JP5923002B2 - トルク検出器および電動アクチュエータ - Google Patents

Description

この発明は、バルブの弁軸などに加わるトルクを検出するトルク検出器およびこのトルク検出器を用いた電動アクチュエータに関するものである。

従来より、大減速比により全体のコンパクト性を維持しながら大型のバルブ（例えば、回転弁）を自動操作するための電動アクチュエータとして、ウォームギアを使用した歯車機構や内接式遊星歯車機構を有するアクチュエータなどが知られている。

この種の歯車機構を有するアクチュエータは、より大型用になるにつれてバルブの弁軸に連結された出力軸に加わるトルク（負荷トルク）が大きくなるため、過大トルク対策としてトルクリミッタを搭載することが通常となっている。

トルクリミッタは、一般に、バルブに異物が噛み込んだ場合などアクチュエータの出力軸や歯車機構に過大な負荷が加わった場合に、モータから出力軸への動力伝達を遮断することにより、出力軸や歯車機構を保護するものである。

このトルクリミッタに用いられるトルク検出器は、出力軸に加えられている現在の負荷トルクが予め設定された制限トルクを超えているか否かを判断できればよく、このようなトルク検出器を用いた具体的な構成が例えば特許文献１に示されている。

この特許文献１に示されているトルク検出器を用いた構成では、出力軸に加わる負荷トルクが所定値以下のとき回動部の回転を規制し、出力軸に加わる負荷トルクが所定値を超えたとき回動部の回動を許容するトルク抵抗手段を設け、回動部の回動をマイクロスイッチで検知するようにしている。

特開２００９−３８９４６号公報 特開２００８−１８３６４４号公報

しかしながら、上述した特許文献１に示されたトルク検出器を用いた構成では、回動部の回動をマイクロスイッチで検知するようにしているだけであるので、バルブに異物の噛み込みが徐々に進行するような場合、制限トルクに至るまでの負荷トルクの増大が連続的にどの程度進行しているかは検出できず、致命的な噛み込みが発生するまで検出することができない。

なお、特許文献２には、負荷トルクによって発生するスリーブ体のねじりモーメントを、ストレンゲージで連続的なトルク値の変化として検出する構造が示されている。しかし、一般的にストレンゲージによるひずみの検出方法は下記に示す(１)〜(５)などのような欠点を有している。

(１)繰り返しねじれるため、ストレンゲージ自体に疲労寿命が存在する。
(２)温度安定性が悪く、温度補正処理が必要である。
(３)接着剤を使って弾性体（スリーブ体）に直接貼り付けなければならず、組付誤差などの問題が発生する。
(４)接着剤の信頼性も考慮しなければならない。
(５)出力信号が微小であるため、アンプ回路による増幅が必要である。

また、ストレンゲージは、対応できるひずみ幅が決まっているため、負荷トルクのレンジ幅に応じてストレンゲージまたはスリーブ材料を変えなければならず、レンジ幅に合ったストレンゲージまたはスリーブ材料（弾性率を変えたもの）を用意しなければならない。すなわち、ストレンゲージのレンジ幅やスリーブ材料が異なる複数種類のトルク検出器が必要となる。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、簡単な構成で、長期的に安定して、しかも信頼性高く、連続的に負荷トルクの変化を検出することができるトルク検出器を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明に係るトルク検出器は、駆動トルクを受けて自転する太陽歯車と、駆動対象物に連結されるキャリアと、キャリアに設けられた固定軸に回転自在に取り付けられ、太陽歯車の周囲を公転しながら自転する遊星歯車と、遊星歯車と噛合しこの遊星歯車の公転を案内する内歯車とを有する遊星歯車減速機構と、キャリアに所定値以上のトルクが加わるまで内歯車の回転を阻止する弾性体と、内歯車の歯車列に対向する所定の位置に固定され、内歯車の歯車列の位置の変位による磁界の変化を検出する第１の磁気センサと、第１の磁気センサが検出する磁界の変化に基づいて駆動対象物に加わっている負荷トルクを求めるトルク算出手段と、太陽歯車の歯車列に対向する所定の位置に固定され、太陽歯車の歯車列の位置の変位による磁界の変化を検出する第２の磁気センサと、第２の磁気センサが検出する磁界の変化に基づいて駆動対象物の位置を求める位置算出手段とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、キャリアに所定値以上のトルクが加わると、弾性体によって阻止されていた内歯車が回転し、第１の磁気センサに対する内歯車の歯車列の位置が変位する。これにより、第１の磁気センサが検出する磁界が変化し、この磁界の変化に基づいて駆動対象物に加わっている負荷トルクが求められる。例えば、第１の磁気センサが検出する磁界の変化量と弾性体の変位量との関係を定めておき、また弾性体の変位量とトルクとの関係を定めておき、第１の磁気センサが検出する磁界の変化から弾性体の変位量を求め、この求めた弾性体の変位量からトルクを求め、その求めたトルクを駆動対象物に加わっている負荷トルクとして出力する。また、本発明によれば、太陽歯車の歯車列の位置の変位による磁界の変化が第２の磁気センサにより検出され、第２の磁気センサが検出する磁界の変化に基づいて駆動対象物の位置が求められる。

本発明において、弾性体を内歯車とケース（内歯車およびキャリアを回転可能に保持するケース）との間に設け、第１の磁気センサをケースに固定された第１の基板上に設置し、第２の磁気センサをケースに固定された第２の基板上に設置するようにしてもよく、第１の磁気センサおよび第２の磁気センサをケースに固定された第１の基板上に設置するようにしてもよい。

本発明によれば、キャリアに所定値以上のトルクが加わるまで内歯車の回転を阻止する弾性体を設け、内歯車の歯車列に対向する所定の位置に第１の磁気センサを固定し、第１の磁気センサが検出する内歯車の歯車列の位置の変位による磁界の変化に基づいて駆動対象物に加わっている負荷トルクを求めるようにしたので、ストレンゲージを用いることなく、遊星歯車減速機構の内歯車をそのまま活用した簡単な構成で、連続的に負荷トルクの変化を検出することが可能となる。
また、本発明によれば、内歯車の歯車列に対向する所定の位置に第１の磁気センサを固定するだけでよく、ストレンゲージを弾性体に直接貼り付けなくても済むために、構成が簡単となるだけではなく、組付性も良好となる。また、センサ自体が弾性変形することななく、かつ非接触であるため、長期安定性や信頼性も高まる。また、温度安定性もあり、出力も十分に大きい。さらに、市販されているバネを弾性体として用いるようにし、このバネを変更するだけで負荷トルクのレンジ幅の変更に対応することも可能となる。
また、本発明によれば、第２の磁気センサが検出する磁界の変化に基づいて駆動対象物の位置を求めることもできる。

本発明に係るトルク検出器の第１の実施の形態（実施の形態１）の要部を示す平面図である。 図１におけるＡ−Ａ線断面図である。 実施の形態１のトルク検出器の磁気センサの設置部の拡大図である。 トルク算出部に記憶されている磁気センサの出力と内歯車の回転角（＝コイルバネの変位量（バネ変位量））との関係を示す図である。 トルク算出部に記憶されているバネ変位量とトルクとの関係を示す図である。 内歯車の回転が規制されている状態での内歯車の外周面とケースの内周面との間の凹部に設けられたコイルバネの状態および磁気センサの磁気抵抗素子回路の位置と内歯車の歯車列の歯形形状との関係を示す図である。 内歯車が半時計方向へ回転（左回転）した時の内歯車の外周面とケースの内周面との間の凹部に設けられたコイルバネの状態および磁気センサの磁気抵抗素子回路の位置と内歯車の歯車列の歯形形状との関係を示す図である。 内歯車が時計方向へ回転（右回転）した時の内歯車の外周面とケースの内周面との間の凹部に設けられたコイルバネの状態および磁気センサの磁気抵抗素子回路の位置と内歯車の歯車列の歯形形状との関係を示す図である。 本発明に係るトルク検出器の第２の実施の形態（実施の形態２）の要部の断面図である。 本発明に係るトルク検出器の第３の実施の形態（実施の形態３）の要部の断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の説明では、本発明の権利範囲に含まれないものも実施の形態として記載されているが、ここでは全て実施の形態として説明する。

図１および図２において、１はモータ（図示せず）からの駆動トルクを受けて自転する太陽歯車、２はバルブの弁軸（駆動対象物（図示せず））に連結されるキャリア、３−１，３−２，３−３はキャリア２に設けられた固定軸２ａ，２ｂ，２ｃに回転自在に取り付けられ、太陽歯車１の周囲を公転しながら自転する遊星歯車、４は遊星歯車３−１，３−２，３−３と噛合しこの遊星歯車３−１，３−２，３−３の公転を案内する内歯車であり、この太陽歯車１とキャリア２と遊星歯車３（３−１〜３−３）と、内歯車４とで遊星歯車減速機構２００が構成されている。

この遊星歯車減速機構２００において、内歯車４はリング状とされ、ケース５の内段面５−１に回転可能に保持されている。キャリア２は、その遊星歯車３の取付面２ｄが円板状とされ、ケース５の底面５−２に回転可能に保持されている。また、キャリア２の底面の中央部には軸２ｅが設けられ、この軸２ｅがケース５の底面５−２より外部に出されてバルブの弁軸に連結されている。

但し、内歯車４の外周面４ａとケース５の内周面５ａとの間には、内歯車４の外周面４ａとケース５の内周面５ａとの対向する一部の面を凹ませて凹部４ａ１，５ａ１とし、この凹部４ａ１，５ａ１に弾性体としてコイルバネ６が設けられている。このコイルバネ６によって、キャリア２に所定値以上のトルクが加わるまで、内歯車４の回転が規制されるものとなる。すなわち、キャリア２に所定値以上のトルクが加わるまで、内歯車４は回転しない。この内歯車４の回転については後述する。

また、この遊星歯車減速機構２００において、内歯車４の歯車列４ｂに対向する所定の位置には磁気センサ７が設置されている。この磁気センサ７は、図３にその設置部の拡大図を示すように、磁気抵抗素子回路７−１とＮ極とＳ極の磁極対からなる磁石７−２とからなり、基板８の内歯車４の歯車列４ｂに対向する面８ａに磁気抵抗素子回路７−１が設けられ、基板８の反対側の面８ｂに磁石７−２が設けられている。基板８はケース５に固定されている。したがって、磁気センサ７の内歯車４の歯車列４ｂに対する設置位置は固定されている。

この磁気センサ７の設置位置において、磁石７−２のＮ極からＳ極に戻る磁界は、近接する内歯車４の歯車列４ｂを通る。この内歯車４の歯車列４ｂを通る磁界の変化を磁気抵抗素子回路７−１がその設置位置で検出する。この磁気抵抗素子回路７−１が検出する磁界の変化が磁気センサ７の出力とされる。そして、この磁気センサ７の出力の送り先として、トルク算出部９が設けられている。トルク算出部９には、磁気センサ７の出力と内歯車４の回転角（＝コイルバネ６の変位量（バネ変位量））との関係（図４参照）がテーブルＴＢ１として、またバネ変位量とトルクとの関係（図５参照）がテーブルＴＢ２として記憶されている。

〔キャリアに所定値以上のトルクが加わるまでの動作〕
遊星歯車減速機構２００において、太陽歯車１はモータからの駆動トルクを受けて自転する。この太陽歯車１の自転により、遊星歯車３−１，３−２，３−３が太陽歯車１の周囲を公転しながら自転する。この際、遊星歯車３−１，３−２，３−３と噛合している内歯車４は、コイルバネ６によってその回転が規制された状態で、遊星歯車３−１，３−２，３−３の公転を案内する。

図６（ａ）に、この時の内歯車４の外周面４ａとケース５の内周面５ａとの間の凹部４ａ１，５ａ１に設けられたコイルバネ６の状態を示し、図６（ｂ）に、その時の磁気センサ７の磁気抵抗素子回路７−１の位置と内歯車４の歯車列４ｂの歯形形状との関係を示す。この場合、内歯車４は回転しないので、磁気センサ７の出力は変化しない。

〔キャリアに所定値以上のトルクが加わった場合の動作〕
バルブの弁軸がロックされ、キャリア２が固定された状態で太陽歯車１が回転しようとすると、遊星歯車３−１，３−２，３−３が自転し、内歯車４を回転させようとする。遊星歯車３−１，３−２，３−３は、キャリア２に所定値以上のトルクが加わるまでは自転しないが、キャリア２に所定値以上のトルクが加わると自転し始める。これにより、伝達トルクに比例して、内歯車４がコイルバネ６を圧縮させながら回転する。

図７（ａ）に、内歯車４が反時計方向へ回転（左回転）した時の内歯車４の外周面４ａとケース５の内周面５ａとの間の凹部４ａ１，５ａ１に設けられたコイルバネ６の状態を示し、図７（ｂ）に、その時の磁気センサ７の磁気抵抗素子回路７−１の位置と内歯車４の歯車列４ｂの歯形形状との関係を示す。この場合、内歯車４が左回転することにより、この内歯車４の回転量すなわちコイルバネ６の変位量に応じて（内歯車４の歯車列４ｂの歯形に応じて）、磁気センサ７の出力が変化する。

図８（ａ）に、内歯車４が時計方向へ回転（右回転）した時の内歯車４の外周面４ａとケース５の内周面５ａとの間の凹部４ａ１，５ａ１に設けられたコイルバネ６の状態を示し、図８（ｂ）に、その時の磁気センサ７の磁気抵抗素子回路７−１の位置と内歯車４の歯車列４ｂの歯形形状との関係を示す。この場合、内歯車４が右回転することにより、この内歯車４の回転量すなわちコイルバネ６の変位量に応じて（内歯車４の歯車列４ｂの歯形に応じて）、磁気センサ７の出力が変化する。

この磁気センサ７の出力はトルク算出部９に送られる。トルク算出部９は、この磁気センサ７の出力からテーブルＴＢ１として記憶されている関係（図４）に従ってコイルバネ６の変位量を求め、この求めたコイルバネ６の変位量からテーブルＴＢ２として記憶されている関係（図５）に従ってトルクを求め、この求めたトルクをバルブの弁軸に加わっている負荷トルクとして出力する。なお、本実施の形態では、図４に示された磁気センサ７の出力と内歯車回転角（バネ変位量）との関係において、直線の範囲を使用するようにする。

このようにして、本実施の形態では、ストレンゲージを用いることなく、遊星歯車減速機構２００の内歯車４をそのまま活用した簡単な構成で、連続的に負荷トルクの変化を検出することができる。また、本実施の形態によれば、内歯車４の歯車列４ｂに対向する所定の位置に磁気センサ７を固定するだけでよく、ストレンゲージを弾性体に直接貼り付けなくても済むために、構成が簡単となるだけではなく、組付性も良好となる。また、センサ自体が弾性変形することがなく、かつ非接触であるため、長期安定性や信頼性も高まる。また、温度安定性もあり、出力も十分に大きい。さらに、コイルバネ６として市販されているバネを用いるようにすれば、このコイルバネ６を変更するだけで負荷トルクのレンジ幅の変更に対応することも可能となる。

また、本実施の形態によれば、連続的に負荷トルクの変化を検出することができるので、バルブに異物の噛み込みが徐々に進行するような場合、制限トルクに至るまでの負荷トルクの増大が連続的にどの程度進行しているかを知ることが可能となり、出力軸や歯車機構に過大な荷重が発生する前に、その兆候を早期に検出して、破損を未然に防ぐことが可能となる。また、必要荷重に応じてモータの出力トルクを制御することで、省エネルギーにつなげることも可能となる。

〔実施の形態２〕
図９に本発明に係るトルク検出器の第２の実施の形態（実施の形態２）の要部の断面図を示す。この断面図は実施の形態１で示した図２に対応する。

この実施の形態２のトルク検出器１０１では、太陽歯車１の歯車列１ａに対向する所定の位置に磁気センサ１０を設置している。すなわち、内歯車４の歯車列４ｂに対向する所定の位置に対向して設けた磁気センサ７を第１の磁気センサとした場合、第２の磁気センサとして太陽歯車１の歯車列１ａに対向する所定の位置に磁気センサ１０を設置している。

磁気センサ１０は、磁気センサ７と同様、磁気抵抗素子回路１０−１とＮ極とＳ極の磁極対からなる磁石１０−２とからなり、基板１１の太陽歯車１の歯車列１ａに対向する面１１ａに磁気抵抗素子回路１０−１が設けられ、基板１１の反対側の面１１ｂに磁石１０−２が設けられている。基板１１はケース５に固定されている。したがって、磁気センサ１０の太陽歯車１の歯車列１ａに対する設置位置も固定されている。

この磁気センサ１０の設置位置において、磁石１０−２のＮ極からＳ極に戻る磁界は、近接する太陽歯車１の歯車列１ａを通る。この太陽歯車１の歯車列１ａを通る磁界の変化を磁気抵抗素子回路１０−１がその設置位置で検出する。この磁気抵抗素子回路１０−１が検出する磁界の変化が磁気センサ１０の出力とされる。そして、この磁気センサ１０の出力の送り先として、位置算出部１２が設けられている。

位置算出部１２は、磁気センサ１０からの出力を受けて、すなわち磁気センサ１０が検出する磁界の変化に基づいて、バルブの弁軸の位置（バルブの開度）を求める。

この実施の形態２のトルク検出器１０１では、磁気センサ７を第１の磁気センサとし、磁気センサ１０を第２の磁気センサとし、２つの磁気センサを設置することで、トルク検出機能と位置検出機能とをコンパクトに備えたものとすることができる。また、トルク情報とともに位置情報を持つことで、負荷トルクとバルブの開度との関連を把握することができ、ただのトルク検出機能にとどまらず、バルブの故障検知、寿命診断などにも活用することができる。

〔実施の形態３〕
図１０に本発明に係るトルク検出器の第３の実施の形態（実施の形態３）の要部の断面図を示す。この断面図も実施の形態１で示した図２に対応する。

この実施の形態３のトルク検出器１０２では、１つの基板８に第１の磁気センサ７と第２の磁気センサ１０とを設けている。すなわち、実施の形態２のトルク検出器１０１では、基板１１に第２の磁気センサ１０を設けていたが、基板１１をなくして、１つの基板８に磁気センサ７と磁気センサ１０とを設けている。

但し、１つの基板８に磁気センサ７と磁気センサ１０とを設けるために、太陽歯車１の形状を実施の形態１，２とは変えている。この例では、太陽歯車１の上面に大径の歯車列１ｂを形成し、この大径の歯車列１ｂを磁気センサ１０の磁気抵抗素子回路１０−１に対向させるようにしている。

なお、上述した実施の形態では、弾性体としてコイルバネ６を使用するようにしたが、必ずしも弾性体はコイルバネでなくてもよい。また、上述した実施の形態では、磁気センサ７や磁気センサ１０をケース５に固定された基板８や基板１１に設置するようにしたが、内歯車４の歯車列４ｂに対向する所定の位置や太陽歯車１の歯車列１ａに対向する所定の位置に固定して設定することができればよく、このような基板への設置構造に限られるものではない。

また、上述したトルク検出器１０１〜１０３は、連続的に負荷トルクの変化を検出することができる点で優れているが、トルクリミッタとして用いてもよいことは言うまでもない。例えば、グローブ弁タイプのバルブは、全閉時にシートを一定以上の荷重で押し付ける必要がある。最悪条件で押付け荷重を満足するためにモータを大型化すると、通常でも伝達トルクは必要以上となり、減速機構の強度アップが必要となる。ここで、必要荷重が発生した時点でモータ電源を遮断することで、ギヤ強度の最適設計、全閉でのモータ停止を可能とすることが求められる。このようなグローブ弁タイプのバルブにおいて、上述したトルク検出器１０１〜１０３をトルクリミッタとして用いてもよい。

〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、各実施の形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。

１…太陽歯車、１ａ，１ｂ…歯車列、２…キャリア、２ａ〜２ｃ…固定軸、３（３−１〜３−３）…遊星歯車、４…内歯車、４ａ…外周面、４ｂ…歯車列、４ａ１…凹部、５…ケース、５ａ…内周面、５ａ１…凹部、５−１…内段面、５−２…底面、６…コイルバネ、７…磁気センサ（第１の磁気センサ）、７−１…磁気抵抗素子回路、７−２…磁石、８…基板、９…トルク算出部、１０…磁気センサ（第２の磁気センサ）、１０−１…磁気抵抗素子回路、１０−２…磁石、１１…基板、１２…位置検出部、１００、１０１、１０２…トルク検出器、２００…遊星歯車減速機構。

Claims (4)

1. 駆動トルクを受けて自転する太陽歯車と、駆動対象物に連結されるキャリアと、前記キャリアに設けられた固定軸に回転自在に取り付けられ、前記太陽歯車の周囲を公転しながら自転する遊星歯車と、前記遊星歯車と噛合しこの遊星歯車の公転を案内する内歯車とを有する遊星歯車減速機構と、
   前記キャリアに所定値以上のトルクが加わるまで前記内歯車の回転を阻止する弾性体と、
   前記内歯車の歯車列に対向する所定の位置に固定され、前記内歯車の歯車列の位置の変位による磁界の変化を検出する第１の磁気センサと、
   前記第１の磁気センサが検出する磁界の変化に基づいて前記駆動対象物に加わっている負荷トルクを求めるトルク算出手段と、
   前記太陽歯車の歯車列に対向する所定の位置に固定され、前記太陽歯車の歯車列の位置の変位による磁界の変化を検出する第２の磁気センサと、
   前記第２の磁気センサが検出する磁界の変化に基づいて前記駆動対象物の位置を求める位置算出手段と
   を備えることを特徴とするトルク検出器。
2. 請求項１に記載されたトルク検出器において、
   前記内歯車および前記キャリアを回転可能に保持するケースを備え、
   前記弾性体は、前記内歯車と前記ケースとの間に設けられ、
   前記第１の磁気センサは、前記ケースに固定された第１の基板上に設置され、
   前記第２の磁気センサは、前記ケースに固定された第２の基板上に設置されている
   ことを特徴とするトルク検出器。
3. 請求項１に記載されたトルク検出器において、
   前記内歯車および前記キャリアを回転可能に保持するケースを備え、
   前記弾性体は、前記キャリアと前記ケースとの間に設けられ、
   前記第１の磁気センサおよび前記第２の磁気センサは、前記ケースに固定された第１の基板上に設置されている
   ことを特徴とするトルク検出器。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載されたトルク検出器を備えた電動アクチュエータ。

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