(57)【要約】【課題】歪み検出素子の出力から波動発生器の回転角度を検出可能な波動歯車装置の回転角度検出装置を提案すること。【解決手段】駆動機構１は、モータ２と波動歯車装置３を備えており、波動歯車装置３の可撓性外歯歯車２２のダイヤフラム２２２には、１２０度の角度間隔で３組のトルクセンサ１１〜１３が取り付けられている。信号処理回路７の回転角度検出部６では、トルクセンサ出力に含まれている波動発生器２３の１回転当たり２周期で正弦波状に変化する、波動発生器の回転角度に同期する信号成分を抽出し、得られた３相の正弦波信号１１Ｓ〜１３Ｓを座標変換して９０度位相のずれた２相の正弦波信号Ａ、Ｂを算出し、これらの信号に基づき波動発生器２３の回転角度を求める。回転角度検出器を設けることなく、トルクセンサ出力を利用して波動発生器２３の回転角度を検出できる。【選択図】      図１
2004333196.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状の剛性内歯歯車と、可撓性外歯歯車と、前記可撓性外歯歯車を楕円形に撓めて前記剛性内歯歯車に部分的に噛み合わせ、両歯車の噛み合い位置を円周方向に移動させる楕円形輪郭の波動発生器とを有する波動歯車装置の回転角度検出装置において、
前記可撓性外歯歯車あるいは前記剛性内歯歯車に、円周方向に向けて、１２０度の角度間隔で配置された第１、第２および第３の歪み検出素子と、
前記第１ないし第３の歪み検出素子の出力から、波動発生器１回転当たり２周期の正弦波として現れる、波動発生器の回転角度に同期する信号成分を抽出する信号成分抽出手段と、
各歪み検出素子の出力から抽出された１２０度ずつ位相がずれている３相の正弦波信号に座標変換を施すことにより、９０度位相がずれた２相の正弦波信号を生成する信号処理手段と、
前記２相の正弦波信号に基づき、前記波動発生器の回転角度を算出する角度算出手段と、
を有している波動歯車装置の回転角度検出装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記可撓性外歯歯車は、筒状胴部と、この筒状胴部の一端から半径方向の外側あるいは内側に広がっている環状のダイヤフラムと、このダイヤフラムの外周縁あるいは内周縁に連続している厚肉のボスと、前記筒状胴部の他端開口部の外周面部分に形成されている外歯とを備えていることを特徴とする波動歯車装置の回転角度検出装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記第１ないし第３の歪み検出素子は、前記可撓性外歯歯車に配置されていることを特徴とする波動歯車装置の回転角度検出装置。
【請求項４】
請求項１、２または３において、
前記第１ないし第３の歪み検出素子のそれぞれは、複数枚の歪みゲージを備えていることを特徴とする波動歯車装置の回転角度検出装置。
【請求項５】
サーボモータと、波動歯車装置と、請求項１ないし４のうちのいずれかの項に記載の波動歯車装置の回転角度検出装置とを有し、
前記サーボモータのモータ軸が前記波動歯車装置の波動発生器に連結固定されており、
前記モータ軸の回転角度が前記回転角度検出装置によって検出されることを特徴とする駆動機構。
【請求項６】
環状の剛性内歯歯車と、可撓性外歯歯車と、前記可撓性外歯歯車を楕円形に撓めて前記剛性内歯歯車に部分的に噛み合わせ、両歯車の噛み合い位置を円周方向に移動させる楕円形輪郭の波動発生器とを有する波動歯車装置における前記波動発生器の回転角度を検出する回転角度検出方法において、
前記可撓性外歯歯車あるいは前記剛性内歯車に、円周方向に向けて、１２０度の角度間隔で、第１、第２および第３の歪み検出素子を配置し、
前記第１ないし第３の歪み検出素子の出力から、波動発生器１回転当たり２周期の正弦波として現れる、波動発生器の回転角度に同期する信号成分を抽出し、
各歪み検出素子の出力から抽出された１２０度ずつ位相がずれている３相の正弦波信号に座標変換を施すことにより、９０度位相がずれた２相の正弦波信号を生成し、
前記２相の正弦波信号に基づき、前記波動発生器の回転角度を算出することを特徴とする波動歯車装置の回転角度検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は波動歯車装置に取り付けた歪み検出素子の出力に基づき、当該波動歯車装置の波動発生器の回転角度を検出可能な回転角度検出装置および検出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
波動歯車装置は、一般に、環状の剛性内歯歯車と、この内側に配置された可撓性外歯歯車と、楕円形輪郭の波動発生器とを備えている。可撓性外歯歯車は、波動発生器によって楕円形に撓められて、楕円形の長軸方向の両端位置において剛性内歯歯車に噛み合っている。波動発生器をモータ等によって回転すると、両歯車の回転位置が周方向に移動し、両歯車の歯数差に応じて減速された回転出力が、両歯車の一方から取り出される。
【０００３】
波動歯車装置のトルクセンサとしては、波動発生器による可撓性外歯歯車の周期的な変位による誤差成分を除去するために、可撓性外歯歯車のダイヤフラムに対してその中心軸線回りに所定の角度間隔で複数組の歪みゲージを貼り付けた構成のものが知られている。複数組の歪みゲージからの出力に基づき、伝達トルクに関係のない可撓性外歯歯車の変位に基づく誤差成分（回転リップル）を除去できるので、精度良くトルク検出を行うことができる。
【０００４】
ここで、楕円形に撓まされる可撓性外歯歯車は１回転当たり２周期の割合で半径方向に繰り返し撓まされる。従って、歪みゲージの出力には波動発生器１回転当たり２周期で正弦波状に変化する誤差成分が含まれている。本願人は、かかる誤差成分を利用して波動歯車装置の出力部材である可撓性外歯歯車あるいは剛性内歯歯車の回転角度を検出することを次の特許文献において提案している。
【０００５】
【特許文献】
特開平１０−１９５５４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
波動歯車装置は、ＡＣサーボモータなどと組み合わされて、産業用ロボット、精密加工装置などにおける駆動機構として利用されている。このような駆動機構では、モータの駆動制御のためにモータ軸の回転角度検出が必須である。
【０００７】
本発明の課題は、波動歯車装置に配置した歪みゲージなどの歪み検出素子の出力に基づきモータ出力軸に連結されている波動発生器の回転角度を検出可能とし、以って、モータ軸の角度検出器を不要にすることのできる波動歯車装置の回転角度検出装置および方法を提案することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、環状の剛性内歯歯車と、可撓性外歯歯車と、前記可撓性外歯歯車を楕円形に撓めて前記剛性内歯歯車に部分的に噛み合わせ、両歯車の噛み合い位置を円周方向に移動させる楕円形輪郭の波動発生器とを有する波動歯車装置の回転角度検出装置において、
前記可撓性外歯歯車あるいは前記剛性内歯歯車に、円周方向に向けて、１２０度の角度間隔で配置された第１、第２および第３の歪み検出素子と、
前記第１ないし第３の歪み検出素子の出力から、波動発生器１回転当たり２周期の正弦波として現れる波動発生器の回転角度に同期する信号成分を抽出する信号成分抽出手段と、
各歪み検出素子の出力から抽出された１２０度ずつ位相がずれている３相の正弦波信号に座標変換を施すことにより、９０度位相がずれた２相の正弦波信号を生成する信号処理手段と、
前記２相の正弦波信号に基づき、前記波動発生器の回転角度を算出する角度算出手段と、
を有していることを特徴としている。
【０００９】
本発明によれば、歪み検出素子の出力に基づき波動発生器の回転角度を検出できる。よって、波動発生器が連結固定されるＡＣサーボモータなどのモータ軸の回転角度を検出できる。このため、モータの側にモータ軸の角度検出器が不要になり、モータと波動歯車装置からなる駆動機構の小型、コンパクト化、および低コスト化を実現できる。
【００１０】
ここで、前記可撓性外歯歯車は、筒状胴部と、この筒状胴部の一端から半径方向の外側あるいは内側に広がっている環状のダイヤフラムと、このダイヤフラムの外周縁あるいは内周縁に連続している厚肉のボスと、前記筒状胴部の他端開口部の外周面部分に形成されている外歯とを備えた構成のものを用いることができる。
【００１１】
また、前記第１ないし第３の歪み検出素子を前記可撓性外歯歯車に配置することができる。
【００１２】
さらに、前記第１ないし第３の歪み検出素子として、複数枚の歪みゲージを用いることができる。
【００１３】
次に、本発明は駆動機構に関するものであり、本発明の駆動機構は、サーボモータと、波動歯車装置と、上記構成の波動歯車装置の回転角度検出装置とを有し、前記サーボモータのモータ軸が前記波動歯車装置の波動発生器に連結固定されており、前記モータ軸の回転角度が前記回転角度検出装置によって検出されることを特徴としている。
【００１４】
一方、本発明は、環状の剛性内歯歯車と、可撓性外歯歯車と、前記可撓性外歯歯車を楕円形に撓めて前記剛性内歯歯車に部分的に噛み合わせ、両歯車の噛み合い位置を円周方向に移動させる楕円形輪郭の波動発生器とを有する波動歯車装置における前記波動発生器の回転角度を検出する回転角度検出方法において、
前記可撓性外歯歯車あるいは前記剛性内歯歯車に、円周方向に向けて、１２０度の角度間隔で、第１、第２および第３の歪み検出素子を配置し、
前記第１ないし第３の歪み検出素子の出力から、波動発生器１回転当たり２周期の正弦波として現れる波動発生器の回転角度に同期する信号成分を抽出し、
各歪み検出素子の出力から抽出された１２０度ずつ位相がずれている３相の正弦波信号に座標変換を施すことにより、９０度位相がずれた２相の正弦波信号を生成し、
前記２相の正弦波信号に基づき、前記波動発生器の回転角度を算出することを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明を適用した駆動機構の例を説明する。
【００１６】
図１は駆動機構を示す説明図である。本例の駆動機構１は、トルクセンサと角度検出器を一体で構成した場合の例である。
【００１７】
駆動機構１は、ＡＣサーボモータ２と、減速装置である波動歯車装置３と、駆動制御回路部４とを有している。駆動制御回路部４には、トルク検出部５および回転角度検出部６を含む信号処理回路７から、波動歯車装置２の伝達トルク情報およびその波動発生器の回転角度情報が入力される。トルク検出部５および回転角度検出部６には３組のトルクセンサ１１〜１３から検出信号が入力される。トルクセンサ１１〜１３とトルク検出部５によってトルク検出装置が構成されている。また、本例では、トルクセンサ１１〜１３と回転角度検出部６とによって回転角度検出装置が構成されている。
【００１８】
波動歯車装置３は、環状の剛性内歯歯車２１と、カップ状の可撓性外歯歯車２２と、楕円形輪郭の波動発生器２３とを備えている。可撓性外歯歯車２２には波動発生器２３がはめ込まれ、楕円形に撓められている。この結果、可撓性外歯歯車２２の長軸方向の両端部分が剛性内歯歯車２１に噛み合っている。波動発生器２３はＡＣサーボモータ１のモータ軸１ａに連結固定されている。波動発生器２３が回転すると、両歯車２１、２２の噛み合い位置が周方向に移動し、両歯車の歯数差に応じた相対回転が両歯車の間に発生する。例えば、剛性内歯歯車２１が固定されており、相対回転が可撓性外歯歯車２２から減速回転出力として取り出されて負荷側（図示せず）に伝達される。
【００１９】
可撓性外歯歯車２２は、円筒状胴部２２１と、円筒状胴部２２１の一端を封鎖している円盤状のダイヤフラム２２２と、このダイヤフラム２２２の中心部分に形成されている厚肉のボス２２３と、円筒状胴部２２１の他端開口部の外周面部分に形成された外歯２２４とを備えている。
【００２０】
図２は波動歯車装置２の可撓性外歯歯車２２のダイヤフラム２２２に貼り付けられた３組のトルクセンサ１１〜１３の位置を示す説明図である。トルクセンサ１１〜１３は、装置軸線２ａを中心として、１２０度の角度間隔となるように配置されている。各トルクセンサ１１〜１３は、それぞれ、９０度で交差する状態でダイヤフラム２２２に貼り付けられた２枚の歪みゲージ１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂおよび１３ａ、１３ｂを備えている。これらの歪みゲージ１１ａ〜１３ｂによりブリッジ回路が構成され、その出力がトルク検出部５に入力され、伝達トルクが算出される。
【００２１】
これに対して、回転角度検出部６では、３組のトルクセンサ１１〜１３の出力から、波動発生器２３の１回転当たり２周期の正弦波として現れる誤差成分（回転リップル）を抽出する。換言すると、波動発生器２３の回転角度に同期する信号成分を抽出する。各トルクセンサ１１〜１３の出力から抽出された誤差成分は、図３に示すように、１２０度ずつ位相がずれている３相の正弦波信号１１Ｓ、１２Ｓ、１３Ｓとして得られる。図３のグラフの横軸は波動発生器２３の回転角度である。次に、回転角度検出部６では、３相の正弦波信号１１Ｓ、１２Ｓ、１３Ｓに座標変換を施すことにより、９０度位相がずれた２相の正弦波信号Ａ、Ｂを生成する。これらの正弦波信号Ａ、Ｂを図４に示してある。回転角度検出部６では、９０度位相のずれた２相の正弦波信号Ａ、Ｂに基づき、逆正接（ａｒｃｔａｎ）演算を行うことにより、波動発生器２３の回転角度を算出する。
【００２２】
すなわち、回転角度検出部６では、ある瞬間におけるトルクセンサ１１〜１３の出力電圧（図３の各正弦波信号１１Ｓ〜１３Ｓの電圧値）を読み込み、これら３つの値から座標変換により２つの値（図４の各正弦波信号Ａ、Ｂ上の値）を生成し、これらの値を逆正接演算して、波動発生器２３の回転角度を算出している。
【００２３】
このように、本例の駆動機構１では、減速装置である波動歯車装置３のトルクセンサ１１〜１３の出力に含まれている誤差成分を利用して、回転角度検出部６において波動発生器２３の回転角度を検出している。波動発生器２３はモータ軸１ａに連結固定されているので、モータ軸１１ａの回転角度検出器を別途、配置することなく、モータ軸１１ａの回転角度を検出できる。
【００２４】
なお、図５には、上記構成の波動歯車装置３を用いて行った実験データを示してある。図５（ａ）は、各トルクセンサ１１〜１３の出力から抽出された３相の正弦波信号１１Ｓ〜１３Ｓを示してある。３相の正弦波信号１１Ｓ〜１３Ｓを３次元空間内にプロットすると、原点を通り（１，１，１）座標を法線ベクトルとする平面上に真円を描く。３次元空間の回転座標変換を２回行うと、円の置かれた平面を空間座標のｘｙ平面に重ねることができる。必要な回転変換は、ｙ軸回りに−４５°、ｘ軸回りにａｒｃｓｉｎ（１／√３）°である。実データと付き合わせるためには、データ計測の始点を揃えるためにｚ軸回りにも回転変換が必要になる。図５（ｂ）には３相の正弦波信号１１Ｓ〜１３Ｓの座標変換により得られた２相の正弦波信号Ａ、Ｂを示してあり、これらの信号はｚ軸回りに２４．７４°の回転変換を行った結果である。
【００２５】
図５（ｃ）は、２相の正弦波信号Ａ、Ｂから逆正接を求めることにより得られた角度計算値を示すグラフである。
【００２６】
（その他の実施の形態）
上記の説明は、可撓性外歯歯車がカップ状のものであるが、その他の形状、例えば、シルクハット状の可撓性外歯歯車を備えている場合にも同様に適用できる。
【００２７】
また、トルクセンサの配置場所は、可撓性外歯歯車におけるダイヤフラム以外の部分であってよい。可撓性外歯歯車の代わりに、剛性内歯歯車の側に配置することもできる。
【００２８】
さらに、トルクセンサとしては、接触型の歪みゲージの他に、非接触型の磁歪検出素子などを用いることもできる。
【００２９】
一方、上記の例は、トルクセンサと回転角度検出器とが一体で構成されている例である。回転角度検出器を単独で構成する場合においても、歪みゲージなどの歪み検出素子が可撓性外歯歯車や剛性内歯歯車に配置される。例えば、可撓性外歯歯車のダイヤフラムに貼り付けられる。この場合には、貼り付けた歪みゲージによって、引張り・圧縮歪みが測定されることになるので、ダイヤフラムの半径方向に平行な方向およびそれに直交する方向に一対の歪みゲージが貼り付けられる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の波動歯車装置の回転角度検出装置および方法では、歪み検出素子の出力に含まれている波動発生器１回転当たり２周期の正弦波状に変化する波動発生器の回転角度に同期する信号成分を利用して、波動発生器の回転角度を検出している。従って、当該回転角度検出装置を備えた波動歯車装置がモータ軸に連結された構成の駆動機構においては、モータ軸の回転角度検出器を設けることなくモータ軸の回転角度を検出できる。よって、駆動機構の小型・コンパクト化および低コスト化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した駆動機構の例を示す概略構成図である。
【図２】図１の波動歯車装置の波動発生器に取り付けたトルクセンサの位置を示す説明図である。
【図３】トルクセンサの出力から抽出された３相の正弦波信号を示すグラフである。
【図４】３相の正弦波信号を座標変換することにより得られた２相の正弦波信号を示すグラフである。
【図５】図１の波動歯車装置のトルクセンサから得られる出力から求めた３相の正弦波信号、２相の正弦波信号、および角度出力値の計算結果の例を示すグラフである。
【符号の説明】
１    駆動機構
２    モータ
３    波動歯車装置
４    駆動制御回路部
５    トルク検出部
６    回転角度検出部
７    信号処理回路
２２  可撓性外歯歯車
２３  波動発生器
２２２  ダイヤフラム
１１、１２、１３  トルクセンサ
１１Ｓ、１２Ｓ、１３Ｓ  ３相の正弦波信号
Ａ、Ｂ  ２相の正弦波信号
【図１】
2004333196.tif 000003
【図２】
2004333196.tif 000004
【図３】
2004333196.tif 000005
【図４】
2004333196.tif 000006
【図５】
2004333196.tif 000007