JP2018179647A - トルクセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】 感度を向上することが可能なトルクセンサを提供する。【解決手段】 第1構造体11と第2構造体12は、第3構造体13により連結される。第1溝部11c、11dは、第1構造体11に設けられ、第2溝部12c、12dは、第2構造体12に設けられる。歪センサ14は、基板の表面に抵抗体が設けられ、基板の第1端部が第1溝部内に設けられ、基板の第2端部が第2溝部内に設けられる。【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、例えばロボットアームの関節に設けられるトルクセンサに関する。
この種のトルクセンサは、トルクが印加される第1構造体と、トルクが出力される第2構造体と、第1構造体と第2構造体とを連結する複数の起歪部を有し、これら起歪部に歪センサが配置されている(例えば特許文献1、2、3参照)。
トルクセンサにおいて、歪センサの感度や許容トルク(最大トルク)、あるいはトルクセンサの機械的な強度を独立に設定することが困難であった。
本発明の実施形態は、歪センサの感度や許容トルク、あるいはトルクセンサの機械的な強度を独立に設定することが可能なトルクセンサを提供する。
本実施形態のトルクセンサは、被計測体に連結される第1構造体と、第2構造体と、前記第1構造体と前記第2構造体を連結する第3構造体と、前記第1構造体に設けられた第1溝部と、前記第2構造体に設けられた第2溝部と、基板の表面に抵抗体が設けられ、前記基板の第1端部が前記第1溝部内に設けられ、前記基板の第2端部が前記第2溝部内に設けられた歪センサとを具備する。
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。図面において、同一部分には同一符号を付している。
図1、図2において、トルクセンサ10は、第1構造体11、第2構造体12、複数の梁部(第3構造体)13、第1歪センサ14、第2歪センサ15、第3歪センサ16、第4歪センサ17、第1端子ホルダ18a乃至第4端子ホルダ18d、複数の端子19を具備している。
第1構造体11と、第2構造体12は、環状に形成され、第2構造体12の径は、第1構造体11の径より小さい。第2構造体12は、第1構造体11と同心状に配置され、第1構造体11と第2構造体12は、放射状に配置された複数の梁部13により連結されている。第2構造体12は、中空部12eを有しており、中空部12eには、例えば図示せぬ配線が通される。
第1構造体11は、例えば被計測体に連結され、複数の梁部13は、第1構造体11から第2構造体12にトルクを伝達する。逆に、第2構造体12を被計測体に連結し、第2構造体12から第1構造体11に複数の梁部13を介してトルクを伝達してもよい。
第1構造体11、第2構造体12、複数の梁部13は、例えば金属により構成されるが、印加されるトルクに対して機械的な強度を十分に得ることができれば、金属以外の材料を使用することも可能である。
第1歪センサ14と第2歪センサ15、及び第3歪センサ16と第4歪センサ17は、梁部13と梁部13の間で、第1構造体11と第2構造体12に直接設けられる。すなわち、第1歪センサ14と第2歪センサ15、及び第3歪センサ16と第4歪センサ17の第1端部は、第1構造体11に設けられ、第2端部は、第2構造体12に設けられている。
第1歪センサ14と第2歪センサ15、及び第3歪センサ16と第4歪センサ17は、第1構造体11及び第2構造体12の中心(トルクの作用中心)に対して対称な位置に配置されている。換言すると、第1歪センサ14と第2歪センサ15、及び第3歪センサ16と第4歪センサ17は、環状の第1構造体11及び第2構造体12の直径上に配置されている。
さらに、第1歪センサ14乃至第4歪センサ17は、後述する起歪体の表面が、第1構造体11及び第2構造体12の表面に対して、垂直に配置されている。以下、第1歪センサ14乃至第4歪センサ17の表面が、第1構造体11及び第2構造体12の表面に対して、垂直に配置されることを、縦置きとも言う。
第1歪センサ14と第2歪センサ15には、第1端子ホルダ18aと第2端子ホルダ18bが設けられ、第3歪センサ16と第4歪センサ17には、第3端子ホルダ18cと第4端子ホルダ18dが設けられる。
第1端子ホルダ18a乃至第4端子ホルダ18dは、それぞれ一対の端子19を具備している。これら端子19は、第1歪センサ14乃至第4歪センサ17に設けられた後述する抵抗体に電気的に接触される。
第1歪センサ14乃至第4歪センサ17の厚み(起歪体の厚み)は、梁部13の厚みより薄く、トルクセンサ10の機械的な強度は、梁部13の厚みにより設定される。
図3に示すように、第1構造体11は、内側面(内壁)に第1突起部11a及び第2突起部11bを有し、第2構造体12は、外側面(外壁)に第3突起部12a及び第4突起部12bを有している。第1突起部11aと第2突起部11b、及び第3突起部12a及び第4突起部12bは、第1構造体11の直径上に対抗して配置されている。具体的には、第1突起部11aと第3突起部12aは、所定間隔離間して対向され、第2突起部11bと第4突起部12bは、所定間隔離間して対向されている。
第1構造体11は、第1突起部11aの両側に第1溝部11cを有し、第2突起部11bの両側に第2溝部11dを有している。
第2構造体12は、第3突起部12aの両側に第3溝部12cを有し、第4突起部12bの両側に第4溝部12dを有している。
第1溝部11cと第3溝部12cに第1歪センサ14及び第2歪センサ15が挿入され、第2溝部11dと第4溝部12dに第3歪センサ16と第4歪センサ17が挿入される。
図4は、第1歪センサ14の一例を示している。第2歪センサ15乃至第4歪センサ17も第1歪センサ14と同様の構成であるため、説明は省略する。
第1歪センサ14は、基板(以下、起歪体とも言う)21の表面に歪ゲージとしての例えば薄膜抵抗体(以下、抵抗体と言う)22を有している。起歪体21は、矩形状の金属板、例えばステンレススチール(SUS)により構成されている。抵抗体22は、起歪体21の長手方向中央部に設けられている。抵抗体22の第1端部は、配線パターン23に接続され、第2端部は配線パターン24に接続されている。
起歪体21の幅は、第1構造体11の第1溝部11cと第2溝部11d及び第2構造体12の第3溝部12cと第4溝部12dの深さとほぼ等しく、起歪体21の厚みは、第1溝部11cと第2溝部11d及び第3溝部12cと第4溝部12dの幅とほぼ等しい。
図5は、図4に示すV−V線に沿った断面を示している。
第1歪センサ14は、例えば起歪体21、絶縁膜21a、抵抗体22、接着膜21b、配線パターン23、接着膜21c、保護膜としてのガラス膜21dを具備している。
具体的には、起歪体21上に絶縁膜21aが設けられ、絶縁膜21a上に例えばCr−Nにより構成された抵抗体22が設けられる。抵抗体22の第1端部上に接着膜21bを介在して、例えば銅(Cu)により構成された配線パターン23が設けられる。配線パターン23上には接着膜21cが設けられる。絶縁膜21a、抵抗体22、接着膜21cは、例えばガラス膜21dにより覆われる。接着膜21bは、配線パターン23と抵抗体22との密着性を高め、接着膜21cは、配線パターン23とガラス膜21dとの密着性を高めている。接着膜21b、21cは、例えばクロム(Cr)を含む導電膜である。
尚、ガラス膜21dは、配線パターン23及び配線パターン24の後述する端子19が接触される部分には、形成されておらず、配線パターン23及び配線パターン24の一部が露出されている。
第1歪センサ14乃至第4歪センサ17の構成は、これに限定されるものではなく、変形可能である。
図6は、トルクセンサ10の分解斜視図を示している。図6を参照してトルクセンサ10の製造工程について説明する。
第1歪センサ14乃至第4歪センサ17は、第1構造体11の第1溝部11cと第2溝部11d及び第2構造体12の第3溝部12cと第4溝部12dに挿入される。すなわち、第1歪センサ14及び第2歪センサ15の第1端部は、第1構造体11の第1溝部11cにそれぞれ挿入され、第2端部は、第2構造体12の第3溝部12cにそれぞれ挿入される。
また、第3歪センサ16及び第4歪センサ17の第1端部は、第1構造体11の第2溝部11dにそれぞれ挿入され、第2端部は、第2構造体12の第4溝部12dにそれぞれ挿入される。
この時、第1歪センサ14乃至第4歪センサ17は、起歪体21の抵抗体22が形成されていない裏面が第1構造体11の第1突起部11aと第2突起部11b及び第2構造体12の第3突起部12aと第4突起部12bにそれぞれ接触するように配置される。
第1歪センサ14と第2歪センサ15の抵抗体22に接続された配線パターン23は、第1突起部11aの側面に位置され、配線パターン24は、第3突起部12aの側面に位置される。
また、第3歪センサ16と第4歪センサ17の抵抗体22に接続された配線パターン23は、第2突起部11bの側面に位置され、配線パターン24は、第4突起部12bの側面に位置される。
この後、一対の端子19を保持した第1端子ホルダ18aが、第1歪センサ14、第2歪センサ15の第1端部及び第1突起部11aを跨いで装着され、第2端子ホルダ18bが、第1歪センサ14、第2歪センサ15の第2端部及び第3突起部12aを跨いで装着される。
また、第3端子ホルダ18cは、第3歪センサ16、第4歪センサ17の第1端部及び第2突起部11bを跨いで装着され、第4端子ホルダ18dは、第3歪センサ16、第4歪センサ17の第2端部及び第4突起部12bを跨いで装着される。
図7に示すように、第1端子ホルダ18aに保持された一対の端子19は、第1歪センサ14と第2歪センサ15の第1端部に配置された図示せぬ配線パターン23に接触され、第2端子ホルダ18bに保持された一対の端子19は、第1歪センサ14と第2歪センサ15の第2端部に配置された図示せぬ配線パターン24に接触される。
第3端子ホルダ18cに保持された一対の端子19は、第3歪センサ16と第4歪センサ17の第1端部に配置された図示せぬ配線パターン23に接触され、第4端子ホルダ18dに保持された一対の端子19は、第3歪センサ16と第4歪センサ17の第2端部に配置された図示せぬ配線パターンに接触される。
上記のように第1歪センサ14乃至第4歪センサ17が第1構造体11及び第2構造体12に取着された状態において、第1歪センサ14乃至第4歪センサ17と第1構造体11及び第2構造体12が例えば溶接される。
具体的には、第1歪センサ14乃至第4歪センサ17の第1端部は、第1構造体11の外側面(外壁)に露出され、第2端部は、第2構造体12の内側面(内壁)に露出されている。第1構造体11の外側面に露出された第1歪センサ14乃至第4歪センサ17の第1端部は、第1構造体11の外側面に溶接され、第2構造体12の内側面に露出された第1歪センサ14乃至第4歪センサ17の第2端部は、第2構造体12の内側面に溶接される。
図7に示す破線の丸印はそれぞれ溶接部Wpを示している。
第1端子ホルダ18a乃至第4端子ホルダ18dに保持された複数の端子19を接続することによりブリッジ回路が構成される。
図8は、ブリッジ回路30の一例を概略的に示している。
図8において、第1歪センサ14の抵抗体22を抵抗体22−1と記し、第2歪センサ15乃至第4の歪センサ17の抵抗体22を、それぞれ抵抗体22−2、抵抗体22−3、抵抗体22−4と記す。
また、図8において、第1歪センサ14乃至第4歪センサ17の表面は、説明の便宜上第1構造体11及び第2構造体12の表面と平行に記載しているが、前述したように、第1歪センサ14乃至第4歪センサ17は、第1構造体11及び第2構造体12の表面に対して縦置きとされている。
ブリッジ回路30において、抵抗体21−1と抵抗体21−3は直列接続され、抵抗体21−2と抵抗体21−4は直列接続される。直列接続された抵抗体21−1、21−3は、直列接続された抵抗体21−2、21−4と並列接続される。抵抗体21−2と抵抗体21−4の接続点に電源Vo、例えば5Vが供給され、抵抗体21−1と抵抗体21−3の接続点は、例えば接地される。抵抗体21−1と抵抗体21−2の接続点から出力電圧Vout+が出力され、抵抗体21−3と抵抗体21−4の接続点から出力電圧Vout-が出力される。
トルクセンサ10にトルクが印加され、例えば第1構造体11に対して第2構造体12が図示矢印A又はB方向に回動した場合、すなわち、図示Z軸回りのトルクが印加された場合、ブリッジ回路30の出力電圧Vout+及び出力電圧Vout-から、式(1)で示すトルクセンサ10の出力電圧Voutが得られる。
Vout=(Vout+−Vout-)
=(R1/(R1+R2)−R3(R3+R4))・Vo …(1)
ここで、
R1は、抵抗体21−1の抵抗値
R2は、抵抗体21−2の抵抗値
R3は、抵抗体21−3の抵抗値
R4は、抵抗体21−4の抵抗値
であり、R1=R2=R3=R4=Rである。
=(R1/(R1+R2)−R3(R3+R4))・Vo …(1)
ここで、
R1は、抵抗体21−1の抵抗値
R2は、抵抗体21−2の抵抗値
R3は、抵抗体21−3の抵抗値
R4は、抵抗体21−4の抵抗値
であり、R1=R2=R3=R4=Rである。
一方、トルクセンサ10にトルク以外の力、例えばスラスト力(図8に示す第1構造体11、第2構造体12に対する左右方向(X方向)の力、又は、上下方向(Y方向)の力)が加わった場合、第1歪センサ14、第2歪センサ15、第3歪センサ16及び第4歪センサ17の抵抗値の変化(R1=R−ΔR、R2=R+ΔR、R3=R−ΔR、R4=R+ΔR、ここで、ΔRは、抵抗値の変化の値)が相殺され、第1ブリッジ回路B1の出力電圧Vout1は、0Vとなる。
(実施形態の効果)
本実施形態によれば、第1構造体11は、第1溝部11cと第2溝部11dを有し、第2構造体12は、第3溝部12cと第4溝部12dを有し、抵抗体22を有する第1歪センサ14乃至第4歪センサ17は、抵抗体22を有する表面が第1構造体11及び第2構造体12の表面に対して垂直となるように、第1構造体11の第1溝部11c内と第2溝部11d内、及び第2構造体12の第3溝部12c内と第4溝部12d内に設けられている。すなわち、第1歪センサ14乃至第4歪センサ17は、第1構造体11と第2構造体12との間に直接配置されている。したがって、梁部13に対する歪センサの位置や梁部13の形状を工夫することなく、第1歪センサ14乃至第4歪センサ17をそれぞれ構成する起歪体21の剛性を調整するにより、第1歪センサ14乃至第4歪センサ17の感度や許容トルクを設定することが可能である。
本実施形態によれば、第1構造体11は、第1溝部11cと第2溝部11dを有し、第2構造体12は、第3溝部12cと第4溝部12dを有し、抵抗体22を有する第1歪センサ14乃至第4歪センサ17は、抵抗体22を有する表面が第1構造体11及び第2構造体12の表面に対して垂直となるように、第1構造体11の第1溝部11c内と第2溝部11d内、及び第2構造体12の第3溝部12c内と第4溝部12d内に設けられている。すなわち、第1歪センサ14乃至第4歪センサ17は、第1構造体11と第2構造体12との間に直接配置されている。したがって、梁部13に対する歪センサの位置や梁部13の形状を工夫することなく、第1歪センサ14乃至第4歪センサ17をそれぞれ構成する起歪体21の剛性を調整するにより、第1歪センサ14乃至第4歪センサ17の感度や許容トルクを設定することが可能である。
しかも、第1歪センサ14乃至第4歪センサ17の起歪体21は、第1構造体11と第2構造体12の間で、第1構造体11と第2構造体12に対して縦置きに配置されている。このため、第1構造体11と第2構造体12間に印加されるZ軸回りのトルクを直接検出することができる。したがって、トルクセンサ10の感度を向上させることが可能である。
また、第1構造体11と第2構造体12は、複数の梁部13により連結されている。複数の梁部13の厚さは、第1歪センサ14乃至第4歪センサ17をそれぞれ構成する起歪体21の厚さより厚く設定されている。このため、トルクセンサ10の許容トルクやトルクセンサ10の機械的な強度は、第1構造体11、第2構造体12及び梁部13により規定され、第1構造体11、第2構造体12及び梁部13の厚さを変えたり、梁部13の数を変えたりすることにより、必要に応じて自由に設定することが可能である。
また、第1歪センサ14乃至第4歪センサ17の裏面は、第1構造体11に設けられた第1突起部11a、第2突起部11b、及び第2構造体12に設けられた第3突起部12a、第4突起部12bに接触されている。このため、第1構造体11及び第2構造体12に印加されたトルクを第1突起部11a乃至第4突起部12bを介して第1歪センサ14乃至第4歪センサ17に伝達させることが可能であるため、トルクセンサ10の感度を向上させることが可能である。
また、第1歪センサ14乃至第4歪センサ17は、第1構造体11及び第2構造体12の表面に対して縦置きとされている。このため、図7に示すZ軸回りのトルクを検出する際、起歪体21は、X軸回り方向及びY軸回り方向の力に対する剛性が高く、変形しにくい。したがって、本実施形態によれば、他軸の干渉を低減してトルクの測定精度を向上することが可能である。
さらに、トルクセンサ10は、第1歪センサ14乃至第4歪センサ17を第1構造体11の第1溝部11cと第2溝部11d内と、第2構造体12の第3溝部12cと第4溝部12d内に挿入し、第1端子ホルダ18a乃至第4端子ホルダ18dに保持された複数の端子19を各抵抗体22に接触させ、第1歪センサ14乃至第4歪センサ17と第1構造体11及び第2構造体12を溶接すればよい。このため、組み立て作業が容易である。
しかも、第1歪センサ14乃至第4歪センサ17の第1端部は、第1構造体11の側面から露出され、第2端部は、第2構造体12の側面から露出されている。このため、第1構造体11と第1歪センサ14乃至第4歪センサ17の第1端部との溶接作業、及び第2構造体12と第1歪センサ14乃至第4歪センサ17の第2端部との溶接作業が容易であり、作業工数を削減することが可能である。
さらに、第1歪センサ14乃至第4歪センサ17の溶接位置は、抵抗体22から離れた位置であるため、溶接位置がトルクセンサ10の感度に与える影響を低減することが可能である。
また、第1端子ホルダ18a乃至第4端子ホルダ18dを第1歪センサ14乃至第4歪センサ17に装着するだけで、第1端子ホルダ18a乃至第4端子ホルダ18dに保持された複数の端子19を各抵抗体22に接触させることができるため、複数の端子19の接続作業が容易である。
尚、第1歪センサ14と第2歪センサ15、及び第3歪センサ16と第4歪センサ17は、各抵抗体22が互いに対向しないように縦置き配置した。しかし、これに限らず、第1歪センサ14と第2歪センサ15、及び第3歪センサ16と第4歪センサ17の抵抗体22が互いに対向するように縦置き配置することも可能である。
この場合、第1突起部11a乃至第4突起部12bに代えて、例えば第1歪センサ14乃至第4歪センサ17の第1端部及び第2端部の裏面にそれぞれ当接可能な複数の突起部を設け、第1端子ホルダ18a乃至第4端子ホルダ18dに保持される複数の端子19は、第1歪センサ14乃至第4歪センサ17の第1端部及び第2端部の表面に設けられた配線パターン23及び配線パターン24にそれぞれ接触するように配置すればよい。
その他、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
11…第1構造体、12…第2構造体、13…梁部、11c…第1溝部、11d…第2溝部、12c…第3溝部、12d…第4溝部、11a…第1突起部、11b…第2突起部、12a…第3突起部、12b…第4突起部、14〜17…第1構造体乃至第4構造体、21…起歪体、22、22−1〜22−4…抵抗体、Wp…溶接部。
Vout=(Vout+−Vout-)
=(R1/(R1+R2)−R3/(R3+R4))・Vo …(1)
ここで、
R1は、抵抗体21−1の抵抗値
R2は、抵抗体21−2の抵抗値
R3は、抵抗体21−3の抵抗値
R4は、抵抗体21−4の抵抗値
であり、トルクセンサ10にトルクが印加されていない状態において、R1=R2=R3=R4=Rである。
=(R1/(R1+R2)−R3/(R3+R4))・Vo …(1)
ここで、
R1は、抵抗体21−1の抵抗値
R2は、抵抗体21−2の抵抗値
R3は、抵抗体21−3の抵抗値
R4は、抵抗体21−4の抵抗値
であり、トルクセンサ10にトルクが印加されていない状態において、R1=R2=R3=R4=Rである。
Claims (5)
- 被計測体に連結される第1構造体と、
第2構造体と、
前記第1構造体と前記第2構造体を連結する第3構造体と、
前記第1構造体に設けられた第1溝部と、
前記第2構造体に設けられた第2溝部と、
基板の表面に抵抗体が設けられ、前記基板の第1端部が前記第1溝部内に設けられ、前記基板の第2端部が前記第2溝部内に設けられた歪センサと、
を具備することを特徴とするトルクセンサ。 - 前記歪センサの表面は、前記第1構造体及び前記第2構造体の表面と交差することを特徴とする請求項1記載のトルクセンサ。
- 前記歪センサの前記第1端部は、前記第1構造体に溶接される第1溶接部を具備し、前記第2端部は、前記第2構造体に溶接される第2溶接部を具備することを特徴とする請求項1記載のトルクセンサ。
- 前記歪センサの前記第1端部に装着され、前記抵抗体の第1端部と電気的に接触される第1端子と、前記歪センサの前記第2端部に装着され、前記抵抗体の第2端部と電気的に接触される第2端子をさらに具備することを特徴とする請求項1記載のトルクセンサ。
- 前記第1構造体は、前記歪センサの裏面に接触する第1突起部を具備し、
前記第2構造体は、前記歪センサの裏面に接触する第2突起部を具備することを特徴とする請求項1記載のトルクセンサ。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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