JP2014029310A

JP2014029310A - トルクセンサ

Info

Publication number: JP2014029310A
Application number: JP2012170533A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Shioda; 耕一郎塩田
Original assignee: Nitto Seiko Co Ltd
Current assignee: Nitto Seiko Co Ltd
Priority date: 2012-07-31
Filing date: 2012-07-31
Publication date: 2014-02-13
Anticipated expiration: 2032-07-31
Also published as: JP5989447B2

Abstract

【課題】全長が短いトルクセンサの提供。
【解決手段】モータＭの回転軸Ｍ１に固定したカップリング１７と、このカップリング１７に接続された減速機の一例である遊星歯車機構１３と、この遊星歯車機構１３と前記モータＭとの間に設けられ前記出力軸１３ａに加わるトルクに応じて歪みを生じるパイプ状の起歪管１２と、からなるトルクセンサにおいて、起歪管１２は、その管内に少なくとも前記回転軸Ｍ１の一部を内包する。これにより、本発明のトルクセンサ１０は、従来よりも前記モータＭを前記遊星歯車機構１３側に配置されるので、前記センサケース１６の全長が短くなるとともに、トルクセンサ１０の全長が短くなる利点がある。
【選択図】図１

Description

本発明は、出力軸に加わったトルクを検出するトルクセンサに関する。

従来のトルクセンサは、特許文献１に示すものが知られており、図２を用いて以下に説明する。従来のトルクセンサ５０は、図示しないワークにねじを締め付けるねじ締めツールに搭載されており、都度ねじに付与されるトルクを検出可能に構成される。このトルクセンサ５０は、回転駆動源の一例であるモータＭの回転を増力して出力する遊星歯車機構５３と、この遊星歯車機構５３の出力軸１３ａを回転自在に軸支したギアケース１５と、前記遊星歯車機構５３の内歯歯車１３ｄに一端が嵌合した起歪管５２と、この起歪管５２の他端に嵌合したセンサケース５６とから構成される。前記遊星歯車機構５３は、一端に歯車を備えた太陽歯車５４と、この太陽歯車５４の歯車に係合した遊星歯車１３ｃと、この遊星歯車１３ｃの回転中心に挿通したピン１３ｂと、このピン１３ｂを複数配し前記遊星歯車１３ｃを回転自在に軸支した出力軸１３ａと、複数の前記遊星歯車１３ｃにそれぞれ係合し全ての前記遊星歯車１３ｃを内包する内歯歯車１３ｄとから構成される。前記内歯歯車１３ｄには、その上面の中心に前記起歪管５２の下部に嵌合する大径のスプライン穴が形成されており、この大径スプライン穴には、起歪管５２が抜け落ちないように抜け止め処理が施されている。前記起歪管５２は、歪みゲージ１２ａが貼着された円筒軸部と、前記内歯歯車１３ｄの前記大径スプライン穴に嵌合する大径のスプライン軸とから構成されており、前記円筒軸部の上部および下部の両端にそれぞれ前記大径スプライン軸が一体となって成形される。また、この起歪管５２の材質は、非鉄に比べ安価な鋼材が用いられており、前記円筒軸部の外周には、歪みゲージ１２ａが貼着され、この歪みケージ１２ａは、図示しないトルク検出器に接続されている。なお、このトルク検出器は、後述する制御装置（図示せず）に接続されている。前記センサケース５６は、前記ギアケース１５に積載され固定されており、前記内歯歯車１３ｄの大径スプライン穴に嵌合し立設した起歪管５２を保護するように内包している。また、このセンサケース５６には、前記内歯歯車１３ｄと同様の大径スプライン穴が設けられており、この大径スプライン穴には、前記起歪管５２の上部の配された大径スプライン軸が嵌合している。なお、このように構成された従来のトルクセンサ５０には、前記モータＭが前記センサケース１６の上端に固定されており、このモータＭの回転軸Ｍ１は、前記制御装置に予め設定されたトルクおよび回転数に基づき回転可能に構成されている。また、この回転軸Ｍ１には、軸方向に切り欠きを備えたカップリング１７が固定ねじ１８によって固定されているため、このカップリング１７は、前記回転軸Ｍ１と一体に回転可能に構成される。一方、前記カップリング１７の先端部には、嵌合穴が形成されており、この嵌合穴は、前記太陽歯車５４の上部に形成された嵌合軸に嵌合しているため、前記回転軸Ｍ１の回転は、前記太陽歯車５４へ確実に伝達される。さらに、前記太陽歯車５４は、前記起歪管５２を挿通しており、その上部に形成された前記嵌合軸は、前記起歪管５２の上端から突出しており、カップリング１７および太陽歯車５４の嵌合部Ａは、前記起歪管５２の上部となるように構成される。また、前記出力軸１３ａには、図示しないねじの頭部に係合するビットが取り付けられており、前記ねじを所定のトルクでワークに螺入可能に構成される。

次に、作用について説明する。従来のトルクセンサ５０は、前記回転軸Ｍ１の回転駆動とともに前記太陽歯車５４が回転し、前記遊星歯車機構５３に所定の回転力が付与される。前記内歯歯車１３ｄは、前記センサケース１６に嵌合した起歪管５２によって回転規制されているため、前記遊星歯車１３ｃが自転するとともに前記遊星歯車１３ｄに対して公転し、前記出力軸１３ａは、前記回転軸Ｍ１の回転方向と反する方向に回転する。このとき、前記出力軸１３ａの回転を止めるように負荷が加わると、前記内歯歯車１３ｄは、この負荷に応じた力で回転しようとするため、前記起歪管５２の前記円筒軸部には、トルクが生じる。これにより、前記歪みゲージ１２ａは、前記トルク検出器へ起歪管５２に生じたトルクに応じた電圧を送り、前記制御装置は、この電圧から出力軸１３ａに掛かる締付けトルクを算出する。また、前記制御装置は、算出した前記締付けトルクが所定の値に達するまで前記モータＭに回転駆動指令を継続して出力し続ける。

特開2011-073137号公報

しかしながら、従来のトルクセンサ５０は、上述のとおり、前記遊星歯車機構５３、前記起歪管５２、前記カップリング１７、前記モータＭを順に積み上げるようにして直列的に並べて構成されるため、その全長が長くなる問題があった。

本発明は上記課題に鑑みて創成されたものであり、全長が短いトルクセンサの提供を目的とする。この目的を達成するために、本発明は、回転自在な回転軸を備えた回転駆動源と、前記回転軸に接続され回転軸の回転よりも低速で回転する出力軸を備えた減速機と、この減速機と前記回転駆動源との間に設けられ前記出力軸に加わるトルクに応じて歪みを生じるパイプ状の起歪管と、からなるトルクセンサにおいて、前記起歪管は、その管内に少なくとも前記回転軸の一部を内包してなることを特徴とする。

本発明のトルクセンサ１０は、前記回転駆動源の一例であるモータＭの回転軸Ｍ１の一部を前記起歪管１２の内径内に配しているため、従来よりも前記モータＭをより前記出力軸１３ａ側に配設でき、トルクセンサ１０の全長を従来よりも短くできる利点がある。

本発明の一実施例を示す概略説明図である。従来の実施例を示す概略説明図である。

以下、図１に基づき本発明の一実施例を説明する。本発明のトルクセンサ１０は、回転駆動源の一例であるモータＭの回転を増力して出力する減速機の一例である遊星歯車機構１３と、この遊星歯車機構１３の内歯歯車１３ｄおよび出力軸１３ａをそれぞれ回転自在に軸支したギアケース１５と、前記内歯歯車１３ｄに一端が嵌合した起歪管１２と、この起歪管１２の他端に嵌合したセンサケース１６とから構成される。

このように構成された本発明のトルクセンサ１０には、前記モータＭが前記センサケース１６の上端に固定されており、このモータＭには、モータＭの本体端面から突出するように回転軸Ｍ１が配されている。この回転軸Ｍ１は、棒状のシャフトからなり、後述する制御装置に予め設定されたトルクおよび回転数に基づき回転可能に構成されており、この回転軸Ｍ１には、カップリング１７が固定ねじ１８によって固定され前記回転軸Ｍ１の回転とともに一体に回転可能に構成される。

前記カップリング１７は、その上部に前記回転軸Ｍ１よりも若干大きな径からなる丸穴と、その下部に後述する太陽ギア１４の六角軸に嵌合する六角穴とが配されるとともに、前記丸穴には、その軸方向に形成された切り欠きを備えてなる。この切り欠きは、前記固定ねじ１８が締結されることで切り欠きの幅寸法を収縮させ前記丸穴が収縮するように構成されている。

一方、前記遊星歯車機構１３は、一端に歯車を備えた太陽歯車１４と、この太陽歯車１４の歯車に係合した遊星歯車１３ｃと、この遊星歯車１３ｃの回転中心に挿通したピン１３ｂと、このピン１３ｂを複数配し前記遊星歯車１３ｃを回転自在に軸支した出力軸１３ａと、複数の前記遊星歯車１３ｃにそれぞれ係合し全ての前記遊星歯車１３ｃを内包する内歯歯車１３ｄとから構成される。前記内歯歯車１３ｄには、その上面の中心に前記起歪管１２の下部に嵌合する大径のスプライン穴が形成されており、この大径スプライン穴は、起歪管１２が抜け落ちないように抜け止め処理が施されている。また、前記太陽歯車１４の上端には、六角軸が形成されており、この六角軸と他端に形成された歯車とが一体になって成形されている。

前記起歪管１２は、パイプ状からなる円筒軸部と、前記内歯歯車１３ｄの前記大径スプライン穴に嵌合する大径のスプライン軸とから構成される。前記円筒軸部の上部および下部の両端には、それぞれ前述の大径スプライン軸が一体となって成形されており、下部の大径スプライン軸は、前記内歯歯車１３ｄの大径スプライン穴に嵌合している。この起歪管１２の材質は、鋼材あるいはアルミニウム合金からなっており、起歪管１２の内径寸法は、後述するカップリング１７の外形寸法よりも大きくなるように設定されている。このため、前記カップリング１７の六角穴と前記太陽歯車１４の六角軸との接続部である前記嵌合部Ａは、起歪管１２の管内に位置する。つまり、起歪管１２の内径内に前記回転軸Ｍ１の一部が配されている。よって、太陽歯車１４の全長は、従来に比べて短く設定することができるとともに、前記起歪管１２の管内に前記カップリング１７を挿入することができる。

また、この起歪管１２の素材が前記アルミニウム合金であれば、このアルミニウム合金の中でも特に機械的強度の高いＡ２０２４あるいはＡ７０７５が用いられる。この場合、前記円筒軸部の外周には、アルミニウム合金用の歪みゲージ１２ｂが貼着されており、この歪みケージ１２ｂは、図示しないトルク検出器に接続されて、トルク検出器が後述する制御装置（図示せず）に接続される。

ところで、前記起歪管１２に使用するアルミニウム合金は、従来の起歪管５２に使用する鋼材に比べると、ヤング率が約３分の１程度であるため、起歪管１２は、ねじり応力を受けると起歪管５２に比べて大きく変形し易い。このような材質の特性があるため、仮にそれぞれの起歪管の内径を同じ寸法に設定する場合であれば、アルミニウム合金の円筒軸部の肉厚の方をより厚く設定してそれぞれの起歪管に生じる歪み量を同等にするか、あるいは、アルミニウム合金の起歪管の内径を鋼材の内径よりも大きく設定して円筒軸部の肉厚を加工できる程度まで薄く設定し、それぞれの起歪管に生じる歪み量を同等にしなければならない。

さらに、前記出力軸１３ａに加わるトルクが低い範囲（０．０５Ｎ・ｍから１０．０Ｎ・ｍ）であれば、前記起歪管１２の素材をアルミニウム合金にするとともに起歪管１２の内径寸法を前記カップリング１７の外径よりも大きく設定しても、前記円筒軸部の肉厚を加工できる程度まで薄く設定できる。つまり、前述のような低いトルク範囲であっても、前記カップリング１７が前記起歪管１２の管内に挿入することができ、前記嵌合部Ａを前記起歪管１２の管内に配することができる。よって、太陽歯車１４は、その全長を従来に比べて短く設定することができる。また、起歪管１２は、鋼材に比べて比重の軽いアルミニウム合金であるため、軽量化できる。

前記ギアケース１５には、前記出力軸１３ａを回転自在に支持してなり、前記出力軸１３ａおよび前記内歯歯車１３ｄがそれぞれ単独で回転可能に配されている。

前記センサケース１６は、前記ギアケース１５に積載され固定されており、前記内歯歯車１３ｄの前記大径スプライン穴に嵌合し立設した起歪管１２を保護するように内包している。また、このセンサケース１６には、前記内歯歯車１３ｄと同様の大径スプライン穴が設けられており、この大径スプライン穴には、前記起歪管１２の上部の前記大径スプライン軸が嵌合している。このため、前記内歯歯車１３ｄに回転力が生じた場合には、起歪管１２がその回転力を受け止めるようになっている。また、前記センサケース１６は、起歪管１２に前記カップリング１７が内包されるため、従来に比べて前記モータＭを図１に示すように下方へ位置しなければならない。このため、前記センサケース１６の全長は、従来に比べて短くでき、軽量化できる。

また、前記出力軸１３ａには、図示しないねじの頭部に係合するビットが取り付けられており、本発明のトルクセンサ１０は、所定のトルクで前記ねじをワークに螺入可能に構成される。

次に、本発明のトルクセンサ１０の作用を以下に説明する。本発明のトルクセンサ１０は、前記回転軸Ｍ１の回転駆動とともに前記太陽歯車１４が回転し、前記遊星歯車機構１３に所定の回転力が付与される。前記内歯歯車１３ｄは、前記センサケース１６に嵌合した起歪管１２によって回転規制されているため、前記遊星歯車１３ｃが自転するとともに前記遊星歯車１３ｄに対して公転し、前記出力軸１３ａは、前記回転軸Ｍ１の回転方向と反する方向に回転する。このとき、前記出力軸１３ａの回転を止めるように負荷が加わると、前記内歯歯車１３ｄは、この負荷に応じた力で回転しようとするため、前記起歪管１２の前記円筒軸部には、トルクが生じる。これにより、前記歪みゲージ１２ｂは、前記トルク検出器へ起歪管１２に生じたトルクに応じた電圧を送り、前記制御装置は、この電圧から出力軸１３ａに掛かる締付けトルクを算出する。また、前記制御装置は、算出した前記締付けトルクが所定の値に達するまで前記モータＭに回転駆動指令を継続して出力し続ける。

上述したように本発明のトルクセンサ１０は、前記モータＭの回転軸Ｍ１の一部を前記起歪管１２の内径内に配しているため、従来に比べて前記太陽歯車１４の全長が短くなるとともに、前記センサケース１６の全長が短くなる。よって、本発明のトルクセンサ１０は、前記モータＭがより前記出力軸１３ａ側に配することができため、トルクセンサ１０の全長を従来よりも短くできるとともに軽量化できる利点がある。

１０トルクセンサ（本発明）
１２起歪管
１２ａ歪みゲージ
１２ｂ歪みゲージ
１３遊星歯車機構
１３ａ出力軸
１３ｂピン
１３ｃ遊星歯車
１３ｄ内歯歯車
１４太陽歯車
１５ギアケース
１６センサケース
１７カップリング
１８固定ねじ
５０トルクセンサ（従来）
５２起歪管
５３遊星歯車機構
５４太陽歯車
５６センサケース
Ａ嵌合部
Ｍモータ
Ｍ１回転軸

Claims

回転自在な回転軸を備えた回転駆動源と、前記回転軸に接続され回転軸の回転よりも低速で回転する出力軸を備えた減速機と、この減速機と前記回転駆動源との間に設けられ前記出力軸に加わるトルクに応じて歪みを生じるパイプ状の起歪管と、からなるトルクセンサにおいて、
前記起歪管は、その管内に少なくとも前記回転軸の一部を内包してなることを特徴とするトルクセンサ。