JP3743736B2 - トルク計 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はトルク計に関し、特に、取付脚を有する電動機や減速機に簡単に取り付けられ、駆動トルクを測定するものである。
【０００２】
【従来の技術】
回転駆動力によって駆動される機器の数は非常に多く、これらの機器の制御や状態監視において、駆動トルクの測定は重要である。現在、種々のトルク計が提供されているが、その中で、歪ゲージを用いたトルク計の多くは、図１６（Ａ）（Ｂ）に示すように、回転駆動装置１のトルク伝達軸２の途中に、歪ゲージ３を接着した軸状弾性体４を連結したトルク計１００を介設し、伝達トルクによって生じる歪を検出する方法を採用している。
【０００３】
上記構成の回転軸のトルクを直接検出するトルク計は、回転軸にカップリングを介して軸状弾性体４を連結するため、軸方向に十分なスペースを必要とし、組み込みが困難な場合もある。また、カップリングによる取付は、正確な芯出し作業が必要であるが、該芯出し作業が容易でなく、しかも、この調整が不良の場合、振動発生の原因となり、機器本体に重大な影響を及ぼすことになる。
【０００４】
また、この種のトルク計では適度な出力を得るために、トルクの負荷により、軸状弾性体に、ある程度のねじれを生じさせる必要があるため、ねじれ剛性を低下させている。しかしながら、ねじれ剛性を低下させると、回転系の軸の危険速度が低下し、高速回転の場合、振動が発生しやすくなる欠点がある。さらに、回転軸から信号を取り出すためのスリップリング等の接触式または非接触式の信号伝達手段が必要となるが、これら信号伝達手段は高価であり、しかも、回転軸に取り付けて回転させる点から、耐久性、信頼性の点で難点があった。
【０００５】
上記した回転軸のトルクを直接検出するのではなく、電動機等の駆動機器のハウジングを介して駆動トルクの反力である拘束トルクを測定する方法が提案されている（特開昭６１−３３８９２号公報、特開昭６２−１１２０２３号公報）。
【０００６】
しかしながら、これらはいずれも拘束トルクを得るために、電動機のケーシングに追加工を施したり、特別の金具が必要で、取付が容易でなく汎用的なトルク計としては難点があった。
【０００７】
本発明は、上記した問題に鑑みてなされたもので、電動機や減速機等の回転駆動機器にトルク計を取り付けるための特別な加工を施す必要がなく、取付が容易で、しかも各タイプの回転駆動機器に適用できるトルク計を提供することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、請求項１で、固定ベースに固定される取付脚を有する電動機、減速機等の回転駆動機の駆動トルクを検出するものであって、
上記取付脚の底面と固定ベースと取付固定面の間に板状弾性体を装着し、該板状弾性体に、その側面より穴を形成して、該穴の上下両外側に薄肉部を形成すると共に、上記穴の内面に複数の歪ゲージを接着し、これら歪ゲージを接続してホィートストンブリッシ回路を形成し、該ホィートストンブリッジ回路の出力から上記駆動機の出力軸に作用する駆動トルクの反力を検出することにより、駆動トルクを検出する構成としていることを特徴とするトルク計を提供している。
【０００９】
上記のように、電動機や減速機等の回転駆動機の取付脚と固定ベースの間に、板状弾性体に形成した穴内に歪ゲージを接着した構成のトルク検出センサーを介設すると、取付脚を介して駆動トルクの反力を検出でき、間接的に駆動トルクを測定することができる。即ち、駆動トルクをＴ、取付脚を介した反力をＲ、取付脚の間隔をＬとすると、モーメントの釣り合いより、Ｔ＝Ｒ×Ｌの関係があり、Ｌが一定であればＲを測定することにより、駆動トルクＴを計測することができる。
【００１０】
このように、回転駆動機の取付脚と固定ベースの間に、トルク計の板状弾性体を介在させるだけでよいため、回転駆動機には特別の加工を施す必要はなく、例えば、取付脚に形成されている取付穴を利用することにより、容易にトルク計を装着することができる。また、従来のトルク計は回転軸の捩れによる歪みでトルクを測定しているが、本発明では回転駆動機のハウジングに発生する反力で取付脚付近で歪を発生させるため、ねじれ角の小さい、従って剛性の高いトルク計とすることができる。
【００１１】
具体的には、上記板状弾性体の上下面を平行にすると共に、両側端部に上記取付脚の底面と接続する上面固定部を突設し、上記取付脚に形成されている取付穴よりボルトを挿入して取付脚と板状弾性体の両端とを固定する一方、中央部に上記固定ベースの取付固定面と接合する下面固定部を突設し、板状弾性体の中央部を固定ベースにボルトにより固定し、かつ、
上記両端の上面固定部と中央の下面固定部との間にそれぞれ上記穴を形成して、上面固定部と下面固定部とを連結する上記薄肉部を形成し、上記一対の両側の穴に夫々上記歪ゲージを接着してホィートストンブリッジ回路を形成し、これら一対のホィートストンブリッジ回路を接続して、該回路の出力から上記駆動機の出力軸に作用する駆動トルクの反力を検出することにより、駆動トルクを検出する構成としている。
【００１２】
上記のように板状弾性体の両側端部に上面固定部を突設する一方、中央部に下面固定部を突設し、取付脚と固定する両側端部は固定ベースと固定せず、空隙をあけて変形しやすくしているため、駆動機の出力軸の駆動トルクに応じて、両側端部と中央部との間に設けた穴およびその外周の薄肉部は容易に歪み、回転軸に作用する駆動トルクが小さい場合にも適度な出力を発生させることができる。
【００１３】
上記板状弾性体に設ける穴には歪ゲージを接着固定した後に、封止剤を充填して密封構造としている。本発明のトルク計は、静止したハウジングの取付脚と固定ベースの間に取り付けているため、歪ゲージを接着する穴も静止しており、よって、該穴に樹脂等からなる封止剤を充填するだけで、容易に密封構造とすることができ、耐久性および耐環境性に優れたトルク計とすることができる。なお、金属ダイヤフラムを側面の開口に取り付けて密封構造としてもよい。
【００１４】
上記板状弾性体に設ける穴は、両側面に開口する貫通穴あるいは両側面より凹設した有底穴とし、これら穴の上下内面に上記歪ゲージを接着してホィートストンブリッジ回路を形成している。
【００１５】
上記トルク検出センサーを構成する板状弾性体に設ける上記穴の内面は上下面を平面とし、この上下平面にそれぞれ一対の歪ゲージを接着し、１つの穴に合計４つの歪ゲージを接着し、これら歪ゲージを接続して、上記ホィートストンブリッジ回路を形成している。該構成とすることにより、穴の上下の薄肉部に発生する引張方向と圧縮方向の歪みを、穴内面の上下面に接着した歪ゲージで検出している。
【００１６】
また、上記板状弾性体に側面より凹設した上記穴の平底面に複数の歪ゲージを剪断歪を検出するように取り付けてもよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１乃至図５は第１実施形態を示し、電動機５のハウジング６の底面には左右一対の取付脚７、８が突設されており、これら取付脚７、８の底面７ａ、８ａと、固定ベース９の上面９ａとの間に、トルク計１０を介設している。
【００１８】
上記トルク計１０は鉄、アルミ等の金属製の板状弾性体１１を備え、該板状弾性体１１の所要の肉厚を有する長方形状の平板からなり、その上下面１１ａと１１ｂとは平行である。上記上面１１ａの左右両側に段状に突出した上面固定部１１ｃ、１１ｄを設け、かつ、これら上面固定部１１ｃ、１１ｄに、上面からボルト穴１１ｅ、１１ｆを垂設している。上面固定部１１ｃ、１１ｄの上面は取付脚の底面７ａ、８ａを接合し、取付脚７、８に設けられている取付穴７ｂ、８ｂよりボルト１２、１２を挿入して、取付脚７、８に板状弾性体１１の左右両端部を締め付け固定している。
【００１９】
また、板状弾性体１１の下面１１ｂの中央部に段状に突出した下面固定部１１ｇを設け、上記固定ベース９の上面９ａに接合させるようにしている。この下面固定部１１ｂを設けた部分には、その４隅にボルト穴１１ｈ〜１１ｋを設け、これらボルト穴１１ｈ〜１１ｋにボルト１３を挿入し、固定ベース９に設けたボルト穴９ｂに締め付け固定している。
【００２０】
上記のように、板状弾性体１１を電動機５の取付脚７、８と固定ベース９の間に介設することにより、板状弾性体１１の取付脚７、８と固定した両側部の下端は固定ベース９の上面９ａとの間に隙間Ｃ１を空けていると共に、固定ベース９と固定した板状弾性体１１の中央部とハウジング６の底面との間にも隙間Ｃ２をあけている。
【００２１】
上記上面固定部１１ｃと下部固定面１１ｇの間、および上面固定部１１ｄと下面固定面１１ｇの間に、板状弾性体１１の前後両側面１１ｍ、１１ｎに開口した水平方向の穴１５、１６を設けている。これら穴１５、１６を設けることにより、これら穴の上下に薄肉部１９ａ，１９ｂ、２０ａ，２０ｂを形成している。
【００２２】
さらに、板状弾性体１１の幅方向の中央部に上下に貫通した垂直方向の穴２３、２４を形成し、中央部において上記水平方向の貫通穴１５、１６と連通させている。該構成とすることにより穴１５、１６の前後両側において穴１５、１６の上下薄肉部１９ａ〜２０ｂを歪み易くしている。
【００２３】
上記各穴１５、１６は上下内面を平面形状とし、これら穴１５、１６の各前後両面側の上下内面に、夫々間隔をあけて２個で、合計４個の歪ゲージ（ストレインゲージ）ＳＧを接着固定している。即ち、穴１５に前面側に歪ゲージＳＧ１〜ＳＧ４、穴１６の前面側に歪ゲージＳＧ５〜ＳＧ８、穴１５の後面側に歪ゲージＳＧ１’〜ＳＧ４’、穴１６の後面側に歪ゲージＳＧ５’〜ＳＧ８’を接着している。
【００２４】
穴１５、１６の前面側に接着した歪ゲージＳＧ１〜ＳＧ８を図４に示すように接続し、かつ、穴１５、１６の後面側に接着した歪ゲージＳＧ１’〜ＳＧ８’も図４に示すように接続し、ダブル回路からなるホィートストンブリッジ回路３０を形成している。上記穴１５、１６の同一周上に接着した歪ゲージの接続は穴の内周面にワイヤを配線して接続し、異なる穴に接着した歪ゲージと板状弾性体１１内に形成した穴にワイヤを通して接続している。また、上記ホィートストンブリッジ回路３０の４本の出力線２５ａ〜２５ｂを板状弾性体１１より引き出して検出器２６と接続している。
【００２５】
上記歪ゲージＳＧ１〜ＳＧ８、ＳＧ１’〜ＳＧ８’とは、ホィートストンブリッジ回路の４辺の対向辺に、伸長圧縮条件が同一となる歪ゲージを組み込んでいる。即ち、上記前面側の歪ゲージＳＧ１〜ＳＧ８は、図５に示すように、電動機５の回転出力軸５０の反時計回りの回転により取付脚７側に負荷が作用した時、反力により、歪ゲージＳＧ１、ＳＧ４、ＳＧ５、ＳＧ８に引張方向の歪が発生する一方、歪ゲージＳＧ２、ＳＧ３、ＳＧ６、ＳＧ７に圧縮方向の歪が発生する。後面側の歪ゲージＳＧ１’〜ＳＧ８’にも同様の方向に歪みが発生する。
【００２６】
よって、まず、ホィートストンブリッジ回路３０の辺３０ａに穴１５、１６の前面側の歪ゲージＳＧ１とＳＧ４、辺３０ａと対向する辺３０ｂに歪ゲージＳＧ５とＳＧ８とを直列に接続する一方、辺３０ｃに歪ゲージＳＧ２とＳＧ３、辺３０ｃと対向する辺３０ｄにＳＧ６とＳＧ７とを直列に接続している。歪ゲージＳＧ１’〜ＳＧ８’についても同様に図４に示す回路に接続している。
【００２７】
上記ホィートストンブリッジ回路３０を用いると、その出力電圧より回転出力軸５０に作用する駆動トルクの反力を検出器２６で検出し、該検出値より前記したＴ（駆動トルク）＝Ｒ（反力）×Ｌ（取付脚７と８の間の長さ）より駆動トルクＴを計測することができる。
【００２８】
上記歪ゲージＳＧを取り付けた穴１５、１６の内部に樹脂からなる封止剤２７を充填して密封構造としている。
【００２９】
上記のように歪ゲージＳＧを板状弾性体１１に取り付けたトルク計１０を電動機５の取付脚７、８と固定ベース９との間に介設すると、上記したように、電動機５の回転出力軸５０が回転駆動して取付脚７、８がトルクを受けた場合、反力により板状弾性体１１の穴１５、１６の上下薄肉部に歪が発生する。この歪により穴１５、１６内の歪ゲージＳＧに前述したように、圧縮方向の歪みと引張方向の歪みが発生し、これら歪ゲージを接続して形成したホィートストンブリッジ回路３０の出力は上記反力と比例したものとなり、それに基づいて検出器２６で駆動トルクを計測している。
【００３０】
即ち、駆動トルクをＴ、取付脚を介した反力をＲ、取付脚の間隔をＬとすると、モーメントの釣り合いより、Ｔ＝Ｒ×Ｌの関係があり、Ｌが一定であればＲを測定することにより、駆動トルクＴを計測することができる。よって、取付脚７と８の間の寸法が長く、Ｌが大きな場合には、ねじれ角度θが小さく、反力Ｒが小さくても、検出する駆動トルクＴを大きくすることができる。言い換えれば、ねじれ角を小さくしても駆動トルクを検出することができるため、トルク計１０の剛性を高めることができる。
【００３１】
図６乃至図８は第２実施形態を示し、上記第１実施形態とは歪の検出方法を相違させている。即ち、第１実施形態では、引張方向と圧縮方向の歪を薄肉部に発生させ、これを歪ゲージで検出していたが、第２実施形態では、トルク計１０の板状弾性体１１の前面側に開口した有底穴１５’、１６’を凹設すると共に、後面側に開口した有底穴１７’、１８’を凹設し、これら有底穴１５’〜１８’の平坦な底面１５ａ’〜１８ａ’に歪ゲージＳＧを接着し、穴底面に発生する剪断歪を検出している。
【００３２】
即ち、前面側の一方の有底穴１５’の平底面１５ａ’には一対の歪ゲージＳＧ１０とＳＧ１１とを接着すると共に、他方の有底穴１６’の平底面１６ａ’に歪ゲージＳＧ１２とＳＧ１３とを接着している。また、後面側の一方の有底穴１７’の平底面１７ａ’に歪ゲージＳＧ１４とＳＧ１５とを接着すると共に他方の有底穴１８’の底面１８ａ’に歪ゲージＳＧ１６とＳＧ１７を接着している。
【００３３】
上記歪ゲージＳＧ１０〜ＳＧ１７は図８に示すように接続してホィートストンブリッジ回路３０’を形成し、該ホィートストンブリッジ回路３０’の出力線を検出器２６に接続している。上記ホィートストンブリッジ回路３０’の出力電圧は穴底面に作用する剪断力（駆動トルクの反力）に比例したものとなり、よって、剪断力より駆動トルクを計測することができる。
【００３４】
図９（Ａ）（Ｂ）は第２実施形態の変形例を示し、板状弾性体１１の幅が狭い場合の適用例を示す。幅の広い板状弾性体１１を対象とする第２実施形態では、板状弾性体１１の中央部に垂直方向の貫通穴２３、２４を設けているが、幅の狭い変形例では、上記貫通穴２３、２４を設けておらず、この点のみが相違する。
【００３５】
図１０乃至図１２は第３実施形態を示し、大型の電動機５の左右取付脚７、８と固定ベース９との間に、前後一対にトルク計１０−１、１０−２を介設している。上記トルク計１０−１は第１実施形態のトルク計１０と略同様としているが、前後独立して設置するため、図１２に示すように板状弾性体１１の幅Ｄを狭くして、トルク計１０を小型化している。
【００３６】
上記各トルク計１０−１、１０−２に設ける歪ゲージＳＧを取り付ける穴は前後方向に貫通した穴とし、左側の上面固定部１１ｃと下面固定部１１ｇとの間に前後方向の貫通穴３０を設けると共に、右側の上面固定部１１ｄと下面固定部１１ｇの間に前後方向の貫通穴３１を設けている。これら貫通穴３０、３１の長さ方向の中央部の上下両面にそれぞれ歪みゲージＳＧ１〜ＳＧ８を接着している。これら歪ゲージＳＧ１〜ＳＧ８を接続してホィートストンブリッジ回路をを形成している。該ホィートストンブリッジ回路は図４に示す第１実施形態と同様である。なお、他の構成および作用は第１実施形態と同様であるため、同一符号を付して説明を省略する。
【００３７】
上記のように、大型の駆動装置に対しては、第１実施形態のように大型のトルク計を取り付けるよりも、第３実施形態のように小型のトルク計を分割して取り付けた方がコストを低下させることができると共に、設置手数およびメンテナンス性も向上させることができる。
【００３８】
図１３乃至図１５図は第３実施形態の変形例を示し、トルク計１０−１と１０−２の取付方向を第３実施形態に対して９０度変えている。即ち、第３実施形態では、トルク計１０−１を前面側で左右方向に配置すると共に、トルク計１０−２を後面側で左右方向に配置しているが、変形例ではトルク計１０−１、１０−２を前後方向に配置して９０度方向を変換している。
【００３９】
この変形例のように、回転出力軸５０の軸線方向と平行に板状弾性体１１を配置した場合、反力に応じた出力が得られるように、板状弾性体１１の穴１５〜１８に取り付けた歪ゲージＳＧ１〜８、歪ゲージＳＧ１’〜ＳＧ８’を図１５に示すように接続して、ホィートストンブリッジ回路３０を形成している。
【００４０】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明に係わるトルク計によれば、電動機や減速機等の駆動装置の取付脚と、該駆動装置の固定ベースとの間にトルク計を介設しているため、トルク計の設置スペースを特に必要とせず、しかも、取付脚に通常設けられている取付穴を利用してトルク計を取り付けるため、従来のこの種の反力よりトルクを測定する場合に必要とされた追加加工が不要で、簡単にトルク計を駆動装置に取り付けることができる。よって、従来の出力軸にトルク計を取り付ける場合と比較してスペースロスがなくなると共に、従来必要とされた芯出し作業を必要とせず、簡単に駆動装置にトルク計を取り付けることができ、汎用性の高いトルク計とすることができる。
【００４１】
また、トルク計を静止した取付脚と固定ベースとの間に介設してトルクの検出を静止側で行うため、トルク計の寿命を延ばすことができ、耐久性および信頼性に優れたものとなる。さらに、歪ゲージの取付部分を容易に密封構造とすることができる。即ち、取付脚と固定ベース間に介設するトルク計の板状弾性体に設けた穴の内面に歪ゲージを接着した後、該穴に封止剤を充填するだけで密封構造とすることができ、耐久性および耐環境性に優れたトルク計とすることができる。
【００４２】
また、従来のように回転軸のねじれによる歪みでトルクを検出しているのではなく、トルクの作用点の間（左右の取付脚間の寸法）が長い取付脚付近で歪みを発生させるため、ねじれ角度を小さくしても出力電圧を検出できる。そのため、ねじれ角度を小さくして、剛性を高めることができる等の種々の利点を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態の正面図である。
【図２】 図１の側面図である。
【図３】 第１実施形態のトルク計の平面図である。
【図４】 第１実施形態のトルク計のホィートストンブリッジ回路を示す図面である。
【図５】 （Ａ）（Ｂ）はトルク計の作用を示す正面図である。
【図６】 第２実施形態のトルク計の平面図である。
【図７】 図６の正面図である。
【図８】 第２実施形態のトルク計のホィートストンブリッジ回路を示す図面である。
【図９】 第２実施形態の変形例を示し、（Ａ）は要部平面図、（Ｂ）は要部正面図である。
【図１０】 第３実施形態の正面図である。
【図１１】 図１０の側面図である。
【図１２】（Ａ）は第３実施形態のトルク計の要部平面図、（Ｂ）は要部正面図である。
【図１３】 第３実施形態の変形例の正面図である。
【図１４】 図１５の側面図である。
【図１５】 上記変形例のトルク計のホィートストンブリッジ回路を示す図面である。
【図１６】 （Ａ）（Ｂ）は従来例を示す図面である。
【符号の説明】
５ 電動機
７、８ 取付脚
９ 固定ベース
１０ トルク計
１１ 板状弾性体
１１ｃ、１１ｄ 上面固定部
１１ｇ 下面固定部
１２、１３ ボルト
１５、１６、１７、１８ 穴
２６ 検出器
２７ 封止剤
３０ ホィートストンブリッジ回路
ＳＧ１〜ＳＧ８ 歪ゲージ

Claims (6)

1. 固定ベースに固定される取付脚を有する電動機、減速機等の回転駆動機の駆動トルクを検出するものであって、
   上記取付脚の底面と固定ベースと取付固定面の間に板状弾性体を装着し、該板状弾性体に、その側面より穴を形成して、該穴の上下両外側に薄肉部を形成すると共に、上記穴の内面に複数の歪ゲージを接着し、これら歪ゲージを接続してホィートストンブリッシ回路を形成し、該ホィートストンブリッジ回路の出力から上記駆動機の出力軸に作用する駆動トルクの反力を検出することにより、駆動トルクを検出する構成としていることを特徴とするトルク計。
2. 上記板状弾性体の上下面を平行にすると共に、両側端部に上記取付脚の底面と接続する上面固定部を突設し、上記取付脚に形成されている取付穴よりボルトを挿入して取付脚と板状弾性体の両端とを固定する一方、中央部に上記固定ベースの取付固定面と接合する下面固定部を突設し、板状弾性体の中央部を固定ベースにボルトにより固定し、かつ、
   上記両端の上面固定部と中央の下面固定部との間にそれぞれ上記穴を形成して、上面固定部と下面固定部とを連結する上記薄肉部を形成し、上記一対の両側の穴に夫々上記歪ゲージを接着してホィートストンブリッジ回路を形成し、これら一対のホィートストンブリッジ回路を接続して、該回路の出力から上記駆動機の出力軸に作用する駆動トルクの反力を検出することにより、駆動トルクを検出する構成としている請求項１に記載のトルク計。
3. 上記歪ゲージを接着した上記穴に封止剤を充填し、あるいは金属ダイヤフラムを溶接して密封構造としている請求項１または請求項２に記載のトルク計。
4. 上記板状弾性体に設ける穴は、両側面に開口する貫通穴あるいは両側面より凹設した有底穴とし、これら穴の上下内面に上記歪ゲージを接着してホィートストンブリッジ回路を形成している請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のトルク計。
5. 上記板状弾性体に設ける上記穴の内面は上下面を平面とし、この上下平面にそれぞれ一対の歪ゲージを接着し、１つの穴に合計４つの歪ゲージを接着し、これら歪ゲージを接続して、上記ホィートストンブリッジ回路を形成している請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のトルク計。
6. 上記板状弾性体に側面より凹設した上記有底穴の平底面に複数の歪ゲージを剪断歪を検出するように取り付けている請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のトルク計。

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