JP7169586B2 - トルク変換器 - Google Patents

Description

本発明は、回転軸に加わるねじりトルクを電気信号に変換するトルク変換器に関するものである。

従来から電動機等の回転軸に加わるねじりトルクの測定は、回転軸のねじれを直接的に測定する方法で実現でき、回転軸の磁歪を測定する方法、光学的に回転軸のねじれを測定する方法、感歪抵抗体を用いて回転軸の剪断歪み量を測定する方法が知られている。感歪抵抗体として歪みゲージを用いて、抵抗値変化から歪み量をねじりトルクの電気信号に変換するトルク変換器が公知である。

特開２０１６－８８２７号公報 特開２０１６－３８３５３号公報

このトルク変換器は、物品の把持や移動を行うロボットのアーム部に組み込まれて使用されている。しかしながらロボットが物品を持ち上げることからトルク変換器の回転軸に半径方向の荷重が加わるため、真に回転軸に加わっているねじりトルクを正確に測定するのが難しくなる。特許文献１では、回転軸にスリットを設けて半径方向の荷重の影響を低減しているが、回転軸の寸法の制約や、スリット加工によるコストアップにより改善の余地があった。また特許文献２ではクロスローラベアリングによって回転軸を支持して半径方向の荷重の影響を低減しているが、比較的大きく高価なクロスローラベアリングを使用していることからサイズ、コスト面にて改善の余地があった。

このような問題に鑑みて、本発明は、回転軸に半径方向の荷重が加わっても正確に回転軸に加わるねじりトルクを測定できるトルク変換器を提供することを目的としている。

請求項１に記載のトルク変換器は、上記の目的を達成するために、
回転軸と、
回転軸を回転自在に支持する軸受と、
回転軸に添着される感歪抵抗体と、を有して回転軸のねじりトルクを検出して電気信号に変換するトルク変換器であって、
感歪抵抗体は、軸受から外部へ突出した回転軸へ半径方向の荷重が加わった時に回転軸の曲げモーメントがゼロとなる位置近傍に設けられて構成されている。

請求項２に記載のトルク変換器は、上記の目的を達成するために、
軸受は回転軸の軸方向に間隔を有して少なくとも３つ以上で構成されている。

請求項３に記載のトルク変換器は、上記の目的を達成するために、
感歪抵抗体が添着されて回転軸のねじりトルクを検出するトルク変換部に加えて、回転軸にトルクを発生させるモータ部を有している。

請求項４に記載のトルク変換器は、上記の目的を達成するために、
回転軸は、トルク変換部とモータ部とを通じて一体の単一部材で設けられて構成されている。

本発明のトルク変換器によれば、回転軸に半径方向の荷重が加わったとしてもこの影響を低減して、回転軸に加わる正確なねじりトルクを検出できる。

本発明の実施形態に係るモータ付きのトルク変換器の斜視外観図である。 本発明の実施形態に係るモータ付きのトルク変換器の断面図である。 本発明の実施形態に係るトルク変換器のトルク変換部の回路ブロック図である。 本発明の実施形態に係るトルク変換器の回転軸と軸受と感歪抵抗体の配置を示すレイアウトの模式図である。

以下、本発明の実施形態に係るトルク変換器について、図面を基に詳細な説明を行う。本実施形態のトルク変換器はモータが付加されて一体構造で構成されており、図１は本発明の実施形態に係るモータ付きのトルク変換器４０の斜視外観図である。

本実施形態のモータ付きのトルク変換器４０は、トルク変換部２０と、モータ部１０とを有している。トルク変換部２０は回転軸１に加わるねじりトルクを電気信号に変換する。トルク変換部２０は、トルク変換部ケース２により周囲が覆われている。回転軸１は、負荷装置に接続できるようにトルク変換部ケース２から突出して設けられている。モータ部１０は、回転軸１にトルクを発生させる。モータ部１０は、トルク変換部２０に直列に配置されて、モータ部ケース４により周囲が覆われている。トルク変換部ケース２の外周部にはケーブルコネクタ８ａが設けられている。ケーブルコネクタ８ａは、トルク変換部２０へ電源を供給し、不図示の制御装置と制御信号やトルク信号等を送受信するためにケーブルを接続するものである。またモータ部ケース４の外周部にはケーブルコネクタ８ｂが設けられている。ケーブルコネクタ８ｂはモータ部１０へ電源を供給するケーブル等を接続するものである。

図２は、本発明の実施形態に係るモータ付きのトルク変換器４０を回転軸１の軸心に沿って切断した断面図である。

回転軸１は、略円柱形状でモータ部１０とトルク変換部２０とを通じて一体の単一部材で設けられている。回転軸１は、軸受９ａ、軸受９ｂ及び軸受９ｃにて回転自在に支持されている。軸受９ａと軸受９ｂとの間にはモータ部１０の一部が形成されている。軸受９ａ、軸受９ｂ及び軸受９ｃは例えば深溝玉軸受である。

モータ部１０は、トルクを発生させるモータ回転子１４及びモータ固定子１３と、回転位置を検出する回転位置検出部１１及び回転位置検出基板１２を有している。回転軸１の軸受９ａと軸受９ｂとの間にはモータ回転子１４が固着されている。モータ回転子１４は例えば永久磁石を含んで構成されている。モータ回転子１４と所定の隙間を有してモータ固定子１３が設けられている。モータ固定子１３は例えば鉄心とコイルを含んで構成される。そして回転位置検出部１１が、軸受９ａを挟んでモータ回転子１４と反対側の、回転軸１の端部に設けられている。回転位置検出部１１はモータの回転位置を検出し、回転位置検出部１１に対向して軸方向に位置する回転位置検出基板１２から、モータ回転位置信号を出力する。回転位置検出部１１及び回転位置検出基板１２は例えば光学式のエンコーダであるがこれに限るものではない。そして回転位置検出部１１と回転位置検出基板１２はケース７にて覆われている。

軸受９ａの内輪は、回転軸１の鍔１ａに軸方向で当接されて嵌め込まれている。軸受９ａの外輪はフランジ５に嵌め込まれて、中空円盤状の部材１５で軸方向位置が規制されている。 軸受９ｂの内輪は、回転軸１の鍔１ｂに軸方向で当接されて嵌め込まれている。軸受９ｂの外輪はフランジ３に嵌め込まれている。モータ部ケース４は、フランジ３とフランジ５との間にあってモータ部１０を外部から保護すると共に、モータ固定子１３を囲んで収納及び固定している。

トルク変換部２０は、回転軸１に生じるねじりトルクを検出する。回転軸１に生じるねじりトルクを検出するため、軸受９ｂと軸受９ｃの中間に軸径が他の部分と比較して小さい起歪部１ｄが設けられている。この起歪部１ｄは軸方向には強度を有して変形せず、ねじれ方向には撓むようになっており、起歪体と動力伝達軸を兼ねる構成となっている。そして感歪抵抗体２１が、この起歪部１ｄの円筒面に添着されている。なお起歪部１ｄの外周は円筒面に限らず、いくつかの平面で構成しても良い。感歪抵抗体２１は例えば剪断型の歪みゲージであって、起歪部１ｄに生じる剪断歪みを検出する。感歪抵抗体２１から出る信号を送る配線は、感歪抵抗体２１の端子部からリード線等によって行われ、後述の回転側基板２２に接続されている。感歪抵抗体２１の軸方向での添着位置については後述する。

筒部材２６は円筒形状であって、回転軸１に固着されて、回転側基板２２、回転側コア２７、回転側コイル２８を支持固定している。

回転側基板２２は、中空円盤形状で電子部品等を実装したプリント配線板である。回転側基板２２上には固定側基板２５ａと対で通信を行う通信素子２３が実装されている。回転側基板２２は、本実施形態では２つのプリント配線板であって軸方向に並んで配置されている。

一方、回転側基板２２と軸受９ｃとの間には回転型非接触給電変圧器が形成されている。回転型非接触給電変圧器は、固定側基板２５ａに設けられた送電側部材と、回転軸１側に設けられた受電側部材で構成されている。送電側部材は固定側コア２９と固定側コイル３０を含んでいる。一方、受電側部材は回転側コア２７と回転側コイル２８を含んでいる。

固定側基板２５ａは、トルク変換部ケース２に固定されている。固定側コア２９は、固定側基板２５ａに例えば樹脂のホルダを介して固定されている。固定側コア２９は、両端に突部を設けた断面コの字型の例えば低損失フェライトなどの磁性体である。固定側コイル３０は、固定側コア２９の両突部間に銅線を巻回したものである。

一方回転軸１には固定側コア２９及び固定側コイル３０と所定間隔をおいて対向するように、回転型非接触給電変圧器の受電側が構成されている。回転側コア２７は筒部材２６を介して回転軸１に同心で設けられており、この回転側コア２７の外周に回転側コイル２８が設けられている。回転側コア２７は固定側コア２９の突部に所定の間隔を有して設けられている。本実施形態では、回転側コア２７は焼結体フェライトを樹脂フィルムにて積層して薄手のシート状にしたものを、回転軸１に同軸で固定された筒部材２６の円筒面に接着して構成している。回転側コア２７は、これに限らず中空円柱状のフェライトを挿入したものでも良い。また回転側コイル２８は、軸方向で固定側コア２９の両突部の間に挟まれる位置で、銅線が複数段巻回されて配置され、接着剤で固定されている。

軸受９ｃの内輪は、回転軸１の鍔１ｃに軸方向で当接されて嵌め込まれている。また軸受９ｃの外輪は、トルク変換部ケース２に嵌め込まれている。トルク変換部ケース２は基板ケース６ａと共に、トルク変換部２０を外部から保護する。また回転軸１は軸受９ｃから突出してその先は自由端であって、負荷装置などに繋げることができる。そして軸受９ｃ及びトルク変換部２０を外部環境から保護する目的でオイルシール３１が設けられている。

次いで、図３を参照して、本発明の実施形態に係るトルク変換部２０の回路について説明する。トルク変換部２０の回路は、基板ケース６ａ、６ｂに固定された固定側基板２５ａ、２５ｂと、回転軸１に固定されて共に回転する回転側基板２２とで構成されている。固定側基板２５ａ、２５ｂには外部に設けた直流電源１０１から電力が供給される。

直流電源１０１から供給された直流電圧は、固定側基板２５ａ、２５ｂ上のスイッチング回路２０１にて交流に変換される。交流に変換された電流を固定側コイル３０に通電すると、交流磁界が固定側コア２９から発生する。この交流磁界が回転軸１側の回転側コア２７に透過することで、回転側コイル２８に電流が誘起される。誘起された電流は回転側基板２２内の整流化回路３０１にて整流されて、感歪抵抗体２１で構成されるホイートストンブリッジ回路部に供給される。整流化回路３０１からの出力は、回転側基板２２内の他の回路、すなわち増幅回路３０２、Ａ／Ｄ変換回路３０３、回転側ＣＰＵ３０４へもそれぞれ供給される。以上の仕組みをもって、固定側基板２５ａ、２５ｂから回転側基板２２へ非接触で給電がなされる。

実際のトルクの測定は、回転軸１にトルクが加わると、回転軸１の起歪部１ｄがトルクの大きさに応じて歪み、この歪みの大きさを計測することで行われる。回転軸１の起歪部１ｄに生じる歪みは感歪抵抗体２１の抵抗値の変化によりホイートストンブリッジ回路部より電圧として出力され、増幅回路３０２にて増幅されてアナログ信号として出力され、さらにこのアナログ信号はＡ／Ｄ変換回路３０３でデジタル信号に変換される。

次いで、回転側ＣＰＵ３０４は、歪みの大きさからトルク値への変換の演算を行い、非接触でこのトルク値を送信するため変調などの信号処理が行われる。変調された信号は通信素子２３から例えば光信号で送信される。通信素子２３による通信方法は電波、赤外光線、可視光線などであってもよい。固定側基板２５ａにも通信素子２３の送信に対応した通信素子２４が実装されている。通信素子２４が受信した光信号は電気信号に変換され、固定側ＣＰＵ２０２にて復調などの信号処理が行われる。そしてＤ／Ａ変換回路２０３にてデジタル化されたトルク値を所定のアナログ電圧に変換して、トルク値に比例した電圧で出力することができる。もちろん検出したトルク値は固定側ＣＰＵ２０２から直接のデジタル信号で出力しても構わない。

次いで、図４を参照して、本発明の実施形態に係るトルク変換器の感歪抵抗体の配置に関する詳細を説明する。図４（ａ）は本発明の実施形態に係るトルク変換器の回転軸１と、回転軸１を回転自在に支持する軸受９ａ～９ｃと、起歪部１ｄに配置された感歪抵抗体２１との位置関係を示している。

図４（ａ）は、回転軸１を模式的に表したものであって、回転軸１は、軸受９ａ～９ｃの３点で支持されている。そして回転軸１の軸受９ｃ側から外へ突き出した部分の自由端Ｄには半径方向の荷重Ｐが加わっているものとする。軸受９ａと軸受９ｂとの軸方向の距離がａ、軸受９ｂと軸受９ｃとの軸方向の距離がｂ、軸受９ｃと回転軸１の半径方向の荷重Ｐが加わっている自由端Ｄとの軸方向の距離がｃである。なお距離ａ～ｃはそれぞれ軸受９ａ～９ｃの軸方向における中心位置の距離を指す。そして軸受９ａの軸方向の中心位置を支点Ａ、軸受９ｂの軸方向の中心位置を支点Ｂ、軸受９ｃの軸方向の中心位置を支点Ｃとそれぞれ定義する。さらに支点Ａと支点Ｂとで挟まれた部分を区間ＡＢ、支点Ｂと支点Ｃとで挟まれた部分を区間ＢＣ、そして支点Ｃと自由端Ｄとで挟まれた部分を区間ＣＤとそれぞれ定義する。回転軸１へ半径方向の荷重Ｐが加わった際に、支点Ａに加わる反力がＲａ、支点Ｂに加わる反力がＲｂ、支点Ｃに加わる反力がＲｃである。

図４（ｂ）は、図４（ａ）のように回転軸１に荷重Ｐが印加された際のＳＦＤ（剪断力図／Ｓｈｅａｒｉｎｇ Ｆｏｒｃｅ Ｄｉａｇｒａｍ）である。また図４（ｃ）は、図４（ａ）のように回転軸１に荷重Ｐが印加された際のＢＭＤ（曲げモーメント図／Ｂｅｎｄｉｎｇ Ｍｏｍｅｎｔ Ｄｉａｇｒａｍ）である。回転軸１の軸受９ｃ側の外へ突き出した部分の自由端Ｄに半径方向の荷重Ｐが加わった時、支点Ｃにおける曲げモーメントは－ｃＰで表されることは明らかである。以下曲げモーメントがゼロになる位置Ｈ（x =h）が区間ＢＣ内に存在することについて説明する。

区間ＡＢ、区間ＢＣ、区間ＣＤでの曲げモーメントＭ_ＡＢ、Ｍ_ＢＣ、Ｍ_ＣＤはそれぞれ次式で表すことができる。なおｘは支点Ａからの距離である。

区間ＡＢ、区間ＢＣ、区間ＣＤでのたわみ角θ_ＡＢ、θ_ＢＣ、θ_ＣＤはそれぞれ次式で表すことができる。ここでＥは回転軸１の縦弾性係数、Ｉｚは断面二次モーメントであり、以下の計算では回転軸１の軸方向で一様とする。

区間ＡＢ、区間ＢＣ、区間ＣＤでのたわみ曲線ｖ_ＡＢ、ｖ_ＢC、ｖ_ＣＤはそれぞれ次式で表すことができる。なおｖ_Ａは定数である。

支点Ａすなわちｘ＝0では

である。また支点Ｂすなわちｘ ＝ａでは

である。また支点Ｃすなわちｘ＝ａ＋ｂでは

である。

一方、自由端Ｄすなわちｘ＝ａ＋ｂ＋ｃにおいて曲げモーメントはゼロであるから、式３にｘ＝ａ＋ｂ＋ｃを代入すると以下のように表される。

力の釣合いから

式７において、式１０から

である。さらに式７において支点Ｂすなわちx ＝ａを代入して整理すると

となる。また式８において支点Ｃすなわちx ＝ａ＋ｂを代入して整理すると

となる。ここで式１８を式１９に代入して整理すると式２０が得られる。

次に式１６を変形してＲ_Ｃについて解き、全項にｃを乗算して式１５に代入すると式２１が得られる。

式２１の両辺に（-ｂ^２）を乗算してこれを式２０に加算し、Ｒ_Ｂの項を消去して整理すると式２２が得られる。

よってＲ_Ｂについても式２３によって表すことができる。

区間ＢＣで曲げモーメントがゼロになる位置Ｈ（ｘ＝ｈ）とすると式２４が成り立つ。

式２２と式２３を式２４へ代入して整理すると曲げモーメントがゼロになる位置Ｈ（ｘ＝ｈ）は式２５で表される。

ここで

であるから、

が成り立つので、位置Ｈは常に区間ＢＣの中間に存在する。

なお実際には、回転軸１の直径は位置により変化しており、回転軸１の断面二次モーメントもそれに伴い変化するので、位置Ｈはこれを考慮して計算する必要があるが、まず概略を上記の式で求め、後で精密な計算により求めれば良い。

本実施形態では回転軸１を回転自在に支持固定する軸受は３個であるが、曲げモーメントがゼロになる箇所が現れる配置構造であればこれに限るものではない。

本実施形態では、トルク変換器４０は、トルク変換部２０とモータ部１０を有しているがこれに限るものではなく、回転軸１を変速させる変速部や、回転軸１にブレーキをかけるブレーキ部などを有していても良い。

ゆえに本発明によれば、曲げモーメントがゼロになる位置近傍に感歪抵抗体を配置することで、回転軸の自由端部に半径方向の荷重が加わったとしてもこの影響を極めて低減して、回転軸に加わるねじりトルクを正確に検出できるトルク変換器を実現できる。さらに回転軸を回転自在に支持する軸受に安価な玉軸受を使用することも可能となる。

以上、本発明を好ましい実施形態に基づいて説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

本発明の活用例として、トルクを制御するモータ装置等への適用が可能である。

１ ：回転軸
１ａ、１ｂ、１ｃ ：鍔
１ｄ ：起歪部
２ ：トルク変換部ケース
３ ：フランジ
４ ：モータ部ケース
５ ：フランジ
６ａ、６ｂ ：基板ケース
７ ：ケース
８ａ、８ｂ ：ケーブルコネクタ
９ａ、９ｂ、９ｃ ：軸受
１０ ：モータ部
１１ ：回転位置検出部
１２ ：回転位置検出基板
１３ ：モータ固定子
１４ ：モータ回転子
１５ ：部材
２０ ：トルク変換部
２１ ：感歪抵抗体
２２ ：回転側基板
２３ ：通信素子
２４ ：通信素子
２５ａ、２５ｂ ：固定側基板
２６ ：筒部材
２７ ：回転側コア
２８ ：回転側コイル
２９ ：固定側コア
３０ ：固定側コイル
３１ ：オイルシール
４０ ：トルク変換器
１０１ ：直流電源
２０１ ：スイッチング回路
２０２ ：固定側ＣＰＵ
２０３ ：Ｄ／Ａ変換回路
３０１ ：整流化回路
３０２ ：増幅回路
３０３ ：Ａ／Ｄ変換回路
３０４ ：回転側ＣＰＵ

Claims (4)

1. 回転軸と、
   前記回転軸を回転自在に支持する軸受と、
   前記回転軸に添着される感歪抵抗体と、を有して前記回転軸のねじりトルクを検出して電気信号に変換するトルク変換器であって、
   前記感歪抵抗体は、前記軸受から外部へ突出した前記回転軸へ半径方向の荷重が加わった時に前記回転軸の曲げモーメントがゼロとなる位置近傍に設けられることを特徴とするトルク変換器。
2. 前記軸受は前記回転軸の軸方向に間隔を有して少なくとも３つ以上で構成されることを特徴とする請求項１に記載のトルク変換器。
3. 前記感歪抵抗体が添着されて前記回転軸のねじりトルクを検出するトルク変換部に加えて、前記回転軸にトルクを発生させるモータ部を有することを特徴とする請求項２に記載のトルク変換器。
4. 前記回転軸は、前記トルク変換部と前記モータ部とを通じて一体の単一部材で設けられていることを特徴とする請求項３に記載のトルク変換器。
   
   
   
   
   
   
   

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