JPH0666652A - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 磁歪式のトルクセンサにおいて、トルク検出
に適した細径の軸でトルク検出軸を構成し、しかもこの
トルク検出軸に過負荷が生じないようにする。 【構成】 入力軸２と出力軸３との間に細径のトルク検
出軸７がわたされ、このトルク検出軸７に対し機械的に
並列に、大径の過負荷負担軸18が設けられる。過負荷負
担軸18と入力軸２および出力軸３とが、歯車15、19、1
6、20を介して機械的に連結される。これら歯車は、入
力軸２と出力軸３との間に過負荷トルクが作用してトル
ク検出軸７に所定以上のねじり変位が生じたときにのみ
過負荷負担軸18を介してトルクが伝達されるような遊び
を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は磁歪式のトルクセンサに
関し、特に、トルクを検出することで制御性を改善可能
な自動車のパワーステアリング、マシニングセンタ、ロ
ボットなどの機械装置に使用される磁歪式のトルクセン
サに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の磁歪式のトルクセンサでは、所定
長さのトルク検出軸の外周面に一対の磁気異方性部を形
成し、これら磁気異方性部の周囲にコイルを配置して、
軸にトルクが印加されたときの磁気異方性部の透磁率の
変化をコイルで検出することで、そのトルクの大きさを
求めるようにしている。そしてトルク検出軸は、駆動側
の入力軸と従動側の出力軸との間に組み込まれて、これ
ら駆動側と従動側とを結ぶ動力伝達軸の一部として機能
する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、機械装置に
組み込まれる動力伝達軸は、危険防止などの観点から、
非常に大きな安全率、例えば安全率20位を見込まなけれ
ばならない。このため通常は、トルクだけが作用すると
仮定した場合に比べトルク検出軸を太く設定して、十分
な強度を有するようにしておく必要がある。しかし、こ
のようにトルクセンサ軸を太くすると、トルク検出に適
した細径の軸に比べ、定格トルクが加わったときの磁気
異方性部の透磁率の変化が僅かなものとなってしまい、
結果的にトルク検出感度が小さくなるという問題点があ
る。またトルク検出軸を太くすることでトルクセンサが
大形化するという問題点もある。

【０００４】そこで本発明はこのような問題点を解決
し、トルク検出に適した細径の軸でトルク検出軸を構成
できるとともに、このトルク検出軸に過負荷が生じない
にすることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
本発明は、トルク検出軸に対し機械的に並列に過負荷負
担軸を設け、この過負荷負担軸と入力軸および出力軸と
を、歯車機構を介してそれぞれ機械的に連結し、この歯
車機構が、前記入力軸と出力軸との間に過負荷トルクが
作用してトルク検出軸に所定以上のねじり変位が生じた
ときにのみ、前記過負荷負担軸を介してトルクが伝達さ
れるような遊びを有するように構成したものである。

【０００６】また本発明は、入力軸と出力軸とを、所定
回転角度の第１の遊びを許したうえでトルクを伝達可能
に構成し、トルク検出軸を、前記入力軸と出力軸との間
のトルク伝達部に対し機械的に並列に配置し、前記トル
ク検出軸と前記入力軸および出力軸とを、歯車機構を介
してそれぞれ機械的に連結し、この歯車機構は、入力軸
の回転角度が微小であるときにはトルク検出軸にトルク
が伝達されないように不感帯を構成する第２の遊びを有
し、前記第１の遊びは、前記入力軸と出力軸との間に過
負荷トルクが作用して前記トルク検出軸に所定以上のね
じり変位が生じたときにのみ、前記入力軸と出力軸との
間のトルク伝達部を介してトルクが伝達されるように設
定された構成としたものである。

【０００７】

【作用】上記構成のトルクセンサによれば、トルク検出
軸と過負荷負担軸とを機械的に連結する歯車機構に遊び
を設けたため、通常の検出範囲の小トルクが印加された
ときには、このトルクはトルク検出軸にのみ伝達され、
所要の感度でトルクが検出されることになる。過負荷ト
ルクが印加されてトルク検出軸に所定以上のねじり変位
が生じたときには、前述の遊びがなくなり、過負荷負担
軸を介してトルクが伝達されることになるため、トルク
検出軸に大きなトルクが印加されることが防止される。

【０００８】また、入力軸と出力軸との間のトルク伝達
部に、過負荷のみの伝達のための第１の遊びを設けると
ともに、入力軸および出力軸とトルク検出軸との間の歯
車機構に、不感帯を構成する第２の遊びを設けたため、
トルク検出軸に大きなトルクが印加されることを防止し
たうえで、トルクセンサに所要の不感帯特性が付与され
る。

【０００９】

【実施例】図１は、本発明の第１の実施例のトルクセン
サを示す。ここで、２は入力軸、３は出力軸で、両者は
一直線上に配置された構成となっている。入力軸２はベ
アリング４によってケース５に回転自在に支持され、ま
た出力軸３は、入力軸２から距離をおいた位置で、ベア
リング６によってケース５に回転自在に支持されてい
る。これら入力軸２および出力軸３は、伝達されるトル
クや作用される曲げ応力などに十分に耐える太さで形成
されている。

【００１０】ケース５内における両軸２、３の端部どう
しの間には、トルク検出軸７が同軸上に一直線状にわた
され、このトルク検出軸７の両端は、入力軸２および出
力軸３にそれぞれ固定されている。このトルク検出軸７
は、定格トルクが印加されたときに所要のねじり変形を
生じるように、入力軸２および出力軸３に比べ格段に細
径に形成されている。

【００１１】トルク検出軸７は内部ハウジング８を貫通
して配置され、この内部ハウジング８の内部におけるト
ルク検出軸７の周囲は、オイルシールなどのシール部材
９によって、ケース５内の他の部分における潤滑油など
を含んだ雰囲気からシールされている。そして、このシ
ールされた空間内におけるトルク検出軸７の外周面に
は、一対の磁気異方性部10、10が形成されている。これ
ら磁気異方性部10、10の周囲にはコイル11、11が配置さ
れ、トルク検出軸７にトルクが印加されたときの磁気異
方性部10、10の透磁率の変化をこれらコイル11、11で検
出することで、その時のトルクの大きさを求め得るよう
に構成されている。12はトルク値を演算するための電子
回路、13はケース外へ導かれる電線である。

【００１２】ケース５内における入力軸２の外周には歯
車15が固定され、同様に出力軸３の外周には歯車16が固
定されている。両歯車15、16の歯数は、等しくなるよう
に設定されている。一方、ケース５の内部には、ベアリ
ング17にて回転自在に支持された大径の過負荷負担軸18
が、入力軸２および出力軸３の軸心と平行に配置されて
いる。この過負荷負担軸18の両端には、歯車15、16に噛
み合う歯車19、20が、スプライン構造部21などを利用し
て、それぞれ一体回転可能に取り付けられている。これ
ら歯車19、20の歯数は、入力軸２および出力軸３の歯車
15、16の歯数に等しくなるように設定されている。

【００１３】歯車15、19どうしの間および、または歯車
16、20どうしの間には、通常よりも大きめのバックラッ
シュすなわち遊びが形成されている。この遊びは、入力
軸２からトルク検出軸７を経て出力軸３に伝達されるト
ルクが所定の定格トルク以下で、その伝達トルクにもと
づくトルク検出軸７のねじり変位が所定値以下の場合に
は、歯車15、19どうしの間および歯車16、20どうしの間
においてトルクの伝達が生じないような大きさに設定さ
れている。そして、伝達されるトルクが所定値を越え
て、トルク検出軸７に大きなねじり変位が生じた場合に
は、前述の遊びがなくなって、それ以上の大きさのトル
クの伝達を、過負荷負担軸18にて分担可能なように構成
されている。

【００１４】このような構成において、入力軸２に加え
られてこの入力軸２を回転させるトルクが、たとえば正
常時における定格以下の小さなものである場合には、こ
のトルクは、入力軸２からトルク検出軸７を介して出力
軸３に伝達される。このとき、トルク検出軸７に生じる
ねじり変位は、あまり大きなものではない。またこのと
き、歯車15、19どうしおよび歯車16、20どうしの噛み合
わせにより過負荷負担軸18にも回転が伝えられるが、ト
ルク検出軸７のねじり変位が大きくないことから、歯車
間の遊びが生かされたままであり、したがって過負荷負
担軸18にはトルクの伝達は行われない。よって、印加さ
れるトルクは、そのすべてがトルク検出軸７に伝達さ
れ、この細径のトルク検出軸７によって印加トルクの大
きさが高感度で精度良く検出される。

【００１５】印加されるトルクが過大なものになったと
きには、トルク検出軸７に大きなねじり変位が生じて前
述の遊びがなくなり、入力軸２と出力軸３とが、歯車1
5、19、20、16および過負荷負担軸18によっても機械的
に結合し、この過負荷負担軸18にもトルクが伝達され
る。すなわち、トルク検出軸７には、前述の遊びが無く
なるまでこのトルク検出軸７にねじり変形を生じさせる
だけのトルクしか作用せず、それを越えるトルクは、過
負荷負担軸18に伝達される。この結果、トルク検出軸７
にには過負荷トルクが作用することがなく、このトルク
検出軸７を細径としたにもかかわらず、その損傷が防止
される。

【００１６】図２は、本発明の第２の実施例のトルクセ
ンサを示す。この実施例では、入力軸２と出力軸３と
は、一直線状に配置されるとともに、それぞれベアリン
グ４、６によってケース５に回転自在に支持されてい
る。そして各軸２、３には、それぞれ歯車25、26が一体
回転可能に取り付けられている。

【００１７】この実施例では、細径のトルク検出軸７
は、これら入力軸２と出力軸３とに直結されるのではな
く、これら軸２、３に並列に配置されている。そしてト
ルク検出軸７の両端には、歯車25、26と同一歯数でこれ
ら歯車25、26に噛み合う歯車27、28が、それぞれ一体回
転可能に取り付けられている。トルク検出軸７はその両
端においてベアリング29によってケース５に回転自在に
支持されており、これによって、入力軸２からトルク検
出軸７を介して出力軸３に至るトルク伝達経路が形成さ
れる。

【００１８】ケース５内における入力軸２の端部と出力
軸３の端部との間には、トルク検出軸７に過大なトルク
が印加されることを防止するための過負荷防止部31が設
けられている。詳細には、図２に示すように、入力軸２
と出力軸３の端部にそれぞれスプライン軸部32、33が形
成され、両スプライン軸部32、33にわたって筒状のスプ
ラインソケット34がはめ合わされている。そして、スプ
ライン軸部32、33とスプラインソケット34との間には、
第１実施例における歯車15、19どうしの間や歯車16、20
どうしの間と同様の第１の遊びが設けられている。

【００１９】歯車25、27どうしの間や歯車26、28どうし
の間には、第２の遊びが設けられている。この第２の遊
びは、入力軸２の回転角度が微小であるときにはトルク
検出軸７にトルクが伝達されないように不感帯を構成す
るためのものである。

【００２０】このような構成において、入力軸２に印加
された定格以下のトルクは、この入力軸２から歯車25、
27を介してトルク検出軸７に伝達され、かつトルク検出
軸７から歯車26、28を介して出力軸３に伝達されること
で、このトルク検出軸７によってその大きさが検出され
る。このとき、上述のようにスプライン軸部32、33とス
プラインソケット34との間には第１の遊びが設けられて
いるため、印加トルクによってトルク検出軸７に多少の
ねじり変位が生じても、スプラインソケット34を通して
のトルクの伝達はなく、検出すべきすべてのトルクがト
ルク検出軸７に印加されて検出される。また、前述の第
２の遊びが設けられ、入力軸２の回転角度が小さいとき
にはトルクの検出が行われないため、本トルクセンサ
を、多少の遊びを必要とする自動車のパワーステアリン
グ用の軸などのトルクの検出に好適に利用できる。

【００２１】入力軸２に過大なトルクが作用したときに
は、トルク検出軸７に大きなねじり変位が生じて第１の
遊びがなくなり、入力軸２および出力軸３のスプライン
軸部32、33とスプラインソケット34とが機械的に結合す
ることになって、これら入力軸２と出力軸３との間で直
接にトルクが伝達されることになる。すなわち、トルク
検出軸７には、これらスプライン軸部32、33とスプライ
ンソケット34との間の遊びがなくなるまでこのトルク検
出軸７にねじり変位を生じさせるだけのトルクしか作用
せず、それを越えるトルクは、軸２、３どうしの間で伝
達されることになる。この結果、トルク検出軸７に過負
荷トルクが作用することが確実に防止される。

【００２２】図３〜図５は、本発明の第３の実施例のト
ルクセンサを示す。この実施例では、過負荷防止部31の
構成が図２のものとは相違する。詳細には、出力軸３の
端部に凹部36が形成されており、また入力軸２の端部に
は、この凹部36にはまり合う凸部37が形成されている。
これら凹部36と凸部37とには、入力軸２に作用するトル
クの方向に向かい合うトルク伝達面38、39がそれぞれ形
成されている。入力軸２にトルクが作用していない状態
において、両トルク伝達面38、39どうしの間には、角度
αの隙間40が設けられて、入力軸２と出力軸３とが機械
的に結合しないように構成されている。凸部37の先端に
は、さらに短尺の軸部41が形成され、凹部36の奥側に
は、この軸部41を収容するための孔部42が形成されてい
る。

【００２３】このような構成において、入力軸１に過大
なトルクが作用したときには、入力軸２と出力軸３との
間に、トルク検出軸７のねじり変位に対応した大きなね
じり変位が生じる。そのため間隔40が詰まり、凸部37の
トルク伝達面39と凹部36のトルク伝達面38とが接触す
る。すると、入力軸２と出力軸３とが機械的に結合する
ことになり、これら軸２、３どうしの間で過負荷トルク
が伝達される。また軸部41と孔部42とのはめ合いによっ
て、軸に作用する曲げ荷重が確実に受け止められる。

【００２４】

【発明の効果】以上述べたように本発明によると、トル
ク検出軸に対し機械的に並列に過負荷負担軸を設け、こ
の過負荷負担軸と入力軸および出力軸とを、歯車機構を
介してそれぞれ機械的に連結し、この歯車機構が、前記
入力軸と出力軸との間に過負荷トルクが作用してトルク
検出軸に所定以上のねじり変位が生じたときにのみ、前
記過負荷負担軸を介してトルクが伝達されるような遊び
を有するように構成したため、通常の検出範囲の小トル
クが印加されたときには、このトルクはトルク検出軸に
のみ伝達され、所要の感度でトルクを検出できるのみな
らず、過負荷トルクが印加されてトルク検出軸に所定以
上のねじり変位が生じたときには、前述の遊びがなくな
り、過負荷負担軸を介してトルクを伝達できことになっ
て、トルク検出軸に大きなトルクが印加されることを確
実に防止できる。

【００２５】また本発明によれば、入力軸と出力軸との
間のトルク伝達部に、過負荷のみの伝達のための第１の
遊びを設けるとともに、入力軸および出力軸とトルク検
出軸との間の歯車機構に、不感帯を構成する第２の遊び
を設けたため、トルク検出軸に大きなトルクが印加され
ることを防止したうえで、トルクセンサに所要の不感帯
特性を付与することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例のトルクセンサの断面図
である。

【図２】本発明の第２の実施例のトルクセンサの断面図
である。

【図３】本発明の第３の実施例のトルクセンサの要部を
示す図である。

【図４】図３におけるIV−IV線に沿った断面図である。

【図５】図３における入力軸の先端部の斜視図である。

【符号の説明】 ２ 入力軸 ３ 出力軸 ７ トルク検出軸 15 歯車 16 歯車 18 過負荷負担軸 31 過負荷防止部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力軸から出力軸に伝達されるトルクの
   大きさを測定するために、このトルクの伝達経路を構成
   するトルク検出軸の表面に磁気異方性部を形成し、伝達
   トルクによって生じる前記磁気異方性部の磁歪変化を検
   出するようにした磁歪式のトルクセンサであって、前記
   トルク検出軸に対し機械的に並列に過負荷負担軸を設
   け、この過負荷負担軸と前記入力軸および出力軸とを、
   歯車機構を介してそれぞれ機械的に連結し、この歯車機
   構は、前記入力軸と出力軸との間に過負荷トルクが作用
   して前記トルク検出軸に所定以上のねじり変位が生じた
   ときにのみ、前記過負荷負担軸を介してトルクが伝達さ
   れるような遊びを有することを特徴とするトルクセン
   サ。
2. 【請求項２】 入力軸および出力軸に装着された歯車の
   歯数と、過負荷負担軸に装着されて前記入力軸および出
   力軸の歯車に噛み合う歯車の歯数とが等しいことを特徴
   とする請求項１記載のトルクセンサ。
3. 【請求項３】 入力軸から出力軸に伝達されるトルクの
   大きさを測定するために、このトルクの伝達経路を構成
   するトルク検出軸の表面に磁気異方性部を形成し、伝達
   トルクによって生じる前記磁気異方性部の磁歪変化を検
   出するようにした磁歪式のトルクセンサであって、前記
   入力軸と出力軸とを、所定回転角度の第１の遊びを許し
   たうえでトルクを伝達可能に構成し、前記トルク検出軸
   を、前記入力軸と出力軸との間のトルク伝達部に対し機
   械的に並列に配置し、前記トルク検出軸と前記入力軸お
   よび出力軸とを、歯車機構を介してそれぞれ機械的に連
   結し、この歯車機構は、入力軸の回転角度が微小である
   ときにはトルク検出軸にトルクが伝達されないように不
   感帯を構成する第２の遊びを有し、前記第１の遊びは、
   前記入力軸と出力軸との間に過負荷トルクが作用して前
   記トルク検出軸に所定以上のねじり変位が生じたときに
   のみ、前記入力軸と出力軸との間のトルク伝達部を介し
   てトルクが伝達されるように設定されていることを特徴
   とするトルクセンサ。
4. 【請求項４】 入力軸および出力軸に装着された歯車の
   歯数と、トルク検出軸に装着されて前記入力軸および出
   力軸の歯車に噛み合う歯車の歯数とが等しいことを特徴
   とする請求項３記載のトルクセンサ。