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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022065349
(43)【公開日】2022-04-27
(54)【発明の名称】トルクセンサ
(51)【国際特許分類】
G01L 3/10 20060101AFI20220420BHJP
【ＦＩ】
G01L3/10 317
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2020173868
(22)【出願日】2020-10-15
(71)【出願人】
【識別番号】000203634
【氏名又は名称】多摩川精機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100110423
【弁理士】
【氏名又は名称】曾我 道治
(74)【代理人】
【識別番号】100111648
【弁理士】
【氏名又は名称】梶並 順
(74)【代理人】
【識別番号】100221729
【弁理士】
【氏名又は名称】中尾 圭介
(72)【発明者】
【氏名】濱島 徹
(57)【要約】
【課題】従来よりも簡易な構成により小型化することが可能なトルクセンサを提供する。
【解決手段】回転可能な主軸（１１１）を有する回転型差動トランス（１１０）と、主軸（１１１）の回転に応じて主軸（１１１）と回転型差動トランス（１１０）との間でねじれを生じるねじりバネ（１２０）とを備え、回転型差動トランス（１１０）は主軸（１１１）の回転角に対応した電圧を出力する。ここで、主軸（１１１）に作用するトルクに応じてねじりバネ（１２０）にねじれが生じるため、主軸（１１１）の回転角に応じて出力される回転型差動トランス（１１０）の電圧とねじりバネ（１２０）の特性とに基づいてトルクを測定する。
【選択図】図１
【解決手段】回転可能な主軸（１１１）を有する回転型差動トランス（１１０）と、主軸（１１１）の回転に応じて主軸（１１１）と回転型差動トランス（１１０）との間でねじれを生じるねじりバネ（１２０）とを備え、回転型差動トランス（１１０）は主軸（１１１）の回転角に対応した電圧を出力する。ここで、主軸（１１１）に作用するトルクに応じてねじりバネ（１２０）にねじれが生じるため、主軸（１１１）の回転角に応じて出力される回転型差動トランス（１１０）の電圧とねじりバネ（１２０）の特性とに基づいてトルクを測定する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
回転可能な主軸（１１１）を有し、前記主軸（１１１）の回転角に対応する電圧を出力する回転型差動トランス（１１０）と、
前記主軸（１１１）の回転に応じてねじれを生じるねじりバネ（１２０）と、
を備えたことを特徴とするトルクセンサ。
前記主軸（１１１）の回転に応じてねじれを生じるねじりバネ（１２０）と、
を備えたことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項2】
前記主軸（１１１）に取り付けられたアーム（１３０）と、
前記回転型差動トランス（１１０）に取り付けられたストッパ（１５０）と、
を更に備え、
前記アーム（１３０）は、前記主軸（１１１）の回転に応じて前記ねじりバネ（１２０）の一方の端部を回転させ、
前記ストッパ（１５０）は、前記ねじりバネ（１２０）の他方の端部の位置を固定する、
ことを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
前記回転型差動トランス（１１０）に取り付けられたストッパ（１５０）と、
を更に備え、
前記アーム（１３０）は、前記主軸（１１１）の回転に応じて前記ねじりバネ（１２０）の一方の端部を回転させ、
前記ストッパ（１５０）は、前記ねじりバネ（１２０）の他方の端部の位置を固定する、
ことを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
【請求項3】
前記ねじりバネ（１２０）は、一方の端部に第１フック（１２１）を備え、他方の端部に第２フック（１２２）を備えており、
前記主軸（１１１）が第１方向に回転すると、前記第１フック（１２１）は前記アーム（１３０）の動きに応じて第１方向に回転し、前記第２フック（１２２）は前記ストッパ（１５０）に位置を固定され、
前記主軸（１１１）が第２方向に回転すると、前記第１フック（１２１）は前記ストッパ（１５０）に位置を固定され、前記第２フック（１２２）は前記アーム（１３０）の動きに応じて第２方向に回転する、
ことを特徴とする請求項２に記載のトルクセンサ。
前記主軸（１１１）が第１方向に回転すると、前記第１フック（１２１）は前記アーム（１３０）の動きに応じて第１方向に回転し、前記第２フック（１２２）は前記ストッパ（１５０）に位置を固定され、
前記主軸（１１１）が第２方向に回転すると、前記第１フック（１２１）は前記ストッパ（１５０）に位置を固定され、前記第２フック（１２２）は前記アーム（１３０）の動きに応じて第２方向に回転する、
ことを特徴とする請求項２に記載のトルクセンサ。
【請求項4】
前記回転型差動トランス（１１０）から出力される前記電圧と、前記ねじりバネ（１２０）の特性とに基づいて、前記主軸（１１１）に作用するトルクを算出する演算部（１７０）を更に備える、
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のトルクセンサ。
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のトルクセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、トルクセンサに関し、特に、トルクセンサを従来よりも小型に構成するための新規な改良に関する。
【背景技術】
【0002】
トルクセンサとして、トーションバーの入力側と出力側のねじれによる回転差を検出するものが知られている。
【0003】
例えば、特許文献１に示されるトルクセンサは、トーションバーの両端に一対のレゾルバを配置している。そして、これら一対のレゾルバにより検出されるトーションバーのねじれに基づいて操舵トルクを測定する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０１０－４８７６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記のトルクセンサにおいて、使用するレゾルバ数に応じた製造コストの上昇、装置の大型化といった問題があった。また、レゾルバの出力を処理するため、ＲＤ(Resolver Digital)コンバータ等の複雑な処理回路を用いる必要があった。そして、上記のトルクセンサは、ねじれを持たせるために一定の長さを有するトーションバーを使用しており、使用できる環境が限られるという課題があった。
【0006】
本発明は、以上のような課題を解決するために、簡易な構成により小型化することが可能なトルクセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
この発明に係るトルクセンサは、回転可能な主軸を有し、主軸の回転角に対応する電圧を出力する回転型差動トランスと、主軸の回転に応じてねじれを生じるねじりバネとを備えたことを特徴とする。
【0008】
この発明に係るトルクセンサにおいて、主軸に取り付けられたアームと、回転型差動トランスに取り付けられたストッパと、を更に備え、アームは、主軸の回転に応じてねじりバネの一方の端部を回転させ、ストッパは、ねじりバネの他方の端部の位置を固定することを特徴とする。
【0009】
この発明に係るトルクセンサにおいて、ねじりバネは、一方の端部に第１フックを備え、他方の端部に第２フックを備えており、主軸が第１方向に回転すると、第１フックはアームの動きに応じて第１方向に回転し、第２フックはストッパに位置を固定され、主軸が第２方向に回転すると、第１フックはストッパに位置を固定され、第２フックはアームの動きに応じて第２方向に回転する、ことを特徴とする。
この発明に係るトルクセンサにおいて、回転型差動トランスから出力される電圧と、ねじりバネの特性とに基づいて、主軸に作用するトルクを算出する演算部を更に備える、ことを特徴とする。
この発明に係るトルクセンサにおいて、回転型差動トランスから出力される電圧と、ねじりバネの特性とに基づいて、主軸に作用するトルクを算出する演算部を更に備える、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【0010】
この発明に係るトルクセンサは、回転可能な主軸を有する回転型差動トランスと、主軸の回転に応じてねじれを生じるねじりバネとを備えており、主軸の回転に応じてねじりバネにねじれが生じ、回転型差動トランスは回転角に対応した電圧を出力する。ここで、主軸を回転させると共に主軸の回転に応じてねじりバネにねじれを生じさせており、主軸の回転のトルクはねじりバネのねじり応力と等しくなる。このため、主軸の回転角に応じて回転型差動トランスから出力される電圧と、ねじりバネの特性とに基づいて、主軸に作用するトルクを測定できる。従って、簡易な構成により小型化することが可能なトルクセンサを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】実施の形態１のトルクセンサの構成を示す構成図である。
【図2】実施の形態１のトルクセンサの構成からストッパを取り外した状態を示す構成図である。
【図3】実施の形態１のトルクセンサのトルク測定時において、主軸が時計回りに回転した動作状態を示す説明図である。
【図4】実施の形態１のトルクセンサのトルク測定時において、主軸が反時計回りに回転した動作状態を示す説明図である。
【図5】実施の形態１のトルクセンサに使用されるねじりバネを示す説明図である。
【図6】実施の形態１のトルクセンサに使用されるねじりバネの特性を示す特性図である。
【図7】実施の形態１のトルクセンサに使用される回転型差動トランスの特性を示す特性図である。
【図8】実施の形態１のトルクセンサの特性を示す説明図である。
【図9】実施の形態１のトルクセンサにおいて演算を行う構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明のトルクセンサの実施の形態につき、図面を用いて説明する。
【0013】
実施の形態１．
はじめに、実施の形態１におけるトルクセンサ１００の構成について、図１を参照して説明する。
図１は、実施の形態１のトルクセンサ１００の構成を示す構成図である。ここで、図１の（ａ）はトルクセンサ１００の正面図、図１の（ｂ）はトルクセンサ１００の左側面図、図１の（ｃ）はトルクセンサ１００の右側面図、図１の（ｄ）はトルクセンサ１００の平面図である。そして、図１の（ａ）～（ｄ）のそれぞれは、同一縮尺で正投影図法により記載されている。
はじめに、実施の形態１におけるトルクセンサ１００の構成について、図１を参照して説明する。
図１は、実施の形態１のトルクセンサ１００の構成を示す構成図である。ここで、図１の（ａ）はトルクセンサ１００の正面図、図１の（ｂ）はトルクセンサ１００の左側面図、図１の（ｃ）はトルクセンサ１００の右側面図、図１の（ｄ）はトルクセンサ１００の平面図である。そして、図１の（ａ）～（ｄ）のそれぞれは、同一縮尺で正投影図法により記載されている。
【0014】
［トルクセンサ１００の構成］
図１において、トルクセンサ１００は、主に、回転型差動トランス１１０と、ねじりバネ１２０と、アーム１３０と、ストッパ１５０とを有している。なお、図１は、トルク測定実行前のトルクセンサ１００の状態を示している。
図１において、トルクセンサ１００は、主に、回転型差動トランス１１０と、ねじりバネ１２０と、アーム１３０と、ストッパ１５０とを有している。なお、図１は、トルク測定実行前のトルクセンサ１００の状態を示している。
【0015】
回転型差動トランス１１０には、回転可能な主軸１１１が設けられている。主軸１１１には、図示されない測定対象物を取り付け可能である。回転型差動トランス１１０は、主軸１１１の回転角に対応した電圧を出力する。
【0016】
ねじりバネ１２０は、一方の端部に設けられた第１フック１２１と他方の端部に設けられた第２フック１２２とによりアーム１３０とストッパ１５０とを一定の力で挟み、主軸１１１と接触しないように、主軸１１１の周囲に配置されている。そして、ねじりバネ１２０は、主軸１１１の回転に応じて、主軸１１１と回転型差動トランス１１０の本体部との間でねじれを生じる。
【0017】
アーム１３０は、主軸１１１に対して平行になるように、ネジ１４１、スペーサ１４２及びナット１４３を用いて、主軸１１１に対して取り付けられている。アーム１３０には、主軸１１１の回転に伴って第１フック１２１を軸周りに回転させる凹部形状の第１駆動部１３１と、主軸１１１の回転に伴って第２フック１２２を軸周りに回転させる凹部形状の第２駆動部１３２と、が設けられている。
【0018】
ストッパ１５０は、ネジ１６１とスペーサ１６２を用いて、主軸１１１を中心としてアーム１３０より外側に位置するように、回転型差動トランス１１０の本体部の取り付け穴１６３（図２を参照）に取り付けられている。ストッパ１５０には、第１フック１２１の位置を固定する凹部形状の第１固定部１５１と、第２フック１２２の位置を固定する凹部形状の第２固定部１５２とが設けられている。
【0019】
トルク測定実行前において、アーム１３０は、ねじりバネ１２０の第１フック１２１と第２フック１２２とにより挟まれている。この際、第１駆動部１３１に第１フック１２１が位置し、第２駆動部１３２に第２フック１２２が位置している。また、トルク測定実行前において、ストッパ１５０は、主軸１１１を中心としてアーム１３０より外側で、アーム１３０と共にねじりバネ１２０の第１フック１２１と第２フック１２２とにより挟まれている。この際に、第１固定部１５１に第１フック１２１が位置し、第２固定部１５２に第２フック１２２が位置している。
【0020】
トルク測定時において、後述する測定対象物の回転に応じて主軸１１１がいずれかの方向に回転すると、第１フック１２１または第２フック１２２のいずれか一方の位置はストッパ１５０に固定され、第１フック１２１または第２フック１２２のいずれか他方はアーム１３０の動きに応じて回転することにより、ねじりバネ１２０にねじれが生じる。
【0021】
ここで、ストッパ１５０の内側に存在するアーム１３０について、ねじりバネ１２０との関係を分かりやすく示すため、トルクセンサ１００から、ストッパ１５０を取り外した状態を図２に示す。図２は、実施の形態１のトルクセンサ１００の構成からストッパ１５０を取り外した状態を示す構成図である。ここで、図２の（ａ）はトルクセンサ１００の正面図、図２の（ｂ）はトルクセンサ１００の左側面図、図２の（ｃ）はトルクセンサ１００の右側面図、図２の（ｄ）はトルクセンサ１００の平面図である。そして、図２の（ａ）～（ｄ）のそれぞれは、同一縮尺で正投影図法により記載されている。
【0022】
図２に示すように、アーム１３０は、主軸１１１を中心として、ねじりバネ１２０の環状部分より外側であって、ストッパ１５０より内側の位置に、ネジ１４１、スペーサ１４２及びナット１４３を用いて、主軸１１１に対して平行に取り付けられている。トルク測定実行前において、アーム１３０は、ねじりバネ１２０の第１フック１２１と第２フック１２２とにより挟まれている。この際、第１駆動部１３１に第１フック１２１が位置し、第２駆動部１３２に第２フック１２２が位置している。
【0023】
［トルクセンサ１００の動作］
次に、トルクセンサ１００の動作を、図３及び図４を用いて説明する。図３は、実施の形態１のトルクセンサ１００のトルク測定時において、主軸が時計回りに回転した動作状態を示す説明図である。図４は、実施の形態１のトルクセンサ１００のトルク測定時において、主軸が反時計回りに回転した動作状態を示す説明図である。図３及び図４において、トルクセンサ１００は、トルク測定時に安定した状態を保てるように、基準面１に設置されている。また、トルクセンサ１００の主軸１１１には、測定対象物３０の軸３１がカップリング２０を介して接続されている。
次に、トルクセンサ１００の動作を、図３及び図４を用いて説明する。図３は、実施の形態１のトルクセンサ１００のトルク測定時において、主軸が時計回りに回転した動作状態を示す説明図である。図４は、実施の形態１のトルクセンサ１００のトルク測定時において、主軸が反時計回りに回転した動作状態を示す説明図である。図３及び図４において、トルクセンサ１００は、トルク測定時に安定した状態を保てるように、基準面１に設置されている。また、トルクセンサ１００の主軸１１１には、測定対象物３０の軸３１がカップリング２０を介して接続されている。
【0024】
測定対象物３０の回転に応じて主軸１１１がいずれかの方向に回転すると、第１フック１２１または第２フック１２２のいずれか一方の位置はストッパ１５０に固定され、第１フック１２１または第２フック１２２のいずれか他方はアーム１３０の動きに応じて回転する。この際に、回転型差動トランス１１０は、主軸１１１の回転角に対応した電圧を出力する。
【0025】
具体的には、図３のように、測定対象物３０の回転に応じて主軸１１１が時計回りの方向（以下、第１方向）に回転すると、主軸１１１の回転に伴ってアーム１３０は第１方向に回転する。ここで、第１フック１２１は、アーム１３０の動きに応じて、第１駆動部１３１と共に第１方向に回転する。そして、第２フック１２２はストッパ１５０の第１固定部１５１に固定されたままの状態である。
【0026】
また、図４のように、測定対象物３０の回転に応じて主軸１１１が反時計回りの方向（以下、第２方向）に回転すると、主軸１１１の回転に伴ってアーム１３０は第２方向に回転する。ここで、第１フック１２１は、ストッパ１５０の第１固定部１５１に固定されたままの状態である。そして、第２フック１２２は、アーム１３０の動きに応じて、第２駆動部１３２と共に第２方向に回転する。
【0027】
上記図３及び図４の場合、測定対象物３０の回転に応じて主軸１１１を回転させると共に、主軸１１１の回転に応じてねじりバネ１２０にねじれを生じさせている。これにより、測定対象物３０の回転のトルクは、ねじりバネ１２０のねじり応力と等しい。ここで、回転型差動トランス１１０から出力される電圧は主軸１１１の回転角に対応した電圧であり、ねじりバネ１２０のねじり角に対応するねじり応力を示している。すなわち、回転型差動トランス１１０から出力される電圧は、主軸１１１に作用するトルクを示している。このため、主軸１１１の回転角に応じて回転型差動トランス１１０から出力される電圧と、ねじりバネ１２０の特性とに基づいて、ねじりバネ１２０のねじり応力、すなわち、主軸１１１に作用するトルクを測定できる。
【0028】
［トルクセンサ１００の各部の詳細説明］
以下、トルクセンサ１００を構成する各部の詳細について説明する。まず、図５を参照して、ねじりバネ１２０について説明する。図５は、実施の形態１のトルクセンサ１００に使用されるねじりバネ１２０を示す説明図である。ねじりバネ１２０は、複数巻きのコイル部１２３と、一方の端部に設けられた第１フック１２１と、他方の端部に設けられた第２フック１２２とを備えて構成されたコイルばねである。ここで、Ｄはねじりバネ１２０外径と内径の平均である平均径、ｄはバネ材の線径である。
以下、トルクセンサ１００を構成する各部の詳細について説明する。まず、図５を参照して、ねじりバネ１２０について説明する。図５は、実施の形態１のトルクセンサ１００に使用されるねじりバネ１２０を示す説明図である。ねじりバネ１２０は、複数巻きのコイル部１２３と、一方の端部に設けられた第１フック１２１と、他方の端部に設けられた第２フック１２２とを備えて構成されたコイルばねである。ここで、Ｄはねじりバネ１２０外径と内径の平均である平均径、ｄはバネ材の線径である。
【0029】
次に、図６を参照して、ねじりバネ１２０のねじれ角θとトルクＴとの特性について数式を用いて説明する。図６は、実施の形態１のトルクセンサ１００に使用されるねじりバネ１２０の特性を示す特性図である。図６において、横軸は、ねじりバネ１２０のねじれ角θ[°]を示し、縦軸は、トルクＴ[Ｎｍ]を示している。ねじりバネ１２０において、使用する線材、線径ｄ、平均径Ｄにより、固有のバネ定数ｋ１が定まる。
【0030】
ここで、ねじりバネ１２０のねじれ角θとトルクＴとの関係は、
Ｔ＝ｋ１・θ …（１）式、
と表せる。
また、有効巻数をＮａ、縦弾性係数をＥとした場合、ねじりバネ１２０の特性としてのバネ定数ｋ１は、
ｋ１＝π・Ｅ・ｄ４／（１１５２０・Ｄ・Ｎａ） …（２）式、
と表せる。
Ｔ＝ｋ１・θ …（１）式、
と表せる。
また、有効巻数をＮａ、縦弾性係数をＥとした場合、ねじりバネ１２０の特性としてのバネ定数ｋ１は、
ｋ１＝π・Ｅ・ｄ４／（１１５２０・Ｄ・Ｎａ） …（２）式、
と表せる。
【0031】
従って、図６に示すように、トルクＴ[Ｎｍ]は、ねじれ角θ[°]の絶対値に一次比例する。なお、図６において、ねじれ角θ[°]が正の領域は、第１フック１２１によりねじりバネ１２０を第１方向に巻き込む状態である。また、図６において、ねじれ角θ[°]が負の領域は、第２フック１２２によりねじりバネ１２０を第１方向とは反対方向の第２方向に巻き込む状態である。
【0032】
次に、図７を参照して、回転型差動トランス１１０の出力特性を説明する。図７は、実施の形態１のトルクセンサ１００に使用される回転型差動トランス１１０の特性を示す特性図である。
図７において、横軸は、回転型差動トランス１１０の回転角θ[°]を示し、縦軸は、電圧Ｖ[Ｖrms]を示している。ここで、Ｖａは回転型差動トランス１１０内のＡ相に生じる電圧Ｖａを示し、Ｖｂは回転型差動トランス１１０内のＢ相に生じる電圧Ｖｂを示し、Ｖoutは電圧Ｖａから電圧Ｖｂを差し引いた回転型差動トランス１１０の出力電圧Ｖout（＝Ｖａ－Ｖｂ）を示している。また、ＶsumはＡ相に生じる電圧ＶａとＢ相に生じる電圧Ｖｂとの和電圧Ｖsum（＝Ｖａ＋Ｖｂ）を示している。
この図７に示すように、回転型差動トランス１１０は、回転角θ[°]に一次比例して出力電圧Ｖout[Ｖrms]を直線的に変化させる特性を有している。
ここで、回転型差動トランス１１０の感度定数をｋ２とすると、回転型差動トランス１１０の出力電圧Ｖout[Ｖrms]を、
Ｖout＝ｋ２・θ …（３）式、
と表せる。
従って、上記の（１）及び（３）式を整理して、
Ｔ＝ｋ１・θ
＝ｋ１・（１／ｋ２）・Ｖout
＝（ｋ１／ｋ２）・Ｖout
のように、出力電圧Ｖout [Ｖrms]と、バネ定数ｋ１と、感度定数ｋ２とから、トルクＴ[Ｎｍ]を求めることができる。なお、バネ定数ｋ１と感度定数ｋ２とを係数と考えた場合、出力電圧ＶoutからトルクＴを算出することができる。
図７において、横軸は、回転型差動トランス１１０の回転角θ[°]を示し、縦軸は、電圧Ｖ[Ｖrms]を示している。ここで、Ｖａは回転型差動トランス１１０内のＡ相に生じる電圧Ｖａを示し、Ｖｂは回転型差動トランス１１０内のＢ相に生じる電圧Ｖｂを示し、Ｖoutは電圧Ｖａから電圧Ｖｂを差し引いた回転型差動トランス１１０の出力電圧Ｖout（＝Ｖａ－Ｖｂ）を示している。また、ＶsumはＡ相に生じる電圧ＶａとＢ相に生じる電圧Ｖｂとの和電圧Ｖsum（＝Ｖａ＋Ｖｂ）を示している。
この図７に示すように、回転型差動トランス１１０は、回転角θ[°]に一次比例して出力電圧Ｖout[Ｖrms]を直線的に変化させる特性を有している。
ここで、回転型差動トランス１１０の感度定数をｋ２とすると、回転型差動トランス１１０の出力電圧Ｖout[Ｖrms]を、
Ｖout＝ｋ２・θ …（３）式、
と表せる。
従って、上記の（１）及び（３）式を整理して、
Ｔ＝ｋ１・θ
＝ｋ１・（１／ｋ２）・Ｖout
＝（ｋ１／ｋ２）・Ｖout
のように、出力電圧Ｖout [Ｖrms]と、バネ定数ｋ１と、感度定数ｋ２とから、トルクＴ[Ｎｍ]を求めることができる。なお、バネ定数ｋ１と感度定数ｋ２とを係数と考えた場合、出力電圧ＶoutからトルクＴを算出することができる。
【0033】
次に、図８を参照して、回転型差動トランス１１０とねじりバネ１２０とを用いたトルクセンサ１００の特性を説明する。図８は、実施の形態１のトルクセンサ１００の特性を示す説明図である。図８は、ねじりバネ１２０のねじれ角θとトルクＴとの特性を一点鎖線で示し、回転型差動トランス１１０の出力特性を二点鎖線で示している。ここで、図８の横軸は、ねじりバネ１２０のねじれ角θと回転型差動トランス１１０の回転角θとを示し、縦軸は、ねじりバネ１２０のトルクＴと回転型差動トランス１１０の出力電圧Ｖoutを示している。なお、ねじりバネ１２０のねじれ角θは、回転型差動トランス１１０の回転角θに基づくものである。従って、ねじれ角θと回転角θとは一致している。
【0034】
例えば、測定対象物３０について測定＃１を実行した場合、トルクセンサ１００において回転型差動トランス１１０の出力電圧Ｖout１であったとする（図８中の（１１）参照）。まず、この出力電圧Ｖout１に対応する回転型差動トランス１１０の回転角θ１[°]を求める（図８中の（１２）～（１３）参照）。そして、ねじりバネ１２０のねじれ角θ１に対応するトルクＴ１[Ｎｍ]を求める（図８中の（１３）～（１４）～（１５）参照）。
【0035】
また、測定対象物３０について測定＃２を実行した場合、トルクセンサ１００において回転型差動トランス１１０の出力電圧Ｖout２であったとする（図８中の（２１）参照）。まず、この出力電圧Ｖout２に対応する回転型差動トランス１１０の回転角θ２[°]を求める（図８中の（２２）～（２３）参照）。そして、ねじりバネ１２０のねじれ角θ２に対応するトルクＴ２[Ｎｍ]を求める（図８中の（２３）～（２４）～（２５）参照）。
ここで、測定＃２において回転型差動トランス１１０の出力電圧Ｖout２の符号がマイナスであることから、符号がプラスの出力電圧Ｖout１の測定＃１とは反対方向の回転であることがわかる。
ここで、測定＃２において回転型差動トランス１１０の出力電圧Ｖout２の符号がマイナスであることから、符号がプラスの出力電圧Ｖout１の測定＃１とは反対方向の回転であることがわかる。
【0036】
以上の測定＃１と測定＃２において、上述した数式を用いた演算により、回転角θ１とθ２とからトルクＴ１とＴ２とを算出できる。また、測定対象物３０の回転の方向によらず、起点からのねじれ角θ１とθ２の絶対値に基づいてトルクＴ１とＴ２が定まるため、出力電圧Ｖoutとねじれ角θについて絶対値として演算を行ってよい。
【0037】
次に、トルクセンサ１００において回転型差動トランス１１０の出力電圧Ｖoutについて演算を行うことでトルクＴを算出する構成について、図９を参照して説明する。図９は、実施の形態１のトルクセンサ１００において演算を行う構成を示す構成図である。
図９において、トルクセンサ１００において、回転型差動トランス１１０の出力に演算部１７０が接続されている。
演算部１７０は、テーブル１８０に格納されているバネ定数ｋ１及び感度定数ｋ２と、回転型差動トランス１１０の出力電圧Ｖoutとから、
トルクＴ＝（ｋ１／ｋ２）・Ｖout
の式に従ってトルクＴを算出する。
図９において、トルクセンサ１００において、回転型差動トランス１１０の出力に演算部１７０が接続されている。
演算部１７０は、テーブル１８０に格納されているバネ定数ｋ１及び感度定数ｋ２と、回転型差動トランス１１０の出力電圧Ｖoutとから、
トルクＴ＝（ｋ１／ｋ２）・Ｖout
の式に従ってトルクＴを算出する。
【0038】
なお、このテーブル１８０と演算部１７０とを、汎用のデジタルマルチメータのスケーリング演算機能を用いて実現することが可能である。従って、実施の形態１のトルクセンサ１００によると、簡易な構成で、高速かつ高精度にトルクを測定できる。
【0039】
実施の形態１のトルクセンサ１００は、回転型差動トランス１１０とねじりバネ１２０とを用いて、回転型差動トランス１１０の出力電圧Ｖout、バネ定数ｋ１、及び感度定数ｋ２とからトルクＴを算出しているため、トーションバー等を用いる従来方式と比較して、簡易な構成により小型化することが可能になる。
【0040】
また、実施の形態１のトルクセンサ１００は、ねじりバネ１２０を用いているため、トーションバーと比較してねじれ角θを大きくすることができる。このため、実施の形態１のトルクセンサ１００は、測定レンジを従来よりも広げることが可能になる。すなわち、従来と比較して、小さいトルクから大きいトルクまでを、１台のトルクセンサ１００により測定することが可能になる。
【0041】
また、実施の形態１のトルクセンサ１００において、バネ定数ｋ１の異なるねじりバネ１２０を使用する、または、バネ定数ｋ１の異なるねじりバネ１２０に交換可能に構成することで、トルクＴの測定レンジを変更することが可能になる。
【0042】
また、出力電圧Ｖout、バネ定数ｋ１、及び感度定数ｋ２を用いた簡易な演算によりトルクＴを算出しているため、従来のＲＤコンバータ等の複雑な処理回路を用いる必要がなくなり、簡易な処理回路により高速かつ高精度にトルクを測定できる。
【0043】
また、図７に示すＶsumのように、回転型差動トランス１１０のＡ相の電圧ＶａとＢ相の電圧Ｖｂの和であるＶsum＝Ｖａ＋Ｖｂは、常に一定の電圧になる特性を有している。従って、回転型差動トランス１１０のＡ相またはＢ相の少なくとも一方の巻線に断線が発生すると、和電圧Ｖsumは一定電圧よりも低下する。この特性を利用し、演算部１７０は、和電圧Ｖsumを監視することにより、トルクセンサ１００の故障を検知することができる。
【0044】
［実施の形態により得られる効果］
実施の形態１に説明したトルクセンサ１００は、回転可能な主軸１１１を有する回転型差動トランス１１０と、主軸１１１の回転に応じてねじれを生じるねじりバネ１２０とを備えており、主軸１１１の回転に応じてねじりバネ１２０にねじれが生じ、回転型差動トランス１１０は回転角に対応した電圧を出力する。ここで、主軸１１１を回転させると共に主軸の回転に応じてねじりバネ１２０にねじれを生じさせており、主軸１１１の回転のトルクはねじりバネ１２０のねじり応力と等しい。このため、主軸１１１の回転角に応じて回転型差動トランス１１０から出力される電圧と、ねじりバネ１２０の特性とに基づいて、主軸１１１に作用するトルクを測定できる。従って、簡易な構成により小型化することが可能なトルクセンサ１００を実現できる。
実施の形態１に説明したトルクセンサ１００は、回転可能な主軸１１１を有する回転型差動トランス１１０と、主軸１１１の回転に応じてねじれを生じるねじりバネ１２０とを備えており、主軸１１１の回転に応じてねじりバネ１２０にねじれが生じ、回転型差動トランス１１０は回転角に対応した電圧を出力する。ここで、主軸１１１を回転させると共に主軸の回転に応じてねじりバネ１２０にねじれを生じさせており、主軸１１１の回転のトルクはねじりバネ１２０のねじり応力と等しい。このため、主軸１１１の回転角に応じて回転型差動トランス１１０から出力される電圧と、ねじりバネ１２０の特性とに基づいて、主軸１１１に作用するトルクを測定できる。従って、簡易な構成により小型化することが可能なトルクセンサ１００を実現できる。
【0045】
実施の形態１に説明したトルクセンサ１００において、主軸１１１に取り付けられたアーム１３０と、回転型差動トランス１１０に取り付けられたストッパ１５０と、を更に備える。ここで、ストッパ１５０はねじりバネ１２０の一方の端部の位置を固定し、アーム１３０は主軸１１１の回転に応じてねじりバネ１２０の他方の端部を回転させる。これにより、主軸１１１がいずれかの方向に回転すると、ねじりバネ１２０のいずれか一方の端部の位置はストッパ１５０に固定され、ねじりバネ１２０のいずれか他方の端部はアーム１３０の動きに応じて回転することにより、ねじりバネ１２０にねじれが生じる。従って、主軸１１１を回転させることにより、回転型差動トランス１１０に取り付けられたストッパ１５０を基準として、アーム１３０を介してねじりバネ１２０にねじれを確実に生じさせることにより、主軸１１１の回転角に応じて回転型差動トランス１１０から出力される電圧とねじりバネ１２０の特性とに基づいて、確実にトルクを測定可能な小型のトルクセンサ１００を実現できる。
【0046】
実施の形態１に説明したトルクセンサ１００において、ねじりバネ１２０は、一方の端部に第１フック１２１を備え、他方の端部に第２フック１２２を備えている。ここで、主軸１１１が第１方向に回転すると、第１フック１２１はストッパ１５０に位置を固定され、第２フック１２２はアーム１３０の動きに応じて第１方向に回転する。一方、主軸１１１が第２方向に回転すると、第２フック１２２はストッパ１５０に位置を固定され、第１フック１２１はアーム１３０の動きに応じて第２方向に回転する。従って、主軸１１１の第１方向の回転と第２方向の回転とのいずれにも対応して、確実にトルクを測定することが可能な小型のトルクセンサ１００を実現できる。
【0047】
実施の形態１に説明したトルクセンサ１００において、演算部１７０は、回転型差動トランス１１０から出力される電圧Ｖoutに基づいて、主軸１１１に作用するトルクＴを算出する。これにより、従来のＲＤコンバータ等の複雑な処理回路を用いることなく、簡易な処理回路の演算により高速かつ高精度にトルクを測定できる。
【0048】
［その他の実施の形態］
以上のトルクセンサ１００において、ねじりバネ１２０と測定対象物３０とは、回転型差動トランス１１０に対して主軸１１１の同じ側に設けられているが、この構成に限定されるものではない。例えば、主軸１１１を回転型差動トランス１１０に貫通させた状態に設け、主軸の一端の側にねじりバネ１２０、アーム１３０、及びストッパ１５０を設け、主軸の他端の側にカップリング２０を介して測定対象物３０を取り付けてもよい。
以上のトルクセンサ１００において、ねじりバネ１２０と測定対象物３０とは、回転型差動トランス１１０に対して主軸１１１の同じ側に設けられているが、この構成に限定されるものではない。例えば、主軸１１１を回転型差動トランス１１０に貫通させた状態に設け、主軸の一端の側にねじりバネ１２０、アーム１３０、及びストッパ１５０を設け、主軸の他端の側にカップリング２０を介して測定対象物３０を取り付けてもよい。
【0049】
アーム１３０とストッパ１５０とは、一部に凹部を有する長方形の板状のものを示したが、これに限定されず各種の変更が可能である。例えば、第１駆動部１３１と第２駆動部１３２とを、それぞれ独立した状態の第１アームと第２アームに設けることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【0050】
本発明のトルクセンサ１００は、トーションバーを用いた従来のトルクセンサに比べて小型かつ簡易な構成であって、かつ、簡易な処理回路の演算により高速かつ高精度にトルクを測定できる。このため、トルクセンサ１００を、航空機などの移動体における精密なトルク測定に使用可能である。
【符号の説明】
【0051】
１ 基準面、２０ カップリング、３０ 測定対象物、３１ 軸、１００ トルクセンサ、１１０ 回転型差動トランス、１１１ 主軸、１２０ ねじりバネ、１２１ 第１フック、１２２ 第２フック、１２３ コイル部、１３０ アーム、 １３１ 第１駆動部、１３２ 第２駆動部、１４１ ネジ、１４２ スペーサ、１４３ ナット、１５０ ストッパ、１５１ 第１固定部、１５２ 第２固定部、１６１ ネジ、１６２ スペーサ、１６３ 取り付け穴、１７０ 演算部、１８０ テーブル。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
