JP3451130B2 - トルクセンサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば産業ロボットの
減速機等として用いられる波動減速機機構等において伝
達されるトルクを検出するトルクセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年産業ロボットは多用されているが、
このロボットの制御において、関節部等のトルクを計測
しこれを制御に利用することは、ロボットの制御性能を
向上させる上で非常に有用である。また、計測トルクを
用いて故障診断を行うようにすれば、安全性を向上させ
ることができる。このようなロボットに用いられる波動
減速機機構といった減速機等において生じる非線形摩擦
はサーボ系の高速化、高精度化を阻害する要因の一つで
あり、この摩擦を検出トルクを用いて補償し、サーボ系
の作動速度、精度を向上させることも考えられている。

【０００３】このように伝達トルクを計測することはロ
ボットの制御等において非常に重要なことであり、従来
から、種々の検出装置が用いられている。一例を挙げれ
ば、歪ゲージを用いたトルク検出装置があり、この装置
の場合には、例えば、波動減速機機構のフレクスプライ
ンの弾性変形を、歪ゲージを用いて検出してトルク検出
が行われる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、歪ゲー
ジは衝撃等に弱いため、移動ロボット等のような関節部
に衝撃がかかり易いものに用いるのが難しいという問題
がある。また、減速機構とは別体に構成されたトルクセ
ンサを組み込んで用いることもあるが、このようなトル
クセンサを用いるときには、新たに弾性要素を導入した
り、ロボットの関節部の機構を変更しなければならな
い。ここで、弾性要素の追加は機構全体の剛性を低下さ
せてロボットの性能を低下させるおそれがあるという問
題があり、関節部の機構の変更は全体重量増加を招き、
移動ロボット等の場合には駆動に必要なエネルギーが増
加するという問題がある。

【０００５】本発明はこのような問題に鑑みたもので、
新たに弾性要素を追加したり、機構の変更を必要とせ
ず、且つ歪ゲージを用いることなくトルク測定を行うこ
とができるような構成のトルクセンサを提供することを
目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段および作用】このような目
的達成のため、第１の本発明においては、トルク伝達可
能でこのトルクを受けて弾性変形する弾性体の表面に設
けられ、このトルクを検出するトルクセンサが、弾性体
の表面に周方向に延びて接着され弾性体の弾性変形に応
じてその磁気歪特性が変化する第１磁性体層と、この第
１磁性体層上に重ねて配設され磁気歪特性の変化を検出
する平板状コイルと、この平板状コイルを覆って配設さ
れた第２磁性体層とから構成される。そして、平板状コ
イルが、第１および第２磁性体層を通る磁界を発生させ
る平板状励磁コイルと、この励磁コイルに重なって配設
され発生した磁界により相互誘導される誘導起電力を検
出する平板状検出コイルとからなり、平板状励磁コイル
を通電励磁させる通電励磁手段と、この通電励磁により
検出コイル層に発生する相互誘導起電力を検出する誘導
起電力検出手段とからなる処理回路を有する。

【０００７】このような構成のトルクセンサは、減速機
構等のトルク伝達部材の側面もしくは外周面に周方向に
延びて第１磁性体層を接着して取り付けられる。しか
も、このトルクセンサは、２つの磁性体層と、これらに
挟まれたプリント配線板から構成されており、厚さの薄
い構成であるため、減速機構のトルク伝達部材（例え
ば、波動減速機機構のフレクスプライン部材）の表面に
直接接着するだけでよく、減速機構を変更したり、新た
な部品を追加することなく簡単に取り付けることが可能
である。さらに、歪ゲージに比べて耐衝撃性能が高く、
移動ロボットにのように衝撃が加わりやすい関節部にも
用いることができる。

【０００８】また、第２の本発明によれば、トルク伝達
可能でこのトルクを受けて弾性変形する弾性体の表面に
設けられ、このトルクを検出するトルクセンサにおい
て、弾性体が、一端にフレクスプラインを有する薄肉円
筒状のカップリング部とこのカップリング部の他端に一
体に繋がった円盤状底壁部とから構成され、フレクスプ
ラインから入力されるトルクをカップリング部および円
盤状底壁部を介して円盤状底壁部に出力軸に伝達するよ
うに構成される。そしてこのトルクセンサは、カップリ
ング部の外周面もしくは円盤状底壁部の外表面に周方向
に延びて接着されて弾性体の弾性変形に応じてその磁気
歪特性が変化する第１磁性体層と、この第１磁性体層上
に重ねて配設され磁気歪特性の変化を検出する平板状コ
イルと、この平板状コイルを覆って配設された第２磁性
体層とから構成される。

【０００９】なお、平板状コイルが、第１および第２磁
性体層を通る磁界を発生させる平板状励磁コイルと、こ
の励磁コイルに重なって配設され発生した磁界により相
互誘導される誘導起電力を検出する平板状検出コイルと
からなり、平板状励磁コイルを通電励磁させる通電励磁
手段と、この通電励磁により検出コイル層に発生する相
互誘導起電力を検出する誘導起電力検出手段とからなる
処理回路を有するように構成するのが好ましい。

【００１０】平板状コイルは絶縁材料製フレキシブルシ
ートの表面に導電材料製のコイルパターン層を形成して
作るのが好ましい。また、第１磁性体層および前記第２
磁性体層としてはともにアモルファスもしくはアモルフ
ァス合金が用いられることが多い。

【００１１】なお、第１磁性体層に、周方向に対しほぼ
４５度の角度を有した複数のスリットを周方向に並べて
形成するのが好ましい。この場合、このような複数のス
リットを並列に２列形成し、一方の列のスリットを周方
向に対して右にほぼ４５度の角度を有して形成し、他方
のスリットを左にほぼ４５度の角度を有して形成し、検
出コイル層を、この一方の列に対向する第１検出コイル
層と他方の列に対向する第２検出コイル層とから構成す
るのが望ましい。

【００１２】弾性体がトルクを受けて弾性変形するとき
に、この弾性体の表面における磁気歪は周方向に対して
４５度の方向において最大となり、磁気透磁率変化もこ
の方向において最大となる。このため、周方向に対して
４５度の角度を有した複数のスリットを周方向に並べて
形成すれば、形状的な異方性効果が加わって弾性変形時
における磁気透磁率変化が増幅されて表れるため、トル
ク検出をより正確に行うことができる。

【００１３】さらに、弾性変形時にその表面には圧縮応
力および引っ張り応力が相反する方向に生じるため、上
記のように左右それぞれ４５度の角度を有する２列のス
リットを形成すれば、第１検出コイル層の誘導起電力と
第２検出コイル層の誘導起電力が正負逆となり、両起電
力の差を検出することによりトルク検出をより正確に行
うことが可能である。

【００１４】また、このトルクセンサを波動減速機機構
の伝達トルクを検出するために用いることができ、この
ときには、弾性体からなるフレクスプライン部材の円盤
状側面もしくは円筒状外周面に第１磁性体層が接着され
てトルクセンサが配設される。フレクスプライン部材は
駆動時に大きく弾性変形される部材であり、この大きな
弾性変形が生じる部材にトルクセンサを配設することに
より、より正確なトルク検出が可能となる。

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の好ましい実施
例について説明する。本発明に係るトルクセンサを備え
た波動減速機機構の一例を図１に示している。この機構
は、内歯サーキュラースプライン１ａが形成されたほぼ
円筒状の支持ケース１とこの支持ケース１に結合された
フランジカバー２とに囲まれた空間内に、以下の部材を
ベアリング８ａ，８ｂにより回転自在に支持して構成さ
れる。なお、これら支持ケース１およびフランジカバー
２は通常、固定保持される。波動減速機機構は入力軸３
の回転を非常に大きな減速比（数十から百数十といった
非常に大きな減速比）で減速して出力軸１３に伝達する
機構であるが、この機構そのものは従来から公知である
ので、この機構自体の説明は簡単に行う。

【００１６】入力軸３はベアリング８ａを介してフラン
ジカバー２により回転自在に支持されており、一端が外
方に突出し、他端に楕円盤カム５が結合されている。こ
の楕円盤カム５の外周に沿って複数の押圧ボール６ａを
等間隔で配設してウェーブジェネレータ６が構成されて
いる。一方、出力軸１３はベアリング８ｂを介して支持
ケース１により回転自在に支持されるとともに、一端が
支持ケース１の側面から外方に突出し、他端が支持ケー
ス２内に配設されたフレクスプライン部材１０に結合さ
れている。

【００１７】フレクスプライン部材１０は、弾性材料か
ら形成された部材で、先端部に外歯フレクスプライン１
１を有するとともに、この外歯フレクスプライン１１と
出力軸１３とを結合する円盤状底壁１２ａを有した薄肉
円筒状のカップリング部１２を有して構成される。外歯
フレクスプライン１１の内周面に沿ってウェーブジェネ
レータ６が位置するとともに、この外歯フレクスプライ
ン１１は内歯サーキュラースプライン１ａと噛合する位
置にある。

【００１８】ウェーブジェネレータ６において、楕円盤
カム５はその楕円形状に対応してボール６ａを外周方向
に押し上げ、フレクスプライン１１は楕円形に弾性変形
される。このとき、フレクスプライン１１における楕円
の長軸に対応する部分が最も外周側に押し出されるよう
に変形し、フレクスプライン１１は１８０度離れた２箇
所において内歯サーキュラースプライン１ａと噛合す
る。

【００１９】以上の構成の波動減速機機構において、入
力軸３が回転駆動されるとこれに結合されたウェーブジ
ェネレータ６（楕円盤カム５）が一緒に回転され、フレ
クスプライン１１と内歯サーキュラースプライン１ａと
の噛合位置がこの回転とともに回転移動する。ここで、
内歯サーキュラースプライン１ａの歯数に対してフレク
スプライン１１の歯数が１〜数枚少なく形成されてお
り、上記のように入力軸３の回転に応じて噛合位置が回
転移動すると、入力軸３が１回転したときにフレクスプ
ライン部材１０はこの相違歯数分だけ回転する。すなわ
ち、入力軸３の一回転に対して出力軸１３はフレクスプ
ライン１１の１〜数枚の歯数分しか回転されず、非常に
大きな減速比で回転が伝達される。

【００２０】この波動減速機機構におけるフレクスプラ
イン部材１０の円盤状底壁１２ａの外側面に、このフレ
クスプライン部材１０を介して伝達されるトルクを検出
するトルクセンサ２０が接着されて配設されている。こ
のトルクセンサ２０の上には保護カバー１５が取り付け
られている。なお、フレクスプライン部材１０を保護カ
バー１５を外した状態で図２に示している。本例のトル
クセンサ２０は、図３に示すように、中央に開口を有す
るドーナッツ型円盤状に形成され、このトルクセンサ２
０を構成する励磁コイルを励磁したり、検出コイルの誘
導起電力を検出したりする処理回路３０がトルクセンサ
２０に接続されている。

【００２１】このトルクセンサ２０をフレクスプライン
部材１０に取り付けた状態を図４に示している。トルク
センサ２０は、アモルファスシートもしくはアモルファ
ス合金シートから形成された第１磁性体層２２を有し、
この第１磁性体層２２は接着剤を含浸させたカーボンク
ロスシート２１によりフレクスプライン部材１０の円盤
状底壁１２ａの外側面にしっかりと接着されている。こ
の第１磁性体層２２の上には、励磁コイルパターン２３
ａ，２３ｂが形成された励磁用プリント配線板２３と、
検出コイルパターン２４ａ，２４ｂが形成された検出用
プリント配線板２４とが重ねて配設され、この上に、ア
モルファスシートもしくはアモルファス合金シートから
なる第２磁性体層２５ａ，２５ｂが配設されている。

【００２２】第１磁性体層２２は、図５に示すように、
アモルファスもしくはアモルファス合金からなるシート
を中央に円状開口２２ｃを有した円盤状に形成して作ら
れており、周方向に整列した複数のスリット２２ａ，２
２ｂが２列にリング状に並んで形成されている。図示の
ように、内周側スリット２２ａおよび外周側スリット２
２ｂはそれぞれ、周方向に対して４５度傾いて形成され
ており、しかも、内周側スリット２２ａは周方向に対し
て左側に４５度傾き、外周側スリット２２ｂは周方向に
対して右側に４５度傾いて形成されている。なお、内周
側スリット２２ａを右側に４５度傾け、外周側スリット
２２ｂを左側に４５度傾けてもよい。

【００２３】励磁用プリント配線板２３は、図６に示す
ように、絶縁材料性フレキシブルプリント基板２３ｅの
表面に、内周側に位置するとともに時計回り方向に形成
された第１励磁コイルパターン２３ａと、外周側に位置
するとともに反時計回り方向に形成された第２励磁コイ
ルパターン２３ｂとが形成されて作られている。図にお
いて、各コイルパターン２３ａ，２３ｂはそれぞれ約二
周するように形成されているが、もっと多くの巻数のコ
イルパターンをそれぞれ形成しても良い。

【００２４】なお、図４においてはコイルパターン２２
ａ，２２ｂを模式的に断面円形に示しているが、実際は
プリント基板の上に形成された導電材料パターンであ
る。また、図６において、実線のコイルパターンはフレ
キシブルプリント基板２３ｅの表面に形成され、破線の
コイルパターンは裏面に形成されている。なお、間に絶
縁層を介して両コイルパターンを表面もしくは裏面に多
層に形成してもよい。

【００２５】第１励磁コイルパターン２３ａの外周端と
第２励磁コイルパターン２３ｂの内周端が接続されると
ともに、第１励磁コイルパターン２３ａの内周端と第２
励磁コイルパターン２３ｂの外周端がそれぞれ励磁用コ
ネクタ部２３ｃに接続されており、励磁用コネクタ部２
３ｃ以外のコイルパターンは絶縁コーティングされてい
る。励磁用コネクタ部２３ｃは露出しており、これらコ
ネクタ部２３ｃ間に電流を流せば、第１および第２励磁
コイルパターン２３ａ，２３ｂを流れる電流により、図
４に矢印Ｐ，Ｑで示す磁界が発生する。このとき、両コ
イルパターン２３ａ，２３ｂの巻方向が反対なので、両
磁界Ｐ，Ｑも反対方向の磁界となる。

【００２６】検出用プリント配線板２４は、図７に示す
ように、絶縁材料性フレキシブルプリント基板２４ｅの
表面に、内周側に位置して時計回り方向に形成された第
１検出コイルパターン２４ａと、外周側に位置して反時
計回り方向に形成された第２検出コイルパターン２４ｂ
とが形成されて作られている。この検出用プリント配線
板２４においても、各コイルパターン２４ａ，２４ｂの
巻数をもっと多くしても良く、実線のコイルパターンが
フレキシブルプリント基板２３ｅの表面に形成され、破
線のコイルパターンが裏面に形成される。なお、第１検
出コイルパターン２４ａは第１検出用コネクタ部２４ｃ
に繋がり、第２検出コイルパターン２４ｂは第２検出用
コネクタ部２４ｄに繋がる。

【００２７】上記両プリント配線板２３，２４が第１磁
性体層２２の上に重ねられた状態で、第１励磁コイルパ
ターン２３ａおよび第１検出パターン２４ａはともに内
周側スリット２２ａの上に重なり、第２励磁コイルパタ
ーン２３ｂおよび第２検出パターン２４ｂはともに外周
側スリット２２ｂの上に重なる。

【００２８】そして、内周側に位置する第２磁性体層２
５ａは第１励磁コイルパターン２３ａおよび第１検出パ
ターン２４ａを覆うリング状に形成され、これらの上に
重ねて取り付けられる。同様に、外周側に位置する第２
磁性体層２５ｂは第２励磁コイルパターン２３ｂおよび
第２検出パターン２４ｂを覆うリング状に形成され、こ
れらの上に重ねて取り付けられる。これら第２磁性体層
２５ａ，２５ｂは励磁用コネクタ部２３ｃ間に電流を流
して図４に示す磁界Ｐ，Ｑを発生されるとき誘磁体とし
ての役目を果たし、第１および第２励磁コイルパターン
２３ａ，２３ｂの周りに磁界Ｐ，Ｑを明瞭に発生させ
る。

【００２９】第１磁性体層２２はフレクスプライン部材
１０の円盤状底壁１２ａの外側面に接着されているた
め、フレクスプライン部材１０を介してトルク伝達がな
されるときにフレクスプライン部材１０がこのトルクを
受けて弾性変形すると、第１磁性体層２２も一緒に変形
し、この変形により第１磁性体層２２の磁気歪特性が変
化して透磁率が変化する。このように透磁率が変化する
と、磁界Ｐ，Ｑの強度が変化するので、第１および第２
検出コイルパターン２４ａ，２４ｂに生じる誘導起電力
の変化を第１および第２コネクタ部２４ｃ，２４ｄから
取り出して検出すれば、透磁率の変化を検出することが
できる。

【００３０】このようにして検出した透磁率の変化はフ
レクスプライン部材１０の弾性変形に比例するため、こ
の透磁率の変化に基づいてフレクスプライン部材１０を
介して伝達されるトルクを演算して求めることができ
る。なお、フレクスプライン部材１０はウェーブジェネ
レータ６により楕円形状に弾性変形されるため、第１磁
性体層２２の磁気歪特性はこの弾性変形の影響も受ける
のであるが、楕円形状の弾性変形は全周にわたって磁気
歪特性を平均すれば、零となるため、実際には伝達トル
クのみを検出することが可能である。

【００３１】このように、本発明のトルクセンサは第１
磁性体層２２の透磁率の変化を検出してトルクを検出す
るものであるが、第１磁性体層２２の透磁率の変化が最
大となる方向、すなわち、周方向に対して４５度傾いた
方向にスリット２２ａ，２２ｂを形成している。図５に
示すように、フレクスプライン部材１０にトルクＴが作
用すると内周側のスリット２２ａが形成された部分には
矢印Ａで示すようにスリット２２ａの方向に圧縮力が作
用し、外周側のスリット２２ｂが形成された部分には矢
印Ｂで示すようにスリット２２ｂの方向に引っ張り力が
作用する。このとき、スリット２２ａ，２２ｂにより形
状的な異方性効果を得て第１磁性体層２２における透磁
率変化を増幅させることができ、トルクの検出精度がよ
り高くなる。

【００３２】以上のようにして透磁率変化を検出する装
置、すなわち、図３に示した処理回路３０について図８
を参照して説明する。この回路３０は交流電源３１を有
しており、この交流電源３１からの交流電流が励磁用コ
ネクタ部２３ｃを介して第１および第２励磁コイルパタ
ーン２３ａ，２３ｂに流されてこれらが励起される。こ
れにより、この電流に対応して互いに反対方向となる磁
界Ｐ，Ｑが図４に示すように、これらコイルパターン２
３ａ，２３ｂの周りに発生する。

【００３３】この磁界Ｐ，Ｑは、第１および第２検出コ
イルパターン２４ａ，２４ｂに相互誘導起電力を発生さ
せ、この相互誘導起電力が第１および第２コネクタ部２
４ｃ，２４ｄを介してブリッジ回路３２ａ，３２ｂに取
り出される。ここで、磁界Ｐ，Ｑの方向が逆なので、誘
導起電力は一方がプラスで他方がマイナスの値となり、
これがブリッジ回路３２ａ，３２ｂを介して両者の差に
該当する電圧として検出端子３３から取り出される。

【００３４】以上まとめると、波動減速機機構の入力軸
３の回転が減速されて出力軸１３に伝達されるとき、フ
レクスプライン部材１０を介してトルク伝達がなされる
ので、この伝達トルクの大きさに応じてフレクスプライ
ン部材１０が弾性変形する。このため、第１磁性体層２
２の透磁率が変化し、磁界Ｐ，Ｑの強さが変化し、検出
端子３３において検出される電圧も変化する。この電圧
変化から透磁率の変化を演算し、フレクスプライン部材
１０を介して伝達されるトルクの大きさを求めることが
できる。

【００３５】次に、本発明に係るトルクセンサの別の例
を図９〜図１１を参照しながら説明する。このトルクセ
ンサ５０は、図９（Ａ）に示すように、フレクスプライ
ン部材１０のカップリング部１２における円筒状外周面
に沿って接着されており、カバー１６（図１０参照）に
より覆われて保護されている。このトルクセンサ５０
は、図９（Ｂ）に示すように、カップリング部１２の外
周面に対応する円筒状に形成され、処理回路３０が接続
されている。

【００３６】このトルクセンサ５０をフレクスプライン
部材１０に取り付けた状態を図１０に示しており、アモ
ルファスシート製の第１磁性体層５２は接着剤を含浸さ
せたカーボンクロスシート５１によりカップリング部１
２の外周面にしっかりと接着されている。第１磁性体層
５２の上には、励磁コイルパターン５３ａ，５３ｂが形
成された励磁用プリント配線板５３と、検出コイルパタ
ーン５４ａ，５４ｂが形成された検出用プリント配線板
５４とが重ねて配設され、さらに、この上に、アモルフ
ァスシート製の第２磁性体層５５ａ，５５ｂが配設され
ている。

【００３７】第１磁性体層５２には、図１１に示すよう
に、周方向に延びて整列した複数のスリット５２ａ，５
２ｂがそれぞれ周方向に対して４５度傾いて２列に形成
されている。図示のようにトルクＴが作用したときに発
生する圧縮力Ａの方向と平行になるように左側スリット
５２ａは周方向に対して左に４５度傾いて形成され、引
っ張り力Ｂの方向と平行になるように右側スリット５２
ｂは周方向に対して右に４５度傾いて形成されている。
なお、左側スリット５２ａを右に４５度傾け、右側スリ
ット５２ｂを左に４５度傾けてもよい。

【００３８】励磁用プリント配線板５３は、絶縁材料性
フレキシブルプリント基板の表面に２列に並んで第１お
よび第２励磁コイルパターン５３ａ，５３ｂが互いに反
対方向に巻くように形成されて作られている。このた
め、第１および第２励磁コイルパターン５３ａ，５３ｂ
に電流を流せば、図１１に矢印Ｐ，Ｑで示す磁界が発生
する。このとき、両コイルパターン５３ａ，５３ｂの巻
方向が反対なので、両磁界Ｐ，Ｑも反対方向の磁界であ
る。検出用プリント配線板５４は、絶縁材料性フレキシ
ブルプリント基板の表面に２列に並んで第１および第２
検出コイルパターン５４ａ，５４ｂが互いに反対方向に
巻くように形成されて作られている。

【００３９】上記両プリント配線板５３，５４が第１磁
性体層５２の上に重ねられた状態で、第１励磁コイルパ
ターン５３ａおよび第１検出パターン５４ａはともに左
側スリット５２ａの上に重なり、第２励磁コイルパター
ン５３ｂおよび第２検出パターン５４ｂはともに右側ス
リット５２ｂの上に重なる。そして、左側に位置する第
２磁性体層５５ａは第１励磁コイルパターン５３ａおよ
び第１検出パターン５４ａの上に重ねて取り付けられ、
同様に、右側に位置する第２磁性体層５５ｂは第２励磁
コイルパターン５３ｂおよび第２検出パターン５４ｂの
上に重ねて取り付けられる。これら第２磁性体層５５
ａ，５５ｂは磁界Ｐ，Ｑを発生されるとき誘磁体として
の役目を果たす。

【００４０】このトルクセンサ５０を用いても、これに
繋がる処理回路３０によりフレクスプライン１０にトル
クが加わったときに生じる第１磁性体層５２の透磁率変
化を検出することができ、このトルクを正確に検出する
ことができる。なお、処理回路３０は図８に示すもので
あり、既に説明している。

【００４１】以上においては励磁コイルと検出コイルと
を重ねて配設し、励磁コイルを通電励磁することにより
検出コイルに相互誘導作用により生じる相互誘導起電力
を検出して透磁率変化の検出ひいてはトルクの検出を行
う例を説明した。しかしながら、本発明はこのような相
互誘導作用を利用するものに限られず、自己誘導作用を
利用してトルク検出を行うことも可能である。

【００４２】自己誘導作用を利用するトルクセンサは、
第１磁性体層と第２磁性体層との間に１枚のみのプリン
ト配線板が配設されて構成される。なお、第１磁性体層
および第２磁性体層は上記実施例のものと同じである。
第１磁性体層６２には、上述の励磁用プリント配線板２
２，５２と同様に、２列に並んで且つ周方向に対して４
５度傾いた複数のスリット６２ａ，６２ｂが形成されて
いる。そして、プリント配線板６３にはそれぞれスリッ
ト６２ａ，６２ｂと対向するコイルパターン６３ａ，６
３ｂが形成されている。

【００４３】これらコイルパターン６３ａ，６３ｂは、
図１２に示すように、処理回路７０に接続される。この
処理回路７０においては、交流電源７１からの交流電流
がコイルパターン６３ａ，６３ｂに流されてこれらが励
起される。これにより、この電流に対応して互いに反対
方向となる磁界Ｐ，Ｑがこれらコイルパターンの周りに
発生する。このとき、電流変化に応じて自己誘導起電力
がこれらコイルパターン６３ａ，６３ｂに発生する。こ
の自己誘導起電力が加算器７２を介して端子７３から取
り出されるようになっている。

【００４４】このような状態で、フレクスプライン部材
にトルクが加わって弾性変形し、第１磁性体層６２の透
磁率が変化すると、このコイルパターン６３ａ，６３ｂ
に発生する自己誘導起電力も変化する。このため、端子
７３から取り出された自己誘導起電力に基づいてフレク
スプライン部材を介して伝達されるトルクを演算して求
めることができる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
波動減速機機構のフレクスプライン部材のような弾性体
の表面に周方向に延びて接着され、この弾性体の弾性変
形に応じてその磁気歪特性が変化する第１磁性体層と、
この第１磁性体層上に重ねて配設され、磁気歪特性の変
化を検出する平板状コイルと、この平板状コイルを覆っ
て配設された第２磁性体層とからトルクセンサが構成さ
れており、このような構成のトルクセンサは、減速機構
等のトルク伝達部材の側面もしくは外周面に簡単に接着
して取り付けることができる。

【００４６】しかも、２つの磁性体層と、これらに挟ま
れたプリント配線板から構成されており、厚さの薄い構
成であるため、減速機構のトルク伝達部材（例えば、波
動減速機機構のフレクスプライン部材）の表面に直接接
着するだけでよく、減速機構を変更したり、新たな部品
を追加することなく簡単に取り付けることが可能であ
る。さらに、歪ゲージに比べて耐衝撃性能が高く、移動
ロボットにのように衝撃が加わりやすい関節部にも用い
ることができる。

【００４７】なお、第１磁性体層に、周方向に対しほぼ
４５度の角度を有した複数のスリットを周方向に並べて
形成するのが好ましい。さらにこの場合、このような複
数のスリットを並列に２列形成し、一方の列のスリット
を周方向に対して右にほぼ４５度の角度を有して形成
し、他方のスリットを左にほぼ４５度の角度を有して形
成し、検出コイル層を、この一方の列に対向する第１検
出コイル層と他方の列に対向する第２検出コイル層とか
ら構成するのが望ましい。

【００４８】このようにすれば、弾性体がトルクを受け
て弾性変形するときに、この弾性体の表面における磁気
歪が最大となり、磁性体層の磁気透磁率変化も最大とな
る方向に複数のスリットが形成されることになり、スリ
ットによる形状的な異方性効果が加わって弾性変形時に
おける磁気透磁率変化が増幅されて表れるため、トルク
検出をより正確に行うことができる。

【００４９】さらに、弾性変形時にその表面には圧縮応
力および引っ張り応力が相反する方向に生じるため、上
記のように左右それぞれ４５度の角度を有する２列のス
リットを形成すれば、第１検出コイル層の誘導起電力と
第２検出コイル層の誘導起電力が正負逆となり、両起電
力の差を検出することによりトルク検出をより正確に行
うことが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るトルクセンサが用いられる波動減
速機機構を示す断面斜視図である。

【図２】この機構を構成するフレクスプライン部材およ
びこれに取り付けられたトルクセンサを示す斜視図であ
る。

【図３】トルクセンサおよび処理回路を示す斜視図であ
る。

【図４】フレクスプライン部材に取り付けられたトルク
センサを示す断面図である。

【図５】トルクセンサを構成する第１磁性体層の平面図
である。

【図６】トルクセンサを構成する励磁用プリント配線板
の平面図である。

【図７】トルクセンサを構成する検出用プリント配線板
の平面図である。

【図８】処理回路を示す電気回路図である。

【図９】本発明の異なる例に係るフレクスプライン部材
およびこれに取り付けられたトルクセンサを示す斜視図
（Ａ）およびトルクセンサおよび処理回路を示す斜視図
（Ｂ）である。

【図１０】このフレクスプライン部材に取り付けられた
トルクセンサを示す断面図である。

【図１１】トルクセンサを構成する第１磁性体層の平面
図である。

【図１２】処理回路の異なる例を示す電気回路図であ
る。

【符号の説明】

１ 支持ケース ６ ウェーブジェネレータ １０ フレクスプライン部材 ２１，５１ カーボンクロスシート ２２，５２ 第１磁性体層 ２３，５３ 励磁用プリント配線板 ２４，５４ 検出用プリント配線板 ３０，５０ 処理回路

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 トルク伝達可能でこのトルクを受けて弾
   性変形する弾性体の表面に設けられ、前記トルクを検出
   するトルクセンサであって、 前記弾性体の表面に周方向に延びて接着され前記弾性体
   の弾性変形に応じてその磁気歪特性が変化する第１磁性
   体層と、この第１磁性体層上に重ねて配設され前記磁気
   歪特性の変化を検出する平板状コイルと、この平板状コ
   イルを覆って配設された第２磁性体層とから構成され、 前記平板状コイルが、前記第１および第２磁性体層を通
   る磁界を発生させる平板状励磁コイルと、この励磁コイ
   ルに重なって配設され前記磁界により相互誘導される誘
   導起電力を検出する平板状検出コイルとからなり、 前記平板状励磁コイルを通電励磁させる通電励磁手段
   と、この通電励磁により前記検出コイル層に発生する相
   互誘導起電力を検出する誘導起電力検出手段とからなる
   処理回路を有することを特徴とするトルクセンサ。
2. 【請求項２】 トルク伝達可能でこのトルクを受けて弾
   性変形する弾性体の表面に設けられ、前記トルクを検出
   するトルクセンサであって、 前記弾性体が、一端にフレクスプラインを有する薄肉円
   筒状のカップリング部とこのカップリング部の他端に一
   体に繋がった円盤状底壁部とから構成され、前記フレク
   スプラインから入力されるトルクを前記カップリング部
   および前記円盤状底壁部を介して前記円盤状底壁部に出
   力軸に伝達するように構成され、 前記カップリング部の外周面もしくは前記円盤状底壁部
   の外表面に周方向に延びて接着されて前記弾性体の弾性
   変形に応じてその磁気歪特性が変化する第１磁性体層
   と、この第１磁性体層上に重ねて配設され前記磁気歪特
   性の変化を検出する平板状コイルと、この平板状コイル
   を覆って配設された第２磁性体層とから構成されること
   を特徴とするトルクセンサ。
3. 【請求項３】 前記平板状コイルが、前記第１および第
   ２磁性体層を通る磁界を発生させる平板状励磁コイル
   と、この励磁コイルに重なって配設され前記磁界により
   相互誘導される誘導起電力を検出する平板状検出コイル
   とからなり、 前記平板状励磁コイルを通電励磁させる通電励磁手段
   と、この通電励磁により前記検出コイル層に発生する相
   互誘導起電力を検出する誘導起電力検出手段とからなる
   処理回路を有することを特徴とする請求項２に記載のト
   ルクセンサ。
4. 【請求項４】 前記平板状コイルが、絶縁材料製フレキ
   シブルシートの表面に導電材料製のコイルパターン層が
   形成されてなるプリント配線板から形成されていること
   を特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のトルク
   センサ。
5. 【請求項５】 前記第１磁性体層および前記第２磁性体
   層がともにアモルファスもしくはアモルファス合金を用
   いて形成されていることを特徴とする請求項１〜３のい
   ずれかに記載のトルクセンサ。
6. 【請求項６】 前記第１磁性体層に、周方向に対しほぼ
   ４５度の角度を有した複数のスリットが周方向に並んで
   形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれ
   かに記載のトルクセンサ。
7. 【請求項７】 前記複数のスリットが並列に２列形成さ
   れており、一方の列のスリットが周方向に対して右にほ
   ぼ４５度の角度を有し、他方のスリットが左にほぼ４５
   度の角度を有しており、 少なくとも前記平板状コイルは、前記一方の列に対向す
   る第１平板状コイルと前記他方の列に対向する第２平板
   状コイルとからなることを特徴とする請求項６に記載の
   トルクセンサ。
8. 【請求項８】 前記弾性体が、波動減速機機構のフレク
   スプライン部材であり、このフレクスプライン部材の円
   盤状側面もしくは円筒状外周面に、前記第１磁性体層が
   接着されることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに
   記載のトルクセンサ。