JP6980568B2

JP6980568B2 - トルクセンサ

Info

Publication number: JP6980568B2
Application number: JP2018042317A
Authority: JP
Inventors: 隆男池田
Original assignee: Nidec Copal Electronics Corp
Current assignee: Nidec Copal Electronics Corp
Priority date: 2018-03-08
Filing date: 2018-03-08
Publication date: 2021-12-15
Anticipated expiration: 2038-03-08
Also published as: JP2019158420A; TWI796429B; WO2019171811A1; TW201939006A

Description

本発明は、トルクを検出するトルクセンサに関する。

一般に、部材の弾性変形によりトルクを検出するセンサが知られている。（特許文献１参照）。

特開２００７−４０７７４号公報

しかしながら、部材の弾性変形によりトルクを検出するセンサの場合、センサの感度を高くするには、弾性変形する部材を変形し易くする必要があるが、部材を変形し易くすると、過大な負荷が掛けられた場合、センサの耐久性が低くなり易い。

本発明の実施形態の目的は、センサの感度を高め、過大な負荷に対する剛性を向上させたトルクセンサを提供することにある。

本発明の観点に従ったトルクセンサは、環状に形成された第１領域部と、前記第１領域部の内側で、前記第１領域部と同心円上に位置し、環状に形成された第２領域部と、前記第１領域部の内側と前記第２領域部の外側とを接続する複数の梁部と、前記複数の梁部のうち、他の梁部よりも変形し易い形状の梁部に設けられ、前記第１領域部と前記第２領域部との相対的な変位を検出するための起歪体と、測定する方向のトルクが基準値を超えた場合、前記梁部の剛性を向上させるための剛性向上手段とを備える。

本発明の実施形態によれば、センサの感度を高め、過大な負荷に対する剛性を向上させたトルクセンサを提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係るトルクセンサの構成を示す構成図。接着剤を用い、図１に示すトルクセンサをα−α線で切断した断面図。固定部材を用い、図１に示すトルクセンサをα−α線で切断した断面図。第１の実施形態の変形例に係るストッパの上面を示す上面図。第１の実施形態に係るトルクセンサにトルクが印加された時のストッパの上面を示す簡易図。第１の実施形態に係るトルクセンサの負荷トルクと隙間の変位量を示すグラフ図。第１の実施形態に係るトルクセンサの負荷トルクと起歪体の歪量を示すグラフ図。本発明の第２の実施形態に係るトルクセンサの構成を示す構成図。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るトルクセンサ１０の構成を示す構成図である。

トルクセンサ１０は、Ｚ軸（図面に対して垂直方向）を回転軸としたＺ軸モーメントＭｚのトルクを検出するためのセンサである。例えば、トルクセンサ１０は、ロボットなどに実装される。

トルクセンサ１０は、第１領域部１、第２領域部２、複数の梁部３、複数の起歪体４、及び、複数のストッパ５を備える。

第１領域部１、第２領域部２、及び、複数の梁部３は、金属などの材質により一体に形成される。第１領域部１は、環状に形成される。第２領域部２は、第１領域部１よりも径の小さい環状に形成される。第２領域部２は、第１領域部１の環状の内側（中心側）で、同心円上に位置する。複数の梁部３は、第２領域部２から放射状に延び、第１領域部１の内側と第２領域部２の外側を接続するように設けられる。梁部３は、いくつ設けられてもよい。

第１領域部１は、トルクを受ける負荷に取り付けられる部分である。例えば、第１領域部１は、ロボットの手又は腕などの可動部に取り付けられる。第２領域部２は、トルクを発生する動力源に取り付けられる部分である。例えば、第２領域部２は、モータ又は減速機などに取り付けられる。

起歪体４は、第１領域部１と第２領域部２との相対的な変位による力が加わるように、第１領域部１と第２領域部２との間に設けられる。例えば、起歪体４は、隣接する２つの梁部３の間で、第１領域部１から第２領域部２の方向に延びた第１突起部Ｔ１と、第２領域部２から第１領域部１の方向に延びた第２突起部Ｔ２との間を接続するように設けられる。なお、起歪体４は、いくつ設けられてもよい。また、起歪体４は、第１領域部１と第２領域部２との相対的な変位による力を受けるのであれば、何処に設けられてもよい。例えば、起歪体４は、梁部３に設けられてもよい。

起歪体４は、歪を検出するセンサの役割を果たす歪ゲージを備える。歪ゲージは、変形すると電気的変位が生じるように構成される。なお、歪ゲージは、電気的に検出可能な変位が生じるものであれば、どのようなものでもよい。例えば、歪ゲージは、変形量に応じて、電気抵抗が変化してもよいし、電圧を発生させてもよい。トルクセンサ１０は、これらの電気的変位を起歪体４（歪ゲージ）から検出することにより、トルクを測定する。

例えば、起歪体４は、次のように用いる。トルクセンサ１０にトルクが加わると、互いに対称となる応力が加わる位置（左右対称又は上下対称などになる位置）に、一対の起歪体４を設ける。測定しない方向の力については、一対の起歪体４のそれぞれの歪ゲージの出力を相殺することで、検出しないようにする。これにより、トルクセンサ１０は、測定する方向（Ｚ軸モーメントＭｚ）のトルクのみを検出するようにする。

ストッパ５は、上面及び底面が長方形又は台形の直方体形状である。ストッパ５は、第１領域部１と第２領域部２との相対的な変位による力が所定以上加わると制限するように、第１領域部１と第２領域部２との間に設けられる。例えば、ストッパ５は、第１領域部１、第２領域部２、及び、隣接する２つの梁部３で囲まれる空間に嵌るように設けられる。ストッパ５は、梁部３の剛性を向上させるための部材である。ストッパ５の材質は、例えば金属である。

ストッパ５は、２つの梁部３とのそれぞれの間に所定の間隔の隙間ＳＰが保たれた状態で取り付けられる。隙間ＳＰの幅は、トルクセンサ１０の定格トルク等に基づいて決定される。例えば、隙間ＳＰの幅は、１５〜３０μｍである。ストッパ５は、第１領域部１及び第２領域部２とのそれぞれの間にも隙間ＳＰが設けられてもよい。また、ストッパ５は、隙間ＳＰの間隔が保たれた状態で維持されるのであれば、どのように取り付けられてもよい。

図２は、接着剤ＡＤを用い、図１に示すトルクセンサ１０をα−α線で切断した断面図である。図２を参照して、接着剤ＡＤでストッパ５を取り付ける方法について説明する。

ストッパ５の上面及び底面は、面取り（チャンファ）されている。ここでは、ストッパ５を面取りした場合を示しているが、第１領域部１、第２領域部２、又は、梁部３を面取りしてもよい。

接着剤ＡＤは、例えばシリコン等の樹脂製の接着剤である。接着剤ＡＤは、硬化した硬さが、少なくともストッパ５の剛性よりも低い必要がある。この硬さは、トルクセンサ１０に印加されるトルクに対して抵抗にならないほどよい。即ち、接着剤ＡＤは、ストッパ５が外れないのであれば、硬化した状態が柔らかいほどよい。

ストッパ５の上面及び底面のそれぞれの周りに沿って、接着剤ＡＤを一周塗布する。面取りされていることにより、接着剤ＡＤがストッパ５の周りに馴染み易くなる。このとき、接着剤ＡＤは、上面及び底面の面取りされた部分のみに塗布されればよく、ストッパ５の側面まで接着剤ＡＤが塗布される必要はない。また、上面及び底面においても、接着剤ＡＤを一周塗布しなくてもよく、例えばそれぞれの面の四隅だけでもよい。即ち、トルクセンサ１０としての強度が保たれるのであれば、接着剤ＡＤを塗布する箇所は必要最低限でよい。

図３は、固定部材Ｈ１を用い、図１に示すトルクセンサ１０をα−α線で切断した断面図である。図３を参照して、固定部材Ｈ１でストッパ５を取り付ける方法について説明する。

ストッパ５がトルクセンサ１０の所定の位置に組み込まれた状態で、固定部材Ｈ１は、ストッパ５の上面及び底面のそれぞれの左右両側（梁部３側）に固定して設けられ、梁部３とは固定されない。このとき、上面及び底面に設けられた固定部材Ｈ１の一部は、梁部３の上面及び底面に被さる状態になる。これにより、ストッパ５の垂直方向への動きが固定される。一方、ストッパ５の水平方向への動きは、隙間ＳＰの分だけ自由度がある。

なお、ここでは、４つの固定部材Ｈ１で、ストッパ５を取り付けたが、いくつの固定部材Ｈ１を設けてもよい。また、固定部材Ｈ１は、ストッパ５に固定せずに、梁部３に固定してもよい。さらに、固定部材Ｈ１は、板状又はブロック状など、どのような形状でもよい。

図４は、本実施形態の変形例に係るストッパ５ａの上面を示す上面図である。

ストッパ５ａの上面（底面）は、ストッパ５ａが実装される空間の上面の四角形状に対して、２つの対角線に沿って細長い板を重なり合わせたＸ字状のような形状をしている。ストッパ５ａは、上面から見て四隅に所定の間隔の隙間ＳＰが保たれた状態で取り付けられる。ストッパ５ａの取り付け方法は、上述したストッパ５と同様であり、隙間ＳＰに接着剤ＡＤを塗布してもよいし、固定部材Ｈ１を用いてもよい。ストッパ５ａをこのような形状にすることで、ストッパ５ａを作るための材料の分量を少なく抑えられる。

図５は、本実施形態に係るトルクセンサ１０にトルクが印加された時のストッパ５の上面を示す簡易図である。

トルクは、トルクセンサ１０に取り付けられた動力源により加わる回転により発生する。トルクが印加されると、トルクセンサ１０には、Ｚ軸モーメントＭｚが生じる。Ｚ軸モーメントＭｚが生じると、ストッパ５の外側にある第１領域部１とストッパ５の内側にある第２領域部２が互いに反対になる向きに動く。これにより、ストッパ５の両端に位置する梁部３が斜めになるように弾性変形する。

Ｚ軸モーメントＭｚが予め決められた基準値以内であれば、梁部３が弾性変形しても、ストッパ５と梁部３との間の隙間ＳＰにより、ストッパ５と梁部３は接触しない。Ｚ軸モーメントＭｚが予め決められた基準値を超えると、梁部３が変形することで、一部に隙間ＳＰが無くなり、図５に示すように、ストッパ５の第１領域部１側と第２領域部２側の互いに反対側の隅で梁部３と接触する。梁部３がストッパ５と接触することで、ストッパ５の材質の剛性により、梁部３がさらに変形するのを制限する。

基準値は、例えば、トルクセンサ１０が通常使用される条件において想定される最大負荷である。基準値は、定格負荷に係数を掛けたり加えたりした値のように、定格負荷に基づいて決定してもよいし、どのように決定してもよい。定格負荷は、例えば、トルクセンサ１０において最も多く印加されることが想定される負荷である。

図６は、本実施形態に係るトルクセンサ１０の負荷トルクと隙間ＳＰの変位量を示すグラフ図である。ここでは、定格負荷を８００Ｎｍとし、隙間ＳＰの初期状態を２０μｍとし、過大負荷の基準値を１０００Ｎｍとする。

隙間ＳＰの幅は、基準値に基づいて決定される。具体的には、基準値のトルクが印加された場合に、梁部３が変形して、丁度隙間ＳＰが無くなるように、隙間ＳＰの幅が決定される。ここでは、１０００Ｎｍのトルクが印加されると、図５に示すように、２０μｍの隙間が一部で無くなり、ストッパ５が梁部３に接触し始めるものとする。

梁部３の変形量は、第１領域部１と第２領域部２との相対的な変位量により決定されるため、起歪体４の変形量とほぼ比例する。起歪体４が小さいトルクで大きく変形するほど、トルクセンサ１０としてのトルクを測定する感度（又は、測定精度）は良くなる。

図６において、負荷トルクが０〜１０００Ｎｍの間は、ストッパ５の周りに隙間ＳＰがあるため、ストッパ５の影響を受けずに梁部３は変形する。したがって、この間は、起歪体４も変形し易く、センサとしての感度は良い。一方、負荷トルクが１０００Ｎｍを超えると、隙間ＳＰが潰れてストッパ５が梁部３に接触し始める。このため、ストッパ５の剛性を受けて、梁部３が変形し難くなる。これにより、センサとしての感度は悪くなるが、過大負荷で、梁部３が塑性変形したり、破壊したりするのを防止する。

図６では、１０００Ｎｍでの変位量は２０μｍとなっている。仮にストッパ５が無く、最大負荷となる２０００Ｎｍまで負荷を増やすと、単純計算での変位量は２倍である４０μｍとなる。しかし、ストッパ５が梁部３と接触してからは、負荷に対しての弾性変形率が下がるため、実際の最大負荷時の変形量は約２６μｍに抑えられる。

図７は、本実施形態に係るトルクセンサ１０の負荷トルクと起歪体４の歪量を示すグラフ図である。トルクセンサ１０は、図６と同じである。

図７でも、図６と同様に、１０００Ｎｍでの歪量は１０μｍであるから、ストッパ５が無い場合、最大負荷となる２０００Ｎｍまで負荷を増やすと、単純計算での歪量は２０μＳＴとなる。しかし、ストッパ５を設けることにより、実際の最大負荷時の歪量は１３μＳＴに抑えられる。

本実施形態によれば、ストッパ５を設けることで、Ｚ軸モーメントＭｚのトルクが基準値以下であれば、起歪体４を変形し易くして、トルクセンサ１０のセンサとしての感度を高め、トルクが基準値を超えた場合は、梁部３の剛性を向上させて、過大負荷による梁部３の塑性変形又は破壊を防止することができる。

また、トルクによるＺ軸モーメントＭｚ以外の力がトルクセンサ１０に加わった場合についても、ストッパ５により梁部３の剛性を向上させることができる。例えば、隙間ＳＰを設けていない方向に梁部３を変形させるような力に対しては、この力の強さに関係なく、ストッパ５の剛性が常に梁部３の剛性を高くしている。

なお、本実施形態では、ストッパ５を設ける構成について説明したが、これに限らない。例えば、トルクが基準値以下のときよりも基準値を超えたときの方が、梁部３の変形がし難くなるように、梁部３などを構成すれば、ストッパ５を設けなくてもよい。
（第２の実施形態）
図８は、本発明の第２の実施形態に係るトルクセンサ１０Ａの構成を示す構成図である。

トルクセンサ１０Ａは、図１に示す第１の実施形態に係るトルクセンサ１０において、起歪体４を設置するために、第１突起部Ｔ１及び第２突起部Ｔ２の代わりに梁部３Ａを設けたものである。その他の点は、第１の実施形態と同様である。

複数の梁部３Ａは、起歪体４と同数設けられる。梁部３Ａは、複数の梁部３のうち一部の梁部３の形状を変えたものである。

梁部３Ａは、Ｚ軸モーメントＭｚのトルクにより、他の梁部３よりも変形し易い形状にしたものである。具体的には、梁部３Ａの長さが他の梁部３よりも長くなるように、第１領域部１の梁部３Ａと接続される部分を外側（第１領域部１側）に広げるように変形している。また、梁部３Ａの外側部分を他の梁部３よりも細くすることで、さらに変形し易くしている。

本実施形態によれば、第１の実施形態による作用効果に加え、以下の作用効果を得ることができる。

ストッパ５を設けたりすることで、過大なトルクが印加された場合は、梁部３が塑性変形したり、破壊されたりするのを防止するように構成されているため、トルク検出の感度を高めるために起歪体４が設けられる梁部３Ａを変形し易い形状にしても、トルクセンサ１０Ａの耐久性に問題はない。したがって、変形し易い形状にした梁部３Ａに起歪体４を設けることで、起歪体４を通常の梁部３に設けるよりもトルク検出の感度を高めることができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、構成要素を削除、付加又は変更等をしてもよい。また、複数の実施形態について構成要素を組合せ又は交換等をすることで、新たな実施形態としてもよい。このような実施形態が上述した実施形態と直接的に異なるものであっても、本発明と同様の趣旨のものは、本発明の実施形態として説明したものとして、その説明を省略している。

１…第１領域部、２…第２領域部、３…梁部、４…起歪体、５…ストッパ、１０…トルクセンサ。

Claims

環状に形成された第１領域部と、
前記第１領域部の内側で、前記第１領域部と同心円上に位置し、環状に形成された第２
領域部と、
前記第１領域部の内側と前記第２領域部の外側とを接続する複数の梁部と、
前記複数の梁部のうち、他の梁部よりも変形し易い形状の梁部に設けられ、前記第１領域部と前記第２領域部との相対的な変位を検出するための起歪体と、
測定する方向のトルクが基準値を超えた場合、前記梁部の剛性を向上させるための剛性
向上手段と
を備えたことを特徴とするトルクセンサ。
前記剛性向上手段は、前記複数の梁部のうち隣接する２つの梁部の間に、前記梁部の剛
性を向上させる剛性向上部材を設けること
を特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
前記剛性向上部材は、前記隣接する２つの梁部とのそれぞれの隙間を、前記基準値に基
づいて決定された間隔を保つ状態で設けられたこと
を特徴とする請求項２に記載のトルクセンサ。
前記剛性向上部材は、接着剤で前記隙間を保つ状態が維持されたこと
を特徴とする請求項３に記載のトルクセンサ。
前記隙間を保つ状態に前記剛性向上部材を維持するための固定部材
を備えたことを特徴とする請求項３に記載のトルクセンサ。