JP6342772B2 - 動力システム - Google Patents

Description

本発明は、電動モータにより負荷を駆動する動力システムに関する。

ロボットの動力システム等、電動モータにより負荷を駆動する動力システムでは、電動モータから負荷に伝達される駆動力をトルク検出器等の力検出器の出力に基づいて検出し、その検出値に応じて電動モータの運転制御を行うものが従来より一般に知られている（例えば特許文献１を参照）。

そして、その種の動力システムで利用される力検出器としては、例えば、特許文献２に見られるように、電動モータから負荷に至る動力伝達系に介装された起歪体のひずみに応じた検出信号を出力するように構成されたものが一般に知られている。

特開２００６−０００９５５号公報 特開平５−１７２６６０号公報

上記動力システムでは、電動モータの運転制御を適切に行うために、電動モータから負荷に伝達される駆動力を精度よく検出し得ることが望まれる。

しかしながら、特許文献２に見られる如き起歪体を有する力検出器で電動モータから負荷に伝達される駆動力を検出する動力システムでは、電動モータに比較的大きな電流を通電するような状況で、力検出器の検出信号にノイズが混入し易いことが本願発明者の種々様々な実験、検討によって判明した。

すなわち、起歪体は一般に、金属製の導体により構成されたものであるため、電動モータに電力を供給するモータ電源回路部と起歪体との間の絶縁抵抗もしくは浮遊容量、あるいは、力検出器の検出信号を入力する低電圧系の信号処理回路部と起歪体との間の絶縁抵抗もしくは浮遊容量等に起因して、特に、電動モータに比較的大きな電流を通電するような状況で、モータ電源回路部側から起歪体を介して信号処理回路部にノイズが混入し易い。

その結果、力検出器の検出信号に基づく駆動力の検出値の精度が低下し、ひいては、電動モータの運転制御が不適切なものとなる虞がある。

本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、電動モータの通電時に、電動モータから負荷に伝達される駆動力を検出する力検出器の検出信号にノイズが混入するのを抑制し、該力検出器の検出信号に応じた電動モータの運転制御を適切に行うことを可能とする動力システムを提供することを目的とする。

本発明の動力システムは、かかる目的を達成するために、負荷を駆動する駆動力を出力する電動モータと、該電動モータから前記負荷に至る動力伝達系に途中に介装された起歪体を有し、該起歪体のひずみに応じた検出信号を前記電動モータから前記負荷に伝達され
る駆動力を示す信号として出力する力検出器と、該力検出器の検出信号を取得する信号処理回路部とを備え、該信号処理回路部で取得された前記力検出器の検出信号に応じて前記電動モータの運転制御が行われるように構成された動力システムであって、前記信号処理回路部の接地極が前記起歪体に導通されており、
前記電動モータに電力を供給するモータ電源回路部の接地極が、前記起歪体と絶縁されていると共に、前記動力伝達系で前記起歪体に連結された動力伝達要素に導通されており、
該動力伝達要素と前記起歪体とが互いに絶縁された状態で連結されていることを特徴とする。

なお、本発明において、前記電動モータから前記負荷に伝達される駆動力は、回転駆動力（トルク）と並進駆動力とのいずれであってもよい。

ここで、本願発明者の各種実験、検討によれば、前記信号処理回路部の接地極を、前記起歪体に導通（短絡）させた場合には、前記電動モータに比較的大きな電流を通電した場合であっても、該通電に起因して前記力検出器の検出信号にノイズが混入するのを大幅に抑制できることが判明した。

従って、本発明によれば、電動モータの通電時に、電動モータから負荷に伝達される駆動力を検出する力検出器の検出信号にノイズが混入するのを抑制することができる。その結果、該力検出器の検出信号に基づく駆動力の検出値の信頼性が高まる。ひいては、該力検出器の検出信号に応じた電動モータの運転制御を適切に行うことを高い信頼性で行うことが可能となる。

さらに、本発明では、前記電動モータに電力を供給するモータ電源回路部の接地極が前記起歪体と絶縁されている。

これによれば、モータ電源回路部の電源線が、前記起歪体に接触すること等の不具合が生じても、モータ電源回路部から起歪体を介して信号処理回路部に過大な電流が流れるような事態が発生するのを防止できる。

さらに、本発明では、前記モータ電源回路部の接地極が、前記動力伝達系で前記起歪体に連結された動力伝達要素に導通されており、該動力伝達要素と前記起歪体とが互いに絶縁された状態で連結されている。

これによれば、前記起歪体に連結された動力伝達要素と該起歪体との間の電気的な絶縁を適宜の絶縁部材等を使用して行うことで、モータ電源回路部の接地極と信号処理回路部の接地極との間の絶縁を容易に行うことができる。

本発明の一実施形態の動力システムの構成を示す図。

本発明の一実施形態を図１を参照して以下に説明する。本実施形態の動力システム１は、負荷Ｗを駆動する駆動力を出力する電動モータ２と、電動モータ２から負荷Ｗに至る動力伝達系３の途中に介装された起歪体１１を有する力検出器としてのトルク検出器１０と、電動モータ２に電力を供給するモータ電源回路部２１と、モータ電源回路部２１を介して電動モータ２の運転制御を行う制御回路部３１とを備える。

ここで、本実施形態の動力システム１は、例えばロボットの２つのリンクＬ１，Ｌ２間の関節機構（回転型の関節機構）を構成する動力システムである。すなわち、動力システム１は、ロボットの１つのリンクＬ１（以降、第１リンクＬ１という）に対して、負荷Ｗの構成要素としての第２リンクＬ２を相対的に回転駆動するものである。この場合、負荷Ｗは、第２リンクＬ２と、これに連結された他のリンク等の部材（図示省略）とにより構成される。

動力伝達系３は、電動モータ２の出力軸２ａからギヤ機構もしくは波動歯車装置等により構成される減速機４と、起歪体１１とを順に介して駆動力（第１リンクＬ１に対して第２リンクＬ２を相対回転させるトルク）を負荷Ｗに伝達するように構成されている。

この場合、減速機４は、そのハウジング４ｈが、第１リンクＬ１と、電動モータ２のハウジング２ｈとに各々図示しないボルト等を介して固定されている。なお、第１リンクＬ１は、電動モータ２のハウジング２ｈに固定されていてもよい。

そして、減速機４の入力軸（図示省略）が電動モータ２の出力軸２ａと一体に回転し得るように該出力軸２ａに連結されている。

起歪体１１は、金属製の導体により構成され、その一端部が減速機４の出力軸４ａと一体に回転し得るように該出力軸４ａに連結されている。

より具体的には、例えば、出力軸４ａの端部に形成されたフランジ４afと、起歪体１１の一端部に形成されたフランジ１１f1とを複数のボルト４１で締結することによって、起歪体１１が減速機４の出力軸４ａに連結されている。

この場合、起歪体１１のフランジ１１f1と減速機４の出力軸４ａのフランジ４afとの間には、セラミック、アルマイト等の絶縁材から成る複数のワッシャ４２が介装されている。また、各ボルト４１は、その挿入穴に配置される図示しない絶縁材、あるいは、絶縁コーティング等によりフランジ１１f1，４afのうちの少なくともいずれか一方に対して電気的に絶縁されている。これにより、起歪体１１が、減速機４の出力軸４ａに対して電気的に絶縁されている。

ここで、本実施形態の動力システム１では、相互に固定された第１リンクＬ１、減速機４のハウジング４ｈ及び電動モータ２のハウジング２ｈは、互いに電気的に導通（短絡）されている。また、減速機４の出力軸４ａはハウジング４ｈに電気的に導通されている。

このため、起歪体１１と減速機４の出力軸４ａとの間を上記の如く電気的に絶縁することで、起歪体１１が第１リンクＬ１及び電動モータ２のハウジング２ｈに対しても電気的に絶縁されている。

起歪体１１の他端部は、第２リンクＬ２と一体に回転し得るように該第２リンクＬ２に連結されている。

より具体的には、例えば、起歪体１１の他端部に形成されたフランジ１１f2を第２リンクＬ２に複数のボルト４３で締結することによって、起歪体１１が第２リンクＬ２に連結されている。

この場合、起歪体１１のフランジ１１f2と、と第２リンクＬ２との間には、前記ワッシャ４２と同様の絶縁材から成る複数のワッシャ４４が介装されている。また、各ボルト４３は、その挿入穴に配置される図示しない絶縁材、あるいは、絶縁コーティング等によりフランジ１１f2及び第２リンクＬ２のうちの少なくともいずれか一方に対して電気的に絶縁されている。これにより、起歪体１１が第２リンクＬ２に対して電気的に絶縁されている。

なお、減速機４の出力軸４ａと、第２リンクＬ２とは、本発明における動力伝達要素（動力伝達系３で起歪体１１に連結された動力伝達要素）に相当する。

トルク検出器１０の構成要素たる上記起歪体１１は、付与されるトルクに応じたひずみ（捩れひずみ）を生じるように構成されている。そして、トルク検出器１０は、起歪体１１のひずみに応じた検出信号を、電動モータ２から負荷Ｗに伝達される駆動力（トルク）を示す信号として出力するために、抵抗式ひずみゲージ１２と複数（図示例では３つ）の固定抵抗の抵抗素子１３とにより構成されるホイートストンブリッジ回路１４（以降、単にブリッジ回路１４という）とを備える。

抵抗式ひずみゲージ１２を含むブリッジ回路１４は、図示しない接着剤等により、起歪体１１と電気的に絶縁された状態で該起歪体１１に固着されている。この場合、抵抗式ひずみゲージ１２は、起歪体１１に付与されるトルクに応じて該起歪体１１に生じるひずみに応じた抵抗値変化が生じるように起歪体１１に固着されている。

そして、ブリッジ回路１４は、該ブリッジ回路１４に電源電圧を制御回路部３１から付与するための一対の電源線１５，１５と、ひずみゲージ１２の抵抗値変化に応じた検出信号を制御回路部３１に出力するための一対の信号線１６，１６とを介して制御回路部３１に接続されている。

この場合、起歪体１１は、付与されるトルクに応じたひずみを生じるものであるので、ブリッジ回路１４に電源電圧を印加した状態でブリッジ回路１４から信号線１６，１６を介して出力される検出信号は、電動モータ２から負荷Ｗに伝達されるトルクに応じた電圧値を有する信号となる。

また、起歪体１１は、制御回路部３１の接地極３１ｇにボンディングワイヤ３２を介して導通（短絡）されている。

なお、図１では、単一のブリッジ回路１４だけを図示しているが、起歪体１１に付与されるトルクを検出するために、複数のブリッジ回路が起歪体１１に固着されていてもよい。その場合、それぞれのブリッジ回路が電源線及び信号線を介して制御回路部３１に接続される。

モータ電源回路部２１は、詳細な図示は省略するが、例えば直流電源と、該直流電源の直流電力を交流電力に変換して電動モータ２の巻線コイルに通電するインバータ回路とにより構成される。そして、本実施形態では、第１リンクＬ１，Ｌ２を含めたロボットの各リンクがモータ電源回路部２１のアース部とされ、該モータ電源回路部２１の接地極２１ｇが、ロボットの各リンクに導通（短絡）されている。

この場合、図示例では、例えば、第１リンクＬ１は、モータ電源回路部２１の接地極２１ｇと電動モータ２のハウジング２ｈとを接続するボンディングワイヤ２２と、該電動モータ２のハウジング２ｈとを介して接地極２１ｇに導通されている。また、第２リンクＬ２は、例えば、該第２リンクＬ２に固定される他の電動モータ（図示省略）のハウジングを介して接地極２１ｇに導通される。

なお、ロボットの各リンクとモータ電源回路部２１の接地極２１ｇとの導通形態は、上記の形態に限らず、任意の形態でよい。例えば、第１リンクＬ１と接地極２１ｇを減速機４のハウジング４ｈを介して導通させたり、あるいは、第１リンクＬ１に直接的に接地極２１ｇを導通させるようにしてもよい。

制御回路部３１は、本発明における信号処理回路部に相当する。この制御回路部３１は、詳細な図示を省略するが、ブリッジ回路１４に供給する電源電圧を出力する定電圧レギュレータ、ブリッジ回路１４から出力される検出信号の増幅及びＡ／Ｄ変換等を行うインターフェース回路、各種演算処理を実行するＣＰＵ、演算処理データ等を記憶保持するＲＡＭ、プログラムデータ等を記憶保持するＲＯＭ等を基板に搭載して構成された電子回路ユニットである。

なお、制御回路部３１は、相互に通信可能な複数の回路部により構成されていてもよい。例えば、制御回路部３１は、トルクを検出するための機能を有する回路部と電動モータ２の運転制御を行う機能を有する回路部とに分離されていてもよい。

そして、制御回路部３１は、そのハードウェア構成、あるいは、プログラム処理により実現される機能として、トルク検出器１０のブリッジ回路１４から入力される検出信号により示されるトルクの検出値等に応じて、電動モータ２の運転制御（電動モータ２の出力トルクの制御等）を、モータ電源回路部２１を介して行う機能を有する。

より具体的には、制御回路部３１は、トルク検出器１０の検出信号により示されるトルクの検出値等に応じて、電動モータ２の制御目標（例えば出力トルクの目標値）を逐次決定し、該制御目標に応じてモータ電源回路部２１のインバータ回路のスイッチング素子を制御することで、電動モータ２の巻線コイルの通電を制御する。

ここで、起歪体１１は、前記した如くボンディングワイヤ３２を介して制御回路部３１の接地極３１ｇに導通（短絡）されている一方、減速機４の出力軸４ａと第２リンクＬ２とから電気的に絶縁され、ひいては、モータ電源回路部２１の接地極２１ｇから電気的に絶縁されている。このため、制御回路部３１の接地極３１ｇは、モータ電源回路部２１の接地極２１ｇから電気的に絶縁されていることとなる。

本実施形態の動力システム１は、以上の如く構成されている。この場合、本実施形態では、トルク検出器１０の起歪体１１は、該起歪体１１に接着されたブリッジ回路１４の検出信号を取得する制御回路部３１の接地極３１ｇに導通されている。すなわち、起歪体１１の電位は、制御回路部３１の電位と同じ電位に保たれている。

このため、電動モータ２に比較的大きな電流を通電した場合であっても、その通電に起因したノイズ成分が、起歪体１１を介してブリッジ回路１４、あるいは信号線１６等に混入するのを抑制することができる。

実際、このことが本願発明者の実験によって確認された。すなわち、本願発明者は、電動モータ２と同じ仕様の電動モータを該電動モータ２の近くに配置した状態（起歪体１１にトルクを作用させない状態）において、起歪体１１を制御回路部３１の接地極３１ｇに導通させた場合（実施例）と、起歪体１１を制御回路部３１の接地極３１ｇに導通させていない場合（比較例）とで、当該配置した電動モータにステップ状の電流を通電して、トルク検出器１０の検出信号を観測した。

この場合、比較例では、トルク検出器１０の検出信号の電圧値が比較的顕著のオフセットを生じた（該電圧値が起歪体１１にトルクが作用している示す電圧値となる）ものの、実施例では、該検出信号の電圧値のオフセットは、比較例の１００分の１程度に低下することが確認された。

これは、起歪体１１を制御回路部３１の接地極３１ｇに導通させることで、起歪体１１とブリッジ回路１４もしくは信号線１６，１６等との間の絶縁抵抗もしくは浮遊容量の影響が低減されるためと考えられる。

このことから、電動モータ２の通電に起因したノイズ成分が、起歪体１１を介してブリッジ回路１４、あるいは信号線１６等に混入するのを抑制することができることが判る。ひいては、トルク検出器１０の検出信号に基づいて、電動モータ２から負荷Ｗに伝達される駆動力（トルク）を高い信頼性で精度よく検出できることととなる。

また、本実施形態では、制御回路部３１の接地極３１ｇに導通させた起歪体１１が、モータ電源回路部２１の接地極２１ｇに対して電気的に絶縁されている。このため、モータ電源回路部２１の電源線の断線時に、該電源線が起歪体１１に接触すること等に起因して、モータ電源回路部２１の比較的高い電源電圧が起歪体１１あるいはこれに導通する部分に作用しても、モータ電源回路部２１の直流電源側から起歪体１１あるいは制御回路部３１等に過大な電流が流れるのを防止することができる。

なお、以上説明した実施形態では、ロボットに備えた動力システム１について説明したが、本発明の動力システム１は、ロボット以外の装置に備えられたものであってもよい。

また、前記実施形態では、制御回路部３１（信号処理回路部）の接地極３１ｇに導通させた起歪体１１が、モータ電源回路部２１の接地極２１ｇに対して電気的に絶縁したが、モータ電源回路部２１から制御回路部３１側に電流が流れないようにするための他の対策がなされているような場合には、制御回路部３１（信号処理回路部）の接地極３１ｇと、モータ電源回路部２１の接地極２１ｇとが導通されていてもよい。

また、前記実施形態では、力検出器としてトルク検出器１０を備える動力システム１を示したが、例えば動力システムが、電動モータとして、リニアモータを備える場合、あるいは、電動モータの回転駆動力をボーネジ等を介して並進力に変換して、負荷に付与するように構成されている場合には、力検出器は並進駆動力を検出するように構成されていてもよい。

１…動力システム、２…電動モータ、３…動力伝達系、１０…トルク検出器（力検出器）、４ａ…減速機の出力軸（動力伝達要素）、Ｌ２…第２リンク（動力伝達要素）、２１…モータ電源回路部、３１…制御回路部（信号処理回路部）、Ｗ…負荷。

Claims (1)

1. 負荷を駆動する駆動力を出力する電動モータと、該電動モータから前記負荷に至る動力伝達系に途中に介装された起歪体を有し、該起歪体のひずみに応じた検出信号を前記電動モータから前記負荷に伝達される駆動力を示す信号として出力する力検出器と、該力検出器の検出信号を取得する信号処理回路部とを備え、該信号処理回路部で取得された前記力検出器の検出信号に応じて前記電動モータの運転制御が行われるように構成された動力システムであって、
   前記信号処理回路部の接地極が前記起歪体に導通されており、
   前記電動モータに電力を供給するモータ電源回路部の接地極が、前記起歪体と絶縁されていると共に、前記動力伝達系で前記起歪体に連結された動力伝達要素に導通されており、
   該動力伝達要素と前記起歪体とが互いに絶縁された状態で連結されていることを特徴とする動力システム。

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