JP2004045378A

JP2004045378A - 波動歯車装置のトルク検出方法

Info

Publication number: JP2004045378A
Application number: JP2003116432A
Authority: JP
Inventors: Ivan Godlel; ゴドレール　イヴァン; Masashi Horiuchi; 堀内　雅士; Minoru Hashimoto; 橋本　稔
Original assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Current assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Priority date: 2002-05-13
Filing date: 2003-04-22
Publication date: 2004-02-12

Abstract

【課題】可撓性外歯歯車に貼り付けた歪みゲージの出力に基づき、精度良く伝達トルクを検出可能な波動歯車装置のトルク検出方法を提案すること。
【解決手段】波動歯車装置のトルク検出方法では、可撓性外歯歯車のダイヤフラムに貼り付けた複数組の歪みゲージからの出力を増幅器でゲイン調整した後に合成して、検出信号を生成している。各歪みゲージ出力のゲイン調整を行うことにより出力に含まれている回転リップルを補償できる。回転リップルに含まれるｎ次数までの成分を補償する場合には、（２ｎ＋１）枚以上の歪みゲージを貼り付けることにより、回転リップルを確実に補償できる。
【選択図】　　　図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は波動歯車装置の出力軸トルクを検出するためのトルク検出方法に関するものである。更に詳しくは、本発明は、波動歯車装置の可撓性外歯歯車の弾性変形を利用して、当該可撓性外歯歯車に貼り付けた歪みゲージを用いて出力軸トルクを精度良く検出可能な波動歯車装置のトルク検出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
波動歯車装置は、公知のように、剛性の内歯歯車と、この内側に配置された可撓性の外歯歯車と、この外歯歯車を半径方向に撓めて内歯歯車に部分的に噛みあわせると共に噛み合い位置を円周方向に移動させる波動発生器から構成されている。一般には楕円形輪郭の波動発生器によって可撓性外歯歯車は楕円形に撓められる。波動発生器をモータなどによって回転させると、内歯歯車と外歯歯車の歯数差に基づき、これら両歯車の間に相対回転が発生するので、一方の歯車を固定しておくことにより、他方の歯車から減速回転出力を得ることができる。
【０００３】
この波動歯車装置の出力軸トルクを検出するために、可撓性外歯歯車の弾性変形を利用する方法が知られている。図１に示すように、一般に使用されているコップ状可撓性外歯歯車１は、可撓性のある円筒状胴部２と、この一端に連続している円盤状のダイヤフラム３と、ダイヤフラム３の中心部分に連続して形成されているボス４と、円筒状胴部２の開口端の外周部分に形成した外歯５から構成されている。この場合、円筒状胴部２あるいはダイヤフラム３に歪みゲージを貼り付け、ここからの出力に基づき、出力軸トルクを検出可能である。
【０００４】
しかしながら、可撓性外歯歯車１は波動発生器によって楕円形に撓められ、波動発生器の回転に伴って当該可撓性外歯歯車１の各部分は繰り返し半径方向に強制変形させられる。よって、可撓性外歯歯車１には伝達トルクとは無関係の歪みが発生する。可撓性外歯歯車１の各部分は、波動発生器の１回転毎に半径方向に向けて一定の変動幅で２往復する。従って、伝達トルクとは関係のない歪みは、波動発生器１回転につき２周期を基本周期とする正弦波状の歪みになる（一周期１８０°）。
【０００５】
従来においては、図１に示すように、コップ状可撓性外歯歯車１の表面、例えばダイヤフラム３の表面に、歪みゲージ群ｆ１（ｐ）（Ｒ１、Ｒ２）と歪みゲージ群ｆ２（ｐ）（Ｒ３、Ｒ４）を互いに９０°ずらして貼り付け、双方からの出力に基づき基本周期の歪成分をキャンセルしようとしている。しかし、この方法では、検出出力の線形性が不十分であり、また、検出出力には短い周期（基本周期の整数倍）の成分をもつ回転リップル成分が残ってしまう。
【０００６】
基本周期と２次成分（一周期９０°）の歪をキャンセルするために、図２に示すように、歪みゲージ群ｆ１（Ｒ１、Ｒ２）、ｆ２（Ｒ３、Ｒ４）を互いに４５°ずらして貼り付けた組と、歪みゲージ群ｆ３（Ｒ５、Ｒ６）、ｆ４（Ｒ７、Ｒ８）を互いに４５°ずらして貼り付けた組とを、互いに９０°ずらして、合計８枚の歪みゲージＲ１〜Ｒ８を貼り付ける試みもなされている。さらに、検出出力の直線性を向上させるために、歪みゲージ群の組（ｆ１、ｆ２）と（ｆ３、ｆ４）とを３６０°内に対称に配置し、合計１６枚の歪みゲージを貼り付ける試みもなされている。このような方法は例えば下記の特許文献に開示されている。
【０００７】
【特許文献】
特開平９−１８４７７７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このようにしても、回転リップルの補償はまだ不十分である。本発明者等の実験によれば、これらのエラーは、歪みゲージの貼り付け位置誤差と、可撓性外歯歯車寸法の誤差（非対称性など）と、歯車の組立て誤差が主要な要因である。例えば、歪みゲージの貼り付け位置誤差のために、それぞれの歪みゲージの信号の感度と位相が異なり、回転リップルをキャンセルあるいは充分に抑制することができない。
【０００９】
本発明の課題は、波動発生器の回転に伴って伝達トルクとは無関係に可撓性外歯歯車に発生する周期的に変動する歪み成分（回転リップル）を除去あるいは充分に抑制できる波動歯車装置のトルク検出方法を提案することにある。
【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、本発明は、可撓性外歯歯車を楕円状に撓めて剛性内歯歯車に対して部分的に噛み合わせ、これら両歯車の噛み合い位置を円周方向に移動させることにより、これら両歯車の歯数差に起因する相対回転をこれら両歯車の間に発生させる波動歯車装置における伝達トルクを検出するためのトルク検出方法において、
前記可撓性外歯歯車の表面に貼り付けた複数枚の歪みゲージからの出力信号のゲイン調整を行うゲイン調整工程と、
ゲイン調整後の歪みゲージ出力信号を合成する信号合成工程とを含み、
前記ゲイン調整工程では、伝達トルクに関係無く発生する前記可撓性外歯歯車の歪みに起因して歪みゲージ出力信号に含まれる回転リップルを除去あるいは抑制できるように、各歪みゲージ出力信号のゲイン調整を行うことを特徴としている。
【００１１】
また、本発明では、前記可撓性外歯歯車の表面における円周方向の異なる角度位置に貼り付けた少なくとも３枚の歪みゲージから得られる検出信号を合成するようにしている。
【００１２】
更に、本発明では、補償したい前記回転リップル成分の次数をｎとした場合に、歪みゲージの枚数を（２ｎ＋１）枚以上とすることを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明を適用した波動歯車装置のトルク検出方法を説明する。
【００１４】
コップ状可撓性外歯歯車１のダイヤフラム２の表面に図２に示すように所定角度間隔で貼り付けた歪ゲージの組ｆ１〜ｆ４の出力に含まれる回転リップル成分は、次式（１）で表される。なお、式（１）〜（４）は、回転リップルに２次成分と４次成分のみが存在する場合の例である。
【００１５】
【数１】

【００１６】
回転リップル成分の合計ｈ（ｐ）が零になるための条件は次式（２）で表され、これは、次の連立方程式（３）として表すことができる。
【００１７】
【数２】

【００１８】
【数３】

【００１９】
式（３）が成り立つためには、振幅ａ１１〜ａ２４、または位相Ψ１１〜Ψ２４を調整すればよい。歪みゲージを接着したあとに位相を調整することは困難であるが、振幅の調整は増幅器のゲインを調整することで容易に行うことができる。例えば、基本周期のリップルを補償するためには、次式（４）を満足するように増幅器のゲインｋ_１、ｋ_２、ｋ_３を調整すればよい。
【００２０】
【数４】

【００２１】
ゲインｋ_１、ｋ_２、ｋ_３は、合計したリップル信号を波形測定器などで観測しながら、直接、ボリュームなどで調整し、リップル出力が最小になるように、それぞれのゲインパラメータを任意に調整できる。この代わりに、公知の連立方程式解法により求めた式（４）の解を用いてもよい。
【００２２】
次に、回転リップルを完全に補償できるために必要な歪みゲージの最低数について検討する。回転リップルの一般的な表現は次式（５）である。ここで、ｎは補償したい回転リップル成分の数であり、Ｎは歪みゲージの数（貼り付け位置の数、等角度配置）である。
【００２３】
【数５】

【００２４】
この式により規定される回転リップルが零になるためには、次の線形連立方程式（６）が成立する必要がある。
【００２５】
【数６】

【００２６】
本発明では、リップルの補償のためにそれぞれの歪みゲージｊにゲインパラメータｋ_ｊを追加する。すなわち、振幅ａ_ｉｊにゲインパラメータｋ_ｊを掛け合わせる。式（６）は次式（７）のように書き換えられる。
【００２７】
【数７】

【００２８】
この線形連立方程式において、ゲインパラメータのトリビアルでない解が存在するための条件は次式（８）で表すことができる。
【００２９】
【数８】

【００３０】
例えば、基本周期成分だけを補償するときにはｎ＝１、従ってＮは３以上であり、これは３枚以上の歪みゲージが必要なことを意味している。また、２次周期成分までを補償するときにはｎ＝２、従ってＮは５以上となり、５枚以上の歪みゲージが必要になる。
【００３１】
ここで、図３には、基本周期回転リップルの補償原理を示してある。図３（ａ）、（ｂ）に示すように、２組の歪みゲージｆ１、ｆ２を用いた場合には回転リップルの補償が不可能である。しかるに、図３（ｃ）、（ｄ）に示すように、３組の歪みゲージｆ１、ｆ２、ｆ３を用いて、各歪みゲージのゲイン調整を行えば、回転リップルの完全な補償が可能になることが分かる。
【００３２】
式（６）の連立方程式の解は無数に存在するが、Ｎ＝２ｎ＋１の場合にはゲインパラメータの一つを自由に選択することができる。例えば、ゲインパラメータの一つを「１」に選ぶことができ、この場合には１組の歪みゲージにはゲイン調整が必要なくなる。Ｊ番目の歪みゲージのゲインパラメータを「１」、すなわち、ｋ_ｊ＝１とすれば、残りの（Ｎ−１）個のゲインパラメータは次の式（９）から求められる。
【００３３】
【数９】

【００３４】
ゲイン調整後に、出力全体のゲインが調整前と変わらないようにするためには、次式（１０）でスケーリングする。
【００３５】
【数１０】

【００３６】
Ｃはスケーリング係数であり、最終的なゲインパラメータの値はｋ’_Ｊ＝Ｃｋ_ｊとなる。
【００３７】
本発明によれば、リップルの補償は簡単な振幅のバランスで行われるので、アナログ回路でもデジタル回路でも高速に実現できる。
【００３８】
次に、図４は、本発明者等によって判明した新たな事項に基づき構成された波動歯車装置のトルク検出装置の一例を示す概略構成図である。本例のトルク検出装置１０は、コップ状可撓性外歯歯車１のダイヤフラム３の表面に、１２０°の間隔で３組の歪みゲージ群ｆ（ｐ）、ｆ（ｐ＋１２０）、およびｆ（ｐ＋２４０）が貼り付けられている。各歪みゲージ群は直交する状態に貼り付けた一対の歪みゲージから構成されている。各歪みゲージ群からの出力は、それぞれ増幅器１１、１２、１３によってゲイン調整された後に、加算器１４で合成された後に、検出信号として出力される。上式（４）で規定されるようにゲイン調整を適切に行うことにより回転リップルが完全に補償された検出信号を得ることができる。
【００３９】
図５には、トルク検出装置１０の具体的な回路構成図の一例を示してある。検出部分は、３組の歪みゲージ群ｆ（ｐ）、ｆ（ｐ＋１２０）およびｆ（ｐ＋２４０）を構成している３組の直交２軸型歪みゲージ（Ｒ１、Ｒ２）、（Ｒ３、Ｒ４）、（Ｒ５、Ｒ６）と、一対の固定抵抗Ｒ７、Ｒ８からなるブリッジ回路となっている。
【００４０】
図６（ａ）には、各歪みゲージ群ｆ（ｐ）、ｆ（ｐ＋１２０）およびｆ（ｐ＋２４０）における波動歯車装置の回転角度に対する出力変動曲線ｆ１、ｆ２、ｆ３を示してある。図６（ｂ）には、これらの出力を合成した場合の合成出力変動曲線を示してある。図６（ｃ）には本例のトルク検出装置１０によってゲイン調整された後の合成出力変動曲線を示してある。図６（ｂ）および（ｃ）の曲線を比較すると明らかなように、本例のトルク検出装置１０からは回転リップルが補償された検出信号が得られることが分かる。
【００４１】
ここで、本発明の上記基本原理によれば、図１、２に示すように、１８０°の角度範囲内に歪みゲージを配置すればよいが、本例のように３６０°の角度範囲内に配置した場合には、偏心による１回転１周期の低周波数成分も補償できるという利点がある。
【００４２】
次に、図７は、回転リップルに含まれている基本波成分と二次成分を補償するためのトルク検出装置の一例を示してある。本例のトルク検出装置２０は、ｎ＝２であるので５組の歪みゲージ群ｆ（ｐ）、ｆ（ｐ＋７２）、ｆ（ｐ＋１４４）、ｆ（ｐ＋２１６）、およびｆ（ｐ＋２８８）がコップ状可撓性外歯歯車１のダイヤフラム３の表面に等角度間隔で貼り付けられている。各歪みゲージ群は直交する状態に貼り付けた２枚の歪みゲージから構成されている。各歪みゲージ群からの出力はそれぞれの増幅器２１〜２５を介してゲイン調整された後に、加算器２６に供給されて合成される。この結果、回転リップルが補償された検出信号を出力することができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の波動歯車装置のトルク検出方法によれば、各歪みゲージの出力をゲイン調整した後に合成することにより、歪みゲージ出力に含まれている伝達トルクに関係の無い周期的な変動成分である回転リップルを補償できることが確認された。
【００４４】
また、本発明では、回転リップルに含まれている各次数の成分を補償するために最低必要な歪みゲージ枚数を求め、これに基づき、必要次数までの回転リップル成分を確実に補償できる。換言すると、最小枚数の歪みゲージで効率良く回転リップルを補償することが可能になる。歪みゲージの枚数が少なくて済むので、貼り付け作業などを効率化でき、検出機構のコストの低減に有利となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】波動歯車装置の伝達トルクを検出するために歪みゲージを用いた場合における検出信号に含まれる回転リップルを説明するための説明図である。
【図２】波動歯車装置の伝達トルクを検出するために歪みゲージを用いた場合における検出信号に含まれる回転リップルを説明するための説明図である。
【図３】回転リップルに含まれる基本周期成分をキャンセルするために最低３枚の歪みゲージが必要であることを示すための説明図である。
【図４】本発明を適用した波動歯車装置のトルク検出装置の主要部分を示す概略構成図である。
【図５】図４に示すトルク検出装置の具体的な回路構成例を示す回路ブロック図である。
【図６】（ａ）は、３組の各歪みゲージ群における波動歯車装置の回転角度に対する出力変動曲線を示すグラフであり、（ｂ）は、これらの出力を合成した場合の合成出力変動曲線を示すグラフであり、図６（ｃ）には図５のトルク検出装置によってゲイン調整された後の合成出力変動曲線を示すグラフである。
【図７】本発明を適用した波動歯車装置のトルク検出装置の主要部分を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１　　コップ状可撓性外歯歯車
２　　円筒状胴部
３　　ダイヤフラム
４　　ボス
５　　外歯
１０　トルク検出器
１１、１２、１３　増幅器
１４　加算器

Claims

可撓性外歯歯車を楕円状に撓めて剛性内歯歯車に対して部分的に噛み合わせ、これら両歯車の噛み合い位置を円周方向に移動させることにより、これら両歯車の歯数差に起因する相対回転をこれら両歯車の間に発生させる波動歯車装置における伝達トルクを検出するためのトルク検出方法において、
前記可撓性外歯歯車の表面に貼り付けた複数枚の歪みゲージからの出力信号のゲイン調整を行うゲイン調整工程と、
ゲイン調整後の歪みゲージ出力信号を合成する信号合成工程とを含み、
前記ゲイン調整工程では、伝達トルクに関係無く発生する前記可撓性外歯歯車の歪みに起因して歪みゲージ出力信号に含まれる回転リップルを除去あるいは抑制できるように、各歪みゲージ出力信号のゲイン調整を行うことを特徴とする波動歯車装置のトルク検出方法。
請求項１において、
前記可撓性外歯歯車の表面における円周方向の異なる角度位置に貼り付けた少なくとも３枚の歪みゲージから得られる検出信号を合成することを特徴とする波動歯車装置のトルク検出方法。
請求項１または２において、
補償したい前記回転リップル成分の次数をｎとした場合に、歪みゲージの枚数を（２ｎ＋１）枚以上とすることを特徴とする波動歯車装置のトルク検出方法。