(57)【要約】【課題】回転軸に設けられた歪みを感知して回転トルクを検出する起歪部への影響を排除した構造を有する、トルク検出器を提供する。【解決手段】減速機の出力部と連結して負荷装置に動力を伝達するとともに回転トルクを検知できる回転軸がある。回転軸には歪みを感知して回転トルクを検出する起歪部が設けられており、その位置は筐体側から支持するベアリングよりも負荷装置側に存在する。この配置により、組み立てによって生ずるベアリングの摩擦トルクの検出を排除することが出来、正確な回転トルク値を得ることが出来る。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータと機械的に接続される減速機と繋がって、減速機出力部の回転トルクを検出する手段を有するトルク検出器において、
前記減速機出力部と機械的に接続され負荷装置へ動力を伝達する回転軸と、
前記回転軸を、前記減速機出力部と前記負荷装置の前記回転軸の軸方向における中間位置にて、回転自在に支持するベアリングを有し、
前記回転軸に生ずる歪みを感知してトルクを検出するように前記回転軸に設けられた起歪部が、前記回転軸の軸方向において前記回転軸の前記ベアリングによる支持される部分よりも前記負荷装置側に位置することを特徴とするトルク検出器。
【請求項２】
前記回転軸の前記起歪部に設けられる歪みゲージで前記起歪部の歪みを検出することを特徴とする請求項１に記載のトルク検出器。
【請求項３】
前記減速機が波動歯車減速機であることを特徴とする請求項１から２のいずれかに記載のトルク検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ、減速機と繋がってトルク検出が可能となる、トルク検出器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来では図２に示すように、モータの動力を負荷装置に伝達しつつ回転トルクを検出する手段として、モータの出力軸に減速機を連結させ回転数を減少させると同時にトルクを増加させ、カップリング等の軸継手を介してトルクを測定できるトルク検出器を繋いで、このトルク検出器の出力軸を負荷装置に繋ぐというものが一般的であった。この構成であれば各ユニットが独立しており部品交換などメンテナンス等は有利であるが、軸方向の長さが長くなってしまうこと、電気配線が複雑になることなどから適用用途に限定があった。
【０００３】
これに対して、モータ、減速機、トルク検出器を一体構造で構成する発明が開示されている（特許文献１、特許文献２）。特許文献１、特許文献２の発明共に、減速された後の出力の回転軸は中空構造となっており、この回転軸を軸内部から支持するベアリングがあり、一方でこの回転軸を外部から支持するベアリングが同心にて設けられている。すなわちこの構成では減速機からの出力回転軸が内側も外側も別のベアリングによって挟み込まれており、特にこの回転軸を軸内部から支持するベアリングの内輪も回転するように構成されているため、各部品の形状精度を上げ、組み立ての寸法管理などを厳しくしなければスムーズな回転が得られないことが予想される。
【０００４】
一方トルク検出においては、特許文献２の発明では詳細な実施例の記述が無く、回転軸の磁歪を測定する手段を用いている場合、高速回転でも測定できるものの、軸に継続的な負荷がかかる場合には軸自体が時間に伴ってクリープ変形を引き起こすため高精度な測定を維持することは困難といえる。特許文献１では歪みゲージを設けた記述はあるが、この構造によれば組み立て時のネジ締結によってトルク検出部分に生じる応力やクリープ変形の発生などによって正確なトルク値が得られず、しかも中空軸でしか歪みゲージからの配線ができず適用範囲が限られているという難点があった。
【０００５】
また特許文献３では、減速機内部に歪みゲージを貼ってトルクを検出するトルク検出機構付き波動歯車装置が開示されている。ここで歪みゲージは実際に回転している部材では無く固定された部材に貼られており、回転体のトルクを減速機内の撓む部分の近傍にて間接的に測っているため応答性が悪く測定精度に難点があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−２１５０８１号公報
【特許文献２】特許第４５８１５４３号公報
【特許文献３】特許第３５１２１６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図２のような単体ユニットで構成されるものを基本とすると、これらを一体型として構成した場合、図３に示すような回転軸２に歪みを検知するように設けられた起歪部２ａがベアリング３と減速機の中間部に位置する構造が考えられる。起歪部２ａには歪みゲージが複数貼られており、回転軸の回転トルクを測ることが出来、回転側基板から固定側基板へのデータの無線伝送でトルクを検出している。このような構成においても、ベアリング３による回転軸２の組付け時に回転軸２に歪みが生じてしまい、起歪部２ａへ影響を及ぼすため正確なトルク値が得られない状態であった。すなわちベアリング３で生ずる摩擦トルクが回転軸２の起歪部２ａで検出されてしまうため、正確なトルク値が得られないという難点があった。
【０００８】
本発明は、上記の欠点を補って、応答性が速く高精度なトルク検出ができるトルク検出器を得ることが目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るトルク検出器は
モータと機械的に接続される減速機と繋がって、減速機出力部の回転トルクを検出する手段を有するトルク検出器において、
減速機出力部と機械的に接続され負荷装置へ動力を伝達する回転軸と、
回転軸を、減速機出力部と負荷装置の回転軸の軸方向における中間位置にて、回転自在に支持するベアリングを有し、
回転軸に生ずる歪みを感知してトルクを検出するように回転軸に設けられた起歪部が、回転軸の軸方向において回転軸のベアリングによる支持される部分よりも負荷装置側に位置することで構成されている。
【００１０】
回転軸の起歪部に設けられる歪みゲージで、起歪部の歪みを検出することが好ましい。
【００１１】
また、減速機が波動歯車減速機であることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態を示したトルク検出器の断面構造図
【図２】従来のトルク検出器と減速機とモータの構成を表した図
【図３】従来のトルク検出器の断面構造図
【図４】本発明の第２の実施形態を示したトルク検出器の断面構造図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明による実施形態について、図面をもとに詳細な説明を行う。
【００１４】
図１は本発明の第１の実施形態を示した断面構造図である。そして図１は、トルク検出器１は、減速機部分とトルク検出部分を一体化して形成したものである。
【００１５】
回転軸２は、回転自在に支持され、減速機で減速した動力を伝達するとともに、回転トルクを検出するために起歪部２ａも備えている。起歪部２ａは、回転軸２の軸方向の中央部でその直径が小さく設けられており、回転軸２の軸方向には強度を有して変形せず、ねじれ方向には変形するため、この表面に歪みゲージを貼付し、この起歪部２ａに生じるねじれを感知して、回転トルクを検知するものである。この起歪部２ａの形状は円柱形に限らず、測定する回転トルク量によって最適なものが選択される。回転軸２の負荷側においては不図示の負荷装置と機械的に接続され、負荷装置と一緒に回転しつつ回転トルクを検出することになる。
【００１６】
一方モータ軸１０１は、不図示のモータの筐体に設けられたベアリング１０２によって回転自在に支持されており、減速機構のウエーブジェネレータ１４に接続されて回転動力が伝達されて来る。
【００１７】
ベアリング３は例えば円筒形のコロによる線接触にて荷重を受けるクロスローラベアリングであり、その外輪は固定側であり筐体を兼ねる接続部１７に固定されて、回転軸２を回転自在に支持するように設けられている。従ってベアリング３ａは外輪であり、これと対向したベアリング３ｂは内輪であって、回転軸２とネジによって固定することで回転軸２は回転自在となっている。
【００１８】
１次側コア７および１次側コイル８と、２次側コア６および２次側コイル５は、回転トランス構造を成している。回転軸２には回転軸２と共に回転する回転側基板４ａ、４ｂがあり、回転側基板４ａ、４ｂには起歪部２ａの円筒表面に貼付された歪みゲージを含んで構成するホイートストンブリッジ回路が搭載されており、この回路に非接触にて電力を供給している。
【００１９】
以下、この回路における電力および電気信号の流れについて説明する。固定側基板１０には、外部の直流電源装置より電源が供給されると共に、この直流を交流に変換して、回転軸２に設けられて一緒に回転する電気回路へ電力を供給するためのスイッチング回路が設けられている。
【００２０】
１次側コア７は、両端に突部を設けた断面コの字型の形状をしたフェライトであり、コアホルダ９を介して固定側基板１０に取り付けられている。１次側コア７の両突部間には銅線を巻回してなる１次側コイル８が設けられている。この１次側コイル８には固定側基板１０のスイッチング回路から電力が供給される。
【００２１】
一方、回転軸２には、１次側コア７および１次側コイル８と所定間隔をおいて対向するように、トランスの２次側が構成されている。回転軸２表面上に、フェライトシートからなる２次側コア６が設けられ、この２次側コア６の外周には銅線を巻回してなる２次側コイル５が設けられている。
【００２２】
従って、外部の直流電源装置から固定側基板１０へ電源が供給され、固定側基板１０上のスイッチング回路にて交流に変換された電流を１次側コイル８に通電すると、交流磁界が発生し。この交流磁界が回転軸２側の２次側コア６に透過することで、２次側コイル５に電流が誘起される。誘起された電流は、回転側基板４ａ、４ｂ内の整流化回路および安定化回路を経て、ホイートストンブリッジ回路を成す歪みゲージに供給される。
【００２３】
実際のトルクの検出は、回転軸２にトルクが加わると、回転軸２の起歪部２ａがトルクの大きさに応じて歪み、この歪みの大きさが歪みゲージの抵抗値の変化の大きさとして検出される。検出は回転側基板４ａ、４ｂ内に設けられた検出回路により行われ、この検出アナログ信号はＡ／Ｄ変換でデジタル化および変調される。
【００２４】
このデジタル化した信号は、回転側基板４ａ、４ｂに設けられた赤外線通信を行うＬＥＤにより送信され、固定側基板１０上に設けられた受光素子でこれを受信して、トルク値に対応したデジタル信号を得ることができる。固定側基板１０には復調回路が設けられており、検出したトルク値に対応する電圧信号を出力できるようになっている。そして、この出力された電圧信号は、公知の手段にて表示器等に表示されるとともに、モータの制御に使用される。
【００２５】
回転側基板４ａ、４ｂは、基板固定支柱１９により回転軸２に固定されているとともに、リング状の形状をしていて、回転時のバランスを保つように電子部品の配置位置が基板上で考慮されている。本実施例では回転側基板４ａ、４ｂは２つの基板から構成されているが、回転軸２の直径寸法によっては基板面積を広く出来て、１つの基板で構成される場合もあり、適宜選択される。
【００２６】
一方、回転軸２に対して駆動側には、波動歯車減速機が接続されている。波動歯車減速機は、薄肉カップの形状をして開口部外周にギア歯がもうけられたフレックススプライン１３と、このフレックススプライン１３の外周ギア歯に対応して内周面にギア歯を持つサーキュラスプライン１２と、フレックススプライン１３の開口した内周部に位置してモータ軸１０１と結合したウエーブジェネレータ１４から構成されている。
【００２７】
ウエーブジェネレータ１４は楕円状カムの外周に薄肉のボール・ベアリングを組み合わせた部品であり、ベアリングの内輪はカムに固定され、外輪はボールを介して弾性変形する。フレックススプライン１３は薄肉カップ状の金属弾性体であり、このフレックスプライン１３の薄肉カップの底をダイヤフラムと呼んで減速機出力部として機能する。サーキュラスプライン１２は剛体リング状の部品で、フレックススプライン１３より歯数が２枚多い内歯構造となっている。
【００２８】
フレックススプライン１３はウエーブジェネレータ１４により楕円状に撓み、楕円の長軸の箇所でサーキュラスプライン１２と歯が噛み合い、短軸の箇所では歯は噛み合わない状態になる。サーキュラスプライン１２を固定し、ウエーブジェネレータ１４を時計方向へ回すと、フレックススプライン１３は弾性変形し、サーキュラスプライン１２との歯の噛み合い位置が順次移動する。ウエーブジェネレータ１４が1回転すると、歯数差２枚分だけフレックススプライン１３は反時計方向へ移動する。従って、波動歯車減速機のフレックスプライン１３のダイヤフラムが出力部となって、この波動歯車減速機の減速比だけ減速することになる。
【００２９】
そして回転軸２はフレックスプライン１３のダイヤフラム部すなわち減速機出力部とネジによって締結されている。フレックスプライン１３と２次側コア６および２次側コイル５の軸方向の中間には、減速機側のオイルの飛散を防ぐ目的で、オイルシール１１が設けられている。オイルシール１１はカバー１６に挿入されて回転軸２に接触してシールがなされる。
【００３０】
一方回転軸２は、半径方向に張り出したつば部２ｂにてベアリング内輪３ｂに固定されている。このベアリング内輪３ｂと対向するように設けられたベアリング外輪３ａは、外装部を兼ねる接続部１７に固定され、全体から見ると固定側となる。
【００３１】
図４は本発明の第２の実施形態を示した断面構造図である。第２の実施例ではベアリング３をラジアル深溝玉ベアリングで構成している。この場合ベアリング３は高剛性なクロスローラベアリングではないため、回転側基板４ａ、４ｂや２次側コイル５を挟んで減速機のフレックススプライン１３近傍にベアリング１８を設けてある。このベアリング１８はシール付きのラジアル深溝玉ベアリングで減速機部分にあるオイルのシールも兼ねる。第２の実施形態においても、回転軸２の起歪部２ａはベアリング３よりも負荷装置側に設けられていることは同様である。
【００３２】
従来の実施例を示した図３では、回転軸２の起歪部２ａはこのベアリング３ａ、３ｂと減速機出力すなわちフレックススプライン１３の中間位置にあった。従って起歪部２ａの軸方向の長さを確保するため、全体として軸方向の長さが長くなることも避けられなかった。これに対して本発明では、回転軸２は一端がフレックススプライン１３と連結されて減速した動力を受け、ベアリング３により外装固定部に支持され、この支持部よりも軸方向にて負荷装置側に、歪みを検出する起歪部を設けた構造となっている。この配置により起歪部２ａに組み立て時のネジやボルトの締結による応力の発生を生じにくくすることができる。すなわち組み立てによって生じるベアリング３の摩擦トルクを検出することがないため、正確なトルク値を得ることが出来る。また起歪部２ａの配置の自由度が高いため、軸方向の長さを抑制することも容易である。さらに第１の実施例では複数のベアリングによる相互干渉が無いため、組み立て精度、各部品精度を高めることなく回転軸２の滑らかな動きを実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明の活用例として、トルクを制御しつつ動力を発生するアクチュエータすなわちロボット等への適用が可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１  トルク検出器
２  回転軸
２ａ  起歪部
２ｂ  つば部
３    ベアリング
３ａ  ベアリング外輪
３ｂ  ベアリング内輪
４ａ、４ｂ  回転側基板
５  ２次側コイル
６  ２次側コア
７  １次側コア
８  １次側コイル
９  コアホルダ
１０  固定側基板
１１  オイルシール
１２  サーキュラスプライン
１３  フレックススプライン
１４  ウエーブジェネレータ
１５  軸カバー
１６  カバー
１７  接続部
１８  ベアリング
１９  基板固定支柱
２０  トルク検出器
１０１  モータ軸
１０２  ベアリング
１０３  減速機
１０４  モータ
１０５  軸継手
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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