(57)【要約】【課題】  装置の大形化の問題を解消し、高トルク出力特性が得られ、しかも定格出力レベルのばらつきのない小形の調和減速機を提供する。【解決手段】  ウェーブジェネレータと、ウェーブジェネレータを内部に囲むサーキュラスプラインと、およびサーキュラスプラインを内部に囲むフレクスプライン４３からなる調和減速機であって、フレクスプライン４３をマルエージング鋼で構成し、トルクが作用する被測定部位にスリット３１を形成し、この部位から一定の空隙を設けてコイル２を配置し、フレクスプライン４３にかかるトルクを被測定部位の磁気特性の変化に基づくインピーダンスの変化としてコイル２３によって検出するインピーダンス検出センサを備えた。【選択図】図１
2005274191.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウェーブジェネレータと、該ウェーブジェネレータを内部に囲むサーキュラスプラインと、および該サーキュラスプラインを内部に囲むフレクスプラインからなる調和減速機であって、前記フレクスプラインをマルエージング鋼で構成し、
トルクが作用する被測定部位にスリット又は溝を形成し、該部位から一定の空隙を設けてコイルを配置し、前記フレクスプラインにかかるトルクを前記被測定部位の磁気特性の変化に基づくインピーダンスの変化として前記コイルによって検出するインピーダンス検出センサを備えたことを特徴とする調和減速機。
【請求項２】
ウェーブジェネレータと、該ウェーブジェネレータを内部に囲むサーキュラスプラインと、および該サーキュラスプラインを内部に囲むフレクスプラインからなる調和減速機であって、前記フレクスプラインをマルエージング鋼で構成し、
トルクが作用する被測定部位に成膜技術により０．１μｍ〜３０μｍ膜厚の膜を形成し、該部位から一定の空隙を設けてコイルを配置し、前記フレクスプラインにかかるトルクを前記被測定部位の磁気特性の変化に基づくインピーダンスの変化として前記コイルによって検出するインピーダンス検出センサを備えた調和減速機において、
前記膜の材質を銅か、若しくは、銅合金かアルミニウム合金のいずれかでかつ熱膨張係数が前記マルエージング鋼より大きく、引っ張り強さが１０ｋｇ／ｍｍ2 以上の特性を有している材料か、又はニッケル、ニッケル鉄合金、ニッケルコバルト合金、鉄コバルト合金、ニッケル鉄コバルト合金のいずれかで形成したことを特徴とする調和減速機。
【請求項３】
ウェーブジェネレータと、該ウェーブジェネレータを内部に囲むサーキュラスプラインと、および該サーキュラスプラインを内部に囲むフレクスプラインからなる調和減速機であって、前記フレクスプラインをマルエージング鋼で構成し、
トルクが作用する被測定部位にスリット又は溝を形成し、かつ成膜技術により０．１μｍ〜３０μｍ膜厚の膜を形成し、該部位から一定の空隙を設けてコイルを配置し、前記フレクスプラインにかかるトルクを前記被測定部位の磁気特性の変化に基づくインピーダンスの変化として前記コイルによって検出するインピーダンス検出センサを備えた調和減速機において、
前記膜の材質を銅か、若しくは、銅合金かアルミニウム合金のいずれかでかつ熱膨張係数が前記マルエージング鋼より大きく、引っ張り強さが１０ｋｇ／ｍｍ2 以上の特性を有している材料か、又はニッケル、ニッケル鉄合金、ニッケルコバルト合金、鉄コバルト合金、ニッケル鉄コバルト合金のいずれかで形成したことを特徴とする調和減速機。
【請求項４】
前記測定部位形成されるスリット、溝、膜は、半径方向に向かって斜めに延びる短冊状のものであり、これが複数個、円周に沿って形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の調和減速機。
【請求項５】
トルク減速伝達動作時の出力側の前記フレクスプラインがトルク減速伝達動作時入力側ラジアル面に対して概垂直面を有し、この概垂直面に前記被測定部位を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の調和減速機。
【請求項６】
前記被測定部位のインピーダンス検出センサの周囲に磁気ヨークを配置したことを特徴とする請求項５記載の調和減速機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はロボットなどの駆動源に使用されるモータの減速機として使用される調和減速機の構造、特に、トルクセンサを組み込んだ調和減速機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転駆動系を有するロボットやマニピュレータの制御に、非接触でかつ小型のトルクセンサが要求されている。このようなトルクセンサには種々の方式があるが、非接触で小型化に有利な方式としては磁歪式トルクセンサがある。
図４は特許文献１に示されている従来の磁歪式トルクセンサを説明する図で、（ａ）は非接触で小型化に有利な従来の磁歪式トルクセンサの概略原理図、（ｂ）はこれをモータと組み合わせた調和減速機を示す図である。
図４に示す磁歪式トルクセンサは、磁性体に力が印加されると磁性体の透磁率が変わるという逆磁歪効果を利用してトルク検出を行うものである。
図において、１は磁性体回転軸、２はコイル、３はモータ、４は調和減速機、５は負荷、３３は膜である。
磁性体回転軸１の透磁率の変化は回転軸１の周囲に一定ギャップを保って巻いてあるコイル２またはコイルを巻いた磁気ヘッド（図示せず）のインピーダンス変化として検出する。このようなトルクセンサは負荷側回転軸に組み込んで使用される。たとえば、モータと組み合わせた調和減速機の場合、図４（ｂ）のような構成になる。
図において、モータ３に調和減速機４を介して負荷５と回転軸１とが結合されており、この負荷側の回転軸１にトルクセンサ６が設けられている。調和減速機４ではモータ３のトルクがウエーブ・ジェネレータと、サーキュラ・スプラインと、フレクスプラインの３つの部品を介して負荷側の回転軸に伝達される。このうち、フレクスプラインは変形を必要とするため、板厚の薄い高強度を有するマルエージング鋼を用いて、長い筒状に成形されている。
ところが、図４のようにトルクセンサを出力軸に組み込んだ場合、出力軸はトルクセンサを構成する分だけ（普通２０ｍｍ以上）長くする必要がある。その結果、この構成でロボットを作った場合、大形化するという問題があった。
【特許文献１】特許第３４４０９５１号公報
【０００３】
そこで上記課題を解決するものとして、同じく特許文献１に図５のような調和減速機が開示されている。
図において、２はコイル、３３は膜、４２はフレクスプラインである。
この調和減速機は、ウェーブジェネレータ、サーキュラスプラインおよびフレクスプラインからなり、フレクスプラインはトルクが作用する被測定部に真空技術により膜３３を形成し、その周囲に一定の空隙を設けてコイル２を配置し、フレクスプライン４２にかかるトルクを被測定部の磁気特性の変化に基づくインピーダンスの変化としてセンサで検出するものである。
図に示すように、フレクスプライン４２の周部に膜加工を施した場合、装置の大形化の問題は解消し、高トルク出力特性は得られるものの、定格出力レベルのばらつきが生じた。これは、減速動作時にフレクスプラインの周部がトルク印加方向のみならずラジアル方向にも変形するために発生するものであると考えられる。
さらに、励磁・検出コイルにヨークを施さなかった場合、機器に組み込んだ際に、調和減速機および出力軸周囲のフレームを鉄にした場合、組込み前と出力特性が変化した。これはフレームに反力がかかり、その磁歪をコイルが検出したためであった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明はこれらの問題点を改善したもので、装置の大形化の問題を解消し、高トルク出力特性が得られ、しかも定格出力レベルのばらつきのない小形の調和減速機を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記問題を解決するため、請求項１記載の調和減速機の発明は、ウェーブジェネレータと、該ウェーブジェネレータを内部に囲むサーキュラスプラインと、および該サーキュラスプラインを内部に囲むフレクスプラインからなる調和減速機であって、前記フレクスプラインをマルエージング鋼で構成し、トルクが作用する被測定部位にスリット又は溝を形成し、該部位から一定の空隙を設けてコイルを配置し、前記フレクスプラインにかかるトルクを前記被測定部位の磁気特性の変化に基づくインピーダンスの変化として前記コイルによって検出するインピーダンス検出センサを備えたことを特徴とする。
請求項２記載の調和減速機の発明は、ウェーブジェネレータと、該ウェーブジェネレータを内部に囲むサーキュラスプラインと、および該サーキュラスプラインを内部に囲むフレクスプラインからなる調和減速機であって、前記フレクスプラインをマルエージング鋼で構成し、トルクが作用する被測定部位に成膜技術により０．１μｍ〜３０μｍ膜厚の膜を形成し、該部位から一定の空隙を設けてコイルを配置し、前記フレクスプラインにかかるトルクを前記被測定部位の磁気特性の変化に基づくインピーダンスの変化として前記コイルによって検出するインピーダンス検出センサを備えた調和減速機において、前記膜の材質を銅か、若しくは、銅合金かアルミニウム合金のいずれかでかつ熱膨張係数が前記マルエージング鋼より大きく、引っ張り強さが１０ｋｇ／ｍｍ2 以上の特性を有している材料か、又はニッケル、ニッケル鉄合金、ニッケルコバルト合金、鉄コバルト合金、ニッケル鉄コバルト合金のいずれかで形成したことことを特徴とする。
【０００６】
請求項３記載の調和減速機の発明は、ウェーブジェネレータと、該ウェーブジェネレータを内部に囲むサーキュラスプラインと、および該サーキュラスプラインを内部に囲むフレクスプラインからなる調和減速機であって、前記フレクスプラインをマルエージング鋼で構成し、トルクが作用する被測定部位にスリット又は溝を形成し、かつ成膜技術により０．１μｍ〜３０μｍ膜厚の膜を形成し、該部位から一定の空隙を設けてコイルを配置し、前記フレクスプラインにかかるトルクを前記被測定部位の磁気特性の変化に基づくインピーダンスの変化として前記コイルによって検出するインピーダンス検出センサを備えた調和減速機において、前記膜の材質を銅か、若しくは、銅合金かアルミニウム合金のいずれかでかつ熱膨張係数が前記マルエージング鋼より大きく、引っ張り強さが１０ｋｇ／ｍｍ2 以上の特性を有している材料か、又はニッケル、ニッケル鉄合金、ニッケルコバルト合金、鉄コバルト合金、ニッケル鉄コバルト合金のいずれかで形成したことを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項記載の調和減速機において、前記測定部位形成されるスリット、溝、膜は、半径方向に向かって斜めに延びる短冊状のものであり、これが複数個、円周に沿って形成されていることを特徴とする。
請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項記載の調和減速機において、トルク減速伝達動作時の出力側の前記フレクスプラインがトルク減速伝達動作時入力側ラジアル面に対して概垂直面を有し、この概垂直面に前記被測定部位を有することを特徴とする。
請求項６記載の発明は、請求項５記載の調和減速機において、前記被測定部位のインピーダンス検出センサの周囲に磁気ヨークを配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１に記載の発明によると、トルクを検出する部位を磁歪を有するマルエージング鋼とすることができ、トルクの方向が判るようになると共に、減速手段とトルク検出の手段を同一部材とすることができ、トルクセンサを組み込んだ調和減速機を小型化することができる。
また、請求項２に記載の発明によると、マルエージング鋼の磁歪効果をより大きくすることができ、トルクによる出力信号を増大させることができ、感度がよくなる。
また、請求項３に記載の発明によると、請求項１に記載の発明と請求項２に記載の発明の両方の効果が得られ、トルクの方向が判ると共に、感度の良い調和減速機が得られる。
また、請求項４に記載の発明によると、信号を効率よく取り出せてしかもトルクセンサを小型化することができる。
また、請求項５に記載の発明によると、減速動作時にフレクスプラインにトルク以外の歪が印加されにくい部位をトルク検出部としたため、他の歪要素が検出部に入力されることなく、精度よくトルク検出ができる。
また、請求項６に記載の発明によると、検出部以外の要素、例えば鉄製のフレームからの磁気信号の影響を受けないので、他の歪要素や温度変化等に対して変動の少ないトルク検出ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明を実施例を示す図に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【０００９】
本発明の実施例を図１に示す。
図１はフレクスプラインに磁歪式のトルクセンサを組み込んだ構成図で、（ａ）はフレクスプラインの正面縦断面図、（ｂ）は側面図である。
図において、４３はフレクスプライン、３１はフレクスプライン４３の端周部表面に機械研磨あるいは化学エッチングにより形成されたスリット３１（又は、溝３２）である。２はソレノイド式コイルで、２１の励磁用コイルと２２の検出用コイルから成っている。２３はヨーク２３である。
図のように、フレクスプライン４３の端周部表面に機械研磨あるいは化学エッチングによりスリット３１を入れたり溝３２を形成し、この端周部直近にギャップ０．５ｍｍを介してヨーク２３を有するソレノイド式コイル２を配置している。
また、このソレノイドコイルには励磁用２１、検出用コイル２２が巻回されている。
このフレクスプライン４３を用いて、調和減速機４を構成し、モータおよび負荷と組合せてトルク出力特性を調べた。
この結果、（１）溝加工を施した場合、定格トルクに対し、±５％の精度でトルクを検出できた。また、（２）スリット加工を施した場合は、±１０％の精度でトルクを検出できた。
なお、何もスリットおよび溝加工を施さない場合は、トルク０から定格トルクまで精度３０％で、正方向、負方向の区別がつかない信号しか得られなかった。
【００１０】
図２は、図１のフレクスプラインを組み込んだ調和減速機の断面斜視図である。
図において、４１はウエーブ・ジェネレータ、４２はサーキュラ・スプライン、４３はフレクスプラインである。３１はフレクスプライン４３の端周部表面に形成されたスリット３１（又は、溝３２）である。また、２はソレノイド式コイルで、２１の励磁用コイルと２２の検出用コイルから成り、２３はヨーク２３である。
図２に示すとおり、モータのトルクはウエーブ・ジェネレータ４１、サーキュラ・スプライン４２、フレクスプライン４３の３つの部品を介して負荷側の回転軸に伝達される。このうち、フレクスプライン４３は変形を必要とするため、板厚の薄い高強度を有するマルエージング鋼を用いて長い筒状に成形されており、その端周部表面に機械研磨あるいは化学エッチングによりスリット３１が形成されている。スリット３１は貫通穴であるが、貫通しないでも良く、要は角のある部分を有すればよいので、同じ形状の溝でも同じ効果、すなわち、トルクの方向が判別可能となる効果が得られる。スリットや溝の形成によりトルクの方向が判別可能となる理由は、スリットや溝が形成されていない場合は膜の磁気異方性が＋トルク、ートルク印加に対して同等なので方向検出ができないが、スリットや溝を形成しておくと、トルク印加時の最大応力の方向に膜の磁気異方性が付与されることにより、膜の磁気異方性がスリットや溝により付与され＋トルク、ートルクの印加方向に対して磁気が異なるため、方向検出が可能となる。
【実施例２】
【００１１】
第２実施例は、実施例１のスリットや溝の代わりにその部位に膜の形成を行うものである。フレクスプライン４３をトリクレン、純水、アルコールの順に超音波洗浄を施したのち、めっき浴にて銅、銅合金、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル鉄合金、ニッケルコバルト合金、鉄コバルト合金、ニッケル鉄コバルト合金の膜３３を種々の厚さに形成した。このフレクスプライン端周部直近にギャップ０．５ｍｍを介してヨーク２３を有するソレノイド式コイル２を配置した。
なお、このソレノイドコイルには励磁用２１、検出用２２コイルが巻回されている。このフレクスプライン４３を用いて、調和減速機４を構成し、モータおよび負荷と組合せてトルク出力・特性を調べた。
【００１２】
Ｉ）銅、銅合金、アルミニウム合金のめっき膜３３を施した場合：
（１）銅、銅合金、アルミニウム合金のめっき膜３３を施した場合、０．０５μｍ厚では、膜３３を施さない場合と同等の出力レベルであった。
（２）膜厚が０．１μｍの場合、膜付けを行なった後、４００℃で熱処理を行なうと、実施例１の場合に比べ精度がさらに５０％程度改善した。
（３）膜厚を１μｍ、５μｍ、１０μｍとした場合、精度向上が実施例１の場合に比べ６０〜８０％向上し、３０μｍで実施例１の場合に比べ精度がさらに５０％程度改善した。
ただし、これらの場合も熱処理を行なわなければ同等であった。
（４）膜厚を５０μｍにしたところ、成膜の効果は見られなかった。
【００１３】
II）ニッケル、ニッケル鉄合金、ニッケルコバルト合金、鉄コバルト合金、ニッケル鉄コバルト合金のめっき膜を施した場合：
（１）このめっき膜を施した場合は、成膜後４００℃の熱処理を行なうことにより、熱処理を行なわないものより、１０％の精度改善の効果が見られた。
（２）０．０５μｍ厚では、膜を施さない場合と同等の出力レベルであった。
（３）膜厚が０．１μｍの場合、実施例１の場合に比べ精度がさらに４０％程度改善した。
（４）膜厚を１μｍ、５μｍ、１０μｍとした場合、精度向上が実施例１の場合に比べ５０〜７０％向上し、３０μｍで実施例１の場合に比べ精度がさらに４０％程度改善した。
（５）なお、膜厚を５０μｍにすることは今回の実験では困難であった。
以上のように、実施例２によれば、膜を形成したことにより、実施例１の場合に比べ精度がさらに改善した。
【実施例３】
【００１４】
第３実施例は、実施例１におけるスリットや溝を形成した後、さらににその部位に膜の形成を行うものである。
フレクスプライン４３の端周部表面に機械研磨あるいは化学エッチングによりスリットを入れたり溝形成を行なった。その後、このフレクスプライン４３をトリクレン、純水、アルコールの順に超音波洗浄を施したのち、めっき浴にて銅、銅合金、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル鉄合金、ニッケルコバルト合金、鉄コバルト合金、ニッケル鉄コバルト合金の膜３３を種々の厚さに形成した。このフレクスプライン端周部直近にギャップ０．５ｍｍを介してヨーク２３を有するソレノイド式コイル２を配置した。
以上のように、実施例３によれば、実施例１と２の両方の効果を備えたものとなり、装置の大形化の問題を解消し、しかも定格出力レベルのばらつきのない、トルクの方向が判り、かつ高トルク出力特性が得られた。
【００１５】
このように、調和減速機を構成するフレクスプラインの端面にスリットあるいは溝を形成し、また、膜を施すことにより、この端面部の逆磁歪効果をヨーク付きコイルにより検出する構成を備えるので、スペースをとらず、調和減速機でトルクを検出することができる。
【００１６】
調和減速機は原動機器の出力を増大することができるので、電動機以外にも、油圧、エンジンなどの用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施例に係るフレクスプラインに磁歪式のトルクセンサを組み込んだ構成図で、（ａ）はフレクスプラインの正面縦断面図、（ｂ）は側面図である。
【図２】図１のフレクスプラインを組み込んだ調和減速機の断面斜視図である。
【図３】本発明の第２実施例に係るフレクスプラインに磁歪式のトルクセンサを組み込んだ構成図で、（ａ）はフレクスプラインの正面縦断面図、（ｂ）は側面図である。
【図４】従来の磁歪式トルクセンサを説明する図で、（ａ）は従来の磁歪式トルクセンサの概略原理図、（ｂ）はこれをモータと組み合わせた調和減速機を示す図である。
【図５】フレクスプラインに磁歪式のトルクセンサを組み込んだ従来技術２に係る構成図である。
【符号の説明】
【００１８】
１ 回転軸
２ ソレノイド式コイル
２１  励磁用コイル
２２  検出用コイル
２３  ヨーク
３１  スリット
３２  溝
３３  膜
４    調和減速機
４１  ウエーブ・ジェネレータ
４２  サーキュラ・スプライン
４３  フレクスプライン
【図１】
2005274191.tif 000003
【図２】
2005274191.tif 000004
【図３】
2005274191.tif 000005
【図４】
2005274191.tif 000006
【図５】
2005274191.tif 000007