JP2023035338A

JP2023035338A - トルクセンサ

Info

Publication number: JP2023035338A
Application number: JP2021142121A
Authority: JP
Inventors: 俊介岡▲崎▼; Shunsuke Okazaki
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2021-09-01
Filing date: 2021-09-01
Publication date: 2023-03-13

Abstract

【課題】従来に対して出力誤差を低減可能とする。【解決手段】ディスク状部材である本体部１と、本体部１の外周側に設けられ、第１の外部機器が締結される締結部１１と、本体部１の内周側に設けられ、第２の外部機器が締結される締結部１２と、本体部１における締結部１１と締結部１２との間に設けられ、センサ素子２が設けられたセンシング部１３と、本体部１における締結部１２とセンシング部１３との間に設けられた円状の溝部１４とを備えた。【選択図】図１

Description

この発明は、トルクを検出するトルクセンサに関する。

従来、回転軸体の外周面に取付けられたセンサ素子を有し、トルクにより当該外周面に生じるせん断応力の大きさを、センサ素子における抵抗値変化から検出するトルクセンサが知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００２－１３９３９１号公報

ここで、トルクセンサに加えられる力のうち、トルクセンサの一端のみにトルク軸（トルクセンサの軸心）に対して径方向の外力（張力又は圧縮力）が加えられる場合がある。この場合、外力の方向とセンサ素子の位置との関係によっては、トルクセンサに出力誤差が生じる。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、従来に対して出力誤差を低減可能となるトルクセンサを提供することを目的としている。

この発明に係るトルクセンサは、ディスク状部材である本体部と、本体部の外周側に設けられ、外部機器が締結される第１の締結部と、本体部の内周側に設けられ、外部機器が締結される第２の締結部と、本体部における第１の締結部と第２の締結部との間に設けられ、センサ素子が設けられたセンシング部と、本体部における第２の締結部とセンシング部との間に設けられた円状の溝部とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、上記のように構成したので、従来に対して出力誤差を低減可能となる。

実施の形態１に係るトルクセンサの構成例を示す斜視図である。実施の形態１に係るトルクセンサの構成例を示す断面斜視図である。従来のトルクセンサの構成例を示す断面斜視図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１，２は実施の形態１に係るトルクセンサの構成例を示す図である。
トルクセンサは、トルクを検出する。このトルクセンサは、図１，２に示すように、本体部１、センサ素子２及び計測部３を備えている。なお、図１，２では、センサ素子２及び計測部３の図示を省略している。

本体部１は、軸心に孔を有するディスク状部材である。本体部１は、例えばステンレスにより構成される。この本体部１は、図１，２に示すように、締結部（第１の締結部）１１、締結部（第２の締結部）１２、センシング部１３、溝部１４、スリット部１５及び切欠き部１６を有している。

締結部１１は、第１の外部機器（不図示）が締結される部位である。この締結部１１は、本体部１の外周側に設けられ、本体部１における一方の面に上記第１の外部機器が締結される。

この締結部１１には、孔１１１が周方向に複数設けられている。孔１１１は、ボルト等の締結部材の軸部を挿入可能に構成されている。そして、この孔１１１により、上記第１の外部機器が上記締結部材を介して締結部１１に締結される。
図１，２では、孔１１１は、トルク軸（トルクセンサの軸心）に垂直な面において９０°毎に設けられた軸（センサ軸１０１）を中心にして２つずつ、合計８つ設けられている。

締結部１２は、第２の外部機器（不図示）が締結される部位である。この締結部１２は、本体部１の内周側に設けられ、本体部１における他方の面に上記第２の外部機器が締結される。

この締結部１２には、孔１２１が周方向に複数設けられている。孔１２１は、ボルト等の締結部材の軸部を挿入可能に構成されている。そして、この孔１２１により、上記第２の外部機器が上記締結部材を介して締結部１２に締結される。
図１，２では、孔１２１は、センサ軸１０１を中心にして２つずつ、合計８つ設けられている。

また、図１，２では、締結部１１に締結される第１の外部機器は、締結部材に加えて座金を用いて取付けられる場合を想定している。一方、締結部１２に締結される第２の外部機器は、締結部材のみで取付けられる場合を想定している。
そこで、図１，２では、締結部１２における孔１２１の外周に、接触面１２２が設けられている。接触面１２２は、締結部１２における主面に対してトルク軸方向に厚みを有し、締結部材の頭部が当接可能に構成されている。

なお、締結部１１に締結される第１の外部機器について、締結部材のみで取付けられる場合には、上記と同様に、締結部１１における孔１１１の外周に接触面が設けられるように構成されていてもよい。

なお、例えば、ロボットにおけるモータ等の駆動系及びロボットハンド等の負荷系のうちの一方が、第１の外部機器に相当し、当該駆動系及び当該負荷系のうちの他方が、第２の外部機器に相当する。

センシング部１３は、本体部１における締結部１１と締結部１２との間に設けられ、センサ素子２が設けられた部位である。図１，２では、センシング部１３は、センサ軸１０１上に１か所ずつ、合計４か所設けられている。

溝部１４は、本体部１における締結部１２とセンシング部１３との間に設けられた円状の溝である。なお、溝部１４は、本体部１における表面又は裏面のうちの一方の面に形成されていればよい。
この溝部１４は、トルクセンサの一端のみに加えられるトルク軸に対して径方向の外力（張力又は圧縮力）による影響を低減するための部位である。また、この溝部１４は、トルクセンサに加えられる曲げモーメントによる影響を低減する役割も果たす。

スリット部１５は、本体部１における締結部１２とセンシング部１３との間に複数設けられた円弧状のスリットである。この複数のスリット部１５は、回転対称に配置されている。図１，２では、スリット部１５は、溝部１４の外側に８つ設けられている。
このスリット部１５は、トルクセンサに加えられるトルクに対する感度を向上するための部位である。

なお図１，２では、スリット部１５間の非スリット部分のうちの少なくとも一部が、センサ軸１０１上に位置するように、各スリット部１５が配置されている。

切欠き部１６は、本体部１の外周に、径方向に沿って形成されている。図１，２では、切欠き部１６は、センサ軸１０１に対して４５°ずれた軸を中心にして２つずつ、合計８つ設けられている。
この切欠き部１６は、孔１１１を介して第１の外部機器が締結部１１に締結部材により締結される際に生じる応力を抑制するための部位である。

センサ素子２は、センシング部１３に１つ以上貼付けられている。センサ素子２は、外部からのせん断応力に応じた信号を出力する。センサ素子２としては、例えば半導体歪ゲージ又は金属歪ゲージを用いることができる。

なお、本体部１の軸心を介して対向するように２つのセンサ素子２が設けられることで、トルクセンサは他軸干渉を低減可能となる。

計測部３は、センサ素子２により出力された信号をトルクとして計測する。トルクセンサに２つ以上のセンサ素子２が設けられる場合には、計測部３は、各センサ素子２により出力された信号の演算値をトルクとして計測する。この計測部３によるトルクの計測方法は、従来の計測方法と同様であり、その説明を省略する。
なお、計測部３は、システムＬＳＩ（ＬａｒｇｅＳｃａｌｅＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）等の処理回路、又はメモリ等に記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）等により実現される。

このように、実施の形態１に係るトルクセンサは、第１の外部機器が締結される締結部１１と、第２の外部機器が締結される締結部１２と、センサ素子２が設けられたセンシング部１３とを有する。そして、実施の形態１に係るトルクセンサでは、締結部１２とセンシング部１３との間に、剛性に方向異方性がある溝部１４が設けられている。ここでいう剛性に方向異方性があるとは、トルク軸周りに高剛性であり、且つ、トルク軸の径方向に低剛性であるということを意味する。
このように、実施の形態１に係るトルクセンサは、センシング部１３に対し、選択的にトルク軸周りの変位を伝達し且つトルク軸の径方向の変位を抑制して伝達することで、トルクセンサの出力誤差を低減可能となる。

なお、トルクセンサの出力誤差を低減するための方法として、例えば図３に示すように、貫通孔３０１をトルク軸の径方向に沿って多重に設ける方法も考えられる。しかしながら、この場合、径方向の外力を低減することはできるが、曲げモーメントに対しては弱くなってしまう。
これに対し、実施の形態１に係るトルクセンサでは、貫通孔３０１ではなく溝部１４を用いることで、径方向の外力の低減を維持しつつ、曲げモーメントを低減可能となる。

なお、溝部１４の深さ及び幅等は、要求される剛性等に応じて適宜設計可能である。
また、スリット部１５の数、長さ及び幅等は、要求される感度等に応じて適宜設計可能である。
また、切欠き部１６の数、長さ及び幅等は、要求される応力の上限等に応じて適宜設計可能である。

また、外部機器が座金を用いずにトルクセンサに取付けられる場合において、トルクセンサと外部機器とが接触する面（接触面）が均一でない場合、又は、接触面に小さなバリ等の異物が存在する場合等によって均一に面接触していない場合等に、ヒステリシス特性が大きく影響を与える。すなわち、この場合、トルクの変化方向（増減）によって、同じトルクであっても検出される計測値に相違が発生し、トルクセンサの計測精度が低下してしまう。

これに対し、図１，２に示すトルクセンサでは、締結部１２における孔１２１の外周に、接触面１２２が設けられている。このように、トルクセンサと外部機器（図１，２では第２の外部機器）とが接触する面を一定箇所に限定することで、小さなバリ等の影響を受けることなくヒステリシス特性の低減が可能となる。

なお、図１，２では、締結部１２における孔１２１の外周に、接触面１２２が設けられた場合を示した。しかしながら、これに限らず、締結部１１に締結される第１の外部機器が締結部材のみで取付けられる場合には、締結部１１における孔１１１の外周に、接触面１２２と同様の接触面が設けられていてもよい。

以上のように、この実施の形態１によれば、トルクセンサは、ディスク状部材である本体部１と、本体部１の外周側に設けられ、第１の外部機器が締結される締結部１１と、本体部１の内周側に設けられ、第２の外部機器が締結される締結部１２と、本体部１における締結部１１と締結部１２との間に設けられ、センサ素子２が設けられたセンシング部１３と、本体部１における締結部１２とセンシング部１３との間に設けられた円状の溝部１４とを備えた。これにより、実施の形態１に係るトルクセンサは、従来に対して出力誤差を低減可能となる。すなわち、実施の形態１に係るトルクセンサは、一端のみに径方向の外力（張力又は圧縮力）が加えられる装置に搭載された場合でも、従来に対して高精度にトルクを計測可能となる。
また、この実施の形態１に係るトルクセンサでは、溝部１４が用いられることで、径方向の外力の低減を維持しつつ、曲げモーメントを低減可能となる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、若しくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１本体部
２センサ素子
３計測部
１１締結部（第１の締結部）
１２締結部（第２の締結部）
１３センシング部
１４溝部
１５スリット部
１６切欠き部
１０１センサ軸
１１１孔
１２１孔
１２２接触面

Claims

ディスク状部材である本体部と、
前記本体部の外周側に設けられ、第１の外部機器が締結される第１の締結部と、
前記本体部の内周側に設けられ、第２の外部機器が締結される第２の締結部と、
前記本体部における前記第１の締結部と前記第２の締結部との間に設けられ、センサ素子が設けられたセンシング部と、
前記本体部における前記第２の締結部と前記センシング部との間に設けられた円状の溝部と
を備えたトルクセンサ。
前記本体部における前記第２の締結部と前記センシング部との間に設けられ、回転対称に位置する複数の円弧状のスリット部を備えた
ことを特徴とする請求項１記載のトルクセンサ。
前記本体部の外周に設けられた切欠き部を備えた
ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のトルクセンサ。