JPH1019554A

JPH1019554A - 撓み噛み合い式歯車装置の回転角検出装置

Info

Publication number: JPH1019554A
Application number: JP16924396A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Ito; 善規伊藤; Masashi Horiuchi; 雅士堀内
Original assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Current assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Priority date: 1996-06-28
Filing date: 1996-06-28
Publication date: 1998-01-23

Abstract

(57)【要約】【課題】撓み噛み合い式歯車装置のトルク検出出力を
利用して回転角検出を行なうようにすること。【解決手段】撓み噛み合い式歯車装置１の回転角検出
装置５は、カップ状可撓性外歯歯車３のダイヤフラム３
３の部分には、中心軸線１ａの回りに、４５度の角度間
隔で配置された第１のトルク検出器６および第２のトル
ク検出器７を有している。第１、第２のトルク検出器
６、７のトルク検出出力は位相が９０°ずれた正弦波で
ある。従って、これらの出力６Ｓ、７Ｓに基づき、装置
の出力側部材の回転角を検出することができる。

Description

【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
装置のトルク検出出力に基づき回転角を検出可能な回転
角検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】典型的な撓み噛み合い式歯車装置は、剛
性内歯歯車の内側にカップ状の可撓性外歯歯車が配置さ
れ、この可撓性外歯歯車の内側には、楕円形の輪郭をし
た波動発生器が嵌め込まれている。可撓性外歯歯車は波
動発生器によって楕円形状に撓められ、その楕円形状の
長軸方向の両端の２か所で剛性内歯歯車に噛み合ってい
る。入力軸に連結された波動発生器が回転すると、可撓
性外歯歯車と剛性内歯歯車の噛み合い位置も周方向に移
動して、双方の歯車の歯数差に応じた相対回転が発生す
ることになる。

【０００３】この形式の撓み噛み合い式歯車装置は、産
業用ロボット、精密加工装置等の各種の分野における駆
動機構に組み込まれて使用されている。駆動機構におい
ては負荷側の位置決め精度等を高めるために、減速回転
出力軸の回転角を検出し、回転角の伝達誤差等を検出し
ている。回転角検出装置としては、レゾルバ等が利用さ
れている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ここで、本願人は、先
に、トルク検出素子である歪ゲージを、カップ状の可撓
性外歯歯車の胴部外周面に接着固定し、当該可撓性外歯
歯車の歪に基づき、撓み噛み合い式歯車装置を介して伝
達されるトルクを検出するように構成したトルク検出機
構を提案している。

【０００５】このトルク検出機構は、可撓性外歯歯車の
周期的な変位に基づき発生する回転リップルを除去する
ために、トルク検出素子である歪みゲージを、可撓性外
歯歯車のダイヤフラムに対して中心軸線の回りに、４５
°の角度間隔に配置した構成を採用している。

【０００６】可撓性外歯歯車の各部分は、波動発生器に
よって半径方向に繰り返し変位させられる。従って、伝
達トルクが実際には零の場合においても、波動発生器に
連結されている入力軸が回転すると、可撓性外歯歯車の
各部分が半径方向に撓まされる。すなわち、楕円形に撓
まされている可撓性外歯歯車の各部分は、入力軸に連結
された楕円形の波動発生器が回転すると、１回転当たり
２周期の割合で半径方向に繰り返し変位する。この結
果、歪ゲージからはその撓みに対応する出力が検出され
てしまう。

【０００７】このような可撓性外歯歯車の変位に起因す
る成分は、９０°の位相を持った正弦波成分である。従
って、精度の良いトルク検出を行なうためには、かかる
周期的な変位に起因した出力誤差（回転リップル）を検
出出力から排除して、伝達トルクのみに起因する歪み量
を検出する必要がある。そこで、可撓性外歯歯車に対し
て９０°の角度間隔で配置した一対の歪みゲージ等のト
ルク検出素子を備えた第１のトルク検出器と、当該第１
のトルク検出器の各トルク検出素子に対して４５°回転
した位置に配置した一対のトルク検出素子を備えた第２
のトルク検出器との出力を合成することによって、この
ような回転リップルを除去して、精度の高いトルク検出
を実現している。

【０００８】ここで、上記のように、可撓性外歯歯車は
１回転当たり２周期の割合で半径方向に繰り返し撓まさ
れる。従って、可撓性外歯歯車に貼り付けた歪みゲージ
等のトルク検出素子の出力には、１回転２周期の正弦波
成分が含まれる。

【０００９】本発明の課題は、この点に着目して、トル
ク検出に当たっては除去しなければならない正弦波成分
を有効に利用して、出力側の回転角を検出する回転角検
出装置を実現することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明においては、可撓性外歯歯車装置の胴部あ
るいはダイヤフラムに対して、中心軸線の回りに相互に
４５°の角度間隔で歪みゲージ等のトルク検出素子を配
置し、これらのトルク検出素子の出力に基づき、出力側
の回転角を検出するようにしている。すなわち、４５°
の角度間隔に配置した一対のトルク検出素子の出力は、
１回転２周期の正弦波となり、一方の出力に対して他方
の出力の位相が９０°ずれる。従って、これらの検出出
力は、１回転２周期の回転位置信号であるので、これら
の信号に基づけば、一般的に利用されているレゾルバと
同様に、回転角を検出できる。また、例えば、９０度の
回転角度の範囲内ではアブソリュートセンサとして機能
させることもでき、簡単な機構を追加することにより、
１８０度の回転角度の範囲内でアブソリュートセンサと
して機能させることも可能である。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して本発明の
実施の形態を説明する。

【００１２】図１には、本発明を適用可能な撓み噛み合
い式歯車装置の例を示してある。図の装置はカップ状撓
み噛み合い式歯車装置１であり、環状の剛性内歯歯車２
と、この内側に配置されたカップ状の可撓性外歯歯車３
と、この内側にはめ込まれた波動発生器４とを備えてい
る。波動発生器４は楕円形の輪郭をしており、可撓性外
歯歯車３の内側にはめ込まれて当該可撓性外歯歯車３を
楕円形に撓めた状態にしている。この結果、可撓性外歯
歯車３の外歯３１における楕円形の長軸の両端に位置し
ている部分が、剛性内歯歯車２の内歯２１に噛み合って
いる。波動発生器４は入力軸（図示せず）に連結されて
おり、波動発生器４が高速回転すると、外歯３１の内歯
２１に対する噛み合い位置が円周方向に高速で移動す
る。外歯と内歯の歯数差は一般に２ｎ（ｎは正の整数）
に設定されているので、外歯歯車３と内歯歯車２の間に
は相対回転が発生する。この相対回転を、一方の歯車の
側から減速回転出力として取り出している。

【００１３】可撓性外歯歯車３は、円筒状の胴部３２
と、この一端側を封鎖している円板状のダイヤフラム３
３と、このダイヤフラムの中心に形成した厚肉のボス３
４と、胴部３２の開口端の側の外周面３５において円周
方向に向けて形成した上記の外歯３１を備えている。

【００１４】図２（Ａ）には、上記構成の撓み噛み合い
式歯車装置１に組み付けた回転角検出装置の概略構成を
示してある。この図に示すように、回転角検出装置５
は、第１のトルク検出器６と第２のトルク検出器７を有
している。第１のトルク検出器６は、可撓性外歯歯車３
のダイヤフラム３３に配置した一対のトルク検出素子６
１、６２を備えている。同様に、第２のトルク検出器７
も、中心軸線１ａを中心として、それぞれトルク検出素
子６１、６２に対して４５°回転した位置に配置された
一対のトルク検出素子７１、７２を備えている。

【００１５】トルク検出素子６１、６２、７１、７２と
しては歪みゲージを用いることができる。この場合に
は、同一位置に貼り付けられるトルク検出素子６１と、
６２、あるいは７１と７２を、装置中心軸線１ａの方向
に対して左右に４５°傾斜した向きとなるように可撓性
外歯歯車３の胴部３２あるいはダイヤフラム３３の表面
に接着すればよい。そして、これらの歪みゲージにより
ブリッジ回路を構成して、トルク検出出力を得るように
すればよい。

【００１６】図２（Ｂ）には、このように配置した２組
のトルク検出器６、７の検出出力６Ｓ、７Ｓを示してあ
る。この図に示すように、第１のトルク検出器６の出力
６Ｓは波動発生器１回転当たり２周期の正弦波である。
これに対して、第２のトルク検出器７の出力７Ｓは、位
相が９０°ずれた余弦波となる。従って、これら２相の
出力を比較することにより、撓み噛み合い式歯車装置１
の出力側部材（可撓性外歯歯車３あるいは剛性内歯歯車
２）の回転角を検出できる。

【００１７】このような接触型のトルク検出素子の代わ
りに、非接触型のトルク検出素子である磁歪検出素子、
光学式検出素子、超音波検出素子等を利用してもよい。

【００１８】（その他の実施の形態）なお、以上の説明
は、可撓性外歯歯車がカップ状のものを採用した場合に
ついての例である。しかし、本発明は、シルクハット状
の可撓性外歯歯車に対しても同様に適用できる。更に
は、円筒状の可撓性外歯歯車に対しても同様に適用でき
る。

【００１９】また、トルク検出器の配置位置としては、
可撓性外歯歯車のダイヤフラムおよび胴部の何れであっ
てもよい。

【００２０】さらに、前述したように、本発明の回転角
検出装置に適用可能なトルク検出手段としては、歪ゲー
ジ式トルク検出器、磁歪式トルク検出器、光学式トルク
検出器、超音波式トルク検出器を挙げることができる。
これらのうちの１つを用いてもよいし、２つ以上の異な
る形式のものを組み合わせて使用してもよい。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の撓み噛み
合い式歯車装置の回転角検出装置は、可撓性外歯歯車の
前記外歯が形成されている以外の外面および内面のうち
の少なくとも一方の面に配置された第１のトルク検出素
子を備えた第１のトルク検出手段と、同じく当該可撓性
外歯歯車の前記外歯が形成されている以外の外面および
内面のうちの少なくとも一方の面における、当該可撓性
外歯歯車の中心軸線の回りに前記第１のトルク検出素子
に対して４５°回転した角度位置に配置されたトルク検
出素子を備えた第２のトルク検出手段とを有し、これら
第１および第２のトルク検出手段の検出出力に基づき、
前記可撓性外歯歯車あるいは前記剛性内歯歯車の回転角
を検出するようにしている。

【００２２】従って、トルク検出機構をそのまま利用し
て回転角検出を行なうことができる。このため、回転角
検出機構を別途配置する必要がない。よって、装置をそ
の分小型コンパクトに構成でき、また廉価に製造でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用可能なカップ状撓み噛み合い式歯
車装置を示す斜視図である。

【図２】（Ａ）は、図１の撓み噛み合い式歯車装置に取
り付けた回転角検出装置の概略構成を示す説明図、
（Ｂ）はその出力信号を示す信号波形図である。

【符号の説明】

１撓み噛み合い式歯車装置１ａ中心軸線２内歯歯車２１内歯３外歯歯車３１外歯３２胴部３３ダイヤフラム６第１のトルク検出器６１、６２トルク検出素子７第２のトルク検出器７１、７２トルク検出素子

Claims

【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
されて前記剛性内歯歯車の内歯に噛み合い可能な外歯が
外周面に形成されている環状の可撓性外歯歯車と、この
可撓性外歯歯車の内側にはめ込まれて当該可撓性外歯歯
車を半径方向に撓めて前記外歯を前記内歯に対して直径
方向の２か所で噛み合わせた状態に保持すると共に当該
噛み合わせ位置を円周方向に移動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の前記外歯が形成されている以外の
外面および内面のうちの少なくとも一方の面に配置され
た第１のトルク検出素子を備えた第１のトルク検出手段
と、同じく当該可撓性外歯歯車の前記外歯が形成されて
いる以外の外面および内面のうちの少なくとも一方の面
における、当該可撓性外歯歯車の中心軸線の回りに前記
第１のトルク検出素子に対して４５°回転した角度位置
に配置された第２のトルク検出素子を備えた第２のトル
ク検出手段とを有し、これら第１および第２のトルク検
出手段の検出出力に基づき、前記可撓性外歯歯車あるい
は前記剛性内歯歯車の回転角を検出することを特徴とす
る撓み噛み合い式歯車装置の回転角検出装置。
【請求項２】請求項１において、前記トルク検出手段
は、歪ゲージ式トルク検出器、磁歪式トルク検出器、光
学式トルク検出器、超音波式トルク検出器のうちの少な
くとも何れか一つであることを特徴とする撓み噛み合い
式歯車装置の回転角検出装置。
【請求項３】請求項２において、前記可撓性外歯歯車
は、円筒状の胴部と、この胴部の一端から半径方向の外
方あるいは内方に広がっている環状のダイヤフラムと、
このダイヤフラムの外周縁あるいは内周端に連続してい
る厚肉の環状のボスと、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構造の可撓性外歯歯車であ
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
出機構。
【請求項４】請求項３において、前記トルク検出手段
は、前記胴部および前記ダイヤフラム部のうちの少なく
とも一方の側に配置されていることを特徴とする撓み噛
み合い式歯車装置の回転角検出装置。