JP2023142969A - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 トルク以外の力が印加された場合においても高精度にトルクを検出することが可能なトルクセンサを提供する。【解決手段】 トルクセンサ１０は、第１構造体１１と、第２構造体１２と、複数の第３構造体１３と、起歪体２１と、第４構造体２４と、を具備する。複数の第３構造体１３は第１構造体と第２構造体との間に接続される。複数のセンサ素子を含む起歪体２１は、隣接する第３構造体の間に位置し、第１構造体と第２構造体との間に結合される。第４構造体２４は、隣接する第３構造体の間に位置し、第１構造体と第２構造体との間に接続される。第４構造体２４の幅は、第４構造体の長さ方向の中央から第１構造体及び第２構造体に近づくに従って広い。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、例えばロボットアームの関節に設けられるトルクセンサに関する。

トルクセンサは、トルクが印加される第１構造体と、トルクが出力される第２構造体と、第１構造体と第２構造体とを繋ぐ複数の第３構造体と、第１構造体と第２構造体との間に設けられた複数の起歪体とを有し、これら起歪体の表面に複数の歪ゲージが配置されている（例えば特許文献１、特許文献２参照）。

特開２０１８－０９１８１３号公報 特開２０１７－１７２９８３号公報

トルクセンサの第１構造体及び第２構造体は、例えば環状である。このトルクセンサにトルク及びトルク以外の力が印加されたとき、第１構造体及び第２構造体が楕円形に変形されることがある。この場合、第１構造体と第２構造体の各部は、均等に変形しないため、第１構造体と第２構造体との間に設けられた複数の起歪体も均等に変形しない。したがって、各起歪体に設けられた複数の歪ゲージの出力信号は、トルク以外の力による信号を含み、トルクの検出精度が低下していた。

本発明の実施形態は、トルク以外の力が印加された場合においても高精度にトルクを検出することが可能なトルクセンサを提供する。

本実施形態のトルクセンサは第１構造体と、第２構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体との間に接続された複数の第３構造体と、隣接する前記第３構造体の間に位置し、前記第１構造体と前記第２構造体との間に結合された複数のセンサ素子を含む起歪体と、隣接する前記第３構造体の間に位置し、前記第１構造体と前記第２構造体との間に接続された第４構造体と、を具備し、前記第４構造体の幅（前記第１構造体及び前記第２構造体の平面と平行で、前記第４構造体の長さ方向と交差する方向の長さ）は、前記第４構造体の長さ方向の中央から前記第１構造体及び前記第２構造体に近づくに従って広い。

本実施形態に係るトルクセンサを示すものであり、一部除去して示す平面図。 本実施形態に係るトルクセンサが変形した状態を説明するために示す平面図。 本実施形態に係る第４構造体を示すものであり、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図。 本実施形態に係る第４構造体を説明するために示すものであり、図２のＡで示す部分を拡大して示す平面図。 本実施形態と他の例における構造体の変形量を示す図。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。図面において、同一部分又は同一機能を有する部分には、同一符号を付している。

図１は、本実施形態に係るトルクセンサ１０を示している。トルクセンサ１０の構成は、これに限定されるものでなく、様々な構成のトルクセンサに適用することが可能である。また、トルクセンサに限らず、歪ゲージを用いた力覚センサなどに本実施形態を適用することも可能である。

図１において、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、複数の防水用キャップ１４、ケース１５、ブッシュ１６、ケーブル１７、複数の歪センサ２０、複数のフレキシブル基板２３、複数の第４構造体２４、複数の防水用キャップ２５等を具備している。

第１構造体１１と、第２構造体１２は、環状であり、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と同心状に配置され、第１構造体１１と第２構造体１２は、放射状に配置された複数の梁部としての第３構造体１３及び第４構造体２４により連結されている。各第４構造体２４は、等間隔に配置され、隣り合う第３構造体１３の間に配置されている。

後述するように、第４構造体２４は、歪センサ２０に対応して配置されており、歪センサ２０と第４構造体２４の数は、それぞれ例えば８個である。歪センサ２０と第４構造体２４の数は、８個に限定されるものではない。

第１構造体１１は、例えば被計測体に連結され、第２構造体１２は、図示せぬ別の構造体に連結される。複数の第３構造体１３は、第１構造体１１から第２構造体１２にトルク（図２に示すモーメント（Ｍｚ））を伝達する。逆に、第２構造体１２が被計測体に連結され、第１構造体１１が図示せぬ別の構造体に連結され、第２構造体１２から第１構造体１１に複数の第３構造体１３を介してトルクを伝達してもよい。

第１構造体１１、第２構造体１２、複数の第３構造体１３は、金属、例えばステンレス鋼により構成されるが、印加されるトルクに対して機械的に十分な強度を得ることができれば、金属以外の材料を使用することも可能である。

第２構造体１２は、中空部１２ａを有しており、ケース１５は、中空部１２ａの周囲の第２構造体１２に取り付けられる。ケース１５の内部には、図示せぬ処理回路が設けられている。処理回路は、歪センサ２０から供給される電気信号を処理し、センサ信号としてのトルクの検出信号を生成する。

ブッシュ１６は、ケース１５の一部分に設けられ、ケーブル１７を保持する。ケーブル１７の図示せぬ一端は、ケース１５内の処理回路に接続され、ケーブル１７の他端は、例えば中空部１２ａに通される。ケーブル１７は、処理回路に外部から電源を供給したり、処理回路により処理されたセンサ信号を外部に出力したりする。処理回路の構成は、本実施形態の本質ではないため、説明は省略する。

各第４構造体２４に対応して配置された各歪センサ２０は、キャップ１４により覆われている。キャップ１４により覆われた部分の構成は、同一である。図１は、第４構造体２４、歪センサ２０、フレキシブル基板２３、キャップ２５を示すため、４つのキャップ１４及び説明に不要な構成が外され、説明に必要な構成が露出されている。

歪センサ２０は、第１構造体１１と第２構造体１２との間に設けられている。すなわち、後述するように、歪センサ２０の一端部は、第１構造体１１に接合され、歪センサ２０の他端部は、第２構造体１２に接合される。

具体的には、第４構造体２４に対応する第１構造体１１、第２構造体１２には、一体的に凹部３０が形成されている。

凹部３０の第１構造体１１に対応する部分のほぼ中央部には、穴３０ａが設けられ、第２構造体１２に対応する部分のほぼ中央部にも、穴３０ｂが設けられている。

歪センサ２０は、凹部３０内において、第１構造体１１と第２構造体１２の間に設けられる。歪センサ２０は、例えば金属製の起歪体２１と、起歪体２１の表面に配置されたセンサ素子としての複数の歪ゲージ２２とを具備している。

起歪体２１は、例えば矩形状であり、起歪体２１の長さは、第３構造体１３の長さより長く、穴３０ａと穴３０ｂとの間の長さより短い。起歪体２１の長手方向一端は、凹部３０内において、第１構造体１１の表面に載置され、起歪体２１の長手方向他端は、凹部３０内において、第２構造体１２の表面に載置される。起歪体２１の一端は、凹部３０内に配置された固定部材４０ａと、第１構造体１１の裏面側から穴３０ａに挿入され、固定部材４０ａに螺合されるねじ４１ａとにより、第１構造体１１に固定される。起歪体２１の他端は、凹部３０内に配置された固定部材４０ｂと、第２構造体１２の裏面側から穴３０ｂに挿入され、固定部材４０ｂに螺合されるねじ４１ｂとにより、第２構造体１２に固定される。

歪ゲージ２２は、例えば薄膜抵抗素子であり、起歪体２１の変形に伴い抵抗値が変化する。複数の歪ゲージ２２は、図示せぬブリッジ回路を構成し、ブリッジ回路により抵抗値の変化が電気信号として検出される。複数の歪ゲージ２２は、起歪体２１の中央部に設けられたフレキシブル基板２３の一端部に接続される。フレキシブル基板２３の他端部は、ケース１５内の処理回路に接続される。ブリッジ回路から出力された電気信号は、フレキシブル基板２３を介して処理回路に供給され、処理回路において、センサ信号としてのトルクの検出信号が生成される。

キャップ１４は、凹部３０に装着され、凹部３０を密閉する。キャップ２５は、起歪体２１と第４構造体２４との間で、第４構造体２４を覆うように配置され、第４構造体２４の両側に設けられた開口２６を密閉する。歪センサ２０は、キャップ１４により起歪体２１の表面側への水分の進入が保護され、キャップ２５により、起歪体２１の裏面側への水分の進入が保護される。

図２は、トルクセンサ１０が受ける力による変形の一例を示している。例えば８個の歪センサ２０が配置されたトルクセンサ１０において、トルク以外の力が印加され、第１構造体１１及び第２構造体１２が破線で示すように、楕円形に変形した場合、８個の歪センサ２０の起歪体２１は均等に変形しない。この場合、起歪体２１の表面（平面）に配置された複数の歪みゲージにより構成されたブリッジ回路の出力信号は、トルク以外の力に対応する信号を含んでいる。このため、トルクＭｚの検出精度が低下する。

本実施形態は、各歪センサ２０に対応して配置された第４構造体２４により、トルク以外の力に対する第１構造体１１及び第２構造体１２の剛性を高めることによって、トルクの検出精度の低下を防止するものである。

図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面を示しており、２つの第３構造体１３とこれらの間に配置された第４構造体２４と起歪体２１の断面を示している。

起歪体２１の長手方向と交差する方向に配置された２つの第３構造体１３のそれぞれは、起歪体２１の長手方向に沿った側面２１ａと平行な側面１３ａを有している。具体的には、第３構造体１３の長手方向と、起歪体２１の長手方向は、同方向に配置されている。第３構造体１３の起歪体２１と平行な部分の幅（第１構造体１１の平面１１ａ（図１に示す）及び第２構造体１２の平面１２ａと平行で、第３構造体１３の長手方向と交差する方向の長さ）は、一定である。第３構造体１３の起歪体２１と平行な部分の長さは、第３構造体１３の全長の例えば２５％乃至４０％である。

第３構造体１３の長手方向の両端の幅は、第１構造体１１及び第２構造体１２に向かって広くされている。換言すると、第３構造体１３の長手方向の両端で、第１構造体１１及び第２構造体１２の平面と対応する面は、湾曲部１３ｂを有している。

第４構造体２４は、起歪体２１と平行で、起歪体２１から離れて配置されている。すなわち、第４構造体２４の表面（第１構造体１１の平面１１ａ及び第２構造体１２の平面１２ａと平行な面）２４ｂは、起歪体２１の裏面２１ｃと平行で、起歪体２１の裏面２１ｃと対向されている。

第４構造体２４の平面２４ｂにおいて、長手方向中央部の幅は、長手方向両端の幅より狭い。換言すると、第４構造体２４は、起歪体２１の側面２１ａ（第１構造体１１の平面１１ａ及び第２構造体１２の平面１２ａと交差する方向の面）と平行でない側面２４ａを有している。すなわち、図１に示すように、第４構造体２４と隣り合う２つの第３構造体１３との間には円形の開口２６が形成され、第４構造体２４の側面２４ａは、円弧状とされている。このため、第４構造体２４の平面２４ｂの幅は、第４構造体２４の長手方向中央から、第１構造体１１と第２構造体１２に向かって広くされている。すなわち、第４構造体２４の第１構造体１１と第２構造体１２との接続部分の幅Ｗ４は、長手方向中央の幅Ｗ１より広い（Ｗ４＞Ｗ１）。

また、第４構造体２４の第１構造体１１との接続部分と、第４構造体の第２構造体１２との接続部分は、第４構造体２４と隣り合う２つの第３構造体１３から離れている。このため、第４構造体２４は、第４構造体２４と隣り合う２つの第３構造体１３から独立した梁として機能することができる。

尚、開口２６の形状は、円形に限定されるものではなく、第４構造体２４の平面２４ｂの形状が、第４構造体２４の長手方向中央から、第１構造体１１と第２構造体１２に向かって幅が広くなるような形状であれば、楕円形などの形状であってもよい。

第４構造体２４の厚みＴ１は、起歪体２１の厚みＴ３より厚く、第３構造体１３の厚みＴ２より薄い（Ｔ３＜Ｔ１＜Ｔ２）、第４構造体２４の長手方向中央部の幅Ｗ１は、起歪体２１の幅Ｗ３より狭く、第３構造体１３の幅Ｗ２より広い（Ｗ３＞Ｗ１＞Ｗ２）。しかし、これら幅の関係は一例であり、これに限定されるものではなく、変形可能である。

ここで、厚みとは、第３構造体１３、第４構造体２４及び起歪体２１の第１構造体１１及び第２構造体１２の平面に対して垂直な方向の長さであり、幅とは、第３構造体１３、第４構造体２４及び起歪体２１の第１構造体１１及び第２構造体１２の平面と平行で、長さ方向と交差する方向の長さである。

図４に示すように、トルクセンサ１０に力が印加されていない場合、第４構造体２４と隣り合う２つの第３構造体１３と第１構造体１１及び第２構造体１２は、破線Ｂで示すように、四角形を構成している。

上記構成のトルクセンサ１０にトルクセンサ１０を楕円形に変形させる力（トルクＭｚ以外の力）が印加された場合、第４構造体２４は、第１構造体１１と第２構造体１２との間に設けられたＸ形状の梁として作用する。このため、第４構造体２４の剛性により、トルクＭｚ以外の力に対して、第４構造体２４と隣り合う２つの第３構造体１３と第１構造体１１及び第２構造体１２の変形が抑制される。したがって、トルク以外の力による信号の出力を低減でき、他軸干渉を抑制してトルクの高精度に検出することができる。

一方、上記構成のトルクセンサ１０にトルクＭｚが印加された場合、第４構造体２４と隣り合う２つの第３構造体１３と第１構造体１１及び第２構造体１２は、破線Ｃで示すように、平行四辺形に変形される。この時、第４構造体２４の剛性により、第４構造体２４が無い場合に比べて起歪体２１の変形が抑制される。しかし、第４構造体２４の長手方向の中央部の幅は、第１構造体１１との接続部の幅、及び第２構造体１２との接続部との幅に比べて狭い。このため、トルクＭｚに対して、第４構造体２４の中央部が変形することにより、起歪体２１が変形してトルクＭｚを高精度に検出することができる。

図５は、トルクセンサ１０の異なる梁の構造にトルク以外の力が印加された場合において、第１構造体１１及び第２構造体１２の変形（楕円変形）に対する剛性を解析した結果を示している。

具体的には、図５は、トルク以外の力により第１構造体１１及び第２構造体１２に楕円変形が生じた場合の変形量を示している。このため、変形量の数値が小さい程、剛性が高く、トルク以外の力に対する他軸干渉を抑制できることを示している。

尚、梁は、２つの第３構造体１３とその間に設けられる構造を含み、各モデルは、トルク方向の剛性が等しくなるように、梁の幅が調整されている。

モデル１は、２つの第３構造体１３の間に第４構造体２４などがない梁の場合である。この場合、トルク以外の力による第１構造体１１及び第２構造体１２の楕円変形に対する変形量は、０．７７１である。

モデル２は、２つの第３構造体１３の間及び第１構造体１１と第２構造体１２の間を薄い金属材料で接続した梁の場合である。この場合、トルク以外の力による第１構造体１１及び第２構造体１２の楕円変形に対する変形量は、０．７０７である。

モデル３は、本実施形態に係るものであり、２つの第３構造体１３の間に、第１構造体１１と第２構造体１２とを接続する第４構造体２４を設けた梁の場合である。この場合、トルク以外の力による第１構造体１１及び第２構造体１２の楕円変形に対する変形量は、０．６２４である。

このように、本実施形態は、トルク以外の力に対する第１構造体１１及び第２構造体１２の剛性が高いことが分かる。このため、トルク以外の力に対して複数の起歪体２１を均等に変形させることができ、各起歪体２１に設けられた複数の歪みゲージの出力信号からトルク以外の力による信号の出力を低減することができる。したがって、他軸干渉を抑制でき、高精度にトルクを検出することができる。

（実施形態の効果）
本実施形態のトルクセンサ１０は、第１構造体１１及び第２構造体１２と２つの第３構造体１３により四角形を構成し、四角形の内側に、第１構造体１１と第２構造体１２との間に接合される歪センサ２０としての起歪体２１と、第１構造体１１と第２構造体１２とを接続する第４構造体２４とを具備し、第４構造体２４は、長手方向中央部の幅が長手方向両端の幅より狭くされている。このため、トルクセンサ１０にトルク以外の方向の力が印加された場合、第４構造体２４により、第１構造体１１及び第２構造体１２の楕円変形に対する剛性を高めることができる。したがって、トルクセンサ１０にトルク以外の方向の力が印加された場合において、トルク以外の力による信号の出力を低減でき、他軸干渉を抑制してトルクの高精度に検出することができる。

しかも、第４構造体２４の長手方向中央部の幅は、長手方向両端部の幅より狭いため、トルクセンサ１０にトルク方向の力が印加された場合において、第４構造体２４の剛性は低いため、トルクを高精度に検出することができる。

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。

１１…第１構造体、１２…第２構造体、１３…第３構造体、２０…歪センサ、２１…起歪体、２２…歪ゲージ、２４…第４構造体、２５…防水用キャップ。

Claims (9)

1. 第１構造体と、
   第２構造体と、
   前記第１構造体と前記第２構造体との間に接続された複数の第３構造体と、
   隣接する前記第３構造体の間に位置し、前記第１構造体と前記第２構造体との間に結合された複数のセンサ素子を含む起歪体と、
   隣接する前記第３構造体の間に位置し、前記第１構造体と前記第２構造体との間に接続された第４構造体と、
   を具備し、
   前記第４構造体の幅（前記第１構造体及び前記第２構造体の平面と平行で、前記第４構造体の長さ方向と交差する方向の長さ）は、前記第４構造体の長さ方向の中央から前記第１構造体及び前記第２構造体に近づくに従って広いことを特徴とするトルクセンサ。
2. 前記起歪体に隣接する前記第３構造体の長手方向は、前記起歪体の長手方向と平行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。
3. 前記起歪体は、矩形状であり、前記第１構造体及び第２構造体の平面と交差する方向の側面を有し、
   前記第３構造体は、前記起歪体の前記側面と平行な側面を有することを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
4. 前記第３構造体の前記起歪体と平行な部分の長さは、前記第３構造体の全長の２５％乃至４０％であることを特徴とする請求項２又は３に記載のトルクセンサ。
5. 前記第４構造体の前記第１構造体及び前記第２構造体の平面に対して垂直な方向の厚みは、前記第３構造体の前記第１構造体及び前記第２構造体の平面に対して垂直な方向の厚みより薄いことを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
6. 前記起歪体と前記第４構造体との間に設けられ、隣接する前記第３構造体と前記第４構造体との間と前記第１構造体と前記第２構造体との間の空間を閉塞するキャップと、をさらに具備することを特徴とする請求項５に記載のトルクセンサ。
7. 前記第４構造体の前記第１構造体及び前記第２構造体の平面に対して平行な面の一方は、前記起歪体の前記第１構造体及び前記第２構造体の平面に対して平行な面の他方と対向して配置されていることを特徴とする請求項６記載のトルクセンサ。
8. 前記起歪体は、前記第１構造体及び第２構造体の平面と平行な表面と裏面と、を有し、
   前記第４構造体は、前記第１構造体及び第２構造体の平面と平行な表面と裏面と、を有し、前記第４構造体の前記表面は、前記起歪体の前記裏面と対向して配置されることを特徴とする請求項７に記載のトルクセンサ。
9. 前記第４構造体の前記第１構造体との接続部分と前記第４構造体の前記第２構造体との接続部分は、前記第４構造体と隣り合う前記第３構造体から離れていることを特徴とする請求項８に記載のトルクセンサ。

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