JP2009258070A - トルクセンサー - Google Patents

Abstract

【課題】 測定精度が高く軽量化が達成されたトルクセンサーを提供する。
【解決手段】 ヘッド部４をボルト５に嵌め込みモータ２を駆動し回転軸１１を回転させて締付対象物６を締め付けてゆく途中で、所定の締め付けトルク値に達すると、抵抗が大きくなりスチールボール１５がカム溝１６を乗り上げ、リテーナ１４が下方に押され、リテーナプレート１３とリテーナ１４との間の連結状態が解除され、回転軸１１にモータ２の駆動量が伝達されなくなる。そしてリテーナ１４が下方に押されるとゲージベース１７が軸方向に圧縮され、この圧縮量を歪ゲージ２２が検知する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、駆動側の締付力を正確且つ容易に測定することができるトルクセンサーに関する。

締付対象物に対するネジ（ボルト）の締結軸力を測定する手段として、橋梁などではネジと締付対象物との間に歪ゲージを介在させているが、車体の製造ラインなどでは非現実的であり、このため、ナットランナーや電動ドライバーにトルクセンサーを内蔵し、リアルタイムに締め付けトルク値を監視し、目的の締付力に達したらブレーキをかけ停止させるようにしている。

トルクセンサーの構造は、歪により誘起される磁気特性の変化を検出する磁気歪方式とエンコーダ方式がある。

磁気歪方式は特許文献１に開示されるように、駆動軸または駆動軸と一体的に回転する部材の外周にひずみゲージ（通常４個）を取り付け、これら４個のひずみゲージで検出回路（ホイーストンブリッジ回路）を形成し、駆動軸に生じた捩れトルクでひずみゲージの抵抗値が変化するので、この変化を電圧値として取り出すことでトルク値を検出するようにしている。

エンコーダ方式は特許文献２に開示されるように、トーションバーの両端に設けられた一対のロータリーエンコーダの出力の位相差から捩れの角度を検出する方式である。

また歪ゲージを用いないメカクラッチを用いて一定の締付力で締付けを行う機構がある。これは、駆動軸の回転力を軸方向力に変換し、この軸方向力でコイルスプリングを圧縮し、圧縮量が一定値になるとスイッチが作動して回転を停止するようにしたものである。
特開平１１−２８５９３３号公報 特開２００２−２２８５２６号公報

特許文献１に開示される回転軸に歪ゲージを取り付けたタイプでは、回転リングとブラシが接触する構造になっており、ノイズによる測定精度への影響、ブラシ磨耗による耐久性の問題、更には回転軸に歪ゲージを取り付ける構造上、電圧の入出力に非接点のコイル（４個）を用いなければならず、重量の増大を招いている。

エンコーダ方式は、トーションバーの捩れの角度を検出するので、通常、軸の一部を細くし、ひずみを大きくする。このため、容易に応力限界を越えやすく信頼性に乏しい。

メカクラッチを用いた場合には、スプリング特性により衝撃力が緩和されトルクが低下し、スイッチの位置精度がトルク精度に大きく影響し、更にはトルクとスプリング定数のマッチングが難しいなどの課題がある。

上記課題を解決するため本発明に係るトルクセンサーは、回転軸にモータからの駆動力を伝達するカム機構と、前記回転軸の周囲に回転軸とは非接触で回転しないように配置され且つ軸方向に圧縮可能なゲージベースと、このゲージベースに取り付けられる圧縮量検出素子と、この検出素子と接続され圧縮量に応じた測定電圧によって前記モータをオンオフする制御部とを備える。

前記ゲージベースを回転軸の周囲に回転軸とは非接触で回転しないように配置する手段としては、例えばスラストベアリングを介して回転軸の外側にゲージベースをフローティング支持することが考えられる。

前記ゲージベースとしては、アルミニウムなどの金属または樹脂などの弾性体からなる筒体とする。この場合厚みを調整することで軸方向の圧縮量をコントロールすることができる。つまり、目的とする検出トルク値の大きさに応じて厚みの異なるゲージベースを用意しておき、必要に応じて交換することが可能である。

また前記カム機構としては、モータの駆動軸と連結するリテーナプレートと、前記回転軸と連結するリテーナと、前記リテーナプレートとリテーナとの間を接離可能に連結するスチールボールとからなる構造が考えられる。

前記検出素子としては、歪ゲージや圧電素子が適当である。歪ゲージの場合はゲージベースの外側に取り付け、圧電素子の場合は軸方向に２分割されたゲージベースの間に配置する。

本発明によれば、駆動軸と分離され回転しないゲージベースに歪ゲージなどの圧縮量検出素子を取り付けたので、従来のトルクセンサーで必要であった電圧入出力用のコイルが不要となり、更に回転リングやブラシを省略できるので、部品点数が少なくなり軽量化を図ることができる。

また、ノイズの影響もなくなり、直接入力した電圧をゲージベースの圧縮量から検出素子で読み取ってトルク変換するため測定精度が大幅に向上する。

以下に本発明に係るトルクセンサーの好適な実施例を添付図面を参照して説明する。図１は本発明に係るトルクセンサーを適用した締付工具を示す図、図２は本発明に係るトルクセンサーの断面図で図３（ｂ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図、図３は図２のＡ方向矢示図、図４は圧縮状態のトルクセンサーの断面図である。

締付工具のケース１内にはモータ２、本発明に係るトルクセンサー１０、減速機３が設けられ、減速機３にはヘッド部４が着脱自在とされ、このヘッド部４をボルト５に嵌め込んで、締付対象物６を締付ける。またケース１の把持部には操作レバー７が設けられ、把持部の端部にはバッテリー８が接続されている。

前記トルクセンサー１０は回転軸１１を備え、この回転軸１１の外側面に形成した溝部１１ａにベアリングを介して回転軸１１に前記モータ２からの駆動力を伝達するカム機構１２を配置している。このカム機構１２は前記モータ２の駆動軸と連結するリテーナプレート１３と、回転軸１１と連結するリテーナ１４と、前記リテーナプレート１３とリテーナ１４との間を接離可能に連結するスチールボール１５とから構成される。

前記モータ２のフランジ部にはボルト９が挿通する貫通穴２ａが形成され、また前記リテーナプレート１３にはボルト９が螺合するボルト取付穴１３ａが形成され、ボルト９によってモータ２とリテーナプレート１３とが結合される。

前記リテーナプレート１３の下面には図３に示すようにカム溝１６が形成され、このカム溝１６に前記リテーナ１４に保持されたスチールボール１５が契合し、この状態でモータ２の駆動力が回転軸１１に伝達される。

前記回転軸１１の中間部にはゲージベース１７が回転軸とは非接触で回転しないように配置されている。このゲージベース１７は上端と下端にフランジ部を有する筒状をなし、且つアルミニウムや樹脂（合成ゴム）などから構成されている。

尚、ゲージベース１７の材料及び形状は図示のものに限定されず、軸方向に力が加わった場合に軸方向の寸法が変化するものであればよい。

ゲージベース１７の上端と下端にフランジ部はスラストベアリング１８，１９を介してそれぞれ前記リテーナ１４と回転軸１１の下部に挿入したホルダープレート２０間に支持されている。その結果ゲージベース１７は回転軸１１の外側にフローティング支持されることになる。

尚、ホルダープレート２０はアジャストナット２１にて抜止めされ、ゲージベース１７を交換する場合には、このアジャストナット２１およびホルダープレート２０を外して行う。

前記アジャストナット２１が螺着した回転軸１１の端部には減速機３のロッドがスプライン嵌合する穴が軸方向に形成されている。

また、前記ゲージベース１７の外周部には検出素子としての歪ゲージ２２が取り付けられている。この歪ゲージ２２の数は任意であるが、通常３〜４個取り付ける。そして歪ゲージ２２には制御部２３が接続されている。

以上において、ヘッド部４をボルト５に嵌め込みモータ２を駆動し回転軸１１を回転させて締付対象物６を締め付けてゆく途中で、所定の締め付けトルク値に達すると、抵抗が大きくなりスチールボール１５がカム溝１６を乗り上げ、図４に示すようにリテーナ１４が下方に押され、リテーナプレート１３とリテーナ１４との間の連結状態が解除され、回転軸１１にモータ２の駆動量が伝達されなくなる。

そしてリテーナ１４が下方に押されるとゲージベース１７が軸方向に圧縮され、この圧縮量を歪ゲージ２２が検知する。そして前記制御部２３で歪ゲージ２２の測定値をトルク換算し、所定のトルク値に達したものと判断して前記モータ２をオフする。

図５は別実施例のトルクセンサーの断面図であり、この実施例にあっては、ゲージベース１７を上下の半体１７ａと１７ｂに分割し、これら半体１７ａ、１７ｂの間に検出素子としての圧電素子２４を挟み込んでいる。

図５の構造とした場合には、ゲージベース１７自体の材質が弾性を有するものでなくてもよい。

本発明に係るトルクセンサーを適用した締付工具を示す図 本発明に係るトルクセンサーの断面図で図３（ｂ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図 （ａ）はリテーナプレートの側面図、（ｂ）は（ａ）のＡ方向矢視図 圧縮状態のトルクセンサーの断面図 別実施例のトルクセンサーの断面図

符号の説明

１…締付工具のケース、２…モータ、２ａ…貫通穴、３…減速機、４…ヘッド部、５…ボルト、６…締付対象物、７…レバー、８…バッテリー、９…ボルト、１０…トルクセンサー、１１…回転軸、１１ａ…縦溝、１２…カム機構、１３…リテーナプレート、１３ａ…ボルト取付穴、１４…リテーナ、１５…スチールボール、１６…カム溝、１７…ゲージベース、１７ａ、１７ｂ…ゲージベース半体、１８，１９…スラストベアリング、２０…ホルダープレート、２１…アジャストナット、２２…歪ゲージ、２３…制御部、２４…圧電素子。

Claims (6)

1. 回転軸に加えられるトルクを測定するトルクセンサーにおいて、このトルクセンサーは前記回転軸にモータからの駆動力を伝達するカム機構と、前記回転軸の周囲に回転軸とは非接触で回転しないように配置され且つ軸方向に圧縮可能なゲージベースと、このゲージベースに取り付けられる圧縮量検出素子と、この検出素子と接続され圧縮量に応じた測定電圧によって前記モータを制御する制御部とを備えることを特徴とするトルクセンサー。
2. 請求項１に記載のトルクセンサーにおいて、前記ゲージベースはスラストベアリングを介して回転軸の外側にフローティング支持されていることを特徴とするトルクセンサー。
3. 請求項１に記載のトルクセンサーにおいて、前記ゲージベースはアルミニウムなどの金属または弾性体からなる筒体としたことを特徴とするトルクセンサー。
4. 請求項１に記載のトルクセンサーにおいて、前記カム機構はモータの駆動軸と連結するリテーナプレートと、前記回転軸と連結するリテーナと、前記リテーナプレートとリテーナとの間を接離可能に連結するスチールボールとから構成されることを特徴とするトルクセンサー。
5. 請求項１に記載のトルクセンサーにおいて、前記検出素子は前記ゲージベースの外側に取り付けられる歪ゲージであることを特徴とするトルクセンサー。
6. 請求項１に記載のトルクセンサーにおいて、前記検出素子は軸方向に２分割されたゲージベースの間に設けられる圧電素子であることを特徴とするトルクセンサー。
   

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