JP2013011567A - トルク計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度にトルクを計測すること。
【解決手段】トルク計測装置１は、１次側構造体４と、２次側構造体３と、の間に架け渡された金属製かつ梁状の起歪部５と、起歪部５におけるトルク中心軸に垂直な面に配置され、起歪部５の歪量を検出する薄膜型歪センサと、薄膜型歪センサによって検出された歪量に基づいて直接トルク計算を行う信号処理部と、を備えている。起歪部５を介して一方の構造体から他方の構造体へトルクが伝達されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、高精度にトルクを計測できるトルク計測装置に関するものである。

近年、アクチュエータなどの出力トルクを計測するトルク計測装置の開発が行われている。例えば、印加されるトルクに応じて歪みを生じる起歪部に歪センサを取付け、歪センサの検出値に基づいてトルクを算出するトルク計測装置が知られている（特許文献１参照）。当該トルク計測装置においては、歪量が大きく検出し易いとの理由で、起歪部の起歪方向に対して垂直な面に歪センサが配置されている。

特開２００９−２８８１９８号公報

しかしながら、上記特許文献１に示すトルク計測装置において、複数の歪センサを起歪部の起歪方向に対して垂直な面上に配置するため（例えば、図８）、所定位置に正確に貼付するのが困難となる。このため、その配置によって各歪センサの特性にバラツキが生じ、トルクの計測精度を低下させる要因となる。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、高精度にトルクを計測できるトルク計測装置を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、１次側構造体と、２次側構造体と、の間に架け渡された金属製かつ梁状の起歪部を備え、当該起歪部を介して一方の前記構造体から他方の前記構造体へトルクが伝達されるトルク計測装置であって、前記起歪部におけるトルク中心軸に垂直な面に配置され、前記起歪部の歪量を検出する薄膜型歪センサと、当該薄膜型歪センサによって検出された歪量に基づいて直接トルク計算を行う信号処理部と、を備えたトルク計測装置である。この一態様によれば、高精度にトルクを計測できる。

この一態様において、前記薄膜型歪センサの近傍に設けられ、温度を検出する温度センサを更に備え、前記信号処理部は、前記薄膜型歪センサにより検出された歪量と、前記温度センサにより検出された温度と、に基づいて、前記直接トルク計算を行ってもよい。これにより、歪センサの温度特性を補正することができる。

この一態様において、前記薄膜型歪センサと、該薄膜型歪センサ及び温度センサに一端側が接続された配線パターンと、該配線パターンの他端側に接続された電極と、が一体的に、前記１次側構造体及び起歪部に取付けられていてもよい。これにより、複数のセンサ間の特性を均一化することができる。

この一態様において、前記起歪部におけるトルク中心軸に垂直な面には、複数の前記薄膜型歪センサが配置されており、前記配線パターンの長さは均一になっていてもよい。

この一態様において、前記薄膜型歪センサ、前記温度センサ、前記配線パターン、及び前記電極は、薄膜付け処理により一体的に取付けされていてもよい。これにより、歪センサ、温度センサ、配線パターン、及び電極を、所定位置に正確に取り付けることができる。

この一態様において、前記薄膜型歪センサは、前記起歪部の側面上に積層された絶縁膜と、該絶縁膜上に積層された歪抵抗膜と、該歪抵抗膜上に積層された電極膜と、を有していてもよい。これにより、歪検出感度の高い歪センサを構成できる。
この一態様において、前記歪抵抗膜は、Ｃｒ−Ｎ薄膜であってもよい。

この一態様において、前記１次側構造体の電極上に前記信号処理部の基板が一体的に配置されていてもよい。これにより、小型化を図りつつノイズを低減できる。

この一態様において、前記温度センサは、前記１次側構造体において歪変形が少ない位置に取り付けられていてもよい。

本発明によれば、高精度にトルクを計測できるトルク計測装置を提供することができる。

本発明の実施の形態に係るトルク計測装置における歪み検出部の概略的構成を示す図である。 起歪部における薄膜型歪センサの配置を示す図である。 薄膜型歪センサの概略的構成を示す断面図である。 各温度センサ、各薄膜型歪センサ、各配線パターン、各電極は、薄膜膜付け処理によって、一体的に成形された状態を示す図である。 １次側起歪体上の各電極上に信号処理回路基板が一体的に載置された状態を示す図である。 本発明の実施の形態に係る信号処理回路の概略的な構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係るトルク計測装置を用いたトルク制御システムの概略的な構成を示すブロック図である。 従来の起歪部における薄膜型歪センサの配置を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。本発明の実施の形態に係るトルク計測装置１は、例えば、アクチュエータに連結された減速機などの入力部と、出力軸などの出力部と、の間に生じるトルクを計測することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係るトルク計測装置における歪み検出部の概略的構成を示す図である。本実施の形態に係るトルク計測装置１の歪み検出部２は、略円環状の２次側構造体３と、２次側構造体３の円環の内側に配置された略板状の１次側構造体４と、１次側構造体４と２次側構造体３との間に架け渡され、金属製かつ梁状で右側一対及び左側一対の起歪部５と、複数の薄膜型歪センサ６と、複数の温度センサ７と、複数の配線パターン８と、複数の電極９と、信号処理回路１０と、を備えている。
１次側構造体４から２次側構造体３へ、あるいは２次側構造体４から１次側歪体３へ起歪部５を介してトルクが伝達され、１次側構造体４と２次側構造体３とは円周方向に相対変位する。これにより、１次側構造体４と２次側構造体３とを夫々接続する各起歪部５に円周方向に歪みが生じる。各薄膜型歪センサ６は、この起歪部５の円周方向に生じた歪みを検出する。

各起歪部５のトルク中心軸に垂直な面上には一対の薄膜型歪センサ６が配置されている。また、従来の各歪センサは、起歪部の起歪方向に対して垂直の面に配置されているが（図８）、本実施の形態に係る各薄膜型歪センサ６は、図２に示す如く、起歪部５におけるトルク中心軸に垂直な面に配置されている。

これにより、薄膜膜付け技術を用いて、各薄膜型歪センサ６を起歪部５の所定位置へ正確かつ容易に取付けることができ、位置再現性が良好となり、各薄膜型歪センサ６間のセンサ特性を均一にすることができる。また、薄膜型歪センサ６自体は、従来の歪センサ（歪ゲージ）と比較して非常に小型であるため、当該装置１の小型化を容易に図ることができる。さらに、各薄膜型歪センサ６は、上述の如く、非常に小型でありかつ位置決め精度が良好であることから、例えば、歪み変位の大きな起歪部５の側面のエッジ近傍に精度よく夫々配置することができる。したがって、起歪部５の歪みを高精度に検出できるため、トルクを高精度に算出することができる。

なお、各起歪部５に配置される薄膜型歪センサ６の数は任意でよい。また、各薄膜型歪センサ６は、起歪部５において、所定の負荷に対して均一な歪変化を生じる位置又はその近傍に配置されるのが好ましい。一方で、各薄膜型歪センサ６の取付位置は、起歪部５において歪変化を生じる位置であればよいため、その位置決めの適用範囲が広い。但し、各薄膜型歪センサ６のセンサ特性を均一にするために、取付位置の位置再現性は必要となる。

図３は、薄膜型歪センサの概略的構成を示す断面図である。薄膜型歪センサ６は、例えば、起歪部５の側面上に積層された絶縁膜６１と、絶縁膜６１上に積層された歪抵抗膜６２と、歪抵抗膜６２上に積層された電極膜６３と、を有している。

歪抵抗薄膜６２は、例えば、Ｃｒ−Ｎ薄膜などから構成されている。ここで、Ｃｒ−Ｎ薄膜型歪センサ６を用いることで、高いゲージ率（抵抗変化率／歪）＝１０となり（従来の歪センサのゲージ率＝２）、歪検出感度を高めることができ、したがって、剛性の高い起歪部５を設計することができる。また、各薄膜型歪センサ６は、抵抗値（例えば、〜５ｋΩ）が大きいため高分解能の計測が可能であり、その抵抗値を自在に調整できるため信号処理回路１０との親和性にも優れている。さらに、各薄膜型歪センサ６は、温度変化に対する安定性が高く、温度適応範囲も広い（例えば、−１９６〜２００℃で使用可能）。さらにまた、各薄膜型歪センサ６は、半導体などの薄膜膜付け技術（パターニング技術）を用いて、起歪部５の所定位置に正確に位置決めできるため、センサの位置再現性が高い。

薄膜型歪センサ６のパターン形成には、例えば、放電加工及び化学エッチングにより作製した金属マスクを使用し、マスク法を用いて行うことができる。

右側一対の起歪部５に配置された４つの薄膜型歪センサ６から１つのブリッジ回路を構成しており、同様に、左側一対の起歪部５に配置された４つの薄膜型歪センサ６から１つのブリッジ回路を構成している。なお、任意の薄膜型歪センサ６を組み合わせてブリッジ回路を構成することができる。上記のように構成された各ブリッジ回路は、信号処理回路（信号処理部）１０に接続されている。

各起歪部５の各薄膜型歪センサ６は、一対の配線からなる各配線パターン８を介して、１次側構造体４上に一列に配置された電極９に夫々接続されている。このように、複数の薄膜型歪センサ６を組み合わせて、起歪部５の歪みを検出することで、歪検出の多重化を行い、加算平均処理、相乗平均処理、優先処理、相互故障検出などのセンサシステムの信頼性を向上させることができる。

上側一対の薄膜型歪センサ６と下側一対の薄膜型歪センサ６との間であって、１次側構造体４の略中央付近には、温度センサ７が配置されており、この温度センサ７は配線パターン８を介して電極９に接続されている。

温度センサ７は、温度抵抗薄膜（例えば、Ｆｅ−Ｐｄ）などから構成されている。各温度センサ７は、１次側構造体４において、負荷による歪変形が少ない位置に取付けられている。このように、各薄膜型歪センサ６近傍に温度センサ７を設け、この温度センサ７を用いることで、各薄膜型歪センサ６の温度特性を補正し、より高精度に起歪部５の歪みを検出でき、トルクを高精度に計測することができる。なお、温度センサ７は、本実施の形態において、必須の構成ではなく、各薄膜型歪センサ６に対して温度特性の補正が必要な場合に設ける。

各温度センサ７、各薄膜型歪センサ６、各配線パターン８、各電極９は、薄膜膜付け処理によって、一体的に成形されている（図４）。これにより、取付け時の位置再現性が良好となり、各温度センサ７及び各薄膜型歪センサ６におけるセンサ特性のバラツキを抑え、センサ特性の均一化を図ることができ、量産化も容易に行なうことができる。

さらに、各薄膜型歪センサ６と各電極９との間の各配線パターン８の各配線の長さは、均一となっており、その抵抗値も均一となっている。これにより、各薄膜型歪センサ６の特性を安定させることができる。

１次側構造体４の各電極９上には信号処理回路１０の基板が一体的に載置され（図５）、各電極９と信号処理回路１０の基板とが電気的に接続されている。このように、薄膜型歪センサ６と信号処理回路１０の基板とを一体的に構成することで、当該装置１をコンパクトに構成し、高いＳ／Ｎ比（信号／ノイズ）で信号処理を行うことができる。

図６は、本実施の形態に係る信号処理回路の概略的な構成を示すブロック図である。信号処理回路１０は、複数の薄膜型歪センサ６を相互に接続してなるブリッジ回路からの出力信号に対してフィルタ処理を行うフィルタ回路１１と、フィルタ回路１１でフィルタ処理された信号に対して増幅処理を行うアンプ回路１２と、増幅処理された信号に対してアナログ／デジタル変換処理を行うＡＤＣ回路１３と、変換されたデジタル信号に対して所定の演算処理を行い、トルクを算出する主制御回路（ＭＣＵ）１４と、を有している。

信号処理回路１０は、薄膜型歪センサ６によって検出された歪量に基づいて、直接トルク計算を行う。すなわち、信号処理回路１０は、薄膜型歪センサ６の出力値とトルクとの相関関係を予め求めておき、その相関関係と実測した薄膜型歪センサ６の出力値とに基づいて、直接トルク計算を行う。一方、従来の６軸力センサにおいてもトルク（モーメント）を測定可能であるが、ｘｙｚ３軸の力を歪センサによって測定し、それら３軸の力を複雑な演算式により変換してトルクを求める必要がある。
主制御回路１４は、各薄膜型歪センサ６で構成されたブリッジ回路からの出力信号に応じた歪み値と、対応する各温度センサ７からの出力信号に応じた温度値と、に基づいて、周知のトルク換算演算及び温度補正演算を行い、トルクを算出する。主制御回路１４には、例えば、サーボコントローラ１５が接続されており、サーボコントローラ１５は、主制御回路１４により算出されたトルクに基づいて、サーボモータ１６を制御する。
なお、信号処理回路１０は、上記構成に加えて、無線通信機能を有する回路を含んでいてもよい。これにより、算出したトルクを離れた位置にある機器に対して容易に送信することができる。

図７は、本実施の形態に係るトルク計測装置を用いたトルク制御システムの概略的な構成を示すブロック図である。

トルク制御システム１００において、出力部１７を回転駆動するサーボモータ１６にトランスミッション１８が連結されており、トランスミッション１８にはトルク計測装置１の１次側構造体４が連結されている。トルク計測装置１の１次側構造体４と２次側構造体３とは、各起歪部５を介して接続され、トルク計測装置１の２次側構造体３には出力部１７が連結されている。

サーボコントローラ１５には、サーボモータ１６及びサーボモータ１６の回転軸の回転位置を検出するエンコーダ１９が夫々接続されている。また、サーボコントローラ１５には、トルク計測装置１の信号処理回路１０が接続されており、サーボコントローラ１５は、信号処理回路１０からのトルクτと、エンコーダ１９からの回転位置θと、に基づいて、フィードバック制御などを行う。

例えば、サーボモータ１６が回転し、トランスミッション１８が回転すると、トランスミッション１８に連結された１次側構造体４と、出力部１７に連結された２次側構造体３と、を接続する各起歪部５に回転方向の歪みが生じる。各起歪部５の各薄膜型歪センサ６は、この回転方向の歪みを検出する。信号処理回路１０は、各薄膜型歪センサ６により検出された歪みと、各温度センサ７により検出された温度と、に基づいてトルクτを算出し、算出したトルクτをサーボコントローラ１５に対して出力する。サーボコントローラ１５は、信号処理回路１０からのトルクτと、エンコーダ１９からの回転位置θと、に基づいて制御信号を生成し、サーボモータ１６に対して出力する。

以上、本実施の形態に係るトルク計測装置１において、各薄膜型歪センサ６は、１次側構造体４と２次側構造体３との間に架け渡された金属製かつ梁状の起歪部５におけるトルク中心軸に垂直な面上に配置されている。これにより、薄膜膜付け技術を用いて、各薄膜型歪センサ６を起歪部５の所定位置へ正確に取付けることができる。したがって、位置再現性が良好となり、各薄膜型歪センサ６間のセンサ特性を均一にすることができるため、高精度にトルクを計測できる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
例えば、上記実施の形態において、Ｃｒ−Ｎ薄膜により構成された薄膜型歪センサ６を用いて起歪部５の歪を検出しているが、これに限らず、酸化クロム薄膜により構成された薄膜型歪センサを用いてもよい。なお、酸化クロム薄膜により構成された薄膜型歪センサであっても、Ｃｒ−Ｎ薄膜により構成された薄膜型歪センサ６と同様に、スクリーン印刷技術などを用いて起歪部５のトルク中心軸に垂直な面上に形成することができる。

１ トルク計測装置
２ 歪み検出部
３ ２次側構造体
４ １次側構造体
５ 起歪部
６ 薄膜型歪センサ
７ 温度センサ
８ 配線パターン
９ 電極
１０ 信号処理回路

Claims (9)

1. １次側構造体と、２次側構造体と、の間に架け渡された金属製かつ梁状の起歪部を備え、当該起歪部を介して一方の前記構造体から他方の前記構造体へトルクが伝達されるトルク計測装置であって、
   前記起歪部におけるトルク中心軸に垂直な面に配置され、前記起歪部の歪量を検出する薄膜型歪センサと、
   当該薄膜型歪センサによって検出された歪量に基づいて直接トルク計算を行う信号処理部と、
   を備えたトルク計測装置。
2. 請求項１記載のトルク計測装置であって、
   前記薄膜型歪センサの近傍に設けられ、温度を検出する温度センサを更に備え、
   前記信号処理部は、前記薄膜型歪センサにより検出された歪量と、前記温度センサにより検出された温度と、に基づいて、前記直接トルク計算を行う、ことを特徴とするトルク計測装置。
3. 請求項２記載のトルク計測装置であって、
   前記薄膜型歪センサと、該薄膜型歪センサ及び温度センサに一端側が接続された配線パターンと、該配線パターンの他端側に接続された電極と、が一体的に、前記１次側構造体及び起歪部に取付けられている、ことを特徴とするトルク計測装置。
4. 請求項３記載のトルク計測装置であって、
   前記起歪部におけるトルク中心軸に垂直な面には、複数の前記薄膜型歪センサが配置されており、前記配線パターンの長さは均一になっている、ことを特徴とするトルク計測装置。
5. 請求項３又は４記載のトルク計測装置であって、
   前記薄膜型歪センサ、前記温度センサ、前記配線パターン、及び前記電極は、薄膜付け処理により一体的に取付けされている、ことを特徴とするトルク計測装置。
6. 請求項１乃至５のうちずれか１項記載のトルク計測装置であって、
   前記薄膜型歪センサは、前記起歪部の側面上に積層された絶縁膜と、該絶縁膜上に積層された歪抵抗膜と、該歪抵抗膜上に積層された電極膜と、を有していることを特徴とするトルク計測装置。
7. 請求項６記載のトルク計測装置であって、
   前記歪抵抗膜は、Ｃｒ−Ｎ薄膜である、ことを特徴とするトルク計測装置。
8. 請求項３乃至５のうちいずれか１項記載のトルク計測装置であって、
   前記１次側構造体の電極上に前記信号処理部の基板が一体的に配置されている、ことを特徴とするトルク計測装置。
9. 請求項２乃至５のうちいずれか１項記載のトルク計測装置であって、
   前記温度センサは、前記１次側構造体において歪変形が少ない位置に取り付けられている、ことを特徴とするトルク計測装置。

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