JPH022376B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は巻線などの張力や、ロボツトが物が安
全確実に把む場合の把持力などを発生させる場合
に使用する、駆動トルク制御を行うことが可能な
トルク計測器付きモータに関するものである。

従来例の構成とその問題点 トルク計測機能をモータに内蔵し、モータと一
体に構成したものは少く、モータとは別のトルク
計測器を結合して、回転トルクを計測し、この計
測値によつてモータ電流を制御するのが普通であ
る。

従来の回転トルク計測器は第１図に示すような
構造のもので、回転シヤフト１は、一方の端、例
えば１ａを回転トルクの入力側とすれば、他方１
ｂが出力側で、その中間を薄板部５を介して１本
のシヤフトを構成している。ここで出力側に回転
負荷をつなぎ、入力端に回転力を加えると薄板部
に捩じれ歪が生ずる。薄板部には歪検出素子６が
貼付けてあり、この素子は引つ張り又は圧縮によ
つて電気抵抗が変化するもので、捩じれ量に応じ
た電気抵抗変化が得られる。

この電気抵抗変化を測定すれば回転トルク値を
知ることができる。しかしながらシヤフトは回転
しているため、歪検出素子６と、計測回路８とを
直線電気配線で結べない。このため、シヤフト１
に設けた絶縁材２と、更にその上に２つの導電体
の摺動リング３ａと、３ｂを設け、上記歪素子か
らの配線をこれらのリングにそれぞれ接続する。
そしてこれらのリングにそれぞれ当接して設けた
刷子４ａと４ｂにより導線を引き出し、計測回路
８へ結ぶ。

以上の構成によつて回転中のトルク量の計測が
できる。しかしながらこのような構成は摺動リン
グと刷子が必要であり、これらは動作中摺動する
ので、摩滅し短寿命をまねがれないし、回転数が
高くなると摺動部の電気抵抗が不安定となり誤差
の原因となる、という欠点を有していた。

発明の目的 本発明は上記欠点に鑑み、摺動部を不要とした
非接触構造とし、長寿命でかつ、高速回転に於て
も安定な回転トルク計測を実現するのが第１の目
的であり、更にモータ制御には常に必要となる回
転位置（角度）と回転速度の計測も同時に行うこ
とを第２の目的としている。そうしてこれらの計
測手段をモータと１体構成で実現することを第３
の目的とし、このような１体型モータを、使用す
ることによつて、他に位置、速度、トルクの検出
器の取り付けを不要とし、全体的に小型、低価格
に構成できる効果がある。

発明の構成 本発明は、モータと、このモータより突出し、
その駆動力により回転するシヤフトと、前記シヤ
フトの一部に設けられ、断面積を小さくして捩れ
変形をしやすくした変形部と、等しい中心角の透
光部と遮光部とを半径方向全周に有し、その中心
部で前記シヤフトの、前記変形部の両側に近接対
向するよう取り付けられた２枚の回転スリツト板
と、これらに光を照射するための光源ならびに前
記２枚の回転スリツト板の重なつた透光部を通過
した前記光源の光を受光し電気信号に変換するト
ルク信号用受光部を前記２枚の回転スリツト板か
らは分離独立し、回転しない固定部分に取り付け
たトルク計測のための構成と、更に、上記回転ス
リツト板の１枚と対面して設けたもう１枚の回転
させないで用いる固定スリツト板を設け、これら
対面した２枚のスリツトを通過する上記光源から
の光を受光し、光電変換する位置信号用受光部と
から成る位置計測のための構成により、回転する
部分とは非接触構成で、回転トルクと回転位置の
計測を可能とし、しかもこれら計測部をモータと
１体構成とした特徴を有する。

実施例の説明 以下本発明の一実施例について第２図以下を用
いて説明する。第２図は本案実施例の全体構成図
で、破線で囲つたところは、外装の輪郭形状を表
したもので、その内部に、シヤフト９を回転中心
としたモータ１０がある。このシヤフトの軸受は
図では省略しているが外装によつて支持される構
造とする。シヤフト９には、２枚の回転スリツト
板１２ａ，１２ｂが取付金具１６ａ，１６ｂを介
して、挿通固着されている。

第３図（断面図及び斜視図）を用いて、これの
更に詳細な構成を説明する。シヤフト９の１部に
は、両側から削つて薄板状となつた部分の変形部
９′が設けてあり、第３図Ｃにその斜視図を示す。
シヤフト９に捩りれ力が加わると、変形部９′の
部分で捩じれ変形が生ずる。

この変形部を挾んだ位置に２枚の回転スリツト
板１２ａ，１２ｂをそれぞれの取付金具１６ａ，
１６ｂを介して両スリツト板が接しないわずかな
間隙をもつて、固着して設ける。第３図Ｂに１部
切り欠きをした斜視図を示す。

ここで用いる回転スリツト板は、第４図Ａ，Ｂ
に示すごとき２枚の円板で、全円周にわたつて、
円の中心から発する放射状に配置したスリツト１
７ａ，１７ｂを備えている。１方の円板（第４図
Ａ）が半径R₁に対し他方の円板（第４図Ｂ）は
半径がR₂で、R₁＞R₂の関係としている。全ての
スリツトは同形状で、等ピツチとしており、その
ピッチが図示の如くＰであるとき１つのスリツト
の巾は1/2Ｐとしている。

今このスリツト部１７ａ，１７ｂが光が通過で
きる透明であるとき、それ以外の部分は不透明の
遮光部とする。このようなスリツト板の製作は例
えば基材が金属のような不透明の場合は、透光部
を窓のように切り抜いて、これをスリツトする。
又逆に基板がガラスや樹脂の透明なものを用いる
ときは、白黒写真フイルムの製法で、黒色の不透
明部を設けることは容易であり、寸法的にも高精
度に製作できる。このような２枚の回転スリツト
板（第４図ＡとＢ）を１本のシヤフト９に挿通し
第３図の如く組立て構成するが、これら２枚の回
転スリツト板の互の回転角方向の相対位置につい
て次に説明する。

１つの方法は２枚の回転スリツト板のスリツト
１７ａと１７ｂが完全に重なる位置（重なる２枚
のスリツトを通過する光量が最大）に設ける場合
であり（第５図の２２参照）、他の方法は２枚の
スリツトが完全にずれる位置（２枚のスリツトを
通過する光量が最少）に設ける場合である（第５
図の２１参照）。

この両方法のどちらを選択するかは任意で、シ
ヤフト９の捩じれ変形に応じて光量を増大方向に
変化させるときは、第５図の２１を採用し、減少
方向に変化させたいときは第５図の２２を選ぶ。

次にスリツトを照射する光源１１と、その通過
光と受光して電気信号に変換するトルク信号用受
光部１５を、２枚の回転スリツト板１２ａ，１２
ｂを挾んで、固定して設ける。光源は通常の白熱
電球や、発光ダイオードなどが使用でき、受光部
にはフオトトランジスタや、太陽電池片を用い
る。

但し、トルク信号用受光部の受光面積は、スリ
ツトの寸法と特定の重要な関係を有している。第
４図の破線で囲つた斜線部１８が受光面を示した
もので、その巾は正確にスリツトのピツチＰの整
数ｎ倍とする。これの実施手段は、正確な寸法
（n.P）で加工されたマスクを製作し、これを第３
図のトルク信号用受光部１５の前に１８′の如く
設けることにより、正確な受光面積を設定でき
る。

以上のようなスリツトの巾（1/2Ｐ）と、スリ
ツトのピツチＰと受光面の巾（ｎ・Ｐ）との寸法
関係から成るとき、光源１１から発した光がスリ
ツトを通過し受光部に達する総光量は、回転スリ
ツト板の回転移動に関係なく一定である。これは
受光面と重なるスリツトの総面積が、回転スリツ
ト板のどのような回転角度に対しても一定である
ためである。

但しシヤフトの変形部９′が捩じれて、２枚の
スリツトの重なる面積が変化（増大又は減少）す
ることによる受光量の変化は、そのまゝトルク信
号用受光部の光量変化として電気信号変化とな
る。

以上のような構成原理によつて、シヤフトの回
転角度や、回転速度には無関係で、シヤフトの捩
じれ量に応じた電気信号が受光部から得られる。

この信号はトルク信号増巾回路２０によつて必
要な信号の大きさに増巾して用いることができ、
シヤフトの捩じれ量に対応して第５図Ａの如き光
電出力が得られる。すなわち、モータ１０の回転
角や速度には関わりなく、モータの負荷に対する
回転トルク信号がトルク信号増巾回路２０から得
られ、しかも回転部分に対し非接触でこれを実現
できる。

以上は回転トルク計測に関するものであるが、
次に回転位置計測に関して説明する。

第４図Ｃに示す固定スリツト板１３を用意す
る。これは回転スリツト板１２ｂと同様のピツチ
Ｐ及び巾（1/2巾）のスリツトを有し、外径はR₁
で内径R₂のものである。この固定スリツト板１
３を第３図Ａ及びＢで示す如く、回転スリツト板
１２ｂと接しないわずかの間隙をもつて対面した
位置に動かないように固定する。但し、回転スリ
ツト板１２ｂのスリツトに対し、固定スリツト板
１３のスリツトをわずかに傾斜させ（図示の角度
θ）て設ける。このような関係に対面させた２枚
のスリツト板の重なるスリツト部に、第３図の光
源１１から光を照射し、位置信号受光部１４でス
リツトを通過した光を受光する。以上の如き構成
で、回転スリツト板１２ｂを回転させ、受光部側
からスリツトを見ると、周知のモアレ縞が生ず
る。すなわち、回転スリツト板１２ｂの回転角
が、スリツトピツチＰだけ回転する毎に、明暗の
縞が回転方向に対してほゞ直角の方向に移動す
る。回転スリツト板が１回転すると、スリツトの
数と正確に同じ回数の縞の移動が生ずる。第５図
Ｂの波形２３はこのときの受光部の光電出力波形
を示したものである。山の頂部が縞の最も明るい
場合ならば、谷の低部が縞の最も暗い場合であ
り、縞の移動によつて、受光部の光量が図の如く
変化する。このような位置信号受光部１４の光電
出力信号を位置信号増巾回路１９へ入力し、増巾
成形して、第５図Ｃの如き方形波２４を出力し、
回転スリツト板１２ｂの回転、すなわちシヤフト
９の回転信号として用いる。この方形波信号の数
を計数することによつて、回転角を表すことがで
き、又、同信号のくり返しの速さ（周波数）によ
つて回転速度を表すことができる。

以上述べた構成を用いることにより、回転部に
対し投受光部など全て非接触構造であり、長寿命
でかつ、高速回転に於ても安定な回転トルク計測
が行え、更に回転位置の計測をも行える。モータ
と１体構成のトルク計測器付きモータを実現でき
る。

なお、シヤフト９には第３図の如く変形部９′
を設けているので、この部分の弾性変形の限界を
越える大きな捩じれ力が加えられると破かいする
恐れがある。これを未然に防ぐため、シヤフトの
捩じれ角が使用範囲を越えて変形させない構造と
して第３図Ｄに示すような、変形部９′の両側に
微小な間隙を介して、ストツパー９″と９を備
えることもできる。これらのストツパーは片方支
持のため、通常の使用状態では捩じれ力は加わら
ないが、変形部９′が大きく変形した場合ストツ
パーとの間隙を越へて接触し、捩じれに対する支
えとなる。このような構造によつて、使用範囲を
越える大きなトルクから保護することができる。
その保護作用が始まるレベルは上記ストツパーと
の間隙の寸法によつて設定できる。

又、位置信号用受光部１４に更に別の素子を追
加して設け、第５図Ｂに示した波形と位相が90゜
異なるもう１つの信号を得る手法は周知であり、
このような異る位相の２つの信号を用いて、回転
方向を表す信号を作り出すことは通常の手法とし
て容易である。

発明の効果 以上のように本発明は、モータのシヤフトの１
部に変形部を設け、この変形部を挾んだ両側に、
直径を異にした回転スリツト板をシヤフトに固着
して設け、更に直径の大きな方の回転スリツト板
に対面して別の固定スリツト板を、回転しない場
所に固着して設け、これらスリツト板のスリツト
へ光を照射し、シヤフトと共に回転する２枚の回
転スリツト板の通過光量を受光して、光電変換し
た電気信号によつて回転トルク量の計測とし、別
の回転しない固定スリツト板のスリツトを通過し
た光を受光して光電変換した電気信号によつて回
転位置の計測を行う構成によつて、モータの回転
位置の制御と共に回転トルクの制御を可能とし、
しかもこれらの位置とトルクの計測は非接触構成
で、長寿命で高速回転時でも安定な計測制御を実
現でき、更にこれら計測部がモータと１体で構成
されているので、モータと別に計測部を付加する
ことなく使用できるなど、実用効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のスリツプリングと刷子を用いた
接触方式の回転トルク計測器の構成図、第２図は
本発明の一実施例におけるトルク計測器付きモー
タの全体構成を示すブロツク図、第３図Ａはトル
ク及び位置計測を構成する主要部のブロツク図、
第３図Ｂは同一部破断の斜視図、第３図Ｃはシヤ
フトとその１部に設けた変形部の斜視図、第３図
Ｄはシヤフトの変形部を保護するストツパーの平
面図、第４図Ａは直径の大きい回転スリツト板の
一部破断の平面図、第４図Ｂは直径の小さい回転
スリツト板の一部破断の平面図、第４図Ｃは固定
スリツト板の一部破断の平面図、第５図Ａはシヤ
フトの捩じれ角とトルク信号用受光部１４から得
られる光電出力量の関係を示したグラフ、第５図
Ｂはシヤフトの回転に対して位置信号用受光部か
ら得られる信号波形を示した図、第５図Ｃは同上
の信号波形を増巾成形して得られる位置信号増巾
回路１９の出力信号図である。 ９……シヤフト、９′……変形部、９″と９…
…ストツパ、１１……光源、１２ａと１２ｂ……
２枚の回転スリツト板、１３……固定スリツト
板、１４……位置信号用受光部、１５……トルク
信号用受光部、１７ａ，１７ｂ，１７ｃ……スリ
ツト。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ モータと、このモータより突出し、その駆動
   力により回転するシヤフト、前記シヤフトの一部
   に設けられ、断面積を小さくして捩れ変形をしや
   すくした変形部と、等しい中心角の透光部と遮光
   部とを半径方向全円周に有し、その中心部で前記
   シヤフトの、前記変形部の両側に近接対向するよ
   う取り付けられた２枚の回転スリツト板と、これ
   らに光を照射するための光源ならびに前記２枚の
   回転スリツト板の重なつた透光部を通過した前記
   光源の光を受光し電気信号に変換するトルク信号
   用受光部とを備え、このトルク信号用受光部を前
   記２枚の回転スリツト板からは分離独立し、回転
   しない固定部分に取り付けたことを特徴とするト
   ルク計測器付きモータ。 ２ ２枚の回転スリツト板は直径が異なり、直径
   の大きい方の回転スリツト板に対面して、わずか
   の間隙を保つて、回転しない個所に固着して設け
   た固定スリツト板と、これら対面した直径の大き
   い方の回転スリツト板と固定スリツト板のスリツ
   トを通過した光を受光し光電変換する位置信号用
   受光部とをもつた特許請求の範囲第１項記載のト
   ルク計測器付きモータ。 ３ トルク信号用受光部は、その受光面が回転ス
   リツト板のスリツトのピツチの整数倍の円周方向
   の巾とした特許請求の範囲第１項記載のトルク計
   測器付きモータ。 ４ モータのシヤフトに設けた変形部に、微小な
   間隙を介してストツパーを備えた特許請求の範囲
   第１項記載のトルク計測器付きモータ。