JPWO2005075950A1

JPWO2005075950A1 - トルク計

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Publication number: JPWO2005075950A1
Application number: JP2005517590A
Authority: JP
Inventors: 昭生高村; 謙一大塚; 宮田　徹; 徹宮田
Original assignee: Ono Sokki Co Ltd
Current assignee: Ono Sokki Co Ltd
Priority date: 2004-02-04
Filing date: 2004-02-04
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2024-02-04
Also published as: JP4368353B2; EP1719991A1; US7520182B2; EP1719991A4; US20070180931A1; WO2005075950A1

Abstract

各種の荷重の影響を受けずに、トルクだけを検出することにより、精度のよいトルク測定を可能とする。動力伝達経路中に配置され、測定すべきトルクを受けて変形する弾性部材（１０）と、弾性部材（１０）の変形に基づいて、トルクを検出するトルク検出手段（２０）とを備え、弾性部材（１０）は、回転駆動機の本体部側に固定される第１固定部（入力部）（１１）と、回転駆動機の固定部側に固定される第２固定部（出力部）（１２）と、第１固定部（１１）と第２固定部（１２）との間に配置される変形部（１３）とを備え、変形部（１３）は、８個の孔部（１４）が形成されており、各孔部（１
４）の間の繋ぎ部分は、１つおきに、弾性部材（１０）に加えられるトルクを受けるトルクメンバー（１５）と、トルクメンバー（１５）とは分離して設けられ、弾性部材（１０）の荷重を支える荷重メンバー（１６）になっている。

Description

本発明は、電動機や減速機等の回転駆動機の出力軸に生じる駆動トルクなどを測定するトルク計に関するものである。

この種のトルク計は、回転軸又は静止軸等の軸を中心とするモーメントを測定するものである。
通常、トルクの検出は、トルクによって発生する軸の捩り力、又は、トルクによって変形する軸の捩り角度を検出する方法がとられている。捩り力を検出する手段は、受けた力に比例した電荷を発生する圧電素子を使ったものが知られており、トルクを力として検出することができる。また、磁歪素子は、力を受けると磁気的特性が変化する素材を用いた素子であり、トルクを力として検出するものである。一方、捩れ角度を検出する手段は、歪みゲージ方式、回転パスル位相差方式がよく知られており、軸の微小な捩れ角を微小変位として検出することができる。
特許文献１は、回転駆動機に設けたフランジと回転駆動構造物との間に装着され、中心部に回転駆動機の出力軸が通る中心貫通穴を有する板状弾性体を備え、中心貫通穴の周囲に設けられフランジとの締結手段を有するフランジ固定部と、フランジ固定部の外側に設けられ回転駆動構造物の固定ベースとの締結手段を有するベース固定部とが結合されたトルク伝達部位に削孔された複数の円形穴を有し、その円形穴の内面には、ひずみゲージが接着され、トルク伝達部位に働くトルクによるひずみが測定され、出力軸に生じる駆動トルクが検出されるトルク計を開示している。
しかし、特許文献１のようなトルク計は、回転軸、静止軸には、上記モーメント以外に、スラスト荷重（軸方向荷重）、ラジアル荷重（半径方向荷重）、曲げ荷重、遠心荷重などの荷重が同時に加わることが多い。
従って、トルク以外の力の影響を避けるためには、上記捩り力又は捩り角度がこれらの荷重によって影響を受けないように工夫する必要がある。
トルク以外の力の影響を受けないようにするために、特許文献２は、トルク検出に複数のセンサーを差動センサー構造で取り付け、トルクに対しては、各センサーを加算して出力が大きくなるようにし、トルク以外の変化に対しては、各センサーを差し引きして出力が小さくなるようにすることを提案している。
しかし、特許文献２は、作動構造によってトルク以外の影響を小さくすることができるが、その影響を十分小さくするためには、センサー間のアンバランス、構造のアンバランスなどによる影響を除去しなければならず、製造が困難になるという問題があった。
特開２００３−８３８２４号公報特開昭５３−１０６１８１号公報

本発明の目的は、上述した各種の荷重の影響を受けずに、トルクだけを検出することにより、理想的にはトルク以外の影響はゼロにして、精度のよいトルク測定ができるトルク計を提供することである。
前記課題を解決するために、第１の発明は、動力伝達経路中に配置され、測定すべきトルクを受けて変形する弾性部材と、前記弾性部材の変形に基づいて、トルクを検出するトルク検出手段と、を含むトルク計において、前記弾性部材に加えられるトルクを受けるトルクメンバーと、前記トルクメンバーとは分離して設けられ、前記弾性部材の荷重を支える荷重メンバーと、を備えることを特徴とするトルク計である。
第２の発明は、第１の発明のトルク計において、前記弾性部材は、入力部と、出力部と、前記入力部と前記出力部との間に配置される変形部とを備え、前記トルクメンバー及び前記荷重メンバーは、前記変形部に形成されていること、を特徴とするトルク計である。
第３の発明は、第１又は第２の発明のトルク計において、前記弾性部材は、フランジ型の部材であり、前記トルクメンバー及び荷重メンバーは、前記弾性部材に形成された薄肉部であり、前記トルクメンバーは、トルク方向と平行に、薄肉部の面方向が配置され、前記荷重メンバーは、トルク方向に平行に、薄肉部の厚み方向が配置されること、を特徴とするトルク計である。
第４の発明は、第１又は第２の発明のトルク計において、前記弾性部材は、トーションバー型の部材であり、前記トルクメンバーは、小径軸部であり、前記荷重メンバーは、前記小径軸部の放射方向に形成され、捩じりモーメントの方向に面方向が配置された薄肉部であること、を特徴とするトルク計である。
第５の発明は、第１又は第２の発明のトルク計において、前記弾性部材は、円筒型の部材であり、前記トルクメンバーは、円弧方向に配置された薄肉部であり、前記荷重メンバーは、放射方向に配置された薄肉部であること、を特徴とするトルク計である。
第６の発明は、第１から第５までのいずれか１つの発明のトルク計において、前記トルク検出手段は、前記トルクメンバー及び／又は前記荷重メンバーに取り付けること、を特徴とするトルク計である。
第７の発明は、第１から第６までのいずれか１つの発明のトルク計において、前記トルク検出手段は、２種類以上の手段を用いること、を特徴とするトルク計である。
以上説明したように、本発明によれば、以下のような効果がある。
（１）トルクメンバーと荷重メンバーに分けたので、トルク以外の荷重は、主に荷重メンバーで支えることができ、トルクへの影響が小さくなる。したがって、同じトルク感度のトルク検出手段に対して、耐荷重を大きくすることができる。
（２）トルク検出手段は、トルクメンバーに取り付けることも、トルクメンバー以外の部分に取り付けることができるので、取付場所の自由度が増し、作りやすい構造とすることができる。また、トルク検出手段は、トルクメンバー以外の部分に取り付ければ、調節時にトルクメンバー間のばらつきを小さくするための追加加工がし易くなり、アンバランスを小さくすることができる。さらに、トルク検出手段は、トルクメンバーと荷重メンバーの両方に取り付けることにより、後者の信号をトルクの補正信号とすることができ、精度を向上させることができる。
（３）トルク検出手段は、２種類以上用いることができ、複数種類のトルク検出手段を使うことにより、目的に応じて切り替えて使ったり、複数種類のトルク検出手段の信号を演算混合して、温度などの補正をより正確に行ったりできるようになる。

図１は、本発明によるトルク計の実施例１を示す図である。
図２は、実施例１によるトルク計のトルクメンバーと荷重メンバーの負荷を受ける方向を示す図である。
図３は、実施例１によるトルク計のトルクメンバーの変形方向を示す図である。
図４は、実施例１によるトルク計の荷重メンバーの変形方向を示す図である。
図５は、実施例１によるトルク計のトルクメンバーと荷重メンバーをモデル化して、トルクと荷重のかかり方を説明する図である。
図６は、本発明によるトルク計の実施例２を示す図である。
図７は、本発明によるトルク計の実施例３を示す図である。
図８は、本発明によるトルク計の実施例４を示す図である。
図９は、本発明によるトルク計の実施例５を示す図である。
図１０は、本発明によるトルク計の実施例６を示す図である。
図１１は、本発明によるトルク計の実施例７を示す図である。
図１２は、本発明によるトルク計の実施例８を示す図である。

本発明は、各種の荷重の影響を受けずに、トルクだけを精度よく検出するという目的を、トルクメンバーと荷重メンバーを分離することによって実現する。
以下、図面等を参照して、本発明の実施例をあげて、さらに詳しく説明する。

図１は、本発明によるトルク計の実施例１を示す図である。
実施例１のトルク計１は、動力伝達経路中に配置され、測定すべきトルクを受けて変形する弾性部材１０と、弾性部材１０の変形に基づいて、トルクを検出するトルク検出手段２０とを備えている。
弾性部材１０は、回転駆動機（不図示）の本体部とその回転駆動機の固定部との間に配置される。この弾性部材１０は、アルミニウム等の金属製であって、所定の肉厚を有し、その上下面が互いに平行なフランジ型の部材である。
この弾性部材１０は、回転駆動機の本体部側に固定される第１固定部（入力部）１１と、回転駆動機の固定部側に固定される第２固定部（出力部）１２と、第１固定部１１と第２固定部１２との間に配置される変形部１３とを備えている。
変形部１３は、複数（ここでは８個）の孔部１４が形成されており、各孔部１４の間の繋ぎ部分は、１つおきに、トルクメンバー１５と荷重メンバー１６になっている。
トルクメンバー１５は、弾性部材１０に加えられるトルクを受ける部分であり、図１（Ｂ）に示すように、弾性部材１０のトルク方向と平行に、面方向が配置される薄肉部である。
荷重メンバー１６は、トルクメンバー１５とは分離して設けられ、弾性部材１０の荷重を支える部分であり、弾性部材１０のトルク方向に平行に、厚み方向が配置される薄肉部である。
トルク検出手段２０は、実施例１では、トルクメンバー１５上に歪みゲージを貼りつけてあり、従来の差動センサー構造でトルクを検出している。
なお、トルク検出手段２０、例えば、歪みゲージなどは、トルクメンバー１５に取り付けるが、それと別の部分に取り付けてもよいし、一部のトルクメンバー１５のみに貼り付けてもよい。
図２は、実施例１によるトルク計のトルクメンバーと荷重メンバーの負荷を受ける方向を示す図、図３は、実施例１によるトルク計のトルクメンバーの変形方向を示す図、図４は、実施例１によるトルク計の荷重メンバーの変形方向を示す図である。
トルクメンバー１５は、図２（Ａ）に示すように、トルクＴとラジアル荷重Ｒａが面方向にかかり、スラスト荷重ＳとモーメントＭが厚さ方向にかかるので、トルクＴによる変形が、図３（Ａ）のようになり、スラスト荷重ＳとモーメントＭによる変形が、図３（Ｂ）のようになり、ラジアル荷重Ｒａによる変形が、図３（Ｃ）のようになる。
荷重メンバー１６は、図２（Ｂ）に示すように、トルクＴが厚さ方向にかかり、ラジアル荷重Ｒａ、スラスト荷重Ｓ、モーメントＭが面方向にかかるので、トルクＴによる変形が、図４（Ａ）のようになり、スラスト荷重ＳとモーメントＭによる変形が、図４（Ｂ）のようになり、ラジアル荷重Ｒａによる変形が、図４（Ｃ）のようになる。
図５は、実施例１によるトルク計のトルクメンバーと荷重メンバーをモデル化して、トルクと荷重のかかり方を説明する図である。
トルクメンバー１５、荷重メンバー１６を同じ断面積で同じタテ、ヨコ比の直方体としたとき（例えば、タテ、ヨコ比は１：５とする）、トルクメンバー１５と荷重メンバー１６の差は、それぞれの力を受ける方向の違いと考えられる。但し、ラジアル方向については、トルクメンバー１５も荷重メンバー１６も同等であるので、ここでは考えない。
この直方体（図５（Ａ））を、両端固定の梁と考えたときに、荷重（Ｒ）に対するたわみδは、次式（１）で表される。
δ＝（Ｌ^３／１２Ｅ）・（１／Ｉ）・Ｒ …（１）
次に、トルクメンバー１５と荷重メンバー１６の荷重分担比を求める。
トルクメンバー１５と荷重メンバー１６が同時に存在した場合に、負荷がかかったときのたわみは、同じであり、そのときの分担される負荷をＲ１、Ｒ２とすると、次式（２）が成り立つ。
（Ｌ^３／１２Ｅ）・（１／Ｉ１）・Ｒ１
＝（Ｌ^３／１２Ｅ）・（１／Ｉ２）・Ｒ２ …（２）
Ｅ、Ｌが同じであるとすれば、次式（３）で表される。
（Ｉ２／Ｉ１）＝（Ｒ２／Ｒ１） …（３）
ここで、図５（Ｄ）に示すように、タテ、ヨコ比１対５の直方体で考えているので、断面２次モーメントは、Ｉ＝（１／１２）ｂｈ^３で表されるので、
Ｉ１＝（１／１２）ｈ・（５ｈ）^３＝（１／１２）・１２５ｈ^４ …（４）
Ｉ２＝（１／１２）５ｈ・（ｈ）^３＝（１／１２）・５ｈ^４ …（５）
（Ｒ２／Ｒ１）＝（Ｉ２／Ｉ１）＝（１／２５） …（６）
上記の例では、トルクメンバー１５は、トルクに対応する負荷を、荷重メンバー１６の２５倍分担することになる。したがって、内部応力が発生し、ゆがみを感度よく測定することができる。
一方、スラスト荷重、モーメントに関しては、トルクとは逆になり、トルクメンバー１５が荷重メンバー１６の１／２５（断面２次モーメントの比）の負荷を分担することになる。
以上のように、実施例１のトルク計１は、トルクメンバー１５と荷重メンバー１６の断面形状を、荷重方向に適切に合わせることで、受ける力を意識的に選択できるので、トルクメンバー１５を適切に決めた上で、要求されるその他の荷重負荷能力に合せて荷重メンバーを適切に配置することができる。
したがって、トルク以外の荷重は、主に荷重メンバー１６で支えることができ、トルクへの影響が小さくなる。したがって、同じトルク感度のトルク検出手段２０に対して、耐荷重を大きくすることができる。
つまり、トルク計１は、作動センサー構造に加えて、トルクを受ける部材であるトルクメンバー１５と、それ以外の例えば、荷重を受ける部材である荷重メンバー１６を構造的に分離して、荷重はトルクとは別に支えるようにしたので、これらのトルクへの影響を一層小さくすることができる。
また、トルクメンバー１５と荷重メンバー１６を分離することにより、荷重の影響を小さくすることができ、捩り量は変えずに（トルクに対する感度は変えずに）、荷重剛性のみ強くすることができる。

図６は、本発明によるトルク計の実施例２を示す図である。
なお、以下に示す各実施例では、前述した実施例１と同様な機能を果たす部分には、同一の符号又は末尾に統一した符号を付して、重複する説明や図面を適宜省略する。
実施例２のトルク計１Ｂでは、変形部１３Ｂは、８本の溝部１４Ｂが形成されており、各溝部１４Ｂの間の繋ぎ部分は、１つおきに、トルクメンバー１５と荷重メンバー１６になっている。
実施例２によれば、万が一、トルクメンバー１５、荷重メンバー１６が破損しても、溝構造部１４Ｂがガイドとなり、危険、損害を小さくする効果が期待できる。また、実施例１の孔部１４と実施例２の溝部１４Ｂの構造に変えることによって、加工方法も変更でき、それらを適宜選択することができる。

図７は、本発明によるトルク計の実施例３を示す図である。
実施例３のトルク計１Ｃでは、変形部１３Ｃは、４本の溝部１４Ｃが形成されており、各溝部１４Ｃの間の繋ぎ部分は、１つのトルクメンバー１５Ｃを挟んで、２つの荷重メンバー１６Ｃ，１６Ｃが配置されている。
このように、トルクメンバーと荷重メンバーの数は、異なっていてもよい。つまり、実施例３によれば、トルク以外の加重の大きさに合わせて、荷重メンバーの数を選択することができる。

図８は、本発明によるトルク計の実施例４を示す図である。
実施例４のトルク計１Ｄでは、変形部１３Ｄは、８本の溝部１４Ｄが形成されており、各溝部１４Ｄの間の繋ぎ部分は、１つおきに、トルクメンバー１５Ｄと荷重メンバー１６Ｄになっている。
この実施例４では、さらに、トルクメンバー１５Ｄと荷重メンバー１６Ｄとに、別の種類のトルク検出手段２１、２２が設けられている。
例えば、トルク検出手段２１は歪ゲージ、トルク検出手段２２は応答性のよい静電容量式センサーを用いるなど、用途に合わせて、いずれかのセンサーの信号を用いることができる。つまり、応答性は必要であるが、安定性（ノイズ、温特）はそれほど必要ない場合、逆に、応答性はそれほど必要なく、安定性は必要である場合などのように、使用用途によって、トルク検出手段を適宜選択することができる。
実施例４では、トルク検出手段２１、２２は、トルクメンバー１５Ｄと荷重メンバー１６Ｄの両方に取り付けることにより、後者の信号をトルクの補正信号とすることができ、精度を向上させることができる。

図９は、本発明によるトルク計の実施例５を示す図である。
実施例５のトルク計３は、動力伝達経路中に配置され、測定すべきトルクを受けて変形するフランジ型の弾性部材３０を備えている。
弾性部材３０は、アルミニウム等の金属製であって、所定の肉厚を有し、その上下面が互いに平行な車輪状の部材である。
この弾性部材３０は、回転駆動機の本体部側に固定される第１固定部（入力軸）３１と、回転駆動機の固定部側に固定される第２固定部（出力軸）３２と、第１固定部３１と第２固定部３２との間に配置される変形部３３とを備えている。
実施例５では、変形部３３は、１つおきに、トルクメンバー３５と荷重メンバー３６とが交互にスポーク状に配置されている。
トルクメンバー３５は、図９（Ｂ）に示すように、弾性部材３０のトルク方向と平行に、面方向が配置される薄肉部である。荷重メンバー３６は、図９（Ｃ）に示すように、トルク方向に平行に、厚み方向が配置される薄肉部である。トルク検出手段４０は、トルクメンバー３５上に貼りつけられた歪みゲージである。

図１０は、本発明によるトルク計の実施例６を示す図である。
実施例６のトルク計３Ｂでは、フランジ型の弾性部材３０Ｂの変形部３３Ｂは、トルクメンバー３５Ｂと荷重メンバー３６Ｂで第１固定部３１と第２固定部３２とを連結している点で、実施例５と類似している。
しかし、トルクメンバー３５Ｂは、図１０（Ｂ）に示すように、第１固定部３１の接線方向に、３本配置された薄肉部分である。荷重メンバー３６Ｂは、第１固定部３１の放射方向に、３本配置された薄肉部分である。トルク検出手段４０は、トルクメンバー３５Ｂ上に貼りつけられた歪みゲージである。

図１１は、本発明によるトルク計の実施例７を示す図である。
実施例７のトルク計５は、動力伝達経路中に配置され、測定すべきトルクを受けて変形するトーションバー型の弾性部材５０を備えている。
弾性部材５０は、アルミニウム等の金属製であって、所定の直径の軸部材である。この弾性部材５０は、図１１（Ａ）に示すように、第１固定部（入力軸）５１と、第２固定部（出力軸）５２と、第１固定部５１と第２固定部５２との間に配置される変形部５３とを備えている。
実施例７では、変形部５３は、図１１（Ｂ）に示すように、４個の切削部５４が形成されている。トルクメンバー５５は、小径の軸部分である。荷重メンバー５６は、トルクメンバー５５の放射方向に配置され、トルク方向に平行に、厚み方向が配置された薄肉部である。
トルク検出手段６０は、弾性部材５０の入力側と出力側に設けられたエンコーダ盤６１、６２を非接触のセンサー６３、６４で検出するようにしたものである。

図１２は、本発明によるトルク計の実施例８を示す図である。
実施例８のトルク計７は、動力伝達経路中に配置され、測定すべきトルクを受けて変形する円筒型の弾性部材７０を備えている。
この弾性部材７０は、図１２（Ａ）に示すように、円盤状の第１固定部（入力軸）７１と、円盤状の第２固定部（出力軸）７２と、第１固定部７１と第２固定部７２との間に配置される変形部７３とを備えている。
実施例８の変形部７３では、図１２（Ｂ）に示すように、トルクメンバー７５は、円筒の一部である４つの薄肉部分である。また、荷重メンバー７６は、放射方向に配置された薄肉部分である。
トルク検出手段８０は、トルクメンバー７５上に貼りつけられた歪みゲージである。
実施例５から実施例８は、その構造の相違によって製作、加工方法も変わるので、性能、費用等を考慮して適宜選択できる。例えば、実施例７は、構造上、軸外径を小さくできるために、慣性モーメントを小さくできるので、慣性モーメントの影響を小さくしたい場合に有用である。
（変形例）
以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の均等の範囲内である。
（１）トルクメンバーと荷重メンバーは、同数でも、数が異なっていてもよい。
（２）トルクメンバーと荷重メンバーは、連結されていてもよいが、連結されていなくてもよい。また、トルクメンバーと荷重メンバーは、対になっていなくてもよい。
（３）トルク検出手段は、複数で持っていてもよいし、複数種類持っていてもよい。
また、荷重センサーを持ち、それを補正信号として使用するようにしてもよい。

Claims

動力伝達経路中に配置され、測定すべきトルクを受けて変形する弾性部材と、
前記弾性部材の変形に基づいて、トルクを検出するトルク検出手段と、
を含むトルク計において、
前記弾性部材に加えられるトルクを受けるトルクメンバーと、
前記トルクメンバーとは分離して設けられ、前記弾性部材の荷重を支える荷重メンバーと、
を備えることを特徴とするトルク計。
請求の範囲１に記載のトルク計において、
前記弾性部材は、入力部と、出力部と、前記入力部と前記出力部との間に配置される変形部とを備え、
前記トルクメンバー及び前記荷重メンバーは、前記変形部に形成されていること、
を特徴とするトルク計。
請求の範囲１又は請求の範囲２に記載のトルク計において、
前記弾性部材は、フランジ型の部材であり、
前記トルクメンバー及び荷重メンバーは、前記弾性部材に形成された薄肉部であり、
前記トルクメンバーは、トルク方向と平行に、薄肉部の面方向が配置され、
前記荷重メンバーは、トルク方向に平行に、薄肉部の厚み方向が配置されること、
を特徴とするトルク計である。
請求の範囲１又は請求の範囲２に記載のトルク計において、
前記弾性部材は、トーションバー型の部材であり、
前記トルクメンバーは、小径軸部であり、
前記荷重メンバーは、前記小径軸部の放射方向に形成され、捩じりモーメントの方向に面方向が配置された薄肉部であること、
を特徴とするトルク計。
請求の範囲１又は請求の範囲２に記載のトルク計において、
前記弾性部材は、円筒型の部材であり、
前記トルクメンバーは、円弧方向に配置された薄肉部であり、
前記荷重メンバーは、放射方向に配置された薄肉部であること、
を特徴とするトルク計。
請求の範囲１から請求の範囲５までのいずれか１項に記載のトルク計において、
前記トルク検出手段は、前記トルクメンバー及び／又は前記荷重メンバーに取り付けること、
を特徴とするトルク計。
請求の範囲１から請求の範囲６までのいずれか１項に記載のトルク計において、
前記トルク検出手段は、２種類以上の手段を用いること、
を特徴とするトルク計。