CN110088584B - 力矩传感器 - Google Patents

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Abstract

连接体(130)配置在内侧支承体(110)与外侧支承体(120)之间，连接内侧支承体(110)和外侧支承体(120)。变形体(140)弯曲，其一端在将Z轴作为中心的旋转方向上的第1位置与内侧支承体(110)连接，另一端在不同于第1位置的第2位置与外侧支承体(120)连接，在对第1位置与第2位置之间施加压缩力或拉拽力时，变形体(140)沿径向变形。检测体(150)具有电容元件，所述电容元件由以相对的方式设于变形体(140)和外侧支承体(120)的电极彼此构成，检测体(150)基于电容元件的特征值检测在变形体(140)发生的弹性变形。

Description

力矩传感器
技术领域
本发明涉及一种力矩传感器。
背景技术
检测绕旋转轴线进行作用的力矩的力矩传感器被广泛利用在各种各样的输送机械、工业机械中。例如在下述的专利文献1中公开了一种传感器，该传感器利用应变片检测在环状的载荷检测机构部产生的应变，从而将进行作用的力成分以及力矩成分作为电信号输出。另外，在专利文献2中公开了一种传感器，该传感器在刚性中央构件与刚性环状环之间设有多个径向构件，通过检测在该径向构件产生的应变，将进行作用的力成分以及力矩成分作为电信号输出。
此外，在专利文献3中公开了一种传感器，该传感器利用支承体从沿着旋转轴线的两侧对具有供旋转轴贯穿的贯穿开口部的检测环进行支承，并利用电容元件检测该检测环的弹性变形，从而将绕旋转轴线进行作用的力矩作为电信号输出。另外，在专利文献4中公开了一种传感器，该传感器采用将多条检测环相邻配置的构造，从而能够确保内部空间，并且能够调整力与力矩的检测灵敏度的平衡。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特公平6-41892号公报
专利文献2：日本特表2001-500979号公报
专利文献3：日本特开2012-037300号公报
专利文献4：日本特许第5667723号公报
发明内容
发明要解决的问题
在安装于机器人手臂的关节部分那样的用途中，希望有一种构造简单、厚度较薄的薄型的力矩传感器。但是，迄今为止提出的力矩传感器在构造上难以实现薄型化。
例如在前述的专利文献1所公开的传感器的情况下，需要在环状的载荷检测机构部安装两根刚体部，难以实现薄型化。另外，在专利文献2所公开的传感器的情况下，由于检测在径向构件产生的应变，因此整体上的构造复杂化，不适合薄型化。并且，在专利文献3、4所公开的传感器的情况下，由于采用的是层叠检测环、支承体的构造，因此还是难以实现薄型化。
本发明是鉴于所述实际情况而做成的，目的在于提供一种构造简单并减小了厚度的薄型的力矩传感器。
用于解决问题的方案
为了达成所述目的，本发明的力矩传感器用于检测在第1对象物与第2对象物之间产生的绕旋转轴线的力矩，其中，
所述力矩传感器包括：
第1支承体，其用于支承所述第1对象物；
第2支承体，其用于支承所述第2对象物，在将所述旋转轴线作为中心的径向上，在比所述第1支承体靠外侧的位置与所述第1支承体隔开空间地配置；
连接体，其为多个，配置在所述第1支承体与所述第2支承体之间，连接所述第1支承体和所述第2支承体；
变形体，其为弯曲的板状，配置在被所述第1支承体、所述第2支承体以及相邻的两个所述连接体包围的空间内，一端在将所述旋转轴线作为中心的旋转方向的第1位置与所述第1支承体连接，另一端在所述旋转方向的不同于所述第1位置的第2位置与所述第2支承体连接，在对所述第1位置与所述第2位置之间施加压缩力或拉拽力时，所述变形体沿所述径向变形；以及
检测体，其根据设于所述变形体与所述第1支承体之间的检测元件和设于所述变形体与所述第2支承体之间的检测元件中任一检测元件的特征值，检测在所述变形体发生的弹性变形。
也可以是，所述检测体具有电容元件，所述电容元件由以相对的方式设于所述变形体和所述第1支承体的电极彼此和以相对的方式设于所述变形体和所述第2支承体的电极彼此中的任一者构成，所述检测体根据所述电容元件的特征值检测在所述变形体发生的弹性变形。
在该情况下，也可以是，所述第1支承体、所述第2支承体、所述连接体、所述变形体以及所述检测体沿与所述旋转轴线正交的二维平面配置。
也可以是，所述变形体包括：
第1突出体，其为板状，自所述第1支承体的朝向所述第2支承体的面朝向所述第2支承体突出；
第2突出体，其为板状，自所述第2支承体的朝向所述第1支承体的面朝向所述第1支承体突出；以及
延伸体，其为板状，与所述第1突出体的顶端和所述第2突出体的顶端连接，并沿所述旋转轴线的旋转方向延伸设置。
也可以是，在所述旋转方向上，所述第1突出体的宽度和所述第2突出体的宽度比所述连接体的宽度窄。
也可以是，所述变形体包括：
第1变形体，其配置于二维正交坐标系的第1象限，所述二维正交坐标系与所述旋转轴线正交并将所述旋转轴线的位置作为原点；
第2变形体，其配置于所述二维正交坐标系的第2象限；
第3变形体，其配置于所述二维正交坐标系的第3象限；以及
第4变形体，其配置于所述二维正交坐标系的第4象限。
也可以是，所述检测体包括：
第1检测体，其用于检测所述第1变形体的弹性变形；
第2检测体，其用于检测所述第2变形体的弹性变形；
第3检测体，其用于检测所述第3变形体的弹性变形；以及
第4检测体，其用于检测所述第4变形体的弹性变形。
也可以是，所述检测体包括：
第1电极，其设于所述变形体；以及
第2电极，其以与所述第1电极相对的方式设于所述第1支承体。
也可以是，所述检测体包括：
第3电极，其设于所述变形体；以及
第4电极，其以与所述第3电极相对的方式设于所述第2支承体。
也可以是，所述连接体在从与所述第1支承体的连接部分到与所述第2支承体的连接部分之间，具有所述旋转方向的宽度比其他部分的所述旋转方向的宽度窄的部分。
也可以是，所述第1支承体、所述第2支承体、所述连接体以及所述变形体由相同的构件构成，
连接所述第1支承体和所述连接体的部分、连接所述第2支承体和所述连接体的部分、连接所述第1支承体和所述变形体的部分以及连接所述第2支承体和所述变形体的部分的各自的外缘形成为弧状。
发明的效果
采用本发明，第1支承体和第2支承体由多个连接体连接。另外，变形体配置在被相邻的连接体彼此、第1支承体以及第2支承体包围的空间内。并且，在变形体与第1支承体之间或者变形体与第2支承体之间设有检测体的检测元件。由此，能沿平面配置所有的结构，实现构造简单并将厚度抑制为较薄的薄型的力矩传感器。
附图说明
图1A是本发明的实施方式1的力矩传感器的俯视图。
图1B是用A-A平面剖切力矩传感器而得到的剖视图。
图1C是用B-B平面剖切力矩传感器而得到的剖视图。
图2是用XY平面剖切图1A所示的力矩传感器的基本结构体而得到的横剖视图。
图3是将基本结构体的各部分区分表示的俯视图。
图4是表示力矩传感器的检测动作的图。
图5是本发明的实施方式2的力矩传感器的俯视图。
具体实施方式
实施方式1.
首先，参照图1A～图4详细地说明本发明的实施方式1。
如图1A所示，构成本实施方式的力矩传感器的主要的结构部的基本结构体100整体形成为圆板状。这里，为了方便说明，如图所示，定义在该力矩传感器的中心位置具有原点O的XYZ三维正交坐标系，在将力矩传感器配置在该坐标系的前提下，说明各部分的构造。在图1A的情况下，在图的右侧定义X轴，在图的上方定义Y轴，在垂直于纸面的面前方向定义Z轴。将Z轴作为中心轴线来配置力矩传感器。该力矩传感器检测将Z轴作为旋转轴线而绕该旋转轴线进行作用的力矩。另外，旋转轴线是用于定义所检测的力矩的假想的轴。
如图1A所示，基本结构体100包括内侧支承体110和外侧支承体120，上述内侧支承体110的中心位于原点O，用于支承第1对象物，上述外侧支承体120配置为环绕该内侧支承体110的外侧，用于支承第2对象物。内侧支承体110是在中央形成有空心部H(通孔)的环状结构体，外侧支承体120是配置在该内侧支承体110的周围的环状结构体。外侧支承体120在将Z轴作为中心的径向上与内侧支承体110隔开空间地配置。
另外，“环”不限定于“圆环”，也包含“方环”、“任意形状的圈”，作为内侧支承体110和外侧支承体120，例如也可以使用“方环状”的形状的构件、“六边形的环状”、“八边形的环状”的构件。
此外，基本结构体100包括4个连接体130。各连接体130配置在内侧支承体110与外侧支承体120之间，用于连接内侧支承体110和外侧支承体120。具体而言，各连接体130连接内侧支承体110的外侧面和外侧支承体120的内侧面。针对该基本结构体100而言，作为连接体130，设有配置在正侧的X轴上的第1连接体131、配置在正侧的Y轴上的第2连接体132、配置在负侧的X轴上的第3连接体133以及配置在负侧的Y轴上的第4连接体134。以下，也适当地简称为连接体131、132、133、134。利用该连接体131～134使平板状的基本结构体100例如针对想要使基本结构体100变形的力变得强健。
此外，基本结构体100包括板状的4个变形体140和分别设于各变形体140的检测体150。为了检测绕Z轴进行作用的力矩而设置各变形体140和各检测体150。各变形体140和各检测体150配置在被内侧支承体110、外侧支承体120以及相邻的两个连接体130围成的空间内。
在内侧支承体110的16处部位设有安装用孔部111。同样，在外侧支承体120的12处部位设有安装用孔部121。如图1B和图1C所示，安装用孔部111、121是与空心部H同样上下(Z轴方向)贯通的孔。
该力矩传感器最适合用在安装于机器人手臂的关节部分那样的用途中。例如，当在图1B所示的基本结构体100的下方(-Z侧)配置第1臂部(第1对象物)且在上方(+Z侧)配置第2臂部(第2对象物)时，该基本结构体100作为将两个臂部连接起来的关节构件发挥功能。安装用孔部111、121被用作用于将该基本结构体100安装到各臂部的螺栓贯穿用的孔部。例如在利用贯穿于安装用孔部111的螺栓将内侧支承体110安装到配置在下方的第1臂部、利用贯穿于安装用孔部121的螺栓将外侧支承体120安装到配置在上方的第2臂部时，能够检测在第1臂部与第2臂部之间产生的绕旋转轴线的力矩。当然，也可以根据需要在安装用孔部111、121的内表面形成螺纹槽。
另外，安装用孔部111、121并非该力矩传感器必须的构成要素，而且在动作原理上，并非是对力矩检测发挥直接性的功能的构成要素。例如，当采用不用螺栓的粘接方法来进行与臂部的连接时，就不需要设置安装用孔部111、121。
图2是用XY平面剖切图1A所示的力矩传感器的基本结构体100而得到的横剖视图。基本结构体100为圆板状的一片式结构体，通过对铁、不锈钢、铝等金属板实施线切割加工，构成该基本结构体100。另外，也可以对金属板实施切削加工(例如铣削加工)来构成基本结构体100。在本实施方式中，着眼于该基本结构体100的各部分的功能，将各部分称为内侧支承体110、外侧支承体120、连接体130、变形体140以及检测体150。
图3用虚线区分表示基本结构体100的各部分。以下，参照该图3更详细地说明基本结构体100的各部分的构造。
首先，设在中央的内侧支承体110是在中心形成有圆形的空心部H的构件。空心部H虽然不是必须的，但在实用中优选设置。这是因为，当在中心预先形成空心部H时，能够根据需要使各种各样的构件(例如，用于输出电信号的布线)贯穿该空心部H。
基本结构体100包括第1变形体141、第2变形体142、第3变形体143以及第4变形体144来作为变形体140。第1变形体141被第1连接体131和第2连接体132夹着，位于XY坐标系(二维正交坐标系)的第1象限。第2变形体142被第2连接体132和第3连接体133夹着，位于XY坐标系的第2象限。第3变形体143被第3连接体133和第4连接体134夹着，位于XY坐标系的第3象限。第4变形体144被第4连接体134和第1连接体131夹着，位于XY坐标系的第4象限。以下，也适当地简称为变形体141、142、143、144。
4组变形体141、142、143、144各自的一端分别在以Z轴为中心的旋转方向上的第1位置(内侧支承点)P1、P2、P3、P4与内侧支承体110连接。另外，变形体141、142、143、144各自的另一端分别在以Z轴为中心的旋转方向上的不同于第1位置P1、P2、P3、P4的第2位置(外侧支承点)Q1、Q2、Q3、Q4与外侧支承体120连接。变形体141、142、143、144在第1位置P1、P2、P3、P4与第2位置(外侧支承点)Q1、Q2、Q3、Q4之间具有弯曲的形状，以便在被施加压缩力或拉拽力时沿径向变形。
更详细而言，第1变形体141包括第1突出体141A、第2突出体141B以及延伸体141C。同样，第2变形体142包括第1突出体142A、第2突出体142B以及延伸体142C，第3变形体143包括第1突出体143A、第2突出体143B以及延伸体143C，第4变形体144包括第1突出体144A、第2突出体144B以及延伸体144C。第1突出体141A～144A是自内侧支承体110的朝向外侧支承体120的面朝向外侧支承体120突出的板状的构件。第2突出体141B～144B是自外侧支承体120的朝向内侧支承体110的面朝向内侧支承体110突出的板状的构件。延伸体141C～144C是与内侧支承体110的第1突出体141A～144A的顶端和外侧支承体120的第2突出体141B～144B的顶端连接并且沿将Z轴作为旋转轴线时的旋转方向延伸设置的板状的构件。延伸体141C～144C沿以原点O为中心的圆R的圆周延伸。
这里，变形体141将原点O作为对称的中心而与变形体143中心对称，变形体142将原点O作为对称的中心而与变形体144中心对称。另外，变形体141、142将X轴作为对称轴而与变形体144、143轴对称，变形体141、144将Y轴作为对称轴而与变形体142、143轴对称。通过这样配置变形体141～144，力矩传感器能检测绕Z轴顺时针方向的力矩和逆时针方向的力矩。
在将Z轴作为旋转轴线时的旋转方向上，第1突出体141A～144A的宽度和第2突出体141B～144B的宽度比连接体130的宽度窄。由此，变形体141～144比连接体130易于变形。
这里，4组延伸体141C、142C、143C、144C如上所述是径向的厚度较薄的板状的构件。而且是也不与连接体130连接的部分，因此在力矩的作用下大幅地弹性变形。另外，在延伸体141C、142C、143C、144C的中央部分形成有将原点O作为基准而稍微向外侧呈凸状隆起的隆起部，但如后述那样，这些各隆起部用于谋求便于形成位移电极，在本发明的检测原理上并不是必须的。
当然，基本结构体100是由同一种材质形成的一体结构体，当利用例如铁、不锈钢、铝等金属构成该基本结构体100时，在力矩的作用下所有的部分发生弹性变形。但是，与在各变形体140发生的弹性变形相比，在内侧支承体110、外侧支承体120以及连接体130发生的弹性变形是微弱的。
基本结构体100包括4组检测体151～154作为检测体150。这4组检测体151～154具有电检测在变形体141～144发生的弹性变形的功能，均由电容元件构成。即，检测体151～154由使形成于变形体141～144的外侧面的位移电极和形成于外侧支承体120的内侧面的固定电极相对而成的电容元件构成。即，检测体151～154具有由以相对的方式设于变形体141～144和外侧支承体120的电极彼此构成的电容元件。绕Z轴的力矩在变形体141～144以弹性变形的方式产生，并且表现为电容元件的特征值。
另外，连接内侧支承体110和连接体130的部分、连接外侧支承体120和连接体130的部分、连接内侧支承体110和变形体140的部分以及连接外侧支承体120和变形体140的部分的各自的外缘形成为弧状，以便缓和应力集中。
接下来，参照图4说明图1A所示的力矩传感器的检测动作。
在延伸体141C、142C、143C、144C的外侧面的4处部位分别设有位移电极(第1电极)E11、E12、E13、E14，在外侧支承体120的内侧面的4处部位分别设有固定电极(第2电极)F11、F12、F13、F14。
更具体而言，在延伸体141C的外侧面的隆起部设有位移电极E11，在外侧支承体120的相对面设有与位移电极E11相对的固定电极F11。上述一对的电极E11、F11构成电容元件。第1检测体151就是该电容元件。
另外，在延伸体142C的外侧面的隆起部设有位移电极E12，在外侧支承体120的相对面设有固定电极F12，构成成为第2检测体152的电容元件。同样，在延伸体143C的外侧面的隆起部设有位移电极E13，在外侧支承体120的相对面设有固定电极F13，构成成为第3检测体153的电容元件。另外，在延伸体144C的外侧面的隆起部设有位移电极E14，在外侧支承体120的相对面设有固定电极F14，构成成为第4检测体154的电容元件。以下，适当地也简称为检测体151、152、153、154。
另外，在延伸体141C、142C、143C、144C的外侧面的隆起部与各位移电极E11～E14之间插入有绝缘基板(图2的涂白部分)，在外侧支承体120与各固定电极F11～F14之间也插入有绝缘基板(图2的涂白部分)。这样隔着绝缘基板形成各电极是因为，在本实施方式的情况下，如图2所示，基本结构体100是利用由金属形成的一体结构体构成的，需要使各电极电独立。因而，在利用树脂等绝缘材料构成基本结构体100的情况下，不必设置绝缘基板。
这里，在说明力矩传感器的检测动作时，为了方便，如图4所示，定义作为内侧支承体110与变形体141、142、143、144的连接点的内侧支承点P1、P2、P3、P4以及作为外侧支承体120与变形体141、142、143、144的连接点的外侧支承点Q1、Q2、Q3、Q4。
现在试想下，在固定了内侧支承体110的状态下，如图4中箭头所示，在将Z轴作为旋转轴线的顺时针方向的力矩(转矩)作用于外侧支承体120的情况下，在变形体141、142、143、144会发生怎样的变形。在该情况下，内侧支承点P1、P2、P3、P4由于与内侧支承体110相连接，因此成为固定点。而外侧支承点Q1、Q2、Q3、Q4与外侧支承体120相连接，因此在顺时针方向的力矩作用于外侧支承体120的情况下，上述外侧支承点Q1、Q2、Q3、Q4受到顺时针方向的转矩的作用。
于是，例如，点Q1以靠近点P1的方式移动，因此第1变形体141(延伸体141C)以向径向外侧鼓出的方式变形。同样，点Q3以靠近点P3的方式移动，因此第3变形体143(延伸体143C)也以向径向外侧鼓出的方式变形。结果，位移电极E11靠近固定电极F11，由两个电极构成的电容元件(第1检测体151)的静电电容值C1增加。同样，位移电极E13靠近固定电极F13，由两个电极构成的电容元件(第3检测体153)的静电电容值C3也增加。
另一方面，点Q2以远离点P2的方式移动，因此第2变形体142(延伸体142C)以向径向内侧凹陷的方式变形。同样，点Q4以远离点P4的方式移动，因此第4检测体144(延伸体144C)也以向径向内侧凹陷的方式变形。结果，位移电极E12远离固定电极F12，由两个电极构成的电容元件(第2检测体152)的静电电容值C2减少。同样，位移电极E14远离固定电极F14，由两个电极构成的电容元件(第4检测体154)的静电电容值C4减少。
另外，在固定了内侧支承体110的状态下，在将Z轴作为旋转轴线的逆时针方向的力矩(转矩)作用于外侧支承体120的情况下，发生与上述相反的动作，静电电容值C1～C4表现出与上述相反的变化。
在具有这种结构的力矩传感器中，为了将绕旋转轴线(Z轴)进行作用的力矩的检测值作为电信号输出，准备用于运算以下的算式并输出检测结果D的检测回路即可。
D＝(C1+C3)-(C2+C4)
即，该检测回路的输出为第1检测体151的静电电容值C1及第3检测体153的静电电容值C3之和“C1+C3”与第2检测体152的静电电容值C2及第4检测体154的静电电容值C4之和“C2+C4”的差值。
例如如图4所示，当顺时针方向的力矩作用于外侧支承体120时，如上所述，静电电容值C1、C3增加，静电电容值C2、C4减少，因此差值“(C1+C3)-(C2+C4)”作为正的值输出。相反，当逆时针方向的力矩作用于外侧支承体120时，静电电容值C1、C3减少，静电电容值C2、C4增加，因此差值“(C1+C3)-(C2+C4)”作为负的值输出。因而，该差值的正负号表示进行作用的力矩的朝向，该差值的绝对值表示进行作用的力矩的大小。
这种差值检测在减小检测误差的方面是有效的。例如，在因温度环境的变化而使基本结构体100的各部分发生了膨胀、收缩，并且各电容元件的电极间隔发生了变化的情况下，只要进行所述差值检测，也能将基于该种电极间隔的变化产生的误差抵消。
如以上详细说明的那样，采用本实施方式，内侧支承体110和外侧支承体120利用多个连接体130连接。另外，在被相邻的连接体130彼此、内侧支承体110以及外侧支承体120包围的空间内配置有变形体141～144。并且，在变形体141～144与外侧支承体120之间，以相对的方式设有作为检测体151～154的电极彼此。由此，能沿平面配置所有的结构，实现一种构造简单并且将厚度抑制为较薄的薄型的力矩传感器。
另外，在本实施方式中，内侧支承体110和外侧支承体120由将Z轴作为中心而均等配置的4个连接体130连接。由此，平板状的基本结构体100不易变形，也经得住比较强的力矩。
在本实施方式中，内侧支承体110和外侧支承体120由将Z轴作为中心而均等配置的4个连接体130连接。由此，能够使施加于力矩传感器的力分散，减小向各连接体130施加的力，因此能够防止各连接体130的破损。
实施方式2.
接下来，参照图5说明本发明的实施方式2。
本实施方式的力矩传感器的基本结构体100的各部分与所述实施方式1的力矩传感器相同。在本实施方式中，连接体131～134的形状与所述实施方式1的连接体131～134的形状不同。在本实施方式中，连接体131～134的与外侧支承体120的连接部分处的旋转方向的宽度比其他部分的旋转方向的宽度窄。
当这样设置时，对于想要使平板状的基本结构体100变形的力，能够使基本结构体100不易变形，而且即使在产生于内侧支承体110与外侧支承体120之间的绕Z轴的力矩比较弱的情况下，也能将变形体141～144的变形量设为与实施方式1的力矩传感器相同的程度。由此，在实施方式2的力矩传感器的情况下，能够沿用被应用于实施方式1的力矩传感器的检测回路。也就是说，在实施方式2的力矩传感器与实施方式1的力矩传感器中，能够实现检测回路的共用化。
另外，旋转方向的宽度比其他部分的旋转方向的宽度窄的部分不限定于与外侧支承体120的连接部分，既可以形成于连接体131～134的中间部分，也可以形成于与内侧支承体110的连接部分。
以上，说明了所述实施方式1、2的力矩传感器，但本发明当然并不限定于这些实施方式。
例如，在所述实施方式中，使变形体141～144包括突出体141A～144A、突出体141B～144B以及延伸体141C～144C，但本发明不限定于此。变形体140不必具有弯折的部分，只要是由点P1等和点Q1等受到压缩力或拉拽力而沿径向变形的构件即可。
例如，所述实施方式1在变形体141～144的径向的外侧配置有检测体151～154(位移电极E11～E14和固定电极F11～F14)。但是，也可以在变形体141～144的内侧面与内侧支承体110的外侧面之间设有检测体(第3电极和第4电极)。此外，也能在变形体141～144的外侧面和内侧面都分别设置检测体。
所述各实施方式的力矩传感器的特征在于，在配置为使XYZ三维正交坐标系的Z轴成为旋转轴线时，内侧支承体110、外侧支承体120、连接体130、变形体140以及检测体150均沿XY平面配置。即，内侧支承体110、外侧支承体120、连接体130、变形体140以及检测体150均配置在包含XY平面的位置(横截XY平面的位置)。在实现将厚度抑制为较薄的薄型的力矩传感器的方面，上述这样的沿XY平面的配置是重要的。
特别是，参照图1B和图1C可清楚得知，所述各实施方式的力矩传感器在XYZ三维正交坐标系上，外侧支承体120的上表面位于用方程式(Z＝+d)表示的第1平面上，外侧支承体120的下表面位于用方程式(Z＝-d)表示的第2平面上。另外，内侧支承体110、连接体130、变形体140以及检测体150均收纳在夹在该第1平面与第2平面之间的空间内，沿与Z轴正交的二维平面即XY平面配置。
采用这种结构，能将力矩传感器整体的厚度(Z轴方向上的尺寸)抑制在2d的范围内，能够实现构造简单、厚度被抑制为较薄的薄型的力矩传感器。当然，在动作原理上，各检测体151～154配置在所述空间位置即可，即使各检测体151～154的一部分自所述空间伸出，也不影响检测。但是，在将力矩传感器整体的厚度抑制在2d的范围内来谋求薄型化的方面，优选构成各检测体151～154的电容元件也收纳在所述空间内。
当然，在将该力矩传感器安装到机器人手臂的关节部分等来进行利用的情况下，优选对各部分的上表面位置以及下表面位置施加一些修正。例如，试想下这种情况：将该力矩传感器插入到机器人手臂的上臂部与下臂部之间，使外侧支承体120与配置在该力矩传感器的上方的上臂部的下表面接合，使内侧支承体110与配置在该力矩传感器的下方的下臂部的上表面接合，如此利用该力矩传感器。在将这种方式的利用作为前提的情况下，在图1B和图1C中，优选将外侧支承体120的上表面位置修正为用方程式(Z＝+d+δ1)表示的平面位置，并将内侧支承体110的下表面位置修正为用方程式(Z＝-d-δ2)表示的平面位置。这样，能在内侧支承体110的上表面与上臂部的下表面之间确保预定的空隙尺寸δ1，避免两者间的不必要的接触，同样，能在外侧支承体120的下表面与下臂部的上表面之间确保预定的空隙尺寸δ2，避免两者间的不必要的接触。
当然，也可以在外侧支承体120的上表面设置阶梯构造(例如在一部分形成向上方隆起的隆起部)，或在内侧支承体110的下表面设置阶梯构造(例如在一部分形成向下方隆起的隆起部)，从而确保所述空隙尺寸δ1、δ2。当这样设置时，整体的厚度比2d稍厚一些，但即使在安装到机器人手臂的关节部分等进行利用的情况下，也能避免不必要的接触。
另外，在所述各实施方式中，将连接体130的数量设为4个，但本发明不限定于此。连接体130的数量既可以为两个，也可以为3个，还可以为5个以上。考虑到分散力，最好将Z轴作为中心而均等地配置连接体130。
另外，除连接体130的数量以外，通过适当地设计及调整连接体130在将Z轴作为中心的旋转方向上的宽度，除提高力矩传感器在将Z轴作为中心的旋转方向上的刚度以外，也提高在Z轴方向上的刚度。由此，除提高力矩传感器的对将Z轴作为中心的旋转方向上的力的耐性以外，也提高对沿着Z轴的力的耐性。
另外，在所述各实施方式中，将变形体140的数量设为4个，但本发明不限定于此。变形体140的数量既可以为两个，也可以为3个，还可以为5个以上。最好将Z轴作为中心而均等地配置变形体140。
另外，在所述各实施方式中，例如将内侧支承点P1、P2及外侧支承点Q1、Q2与内侧支承点P3、P4及外侧支承点Q3、Q4配置在对于X轴轴对称的位置，但本发明不限定于此。也可以将内侧支承点P1～P4和外侧支承点Q1～Q4配置为以原点O为中心4次旋转对称。
另外，在所述各实施方式中，将第1突出体141A～144A配置在X轴附近，将第2突出体141B～144B配置在Y轴附近，但本发明不限定于此。也可以将第1突出体141A～144A配置在Y轴附近，将第2突出体141B～144B配置在X轴附近。
在所述各实施方式中，使用电容元件作为检测体。但是，本发明的检测体只要是具有以某种方式检测在变形体发生的弹性变形的功能的元件即可，不必一定为电容元件。
例如，也可以替代电容元件，将应变片用作检测体(检测元件)。具体而言，将作为检测体151～154发挥功能的应变片粘贴到变形体141～144与外侧支承体120之间或者变形体141～144与内侧支承体110之间，对各应变片的电阻值的变化进行电检测，也能进行力矩的检测。
在实用中，作为本发明的检测体，使用电容元件是最佳的。电容元件由于能够利用简单的电极层来构成，因此是非常便宜的。另外，当使用电容元件时，也能使制造工艺简单化。例如在实施方式1的情况下，在形成金属的一体结构体而做成了基本结构体100后，进行将形成有电极层的8组绝缘基板粘贴到预定位置的作业即可。
另外，在利用电容元件构成检测体的情况下，优选将相对的一对电极中的一方的面积设定为比另一方的面积大。这是出于如下的考量：在因力矩的作用而使位移电极沿旋转方向稍微移动，使两个电极的相对位置发生了错位的情况下，也能恒定地维持作为电容元件发挥功能的有效相对面积。电容元件的静电电容值不仅依赖于相对的一对电极间的距离，也依赖于有效相对面积。于是，在预先将一方的面积设定为比另一方的面积大，即使位移电极的位置有些许变化，也能恒定地保持有效相对面积时，静电电容值变成只依赖于电极间的距离，因此能够进行更加准确的检测。
另外，在所述各实施方式中，利用平板状的电极层构成了构成电容元件的各电极，但电极不必一定设为平板状，也可以稍微弯曲。例如在图4中描画了均使用平板状的电极来作为各位移电极E11～E14和各固定电极F11～F14的例子，但也可以将各位移电极E11～E14设为沿着变形体140的外周面的曲面，将各固定电极F11～F14设为沿着外侧支承体120的内周面的曲面。
另外，在所述各实施方式中，力矩传感器包括位移电极E11～E14和固定电极F11～F14分别成对的4个检测体151～154，但本发明不限定于此。只要能够检测到绕旋转轴线(Z轴)的力矩作用于力矩传感器(只要不检测力矩的朝向和力矩的大小)，检测体为至少1个即可。
本发明能够不脱离本发明的广义的精神和范围地进行各种各样的实施方式以及变形。另外，上述的实施方式用于说明本发明，并非限定本发明的范围。即，本发明的范围并非由实施方式明示，而是由权利要求书来明示。并且，在权利要求书的范围内以及与权利要求书同等的发明意义的范围内实施的各种各样的变形被视作在本发明的范围内。
另外，本发明主张将在2016年12月27日提交的日本特许出愿2016-253414号作为基础的优先权，并在本说明书中通过参照而援引日本特许出愿2016-253414号的说明书、权利要求书、附图的全部内容。
产业上的可利用性
本发明例如能够应用于机器人手臂间的力矩的检测。
附图标记说明
100、基本结构体；110、内侧支承体；111、安装用孔部；120、外侧支承体；121、安装用孔部；130、连接体；131、第1连接体；132、第2连接体；133、第3连接体；134、第4连接体；140、变形体；141、第1变形体；141A、第1突出体；141B、第2突出体；141C、延伸体；142、第2变形体；142A、第1突出体；142B、第2突出体；142C、延伸体；143、第3变形体；143A、第1突出体；143B、第2突出体；143C、延伸体；144、第4变形体；144A、第1突出体；144B、第2突出体；144C、延伸体；150、检测体；151、第1检测体；152、第2检测体；153、第3检测体；154、第4检测体；E11～E14、位移电极；F11～F14、固定电极；H、空心部；P1～P4、内侧支承点(第1位置、点)；Q1～Q4、外侧支承点(第2位置、点)；R、圆。

Claims (8)

1.一种力矩传感器，所述力矩传感器用于检测在第1对象物与第2对象物之间产生的绕旋转轴线的力矩，其中，
所述力矩传感器包括：
第1支承体，其用于支承所述第1对象物；
第2支承体，其用于支承所述第2对象物，在将所述旋转轴线作为中心的径向上，在比所述第1支承体靠外侧的位置与所述第1支承体隔开空间地配置；
变形体，其为板状，一端在将所述旋转轴线作为中心的旋转方向的第1位置与所述第1支承体连接，另一端在所述旋转方向的不同于所述第1位置的第2位置与所述第2支承体连接，在对所述第1位置与所述第2位置之间施加压缩力或拉拽力时，所述变形体沿所述径向变形；
检测体，其根据设于所述变形体与所述第1支承体之间的检测元件和设于所述变形体与所述第2支承体之间的检测元件中的任一检测元件的特征值，检测在所述变形体发生的弹性变形；以及
连接体，其配置在所述第1支承体与所述第2支承体之间，连接所述第1支承体和所述第2支承体，
所述变形体包括：
第1突出体，其为板状，自所述第1支承体的朝向所述第2支承体的面朝向所述第2支承体突出；
第2突出体，其为板状，自所述第2支承体的朝向所述第1支承体的面朝向所述第1支承体突出；以及
延伸体，其为板状，与所述第1突出体的顶端和所述第2突出体的顶端连接，并沿所述旋转轴线的旋转方向延伸设置，
所述变形体配置在被所述第1支承体、所述第2支承体以及相邻的两个所述连接体包围的空间内，
在所述旋转方向上，所述第1突出体的宽度和所述第2突出体的宽度比所述连接体的宽度窄，
所述第1支承体、所述第2支承体、所述连接体、所述变形体以及所述检测体沿与所述旋转轴线正交的二维平面配置。
2.根据权利要求1所述的力矩传感器，其中，
所述检测体具有电容元件，所述电容元件由以相对的方式设于所述变形体和所述第1支承体的电极彼此和以相对的方式设于所述变形体和所述第2支承体的电极彼此中的任一者构成，所述检测体根据所述电容元件的特征值检测在所述变形体发生的弹性变形。
3.根据权利要求1所述的力矩传感器，其中，
所述检测体包括：
第1电极，其设于所述变形体；以及
第2电极，其以与所述第1电极相对的方式设于所述第1支承体。
4.根据权利要求1所述的力矩传感器，其中，
所述检测体包括：
第3电极，其设于所述变形体；以及
第4电极，其以与所述第3电极相对的方式设于所述第2支承体。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的力矩传感器，其中，
所述连接体在从与所述第1支承体的连接部分到与所述第2支承体的连接部分之间，具有所述旋转方向的宽度比其他部分的所述旋转方向的宽度窄的部分。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的力矩传感器，其中，
所述第1支承体、所述第2支承体、所述连接体以及所述变形体由相同的构件构成，
连接所述第1支承体和所述连接体的部分、连接所述第2支承体和所述连接体的部分、连接所述第1支承体和所述变形体的部分以及连接所述第2支承体和所述变形体的部分的各自的外缘形成为弧状。
7.根据权利要求1～4中任一项所述的力矩传感器，其中，
所述变形体包括：
第1变形体，其配置于二维正交坐标系的第1象限，所述二维正交坐标系与所述旋转轴线正交并将所述旋转轴线的位置作为原点；
第2变形体，其配置于所述二维正交坐标系的第2象限；
第3变形体，其配置于所述二维正交坐标系的第3象限；以及
第4变形体，其配置于所述二维正交坐标系的第4象限。
8.根据权利要求7所述的力矩传感器，其中，
所述检测体包括：
第1检测体，其用于检测所述第1变形体的弹性变形；
第2检测体，其用于检测所述第2变形体的弹性变形；
第3检测体，其用于检测所述第3变形体的弹性变形；以及
第4检测体，其用于检测所述第4变形体的弹性变形。
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