JP2011257404A - 断面ｕ字形ウェブを備えたトルク検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】可能な限り廉価にかつ簡単に形成されているにもかかわらず、敏感であると共に精確であるトルク検出器を提供する。
【解決手段】トルク検出器１０は内側のボディ１２を有している。この内側のボディ１２は外側の環状体１４によって取り囲まれている。内側のボディ１２は外側の環状体１４に、半径方向に延びるウェブ（結合部）１６を介して結合されている。このウェブ１６は断面Ｕ字形部１７としてＵ字形に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、トルク検出器であって、該トルク検出器が、内側のボディと、該内側のボディを同心的に取り囲む外側の環状体と、内側のボディを外側の環状体に放射状に結合する複数のウェブと、トルク導入のための手段と、ウェブに設けられた、変形量を検出するための少なくとも１つの測定素子とを有している形式のものに関する。

一般的にトルクセンサと呼ばれるトルク検出器は、測定体の形状変化を介してトルクを測定する測定値検出器である。一般的なトルク検出器は歪みゲージによって作業する。その他には、圧電原理、磁気弾性原理または光学原理により機能するトルク検出器も存在する。

トルク検出器は、伝達されるトルクを測定するために、回転軸または固定軸に使用されるものの、トルクレンチの校正装置にも使用される。校正したい極めて剛性的な短構造の工具、たとえばトルクレンチに対して、しばしば、いわゆる「トルク測定フランジ」が使用される。このトルク測定フランジは、冒頭で述べた形式のトルク検出器において、インナハブを有している。このインナハブは複数のスポークによってアウタリングに結合されている。スポークは測定値センサ、たとえば歪みゲージを支持している。この測定値センサは、トルクが加えられた場合の曲げ荷重を測定する。このような形式のトルク検出器では、剪断力（Ｑｕｅｒｋｒａｆｔ）および剪断モーメントの影響が十分に相殺されることが望ましい。さらに、トルク検出器は、少ない質量慣性モーメントおよび高い測定感度の点で優れていることが望ましい。

ドイツ連邦共和国特許第４２０８５２２号明細書に記載のトルク検出器では、曲げ力ではなく、剪断力が測定される。トルク検出器は、内側のボディもしくは内部に位置するインナハブと、同心的な外側の環状体とを有している。内側のボディは外側の環状体に、放射状に延びるウェブを介して結合されている。このウェブには、ねじれ量を検出するための測定センサ、たとえば歪みゲージが装着されている。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５２５２３１号明細書には、トルク検出器が記載されている。このトルク検出器は、互いに反対の側に位置する２つのフランジを有している。両フランジはウェブを介して互いに結合されている。同明細書では、結合するウェブに歪みゲージが設けられている。この従来例のトルク検出器の製造コストも同じく比較的高い。さらに、このようなトルク検出器における動特性は極めて不十分である。さらに、同明細書に記載されたトルク検出器の欠点は、回転数が高い場合に相変わらずゼロ点の移動が生じることと共にこのようなトルク検出器の製造コストが極端に高いことである。

ドイツ連邦共和国実用新案第２０２０９８５０号明細書には、ウェブを備えたトルク検出器が開示されている。このトルク検出器は内側のボディと外側の環状体とを有している。この外側の環状体は内側のボディを同心的に取り囲んでいる。それぞれ異なる幅を有するウェブは内側のボディを環状体に放射状に結合している。ウェブに位置する測定素子は、トルクが加えられた場合に生じるウェブのねじれ量を検出する。

上述したトルク検出器の欠点は、トルク検出器の製造コストがその精度に関係していることである。

ドイツ連邦共和国特許第４２０８５２２号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５２５２３１号明細書 ドイツ連邦共和国実用新案第２０２０９８５０号明細書

したがって、本発明の課題は、上述した公知先行技術の欠点を排除して、可能な限り廉価にかつ簡単に形成されているにもかかわらず、敏感であると共に精確であるトルク検出器を提供することである。

この課題を解決するために本発明に係るトルク検出器では、ウェブが、断面Ｕ字形部として形成されている。

本発明に係るトルク検出器の有利な態様によれば、断面Ｕ字形部が、該断面Ｕ字形部の幅と断面Ｕ字形部の高さとの比において１〜１．５で形成されている。

本発明に係るトルク検出器の有利な態様によれば、断面Ｕ字形部が、トルク検出器の半径とトルク検出器の中心からのウェブ中心の半径との比において１．５〜２．５で配置されている。

本発明に係るトルク検出器の有利な態様によれば、断面Ｕ字形部が、その高さおよび／または幅において、互いに異なる厚さを有している。

本発明に係るトルク検出器の有利な態様によれば、測定素子が、それぞれ断面Ｕ字形部に配置されている。

本発明に係るトルク検出器の有利な態様によれば、トルク検出器が、多角穴を有している。

本発明に係るトルク検出器の有利な態様によれば、前記多角穴が、所定の面に凹部を有している。

本発明に係るトルク検出器の有利な態様によれば、内側のボディと外側の環状体とが、互いに異なる質量を有している。

本発明に係るトルク検出器の有利な態様によれば、外側の環状体が、内側のボディよりも大きな質量を有している。

本発明に係るトルク検出器の有利な態様によれば、トルク検出器が、２つのウェブを有している。

本発明に係るトルク検出器の有利な態様によれば、測定素子が、歪みゲージとして形成されている。

本発明に係るトルク検出器の有利な態様によれば、内側のボディと外側の環状体とが、互いに異なる密度を有している。

本発明に係るトルク検出器の有利な態様によれば、外側の環状体が、内側のボディよりも大きな密度を有している。

本発明は、トルク検出器に力導入手段を介して加えられる剪断力およびトルクを、変形量を検出するための測定素子を備えたウェブに最適に分配するという原理に基づいている。断面Ｕ字形部が剪断力に対して極めて高い剛性を有していることが重要であり、これによって、ウェブが局所的な安定性を達成し、測定の間の剪断力の影響を著しく小さく抑える。この手段によって、ウェブの個数を減少させることができる。なぜならば、各ウェブ自体が著しく安定性に形成されているからである。

本発明の有利な態様では、断面Ｕ字形部が、この断面Ｕ字形部の幅と断面Ｕ字形部の高さとの比において１〜１．５で形成されている。この比によって、測定素子に与えられる剪断力の影響を少なくして高い曲げ剛性が得られる。

断面Ｕ字形部が、トルク検出器の半径とトルク検出器の中心からのウェブ中心の半径との比において１．５〜２．５で配置されていると特に有利である。これによって、トルクピークが回避され、導入された力が均質に分配される。

本発明の有利な態様では、断面Ｕ字形部がその高さおよび／または幅において、互いに異なる厚さを有している。これによって、ウェブの静力学とウェブの重量分配とに関する更なる可変性が可能となる。これによって、トルク検出器の改善された測定結果が達成される。

本発明の有利な態様では、測定素子が、それぞれ断面Ｕ字形部に配置されている。この手段によって、トルクがトルク検出器に加えられた場合に、ねじれ量もしくは変形量を特に良好に測定することができる。

本発明の別の有利な態様では、トルク検出器が多角穴を有している。この多角穴は、測定時にトルクレンチの多角頭を形状接続的に収容する。

多角穴はその面に凹部を有している。この凹部は、たとえばトルクレンチの多角頭のばね弾性的なボールを収容する。凹部によって、多角頭が多角穴内で自由にセンタリングされる。これによって、センタリング誤差に起因する測定誤差が著しく減少させられる。つまり、これによって、剪断力が十分に除去される。

動的な特性を改善するためには、内側のボディの質量が外側のボディに対して異なって形成されている。このことは、たとえば内側のボディと外側の環状体とが、互いに異なる体積または互いに異なる密度を有している場合に達成される。互いに異なる密度によって存在する互いに異なる慣性に基づき、トルク検出器の測定精度を改善するための付加的な調整可能なパラメータが得られる。適切な態様では、外側の環状体が内側のボディよりも大きな質量を有している。内側のボディと外側の環状体とが、互いに異なる密度を有しており、特に外側の環状体が、内側のボディよりも大きな密度を有していると特に有利である。これによって、トルク検出器が内側のボディにおいて外側の環状体と異なる慣性モーメントを獲得する。このことは、トルク検出器の動的な特性の改善に繋がる。

トルク検出器が、２〜４つの断面Ｕ字形部を備えて形成されていると特に有利であると判った。ウェブの個数を介して、形状剛性と弾性変形量との比に影響を与えることができ、トルク検出器を種々異なる使用態様に極めて良好に適合させることができる。通常、剪断力の影響はウェブの個数の減少時に高められる。

剪断力の作用は断面Ｕ字形部によって相殺される。この断面Ｕ字形部は、このような力に対して特に高い剛性を有しており、これによって、ウェブの個数を測定動作時の精度を維持したまま減少させることができる。さらに、２つの断面Ｕ字形部へのウェブの減少によって、トルク検出器のより廉価な製造を達成することができる。

本発明の１つの態様は、測定素子が歪みゲージとして形成されていることにある。この歪みゲージによって、変形量を特に簡単に検出することができる。

更なる利点は、従属請求項の対象ならびに図面に対応した説明から明らかである。

本発明に係るトルク検出器の原理を示す正面図である。 トルク検出器の原理を示す横断面図である。 トルク検出器の原理を示す立体正面図である。 トルク検出器の原理を示す立体背面図である。 断面Ｕ字形部の原理を示す横断面図である。

以下に、本発明を実施するための形態を図面につき詳しく説明する。

図１には、本発明に係るトルク検出器１０が正面図で示してある。このトルク検出器１０は内側のボディ１２を有している。この内側のボディ１２は外側の環状体１４によって取り囲まれている。内側のボディ１２は外側の環状体１４に、半径方向に延びるウェブ（結合部）１６を介して結合されている。このウェブ１６は断面Ｕ字形部１７としてＵ字形に形成されている。ウェブ１６は内側のボディ１２を外側の環状体１４に結合している。本実施の形態では、中間室１８が、丸み付けられた端領域を備えた部分円環の形を有している。

トルク検出器１０の内側のボディ１２の中心には、突出部２０を認めることができる。この突出部２０は座ぐり部２２と孔２４とを有している。本実施の形態では、この孔２４が四角穴として形成されている。さらに、この四角穴の面には、たとえばトルクレンチの四角頭のばね弾性的なボールまたはピンを収容するための半円形のフライス削り部の形の凹部２６が位置している。トルクレンチはその四角頭に一般的にばね弾性的なボールまたはピンを有している。このボールまたはピンは工具の取付け時に内方に移動させられ、係止時に挿入部の四角穴に向かって押圧される。これによって、トルクレンチと挿入部もしくはトルク検出器とが結合され、測定動作時に最適な力導入が保証される。

外側の環状体１４に設けられた別の貫通孔２８は、静力学および重量削減のために働くかまたはトルク伝達の目的で相応の軸フランジにねじ締結可能である。

断面Ｕ字形部１７には、ウェブ１６の変形量を検出するための測定素子３２が設けられている。有利には、この測定素子３２は歪みゲージである。この歪みゲージは、変形量に相応する電気的な信号を評価装置（図示せず）に供給する。トルク検出器１０にトルクが適切に加えられることによって、力がウェブ１６に最適に分配される。その際、断面Ｕ字形部１７が、トルクレンチの緊締および傾倒によってトルク導入時に生じることがある横力もしくは剪断力を除去する。なぜならば、この剪断力が測定素子３２において断面Ｕ字形部１７の脚部によって直接相殺されるからである。

有利には、各断面Ｕ字形部１７に、２つの測定格子を備えた１つの歪みゲージが取り付けられる。格子角はウェブ長手方向軸線に対して４５°に設定されている。（歪みゲージは概略的に図示してある。）特に高い出力信号は、測定素子３２が結線されてホイートストン測定ブリッジが形成される場合に得られる。トルク検出器１０にトルクが加えられると、歪みゲージの配置形態によって、周方向への剪断荷重（Ｓｃｈｅｒｂｅｌａｓｔｕｎｇ）を高い感度で検出することができる。

内側のボディ１２は外側の環状体１４よりも小さな質量を有している。このことは、たとえば互いに異なる密度の材料によって得られる。

さらに、図面には、トルク検出器１０の半径１９とウェブ中心の半径２１とのそれぞれ異なる比Ｒ／ｒが示してある。トルク検出器１０の付加的な安定性最適化のためには、比が１．５〜２．５に設定されている。

図２には、トルク検出器１０の横断面図が原理的に示してある。断面平面はウェブ１６の領域に案内されている。図２でも、図１に示した同じ構成部材には、同じ符号が付してある。図面には、外側の環状体１４と内側のボディ１２とから成るトルク検出器１０の比較的簡単な構造が示してある。測定素子３２はウェブ１６の断面Ｕ字形部１７に位置している。これによって、トルク検出器１０の廉価な製造が与えられている。なぜならば、手間のかかるフライス削り部または孔が存在していないからである。さらに、突出部２０と、座ぐり部２２と、孔２４と、トルクレンチのばね弾性的なボールを収容するためのフライス削り部２６とを認めることができる。断面Ｕ字形部１７の高さ３６および幅３８（図５参照）が図面に示してある。

図３（正面図）および図４（背面図）におけるトルク検出器１０の斜視図から、更なる詳細が明らかとなる。トルク検出器１０の裏面（図４参照）において、断面Ｕ字形部１７の輪郭を特に良好に認めることができる。これに対して、測定素子３２はトルク検出器１０の表（おもて）面に配置されている。

外側の環状体１４には、軸方向に配置された中実のリング３４（図４参照）が配置されている。内側のリング１２は外側の環状体１４に比べて広幅に形成されている。これによって、回動装置への歪み影響が減少させられる。なぜならば、フランジに対する緊締面が、従来のトルク検出器に比べて増加させられているからである。測定検出器の直径は、たとえば１５０ｍｍに設定されており、ブローチ削りされた四角穴を取り囲むつばは、約７５ｍｍに設定されている。これによって、力導入時の個々のトルクピークがフィルタリングされ、ひいては、力分配のより高い均質性が保証されていることが確保される。

さらに、立体図には、丸み付けられた端領域を備えた部分円環の形を有する中間室１８が貫通していることが示してある。これによって、特に内側のボディ１２の重量削減が可能となる。

図５には、断面Ｕ字形部１７の横断面図が示してある。この断面Ｕ字形部１７はその高さ３６および／または幅３８において、互いに異なる厚さを有している。これによって、ウェブ１６の特別な安定性、曲げ強さおよび剪断強さが保証されている。なぜならば、断面Ｕ字形部１７の幅、すなわち、周方向への延び量と、高さ、すなわち、軸方向への延び量とが、１〜１．５の比ｂ／ｈで付与されているからである。これによって、トルク検出器１０における静力学もしくは重量分配に関する更なる可変性が得られる。

１０ トルク検出器
１２ 内側のボディ
１４ 外側の環状体
１６ ウェブ
１７ 断面Ｕ字形部
１８ 中間室
１９ トルク検出器の半径（Ｒ）
２０ 突出部
２１ ウェブ中心の半径（ｒ）
２２ 座ぐり部
２４ 孔
２６ 凹部
２８ 貫通孔
３２ 測定素子
３４ リング
３６ 断面Ｕ字形部の高さ（ｈ）
３８ 断面Ｕ字形部の幅（ｂ）

Claims (13)

1. トルク検出器（１０）であって、該トルク検出器（１０）が、内側のボディ（１２）と、該内側のボディ（１２）を同心的に取り囲む外側の環状体（１４）と、前記内側のボディ（１２）を前記外側の環状体（１４）に放射状に結合する複数のウェブ（１６）と、トルク導入のための手段と、前記ウェブ（１６）に設けられた、変形量を検出するための少なくとも１つの測定素子（３２）とを有している形式のものにおいて、
   前記ウェブ（１６）が、断面Ｕ字形部（１７）として形成されていることを特徴とする、トルク検出器。
2. 前記断面Ｕ字形部（１７）が、該断面Ｕ字形部（１７）の幅（３８）と前記断面Ｕ字形部（１７）の高さ（３６）との比において１〜１．５で形成されている、請求項１記載のトルク検出器。
3. 前記断面Ｕ字形部（１７）が、前記トルク検出器（１０）の半径（１９）と前記トルク検出器（１０）の中心からのウェブ中心の半径（２１）との比において１．５〜２．５で配置されている、請求項１または２記載のトルク検出器。
4. 前記断面Ｕ字形部（１７）が、その高さ（３６）および／または幅（３８）において、互いに異なる厚さを有している、請求項１から３までのいずれか１項記載のトルク検出器。
5. 前記測定素子（３２）が、それぞれ前記断面Ｕ字形部（１７）に配置されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のトルク検出器。
6. 前記トルク検出器（１０）が、多角穴を有している、請求項１から５までのいずれか１項記載のトルク検出器。
7. 前記多角穴が、所定の面に凹部（２６）を有している、請求項６記載のトルク検出器。
8. 前記内側のボディ（１２）と前記外側の環状体（１４）とが、互いに異なる質量を有している、請求項１から７までのいずれか１項記載のトルク検出器。
9. 前記外側の環状体（１４）が、前記内側のボディ（１２）よりも大きな質量を有している、請求項１から８までのいずれか１項記載のトルク検出器。
10. 前記トルク検出器（１０）が、２つの前記ウェブ（１６）を有している、請求項１から９までのいずれか１項記載のトルク検出器。
11. 前記測定素子（３２）が、歪みゲージとして形成されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載のトルク検出器。
12. 前記内側のボディ（１２）と前記外側の環状体（１４）とが、互いに異なる密度を有している、請求項１から１１までのいずれか１項記載のトルク検出器。
13. 前記外側の環状体（１４）が、前記内側のボディ（１２）よりも大きな密度を有している、請求項１から１２までのいずれか１項記載のトルク検出器。

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