CN111684250B - 扭矩传感器 - Google Patents

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CN111684250B CN201980011549.1A CN201980011549A CN111684250B CN 111684250 B CN111684250 B CN 111684250B CN 201980011549 A CN201980011549 A CN 201980011549A CN 111684250 B CN111684250 B CN 111684250B
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Abstract

本发明提供一种扭矩传感器，其可以高精度地检测扭矩而不依赖结构体的加工精度或应变计对结构体的配置精度。第一结构体(11)和第二结构体(12)通过多个第三结构体(13)连接。第一应变传感器(19)和第二应变传感器(20)连接于第一结构体和第二结构体之间。第一应变传感器和第二应变传感器分别具备连接于第一结构体和第二结构体之间的应变体(41)、和设置于应变体的多个传感器元件(51、52、53、54)，其中多个传感器元件配置于比应变体的长边方向中央部更靠第一结构体和第二结构体中一侧的区域，该一侧的区域是应变体的扭矩方向的应变和扭矩以外的方向的应变的差较小的区域。

Description

扭矩传感器
技术领域
本发明的实施方式涉及一种设置于例如机械臂的关节的扭矩传感器。
背景技术
扭矩传感器具有施加了扭矩的第一结构体、输出扭矩的第二结构体、以及连结第一结构体和第二结构体的作为梁的多个应变部，在这些应变部配置有作为传感器元件的多个应变计。由这些应变计构成桥接电路(例如，参照专利文献1、2、3)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013－096735号公报
专利文献2：日本特开2015－049209号公报
专利文献3：日本特开2017－172983号公报
发明内容
发明所要解决的问题
扭矩传感器的桥接电路需要构成为对扭矩方向的力输出电压而不对扭矩以外的方向的力输出电压。但是，前提是准确地加工扭矩传感器的结构体，且将应变计准确地配置于结构体的规定位置，依赖结构体的加工精度或应变计对结构体的配置精度。
本实施方式提供一种扭矩传感器，其可以高精度地检测扭矩而不依赖结构体的加工精度或应变计对结构体的配置精度。
用于解决问题的技术方案
实施方式的扭矩传感器具备：第一结构体；第二结构体；多个将所述第一结构体和所述第二结构体连接的第三结构体；以及至少一个连接在所述第一结构体和所述第二结构体之间的应变传感器，所述应变传感器具备连接于所述第一结构体和所述第二结构体之间的应变体、和设置于所述应变体的多个传感器元件，其中多个所述传感器元件配置于比所述应变体的长边方向中央部更靠所述第一结构体和所述第二结构体中一侧的区域，所述一侧的区域是所述应变体的扭矩方向的应变和扭矩以外的方向的应变的差较小的区域。
发明效果
本发明的实施方式能够提供一种扭矩传感器，其可以高精度地检测扭矩而不依赖结构体的加工精度或应变计对结构体的配置精度。
附图说明
图1是表示应用了各实施方式的扭矩传感器的俯视图。
图2是表示除去图1的一部分的俯视图。
图3是表示第一实施方式的除去图2的一部分的俯视图。
图4是图3的立体图。
图5是放大表示图3中虚线所示的A部的俯视图。
图6A是表示用于说明对图5所示的扭矩传感器施加了扭矩(Mz)方向的力时的动作的俯视图。
图6B是表示用于说明对图5所示的扭矩传感器施加了扭矩以外(Fz、Mx)的方向的力时的动作的侧视图。
图7是表示图5所示的结构的立体图。
图8A是沿着图7所示的VIIIA－VIIIA线的剖视图，且是表示用于说明扭矩以外(Fz、Mx)的方向的截面惯性矩的图。
图8B是沿着图7所示的VIIIB－VIIIB线的剖视图，且是表示用于说明扭矩以外(Fz、Mx)的方向的截面惯性矩的图。
图8C是表示用于说明一般结构体的截面惯性矩的图。
图8D是表示用于说明与图8C不同的结构体的截面惯性矩的图。
图8E是表示用于说明图8A的扭矩(Mz)方向的截面惯性矩的图。
图8F是表示用于说明图8B的扭矩(Mz)方向的截面惯性矩的图。
图8G是表示用于说明与图8C、图8D不同的结构体的截面惯性矩的图。
图8H是表示用于说明结构体和应变体的位置关系的图。
图9是表示第一实施方式的比较例的扭矩传感器的俯视图。
图10A是表示用于说明对图9所示的扭矩传感器施加了扭矩(Mz)方向的力时的动作的俯视图。
图10B是表示用于说明对图9所示的扭矩传感器施加了扭矩以外(Fz、Mx)的方向的力时的动作的侧视图。
图11是表示对第一实施方式的扭矩传感器和比较例的扭矩传感器的各轴方向施加了相同力时的应变的图。
图12是表示第二实施方式的图，且是表示第一应变传感器和第二应变传感器的俯视图。
图13是表示第一应变传感器的桥接电路的一例的电路图。
图14是表示用于说明对第二实施方式的扭矩传感器施加了扭矩方向的力时和施加了扭矩方向以外的方向的力时的应变体的情形的图。
图15是概略表示第二实施方式的比较例的扭矩传感器的图。
图16是表示第三实施方式的图，且是放大表示图1的B所示的部分的俯视图。
图17A是表示挡件的动作的图，且是示意表示图16的一部分的图。
图17B是表示与图17A不同的挡件的动作的图，且是示意表示图16的一部分的图。
图18是表示用于说明施加于扭矩传感器的扭矩和挡件的动作的关系的图。
图19是表示应变计的应变和应力的关系的图。
图20是表示第三实施方式的第一变形例的图，且是放大表示一部分的俯视图。
图21是表示第三实施方式的第二变形例的俯视图。
具体实施方式
下面，参照附图对实施方式进行说明。在附图中，对相同部分标注相同标号。
图1中示出了应用了本实施方式的扭矩传感器10的一例。
在图1中，扭矩传感器10具备第一结构体11、第二结构体12、多个第三结构体13、第四结构体14、第五结构体15、挡件16、17及罩18。
第一结构体11和第二结构体12形成为环状，第二结构体12的直径小于第一结构体11的直径。第二结构体12与第一结构体11配置成同心状，第一结构体11和第二结构体12通过配置成放射状的多个作为梁部的第三结构体13连结。第二结构体12具有中空部12a，例如未图示的配线穿过中空部12a。
第一结构体11与例如被测量体连结，多个第三结构体13将扭矩从第一结构体11传递到第二结构体12。相反地，也可以将第二结构体12与被测量体连结，将扭矩从第二结构体12经由多个第三结构体13传递到第一结构体11。
第一结构体11、第二结构体12、多个第三结构体13由金属例如不锈钢构成，但只要相对于施加的扭矩可得到充分的机械强度，则也可以使用除金属外的材料。
图2中示出了拆下图1的挡件16、17后的状态。在第一结构体11和第二结构体12之间设置有第一应变传感器19、第二应变传感器20。即，如后述，第一应变传感器19和第二应变传感器20的一端部与第一结构体11接合，第一应变传感器19和第二应变传感器20的另一端部与第二结构体12接合。
另外，第一应变传感器19和第二应变传感器20配置在相对于第一结构体11及第二结构体12的中心(扭矩的作用中心)对称的位置。换言之，第一应变传感器19和第二应变传感器20配置于环状的第一结构体11及第二结构体12的直径上。
第一应变传感器19和第二应变传感器20的厚度即后述的应变体(起歪体)的厚度比第三结构体13的厚度薄。扭矩传感器10的机械强度根据第三结构体13的厚度或宽度而设定。在应变体上设置有作为传感器元件的多个应变计，由这些传感器元件构成桥接电路。
挡件16、17保护第一应变传感器19和第二应变传感器20的机械变形，并且具有作为第一应变传感器19和第二应变传感器20的罩的功能。后面描述挡件16、17的详情。
第一应变传感器19与柔性基板21连接，第二应变传感器20与柔性基板22连接。柔性基板21、22与由罩18覆盖的未图示的印刷基板连接。在印刷基板上配置有放大后述的桥接电路的输出电压的运算放大器等。因为电路的结构并非本实施方式的本质，所以省略说明。
(第一实施方式)
图3、图4是表示第一实施方式的图，从图1、图2中拆出第一应变传感器19和第二应变传感器20、柔性基板21、22及罩18等，仅示出了第一结构体11、第二结构体12、多个第三结构体13、第四结构体14、第五结构体15。
第一实施方式设为如下结构：在对扭矩传感器10施加扭矩方向Mz以外的方向特别是图示的箭头Fz方向、Mx方向的力时，应变并未集中在设置于第一应变传感器19及第二应变传感器20的应变体的作为传感器元件的多个应变计。
具体而言，在相对于第一结构体11及第二结构体12的中心对称的位置设置有第四结构体14和第五结构体15，第四结构体14具有从第一结构体11连续至第二结构体12的凹部14f，第五结构体15具有从第一结构体11连续至第二结构体12的凹部15f。如后述，第一应变传感器19配置于第四结构体14的凹部14f内，第二应变传感器20配置于第五结构体15的凹部15f内。
此外，第一实施方式中示出了具备第一应变传感器19和第二应变传感器这两个应变传感器的情况，但是应变传感器的数量也可以为三个以上。在该情况下，根据应变传感器的数量增加结构体的数量即可。
因为第四结构体14及第五结构体15的结构相同，所以仅对第四结构体14进行具体说明。
如图5所示，第四结构体14具有作为接合第一应变传感器19的接合部的第一连接部14a及第二连接部14b、作为梁的第三连接部14c及第四连接部14d、以及被第一连接部14a、第二连接部14b、第三连接部14c及第四连接部14d包围的开口部14e。
换言之，第四结构体14是具有设置于第一结构体11和第二结构体12之间的开口部14e的梁。
第一连接部14a从第一结构体11向第二结构体12侧延伸。第二连接部14b从第二结构体12向第一结构体11侧延伸。
作为梁的第三连接部14c及第四连接部14d设置于第一连接部14a和第二连接部14b之间。
第三连接部14c及第四连接部14d的长度L1比作为梁的第三结构体13的长度L2(也如图1所示)短。第三连接部14c及第四连接部14d的扭矩(Mz)方向的宽度W1比第一连接部14a及第二连接部14b的扭矩方向的宽度W2窄，第三连接部14c及第四连接部14d的宽度W1的合计比第三结构体13的扭矩(Mz)方向的宽度W3(如图1所示)窄。因此，第三连接部14c及第四连接部14d的扭矩方向的刚性低于第一连接部14a、第二连接部14b及第三结构体13的扭矩方向的刚性。
另外，第三连接部14c及第四连接部14d的Fz方向的厚度与第一结构体、第二结构体及第三结构体的Fz方向的厚度相等。而且，第一连接部14a的长度L11、第二连接部14b的长度L12、以及第三连接部14c及第四连接部14d的长度L1的合计与第三结构体13的长度相等。因此，第三连接部14c及第四连接部14d的Fz方向的刚性略小于第三结构体13的Fz方向的刚性。
即，如后述的图6A所示，在扭矩(Mz)方向上，第一连接部14a和第一结构体11构成高刚性部HS1，第二连接部14b和第二结构体12构成高刚性部HS2。而且，在扭矩(Mz)方向上，第三连接部14c构成低刚性部LS1，第四连接部14d构成低刚性部LS2。
此外，不限于使第一连接部14a的长度L11、第二连接部14b的长度L12、以及第三连接部14c及第四连接部14d的长度L1的合计与第三结构体13的长度相等的情况，它们也可以不相等。
第一连接部14a具有上述的凹部14f。凹部14f的部分厚度比第一至第三结构体11、12、13的厚度薄。
第一应变传感器19的一端部与第一连接部14a的凹部14f连接，另一端部与第二连接部14b的凹部14f连接。因此，第一应变传感器19横跨开口部14e。如后述，凹部14f的底部位于第四结构体14的厚度的中央以下，构成第一应变传感器19的应变体的表面与以下的面一致，该面包含由第一结构体11、第二结构体12、多个第三结构体13、第四结构体14及第五结构体15构成的结构体的重心。
图6A、图6B是示意性表示图5的图，图6A中示出了对扭矩传感器10施加了扭矩(Mz)方向的力的情况，图6B中示出了对扭矩传感器10施加了扭矩以外(Fz、Mx)的方向的力的情况。
如图6A所示，在对扭矩传感器10施加了扭矩(Mz)方向的力的情况下，通过作为低刚性部LS1、LS2的第三连接部14c和第四连接部14d变形，第一应变传感器19(第二应变传感器20)变形，可以检测扭矩。
另一方面，如图6B所示，在对扭矩传感器10施加了扭矩以外(Fz、Mx)的方向的力的情况下，即在第一结构体11相对于第二结构体12沿图示的箭头方向位移的情况下，第一连接部14a和第二连接部14b的刚性、和第三连接部14c和第四连接部14d的刚性大致相等。因此，第一连接部14a的长度L11和第二连接部14b的长度L12及第三连接部14c和第四连接部14d的长度L1的合计的长度L2作为有效长度发挥作用。因为长度L2比第三连接部14c和第四连接部14d的长度L1长，所以在施加了扭矩以外(Fz、Mx)的方向的力的情况下，第一应变传感器19(第二应变传感器20)在长度L2的范围内发生变形，能够使应变并不集中在设置于第一应变传感器19的应变体的作为传感器元件的多个应变计，可以防止第一应变传感器19(第二应变传感器20)的检测精度的降低。
图7是示意性表示第四结构体14的图。参照图7，对第四结构体14的截面惯性矩(容易变形)及第四结构体14(第五结构体15)所要求的条件进行说明。
固定第四结构体14的高刚性部HS2，以Js表示对高刚性部HS1施加了扭矩(Mz)方向的力时的截面惯性矩，以Jw表示对低刚性部LS1、LS2施加了扭矩(Mz)方向的力时的截面惯性矩，以Is表示对高刚性部HS1施加了扭矩以外(Fz)的方向的力时的截面惯性矩，以Iw表示对低刚性部LS1、LS2施加了扭矩以外(Fz)的方向的力时的截面惯性矩。
扭矩(Mz)方向的高刚性部HS1的截面惯性矩和低刚性部LS1、LS2的截面惯性矩的比由下式(1)表示。
Js/Jw…(1)
扭矩以外(Fz)的方向的高刚性部HS1的截面惯性矩和低刚性部LS1、LS2的截面惯性矩的比由下式(2)表示。
Is/Iw…(2)
如果式(1)(2)的值均为“1”，则高刚性部HS1和低刚性部LS1、LS2的截面惯性矩相等，变形并不集中于低刚性部LS1、LS2。式(1)(2)的值越大于“1”，变形越集中于低刚性部LS1、LS2。
在施加了扭矩(Mz)方向的力的情况下，使应变集中在设置于第一应变传感器19的应变体的作为传感器元件的多个应变计，在施加了扭矩以外(Fz、Mx)的方向的力的情况下，为了使应变的集中部位偏离应变计，理想的是，一变形集中度(α)接近1(α→1)，另一变形集中度(β)与变形集中度(α)相比非常大(β＞＞α)。
如果施加了扭矩(Mz)方向的力时的低刚性部LS1、LS2的变形集中度大于施加了扭矩以外(Fz)的方向的力时的低刚性部LS1、LS2的变形集中度，则对于扭矩方向的力容易变形，对于扭矩以外的方向的力难以变形。即，下式(3)所示的关系成立是对于第四结构体14(第五结构体15)所要求的条件。
Js/Jw＞Is/Iw…(3)
具体而言，图8A是沿着图7所示的VIIIA－VIIIA线的剖视图，且示出了高刚性部HS1的尺寸的一例。图8B是沿着图7所示的VIIIB－VIIIB线的剖视图，且示出了低刚性部LS1、LS2的尺寸的一例。
如图8A所示，在具有U字型截面的高刚性部HS1中，施加了扭矩以外(Fz)的方向的力时的关于轴N1－N1的截面惯性矩Is如下。在此，轴N1－N1是穿过高刚性部HS1的厚度方向的中心的轴。
如图8C所示，一般地，在具有L字型截面的结构体和具有U字型截面的结构体的尺寸满足b＝B－a、h＝e1－t的关系的情况下，具有L字型截面的结构体和具有U字型截面的结构体的截面惯性矩Is相同，由下式(4)表示。
Is＝(Be1 3－bh3+ae2 3)/3…(4)
在此，h＝e1－t，
e1＝(aH2+bt2)/(2(aH+bt))
e2＝H－e1
因此，通过式(4)可求出对图8A所示的高刚性部HS1施加了扭矩以外(Fz)的方向的力时的关于轴N1－N1的截面惯性矩Is。
此外，e1是由第一结构体11、第二结构体12、多个第三结构体13、第四结构体14及第五结构体15构成的作为弹性体的结构体的重心位置，且是结构体的厚度的一半。因此，对于厚度H＝12，e1≈6。因此，e2≈6。
将图8A所示的尺寸代入式(4)时，如下。
Is＝(Be1 3－bh3+ae2 3)/3
＝(14×63－8×(6－5.8)3+6×63)/3
＝1440
另外，如图8B所示，对具有长方形截面的低刚性部LS1、LS2施加了扭矩以外(Fz)的方向的力时的关于轴N2－N2的截面惯性矩Is如下。在此，轴N2－N2是穿过低刚性部LS1、LS2的厚度方向的中心的轴。
如图8D所示，一般地，具有长方形截面的结构体的截面惯性矩Iw’由下式(5)表示。
Iw’＝bh3/12…(5)
将图8B所示的尺寸代入式(5)时，如下。
Iw’＝2×123/12
＝288
因为图8B所示的低刚性部LS1、LS2具有两个长方形截面，所以关于轴N2－N2的扭矩以外(Fz)的方向的截面惯性矩Iw由下式(6)表示。
Iw＝2×Iw’…(6)
因此，关于轴N2－N2的扭矩以外(Fz)的方向的截面惯性矩Iw如下。
Iw＝576
另一方面，如图8E所示，在具有U字型截面的高刚性部HS1中，在施加了扭矩(Mz)方向的力时，关于轴N3－N3的截面惯性矩Js如下。在此，轴N3－N3是穿过高刚性部HS1的宽度方向的中心的轴。
如图8G所示，一般地，在具有I型截面的结构体和具有U字型截面的结构体的尺寸满足b＝B－a、h＝H－2t的关系的情况下，具有I字型截面的结构体和具有U字型截面的结构体的截面惯性矩相同，由下式(7)表示。
Js＝(BH3－bh3)/12…(7)
将图8A所示的尺寸代入式(7)时，如下。
Js＝(12×143－6.2×83)/12
＝2479
另外，如图8F所示，在具有长方形截面的低刚性部LS1、LS2中，在施加了扭矩(Mz)方向的力时，如使用图8D说明的那样，关于轴N4－N4的截面惯性矩Jw’由下式(8)表示。在此，轴N4－N4是穿过低刚性部LS1的宽度方向的中心的轴。
Jw’＝bh3/12…(8)
将图8B所示的尺寸代入式(8)时，如下。
Jw’＝12×23/12
＝8
因为图8F所示的低刚性部LS1、LS2具有两个长方形截面，所以关于轴N4－N4的扭矩(Mz)的方向的截面惯性矩Jw由下式(9)表示。
Jw＝2×Jw’…(9)
因此，关于轴N2－N2的扭矩以外(Fz)的方向的截面惯性矩Iw如下。
Jw＝16
将如上述求出的扭矩以外(Fz)的方向的截面惯性矩Is＝1440、Iw＝576、扭矩(Mz)方向的截面惯性矩Js＝2479、Jw＝16代入上述式(3)时，如下，可知满足式(3)的条件。
Js/Jw＞Is/Iw
2479/16＞1440/576
155＞2.5
因此，可知第四结构体14、第五结构体15对于扭矩(Mz)方向的力容易变形，对于扭矩以外(Fz)的方向的力难以变形。
图8H中示出了凹部14f和第一应变传感器19(应变体)的位置关系。如上述，凹部14f的底部位于第四结构体14的厚度的中央H/2以下。具体而言，因为使构成第一应变传感器19的应变体的表面位于包含由第一结构体11、第二结构体12、多个第三结构体13、第四结构体14及第五结构体15构成的结构体的重心的面CG，所以使凹部14f的底部位于比包含第四结构体14的重心的面CG低了应变体的厚度量的位置。该位置是中立面，不对应变体施加压缩力及拉伸力。因此，可以降低应变体的弯曲方向即扭矩以外(Fz)的方向的应变。
(第一实施方式的效果)
根据第一实施方式，设置第一应变传感器19的第四结构体14及设置第二应变传感器20的第五结构体15具备分别相对于扭矩(Mz)方向及扭矩以外(Fz、Mx)的方向的力作为高刚性部发挥作用的第一连接部14a及第二连接部14b、和相对于扭矩(Mz)方向的力作为低刚性部发挥作用且相对于扭矩以外(Fz、Mx)的方向的力作为高刚性部发挥作用的第三连接部14c及第四连接部14d。因此，能够防止由扭矩以外的方向的力产生的应变集中于第一应变传感器19及第二应变传感器20的应变计51、52、53、54。因此，能够降低施加于应变计51、52、53、54的应变的绝对量，能够大幅降低对第一应变传感器19及第二应变传感器20的扭矩以外的方向的力的检测电压。因此，可以提供一种扭矩传感器，其能够防止扭矩或扭矩以外的其它轴干扰并防止形状的大型化，且精度高。
下面，参照比较例对第一实施方式的效果进行具体说明。
图9中示出了扭矩传感器10的比较例。图9所示的扭矩传感器30的第一应变传感器19和第二应变传感器20的连接部的结构与第一实施方式所示的扭矩传感器10不同，其它结构与第一实施方式同样。
在扭矩传感器30中，第一应变传感器19和第二应变传感器20的一端部分别与设置于第一结构体11的突起11－1连接，另一端部分别与设置于第二结构体12的突起12－1连接。突起11－1、12－1具有与例如第一结构体11及第二结构体12相同的厚度。突起11－1和突起12－1的间隔与图5所示的第三连接部14c、第四连接部14d的长度L1相同。
就作为比较例的扭矩传感器30而言，仅第三结构体13相对于扭矩方向及扭矩以外的方向的力作为高刚性部发挥作用，就第一应变传感器19和第二应变传感器20而言，仅应变体设置于第一结构体11和第二结构体12之间。因此，即使在对扭矩传感器30施加了扭矩(Mz)方向的力时和施加了扭矩以外(Fz、Mx)的方向的力时的任一方向上，应变也会集中于在第一应变传感器19和第二应变传感器20的应变体上设置的应变计。
图10A、图10B是示意性表示图9的图，图10A中示出了对扭矩传感器30施加了扭矩(Mz)方向的力的情况，图10B中示出了对扭矩传感器30施加了扭矩以外(Fz、Mx)的方向的力的情况。
图11中示出了沿第一实施方式的扭矩传感器10和比较例的扭矩传感器30的各轴方向施加了相同力时的应变。
根据图11可知，第一实施方式的扭矩传感器10的情况下的对于扭矩(Mz)方向的力的应变大于比较例，对于扭矩以外(Fx、Fy、Fz、Mx、My)的方向的力的应变小于比较例。特别是，可知可以使对于Fz及Mx方向的力的应变格外小于比较例。因此，根据第一实施方式，能够降低对第一应变传感器19及第二应变传感器20施加扭矩以外的方向的力引起的应变，可以防止第一应变传感器19及第二应变传感器20的检测精度的降低。
另外，构成第一应变传感器19的应变体的表面位于包含由第一结构体11、第二结构体12、多个第三结构体13、第四结构体14及第五结构体15构成的结构体的重心的面CG。因此，可以降低应变体的弯曲方向、即扭矩以外(Fz)的方向的应变。
(第二实施方式)
图12中示出了第二实施方式。
如上述，第一应变传感器19设置于第四结构体14，第二应变传感器20设置于第五结构体15。因为第一应变传感器19及第二应变传感器20的结构相同，所以仅对第一应变传感器19的结构进行说明。
第一应变传感器19具备应变体41和配置于应变体41的表面的作为传感器元件的多个应变计51、52、53、54。
应变体41由矩形状的金属板例如不锈钢(SUS)构成。应变体41的厚度比第三结构体13的厚度薄。
应变计51、52、53、54由设置于应变体41上的例如Cr－N的薄膜电阻体构成。薄膜电阻体的材料不限于Cr－N。
应变体41的一端部与第一连接部14a连接，另一端部与第二连接部14b连接。应变体41和第一连接部14a及第二连接部14b的连接方法可以使用例如焊接、螺钉固定或利用粘接剂的连接方法。
就应变体41而言，例如焊接于第一连接部14a的部位和焊接于第二连接部14b的部位之间的部分作为实质的应变体发挥作用。因此，应变体41的有效长度相当于从连接于第一连接部14a的部位到连接于第二连接部14b的部位之间的长度。
多个应变计51、52、53、54在应变体41上配置于比应变体41的有效长度的中央部CT靠第二结构体12侧的区域AR1。该区域AR1是在开口部14e的范围内在应变体41上产生大应变的区域。如后述，该区域AR1是第一应变传感器19对扭矩以外的方向例如Fx、My方向的力的灵敏度和扭矩(Mz)方向上的第一应变传感器19的灵敏度相同的区域。
就应变计51、52、53、54而言，在区域AR1内，应变计51、52、53、54的长边方向沿着应变体41的两个对角线DG1、DG2配置。即，就应变计51、52而言，其长边方向沿着虚线所示的一对角线DG1配置，就应变计53、54而言，其长边方向沿着虚线所示的另一对角线DG2配置。对角线DG1、DG2与应变体41的位于开口部14e内的长方形区域对应。
第一应变传感器19的应变计51、52、53、54构成一个桥接电路，第二应变传感器20的应变计51、52、53、54也构成一个桥接电路。因此，扭矩传感器10具备两个桥接电路。
图13中示出了第一应变传感器19的桥接电路50的一例。第二应变传感器20也具备与桥接电路50同样结构的桥接电路。第一应变传感器19的桥接电路50的输出电压和第二应变传感器19的桥接电路50的输出电压分别使用未图示的例如软件，补偿偏移或温度等。之后，整合第一应变传感器19的桥接电路50的输出电压和第二应变传感器19的桥接电路50的输出电压，并作为扭矩传感器10的检测电压输出。偏移或温度等的补偿不限于软件，也可以由硬件进行。
桥接电路50将应变计52和应变计53的串联电路、和应变计54和应变计51的串联电路配置于电源Vo和接地GND之间。从应变计52和应变计53的连接节点输出输出电压Vout+，从应变计54和应变计51的连接节点输出输出电压Vout－。将输出电压Vout+及输出电压Vout－向运算放大器OP供给，从运算放大器OP的输出端输出输出电压Vout。
在对扭矩传感器10施加了扭矩(Mz)方向的力的情况下，根据桥接电路50的一连接节点的输出电压Vout+及另一连接节点的输出电压Vout-，可得到式(5)所示的扭矩传感器10的输出电压Vout。
Vout＝(Vout+－Vout-)
＝(R3/(R2+R3)－R1/(R1+R4))·Vo…(5)
在此，R1为应变计51的电阻值，R2为应变计52的电阻值，R3为应变计53的电阻值，R4为应变计54的电阻值。
在未对扭矩传感器10施加扭矩的状态下，理想的是R1＝R2＝R3＝R4＝R。但是，实际上，在电阻值存在偏差且未施加扭矩的状态下，输出伴随电阻值偏差的电压。该电压通过偏移调整而成为零。
另一方面，在对扭矩传感器10施加了扭矩以外的方向例如Fx、My方向的力的情况下，通过R1～R4的电阻值变化，从桥接电路50输出输出电压Vout。但是，第二应变传感器20的桥接电路50的输出电压输出与第一应变传感器19的桥接电路50的输出电压正负相反的电压。因此，各桥接电路50中的输出电压因为绝对值相同且正负不同而相互抵消，检测电压成为0V。
在作为传感器元件的应变计51、52、53、54在扭矩(Mz)方向和扭矩以外(Fx、My)的方向上为相同位移量的情况下，优选输出相同电压。因此，优选的是，应变计51、52、53、54配置于在扭矩(Mz)方向和扭矩以外(Fx、My)的方向上应变体41的应变相等的区域(测定灵敏度相等的区域)。
图14中示意性示出了对扭矩传感器10施加了扭矩(Mz)方向的力时和施加了扭矩以外(Fx、My)的方向的力时的应变体41的情形。
宏观观察设置于第一结构体11和第二结构体12之间的应变体41的动作时，可见即使在对扭矩传感器10施加了扭矩(Mz)方向的力的情况和施加了扭矩以外(Fx、My)的方向的力的情况中的任一情况下，也使应变体41在剪切方向上变化。
但是，微观观察设置于第一结构体11和第二结构体12之间的应变体41的动作时，在对扭矩传感器10施加了扭矩(Mz)方向的力的情况下，旋转力作用于应变体41。另一方面，在对扭矩传感器10施加了扭矩以外(Fx、My)的方向的力的情况下，平移力(並進力)作用于应变体41。因此，在施加了扭矩(Mz)方向的力的情况和施加了扭矩以外(Fx、My)的方向的力的情况下，应变体41的变形产生差异。
即，应变体41的第二结构体12侧的区域AR1的变形和应变体41的第一结构体11侧的区域AR2的变形产生差异。具体而言，在应变体41的区域AR1内施加了扭矩(Mz)方向的力时的应变体41的应变和施加了扭矩以外(Fx、My)的方向的力时的应变体41的应变的差小于在应变体41的区域AR2内施加了扭矩(Mz)方向的力时的应变体41的应变和施加了扭矩以外(Fx、My)的方向的力时的应变体41的应变的差。
即，就第二结构体12侧的区域AR1而言，施加了扭矩方向(Mz)的力时的应变体41的应变和施加了扭矩以外(Fx、My)的方向的力时的应变体41的应变的差小。
因此，在将多个应变计51、52、53、54配置于区域AR1的情况下，扭矩(Mz)的检测灵敏度和扭矩以外(Fx、My)的检测灵敏度的差低于1％。与此相对，在将多个应变计51、52、53、54配置于区域AR2的情况下，扭矩的检测灵敏度和扭矩以外的检测灵敏度的差为几个％。因此，优选的是，将多个应变计51、52、53、54配置于第二结构体12侧的区域AR1。
(第二实施方式的效果)
根据上述第二实施方式，第一应变传感器19和第二应变传感器20分别具备连接于第一结构体11和第二结构体12之间的应变体41、和设置于应变体41的作为传感器元件的多个应变计51、52、53、54，多个应变计51、52、53、54配置于比应变体41的长边方向中央部CT靠第二结构体12侧的区域AR1。应变体41的区域AR1是分别对第一应变传感器19和第二应变传感器20施加了扭矩方向的力时的应变(灵敏度)(a1、a2)和施加了扭矩以外的方向的力时的应变(灵敏度)(b1、b2)的差小的区域(a1≈b1、a2≈b2、a1≠a2)。因此，通过分别对第一应变传感器19和第二应变传感器20调整扭矩的灵敏度，能够防止扭矩的检测精度的降低而不依赖第一结构体11、第二结构体12、第三结构体13的加工精度或第一应变传感器19和第二应变传感器20相对于第一结构体11、第二结构体12的配置精度。
而且，就配置于应变体41的区域AR1的桥接电路50而言，因为对扭矩方向的力和扭矩以外的方向的力的检测灵敏度的差小，所以第一应变传感器19和第二应变传感器20的输出电压的误差也小。因此，在校正从两个桥接电路50输出的电压时，仅通过校正对于扭矩的检测误差，也就能够校正扭矩以外的检测误差。因此，因为无需为了检测扭矩以外(Fx、My)的方向的力而设置其它应变传感器，所以能够缩短校正时间，可以实现高速响应。
下面，对第二实施方式的效果进行具体说明。
图15中概略示出了比较例的扭矩传感器60。该扭矩传感器60在第一结构体11和第二结构体12之间具备第一应变传感器61和第二应变传感器62。第一应变传感器61和第二应变传感器62分别具有应变体63，在应变体63上分别配置有构成图13所示的桥接电路的多个应变计51、52、53、54。因为图15是概略图，所以省略第三结构体13。
在比较例中，应变计51、52、53、54的配置与第二实施方式不同。即，应变计52、53配置于应变体63的第一结构体11侧的区域，应变计51、54配置于应变体63的第二结构体12侧的区域。
在图15所示的结构的情况下，就配置于第一结构体11侧的区域的应变计52、53而言，在扭矩(Mz)方向和扭矩以外(Fx、My)的方向上，应变体63的应变不同。因此，施加了扭矩(Mz)方向的力时的第一应变传感器61的灵敏度和第二应变传感器62的灵敏度、和施加了扭矩以外(Fx、My)的方向的力时的第一应变传感器61的灵敏度和第二应变传感器62的灵敏度的差大。
具体而言，因为在对扭矩传感器60施加了扭矩以外(Fx、My)的方向的力的情况下，扭矩以外(Fx、My)的方向的灵敏度与扭矩(Mz)方向的灵敏度不同，所以第一应变传感器61的输出电压的值(正值)和第二应变传感器62的输出电压的值(负值)互不相同。因此，扭矩传感器60输出由第一应变传感器61和第二应变传感器62的平均值构成的误差。
另一方面，在第二实施方式的扭矩传感器10的情况下，在对扭矩传感器10施加了扭矩以外(Fx、My)的方向的力的情况下，扭矩以外(Fx、My)的方向的灵敏度与扭矩(Mz)方向的灵敏度一致。因此，第一应变传感器19的输出电压的值(正值)(Vout1)和第二应变传感器20的输出电压的值(负值)(－Vout2)大致相等(|Vout1|≈|－Vout2|)。因此，就扭矩传感器10的输出而言，第一应变传感器61和第二应变传感器62的输出电压相抵消，大致为0。因此，在第二实施方式的情况下，能够降低对扭矩以外(Fx、My)的方向的力的检测误差。
在比较例的扭矩传感器60的情况下，在扭矩(Mz)方向和扭矩以外(Fx、My)的方向上，第一应变传感器61和第二应变传感器62的输出电压的误差大(|Vout1|≠|－Vout2|)。因此，为了校正这些误差，需要进行修正扭矩方向的检测误差的校正和修正扭矩以外的方向的检测误差的校正。因此，比较例的扭矩传感器60需要另行设置包含用于检测扭矩以外的方向的力的应变计的桥接电路。因此，就比较例的扭矩传感器60而言，电路基板的大型化或软件需要的运算处理时间增加，调整作业比第二实施方式繁杂，响应性能降低。
另一方面，在第二实施方式的情况下，在扭矩(Mz)方向和扭矩以外(Fx、My)的方向上，第一应变传感器19和第二应变传感器20的输出电压几乎没有误差。因此，仅修正扭矩方向的检测误差即可。因此，能够缩短校正时间，可以提高扭矩传感器的响应性能。
另外，第二实施方式不限于扭矩传感器10的结构，应变计51、52、53、54可以配置于区域AR1。因此，即使将第二实施方式的配置用于例如图9所示的结构的扭矩传感器30中，也可得到与第二实施方式同样的效果。
(第三实施方式)
图16是表示第三实施方式的图，且放大示出了图1的B所示的部分。
如参照图2说明的那样，第一应变传感器19由挡件16覆盖，第二应变传感器20由挡件17覆盖。挡件16及挡件17由例如不锈钢或铁系合金形成。挡件16及挡件17防止第一应变传感器19和第二应变传感器20的机械变形，保护应变计51、52、53、54。而且，挡件16及挡件17兼任第一应变传感器19和第二应变传感器20的防水罩。省略具体防水结构的说明。
因为挡件16和挡件17的结构相同，所以仅对挡件16进行说明。
如图16所示，挡件16具有一端部16a和另一端部16b，挡件16的另一端部16b的宽度比一端部16a的宽度窄。挡件16的一端部16a例如压入并固定在形成于第四结构体14的第二结构体12侧的作为卡合部的凹部14f内。挡件16的另一端部16b配置于形成在第四结构体14的第一结构体11侧的凹部14f内。挡件16的另一端部16b的宽度比设置于第一结构体11侧的凹部14f的宽度窄，间隙GP分别设置于挡件16的另一端部16b的两侧和凹部14f的侧面之间。
间隙GP根据第三结构体13的刚性和额定扭矩而定。
具体而言，在对扭矩传感器10施加了例如1000N·m的扭矩的情况下，在第一结构体11相对于第二结构体12变形例如10μm的情况下，将间隙GP设定为例如10μm。
图17A、图17B是表示挡件的动作的图，且示意性示出了图16的一部分。
如图17A所示，在未对扭矩传感器10施加扭矩的情况下，在挡件16的另一端部16b的两侧和凹部14f之间分别设置有预先确定的间隙GP。在该状态下，在对扭矩传感器10施加了额定扭矩以下的扭矩的情况下，第一结构体11相对于第二结构体12移动，输出与从第一应变传感器19施加的扭矩对应的电压。去除对扭矩传感器10施加的扭矩时，第一应变传感器19通过弹性变形而复位。
另一方面，如图17B所示，在对扭矩传感器10施加了大于额定扭矩的扭矩的情况下，第一结构体11的凹部14f的侧面与挡件16的另一端部16b抵接，限制第一结构体11相对于第二结构体12的移动。因此，在弹性变形的范围内保护第一应变传感器19。去除对扭矩传感器10施加的扭矩时，第一应变传感器19通过弹性变形而复位。第二应变传感器20也由同样的结构保护。
图18是表示用于说明作为施加于扭矩传感器10的负荷的扭矩和挡件16的动作的关系的图，且概略示出了施加于扭矩传感器10的扭矩和检测到的应变(桥接电路50的输出电压)的关系。
如图18所示，在对扭矩传感器10施加了额定扭矩以下的扭矩的情况下，就第一应变传感器19(第二应变传感器20)的应变体41而言，第一结构体11相对于第二结构体12移动，从第一应变传感器19(第二应变传感器20)输出与施加的扭矩对应的电压。
另一方面，对扭矩传感器10施加大于额定扭矩的扭矩时，凹部14f的侧面与挡件16抵接，通过挡件16(挡件17)的刚性抑制多个第三结构体13的变形，随之抑制应变体41的变形。即，挡件16的动作点Op设定为与扭矩传感器10的额定扭矩相等，挡件16对于大于额定扭矩的扭矩，保护应变体41。
(第三实施方式的效果)
根据上述第三实施方式，将作为罩的挡件16设置于第一应变传感器19及第二应变传感器20，挡件16的一端部16a固定于第二结构体12侧的凹部14f内，在对扭矩传感器10施加了大于额定扭矩的扭矩的情况下，另一端部16b与第一结构体11侧的凹部14f的侧面抵接。因此，可以保护第一应变传感器19及第二应变传感器20。而且，与第一应变传感器19及第二应变传感器20同样，也保护除第一应变传感器19及第二应变传感器20外的结构体免于塑性变形等。
而且，可以使扭矩传感器10的额定扭矩接近应变计的0.2％屈服强度。因此，能够增大额定扭矩下的桥接电路50的输出电压。因此，可以提供一种高分辨率且高精度的扭矩传感器。
图19是表示应变计的应变和应力的关系的图，且示出了第三实施方式的扭矩传感器的额定扭矩和作为比较例的不具有挡件16及挡件17的扭矩传感器的额定扭矩。
在作为比较例的不具有挡件16及挡件17的一般扭矩传感器的情况下，将应变计设计成对冲击或疲劳的安全率设定为3至5左右。在以安全率为例如3的情况下，将应变计的应力设定为0.2％屈服强度的1/3。因此，将额定扭矩也设定为破坏扭矩的1/3。
与此相对，在第三实施方式的情况下，因为由挡件16及挡件17保护第一应变传感器19及第二应变传感器20，所以无需将应变计的安全率设定为1以上。因此，可以将应变计的额定扭矩设定为大于不具有挡件16及挡件17的一般扭矩传感器。因此，可以提供一种高分辨率且高精度的扭矩传感器。
而且，通过提高挡件16的刚性，可以提供一种高允许负荷(高最大扭矩)的扭矩传感器。
(变形例)
图20是表示第三实施方式的第一变形例的图。在第三实施方式中，挡件16通过另一端部16b与第一结构体11侧的凹部14f的侧面抵接，保护第一应变传感器19。
在第一变形例中，挡件16的另一端部16b具有开口部16b－1，在第四结构体14的第一结构体11侧设置有插入开口部16b－1内的突起14g。在开口部16b－1和突起14g之间设置有间隙GP1。间隙GP1的尺寸为例如间隙GP的尺寸以下。因此，在对扭矩传感器10施加大于允许扭矩的扭矩的情况下，通过突起14g与挡件16的开口部16b－1抵接，能够保护第一应变传感器19。
第二应变传感器20的挡件17也具备与挡件16同样的结构。
即使通过上述第一变形例，也可得到与第三实施方式同样的效果。而且，根据第一变形例，通过突起14g与挡件16的开口部16b－1抵接，可以进一步保护第一应变传感器19(第二应变传感器20)。
图21中示出了第三实施方式的第二变形例。
第三实施方式具备挡件16和挡件17，与此相对，第二变形例还具备四个挡件16－1、16－2、17－1、17－2。挡件16－1、16－2、17－1、17－2的结构与挡件16和挡件17同样。
即使通过第二变形例，也可得到与第三实施方式同样的效果。而且，根据第二变形例，因为挡件的数量比第三实施方式多，所以可以进一步保护第一应变传感器19、第二应变传感器20。
另外，本发明不限于上述各实施方式，在实施阶段，在不脱离其主旨的范围内可以使构成要素变形而具体化。另外，通过上述各实施方式中公开的多个构成要素的适当组合，可以形成各种发明。例如，也可以从实施方式所示的全部构成要素中删除几个构成要素。而且，也可以将不同的实施方式的构成要素适当地组合。
产业上的可利用性
本实施方式的扭矩传感器适用于例如机械臂的关节。
符号说明
10扭矩传感器、11第一结构体、12第二结构体、13第三结构体、14第四结构体、14a第一连接部、14b第二连接部、14c第三连接部、14d第四连接部、14e开口部、14f凹部(卡合部)、14g突起、15第五结构体、16、16－1、16－2挡件、16b－1开口部、17、17－1、17－2挡件、19第一应变传感器、20第二应变传感器、41应变体、GP、GP1间隙、51、52、53、54作为传感器元件的应变计。

Claims (5)

1.一种扭矩传感器，其特征在于，具备：
第一结构体；
第二结构体；
多个第三结构体，所述第三结构体将所述第一结构体和所述第二结构体连接；以及
至少一个应变传感器，所述应变传感器连接在所述第一结构体和所述第二结构体之间，
其中，所述应变传感器具备连接于所述第一结构体和所述第二结构体之间且具有与所述第一结构体的平面和所述第二结构体的平面平行的表面的矩形状应变体、和设置于所述矩形状应变体的所述表面的多个传感器元件，多个所述传感器元件配置于比所述矩形状应变体的长边方向中央部更靠所述第一结构体和所述第二结构体中一侧的区域，所述一侧的区域是所述矩形状应变体的对于扭矩方向的力的应变和所述矩形状应变体的对于扭矩以外的方向的力的应变相等的区域，所述扭矩方向是指绕z轴的扭矩方向，所述扭矩以外的方向是指x轴力方向和绕y轴的扭矩方向。
2.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其特征在于，
所述第一结构体为环状，所述第二结构体为环状，
所述第二结构体呈同心状配置于所述第一结构体的内侧，
设置于所述应变传感器的所述矩形状应变体的多个所述传感器元件配置于比所述矩形状应变体的长边方向中央部更靠所述第二结构体侧的区域。
3.根据权利要求1或2所述的扭矩传感器，其特征在于，
所述应变传感器具备包含有多个所述传感器元件的桥接电路。
4.根据权利要求2所述的扭矩传感器，其特征在于，
至少一个所述应变传感器设置于相对于所述第一结构体及所述第二结构体的中心对称的位置。
5.根据权利要求2所述的扭矩传感器，其特征在于，
第四结构体是具有设置于所述第一结构体和所述第二结构体之间的开口部的梁且具有从所述第一结构体连续至所述第二结构体的凹部，所述应变传感器配置于所述第四结构体的所述凹部内，
所述多个传感器元件沿着所述矩形状应变体的位于所述开口部内的长方形区域的对角线配置。
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