JP6938074B1 - トルクセンサ - Google Patents
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Abstract
Description
XYZ三次元座標系におけるZ軸まわりのモーメントを検出するトルクセンサであって、
前記Z軸を中心に形成された第1構造体と、
前記Z軸を中心に形成された第2構造体と、
前記第1構造体と前記第2構造体との間に設けられた起歪体であって、前記第1構造体と前記第2構造体とを接続し、前記モーメントの作用により弾性変形を生じる起歪体と、
前記第1構造体と前記起歪体とを接続する2つの第1構造体Y軸接続部と、
前記起歪体と前記第2構造体とを接続する2つの第2構造体X軸接続部と、
検出素子と、
前記検出素子の検出結果に基づいて、前記モーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記第1構造体Y軸接続部は、前記起歪体に対してY軸の正側および負側に配置され、
前記第2構造体X軸接続部は、前記第2構造体に対してX軸の正側および負側に配置され、
前記起歪体は、弾性変形によってZ軸方向に変位する変位部を含む4つの変形体を含み、
第1象限、第2象限、第3象限および第4象限の各々に、前記変形体が配置され、
前記検出素子は、各々の前記変形体の前記変位部の前記Z軸方向の変位により静電容量値の変化を検出する容量素子を含む、トルクセンサ、
を提供する。
前記Z軸に沿って見たときに、前記第2構造体は、前記第1構造体の内側に配置されている、
ようにしてもよい。
前記第1構造体Y軸接続部は、前記Y軸および前記Z軸に沿って延び、
前記第1構造体Y軸接続部のZ軸方向の寸法は、前記第1構造体Y軸接続部のY軸方向の寸法よりも大きく、
前記第2構造体X軸接続部は、前記X軸およびZ前記軸に沿って延び、
前記第2構造体X軸接続部のZ軸方向の寸法は、前記第2構造体X軸接続部のX軸方向の寸法よりも大きい、
ようにしてもよい。
前記第1構造体と前記第2構造体とを接続する2つの第1構造体X軸接続部と、
前記起歪体と前記第2構造体とを接続する2つの第2構造体Y軸接続部と、を更に備え、
前記Z軸に沿って見たときに、前記第1構造体X軸接続部は、前記起歪体に対して前記X軸の正側および負側に配置されるとともに、前記第2構造体Y軸接続部は、前記第2構造体に対して前記Y軸の正側および負側に配置され、
前記第1構造体X軸接続部は、前記X軸に沿って延び、
前記第2構造体Y軸接続部は、前記Y軸に沿って延びている、
ようにしてもよい。
前記第1構造体X軸接続部および前記第2構造体Y軸接続部は、前記Z軸に沿って延び、
前記第1構造体X軸接続部のZ軸方向の寸法は、前記第1構造体X軸接続部のX軸方向の寸法よりも大きく、
前記第2構造体Y軸接続部のZ軸方向の寸法は、前記第2構造体Y軸接続部のY軸方向の寸法よりも大きい、
ようにしてもよい。
前記第1構造体X軸接続部のY軸方向の寸法は、前記第1構造体Y軸接続部のX軸方向の寸法よりも小さく、
前記第2構造体Y軸接続部のX軸方向の寸法は、前記第2構造体X軸接続部のY軸方向の寸法よりも小さい、
ようにしてもよい。
前記起歪体は、前記Z軸に沿って見たときに、円形リング状に形成されている、
ようにしてもよい。
前記起歪体のうち前記第1構造体Y軸接続部が接続された位置では、前記起歪体と前記第2構造体とは接続されておらず、
前記起歪体のうち前記第2構造体X軸接続部が接続された位置では、前記第1構造体と前記起歪体とは接続されていない、
ようにしてもよい。
前記第1構造体X軸接続部のX軸方向の寸法は、前記第1構造体Y軸接続部のY軸方向の寸法よりも大きく、
前記第2構造体Y軸接続部のY軸方向の寸法は、前記第2構造体X軸接続部のX軸方向の寸法よりも大きい、
ようにしてもよい。
前記起歪体は、前記Z軸に沿って見たときに、前記Y軸に沿う長軸と、前記X軸に沿う短軸とを有するように楕円形リング状に形成されている、
ようにしてもよい。
前記第1構造体Y軸接続部は、前記第1構造体と前記起歪体との接続位置に形成され、
前記第2構造体X軸接続部は、前記起歪体と前記第2構造体との接続位置に形成されている、
ようにしてもよい。
前記起歪体の外周面は、前記Z軸に沿って見たときに、前記Y軸に沿う長軸と、前記X軸に沿う短軸とを有するように楕円形状に形成されている、
ようにしてもよい。
前記第2構造体の外周面は、前記Z軸に沿って見たときに、前記X軸に沿う長軸と、前記Y軸に沿う短軸とを有するように楕円形状に形成されている、
ようにしてもよい。
前記第1構造体と前記起歪体とを接続する2つの第1構造体X軸接続部と、
前記起歪体と前記第2構造体とを接続する2つの第2構造体Y軸接続部と、を更に備え、
前記Z軸に沿って見たときに、前記第1構造体X軸接続部は、前記起歪体に対して前記X軸の正側および負側に配置されるとともに、前記第2構造体Y軸接続部は、前記第2構造体に対して前記Y軸の正側および負側に配置され、
前記第1構造体X軸接続部は、前記X軸に沿って延び、
前記第2構造体Y軸接続部は、前記Y軸に沿って延びている、
ようにしてもよい。
前記第1構造体X軸接続部のY軸方向の寸法は、前記第1構造体Y軸接続部のX軸方向の寸法よりも小さく、
前記第2構造体Y軸接続部のX軸方向の寸法は、前記第2構造体X軸接続部のY軸方向の寸法よりも小さい、
ようにしてもよい。
前記起歪体のうち前記第1構造体Y軸接続部が接続された位置では、前記起歪体と前記第2構造体とは接続されておらず、
前記起歪体のうち前記第2構造体X軸接続部が接続された位置では、前記第1構造体と前記起歪体とは接続されていない、
ようにしてもよい。
前記第2構造体は、前記起歪体に対して前記Z軸の負側に配置されている、
ようにしてもよい。
前記起歪体は、前記第1構造体に対して前記Z軸の負側に配置されている、
ようにしてもよい。
まず、図1〜図14を用いて、本発明の第1の実施の形態におけるトルクセンサについて説明する。
Mz=−ΔC1+ΔC2−ΔC3+ΔC4
で検出される。なお、以下の式では、便宜上、モーメントと静電容量値の変化量とを「=」で結んでいる。しかしながら、モーメントと、静電容量値とは互いに異なる物理量であるため、実際には、静電容量値の変化量を変換することにより、モーメントが算出される。上記式中のΔC1は、第1容量素子61aの静電容量値の変化量を示し、ΔC2は、第2容量素子61bの静電容量値の変化量を示している。ΔC3は、第3容量素子61cの静電容量値の変化量を示し、ΔC4は、第4容量素子61dの静電容量値の変化量を示している。
C1=C01+ΔC1
で表される。同様にして、
C2=C02+ΔC2
C3=C03+ΔC3
C4=C04+ΔC4
で表される。C01〜C04が同一である場合には、モーメントMzは、
Mz=−C1+C2−C3+C4
としてもよい。C01〜C04は相殺されるからである。ニュートラル状態とは、受力体10に、力もモーメントも作用していない状態を意味する。
図2のトルクセンサ1の受力体10にX軸方向正側に力Fxが作用した場合、X軸の正側に位置する受力体X軸接続部42と、X軸正側に位置する支持体X軸接続部51に、引張力が与えられる。X軸の負側に位置する受力体X軸接続部42と、X軸の負側に位置する支持体X軸接続部51に、圧縮力が与えられる。しかしながら、各受力体X軸接続部42と各支持体X軸接続部51は、X軸に沿って延びているため、X軸方向の力に対してばね定数が大きく、実質的に剛体として機能する。このため、起歪体30が弾性変形することを抑制でき、各容量素子61a〜61dの静電容量値が変化することを抑制できる。受力体10にX軸方向負側に力Fxが作用した場合も同様に、各容量素子61a〜61dの静電容量値が変化することを抑制できる。本実施の形態のように起歪体30が円形リング状に形成されている場合、力Fxに対して起歪体30が弾性変形することをより一層抑制できる。
図2のトルクセンサ1の受力体10にY軸方向正側に力Fyが作用した場合について説明する。Fxが作用した場合と同様に、各受力体Y軸接続部41と各支持体Y軸接続部52は、Y軸に沿って延びているため、Y軸方向の力Fyに対してばね定数が大きく、実質的に剛体として機能する。このため、力Fyが作用した場合であっても、起歪体30が弾性変形することを抑制でき、各容量素子61a〜61dの静電容量値が変化することを抑制できる。
図2のトルクセンサ1の受力体10にZ軸方向の力Fzが作用した場合について説明する。上述したように、各受力体Y軸接続部41のZ軸方向の寸法が、受力体Y軸接続部41のY軸方向の寸法(P1y)よりも大きく、各受力体X軸接続部42のZ軸方向の寸法が、受力体X軸接続部42のX軸方向の寸法(P2x)よりも大きくなっている。また、各支持体X軸接続部51のZ軸方向の寸法が、支持体X軸接続部51のX軸方向の寸法(Q1x)よりも大きく、各支持体Y軸接続部52のZ軸方向の寸法が、支持体Y軸接続部52のY軸方向の寸法(Q2y))よりも大きくなっている。このことにより、各接続部41、42、51、52は、Z軸方向の力に対してばね定数が大きく、実質的に剛体として機能する。支持体20に支持体X軸接続部51および支持体Y軸接続部52が接続されていることにより、起歪体30は、支持体20に対してZ軸方向に変位することが抑制される。起歪体30に受力体Y軸接続部41および受力体X軸接続部42が接続されていることにより、受力体10は、起歪体30に対してZ軸方向に変位することが抑制される。このため、受力体10に力Fzが作用した場合であっても、起歪体30が弾性変形することを抑制でき、各容量素子61a〜61dの静電容量値が変化することを抑制できる。本実施の形態のように起歪体30が円形リング状に形成されている場合、力Fzに対して起歪体30が弾性変形することをより一層抑制できる。
図2のトルクセンサ1の受力体10にX軸まわりのモーメントMxが作用した場合について説明する。この場合、各受力体X軸接続部42および各支持体X軸接続部51には、X軸まわりの捻じり力が作用する。各受力体Y軸接続部41および各支持体Y軸接続部52には、Z軸方向の曲げモーメントが作用する。しかしながら、各受力体Y軸接続部41および各支持体Y軸接続部52は、Z軸方向の力に対してばね定数が大きく、実質的に剛体として機能する。このため、受力体10にモーメントMxが作用した場合であっても、起歪体30が弾性変形することを抑制でき、各容量素子61a〜61dの静電容量値が変化することを抑制できる。本実施の形態のように起歪体30が円形リング状に形成されている場合、モーメントMxに対して起歪体30が弾性変形することをより一層抑制できる。
図2のトルクセンサ1の受力体10にY軸まわりのモーメントMyが作用した場合について説明する。Mxが作用した場合と同様に、各受力体X軸接続部42および各支持体X軸接続部51は、Z軸方向の力に対してばね定数が大きく、実質的に剛体として機能する。このため、受力体10にモーメントMyが作用した場合であっても、起歪体30が弾性変形することを抑制でき、各容量素子61a〜61dの静電容量値が変化することを抑制できる。本実施の形態のように起歪体30が円形リング状に形成されている場合、モーメントMyに対して起歪体30が弾性変形することをより一層抑制できる。
次に、図15および図16を用いて、本発明の第2の実施の形態におけるトルクセンサについて説明する。
次に、図17および図18を用いて、本発明の第3の実施の形態におけるトルクセンサについて説明する。
次に、図19〜図22を用いて、本発明の第4の実施の形態におけるトルクセンサについて説明する。
Claims (12)
- XYZ三次元座標系におけるZ軸まわりのモーメントを検出するトルクセンサであって、
前記Z軸を中心に形成された第1構造体と、
前記Z軸を中心に形成された第2構造体と、
前記第1構造体と前記第2構造体との間に設けられた起歪体であって、前記第1構造体と前記第2構造体とを接続し、前記モーメントの作用により弾性変形を生じる起歪体と、
前記第1構造体と前記起歪体とを接続する2つの第1構造体Y軸接続部と、
前記起歪体と前記第2構造体とを接続する2つの第2構造体X軸接続部と、
検出素子と、
前記検出素子の検出結果に基づいて、前記モーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、
前記第1構造体と前記起歪体とを接続する2つの第1構造体X軸接続部と、
前記起歪体と前記第2構造体とを接続する2つの第2構造体Y軸接続部と、を備え、
前記第1構造体Y軸接続部は、前記起歪体に対してY軸の正側および負側に配置され、
前記第2構造体X軸接続部は、前記第2構造体に対してX軸の正側および負側に配置され、
前記起歪体は、弾性変形によってZ軸方向に変位する変位部を含む4つの変形体を含み、
第1象限、第2象限、第3象限および第4象限の各々に、前記変形体が配置され、
前記検出素子は、各々の前記変形体の前記変位部の前記Z軸方向の変位により静電容量値の変化を検出する容量素子を含み、
前記Z軸に沿って見たときに、前記第2構造体は、前記第1構造体の内側に配置され、
前記第1構造体Y軸接続部は、前記Y軸および前記Z軸に沿って延び、
前記第1構造体Y軸接続部のZ軸方向の寸法は、前記第1構造体Y軸接続部のY軸方向の寸法よりも大きく、
前記第2構造体X軸接続部は、前記X軸および前記Z軸に沿って延び、
前記第2構造体X軸接続部のZ軸方向の寸法は、前記第2構造体X軸接続部のX軸方向の寸法よりも大きく、
前記Z軸に沿って見たときに、前記第1構造体X軸接続部は、前記起歪体に対して前記X軸の正側および負側に配置されるとともに、前記第2構造体Y軸接続部は、前記第2構造体に対して前記Y軸の正側および負側に配置され、
前記第1構造体X軸接続部は、前記X軸に沿って延び、
前記第2構造体Y軸接続部は、前記Y軸に沿って延びている、トルクセンサ。 - 前記第1構造体X軸接続部および前記第2構造体Y軸接続部は、前記Z軸に沿って延び、
前記第1構造体X軸接続部のZ軸方向の寸法は、前記第1構造体X軸接続部のX軸方向の寸法よりも大きく、
前記第2構造体Y軸接続部のZ軸方向の寸法は、前記第2構造体Y軸接続部のY軸方向の寸法よりも大きい、請求項1に記載のトルクセンサ。 - 前記第1構造体X軸接続部のY軸方向の寸法は、前記第1構造体Y軸接続部のX軸方向の寸法よりも小さく、
前記第2構造体Y軸接続部のX軸方向の寸法は、前記第2構造体X軸接続部のY軸方向の寸法よりも小さい、請求項1または2に記載のトルクセンサ。 - 前記起歪体は、前記Z軸に沿って見たときに、円形リング状に形成されている、請求項1〜3のいずれか一項に記載のトルクセンサ。
- 前記第1構造体X軸接続部のX軸方向の寸法は、前記第1構造体Y軸接続部のY軸方向の寸法よりも大きく、
前記第2構造体Y軸接続部のY軸方向の寸法は、前記第2構造体X軸接続部のX軸方向の寸法よりも大きい、請求項1または2に記載のトルクセンサ。 - 前記起歪体は、前記Z軸に沿って見たときに、前記Y軸に沿う長軸と、前記X軸に沿う短軸とを有するように楕円形リング状に形成されている、請求項5に記載のトルクセンサ。
- XYZ三次元座標系におけるZ軸まわりのモーメントを検出するトルクセンサであって、
前記Z軸を中心に形成された第1構造体と、
前記Z軸を中心に形成された第2構造体と、
前記第1構造体と前記第2構造体との間に設けられた起歪体であって、前記第1構造体と前記第2構造体とを接続し、前記モーメントの作用により弾性変形を生じる起歪体と、
前記第1構造体と前記起歪体とを接続する2つの第1構造体Y軸接続部と、
前記起歪体と前記第2構造体とを接続する2つの第2構造体X軸接続部と、
検出素子と、
前記検出素子の検出結果に基づいて、前記モーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記第1構造体Y軸接続部は、前記起歪体に対してY軸の正側および負側に配置され、
前記第2構造体X軸接続部は、前記第2構造体に対してX軸の正側および負側に配置され、
前記起歪体は、弾性変形によってZ軸方向に変位する変位部を含む4つの変形体を含み、
第1象限、第2象限、第3象限および第4象限の各々に、前記変形体が配置され、
前記検出素子は、各々の前記変形体の前記変位部の前記Z軸方向の変位により静電容量値の変化を検出する容量素子を含み、
前記Z軸に沿って見たときに、前記第2構造体は、前記第1構造体の内側に配置され、
前記第1構造体Y軸接続部は、前記第1構造体と前記起歪体との接続位置に形成され、
前記第2構造体X軸接続部は、前記起歪体と前記第2構造体との接続位置に形成されている、トルクセンサ。 - 前記起歪体の外周面は、前記Z軸に沿って見たときに、前記Y軸に沿う長軸と、前記X軸に沿う短軸とを有するように楕円形状に形成されている、請求項7に記載のトルクセンサ。
- 前記第2構造体の外周面は、前記Z軸に沿って見たときに、前記X軸に沿う長軸と、前記Y軸に沿う短軸とを有するように楕円形状に形成されている、請求項7または8に記載のトルクセンサ。
- 前記第1構造体と前記起歪体とを接続する2つの第1構造体X軸接続部と、
前記起歪体と前記第2構造体とを接続する2つの第2構造体Y軸接続部と、を更に備え、
前記Z軸に沿って見たときに、前記第1構造体X軸接続部は、前記起歪体に対して前記X軸の正側および負側に配置されるとともに、前記第2構造体Y軸接続部は、前記第2構造体に対して前記Y軸の正側および負側に配置され、
前記第1構造体X軸接続部は、前記X軸に沿って延び、
前記第2構造体Y軸接続部は、前記Y軸に沿って延びている、請求項7〜9のいずれか一項に記載のトルクセンサ。 - 前記第1構造体X軸接続部のY軸方向の寸法は、前記第1構造体Y軸接続部のX軸方向の寸法よりも小さく、
前記第2構造体Y軸接続部のX軸方向の寸法は、前記第2構造体X軸接続部のY軸方向の寸法よりも小さい、請求項10に記載のトルクセンサ。 - 前記起歪体のうち前記第1構造体Y軸接続部が接続された位置では、前記起歪体と前記第2構造体とは接続されておらず、
前記起歪体のうち前記第2構造体X軸接続部が接続された位置では、前記第1構造体と前記起歪体とは接続されていない、請求項7〜9のいずれか一項に記載のトルクセンサ。
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