JPS5968633A - トルク検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は円筒形状のトルク検出軸における捩れ角変位
が印加（測定）トルクに比例することを利用し、該変位
を静電容量変化に変換してトルクを検出するようにした
トルクセンサ、すなわちトルク検出器に関する。

一般にトルク検出器においては、トルクを抵抗変化や電
圧、電流変化等の演算処理が容易な電気量に精度よく変
換して出力することが望ましい。

この種の検出器としては、従来はストレイン・ゲージ（
５ｔｒａｉｎ　　Ｇａｇｅ）式のトルク検出器が良く知
られておシ、かつ最も多く製造販売されている。

第１図はかかるトルク検出器における検出原理を説明す
るための概略図である。す々わち、この検出器は、トル
ク検出軸ＰＫ′１′９ｒ定の角度で貼り付けられたスト
レインゲージＧの抵抗変化がトルクに比例することを利
用するもので、ゲージＧの貼り付は角度は引張シまたは
圧縮歪が最大となる主歪み方向（軸線に対して±４５°
の方向）に取シ付り゛る場合が最も多い。かかるストレ
インゲージ方式は、弾性体に作用する荷重の測定方法と
しては極めて簡便であるため、最も多く使用されている
反面、次のような欠点を有しでいる。

■　ゲージ接着層のクリープ、割れによる特性の劣化。

■　使用温度範囲の制約。

■　ストレインゲージのゲージファクターや抵抗の温度
変化係数が大きく、かつ個々のバラツキが大きい。

■　トルク以外の荷重、例えば軸力１曲げモーメントの
影響を小さくするためにはゲージを一対または二対必要
とし、しかも完全に補正することは難しい。

■　軸線に対し特定の角度に精度よく貼シ付けることか
極めて困蛯である。

■　ワイヤストレインゲージでハ、トルクに対する抵抗
変化量（信号分）が小さく感度が悪い。また、半導体ゲ
ージは抵抗変化量は太きいが、温度特性が悪くかつオー
バロードに弱い。

■　抵抗発信であるため、配線の影響を受は易い。

この発明は上述の如き欠点を除去すべくなされたもので
、より安定かつ高精度で、しかも措造が簡単なトルク検
出器を提供することを目的とする。

この発明の特ｇは、中空円筒体の各端部にそれぞれフラ
ンジ部を固着し、その一方のフランジ部には回転電極を
、また他方のフランジ部にｔま１つまたＩ／：ｌ：２つ
の検出電極をそれぞれ固着するとともに、これら回転′
電極と検出電極とをｔｉｒ定の間隔をもって対向配置し
、一対のフランジ部の少なくとも一方に測定トルクを作
用させたときに生じる回転電極と検出電極との相対的回
転変位を静電容量変化としてとり出すようにした点にあ
る。

以下、この発明の実施例を図面を参照して説明する。第
２図はこの発明の実施例を示す構成図で、同図（Ａ）は
その軸方向の断面図、（Ｂ）は径方向の断面図である。

これらの図において１，１′はトルり伝達軸、２，２′
はフランジ部、３は円筒体からなるトルク検出軸、４ｂ
回転電極、５（５ａ、５ｂ。

５　ｃ　）　、　５　　（５ａ　、　５１）　、　５　
ｃ　）は検出電極、７はリード線、８虹ハーメチツク・
シール部である。なお、６ＦＪ′、円筒体３の中空部で
あって、該中空部６にはＤ１定の肪電体が充満されてい
る。

負荷トルクＴＬは、トルク伝達軸１，１′を介してフラ
ンジ部２，２′に加えられる。核フランジ部２゜２′の
中間には中空円筒体からなるトルク検出軸３が固Ｎされ
、印加されるトルクＴＬによって捩り変形をする。また
、フランジ部２の一方の面の中央にＬこれと協働する回
転を極４が設置され、フランジ部２′の一方の面には一
定の間隔を隔てて検出電極５，５′が該イランジ部２′
と協働するように設置されている。このように構成され
るセンサの一対のフランジ部を介して負荷トルクが作用
した場合の回転電極４と検ｌｉｔ電極５，５との相対的
回転変位角度θは θ−４・′１゛Ｊ、／ＧＩｉ　　　　　　・・・・・・
・−・・・・（１）の如く表わされる。ここに、ｔは円
筒体３の長さ、Ｇは同じくその横弾註係数、■【は同じ
くその断面極二次モーメントである。すなわち、トルク
ｌ１ｌＬは回転電極４と検出゛電極５，５′との相対的
回転変位θに比例することになる。

検出重陽５，５は第２図（Ｂ）に示される如く、絶縁体
５　ａ　、　５’ａと導電性のｉｌｇ　Ｊｆｉ、片５ｂ
、５’ｂ、５ｃ。

５’ｃとから構成され、非動作状態においては同じく導
電性の材料からなる回転電極４からそれぞれ距離ｄｏだ
け隔てて配置される。ｄｉ電性電極片５ｂ。

５ｃ、５ｂ、５Ｒｊ：各々ノ９１定の幅（１））を有し
、５ｂと５０および５ｂと５０とは互いにＤ１定の間隔
ａをもって並設ざノ１．でいる。したがって、回転篭を
に４と電イ返片５ｂ、５Ｃ，５’ｂおよび５′Ｃとによ
って４つのコンデンサが形成されることになる。なお、
検出を極５，５′にはそれぞれ一対の電極片（５ｂ、５
ｃと５’ｂ　、　５’ｃ　）を設けるようにしたが、場
合によつてｄロ二対以」二設けるようにしてもよい。こ
のため、このセンサがトルクを受けない静止時には、各
コンデンサの静電容Ｆｈ’ｃＣｏｌｔよ互いに等しく、
その値は次の（２）式の如く表わされる。

Ｃｏ−εＡ／（１ｏ−εｔｂ／（ＩＯ・・・・・・・・
・・・・（２）ここに、εＧ−り誘電７体の誘電率、Ａ
は検出電極片の面積、（１０は回転電極との間隙、ｌは
検出電極片の長さ、ｂは同じくその幅である。一方、同
図（Ｂ）ノ如（センサン）；トルクを受けその中心線Ｃ
ＬがＤＢの位置へ角度θだけ相対的に変位しプことする
と、上記の間隙ｄｏが各コンデンサ侮に変化することに
なる。そこで、電極片５ｂ、５ｃ、５’ｂ、５’ｃと電
極４と＆Ｃよって形成される各コンデンサの間隙をそＪ
ｌぞれ”１　＊　Ｃ２＋　’３　ＨＣ４とすると、間隙
ｄｌとＣ４、Ｃ２とＣ３とは互いに等しく、その１直は
ｄｚ　（Ｃ３）＝ｄｏ　−’　（ａ十ｂ　）Ｏ・・・・
・・・・・・・・（３） となることがわかる。しだがって、上記に）式におに、
ｌ−るｄｏのかわりに（３）式で与えられるｄｌ−Ｃ４
を代入することによシ、各コンデンサの容ｉ　Ｃｔ　−
Ｃ４’ｃ表わすことができる。しかしながら、このよう
に表わされる容量Ｃｌ−Ｃ４から直ちに回転変位角Ｏと
の関係を導くことができないので、この発明でＬ以下の
如き諸量を考える。すなわち、・・・・・・・・・（４
） または ・・・・・・・・・（５） の如く、（４）またＩｒ１（５）式で示される容量を演
算することによ多回転変位角θ、すなわちトルクＴＬに
比例するｉを得ることができる。なお、（４）式によれ
ば、検出軸の中空部に封入される誘電体による誘電率と
の変化の影響を受けるのに対し、（５）式忙よれば全く
影響を受けないことがわかる。ただし、真空や空気のよ
うに誘電率の変化がないかまたは非常に少ない場合は、
（４）式によっても殆んど問題になることはないもので
ある。また、上記（４）　、　（５）式の関係からも明
らかなように１検出電極ｌｌ１５と５の如く２組設ける
必要はなく、どちらか１組で充分であり、さらには電極
５と５とを電極４に対向させるならば５ｂと５ｃ、５ｂ
と５Ｃの如く電極片を一対にして設ける必要もない。

ここで、本センサにおけるトルク以外の荷重による影響
について考える。

（１）軸力の影響 第２図（Ａ）からも明らかなように、本センサに与えら
れる軸力（センサの中心軸またはトルク伝達軸方向に働
く力）と円筒トルク検出軸断面に発生ずるせん断応力と
は互いに独立であシ、したがって回転角θは軸力の変動
に無関係である。また、軸力による円筒トルク検出軸の
軸方向の微小な変位の影響は、回転電極の大きさく面積
）を対向する電極片５ｂ、５ｃ、５ｂ、５Ｃよりも大き
くすることで完全に除去することができる。すなわち、
回転電極の面積を大きくすれば、検出電極５，５′が軸
方向に多少変位してもその影響を受けることがないから
である。

（２）曲げモーメントまたは横荷重の影響これについて
は、第３図を参照して脱明する。

なお、第３図は曲げモーメントまたは横荷重が作用した
場合の回転電極の変位ｔ−ｇ明するための説明図である
。この曲げモーメントまたは横荷重は、例えば第２図（
イ）のトルク伝達軸１，１′のいずれかを固定して他方
に同図の上、下方向の力が加わった場合と考えられるが
、このとき回転型Ａｉｒ、　４が例えば第３図の矢印で
示される如くｖだけ変位したとする。この変位Ｖは、同
図の如＜ｘ、ｙ軸を想定すると、Ｘ軸成分ｖＸとｙ軸成
分ｖｙとに分けて考えることができる。この内ｙ軸方向
成分■ｙハ、」二記（１）の場合と同様に回転電極４の
面積を対向電極の面積よシ大きくすることで影響を完全
に除去することができる。しかし、Ｘ軸方向の変位成分
■ｘは電極間間隙ｄ１〜ｄ４を変化させるので、この場
合は咳変位叛をもちいて上記（３）式を次の（４）式の
如く書き直せばよい。なお、この変位ｖＸは検出電極５
（５ｂ　、　５　ｃ　）については間隙を大きくするよ
うに、また電極５′（５′ｂ、５′ｃ）については小さ
くするように作用することは云う迄もない。

・・・・・・・・・（３′） したがって、この（３′）式を上記（２）式のｄｏのか
ゎシに代入すれば、各電極間容量Ｃ１，Ｃ４を得ること
ができる。ざらに、こうして得られる各容量を上記（４
）式に代入すれば回転変位に比例した信号が得られるば
かシでなく、上記変位叛による影響が相殺されることに
なるため、曲げモーメントまたＩ：Ｌ横荷重の影響を全
く受けなくなることがゎがる。

一方、上記（５）式を利用すると、次式の如くとな勺、
誘電体による誘電率εの変化を完全に除去できる反面、
曲げモーメントまたけ活荷重の影響を完全には除去でき
ず、変位−が回転変位θの感度を変化させることがわか
る。しかしながら、一般にｌ’Ｊ：　’ｘ　＜ｄｏであ
ることがら、（Ｖｘ／ｄｏ　）２は極めて微少であるこ
とが予想されるので、実用上は殆んど問題がないもので
ある。例えば、この発明によるトルクセンサの冥験結果
を具体的な数値として示せば、次の通りである。

測定トルク（ＴＬ）　；　２　ｘ　１０’　ｋｇ−ｍｍ
トルク検出軸内径（Ｄｉ　）　、外径（Ｄｏ　）；　２
０ｍｍ、　２５ｍｒｎ 電極間初期間隙（ｄｏ）ＨＯ，２ｍｍ トルク検出軸の長さくｌ）　；　４６ｍｍ最大ぜん断応
力（τｍａｘ）　；１１ｋｇ／ｍｍ２回転角変位（θ）
；約０．４ｄｅｇ かかるセンサに対して測定トルクの１０％に相当する曲
げモーメントが作用したときのセンサの感ンサの形状が
円筒状に形成されているため、その曲げ剛性が極めて大
きいことによるためである。

したがって、これらの点からも（６）式による演算結果
は、笑際にｔｉｌｌ旧ノアモーメントまたは横荷重によ
る影響を殆んど受けないことがわかる。

次に、この発明によるトルクセンサを利用したトルク制
＆−１１１ｄ構付ｌ・ルクドライバについて説明する。

第４図Ｌトルクドライバの原理構成管示すブロック図、
第５図はそのｂ作を説明するための概略図、第６シ１は
トルクドライバの具体的構成図である。第４図において
、１１は基部、ＴＳはこの発明にＪ：るトルクセンサ、
１２は変換器、１３は表示器、１４は電源、１５は空気
配管、１６−２電動弁、１７Ｆｉ空気源、１８＃まネジ
締め機構、１８１はエアモータ、１８２は駆動軸、１８
３Ｆｉ、カップ基部１１ｔ−，１該トルクドライバのケ
ーシングに相当し、通當はネジ締め作業者によって保持
されるか、またはＰｈｉ定の機械に固定されている。ト
ルクセンサＴＳは該基部１１にボルト等により固着され
、該トルクセンサ甲Ｓにはエアモータ１８１が固着され
る。このエアモータ１８１のｇｆｉｌＪｉｌｌ　１８２
は、カップリング俄構１８３を介して減速または打撃機
構１８４と接続され、さらにその他端にはドライバ軸１
９が接続されている。

ネジ締めおよびトルク検出は第５図の如く行なわれる。

すなわち、同図に示されるボルト（またはナツト）Ｎは
、ネジ締め機構１８のドライバ軸１９によシ所定方向に
回転されて締め付けられると同時に、ネジ締めトルクＴ
の反力１’Ｌ（＝　−Ｔ）がネジ締め機構を介してトル
クセンサＴＳに作用する。このトルクは、トルクセンサ
リＴＳにょシ上述の如く静電容量変化に変換され、さら
に変換器１２によってトルクＴＬに比例した電気信号と
して出力され、表示器１３にて表示される。また、予め
設定されたトルク設定値に達したときは、変換器１２か
ら電動弁１６へ所定の信号が出さり、、弁の開閉が行な
われる。弁が閉じられると、エアモータ１８１への空気
源１７からの空気送入が遮断されるので・エアモータ１
８１はその動作を停止する。

μ上のように、この発明によれば、測定トルクを円筒形
のト／ｌ・り検出軸を備えたセンサにより回転変位に変
換器これを静電界１刊変化として検出するようにしたた
め、次の如き種々の利点を有する。

■精度：直線性、再現性が円筒トルク検出軸の材料特性
によって定まシ極めて優れている。

■温度特性は上記検出軸の弾性係数の温度変化のみで、
これはステンレス鋼の場合−０，０４％／℃と極めて小
さい。また、温度係数が零の合金（エリンバ−）もある
。

■安定性、信頼性；トルクセンサは金属とセラミックス
（主として絶縁体５ａ、５’ａ）のみで構成出来るため
、経年変化等の不安定要因がなく、高安定で信頼性に優
れている。

■軸力９曲げモーメント等のトルク以外の荷重に対する
影響がないか、または極めて少ない。

■トルクの１ｓｌｆｌ定範囲およびレンジアビリティ；
トルクに対する静電容量変化比が他方式、例えばストレ
インゲージ方式に比較して５〜１０倍と大きく、従って
トルクの測定範囲が広（、レンジアビリティを大きく出
来る利点がある。

■オーバロード、衝撃強さは上記検出軸の材料強度で定
まシ、ストレインゲージ等の方式に比較して２〜４倍の
強さをもつ。

■この発明によるトルクセンサを利用して、例えば第４
図の如きトルクドライバを制御することができるので、
特にトルク制御を最適化することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のトルク検出器における検出原理を説明す
るための概略図、第２図はこの発明の実施例を示す構成
図、第３図は曲げモーメントまたは横荷重が印加された
場合の回転電極の変位を説明するための説明図、第４図
はこの発明によるトルクセンサを用いたトルクドライバ
の原理構成を示すブロック図、第５図はその動作を説明
するための概略図、第６図はトルクドライバの具体的構
成図である。 符号説明 １．１′・・・・・・トルク伝達軸、２，２’・・・・
・・フランジ部、３・・−・・・円筒形トルク検出軸、
４・−・・・・回転電極、５．５・・・・・・検出電極
、５ａ　、５　ａ・・・・・・絶縁体、５ｂ。 ５ｂ、５ｃ、５’ｃ・・・・・・電極片、６・・・・・
・中空部、７・・・、・・リード線、８・・・・・・ハ
ーメチックシール部、１１・・・・・・基部、１２・・
・・・変換器、１３・・・・・・表示器、１４・・・・
・・電源、１５・・・・・・空気配管、１６・・・・・
・電動弁、１７・−・・・・空気源、１８・・・・−・
ネジ締め機構、１８１・・・・・・エアモータ、１８２
・・・・・・駆動軸、１８３・・・・・・カップリング
機構、１８４・・・・・・減速または打撃機構、１９・
・・・・・ドライバ軸、Ｐ・・・・・・トルク検出軸、
Ｇ・・・・・・ストレイン）ｙ’　−シ、　Ｔ　Ｓ・・
・・・・トルクセンサ、Ｎ・・・・−・ボルトまたはナ
ツト 代理人　弁理士　並　木　昭　夫 代理人　弁理士　松　崎　　　清 搭　１　図 Ｐ 第１）図 （Ａ） （Ｂ） 官３図 ５１；ｌ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）中空円筒体の各端部にそれぞれフランジ部を固着し
   、その一方のフランジ部には第ト電極部をまた他方のフ
   ランジ部には第２電極部をそれぞれ固着するとともに、
   該第１．第２電極部を前記中空円筒体内に互いにだ「定
   の間隙をもって対向配置し、前記一対の７ランク部の少
   なくとも一方に測定トルクを作用させたとき生じる該第
   １．第２電極部の相対的回転変位を静電容量変化として
   とシ出ずことを特徴とするトルク検出器。 ２、特許請求の範囲第１項に記載のトルク検出器におい
   て、前記第２電極部は少なくとも一対の電極片を備えて
   なることを特徴とするトルク検出器。 ３）特許請求の範囲第１項に記載のトルク検出器におい
   て、前記第２電極部は各々電極片を備えた一対の電極を
   有し、該各電極が前記第１電極部に対して軸対称となる
   ように配置されてなることを特徴とするトルク検出器。 ４）特許請求の範囲第３項に記載のトルク検出器におい
   で、前記各電極はそれぞれ少なくとも一対の電極片を備
   えてなることな特徴とするトルク検出器。