TWI804581B - 轉矩感測器 - Google Patents

Abstract

提供一種可防止應變計的劣化並提升轉矩的檢測精度之轉矩感測器。 複數個第3構造體是連接第1構造體與第2構造體。將第1應變感測器連接於第1構造體與第2構造體之間，並將第2應變感測器連接於第1構造體與第2構造體之間。至少1個擋件是一端部固定於第1構造體與第2構造體的其中一邊，且另一端部設成可卡合於設置於第1構造體與第2構造體的另一邊的卡合部。

Description

轉矩感測器

發明領域 本發明的實施形態是有關於一種設置於例如機器手臂之關節的轉矩感測器。

發明背景 轉矩感測器具有施加轉矩的第1構造體、輸出轉矩的第2構造體、及連結第1構造體與第2構造體之作為樑的複數個應變部，在這些應變部上配置有作為感測器元件的複數個應變計。藉由這些應變計可構成橋接電路(例如參照專利文獻1、2、3)。 先前技術文獻

專利文獻 專利文獻1：日本專利特開2013-096735號公報 專利文獻2：日本專利特開2015-049209號公報 專利文獻3：日本專利特開2017-172983號公報

發明概要 發明欲解決之課題 在轉矩感測器中，只要可以檢測轉矩到應變計的容許應變為止，就可以提高靈敏度，且可以得到高解析度、或高精度的轉矩感測器。

但是，必須考慮對應變計施加超出額定轉矩之較大的力的情況、或對應變計的疲勞的安全係數。因此，是以安全係數為比1更大的值，例如3~5左右的範圍來設計。安全性與靈敏度存在權衡折衷的關係，在將安全係數設定得較大的情況下，會使額定轉矩變得較小，而使轉矩的檢測精度(靈敏度)降低。從而，使轉矩感測器的精度降低。

本發明的實施形態是設成提供一種可防止應變計的劣化並提升轉矩的檢測精度之轉矩感測器。 用以解決課題之手段

實施形態的轉矩感測器具備：第1構造體；第2構造體；複數個第3構造體，連接前述第1構造體與前述第2構造體；至少1個應變感測器，進行前述第1構造體與前述第2構造體之間的連接；及至少1個擋件，一端部固定於前述第1構造體與第2構造體的其中一邊，且另一端部設成可卡合於設置於前述第1構造體與第2構造體的另一邊的卡合部。 發明效果

本發明的實施形態可以提供一種可防止應變計的劣化並提升轉矩的檢測精度之轉矩感測器。

用以實施發明之形態 以下，參照圖式來說明實施形態。在圖式中，對相同的部分是附加相同的符號。

圖1所顯示的是可適用本實施形態的轉矩感測器10之一例。

在圖1中，轉矩感測器10具備有第1構造體11、第2構造體12、複數個第3構造體13、第4構造體14、第5構造體15、擋件16、17、及蓋件18。

第1構造體11與第2構造體12是形成為環狀，第2構造體12的直徑比第1構造體11的直徑更小。第2構造體12是與第1構造體11配置成同心狀，第1構造體11與第2構造體12是藉由配置成放射狀之複數個作為樑部的第3構造體13來連結。第2構造體12具有中空部12a，在中空部12a中例如有未圖示的配線通過。

第1構造體11是連結於例如被測量體，複數個第3構造體13是將轉矩從第1構造體11傳達至第2構造體12。相反地，亦可將第2構造體12連結於被測量體，並且將轉矩從第2構造體12透過複數個第3構造體13而傳達至第1構造體11。

第1構造體11、第2構造體12、複數個第3構造體13是藉由金屬，例如不銹鋼所構成，但只要對於所施加的轉矩能夠充分地得到機械性強度的話，亦可使用金屬以外的材料。

圖2是顯示將圖1的擋件16、17取下的狀態。在第1構造體11與第2構造體12之間，設置有第1應變感測器19、第2應變感測器20。亦即，如後所述，第1應變感測器19與第2應變感測器20的一端部是接合於第1構造體11，第1應變感測器19與第2應變感測器20的另一端部是接合於第2構造體12。

又，第1應變感測器19與第2應變感測器20是相對於第1構造體11及第2構造體12的中心(轉矩的作用中心)而配置於對稱的位置。換言之，第1應變感測器19與第2應變感測器20是配置於環狀的第1構造體11及第2構造體12的直徑上。

第1應變感測器19與第2應變感測器20的厚度，亦即，後述的應變體的厚度比第3構造體13的厚度更薄。轉矩感測器10的機械性強度是藉由第3構造體13的厚度或寬度來設定。在應變體中，設置有作為感測器元件的複數個應變計，並且藉由這些感測器元件來構成橋接電路。

擋件16、17保護第1應變感測器19與第2應變感測器20之機械性變形，並且具有作為第1應變感測器19與第2應變感測器20的蓋件之功能。針對擋件16、17的詳細內容將於後文描述。

第1應變感測器19是連接於可撓性基板21，第2應變感測器20是連接於可撓性基板22。可撓性基板21、22是連接於蓋件18所覆蓋之未圖示的印刷基板。在印刷基板中，配置有將後述的橋接電路的輸出電壓放大的運算放大器等。由於電路構成並非本實施形態的本質，因此省略說明。 (第1實施形態)

圖3、圖4是顯示第1實施形態的圖，從圖1、圖2將第1應變感測器19與第2應變感測器20、可撓性基板21、22及蓋件18等取下，只顯示第1構造體11、第2構造體12、複數個第3構造體13、第4構造體14、及第5構造體15。

第1實施形態是設為下述之構造：將轉矩方向Mz以外的方向，特別是圖示箭頭Fz方向、Mx方向的力施加於轉矩感測器10時，讓應變不集中於設置在第1應變感測器19及第2應變感測器20的應變體之作為感測器元件的複數個應變計。

具體而言，在相對於第1構造體11及第2構造體12的中心對稱的位置上設置有第4構造體14與第5構造體15，第4構造體14具有從第1構造體11連續至第2構造體12的凹部14f，第5構造體15具有從第1構造體11連續至第2構造體12的凹部15f。如後所述，第1應變感測器19是配置於第4構造體14的凹部14f內，第2應變感測器20是配置於第5構造體15的凹部15f內。

再者，雖然第1實施形態是顯示具備第1應變感測器19與第2應變感測器之2個應變感測器的情況，但是應變感測器的數量亦可為3個以上。在此情況下，因應於應變感測器的數量來增加構造體的數量即可。

因為第4構造體14及第5構造體15是相同的構成，所以僅針對第4構造體14具體地說明。

如圖5所示，第4構造體14具有接合第1應變感測器19之作為接合部的第1連接部14a及第2連接部14b、作為樑的第3連接部14c及第4連接部14d、及被第1連接部14a、第2連接部14b、第3連接部14c及第4連接部14d所包圍的開口部14e。

換言之，第4構造體14是設置於第1構造體11與第2構造體12之間的具有開口部14e的樑。

第1連接部14a是從第1構造體11朝第2構造體12側延伸。第2連接部14b是從第2構造體12朝第1構造體11側延伸。

作為樑的第3連接部14c及第4連接部14d是設置於第1連接部14a與第2連接部14b之間。

第3連接部14c及第4連接部14d的長度L1比作為樑的第3構造體13的長度L2(也顯示於圖1)更短。第3連接部14c及第4連接部14d的轉矩(Mz)方向的寬度W1比第1連接部14a及第2連接部14b的轉矩方向的寬度W2更狹窄，第3連接部14c及第4連接部14d的寬度W1的合計比第3構造體13的轉矩(Mz)方向的寬度W3(顯示於圖1)更狹窄。因此，第3連接部14c及第4連接部14d的轉矩方向的剛性比第1連接部14a、第2連接部14b、及第3構造體13的轉矩方向的剛性更低。

又，第3連接部14c及第4連接部14d的Fz方向的厚度是與第1構造體、第2構造體、及第3構造體的Fz方向的厚度相等。再者，第1連接部14a的長度L11、第2連接部14b的長度L12、與第3連接部14c及第4連接部14d的長度L1的合計是與第3構造體13的長度相等。因此，第3連接部14c及第4連接部14d的Fz方向的剛性會變得比第3構造體13的Fz方向的剛性略小。

亦即，如後述之圖6A所示，在轉矩(Mz)方向中，第1連接部14a與第1構造體11是構成高剛性部HS1，第2連接部14b與第2構造體12是構成高剛性部HS2。此外，在轉矩(Mz)方向中，第3連接部14c是構成低剛性部LS1，第4連接部14d是構成低剛性部LS2。

再者，第1連接部14a的長度L11、第2連接部14b的長度L12、與第3連接部14c及第4連接部14d的長度L1的合計，並不限定於與第3構造體13的長度相等的情況，亦可為不相等。

第1連接部14a具有前述之凹部14f。凹部14f的部分的厚度比第1至第3構造體11、12、13的厚度更薄。

第1應變感測器19的一端部是連接於第1連接部14a的凹部14f，另一端部是連接於第2連接部14b的凹部14f。因此，第1應變感測器19是橫跨於開口部14e。如後所述，凹部14f的底部是位於第4構造體14的厚度的中央以下，而將構成第1應變感測器19的應變體的表面形成與包含由第1構造體11、第2構造體12、複數個第3構造體13、第4構造體14及第5構造體15所形成的構造體之重心的面一致。

圖6A、圖6B是示意地顯示圖5的圖，圖6A是顯示對轉矩感測器10施加了轉矩(Mz)方向的力之情況，圖6B是顯示對轉矩感測器10施加了轉矩以外(Fz、Mx)的方向的力之情況。

如圖6A所示，可藉由在對轉矩感測器10施加了轉矩(Mz)方向的力之情況下，作為低剛性部LS1、LS2的第3連接部14c與第4連接部14d變形，以使第1應變感測器19(第2應變感測器20)變形，而檢測轉矩。

另一方面，如圖6B所示，對轉矩感測器10施加了轉矩以外(Fz、Mx)的方向的力的情況下，亦即，第1構造體11相對於第2構造體12朝圖示箭頭方向位移的情況下，第1連接部14a與第2連接部14b的剛性、以及第3連接部14c與第4連接部14d的剛性為幾乎相等。因此，第1連接部14a的長度L11、第2連接部14b的長度L12、以及第3連接部14c與第4連接部14d的長度L1之合計的長度L2可作為有效長度來發揮功能。因為長度L2比第3連接部14c與第4連接部14d的長度L1更長，所以在施加了轉矩以外(Fz、Mx)的方向的力的情況下，第1應變感測器19(第2應變感測器20)的變形是在長度L2的範圍中發生，而可以使應變不集中在設置於第1應變感測器19的應變體之作為感測器元件的複數個應變計上，且可防止第1應變感測器19(第2應變感測器20)的檢測精度之降低。

圖7是示意地顯示第4構造體14的圖。參照圖7，針對對第4構造體14的截面二次力矩(變形容易度)及第4構造體14(第5構造體15)所要求的條件來說明。

固定第4構造體14的高剛性部HS2，以Js來表示將轉矩(Mz)方向的力施加於高剛性部HS1時的截面二次力矩，以Jw來表示將轉矩(Mz)方向的力施加於低剛性部LS1、LS2時的截面二次力矩，以Is來表示將轉矩以外(Fz)的方向的力施加於高剛性部HS1時的截面二次力矩，以Iw來表示將轉矩以外(Fz)的方向的力施加於低剛性部LS1、LS2時的截面二次力矩。

轉矩(Mz)方向的高剛性部HS1的截面二次力矩、與低剛性部LS1、LS2的截面二次力矩的比值是以下列的數式(1)來表示。 Js/Jw　　　…(1)

轉矩以外(Fz)的方向的高剛性部HS1的截面二次力矩、與低剛性部LS1、LS2的截面二次力矩的比值是以下列的數式(2)來表示。 Is/Iw　　　…(2)

只要數式(1)(2)的值都為“1”的話，高剛性部HS1與低剛性部LS1、LS2的截面二次力矩就會相等，變形不會集中於低剛性部LS1、LS2。只要數式(1)(2)的值都越大於“1”的話，變形就會越集中於低剛性部LS1、LS2。

施加了轉矩(Mz)方向的力之情況下，會相對於設置在第1應變感測器19的應變體之作為感測器元件的複數個應變計而使應變集中，施加了轉矩以外(Fz、Mx)的方向的力之情況下，為了使應變的集中處從應變計偏移，所期望的是一邊的變形集中度(α)接近於1(α→1)，另一邊的變形集中度(β)和變形集中度(α)相較之下非常大(β＞＞α)。

只要施加了轉矩(Mz)方向的力時之低剛性部LS1、LS2的變形集中度，比施加了轉矩以外(Fz)的方向的力時之低剛性部LS1、LS2的變形集中度更大，就會成為下述情形：相對於轉矩方向的力易於變形，且相對於轉矩以外的方向的力難以變形。亦即，讓下列的數式(3)所示的關係成立，是對第4構造體14(第5構造體15)所要求的條件。 Js/Jw＞Is/Iw　　　…(3)

具體而言，圖8A是沿著圖7所示的VIIIA-VIIIA線的截面圖，並且是顯示高剛性部HS1的尺寸之一例。圖8B是沿著圖7所示的VIIIB-VIIIB線的截面圖，並且是顯示低剛性部LS1、LS2的尺寸之一例。

如圖8A所示，在具有U字型的截面的高剛性部HS1中，施加了轉矩以外(Fz)的方向的力之情況下，與軸N1-N1相關的截面二次力矩Is是如下所示。在此，軸N1-N1是通過高剛性部HS1的厚度方向的中心之軸。

如圖8C所示，一般而言，具有L字型的截面的構造體與具有U字型的截面的構造體的尺寸滿足b＝B-a、h＝e₁ -t的關係之情況下，具有L字型的截面的構造體與具有U字型的截面的構造體的截面二次力矩Is是相同的，且是以下列的數式(4)來表示。 Is＝(Be₁ ³ -bh³ ＋ae₂ ³ )/3　　…(4) 其中，h＝e₁ -t， e₁ ＝(aH² ＋bt² )/(2(aH＋bt)) e₂ ＝H-e₁

因此，對圖8A所示的高剛性部HS1施加了轉矩以外(Fz)的方向的力之情況下，與軸N1-N1相關的截面二次力矩Is可以藉由數式(4)來求出。

再者，e1是作為彈性體之構造體中的重心之位置，且是構造體的厚度的一半，前述構造體是由第1構造體11、第2構造體12、複數個第3構造體13、第4構造體14、及第5構造體15所形成的構造體。因此，相對於厚度H＝12而成為e₁ ≒6。從而，成為e₂ ≒6。

當將圖8A所示的尺寸代入數式(4)時，即成為如下。 Is＝(Be₁ ³ -bh³ ＋ae₂ ³ )/3 ＝(14×6³ -8×(6-5.8)³ ＋6×6³ )/3 ＝1440

又，如圖8B所示，對具有長方形的截面的低剛性部LS1、LS2施加了轉矩以外(Fz)的方向的力之情況下，與軸N2-N2相關的截面二次力矩Is是如下所示。在此，軸N2-N2是通過低剛性部LS1、LS2的厚度方向的中心之軸。

如圖8D所示，一般而言，具有長方形的截面的構造體的截面二次力矩Iw’是以下列的數式(5)來表示。 Iw’＝bh³ /12　　　…(5)

當將圖8B所示的尺寸代入數式(5)時，即成為如下。 Iw’＝2×12³ /12 ＝288

因為圖8B所示的低剛性部LS1、LS2具有2個長方形的截面，所以與軸N2-N2相關的轉矩以外(Fz)的方向的截面二次力矩Iw是以下列的數式(6)來表示。 Iw＝2×Iw’　　　…(6)

從而，與軸N2-N2相關的轉矩以外(Fz)的方向的截面二次力矩Iw會成為如下。 Iw＝576

另一方面，如圖8E所示，在具有U字型的截面的高剛性部HS1中，施加了轉矩(Mz)方向的力時，與軸N3-N3相關的截面二次力矩Js是如下所示。在此，軸N3-N3是通過高剛性部HS1的寬度方向的中心之軸。

如圖8G所示，一般而言，具有I型的截面的構造體與具有U字型的截面的構造體的尺寸滿足b＝B-a、h＝H-2t的關係之情況下，具有I字型的截面的構造體與具有U字型的截面的構造體之截面二次力矩是相同的，且是以下列的數式(7)來表示。 Js＝(BH³ -bh³ )/12　　　…(7)

當將圖8A所示的尺寸代入數式(7)時，即成為如下。 Js＝(12×14³ -6.2×8³ )/12 ＝2479

又，如圖8F所示，在具有長方形的截面的低剛性部LS1、LS2中，施加了轉矩(Mz)方向的力時，與軸N4-N4相關的截面二次力矩Jw’如利用圖8D所說明地，是以下列的數式(8)來表示。在此，軸N4-N4是通過低剛性部LS1的寬度方向的中心之軸。 Jw’＝bh³ /12　　　…(8)

當將圖8B所示的尺寸代入數式(8)時，即成為如下。 Jw’＝12×2³ /12 ＝8

因為圖8F所示的低剛性部LS1、LS2具有2個長方形的截面，所以與軸N4-N4相關之轉矩(Mz)的方向的截面二次力矩Jw是以下列的數式(9)來表示。 Jw＝2×Jw’　　　…(9)

從而，與軸N2-N2相關的轉矩以外(Fz)的方向的截面二次力矩Iw會成為如下。 Jw＝16

當將如上述地進行後所求出之轉矩以外(Fz)的方向的截面二次力矩Is＝1440、Iw＝576、轉矩(Mz)方向的截面二次力矩Js＝2479、Jw＝16代入上述的數式(3)時，即成為如下，可知已滿足數式(3)的條件。 Js/Jw＞Is/Iw 2479/16＞1440/576 155＞2.5

從而，可知下述情形：第4構造體14、第5構造體15是相對於轉矩(Mz)方向的力而易於變形，且相對於轉矩以外(Fz)的方向的力而難以變形。

圖8H是顯示凹部14f與第1應變感測器19(應變體)的位置關係。如前所述，凹部14f的底部是位於第4構造體14的厚度的中央H/2以下。具體而言，為了使構成第1應變感測器19的應變體的表面位於包含由第1構造體11、第2構造體12、複數個第3構造體13、第4構造體14及第5構造體15所形成的構造體之重心的面CG上，而將凹部14f的底部設成比包含第4構造體14之重心的面CG更低相當於應變體的厚度之位置。此位置為中立面，不會對應變體施加壓縮力及拉伸力。因此，可以減少應變體的彎曲方向，亦即轉矩以外(Fz)的方向之應變。 (第1實施形態的效果)

根據第1實施形態，設置有第1應變感測器19的第4構造體14、及設置有第2應變感測器20的第5構造體15具備：第1連接部14a及第2連接部14b，分別相對於轉矩(Mz)方向及轉矩以外(Fz、Mx)的方向的力而作為高剛性部來作用；及第3連接部14c及第4連接部14d，相對於轉矩(Mz)方向的力而作為低剛性部來作用，並相對於轉矩以外(Fz、Mx)的方向的力而作為高剛性部來作用。因此，可以防止下述情形：由轉矩以外的方向的力所產生的應變集中於第1應變感測器19及第2應變感測器20的應變計51、52、53、54。從而，可以減少施加於應變計51、52、53、54的應變的絕對量，並且可以大幅地減少第1應變感測器19及第2應變感測器20之相對於轉矩以外的方向的力之檢測電壓。據此，可以防止轉矩或轉矩以外的他軸干涉並防止形狀的大型化，而可提供高精度的轉矩感測器。

以下，針對第1實施形態的效果，參照比較例來具體地說明。

圖9是顯示轉矩感測器10的比較例。圖9所示的轉矩感測器30是第1應變感測器19與第2應變感測器20的連接部的構成與第1實施形態所示的轉矩感測器10不同，其他構成則是和第1實施形態同樣。

在轉矩感測器30中，第1應變感測器19與第2應變感測器20的一端部是分別連接於已設置於第1構造體11的突起11-1，另一端部是分別連接於已設置於第2構造體12的突起12-1。突起11-1、12-1具有例如與第1構造體11及第2構造體12同等的厚度。突起11-1與突起12-1的間隔是和圖5所示的第3連接部14c、第4連接部14d的長度L1為同等。

作為比較例的轉矩感測器30是只有第3構造體13相對於轉矩方向及轉矩以外的方向的力而作為高剛性部來作用，且第1應變感測器19與第2應變感測器20是只在第1構造體11與第2構造體12之間設置有應變體。因此，在對轉矩感測器30施加了轉矩(Mz)方向的力之情況、以及施加了轉矩以外(Fz、Mx)的方向的力之情況的任一方向中，都會成為下述情形：應變集中於在第1應變感測器19與第2應變感測器20之設置在應變體的應變計上。

圖10A、圖10B是示意地顯示圖9的圖，圖10A是顯示對轉矩感測器30施加了轉矩(Mz)方向的力之情況，圖10B是顯示對轉矩感測器30施加了轉矩以外(Fz、Mx)的方向的力之情況。

圖11是顯示在第1實施形態之轉矩感測器10與比較例之轉矩感測器30的各軸方向上施加相同的力之情況下的應變。

由圖11可清楚得知，在第1實施形態之轉矩感測器10之情況下，對於轉矩(Mz)方向的力之應變是相較於比較例而較大，對於轉矩以外(Fx、Fy、Fz、Mx、My)的方向的力之應變是相較於比較例而較小。特別是可得知下述情形：可將對於Fz及Mx的方向的力之應變相較於比較例設得顯著變小。從而，根據第1實施形態，可以在第1應變感測器19及第2應變感測器20減少由轉矩以外的方向的力所造成的應變，而可防止第1應變感測器19及第2應變感測器20的檢測精度之降低。

又，構成第1應變感測器19的應變體的表面是位於包含由第1構造體11、第2構造體12、複數個第3構造體13、第4構造體14及第5構造體15所形成的構造體之重心的面CG上。因此，可以減少應變體的彎曲方向，亦即轉矩以外(Fz)的方向之應變。 (第2實施形態)

圖12是顯示第2實施形態。

如前所述，第1應變感測器19是設置於第4構造體14，第2應變感測器20是設置於第5構造體15。因為第1應變感測器19及第2應變感測器20的構成是相同的，因此僅針對第1應變感測器19的構成來說明。

第1應變感測器19具備應變體41、以及配置於應變體41的表面之作為感測器元件的複數個應變計51、52、53、54。

應變體41是藉由矩形的金屬板，例如不銹鋼(SUS)所構成。應變體41的厚度比第3構造體13的厚度更薄。

應變計51、52、53、54是藉由設置於應變體41上之例如Cr-N的薄膜電阻體所構成。薄膜電阻體的材料並非限定於Cr-N。

應變體41的一端部為連接於第1連接部14a，另一端部為連接於第2連接部14b。應變體41、第1連接部14a及第2連接部14b的連接方法，可使用例如熔接、螺鎖固定、或使用了接著劑的連接方法。

應變體41是以例如熔接於第1連接部14a之處與熔接於第2連接部14b之處之間的部分作為實質上的應變體而發揮功能。因此，應變體41的有效長度是相當於連接於第1連接部14a之處至連接於第2連接部14b之處之間的長度。

複數個應變計51、52、53、54是在應變體41中，並配置在比應變體41的有效長度的中央部CT更靠近第2構造體12側的區域AR1。此區域AR1是在開口部14e的範圍內於應變體41產生較大的應變之區域。如後所述，此區域AR1是使對於轉矩以外的方向例如Fx、My方向的力之第1應變感測器19的靈敏度、與轉矩(Mz)方向中的第1應變感測器19的靈敏度成為相同的區域。

應變計51、52、53、54是在區域AR1中將應變計51、52、53、54的長邊方向沿著應變體41的2個對角線DG1、DG2來配置。亦即，應變計51、52是將其長邊方向沿著以虛線表示的其中一邊的對角線DG1來配置，應變計53、54是將其長邊方向沿著以虛線表示的另一邊的對角線DG2來配置。對角線DG1、DG2對應於位於應變體41的開口部14e內的長方形之區域。

第1應變感測器19的應變計51、52、53、54是構成1個橋接電路，第2應變感測器20的應變計51、52、53、54也是構成1個橋接電路。因此，轉矩感測器10具備2個橋接電路。

圖13是顯示第1應變感測器19的橋接電路50之一例。第2應變感測器20也是具備有和橋接電路50同樣的構成之橋接電路。第1應變感測器19的橋接電路50的輸出電壓、與第2應變感測器19的橋接電路50的輸出電壓的每一個，是利用未圖示之例如軟體來補償偏移或溫度等。之後，將第1應變感測器19的橋接電路50的輸出電壓、與第2應變感測器19的橋接電路50的輸出電壓整合，並且作為轉矩感測器10的檢測電壓而輸出。偏移或溫度等的補償並不限定於軟體，亦可藉由硬體來進行。

橋接電路50是在電源Vo與接地GND之間配置有應變計52與應變計53的串聯電路、及應變計54與應變計51的串聯電路。從應變計52與應變計53的連接節點來輸出輸出電壓Vout+，並從應變計54與應變計51的連接節點來輸出輸出電壓Vout-。將輸出電壓Vout+及輸出電壓Vout-供給至運算放大器OP，並且從運算放大器OP的輸出端來輸出輸出電壓Vout。

對轉矩感測器10施加了轉矩(Mz)方向的力之情況下，可從橋接電路50的其中一邊的連接節點的輸出電壓Vout+、以及另一邊的連接節點的輸出電壓Vout-，得到以數式(5)表示的轉矩感測器10的輸出電壓Vout。 Vout＝(Vout+-Vout-) ＝(R3/(R2＋R3)-R1/(R1＋R4))．Vo　　　…(5)

在此，R1是應變計51的電阻值，R2是應變計52的電阻值，R3是應變計53的電阻值，R4是應變計54的電阻值。

在對轉矩感測器10未施加有轉矩的狀態下，在理想上是R1＝R2＝R3＝R4＝R。但是，在實際上，電阻值會有偏差，在未施加有轉矩的狀態下，會輸出伴隨於電阻值的偏差之電壓。此電壓是藉由偏移調整而設為零。

另一方面，當對轉矩感測器10施加了轉矩以外的方向例如Fx、My方向的力之情況下，可藉由R1~R4的電阻值變化，而從橋接電路50輸出輸出電壓Vout。但是，第2應變感測器20的橋接電路50的輸出電壓是輸出和第1應變感測器19的橋接電路50的輸出電壓正負相反的電壓。因此，因為每一個橋接電路50中的輸出電壓是絕對值為相同，但正負為不同，所以會相抵消而使檢測電壓成為0V。

作為感測器元件的應變計51、52、53、54，宜在轉矩(Mz)方向、及轉矩以外(Fx、My)的方向上為相同的位移量之情況下，輸出相同的電壓。因此，宜將應變計51、52、53、54配置於使應變體41的應變在轉矩(Mz)方向、及轉矩以外(Fx、My)的方向上為相等的區域(測定的靈敏度為相等的區域)。

圖14是示意地顯示對轉矩感測器10施加了轉矩(Mz)方向的力之情況、以及施加了轉矩以外(Fx、My)的方向的力之情況中的應變體41的情形。

當宏觀地觀察已設置在第1構造體11與第2構造體12之間的應變體41的動作時，會看起來像是在對轉矩感測器10施加了轉矩(Mz)方向的力之情況、及施加轉矩以外(Fx、My)的方向的力之情況的任一情況中，都使應變體41在剪切方向上變化。

但是，當微觀地觀察已設置在第1構造體11與第2構造體12之間的應變體41的動作時，是在對轉矩感測器10施加了轉矩(Mz)方向的力之情況下，有旋轉力作用在應變體41。另一方面，在對轉矩感測器10施加了轉矩以外(Fx、My)的方向的力之情況下，有平移力作用在應變體41。因此，在施加了轉矩(Mz)方向的力之情況、及施加了轉矩以外(Fx、My)的方向的力之情況下，於應變體41的變形會產生差異。

亦即，於應變體41的第2構造體12側之區域AR1的變形、及應變體41的第1構造體11側之區域AR2的變形會產生差異。具體而言，在應變體41的區域AR1中，施加了轉矩(Mz)方向的力之情況下的應變體41的應變、與施加了轉矩以外(Fx、My)的方向的力之情況下的應變體41的應變之差，是比在應變體41的區域AR2中，施加了轉矩(Mz)方向的力之情況下的應變體41的應變、與施加了轉矩以外(Fx、My)的方向的力之情況下的應變體41的應變之差更小。

亦即，在第2構造體12側的區域AR1中，施加了轉矩(Mz)方向的力之情況下的應變體41的應變、與施加了轉矩以外(Fx、My)的方向的力之情況下的應變體41的應變之差較小。

因此，在區域AR1配置了複數個應變計51、52、53、54的情況下，轉矩(Mz)的檢測靈敏度與轉矩以外(Fx、My)的檢測靈敏度之差是小到小於1%。相對於此，在區域AR2配置了複數個應變計51、52、53、54的情況下，轉矩的檢測靈敏度與轉矩以外的檢測靈敏度之差為數%。從而，較理想的是在第2構造體12側的區域AR1配置複數個應變計51、52、53、54。 (第2實施形態的效果)

根據上述第2實施形態，第1應變感測器19與第2應變感測器20的每一個具備：應變體41，連接於第1構造體11與第2構造體12之間；及複數個應變計51、52、53、54，是作為感測器元件且設置於應變體41，複數個應變計51、52、53、54是配置在比應變體41的長邊方向中央部CT更靠近第2構造體12側的區域AR1。應變體41的區域AR1是在對第1應變感測器19與第2應變感測器20的每一個，施加了轉矩方向的力之情況的應變(靈敏度)(a1、a2)、與施加了轉矩以外的方向的力之情況的應變(靈敏度)(b1、b2)之差為較少的區域(a1≒b1、a2≒b2、a1≠a2)。因此，可以藉由對第1應變感測器19與第2應變感測器20的每一個來調整轉矩的靈敏度，而在不需要依賴於第1構造體11、第2構造體12、第3構造體13的加工精度、或第1應變感測器19與第2應變感測器20相對於第1構造體11、第2構造體12的配置精度的情形下，防止轉矩的檢測精度之降低。

而且，因為配置在應變體41的區域AR1的橋接電路50對於轉矩方向的力與轉矩以外的方向的力的檢測靈敏度之差較小，所以第1應變感測器19與第2應變感測器20的輸出電壓的誤差也較小。因此，在校正從2個橋接電路50輸出的電壓時，只要校正相對於轉矩的檢測誤差，就可以也校正轉矩以外的檢測誤差。從而，因為不需要為了檢測轉矩以外(Fx、My)的方向的力而設置其他的應變感測器，所以可縮短校正時間，並且可實現高速的響應。

以下，針對第2實施形態的效果來具體地說明。

圖15是概略地顯示比較例之轉矩感測器60。此轉矩感測器60是在第1構造體11與第2構造體12之間具備有第1應變感測器61與第2應變感測器62。第1應變感測器61與第2應變感測器62分別具有應變體63，在應變體63的每一個中配置有構成圖13所示之橋接電路的複數個應變計51、52、53、54。因為圖15為概略圖，所以省略第3構造體13。

在比較例中，應變計51、52、53、54的配置和第2實施形態不同。亦即，應變計52、53是配置於應變體63的第1構造體11側的區域，應變計51、54是配置於應變體63的第2構造體12側的區域。

在圖15所示的構成之情況下，配置於第1構造體11側的區域之應變計52、53，會使應變體63的應變在轉矩(Mz)方向與轉矩以外(Fx、My)的方向上不同。因此，會使施加了轉矩(Mz)方向的力之情況的第1應變感測器61的靈敏度與第2應變感測器62的靈敏度、及施加了轉矩以外(Fx、My)的方向的力之情況的第1應變感測器61的靈敏度與第2應變感測器62的靈敏度之差較大。

具體而言，在對轉矩感測器60施加了轉矩以外(Fx、My)的方向的力之情況下，因為轉矩以外(Fx、My)的方向的靈敏度，是和轉矩(Mz)方向的靈敏度不同，所以第1應變感測器61的輸出電壓的值(正的值)、與第2應變感測器62的輸出電壓的值(負的值)是彼此不同。因此，轉矩感測器60是成為下述情形：輸出由第1應變感測器61與第2應變感測器62的平均值所形成的誤差。

另一方面，在第2實施形態的轉矩感測器10的情況，且在對轉矩感測器10施加了轉矩以外(Fx、My)的方向的力之情況下，轉矩以外(Fx、My)的方向的靈敏度是和轉矩(Mz)方向的靈敏度為一致。據此，第1應變感測器19的輸出電壓的值(正的值)(Vout1)、與第2應變感測器20的輸出電壓的值(負的值)(-Vout2)是成為幾乎相等(|Vout1|≒|-Vout2|)。因此，轉矩感測器10的輸出會被第1應變感測器61與第2應變感測器62的輸出電壓抵消而幾乎成為0。從而，在第2實施形態的情況下，可以減少對於轉矩以外(Fx、My)的方向的力之檢測誤差。

在比較例之轉矩感測器60的情況下，在轉矩(Mz)方向與轉矩以外(Fx、My)的方向上，第1應變感測器61與第2應變感測器62的輸出電壓的誤差為較大(|Vout1|≠|-Vout2|)。因此，為了校正這些誤差，必須進行修正轉矩方向的檢測誤差之校正、及修正轉矩以外的方向的檢測誤差之校正。從而，比較例之轉矩感測器60必須另外設置橋接電路，前述橋接電路包含用於檢測轉矩以外的方向的力的應變計。因此，比較例之轉矩感測器60是電路基板的大型化或由軟體所進行的運算處理時間增加，而使調整作業相較於第2實施形態為較煩雜，且響應性能降低。

另一方面，在第2實施形態的情況下，在轉矩(Mz)方向與轉矩以外(Fx、My)的方向上，幾乎沒有第1應變感測器19與第2應變感測器20的輸出電壓的誤差。因此，只要修正轉矩方向的檢測誤差即可。從而，可以縮短校正時間，並且可提升轉矩感測器的響應性能。

又，第2實施形態並不限定於轉矩感測器10的構造，只要將應變計51、52、53、54配置於區域AR1即可。因此，即便將第2實施形態之配置適用於例如圖9所示的構造之轉矩感測器30，仍然可以得到和第2實施形態同樣的效果。 (第3實施形態)

圖16是顯示第3實施形態的圖，並且是將圖1之以B表示的部分放大而顯示。

如參照圖2所說明，第1應變感測器19是由擋件16所覆蓋，第2應變感測器20是由擋件17所覆蓋。擋件16及擋件17是藉由例如不銹鋼或鐵系的合金所形成。擋件16及擋件17是防止第1應變感測器19與第2應變感測器20的機械性變形，並且保護應變計51、52、53、54。此外，擋件16及擋件17是兼作為第1應變感測器19與第2應變感測器20的防水蓋。針對具體的防水構造則省略說明。

因為擋件16與擋件17的構成是相同的，所以只針對擋件16來說明。

如圖16所示，擋件16具有一端部16a與另一端部16b，擋件16的另一端部16b的寬度是設得比一端部16a的寬度更狹窄。擋件16的一端部16a是例如壓入且固定於作為卡合部的凹部14f內，前述凹部14f是形成於第4構造體14的第2構造體12側的凹部14f。擋件16的另一端部16b是配置於凹部14f內，前述凹部14f是形成於第4構造體14的第1構造體11側的凹部14f。擋件16的另一端部16b的寬度比設置於第1構造體11側之凹部14f的寬度更狹窄，且在擋件16的另一端部16b的兩側、及凹部14f的側面之間分別設置有間隙GP。

間隙GP是由第3構造體13的剛性與額定轉矩所決定。

具體而言，將例如1000N．m的轉矩施加於轉矩感測器10的情況，且第1構造體11相對於第2構造體12而變形例如10μm的情況下，間隙GP是設定為例如10μm。

圖17A、圖17B是顯示擋件的動作之圖，並且是示意地顯示圖16的一部分。

如圖17A所示，在對轉矩感測器10未施加有轉矩之情況下，在擋件16的另一端部16b的兩側與凹部14f之間，分別設置有事先決定的間隙GP。在此狀態下，對轉矩感測器10施加了額定轉矩以下的轉矩之情況下，會使第1構造體11相對於第2構造體12移動，且從第1應變感測器19輸出與所施加的轉矩相對應的電壓。當去除對轉矩感測器10的轉矩之施加時，第1應變感測器19即藉由彈性變形而回復。

另一方面，如圖17B所示，在對轉矩感測器10施加了比額定轉矩更大的轉矩之情況下，可將第1構造體11的凹部14f的側面抵接於擋件16的另一端部16b，而限制第1構造體11相對於第2構造體12的移動。因此，第1應變感測器19是在彈性變形的範圍中受到保護。當去除對轉矩感測器10的轉矩之施加時，第1應變感測器19即藉由彈性變形而回復。第2應變感測器20也是藉由同樣的構成而受到保護。

圖18是為了說明施加於轉矩感測器10之作為負載的轉矩與擋件16的動作的關係而顯示的圖，並且是概略地顯示了施加於轉矩感測器10的轉矩、及所檢測的應變(橋接電路50的輸出電壓)的關係。

如圖18所示，在對轉矩感測器10施加了額定轉矩以下的轉矩之情況下，第1應變感測器19(第2應變感測器20)的應變體41是將對應於讓第1構造體11相對於第2構造體12移動而被施加的轉矩之電壓從第1應變感測器19(第2應變感測器20)輸出。

另一方面，當對轉矩感測器10施加比額定轉矩更大的轉矩時，會使凹部14f的側面抵接於擋件16，而藉由擋件16(擋件17)的剛性來抑制複數個第3構造體13的變形，且伴隨於此而抑制應變體41的變形。亦即，擋件16的動作點Op是設定得和轉矩感測器10的額定轉矩相等，擋件16會針對比額定轉矩更大的轉矩來保護應變體41。 (第3實施形態的效果)

根據上述第3實施形態，可在第1應變感測器19及第2應變感測器20設置作為蓋件的擋件16，擋件16的一端部16a是固定於第2構造體12側的凹部14f內，另一端部16b是在對轉矩感測器10施加了比額定轉矩更大的轉矩之情況下，抵接於第1構造體11側的凹部14f的側面。因此，可保護第1應變感測器19及第2應變感測器20。此外，第1應變感測器19及第2應變感測器20以外的構造體也和第1應變感測器19及第2應變感測器20同樣地可受保護而免於塑性變形等。

而且，可以使轉矩感測器10的額定轉矩接近於應變計的0.2%耐力(yield stress)。因此，可以將額定轉矩中的橋接電路50的輸出電壓設得較大。從而，可以提供高解析度、高精度的轉矩感測器。

圖19是顯示應變計之應變與應力的關係的圖，並且顯示有第3實施形態之轉矩感測器的額定轉矩、以及作為比較例之不具有擋件16及擋件17的轉矩感測器的額定轉矩。

作為比較例之不具有擋件16及擋件17的一般的轉矩感測器之情況下，應變計是將相對於衝擊或疲勞的安全係數設定為3至5左右來設計。將安全係數設為例如3的情況下，應變計的應力是設定為0.2%耐力的1/3。因此，額定轉矩也是設定為破壞轉矩的1/3。

相對於此，在第3實施形態的情況下，因為可藉由擋件16及擋件17來保護第1應變感測器19及第2應變感測器20，所以不需要將應變計的安全係數設定為1以上。因此，可以將應變計的額定轉矩設定得比不具有擋件16及擋件17之一般的轉矩感測器更大。從而，可以提供高解析度、高精度的轉矩感測器。

此外，藉由提高擋件16的剛性，即可以提供高容許負載(高最大轉矩)的轉矩感測器。 (變形例)

圖20是顯示第3實施形態的第1變形例的圖。在第3實施形態中，擋件16是藉由另一端部16b抵接於第1構造體11側的凹部14f的側面，而保護了第1應變感測器19。

在第1變形例中，擋件16的另一端部16b具有開口部16b-1，在第4構造體14的第1構造體11側設置有可插入開口部16b-1內的突起14g。在開口部16b-1與突起14g之間設置有間隙GP1。間隙GP1的尺寸為例如間隙GP的尺寸以下。因此，在將比容許轉矩更大的轉矩施加於轉矩感測器10的情況下，可以藉由突起14g抵接於擋件16的開口部16b-1，而保護第1應變感測器19。

第2應變感測器20的擋件17也具備有和擋件16同樣的構成。

藉由上述第1變形例也可以得到和第3實施形態同樣的效果。而且，根據第1變形例，可藉由突起14g抵接於擋件16的開口部16b-1，而更加地保護第1應變感測器19(第2應變感測器20)。

圖21是顯示第3實施形態的第2變形例。

第2變形例是相對於第3實施形態具備有擋件16與擋件17之作法，而更具備有4個擋件16-1、16-2、17-1、17-2。擋件16-1、16-2、17-1、17-2的構造是和擋件16與擋件17同樣。

藉由第2變形例也可以得到和第3實施形態同樣的效果。而且，根據第2變形例，因為擋件的數量比第3實施形態更多，所以可更加地保護第1應變感測器19、第2應變感測器20。

此外，本發明並非原樣限定於上述各實施形態的發明，且在實施階段中，可以在不超出其主旨的範圍內將構成要件變形並具體化。又，藉由於上述各實施形態所揭示的複數個構成要件的適當的組合，可以形成各種發明。例如，亦可從實施形態所示的全部構成要件中刪除幾個構成要件。此外，亦可將涵蓋不同的實施形態的構成要件進行適當組合。 產業上之可利用性

本實施形態的轉矩感測器可適用於例如機器手臂的關節。

10、30‧‧‧轉矩感測器 11‧‧‧第1構造體 11-1、12-1、14g‧‧‧突起 12‧‧‧第2構造體 12a‧‧‧中空部 13‧‧‧第3構造體 14‧‧‧第4構造體 14a‧‧‧第1連接部 14b‧‧‧第2連接部 14c‧‧‧第3連接部 14d‧‧‧第4連接部 14e、16b-1‧‧‧開口部 14f、15f‧‧‧凹部 15‧‧‧第5構造體 16、17、16-1、16-2、17-1、17-2‧‧‧擋件 16a‧‧‧一端部 16b‧‧‧另一端部 18‧‧‧蓋件 19、61‧‧‧第1應變感測器 20、62‧‧‧第2應變感測器 21、22‧‧‧可撓性基板 41、63‧‧‧應變體 50‧‧‧橋接電路 51、52、53、54‧‧‧應變計 AR1、AR2‧‧‧區域 CT‧‧‧長邊方向中央部 DG1、DG2‧‧‧對角線 Fx、Fy、Fz、Mx、My‧‧‧轉矩以外的方向 GP、GP1‧‧‧間隙 HS1、HS2‧‧‧高剛性部 L1、L2、L11、L12‧‧‧長度 LS1、LS2‧‧‧低剛性部 Mz‧‧‧轉矩方向 N1-N1、N2-N2、N3-N3、N4-N4‧‧‧軸 W1、W2、W3‧‧‧寬度

圖1是顯示可適用各實施形態的轉矩感測器的平面圖。

圖2是將圖1的一部分去除而顯示的平面圖。

圖3是第1實施形態之將圖2的一部分去除而顯示的平面圖。

圖4是圖3的立體圖。

圖5是將於圖3中以虛線表示的A部分放大而顯示的平面圖。

圖6A是為了說明對圖5所示的轉矩感測器施加了轉矩(Mz)方向的力之情況的動作而顯示的平面圖。

圖6B是為了說明對圖5所示的轉矩感測器施加了轉矩以外(Fz、Mx)的方向的力之情況的動作而顯示的側面圖。

圖7是顯示圖5所示的構造的立體圖。

圖8A是沿著圖7所示的VIIIA-VIIIA線的截面圖，且是為了說明轉矩以外(Fz、Mx)的方向的截面二次力矩而顯示的圖。

圖8B是沿著圖7所示的VIIIB-VIIIB線的截面圖，並且是為了說明轉矩以外(Fz、Mx)的方向的截面二次力矩而顯示的圖。

圖8C是為了說明一般的構造體的截面二次力矩而顯示的圖。

圖8D是為了說明和圖8C不同的構造體的截面二次力矩而顯示的圖。

圖8E是為了說明圖8A的轉矩(Mz)方向的截面二次力矩而顯示的圖。

圖8F是為了說明圖8B的轉矩(Mz)方向的截面二次力矩而顯示的圖。

圖8G是為了說明和圖8C、圖8D不同的構造體的截面二次力矩而顯示的圖。

圖8H是為了說明構造體與應變體的位置關係而顯示的圖。

圖9是顯示第1實施形態的比較例之轉矩感測器的平面圖。

圖10A是為了說明將轉矩(Mz)方向的力施加於圖9所示的轉矩感測器之情況的動作而顯示的平面圖。

圖10B是為了說明將轉矩以外(Fz、Mx)的方向的力施加於圖9所示的轉矩感測器之情況的動作而顯示的側面圖。

圖11是顯示在第1實施形態的轉矩感測器與比較例的轉矩感測器的各軸方向上施加了相同的力之情況下的應變的圖。

圖12是顯示第2實施形態的圖，且是顯示第1應變感測器與第2應變感測器的平面圖。

圖13是顯示第1應變感測器的橋接電路之一例的電路圖。

圖14是為了說明對第2實施形態的轉矩感測器施加有轉矩方向的力之情況、以及施加有轉矩方向以外的方向的力之情況下的應變體的情形而顯示的圖。

圖15是概略地顯示第2實施形態的比較例之轉矩感測器的圖。

圖16是顯示第3實施形態的圖，且是將圖1之以B表示的部分放大而顯示的平面圖。

圖17A是顯示擋件的動作的圖，且是示意地顯示圖16的一部分的圖。

圖17B是顯示和圖17A不同的擋件的動作的圖，且是示意地顯示圖16的一部分的圖。

圖18是為了說明施加於轉矩感測器的轉矩與擋件的動作的關係而顯示的圖。

圖19是顯示應變計之應變與應力的關係的圖。

圖20是顯示第3實施形態的第1變形例的圖，且是將一部分放大而顯示的平面圖。

圖21是顯示第3實施形態的第2變形例的平面圖。

10‧‧‧轉矩感測器

11‧‧‧第1構造體

12‧‧‧第2構造體

14‧‧‧第4構造體

14a‧‧‧第1連接部

14b‧‧‧第2連接部

14c‧‧‧第3連接部

14d‧‧‧第4連接部

14e‧‧‧開口部

14f‧‧‧凹部

16‧‧‧擋件

16a‧‧‧一端部

16b‧‧‧另一端部

GP‧‧‧間隙

Claims (8)

1. 一種轉矩感測器，其特徵在於：具備：第1構造體；第2構造體；複數個第3構造體，連接前述第1構造體與前述第2構造體；至少1個應變感測器，進行前述第1構造體與前述第2構造體之間的連接；及至少1個擋件，一端部固定於前述第1構造體與第2構造體的其中一邊，且另一端部設成可卡合於設置於前述第1構造體與第2構造體的另一邊的卡合部，前述擋件是覆蓋前述應變感測器的防水蓋。
2. 如請求項1之轉矩感測器，其中前述卡合部是凹部，且前述擋件的前述另一端部是配置於前述凹部內。
3. 如請求項1之轉矩感測器，其中前述擋件的另一端部具有開口部，且前述第1構造體與前述第2構造體的另一邊具備設置於前述開口部內的突起。
4. 如請求項1之轉矩感測器，其更具備設置於前述第1構造體與前述第2構造體之間的至少1個第4構造體，前述第4構造體具備：第1連接部，設置於前述第1構造體； 第2連接部，設置於前述第2構造體；及第3連接部與第4連接部，設置於前述第1連接部及前述第2連接部之間，且具有比前述第1連接部及前述第2連接部的剛性更低的剛性。
5. 如請求項4之轉矩感測器，其中前述第1連接部具有第1凹部，前述第2連接部具有第2凹部，且前述擋件的一端部固定於前述第2凹部內，前述擋件的前述另一端部設置於前述第1凹部內。
6. 如請求項5之轉矩感測器，其中前述擋件的另一端部與前述第1凹部之間設置有間隙。
7. 如請求項6之轉矩感測器，其中前述應變感測器是設置在前述第1凹部與前述第2凹部之間。
8. 如請求項4之轉矩感測器，其中前述第1構造體及前述第2構造體為環狀，前述第2構造體的直徑比前述第1構造體的直徑更小。

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