JP5988397B2 - トルク検出器 - Google Patents

Description

本発明は、モータもしくは減速機と繋がって、回転軸のトルク検出をするトルク検出器に関するものである。

従来では図４に示すように、モータ１０４の動力を負荷装置に伝達しつつ回転トルクを検出してトルク制御する手段として、モータ１０４の出力軸に減速機１０３を連結させて回転数を減少させると同時にトルクを増加させ、カップリング１０５等の軸継手を介してトルクが測定できるトルク検出器２０を繋いで、このトルク検出器２０の出力である回転軸２を負荷装置に繋ぐというものが一般的であった。この構成であれば各ユニットが独立しており部品交換などメンテナンス等は有利であるが、軸方向の長さが長くなってしまうことからロボットなどに用いることが難しく適用用途に限定があった。

これを改善したものとして、モータ、減速機、トルク検出器を一体構造で構成する発明が開示されている。

特許文献１では、モータ、波動歯車減速機、トルク検出部がそれぞれ直列に並んで構成されており、中空軸であることから、回転出力軸と一体となっているトルク検出部からの配線を容易にしている。しかしトルク検出部の歪みゲージからの引出線は中空軸の時だけ配線が可能であり、適用範囲が限られていた。そして軸方向の長さを短くする工夫は特になされておらず一般的なものである。

特許文献２では、波動歯車減速機のフレックススプラインが、モータの固定子と回転子の隙間に配置されており、軸方向の長さは若干短縮できるが、回転子を覆うような複雑な構造であり組み立て性に難点があった。トルク検出においては、詳細な実施例の記述が無く、回転軸の磁歪を測定する手段を用いていることが推察される。この場合磁歪めっき膜のねじり疲労耐久性や耐食性が課題となると共に、回転軸に継続的な負荷がかかる場合には軸自体が時間に伴ってクリープ変形を引き起こすため高精度な測定を維持することは困難といえる。

また特許文献３では、波動歯車減速機のフレックススプラインに歪みゲージを貼ってトルクを検出するトルク検出機構付き波動歯車装置が開示されている。ここで歪みゲージは実際に回転している部材では無く固定された部材に貼られており、回転体のトルクを減速機内の撓む部分の近傍にて間接的に測っているため応答性が悪く測定精度に難点があった。また歪みゲージはフレックススプラインの一部に設けられたボスと呼ばれる部分に貼られていてこの形状によって歪み検出の精度が決まってしまい、最適なものを設計する自由度が小さいと言える。そして歪みゲージからの配線は、モータが近傍にありノイズ対策が必要であるため、シールド線等で信号を取り出すことになり、コストアップとなる。さらに歪みゲージの抵抗値変化を検出するホイートストンブリッジ回路が必要であるものの、これを構成する回路基板の記述は無く、実施例の筐体内にてトルク検出の機能が完結されていないためこれにこの回路を設ける別途空間が必要となっていた。

特開２０１３−２１５０８１号公報 特許第４５８１５４３号公報 特許第３５１２１６０号公報

図４に示す単体ユニットで構成されるものを基本形として、モータ１０４と減速機１０３を分離して、減速機１０３とトルク検出器２０を一体型として構成した場合、一つの例として図３に示すような従来構造が考えられる。すなわち回転軸２は減速機の出力であるフレックススプライン１３と連結されて負荷装置に動力を伝達すると同時に、回転軸２に設けられた起歪部２ａには歪みゲージ３０が複数個貼られており、回転軸２の歪みを測ることが出来、歪みゲージ３０からリード線３１にて電気的に繋がって電気回路を構成してトルク値を算出する回転側基板４があって、この回転側基板４から固定側基板１０へのデータの無線伝送でトルク値を送信することでトルクを検出している。

しかしながらこのような構成においては、減速機側から見て、非接触の回転型変圧器、起歪部２aおよび歪みゲージ３０、そして回転軸側基板４という順序で直列的に配置されているため、軸方向における長さが長くなってしまうとう課題があった。また回転型変圧器の受電側すなわち２次側コア６と２次側コイル５は回転軸２に巻回されて形成していることから、この２次側コイル５を巻く際は回転軸２が必要であり、組み立ての順序に制限があった。すなわち、回転軸２には歪みゲージ３０を貼り付ける必要があり、この工程を経た後にこの２次側コア６と２次側コイル５を巻きつけることになる。従って製作のリードタイムが長くなり、また貼った後に歪みゲージ３０に関して何らかの問題があることが判明した場合、この２次側コア６と２次側コイル５を外して修正せねばならないという課題があった。

本発明は、軸方向に短い外形を有するトルク検出器を得ると共に、組み立て性の向上を図ることが目的である。

本発明に係るトルク検出器は
モータもしくはモータと機械的に接続される減速機と繋がって、負荷装置へ動力を伝達
する回転軸と、 回転軸に取り付けられ回転軸の回転トルクを検出する回路が搭載された
回転側基板と、 回転側基板へ非接触にて電力を供給する回転型変圧器とを有するトルク
検出器において、
回転軸に生ずる歪みを感知して回転トルクを検出するように回転軸に設けられた起歪部
が、回転型変圧器によって、覆われるように設けられて構成されている。

なお回転トルクの検出が、歪みゲージを含む電気回路によって行われることが好ましい。

また回転軸に設けられた回転型変圧器の２次側コアおよび２次側コイルが、回転軸に挿着される円筒部材上に構成されていることが好ましい。

本発明の実施形態を示したトルク検出器の主要部構造図 本発明の実施形態を示したトルク検出器の断面構造図 従来のトルク検出器の主要部構造図 従来のトルク検出器と減速機とモータの構成を表した図

以下、本発明による実施形態について、図面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トルク検出器の主要部構造図であり、幾つかの部品を省略していると共に、一部の部品すなわち２次側コア６と円筒部材３２を透明にして示している。なおこのトルク検出器は、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。

回転軸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、回転トルクを検出するために起歪部２ａも備えている。起歪部２ａは、回転軸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、回転軸２の軸方向には強度を有して変形せず、ねじれ方向には変形するため、この表面に歪みゲージ３０を貼付し、この起歪部２ａに生じるねじれを歪みゲージの抵抗体の抵抗値の変化から感知して、回転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、測定する回転トルク量によって最適なものが選択される。回転軸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、負荷装置と一緒に回転しつつ回転トルクを検出することになる。

次いで図２にて、本発明の詳細を説明する。図２は本発明の実施形態を示したトルク検出器の断面構造図でありこのトルク検出器の全体を示している。

モータ軸１０１は、不図示のモータ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、減速機構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回転軸２へ伝達される。

ベアリング３は深溝玉軸受けであり、その外輪は固定側であって筐体を兼ねる接続部１７に固定されて、回転軸２を回転自在に支持するように設けられている。

１次側コア７および１次側コイル８と、２次側コア６および２次側コイル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。回転軸２には回転軸２と共に回転する回転側基板４があり、回転側基板４には起歪部２ａの円筒表面に貼付された歪みゲージ３０を含んで構成するホイートストンブリッジ回路が搭載されており、この回路に非接触にて電力を供給している。

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。固定側基板１０には、外部の直流電源装置より電力が供給されると共に、この直流を交流に変換して、回転軸２に設けられて一緒に回転する電気回路へ電力を供給するためのスイッチング回路が設けられている。

１次側コア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を介して固定側基板１０に取り付けられている。１次側コア７の両突部間には銅線を巻回してなる１次側コイル８が設けられている。この１次側コイル８は固定側基板１０と電気的に接続されており、固定側基板１０内のスイッチング回路から電力が供給される。

一方回転軸２側には、１次側コア７および１次側コイル８と所定間隔をおいて対向するように、変圧器の受電側すなわち２次側が構成されている。回転軸２の円筒外周面上のつば部２ｂに、円筒部材３２が挿着され、この円筒部材３２の外周面に２次側コア６が設けられ、この２次側コア６の外周には銅線を巻回してなる２次側コイル５が設けられている。２次側コア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円筒部材３２に巻回されている。また２次側コイル５から引き出された電線は回転側基板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側基板１０へ電力が供給され、固定側基板１０上のスイッチング回路にて交流に変換された電流を１次側コイル８に通電すると交流磁界が発生し、この交流磁界が回転軸２側の２次側コア６に透過することで、２次側コイル５に電流が誘起される。誘起された電流は、回転側基板４内の整流化回路および安定化回路を経て、ホイートストンブリッジ回路を成す歪みゲージ３０に供給される。歪みゲージ３０はリード線３１によって回転側基板４と電気的に接続されている。

実際のトルクの検出は、回転軸２にトルクが加わると、回転軸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３０の抵抗体の抵抗値の変化の大きさとして検出される。検出は回転側基板４内に設けられた検出回路により行われ、この検出アナログ信号はＡ／Ｄ変換でデジタル化および変調される。

このデジタル化された信号は、回転側基板４に設けられた赤外線通信を行うＬＥＤにより送信され、固定側基板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。固定側基板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、モータの制御に使用される。

回転側基板４は、回転軸２に取り付けられた基板固定部材３３へ、基板固定支柱１９によって固定されている。回転側基板４は円環状であって、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。

一方、回転軸２に対して駆動側には、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モータ軸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部として機能する。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部となって、この波動歯車減速機の減速比だけ減速することになる。

そして回転軸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部とネジによって締結されている。また回転軸２は、ベアリング３およびベアリング１８にて回転自在に設けられ、ベアリング３は外装部を兼ねる接続部１７、ベアリング１８は外装部を兼ねるカバー１６にてその外輪側がそれぞれ固定されている。

上述したように、本発明では非接触給電のための回転型変圧器の受電側すなわち２次側が、円筒部材３２の外周面に設けられ、歪みゲージ３０が貼られている起歪部２ａを覆うようにオーバーラップして、回転軸２に取り付けられている。これと同時に回転側基板４ａも歪みゲージ３０が貼られている起歪部２ａを覆う位置に配置することで、特に軸方向において短いトルク検出器を実現できる。

また回転型変圧器の受電側すなわち２次側を、円筒部材３２の外周面に設けたことで、２次側コア６および２次側コイル５を巻回する工程を別途行うことが出来、組み立て性が良好となる。すなわち従来、回転軸２を用意して、起歪部２ａに歪みゲージ３０を接着し、リード線３１をはんだ付けした後、２次側コア６を回転軸２に巻き付け接着し、２次側コイル５をその上に巻き付けることになる。もしその後の組み立て工程で、歪みゲージ３０にて不良が判明した時には、歪みゲージ３０を接着した接着剤の剥がしおよび洗浄が必要となり、歪みゲージ３０および回転型変圧器の２次側、両方の再組み立てが必要となる。また２次側コイル５がエポキシ接着剤などの弾性接着剤で２次側コア６に接着されている場合、これを剥がすのも容易でなく、剥がした２次側コア６および２次側コイル５を再利用することは困難である。

これに対して本発明では、回転型変圧器の２次側は、円筒部材３２をベースとして独立して組み立て出来るため、組み立て性の向上を図ることが可能となる。もちろん、円筒部材３２は回転軸２より単純な形状にすることが容易であるため、２次側コア６および２次側コイル５の巻回の際にはその回転軸専用の治工具等が不要となり、組み立てのコストダウンも実現できる。

本発明の活用例として、トルクを制御しつつ動力を発生するアクチュエータとしてロボット等への適用が可能である。

１ トルク検出器
２ 回転軸
２ａ 起歪部
２ｂ つば部
３ ベアリング
４ 回転側基板
５ ２次側コイル
６ ２次側コア
７ １次側コア
８ １次側コイル
９ コアホルダ
１０ 固定側基板
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 カバー
１７ 接続部
１８ ベアリング
１９ 基板固定支柱
２０ トルク検出器
３０ 歪みゲージ
３１ リード線
３２ 円筒部材
３３ 基板固定部材
１０１ モータ軸
１０２ ベアリング
１０３ 減速機
１０４ モータ
１０５ カップリング

Claims (3)

1. モータもしくは前記モータと機械的に接続される減速機と繋がって、負荷装置へ動力を
   伝達する回転軸と、前記回転軸に取り付けられ前記回転軸の回転トルクを検出する回路が
   搭載された回転側基板と、前記回転側基板へ非接触にて電力を供給する回転型変圧器とを
   有するトルク検出器において、
   前記回転軸に生ずる歪みを感知して前記回転トルクを検出するように前記回転軸に設け
   られた起歪部が、前記回転型変圧器によって、覆われるように設けられたことを特徴とするトルク検出器。
2. 前記回転トルクの検出が、歪みゲージを含む電気回路によって行われることを特徴とする請求項１に記載のトルク検出器。
3. 前記回転軸に設けられた前記回転型変圧器の２次側コアおよび２次側コイルが、前記回転軸に挿着される円筒部材上に構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のトルク検出器。