JP3574242B2 - トルクセンサ - Google Patents

Description

【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ハーモニックドライブ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】
近年産業用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て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ハーモニックドライブ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、ハーモニックドライブ機構のフレクスプライン（減速機構のトルク伝達部材）の弾性変形を歪ゲージを用いて検出している。最近では衝撃等に弱い歪ゲージの代わりにアモルファス若しくはアモルファス合金（磁性体）の薄帯をフレクスプラインに接着し、フレクスプラインの弾性変形に伴うアモルファス金属薄帯の磁歪特性を利用したトルク検出が考察されている。
【０００４】
このような構成のトルク検出装置（以下、トルクセンサという）は、減速機構等のトルク伝達部材の側面若しくは外周面に周方向に延びて第一の磁性体薄帯（例えば、アモルファス金属薄帯）を接着して取り付けられる。しかもこのトルクセンサは第一の磁性体薄帯と磁気回路を構成するための第二の磁性体薄帯（ヨーク部材）と、これらに挟まれ、磁束の変化を検出するためのフレキシブルな印刷回路（いわゆるＦＰＣ）に形成されたコイルとから構成される厚さの薄いものであるため、減速機構のトルク伝達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、新たな部品を追加構成することなく簡単に取り付けることができるという利点を有している。しかも、歪ゲージに比べて耐衝撃性能が高く、移動ロボット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。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなトルクセンサは、減速機構等のトルク伝達部材の弾性変形を利用したものであり、磁性体薄帯やいわゆるＦＰＣをこのようなトルク伝達部材の表面に直接接着しただけではトルク伝達部材の動きや変形によって接着剤がもろくなり、接着部が剥離するということが考えられる。特にハーモニックドライブ機構のような波動減速機構においてはウェーブジェネレータによって周期的に弾性変形が加えられており、長期間の使用によって特に剥離しやすい状況もある。また、剥離した場合にはトルク伝達部材の弾性変形を検出できなくなり、ロボット等の制御性能の低下に直接関係するといったことも考えられる。
【０００６】
この解決方法として、減速機構等のトルク伝達部材の外周部（例えば、ハーモニックドライブ機構のフレクスプラインの円筒部）に磁性体薄帯及びＦＰＣに形成されたコイルを取り付けてトルクを検出するトルクセンサにおいては、熱収縮チューブを用いてフレクスプラインの円筒部全体を覆い、剥離防止の効果を得ていた。しかし、この方法ではダイヤフラム部（ハーモニックドライブ機構のフレクスプラインの円盤状底壁）において剥離方向への押圧力が弱く、しかも材料劣化により長期的には十分な効果を得られなかった。本発明はこのような問題に鑑みたもので、減速機溝等のトルク伝達部材に直接接着される磁性体薄帯および平板状コイルの接着部の剥離を防止して長期間の使用によっても正確なトルク検出ができるトルクセンサを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び作用】
このような目的達成のため、本発明に係るトルクセンサは、ウェーブジェネレータを介して入力軸からのトルクを受けると弾性変形するハーモニックドライブ機構のフレクスプラインの円盤状底壁の表面上に接着され、この円盤状底壁の弾性変形に応じてその磁気特性が変化する第一磁性体層と、この第一磁性体層の表面上に重ねて配設され、磁気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二磁性体層と、この第二磁性体層の表面上に重ねて配設され、第一磁性体層、平板状コイル、及び第二磁性体層に押圧力を加える押圧部材とから構成される。
【０００８】
このような構成のハーモニックドライブ機構用トルクセンサは、トルク伝達部材としてのフレクスプラインの円盤状底壁（ダイヤフラム部）の表面に沿って第一磁性体層を接着して取り付けられる。接着は一般に高強度で耐熱性に優れたエポキシ系樹脂又は嫌気性の接着剤にて行われているが、せん断方向に比較すると剥離方向の強度が少し弱いという特性がある。フレクスプラインは駆動時にその径方向のみならず軸線方向にも大きく弾性変形される部材であり、剥離する可能性が高い。そこで、トルクセンサをフレクスプラインの円盤状底壁の表面に接着し、軸線方向円盤状底壁に向かって磁性体層及び平板状コイル等で構成されるトルクセンサをゴム或いはウレタンのような弾性部材で押圧して剥離方向にかかる力を吸収するように構成している。
【０００９】
【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ハーモニックドライブ機構の一例を図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。
ハーモニックドライブ機構は入力軸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。
【００１０】
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１０に結合されている。
【００１１】
フレクスプライン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１１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。
【００１２】
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、外歯フレクスプライン１１は楕円形に弾性変形される。このとき、外歯フレクスプライン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、外歯フレクスプライン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。
【００１３】
以上の構成のハーモニックドライブ機構において、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、外歯フレクスプライン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の歯数に対して外歯フレクスプライン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は外歯フレクスプライン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。
【００１４】
このハーモニックドライブ機構におけるフレクスプライン１０の円盤状底壁１２ａの外側面に、このフレクスプライン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２７が取り付けられている。なお、フレクスプライン１０を保護カバー２７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２０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。
【００１５】
このトルクセンサ２０を本発明に係る構成に従ってフレクスプライン１０に取り付けた第一の実施例を図６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２１によりフレクスプライン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。更に、その上には押圧部材２６が当接し、例えばロボットのアーム１５及びボルト１６によってトルクセンサ２０を垂直方向に押圧している。
【００１６】
第１磁性体層２２は中央に円状開口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が２列にリング状に並んで形成されている。励磁用プリント配線板２３は絶縁材料性フレキシブルプリント基板の表面に、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。なお、図６においてはコイルパターン２３ａ，２３ｂ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。
【００１７】
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（図示せず）に接続されており、励磁用コネクタ部以外のコイルパターンは絶縁コーティングされている。励磁用コネクタ部は露出しており、これらコネクタ部間に電流を流せば、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６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に流す電流が反対なので、両磁界Ｐ，Ｑも反対方向の磁界となる。
【００１８】
検出用プリント配線板２４も励磁用プリント配線板２３と同様に、絶縁材料性フレキシブルプリント基板の表面に、内周側に位置して形成された第１検出コイルパターン２４ａと、外周側に位置して形成された第２検出コイルパターン２４ｂとによって作られている。
上記両プリント配線板２３、２４が第一磁性体層２２の上に重ねられた状態で、
第一励磁パターン２３ａ及び第一検出パターン２４ａは共に内周側スリットの上に重なり、第二励磁コイルパターン２３ｂ及び第二検出パターン２４ｂは共に外周側スリットの上に重なる。
【００１９】
また、内周側に位置する第二磁性体層２５ａは第一励磁コイルパターン２３ａ及び第一検出パターン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二磁性体層２５ｂは第二励磁コイルパターン２３ｂ及び第二検出パターン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間に電流を流して図６に示す磁界Ｐ，Ｑを発生されるとき磁束の通路としてヨーク部材の役目を果たし、第一および第二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。
【００２０】
第１磁性体層２２はフレクスプライン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コネクタ部から取り出して処理回路３０によって検出すれば、透磁率の変化を検出することができる。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。
【００２１】
図４は以上に説明したハーモニックドライブ機構が実際のロボット等のアームに取り付けられている状態の概略を示すものである。ハーモニックドライブ機構の支持ケース１は取付アーム１６に直接固着されている。入力軸３が直接モータに接続されて回転駆動されるとこれに同期してウェーブジェネレータ６が回転し、非常に大きな減速比で出力軸１３に回転が伝達される。この出力軸１３はモータが固着されている取付アーム１６の内側側面とは反対側の外側側面に突出しており、その軸に一面を取付アーム１６の前記外側側面に当接して可動アーム１５が挿着されている。従って、出力軸１３が回転するとそれに従って可動アーム１５が矢印の方向にゆっくりと回転運動することができる。
【００２２】
ところで、このハーモニックドライブ機構のフレクスプライン１０は入力軸３の回転に同期して回転する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、接着剤２１によってフレクスプライン１０に接着された第１磁性体層２２や励磁用及び検出用のプリント配線板２３、２４等がこの弾性変形の影響によって剥離する場合がある。第５図はその様子を示したものである。
【００２３】
ウェーブジェネレータ６の楕円板カム５の長軸が図５の横軸方向にきた場合には横軸方向のフレクススプライン１０のうち、薄肉円筒状のカップリング部１２が拡張し、その円盤状底部１２ａにおいて内側への曲げモーメントが働いてトルクセンサ２０の内側円周部に剥離方向への力が生じると同時に、縦軸方向においては前記カップリング部１２が圧縮されてその円盤状底部１２ａに外側への曲げモーメントが働き、トルクセンサ２０の外側円周部に剥離方向への力が生じる。そして、この変形がウェーブジェネレータ６の回転と共に周期的に生じ、長期間の使用によって剥離が生じる場合がある。
【００２４】
本願発明に係るトルクセンサ２０はフレクスプライン１０の弾性変形によって生ずる第一磁性体層２２の変形を検出して伝達トルクを算出するものであるから、第一磁性体層等の剥離はそのままトルク検出を不可能にする。
このため、本発明の第一の実施例では図６に示すような構成を採用している。この実施例ではトルクセンサ２０の第二磁性体層２２の外側に当接して押圧部材２６を配接し、フレクスプライン１０の円盤状底壁１２ａと可動アーム１５とによってトルク検出部分２２〜２４及び当該押圧部材２６を挟み込み、ボルト１８の締付力によって押圧力を与えている。本実施例では可動アーム１５がハーモニックドライブ機構の取付部材としての役割を果たしており、この取付部材を利用して押圧力を得る場合の実施例である。なお、可動アーム１５には押圧部材２６の形状に対応してこの字型切り欠きを設け、ここに押圧部材２６をはめ込んでフレクスプライン１０の円盤状底壁１２ａの直径方向へかかる力によるズレも防止している。
【００２５】
押圧部材２６は一般にゴム又はウレタン等の弾性部材により構成し、可動アーム１５によってかけられる圧縮力がフレクスプライン１０の円盤状底壁１２ａの変形によっても零にならないようにすることが好ましい。但し、押圧部材２６は弾性部材に限られるものではない。
また、可動アーム１５とフレクスプライン１０の円盤部底壁１２ａには相対する位置にねじ孔が切られており、ボルト１８によって可動アーム１５を支持すると共に押圧部材２６に圧縮力を与えている。
【００２６】
本発明の第二の実施例を図７に示す。図７ではハーモニックドライブ機構の取付部材である可動アーム１５と押圧部材２６の間に押圧固定部材１７を設けている。フレクスプライン１０、押圧固定部材１７が実際に可動アーム１５に装着されるときには可動アーム１５のねじ孔に対向する位置に貫通した一本のねじ孔がフレクスプライン１０、押圧固定部材１７にも設けられていて、ボルト１８をフレクスプライン１０の円筒状カップリング部１２の内部より挿入して可動アーム１５に固着する。 これによって押圧固定部材１７は可動アーム１５より押圧力を受け、ボルト１８の締付力で押圧部材２６を押圧すると同時に、ボルト１８によってハーモニックドライブ機構を可動アーム１５に固着させている。
【００２７】
なお、第一の実施例においては励磁コイプリント配線板２３と検出コイルプリント配線板２４とを二枚重ねて配設し、相互誘導起電力を検出する場合の構成を示したが、トルクセンサ２０は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り、本実施例では第一磁性体層２２と第二磁性体層２５との間に一枚のプリント配線板２３４のみが配設された構成によって示している。
【００２８】
本発明のトルクセンサに係る第三の実施例を図８に示す。
ハーモニックドライブ機構の支持ケース１は取付アーム１６に固設されており、この取付アーム１６には回転軸を出力軸１３と同じくして回転自在に取り付けられた可動アーム１５が嵌挿されている。
一方このハーモニックドライブ機構におけるフレクスプライン１０の円盤状底壁１２ａの外壁面にこのフレクスプライン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。さらにそれに重ねて押圧部材２６がトルクセンサ２０に当接して配され、その上からトルクセンサ２０及び押圧部材２６を包み込んでフレクスプライン１０を覆い被せるように、有底円筒状をした弾性体による保護部材２７が配設されている。
【００２９】
保護部材２７の底部外側面は前述の可動アーム１５に当接しており、トルクセンサ２０はちょうどフレクスプライン１０の円盤状底壁１２ａと可動アーム１５の間に挟まれて配設されている。従って、フレクスプライン１０と可動アーム１５をボルト１８で締め付けることによって保護部材２７に押圧力を与えることができトルクセンサ２０の剥離を防止することができると同時にトルクセンサ２０を塵埃から保護することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の構成によれば、ハーモニックドライブ機構のフレクスプラインの円盤状底壁（ダイヤフラム部）の表面上に接着され、該円盤状底壁の弾性変形に応じてトルクの変動を算出するトルクセンサであっても、フレクスプラインの動作、変形によってトルクセンサがフレクスプラインより剥離することがなく、長期間に渡って安定したトルク検出を行うことができる。しかも、トルクセンサの第二磁性体層とアーム若しくは押圧固定部材との間に配設して、これらアーム等をボルト等によって締め付けるだけでよく、簡単に取り付けることができる。また、移動ロボットのように衝撃が加わりやすい関節部に用いても剥離することなく使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ハーモニックドライブ機構の一例を示した斜視図である。
【図２】フレクスプラインの斜視図である。
【図３】トルクセンサと処理回路を示す参考図である。
【図４】ハーモニックドライブ機構がアーム等に取り付けられている状態を示す概略図である。
【図５】トルクセンサがフレクスプラインから剥離する原因の説明図である。
【図６】本願発明に係るトルクセンサの第一の実施例を示す断面図である。
【図７】本願発明に係るトルクセンサの第二の実施例を示す断面図である。
【図８】本願発明に係るトルクセンサの第三の実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 支持ケース
３ 入力軸
６ ウェーブジェネレータ
１０ フレクスプライン
１１ 外歯フレクスプライン
１３ 出力軸
１５ 可動アーム
１６ 取付アーム
１７ 押圧固定部材
２０ トルクセンサ
２１ 接着剤
２２ 第一磁性体層
２３ 励磁用プリント配線板
２４ 検出用プリント配線板
２５ 第二磁性体層
２６ 押圧部材
２７ 保護部材
３０ 処理回路

Claims (2)

1. ウェーブジェネレータを介して入力軸からのトルクを受けると弾性変形するハーモニックドライブ機構のフレクスプラインの円盤状底壁の表面上に設けられ、前記トルクを検出するトルクセンサであって、
   前記円盤状底壁の表面上に接着され該円盤状底壁の弾性変形に応じてその磁気特性が変化する第一磁性体層と、
   この第一磁性体層の表面上に重ねて配設され前記磁気特性の変化を検出する平板状コイルと、
   このコイルを覆って配設された第二磁性体層と、
   この第二磁性体層の表面上に重ねて配設され、前記第一磁性体層、平板状コイル及び第二磁性体層に押圧力を加える押圧部材と、からなることを特徴とするトルクセンサ。
2. 前記押圧部材をゴム又はウレタン等の弾性体によって構成したことを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。

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