの停止時においては、プレート２を挟んでいる弾性体３、５のうち、バネ８の引っ張り力が作用している側の弾性体３に、バネ８により一定の引っ張り力（荷重）Ｆｂが加わっている。このときバネ８によって加える引っ張り力Ｆｂは、モータの発生するトルクの反力Ｆｒよりも低い値を設定する。前述したように、バネ８の引っ張り力Ｆｂは、調整ネジ７によって変えることができる。弾性体３の備える歪みセンサは、バネ８による引っ張り力（荷重）Ｆｂに耐えられる容量を持つ。これにより、バネ８による引っ張り力Ｆｂは、弾性体３に備えられた歪みセンサで正確に測定される。

続いて、モータを駆動することによりフレーム１にバネ８による引っ張り力Ｆｂとは逆方向へ反力（トルク）Ｆｒが作用すると、モータの出力トルク、つまり反力Ｆｒとバネ８による引っ張り力Ｆｂの差分（Ｆｒ−Ｆｂ）が、バネ８による引っ張り力が加わっていない側の弾性体５へ第１の力として作用する。このようにして、モータのフレーム１に作用する反力Ｆｒに機械的なオフセットをのせることが可能であり、弾性体５の持つ歪みセンサにはモータの発生するトルク（反力Ｆｒ）からバネ８による引っ張り力Ｆｂをキャンセルした分のトルク（Ｆｒ−Ｆｂ）のみを作用させることができる。その結果、弾性体５に低容量の歪みセンサを配置することにより、わずかなトルクむらをトルクリップルとして高い分解能、つまり高精度で測定することができる。例えば、モータの発生トルクとして１００Ｎｍを想定する場合、９５Ｎｍをバネ８でキャンセルすれば、弾性体５に備えられる歪みセンサの測定レンジを０〜５Ｎｍとして分解能を向上させることができる。バネ８によるキャンセル分はあらかじめ知ることができるので、弾性体５に備えられる歪みセンサの検出信号からモータの発生トルクそのものを知ることもできる。

なお、モータのフレームを支持する支持構造は、上記の例に限定されず、様々な例が考えられるので、以下にそのいくつかの例を説明する。図１、図２に示された構成要素と同じ部分には同じ参照番号を付し、詳しい説明は省略する。

図３は、弾性ヒンジ機構によるモータ支持構造の構成例を第２の実施例として示す。モータのフレーム１に設けられたプレート２はモータの出力軸９（図１）の方向から見てフレーム１の片側にあり、歪みセンサを備えた弾性体３、５で挟まれている。フレーム１には、プレート２と反対側の位置でモータの出力軸９の径方向に延びるように弾性体１７を設け、弾性体１７をベース１３上に固定した支持板１８に設けることで、フレーム１を弾性ヒンジ機構によって支持する構造としている。このフレーム１の支持構造以外は、図１、図２で説明した第１の実施例と同じであり、トルク測定の作用、効果も同じである。

図４は、モータのフレーム１を２点で支持するモータ支持構造の構成例を第３の実施例として示す。第３の実施例では、２つのプレート（突起状部材）２、２’（別の突起状部材）が出力軸９（図１）の方向から見てフレーム１の互いに反対の両側に設けられ、それぞれ歪みセンサを備えた弾性体３と５、３’と５’で挟まれている。弾性体３、５を取り付けた支持板４、６、弾性体３’、５’を取り付けた支持板６’、４’はそれぞれベース１３上に固定されている。

第３の実施例では、追加のプレート２’側では上側の弾性体を３’で、下側の弾性体を５’で示している。これは、プレート２’に対してフレーム１に作用する反力と反対向きの力（第３の力）を与えるためには、バネ（第２のバネ部材）８’により上方（反力方向と反対方向）に引っ張り力Ｆ’ｂを作用させる必要があるからである。このために、支持板６’におけるプレート２’の直上位置にプレート２’と同じ方向に延びる取付板６−１’が取り付けられ、取付板６−１’には上側から下側に向けて貫通するように調整ネジ７’が螺入されている。そして、調整ネジ７’の先端とプレート２’との間にバネ８’が接続されている。弾性体５’、３’はそれぞれ、第３の検出部（別の検出部）、第４の検出部（更に別の検出部）として機能し、第４の検出部とバネ８’は第２のキャンセル部として機能する。そして、第３の検出部と第２のキャンセル部は、モータの出力軸９に関して第１の検出部と第１のキャンセル部との位置関係が逆の状態でプレート２’を挟むように設けられていると言える。これにより、上側の弾性体３’は引っ張り力Ｆ’ｂによるプレート２’の回動を係止（制限）するリミッタとしても作用し、この時の上向きの力（反力方向と反対方向の力）Ｆ’ｂを弾性体３’の持つ歪みセンサで検出することができる。また、第１のキャンセル部における弾性体（第２の検出部）３と弾性体（別の検出部）５’とがフレーム１を支持する支持手段を兼ねていると言える。

バネによるモータの反力キャンセル構造を２組備えることにより、各組は、キャンセルすべきトルクの半分を負担すればよいので、バネとして付勢力の小さいものを用いることができ、あるいはまたモータの発生するトルクが大きい場合に対応可能である。加えて、図２に示されるような転動体１５や図３に示されるような弾性体１７が無いので、トルクの計測をより正確に行うことができる。以上の点以外は、図１、図２で説明した第１の実施例と同じであり、トルク測定の作用、効果も同じである。

以上の説明で明らかなように、本発明のトルク測定装置によれば、バネ等の手段により、モータのフレームに作用するモータ発生トルクの反力にオフセットをのせて大部分をキャンセルする構造を採用したことにより、トルクリップル測定の分解能を向上させることが可能となり、より正確なトルクリップルの評価が可能となる。

なお、上記の説明では、本発明をモータに適用することでモータのトルクリップルを測定する場合について説明したが、本発明は、トルクを取り出す手段として用いられる駆動ユニット、例えばギアモータのほか、ギアモータの一部である変速機等にも適用可能である。また、実施例ではキャンセル部材としてバネを用いたが、プレートあるいは駆動ユニットの一部に一定の力を加えることができる手段であれば何でもよく、例えばモータのような電動駆動手段、エアシリンダのような駆動手段等でも良い。また、歪みセンサに代えて磁気センサ、容量センサ、光センサのような検出手段を用いても良い。

本発明によるトルク測定装置は、モータ評価装置やロボット、工作機械などのトルク測定装置として利用可能である。

図１は、本発明によりトルクリップルの測定を実施する場合の全体構成を示した図である。 図２は、本発明によるトルク測定装置の第１の実施例を説明するための図である。 図３は、本発明によるトルク測定装置の第２の実施例を説明するための図である。 図４は、本発明によるトルク測定装置の第３の実施例を説明するための図である。 図５は、第１の実施例によるトルク測定装置のトルクリップル測定について説明するための図である。 図６は、図５に続く、第１の実施例によるトルク測定装置のトルクリップル測定について説明するための図である。

符号の説明

１ モータのフレーム
２ プレート
３、５、３’、５’ 弾性体
４、６、４’、６’、１８ 支持板
７、７’ 調整ネジ
８、８’ バネ
９ モータの出力軸
１０ カップリング
１１ 負荷装置の出力軸
１２ 負荷装置
１３ ベース
１５ 転動体
１６ 支持フレーム
１７ 弾性体
１８ 支持板

Claims (9)

1. トルクを伝達する機能を持つ駆動ユニットを支持する支持手段と、
   前記支持手段で支持された前記駆動ユニットに負荷をかけた状態で駆動時に該駆動ユニットの一部に生じる反力を取り出すための突起状部材と、
   前記反力によって第１の方向に変位しようとする前記突起状部材を介して前記第１の方向に作用する第１の力を検出するための第１の検出部と、
   前記突起状部材に対して前記第１の方向と反対の第２の方向に第２の力を加えることにより前記反力の一部をキャンセルする第１のキャンセル部を有することを特徴とするトルク測定装置。
2. 前記第１のキャンセル部は、固定部材と前記突起状部材との間に接続されて該突起状部材に対して前記第２の方向に前記第２の力を加える第１のバネ部材と、該第１のバネ部材の付勢力を調整する調整手段を含むことを特徴とする請求項１に記載のトルク測定装置。
3. 前記第１の検出部は、前記突起状部材に接する弾性体と該弾性体に内蔵した歪みセンサとを含むものであることを特徴とする請求項１又は２に記載のトルク測定装置。
4. 前記駆動ユニットは断面円筒状のケーシングを有し、
   前記支持手段は、前記駆動ユニットを、前記ケーシングとの間に周方向に間隔をおいて配置した複数の転動体を介して収容した円筒状の支持フレームからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のトルク測定装置。
5. 前記駆動ユニットは断面円筒状のケーシングを有し、
   前記支持手段は、前記ケーシングにおける前記突起状部材とは反対側の位置と前記固定部材との間に設置した弾性体からなることを特徴とする請求項２又は３に記載のトルク測定装置。
6. 前記駆動ユニットは断面円筒状のケーシングを有し、
   前記ケーシングにおける直径方向に関して前記突起状部材とは反対位置に別の突起状部材を設け、
   前記反力によって反力方向に変位しようとする前記別の突起状部材を介して前記反力方向に作用する力を検出するための別の検出部と、
   前記別の突起状部材に対して前記反力方向と反対方向に力を加えることにより前記反力の一部をキャンセルする第２のキャンセル部とを含み、
   前記別の検出部と前記第２のキャンセル部は、前記駆動ユニットの中心軸に関して前記前記第１の検出部と前記第１のキャンセル部との位置関係が逆の状態で前記別の突起状部材を挟むように設けられて、前記第２のキャンセル部によるキャンセル力と前記反力との差を前記別の検出部により検出し、
   前記第１のキャンセル部と前記別の検出部とで前記駆動ユニットを支持する前記支持手段を兼ねることを特徴とする請求項２に記載のトルク測定装置。
7. 前記第２のキャンセル部は、前記固定部材と前記別の突起状部材との間に接続されて該別の突起状部材に対して前記反力方向と反対方向に力を加える第２のバネ部材と、前記固定部材に取り付けられ、前記反力方向と反対方向に力を加えられた前記別の突起状部材を前記駆動ユニットの非駆動時に前記所定位置で係止すると共に前記反力方向と反対方向の力を検出するための更に別の検出部とを含むことを特徴とする請求項６に記載のトルク測定装置。
8. 前記第２のキャンセル部は更に、前記第２のバネ部材の付勢力を調整する調整手段を備えることを特徴とする請求項７に記載のトルク測定装置。
9. 前記別の検出部、更に別の検出部はそれぞれ、前記別の突起状部材に接する弾性体と該弾性体に内蔵した歪みセンサとを含むものであることを特徴とする請求項７または８に記載のトルク測定装置。

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