(57)【要約】【課題】  小型の磁歪式トルク検出装置を提供する。【解決手段】    磁歪式トルク検出装置は、内周に磁歪層３１ｂを形成してなるトルク伝達筒３１と、このトルク伝達筒３１と同軸をなしてトルク伝達筒３１内に収容された支持筒１１と、トルク伝達筒３１内において支持筒１１の外周に支持された検出手段５０と、支持筒１１内に収容固定された駆動源２０と、この駆動源２０の回転をトルク伝達筒３１に伝える減速機構４０とを備えている。検出手段５０は、トルク伝達筒３１にトルクが生じた時の磁歪層３１ｂの歪みに伴う透磁率の変化に基づき発生した誘導起電力によりトルクを検出する。【選択図】  図１
2012073151.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端がトルク入力端として提供され、他端がトルク出力端として提供され、少なくともその内周の一部分が磁歪材として提供されるトルク伝達筒と、
上記トルク伝達筒の内部に収容され、トルク伝達筒にトルクが生じた時の上記磁歪材の歪みに伴う透磁率の変化に基づき、上記トルクを検出する検出手段と、
を備えたことを特徴とする磁歪式トルク検出装置。
【請求項２】
上記トルク伝達筒は、筒形状の本体と、この本体の内周に形成され本体より磁歪特性の高い材料からなる磁歪層を有し、この磁歪層が上記磁歪材として提供されることを特徴とする請求項１に記載の磁歪式トルク検出装置。
【請求項３】
上記磁歪層が、上記本体の内周に溶射された金属ガラスからなることを特徴とする請求項２に記載の磁歪式トルク検出装置。
【請求項４】
上記トルク伝達筒の内部には、このトルク伝達筒と同軸をなして軸方向に延びる支持部材が配置され、この支持部材の外周に上記検出手段が支持されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の磁歪式トルク検出装置。
【請求項５】
上記支持部材が支持筒からなり、
上記支持筒の一端に上記トルク伝達筒の出力端が回動可能に支持され、
上記支持筒の他端から駆動源の回転出力軸が支持筒と同軸をなして突出し、この回転出力軸と上記トルク伝達筒の入力端とが減速機構を介して連結されており、
上記支持筒の一端が固定側の部材に連結され、上記トルク伝達筒の出力端が負荷側の部材に固定されていることを特徴とする請求項４に記載の磁歪式トルク検出装置。
【請求項６】
上記支持筒内に上記駆動源が収容固定されていることを特徴とする請求項５に記載の磁歪式トルク検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁歪の原理を利用したトルク検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
駆動源から負荷部へシャフトを介してトルクを伝達する構造は、多くの装置やシステムに組み込まれている。上記負荷の大きさを知るために、特許文献１〜８に示すように、シャフトに発生したトルクを磁歪の原理を利用して非接触で検出する装置は公知である。
特許文献1〜４の磁歪式トルク検出装置を概略的に説明すると、シャフトの外周には磁歪特性の高い（歪みに対して透磁率の変化が大きい）磁歪層が形成されている。さらにシャフトの外側には、検出手段が上記磁歪層と僅かな間隔をおいて配置されている。この検出手段は、励磁コイルと検出コイルを有している。
【０００３】
上記シャフトにトルクが発生すると、磁歪層に歪みが生じ、この歪みに伴い磁歪層の透磁率が変化する。
上記検出手段では、上記励磁コイルに高周波電流を流すことにより、上記磁歪層を含む磁気回路に磁束を発生させ、上記磁歪層の透磁率の変化を検出コイルで検出し、ひいてはトルクを検出する。
【０００４】
なお、特許文献５〜７では、シャフトが磁歪層を有さず、シャフト自体が磁歪材となっている。また、特許文献８では、検出手段が検出コイルを有さず、励磁コイルが検出コイルを兼ねている。これら特許文献５〜８でも、特許文献１〜４と同様に磁歪の原理を利用してトルクを検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１３３３３７号公報
【特許文献２】特開平１１−１３２８７７号公報
【特許文献３】特開２００９−２１０３２５号公報
【特許文献４】特開２００７−１０８０１３号公報
【特許文献５】特開２００１−１５３７３６号公報
【特許文献６】特開２０００−２６６６１９号公報
【特許文献７】特開２００１−２８９７１９号公報
【特許文献８】特開平５−１４９８０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献の磁歪式トルク検出装置では、検出手段がトルク伝達を担うシャフトの外側に配置されているため、装置の大型化を招く欠点があった。
また、減速機構の入力軸と出力軸を同軸にし、出力軸を管形状にし、この管形状の出力軸内に、小型の駆動源（モータ、エンジン、タービン）を納めたり、駆動源の出力軸を納める構造を採用する場合、上記特許文献のように減速機構の出力軸の外周に検出手段を配置すると、この減速機構の出力軸の内部空間に余裕があるにも拘わらず、この内部空間を有効利用せずに、徒に装置の大型化を招くことになる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、磁歪式トルク検出装置において、一端がトルク入力端として提供され、他端がトルク出力端として提供され、少なくともその内周の一部分が磁歪材として提供されるトルク伝達筒と、上記トルク伝達筒の内部に収容され、トルク伝達筒にトルクが生じた時の上記磁歪材の歪みに伴う透磁率の変化に基づき、上記トルクを検出する検出手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
上記構成によれば、トルク伝達のための部材を筒形状にし、その内部に磁歪検出手段を配置したので、装置を小型化することができる。
【０００９】
好ましくは、上記トルク伝達筒は、筒形状の本体と、この本体の内周に形成され本体より磁歪特性の高い材料からなる磁歪層を有し、この磁歪層が上記磁歪材として提供される。
これによればトルク伝達筒の本体は、磁歪特性を担わずに済むので、材料選択の幅が広がる。
【００１０】
好ましくは、上記磁歪層が、上記本体の内周に溶射された金属ガラスからなる。
これによれば、本体の内周に磁歪特性の高い磁歪層を容易に形成することができる。
【００１１】
好ましくは、上記トルク伝達筒の内部には、このトルク伝達筒と同軸をなして軸方向に延びる支持部材が配置され、この支持部材の外周に上記検出手段が支持されている。
これによれば、検出手段を安定して支持することができる。
【００１２】
好ましくは、上記支持部材が支持筒からなり、上記支持筒の一端に上記トルク伝達筒の出力端が回動可能に支持され、上記支持筒の他端から駆動源の回転出力軸が支持筒と同軸をなして突出し、この回転出力軸と上記トルク伝達筒の入力端とが減速機構を介して連結されており、上記支持筒の一端が固定側の部材に連結され、上記トルク伝達筒の出力端が負荷側の部材に固定されている。
これによれば、減速機構を組み込んだトルク検出装置を提供することができる。
【００１３】
好ましくは、上記支持筒内に上記駆動源が収容固定されている。
これによれば、アクチュエータとして機能するトルク検出装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、磁歪式トルク検出装置を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態に係わる磁歪式トルク検出装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】同装置の詳細な構造を示す断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係わる磁歪式トルク検出装置の概略構成を示す断面図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係わる磁歪式トルク検出装置の概略構成を示す断面図である。
【図５】本発明の第４実施形態に係わる磁歪式トルク検出装置の概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の第１実施形態に係わる磁歪式トルク検出装置１について、図１、図２を参照しながら説明する。この検出装置１は、ロボットアームの関節として提供され、固定系側のリンク２（固定側の部材）と負荷側のリンク３（負荷側の部材）を、回動軸線Ｌを中心に回転可能に連結する。
【００１７】
検出装置１は、主たる構成として、中空の支持体１０と、駆動源２０と、ハウジング３０と、減速機構４０と、検出手段５０とを備えており、アクチュエータとしての役割も担う。
【００１８】
上記支持体１０は、円筒形状の支持筒１１（支持部材）と円盤形状の支持盤１２とを有している。上記支持筒１１は上記回動軸線Ｌと同軸をなし、その一端がリンク２の先端鍔部２ａに固定されている。この支持筒１１の他端に、上記支持盤１２が固定されている。
【００１９】
上記駆動源２０は、上記モータ２１と減速ギアボックス２２を一体に連結してなり、この減速ギアボックス２２が支持盤１２に固定されることにより、駆動源２０が支持筒１１内に収容固定されている。
【００２０】
上記減速ギアボックス２２の出力軸２３（駆動源２０の回転出力軸）は、支持盤１２を貫通して支持体１０外に突出している。モータ２１および出力軸２３は上記回動軸線Ｌと同軸をなしている。
【００２１】
上記ハウジング３０は、上記回動軸線Ｌと同軸をなす円筒形状の筒３１と、この筒３１の一端に固定された環状の回転盤３２とを有している。この筒３１は後述するようにトルク伝達の役割を担うので、以下の説明ではトルク伝達筒３１と称する。このトルク伝達筒３１は、減速機構４０の出力軸でもある。
【００２２】
上記ハウジング３０の回転盤３２は、トルク伝達筒３１より径方向、内方向に突出した内側環状部３２ａと、トルク伝達筒３１より径方向、外方向に突出した外側環状部３２ｂを有している。
【００２３】
上記回転盤３２の内側環状部３２ａがベアリング３５を介して上記支持筒１１の一端部外周に回動可能に支持され、回転盤３２の外側環状部３２ｂが上記リンク３の基端鍔部３ａに固定されており、これにより、上記リンク３が上記リンク２に回転可能に連結されている。
【００２４】
上記減速機構４０は、ハーモニックドライブ（登録商標）型の減速機構であり、周知のように、内周に多数の歯を有するサーキュラスプライン４１と、カップ形状をなし弾性変形可能な筒部外周に歯を有するフレクスプライン４２と、ウエブジェネレータ４３とを有している。なお、フレクスプライン４２の歯数はサーキュラスプライン４１より２つ少ない。ウエブジェネレータ４３は、楕円カム４３ａとその外周に配置されたベアリング４３ｂとからなる。
【００２５】
上記サーキュラスプライン４１はトルク伝達筒３１の他端に固定されている。詳述すると、上記トルク伝達筒３１の他端には径方向、内方向に突出する環状の鍔部３１ａが形成されている。上記サーキュラスプライン４１は、押さえ部材４５に押さえられた状態で、この押さえ部材４５とともに上記トルク伝達筒３１の鍔部３１ａに固定されている。
【００２６】
上記フレクスプライン４２は、その厚肉をなす底部が支持体１０の支持盤１２に固定されている。
上記ウエブジェネレータ４３の楕円カム４３ａは、駆動源２０の出力軸２３に固定ブロック４６を介して固定されている。
【００２７】
上記押さえ部材４５と固定ブロック４６との間にはベアリング４７，４８が介在され、これにより、楕円カム４３ａとサーキュラスプライン４１とが安定して相対回転可能となっている。
【００２８】
上記駆動源２０の駆動により、その出力軸２３および固定ブロック４６を介してウエブジェネレータ４３の楕円カム４３ａが回転すると、上記フレクスプライン４２が変形し、フレクスプライン４２の歯とサーキュラスプライン４１の歯の噛合位置が周方向に移動し、これに伴い、出力軸２３の回転が減速されてサーキュラスプライン４１に伝達される。その結果、このサーキュラスプライン４１に固定されたハウジング３０が回動し、ひいてはリンク３がリンク２に対して回動する。
【００２９】
上記トルク伝達筒３１は、円筒形状の本体３１ａと、その内周に形成された別材料からなる磁歪層３１ｂ（磁歪材）とで構成されている。
本実施形態の磁歪層３１ｂは、鉄を主成分とするＦｅＳｉＢＰＣ系金属ガラス（Ｆｅ76Ｓｉ5.7Ｂ9.5Ｐ5Ｃ3.8  数字は各原子％）からなり、本体３１ａの軸方向中間部の内周（検出手段５０に対向した領域）に高速プラズマ溶射することにより、全周にわたって均一厚さ（例えば厚み２００μｍ）で形成されている。
なお、図２に符号Ｗで示すように、上記磁歪層３１ｂは、検出手段５０に対向した領域のみならず本体３１ａの一方の端近傍まで延長された領域を含むが、この延長領域は本体３１ａの一方の端から溶射したために形成されたものであり、作用上は不要である。
【００３０】
但し、磁歪層は上記金属ガラスに限定されず磁歪特性に優れたものであればよい。また、金属ガラスを使用する場合は、高速フレーム溶射や高速プラズマ溶射を用い、非晶質の金属ガラス粉末を使用し、過冷却液体温度域で溶射することにより、結晶化や酸化が殆どないようにすることが望ましい。溶射膜の厚みは磁歪層の種類・組成に依るが１００〜３００μｍが望ましい。
【００３１】
上記検出手段５０は、上記トルク伝達筒３１の内部空間において、支持筒１１の外周に形成された環状の鍔部１１aと支持筒１１に螺合されたナット５９との間に挟まれるようにして、支持筒１１に固定されており、その外周がクリアランスを介して上記磁歪層３１ｂと対峙している。
【００３２】
上記検出手段５０は、支持筒１１の外周を全周にわたって囲う一対の環状の励磁コア５１と、これら励磁コア５１間において励磁コア５１に隣接して配置され支持筒１１の外周を全周にわたって囲う一対の励磁コイル５２と、一対の励磁コア５１間の中央に配置された環状の検出コア５３とを有している。これら励磁コア５１、励磁コイル５２、検出コア５３は支持筒１１と同軸をなす。
【００３３】
上記検出コア５３は略歯車形状であり，円環状のベース部５３ａと、このベース部５３ａの外周から上記磁歪層３１ｂに向かって突出するとともに周方向に等しい間隔離れた複数の検出コア凸部５３ｂと、を有している。各検出コア凸部５３ｂには検出コイル５５が巻かれている。これら検出コア凸部５３ｂ、検出コイル５５の軸線は、支持筒１１の径方向に延びている。
【００３４】
上記励磁コア５１は略歯車形状であり，円環状のベース部５１ａと、このベース部５１ａの外周から上記磁歪層３１ｂに向かって突出するとともに周方向に等しい間隔離れた複数、例えば４つの励磁コア凸部５１ｂとを有している。図２は、当該励磁コア凸部５１ｂを通る面に沿って切断された断面図である。一対の励磁コア凸部５１ｂは互いに等しい角度位置にあり、軸方向に対峙している。
【００３５】
上記検出コア凸部５３ｂは、励磁コア凸部５１ｂに対して一対ずつ、本例では合計８つ装備されている。これら一対の検出コア凸部５３ｂは、励磁コア凸部５１ｂから周方向に異なる方向にずれて配置されている。支持筒１１の径方向から見た時、検出コア凸部５３ｂと励磁コア凸部５１ｂとを結ぶ線は回動軸線Ｌに対して４５°傾斜している。なお、図２では理解を容易にするため、検出コア凸部５３ｂおよびこれに巻かれた検出コイル５５を、励磁コア凸部５１ｂと同様に断面にして示している。  
【００３６】
図示しない発信器から上記励磁コイル５２に高周波電流を供給すると、支持筒１１、励磁コア５１、磁歪層３１ｂを含む磁気回路に、磁束が発生する。
【００３７】
モータ２１が駆動しない状態では、上記トルク伝達筒３１にトルクは発生せず、磁歪層３１ｂの歪みはゼロである。
モータ２１が駆動し、減速機構４０を介してトルク伝達筒３１の入力端にトルクが付与されると、このトルクはトルク伝達筒３１を介してトルク伝達筒３１の出力端に固定されたリンク３に伝達される。この際、トルクの大きさに対応して磁歪層３１ｂが歪む。
【００３８】
磁歪層３１ｂは上記歪みに伴い透磁率が変化し、８つの検出コイル５５に誘導起電力が発生する。図示しない演算部では、その誘導起電力に基づき、上記トルクを算出することができる。
【００３９】
次に、本発明の他の実施形態について図を参照しながら説明する。これら実施形態において先行する実施形態に対応する構成部には同番号を付してその詳細な説明を省略する。
図３に示す第２実施形態では、リンク２の先端部に第１実施形態と同様の鍔部２ａの他に、この鍔部２ａと平行をなす鍔部２ｂを有している。他方、リンク３の基端部にも、第１実施形態と同様の鍔部３ａの他に、この鍔部３ａと平行をなす鍔部３ｂを有している。
上記鍔部２ｂに、ベアリングを含む回転支持部６０を介して鍔部３ｂを回転可能に連結することにより、リンク３をリンク２に安定して連結することができる。
【００４０】
図４に示す第３実施形態では、人力による駆動源１２０を備えている。この駆動源１２０は、固定側の部材２’に対して回転可能に支持されたシャフト１２１と、その一端から直交して延びるクランク部１２２と、このクランク部１２２に固定ないしは回転可能に連結された操作部１２３とを有している。操作部１２３はハンドルやペダル等からなる。この操作部１２３を介して人力により、シャフト１２１にトルクを付与するようになっている。
【００４１】
上記シャフト１２１は、支持筒１１内を同軸をなして貫通している。このシャフト１２１の先端部は支持筒１１から突出した回転出力軸１２５として提供される。この回転出力軸１２５は、減速機構１４０を介してトルク伝達筒３１に連結されている。
【００４２】
上記減速機構１４０は遊星歯車機構からなり、出力軸１２５に固定されたサンギア１４１と、トルク伝達筒３１に固定されたリングギア１４２と、これらサンギア１４１とリングギア１４２との間に介在されて噛み合う複数のプラネタリギア１４３とを有している。プラネタリギア１４３を回転可能に支持するキャリア１４４は、支持筒１１に固定されている。
【００４３】
図５に示す第４実施形態では、駆動源２０の配置が第１実施形態と異なり、他は第１実施形態と同様である。この実施形態では、駆動源２０は支持筒１１に収容されておらず、減速機構４０を挟んで支持筒１１の反対側に配置されている。駆動源２０のモータケースは、固定側の部材２’に固定されている。なお、この実施形態では、支持筒１１の代わりに中実の支持シャフト（支持部材）を用いてもよい。
【００４４】
本発明は、上記実施例に制約されず、種々の態様を採用することができる。例えば、トルク伝達筒自体を磁歪特性の高い材料で形成する場合には、前述した特許文献５〜７と同様に磁歪層を形成しなくてもよい。また、磁歪層は、トルク伝達筒の本体内周に接着してもよい。
検出手段による磁歪材の歪みに基づくトルク検出方法は特許文献１〜８に示すように多様であり、上記実施形態に制約されない。検出手段は、特許文献８と同様に検出コイルを省くこともできる。
減速機構は上記のハーモニックドライブや遊星歯車減速機に限定されず、サイクロ減速機やＲＶ減速機など入力軸と出力軸が同軸をなす減速機構であればよい。
駆動源は、モータや人力に限らず駆動源またはその出力軸が支持筒内に納まるものであればエンジンやタービンであってもよい。
支持筒１１を磁気回路構成部として用いる代わりに、別途ヨーク材を設けてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、トルク検出を必要とするあらゆる分野に適用することができる。
【符号の説明】
【００４６】
２  ロボットアームのリンク（固定側の部材）
２’  固定側の部材
３  ロボットアームのリンク（負荷側の部材）
３’  負荷側の部材
１１  支持筒
２０，１２０  駆動源
２３，１２５  回転出力軸
３１  トルク伝達筒
３１ａ  本体
３１ｂ  磁歪層（磁歪材）
４０，１４０  減速機構
４１  サーキュラスプライン
４２  フレクスプライン
４３  ウエブジェネレータ
４３ａ  楕円カム
５０  検出手段
５１  励磁コイル
５５  検出コイル
【図１】
2012073151.tif 000003
【図２】
2012073151.tif 000004
【図３】
2012073151.tif 000005
【図４】
2012073151.tif 000006
【図５】
2012073151.tif 000007