JP2020071161A - トルク検出器及びモータ評価システム - Google Patents

Abstract

【課題】負荷の偏りや偏心等による影響を抑制し、高精度なリニアリティを得ることができるトルク検出器を提供すること。【解決手段】トルク検出器は、回転自在で、歪みを生じる起歪部を有するトーションバーと、起歪部に貼りつけられるｎ個（ｎは２以上の自然数）の歪ゲージと、を備え、起歪部の外周の長さをＬ、起歪部の外周方向に沿った、ｎ個の歪ゲージの幅の合計をＷＴとしたとき、ＷＴ／Ｌで求められる受感部比が１３％以上である。このトルク検出器は、モータ評価システムに用いることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、回転自在で、歪みを生じる起歪部を有するトーションバーと、起歪部に貼りつけられる複数の歪ゲージと、を備えたトルク検出器及びモータ評価システムに関する。

歪ゲージを起歪部に添着してトルクを検出するトルク検出器として、例えば特許文献１に、回転体のトルク測定装置が記載されている。特許文献１に記載されたトルク測定装置は、回転力伝達系中の駆動軸側と負荷軸側との間に介挿され、両軸間に伝達されるトルクを測定する回転体のトルク測定装置である。負荷軸の中間部は、細径に削成された、起歪部が設けられており、その起歪部の円周上には、１８０°の角度間隔をあけて少なくとも二対のひずみゲージＳＧ１、ＳＧ２が添着されている。

特開２００７−３２７８９０号公報

トルク検出器において、起歪部に歪ゲージを貼り付けたときに、負荷の偏りや偏心等により、高精度なリニアリティを得ることができない場合があった。

本発明は、負荷の偏りや偏心等による影響を抑制し、高精度なリニアリティを得ることができるトルク検出器及びモータ評価システムを提供することを目的とする。

（１） 本発明に係るトルク検出器は、回転自在で、歪みを生じる起歪部を有するトーションバーと、
前記起歪部に貼りつけられるｎ個（ｎは２以上の自然数）の歪ゲージと、を備え、
前記起歪部の外周の長さをＬ、前記起歪部の外周方向に沿った、前記ｎ個の歪ゲージの幅の合計をＷＴとしたとき、ＷＴ／Ｌで求められる受感部比が１３％以上である、トルク検出器である。
なお、「起歪部の外周の長さ」とは、例えば、後述する図３の（Ａ）から（Ｃ）に示すように、起歪部が円柱の場合は、円柱の断面の円周の長さをいい、図６に示すように、起歪部が２つの切断側面が対向するように切断された円柱の場合は、切断された円柱の断面の２つの円弧と２つの直線（切断線）との合計の長さをいい、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示すように、穴が設けられた円柱の場合は、穴が設けられた円柱の断面の２つの円弧の合計の長さをいう。

（２） 上記（１）のトルク検出器において、前記歪ゲージの数は２個であってよい。

（３） 上記（１）のトルク検出器において、前記歪ゲージの数は４個以上であってもよい。

（４） 本発明に係るモータ評価システムは、上記（１）から（３）のいずれかのトルク検出器と、該トルク検出器に含まれるトーションバーの一端と連結される駆動モータと、前記トーションバーの他端と連結される負荷モータとを備えた、モータ評価システムである。

本発明によれば、負荷の偏りや偏心等による影響を抑制し、高精度なリニアリティを得ることができる。

本発明の一実施形態のトルク検出器を含むモータ評価システムの構成を示す構成図である。 歪ゲージの一構成例を示す平面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は歪ゲージが貼りつけられた起歪部の構成例を示す断面図である。 （Ａ）は、図３の（Ａ）に示した２つの歪ゲージが貼りつけられた起歪部の歪みを検出するホイートストンブリッジ回路を示す図、（Ｂ）は、図３の（Ｃ）に示した４つの歪ゲージが貼りつけられた起歪部の歪みを検出するホイートストンブリッジ回路を示す図である。 受感部比とリニアリティとの関係を示す特性図である。 起歪部の形状が、２つの切断側面が対向するように切断された円柱形状である場合を示す断面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、起歪部の形状が、穴が設けられた円柱形状である場合の断面図及び側面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態のトルク検出器を含むモータ評価システムの構成図である。

図１に示すように、モータ評価システム１は、トルク検出器１０、駆動モータ２０、負荷モータ３０、カップリング（軸継手）４０、５０及び基台６０を備えている。基台６０上にトルク検出器１０、駆動モータ２０、負荷モータ３０が搭載される。
また、駆動モータ２０は回転軸２０−１、負荷モータ３０は回転軸３０−１をそれぞれ備えている。

トルク検出器１０は、トルク検出器本体１１、軸受１２、及びトーションバー１３を備えている。軸受１２はトルク検出器本体１１の両側面に取り付けられる。
トーションバー１３は、第１及び第２の回転軸１３−１、１３−３と、起歪部１３−２とからなる。第１の回転軸１３−１は、軸受１２を介してトルク検出器本体１１の外に突き出す第１部分１３−１１と、この第１部分１３−１１と接続され且つトルク検出器本体１１内に配置される、第１部分１３−１１よりも直径の大きい第２部分１３−１２とからなる。第２の回転軸１３−３は、軸受１２を介してトルク検出器本体１１の外に突き出す第１部分１３−３１と、この第１部分１３−３１と接続され且つトルク検出器本体１１内に配置される、第１部分１３−３１よりも直径の大きい第２部分１３−３２とからなる。起歪部１３−２は、第１の回転軸１３−１の第２部分１３−１２と、第２の回転軸１３−３の第２部分１３−３２との間に設けられ、第１及び第２の回転軸１３−１、１３−３の第１部分１３−１１、１３−３１、及び第２部分１３−１２、１３−３２の直径よりも直径が小さくなっている。

トーションバー１３の第１の回転軸１３−１の第１部分１３−１１は駆動モータ２０の回転軸２０−１とカップリング４０を介して連結される。トーションバー１３の第２の回転軸１３−３の第１部分１３−３１は負荷モータ３０の回転軸３０−１とカップリング５０を介して連結される。
駆動モータ２０を回転させると、回転軸２０−１が回転し、回転軸２０−１とカップリング４０で接続される、トーションバー１３の第１の回転軸１３−１が回転する。また、トーションバー１３の第２の回転軸１３−３が回転すると、第２の回転軸１３−３とカップリング５０で接続される負荷モータ３０の回転軸３０−１が回転する。

このとき、トーションバー１３は負荷モータ３０の負荷によって、ねじれが生じ、起歪部１３−２に歪みが生ずる。
起歪部１３−２は円柱状となっており、外周面にｎ個（ｎは２以上の自然数）の歪ゲージ１５が貼り付けられている。ｎ個の歪ゲージ１５は起歪部１３−２の歪みを検出する。

図２は歪ゲージ１５の一構成例を示す平面図である。図２に示すように、歪ゲージ１５は、絶縁シート１７と、絶縁シート１７上に形成された２つの抵抗素子部１６Ａ、１６Ｂとからなる。抵抗素子部１６Ａは、端子１６Ａ−１，１６Ａ−５と、リード線１６Ａ−２，１６Ａ−４と、細線の導電体（金属箔）１６Ａ−３とを備えている。細線の導電体１６Ａ−３はジグザグ状に形成される。
抵抗素子部１６Ｂは、端子１６Ｂ−１，１６Ｂ−５と、リード線１６Ｂ−２，１６Ｂ−４と、細線の導電体（金属箔）１６Ｂ−３とを備えている。細線の導電体１６Ｂ−３はジグザグ状に形成される。抵抗素子部１６Ａと抵抗素子部１６Ｂとは線対称に形成されているが、特に線対称に配置されなくともよく、例えば、同じ形状の抵抗素子部が隣接するように配置してもよい。
抵抗素子部１６Ａ及び１６Ｂにおいて、絶縁シート１７が伸縮すると導電体１６Ａ−３及び導電体１６Ｂ−３が伸縮して、導電体１６Ａ−３及び導電体１６Ｂ−３の抵抗値がそれぞれ変化する。これらの抵抗値変化を電圧信号に変換して歪みが検出される。ここでは、歪みの検出は４つの抵抗のブリッジから構成されるホイートストンブリッジ回路を用いて検出されるため、２つ（ｎ＝２）の歪ゲージ１５の４つの抵抗素子部を用いて歪みの検出が行われる。ホイートストンブリッジ回路を用いて歪みを検出する場合には４ｍ個（ｍは自然数）の抵抗素子部、すなわち２ｍ個の歪ゲージ１５が必要になるが、ホイートストンブリッジ回路を用いないで検出する場合には特に抵抗素子部の数は限定されない。
歪ゲージ１５の枚数は、受感部比が一定値以上となるように設けられる。受感部比とは、（起歪部１３−２の外周方向に沿った、複数の歪ゲージ１５のゲージ幅Ｗの合計値ＷＴ）／（起歪部１３−２の外周の長さＬ）で求められる。

歪ゲージ１５のゲージ幅Ｗは、図２に示すように、抵抗素子部１６Ａの導電体（金属箔）１６Ａ−３の幅Ｗ1と、抵抗素子部１６Ｂの導電体（金属箔）１６Ｂ−３の幅Ｗ2との和（Ｗ＝Ｗ1＋Ｗ2）である。そして、２つの歪ゲージ１５のゲージ幅Ｗの合計値ＷＴは、ＷＴ＝２Ｗとなる。ここで、抵抗素子部１６Ａ、１６Ｂの導電体１６Ａ−３、１６Ｂ−３の幅Ｗ1、Ｗ2はそれぞれ、起歪部１３−２の外周方向に沿った長さである。
歪ゲージの形状は図２に示す構成に特に限定されない。例えば各歪ゲージは絶縁シート上に１つの抵抗素子部を形成して構成されてもよく、この場合、歪ゲージ１５のゲージ幅Ｗは１つの抵抗素子部の幅となる。また、歪ゲージは３つ以上の抵抗素子部で構成されてもよく、この場合、歪ゲージのゲージ幅Ｗは３つ以上の抵抗素子部の各幅の合計値となる。なお、２枚の絶縁シートにそれぞれ抵抗素子部を１つ形成して２つの歪ゲージを用意し、抵抗素子部が隣接するように２枚の絶縁シートを並べて配置すれば、２つの歪ゲージで図２に示す歪ゲージ１５と同様に構成することができる。

図３の（Ａ）〜（Ｃ）は歪ゲージが貼りつけられた起歪部の構成例を示す断面図である。なお、ゲージ幅ＷＡ１、ＷＡ２、ＷＢ１、ＷＢ２、ＷＣ１〜ＷＣ４は図２のゲージ幅Ｗに対応する。

図３の（Ａ）〜（Ｃ）では、受感部比が一定となるように、起歪部の外周の長さと、歪ゲージのゲージ幅の合計値とを設定している。図３の（Ａ）〜（Ｃ）に示す歪ゲージ１５Ａ−１、１５Ａ−２、１５Ｂ−１、１５Ｂ−２、１５Ｃ−１〜１５Ｃ−４は図２の歪ゲージ１５と同様な構成であり、それぞれ２つの抵抗素子部を有している。
また、図３の（Ａ）〜（Ｃ）に示すゲージ幅ＷＡ１、ＷＡ２、ＷＢ１、ＷＢ２、ＷＣ１〜ＷＣ４はそれぞれ、２つの抵抗素子部のゲージ幅の合計値である。例えば、ゲージ幅ＷＡ１は図２に示すゲージ幅Ｗ（Ｗ＝Ｗ1＋Ｗ2）に対応している。なお、図３の（Ａ）〜（Ｃ）に示す歪ゲージ１５Ａ−１、１５Ａ−２、１５Ｂ−１、１５Ｂ−２、１５Ｃ−１〜１５Ｃ−４はここでは図２の歪ゲージ１５と同様な構成としているが、特にこの構成に限定されない。
図３の（Ａ）は、円柱状の起歪部１３−２Ａに対して、歪ゲージ１５Ａ−１と歪ゲージ１５Ａ−２が互いに対向するように起歪部１３−２Ａの外周面に貼り付けられた例を示す断面図である。歪ゲージ１５Ａ−１は２つの抵抗素子部１５Ａ−１Ａ、１５Ａ−１Ｂを備え、歪ゲージ１５Ａ−２は２つの抵抗素子部１５Ａ−２Ａ、１５Ａ−２Ｂを備えている。
歪ゲージ１５Ａ−１のゲージ幅はＷＡ１、歪ゲージ１５Ａ−２のゲージ幅はＷＡ２で示される。歪ゲージ１５Ａ−１と歪ゲージ１５Ａ−２のゲージ幅Ｗの合計値ＷＴは、ＷＴ＝ＷＡ１＋ＷＡ２である。

図３の（Ｂ）は、円柱状の起歪部１３−２Ｂに対して、歪ゲージ１５Ｂ−１と歪ゲージ１５Ｂ−２が互いに対向するように起歪部１３−２Ｂの外周面に貼り付けられた例を示す断面図である。歪ゲージ１５Ｂ−１は２つの抵抗素子部１５Ｂ−１Ａ、１５Ｂ−１Ｂを備え、歪ゲージ１５Ｂ−２は２つの抵抗素子部１５Ｂ−２Ａ、１５Ｂ−２Ｂを備えている。
歪ゲージ１５Ｂ−１のゲージ幅はＷＢ１、歪ゲージ１５Ｂ−２のゲージ幅はＷＢ２で示される。歪ゲージ１５Ｂ−１と歪ゲージ１５Ｂ−２のゲージ幅Ｗの合計値ＷＴは、ＷＴ＝ＷＢ１＋ＷＢ２である。起歪部１３−２Ｂの直径は起歪部１３−２Ａの直径よりも大きく、歪ゲージ１５Ｂ−１と歪ゲージ１５Ｂ−２は、図３の（Ａ）の歪ゲージ１５Ａ−１と歪ゲージ１５Ａ−２よりも大きなゲージ幅に設定されている。

図３の（Ｃ）は、円柱状の起歪部１３−２Ｃに対して、歪ゲージ１５Ｃ−１と歪ゲージ１５Ｃ−２が互いに対向するように、且つ歪ゲージ１５Ｃ-３が起歪部１３−２Ｃの中心軸について歪ゲージ１５Ｃ−１に対して９０度ずれた位置に配置され、歪ゲージ１５Ｃ−３と歪ゲージ１５Ｃ−４が互いに対向するように、起歪部１３−２Ｃの外周面に貼り付けられた例を示す断面図である。
歪ゲージ１５Ｃ−１は２つの抵抗素子部１５Ｃ−１Ａ、１５Ｃ−１Ｂを備え、歪ゲージ１５Ｃ−２は２つの抵抗素子部１５Ｃ−２Ａ、１５Ｃ−２Ｂを備え、歪ゲージ１５Ｃ−３は２つの抵抗素子部１５Ｃ−３Ａ、１５Ｂ−３Ｂを備え、歪ゲージ１５Ｃ−４は２つの抵抗素子部１５Ｃ−４Ａ、１５Ｃ−４Ｂを備えている。
歪ゲージ１５Ｃ−１のゲージ幅はＷＣ１、歪ゲージ１５Ｃ−２のゲージ幅はＷＣ２、歪ゲージ１５Ｃ−３のゲージ幅はＷＣ３、歪ゲージ１５Ｃ−４のゲージ幅はＷＣ４で示される。歪ゲージ１５Ｃ−１〜歪ゲージ１５Ｃ−４のゲージ幅Ｗの合計値ＷＴは、ＷＴ＝ＷＣ１＋ＷＣ２＋ＷＣ３＋ＷＣ４である。起歪部１３−２Ｃの直径は起歪部１３−２Ｂの直径よりも大きく、歪ゲージ１５Ｃ−１〜歪ゲージ１５Ｃ−４は、図３の（Ｂ）の歪ゲージ１５Ｂ−１と歪ゲージ１５Ｂ−２よりも大きなゲージ幅に設定されている。

図４の（Ａ）は、図３の（Ａ）に示した２つの歪ゲージ１５Ａ−１、１５Ａ−２が貼りつけられた起歪部１３−２Ａの歪みを検出するホイートストンブリッジ回路を示す図である。図３の（Ｂ）に示した２つの歪ゲージ１５Ｂ−１、１５Ｂ−２が貼りつけられた起歪部１３−２Ｂの歪みを検出するホイートストンブリッジ回路は図４の（Ａ）に示したホイートストンブリッジ回路と同様な構成である。

図４の（Ｂ）は、図３の（Ｃ）に示した４つの歪ゲージ１５Ｃ−１、１５Ｃ−２、１５Ｃ−３及び１５Ｃ−４が貼りつけられた起歪部１３−２Ｃの歪みを検出するホイートストンブリッジ回路を示す図である。
図４の（Ｂ）に示すホイートストンブリッジ回路は、ホイートストンブリッジ回路の一辺に２つの抵抗素子部が直列接続されて構成される。すなわち、抵抗素子部１５Ｃ−３Ｂと抵抗素子部１５Ｃ−１Ｂ、抵抗素子部１５Ｃ−１Ａと抵抗素子部１５Ｃ−３Ａ、抵抗素子部１５Ｃ−２Ａと抵抗素子部１５Ｃ−４Ａ、及び抵抗素子部１５Ｃ−４Ｂと抵抗素子部１５Ｃ−２Ｂがそれぞれ直列接続される。図４の（Ｂ）に示すホイートストンブリッジ回路は、一辺に２つの抵抗素子部が直列接続されているために、一辺に１つの抵抗素子部が配置される図４の（Ａ）に示すホイートストンブリッジ回路と比べ、出力が２倍になる。

図５は、受感部比とリニアリティとの関係を示す特性図である。定格トルクがそれぞれ１０Ｎ・ｍ、２０Ｎ・ｍ、５００Ｎ・ｍ用の起歪部を有するトーションバーを用意し、各起歪部に図２に示した形状の歪ゲージを貼り付けた。受感部比は歪ゲージの枚数及び起歪部の直径を変えることで変わる。
図５において、「◆」は、定格トルクがそれぞれ１０Ｎ・ｍ、２０Ｎ・ｍ、５００Ｎ・ｍ用のトーションバーで、歪ゲージの枚数が２枚の場合の特性を示し、「■」は５００Ｎ・ｍ用のトーションバーで、歪ゲージの枚数が４枚の場合の特性を示し、「▲」は５００Ｎ・ｍ用のトーションバーで、歪ゲージの枚数が８枚の場合の特性を示している。

定格トルクとはトルク計の計測最大トルクをいう。定格トルクの値が大きくなるに従い、起歪部の直径の大きなトーションバーが用いられる。リニアリティとは、トルクをトーションバーにかけたときの、検出されたねじれ量を直線近似した場合の線形近似からのずれ量をいう。例えば、定格トルクが１０Ｎ・ｍ用のトーションバーとすると、２Ｎ・ｍ、４Ｎ・ｍ、６Ｎ・ｍ、８Ｎ・ｍ、１０Ｎ・ｍのトルクをかけてトーションバー１３がねじられた場合に、ねじれ量（歪ゲージの出力）を線形近似した場合の線形近似からのずれ量をリニアリティとする。したがって、ずれ量が小さいほど高精度の測定が可能となる。

本発明者らは、受感部比を一定値以上とすると、リニアリティを一定値以下に向上させることができることを見出した。図２に示した歪ゲージを２枚用いると、図５で、５００Ｎ・ｍ、２０Ｎ・ｍ、１０Ｎ・ｍ用のトーションバーでは、図中「◆」で示すように、受感部比が大きくなるに従って、リニアリティが向上していく。リニアリティは０．０２０％／Ｆｓ以下であることが望ましく、歪ゲージの枚数を２枚とした場合に、受感部比が１３％以上であれば、図５からリニアリティは０．０２０％／Ｆｓ以下となることが期待される。

５００Ｎ・ｍ用のトーションバーにおいて、図２に示した歪ゲージの枚数を４枚とした場合に、図５の「■」に示すように、受感部比がほぼ１０％で、リニアリティは０．０２０％／Ｆｓ以下となる。さらに、歪ゲージの枚数を８枚とした場合に、５００Ｎ・ｍ用のトーションバーでは、図５の「▲」に示すように、受感部比がほぼ２０％となり、リニアリティは０．０２０％／Ｆｓ以下となる。
図５の特性図から、５００Ｎ・ｍ用のトーションバーにおいて、図２に示した歪ゲージの枚数を４枚としたときに、受感部比が１３％以上とせず、受感部比が約１０％でもリニアリティは０．０２０％／Ｆｓ以下とすることができる。しかし、図５の歪ゲージが２枚のときのデータから、受感部比が大きくなるとリニアリティが収束していくことが分かり、歪ゲージの枚数を４枚とし、受感部比を１３％以上とすれば、安定して、リニアリティは０．０２０％／Ｆｓ以下とすることができる。歪ゲージの枚数を８枚とした場合は、受感部比が更に大きくなるので、さらに安定して、リニアリティは０．０２０％／Ｆｓ以下とすることができる。

以上の説明から明らかなように、受感部比が１３％以上とすることでリニアリティは０．０２０％／Ｆｓ以下とすることができ、高精度なリニアリティを有するトルク検出器を得ることができる。

また、上述した各実施形態は、本発明の好適な実施形態ではあるが、上記各実施形態のみに本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更を施した形態での実施が可能である。

例えば、起歪部の形状は円柱状としたが、歪ゲージを２枚貼りつける場合には、図６の断面図に示すように、２つの切断側面が対向するように切断された円柱形状であってもよい。この場合、起歪部１３−２Ｄの外周の長さは、図６に示す、２つの円弧と２つの直線（切断線）との合計となる。
また、図７（Ａ）の断面図及び図７（Ｂ）の側面図に示すように、穴が設けられた円柱形状であってもよい。この場合、起歪部１３−２Ｅの外周の長さは、図７（Ａ）に示す、２つの円弧の合計となる。
また、図５に示す特性図では、受感部比の大きさは歪ゲージの枚数によって変えたが、歪ゲージのゲージ幅を変えることで受感部比の大きさを変えてもよい。

１ モータ評価システム
１０ トルク検出器
１１ トルク検出器本体
１２ 軸受
１３ トーションバー
１５ 歪ゲージ
２０ 駆動モータ
３０ 負荷モータ
４０、５０ カップリング

Claims (4)

1. 回転自在で、歪みを生じる起歪部を有するトーションバーと、
   前記起歪部に貼りつけられるｎ個（ｎは２以上の自然数）の歪ゲージと、を備え、前記起歪部の外周の長さをＬ、前記起歪部の外周方向に沿った、前記ｎ個の歪ゲージの幅の合計をＷＴとしたとき、ＷＴ／Ｌで求められる受感部比が１３％以上である、トルク検出器。
2. 前記歪ゲージの数は２個である請求項１に記載のトルク検出器。
3. 前記歪ゲージの数は４個以上である請求項１に記載のトルク検出器。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のトルク検出器と、該トルク検出器に含まれるトーションバーの一端と連結される駆動モータと、前記トーションバーの他端と連結される負荷モータとを備えた、モータ評価システム。

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