JP2007108013A - Harmonic Drive (registered trademark) reducer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、産業用ロボットの減速機等として用いられるハーモニックドライブ(登録商標)減速機に関するものであり、特に伝達するトルクを検出する機能を備えたものに関する。 The present invention relates to a Harmonic Drive (registered trademark) speed reducer used as a speed reducer for an industrial robot, and more particularly to a function having a function of detecting a transmitted torque.
ハーモニックドライブ(登録商標)減速機が産業用ロボット等において広く使われてきており、トルクセンサを内蔵したものも開発されている。その第1従来例について図4を用いて説明する。図4はハーモニックドライブ(登録商標)減速機の主要部の構成を説明する図であり、103はフレクスプラインの外周部表面に形成された膜、102は膜103と空隙を介して固定側に設けられたトルク検出用のコイルである。膜103はスパッタリング法等によって0.1〜30μmの厚さでフレクスプラインに被服されており、膜103とコイル102とで 磁歪式トルクセンサを構成している。このようなトルクセンサがフレクスプラインの一部に組み込まれてハーモニックドライブ(登録商標)減速機に適用されているので、出力軸にトルクセンサを組み込むスペースを新たにとる必要がなく、出力軸の長さを長くせずに小型にできてロボット等の小型化に貢献できるという利点を有している(例えば、特許文献1参照)。
Harmonic Drive (registered trademark) reducers have been widely used in industrial robots and the like, and those incorporating a torque sensor have been developed. The first conventional example will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram for explaining the configuration of the main part of the Harmonic Drive (registered trademark) reducer. 103 is a film formed on the outer peripheral surface of the flexspline, and 102 is provided on the fixed side via the
次に第2従来例としてトルクセンサを備えた波動減速機について図5、図6を用いて説明する。図5はトルクセンサを備えた波動減速機の内部の構成を示す図であり、一部を切り欠いた斜視図である。図6はトルクセンサを含むその要部の断面図である。
図1において、203は軸受208aに支持された入力軸、213は軸受208bに支持された出力軸であり、入力軸203の回転を減速して出力軸213に伝える減速機構が支持ケース201とフランジカバー202で囲まれた空間に配置されている。出力軸213は円盤状底板212aを介して円筒状のフレクスプライン部材210に連結されており、フレクスプライン部材210と入力軸203との間に内歯サーキュラスプライン201aが介在している。その介在によって入力軸203の回転を大きな減速比で減速して出力軸213に伝達することができるようになっている。円盤状底板212aの外側にはトルクセンサ220が設けられており、保護カバー215で覆われて保護されている(例えば、特許文献2参照)。図6は、トルクセンサ220が設けられている部位の詳細を示す断面図である。トルクセンサ220は、弾性体の円盤状底板212aの外側表面に周方向に延びて接着されており、円盤状底板212aの弾性変形に応じて磁気歪特性が変化する第1磁性層222と、第1磁性層上に重ねて配設されて磁気歪特性の変化を検出する平板状コイル223と、平板状コイルを覆って配設された第2磁性体層224とから構成されている。以上のような構成になっているため、新たな弾性要素の追加や機構の変更をすることなく、また歪ゲージを用いることなく、トルク測定を行うことができる。
In FIG. 1, 203 is an input shaft supported by a
ところが第1従来例のハーモニックドライブ(登録商標)減速機は、フレクスプラインの外周に空隙を介しトルク検出用のコイルを配置してトルクを検出することができるようになっているが、予めフレクスプラインの外周にコイルを配置する必要があるため、そのコイルを配置するのに時間がかかるという問題点があった。
また第2従来例の波動減速機は、円盤状底板にトルクセンサを装着してトルクを計測することができるようになっているが、磁性体の取付け方によってはセンサの信頼性が低く、長時間使用したときに磁性体がはがれるという問題点があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、フレクスプラインの外側面に非接触で比較的簡単に組み込むことができて信頼性の高いトルクセンサを備えたハーモニックドライブ(登録商標)減速機を提供することを目的とする。
However, the harmonic drive (registered trademark) speed reducer of the first conventional example can detect torque by arranging a coil for torque detection on the outer periphery of the flexspline via a gap. Since it is necessary to arrange a coil on the outer periphery of the coil, it takes time to arrange the coil.
The wave reducer of the second conventional example can measure the torque by attaching a torque sensor to the disk-shaped bottom plate. However, depending on how the magnetic body is attached, the reliability of the sensor is low and the length is long. There was a problem that the magnetic material peeled off when used for a long time.
The present invention has been made in view of such problems, and a harmonic drive (registered trademark) having a highly reliable torque sensor that can be incorporated in the outer surface of the flexspline without contact and relatively easily. An object is to provide a reduction gear.
上記問題を解決するため、第1の発明は、歯を持つフレクスプラインを備えたハーモニックドライブ(登録商標)減速機において、フレクスプラインが歯の方向に着磁され、フレクスプラインの磁気特性の変化に基づく漏れ磁界の変化を検出する磁界センサが歯の外側面に非接触で配置され、その磁界センサの出力によってフレクスプラインが伝達するトルクを検出することを特徴としている。
また第2の発明は、歯を持つフレクスプラインを備えたハーモニックドライブ(登録商標)減速機において、フレクスプラインが歯のない部分にその歯と平行に第2の歯が形成され、フレクスプラインの磁気特性の変化に基づく漏れ磁界の変化を検出する磁界センサがその第2の歯の外側面に非接触で配置され、その磁界センサの出力によってフレクスプラインが伝達するトルクを検出することを特徴としている。
また第3の発明は、磁界センサがMIセンサとMRセンサとホール素子のいずれか一つであり、第4の発明は、磁界センサがサーキュラスプラインの中に配置されたことを特徴としている。
In order to solve the above problem, the first invention is a harmonic drive (registered trademark) speed reducer equipped with a flexspline having teeth, wherein the flexspline is magnetized in the direction of the teeth, and the flexspline magnetic characteristics are changed. A magnetic field sensor for detecting a change in the leakage magnetic field is disposed on the outer surface of the tooth in a non-contact manner, and the torque transmitted by the flexspline is detected by the output of the magnetic field sensor.
The second invention is a Harmonic Drive (registered trademark) speed reducer provided with a flexspline having teeth, wherein the flexspline has a second tooth formed in parallel to the toothless portion of the flexspline. A magnetic field sensor for detecting a change in leakage magnetic field based on a change in characteristics is disposed in a non-contact manner on the outer surface of the second tooth, and a torque transmitted by the flexspline is detected by an output of the magnetic field sensor. .
The third invention is characterized in that the magnetic field sensor is any one of an MI sensor, an MR sensor, and a Hall element, and the fourth invention is characterized in that the magnetic field sensor is arranged in a circular spline.
第1の発明によると、フレクスプラインが歯の方向に着磁され、磁界センサが歯の外側面に非接触で配置されているので、磁界センサを比較的簡単に組み込むことができる。
第2の発明によると、フレクスプラインが歯のない部分にその歯と平行に第2の歯が形成され、磁界センサがその第2の歯の外側面に非接触で配置されているので、磁界センサを比較的簡単に組み込むことができる。
第3の発明によると、磁界センサがMIセンサとMRセンサとホール素子のいずれか一つであるので、トルクセンサの信頼性を高めることができる。
第4の発明によると、磁界センサがサーキュラスプラインの中に配置されているので、トルクセンサの信頼性を高めることができる。
According to the first invention, the flexspline is magnetized in the direction of the tooth, and the magnetic field sensor is disposed in a non-contact manner on the outer surface of the tooth, so that the magnetic field sensor can be incorporated relatively easily.
According to the second invention, the flexspline is formed in a portion where there are no teeth, the second teeth are formed in parallel with the teeth, and the magnetic field sensor is arranged in a non-contact manner on the outer surface of the second teeth. Sensors can be incorporated relatively easily.
According to the third invention, since the magnetic field sensor is any one of the MI sensor, the MR sensor, and the Hall element, the reliability of the torque sensor can be improved.
According to the fourth invention, since the magnetic field sensor is disposed in the circular spline, the reliability of the torque sensor can be improved.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明のハーモニックドライブ(登録商標)減速機の構成を示す図であり、主要部品についての一部を切り欠いた斜視図である。図において、1はフレクスプライン、2は磁界センサ、3はウェーブジェネレータ、4はサーキュラスプラインである。フレクスプライン1は図4のフレクスプラインに対応しており、図2はフレクスプライン1の着磁方向を説明する図である。図1のトルクセンサは、磁界センサ2とフレクスプライン1から構成されており、図2に示すように、磁界センサは、フレクスプライン部材の外側面とは非接触でサーキュラスプラインの全周にわたって均一に配設されている。図1に示す主要部の構成を少し詳しく説明すると次のようになる。 FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a harmonic drive (registered trademark) speed reducer according to the present invention, and is a perspective view in which main parts are partially cut away. In the figure, 1 is a flexspline, 2 is a magnetic field sensor, 3 is a wave generator, and 4 is a circular spline. The flexspline 1 corresponds to the flexspline in FIG. 4, and FIG. 2 is a diagram for explaining the magnetization direction of the flexspline 1. The torque sensor shown in FIG. 1 is composed of a magnetic field sensor 2 and a flexspline 1. As shown in FIG. 2, the magnetic field sensor is not in contact with the outer surface of the flexspline member and is uniform over the entire circumference of the circular spline. It is arranged. The configuration of the main part shown in FIG. 1 will be described in detail below.
図示しない円筒状の支持ケースに内歯サーキュラスプラインが形成されており、この支持ケースと図示しないフランジカバーで囲まれた空間にトルクセンサが内蔵されている。そしてフレクスプライン1がベアリングにより回転自在に支持されている。支持ケースとフランジカバーは通常、固定支持されており、ハーモニックドライブ(登録商標)減速機は入力軸の回転を数十から百数十といった非常に大きな減速比で減速して出力軸に伝達する。 An internal tooth circular spline is formed in a cylindrical support case (not shown), and a torque sensor is built in a space surrounded by the support case and a flange cover (not shown). The flex spline 1 is rotatably supported by a bearing. The support case and the flange cover are normally fixedly supported, and a Harmonic Drive (registered trademark) speed reducer decelerates the rotation of the input shaft with a very large reduction ratio such as several tens to hundreds and transmits it to the output shaft.
図示しない入力軸は図示しないベアリングを介して図示しないフランジカバーにより回転自在に支持されており、一端が外方に突出し、他端が図示しない楕円盤カムに結合されている。この楕円盤カムの外周に沿って複数の押圧ボールが等間隔で配設されており、ウェーブジェネレータ3が構成されている。図示しない出力軸は図示しないベアリングを介して図示しない支持ケースにより回転自在に支持されるとともに、一端が支持ケースの側面から外方に突出し、他端が支持ケース内に配設されたフレクスプライン1に結合されている。 An input shaft (not shown) is rotatably supported by a flange cover (not shown) via a bearing (not shown), one end projects outward, and the other end is coupled to an elliptic disk cam (not shown). A plurality of pressing balls are arranged at equal intervals along the outer periphery of the elliptical cam, and the wave generator 3 is configured. An output shaft (not shown) is rotatably supported by a support case (not shown) via a bearing (not shown), one end protrudes outward from the side surface of the support case, and the other end is a flex spline 1 disposed in the support case. Is bound to.
フレクスプライン1は、弾性材料で形成されており、先端部に図示しない外歯フレクスプラインを供えている。この外歯フレクスプラインと出力軸が図示しない円盤状底をもつ薄肉円筒状のカップリングで結合されている。外歯フレクスプラインの内側にはその内周面に沿ってウェーブジェネレータがあり、内歯サーキュラースプラインと噛合している。
楕円盤カムが外面でボールを外周方向に押し上げると、フレクスプラインが楕円形に弾性変形する。楕円の長軸に対応する2箇所が最も外周側に押し出されれて内歯サーキュラースプラインと噛合する。
The flexspline 1 is made of an elastic material, and an external tooth flexspline (not shown) is provided at the tip. The external tooth flexspline and the output shaft are coupled by a thin cylindrical coupling having a disk-shaped bottom (not shown). Inside the external tooth flex spline, there is a wave generator along its inner peripheral surface, which meshes with the internal tooth circular spline.
When the ellipsoidal cam pushes the ball outward on the outer surface, the flexspline is elastically deformed into an ellipse. Two portions corresponding to the long axis of the ellipse are pushed out to the outermost side and mesh with the internal circular splines.
次に、以上の構成のハーモニックドライブ(登録商標)減速機の動作について説明する。入力軸が回転するとウェーブジェネレータの楕円盤カムも回転し、フレクスプラインと内歯サーキュラースプラインの噛合位置も回転する。ここで、内歯サーキュラースプラインの歯数よりもフレクスプラインの歯数が2枚少ない場合は、入力軸が1回転すればフレクスプライン部材はこの相違歯数分だけ、すなわち、2枚の歯数分しか回転せず、非常に大きな減速比で減速される。
フレクスプライン部材がトルクを伝達するときに弾性変形すると、磁気特性の変化に基づく漏れ磁界が変化する。この漏れ磁界の変化は磁界センサで検出される。漏れ磁界の変化はフレクスプライン部材の弾性変形に比例するため、検出された漏れ磁界の変化から演算によってトルクを求めることができる。
Next, the operation of the harmonic drive (registered trademark) reducer configured as described above will be described. When the input shaft rotates, the elliptical cam of the wave generator also rotates, and the meshing position of the flex spline and the internal circular spline also rotates. Here, if the number of teeth of the flexspline is two less than the number of teeth of the internal circular spline, if the input shaft rotates once, the flexspline member is equal to the number of different teeth, that is, the number of teeth of two. It only rotates and is decelerated with a very large reduction ratio.
When the flexspline member is elastically deformed when transmitting torque, a leakage magnetic field based on a change in magnetic characteristics changes. This change in the leakage magnetic field is detected by a magnetic field sensor. Since the change in the leakage magnetic field is proportional to the elastic deformation of the flexspline member, the torque can be obtained by calculation from the detected change in the leakage magnetic field.
図3は、トルクセンサの他の構成を説明する図である。図2と異なるのは、図2のフレクスプライン1の歯のないところに第2の歯5を設け、その近傍に空隙を介して磁界センサ2を設けた点である。図2とは、磁界センサの位置と、空隙を介して対向する歯が異なっているだけであり、実施例1と同じように動作し、トルクを検出することができる。 FIG. 3 is a diagram illustrating another configuration of the torque sensor. The difference from FIG. 2 is that the second tooth 5 is provided in the flex spline 1 of FIG. FIG. 2 differs from FIG. 2 only in the position of the magnetic field sensor and the teeth facing each other through the air gap, and operates in the same manner as in the first embodiment and can detect torque.
上記の実施例では、磁界センサを用いているが、本発明の趣旨によると他の種類のセンサを用いてもよい。磁界センサに代えて、MIセンサ、MRセンサもしくはホール素子のいずれとしてもよい。いずれのセンサによってもフレクスプライン部材の磁気特性の変化に基づく漏れ磁界の変化を検出することができるので、演算によって伝達するトルクを求めることができる。
また、磁界センサは、フレクスプライン部材の外側面と非接触としつつ、サーキュラスプラインの全周にわたって均一になるように配設してもよい。そのような配置によっても実施例1、2と同様に伝達するトルクを検出することができる。
Although the magnetic field sensor is used in the above embodiment, other types of sensors may be used according to the spirit of the present invention. Instead of the magnetic field sensor, any of an MI sensor, MR sensor, or Hall element may be used. Since any sensor can detect a change in the leakage magnetic field based on a change in the magnetic characteristics of the flexspline member, a torque to be transmitted by calculation can be obtained.
In addition, the magnetic field sensor may be arranged so as to be uniform over the entire circumference of the circular spline while not contacting the outer surface of the flexspline member. Even with such an arrangement, the transmitted torque can be detected in the same manner as in the first and second embodiments.
1 フレクスプライン 2 磁界センサ 3 ウェーブジェネレータ
4 サーキュラスプライン 5 加工した歯
1 Flex Spline 2 Magnetic Field Sensor 3 Wave Generator 4 Circular Spline 5 Machined Teeth
Claims (4)
前記フレクスプラインは歯の方向に着磁されており、
前記フレクスプラインの磁気特性の変化に基づく漏れ磁界の変化を検出する磁界センサが前記歯の外側面に非接触で配置されており、
その磁界センサの出力によって前記フレクスプラインが伝達するトルクを検出することを特徴とするハーモニックドライブ(登録商標)減速機。 In a Harmonic Drive (registered trademark) reducer with a flexspline with teeth,
The flexspline is magnetized in the direction of the teeth,
A magnetic field sensor for detecting a change in a leakage magnetic field based on a change in magnetic properties of the flexspline is disposed in a non-contact manner on the outer surface of the tooth;
A harmonic drive (registered trademark) speed reducer that detects torque transmitted by the flexspline based on an output of the magnetic field sensor.
前記フレクスプラインは歯のない部分にその歯と平行に第2の歯が形成されており、
前記フレクスプラインの磁気特性の変化に基づく漏れ磁界の変化を検出する磁界センサがその第2の歯の外側面に非接触で配置されおり、
その磁界センサの出力によって前記フレクスプラインが伝達するトルクを検出することを特徴とするハーモニックドライブ(登録商標)減速機。 In a Harmonic Drive (registered trademark) reducer with a flexspline with teeth,
The flexspline has second teeth formed in parallel to the teeth-free portion,
A magnetic field sensor for detecting a change in a leakage magnetic field based on a change in magnetic properties of the flexspline is disposed in a non-contact manner on an outer surface of the second tooth;
A harmonic drive (registered trademark) speed reducer that detects torque transmitted by the flexspline based on an output of the magnetic field sensor.
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