JP2023142975A - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 回路基板を水分や塵埃から保護することが可能なトルクセンサを提供する。
【解決手段】 凹部３０は、第１構造体１１と第２構造体１２に設けられる。歪センサ２０は、凹部内で、第１構造体と第２構造体との間に設けられる。フレキシブル基板２３は、歪センサに接続される。ケース４１は、第２構造体の表面に配置され、フレキシブル基板が挿入される切欠き部１４ａを有する。第１シール部材３１は、切欠き部と切欠き部内のフレキシブル基板との間に配置され、切欠き部の側面に連続して接触し、第１端部３１ｂと第２端部３１ｃを有する第１突起３１ａを具備し、凹部内に密着される。第２シール部材３２は、切欠き部内に配置され、第１突起の第１端部と第２端部及び凹部に接触する第２突起３２ｂを有する。
【選択図】図３

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

起歪体に配置された複数の歪みゲージは、フレキシブル基板を用いて回路基板に接続される。回路基板は、第２構造体に設けられたケース内に配置される。このため、ケースは、フレキシブル基板を通す切欠き部を有している。切り欠き部とフレキシブル基板との間には、隙間が生じるため、回路基板を水分や塵埃から保護する必要がある。

本発明の実施形態は、回路基板を水分や塵埃から保護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、隣り合う前記第３構造体の間で、前記第１構造体と前記第２構造体に設けられた凹部と、前記凹部内で、前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられた歪センサと、第１端部が前記歪センサに接続されたフレキシブル基板と、前記第２構造体の表面に配置され、前記フレキシブル基板が挿入される切欠き部を有するケースと、前記切欠き部と前記切欠き部内の前記フレキシブル基板との間に配置され、前記切欠き部の側面に連続して接触し、第１端部と第２端部を有する第１突起を具備し、前記凹部内に密着される第１シール部材と、前記第１突起の前記第１端部と前記第２端部の間に配置され、前記凹部の側面に接触する第２突起を有する第２シール部材と、を具備する。

本実施形態に係るトルクセンサを示す斜視図。 図１の一部を除去した状態を示す平面図。 図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図。 図１に示すケースを取り出して示す斜視図。 本実施形態に適用される第１シール部材を示す斜視図。 ケースに設けられた切欠き部と第１シール部材の関係を示す斜視図。 本実施形態に適用される第２シール部材を示す斜視図。 図６に示す構成に第２シール部材を取り付けた状態を示す斜視図。 第１シール部材と第２シール部材の関係を示す斜視図。

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、図２、図３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、図２、図３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、ケース１４、カバー１５、ブッシュ１６、複数の歪センサ２０、複数のフレキシブル基板２３、回路基板２４、防水防塵用の複数の第１シール部材３１、防水防塵用の複数の第２シール部材３２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により連結されている。

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と第２構造体１２との間でトルク（図２に示すモーメント（Ｍｚ））を伝達する。

尚、本実施形態を力覚センサに適用する場合、第１構造体１１、第２構造体１２、第３構造体１３は、三次元に変形し、直交する３軸（ｘ、ｙ、ｚ）に関して、力（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ）とモーメント（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）を検出する。

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を有している。ケース１４は、中空部１２ａの周囲の第２構造体１２に取り付けられ、カバー１５は、ケース１４に取り付けられる。ケース１４の内部には、図３に示す回路基板２４が設けられる。回路基板２４上に処理回路が設けられ、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。

図１に示すブッシュ１６は、カバー１５の一部分に設けられ、図示せぬケーブルを保持する。ケーブルは、ケース１４内の処理回路に接続される。ケーブルは、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。

図２は、歪センサ２０、フレキシブル基板２３、第１シール部材３１、第２シール部材３２を示すため、３つの第１シール部材３１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の一端は、第１構造体１１に接合され、歪センサ２０の他端は、第２構造体１２に接合される。

具体的には、第１構造体１１及び第２構造体１２には、一体的に長円形の凹部３０が形成されている。但し、凹部３０において、第１構造体１１と第２構造体１２の間は空洞である。凹部３０の形状は長円形に限定されるものではない。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の裏面から穴３０ａに挿入され、ねじ穴４０ｃ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の裏面から穴３０ｂに挿入され、ねじ穴４０ｄ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１４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。

図４は、第２構造体１２に取り付けられるケース１４を示している。ケース１４は、環状であり、内側に複数の切欠き部１４ａを有している。各切欠き部１４ａは、第１構造体１１及び第２構造体１２に設けられた凹部３０と対応する位置に設けられている。具体的には、切欠き部１４ａは、凹部３０の第２構造体１２と対応する部分に設けられている。図４において、切欠き部１４ａの形状は、３つの辺を有する形状であるが、これに限らず、フレキシブル基板２３を通すことが可能であれば、円弧状であってもよい。

図３に示すように、フレキシブル基板２３は、ケース１４に設けられた切欠き部１４ａを通って起歪体２１と回路基板２４とに接続される。切欠き部１４ａとフレキシブル基板２３との間には、隙間が生じている。この隙間を塞ぐため、第１シール部材３１と第２シール部材３２が取り付けられる。

図５は、第１シール部材３１の一例を示している。第１シール部材３１は、弾性部材、例えばシリコーンゴムにより構成されている。しかし、シリコーンゴムに限定されるものではなく、弾性を有する材料であればよい。第１シール部材３１は、凹部３０を塞ぐキャップとしての機能を有しており、平面形状が凹部３０に類似した形状である。

具体的には、第１シール部材３１の長手方向の一端部は、円弧状であり、長手方向の他端部でケース１４の切欠き部１４ａに対応する位置には、第１突起３１ａが設けられている。第１突起３１ａは、第１シール部材３１の表面から垂直方向に突出されており、第１突起３１ａの高さは、図３に示すように、ケース１４の厚みと等しい。

第１突起３１ａは、切欠き部１４ａの３つの側面に連続的に接触し、切欠き部１４ａの３つの側面を密閉するように、ほぼＵ字形とされている。このため、第１突起３１ａは、第１端部３１ｂと第２端部３１ｃとを有している。

第１シール部材３１の一端部と第１端部３１ｂ又は第２端部３１ｃの先端との間の長さＬ１は、長円形の凹部３０の長軸の長さＬ２（図２に示す）より長い（Ｌ１＞Ｌ２）。第１端部３１ｂと第２端部３１ｃの先端の位置は、図６に示すように、ケース１４の内径の位置と一致されている。

第１端部３１ｂと第２端部３１ｃは、その裏面側に、それぞれ段部３１ｄを有している。段部３１ｄは、第２構造体１２に設けられた凹部３０の側面と第２構造体１２の表面との境界に対応する位置に設けられている。

第１シール部材３１の一端部と段部３１ｄとの間の長さＬ３は、Ｌ１より短く、Ｌ２とほぼ等しい（Ｌ１＞Ｌ３≒Ｌ２）。第１端部３１ｂと第２端部３１ｃとの間の長さＬ４は、後述する第２シール部材３２の突起３２ｂの幅Ｌ５以下である（Ｌ４≦Ｌ５）。

図２、図３に示すように、第１シール部材３１は、凹部３０内に装着され、凹部３０の殆どを覆い、凹部３０の側面に密着される。

図６は、第１シール部材３１を凹部３０内に装着し、第２構造体１２にケース１４を取付けた状態を示している。
この状態において、第１突起３１ａは、ケース１４の切欠き部１４とフレキシブル基板２３との間に配置され、切欠き部１４の側面に連続的に接触される。このため、切欠き部１４と凹部３０との間の隙間からケース１４内への水分や塵埃の進入が防止される。

さらに、第１突起３１ａの第１端部３１ｂと第２端部３１ｃは、段部３１ｄより先の部分が第２構造体１２の表面上に位置され、段部３１ｄは、第２構造体１２内の凹部３０の側面に密着される。したがって、第２構造体１２と第１端部３１ｂと第２端部３１ｃとの接触面積を増加することができるため、第１端部３１ｂ及び第２端部３１ｃの裏側からケース１４内への水分や塵埃の進入を防止することができる。

また、図３に示すように、第１シール部材３１が凹部３０内に装着された状態において、第１シール部材３１の裏面は、固定部材４０ａの上面と、固定部材４０ｂの上面に密着される。このため、第１シール部材３１を安定に固定することができる。

図７は、第２シール部材３２の一例を示している。第２シール部材３２は、弾性部材、例えばシリコーンゴムにより構成されている。しかし、シリコーンゴムに限定されるものではなく、弾性を有する材料であればよい。第２シール部材３２は、Ｏリング３２ａと、複数の第２突起３２ｂと、を具備している。

Ｏリング３２ａの内径Ｄ１は、図２に示すように、１８０°離れた２つの凹部３０の間の距離より僅かに短い。換言すると、図４に示すように、Ｏリング３２ａの内径Ｄ１は、ケース１４の内径と等しい。

Ｏリング３２ａの外径Ｄ２は、１８０°離れた２つの凹部３０の間の距離より長い。換言すると、図４に示すように、Ｏリング３２ａの外径Ｄ２は、ケース１４の内径より大きい。このため、Ｏリング３２ａは、ケース１４上に配置された状態において、ケース１４の内側の縁部に接触可能とされている。

具体的には、Ｏリング３２ａの裏面（第２突起３２ｂ以外の部分）は、ケース１４の内側の縁部と、第１突起３１の第１端部３１ｂと第２端部３１ｃの上面に接触される。また、Ｏリング３２ａの表面は、図３に示すように、カバー１５の内側の下端部に接触される。このため、カバー１５をケース１４に取付けることにより、Ｏリング３２ａを介して第１シール３１の第１端部３１ｂ及び第２端部３１ｃと、第２シール部材の第２突起３２ｂが第２構造体１２に押し付けられ、ケース１４及びカバー１５の内部が密閉される。

複数の第２突起３２ｂは、ケース１４の切欠き部１４ａと対応する位置にそれぞれ設けられている。各第２突起３２ｂのリングに沿った方向の長さＬ５は、第１突起３１ａの第１端部３１ｂと第２端部３１ｃとの間の長さＬ４以上である（Ｌ５≧Ｌ４）。換言すると、各第２突起３２ｂのリングに沿った方向の長さＬ５は、第２突起３２ｂが第１端部３１ｂと第２端部３１ｃとの間に挿入されたとき、第２突起３２ｂの長さ方向の両端が第１端部３１ｂと第２端部３１ｃとに密着する長さである。

各第２突起３２ｂのリングと交差する方向の長さＬ６は、第２突起３２ｂが凹部３０内に挿入されたとき、第２突起３２ｂの先端が第２構造体１２に設けられた固定部材４１ｂの上面に接触することが可能な長さである。

各第２突起３２ｂの内側には、段部３２ｃが設けられている。段部３２ｃは、第２構造体１２に設けられた凹部３０の側面と第２構造体１２の表面との境界に対応する位置に設けられている。

図８、９に示すように、第２シール部材３２の各第２突起３２ｂが各凹部３０に装入された状態において、第２突起３２ｂのリングに沿った長さ方向の両端は、第１端部３１ｂと第２端部３１ｃとに密着される。このため、フレキシブル基板２３は、第１シール部材３１の第１突起３１ａと第２シール部材３２の第２突起３２ｂとにより囲まれ、これらにより密閉される。

また、図３に示すように、第２突起３２ｂの段部３２ｃよりリングの内側の面は、第２構造体１２の表面に密着され、段部３２ｃより下側の側面は、凹部３０の側面に密着される。さらに、第２突起３２ｂのリングと交差する方向の先端面（第２突起３２ｂの裏面）は、固定部材４０ｂの表面に密着される。したがって、第２構造体１２及び固定部材４０ｂと第２突起３２ｂとの接触面積を拡大することができるため、第２突起３２ｂの裏側からケース１４内への水分や塵埃の進入を防止することができる。

（実施形態の効果）
本実施形態のトルクセンサ１０によれば、第１シール部材３１により、凹部３０の殆どが覆われ、フレキシブル基板２３が通るケース１４の切欠き部１４ａは、第１シール部材３１の第１突起３１ａと第２シール部材３２の第２突起３２ｂとにより密閉される。このため、ケース１４内への水分や塵埃の進入を防止でき、トルクセンサ１０を安定に動作させることが可能である。

しかも、第２シール部材３２のＯリング３２ａは、ケース１４に配置された状態において、ケース１４の内側周辺に密着される。このため、ケース１４の内側周辺からケース１４内へ侵入する水分や塵埃を阻止することができる。

さらに、第１突起３１ａの第１端部３１ｂと第２端部３１ｃは、第２構造体１２の上面と凹部３０の側面に接触可能なように段部３１ｄをそれぞれ有し、第２突起３２ｂも第２構造体１２の上面と凹部３０の側面に接触可能なように段部３２ｃを有している。このため、第１突起３１ａ及び第２突起３２ｂが凹部３０の側面だけに接触する場合に比べて、ケース１４内への水分や塵埃の進入をより一層防止できる。

また、第２シール部材３２は、Ｏリング３２ａに複数の第２突起３２ｂを一体的に設けている。このため、Ｏリング３２ａを第２構造体１２に装着することにより、複数の第２突起３２ｂを対応する凹部３０にほぼ同時に挿入することができる。したがって、複数の第２突起３２ｂが個別に設けられる場合に比べて、組み立て工数を大幅に削減することが可能である。

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、１４…ケース、１４ａ…切欠き部、２０…歪センサ、２１…起歪体、２２…歪ゲージ、２３…フレキシブル基板、３１…第１シール部材、３１ａ…第１突起、３２…第２シール部材、３２ａ…Ｏリング、３２ｂ…第２突起。

Claims (5)

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、
   隣り合う前記第３構造体の間で、前記第１構造体と前記第２構造体に設けられた凹部と、
   前記凹部内で、前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられた歪センサと、
   第１端部が前記歪センサに接続されたフレキシブル基板と、
   前記第２構造体の表面に配置され、前記フレキシブル基板が挿入される切欠き部を有するケースと、
   前記切欠き部と前記切欠き部内の前記フレキシブル基板との間に配置され、前記切欠き部の側面に連続して接触し、第１端部と第２端部を有する第１突起を具備し、前記凹部内に密着される第１シール部材と、
   前記第１突起の前記第１端部と前記第２端部の間に配置され、前記凹部の側面に接触する第２突起を有する第２シール部材と、
   を具備することを特徴とするトルクセンサ。
2. 前記ケースは環状であり、前記第２シール部材は、ケースの内側の縁部に接触可能なＯリングと、前記Ｏリングに設けられた複数の前記第２突起と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。
3. 前記切欠き部内の前記第１突起の高さは、前記切欠き部における前記ケースの厚みと等しく、前記Ｏリングの下面が前記第１突起の前記第１端部と前記第２端部の上面に接触することを特徴とする請求項２に記載のトルクセンサ。
4. 前記第１突起の前記第１端部と前記第２端部は、前記凹部の側面と前記第２構造体の表面との境界に対応する位置に段部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。
5. 前記第２突起は、前記凹部の側面と前記第２構造体の表面との境界に対応する位置に段部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。

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