JP2023128933A - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】ねじれが抑制された変形からトルクを検出するトルクセンサを提供することにある。
【解決手段】トルクセンサ１０は、第１構造体１１と、前記第１構造体１１の内周側に配置される第２構造体１２と、前記第１構造体１１と前記第２構造体１２を接続する複数の第３構造体１３と、前記第１構造体１１の外周面に設けられ、外側支持体３１と接続するための複数の第１接続部と、前記第２構造体１２の内周面に設けられ、前記外側支持体３１と相対的に回転する内側支持体３２と接続するための複数の第２接続部と、前記第１構造体１１と前記第２構造体１２との間の変位を検出するための変位センサ２１～２４と、前記変位センサ２１～２４により検出された変位に基づいて、トルクを演算するトルク演算部とを備える。
【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。

一般に、弾性変形を生じる環状の変形体の軸方向の両側の側面にそれぞれ支持部材を接続し、支持部材にトルクが印加されることによる変形体の変形に基づいて、トルク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）。

特許第４９４８６３０号公報

しかしながら、トルクにより変形する環状の変形体の軸方向の両側にそれぞれ支持部材を接続して、支持部材にトルクを印加すると、その変形体は、平面部分が湾曲し、ねじれるように変形する。このように、ねじれる変形は、予期せぬ変形を生じたり、トルクを検出するための演算式が複雑になったりするため、トルクを検出するには適さない。
本実施形態の目的は、ねじれが抑制された変形からトルクを検出する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、ねじれが抑制された変形からトルクを検出する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構造体の内周側に配置される第２構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体を接続する複数の第３構造体と、前記第１構造体の外周面に設けられ、外側支持体と接続するための複数の第１接続部と、前記第２構造体の内周面に設けられ、前記外側支持体と相対的に回転する内側支持体と接続するための複数の第２接続部と、前記第１構造体と前記第２構造体との間の変位を検出するための変位センサと、前記変位センサにより検出された変位に基づいて、トルクを演算するトルク演算部とを備える。

本発明の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にトルクが印加された状態を示す上面図。 本実施形態に係るトルクセンサのトルクを検出する構成を示す構成図。 本実施形態に係る演算処理部によるトルクの演算方法の第１の変形例を示す構成図。

（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。なお、図面における同一部分には同一符号を付して、重複する説明を適宜省略する。

トルクセンサ１０は、トルクＭｚを検出するセンサである。トルクＭｚは、図１に示すｚ軸（回転軸方向）のモーメントである。ここで、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸は、互いに直交する。トルクセンサ１０は、全体的に円形状である。外側支持体３１又は内側支持体３２の少なくとも一方にトルクＭｚが印加され、外側支持体３１と内側支持体３２が相対的に回転することで、トルクセンサ１０に測定対象のトルクＭｚが印加される。トルクセンサ１０は、外側支持体３１及び内側支持体３２に接続される。例えば、外側支持体３１及び内側支持体３２は、ロボットの腕又は脚等の関節に相当する。

トルクセンサ１０は、第１構造体１１、第２構造体１２、２つの第３構造体１３、４つの変位センサ２１，２２，２３，２４、及び、演算処理部５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、トルクＭｚにより弾性変形する起歪体として一体形成される。第１構造体１１及び第２構造体１２は、いずれも環状に形成され、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の径より小さい。第２構造体１２は、第１構造体１１の内周側に配置される。第１構造体１１と第２構造体１２との間には、環状の空間が形成される。

２つの第３構造体１３は、第１構造体１１と第２構造体１２の間の環状の空間において、トルクＭｚが生じる回転の中心（回転軸）Ｏを通るｙ軸方向の中心線Ｌ１と重なるように線対称に配置される。第３構造体１３は、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。

第１構造体１１、第２構造体１２、及び、第３構造体１３は、印加されるトルクＭｚに対して機械的に十分な強度があれば、どのような材質でもよい。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もよいし、樹脂等の金属以外の材料でもよい。

外側支持体３１は、第１構造体１１の外周側の側面（外周面）に２つの接続部Ｃ１で接続される。内側支持体３２は、第２構造体１２の内周側の側面（内周面）に２つの接続部Ｃ２で接続される。第１構造体１１及び第２構造体１２には、外側支持体３１及び内側支持体３２の接続部Ｃ１，Ｃ２に対応する接続部が設けられる。

外側支持体３１の２つの接続部Ｃ１及び内側支持体３２の２つの接続部Ｃ２は、中心Ｏを通るｘ軸方向の中心線Ｌ２と重なるように線対称に配置される。２つの第３構造体１３の位置を通る中心線Ｌ１は、外側支持体３１及び内側支持体３２の４つの接続部Ｃ１，Ｃ２の位置を通る中心線Ｌ２に対して垂直である。

なお、２つの第３構造体１３の位置を通る直線と４つの接続部Ｃ１，Ｃ２の位置を通る直線は、同一直線でないのが望ましいが、垂直でなくてもよい。また、接続部Ｃ１，Ｃ２は、４つ以上設けられてもよい。また、第３構造体１３は、２つが望ましいが、３つ以上設けられてもよい。

３つ以上の第３構造体１３が設けられる場合は、中心Ｏを通る同一直線上に配置されなくてもよい。例えば、２つ以上の第３構造体１３は、中心Ｏから等角度の間隔で設けられる。具体的には、第３構造体１３が２つの場合、図１に示すように、中心Ｏから１８０度の間隔で設けられる。第３構造体１３が３つの場合、中心Ｏから１２０度の間隔で設けられる。第３構造体１３が４つの場合、中心Ｏから９０度の間隔で設けられる。

接続部Ｃ１，Ｃ２は、全て同一直線上に設けられなくてもよい。例えば、接続部Ｃ１，Ｃ２は、中心Ｏから隣接する２つの第３構造体１３の間の角度の中間の角度に設けられる。具体的には、第３構造体１３が２つの場合、図１に示すように、隣接する２つの第３構造体１３の間の角度は、１８０度である。したがって、接続部Ｃ１，Ｃ２は、中心Ｏからの角度がこの１８０度の中間の角度（図１では、一方の第３構造体１３から９０度）に設けられる。第３構造体１３が３つの場合、隣接する２つの第３構造体１３の間の角度は、１２０度である。したがって、接続部Ｃ１，Ｃ２は、中心Ｏからの角度がこの１２０度の中間の角度（例えば、一方の第３構造体１３から３０度、６０度又は９０度）に設けられる。

４つの変位センサ２１～２４は、第１構造体１１と第２構造体１２の間に配置される。変位センサ２１～２４は、自身が設けられた箇所の第１構造体１１と第２構造体１２の間の距離の変位を検出する。変位センサ２１～２４は、検出した変位を示す検出信号（電気信号等）を演算処理部５に出力する。

第１変位センサ２１は、２つの第３構造体１３を通るｙ軸方向の中心線Ｌ１に対して、ｘ軸方向に（図１では時計回りの方向に）４５度傾いた線（ｙ軸方向の中心線Ｌ１とｘ軸方向の中心線Ｌ２を２等分する線）と重なるように設けられる。第１変位センサ２１は、中心線Ｌ１に対して４５度傾いた線と重ならない位置でもよいが、ｘ軸方向の中心線Ｌ２と重ならない位置が望ましい。

第２変位センサ２２は、ｙ軸方向の中心線Ｌ１に対して、第１変位センサ２１と線対称の位置に設けられる。第３変位センサ２３は、ｘ軸方向の中心線Ｌ２に対して、第２変位センサ２２と線対称の位置に設けられる。第４変位センサ２４は、ｙ軸方向の中心線Ｌ１に対して、第３変位センサ２３と線対称の位置に設けられる。

したがって、４つの変位センサ２１～２４は、トルクセンサ１０を２つの中心線Ｌ１，Ｌ２で４分割した４つの区画のそれぞれに位置するように設けられる。即ち、第１構造体１１と第２構造体１２の間を２つ第３構造体１３で分割された２つの区画に、それぞれ２つの変位センサ２１～２４が設けられる。さらに、第３構造体１３で分割された２つの区画をそれぞれ４つの接続部Ｃ１，Ｃ２を通る中心線Ｌ２でさらに２つの区画に分割する。中心線Ｌ２でさらに２つに分割された区画（４分割された区画）のそれぞれに１つの変位センサ２１～２４が位置するように設けられる。

各変位センサ２１～２４は、互いに電気的に接続された２つの電極２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａ，２１ｂ，２２ｂ，２３ｂ，２４ｂを備える。第１電極２１ａ～２４ａは、第１構造体１１の内周面に配置される。第２電極２１ｂ～２４ｂは、第１電極２１ａ～２４ａと対向するように第２構造体１２の外周面に配置される。

これにより、各変位センサ２１～２４の第１電極２１ａ～２４ａと第２電極２１ｂ～２４ｂの間の距離が第１構造体１１の内周面と第２構造体１２の外周面の距離とほぼ等しくなる。また、２つの電極２１ａ～２４ａ，２１ｂ～２４ｂの距離と静電容量は、反比例する。したがって、変位センサ２１～２４は、静電容量を測定することで、自身が設けられた箇所の第１構造体１１と第２構造体１２の距離を検出する。

ここでは、変位センサ２１～２４は、静電容量式を採用したものを説明したが、距離の変位を検出できれば、どのような方式のセンサを用いてもよい。例えば、変位センサ２１～２４は、光学式又は磁気式を採用してもよい。また、測定方式を変更する場合、変更した測定方式に対応して、変位センサ２１～２４の実装方法を変更することができる。例えば、光学式センサを用いる場合、距離を測定するための発光素子及び受光素子を第１構造体１１又は第２構造体１２のいずれか一方に取り付けてもよい。同様に、磁気式センサについても、測定端子を第１構造体１１又は第２構造体１２のいずれか一方に取り付けてもよい。

図２を参照して、４つの変位センサ２１～２４により検出される変位とトルクＭｚの関係について説明する。図２は、トルクセンサ１０にトルクＭｚが印加された状態を示す上面図である。

外側支持体３１に対して、内側支持体３２と相対的に時計回りのトルクＭｚが印加された場合、外側支持体３１に接続された第１構造体１１は、時計回りに回転する力が加わり、内側支持体３２に接続された第２構造体１２は、反時計回りに回転する力が加わる。このため、２つの第３構造体１３には、外側に時計回りに回転する力が加わり、内側に反時計回りに回転する力が加わる。したがって、第１変位センサ２１付近では、第１構造体１１と第２構造体１２の間が圧縮されるような力が加わり、第２変位センサ２２付近では、外側支持体３１と第１構造体１１との間が圧縮されるような力が加わる。このように、４つの変位センサ２１～２４が設けられた位置において、第１構造体１１と第２構造体１２の間の距離に変位が生じる。したがって、４つの変位センサ２１～２４により検出された変位に基づいて、印加されたトルクＭｚを測定することができる。

図３は、本実施形態に係るトルクセンサ１０のトルクＭｚを検出する構成を示す構成図である。

演算処理部５は、４つの変位センサ２１～２４により検出された第１構造体１１と第２構造体１２との距離の変位を示す検出信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を受信する。演算処理部５は、受信した検出信号Ｓ１～Ｓ４に基づいて、トルクセンサ１０に印加されたトルクＭｚを演算する。演算処理部５は、演算したトルクＭｚをトルクセンサ１０により検出されたトルクＭｚとして出力する。演算処理部５は、マイクロコンピュータ等のコンピュータである。演算処理部５は、プログラム等により実行される演算処理により、各種機能を実現する。

次に、トルク演算部５１について説明する。なお、トルクＭｚの演算方法は、ここで説明するものに限らず、どのようにトルクＭｚを演算してもよい。

トルク演算部５１は、演算処理部５で実行される演算手順が定められたプログラム等である。トルク演算部５１は、４つの変位センサ２１～２４により検出された検出信号Ｓ１～Ｓ４に基づいて、予め決められた演算式（関数等）を用いて、トルクＭｚを演算する。トルク演算部５１は、演算したトルクＭｚを検出結果として出力する。

トルクＭｚの大きさに応じて、第１構造体１１、第２構造体１２、及び、第３構造体１３により構成される起歪体の変形状態が決定される。また、この起歪体の変形状態に対応して、４つの変位センサ２１～２４により検出される変位が決定される。このことから、４つの変位センサ２１～２４により検出された変位に基づいて、トルクＭｚの大きさを求めることができる。

例えば、図２に示すように、トルクＭｚが大きいほど、第１変位センサ２１及び第３変位センサ２３により検出される第１構造体１１と第２構造体１２との間の距離が短くなり、第２変位センサ２２及び第４変位センサ２４により検出される第１構造体１１と第２構造体１２との間の距離が長くなる。このようなトルクＭｚと４つの変位センサ２１～２４により検出された変位との相関関係がシミュレーション又はテスト等により把握される。把握された相関関係に基づいて、トルク演算部５１で用いられるトルクＭｚを求める演算式等が求められる。

なお、４つの変位センサ２１～２４による検出値を全て用いずに、トルクＭｚを求めてもよい。図２に示すように、第１変位センサ２１と第３変位センサ２３のそれぞれ位置では同様に変位し、第２変位センサ２２と第４変位センサ２４のそれぞれの位置で同様に変位する。したがって、第１変位センサ２１又は第３変位センサ２３のいずれか１つの検出値と、第２変位センサ２２又は第４変位センサ２４のいずれか１つの検出値に基づいて、トルクＭｚを求めてもよい。

また、第１変位センサ２１と第３変位センサ２３の位置での変位と、第２変位センサ２２と第４変位センサ２４の変位の間には、反比例のような相関関係がある。これにより、４つの変位センサ２１～２４のうちいずれか１つの変位を検出すれば、その他の変位センサにより検出される変位を推定することができる。したがって、４つの変位センサ２１～２４のいずれか１つの検出値に基づいて、トルクＭｚを求めてもよい。したがって、トルクセンサ１０は、少なくとも１つの変位センサ２１～２４を備えていればよい。

また、２つ以上の変位センサ２１～２４を次のように用いてもよい。複数の変位の検出値の平均値に基づいて、トルクＭｚを求めてもよい。また、複数の変位の検出値のそれぞれに基づいて、複数のトルクＭｚを求めてもよい。トルクセンサ１０としての最終的な検出値は、求めた複数のトルクＭｚの平均値としてもよいし、求めた複数のトルクＭｚから選択された１つのトルクＭｚでもよい。また、平均値に限らず、任意の統計値を用いてもよい。

複数の変位センサ２１～２４のうち少なくとも１つに異常が発生した場合、トルクセンサ１０は、異常として検出してもよい。さらに、求めた複数のトルクＭｚが一致するか否かを判定し、一致しない場合は、トルクセンサ１０は、異常として検出してもよい。

上述の内容は、任意に組合せることができる。以下では、上述の変形例のうちトルクＭｚの演算方法の２つの変形例についてより具体的に説明する。ここで説明する２つの変形例は、２つの変位センサにより検出された変位からトルクＭｚを求める演算方法を利用するが、１つの変位センサにより検出された変位からトルクＭｚを求める演算方法を利用して、同様に構成してもよい。

図４は、演算処理部５によるトルクＭｚの演算方法の第１の変形例を示す構成図である。第１の変形例では、演算処理部５は、トルク演算部５１ａ、第１変位演算部５２、及び、第２変位演算部５３を実行する。

第１変位演算部５２は、第１変位センサ２１及び第３変位センサ２３により検出された２つの検出信号Ｓ１，Ｓ３に基づいて、起歪体の第１変位を演算する。例えば、第１変位は、第１変位センサ２１及び第３変位センサ２３により検出された２つの変位の平均である。第１変位は、第１変位センサ２１及び第３変位センサ２３により検出された２つの変位から選択された１つの変位でもよい。

第２変位演算部５３は、第２変位センサ２２及び第４変位センサ２４により検出された２つの検出信号Ｓ２，Ｓ４に基づいて、起歪体の第２変位を演算する。例えば、第２変位は、第２変位センサ２２及び第４変位センサ２４により検出された２つの変位の平均である。第２変位は、第２変位センサ２２及び第４変位センサ２４により検出された２つの変位から選択された１つの変位でもよい。

トルク演算部５１ａは、第１変位演算部５２で演算された第１変位、及び、第２変位演算部５３で演算された第２変位に基づいて、トルクＭｚを演算する。トルク演算部５１ａによるトルクＭｚの演算方法は、起歪体の２つの変位からトルクＭｚを求める点以外は、図３に示すトルク演算部５１と同様である。

次に、演算処理部５によるトルクＭｚの演算方法の第２の変形例について説明する。第２の変形例では、演算処理部５は、複数の変位センサ２１～２４による複数の検出信号Ｓ１～Ｓ４に基づいて、複数のトルクを演算する。演算処理部５は、演算した複数のトルクから最終的なトルクＭｚを決定する。

本実施形態によれば、トルクＭｚが印加される２つの支持体３１，３２は、トルクセンサ１０の外周側に位置する第１構造体１１の外周面とトルクセンサ１０の内周側に位置する第２構造体１２の内周面にそれぞれ接続される。このため、第１構造体１１と第２構造体１２が相対的に回転するようなトルクＭｚが加わっても、第１構造体１１及び第２構造体１２の平面部分が湾曲するようなねじれる変形は生じ難い。このように、ねじれの無い変形に基づいて、トルクＭｚを求めることで、トルクＭｚを求める演算手順（演算式等）をより単純にすることができる。

なお、追加の利点及び修正について当業者により容易に生じることがある。したがって、そのより広い態様における本発明は、本明細書に示して説明される特定の詳細で代表的な実施形態に限定されない。したがって、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物により定義される一般的な発明の概念の精神又は範囲から逸脱することなく、様々な修正を行うことができる。

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、２１～２４…変位センサ、５…演算処理部。

Claims (6)

1. 第１構造体と、
   前記第１構造体の内周側に配置される第２構造体と、
   前記第１構造体と前記第２構造体を接続する複数の第３構造体と、
   前記第１構造体の外周面に設けられ、外側支持体と接続するための複数の第１接続部と、
   前記第２構造体の内周面に設けられ、前記外側支持体と相対的に回転する内側支持体と接続するための複数の第２接続部と、
   前記第１構造体と前記第２構造体との間の変位を検出するための変位センサと、
   前記変位センサにより検出された変位に基づいて、トルクを演算するトルク演算部と
   を備えることを特徴とするトルクセンサ。
2. 前記第３構造体は、前記トルクの回転の中心から等角度の間隔で設けられ、
   前記第１接続部及び前記第２接続部は、前記中心から隣接する２つの前記第３構造体の間の角度の中間の角度に設けられること
   を特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
3. 前記第３構造体、前記第１接続部及び前記第２接続部の数は、それぞれ２つであること
   を特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
4. 前記変位センサは、前記トルクの回転の中心から前記第３構造体と前記中心から前記第１接続部及び前記第２接続部との間の角度の中間の角度に設けられること
   を特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
5. 前記複数の第１接続部及び前記複数の第２接続部は、前記トルクの回転の中心を通る直線上に設けられ、
   前記変位センサは、前記第１構造体と前記第２構造体との間が前記直線で分割された複数の区画のそれぞれに設けられること
   を特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
6. 前記複数の第１接続部及び前記複数の第２接続部は、前記トルクの回転の中心を通る第１直線上に設けられ、
   前記複数の第３構造体は、前記中心を通り、前記第１直線に垂直な第２直線上に設けられ、
   前記変位センサは、前記中心を通り、前記第１直線及び前記第２直線とそれぞれ４５度傾いた第３直線上に設けられること
   を特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。

Images