JP4677043B2

JP4677043B2 - トルクセンサ

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Publication number: JP4677043B2
Application number: JP2009529335A
Authority: JP
Inventors: 弘忠杉浦; 雅和石原
Original assignee: Nitto Seiko Co Ltd
Current assignee: Nitto Seiko Co Ltd
Priority date: 2009-06-10
Filing date: 2009-06-10
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2029-06-10
Also published as: KR101306639B1; CN102803913B; KR20120018330A; WO2010143285A1; JPWO2010143285A1; SG176279A1; CN102803913A

Description

本発明は、低トルクを高精度に検出可能なトルクセンサに関する。

従来、歯車に作用する回転抵抗に応じて起歪体が歪むように構成されたトルクセンサとしては、特許文献１に示すものがある。このトルクセンサは、入力軸と出力軸の間に介在する遊星歯車機構を有しており、当該遊星歯車機構がモータの駆動に伴って回転する入力軸の回転駆動を出力軸に伝達するように構成されている。この遊星歯車機構は、前記入力軸に取付けられる太陽ギアと、当該太陽ギアに噛合してその周囲を公転し、かつ自転する複数の遊星ギアと、環状を成し、内方に内歯を備えるとともに、当該遊星ギアに噛合して内輪側でこれを案内する内歯ギアとから構成されている。また、遊星ギアはキャリアに軸支されており、このキャリアには前記出力軸が取付けられている。さらに、前記内歯ギアの外輪側には、側面に歪みゲージが貼り付けられた起歪体が取付けられており、この起歪体においては他端がハウジングに固定されている。この構成により、出力軸に回転抵抗が作用と、内歯歯車にはその円周方向に当該回転抵抗が作用し、起歪体には曲げモーメントが作用する。この曲げモーメントによって起歪体が歪み、当該歪みを歪みゲージが検出することにより、トルクを検出することが可能である。

特許第３６５９７４８号公報

上記トルクセンサにおいては、遊星歯車機構が必須の構成要件である。しかしながら、遊星歯車機構の減速作用により、出力トルクは増幅し、これに伴い出力軸に作用する回転抵抗も増大する。そのため、内歯ギアを介して起歪体に伝達される曲げモーメントも増大する。従って、検出可能なトルクが入力トルクよりも大きなトルクに限定され、低トルクを検出することができなかった。しかも、出力軸に作用するモータのイナーシャは減速比の二乗と大きくなる。そのため、遊星歯車機構を備えるトルクセンサでは、出力軸に作用するモータのイナーシャが増大する。従って、出力軸の衝撃トルクが増大し、騒音、振動等の様々な問題があった。

本発明のトルクセンサは、上記課題に鑑みて創成されたものであり、入力軸の回転に伴って回転する入力歯車と、この入力歯車の回転が伝達されるとともに、前記入力軸と異なる軸線上に位置する出力軸を回転軸とする出力歯車と、これら入力歯車と出力歯車とに噛合して回転伝達する１または複数の中間歯車と、単一部材に空洞穴を穿設してロバーバル型を成すとともに、前記中間歯車の回転軸を支持する起歪体と、この起歪体の側面に貼付けられ、起歪体に生じる歪みを検出する歪み検出手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明のトルクセンサは、入力軸の回転に伴って回転する入力歯車と、この入力歯車の回転が伝達される出力軸側の出力歯車と、これら入力歯車および出力歯車に噛合して回転伝達する１または複数の中間歯車と、単一部材に空洞穴を穿設してロバーバル型を
成すとともに、前記中間歯車の回転軸だけを支持する起歪体と、この起歪体の側面に貼付けられ、起歪体に生じる歪みを検出する歪み検出手段とを備えることを特徴とする。

また、前記起歪体には空洞穴と連通する切欠部が形成され、この切欠部に前記中間歯車が配置されていることが望ましい。

また、前記中間歯車が第一中間歯車と第二中間歯車とから成る一方、前記起歪体が入力軸および出力軸と同一方向に延びるよう縦に配置され、この起歪体にはその上端および下端を貫くようにして回転軸が支持され、この回転軸の上端に第一中間歯車を取り付けて前記入力歯車と噛合させる一方、当該回転軸の下端に第二中間歯車を取り付けて前記出力歯車と噛合させることが望ましい。

また、本発明のトルクセンサは、入力軸側の入力スプロケットと、出力軸側の出力スプロケットと、これらスプロケットに巻き掛けらて回転駆動を伝達する無端チェーンと、この無端チェーンの外輪側に噛合して当該無端チェーンの循環移動に伴って回転する中間スプロケットと、この中間スプロケットを回転自在に支持する起歪体と、この起歪体に生ずる歪みを検出する歪み検出手段とを備えるトルクセンサにおいて、前記起歪体が、単一部材に空洞穴を穿設してロバーバル型を成すとともに、前記中間スプロケットの回転軸を支持する一方、当該起歪体の側面には歪み検出手段が貼付けられて成ることを特徴とする。なお、前記起歪体には空洞穴と連通する切欠部が形成され、この切欠部に前記中間スプロケットが配置されていることが望ましい。

本発明のトルクセンサにおいては、回転伝達手段が起歪体に回転自在に支持されている。そのため、出力軸に回転抵抗が作用すると、回転伝達手段は当該回転抵抗に応じて起歪体の側面を押圧する方向に移動し、起歪体には曲げモーメントが作用する。この構成により、当該起歪体は歪み、当該歪みを歪み検出手段で検出してトルクを検出することができる。しかも、遊星歯車機構を不要とする構成により、出力トルクが増幅しないので回転抵抗も増大せず、従って低トルクを検出することができる。

第１の実施形態におけるトルクセンサの構成を示す図である。第１の実施形態におけるトルクセンサの正面視断面図である。第１の実施形態におけるトルクセンサの平面視要部拡大断面図である。第２の実施形態におけるトルクセンサの構成を示す図である。第２の実施形態におけるトルクセンサの正面視断面図である。第２の実施形態におけるトルクセンサの平面視要部拡大断面図であり、（ａ）は入力歯車と第一中間歯車噛合状態を示し、（ｂ）は第二中間歯車と出力歯車の噛合状態を示す。第３の実施形態におけるトルクセンサの平面視断面図である。第４の実施形態におけるトルクセンサの正面視断面図である。

（第１の実施形態）
以下、図１ないし図３に基づいて本発明の第１の実施の形態を説明する。

図１および図２において、１はトルクセンサであり、ロバーバル型の空洞穴２ａが形成された起歪体２を有している。この起歪体２は、上蓋３ａと下蓋３ｂとから成るハウジング３に収納されており、当該起歪体２の上面は上蓋３ａに覆われ、一方当該起歪体２の下面は下蓋３ｂに覆われている。また、この起歪体２の一端には固定端２ｂが一体成形されており、下蓋３ｂにねじＳで固定されている。さらに、図１に示すように、この固定端２ｂにはピン（図示せず）を挿入可能な挿入孔２ｆが穿設されており、一方上蓋３ａにも当該ピンを挿入可能な挿入孔（図示せず）が穿設されている。そして、これら挿入孔２ｆにピンを挿入して、起歪体２と上蓋３ａは固定されている。その上、この起歪体２は、その固定端２ｂを除き、前記ハウジング３の内面に対して所定の隙間を設けて収納されており、詳細を後述する出力軸８の回転抵抗に応じて歪むとき、当該ハウジング３の内面に接触しないように構成されている。

また、前記トルクセンサ１は、前記起歪体２の空洞穴２ａの内部に配置される入力歯車５を有しており、この入力歯車５は入力軸４に一体に回転可能に取付けられている。この入力軸４は駆動源の一例であるモータ（図示せず）の駆動に伴い回転するとともに、その両端がハウジング３の上蓋３ａおよび下蓋３ｂにベアリング１０，１１を介して回転自在に保持されている。

さらに、前記起歪体２にはその他端を切り欠いて前記空洞穴２ａと連通する切欠部２ｃが形成さており、この切欠部２ｃには前記入力歯車５と噛合する中間歯車７が配置されている。この中間歯車７は、図２に示すように、前記起歪体２にベアリング１２，１３を介して回転自在に保持された中間軸６に一体に回転可能に取付けられており、前記入力軸４の回転駆動に伴い回転するように構成されている。また、この中間軸６においては、その両端が起歪体２の切欠部２ｃから突出してハウジング３の上蓋２ａおよび下蓋２ｂまで延びている。そこで、詳細を後述する出力軸８の回転抵抗により、当該中間軸６が起歪体２と一体となって移動する際、ハウジング３に接触しないように、当該ハウジング３の上蓋２ａおよび下蓋２ｂには当該中間軸６の径よりも大径の有底穴３ｃ，３ｂが穿設されている。

その上、前記ハウジング３の内部には、前記中間歯車７と噛合する位置に出力歯車９が配置されている。この出力歯車９は、前記ハウジング３の上蓋２ａおよび下蓋２ｂにベアリング１４，１５を介して回転自在に保持された出力軸８に一体に回転可能に取付けられており、前記入力軸４の回転駆動に伴い回転するように構成されている。つまり、トルクセンサ１においては、前記入力軸４と出力軸８とがオフセット配置されるとともに、入力軸４の回転駆動は前記中間歯車７を介して出力軸８に伝達される。ここで、前記入力歯車５、中間歯車７、および出力歯車９は、歯すじが回転軸に平行な平歯車であり、これらを歯数の異なるものに変更することで、出力軸８に出力される回転駆動は、入力軸４の回転駆動に対して増速あるいは減速を自在に設定することが可能である。なお、トルクセンサ１においては、入力歯車５および出力歯車９の歯数は同一であり、増減速しないように構成されている。

前記起歪体２には歪み検出手段の一例である歪みゲージ１６，１７，１８，１９が貼り付けられており、長手方向に延びる側面にそれぞれ二枚ずつ貼り付けられている。

次に、第１の実施形態のトルクセンサ１による作用を図３に基づいて説明する。まず、モータの駆動に伴って入力軸４がトルクＴ１で回転すると、入力歯車５もこれと一体になって回転する。続いて、この入力歯車５の回転を受けて、中間歯車７は中間軸６と一体に回転する。さらに、この中間歯車７の回転を受けて、出力歯車９も出力軸８と一体に回転する。

ここで、出力軸８に回転抵抗Ｔ２が加わると、当該回転抵抗Ｔ２は出力歯車９から噛合中間歯車７へ伝達される。これにより、出力歯車９と噛合している中間歯車７の歯面は当該出力歯車９に押圧され、当該歯面にはその直交方向に押圧力Ｆ１が作用する。一方、入力歯車５に噛合してる中間歯車７の歯面は当該入力歯車５に押圧され、当該歯面にはその直交方向に押圧力Ｆ２が作用する。そのため、中間歯車７には押圧力Ｆ１と押圧力Ｆ２との合力Ｆ１＋Ｆ２が作用し、当該中間歯車７を保持する中間軸６にも合力Ｆ１＋Ｆ２が作用する。

また、前記入力歯車５、中間歯車７および出力歯車９の中心点は起歪体２の長手方向側面と平行に延びる直線Ｌの線上に配置されており、前記中間歯車７と出力歯車９の噛合点、および中間歯車７と入力歯車５の噛合点も当該直線Ｌの線上に位置する。つまり、押圧力Ｆ１および押圧力Ｆ２の作用点は当該直線Ｌの線上に位置する。しかも、中間歯車７は、押圧力Ｆ１の作用線と当該直線Ｌとが成す角、および押圧力Ｆ２の作用線と当該直線Ｌとが成す角は等しくなるように構成されている。そのため、合力Ｆ１＋Ｆ２は起歪体２の長手方向側面に直交する方向に作用する。従って、起歪体２には合力Ｆ１＋Ｆ２が曲げモーメントとして作用し、当該起歪体２は固定端２ｂを支点として歪む。この起歪体２の歪みを歪みゲージ１６，１７，１８，１９で検出することにより、トルクを検出することができる。

前述した第１の実施形態のトルクセンサ１においては、遊星歯車機構を備えるがため出力トルクを増幅せざるを得ない従来のトルクセンサとは異なり、出力トルクは増幅しないので回転抵抗も増大しない。そのため、起歪体２には増幅されずに出力されたトルクに応じた回転抵抗が作用するので、低トルクを検出することができる。しかも、合力Ｆ１＋Ｆ２が起歪体２の長手方向側面に直交する方向に作用するように構成されている。そのため、小さな曲げモーメントであっても起歪体２を歪ませることができるので、低トルクを精度良く検出することができる。また、三個の歯車を一列に配置しただけの歯車機構であり、遊星歯車機構を備えるトルクセンサと比較して、部品点数を少なくすることができる。さらに、入力歯車５および出力歯車７は起歪体２に内包されるように配置されているので、トルクセンサ１を小型化することができる。

（第２の実施形態）
以下、図４ないし図６に基づいて本発明の第２の実施形態を説明する。ここで、第２の実施形態のトルクセンサ２１は、前述した第１の実施形態のトルクセンサ１の起歪体２を縦に配置して、これに伴い各種構成部品の配置を変更したものである。

前記トルクセンサ２１は、図４および図５に示すように、ロバーバル型の空洞穴２２２ａが形成された起歪体２２を有しており、この起歪体２２はその長手方向側面が詳細を後述する中間軸２６と同一方向に延びるように配置されている。また、この起歪体２２の上端には固定端２２ｂが一体成形されており、ハウジング２３に固定されている。

また、トルクセンサ２１は、駆動源の一例であるモータ（図示せず）の駆動に伴い回転するとともに、起歪体２２の長手方向側面と同一方向に延びる入力軸２４を有している。この入力軸２４にはこれと一体に回転可能に入力歯車２５が取付けられている。

前記起歪体２２の上端には前記入力歯車２５と噛合する第一中間歯車２７ａが配置されており、一方下端には第二中間歯車２７ｂが配置されている。これら中間歯車２７ａ，２７ｂは、起歪体２２の上端および下端を貫いて当該起歪体２２にベアリング３０，３１を介して回転自在に保持された中間軸２６に一体に回転可能に取付けられており、前記入力軸２４の回転駆動に伴い回転するように構成されている。

また、前記第二中間歯車２７ｂには出力歯車２９が噛合してある。この出力歯車２９は、ハウジング２３にベアリング３２，３３を介して回転自在に保持された出力軸２８に一体に回転可能に取付けられており、前記入力軸２４の回転駆動に伴い回転するように構成されている。この構成により、前記入力軸２４の回転駆動は、第一中間歯車２７ａおよび第二中間歯車２７ｂを介して出力軸２８に出力される。ここで、これら入力歯車２５、第一中間歯車２７ａ、第二中間歯車２７ｂ、および出力歯車２９は、歯すじが回転軸に平行な平歯車であり、これらを歯数の異なるものに変更することで、出力軸２８に出力される回転駆動は、入力軸２４の回転駆動に対して増速あるいは減速を自在に設定することが可能である。なお、トルクセンサ２１においては、入力歯車２５および出力歯車２９の歯数は同一であり、増減速しないように構成されている。

前記起歪体２には、図４および図５に示すように、歪み検出手段の一例である歪みゲージ３４，３５，３６，３７が貼り付けられており、長手方向に延びる側面にそれぞれ二枚ずつ貼り付けられている。

次に、第２の実施形態のトルクセンサ２１による作用を図６（ａ），（ｂ）に基づいて説明する。まず、図６（ａ）に示すように、モータの駆動に伴って入力軸２４がトルクＴ１で正回転すると、入力歯車２５もこれと一体になって回転する。続いて、この入力歯車２５の回転を受けて、第一中間歯車２７および第二中間歯車は中間軸２６と一体に回転する。さらに、図６（ｂ）に示すように、この第二中間歯車２７ｂの回転を受けて、出力歯車２９も出力軸２８と一体に回転する。

ここで、図６（ｂ）に示すように、出力軸２８に回転抵抗Ｔ２が加わると、当該回転抵抗Ｔ２は出力歯車２９から第一中間歯車２７ａおよび第二中間歯車２７ｂへ伝達される。このとき、出力歯車２９と噛合している第二中間歯車２７ｂの歯面は当該出力歯車２９に押圧され、当該歯面にはその直交方向に押圧力Ｆ１が作用する。一方、図６（ａ）に示すように、入力歯車２５に噛合してる第一中間歯車２７ａの歯面は当該入力歯車２５に押圧され、当該歯面にはその直交方向に押圧力Ｆ２が作用する。そのため、第一中間歯車２７ａおよび第二中間歯車２７ｂを保持する中間軸２６には押圧力Ｆ１と押圧力Ｆ２との合力Ｆ１＋Ｆ２が作用する。

また、前記入力歯車２５および第一中間歯車２７ａの中心点、並びに第二中間歯車２７ｂおよび出力歯車２９の中心点は、起歪体２２の長手方向側面の幅方向に平行な直線Ｌの線上に配置されている。そのため、前記第二中間歯車２７ｂと出力歯車２９の噛合点、および第一中間歯車２７ａと入力歯車２５の噛合点も当該直線Ｌの線上に位置する。つまり、押圧力Ｆ１および押圧力Ｆ２の作用点は当該直線Ｌの線上に位置する。しかも、これら第一中間歯車２７ａおよび第二中間歯車２７ｂは、押圧力Ｆ１の作用線と当該直線とが成す鋭角、および押圧力Ｆ２の作用線と当該直線Ｌとが成す鋭角は等しくなるように構成されている。そのため、合力Ｆ１＋Ｆ２は起歪体２２の長手方向側面に直交する方向に作用する。従って、起歪体２には合力Ｆ１＋Ｆ２が曲げモーメントとして作用し、当該起歪体２２は固定端２２ｂを支点として歪む。この起歪体２の歪みを歪みゲージ３４，３５，３６，３７で検出することにより、トルクを検出することができる。

（第３の実施形態）
以下、図７に基づいて本発明の第３の実施形態を説明する。ここで、第３の実施形態のトルクセンサ４１は、第１の実施形態ののトルクセンサ１において、入力歯車５、中間歯車７、および出力歯車９に代えて、スプロケット４５，４７，４９を用いたものである

図７において、４１はトルクセンサであり、入力軸４４と一体に回転可能に入力スプロケット４５が取付けられている。一方、出力軸４８にもこれと一体に回転可能に出力スプロケット４９が取付けられている。これらスプロケット４５，４９にはチェーン５０が巻けられており、入力軸４４の回転駆動が出力軸４８へ伝達可能に構成されている。また、前記チェーン５０の外輪側には、中間軸４６に一体に回転可能に取付けられる中間スプロケット４７が配置されており、当該チェーン５０を案内するように噛合している。

第３の実施形態のトルクセンサ４１においては、図７に示すように、モータの駆動に伴って入力軸４４がトルクＴ１で回転すると、入力スプロケット４５もこれと一体になって回転する。これを受け、チェーン５０は循環移動するとともに、出力スプロケット４９は従動する。このとき、チェーン５０の外輪側に配置されている中間スプロケット４７もチェーン５０の循環移動に伴い回転する。ここで、出力軸４８に回転抵抗Ｔ２を加えると、当該回転抵抗はチェーン５０を介して中間スプロケット４７に伝達される。このとき、中間スプロケット４７の歯面には押圧力Ｆ１が作用する。さらに、この反作用がチェーン５０を介して中間スプロケット４７の他の歯面に作用し、当該歯面には押圧力Ｆ２が作用する。そのため、中間スプロケット４７を保持する中間軸４６には押圧力Ｆ１とＦ２との合力Ｆ１＋Ｆ２が作用する。従って、起歪体２には合力Ｆ１＋Ｆ２が曲げモーメントとして作用し、当該起歪体２は固定端を支点として歪む。この起歪体２の歪みを歪みゲージ１６，１７，１８，１９で検出することにより、トルクを検出することができる。

（第４の実施形態）
前述の第１、第２および第３の実施形態のトルクセンサ１，２１、４１においては、中間歯車７，２７ａ，２７ｂ、あるいは中間スプロケット４７は、起歪体２、２２にベアリングを介して回転自在に保持された中間軸６，２６に、一体に回転可能に取付けられている。ここで、第４の実施形態のトルクセンサ８１においては、図８に示すように、中間軸８６は起歪体２に固定されており、これに伴い中間歯車８７がベアリング８８，８９を介して当該中間軸８６に回転自在に取付けられている。このように構成しても第１の実施形態のトルクセンサ１と同様の効果を得ることができる。

なお、第１および第２の実施形態のトルクセンサ１，２１においては、入力軸４，２４および入力歯車５，２５を排除して中間軸６あるいは中間軸２６がモータにより直接駆動されように構成してもよい。この場合、中間軸６，２６には、図３および図６に示す押圧力Ｆ２は作用しないが、押圧力Ｆ１が曲げモーメントとして作用する。そのため、起歪体２，２２は歪むので、当該歪み検出することにより、トルクを検出することがきる。

１トルクセンサ
２起歪体
２ａ空洞穴
２ｂ固定端
２ｃ切欠部
２ｄ上方軸取付部
２ｅ下方軸取付部
２ｆピン挿入孔
３ハウジング
３ａ上蓋
３ｂ下蓋
３ｃ有底穴
３ｄ有底穴
４入力軸
５入力歯車
６中間軸
７中間歯車
８出力軸
９出力歯車
１０ベアリング
１１ベアリング
１２ベアリング
１３ベアリング
１４ベアリング
１５ベアリング
１６歪みゲージ
１７歪みゲージ
１８歪みゲージ
１９歪みゲージ

２１トルクセンサ
２２起歪体
２２ａ空洞穴
２２ｂ固定端
２３ハウジング
２４入力軸
２５入力歯車
２６中間軸
２７ａ第一中間歯車
２７ｂ第二中間歯車
２８出力軸
２９出力歯車
３０ベアリング
３１ベアリング
３２ベアリング
３３ベアリング
３４歪みゲージ
３５歪みゲージ
３６歪みゲージ
３７歪みゲージ

４１トルクセンサ
４４入力軸
４５入力スプロケット
４６中間軸
４７中間スプロケット
４８出力軸
４９出力スプロケット
５０チェーン

８１トルクセンサ
８６中間軸
８７中間歯車
８８ベアリング
８９ベアリング

Claims

入力軸の回転に伴って回転する入力歯車と、
この入力歯車の回転が伝達されるとともに、前記入力軸と異なる軸線上に位置する出力軸を回転軸とする出力歯車と、
これら入力歯車と出力歯車とに噛合して回転伝達する１または複数の中間歯車と、
単一部材に空洞穴を穿設してロバーバル型を成すとともに、前記中間歯車の回転軸を支持する起歪体と、
この起歪体の側面に貼付けられ、起歪体に生じる歪みを検出する歪み検出手段と
を備えることを特徴とするトルクセンサ。
入力軸の回転に伴って回転する入力歯車と、
この入力歯車の回転が伝達される出力軸側の出力歯車と、
これら入力歯車および出力歯車に噛合して回転伝達する１または複数の中間歯車と、
単一部材に空洞穴を穿設してロバーバル型を成すとともに、前記中間歯車の回転軸だけを支持する起歪体と、
この起歪体の側面に貼付けられ、起歪体に生じる歪みを検出する歪み検出手段と
を備えることを特徴とするトルクセンサ。
前記起歪体には空洞穴と連通する切欠部が形成され、この切欠部に前記中間歯車が配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のトルクセンサ。
前記中間歯車が第一中間歯車と第二中間歯車とから成る一方、前記起歪体が入力軸および出力軸と同一方向に延びるよう縦に配置され、この起歪体にはその上端および下端を貫くようにして回転軸が支持され、この回転軸の上端に第一中間歯車を取り付けて前記入力歯車と噛合させる一方、当該回転軸の下端に第二中間歯車を取り付けて前記出力歯車と噛合させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のトルクセンサ。
入力軸側の入力スプロケットと、出力軸側の出力スプロケットと、これらスプロケットに巻き掛けらて回転駆動を伝達する無端チェーンと、この無端チェーンの外輪側に噛合して当該無端チェーンの循環移動に伴って回転する中間スプロケットと、この中間スプロケットを回転自在に支持する起歪体と、この起歪体に生ずる歪みを検出する歪み検出手段とを備えるトルクセンサにおいて、
前記起歪体が、単一部材に空洞穴を穿設してロバーバル型を成すとともに、前記中間スプロケットの回転軸を支持する一方、当該起歪体の側面には歪み検出手段が貼付けられて成ることを特徴とするトルクセンサ。
前記起歪体には空洞穴と連通する切欠部が形成され、この切欠部に前記中間スプロケットが配置されていることを特徴とする請求項５に記載のトルクセンサ。