JP5059333B2 - トルク検出器 - Google Patents
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Description
しかし、光学式のトルク検出器は、回転スリット板の回転軸の径方向のずれ、回転軸の傾きが生じ、受光部に対するスリットの位置にずれ等が発生した場合や、スリットピッチに誤差がある場合、正確な光線の受光ができず、光線の受光量の測定誤差が生じる。この受光量の測定誤差は、トルク検出に直接影響し、検出精度を悪化させるという問題があった。
請求項1の発明は、回転可能に設けられ、回転力を加えることによりその軸回りに捩れを生じるトーションバー(2)と、前記トーションバーの一端に前記トーションバーと一体で回転可能に設けられ、前記軸(Z)回り全周にわたって設けられた複数の第1スリット部(11a,211a,311a)と、前記トーションバーの他の一端に前記トーションバーと一体で回転可能に設けられ、前記第1スリット部に対向配置され、前記軸回り全周にわたって設けられた複数の第2スリット部(21a,21b,221a,321a)と、前記第1スリット部に向けて光を発するための面発光部材からなる発光部(31)と、前記発光部から発せられ、前記第1及び第2スリット部の両方を透過した光線(L1,L2)を前記軸回り全周にわたって受光する受光部(41,42,241,242,341)と、前記受光部の出力に基づいて、前記トーションバーの捩れトルクを算出する算出部(50)と、を備え、前記第2スリット部は、内側スリット部(21a)と、前記内側スリット部よりも外側に設けられた外側スリット部(21b)と、から形成され、前記トーションバーにトルクがかかっていない状態において、前記第1スリット部と前記内側スリット部との重複する面積と、前記第1スリット部と前記外側スリット部との重複する面積と、が等しく、かつ、前記第1スリット部と前記内側スリット部及び前記外側スリット部との重複しない部分が存在するように前記内側スリット部及び前記外側スリット部が配置され、前記受光部は、前記第1スリット部及び前記内側スリット部の両方を透過した光線(L1)を受光する内側受光部(41)と、前記内側受光部よりも外側に設けられ、前記第1スリット部及び前記外側スリット部の両方を透過した光線(L2)を受光する外側受光部(42)と、から形成され、前記算出部は、前記内側受光部が受光した光量と前記外側受光部が受光した光量との差を算出し、前記捩れトルクを求める、トルク検出器である。
図1は、実施例1のトルク検出器1を示す図であり、図1(a)は、回転軸Zを通る面による断面図、図1(b)は、受光部の平面図(図1(a)のB−B部矢視図)である。図2は、各スリット部の一部を、円周方向に展開して直線状に示す平面図であり、図2(a)は、トーションバー2にトルクがかかっていない状態(以下「無負荷」という。)の各回転スリット板11,21の一部拡大図(図1(a)のB−B部矢視図)であり、図2(b)は、回転スリット板21の一部拡大図である。なお、図2において、図中上下方向が、各回転スリット板の径方向(矢印R方向)であり、下側(矢印R1方向)が径方向内側、上側(矢印R2方向)が径方向外側である。
入力軸10は、トーションバー2の入力側の端部にトーションバー2と一体で回転可能に設けられた円柱状の部材である。入力軸10は、中心軸がトーションバー2の回転軸Zと同軸になるように、トーションバー2に接続されている。入力軸10は、回転軸Z回りにトルクが加えられることにより、トーションバー2にトルクを伝達する。
回転スリット板11は、入力軸10と一体で回転可能に設けられた円盤状の部材である。回転スリット板11は、回転軸Zを中心とした円周上に貫通孔であるスリット部11a(第1スリット部)が、全周にわたって複数設けられている(図2(a)参照)。
回転スリット板21は、出力軸20と一体で回転可能に設けられた円盤状の部材であり、回転スリット板11に対向配置されている。回転スリット板21には、スリット部11aに対向するように、内側スリット部21a、外側スリット部21bの2トラックからなるスリット部(第2スリット部)が設けられている。図2(b)に示すように、内側スリット部21aは、回転軸Zを中心とした円周上に、外側スリット部21bは、内側スリット部21aよりも外側の円周上に、それぞれ全周にわたって複数配置されている。
発光部31は、トルク検出器1内部の入力側に配置され、各回転スリット板11,21に向けて光線を発するための面発光部材(例えば、無機EL等の面発光素子や、LED等の光線を導光板を用いて平面から発光させる部材等)である。
各受光部41,42は、発光部31が発した光線の光量を検出するためのフォトディテクタ等の受光素子である。
内側受光部41は、スリット部11aと内側スリット部21aとを透過した光線の光量を全周にわたって検出するために、内側スリット部21aに対応して円環状に形成されている。同様に、外側受光部42は、スリット部11aと外側スリット部21bとを透過した光線の光量を全周にわたって検出するために、内側受光部41よりも外側に、外側スリット部21bに対応して円環状に形成されている。
図2(a)、図2(b)に示すように、各スリット部11a,21a,21bの形状は、矩形であり、これらのピッチは、同一の長さPである。図2(a)に示すように、無負荷の状態において、各スリット部11a,21a,21bは、スリット部11aと内側スリット部21aとが重複する領域A1の面積と、スリット部11aと外側スリット部21bとが重複する領域A2の面積が等しくなるように、配置されている。
各スリット部11a,21a,21bは、各回転スリット板11,21を、例えば、フォトリソグラフィプロセス等によって加工し、微細な貫通孔に形成することができる。これにより、トルク検出器1は、各回転スリット板11,21の相対的な変位を精度よく検出し、小さいトルクを検出することができる。
図3は、本実施例の処理回路50が各受光部41,42に接続された状態を示す図である。
処理回路50は、第1増幅器51と、第2増幅器52と、減算器53とを備えている。
第1増幅器51は、内側受光部41からの信号を増幅して電圧Vaとして出力するための増幅器である。第2増幅器52は、同様に、外側受光部42からの信号を増幅して電圧Vbとして出力するための増幅器である。減算器53は、電圧Vaと電圧Vbとを減算して電圧(Va−Vb)として出力するための減算器である。無負荷の状態では、領域A1と領域A2の面積が等しく、電圧Vaと電圧Vbも等しいので、電圧(Va−Vb)は、0Vであり、入力されたトルクに応じて、電圧0Vを基準に増減する。
処理回路50は、電圧に対応したトルク値のテーブルを記憶した記憶部(図示せず)を備えており、算出された電圧(Va−Vb)に基づいて、トルク値を求める。
なお、処理回路50は、加算器、除算器等をさらに設け、(Va−Vb)/(Va+Vb)を算出し、これに基づいてトルク値を求めてもよい。この場合、領域A1,A2の面積の増減を割合で表すことができるので、経時変化等により発光部31の光量が変化しても、この光量変化の影響を受けずに、トルクの測定をすることができる。
最初に、図1に示すように、入力軸10にトルクTが入力されると、入力軸10は、回転スリット板11と一体で回転する。トーションバー2は、入力軸10からトルクが伝達されることにより、回転軸Z回りに捩れながら回転し、出力軸20にトルクを伝達し、これにより、出力軸20は、回転スリット板21と一体で回転する。このとき、トーションバー2が捩れることにより、回転スリット板11と回転スリット板21とは、回転軸Z回りの相対的な角度がずれる。
発光部31から発せられた光線のうち、領域A1を透過した光線L1(すなわち、スリット部11a及び内側スリット部21aを透過した光線)は、内側受光部41に入光し、一方、領域A2を透過した光線L2(すなわち、スリット部11a及び外側スリット部21bを透過した光線)は、外側受光部42に入光する。各受光部41,42は、全周に設けられているので、全周の領域A1,A2を透過した光線L1,L2を、全て受光することができる。
以上のように、トルク検出器1は、入力軸10、出力軸20間の伝達トルクを測定する。
なお、トルク検出器101の説明において、トルク検出器1と同様の機能を果たす部分には、同一の符号又は末尾に同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。
図4は、従来のトルク検出器101を示す図であり、図4(a)は、断面図、図4(b)は、受光部の形状を示す図(図4(a)のB−B部矢視図)である。
図4に示すように、トルク検出器101の発光部131、内側受光部141、外側受光部142は、トルク検出器1の発光部31、内側受光部41、外側受光部42が回転軸Z回り全周に設けられていたのに対し、回転軸Z回りの一部の範囲(範囲d1参照)のみに設けられている。
図5(a)、図5(b)は、トルク検出器1、トルク検出器101を、それぞれ示す斜視図である。
ここでは、図5に示すように、トルク検出器1,101の軸方向のずれとして、方向が90度異なる径方向の軸X,Yと回転軸Z、また、軸回りの回転として、軸X,Y回りの回転θX,θY(軸X,Y回りの回転θX,θYは、回転軸Zの傾きである。)と回転軸Z自体の回転θZを説明する。
図6(a)は、図5の矢印A部に示す軸X上の1組のスリット部11a,21a,21b(以下「1組のスリット部」という。)を拡大して示す平面図であり、図6(b)は、図6(a)のB−B部矢視断面図である。なお、図6(b)において、領域A1,A2をわかりやすく示すために、2つの回転スリット板11,21を、1つに合成して示す。また、図6の2点鎖線は、各回転スリット板11,21が、軸X方向にずれた状態を示すものである。
トルク検出器101の場合も、軸X上の各スリット部11a,21a,21bの形状がトルク検出器1と同様なので、光線L1が内側受光部141により全て受光され、光線L2が外側受光部142により全て受光される範囲内であれば、測定誤差が発生しない。
トルク検出器1の場合、軸Y方向へのずれは、軸X方向のずれと同様に、径方向へのずれであり、軸X方向のずれと同様に考えることができる。従って、トルク検出器1は、各スリット部11a,21a,21bが軸Y方向へずれても、所定のずれ量以内であれば、測定誤差が発生しない。
トルク検出器101の場合、受光範囲が狭いため、軸Y方向へのずれは、図7に示す円周方向(矢印Y方向)のずれと、同等に考えることができる。図7に示すように、スリット部11a及び内側スリット部21aについては、内側受光部141の受光範囲(範囲d1)から外れない範囲であれば、すなわち、ずれ量が長さd2以内におさまれば、図中左端の領域A1−4は、面積が変化しない。このため、領域A1−1〜A1−4を透過した光線の測定誤差は、発生しない。しかし、領域A2については、図中左端の領域A2−4の面積が減少し、この面積に対応した光線の光量ΔYが減少するので、外側受光部142による測定誤差が発生する。
軸のずれ、回転等がない状態の各領域A1、各領域A2を透過する光線の光量をS1,S2、光量の総和をΣS1,ΣS2で示せば、差動測定値は、
正規値:ΣS1−ΣS2
に対し、
測定値:ΣS1−(ΣS2−ΔY)=(ΣS1−ΣS2)+ΔY
となり、光量ΔYの測定誤差が発生する。
図8(a)は、図6と同様な軸X上の1組のスリット部の平面図であり、図8(b)は、B−B部矢視断面図である。図8(b)の2点鎖線は、各回転スリット板11,21が、軸Z方向にずれた状態を示すものである。
図8(b)に示すように、トルク検出器1の各回転スリット板11,21が、軸Z方向にずれた場合、領域A1を透過した光線L1、領域A2を透過した光線L2は、光の回折等の影響によって拡大する。領域A1,A2は、軸Z方向に平行移動しているためともに移動量d3となり、光線L1,L2の拡大による光量の変化が等しい。図8(b)に示すように、各受光部41,42が、拡大した光線L1,L2を受光できる程度の大きさであり、領域A1,A2における光量の変化が光量ΔZ(片側で光量ΔZ/2)であるとすると、一組のスリット部に対する差動測定値は、
正規値:S1−S2
に対し、
測定値:(S1+ΔZ)−(S2−ΔZ)=S1−S2 ・・・・(1)
となり、測定誤差は、発生しない。
これらの関係は、トルク検出器101の各受光部141,142についても同様である。
なお、トルク検出器1の測定値は、全周の一組のスリット部を通過した光線の光量の総和となるが、トルク検出器101との比較のために、一組のスリット部を通過した光線の光量を算出して比較する。
最初に、トルク検出器1について説明する。
図9は、本実施例のトルク検出器1の1組のスリット部を示す断面図であり、図9(a)は、図5(a)のIXa−IXa部矢視断面図(図6(a)のIXa−IXa部参照)、図9(b)は、IXb−IXb部矢視断面図である。図10は、トルク検出器1の回転軸Zを介して対向する2組のスリット部を示す軸Y断面図(図5(a)のX部矢視断面図)である。
正規値:S1−S2
に対し、
測定値:(S1−θX1)−(S2−θX2)=S1−S2−ΔθX・・・・(2)
但し、ΔθX=θX1−θX2
となり、光量ΔθXの測定誤差が発生する。
このB部の差動測定値は、
測定値(B部):(S1−θX2)−(S2−θX1)=S1−S2+ΔθX
・・・・(3)
となる。
トルク検出器1の場合、全周で光線を受光するため、差動測定値は、A部、B部の測定値が加算されるので、式(2)と式(3)とを加算し、
測定値(A部、B部):2(S1−S2)
測定値(一組当たり):S1−S2
となる。このように、トルク検出器1は、軸Zに対して反対側にあるスリット部同士で、測定誤差がキャンセルされ、さらに、このキャンセルは、全周で行われる。このため、トルク検出器1は、軸X回りに回転しても、測定誤差が発生しない。
図5、図10に示すC部では、前述した光の回折等の理由により、領域A1,A2における光量の変化量ΔθX(Y)1,ΔθX(Y)2が異なる。C部の一組のスリット部に対する差動測定値は、
正規値:S1−S2
に対して、
測定値:(S1−θX(Y)1)−(S2−θX(Y)2)=S1−S2−Δθ(X)Y ・・・・(4)
但し、ΔθX(Y)=θX(Y)1−θX(Y)2
となり、光量ΔθYの測定誤差が発生する。但し、光量ΔθX(Y)は、θX(Y)1からθX(Y)2が減算されているため、測定誤差がある程度キャンセルされる。この測定誤差のキャンセルは、図10に示すように、回転スリット板21に2トラック状に設けられた内側スリット部21a、外側スリット部21bが、測定誤差を打ち消すように作用することよる効果である。
測定値:(S1+θX(Y)1’)−(S2+θX(Y)2’)=S1−S2+ΔθX(Y)’・・・・(5)
但し、ΔθX(Y)’=θX(Y)1’−θX(Y)Y2’
となる。光量ΔθX(Y)’についても、光量ΔθX(Y)と同様に、θX(Y)1’からθX(Y)2’が減算されているため、測定誤差がある程度キャンセルされる。
測定値(C部、D部):(S1−S2−ΔθX(Y))+(S1−S2+ΔθX(Y)’)=2(S1−S2)−(ΔθX(Y)−ΔθX(Y)’)
測定値(一組当たり):(S1−S2)−(ΔθX(Y)−ΔθX(Y)’)/2
・・・・(6)
となる。しかし、前述したように光量ΔθX(Y),ΔθX(Y)’は、測定誤差がある程度キャンセルされたものであり、式(6)の光量(ΔθX(Y)−ΔθX(Y)’)/2の項は、これらを減算処理しているため、測定誤差をさらに少なくしている。このような測定誤差の補正処理は、対向するスリット同士により全周で行われるので、測定誤差の改善を図ることができる。
トルク検出器101の場合、トルク検出器1と同様に、一組のスリット部に対する差動測定値は、
正規値:S1−S2
に対し、
測定値:(S1−θX1)−(S2−θX2)=S1−S2−ΔθX
但し、ΔθX=θX1−θX2
となり、光量ΔθXの測定誤差が発生する。
トルク検出器101は、検出範囲が範囲d1に限られているため(図4参照)、トルク検出器1と異なり、光量ΔθXの測定誤差が対向する一組のスリット部同士でキャンセルされない。従って、光量ΔθXの測定誤差がそのまま測定値に影響する。
図11は、本実施例のトルク検出器1のトルク検出器1の回転軸Zを介して対向する2組のスリット部(A部、B部)の軸X断面図(図5(a)のXI部矢視断面図)である。
トルク検出器1の場合、軸Y回りの回転は、軸X回りの回転と同様に、径方向の軸回りの回転であるため、軸X回りの回転と同様に考えることができる。図11と図10とを比較してわかるように、2つの断面形状は、等しいため、軸Y回りの回転したときの差動測定値は、式(6)のXとYとを入れ替えればよいので、
測定値(一組当たり):(S1−S2)−(ΔθY(X)−ΔθY(X)’)/2
但し、ΔθY(X)=θY(X)1−θY(X)2
ΔθY(X)’=θY(X)1’−θY(X)2’
となる。光量(ΔθY(X)−ΔθY(X)’)/2で表された測定誤差は、前述した補正処理がされているため、測定誤差が改善されている。
測定値:(S1−θY(X)1)−(S2−θY(X)2)=S1−S2−ΔθY(X)・・・・(7)
となる。
式(7)で表された差動測定値は、Δθ(Y)がキャンセルされていないため、式(6)で表された測定値と比較すると、測定誤差が大きい。
回転軸Z回りの回転については、各回転スリット板11,21の回転そのものであり、その測定誤差は、周方向(図2、図7に示す矢印Y方向)のずれによるもの、及び各スリット部11a,21a,21bのピッチPの誤差に起因するものである。
トルク検出器1は、全周で光線を受光しているので、測定誤差が発生しない。
しかし、トルク検出器1は、検出範囲が狭いため、周方向のずれを、前述した軸Y方向のずれと同様に考えることができるので、光量ΔYの測定誤差が発生する。また、検出範囲が狭いため、各スリット部11a,21a,21bのピッチPの誤差による光量変化の影響を受け、測定誤差が発生する。
以上のように、回転軸Z回りの回転については、トルク検出器1では、測定誤差が発生しないのに対し、トルク検出器101は、光量ΔYに加えて、各スリット部11a,21a,21bのピッチPの誤差に起因する測定誤差が発生する。
図12に示すように、トルク検出器1は、軸X,Y回りの回転において測定誤差が発生するのに対し(但し、この測定誤差は、補正されている)、トルク検出器101は、軸Y方向のずれ、軸X,Y,Z回りの回転において測定誤差が発生する。
実施例2のトルク検出器は、実施例1のスリット部の形状を変更したものである。
図13は、本実施例のトルク検出器の回転スリット板211、回転スリット板221全周に設けられたスリット部の一部を、円周方向(矢印Y方向)に展開し、回転軸に沿った方向からみた平面図である(実施例1の図2(a)に相当)。
図13に示すように、回転スリット板211のスリット部211a(第1スリット部)と、回転スリット板221のスリット部221a(第2スリット部)とは、交差するように配列されている。そして、交差内側受光部241は、交差した領域のうち内側の第1領域A21を透過した光線を全周にわたって受光し、交差外側受光部242は、外側の領域である領域A22を透過した光線を全周にわたって受光する。
各受光部41,42は、全周に設けられているので、領域A1と領域A2を透過した光線L1,L2を、全周にわたって全て受光することができる。そして、各受光部41,42の出力に基づいて、処理回路がトルクを算出する。
また、回転スリット板211と回転スリット板221とは、同形状のスリット板を互いに表裏を反対にして取り付けた構造であるので、部品の共通化よるコストダウンをすることができる。
実施例3のトルク検出器は、実施例1の出力側の回転スリット板21のスリット部を2トラックから1トラックに変更したものである。
図14は、本実施例のトルク検出器の回転スリット板311,321全周に設けられたスリット部の一部を、円周方向(矢印Y方向)に展開して示す平面図であり、図14(a)は、無負荷の状態、図14(b)は、入力軸にトルクが入力された状態を示す図である。
図14(a)に示すように、無負荷の状態において、回転スリット板321のスリット部321aと、回転スリット板311のスリット部311aとは、端部同士が接するように設けられている。受光部341は、その径方向の長さがスリット部321aの径方向の長さよりも長く、スリット部321aに対応して円環状に設けられているので、領域A31を透過した光線を、全周にわたって全て受光することができる。
入力軸にトルクが入力されると、スリット部321aは、スリット部311aに対して、矢印Y2方向に移動し、図14(b)に示すように、スリット部311aと重複した領域A31が、入力されたトルクの大きさに応じて増加する。領域A31を透過した光線は、受光部341によって、全周にわたって受光される。そして、処理回路(図示せず)は、受光部341が受光した光量に応じて、トルクを算出する。このとき、処理回路は、実施例1のような、減算処理をする必要がないので、簡便に処理をすることができる。
以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の均等の範囲内である。
(1)各実施例において、各回転スリット板は、貫通孔が設けられた円盤である例を示したが、これに限定されない。例えば、各回転スリット板を透明な板とし、各スリット部の形状に対応する3つの矩形を黒色印刷し、これらが重複する領域を全周にわたって検出する検出部を設けても、トルクの検出をすることができる。
2 トーションバー
10 入力軸
11,22,211,221,311,321 回転スリット板
11a,211a,221a,311a,321a スリット部
20 出力軸
21a 内側スリット部
21b 外側スリット部
30 発光部ホルダ
31,131,231 発光部
40 受光部ホルダ
41 内側受光部
42 外側受光部
50 処理回路
241 交差内側受光部
242 交差外側受光部
341 受光部
Claims (1)
- 回転可能に設けられ、回転力を加えることによりその軸回りに捩れを生じるトーションバーと、
前記トーションバーの一端に前記トーションバーと一体で回転可能に設けられ、前記軸回り全周にわたって設けられた複数の第1スリット部と、
前記トーションバーの他の一端に前記トーションバーと一体で回転可能に設けられ、前記第1スリット部に対向配置され、前記軸回り全周にわたって設けられた複数の第2スリット部と、
前記第1スリット部に向けて光を発するための面発光部材からなる発光部と、
前記発光部から発せられ、前記第1及び第2スリット部の両方を透過した光線を前記軸回り全周にわたって受光する受光部と、
前記受光部の出力に基づいて、前記トーションバーの捩れトルクを算出する算出部と、を備え、
前記第2スリット部は、内側スリット部と、前記内側スリット部よりも外側に設けられた外側スリット部と、から形成され、前記トーションバーにトルクがかかっていない状態において、前記第1スリット部と前記内側スリット部との重複する面積と、前記第1スリット部と前記外側スリット部との重複する面積と、が等しく、かつ、前記第1スリット部と前記内側スリット部及び前記外側スリット部との重複しない部分が存在するように前記内側スリット部及び前記外側スリット部が配置され、
前記受光部は、
前記第1スリット部及び前記内側スリット部の両方を透過した光線を受光する内側受光部と、
前記内側受光部よりも外側に設けられ、前記第1スリット部及び前記外側スリット部の両方を透過した光線を受光する外側受光部と、から形成され、
前記算出部は、前記内側受光部が受光した光量と前記外側受光部が受光した光量との差を算出し、前記捩れトルクを求める、
トルク検出器。
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