JP7034811B2 - 歪センサの固定装置とそれを用いたトルクセンサ - Google Patents

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歪センサの固定装置とそれを用いたトルクセンサに関する。

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梁としての複数の起歪部とを有し、これら起歪部にセンサ素子としての複数の歪ゲージが配置されている。これら歪ゲージによりブリッジ回路が構成されている（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 特開２０１７－１７２９８３号公報

一般に、歪センサは、金属製の起歪体上にセンサ素子としての複数の歪ゲージが設けられている。この歪センサをトルクセンサに固定する方法として、例えば溶接を用いる方法、接着剤を用いる方法、複数のねじを用いる方法がある。

しかし、溶接により歪センサを構造体に固定する場合、溶接による起歪体の急激な温度上昇を伴う。このため、起歪体及び歪ゲージの組成や形状などが変化し、歪センサの性能に影響を与える可能性がある。

また、接着剤を用いて歪センサを構造体に固定する場合、起歪体と構造体との間に低剛性の接着剤が介在する。このため、構造体の変形が直接起歪体に伝達されず、歪センサの感度を低下させる可能性がある。

一方、ねじを用いて歪センサを構造体に固定する場合、起歪体上に押え部材を設け、押え部材をねじにより構造体に締結することにより、押え部材によって、起歪体が構造体に固定される。このような構成の場合、押え部材と起歪体は面接触するため、押え部材は、起歪体に対して高い押圧力を保持する必要がある。高い押圧力を保持するため、押え部材の大型化及び高剛性化、ねじの大型化及びねじの数の増加が必要である。したがって、押え部材やねじが設けられるトルクセンサの小型、薄型化が困難となる。

本実施形態は、センサ性能の低下及び装置構成の大型化を防止して、歪センサを構造体に確実に固定することが可能な歪センサの固定装置とそれを用いたトルクセンサを提供する。

実施形態に係る歪センサの固定装置は、第１端部と第２端部を有し、前記第２端部が第１構造体の上に設けられた起歪体の第３端部に接触可能な固定部材と、前記固定部材の前記第１端部に設けられた支点としての突起、又は前記第１構造体に設けられ、その上に前記第１端部が載置される支点としての突起と、前記固定部材の前記第１端部と前記第２端部の間で、前記突起以外の位置に配置され、前記第１構造体に挿入されたねじが螺合されるねじ穴と、を具備する。

実施形態のトルクセンサは、第１構造体と、第２構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体とを接続する複数の第３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と、前記第１構造体に設けられ、前記起歪体の第１端部を前記第１構造体に固定する第１固定装置と、前記第２構造体に設けられ、前記起歪体の第２端部を前記第２構造体に固定する第２固定装置と、を具備し、前記第１固定装置及び前記第２固定装置のそれぞれは、第３端部及び第４端部を有し、前記第４端部が前記第１構造体の上に設けられた前記起歪体の前記第１端部又は前記第２構造体の上に設けられた前記起歪体の前記第２端部に接触する固定部材と、前記固定部材の前記第３端部と前記第１構造体の前記第３端部に対応する部分との一方、又は前記固定部材の前記第３端部と前記第２構造体の前記第３端部に対応する部分との一方に設けられた突起と、前記第１構造体又は前記第２構造体に挿入され、前記固定部材の前記第３端部と前記第４端部の間に螺合されるねじと、を具備する。

本実施形態が適用されるトルクセンサを示す平面図。 図１の一部を除いて示す平面図。 図２の一部を除いて示す平面図。 図３の斜視図。 図３に破線で示すＡ部を拡大して示す平面図。 図１のＢ部を拡大して示す平面図。 本実施形態を示すものであり、図２のＶＩＩ－ＶＩＩ線に沿った断面図。 図７に示す固定部材と起歪体の関係を示す平面図。

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は、本実施形態が適用されるトルクセンサ１０の一例を示している。トルクセンサ１０の構成は、これに限定されるものでなく、様々な構成のトルクセンサに適用することが可能である。また、トルクセンサに限らず、歪ゲージを用いた力覚センサなどに本実施形態を適用することも可能である。

図１において、トルクセンサ１０は、第１構造体１１、第２構造体１２、複数の第３構造体１３、第４構造体１４、第５構造体１５、ストッパー１６、１７、カバー１８を具備している。

第１構造体１１と、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２構造体１２は、第１構造体１１と同心状に配置され、第１構造体１１と第２構造体１２は、放射状に配置された複数の梁部としての第３構造体１３により連結されている。第２構造体１２は、中空部１２aを有しており、中空部１２aには、例えば図示せぬ配線が通される。

第１構造体１１は、例えば被計測体に連結され、複数の第３構造体１３は、第１構造体１１から第２構造体１２にトルクを伝達する。逆に、第２構造体１２を被計測体に連結し、第２構造体１２から第１構造体１１に複数の第３構造体１３を介してトルクを伝達してもよい。

第１構造体１１、第２構造体１２、複数の第３構造体１３は、金属、例えばステンレス鋼により構成されるが、印加されるトルクに対して機械的に十分な強度を得ることができれば、金属以外の材料を使用することも可能である。

図２は、図１のストッパー１６、１７を外した状態を示している。第１構造体１１と第２構造体１２との間には、第１歪センサ１９、第２歪センサ２０が設けられている。すなわち、後述するように、第１歪センサ１９と第２歪センサ２０の一端部は、第１構造体１１に接合され、第１歪センサ１９と第２歪センサ２０の他端部は、第２構造体１２に接合されている。

また、第１歪センサ１９と第２歪センサ２０は、第１構造体１１及び第２構造体１２の中心（トルクの作用中心）に対して対称な位置に配置されている。換言すると、第１歪センサ１９と第２歪センサ２０は、環状の第１構造体１１及び第２構造体１２の直径上に配置されている。

第１歪センサ１９と第２歪センサ２０の厚み、すなわち、後述する起歪体の厚みは、第３構造体１３の厚みより薄い。トルクセンサ１０の機械的な強度は、第３構造体１３の厚みや幅により設定される。起歪体には、センサ素子としての複数の歪ゲージが設けられ、これらセンサ素子によりブリッジ回路が構成される。

ストッパー１６、１７は、第１歪センサ１９と第２歪センサ２０の機械的な変形を保護するとともに、第１歪センサ１９と第２歪センサ２０への水分の侵入を防ぐ防水カバーとしての機能を有している。ストッパー１６、１７の詳細については、後述する。

第１歪センサ１９はフレキシブル基板２１に接続され、第２歪センサ２０はフレキシブル基板２２に接続されている。フレキシブル基板２１、２２は、カバー１８により覆われた図示せぬプリント基板に接続されている。プリント基板には、後述するブリッジ回路の出力電圧を増幅する演算増幅器などが配置されている。回路構成は、本実施形態の本質ではないため、説明は省略する。

図３、図４は、図１、図２から第１歪センサ１９と第２歪センサ２０、フレキシブル基板２１、２２及びカバー１８等を外し、第１構造体１１、第２構造体１２、複数の第３構造体１３、第４構造体１４、第５構造体１５のみを示している。

トルクセンサ１０は、トルク（Ｍｚ）以外の方向、特に、図示矢印Ｆｚ方向、Ｍｘ方向の力がトルクセンサ１０に印加された際、第１歪センサ１９及び第２歪センサ２０の起歪体に設けられたセンサ素子としての複数の歪ゲージに歪が集中しない構造とされている。

具体的には、第１構造体１１及び第２構造体１２の中心に対して対称な位置に第４構造体１４と第５構造体１５とが設けられ、第４構造体１４は、第１構造体１１から第２構造体１２に連続する凹部１４ｆを有し、第５構造体１５は第１構造体１１から第２構造体１２に連続する凹部１５ｆを有している。後述するように、第１歪センサ１９は、第４構造体１４の凹部１４ｆ内に配置され、第２歪センサ２０は、第５構造体１５の凹部１５ｆ内に配置される。

尚、図１乃至図４は、第１歪センサ１９と第２歪センサ２０の２つの歪センサを具備する場合について示しているが、歪センサの数は、３つ以上であってもよい。この場合、歪センサの数に応じて構造体の数を増加すればよい。

第４構造体１４及び第５構造体１５は、同一の構成であるため、第４構造体１４についてのみ具体的に説明する。

図５に示すように、第４構造体１４は、第１歪センサ１９を接合する接合部としての第１接続部１４ａ及び第２接続部１４ｂと、梁としての第３接続部１４ｃ及び第４接続部１４ｄと、第１接続部１４ａ、第２接続部１４ｂ、第３接続部１４ｃ及び第４接続部１４ｄとに囲まれた開口部１４ｅと、を有している。

換言すると、第４構造体１４は、第１構造体１１と第２構造体１２との間に設けられた開口部１４ｅを有する梁である。

第１接続部１４ａは、第１構造体１１から第２構造体１２側に延出している。第２接続部１４ｂは、第２構造体１２から第１構造体１１側に延出している。

梁としての第３接続部１４ｃ及び第４接続部１４ｄは、第１接続部１４ａと第２接続部１４ｂとの間に設けられている。

第３接続部１４ｃ及び第４接続部１４ｄの長さＬ１は、梁としての第３構造体１３の長さＬ２（図１にも示す）より短い。第３接続部１４ｃ及び第４接続部１４ｄのトルク（Ｍｚ）方向の幅Ｗ１は、第１接続部１４ａ及び第２接続部１４ｂのトルク方向の幅Ｗ２より狭く、第３接続部１４ｃ及び第４接続部１４ｄの幅Ｗ１の合計は、第３構造体１３のトルク（Ｍｚ）方向の幅Ｗ３（図１に示す）より狭い。このため、第３接続部１４ｃ及び第４接続部１４ｄのトルク方向の剛性は、第１接続部１４ａ、第２接続部１４ｂ及び第３構造体１３のトルク方向の剛性に比べて低い。

また、第３接続部１４ｃ及び第４接続部１４ｄのＦｚ方向の厚みは、第１構造体、第２構造体及び第３構造体のＦｚ方向の厚みと等しい。さらに、第１接続部１４ａの長さＬ１１と、第２接続部１４ｂの長さＬ１２と、第３接続部１４ｃ及び第４接続部１４ｄの長さＬ１の合計は、第３構造体１３の長さと等しい。このため、第３接続部１４ｃ及び第４接続部１４ｄのＦｚ方向の剛性は、第３構造体１３のＦｚ方向の剛性よりやや小さくなる。

尚、第１接続部１４ａの長さＬ１１と、第２接続部１４ｂの長さＬ１２と、第３接続部１４ｃ及び第４接続部１４ｄの長さＬ１の合計は、第３構造体１３の長さと等しい場合に限らず、等しくなくてもよい。

尚、本実施形態において、第４構造体１４、第５構造体１５の構成は、これに限定されるものではなく、第１歪センサ１９と第２歪センサ２０を保持できる構成であればよい。

図６は、図１のＢで示す部分を拡大して示している。

図２を参照して説明したように、第１歪センサ１９は、ストッパー１６により覆われ、第２歪センサ２０は、ストッパー１７により覆われている。ストッパー１６及びストッパー１７は、例えばステンレス鋼や鉄系の合金により形成される。ストッパー１６及びストッパー１７は、第１歪センサ１９と第２歪センサ２０の機械的な変形を防止し、複数の歪ゲージ１９－２（図８に示す）を保護する。さらに、ストッパー１６及びストッパー１７は、第１歪センサ１９と第２歪センサ２０の防水カバーを兼ねている。具体的な防水構造については、説明を省略する。

ストッパー１６とストッパー１７の構成は同一であるため、ストッパー１６についてのみ説明する。

図６に示すように、ストッパー１６は、一端部１６ａと他端部１６ｂを有し、ストッパー１６の他端部１６ｂの幅は、一端部１６ａの幅より狭くされている。ストッパー１６の一端部１６ａは、第４構造体１４の第２構造体１２側に形成された係合部としての凹部１４ｆ内に例えば圧入され、固定される。ストッパー１６の他端部１６ｂは、第４構造体１４の第１構造体１１側に形成された凹部１４ｆ内に配置される。ストッパー１６の他端部１６ｂの幅は、第１構造体１１側に設けられた凹部１４ｆの幅より狭く、ストッパー１６の他端部１６ｂの両側と、凹部１４ｆの側面との間には、間隙ＧＰがそれぞれ設けられる。

間隙ＧＰは、第３構造体１３の剛性と定格トルクにより決定される。具体的には、トルクセンサ１０に例えば１０００Ｎ・ｍのトルクが印加され、第１構造体１１が第２構造体１２に対して例えば１０μｍ変形する場合、間隙ＧＰは、例えば１０μｍに設定される。
（固定装置の構成）
図７、図８は、本実施形態に係る歪センサの固定装置３１、３２を示している。固定装置３１は、第１歪センサ１９を構成する起歪体１９－１の第１端部を第１接続部１４ａに固定し、固定装置３２は、起歪体１９－１の第２端部を第２接続部１４ｂに固定する。

固定装置３１、３２は、同一構成であるため、固定装置３１を用いて、その構成について説明し、固定装置３２において、固定装置３１と同一部分には同一符号を付す。

固定装置３１は、固定部材４１とねじ４２を具備している。固定部材４１の幅は、凹部１４ｆの幅より僅かに狭くされ、固定部材４１は、凹部１４ｆ内に設けられた状態で、固定部材４１の側面が凹部１４ｆの側面に接触可能とされている。このため、固定部材４１は、後述するねじで締結されるとき、凹部１４ｆ内での回転が抑制される。

固定部材４１は、第１端部に突起４１ａを有し、第２端部に角部４１ｂを有し、第１端部と第２端部の間にねじ穴４１ｃを有している。

突起４１ａは、凹部１４ｆの底部に接している。突起４１ａの高さＨ１は、起歪体１９－１の厚さＨ２より高い。すなわち、Ｈ１＞Ｈ２である。角部４１ｂは、起歪体１９－１に線接触することが好ましい。このため、角部４１ｂの加工精度は、半径Ｒが０．１ｍｍ以下であることが好ましい。

図８に示すように、固定部材４１の幅は、起歪体１９－１の幅より広く、固定部材４１の角部４１ｂは、起歪体１９－１の第１端部又は第２端部の幅方向の全体に接触可能とされている。

図７に示すように、第１接続部１４ａは第１構造体１１に含まれ、第１接続部１４ａは凹部１４ｆの底部を構成している。凹部１４ｆの底部には、ねじ４２が挿入される貫通孔１４ａ－１が設けられている。第２接続部１４ｂは、第２構造体１２に含まれ、第２接続部１４ｂは、凹部１４ｆの底部を構成している。凹部１４ｆの底部には、ねじ４２が挿入される貫通孔１４ｂ－１が設けられている。ねじ４２は、貫通孔１４ａ－１、１４ｂ－１に挿入された状態で、固定部材４１のねじ穴４１ｃにそれぞれ螺合される。

上記構成において、固定装置３１及び固定装置３２により第１歪センサ１９を固定する場合、図７に示すように、第１歪センサ１９が第１接続部１４ａと第２接続部１４ｂとの間に配置される。この状態において、固定装置３１の固定部材４１の角部４１ｂは、第１歪センサ１９を構成する起歪体１９－１の第１端部に接触され、固定装置３２の固定部材４１の角部４１ｂは、第１歪センサ１９を構成する起歪体１９－１の第２端部に接触される。

この状態において、ねじ４２を締め付けると、固定部材４１は、突起４１ａを支点として図示矢印Ｃ、Ｄ方向に回動され、固定部材４１の角部４１ｂが起歪体１９－１の表面に圧接する。これにより、固定部材４１の角部４１ｂは、図８に示すように、起歪体１９－１の表面に線接触し、起歪体１９－１は、２つの固定部材４１によって第１接続部１４ａと第２接続部１４ｂに固定される。
（実施形態の効果）
上記実施形態によれば、固定部材４１は、ねじ４２を締め付けることにより、突起４１ａを支点として回動し、角部４１ｂが起歪体１９－１に対して線接触する。このため、従来のように起歪体と固定部材が面接触する場合に比べて、起歪体１９－１を第１構造体１１、第２構造体１２に対して高い圧力で固定することが可能である。したがって、第１構造体１１及び第２構造体１２に対する起歪体１９－１の固定強度のばらつきを低下させることができる。

しかも、本実施形態の固定部材４１を用いた固定方法によれば、固定部材４１の角部４１ｂを起歪体１９－１に線接触させるだけで、起歪体１９－１を第１構造体１１と第２構造体１２に固定させることができる。このため、起歪体１９－１を溶接により第１構造体１１及び第２構造体１２に固定する場合のように、起歪体１９－１及び歪ゲージに対する熱的な変形を防止できる。また、起歪体１９－１を接着剤で固定する場合のように、起歪体と第１構造体１１及び第２構造体１２との間に低剛性部が介在しない。したがって、本実施形態の固定部材４１を用いた固定方法によれば、トルクセンサ１０の感度の低下を防止できる。

さらに、例えば起歪体を固定部材と複数のねじを用いて構造体に固定する場合、起歪体より幅が広い固定部材を起歪体上に設け、固定部材の幅方向の両側に設けられた複数のねじを構造体に螺合することにより、起歪体が固定部材により固定される。この場合、複数のねじを締め付けることにより固定部材が変形し、固定部材の幅方向の中央部が起歪体の表面から離れる。このため、起歪体と固定部材との実効的な接触面積が減少し、固定強度が低下する。したがって、押え部材の変形を抑えて必要な固定強度を得るため、押え部材の厚みを厚くする必要がある。

これに対して、本実施形態の場合、固定部材４１は、突起４１aと角部４１ｂとの間に設けられた１つのねじ４２により、固定部材４１を第１構造体１１又は第２構造体１２側に回動させ、固定部材４１の角部４１ｂを起歪体１９－１に線接触させている。このため、固定部材４１の角部４１ｂは起歪体１９－１の幅方向と垂直に交差する方向に殆ど変形しない。したがって、固定部材４１の角部４１ｂは幅方向に途切れることなく、起歪体１９－１に線接触することができる。このため、必要な固定強度を得るために固定部材４１の厚みを必要以上に厚くする必要がなく、固定部材４１の大型化を防止することが可能である。

しかも、固定装置３１、３２は、１つの固定部材４１と１つのねじ４２とにより構成されている。このため、部品点数が少なく、固定装置３１、３２の大型化、及びトルクセンサ１０の大型化を防止することが可能である。

さらに、固定装置３１、３２は、１つの固定部材４１と１つのねじ４２とにより構成されているため、固定装置３１、３２の組み立てが容易である。

尚、固定部材４１は、突起４１aを有しているが、突起４１aは、必ずしも固定部材４１に設けられている必要はなく、例えば第１構造体１１及び第２構造体１２に設けられていてもよい。具体的には、第１接続部１４aの表面及び第２接続部１４ｂの表面で、固定部材の第１端部に対応する部分に突起４１aがそれぞれ設けられ、固定部材４１の第１端部が突起４１aの上に載置されていてもよい。すなわち、固定部材４１は、突起４１aを支点として回動可能に設けられればよい。

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、１１…第１構造体、１２…第２構造体、１３…第３構造体、１９－１…起歪体、３１、３２…固定装置、４１…固定部材、４１a…突起、４１ｂ…角部、４２…ねじ。

Claims (6)

1. 第１端部と第２端部を有し、前記第２端部が第１構造体の上に設けられた起歪体の第３端部に接触可能な固定部材と、
   前記固定部材の前記第１端部に設けられた支点としての突起、又は前記第１構造体に設けられ、その上に前記第１端部が載置される支点としての突起と、
   前記固定部材の前記第１端部と前記第２端部の間で、前記突起以外の位置に配置され、前記第１構造体に挿入されたねじが螺合されるねじ穴と、
   を具備する歪センサの固定装置。
2. 前記突起の高さは、前記起歪体の厚みより高いことを特徴とする請求項１記載の歪センサの固定装置。
3. 前記固定部材の前記第２端部は、前記起歪体の幅より広く、前記起歪体に線接触することを特徴とする請求項１又は２に記載の歪センサの固定装置。
4. 第１構造体と、
   第２構造体と、
   前記第１構造体と前記第２構造体とを接続する複数の第３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と、
   前記第１構造体に設けられ、前記起歪体の第１端部を前記第１構造体に固定する第１固定装置と、
   前記第２構造体に設けられ、前記起歪体の第２端部を前記第２構造体に固定する第２固定装置と、
   を具備し、
   前記第１固定装置及び前記第２固定装置のそれぞれは、
   第３端部及び第４端部を有し、前記第４端部が前記第１構造体の上に設けられた前記起歪体の前記第１端部又は前記第２構造体の上に設けられた前記起歪体の前記第２端部に接触する固定部材と、
   前記固定部材の前記第３端部に設けられた支点としての突起、又は前記第１構造体又は第２構造体に設けられ、その上に前記第３端部が載置される支点としての突起と、
   前記固定部材の前記第３端部と前記第４端部の間で、前記突起以外の位置に配置され、前記第１構造体又は前記第２構造体に挿入されたねじが螺合されるねじ穴と、
   を具備することを特徴とするトルクセンサ。
5. 前記突起の高さは、前記起歪体の厚みより高いことを特徴とする請求項４記載のトルクセンサ。
6. 前記固定部材の前記第４端部は、前記起歪体の幅より広く、前記起歪体に線接触することを特徴とする請求項４又は５記載のトルクセンサ。

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