JP6987676B2 - トルクセンサ - Google Patents

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、測定する方向のトルクに対するセンサの感度を高め、その他の方向のトルクに対する耐久性を向上し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第１梁部と、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し、前記第１領域部又は前記第２領域部との接続部分の幅が前記第１領域部と前記第２領域部との間の中央部分の幅よりも狭く、前記中央部分に穴が設けられ、前記穴を前記第１領域部側と前記第２領域部側に分断するように設けられた補助梁部を含む形状の第２梁部と、前記第２梁部の前記穴を跨ぐように前記第２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を備える。

本発明の実施形態によれば、測定する方向の歪に対するセンサの感度を高め、その他の方向のトルクに対する耐久性を向上し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。 第１の実施形態に係るトルクセンサの歪検出用梁部近傍を拡大した拡大図。 本発明の第２の実施形態に係るトルクセンサの歪検出用梁部近傍を拡大した拡大図。 本発明の第３の実施形態に係るトルクセンサの歪検出用梁部近傍を拡大した拡大図。 本発明の第４の実施形態に係るトルクセンサの歪検出用梁部近傍を拡大した拡大図。

（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、複数の歪検出用梁部４、及び、複数の起歪体５を備える。

第１領域部１、第２領域部２、複数の梁部３、及び、複数の歪検出用梁部４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及び複数の歪検出用梁部４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、第１領域部１と第２領域部２とを接続する役割を持つ。歪検出用梁部４は、梁部３と同じ役割の他に、歪を測定するための起歪体５が設けられる。梁部３は、いくつ設けられてもよい。歪検出用梁部４は、少なくとも起歪体５の数だけは設けられる。

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加わるように、歪検出用梁部４に設けられる。起歪体５は、例えば長方形状である。なお、起歪体５は、いくつ設けられてもよい。

起歪体５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、例えば細長い形状であり、起歪体５の長手方向が歪ゲージの長手方向と一致するように設けられる。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５（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５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５を設ける。測定しない方向の力については、一対の起歪体５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。

図２は、本実施形態に係るトルクセンサ１０の歪検出用梁部４近傍を拡大した拡大図である。

起歪体５は、歪検出用梁部４が第１領域部１と第２領域部２とを接続する方向（以下、「接続方向」という。）と起歪体５の長手方向（又は、歪ゲージの長手方向）が平行になる向きで、歪検出用梁部４の中央に配置される。歪検出用梁部４は、Ｚ軸モーメントＭｚの力を検出し易いように、以下のように構成される。

歪検出用梁部４は、第１領域部１及び第２領域部２との接続部分の幅が第１領域部１と第２領域部２との間の中央部分の幅よりも狭い形状である。具体的には、歪検出用梁部４の両側Ｒは、第１領域部１又は第２領域部２の接続部分（両端）から中央部分に向けて膨らむような曲線に形成される。

歪検出用梁部４の中央部分には、穴Ｈ１が設けられる。穴Ｈ１は、配置される起歪体５の長手方向の中央部分に位置する。起歪体５は、両端で歪検出用梁部４に固定される。起歪体５の両端以外の中央部分は、何処にも固定されず、宙に浮いた形になる。即ち、起歪体５は、穴Ｈ１を跨ぐように歪検出用梁部４に設けられる。

歪検出用梁部４の両端を中央よりも幅を狭くすることで、Ｚ軸モーメントＭｚ以外の力が印加されても、歪検出用梁部４の両端の幅が狭い部分（図２の点線で囲まれた部分）に撓みが集中するようにする。これにより、Ｚ軸モーメントＭｚ以外の力が起歪体５に加わる力を軽減する。また、歪検出用梁部４の中央に穴Ｈ１を設け、起歪体５が両端で固定されるようにすることで、Ｚ軸モーメントＭｚの力により起歪体５が変形し易いようにする。起歪体５は、溶接などにより、歪検出用梁部４に固定される。

起歪体５を歪検出用梁部４に固定する場合、端ではなく、端よりも少し内側の箇所Ｗで固定することで、トルクによる応力が起歪体５の端に集中することを避けられる。但し、端で固定した方が、トルクによる応力が起歪体５に加わり易い。このため、センサとしての感度を高くするために、端で固定してもよい。

本実施形態によれば、歪検出用梁部４について、第１領域部１及び第２領域部２との接続部分の幅を第１領域部１と第２領域部２との間の中央部分の幅よりも狭くし、設けられた起歪体５の中央部分に位置する箇所に穴Ｈ１を設けて、起歪体５の両端部分が歪検出用梁部４に固定される。これにより、Ｚ軸モーメントＭｚのトルクに対するセンサの感度を高め、Ｚ軸モーメントＭｚ以外の方向のトルクに対する耐久性を向上することができる。
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係るトルクセンサ１０Ａの歪検出用梁部４Ａ近傍を拡大した拡大図である。

トルクセンサ１０Ａは、図２に示す第１の実施形態に係るトルクセンサ１０において、歪検出用梁部４を歪検出用梁部４Ａに代えたものである。その他の点は、第１の実施形態と同様である。

歪検出用梁部４Ａは、第１の実施形態に係る歪検出用梁部４において、補助梁部ＢＭを、第１の実施形態に係る歪検出用梁部４の幅方向（接続方向と垂直の方向）と平行に、穴Ｈ１の中央部分に設けたものである。２つの穴Ｈ１１，Ｈ１２は、第１の実施形態に係る穴Ｈ１が補助梁部ＢＭにより分断されたものに相当する。補助梁部ＢＭは、２つの穴Ｈ１１，Ｈ１２が第１領域部１側と第２領域部２側に分断されるように設けられていれば、接続方向と必ずしも垂直でなくてもよい。その他の点は、第１の実施形態に係る歪検出用梁部４と同様である。

補助梁部ＢＭの中央部分の上には、起歪体５が位置する。起歪体５は、補助梁部ＢＭには固定されないが、固定されてもよい。

歪検出用梁部４Ａは、補助梁部ＢＭが設けられた形状にすることで、図３に点線で示すように、Ｈ型形状部分を含む形状になる。このＨ型形状部分は、Ｚ軸モーメントＭｚの方向の力に対しては変形し易いが、Ｙ軸モーメントＭｙの方向の力に対しては変形し難い。

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。

歪検出用梁部４Ａは、補助梁部ＢＭを設けることにより、Ｚ軸モーメントＭｚの方向の力に対しては変形し易いが、Ｙ軸モーメントＭｙを含むＺ軸モーメントＭｚ以外の方向の力に対しては変形し難い形状にすることができる。これにより、Ｚ軸モーメントＭｚの方向のトルクに対するセンサの感度を下げないようにして、Ｚ軸モーメントＭｚ以外の方向の外力に対する耐久性を向上することができる。
（第３の実施形態）
図４は、本発明の第３の実施形態に係るトルクセンサ１０Ｂの歪検出用梁部４Ｂ近傍を拡大した拡大図である。

トルクセンサ１０Ｂは、図２に示す第１の実施形態に係るトルクセンサ１０において、歪検出用梁部４を歪検出用梁部４Ｂに代えたものである。その他の点は、第１の実施形態と同様である。

歪検出用梁部４Ｂは、第１の実施形態に係る歪検出用梁部４において、第１領域部１との接続部分と第２領域部２との接続部分のそれぞれの付近で、穴Ｈ１から接続方向の延長線上に、肉抜き部Ｌ１を設けたものである。その他の点は、第１の実施形態に係る歪検出用梁部４と同様である。

肉抜き部Ｌ１は、歪検出用梁部４Ｂの肉抜き部Ｌ１以外の部分と比較して、軽量化されるように形成される。肉抜き部Ｌ１は、他の部分と比較して厚みが薄くなるように窪みに形成してもよいし、穴があくように形成してもよい。なお、肉抜き部Ｌ１は、第１領域部１との接続部分と第２領域部２との接続部分のいずれか一方にのみ設けてもよい。また、両方に設ける場合でも、それぞれの形状が異なってもよい。

肉抜き部Ｌ１は、特に、Ｚ軸方向に力が加わるときに、この力による撓みをこの部分に集中させ、歪検出用梁部４Ｂの起歪体５が設けられた中央部分に加わる力を軽減する。

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。

歪検出用梁部４Ｂに、肉抜き部Ｌ１を設けることにより、Ｚ軸方向の力に対して、起歪体５が設けられた中央部分に加わる力を軽減することができる。これにより、起歪体５は、Ｚ軸方向の力に対する歪を軽減でき、Ｚ軸モーメントＭｚの方向のトルクに対するセンサの感度を向上することができる。
（第４の実施形態）
図５は、本発明の第４の実施形態に係るトルクセンサ１０Ｃの歪検出用梁部４Ｃ近傍を拡大した拡大図である。

トルクセンサ１０Ｃは、図２に示す第１の実施形態に係るトルクセンサ１０において、歪検出用梁部４を歪検出用梁部４Ｃに代えたものである。その他の点は、第１の実施形態と同様である。

歪検出用梁部４Ｃは、第１の実施形態に係る歪検出用梁部４において、第２の実施形態に係る補助梁部ＢＭ及び第３の実施形態に係る肉抜き部Ｌ１を設けたものである。

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、第２の実施形態及び第３の実施形態のそれぞれの作用効果を得ることができる。

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…歪検出用梁部、５…起歪体、１０…トルクセンサ。

Claims (3)

1. 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第１梁部と、
   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し、前記第１領域部又は前記第２領域部との接続部分の幅が前記第１領域部と前記第２領域部との間の中央部分の幅よりも狭く、前記中央部分に穴が設けられ、前記穴を前記第１領域部側と前記第２領域部側に分断するように設けられた補助梁部を含む形状の第２梁部と、
   前記第２梁部の前記穴を跨ぐように前記第２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
   を備えたことを特徴とするトルクセンサ。
2. 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第１梁部と、
   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し、前記第１領域部又は前記第２領域部との接続部分の幅が前記第１領域部と前記第２領域部との間の中央部分の幅よりも狭く、前記中央部分に穴が設けられ、前記穴から前記第１領域部と前記第２領域部とを接続する接続方向の延長線上に、前記第１領域部又は前記第２領域部との少なくとも１つの接続部分の付近で、肉抜きされた形状の第２梁部と、
   前記第２梁部の前記穴を跨ぐように前記第２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
   を備えたことを特徴とするトルクセンサ。
3. 前記起歪体は、前記第２梁部の両端よりも内側に固定されたこと
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のトルクセンサ。

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