JP2023022592A - センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】 二重化された検出回路のそれぞれの検出精度の差を低減するセンサを提供することにある。【解決手段】 センサ10は、環状に形成される第1構造体11と、第1構造体11の内周側に環状に形成される第2構造体12と、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20と、二重化された第1系検出回路及び第2系検出回路を構成し、起歪体20の片側の面に線対称に配置された歪みを検出する複数のセンサ素子21a~21d,22a…22dとを備える。【選択図】 図1

Description

本発明の実施形態は、力を検出するセンサに関する。
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知られている。例えば、複数の歪センサを含む2つのブリッジ回路の出力電圧の差に基づいて、異常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、歪センサを用いた検出回路(ブリッジ回路等)を二重化する場合、2つの歪センサを同一箇所に配置することは物理的にできない。このため、二重化された検出回路の歪センサの配置が異なることにより、それぞれの検出回路の検出精度に差が生じる。このように、二重化された検出回路のそれぞれの検出精度が異なることは、センサとして望ましくない。
本実施形態は、二重化された検出回路のそれぞれの検出精度の差を低減するセンサを提供することにある。
実施形態によれば、二重化された検出回路のそれぞれの検出精度の差を低減するセンサを提供することができる。
本発明の実施形態のセンサは、環状に形成される第1構造体と、前記第1構造体の内周側に環状に形成される第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起歪体と、二重化された第1系検出回路及び第2系検出回路を構成し、前記起歪体の片側の面に線対称に配置された歪みを検出する複数のセンサ素子とを備える。
第1実施形態に係るトルクセンサのセンサ部付近を拡大した斜視図。 第1実施形態に係るトルクセンサの構成を示す上面図。 第1実施形態に係る1つの端子部を設けたセンサ部の構成を示す上面図。 第1実施形態に係る2つの端子部を設けたセンサ部の構成を示す上面図。 第1実施形態に係るトルクセンサの取り付け状態を示す正面図。 図5に示すトルクセンサ取付板をA-A線で切断した断面図。 第1実施形態に係るトルクセンサ取付板に外部負荷が生じている時のトルクセンサの状態を示す簡易図。 第2実施形態に係るセンサ部の構成を示す上面図。 第3実施形態に係るセンサ部の構成を示す上面図。
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係るトルクセンサ10のセンサ部14付近を拡大した斜視図である。図2は、本実施形態に係るトルクセンサ10の構成を示す上面図である。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もよい。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、力覚センサは、図2に示す直交する3軸(x軸、y軸、z軸)のそれぞれの並進力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、複数のセンサ部14、ケース15、及び、ケーブル16を備える。
第1構造体11、第2構造体12及び第3構造体13は、1つの弾性体として一体形成される。第1構造体11、第2構造体12及び第3構造体13は、ステンレス鋼等の金属により構成されるが、印加されるトルク等の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。
第1構造体11及び第2構造体12は、環状に形成される。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と同心円上で内周側に配置される。複数の第3構造体13は、放射状に配置され、第1構造体11と第2構造体12を接続する梁として設けられる。なお、第3構造体13は、いくつ設けられてもよい。
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の厚さよりも薄い。具体的には、第3構造体13の厚さは、第1構造体11又は第2構造体12に接続される両端部から中央に向けて薄くなるように傾斜し、中央部分は均一の厚さ(平面)である。第3構造体13は、厚さ(z軸方向の長さ)を幅(周方向の長さ)より長くすることで、トルクを検出し易くしているが、これに限らず、第3構造体13の厚さ及び幅は、任意に決定してよい。
ケース15は、第2構造体12の中心部分に設けられた中空部を覆うように設けられる。中空部には、各センサ部14により検出されたデータを処理するためのデータ処理回路が設けられる。データ処理回路は、各センサ部14とフレキシブル基板(flexible printed circuit board)で電気的に接続される。データ処理回路は、ケーブル16を介して、電源が供給され、データ処理したセンサ信号を外部に出力する。
センサ部14は、第1構造体11と第2構造体12が相対的に動くことで生じる歪みを検出する。センサ部14により検出された歪みを示すデータは、電気信号としてデータ処理回路に送信される。データ処理回路は、センサ部14で検出された歪みに基づいて、トルク等の印加された力を検出する。ここでは、センサ部14は、円周方向に等間隔(90度間隔)で4つ設けた構成を示したが、センサ部14は、いくつ設けてもよい。
センサ部14は、起歪体20、4つのA系センサ素子21a,21b,21c,21d、及び、4つのB系センサ素子22a,22b,22c,22dを備える。
センサ部14は、第1構造体11と第2構造体12の間を跨ぐように設けられる。センサ部14の両端は、それぞれ第1構造体11及び第2構造体12に固定される。第1構造体11及び第2構造体12には、センサ部14の両端を固定するために、他の部分よりも厚さが薄い凹部11a,12aが形成される。例えば、防水及び防塵などの外部因子からセンサ部14を保護するためのカバーがセンサ部14の上面の凹部11a,12aに嵌め込まれる。センサ部14の下面も同様にカバーが設けられてもよい。
起歪体20の両端を第1構造体11及び第2構造体12に固定することで、センサ部14が取り付けられる。具体的には、起歪体20の両端をそれぞれ上面から抑えるように固定プレート31を配置し、固定プレート31と共に起歪体20の両端をそれぞれ第1構造体11及び第2構造体12にネジ32で固定する。なお、センサ部14は、どのように取り付けられてもよい。
A系センサ素子21a~21d及びB系センサ素子22a~22dは、起歪体20の上面の第1構造体11と第2構造体12の間に配置される。A系センサ素子21a~21d及びB系センサ素子22a~22dは、A系検出回路及びB系検出回路をそれぞれ形成するように配線される。2つの検出回路は、トルク等を検出するための二重化された検出回路であり、それぞれ独立してトルク等を検出する。トルクセンサ10は、2つの検出回路による検出データに基づいて、検出結果としてトルク等を出力する。なお、トルクセンサ10は、2つの検出回路の内1つの検出データに基づいて、検出結果としてのトルク等を決定してもよい。
ここでは、A系センサ素子21a~21d及びB系センサ素子22a~22dは、歪ゲージとし、検出回路は、フルブリッジ回路とするが、これに限らない。例えば、各系の検出回路は、起歪体20に設けられた2つの歪ゲージ、及び、トルク等の印加で実質的に変形しない箇所(例えば、第2構造体12に設けられたデータ処理回路)に設けられた参照抵抗により構成されたブリッジ回路でもよい。具体的には、各系の4つのセンサ素子21a~21d,センサ素子22a~22dの内任意に選択された2つのセンサ素子とデータ処理回路に設けられた2つの参照抵抗によりブリッジ回路を構成してもよい。以降の実施形態についても、フルブリッジ回路に限らず、同様のブリッジ回路を構成してもよい。
図3及び図4を参照して、センサ部14の構成として、2つの例を説明する。図3は、センサ素子21a~21d,22a~22dの端子を1カ所に集約した端子部T1を設けたセンサ部14aの構成を示す上面図である。図4は、センサ素子21a~21d,22a~22dの端子を系別に2カ所に集約した端子部Ta,Tbを設けたセンサ部14bの構成を示す上面図である。なお、各センサ素子21a~21d,22a~22dの配線は、ここで説明する構成に限らない。例えば、センサ素子21a~21d,22a~22dの端子部は、3つ以上設けてもよい。
起歪体20は、上面及び下面が長方形の板形状である。センサ素子21a~21d,22a~22dは、上面及び下面が長方形の板形状である。各センサ部14a,14bの起歪体20におけるセンサ素子21a~21d,22a~22dの配置は、ほぼ同じである。A系センサ素子21a~21dは、起歪体20の第1構造体11側(図の左側)に配置される。B系センサ素子22a~22dは、起歪体20の第2構造体12側(図の右側)に配置される。
4つのA系センサ素子21a~21dのうち第1組の第1のA系センサ素子21a及び第2のA系センサ素子21bは、電気絶縁距離を保つように接触しない範囲で近接して設けられる。第1組のA系センサ素子21a,21bは、ほぼ同一方向の向きで、第1構造体11側の端部が外側に向くように、起歪体20の長手方向に対して傾けて配置される。
4つのA系センサ素子21a~21dのうち第2組の第3のA系センサ素子21c及び第4のA系センサ素子21dは、ほぼ同一方向の向きで、電気絶縁距離を保つように接触しない範囲で近接して設けられる。第2組のA系センサ素子21c,21dは、起歪体20を長手方向に半分にする中心線に対して、第1組のA系センサ素子21a,21bと線対称になるように配置される。
4つのB系センサ素子22a~22dは、起歪体20を短手方向(長手方向と垂直の方向)に半分にする中心線に対して、4つのA系センサ素子21a~21dと線対称になるように配置される。
図3に示す端子部T1は、起歪体20の長手方向の中央に配置され、各端子が短手方向に隣接して並べられた構成である。A系センサ素子21a~21dの各端子は、端子部T1の中央に位置する端子と2つの配線W1で電気的に接続される。B系センサ素子22a~22dの各端子は、端子部T1の両端に位置する端子と2つの配線W1で電気的に接続される。なお、センサ素子21a~21d,22a~22dの各端子は、端子部T1のどの端子に接続してもよい。
図4に示す端子部Ta,Tbは、図3に示す端子部T1を2つに分けた構成である。A系端子部Taには、A系センサ素子21a~21dの各端子が2つの配線Waで電気的に接続される。B系端子部Tbには、B系センサ素子22a~22dの各端子が2つの配線Wbで電気的に接続される。
図5及び図6を参照して、トルクセンサ10を取り付けた状態について説明する。図5は、トルクセンサ10の取り付け状態を示す正面図である。図6は、図5に示すトルクセンサ取付板41をA-A線で切断した断面図である。なお、図6では、アダプタ42、減速機43及びモータ44を簡易的に示している。
トルクセンサ10は、トルクセンサ取付板41に取り付けられる。これにより、トルクセンサ10の第1構造体11は、トルクセンサ取付板41に固定される。トルクセンサ取付板41は、トルク等が印加される構造体に取り付けられる部材である。
トルクセンサ10の第2構造体12は、アダプタ42を介して、モータ44に連結された減速機43に固定される。モータ44が駆動することで、モータ44から出力されるトルクが、減速機43、アダプタ42及びトルクセンサ10を介して、トルクセンサ取付板41に印加される。これにより、トルクセンサ取付板41及びこれが取り付けられた構造体が、モータ44から出力されるトルクにより動作する。
なお、トルクセンサ10の第2構造体12がトルク等を印加される側(トルクセンサ取付板41等)に取り付けられ、トルクセンサ10の第1構造体11がトルク等を印加する側(モータ44等)に取り付けられてもよい。
図5及び図7を参照して、トルクセンサ取付板41に外部負荷(荷重等)Fwが生じた場合について説明する。図7は、トルクセンサ取付板41に外部負荷が生じている時のトルクセンサ10の状態を示す簡易図である。図5及び図7では、4つのセンサ部14の2つの配置パターンP1,P2が示されており、センサ部14は、2つの配置パターンP1,P2のうちいずれか一方の配置パターンで取り付けられる。なお、センサ部14は、これらの2つの配置パターンP1,P2に限らず、その他の配置パターンを採用してもよい。
図7に示すように、トルクセンサ取付板41に矢印のような下向きの外部負荷Fwが生じると、トルクセンサ取付板41の上辺側には、引張応力が生じ、トルクセンサ取付板41の下辺側には、圧縮応力が生じる。
トルクセンサ取付板41の変形により、トルクセンサ10の弾性体(第1構造体11、第2構造体12及び第3構造体13)は、点線で示す円形から実線で示す楕円のような形状に変形する。変形後の弾性体を楕円形とすると、弾性体は、長軸方向に引っ張られ、短軸方向に圧縮される。
弾性体の変形により、いずれの配置パターンP1,P2の各センサ部14も、点線で示す長方形から実線で示す四角形に変形する。このように、外部負荷Fwが生じている場合、いずれの配置パターンP1,P2でも、センサ部14は、配置された位置毎に外部負荷Fwにより受ける応力は異なる。
トルクセンサ10では、各センサ部14に、二重化されたA系検出回路及びB系検出回路をそれぞれ構成するA系センサ素子21a~21d及びB系センサ素子22a~22dが設けられている。このため、各センサ部14で受ける応力が異なる場合でも、各系の検出回路のそれぞれの検出精度は、ほぼ同じになる。
これに対して、本実施形態のトルクセンサ10とは異なり、配置パターンP1にA系検出回路のみが設けられたセンサ部14を配置し、配置パターンP2にB系検出回路のみが設けられたセンサ部14を配置して、二重化された検出回路を設けた場合を考える。
外部負荷Fwが全く生じずに、トルクセンサ10に理想的なトルクが印加されれば、各配置パターンP1,P2の各センサ部14で受ける応力は、ほぼ同じである。即ち、各センサ部14の起歪体20は、ほぼ同じように変形する。したがって、各系で検出される歪みはほぼ同じになるため、二重化された2つの検出回路の検出精度に差はあまり生じない。
一方、外部負荷Fwが生じた場合、トルクセンサ10に理想的なトルクが印加されても、上述したように、センサ部14の配置された位置に起因して、センサ部14が受ける応力は異なる。即ち、各センサ部14の起歪体20は、それぞれ異なる変形をする。したがって、2つの系で検出される歪みは異なるため、二重化された2つの検出回路の検出精度に大きな差が生じる可能性がある。例えば、二重化された2つの検出回路の差で、異常を検出する機能を設けた場合、正常なトルク等の力が印加されても、意図しない異常を検出する可能性がある。
本実施形態によれば、二重化された2つの検出回路の各系のセンサ素子21a~21d,22a~22dを同じセンサ部14に設けることで、外部負荷Fwが生じた場合でも、二重化された2つの検出回路の検出精度の差を抑制することができる。
また、1つの起歪体20の片側の面(表面又は裏面)に、A系センサ素子21a~21dとB系センサ素子22a~22dを線対称に設けることで、A系検出回路とB系検出回路のそれぞれで検出される歪みを示すデータが同じになるように近付けることができる。なお、A系センサ素子21a~21dとB系センサ素子22a~22dは、起歪体20を長手方向に半分にする中心線に対して線対称に設けてもよい。
なお、ここでは、全てのセンサ素子21a~21d,22a~22dを起歪体20の表面に設けたが、起歪体20の裏面に設けてもよい。
(第2実施形態)
図8は、第2実施形態に係るセンサ部14Aの構成を示す上面図である。
センサ部14Aは、図3に示す第1実施形態に係るセンサ部14aにおいて、センサ素子21a~21d,22a~22dの配置及びその配線等を変更したものである。その他の点は、第1実施形態に係るトルクセンサ10と同様である。
センサ部14Aは、図3に示すセンサ部14aと同様に、1つの端子部T1を備える。端子部T1は、起歪体20の長手方向の中央に配置され、各端子が短手方向に隣接して並べられた構成である。A系センサ素子21a~21dの各端子は、端子部T1の両端に位置する端子と2つの配線W1Aで電気的に接続される。B系センサ素子22a~22dの各端子は、端子部T1の中央に位置する端子と2つの配線W1Aで電気的に接続される。なお、センサ素子21a~21d,22a~22dの各端子は、端子部T1のどの端子に接続してもよい。
第1のA系センサ素子21aは、起歪体20の第1構造体11側に、第1構造体11側の端部が外側に向くように、起歪体20の長手方向に対して傾けて配置される。第4のA系センサ素子21dは、起歪体20の第1構造体11側に、起歪体20を長手方向に半分にする中心線に対して、第1のA系センサ素子21aと線対称になるように配置される。
第2のA系センサ素子21b及び第3のA系センサ素子21cは、起歪体20を短手方向に半分にする中心線に対して、第1のA系センサ素子21a及び第4のA系センサ素子21dとそれぞれ線対称になるように配置される。
B系センサ素子22a~22dは、それぞれ対応するA系センサ素子21a~21dと、電気絶縁距離を保つように接触しない範囲で近接して、ほぼ同一方向の向きで設けられる。例えば、A系センサ素子21a~21dとB系センサ素子22a~22dのそれぞれの対応関係は、A系検出回路及びB系検出回路における電気回路的な位置関係により決定する。
したがって、センサ部14Aにおける各センサ素子21a~21d,22a~22dの配置は、図3に示すセンサ部14aにおいて、第2のA系センサ素子21b及び第3のA系センサ素子21cを、第1のB系センサ素子22a及び第4のB系センサ素子22dとそれぞれ位置を入れ替えたものである。
本実施形態によれば、二重化された2つの検出回路の間で、互いに対応するセンサ素子21a~21d,22a~22dを近接させて起歪体20に配置することで、第1実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
(第3実施形態)
図9は、第3実施形態に係るセンサ部14Bの構成を示す上面図である。
センサ部14Bは、図3に示す第1実施形態に係るセンサ部14aにおいて、A系センサ素子21a~21dの配置及びその配線等を変更したものである。その他の点は、第1実施形態に係るトルクセンサ10と同様である。
センサ部14BにおけるB系センサ素子22a~22dの配置及びその配線等は、図3に示すセンサ部14aと同様である。A系センサ素子21a~21d及びB系センサ素子22a~22dは、起歪体20の第2構造体12側に配置される。
センサ部14Bは、図3に示すセンサ部14aと同様に、1つの端子部T1を備える。端子部T1は、起歪体20の長手方向の中央に配置され、各端子が短手方向に隣接して並べられた構成である。A系センサ素子21a~21dの各端子は、端子部T1の中央に位置する端子と2つの配線W1Bで電気的に接続される。B系センサ素子22a~22dの各端子は、端子部T1の両端に位置する端子と2つの配線W1Bで電気的に接続される。なお、センサ素子21a~21d,22a~22dの各端子は、端子部T1のどの端子に接続してもよい。
第1のA系センサ素子21aは、第2のB系センサ素子22bよりも起歪体20の内側で、第2のB系センサ素子22bと電気絶縁距離を保つように接触しない範囲で近接して設けられる。第1のA系センサ素子21aは、第2のB系センサ素子22bとほぼ同一方向の向きで、第2構造体12側の端部が外側に向くように、起歪体20の長手方向に対して傾けて配置される。
第2のA系センサ素子21bは、第1のA系センサ素子21aよりも起歪体20の内側で、第1のA系センサ素子21aと電気絶縁距離を保つように接触しない範囲で近接して設けられる。第2のA系センサ素子21bは、第1のA系センサ素子21aとほぼ同一方向の向きで、第2構造体12側の端部が外側に向くように、起歪体20の長手方向に対して傾けて配置される。
第3のA系センサ素子21c及び第4のA系センサ素子21dは、起歪体20を長手方向に半分にする中心線に対して、第2のA系センサ素子21b及び第1のA系センサ素子21aとそれぞれ線対称になるように配置される。
即ち、第4のA系センサ素子21dは、第3のB系センサ素子22cよりも起歪体20の内側で、第3のB系センサ素子22cと電気絶縁距離を保つように接触しない範囲で近接して設けられる。第3のA系センサ素子21cは、第4のA系センサ素子21dよりも起歪体20の内側で、第4のA系センサ素子21dと電気絶縁距離を保つように接触しない範囲で近接して設けられる。
本実施形態によれば、二重化された2つの検出回路の全てのセンサ素子21a~21d,22a~22dを起歪体20の第2構造体12側に配置することで、第1実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
なお、センサ素子21a~21d,22a~22dを図9に示す配置と線対称になるように、起歪体20の第1構造体11側に配置してもよい。このようにしても、第1実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
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…センサ部、15…ケース、16…ケーブル、20…起歪体、21a,21b,21c,21d…A系センサ素子、22a,22b,22c,22d…B系センサ素子。

Claims (5)

  1. 環状に形成される第1構造体と、
    前記第1構造体の内周側に環状に形成される第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起歪体と、
    二重化された第1系検出回路及び第2系検出回路を構成し、前記起歪体の片側の面に線対称に配置された歪みを検出する複数のセンサ素子と
    を備えることを特徴とするセンサ。
  2. 前記第1系検出回路の複数の第1センサ素子が線対称に配置され、
    前記第2系検出回路の複数の第2センサ素子が線対称に配置されたこと
    を特徴とする請求項1に記載のセンサ。
  3. 前記複数の第1センサ素子は、それぞれ他の第1センサ素子に近接して配置され、
    前記複数の第2センサ素子は、それぞれ他の第2センサ素子に近接して配置されたこと
    を特徴とする請求項2に記載のセンサ。
  4. 前記第1系検出回路の複数の第1センサ素子と前記第2系検出回路の複数の第2センサ素子が線対称に配置されたこと
    を特徴とする請求項1に記載のセンサ。
  5. 前記複数の第1センサ素子と前記複数の第2センサ素子がそれぞれ対応するように近接して配置されたこと
    を特徴とする請求項4に記載のセンサ。
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