JPS6316239A - トルクセンサ - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はトルクセンサに係り、特に、互いに同軸的にト
ルク伝達可能に連結した一対の回転軸間の伝達トルクを
検出するに通したトルクセンサに関する。

〔従来技術〕

従来、この種のトルクセンサにおいては、例えぼ、実開
昭６０−１００６４２号公報に開示されているように、
入力軸から出力軸へのトルク伝達時にこれら両軸間に生
じる相対的捩れ量、即ち伝達トルクを圧電バイモルフの
湾曲量によって検出するようにしたものがある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、このような構成においては、一般に入力
軸と出力軸との間の相対的捩れ量が少いため圧電バイモ
ルフの湾曲量も少な（、その結果、検出感度が低いとい
う不具合を招く。これに対しては、入力軸と出力軸の各
捩り剛性を低くすることが考えられるが、このようなこ
とは、両軸のトルク伝達部材としての信頼性低下につな
がり好ましくない。また、圧電バイモルフの全長を長く
してその湾曲量を増大させることも考えられるが、両軸
の一方の軸径を不必要に大きくしなければならないとい
う不具合を生じる。また、上述のような構成においては
、圧電バイモルフの両軸に対する取付精度を高（しなけ
れば同圧電バイモルフの湾曲量の精度を高く維持できず
、また、圧電バイモルフの板厚が一般に薄いため破損し
易いという不具合もある。

そこで、本発明は、上述のようなことに対処すべく、圧
電正効果を有する圧電素子を有効に活用したトルクセン
サを提供しようとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

かかる問題の解決にあたり、本発明の構成上の特徴は、
互いに同軸的にトルク伝達可能に連結した一対の回転軸
間の伝達トルクを検出するトルクセンサにおいて、機械
的高強度材料により形成されて前記一対の回転軸の相互
の各連結部間にトルク伝達可能に軸方向に介装される筒
状ケーシングと、このケーシング内にトルク検出可能に
密接して収容した圧電正効果を有する圧電素子とを設け
るようにしたことにある。

〔作用〕

このように本発明を構成したことにより、前記一対の回
転軸の回転状態における一方の回転軸から他方の回転軸
へのトルク伝達時には、前記ケーシングが前記一対の回
転軸間の相対的捩れ量に応じてその周方向に機械的歪を
生じ、前記圧電素子が前記ケーシングの機械的歪量に応
じて機械的に歪を生じるとともにこの歪量を電気的出力
に変換する。

〔効果〕

しかして、かかる作用により、前記一対の回転軸間の相
対的捩れ量が少な（でも、前記圧電素子の感度が高いた
め、小トルクをも確実に検出できる。この場合、上述し
た相対的捩れ量が前記ケーシングを介し前記圧電素子に
確実に伝達されるので、トルク検出精度を高く維持でき
る。また、前記ケーシングが機械的高強度材料からなる
ので、前記圧電素子が破損することもない。また、前記
ケーシング内に前記圧電素子を収容して前記一対の回転
軸の各連結部間に介装するのみでよいので、前記ケーシ
ングの外形寸法を前記圧電素子に合わせて非常に小さく
することができ、その結果、いかなる両回転軸の連結部
間にも本発明を通用し得る。また、前記圧電素子を収容
した前記ケーシングを、前記一対の回転軸の各キー溝内
に嵌合してキーとしての役割を果させても、前記ケーシ
ングが機械的高強度材料からなるとともに前記圧電素子
が前記ケーシング内に密接して収容されているため、十
分なトルク伝達機能を確保し得るとともにキーの省略に
も役立つ。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面により説明すると、第１
図及び第２図は、駆動軸１０から被駆動軸２０への伝達
トルクの検出に対し本発明に係るトルクセンサＳが通用
された例を示している。駆動軸１０は筒状軸端部１１を
有しており、この筒状軸端・部１１の内周面には軸方向
に沿いキー溝１１ａが穿設されている。被駆動軸２０は
、駆動軸１０の軸端部１１内に同軸的に嵌合した軸端部
２１を有しており、この軸端部２１の外周面にはキー溝
２１ａがキー溝１１ａに対向して軸方向に沿い穿設され
ている。なお、両キー？ｊＳ１１ａ″、２１ａはＪＩＳ
規格のもとに同一幅Ｗにて形成されている。

トルクセンサＳは、両生−溝１１ａ、２１ａ内に第１図
及び第２図に示すごとく嵌合したセンサ本体３０を備え
ており、このセンサ本体３０は、圧電正効果を有する圧
電素子３１と、この圧電素子３１に並設した百花縁片３
２．３３と、これら圧電素子３１及び百花縁片３２．３
３を収容する筒状ケーシング３４とにより構成されてい
る。圧電素子３１は、圧電性セラミックス（例えば、Ｐ
ｂ　（Ｚ　ｒ、−ＸＴ　ｉｘ）　０３　）からなる帯状
部材３１ａの両表面に、銀ペーストからなる両電極層３
１ｂ、３１ｃをそれぞれ焼成して形成されていて、この
圧電素子３１はその板厚方向に加わる応力に応じた帯状
部材３１ａの機械的歪量を電気量に変換しこの電気量を
電極層３１ｂに正電荷として発生するとともに電極層３
１ｃに負電荷として発生する。

百花縁片３２．３３は共に被削性セラミックス（商品名
：マコール）により圧電素子３１と同−幅及び同一長さ
に形成されており、これら各絶縁片３２．３３はその各
−側表面にて圧電素子３１の各電極層３１ｂ、３１ｃに
それぞれ密接している。ケーシング３４は、ステンレス
鋼により断面３学状に形成した一対の長手状のケーシン
グ部材３４ａ、３４ｂを有しており、これら各ケーシン
グ部材３４ａ、３４ｂは、第１図に示すごとく、その内
部にて絶縁片３２、圧電素子３１及び絶縁片３３を挟持
して収容すべく、その各開口端を、弾力性を有する各接
着層３４Ｃ，３４Ｃを介し対向させて互いに接着しケー
シング３１ｃを構成している。

かかる場合、圧電素子３１及び各絶縁片３２゜３３を挟
持した状態におけるケーシング３４の第１図にて図示左
右方向の幅は各キー溝１１ａ、２１ａの幅Ｗに等しい。

従って、ケーシング３４は第１図にて図示左右側壁の内
外表面にて各絶縁片３２．３３の外表面及び各キー溝１
１ａ、２１ａの左右内表面にそれぞれ一様に密接してい
る。また、各ケーシング部材３４ａ、３４ｂの第１図に
て図示左右方向長さを各キー？Ｊｉｌｌａ、２１ａの＠
Ｗ／２より短くし、かつ各接着層３４Ｃ，３４Ｃを、ク
ロロプレンゴム系液状接着剤を硬化させて形成すること
により、各ケーシング部材３４ａ。

３４ｂによる圧電素子３１及び百花縁片３２．３３に対
する挟持を確保するようにしである。なお、各絶縁片３
２．３３は圧電素子３１の各電極層３１ｂ、３１Ｃをケ
ーシング３４から絶縁する役目を果す。また、センサ本
体３０の両長手方向端面ば防水性絶縁材料により密封し
である。

また、トルクセンサＳは、リング４０と、静電容量型ビ
ックアンプ５０を備えており、リング４０は、駆動軸１
０の先端近傍にて被駆動軸２ｏの環状外周部分に嵌着し
た絶縁リング４１と、この絶縁リング４１の表面に設け
た銅箔からなる導体リング４２とにより構成されている
。絶縁リング４１は絶縁性合成樹脂材料（例えば、ナイ
ロン６６）により形成されて導体リング４２を被駆動軸
２０から絶縁する。導体リング４２は、第２図及び第３
図に示すごとく、被覆導線４２ａにより圧電素子３１の
電極層３１ｂに接続されて、この電極層３１ｂから正電
荷を付与される。ピンクアップ５０は、その検出端部５
１を微少空隙（０，２〜１１ｍ）を介し導体リング４２
に対向させて固定されており、このピックアップ５０は
、導体リング４２の正電荷を検出し検出信号として発生
する。

かかる場合、この検出信号の値は駆動軸１０から被駆動
軸２０への伝達トルクに相当する。

以上のように構成した本実施例において、被駆動軸２０
に適宜な負荷を加えた状態にて駆動軸１０を回転させる
と、駆動軸１０から被駆動軸２０にトルクが伝達される
。しかして、かかるトルク伝達状態においては、被駆動
軸２０と駆動軸１０との間に伝達トルクに比例する相対
的捩れ量が生じセンサ本体３０の上側半分及び下側半分
に対し互いに反対方向に向かう応力として作用する。す
ると、センサ本体３０のケーシング３４の上側半分及び
下側半分が前記各応力に比例する量にて互いに反対方向
に機械的歪を生じ各絶縁片３２．３３に伝達する。

ついで、各絶縁片３２．３３がその各上側半分及び下側
半分にてケーシング３４と同様に反対方向に機械的歪を
生じ圧電素子３１に伝達する。すると、圧Ｎ素子３１が
、その各上側半分及び下（１１半分にて各絶縁片３２．
３３と同様に機械的歪を生じ、この機械的歪量を電気量
に変換し、かつこの電気量を電極層３１ｂから正電荷と
して発生する。かかる場合、圧電素子３１の各電極ｍ３
　ｌ　ｂ。

３１ｃが各絶縁片３２．３３及びケーシング３４の各側
壁を介し各キー溝１１ａ、２１ａの各左右内表面にそれ
ぞれ密接しているので、被駆動軸２０と駆動軸１０との
間の相対的捩れ量、即ち伝達トルクがケーシング３４、
各絶縁片３２．３３及び圧電素子３１の各機械的歪量に
対し比例関係にて一義的に対応することとなる。従って
、電極層３１ｂからの正電荷は前記伝達トルクに比例し
た値となる。上述のように電極層３１ｂから正電荷が生
じると、この正電荷が被覆導線４２ａを通し導体リング
４２に付与され、ピックアップ５０が導体リング４２の
正電荷を検出し検出信号として発生する。

従って、駆動軸１０から被駆動軸２０へのトルク伝達時
には、これら両軸間の相対的捩れ量が少なくでも、圧電
素子３１が高感度を有するため、小トルクをも確実に検
出できる。かかる場合、各キー溝１１ａ、２１ａの第１
図にて図示左右内表面、ケーシング３４の左右各側壁の
内外表面、各絶縁片３２．３３の各表面及び圧電素子３
１の各表面が上述のごとく密接状態にあるので、トルク
棟出精度を高（維持できる。また、ケーシング３４艇ス
テンレス鋼からなるので、圧電素子３１の破損を招くこ
ともない。また、ケーシング３４内に両地縁片３２．３
３及び圧電素子３１を収容して各キー溝１１ａ、２１ａ
内に嵌合するのみでよいので、ケーシング３４の外形寸
法を圧電素子３１に合わせて非常に小さくでき、その結
果、いかなる回転軸にも利用できる。また、センサ本体
３０を各キー１ｆｉｌｌａ、２１ａ内に嵌合しであるの
で、間センサ本体３０にキーとしての役割をも果させる
ことができる。かかる場合、センサ本体３０の各構成部
材の材料及び密接状態からしてセンサ本体３０がキーと
同様のトルク伝達機能を保有し得る。

なお、前記実施例においては、圧電素子３１の電極Ｊｉ
ｉ３１ｂを被覆導線４２ａにより導体リング４２に接続
するようにしたが、これに限らず、第４図に示すごと（
、リング４０Ａをリング４０に代えて採用するとともに
静電容量型ピックアップ５０Ａをピックアップ５０に代
えて採用し、圧電素子３１の電極層３１ｂを被覆導線４
２ａによりリング４ＯＡの導体リング４２に接続すると
ともに電極層３１Ｃを被覆導線４２Ａによリーリング４
０Ａの導体リング４２Ａに接続して実施してもよい。か
かる場合、ピックアップ５０Ａにおいてその検出端部５
１Ａによる導体リング４２Ａからの検出負電荷を極性反
転処理して検出端部５１による検出結果に加算するよう
にすれば、検出感度を二倍に向上させ得る。なお、符号
４１Ａは絶縁リングを示す。

また、本発明の実施にあたっては、圧電素子３１として
、ＰＭＮ等の電歪材料、高分子材料に圧電性セラミック
スを分散させてなる圧電性コンポジフト材料、或いは高
分子系圧電材料から形成した圧電素子を採用して実施し
てもよい。

また、本発明の実施にあたっては、ケーシング３４を絶
縁性機械的高強度材料により形成して両地縁片３２．３
３を省略するようにしてもよい。

また、前記実施例においては、駆動軸１０及び被駆動軸
２０に各車−のキー溝を設けて単一のセンサ本体３０を
嵌合させるようにしたが、これに附らず、両軸１０，２
０に各複数のキー溝を設けて複数のセンサ本体３０をそ
れぞれ嵌合して実施してもよい。

また、前記実施例においては、センサ本体３０を各キー
溝１１ａ、２１ａ内に嵌合するようにしたが、これに代
えて、一対の回転軸間のスプライン嵌合連結部において
、一方の回転軸のスプライン部の一外歯を除去した部分
に同外歯に代えてセ・　　ンサ本体３０を嵌合するよう
にしてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の通用例を示す横断面図、第２図は同
縦断面図、第３図は圧電素子とスリップリングとの接続
関係を示す概略図、及び第４図は同変形例を示す概略図
である。 符号の説明 Ｓ・・・トルクセンサ、１０・・・駆動軸、１１・・筒
状軸端部、ｌｌａ、２１ａ・・・キー溝、３０・・・セ
ンサ本体、３１・・・圧電素子、３４・・・ケーシング
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 互いに同軸的にトルク伝達可能に連結した一対の回転軸
   間の伝達トルクを検出するトルクセンサにおいて、機械
   的高強度材料により形成されて前記一対の回転軸の相互
   の各連結部間にトルク伝達可能に軸方向に介装される筒
   状ケーシングと、このケーシング内にトルク検出可能に
   密接して収容した圧電正効果を有する圧電素子とを設け
   るようにしたことを特徴とするトルクセンサ。