(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに平行な回転軸を有する、駆動プーリとトルクの伝達を受ける受動プーリからなる２つのプーリ間でトルクを伝達するタイミングベルト駆動機構であって、
前記２つのプーリの軸間距離がタイミングベルトの張力を受けて変動する方向に変形可能な平行板バネを備え、
前記平行板バネの一端部を双方のプーリの回転軸に沿った方向でタイミングベルトの位置に一致させて、前記プーリの支持部材に固定し、前記平行板バネの他端部を駆動プーリの回転軸を支持する基体部材と接合させた
ことを特徴とするタイミングベルト駆動機構。
【請求項２】
前記平行板バネは、前記２つのプーリの軸間を通る面に対して互いに対称となる位置に２セット配置されたことを特徴とする請求項１に記載のタイミングベルト駆動機構。
【請求項３】
前記タイミングベルトの位置にある前記平行板バネの前記一端部と前記駆動プーリとの距離の調整を可能とする締結部を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のタイミングベルト駆動機構。
【請求項４】
前記平行板バネは、前記タイミングベルトの張力を表面歪として検出する歪みゲージを該表面に備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のタイミングベルト駆動機構。
【請求項５】
前記歪ゲージによって表面歪として検出された前記タイミングベルトの張力に応じて前記駆動プーリのモータの駆動力をコントロールすることを特徴とする請求項４に記載のタイミングベルト駆動機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タイミングベルトのプーリ間の回転軸間の距離がプーリの回転方向にベルトのテンションに応じて短くなるよう平行板バネで所定のベルト伝動の負荷を調整することで、ベルトの緩みや歯飛びを生じさせるタイミングベルトの駆動技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットのアーム機構等に適用されるタイミングベルトとプーリで構成されたトルク伝動機構において、許容される所定のベルトに懸かる負荷を越えた際に、タイミングベルトとプーリ間で歯飛び、または、それに至るまでのベルトの位置変動を生じさせる機構を実現することで駆動機構自体を保護する小型の機構が求められている。
【０００３】
上記した機構を実現するため、従来、タイミングベルトに懸かる負荷を調整する技術として、バネ等による所定の弾性を有するアイドラによってタイミングベルトを付勢してテンション（張力）を調整する方法が考えられる（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００４】
一般的なアイドラによるテンション調整機構を図５において説明する。図５−（１）は、プーリａ１０、プーリｂ１０’間に懸けられたタイミングベルト２０を付勢する弾性支持されたアイドラ３０が、ベルト片側に配置された場合を示し、図５−（２）は、アイドラ３０がベルト両側に対称に配置された場合を示している。
【０００５】
しかしながら、アイドラ３０を片側に設けた場合、図のような反時計回りの回転トルクが働いたときに、タイミングベルト２０のＡ部分でベルト張力が増大し、それに引きずられてアイドラ３０が位置ズレを生じ、片やタイミングベルト２０のＢ部分でアイドラ３０の位置ズレ分、ベルト張力に緩みが発生する。逆に、時計回りの回転トルクでは、Ｂ部分のベルト張力が増大し、Ａ部分でのベルト張力の緩みが小さく、アイドラ３０の位置ズレはほとんどない状態となる。このように、アイドラ３０が一つの場合、タイミングベルト２０の回転方向に依存して、ベルトの歯飛に至るまでの特性に差を生じ、伝達機構の保護能力に差を生じるという問題がある。
【０００６】
これを改善するため、アイドラ３０を２個対称位置に対抗させて配置させる方法が有効であるが、機構が複雑になると同時に、対称性を確保するための調整が困難、などの問題を抱える。さらに、タイミングベルトの経路にプーリ以外の機構が必要とされるためプーリ間の軸間距離を短くすることが困難であり、駆動用モータ等アクチュエータ自体も固定する必要があり、当該機構を配置するためのスペース効率が悪くなるなど、小型化には不向きである。
【０００７】
また、タイミングベルトの張力を均一にする簡便な方法として、図６に示すように、コイルバネ７０でモータ５０と支持部材（基体９０）は一体となってフレームと相対移動し、駆動プーリ５０と係合する駆動ベルト（タイミングベルト６０）へテンションを付与する方法が提案されている。コイルバネ７０によってフレーム全体に外力が加えられ、ベルト張力を吸収する構成としている（例えば、特許文献３）。つまり、プーリに単軸の力を懸けて左右回転のベルトのテンション特性を均一にする方法である。
【０００８】
しかしながら、これをコイルバネ７０で実現しようとすると、プーリの倒れモーメントを拘束していないため、図６の例のように、モータ等とともにプーリの回転軸が揺れて安定な動作できない。また、モータを固定すると、バネのテンション調整効果が消失してしまうという問題がある。
【特許文献１】特開平１０−９４９８６号公報
【特許文献２】特開平０８−１５２０５０号公報
【特許文献３】特開２００１−３３４７１５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、図６に適用されているコイルバネに代わって、平行板バネを用い、プーリの回転軸間をバネで伸縮可能にする機能とプーリを回転させるアクチュエータ（モータ）を空中にフローティングさせた状態で安定に支持可能とすることによって、軽量で小型のベルトテンション調整機能および機構保護機能を有するタイミングベルト駆動機構を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第一の発明は、互いに平行な回転軸を有する、駆動プーリとトルクの伝達を受ける受動プーリからなる２つのプーリ間でトルクを伝達するタイミングベルト駆動機構であって、前記２つのプーリの軸間距離がタイミングベルトの張力を受けて変動する方向に変形可能な平行板バネを備え、前記平行板バネの一端部を双方のプーリの回転軸に沿った方向でタイミングベルトの位置に一致させて、前記受動プーリの支持部材に固定し、前記平行板バネの他端部を駆動プーリの回転軸を支持する基体部材と接合させたことを特徴とするタイミングベルト駆動機構に関する。
【００１１】
すなわち、第一の発明によれば、プーリの軸間距離が変動する方向に変形可能な平行板バネの一方の端部をプーリの回転基体となるモータ等に接合し、平行板バネの他の端部をベルトのテンションが懸かる位置に設置する構成とすることによって、プーリの回転軸を倒すようなモーメントは、バネ固定箇所に発生する姿勢維持モーメントと均衡して常に軸の方向でモータの姿勢を保つことが可能となる。
【００１２】
つまり、プーリの軸間をバネで伸縮可能にする機能とプーリを回転させるアクチュエータを空中にフローティングで安定支持可能にした板バネ構造とすることで、軽量で小型のベルトテンション調整機能が実現できる。
【００１３】
第二の発明は、前記平行板バネは、前記２つのプーリの軸間を通る面に対して互いに対称となる位置に２セット配置されたことを特徴とする上記第一の発明に記載のタイミングベルト駆動機構に関する。
【００１４】
すなわち、第二の発明によれば、平行板バネをプーリを挟んで対称位置に設け、プーリ周りのトルクによるネジリ剛性を高めることができ、タイミングベルト駆動機構全体のより安定した姿勢制御が実現される。
【００１５】
第三の発明は、前記タイミングベルトの位置にある前記平行板バネの前記一端部と前記駆動プーリとの距離の調整を可能とする締結部を備えたことを特徴とする上記第一または第二の発明に記載のタイミングベルト駆動機構に関する。
【００１６】
すなわち、第三の発明によれば、平行板バネのバネ固定箇所とプーリとの距離をボルトなどで調整可能な構成とすることによってタイミングベルトの張力の調整が容易に実現できる。
【００１７】
第四の発明は、前記平行板バネは、前記タイミングベルトの張力を表面歪として検出する歪みゲージを該表面に備えたことを特徴とする上記第一乃至第三の発明のいずれかに記載のタイミングベルト駆動機構に関する。
【００１８】
すなわち、第四の発明によれば、板バネの変形や歪はベルトのテンション負荷によるものであり、摩擦等の擦れ箇所もないため、板バネの表面歪を歪ゲージで計測することで精度の高いベルトの張力を計測することが可能となる。
【００１９】
第五の発明は、前記歪ゲージによって表面歪として検出された前記タイミングベルトの張力に応じて前記駆動プーリのモータの駆動力をコントロールすることを特徴とする上記第四の発明に記載のタイミングベルト駆動機構に関する。
【００２０】
すなわち、第五の発明によれば、歪ゲージによる計測結果に応じて、タイミングベルトの張力が上がり、例えば、張力の所定値を超えた場合に、モータのサーボをオフする等の機能を有する駆動系が構築できる。
【発明の効果】
【００２１】
上記した本発明によって以下の効果が生まれる。
【００２２】
駆動プーリに対しモータを接続し、プーリの回転基体となるモータにプーリの軸間距離が変化する方向に変形可能な平行板バネを接合し、平行板バネの他端をベルトの張力が懸かる位置に設置する構成によって、プーリの回転軸を倒すようなモーメントは、バネ固定箇所に発生する姿勢維持モーメントと均衡し、常に軸の方向でモータの姿勢を保つことが可能となる。
【００２３】
また、本機構の平行板バネのバネ固定箇所とプーリとの距離をボルトなどで調整可能にすることで、タイミングベルトの張力調整が容易に実現でき、必要以上のトルクが、プーリに懸かった際には、プーリの軸間がバネの変形により短くなり、結果としてベルトの歯とび現象により、プーリに接合した機構を保護することや、伝達トルクをカットして伝達先に接触する人に対して安全な範囲での発生力環境を提供することができる。
【００２４】
さらに、板バネの表面歪を歪ゲージで計測することで精度の高いベルトの張力を計測することが可能となり、計測結果に応じてベルトの張力が上がった際にモータのサーボをオフする等の機能を有する駆動系を構築できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面にもとづいて本発明の実施形態を説明する。
【００２６】
図１は、本発明の実施の形態になるタイミングベルト駆動機構の基本構成を示す。左右の回転方向に依存しないベルト張力（テンション）の調整方法としては、対となるプーリの中心を結ぶ線上でプーリに力をかける方法が最も簡単で単軸の力で可能となるが、これをコイルバネで実現しようとすると、プーリの倒れモーメントを拘束していないため、図６の例のようにモータ等とともにプーリの回転軸が揺れて安定な動作できないか、モータを固定することでバネの張力調整効果が消失してしまう。
【００２７】
そこで、本発明では、プーリの軸間をバネで伸縮可能にする機能とプーリを回転させるアクチュエータ（モータ）を空中にフローティングで安定支持可能にした板バネ構造とすることで、軽量で小型のベルトテンション調整機能および機構保護機能を実現する。
【００２８】
駆動用のプーリ２に対し、モータ１を接続し、プーリ２の回転基体となる、例えば、モータ１にプーリ２の軸間距離が変化する方向に変形可能な平行板バネ４を、図のように、バネ固定箇所Ａ６において片側端部を接合し、平行板バネ４の他端部をタイミングベルト３のテンションが懸かるバネ固定箇所Ｂ５の位置に設置する。このように平行板バネ４を幾何的に拘束することにより、バネ固定箇所Ａとバネ固定箇所Ｂにおける平行板バネ４の変形特性は互いに姿勢を変えずに並進運動となる。
【００２９】
なお、図中、Ｘはタイミングベルトの張力、Ｙはタイミングベルトの張力の調整外力として加わるバネ力、およびＺはバネ固定箇所Ａに発生する姿勢維持モーメントを表している。
【００３０】
上記のバネ配置によって、プーリ２の回転軸を倒すようなモーメントは、バネ固定箇所Ａに発生する姿勢維持モーメントＺと均衡し、常に軸の方向でモータ１の姿勢を保つことが可能となる。
【００３１】
また、本駆動機構の平行板バネ４の片側端部（バネ固定箇所Ｂ）をボルト７で支持部材８に取り付けることによって、バネ固定箇所Ｂとプーリ２との距離が調整可能となり、タイミングベルト３のテンション調整が容易に実現できる。
【００３２】
さらに、必要以上のトルクが２つのプーリに懸かった際には、２つのプーリの軸間が、平行板バネ４が変形することで短くなり、結果として、ベルトの歯とび現象を生じさせることにより、プーリに接合した機構を保護することや、伝達トルクをカットして伝達先に接触する人に対して安全な環境を提供することができる。
【００３３】
図２は、本発明の実施の形態になるタイミングベルト駆動機構における平行板バネの取り付け例を示す。本実施例では、プーリ周囲のトルクに対するネジリ剛性を高めるために、平行板バネ４をプーリ２を挟んで互いに対称となる位置に２セット配置した場合の構成例を示している。
【００３４】
図３は、本発明の実施の形態になる歪みゲージによるベルト張力検出の構成例を示す。実施例では、（ａ）は単体の平行板バネへの取り付け例で、平行板バネ４の対峙する表面に、歪ゲージ９ａ、９ｂが貼り付けられた例を示しており、（ｂ）は、プーリを挟んで対称位置に配置された２セットの平行板バネに、歪ゲージ９ａ、９ｂ、および９ａ’、９ｂ’が貼り付けられた場合を示している。この歪ゲージで、ホイートストンブリッジ回路を構成することによって高い精度の歪が計測される。
【００３５】
平行板バネ４の変形や歪は，タイミングベルト３のテンション負荷によるものであり、摩擦等による擦れ箇所もないため、平行板バネ３の表面歪を歪ゲージで計測することによって、精度の高いタイミングベルトの張力を計測することが可能である。その計測結果に応じて、タイミングベルト３の張力が上がり、予め設定された所定値を超えた場合に、モータ１のサーボをオフする等の機能を有する駆動系を構築することが可能となる。
【００３６】
なお、平行板バネ４に取り付けられた歪ゲージによる測定値とタイミングベルト３の張力との対応は実験的に求められ、歯飛びを起こさせるベルト張力の負荷限界として設定値は当該実験値をもとに予め設定されるものである。
【００３７】
図４は、本発明の実施の形態になる平行板バネの表面歪検出によるタイミングベルト駆動制御の処理フローを示す。まず、ステップＳ１１において、プーリ２を駆動するモータの制御を行い、ステップＳ１２において、歪ゲージの出力信号からベルトテンションが、歯飛びを起こす過負荷の状態にあるか否かを判断する。
【００３８】
その結果、ベルトテンションが、所定値（歪値との対応で予め設定される設定値）以下であればステップＳ１１に戻って、モータの回転が制御される。所定値以上となった場合には、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、ベルトテンション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に移行し、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。以上、歪ゲージによる検出結果から、ベルトテンションに応じてモータを制御し、タイミングベルトに過負荷が懸かった時に、モータのサーボを切ることによって駆動機構を保護することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施の形態になるタイミングベルト駆動機構の基本構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態になるタイミングベルト駆動機構における平行板バネの取り付け例を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態になる歪みゲージによるベルト張力検出の構成例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態になる平行板バネの表面歪検出によるタイミングベルト駆動制御の処理フローを示す図である。
【図５】従来のタイミングベルトの駆動機構例１を示す図である。
【図６】従来のタイミングベルトの駆動機構例２を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  モータ
２、２’  プーリａ（駆動用）、プーリｂ
３  タイミングベルト
４  平行板バネ
５  バネ固定部Ｂ
６  バネ固定部Ａ
７  ボルト
８  支持部材
９ａ、９ｂ、９ａ’、９ｂ’  歪ゲージ
【図１】
0004924263.tif 000002
【図２】
0004924263.tif 000003
【図３】
0004924263.tif 000004
【図４】
0004924263.tif 000005
【図５】
0004924263.tif 000006
【図６】
0004924263.tif 000007