JP2019174327A - Torque sensor - Google Patents

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    • G01L3/02Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating

Abstract

To provide a torque sensor with which it is possible to prevent the degradation of a strain gauge and improve the accuracy of detecting torque.SOLUTION: A plurality of third structures 13 connect a first structure 11 and a second structure 12. A first strain sensor 19 is connected between the first and the second structures, and a second strain sensor 20 is connected between the first and the second structures. At least one stopper 16 is fixed at one end to one of the first and the second structures and is engageable at other end with an engaging part 14f provided in the other of the first and the second structures.SELECTED DRAWING: Figure 16

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。   Embodiments described herein relate generally to a torque sensor provided at a joint of a robot arm, for example.

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梁としての複数の起歪部とを有し、これら起歪部にセンサ素子としての複数の歪ゲージが配置されている。これら歪ゲージによりブリッジ回路が構成されている(例えば特許文献1、2、3参照)。   The torque sensor has a first structure to which torque is applied, a second structure to which torque is output, and a plurality of strain generating portions as beams that connect the first structure and the second structure. In addition, a plurality of strain gauges as sensor elements are arranged in these strain generating portions. These strain gauges constitute a bridge circuit (see, for example, Patent Documents 1, 2, and 3).

特開2013−096735号公報JP 2013-096735 A 特開2015−049209号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-049209 特開2017−172983号公報JP 2017-172983 A

トルクセンサにおいて、歪ゲージの許容歪までトルクを検出することができれば、感度を高めることができ、高分解能、或は高精度のトルクセンサを得ることができる。   If the torque sensor can detect the torque up to the allowable strain of the strain gauge, the sensitivity can be increased, and a torque sensor with high resolution or high accuracy can be obtained.

しかし、歪ゲージへ定格トルクを超える大きな力が印加される場合、或は歪ゲージの疲労に対する安全率を考慮する必要がある。このため、安全率が1より大きな値、例えば3〜5程度の範囲で設計される。安全性と感度はトレードオフの関係にあり、安全率を大きく設定した場合、定格トルクが小さくなり、トルクの検出精度(感度)が低下する。したがって、トルクセンサの精度が低下する。   However, when a large force exceeding the rated torque is applied to the strain gauge, it is necessary to consider the safety factor against fatigue of the strain gauge. For this reason, the safety factor is designed to be a value larger than 1, for example, in the range of about 3 to 5. Safety and sensitivity are in a trade-off relationship, and when the safety factor is set large, the rated torque becomes small and the torque detection accuracy (sensitivity) decreases. Therefore, the accuracy of the torque sensor is reduced.

本発明の実施形態は、歪ゲージの劣化を防止してトルクの検出精度を向上することが可能なトルクセンサを提供しようとするものである。   Embodiments of the present invention are intended to provide a torque sensor that can improve the accuracy of torque detection by preventing deterioration of a strain gauge.

実施形態のトルクセンサは、第1構造体と、第2構造体と、前記第1構造体と前記第2構造体とを接続する複数の第3構造体と、前記第1構造体と前記第2構造体との間の接続された少なくとも1つの歪センサと、一端部が前記第1構造体と前記第2構造体の一方に固定され、他端部が前記第1構造体と前記第2構造体の他方に設けられた係合部に係合可能とされた少なくとも1つのストッパーと、を具備する。   The torque sensor according to the embodiment includes a first structure, a second structure, a plurality of third structures that connect the first structure and the second structure, the first structure, and the first structure. At least one strain sensor connected between two structures, one end is fixed to one of the first structure and the second structure, and the other end is the first structure and the second And at least one stopper that can be engaged with an engaging portion provided on the other side of the structure.

各実施形態が適用されるトルクセンサを示す平面図。The top view which shows the torque sensor to which each embodiment is applied. 図1の一部を除いて示す平面図。The top view shown except for a part of FIG. 第1の実施形態に係り、図2の一部を除いて示す平面図。The top view which concerns on 1st Embodiment and is shown except a part of FIG. 図3の斜視図。FIG. 4 is a perspective view of FIG. 3. 図3に破線で示すA部を拡大して示す平面図。The top view which expands and shows the A section shown with a broken line in FIG. 図5に示すトルクセンサにトルク(Mz)方向の力を印加した場合の動作を説明するために示す平面図。The top view shown in order to demonstrate operation | movement at the time of applying the force of a torque (Mz) direction to the torque sensor shown in FIG. 図5に示すトルクセンサにトルク以外(Fz、Mx)の方向の力を印加した場合の動作を説明するために示す側面図。The side view shown in order to demonstrate operation | movement at the time of applying the force of directions other than a torque (Fz, Mx) to the torque sensor shown in FIG. 図5に示す構造を示す斜視図。The perspective view which shows the structure shown in FIG. 図7に示すVIIIA−VIIIA線に沿った断面図であり、トルク以外(Fz、Mx)の方向の断面二次モーメントを説明するために示す図。FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the line VIIIA-VIIIA shown in FIG. 7 and is a view shown to explain a cross-sectional secondary moment in a direction other than torque (Fz, Mx). 図7に示すVIIIB−VIIIB線に沿った断面図であり、トルク以外(Fz、Mx)の方向の断面二次モーメントを説明するために示す図。FIG. 8 is a cross-sectional view taken along line VIIIB-VIIIB shown in FIG. 7, and is a view shown for explaining a cross-sectional secondary moment in a direction other than torque (Fz, Mx). 一般的な構造体の断面二次モーメントを説明するために示す図。The figure shown in order to demonstrate the cross-section secondary moment of a general structure. 図8Cと異なる構造体の断面二次モーメントを説明するために示す図。The figure shown in order to demonstrate the cross-sectional secondary moment of the structure different from FIG. 8C. 図8Aのトルク(Mz)方向の断面二次モーメントを説明するために示す図。The figure shown in order to demonstrate the cross-sectional secondary moment of the torque (Mz) direction of FIG. 8A. 図8Bのトルク(Mz)方向の断面二次モーメントを説明するために示す図。The figure shown in order to demonstrate the cross-sectional secondary moment of the torque (Mz) direction of FIG. 8B. 図8C、図8Dと異なる構造体の断面二次モーメントを説明するために示す図。The figure shown in order to demonstrate the cross-sectional secondary moment of the structure different from FIG. 8C and FIG. 8D. 構造体と起歪体の位置関係を説明するために示す図。The figure shown in order to demonstrate the positional relationship of a structure and a strain body. 第1の実施形態の比較例に係るトルクセンサを示す平面図。The top view which shows the torque sensor which concerns on the comparative example of 1st Embodiment. 図9に示すトルクセンサにトルク(Mz)方向の力を印加した場合の動作を説明するために示す平面図。The top view shown in order to demonstrate operation | movement at the time of applying the force of a torque (Mz) direction to the torque sensor shown in FIG. 図9に示すトルクセンサにトルク以外(Fz、Mx)の方向の力を印加した場合の動作を説明するために示す側面図。The side view shown in order to demonstrate operation | movement at the time of applying the force of directions other than a torque (Fz, Mx) to the torque sensor shown in FIG. 第1の実施形態のトルクセンサと比較例のトルクセンサの各軸方向に同一の力を印加した場合における歪を示す図。The figure which shows the distortion at the time of applying the same force to each axial direction of the torque sensor of 1st Embodiment, and the torque sensor of a comparative example. 第2の実施形態を示すものであり、第1歪センサと第2歪センサを示す平面図。The top view which shows 2nd Embodiment and shows a 1st strain sensor and a 2nd strain sensor. 第1歪センサのブリッジ回路の一例を示す回路図。The circuit diagram which shows an example of the bridge circuit of a 1st distortion sensor. 第2の実施形態のトルクセンサにトルク方向の力が印加された場合と、トルク方向以外の方向の力が印加された場合における起歪体の様子を説明するために示す図。The figure shown in order to demonstrate the mode of the strain body in the case where the force of a torque direction is applied to the torque sensor of 2nd Embodiment, and the case where the force of directions other than a torque direction is applied. 第2の実施形態の比較例に係るトルクセンサを概略的に示す図。The figure which shows schematically the torque sensor which concerns on the comparative example of 2nd Embodiment. 第3の実施形態を示すものであり、図1のBで示す部分を拡大して示す平面図。The top view which shows 3rd Embodiment and expands and shows the part shown by B of FIG. ストッパーの動作を示すものであり、図16の一部を模式的に示す図。The figure which shows operation | movement of a stopper and shows a part of FIG. 図17Aと異なるストッパーの動作を示すものであり、図16の一部を模式的に示す図。FIG. 17A is a diagram schematically illustrating a part of FIG. 16, illustrating the operation of a stopper different from that of FIG. 17A. トルクセンサに印加されるトルクとストッパーの動作の関係を説明するために示す図。The figure shown in order to demonstrate the relationship between the torque applied to a torque sensor, and the operation | movement of a stopper. 歪ゲージの歪と応力の関係を示す図。The figure which shows the relationship between the distortion of a strain gauge, and stress. 第3の実施形態の第1の変形例を示すものであり、一部を拡大して示す平面図。The top view which shows the 1st modification of 3rd Embodiment, and expands and shows a part. 第3の実施形態の第2の変形例を示す平面図。The top view which shows the 2nd modification of 3rd Embodiment.

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。   Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same parts are denoted by the same reference numerals.

図1は、本実施形態が適用されるトルクセンサ10の一例を示している。   FIG. 1 shows an example of a torque sensor 10 to which the present embodiment is applied.

図1において、トルクセンサ10は、第1構造体11、第2構造体12、複数の第3構造体13、第4構造体14、第5構造体15、ストッパー16、17、カバー18を具備している。   In FIG. 1, the torque sensor 10 includes a first structure 11, a second structure 12, a plurality of third structures 13, a fourth structure 14, a fifth structure 15, stoppers 16 and 17, and a cover 18. is doing.

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としての第3構造体13により連結されている。第2構造体12は、中空部12aを有しており、中空部12aには、例えば図示せぬ配線が通される。   The first structure 11 and the second structure 12 are formed in an annular shape, and the diameter of the second structure 12 is smaller than the diameter of the first structure 11. The second structure 12 is arranged concentrically with the first structure 11, and the first structure 11 and the second structure 12 are connected by a third structure 13 as a plurality of beam portions arranged radially. Has been. The second structure 12 has a hollow portion 12a, and, for example, a wiring (not shown) is passed through the hollow portion 12a.

第1構造体11は、例えば被計測体に連結され、複数の第3構造体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に複数の第3構造体13を介してトルクを伝達してもよい。   For example, the first structure 11 is connected to a measurement target, and the plurality of third structures 13 transmit torque from the first structure 11 to the second structure 12. Conversely, the second structure 12 may be connected to the measurement target, and torque may be transmitted from the second structure 12 to the first structure 11 via the plurality of third structures 13.

第1構造体11、第2構造体12、複数の第3構造体13は、金属、例えばステンレス鋼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。   The first structure 11, the second structure 12, and the plurality of third structures 13 are made of metal, for example, stainless steel. However, if sufficient mechanical strength can be obtained with respect to applied torque. It is also possible to use materials other than metals.

図2は、図1のストッパー16、17を外した状態を示している。第1構造体11と第2構造体12との間には、第1歪センサ19、第2歪センサ20が設けられている。すなわち、後述するように、第1歪センサ19と第2歪センサ20の一端部は、第1構造体11に接合され、第1歪センサ19と第2歪センサ20の他端部は、第2構造体12に接合されている。   FIG. 2 shows a state where the stoppers 16 and 17 of FIG. 1 are removed. A first strain sensor 19 and a second strain sensor 20 are provided between the first structure 11 and the second structure 12. That is, as will be described later, one end portions of the first strain sensor 19 and the second strain sensor 20 are joined to the first structure 11, and the other end portions of the first strain sensor 19 and the second strain sensor 20 are The two structures 12 are joined.

また、第1歪センサ19と第2歪センサ20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19と第2歪センサ20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。   Further, the first strain sensor 19 and the second strain sensor 20 are arranged at positions symmetrical with respect to the centers (the center of torque action) of the first structure 11 and the second structure 12. In other words, the first strain sensor 19 and the second strain sensor 20 are arranged on the diameters of the annular first structure body 11 and second structure body 12.

第1歪センサ19と第2歪センサ20の厚み、すなわち、後述する起歪体の厚みは、第3構造体13の厚みより薄い。トルクセンサ10の機械的な強度は、第3構造体13の厚みや幅により設定される。起歪体には、センサ素子としての複数の歪ゲージが設けられ、これらセンサ素子によりブリッジ回路が構成される。   The thicknesses of the first strain sensor 19 and the second strain sensor 20, that is, the thickness of the strain generating body to be described later are smaller than the thickness of the third structure 13. The mechanical strength of the torque sensor 10 is set by the thickness and width of the third structure 13. The strain body is provided with a plurality of strain gauges as sensor elements, and a bridge circuit is constituted by these sensor elements.

ストッパー16、17は、第1歪センサ19と第2歪センサ20の機械的な変形を保護するとともに、第1歪センサ19と第2歪センサ20のカバーとしての機能を有している。ストッパー16、17の詳細については、後述する。   The stoppers 16 and 17 protect the mechanical deformation of the first strain sensor 19 and the second strain sensor 20 and have a function as a cover for the first strain sensor 19 and the second strain sensor 20. Details of the stoppers 16 and 17 will be described later.

第1歪センサ19はフレキシブル基板21に接続され、第2歪センサ20はフレキシブル基板22に接続されている。フレキシブル基板21、22は、カバー18により覆われた図示せぬプリント基板に接続されている。プリント基板には、後述するブリッジ回路の出力電圧を増幅する演算増幅器などが配置されている。回路構成は、本実施形態の本質ではないため、説明は省略する。
(第1の実施形態)
図3、図4は、第1の実施形態を示すものであり、図1、図2から第1歪センサ19と第2歪センサ20、フレキシブル基板21、22及びカバー18等を外し、第1構造体11、第2構造体12、複数の第3構造体13、第4構造体14、第5構造体15のみを示している。
The first strain sensor 19 is connected to the flexible substrate 21, and the second strain sensor 20 is connected to the flexible substrate 22. The flexible boards 21 and 22 are connected to a printed board (not shown) covered by the cover 18. An operational amplifier that amplifies an output voltage of a bridge circuit, which will be described later, is disposed on the printed circuit board. Since the circuit configuration is not the essence of this embodiment, the description is omitted.
(First embodiment)
3 and 4 show the first embodiment. The first strain sensor 19 and the second strain sensor 20, the flexible substrates 21 and 22, the cover 18 and the like are removed from FIGS. Only the structure 11, the second structure 12, the plurality of third structures 13, the fourth structure 14, and the fifth structure 15 are shown.

第1の実施形態は、トルク方向Mz以外の方向、特に、図示矢印Fz方向、Mx方向の力がトルクセンサ10に印加された際、第1歪センサ19及び第2歪センサ20の起歪体に設けられたセンサ素子としての複数の歪ゲージに歪が集中しない構造とされている。   In the first embodiment, when a force in a direction other than the torque direction Mz, in particular, in the illustrated arrow Fz direction and Mx direction is applied to the torque sensor 10, the strain generating bodies of the first strain sensor 19 and the second strain sensor 20 are used. In this structure, strain is not concentrated on a plurality of strain gauges as sensor elements.

具体的には、第1構造体11及び第2構造体12の中心に対して対称な位置に第4構造体14と第5構造体15とが設けられ、第4構造体14は、第1構造体11から第2構造体12に連続する凹部14fを有し、第5構造体15は第1構造体11から第2構造体12に連続する凹部15fを有している。後述するように、第1歪センサ19は、第4構造体14の凹部14f内に配置され、第2歪センサ20は、第5構造体15の凹部15f内に配置される。   Specifically, the fourth structure 14 and the fifth structure 15 are provided at positions symmetrical with respect to the centers of the first structure 11 and the second structure 12, and the fourth structure 14 includes the first structure 14 and the first structure 11. The structure 11 has a recess 14 f continuous from the second structure 12, and the fifth structure 15 has a recess 15 f continuous from the first structure 11 to the second structure 12. As will be described later, the first strain sensor 19 is disposed in the recess 14 f of the fourth structure 14, and the second strain sensor 20 is disposed in the recess 15 f of the fifth structure 15.

尚、第1実施形態は、第1歪センサ19と第2歪センサの2つの歪センサを具備する場合について示しているが、歪センサの数は、3つ以上であってもよい。この場合、歪センサの数に応じて構造体の数を増加すればよい。   In addition, although 1st Embodiment has shown about the case where two strain sensors, the 1st strain sensor 19 and the 2nd strain sensor, are provided, the number of strain sensors may be three or more. In this case, the number of structures may be increased according to the number of strain sensors.

第4構造体14及び第5構造体15は、同一の構成であるため、第4構造体14についてのみ具体的に説明する。   Since the fourth structure 14 and the fifth structure 15 have the same configuration, only the fourth structure 14 will be specifically described.

図5に示すように、第4構造体14は、第1歪センサ19を接合する接合部としての第1接続部14a及び第2接続部14bと、梁としての第3接続部14c及び第4接続部14dと、第1接続部14a、第2接続部14b、第3接続部14c及び第4接続部14dとに囲まれた開口部14eと、を有している。   As shown in FIG. 5, the fourth structure 14 includes a first connection part 14 a and a second connection part 14 b as joint parts for joining the first strain sensor 19, and a third connection part 14 c and a fourth part as beams. It has the connection part 14d and the opening part 14e enclosed by the 1st connection part 14a, the 2nd connection part 14b, the 3rd connection part 14c, and the 4th connection part 14d.

換言すると、第4構造体14は、第1構造体11と第2構造体12との間に設けられた開口部14eを有する梁である。   In other words, the fourth structure 14 is a beam having an opening 14 e provided between the first structure 11 and the second structure 12.

第1接続部14aは、第1構造体11から第2構造体12側に延出している。第2接続部14bは、第2構造体12から第1構造体11側に延出している。   The first connection portion 14a extends from the first structure 11 to the second structure 12 side. The second connection portion 14b extends from the second structure 12 to the first structure 11 side.

梁としての第3接続部14c及び第4接続部14dは、第1接続部14aと第2接続部14bとの間に設けられている。   The 3rd connection part 14c and the 4th connection part 14d as a beam are provided between the 1st connection part 14a and the 2nd connection part 14b.

第3接続部14c及び第4接続部14dの長さL1は、梁としての第3構造体13の長さL2(図1にも示す)より短い。第3接続部14c及び第4接続部14dのトルク(Mz)方向の幅W1は、第1接続部14a及び第2接続部14bのトルク方向の幅W2より狭く、第3接続部14c及び第4接続部14dの幅W1の合計は、第3構造体13のトルク(Mz)方向の幅W3(図1に示す)より狭い。このため、第3接続部14c及び第4接続部14dのトルク方向の剛性は、第1接続部14a、第2接続部14b及び第3構造体13のトルク方向の剛性に比べて低い。   The length L1 of the third connection portion 14c and the fourth connection portion 14d is shorter than the length L2 (also shown in FIG. 1) of the third structure 13 as a beam. A width W1 in the torque (Mz) direction of the third connection portion 14c and the fourth connection portion 14d is narrower than a width W2 in the torque direction of the first connection portion 14a and the second connection portion 14b, and the third connection portion 14c and the fourth connection portion 14c. The total width W1 of the connecting portion 14d is narrower than the width W3 (shown in FIG. 1) of the third structure 13 in the torque (Mz) direction. For this reason, the stiffness in the torque direction of the third connection portion 14c and the fourth connection portion 14d is lower than the stiffness in the torque direction of the first connection portion 14a, the second connection portion 14b, and the third structure 13.

また、第3接続部14c及び第4接続部14dのFz方向の厚みは、第1構造体、第2構造体及び第3構造体のFz方向の厚みと等しい。さらに、第1接続部14aの長さL11と、第2接続部14bの長さL12と、第3接続部14c及び第4接続部14dの長さL1の合計は、第3構造体13の長さと等しい。このため、第3接続部14c及び第4接続部14dのFz方向の剛性は、第3構造体13のFz方向の剛性よりやや小さくなる。   The thicknesses of the third connection portion 14c and the fourth connection portion 14d in the Fz direction are equal to the thicknesses of the first structure, the second structure, and the third structure in the Fz direction. Furthermore, the sum of the length L11 of the first connection portion 14a, the length L12 of the second connection portion 14b, and the length L1 of the third connection portion 14c and the fourth connection portion 14d is the length of the third structure 13. Is equal to For this reason, the rigidity in the Fz direction of the third connection part 14c and the fourth connection part 14d is slightly smaller than the rigidity of the third structure 13 in the Fz direction.

すなわち、後述する図6Aに示すように、トルク(Mz)方向において、第1接続部14aと第1構造体11は、高剛性部HS1を構成し、第2接続部14bと第2構造体12は、高剛性部HS2を構成する。さらに、トルク(Mz)方向において、第3接続部14cは、低剛性部LS1を構成し、第4接続部14dは、低剛性部LS2を構成する。   That is, as shown in FIG. 6A described later, in the torque (Mz) direction, the first connection portion 14a and the first structure 11 constitute a high-rigidity portion HS1, and the second connection portion 14b and the second structure 12 Constitutes the high-rigidity portion HS2. Furthermore, in the torque (Mz) direction, the third connection portion 14c constitutes the low rigidity portion LS1, and the fourth connection portion 14d constitutes the low rigidity portion LS2.

尚、第1接続部14aの長さL11と、第2接続部14bの長さL12と、第3接続部14c及び第4接続部14dの長さL1の合計は、第3構造体13の長さと等しい場合に限らず、等しくなくてもよい。   The total of the length L11 of the first connection portion 14a, the length L12 of the second connection portion 14b, and the length L1 of the third connection portion 14c and the fourth connection portion 14d is the length of the third structure 13. Is not limited to the case of being equal to each other.

第1接続部14aは、前述した凹部14fを有している。凹部14fの部分の厚さは、第1乃至第3構造体11、12、13の厚さより薄い。   The 1st connection part 14a has the recessed part 14f mentioned above. The thickness of the recess 14 f is thinner than the thickness of the first to third structures 11, 12, and 13.

第1歪センサ19の一端部は、第1接続部14aの凹部14fに接続され、他端部は、第2接続部14bの凹部14fに接続される。このため、第1歪センサ19は、開口部14eを跨いでいる。凹部14fの底部は、後述するように、第4構造体14の厚みの中央以下に位置し、第1歪センサ19を構成する起歪体の表面が、第1構造体11、第2構造体12、複数の第3構造体13、第4構造体14及び第5構造体15からなる構造体の重心を含む面に一致されている。   One end of the first strain sensor 19 is connected to the recess 14f of the first connection portion 14a, and the other end is connected to the recess 14f of the second connection portion 14b. For this reason, the first strain sensor 19 straddles the opening 14e. As will be described later, the bottom of the recess 14f is positioned below the center of the thickness of the fourth structure 14, and the surface of the strain-generating body constituting the first strain sensor 19 is the first structure 11 and the second structure. 12, a plane including the center of gravity of the structure including the plurality of third structures 13, the fourth structure 14, and the fifth structure 15.

図6A、図6Bは、図5を模式的に示す図であり、図6Aは、トルクセンサ10にトルク(Mz)方向の力を印加した場合を示し、図6Bは、トルクセンサ10にトルク以外(Fz、Mx)の方向の力を印加した場合を示している。   6A and 6B are diagrams schematically showing FIG. 5, FIG. 6A shows a case where a force in the torque (Mz) direction is applied to the torque sensor 10, and FIG. 6B shows a case other than torque on the torque sensor 10. The case where the force of the direction of (Fz, Mx) is applied is shown.

図6Aに示すように、トルクセンサ10にトルク(Mz)方向の力が印加された場合、低剛性部LS1、LS2としての第3接続部14cと第4接続部14dが変形することにより、第1歪センサ19(第2歪センサ20)が変形し、トルクを検出することが可能である。   As shown in FIG. 6A, when a torque (Mz) direction force is applied to the torque sensor 10, the third connecting portion 14c and the fourth connecting portion 14d as the low-rigidity portions LS1 and LS2 are deformed, thereby The first strain sensor 19 (second strain sensor 20) is deformed and torque can be detected.

一方、図6Bに示すように、トルクセンサ10にトルク以外(Fz、Mx)の方向の力が印加された場合、すなわち、第2構造体12に対して第1構造体11が図示矢印方向に変位する場合、第1接続部14aと第2接続部14bとの剛性と、第3接続部14cと第4接続部14dとの剛性がほぼ等しい。このため、第1接続部14aの長さL11と第2接続部14bの長さL12及び第3接続部14cと第4接続部14dの長さL1の合計の長さL2が有効長として働く。長さL2は、第3接続部14cと第4接続部14dの長さL1より長いため、トルク以外(Fz、Mx)の方向の力が印加された場合、第1歪センサ19(第2歪センサ20)の変形は長さL2の範囲で起こり、第1歪センサ19の起歪体に設けられたセンサ素子としての複数の歪ゲージに歪が集中しないようにすることができ、第1歪センサ19(第2歪センサ20)の検出精度の低下を防止することが可能である。   On the other hand, as shown in FIG. 6B, when a force in a direction other than torque (Fz, Mx) is applied to the torque sensor 10, that is, the first structure 11 is in the direction indicated by the arrow with respect to the second structure 12. In the case of displacement, the rigidity of the first connection part 14a and the second connection part 14b is substantially equal to the rigidity of the third connection part 14c and the fourth connection part 14d. For this reason, the total length L2 of the length L11 of the first connecting portion 14a, the length L12 of the second connecting portion 14b, and the length L1 of the third connecting portion 14c and the fourth connecting portion 14d serves as an effective length. Since the length L2 is longer than the length L1 of the third connection portion 14c and the fourth connection portion 14d, the first strain sensor 19 (second strain) is applied when a force in a direction other than torque (Fz, Mx) is applied. The deformation of the sensor 20) occurs in the range of the length L2, and the strain can be prevented from concentrating on a plurality of strain gauges as sensor elements provided on the strain generating body of the first strain sensor 19. It is possible to prevent a decrease in detection accuracy of the sensor 19 (second strain sensor 20).

図7は、第4構造体14を模式的に示すものである。図7を参照して、第4構造体14の断面二次モーメント(変形し易さ)及び第4構造体14(第5構造体15)に要求される条件について説明する。   FIG. 7 schematically shows the fourth structure 14. With reference to FIG. 7, the secondary moment of inertia (ease of deformation) of the fourth structure 14 and the conditions required for the fourth structure 14 (fifth structure 15) will be described.

第4構造体14の高剛性部HS2を固定し、高剛性部HS1にトルク(Mz)方向の力を印加した場合の断面二次モーメントをJsで表し、低剛性部LS1、LS2にトルク(Mz)方向の力を印加した場合の断面2次モーメントをJwで表し、高剛性部HS1にトルク以外(Fz)の方向の力を印加した場合の断面2次モーメントをIsで表し、低剛性部LS1、LS2にトルク以外(Fz)の方向の力を印加した場合の断面2次モーメントをIwで表わすとする。   When the high rigidity portion HS2 of the fourth structure 14 is fixed and a force in the torque (Mz) direction is applied to the high rigidity portion HS1, the cross-sectional secondary moment is represented by Js, and the torque (Mz) is applied to the low rigidity portions LS1 and LS2. ) When the force in the direction is applied, the cross-sectional secondary moment is expressed by Jw, and when the force in the direction other than the torque (Fz) is applied to the highly rigid portion HS1, the cross-sectional secondary moment is expressed by Is, and the low-rigidity portion LS1 , Suppose that Iw represents the secondary moment of section when a force in a direction other than torque (Fz) is applied to LS2.

トルク(Mz)方向の高剛性部HS1の断面2次モーメントと、低剛性部LS1、LS2の断面二次モーメントの比は、次式(1)で表される。   The ratio of the cross-sectional secondary moment of the high-rigidity portion HS1 in the torque (Mz) direction to the cross-sectional secondary moments of the low-rigidity portions LS1 and LS2 is expressed by the following equation (1).

Js/Jw …(1)
トルク以外(Fz)の方向の高剛性部HS1の断面2次モーメントと、低剛性部LS1、LS2の断面2次モーメントの比は、次式(2)で表される。
Js / Jw (1)
The ratio of the cross-sectional secondary moment of the high-rigidity portion HS1 in the direction other than torque (Fz) and the cross-sectional secondary moments of the low-rigidity portions LS1 and LS2 is expressed by the following equation (2).

トルク以外(Fz)の方向の高剛性部HS1の断面二次モーメントと、低剛性部LS1、LS2の断面二次モーメントの比は、次式(2)で表される。   The ratio of the cross-sectional secondary moment of the high-rigidity portion HS1 in the direction other than torque (Fz) and the cross-sectional secondary moments of the low-rigidity portions LS1 and LS2 is expressed by the following equation (2).

Is/Iw …(2)
式(1)(2)の値がいずれも“1”であれば、高剛性部HS1と低剛性部LS1、LS2の断面二次モーメントは等しく、低剛性部LS1、LS2に変形は集中しない。式(1)(2)の値がいずれも“1”より大きければ大きいほど、低剛性部LS1、LS2に変形が集中することとなる。
Is / Iw (2)
If the values of the expressions (1) and (2) are both “1”, the cross-sectional secondary moments of the high-rigidity portion HS1 and the low-rigidity portions LS1, LS2 are equal, and the deformation does not concentrate on the low-rigidity portions LS1, LS2. As the values of the expressions (1) and (2) are both larger than “1”, the deformation is concentrated on the low rigidity portions LS1 and LS2.

トルク(Mz)方向の力を印加した場合、第1歪センサ19の起歪体に設けられたセンサ素子としての複数の歪ゲージに対して歪を集中させ、トルク以外(Fz、Mx)の方向の力を印加した場合に、歪の集中箇所を歪ゲージからずらすためには、一方の変形集中度(α)が1に近く(α→1)、他方の変形集中度(β)が変形集中度(α)と比較して非常に大きい(β>>α)ことが望まれる。   When a force in the torque (Mz) direction is applied, strain is concentrated on a plurality of strain gauges as sensor elements provided on the strain-generating body of the first strain sensor 19, and directions other than torque (Fz, Mx) In order to shift the strain concentration location from the strain gauge when the force of 1 is applied, one deformation concentration level (α) is close to 1 (α → 1) and the other deformation concentration level (β) is deformation concentration. It is desired that it is very large (β >> α) compared to the degree (α).

トルク(Mz)方向の力を印加したときの低剛性部LS1、LS2の変形集中度が、トルク以外(Fz)の方向の力を印加したときの低剛性部LS1、LS2の変形集中度より大きければ、トルク方向の力に対して変形し易く、トルク以外の方向の力に対して変形し難いこととなる。すなわち、次式(3)で示す関係が成立することが、第4構造体14(第5構造体15)に要求される条件である。   The deformation concentration level of the low rigidity portions LS1 and LS2 when a force in the torque (Mz) direction is applied is greater than the deformation concentration level of the low rigidity portions LS1 and LS2 when a force in a direction other than the torque (Fz) is applied. Thus, it is easy to deform with respect to a force in the torque direction, and difficult to deform with respect to a force in a direction other than the torque. That is, the condition required for the fourth structure 14 (the fifth structure 15) is that the relationship represented by the following expression (3) is satisfied.

Js/Jw>Is/Iw …(3)
具体的には、図8Aは、図7に示すVIIIA−VIIIA線に沿った断面図であり、高剛性部HS1の寸法の一例を示している。図8Bは、図7に示すVIIIB−VIIIB線に沿った断面図であり、低剛性部LS1、LS2の寸法の一例を示している。
Js / Jw> Is / Iw (3)
Specifically, FIG. 8A is a cross-sectional view along the line VIIIA-VIIIA shown in FIG. 7 and shows an example of the dimension of the high-rigidity portion HS1. FIG. 8B is a cross-sectional view taken along line VIIIB-VIIIB shown in FIG. 7 and shows an example of dimensions of the low-rigidity portions LS1 and LS2.

図8Aに示すように、U字型の断面を有する高剛性部HS1において、トルク以外(Fz)の方向の力が印加された場合における軸N1−N1に関する断面二次モーメントIsは、次の通りである。ここで、軸N1−N1は、高剛性部HS1の厚さ方向の中心を通る軸である。   As shown in FIG. 8A, in the high-rigidity portion HS1 having a U-shaped cross section, the cross-sectional secondary moment Is regarding the axis N1-N1 when a force in a direction other than torque (Fz) is applied is as follows. It is. Here, the axis N1-N1 is an axis that passes through the center in the thickness direction of the high-rigidity portion HS1.

図8Cに示すように、一般に、L字型の断面を有する構造体とU字型の断面を有する構造体の寸法が、b=B−a、h=e−tの関係を満たす場合、L字型の断面を有する構造体とU字型の断面を有する構造体の断面二次モーメントIsは同一であり、次式(4)で表される。 As shown in FIG. 8C, in general, when the dimensions of the structure having an L-shaped cross section and the structure having a U-shaped cross section satisfy the relationship of b = B−a and h = e 1 −t, The cross-sectional secondary moment Is of the structure having an L-shaped cross section and the structure having a U-shaped cross section is the same, and is expressed by the following equation (4).

Is=(Be −bh+ae )/3 …(4)
ここで、h=e−t、
=(aH+bt)/(2(aH+bt))
=H−e
このため、図8Aに示す高剛性部HS1にトルク以外(Fz)の方向の力が印加された場合における軸N1−N1に関する断面二次モーメントIsは、式(4)により求めることができる。
Is = (Be 1 3 -bh 3 + ae 2 3 ) / 3 (4)
Where h = e 1 −t,
e 1 = (aH 2 + bt 2 ) / (2 (aH + bt))
e 2 = H−e 1
For this reason, the cross-sectional secondary moment Is regarding the axis N1-N1 when a force in a direction other than the torque (Fz) is applied to the high-rigidity portion HS1 shown in FIG. 8A can be obtained by Expression (4).

尚、eは、第1構造体11、第2構造体12、複数の第3構造体13、第4構造体14、及び第5構造体15からなる弾性体としての構造体における重心の位置は、構造体の厚みの半分である。このため、厚みH=12に対してe≒6となる。したがって、e≒6となる。 Note that e 1 is the position of the center of gravity in the structure as an elastic body including the first structure 11, the second structure 12, the plurality of third structures 13, the fourth structure 14, and the fifth structure 15. Is half the thickness of the structure. For this reason, e 1 ≈6 with respect to the thickness H = 12. Therefore, e 2 ≈6.

式(4)に図8Aに示す寸法を代入すると、次のようになる。   Substituting the dimensions shown in FIG. 8A into equation (4) results in the following.

Is=(Be −bh+ae )/3
=(14×6−8×(6−5.8)+6×6)/3
=1440
また、図8Bに示すように、長方形の断面を有する低剛性部LS1、LS2にトルク以外(Fz)の方向の力が印加された場合における、軸N2−N2に関する断面二次モーメントIsは、次の通りである。ここで、軸N2−N2は、低剛性部LS1、LS2の厚さ方向の中心を通る軸である。
Is = (Be 1 3 -bh 3 + ae 2 3 ) / 3
= (14 × 6 3 −8 × (6-5.8) 3 + 6 × 6 3 ) / 3
= 1440
As shown in FIG. 8B, when a force in a direction other than torque (Fz) is applied to the low-rigidity portions LS1 and LS2 having a rectangular cross section, the cross-sectional secondary moment Is regarding the axis N2-N2 is It is as follows. Here, the axis N2-N2 is an axis passing through the center in the thickness direction of the low-rigidity portions LS1, LS2.

図8Dに示すように、一般に、長方形の断面を有する構造体の断面二次モーメントIw’は、次式(5)で表される。   As shown in FIG. 8D, generally, the cross-sectional secondary moment Iw ′ of the structure having a rectangular cross section is expressed by the following equation (5).

Iw’=bh/12 …(5)
式(5)に図8Bに示す寸法を代入すると、次のようになる。
Iw '= bh 3/12 ... (5)
Substituting the dimensions shown in FIG. 8B into equation (5) yields the following.

Iw’=2×12/12
=288
図8Bに示す低剛性部LS1、LS2は、2つの長方形の断面を有するため、軸N2−N2に関するトルク以外(Fz)の方向の断面二次モーメントIwは、次式(6)で表される。
Iw '= 2 × 12 3/ 12
= 288
Since the low-rigidity portions LS1 and LS2 shown in FIG. 8B have two rectangular cross sections, the cross-sectional secondary moment Iw in the direction other than the torque (Fz) related to the axis N2-N2 is expressed by the following equation (6). .

Iw=2×Iw’ …(6)
したがって、軸N2−N2に関するトルク以外(Fz)の方向の断面二次モーメントIwは、次のようになる。
Iw = 2 × Iw ′ (6)
Therefore, the cross-sectional secondary moment Iw in the direction other than the torque (Fz) related to the axis N2-N2 is as follows.

Iw=576
一方、図8Eに示すように、U字型の断面を有する高剛性部HS1において、トルク(Mz)方向の力を印加したとき、軸N3−N3に関する断面二次モーメントJsは、次の通りである。ここで、軸N3−N3は、高剛性部HS1の幅方向の中心を通る軸である。
Iw = 576
On the other hand, as shown in FIG. 8E, when a force in the torque (Mz) direction is applied in the high-rigidity portion HS1 having a U-shaped cross section, the cross-sectional secondary moment Js regarding the axis N3-N3 is as follows. is there. Here, the axis N3-N3 is an axis that passes through the center in the width direction of the high-rigidity portion HS1.

図8Gに示すように、一般に、I型の断面を有する構造体と、U字型の断面を有する構造体の寸法が、b=B−a、h=H−2tの関係を満たす場合、I字型の断面を有する構造体とU字型の断面を有する構造体の断面二次モーメントは同一であり、次式(7)で表される。   As shown in FIG. 8G, in general, when the dimensions of a structure having an I-shaped cross section and a structure having a U-shaped cross section satisfy the relationship of b = Ba, h = H-2t, The cross-sectional secondary moments of the structure having a letter-shaped cross section and the structure having a U-shaped cross section are the same, and are expressed by the following equation (7).

Js=(BH−bh)/12 …(7)
式(7)に図8Aに示す寸法を代入すると、次のようになる。
Js = (BH 3 −bh 3 ) / 12 (7)
Substituting the dimensions shown in FIG. 8A into Equation (7) yields the following.

Js=(12×14−6.2×8)/12
=2479
また、図8Fに示すように、長方形の断面を有する低剛性部LS1、LS2において、トルク(Mz)方向の力を印加したとき、軸N4−N4に関する断面二次モーメントJw’は、図8Dを用いて説明したように、次式(8)で表される。ここで、軸N4−N4は、低剛性部LS1の幅方向の中心を通る軸である。
Js = (12 × 14 3 −6.2 × 8 3 ) / 12
= 2479
8F, when a force in the torque (Mz) direction is applied to the low-rigidity portions LS1 and LS2 having a rectangular cross section, the cross-sectional secondary moment Jw ′ with respect to the axis N4-N4 is as shown in FIG. 8D. As described above, it is expressed by the following formula (8). Here, the axis N4-N4 is an axis passing through the center in the width direction of the low-rigidity portion LS1.

Jw’=bh/12 …(8)
式(8)に図8Bに示す寸法を代入すると、次のようになる。
Jw '= bh 3/12 ... (8)
Substituting the dimensions shown in FIG. 8B into equation (8) results in the following.

Jw’=12×2/12
=8
図8Fに示す低剛性部LS1、LS2は、2つの長方形の断面を有するため、軸N4−N4に関するトルク(Mz)の方向の断面二次モーメントJwは、次式(9)で表される。
Jw '= 12 × 2 3/ 12
= 8
Since the low-rigidity portions LS1 and LS2 shown in FIG. 8F have two rectangular cross sections, the cross-sectional secondary moment Jw in the direction of the torque (Mz) with respect to the axis N4-N4 is expressed by the following equation (9).

Jw=2×Jw’ …(9)
したがって、軸N2−N2に関するトルク以外(Fz)の方向の断面二次モーメントIwは、次のようになる。
Jw = 2 × Jw ′ (9)
Therefore, the cross-sectional secondary moment Iw in the direction other than the torque (Fz) related to the axis N2-N2 is as follows.

Jw=16
上記のようにして求めたトルク以外(Fz)の方向の断面二次モーメントIs=1440、Iw=576、トルク(Mz)方向の断面二次モーメントJs=2479、Jw=16を上記式(3)に代入すると、次のようになり、式(3)の条件を満たしていることが分る。
Jw = 16
The cross-sectional secondary moments Is = 1440, Iw = 576 in the direction other than the torque (Fz) determined as described above, Iw = 576, the cross-sectional secondary moments Js = 2479, Jw = 16 in the torque (Mz) direction are expressed by the above equation (3). When substituting into, it becomes as follows, and it can be seen that the condition of Expression (3) is satisfied.

Js/Jw>Is/Iw
2479/16>1440/576
155>2.5
したがって、第4構造体14、第5構造体15は、トルク(Mz)方向の力に対して変形し易く、トルク以外(Fz)の方向の力に対して変形し難いことが分かる。
Js / Jw> Is / Iw
2479/16> 1440/576
155> 2.5
Therefore, it can be seen that the fourth structure 14 and the fifth structure 15 are easily deformed with respect to the force in the torque (Mz) direction and are not easily deformed with respect to the force in the direction other than the torque (Fz).

図8Hは、凹部14fと第1歪センサ19(起歪体)の位置関係を示している。前述したように、凹部14fの底部は、第4構造体14の厚みの中央H/2以下に位置している。具体的には、第1歪センサ19を構成する起歪体の表面が、第1構造体11、第2構造体12、複数の第3構造体13、第4構造体14及び第5構造体15からなる構造体の重心を含む面CGに位置させるため、凹部14fの底部は、第4構造体14の重心を含む面CGより、起歪体の厚みだけ低い位置とされている。この位置は、中立面であり、起歪体に対して圧縮力及び引張力が加わらない。このため、起歪体の曲げ方向、すなわちトルク以外(Fz)の方向の歪を低減することが可能である。
(第1の実施形態の効果)
第1の実施形態によれば、第1歪センサ19が設けられる第4構造体14、及び第2歪センサ20が設けられる第5構造体15は、それぞれトルク(Mz)方向及びトルク以外(Fz、Mx)の方向の力に対して高剛性部として作用する第1接続部14a及び第2接続部14bと、トルク(Mz)方向の力に対して低剛性部として作用し、トルク以外(Fz、Mx)の方向の力に対して高剛性部として作用する第3接続部14c及び第4接続部14dを具備している。このため、第1歪センサ19及び第2歪センサ20の歪ゲージ51、52、53、54にトルク以外の方向の力によって生じる歪が集中することを防止できる。したがって、歪ゲージ51、52、53、54に印加される歪の絶対量を低減でき、第1歪センサ19及び第2歪センサ20のトルク以外の方向の力に対する検出電圧を大幅に低減できる。よって、トルクやトルク以外の他軸干渉を防止して形状の大型化を防止でき、高精度のトルクセンサを提供することが可能である。
FIG. 8H shows the positional relationship between the recess 14f and the first strain sensor 19 (strain body). As described above, the bottom of the recess 14f is located at the center H / 2 or less of the thickness of the fourth structure 14. Specifically, the surface of the strain-generating body constituting the first strain sensor 19 has the first structure 11, the second structure 12, the plurality of third structures 13, the fourth structure 14, and the fifth structure. Therefore, the bottom of the recess 14f is lower than the surface CG including the center of gravity of the fourth structure 14 by the thickness of the strain generating body. This position is a neutral plane, and no compressive force or tensile force is applied to the strain generating body. For this reason, it is possible to reduce the strain in the bending direction of the strain generating body, that is, in the direction other than the torque (Fz).
(Effects of the first embodiment)
According to the first embodiment, the fourth structure 14 provided with the first strain sensor 19 and the fifth structure 15 provided with the second strain sensor 20 are in the torque (Mz) direction and other than the torque (Fz, respectively). , Mx) acts as a high rigidity portion with respect to the force in the direction of Mx), and acts as a low rigidity portion with respect to the force in the torque (Mz) direction, and other than torque (Fz , Mx) is provided with a third connection portion 14c and a fourth connection portion 14d that act as a highly rigid portion with respect to the force in the direction of Mx). For this reason, it is possible to prevent the strain generated by the force in the direction other than the torque from being concentrated on the strain gauges 51, 52, 53, 54 of the first strain sensor 19 and the second strain sensor 20. Therefore, the absolute amount of strain applied to the strain gauges 51, 52, 53, 54 can be reduced, and the detection voltage for forces in directions other than the torque of the first strain sensor 19 and the second strain sensor 20 can be greatly reduced. Therefore, it is possible to prevent torque and other shaft interference other than torque to prevent an increase in size, and to provide a highly accurate torque sensor.

以下、第1の実施形態の効果について、比較例を参照して具体的に説明する。   Hereinafter, the effect of the first embodiment will be specifically described with reference to a comparative example.

図9は、トルクセンサ10の比較例を示している。図9に示すトルクセンサ30は、第1歪センサ19と第2歪センサ20の接続部の構成が、第1の実施形態に示すトルクセンサ10と相違し、その他の構成は第1の実施形態と同様である。   FIG. 9 shows a comparative example of the torque sensor 10. The torque sensor 30 shown in FIG. 9 is different from the torque sensor 10 shown in the first embodiment in the configuration of the connecting portion between the first strain sensor 19 and the second strain sensor 20, and other configurations are the same as those in the first embodiment. It is the same.

トルクセンサ30において、第1歪センサ19と第2歪センサ20の一端部は、第1構造体11に設けられた突起11−1にそれぞれ接続され、他端部は、第2構造体12に設けられた突起12−1にそれぞれ接続される。突起11−1、12−1は、例えば第1構造体11及び第2構造体12と同等の厚みを有している。突起11−1と突起12−1との間隔は、図5に示す第3接続部14c、第4接続部14dの長さL1と同等である。   In the torque sensor 30, one end of the first strain sensor 19 and the second strain sensor 20 is connected to the protrusion 11-1 provided on the first structure 11, and the other end is connected to the second structure 12. Each is connected to the provided protrusion 12-1. The protrusions 11-1 and 12-1 have the same thickness as the first structure 11 and the second structure 12, for example. The distance between the protrusion 11-1 and the protrusion 12-1 is equal to the length L1 of the third connection portion 14c and the fourth connection portion 14d shown in FIG.

比較例としてのトルクセンサ30は、第3構造体13のみがトルク方向及びトルク以外の方向の力に対して高剛性部として作用し、第1歪センサ19と第2歪センサ20は、第1構造体11と第2構造体12との間に起歪体が設けられているだけである。このため、トルクセンサ30にトルク(Mz)方向の力を印加した場合と、トルク以外(Fz、Mx)の方向の力を印加した場合のいずれの方向においても、第1歪センサ19と第2歪センサ20の起歪体に設けられた歪ゲージに歪が集中することとなる。   In the torque sensor 30 as a comparative example, only the third structure 13 acts as a high-rigidity part with respect to forces in the torque direction and directions other than torque, and the first strain sensor 19 and the second strain sensor 20 are the first Only the strain body is provided between the structure 11 and the second structure 12. For this reason, the first strain sensor 19 and the second strain are applied to the torque sensor 30 in either direction when a force in the torque (Mz) direction is applied or when a force in a direction other than the torque (Fz, Mx) is applied. The strain is concentrated on the strain gauge provided on the strain body of the strain sensor 20.

図10A、図10Bは、図9を模式的に示す図であり、図10Aは、トルクセンサ30にトルク(Mz)方向の力を印加した場合を示し、図10Bは、トルクセンサ30にトルク以外(Fz、Mx)の方向の力を印加した場合を示している。   FIG. 10A and FIG. 10B are diagrams schematically showing FIG. 9, FIG. 10A shows a case where a torque (Mz) direction force is applied to the torque sensor 30, and FIG. The case where the force of the direction of (Fz, Mx) is applied is shown.

図11は、第1の実施形態に係るトルクセンサ10と比較例に係るトルクセンサ30の各軸方向に同一の力を印加した場合における歪を示している。   FIG. 11 shows distortions when the same force is applied in the respective axial directions of the torque sensor 10 according to the first embodiment and the torque sensor 30 according to the comparative example.

図11から明らかなように、第1の実施形態に係るトルクセンサ10の場合、トルク(Mz)方向の力に対する歪が比較例に比べて大きく、トルク以外(Fx、Fy、Fz、Mx、My)の方向の力に対する歪が比較例に比べて小さい。特に、Fz及びMx方向の力に対する歪を比較例に比べて格段に小さくすることが可能であることが分る。したがって、第1の実施形態によれば、第1歪センサ19及び第2歪センサ20にトルク以外の方向の力による歪を低減でき、第1歪センサ19及び第2歪センサ20の検出精度の低下を防止することが可能である。   As is clear from FIG. 11, in the case of the torque sensor 10 according to the first embodiment, the distortion with respect to the force in the torque (Mz) direction is larger than in the comparative example, and other than the torque (Fx, Fy, Fz, Mx, My ) Is less strained than the comparative example. In particular, it can be seen that the strain with respect to forces in the Fz and Mx directions can be significantly reduced compared to the comparative example. Therefore, according to the first embodiment, the first strain sensor 19 and the second strain sensor 20 can be reduced in distortion due to a force in a direction other than the torque, and the detection accuracy of the first strain sensor 19 and the second strain sensor 20 can be reduced. It is possible to prevent the decrease.

また、第1歪センサ19を構成する起歪体の表面は、第1構造体11、第2構造体12、複数の第3構造体13、第4構造体14及び第5構造体15からなる構造体の重心を含む面CGに位置されている。このため、起歪体の曲げ方向、すなわちトルク以外(Fz)の方向の歪を低減することが可能である。
(第2の実施形態)
図12は、第2の実施形態を示している。
The surface of the strain generating body constituting the first strain sensor 19 includes the first structure 11, the second structure 12, the plurality of third structures 13, the fourth structure 14, and the fifth structure 15. It is located on the plane CG including the center of gravity of the structure. For this reason, it is possible to reduce the strain in the bending direction of the strain generating body, that is, in the direction other than the torque (Fz).
(Second Embodiment)
FIG. 12 shows a second embodiment.

前述したように、第1歪センサ19は、第4構造体14に設けられ、第2歪センサ20は、第5構造体15に設けられている。第1歪センサ19及び第2歪センサ20の構成は、同一であるため、第1歪センサ19の構成についてのみ説明する。   As described above, the first strain sensor 19 is provided in the fourth structure 14, and the second strain sensor 20 is provided in the fifth structure 15. Since the first strain sensor 19 and the second strain sensor 20 have the same configuration, only the configuration of the first strain sensor 19 will be described.

第1歪センサ19は、起歪体41と、起歪体41の表面に配置されたセンサ素子としての複数の歪ゲージ51、52、53、54を具備している。   The first strain sensor 19 includes a strain generating body 41 and a plurality of strain gauges 51, 52, 53, and 54 as sensor elements disposed on the surface of the strain generating body 41.

起歪体41は、矩形状の金属板、例えばステンレス鋼(SUS)により構成されている。起歪体41の厚みは、第3構造体13の厚みより薄い。   The strain body 41 is made of a rectangular metal plate, for example, stainless steel (SUS). The thickness of the strain body 41 is thinner than the thickness of the third structure 13.

歪ゲージ51、52、53、54は、起歪体41上に設けられた例えばCr−Nの薄膜抵抗体により構成されている。薄膜抵抗体の材料は、Cr−Nに限定されるものではない。   The strain gauges 51, 52, 53, and 54 are constituted by, for example, Cr—N thin film resistors provided on the strain generating body 41. The material of the thin film resistor is not limited to Cr-N.

起歪体41は、一端部が第1接続部14aに接続され、他端部が第2接続部14bに接続される。起歪体41と、第1接続部14a及び第2接続部14bとの接続方法は、例えば溶接、ねじ止め、又は接着剤を用いた接続方法を用いることが可能である。   The strain generating body 41 has one end connected to the first connecting portion 14a and the other end connected to the second connecting portion 14b. As a connection method between the strain body 41 and the first connection portion 14a and the second connection portion 14b, for example, a connection method using welding, screwing, or an adhesive can be used.

起歪体41は、例えば第1接続部14aに溶接された箇所と第2接続部14bに溶接された箇所との間の部分が実質的な起歪体として機能する。このため、起歪体41の有効長は、第1接続部14aに接続された箇所から第2接続部14bに接続された箇所との間の長さに相当する。   As for the strain body 41, the part between the location welded to the 1st connection part 14a and the location welded to the 2nd connection part 14b functions as a substantial strain generation body, for example. For this reason, the effective length of the strain body 41 corresponds to the length between the location connected to the first connection portion 14a and the location connected to the second connection portion 14b.

複数の歪ゲージ51、52、53、54は、起歪体41において、起歪体41の有効長の中央部CTより第2構造体12側の領域AR1に配置される。この領域AR1は、開口部14eの範囲内で、起歪体41に大きな歪が生じる領域である。後述するように、この領域AR1は、トルク以外の方向、例えばFx、My方向の力に対する第1歪センサ19の感度と、トルク(Mz)方向における第1歪センサ19の感度が同一となる領域である。   The plurality of strain gauges 51, 52, 53, 54 are arranged in the region AR <b> 1 on the second structure 12 side from the central portion CT of the effective length of the strain generating body 41 in the strain generating body 41. This region AR1 is a region where a large strain is generated in the strain generating body 41 within the range of the opening 14e. As will be described later, this area AR1 is an area where the sensitivity of the first strain sensor 19 with respect to forces in directions other than torque, for example, Fx and My directions, and the sensitivity of the first strain sensor 19 in the torque (Mz) direction are the same. It is.

歪ゲージ51、52、53、54は、領域AR1において、歪ゲージ51、52、53、54の長手方向が起歪体41の2つの対角線DG1、DG2に沿って配置される。すなわち、歪ゲージ51、52は、その長手方向が破線で示す一方の対角線DG1に沿って配置され、歪ゲージ53、54は、その長手方向が破線で示す他方の対角線DG2に沿って配置される。対角線DG1、DG2は、起歪体41の開口部14e内に位置する長方形の領域に対応している。   The strain gauges 51, 52, 53, 54 are arranged along the two diagonal lines DG 1, DG 2 of the strain body 41 in the longitudinal direction of the strain gauges 51, 52, 53, 54 in the area AR 1. That is, the strain gauges 51 and 52 are arranged along one diagonal line DG1 whose longitudinal direction is indicated by a broken line, and the strain gauges 53 and 54 are arranged along the other diagonal line DG2 whose longitudinal direction is indicated by a broken line. . The diagonal lines DG1 and DG2 correspond to rectangular regions located in the opening 14e of the strain generating body 41.

第1歪センサ19の歪ゲージ51、52、53、54は、1つのブリッジ回路を構成し、第2歪センサ20の歪ゲージ51、52、53、54も、1つのブリッジ回路を構成する。このため、トルクセンサ10は、2つのブリッジ回路を具備している。   The strain gauges 51, 52, 53, 54 of the first strain sensor 19 constitute one bridge circuit, and the strain gauges 51, 52, 53, 54 of the second strain sensor 20 also constitute one bridge circuit. For this reason, the torque sensor 10 includes two bridge circuits.

図13は、第1歪センサ19のブリッジ回路50の一例を示している。第2歪センサ20もブリッジ回路50と同様の構成のブリッジ回路を具備している。第1歪センサ19のブリッジ回路50の出力電圧と、第2歪センサ19のブリッジ回路50の出力電圧のそれぞれは、図示せぬ例えばソフトウェアを用いて、オフセットや温度などが補償される。この後、第1歪センサ19のブリッジ回路50の出力電圧と、第2歪センサ19のブリッジ回路50の出力電圧が統合されて、トルクセンサ10の検出電圧として出力される。オフセットや温度などの補償は、ソフトウェアに限定されるものではなく、ハードウェアによっても可能である。   FIG. 13 shows an example of the bridge circuit 50 of the first strain sensor 19. The second strain sensor 20 also includes a bridge circuit having the same configuration as the bridge circuit 50. Each of the output voltage of the bridge circuit 50 of the first strain sensor 19 and the output voltage of the bridge circuit 50 of the second strain sensor 19 is compensated for offset, temperature, and the like using software (not shown), for example. Thereafter, the output voltage of the bridge circuit 50 of the first strain sensor 19 and the output voltage of the bridge circuit 50 of the second strain sensor 19 are integrated and output as a detection voltage of the torque sensor 10. Compensation for offset, temperature, etc. is not limited to software, but can also be performed by hardware.

ブリッジ回路50は、電源Voと接地GNDとの間に歪ゲージ52と歪ゲージ53の直列回路と、歪ゲージ54と歪ゲージ51の直列回路が配置されている。歪ゲージ52と歪ゲージ53の接続ノードから出力電圧Vout+が出力され、歪ゲージ54と歪ゲージ51の接続ノードから出力電圧Vout−が出力される。出力電圧Vout+及び出力電圧Vout−は、演算増幅器OPに供給され、演算増幅器OPの出力端から出力電圧Voutが出力される。   In the bridge circuit 50, a series circuit of a strain gauge 52 and a strain gauge 53 and a series circuit of a strain gauge 54 and a strain gauge 51 are arranged between the power supply Vo and the ground GND. An output voltage Vout + is output from a connection node between the strain gauge 52 and the strain gauge 53, and an output voltage Vout− is output from a connection node between the strain gauge 54 and the strain gauge 51. The output voltage Vout + and the output voltage Vout− are supplied to the operational amplifier OP, and the output voltage Vout is output from the output terminal of the operational amplifier OP.

トルクセンサ10にトルク(Mz)方向の力が印加された場合、ブリッジ回路50の一方の接続ノードの出力電圧Vout+、及び他方の接続ノードの出力電圧Vout-から、式(5)で示すトルクセンサ10の出力電圧Voutが得られる。   When a force in the torque (Mz) direction is applied to the torque sensor 10, the torque sensor represented by Expression (5) is obtained from the output voltage Vout + of one connection node of the bridge circuit 50 and the output voltage Vout− of the other connection node. Ten output voltages Vout are obtained.

Vout=(Vout+−Vout-)
=(R3/(R2+R3)−R1/(R1+R4))・Vo …(5)
ここで、R1は、歪ゲージ51の抵抗値、R2は、歪ゲージ52の抵抗値、R3は、歪ゲージ53の抵抗値、R4は、歪ゲージ54の抵抗値である。
Vout = (Vout + −Vout−)
= (R3 / (R2 + R3) -R1 / (R1 + R4)). Vo (5)
Here, R1 is the resistance value of the strain gauge 51, R2 is the resistance value of the strain gauge 52, R3 is the resistance value of the strain gauge 53, and R4 is the resistance value of the strain gauge 54.

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、理想的には、R1=R2=R3=R4=Rである。しかし、実際には、抵抗値にばらつきがあり、トルクが印加されていない状態において、抵抗値のばらつきに伴う電圧が出力される。この電圧は、オフセット調整によってゼロとされる。   In a state where no torque is applied to the torque sensor 10, ideally, R1 = R2 = R3 = R4 = R. However, in actuality, there is a variation in resistance value, and a voltage associated with the variation in resistance value is output in a state where no torque is applied. This voltage is made zero by offset adjustment.

一方、トルクセンサ10にトルク以外の方向、例えばFx、My方向の力が加わった場合、R1〜R4の抵抗値が変化することにより、ブリッジ回路50から出力電圧Voutが出力される。しかし、第2歪センサ20のブリッジ回路50の出力電圧は、第1歪センサ19のブリッジ回路50の出力電圧と正負が逆の電圧が出力される。このため、それぞれのブリッジ回路50における出力電圧は、絶対値が同じで、正負が異なるため、相殺され、検出電圧は0Vとなる。   On the other hand, when a force in a direction other than torque, for example, Fx and My directions, is applied to the torque sensor 10, the output voltage Vout is output from the bridge circuit 50 by changing the resistance values of R1 to R4. However, the output voltage of the bridge circuit 50 of the second strain sensor 20 is a voltage whose polarity is opposite to that of the bridge circuit 50 of the first strain sensor 19. For this reason, the output voltage in each bridge circuit 50 has the same absolute value and is different in positive and negative, so that they are canceled out and the detected voltage becomes 0V.

センサ素子としての歪ゲージ51、52、53、54は、トルク(Mz)方向と、トルク以外(Fx、My)の方向とで、同一の変位量である場合、同一の電圧を出力することが好ましい。このため、歪ゲージ51、52、53、54は、トルク(Mz)方向と、トルク以外(Fx、My)の方向とで、起歪体41の歪が等しい領域(測定の感度が等しい領域)に配置されることが好ましい。   When the strain gauges 51, 52, 53, and 54 as the sensor elements have the same displacement amount in the torque (Mz) direction and the directions other than the torque (Fx, My), they can output the same voltage. preferable. For this reason, the strain gauges 51, 52, 53, and 54 are regions in which the strain of the strain generating body 41 is equal in the torque (Mz) direction and directions other than the torque (Fx, My) (regions in which the sensitivity of measurement is equal). It is preferable to arrange | position.

図14は、トルクセンサ10にトルク(Mz)方向の力が印加された場合と、トルク以外(Fx,My)の方向の力が印加された場合における起歪体41の様子を模式的に示している。   FIG. 14 schematically shows the state of the strain generating body 41 when a torque (Mz) direction force is applied to the torque sensor 10 and when a force other than the torque (Fx, My) direction is applied. ing.

第1構造体11と第2構造体12との間に設けられた起歪体41の動きをマクロ的に観察すると、トルクセンサ10にトルク(Mz)方向の力が印加された場合と、トルク以外(Fx,My)の方向の力が印加された場合のいずれにおいても、起歪体41をせん断方向に変化させているように見える。   When the movement of the strain generating body 41 provided between the first structure 11 and the second structure 12 is observed macroscopically, when a torque (Mz) direction force is applied to the torque sensor 10, the torque In any case where a force in a direction other than (Fx, My) is applied, it appears that the strain generating body 41 is changed in the shear direction.

しかし、第1構造体11と第2構造体12との間に設けられた起歪体41の動きをミクロ的に観察すると、トルクセンサ10にトルク(Mz)方向の力が印加された場合、起歪体41には、回転力が作用する。一方、トルクセンサ10にトルク以外(Fx,My)の方向の力が印加された場合、起歪体41には、並進力が作用する。このため、トルク(Mz)方向の力が印加された場合と、トルク以外(Fx,My)の方向の力が印加された場合において、起歪体41の変形に差が生じる。   However, when the movement of the strain generating body 41 provided between the first structure 11 and the second structure 12 is observed microscopically, when a force in the torque (Mz) direction is applied to the torque sensor 10, A rotational force acts on the strain body 41. On the other hand, when a force in a direction other than torque (Fx, My) is applied to the torque sensor 10, a translational force acts on the strain generating body 41. For this reason, there is a difference in deformation of the strain generating body 41 between when a force in the torque (Mz) direction is applied and when a force in a direction other than the torque (Fx, My) is applied.

すなわち、起歪体41の第2構造体12側の領域AR1の変形と、起歪体41の第1構造体11側の領域AR2の変形とに差が生じる。具体的には、起歪体41の領域AR1において、トルク(Mz)方向の力が印加された場合における起歪体41の歪と、トルク以外(Fx、My)の方向の力が印加された場合における起歪体41の歪との差は、起歪体41の領域AR2において、トルク(Mz)方向の力が印加された場合における起歪体41の歪と、トルク以外(Fx、My)の方向の力が印加された場合における起歪体41の歪との差より小さい。   That is, there is a difference between the deformation of the region AR1 of the strain body 41 on the second structure 12 side and the deformation of the region AR2 of the strain body 41 on the first structure 11 side. Specifically, in the area AR1 of the strain generating body 41, the strain of the strain generating body 41 when the force in the torque (Mz) direction is applied and the force in the direction other than the torque (Fx, My) are applied. The difference from the strain of the strain generating body 41 in the case is that in the region AR2 of the strain generating body 41, the strain of the strain generating body 41 when a force in the torque (Mz) direction is applied and other than the torque (Fx, My) It is smaller than the difference from the strain of the strain generating body 41 when a force in the direction of is applied.

つまり、第2構造体12側の領域AR1は、トルク方向(Mz)の力が印加された場合における起歪体41の歪と、トルク以外(Fx、My)の方向の力が印加された場合における起歪体41の歪との差が小さい。   That is, in the region AR1 on the second structure 12 side, when the force in the torque direction (Mz) is applied, the strain of the strain generating body 41 and the force in the direction other than the torque (Fx, My) are applied. The difference from the strain of the strain generating body 41 is small.

このため、領域AR1に複数の歪ゲージ51、52、53、54を配置した場合、トルク(Mz)の検出感度と、トルク以外(Fx、My)の検出感度の差は、1%未満と少ない。これに対して、領域AR2に複数の歪ゲージ51、52、53、54を配置した場合、トルクの検出感度と、トルク以外の検出感度の差は、数%である。したがって、第2構造体12側の領域AR1に複数の歪ゲージ51、52、53、54を配置することが好ましい。
(第2の実施形態の効果)
上記第2の実施形態によれば、第1歪センサ19と第2歪センサ20のそれぞれは、第1構造体11と、第2構造体12との間に接続された起歪体41と、起歪体41に設けられたセンサ素子としての複数の歪ゲージ51、52、53、54とを具備し、複数の歪ゲージ51、52、53、54は、起歪体41の長手方向中央部CTより第2構造体12側の領域AR1に配置されている。起歪体41の領域AR1は、第1歪センサ19と第2歪センサ20のそれぞれに、トルク方向の力が印加された場合の歪(感度)(a1、a2)と、トルク以外の方向の力が印加された場合の歪(感度)(b1、b2)の差が少ない領域である(a1≒b1、a2≒b2、a1≠a2)。このため、第1歪センサ19と第2歪センサ20のそれぞれに対してトルクの感度を調整することによって、第1構造体11、第2構造体12、第3構造体13の加工精度や、第1構造体11、第2構造体12に対する第1歪センサ19と第2歪センサ20の配置精度に依存することなく、トルクの検出精度の低下を防止することができる。
For this reason, when a plurality of strain gauges 51, 52, 53, 54 are arranged in the area AR1, the difference between the detection sensitivity of torque (Mz) and the detection sensitivity of other than torque (Fx, My) is as small as less than 1%. . On the other hand, when a plurality of strain gauges 51, 52, 53, and 54 are arranged in the area AR2, the difference between the detection sensitivity of torque and the detection sensitivity other than torque is several percent. Therefore, it is preferable to arrange a plurality of strain gauges 51, 52, 53, 54 in the area AR1 on the second structure 12 side.
(Effect of 2nd Embodiment)
According to the second embodiment, each of the first strain sensor 19 and the second strain sensor 20 includes the first structure 11 and the strain body 41 connected between the second structure 12 and A plurality of strain gauges 51, 52, 53, 54 as sensor elements provided on the strain generating body 41 are provided, and the plurality of strain gauges 51, 52, 53, 54 are in the longitudinal center of the strain generating body 41. It arrange | positions to area | region AR1 of the 2nd structure 12 side from CT. The region AR1 of the strain generating body 41 includes strain (sensitivity) (a1, a2) when a force in the torque direction is applied to each of the first strain sensor 19 and the second strain sensor 20, and a direction other than the torque. This is a region where the difference in strain (sensitivity) (b1, b2) when a force is applied is small (a1≈b1, a2≈b2, a1 ≠ a2). Therefore, by adjusting the torque sensitivity for each of the first strain sensor 19 and the second strain sensor 20, the processing accuracy of the first structure 11, the second structure 12, and the third structure 13, A decrease in torque detection accuracy can be prevented without depending on the placement accuracy of the first strain sensor 19 and the second strain sensor 20 with respect to the first structure 11 and the second structure 12.

しかも、起歪体41の領域AR1に配置されたブリッジ回路50は、トルク方向の力とトルク以外の方向の力に対する検出感度の差が小さいため、第1歪センサ19と第2歪センサ20の出力電圧の誤差も小さい。このため、2つのブリッジ回路50から出力される電圧を校正する際、トルクに対する検出誤差を校正するだけで、トルク以外の検出誤差も校正することができる。したがって、トルク以外(Fx,My)の方向の力を検出するために別の歪センサを設ける必要がないため、校正時間を短縮でき、高速な応答を実現することが可能である。   Moreover, since the bridge circuit 50 arranged in the region AR1 of the strain generating body 41 has a small difference in detection sensitivity with respect to the force in the torque direction and the force in the direction other than the torque, the first strain sensor 19 and the second strain sensor 20 The output voltage error is also small. For this reason, when the voltages output from the two bridge circuits 50 are calibrated, the detection errors other than the torque can be calibrated only by calibrating the detection error with respect to the torque. Therefore, since it is not necessary to provide another strain sensor to detect a force in a direction other than torque (Fx, My), the calibration time can be shortened and a high-speed response can be realized.

以下、第2の実施形態の効果について具体的に説明する。   The effects of the second embodiment will be specifically described below.

図15は、比較例に係るトルクセンサ60を概略的に示している。このトルクセンサ60は、第1構造体11と第2構造体12との間に第1歪センサ61と第2歪センサ62を具備している。第1歪センサ61と第2歪センサ62は、それぞれ起歪体63を有し、起歪体63のそれぞれに、図13に示すブリッジ回路を構成する複数の歪ゲージ51、52、53、54が配置されている。図15は、概略図であるため、第3構造体13は、省略している。   FIG. 15 schematically shows a torque sensor 60 according to a comparative example. The torque sensor 60 includes a first strain sensor 61 and a second strain sensor 62 between the first structure 11 and the second structure 12. The first strain sensor 61 and the second strain sensor 62 each have a strain body 63, and each of the strain bodies 63 includes a plurality of strain gauges 51, 52, 53, and 54 that form a bridge circuit shown in FIG. Is arranged. Since FIG. 15 is a schematic diagram, the third structure 13 is omitted.

比較例において、歪ゲージ51、52、53、54の配置が第2の実施形態と相違している。すなわち、歪ゲージ52、53は、起歪体63の第1構造体11側の領域に配置され、歪ゲージ51、54は、起歪体63の第2構造体12側の領域に配置されている。   In the comparative example, the arrangement of the strain gauges 51, 52, 53, 54 is different from that of the second embodiment. That is, the strain gauges 52 and 53 are disposed in the region of the strain body 63 on the first structure 11 side, and the strain gauges 51 and 54 are disposed in the region of the strain body 63 on the second structure 12 side. Yes.

図15に示す構成の場合、第1構造体11側の領域に配置された歪ゲージ52、53は、トルク(Mz)方向とトルク以外(Fx、My)の方向とで、起歪体63の歪が異なる。このため、トルク(Mz)方向の力が印加された場合の第1歪センサ61の感度と第2歪センサ62の感度と、トルク以外(Fx、My)の方向の力が印加された場合の第1歪センサ61の感度と第2歪センサ62の感度との差が大きい。   In the case of the configuration shown in FIG. 15, the strain gauges 52 and 53 arranged in the region on the first structure 11 side are arranged in the torque (Mz) direction and the directions other than the torque (Fx, My). Distortion is different. Therefore, the sensitivity of the first strain sensor 61 and the sensitivity of the second strain sensor 62 when a force in the torque (Mz) direction is applied, and the force in a direction other than the torque (Fx, My) are applied. The difference between the sensitivity of the first strain sensor 61 and the sensitivity of the second strain sensor 62 is large.

具体的には、トルクセンサ60にトルク以外(Fx、My)の方向の力を印加した場合、トルク以外(Fx、My)の方向の感度は、トルク(Mz)方向の感度と異なるため、第1歪センサ61の出力電圧の値(正の値)と、第2歪センサ62の出力電圧の値(負の値)は、互いに異なる。このため、トルクセンサ60は、第1歪センサ61と第2歪センサ62の平均値からなる誤差を出力することとなる。   Specifically, when a force in a direction other than torque (Fx, My) is applied to the torque sensor 60, the sensitivity in the direction other than torque (Fx, My) differs from the sensitivity in the torque (Mz) direction. The output voltage value (positive value) of the first strain sensor 61 and the output voltage value (negative value) of the second strain sensor 62 are different from each other. For this reason, the torque sensor 60 outputs an error consisting of an average value of the first strain sensor 61 and the second strain sensor 62.

一方、第2の実施形態のトルクセンサ10の場合、トルクセンサ10にトルク以外(Fx、My)の方向の力を印加した場合、トルク以外(Fx、My)の方向の感度は、トルク(Mz)方向の感度と一致している。よって、第1歪センサ19の出力電圧の値(正の値)(Vout1)と、第2歪センサ20の出力電圧の値(負の値)(−Vout2)は、ほぼ等しくなる(|Vout1|≒|−Vout2|)。このため、トルクセンサ10の出力は、第1歪センサ61と第2歪センサ62の出力電圧が相殺され、ほぼ0となる。したがって、第2の実施形態の場合、トルク以外(Fx、My)の方向の力に対する検出誤差を低減することができる。   On the other hand, in the case of the torque sensor 10 of the second embodiment, when a force in a direction other than torque (Fx, My) is applied to the torque sensor 10, the sensitivity in the direction other than torque (Fx, My) is torque (Mz ) Coincides with the direction sensitivity. Therefore, the output voltage value (positive value) (Vout1) of the first strain sensor 19 and the output voltage value (negative value) (−Vout2) of the second strain sensor 20 are substantially equal (| Vout1 |). ≈ | −−Vout2 |). For this reason, the output of the torque sensor 10 becomes substantially zero because the output voltages of the first strain sensor 61 and the second strain sensor 62 are offset. Therefore, in the case of the second embodiment, it is possible to reduce a detection error for a force in a direction other than torque (Fx, My).

比較例に係るトルクセンサ60の場合、トルク(Mz)方向とトルク以外(Fx、My)の方向とで、第1歪センサ61と第2歪センサ62の出力電圧の誤差が大きい(|Vout1|≠|−Vout2|)。このため、これらの誤差を校正するために、トルク方向の検出誤差を修正する校正と、トルク以外の方向の検出誤差を修正する校正を行う必要がある。したがって、比較例に係るトルクセンサ60は、トルク以外の方向の力を検出するための歪ゲージを含むブリッジ回路を別途設ける必要がある。このため、比較例に係るトルクセンサ60は、回路基板の大型化やソフトウェアによる演算処理時間が増加し、第2の実施形態に比べて調整作業が煩雑であり、応答性が低下する。   In the case of the torque sensor 60 according to the comparative example, the errors in the output voltages of the first strain sensor 61 and the second strain sensor 62 are large (| Vout1 |) between the direction of torque (Mz) and the direction other than torque (Fx, My). ≠ | −Vout2 |). Therefore, in order to calibrate these errors, it is necessary to perform calibration for correcting the detection error in the torque direction and calibration for correcting the detection error in the direction other than the torque. Therefore, the torque sensor 60 according to the comparative example needs to be separately provided with a bridge circuit including a strain gauge for detecting a force in a direction other than the torque. For this reason, in the torque sensor 60 according to the comparative example, the circuit board is increased in size and the calculation processing time by software is increased, so that the adjustment work is complicated as compared with the second embodiment, and the responsiveness is lowered.

一方、第2の実施形態の場合、トルク(Mz)方向とトルク以外(Fx、My)の方向とで、第1歪センサ19と第2歪センサ20の出力電圧の誤差が殆どない。このため、トルク方向の検出誤差を修正するだけでよい。したがって、校正時間を短縮することができ、トルクセンサの応答性能を向上することが可能である。   On the other hand, in the case of the second embodiment, there is almost no error in the output voltages of the first strain sensor 19 and the second strain sensor 20 in the torque (Mz) direction and the directions other than torque (Fx, My). For this reason, it is only necessary to correct the detection error in the torque direction. Therefore, the calibration time can be shortened and the response performance of the torque sensor can be improved.

また、第2の実施形態は、トルクセンサ10の構造に限定されず、歪ゲージ51、52、53、54が領域AR1に配置されていればよい。このため、第2の実施形態に係る配置を、例えば図9に示すような構造のトルクセンサ30に適用しても第2の実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
(第3の実施形態)
図16は、第3の実施形態を示すものであり、図1のBで示す部分を拡大して示している。
Moreover, 2nd Embodiment is not limited to the structure of the torque sensor 10, The strain gauges 51, 52, 53, 54 should just be arrange | positioned in area | region AR1. For this reason, even if the arrangement according to the second embodiment is applied to a torque sensor 30 having a structure as shown in FIG. 9, for example, the same effect as that of the second embodiment can be obtained.
(Third embodiment)
FIG. 16 shows a third embodiment, and shows an enlarged portion indicated by B in FIG.

図2を参照して説明したように、第1歪センサ19は、ストッパー16により覆われ、第2歪センサ20は、ストッパー17により覆われている。ストッパー16及びストッパー17は、例えばステンレス鋼や鉄系の合金により形成される。ストッパー16及びストッパー17は、第1歪センサ19と第2歪センサ20の機械的な変形を防止、歪ゲージ51、52、53、54を保護する。さらに、ストッパー16及びストッパー17は、第1歪センサ19と第2歪センサ20の防水カバーを兼ねている。具体的な防水構造については、説明を省略する。   As described with reference to FIG. 2, the first strain sensor 19 is covered with the stopper 16, and the second strain sensor 20 is covered with the stopper 17. The stopper 16 and the stopper 17 are made of, for example, stainless steel or an iron-based alloy. The stopper 16 and the stopper 17 prevent mechanical deformation of the first strain sensor 19 and the second strain sensor 20, and protect the strain gauges 51, 52, 53, and 54. Further, the stopper 16 and the stopper 17 also serve as a waterproof cover for the first strain sensor 19 and the second strain sensor 20. Description of a specific waterproof structure is omitted.

ストッパー16とストッパー17の構成は同一であるため、ストッパー16についてのみ説明する。   Since the stopper 16 and the stopper 17 have the same configuration, only the stopper 16 will be described.

図16に示すように、ストッパー16は、一端部16aと他端部16bを有し、ストッパー16の他端部16bの幅は、一端部16aの幅より狭くされている。ストッパー16の一端部16aは、第4構造体14の第2構造体12側に形成された係合部としての凹部14f内に例えば圧入され、固定される。ストッパー16の他端部16bは、第4構造体14の第1構造体11側に形成された凹部14f内に配置される。ストッパー16の他端部16bの幅は、第1構造体11側に設けられた凹部14fの幅より狭く、ストッパー16の他端部16bの両側と、凹部14fの側面との間には、間隙GPがそれぞれ設けられる。   As shown in FIG. 16, the stopper 16 has one end portion 16a and the other end portion 16b, and the width of the other end portion 16b of the stopper 16 is narrower than the width of the one end portion 16a. One end 16a of the stopper 16 is, for example, press-fitted and fixed in a recess 14f as an engaging portion formed on the second structure 12 side of the fourth structure 14. The other end 16 b of the stopper 16 is disposed in a recess 14 f formed on the first structure 11 side of the fourth structure 14. The width of the other end portion 16b of the stopper 16 is narrower than the width of the concave portion 14f provided on the first structure 11 side, and there is a gap between both sides of the other end portion 16b of the stopper 16 and the side surface of the concave portion 14f. Each GP is provided.

間隙GPは、第3構造体13の剛性と定格トルクにより決定される。   The gap GP is determined by the rigidity of the third structure 13 and the rated torque.

具体的には、トルクセンサ10に例えば1000N・mのトルクが印加された場合、第1構造体11が第2構造体12に対して例えば10μm変形する場合、間隙GPは、例えば10μmに設定される。   Specifically, when a torque of, for example, 1000 N · m is applied to the torque sensor 10, when the first structure 11 is deformed by, for example, 10 μm with respect to the second structure 12, the gap GP is set to, for example, 10 μm. The

図17A、図17Bは、ストッパーの動作を示すものであり、図16の一部を模式的に示している。   17A and 17B show the operation of the stopper, and schematically show a part of FIG.

図17Aに示すように、トルクセンサ10にトルクが印加されていない場合、ストッパー16の他端部16bの両側と凹部14fとの間には、それぞれ予め定められた間隙GPが設けられている。この状態において、トルクセンサ10に定格トルク以下のトルクが印加された場合、第1構造体11が第2構造体12に対して移動し、第1歪センサ19から印加されたトルクに対応する電圧が出力される。トルクセンサ10へのトルクの印加が除去されると、第1歪センサ19は弾性変形により復帰する。   As shown in FIG. 17A, when no torque is applied to the torque sensor 10, a predetermined gap GP is provided between both sides of the other end 16b of the stopper 16 and the recess 14f. In this state, when a torque equal to or lower than the rated torque is applied to the torque sensor 10, the first structure 11 moves relative to the second structure 12, and a voltage corresponding to the torque applied from the first strain sensor 19. Is output. When the application of torque to the torque sensor 10 is removed, the first strain sensor 19 returns due to elastic deformation.

一方、図17Bに示すように、トルクセンサ10に定格トルクより大きなトルクが印加された場合、第1構造体11の凹部14fの側面がストッパー16の他端部16bに当接され、第2構造体12に対する第1構造体11の移動が制限される。このため、第1歪センサ19は、弾性変形の範囲で保護される。トルクセンサ10へのトルクの印加が除去されると、第1歪センサ19は弾性変形により復帰する。第2歪センサ20も同様の構成により保護される。   On the other hand, as shown in FIG. 17B, when a torque larger than the rated torque is applied to the torque sensor 10, the side surface of the concave portion 14f of the first structure 11 is brought into contact with the other end portion 16b of the stopper 16, and the second structure The movement of the first structure 11 with respect to the body 12 is restricted. For this reason, the first strain sensor 19 is protected within a range of elastic deformation. When the application of torque to the torque sensor 10 is removed, the first strain sensor 19 returns due to elastic deformation. The second strain sensor 20 is also protected by the same configuration.

図18は、トルクセンサ10に印加される負荷としてのトルクとストッパー16の動作の関係を説明するために示す図であり、トルクセンサ10に印加されるトルクと、検出される歪(ブリッジ回路50の出力電圧)との関係を概略的に示している。   FIG. 18 is a diagram for explaining the relationship between the torque as a load applied to the torque sensor 10 and the operation of the stopper 16. The torque applied to the torque sensor 10 and the detected distortion (bridge circuit 50). The output voltage is schematically shown.

図18に示すように、トルクセンサ10に定格トルク以下のトルクが印加された場合、第1歪センサ19(第2歪センサ20)の起歪体41は、第1構造体11が第2構造体12に対して移動し、印加されたトルクに対応する電圧が第1歪センサ19(第2歪センサ20)から出力される。   As shown in FIG. 18, when a torque equal to or lower than the rated torque is applied to the torque sensor 10, the first strain body 11 of the first strain sensor 19 (second strain sensor 20) has the second structure. A voltage corresponding to the applied torque is output from the first strain sensor 19 (second strain sensor 20) while moving relative to the body 12.

一方、トルクセンサ10に定格トルクより大きなトルクが印加されると、凹部14fの側面がストッパー16に当接し、ストッパー16(ストッパー17)の剛性により複数の第3構造体13の変形が抑制され、それに伴い起歪体41の変形が抑制される。すなわち、ストッパー16の動作点Opは、トルクセンサ10の定格トルクと等しく設定され、ストッパー16は、定格トルクより大きなトルクに対して、起歪体41を保護している。
(第3の実施形態の効果)
上記第3の実施形態によれば、第1歪センサ19及び第2歪センサ20にカバーとしてのストッパー16を設け、ストッパー16の一端部16aは、第2構造体12側の凹部14f内に固定され、他端部16bは、トルクセンサ10に定格トルクより大きなトルクが印加された場合、第1構造体11側の凹部14fの側面に当接する。このため、第1歪センサ19及び第2歪センサ20を保護することが可能である。さらに、第1歪センサ19及び第2歪センサ20以外の構造体も、第1歪センサ19及び第2歪センサ20と同様に、塑性変形などから保護される。
On the other hand, when a torque larger than the rated torque is applied to the torque sensor 10, the side surface of the recess 14f comes into contact with the stopper 16, and the deformation of the plurality of third structures 13 is suppressed by the rigidity of the stopper 16 (stopper 17). Accordingly, deformation of the strain generating body 41 is suppressed. That is, the operating point Op of the stopper 16 is set equal to the rated torque of the torque sensor 10, and the stopper 16 protects the strain generating body 41 against a torque larger than the rated torque.
(Effect of the third embodiment)
According to the third embodiment, the first strain sensor 19 and the second strain sensor 20 are provided with the stopper 16 as a cover, and the one end 16a of the stopper 16 is fixed in the recess 14f on the second structure 12 side. When the torque sensor 10 is applied with a torque larger than the rated torque, the other end portion 16b contacts the side surface of the recess 14f on the first structure 11 side. For this reason, it is possible to protect the first strain sensor 19 and the second strain sensor 20. Further, the structures other than the first strain sensor 19 and the second strain sensor 20 are also protected from plastic deformation and the like, similarly to the first strain sensor 19 and the second strain sensor 20.

しかも、トルクセンサ10の定格トルクを歪ゲージの0.2%耐力に近づけることができる。このため、定格トルクにおけるブリッジ回路50の出力電圧を大きくすることができる。したがって、高分解能、高精度のトルクセンサを提供することができる。   Moreover, the rated torque of the torque sensor 10 can be brought close to the 0.2% proof stress of the strain gauge. For this reason, the output voltage of the bridge circuit 50 at the rated torque can be increased. Therefore, it is possible to provide a high resolution and high accuracy torque sensor.

図19は、歪ゲージの歪と応力の関係を示すものであり、第3の実施形態に係るトルクセンサの定格トルクと、比較例としてのストッパー16及びストッパー17を持たないトルクセンサの定格トルクと、を示している。   FIG. 19 shows the relationship between strain and stress of the strain gauge. The rated torque of the torque sensor according to the third embodiment and the rated torque of the torque sensor without the stopper 16 and the stopper 17 as a comparative example. , Shows.

比較例としてのストッパー16及びストッパー17を持たない一般的なトルクセンサの場合、歪ゲージは、衝撃や疲労に対する安全率を3乃至5程度に設定して設計される。安全率を例えば3とした場合、歪ゲージの応力は、0.2%耐力の1/3に設定される。このため、定格トルクも、破壊トルクの1/3に設定される。   In the case of a general torque sensor not having the stopper 16 and the stopper 17 as a comparative example, the strain gauge is designed with a safety factor against impact and fatigue set to about 3 to 5. For example, when the safety factor is 3, the stress of the strain gauge is set to 1/3 of the 0.2% proof stress. For this reason, the rated torque is also set to 1/3 of the breaking torque.

これに対して、第3の実施形態の場合、ストッパー16及びストッパー17により第1歪センサ19及び第2歪センサ20を保護しているため、歪ゲージの安全率を1以上に設定する必要がない。このため、歪ゲージの定格トルクをストッパー16及びストッパー17を持たない一般的なトルクセンサより大きく設定することができる。したがって、高分解能、高精度のトルクセンサを提供することができる。   On the other hand, in the case of the third embodiment, since the first strain sensor 19 and the second strain sensor 20 are protected by the stopper 16 and the stopper 17, it is necessary to set the safety factor of the strain gauge to 1 or more. Absent. For this reason, the rated torque of the strain gauge can be set larger than that of a general torque sensor that does not have the stopper 16 and the stopper 17. Therefore, it is possible to provide a high resolution and high accuracy torque sensor.

さらに、ストッパー16の剛性を高めることにより、高許容負荷(高最大トルク)のトルクセンサを提供することができる。
(変形例)
図20は、第3の実施形態の第1の変形例を示すものである。第3の実施形態において、ストッパー16は、他端部16bが第1構造体11側の凹部14fの側面に当接することにより、第1歪センサ19を保護した。
Furthermore, by increasing the rigidity of the stopper 16, a torque sensor having a high allowable load (high maximum torque) can be provided.
(Modification)
FIG. 20 shows a first modification of the third embodiment. In the third embodiment, the stopper 16 protects the first strain sensor 19 by the other end portion 16b coming into contact with the side surface of the recess 14f on the first structure 11 side.

第1の変形例において、ストッパー16の他端部16bは、開口部16b−1を有し、第4構造体14の第1構造体11側には、開口部16b−1内に挿入された突起14gが設けられている。開口部16b−1と突起14gの間には、間隙GP1が設けられている。間隙GP1の寸法は、例えば間隙GPの寸法以下である。このため、トルクセンサ10に許容トルクより大きなトルクが印加された場合、ストッパー16の開口部16b−1に突起14gが当接することにより、第1歪センサ19を保護することができる。   In the first modification, the other end 16b of the stopper 16 has an opening 16b-1, and is inserted into the opening 16b-1 on the first structure 11 side of the fourth structure 14. A protrusion 14g is provided. A gap GP1 is provided between the opening 16b-1 and the protrusion 14g. The dimension of the gap GP1 is, for example, smaller than the dimension of the gap GP. For this reason, when a torque larger than the allowable torque is applied to the torque sensor 10, the first strain sensor 19 can be protected by the protrusion 14 g coming into contact with the opening 16 b-1 of the stopper 16.

第2歪センサ20のストッパー17もストッパー16と同様の構成を具備している。   The stopper 17 of the second strain sensor 20 has the same configuration as the stopper 16.

上記第1の変形例によっても、第3の実施形態と同様の効果を得ることができる。しかも、第1の変形例によれば、ストッパー16の開口部16b−1に突起14gが当接することにより、一層、第1歪センサ19(第2歪センサ20)を保護することが可能である。   According to the first modified example, the same effect as that of the third embodiment can be obtained. In addition, according to the first modification, the first strain sensor 19 (second strain sensor 20) can be further protected by the protrusion 14g coming into contact with the opening 16b-1 of the stopper 16. .

図21は、第3の実施形態の第2の変形例を示している。   FIG. 21 shows a second modification of the third embodiment.

第3の実施形態は、ストッパー16とストッパー17を具備しているのに対して、第2の変形例は、さらに、4つのストッパー16−1、16−2、17−1、17−2を具備している。すなわち、ストッパー16−1、16−2、17−1、17−2の構造は、ストッパー16とストッパー17と同様である。   While the third embodiment includes the stopper 16 and the stopper 17, the second modification further includes four stoppers 16-1, 16-2, 17-1, 17-2. It has. That is, the structures of the stoppers 16-1, 16-2, 17-1, and 17-2 are the same as the stoppers 16 and 17.

第2の変形例によっても第3の実施形態と同様の効果を得ることができる。しかも、第2の変形例によれば、第3の実施形態に比べてストッパーの数が多いため、一層第1歪センサ19、第2歪センサ20を保護することが可能である。   The effect similar to 3rd Embodiment can be acquired also by a 2nd modification. In addition, according to the second modification, since the number of stoppers is larger than that in the third embodiment, the first strain sensor 19 and the second strain sensor 20 can be further protected.

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。   In addition, the present invention is not limited to the above-described embodiments as they are, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Moreover, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the above embodiments. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.

10…トルクセンサ、11…第1構造体、12…第2構造体、13…第3構造体、14…第4構造体、14a…第1接続部、14b…第2接続部、14c…第3接続部、14d…第4接続部、14e…開口部、14f…凹部(係合部)、14g…突起、15…第5構造体、16、16−1、16−2…ストッパー、16b−1…開口部、17、17−1、17−2…ストッパー、19…第1歪センサ、20…第2歪センサ、41…起歪体、GP、GP1…間隙、51、52、53、54…センサ素子としての歪ゲージ。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Torque sensor, 11 ... 1st structure, 12 ... 2nd structure, 13 ... 3rd structure, 14 ... 4th structure, 14a ... 1st connection part, 14b ... 2nd connection part, 14c ... 1st 3 connection part, 14d ... 4th connection part, 14e ... opening part, 14f ... recessed part (engagement part), 14g ... protrusion, 15 ... 5th structure, 16, 16-1, 16-2 ... stopper, 16b- DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Opening part, 17, 17-1, 17-2 ... Stopper, 19 ... 1st strain sensor, 20 ... 2nd strain sensor, 41 ... Strain body, GP, GP1 ... Gap, 51, 52, 53, 54 ... Strain gauge as a sensor element.

Claims (4)

第1構造体と、
第2構造体と、
前記第1構造体と前記第2構造体とを接続する複数の第3構造体と、
前記第1構造体と前記第2構造体との間の接続された少なくとも1つの歪センサと、
一端部が前記第1構造体と前記第2構造体の一方に固定され、他端部が前記第1構造体と前記第2構造体の他方に設けられた係合部に係合可能とされた少なくとも1つのストッパーと、
を具備することを特徴とするトルクセンサ。
A first structure;
A second structure;
A plurality of third structures connecting the first structure and the second structure;
At least one strain sensor connected between the first structure and the second structure;
One end is fixed to one of the first structure and the second structure, and the other end is engageable with an engaging portion provided on the other of the first structure and the second structure. At least one stopper,
A torque sensor comprising:
前記係合部は、凹部であり、前記ストッパーの前記他端部は、前記凹部内に配置されることを特徴とする請求項1記載のトルクセンサ。   The torque sensor according to claim 1, wherein the engaging portion is a recess, and the other end of the stopper is disposed in the recess. 前記ストッパーの他端部は、開口部を有し、前記第1構造体と前記第2構造体の他方は、前記開口部内に設けられた突起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。   The other end of the stopper has an opening, and the other of the first structure and the second structure includes a protrusion provided in the opening. Torque sensor. 前記ストッパーは、前記歪センサを覆う防水カバーであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のトルクセンサ。   The torque sensor according to claim 1, wherein the stopper is a waterproof cover that covers the strain sensor.
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