CN109313092A - 转矩检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明的课题在于提供一种转矩检测装置，其不需要初始设定时的机械的调整，另外在为简单的机构的同时，可进行稳定的转矩检测。转矩检测装置(1)包括可相互旋转的外圈(2)和内圈(3)，检测作用于该外圈(2)和内圈(3)之间的转矩。包括弹性部件(4)，该弹性部件(4)直接或间接地将外圈(2)和内圈(3)连接，对应于外圈(2)和内圈(3)的旋转位移而变形。角度传感器(40)检测外圈(2)和内圈(3)的旋转角。转矩获得机构(10)从由角度传感器(40)检测到的旋转角获得转矩。

Description

转矩检测装置

相关申请

本申请要求申请日为2016年6月15日，申请号为JP特愿2016－118618的申请的优先权，通过参照，将其整体作为构成本申请的一部分的内容而引用。

技术领域

本发明涉及为了检测轴上所负荷的转矩而采用的转矩检测装置，本发明特别是涉及检测产业机器人的关节等处所负荷的转矩的技术。

背景技术

在专利文献1中，人们公开有下述的转矩检测装置，其检测产业用机器人的关节部所负荷的转矩。在该转矩检测装置中，外圈和内圈通过具有弹性的多个梁而连接，通过2个位移传感器而分别测定下述位移量，该位移量产生于在直径上从内圈伸出到外圈侧而设置的一对内圈伸出片和外圈之间，根据该已测定的2个位移量，检测作用于内外圈上的轴转矩。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：JP第3136816号发明专利公报

发明内容

发明要解决的课题

在于专利文献1中公开的转矩检测装置中，由于通过2个位移传感器而分别测定在一对内圈伸出片和外圈之间产生的位移量，故难以调整初始设定中的一对内圈伸出片和外圈的机械的间隙。另外，于专利文献1中，没有关于根据2个位移传感器的输出值计算转矩的方法的记载，但是，必须要求根据2个位移传感器的输出值，推算外圈和内圈的旋转位移量等的处理，人们认为，处理电路是复杂的。

本发明的目的在于提供一种转矩检测装置，其不需要初始设定时的机械的调整，另外在形成简单的机构的同时，可进行稳定的转矩测定。

用于解决课题的技术方案

在下面，为了容易方便的理解，根据需要，参照实施方式的标号而进行说明。

本发明的一个方案的转矩检测装置包括可相互旋转的外圈和内圈，检测作用于该外圈和内圈之间的转矩，该转矩检测装置包括：弹性部件，该弹性部件直接或间接地将上述外圈和上述内圈连接，对应于上述外圈与上述内圈的旋转位移而变形；角度传感器，该角度传感器检测上述外圈和上述内圈的旋转角；转矩获得机构(转矩计算机构)10，该转矩获得机构根据该角度传感器检测到的旋转角而获得上述转矩。

按照本方案，如果在外圈和内圈之间施加转矩，则将外圈和内圈连接的弹性部件变形，在外圈和内圈之间产生旋转位移。通过角度传感器而检测该旋转位移的角度，转矩获得机构10根据该已检测的旋转角，获得转矩。由于像这样直接地检测外圈和内圈之间的旋转位移，故像过去那样，根据2个位移传感器的检测值来推算外圈和内圈的旋转位移量等的处理是不需要的，可简化处理电路。另外，由于测定外圈和内圈之间的微小的旋转位移，将其换算为转矩，故角度传感器安装后的机械的调整是不需要的。

上述角度传感器也可包括：磁性编码器，该磁性编码器为设置于上述外圈和上述内圈中的任何一者上的磁性编码器，其中，磁极于圆周方向而并列；磁性传感器，该磁性传感器为设置于外圈和上述内圈中的另一者上的磁性传感器，检测上述磁性编码器的磁场。

如果角度传感器包括磁性编码器和磁性传感器，由于通过数字值来检测旋转位移的角度信息，故没有模拟信号那样的输出偏差，可进行稳定的转矩输出。

在角度传感器包括磁性编码器和磁性传感器的场合，上述磁性编码器包括至少1排的磁性编码器磁道，在该磁性编码器磁道中，N极和S极交替地磁化。

上述角度传感器也可包括：倍增电路61，该倍增电路61根据伴随上述磁性编码器和上述磁性传感器的旋转位移，上述磁性传感器所输出的磁信号，形成以电学方式使上述磁性编码器磁道的N极和S极的1极对的角度倍增的高分辨率的脉冲信号；计数器62，该计数器62对通过该倍增电路61形成的脉冲信号进行计数，将经过计数的脉冲信号所表示的角度信息发送给上述转矩获得机构10。

按照该方案，由于可通过高分辨率而检测外圈和内圈的旋转角，则可正确地检测作用于外圈和内圈之间的转矩。

也可在角度传感器包括磁性编码器和磁性传感器的场合，代之以上述磁性编码器包括多排的磁性编码器磁道，分别在多排的磁性编码器磁道中，通过相互不同的磁化极对数，N极和S极交替地磁化，上述磁性传感器包括多个检测部，该多个检测部分别检测多排的磁性编码器磁道的磁场；

上述角度传感器包括：相位差检测部51，该相位差检测部51检测伴随上述磁性编码器和上述磁性传感器的旋转位移，上述磁性传感器的上述多个检测部分别所输出的磁信号的相位差；绝对角计算部52，该绝对角计算部52根据通过该相位差检测部51所检测的相位差，计算上述旋转位移的绝对角；发送部53，该发送部53将该绝对角计算部52所计算的绝对角的绝对角信息发送给上述转矩获得机构10。

按照该方案，磁化极对数不同的多排的磁性编码器磁道和磁性传感器的多个检测部相对旋转，由此在多个检测部的检测信号之间产生相位的差。通过相位差检测部51，检测该相位差，根据该相位差，通过绝对角计算部52，计算外圈和内圈的旋转位移的绝对角。已计算的绝对角信息通过发送部53发送给转矩计算机构10。由于将外圈和内圈的绝对角换算为转矩，则获得正确的转矩。

上述磁性编码器的可检测角度的范围也可为圆周的一部分。由于外圈和内圈通过弹性部件而连接，相互仅仅进行微小的旋转，故即使在上述磁性编码器的可检测角度的范围为圆周的一部分的情况下，仍没有问题。

也可这样形成，即，上述外圈和上述内圈分别为轴承的外圈和内圈，在上述轴承上一体地设置上述角度传感器，通过该轴承和角度传感器，构成带有角度传感器的轴承。由此，可采用已有的带有角度的轴承，构成转矩检测装置。

权利要求书和/或说明书和/或附图中公开的至少2个结构中的任意的组合均包含在本发明中。特别是，权利要求书中的各项权利要求的2个以上的任意的组合也包含在本发明中。

附图说明

根据参照附图的下面的优选的实施形式的说明，会更清楚地理解本发明。但是，实施形式和附图用于单纯的图示和说明，不应用于限制本发明的范围。本发明的范围由后附的权利要求书确定。在附图中，多个附图中的同一部件标号表示同一或相应部分。

图1为借助通过本发明的第1实施方式的转矩检测装置的机构部的轴心的平面而剖开的剖视图；

图2为沿图1中的II—II线的剖视图；

图3为表示图1的转矩检测装置的磁性编码器的磁化图案的图，其表示从图1中的III—III线剖面而观看到的状态；

图4表示图1的转矩检测装置的角度传感器的结构；

图5为表示图1的转矩检测装置的磁性编码器磁道的磁化图案和磁性传感器所输出的磁信号的关系的图；

图6为图1的转矩检测装置的转矩计算机构的方框图；

图7为借助通过本发明的第2实施方式的转矩检测装置的机构部的轴心的平面而剖开的剖视图；

图8为沿图7中的VIII—VIII线的剖视图；

图9为表示图7的转矩检测装置的磁性编码器的各磁性编码器磁道的磁化图案的图，其表示从图7的IX—IX剖面而观看到的状态；

图10为借助通过本发明的第3实施方式的转矩检测装置的机构部的轴心的平面而剖开的剖视图；

图11为图10的XI向视图；

图12为借助通过本发明的第4实施方式的转矩检测装置的机构部的轴心的平面而剖开的剖视图；

图13为图12的XIII—XIII线的剖视图；

图14为表示与图9的角度传感器不同的角度传感器的磁性编码器的磁化图案的图；

图15为表示图14的角度传感器的结构的方框图。

具体实施方式

根据附图，对本发明的实施方式进行说明。

图1为借助通过本发明的第1实施方式的转矩检测装置的机构部的轴心的平面而剖开的剖视图，图2为沿图1中的II—II线的剖视图。该转矩检测装置1由机构部1a和处理电路1b构成。该处理电路1b由角度计算机构50和转矩计算机构(转矩获得机构)10构成。该角度计算机构50和转矩计算机构10为在电路基板上安装微型计算机和电子电路的类型，或由个人计算机构成。处理电路1b既可设置于机构部1a上，也可设置于通过布线而连接的外部上。关于处理电路1b的细部，将在后面而进行描述。

机构部1a包括外圈2和内圈3。外圈2的内径面2a和内圈3的外径面3a在圆周方向自由滑动地接触，外圈2和内圈3可相互旋转。如图2所示那样，外圈2和内圈3通过多个弹性部件4而连接。在图示的例子中，4个弹性部件4以在圆周方向等间隔地设置。各弹性部件4的两端分别插入外圈2的安装槽2b和内圈3的安装槽3b中。外圈2的安装槽2b位于形成于外圈2的内径面2a上的缺口部2c的底部，内圈3的安装槽3b位于形成于内圈3的外径面3a上的缺口部3c的底部。由此，位于缺口部2c、3c中的弹性部件4的中间部不与外圈2和内圈3接触，不妨碍弹性部件4的变形。

另外，弹性部件4可为可弹性变形(具有挠性)的部件，比如，也可为板簧、橡胶等。此外，对应于预计在转矩检测装置中输入的转矩等而适当设定弹性部件4的周向厚度，以及外圈2的安装槽2b和内圈3的安装槽3b的周向的宽度。

如图1所示那样，外圈2包括在轴向的第1端部具有向内径侧延伸的凸缘(つば)状的肩部2d。在该肩部2d的侧面(肩部2d的轴向的一端面)上抵接有内圈3的其中一个端面3e。在外圈2的轴向的第2端部上安装盖5，通过该盖5的端面5a在轴向按压内圈3的台阶面3f，内圈3不会在轴向抽出。外圈2的肩部2d的侧面与内圈3的端面3e、以及盖5的端面5a和内圈3的台阶面3f，与外圈2的内径面2a和内圈3的内径面3a相同，可分别相互滑动。

也可在上述各滑动面上，涂敷滑动特性良好的滑动材料，比如氟树脂等。另外，还可代替在滑动面上涂敷滑动材料的方式，而在外圈2和内圈3中的相互旋转位移的面之间介设轴承(在图中没有示出)。

在图1、图2中，在外圈2的内径面2a的第1部分上，设置磁性传感器6。磁性传感器6安装于固定在外圈2的内径面2a上的基板7。磁性传感器6包括在轴向并列的2个检测部6a、6b(图1)。

在内圈3的外径面3a的第1部分中的与外圈2的内径面2a的第1部分相对应的部分上，形成凹部3d。在该凹部3d上，设置磁性编码器8，该磁性编码器8在径向与上述磁性传感器6面对，在圆周方向上延伸。磁性编码器8包括在轴向并列的第1磁性编码器磁道8a(图1)和第2磁性编码器磁道8b(图1)。磁性编码器8为圆弧状，仅仅设置于圆周的一部分的范围内。由于外圈2和内圈3通过弹性部件4而连接，仅仅相互稍微旋转，故即使在磁性传感器8的可检测角度的范围为圆周的一部分的情况下，仍没有问题。

通过磁性传感器6的检测部6a，检测第1磁性编码器磁道8a的磁场，通过磁性传感器6的检测部6b，检测第2磁性编码器磁道8b的磁场。如图4所示那样，通过磁性传感器6和磁性编码器8，构成角度检测部40a。另外，通过角度检测部40a，与处理电路1b的角度计算机构50，构成检测外圈2和内圈3的旋转角的角度传感器40。

在图1、图2中，在内圈3的外径面3a的第2部分上设置键9。在外圈2的内径面2a的第2部分的与内圈3的外径面3a的第2部分相对应的部分上，形成其圆周方向的宽度大于上述键9的键槽2e。由此，与外圈2相对应的内圈3的旋转范围限制在键槽2e的圆周方向的宽度和键9的圆周方向的宽度的差的范围内。

图3表示从图1中的III—III线剖面而观看到的磁性编码器8的各磁性编码器磁道8a、8b的磁化图案。分别在第1和第2磁性编码器磁道8a、8b中，N极和S极分别相互不同。两个磁性编码器磁道8a、8b的磁化极数相互不同。在图3的例子中，第1磁性编码器磁道8a的磁化极数大于第2磁性编码器磁道8b。比如，在假定磁性编码器8位于360度的范围内的场合，第1磁性编码器磁道8a的磁化极数为32极对，第2磁性编码器磁道8b的磁化极数为31极对。

图4为表示角度传感器40的角度计算机构50的结构的方框图。角度计算机构50包括相位差检测部51、绝对角计算部52和发送部53。在角度计算机构50的电路上，传送磁性传感器6的各检测部6a、6b所输出的磁信号(参照图5的(A)和(B))。比如，像前述那样，在每个圆周的磁化极数在第1磁性编码器磁道8a中为32极对，在第2磁性编码器磁道8b中为31极对的场合，如果磁性传感器6和磁性编码器8相对地旋转，则针对1圈，产生1个磁对的相位差(参照图5的(C))。通过相位差检测器51而检测该相位差，根据该相位差，绝对角计算部52计算旋转位移的绝对角。已获得的绝对角信息通过发送部53送给后述的转矩计算机构10。如果各检测部6a、6b所输出的磁信号通过倍增电路(在图中没有示出)，以电学方式倍增，则获得高分辨率的绝对角信息。

图6为转矩计算机构10的方框图。转矩计算机构10包括表格12、转矩计算部13和输出部14。在转矩计算机构10中，根据从角度传感器40传送的绝对角信息与记录于表格12中的信息，通过转矩计算部13，计算作用于外圈2和内圈3之间的转矩。另外，在表格12中记录外圈2和内圈3的旋转角和转矩的关系。通过转矩计算部13而计算的转矩值经由输出部14输出到外部。通过输出部14，以从PWM输出、串行通信等中选择的输出样式而将转矩值输出到外部。

比如，在于每个圆周的磁化极数于第1磁性编码器磁道8a中为32极对，在第2磁性编码器磁道8b中为31极对的场合，磁性传感器6的角度分辨率为16～18比特的程度。如果针对每圈，为18比特的分辨率，在外圈2和内圈3的角度差为1度，则获得728脉冲(2¹⁸/360)的变化量。由于输出信号为数字信号，故抑制环境变化的输出偏差。

该转矩检测装置1为上述结构，像下述那样动作。即，如果在外圈2和内圈3之间外加转矩，则将外圈2和内圈3连接的弹性部件4变形，在外圈2和内圈3之间产生旋转变形。通过角度传感器40而检测该旋转位移的角度，则根据该检测值，转矩计算机构10计算转矩。

即，转矩检测装置1将弹性部件4的挠曲量作为外圈2和内圈3的绝对角度变化而检测，将该角度换算为转矩。外圈2和内圈3的角度变化量与转矩的关系伴随弹性部件4的刚性而变化。角度变化量一般是微小的，但是，由于可通过高分辨率检测绝对角，故可进行高精度的、温度漂移小的转矩检测。

这样，由于通过角度传感器40直接地检测外圈2和内圈3之间的旋转位移，故根据旋转以外的位移求出转矩的场合这样的将旋转以外的位移换算为旋转位移的处理是不需要的，可简化处理电路1b。另外，由于测定外圈2和内圈3之间的微小的旋转位移，将其换算为转矩，故安装角度传感器40后的机械的调整是不需要的。另外，在本实施方式的场合，由于外圈2和内圈3的绝对角换算为转矩，故获得正确的转矩。

在本实施方式中，给出磁式的角度传感器40采用可检测1圈的绝对角的角度传感器的例子，但是，也可采用可以绝对角而检测90度或180度的旋转角范围的传感器。比如，轴倍角为2或4的旋转角传感器(2×、4×)相当于这些传感器。

图7为借助通过本发明的第2实施方式的转矩检测装置的机构部的轴心的平面而剖开的剖视图，图8为沿图7中的VIII—VIII线的剖视图。该转矩检测装置15为磁性编码器8在轴向而与磁性传感器6面对的轴向型。图9表示从沿图7中的IX—IX线的剖面而观看到的磁性编码器8的各磁性编码器磁道8a、8b的磁化图案。在图示的例子中，作为磁性编码器8，设置在圆周方向具有1周的类型，但是，也可与图1和图2所示的类型相同，为将磁性编码器8仅仅限定在圆周方向的必要的范围内的扇形。除此以外，形成与图1和图2的转矩检测装置1相同的结构，获得与图1和图2的转矩检测装置1相同的效果。

图10为借助通过本发明的第3实施方式的转矩检测装置的机构部的轴心的平面而剖开的剖视图，图11为图10的XI向视图。在该转矩检测装置16中组装有带有角度传感器的轴承17。另外，该带有角度传感器的轴承17用作角度检测部。

带有角度传感器的轴承17由轴承23和角度传感器40构成。轴承23由作为旋转圈的内圈18、作为固定圈的外圈19、多个滚动体20、保持器21以及密封件22构成。另外，角度传感器40由磁性编码器24、磁性传感器6以及角度计算机构50(图4)构成。

在内圈18的一端部的外径面上，安装作为旋转元件的磁性编码器24。磁性编码器24由芯铁25、具有2排的磁性编码器磁道26a、26b的多排磁性编码器26构成。分别在2排的磁性编码器磁道26a、26b中，N极和S极交替地磁化。

在外圈19的一端部的内径面上，嵌合金属环27的一端，在该金属环27上安装树脂制的环状的传感器外壳28。在传感器外壳28的内部，安装装设了磁性传感器6的印刷电路基板29。磁性传感器6与上述角度计算机构50(参照图4)连接，另外角度计算机构50与上述转矩计算机构10(参照图6)连接。该角度计算机构50和转矩计算机构10既可设置于传感器外壳28上，也可设置于带有角度传感器的轴承17的外部。

轴承23的外圈19在与外壳30的肩部30a抵接的状态，组装于内径孔30b中，将轴承罩31通过螺栓(在图中没有示出)而紧固于外壳30上，由此，将其与外壳30形成一体。另外，将轴32以压配合的方式固定于内圈18的内径孔18a中，内圈18和轴32形成一体。

轴32中的其中一个端部32a和外壳30经由多个弹性部件4而接合。弹性部件4的两端部通过压配合或粘接剂而固定于设置在外壳30的端部内径面上的轴向槽30c中。如果弹性部件4中的其中一个端部可对周向的晃动进行约束，则可沿轴向槽32b或30c而滑动。通过像这样经由弹性部件4将轴32和外壳30连接，则轴承23的内圈18和外圈19经由弹性部件4而间接地连接。

如果将转矩施加于轴32上，则弹性部件4变形，轴32发生微小的转动。角度传感器40检测该旋转，转矩计算机构10(参照图6)将该角度信息换算为转矩，由此检测转矩。如果没有施加负荷转矩，将弹性部件4没有挠曲的状态下的带有角度传感器的轴承17的输出设定为零度，则可省略转矩换算时的偏差补偿。

图12为借助通过本发明的第4实施方式的转矩检测装置的机构部的轴心的平面而剖开的剖视图，图13为图12的XIII—XIII线的剖视图。在该转矩检测装置33中，外壳30和轴32采用弹性部件单元36而连接。如图13所示那样，弹性部件单元36由外径圈34、内径圈35以及多个弹性部件4构成，该外径圈34固定于外壳30(图12)的端面上，该内径圈35固定于轴32(图12)的端部上，该多个弹性部件4将该外径圈34和内径圈35连接。外壳30和外径圈34的固定以及轴32和内径圈35的固定采用螺栓(在图中没有示出)等而进行。除此以外，形成与图10和图11的转矩检测装置16相同的结构。

上述各实施方式的转矩检测装置1、15、16、33将弹性部件4的挠曲量作为外圈2、19和内圈3、18的绝对角度变化而检测，将该角度换算为转矩，但是即使在没有绝对角检测功能的情况下，仍还可通过计数器(可逆计数器)对高分辨率的脉冲输出(90度相位差的A相、B相输出)进行计数，由此把握旋转角，计算转矩。

图14表示输出高分辨率的脉冲信号的磁性编码器与磁性传感器的例子。在磁性编码器8中，形成N极和S极交替地磁化的单排的磁性编码器磁道8a。磁性传感器6以电学方式使根据N极、S极而获得的磁信号倍增，输出高分辨率的脉冲信号。

如图15所示那样，由磁性编码器8和磁性传感器6构成的角度检测部40a与角度计算机构60一起构成角度传感器40。角度检测机构60将从磁性传感器6而发送的磁信号转换为角度信息。具体来说，首先，在倍增电路61中，以电学方式使磁性编码器磁道8a的N极和S极的1个极对的角度倍增，产生高分辨率的脉冲信号。如果比如N极、S极的1个极对的宽度为2.54mm，通过除以4096而对1个极对之间倍增，则获得每圈为0.625μm的高分辨率的位置信号。此外，通过计数器62对已产生的脉冲信号进行计数，获得角度信息。在此场合，也可在没有施加脉冲的状态，重新设定计数器62。采用与图6相同的转矩检测机构10，将在这里获得的角度信息换算为转矩。

如上面所述，在参照附图的同时，对优选的实施方式进行了说明，但是，在不脱离本发明的实质的范围内，可进行各种的追加、变更、删除。于是，这样的方式包含在本发明的范围内。

标号的说明：

标号1、15、16、33表示转矩检测装置；

标号2、19表示外圈；

标号3、18表示内圈；

标号4表示弹性部件；

标号10表示转矩获得机构(转角计算机构)；

标号40表示角度传感器。

Claims (6)

1.一种转矩检测装置，该转矩检测装置包括能相互旋转的外圈和内圈，检测作用于该外圈和内圈之间的转矩，该转矩检测装置包括：

弹性部件，该弹性部件直接或间接地将上述外圈和上述内圈连接，对应于上述外圈与上述内圈的旋转位移而变形；

角度传感器，该角度传感器检测上述外圈和上述内圈的旋转角；

转矩获得机构，该转矩获得机构根据该角度传感器检测到的旋转角而获得上述转矩。

2.根据权利要求1所述的转矩检测装置，其中，该角度传感器包括：

磁性编码器，该磁性编码器为设置于上述外圈和上述内圈中的任何一者上的磁性编码器，其中，磁极于圆周方向而并列；

磁性传感器，该磁性传感器为设置于上述外圈和上述内圈中的另一者上的磁性传感器，检测上述磁性编码器的磁场。

3.根据权利要求2所述的转矩检测装置，其中，上述磁性编码器包括至少1排的磁性编码器磁道，在该磁性编码器磁道中，N极和S极交替地磁化；

上述角度传感器包括：

倍增电路，该倍增电路根据伴随上述磁性编码器和上述磁性传感器的旋转位移，上述磁性传感器所输出的磁信号，形成以电学方式使上述磁性编码器磁道的N极和S极的1个极对的角度倍增的高分辨率的脉冲信号；

计数器，该计数器对通过倍增电路形成的脉冲信号进行计数，将经过计数的脉冲信号所表示的角度信息发送给上述转矩获得机构。

4.根据权利要求2所述的转矩检测装置，其中，上述磁性编码器包括多排的磁性编码器磁道，分别在多排的磁性编码器磁道中，通过相互不同的磁化极对数，N极和S极交替地磁化；

上述磁性传感器包括多个检测部，该多个检测部分别检测多排的磁性编码器磁道的磁场；

上述角度传感器包括：

相位差检测部，该相位差检测部检测伴随上述磁性编码器和上述磁性传感器的旋转位移，上述磁性传感器的上述多个检测部分别输出的磁信号的相位差；

绝对角计算部，该绝对角计算部根据通过该相位差检测部所检测的相位差，计算上述旋转位移的绝对角；

发送部，该发送部将该绝对角计算部所计算的绝对角的绝对角信息发送给上述转矩获得机构。

5.根据权利要求3或4所述的转矩检测装置，其中，上述磁性编码器的能检测角度的范围为圆周的一部分。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的转矩检测装置，其中，上述外圈和上述内圈分别为轴承的外圈和内圈，在上述轴承上一体地设置上述角度传感器，通过该轴承和角度传感器，构成带有角度传感器的轴承。