JP2811980B2 - トルクセンサ - Google Patents

トルクセンサ

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は回転軸に伝わるトルクを
非接触で検出するトルクセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来のトルクセンサとして図７に示す構
成のものがある。図中１は回転軸である。軸表面には、
磁歪を有するアモルファス磁性合金薄帯２ａ，２ｂが軸
の長手方向に対して例えば＋４５゜と−４５°をなす螺
線形状に形成してある。２ａ，２ｂの外側には、一定空
隙を介して各々、コイル４ａ，４ｂを巻いたボビン３が
配置してあり、その外側には外乱磁界の影響を除去する
目的でヨ−ク５が設けてありヨ−ク５の両端に取り付け
たベアリング８ａ，８ｂを介して軸１に回転自在に固定
してある。アモルファス磁性合金２ａ，２ｂとコイル４
ａ，４ｂとヨ−ク５は磁気回路を構成している。この構
成のトルクセンサで、軸１にトルクが伝わると軸表面に
歪みが発生し、例えば右捩りのトルクが伝わる場合、４
５゜螺旋形状のアモルファス磁性合金２ａの透磁率が大
きくなり、逆に２ｂの透磁率は小さくなる。また左捩り
のトルクが伝わる場合には逆の関係が成立する。コイル
４ａ，４ｂのインダクタンス差を差動検出回路を用いて
測定することでトルクの方向及び大きさを検出できる
（例えば特開昭６３−２４８１７０号公報）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来の構成のトルクセ
ンサは、トルクによるインダクタンスの外に形成した磁
歪を有するアモルファス磁性合金を軸の長手方向に対し
て、例えば＋４５゜とー４５゜をなす螺線形状に接着
し、その外側に各々コイルを同心上に巻いた構成とし、
例えば右捻りのトルクにより＋４５゜の螺旋形状アモル
ファス磁性合金の透磁率が大きくなり、また左ねじりの
トルク印加時には小さくなり、同時にー４５゜のそれの
透磁率変化は逆特性をしめす。各々の透磁率の変化を各
々コイルのインダクタンスとして検出し電気的なブリッ
ジ回路を用いて差動出力を得ることでトルクを検出でき
る構成である。回路的には２つのコイルが同じ温度特性
を示す場合には出力の温度ドリフト等の問題は発生しな
い。
【０００４】しかしながら、一般に外乱磁界等の影響を
除去するために磁気ヨ−クを設置した構成の場合、磁気
ヨ−ク自身が若干の磁歪を有するためネジ等により構造
物に取り付けて使用すると締め付け力や構造物等との熱
膨張差に起因して磁気ヨ−クに応力が発生し、これに起
因して磁気ヨ−クの磁気特性が変化する。その結果、ト
ルクを印加しない場合（０ｋｇｆｃｍのトルクの場合）
にもセンサに見かけ上出力が生じるという問題（以下ゼ
ロ点ドリフトと言う。）が生じていた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、正の磁歪を有する細長いアモルファス磁性合金薄帯
を軸の長手方向に対し＋４５°と−４５°をなす螺線形
状に接着して２つの表面磁性層を形成し、前記２つの表
面磁性層各々の外側に一定間隔を隔てて非磁性の絶縁性
樹脂材料からなるホ゛ヒ゛ンに巻いて形成した２つコイル手
段を軸と同心に配置し、前記２つのコイル手段の外側に
軟磁性体からなる磁気ヨ−ク、さらにその外側に柔らか
い樹脂層等の応力緩和手段を介して収納容器を設け、前
記収納容器を軸と同心に配置し、収納容器の両端を転が
り軸受けを介して回転自在に軸に固定した構造を有し、
トルクにより軸表面に発生する歪みを前記表面磁性層の
透磁率変化を介して前記コイル手段の自己インダクタン
ス変化として検出し、前記２つのコイルの自己インダク
タンス変化からトルクを得るための電気的手段を有する
構成とした。
【０００６】
【作用】磁気ヨ−クに取り付けによる応力が直接作用し
ないような応力緩和手段を用いることにより、取り付け
の場合等に発生する磁気ヨ−クの磁歪による磁気特性変
化を低減することができ、ゼロ点ドリフトが大幅に低減
でき測定精度が向上する。
【０００７】
【実施例】以下本発明の一実施例について図面を用いて
詳細に説明する。
【０００８】（実施例１）以下具体的な一実施例につい
て詳細に述べる。図１は本発明による一実施例のトルク
センサの構成図である。図中１は、直径１２ｍｍのチタ
ン軸（線熱膨張係数9.4×10ー6(1/℃)）である。図２に
軸１の実際の寸法を示す。１ａ，１ｂはベアリング８
ａ、８ｂとアモルファス磁性合金２ａ，２ｂの位置決め
用に設けた段差である。段差１ａ，１ｂの間にはアモル
ファス磁性合金薄帯２ａ、２ｂを接着し表面磁性層が形
成してある。表面磁性層は図３に示すようにエッチング
加工したアモルファス磁性合金薄帯を熱処理で軸外周と
同じ曲率の巻癖をつけた後接着を行い、軸の長さ方向に
対しピッチ角が＋４５゜と−４５°をなす複数条のアモ
ルファス磁性合金製の螺旋２ａ，２ｂを形成している。
接着はビスマレイミドトリアジン樹脂ＢＴ２１６４（三
菱瓦斯化学株式会社製）を用い２００℃から２５０℃の
温度範囲でおこなった。接着剤の塗布量は厚み２０〜６
０μm程度とした。アモルファス磁性合金の組成はＦｅ
−Ｃｒ−Ｓｉ−Ｂ系で線熱膨脹係数は7.8×10ー6(1/
℃)、飽和磁歪定数20×10-6、厚み２５μｍであった。
【０００９】＋４５°と−４５°アモルファス磁性合金
２ａ，２ｂの外側にはギャップ１０を介して樹脂製のボ
ビン３が軸と同心に配置してある。ボビン３の外周には
深差０．６ｍｍ程度の溝が形成してあり、０．１ｍｍ程
度の径の銅線を１層４０タ−ンで４層巻し、巻数１６０
タ−ンのコイル４ａ，４ｂが形成してある。コイル４
ａ，４ｂの位置はアモルファス合金２ａ，２ｂのほぼ中
央部に取り付けてある。コイル４ａ，４ｂの外側には、
磁気ヨ−ク５が配置してある。その外側には応力緩衝手
段としてのジュラコン樹脂製中空円筒９を配置してあ
り、その外側には中空円筒形状をしたステンレス合金製
の収納容器６が配置してある。樹脂製中空円筒９はヨ−
ク５と収納容器６に接着されている。収納容器６の両端
はキャップ７ａ，７ｂが取り付けてありベアリング８
ａ，８ｂを収納するようになっている。収納容器６は、
両端の部分に挿入されたベアリング８ａ，８ｂを介して
軸１に回転自在に固定してある。ボビン３、樹脂製中空
円筒９、ヨ−ク５はベアリング８ａ，８ｂと接触しない
ように隙間１１を設けた構造となっており、温度変化が
ある場合に収納容器６、ヨ−ク５、軸１の熱膨張差に起
因した軸長さ方向の応力発生を防ぐようになっている。
コイル４ａ，４ｂの両端１２ａ，１２ｂは磁気ヨ−ク５
と収納容器６に開けた貫通孔１３ａ，１３ｂから外部に
取り出されている。
【００１０】図４に検出回路構成をしめす。図中１４は
１６ｋＨｚの正弦波電圧の発振回路部、１５はセンサ部
のコイル４ａ、４ｂに直列に結線した抵抗、１６は交流
から直流への変換部で差動アンプ１７に結線されトルク
センサ出力を得る構成とした。
【００１１】図５はトルクセンサをネジ締めロボットの
本体に取り付ける場合の１手段をしめしている。図中１
８はセンサ取り付け台、１９は駆動モ−タの軸、２０は
自在継ぎ手、２１はネジ締め用のドライバ−である。２
２は本実施例に於けるトルクセンサを示している。セン
サ取り付け台１８への取り付けは金属製の図６に示す締
め付け具２３を用いトルクセンサの収納容器６の中央部
分をネジ２４により締め付けて行った。２５は駆動用モ
−タである。
【００１２】図７はトルクセンサにトルクを印加しない
状態で、トルクセンサ２２を締め付け具２３を用いてセ
ンサ取り付け台１８へ固定する場合の締結力とトルク出
力を測定した結果である。横軸は締結力で、縦軸は図４
に示す測定回路を用いて得たトルクセンサ出力である。
図中太い実線は本実施例にしめすトルクセンサ、破線は
応力緩衝手段としてのジュラコン樹脂製中空円筒９を用
いず磁気ヨ−ク５を収納容器６に圧入して組み立てたト
ルクセンサについての測定結果である。また、細い実線
は、従来構成の磁気ヨ−クのみで収納容器６を用いない
場合のトルクセンサの場合の測定結果である。
【００１３】本実施例におけるトルクセンサの出力ドリ
フトは締結力を大きくした場合にも見かけの出力が発生
せず０（Ｖ）で安定しているのに対し、応力緩和手段と
しての樹脂製中空円筒９を用いないトルクセンサと従来
構成のトルクセンサでは締結力に対しゼロ点ドリフトが
発生している。樹脂製中空円筒９が応力緩衝を行い磁気
ヨ−クの磁歪による磁気特性変化を防いでいることがわ
かる。
【００１４】従来構成のトルクセンサをセンサ取り付け
台１８に固定した状態で、温度変化のある環境で使用し
た場合には、締結力が締め付け具２３とトルクセンサ本
体の熱膨張差に起因して変化するため温度に対するゼロ
点ドリフトも発生していたが、本実施例におけるトルク
センサは、温度変化に対してもゼロ点ドリフトが発生し
ないことも確認している。
【００１５】樹脂製円筒９としてはジュラコン樹脂であ
る必要は無くエポキシ樹脂、ビスマレイミドトリアジン
樹脂、テフロン等金属に比較して柔らかい材料であれば
同等の効果があることは容易に類推できる。また樹脂製
中空円筒の肉厚は０．０５ｍｍ以上あれば良いことを確
認している。さらに小さな肉厚でも同等の効果が期待で
きる。
【００１６】（実施例２）図８は本発明における第２の
実施例の構造図である。第１の実施例と同一構成部品に
は同一番号を符し説明を略す。図７において応力緩衝手
段として収納容器６とヨ−ク５の間のはめ合い公差を５
０μｍとしてある。ヨ−ク５と収納容器６の中央部にネ
ジを形成しネジ５ａで固定してある。この場合にも第１
の実施例の場合と同様にゼロ点ドリフトを防ぐことがで
きた。また、ネジ５ａを用いる代わりにエポキシ樹脂等
ではめ合い部分を充填しても同様の効果があることも確
認している。
【００１７】上述した実施例以外にも磁気ヨ−クを磁歪
が極めて小さい磁性材料で形成すれば同等の効果がある
ことは明らかである。
【００１８】
【発明の効果】本発明による因れば、磁気ヨ−クに熱膨
張差や外力に起因した応力を緩和する手段を設けること
により、熱膨張差に起因した熱応力や取り付け時に生じ
る応力に起因したゼロ点ドリフトを低減でき高精度なト
ルクセンサを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施例１のトルクセンサの構成図
である。
【図２】トルクセンサ軸部の寸法説明図である。
【図３】アモルファス合金エッチングパタ−ンを示す図
である。
【図４】トルクセンサ回路構成図である。
【図５】トルクセンサ取り付け状態を示す図である。
【図６】センサを固定するための固定用バンドを示す図
である。
【図７】固定用バンドでトルクセンサを締め付けた時の
出力変化を示す図である。
【図８】本発明による実施例２のトルクセンサの構成図
である。
【図９】従来のトルクセンサを示す図である。
【符号の説明】
１ 軸 １ａ、１ｂ 軸に形成した段差 ２ａ、２ｂ アモルファス磁性合金 ３ ボビン ４ａ、４ｂ コイル ５ 磁気ヨ−ク ５ａ ネジ ６ 収納容器 ７ａ、７ｂ キャップ ８ａ、８ｂ ベアリング ９ 樹脂製中空円筒 １０ ギャップ １１ 隙間 １２ａ、１２ｂ コイル端 １３ａ、１３ｂ 貫通孔 １４ 発振回路 １５ 抵抗 １６ 交流から直流に変化させる回路 １７ 差動アンプ １８ 台座 １９ モ−タ軸 ２０ 自在継ぎ手 ２１ ドライバ− ２２ トルクセンサ ２３ 固定用バンド ２４ ネジ ２５ モ−タ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−154130（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−187425（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−280022（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−302637（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−128931（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01L 3/10

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 正の磁歪を有するアモルファス磁性合金
    薄帯を軸の長手方向に対し＋４５゜と−４５゜をなす螺
    旋形状に接着して２つの表面磁性層を形成し、前記２つ
    の表面磁性層各々の外側に一定間隔を隔てて非磁性の絶
    縁性樹脂材料からなるボビンに巻いて形成した２つのコ
    イル手段を前記軸と同心に配置し、前記２つのコイル手
    段の外周面のみに磁気ヨークを配置し、さらに前記磁気
    ヨークの外周側に応力緩和手段を介して収納容器を前記
    軸と同心に配置し、前記収納容器の前記軸方向の両端を
    転がり軸受けを介して回転自在に前記軸に固定し、前記
    ボビン、前記磁気ヨーク、前記応力緩和手段が前記転が
    り軸受けと接触しないように隙間を設けた構成であり、 トルクにより軸表面に発生する歪みを前記表面磁性層の
    透磁率変化を介して前記コイル手段の自己インダクタン
    ス変化として検出し、前記２つのコイル手段の自己イン
    ダクタンス変化からトルクを得るための電気的手段を有
    するトルクセンサ。
  2. 【請求項２】 磁気ヨ−クと収納容器のはめあい部分を
    柔らかい樹脂、ゴム等からなる接着剤をもちいて接着す
    ることを特徴とする請求項１記載のトルクセンサ。
  3. 【請求項３】 磁気ヨ−クと収納容器のはめあい公差を
    スキマバメとし熱応力の発生が無い構成とすることを特
    徴とする請求項１記載トルクセンサ。
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