TWI772635B - 力矩感測器 - Google Patents

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九郎丸彰宏
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日商第一精工股份有限公司
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Abstract

連接體(130)配置於內側支持體(110)與外側支持體(120)之間，連接內側支持體(110)與外側支持體(120)。變形體(140)於關於以Z軸為中心之旋轉方向之第1位置處，一端連接於內側支持體(110)，於與第1位置不同之第2位置處，另一端連接於外側支持體(120)，當有壓縮力或拉伸力施加於第1位置與第2位置之間時，以朝半徑方向變形之方式彎曲。檢測體(150)具有電容元件，該電容元件包含與變形體(140)及外側支持體(120)對向而設之電極彼此，基於電容元件之特性值來檢測變形體(140)中產生之彈性變形。

Description

力矩感測器
本發明係關於一種力矩感測器。
對繞旋轉軸產生作用之力矩進行檢測之力矩感測器於各種輸送機械或工業機械中得到廣泛利用。例如，於下述專利文獻1中，揭示有一種感測器，其藉由應變計來檢測環狀之負荷檢測機構部中產生之應變，藉此，將產生作用之力成分及力矩成分作為電訊號而輸出。又，於專利文獻2中，揭示有一種感測器，其於剛性中央構件與剛性環狀環之間設置複數個半徑方向構件，藉由檢測該半徑方向構件中產生之應變，從而將產生作用之力成分及力矩成分作為電訊號而輸出。
進而，於專利文獻3中，揭示有一種感測器，其自沿著旋轉軸之兩側，藉由支持體來支持具有供旋轉軸插通之貫穿開口部之檢測環，利用電容元件檢測該檢測環之彈性變形，藉此，將繞旋轉軸產生作用之力矩作為電訊號而輸出。又，於專利文獻4中，揭示有一種感測器，其採用將複數個檢測環鄰接配置之結構，藉此，既可確保內部空間，又可調整力與力矩之檢測感度之平衡。
現有技術文獻
專利文獻
專利文獻1：日本專利特公平6-41892號公報
專利文獻2：日本專利特表2001-500979號公報
專利文獻3：日本專利特開2012-037300號公報
專利文獻4：日本專利第5667723號公報
在如安裝於機械臂之關節部分之用途中，期望結構簡單、厚度薄之薄型力矩感測器。然而，迄今為止所提出之力矩感測器於結構上難以薄型化。
例如，上述專利文獻1所揭示之感測器中，必須於環狀之負荷檢測機構部中安裝2根剛體部，難以薄型化。又，於專利文獻2所揭示之感測器中，要檢測半徑方向構件中產生之應變，因而整體之結構變得複雜，不適合於薄型化。並且，於專利文獻3、4所揭示之感測器中，採用了將檢測環或支持體予以積層之結構，因此難以實現薄型化。
本發明係有鑒於上述實情而完成，其目的在於提供一種結構簡單、且使厚度薄之薄型力矩感測器。
為達成上述目的，本發明之力矩感測器對第1對象物與第2對象物之間產生之繞旋轉軸之力矩進行檢測，其特徵在於，具備：第1支持體，支持上述第1對象物；第2支持體，支持上述第2對象物，且關於以上述旋轉軸為中心之半徑方向而較上述第1支持體於外側，與上述第1支持體隔開空間而配置；複數個連接體，配置於上述第1支持體與上述第2支持體之間，且連接上述第1支持體與上述第2支持體；板狀之變形體，配置於由上述第1支持體、上述第2支持體與鄰接之2個上 述連接體所圍成之空間內，於關於以上述旋轉軸為中心之旋轉方向之第1位置處，一端連接於上述第1支持體，於關於上述旋轉方向之與上述第1位置不同之第2位置處，另一端連接於上述第2支持體，當有壓縮力或拉伸力施加於上述第1位置與上述第2位置之間時，以朝上述半徑方向變形之方式而彎曲；以及檢測體，基於設於上述變形體與上述第1支持體之間之檢測件、或設於上述變形體與上述第2支持體之間之檢測件中的任一檢測件之特性值，檢測上述變形體中產生之彈性變形。
亦可為，上述檢測體具有電容元件，該電容元件包含與上述變形體及上述第1支持體對向而設之電極彼此、或與上述變形體及上述第2支持體對向而設之電極彼此中之任一者，基於上述電容元件之特性值來檢測上述變形體中產生之彈性變形。
此時，亦可為，上述第1支持體、上述第2支持體、上述連接體、上述變形體及上述檢測體係沿與上述旋轉軸正交之2維平面而配置。
亦可為，上述變形體具備：板狀之第1突出體，自上述第1支持體中之朝向上述第2支持體之面，朝向上述第2支持體突出；板狀之第2突出體，自上述第2支持體中之朝向上述第1支持體之面，朝向上述第1支持體突出；以及板狀之延設體，連接於上述第1突出體之前端與上述第2突出體之前端，且沿上述旋轉軸之旋轉方向而延設。
亦可為，關於上述旋轉方向，上述第1突出體之寬度及上述第2突出體之寬度窄於上述連接體之寬度。
亦可為，上述變形體具備：第1變形體，配置於與上述旋轉軸正交且以上述旋轉軸之位置為原點之2維 直角座標系之第1象限；第2變形體，配置於上述2維直角座標系之第2象限；第3變形體，配置於上述2維直角座標系之第3象限；以及第4變形體，配置於上述2維直角座標系之第4象限。
亦可為，上述檢測體具備：第1檢測體，檢測上述第1變形體之彈性變形；第2檢測體，檢測上述第2變形體之彈性變形；第3檢測體，檢測上述第3變形體之彈性變形；以及第4檢測體，檢測上述第4變形體之彈性變形。
亦可為，上述檢測體具備：第1電極，設於上述變形體；以及第2電極，與上述第1電極對向地設於上述第1支持體。
亦可為，上述檢測體具備：第3電極，設於上述變形體；以及第4電極，與上述第3電極對向地設於上述第2支持體。
亦可為，上述連接體在自與上述第1支持體之連接部分直至與上述第2支持體之連接部分之間，具有上述旋轉方向之寬度較其他部分為窄之部分。
亦可為，上述第1支持體、上述第2支持體、上述連接體及上述變形體包含相同構件，連接上述第1支持體與上述連接體之部分、連接上述第2支持體與上述連接體之部分、連接上述第1支持體與上述變形體之部分、連接上述第2支持體與上述變形體之部分各自之外緣形成為弧狀。
根據本發明，第1支持體與第2支持體利用複數個連接體而連接。又，於由鄰接之連接體彼此、第1支持體及第2支持體所圍成之空間內，配置有變形體。並且，於變形體與第1支持體之間、或者於變形體與第2支持體之間，設有檢測體中之檢測件。藉此，可將所有結構沿平面配置，從而可實現結構簡單、且將厚度抑制為較薄之薄型力矩感測器。
100:基本結構體
110:內側支持體
111:安裝用孔部
120:外側支持體
121:安裝用孔部
130:連接體
131:第1連接體
132:第2連接體
133:第3連接體
134:第4連接體
140:變形體
141:第1變形體
141A:第1突出體
141B:第2突出體
141C:延設體
142:第2變形體
142A:第1突出體
142B:第2突出體
142C:延設體
143:第3變形體
143A:第1突出體
143B:第2突出體
143C:延設體
144:第4變形體
144A:第1突出體
144B:第2突出體
144C:延設體
150:檢測體
151:第1檢測體
152:第2檢測體
153:第3檢測體
154:第4檢測體
E11~E14:位移電極
F11~F14:固定電極
H:空洞部
P1~P4:內側支持點(第1位置、點)
Q1~Q4:外側支持點(第2位置、點)
R:圓
圖1A係本發明之實施形態1之力矩感測器之俯視圖。
圖1B係以A-A平面切斷力矩感測器之剖面圖。
圖1C係以B-B平面切斷力矩感測器之剖面圖。
圖2係以XY平面切斷圖1A所示之力矩感測器之基本結構體之橫剖面圖。
圖3係將基本結構體之各部劃分表示之俯視圖。
圖4係表示力矩感測器之檢測動作之圖。
圖5係本發明之實施形態2之力矩感測器之俯視圖。
實施形態1.
首先，參照圖1A~圖4，詳細說明本發明之實施形態1。
如圖1A所示，構成本實施形態之力矩感測器之主要結構部的基本結構體100之形狀整體上為圓板狀。此處，為便於說明，如圖所示，定義於該力矩感測器之中心位置處具有原點O之XYZ三維直角座標系，在力矩感測器配置於該座標系之前提下，敍述各部之結構。於圖1A之情形時，將X軸定義為圖之右方向、Y軸定義為圖之上方向、Z軸定義為從紙面垂直離開之方向。力矩感測器係以Z軸為中心軸而配置。該力矩感測器對以Z軸為旋轉軸而繞該旋轉軸 產生作用之力矩進行檢測。再者，所謂旋轉軸，係用於對所檢測之力矩進行定義之假想軸。
如圖1A所示，基本結構體100具備：內側支持體110，其中心位於原點O，支持第1對象物；以及外側支持體120，以圍繞該內側支持體110外側之方式配置，支持第2對象物。內側支持體110係中央形成有空洞部H(貫穿孔)之環狀結構體，外側支持體120係配置於其周圍之環狀結構體。外側支持體120關於以Z軸為中心之半徑方向而與內側支持體110隔開空間配置。
再者，所謂「環」，並不限於「圓環」，亦包含「方環」或「任意形狀之圈」，作為內側支持體110及外側支持體120，例如亦可使用「方環狀」之形狀者、或者「六邊形之環狀」或「八邊形之環狀」者。
進而，基本結構體100具備4個連接體130。各連接體130配置於內側支持體110與外側支持體120之間，連接內側支持體110與外側支持體120。具體而言，各連接體130連接內側支持體110之外側面與外側支持體120之內側面。於該基本結構體100中，作為連接體130，設有配置於正側之X軸上之第1連接體131、配置於正側之Y軸上之第2連接體132、配置於負側之X軸上之第3連接體133、及配置於負側之Y軸上之第4連接體134。以下，亦適當地簡稱作連接體131、132、133、134。藉由該連接體131~134，平板狀之基本結構體100例如相對於欲使基本結構體100發生變形之力而變得強韌。
進而，基本結構體100具備板狀之4個變形體140、及分別設於各變形體140之檢測體150。各變形體140與各檢測體150係為檢測繞Z軸產生作用之力矩而設。各變形體140與各檢測體150配置於由內側支持體110、外側支持體120、及鄰接之2個連接體130所圍成之空間。
於內側支持體110上，於16處設有安裝用孔部111。同樣，於外側支持體120上，於12處設有安裝用孔部121。如圖1B及圖1C所示，安裝用孔部 111、121係與空洞部H同樣地貫穿上下(Z軸方向)之孔。
該力矩感測器對於如安裝至機械臂之關節部分之用途為最佳。例如，只要於圖1B所示之基本結構體100之下方(-Z側)配置第1臂部(第1對象物)，於上方(+Z側)配置第2臂部(第2對象物)，則該基本結構體100便作為連接兩臂部之關節構件發揮功能。安裝用孔部111、121被用作用於將該基本結構體100安裝至各臂部之螺栓插通用孔部。例如，只要將內側支持體110藉由插通至安裝用孔部111之螺栓而安裝至配置於下方之第1臂部，將外側支持體120藉由插通至安裝用孔部121之螺栓而安裝至配置於上方之第2臂部，便可對第1臂部與第2臂部之間產生之繞旋轉軸之力矩進行檢測。當然，於安裝用孔部111、121之內面，亦可根據需要而形成螺紋槽。
再者，安裝用孔部111、121並非該力矩感測器所必需之構成要素，在動作原理上，對於力矩檢測並不發揮直接功能。例如，若採用不使用螺栓之黏著方法來進行相對於臂部之連接，則不需要安裝用孔部111、121。
圖2係以XY平面切斷圖1A所示之力矩感測器之基本結構體100之橫剖面圖。基本結構體100為圓板狀之1片結構體，係藉由對鐵、不鏽鋼、鋁等金屬板實施線切割之加工而構成。再者，亦可對金屬板實施切削加工(例如銑削加工)而構成基本結構體100。本實施形態中，對於該基本結構體100之各部，著眼於其功能而稱作內側支持體110、外側支持體120、連接體130、變形體140、檢測體150。
圖3將基本結構體100之各部以虛線劃分表示。以下，一面參照該圖3，一面進一步詳細說明基本結構體100之各部之結構。
首先，設於中央之內側支持體110係於中心形成有圓形空洞部H之構件。空洞部H並非必需者，但在實用上設置其為佳。這是因為，若於中心形成空洞部H，便可根據需要而使各種構件(例如用於導出電訊號之配線)插 通至其中。
基本結構體100具備第1變形體141、第2變形體142、第3變形體143及第4變形體144，以作為變形體140。第1變形體141被第1連接體131與第2連接體132夾著，位於XY座標系(2維直角座標系)之第1象限。第2變形體142被第2連接體132與第3連接體133夾著，位於XY座標系之第2象限。第3變形體143被第3連接體133與第4連接體134夾著，位於XY座標系之第3象限。第4變形體144被第4連接體134與第1連接體131夾著，位於XY座標系之第4象限。以下，亦適當地簡稱作變形體141、142、143、144。
4組變形體141、142、143、144分別在關於以Z軸為中心之旋轉方向之第1位置(內側支持點)P1、P2、P3、P4處，一端連接於內側支持體110。又，變形體141、142、143、144分別在關於以Z軸為中心之旋轉方向之與第1位置P1、P2、P3、P4不同之第2位置(外側支持點)Q1、Q2、Q3、Q4處，另一端連接於外側支持體120。變形體141、142、143、144具有下述形狀，即，當有壓縮力或拉伸力施加於第1位置P1、P2、P3、P4與第2位置(外側支持點)Q1、Q2、Q3、Q4之間時，以於半徑方向變形之方式而彎曲。另外，4組連接體131、132、133、134分別在關於以Z軸為中心之旋轉方向之與第1位置P1、P2、P3、P4及第2位置Q1、Q2、Q3、Q4不同，且不與變形體141、142、143、144重疊之位置處，連接內側支持體110與外側支持體120。
更詳細而言，第1變形體141具備第1突出體141A、第2突出體141B及延設體141C。同樣地，第2變形體142具備第1突出體142A、第2突出體142B及延設體142C，第3變形體143具備第1突出體143A、第2突出體143B及延設體143C，第4變形體144具備第1突出體144A、第2突出體144B及延設體144C。第1突出體141A~144A係自內側支持體110中之朝向外側支持體120之面，朝向外側支持體120突出之板狀構件。第2突出體141B~144B係自外側支持 體120中之朝向內側支持體110之面，朝向內側支持體110突出之板狀構件。延設體141C~144C係連接於內側支持體110之第1突出體141A~144A之前端與外側支持體120之第2突出體141B~144B之前端，且沿以Z軸為旋轉軸時之旋轉方向延設之板狀構件。延設體141C~144C係沿以原點O為中心之圓R之圓周而延伸。
此處，變形體141係以原點O為對稱中心而與變形體143點對稱，變形體142係以原點O為對稱中心而與變形體144點對稱。又，變形體141、142係以X軸為對稱軸而與變形體144、143線對稱，變形體141、144係以Y軸為對稱軸而與變形體142、143線對稱。藉由如此般配置變形體141~144，力矩感測器可繞Z軸檢測順時針方向之力矩及逆時針方向之力矩。
關於以Z軸為旋轉軸時之旋轉方向，第1突出體141A~144A之寬度及第2突出體141B~144B之寬度窄於連接體130之寬度。藉此，較之連接體130，變形體141~144更易變形。
此處，4組延設體141C、142C、143C、144C係如上所述般半徑方向之厚度薄之板狀構件。並且，亦係無連接體130之連接之部分，因此在力矩之作用下會大幅彈性變形。再者，於延設體141C、142C、143C、144C之中央部分，形成有以原點O為基準而稍稍朝向外側呈凸狀隆起之隆起部，但該等各隆起部如後所述，係為方便形成位移電極者，在本發明之檢測原理上並非必須者。
當然，基本結構體100係由相同材質構成之一體結構體，若使其由例如鐵、不鏽鋼、鋁等金屬構成，則在力矩之作用下，所有部分將產生彈性變形。然而，內側支持體110、外側支持體120、連接體130中產生之彈性變形與各變形體140中產生之彈性變形相比為微小。
基本結構體100具備4組檢測體151~154以作為檢測體150。該等 4組檢測體151~154具有電性檢測變形體141~144中產生之彈性變形之功能，均包含電容元件。即，檢測體151~154包含使形成於變形體141~144之外側面之位移電極、與形成於外側支持體120之內側面之固定電極對向而成之電容元件。即，檢測體151~154具有由與變形體141~144及外側支持體120對向而設之電極彼此構成之電容元件。繞Z軸之力矩於變形體141~144中作為彈性變形而產生，並表現為電容元件之特性值。
再者，連接內側支持體110與連接體130之部分、連接外側支持體120與連接體130之部分、連接內側支持體110與變形體140之部分、連接外側支持體120與變形體140之部分各自之外緣係形成為弧狀，以緩和應力集中。
繼而，一面參照圖4，一面說明圖1A所示之力矩感測器之檢測動作。
於延設體141C、142C、143C、144C之外側面之4處，分別設有位移電極(第1電極)E11、E12、E13、E14，於外側支持體120之內側面之4處，分別設有固定電極(第2電極)F11、F12、F13、F14。
更具體而言，於延設體141C之外側面之隆起部設有位移電極E11，於外側支持體120之對向面設有與位移電極E11對向之固定電極F11。該等一對電極E11、F11構成電容元件。第1檢測體151僅有該電容元件。
又，於延設體142C之外側面之隆起部設有位移電極E12，於外側支持體120之對向面設有固定電極E12，從而構成成為第2檢測體152之電容元件。同樣地，於延設體143C之外側面之隆起部設有位移電極E13，於外側支持體120之對向面設有固定電極E13，從而構成成為第3檢測體153之電容元件。又，於延設體144C之外側面之隆起部設有位移電極E14，於外側支持體120之對向面設有固定電極F14，從而構成成為第4檢測體154之電容元件。以下，亦適當地簡稱作檢測體151、152、153、154。
再者，於延設體141C、142C、143C、144C之外側面之隆起部與各位移電極E11~E14之間插入有絕緣基板(圖2之塗白部分)，於外側支持體120與各固定電極F11~F14之間亦插入有絕緣基板(圖2之塗白部分)。之所以如此般經由絕緣基板來形成各電極，是因為，於該實施形態之情形時，如圖2所示，基本結構體100由含有金屬之一體結構體構成，因而必須使各個電極電性獨立。因此，於使基本結構體100由樹脂等絕緣材料構成之情形時，則無須設置絕緣基板。
此處，於說明力矩感測器之檢測動作時，為了方便，如圖4所示，對內側支持體110與變形體141、142、143、144之連接點即內側支持點P1、P2、P3、P4，外側支持體120與變形體141、142、143、144之連接點即外側支持點Q1、Q2、Q3、Q4進行定義。
嘗試考慮在將內側支持體110固定之狀態下，如圖4中箭頭所示，以Z軸為旋轉軸之順時針方向之力矩(扭矩)作用於外側支持體120之情形時，變形體141、142、143、144中產生何種變形。此時，內側支持點P1、P2、P3、P4連接於內側支持體110，因此為固定點。另一方面，外側支持點Q1、Q2、Q3、Q4連接於外側支持體120，因此於順時針方向之力矩作用於外側支持體120之情形時，受到順時針方向之旋轉力之作用。
如此，例如點Q1以向點P1靠近之方式移動，因此第1變形體141(延設體141C)以朝半徑方向外側鼓起之方式變形。同樣地，點Q3以向點P3靠近之方式移動，因此第3變形體143(延設體143C)亦以朝半徑方向外側鼓起之方式變形。其結果，位移電極E11接近固定電極F11，由兩電極構成之電容元件(第1檢測體151)之靜電電容值C1增加。同樣地，位移電極E13接近固定電極F13，由兩電極構成之電容元件(第3檢測體153)之靜電電容值C3亦增加。
另一方面，點Q2以遠離點P2之方式移動，因此第2變形體142 (延設體142C)以朝半徑方向內側凹陷之方式變形。同樣地，點Q4以遠離點P4之方式移動，因此第4檢測體144(延設體144C)亦以朝半徑方向內側凹陷之方式變形。其結果，位移電極E12遠離固定電極F12，由兩電極構成之電容元件(第2檢測體152)之靜電電容值C2減少。同樣地，位移電極E14遠離固定電極F14，由兩電極構成之電容元件(第4檢測體154)之靜電電容值C4減少。
再者，在將內側支持體110固定之狀態下，以Z軸為旋轉軸之逆時針方向之力矩(扭矩)作用於外側支持體120之情形時，產生與上述相反之動向，靜電電容值C1~C4呈現與上述相反之變化。
於具備此種結構之力矩感測器中，要將繞旋轉軸(Z軸)產生作用之力矩之檢測值作為電訊號而導出，只要準備對下式進行運算並作為檢測結果D而輸出之檢測電路即可。
D=(C1+C3)-(C2+C4)
即，該檢測電路之輸出係第1檢測體151之靜電電容值C1及第3檢測體153之靜電電容值C3之和「C1+C3」、與第2檢測體152之靜電電容值C2及第4檢測體154之靜電電容值C4之和「C2+C4」之差分。
例如，若如圖4所示，順時針方向之力矩作用於外側支持體120，則如上所述，靜電電容值C1、C3增加，靜電電容值C2、C4減少，因此差分值「(C1+C3)-(C2+C4)」係作為正值而輸出。相反，若逆時針方向之力矩作用於外側支持體120，則靜電電容值C1、C3減少，靜電電容值C2、C4增加，因此差分值「(C1+C3)-(C2+C4)」係作為負值而輸出。因此，該差分值之符號表示產生作用之力矩之方向，該差分值之絕對值表示產生作用之力矩之大小。
此種差分檢測對於降低檢測誤差有效。例如，即使於因溫度環境之變化而導致基本結構體100之各部產生膨脹或收縮，各電容元件之電極間 隔發生變化之情形時，只要進行上述差分檢測，便可抵消基於此種電極間隔之變化而產生之誤差。
如以上所詳細說明般，根據本實施形態，內側支持體110與外側支持體120利用複數個連接體130而連接。又，於由鄰接之連接體130彼此、內側支持體110及外側支持體120所圍成之空間內，配置有變形體141~144。並且，於變形體141~144與外側支持體120之間，作為檢測體151~154之電極彼此對向地設置。藉此，可將所有結構沿平面配置，從而可實現結構簡單、且將厚度抑制為較薄之薄型力矩感測器。
又，本實施形態中，內側支持體110與外側支持體120係利用以Z軸為中心而均等配置之4個連接體130來連接。藉此，平板狀之基本結構體100難以變形，對於相對較強之力矩亦可耐受。
本實施形態中，內側支持體110與外側支持體120係利用以Z軸為中心而均等配置之4個連接體130來連接。藉此，施加至力矩感測器之力得以分散，可減小施加至各連接體130之力，因此可防止各連接體130之破損。
實施形態2.
繼而，參照圖5說明本發明之實施形態2。
本實施形態之力矩感測器之基本結構體100之各部與上述實施形態1之力矩感測器相同。本實施形態中，連接體131~134之形狀與上述實施形態1之連接體131~134之形狀不同。本實施形態中，連接體131~134中，與外側支持體120之連接部分處之旋轉方向之寬度比其他部分窄。
若如此，則相對於欲使平板狀之基本結構體100發生變形之力，可使基本結構體100難以變形，從而即使於內側支持體110與外側支持體120之間產生之繞Z軸之力矩相對較弱之情形時，亦可將變形體141~144之變形量設為與實施形態1之力矩感測器相同之程度。因而，於實施形態2之力矩感測器 中，可沿用適用於實施形態1之力矩感測器之檢測電路。即，於實施形態2之力矩感測器與實施形態1之力矩感測器中，可實現檢測電路之共用化。
再者，旋轉方向之寬度比其他部分窄之部分並不限於與外側支持體120之連接部分，亦可形成於連接體131~134之中腹部分，還可形成於與內側支持體110之連接部分。
至此，對上述實施形態1、2之力矩感測器進行了說明，但本發明當然並不限定於該等實施形態。
例如，上述實施形態中，變形體141~144包含突出體141A~144A、突出體141B~144B、延設體141C~144C，但並不限於此。變形體140未必需要具有彎折之部分，只要為點P1等與點Q1等受到壓縮力或拉伸力而朝半徑方向變形之構件即可。
例如，上述實施形態1中，將檢測體151~154(位移電極E11~E14與固定電極F11~F14)配置於變形體141~144之半徑方向之外側。然而，亦可將檢測體(第3電極及第4電極)設於變形體141~144之內側面與內側支持體110之外側面之間。進而，亦可於變形體141~144之外側面及內側面雙方分別設置檢測體。
上述各實施形態之力矩感測器之特徵在於：於以XYZ三維直角座標系之Z軸成為旋轉軸之方式配置時，內側支持體110、外側支持體120、連接體130、變形體140、檢測體150全部沿XY平面配置。即，內側支持體110、外側支持體120、連接體130、變形體140、檢測體150全部配置於包含XY平面之位置(橫切XY平面之位置)。此種沿XY平面之配置對於實現將厚度抑制為較薄之薄型力矩感測器相當重要。
尤其，若觀察圖1B及圖1C可明確得知，上述各實施形態之力矩感測器於XYZ三維直角座標系中，外側支持體120之上表面位於以方程式 (Z=+d)所表示之第1平面上，外側支持體120之下表面位於以方程式(Z=-d)所表示之第2平面上。又，內側支持體110、連接體130、變形體140、檢測體150全部被收容於由該第1平面與第2平面之間所夾著之空間內，且沿與Z軸正交之2維平面即XY平面配置。
若採用此種結構，則可將力矩感測器整體之厚度(與Z軸方向相關之尺寸)抑制於2d之範圍內，從而可實現結構簡單、且將厚度抑制為較薄之薄型力矩感測器。當然，在動作原理上，各檢測體151~154只要配置於上述空間位置即可，即使其一部分自上述空間突出亦不會妨礙檢測。然而，為將力矩感測器整體之厚度抑制於2d之範圍內而實現薄型化，較佳為，構成各檢測體151~154之電容元件亦收容於上述空間內。
但是，於將該力矩感測器安裝於機械臂之關節部分等而利用之情形時，較佳為，對各部之上表面位置及下表面位置實施若干修正。例如，嘗試考慮下述情形：將該力矩感測器插入機械臂之上腕部與下腕部之間，將外側支持體120接合至配置於其上方之上腕部之下表面，將內側支持體110接合至配置於其下方之下腕部之上表面而利用。於以此種利用為前提之情形時，較佳為，於圖1B及圖1C中，將外側支持體120之上表面位置修正為以方程式(Z=+d+δ1)所表示之平面位置，將內側支持體110之下表面位置修正為以方程式(Z=-d-δ2)所表示之平面位置。若如此，則可於內側支持體110之上表面與上腕部之下表面之間確保特定之空隙尺寸δ1，從而可避免兩者間之不必要之接觸，同樣地，可於外側支持體120之下表面與下腕部之上表面之間確保特定之空隙尺寸δ2，從而可避免兩者間之不必要之接觸。
當然，亦可藉由於外側支持體120之上表面設置段差結構(例如，於一部分形成朝上方隆起之隆起部)，或者於內側支持體110之下表面設置段差結構(例如，於一部分形成朝下方隆起之隆起部)，而確保上述空隙尺 寸δ1、δ2。若如此，則儘管整體厚度稍厚於2d，但即使於安裝至機械臂之關節部分等而利用之情形時，亦可避免不必要之接觸。
又，上述各實施形態中，將連接體130之數量設為4個，但本發明並不限於此。連接體130之數量亦可為2個，還可為3個，還可為5個以上。於將力分散之意義上，理想的是，連接體130係以Z軸為中心而均等地配置。
再者，除連接體130之數量以外，藉由對以Z軸為中心之旋轉方向上之連接體130之寬度進行適當設計、調整，力矩感測器除了以Z軸為中心之旋轉方向上之剛性以外，Z軸方向上之剛性亦提高。藉此，力矩感測器除了對以Z軸為中心之旋轉方向上之力之耐受性以外，對於沿著Z軸之力之耐受性亦提高。
再者，上述各實施形態中，將變形體140之數量設為4個，但本發明並不限於此。變形體140之數量亦可為2個，還可為3個，還可為5個以上。理想的是，變形體140係以Z軸為中心而均等地配置。
又，上述各實施形態中，例如，將內側支持點P1、P2及外側支持點Q1、Q2與內側支持點P3、P4及外側支持點Q3、Q4配置於相對於X軸為線對稱之位置，但本發明並不限於此。亦可將內側支持點P1~P4、外側支持點Q1~Q4以原點O為中心而4次旋轉對稱地配置。
又，上述各實施形態中，將第1突出體141A~144A配置於X軸之附近，將第2突出體141B~144B配置於Y軸之附近，但本發明並不限於此。亦可將第1突出體141A~144A配置於Y軸之附近，將第2突出體141B~144B配置於X軸之附近。
上述各實施形態中，係使用電容元件作為檢測體。然而，本發明中之檢測體只要為具備以某些形式來檢測變形體中產生之彈性變形之功能之元件即可，未必需要為電容元件。
例如，亦可取代電容元件而使用應變計作為檢測體(檢測件)。具體而言，於變形體141~144與外側支持體120之間或者變形體141~144與內側支持體110之間，黏貼作為檢測體151~154發揮功能之應變計，以電性檢測各應變計之電阻值之變化，如此亦可實現力矩之檢測。
於實用上，作為本發明之檢測體，最佳為使用電容元件。電容元件可由簡單的電極層構成，因此非常廉價。又，若使用電容元件，則製造製程亦可簡化。例如，於實施形態1之情形時，於製作基本結構體100作為金屬之一體結構體之後，只要進行將形成有電極層之8組絕緣基板黏貼於特定位置之作業即可。
再者，於由電容元件構成檢測體之情形時，較佳為，將對向之一對電極中之其中一者之面積設定為大於另一者之面積。其係考慮到：即使於位移電極因力矩之作用而朝旋轉方向稍許移動，從而兩電極之相對位置產生偏移之情形時，將作為電容元件發揮功能之實效對向面積維持為固定。電容元件之靜電電容值不僅依存於對向之一對電極間距離，亦依存於實效對向面積。因此，若將其中一者之面積設定為大於另一者之面積，以使得即使位移電極之位置稍許變化，實效對向面積仍保持為固定，則靜電電容值將僅依存於電極間距離，因此可實現更準確之檢測。
又，上述各實施形態中，使構成電容元件之各電極由平板狀之電極層構成，但電極未必需要設為平板狀，稍許彎曲亦無妨。例如，於圖4中，描繪了作為各位移電極E11~E14及各固定電極F11~F14，均使用平板狀電極之示例，但亦可將各位移電極E11~E14設為沿著變形體140之外周面之曲面，將各固定電極F11~F14設為沿著外側支持體120之內周面之曲面。
又，上述各實施形態中，於力矩感測器中具備使位移電極E11~E14與固定電極F11~F14分別成對之4個檢測體151~154，但並不限於此。只 要可檢測繞旋轉軸(Z軸)之力矩作用於力矩感測器之現象(只要不檢測力矩之方向、力矩之大小)，則檢測體只要至少有1個即可。
本發明可不脫離本發明之廣義之精神與範圍而實施各種實施形態及變形。又，上述實施形態係用於說明本發明者，並不限定本發明之範圍。即，本發明之範圍係由申請專利範圍而非實施形態所示。並且，於申請專利範圍內及與其同等之發明之意義之範圍內實施之各種變形當視為本發明之範圍內。
[產業上之可利用性]
本發明可適用於檢測例如機械臂間之力矩。
100‧‧‧基本結構體
110‧‧‧內側支持體
111‧‧‧安裝用孔部
120‧‧‧外側支持體
121‧‧‧安裝用孔部
130‧‧‧連接體
131‧‧‧第1連接體
132‧‧‧第2連接體
133‧‧‧第3連接體
134‧‧‧第4連接體
140‧‧‧變形體
141‧‧‧第1變形體
142‧‧‧第2變形體
143‧‧‧第3變形體
144‧‧‧第4變形體
150‧‧‧檢測體
151‧‧‧第1檢測體
152‧‧‧第2檢測體
153‧‧‧第3檢測體
154‧‧‧第4檢測體
H‧‧‧空洞部
O‧‧‧原點

Claims (9)

  1. 一種力矩感測器，對第1對象物與第2對象物之間產生之繞旋轉軸之力矩進行檢測，其特徵在於，具備：第1支持體，支持上述第1對象物；第2支持體，支持上述第2對象物，且於關於以上述旋轉軸為中心之半徑方向上較上述第1支持體外側處，與上述第1支持體隔開空間而配置；變形體，於關於以上述旋轉軸為中心之旋轉方向之第1位置處，一端連接於上述第1支持體，於關於上述旋轉方向之與上述第1位置不同之第2位置處，另一端連接於上述第2支持體，當有壓縮力或拉伸力施加於上述第1位置與上述第2位置之間時，以於上述半徑方向變形之方式而彎曲；檢測體，基於設於上述變形體與上述第1支持體之間之檢測件、或設於上述變形體與上述第2支持體之間之檢測件中的任一檢測件之特性值，檢測上述變形體中產生之彈性變形；以及連接體，配置於上述第1支持體與上述第2支持體之間，且於關於上述旋轉方向之與上述第1位置及上述第2位置不同且不與上述變形體重疊之位置處，連接上述第1支持體與上述第2支持體。
  2. 如申請專利範圍第1項之力矩感測器，其中，上述檢測體，係配置於由上述第1支持體、上述第2支持體與鄰接之上述連接體所圍成之空間內。
  3. 如申請專利範圍第1項之力矩感測器，其中，上述變形體具備：板狀之第1突出體，自上述第1支持體中之朝向上述第2支持體之面，朝向上述第2支持體突出； 板狀之第2突出體，自上述第2支持體中之朝向上述第1支持體之面，朝向上述第1支持體突出；以及板狀之延設體，連接於上述第1突出體之前端與上述第2突出體之前端，且沿上述旋轉軸之旋轉方向而延設，關於上述旋轉方向，上述第1突出體之寬度及上述第2突出體之寬度窄於上述連接體之寬度。
  4. 如申請專利範圍第2項之力矩感測器，其中，上述變形體具備：板狀之第1突出體，自上述第1支持體中之朝向上述第2支持體之面，朝向上述第2支持體突出；板狀之第2突出體，自上述第2支持體中之朝向上述第1支持體之面，朝向上述第1支持體突出；以及板狀之延設體，連接於上述第1突出體之前端與上述第2突出體之前端，且沿上述旋轉軸之旋轉方向而延設，關於上述旋轉方向，上述第1突出體之寬度及上述第2突出體之寬度窄於上述連接體之寬度。
  5. 如申請專利範圍第1至4中任一項之力矩感測器，其中，上述連接體在自與上述第1支持體之連接部分直至與上述第2支持體之連接部分之間，具有上述旋轉方向之寬度較上述連接體之其他部分為窄之部分。
  6. 如申請專利範圍第1至4中任一項之力矩感測器，其中，上述第1支持體、上述第2支持體、上述連接體及上述變形體以相同構件構成，連接上述第1支持體與上述連接體之部分、連接上述第2支持體與上述連接體之部分、連接上述第1支持體與上述變形體之部分、連接上述第2支持體與上 述變形體之部分各自之外緣形成為弧狀。
  7. 如申請專利範圍第1至4中任一項之力矩感測器，其中，上述第1支持體、上述第2支持體、上述連接體、上述變形體及上述檢測體係沿與上述旋轉軸正交之2維平面而配置。
  8. 如申請專利範圍第1項之力矩感測器，其中，上述變形體具備：第1變形體，配置於與上述旋轉軸正交且以上述旋轉軸之位置為原點之2維直角座標系之第1象限；第2變形體，配置於上述2維直角座標系之第2象限；第3變形體，配置於上述2維直角座標系之第3象限；以及第4變形體，配置於上述2維直角座標系之第4象限。
  9. 如申請專利範圍第8項之力矩感測器，其中，上述檢測體具備：第1檢測體，檢測上述第1變形體之彈性變形；第2檢測體，檢測上述第2變形體之彈性變形；第3檢測體，檢測上述第3變形體之彈性變形；以及第4檢測體，檢測上述第4變形體之彈性變形。
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