JP2015152454A - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】微小なトルクを検出する。【解決手段】内側筒４は、ケース１に右側端が軸支された第１軸体２１に回転自在に軸支されている。外側筒３は、ケース１に左側端が軸支された第２軸体２２に回転自在に軸支されている。外側筒３と内側筒４の左右方向に対向する面には、それぞれ、外側筒３と内側筒４との間の磁気カップリングと磁気ダンパを構成する複数の磁石が固定されている。第１軸体２１に被測定体を連結し、外側筒３と内側筒４との回転位相差より、被測定体から伝達されるトルクを検出する。【選択図】図１

Description

本発明は、トルクセンサにおいて微小トルクを計測する技術に関するものである。

トルクを計測するトルクセンサとしては、トーションバーの捻れ量よりトルクを計測するトルクセンサが知られている（たとえば、特許文献１、２）。
図４に、このトルクセンサの構成を示す。
ここで、図４において、図４ａはトルクセンサの正面を、図４ｂ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、このトルクセンサは、測定対象のトルクが入力側（図４ａ、ｂにおける左方）端と出力側（図４ａ、ｂにおける右方）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４１０と、トーションバー４１０の出力側に固定された内側筒４２１と、トーションバー４１０の入力側に固定された外側筒４２２と、第１駆動コイル４３１と、第２駆動コイル４３２と、第１検出コイル４４１と、第２検出コイル４４２と、測定回路４５０とを有している。

ここで、内側筒４２１と外側筒４２２とは、非磁性導電体を用いて形成されている。
また、図４ｃに外側筒４２２の形状を、図４ｄに内側筒４２１の形状を示すように、外側筒４２２と内側筒４２１は、それぞれ、周面に、複数のスリット４６１、４６２、４６３、４６４が配列されており、図４ｅに示すように、内側筒４２１は、外側筒４２２の内側に同軸状に挿入された形態で配置されている。

そして、第１駆動コイル４３１と第１検出コイル４４１と、第２駆動コイル４３２と第２検出コイル４４２とは、間に内側筒４２１と外側筒４２２が位置するように対向して設けられている。また、第１駆動コイル４３１と第２駆動コイル４３２とは測定回路４５０によって交流駆動され磁束を発生する。また、第１検出コイル４４１は、第１駆動コイル４３１が発生し、内側筒４２１と外側筒４２２を通過した磁束を検出し、第２検出コイル４４２は、第２駆動コイル４３２が発生し、内側筒４２１と外側筒４２２を通過した磁束を検出する
そして、測定回路４５０は、トーションバー４１０の捻れに追従して生じるスリットの位置関係の変化に応じて、第１検出コイル４４１と第２検出コイル４４２で検出される信号の位相変化より、内側筒４２１と外側筒４２２との回転位相差を検出する。ここで、内側筒４２１と外側筒４２２との回転位相差はトーションバー４１０のねじれ角を表しており、このトルクセンサは、トーションバー４１０のねじれ角よりトーションバー４１０に加わるトルクを算出するものである。

特開2010-091506号公報 特開2010-085155号公報

上述したトーションバーのねじれ角よりトルクを算出するトルクセンサによれば、構造上必要な剛性を維持しつつ、微小なトルクに追従するねじれ角を良好に発生するようにトーションバーを構成することが難しいために、微小なトルクを精度良く検出することが困難である。

そこで、本発明は、微小なトルクを精度良く検出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、トルクを検出するトルクセンサに、本体と、本体に軸支された、一端に被測定体が連結される第１軸体と、前記第１軸体に固定された第１回転体と、前記第１軸体と同軸かつ前記第１軸体と独立に回転可能に設けられた第２回転体と、前記第１回転体と前記第２回転体との間の回転位相差を検出し、検出した回転位相差に応じて前記被測定体から伝達されるトルクを算出するトルク検出手段と、前記第１回転体に固定された第１の磁石群と、前記第２回転体に固定された、前記第１の磁石群と共に前記第１回転体と前記第２回転体との磁気カップリングを形成する第２の磁石群とを設けたものである。

ここで、このようなトルクセンサは、前記第１軸体と同軸かつ前記第１軸体と独立に回転可能に本体に軸支された第２軸体を備え、前記第２回転体は、前記第２軸体に固定されているものであってもよい。

また、以上のトルクセンサにおいて、前記第１の磁石群と前記第２回転体との組、前記第２の磁石群と前記第１回転体との組とのうちの一方の組、もしくは、両方の組は、前記第１回転体と第２回転体との間の磁気ダンパを形成してもよい。

また、以上の各トルクセンサには、前記第１回転体と前記第２回転体との間の相対的な回転移動を、前記第１回転体と前記第２回転体との間の回転位相差が所定値以上とならないように制限する制限手段を設けるようにしてもよい。

これらのトルクセンサによれば、磁気カップリングにより、第２回転体は第１回転体に追従して回転する。また、第１軸体にトルクが伝達されると、第１軸体と第１軸体に固定された第１回転体の回転速度が変化し、トルクの大きさと磁気カップリングの強さとに応じた第２回転体の第１回転体に対する追従遅れが発生し、第１回転体と第２回転体の間に回転位相差が生じる。そして、この回転位相差からトルクを算出することができる。

ここで、磁気カップリングの強さは、第１の磁石群と第２の磁石群とに用いる磁石の選定により、検出を所望する微小トルクに対して充分な第１回転体と第２回転体の間の回転位相差を生じるように設定することができる。よって、本トルクセンサによれば、微小トルクを精度良く検出することができるようになる。

以上のように、本発明によれば、微小なトルクを精度良く検出できるトルクセンサを提供することができる。

本発明の実施形態に係るトルクセンサの断面構成図である。 本発明の実施形態に係るトルクセンサの外側筒と内側筒の斜視片側断面図である。 本発明の実施形態に係るトルクセンサの外側筒と内側筒の配置関係を示す図である。 公知のトルクセンサを示す図である。

以下、本発明のトルクセンサ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断面による構成を示す。
図示するように、トルクセンサは、ケース１、剛性を有する略円柱形状の第１軸体２１、剛性を有する略円柱形状の第２軸体２２、非磁性導電体で形成した外側筒３、非磁性導電体で形成した内側筒４を備えている。

ここで、第１軸体２１は、図中の回転軸Ａ-Ａの回りに回転自在に、第１軸体ボールベアリング５１によって右側でケース１に軸支されており、第１軸体２１の右側端が入力端となる。また、第２軸体２２は、第１軸体２１と同軸に、回転軸Ａ-Ａの回りに回転自在に、第２軸体ボールベアリング５２によって左側でケース１に軸支されている。

また、外側筒３は、左側端において第２軸体２２に固定されている。そして、内側筒４は、外側筒３に挿入された配置で、右側端において第１軸体２１に固定されている。
なお、第１軸体２１に固定された部材６１と第２軸体２２に固定された部材６２とは、第１軸体ボールベアリング５１と第２軸体ボールベアリング５２の内輪を左右方向について固定するための部材である。

次に、トルクセンサは、ケース１に固定された支持筒１０によって支持された、二つの駆動コイル１１と二つの検出コイル１２とを備えている。ここで、駆動コイル１１と検出コイル１２とは、回転軸Ａ-Ａを中心軸として巻き回されたコイルである。

また、トルクセンサは、図示を省略した測定部を備えており、測定部は、駆動コイル１１と検出コイル１２とに電気的に接続している。
次に、図２ａに、外側筒３の斜視片側断面図を示す。
図示するように、外側筒３は、おおよそ右側の底面が無い円筒形状を有し、左側の底面に設けられた中央孔が第２軸体２２に固定され、外側筒３は第２軸体２２と共に回転する。

そして、外側筒３の側面には、周方向にそって複数のスリット３１が設けられている。
また、外側筒３の左側の底面には周方向に沿って等角度間隔で４つの従動用磁石３２が固定されている。
また、外側筒３の左側の底面には、周方向に沿って等角度間隔で４つのストッパ孔３３が設けられている。
次に、図２ｂに、内側筒４の斜視片側断面図を示す。
図示するように、内側筒４は、右側の底面の無い中空の円筒形状部である外筒部４１の左側の底面の中央孔に、両底面の無い中空の円筒形状部である内筒部４２を左側に幾分突出するように挿通して、外筒部４１と内筒部４２を連結した形状を有する。

そして、内側筒４の内筒部４２の右側端が第１軸体２１に固定され、内側筒４は第１軸体２１と共に回転する。
また、内側筒４の側面には、周方向にそって複数のスリット４４が設けられている。
また、内側筒４の内筒部４２の外筒部４１より左側に突出した部分４３には円盤形状の磁石ベース４５が固定されており、磁石ベース４５には、周方向に沿って等角度間隔で４つの主動用磁石４６が固定されている。

また、内側筒４には、左側の底面から左方向に起立したストッパ４７が周方向に沿って等角度間隔で４つ設けられている。
次に、図２ｃに、トルクセンサにおける外側筒３と内側筒４の配置関係を示す。
また、図３ａに、左方向から視た外側筒３と内側筒４の配置関係を示す。
また、図３ｂに、図１のトルクセンサの断面構成図の状態から、外側筒３と内側筒４を４５度、回転軸Ａ-Ａ回りに４５度回転させたトルクセンサの断面構成図を示す。
図示するように、外側筒３と内側筒４は、内側筒４の４つのストッパ４７が、外側筒３の４つのストッパ孔３３に挿入されるように配置され、外側筒３と内側筒４の回転位相差の大きさは、ストッパ４７がストッパ孔３３の内部で移動する範囲に限定される。

また、外側筒３の４つの従動用磁石３２と内側筒４の４つの主動用磁石４６とは１対１に対応しており、ストッパ４７がストッパ孔３３内の中央位置にあるときに、対応する従動用磁石３２と主動用磁石４６とが対向するように、各従動用磁石３２と各主動用磁石４６は配置されている。また、従動用磁石３２と主動用磁石４６の対向する面、すなわち、各従動用磁石３２の右側の面と、主動用磁石４６の左側の面の極性は、対応する従動用磁石３２と主動用磁石４６が引き合うように異ならせている。たとえば、各従動用磁石３２の右側の面をＳ極とした場合には、各主動用磁石４６の左側の面をＮ極とする。

ここで、このような外側筒３と内側筒４の配置において、従動用磁石３２と主動用磁石４６は、相互に引き合う磁気カップリングを構成している。また、従動用磁石３２と磁石ベース４５、または、主動用磁石４６と外側筒３、または、従動用磁石３２と磁石ベース４５及び主動用磁石４６と外側筒３は、磁気ダンパを構成している。なお、磁気ダンパとは、磁石を導体に対して相対運動させたとき、導体に誘導電流が発生し、誘導電流により運動方向と逆向きに力が働くことを利用したダンパであり、このトルクセンサにおいては、主動用磁石４６、従動用磁石３２が磁石に、外側筒３、磁石ベース４５が導体に相当する。なお、従動用磁石３２と主動用磁石４６による磁気ダンパは形成しないようにしてもよい。

さて、図１に戻り、二つの駆動コイル１１は、図２ａに示したような形状を有する外側筒３の外周側に回転軸Ａ-Ａを中心軸として巻き回された形態で配置される。また、二つの検出コイル１２は、図２ｂに示したような形状を有する内側筒４の外筒部４１と内の内筒部４２との間に、外側筒３と内側筒４の外筒部４１とを間に挟んで、駆動コイル１１と対向するように、回転軸Ａ-Ａを中心軸として巻き回された形態で配置される。

したがって、このようなトルクセンサによれば、図４に示したトルクセンサと同様に、駆動コイル１１を交流駆動して磁束を発生させることにより、検出コイル１２で外側筒３と内側筒４の外筒部４１とを通過した磁束を検出することができる。そして、スリット３１とスリット４４との位置関係の変化に応じて生じる検出コイル１２で検出される信号の位相変化に基づいて、内側筒４と外側筒３との回転位相差を検出することができる。

さて、トルクセンサによるトルク検出は、第１軸体２１の右側端である入力端にモータの回転軸など被測定体を連結し、第２軸体２２の左側端である出力端に負荷を連結した状態において行う。

この状態で、被測定体が回転すると、第１軸体２１と第１軸体２１に固定された内側筒４が回転すると共に、内側筒４と従動用磁石３２と主動用磁石４６によって磁気カップリングされている外側筒３も第２軸体２２と共に回転する。

被測定体からトルクが伝達されていない状態では、内側筒４と外側筒３は同位相で回転する。したがって、被測定体からトルクが付加されていない状態では、検出コイル１２で検出される信号から内側筒４と外側筒３の回転位相差は検出されない。

一方、被測定体からトルクが伝達されると、第１軸体２１と第１軸体２１に固定された内側筒４の回転速度が変化し、トルクの大きさと磁気カップリングの強さとに応じた外側筒３の内側筒４に対する追従遅れが発生し、内側筒４と外側筒３の間に回転位相差が生じる。そして、この回転位相差からトルクを算出することができる。

また、被測定体が回転していないときも同様に、被測定体からトルクが付加されていない状態では、内側筒４と外側筒３は同位相となり、検出コイル１２で検出される信号から内側筒４と外側筒３の回転位相差は検出されない。そして、トルクが伝達されると、トルクの大きさと磁気カップリングの強さとに応じた内側筒４と外側筒３の間に回転位相差が生じ、この回転位相差からトルクを算出することができる。

そこで、測定部は、駆動コイル１１を交流駆動しつつ、検出コイル１２で検出される信号を取得し、取得した信号の位相変化が表す内側筒４と外側筒３との回転位相差から、被測定体が伝達するトルクを算出する。
ここで、従動用磁石３２と主動用磁石４６による磁気カップリングの強さは、検出を所望する微小トルクに対して充分な内側筒４と外側筒３の間の回転位相差を生じるように設定しておく。

よって、本実施形態に係るトルクセンサによれば、微小トルクを精度良く検出することができる。
なお、上述したストッパ４７とストッパ孔３３によって、内側筒４と外側筒３の回転位相差の上限は制限されているので、内側筒４と外側筒３の回転位相差が大きくなり、従動用磁石３２と主動用磁石４６と１対１の対応が崩れること、すなわち、従動用磁石３２が内側筒４と外側筒３の回転位相差の増大と共に対応する主動用磁石４６の位置から離れ、対応する主動用磁石４６の隣の主動用磁石４６とカップリングしてしまうことは抑止される。

以上、本発明の実施形態について説明した。
ところで、以上の実施形態では、第２軸体２２に固定することにより外側筒３を内側筒４と同軸に回転可能に設けたが、これは、その他の形態により、外側筒３を内側筒４と同軸に回転可能に設けるようにしてもよい。たとえば、外側筒３を直接ボールベアリングで内側筒４と同軸に回転可能に軸支する構成や、ボールベアリングを介して外側筒３を第１軸体２１に軸支させる構成によって、外側筒３を内側筒４と同軸に回転可能に設けるようにしてもよい。

１…ケース、３…外側筒、４…内側筒、１０…支持筒、１１…駆動コイル、１２…検出コイル、２１…第１軸体、２２…第２軸体、３１…スリット、３２…従動用磁石、３３…ストッパ孔、４１…外筒部、４２…内筒部、４５…磁石ベース、４６…主動用磁石、４７…ストッパ、５１…第１軸体ボールベアリング、５２…第２軸体ボールベアリング。

Claims (4)

1. トルクを検出するトルクセンサであって、
   本体と、
   本体に軸支された、一端に被測定体が連結される第１軸体と、
   前記第１軸体に固定された第１回転体と、
   前記第１軸体と同軸かつ前記第１軸体と独立に回転可能に設けられた第２回転体と、
   前記第１回転体と前記第２回転体との間の回転位相差を検出し、検出した回転位相差に応じて前記被測定体から伝達されるトルクを算出するトルク検出手段と、
   前記第１回転体に固定された第１の磁石群と、
   前記第２回転体に固定された、前記第１の磁石群と共に前記第１回転体と前記第２回転体との磁気カップリングを形成する第２の磁石群とを有す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、
   本体に、前記第１軸体と同軸かつ前記第１軸体と独立に回転可能に軸支された第２軸体を有し、
   前記第２回転体は、前記第２軸体に固定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、
   前記第１の磁石群と前記第２回転体との組、前記第２の磁石群と前記第１回転体との組とのうちの一方の組、もしくは、両方の組は、前記第１回転体と第２回転体との間の磁気ダンパを形成していることを特徴とするトルクセンサ。
4. 請求項１、２または３記載のトルクセンサであって、
   前記第１回転体と前記第２回転体との間の相対的な回転移動を、前記第１回転体と前記第２回転体との間の回転位相差が所定値以上とならないように制限する制限手段を有することを特徴とするトルクセンサ。