JPS6066659A - トルク計測器付きモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は巻線々どの張力や、ロボットが物を安全確実に
把む場合の把持力などで使用する駆動トルク制御を行う
トルク制御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りＢ１測器を結合
して１回転トルクを４測し、この５１測値によってモー
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、回転シャフト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１ｂが出力側で、その中
間を薄板部６を介して１本のシャ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、この素子は引っ張り又は圧縮によ
っ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。しかしながらシャフトは回転しているため、
歪検出素子６と、計測回路８とを直接電気配線で結べな
い。このため、シャフト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４
ａと４　ｂ　ＶＣより導線を引き出し、ｉｌ測回路８へ
結ぶ。

以上の構成によっ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′
ｆ：まねかれないし、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
ることによって、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、モータの回転がシャフトを介して負荷を回転
させる構成で、シャフトの１部に弾性変形（捩じれ）が
生じ易くした部分を設け、この捩じれ量を削るために、
上記のシャフトの捩じれ易くした部分を挾んで両側に取
りつけた２枚の回転スリット板と、これら２枚のスリッ
ト板のスリットへ光を照射する光源と、同スリットを通
過した光を受光し、光電変換するトルク信号用受光部と
から成るトルク計測のための構成と、更に、上記回転ス
リット板の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ット板を設け、これら対面した２枚
のスリットヲ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４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、破線で囲っ
たところは、外装の輪郭形状を表したもので、その内部
に、シャフト９を回転中心としたモータ１０がある。こ
のシャフトの軸受は図では省略しているが外装によって
支持される構造とする。シャフト９には、２枚の回転ス
リ、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。シャフト９の１部には、両側から削
って薄板状となった部分の変形部９１が設けてあり、第
３図Ｃにその斜視図を示す。

シャフト９に捩じれ力が加わると、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枚の回転スリット板１２ａ
、１２ｂｆ：それぞれの取付金具１６ａ。

１６ｂを介して両スＩＪ　ｙ）板が接しないわずかな間
隙をもって、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ット板は、第４図Ａ、Ｈに示すご
とき２枚の円板で、全円周にわたって、円の中心から発
する放射状に配置したス’Ｊ　ント１７ａ。

１７ｂを備えている。１方の円板（第４図Ａ）が半径Ｒ
１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。全てのスリットは同形状で、
等ピッチとしており、そのピッチが図示の如くＰである
とき１つのスＩ７．７　）の巾ｌｄ％Ｐとしている。

今このスリット部１ｙａ、１ｙｂ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。

このようなスリッ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−、
これをスリットする。

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
、白黒写真フィルムの製法で、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枚の回転スリット板（第４図ＡとＢ）を１本
のシャフト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ＩＪ　’ｙ　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、ト板のスリット１７ａと
１７ｂが完全に重なる位置（重なる２枚のスＩＪ　Ｊト
を通過する光量が最大）に設ける場合であり（第６図の
２２参照）、他の方法は２枚のスリットが完全にずれる
位置（２枚のスリッ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、シャフト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６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。

次にスリットを照射する光源１１と、その通過光を受光
して電気信号に変換するトルク信号用受光部１Ｂ”、（
−１２枚の回転スリ、ト板１２ａ、１２ｂ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、受光部にはフォトトランジスタや、
太陽電池片を用いる。

但し、トルク信号用受光部の受光面ｆｌｔば、スリット
の寸法と特定の重要な関係を有している。第４図の破線
で囲った斜線部１８が受光面を示したもので、その巾は
正確にスリットのピッチ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１６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・ントの１］（％Ｐ）と、スリットの
ピッチ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ットを通過し受光部
に達する総光量は、回転スリッ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ットの総面積
が、回転スリッ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。

但しシャフトの変形部９′が捩じれて、２枚のスリット
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〜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って、シャフトの回転角度や
、回転速度には無関係で、シャ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１〕回路２０によって必要な信
号の大きさに増巾して用いることができ、シャフトの捩
じれ量に対応して第６図Ａの如き光電出力が得られる。

すなわち、モータ１ｏ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ｌ
］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わ 第４図Ｃに示す固定スリット板１３を用意する。

これは回転スリット板１２ｂと同様のピッチＰ及びｒＩ
Ｊ（３ＡＰ）のスリットｔ−有し、外径はＲ１で内径Ｒ
２のものである。この固定スリット板１３を第３図Ａ及
びＢで示す如く、回転スリット板１２ｂと接しないわず
かの間隙をもって対面した位置に動かないように固定す
る。但し、回転スリット板１２ｂのスリットに対し、固
定スリット板１３のスリットヲわずかに傾斜させ（図示
の角度０）で設ける。このような関係に対面させた２枚
のスリット板の重なるスリット部に、第３図の光源１１
、から光を照射し、位置信号受光部１４でスリットを通
過した光を受光する。以上の如き構成で、回転スリット
板１２ｂを回転させ、受光部側からスリットを見ると、
周知のモアレ縞が生ずる。すなわち、回転スリット板１
２ｂの回転角が、スリットピッチＰだけ回転する毎に、
明暗の縞が回転方向に対してはソ直角の方向に移動する
。回転スリット板が１回転すると、スリットの数と正確
に同じ回数の縞の移動が生ずる。第６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、縞の移動によって、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１４０
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
ット板１２ｂの回転、すなわちシャフト９の回転信号と
して用いる。この方形波信号の数ｆ：訓数することによ
って、回転角を表すことができ、又、同信号のくり返し
の速さく周波数）によっ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、長スｊ命でかつ、高速
回転に於ても安定な回転トルク開側が行え、更に回転位
置の計測をも行える。モータと１体構成のトルク制御上
−夕を実現できる。

なお、シャフト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がいする恐れがある。これを未
然に防ぐため、シャ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図りに示すような、変形部
９′の両ｆｌｌＱに微小な間隙を介して、ストッパー９
″と９″′を備えることもできる。これらのストッパー
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ッパー
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って、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。その保愚作用が始まるレ
ベルは上記ストッパーとの間隙の寸法によって設定でき
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、モータのシャフトの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
回転スリット板をシャフトに固着して設け、更に直径の
大きな方の回転スリット板に対面して別の固定スリンＩ
・板を１回転しない場所に固着して設け、これらスリッ
ト板のスリットへ光を照射し、シャフトと共に回転する
２枚の回転スリット板の通過光量を受光して、光電変換
した電気信号によって回転トルク量の計測とし、別の回
転しない固定スリット板のスリットを通過した光を受光
して光電変換した電気信号によって回転位置の計測を行
う構成によって、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
ｎ］測は非接触構成で、長寿命で高速回転時でも安定な
言１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、モータと別に割測部をイ」加
することなく使用できるなど、実用効果は大きい１゜

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のスＩＪ　ノブ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制御モータの全体構成を示すブロ
ック図、第３図Ａはｌ−／レフ及び位置開側を構成する
主要部のプＯツク図、第３図Ｂは同一部破断の斜視図、
第３図Ｃはシャフトとその１部に設けた変形部の斜視図
、第３図りはシャフトの変形部を保護するストツノ（−
の平面図、第４図Ａは直径の大きい回転スリット板の一
部破断の平面図、第４図Ｂは直径の小さい回転スリット
板の一部破断の平面図、第４図Ｃは固定ス’Ｊ　ｙト板
の一部破断の平面図、第５図Ａはシャフトの捩じれ角と
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６図Ｂは７ャ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６
図Ｃは同上の信号波形を増１Ｊ成形して得られる位置信
号増ｌ〕回路１９の出力信号図である。 ９・・・シャフト、９′・・・・変形部、９″と９″仁
・・・ストッパ、１１・・・・光源、１２ａと１２ｂ・
・・２枚の回転スリット板、１３　・・・固定スリット
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
ット。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第　
１　図 第２図 ｆｂα■ 第　３ｆｆｄ 第４図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）　シャフトの１部に弾性変形を生じ易くさせた形
   状の変形部を設けたモータと、同一形状のスリットを等
   ピッチで全円周に設けた２枚の回転スリット板と、これ
   らの回転スリット板を」二記シャフトの変形部を挾んだ
   両側にわずかの間隙を保って対面してそれぞれシャフト
   に固着し、スリット板のスリットへ光全照射する光源と
   、スリットを通過した光を受光し光電変換するトルク信
   号用受光部とから成るトルク制御モータ。
2. （２）２枚の回転スリット板は直径が異なり、直径の大
   きい方の回転スリット板に対面して、わずかの間隙を保
   −で、回転しない個所に固着して設けた固定スリット板
   と、これら対面したスリッ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った特許請求の範囲第
   １項記載のトルク告制御モーター
3. （３）トルク信号用受光部は、その受光面が回転スリッ
   ト板のスリットのピッチの整数倍の円周方向の巾とした
   特許請求の範囲第１項記載のトルク制御モータ。
4. （４）モータのシャフトに設けた変形部に、微小な間隙
   を介してストッパーを備えた特許請求の範囲第１項記載
   のトルク制御モータ。