JP2024031356A

JP2024031356A - トルクセンサ

Info

Publication number: JP2024031356A
Application number: JP2022134862A
Authority: JP
Inventors: 純一阿部; Junichi Abe
Original assignee: Nidec Components Corp
Current assignee: Nidec Components Corp
Priority date: 2022-08-26
Filing date: 2022-08-26
Publication date: 2024-03-07

Abstract

【課題】限られたスペースで変位を検出し、トルクの検出精度を向上させたトルクセンサを提供することにある。【解決手段】トルクセンサ１は、輪状に形成される第１構造体１１と、第１構造体１１より小さい輪状に形成され、第１構造体１１の内周側に配置される第２構造体１２と、第１構造体１１に設けられ、第２構造体１２に向かって突き出るように設けられた突起部１４と、第２構造体１２に設けられ、トルクＭｚの印加により第１構造体１１が第２構造体１２に対して相対的に回転することで、突起部１４と接触することにより変化する２つの部材の距離を示す物理量を検出するセンサ２と、センサ２により検出された物理量に基づいて、トルクＭｚを検出するトルク検出手段とを備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、トルクセンサに関する。

一般に、変形体の弾性変形に基づいて、トルクを検出するトルクセンサが知られている。例えば、変形体の弾性変形を生じる変形部に梁を設け、梁の変位を測定することで、トルクを検出するトルクセンサが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１８－２００２５９号公報

しかしながら、弾性変形による変位を測定して、トルクを検出する場合、変位が生じるスペースが構造により限定されることが多い。このため、限定されたスペースで測定される変位の大きさも制限され、トルクの検出精度を十分に出せないことがある。
本実施形態の目的は、限られたスペースで変位を検出し、トルクの検出精度を向上させたトルクセンサを提供することにある。

本実施形態によれば、限られたスペースで変位を検出し、トルクの検出精度を向上させたトルクセンサを提供することができる。

本実施形態のトルクセンサは、輪状に形成される第１構造体と、前記第１構造体より小さい輪状に形成され、前記第１構造体の内周側に配置される第２構造体と、前記第１構造体に設けられ、前記第２構造体に向かって突き出るように設けられた突起部と、前記第２構造体に設けられ、トルクの印加により前記第１構造体が前記第２構造体に対して相対的に回転することで、前記突起部と接触することにより変化する２つの部材の距離を示す物理量を検出するセンサと、前記センサにより検出された物理量に基づいて、前記トルクを検出するトルク検出手段とを備える。

本発明の第１実施形態に係るトルクセンサの構成を示す上面図。第１実施形態に係る演算処理部の構成を示す構成図。第１実施形態に係るトルクセンサによるトルクの検出方法を示す状態図。本発明の第２実施形態に係るトルクセンサの構成を示す上面図。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るトルクセンサ１の構成を示す上面図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付して、重複する説明を適宜省略する。

トルクセンサ１は、トルクＭｚを検出するセンサである。トルクＭｚは、図１に示すｚ軸（回転軸方向）のモーメントである。ここで、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸は、互いに直交する。なお、トルクセンサ１は、ここで説明するものに限らず、様々な形状又は構成に変更してよい。また、トルクセンサ１は、少なくともトルク（ｚ軸モーメント）Ｍｚを検出するセンサであれば、どのような名称のセンサでもよい。

トルクセンサ１は、第１構造体１１、第２構造体１２、複数の第３構造体１３、突起部１４、及び、２つの変位センサ２を備える。

上述の構成の他に、トルクセンサ１は、例えば、演算処理部３、及び、変位センサ２と演算処理部３を電気的に接続するフレキシブル基板（ＦＰＣ, Flexible printed circuits）等の配線を備える。また、第２構造体１２の中心部分に位置する中空部には、ケースが設けられてもよい。例えば、ケースには、演算処理部３及び電源ケーブル等が収納される。

第１構造体１１、第２構造体１２、及び、第３構造体１３は、弾性体として一体形成される。第１構造体１１及び第２構造体１２は、いずれも輪状に形成され、同心円状に配置される。第２構造体１２の径は、第１構造体１１の径より小さく、第２構造体１２は、第１構造体１１の内側（中心側）に配置される。したがって、第１構造体１１と第２構造体１２との間には、輪状の空間が形成される。

第３構造体１３は、第１構造体１１と第２構造体１２の間の輪状の空間において、円周方向に等間隔で放射状（径方向）に配置され、第１構造体１１と第２構造体１２を接続する梁としての役割を有する。ここでは、４つの第３構造体１３が９０度で等間隔に設けられたが、第３構造体１３は、いくつ設けられてもよいし、どのような間隔で設けられてもよい。

例えば、第１構造体１１は、トルクＭｚが印加される被測定対象の構造体に連結され、第２構造体１２は、トルクＭｚを印加する側の構造体に連結される。トルクＭｚにより、第１構造体１１と第２構造体１２が相対的に回転する。なお、第１構造体１１がトルクＭｚを印加する側の構造体に連結され、第２構造体１２が被測定対象の構造体に連結されてもよい。

例えば、第１構造体１１、第２構造体１２、及び、第３構造体１３の材質は、ステンレス鋼等の金属であるが、印加される力に対して機械的に十分な強度があれば、金属以外の材料（樹脂等）を使用してもよい。

突起部１４は、第２構造体１２に向かって突き出るように、第１構造体１１の内周側に設けられる。突起部１４は、棒形状である。例えば、突起部１４の長手方向の中心線は、トルクＭｚの回転中心を通る。突起部１４の先端は、第２構造体１２に設けられた２つの変位センサ２の間で、２つの変位センサ２に接触するように位置する。例えば、突起部１４の先端は、変位センサ２と滑らかに接触するように、曲面状に形成される。なお、突起部１４は、ここで説明するものに限らず、どのような形状又は配置にしてもよい。

２つの変位センサ２は、突起部１４の先端の位置が２つの変位センサ２の間に位置するように、第２構造体１２の外周側に設けられる。２つの変位センサ２は、突起部１４の先端を中心として、左右対称に配置される。２つの変位センサ２は、１つが時計回りのトルクＭｚを検出し、もう１つが反時計回りのトルクＭｚを検出する。

なお、トルクセンサ１は、いくつの変位センサ２を備えてもよい。トルクセンサ１は、１つの変位センサ２を備え、１つの回転方向のトルクＭｚのみ検出してもよい。また、トルクセンサ１は、１つの回転方向のトルクＭｚを検出する複数の変位センサ２が設けられてもよい。この場合、複数の変位センサ２の検出結果（例えば、複数の変位値の平均値）に基づいて、トルクＭｚを検出してもよいし、複数の変位センサ２のうち１つの変位センサ２の検出結果に基づいて、トルクＭｚを検出してもよい。また、複数の変位センサ２は、どのように配置されてもよい。例えば、２つの第３構造体１３で仕切られる空間毎に、１つ以上の変位センサ２が設けられてもよい。

変位センサ２は、基準部２１及び変形部２２を備える。基準部２１及び変形部２２は、それぞれ板形状の部材である。変位センサ２は、基準部２１と変形部２２との間の距離の変化量に基づいて、トルクＭｚを検出する。トルクＭｚが印加されていない状態では、２つの変位センサ２のそれぞれの変形部２２は、突起部１４の先端と接触している。２つの変位センサ２のそれぞれの基準部２１は、変形部２２に対して突起部１４と反対側の位置に設けられ、それぞれ対応する変形部２２と板形状の最も面積の広い幅広の面同士が対向するように配置される。

トルクＭｚが印加されると、突起部１４が設けられた第１構造体１１が第２構造体１２に対して相対的に回転し、突起部１４の先端が一方の変位センサ２の変形部２２に押し付けられ、変形部２２が変形する。これに対して、基準部２１は、トルクＭｚが印加されても、変形はせず、第２構造体１２における位置も変わらない。トルクＭｚの印加により、変形部２２が変形することで、基準部２１と変形部２２との間の距離が変化する。

例えば、変位センサ２は、静電容量式のセンサである。基準部２１及び変形部２２は、電気的導電性を有する導体である。基準部２１は、変形部２２と電気的に接続される。基準部２１と変形部２２との間の距離が変化することで、基準部２１と変形部２２との間の静電容量が変化する。トルクセンサ１は、変位センサ２により測定された静電容量の変化量に基づいて、トルクＭｚを検出する。

ここでは、変位センサ２は、静電容量式を採用したものを説明したが、基準部２１と変形部２２との間の距離の変化量を示す物理量が測定できれば、どのような方式のセンサを用いてもよい。例えば、変位センサ２は、光学式又は磁気式を採用してもよい。また、測定方式を変更する場合、変更した測定方式に対応して、変位センサ２の実装方法を変更することができる。例えば、光学式センサを採用する場合、基準部２１と変形部２２の間の距離を光学的に測定するための発光素子及び受光素子を設けてもよい。また、磁気式センサを採用する場合、磁気的に測定するための測定端子を基準部２１又は変形部２２のいずれか一方に取り付けてもよい。

なお、変位センサ２は、ここで説明するものに限らず、どのような構成又は配置にしてもよい。例えば、変位センサ２は、基準部２１に相当する部材が、トルクＭｚの印加により変形してもよい。また、変位センサ２が変位を検出できれば、基準部２１及び変形部２２は、板形状でなくてもよい。

図２は、本実施形態に係る演算処理部３の構成を示す構成図である。
演算処理部３は、マイクロコンピュータ等のコンピュータである。演算処理部３は、プログラム等により実行される演算処理により、各種機能を実現する。演算処理部３は、トルク演算部３１を備える。

トルク演算部３１には、変位センサ２により検出された検出信号Ｓｄが入力される。検出信号Ｓｄは、基準部２１と変形部２２の間の距離を示す静電容量を検出した電気信号である。トルク演算部３１は、検出した静電容量に基づいて、トルクＭｚを演算する。即ち、トルク演算部３１は、基準部２１と変形部２２の間の距離に基づいて、トルクＭｚを求める。トルク演算部３１により演算されたトルクＭｚは、トルクセンサ１による検出結果として、出力される。

図３を参照して、本実施形態に係るトルクセンサ１によるトルクＭｚの検出方法について説明する。ここでは、時計回りに印加されるトルクＭｚを、一方の変位センサ２により検出する方法について説明するが、反時計回りに印加されるトルクＭｚを、もう一方の変位センサ２により検出する方法についても同様である。

実線で示す突起部１４は、トルクＭｚが印加される前の初期状態を示す。点線で示す突起部１４は、トルクＭｚが印加された後の状態を示す。実線で示す変形部２２は、トルクＭｚが印加される前の初期状態を示す。点線で示す変形部２２は、トルクＭｚが印加された後の状態を示す。また、突起部１４の幅方向の中心を通る中心線Ｌ１は、突起部１４の傾きを表すものとする。

初期状態では、突起部１４の先端は、変位センサ２の変形部２２と僅かに接触している。トルクＭｚが印加されると、第１構造体１１に固定された突起部１４が第２構造体１２に対して相対的に回転する。これにより、突起部１４は、角度θ傾く。

突起部１４が傾くと、突起部１４に接触している変形部２２は、突起部１４に押されて、変位センサ２の基準部２１に近づくように変形する。これにより、基準部２１と変形部２２の距離が変化する。具体的には、トルクＭｚの印加前後で、基準部２１と変形部２２の距離は、距離ｄ１から距離ｄ２に縮まる。したがって、基準部２１と変形部２２の距離が縮まることで、基準部２１と変形部２２の間の静電容量が増加する。

このことから、トルクＭｚが強いほど、基準部２１と変形部２２の距離が縮まることで、変位センサ２により検出される静電容量が増加する。このようにして、変位センサ２により検出される静電容量に基づいて、トルクＭｚを測定することができる。

本実施形態によれば、第１構造体１１に突起部１４を設け、第２構造体１２に変位センサ２を設け、トルクＭｚが生じる回転により突起部１４が移動することで、変位センサ２が変位を検出する。これにより、トルクセンサ１は、変位センサ２により検出された変位に基づいて、トルクＭｚを検出することができる。したがって、トルクセンサ１は、第１構造体１１と第２構造体１２の間の限られたスペースで、変位センサ２により変位を検出することで、変位トルクＭｚの検出精度を高くすることができる。

（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態に係るトルクセンサ１Ａの構成を示す上面図である。

トルクセンサ１Ａは、図１に示す第１実施形態に係るトルクセンサ１において、突起部１４及び２つの変位センサ２の代わりに、突起部１４Ａ及び２つの変位センサ２Ａを設けたものである。その他の点は、第１実施形態に係るトルクセンサ１と同様である。

突起部１４Ａは、第１構造体１１に向かって突き出るように、第２構造体１２の外周側に設けられる。その他の点については、突起部１４Ａは、第１実施形態に係る突起部１４と同様である。

２つの変位センサ２Ａは、突起部１４Ａの先端の位置が２つの変位センサ２Ａの間に位置するように、第１構造体１１の内周側に設けられる。その他の点については、変位センサ２Ａは、第１実施形態に係る２つの変位センサ２Ａと同様である。

本実施形態によれば、突起部１４Ａを第２構造体１２に設け、変位センサ２Ａを第１構造体１１に設けることで、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

なお、追加の利点及び修正について当業者により容易に生じることがある。したがって、そのより広い態様における本発明は、本明細書に示して説明される特定の詳細で代表的な実施形態に限定されない。したがって、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物により定義される一般的な発明の概念の精神又は範囲から逸脱することなく、様々な修正を行うことができる。

１…トルクセンサ、２…変位センサ、３…演算処理部、１１…第１構造体、１２…第２構造体、１３…第３構造体、１４…突起部。

Claims

輪状に形成される第１構造体と、
前記第１構造体より小さい輪状に形成され、前記第１構造体の内周側に配置される第２構造体と、
前記第１構造体に設けられ、前記第２構造体に向かって突き出るように設けられた突起部と、
前記第２構造体に設けられ、トルクの印加により前記第１構造体が前記第２構造体に対して相対的に回転することで、前記突起部と接触することにより変化する２つの部材の距離を示す物理量を検出するセンサと、
前記センサにより検出された物理量に基づいて、前記トルクを検出するトルク検出手段と
を備えることを特徴とするトルクセンサ。
輪状に形成される第１構造体と、
前記第１構造体より小さい輪状に形成され、前記第１構造体の内周側に配置される第２構造体と、
前記第２構造体に設けられ、前記第１構造体に向かって突き出るように設けられた突起部と、
前記第１構造体に設けられ、トルクの印加により前記第１構造体が前記第２構造体に対して相対的に回転することで、前記突起部と接触することにより変化する２つの部材の距離を示す物理量を検出するセンサと、
前記センサにより検出された物理量に基づいて、前記トルクを検出するトルク検出手段と
を備えることを特徴とするトルクセンサ。
回転方向が互いに異なる２つのトルクを別々に検出するための２つの前記センサが設けられこと
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のトルクセンサ。
前記センサは、前記２つの部材の距離を示す静電容量を検出すること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のトルクセンサ。
前記センサは、前記２つの部材の距離を光学的に検出すること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のトルクセンサ。
前記センサは、前記２つの部材の距離を磁気的に検出すること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のトルクセンサ。