JP2015152455A - 角加速度検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】角速度の高周波数の変動を生じさせる角加速度を精度良く検出する。【解決手段】内側筒４は、ケース１に右側端が軸支された第１軸体２１に回転自在に軸支されている。サイズモ系の質量として機能する外側筒３は、ケース１に左側端が軸支された第２軸体２２に回転自在に軸支されている。外側筒３と内側筒４の左右方向に対向する面には、それぞれ、外側筒３と内側筒４との間の磁気カップリングと磁気ダンパを構成する複数の磁石が固定されている。第１軸体２１に被測定体を連結し、外側筒３と内側筒４との回転位相差より、被測定体の角加速度を検出する。【選択図】図１

Description

本発明は、角加速度を検出する技術に関するものである。

被測定体の角加速度の検出は、被測定体にトーションバーを連結し、被測定体の角加速度の変動に伴うトーションバーのねじれ角の変化を検出することにより行うことができる。

ここで、トーションバーのねじれ角の変化を検出する技術としては、トーションバーの両端にそれぞれ固定した二つの回転体の相対回転位相差を、トーションバーの捻れ角として検出するトルクセンサが知られている（たとえば、特許文献１、２）。

図４に、このトルクセンサの構成を示す。
ここで、図４において、図４ａはトルクセンサの正面を、図４ｂはトルクセンサの断面を、それぞれ模式的に表している。
図示するように、このトルクセンサは、測定対象のトルクが入力側（図４ａ、ｂにおける左方）端と出力側（図４ａ、ｂにおける右方）端との間の捻れ方向の力として加えられるトーションバー４１０と、トーションバー４１０の出力側に固定された内側筒４２１と、トーションバー４１０の入力側に固定された外側筒４２２と、第１駆動コイル４３１と、第２駆動コイル４３２と、第１検出コイル４４１と、第２検出コイル４４２と、測定回路４５０とを有している。

ここで、内側筒４２１と外側筒４２２とは、非磁性導電体を用いて形成されている。
また、図４ｃに外側筒４２２の形状を、図４ｄに内側筒４２１の形状を示すように、外側筒４２２と内側筒４２１は、それぞれ、周面に、複数のスリット４６１、４６２、４６３、４６４が配列されており、図４ｅに示すように、内側筒４２１は、外側筒４２２の内側に同軸状に挿入された形態で配置されている。

そして、第１駆動コイル４３１と第１検出コイル４４１と、第２駆動コイル４３２と第２検出コイル４４２とは、間に内側筒４２１と外側筒４２２が位置するように対向して設けられている。また、第１駆動コイル４３１と第２駆動コイル４３２とは測定回路４５０によって交流駆動され磁束を発生する。また、第１検出コイル４４１は、第１駆動コイル４３１が発生し、内側筒４２１と外側筒４２２を通過した磁束を検出し、第２検出コイル４４２は、第２駆動コイル４３２が発生し、内側筒４２１と外側筒４２２を通過した磁束を検出する
そして、測定回路４５０は、トーションバー４１０の捻れに追従して生じるスリットの位置関係の変化に応じて、第１検出コイル４４１と第２検出コイル４４２で検出される信号の位相変化より、内側筒４２１と外側筒４２２との回転位相差を検出する。ここで、内側筒４２１と外側筒４２２との回転位相差はトーションバー４１０のねじれ角を表しており、このトルクセンサは、トーションバー４１０のねじれ角よりトーションバー４１０に加わるトルクを算出するものである。

特開2010-091506号公報 特開2010-085155号公報

上述したトーションバーのねじれ角より回転軸の角加速度の検出を行う技術によれば、トーションバーに伝達トルク以上の容量が必要となるために、角速度の微小な変動や高周波数の変動に追従するねじれ角を良好に発生するようにトーションバーを構成することが難しい。そして、このために、この技術によれば、角加速度の高周波数の微小な変動を精度良く検出することが困難である。

そこで、本発明は、角速度の微小な変動や高周波数の変動を生じさせる角加速度を精度良く検出することのできる角加速度検出器を提供することを課題とする。

前記課題達成のために、本発明は、被測定体の角加速度を検出する角加速度検出器に、本体と、本体に軸支された、一端に被測定体が連結される第１軸体と、前記第１軸体に固定された第１回転体と、前記第１軸体と同軸に回転可能に本体に軸支された第２軸体と、前記第２軸体に固定された第２回転体と、前記第１回転体と前記第２回転体との間の回転位相差を検出し、検出した回転位相差に応じて前記被測定体の角加速度を算出する角加速度検出手段と、前記第１回転体に固定された第１の磁石群と、前記第２回転体に固定された、前記第１の磁石群と共に前記第１回転体と前記第２回転体との磁気カップリングを形成する第２の磁石群とを設けたものである。

ここで、このような角加速度検出器において、前記第１の磁石群と前記第２回転体との組、前記第２の磁石群と前記第１回転体との組とのうちの一方の組、もしくは、両方の組は、前記第１回転体と第２回転体との間の磁気ダンパを形成するようにしてもよい。

また、以上の各角加速度検出器には、前記第１回転体と前記第２回転体との間の相対的な回転移動を、前記第１回転体と前記第２回転体との間の回転位相差が所定値以上とならないように制限する制限手段を設けることも好ましい。

以上のような角加速度検出器によれば、磁気カップリングにより、第２回転体は第１回転体に追従して回転するが、前記第２回転体はサイズモ系の質量として機能するので、前記第２回転体は第１回転体の高周波数の角速度の変動には追従しない。したがって、第１軸体に高周波数の角速度の変動が生じた場合には、前記第１回転体と前記第２回転体との間に、第１軸体の角加速度に応じた回転位相差が生じ、この回転位相差を検出することにより、第１軸体の角加速度を測定することができる。

よって、第１軸体に被測定体を連結することにより、高周波数の角速度の変動を軸体に生じさせる被測定体の角加速度を精度良く検出することができる。また、トーションバーに代えて磁気カップリングを用いているので、角速度の微小な変動を生じさせる被測定体の角加速度についても、支障なく測定することができる。

以上のように、本発明によれば、角速度の微小な変動や高周波数の変動を生じさせる角加速度を精度良く検出することのできる角加速度検出器を提供することができる。

本発明の実施形態に係る角加速度検出器の断面構成図である。 本発明の実施形態に係る角加速度検出器の外側筒と内側筒の斜視片側断面図である。 本発明の実施形態に係る角加速度検出器の外側筒と内側筒の配置関係を示す図である。 公知のトルクセンサを示す図である。

以下、本発明の角加速度検出器の実施形態について説明する。
図１に、本実施形態に係る角加速度検出器の断面による構成を示す。
図示するように、角加速度検出器は、ケース１、剛性を有する略円柱形状の第１軸体２１、剛性を有する略円柱形状の第２軸体２２、非磁性導電体で形成した外側筒３、非磁性導電体で形成した内側筒４を備えている。

ここで、第１軸体２１は、図中の回転軸Ａ-Ａの回りに回転自在に、第１軸体ボールベアリング５１によって右側でケース１に軸支されており、第１軸体２１の右側端が入力端となる。また、第２軸体２２は、第１軸体２１と同軸に、回転軸Ａ-Ａの回りに回転自在に、第２軸体ボールベアリング５２によって左側でケース１に軸支されている。

また、外側筒３は、左側端において第２軸体２２に固定されている。そして、内側筒４は、外側筒３に挿入された配置で、右側端において第１軸体２１に固定されている。
なお、第１軸体２１に固定された部材６１と第２軸体２２に固定された部材６２とは、第１軸体ボールベアリング５１と第２軸体ボールベアリング５２の内輪を左右方向について固定するための部材である。

次に、角加速度検出器は、ケース１に固定された支持筒１０によって支持された、二つの駆動コイル１１と二つの検出コイル１２とを備えている。ここで、駆動コイル１１と検出コイル１２とは、回転軸Ａ-Ａを中心軸として巻き回されたコイルである。

また、角加速度検出器は、図示を省略した測定部を備えており、測定部は、駆動コイル１１と検出コイル１２とに電気的に接続している。
次に、図２ａに、外側筒３の斜視片側断面図を示す。
図示するように、外側筒３は、おおよそ右側の底面が無い円筒形状を有し、左側の底面に設けられた中央孔が第２軸体２２に固定され、外側筒３は第２軸体２２と共に回転する。

そして、外側筒３の側面には、周方向にそって複数のスリット３１が設けられている。
また、外側筒３の左側の底面には周方向に沿って等角度間隔で４つの従動用磁石３２が固定されている。
また、外側筒３の左側の底面には、周方向に沿って等角度間隔で４つのストッパ孔３３が設けられている。
次に、図２ｂに、内側筒４の斜視片側断面図を示す。
図示するように、内側筒４は、右側の底面の無い中空の円筒形状部である外筒部４１の左側の底面の中央孔に、両底面の無い中空の円筒形状部である内筒部４２を左側に幾分突出するように挿通して、外筒部４１と内筒部４２を連結した形状を有する。

そして、内側筒４の内筒部４２の右側端が第１軸体２１に固定され、内側筒４は第１軸体２１と共に回転する。
また、内側筒４の側面には、周方向にそって複数のスリット４４が設けられている。
また、内側筒４の内筒部４２の外筒部４１より左側に突出した部分４３には円盤形状の磁石ベース４５が固定されており、磁石ベース４５には、周方向に沿って等角度間隔で４つの主動用磁石４６が固定されている。

また、内側筒４には、左側の底面から左方向に起立したストッパ４７が周方向に沿って等角度間隔で４つ設けられている。
次に、図２ｃに、角加速度検出器における外側筒３と内側筒４の配置関係を示す。
また、図３ａに、左方向から視た外側筒３と内側筒４の配置関係を示す。
また、図３ｂに、図１の角加速度検出器の断面構成図の状態から、外側筒３と内側筒４を４５度、回転軸Ａ-Ａ回りに４５度回転させた角加速度検出器の断面構成図を示す。
図示するように、外側筒３と内側筒４は、内側筒４の４つのストッパ４７が、外側筒３の４つのストッパ孔３３に挿入されるように配置され、外側筒３と内側筒４の回転位相差の大きさは、ストッパ４７がストッパ孔３３の内部で移動する範囲に限定される。

また、外側筒３の４つの従動用磁石３２と内側筒４の４つの主動用磁石４６とは１対１に対応しており、ストッパ４７がストッパ孔３３内の中央位置にあるときに、対応する従動用磁石３２と主動用磁石４６とが対向するように、各従動用磁石３２と各主動用磁石４６は配置されている。また、従動用磁石３２と主動用磁石４６の対向する面、すなわち、各従動用磁石３２の右側の面と、主動用磁石４６の左側の面の極性は、対応する従動用磁石３２と主動用磁石４６が引き合うように異ならせている。たとえば、各従動用磁石３２の右側の面をＳ極とした場合には、各主動用磁石４６の左側の面をＮ極とする。

ここで、このような外側筒３と内側筒４の配置において、従動用磁石３２と主動用磁石４６は、相互に引き合う磁気カップリングを構成している。また、従動用磁石３２と磁石ベース４５、または、主動用磁石４６と外側筒３、または、従動用磁石３２と磁石ベース４５及び主動用磁石４６と外側筒３は、磁気ダンパを構成している。なお、磁気ダンパとは、磁石を導体に対して相対運動させたとき、導体に誘導電流が発生し、誘導電流により運動方向と逆向きに力が働くことを利用したダンパであり、このトルクセンサにおいては、主動用磁石４６、従動用磁石３２が磁石に、外側筒３、磁石ベース４５が導体に相当する。

さて、図１に戻り、二つの駆動コイル１１は、図２ａに示したような形状を有する外側筒３の外周側に回転軸Ａ-Ａを中心軸として巻き回された形態で配置される。また、二つの検出コイル１２は、図２ｂに示したような形状を有する内側筒４の外筒部４１と内の内筒部４２との間に、外側筒３と内側筒４の外筒部４１とを間に挟んで、駆動コイル１１と対向するように、回転軸Ａ-Ａを中心軸として巻き回された形態で配置される。

したがって、このような角加速度検出器によれば、図４に示したトルクセンサと同様に、駆動コイル１１を交流駆動して磁束を発生させることにより、検出コイル１２で外側筒３と内側筒４の外筒部４１とを通過した磁束を検出することができる。そして、スリット３１とスリット４４との位置関係の変化に応じて生じる検出コイル１２で検出される信号の位相変化に基づいて、内側筒４と外側筒３との回転位相差を検出することができる。

次に、以上のような角加速度検出器による角加速度検出の動作について説明する。
本実施形態では、外側筒３の回転慣性質量と、磁気カップリングや磁気ダンパの特性は、所定の周波数以上の内側筒４の角速度の変動に対して、外側筒３が影響を受けないように設定している。

すなわち、本実施形態において、外側筒３は回転系におけるサイズモ系の質量として機能し、磁気カップリングは回転系におけるサイズモ系の弾性要素として機能し、磁気ダンパは回転系におけるサイズモ系の減衰要素として機能する。回転系におけるサイズモ系の質量である外側筒３は、サイズモ系の共振点より充分に大きい周波数以上の内側筒４の角速度の変動に対しては共振の影響を受けない。

なお、従動用磁石３２と主動用磁石４６による磁気ダンパは形成しないようにしてもよい。このようにしても、サイズモ系は成立し、外側筒３は回転系におけるサイズモ系の質量として機能する。

さて、角加速度検出器による角加速度検出は、第１軸体２１の右側端である入力体にモータの回転軸など被測定体を連結し、被測定体を回転させて行う。
ここで、被測定体が回転すると、第１軸体２１と第１軸体２１に固定された内側筒４が回転すると共に、内側筒４と従動用磁石３２と主動用磁石４６によって磁気カップリングされている外側筒３も第２軸体２２と共に回転する。

被測定体が一定速度で回転しているときには、内側筒４と外側筒３は同位相で回転し、検出コイル１２で検出される信号から内側筒４と外側筒３との回転位相差は検出されない。

一方、被測定体に高周波数の角速度の変動が生じると、被測定体に連結された第１軸体２１と第１軸体２１に固定された内側筒４の角速度も変動する。一方、外側筒３は上述のように、所定の周波数よりも高周波数の角速度の変動に対しては影響を受けない。

よって、被測定体に所定の周波数より高い角速度の変動が生じた場合には、内側筒４と外側筒３との間に角加速度に応じた量の回転位相差が生じ、この回転位相差から、被測定体に生じた角加速度を算出することができる。

そこで、角加速度検出の際には、測定部は、駆動コイル１１を交流駆動しつつ、検出コイル１２で検出される信号を取得し、取得した信号の位相変化が表す内側筒４と外側筒３との回転位相差から、被測定体に生じた角加速度を算出する動作を行う。

ここで、上述したストッパ４７とストッパ孔３３によって、内側筒４と外側筒３の回転位相差の上限は制限されているので、内側筒４と外側筒３の回転位相差が大きくなり、従動用磁石３２と主動用磁石４６と１対１の対応が崩れること、すなわち、従動用磁石３２が内側筒４と外側筒３の回転位相差の増大と共に対応する主動用磁石４６の位置から離れ、対応する主動用磁石４６の隣の主動用磁石４６とカップリングしてしまうことは抑止される。

以上、本発明の実施形態について説明した。

１…ケース、３…外側筒、４…内側筒、１０…支持筒、１１…駆動コイル、１２…検出コイル、２１…第１軸体、２２…第２軸体、３１…スリット、３２…従動用磁石、３３…ストッパ孔、４１…外筒部、４２…内筒部、４５…磁石ベース、４６…主動用磁石、４７…ストッパ、５１…第１軸体ボールベアリング、５２…第２軸体ボールベアリング。

Claims (3)

1. 被測定体の角加速度を検出する角加速度検出器であって、
   本体と、
   本体に軸支された、一端に被測定体が連結される第１軸体と、
   前記第１軸体に固定された第１回転体と、
   前記第１軸体と同軸に回転可能に本体に軸支された第２軸体と、
   前記第２軸体に固定された第２回転体と、
   前記第１回転体と前記第２回転体との間の回転位相差を検出し、検出した回転位相差に応じて前記被測定体の角加速度を算出する角加速度検出手段と、
   前記第１回転体に固定された第１の磁石群と、
   前記第２回転体に固定された、前記第１の磁石群と共に前記第１回転体と前記第２回転体との磁気カップリングを形成する第２の磁石群とを有することを特徴とする角加速度検出器。
2. 請求項１記載の角加速度検出器であって、
   前記第１の磁石群と前記第２回転体との組、前記第２の磁石群と前記第１回転体との組とのうちの一方の組、もしくは、両方の組は、前記第１回転体と第２回転体との間の磁気ダンパを形成していることを特徴とする角加速度検出器。
3. 請求項１または２記載の角加速度検出器であって、
   前記第１回転体と前記第２回転体との間の相対的な回転移動を、前記第１回転体と前記第２回転体との間の回転位相差が所定値以上とならないように制限する制限手段を有することを特徴とする角加速度検出器。