JP6534214B2 - トルク検出器 - Google Patents

Description

本発明は、回転軸の回転トルクを検出するトルク検出器に関するものである。

一般的に回転軸の回転トルクの検出をするには、回転軸に設けられた起歪部に剪断用歪みゲージを貼り、回転軸の捻り変形による歪みを抵抗値変化にて検出し、ホイートストンブリッジ回路及び増幅回路を構成してアナログ信号として得ることができる。そしてこのアナログ信号は、回転体にあることからこの信号を取り出すために、回転軸に設けられた回路によってデジタル化してワイヤレスで回転軸と一緒に回転しない固定側へ送信することが行われている。通常トルク検出器は測定器として使用していることから、トルク検出器は所定の周期にて検出したデータを赤外などの光線によってワイヤレス送信して外部へ送り出していた。（特許文献１、特許文献２）

特開２０１４−０９８７１８号公報 特開２００７−３２７８９０号公報

しかしながら剪断用歪みゲージを起歪部に添着して、そこから配線を引き出してホイートストンブリッジ回路を形成し、増幅回路、そしてワイヤレス送信回路が実装される回転側回路基板へ接続することは容易ではない。組立て作業においては歪みゲージを起歪部に添着した後に現物合わせで抵抗器を加えてホイートストンブリッジ回路の微少な抵抗調整をしている。したがって予め回転側回路基板に抵抗器を実装しておくことができず調整作業は困難なものとなっている。増幅回路及びワイヤレス送信回路には既に電子部品が実装済みであり、電子部品をハンダごてを用いて手作業等で実装するためにクリアランススペースを確保することは難しい。特にトルク測定の出力を高めるため複数の剪断用歪みゲージを起歪部に添着した場合は、接続のリード線の数が多く、しかも引き回す距離が長いため作業は著しく困難となるという課題が生じていた。

また調整用抵抗器が回転側回路基板に置かれていると、調整用抵抗器の環境温度と起歪部の温度の差が大きい場合があって、温度特性の補正が充分になされない場合があった。トルク検出器に関する特許文献１及び特許文献２をはじめとして、この課題に関係した解決を示唆するものは開示されていない。

本発明は、歪みゲージを起歪部に添着した後であっても歪みゲージから増幅回路等への配線及び調整の作業を容易にして、温度特性を改善し、高出力のトルク検出器を提供することを目的としている。

請求項１に係るトルク検出器は、上記の目的を達成するために、
回転自在で、歪みを生じて歪みを検出する起歪部を有する回転軸と、
起歪部に添着されてホイートストンブリッジ回路の一部を形成する歪みゲージと、
回転軸に固定され、ホイートストンブリッジ回路からのアナログ出力信号を受けてトルク値を演算して無線にて送信する回転側回路基板と、
回転軸に固定され、歪みゲージと回転側回路基板の間にあって電気的に接続され、ホイートストンブリッジ回路の一部を形成してホイートストンブリッジ回路の抵抗値を調整する抵抗値調整パターンを有する調整基板と、で構成されている。

請求項２に係るトルク検出器は、上記の目的を達成するために、
調整基板が円環状の一部を切り欠いた形状の単一の配線基板で構成されている。

請求項３に係るトルク検出器は、上記の目的を達成するために、調整基板が起歪部の近傍の回転軸の鍔部に固着されて構成されている。

請求項４に係るトルク検出器は、上記の目的を達成するために、歪みゲージと接続対応にある調整基板に設けられた接続端子が、歪みゲージと回転軸の円周方向で略同位相にて配置されて構成されている。

請求項５に係るトルク検出器は、上記の目的を達成するために、調整基板に起歪部の材質補正用抵抗器を実装することで構成されている。

請求項６に係るトルク検出器は、上記の目的を達成するために、抵抗値調整パターンに、抵抗器若しくはゼロオームの導体を実装することで構成されている。

請求項７に係るトルク検出器は、上記の目的を達成するために、抵抗値調整パターンに、ホイートストンブリッジ回路の温度変化によって生じるアナログ出力信号の誤差を補正する抵抗器を実装することで構成されている。

請求項８に係るトルク検出器は、上記の目的を達成するために、抵抗値調整パターンに、回転軸にトルクが印加されていない時にアナログ出力信号がゼロとなる抵抗器を実装することで構成されている。

請求項９に係るトルク検出器は、上記の目的を達成するために、歪みゲージは、同一の方向に最大感度を有する少なくとも一対の歪みゲージにて構成され起歪部の中心軸に対して対称な位置にて起歪部に添着されることで構成されている。

請求項１に記載の発明のトルク検出器によれば、歪みゲージと回転側回路基板との間に調整基板が設けられているため、歪みゲージと調整基板間の配線長が短くなり、かつ調整基板と回転側回路基板との配線数を減らすことができるため、配線の引き回しが容易となって組立て性が向上する。さらに調整基板にはホイートストンブリッジ回路の抵抗値を調整する抵抗値調整パターンがあるため、手ハンダ付けにより抵抗器の実装及び必要に応じて回路を短絡させることが容易となる。

請求項２に記載の発明のトルク検出器によれば、歪みゲージが取り付けられた後でも調整基板の取付け交換が可能であり、調整作業が容易となる。

請求項３に記載の発明のトルク検出器によれば、調整基板が歪みゲージと近接した位置に固定できるため、配線作業が容易となるとともに、調整用の抵抗器も含めた調整基板と起歪部の温度差が小さく、温度特性にも優れる。

請求項４に記載の発明のトルク検出器によれば、調整基板と歪みゲージの配線が最短となることから、配線作業が容易となり予め長さを揃えた線材を用意することができるので、異なる長さの配線材のバリエーションが少なくなり材料使用の経済的にも優れる。

請求項５に記載の発明のトルク検出器によれば、回転軸起歪部の材料に起因する温度変化の補正に際して、材質補正用抵抗器が回転軸起歪部近傍にあって、回転軸起歪部との温度差が小さいことから、補正の誤差を低減することができる。

請求項６に記載の発明のトルク検出器によれば、抵抗器を実装するか短絡させるかを容易に選ぶことができるので、組立て調整作業が容易となる。

請求項７に記載の発明のトルク検出器によれば、温度の変化によって生じる出力誤差を補正する抵抗器を歪みゲージ添着後に測定して実装することから、温度ドリフトを抑える調整を容易に行うことができる。

請求項８に記載の発明のトルク検出器によれば、回転軸にトルクが印加されていない状態でホイートストンブリッジ回路からのゼロ点出力誤差を補正する抵抗器を歪みゲージ添着後に測定して実装することから、ゼロ点調整を容易に行うことができる。

請求項９に記載の発明のトルク検出器によれば、剪断の歪みゲージを対向して複数添着していることから測定出力を高めることができる。

本発明の実施形態に係るトルク検出器を一部切断開口した斜視構造図である。 本発明の実施形態に係るトルク検出器の歪みゲージ付近の実体配線斜視図である。 本発明の実施形態に係るトルク検出器の歪みゲージ付近を軸方向から見た実体配線図である。 本発明の実施形態に係るトルク検出器の歪みゲージを含むホイートストンブリッジ回路図である。

以下、添付の図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明が適用されるトルク検出器２０の実施形態を示していて、不図示のモータと接続可能な減速機を内蔵しており、一部の部材を除いた断面で斜視図にて表したものである。

回転軸１は不図示のモータなどと繋がって、負荷側へ動力を伝達するものであり、その一部にねじれによって歪むように設けた回転軸起歪部１ａがあり、また回転軸鍔部１ｂが回転軸起歪部１ａ近傍に設けられている。回転軸１はカバー１８、１９に設けられたベアリング１５により回転自在となっている。

歪みゲージ２は、回転軸起歪部１ａの円柱面に添着されていて、回転軸１のトルク発生に応じて変形する回転軸起歪部１ａの歪みを検出し、ホイートストンブリッジ回路の一部を構成している。

調整基板３は、回転軸鍔部１ｂに固着された単一の配線基板であって、円環状の一部を切り欠いた略Ｃの字形状をしていて、歪みゲージ２と電気的に接続されている。調整基板３の詳細は後述する。

回転側回路基板４は円環状の形状であって、回転軸１の軸方向に回転軸鍔部１ｂに立てたれた支柱１４にて回転軸１に固定されていて、調整基板３や後述の２次側コイル１３からの配線がなされている。回転側回路基板４には、電源の整流回路、ホイートストンブリッジ回路から出力信号を増幅する増幅回路、これをデジタル変換するＡ／Ｄ変換回路、そしてこれらを演算してトルク値として無線で送信する送信回路が搭載されている。

固定側回路基板１６はカバー１８に固定されて回転側回路基板４に対向するように配置されていて、回転側回路基板４へ電源を供給する回路、回転側回路基板４からトルク値を受信する受信回路、受信したトルク値を外部に出力する出力回路を有している。固定側回路基板１６に搭載されたこれらの回路を総称して固定側回路と呼ぶものとする。

１次側コア１０は固定側回路基板１６に取り付けられた１次側コアホルダ１７にはめ込まれて固定され、両側に突部を設けた断面コの字型の磁性体からなっている。１次側コア１０の突部間には１次側コイル１１が巻回されていて、コイルは固定側回路基板１６と繋がっている。

一方回転軸１には２次側コア１２が回転軸１と同軸で設けられていて、２次側コイル１３がこの上に巻回されている。２次側コイル１３からの配線は支柱１４に沿ってなされ回転側回路基板４に接続されている。

固定側回路基板１６内の回転側回路基板４へ電源を供給する回路はスイッチング回路であって交流に変換された電流を１次側コイル１１通電すると、交流磁界が発生し、この交流磁界が回転軸側の２次側コア１２に透過することで、２次側コイル１３に電流が誘起される。誘起された電流は回転側回路基板４内に設けられた整流回路を経て歪みゲージ２、回転側回路基板４内の増幅回路、Ａ／Ｄ変換回路、送信回路に供給される。以上の仕組みをもって、回転軸１側に非接触で給電がなされる。

図２及び図３は本発明の実施形態に係るトルク検出器２０の図１において断面ＡＡで切断したものであり、歪みゲージ２及び調整基板３付近の詳細な実体配線を示している。

歪みゲージ２は回転軸起歪部１ａの円柱面に、回転軸１の中心軸で対称になるように対向して４箇所に添着されている。それぞれのなす角は９０度である。各歪みゲージ２は剪断用歪みゲージであって、例えばゲージ抵抗部Ｇ２ｃとゲージ抵抗部Ｇ２ｔは同一のベース材の上に形成されていて、最大感度方向が９０度違うものが一対でペアリングされている。もちろんゲージ抵抗部Ｇ２ｃとゲージ抵抗部Ｇ２ｔを別々のベース材の上に形成しても良いが、引き出しの配線が増えることになる。各歪みゲージ２のゲージ抵抗部は、ゲージ抵抗部Ｇ１ｃとゲージ抵抗部Ｇ３ｃ、ゲージ抵抗部Ｇ１ｔとゲージ抵抗部Ｇ３ｔ、それぞれが１８０度で対向して配置される。同様にゲージ抵抗部Ｇ２ｃとゲージ抵抗部Ｇ４ｃ、ゲージ抵抗部Ｇ２ｔとゲージ抵抗部Ｇ４ｔが１８０度で対向配置される。またゲージ抵抗部Ｇ１ｃ、ゲージ抵抗部Ｇ２ｃ、ゲージ抵抗部Ｇ３ｃ、ゲージ抵抗部Ｇ４ｃは回転軸起歪部１ａの円柱を平面に展開した時、同じ方向に最大感度を有するように配置されている。ゲージ抵抗部Ｇ１ｔ、ゲージ抵抗部Ｇ２ｔ、ゲージ抵抗部Ｇ３ｔ、ゲージ抵抗部Ｇ４ｔも同様である。

各歪みゲージ２からの配線は、調整基板３上にパターニングされ接続対応をなす接続端子６にリード線５をハンダ付けすることで行われる。調整基板３は円環状の一部を切り欠いたプリント配線板であって、切欠きは回転軸１の半径方向からの挿入を可能にするものである。調整基板３は実際には導体パターン保護用のレジストで覆われているが、ここではレジストは不図示としている。各歪みゲージ２と接続端子６は円周方向で略同位相の位置関係にあって、リード線５は最短の長さとすることができ、クロスすることもないので配線作業は容易となる。また調整基板３はリジッドな基板であっても良いが、可撓性を有したフレキシブル配線板であっても良く、その際は切り欠き部が小さくても可撓性を利用して挿入できる。したがって各歪みゲージ２と接続端子６は円周方向で完全に同位相の位置関係にすることができるので、リード線５の長さを全て同じに統一することが可能となる。

さらに調整基板３上には、抵抗値調整パターン９が４箇所設けられていて、抵抗器をハンダ付けすることが可能な端子と、これと並列に配置されハンダによって短絡できる端子で構成されている。すなわち調整のための抵抗が必要な場合は抵抗器をこのパターンにハンダ付けにて実装し、必要でない場合は短絡できる端子部をハンダすなわちゼロオームの導体にて短絡させるものであるから、調整作業は容易なものとなる。

図４はこの歪みゲージ２及び調整基板３を含むホイートストンブリッジ回路の回路図を示している。調整基板３はこの回路図をパターニングしたものであり、入力は直流電源Ｓ＋、Ｓ−で、ホイートストンブリッジ回路のアナログ出力の信号がＥＸＴ＋、ＥＸＴ―である。このアナログ出力ＥＸＴ＋、ＥＸＴ―に直列に配置されているのは材質補正用抵抗器Ｒｙ＋、Ｒｙ−であって、回転軸起歪部１ａの材質、例えばヤング率に関して定めるものである。回転軸起歪部１ａのヤング率は温度変化により変化することから、温度変化に対して補正を行う抵抗器が、材質補正用抵抗器Ｒｙ＋、Ｒｙ−である。

一方ホイートストンブリッジ回路の各辺の中間には補正用の抵抗器が配置されている。ゼロ点補正用抵抗器Ｒｚ＋、Ｒｚ−は回転軸１にトルクが印加されていない状態でアナログ出力ＥＸＴ＋、ＥＸＴ―の電位差がゼロになるように補正するものである。また温度補正用抵抗器Ｒｔ＋、Ｒｔ−は、トルク検出器２０が使用される環境温度領域内での誤差を補正するものであり、単位温度あたりの出力電圧の変化率からその値が定められ、実際の使用環境の温度変化に対する補正を行うことができる。

本実施形態によれば、歪みゲージ２を起歪部に添着した後に歪みゲージ２から増幅回路等への配線作業を容易にでき、しかもゼロ点調整、温度補正調整の作業も調整基板３上で行うことができるので組立てが容易となる。これに加えて調整基板３とこれに実装される材質補正用抵抗器Ｒｙ＋、Ｒｙ−、温度補正用抵抗器Ｒｔ＋、Ｒｔ−、ゼロ点補正用抵抗器Ｒｚ＋、Ｒｚ−は回転軸起歪部１ａの近傍の回転軸鍔部１ｂに固定されているため、回転軸起歪部１ａとの温度差が小さく、温度に起因する誤差を低減することができる。

以上、本発明のトルク検出器を、適用に好適な実施形態を基に説明した。本実施形態は例示であり、各構成要素に色々な変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

本発明は、回転軸のトルクを検出するトルク検出器及びこれを内蔵したモータ等に適用することができる。

１ 回転軸
１ａ 回転軸起歪部
１ｂ 回転軸鍔部
２ 歪みゲージ
３ 調整基板
４ 回転側回路基板
５ リード線
６ 接続端子
９ 抵抗値調整パターン
１０ １次側コア
１１ １次側コイル
１２ ２次側コア
１３ ２次側コイル
１４ 支柱
１５ ベアリング
１６ 固定側回路基板
１７ １次側コアホルダ
１８ カバー
１９ カバー
２０ トルク検出器
ＥＸＴ＋、ＥＸＴ― アナログ出力
Ｇ１ｃ、Ｇ１ｔ、Ｇ２ｃ、Ｇ２ｔ、Ｇ３ｃ、Ｇ３ｔ、Ｇ４ｃ、Ｇ４ｔ ゲージ抵抗部
Ｒｔ＋、Ｒｔ− 温度補正用抵抗器
Ｒｙ＋、Ｒｙ− 材質補正用抵抗器
Ｒｚ＋、Ｒｚ− ゼロ点補正用抵抗器

Claims (9)

1. 回転自在で、歪みを生じて歪みを検出する起歪部を有する回転軸と、
   前記起歪部に添着されてホイートストンブリッジ回路の一部を形成する歪みゲージと、
   前記回転軸に固定され、前記ホイートストンブリッジ回路からのアナログ出力信号を受けてトルク値を演算して無線にて送信する回転側回路基板と、
   前記回転軸に固定され、前記歪みゲージと前記回転側回路基板の間にあって電気的に接続され、前記ホイートストンブリッジ回路の一部を形成して前記ホイートストンブリッジ回路の抵抗値を調整する抵抗値調整パターンを有する調整基板と、
   を有することを特徴とするトルク検出器。
2. 前記調整基板が円環状の一部を切り欠いた形状の単一の配線基板であることを特徴とする請求項１に記載のトルク検出器。
3. 前記調整基板が前記起歪部の近傍の前記回転軸の鍔部に固着されることを特徴とする請求項１又は２に記載のトルク検出器。
4. 前記歪みゲージと接続対応にある前記調整基板に設けられた接続端子が、前記歪みゲージと前記回転軸の円周方向で略同位相にて配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のトルク検出器。
5. 前記調整基板に前記起歪部の材質補正用抵抗器を実装することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のトルク検出器。
6. 前記抵抗値調整パターンに、抵抗器若しくはゼロオームの導体を実装することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のトルク検出器。
7. 前記抵抗値調整パターンに、前記ホイートストンブリッジ回路の温度変化によって生じる前記アナログ出力信号の誤差を補正する抵抗器を実装することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のトルク検出器。
8. 前記抵抗値調整パターンに、前記回転軸にトルクが印加されていない時に前記アナログ出力信号がゼロとなる抵抗器を実装することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のトルク検出器。
9. 前記歪みゲージは、同一の方向に最大感度を有する少なくとも一対の歪みゲージにて構成され前記起歪部の中心軸に対して対称な位置にて前記起歪部に添着されることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のトルク検出器。