JP2016156637A - 変速機用トルクセンサおよびトルクセンサ付き変速機 - Google Patents

Abstract

【課題】変速機に掛る負荷トルクを、高精度に検出する変速機用トルクセンサおよびトルクセンサ付き変速機を提供する。
【解決手段】予め、変速機の出力軸に係る負荷トルクの伝達が無い状態で、出力軸に生じる無トルク歪み値をその回転位置に対応した形で記憶しておき、実際、出力軸に負荷トルクが伝達されたときに掛る負荷トルクを、出力軸の回転位置に対応して記憶した無トルク歪み値を読出し、検出した歪み値との差分とによって算出する。
【選択図】図３

Description

本発明は、減速機や増速機などの変速機に掛る負荷トルクを検出するトルクセンサ、およびトルクセンサ付き変速機に関するものである。

従来、変速機として歯車を用いた方式が広く知られている。そのひとつである撓み噛み合い式歯車変速機は、剛性内歯歯車の内側にカップ状の可撓性外歯歯車が配置され、この可撓性外歯歯車の内側には、楕円形の輪郭をした波動発生器が嵌め込まれた構造を成している。可撓性外歯歯車は波動発生器によって楕円形状に撓められ、その楕円形状の長軸方向の両端の２か所で剛性内歯歯車に噛み合い、入力軸に連結された波動発生器が回転すると、可撓性外歯歯車と剛性内歯歯車の噛み合い位置も周方向に移動して、双方の歯車の歯数差に応じた相対回転が発生する。

この形式の撓み噛み合い式歯車変速機におけるトルク検出器としては、歪み検出手段である歪みゲージを、カップ状の可撓性外歯歯車のダイアフラム部または胴部外周面に接着固定し、当該可撓性外歯歯車の歪に基づき、撓み噛み合い式歯車変速機を介して伝達される負荷トルクを検出するように構成されたものが知られている。 （特許文献１）

ここで、可撓性外歯歯車の各部分は、波動発生器によって１回転当たり２周期の割合で、半径方向に繰り返し正弦波状に変位するため、トルク伝達のない状態においても歪みゲージからの出力信号に変化が生じることが知られている。

そのため特許文献１では、可撓性外歯歯車の中心軸線の回りに９０°の角度間隔に配置された一対の歪みゲージを備えた第１の歪み検出手段と、同じく当該可撓性外歯歯車の中心軸線の回りに９０°の角度間隔に配置された一対の歪みゲージを備えた第２の歪み検出手段とを有していた。第１および第２の歪み検出手段に備わる一対の歪みゲージは、回転による半径方向に繰り返し変位する位相が反転しているため、出力信号を合成することで周期的な変位に起因した誤信号を排除していた。

特開平９−１８４７７７号公報

特許文献１による発明においては、歪み検出手段に備わる一対の歪みゲージの間隔が正確に９０°をなすことで、双方の出力値の位相が反転し、合成することで誤信号を相殺することが可能となる。しかしながら、９０°の間隔を正確に実現することは困難であり、その場合は誤信号の排除が不十分となって、掛る負荷トルクを精度よく検出することができなった。

本発明は、撓み噛み合い式歯車変速機等の変速機に掛る負荷トルクを、歪み検出手段の固着位置のバラツキに依存せず高精度に検出可能とするトルクセンサおよび、トルクセンサ付き変速機の提供を課題としている。

本発明による変速機用トルクセンサは、変速機の出力軸の回転位置を検出する出力軸位置検出器と、
前記出力軸に生じる負荷トルクを検出するトルク検出器とを有し、
前記トルク検出器は、前記出力軸の歪みを測定する歪み検出手段を備え、予め前記出力軸におけるトルク伝達の無い状態で、前記出力軸に回転動作を与え前記出力軸位置検出器の検出する回転位置と、このときの回転位置における前記歪み検出手段で生じる無トルク歪み値とを、対応付けて記憶する記憶手段と、
前記出力軸に生じたトルクを検出する状態において、このときの前記歪み検出手段による計測値と、前記出力軸位置検出器の検出した回転位置に対応し前記記憶手段に記憶した歪み検出手段で生じる無トルク歪み値との差分を取ることにより、負荷トルク値を算出する演算手段を備えたことを特徴とする。

また、本発明によるトルクセンサ付き変速機は、前述の変速機用トルクセンサと歯車を用いた変速機とを備えたことを特徴とする。

本発明によると、歪み検出手段に備わる一対の歪みゲージを、正確に９０°間隔に固着することを必要とせず、撓み噛合い式歯車変速機が、波動発生器によって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影響を排除し、掛る負荷トルクを高精度に検出することが可能となる。

本発明のトルクセンサを組込んだ実施例である回転モータによるアクチュエータのブロック図。 本実施形態のアクチュエータにおける撓み噛合い式歯車変速機の構造を表した図。 本実施形態のアクチュエータにおけるトルクセンサの主要部を示すブロック図。 本実施形態における「回転リップル測定モード」のフローチャート。 本実施形態における「トルク測定モード」のフローチャート。

以下、本発明にかかわる実施例について、図１〜５を参照しながら説明を行う。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

図１は、本発明のトルクセンサ７を備えた一実施例であるアクチュエータ１を示した図である。図１のアクチュエータ１は、基本構成として、モータ２と、モータ２の回転軸２０に連結された撓み噛合い式歯車変速機３と、モータ２の回転位置を検出するためのロータリーエンコーダ等のモータ回転軸位置検出器４とからなり、モータ駆動制御回路８によってその動作が制御される。また、撓み噛合い式歯車変速機３には、トルク検出器６および出力軸位置検出器５が取り付けられている。これらは、撓み噛合い式歯車変速機３の内部に配設されている。

図２は撓み噛合い式歯車変速機３の構造を表した断面図である。モータ２の回転軸２０には波動発生器１１が結合されている。回転軸２０により波動発生器１１が回転すると、可撓性外歯歯車１２が楕円形状に撓められ、剛性内歯歯車１３と噛合いながら回転する。可撓性外歯歯車１２には出力軸１０が取り付けられていて、最終的にモータ２の回転動作が減速され、出力軸１０の回転動作がなされる。また、出力軸１０には軸径が細くなった部分、いわゆる起歪部１４が設けられ、そこにトルク検出器６を構成する歪みゲージ６ａが固着されている。ここで出力軸１０に負荷が付与された場合、出力軸１０の回転動作によって起歪部１４には歪み変形が生じ、電源供給されたホイートストンブリッジ回路を形成する歪みゲージ６ａは、その出力電圧が歪み変形量に応じて変化する。よって、歪みゲージ６ａは、歪み検出手段である。

図３は、アクチュエータ１における出力軸位置検出器５とトルク検出器６の細部を表したブロック図、およびモータ駆動制御回路８との間での信号の入出力を明示した図である。トルク検出器６は、その主な構成要素として前述の歪みゲージ６ａ、Ａ／Ｄ変換部６ｂ、演算部６ｃ、Ｄ／Ａ変換部６ｄを備え、加えて、ロジック部６ｅ、ロック部６ｆ、不揮発性メモリ部６ｇを備えている。尚、Ａ／Ｄ変換部６ｂ、演算部６ｃ、Ｄ／Ａ変換部６ｄ、ロジック部６ｅ、ロック部６ｆ、および不揮発性メモリ部６ｇの各デバイスは、詳細な回路構成は省略するが図２に示す回転基板１５ａ，１５ｂ、または固定基板１６上に実装されている。

ロジック部６ｅは、モータ駆動制御回路８からのモード切換信号ＭＳの信号レベルによって、後述する通常測定モードおよび回転リップル測定モードとのどちらモードでの動作であるかを判定する。また、回転リップル測定モードにおいては、モードが完了したことをモータ駆動制御回路８に通知する回転リップル測定モード完了信号を出力する。

ロック部６ｆは、ロジック部６ｅによってモードが通常測定モードと判定された場合、後述する手段等によって、不揮発性メモリ部６ｇへの書き込み動作を全て禁止するための制御を行う。したがって、回転リップル測定モードと判定された場合は、書き込み動作禁止は解除することになる。

ロジック部６ｅおよびロック部６ｆ、また演算部６ｃの論理演算回路部分に関しては、汎用的な回路構成にて構成され、ハードウェアロジックにより構成することも、またマイコンを用いてのソフトウェアにおいても実現可能であるため、回路についての細部を説明することは省略する。

回転リップル測定モードについて、図４のフローチャートをもとにその動作を説明する。前述のようにロジック部６ｅが、モータ駆動制御回路８からのモード切換信号ＭＳによって、Ｌｏｗ（電源ＧＮＤレベル）レベルと判断した場合に、回転リップル測定モードに移行する。

回転リップル測定モードに移行すると、モータ駆動制御回路８によって、モータ２は低速の一定回転速度にて動作が行われる（Ｓ１００）。ロジック部６ｅでは、出力軸位置検出器５からの位置（Ａ相およびＢ相）信号をアップダウンカウントして出力軸１０の位置検出を行い（Ｓ１０１）、原点（Ｚ相）信号が入力されるまで繰り返す（Ｓ１０２）。原点信号が入力され、出力軸１０が原点に達したタイミングで演算部６ｃは、歪みゲージ６ａの出力がＡ／Ｄ変換部６ｂを介して送出され検出値を歪み補正データとして取り込む。また、同時にカウントしている出力軸位置検出器５の位置信号をもって、出力軸１０の位置データとして取り込む。続いて演算部６ｃは、取り込んだ歪み補正データおよび位置データをＤＲＡＭ（図示せず）等の記憶手段によって一時的に記憶する。（Ｓ１０３）尚、本実施形態においては、出力軸位置検出器５からの位置信号をカウントして出力軸１０の位置検出を行っているが、モータ回転軸位置検出器４からの位置信号をカウントすることで、位置検出を行うことも可能である。

さらにモータ２は回転動作を続け、それに伴って撓み噛合い式歯車変速機３も回転を続ける。ここで、ロジック部６ｅは出力軸位置検出器５の位置信号を取り込み（Ｓ１０５）、再度原点に到達したかの検出（Ｓ１０６）を行う。到達していない場合（Ｓ１０４がＮ）は、撓み噛合い式歯車変速機３が予め設定した回転量分だけ、例えば、出力軸位置検出器５の位置信号からカウントできる分解能が、出力軸１０の一回転当り４０００分割とした場合、１００カウント分だけ回転動作が進むのを待ち（Ｓ１０６がＮ）、所定量分だけ回転した時点（Ｓ１０６がＹ）で、前述と同様に演算部６ｃが取りこんだ歪み補正データおよび位置データを一時的に記憶する。（Ｓ１０３）

出力軸１０が再度原点に到達した場合（Ｓ１０４がＹ）には、演算部６ｃによって一時的に記憶した歪み補正データを縦軸に、位置データを横軸にとって、正弦関数または多項式関数による近似式を求める。さらにこの近似式によって、出力軸位置検出器５の分解能に応じた歪み補正データ、すなわち無トルク歪み値を算出する（Ｓ１０７）。例えば、出力軸位置検出器５の位置信号からカウントできる分解能が、出力軸１０の一回転当り４０００分割とした場合、０〜３９９９の回転位置に対応する無トルク歪み値を算出することになる。

次に演算部６ｃは、上述の近似式によって算出した無トルク歪み値を、出力軸１０の回転位置と対応付けて不揮発性メモリ部６ｇへの書き込を行う。（Ｓ１０８）

すべて、歪み補正データを書き込み終えた時点（Ｓ１０９がＹ）で、演算部６ｃは回転リップル測定モード完了の信号をモータ駆動制御回路８に出力し、その信号を受けたモータ駆動制御回路８はモータ２の回転を停止させる。（Ｓ１１０）以上をもって、回転リップル測定モードが完了する。

続けて、通常測定モードについて、図５のフローチャートをもとにその動作の説明を行う。ロジック部６ｅが、モータ駆動制御回路８からのモード切換信号ＭＳをＨｉｇｈレベル（例えば、５Ｖ）と認識したとき、通常測定モードが実行される。

通常測定モードを認識したロジック部６ｅは、ロック部６ｆを介して不揮発性メモリ部６ｇを書き込み禁止状態に設定を行う（Ｓ１１０）。ロック部６ｆは、たとえばロジック部６ｅと不揮発性メモリ部６ｇとの間に設けられてトランスファゲート又はインバータ回路をなすＭＯＳトランジスタと、ＥＥＰＲＯＭなどの書き込みおよび消去が可能なメモリセルからなる不揮発性メモリ部６ｇに入力される電位状態に基づいてＭＯＳトランジスタを断続制御する回路により構成される。ロジック部６ｅからこのＥＥＰＲＯＭをオフ状態とすれば、トランスファゲートはオフのままとなってロジック部６ｅから不揮発性メモリ部６ｇへの書き込みが禁止される。尚、不揮発性メモリ部６ｇを構成するメモリセルとしては、一回のみの書き込み可能なＰＲＯＭや、ＥＥＰＲＯＭと同様に複数回の書き込み消去可能な、フラッシュメモリであってもよい。この種の回路自体は周知であるので回路構成の詳細は省略する。

次に、演算部６ｃにより歪みゲージ６ａの出力がＡ／Ｄ変換部６ｂへと送出され補正前歪みデータとして取り込まれる（Ｓ１１１）。続けて、出力軸位置検出器５の位置信号をカウントしたロジック部６ｅから位置データを取り込み（Ｓ１１２）、対応する歪み補正データを不揮発性メモリ部６ｇから読み出す。（Ｓ１１３）

ここで、補正前歪みデータと歪み補正データとの差分を取ることにより、負荷により発生する出力軸１０の起歪部１４の捩れ分のみを導くことができ、この値を基に掛る負荷トルクの算出を実行する。（Ｓ１１４）

算出した負荷トルク値は、モータ駆動制御回路８へとフィードバック信号として送信（Ｓ１１５）される。以上が通常測定モードの一連の動作となる。

よって、歪みゲージ６ａから取り込んだ歪みデータから、撓み噛合い式歯車変速機３が、波動発生器１１によって１回転当たり２周期の割合で半径方向に繰り返し変位分は、事前に除去された上で負荷トルクが求められ、精度の高い負荷トルク検出が実現できる。また本実施形態では、出力軸位置検出器５の回転位置分解能４０００分割に対して、無トルク歪み値を、１００カウント単位で計測し、それを以って近似式を導くことにより、出力軸１０の全回転位置での計測に比較して時間的な短縮をも実現可能となる。

本発明は、上述の実施するための形態は限定されるものではなく、例えば、撓み噛合い式歯車変速機に代わって、遊星歯車変速機を用いてもよい。また、その他の歯車を用いた変速機でもよい。

１…アクチュエータ ２…モータ ３…撓み噛合い式歯車変速機 ４…モータ回転軸位置検出器 ５…出力軸位置検出器
６…トルク検出器 ６ａ…歪みゲージ ６ｂ…Ａ／Ｄ変換部 ６ｃ…演算部 ６ｄ…Ｄ／Ａ変換部 ６ｅ…ロジック部
６ｆ…ロック部 ６ｇ…不揮発性メモリ部
７…トルクセンサ ８…モータ駆動制御回路
１０…出力軸 １１…波動発生器 １２…可撓性外歯歯車 １３…剛性内歯歯車 １４…起歪部
１５ａ，１５ｂ…回転基板 １６…固定基板
２０…回転軸

Claims (7)

1. 変速機(3)の出力軸(10)の回転位置を検出する出力軸位置検出器(5)と、
   前記出力軸(10)に生じる負荷トルクを検出するトルク検出器(6)とを有するトルクセンサ(7)であって、
   前記トルク検出器(6)は、前記出力軸の歪みを測定する歪み検出手段(6a)を備え、予め前記出力軸におけるトルク伝達の無い状態で、前記出力軸(10)に回転動作を与え前記出力軸位置検出器(5)の検出する回転位置と、このときの回転位置における前記歪み検出手段(6a)で生じる無トルク歪み値とを、対応付けて記憶する記憶手段(6g)と、
   前記出力軸(10)に生じたトルクを検出する状態において、このときの前記歪み検出手段(6a)による計測値と、前記出力軸位置検出器(5)の検出した回転位置に対応し前記記憶手段(6g)に記憶した前記歪み検出手段(6a)で生じる無トルク歪み値との差分を取ることにより、負荷トルク値を算出する演算手段(6c)を備えたことを特徴とする変速機用トルクセンサ。
2. 前記出力軸位置検出器は、ロータリーエンコーダであることを特徴とする、請求項１に記載の変速機用トルクセンサ。
3. 前記歪み検出手段は、歪みゲージによるホイートストンブリッジ回路を備えたことを特徴とする、請求項１に記載の変速機用トルクセンサ。
4. 前記記憶手段は、不揮発性メモリであることを特徴とする、請求項１に記載の変速機用トルクセンサ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の変速機用トルクセンサと、
   歯車を用いた変速機とを備えたことを特徴とするトルクセンサ付き変速機。
6. 前記歯車を用いた変速機は、撓み噛合い式歯車変速機であることを、特徴とする請求項５に記載のトルクセンサ付き変速機。
7. 前記歯車を用いた変速機は、遊星歯車変速機であることを、特徴とする請求項５に記載のトルクセンサ付き変速機。