(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力軸が球面の軌道を動作する球面アクチュエータの出力トルクを測定するトルク測定器であって、
前記球面アクチュエータを設置するためのアクチュエータ搭載ステージと、
前記アクチュエータ搭載ステージの直上に置かれるそれぞれ直交に配置された２個の円弧状アームであってそれぞれ長尺方向中央に貫通長孔を開けられた円弧状アームと、
前記球面アクチュエータの出力軸に取付けられて前記直交配置された２個の円弧状アームの回転中心を貫通する出力軸延長部材と、
前記２個の円弧状アームのそれぞれの端部に継手を介して接続したトルク検出器と、
前記各トルク検出器の接続側と反対側の端部に配置したエンコーダと、
前記各トルク検出器のそれぞれに接続するブレーキと、
を備えたことを特徴とする球面アクチュエータの出力トルク測定器。
【請求項２】
前記アクチュエータ搭載ステージは、前記円弧状アームの回転中心と球面アクチュエータの回転中心の位置を合わせるための水平方向位置調整ステージと、大きさの異なる球面アクチュエータの出力トルク測定を可能とするための鉛直方向位置調整ステージと、球面アクチュエータ自体を鉛直軸回りに回転させることを可能にする回転ステージと、を備えたことを特徴とする請求項１記載の球面アクチュエータの出力トルク測定器。
【請求項３】
前記円弧状アームは、前記円弧状アームの自重によって前記トルク検出器に検出されるトルクの影響を排除するために、前記円弧状アームの自重をキャンセルするカウンタウエイトを備えることを特徴とする請求項１記載の球面アクチュエータの出力トルク測定器。
【請求項４】
前記出力軸延長部材は、摺動抵抗の小さい回転体が取付けられており、前記円弧状アームに設けた長孔の平面部と前記回転体の外周曲面部との接触によって、球面アクチュエータの出力トルクを前記円弧状アームに伝達することを特徴とする請求項１記載の球面アクチュエータの出力トルク測定器。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項記載の球面アクチュエータの出力トルク測定器と、
前記各ブレーキのブレーキ力を調整するブレーキコントローラと、
前記トルク検出器の出力を増幅するトルク検出器アンプと、
前記トルク検出器および前記エンコーダからの出力を処理するデータ処理部と、
前記データ処理部の処理した各データの表示を行う表示部と、を備えたシステムコントローラと、
を備えたことを特徴とする球面アクチュエータの出力トルク測定装置。
【請求項６】
前記ブレーキコントローラの設定によって、前記ブレーキに前記球面アクチュエータの最大トルク以上のブレーキ力を設定した状態で前記球面アクチュエータを動作させ、前記トルク検出器および前記エンコーダの出力データを取込むことによって前記球面アクチュエータの静止トルクを取得することができるとともに、前記ブレーキコントローラの設定によって、前記ブレーキに前記球面アクチュエータの最大トルク未満のブレーキ力を設定した状態で前記球面アクチュエータを動作させ、前記トルク検出器および前記エンコーダの出力データを取込むことによって前記球面アクチュエータ動作時のトルクを取得することができることを特徴とする請求項５記載の球面アクチュエータの出力トルク測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、出力軸が球面の軌道を動作する球面アクチュエータの出力トルク測定器およびこれを用いたトルク測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のトルク測定装置で、１軸回転モータ用のトルク測定装置としては、トルク検出器を用いる方法がある（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
出力軸が球面の軌道を動作する球面アクチュエータのトルク測定を行う場合に、このような従来例の方法を用いてトルク測定を行う場合、測定を行う球面アクチュエータのトルク発生方向とトルク検出器の検出方向が一致するように、球面アクチュエータ自体あるいはトルク検出器を位置調整および固定する設置ステージが必要であった。
また、他の方法として、フォースゲージ、ロードセル等、力の測定機器を用いて、力の測定値と力の測定機器の設置位置から求められる距離値とからトルク値を算出する方法があるが、この場合も、測定を行う球面アクチュエータのトルク発生方向と力の測定機器の検出方向が一致するように、球面アクチュエータ自体あるいは力の測定機器を位置調整および固定する設置ステージが必要であった。
【特許文献１】特許第３５２９５９１号公報（図１）
【特許文献２】特開２００５−３７３８９号公報（図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記従来のトルク測定方法では、出力軸が球面の軌道を動作する球面アクチュエータのトルク測定においては、動作範囲内の任意の位置における任意の方向への出力トルクを測定する場合、トルク検出器あるいは力の測定機器をその都度セッティングし直す必要があった。一般的にモータやアクチュエータの評価としてトルク測定を行う場合、モータの動作範囲内の全般に渡った位置における、全方向へのトルク発生のデータを測定して、データのばらつき等を評価するものである。従って、多数のデータを必要とし、その都度セッティングを行っていては、測定が非効率であると同時に、セッティングに伴う位置誤差のために測定精度が低下するという問題があった。
また、力の測定機器を用いて測定する方法では、距離値に誤差が生じやすく、測定値の精度が悪くなるという問題があった。
そこで、本発明は球面アクチュエータにおける動作範囲内の任意の位置における任意の方向への出力トルクを、効率よく、高精度に測定できるトルク測定装置を提供することを目的とする。
【０００４】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１記載の発明は、球面アクチュエータの出力トルク測定器に係り、出力軸が球面の軌道を動作する球面アクチュエータの出力トルクを測定するトルク測定器であって、前記球面アクチュエータを設置するためのアクチュエータ搭載ステージと、前記アクチュエータ搭載ステージの直上に置かれるそれぞれ直交に配置された２個の円弧状アームであってそれぞれ長尺方向中央に貫通長孔を開けられた円弧状アームと、前記球面アクチュエータの出力軸に取付けられて前記直交配置された２個の円弧状アームの回転中心を貫通する出力軸延長部材と、前記２個の円弧状アームのそれぞれの端部に継手を介して接続したトルク検出器と、前記各トルク検出器の接続側と反対側の端部に配置したエンコーダと、前記各トルク検出器のそれぞれに接続するブレーキと、を備えたことを特徴としている。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の球面アクチュエータの出力トルク測定器において、前記アクチュエータ搭載ステージが、前記円弧状アームの回転中心と球面アクチュエータの回転中心の位置を合わせるための水平方向位置調整ステージと、大きさの異なる球面アクチュエータの出力トルク測定を可能とするための鉛直方向位置調整ステージと、球面アクチュエータ自体を鉛直軸回りに回転させることを可能にする回転ステージと、を備えたことを特徴としている。
請求項３記載の発明は、請求項１記載の球面アクチュエータの出力トルク測定器において、前記円弧状アームが、前記円弧状アームの自重によって前記トルク検出器に検出されるトルクの影響を排除するために、前記円弧状アームの自重をキャンセルするカウンタウエイトを備えることを特徴としている。
請求項４記載の発明は、請求項１記載の球面アクチュエータの出力トルク測定器において、前記出力軸延長部材が、摺動抵抗の小さい回転体が取付けられており、前記円弧状アームに設けた長孔の平面部と前記回転体の外周曲面部との接触によって、球面アクチュエータの出力トルクを前記円弧状アームに伝達することを特徴としている。
請求項５記載の発明は、球面アクチュエータの出力トルク測定装置に係り、請求項１〜４のいずれか１項記載の球面アクチュエータの出力トルク測定器と、前記各ブレーキのブレーキ力を調整するブレーキコントローラと、前記トルク検出器の出力を増幅するトルク検出器アンプと、前記トルク検出器および前記エンコーダからの出力を処理するデータ処理部と、前記データ処理部の処理した各データの表示を行う表示部と、を備えたシステムコントローラと、を備えたことを特徴としている。
請求項６記載の発明は、請求項５記載の球面アクチュエータの出力トルク測定装置において、前記ブレーキコントローラの設定によって、前記ブレーキに前記球面アクチュエータの最大トルク以上のブレーキ力を設定した状態で前記球面アクチュエータを動作させ、前記トルク検出器および前記エンコーダの出力データを取込むことによって前記球面アクチュエータの静止トルクを取得することができるとともに、前記ブレーキコントローラの設定によって、前記ブレーキに前記球面アクチュエータの最大トルク未満のブレーキ力を設定した状態で前記球面アクチュエータを動作させ、前記トルク検出器および前記エンコーダの出力データを取込むことによって前記球面アクチュエータ動作時のトルクを取得することができることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００５】
請求項１記載の発明によると、円弧状アームおよび球面アクチュエータの出力軸を測定する位置へ動作した後、その位置でのトルク測定を行う手順で測定を行うことができるので、球面アクチュエータにおける動作範囲内の任意の位置における任意の方向への出力トルクを効率よく測定できる。
また、球面アクチュエータの出力軸位置を変更する際に、球面アクチュエータの軸受け部精度および円弧状アームの軸受け部精度のみに依存するので、球面アクチュエータの出力トルクを高精度に測定できる。
請求項２記載の発明によると、水平方向位置調整ステージによって、円弧状アームの回転中心と球面アクチュエータの回転中心の水平方向位置を合わせることができるので、球面アクチュエータの位置を高精度に測定できる。
また、鉛直方向位置調整ステージによって、球面アクチュエータの鉛直方向位置を変更してセッティングできるので、大きさの異なる球面アクチュエータのトルク測定を行うことができる。
また、球面アクチュエータ自体を鉛直軸回りに回転させることを可能にする回転ステージによって、トルク検出器で検出できない球面アクチュエータの動作方向のトルク測定に関して、球面アクチュエータ自体を鉛直軸回りの任意の位置に回転させてトルク測定を行うことができるので、球面アクチュエータにおける動作範囲内の任意の位置における任意の方向への出力トルクを効率よく測定できる。
請求項３記載の発明によると、円弧状アームの自重によって前記トルク検出器に検出されるトルクの影響を排除することができるので、球面アクチュエータの出力トルクを高精度に測定できる。
請求項４記載の発明によると、円弧状アームに設けた平面部と球面アクチュエータに取付ける出力軸延長部材の回転体の外周曲面部との接触によって球面アクチュエータの出力トルクを前記円弧状アームに伝達するので、球面アクチュエータにおける動作範囲内の任意の位置における任意の方向への出力トルクを測定できる。また、出力軸延長部材に摺動抵抗の小さい回転体が取付けられているため、球面アクチュエータ動作時の出力トルク測定時のトルク伝達において摺動抵抗を小さくできるので、球面アクチュエータ動作時の出力トルクを高精度に測定できる。
請求項５記載の発明によると、請求項１〜４のいずれか１項記載の球面アクチュエータの出力トルク測定器に各ブレーキのブレーキ力を調整するブレーキコントローラとトルク検出器の出力を増幅するトルク検出器アンプとトルク検出器およびエンコーダからの出力を処理するデータ処理部とデータ処理部の処理した各データの表示を行う表示部とを備えることで、球面アクチュエータの出力トルクを効率よく高精度で測定できる測定装置が得られる。
請求項６に記載の発明によると、ブレーキ力の設定によって、球面アクチュエータの静止トルクを取得することができるとともに、動作時のトルクを取得することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【０００７】
図１は本発明のトルク測定器の上面図、図２は図１の本発明のトルク測定器の側面図、図３は本発明のトルク測定器のアクチュエータ搭載ステージを説明するための斜視図、図４は本発明のトルク測定器に取り付けられた被測定物である球面アクチュエータの出力軸の出力軸延長部材と２個の直交された円弧状アームの回転中心との貫通状態を説明するための斜視図である。
図１〜図４において、１はベース、２はアクチュエータ搭載ステージ、３はアームフレーム、４はＸ軸円弧状アーム、５はＹ軸円弧状アーム、６はカウンタウエイト、７はＸ軸トルク検出器、８はＹ軸トルク検出器、９はカップリング、１０はＸ軸ブレーキ、１１はＹ軸ブレーキ、１２はＸ軸エンコーダ、１３はＹ軸エンコーダ、１４は出力軸延長部材、１５は回転体（図４）、１６はＸ送りステージ（図３）、１７はＹ送りステージ（図３）、１８はＺ送りステージ（図３）、１９は回転ステージ（図３）である。Ｋは被測定物である球面アクチュエータである。
球面アクチュエータＫとしては、例えば、特許文献：特開２００３−０８８０８９号公報、特開２００４−３２０９４７号公報、特開平１１−０１８４５９号公報などに記載のアクチュエータが使われる。本実施例では、被測定対象を球面アクチュエータＫとして述べるが、それ以外にも、可動部が球面軌道上を動作するものであれば、例えば、２軸で構成したロボット関節などの出力トルク測定にも適用することができる。
本発明のトルク測定器は、ベース１上に被測定対象となる球面アクチュエータＫを搭載するアクチュエータ搭載ステージ２が取付けられ、この上にアクチュエータ搭載ステージ２の中心位置で直交するＸ、Ｙ軸それぞれのアクチュエータ搭載ステージ２の両側に、アームフレーム３を配置し、アームフレーム３に取付けられたベアリング（図示しない）によってＸ軸にＸ軸円弧状アーム４が回転可能に取付けられ、また、アームフレーム３に取付けられたベアリング（図示しない）によってＹ軸にＹ軸円弧状アーム５が回転可能に取付けられている。これらのＸ軸円弧状アーム４およびＹ軸円弧状アーム５は、回転中心に対して円弧部と反対側に、カウンタウエイト６が位置調整可能で取付けられるようになっており、回転中心に対して円弧状アームのアンバランス分をカウンタウエイト６の取付け位置調整を行うことでバランスさせることができる。従って、円弧状アームの自重によってＸ軸トルク検出器７およびＹ軸トルク検出器８によってそれぞれ検出されるトルクの影響を排除することができるので、球面アクチュエータＫの出力トルクを高精度に測定できる。
Ｘ軸円弧状アーム４およびＹ軸円弧状アーム５のそれぞれの一端は、Ｘ軸トルク検出器７およびＹ軸トルク検出器８の入力軸とそれぞれカップリング９を介して接続されている。Ｘ軸トルク検出器７およびＹ軸トルク検出器８の入力軸と反対側の軸部は、Ｘ軸ブレーキ１０およびＹ軸ブレーキ１１とそれぞれカップリング９を介して接続されている。Ｘ軸円弧状アーム４およびＹ軸円弧状アーム５のトルク検出器７およびＹ軸トルク検出器８接続と反対側にはＸ軸エンコーダ１２およびＹ軸エンコーダ１３がそれぞれ配置されている。
球面アクチュエータＫをアクチュエータ搭載ステージ２に取付けた後、球面アクチュエータＫの出力軸Ｋ１には、出力軸延長部材１４（図２）を取付ける。
出力軸延長部材１４は、球面アクチュエータＫの出力軸Ｋ１と同軸上で回転する回転体１５（図２）、具体的には、軸受けやブッシング等を用いて構成した部品が取付けられている。出力軸延長部材１４はこの回転体１５の外周曲面部とＸ軸円弧状アーム４およびＹ軸円弧状アーム５に加工されたＵ字溝の平面部が当接する寸法になっている。このように接触によって、トルクを伝達するので、球面アクチュエータＫの軸Ｋ１とトルク検出器７およびＹ軸トルク検出器８の軸ずれによってひずみが発生し、トルク測定値に誤差を生じることがなく、高精度な測定が可能となる。
球面アクチュエータＫをアクチュエータ搭載ステージ２へ取付け、Ｘ軸円弧状アーム４およびＹ軸円弧状アーム５における円弧加工を施した外周部と球面アクチュエータＫに取付けた出力軸延長部材１４の位置ずれを監視しながら球面アクチュエータＫの動作範囲内を動作し、位置ずれが最小になるように、アクチュエータ搭載ステージ２のＸ送りステージ１６（図３）、Ｙ送りステージ１７（図３）、およびＺ送りステージ１８（図３）で位置調整を行う。
Ｘ送りステージ１６、Ｙ送りステージ１７、Ｚ送りステージ１８の送り機構としては、送りねじ方式があるが、それ以外の方法として、スペーサの挿入によって位置調整する方法もある。
大きさの異なる球面アクチュエータＫのトルク測定を行う場合は、Ｘ軸円弧状アーム４およびＹ軸円弧状アーム５の回転中心と球面アクチュエータＫの回転中心を一致させるように、Ｚ送りステージ１８で位置調整を行うとともに、出力軸延長部材１４の寸法変更を行うことで、トルク測定が可能となる。
本実施例では、Ｚ送りステージ１８を用いて、測定対象の球面アクチュエータＫを位置調整可能としたが、球面アクチュエータＫを固定し、アームフレーム３の固定位置を調整可能に構成することで、位置調整可能にする方法もある。
Ｘ送りステージ１６およびＹ送りステージ１７によって、Ｘ軸円弧状アーム４およびＹ軸円弧状アーム５の回転中心と球面アクチュエータＫの回転中心のＸ、Ｙ方向位置をそれぞれ合わせることができるので、球面アクチュエータＫの出力軸位置を高精度に測定できることとなる。
【０００８】
図５は本発明のトルク測定器を含むシステムとしてのトルク測定装置の構成を説明するためのブロック図である。図５において、１００は本発明のトルク測定装置で、トルク測定器２０とシステムコントローラ２１とで構成される。トルク測定器２０については図１〜図４で既述した。システムコントローラ２１は、Ｘ軸トルク検出器アンプ２２、Ｙ軸トルク検出器アンプ２３、Ｘ軸ブレーキコントローラ２４、Ｙ軸ブレーキコントローラ２５、ＣＰＵ２６、ＣＲＴ２７を備えて成る。図５のブロック図において、Ｘ軸ブレーキコントローラ２４およびＹ軸ブレーキコントローラ２５への入力によって、ブレーキ力を設定することができる。システムコントローラ２１内のＣＰＵ２６に、Ｘ軸トルク検出器７およびＹ軸トルク検出器８、Ｘ軸エンコーダ１２、Ｙ軸エンコーダ１３からの出力値、計４個のデータが、出力の形態に応じて選定、設置された図示しない入力ボードを介して取込まれる。
球面アクチュエータＫの静止トルクを取得する場合は、システムコントローラ２１に接続されたＣＲＴ２７の表示を参照しながら、測定したい位置に球面アクチュエータＫの出力軸を動作させ、その位置で、Ｘ軸ブレーキコントローラ２４およびＹ軸ブレーキコントローラ２５への入力によって、球面アクチュエータＫの最大トルク以上のブレーキ力を設定する。なお、Ｘ軸ブレーキ１０およびＹ軸ブレーキ１１は、ブレーキ容量が、測定対象となる球面アクチュエータＫの最大トルク以上のものを選定する。
次に、測定プログラムを動作させ、データファイルを得る。ＣＰＵにインストールされた測定プログラムは、測定を開始すると、時間、Ｘ軸トルク検出器７およびＹ軸トルク検出器８、Ｘ軸エンコーダ１２、Ｙ軸エンコーダ１３からの出力値、計５個のデータファイルが作成されるように、プログラムされている。
【０００９】
球面アクチュエータＫの動作トルクを取得する場合は、システムコントローラ２１に接続されたＣＲＴ２７の表示を参照しながら、測定を開始したい位置に球面アクチュエータＫの出力軸を動作させ、その位置で、Ｘ軸ブレーキコントローラ２４およびＹ軸ブレーキコントローラ２５への入力によって、球面アクチュエータＫの最大トルク未満で所望のブレーキ力を設定する。この状態から、球面アクチュエータＫを動作させると同時に、測定プログラムを作動させ、データファイルを得る。動作時の測定を行うことによって、球面アクチュエータＫのトルク変動データを評価することもできる。
なお、球面アクチュエータＫの出力軸に取付けられた出力軸延長部材１４の回転体１５は摺動抵抗の小さい軸受けやブッシング等を用いるので、メカロスを小さくでき、球面アクチュエータＫ動作時の出力トルクを高精度に測定できる。
球面アクチュエータＫの出力軸に取付けられた出力軸延長部材１４の回転体１５の外周曲面部とＸ軸円弧状アーム４およびＹ軸円弧状アーム５に加工されたＵ字溝の平面部が当接することによってトルクを伝達するので、球面アクチュエータＫの動作方向が、どちらかのトルク検出器の回転軸と一致する場合は、一致する側のトルク検出器では、トルクの伝達が行なわれない場合がある。
従って、球面アクチュエータＫをアクチュエータ搭載ステージ２へ一度の設置のみで、球面アクチュエータＫのすべての動作方向について測定することができない。そこで、球面アクチュエータＫを鉛直軸回りに回転させることを可能にする回転ステージ１９によって、球面アクチュエータＫを鉛直軸回りに回転して測定を行うことによって、球面アクチュエータＫのすべての動作方向への測定を可能にする。
回転ステージ１９は、Ｘ送りステージ、Ｙ送りステージ、Ｚ送りステージの上に配置するので、球面アクチュエータＫを回転させて行う測定の際に、再度、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の位置調整を行う必要はないので、効率良くトルク測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施例を示すトルク測定器の上面図である。
【図２】図１の本発明のトルク測定器の側面図である。
【図３】本発明のトルク測定器のアクチュエータ搭載ステージを説明するための斜視図である。
【図４】本発明のトルク測定器に取り付けられた被測定物である球面アクチュエータの出力軸の出力軸延長部材と２個の直交された円弧状アームの回転中心との貫通状態を説明するための斜視図である。
【図５】本発明のトルク測定器を含むトルク測定装置のシステム構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００１１】
１  ベース
２  アクチュエータ搭載ステージ
３  アームフレーム
４  Ｘ軸円弧状アーム
５  Ｙ軸円弧状アーム
６  カウンタウエイト
７  Ｘ軸トルク検出器
８  Ｙ軸トルク検出器
９  カップリング
１０  Ｘ軸ブレーキ
１１  Ｙ軸ブレーキ
１２  Ｘ軸エンコーダ
１３  Ｙ軸エンコーダ
１４  出力軸延長部材
１５  回転体
１６  Ｘ送りステージ
１７  Ｙ送りステージ
１８  Ｚ送りステージ
１９  回転ステージ
２０  球面アクチュエータの出力トルク測定器
２１  システムコントローラ
２２  Ｘ軸トルク検出器アンプ
２３  Ｙ軸トルク検出器アンプ
２４  Ｘ軸ブレーキコントローラ
２５  Ｙ軸ブレーキコントローラ
２６  ＣＰＵ
２７  ＣＲＴ
１００  球面アクチュエータの出力トルク測定装置
Ｋ  球面アクチュエータ
Ｋ１  球面アクチュエータの出力軸
【図１】
0004997553.tif 000002
【図２】
0004997553.tif 000003
【図３】
0004997553.tif 000004
【図４】
0004997553.tif 000005
【図５】
0004997553.tif 000006