JPH09145497A - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 減速機構等のトルク伝達部材に直接接着され
トルクを検出するトルクセンサにおいては、アモルファ
ス若しくはアモルファス合金等の磁性体薄帯及びフレキ
シブルな印刷回路（ＦＰＣ）に形成された平板状コイル
の接着部がトルク伝達部材の弾性変形に伴い長期的使用
によって剥離するという問題があった。本発明はこのよ
うな接着部の剥離を防止して長期間の使用によっても正
確なトルク検出ができるトルクセンサを提供することを
目的としている。 【解決手段】 本願発明に係るトルクセンサは弾性体で
構成されるトルク伝達部材の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その磁気特性が変
化する第一磁性体層と、この第一磁性体層に重ねて配設
され、磁気特性の変化を検出する平板状コイルと、この
平板状コイルを覆って配設された第二磁性体層と、この
第二磁性体層に重ねて配設され、第一磁性体層、平板状
コイル、及び第二磁性体層に押圧力を加える押圧部材か
らなり、押圧部材を専用の押圧固定部材又は可動アーム
等を利用して押圧固定するように構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば産業ロボットの
減速機等として用いられるハーモニックドライブ機構等
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
るハーモニックドライブ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、ハーモニックドライブ機構のフレ
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
い歪ゲージの代わりにアモルファス若しくはアモルファ
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考察されている。

【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）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
部にも用いることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなトルクセンサは、減速機構等のトルク伝達部材の弾
性変形を利用したものであり、磁性体薄帯やいわゆるＦ
ＰＣをこのようなトルク伝達部材の表面に直接接着した
だけではトルク伝達部材の動きや変形によって接着剤が
もろくなり、接着部が剥離するということが考えられ
る。特にハーモニックドライブ機構のような波動減速機
構においてはウェーブジェネレータによって周期的に弾
性変形が加えられており、長期間の使用によって特に剥
離しやすい状況もある。また、剥離した場合にはトルク
伝達部材の弾性変形を検出できなくなり、ロボット等の
制御性能の低下に直接関係するといったことも考えられ
る。

【０００６】この解決方法として、減速機構等のトルク
伝達部材の外周部（例えば、ハーモニックドライブ機構
のフレクスプラインの円筒部）に磁性体薄帯及びＦＰＣ
に形成されたコイルを取り付けてトルクを検出するトル
クセンサにおいては、熱収縮チューブを用いてフレクス
プラインの円筒部全体を覆い、剥離防止の効果を得てい
た。しかし、この方法ではダイヤフラム部（ハーモニッ
クドライブ機構のフレクスプラインの円盤状底部）にお
いて剥離方向への押圧力が弱く、しかも材料劣化により
長期的には十分な効果を得られなかった。本発明はこの
ような問題に鑑みたもので、減速機溝等のトルク伝達部
材に直接接着される磁性体薄帯および平板状コイルの接
着部の剥離を防止して長期間の使用によっても正確なト
ルク検出ができるトルクセンサを提供することを目的と
している。

【０００７】

【課題を解決するための手段及び作用】このような目的
達成のため、本発明に係るトルクセンサは、弾性体の表
面に周方向に延びて接着され、この弾性体の弾性変形に
応じてその磁気特性が変化する第一磁性体層と、この第
一磁性体層上に重ねて配設され、磁気特性の変化を検出
する平板状コイルと、この平板状コイルを覆って配設さ
れた第二磁性体層と、この第二磁性体層に重ねて配設さ
れ、第一磁性体層、平板状コイル、及び第二磁性体層に
押圧力を加える押圧部材とから構成される。

【０００８】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の側面若しくは外周面に周方向に
延びて第一磁性体層を接着して取り付けられる。接着は
一般に高強度で耐熱性に優れたエポキシ系樹脂又は嫌気
性の接着剤にて行われているが、せん断方向に比較する
と剥離方向の強度が少し弱いという特性がある。特に、
このようなトルクセンサをハーモニックドライブ機構と
いった減速機構のフレクスプラインの表面に取り付けた
場合には、フレクスプラインが駆動時に大きく弾性変形
される部材であり、伝達部材の動作、変形によって剥離
する可能性がある。そこで、予め磁性体層及び平板状コ
イル等で構成されるトルクセンサをゴム或いはウレタン
のような弾性部材で押圧して剥離方向にかかる力を吸収
するように構成している。

【０００９】

【実施例】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
たハーモニックドライブ機構の一例を図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。ハーモニック
ドライブ機構は入力軸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。

【００１０】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１０に結合されて
いる。

【００１１】フレクスプライン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１
１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。

【００１２】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１
ａと噛合する。

【００１３】以上の構成のハーモニックドライブ機構に
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。

【００１４】このハーモニックドライブ機構におけるフ
レクスプライン１０の円盤状底壁１２ａの外側面に、こ
のフレクスプライン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２７が取り付
けられている。なお、フレクスプライン１０を保護カバ
ー２７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したり、検出コイルの誘導
起電力を検出したりする処理回路３０がトルクセンサ２
０に接続されている。

【００１５】このトルクセンサ２０を本発明に係る構成
に従ってフレクスプライン１０に取り付けた第一の実施
例を図６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
接着剤２１によりフレクスプライン１０の円盤状底壁１
２ａ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、アモルファスシートもしくはアモルファ
ス合金シートからなる第２磁性体層２５ａ，２５ｂが配
設されている。更に、その上には押圧部材２６が当接
し、例えばロボットのアーム１５及びボルト１６によっ
てトルクセンサ２０を垂直方向に押圧している。

【００１６】第１磁性体層２２は中央に円状開口を有し
た円盤状に形成して作られており、周方向に整列した複
数のスリットが２列にリング状に並んで形成されてい
る。励磁用プリント配線板２３は絶縁材料性フレキシブ
ルプリント基板の表面に、内周側に位置するとともに時
計回り方向に形成された第１励磁コイルパターン２３ａ
と、外周側に位置するとともに反時計回り方向に形成さ
れた第２励磁コイルパターン２３ｂとが形成されて作ら
れている。なお、図６においてはコイルパターン２３
ａ，２３ｂを模式的に断面円形に示しているが、実際は
プリント基板の上に形成された導電材料パターンであ
る。

【００１７】第１励磁コイルパターン２３ａの外周端と
第２励磁コイルパターン２３ｂの内周端が接続されると
ともに、第１励磁コイルパターン２３ａの内周端と第２
励磁コイルパターン２３ｂの外周端がそれぞれ励磁用コ
ネクタ部（図示せず）に接続されており、励磁用コネク
タ部以外のコイルパターンは絶縁コーティングされてい
る。励磁用コネクタ部は露出しており、これらコネクタ
部間に電流を流せば、第１および第２励磁コイルパター
ン２３ａ，２３ｂを流れる電流により、図６に矢印Ｐ，
Ｑで示す磁界が発生する。このとき、両コイルパターン
２３ａ，２３ｂに流す電流が反対なので、両磁界Ｐ，Ｑ
も反対方向の磁界となる。

【００１８】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、絶縁材料性フレキシブルプリン
ト基板の表面に、内周側に位置して形成された第１検出
コイルパターン２４ａと、外周側に位置して形成された
第２検出コイルパターン２４ｂとによって作られてい
る。上記両プリント配線板２３、２４が第一磁性体層２
２の上に重ねられた状態で、第一励磁パターン２３ａ及
び第一検出パターン２４ａは共に内周側スリットの上に
重なり、第二励磁コイルパターン２３ｂ及び第二検出パ
ターン２４ｂは共に外周側スリットの上に重なる。

【００１９】また、内周側に位置する第二磁性体層２５
ａは第一励磁コイルパターン２３ａ及び第一検出パター
ン２４ａ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。同様に外周側に位置する第二磁性体
層２５ｂは第二励磁コイルパターン２３ｂ及び第二検出
パターン２４ｂを覆うリング状に形成され、これらの上
に取り付けられる。これら第２磁性体層２５ａ，２５ｂ
は励磁用コネクタ部間に電流を流して図６に示す磁界
Ｐ，Ｑを発生されるとき磁束の通路としてヨーク部材の
役目を果たし、第一および第二励磁コイルパターン２３
ａ，２３ｂの周りに磁界Ｐ，Ｑを明瞭に発生させる。

【００２０】第１磁性体層２２はフレクスプライン１０
の円盤状底壁１２ａの外側面に接着されているため、フ
レクスプライン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１０がこのトルクを受けて弾性変形
すると、第１磁性体層２２も一緒に変形し、この変形に
より第１磁性体層２２の磁気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、磁界Ｐ，Ｑの
強度が変化するので、第１および第２検出コイルパター
ン２４ａ，２４ｂに生じる誘導起電力の変化をコネクタ
部から取り出して処理回路３０によって検出すれば、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フレクスプライン１０の弾性変形
に比例するため、この透磁率の変化に基づいてフレクス
プライン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。

【００２１】図４は以上に説明したハーモニックドライ
ブ機構が実際のロボット等のアームに取り付けられてい
る状態の概略を示すものである。ハーモニックドライブ
機構の支持ケース１は取付アーム１６に直接固着されて
いる。入力軸３が直接モータに接続されて回転駆動され
るとこれに同期してウェーブジェネレータ６が回転し、
非常に大きな減速比で出力軸１３に回転が伝達される。
この出力軸１３はモータが固着されている取付アーム１
６の内側側面とは反対側の外側側面に突出しており、そ
の軸に一面を取付アーム１６の前記外側側面に当接して
可動アーム１５が挿着されている。従って、出力軸１３
が回転するとそれに従って可動アーム１５が矢印の方向
にゆっくりと回転運動することができる。

【００２２】ところで、このハーモニックドライブ機構
のフレクスプライン１０は入力軸３の回転に同期して回
転する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、接着剤２１によってフレクスプライン１
０に接着された第１磁性体層２２や励磁用及び検出用の
プリント配線板２３、２４等がこの弾性変形の影響によ
って剥離する場合がある。第５図はその様子を示したも
のである。

【００２３】ウェーブジェネレータ６の楕円板カム５の
長軸が図５の横軸方向にきた場合には横軸方向のフレク
ススプライン１０のうち、薄肉円筒状のカップリング部
１２が拡張し、その円盤状底部１２ａにおいて内側への
曲げモーメントが働いてトルクセンサ２０の内側円周部
に剥離方向への力が生じると同時に、縦軸方向において
は前記カップリング部１２が圧縮されてその円盤状底部
１２ａに外側への曲げモーメントが働き、トルクセンサ
２０の外側円周部に剥離方向への力が生じる。そして、
この変形がウェーブジェネレータ６の回転と共に周期的
に生じ、長期間の使用によって剥離が生じる場合があ
る。

【００２４】本願発明に係るトルクセンサ２０はフレク
スプライン１０の弾性変形によって生ずる第一磁性体層
２２の変形を検出して伝達トルクを算出するものである
から、第一磁性体層等の剥離はそのままトルク検出を不
可能にする。このため、本発明の第一の実施例では図６
に示すような構成を採用している。この実施例ではトル
クセンサ２０の第二磁性体層２２の外側に当接して押圧
部材２６を配接し、フレクスプライン１０の円盤状底壁
１２ａと可動アーム１５とによってトルク検出部分２２
〜２４及び当該押圧部材２６を挟み込み、ボルト１８の
締付力によって押圧力を与えている。本実施例では可動
アーム１５がハーモニックドライブ機構の取付部材とし
ての役割を果たしており、この取付部材を利用して押圧
力を得る場合の実施例である。なお、可動アーム１５に
は押圧部材２６の形状に対応してこの字型切り欠きを設
け、ここに押圧部材２６をはめ込んでフレクスプライン
１０の円盤状底壁１２ａの直径方向へかかる力によるズ
レも防止している。

【００２５】押圧部材２６は一般にゴム又はウレタン等
の弾性部材により構成し、可動アーム１５によってかけ
られる圧縮力がフレクスプライン１０の円盤状底壁１２
ａの変形によっても零にならないようにすることが好ま
しい。但し、押圧部材２６は弾性部材に限られるもので
はない。また、可動アーム１５とフレクスプライン１０
の円盤部底壁１２ａには相対する位置にねじ孔が切られ
ており、ボルト１８によって可動アーム１５を支持する
と共に押圧部材２６に圧縮力を与えている。

【００２６】本発明の第二の実施例を図７に示す。図７
ではハーモニックドライブ機構の取付部材である可動ア
ーム１５と押圧部材２６の間に押圧固定部材１７を設け
ている。フレクスプライン１０、押圧固定部材１７が実
際に可動アーム１５に装着されるときには可動アーム１
５のねじ孔に対向する位置に貫通した一本のねじ孔がフ
レクスプライン１０、押圧固定部材１７にも設けられて
いて、ボルト１８をフレクスプライン１０の円筒状カッ
プリング部１２の内部より挿入して可動アーム１５に固
着する。 これによって押圧固定部材１７は可動アーム
１５より押圧力を受け、ボルト１８の締付力で押圧部材
２６を押圧すると同時に、ボルト１８によってハーモニ
ックドライブ機構を可動アーム１５に固着させている。

【００２７】なお、第一の実施例においては励磁コイプ
リント配線板２３と検出コイルプリント配線板２４とを
二枚重ねて配設し、相互誘導起電力を検出する場合の構
成を示したが、トルクセンサ２０は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り、本実施例では
第一磁性体層２２と第二磁性体層２５との間に一枚のプ
リント配線板２３４のみが配設された構成によって示し
ている。

【００２８】本発明のトルクセンサに係る第三の実施例
を図８に示す。ハーモニックドライブ機構の支持ケース
１は取付アーム１６に固設されており、この取付アーム
１６には回転軸を出力軸１３と同じくして回転自在に取
り付けられた可動アーム１５が嵌挿されている。一方こ
のハーモニックドライブ機構におけるフレクスプライン
１０の円盤状底壁１２ａの外壁面にこのフレクスプライ
ン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。さらにそれに重ね
て押圧部材２６がトルクセンサ２０に当接して配され、
その上からトルクセンサ２０及び押圧部材２６を包み込
んでフレクスプライン１０を覆い被せるように、有底円
筒状をした弾性体による保護部材２７が配設されてい
る。

【００２９】保護部材２７の底部外側面は前述の可動ア
ーム１５に当接しており、トルクセンサ２０はちょうど
フレクスプライン１０の円盤状底壁１２ａと可動アーム
１５の間に挟まれて配設されている。従って、フレクス
プライン１０と可動アーム１５をボルト１８で締め付け
ることによって保護部材２７に押圧力を与えることがで
きトルクセンサ２０の剥離を防止することができると同
時にトルクセンサ２０を塵埃から保護することができ
る。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の構成によ
れば、ハーモニックドライブ機構のフレクスプラインの
ような弾性体の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トルクの変動を算出するトルク
センサであっても、フレクスプラインの動作、変形によ
ってトルクセンサがフレクスプラインより剥離すること
がなく、長期間に渡って安定したトルク検出を行うこと
ができる。しかも、トルクセンサの第二磁性体層とアー
ム若しくは押圧固定部材との間に配設して、これらアー
ム等をボルト等によって締め付けるだけでよく、簡単に
取り付けることができる。また、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ても剥離することなく
使用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ハーモニックドライブ機構の一例を示した斜視
図である。

【図２】フレクスプラインの斜視図である。

【図３】トルクセンサと処理回路を示す参考図である。

【図４】ハーモニックドライブ機構がアーム等に取り付
けられている状態を示す概略図である。

【図５】トルクセンサがフレクスプラインから剥離する
原因の説明図である。

【図６】本願発明に係るトルクセンサの第一の実施例を
示す断面図である。

【図７】本願発明に係るトルクセンサの第二の実施例を
示す断面図である。

【図８】本願発明に係るトルクセンサの第三の実施例を
示す断面図である。

【符号の説明】

１ 支持ケース ３ 入力軸 ６ ウェーブジェネレータ １０ フレクスプライン １１ 外歯フレクスプライン １３ 出力軸 １５ 可動アーム １６ 取付アーム １７ 押圧固定部材 ２０ トルクセンサ ２１ 接着剤 ２２ 第一磁性体層 ２３ 励磁用プリント配線板 ２４ 検出用プリント配線板 ２５ 第二磁性体層 ２６ 押圧部材 ２７ 保護部材 ３０ 処理回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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特性が変化する第一磁性体
   層と、この第一磁性体層上に重ねて配設され前記磁気特
   性の変化を検出する平板状コイルと、このコイルを覆っ
   て配設された第２磁性体層と、この第二磁性体層上に重
   ねて配設され、前記第一磁性体層、平板状コイル及び第
   二磁性体層に押圧力を加える押圧部材とからなることを
   特徴とするトルクセンサ。
2. 【請求項２】前記押圧部材をゴム又はウレタン等の弾性
   体によって構成したことを特徴とする請求項１に記載の
   トルクセンサ。