JP3647962B2 - トルクセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば産業用ロボットの減速機等として用いられる波動減速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波動減速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く移動ロボット等には利用しがたい歪ゲージの代わりにアモルファス合金（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行われている。
【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）については、本願出願人が特許願平成６−１２５７１７号を既に出願している。このトルクセンサ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用いることが容易である。
【０００５】
このトルクセンサをトルクにより弾性変形する弾性体に接着して用いる場合には、弾性体の外周面に接着するよりも、同一負荷トルクに対する歪み量が最も大きく線形的に変化する円盤状側面（回転中心軸に垂直な側面）において用いるのが最も適していることが知られている。このため、第一の磁性体薄帯を回転中心軸と同心円上に接着できるように図１２に示すようなドーナツ状に形成されることが多い。
【０００６】
また、このトルクセンサは弾性体の弾性変形に伴う第一の磁性体薄帯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、検出精度を高めるため、周方向に対して４５度傾斜した方向に複数のスリットを周方向に並べて形成している。さらに、このようなスリットを並列に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、他方のスリットを周方向に対して左にほぼ４５度の角度を有して形成し、平板状検出コイル層を、この一方の列に対向する第一検出コイル層と他方の列に対する第２検出コイル層とに分割して構成している。
【０００７】
弾性体がトルクを受けて弾性変形するとき、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、透磁率変化もこの方向において最大となるため、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透磁率変化が増幅されて現れ、トルク検出をより正確に行うことができる。さらに、弾性変形時に弾性体の表面には圧縮応力と引張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、第一検出コイル層の誘導起電力と第二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ってトルク検出をより正確に行うことが可能である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、第一の磁性体薄帯に上記のような左右それぞれ４５度の角度を有する２列のスリットを形成して磁性体層の透磁率変化を検出する場合には、以下のような欠点があった。すなわち、弾性体の回転中心軸から磁性体層の各スリット列（透磁率変化の検出位置）までの距離が異なることから、同一トルクによって弾性体が弾性変形を受けても、ねじり応力は回転中心軸からの距離によって異なるため、磁性体層の各スリット近傍における磁気歪の大きさが異なり、応力値に対する磁気歪の特性も異なるものであった（図１３の曲線（ａ）（ｂ））。
【０００９】
また、軸の回転方向が変わってトルクの方向が変化した場合には各スリット列近傍に生じる歪は交互に引張歪から圧縮歪へ、或いは圧縮歪から引張歪へと変化するため、同じ大きさのトルクであっても、トルクのかかる方向によって同じ大きさの検出器出力を得ることができないばかりでなく、応力値に対する磁気歪特性の相違から、それぞれのスリット列で検出される応力対透磁率変化の特性曲線の直線性を阻害し、トルク変動に対する透磁率変化の正確な検出範囲を狭める結果となっていた（図１３の曲線（ｃ））。
【００１０】
本発明はこのような問題に鑑みたもので、トルクの方向が変化しても同じ応力で同じ検出器出力が得られるようにして、トルク変動に対する検出器出力の直線性を向上させると共に、正確なトルク変動の検出範囲（いわゆるダイナミックレンジ）の拡大を図り、トルクセンサの検出精度の向上を図ることを目的としたものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このような目的のため、本発明のトルクセンサは、トルクを受けて弾性変形する弾性体の回転中心軸に垂直な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磁気歪特性が変化するドーナツ状の磁性体層とこの磁気歪特性の変化を検出するフレキシブルな平板状コイルとを有して構成される。
そして、この磁性体層には、前記回転中心を中心とする同一円周上に位置するとともにこの回転中心を挟んで対称となる複数対のスリット列が形成されており、前記複数対のスリット列においてそれぞれ対となるスリット列は、一方のスリット列が周方向に対し時計回り方向にほぼ４５度の角度を有し、他方のスリット列が周方向に対し反時計回り方向にほぼ４５度の角度を有して設けられており、前記平板状コイルは磁性体層上の複数のスリット対に重ねて配設されている。
【００１２】
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（弾性体）の回転中心軸に対し垂直な側面に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、磁性体層と、この上に重ねて配設されたフレキシブルなプリント配線からなるコイルとから構成されており、きわめて厚さの薄い構成であるため、減速機構等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、新たな部品を追加したりすることなく簡単に取り付けることが可能である。
【００１３】
トルクを検出する場合は、平板状コイルに通電して励磁し、磁性体層を通る磁界を発生させる。弾性体がトルクを受けて弾性変形するとき、磁性体層も一緒に変形し、この変形により磁性体層の磁気歪特性が変化して磁性体の透磁率を変化させる。このようにして透磁率が変化すると、平板状コイルの通電によって発生した磁界の強さが変化するので、この変化を再び平板状コイルに生じる誘導起電力の変化として検出回路により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弾性体の弾性変形に比例するため、この透磁率変化に基づいて、減速機構等のトルク伝達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。
【００１４】
本発明ではさらに、前記複数対のスリット列においてそれぞれ対となるスリット列は、一方のスリット列が周方向に対し時計回り方向にほぼ４５度の角度を有し、他方のスリット列が周方向に対し反時計回り方向にほぼ４５度の角度を有して設けられており、平板状コイルをこれら複数対のスリット列上に重ねて配設している。
【００１５】
ここで、弾性体がトルクを受けて弾性変形するとき、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、透磁率変化もこの方向において最大となるため、前述したように、周方向に対して４５度の角度を有した複数のスリット列を同一円周上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透磁率変化が増幅して現れる。従って、スリット列をこの方向に設けることにより、トルク検出をより正確に行うことができる。
【００１６】
さらに、弾性変形時に磁性体層の表面には圧縮応力および引張応力が相反する方向に生じるため、上記のように周方向に対して左右、すなわち時計方向および反時計回り方向に、それぞれ４５度の角度を有するスリット列を同一円周上に並べて配設すれば、例えば、右すなわち時計回り方向に４５°の角度を有するスリット列から検出される誘導起電力と、左すなわち反時計回り方向に４５°の角度を有するスリット列から検出される誘導起電力とが絶対値として同一の出力値となり、かつ、正負逆に出力されるため、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できる。
【００１７】
上記平板状コイルに重ねて、第二の磁性体層を配設することが望ましい。このような構成にすると、励磁コイルの周囲に励磁コイルの通電によって発生する磁界の磁束路が形成されるため、漏れ磁束が減少して磁性体層（以後、これを第一の磁性体層という）の磁界の変化を大きくすることができ、透磁率変化の検出精度を高めることができる。
【００１８】
上記平板状コイルは、通電により磁性体層を通る磁界を発生させる励磁コイルと、磁界の強さの変化により生じる誘導起電力を自己誘導起電力として検出する検出コイルの二つの目的を兼ねて構成することができるが、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磁界の変化により誘導される起電力を検出する平板状検出コイルとを別に構成し、相互誘導起電力として検出することもできる。
なお、前記複数対のスリット列を前記同一円周上において等間隔に並んで配設するのが好ましく、この場合には各スリット列に対向配置された検出コイル層によって検出される誘導起電力が円周上均等な位置での検出値となり、より正確な検出が可能である。
【００１９】
そして、このようなトルクセンサを波動減速機構の伝達トルクを検出するために使用することができ、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（ダイヤフラム部）に第一の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ウェーブジェネレータにより楕円形状に弾性変形されるため、第一の磁性体層の磁気歪特性はこの弾性変形の影響も受ける。しかし、上記のようにスリット列を第一磁性体層の同一円周上に等間隔に数多く配設することによって、この楕円形状の弾性変形は第一磁性体層の全周にわたって平均され、磁気歪特性も平均して零となり、実際の伝達トルクのみを検出することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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（ダイヤフラム部）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。
【００２３】
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。
【００２４】
以上の構成の波動減速機構において、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。
【００２５】
この波動減速機構におけるフレクスプライン部材１０のダイヤフラム部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２０を構成する励磁コイルを励磁する発振回路４０と、検出コイルの誘導起電力を検出する信号処理回路３０がトルクセンサ２０に接続されている。
【００２６】
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は耐熱性に優れたエポキシ系接着剤２１によりフレクスプライン部材１０のダイヤフラム部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、アモルファス合金シートからなる第２磁性体層２５が配設されている。
【００２７】
第１磁性体層２２は、図５に示すように、アモルファス合金からなるシートを中央に円状の開口２２ｃを有した円盤状に形成して作られており、第一磁性体層２２の同一円周上には、小円形内に整列した複数のスリット列（ＳＡ，ＳＢ，ＳＣ……、ＳＦ）が周方向にそれぞれ等間隔に並んで形成されている。図示のように、このスリット列は第一磁性体層２２の回転中心軸を中心に点対称とした一対のスリット列（例えばＳＡとＳＤ）を一組として、複数組をそれぞれ等間隔に配設し、しかも、一方のスリット列ＳＡは周方向に対して右側に４５度傾き、他方のスリット列ＳＤは周方向に対して左側に４５度傾いて形成されている。なお、スリット列ＳＡを左側に、スリット列ＳＤを右側に傾斜させてもよい。また、スリット対の数は図示のように３個とは限られず、いくつであってもよい。実際はもっと多くのスリット対を等間隔に配設して構成されている。
【００２８】
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２３ｄの表面であって、第一磁性体層２２に重ねてフレクスプライン部材１０のダイヤフラム部１２ａに配設されたときに、前記スリット列ＳＡ、ＳＢ、……ＳＦに重なる位置に、時計方向回り（反時計方向でもかまわない）に渦巻き状に成形された複数の励磁コイルパターンＲＡ、ＲＢ、……ＲＦが形成されて作られている。そして、これらの励磁コイルパターンＲＡ，ＲＢ、……、ＲＦはコイルに流れる電流方向が互いに同一となるように、一のコイルパターンの終端と隣接した次のコイルパターンの始端とが接続されて作られている。コイルの巻き数は特に限定されるものではなく、発生させるべき磁束数等によって決められるべきものである。なお、図４においては励磁コイルパターンを模式的に断面円形に示してあるが、実際はプリント基板２３ｄの上に形成された導電材料パターンである。また、実線のコイルパターンは基板２３ｄ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。
【００２９】
最初のコイルパターン（図６の例ではＲＤ）の始点と最終のコイルパターン（図６の例ではＲＣ）の終点は通電励磁用の発振回路４０に接続されている。これらのコイルパターンは発振回路４０および信号処理回路３０との接続部分を除いては全て絶縁コーティングされており、これらコイルパターンに電流を流せばこの電流により電磁誘導された磁界が図４に示す方向に交番磁界Ｐとして発生する。この磁界は円形電流により発生するため、その円形部の中心を通過するように集束した磁界となる。
【００３０】
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、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２４ｄの表面であって、第一磁性体層２２に重ねてフレクスプライン部材１０のダイヤフラム部１２ａに配設されたときに、前記複数のスリット列ＳＡ、ＳＢ、……、ＳＦおよびそれぞれの励磁コイルパターンＲＡ、ＲＢ……、ＲＦに重なる位置に、渦巻き状に成形されたコイルパターンが前記スリット列の数と同数だけ形成されて作られている。
【００３１】
そして、これらのコイルパターン（ＫＡ，ＫＢ，ＫＣ……、ＫＦ）は、一のコイルパターンの終端と一つおいて隣接する他のコイルパターンの始端とが接続され、それぞれ第一の検出コイル層２４ａと第二の検出コイル層２４ｂとを形成して構成されている。これらの検出用コイルパターンの巻き方向は時計方向（ｃｗ）および反時計方向（ｃｃｗ）の何れであってもよいが、少なくとも、同一の検出コイル層に含まれるコイルパターンの巻き方向は同一でなければならない。なお、各コイルパターンの巻き数を各コイルパターンが同一である限り、もっと多くしても良く、図７に示された巻数に限定されるものではない。
【００３２】
第一の検出コイル層２４ａの最初のコイルパターン（図７の例ではＫＥ）の一端は基準電位に接続され、最後のコイルパターン（図７の例ではＫＣ）の終端が差動増幅回路の一端に接続され（例えば、プラス側入力）、第二の検出コイル層２４ｂの最初のコイルパターンの一端は前記と同じ基準電位に接続され、最後のコイルパターンの終端は差動増幅器の他端（例えば、マイナス側入力）に接続されている（図９参照）。これらの検出コイル層２４ａ，２４ｂも接続部分を除いては全て絶縁コーティングされており、前記磁界の変化に対して誘導電流が流れるようになっている。
【００３３】
上述した両プリント配線板２３、２４が第一磁性体層２２の上に重ねられた状態で第一磁性体層２２上に形成されたスリット列ＳＡ、励磁コイルパターンＲＡおよび検出コイルパターンＫＡが重なり、また、スリット列ＳＢ、励磁コイルパターンＲＢおよび検出コイルパターンＫＢが重なる。これら全てのスリット列と各コイルパターンの対応関係を表す表を図８に示す。
【００３４】
第２の磁性体層２５は励磁用プリント配線板２３および検出用プリント配線板２４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。この第２の磁性体層２５は本発明の必須の構成要件ではないが、励磁コイル層２３ａに交流電流を流して図４に示す磁界Ｐを発生させるときの磁束路としての役割を果たす。従って、第２磁性体層２５が存在する場合には漏れ磁束が少なくなり、第一磁性体層２２を通過する磁束数の減少を抑えて、弾性変形に対する磁界の強さの変化を大きくでき、透磁率変化の検出精度を高めることができる。
【００３５】
以下、本実施例の作用について説明する。
第一磁性体層２２はフレクスプライン部材１０のダイヤフラム部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、第一磁性体層２２も一緒に変形し、この変形により第一磁性体層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図４に示す磁界Ｐの強さが変化するので検出コイル層２４ａ，２４ｂに生じる誘導起電力を検出すれば透磁率の変化を検出することができる。
【００３６】
本発明のトルクセンサ２０では透磁率変化の最大となる方向、すなわち第一磁性体層２２の周方向に対して４５度傾いた方向にスリット列ＳＡ、ＳＢ、ＳＣ……、ＳＦを形成しており、このスリット列によって形状的な異方性効果を得て第一磁性体層２２における透磁率変化を増幅させている。そして、図５に示すように、周方向に対し右に４５度傾斜するスリット列ＳＡ，ＳＣ，ＳＥと左に４５度傾斜するスリット列ＳＢ，ＳＤ，ＳＦとが交互に等間隔に配置しているため、フレクスプライン部材１０にトルクＴが図示方向に作用すると、スリット列ＳＡ，ＳＣ，ＳＥが形成された第一磁性体層２２の部分には矢印Ｕ（図５の拡大図に示す）で示す方向に引張力が作用し、スリット列ＳＢ，ＳＤ，ＳＦが形成された第一磁性体層２２の部分には矢印Ｖ（図５の拡大図に示す）で示す方向に圧縮力が作用する。しかも、これらの引張力および圧縮力は第一磁性体層２２の中心からの距離が等しい部分に生じたものであり、等しい応力に応じて生じたものであることから、全て絶対値の等しいものである。
【００３７】
このような応力によって第一磁性体層２２の透磁率変化を検出する装置、すなわち、図３の信号処理回路３０について図９を参照して説明する。
この回路６０は発振回路４１を有しており、この発振回路４１からの交流電流が励磁コイル２３ａに供給されて、励磁コイル層２３ａ周辺に図４に示すようなコイルパターンの中心に集束するような磁界Ｐを発生させる。なおこのとき、各コイルパターンＲＡ等は同一方向の磁界を発生させるため、発生した磁界が第一磁性体層２２の内部で互いに干渉し合うことはない。
【００３８】
この磁界Ｐは第一磁性体層２２および第二磁性体層２５の内部を磁束路とした交番磁界であり、検出コイルパターンＫＡ、ＫＢ等とも鎖交して生じている。従って、発生した磁界が変化する度に第一および第二の検出コイル層２４ａ、２４ｂに相互誘導起電力が発生する。さらに、第一磁性体層２２の変形による磁気歪特性の変化によって、第一磁性体層２２の透磁率が変化するため、この磁界は透磁率に変化に従ってその強さを変化させることになる。この磁界の変化は検出コイル層２４ａ、２４ｂの相互誘導起電力の変化として検出することが可能である。
【００３９】
ところで、第一磁性体層２２の透磁率の変化は、弾性変形が引張力による場合と圧縮力による場合とで異なり、従って、応力が零の状態を基準とすると両者において正負逆の信号として検出することが可能である。このため、本発明では、検出コイル層を、スリット列ＳＡ，ＳＣ，ＳＥが形成された第一磁性体層２２の部位に生じた応力に対応して生じる透磁率変化を磁界の変化として検出する第一の検出コイル層２４ａと、スリット列ＳＢ，ＳＤ，ＳＦが形成された第一磁性体層２２の部位に生じる応力に対応して生じた透磁率変化を磁界の変化として検出する第２の検出コイル群２４ｂとに分割して構成している。
【００４０】
このように検出コイルを分割して構成すると、図１０に示すように、第一の検出コイル層２４ａから検出される誘導起電力の変化分が正の信号として検出されるときには第二の検出コイル層２４ｂから検出される誘導起電力の変化分は負の信号となり、また、第一の検出コイル層２４ａから検出される誘導起電力の変化分が負の信号として検出されるときには第二の検出コイル層２４ｂから検出される誘導起電力は変化分は正の信号となる。しかもその絶対値はトルクのかかる方向に左右されず、同一である（図１０の直線（ａ）、（ｂ））。従って、両検出コイル層２４ａ、２４ｂの出力を差動増幅器３１のそれぞれの入力に接続すれば透磁率の変化を両者の差に該当する電圧として取り出すことができる（図１０の曲線（ｃ））。
【００４１】
このようにして検出した透磁率変化に対応する電圧はフレクスプライン部材１０の弾性変形に比例するため、この電圧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ものである。従って、検出コイル層２４ａのコイルパターンの数を増やすか若しくは第一磁性体層２２に相互に傾斜方向の異なるスリット列を左右対称に構成していけば同じく平均して零となり、実際には伝達トルクのみを検出することができる。
【００４２】
以上においては、励磁用プリント配線板２３と検出用プリント配線板２４を重ねて配設し、励磁コイル層２３ａの通電により発生する磁界を検出コイル層２４ａ，２４ｂに生じる相互誘導起電力として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実施例を説明した。しかしながら、本発明はこのような相互誘導作用によるものに限られず、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。
【００４３】
自己誘導作用を利用するトルクセンサ２０は、第一磁性体層２２と第２磁性体層との間に一枚のみのプリント配線板２６が配設して構成される。なお、第一磁性体層および第二磁性体層は上記実施例のものと同じであるため、同じ番号を使用して説明する。
第一磁性体層２２には上述の実施例と同様、小円形内に整列した複数のスリットを有するスリット列が周方向にそれぞれ等間隔に並んで配設されており、かつスリット列のそれぞれには周方向に対して４５度の角度を有した複数のスリット列ＳＡ、ＳＢ、……、ＳＦが形成されている。そして、プリント配線板２６にはそれぞれのスリット列と対向するコイルパターンＨＡ，ＨＢ，ＨＣ………、ＨＦが形成されている。
【００４４】
これらのコイルパターンは、図７に示す検出用コイルパターンと同様に構成され、一のコイルパターンの終端と一つおいて隣接する他のコイルパターンの始点とが接続され、それぞれ第一の検出コイル層２６ａと第二の検出コイル層２６ｂとを形成して構成されている。これらの検出コイル層２６ａ，２６ｂは発振回路４２と信号処理回路７０とに接続されている。この処理回路７０においては発振回路４２から交流電流がそれぞれの検出コイル層２６ａ、２６ｂに供給されてこれらが励起される。この電流に対応してそれぞれの検出コイル層２６ａ，２６ｂに含まれるコイルパターンの周りには図４に示すような磁界Ｐが発生する。
【００４５】
このような状態で、フレクスプライン部材１０にトルクが加わって弾性変形し、第一磁性体層２２の透磁率が変化すると磁界Ｐも変化し、電磁誘導作用によって、この変化分がコイル上に自己誘導の起電力を発生させる。第２磁性体層２２の透磁率の変化は、検出するスリット列の傾斜方向の相違からスリット列ＳＡ，ＳＣ、ＳＥ部分に生じる変化とスリット列ＳＢ，ＳＤ，ＳＦ部分に生じる変化は相反する方向に生じるため、誘導起電力の変化も弾性変形のない状態からは反対の方向に生じることになる。このため、図１１に示すように両検出コイル層２６ａ，２６ｂに生じる自己誘導起電力の差を差動増幅器７１によって検出することができる。そして、この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。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、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（例えば、波動減速機構のフレクスプライン（減速機構のトルク伝達部材））の回転軸に垂直な表面（ダイヤフラム部）に周方向に延びて磁性体層を接着し、その弾性変形に伴う磁性体層の磁歪特性を利用してトルクを検出するトルク検出装置において、この磁性体層には、前記回転中心を中心とする同一円周上に位置するとともにこの回転中心を挟んで対称となる複数対のスリット列が形成されており、前記複数対のスリット列においてそれぞれ対となるスリット列は、一方のスリット列が周方向に対し時計回り方向にほぼ４５度の角度を有し、他方のスリット列が周方向に対し反時計回り方向にほぼ４５度の角度を有して設けられており、前記平板状コイルは磁性体層上の複数のスリット対に重ねて配設されている。このため、同一円周上の検出位置において同一トルクに対する応力値を検出することができ、その結果、検出位置において磁気歪特性、および磁気歪の大きさを全て同じくすることができる。
【００４７】
このため、トルクの方向が変化した場合であっても、検出位置における磁性体層の磁気歪特性が相互に変わることがなく、また、トルクの方向に拘わらず同じ大きさの検出器出力値を得ることができることから、トルクの方向の相違による検出器出力の歪みを改善でき、トルクによる応力対磁気歪特性の直線性を改善することができる。すなわち、広範囲にわたって正確なトルク検出が可能となるだけでなく、正確なトルク検出ができる検出範囲の拡大を図ることができる。
【００４８】
さらに、前記複数対のスリット列においてそれぞれ対となるスリット列は、一方のスリット列が周方向に対し時計回り方向にほぼ４５度の角度を有し、他方のスリット列が周方向に対し反時計回り方向にほぼ４５度の角度を有して設けられており、弾性体が正逆いずれの方向のトルクを受けて弾性変形するときにも、スリットの傾斜方向の磁気歪が最大となり、透磁率変化が最大となる方向に複数のスリットが形成されていることになる。よって、スリットによる形状的な異方性効果も加わって弾性変形時における透磁率変化が増幅されて現れるため、トルク検出をより正確に行うことができる。
上記平板状コイルに重ねて、第二の磁性体層を配設することが望ましい。このような構成にすると、励磁コイルの周囲に励磁コイルの通電によって発生する磁界の磁束路が形成されるため、漏れ磁束が減少して磁性体層（以後、これを第一の磁性体層という）の磁界の変化を大きくすることができ、透磁率変化の検出精度を高めることができる。
上記平板状コイルを、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磁界の変化により誘導される起電力を検出する平板状検出コイルとから構成し、相互誘導起電力として検出することもできる。
なお、前記複数対のスリット列を前記同一円周上において等間隔に並んで配設するのが好ましく、この場合には各スリット列に対向配置された検出コイル層によって検出される誘導起電力が円周上均等な位置での検出値となり、より正確な検出が可能である。
このようなトルクセンサを波動減速機構の伝達トルクを検出するために使用することができ、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（ダイヤフラム部）に磁性体層が接着されてトルクセンサが配設される。
【００４９】
さらに、弾性変形時に磁性体表面には引張応力および圧縮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度の傾斜を有する二組のスリット群を形成すれば、第一の検出コイル層から検出される誘導起電力と第二の検出コイル層から検出される誘導起電力の方向が逆となり、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できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるトルクセンサが用いられる波動減速機構を示す断面斜視図である。
【図２】この機構を有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】トルクセンサ部の構成を表す斜視図である。
【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一磁性体層の平面図およびスリット部の拡大図である。
【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】フレクスプライン部材に取り付けらたトルクセンサのスリット列とコイルパターンとの重ね合わせ状態を表す表である。
【図９】信号処理回路を示す電気回路図である。
【図１０】本発明にかかるトルクセンサよって検出される誘導起電力対トルクの関係を示すグラフである。
【図１１】信号処理回路の異なる実施例を示す電気回路図である。
【図１２】従来のトルクセンサに使用されていた第一磁性体層の平面図である。
【図１３】従来のトルクセンサによって検出されていた誘導起電力対トルクの関係を示すグラフである。
【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
１２ａ ダイヤフラム部
２０ トルクセンサ
２１ 接着剤
２２ 第１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２磁性体層
３０、７０ 信号処理回路
３１、７１ 差動増幅器
４０、 発振回路

Claims (5)

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回転中心軸に垂直な表面に設けられ、前記トルクを検出するトルクセンサであって、
   前記弾性体の前記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磁性体層と、前記磁気歪特性の変化を検出する平板状コイルとからなり、
   前記磁性体層には、前記回転中心を中心とする同一円周上に位置するとともに前記回転中心を挟んで対称となる複数対のスリット列が形成されており、
   前記複数対のスリット列においてそれぞれ対となる前記スリット列は、一方のスリット列が周方向に対し時計回り方向にほぼ４５度の角度を有し、他方のスリット列が周方向に対し反時計回り方向にほぼ４５度の角度を有して設けられており、
   前記平板状コイルは前記磁性体層の前記複数対のスリット列上に重ねて配設されていることを特徴とするトルクセンサ。
2. 前記平板状コイルを覆って第二の磁性体層が配設されていることを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
3. 前記平板状コイルが、前記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ねて配設され前記磁界により誘導される起電力を検出する平板状検出コイルとから構成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のトルクセンサ。
4. 前記複数対のスリット列を前記同一円周上において等間隔に並んで配設したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のトルクセンサ。
5. 前記弾性体が波動減速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に前記磁性体層が接着されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のトルクセンサ。

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