JP2771171B2

JP2771171B2 - トルク計

Info

Publication number: JP2771171B2
Application number: JP63044410A
Authority: JP
Inventors: 和人木下; 利雄赤津; 茂堀越; 定寧上野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-03-04
Filing date: 1988-02-29
Publication date: 1998-07-02
Anticipated expiration: 2013-07-02
Also published as: JPS64430A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、軸を伝わるトルクを測定するトルク計に関
するもので、トルク測定すべてに利用出来る。

〔従来の技術〕

従来のトルク計の第１例を第９図に示す。第９図にお
いて、１は駆動側軸、２は負荷側軸である。３はトーシ
ヨンバーで前記１と２の軸と一体となつている。4aと4b
は歯車で、それぞれ前記１と２の軸に一体に取付けられ
ている。5aと5bは電磁ピツクアツプで、それぞれ4aと4b
の外周に接近させて静止側に設置してある。無負荷の状
態で駆動側軸１を回転すると、歯車4a,4bも回転し、電
磁ピツクアツプ5a,5bからは、歯車4a,4bの歯によつて生
じる磁気抵抗の変化により正弧波状の出力が得られ、そ
れらの位相差は一定である。この状態で負荷側軸２に負
荷が加わるとそのトルクによりトーシヨンバー３にねじ
れが生じ、電磁ピツクアツプ5a,5bの出力信号の位相差
が変化する。この位相先がトーシヨンバー３に加わるト
ルクと比例しているため、この位相差の変化を検出する
ことにより、トルクを求める方式である。

従来のトルク計の第２例を第10図，第11図に示す。第
10図，第11図において、１は駆動側軸、２は負荷側軸で
ある。３はトーシヨンバーで前記１と２の軸と一体であ
る。6a,6bは前記１と２の軸に一体に取付けられたカツ
プアダプタである。８は静止側トロイダルコイルでカツ
プアダプタ6aと6bの間に挿入されている。7a〜7bは永久
磁石でカツプアダプタ6aと6bの外周に沿つて実装され、
7a,7c,7e,7gと7b,7d,7f,7hは静止側トロイダルコイル８
をはさんで相対し、磁極の方向はすべて同じである。

トーシヨンバー３にトルクが加わつていない場合に
は、静止側トロイダルコイル８に加わる磁束は、静止側
トロイダルコイル８の中心軸と平行な成分のものである
が、トルクが加わると、トーシヨンバー３にねじれが生
じ、このため、相対している永久磁石7a〜7hの相対位置
に変化が生じる。そのため静止側トロイダルコイル８を
通る磁束に円周方向の成分φｄが生じる。このφｄの大
きさはトーシヨンバー３のねじれ角、すなわち、トーシ
ヨンバー３に加わるトルクに比例している。したがつ
て、静止側トロイダルコイル８の円周方向磁束φｄを測
定することによりトルクを測定できる。なお、φｄは直
流磁束であるため、静止側トロイダルコイル８に交流バ
イアスを加えて検出している。

なお、回転トルク測定装置として、特公昭41−6519号
公報に開示されたものが知られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した従来のトルク計にはつぎの問題があつた。

（ａ）２組の歯車と電磁ピツクアツプを用い、歯車の回
転による磁気抵抗の変化により出力信号を得ているた
め、軸が回転していない時には測定ができない。（第１
例）（ｂ）磁束を発生するために永久磁石を用いているた
め、永久磁石の保磁力の温度変化，経年変化等により、
静止側トロイダルコイルを通る磁束の大きさが変化し、
測定値に誤差が生じる。（第２例）本発明の目的は、軸が回転していないときにも測定で
き、かつ、保磁力の温度変化，経年変化等に影響され
ず、また励磁側で発生する磁束の変化を低減して正確な
トルクの検出を可能にするトルク計を提供することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明のトルク計は、ト
ルク伝達軸の外周に軸方向に対してある間隔を持って相
対するように固着された２つの磁性リングと、一方の磁
性リングに円周方向に沿うように交互にかつ複数個設け
られた励磁用凸部及び検出用凸部と、他方の磁性リング
に前記励磁用凸部に対向するように設けられた励磁用凸
部及び前記検出用凸部に対向するように設けられた検出
用凸部と、円周方向に複数個設けられた励磁用凸部のそ
れぞれに巻かれた励磁コイルと、円周方向に複数個設け
られた検出用凸部のそれぞれに巻かれ、差動的に接続さ
れた検出コイルと、前記励磁コイルに一定の交流電流を
流す手段と、前記検出コイルに接続されてその出力を検
出する手段とを備え、前記トルク伝達軸に加わるトルク
によって生じる、対向する前記２つの検出用凸部の相対
面積変化に対応した出力を検出するトルク計であって、
対向する一方の励磁用凸部の円周方向の幅を他方の励磁
用凸部の円周方向の幅よりも広くするとともに、対向す
る２つの検出用凸部を測定トルク範囲内では完全に重な
らないようにずらして配置し、かつそのずらす方向を、
差動接続された検出コイルが巻かれる検出用凸部の間
で、前記トルク伝達軸に加わるトルクによって生じる相
対面積変化が逆になるように配置したものである。

〔作用〕

上記第１の手段の作用は、次のとおりである。

トーシヨンバーに取付けられた歯付リングの検出コイ
ルを巻いた２つの歯の相対面積はトルクによるねじれ角
に対して差動的に変化するため、その磁気抵抗も差動的
に変化する。したがつて、励磁コイルにより発生した磁
束が２つの検出コイル内を通過する量はトルクに対して
差動的に変化し、２つの検出コイルを差動的に結線する
ことによりトルクに比例した電圧を得ることができる。
なお、回転側と静止側との伝送にはロータリトランスを
用いているため、静止時でも回転時でもトルクの測定が
可能である。また、励磁側ロータリトランスに流す交流
電流を一定にすれば励磁コイルに流す交流電流も一定に
なり、安定した磁束を発生することができるので、温度
変化、経年変化等により永久磁石の保持力が変化するこ
とによって磁束が変化する心配がない。また、対向する
一方の励磁用凸部の円周方向の幅を他方の円周方向の幅
よりも広くしたことにより、トルク伝達軸にトルクが加
わることによって２つの磁性リングがトルク伝達軸の回
りに回転しても、対向する２つの励磁用凸部の相対面積
が変化せず、励磁コイルで発生する磁束が変化しにくく
なる。

〔実施例〕

以下、本発明を具体的実施例により説明する。

まず、第１図ないし第３図を用いて、本発明の一実施
例を説明する。第１図に全体の構成を示す。歯付リング
9a,9bは強磁性を有する材料で作られ、それぞれに２枚
ずつの励磁用歯10a〜10dと２枚ずつの検出用歯12a〜12d
（12c,12dは図示されていない。）が形成され、歯の部
分を相対させている。このとき、歯と歯は接触していて
も、若干の間隔があつてもよい。歯付リング9a,9bの歯
と反対側には、電気信号伝送用のロータリトランスロー
タ15a,15bが形成され、その内周面を磁気的絶縁体であ
るスペーサ16によりトルクを伝えるトーシヨンバー３に
固着され、３と共に回転できるようになつている。励磁
用歯10a,10cには励磁コイル11a,11bが巻かれ、ロータリ
トランスロータ15aと結線されている。検出用歯12a,12d
には検出コイル13a,13bが巻かれ、ロータリトランスロ
ータ15bと結線されている。ロータリトランスロータ15
a,15bの外周にはロータリトランスステータ14a,14bが15
a,15bとそれぞれ磁気的にカツプリングされて静止側に
固定されている。

第２図は歯付リング9a,9b,励磁用歯10a〜10d検出用歯
12a〜12dの展開図で本発明の原理を示す。歯付リング9
a,9bは、トーシヨンバー３に固着されているため、トル
クが加わると図上で相対的に上下にずれる。したがつ
て、励磁用歯10a〜10dと検出用歯12a〜12dも上下にずれ
ることになる。そこで、励磁用歯に付いてはトルクが加
わつても相対面積が変化しないよう、歯幅を変化させて
いる。図では、10bより10aが広く、10cより10dが広くし
てある。検出用歯に付いてはトルクに応じて相対面積が
変化するよう、同じ歯幅とし、測定トルク範囲内では歯
が完全に重ならないようにずらしてあり、その方向は、
２対の検出用歯の相対面積の変化が逆になるようにして
いる。図では12aより12bが下側にずれ、12cより12dが上
側にずれている。つまり、トルクが加わつていない場合
は12a,12bと12c,12dの相対面積は同じであるが、歯付リ
ング9aを下側にずらすようなトルクが加わつた場合は、
12a,12bの相対面積は増大し、12c,12dの相対面積は減少
する。

ロータリトランスステータ14aに一定電流を流すと、
励磁コイル11a,11bに一定電流が流れ、起磁力が発生
し、励磁用歯10a,10c,歯付リング9a,検出用歯12a〜12d,
歯付リング9b,励磁用歯10b,10dと磁束が流れる。そこ
で、検出用歯12a〜12dを流れる磁束に着目すると、トル
クが加わらないときには、12a−12dの相対面積と12c−1
2dの相対面積は等しいため、その磁気抵抗も等しく、そ
れぞれを流れる磁束も等しい。しかし、トルクが加わる
と12a−12bの相対面積と12c−12dの相対面積は差動的に
増減し、それにともない、それぞれを流れる磁束も差動
的に増減する。上記、相対面積はトルクに比例して増減
するため、検出用歯12b,12dに検出コイル13a,13bを巻
き、その起電力を差動的に検出することによりトーシヨ
ンバー３に加わるトルクを測定出来る。

第３図に配線図を示す。励磁電源17と励磁コイル11a,
11bはロータリトランスステータ14aとロータリトランス
ロータ15aの磁気結合を介して結線され、励磁用歯10a〜
10dに磁束を発生する。検出コイル13a,13bは差動的に結
線され、ロータリトランスロータ15bとロータリトラン
ス14aの磁気結合を介して検大計18に結線され、トーシ
ヨンバー３に加わるトルクを検出する。

この実施例によれば、次のような効果がある。

ａ）ロータリトランスにより回転側と静止側との伝送を
行つているので、トーシヨンバーが回転していないとき
でも測定できる。

ｂ）磁束を発生するため、励磁コイルを用い一定電流を
流しているので、磁性材の特性が温度，経年変化等によ
り変化しても磁束の量は変化せず、精度の良い測定が出
来る。

ｃ）全ての信号伝送に磁束を用いているため、水分，油
等の雰囲気中でも、特別なシールなしに使用出来る。

ｄ）歯付リングとロータリトランスロータとを一体構造
に出来るため小形化が図れる。

次に、本発明の他の実施例を第４図ないし第８図によ
り説明する。第４図に全体の構成を示す。歯付リング9
a,9bは強磁性を有する材料で作られ、それぞれに４枚ず
つの導磁用歯20a〜20hと４枚ずつの検出用歯21a〜21hが
形成され、歯の部分を相対させている。このとき、歯と
歯は接触していても、若干の間隔があつてもよい。歯付
リング9aの歯と反対側には、電気信号伝送用のロータリ
トランスロータ15a,15bが形成され、その内周面を磁気
的絶縁体であるスペーサ15aによりトーシヨンバー３の
左側に固着され、３とともに回転できる。歯付リング9b
も歯と反対側の内周面をスペーサ16bによりトーシヨン
バー３の右側に固着されている。検出用歯21a,21c,21e,
21gに検出コイル22a〜22dが巻かれ、それによりブリツ
ジを構成し、ロータリトランスロータ15a,15bと結線さ
れている。ロータリトランスロータ15a,15bの外周には
ロータリトランスステータ14a,14bが15a,15bとそれぞれ
磁気的にカツプリングして静止側に固定されている。

第５図は歯付リング9a,9b,導磁用歯20a〜20h,検出用
歯21a〜21hの展開図でこの実施例の原理を示す。歯付リ
ング9a,9bはトーシヨンバー３に固着されているため、
トルクが加わり、トーシヨンバー３にねじれ角が生じる
と図上で相対的に上下にずれる。したがつて、導磁用歯
20a〜20hと検出用歯21a〜21hも上下にずれることにな
る。そこで導磁用歯についてはトルクが加わつても相対
面積が変化しないよう、20a,20c,20e,20gの歯幅の方
が、20b,20d,20f,20hの歯幅より広くしてある。検出用
歯についてはトルクに応じて相対面積が変化するよう、
同じ歯幅とし、測定トルク範囲内では歯が完全に重なら
ないようずらしてあり、その方向は、４対の検出用歯の
うち、２対ずつの相対面積の変化が逆になるようにして
いる。図では21a,21eより21b,21fが上側にずれ、21c,21
gより21d,21hが下側にずれている。つまり、トルクが加
わつていない場合は、４対の検出用歯の相対面積は同じ
であるが、歯付リング9aを下側にずらすようなトルクが
加わつた場合は、21a,21bと21e,21fの相対面積は減少
し、21c,21dと21g,21hの相対面積は増大する。したがつ
て、検出用歯21a,21c,21e,21gに巻いた検出コイル22a〜
22dの自己インダクタンスは、そのコイルにより発生す
る磁束の通る磁路の磁路抵抗に反比例するので、相対面
積の減少した21a,21bと21e,21fの磁路抵抗は増加し、検
出コイル22a,22cの自己インダクタンスは減少する。ま
た同様に、検出コイル22b,22dの自己インダクタンスは
増加する。

第６図に配線図を示す。検出コイル22a〜22dは図に示
すようにブリツジを形成し、上述したように、その自己
インダクタンスは22a,22cと22b,22dがトルクに対して差
動的に増減する。したがつて、ブリツジにロータリトラ
ンスステータ14aとロータリトランスロータ15aの磁気結
合を介して励磁電源17の電圧を印加することにより、ト
ルクに比例した出力電圧が得られ、それを、ロータリト
ランスロータ15bとロータリトランスステータ14bの磁気
結合を介して静止側に導き、電圧計18によりトルクを測
定する。

上記した本発明の他の実施例によれば、次の効果を有
する。

ｂ）トルクの検出に自己インダクタンスブリツジを用い
ているので、磁性材の特性が温度，経年変化等により変
化してもブリツジの出力電圧は変化せず、精度の良い測
定が出来る。

第７図および第８図に他の歯付リングの構成を示す。
第５図の例では導磁用歯の相対面積をトルクに関係なく
一定にしていたが、第７図の例ではトルクにより変化す
るようにし、磁路抵抗の変化する場所を２ケ所してい
る。しかし、第５図の構成のままでは、検出コイル間で
影響を及ぼすため、導磁用歯と検出用歯の並び方も変え
てある。

第８図の例は、歯付リング９からの歯の方向を変更し
たもので、第５図では歯付リング９の端面に歯を構成し
たが、第８図では歯付リング９の内外周面に歯を構成し
ている。動作は第５図と同様である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、軸が回転してい
ないときにも測定ができ、しかも、保持力の温度変化、
経年変化等に影響されにくくなり、また励磁コイルで発
生する磁束の変化を低減することができるため、正確な
トルクが測定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の正面図、第２図は第１図の
実施例の展開図、第３図は第１図の実施例の回路図であ
る。第４図は本発明の他の実施例の正面図、第５図は第
４図の実施例の展開図、第６図は第４図の実施例の回路
図である。第７図，第８図は他の実施例をそれぞれ示す
図である。第９図〜第11図はそれぞれ従来例を示す図で
ある。３……トーシヨンバー、９……歯付リング、10……励磁
用歯、11……励磁コイル、12……検出用歯、13……検出
コイル、14……ロータリトランスステータ、15……ロー
タリトランスロータ、20……導磁用歯、21……検出用
歯、22……検出コイル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者上野定寧茨城県勝田市大字高場2520番地株式会社日立製作所佐和工場内 (56)参考文献特開昭62−162934（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−211528（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01L 3/10

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】トルク伝達軸の外周に軸方向に対してある
間隔を持って相対するように固着された２つの磁性リン
グと、一方の磁性リングに円周方向に沿うように交互に
かつ複数個設けられた励磁用凸部及び検出用凸部と、他
方の磁性リングに前記励磁用凸部に対向するように設け
られた励磁用凸部及び前記検出用凸部に対向するように
設けられた検出用凸部と、円周方向に複数個設けられた
励磁用凸部のそれぞれに巻かれた励磁コイルと、円周方
向に複数個設けられた検出用凸部のそれぞれに巻かれ、
差動的に接続された検出コイルと、前記励磁コイルに一
定の交流電流を流す手段と、前記検出コイルに接続され
てその出力を検出する手段とを備え、前記トルク伝達軸
に加わるトルクによって生じる、対向する前記２つの検
出用凸部の相対面積変化に対応した出力を検出するトル
ク計であって、対向する一方の励磁用凸部の円周方向の幅を他方の励磁
用凸部の円周方向の幅よりも広くするとともに、対向す
る２つの検出用凸部を測定トルク範囲内では完全に重な
らないようにずらして配置し、かつそのずらす方向を、
差動接続された検出コイルが巻かれる検出用凸部の間
で、前記トルク伝達軸に加わるトルクによって生じる相
対面積変化が逆になるように配置したことを特徴とする
トルク計。