JP2019158420A - Torque sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、トルクを検出するトルクセンサに関する。 The present invention relates to a torque sensor that detects torque.
一般に、部材の弾性変形によりトルクを検出するセンサが知られている。(特許文献1参照)。 In general, a sensor that detects torque by elastic deformation of a member is known. (See Patent Document 1).
しかしながら、部材の弾性変形によりトルクを検出するセンサの場合、センサの感度を高くするには、弾性変形する部材を変形し易くする必要があるが、部材を変形し易くすると、過大な負荷が掛けられた場合、センサの耐久性が低くなり易い。 However, in the case of a sensor that detects torque by elastic deformation of a member, in order to increase the sensitivity of the sensor, it is necessary to easily deform the elastically deformable member. However, if the member is easily deformed, an excessive load is applied. The durability of the sensor tends to be low.
本発明の実施形態の目的は、センサの感度を高め、過大な負荷に対する剛性を向上させたトルクセンサを提供することにある。 An object of an embodiment of the present invention is to provide a torque sensor that increases the sensitivity of the sensor and improves the rigidity against an excessive load.
本発明の観点に従ったトルクセンサは、環状に形成された第1領域部と、前記第1領域部の内側で、前記第1領域部と同心円上に位置し、環状に形成された第2領域部と、前記第1領域部の内側と前記第2領域部の外側とを接続する複数の梁部と、前記第1領域部と前記第2領域部との相対的な変位を検出するための起歪体と、測定する方向のトルクが基準値を超えた場合、前記梁部の剛性を向上させるための剛性向上手段とを備える。 A torque sensor according to an aspect of the present invention includes a first region portion formed in an annular shape, and a second region formed in an annular shape that is positioned concentrically with the first region portion inside the first region portion. In order to detect relative displacement between a region portion, a plurality of beam portions connecting the inside of the first region portion and the outside of the second region portion, and the first region portion and the second region portion And a rigidity improving means for improving the rigidity of the beam portion when the torque in the measuring direction exceeds a reference value.
本発明の実施形態によれば、センサの感度を高め、過大な負荷に対する剛性を向上させたトルクセンサを提供することができる。 According to the embodiment of the present invention, it is possible to provide a torque sensor that increases the sensitivity of the sensor and improves the rigidity against an excessive load.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係るトルクセンサ10の構成を示す構成図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a configuration diagram showing the configuration of the torque sensor 10 according to the first embodiment of the present invention.
トルクセンサ10は、Z軸(図面に対して垂直方向)を回転軸としたZ軸モーメントMzのトルクを検出するためのセンサである。例えば、トルクセンサ10は、ロボットなどに実装される。 The torque sensor 10 is a sensor for detecting the torque of the Z-axis moment Mz with the Z-axis (perpendicular to the drawing) as the rotation axis. For example, the torque sensor 10 is mounted on a robot or the like.
トルクセンサ10は、第1領域部1、第2領域部2、複数の梁部3、複数の起歪体4、及び、複数のストッパ5を備える。
The torque sensor 10 includes a
第1領域部1、第2領域部2、及び、複数の梁部3は、金属などの材質により一体に形成される。第1領域部1は、環状に形成される。第2領域部2は、第1領域部1よりも径の小さい環状に形成される。第2領域部2は、第1領域部1の環状の内側(中心側)で、同心円上に位置する。複数の梁部3は、第2領域部2から放射状に延び、第1領域部1の内側と第2領域部2の外側を接続するように設けられる。梁部3は、いくつ設けられてもよい。
The
第1領域部1は、トルクを受ける負荷に取り付けられる部分である。例えば、第1領域部1は、ロボットの手又は腕などの可動部に取り付けられる。第2領域部2は、トルクを発生する動力源に取り付けられる部分である。例えば、第2領域部2は、モータ又は減速機などに取り付けられる。
The
起歪体4は、第1領域部1と第2領域部2との相対的な変位による力が加わるように、第1領域部1と第2領域部2との間に設けられる。例えば、起歪体4は、隣接する2つの梁部3の間で、第1領域部1から第2領域部2の方向に延びた第1突起部T1と、第2領域部2から第1領域部1の方向に延びた第2突起部T2との間を接続するように設けられる。なお、起歪体4は、いくつ設けられてもよい。また、起歪体4は、第1領域部1と第2領域部2との相対的な変位による力を受けるのであれば、何処に設けられてもよい。例えば、起歪体4は、梁部3に設けられてもよい。
The
起歪体4は、歪を検出するセンサの役割を果たす歪ゲージを備える。歪ゲージは、変形すると電気的変位が生じるように構成される。なお、歪ゲージは、電気的に検出可能な変位が生じるものであれば、どのようなものでもよい。例えば、歪ゲージは、変形量に応じて、電気抵抗が変化してもよいし、電圧を発生させてもよい。トルクセンサ10は、これらの電気的変位を起歪体4(歪ゲージ)から検出することにより、トルクを測定する。
The
例えば、起歪体4は、次のように用いる。トルクセンサ10にトルクが加わると、互いに対称となる応力が加わる位置(左右対称又は上下対称などになる位置)に、一対の起歪体4を設ける。測定しない方向の力については、一対の起歪体4のそれぞれの歪ゲージの出力を相殺することで、検出しないようにする。これにより、トルクセンサ10は、測定する方向(Z軸モーメントMz)のトルクのみを検出するようにする。
For example, the
ストッパ5は、上面及び底面が長方形又は台形の直方体形状である。ストッパ5は、第1領域部1と第2領域部2との相対的な変位による力が所定以上加わると制限するように、第1領域部1と第2領域部2との間に設けられる。例えば、ストッパ5は、第1領域部1、第2領域部2、及び、隣接する2つの梁部3で囲まれる空間に嵌るように設けられる。ストッパ5は、梁部3の剛性を向上させるための部材である。ストッパ5の材質は、例えば金属である。
The
ストッパ5は、2つの梁部3とのそれぞれの間に所定の間隔の隙間SPが保たれた状態で取り付けられる。隙間SPの幅は、トルクセンサ10の定格トルク等に基づいて決定される。例えば、隙間SPの幅は、15〜30μmである。ストッパ5は、第1領域部1及び第2領域部2とのそれぞれの間にも隙間SPが設けられてもよい。また、ストッパ5は、隙間SPの間隔が保たれた状態で維持されるのであれば、どのように取り付けられてもよい。
The
図2は、接着剤ADを用い、図1に示すトルクセンサ10をα−α線で切断した断面図である。図2を参照して、接着剤ADでストッパ5を取り付ける方法について説明する。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the torque sensor 10 shown in FIG. 1 cut along an α-α line using an adhesive AD. With reference to FIG. 2, the method of attaching the
ストッパ5の上面及び底面は、面取り(チャンファ)されている。ここでは、ストッパ5を面取りした場合を示しているが、第1領域部1、第2領域部2、又は、梁部3を面取りしてもよい。
The upper surface and the bottom surface of the
接着剤ADは、例えばシリコン等の樹脂製の接着剤である。接着剤ADは、硬化した硬さが、少なくともストッパ5の剛性よりも低い必要がある。この硬さは、トルクセンサ10に印加されるトルクに対して抵抗にならないほどよい。即ち、接着剤ADは、ストッパ5が外れないのであれば、硬化した状態が柔らかいほどよい。
The adhesive AD is an adhesive made of a resin such as silicon. The adhesive AD needs to have a cured hardness that is at least lower than the rigidity of the
ストッパ5の上面及び底面のそれぞれの周りに沿って、接着剤ADを一周塗布する。面取りされていることにより、接着剤ADがストッパ5の周りに馴染み易くなる。このとき、接着剤ADは、上面及び底面の面取りされた部分のみに塗布されればよく、ストッパ5の側面まで接着剤ADが塗布される必要はない。また、上面及び底面においても、接着剤ADを一周塗布しなくてもよく、例えばそれぞれの面の四隅だけでもよい。即ち、トルクセンサ10としての強度が保たれるのであれば、接着剤ADを塗布する箇所は必要最低限でよい。
The adhesive AD is applied once around each of the upper surface and the bottom surface of the
図3は、固定部材H1を用い、図1に示すトルクセンサ10をα−α線で切断した断面図である。図3を参照して、固定部材H1でストッパ5を取り付ける方法について説明する。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the torque sensor 10 shown in FIG. 1 cut along an α-α line using the fixing member H1. With reference to FIG. 3, the method of attaching the
ストッパ5がトルクセンサ10の所定の位置に組み込まれた状態で、固定部材H1は、ストッパ5の上面及び底面のそれぞれの左右両側(梁部3側)に固定して設けられ、梁部3とは固定されない。このとき、上面及び底面に設けられた固定部材H1の一部は、梁部3の上面及び底面に被さる状態になる。これにより、ストッパ5の垂直方向への動きが固定される。一方、ストッパ5の水平方向への動きは、隙間SPの分だけ自由度がある。
In a state where the
なお、ここでは、4つの固定部材H1で、ストッパ5を取り付けたが、いくつの固定部材H1を設けてもよい。また、固定部材H1は、ストッパ5に固定せずに、梁部3に固定してもよい。さらに、固定部材H1は、板状又はブロック状など、どのような形状でもよい。
Here, the
図4は、本実施形態の変形例に係るストッパ5aの上面を示す上面図である。
FIG. 4 is a top view showing the top surface of a
ストッパ5aの上面(底面)は、ストッパ5aが実装される空間の上面の四角形状に対して、2つの対角線に沿って細長い板を重なり合わせたX字状のような形状をしている。ストッパ5aは、上面から見て四隅に所定の間隔の隙間SPが保たれた状態で取り付けられる。ストッパ5aの取り付け方法は、上述したストッパ5と同様であり、隙間SPに接着剤ADを塗布してもよいし、固定部材H1を用いてもよい。ストッパ5aをこのような形状にすることで、ストッパ5aを作るための材料の分量を少なく抑えられる。
The upper surface (bottom surface) of the
図5は、本実施形態に係るトルクセンサ10にトルクが印加された時のストッパ5の上面を示す簡易図である。
FIG. 5 is a simplified diagram showing the top surface of the
トルクは、トルクセンサ10に取り付けられた動力源により加わる回転により発生する。トルクが印加されると、トルクセンサ10には、Z軸モーメントMzが生じる。Z軸モーメントMzが生じると、ストッパ5の外側にある第1領域部1とストッパ5の内側にある第2領域部2が互いに反対になる向きに動く。これにより、ストッパ5の両端に位置する梁部3が斜めになるように弾性変形する。
Torque is generated by rotation applied by a power source attached to the torque sensor 10. When torque is applied, a Z-axis moment Mz is generated in the torque sensor 10. When the Z-axis moment Mz occurs, the
Z軸モーメントMzが予め決められた基準値以内であれば、梁部3が弾性変形しても、ストッパ5と梁部3との間の隙間SPにより、ストッパ5と梁部3は接触しない。Z軸モーメントMzが予め決められた基準値を超えると、梁部3が変形することで、一部に隙間SPが無くなり、図5に示すように、ストッパ5の第1領域部1側と第2領域部2側の互いに反対側の隅で梁部3と接触する。梁部3がストッパ5と接触することで、ストッパ5の材質の剛性により、梁部3がさらに変形するのを制限する。
If the Z-axis moment Mz is within a predetermined reference value, even if the
基準値は、例えば、トルクセンサ10が通常使用される条件において想定される最大負荷である。基準値は、定格負荷に係数を掛けたり加えたりした値のように、定格負荷に基づいて決定してもよいし、どのように決定してもよい。定格負荷は、例えば、トルクセンサ10において最も多く印加されることが想定される負荷である。 The reference value is, for example, the maximum load that is assumed under conditions where the torque sensor 10 is normally used. The reference value may be determined based on the rated load, such as a value obtained by multiplying or adding a coefficient to the rated load, or may be determined in any manner. The rated load is, for example, a load that is assumed to be applied most frequently in the torque sensor 10.
図6は、本実施形態に係るトルクセンサ10の負荷トルクと隙間SPの変位量を示すグラフ図である。ここでは、定格負荷を800Nmとし、隙間SPの初期状態を20μmとし、過大負荷の基準値を1000Nmとする。 FIG. 6 is a graph showing the load torque of the torque sensor 10 according to this embodiment and the displacement amount of the gap SP. Here, the rated load is 800 Nm, the initial state of the gap SP is 20 μm, and the reference value of the overload is 1000 Nm.
隙間SPの幅は、基準値に基づいて決定される。具体的には、基準値のトルクが印加された場合に、梁部3が変形して、丁度隙間SPが無くなるように、隙間SPの幅が決定される。ここでは、1000Nmのトルクが印加されると、図5に示すように、20μmの隙間が一部で無くなり、ストッパ5が梁部3に接触し始めるものとする。
The width of the gap SP is determined based on the reference value. Specifically, when the reference value torque is applied, the width of the gap SP is determined so that the
梁部3の変形量は、第1領域部1と第2領域部2との相対的な変位量により決定されるため、起歪体4の変形量とほぼ比例する。起歪体4が小さいトルクで大きく変形するほど、トルクセンサ10としてのトルクを測定する感度(又は、測定精度)は良くなる。
Since the deformation amount of the
図6において、負荷トルクが0〜1000Nmの間は、ストッパ5の周りに隙間SPがあるため、ストッパ5の影響を受けずに梁部3は変形する。したがって、この間は、起歪体4も変形し易く、センサとしての感度は良い。一方、負荷トルクが1000Nmを超えると、隙間SPが潰れてストッパ5が梁部3に接触し始める。このため、ストッパ5の剛性を受けて、梁部3が変形し難くなる。これにより、センサとしての感度は悪くなるが、過大負荷で、梁部3が塑性変形したり、破壊したりするのを防止する。
In FIG. 6, when the load torque is between 0 and 1000 Nm, there is a gap SP around the
図6では、1000Nmでの変位量は20μmとなっている。仮にストッパ5が無く、最大負荷となる2000Nmまで負荷を増やすと、単純計算での変位量は2倍である40μmとなる。しかし、ストッパ5が梁部3と接触してからは、負荷に対しての弾性変形率が下がるため、実際の最大負荷時の変形量は約26μmに抑えられる。
In FIG. 6, the displacement at 1000 Nm is 20 μm. If there is no
図7は、本実施形態に係るトルクセンサ10の負荷トルクと起歪体4の歪量を示すグラフ図である。トルクセンサ10は、図6と同じである。
FIG. 7 is a graph showing the load torque of the torque sensor 10 and the strain amount of the
図7でも、図6と同様に、1000Nmでの歪量は10μmであるから、ストッパ5が無い場合、最大負荷となる2000Nmまで負荷を増やすと、単純計算での歪量は20μSTとなる。しかし、ストッパ5を設けることにより、実際の最大負荷時の歪量は13μSTに抑えられる。
In FIG. 7 as well, similarly to FIG. 6, the strain amount at 1000 Nm is 10 μm. Therefore, when the
本実施形態によれば、ストッパ5を設けることで、Z軸モーメントMzのトルクが基準値以下であれば、起歪体4を変形し易くして、トルクセンサ10のセンサとしての感度を高め、トルクが基準値を超えた場合は、梁部3の剛性を向上させて、過大負荷による梁部3の塑性変形又は破壊を防止することができる。
According to the present embodiment, by providing the
また、トルクによるZ軸モーメントMz以外の力がトルクセンサ10に加わった場合についても、ストッパ5により梁部3の剛性を向上させることができる。例えば、隙間SPを設けていない方向に梁部3を変形させるような力に対しては、この力の強さに関係なく、ストッパ5の剛性が常に梁部3の剛性を高くしている。
In addition, even when a force other than the Z-axis moment Mz due to torque is applied to the torque sensor 10, the rigidity of the
なお、本実施形態では、ストッパ5を設ける構成について説明したが、これに限らない。例えば、トルクが基準値以下のときよりも基準値を超えたときの方が、梁部3の変形がし難くなるように、梁部3などを構成すれば、ストッパ5を設けなくてもよい。
(第2の実施形態)
図8は、本発明の第2の実施形態に係るトルクセンサ10Aの構成を示す構成図である。
In addition, although this embodiment demonstrated the structure which provides the
(Second Embodiment)
FIG. 8 is a configuration diagram showing a configuration of a
トルクセンサ10Aは、図1に示す第1の実施形態に係るトルクセンサ10において、起歪体4を設置するために、第1突起部T1及び第2突起部T2の代わりに梁部3Aを設けたものである。その他の点は、第1の実施形態と同様である。
In the
複数の梁部3Aは、起歪体4と同数設けられる。梁部3Aは、複数の梁部3のうち一部の梁部3の形状を変えたものである。
The plurality of
梁部3Aは、Z軸モーメントMzのトルクにより、他の梁部3よりも変形し易い形状にしたものである。具体的には、梁部3Aの長さが他の梁部3よりも長くなるように、第1領域部1の梁部3Aと接続される部分を外側(第1領域部1側)に広げるように変形している。また、梁部3Aの外側部分を他の梁部3よりも細くすることで、さらに変形し易くしている。
3 A of beam parts are made into the shape which deform | transforms more easily than the
本実施形態によれば、第1の実施形態による作用効果に加え、以下の作用効果を得ることができる。 According to the present embodiment, in addition to the operational effects of the first embodiment, the following operational effects can be obtained.
ストッパ5を設けたりすることで、過大なトルクが印加された場合は、梁部3が塑性変形したり、破壊されたりするのを防止するように構成されているため、トルク検出の感度を高めるために起歪体4が設けられる梁部3Aを変形し易い形状にしても、トルクセンサ10Aの耐久性に問題はない。したがって、変形し易い形状にした梁部3Aに起歪体4を設けることで、起歪体4を通常の梁部3に設けるよりもトルク検出の感度を高めることができる。
By providing the
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、構成要素を削除、付加又は変更等をしてもよい。また、複数の実施形態について構成要素を組合せ又は交換等をすることで、新たな実施形態としてもよい。このような実施形態が上述した実施形態と直接的に異なるものであっても、本発明と同様の趣旨のものは、本発明の実施形態として説明したものとして、その説明を省略している。 In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, You may delete, add, or change a component. Moreover, it is good also as a new embodiment by combining or exchanging a component about several embodiment. Even if such an embodiment is directly different from the above-described embodiment, those having the same gist as the present invention are described as the embodiment of the present invention, and the description thereof is omitted.
1…第1領域部、2…第2領域部、3…梁部、4…起歪体、5…ストッパ、10…トルクセンサ。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記第1領域部の内側で、前記第1領域部と同心円上に位置し、環状に形成された第2領域部と、
前記第1領域部の内側と前記第2領域部の外側とを接続する複数の梁部と、
前記第1領域部と前記第2領域部との相対的な変位を検出するための起歪体と、
測定する方向のトルクが基準値を超えた場合、前記梁部の剛性を向上させるための剛性向上手段と
を備えたことを特徴とするトルクセンサ。 A first region formed in an annular shape;
A second region portion that is concentric with the first region portion and formed in an annular shape inside the first region portion;
A plurality of beam portions connecting the inside of the first region portion and the outside of the second region portion;
A strain generating body for detecting a relative displacement between the first region portion and the second region portion;
A torque sensor comprising: a rigidity improving means for improving the rigidity of the beam portion when the torque in the measuring direction exceeds a reference value.
を特徴とする請求項1に記載のトルクセンサ。 2. The torque sensor according to claim 1, wherein the rigidity improving unit is provided with a rigidity improving member for improving the rigidity of the beam portion between two adjacent beam portions of the plurality of beam portions.
を特徴とする請求項2に記載のトルクセンサ。 The torque sensor according to claim 2, wherein the rigidity improving member is provided in a state in which a gap between each of the two adjacent beam portions is maintained at a distance determined based on the reference value. .
を特徴とする請求項3に記載のトルクセンサ。 The torque sensor according to claim 3, wherein the rigidity improving member maintains a state in which the gap is maintained with an adhesive.
を備えたことを特徴とする請求項3に記載のトルクセンサ。 The torque sensor according to claim 3, further comprising a fixing member for maintaining the rigidity improving member in a state in which the gap is maintained.
を特徴とする請求項1に記載のトルクセンサ。 The torque sensor according to claim 1, wherein the strain body is provided at a location other than the plurality of beam portions between the first region portion and the second region portion.
を特徴とする請求項1に記載のトルクセンサ。 The torque sensor according to claim 1, wherein the strain body is provided in a beam portion having a shape that is more easily deformed than the other beam portions among the plurality of beam portions.
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