JP2013096735A - 起歪体及びトルクセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】検出精度の高い起歪体を提供する。
【解決手段】本発明の一形態に係る起歪体２Ａは、入力側又は出力側の一方に連結される第１の構造体２１（２２）と、他方に連結される第２の構造体２２（２１）と、第１の構造体２１（２２）と第２の構造体２２（２１）とを連結し、歪みセンサ３が設けられる起歪部２３と、を備える起歪体であって、起歪部２３における第１の構造体２１（２２）との連結部近傍の歪みと、起歪部２３における歪みセンサ３が設けられる位置近傍の歪みと、を略等しくする歪み調整部２４を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、起歪体及びトルクセンサに関する。

近年、トルクセンサは例えばロボットの関節等に設けられる。詳細には、トルクセンサ１００は、図１１（ａ）、（ｂ）及び図１２に示すように、起歪体１１０、歪みセンサ１２０を備えている。起歪体１１０は、第１の構造体１１１、第２の構造体１１２、第１の構造体１１１と第２の構造体１１２とを連結し、歪みセンサ１２０が設けられる起歪部１１３を備えている（特許文献１を参照）。起歪体１１０の第１の構造体１１１又は第２の構造体１１２の一方は、図１３に示すように、アクチュエータ１３０の駆動力を増幅させる減速機１４０の出力軸に連結され、他方が例えばロボットの関節等に連結される。このような構成のトルクセンサ１００は、例えばロボットの関節部分にトルクが作用すると、第１の構造体１１１と第２の構造体１１２とが相対的に変形して起歪部１１３に歪みが生じ、この歪みを歪みセンサ１２０で検出する。

ここで、一般的なトルクセンサは、トルクが作用した際に起歪部の剛性・歪みが所定の値となるように、起歪部の厚さや太さが決定されている。またトルクが作用した際に第１の構造体又は第２の構造体と起歪部との連結部近傍に応力集中が生じるので、当該連結部近傍の形状を適切に設計する（厚さやＲ部分（図１０）の形状を適切に設定する）ことによって、応力集中を緩和し、起歪体の塑性変形を避けている。しかし、設計や加工の容易さから、一般的には起歪部を含めた起歪体全体の厚みは均一にされ、起歪部の幅によって起歪部の剛性・歪みを調節し、当該連結部のＲ部分の形状によって起歪体の応力集中を調節している。

特開２００９−２８８１８７号公報

一般的なトルクセンサは、起歪部における歪みセンサが設けられる位置近傍に作用する応力が、第１の構造体又は第２の構造体と起歪部との連結部近傍に作用する応力に対して小さいにも関わらず、相互の部位の厚さが等しい。そのため、起歪部における歪みセンサが設けられる位置近傍に生じる歪みは、第１の構造体又は第２の構造体と起歪部との連結部近傍に生じる歪みより小さく、結果としてノイズが乗りやすく誤差が生じて検出精度が低下する課題を有する。

本発明の目的は、このような問題を解決するためになされたものであり、検出精度の高い起歪体及びトルクセンサを提供することである。

本発明の一形態に係る起歪体は、入力側又は出力側の一方に連結される第１の構造体と、他方に連結される第２の構造体と、前記第１の構造体と前記第２の構造体とを連結し、歪みセンサが設けられる起歪部と、を備える起歪体であって、前記起歪部における前記第１の構造体との連結部近傍の歪みと、前記起歪部における前記歪みセンサが設けられる位置近傍の歪みと、を略等しくする歪み調整部を備える。

上記起歪体において、前記歪み調整部として、前記起歪部における前記第１の構造体との連結部近傍の厚さに対して、前記起歪部における前記歪みセンサが設けられる位置近傍の厚さを薄くすること、が好ましい。

上記起歪体において、前記歪み調整部として、前記起歪部における前記歪みセンサが設けられる位置近傍に凹み部を備えること、が好ましい。

上記起歪体において、前記起歪部に複数の歪みセンサが設けられており、前記歪み調整部によって、前記起歪部における各歪みセンサが設けられる位置近傍の歪みを略等しくすること、が好ましい。

上記起歪体において、前記起歪部における各歪みセンサが設けられる位置近傍の歪みが略等しくなるように、前記起歪部における前記歪みセンサが設けられる位置近傍の厚さが三次元で設定されること、が好ましい。

上記起歪体において、前記起歪部における各歪みセンサが設けられる位置近傍の歪みが略等しくなるように、さらに前記起歪部と前記第１の構造体との連結部近傍の形状が設定されること、が好ましい。

本発明の一形態に係る起歪体は、入力側又は出力側の一方に連結される第１の構造体と、他方に連結される第２の構造体と、前記第１の構造体と前記第２の構造体とを連結し、複数の歪みセンサが設けられる起歪部と、を備える起歪体であって、前記起歪部における各歪みセンサが設けられる位置近傍の歪みを略等しくする歪み調整部を備える。

本発明の一形態に係るトルクセンサは、上記起歪体と、前記起歪体の起歪部に設けられる歪みセンサと、を備える。

以上、説明したように、本発明によると、検出精度の高い起歪体及びトルクセンサを提供することができる。

本発明に係る実施の形態１のトルクセンサを概略的に示す平面図である。 本発明に係る実施の形態１のトルクセンサにおける、起歪体を概略的に示す底面図である。 本発明に係る実施の形態１のトルクセンサにおける、起歪体を概略的に示す斜視図である。 本発明に係る実施の形態１のトルクセンサにおける、起歪体の変形を概略的に示す図である。 （ａ）は、本発明に係る実施の形態１のトルクセンサにおける、起歪部を概略的に拡大して示す平面図である。（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。（ｃ）は、（ａ）のＣ−Ｃ矢視断面図である。 （ａ）は、本発明に係る実施の形態２のトルクセンサにおける、起歪部を概略的に拡大して示す平面図である。（ｂ）は、（ａ）のＤ−Ｄ矢視断面図である。 （ａ）は、本発明に係る実施の形態３のトルクセンサにおける、起歪部を概略的に拡大して示す平面図である。（ｂ）は、（ａ）のＥ−Ｅ矢視断面図である。（ｃ）は、（ａ）のＦ−Ｆ矢視断面図である。 （ａ）は、本発明に係る実施の形態３の異なるトルクセンサにおける、起歪部を概略的に拡大して示す平面図である。（ｂ）は、（ａ）のＧ−Ｇ矢視断面図である。 （ａ）は、本発明に係る他の実施の形態のトルクセンサにおける、起歪部を概略的に拡大して示す平面図である。（ｂ）は、（ａ）のＨ−Ｈ矢視断面図である。（ｃ）は、（ａ）のＩ−Ｉ矢視断面図である。 本発明に係る他の実施の形態のトルクセンサにおける、起歪部を概略的に拡大して示す平面図である。 （ａ）は、一般的なトルクセンサを概略的に示す平面図である。（ｂ）は、一般的なトルクセンサを概略的に示す側面図である。 一般的なトルクセンサを概略的に示す斜視図である。 一般的なトルクセンサの使用形態を概略的に示す図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

＜実施の形態１＞
本実施の形態に係る起歪体及び当該起歪体を用いたトルクセンサを説明する。トルクセンサ１は、図１に示すように、起歪体２Ａ、歪みセンサ３を備えている。起歪体２Ａは、図１及び２に示すように、第１の構造体２１、第２の構造体２２、起歪部２３を備えている。

第１の構造体２１は、入力側又は出力側の一方の部材に連結される円形状のリング部材である。第１の構造体２１は、図３に示すように、ロボットの関節部の負荷トルクを測定する際に容易に変形しない厚さＴ１及び幅寸法Ｌ１とされている。そして、第１の構造体２１は、例えばロボットの関節部内に良好に収めることができる外径とされ、内部に第２の構造体２２、起歪部２３を形成することができる内径とされている。この第１の構造体２１には、入力側又は出力側の一方の部材にボルト接合することができるように、複数個のボルト孔２１ａが形成されている。

第２の構造体２２は、入力側又は出力側の他方の部材に連結される。第２の構造体２２は、本体部分２２ａ、延在部分２２ｂを備えている。本体部分２２ａは、円形に形成されており、第１の構造体２１と中心点Ｏを共通にする。延在部分２２ｂは、本体部分２２ａから対向するように形成されている。この延在部分２２ｂには、入力側又は出力側の他方の部材にボルト接合することができるように、複数個のボルト孔２２ｃが形成されている。このような第２の構造体２２は、第１の構造体２１と略等しい厚さとされている。

起歪部２３は、連結される出力側の部材や入力側の部材と連成振動が生じない剛性を確保できる太さ（断面積）を有する。起歪部２３は、第１の構造体２１及び第２の構造体２２の中心点Ｏから放射状に配置、すなわち、第２の構造体２２の本体部分２２ａから放射状に延び、当該中心点Ｏを中心とする点対称に配置されており、第１の構造体２１と第２の構造体２２とを連結する。その結果、入力側又は出力側の一方の部材にＹ軸と平行な軸回りのトルクが作用し、一方の部材と他方側の部材との間で起歪体２Ａの円周方向に相対的な変位が生じると、図４に示すように、起歪部２３は歪む。この起歪部２３におけるＹ軸方向に配置される一方の面２３ａには、図１及び５（ａ）乃至（ｃ）に示すように、歪みセンサ３が設けられている。

歪みセンサ３は、通例の歪みセンサと同様に、例えば絶縁体上に波形形状に金属の抵抗体（金属箔）が配置された構成である。つまり、歪みセンサ３は、例えば１アクティブ１ダミー法による回路を採用することができる。歪みセンサ３は、抵抗変化分に比例した出力電圧を、図示を省略した増幅器に出力する。この出力電圧は、起歪部２３の歪みに比例する。増幅器は、入力された出力電圧を増幅して、図示を省略した演算装置に出力する。演算装置は、増幅された出力電圧に基づいて起歪部２３の歪みを測定し、さらに測定した起歪部２３の歪みに基づいてロボットの関節部の負担トルクを導き出す。

この歪みセンサ３は、接着剤によって起歪部２３に貼り付けられている。接着剤は、接着強度及び絶縁性が温度、湿度に対して十分な耐性を有し、硬化時の吸収率が小さければ良く、溶剤蒸発型接着剤、接触硬化接着剤、エポキシ接着剤、フェノール接着剤などを用いることができる。

ここで、上述のように起歪部２３における歪みセンサ３が設けられた位置近傍の厚さと、起歪部２３と第１の構造体２１（第２の構造体２２）との連結部近傍の厚さと、が等しいと、起歪部２３における歪みセンサ３が設けられる位置近傍に生じる歪みは、起歪部２３と第１の構造体２１（第２の構造体２２）との連結部近傍に生じる歪みより小さくなる。トルクセンサの精度を上げるためには歪みセンサ３が設けられる位置近傍に生じる歪みを極力大きくしたいが、連結部近傍の塑性変形回避のためにそうすることができない。結果として、トルクセンサの精度が不十分となっている。

そこで、本実施の形態では、図１乃至３、及び図５（ａ）乃至（ｃ）に示すように、起歪部２３における歪みセンサ３が設けられた位置近傍の歪みと、起歪部２３と第１の構造体２１（第２の構造体２２）との連結部近傍の歪みと、を略等しくする歪み調整部２４を備えている。本実施の形態では、起歪部２３における第１の構造体２１（第２の構造体２２）との連結部近傍の厚さに対して、起歪部２３における歪みセンサ３が設けられる位置近傍の厚さを薄く形成している。詳細には、起歪部２３におけるＹ軸方向に配置される他方の面２３ｂには、Ｙ軸方向から見て、歪みセンサ３が設けられた位置を含むように、円周方向に凹み部が形成されている。つまり、凹み部を歪み調整部２４として機能させる。

ここで、凹み部（以下、歪み調整部２４と同一の符号を付する。）２４の深さＤ１や幅寸法Ｌ２、及び凹み部２４の形成領域や形状は、起歪部２３における歪みセンサ３が設けられた位置近傍の歪みと、起歪部２３と第１の構造体２１（第２の構造体２２）との連結部近傍の歪みと、が等しくなるように、適宜、設定される。但し、図５（ｂ）及び（ｃ）で示す凹み部２４は、模式的に表したものであり、正確な形状が表されていない。

このような構成のトルクセンサ１は、最も大きな歪みが生じる第１の構造体２１（第２の構造体２２）と起歪部２３との連結部近傍の歪みと略等しく、起歪部２３における歪みセンサ３が設けられた位置近傍に歪みを生じさせることができるので、検出精度を向上させることができる。

＜実施の形態２＞
上記実施の形態１では、Ｙ軸方向から見て、歪みセンサ３が設けられた位置を含むように、起歪部２３におけるＹ軸方向に配置される他方の面２３ｂに円周方向に向かって凹み部２４を形成しているが、この限りでない。

すなわち、図６（ａ）及び（ｂ）に示す起歪体２Ｂのように、起歪部２３の長手方向に向かって凹み部２５を形成しても良い。このときも、凹み部２５の深さや幅寸法、及び凹み部２５の形成領域や形状は、起歪部２３における歪みセンサ３が設けられた位置近傍の歪みと、起歪部２３と第１の構造体２１（第２の構造体２２）との連結部近傍の歪みと、が等しくなるように、適宜、設定される。

このような構成により、最も大きな歪みが生じる第１の構造体２１（第２の構造体２２）と起歪部２３との連結部近傍の歪みと略等しく、起歪部２３における歪みセンサ３が設けられた位置近傍に歪みを生じさせることができるので、検出精度を向上させることができる。

＜実施の形態３＞
上記実施の形態１及び２の凹み部２４及び２５の底面は、Ｘ・Ｚ平面と平行に形成されているが、この限りでない。

すなわち、例えば複数の歪みセンサ３が設けられる位置近傍の起歪部２３の歪みがそれぞれ等しくなるように、三次元で凹み部の形状が設定されていることが好ましい。例えば、図７（ａ）乃至（ｃ）の起歪体２Ｃは、実施の形態１の変形例であり、凹み部２４の厚さを起歪体２Ｃの円周方向に変化させている。また、図８（ａ）及び（ｂ）の起歪体２Ｄは、実施の形態２の変形例であり、凹み部２５の厚さを起歪体２Ｄの円周方向に変化させている。

このような構成により、複数の歪みセンサ３を用いてセンサブリッジを構成した際に、精度良く出力信号を取り出すことができる。

＜他の実施の形態＞
上記実施の形態１乃至３の起歪部は、例えば図５（ａ）に示すように、Ｙ軸方向から見たときの起歪部における中央部を通る線Ａを中心として対称な形状とされているが、この限りでない。例えば線Ａを中心として非対称な形状でも良く、このとき、例えば複数の歪みセンサが設けられる位置近傍の起歪部の歪みがそれぞれ等しくなるように、三次元で凹み部の形状が設定されていることが好ましい。詳細には、実施の形態１の変形例として示す図９（ａ）乃至（ｃ）の起歪体２Ｅは、凹み部２４の厚さを起歪体２Ｅの円周方向に変化させつつ、凹み部２４の幅寸法（起歪部２３の長手方向側の寸法）を起歪体２Ｅの円周方向に変化させている。このような構成により、起歪部が複雑な形状であっても、検出精度を向上させることができる。

ここで、起歪部２３における歪みセンサ３が設けられた位置近傍の歪みと、起歪部２３と第１の構造体２１（第２の構造体２２）との連結部近傍の歪みと、が略等しくなるように、第１の構造体又は第２の構造体と起歪部２３との連結部の形状も併せて設定されることが好ましい。例えば、図９の起歪体２Ｅの変形例として図１０に示す起歪体２Ｆのように、第２の構造体２２と起歪部２３との連結部におけるＲ部分を非対称とすることで、起歪部２３における歪みセンサ３が設けられる位置近傍の歪みと、起歪部２３と第２の構造体２２との連結部近傍の歪みと、を略等しくしても良い。これにより、複数の歪みセンサからの出力信号のバラツキを低減することができる。

以上、本発明に係る起歪体及びトルクセンサの実施の形態を説明したが、上記の構成に限らず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、変更することが可能である。

例えば上記実施の形態では、歪み調整部として凹み部を形成しているが、起歪部の断面積を変化させることで、起歪部における歪みセンサが設けられた位置近傍の歪みと、起歪部と第２の構造体との連結部近傍の歪みと、を等しくしても良い。

例えば上記実施の形態では、第１及び２の構造体を円形に形成したが、形状は特に限定されない。

ところで、従来のトルクセンサは、起歪部の平面形状が起歪体の径方向に対して非対称にならざるを得ない場合には、起歪部の中心線（即ち線Ａ）に対して対称に配置された２つの歪みセンサであっても歪み量が非対称となり、検出精度が低下する課題を単独で有する。

そこで、上記実施の形態では、起歪部２３における歪みセンサ３が設けられた位置近傍の歪みと、起歪部２３と第１の構造体２１（第２の構造体２２）との連結部近傍の歪みと、を略等しくすることを第１の目的としているが、第１の目的として起歪部２３における各歪みセンサ３が設けられる位置近傍の歪みが等しくなるように歪み調整部を形成しても良い。

例えば複数の歪みセンサが設けられる位置近傍の起歪部の歪みがそれぞれ等しくなるように、三次元で凹み部の形状が設定されたり、起歪部２３と第１の構造体２１（第２の構造体２２）との連結部のＲ部分の形状が設定されたりする。つまり、図９の起歪体２Ｅや図１０の起歪体２Ｆの凹み部２４のように、当該凹み部２４の厚さを起歪体の円周方向に変化させたり、起歪部２３と第１の構造体２１（第２の構造体２２）との連結部のＲ部分の形状を非対称としたりする。これにより、複数の歪みセンサからの出力信号のバラツキを低減することができる。

１ トルクセンサ
２Ａ〜２Ｆ 起歪体
３ 歪みセンサ、
２１ 第１の構造体
２１ａ ボルト孔
２２ 第２の構造体、２２ａ 本体部分、２２ｂ 延在部分、２２ｃ ボルト孔
２３ 起歪部
２４ 歪み調整部（凹み部）
２５ 凹み部
１００ トルクセンサ
１１０ 起歪体
１１１ 第１の構造体
１１２ 第２の構造体
１１３ 起歪部
１２０ 歪みセンサ
１３０ アクチュエータ
１４０ 減速機

Claims (8)

1. 入力側又は出力側の一方に連結される第１の構造体と、
   他方に連結される第２の構造体と、
   前記第１の構造体と前記第２の構造体とを連結し、歪みセンサが設けられる起歪部と、
   を備える起歪体であって、
   前記起歪部における前記第１の構造体との連結部近傍の歪みと、前記起歪部における前記歪みセンサが設けられる位置近傍の歪みと、を略等しくする歪み調整部を備える起歪体。
2. 前記歪み調整部として、前記起歪部における前記第１の構造体との連結部近傍の厚さに対して、前記起歪部における前記歪みセンサが設けられる位置近傍の厚さを薄くする請求項１に記載の起歪体。
3. 前記歪み調整部として、前記起歪部における前記歪みセンサが設けられる位置近傍に凹み部を備える請求項２に記載の起歪体。
4. 前記起歪部に複数の歪みセンサが設けられており、
   前記歪み調整部によって、前記起歪部における各歪みセンサが設けられる位置近傍の歪みを略等しくする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の起歪体。
5. 前記起歪部における各歪みセンサが設けられる位置近傍の歪みが略等しくなるように、前記起歪部における前記歪みセンサが設けられる位置近傍の厚さが三次元で設定される請求項４に記載の起歪体。
6. 前記起歪部における各歪みセンサが設けられる位置近傍の歪みが略等しくなるように、さらに前記起歪部と前記第１の構造体との連結部近傍の形状が設定される請求項５に記載の起歪体。
7. 入力側又は出力側の一方に連結される第１の構造体と、
   他方に連結される第２の構造体と、
   前記第１の構造体と前記第２の構造体とを連結し、複数の歪みセンサが設けられる起歪部と、
   を備える起歪体であって、
   前記起歪部における各歪みセンサが設けられる位置近傍の歪みを略等しくする歪み調整部を備える起歪体。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の起歪体と、
   前記起歪体の起歪部に設けられる歪みセンサと、
   を備えるトルクセンサ。

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