JP2020012660A - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 検出精度を向上させることが可能なトルクセンサを提供する。【解決手段】 トルクセンサ４０は、第１構造体４１と、第２構造体４２と、第１構造体と第２構造体との間に設けられた第３構造体４３と、第１構造体と第２構造体との間に設けられた少なくとも２つのセンサ部４４、４５と、を具備し、第１構造体と第２構造体のうちセンサ部に近い一方の剛性が他方の剛性より高い。【選択図】 図２

Description

本発明の実施形態は、例えばロボットアーム等に適用されるトルクセンサに関する。

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）。

自動車のエンジン等の出力部に生じるトルクを測定するトルク量変換器において、トルク以外の曲げ応力の影響を低減する技術が開発されている（例えば特許文献４参照）。

特開２０１３−０９６７３５号公報 特開２０１５−０４９２０９号公報 特開２０１７−１７２９８３号公報 特開２０１０−１６９５８６号公報

例えば円盤状のトルクセンサは、第１構造体と第２構造体と、第１構造体と第２構造体との間の第３構造体とを有し、第１構造体と第２構造体との間にセンサとしての起歪体や、歪ゲージが設けられる。

第１構造体をロボットアームの例えば基台にモータや減速機を含む駆動部を介して固定し、第２構造体をロボットアームの例えばアームに固定して使用する場合、トルクセンサには、トルク以外に、ロボットアームの搬送重量と負荷までの距離、及び動作加速度に伴う曲げモーメントや、その反力の荷重が加わる。

このように、トルクセンサにトルク以外の曲げモーメントや荷重（Ｘ軸方向Ｆｘ、Ｙ軸方向Ｆｙ、Ｚ軸方向Ｆｚ）すなわち並進力が印加されると、歪が対称になるようなゲージ配置をしているが、構造非対称・負荷非対称のために非対称な変位(歪)が生じる。このため、他軸干渉によって、センサ出力が発生し、トルクセンサの検出精度が低下していた。

本発明の実施形態は、検出精度を向上させることが可能なトルクセンサを提供する。

本実施形態のトルクセンサは、第１構造体と、第２構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられた第３構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられた少なくとも２つのセンサ部と、を具備し、前記センサ部に近い前記第１構造体と前記第２構造体の一方の剛性が他方の剛性より高い。

第１実施形態が適用されるロボットアームの一例を示す斜視図。 第１実施形態に係るトルクセンサの一例を示す平面図。 図２の側面図。 図２のＡで示す部分を拡大して示す斜視図。 第２実施形態に係るトルクセンサの一例を示す平面図。 図５の要部を分解して示す斜視図。 図５のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面図。 第２実施形態の効果を説明するために示す図。 図８の比較例を示す図。 第２実施形態の効果を説明するために示す図。 第３実施形態の要部を示す斜視図。 第３実施形態の変形例を示すものであり、要部を分解して示す斜視図。

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。

先ず、図１、図２を参照して、本実施形態が適用されるロボットアーム３０、及びトルクセンサ４０について説明する。

図１は、多関節ロボット、すなわち、ロボットアーム３０の一例を示している。ロボットアーム３０は、例えば基台３１、第１アーム３２、第２アーム３３、第３アーム３４、第４アーム３５、駆動源としての第１駆動部３６、第２駆動部３７、第３駆動部３８、第４駆動部３９を具備している。しかし、ロボットアーム３０の構成は、これに限定されるものではなく、変形可能である。

第１アーム３２は、第１関節Ｊ１に設けられた第１駆動部３６により、基台３１に対して回転可能とされている。第２アーム３３は、第２関節Ｊ２に設けられた第２駆動部３７により、第１アーム３２に対して回転可能とされている。第３アーム３４は、第３関節Ｊ３に設けられた第３駆動部３８により、第２アーム３３に対して回転可能とされている。第４アーム３５は、第４関節Ｊ４に設けられた第４駆動部３９により、第３アーム３４に対して回転可能に設けられている。第４アーム３５に図示せぬハンドや各種のツールが装着される。

第１駆動部３６〜第４駆動部３９は、例えば後述するモータと、減速機と、トルクセンサとを具備している。

（第１実施形態）
図２乃至図５は、第１実施形態に係る円盤状のトルクセンサ４０を示している。トルクセンサ４０は、ロボットアーム３０の例えば第１駆動部３６に設けられる。しかし、トルクセンサ４０は、ロボットアーム３０の例えば第２駆動部３７〜第４駆動部３９に設けることも可能である。

トルクセンサ４０は、第１構造体４１と、第２構造体４２と、複数の第３構造体４３と、センサ部としての第１歪センサ４４及び第２歪センサ４５などを具備している。

第１構造体４１と、第２構造体４２は、環状に形成され、第２構造体４２の径は、第１構造体４１の径より小さい。第２構造体４２は、第１構造体４１と同心状に配置され、第１構造体４１と第２構造体４２は、放射状に配置された複数の梁部としての第３構造体４３により連結されている。複数の第３構造体４３は、第１構造体４１と第２構造体４２との間でトルクを伝達する。第２構造体４２は、中空部４２aを有しており、中空部４２aには、例えば図示せぬ配線が通される。

トルクセンサ４０が取り付けられる第１アーム３２などは、例えばアルミニウムにより構成される。このため、第１構造体４１、第２構造体４２、複数の第３構造体４３は、アルミニウムよりヤング率が高い金属材料、例えばステンレス鋼により構成されるが、印加されるトルクや曲げモーメントに対して機械的に十分な強度を得ることができれば、金属以外の材料を使用することも可能である。

第１構造体４１と第２構造体４２との間には、第１歪センサ４４と第２歪センサ４５が設けられる。第１歪センサ４４を構成する起歪体４４ａと、第２歪センサ４５を構成する起歪体４５ａの一端部は、それぞれ第１構造体４１に接合され、起歪体４４ａ、４５ａの他端部は、それぞれ第２構造体４２に接合される。

起歪体４４ａ及び起歪体４５ａの厚みは、第１構造体４１、第２構造体４２、及び複数の第３構造体４３の厚みより薄い。

第１歪センサ４４と第２歪センサ４５は、第１構造体４１及び第２構造体４２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４４と第２歪センサ４５は、環状の第１構造体４１及び第２構造体４２の直径上に配置されている。

起歪体４４ａ及び起歪体４５ａの表面には、後述する複数の歪ゲージが設けられている。起歪体４４ａ及び起歪体４５ａの各歪ゲージはそれぞれブリッジ回路を構成する。起歪体４４ａ及び起歪体４５ａは、それぞれ図示せぬフレキシブル基板に接続されている。フレキシブル基板は、カバー４６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、２つの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。

図４は、図２に示す領域Ａを拡大して示している。起歪体４４ａの表面には、センサ素子としての例えば４つの歪ゲージ５１、５２、５３、５４が設けられている。４つの歪ゲージ５１、５２、５３、５４によりブリッジ回路が構成される。

第１実施形態において、歪ゲージ５１、５２、５３、５４は、起歪体４４ａの有効長（起歪体として作用する部分の長さ）Ｌの中央部ＣＴより、例えば第２構造体４２側の領域ＡＲ１に配置されている。この領域ＡＲ１は、起歪体４４ａの有効長Ｌの範囲内で、起歪体４４ａに大きな歪が生じる領域であり、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４４の感度と、トルク（Ｍｚ）方向における第１歪センサ４４の感度が同一となる領域である。

以下、第１構造体４１及び第２構造体４２において、歪ゲージ５１、５２、５３、５４に近い側を検出側と言う。第１実施形態の場合、第２構造体４２が検出側に相当する。

第２歪センサ４５も第１歪センサ４４と同一の構成とされており、第２歪センサ４５においても第２構造体４２が検出側に相当する。

第１の実施形態において、トルクセンサ４０の検出側の構造体の剛性は、それ以外の構造体の剛性よりも高くされている。つまり、トルクセンサ４０において、第２構造体４２の剛性は、第１構造体４１及び第３構造体４３の剛性より高くされている。

具体的には、図３に示すように、第１構造体４１及び第３構造体４３の厚みＴ１より第２構造体４２の厚みＴ２が厚くされている。

上記構成のトルクセンサ４０の第１構造体４１は、例えば第１アーム３２が取り付けられ、第２構造体４２は、図示せぬモータや減速機を含む第１駆動部３６を介して基台３１に固定される。しかし、トルクセンサ４０の第１構造体４１を、第１駆動部３６を介して基台３１に固定し、第２構造体４２を例えば第１アーム３２に固定することも可能である。

この状態において、第１駆動部３６が駆動されると、図２に示すトルク（Ｍｚ）方向の力がトルクセンサ４０に印加される。トルクセンサ４０の第１構造体４１は、第２構造体４２に対してトルク（Ｍｚ）方向に変位する。トルクセンサ４０は、第１構造体４１が第２構造体４２に対して変位することにより、第１歪センサ４４、第２歪センサ４５から電気信号が出力され、トルクを検出することができる。

一方、第１アーム３２乃至第４アーム３５の動作により、第１アーム３２にトルク以外（Ｍｘ、Ｍｙ）方向の曲げモーメントが発生した場合、曲げモーメントや並進力は、第１構造体４１に印加される。しかし、第２構造体４２は第１構造体４１及び第３構造体に比べて高い剛性を有しているため、第２構造体４２の変形が抑制される。このため、第１歪センサ４４、第２歪センサ４５を構成する複数の歪ゲージの抵抗値の変化を抑制できる。したがって、トルク以外（Ｍｘ、Ｍｙ）方向の曲げモーメントに対する信号の出力を抑制でき、トルクの検出精度を向上させることが可能である。

第１実施形態において、第２構造体４２の剛性を高めるため、第２構造体４２の厚みを第１構造体４１及び第３構造体４３の厚みより厚くした。しかし、これに限らず、第２構造体４２を第１構造体４１及び第３構造体４３よりヤング率の高い材料で構成することも可能である。この場合、第２構造体４２は、第１構造体４１及び第３構造体４３より厚い必要はなく、第１構造体４１及び第３構造体４３の厚み以下であってもよい。

（第１実施形態の効果）
上記第１実施形態によれば、第１歪センサ４４及び第２歪センサ４５を構成する歪ゲージ５１、５２、５３、５４は、起歪体４４ａの有効長より第２構造体４２側の領域に配され、歪ゲージ５１、５２、５３、５４に近い第２構造体４２は、第１構造体４１及び第３構造体４３より高い剛性を有している。このため、第１構造体４１にトルク以外の曲げモーメントや並進力が印加された場合において、第２構造体４２の変形を抑制することができるため、第１歪センサ４４、第２歪センサ４５を構成する複数の歪ゲージの抵抗値の変化を抑制できる。したがって、トルク以外の曲げモーメントに対する信号の出力を抑制でき、トルクの検出精度を向上させることが可能である。

また、トルクセンサ４０の剛性を高めるため、トルクセンサ４０の全体の厚みを厚くせず、検出側の第２構造体４２の厚みのみを厚くしている。このため、トルクセンサ４０の全体の厚みを厚くする場合に比べて、必要な性能を得るために、トルクセンサ４０の軽量化が可能である。

さらに、トルクセンサ４０の全体の厚みを厚くせず、第２構造体４２の厚みのみを厚くしているため、トルクセンサ４０が取り付けられる第１駆動部３６の厚みの増加を防止することが可能である。

（第２実施形態）
図５、図６は、第２実施形態を示している。第１実施形態において、第２構造体４２の剛性を第１構造体４１及び第３構造体４３の剛性より高くするため、第２構造体４２の厚みを第１構造体４１及び第３構造体４３の厚みより厚くした。

一方、第２実施形態において、トルクセンサ４０の第１構造体４１、第２構造体４２、及び第３構造体４３の厚みは、図６に示すように等しく、第２構造体４２の剛性を第１構造体４１及び第３構造体４３の剛性より高くするため、第２構造体４２に補強部材としてのアダプタ６０が取り付けられる。具体的には、リング状のアダプタ６０は、例えば複数のネジ６１により第２構造体４２の一方の面に固定される。

アダプタ６０の材料は、トルクセンサ４０の材料と同じか、トルクセンサ４０の材料よりヤング率の高い材料が適用される。

図５、図６に示すように、トルクセンサ４０に複数のネジ６１によりアダプタ６０が取り付けられた状態において、例えばＹ軸を中心として左右対称に回転モーメントＭｙがトルクセンサ４０に印加された場合、ネジ６１による締結部にねじれが生じ難い方が、他軸干渉の影響を低減できる。

第２実施形態において、ネジ６１は、第１歪センサ４４及び第２歪センサ４５を結ぶ径（Ｙ軸）上から離れた位置に配置された場合を示している。具体的には、２つのネジ６１は、第１歪センサ４４及び第２歪センサ４５を結ぶ径（Ｙ軸）に対して、例えば対称の位置に配置される。

図７は、第１歪センサ４４の近傍に配置された２つのネジ６１と起歪体４４ａの位置関係を示している。２つのネジ６１は、起歪体４４ａ（Ｙ軸）を中心として対称な位置に配置されている。

このように、２つのネジ６１を第１歪センサ４４に対して対称な位置に配置した場合、第１歪センサ４４に対応する部分がアダプタ６０により厚みが増すため、第１歪センサ４４近傍の二次極モーメントが大きくなり、ねじれ難くなる。このため、Ｙ軸を中心として回転モーメントＭｙがトルクセンサ４０に印加された場合、２つのネジ６１の間に位置する締結部６２に生じるねじれを低減でき、他軸干渉の影響を低減できる。

図５は、２つのネジ６１を第１歪センサ４４に対して対称な位置に配置した場合であるが、ネジ６１は第１歪センサ４４及び第２歪センサ４５を結ぶ線上に配置しても良い。しかし、ネジ６１を第１歪センサ４４及び第２歪センサ４５を結ぶ線上以外の位置に配置することにより、２次極モーメントを大きくすることができ、よりねじれ難くなる。

（第２実施形態の効果）
上記第２実施形態によっても第１実施形態と同様に、他軸干渉を低減でき、トルクの検出精度を向上させることが可能である。

しかも、第２実施形態によれば、トルクセンサ４０とは別のアダプタ６０を用いている。このため、使用条件によりアダプタ６０の剛性を調整することが容易である。使用条件に合った最適な剛性を容易に設定することが可能である。

また、アダプタ６０の材料として、トルクセンサ４０の材料と別の材料を用いることにより、必要な剛性を得るためにアダプタ６０の厚みを薄くすることができる。このため、トルクセンサ４０を一層薄型化することが可能である。

さらに、トルクセンサ４０とは別のアダプタ６０を用いることにより、第１実施形態に比べてトルクセンサ４０を加工するための工数を削減することが可能である。

アダプタ６０の形状は、トルクセンサ４０と同様に環状であるため、加工が容易であるため、加工工数を削減でき、製造コストの増加を抑制することが可能である。

また、アダプタ６０を第２構造体４２に固定するための複数のネジ６１を第１歪センサ４４、第２歪センサ４５に対してそれぞれ対称的に配置している。このため、Ｙ軸を中心として回転モーメントＭｙがトルクセンサ４０に印加された場合、第１歪センサ４４及び第２歪センサ４５にそれぞれ対応する２つのネジ６１の間に位置する締結部６２に生じるねじれを低減できる。したがって、他軸干渉の影響を低減でき、トルクの検出精度を向上させることが可能である。

図８は、トルクセンサ４０にアダプタ６０を取り付けた状態において、Ｙ軸を中心として左右対称に回転モーメント（入力モーメント）Ｍｙがトルクセンサ４０に印加された場合における歪ゲージ５１、５２、５３，５４の抵抗の変化率を示している。

ここで、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、それぞれ歪ゲージ５１、５２、５３，５４の抵抗を示している。

回転モーメントに対する抵抗の変化はヒステリシスを有するため、図８は、トルクセンサ４０に２回回転モーメント印加した結果を示している。

図９は、図８の比較例を示すものであり、トルクセンサ４０からアダプタ６０を外した場合における抵抗の変化率を示している。

図８から明らかなように、アダプタ６０をトルクセンサ４０に取り付けることにより、回転モーメントＭｙの影響（他軸干渉）が低減され、抵抗値の変化が抑制されていることが分かる。

図１０は、アダプタ６０の厚みを変えた場合における抵抗の変化率を示している。図９に示すアダプタ６０が無い場合の抵抗の変化率の幅Ｗを１００％として記し、アダプタ６０の厚みが、例えば５ｍｍ及び１０ｍｍにおける抵抗の変化率の平均値をそれぞれ記している。ここで、Ｎは、アダプタ６０が無い場合を示している。

図１０から明らかなように、アダプタ６０が無い場合（Ｎ）からアダプタ６０の厚みが５ｍｍ、１０ｍｍと増加するに従い、他軸干渉の影響が低減されることが分かる。すなわち、アダプタ６０の剛性が高まるに従って、他軸干渉の影響が低減されることが分かる。

（第３実施形態）
図１１は、第３実施形態を示している。
第１実施形態及び第２実施形態において、歪ゲージ５１、５２、５３、５４が配置される領域ＡＲ１は、第２構造体４２の近傍であり、第２構造体４２が検出側に相当していた。このため、第２構造体４２の剛性を第１構造体４１及び第３構造体４３の剛性より高くした。

第３実施形態において、歪ゲージ５１、５２、５３、５４が配置される領域は、図１１に示すように、第１構造体４１の近傍であり、第１構造体４１が検出側に相当する。

図示せぬ第２歪センサ４５の歪ゲージも、第１歪センサ４４の歪ゲージと同様に第１構造体４１の近傍に配置される。

このため、検出側としての第１構造体４１の剛性が、第２構造体４２及び第３構造体４３の剛性より高くされる。

具体的には、第１構造体４１の厚みが第２構造体４２、第３構造体４３の厚みより厚くされる。

第１構造体４１の剛性を高める手段としては、第１実施形態と同様に、第１構造体４１の材料をヤング率の高い材料で形成することが可能である。

又は、図１２に示すように、第２実施形態と同様に、第１構造体４１の一方の面に補強部材としてのリング状のアダプタ７０を複数のネジ７１により取り付けることも可能である。この場合、第１構造体４１、第２構造体４２、及び第３構造体４３の厚みは、等しい。

また、２つのネジ７１を第１歪センサ４４に対して対称となる位置に配置した場合、第１歪センサ４４に対応する部分の厚みが増すため、二次極モーメントが大きくなり、締結部がねじれ難くなる。このため、Ｙ軸を中心として回転モーメントＭｙがトルクセンサ４０に印加された場合、２つのネジ７１の間に位置する締結部に生じるねじれを低減でき、他軸干渉の影響を低減できる。

ネジ７１は第１歪センサ４４及び第２歪センサ４５を結ぶ線上に配置しても良い。しかし、ネジ７１を第１歪センサ４４及び第２歪センサ４５を結ぶ線上以外の位置に配置することにより、２次極モーメントを大きくすることができ、よりねじれ難くなる。

（第３実施形態の効果）
上記第３実施形態によっても第１実施形態及び第２実施形態と同様の効果を得ることが可能である。

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。

４０…トルクセンサ、４１…第１構造体、４２…第２構造体、４３…第３構造体、４４…第１歪センサ、４５…第２歪センサ、５１、５２、５３、５４…歪ゲージ、６０…アダプタ（補強部材）、６１…ネジ、７０…アダプタ（補強部材）、７１…ネジ。

Claims (14)

1. 第１構造体と、
   第２構造体と、
   前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられた第３構造体と、
   前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられた少なくとも２つのセンサ部と、
   を具備し、
   前記第１構造体と前記第２構造体のうち前記センサ部に近い一方の剛性が他方の剛性より高いことを特徴とするトルクセンサ。
2. 前記センサ部は、前記第２構造体の近傍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。
3. 前記第２構造体の厚みは、前記第１構造体及び前記第３構造体の厚みより厚いことを特徴とする請求項２記載のトルクセンサ。
4. 前記第２構造体は、前記第１構造体及び前記第３構造体よりヤング率の高い材料により構成されることを特徴とする請求項２記載のトルクセンサ。
5. 前記第２構造体は、補強部材をさらに具備することを特徴とする請求項２記載のトルクセンサ。
6. 前記第１構造体、前記第２構造体、及び前記第３構造体の厚みは等しいことを特徴とする請求項５記載のトルクセンサ。
7. 前記補強部材を前記第２構造体に固定するネジをさらに具備し、前記ネジは、前記２つのセンサ部を結ぶ線に対し、対称となる位置に設けられることを特徴とする請求項５記載のトルクセンサ。
8. 前記補強部材を前記第２構造体に固定するネジをさらに具備し、前記ネジは、前記２つのセンサ部を結ぶ線上以外の位置に設けられることを特徴とする請求項５記載のトルクセンサ。
9. 前記センサ部は、前記第１構造体の近傍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。
10. 前記第１構造体の厚みは、前記第２構造体及び前記第３構造体の厚みより厚いことを特徴とする請求項９記載のトルクセンサ。
11. 前記第１構造体は、補強部材をさらに具備することを特徴とする請求項９記載のトルクセンサ。
12. 前記第１構造体、前記第２構造体、及び前記第３構造体の厚みは等しいことを特徴とする請求項１１記載のトルクセンサ。
13. 前記補強部材を前記第１構造体に固定するネジをさらに具備し、前記ネジは、前記２つのセンサ部を結ぶ線に対し、対称的となる位置に設けられることを特徴とする請求項１１記載のトルクセンサ。
14. 前記補強部材を前記第１構造体に固定するネジをさらに具備し、前記ネジは、前記２つのセンサ部を結ぶ線上以外の位置に設けられることを特徴とする請求項１１記載のトルクセンサ。

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