JP2020016598A - トルク検出器及びモータ評価システム - Google Patents

Abstract

【課題】起歪部の直径を大きくしたり、長さを長くすることなく、剛性を確保しつつ大きな歪みを得ることができるようにする。【解決手段】回転自在で、歪みを生じる起歪部を有するトーションバーと、起歪部に貼りつけられるｎ個（ｎは２以上の自然数）の歪ゲージと、を備え、起歪部は、歪みを起歪部の長さ方向と平行な方向の長さの設定によって制御するための貫通穴を有する、トルク検出器。歪ゲージの受感部グリッドの長さＬと、起歪部の長さ方向と平行な貫通穴の長さＨＬとの割合が、Ｌ：ＨＬ＝２：１〜２：５の範囲にあることが好ましい。起歪部の貫通穴の形状は、両端がＵ字状の矩形穴であることが好ましい。【選択図】図３

Description

本発明は、回転自在で、歪みを生じる起歪部を有するトーションバーと、起歪部に貼りつけられる複数の歪ゲージと、を備えたトルク検出器及びモータ評価システムに関する。

歪ゲージを起歪部に添着してトルクを検出するトルク検出器として、例えば特許文献１に、回転体のトルク測定装置が記載されている。特許文献１に記載されたトルク測定装置は、回転力伝達系中の駆動軸側と負荷軸側との間に介挿され、両軸間に伝達されるトルクを測定する回転体のトルク測定装置である。負荷軸の中間部は、細径に削成された、起歪部が設けられており、その起歪部の円周上には、１８０°の角度間隔をあけて少なくとも二対のひずみゲージＳＧ１、ＳＧ２が添着されている。

特開２００７−３２７８９０号公報

トルク検出器において、例えば特許文献１に示される歪ゲージを貼り付ける起歪部は、円柱が細径に削られて構成される。このような起歪部の形状は、トルク検出器の大きさの点から剛性を確保しつつ大きな歪みを得ることが難しい。剛性を確保するために起歪部の直径を大きくすると、トルク検出器の高さや幅が大きくなり且つ歪みが小さくなる。一方、歪みを確保するために起歪部の長さを長くすると、剛性が低下し且つトルク検出器の長さが長くなる。

本発明は、起歪部の直径を大きくしたり、長さを長くすることなく、剛性を確保しつつ大きな歪みを得ることのできるトルク検出器及びモータ評価システムを提供することを目的とする。

（１） 本発明に係るトルク検出器は、回転自在で、歪みを生じる起歪部を有するトーションバーと、
前記起歪部に貼りつけられるｎ個（ｎは２以上の自然数）の歪ゲージと、を備え、
前記起歪部は、前記起歪部の長さ方向と平行な方向の長さの設定によって前記歪みを制御するための貫通穴を有する、トルク検出器である。

（２） 上記（１）のトルク検出器において、前記歪ゲージの受感部グリッドの長さＬと、前記起歪部の長さ方向と平行な前記貫通穴の長さＨＬとの割合が、Ｌ：ＨＬ＝２：１〜２：５の範囲にあってよい。

（３） 上記（１）又は（２）のトルク検出器において、前記起歪部の貫通穴の形状は、両端がＵ字状の矩形穴であってもよい。

（４） 本発明に係るモータ評価システムは、上記（１）から（３）のいずれかのトルク検出器と、該トルク検出器に含まれるトーションバーの一端と連結される駆動モータと、前記トーションバーの他端と連結される負荷モータとを備えた、モータ評価システムである。

本発明によれば、起歪部の直径を大きくしたり、長さを長くすることなく、剛性を確保しつつ大きな歪みを得ることができる。

本発明の一実施形態のトルク検出器を含むモータ評価システムの構成を示す構成図である。 歪ゲージの一構成例を示す平面図である。 （Ａ）は歪ゲージが貼りつけられた、穴を有する起歪部の側面図、（Ｂ）は歪ゲージが貼りつけられた、貫通穴を有する起歪部の断面図である。 起歪部に貫通穴を設けたトーションバーを用いたときの、トルクと主歪解析結果との関係を示す特性図である。 歪ゲージが貼りつけられた、他の形状の貫通穴を有する起歪部を示す側面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態のトルク検出器を含むモータ評価システムの構成を示す構成図である。

図１に示すように、モータ評価システム１は、トルク検出器１０、駆動モータ２０、負荷モータ３０、カップリング（軸継手）４０，５０及び基台６０を備えている。基台６０上にトルク検出器１０、駆動モータ２０、負荷モータ３０が搭載される。
また、駆動モータ２０は回転軸２０−１、負荷モータ３０は回転軸３０−１をそれぞれ備えている。

トルク検出器１０は、トルク検出器本体１１、軸受１２、及びトーションバー１３を備えている。軸受１２はトルク検出器本体１１の両側面に取り付けられる。
トーションバー１３は、第１及び第２の回転軸１３−１、１３−３と、起歪部１３−２とからなる。第１の回転軸１３−１は、軸受１２を介してトルク検出器本体１１の外に突き出す第１部分１３−１Ａと、この第１部分１３−１Ａと接続され且つトルク検出器本体１１内に配置される、第１部分１３−１Ａよりも直径の大きい第２部分１３−１Ｂとからなる。第２の回転軸１３−３は、軸受１２を介してトルク検出器本体１１の外に突き出す第１部分１３−３Ａと、この第１部分１３−３Ａと接続され且つトルク検出器本体１１内に配置される、第１部分１３−３Ａよりも直径の大きい第２部分１３−３Ｂとからなる。起歪部１３−２は、第１の回転軸１３−１の第２部分１３−１Ｂと、第２の回転軸１３−２の第２部分１３−３Ｂとの間に設けられ、第１及び第２の回転軸１３−１、１３−３の第１部分１３−１Ａ、１３−３Ａ、および第２部分１３−１Ｂ、１３−３Ｂの直径よりも直径が小さくなっている。

トーションバー１３の第１の回転軸１３−１の第１部分は駆動モータ２０の回転軸２０−１とカップリング４０を介して連結される。トーションバー１３の第２の回転軸１３−３の第１部分は負荷モータ３０の回転軸３０−１とカップリング５０を介して連結される。
駆動モータ２０を回転させると、回転軸２０−１が回転し、回転軸２０−１とカップリング４０で接続される、トーションバー１３の第１の回転軸１３−１が回転する。トーションバー１３の第２の回転軸１３−３が回転すると、第２の回転軸１３−３とカップリング５０で接続される負荷モータ３０の回転軸３０−１が回転する。

このとき、トーションバー１３は負荷モータ３０の負荷によって、ねじれが生じ、起歪部１３−２に歪みが生ずる。
起歪部１３−２は貫通穴を備えた円柱状となっており、外周面にｎ個（ｎは２以上の自然数）の歪ゲージ１５が貼り付けられている。ｎ個の歪ゲージ１５は起歪部１３−２の歪みを検出する。

図２は歪ゲージ１５の一構成例を示す平面図である。図２に示すように、歪ゲージ１５は２つの抵抗素子部から構成され、２つの抵抗素子部は絶縁シート１５−６に形成される。１つの抵抗素子部は、端子１５−１，１５−５と、リード線１５−２，１５−４と、抵抗素子を構成する細線の導電体（金属箔）１５−３と、絶縁シート１５−６とを備えている。細線の導電体１５−３はジグザグ状に形成される。
絶縁シート１５−６が伸縮すると、２つの抵抗素子部の各導電体（金属箔）１５−３が伸縮して、各導電体１５−３の抵抗値が変化する。この抵抗値変化を電圧信号に変換して歪みが検出される。ここでは、歪みの検出は４つの抵抗のブリッジから構成されるホイートストンブリッジ回路を用いて検出されるため、２つ（ｎ＝２）の歪ゲージ１５の４つの抵抗素子部を用いて歪みの検出が行われる。ホイートストンブリッジ回路を用いて歪みを検出する場合には４ｍ個（ｍは自然数）の抵抗素子部、すなわち２ｍ個の歪ゲージ１５が必要になるが、ホイートストンブリッジ回路を用いないで検出する場合には特に抵抗素子部の数は限定されない。

歪ゲージ１５の各抵抗素子部の受感部グリッドの長さＬは、図２に示すように、歪ゲージ１５の長手方向と平行な方向の、抵抗素子部の導電体（金属箔）１５−３の長さである。受感部グリッドは、ジグザグ状に形成された導電体（金属箔）１５−３の領域をいう。
歪ゲージ１５の形状は図２に示す構成に特に限定されない。例えば２枚の絶縁シートにそれぞれ抵抗素子部を１つ形成し、抵抗素子部が隣接するように２枚の絶縁シートを並べて配置すれば、２個の歪ゲージで歪ゲージ１５と同様に構成することができる。

図３の（Ａ）は歪ゲージが貼りつけられた、貫通穴を有する起歪部の側面図、（Ｂ）は歪ゲージが貼りつけられた、貫通穴を有する起歪部の断面図である。

図３の（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、貫通穴１６を備えた円柱状の起歪部１３−２に対して、図２の歪ゲージ１５と同様な構成の歪ゲージ１５Ａと歪ゲージ１５Ｂが互いに対向するように起歪部１３−２の外周面に貼り付けられている。
貫通穴１６は図３の（Ａ）に示すように、起歪部１３−２の長さ方向と平行で且つ起歪部１３−２の中心を貫通する、両端がＵ字状の矩形穴である。ここでは、貫通穴の長さＨＬは受感部グリッドの長さＬより大きい場合（ＨＬ＞Ｌ）を示しているが、貫通穴の長さＨＬが、受感部グリッドの長さＬと同じ（ＨＬ＝Ｌ）又は受感部グリッドの長さＬより小さく（ＨＬ＜Ｌ）ともよい。ホイートストンブリッジ回路を用いて歪みを検出する場合は、歪ゲージ１５Ａと歪ゲージ１５Ｂはそれぞれ２つ抵抗素子部を有するように構成されるが、ホイートストンブリッジ回路を用いないで歪みを検出する場合は特に抵抗素子部の数は限定されず、例えば、歪ゲージ１５Ａと歪ゲージ１５Ｂはそれぞれ１つ抵抗素子部を有するように構成されてもよい。

図４は、起歪部に貫通穴を設けたトーションバーを用いたときの、トルクと主歪解析結果との関係を示す特性図である。
貫通穴１６の長さＨＬがそれぞれ２ｍｍ、６ｍｍ、１０ｍｍの、定格トルクが１０Ｎ・ｍ用の３つのトーションバーを用意した。各トーションバーには、図３の（Ａ）及び（Ｂ）に示す、円柱状の起歪部１３−２に対して、歪ゲージ１５と同様な構成の歪ゲージ１５Ａと歪ゲージ１５Ｂを互いに対向するように、起歪部１３−２の外周面に貼り付けた。歪ゲージ１５Ａと歪ゲージ１５Ｂの受感部グリッドの長さＬはともに４ｍｍである。
よって、３つのトーションバーの受感部グリッドの長さＬと貫通穴の長さＨＬとの割合（Ｌ：ＨＬ）は、Ｌ：ＨＬ＝２：１、２：３、２：５となる。

図４はトルク２Ｎ・ｍ、４Ｎ・ｍ、６Ｎ・ｍ、８Ｎ・ｍ、１０Ｎ・ｍのトルクをかけて３つのトーションバーがねじられた場合の主歪解析結果を示している。図４において、「◆」は、Ｌ：ＨＬ＝２：１の場合の特性を示し、「■」はＬ：ＨＬ＝２：３の場合の特性を示し、「▲」はＬ：ＨＬ＝２：５の場合の特性を示している。
図４に示すように、トルクと主歪との特性は比例関係にあり、ほぼ直線状となる。そして、受感部グリッドの長さＬに対して貫通穴１６の長さＨＬが大きくなると主歪が大きくなることが分かる。従って、大きな値の主歪を得るために、貫通穴１６の長さＨＬは剛性を確保できる範囲で、できるだけ大きくすることが好ましい。ただし、貫通穴１６の長さＨＬを長くすると起歪部１３−２の長さを長くする必要があるので、貫通穴１６の長さＨＬは起歪部１３−２の長さを考慮して決められる。
受感部グリッドの長さＬは、歪ゲージの出力を大きくするにはできるだけ長くすることが好ましいが、受感部グリッドの長さＬを長くすると起歪部１３−２の長さを長くする必要があるので、起歪部１３−２の長さを考慮して決められる。

受感部グリッドの長さＬと貫通穴の長さＨＬとの割合（Ｌ：ＨＬ）は、特に限定されないが、受感部グリッドの長さＬに対して貫通穴の長さＨＬが小さすぎると主歪が小さくなって主歪みの検出精度が低下し、受感部グリッドの長さＬに対して貫通穴の長さＨＬが長すぎると、起歪部１３−２の長さが長くなってトルク検出器の長さが長くなる。受感部グリッドの長さＬと貫通穴の長さＨＬとの割合（Ｌ：ＨＬ）の好ましい範囲は、Ｌ：ＨＬ＝２：１〜２：５である。

図３の（Ａ）及び（Ｂ）に示す貫通穴の幅Ｗは特に限定されないが、幅Ｗが大きすぎると剛性が低下するので、貫通穴の幅Ｗと長さＨＬとの割合（Ｗ：ＨＬ）は、Ｗ：ＨＬ＝１：３〜１：５が好ましい。剛性は断面積が同じであればほぼ等しくなるので、幅Ｗを大きくする場合に、起歪部１３−２の直径を大きくすればよいが、この場合、トルク検出器の高さや幅が大きくなる。

本実施形態では、起歪部に貫通穴を設けることで、剛性を確保しつつ大きな歪みを得ることができる。
また、剛性と歪は、歪ゲージの受感部グリッドの長さに対して貫通穴の長さを変えることで調整することができる。そのため、起歪部の大きさを変えることなく定格トルクが変更でき、トルク検出器を小型且つ低価格で実現することができる。

また、上述した各実施形態は、本発明の好適な実施形態ではあるが、上記各実施形態のみに本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更を施した形態での実施が可能である。

例えば、起歪部の貫通穴の形状は両端がＵ字状の矩形穴としたが、貫通穴の形状は、図５の側面図に示すように、複数の円形貫通穴を起歪部の長さ方向に繋げた数珠形状であってもよく、又は楕円形であってもよい。
また、起歪部の貫通穴の数は主歪が大きくできれば特に限定されない。例えば、ｓ（ｓは２以上の自然数）個の両端がＵ字状の矩形穴、楕円形穴、又は円形貫通穴を起歪部の長さ方向と平行な方向に配列してもよい。この場合、貫通穴の長さＨＬはｓ個の貫通穴の各貫通穴の起歪部１３−２の長さ方向と平行な長さをＸとするとき、ＨＬ＝ｓＸとなる。

１ モータ評価システム
１０ トルク検出器
１１ トルク検出器本体
１２ 軸受
１３ トーションバー
１５ 歪ゲージ
１６ 貫通穴
２０ 駆動モータ
３０ 負荷モータ
４０、５０ カップリング

Claims (4)

1. 回転自在で、歪みを生じる起歪部を有するトーションバーと、
   前記起歪部に貼りつけられるｎ個（ｎは２以上の自然数）の歪ゲージと、を備え、
   前記起歪部は、前記起歪部の長さ方向と平行な方向の長さの設定によって前記歪みを制御するための貫通穴を有する、トルク検出器。
2. 前記歪ゲージの受感部グリッドの長さＬと、前記起歪部の長さ方向と平行な前記貫通穴の長さＨＬとの割合が、Ｌ：ＨＬ＝２：１〜２：５の範囲にある請求項１に記載のトルク検出器。
3. 前記起歪部の貫通穴の形状は、両端がＵ字状の矩形穴である請求項１又は２に記載のトルク検出器。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のトルク検出器と、該トルク検出器に含まれるトーションバーの一端と連結される駆動モータと、前記トーションバーの他端と連結される負荷モータとを備えた、モータ評価システム。

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