(57)【要約】【課題】  歯付きベルトとプーリからなるトルク伝達装置において、ベルト面の浮き上がり量の検出によって直接的に歯飛びを特定する歯飛び検出機構を実現する。【解決手段】  本発明は、歯付きベルトとプーリで駆動するトルク伝達装置において、所定のトルクを超えた際に生じる歯飛び現象について、歯飛び時に生じるベルトの浮きをプーリの回転軸との相対位置が負荷によってズレないマイクロスイッチ等を用いて検出するベルト歯飛び検出機構を有することを特徴とする。【選択図】図１
2008002664.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
歯付きベルトとプーリからなるトルク伝達装置であって、
前記プーリと接触する前記歯付きベルトの外周部に、前記歯付きベルトの歯飛び時の浮き上がり量を検出する検出センサが取付けられた歯飛び検出機構部と、
前記検出センサの出力信号を受けてベルトに連結するアクチュエータの動作を制御する制御部と、
を有することを特徴とするトルク伝達装置。
【請求項２】
前記歯飛び検出機構の検出センサは、前記プーリの回転軸を基準として前記歯付きベルト側の外周部との距離が一定に保持される枠体に取り付けたことを特徴とする請求項１に記載のトルク伝達装置。
【請求項３】
前記検出センサは、前記歯付きベルトの浮き上がり量を検出して予め設定された閾値で動作するマイクロスイッチを含む検出スイッチであることを特徴とする請求項１または２に記載のトルク伝達装置。
【請求項４】
前記検出センサは、前記歯付きベルトの浮き上がり量をトルク負荷の大きさとして多段階に処理するトルクセンサであることを特徴とする請求項１または２に記載のトルク伝達装置。
【請求項５】
歯付きベルトとプーリからなるトルク伝達装置における歯飛び制御方法であって、
前記プーリと接触する前記歯付きベルトの外周部に取付けられた検出センサによって、前記歯付きベルトの歯飛び時の浮き上がり量を検出するステップと、
前記検出センサの出力信号を受けてベルトに連結するアクチュエータの動作を制御するステップと、
を有することを特徴とする歯飛び制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歯付きベルトとプーリで構成されるトルク伝達システムにおいて、ベルト面の浮き上がり量の検出によって直接的に歯飛びを特定する検出技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、歯付きベルトとプーリで構成されるトルク伝達システムは、ロボットや物品搬送システムなどの分野に広く適用されている。
【０００３】
上記ベルト駆動型のトルク伝達機構において、通常のトルク負荷では歯飛びを生じない設計を行っているが、異常時の負荷によっては、通常のトルクを逸脱した大きなトルクが発生する場合がある。このような可能性のあるシステムにおいては、必要以上のベルト駆動トルク伝達機構の強度設計とするか、また許容トルクを超えた場合に、トルクリミッタなどによってトルクをカットする仕組みを別途設けるなどの設計手法が採られてきた。しかし、これらの設計手法は、コスト、および小型・軽量化において問題を抱える。
【０００４】
一方、歯付きベルトとプーリからなるトルク伝達装置においては、ベルトの歯飛びを不可避なものとして、センサによりプーリの回転速度と駆動源の回転速度を比較する手法でベルトのスベリを検出する方法が提案されている（例えば、特許文献１、２を参照）。
【０００５】
例えば、特許文献１は、従動プーリの円周突起の通過を近接スイッチで検出して予め定めた量と異なるとき、歯飛びとして駆動プーリを駆動するモータの停止を行う制御装置を提案している。また、特許文献２による歯飛び検出機構は、モータのエンコーダクロックと歯付きタイミングベルトの所定の走行量毎に位置信号クロックとを比較し、両者の差が所定範囲外であれば歯飛びが発生していると判断するものである。
【０００６】
しかしながら、特許文献１は、プーリに設けた突起や穴をプーリの回転にともない、センサで検出するする方式であるが、モータに指令した所望の回転状態との比較処理が必ず必要とされ、さらに、モータ側ではない従うプーリ側にセンサを設けるため、モータの駆動回路とベルト歯飛び検出部位の一体配置が困難であり、小型化に難点がある。
【０００７】
また、特許文献２においても、同様に比較処理が必要とされ、比較の結果の両者の差が歯飛びで生じたものではない場合も歯飛びとして検出されてしまう問題がある。
【０００８】
つまり、いずれの技術においても、マイコン等の比較処理を行う機器が必要となるとともに、回転速度に差異を生じた原因が、駆動源自体の問題なのか、歯飛びが原因なのかが容易に判別できないという問題を抱えている。
【特許文献１】特開２００３−１８４９６７号公報
【特許文献２】特開平８−２９０８６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記してきた問題を解決するため、本発明では、歯付きベルトとプーリで駆動するトルク伝達機構において、所定のトルクを超えた際に生じる歯飛び現象を、歯飛び時に生じるベルトの浮きを、プーリの回転軸との相対位置が負荷によってズレない検出センサで検出するベルト歯飛び検出機構を備えたトルク伝達装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第一の発明は、歯付きベルトとプーリからなるトルク伝達装置であって、前記プーリと接触する前記歯付きベルトの外周部に、前記歯付きベルトの歯飛び時の浮き上がり量を検出する検出センサが取付けられた歯飛び検出機構部と、前記検出センサの出力信号を受けてベルトに連結するアクチュエータの動作を制御する制御部と、を有することを特徴とするトルク伝達装置に関する。
【００１１】
すなわち、第一の発明によれば、トルク伝達装置は、歯飛び検出機構部が、プーリと接触する円弧上に位置する歯付きベルトの外周部に取り付けた、ベルトの浮き上がり量を検出するマイクロスイッチなどの検出センサによって歯飛びを検出し、制御部が、検出センサの出力信号を受けてベルト駆動するアクチュエータの動作を制御する構成とすることによって、歯飛びに対する有効な処置を実行することができる。
【００１２】
歯付きベルト駆動のシステムにおいて、必要以上の負荷トルクが懸かった場合にシステムに破損等に対し、ベルトが歯飛びを起こすことでそのトルクが伝達されず不具合を最小限に抑えることが可能となる。一方、歯付きベルトがプーリから歯飛びを生じる際のベルトの浮き上がり量は、ベルトのテンションや噛み合わせ歯数や歯のサイズ形状によりの条件が同一の場合、ベルトを介して伝わる負荷トルクの大きさと関連し、負荷トルクが大きいほど浮き上がり量も増大する。即ち、マイクロスイッチやポテンショや距離センサ等でこの浮き上がり量を検出可能にすることで、歯付きベルト駆動のシステムにおいて負荷のトルクの大きさを判定する機能を持たせることが可能となる。
【００１３】
第二の発明は、前記歯飛び検出機構の検出センサは、前記プーリの回転軸を基準として前記歯付きベルト側の外周部との距離が一定に保持される枠体に取り付けたことを特徴とする上記第一の発明に記載のトルク伝達装置に関する。
【００１４】
すなわち、第二の発明によれば、歯飛び検出機構において、プーリの回転軸から相対的に安定した距離を維持可能な、例えば、モータやプーリ回転軸を基準とした枠体に検出センサを設けることによって、機構の変形による検出センサの誤動作を防ぐことができる。
【００１５】
第三の発明は、前記検出センサは、前記歯付きベルトの浮き上がり量を検出して予め設定された閾値で動作するマイクロスイッチを含む検出スイッチであることを特徴とする上記第一または第二の発明に記載のトルク伝達装置に関する。
【００１６】
すなわち、第三の発明によれば、検出センサとして、例えば、マイクロスイッチの適用によって、押しボタン部の引き込み位置を予め設定し歯飛びの閾値とすることで、歯飛びのレベルを調整することができ、かつ安価な歯飛び検出機構が実現できる。
【００１７】
第四の発明は、前記検出センサは、前記歯付きベルトの浮き上がり量をトルク負荷の大きさとして多段階に処理するトルクセンサであることを特徴とする上記第一または第二の発明に記載のトルク伝達装置に関する。
【００１８】
すなわち、第四の発明によれば、歯付きベルトの浮き上がり量を距離センサやリニアポテンショメータ等で多段階に検知することによって、浮き上がり量をトルク負荷の大きさとして処理することが可能となる。
【００１９】
一般に、歯付きベルトの浮き上がり量は、ベルトのテンションや噛み合わせ歯数や歯のサイズ形状によりの条件が同一の場合、ベルトを介して伝わる負荷トルクの大きさと関連し、負荷トルクが大きいほど浮き上がり量も増大する。例えば、マイクロスイッチ等の検出スイッチによるＯＮ／ＯＦＦの２値の出力でなく、ポテンショメータや距離センサ等で、この浮き上がり量を多段階に検出可能にすることで、歯付きベルト駆動のシステムにおいて負荷のトルクの大きさをきめ細かく制御することが可能となる。
【００２０】
第五の発明は、歯付きベルトとプーリからなるトルク伝達装置における歯飛び制御方法であって、前記プーリと接触する前記歯付きベルトの外周部に取付けられた検出センサによって、前記歯付きベルトの歯飛び時の浮き上がり量を検出するステップと、前記検出センサの出力信号を受けてベルトに連結するアクチュエータの動作を制御するステップと、を有することを特徴とする歯飛び制御方法に関する。
【００２１】
すなわち、第五の発明は、トルク伝達装置における歯飛び検出の方法を提供するもので、歯飛び検出機構部が、プーリと接触する円弧上に位置する歯付きベルトの外周部に取り付けた、ベルトの浮き上がり量を検出するマイクロスイッチなどの検出センサによって歯飛びを検出し、制御部が、検出センサの出力信号を受けてベルト駆動するアクチュエータの動作を制御する構成とすることによって、歯飛びに対する有効な処置を実行することが可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の歯飛び検出機構を備えたトルク伝達装置によれば、以下の効果が生まれる。
（１）機構が簡素でセンサ素子も単純なマイクロスイッチなどを使用できるため、安価かつ小型の装置が実現できる。
（２）ベルトのテンション調整で許容負荷トルクも調整するとした場合、ベルトの歯飛びを直接検出する方式のため、許容負荷トルクを超えたことを検出するセンサとなる。
（３）ベルト歯飛びを検出したらモータのサーボを切る等の制御をすることで、ベルトの損傷、モータの損傷、その他負荷による部品の破損を抑制できる。
【００２３】
さらに、アクチュエータに機械的に直結したプーリで歯飛びを検出できるのでモジュール化が容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面にもとづいて本発明の実施形態を説明する。
【００２５】
図１は、本発明の実施の形態になるトルク伝達システムの一基本構成を示す。トルク伝達システムは、モータ等のアクチュエータ３０によって回転軸３が駆動されるプーリ（例えば、駆動プーリ）２、プーリ（例えば、従動プーリ）２’、ベルト懸けしてプーリ間でトルクを伝達する歯付きベルト１、およびベルトのテンションを調整するアイドラー４から構成されている。なお、プーリ２、２’は、共に歯付きでその歯数および歯サイズを歯付きベルト１の歯の条件と同一であり、Ａの拡大図は、歯付きベルト１とプーリ２（またはプーリ２’）との噛み合いの状態を示している。
【００２６】
また、上記のトルク伝達システムにおける歯飛び検出機構部は、プーリ２と接触し円弧上に位置する歯付きベルト１の外周部に取り付けられ、歯飛び時に歯付きベルト１の浮き上がり量を検出する検出センサ１０と、検出センサ１０の出力信号を受けて歯付きベルト１に連結するサーボモータなどのアクチュエータ３０の動作を制御する制御部２０とから構成されている。
【００２７】
さらに、検出センサ１０には、ボタン部が押し込まれることによってベルト面の位置を検出するマイクロスイッチ、ポテンショメータ、距離センサなどが適用される。
【００２８】
図２は、ベルト−プーリ間の歯飛び現象を模式的に表した図である。（ａ）は、ベルトとプーリが規定トルク内で正常に噛み合って動作している状態を示しており、また、（ｂ）は、過大トルクにより歯飛びを生じる過程を示している。
【００２９】
このベルト面の浮き上がり量（δ）は、ベルトのテンションや噛み合わせ歯数や歯のサイズ形状などの条件が同一である場合、ベルトを介して伝わる負荷トルクの大きさと関連し、負荷トルクが大きいほど浮き上がり量も増大する。そこで、マイクロスイッチ、ポテンショメータ、距離センサ等の検出センサを用いて浮き上がり量を検出可能にすることによって、歯付きベルト駆動のシステムに負荷のトルクの大きさを判定する機能を持たせることができる。
【００３０】
図３は、本発明の実施の形態になるトルク伝達装置におけるベルト歯飛び検出機構の構成例（その１）を示す。本実施例は、トルク伝達装置におけるベルトの歯飛び検出機構部の取り付け構成を示しており、歯飛び時に生じるベルトの浮き上がり量の検出が、プーリの回転軸との相対位置が負荷によってズレを生じない検出センサの取付構造の例について示している。
【００３１】
負荷トルクによるベルト浮き上がり量は、微小であるため安定な検出をするには、機構の変形による誤動作を防ぐように配置しなければならない。歯飛び検出機構の変形による検出センサ１０の誤動作を防ぐよう、プーリ２の回転軸３から相対的に安定した距離を維持可能な、例えば、モータや、プーリ２（または従動プーリ２’）の回転軸４を基準とした枠体４０に検出センサ１０を設けた歯飛び検出機構とすることで、機構の変形やプーリ２の位置ズレ、倒れが生じても安定に歯飛びを検出できることとなる。図の接触部１０ａは、マイクロスイッチを想定した場合の例で、押しボタン等に相当する。
【００３２】
一般に、噛み合わせの歯数の少ない小さいプーリ側で歯飛びは発生する。また、噛み合わせの歯数が同一の場合でも、ベルトの浮きをメカリミットなどで抑制すると、他のプーリで歯飛びが生じる。したがって、どのプーリで最初に飛びが生じるのかを知った上で、そのプーリのみに歯飛び検出機構を装備したトルク伝達システムにより検出センサの個数が削減できる。
【００３３】
また、検出センサ１０として、距離センサやリニアポテンショメータ等の位置を多段階で捉えるセンサを適用すれば、ベルトの浮き上がり量をトルク負荷の大きさとして多レベルによるトルク制御処理を行うことができる。
【００３４】
図４は、本発明の実施の形態になるトルク伝達装置におけるベルト歯飛び検出機構の構成例（その２）を示す。本実施例は、検出センサ１０として、マイクロスイッチを適用した場合の一変形例である。ベルトの浮き上がり量を梃子の原理で拡大させ、微小変位であるベルトの浮き上がりの検出を容易した歯飛び検出機構の例を示している。
【００３５】
歯飛び検出機構におけるベルト面の変位拡大機構は、接触部（押しボタン）１０ａを備えたマイクロスイッチ１０、回転ジョイント１２を支点に結合する、ベルト面と接触部１０ａを形成するローラ１１を端部に備える第一のレバー（長さ: Ｌ1 ）と接触部１０ａを
加圧する第二のレバー（長さ: Ｌ２）から構成され、Ｌ1 ＞Ｌ２とすることによって変位
の拡大が実現される。これにより検出センサとして適用できるスイッチの選定範囲が拡大することとなる。
【００３６】
図５は、本発明の実施の形態になるトルク伝達装置におけるアクチュエータモジュールの構成例を示す。本実施例では、ベルトの歯飛び検出機能を備えたアクチュエータモジュールを提供する。アクチュエータモジュールは、モータ５０、モータ５０の回転を減速するギアヘッド６０、プーリ２、モータの制御、ベルトの歯飛び検出、及び異常処理を行うアクチュエータ制御回路基板７０、およびマイクロスイッチに代表される検出センサ１０から構成されている。こうしたモジュール化により、ロボットの関節等でのユニット化が容易となり、配線処理においても簡素化が図れる。
【００３７】
図６は、本発明の実施の形態になるトルク伝達装置におけるアクチュエータ制御の構成例を示す。アクチュエータの制御システムは、検出センサ１０、入出力インタフェース１０２と制御プログラム１０１（ＲＯＭ：Read Only Memoryに内蔵）を備える制御部２０、およびモータ２０１とモータ２０１の回転角度を検出してフィードバック信号を生成するエンコーダ２０２を備えるアクチュエータ３０( サーボモータ) によって構成される。
【００３８】
歯飛び時に、検出センサ１０で検出した歯付きベルト面の変位に応じた出力信号を入出力インタフェース１０２を介して受け取り、制御部２０において、制御プログラム１０１が、検出センサ１０による検出結果からトルクの負荷に応じてベルトに連結したアクチュエータ３０のモータ２０１の制御を行う。
【００３９】
図７は、本発明の実施の形態になるトルク伝達装置におけるアクチュエータ制御の処理フローを示す。まず、ステップＳ１１において、モータ回転の制御を行い、エンコーダ２０２からの出力信号を監視し、ステップＳ１２において、検出センサ１０からの出力信号から歯飛び検出の状態を判断する。ここでは、ベルトの浮き上がり量（δ）が、過負荷の限界に相当する変位となる閾値（Ａ）を超えたか否かによって判断する。
【００４０】
その結果、歯飛びはなく、モータからの駆動トルクが規定のトルクの範囲内であれば、ステップＳ１１に戻り、過大トルクの状態にあり、歯飛び検出された場合には、ステップＳ１３において、一旦モータ回転を停止させ、ステップＳ１４で、駆動トルクの設定値を変更する回復処理を行う。そして、ステップＳ１５において、変更をかけた回復処理による続行が可能か否かを判断し、可能であれば、ステップＳ１１移行のモータ回転の制御処理を行う。続行が不能であれば、ステップＳ１６において、回復処理を停止する。
【００４１】
上記のように、検出センサ１０による検出結果からトルクの負荷に応じてベルトに連結したアクチュエータの制御方法を変更可能にしたトルク伝達装置が実現される。これにより、例えば、過負荷が懸かった時にサーボを切る等の制御で機構やベルトの損傷を防ぐことが可能となる。
【００４２】
以上述べてきた本発明の実施の態様は、以下の付記に示す通りである。
（付記１）  歯付きベルトとプーリからなるトルク伝達装置であって、
前記プーリと接触する前記歯付きベルトの外周部に、前記歯付きベルトの歯飛び時の浮き上がり量を検出する検出センサが取付けられた歯飛び検出機構部と、
前記検出センサの出力信号を受けてベルトに連結するアクチュエータの動作を制御する制御部と、
を有することを特徴とするトルク伝達装置。
（付記２）  前記歯飛び検出機構の検出センサは、前記プーリの回転軸を基準として前記歯付きベルト側の外周部との距離が一定に保持される枠体に取り付けたことを特徴とする付記１に記載のトルク伝達装置。
（付記３）  前記検出センサは、前記歯付きベルトの浮き上がり量を検出して予め設定された閾値で動作するマイクロスイッチを含む検出スイッチであることを特徴とする付記１または２に記載のトルク伝達装置。
（付記４）  前記検出センサは、前記歯付きベルトの浮き上がり量をトルク負荷の大きさとして多段階に処理するトルクセンサであることを特徴とする付記１または２に記載のトルク伝達装置。
（付記５）  前記検出センサ、前記アクチュエータ、およびアクチュエータの制御回路をアクチュエータモジュールとして一体化させたことを特徴とする付記３または４に記載のトルク伝達装置。
（付記６）  前記マイクロスイッチの押しボタン部を加圧するアーム部は、前記歯付きベルトの外周部に接触するローラを支持する第一のレバーと、前記押しボタン部に接触する第二のレバーと、前記第一及び第二のレバーを結合する回転ジョイントとから構成され、前記第一のレバーの長さを前記第二のレバーの長さより大きくすることを特徴とする付記３に記載のトルク伝達装置。
（付記７）  歯付きベルトとプーリからなるトルク伝達装置における歯飛び制御方法であって、
前記プーリと接触する前記歯付きベルトの外周部に取付けられた検出センサによって、前記歯付きベルトの歯飛び時の浮き上がり量を検出するステップと、
前記検出センサの出力信号を受けてベルトに連結するアクチュエータの動作を制御するステップと、
を有することを特徴とする歯飛び制御方法。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明を適用するトルク伝達システムの基本構成を示す図である。
【図２】ベルト−プーリ間の歯飛び現象を模式的に表した図である。
【図３】本発明の実施の形態になるトルク伝達装置におけるベルト歯飛び検出機構の構成例（その１）を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態になるトルク伝達装置におけるベルト歯飛び検出機構の構成例（その２）を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態になるトルク伝達装置におけるアクチュエータモジュールの構成例を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態になるトルク伝達装置におけるアクチュエータ制御の構成例を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態になるトルク伝達装置におけるアクチュエータ制御の処理フローを示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  歯付きベルト
２、２’  プーリ
３  回転軸
４  アイドラー
１０  検出センサ（マイクロスイッチ等）
１０ａ  接触部
１１  ローラ
１２  回転ジョイント
１３  レバーａ
１４  レバーｂ
２０  制御部
３０  アクチュエータ（サーボモータ）
４０  枠体
５０  モータ
６０  ギアヘッド
７０  アクチュエータ制御回路基板
１０１  制御プログラム
１０２  入出力ＩＦ（インタフェース）
２０１  モータ
２０２  エンコーダ
【図１】
2008002664.tif 000003
【図２】
2008002664.tif 000004
【図３】
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【図４】
2008002664.tif 000006
【図５】
2008002664.tif 000007
【図６】
2008002664.tif 000008
【図７】
2008002664.tif 000009