CN114303046A - 应变传感器的固定装置和使用该固定装置的扭矩传感器 - Google Patents

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CN114303046A
CN114303046A CN202080060759.2A CN202080060759A CN114303046A CN 114303046 A CN114303046 A CN 114303046A CN 202080060759 A CN202080060759 A CN 202080060759A CN 114303046 A CN114303046 A CN 114303046A
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井口贵敏
远藤嵩幸
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Abstract

固定部件(41)具备第一边(41c)、平行于第一边的第二边(41d)、以及设置于第一边和第二边之间且具有开口部(41f)的面(41b)。面设置于与连结第一边和第二边的线分离开的位置，第一边(41c)与第一结构体(11)线接触或点接触，第二边(41d)与应变发生体(21)的设置于第一结构体(11)上的端部进行线接触，该应变发生体(21)构成应变传感器。螺丝(42)被插入开口部(41f)，与第一结构体(11)螺合。

Description

应变传感器的固定装置和使用该固定装置的扭矩传感器
技术领域
本发明的实施方式涉及例如设置于机械臂的关节的应变传感器的固定装置和使用该固定装置的扭矩传感器。
背景技术
扭矩传感器具有被施加扭矩的第一结构体、输出扭矩的第二结构体、以及将第一结构体和第二结构体连结的作为梁的多个应变发生部，在这些应变发生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(参照例如专利文献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
一般而言，应变传感器在金属制的应变发生体上设置有多个作为传感器元件的应变计。作为将该应变传感器固定于扭矩传感器的方法，有例如使用焊接的方法、使用粘接剂的方法、使用多个螺丝的方法。
但是，在通过焊接将应变传感器固定于结构体的情况下，会伴随焊接导致的应变发生体的温度的急剧上升。因此，应变发生体及应变计的组成或形状等发生变化，可能对应变传感器的性能造成影响。
另外，在使用粘接剂将应变传感器固定于结构体的情况下，低刚性的粘接剂会介于应变发生体和结构体之间。因此，结构体的变形不会直接传递到应变发生体，应变传感器的灵敏度可能降低。
另一方面，在使用螺丝将应变传感器固定于结构体的情况下，通过在应变发生体上设置按压部件，并且利用螺丝将按压部件紧固到结构体上，由此，应变发生体通过按压部件固定于结构体。在这种结构的情况下，按压部件和应变发生体进行面接触，因此，按压部件需要对应变发生体保持高的按压力。为了保持高的按压力，需要实现按压部件的大型化及高刚性化、螺丝的大型化及螺丝的数量的增加。因此，难以实现设置有按压部件或螺丝的扭矩传感器的小型、薄型化。
本实施方式提供一种应变传感器的固定装置和使用该固定装置的扭矩传感器，能够防止传感器性能的降低及装置结构的大型化，将应变传感器可靠地固定于结构体。
用于解决问题的技术方案
实施方式的应变传感器的固定装置具备：固定部件，其具备第一边、平行于所述第一边的第二边、以及设置于所述第一边和所述第二边之间且包含开口部的面，所述面设置于与连结所述第一边和所述第二边的线分离开的位置，所述第一边与第一结构体接触，所述第二边与构成应变传感器的应变发生体的设置于所述第一结构体上的端部进行线接触；和螺丝，其被插入所述开口部，与所述第一结构体螺合。
实施方式的扭矩传感器具备：第一结构体；第二结构体；多个第三结构体，它们将所述第一结构体和所述第二结构体连接；应变发生体，其设置于所述第一结构体和所述第二结构体之间，构成应变传感器；第一固定装置，其设置于所述第一结构体，将所述应变发生体的第一端部固定于所述第一结构体；第二固定装置，其设置于所述第二结构体，将所述应变发生体的第二端部固定于所述第二结构体，其中，所述第一固定装置及所述第二固定装置各自具备：固定部件，其具备第一边、平行于所述第一边的第二边、以及设置于所述第一边和所述第二边之间且包含开口部的面，所述面设置于与连结所述第一边和所述第二边的线分离开的位置，所述第一边与第一结构体接触，所述第二边与构成应变传感器的应变发生体的设置于所述第一结构体上的端部进行线接触；以及螺丝，其被插入所述开口部，与所述第一结构体螺合。
附图说明
图1是表示应用了本实施方式的扭矩传感器的立体图。
图2是将图1的一部分除去而显示的俯视图。
图3是将图2所示的应变传感器的安装部取出并放大表示的立体图。
图4是将图2的一部分取出并放大表示的俯视图。
图5是沿着图4的V－V线的剖视图。
图6是将图3所示的作为固定部件的固定板放大表示的立体图。
图7是表示固定板的第一变形例的剖视图。
图8是表示固定板的第二变形例的剖视图。
图9是表示固定板的第三变形例的立体图。
图10是表示固定板和应变发生体的宽度的一例的俯视图。
图11是表示固定板和应变发生体的宽度的另一例的俯视图。
具体实施方式
以下，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、图2表示应用了本实施方式的扭矩传感器10的一例。扭矩传感器10的结构不限于此，本实施方式可以应用于各种结构的扭矩传感器。另外，不限于扭矩传感器，也可以将本实施方式应用于使用应变计的力传感器等。
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、多个防水用端盖14、壳体15、衬套16、电缆17。
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。第三结构体13的数量例如为8个，8个第三结构体13等间隔地配置。第三结构体13的数量并不限定为8个。
第一结构体11与例如被测量体连结，第二结构体12与未图示的其他结构体连接，多个第三结构体13将扭矩(图2所示的转矩(Mz))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，将第一结构体11与未图示的其他结构体连接，将扭矩经由多个第三结构体13从第二结构体12传递到第一结构体11。
此外，在力传感器的情况下，第一结构体11、第二结构体12、第三结构体13三维变形，关于图2所示的正交的3轴(x，y，z)，对于力(Fx，Fy，Fz)和转矩(Mx，My，Mz)进行检测。
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，但只要能够相对于所施加的扭矩获得充分的机械强度，则也可以使用金属以外的材料。
如图2所示，与各第三结构体13对应地配置有后述的应变传感器20，各应变传感器20由端盖14覆盖。在图2中，一个端盖14被取下，使应变传感器20露出。在本实施方式中，应变传感器20的数量与第三结构体13的数量相同，但不限于此，应变传感器20的数量也可以比第三结构体13的数量少。
各应变传感器20的结构相同。应变传感器20设置于第一结构体11和第二结构体12之间。即，如后述，应变传感器20的一端部与第一结构体11接合，应变传感器20的另一端部与第二结构体12接合。
第二结构体12具有中空部12a，壳体15安装于中空部12a的周围的第二结构体12。在壳体15的内部设置有未图示的处理电路，该处理电路处理从应变传感器20供给的电信号，生成作为传感器信号的扭矩的检测信号。
在壳体15的一部分设置有保持电缆17的衬套16。电缆17的未图示的一端与壳体15内的处理电路连接，电缆17的另一端被插入例如中空部12a。电缆17将电源从外部向处理电路供给，或者将由处理电路处理的传感器信号输出到外部。处理电路的结构并非本实施方式的本质，因此省略说明。
图3、图4、图5表示应变传感器20及应变传感器20的安装结构。
图3表示应变传感器20的安装部的结构。在第一结构体11、第二结构体12、多个第三结构体13上一体形成有凹部30。在凹部30的底部，在与第一结构体11对应的部分设置有第一底部31a和比第一底部31a低的第二底部32a。如图5所示，第一底部31a和第二底部32a的深度之差与应变发生体21的厚度大致相等。
在凹部30的底部，在与第二结构体12对应的部分也设置有第一底部31b和比第一底部31b低的第二底部32b。第一底部31b和第二底部32b的深度之差也与应变发生体21的厚度大致相等。
在凹部30的底部，在与第三结构体13对应的部分设置有比第二底部32a、32b低的第三底部33。
在与第一结构体11对应的第二底部32a的大致中央部设置有开口部34a，在该开口部34a内设置有螺纹。在与第二结构体12对应的第二底部32b的大致中央部也设置有开口部34b，在该开口部34b的内部设置有螺纹。
如图4所示，应变传感器20在凹部30内设置于第一结构体11和第二结构体12之间。应变传感器20具备例如金属制的应变发生体21、和配置于应变发生体21的一表面的作为传感器元件的多个应变计22。
应变计22例如为薄膜电阻元件，电阻值伴随应变发生体21的变形而变化。多个应变计22构成未图示的桥接电路，通过桥接电路检测电阻值的变化作为电信号。多个应变计22与设置于应变发生体21的中央部的柔性基板23(如图2、图5所示)的一端部连接。柔性基板23的另一端部与壳体15内的处理电路连接。从桥接电路输出的电信号经由柔性基板23向处理电路供给，在处理电路中生成作为传感器信号的扭矩的检测信号。
应变发生体21例如为矩形状，应变发生体21的长度比第三底部33的长度长。应变发生体21在配置于凹部30内的状态下，通过固定装置40a和固定装置40b固定于第一结构体11及第二结构体12。
具体而言，如图5所示，应变发生体21的第一端部载置于第一结构体11的第二底部32a上，应变发生体21的第二端部载置于第二结构体12的第二底部32b上。即，应变发生体21配置于第一结构体11的第二底部32a的开口部34a和第二结构体12的第二底部32b的开口部34b之间。
应变发生体21的第一端部通过配置于凹部30的与第一结构体11对应的部分的固定装置40a固定于第一结构体11，应变发生体21的第二端部通过配置于凹部30的与第二结构体12对应的部分的固定装置40b固定于第二结构体12。
固定装置40a和固定装置40b为相同结构，固定装置40a和固定装置40b分别具备作为固定部件的固定板41和螺丝42。在固定装置40a中，固定板41通过与开口部34a螺合的螺丝42安装于第一结构体11。在固定装置40b中，固定板41通过与开口部34b螺合的螺丝42安装于第二结构体12。
螺丝42被从固定板41的上侧插入，与第一结构体11的开口部34a或第二结构体12的开口部34b螺合。
如果将固定装置40a的螺丝42拧紧，则应变发生体21的第一端部通过固定板41固定于第一结构体11，如果将固定装置40b的螺丝42拧紧，则应变发生体21的第二端部通过固定板41固定于第二结构体12。
(固定板的结构)
图6表示本实施方式的固定板41的一形态。
固定板41由例如与第一结构体11同样的金属构成，但不限于此，也可以由其他材料构成。
固定板41具有例如长方体的主体41a。固定板41和主体41a相同，固定板41也简称为主体41a。沿着主体41a的例如底面41b的第一边设置有第一突起41c，沿着平行于第一边的第二边设置有第二突起41d。第一突起41c及第二突起41d为直线状，相互从底面41b向同一方向突出。因此，底面41b配置于与连结第一突起41c和第二突起41d的线分离开的位置。而且，主体41a具有从表面41e贯通至底面41b的开口部41f。
固定板41的宽度W1比凹部30的宽度W2(如图4所示)窄，固定板41的长度L1比凹部30的与第一结构体11对应的部分的长度L2(如图4所示)或凹部30的与第二结构体12对应的部分的长度L3短。在此，L2和L3的关系例如为L2＜L3，但不限于此。即，固定板41的长度只要为螺丝42被拧紧时固定板41能够与第一底部31a和应变发生体21的第一端部接触，或者能够与第一底部31b和应变发生体21的第二端部接触的长度即可。
具体而言，如图4、图5所示，在两个固定板41被插入凹部30的与第一结构体11对应的部分及与第二结构体12对应的部分的状态下，各固定板41的第一突起41c能够与第一底部31a或第一底部31b线接触，第二突起41d能够与应变发生体21的第一端部或第二端部进行线接触即可。
这样，在两个固定板41被插入凹部30中的状态下，通过将螺丝42插入各固定板41的开口部41f而与第一结构体11的开口部34a或第二结构体12的开口部34b螺合，使固定板41的第一突起41c与第一底部31a或第一底部31b线接触，第二突起41d与应变发生体21的第一端部或第二端部线接触。
此外，如图6所示，固定板41的第一突起41c为直线状，第一突起41c与第一底部31b线接触。但不限于此，例如，如图6中虚线所示，也可以使第一突起41c为点状的突起，第一突起41c与第一底部31b点接触。点状的第一突起41c设置于第一边的大致中央部，但也可以在例如第一边的两端设置两个第一突起。或者，也可以在第一边的中央部和两端部设置三个第一突起。
另外，固定板41具有第一突起41c及第二突起41d。但是，也可以是，固定板41仅具备第二突起41d，第一结构体11及第二结构体12具备取代了第一突起41c的突起。
具体而言，如图5的虚线内所示，固定板41的第一边并不具备第一突起41c，而是与底面41b同样为扁平。代替地，在第一结构体11的第一底部31a设置突起35a。突起35a与固定板41的第一边进行线接触。第二结构体12侧也可以为同样的结构。
突起35a的形状优选为与第二突起41d平行的直线状。但是，也可以与图6所示的例子同样为点状，在该情况下，点状的突起35a的数量也可以为一个以上。
(实施方式的效果)
根据上述实施方式，固定板41具有第一突起41c和第二突起41d，通过将螺丝42拧紧，使第一突起41c与第一底部31a或第一底部31b线接触，第二突起41d与应变发生体21的第一端部或第二端部线接触。因此，与例如应变发生体和固定板进行面接触的情况相比，可以以高的压力将应变发生体21相对于第一结构体11、第二结构体12固定。因此，能够降低应变发生体21相对于第一结构体11及第二结构体12的固定强度的偏差，能够防止传感器性能的降低。
而且，根据使用本实施方式的固定板41的固定方法，仅通过使固定板41的第二突起41d与应变发生体21线接触，就能够使应变发生体21固定于第一结构体11和第二结构体12。因此，如通过例如焊接将应变发生体21固定于第一结构体11及第二结构体12的情况那样，能够防止相对于应变发生体21及应变计的热变形。另外，如以粘接剂固定应变发生体21的情况那样，低刚性部并未介于以下两者之间：应变发生体21；和第一结构体11及第二结构体12。因此，根据使用本实施方式的固定板41的固定方法，能够将施加于第一结构体及第二结构体12的力可靠地传递到应变发生体21，能够提高传感器的性能。
而且，固定装置40a、40b由一个固定板41和一个螺丝42构成。因此，零件数量少，能够防止固定装置40a、40b的大型化及扭矩传感器10的大型化。
而且，固定装置40a、40b由一个固定板41和一个螺丝42构成，因此，固定装置40a、40b的组装容易。
另外，螺丝42被从固定板41的上侧插入而与第一结构体11的开口部34a或第二结构体12的开口部34b螺合。因此，与例如将螺丝42从第一结构体11的开口部34a或第二结构体12的开口部34b侧插入而与固定板41螺合的情况相比，能够使组装作业容易化。
(固定板的变形例)
(第一变形例)
图7表示固定板的第一变形例。在图6所示的实施方式的情况下，主体41a在扁平的底面41b设置第一突起41c和第二突起41d。
与此相对，在第一变形例中，固定板51的例如长方体形状的主体51a具有弯曲的底面51b，底面51b的第一边作为第一突起51c发挥作用，平行于第一边的第二边作为第二突起51d发挥作用。因此，弯曲的底面51b配置于与连结第一突起51c和第二突起51d的线分离开的位置。在底面51b的中央部设置有与表面51e贯通的开口部51f。
通过上述第一变形例，也能得到与上述实施方式同样的效果。而且，根据第二变形例，主体51a的底面51b被弯曲，因此，固定板51的弹性提高。因此，通过固定板51能够可靠地固定应变发生体21。
而且，根据第一变形例，仅通过将主体51a的底面加工成弯曲，就能形成第一突起51c和第二突起51d，因此，能够使制造容易化。
(第二变形例)
图8表示固定板的第二变形例。在图7所示的第一变形例中，主体51a具有弯曲的底面51b。
与此相对，在第二变形例中，固定板61的例如长方体形状的主体61a整体被弯曲。因此，具有弯曲的底面61b，底面61b的第一边作为第一突起61c发挥作用，平行于第一边的第二边作为第二突起61d发挥作用。因此，弯曲的底面61b配置于与连结第一突起61c和第二突起61d的线分离开的位置。在底面61b的中央部设置有与表面61e贯通的开口部61f。
通过上述第二变形例，也能得到与上述实施方式同样的效果。而且，根据第二变形例，主体61a的整体被弯曲，因此，固定板61的弹性提高。因此，通过固定板61能够更加可靠地固定应变发生体21。
而且，根据第二变形例，仅通过将主体61a加工成弯曲，就能形成第一突起61c和第二突起61d，因此，能够使制造容易化。
(第三变形例)
图9表示固定板的第三变形例。就上述实施方式及各变形例而言，在固定板的主体上，在两个边上设置有突起。
与此相对，在图9所示的第三变形例中，固定板71的主体71a例如为长方体，沿着主体71a的底面71b的四个边设置有突起71c。即，突起71c设置于底面71b的周围。
通过上述第三变形例，也能得到与上述实施方式同样的效果。而且，通过在底面71b的周围设置突起71c，能够提高固定板71的刚性，能够更加可靠地固定应变发生体21。
而且，虽然对固定板71的主体71a的形状为长方体，底面71b的形状为长方形的情况进行了说明，但也可以将固定板71的主体71a的形状设为立方体、底面71b的形状设为正方形。在该情况下，无论使用四个边中哪两个平行的边，都能固定应变发生体21。因此，由于无需考虑固定板71相对于凹部30a的方向，所以能够使组装作业简单化。
此外，在第一变形例及第二变形例中，也可以在主体的周围设置突起。
(应变发生体的变形例)
如图10所示，在上述实施方式中，应变发生体21的宽度W3比固定板41的宽度W1窄。
但是，如图11所示，也可以使应变发生体21的宽度与固定板41的宽度W1相等。
这样，在使应变发生体21的宽度与固定板41的宽度W1相等的情况下，固定板41和应变发生体21的对位(位置合わせ)容易，能够使用于将固定板41和应变发生体21对位的夹具的结构简单化，能够提高作业效率。
另外，本发明不直接限定于上述各实施方式，在实施阶段，在不脱离其主旨的范围内可以将构成要素变形而具体化。另外，可以由上述各实施方式中公开的多个构成要素的适当的组合形成各种发明。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，也可以将不同实施方式中的构成要素适当地组合。

Claims (21)

1.一种应变传感器的固定装置，包括：
固定部件，其具备第一边、平行于所述第一边的第二边、以及设置于所述第一边和所述第二边之间且包含开口部的面，所述面设置于与连结所述第一边和所述第二边的线分离开的位置，所述第一边与第一结构体接触，所述第二边与应变发生体的设置于所述第一结构体上的端部进行线接触，该应变发生体构成应变传感器；以及
螺丝，其被插入所述开口部，与所述第一结构体螺合。
2.一种应变传感器的固定装置，包括：
固定部件，其具备第一边、平行于所述第一边的第二边、以及设置于所述第一边和所述第二边之间且包含开口部的面，所述面设置于与连结所述第一边和所述第二边的线分离开的位置，所述第一边与第一结构体进行线接触或点接触，所述第二边与应变发生体的设置于所述第一结构体上的端部进行线接触，该应变发生体构成应变传感器。
3.根据权利要求1或2所述的应变传感器的固定装置，其特征在于，
所述固定部件具备：
扁平的面，其设置于所述第一边和所述第二边之间，包含所述开口部；
第一突起，其沿着所述第一边设置；以及
第二突起，其沿着所述第二边设置，与所述第一突起向相同的方向突出。
4.根据权利要求1或2所述的应变传感器的固定装置，其特征在于，
所述固定部件具有弯曲的面，该弯曲的面设置于所述第一边和所述第二边之间，包含所述开口部。
5.根据权利要求1或2所述的应变传感器的固定装置，其特征在于，所述固定部件整体被弯曲。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的应变传感器的固定装置，其特征在于，
所述固定部件具有连结所述第一边及所述第二边的第三边及第四边，所述面与连结所述第一边至所述第四边的线分离开。
7.根据权利要求1所述的应变传感器的固定装置，其特征在于，
所述螺丝从所述固定部件的与所述第一结构体相反的一侧被插入所述开口部。
8.根据权利要求1或2所述的应变传感器的固定装置，其特征在于，
所述固定部件的所述第二边的长度比所述应变发生体的宽度长。
9.根据权利要求1或2所述的应变传感器的固定装置，其特征在于，
所述固定部件的所述第二边的长度与所述应变发生体的宽度相等。
10.根据权利要求1或2所述的应变传感器的固定装置，其特征在于，
所述第一边在一部分具备第一突起，所述第一突起与所述第一结构体点接触。
11.根据权利要求1或2所述的应变传感器的固定装置，其特征在于，
所述固定部件的所述第一边为扁平，与设置于所述第一结构体的突起进行线接触或点接触。
12.一种扭矩传感器，其特征在于，包括：
第一结构体；
第二结构体；
多个第三结构体，它们将所述第一结构体和所述第二结构体连接；
应变发生体，其设置于所述第一结构体和所述第二结构体之间，构成应变传感器；
第一固定装置，其设置于所述第一结构体，将所述应变发生体的第一端部固定于所述第一结构体；以及
第二固定装置，其设置于所述第二结构体，将所述应变发生体的第二端部固定于所述第二结构体，
其中，所述第一固定装置及所述第二固定装置各自具备：
固定部件，其具备第一边、平行于所述第一边的第二边、以及设置于所述第一边和所述第二边之间且包含开口部的面，所述面设置于与连结所述第一边和所述第二边的线分离开的位置，所述第一边与所述第一结构体接触，所述第二边与所述应变发生体的设置于所述第一结构体上的端部进行线接触，该应变发生体构成应变传感器；和
螺丝，其被插入所述开口部，与所述第一结构体螺合。
13.根据权利要求12所述的扭矩传感器，其特征在于，
所述固定部件具备：
扁平的面，其设置于所述第一边和所述第二边之间，包含所述开口部；
第一突起，其沿着所述第一边设置；
第二突起，其沿着所述第二边设置，与所述第一突起向相同的方向突出。
14.根据权利要求12所述的扭矩传感器，其特征在于，
所述固定部件具有弯曲的面，该弯曲的面设置于所述第一边和所述第二边之间，包含所述开口部。
15.根据权利要求12所述的扭矩传感器，其特征在于，
所述固定部件整体被弯曲。
16.根据权利要求12～15中任一项所述的扭矩传感器，其特征在于，
所述固定部件具有连结所述第一边及所述第二边的第三边及第四边，所述面与连结所述第一边至所述第四边的线分离开。
17.根据权利要求12所述的扭矩传感器，其特征在于，
所述螺丝从所述固定部件的与所述第一结构体或所述第二结构体相反的一侧被插入所述开口部。
18.根据权利要求12所述的扭矩传感器，其特征在于，
所述固定部件的所述第二边的长度比所述应变发生体的宽度长。
19.根据权利要求12所述的扭矩传感器，其特征在于，
所述固定部件的所述第二边的长度与所述应变发生体的宽度相等。
20.根据权利要求12所述的扭矩传感器，其特征在于，
所述第一边在一部分具备第一突起，所述第一突起与所述第一结构体进行点接触。
21.根据权利要求12所述的扭矩传感器，其特征在于，
所述固定部件的所述第一边为扁平，与设置于所述第一结构体的突起进行线接触或点接触。
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