JP6471396B2

JP6471396B2 - 軸方向回転式トルク検出器

Info

Publication number: JP6471396B2
Application number: JP2017204853A
Authority: JP
Inventors: 胡越陽; 周志成; 邱盟仁
Original assignee: 健騰精密機電股▲ふん▼有限公司
Priority date: 2016-11-30
Filing date: 2017-10-24
Publication date: 2019-02-20
Anticipated expiration: 2037-10-24
Also published as: DE102017126906B4; CN108120532B; DE102017126906A1; TWI640756B; TW201821780A; JP2018091832A; US20180149533A1; KR102042134B1; CN108120532A; US10288504B2

Description

本発明は、回転駆動機構に歪みゲージが搭載されるトルク検出技術に関し、より詳しくは、軸方向回転式トルク検出器に関する。

従来の回転駆動機構は、一般的にトルク検出部材が搭載されてトルク値の大きさ及び変化の検出を行うが、前記機構によりトルクが伝達される過程において、前記トルク値の変化をどのように精確に検出を行うか、また、配置されるトルク検出部材の体積をどのように効果的に縮減させるかが、長年悩まされている技術的課題であった。

従来の特許文献では、例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５及び特許文献６に、歪みゲージ（strain gauge）が検出部材として使用され、回転駆動機構により生成されるトルク値の変化の検出を行う発明が記載されている。

なお、一般的なよくある歪みゲージは、金属線が単方向アレイ形式で配列されて形成される金属薄板であり、その両端には歪みゲージ信号処理モジュールに接続されて用いられるピンをそれぞれ有する。応用においては、歪みゲージは回転駆動機構中の受力された後に歪みが生じる機械部材に固定され、歪みゲージが歪みが生じる機械部材に追随して変形される場合、歪みゲージの電気抵抗値の変化により前記機械部材が歪みを反応させ、回転駆動機構中のトルク値の大きさ及び変化の検出を行う。

アメリカ特許出願第５１７２７７４号明細書アメリカ特許出願第８３０２７０２号明細書アメリカ特許出願第２０１００１３９４３２号明細書アメリカ特許出願公開第２０１５０１３５８５６号明細書台湾実用新案第４５１３１６号明細書台湾実用新案第４１７３２０号明細書

しかしながら、前述した従来の技術では、すなわち、上述の特許に記載されるトルク検出構造及びその歪みゲージの搭載位置は、トルクの変更により生じた歪みの検出効果は理想的とは言えず、同時にトルク検出構造の体積が大きすぎるという問題も存在した。

例えば、特許文献１の記載されている複数の歪みゲージがトルクを伝達させる１つのギアで形成される複数のせん断ウェブ（shear web）に直接配置され、前記せん断ウェブはギアのラジアルウェブ面に沿って負荷を伝導させてせん断ウェブの歪みを発生させるが、但し、検出される歪みは、順方向の歪みのほかにせん断ひずみを更に含み、せん断ウェブにより生成される歪みはギアのトルク値の変化を示すには不十分である。このため、トルクの検出の信頼性及び精確性が失われた。或いは、より多方向の歪みゲージが配置されて順方向の歪み及び剪切方向の歪みの検出が行われるが、これではコスト及び複雑さが相対的に増加した。また、せん断ウェブに搭載される歪みゲージの位置と歯車の軸心との間の径方向の間隔を十分広くすることで、明確になった順方向の歪み及びせん断ひずみを検出しやすくするが、構造の径方向の体積が縮減できないという困難を生じさせた。

例えば、特許文献２の記載されているハウジングに固定されると共にトルク軸の枢接に用いられる変換器（transducer）は、円盤状を呈すると共にトルク軸が枢接される中心ハブ（hub）を有し、ハブの周辺にはリングの盤面状のウェブ部（web）が延伸されて形成され、且つ前記ウェブ部は上述のキャリア材料となって少なくとも１つの歪みゲージが搭載され、トルク軸のトルクの変化が検出される。しかしながら、前記ウェブ部はリングの盤面状として形成されるため、トルクが変換されることで形成される作用力を集中させて伝導させるのが難しく、換言すれば、ウェブ部がトルク伝導により生成される歪みを受けてリング状のウェブ部の全面域に分散させることにより、歪みゲージにより発生される変形量が減少し、トルク検出の信頼性及び精確性が減損した。また、ウェブ部に歪みゲージが搭載される構造設計には径方向の体積を縮減できないという困難が存在した。

なお、特許文献２に記載されている歪みゲージがフレーム形のトルク伝達部材（torque transferring element）の径方向の辺リブ平面に嵌装され、前記トルク伝達部材の中心部にはリングギアが連結され、前記歪みゲージによりリングギアのトルクが検出される。しかし、歪みゲージが搭載されるトルク伝達部材（torque ransferring element）の辺リブ平面とリングギアの軸心との間では、トルク伝達部材周辺の辺リブにより作用力が伝導され、前記歪みゲージの嵌装位置は曲げモーメントの作用を受ける。但し、辺リブにより生成される曲げモーメントによるトルクの変化の検出は、信頼性及び精確性が低かった。また、トルク伝達部材の辺リブにも同様に、構造体の径方向の体積が大きくなるという問題が存在した。

また、特許文献３に記載されているハウジングに固定されると共にトルク軸の枢接に用いられる変換器（transducer）は、円盤状を呈すると共にトルク軸が枢接される中心ハブ（hub）を有し、ハブの周辺にはリングの盤面状のウェブ部（web）が延伸されて形成され、且つ前記ウェブ部は上述のキャリア材料となって少なくとも１つの歪みゲージが搭載され、トルク軸のトルクの変化が検出される。しかしながら、前記ウェブ部はリングの盤面状として形成されるため、トルクが変換されることで形成される作用力を集中させて伝導させるのが難しく、換言すれば、ウェブ部がトルク伝導により生成される歪みを受けてリング状のウェブ部の全面域に分散させることにより、歪みゲージにより発生される変形量が減少され、軸心の間ではトルク伝達部材の周辺の辺リブにより作用力が伝導され、前記歪みゲージの嵌装位置は曲げモーメントの作用を受ける。但し、辺リブにより生成される曲げモーメントによるトルクの変化の検出は、信頼性及び精確性が低かった。また、トルク伝達部材の辺リブには同様に、構造体の径方向の体積が大きくなるという問題があった。

このほかに、特許文献５及び特許文献６の記載を示すように、クランク軸にスリーブが設置され、前記スリーブの表面には歪みゲージが貼付され、スリーブがトルク作用を受ける際に発生する歪み量の計測に用いられ、且つ計測された歪み量が歪み信号に変換され、電動モーターの出力動力が制御される。スリーブに歪みゲージが搭載される設計では構造体の径方向の体積を縮減させる効果を達成させるが、但し、歪みゲージは運動部材（スリーブ）に搭載されるため、変圧器及び信号無線伝送部材等のエネルギー伝送部材が組み合わせられる必要がある。これらの付属部材が運動部材（スリーブ）に装設される場合、配置空間が増えてしまい、構造体が更に大きくなった。

本発明は、以上の従来技術の課題を解決する為になされたものである。即ち、本発明は、軸方向回転式トルク検出器を提供することを目的とする。すなわち、従来の歪みゲージが搭載されるトルク検出構造では、検出精度及び感度が不足し、径方向の体積が効果的に縮減できないという問題を改善させる。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明はトルク検出ディスクがその軸方向に形成される柱部が受力する際に変形を生じさせる特性を応用し、且つ歪みゲージを搭載させることで応用される部材または設備のトルクの変化を精確且つ敏感に検出させる。また、前記トルク検出ディスクの柱部の配置位置の設計により、応用される部材または設備の径方向の体積が有効に縮減できないという問題を克服させる。

従って、本発明の好適な実施の形態は、軸方向回転式トルク検出器を提供し、中心軸に沿って間隔を空けて配置される入力軸及び出力軸と、中心軸に沿って入力軸と出力軸との間に配置される遊星ギアセットとを備える。前記入力軸は遊星ギアセットの内の太陽歯車に連結され、前記出力軸は遊星ディスクを介して遊星ギアセットの内の複数の遊星ギアに連結され、前記遊星ギアセットの内の内歯車はトルク検出ディスクに連結される。前記トルク検出ディスクは中心軸に平行する複数の条片状の柱部を有し、前記柱部の対応する側部には中心軸の径方向に平行する端面がそれぞれ形成され、前記２面の端面の内の少なくとも１面の端面には少なくとも１つの歪みゲージが配置される。また、前記入力軸は遊星ギアセットを介して出力軸を駆動させて回転させ、且つ接線力が形成されて内歯車が駆動されて中心軸の円周に沿って回転し、前記トルク検出ディスクの柱部により内歯車が負荷する接線力が吸収されることにより前記円周に沿って回転する方向に変形が生じ、前記歪みゲージにより前記変形が検出されると歪みが生じ、これを入力軸と出力軸との間のトルク検出値とする。

また、ある好ましい実施形態において、前記トルク検出ディスクは固定座及び回転台を備え、前記柱部は固定座と回転台との間に位置される。また、前記トルク検出ディスクは固定座、柱部及び回転台が一体成形されることにより構成される。

前記柱部は固定座が延伸されることにより形成され、前記柱部の固定座から離間する一端は回転台に装設される。

前記固定座及び回転台の中心部にはスルーホールがそれぞれ設けられ、前記入力軸は前記スルーホールを貫通させて太陽歯車に連結される。前記入力軸は固定座及び回転台の内の少なくとも１つに枢着される。

前記歪みゲージが配置される柱部は、歪みゲージの配置数は２つであり、且つ前記２枚の歪みゲージは柱部の対応し合う２面の端面に貼付される。

前記遊星ギアセットは、第一段階遊星ギアセット及び第二段階遊星ギアセットを備える。前記入力軸は第一段階遊星ギアセットの内の第一段階太陽歯車に連結され、前記第一段階遊星ギアセットの内の第一段階遊星ディスクには第一段階太陽歯車の四周に噛合される第一段階遊星ギアセットの内の複数の第一段階遊星ギアが枢設され、前記第一段階遊星ギアセットの内の第一段階内歯車はトルク検出ディスクに連結される。前記第二段階遊星ギアセットの内の第二段階太陽歯車は第一段階遊星ディスクの中心部に連結され、前記出力軸は第二段階遊星ギアセットの内の第二段階遊星ディスクを介して第二段階太陽歯車の四周に噛合される第二段階遊星ギアセットの内の複数の第二段階遊星ギアに連結され、前記第一段階遊星ギア及び第二段階遊星ギアは第一段階内歯車にそれぞれ噛合される。前記第二段階遊星ディスクは出力軸が延伸されることにより形成される。前記入力軸の軸結合対象及び出力軸の連結対象は互換する。

前記遊星ディスクは出力軸が延伸されることにより形成される。前記入力軸の軸結合対象及び出力軸の連結対象は互換する。

本発明によれば、以下の効果を有する。
１．内歯車が入力軸により伝達される接線力を負荷させ、且つ前記負荷が十分に伝導されることで柱部が動かされて変形を生じさせる作用力が発生し、前記柱部に変形が生じ、前記歪みゲージが追随して変形し、歪みゲージのトルク検出感度が向上する。
２．条片状の柱部が応用されることにより歪みゲージが搭載可能になり、柱部の端部が動かされた状態で受力することで敏感に変形し、歪みゲージによるトルク検出感度が向上する。
３．柱部は入力軸の軸方向に沿って互いに平行するように配置され、入力軸の径方向に沿って配置されるのではないため、応用される部材または設備やトルク検出器の径方向の体積が有効的に縮減される。

本発明の第１実施形態による軸方向回転式トルク検出器を示す傾斜の展開図である。図１を組み立てた水平断面図である。図２のＡ―Ａ線に沿う断面図である。図２のＢ―Ｂ線に沿う断面図である。図１の一部部材を示す傾斜の組み合わせ図である。図３の遊星ギアセットによる力を説明する図である。柱部が回転台を受け駆動されて変形を発生する概略図である。柱部の正面図である。柱部の側面図である。トルク検出ディスクの異なる構造を示す斜視図である。トルク検出ディスクの異なる構造を示す斜視図である。歪みゲージの回路配置を示す概略図である。本発明の第２実施形態による軸方向回転式トルク検出器を示す断面図である。

以下に図面を参照して、本発明を実施するための形態について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。
（実施形態）

まず、図１〜４を参照しながら、本発明の第１態様に係るトルク検出器をさらに詳しく説明する。前記トルク検出器は、入力軸２０と、出力軸３０と、遊星ギアセットと、トルク検出ディスク５０と、歪みゲージ６０とを備える。

（第１実施形態）
図１乃至図２に示すように、前記入力軸２０及び出力軸３０は中心軸Ｃに沿って間隔を空けて配置され、前記遊星ギアセットは中心軸Ｃに沿って入力軸２０と出力軸３０との間に配置され、且つ前記遊星ギアセット、入力軸２０、及び出力軸３０はハウジング１０内に収納される。前記ハウジング１０はその実施において装置全体の固定端とし、前記入力軸２０及び出力軸３０の枢着に用いられる。より詳しくは、前記入力軸２０及び出力軸３０はベアリング２１、３１によりハウジング１０内にそれぞれ枢設され、且つ入力軸２０及び出力軸３０の端部２２、３２がハウジング１０の外にそれぞれ突出される。前記ハウジング１０には駆動モーター８０が装設される。装設とは嵌合、係合、ロック等の機械的配置手段により結合させて一体化することを指す。駆動モーター８０の駆動軸８１が前記入力軸２０に連結され、入力軸２０が駆動されて回転する。前記出力軸３０はその実施において、ツールコネクタ９０が連結され、電動ドライバー等の工具の連結及びトルクを出力させて電動ドライバー等の工具を駆動させて回転させるために用いられる。

上述の遊星ギアセット、入力軸２０、及び出力軸３０の間の具体的な配置は、図３に示すように、前記入力軸２０及び出力軸３０は遊星ギアセットを介して互いに連動し合う。前記遊星ギアセットは実施において第一段階遊星ギアセット４１及び第二段階遊星ギアセット４２を備える。前記入力軸２０の端部２２はハウジング１０の外に突出され、且つ入力軸２０の他の端部はハウジング１０内に延伸されると共に第一段階遊星ギアセット４１の内の第一段階太陽歯車４１１に連結される。

前記第一段階太陽歯車４１１には第一段階遊星ギアセット４１の内の複数の第一段階遊星ギア４１２が噛合され、前記複数の第一段階遊星ギア４１２は第一段階遊星ギアセット４１の内の第一段階遊星ディスク４１４に枢設され、前記第一段階遊星ギアセット４１の内の第一段階内歯車４１５は第一段階太陽歯車４１１及び第一段階遊星ギア４１２の周囲を包囲させる。前記第一段階遊星ギア４１２は第一段階太陽歯車４１１及び第一段階内歯車４１５にそれぞれ噛合される。

より詳しくは、上述の第一段階遊星ギア４１２は実施において、遊星ギア軸４１３により第一段階遊星ディスク４１４の一側に枢設され、前記第二段階遊星ギアセット４２の内の第二段階太陽歯車４２１は前記第一段階遊星ディスク４１４の他側の中心部に連結され、前記出力軸３０は第二段階遊星ギアセット４２の内の第二段階遊星ディスク４２４を介して第二段階太陽歯車４２１の四周に噛合される第二段階遊星ギアセット４２の内の複数の第二段階遊星ギア４２２に連結される。前記第二段階遊星ギア４２２は実施において遊星ギア軸４２３により第二段階遊星ディスク４２４に枢設される。前記第二段階遊星ギア４２２及び第一段階遊星ギア４１２はその実施において、第一段階内歯車４１５にそれぞれ噛合される。前記第二段階遊星ディスク４２４は実施において出力軸３０が延伸されることにより形成され、すなわち、前記出力軸３０及び第二段階遊星ディスク４２４は同軸で一体で延出されることにより形成されるほか、入力軸２０及び出力軸３０の軸結合対象が互換する。すなわち、入力軸２０が第二段階遊星ディスク４２４に連結され、出力軸３０が第一段階太陽歯車４１１に連結されることも、本発明の思想の応用範囲に含まれ、入力から出力への駆動の対象及び順序をより簡単に変更可能になる。

さらに、図１及び図２によると、前記第一段階内歯車４１５は実施においてトルク検出ディスク５０に連結され、前記トルク検出ディスク５０は、中心軸Ｃに平行し、かつ中心軸Cの軸方向の第一端部５１ａが固定された複数の柱部５１、固定座５２、及び回転台５３を有する。前記固定座５２及び回転台５３は各自独立して前記中心軸Ｃに沿って間隔を空けて配置され、前記柱部５１は固定座５２と回転台５３との間に位置される。前記柱部５１は全て条片状または板片状の形体を呈し、且つその内の少なくとも１つの柱部５１の片体には少なくとも１つの歪みゲージ６０が配置される。ここでは、前記少なくとも１つの柱部５１とは複数の柱部５１の内の１つまたは１つ以上の柱部５１の片体に歪みゲージ
６０が粘着されることを指し、且つ歪みゲージ６０が粘着される柱部５１は、その歪みゲージ６０の粘着される数量は１枚または２枚である。単一の柱部５１に粘着される歪みゲージ６０の数量が２枚である場合、前記２枚の歪みゲージ６０は前記柱部５１の片体の対応する側部の第一端面５１ｃ及び第二端面５１ｄに貼付され、前記第一端面５１ｃ及び第二端面５１ｄは中心軸Ｃの径方向に平行する。前記柱部５１は炭素鋼等の金属で製造される条片状形体であり、柱部５１の各領域には同じ断面が出現し、作用力が伝導されて金属材料の強度が許容する範囲内の歪みが生じ、これを歪みゲージ６０のキャリアとする。

各柱部５１が全て第一端部５１ａ及び第二端部５１ｂを有する。前記第一端部５１ａは固定される必要があり、前記第二端部５１ｂは第一段階内歯車４１５が負荷する接線力の吸収に用いられる。更には、前記柱部５１に固定される第一端部５１ａは固定座５２に固着され、前記柱部５１はその実施において固定座５２が延伸されることにより形成される。前記固定座５２は台座５４に装設され、前記台座５４はネジ１１による螺着方式によりハウジング１０内に固定され、装置全体の固定端とする。前記柱部５１は第一段階内歯車４１５が負荷する接線力を吸収するための第二端部５１ｂが回転台５３に滑動可能或いは固定されるように装設される。

なお、図１及び図２によれば、前記トルク検出ディスク５０は回転台５３を介して第一段階内歯車４１５に連結され、第一段階内歯車４１５が第一段階遊星ギア４１２及び第二段階遊星ギア４２２の駆動を受けると、回転台５３が更に駆動されて前記中心軸Ｃに沿って自転する。更には、前記回転台５３は密接方式で第一段階内歯車４１５中に植設されて両者が一体となるように連結される（図９参照）。或いは、前記回転台５３の一端が延伸されることにより複数のバンプ５３２が形成され、前記第一段階内歯車４１５の一端が陥没することによりバンプ５３２に対応する複数の凹部４１６が形成され、前記回転台５３及び第一段階内歯車４１５はバンプ５３２及び凹部４１６が結合されることにより一体となるように連結される（図１０参照）。

このほかに、前記固定座５２及び回転台５３の中心部には入力軸２０が貫通させるスルーホール５２１、５３１がそれぞれ形成され、固定座５２及び回転台５３が中心軸Ｃに沿って入力軸２０にそれぞれ対称に配置される。また、前記入力軸２０は固定座５２及び回転台５３のスルーホール５２１、５３１を貫通させて第一段階太陽歯車４１１に連結される。なお、前記柱部５１は固定座５２と回転台５３との間にそれぞれ配置され、前記柱部５１は中心軸Ｃのラジアル線Ｄにそれぞれ位置される（図４参照）。本発明において、前記柱部５１の数量は２つである。また、前記固定座５２と回転台５３との間には軸受固定座５５がさらに設置され、上述のベアリング２１の内の１つは軸受固定座５５内に装設される。これにより、入力軸２０の回転時の安定性が維持される。

図５及び図６を参照すれば、入力端として使用される第一段階太陽歯車４１１が時計回り方向に回転すると、第一段階遊星ギア４１２が駆動されて反時計回り方向に回転し、且つ第一段階遊星ディスク４１４が駆動されて時計回り方向に回転する。次いで、第二段階太陽歯車４２１が第一段階遊星ディスク４１４による駆動により時計回り方向に回転し、且つ第二段階遊星ギア４２２が駆動されて反時計回り方向に回転する。前記第二段階遊星ギア４２２の駆動により出力端として使用される第二段階遊星ディスク４２４が時計回り方向に回転して動力が出力される。

第二段階遊星ディスク４２４は外界のトルクの負荷Ｔ１を克服せねばならず、第一段階太陽歯車４１１によりトルクＴ２が入力され、且つＴ２に減速比を乗算して得られるトルクはＴ１を克服させて平衡を達成させねばならず、且つ第一段階内歯車４１５にトルクの負荷Ｔ３が形成される。よって、以下のようになる。
λは第一段階太陽歯車４１１及び第一段階内歯車４１５の歯数比である（λ＝第一段階太陽歯車４１１の歯数／第一段階内歯車４１５の歯数）。

図５及び図６をさらに参照すれば、前記第一段階太陽歯車４１１及び第一段階遊星ギア４１２、並びに第二段階太陽歯車４２１及び第二段階遊星ギア４２２の相互に噛合される接触点には接線力Ｆ２がそれぞれ形成され、前記第一段階内歯車４１５及び第一段階遊星ギア４１２、並びに第二段階遊星ギア４２２の相互にされる接触点には接線力Ｆ１がそれぞれ形成され、前記接線力Ｆ１及びＦ２は相互に平行する。モーメントバランス（Moment balance）
に基づくと、Ｍ＝０＝Ｆ１×ｒ-Ｆ２×ｒ、Ｆ＝Ｆ１＋Ｆ２となり、よってＦ１＝Ｆ２＝Ｆ／２となる。このため、前記接線力の総合（Ｆ１+Ｆ２）により反作用力Ｆが生じ、前記反作用力Ｆは遊星ギア軸４１３、４２３を介して第一段階遊星ディスク４１４及び第二段階遊星ディスク４２４をそれぞれ駆動させて回転させる。

図７を参照すると、前記柱部５１の第一端部５１ａは全て固定座５２上に各自固定され、且つ前記柱部５１の第二端部５１ｂは滑動方式で回転台５３に浮動接触される。このような配置において、回転台５３が第一段階内歯車４１５により伝達される接線力Ｆ１により微かに自転することで前記柱部５１が駆動されると、各柱部５１の第一端部５１ａが固定されて不動となることにより、各柱部５１の第二端部５１ｂが回転台５３により形成される微かな自転に追随して微かに移動し、各柱部５１も全て変形し、且つ各柱部５１の第一端面５１ｃが引張力を受け、第二端面５１ｄが圧力を受ける。この際、貼付方式でその内の少なくとも１つの柱部５１に搭載される少なくとも１枚の歪みゲージ６０が湾曲変形の作用を受けて同期で歪みを生じさせ、これを入力軸２０と出力軸３０との間のトルク検出値とする。また、前記柱部５１の第二端部５１ｂが固定方式で回転台５３に結合される場合、前記第二端部５１ｂが回転台５３に浮動接触されなくなるため、回転台５３が微かに回転すると第二端部５１ｂが追随して移動し、この状態で、歪みゲージ６０も同様に変形作用を受けて歪みを生じさせる。

図８ａ、図８ｂ及び図１１を参照すれば、回転台５３が第一段階内歯車４１５により伝達される接線力Ｆ１により柱部５１を駆動させ、柱部５１の第一端部５１ａが固定座５２によりハウジング１０内に固定され、柱部５１が回転台５３の回転により湾曲変形を生じさせる。これにより、柱部５１の一側が圧力を受け、他側が引張力を受ける。歪みゲージ６０が柱部５１の両側に粘着され、ブリッジ７０の公式を使用して電気抵抗値の変化量を精確且つ敏感に検出させる。

２つの柱部５１に設定される相対的な距離がａであり、数量がＮであり、幅がｂであり、厚さがｈである場合、単一の柱部５１の受力Ｆ'は以下のようになる。

歪みゲージ６０の中心部と受力点（すなわち、第二端部５１ｂ）との距離がＬである場合、歪みゲージ６０により検出される応力値はσ＝６×Ｆ'×Ｌ／（ｂ×ｈ２）となり、歪みεは以下のようになる。
歪みゲージ６０があるＬ箇所の位置は、装設の利便性及び生じうる最大の変形量を考慮して決定される。例えば、歪みゲージ６０が柱部５１の貼付位置にある場合、固定座５２に接近させると共に回転台５３から離間され、より大きな歪みが生じて精確なトルク測定値がより敏感に取得できる。

上述のブリッジ７０の公式は以下の式（５）のとおりである。

Ｖ_ｉｎは電源供給端の入力電圧であり、Ｖ_ａｂはｂ点の電圧Ｖ_ｂからａ点の電圧Ｖ_ａまでの間の電圧差であり、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４はそれぞれ柱部５１に固定される電気抵抗である。歪みゲージ６０が収縮または伸張力を受けると、その電気抵抗値Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃、及びＲ₄が変化を生じさせる。電気抵抗Ｒ₂及びＲ₃が受力する際の抵抗値の変化量は−△Ｒとなり、電気抵抗Ｒ₁及びＲ₄が受力する際の抵抗値の変化量は△Ｒとなる。これにより、電気抵抗値がＲ₂＝Ｒ₃＝Ｒ−△Ｒ及びＲ₁＝Ｒ₄＝Ｒ+△Ｒとなり、上述の式（５）に加えられて以下の式（６）が得られる。

Ｖ_ａｂは計装アンプ７１によりG倍に拡大された後、計算により以下の式（７）の出力電圧Ｖ_Ｏが得られる。

柱部５１がトルクの作用を受けた後に生じる歪みの関係は
となり、歪み及び出力電圧の関係が得られる。

Ｇ_Ｆは歪み係数である。上述の出力電圧Ｖ_Ｏは整流器７２により整流された後、数値制御ユニット（MCU）７３に供給され、前記出力電圧Ｖ_Ｏの変化数値に基づいて上述の柱部５１がトルク作用を受けた後に生じる歪みεとし、変換及び計算により入力軸２０と第一内歯車４１５との間の精確なトルク検出値となる。

歪みゲージ６０の使用数について、４枚の歪みゲージが使用されると２枚の歪みゲージの変化量の２倍となり、且つ１枚の歪みゲージの変化量の約４倍となる。よって、本発明において、歪みゲージ６０の配置数が多くなるほど、変換されて取得されるトルク検出値がより敏感になる。但し、歪みゲージ６０の配置数は４枚に限定されない。

図９及び図１０を参照すれば、上述のように、前記トルク検出ディスク５０の柱部５１は固定座５２が延伸されることにより形成され、前記柱部５１は第一段階内歯車４１５の接線力Ｆ１の吸収に用いられる第二端部５１ｂが滑動または固定方式により回転台５３に連結される。図９に示されるように、前記回転台５３には複数のバンプ５３３が設置され、前記バンプ５３３の数量は前記柱部５１の配置数の２倍であり、前記バンプ５３３は柱部５１の両側にそれぞれ位置され、柱部５１が２つのバンプ５３３の間に滑動可能に配置される。前記回転台５３にはバンプ５３３により柱部５１が固定され、回転台５３が回転すると柱部５１が駆動され、柱部５１に湾曲変形が生じる。図１０に示されるように、前記トルク検出ディスク５０は固定座５２、回転台５３、及び柱部５１が一体となるように製造され、これにより、回転台５３が回転すると柱部５１が駆動され、柱部５１に変形が生じる。
（第２実施形態）

図１２は本発明の第２実施形態に係る軸方向回転式トルク検出器を図示する。上述の第１実施形態との差異は、本実施形態に係る遊星ギアセットは単一の遊星ギアセット４０であり、前記入力軸２０のハウジング１０内まで延伸される一端が遊星ギアセット４０の内の太陽歯車４０１に連結され、前記出力軸３０は遊星ギアセット４０の内の遊星ディスク４０４を介して太陽歯車４０１の四周に噛合される遊星ギアセット４０の内の複数の遊星ギア４０２に連結され、前記遊星ギアセット４０の内の内歯車４０５は太陽歯車４０１及び遊星ギア４０２の周囲を包囲させ、前記太陽歯車４０１及び内歯車４０５は遊星ギア４０２にそれぞれ噛合される点である。より詳しくは、前記遊星ギア４０２はその実施において、遊星ギア軸４０３を介して遊星ディスク４０４に枢設される。前記遊星ディスク４０４は実施において、出力軸３０が延伸されることにより形成され、すなわち、前記出力軸３０及び遊星ディスク４０４が同軸で一体で延伸されることにより形成される。このほか、入力軸２０及び出力軸３０の軸結合対象は互換し、すなわち、入力軸２０が遊星ディスク４０４に連結され、出力軸３０が太陽歯車４０１に連結されることも、本発明の思想の応用範囲に含まれ、入力から出力への駆動の対象及び順序を容易に変換可能である。

以上の実施形態の説明のように、本発明は条片状の柱部５１の端部が動かされた状態で受力すると敏感に変形を生じさせ、前記歪みゲージ６０が追随して変形する。また、トルク検出精度も向上する。なお、前記柱部５１が入力軸２０の軸方向にそれぞれ相互に平行するように配置され、入力軸２０の径方向に沿って配置されるのではないため、応用される部材、設備、またはトルク検出器の径方向の体積が有効的に縮減され、先行技術に対して貢献できる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

１０ハウジング
１１ネジ
２０入力軸
２１ベアリング
２２端部
３１ベアリング
３２端部
３０出力軸
４０遊星ギア軸
４０１太陽歯車
４０２遊星ギア
４０３遊星ギア軸
４０４遊星ディスク
４０５内歯車
４１第一段階遊星ギアセット
４１１第一段階太陽歯車
４１２第一段階遊星ギア
４１３遊星ギア軸
４１４第一段階遊星ディスク
４１５第一段階内歯車
４１６凹部
４２第二段階遊星ギアセット
４２１第二段階太陽歯車
４２２第二段階遊星ギア
４２３遊星ギア軸
４２４第二段階遊星ディスク
５０トルク検出ディスク
５１柱部
５１ａ第一端部
５１ｂ第二端部
５１ｃ第一端面
５１ｄ第二端面
５２固定座
５２１スルーホール
５３回転台
５３１スルーホール
５３２バンプ
５３３バンプ
５４台座
５５軸受固定座
６０歪みゲージ
７０ブリッジ
７１計装アンプ
７２整流器
７３数値制御ユニット
８０駆動モーター
８１駆動軸
９０ツールコネクタ
Ｃ中心軸
Ｄラジアル線

Claims

中心軸に沿って間隔を空けて配置される入力軸及び出力軸と、
中心軸に沿って入力軸と出力軸との間に配置される遊星ギアセットであって、前記入力軸は遊星ギアセットの内の太陽歯車に連結され、前記出力軸は遊星ディスクを介して遊星ギアセットの内の複数の遊星ギアに連結され、前記遊星ギアセットの内の内歯車はトルク検出ディスクに連結され、前記トルク検出ディスクは中心軸に平行し、かつ中心軸の軸方向の端部が固定された複数の条片状の柱部を有し、前記柱部の対応する側部には中心軸の径方向に平行する端面がそれぞれ形成され、前記２端面の内の少なくとも一つの端面には少なくとも１つの歪みゲージが配置されることを備え、
前記入力軸は遊星ギアセットを介して出力軸を駆動させて回転させ、且つ接線力が形成されて内歯車が駆動されて中心軸の円周に沿って回転し、前記トルク検出ディスクの柱部により内歯車が負荷する接線力が吸収されることにより前記円周に沿って回転する方向に変形が生じ、前記歪みゲージにより前記変形が検出されると歪みが生じ、これを入力軸と出力軸との間のトルク検出値とすることを特徴とする軸方向回転式トルク検出器。
前記トルク検出ディスクは固定座及び回転台を備え、前記柱部は固定座と回転台との間に位置されることを特徴とする、請求項１に記載の軸方向回転式トルク検出器。
前記トルク検出ディスクは固定座、柱部及び回転台が一体成形されることにより構成されることを特徴とする、請求項２に記載の軸方向回転式トルク検出器。
前記柱部は固定座が延伸されることにより形成され、前記柱部の固定座から離間する一端は回転台に装設されることを特徴とする、請求項２に記載の軸方向回転式トルク検出器。
前記固定座及び回転台の中心部にはスルーホールがそれぞれ設けられ、前記入力軸は前記スルーホールを貫通させて太陽歯車に連結されることを特徴とする、請求項２に記載の軸方向回転式トルク検出器。
前記入力軸は固定座及び回転台の内の少なくとも１つに枢着されることを特徴とする、請求項５に記載の軸方向回転式トルク検出器。
前記歪みゲージが配置される柱部は、歪みゲージの配置数は２つであり、且つ前記２つの歪みゲージは柱部の対応し合う２面の端面に貼付されることを特徴とする、請求項１または５に記載の軸方向回転式トルク検出器。
前記遊星ギアセットは、
第一段階遊星ギアセットであって、前記入力軸が第一段階遊星ギアセットの内の第一段階太陽歯車に連結され、前記第一段階遊星ギアセットの内の第一段階遊星ディスクには前記第一段階太陽歯車の四周に噛合される第一段階遊星ギアセットの内の複数の第一段階遊星ギアが枢設され、前記第一段階遊星ギアセットの内の第一段階内歯車にはトルク検出ディスクが連結されることと、
第二段階遊星ギアセットであって、前記第二段階遊星ギアセットの内の第二段階太陽歯車が第一段階遊星ディスクの中心部に連結され、前記出力軸は第二段階遊星ギアセットの内の第二段階遊星ディスクを介して第二段階太陽歯車の四周に噛合される第二段階遊星ギアセットの内の複数の第二段階遊星ギアに連結され、前記第一段階遊星ギア及び第二段階遊星ギアは第一段階内歯車にそれぞれ噛合されることを備えることを特徴とする、請求項１に記載の軸方向回転式トルク検出器。
前記第二段階遊星ディスクは出力軸が延伸されることにより形成されることを特徴とする、請求項８に記載の軸方向回転式トルク検出器。
前記入力軸の軸結合対象及び出力軸の連結対象は互換することを特徴とする、請求項８に記載の軸方向回転式トルク検出器。
前記遊星ディスクは出力軸が延伸されることにより形成されることを特徴とする、請求項１に記載の軸方向回転式トルク検出器。
前記入力軸の軸結合対象及び出力軸の連結対象は互換することを特徴とする、請求項１１に記載の軸方向回転式トルク検出器。