DE102013203426B4

DE102013203426B4 - Kraftübertragungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102013203426B4
Application number: DE102013203426.1A
Authority: DE
Inventors: Atsuo Orita
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2012-04-13
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2023-08-10
Anticipated expiration: 2033-03-01
Also published as: DE102013203426A1; JP6006965B2; US20130270053A1; US9091306B2; JP2013220496A

Abstract

Kraftübertragungsvorrichtung, die von einem Antriebselement (46) übertragene Antriebskraft auf ein Abtriebselement (6) überträgt, umfassend:ein Zwischenelement (4), das ein erstes Element (41) mit variabler Steifigkeit und ein zweites Element (42) mit variabler Viskosität aufweist und konfiguriert ist, um die Antriebskraft von dem Antriebselement (46) aufzunehmen und die Antriebskraft auf das Abtriebselement (6) zu übertragen;eine erste Modifikationseinheit, die konfiguriert ist, um die Steifigkeit des ersten Elements (41) zu modifizieren; undeine zweite Modifikationseinheit, die konfiguriert ist, um die Viskosität des zweiten Elements (42) zu modifizieren,worin die Kraftübertragungsvorrichtung konfiguriert ist, um zwischen einem Übertragungszustand, in dem die Antriebskraft von dem Antriebselement (46) übertragen wird, und einem Nichtübertragungszustand, worin die Übertragung unterbrochen ist, durch Modifizieren der Steifigkeit des ersten Elements oderder Viskosität des zweiten Elements schalten zu können,dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftübertragungsvorrichtung ferner umfasst:eine Antriebsquelle (A2), die Antriebskraft auf das Antriebselement (46) überträgt; undeine Steuereinheit (A4), die die Antriebsquelle (A2) steuert/regelt und konfiguriert ist, um die Steuerung/Regelung zum Modifizieren der Steifigkeit des ersten Elements (41) und der Viskosität des zweiten Elements (42) durchzuführen, wobei die Steuereinheit enthält:eine erste Bestimmungseinheit (A41, ST2), die zur Bestimmung konfiguriert ist, ob die Antriebsquelle (A2) normal steuerbar/regelbar ist; undeine zweite Bestimmungseinheit (A42, ST7), die zur Bestimmung konfiguriert ist, ob der Übertragungszustand gesetzt ist, worin:die Steuereinheit (A4) eine Steuerung/Regelung zum Erzielen des Nichtübertragungszustands in einem Fall durchführt, wo das Bestimmungsergebnis der ersten Bestimmungseinheit (A41, ST2) negativ ist (ST3),die Steuereinheit (A4) die Antriebsquelle (A2) derart steuert/regelt, dass eine Differenz zwischen der Verlagerung des Abtriebselements (6) und einer Verlagerung des Antriebselements (46) gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Wert wird, in einem Fall, wo das Bestimmungsergebnis der ersten Bestimmungseinheit (A41, ST2) positiv ist, und das Bestimmungsergebnis der zweiten Bestimmungseinheit (A42, ST7) negativ ist (ST8), unddie Steuereinheit (A4) die auf das Abtriebselement (6) übertragene Antriebskraft in dem Fall steuert/regelt, wo das Bestimmungsergebnis der ersten Bestimmungseinheit (A41, ST2) positiv ist (ST3) und das Bestimmungsergebnis der zweiten Bestimmungseinheit (A42, ST7) positiv ist (ST9).

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftübertragungsvorrichtung, die die von einem Antriebselement übertragenen Antriebskraft auf ein Abtriebselement überträgt.
In den letzten Jahren ist es, falls etwa ein Roboter mit einem Hindernis in Kontakt kommt, gewünscht worden, dass ein Gelenk, das als Kraftübertragungselement zwischen Gliedern eines Roboters angeordnet ist, flexibel ist, um zu verhindern, dass der Roboter beschädigt wird, auch wenn auf den Roboter ein Stoß einwirkt.
Im Hinblick auf diese Umstände ist ein Aktuator mit einem elastischen Element bekannt, das zwischen einem Antriebselement und einem Abtriebselement eines Roboters angeordnet ist ( US 5 650 704 A ). Dieser Aktuator verhindert, durch die Elastizität des elastischen Elements, dass ein Stoß direkt auf das Antriebselement oder das Abtriebselement übertragen wird, auch wenn in dem Antriebselement oder dem Abtriebselement ein Stoß auftritt. Wenn ein Gelenk Flexibilität hat, schwingt ein geregeltes Objekt (z.B. Bewegung eines Gelenks oder dergleichen) leichter, indem eine Regelantwort verbessert wird. Daher wird das Schwingen des geregelten Objekts durch rückkoppelnde Regelung basierend auf Information unterdrückt, die von verschiedenen Sensoren oder dergleichen erfasst wird.
Falls verschiedene Sensoren oder dergleichen in einem abnormalen Zustand gelangen, könnte jedoch ein Fall auftreten, wo eine geeignete rückkoppelnde Regelung nicht durchgeführt werden könnte, und in Folge davon die Schwingung nicht geeignet unterdrückt werden könnte. Dementsprechend ist es denkbar, die Schwingung zu unterdrücken, indem man dem Gelenk Viskosität gibt, falls es unmöglich ist, die Schwingung durch rückkoppelnde Regelung zu unterdrücken.
Unterdessen ist es in einem Fall, wo ein präzisesr Betrieb erforderlich ist, bevorzugt, dass in einigen Fällen das Gelenk steif ist. Insbesondere wenn die Steifigkeit eines Gelenks veränderbar ist, kann eine geeignete Steuerung in verschiedenen Situationen durchgeführt werden. Um diesem Erfordernis nachzukommen, ist die Verwendung eines Elements denkbar, dessen Steifigkeit variabel ist, wie etwa eine nicht lineare Feder als elastisches Element.
Allgemein ist jedoch die folgende Beziehung in einem Federdämpfersystem bekannt: [MATH 1] $\begin{array}{l} h \cdot ω = \frac{c}{2 m} \\ h \cdot \sqrt{\frac{k}{m}} = \frac{c}{2 m} \end{array}$
wobei h eine Dämpfkonstante ist, w eine Winkelfrequenz ist, kein Elastizitätskoeffizient ist, m die Masse einer Last ist und C ein Viskositätskoeffizient ist.
Wenn man gemäß dem Ausdruck (1) annimmt, dass die Masse m einer Last und der Viskositätskoeffizient C konstant sind, verändert sich die Dämpfkonstante h, wenn der Elastizitätskoeffizient (Steifigkeit) k, der die Elastizität des elastischen Elements repräsentiert, verändert wird. Die Dämpfkonstante h repräsentiert eine Dämpfrate der Schwingung in einem Prozess, worin eine Vibrationslast konvergiert.
Der Steuerprozess wird für jede vorbestimmte Periode durchgeführt. Daher lässt sich der Steuerprozess leicht durchführen, wenn die Schwingung einer Last in einer Regelperiode zur gegenwärtigen Zeit aus der Schwingung der Last in der vorherigen Regelperiode vorhergesagt werden kann. In anderen Worten, der Regelprozess lässt sich leicht ausführen, wenn die Dämpfrate (und in Folge dessen die Dämpfkonstante h) konstant ist, als wenn sie variabel ist. Wenn dementsprechend die Dämpfkonstante h im Ausdruck (1) konstant ist und die Masse m der Last konstant ist, ist es notwendig, den Viskositätskoeffizient C gemäß einer Änderung der Steifigkeit k zu verändern.
In dem Fall, wo ein Gelenk sowohl Viskosität als auch Elastizität hat, wie oben beschrieben, ist es wünschenswert, den Viskositätskoeffizient C sowie auch die Steifigkeit k zu verändern. Darüber hinaus besteht kein Problem, auch wenn der Wert der Dämpfkonstante h fluktuiert, solange er in dem Bereich ist, wo die Regelung leicht durchgeführt werden kann.
Aus der DE 40 08 538 A1 ist es bekannt, eine Kardanwelle über ein Kugellager in einer Trägerhülse drehend zu lagern, wobei der sich nicht mit der Kardanwelle mitdrehende Außenring des Kugellagers auf der Innenseite der Hülse über eine gummielastische Lagerung abgestützt ist, welche eine Mehrzahl ringförmig angeordneten hohlen Gummielementen enthält, und die Hohlräume mit einem elektrisch rheologischen Fluid gefüllt sind, dessen Viskosität durch Anlegen eines elektrischen Potentials veränderbar ist.
Aus der JP 2005-155 871 A ist ein Hochpolymer-Aktuator für eine Kupplungseinheit bekannt mit einem elastischen Gehäuse, in dem ein auf ein elektrisches Feld ansprechendes Hochpolymer mit Volumenphasenübergang und ein Elektrolyt vorhanden sind. Das elastische Gehäuse ist zwischen einem Zylinder, welcher eine Volumenvergrößerung nur in axialer Richtung zulässt, und einem Kolben eingeschlossen. Zur Betätigung der Kupplungseinheit wird ein elektrisches Feld im Inneren des elastischen Behälters derart verändert, dass das Volumen des Hochpolymers mit Volumenphasenübergang vergrößert wird und der Kolben betätigt wird.
Eine Kraftübertragungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der US 7 797 933 B2 oder der US 6 923 299 B2 bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kraftübertragungsvorrichtung anzugeben, welche das Schwingen eines geregelten Objekts auch in dem Fall wirkungsvoll unterdrücken kann, wo ein Kraftübertragungselement wie etwa das vorgenannte Gelenk eine variable Steifigkeit hat und auch eine Viskosität hat.
Diese Aufgabe wird durch eine Kraftübertragungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst (erster Aspekt der Erfindung).
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird die Antriebskraft des Antriebselements auf das Abtriebselement über das erste Element und das zweite Element übertragen. Insbesondere ist das zweite Element, das Viskosität hat, als Kraftübertragungselement auf einem Kraftübertragungsweg zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement vorgesehen, so dass während der Regelung des Abtriebselements die Schwingung des Abtriebselements mechanisch konvergiert werden kann. Darüber hinaus lässt sich die Steifigkeit des ersten Elements durch die erste Modifikationseinheit modifizieren, und daher lässt sich das Abtriebselement situationsgemäß flexibel steuern/regeln.
Darüber hinaus lässt sich die Viskosität des zweiten Elements durch die zweite Modifikationseinheit modifizieren, und daher ist z.B. in dem Fall, wo die erste Modifikationseinheit die Steifigkeit modifiziert, die zweite Modifikationseinheit in der Lage, die Viskosität des zweiten Elements gemäß der modifizierten Steifigkeit zu modifieren. Auch falls die Steifigkeit des ersten Elements situationsgemäß modifiziert wird, ermöglicht das Modifizieren der Viskosität des zweiten Elements, dass z.B. eine merkliche Änderung in der Dämpfrate der Schingung des Abtriebselements verhindert wird.
Dementsprechend lässt sich bei der Ausführung des Regelprozesses die Schwingung einer Last in der gegenwärtigen Regelperiode aus der Schwingung der Last in der vorherigen Regelperiode leicht vorhersagen, was den Regelprozess erleichtert. Auf diese Weise kann das Schwingen des geregelten Objekts mittels des Kraftübertragungselements effizient unterdrückt werden, dessen Steifigkeit und Viskosität modifizierbar sind, durch geeignetes Modifizieren der Steifigkeit und Viskosität.
Ferner ist die Kraftübertragungsvorrichtung konfiguriert, um um zwischen einem Übertragungszustand, in dem die Antriebskraft von dem Antriebselement übertragen wird, und einem Nichtübertragungszustand, worin die Übertragung unterbrochen ist, durch Modifizieren der Steifigkeit des ersten Elements oder der Viskosität des zweiten Elements schalten zu können. (erster Aspekt der Erfindung). Somit bewirkt die Modifikation der Steifigkeit oder Viskosität ein Umschalten zum Nichtübertragungszustand, worin die Antriebskraft nicht auf das Abtriebselement übertragen wird, wodurch verhindert wird, dass das Abtriebselement mechanisch angetrieben wird. Darüber hinaus hat das zweite Element Viskosität, und daher genügt nur ein Umschalten zum Nichtübertragungszustand, dass die Schwingung des Abtriebselements mechanisch unterdrückt wird, ohne irgendeine andere Regelung zum Unterdrücken der Schwingung.
Darüber hinaus umfasst die Kraftübertragungsvorrichtung ferner: eine Antriebsquelle, die Antriebskraft auf das Antriebselement überträgt; und eine Steuereinheit, die die Antriebsquelle steuert/regelt und konfiguriert ist, um die Steuerung/Regelung zum Modifizieren der Steifigkeit des ersten Elements und der Viskosität des zweiten Elements durchzuführen, wobei die Steuereinheit enthält: eine erste Bestimmungseinheit, die zur Bestimmung konfiguriert ist, ob die Antriebsquelle normal steuerbar/regelbar ist; und eine zweite Bestimmungseinheit, die zur Bestimmung konfiguriert ist, ob der Übertragungszustand gesetzt ist, worin: die Steuereinheit eine Steuerung/Regelung zum Erzielen des Nichtübertragungszustands in einem Fall durchführt, wo das Bestimmungsergebnis der ersten Bestimmungseinheit negativ ist, die Steuereinheit die Antriebsquelle derart steuert/regelt, dass eine Differenz zwischen der Verlagerung des Abtriebselements und einer Verlagerung des Antriebselements gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Wert wird, in einem Fall, wo das Bestimmungsergebnis der ersten Bestimmungseinheit positiv ist, und das Bestimmungsergebnis der zweiten Bestimmungseinheit negativ ist, und die Steuereinheit die auf das Abtriebselement übertragene Antriebskraft in dem Fall steuert/regelt, wo das Bestimmungsergebnis der ersten Bestimmungseinheit positiv ist und das Bestimmungsergebnis der zweiten Bestimmungseinheit positiv ist. (erster Aspekt der Erfindung).
Hierdurch wird der Nichtübertragungszustand in dem Fall gesetzt, wo die erste Überstimmungseinheit bestimmt, dass die Antriebsquelle nicht normal angesteuert werden kann. Dies führt zu einem Zustand, wo die Antriebskraft nicht auf das Abtriebselement übertragen wird. Wenn dieser Zustand auftritt, hat das zweite Element Viskosität, und daher kann das Schwingen des Abtriebselements auch in dem Fall unterdrückt und konvergiert werden, wo die Antriebsquelle nicht angesteuert wird.
Allgemein muss beim Übergang vom Nichtübertragungszustand zum Übertragungszustand, der Übertragungszustand innerhalb des Bereichs einer zuvor definierten Differenz der relativen Verlagerung zwischen dem Abtriebselement und dem Antriebselement gesetzt werden. Daher muss der Übertragungszustand gesetzt werden, nachdem die Differenz zwischen der Verlagerung des Abtriebselements und der Verlagerung des Antriebselements in die Nähe der definierten Differenz gebracht worden sind. Wenn daher die Differenz der relativen Verlagerung zwischen dem Abtriebselement und dem Antriebselement größer als die definierte Differenz sind, wenn die Steuereinheit oder dergleichen den Übertragungszustand bestimmt, ist es erforderlich, die Differenz der relativen Verlagerung auf einen Wert zu bringen, der gleich oder kleiner als die definierte Differenz ist, bevor der Übertragungszustand gesetzt wird.
Jedoch wird in der vorliegenden Erfindung in dem Fall, wo die Steuereinheit in der Lage ist, die Antriebsquelle normal anzusteuern und der Nichtübertragungszustand gesetzt ist, dass Antriebselement derart gesteuert/geregelt, dass die Differenz zwischen der Verlagerung des Abtriebselements und der Verlagerung des Antriebselements gleich oder kleiner als der vorbestimmte Wert ist. Daher lässt sich der Übertragungszustand setzen, unmittelbar nachdem die Steuereinheit oder dergleichen das Setzen des Übertragungszustands gesetzt hat. Demzufolge lässt sich die Zeit für den Regelungsprozess verringern.
Falls ferner die erste Bestimmungseinheit bestimmt, dass die Antriebsquelle normal geregelt werden kann, und die zweite Bestimmungseinheit bestimmt, dass der Übertragungszustand gesetzt ist, wird die auf das Abtriebselement übertragene Antriebskraft geregelt. Dies ermöglicht die Regelung des Betriebs des Abtriebselements.
Bevorzugt enthalten das erste Element und das zweite Element jeweils einen Polymeraktuator, wobei die erste Modifikationseinheit und die zweite Modifikationseinheit jeweils als Spannungsanlegeeinheit konfiguriert sind, die an den leitfähigen Polymeraktuator eine Spannung anlegen. (zweiter Aspekt der Erfindung). Die Steifigkeit und Viskosität des leitfähigen Polymeraktuators lassen sich modifizieren, indem eine Spannung an den leitfähigen Polymeraktuator angelegt wird. Daher vereinfacht der Gebrauch des leitfähigen Polymeraktuators die Struktur der Kraftübertragungsvorrichtung im Vergleich zu dem Fall, wo „ein System, das die Steifigkeit modifiziert“, und „ein System, das die Viskosität modifiziert“ separat bereitgestellt werden.
Bevorzugt enthalten das erste Element und das zweite Element jeweils einen rohrförmig ausgebildeten leitfähigen Polymeraktuator, wobei die erste Modifikationseinheit und die zweite Modifikationseinheit jeweils als Spannungsanlegeeinheit konfiguriert sind, die an den leitfähigen Polymeraktuator eine Spannung anlegt; das Abtriebselement zumindest teilweise in einem hohlen Abschnitt des leitfähigen Polymeraktuators angeordnet ist; und der leitfähige Polymeraktuator derart konfiguriert ist, dass ein Innenraum des hohlen Abschnitts kleiner wird, wenn von der Spannungsanlegeeinheit eine Spannung angelegt wird, und dass eine Innenwandoberfläche des hohlen Abschnitts mit dem Abtriebselement in Kontakt kommt, in einem Fall, wo die angelegte Spannung gleich oder größer als eine vorbestimmte Spannung ist. (dritter Aspekt der Erfindung).
Hierdurch verändern sich die Steifigkeit und Viskosität des leitfähigen Polymeraktuators durch Anlegen einer Spannung an den leitfähigen Polymeraktuator. Daher vereinfacht die Verwendung des leitfähigen Polymeraktuators die Struktur der Kraftübertragungsvorrichtung im Vergleich zu dem Fall, wo „ein System, das die Steifigkeit modifiziert“, und „ein System, das die Viskosität modifiziert“ separat bereitgestellt werden.
Ferner ist der leitfähige Polymeraktuator derart konfiguriert, dass, in Antwort auf das Anlegen der Spannung, der Innenraum des rohrförmigen hohlen Abschnitts abnimmt (z.B. in der radialen Richtung oder dergleichen abnimmt). In dem Fall, wo die an den leitfähigen Polymeraktuator angelegte Spannung gleich oder größer als die vorbestimmte Spannung ist, kommt die Innenwandfläche des hohlen Abschnitts mit dem Abtriebselement in Kontakt. Hierdurch wird die auf den leitfähigen Polymeraktuator übertragene Antriebskraft auf das Abtriebselement übertragen (der Übertragungszustand, in dem die Antriebskraft von dem Antriebselement auf das Abtriebselement übertragen wird).
In anderen Worten, es lässt sich zwischen dem Übertragungszustand und dem Nichtübertragungszustand umschalten, durch Auswahl, ob die an den leitfähigen Polymeraktuator angelegte Spannung auf einen Wert gleich oder größer als die vorbestimmte Spannung gesetzt wird oder nicht. Falls die Innenwand des hohlen Abschnitts des leitfähigen Polymeraktuators angenommener Weise eine eingangsseitige Kupplungsplatte ist, und der Bereich des Abtriebselements, der mit der Innenwand in Kontakt kommt, angenommener Weise eine ausgangsseitige Kupplungsplatte ist, lässt sich annehmen, dass man durch Verwendung des leitfähigen Polymeraktuators und des Abtriebselements ein Kupplungssystem bekommt.
Wie oben beschrieben, ist die Steuereinheit in der Lage, die Steifigkeit und Viskosität zu modifizieren und den Übertragungszustand und Nichtübertragungszustand allein dadurch anzusteuern, dass die an den leitfähigen Polymeraktuator angelegte Spannung gesteuert/geregelt wird.
Bevorzugt enthalten das erste Element und das zweite Element jeweils einen rohrförmig ausgebildeten leitfähigen Polymeraktuator, wobei die erste Modifikationseinheit und die zweite Modifikationseinheit jeweils als Spannungsanlegeeinheit konfiguriert sind, die an den leitfähigen Polymeraktuator eine Spannung anlegt; das Abtriebselement zumindest teilweise in einem hohlen Abschnitt des leitfähigen Polymeraktuators angeordnet ist; und der leitfähige Polymeraktuator derart konfiguriert ist, dass ein Innenraum des hohlen Abschnitts kleiner wird, wenn von der Spannungsanlegeeinheit eine Spannung angelegt wird, und dass eine Innenwandoberfläche des hohlen Abschnitts mit dem Abtriebselement in Kontakt kommt, in einem Fall, wo die angelegte Spannung gleich oder größer als eine vorbestimmte Spannung ist. (vierter Aspekt der Erfindung).
Hierdurch verändern sich, ähnlich dem dritten Aspekt der Erfindung, die Steifigkeit und Viskosität des leitfähigen Polymeraktuators in Antwort auf die angelegte Spannung, um hierdurch eine einfache Struktur der Kraftübertragungsvorrichtung zu bekommen.
Ferner ist der leitfähige Polymeraktuator so konfiguriert, dass er sich in Antwort auf das Anlegen der Spannung in der Längsrichtung seiner Rohr- oder Säulenform kontrahiert. Falls die an den leitfähigen Polymeraktuator angelegte Spannung gleich oder größer als die vorbestimmte Spannung ist, kommt der konvexe Abschnitt mit dem Abtriebselement in Kontakt, um sich in der Längsrichtung zu bewegen. Hierdurch wird die auf den leitfähigen Polymeraktuator übertragene Antriebskraft auf das Abtriebselement übertragen (Übertragungszustand, in dem die Antriebskraft von dem Antriebselement auf das Abtriebselement übertragen wird).
In anderen Worten, es lässt sich zwischen dem Übertragungszustand und dem Nichtübertragungszustand schalten, durch Auswahl, ob die an den leitfähigen Polymeraktuator angelegte Spannung auf einen Wert gleich oder größer als die vorbestimmte Spannung gesetzt ist oder nicht. Falls der konvexe Abschnitt des leitfähigen Polymeraktuators angenommener Weise eine eingangsseitige Kupplungsplatte ist und der Bereich des Abtriebselements, der mit dem konvexen Abschnitt in Kontakt kommt, angenommener Weise eine ausgangsseitige Kupplungsplatte ist, lässt sich annehmen, dass man unter Verwendung des konvexen Abschnitts und des Abtriebselements ein Kupplungssystem bekommt.
Wie oben beschrieben, ist die Steuereinheit in der Lage, die Steifigkeit und Viskosität zu modifizieren und den Übertragungszustand und den Nichtübertragungszustand allein dadurch anzusteuern, dass die an den leitfähigen Polymeraktuator angelegte Spannung gesteuert/geregelt wird.
Bevorzugt enthalten das erste Element und das zweite Element jeweils einen rohr- oder säulenförmig ausgebildeten leitfähigen Polymeraktuator, wobei die erste Modifikationseinheit und die zweite Modifikationseinheit jeweils als Spannungsanlegeeinheit konfiguriert sind, die an den leitfähigen Polymeraktuator eine Spannung anlegt; das Abtriebselement mit einem Ende des leitfähigen Polymeraktuators verbunden ist; und der leitfähige Polymeraktuator konfiguriert ist, um sich in der Längsrichtung des leitfähigen Polymeraktuators zu kontrahieren, wenn von der Spannungsanlegeeinheit eine Spannung angelegt wird, und derart, dass das Abtriebselement mit dem Antriebselement in Kontakt kommt, in einem Fall, wo die angelegte Spannung gleich oder größer als eine vorbestimmte Spannung ist. (fünfter Aspekt der Erfindung).
Hierdurch verändern sich, ähnlich dem dritten und vierten Aspekt der Erfindung, die Steifigkeit und Viskosität des leitfähigen Polymeraktuators in Antwort auf das Anlegen der Spannung, um hierdurch eine einfache Struktur der Kraftübertragungsvorrichtung zu bekommen.
Ferner ist der leitfähige Polymeraktuator so konfiguriert, dass er sich in Antwort auf das Anlegen der Spannung in der Längsrichtung der Rohr- oder Säulenform kontrahiert. Falls die an dem leitfähigen Polymeraktuator angelegte Spannung gleich oder größer als die vorbestimmte Spannung ist, kommt das Abtriebselement mit dem Antriebselement in Kontakt, indem der rohr- oder säulenförmig ausgebildete leitfähige Polymeraktuator in Längsrichtung bewegt wird. Hierdurch wird die auf den leitfähigen Polymeraktuator übertragene Antriebskraft auf das Abtriebselement übertragen (es wird der Übertragungszustand gesetzt, in dem die Antriebskraft von dem Antriebselement auf das Abtriebselement übertragen wird).
In anderen Worten, es lässt sich zwischen dem Übertragungszustand und dem Nichtübertragungszustand schalten, durch Auswahl, ob die an dem leitfähigen Polymeraktuator angelegte Spannung auf einen Wert gleich oder größer als die vorbestimmte Spannung gesetzt ist oder nicht. Falls der Bereich des Abtriebselements, der mit dem Antriebselement in Kontakt kommt, angenommener Weise eine ausgangsseitige Kupplungsplatte ist, und der Bereich des Antriebselements, der mit dem Abtriebselement in Kontakt kommt, angenommener Weise eine eingangsseitige Kupplungsplatte ist, lässt sich annehmen, dass man unter Verwendung des Bereichs des Antriebselements und des Bereichs des Abtriebselements in Kontakt miteinander ein Kupplungssystem bekommt.
Wie oben beschrieben, ist die Steuereinheit in der Lage, die Steifigkeit und Viskosität zu modifizieren und den Übertragungszustand und den Nichtübertragungszustand allein dadurch zu steuern, dass die an den leitfähigen Polymeraktuator angelegte Spannung gesteuert/geregelt wird.
Bevorzugt enthält die erste Modifikationseinheit einen ersten Aktuator, wobei das erste Element als Einheit mit variabler Steifigkeit konfiguriert ist, deren Steifigkeit sich in Richtung senkrecht zur Antriebsrichtung verändert, indem sie in Antwort auf den Antrieb des ersten Aktuators zumindest teilweise unter Druck gesetzt wird; die zweite Modifikationseinheit einen zweiten Aktuator enthält; und das zweite Element als Einheit mit variablem Viskositätskoeffizienten konfiguriert ist, deren Viskosität sich in Richtung senkrecht zur Antriebsrichtung verändert, indem sie durch Antrieb des zweiten Aktuators zumindest teilweise unter Druck gesetzt wird. (sechster Aspekt der Erfindung). Somit ist der erste Aktuator in der Lage, die Steifigkeit des ersten Elements zu verändern, und der zweite Aktuator ist in der Lage, die Viskosität des zweiten Elements zu verändern, um hierdurch das Schwingen des geregelten Objekts wirkungsvoll unterdrücken zu können.
Bevorzugt sind der erste Aktuator und der zweite Aktuator jeweils piezoelektrische Elemente, wobei die jeweils rohr- oder säulenförmig ausgebildet sind; das erste Element eine nichtlineare Feder ist; das zweite Element ein drittes Element enthält, in dem ein konvexer Abschnitt vorgesehen ist, sowie ein viertes Element, in dem ein konkaver Abschnitt entlang der Form des konvexen Abschnitts vorgesehen ist und mit viskoser Flüssigkeit gefüllt ist; Antriebskraft von dem Antriebselement auf eines des dritten Elements und des vierten Elements übertragen wird; Antriebskraft vom anderen des dritten Elements und des vierten Elements auf das Abtriebselement übertragen; und das zweite Element so konfiguriert ist, dass der Betrieb des piezoelektrischen Elements eine Fläche vergrößert, in der der konvexe Abschnitt mit der viskosen Flüssigkeit in Kontakt kommt, (siebter Aspekt der Erfindung). Somit wird die nichtlineare Feder durch Antrieb des piezoelektrischen Elements bewegt, um hierdurch die Steifigkeit der nichtlinearen Feder modifizieren zu können. Darüber hinaus wird das dritte Element durch Antrieb des piezoelektrischen Elements bewegt, um hierdurch den konvexen Abschnitt in die Nähe zum Boden des konkaven Abschnitts zu bringen, um hierdurch die Kontaktfläche zwischen dem konvexen Abschnitt und der viskosen Flüssigkeit zu vergrößern. Dies ermöglicht eine Erhöhung des Viskositätskoeffizienten des konvexen Abschnitts und der viskosen Flüssigkeit. Die Steifigkeit und die Viskosität lassen sich auf diese Weise durch Antrieb der piezoelektrischen Elemente modifizieren, um hierdurch das Schwingen des geregelten Objekts wirkungsvoll unterdrücken zu können.
Bevorzugt modifiziert die zweite Modifikationseinheit die Viskosität gemäß der durch die erste Modifikationseinheit modifizierten Steifigkeit, so dass die Schwingungsdämpfung des Abtriebselements eine vorbestimmte Dämpfung ist. (achter Aspekt der Erfindung). Hierdurch wird die Viskosität des zweiten Elements gemäß der durch die erste Modifikationseinheit modifizierten Steifigkeit des ersten Elements modifiziert, so dass die Schwingungsdämpfung des Abtriebselements eine vorbestimmte Dämpfung ist. Dies ermöglicht die Vorhersage der Dämpfung des Abtriebselements vorab in jeder Regelperiode, wodurch der Regelprozess erleichtert wird und das Schwingen noch effizienter unterdrückt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweise auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

1 zeigt schematisch eine Kraftübertragungsvorrichtung des Ausführungsbeispiels;
2A zeigt schematisch die Spannungscharakteristik einer Einheit mit variabler Steifigkeit der Kraftübertragungsvorrichtung des Auführungsbeispiels, und 2B zeigt schematisch die Spannungscharakteristik einer Einheit mit variablem Viskositätskoeffizienten;
3 zeigt schematisch den Prozess, der von einem Controller der Kraftübertragungsvorrichtung des Ausführungsbeispiels durchgeführt wird;
4A, 4B und 4C zeigen schematisch die Kraftübertragungsvorrichtung einer ersten Ausführung;
5A und 5B zeigen schematisch die Details eines Zwischenelements der Kraftübertragungsvorrichtung der ersten Ausführung;
6A, 6B und 6C zeigen schematisch eine Kraftübertragungsvorrichtung einer zweiten Ausführung;
7A und 7B zeigen schematisch die Details eines Zwischenelements der Kraftübertragungsvorrichtung der zweiten Ausführung;
8A, 8B und 8C zeigen schematisch eine Kraftübertragungsvorrichtung einer dritten Ausführung;
9A und 9B zeigen schematisch eine Kraftübertragungsvorrichtung einer vierten Ausführung; und
10A, 10B und 10C zeigen schematisch ein Verfahren zum Verändern eines Viskositätskoeffizienten der Kraftübertragungsvorrichtung der vierten Ausführung.

1 ist ein Konzeptdiagramm einer Kraftübertragungsvorrichtung 1 des Ausführungsbeispiels. Wie in 1 dargestellt, enthält die Kraftübertragungsvorrichtung 1 hauptsächlich einen Motor A2, ein Eingangszahnrad G2, ein Zwischenelement 4, eine abtriebsseitige Kupplungsplatte 6, einen Controller A4 und eine Ausgangseinheit B.
Der Motor A2 ist ein Elektromotor, der ein Drehmoment erzeugt, welches eine mit dem Motor A2 verbundene Motorausgangswelle A2a um die Achse der Motorausgangswelle A2a herum dreht, indem an einer nicht dargestellten Stromversorgung elektrischer Strom zugeführt wird. Darüber hinaus ist der Motor A2 mit einem Motorcodierer A3 verbunden, der einen Drehwinkel des Motors A2 detektiert. Ein Antriebszahnrad G1 ist an der Motorausgangswelle A2a befestigt. Das Antriebszahnrad G1 dreht sich zusammen mit der Motorausgangswelle A2a.
Das Eingangszahnrad G2 steht mit dem Antriebszahnrad G1 in Eingriff, und das Eingangszahnrad G2 dreht sich durch die Drehung des Antriebszahnrads G1. Hierbei dreht sich das Eingangszahnrad G2, während die Drehzahl des Motors A2 untersetzt wird. In anderen Worten, das Antriebszahnrad G1 und das Eingangszahnrad G2 fungieren als Drehzahluntersetzer.
Darüber hinaus ist in dem Eingangszahnrad G2 ein eingangsseitiger Drehmomentsensor (z.B. ein Dehnungsmesser oder dergleichen) angeordnet, der ein Ausgangsdrehmoment von dem Eingangszahnrad G2 detektiert.
Das Zwischenelement 4 enthält eine Einheit mit variabler Steifigkeit 41, eine Einheit mit variablem Viskositätskoeffizienten 42, eine Charakteristik-Modifikationseinheit 43, eine Gewindestange 44, eine Mutter 45 und eine antriebsseitige Kupplungsplatte 46. In diesem Zustand ist die Einheit mit variabler Steifigkeit 41 eine nichtlineare Feder, deren Steifigkeit sich entsprechend der Verlagerung verändert. Insbesondere ist die Einheit mit variablem Viskositätskoeffizienten 42 ein nichtlinearer Dämpfer, dessen Viskositätskoeffizient sich entsprechend der Verlagerung verändert.
Ferner ist die Charakteristik-Modifikationseinheit 43 eine Antriebsquelle, die die Gewindestange 44 gemäß einer angelegten Spannung dreht (nachfolgend als „Charakteristik-Modifikationsspannung“ bezeichnet). Die Charakteristik-Modifikationseinheit 43 wird mit elektrischem Strom von einer Stromversorgung (nicht gezeigt) versorgt, zum Betrieb der Charakteristik-Modifikationseinheit 43. Die Mutter 45 bewegt sich in der horizontalen Richtung von 1 entlang der axialen Richtung der Gewindestange 44 durch Drehung der Gewindestange 44, welche durch Antrieb der Charakteristik-Modifikationseinheit 43 bewirkt wird.
Hierbei bewegt die Charakteristik-Modifikationseinheit 43 die Mutter 45 in Richtung nach rechts, wenn die Charakteristik-Modifikationsspannung ansteigt, bewegt die Mutter 45 in Richtung nach links, wenn die Charakteristik-Modifikationsspannung abnimmt, und stoppt die Bewegung der Mutter 45, wenn die Charakteristik-Modifikationsspannung konstant ist. So lange die Charakteristik-Modifikationsspannung nicht an die Charakteristik-Modifikationseinheit 43 angelegt wird, bewegt die Charakteristik-Modifikationseinheit 43 die Mutter 45 ganz nach links.
Darüber hinaus bewegt sich die Mutter 45 in 1 in Richtung nach rechts, um hierdurch die Einheit mit variabler Steifigkeit 41 und die Viskositätskoeffizentenveränderungseinheit 42 unter Druck zu setzen, wodurch die Einheit mit variabler Steifigkeit 41 und die Einheit mit variablem Viskositätskoeffizienten 42 nach rechts in 1 um eine Distanz verlagert werden, um die sich die Mutter 45 in Richtung nach rechts bewegt. Ferner bewegt sich die Mutter 45 in 1 nach links, indem die nach rechts drückende Kraft gelöst wird und die Einheit mit variabler Steifigkeit 41 und die Einheit mit variablem Viskositätskoeffizienten 42 nach links von 1 verlagert werden, um eine Distanz, um die sich die Mutter 45 in Richtung nach links bewegt. Die obige Bewegung der Mutter 45 verändert die Steifigkeit der Einheit mit variabler Steifigkeit 41 und der Viskositätskoeffizienten der Viskositätskeoffizientenveränderungseinheit 42. In anderen Worten, die Steifigkeit der Einheit mit variabler Steifigkeit und der Viskositätskoeffizient der Einheit mit variablem Viskositätskoeffizienten 42 verändern sich entsprechend der Charakteristik-Modifikationsspannung.
2A zeigt die Spannungscharakteristik der Einheit mit variabler Steifigkeit 41, wobei die horizontale Achse die Spannung repräsentiert und die vertikale Achse die Steifigkeit. Wie in 2A dargestellt, hat die Einheit mit variabler Steifigkeit 41 eine Charakteristik, dass die Steifigkeit der Einheit mit variabler Steifigkeit 41 zunimmt, wenn die an die Charakteristik-Modifikationseinheit 43 des Zwischenelements 4 angelegte Spannung zunimmt. In dieser Situation hat die Spannungssteifigkeitskennlinie eine Steigung, die mit zunehmender Spannung steiler wird.
2B zeigt die Spannungscharakteristik der Einheit mit variablem Viskositätskoeffizienten 42, wobei die horizontale Achse die Spannung repräsentiert und die vertikale Achse den Viskositätskoeffizienten. Wie in 2B dargestellt, hat die Einheit mit variablem Viskositätskoeffizienten 42 eine Charakteristik, das der Viskositätskoeffizient der Einheit mit variablem Viskositätskoeffizienten 42 zunimmt, wenn eine an die Charakteristik-Modifikationseinheit 43 des Zwischenelements 4 angelegte Spannung zunimmt. In dieser Situation hat die Spannungsviskositätskoeffizientenkennlinie eine Steigung, die mit zunehmender Spannung bis zu einer vorbestimmten Spannung kleiner wird, und an der vorbestimmten Spannung und höheren Spannung konstant gehalten wird. In den 2A und 2B nehmen die Steifigkeit und der Viskositätskoeffizient bei einer bestimmten Spannung und höheren Spannungen nicht zu.
Wie mit dem vorgenannten Ausdruck (1) beschrieben, werden die Spannungscharakteristiken der Steifigkeit und des Viskositätskoeffizienten so bestimmt, dass die Schwingungsdämpfrate an der Abtriebsseite (z.B. in der Ausgangseinheit B) konstant ist (jedoch ist übrigens die Dämpfrate nicht strikt konstant, sondern konstant bei einem bestimmten gewünschten oder erforderlichen Minimalpegel, um eine leichte Durchführung des Steuerprozesses zu ermöglichen, wie oben beschrieben). Insbesondere sind die Charakteristiken der Steifigkeit und des Viskositätskoeffizienten so bestimmt, dass die Dämpfrate für die jeweiligen Spannungswerte konstant ist.
Darüber hinaus bestimmt der Controller A4 den Spannungswert entsprechend der gewünschten Steifigkeit, wenn die gewünschte Steifigkeit auf der Basis der Charakteristik gemäß 2A erfasst wird. Die in den 2A und 2B dargestellten Charakteristiken sind durch ein Experiment oder dergleichen zuvor bestimmt worden (bei der Bildung der Einheit mit variabler Steifigkeit 41 und der Einheit mit variablem Viskositätskoffizienten 42), und daher braucht der Controller A4 nur den Spannungswert zu bestimmen, um die gewünschte Steifigkeit zu erhalten, was eine Modifikation des Viskositätskoeffizienten der Einheit mit variablem Viskositätskoeffizienten 42 auf einen Wert ermöglicht, der die Dämpfrate konstant macht.
Hier entspricht das „zum Modifizieren der Steifigkeit und des Viskositätskoeffizienten gemäß zuvor bestimmten Charakteristiken, so dass die Dämpfrate konstant ist“, wie oben beschrieben, dem „die zweite Modifikationseinheit modifiziert die Viskosität gemäß der durch die erste Modifikationseinheit modifizierten Steifigkeit, so dass die Schwingungsdämpfung des Abtriebselements eine vorbestimmte Dämpfung“ in der vorliegenden Erfindung.
Obwohl hier 1 die Kraftübertragungsvorrichtung so darstellt, als wenn die Einheit mit variabler Steifigkeit 41 eine Kraft gemäß der „Steifigkeit“ und der „Verlagerung“ in der horizontalel Richtung von 1 anlegt, und die Einheit mit variablem Viskositätskoeffizienten 42 eine Kraft entsprechend dem „Viskositätskoeffizienten“ und der „Geschwindigkeit“ in der horizontalen Richtung von 1 anlegt, legen tatsächlich die Einheit mit variabler Steifigkeit 41 und die Einheit mit variablem Viskositätskoffizienten 42 die Kraft entsprechend der Drehrichtung der antriebsseitigen Kupplungsplatte 46 an (oder der abtriebsseitigen Kupplungsplatte). Der Grund für die Darstellung der Kraftübertragungsvorrichtung in 1 ist, dass die Darstellung kompliziert würde, wenn man sie so machen wollte, dass die Kraft gemäß der Drehrichtung der antriebsseitigen Kupplungsplatte 46 angelegt wird, was die Darstellung schwer verständlich machen würde. Daher ist 1 ein Diagramm, dass das Konzept der Kraftübertragungsvorrichtung 1 des Ausführungsbeispiels in vereinfachter Weise darstellt.
Die antriebsseitige Kupplungsplatte 46 ist mit der Einheit mit variabler Steifigkeit 41 und mit der Einheit mit variablem Viskositätskoeffizienten 42 verbunden. Hierdurch dreht sich die antriebsseitige Kupplungsplatte 46 um die mit dem Eingangszahnrad G2 gemeinsame Mittelachse, wenn sich das Eingangszahnrad G2 dreht, weil ein Ausgangsdrehmoment von dem Eingangszahnrad G2 über die Einheit mit variabler Steifigkeit 41 und die Einheit mit variablem Viskositätskoeffizienten 42 übertragen wird. Daher wird das Ausgangsdrehmoment des Eingangszahnrads G2 auf die antriebsseitige Kupplungsplatte 46 gemäß der Steifigkeit der Einheit mit variabler Steifigkeit 41 und dem Viskositätskoeffizienten der Einheit mit variablem Viskositätskoeffizienten 42 übertragen.
Darüber hinaus ist ein Verlagerungscodierer B1 an der Mutter 45 befestigt. Der Verlagerungscodierer B1 ist ein Abstandssensor, der eine Distanz zwischen der Mutter 45 und der antriebsseitigen Kupplungsplatte 46 detektiert. Insbesondere kann erfasst werden, wo die Mutter 45 angeordnet ist, basierend auf einer Ausgabe von dem Verlagerungscodierer B1. Ferner ist es möglich, die Steifigkeit der Einheit mit variabler Steifigkeit 41 und dem Viskositätskoeffizienten der Einheit 42 mit variablem Viskositätskoeffizienten gemäß der Position der Mutter 45 zu detektieren (oder zu schätzen).
Wenn die Charakteristik-Modifikationsspannung geringer als eine vorbestimmte Spannung V1 ist, sind die antriebsseitige Kupplungsplatte 46 und die abtriebsseitige Kupplungsplatte 6 nicht miteinander in Kontakt (insbesondere sind Kupplungen nicht miteinander verbunden: nachfolgend wird dieser Zustand als „Nichtübertragungszustand“ bezeichnet). Wenn die Charakteristik-Modifikationsspannung gleich oder größer als die vorbestimmte Spannung V1 ist, sind die antriebsseitige Kupplungsplatte 46 und die abtriebsseitige Kupplungsplatte 6 miteinander in Kontakt (insbesondere sind die Kupplungen miteinander verbunden: nachfolgend wird dieser Zustand als „Übertragungszustand“ bezeichnet). Wenn anschließend die antriebsseitige Kupplungsplatte 46 und die abtriebsseitige Kupplungsplatte 6 spezifiziert werden, können gegebenenfalls auch die Begriffe „Kupplungen 6 und 46“ benutzt werden.
Eine Oberfläche, wo die antriebsseitige Kupplungsplatte 46 und die abtriebsseitige Kupplungsplatte 6 miteinander in Kontakt kommen, ist so ausgebildet, dass sie eine starke Reibkraft erzeugt. Wenn daher die antriebsseitige Kupplungsplatte 46 und die abtriebsseite Kupplungsplatte 6 miteinander in Kontakt sind, wird das bei der Drehung der antriebsseitigen Kupplungsplatte 46 erzeugte Drehmoment auf die abtriebsseitige Kupplungsplatte 6 übertragen, wodurch sich die abtriebsseitige Kupplungsplatte 6 um die mit der antriebsseitigen Kupplungsplatte 46 gemeinsame Mittelachse dreht.
Darüber hinaus ist in der abtriebsseitigen Kupplungsplatte 6 ein ausgangsseitiger Drehmomentsensor (z.B. ein Dehnungsmesser oder dergleichen) 7 angeordnet, der bis auf die abtriebsseitige Kupplungsplatte 6 übertragene Drehmoment detektiert.
Darüber hinaus ist die Ausgangseinheit B, die mit einer Last verbunden ist, mit der abtriebsseitigen Kupplungsplatte 6 verbunden. Als Last können verschiedene Lasten verwendet werden, entsprechend den Anwendungen oder dergleichen der Kraftübertragungsvorrichtung 1. Wenn z.B. die Kraftübertragungsvorrichtung 1 ein aus zwei Gliedern zusammengesetzter Arm ist, zum Anheben verschiedener Objekte, und das Zwischenelement 4 ein Gelenk zwischen den Gliedern ist, ist die Ausgangseinheit B ein Glied an der Abtriebsseite, und die Last ist ein von dem Glied angehobenes Objekt.
Da die Kraftübertragungsvorrichtung 1 wie oben konfiguriert ist, werden die Kupplungen 6 und 46 in den Übertragungszustand versetzt, wenn eine Charakteristik-Modifikationsspannung gleich oder größer als die vorbestimmte Spannung V1 an die Charakteristik-Modifikationseinheit 43 des Zwischenelements 4 angelegt wird. Daher wird das Ausgangsdrehmoment vom Motor A2 auf die abtriebsseitige Kupplungsplatte 6 übertragen, und weiter über das Zwischenelement 4 auf die Ausgangseinheit B. Wenn andererseits die in der Charakteristik-Modifikationseinheit 43 des Zwischenelements 4 angelegte Spannung Null ist, oder die angelegte Charakteristik-Modifikationsspannung kleiner als die vorbestimmte Spannung V1 ist, werden die Kupplungen 6 und 46 in den Nichtübertragungszustand versetzt, und daher wird das Ausgangsdrehmoment vom Motor A2 nicht auf die abtriebsseitige Kupplungsplatte 6 und weiter auf die Ausgangseinheit B übertragen.
In der obigen Beschreibung entspricht das „der Übertragungszustand und der Nichtübertragungszustand sind entsprechend davon zueinander umschaltbar, ob die an die Charakteristik-Modifikationseinheit 43 angelegte Charakteristik-Modifikatonsspannung, die die Steifigkeit und den Viskositätskoeffizienten modifiziert, gleich oder größer als die vorbestimmte Spannung V1 ist“ dem „die Kraftübertragungsvorrichtung ist konfiguriert, um zwischen einem Übertragungszustand, in dem die Antriebskraft zum Abtriebselement übertragen wird, und einem Nichtübertragungszustand, worin die Übertragung unterbrochen ist, durch Modifizieren der Steifigkeit des ersten Elements oder des Viskositätskoeffizienten des zweiten Elements schalten zu können“ in der vorliegenden Erfindung.
Darüber hinaus stellen die 2A und 2B nicht den Fall dar, wo die Charakteristik-Modifikationsspannung geringer ist als die vorbestimmte Spannung V1, im Hinblick auf die Charakteristiken der Steifigkeit und des Viskositätskoeffizienten, weil die Kupplungen 6 und 46 bei Spannungen unterhalb der vorbestimmten Spannung V1 in den Nichtübertragungszustand versetzt sind. Insbesondere machen, im Nichtübertragungszustand, die Steifigkeit und der Viskositätskoeffizient des Zwischenelements, das in dem Kraftübertragungsweg zwischen der Antriebsseite und der Abtriebsseite angeordnet ist, keinen Sinn und werden daher nicht dargestellt. Selbst wenn nämlich die Charakteristik-Modifikationsspannung kleiner als die vorbestimmte Spannung V1 ist, sind die Charakteristiken der Steifigkeit und des Viskositätskoeffizienten vorab definiert.
Der Controller A4 enthält „eine oder mehrere elektronische Schaltungen, die einen Arithmetikprozess einer zentralen Prozessoreinheit und dergleichen durchführen“, und „eine oder mehrere Speichervorrichtungen, aufgebaut aus einem ROM, einem RAM oder dergleichen“. Darüber hinaus erhält der Controller A4 Ausgaben von dem Motorcodierer A3, dem Verlagerungscodierer B1, dem eingangsseitigen Drehmomentsensor 5 und dem ausgangsseitigen Drehmomentsensor 7. Der Controller A4 steuert/regelt den Motor A2 und das Zwischenelement 4 (die Charakteristik-Modifikationseinheit 43 in 1) basierend auf der empfangenen Information.
Insbesondere versorgt der Controller A4 den Motor A2 mit elektrischem Strom, der für einen gegenwärtigen Drehmomentbefehlswert geeignet ist (in der gegenwärtigen Regelperiode), so dass das vom Motor A2 ausgegebene Drehmoment ein Solldrehmoment wird. Darüber hinaus legt der Controller A4 an das Zwischenelement eine Spannung an, die für einen Steifigkeitsbefehlswert (d.h. die Charakteristik-Modifikationsspannung) zur gegenwärtigen Zeit (in der gegenwärtigen Regelperiode) geeignet ist, so dass die Steifigkeit des Zwischenelements 4 zu einer Sollsteifigkeit wird.
Darüber hinaus hat der Controller A4 auch die Funktion einer ersten Bestimmungseinheit A41, die bestimmt, ob der Motor 42 normal geregelt werden kann, und einer zweiten Bestimmungseinheit A42, die bestimmt, ob der Übertragungszustand gesetzt ist.
Hier entspricht die Einheit mit variabler Steifigkeit 41 dem „ersten Element“ in der vorliegenden Erfindung, und die Einheit mit variablem Viskositätskoeffizienten 42 entspricht dem „zweiten Element“ in der vorliegenden Erfindung, und der Controller A4 entspricht der „ersten Modifikationseinheit“, der „zweiten Modifikationseinheit“, „der Spannungseinlegeeinheit“ und „der Steuereinheit“ in der vorliegenden Erfindung. Darüber hinaus entspricht der Motor A2 dem „Antriebselement“ und der „Antriebsquelle“ der vorliegenden Erfindung.
Nachfolgend wird der vom Controller A4 durchgeführte Steuer-/Regelprozess in Bezug auf 3 beschrieben. Der Controller A4 führt den Steuerprozess von 3 zu vorbestimmten Intervallen (z.B. 10[ms] aus.). Der Controller A4 erfasst zuerst den Zustand der Kraftübertragungsvorrichtung 1 im ersten Schritt ST1. Hier gibt es, als Zustand der Kraftübertragungsvorrichtung 1, einen normalen Zustand und einen abnormalen Zustand. Der normale Zustand liegt vor, wenn alle „Sensoren und dergleichen wie etwa der Motorcodierer A3, der Verlagerungscodierer B1, der eingangsseitige Drehmomentsensor 5 und der ausgangsseitige Drehmomentsensor 7“ normal arbeiten. Der abnormale Zustand liegt vor, wenn Sensoren und dergleichen abnormal arbeiten.
Ob eine Abnmormalität in den Sensoren und dergleichen vorliegt, wird entsprechend davon bestimmt, ob die von den Sensoren und dergleichen erfassten Werte außerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegen (in anderen Worten, ob die Werte scheinbar nicht im normalen Betrieb erfasst werden). Dieses Werte sind vorab entsprechend Experiment oder dergleichen bestimmt und sind in der Speichervorrichtung des Controllers A4 gespeichert.
Wenn einer der Sensoren und dergleichen eine Abnormalität hat, und wenn die von dem abnormalen Sensor erfasste Information aus von einem normalen Sensor erfasste Information geschätzt werden kann, kann man annehmen, dass der Zustand normal ist. In diesem Fall wird ein geschätzter Wert verwendet, anstatt der Ausgabe von dem abnromalen Sensor.
Wenn z.B. der eingangsseitige Drehmomentsensor 5 abnormal ist, lässt sich ein Ausgangsdrehmoment von dem Eingangszahnrad G1 aus dem verbrauchten elektrischen Strom schätzen, der dem Motor A2 zugeführt wird. Für „den dem Motor A2 zugeführten elektrischen Strom“ wird ein Wert benutzt, der von einem Stromsensor (nicht dargestellt) erhalten wird. Insbesondere wird zuerst „das Ausgangsdrehmoment des Motors A2“ erhalten, indem eine „Drehmomentkonstante (der Koeffizient eines Ausgangsdrehmoments des zugeführten elektrischen Stroms), der durch den Motor A2 definiert ist“ mit „dem den Motor A2 zugeführten elektrischen Strom“ multipliziert wird.
Dann wird das „auf das Eingangszahnrad G2 übertragene Drehmoment“ erhalten, indem das „vom Motor A2 erhaltene Ausgangsdrehmoment“ mit „einem Untersetzungsverhältnis, definiert durch das Antriebszahnrad G1 und das Eingangszahnrad G2“ multipliziert wird. Ferner wird das Ausgangsdrehmoment von dem Eingangszahnrad G2 erhalten, indem „eine Reibkraft, die erzeugt wird, wenn die Zähne des Antriebszahnrads G1 mit den Zähnen des Eingangszahnrads G2“ in Eingriff stehen, von dem „auf das Eingangszahnrad G2 übertragenen erhaltenen Drehmoment“ subtrahiert wird.
Wenn darüber hinaus der ausgangsseitige Drehmomentsensor 7 abnormal ist, ist es möglich, einen auf die abtriebsseitige Kupplungsplatte 6 übertragenes Drehmoment aus den jeweiligen Ausgaben des eingangsseitigen Drehmomentsensors 5 und des Verlagerungscodierers B2 zu schätzen. Insbesondere wird zuerst eine Scherspannung der Einheit mit variablem Viskositätskoeffizienten 42 erhalten, indem „der Viskositätskoeffizient der Einheit mit variablem Viskositätskoeffizient 42“ mit „einer Änderung der Ausgabe des Verlagerungscodierers B1 pro Zeiteinheit“ multipliziert wird. Hier bedeutet der Begriff „Veränderung pro Zeiteinheit“ eine Differenz zwischen „der Ausgabe vom Verlagerungscodierer B1 in der gegenwärtigen Regelperiode“ und „der Ausgabe vom Verlagerungscodierer B1 in der vorhergehenden Regelperiode“.
Dann ist es möglich, das auf die abtriebsseitige Kupplungsplatte 6 übertragene Drehmoment zu schätzen, durch Subtrahieren der oben erhaltenen Scherspannung der Einheit mit variablem Viskositätskoeffizient 42 von „der Drehmomentausgabe vom Ausgangszahnrad G2 und der Ausgabe vom eingangsseitigen Drehmomentsensor 5“ subtrahiert wird. Wenn sowohl der ausgangsseitige Drehmomentsensor 7 als auch der eingangsseitige Drehmomentsensor 5 abnormal sind und das auf die abtriebsseitige Kupplungsplatte 6 übertragene Drehmoment geschätzt wird, kann das „Ausgangsdrehmoment vom Eingangszahnrad G2 aus „dem dem Motor A2 zugeführten elektrischen Strom“ geschätzt werden, wie oben beschrieben. In diesem Fall wird das auf die abtriebsseitige Kupplungsplatte 6 übertragene Drehmoment aus dem „dem Motor A2 zugeführten elektrischen Strom“ und der „Ausgabe von dem Verlagerungscodierer B1“ geschätzt.
Darüber hinaus ist, als anderes Verfahren zum Schätzen des auf die abtriebsseitige Kupplungsplatte 6 übertragenen Drehmoments, das folgende Verfahren denkbar: zuerst berechnet der Controller A4 „die in der Einheit mit variabler Steifigkeit 41 akkumulierte Spannung“ durch Multiplizieren „der Steifigkeit der Einheit mit variabler Steifigkeit 41“ mit „der Ausgabe vom Verlagerungscodierer B1“. Dann schätzt der Controller A4 „das auf die abtriebsseitige Kupplungsplatte 6 übertragenen Drehmoment“ durch Addieren der Scherspannung der Einheit mit variablem Viskositätskoeffizient 42, die wie oben beschrieben wird, zu der „berechneten Spannung“.
Die Schätzung des auf die abtriebsseitige Kupplungsplatte 6 übertragenen Drehmoments, wie oben beschrieben, erfolgt nur in einem Zustand, wo die antriebsseitige Kupplungsplatte 46 mit der abtriebsseitigen Kupplungsplatte 6 in Kontakt steht und sich der relative Drehwinkel zwischen den zwei Kupplungsplatten 46 und 6 nicht verändern (d.h. kein Schlupf auftritt), und daher die Schätzung nicht in einem Zustand erfolgt, wo zwischen den zwei Kupplungsplatten 46 und 6 ein Schlupf auftritt (einem sogenannten halbgekuppelten Zustand).
Auf diese Weise kann der Controller A4 das Ausgangsdrehmoment von dem Eingangszahnrad G2 und das auf die abtriebsseitige Kupplungsplatte 6 übertragene Drehmoment schätzen, und daher braucht die Kraftübertragungsvorrichtung 1 nicht mit einem eingangsseitigen Drehmomentsensor 5 und einem ausgangsseitigen Drehmomentsensor 7 versehen werden.
Anschließend geht der Controller A4 zu Schritt ST2 weiter, um zu Bestimmen, ob der in Schritt ST1 erfasste Zustand der abnormale Zustand ist oder nicht. Wenn der Zustand als abnormal bestimmt wird, könnte die Steuerung oder dergleichen des Motors A2 nicht geeignet durchgeführt werden. Dementsprechend geht der Controller A4 zu Schritt ST3 weiter, um den elektrischen Strom oder die an dem Motor A2 angelegte Spannung und die Charakteristik-Modifikationseinheit 43 des Zwischenelements 4 auf Null zu setzen. Hier entspricht der Prozess von Schritt ST2 dem von „der ersten Bestimmungseinheit“ der vorliegenden Erfindung durchgeführten Prozess.
Hierdurch stoppt der Motor A2 den Betrieb, und die an die Charakteristik-Modifikationseinheit 43 des Zwischenelements 4 angelegte Spannung wird zu Null, wodurch die Kupplungen 6 und 46 in den Nichtübertragungszustand versetzt werden. Selbst wenn daher das Drehmoment auf die abtriebsseitige Kupplungsplatte 6 übertragen wird, bevor der Prozess von Schritt ST3 ausgeführt wird, werden die Kupplungen 6 und 46 in den Nichtübertragungszustand versetzt, indem der Prozess von Schritt ST3 durchgeführt wird. Insbesondere wird die mechanische Verbindung geschlossen, wodurch ein Zustand hergestellt wird, wo das Ausgangsdrehmoment des Motors A2 nicht auf die Seite der Ausgangseinheit B übertragen wird (d.h. die Drehmomentübertragung ist mechanisch getrennt). Daher lässt sich verhindern, dass die Kraftübertragungsvorrichtung 1 einen unerwarteten Betrieb durchführt, der durch unerwartete Werte von Spannungen verursacht wird, die an den Motor A2 und das Zwischenelement 4 aufgrund einer Regelung oder dergleichen basierend auf Information zugeführt werden, die von einem Sensor erfasst wird, der nicht normal arbeitet, und um daher die Sicherheit der Kraftübertragungsvorrichtung 1 zu verbessern. Nach dem Ende des Prozesses von Schritt ST3 endet dieser Steuerprozess.
Hier entspricht der Prozess von Schritt ST3 der „Durchführung einer Steuerung zum Erzielen eines Nichtübertragungszustands in dem Fall, wo das Bestimmungsergebnis die ersten Bestimmunseinheit negativ ist“ in der vorliegenden Erfindung.
Wenn in Schritt ST2 der Zustand als normal bestimmt wird, geht der Controller A4 zu Schritt ST4 weiter, um einen Steifigkeitsbefehlswert der Einheit mit variabler Steifigkeit 41 des Zwischenelements 4 zu erfassen, der durch einen (nicht dargestellten) Prozess des Controllers A4 bestimmt wird. Der Steifigkeitsbefehlswert für die Einheit mit variabler Steifigkeit 41 des Zwischenelements 4 ist ein Wert zur Steuerung/Regelung der Steifigkeit der Einheit mit variabler Steifigkeit 41 des Zwischenelements 4 auf dem betreffenden Wert. Der Steifigkeitsbefehlswert wird durch den Controller A4 entsprechend dem Betrieb der Kraftübertragungsvorrichtung 1 geeignet bestimmt. Wenn z.B. ein Gelenk, das steif sein soll, wie etwa im Falle des akkuraten Antriebs des Arms der Kraftübertragungsvorrichtung 1, setzt der Controller A4 den Steifigkeitsbefehlswert auf einen großen Wert, um die Steifigkeit der Kraftübertragungsvorrichtung 1 zu erhöhen. Wenn darüber hinaus ein Gelenk flexibel sein soll, um etwa die Auswirkungen eines ungewünschten Stoßes auf den Arm oder dergleichen der Kraftübertragungsvorrichtung 1 weicher zu machen, setzt der Controller A4 den Steifigkeitsbefehlswert auf einen kleineren Wert.
Bei Abschluss des Prozesses von Schritt ST4 geht der Controller A4 zu den Schritten ST5 und ST6 weiter. Um insbesondere die Schritte ST5 und ST6 parallel auszuführen, verzweigt der Controller A4 den Strang, führt Schritt ST5 (oder ST6) in dem abgezweigten Strang aus und führt ST6 (oder ST5) in dem abgezweigten Strang aus, der vor der Abzweigung gelaufen ist. Hierdurch werden die Schritte ST5 und ST6 parallel ausgeführt.
In Schritt ST5 bestimmt der Controller A4 eine Spannung, die an die Charakteristik-Modifikationseinheit 43 des Zwischenelements 4 angelegt wird, so dass die Steifigkeit der Einheit mit variabler Steifigkeit 41 des Zwischenelements 4 gleich dem Steifigkeitsbefehlswert wird. Bei dieser Bestimmung wird die an die Charakteristik-Modifikationseinheit angelegt Spannung bestimmt, indem die Spannung entsprechend dem Steifigkeitsbefehlswert gemäß dem in 2A dargestellten „Spannungs-Steifigkeitspannungs-Kennfeld“ erfasst wird. Bei Abschluss des Prozesses von Schritt ST5 wird ein Steuersignal ausgegeben, so dass die in Schritt ST5 erfasste Spannung an die Charakteristik-Modifikationseinheit 43 des Zwischenelements 4 angelegt wird, und dieser Steuerprozess endet in dem Strang, wo der Prozess von Schritt ST5 ausgeführt worden ist.
In Schritt ST6 schätzt der Controller A4 die Steifigkeit der Einheit mit variabler Steifigkeit 41 des Zwischenelements 4 und den Viskositätskoeffizienten der Einheit mit variablem Viskositätskoeffizienten 42. Der Controller A4 schätzt die Steifigkeit und den Viskositätskoeffizienten durch Erfassung der Steifigkeit der Einheit mit variabler Steifigkeit 41 und dem Viskositätskoeffizienten der Einheit mit variablem Viskositätskoeffizienten 42 entsrechend der Spannung, die an die Charakteristik-Modifikationseinheit 43 des Zwischenelements 4 zur gegenwärtigen Zeit angelegt wird, entsprechend dem Spannungs-Steifigkeits-Kennfeld und dem „Spannungs-Viskositätskoeffizienten“ Kennfeld, wie in den 2A und 2B dargestellt.
Bei Abschluss des Prozesses von Schritt ST6 geht der Controller A4 zu Schritt ST7 weiter, um zu Bestimmen, ob die Kupplungen 6 und 46 im Übetragungszustand sind. In der abtriebsseitigen Kupplungsplatte 6 tritt aufgrund des Übetragungszustands der Kupplungen 6 und 46 ein Drehmoment auf. Wenn andererseits die Kupplungen 6 und 46 im Nichtübertragungszustand sind, wird das auf die antriebsseitige Kupplungsplatte 46 übertragene Drehmoment nicht auf die abtriebsseitige Kupplungsplatte 6 übertragen, und daher ist das vom ausgangsseitigen Drehmomentsensor 7 erfasste Drehmoment Null. In dieser Situation könnte die Ausgabe von dem ausgangsseitigen Drehmomentsensor 7 einen größeren Wert einnehmen als Null, aufgrund eines Messfehlers oder dergleichen des ausgangsseitigen Drehmomentsensors 7.
Daher bestimmt, in diesem Schritt ST7, der Controller A4, dass die Kupplungen 6 und 46 im Übertragungszustand sind, wenn das vom ausgangsseitigen Drehmomentsensor 7 erfasste Drehmoment größer als ein vorbestimmter Wert ist (der vorbestimmte Wert ist Null oder ein Wert größer als Null, der unter Berücksichtigung des obigen Fehlers), und bestimmt, dass die Kupplungen 6 und 46 im Nichtübertragungszustand sind, wenn das Drehmoment gleich oder kleiner als der vorbestimmte Wert ist. Der vorbestimmte Wert wird vorab gemäß Experimenten oder dergleichen bestimmt und in der Speichervorrichtung des Controllers A4 gespeichert. Hier entspricht der Prozess von ST7 der „zweiten Bestimmungseinheit“ der vorliegenden Erfindung.
Wenn in Schritt ST7 bestimmt wird, dass die Kupplungen 6 und 46 nicht miteinander verbunden sind, geht der Controller A4 zu Schritt ST8 weiter, um eine Drehnachfolgesteuerung durchzuführen. In der Drehnachfolgesteuerung wird der Motor A2 derart gesteuert, dass eine Differenz zwischen dem Drehwinkel der abtriebsseitigen Kupplungsplatte 6 und dem Drehwinkel der antriebsseitigen Kupplungsplatte 46 gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Wert ist. Dies ermöglicht eine sofortige Änderung des Übetragungszustands während einer Änderung der Kupplungen 6 und 46 vom Nichtübertragungszustand zum Übertragungszustand.
Wenn die Kupplungen 6 und 46 miteinander verbunden sind, ist es gewöhnlich erforderlich, innerhalb eines Bereichs einer Differenz der relativen Verlagerung zwischen dem zuvor definierten Abtriebselement und dem Antriebselement, die Kupplungen 6 und 46 in den Übetragungszustand zu versetzten. Durch vorheriges Durchführen der obigen Drehnachfolgesteuerung, ist der Controller A4 in der Lage, den Übertragungszustand zu setzen, unmittelbar nach der Bestimmung, dass der Übertragungszustand herzustellen ist, und durch Ausdehnung, um die Zeit zu dem Steuerprozess zu verringern.
Die Drehnachfolgesteuerung wird z.B. in dem Fall durchgeführt, wo, nach vorübergehender Unterbrechung des Betriebs der Ausgangseinheit B aus irgendeinem Grund während des Betriebs der Ausgangseinheit B mit dem Motor A2, dem Betrieb der Ausgangseinheit B wieder zu beginnen.
Hier entspricht der Prozess von Schritt ST8 „der Steuerung/Regelung der Antriebsquelle, so dass eine Differenz zwischen der Verlagerung des Abtriebselements und einer Verlagerung des Antriebselements gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Wert wird, in einem Fall, wo das Bestimmungsergebnis der ersten Bestimmungseinheit positiv ist und das Bestimmungsergebnis der zweiten Bestimmungseinheit negativ ist“ in der vorliegenden Erfindung.
Wenn in Schritt ST7 bestimmt wird, dass die Kupplungen miteinander verbunden sind, geht der Controller A4 zu Schritt ST9 weiter, um eine rückkoppeldne Drehmomentregelung durchzuführen. Hier dient die rückkoppelnde Drehmomentregelung zur Regelung des Ausgangsdrehmoments des Motors A2, so dass das auf die Ausgangseinheit B übertragene Drehmoment ein durch den Prozess (nicht gezeigt) des Controllers A4 bestimmtes Soldlrehmoment erreicht.
Für die rückkoppelnde Drehmomentregelung sind verschiedene bekannte Regelprozesse anwendbar. Z.B. beschreibt die JP 2011-115878 A eine Technik zum Regeln eines angetriebenen Eleements in dem Fall, wo ein elastisches Element zwischen dem Antriebselement (dem Motors A2) und dem Abtriebselement (der Ausgangseinheit B) angeordnet ist. In Schritt ST9 wird z.B. eine Regelung durchgeführt, wie sie in dieser Schrift beschrieben ist.
Bei Abschluss des Prozesses von schritt ST8 oder ST9 beendet der Controller A4 diesen Steuerprozess.
Hier entspricht der Prozess von Schritt ST9 der „Steuerung/Regelung der auf das Abtriebselement übertragenen Antriebskraft in dem Fall, wo das Bestimmungsergebnis der ersten Bestimmungseinheit positiv ist und das Bestimmungsergebnis der zweiten Bestimmungseinheit positiv ist“ in der vorliegenden Erfindung.
Darüber hinaus lässt sich aus der Spannung, die an die Charakteristik-Modifikationseinheit 43 des Zwischenelements 4 angelegt wird, bestimmen, ob die Kupplungen 6 und 46 im Übertragungszustand sind. Die antriebsseitige Kupplungsplatte 46 könnte jedoch mit der abtriebsseitigen Kupplungsplatte 6 nicht in Kontakt stehen (in anderen Worten, der Nichtübertragungszustand liegt vor), auch in dem Fall, wo die an die Charakteristik-Modifikationseinheit 43 des Zwischenelements 4 angelegte Spannung gleich oder größer als die vorbestimmte Spannung V1 ist, aufgrund einer individuellen Differenz im Zwischenelement 4 oder Umgebungsbedingungen (z.B. Temperatur etc.).
Wenn in diesem Fall die an das Zwischenelement 4 angelegte Spannung gleich oder größer als die vorbestimmte Spannung V1 ist, wenn in Schritt ST7 bestimmt wird, dass die Kupplungen 6 und 46 nicht im Übertragungszustand sind, könnte die vorbestimmte Spannung V1 korrigiert werden (nachfolgend wird dies als „Korrekturprozess“ bezeichnet). Insbesondere setzt im Korrekturprozess der Controller A4 die an das Zwischenelement 4 angelegte Spannung zu jener Zeit, wenn die Kupplungen 6 und 46 vom Nichtübertragungszustand zum Übertragungszustand wechseln, auf eine neue vorbestimmte Spannung V1.
Wie oben beschrieben, steuert/regelt der Controller A4 den Motor A2 und das Zwischenelement 4.
Wie oben beschrieben, wird in der Kraftübertragungsvorrichtung 1 des Ausführungsbeispiels das Drehmoment des Motors A2 über das Zwischenelement 4 auf die Ausgangseinheit B übertragen. Insbesondere ist die Kraftübertragungsvorrichtung 1 mit der Einheit mit variablem Viskositätskoeffizienten 42, die Viskosität aufweist, als Kraftübertragungselement auf dem Kraftübertragungsweg zwischen dem Motor A2 und der Ausgangseinheit B versehen, wodurch die Schwingung der Ausgangseinheit B während der Regelung der Ausgangseinheit B mechanisch konvergiert wird. Darüber hinaus ist die Steifigkeit der Einheit mit variabler Steifigkeit 41 durch die Steuerung/Regelung des Controllers A4 modifizierbar, wodurch sich die Ausgangseinheit B flexibel steuern oder regeln lässt, wie es die Situation erfordert.
Darüber hinaus modifiziert der Controller A4 die Steifigkeit und den Viskositätskoeffizienten gemäß den Spannungscharakteristiken, wie in den 2A und 2B dargestellt, und ist daher in der Lage, die Dämpfrate der Schwingung der Ausgangseinheit B konstant zu machen. Dies macht es möglich, dass der Controller A4 die Schwingung der Ausgangseinheit B in der gegenwärtigen Steuer- oder Regelperiode aus der Schwingung der Ausgangseinheit B in der vorangehenden Steuer- oder Regelperiode leicht vorhersagen kann, was den Steuerprozess einfach macht. Auf diese Weise wird ein Kraftübertragungselement verwendet, dessen Steifigkeit und Viskositätskoeffizient variabel sind, und die Steifigkeit und der Viskositätskoeffizient werden geeignet modifiziert, um hierdurch das Schwingen des geregelten Objekts wirkungsvoll unterdrücken zu können.
[erste Ausführung]
Nachfolgend werden bestimmte Ausführungen der Kraftübertragungsvorrichtung des Ausführungsbeispiels beschrieben. Zuerst wird eine erste Ausführung beschrieben.
Die 4A, 4B und 4C zeigen schematisch eine Kraftübertragungsvorrichtung 11 der ersten Ausführung. Die Kraftübertragungsvorrichtung 11 enthält einen Motor A2, einen Controller A4, einen Drehzahluntersetzer 2, einen Außenrahmen 3, ein Zwischenelement 401, einen eingangsseitigen Drehmomentsensor 5, einen ausgangsseitigen Drehmomentsensor 7 und eine Ausgangseinheit B. Der Motor A2 ist ein Elektromotor, der ein eine Motorausgangswelle A2a in Drehung versetztendes Drehmoment ausgibt, indem ihm elektrische Energie in der gleichen Weise zugeführt wird wie in der Bechreibung des Ausführungsbeispiels.
Für den Drehzahluntersetzer 2 wird z.B. ein Harmonic Drive® oder dergleichen verwendet. In dem Drehzahluntersetzer 2 ist ein eingangsseitiger Drehmomentsensor 5 angeordnet, der im Wesentlichen säulenförmig ausgebildet ist. Dieser eingangsseitige Drehmomentsensor 5 ist ein solcher Drehmomentsensor mit einem Dehnungsmesser. Der eingangsseitige Drehmomentsensor 5 erfasst ein Drehmoment, das von dem Drehzahluntersetzer 2 ausgegeben wird, entsprechend einer Dehnung des eingangsseitigen Drehmomentsensors 5 und gibt ein elektrisches Signal aus, das für die Höhe des Drehmoments geeignet ist.
Der eingangsseitige Drehmomentsensor 5 ist mit dem Außenrahmen 3 verbunden. Der Außenrahmen 3 ist im Wesentlichen zylinderförmig, mit einem im Wesentlichen zylinddrischen Zwischenelement 401, das an seinem hohlen Abschnitt befestigt ist. Das Zwischenelement 401 kann auch andere Formen haben. Z.B. kann die Form ein viereckiges Prisma oder dergleichen sein, mit einem Durchgangsloch in der Längsrichtung (hierbei wird der Außenrahmen 3 so ausgebildet, dass die Innenwand des Außenrahmens 3 mit der Außenwand des Zwischenelements 401 in Kontakt kommt). In dieser Beschreibung wird angenommen, dass die „Rohrform“ diese Art von Form sowie auch eine kreiszylindrische Form beinhaltet.
Das Zwischenelement 401 ist so ausgebildet, dass der Raum seines hohlen Abschnitts kleiner wird, in einem Zustand, wo eine Spannung angelegt wird. Insbesondere hat, wie in den 4B und 4C gezeigt, der hohle Abschnitt des Zwischenelements 401 einen kleinen Durchmesser in einem Zustand, wo durch die Ansteuerung des Controllers A4 eine Spannung angelegt wird (4C), im Vergleich zu einem Zustand, wo keine Spannung angelegt wird (4B). Hier entspricht der Controller A4 der „Spannungsanlegeeinheit“ der vorliegenden Erfindung.
Die Verkleinerung des Innenraums des hohlen Abschnitts wird durch die Form des Zwischenelements 401 erreicht, wie in den 5A und 5B exemplifiziert. 5A zeigt einen Zustand, wo an das Zwischenelement 401 keine Spannung angelegt wird, und 5B zeigt einen Zustand, wo an das Zwischenelement 401 eine Spannung angelegt wird. Wie in 5A dargestellt, erhält das Zwischenelement 401 eine Anode P, eine Kathode M und einen leitfähigen Polymeraktuator E. Diese liegen in der Reihenfolge „Kathode M → leitfähiger Polymeraktuator E → Anode P“ aufeinander (nachfolgend wird diese gestapelte Struktur gemeinsam als „Stapel M, E, P“ bezeichnet). Wenn zwischen der Anode P und der Kathode M eine Potenzialdifferenz auftritt, den sich der Stapel M, E, P au der Anodenseite P des leitfähigen Polymeraktuators E aus und kontrahiert an der Kathodenseite M des leitfähigen Polymeraktuators E.
Der obige Stapel M, E, P ist so ausgebildet, dass er von der Kathodenseite M zur Anodenseite P in Richtung von der radialen Außenseite zur radialen Innenseite hin geneigt ist. Wenn hierdurch eine Potenzialdifferenz zwischen der Anode P und der Kathode M auftritt, kontrahiert der Stapel M, E, P an der Kathodenseite M und expandiert an der Anodenseite P, wie in 5B dargestellt, und daher wird die Neigung des Stapels M, E, P schwächer (wobei der Neigungswinkel ein Winkel ist zwischen „der radialen Richtung des Zwischenelements 401“ und „der Richtung senkrecht zur Stapelrichtung des Stapels M, E, P“). Somit ist der Durchmesser des hohlen Abschnitts des Stapels M, E, P in 5B kleiner als der Durchmesser (in 5B mit unterbrochener Linie angegeben) des hohlen Abschnitts des Stapels M, E, P in 5A.
Hierbei wird, wenn die Potenzialdifferenz zwischen der Anode P und der Kathode M größer wird, die Neigung schwächer (der Neigungswinkel wird kleiner). Darüber hinaus wird, wenn die Neigung schwächer wird, der Durchmesser des hohlen Abschnitts des Stapels M, E, P (und durch die Ausdehnung des Zwischenelements 401) kleiner.
Darüber hinaus verändert sich die Steifigkeit und der Viskositätskoeffizient des leitfähigen Polymeraktuators E durch das Anlegen einer Spannung. Der leitfähige Polymeraktuator E, der für das Zwischenelement 401 der ersten Ausführung verwendet wird, hat die Charakteristik von Steifigkeit und Viskositätskoeffizienten zur Spannung so, wie in den 2A und 2B dargestellt.
Im hohlen Abschnitt des Zwischenelements 401 ist ein ausgangsseitger Drehmomentsensor 7 angeordnet, der im Wesentlichen säulenförmig ausgebildet ist. Der ausgangsseitige Drehmomentsensor 7, der ein Drehmomentsensor mit einem Dehnungsmesser in der gleichen Weise wie der eingangsseitige Drehmomentsensor 5 ist, erfasst ein auf den ausgangsseitigen Drehmomentsensor 7 übertragenes Drehmoment gemäß Dehnung und gibt ein elektrisches Signal aus, das für die Höhe des Drehmoments geeignet ist.
Der ausgangsseitige Drehmomentsensor 7 ist so bemessen, dass die Wandoberfläche (nachfolgend als „ausgangsseitge Wandoberfläche“) 7a des ausgangsseitgen Drehmomentsensors 7 mit der Wandoberfläche (nachfolgend als „Zwischenelementwandoberfläche“ bezeichnet) 401a des hohlen Abschnitts des Zwischenelements 401 nicht in Kontakt kommt, wenn an das Zwischenelement 401 die Spannung nicht angelegt wird, und ist so bemessen, dass die ausgangsseitige Wandoberfläche 7a mit der Zwischenelementwandoberfläche 401a in Kontakt kommt, wenn die an das Zwischenelement 401 angelegte Spannung gleich oder größer als die vorbestimmte Spannung V1 ist. Darüber hinaus sind die „Zwischenelementwandoberfläche 4a“ und die „ausgangsseitige Wandoberfläche 7a“ ausgebildet, dass eine starke Reibkraft entsteht, wenn diese miteinander in Kontakt sind.
Darüber hinaus ist die Ausgangseinheit B, mit der eine Last verbunden ist, am ausgangsseitigen Drehmomentsensor 7 befestigt.
Aufgrund der obigen Konfiguration kommt die Zwischenelementwandoberfläche 401 a mit der ausgangsseitigen Wandoberfläche 7a in Kontakt, wenn eine Spannung gleich oder größer als die vorbestimmte Spannung V1 an das Zwischenelement 401 angelegt wird. Hierdurch wird das Ausgangsdrehmoment vom Motor A2 über das Zwischenelement 401 auf die Ausgangseinheit B übertragen. Hierbei drehen sich der Motor A2, das Zwischenelement 401 und die Ausgangseinheit B um ihre gemeinsame Mittelachse. Wenn andererseits keine Spannung an das Zwischenelement 401 angelegt wird oder eine Spannung, die kleiner als die vorbestimmte Spannung V1 ist, an das Zwischenelement 401 angelegt wird, ist die Zwischenelementwandoberfläche 401a nicht mit der ausgangsseitigen Wandoberfläche 7a in Kontakt, und daher wird das vom Motor A2 ausgegebene Drehmoment nicht auf die Ausgangseinheit B übertragen.
Auf diese Weise wird, ob das Drehmoment auf die Ausgangseinheit B übertragen wird, gemäß davon bestimmt, ob die Spannung gleich oder größer als die vorbestimmte Spannung V1 an das Zwischenelement 401 angelegt wird oder nicht. Insbesondere wird daran gedacht, dass ein Kupplungssystem durch die Zwischenelementwandoberfläche 401a und die ausgangsseitige Wandoberfläche 7a gebildet wird.
Hier entspricht das Zwischenelement 401 der ersten Ausführung dem Zwischenelement 4 des Ausführungsbeispiels, und der leitfähige Polymeraktuator E entspricht der Einheit mit variabler Steifigkeit 41 und der Einheit mit variablem Viskositätskoeffizienten 42 des Ausführungsbeispiels. Darüber hinaus entspricht die Zwischenelementwandoberfläche 401 der ersten Ausführung der antriebsseitigen Kupplungsplatte 46 des Ausführungsbeispiels. Darüber hinaus entspricht die ausgangsseitige Wandoberfläche 7a der ersten Ausführung der antriebsseitigen Kupplungsplatte 6 des Ausführungsbeispiels.
Ferner ist in der Ausgangseinheit B ein Codierer B11 zum Erfassen eines Drehwinkels relativ zum Außenrahmen 3 angeordnet. Hiedruch erfasst der Coedierer B11 eine relative Verlagerung (Drehwinkel) des Außenrahmens 3 relativ zur ausgangsseitigen Wandoberfläche 7a (und weiter zur Ausgangseinheit B). Wenn daher die Zwischenelementwandoberfläche 401 a mit der ausgangsseitigen Wandoberfläche 7a in Kontakt ist, ist die relative Verlagerung dazwischen Null, und daher bezeichnet die vom Codierer B11 erfasste Verlagerung eine Verlagerung in der Drehrichtung des Zwischenelements 401, die für das aufs Zwischenelement 401 übertragene Drehmoment geeignet ist. Hier entspricht der Codierer B11 der ersten Ausführung dem Verlagerungscodierer B1 des Ausführungsbeispiels.
Wie oben beschrieben, verwendet die Kraftübertragungsvorrichtung 1 dieser Ausführung einen leitfähigen Polymeraktuator als das Zwischenelement 401, und ist daher in der Lage, die Steifigkeit und den Viskositätskoeffizienten davon zu modifizieren.
[zweite Ausführung]
Nachfolgend wird eine Kraftübertragungsvorrichtung 12 einer zweiten Ausführung der Erfindung in Bezug auf die 6A, 6B und 6C beschrieben. Die Kraftübertragungsvorrichtung 12 der zweiten Ausführung unterscheidet sich von der Kraftübertragungsvorrichtung 11 der ersten Ausführung in den Konfigurationen des Zwischenelements und der Ausgangsseite. In dieser Ausführung ist, wie in den 6A, 6B und 6C dargestellt, ein Zwischenelement 402 aus einem leitfähigen Polymeraktuator aufgebaut und ist im Wesentlichen säulenförmig ausgebildet. Daher verändert sich die Steifigkeit und der Viskositätskoeffizient des leitfähigen Polymeraktuators durch das Anlegen einer Spannung. Das Zwischenelement 401 kann z.B. säulen- oder rohrförmig sein sowie auch im Wesentlichen säulenförmig.
Darüber hinaus ist eine eingangsseitige Kupplungsplatte 462, die als Kupplungsplatte fungiert, an dem linken säulenförmigen Endabschnitt des Zwischenelements 402 befestigt. Die eingangsseitige Kupplungsplatte 462 hat einen Durchmesser, der größer ist als der Durchmesser des Zwischenelements 402. Hier entspricht die eingangsseitige Kupplungsplatte 462 dem „konvexen Abschnitt“ der vorliegenden Erfindung.
Das Zwischenelement 402 ist als Beispiel in 7A dargestellt. Das Zwischenelement 402 wird durch Stapeln einer Mehrzahl von Stapeln M, P, E ausgebildet, deren jeder aus einer Kathode M, einem leitfähigen Polymeraktuator E und einer Anode zusammengesetzt ist, aufeinandergelegt in der Reihenfolge „Kathode M → leitfähiger Polymeraktuator E → Anode P“ über eine isolationsschicht I. Hierbei werden diese entlang der Säulenachsrichtung des Zwischenelements 402 gestapelt. Falls hierbei eine Potenzialdifferenz zwischen der Kathode M und der Anode P auftritt, wird das Zwischenelement 402 in der Stapelrichtung (Achsrichtung) aufgrund der Ausdehnung und Kontraktion des leitfähigen Polymeraktuators E kürzer, wie in 7B exemplifiziert, im Vergleich zu dem Fall, wo die Potenzialdifferenz zwischen der Kathode M und der Anode P Null ist. Hierbei wird das Zwischenelement 402 in der Stapelrichtung (Achsrichtung) kürzer, wenn die Potenzialdifferenz zunimmt.
Daher dehnt sich das Zwischenelement 402 aus und kontrahiert in der Stapelrichtung gemäß davon, ob eine Spannung angelegt wird oder nicht, wie in den 6A, 6B und 6C dargestellt. 6B zeigt einen Zustand, wo die Spannung nicht an das Zwischenelement 402 angelegt wird, und 6C zeigt einen Zustand, wo die Spannung an das Zwischenelement 402 angelegt wird. Wie in diesen Zeichnungen dargestellt, ist das Zwischenelement 402 so konfiguriert, dass es sich in der Säulenachsrichtung (der horizontalen Richtung der 6A, 6B und 6C) durch das Anlegen der Spannung kontrahiert.
Darüber hinaus hat die Kraftübertragungsvorrichtung 12 einen ausgangsseitigen Drehmomentsensor 72, in dessen Mittelabschnitt ein Loch vorgesehen ist, das größer ist als der Durchmesser des Zwischenelements 402. Das Zwischenelement 402 ist in dem Loch des ausgangsseitigen Drehmomentsensors 72 angeordnet. Hierbei ist die eingangsseitige Kupplungsplatte 462 so angeordnet, dass sie links des ausgangsseitigen Drehmomentsensors 72 in den 6A, 6B und 6C angeordnet ist. Ferner ist die Ausgangseinheit B, mit der eine Last verbunden ist, an dem ausgangsseitigen Drehmomentsensor 72 befestigt.
Darüber hinaus sind die Oberfläche der eingangsseitigen Kupplungsplatte 462, insbesondere die rechte Oberfläche in den 6A, 6B und 6C (nachfolgend als „eingangsseitige Kupplungsplattenreibfläche“ bezeichnet) 462a, und eine Obefläche des ausgangsseitigen Drehmomentsensors 72, insbesondere eine linke Oberfläche in den 6A, 6B und 6C (nachfolgend als „ausgangsseitige Reibfläche“ bezeichnet) 72a so konfiguriert, dass sie eine starke Reibkraft erzeugen, wenn diese Oberflächen miteinander in Kontakt kommen. In anderen Worten, der ausgangsseitige Drehmomentsensor 72 fungiert auch als abtriebsseitige Kupplungsplatte.
Wenn darüber hinaus eine Spannung gleich oder größer als die vorbestimmte Spannung V1 an das Zwischenelement 402 angelegt wird, kontrahiert sich das Zwischenelement 402 in der axialen Richtung, wodurch die eingangsseitige Kupplungsplattenreibfläche 462a mit der ausgangsseitigen Reibfläche 72a in Kontakt kommt. Wenn darüber hinaus die an das Zwischenelement 402 angelegte Spannung kleiner als die vorbestimmte Spannung V1 ist, dehnt sich das Zwischenelement 402 in der axialen Richtung aus, wodurch sich die eingangsseitige Kupplungsplattenreibfläche 462a von der ausgangsseitigen Reibfläche 72a trennt.
Da die Kraftübertragungsvorrichtung 12 so konfiguriert ist wie oben beschrieben, lässt sich auswählen, ob die Antriebskraft des Motors A2 als Antriebselement auf die Ausgangseinheit B als Abtriebselement übertragen werden soll, indem die an das Zwischenelement 402 angelegte Spannung eingestellt wird.
Hier entspricht das Zwischenelement 402 der zweiten Ausführung dem Zwischenelement 4 des Ausführungsbeispiels, und der leitfähige Polymeraktuator E entspricht der Einheit mit variabler Steifigkeit 41 und der Einheit mit variablem Viskositätskoeffizienten 42 des Ausführungsbeispiels. Ferner entspricht die eingangsseitige Kupplungsplate 462 der zweiten Ausführung der antriebsseitigen Kupplungsplatte 46 des Ausführungsbeispiels. Darüber hinaus entspricht die ausgangsseitige Reibfläche 72a der zweiten Ausführung der antriebsseitigen Kupplungsplatte 6 des Ausführungsbeispiels.
Ferner ist in dem ausgangsseitigen Drehmomentsensor 72 ein Codierer B12 angeordnet, zum Erfassen eines Drehwinkels relativ zum eingangsseitigen Drehmomentsensor 5. Hierdurch erfasst der Codierer B12 eine relative Verlagerung (Drehwinkel) des eingangsseitigen Drehmomentsensors 5 relativ zum ausgangsseitigen Drehmomentsensor 72 (und weist auf die Ausgangseinheit B). Wenn daher die eingangsseitige Kupplungsplattenreibfläche 462a mit der ausgangsseitigen Reibfläche 72a in Kontakt steht, ist die relative Verlagerung dazwischen Null. Daher indiziert die vom Codierer B12 erfasste Verlagerung eine Verlagerung in Verdrehrichtung des Zwischenelements 402, die für das auf das Zwischenelement 402 übertragene Drehmoment geeignet ist. Hier entspricht der Codierer B12 der zweiten Ausführung dem Verlagerungscodierer B1 des Ausführungsbeispiels.
[Dritte Ausführung]
Nachfolgend wird eine Kraftübertragungsvorrichtung 13 einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die 8A, 8B und 8C beschrieben. Die Kraftübertragungsvorrichtung 13 der dritten Ausführung ist in Konfigurationen eines Motors A2, einer Motorausgangswelle A2a, eines Motorcodierers A3 und eines Drehzahluntersetzers 2 genauso wie die Kraftübertragungsvorrichtung 12 der zweiten Ausführung.
In der Kraftübertragungsvorrichtung 13 der dritten Ausführung ist ein säulenförmiger eingangsseitiger Drehmomentsensor 5 am Drehzahluntersetzer 2 befestigt. Darüber hinaus ist eine scheibenartige eingangsseitige Kupplungsplatte 463 an einem Unterabschnitt befestigt, der dem Endabschnitt entgegengesetzt ist, an dem der Drehzahluntersetzer 2 des eingangsseitigen Drehmomentsensors 5 befestigt ist. Die eingangsseitige Kupplungsplatte 463 ist so und hat einen größeren Durchmesser als der Durchmesser des eingangsseitigen Drehmomentsensors 5.
Darüber hinaus hat die Kraftübertragungsvorrichtung 13 einen im Wesentlichen zylindrischen ausgangsseitigen Drehmomentsensor 73. Der Durchmesser des hohlen Abschnitts des ausgangsseitigen Drehmomentsensors 73 ist größer als der Durchmesser des eingangsseitigen Drehmomentsensors 5, und kleiner als der Durchmesser der eingangsseitigen Kupplungsplatte 463. Dann wird der eingangsseitige Drehmomentsensor 5 in das Loch des ausgangsseitigen Drehmomentsensors 73 eingesetzt und dort angeordnet. Hierbei ist die eingangsseitige Kupplungsplatte 463 links des ausgangsseitigen Drehmomentsensors 73 in den 8A, 8B und 8C angeordnet.
Ferner ist ein Ende jedes der drei Zwischenelemente 403, die im Wesentlichen säulenförmig ausgebildet sind, am ausgangsseitigen Drehmomentsensor 73 befestigt. Das andere Ende von jedem der drei Zwischenelemente 403 ist an der Ausgangseinheit B befestigt, mit der eine Last verbunden ist. Jedes der drei Zwischenelemente 403 ist so konfiguriert, dass es sich in der axialen Richtung ausdehnt und kontrahiert, wenn eine Spannung angelegt wird, in der gleichen Weise wie das Zwischenelement 402 der zweiten Ausführung. Die Anzahl der Zwischenelemente 403 kann auch eine beliebige andere Zahl als drei sein. Darüber hinaus kann das Zwischenelement 403 auch in anderen Formen ausgebildet sein, wie etwa anderen Säulen oder Rohrformen, sowie etwa einer säulenförmigen Gestalt.
Darüber hinaus sind die Oberfläche der eingangsseitigen Kupplungsplatte 463, insbesondere die rechte Oberfläche in den 8A, 8B und 8C (nachfolgend als „eingangsseitige Kupplungsplattenreibfläche“ bezeichnet) 463a, und eine Oberfläche des ausgangsseitigen Drehmomentsensors 73, insbesondere eine linke Oberfläche in den 8A, 8B und 8C (nachfolgend als „ausgangsseitige Reibfläche“ bezeichnet) 73a so konfiguriert, dass sie eine starke Reibkraft erzeugen, wenn die Oberflächen miteinander in Kontakt kommen. In anderen Worten, der ausgangsseitige Drehmomentsensor 73 fungiert auch als abtriebsseitige Kupplungsplatte.
Wenn darüber hinaus eine Spannung gleich oder größer als die vorbestimmte Spannung V1 an das Zwischenelement 403 angelegt wird, kontrahiert sich das Zwischenelement 403 in der axialen Richtung, wodurch die eingangsseitige Kupplungsplattenreibfläche 463a mit der ausgangsseitigen Reibfläche 73a in Kontakt kommt. Wenn darüber hinaus die an das Zwischenelement 403 angelegte Spannung geringer als die vorbestimmte Spannung V1 ist, dehnt sich das Zwischenelement 403 in der axialen Richtung aus, wie in 8B dargestellt, wodurch sich die eingangsseitige Kupplungsplattenreibfläche 463a von der ausgangsseitigen Reibfläche 73a trennt.
Da die Kraftübertragungsvorrichtung 13 so konfiguriert ist wie oben beschrieben, lässt sich durch Einstellen der an das Zwischenelement 403 angelegten Spannung wählen, ob die Antriebskraft des Motors A2 als Antriebselement auf die Ausgangseinheit B des Abtriebselements übertragen werden soll.
Hier entspricht das Zwischenelement 403 der dritten Ausführung dem Zwischenelement 4 des Ausführungsbeispiels, und der leitfähige Polymeraktuator E entspricht der Einheit mit variabler Steifigkeit 41 und der Einheit mit variablem Viskositätskoeffizienten 42 des Ausführungsbeispiels. Ferner entspricht die eingangsseitige Kupplungsplatte 463 der dritten Ausführung der antriebsseitigen Kupplungsplatte 46 des Ausführungsbeispiels. Darüber hinaus entspricht die ausgangsseitige Reibfläche 73a der dritten Ausführung der antriebsseitigen Kupplungsplatte 6 des Ausführungsbeispiels.
Ferner ist im ausgangsseitigen Drehmomentsensor 73 ein Codierer B13 angeordnet, zum Erfassen eines Drehwinkels relativ zum eingangsseitigen Drehmomentsensor 5. Hierdurch erfasst der Codierer B13 eine relative Verlagerung (Drehwinkel) des eingangsseitigen Drehmomentsensors 5 relativ zum ausgangsseitigen Drehmomentsensor 73 (und weiter auf die Ausgangseinheit B). Wenn dementsprechend die eingangsseitige Kupplungsplattenreibfläche 463a mit der ausgangsseitigen Reibfläche 73a in Kontakt steht, ist die relative Verlagerung dazwischen Null. Daher indiziert die vom Codierer B13 erfasste Verlagerung eine Verlagerung in Verdrehrichtung des Zwischenelements 403, die für das auf das Zwischenelement 403 übertragene Drehmoment geeignet ist. Hier entspricht der Codierer B13 der dritten Ausführung dem Verlagerungscodierer B1 des Ausführungsbeispiels.
[vierte Ausführung]
Nachfolgend wird eine Kraftübertragungsvorrichtung 14 einer vierten Ausführung der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die 9A, 9B, 10A, 10B und 10C beschrieben. Die Kraftübertragungsvorrichtung 14 der vierten Ausführung ist in den Konfigurationen eines Motors A2, einer Motorausgangswelle A2a, eines Motorcodierers A3 und eines Drehzahluntersetzers 2 die gleiche wie die Kraftübertragungsvorrichtung 11 der ersten Ausführung.
Wie in 9A dargestellt, ist der eingangsseitige Drehmomentsensor 54 im Wesentlichen säulenförmig ausgebildet. Der Drehzahluntersetzer 2 ist am einen Ende des eingangsseitigen Drehmomentsensors 54 befestigt, und drei nichtlineare Federn 414 sind am anderen Ende des eingangsseitigen Drehmomentsensors 54 befestigt. Die Anzahl der nichtlinearen Federn 414 ist nicht auf drei beschränkt und kann eine beliebige andere Zahl sein. Ferner ist am andren Ende des eingangsseitigen Drehmomentsensors 54, wie in 10A dargestellt, ein konkaver Abschnitt 541 ausgebildet, der kreisförmig ist, bei Betrachtung entlang der Liniea normal zur Richtung zur Oberfläche des eingangsseitigen Drehmomentsensors 54. Darüber hinaus ist der konkave Abschnitt 541 mit Fett 542 als viskoser Flüssigkeit gefüllt.
Eine eingangsseitige Kupplungsplatte 464, die scheibenförmig ausgebildet ist, ist an einem Endabschnitt befestigt, die dem Endabschnitt gegenüberliegt, mit dem der eingangsseitige Drehmomentsensor 54 und die drei nichtlinearen Federn 414 verbunden sind. Ferner ist eine im Wesentlichen säulenförmiger ausgangsseitiger Drehmomentsensor 74 in einem Zustand angeordnet, wo eine ausgangsseitige Reibfläche 74a, die eine Oberfläche des ausgangsseitigen Drehmomentsensors 74 ist, zu der Oberfläche weist, die der Oberfläche 464a gegenüberliegt, an der die nichtlinearen Federn 414 der eingangsseitigen Kupplungsplatte 464 befestigt sind (nachfolgend wird diese Oberfläche als „eingangsseitige Reibplattenreibfläche“ bezeichnet). Hierbei sind die eingangsseitige Kupplungsplattenreibfläche 464a und die ausgangsseitige Reibfläche 74a mit Abstand voneinander angeordnet.
Ein Ende jedes von drei piezoelektrischen Elementen 434, die im Wesentlichen säulenförmig ausgebildet sind, ist jeweils mit der Oberfläche verbunden, die der ausgangsseitigen Reibfläche 74a des ausgangsseitigen Drehmomentssensors 74 gegenüberliegt. Darüber hinaus ist das andere Ende von jedem der drei piezoelektrischen Elemente 434 mit der Ausgangseinheit B verbunden. Die Anzahl der piezoelektrischen Elemente 434 ist nicht auf drei beschränkt und kann eine beliebige andere Anzahl sein. Darüber hinaus kann das piezoelektrische Element verschiedene andere Formen haben, wie etwa säulenförmig oder rohrförmig oder dergleichen.
Das piezoelektrische Element 434 hat einen piezoelektrischen Körper Z, der sich verformt, wenn daran eine Spannung angelegt wird, wobei der piezoelektrische Körper Z zwischen der Kathode M und der Anode P gestapelt angeordnet ist. In den zweiten und dritten Ausführungen ist der Stapel M, E, P derart ausgebildet, dass der leitfähige Polymeraktuator E zwischen der Kathode M und der Anode P aufgenommen ist. In der vierten Ausführung wird jedoch ein Stapel M, Z, P verwendet, worin der leitfähige Polymeraktuator E des Stapels M, E, P durch den piezoelektrischen Körper Z ersetzt ist. Ferner ist in der vierten Ausführung das piezoelektrische Element 434 durch Stapeln einer Mehrzahl von Stapeln M, Z, P ausgebildet, in der gleichen Weise in den zweiten und dritten Ausführungen.
Die Stapel M, Z, P in der vierten Ausführung, der wie oben beschrieben konfiguriert ist, wird in der Stapelrichtung länger, da der piezoelektrische Körper Z in der Stapelrichtung länger wird, wenn eine Potenzialdifferenz zwischen der Kathode M und der Anode P auftritt. Daher wird das piezoelektrische Element 434 in der Säulenachsrichtung des piezoelektrischen Elements 434 länger (er dehnt sich in die 9A und 9B in Richtung nach rechts aus), indem an das piezoelektrische Element 434 eine Spannung angelegt wird (insbesondere durch Erzeugen einer Potenzialdifferenz zwischen der Kathode M und der Anode P, die das piezoelektrische Element 434 darstellen). Hierbei wird das piezoelektrische Element 434 länger, wenn die Spannungsdifferenz zunimmt.
Das Anlegen einer Spannung an das piezoelektrische Element 434 verringert den Abstand zwischen der eingangsseitigen Kupplungsplattenreibfläche 464a und der ausgangsseitigen Reibfläche 74a, die voneinander getrennt angeordnet waren. Wenn dann die an das piezoelektrische Element 434 angelegte Spannung gleich oder größer als die vorbestimmte Spannung V1 wird, kommt die eingangsseitige Kupplungsplattenreibfläche 464a mit der ausgangsseitigen Reibfläche 74a in Kontakt, wie in 9B dargestellt. In diesem Zustand wird ein Übertragungszustand erreicht, worin das auf die eingangsseitige Kupplungsplatte 464 übertragene Drehmoment auf den ausgangsseitigen Drehmomentsensor 74 übertragen wird. Da die Kraftübertragungsvorrichtung 14 wie oben beschrieben konfiguriert ist, lässt sich zur Einstellen der das piezoelektrische Element 434 angelegten Spannung auswählen, ob die Antriebskraft des Motors A2 als Antriebselement auf die Ausgangseinheit B als Abtriebselement übertragen werden soll.
Wenn darüber hinaus die an das piezoelektrische Element 434 angelegte Spannung größer als die vorbestimmte Spannung V1 wird, wird die nichtlineare Feder 414 in 9A und 9B in Richtung nach rechts vorgespannt. Hierdurch nimmt die Steifigkeit der nichtlinearen Feder 414 zu. Die in der vierten Ausführung verwendete nichtlineare Feder 414 ist so konfiguriert, dass sie die Steifigkeit in der Verdrehrichtung ändert (der Drehrichtung der Motorausgangswelle A2a), indem sie in der Druckrichtung verlagert wird (in den 9A und 9B in Richtung nach rechts). Daher verändert die nichtlineare Feder 414 die Steifigkeit auf das Ausgangsdrehmoment des Motors A2, das auf den eingangsseitigen Drehmomentsensor 54 übertragen wird, indem sie durch das piezoelektrische Element 434 vorgespannt wird.
Darüber hinaus ist an der Oberfläche, die der eingangsseitigen Kupplungsplattenreibfläche 464a der eingangsseitigen Kupplungsplatte 464 gegenüberliegt, ein konvexer Abschnitt 464b vorgesehen, der zum eingangsseitigen Drehmomentsensor 54 hin vorsteht. Der konvexe Abschnitt 464b ist bogenförmig ausgebildet, wobei ein Teil des radialen Querschnitts der Zylinderform fehlt. Die Spitze des konvexen Abschnitts 464b ist in den einen konkaven Abschnitt 541 eingesetzt.
Der konkave Abschnitt 541 ist, wie oben beschrieben, kreisförmig ausgebildet, bei Betrachtung entlang der Linie normal zur Richtung der Oberfläche des eingangsseitigen Drehmoments des Sensors 54. In diesem Zustand ist der Mittelpunkt der Kreisform des konkaven Abschnitts 541 identsich mit dem Mittelpunkt der Drehwelle des eingangsseitigen Drehmomentsensors 54. Auch falls eine Änderung im relativen Winkel zwischen dem eingangsseitigen Drehmomentsensor 54 und der eingangsseitigen Kupplungsplatte 464 auftritt, lässt sich hierdurch verhindern, dass sich der konkave Abschnitt 541 und der konvexe Abschnitt 464b der Drehrichtung einander stören.
Der konvexe Abschnitt 464b braucht keine Form zu haben, bei der ein Teil der Zylinderform fehlt, sondern kann „zylinderförmig (der radiale Querschnitt ist ringförmig)“ ausgebildet sein. Darüber hinaus kann auch in dem Fall des Auftretens einer Änderung in dem relativen Winkel zwischen dem eingangsseitigen Drehmomentsensor und der eingangsseitigen Kupplungsplatte 464 der konvexe Abschnitt 464b eine beliebige Form haben, solange sich der konkave Abschnitt 541 und der konvexe Abschnitt 464b bei Bewegungen in der Drehrichtung einander nicht stören.
Figl. 10B stellt einen Zustand dar, wo an das piezoelektrische Element 434 keine Spannung angelegt wird, und 10C stellt einen Zustand dar, wo eine Spannung gleich oder größer als die vorbestimmte Spannung V1 an das piezoelektrische Element 434 angelegt wird. Wie in 10B dargestellt, wird ein Teil der Seitenoberfläche des konvexen Abschnitts 464b mit dem Fett 542 in Kontakt. Falls daher eine Änderung in der relativen Drehgeschwindigkeit zwischen dem eingangsseitigen Drehmomentsensor 54 und der eingangsseitigen Kupplungsplatte 464 auftritt, kommt es daher zu einer viskosen Kraft zur Drehrichtung entsprechend der Kontaktfläche.
Das Anlegen der Spannung gleich oder größer als die vorbestimmte Spannung V1 an das piezoelektrische Element 434 bewegt den konvexen Abschnitt 464b zur Bodenseite des konkaven Abschnitts 541 hin (in 10C nach rechts). Dies vergrößert die Kontaktfläche zwischen dem konvexen Abschnitt 464b und dem Fett 542. Die Vergrößerung der Kontaktfläche erhöht die viskose Kraft im Vergleich zu der viskosen Kraft vor der Vergrößerung der Kontaktfläche. Insbesondere wenn eine Spannung gleich oder größer als die vorbestimmte Spannung V1 an das piezoelektrische Element 434 angelegt wird, nimmt die viskose Kraft mit zunehmender Spannung zu.
Wie zuvor beschrieben, kann der Controller A4 „die Steifigkeit der nichtlinearen Feder 414“ und „den Viskositätskoeffizienten zwischen dem konvexen Abschnitt 464b und dem Fett 542“ entsprechend der an das piezoelektrische Element 434 angelegten Spannung verändern.
Hier entspricht die nichtlineare Feder 414 der vierten Ausführung der Einheit mit variabler Steifigkeit 41 des Ausführungsbeispiels. Der konvexe Abschnitt 464b und das Fett 542 der vierten Ausführung entsprechen der Einheit mit variablem Viskositätskoeffizienten 42 des Ausführungsbeispiels. Darüber hinaus entspricht das piezoelektrische Element 434 der vierten Ausführung der Charakteristik-Modifikationseinheit 43 des Ausführungsbeispiels. Ferner entspricht die eingangsseitige Kupplungsplatte 464 der vierten Ausführung der antriebsseitigen Kupplungsplatte 46 des Ausführungsbeispiels und dem dritten Element der vorliegenden Erfindung. Darüber hinaus entspricht der eingangsseitige Drehmomentsensor dem vierten Element der vorliegenden Erfindung. Ferner entspricht die ausgangsseitige Reibfläche 74a der vierten Ausführung der abtriebsseitigen Kupplungsplatte 6 des Ausführungsbeispiels.
Ferner ist in der eingangsseitigen Kupplungsplatte 464 ein Codierer B14 angeordnet, zur Erfassung eines Drehwinkels relativ zum eingangsseitigen Drehmomentsensor 54. Dies bewirkt, dass der Codierer B14 eine relative Verlagerung (Drehwinkel) des eingangsseitigen Drehmomentsensors 54 relativ zur eingangsseitigen Kupplungsplatte 464 erfasst. Daher indiziert die vom Codierer B14 erfasste Verlagerung eine Verlagerung in der Verdrehrichtung der nichtlinearen Feder 414. Hier entspricht der Codierer B14 der vierten Ausführung dem Verlagerungscodierer B1 des Ausführungsbeispiels.
Obwohl in der vierten Ausführung der konvexe Abschnitt 464b in der eingangsseitigen Kupplungsplatte 464 vorgesehen ist und der konkave Abschnitt 541 in dem eingangsseitigen Drehmomentsensor 54 vorgesehen ist, ist die Anordnung hierauf nicht beschränkt. Z.B. könnte der konvexe Abschnitt auch in dem eingangsseitigen Drehmomentsensor vorgesehen sein und könnte der konkave Abschnitt in der eingangsseitigen Kupplungsplatte vorgesehen sein. In diesem Fall entspricht die eingangsseitige Kupplungsplatte dem vierten Element der vorliegenden Erfindung, und der eingangsseitige Drehmomentsensor entspricht dem dritten Element der vorliegenden Erfindung.
Darüber hinaus sind in der vierten Ausführung der konvexe Abschnitt 464b und der konkave Abschnitt 541 (das dritte Element und das vierte Element) zwischen der eingangsseitigen Kupplungsplatte 464 und dem Motor A2 (dem Antriebselement näher als das Kupplungssystem) vorgesehen, und das piezoelektrische Element 434 (das piezoelektrische Element) ist zwischen dem ausgangsseitigen Drehmomentsensor 74 und der Ausgangseinheit B (näher am Abtriebselement als das Kupplungssystem) vorgesehen. Die Anordnung ist jedoch hierauf nicht beschränkt. Z.B. könnten das dritte Element und das vierte Element auch an Positionen vorgesehen sein, die dem Abtriebselement näher sind als das Kupplungssystem, und das piezoelektrische Element könnte in einer Position vorgesehen sein, die dem Antriebselement näher ist als das Kupplungssystem.
Der leitfähige Polymeraktuator arbeitet langsam, im Vergleich zur Antriebsquelle des Motors wie etwa eines Elektromotors. Dementsprechend ist es schwierig, einen leitfähigen Polymeraktuator zur raschen Steuerung zu verwenden. Der leitfähige Polymeraktuator hat jedoch verschiedene Vorteile wie etwa „starke generative Kraft pro Gewichteinheit oder Volumeneinheit“, „geringes Gewicht“, „einfache Antriebsstruktur, die eine Größenreduktion ermöglicht“, „kein Antriebsgeräusch aufgrund des Betriebs auf molekularer Ebene (oder falls überhaupt ist das Geräusch nicht so stark, dass es stört)“, und lässt sich mit geringer Spannung betreiben".
Solange daher der leitfähige Polymeraktuator zu einem Zweck verwendet wird, worin die Reaktionsrate des leitfähigen Polymeraktuators ausreicht, ist der Vorteil der Verwendung des leitfähigen Polymeraktuators groß. Z.B. ist eine Verwendung, worin das Umschalten zwischen dem Übertragungszustand und dem Nichtübertragungszustand durchgeführt wird, etwa eine Kupplung, ist eine schnelle Steuerung von einer [ms] oder dergleichen wahrscheinlich kein Erfordernis.
Darüber hinaus verändert sich der leitfähige Polymeraktuator in der Steifigkeit und dem Viskositätskoeffizienten durch das Anlegen einer Spannung.
Daher lenkt der vorliegende Erfinder die Aufmerksamkeit auf diesen Punkt und verwendet daher schließlich, in den ersten bis dritten Ausführungen, den leitfähigen Polymeraktuator als ein Element, dessen Steifigkeit und Viskositätskoeffizient verändert werden, und als Element, das eine Kupplungsfunktion übernimmt, anstelle einer Antriebsquelle zum Bewegen der Last. Hierdurch ist es möglich, eine Kraftübertragungsvorrichtung zu bekommen, die in Gewicht und Größe vorteilhaft ist, im Vergleich zu einer Kraftübertragungsvorrichtung, in der ein herkömmliches Kupplungssystem angeordnet ist.
Weil darüber hinaus der leitfähige Polymeraktuator eine variable Steifigkeit und einen variablen Viskositätskoeffizienten hat, lässt sich die Struktur der Kraftübertragungsvorrichtung vereinfachen, mit einer geringeren Teilezahl, um eine Reduktion von Größe und Gewicht zu ermöglichen, im Vergleich zu einer Kraftübertragungsvorrichtung, die separat einen Mechanismus zum Verändern der Steifigkeit des elastischen Elements sowie einen Mechanismus zum verändern des Viskositätskoeffizienten des viskosen Elements aufweist.
Eine erfindungsgemäße Kraftübertragungsvorrichtung 1 enthält eine Einheit 41 mit variabler Steifigkeit, die ein Drehmoment von einem Motor A2 aufnimmt und das Drehmoment auf eine Ausgangseinheit B überträgt, eine Einheit 42 mit variablem Viskositätskoeffizienten, die das Drehmoment von dem Motor A2 aufnimmt und das Drehmoment auf die Ausgangseinheit überträgt, sowie einen Controller A4, der die Steifigkeit der Einheit mit variabler Steifigkeit 41 und die Viskosität der Einheit 42 mit variablem Viskositätskoeffizienten modifiziert.

Claims

Kraftübertragungsvorrichtung, die von einem Antriebselement (46) übertragene Antriebskraft auf ein Abtriebselement (6) überträgt, umfassend: ein Zwischenelement (4), das ein erstes Element (41) mit variabler Steifigkeit und ein zweites Element (42) mit variabler Viskosität aufweist und konfiguriert ist, um die Antriebskraft von dem Antriebselement (46) aufzunehmen und die Antriebskraft auf das Abtriebselement (6) zu übertragen; eine erste Modifikationseinheit, die konfiguriert ist, um die Steifigkeit des ersten Elements (41) zu modifizieren; und eine zweite Modifikationseinheit, die konfiguriert ist, um die Viskosität des zweiten Elements (42) zu modifizieren, worin die Kraftübertragungsvorrichtung konfiguriert ist, um zwischen einem Übertragungszustand, in dem die Antriebskraft von dem Antriebselement (46) übertragen wird, und einem Nichtübertragungszustand, worin die Übertragung unterbrochen ist, durch Modifizieren der Steifigkeit des ersten Elements oder der Viskosität des zweiten Elements schalten zu können, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftübertragungsvorrichtung ferner umfasst: eine Antriebsquelle (A2), die Antriebskraft auf das Antriebselement (46) überträgt; und eine Steuereinheit (A4), die die Antriebsquelle (A2) steuert/regelt und konfiguriert ist, um die Steuerung/Regelung zum Modifizieren der Steifigkeit des ersten Elements (41) und der Viskosität des zweiten Elements (42) durchzuführen, wobei die Steuereinheit enthält: eine erste Bestimmungseinheit (A41, ST2), die zur Bestimmung konfiguriert ist, ob die Antriebsquelle (A2) normal steuerbar/regelbar ist; und eine zweite Bestimmungseinheit (A42, ST7), die zur Bestimmung konfiguriert ist, ob der Übertragungszustand gesetzt ist, worin: die Steuereinheit (A4) eine Steuerung/Regelung zum Erzielen des Nichtübertragungszustands in einem Fall durchführt, wo das Bestimmungsergebnis der ersten Bestimmungseinheit (A41, ST2) negativ ist (ST3), die Steuereinheit (A4) die Antriebsquelle (A2) derart steuert/regelt, dass eine Differenz zwischen der Verlagerung des Abtriebselements (6) und einer Verlagerung des Antriebselements (46) gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Wert wird, in einem Fall, wo das Bestimmungsergebnis der ersten Bestimmungseinheit (A41, ST2) positiv ist, und das Bestimmungsergebnis der zweiten Bestimmungseinheit (A42, ST7) negativ ist (ST8), und die Steuereinheit (A4) die auf das Abtriebselement (6) übertragene Antriebskraft in dem Fall steuert/regelt, wo das Bestimmungsergebnis der ersten Bestimmungseinheit (A41, ST2) positiv ist (ST3) und das Bestimmungsergebnis der zweiten Bestimmungseinheit (A42, ST7) positiv ist (ST9).
Die Kraftübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin das erste Element (41) und das zweite Element (42) jeweils einen leitfähigen Polymeraktuator (E) enthalten, und die erste Modifikationseinheit und die zweite Modifikationseinheit jeweils als Spannungsanlegeeinheit konfiguriert sind, die an den leitfähigen Polymeraktuator (E) eine Spannung anlegen.
Die Kraftübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin: das erste Element (41) und das zweite Element (42) jeweils einen rohrförmig ausgebildeten leitfähigen Polymeraktuator (E) enthalten; die erste Modifikationseinheit und die zweite Modifikationseinheit jeweils als Spannungsanlegeeinheit (A4) konfiguriert sind, die an den leitfähigen Polymeraktuator (E) eine Spannung anlegt; das Abtriebselement (6) zumindest teilweise in einem hohlen Abschnitt des leitfähigen Polymeraktuators (E) angeordnet ist; und der leitfähige Polymeraktuator (E) derart konfiguriert ist, dass ein Innenraum des hohlen Abschnitts kleiner wird, wenn von der Spannungsanlegeeinheit (A4) eine Spannung angelegt wird, und dass eine Innenwandoberfläche des hohlen Abschnitts mit dem Abtriebselement (6) in Kontakt kommt, in einem Fall, wo die angelegte Spannung gleich oder größer als eine vorbestimmte Spannung (V1) ist.
Die Kraftübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin: das erste Element (41) und das zweite Element (42) jeweils einen rohr- oder säulenförmig ausgebildeten leitfähigen Polymeraktuator (E) enthalten; die erste Modifikationseinheit und die zweite Modifikationseinheit jeweils als Spannungsanlegeeinheit (A4) konfiguriert sind, die an den leitfähigen Polymeraktuator (E) eine Spannung anlegt; ein konvexer Abschnitt (462) an einer Außenwand des leitfähigen Polymeraktuators (E) vorgesehen ist; und der leitfähige Polymeraktuator (E) konfiguriert ist, um sich in Längsrichtung des leitfähigen Polymeraktuators (E) zu kontrahieren, wenn die Spannung von der Spannungsanlegeeinheit (A4) angelegt wird, und derart, dass der konvexe Abschnitt (462) mit dem Abtriebselement (6) in Kontakt kommt, in einem Fall, wo die angelegte Spannung gleich oder größer als eine vorbestimmte Spannung (V1) ist.
Die Kraftübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin: das erste Element (41) und das zweite Element (42) jeweils einen rohr- oder säulenförmig ausgebildeten leitfähigen Polymeraktuator (E) enthalten; die erste Modifikationseinheit und die zweite Modifikationseinheit jeweils als Spannungsanlegeeinheit (A4) konfiguriert sind, die an den leitfähigen Polymeraktuator (E) eine Spannung anlegt; das Abtriebselement (6) mit einem Ende des leitfähigen Polymeraktuators (E) verbunden ist; und der leitfähige Polymeraktuator (E) konfiguriert ist, um sich in der Längsrichtung des leitfähigen Polymeraktuators (E) zu kontrahieren, wenn von der Spannungsanlegeeinheit (A4) eine Spannung angelegt wird, und derart, dass das Abtriebselement (6) mit dem Antriebselement (46) in Kontakt kommt, in einem Fall, wo die angelegte Spannung gleich oder größer als eine vorbestimmte Spannung (V1) ist.
Die Kraftübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin: die erste Modifikationseinheit einen ersten Aktuator enthält; das erste Element als Einheit mit variabler Steifigkeit (414) konfiguriert ist, deren Steifigkeit sich in Richtung senkrecht zur Antriebsrichtung verändert, indem sie in Antwort auf den Antrieb des ersten Aktuators zumindest teilweise unter Druck gesetzt wird; die zweite Modifikationseinheit einen zweiten Aktuator enthält; und das zweite Element als Einheit mit variablem Viskositätskoeffizienten (464b, 542) konfiguriert ist, deren Viskosität sich in Richtung senkrecht zur Antriebsrichtung verändert, indem sie durch Antrieb des zweiten Aktuators zumindest teilweise unter Druck gesetzt wird.
Die Kraftübertragungsvorrichtung nach Anspruch 6, worin: der erste Aktuator und der zweite Aktuator piezoelektrische Elemente (434) aufweisen, die jeweils rohr- oder säulenförmig ausgebildet sind; das erste Element eine nichtlineare Feder (414) ist; das zweite Element ein drittes Element (464) enthält, in dem ein konvexer Abschnitt (464b) vorgesehen ist, sowie ein viertes Element (54), in dem ein konkaver Abschnitt (541) entlang der Form des konvexen Abschnitts vorgesehen ist und mit viskoser Flüssigkeit (542) gefüllt ist; Antriebskraft von dem Antriebselement (464) auf eines des dritten Elements und des vierten Elements übertragen wird; Antriebskraft vom anderen des dritten Elements und des vierten Elements auf das Abtriebselement (74a) übertragen; und das zweite Element so konfiguriert ist, dass der Betrieb des piezoelektrischen Elements (434) eine Fläche vergrößert, in der der konvexe Abschnitt (464b) mit der viskosen Flüssigkeit (542) in Kontakt kommt.
Die Kraftübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin die zweite Modifikationseinheit die Viskosität gemäß der durch die erste Modifikationseinheit modifizierten Steifigkeit modifiziert, so dass die Schwingungsdämpfung des Abtriebselements (6) eine vorbestimmte Dämpfung ist.