(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状の剛性内歯歯車と、この内側に配置されていると共に前記剛性内歯歯車の内歯に噛み合い可能な外歯を備えた環状の可撓性外歯歯車と、この可撓性外歯歯車を半径方向に撓めて前記外歯を部分的に前記内歯に噛み合わせると共にこれらの噛み合わせ位置を円周方向に移動させることにより、前記外歯と内歯の歯数差に応じた相対回転を前記剛性内歯歯車と前記可撓性外歯歯車の間に発生させる波動発生器とを有する撓み噛み合い式歯車装置において、
前記可撓性外歯歯車は、筒状の胴部と、この胴部の一端側に一体形成された環状のダイヤフラムと、このダイヤフラムの中心に一体形成されたボスと、前記胴部の開口端の側の外周面に形成された前記外歯とを備えたカップ状の可撓性外歯歯車であり、当該可撓性外歯歯車における回転トルクに対する磁気インピーダンスの変化が逆の特性を示す第１および第２の部分に、それぞれ配置された第１および第２の磁気インピーダンス素子を有し、
前記第１の磁気インピーダンス素子は、前記胴部における前記ダイヤフラムの側の端部分に配置されており、
前記第２の磁気インピーダンス素子は、前記ボスにおける前記ダイヤフラムとの境界部分に配置されており、
これら第１および第２の磁気インピーダンス素子の検出出力に基づき回転トルクを検出するようになっていることを特徴とする撓み噛み合い式歯車装置のトルク検出装置。
【請求項２】
環状の剛性内歯歯車と、この内側に配置されていると共に前記剛性内歯歯車の内歯に噛み合い可能な外歯を備えた環状の可撓性外歯歯車と、この可撓性外歯歯車を半径方向に撓めて前記外歯を部分的に前記内歯に噛み合わせると共にこれらの噛み合わせ位置を円周方向に移動させることにより、前記外歯と内歯の歯数差に応じた相対回転を前記剛性内歯歯車と前記可撓性外歯歯車の間に発生させる波動発生器とを有する撓み噛み合い式歯車装置において、
前記可撓性外歯歯車装置は、筒状の胴部と、この胴部の一端側に連続して半径方向の外方に広がった環状のダイヤフラムと、このダイヤフラムの外周縁に連続して形成された環状のボスと、前記胴部の他端側の外周面に形成された前記外歯とを備えたシルクハット型の可撓性外歯歯車であり、当該可撓性外歯歯車における回転トルクに対する磁気インピーダンスの変化が逆の特性を示す第１および第２の部分に、それぞれ配置された第１および第２の磁気インピーダンス素子を有し、
前記第１の磁気インピーダンス素子は、前記胴部における前記ダイヤフラムの側の端部分に配置されており、
前記第２の磁気インピーダンス素子は、前記ボスにおける前記ダイヤフラムとの境界部分に配置されており、
これら第１および第２の磁気インピーダンス素子の検出出力に基づき回転トルクを検出するようになっていることを特徴とする撓み噛み合い式歯車装置のトルク検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は撓み噛み合い式歯車装置に関し、さらに詳しくは、精度良くトルク検出を行なうことの可能な撓み噛み合い式歯車装置のトルク検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ロボット等の制御対象を駆動するための駆動機構にはサーボシステムが利用されており、この場合には、制御対象に印加するトルクを制御することが望ましい。このために、一般的には駆動力伝達機構を構成している減速機と制御対象の間にトルク検出器が組み込まれ、伝達トルクの検出が行なわれる。トルク検出を適切に行なうためには、減速機にトルク検出機構を内蔵することが望ましい。このようなトルク検出機構としては、歪みゲージを使用する方法、減速機を構成している回転部品の表面に磁性材料をコーティングしてインピーダンスを測定する方法等が知られている。
【０００３】
ここで、サーボシステムに組み込まれている減速機としては撓み噛み合い式歯車装置が知られている。この撓み噛み合い式歯車装置は、部品点数が少なく、高減速比を得ることができるので、高精度の駆動制御が要求されるシステムに広く利用されている。この撓み噛み合い式歯車装置のトルク検出機構としては、歪みゲージをその構成部品である可撓性外歯歯車に貼り付けてた構成のものが知られている。また、可撓性外歯歯車の外周面に磁性材料をコーティングすると共に、当該コーティング部分に対峙する位置に磁気ヘッドを配置した構成のものも知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
撓み噛み合い式歯車装置の構成部品である可撓性外歯歯車は、回転トルクを与えると内部応力により磁気インピーダンスが変化することが知られている。
【０００５】
本発明の課題は、可撓性外歯歯車に発生する磁気インピーダンスの変化に着目して、精度良くトルク検出を行なうことができる従来とは異なる機構の撓み噛み合い式歯車装置のトルク検出装置を提案することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、可撓性外歯歯車の磁気インピーダンスの変化について考察した結果、当該可撓性外歯歯車に固有の特徴として、その磁気インピーダンスの変化率が正負逆になる部分が存在することを見いだした。本発明は、かかる新たな知見に基づき実現されたものである。
【０００７】
すなわち、本発明は、環状の剛性内歯歯車と、この内側に配置されていると共に前記剛性内歯歯車の内歯に噛み合い可能な外歯を備えた環状の可撓性外歯歯車と、この可撓性外歯歯車を半径方向に撓めて前記外歯を部分的に前記内歯に噛み合わせると共にこれらの噛み合わせ位置を円周方向に移動させることにより、前記外歯と内歯の歯数差に応じた相対回転を前記剛性内歯歯車と前記可撓性外歯歯車の間に発生させる波動発生器とを有する撓み噛み合い式歯車装置において、前記可撓性外歯歯車における伝達トルクに対する磁気インピーダンスの変化が逆の特性を示す第１および第２の部分に、それぞれ配置された第１および第２の磁気インピーダンス素子を有し、これら第１および第２の磁気インピーダンス素子の検出出力に基づき伝達トルクを検出するようにしている。
【０００８】
ここで、可撓性外歯歯車としては、環状のもの以外に、カップ状のものとシルクハット型のものが一般的に知られている。カップ状のものは、筒状の胴部と、この胴部の一端側に一体形成された環状のダイヤフラムと、このダイヤフラムの中心に一体形成されたボスと、前記胴部の開口端の側の外周面に形成された前記外歯とを備えている。この場合には、前記第１の磁気インピーダンス素子を、前記胴部における前記ダイヤフラムの側の端部分に配置し、前記第２の磁気インピーダンス素子は、前記ボスにおける前記ダイヤフラムとの境界部分に配置すればよい。これらの位置においては、トルクの増減に応じて磁気インピーダンスが直線状に変化すると共に、その勾配が逆となって現れる。したがって、たとえば、これら第１および第２の磁気インピーダンス素子の出力のうちの一方の側から他方の側を減算処理することにより、零点を通る直線性のあるトルク検出出力を得ることができるので好ましい。
【０００９】
一方、シルクハット型の可撓性外歯歯車は、筒状の胴部と、この胴部の一端側に連続して半径方向の外方に広がった環状のダイヤフラムと、このダイヤフラムの外周縁に連続して形成された環状のボスと、前記胴部の他端側の外周面に形成された前記外歯とを備えている。この場合にも、前記第１の磁気インピーダンス素子を、前記胴部における前記ダイヤフラムの側の端部分に配置し、前記第２の磁気インピーダンス素子を、前記ボスにおける前記ダイヤフラムとの境界部分に配置すればよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
【００１１】
図１には、本発明を適用したカップ状の撓み噛み合い式歯車装置を示してある。撓み噛み合い式歯車装置１は、環状の剛性内歯歯車２と、この内側に配置されているカップ状の可撓性外歯歯車３と、この内側に嵌め込まれている楕円形状の輪郭をした波動発生器４を有しており、波動発生器４の中心には回転入力軸（図示せず）が取付けられている。
【００１２】
可撓性外歯歯車３（図５参照のこと）は、円筒状の胴部３１と、この一方の端に一体形成された環状のダイヤフラム３２と、このダイヤフラム３２の中心に一体形成したボス３３と、胴部３１の開口端の外周面に形成した外歯３４とを備えている。このボス３３には、同軸状態に減速回転出力軸５が連結されている。
【００１３】
例えば、環状の剛性内歯歯車２を固定しておくと、波動発生器４に入力された高速回転は、剛性内歯歯車２の側の内歯（図示せず）と可撓性外歯歯車３の側の外歯３４の歯数差に応じて大幅に減速され、減速回転が可撓性外歯歯車３に連結されている出力軸５から得られる。撓み噛み合い式歯車装置の減速動作原理は公知であるのでここではその説明は省略する。
【００１４】
この構成のカップ状の撓み噛み合い式歯車装置１においては、回転トルクＴが次にようにして検出される。まず、図１に示すように、可撓性外歯歯車３における胴部３１の外周に、第１の磁気インピーダンス素子Ｌ１（２条の銅線コイルＬ１１、Ｌ１２）を配置する。これらのコイルＬ１１、Ｌ１２の配置位置は、胴部３１におけるダイヤフラム３２の側に連続した端部分３１ａ（第１の位置）としておく。また、ダイヤフラム３２とボス３３の境界部分４（第２の位置）には、２条の銅線コイルＬ２１、Ｌ２２を第２の磁気インピーダンス素子Ｌ２として配置する。
【００１５】
図２には、各磁気インピーダンス素子Ｌ１、Ｌ２のそれぞれに接続されたトルク検出回路の例を示してある。各コイルＬ１１、Ｌ１２（Ｌ２１、Ｌ２２）によって検出されたトルク変動に対する磁気インピーダンスの変化は、電圧値Ｖｏｕｔとして当該検出回路１０から出力される。
【００１６】
図１および図２に示す構成のトルク検出装置を用いて測定した結果の例を図３および図４に示してある。図３に示すグラフは、第１の磁気インピーダンス素子Ｌ１の出力結果である。駆動電流としては周波数２９．６ＭＨｚのものを使用し、電圧値を３．６０Ｖとした。このグラフから分かるように、出力電圧変化、すなわち磁気インピーダンスの変化は、トルクＴに対して正の勾配でほぼ直線的に変化する。
【００１７】
これに対して、図４に示すグラフは、第２の磁気インピーダンス素子Ｌ２の出力結果である。駆動電流としては周波数３３．５ＭＨｚのものを使用し、電圧値を４．００Ｖに設定した。このグラフから分かるように、出力電圧変化は、トルクＴに対して負の勾配でほぼ直線的に変化する。
【００１８】
このように、第１および第２の磁気インピーダンス素子Ｌ１、Ｌ２が配置されている可撓性外歯歯車３の部分においては、トルク変動に対して、磁気インピーダンスが逆の勾配で直線的に変化する。したがって、これらの２つの場所で得られる出力の一方から他方の側を減算処理することにより、回転トルクＴが零の場合に原点位置を通るようなトルク検出特性を得ることができる。このため、このトルク検出特性に基づき、精度良く撓み噛み合い式歯車装置の回転トルクＴを測定することができる。
【００１９】
以上要約すると、図５（Ａ）に示すようなカップ状の可撓性外歯歯車３において、その胴部の端部３１ａ（第１の位置）において検出されるトルクに対する磁気インピーダンスの変化特性は、図５（Ｂ）に示す正の勾配を有する近似直線Ａ１として表すことができる。同様に、ダイヤフラム３２とボス３３の境界部分４（第２の位置）において検出されるトルクに対する磁気インピーダンスの変化特性は、図５（Ｂ）に示す負の勾配を有する近似直線Ａ２として表すことができる。したがって、例えば、Ａ１からＡ２を減算して零点を通る特性線Ａ３を求めることにより、磁気インピーダンスのバイアスオフセット分を除去できるとともに、Ａ１及びＡ２の変化特性が重畳された大きな変化特性を得ることができるので、当該特性線Ａ３から撓み噛み合い式歯車装置の回転トルクを精度良く測定することができる。
【００２０】
ここで、上記の検出位置３１ａおよび検出位置４において逆特性の検出結果が得られる理由は以下ように考えられる。すなわち、一般に、カップ状の可撓性外歯歯車の製造工程において導入された残留応力は、当該外歯歯車において円周方向に向かうものであり、また、検出位置３１ａと検出位置４においては円周方向の残留応力の分布が逆になっているものと考えられるからである。
【００２１】
したがって、検出位置において、負方向のトルクが残留応力に加算されると、全応力が高くなり、この結果、検出位置の面の透磁率μが減少していき、逆に、正方向のトルクが残留応力に対して反対方向に加算されると、残留応力が相殺されるので全応力が減少して、透磁率μが増加することになると判断される。
【００２２】
検出位置３１ａは全体として凸面部分であり、残留応力として張力が発生している。これに対して、検出位置４は逆に凹部であるので残留応力として圧縮力が発生している。このために、これらの位置では、装置軸線方向では逆向きの残留応力発生状態となっている。このために、円周方向においても、それぞれ逆方向に向かう残留応力が発生した状態となっているものと判断される。
【００２３】
（検出位置について）
ここで、検出位置は上記の位置３１ａと位置４に限定されるものではないと判断される。上記の例におけるような逆特性の直線性の高い磁気インピーダンスの変化が得られる一対の位置を選択することにより、トルク測定を同様に行なうことができる。
【００２４】
（磁気インピーダンス検出回路について）
磁気インピーダンス検出回路としては、可撓性外歯歯車の測定位置の外周に交流ブリッジ回路を構成するようにサーチコイルを配置して磁気インピーダンスを測定してもよい。あるいは、ＭＩ（マグネチックインピーダンス）素子を用いて検出回路を構成してもよい。
【００２５】
（可撓性外歯歯車の形状について）
上記の例ではカップ状の可撓性外歯歯車について説明した。この代わりに、例えば、図６に示すようなシルクハット型の可撓性外歯歯車に対して本発明を適用できることは勿論である。シルクハット型の可撓性外歯歯車２０は、筒状の胴部２１と、この胴部２１の一端側に連続して半径方向の外方に広がった環状のダイヤフラム２２と、このダイヤフラム２２の外周縁に連続して形成された環状のボス２３と、胴部の他端側の外周面に形成された外歯２４とを備えている。
【００２６】
勿論、これ以外の形状の可撓性外歯歯車を備えた撓み噛み合い式歯車装置に対しても本発明を適用することができる。
【００２７】
（その他の実施の形態）
なお、以上の説明は、本発明を撓み噛み合い式歯車装置に適用した例である。
【００２８】
しかし、本発明は、この形式の歯車装置以外の回転力伝達機構を構成している回転部材に対しても同様に適用することができる。すなわち、可撓性外歯歯車と同様に、２か所の位置において互いに逆特性の磁気インピーダンスの変化が、トルク変動に応じて得られる部材であるならば、本発明を同様に適用することができる。
【００２９】
また、上記の例は、歯車装置に対して本発明を適用している。この代わりに、例えば、上記の撓み噛み合い式歯車装置と同様の減速動作原理によって減速動作を行なう摩擦伝動式の減速装置に対して本発明を同様に適用できる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、撓み噛み合い式歯車装置における可撓性外歯歯車において、トルク変動に対する磁気インピーダンスの変化が相互に逆特性となって現れる２つの位置が存在することを見いだし、この新たな知見に基づき、当該特性を利用してトルク検出を行なうようにしている。したがって、従来とは異なった構成により、精度の良いトルク検出装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したカップ状の撓み噛み合い式歯車装置における磁気インピーダンス検出位置を示すための説明図である。
【図２】本発明を実施するために使用することのできる磁気インピーダンス検出回路の例を示す回路図である。
【図３】可撓性外歯歯車の胴部の端部分において測定される、トルク変動に対する磁気インピーダンスの変動に伴う検出出力電圧の変化をプロットしたグラフである。
【図４】可撓性外歯歯車のダイヤフラムとボスの境界部分において測定される、トルク変動に対する磁気インピーダンスの変動に伴う検出出力電圧の変化をプロットしたグラフである。
【図５】（Ａ）はカップ状の可撓性外歯歯車を示す説明図、（Ｂ）は（Ａ）の位置３１ａおよび位置４において得られる検出値を示すグラフ、（Ｃ）は双方の検出値を減算処理して得られる特性線のグラフである。
【図６】シルクハット型の可撓性外歯歯車を示す説明図である。
【符号の説明】
１    撓み噛み合い式歯車装置
２    剛性内歯歯車
３    可撓性外歯歯車
３１  胴部
３１ａ  検出位置
３２  ダイヤフラム
３３  ボス
３４  外歯
４    検出位置
Ｌ１  第１の磁気インピーダンス素子
Ｌ１１、Ｌ１２  銅線コイル
Ｌ２  第２の磁気インピーダンス素子
Ｌ２１、Ｌ２２  銅線コイル
【図１】
0003739016.tif 000002
【図２】
0003739016.tif 000003
【図３】
0003739016.tif 000004
【図４】
0003739016.tif 000005
【図５】
0003739016.tif 000006
【図６】
0003739016.tif 000007