JP2016080052A - トルク検出器付き波動歯車減速機 - Google Patents

Abstract

【課題】波動歯車減速機に掛るトルクを精度よく検出し、かつ装置全体を小型化可能な、トルク検出器付き波動歯車減速機の提供する。【解決手段】トルク検出器付き波動歯車減速機１において、波動歯車減速機１の出力部２と一体に形成された起歪部２ａに、回転中心軸線回りに９０度の角度間隔に配置された一対のトルク検出素子Ａ，Ｂを備えた第１のトルク検出手段と、回転中心軸線の回りに、第１のトルク検出手段とは異なる位置で、同じく９０度の角度間隔に配置された一対のトルク検出素子Ｃ，Ｄを備えた第２のトルク検出手段とを有し、かつ波動歯車減速機１の筺体部１６に固定された送電用一次コイル８と、波動歯車減速機１のフレックススプライン１３を含む円筒部の外周に固定された受電用二次コイル５とが対向して配設され、非接触にて給電を行う回転型変圧器が設ける。【選択図】図１

Description

本発明はトルク検出器を備えた波動歯車減速機の関するものである。さらに詳しくは、本発明は、トルク伝達の無い状態であるにもかかわらず入力軸の回転に伴って発生するトルク検出器の検出誤差（回転リップル）を防止し、かつ高精度でコンパクトなトルク検出器付き波動歯車減速機に関するものである。

図７で示すように、回転電動機に波動歯車減速機を介してのトルク検出を行う場合、回転電動機１０４の駆動軸１０１に波動歯車減速機１０３を連結し、減速してトルクを増加させ、カップリング１０５を介してトルク検出器２０を繋ぎ、その出力軸２を負荷装置に繋ぐという構成が採られていた。しかしながら上記の構成は、特に軸方向のサイズが大きくなっていた。したがって、幅広く使用されている産業用ロボットやヒューマノイドロボット等のサーボメカニズム用減速機として、トルク検出を必要とするような場合には、使い勝手の悪い構造となっていた。

また波動歯車減速機は、剛性内歯歯車であるサーキュラスプラインの内側に可撓性外歯歯車のフレックススプラインが配設され、このフレックススプラインの内側には、楕円形の輪郭をしたウエーブジェネレータが嵌め込まれる構造である。フレックススプラインは、ウエーブジェネレータによって半径方向に繰り返し変位させられるが、伝達トルクが実際には零の場合においても、ウエーブジェネレータに連結されている入力軸が回転すると、フレックススプラインの各部分が半径方向に撓まされる。楕円形に撓まされているフレックススプラインの各部分は、入力軸に連結された楕円形のウエーブジェネレータが回転すると、１回転当たり２周期の割合で半径方向に繰り返し変位する出力誤差（回転リップル）が生じるため、正確なトルク検出には、この繰り返しの出力誤差の影響を除去することが必要であった。

上記の課題を改善したものとして、特許文献１にトルク検出器付き波動歯車減速機が開示されている。トルク検出用の歪ゲージを、剛性部材であるサーキュラスプラインの外周面に対して周方向に向け等間隔に４個を添着するトルク検出構造が提案されている。これによって、回転リップルを検出値から排除することに加え、従来波動歯車減速機の出力軸先端部分に装着されるトルク検出器を、減速機内部に収納することが可能となり減速機の小型化する効果を実現した。

また、同様な効果を実現する発明として、特許文献２が開示されている。フレックススプラインの外面または内面に４つの歪ゲージを添着し、当該フレックススプラインの歪に基づき、波動歯車減速機を介して伝達されるトルクを検出するように構成されたものである。

実開平７−２０５３７号公報 特開平９−１８４７７７号公報

ここで、波動歯車減速機のサーキュラスプラインおよびフレックススプラインは、互いが噛み合うことで動力を伝達するための部位であり、歪みゲージを添着してその変形を測定するには、ウエーブジェネレータからダイレクトに受ける振動の影響や、動力の伝達を第一とした形状においても出力軸のトルク測定に対して不向きな点が存在していた。またサーキュラスプラインおよびフレックススプラインは、出力軸と比較して外径が大きく、そこに歪みゲージを添着したものでは、トルクを検出するには精度の面で問題があった。さらに、歪みゲージ等によるトルク検出は、その電気的な変化によって測定可能とする構成であり電流を流すことが必須である。トルク検出器を備えた波動歯車減速では、歪みゲージに電気を供給する構造が不可欠となり、この部分を含めた小型化が必要であった。

本発明は、波動歯車減速機に掛るトルクを精度よく検出し、かつトルク検出部分への給電も含め装置全体を小型化可能な、トルク検出器付き波動歯車減速機の提供を課題としている。

本発明のトルク検出器付き波動歯車減速機は、回転電動機の駆動部に結合され、サーキュラスプライン、フレックススプライン及びウエーブジェネレータとで構成される波動歯車減速機と、前記波動歯車減速機のトルクを検出するトルク検出器を備えたトルク検出器付き波動歯車減速機において、前記波動歯車減速機の出力部に一体形成された起歪部と、前記起歪部に対し前記出力部の回転中心軸線回りに９０度の角度間隔に配設された一対のトルク検出素子からなる第１のトルク検出手段と、前記回転中心軸線の回りに、前記第１のトルク検出手段とは異なる位置で、同じく９０度の角度間隔に配置された一対のトルク検出素子からなる第２のトルク検出手段とを少なくとも有し、かつ前記波動歯車減速機の筺体部に固定された送電用一次コイルと、
前記波動歯車減速機のフレックススプラインを含む円筒部の外周に固定された受電用二次コイルとが対向して配設され、非接触にて給電を行う回転型変圧器が設けられたことを特徴とする。

本発明ではウエーブジェネレータからの振動の影響を直接的に受けるフレックススプライン、サーキュラスプラインでのトルク検出を行うことなく、負荷装置と結合する波動歯車減速機の出力部により近い位置でのトルク検出が可能であり、高精度なトルク検出を実現できる。しかも、スフレックススプラインの円筒部を利用し回転型変圧器を載置したため、空間の有効利用がなされて装置全体の小型化を可能とした。

本発明のトルク検出器付き波動歯車減速機の断面構造図 本発明、第一の実施形態のトルク検出器付き波動歯車減速機おけるトルク検出器のトルク検出ユニット部を固定した状態の拡大図 本発明、第一の実施形態のトルク検出素子ユニット部の外観図 本発明、第一の実施形態のトルク検出素子ユニット部の配線パターン図 本発明、第二の実施形態のトルク検出器付き波動歯車減速機おけるトルク検出器のトルク検出ユニット部を固定した状態の拡大図 本発明、第二の実施形態のトルク検出素子ユニット部の配線パターン図 従来のトルク検出器と波動歯車減速機の接続図

以下、本発明による第一の実施形態について、図１〜図４をもとに詳細な説明を行う。

図１は本発明の実施形態を示した断面構造図である。このトルク検出器付き波動歯車減速機は、トルク検出器と減速機部分とを一体化して形成したものである。

出力軸２は、回転自在に支持され減速機で減速した動力を伝達するとともに、トルクを検出するために起歪部２ａを備え、本実施形態における出力部を形成する。起歪部２ａは、出力軸２の軸方向の中央部でその外径が小さく設けられており、出力軸２の軸方向には強度を有して変形せず、捩れ方向には変形するため、この表面に歪みゲージＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄを添着し、この起歪部２ａに生じる捩れを電気抵抗値の変化から感知して、トルクを検知するものである。この起歪部２ａの形状は円柱形に限らず、測定するトルク量によって適切な形状が選択される。出力軸２の負荷側においては不図示の負荷装置と機械的に接続され、負荷装置と同期して回転することでトルクを検出する。

一方回転電動機の駆動軸１０１は、不図示の回転電動機の筐体に設けられたベアリング１０２によって回転自在に支持されており、減速機の入力側となるウエーブジェネレータ１４に接続されて回転動力が出力軸２へ伝達される。

ベアリング３は例えば円筒形のコロによる線接触にて荷重を受けるクロスローラベアリングであり、その外輪は固定側であり筐体を兼ねる接続部１７に固定されて、出力軸２を回転自在に支持するように設けられている。従ってベアリング３ａは外輪であり、これと対向したベアリング３ｂは内輪であって、出力軸２とネジによって固定することで出力軸２は回転自在となっている。

送電用一次コア７および送電用一次コイル８と、受電用二次コア６および受電用二次コイル５は、非接触で電力を給電する回転型変圧器構造を成している。出力軸２には共に回転する回転基板４があり、回転基板４には起歪部２ａの円筒表面に添着された歪みゲージＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄを含んで構成するトルク検出用回路が搭載されており、この回路に非接触にて給電を行っている。

以下、この回路における電力および電気信号の流れについて説明する。固定基板１０には、外部の直流電源装置より電力供給され、さらに直流を交流に変換した後、出力軸２に設けられ共に回転する回路へ電力を供給するスイッチング回路が設けられている。尚、固定基板１０は筺体１６へと固定がされている。

送電用一次コア７は、両端に突部を設けた断面コの字型の形状をしたフェライトであり、コアホルダ９を介して固定基板１０に取り付けられている。送電用一次コア７の両突部間には銅線を巻回してなる送電用一次コイル８が設けられている。この送電用一次コイル８には固定基板１０と電気的に接続されており、固定基板１０内のスイッチング回路から電力が供給される。

一方、フレックススプライン１３には、送電用一次コア７および送電用一次コイル８と所定間隔をおいて対向するように、変圧器の二次側が構成されている。フレックススプライン１３の円筒外周面上に、フェライトシートからなる受電用二次コア６が設けられ、この受電用二次コア６の外周には銅線を巻回してなる受電用二次コイル５が設けられている。受電用二次コア６は短冊状のフェライトシートにて構成され、両面テープ若しくは接着剤などによってフレックススプライン１３に巻回することで形成ができる。また受電用二次コイル５から引き出された線は回転基板４に電気的に接続されている。

従って、外部の直流電源装置から固定基板１０へ電源が供給され、固定基板１０上のスイッチング回路にて交流に変換された電流を送電用一次コイル８に通電すると交流磁界が発生し、この交流磁界が出力軸２側の受電用二次コア６に透過することで、受電用二次コイル５に電流が誘起される。誘起された電流は、回転基板４内の整流化回路および安定化回路を経て、歪みゲージＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄに供給される。

実際のトルクの検出は、出力軸２にトルクが加わると、出力軸２の起歪部２ａがトルクの大きさに応じて歪み、この歪みの大きさが歪みゲージＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの電気抵抗値の変化の大きさとして検出される。検出は回転基板４内に設けられたトルク検出回路により行われ、この検出アナログ信号はＡＤ変換でデジタル化および変調される。

このデジタル化した信号は、回転基板４に設けられた赤外線通信を行うＬＥＤにより送信され、固定基板１０上に設けられた受光素子でこれを受信して、トルク値に対応したデジタル信号を得ることができる。固定基板１０には復調回路が設けられており、検出したトルク値に対応する電圧信号を出力できるようになっている。そして、この出力された電圧信号は、公知の手段にて表示器等に表示されるとともに、回転電動機の制御に使用される。

回転基板４は、基板固定支柱１９により出力軸２のつば部２ｂに固定されており、リング状の形状をしていて、回転時のバランスを保つように電子部品の配置位置が基板上で考慮されている。本実施形態では回転基板４は２つの基板（４ａ，４ｂ）から構成されているが、出力軸２の直径寸法によっては基板面積を広くすることが出来て、１つの基板で構成される場合もある。

一方、出力軸２に対して駆動軸１０１側には、波動歯車減速機が接続されている。波動歯車減速機は、薄肉カップの形状をして開口部外周にギア歯がもうけられたフレックススプライン１３と、このフレックススプライン１３の外周ギア歯に対応して内周面にギア歯を持つサーキュラスプライン１２と、フレックススプライン１３の開口した内周部に位置して回転電動機の駆動軸１０１と結合したウエーブジェネレータ１４から構成されている。

ウエーブジェネレータ１４は楕円状カムの外周に薄肉のボール・ベアリングを組み合わせた部品であり、ベアリングの内輪はカムに固定され、外輪はボールを介して弾性変形する。フレックススプライン１３は薄肉カップ状の金属弾性体であり、このフレックススプライン１３の薄肉カップの底はダイヤフラムと呼ばれ減速機出力面として機能する。サーキュラスプライン１２は剛体リング状の部品で、フレックススプライン１３より歯数が２枚多い内歯構造となっている。

フレックススプライン１３はウエーブジェネレータ１４により楕円状に撓み、楕円の長軸の箇所でサーキュラスプライン１２と歯が噛み合い、短軸の箇所では歯は噛み合わない状態になる。サーキュラスプライン１２を固定し、ウエーブジェネレータ１４を時計方向へ回すと、フレックススプライン１３は弾性変形し、サーキュラスプライン１２との歯の噛み合い位置が順次移動する。ウエーブジェネレータ１４が1回転すると、歯数差２枚分だけフレックススプライン１３は反時計方向へ移動する。従って、波動歯車減速機のフレックススプライン１３のダイヤフラムが出力面となって、この波動歯車減速機の減速比だけ減速することになる。

そして出力軸２はフレックススプライン１３のダイヤフラム部すなわち減速機出力面とネジによって締結されている。フレックススプライン１３の噛み合う歯車部と受電用二次コア６および受電用二次コイル５の軸方向の中間には、減速機側のオイルの飛散を防ぐ目的で、オイルシール１１が設けられている。オイルシール１１はカバー１６に挿入されてフレックススプライン１３の円筒面に接触してシールがなされる。

一方出力軸２は、半径方向に張り出したつば部２ｂにてベアリング内輪３ｂに固定されている。このベアリング内輪３ｂと対向するように設けられたベアリング外輪３ａは、外装部を兼ねる接続部１７に固定される。

図２〜４は、本発明のトルク検出器付き波動歯車減速機におけるトルク検出素子ユニット、第一の実施形態の詳細を示した図である。

図２は第一の実施形態におけるトルク検出素子ユニットの詳細を示している。本実施形態のトルク検出素子ユニットは、歪みゲージをトルク検出素子に使用し４つの歪みゲージによって構成されている。歪みゲージＡおよびＣは単軸の右４５°歪みゲージであり、歪みゲージＢおよびＤは単軸の左４５°歪みゲージである。図２の左方向から見て、歪みゲージＡを起点に回転中心軸ＳＬを中心に９０°時計まわりに回転した位置に歪みゲージＢが配設され、第１のトルク検出手段をなしている。同じく歪みゲージＣを起点に回転中心軸ＳＬを中心に９０°時計まわりに回転した位置に歪みゲージＤが配設され、第２のトルク検出手段をなしている。また本実施形態では、歪みゲージＡとＣとでは、回転中心軸ＳＬを中心に１８０°に位置をなしているが、この位置関係は歪みゲージ同士が干渉しない位置であるならば、特に何度であってもかまわない。

図３に示すように、トルク検出素子ユニット２００は、ポリイミド樹脂等のシート２０１の表面にＣｕ−Ｎｉ系材料などからなる歪みゲージパターンを形成したものである。これらの配線パターン（図４参照）も一体形成された構成となっている。

また配線パターン２０２は、図４に示すような、ホイートストンブリッジ回路を構成する。その一対の接続点ＳＩＧ＋、ＳＩＧ−に所定の電圧、電流を加えると、他方の一対の接続点ＥＸＣ＋、ＥＸＣ−から、トルク検出器付き波動歯車減速機１を介して出力軸２に伝達されるトルクの大きさに応じて変動する出力信号が得られる。またこの出力信号は、前述の回転リップルが１８０°の位相をもった正弦波成分であるため、９０°の間隔で配置した一対の歪みゲージの出力を合成することで予め除去されている。

図５〜６に本発明、本発明のトルク検出器付き波動歯車減速機におけるトルク検出素子ユニット、第二の実施形態の詳細を示す。

図５は第二の実施形態におけるトルク検出素子ユニットの詳細を示している。本実施形態では、トルク検出素子として矢羽型の−４５°歪みゲージ４つ（Ａ１，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１）と＋４５°歪みゲージ４つ（Ａ２，Ｂ２，Ｃ２，Ｄ２）の計８つの歪みゲージを用い、トルク検出ユニットが構成されている。

図５の左方向から見て、歪みゲージＡ１を起点に回転中心軸ＳＬを中心に９０°時計まわりに回転した位置に歪みゲージＢ１が配設され、第１のトルク検出手段をなしている。同じく歪みゲージＣ１を起点に回転中心軸ＳＬを中心に９０°時計まわりに回転した位置に歪みゲージＤ１が配設され、第２のトルク検出手段をなしている。また、歪みゲージＡ２を起点に回転中心軸ＳＬを中心に９０°時計まわりに回転した位置に歪みゲージＢ２が配設され、第３のトルク検出手段をなし、歪みゲージＣ２を起点に回転中心軸ＳＬを中心に９０°時計まわりに回転した位置に歪みゲージＤ２が配設され、第４のトルク検出手段をなしている。ここで本実施形態では、歪みゲージＡ１とＣ１ならびにＡ２とＣ１とでは、回転中心軸ＳＬを中心に１８０°に位置をなしているが、この位置関係は歪みゲージ同士が干渉しない位置であるならば、特に何度であってもかまわない。

図６は、第二の実施形態の配線パターン２１２で、ホイートストンブリッジ回路を構成する。その一対の接続点ＳＩＧ＋、ＳＩＧ−に所定の電圧、電流を加えると、他方の一対の接続点ＥＸＣ＋、ＥＸＣ−から、トルク検出器付き波動歯車減速機１を介して出力軸２に伝達されるトルクの大きさに応じて変動する出力信号が得られる。またこの出力信号は、上記第一の実施形態と同様の原理で回転リップル成分は予め除去されている。

以上説明したように、本実施形態ではウエーブジェネレータからの振動の影響を直接的に受けることなく、小径形状化によって高精度にトルク検出が可能な起歪部にトルク検出ユニットを添着することができる。また、トルク検出素子である歪みゲージに通電するに必要な給電部を、空きスペースとなるフレックススプラインの円筒外周部に載置することで、同時に小型化も実現できる。

尚、本発明は前述の実施形態に限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは勿論である。

１…トルク検出器付き波動歯車減速機
２…出力軸（出力部）
２ａ…起歪部
２ｂ…つば部
３…ベアリング
３ａ…ベアリング外輪
３ｂ…ベアリング内輪
４ａ、４ｂ…回転基板
５…受電用二次コイル
６…受電用二次コア
７…送電用一次コア
８…送電用一次コイル
９…コアホルダ
１０…固定基板
１１…オイルシール
１２…サーキュラスプライン
１３…フレックススプライン
１４…ウエーブジェネレータ
１５…軸カバー
１６…筺体
１７…接続部
１９…基板固定支柱
２０…トルク検出器
１０１…駆動軸
１０２…ベアリング
１０３…波動歯車減速機
１０４…回転電動機
１０５…カップリング
２００…トルク検出素子ユニット
２０１…シート
２０２…配線パターン
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ…歪みゲージ

Claims (3)

1. 回転電動機の駆動部に結合され、サーキュラスプライン、フレックススプライン及びウエーブジェネレータとで構成される波動歯車減速機と、前記波動歯車減速機のトルクを検出するトルク検出器を備えたトルク検出器付き波動歯車減速機において、
   前記波動歯車減速機の出力部に一体形成された起歪部と、
   前記起歪部に対し前記出力部の回転中心軸線回りに９０度の角度間隔に配設された一対のトルク検出素子からなる第１のトルク検出手段と、前記回転中心軸線の回りに、前記第１のトルク検出手段とは異なる位置で、同じく９０度の角度間隔に配置された一対のトルク検出素子からなる第２のトルク検出手段とを少なくとも有し、
   かつ前記波動歯車減速機の筺体部に固定された送電用一次コイルと、
   前記波動歯車減速機のフレックススプラインを含む円筒部の外周に固定された受電用二次コイルとが対向して配設され、非接触にて前記トルク検出素子に給電を行う回転型変圧器が設けられたこと
   を特徴とするトルク検出器付き波動歯車減速機。
2. 前記トルク検出素子が歪みゲージでことを特徴とする請求項１に記載のトルク検出器付き波動歯車減速機。
3. 前記トルク検出素子は、樹脂製シートの表面に金属材料からなるゲージパターンおよび配線パターンが一体形成されたことを特徴とする請求項１および２に記載のトルク検出器付き波動歯車減速機。