JP7062827B2 - トルクセンサ - Google Patents
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Description
(第1の実施形態)
図3、図4は、第1の実施形態を示すものであり、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。
式(1)(2)の値がいずれも“1”であれば、高剛性部HS1と低剛性部LS1、LS2の断面二次モーメントは等しく、低剛性部LS1、LS2に変形は集中しない。式(1)(2)の値がいずれも“1”より大きければ大きいほど、低剛性部LS1、LS2に変形が集中することとなる。
具体的には、図8Aは、図7に示すVIIIA-VIIIA線に沿った断面図であり、高剛性部HS1の寸法の一例を示している。図8Bは、図7に示すVIIIB-VIIIB線に沿った断面図であり、低剛性部LS1、LS2の寸法の一例を示している。
ここで、h=e1-t、
e1=(aH2+bt2)/(2(aH+bt))
e2=H-e1
このため、図8Aに示す高剛性部HS1にトルク以外(Fz)の方向の力が印加された場合における軸N1-N1に関する断面二次モーメントIsは、式(4)により求めることができる。
=(14×63-8×(6-5.8)3+6×63)/3
=1440
また、図8Bに示すように、長方形の断面を有する低剛性部LS1、LS2にトルク以外(Fz)の方向の力が印加された場合における、軸N2-N2に関する断面二次モーメントIsは、次の通りである。ここで、軸N2-N2は、低剛性部LS1、LS2の厚さ方向の中心を通る軸である。
式(5)に図8Bに示す寸法を代入すると、次のようになる。
=288
図8Bに示す低剛性部LS1、LS2は、2つの長方形の断面を有するため、軸N2-N2に関するトルク以外(Fz)の方向の断面二次モーメントIwは、次式(6)で表される。
したがって、軸N2-N2に関するトルク以外(Fz)の方向の断面二次モーメントIwは、次のようになる。
一方、図8Eに示すように、U字型の断面を有する高剛性部HS1において、トルク(Mz)方向の力を印加したとき、軸N3-N3に関する断面二次モーメントJsは、次の通りである。ここで、軸N3-N3は、高剛性部HS1の幅方向の中心を通る軸である。
式(7)に図8Aに示す寸法を代入すると、次のようになる。
=2479
また、図8Fに示すように、長方形の断面を有する低剛性部LS1、LS2において、トルク(Mz)方向の力を印加したとき、軸N4-N4に関する断面二次モーメントJw’は、図8Dを用いて説明したように、次式(8)で表される。ここで、軸N4-N4は、低剛性部LS1の幅方向の中心を通る軸である。
式(8)に図8Bに示す寸法を代入すると、次のようになる。
=8
図8Fに示す低剛性部LS1、LS2は、2つの長方形の断面を有するため、軸N4-N4に関するトルク(Mz)の方向の断面二次モーメントJwは、次式(9)で表される。
したがって、軸N2-N2に関するトルク以外(Fz)の方向の断面二次モーメントIwは、次のようになる。
上記のようにして求めたトルク以外(Fz)の方向の断面二次モーメントIs=1440、Iw=576、トルク(Mz)方向の断面二次モーメントJs=2479、Jw=16を上記式(3)に代入すると、次のようになり、式(3)の条件を満たしていることが分る。
2479/16>1440/576
155>2.5
したがって、第4構造体14、第5構造体15は、トルク(Mz)方向の力に対して変形し易く、トルク以外(Fz)の方向の力に対して変形し難いことが分かる。
(第1の実施形態の効果)
第1の実施形態によれば、第1歪センサ19が設けられる第4構造体14、及び第2歪センサ20が設けられる第5構造体15は、それぞれトルク(Mz)方向及びトルク以外(Fz、Mx)の方向の力に対して高剛性部として作用する第1接続部14a及び第2接続部14bと、トルク(Mz)方向の力に対して低剛性部として作用し、トルク以外(Fz、Mx)の方向の力に対して高剛性部として作用する第3接続部14c及び第4接続部14dを具備している。このため、第1歪センサ19及び第2歪センサ20の歪ゲージ51、52、53、54にトルク以外の方向の力によって生じる歪が集中することを防止できる。したがって、歪ゲージ51、52、53、54に印加される歪の絶対量を低減でき、第1歪センサ19及び第2歪センサ20のトルク以外の方向の力に対する検出電圧を大幅に低減できる。よって、トルクやトルク以外の他軸干渉を防止して形状の大型化を防止でき、高精度のトルクセンサを提供することが可能である。
(第2の実施形態)
図12は、第2の実施形態を示している。
=(R3/(R2+R3)-R1/(R1+R4))・Vo …(5)
ここで、R1は、歪ゲージ51の抵抗値、R2は、歪ゲージ52の抵抗値、R3は、歪ゲージ53の抵抗値、R4は、歪ゲージ54の抵抗値である。
(第2の実施形態の効果)
上記第2の実施形態によれば、第1歪センサ19と第2歪センサ20のそれぞれは、第1構造体11と、第2構造体12との間に接続された起歪体41と、起歪体41に設けられたセンサ素子としての複数の歪ゲージ51、52、53、54とを具備し、複数の歪ゲージ51、52、53、54は、起歪体41の長手方向中央部CTより第2構造体12側の領域AR1に配置されている。起歪体41の領域AR1は、第1歪センサ19と第2歪センサ20のそれぞれに、トルク方向の力が印加された場合の歪(感度)(a1、a2)と、トルク以外の方向の力が印加された場合の歪(感度)(b1、b2)の差が少ない領域である(a1≒b1、a2≒b2、a1≠a2)。このため、第1歪センサ19と第2歪センサ20のそれぞれに対してトルクの感度を調整することによって、第1構造体11、第2構造体12、第3構造体13の加工精度や、第1構造体11、第2構造体12に対する第1歪センサ19と第2歪センサ20の配置精度に依存することなく、トルクの検出精度の低下を防止することができる。
(第3の実施形態)
図16は、第3の実施形態を示すものであり、図1のBで示す部分を拡大して示している。
(第3の実施形態の効果)
上記第3の実施形態によれば、第1歪センサ19及び第2歪センサ20にカバーとしてのストッパー16を設け、ストッパー16の一端部16aは、第2構造体12側の凹部14f内に固定され、他端部16bは、トルクセンサ10に定格トルクより大きなトルクが印加された場合、第1構造体11側の凹部14fの側面に当接する。このため、第1歪センサ19及び第2歪センサ20を保護することが可能である。さらに、第1歪センサ19及び第2歪センサ20以外の構造体も、第1歪センサ19及び第2歪センサ20と同様に、塑性変形などから保護される。
(変形例)
図20は、第3の実施形態の第1の変形例を示すものである。第3の実施形態において、ストッパー16は、他端部16bが第1構造体11側の凹部14fの側面に当接することにより、第1歪センサ19を保護した。
Claims (8)
- 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少なくとも1つの第4構造体と、
前記第4構造体に設けられた歪センサと、
を具備し、
前記第4構造体は、
前記第1構造体に設けられ、前記歪センサの一端部が接続される第1接続部と、
前記第2構造体に設けられ、前記歪センサの他端部が接続される第2接続部と、
前記第1接続部と前記第2接続部との間に設けられ、前記第1接続部及び前記第2接続部のトルク方向の剛性より低いトルク方向の剛性を有し、トルク以外の方向の力に対してトルク方向の剛性より高い剛性を有する第3接続部と第4接続部と、
を具備することを特徴とするトルクセンサ。 - 環状の第1構造体と、
前記第1構造体と同心状に配置された環状の第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少なくとも1つの第4構造体と、
前記第4構造体に設けられた歪センサと、
を具備し、
前記第4構造体は、
前記第1構造体に設けられ、前記歪センサの一端部が接続される第1接続部と、
前記第2構造体に設けられ、前記歪センサの他端部が接続される第2接続部と、
前記第1接続部と前記第2接続部との間に設けられ、前記第1接続部及び前記第2接続部のトルク方向の剛性より低いトルク方向の剛性を有し、トルク以外の方向の力に対してトルク方向の剛性より高い剛性を有する第3接続部と第4接続部と、
を具備することを特徴とするトルクセンサ。 - 前記第3接続部と前記第4接続部の前記第1構造体から前記第2構造体へと向かう方向に沿った長さは、前記第3構造体の前記第1構造体から前記第2構造体へと向かう方向に沿った長さより短いことを特徴とする請求項1又は2記載のトルクセンサ。
- 前記第3接続部と前記第4接続部の前記第1構造体から前記第2構造体へと向かう方向と交差し、前記第1構造体の平面に沿った方向の幅は、前記第3構造体の前記第1構造体から前記第2構造体へと向かう方向と交差し、前記第1構造体の平面に沿った方向の幅より狭いことを特徴とする請求項1又は2記載のトルクセンサ。
- 前記第1接続部と前記第2接続部の前記第1構造体から前記第2構造体へと向かう方向と交差し、前記第1構造体の平面に沿った方向の幅は、前記第3接続部と前記第4接続部の前記第1構造体から前記第2構造体へと向かう方向と交差し、前記第1構造体の平面に沿った方向の幅より広いことを特徴とする請求項1又は2記載のトルクセンサ。
- 前記第1接続部と前記第2接続部の前記第1構造体から前記第2構造体へと向かう方向と交差し、前記第1構造体の平面と交差する方向の厚さは、前記第3接続部と前記第4接続部の前記第1構造体から前記第2構造体へと向かう方向と交差し、前記第1構造体の平面と交差する方向の厚さより薄いことを特徴とする請求項1又は2記載のトルクセンサ。
- 前記第1接続部にトルク方向の力を印加した場合の断面二次モーメントをJsで表し、前記第3接続部及び前記第4接続部にトルク方向の力を印加した場合の断面二次モーメントをJwで表し、前記第1接続部にトルク方向以外の力を印加した場合の断面二次モーメントをIsで表し、前記第3接続部及び前記第4接続部にトルク方向以外の力を印加した場合の断面二次モーメントをIwで表した場合、Js、Jw、Is、Iwが次式
Js/Jw>Is/Iw
の関係を満たすことを特徴とする請求項1又は2記載のトルクセンサ。 - 前記第4構造体は、前記歪センサが配置される凹部を有し、前記歪センサの表面は、前記第1構造体、前記第2構造体、複数の前記第3構造体、及び少なくとも1つの前記第4構造体からなる構造体の重心を含む面と一致されていることを特徴とする請求項1又は2記載のトルクセンサ。
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