CN115290032A - 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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CN115290032A CN202210779327.8A CN202210779327A CN115290032A CN 115290032 A CN115290032 A CN 115290032A CN 202210779327 A CN202210779327 A CN 202210779327A CN 115290032 A CN115290032 A CN 115290032A
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金井孝
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Abstract

本发明提供可防止传感器性能降低及装置结构大型化且可将应变传感器可靠地固定于结构体的应变传感器的固定装置和使用了该装置的扭矩传感器。固定部件(41)在第一端部设置有与第一结构体(11)接触的突起(41a)，第二端部可与设置于第一结构体(11)上的应变发生体(19‑1)的第一端部接触。螺丝(42)插入第一结构体(11)，并螺合于固定部件(41)的第一端部和第二端部之间。

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
本申请是申请日为2019年2月14日，申请号为201980016931.1，发明名称为“应变传感器的固定装置和使用该固定装置的扭矩传感器”的申请的分案申请。
技术领域
本发明的实施方式涉及例如设置于机械臂关节的应变传感器的固定装置和使用了该固定装置的扭矩传感器。
背景技术
扭矩传感器具有：施加扭矩的第一结构体、输出扭矩的第二结构体、作为连结第一结构体和第二结构体的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。利用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
发明所要解决的课题
一般而言，应变传感器在金属制的应变发生体上设置有作为传感器元件的多个应变计。作为将该应变传感器固定于扭矩传感器的方法，例如具有使用焊接的方法、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，由于焊接伴随应变发生体的急剧的温度上升。因此，应变发生体及应变计的组成及形状等发生变化，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，在应变发生体和结构体之间介设低刚性的粘接剂。因此，结构体的变形未直接传递于应变发生体，可能降低应变传感器的灵敏度。
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，在应变发生体上设置按压部件，利用螺丝将按压部件紧固于结构体，由此，应变发生体利用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，按压部件对于应变发生体需要保持较高的按压力。为了保持较高的按压力，需要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，设置按压部件及螺丝的扭矩传感器的小型、薄型化变得困难。
本实施方式提供可防止传感器性能降低及装置结构大型化且可将应变传感器可靠地固定于结构体的应变传感器的固定装置和使用了固定装置的扭矩传感器。
用于解决课题的方案
实施方式提供一种应变传感器的固定装置，其具备：固定部件，其具有第一端部和第二端部，且所述第二端部可与设置于第一结构体上的应变发生体的第三端部接触；突起，其设置于所述固定部件的所述第一端部和所述第一结构体的与所述第一端部对应的部分中的一个；以及螺丝，其插入所述第一结构体，并螺合于所述固定部件的所述第一端部和所述第二端部之间。
优选地，所述突起的高度可以比所述应变发生体的厚度高。
优选地，所述固定部件的所述第二端部可以比所述应变发生体的宽度宽，并与所述应变发生体进行线接触。
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，其连接所述第一结构体和所述第二结构体；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；第一固定装置，其设置于所述第一结构体，且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，且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，其具有第三端部及第四端部，所述第四端部与设置于所述第一结构体上的所述应变发生体的所述第一端部或设置于所述第二结构体上的所述应变发生体的所述第二端部接触；突起，其设置于所述固定部件的所述第三端部和所述第一结构体的与所述第三端部对应的部分中的一个，或所述固定部件的所述第三端部和所述第二结构体的与所述第三端部对应的部分中的一个；以及，螺丝，其插入所述第一结构体或所述第二结构体，并螺合于所述固定部件的所述第三端部和所述第四端部之间。
优选地，所述突起的高度可以比所述应变发生体的厚度高。
优选地，所述固定部件的所述第四端部可以比所述应变发生体的宽度宽，并与所述应变发生体进行线接触。
发明效果
本发明的实施方式能够提供可防止传感器性能降低及装置结构大型化且可将应变传感器可靠地固定于结构体的应变传感器的固定装置和使用了固定装置的扭矩传感器。
附图说明
图1是表示应用本实施方式的扭矩传感器的俯视图。
图2是除去图1的一部分进行表示的俯视图。
图3是除去图2的一部分进行表示的俯视图。
图4是图3的立体图。
图5是将图3中以虚线表示的A部扩大表示的俯视图。
图6是将图1的B部扩大表示的俯视图。
图7表示本实施方式，是沿着图2的VII-VII线的剖视图。
图8是表示图7所示的固定部件和应变发生体的关系的俯视图。
发明实施方式
以下，参照附图对实施方式进行说明。附图中，对相同部分标注相同符号。
图1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的结构不限定于此，可适用于各种结构的扭矩传感器。另外，不限于扭矩传感器，也可对使用了应变计的力传感器等(力覚センサ)应用本实施方式。
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、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的直径比第一结构体11的直径小。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利用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，在中空部12a穿过例如未图示的配线。
第一结构体11连结于例如被测量体，多个第三结构体13从第一结构体11向第二结构体12传递扭矩。相反，也可以将第二结构体12与被测量体连结，从第二结构体12向第一结构体11经由多个第三结构体13传递扭矩。
第一结构体11、第二结构体12、多个第三结构体13利用金属、例如不锈钢构成，但如果能够相对于施加的扭矩得到充分的机械强度，则也可使用金属以外的材料。
图2表示拆除图1的挡件16、17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配置于相对于第一结构体11及第二结构体12的中心(扭矩的作用中心)成对称的位置。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，即后述的应变发生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的厚度及宽度设定。应变发生体中设置作为传感器元件的多个应变计，利用这些传感器元件构成桥接电路。
挡件16、17具有作为保护第一应变传感器19和第二应变传感器20的机械性变形并且防止水分向第一应变传感器19和第二应变传感器20侵入的防水罩的功能。对挡件16、17的详情进行后述。
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。印刷基板中配置有放大后述的桥接电路的输出电压的运算放大器等。电路结构不是本实施方式的本质，因此，省略说明。
图3、图4是从图1、图2拆除第一应变传感器19和第二应变传感器20、柔性基板21、22及罩18等，仅表示有第一结构体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。
扭矩传感器10设为如下结构，在扭矩(Mz)以外的方向、特别是图示箭头Fz方向、Mx方向的力施加于扭矩传感器10时，不使应变集中于被设置在第一应变传感器19及第二应变传感器20的应变发生体上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的中心成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向第二结构体12连续的凹部14f，第五结构体15具有从第一结构体11向第二结构体12连续的凹部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，图1～图4表示具备第一应变传感器19和第二应变传感器20这两个应变传感器的情况，但应变传感器的数量也可以为3个以上。在该情况下，只要根据应变传感器的数量增加结构体的数量即可。
第四结构体14及第五结构体15为相同的结构，因此，仅对第四结构体14进行具体地说明。
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；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为设置于第一结构体11和第二结构体12之间的具有开口部14e的梁。
第一连接部14a从第一结构体11向第二结构体12侧延伸出。第二连接部14b从第二结构体12向第一结构体11侧延伸出。
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(图1中也示出)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狭窄，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(图1中表示)狭窄。因此，第三连接部14c及第四连接部14d的扭矩方向的刚性比第一连接部14a、第二连接部14b及第三结构体13的扭矩方向的刚性低。
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。另外，第一连接部14a的长度L11、第二连接部14b的长度L12、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方向的刚性比第三结构体13的Fz方向的刚性略小。
此外，第一连接部14a的长度L11、第二连接部14b的长度L12、第三连接部14c及第四连接部14d的长度L1的合计不限于与第三结构体13的长度相等的情况，也可以不相等。
此外，本实施方式中，第四结构体14、第五结构体15的结构不限定于此，只要是能够保持第一应变传感器19和第二应变传感器20的结构即可。
图6将以图1的B表示的部分扩大表示。
如参照图2进行的说明，第一应变传感器19利用挡件16覆盖，第二应变传感器20利用挡件17覆盖。挡件16及挡件17利用例如不锈钢或铁系的合金形成。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的机械性的变形，保护多个应变计19-2(图8中表示)。另外，挡件16及挡件17兼作第一应变传感器19和第二应变传感器20的防水罩。对具体的防水结构省略说明。
挡件16和挡件17的结构相同，因此，仅对挡件16进行说明。
如图6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例如压入并固定于第四结构体14的形成于第二结构体12侧的作为卡合部的凹部14f内。挡件16的另一端部16b配置于第四结构体14的形成于第一结构体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的宽度狭窄，在挡件16的另一端部16b的两侧和凹部14f的侧面之间分别设置间隙GP。
间隙GP根据第三结构体13的刚性和额定扭矩决定。具体而言，在对扭矩传感器10施加例如1000N·m的扭矩，第一结构体11相对于第二结构体12进行例如10μm变形的情况下，间隙GP例如设定成10μm。
(固定装置的结构)
图7、图8表示本实施方式的应变传感器的固定装置31、32。固定装置31将构成第一应变传感器19的应变发生体19-1的第一端部固定于第一连接部14a，固定装置32将应变发生体19-1的第二端部固定于第二连接部14b。
固定装置31、32为相同结构，因此，使用固定装置31说明其结构，固定装置32中，对与固定装置31相同部分标注相同符号。
固定装置31具备固定部件41和螺丝42。固定部件41的宽度比凹部14f的宽度略窄，在固定部件41设置于凹部14f内的状态下，固定部件41的侧面可与凹部14f的侧面接触。因此，固定部件41利用后述的螺丝紧固时，抑制在凹部14f内的旋转。
固定部件41在第一端部具有突起41a，在第二端部具有角部41b，在第一端部和第二端部之间具有螺纹孔41c。
突起41a与凹部14f的底部相接。突起41a的高度H1比应变发生体19-1的厚度H2高。即，为H1＞H2。角部41b优选与应变发生体19-1进行线接触。因此，角部41b的加工精度优选半径R为0.1mm以下。
如图8所示，固定部件41的宽度比应变发生体19-1的宽度宽，固定部件41的角部41b可与应变发生体19-1的第一端部或第二端部的宽度方向的整体接触。
如图7所示，第一连接部14a包含于第一结构体11，第一连接部14a构成凹部14f的底部。在凹部14f的底部设置有螺丝42插入的贯通孔14a-1。第二连接部14b包含于第二结构体12，第二连接部14b构成凹部14f的底部。在凹部14f的底部设置有螺丝42插入的贯通孔14b-1。螺丝42在插入贯通孔14a-1、14b-1的状态下，分别螺合于固定部件41的螺纹孔41c。
上述结构中，在利用固定装置31及固定装置32固定第一应变传感器19的情况下，如图7所示，第一应变传感器19配置于第一连接部14a和第二连接部14b之间。在该状态下，固定装置31的固定部件41的角部41b与构成第一应变传感器19的应变发生体19-1的第一端部接触，固定装置32的固定部件41的角部41b与构成第一应变传感器19的应变发生体19-1的第二端部接触。
在该状态下，紧固螺丝42时，固定部件41以突起41a为支点沿图示箭头C、D方向回动(回動)，固定部件41的角部41b压接于应变发生体19-1的表面。由此，如图8所示，固定部件41的角部41b与应变发生体19-1的表面进行线接触，应变发生体19-1利用两个固定部件41固定于第一连接部14a和第二连接部14b。
(实施方式的效果)
根据上述实施方式，固定部件41通过紧固螺丝42，而以突起41a为支点进行回动，角部41b相对于应变发生体19-1进行线接触。因此，与目前那样应变发生体和固定部件进行面接触的情况相比，可相对于第一结构体11、第二结构体12以较高的压力固定应变发生体19-1。因此，能够降低应变发生体19-1相对于第一结构体11及第二结构体12的固定强度的不均。
而且，根据使用了本实施方式的固定部件41的固定方法，仅使固定部件41的角部41b与应变发生体19-1进行线接触，就能够使应变发生体19-1固定于第一结构体11和第二结构体12。因此，能够防止通过焊接将应变发生体19-1固定于第一结构体11及第二结构体12的情况那样、对于应变发生体19-1及应变计的热变形。另外，不会如利用粘接剂固定应变发生体19-1的情况那样、在应变发生体和第一结构体11及第二结构体12之间介入设置低刚性部。因此，根据使用了本实施方式的固定部件41的固定方法，能够防止扭矩传感器10的灵敏度的降低。
另外，例如在使用固定部件和多个螺丝将应变发生体固定于结构体的情况下，通过将宽度比应变发生体宽的固定部件设置于应变发生体上，且将设置于固定部件的宽度方向两侧的多个螺丝与结构体螺合，从而利用固定部件固定应变发生体。在该情况下，通过紧固多个螺丝，固定部件进行变形，固定部件的宽度方向的中央部离开应变发生体的表面。因此，应变发生体和固定部件的有效的接触面积减少，固定强度降低。因此，为了抑制按压部件的变形且得到必要的固定强度，需要增厚按压部件的厚度。
与之相对，在本实施方式的情况下，固定部件41利用设置于突起41a和角部41b之间的一个螺丝42，使固定部件41向第一结构体11或第二结构体12侧回动，并使固定部件41的角部41b与应变发生体19-1进行线接触。因此，固定部件41的角部41b在与应变发生体19-1的宽度方向垂直地交叉的方向上几乎不会变形。因此，固定部件41的角部41b能够在宽度方向上不中断地与应变发生体19-1进行线接触。因此，不需要为了得到必要的固定强度而将固定部件41的厚度增厚至必要以上，可防止固定部件41的大型化。
而且，固定装置31、32利用一个固定部件41和一个螺丝42构成。因此，零件数量较少，可防止固定装置31、32的大型化、及扭矩传感器10的大型化。
另外，固定装置31、32利用一个固定部件41和一个螺丝42构成，因此，固定装置31、32的组装容易。
此外，固定部件41具有突起41a，但突起41a未必需要设置于固定部件41，例如也可以设置于第一结构体11及第二结构体12。具体而言，也可以在第一连接部14a的表面及第二连接部14b的表面且与固定部件的第一端部对应的部分分别设置突起41a，且固定部件41的第一端部载置于突起41a上。即，固定部件41只要以突起41a为支点可回动地设置即可。
除此之外，本发明不限定于上述各实施方式那样，在实施阶段中能够在不脱离其宗旨的范围内对构成要素进行变形并具体化。另外，通过上述各实施方式所公开的多个构成要素的适当的组合，能够形成各种发明。例如，也可以从实施方式中表示的全部构成要素删除几个构成要素。另外，也可以使不同的实施方式中涉及的构成要素适当组合。
产业上的可利用性
本实施方式的应变传感器的固定装置适用于扭矩传感器，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，19-1…应变发生体，31、32…固定装置，41…固定部件，41a…突起，41b…角部，42…螺丝。

Claims (6)

1.一种应变传感器的固定装置，包括：
固定部件，其具有第一端部和第二端部，且所述第二端部能够与设置于第一结构体的第一面上的应变发生体的第三端部接触；
作为支点的突起，其仅设置于所述固定部件的所述第一端部和所述第一结构体的与所述第一端部对应的所述第一面上的部分中的一个；以及
螺纹孔，其配置于所述固定部件的所述第一端部和所述第二端部之间的、除所述突起以外的位置，在所述第一结构体的与所述第一面平行的第二面插入的螺丝螺合于所述螺纹孔。
2.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，
所述突起的高度比所述应变发生体的厚度高。
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，
所述固定部件的所述第二端部具有宽于所述应变发生体的宽度的宽度，并与所述应变发生体进行线接触。
4.一种扭矩传感器，包括：
第一结构体，其具有第一面和与所述第一面平行的第二面；
第二结构体，其具有第三面和与所述第三面平行的第四面；
多个第三结构体，其连接所述第一结构体和所述第二结构体；
应变发生体，其设置于所述第一结构体的所述第一面和所述第二结构体的所述第三面之间；
第一固定装置，其设置于所述第一结构体的所述第一面，且将所述应变发生体的第一端部固定于所述第一结构体的所述第一面；以及
第二固定装置，其设置于所述第二结构体的所述第三面，且将所述应变发生体的第二端部固定于所述第二结构体的所述第三面，
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，其具有第三端部及第四端部，所述第四端部与设置于所述第一结构体的所述第一面上的所述应变发生体的所述第一端部或设置于所述第二结构体的所述第三面上的所述应变发生体的所述第二端部接触；
作为支点的突起，其仅设置于所述固定部件的所述第三端部和所述第一结构体的所述第一面上与所述第三端部对应的部分中的一个，或仅设置于所述固定部件的所述第三端部和所述第二结构体的所述第三面上与所述第三端部对应的部分中的一个；以及
螺纹孔，其配置于所述固定部件的所述第三端部和所述第四端部之间的、除所述突起以外的位置，在所述第一结构体的所述第二面或所述第二结构体的所述第四面插入的螺丝螺合于所述螺纹孔。
5.根据权利要求4所述的扭矩传感器，其特征在于，
所述突起的高度比所述应变发生体的厚度高。
6.根据权利要求4或5所述的扭矩传感器，其特征在于，
所述固定部件的所述第四端部具有宽于所述应变发生体的宽度的宽度，并与所述应变发生体进行线接触。
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