JP6851893B2

JP6851893B2 - トルクセンサ

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Publication number: JP6851893B2
Application number: JP2017084703A
Authority: JP
Inventors: 池田　隆男; 隆男池田; 鈴木　隆史; 隆史鈴木
Original assignee: Nidec Copal Electronics Corp
Current assignee: Nidec Copal Electronics Corp
Priority date: 2017-04-21
Filing date: 2017-04-21
Publication date: 2021-03-31
Anticipated expiration: 2037-04-21
Also published as: JP2018179945A

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。

この種のトルクセンサは、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構造体とを連結する複数の起歪部を有し、これら起歪部に歪センサが配置されている（例えば特許文献１、２、３参照）。

特開２０１３−０９６７３５号公報特開２０１５−０４９２０９号公報特許第５６４０９０５号公報

トルクセンサは、第１構造体、第２構造体及び複数の起歪部は、金属材料を例えば切削加工することにより形成される。このため、製造工数が多く、製造コストが高いものであった。

本発明の実施形態は、製造が簡単で製造コストを低減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、積層された少なくとも第１板材、第２板材、第３板材と、前記少なくとも第１板材、第２板材、第３板材を一体的に固定する固定手段と、第１歪センサと、第２歪センサと、を具備し、前記少なくとも第１板材、第２板材、第３板材のそれぞれは、環状の第１領域と、環状の第２領域と、前記第１領域と前記第２領域を連結し、前記第１領域と前記第２領域の間で力を伝達する複数の第３領域を有し、前記第１板材と前記第３板材の間に位置する前記第２板材の前記第１領域は、前記複数の第３領域以外の位置に、一対の第１突部を有し、前記第２板材の前記第２領域は、前記複数の第３領域以外の位置に、前記第１突部にそれぞれ対向し、前記第１突部からそれぞれ所定間隔離間して配置された一対の第２突部を有し、前記第１歪センサ及び前記第２歪センサのそれぞれは、対向する前記第１突部と前記第２突部にそれぞれ固定される。

本実施形態に係るトルクセンサを示す平面図。図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図。図１に示すトルクセンサを分解して示す斜視図。図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図。歪センサの一例を示す平面図。図５のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図。本実施形態のトルクセンサに適用されるブリッジ回路の一例を示す図。

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は、複数の板材を積層することにより形成されている。すなわち、トルクセンサ１０は、積層された板材としての例えば第１金属板１０ａ、第２金属板１０ｂ、及び第３金属板１０ｃにより形成され、例えば第２金属板１０ｂの一部に第１歪センサ１４と第２歪センサ１５が取り付けられる。

金属板の数は、３つに限定されるものではなく、必要な機械的強度を得ることができれば、２つ又は４つ以上であってもよい。

また、板材は、必要な機械的強度を得ることができれば、金属材料に限定されるものではなく、例えば樹脂材料を適用することも可能である。

第１金属板１０ａ、第２金属板１０ｂ、及び第３金属板１０ｃは、例えばステンレススチール（ＳＵＳ）をプレス加工することにより形成される。

第１金属板１０ａ、第２金属板１０ｂ、及び第３金属板１０ｃのそれぞれは、第１構造体（第１領域）１１、第２構造体１２（第２領域）、複数の第３構造体（第３領域）１３を具備している。例えばトルクが印加される第１構造体１１と、トルクを出力する第２構造体１２は、環状に形成され、第２構造体１２の径は、第１構造体１１の径より小さい。

第１構造体１１と第２構造体１２は同心状に配置され、第１構造体１１と第２構造体１２は、放射状に配置された梁部としての複数の第３構造体１３により連結される。第３構造体１３は、第１構造体１１と第２構造体１２との間で力を伝達する。

図１に示すように、第１金属板１０ａ、第２金属板１０ｂ、及び第３金属板１０ｃの第１構造体１１は、図示せぬボルトを挿入するための複数の第１挿入口１１ａを有し、第１金属板１０ａ、第２金属板１０ｂ、及び第３金属板１０ｃが積層された状態において、第１構造体１１は、複数のボルトによりトルクセンサ本体を構成する図示せぬ第１可動体に固定される。

第１金属板１０ａ、第２金属板１０ｂ、及び第３金属板１０ｃの第２構造体１１は、図示せぬボルトを挿入するための複数の第２挿入口１２ａを有し、第２金属板１０ｂ、及び第３金属板１０ｃが積層された状態において、第２構造体１２は、複数のボルトによりトルクセンサ本体を構成する図示せぬ第２可動体に固定される。

図１、図２、図３に示すように、第３金属板１０ｃの第２構造体１２は、第１歪センサ１４を収容する第１収容部１２ｂと、第２歪センサ１５を収容する第２収容部１２ｃを具備している。第１収容部１２ｂ及び第２収容部１２ｃは、第３金属板１０ｃの中心（トルクの作用中心）に対して対称の位置に、第２構造体１２を切り欠いて形成されている。

また、図２、図３に示すように、第２金属板１０ｂは、第３金属板１３ｃの第１収容部１２ｂ及び第２収容部１２ｃに対応して、第１歪センサ１４を取り付けるための一対の突部１１ｂ、１２ｄと、第２歪センサ１５を取り付けるための一対の突部１１ｃ、１２ｅを具備している。すなわち、突部１１ｂと突部１１ｃは、第１構造体１１に設けられ、突部１２ｄと突部１２ｅは、第２構造体１２に設けられている。

突部１１ｂと突部１２ｄは、所定間隔離間して配置され、突部１１ｃと突部１２ｅは、所定間隔離間して配置されている。

図３、図４に示すように、第１金属板１０ａ及び第２金属板１０ｂの第１構造体１１及び第２構造体１２の表面には、例えば第３構造体１３に対応して第１係合部としての複数の突起１１ｄ及び複数の突起１２ｆが設けられている。

さらに、図３に示すように、第１金属板１０ａ及び第２金属板１０ｂの第２構造体１２の表面には、第１係合部としての例えば複数の突起１２ｇが設けられている。

第２金属板１０ｂの裏面には、図４に示すように、第１金属板１０ａの突起１１ｄ、１２ｆ、１２ｇが係合される第２係合部としての例えば複数の凹部１１ｊ、１２ｊが設けられている。

また、図３に示すように、第２金属板１０ｂの突部１２ｄ及び突部１２ｅと対応する部分には、第１金属板１０ａの突起１２ｇが挿入される第２係合部としての例えば２つの貫通孔１２ｈが設けられている。

第３金属板１０ｃには、第２金属板１０ｂの突起１１ｄ、１２ｆ、１２ｇが係合される第３係合部としての例えば複数の貫通孔１１ｅ、１２ｉが設けられている。

（トルクセンサ１０の製造方法）
先ず、第１金属板１０ａ、第２金属板１０ｂ、及び第３金属板１０ｃがそれぞれ形成される。第１金属板１０ａ、第２金属板１０ｂ、及び第３金属板１０ｃは、図示せぬ金型を用いて、例えばステンレススチール（ＳＵＳ）をプレス加工することにより形成される。

次いで、第１金属板１０ａ、第２金属板１０ｂ、及び第３金属板１０ｃが積層される。この時、第１金属板１０ａの突起１１ｄ、１２ｆ及び突起１２ｇは、第２金属板１０ｂの複数の凹部１１ｊ、１２ｊ及び複数の貫通孔１２ｈに嵌合され、第２金属板１０ｂの突起１１ｄ、１２ｆ、１２ｇは、第３金属板１０ｃの複数の貫通孔１１ｅ、１２ｉに嵌合される。

この後、第１金属板１０ａ、第２金属板１０ｂ、及び第３金属板１０ｃが図示せぬ金型を用いてプレスされ、複数の突起１１ｄ、１２ｆ、１２ｇが加締められる。これにより、第１金属板１０ａ、第２金属板１０ｂ、及び第３金属板１０ｃは、図１に示すように、一体的に固定される。

上記状態において、第１金属板１０ａの突起１１ｄ、１２ｆ、１２ｇ、第２金属板１０ｂの図示せぬ複数の凹部又は複数の貫通孔１２ｈに圧接され、第２金属板１０ｂの突起１１ｄ、１２ｆ、１２ｇは、第３金属板１０ｃの複数の貫通孔１１ｅ、１２ｉに圧接されている。このため、第１金属板１０ａ、第２金属板１０ｂ、及び第３金属板１０ｃは、強固に固定される。

次いで、第３金属板１０ｃの第１収容部１２ｂ内に第１歪センサ１４が収容され、第２収容部１２ｃ内に第２歪センサ１５が収容される。

この後、第１歪センサ１４の一端部は、第２金属板１０ｂの突部１１ｂ上に固定され、他端部は、突部１２ｄ上に固定される。また、第２歪センサ１５の一端部は、突部１１ｃ上に固定され、他端部は、突部１２ｅ上に固定される。

第１歪センサ１４及び第２歪センサ１５の固定方法は、例えば溶接が用いられる。第１歪センサ１４及び第２歪センサ１５は、後述するように、起歪体としての金属製の基板を有しており、第１歪センサ１４及び第２歪センサ１５の各基板の周囲が突部１１ｂ、突部１２ｄ、突部１１ｃ、突部１２ｅにそれぞれ溶接される。

固定方法は、溶接に限定されるものではなく、例えば接着剤などを用いることも可能である。

図５は、第１歪センサ１４の一例を示している。第１歪センサ１４及び第２歪センサ１５は同一構成であるため、第１歪センサ１４について説明する。

第１歪センサ１４は、起歪体としての基板２１、歪ゲージとしての例えば複数の薄膜抵抗体（以下、抵抗体と言う）２２（２２−１、２２−２）、複数の配線パターン２３、及び複数の端子２４を具備している。

基板２１は、矩形状の金属材料、例えばステンレススチール（ＳＵＳ）により構成されている。基板２１の剛性は、第３構造体１３（第２金属板１０ｂ単独、又は第１金属板１０ａ、第２金属板１０ｂ及び第３金属板１０ｃのトータル）の剛性より小さい。

例えば２つの抵抗体２２−１、２２−２は、基板２１の長手方法ほぼ中央部に設けられている。抵抗体２２−１、２２−２は、例えばＣｒ−Ｎにより構成され、抵抗体２２−１、２２−２のそれぞれの端部は、配線パターン２３を介して端子２４にそれぞれ接続されている。

図５において、符号Ｗｐは、基板２１と、突部１１ｂ、突部１２ｄ（突部１１ｃ、突部１２ｅ）との溶接部を示している。

図６は、図５に示すＶＩ−ＶＩ線に沿った断面を示している。

第１歪センサ１４は、基板２１、絶縁膜２１ａ、抵抗体２２（２２−１）、接着膜２１ｂ、配線パターン２３、接着膜２１ｃ、保護膜としてのガラス膜２１ｄを具備している。

具体的には、基板２１上に絶縁膜２１ａが設けられ、絶縁膜２１ａ上に例えばＣｒ−Ｎにより構成された抵抗体２２が設けられる。抵抗体２２上に接着膜２１ｂを介在して、例えば銅（Ｃｕ）により構成された配線パターン２３が設けられる。配線パターン２３上には接着膜２１ｃが設けられ、接着膜２１ｃ、配線パターン２３、接着膜２１ｂ、抵抗体２２及び絶縁膜２１ａは、例えばガラス膜２１ｄにより覆われる。接着膜２１ｂは、配線パターン２３と抵抗体２２との密着性を高め、接着膜２１ｃは、配線パターン２３とガラス膜２１ｄとの密着性を高めている。接着膜２１ｂ、２１ｃは、例えばクロム（Ｃｒ）を含む導電膜である。

第１歪センサ１４及び第２歪センサ１５の構成は、これに限定されるものではなく、変形可能である。

図７は、トルクセンサ１０に設けられたブリッジ回路３０を概略的に示している。前述したように、第１歪センサ１４及び第２歪センサ１５は、それぞれ２つの抵抗体２２を具備している。具体的には、第１歪センサ１４は、抵抗体２２−１及び抵抗体２２−２を具備し、第２歪センサ１５は、抵抗体２２−３、２２−４を具備している。第１歪センサ１４と第２歪センサ１５は、第１構造体１１及び第２構造体１２の中心に対して対称に配置され、抵抗体２２−１、２２−２と、抵抗体２２−３、２２−４も第１構造体１１及び第２構造体１２の中心に対して対称に配置される。

ブリッジ回路３０において、抵抗体２２−１と抵抗体２２−３は直列接続され、抵抗体２２−２と抵抗体２２−４は直列接続される。直列接続された抵抗体２２−１、２１−３は、直列接続された抵抗体２２−２、２１−４と並列接続される。抵抗体２２−２と抵抗体２２−４の接続点に電源Ｖｏ、例えば５Ｖが供給され、抵抗体２２−１と抵抗体２２−３の接続点は、例えば接地される。抵抗体２２−１と抵抗体２２−２の接続点から出力電圧Ｖout+が出力され、抵抗体２２−３と抵抗体２２−４の接続点から出力電圧Ｖout-が出力される。出力電圧Ｖout+及び出力電圧Ｖout-から式（１）で示すトルクセンサ１０の出力電圧Ｖoutが得られる。

Ｖout＝（Ｖout+−Ｖout-）
＝（Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２）−Ｒ３／（Ｒ３＋Ｒ４））・Ｖｏ …（１）
ここで、
Ｒ１は、抵抗体２２−１の抵抗値
Ｒ２は、抵抗体２２−２の抵抗値
Ｒ３は、抵抗体２２−３の抵抗値
Ｒ４は、抵抗体２２−４の抵抗値
であり、力が印加されず歪みがない状態において、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝Ｒである。

（実施形態の効果）
上記実施形態によれば、トルクセンサ１０は、第１構造体１１、第２構造体１２及び第３構造体を有する第１金属板１０ａ、第２金属板１０ｂ及び第３金属板１０ｃのそれぞれがプレス加工により形成され、第１金属板１０ａ、第２金属板１０ｂ及び第３金属板１０ｃが積層されて構成されている。このため、例えば金属材料から第１構造体１１、第２構造体１２及び第３構造体を切削加工により形成する場合に比べて、製造工数を削減でき、製造コストを低減することが可能である。

しかも、第１金属板１０ａ、第２金属板１０ｂ及び第３金属板１０ｃのそれぞれは、複数の突起１１ｄ、１２ｆ、１２ｇと、複数の凹部１１ｊ、１２ｊ及び貫通孔１２ｈ、１２ｉとを有している。このため、複数の突起１１ｄ、１２ｆ、１２ｇと、複数の凹部１１ｊ、１２ｊ及び貫通孔１２ｈ、１２ｉとを嵌合させることにより、第１金属板１０ａ、第２金属板１０ｂ及び第３金属板１０ｃを積層する際、正確に位置決めをすることが可能である。

さらに、複数の突起１１ｄ、１２ｆ、１２ｇと、複数の凹部１１ｊ、１２ｊ及び貫通孔１２ｈ、１２ｉとを嵌合させた状態において、第１金属板１０ａ、第２金属板１０ｂ及び第３金属板１０ｃをプレスし、複数の突起１１ｄ、１２ｆ、１２ｇを加締めている。このため、第１金属板１０ａ、第２金属板１０ｂ及び第３金属板１０ｃを強固に一体化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。

１０…トルクセンサ、１０ａ…第１金属板、１０ｂ…第２金属板、１０ｃ…第３金属板、１１…第１構造体、１２…第２構造体、１３…第３構造体、１１ｄ、１２ｆ、１２ｇ…突起、１１ｅ、１２ｈ、１２ｉ…貫通孔、１１ｊ、１２ｊ…凹部、１４…第１歪センサ、１５…第２歪センサ。

Claims

積層された少なくとも第１板材、第２板材、第３板材と、
前記少なくとも第１板材、第２板材、第３板材を一体的に固定する固定手段と、
第１歪センサと、
第２歪センサと、
を具備し、
前記少なくとも第１板材、第２板材、第３板材のそれぞれは、
環状の第１領域と、
環状の第２領域と、
前記第１領域と前記第２領域を連結し、前記第１領域と前記第２領域の間で力を伝達する複数の第３領域を有し、
前記第１板材と前記第３板材の間に位置する前記第２板材の前記第１領域は、前記複数の第３領域以外の位置に、一対の第１突部を有し、前記第２板材の前記第２領域は、前記複数の第３領域以外の位置に、前記第１突部にそれぞれ対向し、前記第１突部からそれぞれ所定間隔離間して配置された一対の第２突部を有し、
前記第１歪センサ及び前記第２歪センサのそれぞれは、対向する前記第１突部と前記第２突部にそれぞれ固定されることを特徴とするトルクセンサ。
前記第３板材は、前記第２領域に、前記第１歪センサを収容する第１収容部と、前記第２歪センサを収容する第２収容部をさらに具備することを特徴とする請求項１記載のトルクセンサ。
前記固定手段は、前記第１板材と前記第２板材の表面にそれぞれ設けられた複数の第１係合部と、
前記第２板材と前記第３板材の表面にそれぞれ設けられ、前記第１係合部のそれぞれと係合される複数の第２係合部と
を具備することを特徴とする請求項２記載のトルクセンサ。
前記第１係合部は、突起であり、前記第２係合部は、凹部又は貫通孔であることを特徴とする請求項３記載のトルクセンサ。