JP2010085155A - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】外乱や回転依存性の影響を抑えて精度良くトルクを検出する。
【解決手段】出力側筒２２に基準スリット６１を設け、入力側筒２１に、トーションバー１０の捻れに応じて、基準スリット６１との重なり量が相互に逆方向に増減する第１検出用スリット６２と第２検出用スリット６３とを設け、入力側筒２１の内側から第１駆動コイル３１と第２駆動コイルで磁束を印加し、出力側筒２２外側の第１検出用スリット６２に対面する位置に設けた第１検出コイル４１で磁束を検出した検出信号の位相と、出力側筒２２外側の第２検出用スリット６３に対面する位置に設けた第２検出コイル４２で検出した検出信号の位相との位相差を測定回路５０で算出し、トーションバー１０の捻れ量を算定する。トーションバー１０はベアリング１１０またはスリップリング１２０を介して測定回路５０の接地レベルに接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、トーションバーの捻れ角を検出することによりトルクを計測するトルクセンサに関するものである。

トーションバーの捻れ角を検出することによりトルクを計測するトルクセンサとしては、トーションバーの入力軸に、軸方向に延びる磁性体の溝を設けると共に、入力軸を覆うようにトーションバーの出力軸に固定した非磁性導電体の円筒を設けたトルクセンサが知られている（たとえば、特許文献１）。このトルクセンサでは、トーションバーの出力軸に固定した円筒に、トーションバーの捻れに応じて、前記入力軸に設けた溝との重なり具合が変化する窓を設け、当該窓を包囲するように固定的に配置したコイルに生じる自己誘導起電力の大きさを検出する。

また、従来より、金属等の導電体に磁束を印加することにより導電体に生じるうず電流によって、検出コイルにおいて、導電体の大きさや構造に応じた位相変化が生じた磁束が観測されることが知られている（たとえば、特許文献２）。
特開平8-240491号公報 特公昭49-43217号公報

前記特許文献１の技術によれば、トーションバーの捻れを表す量として、トーションバーの捻れの変化に対する変化量が微小な自己誘導起電力の大きさを検出するために、外乱の影響を受けやすいという問題があった。
そこで、このような外乱の影響を廃することのできるトルクセンサとして、本発明者は、先に行った特許出願（特願2007-113770）において、トーションバーの捻れ量に応じて開口面積が変化する窓を通過させた磁束の位相変化より、トーションバーに加わるトルクを検出するトルクセンサを開示した。

しかしながら、その後の研究において、このトルクセンサには、回転速度に依存した誤差が生じることが判明した。
そこで、本発明は、外乱の影響や回転速度に対する依存性を排して、精度良くトルクを検出することのできるトルクセンサを提供することを課題とする。

前記課題達成のために、本発明は、トーションバーと、前記トーションバーの一端に固定された、前記トーションバーと同軸状に配置された、非磁性導電体で形成した第１円筒と、前記トーションバーの他端に固定された、前記第１円筒に挿入された形態で、前記トーションバーと同軸状に配置された、非磁性導電体で形成した第２円筒と、測定部とを有するトルクセンサを提供する。ただし、前記第１円筒と前記第２円筒とのうちの一方には基準スリットが設けられており、前記第１円筒と前記第２円筒とのうちの前記基準スリットが設けられていない方には、軸方向の位置を異ならせて配置した第１検出用スリットと第２検出用スリットとが設けられており、前記測定部は、前記第２円筒の内周側と前記第１円筒の外周側とのうちの一方側において、前記トーションバーと同軸状に配置された駆動コイルと、前記第２円筒の内周側と前記第１円筒の外周側とのうちの前記駆動コイルが配置されていない方側に、前記トーションバーと同軸状に配置された検出コイルと、前記駆動コイルを交流駆動する駆動回路と、計測回路とより構成する。また、前記第１検出用スリットと前記第２検出用スリットとは、各々前記基準スリットと軸方向位置が少なくとも一部重なるように配置され、かつ、前記第１検出用スリットと軸方向位置が重なる基準スリットの部分に対する前記第１検出用スリットの配置と、前記第２検出用スリットと軸方向位置が重なる基準スリットの部分に対する前記第２検出用スリットの配置とは異なっているものであり、前記検出コイルは、軸方向の位置を異ならせて配置した第１検出コイルと第２検出コイルとより構成されるものであり、前記第１検出コイルは軸方向位置が前記第１検出用スリットと少なくとも一部重なるように配置され、前記第２検出コイルは軸方向位置が前記第２検出用スリットと少なくとも一部重なるように配置されるものであり、前記計測回路は、前記第１検出コイルに誘起された電圧信号と前記第２検出コイルに誘起された電圧信号の位相差を検出するものである。また、前記トーションバーは、前記計測回路の接地レベルに電気的に接続している。なお、前記基準スリットは、軸方向位置を異ならせて配置した、前記第１検出用スリットと軸方向位置が少なくとも一部重なる第１基準スリットと、前記第２検出用スリットと軸方向位置が少なくとも一部重なる第２基準スリットとに分割して設けるようにしてもよい。

ここで、トーションバーと前記計測回路の接地レベルとの電気的な接続は、トーションバーを軸支する導電性を備えたベアリングや、スリップリングを介して行うことができる。
このようなトルクセンサによれば、トーションバーと前記計測回路の接地レベルとを接続することにより、計測回路の位相差検出における、トーションバーの回転に依存した誤差の発生を抑制できるようになる。

以上のように、本発明によれば、外乱の影響や回転速度に対する依存性を排して、精度良くトルクを検出することのできるトルクセンサを提供することができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
まず、第１の実施形態について説明する。
図１に、本実施形態に係るトルクセンサの構成を示す。
ここで、図１ａはトルクセンサの正面を、図１ｂはトルクセンサの左側面を、図１ｃはトルクセンサの右側面を、図１ｄはトルクセンサの断面を、それぞれ模式的に表している。
図示するように、本トルクセンサは、測定対象のトルクが入力側（図１ａ、ｄにおける右方）端と出力側（図１ａ、ｄにおける左方）端との間の捻れ方向の力として加えられるトーションバー１０と、トーションバー１０に当該トーションバー１０の入力側で固定された入力側筒２１と、トーションバー１０に当該トーションバー１０の出力側で固定された出力側筒２２と、第１駆動コイル３１と、第２駆動コイル３２と、第１検出コイル４１と、第２検出コイル４２と、測定回路５０とを有している。なお、第１駆動コイル３１と第２駆動コイル３２とは直列に接続されている。

ここで、出力側筒２２は、非磁性導電体を用いて形成されており、トーションバー１０の入力側の底面が開放された円筒形状を有する。そして、トーションバー１０の出力側の底面の中心部分で、トーションバー１０の出力側に固定されている。そして、トーションバー１０は、両端側でベアリング１１０によって、回動可能に支持されている。ここで、ベアリング１１０の潤滑材としては導電性グリースが用いられており、トーションバー１０とベアリングの外輪は導電しており、このベアリング１１０の外輪を測定回路５０の接地レベルに接続することにより、トーションバー１０の電位レベルは接地レベルとされている。ただし、図１ｅに示すように、トーションバー１０に対してスリップリング１２０を設けて、スリップリング１２０を介して、トーションバー１０の電位レベルを接地レベルに接続するようにしてもよい。

次に、入力側筒２１は、非磁性導電体を用いて形成されており、同軸入れ子状に間隔をあけて配置された二つの両底面の無い中空の円筒形状部である内筒部と外筒部をトーションバー１０の出力側端で連結した形状を有する。そして、入力側筒２１の内側の円筒形状部である内筒部がトーションバー１０の入力側に固定されている。また、入力側筒２１は、出力側筒２２の内側に、出力側筒２２と同軸入れ子状に配置されるように設けられている。

そして、第１検出コイル４１と第２検出コイル４２は、出力側筒２２が中央孔に挿入された配置となるように、トーションバー１０の回転軸と同軸状に巻き回した形態で軸方向に並べて設けられている。
また、第１駆動コイル３１は、入力側筒２１の内筒部と外筒部の間に、トーションバー１０の回転軸と同軸状に巻き回した形態で、第１検出コイル４１に、入力側筒２１の外筒部と出力側筒２２の側壁を介して対面するように配置され、第２駆動コイル３２は、入力側筒２１の内筒部と外筒部の間に、トーションバー１０の回転軸と同軸状に巻き回した形態で、第２検出コイル４２に、入力側筒２１の外筒部と出力側筒２２の側壁を介して対面するように配置されている。

なお、第１駆動コイル３１と第２駆動コイル３２は、トルクセンサの全体すなわち静止系に対して固定的に設けてもよいし、入力側筒２１と共に回転するように入力側筒２１に対して固定して設けるようにしてもよい。また、第１検出コイル４１と第２検出コイル４２も、静止系に対して固定的に設けてもよいし、出力側筒２２と共に回転するように出力側筒２２に対して固定して設けるようにしてもよい。

さて、出力側筒２２の側壁と入力側筒２１の外筒部との、第１駆動コイル３１が、第１検出コイル４１と対面する箇所と、第２駆動コイル３２が、第２検出コイル４２と対面する箇所とには、各々複数のスリットが設けられている。
すなわち、図２ａに示すように、出力側筒２２の側壁には、複数の周方向に並んだスリットである基準スリット６１が設けられている。
また、図２ｂに示すように入力側筒２１の外筒部の、第１駆動コイル３１が第１検出コイル４１と対面する部分には周方向に並んだスリットである第１検出用スリット６２が、第２駆動コイル３２が第２検出コイル４２と対面する部分には周方向に並んだスリットである第２検出用スリット６３が設けられている。

そして、図２ｃに示すように、トルクセンサにおいて、基準スリット６１と第１検出用スリット６２、基準スリット６１と第２検出用スリット６３は軸方向位置が少なくとも一部重なり合うように配置されている。また、入力側から出力側を見て時計廻りに進む方向を前方向とし、反時計廻りに進む方向を後方向として、トーションバー１０に捻れが生じていない状態では、図２ｄ１に示すように、径方向に見て基準スリット６１の後側半分が第１検出用スリット６２の前側半分と重なり、基準スリット６１の前側半分が第２検出用スリット６３の後側半分と重なるように、基準スリット６１と第１検出用スリット６２と第２検出用スリット６３の配置の位相は各々設定されている。

ここで、図２ｄ２は、トーションバー１０に捻れが生じていない状態において、第１駆動コイル３１と第２駆動コイル３２側から、第１検出用スリット６２と第２検出用スリット６３を介して出力側筒２２方向を見たようすを表しており、図示するように、この状態において、基準スリット６１と第１検出用スリット６２との重なりの量（面積）と、基準スリット６１と第２検出用スリット６３との重なりの量は等しい。

一方、トーションバー１０の捻れが発生すると、基準スリット６１と第１検出用スリット６２との重なりの量と、基準スリット６１と第２検出用スリット６３との重なりの量は、大小方向について逆方向に変化する。すなわち、たとえば、トーションバー１０に、図２ｃに矢印で示すような捻れが生じると、図２ｅ１に示すように基準スリット６１と第１検出用スリット６２との重なりの量は増加し、基準スリット６１と第２検出用スリット６３との重なりの量は減少し、この状態において駆動コイル３１側から、第１検出用スリット６２と第２検出用スリット６３を介して出力側筒２２方向を見たようすは図２ｅ２のようになる。

そして、このような、基準スリット６１と第１検出用スリット６２との重なりの量と、基準スリット６１と第２検出用スリット６３との重なりの量との、相互に逆方向の変化に伴って、直列接続した第１駆動コイル３１と第２駆動コイル３２とを交流信号で駆動したときに、第１検出コイル４１、第２検出コイル４２で検出される検出信号の位相には、異なる変化が表れる。結果、第１検出コイル４１、第２検出コイル４２で検出される検出信号の位相には、トーションバー１０の捻れ量に応じて異なる変化が表れることになる。

ここで、基準スリット６１と第１検出用スリット６２との重なりの量、基準スリット６１と第２検出用スリット６３との重なりの量との、相互に逆方向の変化に伴って、第１検出コイル４１、第２検出コイル４２で検出される検出信号の位相に異なる変化が表れるのは、次の原理によるものと推定される。

すなわち、直列接続した第１駆動コイル３１と第２駆動コイル３２とを交流信号で駆動したときに、第１検出コイル４１、第２検出コイル４２で検出される磁束の成分のうち、出力側２２筒の基準スリット６１と、入力側筒２１の第１検出用スリット６２または第２検出用スリット６３の双方を通過し出力側筒２２と入力側筒２１の双方を透過しなかった磁束成分を第１磁束成分、出力側筒２２のみを透過した磁束成分を第２磁束成分、入力側筒２１のみを透過した磁束成分を第３磁束成分、入力側筒２１と出力側筒２２の双方を透過した磁束成分を第４磁束成分とする。ここで、以上の第１検出コイル４１、第２検出コイル４２で検出される第２磁束成分は出力側筒２２の透過による位相変化を受けた磁束成分となり、第３磁束成分は入力側筒２１の透過による位相変化を受けた磁束成分となり、第４磁束成分は入力側筒２１の透過と出力側筒２２の透過による位相変化を受けた磁束成分となる。

そして、図２ｅ１に示すように基準スリット６１と第１検出用スリット６２との重なりの量が増加すると、第１検出コイル４１で検出される第１磁束成分の強度は増加し、第２磁束成分と第３磁束成分の強度は減少し、第４磁束成分の強度は増加する。一方、図２ｅ１に示すように、基準スリット６１と第２検出用スリット６３との重なりの量が減少すると、第２検出コイル４２で検出される第１磁束成分の強度は減少し、第２磁束成分と第３磁束成分の強度は増加し、第４磁束成分の強度は減少する。すなわち、トーションバー１０の捻れ量に応じて、第１検出コイル４１、第２検出コイル４２で検出される各磁束成分の強度は逆方向に変化する。

一方、第１検出コイル４１、第２検出コイル４２で検出される検出信号は、各磁束成分の合成ベクトルを表すものとなり、この合成ベクトルの位相は、各位相の磁束成分の強度比によって変化する。よって、第１検出コイル４１で検出される検出信号の位相には基準スリット６１と第１検出用スリット６２との重なりの量の変化に応じた変化が、第２検出コイル４２で検出される検出信号の位相には基準スリット６１と第２検出用スリット６３との重なりの量の変化に応じた変化が表れ、結果、第１検出コイル４１、第２検出コイル４２で検出される検出信号の位相には、トーションバー１０の捻れ量に応じて異なる変化が表れることになる。
ここで、図３は、1.8mm幅のスリットを設けた2mm厚のアルミニウム板を２枚重ね、スリットの重なり量を変化させながら、10kHzの駆動信号で一方側に設けた駆動コイルを駆動して磁束を印加したときに、他方側に設けた検出コイルで検出された検出信号の駆動信号に対する位相を測定した結果３０１を表したものである。図より、スリットの重なり量の変化に応じた位相変化が検出信号に表れることが分かる。なお、図中３０２は、以上の原理に基づいた計算値を表している。

さて、このように、第１検出コイル４１、第２検出コイル４２で検出される検出信号の位相には、トーションバー１０の捻れ量に応じて異なる変化が表れるので、第１検出コイル４１、第２検出コイル４２で検出される検出信号の位相差を測定すれば、トーションバー１０の捻れ量を測定することができ、この捻れ量より、トーションバー１０に加えられたトルクを算定することができる。

ここで、このような直列接続した第１駆動コイル３１と第２駆動コイル３２の駆動と、測定を行うのが測定回路５０である。
すなわち、図４に示すように、測定回路５０は、発振回路５１と、第１差動増幅器５２と、第２差動増幅器５３と、位相差検出回路５４とを有している。そして、発振回路５１は、交流の駆動信号を生成して、直列に接続された第１駆動コイル３１と第２駆動コイル３２に印加して一次磁束を発生し、第１差動増幅器５２は第１検出コイル４１に誘起起電力によって生じる検出信号を増幅し、第２差動増幅器５３は第２検出コイル４２に誘起起電力によって生じる検出信号を増幅する。

そして、位相差検出回路５４は、第１差動増幅器５２が増幅した第１検出コイル４１の検出信号と、第２差動増幅器５３が増幅した第２検出コイル４２の検出信号との位相差を検出する。そして、この位相差検出回路５４が検出した位相差の大きさによって、トーションバー１０の捻れ量すなわちトーションバー１０に加えられたトルクが表されることになる。

ここで、上述のようにベアリング１１０やスリップリング１２０を用いてトーションバー１０を測定回路５０の接地レベルに接続する意義について説明する。
図５に、トーションバー１０を測定回路５０の接地レベルに接続しなかったときと、トーションバー１０を測定回路５０の接地レベルに接続したときの、比較実験結果を示す。
この比較実験結果は、トーションバー１０にトルクを加えることなく回転させたときの、位相差検出回路５４が検出した位相差出力を、トーションバー１０に加えたトルクとトーションバー１０の捻じり角とが比例する範囲内の最大トルクを加えた場合の位相差出力FSに対する比率%で表したものである。
図示するように、三角印で示したトーションバー１０を測定回路５０の接地レベルに接続しなかったときの位相差出力は、回転速度r/minの変化に依存して変化する。一方、丸印で示したトーションバー１０を測定回路５０の接地レベルに接続したときの位相差出力は回転速度r/minによらずにほぼ０に維持されている。なお、この比較実験は、第１駆動コイル３１と第２駆動コイル３２の駆動周波数を２０ｋHzとし、各スリットのスリット数を１０、スリット長を６mm、スリット幅を２mmとし、入力側筒２１の材質をアルミニウム合金(A5056)、厚みを２mmとし、出力側筒２２の材質をアルミニウム合金(A5056)、厚みを２mmとし、入力側筒２１と出力側筒２２の間隔を０.５mm、入力側筒２１と出力側筒２２との間の間隙の中央位置までの回転中心軸からの距離（半径）を５０mmとして行った。

したがって、この比較実験結果より、トーションバー１０を測定回路５０の接地レベルに接続することにより、トーションバー１０の回転に依存した誤差を抑制できることが分かる。
ここで、このように、トーションバー１０を測定回路５０の接地レベルに接続することにより、トーションバー１０の回転に依存した誤差を抑制できるのは、トーションバー１０の回転による電磁気的影響などの、トーションバー１０の回転によって増幅される、第１駆動コイル３１と第１検出コイル４１を含んで構成される第１の磁気回路と第２駆動コイル３２と第２検出コイル４２を含んで構成される第２の磁気回路との二つの磁気回路間のアンバランスが、トーションバー１０の電位レベルを測定回路５０の接地レベルに接続することにより解消されることによるものと考えられる。

以上、本発明の実施形態について説明した。
ここで、実施形態は、第１駆動コイル３１と第２駆動コイル３２を出力側筒２２の外周側に設け、第１検出コイル４１と第２検出コイル４２を入力側筒２１の内筒部と外筒部の間に配置するようにしてもよい。また、基準スリット６１を入力側筒２１に、第１検出用スリット６２と第２検出用スリット６３を出力側筒２２に設けるように構成してもよい。また、入力側筒２１をトーションバーの出力側に、出力側筒２２をトーションバーの入力側に固定するようにしてもよい。また、第１駆動コイル３１と第２駆動コイル３２としては、単一のコイルを用いるようにしてもよい。
また、以上の実施形態においては、基準スリット６を、図２ｆ１に示すように、第１検出用スリット６２と軸方向位置が少なくとも一部重なる部分と、第２検出用スリット６３と軸方向位置が少なくとも一部重なる部分とを分割して、二列に径方向に並んだ形態で設けるようにしてもよい。また、この場合には、基準スリット６の第１検出用スリット６２と軸方向位置が少なくとも一部重なる部分と、第２検出用スリット６３と軸方向位置が少なくとも一部重なる部分とは、図２ｆ２に示すように径方向にずらして配置するようにしてもよい。

また、以上の実施形態においては、トーションバー１０に捻れが生じていない状態のみにおいて、または、トーションバー１０の捻れが生じた状態のみにおいて、または、トーションバー１０の捻れの如何に関わらずに、第１検出用スリット６２と第２検出用スリット６３が、径方向に見て基準スリット６１と重ならないように構成するようにしてもよい。但し、第１検出用スリット６２と第２検出用スリット６３の、基準スリット６１に対する周方向の配置は異ならせるようにする。
図２ｇ１は、トーションバー１０の捻れの如何によらず、第１検出用スリット６２と第２検出用スリット６３が、径方向に見て基準スリット６１と重ならないように構成した場合を示しており、この場合には、トーションバー１０に捻れに応じて、図２ｇ２に示すように、第１検出用スリット６２の基準スリット６１に対する周方向の距離と、第２検出用スリット６３基準スリット６１に対する周方向の距離とに異なった変化が現れる。
したがって、このようにした場合でも、第１検出コイル４１で検出される前述した第１磁束成分の強度と第２磁束成分の強度と第３磁束成分の強度との組み合わせと、第２検出コイル４２で検出される第１磁束成分の強度と第２磁束成分の強度と第３磁束成分の強度との組み合わせは、トーションバー１０に捻れ量に応じて異なったものとなるので、このようにしても測定回路５０において、トーションバー１０に捻れ量を検出できることになる。

本発明の実施形態に係るトルクセンサの構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るトルクセンサの構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るスリットの重なり幅と位相変化の関係の例を示す図である。 本発明の実施形態に係るトルクセンサの測定回路の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るトルクセンサの比較実験結果を示す図である。

符号の説明

１０…トーションバー、２１…入力側筒、２２…出力側筒、３１…第１駆動コイル、３２…第２駆動コイル、４１…第１検出コイル、４２…第２検出コイル、５０…測定回路、５１…発振回路、５２…第１差動増幅器、５３…第２差動増幅器、５４…位相差検出回路、６１…基準スリット、６２…第１検出用スリット、６３…第２検出用スリット、１１０…ベアリング、１２０…スリップリング。

Claims (4)

1. トーションバーと、
   前記トーションバーの一端に固定された、前記トーションバーと同軸状に配置された、非磁性導電体で形成した第１円筒と、
   前記トーションバーの他端に固定された、前記第１円筒に挿入された形態で、前記トーションバーと同軸状に配置された、非磁性導電体で形成した第２円筒と、
   測定部とを有し、
   前記第１円筒と前記第２円筒とのうちの一方には基準スリットが設けられており、
   前記第１円筒と前記第２円筒とのうちの前記基準スリットが設けられていない方には、軸方向の位置を異ならせて配置した第１検出用スリットと第２検出用スリットとが設けられており、
   前記測定部は、
   前記第２円筒の内周側と前記第１円筒の外周側とのうちの一方側に、前記トーションバーと同軸状に配置した駆動コイルと、
   前記第２円筒の内周側と前記第１円筒の外周側とのうちの前記駆動コイルが配置されていない方側に、前記トーションバーと同軸状に配置した検出コイルと、
   前記駆動コイルを交流駆動する駆動回路と、
   計測回路とを有し、
   前記第１検出用スリットと前記第２検出用スリットとは、各々前記基準スリットと軸方向位置が少なくとも一部重なるように配置され、かつ、前記第１検出用スリットと軸方向位置が重なる基準スリットの部分に対する前記第１検出用スリットの配置と、前記第２検出用スリットと軸方向位置が重なる基準スリットの部分に対する前記第２検出用スリットの配置とは異なっており、
   前記検出コイルは、軸方向の位置を異ならせて配置された第１検出コイルと第２検出コイルとより構成され、
   前記第１検出コイルは軸方向位置が前記第１検出用スリットと少なくとも一部重なるように配置され、前記第２検出コイルは軸方向位置が前記第２検出用スリットと少なくとも一部重なるように配置され、
   前記計測回路は、前記第１検出コイルに誘起された電圧信号と前記第２検出コイルに誘起された電圧信号の位相差を検出し、
   前記トーションバーは、前記計測回路の接地レベルに電気的に接続していることを特徴とするトルクセンサ。
   
2. 請求項１記載のトルクセンサであって、
   前記基準スリットは、軸方向位置を異ならせて配置した、前記第１検出用スリットと軸方向位置が少なくとも一部重なる第１基準スリットと、前記第２検出用スリットと軸方向位置が少なくとも一部重なる第２基準スリットとより構成されていることを特徴とするトルクセンサ。
   
3. 請求項１または２記載のトルクセンサであって、
   前記トーションバーを軸支する、導電性を備えたベアリングを有し、
   前記トーションバーは、前記ベアリングを介して前記計測回路の接地レベルに接続されていることを特徴とするトルクセンサ。
   
4. 請求項１または２記載のトルクセンサであって、
   前記トーションバーを、前記計測回路の接地レベルに接続するスリップリングを有することを特徴とするトルクセンサ。