JP6334317B2 - 減速機一体型トルク検出器 - Google Patents

Description

本発明は、トルク検出が可能かつ、減速機と一体構造とした減速機一体型トルク検出器に関するものである。

従来では図２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を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、モータの電機子とロータ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、モータ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に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２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、図３に示すような構造が考えられる。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には歪みゲージが複数貼られており、回転軸２の回転トルクを測ることが出来、歪みゲージと電気的に繋がって回路を構成する回転側基板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、フレックススプライン１３の歯車部がサーキュラスプライン１２と噛み合っている場所と、回転軸２側と繋がっている箇所の中間部分には、カップ状のフレックススプライン１３が弾性変形して撓む領域となっているだけでここの軸方向スペースが有効活用されていないことが判る。一方で２次側コイル５および２次側コア６の外周は、１次側コア７と１次側コイル８および固定側基板１０が限られた領域だけにあって、その他の部分は空き空間となっていることが判る。

本発明は、この有効活用されていない部分と空きの空間に着目して、軸方向に短い外形を有する減速機一体型トルク検出器を得ることが目的である。

本発明に係る減速機一体型トルク検出器は
モータと機械的に繋がって動力の減速を行う波動歯車減速機と、波動歯車減速機の出力部の回転トルクを出力部の回転軸にて検出する歪みゲージと、歪みゲージを含んで構成するホイートストンブリッジ回路を搭載して回転軸と共に回転する回転側基板と、検出した回転トルクの信号を回転基板から受信する固定側基板と、を有する減速機一体型トルク検出器において、
波動歯車減速機のフレックススプラインの円筒外周部全周に設けられた２次側コイルと、２次側コイルに対向し対を成して固定側基板に接続されている１次側コイルと備え、固定側基板から回転側基板へ非接触にて給電を行う回転型変圧器が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。

本発明の実施形態を示した減速機一体型トルク検出器の断面構造図 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 従来の減速機一体型トルク検出器の断面構造図

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断面構造図である。この減速機一体型トルク検出器は、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。

一方モータ軸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は例えば円筒形のコロによる線接触にて荷重を受けるクロスローラベアリングであり、その外輪は固定側であり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。従ってベアリング３ａは外輪であり、これと対向したベアリング３ｂは内輪であって、回転軸２とネジによって固定することで回転軸２は回転自在となっている。

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４ａ、４ｂがあり、回転側基板４ａ、４ｂには起歪部２ａの円筒表面に貼付された歪みゲージ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源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には固定側基板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、フレックススプライン１３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２次側が構成されている。フレックススプライン１３の円筒外周面上に、フェライトシートからなる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フレックススプライン１３に巻回することで形成ができる。また２次側コイル５から引き出された線は回転側基板４ａ、４ｂ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へ電源が供給され、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４ａ、４ｂ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に供給される。

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４ａ、４ｂ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。

このデジタル化した信号は、回転側基板４ａ、４ｂ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４ａ、４ｂは、基板固定支柱１９により回転軸２のつば部２ｂに固定されており、リング状の形状をしていて、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。本実施例では回転側基板４ａ、４ｂは２つの基板から構成されているが、回転軸２の直径寸法によっては基板面積を広くすることが出来て、１つの基板で構成される場合もある。その際はさらに軸方向の長さが短縮された減速機一体型トルク検出器となる。

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。フレックススプライン１３の噛み合う歯車部と２次側コア６および２次側コイル５の軸方向の中間には、減速機側のオイルの飛散を防ぐ目的で、オイルシール１１が設けられている。オイルシール１１はカバー１６に挿入されてフレックススプライン１３の円筒面に接触してシールがなされる。

一方回転軸２は、半径方向に張り出したつば部２ｂにてベアリング内輪３ｂに固定されている。このベアリング内輪３ｂと対向するように設けられたベアリング外輪３ａは、外装部を兼ねる接続部１７に固定される。

上述したように、本発明では波動歯車減速機のフレックススプライン１３の噛み合う歯車と軸方向にて並ぶように非接触給電のための回転型変圧器を設けて、フレックススプライン１３と一緒に回転する回転軸２に設けられた回転側基板４ａ、４ｂに電力を供給するようにしたので、特に軸方向において短い減速機一体型トルク検出器を実現できる。すなわち、フレックススプライン１３の円筒部の空きスペースを利用してここに回転型変圧器を設置したため、空間の有効利用がなされて軸方向において短くすることが可能となっている。フレックススプライン１３は駆動中に弾性変形を起こし駆動中に僅かに歪むものの、非接触給電のための回転型変圧器の性能の低下を引き起こすレベルでは無い。

またこの配置によれば小型化を実現できるばかりでなく設計自由度や組み立て性も向上させることが可能となる。というのも従来の図３のように２次側コイル５が回転軸２側に存在すると、組み込み時に回転側基板４ａ、４ｂはこれを逃げるように内径を定めねばならない。２次側コイル５は所要の巻き数が必要であり、この高さのばらつきを考慮して回転側基板４ａ、４ｂは設計を行う必要があった。これに対して本発明では、２次側コイル５は回転軸２上に設けられておらず回転側基板４ａ、４ｂが組み立て時に通過する部分の寸法ばらつき等を考慮する必要が無く設計の自由度が高く、組み立て性も良好となる。

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 減速機一体型トルク検出器
２ 回転軸
２ａ 起歪部
２ｂ つば部
３ ベアリング
３ａ ベアリング外輪
３ｂ ベアリング内輪
４ａ、４ｂ 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
１１ オイルシール
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
１９ 基板固定支柱
２０ トルク検出器
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 (2)

1. モータと機械的に繋がって動力の減速を行う波動歯車減速機と、前記波動歯車減速機の出力部の回転トルクを前記出力部の回転軸にて検出する歪みゲージと、前記歪みゲージを含んで構成するホイートストンブリッジ回路を搭載して前記回転軸と共に回転する回転側基板と、検出した前記回転トルクの信号を前記回転基板から受信する固定側基板と、を有する減速機一体型トルク検出器において、
   前記波動歯車減速機のフレックススプラインの円筒外周部全周に設けられた２次側コイルと、前記２次側コイルに対向し対を成して前記固定側基板に接続されている１次側コイルと備え、前記固定側基板から前記回転側基板へ非接触にて給電を行う回転型変圧器が設けられたことを特徴とする減速機一体型トルク検出器。
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に記載の減速機一体型トルク検出器