JP2021179309A - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 組み立てが容易であり、かつ、トルクを精度よく検出できるトルクセンサを提供する。【解決手段】 一実施形態に係るトルクセンサは、環状の第１固定部と、前記第１固定部と中心を共有する第２固定部と、前記第１固定部と前記第２固定部とを連結する複数の連結部と、を有する起歪体と、前記起歪体上に設けられた複数の歪ゲージと、を備え、前記連結部は、前記第１固定部と前記第２固定部との間に配置され、両端部が前記第１固定部の内周に接続され、中央部が前記第２固定部の外周に接続される。【選択図】 図１

Description

本発明は、トルクセンサに関する。

近年、円盤状の起歪体と歪ゲージとを備えたトルクセンサが、ロボットの関節部分などで用いられている。起歪体として、環状の外側固定部と、外側固定部の内側に配置された内側固定部と、外側固定部及び内側固定部を連結する連結部と、を有するものが知られている。このようなトルクセンサでは、起歪体を回転軸と垂直に配置し、外側固定部及び内側固定部にそれぞれ回転体（回転軸やロボットアームなど）を固定し、回転体の回転により生じた連結部の歪みを歪ゲージにより検出することにより、起歪体に加わったトルクを検出する。

特開２００１−３０４９８５号公報 特開２０１３−１１５６７号公報 特開２０１５−４９２０９号公報 特開２００３−８３８２４号公報

ところで、従来の起歪体の連結部は、起歪体の径方向に延びていた。このため、回転体の回転により生じる連結部の歪みは、連結部の側面で最大となった。この結果、トルクを精度よく検出するためには、連結部の側面に歪ゲージを配置しなければならず、トルクセンサの組み立てが困難になった。また、歪ゲージを連結部の表面に配置すれば、トルクセンサの組み立ては容易になるが、トルクの検出精度が低下するという問題があった。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、組み立てが容易であり、かつ、トルクを精度よく検出できるトルクセンサを提供することを目的とする。

一実施形態に係るトルクセンサは、環状の第１固定部と、前記第１固定部と中心を共有する第２固定部と、前記第１固定部と前記第２固定部とを連結する複数の連結部と、を有する起歪体と、前記起歪体上に設けられた複数の歪ゲージと、を備え、前記連結部は、前記第１固定部と前記第２固定部との間に配置され、両端部が前記第１固定部の内周に接続され、中央部が前記第２固定部の外周に接続される。

本発明の各実施形態によれば、組み立てが容易であり、かつ、トルクを精度よく検出できるトルクセンサを提供できる。

トルクセンサの一例を示す平面図。 トルクセンサの分解斜視図。 起歪体の平面図。 絶縁層上の回路構成の一例を示す図。 起歪体の第１の変形例を示す平面図。 起歪体の第２の変形例を示す斜視図。 起歪体の第３の変形例を示す平面図。

以下、本発明の各実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。なお、各実施形態に係る明細書及び図面の記載に関して、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重畳した説明を省略する。

一実施形態に係るトルクセンサ１００について、図１〜図７を参照して説明する。本実施形態に係るトルクセンサ１００は、トルクを検出する円盤状のセンサである。トルクセンサ１００は、ロボットの関節部分などに、回転軸と垂直に搭載される。

図１は、トルクセンサ１００の一例を示す平面図である。図２は、トルクセンサ１００の分解斜視図である。図３は、起歪体１の平面図である。以下、図に示す方向（Ｘ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２，Ｚ１，Ｚ２方向）を基準としてトルクセンサ１００について説明する。Ｘ１，Ｘ２方向をＸ方向、Ｙ１，Ｙ２方向をＹ方向、Ｚ１，Ｚ２方向をＺ方向と総称する。また、Ｚ１方向及びＺ２方向を上方及び下方と称する場合がある。なお、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向は互いに直交する。

図１に示すように、トルクセンサ１００は、起歪体１と、絶縁層２と、歪ゲージ３ａ〜３ｈと、を備える。以下、歪ゲージ３ａ〜３ｈを区別しない場合、歪ゲージ３と称する。他の構成についても同様である。

起歪体１は、回転体の回転によりトルクを加えられる円盤状部材である。起歪体１は、例えば、金属により形成される。トルクセンサ１００は、歪ゲージ３を利用して起歪体１の歪みを検出することにより、起歪体１に加えられたトルクを検出する。図３に示すように、起歪体１は、第１固定部１１と、第２固定部１２と、４つの連結部１３ａ〜１３ｄと、を有する。なお、図３における破線は、第１固定部１１、第２固定部１２、及び連結部１３の境界を便宜的に示したものである。

第１固定部１１は、起歪体１の外側に位置する略環状の部分である。ここでいう略環状は、環状、環状の一部を切り欠いた形状、及び環状の一部を突出させた形状を含む。第１固定部１１は、駆動源からの駆動力を伝達する伝達部材（回転体）、又は起歪体１を介して駆動力を伝達される操作体（回転体）をボルトにより固定するための複数の開口部１４を有する。以下、第１固定部１１の中心を中心Ｃと称する。

第２固定部１２は、起歪体１の内側に位置する略環状の部分である。第２固定部１２は、第１固定部１１と中心Ｃを共有し、第１固定部１１の内半径（内周の半径）より小さい外半径（外周の半径）を有する。第２固定部１２は、駆動源からの駆動力を伝達する伝達部材、又は起歪体１を介して駆動力を伝達される操作体をボルトにより固定するための複数の開口部１５を有する。第２固定部１２が伝達部材に固定された場合、第１固定部１１は操作体に固定され、第２固定部１２が操作体に固定された場合、第１固定部１１は伝達部材に固定される。また、伝達部材と操作体はＺ方向の異なる面に配置される。なお、第２固定部１２は、略円形に形成されてもよい。ここでいう略円形は、円形、円形の一部を切り欠いた形状、及び円形の一部が突出した形状を含む。

連結部１３は、第１固定部１１と第２固定部１２とを連結する、第２固定部１２の外周から当該外周の接線方向に延びる略矩形の部分である。ここでいう略矩形は、矩形、矩形の一部を切り欠いた形状、及び矩形の一部が突出した形状を含む。連結部１３は、第１固定部１１の内周と第２固定部１２の外周との間に配置され、両端部が第１固定部１１の内周に接続され、中央部が第２固定部１２の外周に接続される。言い換えると、連結部１３は、両端部が第２固定部１２の外周と接続されず、中央部が第１固定部１１の内周と接続されない。このため、連結部１３の両端部と第２固定部１２の外周との間には開口部１６が形成され、連結部１３の中央部と第１固定部１１の内周との間には開口部１７が形成される。

具体的には、連結部１３ａは、Ｙ方向に延びる略矩形の部分であり、Ｙ１側端部が第１固定部１１の内周のＸ２Ｙ１側部分に接続され、Ｙ２側端部が第１固定部１１の内周のＸ２Ｙ２側部分に接続され、中央部が第２固定部１２の外周のＸ２側部分に接続される。連結部１３ａのＹ１側端部と第２固定部１２の外周との間には、開口部１６ａが形成され、連結部１３ａのＹ２側端部と第２固定部１２の外周との間には、開口部１６ｄが形成され、連結部１３ａの中央部と第１固定部１１の内周との間には、開口部１７ａが形成される。

連結部１３ｂは、Ｘ方向に延びる略矩形の部分であり、Ｘ１側端部が第１固定部１１の内周のＸ１Ｙ１側部分に接続され、Ｘ２側端部が第１固定部１１の内周のＸ２Ｙ１側部分に接続され、中央部が第２固定部１２の外周のＹ１側部分に接続される。連結部１３ｂのＸ１側端部と第２固定部１２の外周との間には、開口部１６ｂが形成され、連結部１３ｂのＸ２側端部と第２固定部１２の外周との間には、開口部１６ａが形成され、連結部１３ｂの中央部と第１固定部１１の内周との間には、開口部１７ｂが形成される。

連結部１３ｃは、Ｙ方向に延びる略矩形の部分であり、Ｙ１側端部が第１固定部１１の内周のＸ１Ｙ１側部分に接続され、Ｙ２側端部が第１固定部１１の内周のＸ１Ｙ２側部分に接続され、中央部が第２固定部１２の外周のＸ１側部分に接続される。連結部１３ｃのＹ１側端部と第２固定部１２の外周との間には、開口部１６ｂが形成され、連結部１３ｃのＹ２側端部と第２固定部１２の外周との間には、開口部１６ｃが形成され、連結部１３ｃの中央部と第１固定部１１の内周との間には、開口部１７ｃが形成される。

連結部１３ｄは、Ｘ方向に延びる略矩形の部分であり、Ｘ１側端部が第１固定部１１の内周のＸ１Ｙ２側部分に接続され、Ｘ２側端部が第１固定部１１の内周のＸ２Ｙ２側部分に接続され、中央部が第２固定部１２の外周のＹ２側部分に接続される。連結部１３ｄのＸ１側端部と第２固定部１２の外周との間には、開口部１６ｃが形成され、連結部１３ｄのＸ２側端部と第２固定部１２の外周との間には、開口部１６ｄが形成され、連結部１３ｄの中央部と第１固定部１１の内周との間には、開口部１７ｄが形成される。

第１固定部１１又は第２固定部１２に固定された伝達部材（回転体）が回転すると、当該回転により起歪体１を介して操作体（回転体）も回転し、回転体間に加わるトルクに応じて連結部１３が歪む。本実施形態によれば、連結部１３の歪みは、連結部１３の側面（Ｚ方向と平行な面）ではなく、連結部１３の両端部の表面（Ｚ方向と垂直な面）（第１面）で最大となる。ここでいう表面は、上面及び下面を含む。

したがって、本実施形態によれば、連結部１３の両端部の表面に歪ゲージ３を配置し、当該歪ゲージ３により連結部１３の歪みを検出することにより、トルクセンサ１００は、精度よくトルクを検出することができる。また、歪ゲージ３を連結部１３の両端部の表面に配置することは容易であるため、トルクセンサ１００を容易に組み立てることができる。

また、本実施形態によれば、図３に示すように、４つの連結部１３は、第２固定部１２の周囲に正方形状に配置されている。言い換えると、４つの連結部１３は、第２固定部１２の周囲に等間隔に配置されている。このように、４つの連結部１３を等間隔に配置することにより、各連結部１３の歪みを均一化し、連結部１３の歪みに基づくトルクの検出精度をさらに高めることができる。

なお、連結部１３の数、形状、及び配置は、図３の例に限られない。例えば、起歪体１は、２つ、３つ、又は４つ以上の連結部１３を有してもよい。また、連結部１３は、湾曲した形状を有してもよいし、非等間隔に配置されてもよい。また、連結部１３が変形可能であれば、第１固定部１１及び第２固定部１２は変形しない材質でもよく、その場合には両者が一体的に挙動するように別の部材を一体化して起歪体１を形成する。

絶縁層２は、起歪体１上に設けられた絶縁性の層であり、表面にプリント配線を形成される。絶縁層２は、起歪体１上に、少なくとも連結部１３を覆うように配置される。図１の例では、絶縁層２は、接着剤により起歪体１に固定されたプリント基板を想定しているが、起歪体１上に形成された酸化膜、窒化膜、又は樹脂製の絶縁膜であってもよい。プリント基板は、フレキシブル基板及びリジッド基板を含む。いずれの場合も、絶縁層２は、連結部１３の歪みに応じて歪むように、連結部１３に固定される。また、起歪体１は少なくとも、その表面が絶縁性であって歪みゲージ３がショーティングせずに配置できれば足りるので、起歪体１自体がプリント基板又は合成樹脂により形成されてもよい。この場合、起歪体１が絶縁層２の役割を果たす。なお、絶縁層２は、図１の例のように、第１固定部１１と第２固定部１２との間の全体を覆うように形成されるのが好ましい。これにより、絶縁層２の面積が大きくなるため、回路設計の自由度を向上させることができる。プリント基板２が配置される面の第２固定部１２にボルトにより回転体が固定される。

歪ゲージ３は、変形に応じて抵抗値が変化する素子である。歪ゲージ３は、絶縁層２上に実装され、絶縁層２における連結部１３の両端部に対応する位置に配置される。すなわち、歪ゲージ３は、連結部１３の両端部に配置される。具体的には、歪ゲージ３ａは連結部１３ａのＹ１側端部に配置され、歪ゲージ３ｂは連結部１３ｂのＸ２側端部に配置され、歪ゲージ３ｃは連結部１３ｂのＸ１側端部に配置され、歪ゲージ３ｄは連結部１３ｃのＹ１側端部に配置され、歪ゲージ３ｅは連結部１３ｃのＹ２側端部に配置され、歪ゲージ３ｆは連結部１３ｄのＸ１側端部に配置され、歪ゲージ３ｇは連結部１３ｄのＸ２側端部に配置され、歪ゲージ３ｈは連結部１３ａのＹ２側端部に配置される。

このような構成により、回転体の回転により連結部１３が歪むと、絶縁層２が歪み、歪ゲージ３が変形し、歪ゲージ３の抵抗値が変化する。トルクセンサ１００は、当該抵抗値の変化に基づいて、トルクを検出することができる。

ここで、絶縁層２上に形成される歪ゲージ３の回路構成について、図４を参照して説明する。図４は、絶縁層２上の歪みゲージ３を回路部品（図示省略）に接続した回路構成の一例を示す図である。図４に示すように、該回路は、歪ゲージ３ａ〜３ｈと、固定抵抗Ｒａ〜Ｒｈと、スイッチ回路２１と、増幅回路２２と、ＡＤコンバータ２３と、判定回路２４と、を備える。

歪ゲージ３ａと固定抵抗Ｒａとは、電源とグラウンドとの間に直列に接続される。歪ゲージ３ｂ〜３ｈ及び固定抵抗Ｒｂ〜Ｒｈについても同様である。図４に示すように、歪ゲージ３ａは、可変抵抗として機能する。

スイッチ回路２１は、歪ゲージ３と固定抵抗Ｒとの間の電圧をそれぞれ入力され、入力された電圧のいずれか１つを出力する。スイッチ回路２１が出力する電圧は、ＡＤコンバータ２３から入力されるチャネル切替指示により制御される。スイッチ回路２１が出力した電圧は、増幅回路２２に入力される。

増幅回路２２は、スイッチ回路２１から入力された電圧を増幅して出力する。増幅回路２２が出力した電圧は、ＡＤコンバータ２３に入力される。

ＡＤコンバータ２３は、増幅回路２２から入力された電圧をＡＤ変換し、得られた電圧値Ｖ（デジタル値）を出力する。また、ＡＤコンバータ２３は、スイッチ回路２１に出力電圧の切り替えを支持するチャネル切替指示を出力する。ＡＤコンバータ２３が出力した電圧値Ｖは判定回路２４に入力される。

判定回路２４は、ＡＤコンバータ２３から入力された電圧値Ｖに基づいて、起歪体１に加わったトルクを判定（検出）する。判定回路２４には、ＡＤコンバータ２３から、歪ゲージ３ａ〜３ｈの抵抗値にそれぞれ対応する電圧値Ｖａ〜Ｖｈが順次入力される。判定回路２４は、電圧値Ｖａ〜Ｖｈに基づいて、トルクを算出することができる。例えば、トルクは、以下の式により算出される。

Ｔ＝ｋ×｛（Ｖａ−Ｖｈ）＋（Ｖｃ−Ｖｂ）＋（Ｖｅ−Ｖｄ）＋（Ｖｇ−Ｖｆ）｝・・・（１）

式（１）において、Ｔはトルク、ｋは予め設定された係数である。式（１）では、各連結部１３における、回転方向の一方側に配置された歪ゲージ３ａ，３ｃ，３ｅ，３ｇに対応する電圧値Ｖａ，Ｖｃ，Ｖｅ，Ｖｇと、回転方向の他方側に配置された歪ゲージ３ｂ，３ｄ，３ｆ，３ｈに対応する電圧値Ｖｂ，Ｖｄ，Ｖｆ，Ｖｈと、の差を合計している。理由は、以下の通りである。

本実施形態では、起歪体１にトルクが加わると、連結部１３の両端部が逆向きに歪む。すなわち、連結部１３は、一方の端部が縮むと同時に、他方の端部が伸びる。このため、起歪体１にトルクが加わると、同じ連結部１３の両端部に配置された２つの歪ゲージ３に対応する電圧値Ｖは、一方が大きくなり、他方が小さくなる。したがって、同じ連結部１３に配置された２つの歪ゲージ３に対応する電圧値Ｖを合計すると、トルクに応じた電圧値Ｖの変化が相殺されてしまう。そこで、式（１）では、トルクに応じた電圧値Ｖの変化が相殺されないように、各連結部１３における、回転方向の一方側に配置された歪ゲージ３ａ，３ｃ，３ｅ，３ｇに対応する電圧値Ｖａ，Ｖｃ，Ｖｅ，Ｖｇと、回転方向の他方側に配置された歪ゲージ３ｂ，３ｄ，３ｆ，３ｈに対応する電圧値Ｖｂ，Ｖｄ，Ｖｆ，Ｖｈと、の差を合計している。これにより、トルクに応じた電圧値Ｖａ〜Ｖｈの変化量を合計し、当該変化量を合計に応じたトルクを算出することができる。

また、判定回路２４は、電圧値Ｖａ〜Ｖｈに基づいて、起歪体１に加わった力がトルクであるか、それ以外の力（ねじれ荷重や回転軸方向の荷重）であるか、を判定してもよい。例えば、判定回路２４は、回転方向に１つおきに配置された４つの歪ゲージ３ａ，３ｃ，３ｅ，３ｇに対応する電圧値Ｖａ，Ｖｃ，Ｖｅ，Ｖｇの差が所定範囲内である場合、起歪体１に加わった力がトルクであると判定し、当該差異が所定範囲外である場合、起歪体１に加わった力がトルクでないと判定すればよい。このような判定を行うことにより、判定回路２４は、起歪体１に加わった力がトルクであると判定した場合のみ、トルクを算出し、出力することができる。

なお、絶縁層２上に、歪ゲージ３、固定抵抗Ｒ、スイッチ回路２１、増幅回路２２、ＡＤコンバータ２３、及び判定回路２４が実装されても良い。

以上説明した通り、本実施形態によれば、連結部１３は、両端部が第１固定部１１の内周に接続され、中央部が第２固定部１２の外周に接続される。このような構成により、起歪体１にトルクが加わった際に、連結部１３の両端部の表面で歪みが最大となるようにすることができる。したがって、連結部１３の両端部の表面に歪ゲージ３を配置することにより、トルクを精度よく検出可能なトルクセンサ１００を実現できる。また、歪ゲージ３を連結部１３の両端部の表面に配置することは容易であるため、組み立てが容易なトルクセンサ１００を実現できる。結果として、組み立てが容易であり、かつ、トルクを精度よく検出できるトルクセンサ１００を実現できる。

また、本実施形態によれば、開口部１６，１７によって、回転力が加わる周方向に長さが長い略棒状の連結部１３が形成されて、その形成方向に伸ばす力と圧縮するの力とが加わり、当該力を歪みゲージ３で測定することとなる。よって、径方向に延びて形成されて、その方向の側面に力が加わる従来の連結部に比べて、連結部１３の変形量を少なくし、大きなトルクを測定することができる。これにより、起歪体１を小型化、軽量化、及び薄型化することができる。なお、歪みゲージ３が設けられる連結部１３が周方向に形成されるので、径方向に形成される従来例に比べて、径寸法を抑えることもできる。

ここで、図５は、起歪体１の第１の変形例を示す平面図である。第１の変形例では、連結部１３の両端部が中央部より細く形成されている。具体的には、Ｙ方向に延びる連結部１３ａ，１３ｃは、両端部のＸ方向の寸法が、中央部のＸ方向の寸法より小さく形成されている。また、Ｘ方向に延びる連結部１３ｂ，１３ｄは、両端部のＹ方向の寸法が、中央部のＹ方向の寸法より小さく形成されている。このような構成により、連結部１３の歪みが、より両端部に集中するため、トルクに応じた連結部１３の両端部の歪みが大きくなる。したがって、連結部１３の歪みに基づくトルクの検出精度をさらに高めることができる。

図６は、起歪体１の第２の変形例を示す斜視図である。第２の変形例では、連結部１３は、第１固定部１１及び第２固定部１２より薄く形成されている。すなわち、連結部１３は、Ｚ方向の寸法が、第１固定部１１及び第２固定部１２のＺ方向の寸法より小さく形成されている。このような構成により、トルクに応じた連結部１３の歪みがより大きくなる。したがって、連結部１３の歪みに基づくトルクの検出精度をさらに高めることができる。なお、図６の例では、連結部１３のＺ１側の面を低くすることにより連結部１３を薄くする場合を想定しているが、連結部１３のＺ２側の面を高くすることにより連結部１３を薄くしてもよい。また、連結部１３のＺ１側の面を低くし、連結部１３のＺ２側の面を高くすることにより、連結部１３を薄くしてもよい。

図７は、起歪体１の第３の変形例を示す平面図である。第３の変形例では、起歪体１に８つの連結部１３ａ〜１３ｈが設けられている。８つの連結部１３は、第２固定部１２の周囲に正八角形状に配置されている。言い換えると、８つの連結部１３は、第２固定部１２の周囲に等間隔に配置されている。このように、８つの連結部１３を等間隔に配置することにより、各連結部１３の歪みを均一化し、連結部１３の歪みに基づくトルクの検出精度をさらに高めることができる。なお、起歪体１がＮ個（Ｎ≧３）の連結部１３を有する場合、Ｎ個の連結部１３が正Ｎ角形状（正多角形状）となるように、Ｎ個の連結部１３を等間隔に配置すればよい。また、起歪体１が２つの連結部１３を有する場合、２つの連結部１３が対向した位置で平行になるように、２つの連結部１３を等間隔に配置すればよい。いずれの場合も、各連結部１３の歪みを均一化し、連結部１３の歪みに基づくトルクの検出精度をさらに高めることができる。

また、上記実施形態に挙げた構成等に、その他の要素との組み合わせなど、ここで示した構成に本発明が限定されるものではない。これらの点に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能であり、その応用形態に応じて適切に定めることができる。

１：起歪体
２：絶縁層
３：歪ゲージ
１１：第１固定部
１２：第２固定部
１３：連結部
１４〜１７：開口部
２１：スイッチ回路
２２：増幅回路
２３：ＡＤコンバータ
２４：判定回路
１００：トルクセンサ
Ｒ：固定抵抗

Claims (7)

1. 環状の第１固定部と、前記第１固定部と中心を共有する第２固定部と、前記第１固定部と前記第２固定部とを連結する複数の連結部と、を有する起歪体と、
   前記起歪体上に設けられた複数の歪ゲージと、
   を備え、
   前記連結部は、前記第１固定部と前記第２固定部との間に配置され、両端部が前記第１固定部の内周に接続され、中央部が前記第２固定部の外周に接続される
   トルクセンサ。
2. 前記連結部は、前記両端部が前記中央部より細い
   請求項１に記載のトルクセンサ。
3. 前記連結部は、前記第１固定部及び前記第２固定部より薄い
   請求項１又は請求項２に記載のトルクセンサ。
4. 前記連結部は、前記第２固定部の接線方向に延びる
   請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のトルクセンサ。
5. 前記複数の連結部は、前記第２固定部の周囲に正多角形状に配置される
   請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のトルクセンサ。
6. 前記起歪体は、４つの前記連結部を有する
   請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のトルクセンサ。
7. 前記歪ゲージは、前記連結部の前記両端部の第１面に配置される
   請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のトルクセンサ。

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