JP6433419B2 - トルクセンサの端子台構造 - Google Patents

Description

本発明は、トルクセンサの端子台構造に関する。

従来、ロボットの関節部分等に、関節部分等を駆動させる電動モータと、電動モータから出力される駆動力を検出するトルクセンサとを備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１のものでは、電動モータの減速機が固定される固定枠とトルクセンサの出力部が固定されるフレームとが関節部の屈伸により位置関係がほぼ変わらないように構成している。これにより、トルクセンサが配線の張力や重さといった外乱の影響を受け難くしている。

特開２０１５-１２３５７０号公報

歪ゲージ式トルクセンサを用いたトルク制御を行う場合、電動モータなどによる電気的影響をセンサ値が受けないようにする必要がある。しかしながら、歪ゲージのリード線は細く耐久性が低く、また、歪ゲージから端子台までのリード線の数が多いため、端子台を起歪体から遠ざけてノイズの発生を抑えるにも限度がある。

また、ロボットでの歪ゲージによるトルク計測では、ブリッジ回路を構成し、数ｍＶ程度の微弱な電圧を測定する必要がある。

ブリッジ回路の結線は、実際のハードウェア上では端子台と呼ばれる小型の基板上に歪ゲージのリード線と配線用のリード線を半田付けすることによって構成される。

この端子台のサイズは１ｃｍ以下であり、モータの胴部の周囲にトルクセンサを配置する場合など、電動モータが極めてトルクセンサに接近している場合、電動モータから漏れる数ｍＴの磁束によって数十ｕＶから数ｍＶの誘導電圧が発生し得るため、特別な対策が必要になる。

本発明は、以上の点に鑑み、電動モータから端子台を遠ざけることなく誘導電圧を抑制させることができるトルクセンサの端子台構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のトルクセンサの端子台構造は、
負荷を駆動する駆動力を出力する電動モータのトルクを検出するトルクセンサであって、
該トルクセンサは、
前記電動モータから前記負荷に至る動力伝達系に途中に介装された起歪体を有し、
該起歪体のひずみに応じた検出信号を前記電動モータから前記負荷に伝達される駆動力を示す信号として出力する力検出器と、
該力検出器の検出信号を取得し、当該出力結果を信号処理回路部に伝達する端子台と、
を備えたものであり、
前記端子台は、その導電部を流れる信号が電動モータから出力される磁束と平行となるように設定されていることを特徴とする。

本発明のトルクセンサの端子台構造によれば、磁束密度の投影面積が減り、誘導電圧が削減される。ノイズが削減されることによりフィードバックゲインが上がり、制御能力が向上する。

ここで、軸方向にコンパクトなトルク制御アクチュエータの実現のため、電動モータの周囲を環状にトルクセンサが取り囲むレイアウトを採用する場合、電磁誘導によると思われるノイズがトルクセンサに乗り、トルク制御性能が非常に低くなってしまう。電動モータの周囲を環状のトルクセンサで取り囲むレイアウトは従来例が発見されず、また高度なフィードバック制御の実現を目標とする場合、ノイズ問題が顕著となる。

磁場の発生源と誘導電圧の発生源（磁場の受信部）の切り分けテストを何度も行った結果、誘導電圧の発生源として端子台の寄与が最も大きいことが分かった。

端子台を遠ざけることも考えられるが、歪ゲージのリード線は極めて細く、この細いリード線を遠くまで引き延ばすのは耐久性などの問題からできるだけ歪ゲージの近くに配置したい。また、端子台から外は太いリード線でしかも本数も４本で済むため都合がよい。

そこで、本発明のトルクセンサの端子台構造では、磁束密度と平行になるように端子台を起歪体に設置している。かかる構成によれば、誘導電圧が削減される。ノイズが削減されることによりフィードバックゲインが上がり、制御能力が向上する。これは、端子台を磁束と平行となるように設置することにより、端子台を通過する磁束線の数が減少する為と考えられる。

本発明のモータ用歪ゲージ式トルクセンサの端子台構造の本実施形態を示す説明図。 本実施形態の端子台を示す説明図。 本実施形態の端子台を示す回路図。 端子台の傾きとノイズとの関係を示すグラフ。 より線を解いたときの開き具合を考慮していない端子台と、より線を解いたときの開き具合を同一となるようにした端子台とのノイズの違いを示すグラフ。

図１から図３を参照して本発明のモータ用歪ゲージ式トルクセンサの端子台構造の実施形態を説明する。本実施形態の電動モータ１の外周には、環状のトルクセンサ２が電動モータ１を取り囲むように配置されている。

トルクセンサ２は、電動モータ１の出力トルクを検出するものであり、電動モータ１の外周に相対回転自在に配置される環状の起歪体３を備える。起歪体３は、円筒部３ａと、円筒部３ａの一端から径方向外側へ張り出す張出部３ｂとを備える。起歪体３には、電動モータ１の回転軸１ａから出力される駆動力が遊星歯車機構などの複数のギヤで構成される減速機５を介して伝達される。

円筒部３ａの外周には、力検出器としての歪ゲージ４が４つ張り付けられている。張出部３ｂには、矩形板状の端子台６が設けられている。電動モータ１は、支持フレーム７に支持されている。起歪体３の円筒部３ａの他端には、可動フレーム８が接続されている。本実施形態においては、可動フレーム８が本発明の負荷に相当する。電動モータ１の回転軸１ａから出力される駆動力は、減速機５、起歪体３を介して可動フレーム８に伝達される。

端子台６は、小型の基板であり、４つの歪ゲージ４のエナメル線などのリード線と、配線用のビニール被覆された４本のリード線と、を半田付けしてブリッジ回路を結線するために用いられる。本実施形態のトルクセンサ２は４ゲージ法を採用しており、歪ゲージ４は、第１と第２の２つの引張側ゲージＴ１、Ｔ２と、第１と第２の２つの圧縮側ゲージＣ１、Ｃ２とで構成される。

各歪ゲージ４のリード線はより線で円筒部３ａの外周に沿うように引き回されている。そして、端子台６で半田付けするときにより線を解いて端子台６の対応箇所に半田付けされる。このとき、図２に示すように、歪ゲージ４のうちの第１引張側ゲージＴ１と第１圧縮側ゲージＣ１とのより線を解いた単線同士の開き具合が同一（略同一を含む）となるように、各より線が解かれている。第１引張側ゲージＴ１と第１圧縮側ゲージＣ１とは端子台６の裏面に半田付けされる。

同様にして、歪ゲージ４のうち第２引張側ゲージＴ２と第２圧縮側ゲージＣ２とのより線を端子台６に半田付けするときには、第２引張側ゲージＴ２と第２圧縮側ゲージＣ２とのより線を解いた単線同士の開き具合が同一（略同一を含む）となるように解かれている。第２引張側ゲージＴ２と第２圧縮側ゲージＣ２とは端子台６の表面に半田付けされている。

図２に点線で示すように、端子台６の裏面には、銅箔や銅板などからなる５つの長円形の導電部Ｓ１〜Ｓ５が設けられている。同様にして、端子台６の表面には、銅箔や銅板などからなる５つの長円形の導電部Ｓ６〜Ｓ１０が設けられている。

ここで説明の便宜上、図２において導電部Ｓ１〜Ｓ１０の下方に位置する部分を下部と定義し、図２において導電部Ｓ１〜１０の上方に位置する部分を上部と定義して以下に説明する。なお、導電部Ｓ１〜Ｓ１０の上部及び下部は、説明の便宜上、定義するものであって、重力方向における上下方向を示すものではない。

端子台６の裏面の導電部Ｓ１の下部には、第１引張側ゲージＴ１のより線を解いた一方の単線が半田付けされている。更に、端子台６の裏面の導電部Ｓ１の下部には、温度変化特性に対応するための温度補償ゲージ（図示省略）のより線を解いた一方の単線も半田付けされている。

端子台６の裏面の導電部Ｓ２の下部には、温度変化特性に対応するための温度補償ゲージ（図示省略）のより線を解いた他方の単線が半田付けされている。端子台６の裏面の導電部Ｓ２の上部には、赤色のビニールで被覆した赤リード線Ｒが半田付けされている。

端子台６の裏面の導電部Ｓ３の下部には、第１引張側ゲージＴ１のより線を解いた他方の単線が半田付けされている。更に、端子台６の裏面の導電部Ｓ３の下部には、第１圧縮側ゲージＣ１のより線を解いた一方の単線が半田付けされている。端子台６の裏面の導電部Ｓ３の上部には、黒色のビニールで被覆した黒リード線ＢＫが半田付けされている。

端子台６の裏面の導電部Ｓ４の下部には、もう一つの温度補償ゲージのより線を解いた一方の単線が半田付けされている。端子台６の裏面の導電部Ｓ４の上部には、青色のビニールで被覆した青リード線ＢＬが半田付けされている。

端子台６の裏面の導電部Ｓ５の下部には、第１圧縮側ゲージＣ１のより線を解いた他方の単線が半田付けされている。更に、端子台６の裏面の導電部Ｓ５の下部には、導電部Ｓ４の下部に接続された温度補償ゲージ（図示省略）のより線を解いた他方の単線が半田付けされている。

端子台６の裏面の導電部Ｓ５の上部には、端子台６の表面の導電部Ｓ６の上部とリード線で接続されている。導電部Ｓ５の上部と導電部Ｓ６の上部とを表裏で接続することによりブリッジ回路のループを小さくすることができる。なお、導電部Ｓ５の下部と導電部Ｓ６の下部とを表裏で接続しても同様の効果を得ることができる。また、導電部Ｓ５の上部と導電部Ｓ６の上部との接続はリード線に限らない。例えば、両導電部Ｓ５、Ｓ６を貫通する貫通孔を端子台６に設け、この貫通孔に半田を流し込んで接続してもよい。

端子台６の表面の導電部Ｓ６の下部には、第２引張側ゲージＴ２のより線を解いた一方の単線が半田付けされている。端子台６の表面の導電部Ｓ７の下部には、第２引張側ゲージＴ２のより線を解いた他方の単線が半田付けされている。

端子台６の表面の導電部Ｓ７の上部は、端子台６の表面の導電部Ｓ８の下部にリード線で接続されている。なお、端子台６の表面の導電部Ｓ７の下部で、端子台６の表面の導電部Ｓ８の下部とリード線で接続してもよい。端子台６の表面の導電部Ｓ８の下部は、端子台６の表面の導電部Ｓ９の上部にもリード線で接続されている。

導電部Ｓ８の下部と導電部Ｓ９の上部とを接続するリード線は、導電部Ｓ７の上部と導電部Ｓ８の下部とを接続するリード線よりも長いリード線を用いており、中間部分で捩ることにより実質的なリード線の長さを調節する調節部９が設けられている。この調節部９でリード線の実質的な長さを調節することにより、出力基準値の微妙なずれを調節できるようにしている。

端子台６の表面の導電部Ｓ８の上部には、白色のビニールで被覆した白リード線Ｗが半田付けされている。この白リード線Ｗは黒リード線ＢＫと表裏で同一箇所に位置しており、両リード線Ｗ，ＢＫは螺旋を描くように捩られて１つのより線を構成している。このように両リード線Ｗ，ＢＫを捩ってより線とすることにより、両リード線Ｗ，ＢＫで発生するノイズを低減させることができる。図３に示すように、両リード線Ｗ，ＢＫは、信号処理回路部１０に接続されている。

端子台６の表面の導電部Ｓ９の下部には、第２圧縮側ゲージＣ２のより線を解いた一方の単線が半田付けされている。端子台６の表面の導電部Ｓ１０の下部には、第２圧縮側ゲージＣ２のより線を解いた他方の単線が半田付けされている。

端子台６の表面の導電部Ｓ１０の上部には、端子台６の裏面の導電部Ｓ１の上部とリード線で接続されている。導電部Ｓ１０の上部と導電部Ｓ１の上部とを表裏で接続することによりブリッジ回路のループを小さくすることができる。なお、導電部Ｓ１０の下部と導電部Ｓ１の下部とを表裏で接続しても同様の効果を得ることができる。また、導電部Ｓ１０の上部と導電部Ｓ１の上部との接続はリード線に限らない。例えば、両導電部Ｓ１０、Ｓ１を貫通する貫通孔を端子台６に設け、この貫通孔に半田を流し込んで接続してもよい。

図１の実線と破線の２つで示した矢印は、３軸の磁束密度の変化率を計測可能な磁束密度センサで磁束密度の変化を測定したものである。測定した結果、電動モータ１のロータの回転角によって、磁束密度が変化するものの磁束密度の変化は所定の平面内で変化することが分かった。

従って、発明者らは、この磁束密度の変化する平面に平行に端子台６を設置することにより、磁束の発生を抑えて誘導起電力の発生を抑制できるのではないかと考えた。

図３は、本実施形態のトルクセンサ２の回路図を示している。

図４は、端子台の傾きとノイズの関係を示したものである。電動モータ１の回転軸１ａの軸線方向をＸ、互いに直交し且つ軸線Ｘに直交する２つの軸線をＹ，Ｚと定義して、端子台を、ＹＺ平面、磁界平面に直交する平面、磁界平面、ＸＺ平面、ＸＹ面に対して夫々平行に起歪体３の張出部３ｂに配置した場合のノイズを測定した。夫々、温度補償センサを付けた場合と無しの場合とでも測定している。また、電動モータ１のロータの回転角によってもノイズの影響が異なるため、ロータの回転角が０°、±２２．５°、±４５°、±６７．５°、±９０°のときのノイズを測定している。

図４から明らかなように、磁界平面と平行に端子台６を設置したときが最もノイズが少ないことがわかる。また、温度補償ゲージの有り無しによるノイズの差がほとんど見られないこともわかる。

図５は、端子台６に歪ゲージ４のより線を半田付けするときにより線を解いたときの開き具合を、第２引張側ゲージＴ２と第２圧縮側ゲージＣ２とで同一となるように、且つ第２引張側ゲージＴ２と第２圧縮側ゲージＣ２とのより線とで同一となるように製造した端子台６（図５の端子台Ａ〜Ｃ）と、より線の開き具合を同一としていない従来の端子台（図５の端子台Ｘ，Ｙ）とで、ノイズを比較したグラフである。

図５から明らかなように、より線の開き具合を同一となるように製造した本実施形態の端子台６（端子台Ａ〜Ｃ）の方が、より線の開き具合が同一となるように製造していない従来の端子台Ｘ，Ｙと比較してノイズが低減できていることがわかる。

これは、ブリッジ回路の各辺に発生した起電力をＶＴ１，ＶＴ２，ＶＣ１，ＶＣ２として，センサ出力ΔＶに及ぼす影響を計算すると、次式（１）となる。

ΔV＝{(C1C2−T1T2)/{(T1+C1)(T2+C2)}}V0+{(VC1-VT1-VT2+VC2)/2}・・・（１）。
式（１）の前項はセンサとしての値を示し、後項はノイズの影響としての値を示している。
従って、起電力がキャンセルされる条件は、VC1-VT1-VT2+VC2＝0となる。
そこで、本実施形態のトルクセンサ２では、VT1＝VC1かつVT2＝VC2となるように端子台６を配線している。これにより、端子台６の表裏の片面ごとに起電力をキャンセルすることができる。なお、完全に起電力を０にすることができないのは加工公差によって完全に同一のより線の開き具合とすることが困難であることが要因の１つとして考えられる。

ここで、式（１）について説明する。

V0をブリッジ回路への印加電圧（例えば１０Ｖ）とすると、
V0=I1(T1+C1)+VT1+VC1となる。
ここで、図３に示すように、I1は引張側ゲージＴ１を流れる電流であり、
I1=(V0-VT1-VC1)/(T1+C1)
となる。

そして、V1=V0-T1/(T1+C1)・(V0-VT1-VC1)-VT1となる。

同様にして、V2=V0-T２/(T２+C２)・(V0-VT２-VC２)-VT２となる。

よって、
ΔV=V1-V2
=-{T1/(T1+C1)}(V0-VT1-VC1)-VT1+{T2/(T2+C2)}(V0-VT2-VC2)+VC2
={(C1C2-T1T2)/{(T1+C1)(T2+C2)}}V0+{T1/(T1+C1)}(VT1+VC1)-VT1-{T2/(T2+C2)}(VT2+VC2)+VC2
となる。

各ゲージの抵抗値はほぼ同じなので、T1/(T1+C1)≒T2/(T2+C2)≒1/2と見なせるため、式（１）が導き出せる。

また、図５の下に示した「近距離」と「遠距離」は、起歪体３の円筒部３ａからの所定の距離を示しており、各端子台６ともに距離をできるだけ離した方がノイズの低減を図れることがわかる。

本実施形態のトルクセンサ２の端子台構造によれば、電動モータ１の磁束密度と平行になるように端子台６を起歪体３に設置していので、逆起電圧（ノイズ）が削減される。ノイズが削減されることによりフィードバックゲインが上がり、制御能力が向上する。これは、端子台を磁束と平行となるように設置することにより、端子台を通過する磁束線の数が減少する為と考えられる。

１ 電動モータ
１ａ 回転軸
２ トルクセンサ
３ 起歪体
３ａ 円筒部
３ｂ 張出部
４ 歪ゲージ（力検出器）
５ 減速機
６ 端子台
７ 支持フレーム
８ 可動フレーム（負荷）
９ オフセット部
１０ 信号処理回路部
Ｔ１ 第１引張側ゲージ
Ｔ２ 第２引張側ゲージ
Ｃ１ 第１圧縮側ゲージ
Ｃ２ 第２圧縮側ゲージ
Ｓ１〜Ｓ１０ 導電部
Ｒ 赤リード線
ＢＫ 黒リード線
ＢＬ 青リード線
Ｗ 白リード線

Claims (1)

1. 負荷を駆動する駆動力を出力する電動モータのトルクを検出するトルクセンサであって、
   該トルクセンサは、
   前記電動モータから前記負荷に至る動力伝達系に途中に介装された起歪体を有し、
   該起歪体のひずみに応じた検出信号を前記電動モータから前記負荷に伝達される駆動力を示す信号として出力する力検出器と、
   該力検出器の検出信号を取得し、当該出力結果を信号処理回路部に伝達する端子台と、
   を備えたものであり、
   前記端子台は、その導電部を流れる信号が電動モータから出力される磁束と平行となるように設定されていることを特徴とするトルクセンサの端子台構造。