KR102368172B1 - 토크 센서 - Google Patents

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KR102368172B1
KR102368172B1 KR1020197011293A KR20197011293A KR102368172B1 KR 102368172 B1 KR102368172 B1 KR 102368172B1 KR 1020197011293 A KR1020197011293 A KR 1020197011293A KR 20197011293 A KR20197011293 A KR 20197011293A KR 102368172 B1 KR102368172 B1 KR 102368172B1
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타카시 스즈키
타카오 이케다
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니혼 덴산 고빠루 덴시 가부시키가이샤
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Abstract

왜곡 센서의 감도나 허용 토크, 혹은 토크 센서의 기계적인 강도를 독립적으로 설정하는 것이 가능한 토크 센서를 제공한다. 토크 센서는 제1 영역, 제2 영역, 제1 영역과 제2 영역을 연결하는 복수의 제3 영역을 구비하고, 계측할 토크가 제3 영역을 통해 제1 영역과 제2 영역 사이로 전달된다. 제1 기왜부(14)는 제1 영역(11)과 상기 제2 영역(12) 사이에 설치되며, 제1 저항체가 설치된다. 제2 기왜부(15)는 제1 영역(11)과 제2 영역(12) 사이에서, 제1 기왜부에서 떨어진 위치에 설치되며, 제2 저항체가 설치된다.

Description

토크 센서
본 발명의 실시 형태는, 예를 들면 로봇 암의 관절에 설치되는 토크 센서에 관한 것이다.
이런 종류의 토크 센서는, 토크가 인가(印加)되는 제1 구조체, 토크가 출력되는 제2 구조체, 제1 구조체와 제2 구조체를 연결하는 복수의 기왜부(起歪部)를 가지고, 이들 기왜부에 왜곡 센서가 배치되어 있다(예를 들면 특허 문헌 1, 2, 3 참조).
[선행기술문헌]
[특허문헌]
[특허 문헌 1] 일본 특개2013-096735호 공보
[특허 문헌 2] 일본 특개2015-049209호 공보
[특허 문헌 3] 일본 특허제5640905호 공보
토크 센서에서, 왜곡 센서의 감도나 허용 토크(최대 토크), 혹은 토크 센서의 기계적인 강도를 독립적으로 설정하는 것이 어려웠다.
본 발명의 실시 형태는, 왜곡 센서의 감도나 허용 토크, 혹은 토크 센서의 기계적인 강도를 독립적으로 설정하는 것이 가능한 토크 센서를 제공한다.
본 실시 형태의 토크 센서는, 제1 영역, 제2 영역, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역을 연결하는 복수의 제3 영역을 구비하고, 계측할 토크가 상기 제3 영역을 통해 상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이에 전달되는 토크 센서로서, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이에 설치되며, 제1 저항체가 설치된 제1 기왜부, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이에서, 상기 제1 기왜부에서 떨어진 위치에 설치되며, 제2 저항체가 설치된 제2 기왜부를 구비한다.
본 발명은, 왜곡 센서의 감도나 허용 토크, 혹은 토크 센서의 기계적인 강도를 독립적으로 설정하는 것이 가능한 토크 센서를 제공할 수 있다.
도 1은 본 실시 형태에 관련된 토크 센서를 나타낸 평면도이다.
도 2는 도 1의 II-II선에 따른 단면도이다.
도 3은 도 1에 나타낸 토크 센서를 분해하여 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3에 나타낸 토크 센서의 조립 상태를 나타낸 사시도이다.
도 5는 저항체의 일례를 나타낸 단면도이다.
도 6은 도 1에 나타낸 토크 센서와 로봇의 관절의 관계를 나타낸 사시도이다.
도 7의 (a), (b), (c)는 본 실시 형태의 토크 센서의 다른 동작을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 8은 본 실시 형태의 토크 센서에 적용되는 브리지 회로의 일례를 나타낸 도면이다.
도 9의 (a), (b)는 브리지 회로의 동작을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 10은 브리지 회로의 다른 동작 조건에서의 출력 전압을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
이하, 실시 형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 도면에서 동일한 부분에는 동일한 부호를 부여하고 있다.
도 1, 도 2에서, 토크 센서(10)는 제1 구조체(11)(제1 영역), 제2 구조체(12)(제2 영역), 복수의 빔(beam)부(13)(제3 영역), 제1 기왜(起歪)부(14), 제2 기왜부(15)를 구비하고 있다. 제1 구조체(11), 제2 구조체(12), 복수의 빔부(13), 제1 기왜부(14), 제2 기왜부(15)는, 예를 들면 금속으로 구성되지만, 인가되는 토크에 대하여 기계적인 강도를 충분히 얻을 수 있으면, 금속 이외의 재료를 사용하는 것도 가능하다.
토크가 인가되는 제1 구조체(11)와 토크를 출력하는 제2 구조체(12)는 환형(環狀)이다. 제2 구조체(12)의 지름은 제1 구조체(11)의 지름보다 작다. 제2 구조체(12)는 제1 구조체(11)와 동심형(同心狀)으로 배치되고, 제1 구조체(11)와 제2 구조체(12)는 방사형으로 배치된 복수의 빔부(13)와, 제1 기왜부(14) 및 제2 기왜부(15)에 의해 연결된다. 또, 제2 구조체(12)는 중공(中空)부(12a)를 가지고 있다.
제1 기왜부(14)와 제2 기왜부(15)는 제1 구조체(11) 및 제2 구조체(12)의 중심(토크의 작용 중심)에 대하여 대칭인 위치에 배치되어 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 제1 기왜부(14)는 제1 돌기(14a), 제2 돌기(14b), 제1 기왜체(16)를 구비하고 있다. 제1 돌기(14a)는 제1 구조체(11)로부터 돌출되며, 제2 돌기(14b)는 제2 구조체(12)로부터 돌출되어 있다. 제1 돌기(14a)와 제2 돌기(14b)의 상호 사이에는 제1 간극(間隙)이 설치되고, 제1 돌기(14a)와 제2 돌기(14b)는 제1 기왜체(16)에 의해 연결되어 있다. 제1 기왜체(16)는 후술하는 저항체로서 예를 들면 복수의 왜곡 센서(이하, 왜곡 게이지라 한다)를 구비하고 있다.
제2 기왜부(15)는 제3 돌기(15a), 제4 돌기(15b), 제2 기왜체(17)를 구비하고 있다. 제3 돌기(15a)는 제1 구조체(11)로부터 돌출되며, 제4 돌기(15b)는 제2 구조체(12)로부터 돌출되어 있다. 제3 돌기(15a)와 제4 돌기(15b)의 상호 사이에는 제2 간극이 설치되고, 제3 돌기(15a)와 제4 돌기(15b)는 제2 기왜체(17)에 의해 연결되어 있다. 제2 기왜체(17)는 후술하는 저항체로서 예를 들면 복수의 왜곡 게이지를 구비하고 있다.
제1 구조체(11), 제2 구조체(12) 및 빔부(13)는 제1 두께 T1을 가지며, 제1 기왜부(14) 및 제2 기왜부(15)는 제1 두께 T1 보다 얇은 제2 두께 T2를 가지고 있다. 제1 기왜부(14) 및 제2 기왜부(15)의 강성을 얻기 위한 실질적인 두께(제2 두께 T2)는, 각각 제1 기왜체(16) 및 제2 기왜체(17)의 두께에 해당된다. 구체적으로는, 제1 두께 T1이 예를 들면 10㎜인 경우, 제2 두께 T1은 예를 들면 0.7㎜ 정도이다.
빔부(13)의 강도는, 제1 구조체(11) 및 제2 구조체(12)의 두께가 동일한 것으로 가정했을 경우, 빔부(13)의 폭에 의해 규정된다. 복수의 빔부(13)의 강도에 의해, 제1 구조체(11)에 인가된 토크에 따라, 제2 구조체(12)에 대한 제1 구조체(11)의 실질적인 회전각이 결정된다.
또, 제2 구조체(12)에 대한 제1 구조체(11)의 회전각에 따라 제1 기왜부(14), 제2 기왜부(15)에 발생한 왜곡이 제1 기왜체(16) 및 제2 기왜체(17)에 설치된 복수의 왜곡 게이지에 의해 검출된다.
제1 돌기(14a), 제2 돌기(14b), 제3 돌기(15a), 제4 돌기(15b)의 두께는, 예를 들면 제1 두께 T1 보다 얇고, 제2 두께 T2 보다 두꺼운 제3 두께 T3으로 설정되어 있다. 제1 구조체(11), 제2 구조체(12)의 두께 T1에 대한 제1 돌기(14a), 제2 돌기(14b), 제3 돌기(15a), 제4 돌기(15b)의 두께는 변경이 가능하다. 이들의 두께 T1, T2, T3을 조정하는 것에 의해, 토크 센서(10)의 감도를 조정하는 것이 가능하다.
제1 기왜부(14)의 제1 돌기(14a)와 제2 돌기(14b)의 길이, 및 제2 기왜부(15)의 제3 돌기(15a)와 제4 돌기(15b)의 길이는, 각각 L1로 설정되며, 제1 돌기(14a)와 제2 돌기(14b) 사이에 설치된 제1 간극의 길이 L2와, 제2 기왜부(15)의 제3 돌기(15a)와 제4 돌기(15b) 사이에 설치된 제2 간극의 길이 L2는, 각각 L1보다 짧게 설정되어 있다. 더욱이, 제1 돌기(14a)와 제2 돌기(14b)의 합계 길이, 및 제3 돌기(15a)와 제4 돌기(15b)의 합계 길이, 즉 2×L1은, 복수의 빔부(13)의 각각의 길이 L3보다 짧다(그리고, 도 2는 제1 기왜부(14) 측의 길이 L1, L2만을 나타내고, L3은 도시되어 있지 않다).
이들의 길이 L1, L2, L3을 조정하는 것에 의해, 제1 구조체(11)에 토크가 인가된 경우에서, 제1 기왜부(14) 및 제2 기왜부(15)에 발생되는 왜곡량을 조정할 수 있다. 구체적으로는, 제1 간극의 길이 L2와 제2 간극의 길이 L2는, 제1 돌기(14a), 제2 돌기(14b), 제3 돌기(15a) 및 제4 돌기(15b)의 길이 L1보다 짧고, 제1 돌기(14a), 제2 돌기(14b), 제3 돌기(15a) 및 제4 돌기(15b)의 길이 L1은, 복수의 빔부(13)의 길이 L3보다 짧다. 이로써, 제1 구조체(11)에 토크가 인가된 경우, 제1 기왜부(14) 및 제2 기왜부(15)의 왜곡량은 빔부(13)의 왜곡량보다 커진다. 이로써, 후술하는 브리지 회로는 큰 게인을 얻는 것이 가능하다.
또, 토크 센서(10)의 허용 토크(최대 토크) 및 기계적인 강도는 제1 기왜부(14) 및 제2 기왜부(15)와는 독립하고 제1 구조체(11), 제2 구조체(12) 및 복수의 빔부(13)의 예를 들면 두께 및 폭에 의해 설정할 수 있다.
더욱이, 토크 센서(10)의 감도는 제1 기왜체(16) 및 제2 기왜체(17)의 두께에 의해 설정할 수 있다.
도 3, 도 4는 제1 기왜부(14), 제2 기왜부(15)를 구체적으로 나타내고 있다. 제1 기왜부(14)는 제1 기왜체(16)를 수용하기 위한 제1 수용부(14c)를 가지며, 제2 기왜부(15)는 제2 기왜체(17)를 수용하는 제2 수용부(15c)를 가지고 있다. 제1 수용부(14c)는 제1 기왜부(14)에 대하여 제1 기왜체(16)를 위치 결정하며, 제2 수용부(15c)는 제2 기왜부(15)에 대하여 제2 기왜체(17)를 위치 결정한다. 제1 수용부(14c)는 제1 돌기(14a) 및 제2 돌기(14b) 상에 설치된 거의 프레임형 돌기에 의해 구성되며, 제2 수용부(15c)는 제3 돌기(15a) 및 제4 돌기(15b) 상에 설치된 거의 프레임형 돌기에 의해 구성되어 있다. 제1 수용부(14c)는 제1 돌기(14a)와 제2 돌기(14b) 사이의 간극에 대응한 간극을 가지며, 제2 수용부(15c)는 제3 돌기(15a)와 제4 돌기(15b) 사이의 간극에 대응한 간극을 가지고 있다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 제1 기왜체(16) 및 제2 기왜체(17)는 제1 수용부(14c) 및 제2 수용부(15c)의 상방으로부터 제1 수용부(14c) 및 제2 수용부(15c) 내에 각각 수용된다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 제1 기왜체(16) 및 제2 기왜체(17)가 제1 수용부(14c) 및 제2 수용부(15c)에 각각 수용된 상태에서, 제1 기왜체(16)는 제1 돌기(14a)와 제2 돌기(14b)에 예를 들면 용접에 의해 고정된다. 또, 제2 기왜체(17)는 제3 돌기(15a), 제4 돌기(15b)에 예를 들면 용접에 의해 고정된다. 제1 기왜체(16) 및 제2 기왜체(17)의 고정 방법은 용접에 한정되는 것이 아니라, 제1 기왜체(16) 및 제2 기왜체(17)에 인가되는 토크에 대하여 충분한 강도로, 제1 돌기(14a) 내지 제4 돌기(15b)에 제1 기왜체(16) 및 제2 기왜체(17)를 고정할 수 있는 방법이면 된다. 제1 기왜체(16) 및 제2 기왜체(17)의 도시하지 않은 배선은 절연 부재(32)(도 6에 나타낸다)에 의해 덮인다.
도 5는, 제1 기왜체(16) 및 제2 기왜체(17)에 설치된 왜곡 게이지(21)의 일례를 나타낸 것이며, 왜곡 게이지(21)의 단부 단면을 나타내고 있다. 왜곡 게이지(21)는 예를 들면 절연막(21a), 박막 저항체(감왜막(感歪膜))(21b), 접착막(21c), 배선(21d), 접착막(21e), 보호막으로서 유리막(21f)을 구비하고 있다. 예를 들면 금속제 제1 기왜체(16)(제2 기왜체(17)) 상에 절연막(21a)가 설치되며, 절연막(21a) 상에 예를 들면 Cr-N 저항체에 의해 구성된 박막 저항체(21b)가 설치된다. 박막 저항체(21b)는 직선형 또는 복수로 굴곡된 형상 등이 가능하다. 박막 저항체(21b) 상의 단부에 접착막(21c)을 개재하여, 예를 들면 구리(Cu)에 의해 구성된 전극 리드로서 배선(21d)이 설치된다. 배선(21d) 상에는 접착막(21e)이 설치된다. 절연막(21a), 박막 저항체(21b) 및 접착막(21e)은 유리막(21f)에 의해 덮인다. 접착막(21c)은 배선(21d)과 박막 저항체(21b)의 밀착성을 높여, 접착막(21e)은 배선(21d)과 유리막(21f)의 밀착성을 높이고 있다. 접착막(21c, 21e)은 예를 들면 크롬(Cr)을 포함하는 막이다. 왜곡 게이지(21)의 구성은 이것에 한정되는 것이 아니다.
제1 기왜체(16) 및 제2 기왜체(17)의 각각은, 도 5에 나타낸 왜곡 게이지(21)를 예를 들면 2개씩 구비하고, 4개의 왜곡 게이지(21)에 의해, 후술하는 브리지 회로가 구성된다.
도 6은 상기 토크 센서(10)와, 예를 들면 로봇의 관절의 일방에 설치된 감속기(30)와의 관계를 나타내고 있다. 토크 센서(10)의 제1 구조체(11)는 볼트(31a, 31b, 31c, 31d)에 의해 감속기(30)에 취착(取着)된다. 감속기(30)는 도시하지 않은 모터에 연결되어 있다. 토크 센서(10)의 제2 구조체(12)에는 절연 부재(32)가 볼트(31e, 31f)에 의해 취착된다. 절연 부재(32)는 도시하지 않은 복수의 왜곡 게이지(21)의 리드선을 덮은다. 절연 부재(32), 제1 기왜부(14) 및 제2 기왜부(15)는 덮개(33)에 의해 덮인다. 덮개(33)는 볼트(31g, 31h)에 의해 제2 구조체(12)에 취착된다. 더욱이, 제2 구조체(12)는, 예를 들면 도시하지 않은 로봇의 관절의 타방에 취착된다.
도 7의 (a), (b), (c)는 상기 토크 센서(10)의 동작을 나타낸 것이며, 도 7의 (a)는 제1 구조체(11)에 토크가 인가된 경우를 나타내며, 도 7의 (b)는 제1 구조체(11)에 도시된 X축 방향으로 스러스트력이 인가된 경우를 나타내며, 도 7의 (c)는 도시된 Y축 방향으로 제1 구조체(11)에 스러스트력이 인가된 경우를 나타내고 있다.
도 7의 (a)에 나타낸 바와 같이, 제1 구조체(11)에 토크가 인가된 경우, 복수의 빔부(13), 제1 기왜부(14) 및 제2 기왜부(15)가 탄성 변형하고, 제1 구조체(11)는 제2 구조체(12)에 대하여 회동된다. 제1 기왜부(14) 및 제2 기왜부(15)의 탄성 변형에 따라, 후술하는 브리지 회로의 밸런스가 무너져 토크가 검출된다.
도 7의 (b)에 나타낸 바와 같이, 제1 구조체(11)에 X축 방향으로 스러스트력이 인가된 경우, 복수의 빔부(13), 제1 기왜부(14) 및 제2 기왜부(15)가 탄성 변형하고, 제1 구조체(11)는 제2 구조체(12)에 대하여 X축 방향으로 이동된다. 제1 기왜부(14) 및 제2 기왜부(15)의 탄성 변형에 따라 브리지 회로의 밸런스가 무너진다. 그러나, 후술하는 바와 같이 토크 및 스러스트력은 검출되지 않는다.
도 7의 (c)에 나타낸 바와 같이, 제1 구조체(11)에 도시된 Y축 방향으로 스러스트력이 인가된 경우, 복수의 빔부(13), 제1 기왜부(14) 및 제2 기왜부(15)가 탄성 변형하고, 제1 구조체(11)는 제2 구조체(12)에 대하여 Y축 방향으로 이동된다. 제1 기왜부(14) 및 제2 기왜부(15)의 탄성 변형에 따라 브리지 회로의 밸런스가 무너진다. 그러나, 후술하는 바와 같이 토크 및 스러스트력은 검출되지 않는다.
도 8은, 본 토크 센서(10)에 설치된 브리지 회로(40)를 개략적으로 나타내고 있다. 전술한 바와 같이, 제1 기왜부(14)의 제1 기왜체(16), 및 제2 기왜부(15)의 제2 기왜체(17)는, 각각 2개의 왜곡 게이지(21)를 구비하고 있다. 구체적으로는, 제1 기왜체(16)는 왜곡 게이지(21-1, 21-2)를 구비하며, 제2 기왜체(17)는 왜곡 게이지(21-3, 21-4)를 구비하고 있다. 제1 기왜체(16)와 제2 기왜체(17)는, 제1 구조체(11) 및 제2 구조체(12)의 중심에 대하여 대칭하게 배치되며, 왜곡 게이지(21-1, 21-2)와, 왜곡 게이지(21-3, 21-4)도 제1 구조체(11) 및 제2 구조체(12)의 중심에 대하여 대칭하게 배치된다.
브리지 회로(40)에서, 왜곡 게이지(21-1)와 왜곡 게이지(21-3)는 직렬 접속되며, 왜곡 게이지(21-2)와 왜곡 게이지(21-4)는 직렬 접속된다. 직렬 접속된 왜곡 게이지(21-1, 21-3)는, 직렬 접속된 왜곡 게이지(21-2, 21-4)와 병렬 접속된다. 왜곡 게이지(21-2)와 왜곡 게이지(21-4)의 접속점에 전원 Vo, 예를 들면 5V가 공급되고, 왜곡 게이지(21-1)와 왜곡 게이지(21-3)의 접속점은 예를 들면 접지된다. 왜곡 게이지(21-1)와 왜곡 게이지(21-2)의 접속점으로부터 출력 전압 Vout+가 출력되며, 왜곡 게이지(21-3)와 왜곡 게이지(21-4)의 접속점으로부터 출력 전압 Vout-가 출력된다. 출력 전압 Vout+ 및 출력 전압 Vout-으로부터 수식(1)으로 나타낸 토크 센서(10)의 출력 전압 Vout을 얻을 수 있다.
Vout=(Vout+―Vout-)
＝(R1/(R1+R2)-R3/(R3+R4))·Vo…(1)
여기서,
R1은, 왜곡 게이지(21-1)의 저항값
R2는, 왜곡 게이지(21-2)의 저항값
R3은, 왜곡 게이지(21-3)의 저항값
R4는, 왜곡 게이지(21-4)의 저항값
이며, 토크 센서(10)에 토크가 인가되지 않은 상태에서, R1=R2=R3=R4=R이다.
도 9의 (a)는, 도 7의 (a)에 나타낸 바와 같이, 토크 센서(10)에 토크가 인가된 경우에서의 브리지 회로(40)의 저항값의 변화를 나타내며, 도 9의 (b)는, 도 7의 (b)에 나타낸 바와 같이, 토크 센서(10)에 예를 들면 X축 방향의 스러스트력이 인가된 경우에서의 브리지 회로(40)의 저항값의 변화를 나타내고 있다. 도 9의 (a), (b)에서, ΔR는 저항치의 변화값이다.
도 10은 (1) 내지 (6)의 다른 조건에서의 토크 센서(10)의 출력 전압 Vout을 수식 (1)에서 구한 결과를 나타낸 것이다.
도 10에서,
(1)은, 토크 센서(10)에 토크 및 스러스트력 모두가 인가되지 않은 경우
(2)는, 토크 센서(10)에 토크를 인가한 경우
(3)은, 토크 센서(10)에 스러스트력을 인가한 경우
(4)는, 토크 센서(10)의 왜곡 게이지(21-1, 21-2)에 온도 변화 ΔT를 부여한 경우
(5)는, 토크 센서(10)에 토크를 인가하고, 왜곡 게이지(21-1, 21-2)에 온도 변화 ΔT를 부여한 경우
(6)은, 토크 센서(10)에 스러스트력을 인가하고, 왜곡 게이지(21-1, 21-2)에 온도 변화 ΔT를 부여한 경우
도 10에서, R·(1+α·ΔT)는 저항의 온도 계수가 α, 온도 변화 ΔT일 때의 저항값을 나타내고 있다.
(1), (3), (4), (6)에 나타낸 조건의 경우, 토크 센서(10)의 출력 전압 Vout은 모두 0V이다. 즉, 제1 구조체(11), 제2 구조체(12)에 스러스트력이 인가된 경우, 및/또는 왜곡 게이지(21-1, 21-2)에 온도 변화가 부여된 경우, 스러스트력이나 온도 변화가 상쇄되며, 토크 센서(10)의 출력 전압 Vout은 모두 0V가 된다.
또, (2)에 나타낸 토크 센서(10)에 토크를 인가한 경우, 및 (5)에 나타낸 토크 센서(10)에 토크를 인가하고, 왜곡 게이지(21-1, 21-2)에 온도 변화를 부여한 경우, 토크 센서(10)의 출력 전압 Vout으로서, -ΔR/R·Vo가 출력된다. 이 출력 전압 Vout은 저항의 온도 계수 α나 온도 변화 ΔT를 포함하지 않는 값이다. 따라서, 상기 토크 센서(10)는, 스러스트력이나 온도 변화를 상쇄하여 토크만을 검출하는 것이 가능하다.
(실시 형태의 효과)
상기 본 실시 형태에 의하면, 제1 구조체(11)와 제2 구조체(12)는 복수의 빔부(13)에 의해 연결되며, 더욱이, 제1 구조체(11)와 제2 구조체(12)는 제1 기왜부(14) 및 제2 기왜부(15)에 의해 연결되어 있다. 복수의 빔부(13)의 두께 T1은, 제1 기왜부(14) 및 제2 기왜부(15)의 강성을 얻기 위한 실질적인 두께(제1 기왜체(16) 및 제2 기왜체(17)의 두께) T2보다 두껍게 설정되어 있다. 이로써, 토크 센서(10)의 허용 토크나 토크 센서(10)의 기계적인 강도는 제1 구조체(11), 제2 구조체(12) 및 빔부(13)에 의해 규정된다. 따라서, 제1 구조체(11), 제2 구조체(12) 및 빔부(13)의 두께 T1을 바꾸거나, 빔부(13)의 개수를 바꾸는 것에 의해, 토크 센서(10)의 허용 토크나 토크 센서(10)의 기계적인 강도를 필요에 따라 자유롭게 설정하는 것이 가능하다.
또, 제1 기왜부(14)는 제1 구조체(11), 제2 구조체(12)에 각각 설치된 제1 돌기(14a) 및 제2 돌기(14b)와, 제1 돌기(14a)와 제2 돌기(14b)를 연결하는 왜곡 게이지(21-1, 21-2)를 가지는 제1 기왜체(16)에 의해 구성되며, 제2 기왜부(15)는 제1 구조체(11), 제2 구조체(12)에 각각 설치된 제3 돌기(15a) 및 제4 돌기(15b)와, 제3 돌기(15a)와 제4 돌기(15b)를 연결하는 왜곡 게이지(21-3, 21-4)가 설치된 제2 기왜체(17)에 의해 구성되어 있다. 제1 기왜체(16) 및 제2 기왜체(17)는 제1 구조체(11), 제2 구조체(12), 복수의 빔부(13), 제1 돌기(14a), 제2 돌기14b), 제3 돌기(15a) 및 제4 돌기(15b)로부터 독립되어 있다. 이로써, 제1 기왜체(16) 및 제2 기왜체(17)의 형상이나 두께 및/또는 폭을 포함하는 사이즈를 자유롭게 설정하는 것이 가능하다.
더욱이, 제1 기왜체(16) 및 제2 기왜체(17)가 제1 구조체(11), 제2 구조체(12), 복수의 빔부(13), 제1 돌기(14a), 제2 돌기(14b), 제3 돌기(15a) 및 제4 돌기(15b)로부터 독립되어 있다. 이로써, 제1 기왜체(16) 및 제2 기왜체(17)에 설치되는 왜곡 게이지(21-1, 21-2, 21-3, 21-4)의 감도나 사이즈도, 제1 기왜체(16) 및 제2 기왜체(17)의 사이즈에 따라 설정하는 것이 가능하다. 따라서, 왜곡 게이지(21-1, 21-2, 21-3, 21-4)의 감도나 사이즈를 용이하게 설정하는 것이 가능하다.
또, 제1 기왜부(14)의 제1 돌기(14a)와 제2 돌기(14b) 사이에 설치된 제1 간극의 길이 L1과, 제2 기왜부(15)의 제3 돌기(15a)와 제4 돌기(15b) 사이에 설치된 제2 간극의 길이 L1은 제1 돌기(14a), 제2 돌기(14b), 제3 돌기(15a) 및 제4 돌기(15b)의 길이 L2보다 짧고, 제1 돌기(14a), 제2 돌기(14b), 제3 돌기(15a) 및 제4 돌기(15b)의 길이 L2는 복수의 빔부(13)의 길이 L3보다 짧다. 이로써, 제1 기왜부(14) 및 제2 기왜부(15)는 빔부(13)보다 큰 왜곡을 발생할 수 있다.
게다가, 제1 기왜체(16) 및 제2 기왜체(17)는, 빔부(13)와 비교하여 큰 왜곡을 발생할 수 있기 때문에, 제1 기왜체(16) 및 제2 기왜체(17)에 설치된 왜곡 게이지(21-1, 21-2, 21-3, 21-4)의 게인을 크게 하는 것이 가능하다. 따라서, 노이즈에 강하고, 토크의 검출 정밀도를 향상시키는 것이 가능하다.
또, 제1 기왜체(16)는 제1 돌기(14a) 및 제2 돌기(14b)와 별체로 구성되며, 제2 기왜체(17)는 제3 돌기(15a) 및 제4 돌기(15b)와 별체로 구성되어 있다. 이로써, 제1 기왜체(16) 및 제2 기왜체(17)에 미세한 왜곡 게이지(21-1, 21-2, 21-3, 21-4)를 용이하게 형성할 수 있다.
더욱이, 왜곡 게이지(21-1, 21-2)가 설치된 제1 기왜체(16)를 제1 기왜부(14)의 제1 돌기(14a) 및 제2 돌기(14b)에 취착하며, 왜곡 게이지(21-3, 21-4)가 설치된 제2 기왜체(17)를 제2 기왜부(15)의 제3 돌기(15a) 및 제4 돌기(15b)에 취착하는 것에 의해, 토크 센서(10)를 구성할 수 있다. 이로써, 토크 센서(10)의 제조가 용이하다.
또, 제1 기왜체(16)가 설치된 제1 기왜부(14)와, 제2 기왜체(17)가 설치된 제2 기왜부(15)는 제1 구조체(11) 및 제2 구조체(12)의 중심에 대하여 대칭인 위치에 배치되어 있다. 이로써, 스러스트력을 상쇄할 수 있으며, 토크만을 검출하는 것이 가능하다.
더욱이, 제1 기왜체(16)에 한 쌍의 왜곡 게이지(21-1, 21-2)가 설치되며, 제2 기왜체(17)에 한 쌍의 왜곡 게이지(21-3, 21-4)가 설치되고, 이들 왜곡 게이지(21-1, 21-2, 21-3, 21-4)에 의해 브리지 회로(40)가 구성되어 있다. 이로써, 왜곡 게이지(21-1, 21-2, 21-3, 21-4)의 온도 계수의 영향을 상쇄하는 것이 가능하다.
또, 동심형으로 배치된 제1 구조체(11) 및 제2 구조체(12)에서, 제2 구조체(12)는 중공부(12a)를 가지고 있다. 이로써, 중공부(12a)에 복수의 왜곡 게이지의 배선이나 로봇의 제어에 필요한 배선을 통하게 하는 것이 가능하며, 공간의 유효 이용이 가능하다.
그리고, 본 실시 형태에서, 제1 구조체(11) 및 제2 구조체(12)는 동심형으로 배치되고, 제1 구조체(11)와 제2 구조체(12)가 복수의 빔부(13)에 의해 연결되어 있다. 그러나, 이것에 한정되는 것이 아니며, 다음과 같은 구성으로 하는 것도 가능하다.
예를 들면 제1 구조체 및 제2 구조체를 직선형으로 하며 제1 구조체와 제2 구조체를 평행하게 배치한다. 복수의 빔부에 의해 제1 구조체와 제2 구조체를 연결한다. 더욱이, 제1 구조체와 제2 구조체의 길이 방향 중앙부에, 저항체가 설치된 기왜체를 가지는 제1 센서부와, 제1 센서부와 동일한 구성의 제2 센서부를 배치하고, 제1 센서부와 제2 센서부로 제1 구조체와 제2 구조체를 연결한다. 제1 센서부의 제2 구조체와 제2 센서부의 제2 구조체의 길이 방향 중앙부가 토크의 작용 중심에서 동일한 거리로, 제1 센서부와 제2 센서부가 서로 평행하게 되는 위치에 제1 센서부와 제2 센서부를 배치한다. 즉, 제1 센서부의 기왜체와 제2 센서부의 기왜체를 토크의 작용 중심에 대하여 대칭인 위치에 배치한다. 이 구성에 의해도, 상기 실시 형태와 동일한 효과를 얻는 것이 가능하다.
그 외, 본 발명은 상기 각 실시 형태에 한정되는 것이 아니며, 실시 단계에서는 그 요지를 넘지 않는 범위에서 구성 요소를 변형하여 구체화할 수 있다. 또, 상기 각 실시 형태에 개시되어 있는 복수의 구성 요소의 적당한 결합에 의해, 각종 발명을 형성할 수 있다. 예를 들면, 실시 형태에 나타난 전 구성 요소로부터 여러 구성 요소를 삭제해도 된다. 더욱이, 다른 실시 형태에 이르는 구성 요소를 적절히 결합해도 된다.
[산업상 이용 가능성]
본 발명의 실시 형태에 관련된 토크 센서는, 예를 들면 로봇 암의 관절에 적용하는 것이 가능하다.
10 토크 센서
11 제1 구조체
12 제2 구조체
13 빔부
14 제1 기왜부
14a 제1 돌기
14b 제2 돌기
15 제2 기왜부
15a 제3 돌기
15b 제4 돌기
16 제1 기왜체
17 제2 기왜체
21, 21-1, 21-2, 21-3, 21-4 왜곡 게이지

Claims (7)

  1. 제1 영역, 제2 영역, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역을 연결하는 복수의 제3 영역을 구비하고, 계측할 토크가 상기 제3 영역을 통해 상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이로 전달되는 토크 센서로서,
    상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이에 설치되며, 제1 저항체가 설치된 제1 기왜부,
    상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이에서, 상기 제1 기왜부에서 떨어진 위치에 설치되며, 제2 저항체가 설치된 제2 기왜부
    를 구비하고,
    상기 제1 기왜부는,
    상기 제1 영역에 설치된 제1 돌기,
    상기 제2 영역에 상기 제1 돌기와 마주보고 설치된 제2 돌기,
    상기 제1 돌기와 상기 제2 돌기 사이에 설치되며, 상기 제1 저항체가 배치된 제1 기왜체를 구비하고,
    상기 제2 기왜부는,
    상기 제1 영역에 설치된 제3 돌기,
    상기 제2 영역에 상기 제3 돌기와 마주보고 설치된 제4 돌기,
    상기 제3 돌기와 상기 제4 돌기 사이에 설치되며, 상기 제2 저항체가 배치된 제2 기왜체를 구비하고,
    복수의 상기 제3 영역은 제1 두께를 가지며, 상기 제1 기왜부의 상기 제1 돌기, 상기 제2 돌기 및 상기 제2 기왜부의 상기 제3 돌기, 상기 제4 돌기는 상기 제1 두께보다 얇은 제2 두께를 가지는,
    토크 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기왜부와 상기 제2 기왜부는, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역의 상기 토크의 작용 중심에 대하여 대칭인 위치에 배치되는, 토크 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기왜체 및 상기 제2 기왜체는 제3 두께를 가지며, 상기 제3 두께는 상기 제2 두께보다 얇은, 토크 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 기왜체에 설치된 상기 제1 저항체는 제1 왜곡 게이지 및 제2 왜곡 게이지를 포함하고, 상기 제2 기왜체에 설치된 상기 제2 저항체는 제3 왜곡 게이지 및 제4 왜곡 게이지를 포함하고, 상기 제1 왜곡 게이지, 제2 왜곡 게이지, 제3 왜곡 게이지 및 제4 왜곡 게이지에 의해 브리지 회로가 구성되는, 토크 센서.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 돌기와 상기 제2 돌기의 합계 길이, 및 상기 제3 돌기와 상기 제4 돌기의 합계 길이는 각각 상기 복수의 제3 영역의 길이보다 짧은, 토크 센서.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은 환형(環狀)이며, 상기 제2 영역은 중공부를 구비하는, 토크 센서.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 돌기와 상기 제2 돌기 사이의 길이와, 상기 제3 돌기와 상기 제4 돌기 사이의 길이는 상기 제1 돌기, 상기 제2 돌기, 상기 제3 돌기 및 상기 제4 돌기 각각의 길이보다 짧은, 토크센서.
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