トルクセンサ
【課題】歪検出部の検出感度や検出精度を向上させたトルクセンサを提供する。
【解決手段】負荷装置Ｐの負荷側シャフトＰ１が接続される負荷側端部２ｄと駆動力の入力される駆動側端部２ｃとの間で捻れを伴いながらトルクを伝達するトルク伝達軸２と、トルク伝達軸２を回転可能に支持する軸受５・５と、トルク入力によってトルク伝達軸２に生じる歪みを検出する歪検出部４０とを有し、トルク伝達軸２の負荷側端部２ｄには、負荷側シャフトＰ１の内周側において負荷側シャフトＰ１に嵌合することにより互いの回転方向の位相関係をほぼ一定に維持する噛み合い構造をなす負荷側接続部２ｓが形成されており、トルク伝達軸２のうち負荷側接続部２ｓに近い方の軸受５と負荷側接続部２ｓとの間には、負荷側接続部２ｓのうち径方向の肉厚が最も薄いスプライン溝２ｓ１よりも更に肉厚を薄くした薄肉部２ｔが周回して形成されており、薄肉部２ｔに歪検出部４０が配置されている。
【解決手段】負荷装置Ｐの負荷側シャフトＰ１が接続される負荷側端部２ｄと駆動力の入力される駆動側端部２ｃとの間で捻れを伴いながらトルクを伝達するトルク伝達軸２と、トルク伝達軸２を回転可能に支持する軸受５・５と、トルク入力によってトルク伝達軸２に生じる歪みを検出する歪検出部４０とを有し、トルク伝達軸２の負荷側端部２ｄには、負荷側シャフトＰ１の内周側において負荷側シャフトＰ１に嵌合することにより互いの回転方向の位相関係をほぼ一定に維持する噛み合い構造をなす負荷側接続部２ｓが形成されており、トルク伝達軸２のうち負荷側接続部２ｓに近い方の軸受５と負荷側接続部２ｓとの間には、負荷側接続部２ｓのうち径方向の肉厚が最も薄いスプライン溝２ｓ１よりも更に肉厚を薄くした薄肉部２ｔが周回して形成されており、薄肉部２ｔに歪検出部４０が配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出精度や検出感度を適正化したトルクセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電磁作用により回転駆動するモータ等の駆動装置のシャフトに作用するトルクを検出するトルクセンサが知られている。例えば特許文献１には、中空軸状をなし軸方向両端がそれぞれ駆動装置のシャフト及び負荷装置のシャフトに接続され駆動側と負荷側との間で捩れを伴いながらトルクを伝達するカップリングとしてのトルク伝達軸と、トルク伝達軸の内部に中空空間を形成する内周面に取り付けられトルク入力によって内周面に生じる歪みを検出する歪ゲージ等の歪検出部と、中空空間に収納され歪検出部の検出結果を中空空間の外部に送信するテレメータ等の送信部と備え、送信部から受信した検出結果に基づいてトルク伝達軸に作用するトルクの大きさを算出する歪ゲージ式トルクセンサが開示されている。歪ゲージ式トルクセンサは、駆動装置に片持ち状態で取り付けられ又は一体に組み込まれるのが一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５１−１３１６７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、モータ等の駆動装置の高速駆動化に伴い、例えば五万回転／毎分などの高速回転に対応したトルクセンサが望まれる。高速回転化に対応するためには、歪検出部の検出感度の向上が要求されることに加えて、遠心力によってトルク伝達軸が破壊されることを防止するためにトルク伝達軸の径を細くする必要がある。上記従来のようにトルク伝達軸内部に送信部を収納する歪ゲージ式トルクセンサでは、軸を細くするほど軸自体が撓みやすくなるうえ、送信部を収納するための空間を確保するためにトルク伝達軸の軸方向寸法をある程度確保しなければならないので、一般的な片持ち支持構造では成り立たず、軸方向に沿って複数配置した軸受を介してトルク伝達軸を回転可能に支持する構造にする必要がある。
【０００５】
このような軸受支持構造において、例えば歪検出部を二つの軸受間に配置すると、軸受での摩擦（メカロス）が歪検出部に悪影響を与え、歪検出部での検出精度が損なわれてしまうことが考えられる。
【０００６】
この悪影響を低減するために、トルク伝達軸の負荷側の軸端から負荷側の軸受の間に歪検出部を配置することが一つの有効な手段として考えられる。この構成において、トルク伝達軸の負荷側の軸端および負荷装置のシャフトにそれぞれスプライン溝を有する接続部を設け、この接続部同士を嵌合させてトルク伝達可能に両軸を接続する場合には、トルク伝達軸の接続部の近傍に歪検出部を配置することになる。この場合、接続部を構成する凹部又は凸部によって応力に偏りが発生し、トルク入力による歪みが歪検出部でバランス良く検出できずに、検出精度を損なうおそれが考えられる。
【０００７】
上記以外に歪検出部の検出精度を損なう要因としては、回転に伴いトルク伝達軸に発生するコニカルモードの振動やパラレルモードの振動が挙げられる。このような振動の発生を抑制するためには、軸受間の距離を長くして可能な限りトルク伝達軸の軸端に近いところに軸受を配置することが望まれる。
【０００８】
上記課題は、歪検出部として歪ゲージを用いた歪ゲージ式トルクセンサだけでなく、トルク伝達軸の外周面に歪みによって透磁率の変わる磁歪膜を設けた磁歪式トルクセンサでも同様のことが言え、また、トルク伝達軸と負荷装置のシャフトを接続するための接続部をスプライン溝で構成した場合だけでなく、例えばキー又はキー溝で接続部を構成した場合にも同様のことが言える。勿論、トルク伝達軸の駆動側の軸端から駆動側の軸受の間に歪検出部を配置する場合にも同様のことが言える。
【０００９】
本発明は、このような課題に着目してなされたものであって、その目的は、歪検出部の検出感度や検出精度を向上させたトルクセンサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、かかる目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。
【００１１】
すなわち、本発明のトルクセンサは、負荷装置の負荷側シャフトを介して軸方向一端に負荷が入力され駆動装置の駆動側シャフトを介して軸方向他端に駆動力が入力されて負荷側と駆動側との間で捻れを伴いながらトルクを伝達するトルク伝達軸と、軸方向に沿って複数配置された軸受を介してトルク伝達軸を回転可能に支持する固定支持部と、トルク入力によって前記トルク伝達軸に生じる歪みを検出する歪検出部とを具備し、前記歪検出部の検出結果に基づき前記トルク伝達軸に作用するトルクの大きさを算出するトルクセンサであって、前記トルク伝達軸の負荷側端部又は駆動側端部の少なくとも一方には、接続相手となる前記シャフトの外周側又は内周側のいずれかにおいて当該シャフトに嵌合することにより互いの回転方向の位相関係をほぼ一定に維持する噛み合い構造をなす接続部が形成されており、前記トルク伝達軸のうち前記接続部に近い方の前記軸受と前記接続部との間には、前記接続部のうち径方向の肉厚が最も薄い部分よりも更に肉厚を薄くした薄肉部が周回して形成されており、当該薄肉部に前記歪検出部が配置されていることを特徴とする。
【００１２】
互いに回転方向の位相関係をほぼ一定に維持するとは、同軸上に同期回転可能に取り付けられる場合のほか、回転方向の位相に多少のガタつきや位置ずれを許容した状態で一体回転可能に取り付けられる場合を意味する。この噛み合い構造をなす例としては、スプライン溝やキー溝などが挙げられる。
【００１３】
このように、接続部を構成するスプライン溝といった凸凹部によって応力集中箇所に偏りが生じるものの、この応力集中化箇所の偏りによる影響を低減すべく、接続部のうち径方向の肉厚が最も薄い部位よりも更に肉厚を薄くした薄肉部が周回して形成され、この薄肉部に歪検出部を配置しているので、接続部の応力集中の偏りによる歪検出部への影響を低減することが可能となる。しかも、歪検出部を軸受よりも外側（負荷側又は駆動側）に配置しているので、軸受での摩擦（メカロス）が歪検出部に与える影響を低減して、歪検出部での検出精度を向上することができる。さらに、歪検出部の配置される部位は、周囲に比べて径方向の肉厚の薄い薄肉部であるので、他の部位に比べて応力が集中しやすく、歪検出部の検出感度を向上させることが可能となる。
【００１４】
また、例えば、接続部がスプライン溝を有するスプライン軸又は軸受である場合、スプライン溝を形成するために必要な歯切り工具の逃げ部の軸方向寸法を、歪検出部の取り付け可能な程度の寸法まで広げるだけで、逃げ部を薄肉部として利用できるので、逃げ部とは別途に薄肉部を形成する場合に比べて軸端から軸受までの軸寸法（オーバーハング寸法）を低減でき、コニカルモードやパラレルモードでの振動の発生を抑制することも可能となる。
【００１５】
複数の歪検出部の検出バランスを向上させて検出精度を向上させるためには、前記接続部は、円周方向に沿って一定間隔で配置された複数のスプライン溝を有し、歪検出部は、軸心回りに対称となる位置に対をなすように複数取り付けられ、前記歪検出部と前記スプライン溝との円周方向の位相関係は、全ての歪検出部で同一となるように設定されていることが効果的である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、以上説明したように、接続部における凹部や凸部によって生じる応力集中箇所の偏りによる影響を低減すべく、接続部のうち径方向の肉厚が最も薄い部位よりも更に肉厚を薄くした薄肉部が周回して形成され、この薄肉部に歪検出部を配置しているので、接続部の応力集中箇所の偏りによる歪検出部への影響を低減でき、歪検出部の検出精度を向上させることが可能となる。
【００１７】
さらに、歪検出部の配置する部位は、周囲に比べて径方向の肉厚の薄い薄肉部であるので、他の部位に比べて応力が集中しやすく、歪検出部の検出感度を向上させることが可能となる。
【００１８】
したがって、検出精度及び検出感度を向上させたトルクセンサを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係るトルクセンサの構成を示す断面図。
【図２】同トルクセンサを適用したモータ等の駆動装置を模式的に示す図。
【図３】嵌合軸の構成図、並びに、トルク伝達軸と嵌合軸の嵌合状態を示す図。
【図４】トルク伝達軸と負荷装置との接続部分及びその近傍の構成を模式的に示す図。
【図５】トルク伝達軸の負荷側接続部を軸方向から視た図。
【図６】スプライン溝と歪検出部との位置関係を模式的に示す図。
【図７】本発明の他の実施形態に係るトルクセンサの構成を模式的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態に係るトルクセンサを、図面を参照して説明する。
【００２１】
トルクセンサＴｓは、図１に示すように、駆動装置Ｍと負荷装置Ｐとの間に介在するトルク伝達軸２に作用するトルクの大きさを測定する装置であり、略中空軸状をなし軸方向両端２ｃ，２ｄがそれぞれ駆動側（駆動装置Ｍ）及び負荷側（負荷装置Ｐ）に接続され駆動側及び負荷側の間で捩れを伴いながらトルクを伝達するトルク伝達軸２と、トルク伝達軸２の内部に内部空間ＳＰ１を形成する内周面２ａに取り付けられトルク伝達軸２に対するトルク入力によりトルク伝達軸２に生じる歪みに対応する検出信号（差動信号）を出力する歪ゲージを用いた歪検出部４０と、歪検出部４０の検出信号をトルク伝達軸２の外部に送信する送信部３０と、送信部３０からアンテナ部３３を介して受信した検出信号に基づきトルク伝達軸２に作用するトルクの大きさを算出するトルク演算部３１と、略中空軸状をなしトルク伝達軸２の内周側においてトルク伝達軸２に嵌合することによりトルク伝達軸２と共に二重の中空軸となる嵌合軸８とを有している。このトルクセンサＴｓは、図２に例示するように、トルク伝達軸２の軸方向一端２ｃと駆動力出力軸Ｍ３ａ（駆動側シャフト）とを接続してトルクセンサＴｓを備えたモータ等の駆動装置Ｍを構成するために利用される。なお、本明細書においては、軸方向をＸとし、駆動側をＸ１とし、負荷側をＸ２として説明する。
【００２２】
トルク伝達軸２は、図１に示すように、内部に内部空間ＳＰ１が形成された略中空軸状をなす鋼材で構成され、その内周面２ａの横断面の形状は嵌合軸８の外周面８ｂの横断面に対応する形状にしてある。そして、この内部空間ＳＰ１に嵌合軸８を駆動側Ｘ１から圧入するしまりばめによって、嵌合軸８の外周面８ｂとトルク伝達軸２の内周面２ａとを接触させた嵌合状態にしている。図１及び図４に示すように、トルク伝達軸２の軸方向一端２ｃ（駆動側Ｘ１の端部２ｃ）は、回転駆動するモータ等の駆動装置Ｍの駆動力出力軸Ｍ３ａ（シャフト）とスプライン接続により関連付けられて駆動装置Ｍにより駆動力が入力され、トルク伝達軸２の軸方向他端２ｄ（負荷側Ｘ２の端部２ｄ）は、負荷装置Ｐの負荷側シャフトＰ１とスプライン接続により関連付けられて負荷装置Ｐにより負荷が入力される。
【００２３】
トルク伝達軸２は、図１及び図４に示すように、軸受５を介して固定支持部６に回転可能に支持されている。軸受５は、ボールベアリング等の転がり軸受を用いたもので、トルク伝達軸２を複数箇所（本実施形態では二箇所）で支持するように軸方向に沿って複数（本実施形態では二つ）配置されている。
【００２４】
図４に示すように、トルク伝達軸２の負荷側端部２ｄには、接続相手となる負荷側シャフトＰ１の内周側において負荷側シャフトＰ１に嵌合することにより互いに回転方向の位相関係をほぼ一定に維持する噛み合い構造をなす負荷側接続部２ｓが設けられている。トルク伝達軸２の駆動側端部２ｃにも同様に出力軸Ｍ３ａ（駆動側シャフト）に接続するための駆動側接続部２ｒが設けられている。これら負荷側接続部２ｓ及び駆動側接続部２ｒは、図５に示すように、トルク伝達軸２の外周面２ｂに円周方向に沿って一定間隔で形成された複数のスプライン溝２ｓ１を有し、トルク伝達軸２が雄型のインボリュートスプライン軸をなしている。図４に示す負荷側シャフトＰ１は、これに対応する雌型のインボリュートスプライン軸受をなしている。図５に示すように、トルク伝達軸２の外周面２ｂは、スプライン溝２ｓ１によって区分された歯部２ｓ２を有し、スプライン溝２ｓ１と歯部２ｓ２とが周方向に沿って交互に形成されており、溝底が最も径方向の肉厚の薄い部分となっている。その溝底の径方向寸法をＤ１と表している。
【００２５】
図４に示すように、トルク伝達軸２のうち負荷側接続部２ｓに近い方の軸受５と負荷側接続部２ｓとの間には、負荷側接続部２ｓのうち径方向の肉厚が最も薄い部分（スプライン溝２ｓ１）よりも更に肉厚を薄くした薄肉部２ｔが周回して形成されている。すなわち、複数の軸受５の外側であって負荷側接続部２ｓの内側に、薄肉部２ｔが形成されているとも言える。この薄肉部２ｔは、その径方向寸法Ｄ２が、負荷側接続部２ｓを構成するスプライン溝２ｓ１の径方向寸法Ｄ１よりも薄い括れ部とも呼べ、スプライン溝２ｓ１をトルク伝達軸２に形成するために用いる歯切り工具などの切削工具の逃げでもあり、その軸方向寸法Ｗ１は、切削工具の逃げとして最低限必要な寸法Ｗ２よりも広くして歪検出部４０の取付を許容する寸法に設定している。薄肉部２ｔと負荷側接続部２ｓとの境界部分は、軸方向に沿って滑らかに肉厚が変化するように縦断面形状が曲面にされ、応力集中を避けている。
【００２６】
嵌合軸８は、図３（ａ）及び図３（ｃ）に示すように、内部に中空空間ＳＰ０が形成された有底の略中空軸状をなすガラスエポキシ樹脂等の樹脂で構成されている。嵌合軸８の内部に設けられる中空空間ＳＰ０は、軸方向一端８ｃ側（駆動側Ｘ１）が閉止される一方で、軸方向他端８ｄ側（負荷側Ｘ２）が開口部８ｅを介して開放されている。嵌合状態においては、図１に示すように、開口部８ｅを介して、歪検出部４０の配置されたトルク伝達軸２内部の内部空間ＳＰ１と、嵌合軸８内部の中空空間ＳＰ０とが連通している。この嵌合軸８において送信部３０を収納するための中空空間ＳＰ０は、軸方向に沿った長尺状をなし、図３（ａ）に示すように、軸中心Ｃｎを通り負荷側Ｘ２の端部８ｄ（軸方向一端）から駆動側Ｘ１（軸方向他端）に向かう第一の穴８ｈ１と、図３（ａ）及び図３（ｄ）に示すように、横断面において軸方向Ｘに直交する線Ｌｉを通り径方向Ｘ３に沿った貫通孔である第二の穴８ｈ２とを導通して形成されている。これら第一の穴８ｈ１及び第二の穴８ｈ２は、ドリル及びワイヤーカットなどの加工により空けられる。なお、図１に示すように、トルク伝達軸２との嵌合状態において、トルク伝達軸２の内周面２ａに設けられた突状の嵌合軸支持部２０と、嵌合軸８の軸方向他端８ｄ（負荷側Ｘ２の端部８ｄ）とを当接させることにより、軸方向における嵌合軸８の位置決めがなされる。
【００２７】
図１に示すように、歪検出部４０は、機械的な寸法の微小な変化を電気信号として検出するシート状の歪ゲージを用いたもので、トルク伝達軸２の内部に内部空間ＳＰ１を形成し且つ軸心Ｃｎを中心とする円形に沿った内周面２ａに接着剤を介して貼付されている。歪検出部４０の貼付位置は、上記薄肉部の内周面２ａに設定されている。本実施形態では、互いに軸心Ｃｎを中心として対称となる位置に歪検出部４０をそれぞれ取り付けて歪検出部４０を一対又は複数対とし、複数の歪検出部を既知の４ゲージ法でホイートストンブリッジ回路を構成するように接続している。このブリッジ回路は、励起信号とも呼べる励起電圧が印加されている状態において、歪検出部４０の歪みによって生じた抵抗値の変化を検出信号とも呼べる差動電圧として出力する。この差動電圧は、歪量に比例した大きさの電圧であり、歪みに対応する信号である。また、図６においてトルク伝達軸２の外周面２ｂと内周面２ａとを展開して模式的に示すように、歪検出部４０とスプライン溝２ｓ１との円周方向ＲＤの位相関係は、全ての歪検出部４０で同一となるように設定されている。本実施形態では、図６に示すように、歪検出部４０の受感領域の中心と、スプライン溝２ｓ１の中心とが円周方向に重なるように設定されているが、これに限定されるものではない。
【００２８】
送信部３０は、図１及び図３（ａ）に示すように、プリント基板などの板状部位３０ａを有し、歪検出部４０に励起電圧を印加し且つ歪検出部４０から差動電圧をトルク伝達軸２の外部へ送信するテレメータを用いたもので、嵌合軸８における中空空間ＳＰ０内に配置されて、中空空間ＳＰ０の内面８ａに設けられた取付部８０に保持されている。
【００２９】
取付部８０は、図１及び図３（ａ）に示すように、送信部３０の板状部位３０ａの端部を差し込み可能なスリットであり、中空空間ＳＰ０を形成する内面８ａに複数形成されている。具体的には、図３（ａ）及び図３（ｃ）に示すように、中空空間ＳＰ０を有底筒状の中空部とみなした場合に、底部に対応する内面８ａに第一の取付部８０ａが形成されていると共に、開口部８ｅ近傍の内周面８ａに対をなす第二の取付部８０ｂ・８０ｂが形成されており、これら第一及び第二の取付部８０ａ・８０ｂによって長尺状の送信部３０を両持ち状態で支持している。
【００３０】
図１に示すように、トルク伝達軸２の外周側には、アンテナ部３３が設けられている。このアンテナ部３３の軸方向両側には、二つの軸受５・５が配置されている。また、トルク伝達軸２の外部には、送信部３０から送信された検出信号をアンテナ部３３を介して受信してトルクの大きさを演算処理により算出するトルク演算部３１と、送信部３０に対して電力を非接触でアンテナ部３３を介して供給する電力供給部３２とが設けられている。
【００３１】
すなわち、図１に示すように、電力供給部３２からアンテナ部３３を介して送信部３０に電力が供給され、歪検出部４０に励起電圧が印加される。そして、トルク伝達軸２にトルクが作用すると、トルク伝達軸２に捩れが生じ、この捩れがトルク伝達軸２の内周面２ａに貼付された歪検出部４０によって歪量として検出される。歪検出部４０から出力される歪量に対応する検出信号（差動電圧）が送信部３０からトルク演算部３１に送信され、トルク演算部３１が検出信号に基づいてトルクの大きさを算出する。
【００３２】
固定支持部６は、図１に示すように、略有底円筒状をなし駆動側Ｘ１の基端部６０ａが駆動装置ＭのハウジングＭ１にボルト等の止着具を介して取り付けられる筒状支持部６０と、筒状支持部６０の負荷側Ｘ２の開口６０ｋを閉止する蓋状支持部６１とから構成されている。筒状支持部６０及び蓋状支持部６１により形成される内部空間ＳＰ２に軸受５が配置されており、固定支持部６は、筒状支持部６０の底部６０ｂｔ及び蓋状支持部６１を軸方向Ｘに沿って貫通する位置に配置されたトルク伝達軸２を軸受５を介して回転可能に支持し、トルク伝達軸２及び嵌合軸８を一体に回転可能にしている。軸受５は、トルク伝達軸２の外周面２ｂに形成された突状の回転側軸受支持部６４ａと、蓋状支持部６１及び筒状支持部６０の底部６０ｂｔを足場とする固定側軸受支持部６４ｂとにより抱き込まれて軸方向に固定されている。
【００３３】
図１に示すように、トルク伝達軸２の軸方向一端２ｃ側（駆動側Ｘ１）から導入される冷媒を内部空間ＳＰ１に連通しないように軸受５に供給する冷媒供給路７が設けられている。具体的には、図３（ａ）、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示すように、嵌合軸８の外周面８ｂに、軸方向一端８ｃ側（駆動側Ｘ１）から軸方向他端８ｄ側（負荷側Ｘ２）に向けて延びる溝部８１が設けられており、図１及び図３（ｄ）に示すように、トルク伝達軸２及び嵌合軸８の嵌合状態において、溝部８１とその溝部８１の対向面（トルク伝達軸２の内周面２ａ）との間に、軸方向Ｘの一方から導入される冷媒を軸受５に供給するためのスラスト路７１が形成されるようにしている。
【００３４】
スラスト路７１以外に冷媒供給路７を構成するものとして、図１及び図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、導入路７０及び接続路７２が設けられている。導入路７０は、嵌合状態で内側となる嵌合軸８の軸中心Ｃｎを通り軸方向一端８ｃ（駆動側Ｘ１）から冷媒を導入する路であり、接続路７２は、導入路７０から外周に向けて延在し導入路７０とスラスト路７１とを接続する路である。スラスト路７１には、各々の軸受５に冷媒を噴出する噴射路７３が複数設けられており、スラスト路７１を基幹路とし、噴射路７３を分岐路として、各々の軸受５に冷媒を供給する流路が一つのスラスト路７１から分岐して形成される。この噴射路７３に対応して固定側軸受支持部６４ｂは、噴射路７３と径方向で重合する位置にあり、噴射路７３から供給された冷媒を軸受５に案内する湾曲した案内面６４ｘが形成されている。
【００３５】
溝部８１は、図３（ｄ）に示すように、複数（本実施形態では二つ）設けられて対をなし、対をなす溝部８１・８１は軸中心Ｃｎ回りに対称となる位置に配置されており、図１に示すように、各々の接続路７２を介して導入路７０の先端部にある分岐部７０ａと接続されている。これにより、軸全体での荷重バランスをとっている。
【００３６】
なお、図２に概念図を用いて模式的に示すように、駆動装置Ｍは周知のモータ等を用いたもので、ハウジングＭ１に固定され磁界を発生する固定子Ｍ２と、固定子Ｍ２に対して回転可能な状態でハウジングＭ１に支持され磁界を受けて回る回転子Ｍ３とを有し、固定子Ｍ２への通電制御により磁界を変化させ、固定子Ｍ２と回転子Ｍ３との間に反発力や吸引力等を作用させて回転子Ｍ３を回転させ、電気エネルギーから回転駆動力を出力するものである。回転子Ｍ３の駆動力出力軸Ｍ３ａ（シャフト）に上記トルク伝達軸２が接続されてトルク伝達軸２に駆動力が入力されるように構成するとともに、ハウジングＭ１に固定支持部６を取り付けてある。また、駆動装置Ｍを構成する駆動力出力軸Ｍ３ａは、出力軸用の軸受Ｍ４により回転可能に支持されるとともに、内部に冷媒を通して出力軸用の軸受Ｍ４や図示しない発熱部を始めとする機構部品に冷媒を供給する流路Ｍ５の一部を構成するものであり、トルク伝達軸２の内部に形成される導入路７０は、出力軸Ｍ３ａから冷媒が導入されるように構成されている。勿論、トルク伝達軸２と駆動力出力軸Ｍ３ａ（シャフト）とを同一部材として一体に形成してもよく、また、固定支持部６とハウジングＭ１とを同一部材として一体に形成してもよい。この場合、トルクセンサ及び駆動装置を合わせた装置全体の軸方向寸法を小形化することも可能となる。図２に示す駆動装置Ｍは概念図で示したものにすぎず、この図示の駆動装置に限定されるものではない。また駆動装置にはモータ以外のものを用いてもよい。
【００３７】
以上のように、本実施形態のトルクセンサＴｓは、負荷装置Ｐの負荷側シャフトＰ１を介して軸方向一端（２ｄ）に負荷が入力され軸方向他端（２ｃ）に駆動力が入力されて負荷側Ｘ２と駆動側Ｘ１との間で捻れを伴いながらトルクを伝達するトルク伝達軸２と、軸方向Ｘに沿って複数配置された軸受５・５を介してトルク伝達軸２を回転可能に支持する固定支持部６と、トルク入力によってトルク伝達軸２に生じる歪みを検出する歪検出部４０とを具備し、歪検出部４０の検出結果に基づきトルク伝達軸２に作用するトルクの大きさを算出するトルクセンサＴｓであって、トルク伝達軸２の負荷側端部２ｄには、接続相手となる負荷側シャフトＰ１の内周側において負荷側シャフトＰ１に嵌合することにより互いの回転方向の位相関係をほぼ一定に維持する噛み合い構造をなす負荷側接続部２ｓが形成されており、トルク伝達軸２のうち負荷側Ｘ２にある軸受５と負荷側接続部２ｓとの間には、負荷側接続部２ｓのうち径方向の肉厚が最も薄い部分（スプライン溝２ｓ１）よりも更に肉厚を薄くした薄肉部２ｔが周回して形成されており、薄肉部２ｔに歪検出部４０が配置されている。
【００３８】
このように、負荷側接続部２ｓを構成するスプライン溝２ｓ１や歯部２ｓ２などによって応力集中箇所に偏りが生じるが、この応力集中化箇所の偏りによる影響を低減すべく、負荷側接続部２ｓのうち径方向の肉厚が最も薄い部位であるスプライン溝２ｓ１の径方向寸法Ｄ１よりも更に肉厚を薄くした薄肉部２ｔ（径方向寸法Ｄ２）が周回して形成されているので、負荷側接続部２ｓの応力集中の偏りによる歪検出部４０への影響を低減することが可能となる。しかも、歪検出部４０を軸受５よりも外側（負荷側Ｘ２）に配置しているので、軸受での摩擦（メカロス）が歪検出部４０に与える影響を低減して、歪検出部４０での検出精度を向上させることが可能となる。さらに、歪検出部４０の配置される部位は、周囲に比べて径方向の肉厚の薄い薄肉部２ｔであるので、他の部位に比べて応力が集中しやすく、歪検出部４０の検出感度を向上させることが可能となる。
【００３９】
例えば、本実施形態のように負荷側接続部２ｓがスプライン溝２ｓ１を有するスプライン軸又は軸受である場合、スプライン溝２ｓ１を形成するために必要な歯切り工具の逃げ部の軸方向寸法Ｗ２を、歪検出部４０の取り付け可能な程度の軸方向寸法Ｗ１まで広げるだけで、逃げ部を薄肉部２ｔとして利用できるので、逃げ部とは別途に薄肉部を形成する場合に比べて軸端から軸受までの軸寸法（オーバーハング寸法）を低減でき、コニカルモードやパラレルモードでの振動の発生を抑制することも可能となる。
【００４０】
さらに、本実施形態では、負荷側接続部２ｓは、円周方向ＲＤに沿って一定間隔で配置された複数のスプライン溝２ｓ１を有し、歪検出部４０は、軸心Ｃｎ回りに対称となる位置に対をなすように複数取り付けられ、歪検出部４０とスプライン溝２ｓ１との円周方向ＲＤの位相関係は、全ての歪検出部４０で同一となるように設定されているので、歪検出部４０での検出バランスを向上させ、検出精度を向上させることが可能となる。
【００４１】
以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限定されるものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明だけではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００４２】
例えば、本実施形態では、トルクセンサＴｓは、駆動装置Ｍに組み込まれて構成されているが、単独で構成することも可能である。また、本実施形態では、トルク伝達軸２の負荷側端部２ｄに負荷側接続部２ｓを設け、トルク伝達軸２のうち負荷側接続部２ｓに近い方の軸受５と負荷側接続部２ｓとの間に薄肉部２ｔを設けているが、トルク伝達軸２の駆動側端部２ｃに駆動側接続部を設け、トルク伝達軸のうち駆動側接続部に近い方の軸受と駆動側接続部との間に薄肉部を設けて、この薄肉部に歪検出部を配置してもよい。勿論、トルク伝達軸の両端部に接続部及び薄肉部を設けてもよい。
【００４３】
また、本実施形態では、トルク伝達軸２又は負荷側シャフトＰ１のいずれか一方をスプライン軸受とし、他方をスプライン軸とした噛み合い構造によって、互いの回転方向の位相関係をほぼ一定に維持するようにしているが、スプライン接続に限定されるものではない。例えば、トルク伝達軸又は負荷側シャフトのいずれか一方にキー溝を設け、他方にキーを設けてキー構造によりトルク伝達可能に構成してもよい。
【００４４】
さらに、本実施形態では、トルク伝達軸２は、負荷側シャフトＰ１の内周側において負荷側シャフトＰ１に嵌合する雄型のスプライン軸受であるが、図７（ａ）に示すように、トルク伝達軸１０２を、負荷側シャフトＰ１の外周側において負荷側シャフトＰ１と嵌合する雌型にしてもよい。この場合、負荷側接続部１０２ｓのうち最も薄い部分であるスプライン溝の径方向寸法がＤ３であり、薄肉部１０２ｔの径方向寸法Ｄ４は、Ｄ３よりも薄く形成されている。
【００４５】
さらにまた、本実施形態では、歪検出部４０は、薄肉部２ｔの内周面２ａに設けてられているが、薄肉部２ｔの外周面に設けてもよい。
【００４６】
また、本実施形態では、歪検出部４０として歪ゲージを例に挙げて説明しているが、トルク伝達軸に生じる歪みを検出できるものであれば歪ゲージ以外のものでもよい。例えば、図７（ｂ）に示すように、トルク伝達軸２０２に、上記と同様にスプライン溝を有する接続部２０２ｓと、括れ部たる薄肉部２０２ｔとを形成するとともに、薄肉部２０２ｔの外周面２０２ｂに歪みによって透磁率の変わる磁歪膜２４１を設け、励磁用コイル２４２及び検出用コイル２４３によって磁歪膜２４１の透磁率の変化を読み取ってトルク検出する磁歪式トルクセンサにも適用することができる。
【００４７】
なお、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【符号の説明】
【００４８】
２…トルク伝達軸
２ｃ…駆動側端部
２ｄ…負荷側端部
２ｓ…負荷側接続部（接続部）
２ｒ…駆動側接続部（接続部）
２ｓ１…スプライン溝
２ｔ…薄肉部
４０…歪検出部
５…軸受
６…固定支持部
Ｐ…負荷装置
Ｐ１…負荷側シャフト
Ｘ…軸方向
Ｘ１…駆動側
Ｘ２…負荷側
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出精度や検出感度を適正化したトルクセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電磁作用により回転駆動するモータ等の駆動装置のシャフトに作用するトルクを検出するトルクセンサが知られている。例えば特許文献１には、中空軸状をなし軸方向両端がそれぞれ駆動装置のシャフト及び負荷装置のシャフトに接続され駆動側と負荷側との間で捩れを伴いながらトルクを伝達するカップリングとしてのトルク伝達軸と、トルク伝達軸の内部に中空空間を形成する内周面に取り付けられトルク入力によって内周面に生じる歪みを検出する歪ゲージ等の歪検出部と、中空空間に収納され歪検出部の検出結果を中空空間の外部に送信するテレメータ等の送信部と備え、送信部から受信した検出結果に基づいてトルク伝達軸に作用するトルクの大きさを算出する歪ゲージ式トルクセンサが開示されている。歪ゲージ式トルクセンサは、駆動装置に片持ち状態で取り付けられ又は一体に組み込まれるのが一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５１−１３１６７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、モータ等の駆動装置の高速駆動化に伴い、例えば五万回転／毎分などの高速回転に対応したトルクセンサが望まれる。高速回転化に対応するためには、歪検出部の検出感度の向上が要求されることに加えて、遠心力によってトルク伝達軸が破壊されることを防止するためにトルク伝達軸の径を細くする必要がある。上記従来のようにトルク伝達軸内部に送信部を収納する歪ゲージ式トルクセンサでは、軸を細くするほど軸自体が撓みやすくなるうえ、送信部を収納するための空間を確保するためにトルク伝達軸の軸方向寸法をある程度確保しなければならないので、一般的な片持ち支持構造では成り立たず、軸方向に沿って複数配置した軸受を介してトルク伝達軸を回転可能に支持する構造にする必要がある。
【０００５】
このような軸受支持構造において、例えば歪検出部を二つの軸受間に配置すると、軸受での摩擦（メカロス）が歪検出部に悪影響を与え、歪検出部での検出精度が損なわれてしまうことが考えられる。
【０００６】
この悪影響を低減するために、トルク伝達軸の負荷側の軸端から負荷側の軸受の間に歪検出部を配置することが一つの有効な手段として考えられる。この構成において、トルク伝達軸の負荷側の軸端および負荷装置のシャフトにそれぞれスプライン溝を有する接続部を設け、この接続部同士を嵌合させてトルク伝達可能に両軸を接続する場合には、トルク伝達軸の接続部の近傍に歪検出部を配置することになる。この場合、接続部を構成する凹部又は凸部によって応力に偏りが発生し、トルク入力による歪みが歪検出部でバランス良く検出できずに、検出精度を損なうおそれが考えられる。
【０００７】
上記以外に歪検出部の検出精度を損なう要因としては、回転に伴いトルク伝達軸に発生するコニカルモードの振動やパラレルモードの振動が挙げられる。このような振動の発生を抑制するためには、軸受間の距離を長くして可能な限りトルク伝達軸の軸端に近いところに軸受を配置することが望まれる。
【０００８】
上記課題は、歪検出部として歪ゲージを用いた歪ゲージ式トルクセンサだけでなく、トルク伝達軸の外周面に歪みによって透磁率の変わる磁歪膜を設けた磁歪式トルクセンサでも同様のことが言え、また、トルク伝達軸と負荷装置のシャフトを接続するための接続部をスプライン溝で構成した場合だけでなく、例えばキー又はキー溝で接続部を構成した場合にも同様のことが言える。勿論、トルク伝達軸の駆動側の軸端から駆動側の軸受の間に歪検出部を配置する場合にも同様のことが言える。
【０００９】
本発明は、このような課題に着目してなされたものであって、その目的は、歪検出部の検出感度や検出精度を向上させたトルクセンサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、かかる目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。
【００１１】
すなわち、本発明のトルクセンサは、負荷装置の負荷側シャフトを介して軸方向一端に負荷が入力され駆動装置の駆動側シャフトを介して軸方向他端に駆動力が入力されて負荷側と駆動側との間で捻れを伴いながらトルクを伝達するトルク伝達軸と、軸方向に沿って複数配置された軸受を介してトルク伝達軸を回転可能に支持する固定支持部と、トルク入力によって前記トルク伝達軸に生じる歪みを検出する歪検出部とを具備し、前記歪検出部の検出結果に基づき前記トルク伝達軸に作用するトルクの大きさを算出するトルクセンサであって、前記トルク伝達軸の負荷側端部又は駆動側端部の少なくとも一方には、接続相手となる前記シャフトの外周側又は内周側のいずれかにおいて当該シャフトに嵌合することにより互いの回転方向の位相関係をほぼ一定に維持する噛み合い構造をなす接続部が形成されており、前記トルク伝達軸のうち前記接続部に近い方の前記軸受と前記接続部との間には、前記接続部のうち径方向の肉厚が最も薄い部分よりも更に肉厚を薄くした薄肉部が周回して形成されており、当該薄肉部に前記歪検出部が配置されていることを特徴とする。
【００１２】
互いに回転方向の位相関係をほぼ一定に維持するとは、同軸上に同期回転可能に取り付けられる場合のほか、回転方向の位相に多少のガタつきや位置ずれを許容した状態で一体回転可能に取り付けられる場合を意味する。この噛み合い構造をなす例としては、スプライン溝やキー溝などが挙げられる。
【００１３】
このように、接続部を構成するスプライン溝といった凸凹部によって応力集中箇所に偏りが生じるものの、この応力集中化箇所の偏りによる影響を低減すべく、接続部のうち径方向の肉厚が最も薄い部位よりも更に肉厚を薄くした薄肉部が周回して形成され、この薄肉部に歪検出部を配置しているので、接続部の応力集中の偏りによる歪検出部への影響を低減することが可能となる。しかも、歪検出部を軸受よりも外側（負荷側又は駆動側）に配置しているので、軸受での摩擦（メカロス）が歪検出部に与える影響を低減して、歪検出部での検出精度を向上することができる。さらに、歪検出部の配置される部位は、周囲に比べて径方向の肉厚の薄い薄肉部であるので、他の部位に比べて応力が集中しやすく、歪検出部の検出感度を向上させることが可能となる。
【００１４】
また、例えば、接続部がスプライン溝を有するスプライン軸又は軸受である場合、スプライン溝を形成するために必要な歯切り工具の逃げ部の軸方向寸法を、歪検出部の取り付け可能な程度の寸法まで広げるだけで、逃げ部を薄肉部として利用できるので、逃げ部とは別途に薄肉部を形成する場合に比べて軸端から軸受までの軸寸法（オーバーハング寸法）を低減でき、コニカルモードやパラレルモードでの振動の発生を抑制することも可能となる。
【００１５】
複数の歪検出部の検出バランスを向上させて検出精度を向上させるためには、前記接続部は、円周方向に沿って一定間隔で配置された複数のスプライン溝を有し、歪検出部は、軸心回りに対称となる位置に対をなすように複数取り付けられ、前記歪検出部と前記スプライン溝との円周方向の位相関係は、全ての歪検出部で同一となるように設定されていることが効果的である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、以上説明したように、接続部における凹部や凸部によって生じる応力集中箇所の偏りによる影響を低減すべく、接続部のうち径方向の肉厚が最も薄い部位よりも更に肉厚を薄くした薄肉部が周回して形成され、この薄肉部に歪検出部を配置しているので、接続部の応力集中箇所の偏りによる歪検出部への影響を低減でき、歪検出部の検出精度を向上させることが可能となる。
【００１７】
さらに、歪検出部の配置する部位は、周囲に比べて径方向の肉厚の薄い薄肉部であるので、他の部位に比べて応力が集中しやすく、歪検出部の検出感度を向上させることが可能となる。
【００１８】
したがって、検出精度及び検出感度を向上させたトルクセンサを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係るトルクセンサの構成を示す断面図。
【図２】同トルクセンサを適用したモータ等の駆動装置を模式的に示す図。
【図３】嵌合軸の構成図、並びに、トルク伝達軸と嵌合軸の嵌合状態を示す図。
【図４】トルク伝達軸と負荷装置との接続部分及びその近傍の構成を模式的に示す図。
【図５】トルク伝達軸の負荷側接続部を軸方向から視た図。
【図６】スプライン溝と歪検出部との位置関係を模式的に示す図。
【図７】本発明の他の実施形態に係るトルクセンサの構成を模式的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態に係るトルクセンサを、図面を参照して説明する。
【００２１】
トルクセンサＴｓは、図１に示すように、駆動装置Ｍと負荷装置Ｐとの間に介在するトルク伝達軸２に作用するトルクの大きさを測定する装置であり、略中空軸状をなし軸方向両端２ｃ，２ｄがそれぞれ駆動側（駆動装置Ｍ）及び負荷側（負荷装置Ｐ）に接続され駆動側及び負荷側の間で捩れを伴いながらトルクを伝達するトルク伝達軸２と、トルク伝達軸２の内部に内部空間ＳＰ１を形成する内周面２ａに取り付けられトルク伝達軸２に対するトルク入力によりトルク伝達軸２に生じる歪みに対応する検出信号（差動信号）を出力する歪ゲージを用いた歪検出部４０と、歪検出部４０の検出信号をトルク伝達軸２の外部に送信する送信部３０と、送信部３０からアンテナ部３３を介して受信した検出信号に基づきトルク伝達軸２に作用するトルクの大きさを算出するトルク演算部３１と、略中空軸状をなしトルク伝達軸２の内周側においてトルク伝達軸２に嵌合することによりトルク伝達軸２と共に二重の中空軸となる嵌合軸８とを有している。このトルクセンサＴｓは、図２に例示するように、トルク伝達軸２の軸方向一端２ｃと駆動力出力軸Ｍ３ａ（駆動側シャフト）とを接続してトルクセンサＴｓを備えたモータ等の駆動装置Ｍを構成するために利用される。なお、本明細書においては、軸方向をＸとし、駆動側をＸ１とし、負荷側をＸ２として説明する。
【００２２】
トルク伝達軸２は、図１に示すように、内部に内部空間ＳＰ１が形成された略中空軸状をなす鋼材で構成され、その内周面２ａの横断面の形状は嵌合軸８の外周面８ｂの横断面に対応する形状にしてある。そして、この内部空間ＳＰ１に嵌合軸８を駆動側Ｘ１から圧入するしまりばめによって、嵌合軸８の外周面８ｂとトルク伝達軸２の内周面２ａとを接触させた嵌合状態にしている。図１及び図４に示すように、トルク伝達軸２の軸方向一端２ｃ（駆動側Ｘ１の端部２ｃ）は、回転駆動するモータ等の駆動装置Ｍの駆動力出力軸Ｍ３ａ（シャフト）とスプライン接続により関連付けられて駆動装置Ｍにより駆動力が入力され、トルク伝達軸２の軸方向他端２ｄ（負荷側Ｘ２の端部２ｄ）は、負荷装置Ｐの負荷側シャフトＰ１とスプライン接続により関連付けられて負荷装置Ｐにより負荷が入力される。
【００２３】
トルク伝達軸２は、図１及び図４に示すように、軸受５を介して固定支持部６に回転可能に支持されている。軸受５は、ボールベアリング等の転がり軸受を用いたもので、トルク伝達軸２を複数箇所（本実施形態では二箇所）で支持するように軸方向に沿って複数（本実施形態では二つ）配置されている。
【００２４】
図４に示すように、トルク伝達軸２の負荷側端部２ｄには、接続相手となる負荷側シャフトＰ１の内周側において負荷側シャフトＰ１に嵌合することにより互いに回転方向の位相関係をほぼ一定に維持する噛み合い構造をなす負荷側接続部２ｓが設けられている。トルク伝達軸２の駆動側端部２ｃにも同様に出力軸Ｍ３ａ（駆動側シャフト）に接続するための駆動側接続部２ｒが設けられている。これら負荷側接続部２ｓ及び駆動側接続部２ｒは、図５に示すように、トルク伝達軸２の外周面２ｂに円周方向に沿って一定間隔で形成された複数のスプライン溝２ｓ１を有し、トルク伝達軸２が雄型のインボリュートスプライン軸をなしている。図４に示す負荷側シャフトＰ１は、これに対応する雌型のインボリュートスプライン軸受をなしている。図５に示すように、トルク伝達軸２の外周面２ｂは、スプライン溝２ｓ１によって区分された歯部２ｓ２を有し、スプライン溝２ｓ１と歯部２ｓ２とが周方向に沿って交互に形成されており、溝底が最も径方向の肉厚の薄い部分となっている。その溝底の径方向寸法をＤ１と表している。
【００２５】
図４に示すように、トルク伝達軸２のうち負荷側接続部２ｓに近い方の軸受５と負荷側接続部２ｓとの間には、負荷側接続部２ｓのうち径方向の肉厚が最も薄い部分（スプライン溝２ｓ１）よりも更に肉厚を薄くした薄肉部２ｔが周回して形成されている。すなわち、複数の軸受５の外側であって負荷側接続部２ｓの内側に、薄肉部２ｔが形成されているとも言える。この薄肉部２ｔは、その径方向寸法Ｄ２が、負荷側接続部２ｓを構成するスプライン溝２ｓ１の径方向寸法Ｄ１よりも薄い括れ部とも呼べ、スプライン溝２ｓ１をトルク伝達軸２に形成するために用いる歯切り工具などの切削工具の逃げでもあり、その軸方向寸法Ｗ１は、切削工具の逃げとして最低限必要な寸法Ｗ２よりも広くして歪検出部４０の取付を許容する寸法に設定している。薄肉部２ｔと負荷側接続部２ｓとの境界部分は、軸方向に沿って滑らかに肉厚が変化するように縦断面形状が曲面にされ、応力集中を避けている。
【００２６】
嵌合軸８は、図３（ａ）及び図３（ｃ）に示すように、内部に中空空間ＳＰ０が形成された有底の略中空軸状をなすガラスエポキシ樹脂等の樹脂で構成されている。嵌合軸８の内部に設けられる中空空間ＳＰ０は、軸方向一端８ｃ側（駆動側Ｘ１）が閉止される一方で、軸方向他端８ｄ側（負荷側Ｘ２）が開口部８ｅを介して開放されている。嵌合状態においては、図１に示すように、開口部８ｅを介して、歪検出部４０の配置されたトルク伝達軸２内部の内部空間ＳＰ１と、嵌合軸８内部の中空空間ＳＰ０とが連通している。この嵌合軸８において送信部３０を収納するための中空空間ＳＰ０は、軸方向に沿った長尺状をなし、図３（ａ）に示すように、軸中心Ｃｎを通り負荷側Ｘ２の端部８ｄ（軸方向一端）から駆動側Ｘ１（軸方向他端）に向かう第一の穴８ｈ１と、図３（ａ）及び図３（ｄ）に示すように、横断面において軸方向Ｘに直交する線Ｌｉを通り径方向Ｘ３に沿った貫通孔である第二の穴８ｈ２とを導通して形成されている。これら第一の穴８ｈ１及び第二の穴８ｈ２は、ドリル及びワイヤーカットなどの加工により空けられる。なお、図１に示すように、トルク伝達軸２との嵌合状態において、トルク伝達軸２の内周面２ａに設けられた突状の嵌合軸支持部２０と、嵌合軸８の軸方向他端８ｄ（負荷側Ｘ２の端部８ｄ）とを当接させることにより、軸方向における嵌合軸８の位置決めがなされる。
【００２７】
図１に示すように、歪検出部４０は、機械的な寸法の微小な変化を電気信号として検出するシート状の歪ゲージを用いたもので、トルク伝達軸２の内部に内部空間ＳＰ１を形成し且つ軸心Ｃｎを中心とする円形に沿った内周面２ａに接着剤を介して貼付されている。歪検出部４０の貼付位置は、上記薄肉部の内周面２ａに設定されている。本実施形態では、互いに軸心Ｃｎを中心として対称となる位置に歪検出部４０をそれぞれ取り付けて歪検出部４０を一対又は複数対とし、複数の歪検出部を既知の４ゲージ法でホイートストンブリッジ回路を構成するように接続している。このブリッジ回路は、励起信号とも呼べる励起電圧が印加されている状態において、歪検出部４０の歪みによって生じた抵抗値の変化を検出信号とも呼べる差動電圧として出力する。この差動電圧は、歪量に比例した大きさの電圧であり、歪みに対応する信号である。また、図６においてトルク伝達軸２の外周面２ｂと内周面２ａとを展開して模式的に示すように、歪検出部４０とスプライン溝２ｓ１との円周方向ＲＤの位相関係は、全ての歪検出部４０で同一となるように設定されている。本実施形態では、図６に示すように、歪検出部４０の受感領域の中心と、スプライン溝２ｓ１の中心とが円周方向に重なるように設定されているが、これに限定されるものではない。
【００２８】
送信部３０は、図１及び図３（ａ）に示すように、プリント基板などの板状部位３０ａを有し、歪検出部４０に励起電圧を印加し且つ歪検出部４０から差動電圧をトルク伝達軸２の外部へ送信するテレメータを用いたもので、嵌合軸８における中空空間ＳＰ０内に配置されて、中空空間ＳＰ０の内面８ａに設けられた取付部８０に保持されている。
【００２９】
取付部８０は、図１及び図３（ａ）に示すように、送信部３０の板状部位３０ａの端部を差し込み可能なスリットであり、中空空間ＳＰ０を形成する内面８ａに複数形成されている。具体的には、図３（ａ）及び図３（ｃ）に示すように、中空空間ＳＰ０を有底筒状の中空部とみなした場合に、底部に対応する内面８ａに第一の取付部８０ａが形成されていると共に、開口部８ｅ近傍の内周面８ａに対をなす第二の取付部８０ｂ・８０ｂが形成されており、これら第一及び第二の取付部８０ａ・８０ｂによって長尺状の送信部３０を両持ち状態で支持している。
【００３０】
図１に示すように、トルク伝達軸２の外周側には、アンテナ部３３が設けられている。このアンテナ部３３の軸方向両側には、二つの軸受５・５が配置されている。また、トルク伝達軸２の外部には、送信部３０から送信された検出信号をアンテナ部３３を介して受信してトルクの大きさを演算処理により算出するトルク演算部３１と、送信部３０に対して電力を非接触でアンテナ部３３を介して供給する電力供給部３２とが設けられている。
【００３１】
すなわち、図１に示すように、電力供給部３２からアンテナ部３３を介して送信部３０に電力が供給され、歪検出部４０に励起電圧が印加される。そして、トルク伝達軸２にトルクが作用すると、トルク伝達軸２に捩れが生じ、この捩れがトルク伝達軸２の内周面２ａに貼付された歪検出部４０によって歪量として検出される。歪検出部４０から出力される歪量に対応する検出信号（差動電圧）が送信部３０からトルク演算部３１に送信され、トルク演算部３１が検出信号に基づいてトルクの大きさを算出する。
【００３２】
固定支持部６は、図１に示すように、略有底円筒状をなし駆動側Ｘ１の基端部６０ａが駆動装置ＭのハウジングＭ１にボルト等の止着具を介して取り付けられる筒状支持部６０と、筒状支持部６０の負荷側Ｘ２の開口６０ｋを閉止する蓋状支持部６１とから構成されている。筒状支持部６０及び蓋状支持部６１により形成される内部空間ＳＰ２に軸受５が配置されており、固定支持部６は、筒状支持部６０の底部６０ｂｔ及び蓋状支持部６１を軸方向Ｘに沿って貫通する位置に配置されたトルク伝達軸２を軸受５を介して回転可能に支持し、トルク伝達軸２及び嵌合軸８を一体に回転可能にしている。軸受５は、トルク伝達軸２の外周面２ｂに形成された突状の回転側軸受支持部６４ａと、蓋状支持部６１及び筒状支持部６０の底部６０ｂｔを足場とする固定側軸受支持部６４ｂとにより抱き込まれて軸方向に固定されている。
【００３３】
図１に示すように、トルク伝達軸２の軸方向一端２ｃ側（駆動側Ｘ１）から導入される冷媒を内部空間ＳＰ１に連通しないように軸受５に供給する冷媒供給路７が設けられている。具体的には、図３（ａ）、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示すように、嵌合軸８の外周面８ｂに、軸方向一端８ｃ側（駆動側Ｘ１）から軸方向他端８ｄ側（負荷側Ｘ２）に向けて延びる溝部８１が設けられており、図１及び図３（ｄ）に示すように、トルク伝達軸２及び嵌合軸８の嵌合状態において、溝部８１とその溝部８１の対向面（トルク伝達軸２の内周面２ａ）との間に、軸方向Ｘの一方から導入される冷媒を軸受５に供給するためのスラスト路７１が形成されるようにしている。
【００３４】
スラスト路７１以外に冷媒供給路７を構成するものとして、図１及び図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、導入路７０及び接続路７２が設けられている。導入路７０は、嵌合状態で内側となる嵌合軸８の軸中心Ｃｎを通り軸方向一端８ｃ（駆動側Ｘ１）から冷媒を導入する路であり、接続路７２は、導入路７０から外周に向けて延在し導入路７０とスラスト路７１とを接続する路である。スラスト路７１には、各々の軸受５に冷媒を噴出する噴射路７３が複数設けられており、スラスト路７１を基幹路とし、噴射路７３を分岐路として、各々の軸受５に冷媒を供給する流路が一つのスラスト路７１から分岐して形成される。この噴射路７３に対応して固定側軸受支持部６４ｂは、噴射路７３と径方向で重合する位置にあり、噴射路７３から供給された冷媒を軸受５に案内する湾曲した案内面６４ｘが形成されている。
【００３５】
溝部８１は、図３（ｄ）に示すように、複数（本実施形態では二つ）設けられて対をなし、対をなす溝部８１・８１は軸中心Ｃｎ回りに対称となる位置に配置されており、図１に示すように、各々の接続路７２を介して導入路７０の先端部にある分岐部７０ａと接続されている。これにより、軸全体での荷重バランスをとっている。
【００３６】
なお、図２に概念図を用いて模式的に示すように、駆動装置Ｍは周知のモータ等を用いたもので、ハウジングＭ１に固定され磁界を発生する固定子Ｍ２と、固定子Ｍ２に対して回転可能な状態でハウジングＭ１に支持され磁界を受けて回る回転子Ｍ３とを有し、固定子Ｍ２への通電制御により磁界を変化させ、固定子Ｍ２と回転子Ｍ３との間に反発力や吸引力等を作用させて回転子Ｍ３を回転させ、電気エネルギーから回転駆動力を出力するものである。回転子Ｍ３の駆動力出力軸Ｍ３ａ（シャフト）に上記トルク伝達軸２が接続されてトルク伝達軸２に駆動力が入力されるように構成するとともに、ハウジングＭ１に固定支持部６を取り付けてある。また、駆動装置Ｍを構成する駆動力出力軸Ｍ３ａは、出力軸用の軸受Ｍ４により回転可能に支持されるとともに、内部に冷媒を通して出力軸用の軸受Ｍ４や図示しない発熱部を始めとする機構部品に冷媒を供給する流路Ｍ５の一部を構成するものであり、トルク伝達軸２の内部に形成される導入路７０は、出力軸Ｍ３ａから冷媒が導入されるように構成されている。勿論、トルク伝達軸２と駆動力出力軸Ｍ３ａ（シャフト）とを同一部材として一体に形成してもよく、また、固定支持部６とハウジングＭ１とを同一部材として一体に形成してもよい。この場合、トルクセンサ及び駆動装置を合わせた装置全体の軸方向寸法を小形化することも可能となる。図２に示す駆動装置Ｍは概念図で示したものにすぎず、この図示の駆動装置に限定されるものではない。また駆動装置にはモータ以外のものを用いてもよい。
【００３７】
以上のように、本実施形態のトルクセンサＴｓは、負荷装置Ｐの負荷側シャフトＰ１を介して軸方向一端（２ｄ）に負荷が入力され軸方向他端（２ｃ）に駆動力が入力されて負荷側Ｘ２と駆動側Ｘ１との間で捻れを伴いながらトルクを伝達するトルク伝達軸２と、軸方向Ｘに沿って複数配置された軸受５・５を介してトルク伝達軸２を回転可能に支持する固定支持部６と、トルク入力によってトルク伝達軸２に生じる歪みを検出する歪検出部４０とを具備し、歪検出部４０の検出結果に基づきトルク伝達軸２に作用するトルクの大きさを算出するトルクセンサＴｓであって、トルク伝達軸２の負荷側端部２ｄには、接続相手となる負荷側シャフトＰ１の内周側において負荷側シャフトＰ１に嵌合することにより互いの回転方向の位相関係をほぼ一定に維持する噛み合い構造をなす負荷側接続部２ｓが形成されており、トルク伝達軸２のうち負荷側Ｘ２にある軸受５と負荷側接続部２ｓとの間には、負荷側接続部２ｓのうち径方向の肉厚が最も薄い部分（スプライン溝２ｓ１）よりも更に肉厚を薄くした薄肉部２ｔが周回して形成されており、薄肉部２ｔに歪検出部４０が配置されている。
【００３８】
このように、負荷側接続部２ｓを構成するスプライン溝２ｓ１や歯部２ｓ２などによって応力集中箇所に偏りが生じるが、この応力集中化箇所の偏りによる影響を低減すべく、負荷側接続部２ｓのうち径方向の肉厚が最も薄い部位であるスプライン溝２ｓ１の径方向寸法Ｄ１よりも更に肉厚を薄くした薄肉部２ｔ（径方向寸法Ｄ２）が周回して形成されているので、負荷側接続部２ｓの応力集中の偏りによる歪検出部４０への影響を低減することが可能となる。しかも、歪検出部４０を軸受５よりも外側（負荷側Ｘ２）に配置しているので、軸受での摩擦（メカロス）が歪検出部４０に与える影響を低減して、歪検出部４０での検出精度を向上させることが可能となる。さらに、歪検出部４０の配置される部位は、周囲に比べて径方向の肉厚の薄い薄肉部２ｔであるので、他の部位に比べて応力が集中しやすく、歪検出部４０の検出感度を向上させることが可能となる。
【００３９】
例えば、本実施形態のように負荷側接続部２ｓがスプライン溝２ｓ１を有するスプライン軸又は軸受である場合、スプライン溝２ｓ１を形成するために必要な歯切り工具の逃げ部の軸方向寸法Ｗ２を、歪検出部４０の取り付け可能な程度の軸方向寸法Ｗ１まで広げるだけで、逃げ部を薄肉部２ｔとして利用できるので、逃げ部とは別途に薄肉部を形成する場合に比べて軸端から軸受までの軸寸法（オーバーハング寸法）を低減でき、コニカルモードやパラレルモードでの振動の発生を抑制することも可能となる。
【００４０】
さらに、本実施形態では、負荷側接続部２ｓは、円周方向ＲＤに沿って一定間隔で配置された複数のスプライン溝２ｓ１を有し、歪検出部４０は、軸心Ｃｎ回りに対称となる位置に対をなすように複数取り付けられ、歪検出部４０とスプライン溝２ｓ１との円周方向ＲＤの位相関係は、全ての歪検出部４０で同一となるように設定されているので、歪検出部４０での検出バランスを向上させ、検出精度を向上させることが可能となる。
【００４１】
以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限定されるものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明だけではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００４２】
例えば、本実施形態では、トルクセンサＴｓは、駆動装置Ｍに組み込まれて構成されているが、単独で構成することも可能である。また、本実施形態では、トルク伝達軸２の負荷側端部２ｄに負荷側接続部２ｓを設け、トルク伝達軸２のうち負荷側接続部２ｓに近い方の軸受５と負荷側接続部２ｓとの間に薄肉部２ｔを設けているが、トルク伝達軸２の駆動側端部２ｃに駆動側接続部を設け、トルク伝達軸のうち駆動側接続部に近い方の軸受と駆動側接続部との間に薄肉部を設けて、この薄肉部に歪検出部を配置してもよい。勿論、トルク伝達軸の両端部に接続部及び薄肉部を設けてもよい。
【００４３】
また、本実施形態では、トルク伝達軸２又は負荷側シャフトＰ１のいずれか一方をスプライン軸受とし、他方をスプライン軸とした噛み合い構造によって、互いの回転方向の位相関係をほぼ一定に維持するようにしているが、スプライン接続に限定されるものではない。例えば、トルク伝達軸又は負荷側シャフトのいずれか一方にキー溝を設け、他方にキーを設けてキー構造によりトルク伝達可能に構成してもよい。
【００４４】
さらに、本実施形態では、トルク伝達軸２は、負荷側シャフトＰ１の内周側において負荷側シャフトＰ１に嵌合する雄型のスプライン軸受であるが、図７（ａ）に示すように、トルク伝達軸１０２を、負荷側シャフトＰ１の外周側において負荷側シャフトＰ１と嵌合する雌型にしてもよい。この場合、負荷側接続部１０２ｓのうち最も薄い部分であるスプライン溝の径方向寸法がＤ３であり、薄肉部１０２ｔの径方向寸法Ｄ４は、Ｄ３よりも薄く形成されている。
【００４５】
さらにまた、本実施形態では、歪検出部４０は、薄肉部２ｔの内周面２ａに設けてられているが、薄肉部２ｔの外周面に設けてもよい。
【００４６】
また、本実施形態では、歪検出部４０として歪ゲージを例に挙げて説明しているが、トルク伝達軸に生じる歪みを検出できるものであれば歪ゲージ以外のものでもよい。例えば、図７（ｂ）に示すように、トルク伝達軸２０２に、上記と同様にスプライン溝を有する接続部２０２ｓと、括れ部たる薄肉部２０２ｔとを形成するとともに、薄肉部２０２ｔの外周面２０２ｂに歪みによって透磁率の変わる磁歪膜２４１を設け、励磁用コイル２４２及び検出用コイル２４３によって磁歪膜２４１の透磁率の変化を読み取ってトルク検出する磁歪式トルクセンサにも適用することができる。
【００４７】
なお、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【符号の説明】
【００４８】
２…トルク伝達軸
２ｃ…駆動側端部
２ｄ…負荷側端部
２ｓ…負荷側接続部（接続部）
２ｒ…駆動側接続部（接続部）
２ｓ１…スプライン溝
２ｔ…薄肉部
４０…歪検出部
５…軸受
６…固定支持部
Ｐ…負荷装置
Ｐ１…負荷側シャフト
Ｘ…軸方向
Ｘ１…駆動側
Ｘ２…負荷側
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷装置の負荷側シャフトを介して軸方向一端に負荷が入力され駆動装置の駆動側シャフトを介して軸方向他端に駆動力が入力されて負荷側と駆動側との間で捻れを伴いながらトルクを伝達するトルク伝達軸と、軸方向に沿って複数配置された軸受を介してトルク伝達軸を回転可能に支持する固定支持部と、トルク入力によって前記トルク伝達軸に生じる歪みを検出する歪検出部とを具備し、前記歪検出部の検出結果に基づき前記トルク伝達軸に作用するトルクの大きさを算出するトルクセンサであって、
前記トルク伝達軸の負荷側端部又は駆動側端部の少なくとも一方には、接続相手となる前記シャフトの外周側又は内周側のいずれかにおいて当該シャフトに嵌合することにより互いの回転方向の位相関係をほぼ一定に維持する噛み合い構造をなす接続部が形成されており、前記トルク伝達軸のうち前記接続部に近い方の前記軸受と前記接続部との間には、前記接続部のうち径方向の肉厚が最も薄い部分よりも更に肉厚を薄くした薄肉部が周回して形成されており、当該薄肉部に前記歪検出部が配置されていることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２】
前記接続部は、円周方向に沿って一定間隔で配置された複数のスプライン溝を有し、歪検出部は、軸心回りに対称となる位置に対をなすように複数取り付けられ、前記歪検出部と前記スプライン溝との円周方向の位相関係は、全ての歪検出部で同一となるように設定されている請求項１に記載のトルクセンサ。
【請求項１】
負荷装置の負荷側シャフトを介して軸方向一端に負荷が入力され駆動装置の駆動側シャフトを介して軸方向他端に駆動力が入力されて負荷側と駆動側との間で捻れを伴いながらトルクを伝達するトルク伝達軸と、軸方向に沿って複数配置された軸受を介してトルク伝達軸を回転可能に支持する固定支持部と、トルク入力によって前記トルク伝達軸に生じる歪みを検出する歪検出部とを具備し、前記歪検出部の検出結果に基づき前記トルク伝達軸に作用するトルクの大きさを算出するトルクセンサであって、
前記トルク伝達軸の負荷側端部又は駆動側端部の少なくとも一方には、接続相手となる前記シャフトの外周側又は内周側のいずれかにおいて当該シャフトに嵌合することにより互いの回転方向の位相関係をほぼ一定に維持する噛み合い構造をなす接続部が形成されており、前記トルク伝達軸のうち前記接続部に近い方の前記軸受と前記接続部との間には、前記接続部のうち径方向の肉厚が最も薄い部分よりも更に肉厚を薄くした薄肉部が周回して形成されており、当該薄肉部に前記歪検出部が配置されていることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２】
前記接続部は、円周方向に沿って一定間隔で配置された複数のスプライン溝を有し、歪検出部は、軸心回りに対称となる位置に対をなすように複数取り付けられ、前記歪検出部と前記スプライン溝との円周方向の位相関係は、全ての歪検出部で同一となるように設定されている請求項１に記載のトルクセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−１５４５９（Ｐ２０１３−１５４５９Ａ）
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４９４７６（Ｐ２０１１−１４９４７６）
【出願日】平成２３年７月５日（２０１１．７．５）
【出願人】（０００００２０５９）シンフォニアテクノロジー株式会社 (1,111)
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月５日（２０１１．７．５）
【出願人】（０００００２０５９）シンフォニアテクノロジー株式会社 (1,111)
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