JP2022144684A

JP2022144684A - トルクセンサ

Info

Publication number: JP2022144684A
Application number: JP2021045800A
Authority: JP
Inventors: 悠輔齋藤; Yusuke Saito
Original assignee: Nidec Copal Electronics Corp
Current assignee: Nidec Copal Electronics Corp
Priority date: 2021-03-19
Filing date: 2021-03-19
Publication date: 2022-10-03

Abstract

【課題】内部空間を有効に利用したトルクセンサを提供することにある。【解決手段】本実施形態に係るトルクセンサ１０は、第１構造体１１と、第１構造体１１との間に輪状の空間が形成されるように配置される第２構造体１２と、第１構造体１１から前記輪状の内側方向に張出し、前記第２構造体１２と接触しない第１固定部１４と、第１固定部１４の張出す方向と対向せずに、第２構造体１２から輪状の外側方向に張出し、第１構造体１１と接触しない第２固定部１５と、長手方向の一端が第１固定部１４に固定され、長手方向の他端が第２固定部１５に固定された歪センサ２０とを備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、トルクセンサに関する。

複数の歪センサを含むブリッジ回路が、第１構造体と第２構造体との間に伝達される力を検出するトルクセンサが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１８－１３２３１３号公報

しかしながら、トルクセンサは、ブリッジ回路等の電気回路を内部に実装するが、トルクセンサの内部空間は限られている。

本実施形態の目的は、内部空間を有効に利用したトルクセンサを提供することにある。

本実施形態によれば、内部空間を有効に利用したトルクセンサを提供することができる。

本実施形態のトルクセンサは、第１構造体と、前記第１構造体との間に輪状の空間が形成されるように配置される第２構造体と、前記第１構造体から前記輪状の内側方向に張出し、前記第２構造体と接触しない第１固定部と、前記第１固定部の張出す方向と対向せずに、前記第２構造体から前記輪状の外側方向に張出し、前記第１構造体と接触しない第２固定部と、長手方向の一端が前記第１固定部に固定され、前記長手方向の他端が前記第２固定部に固定された歪センサとを備える。

本実施形態に係るトルクセンサの構成を示す上面図。本実施形態に係るトルクセンサの構成を示す下面図。第１実施形態に係る図１のＡ－Ａ’線で切断した断面図。

（実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係るトルクセンサ１０の構成を示す上面図である。図２は、本実施形態に係るトルクセンサ１０の構成を示す下面図である。図３は、図１のＡ－Ａ’線で切断し、矢印の方向から見た断面図である。図面において、同一部分には、同一符号を付している。

なお、トルクセンサ１０は、ここで説明するものに限らず、様々な形状又は構成に変更してよい。また、トルクセンサ１０は、少なくともトルク（ｚ軸モーメントＭｚ）を検出するセンサであれば、力覚センサなどの他の名称のセンサでもよい。例えば、力覚センサとして用いる場合、図１及び図２に示す直交する３軸（ｘ、ｙ、ｚ）について、並進力（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ）及びモーメント（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）を検出する。

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、複数の第１固定部１４、複数の第２固定部１５、及び、複数の歪センサ２０を備える。

上述の構成の他に、トルクセンサ１０は、例えば、歪センサ２０により構成されるブリッジ回路等の電気回路、歪センサ２０により検出された電気信号に基づいて、トルク等の力の検出信号を生成する処理回路、及び、フレキシブル基板（ＦＰＣ, Flexible printed circuits）等の配線を備える。また、第２構造体１２の中心部分に位置する中空部には、ケースが設けられてもよく、ケース内には、処理回路、電源ケーブル、及び、ブッシュが収納されてもよい。

第１構造体１１、第２構造体１２、及び、第３構造体１３は、一体形成される。第１構造体１１及び第２構造体１２は、いずれも輪状に形成され、同心円状に配置される。第２構造体１２の径は、第１構造体１１の径より小さく、第２構造体１２は、第１構造体１１の内側（中心側）に配置される。したがって、第１構造体１１と第２構造体１２との間には、輪状の空間が形成される。第３構造体１３は、第１構造体１１と第２構造体１２の間の輪状の空間において、円周方向に等間隔で放射状（径方向）に配置され、第１構造体１１と第２構造体１２を接続する梁としての役割を有する。例えば、第１構造体１１、第２構造体１２、及び、第３構造体１３の材質は、ステンレス鋼等の金属であるが、印加される力に対して機械的に十分な強度があれば、金属以外の材料（樹脂等）を使用してもよい。

なお、ここでは、第３構造体１３を歪センサ２０と同数設け、各歪センサ２０が２つの第３構造体１３で個別に仕切られるように構成したが、これに限らない。第３構造体１３の数は、いくつでもよく、歪センサ２０と同数でなくてもよい。また、第３構造体１３の形状及び配置は、第１構造体１１と第２構造体１２を接続する役割を果たすのであれば、どのようにしてもよい。また、第３構造体１３の厚さ（ｚ軸方向の長さ）は、第１構造体１１及び第２構造体１２と同じ厚さとしているが、歪センサ２０で歪を検出し易いように、第１構造体１１及び第２構造体１２の厚さよりも薄くしてもよい。

複数の第１固定部１４及び複数の第２固定部１５は、直方体形状に形成され、複数の歪センサ２０を固定するための部分である。第１固定部１４は、第１構造体１１から輪状の内側方向（第２構造体１２側）に張出すように設けられる。第２固定部１５は、第２構造体１２から輪状の外側方向（第１構造体１１側）に張出すように設けられる。複数の第１固定部１４と複数の第２固定部１５は、それぞれの張出す方向が互いに対向しないように、互いに周方向にズラして設けられる。第１固定部１４は、一端が第１構造体１１と一体形成され、他端が第２構造体１２と接触しないように形成される。第２固定部１５は、一端が第２構造体１２と一体形成され、他端が第１構造体１１と接触しないように形成される。なお、第１固定部１４及び第２固定部１５は、第１構造体１１、第２構造体１２、及び、第３構造体１３と同じ材質であるが、異なる材質でもよい。

第１固定部１４及び第２固定部１５の厚さ（ｚ軸方向の長さ）は、第１構造体１１、第２構造体１２、及び、第３構造体１３の厚さよりも薄い。具体的には、第１固定部１４及び第２固定部１５の下面は、第１構造体１１、第２構造体１２、及び、第３構造体１３の下面と同一平面を形成するが、第１固定部１４及び第２固定部１５の上面は、第１構造体１１、第２構造体１２、及び、第３構造体１３の上面よりも一段低い。なお、第１固定部１４及び第２固定部１５の厚さは、第１構造体１１、第２構造体１２、及び、第３構造体１３の厚さと同一でもよい。また、第１固定部１４及び第２固定部１５の厚さは、任意に変更してよく、第１固定部１４及び第２固定部１５の上面及び下面と、第１構造体１１、第２構造体１２、及び、第３構造体１３の上面及び下面のそれぞれの間に段差があってもよい。

歪センサ２０は、直方形の板状であり、隣接する２つの第３構造体１３の間にある１組の第１固定部１４及び第２固定部１５に取り付けられる。歪センサ２０は、長手方向の一端が第１固定部１４の上面に取り付けられ、長手方向の他端が第２固定部１５の上面に取り付けられる。例えば、歪センサ２０は、第１固定部１４及び第２固定部１５に、ネジにより固定されるが、ネジに限らず、どのように固定されてもよい。

図１に示すように、歪センサ２０が取り付けられる向きは、第１構造体１１と第２構造体１２との間の空間の輪状を円として、この円の同心円と接する接線が、歪センサ２０の長手方向を示す線Ｌ１と一致する（平行になる）ようにする。即ち、歪センサ２０の長手方向の中央（例えば、歪センサ２０を通り、第１固定部１４と第２固定部１５とを最短で結ぶ線分を等分する中点）に向けて、輪状の中心Ｃから径方向に線Ｌ２を引くと、この径方向の線Ｌ２が歪センサ２０の長手方向を示す線Ｌ１と直角に交わる。

なお、歪センサ２０の長手方向は、輪状を示す同心円の接線と完全に一致（平行）しなくてもよい。例えば、歪センサ２０の長手方向は、輪状を示す同心円の接線に対して、±４５度以内であればよい。また、図１及び図２では、全ての歪センサ２０が、上述したように、輪状を示す同心円の接線と長手方向が一致するように配置された構成を図示しているが、一部の歪センサ２０は、このように配置されなくてもよい。例えば、トルク（Ｍｚ）以外の力の検出を目的とした歪センサ２０は、このように配置されなくてもよい。

歪センサ２０は、直方形の板状の起歪体、及び、起歪体の表面に配置された複数の歪ゲージを備える。例えば、起歪体は、金属製である。起歪体は、外部から印加されたトルク等の力を受けて変形することで、各歪ゲージが変形する。各歪ゲージの変形により変化する各歪ゲージの電気抵抗を測定することで、トルクセンサ１０で受けたトルク等の力を検出する。なお、歪センサ２０（又は、起歪体）の外形は、直方形状に限らず、長手方向がある程度認識できれば、丸みを帯びていたり、曲線部分があったりしてもよい。また、起歪体に配置された複数の歪ゲージは、どのように配置されてもよい。例えば、歪ゲージが直方形状である場合、歪ゲージの長手方向が起歪体の長手方向と一致するように配置される。

例えば、第１構造体１１は、トルク等の力が印加される被測定対象の構造体に連結され、第２構造体１２は、トルク等の力を印加する側の構造体に連結される。トルク等により、第１構造体１１及び第２構造体１２が相対的に動くことで、歪センサ２０が起歪体に生じた歪を検出する。歪センサ２０の検出結果に基づいて、トルク等を検出する。なお、第１構造体１１が力を印加する側の構造体に連結され、第２構造体１２が被測定対象の構造体に連結されてもよい。

本実施形態によれば、歪センサ２０を固定するために、第１構造体１１から張出した第１固定部１４、及び、第２構造体１２から張出した第２固定部１５を設けることで、歪センサ２０の長手方向が第１構造体１１と第２構造体１２との間の輪状の空間に沿った周方向（輪状の接線方向）になるように、又は、径方向よりも周方向に近付くように傾けて、固定することができる。これにより、第１構造体１１と第２構造体１２との間の空間を狭くできる。このように、内部空間を有効に利用した構成にすることで、例えば、トルクセンサ１０の全体の外形（外周）を小さくしたり、トルクセンサ１０の内周側に設ける基板等の部品等を大きくしたりすることができる。また、歪センサ２０の長手方向の両端に位置する電極部（電気接続部分）のための空間が確保し易くなる。

また、歪センサ２０（起歪体）の長手方向の向きをトルク（ｚ軸モーメントＭｚ）が作用する周方向の向き、又は、この向きに近い向きにすることができるため、トルクによる長手方向の変形を受け易くなり、トルクを検出し易くすることができる。これにより、検出精度を上げたり、検出する構成を簡易化して製造コストを抑えたりすることができる。

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。

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１固定部、１５…第２固定部、２０…歪センサ。

Claims

第１構造体と、
前記第１構造体との間に輪状の空間が形成されるように配置される第２構造体と、
前記第１構造体から前記輪状の内側方向に張出し、前記第２構造体と接触しない第１固定部と、
前記第１固定部の張出す方向と対向せずに、前記第２構造体から前記輪状の外側方向に張出し、前記第１構造体と接触しない第２固定部と、
長手方向の一端が前記第１固定部に固定され、前記長手方向の他端が前記第２固定部に固定された歪センサと
を備えることを特徴とするトルクセンサ。
前記歪センサは、前記輪状を円として、前記歪センサの前記長手方向を示す線が、前記円の同心円と接する接点での接線に対して、±４５度以内になるように配置されること
を特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
前記第１固定部及び前記第２固定部は、前記第１構造体及び前記第２構造体よりも厚さが薄いこと
を特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
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構造体を備え、
前記歪センサは、複数有し、各歪センサは、複数の第３構造体により個別に仕切られた前記空間に配置されること
を特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。