WO2018146917A1 - トルクセンサ - Google Patents

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strain sensor
output voltage
circuit
torque sensor
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鈴木　隆史
池田　隆男
嵩幸 遠藤
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日本電産コパル電子株式会社
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01L25/003—Testing or calibrating of apparatus for measuring force, torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency for measuring torque
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J13/00—Controls for manipulators
    • B25J13/08—Controls for manipulators by means of sensing devices, e.g. viewing or touching devices
    • B25J13/085—Force or torque sensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
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    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0028—Force sensors associated with force applying means
    • G01L5/0042—Force sensors associated with force applying means applying a torque
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    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0061—Force sensors associated with industrial machines or actuators
    • G01L5/0071—Specific indicating arrangements, e.g. of overload

Definitions

  • a plurality of robot arms are installed, and these robot arms cooperate to assemble products.
  • Torque sensors are provided at the joints of these robot arms (see, for example, Patent Documents 1, 2, and 3).
  • Embodiment of this invention provides the torque sensor which can detect abnormality of torque sensor itself and has a fail safe function.
  • the torque sensor of the present embodiment includes a plurality of first structures, a second structure, and a plurality of forces that are detected between the first structure and the second structure, which are coupled to the measurement target.
  • a first bridge circuit including a first strain sensor, a second bridge circuit including a plurality of second strain sensors for detecting a force transmitted between the first structure and the second structure,
  • a controller that outputs a signal indicating an abnormality when the difference between the first output voltage of the first bridge circuit and the second output voltage of the second bridge circuit is greater than a first threshold voltage.
  • the embodiment of the present invention can detect an abnormality of the torque sensor itself and can provide a torque sensor having a fail-safe function.
  • the lineblock diagram showing an example of the torque sensor concerning a 1st embodiment The flowchart shown in order to demonstrate the operation
  • movement following FIG. The block diagram which shows an example of the torque sensor which concerns on 2nd Embodiment.
  • a torque sensor 10 includes, for example, a first structure 11, a second structure 12, a plurality of third structures 13 as beam portions, a first bridge circuit B1, and a second bridge circuit B2. Yes.
  • the first structure 11 and the second structure 12 are, for example, annular, and the second structure 12 and the first structure 11 constitute concentric circles.
  • the multiple third structures 13 a, 13 b, 13 c, and 13 d connect the first structure 11 and the second structure 12.
  • the third structures 13a, 13b, 13c, and 13d function as a strain generating section, for example.
  • the first structure 11 is attached to one of the joints of a robot arm (not shown) as an object to be measured, for example.
  • the first structure 11 is attached to, for example, a reduction gear (not shown), and the reduction gear is connected to a motor (not shown).
  • the second structure 12 is attached to the other joint of a robot arm (not shown).
  • the third structures 13a, 13b, 13c, and 13d transmit force (torque) between the first structure 11 and the second structure 12.
  • the first structure 11, the second structure 12, and the third structures 13a, 13b, 13c, and 13d are made of metal, for example. However, if sufficient mechanical strength can be obtained with respect to the applied torque, the first structure 11, the second structure 12, and the third structures 13a, 13b, 13c, and 13d are formed of a material other than metal. It is also possible to do.
  • the first bridge circuit B1 and the second bridge circuit B2 are provided in the third structures 13a and 13c arranged at positions separated by 180 °.
  • the first bridge circuit B1 is composed of first strain sensors (strain gauges) G1 to fourth strain sensor G4, and the second bridge circuit B2 is composed of fifth strain sensor G5 to eighth strain sensor G8.
  • the first strain sensor G1 and the second strain sensor G2 of the first bridge circuit B1 and the fifth strain sensor G5 and the sixth strain sensor G6 of the second bridge circuit B2 are provided in the third structure 13a, and the first bridge The third strain sensor G3 and the fourth strain sensor G4 of the circuit B1, and the seventh strain sensor G7 and the eighth strain sensor G8 of the second bridge circuit B2 are provided in the third structure 13c.
  • the first strain sensor G1 to the eighth strain sensor G8 are constituted by, for example, a thin film resistor provided on an unillustrated metal plate via an insulating film, for example.
  • the configuration of the first strain sensor G1 to the eighth strain sensor G8 is not limited to this.
  • the metal plates of the first strain sensor G1 to the eighth strain sensor G8 are fixed to the surface of the third structure 13a or the third structure 13c using means such as adhesion, screws or welding.
  • the first strain sensor G1, the second strain sensor G2, the fifth strain sensor G5, and the sixth strain sensor G6 are provided in the third structure 13a, and the third strain sensor G3, the fourth strain sensor G4, and the seventh strain are provided.
  • the sensor G7 and the eighth strain sensor G8 are provided in the third structure 13c, the present invention is not limited to this.
  • a metal plate provided in the first strain sensor G1 to the eighth strain sensor G8 may be used as the strain generating body.
  • the metal plates of the first strain sensor G1, the second strain sensor G2, the fifth strain sensor G5, and the sixth strain sensor G6 are placed in places other than the third structures 13a, 13b, 13c, and 13d.
  • the metal plates of the third strain sensor G3, the fourth strain sensor G4, the seventh strain sensor G7, and the eighth strain sensor G8 are provided between the structure 11 and the second structure 12, and the first structure 11 You may provide between the 2nd structures 12. What is necessary is just to fix the metal plate of each strain sensor to the 1st structure 11 and the 2nd structure 12 using means, such as adhesion
  • the first strain sensor G1 and the third strain sensor G3 are connected in series, and the second strain sensor G2 and the fourth strain sensor G4 are connected in series.
  • the first strain sensor G1 and the third strain sensor G3 connected in series are connected in parallel to the second strain sensor G2 and the fourth strain sensor G4 connected in series.
  • a power supply Vo for example, 5 V is supplied to a connection node between the second strain sensor G2 and the fourth strain sensor G4, and a connection node between the first strain sensor G1 and the third strain sensor G3 is grounded.
  • the fifth strain sensor G5 and the seventh strain sensor G7 are connected in series, and the sixth strain sensor G6 and the eighth strain sensor G8 are connected in series.
  • the fifth strain sensor G5 and the seventh strain sensor G7 connected in series are connected in parallel to the sixth strain sensor G6 and the eighth strain sensor G8 connected in series.
  • a power supply Vo for example, 5 V is supplied to a connection node between the sixth strain sensor G6 and the eighth strain sensor G8, and a connection node between the fifth strain sensor G5 and the seventh strain sensor G7 is grounded.
  • connection node between the first strain sensor G1 and the second strain sensor G2 is connected to the first input terminal of the first voltage detection circuit 15, and the third strain sensor G3, the fourth strain sensor G4, Is connected to the second input terminal of the first voltage detection circuit 15.
  • connection node between the fifth strain sensor G5 and the sixth strain sensor G6 is connected to the first input terminal of the second voltage detection circuit 16, and the seventh strain sensor G7, the eighth strain sensor G8, Is connected to the second input terminal of the second voltage detection circuit 16.
  • the first voltage detection circuit 15 detects the output voltage of the first bridge circuit B1
  • the second voltage detection circuit 16 detects the output voltage of the second bridge circuit B2.
  • the first voltage detection circuit 15 and the second voltage detection circuit 16 are constituted by, for example, a voltage dividing resistor and an operational amplifier. However, it is not limited to this.
  • the first strain sensor G1 and the second strain are detected in the first bridge circuit B1.
  • the output voltage Vout + is output from the connection point of the sensor G2
  • the output voltage Vout ⁇ is output from the connection point of the third strain sensor G3 and the fourth strain sensor G4. From the output voltage Vout + and the output voltage Vout ⁇ , the output voltage Vout1 of the first bridge circuit B1 represented by the equation (1) is obtained.
  • a force other than torque such as thrust force (force in the left-right direction (X direction) or force in the up-down direction (Y direction) with respect to the first structure 11 and the second structure 12 shown in FIG. )
  • thrust force force in the left-right direction (X direction) or force in the up-down direction (Y direction) with respect to the first structure 11 and the second structure 12 shown in FIG.
  • R4 R + ⁇ R, where ⁇ R is a value of change in resistance value), and the output voltage Vout1 of the first bridge circuit B1 becomes 0V.
  • the operation principle of the second voltage detection circuit 16 corresponding to the second bridge circuit B2 is the same as that of the first voltage detection circuit 15.
  • the output voltage Vout2 of the second voltage detection circuit 16 is also obtained in the same manner as the first voltage detection circuit 15.
  • the output voltage Vout1 of the first voltage detection circuit 15 is supplied to the analog-digital (AD) conversion circuit 17 and converted into a digital signal, and the output voltage Vout2 of the second voltage detection circuit 16 is supplied to the AD conversion circuit 18 and digitally converted. Converted to a signal.
  • Output signals of the AD conversion circuit 17 and the AD conversion circuit 18 (hereinafter also referred to as output signals of the first bridge circuit B1 and the second bridge circuit B2) are supplied to the controller 19 on a regular basis, for example.
  • the controller 19 supplies one or both of the output signals of the AD conversion circuit 17 and the AD conversion circuit 18 to an external device as an output signal of the torque sensor 10, or detects an abnormality of the torque sensor 10 described later.
  • the controller 19 includes a storage unit 20 capable of storing output signals of the AD conversion circuit 17 and the AD conversion circuit 18 for a certain period of time, for example.
  • the output signals of the AD conversion circuit 17 and the AD conversion circuit 18 stored in the storage unit 20 are updated at regular intervals, for example.
  • a display device 21 is connected to the controller 19.
  • the display device 21 displays a detection output signal of the torque sensor 10, a signal indicating that an abnormality of the torque sensor 10 is detected, and the like.
  • the torque sensor 10 normally has both the first bridge circuit B1 and the second bridge circuit B2 operating simultaneously, and the output voltages of the first bridge circuit B1 and the second bridge circuit B2 are compared. That is, the controller 19 is supplied from the first voltage detection circuit 15 via the AD conversion circuit 17 and from the first bridge circuit B1 and from the second voltage detection circuit 16 via the AD conversion circuit 18. The absolute value of the difference from the output voltage Vout2 of the second bridge circuit B2 is obtained, and the absolute value of this difference is compared with the first threshold voltage (S1). The absolute value is not necessarily required, and the difference between the two output voltages may be obtained.
  • the controller 19 determines whether or not the predetermined operation of the torque sensor 10 has ended based on, for example, one output voltage of the first bridge circuit B1 and the second bridge circuit B2 (S2).
  • the predetermined operation is, for example, an operation of supplying an output signal of the torque sensor 10 to an external device or detecting an abnormality of the torque sensor 10. If the result of this determination is that the predetermined operation has not ended (S2, NO), the control is shifted to S1. If the predetermined operation has been completed (S2, YES), the control is terminated.
  • FIG. 3 shows an example of the abnormality processing routine S3.
  • the controller 19 obtains the absolute value of the difference between the output voltage Vout1 of the first bridge circuit B1 and the previous output voltage Vout11 of the first bridge circuit B1 stored in the storage unit 20, and this absolute value is the second threshold value. It is determined whether or not the voltage is higher than the voltage (S31).
  • the second threshold voltage may be equal to or less than the first threshold voltage.
  • the first bridge circuit B1 is determined to be abnormal, and for example, the power supply to the first bridge circuit B1 is stopped. At the same time, a signal indicating abnormality is supplied to the display device 21, and the display device 21 displays that the first bridge circuit B1 is abnormal (S32). Thereafter, the control is shifted to S2, for example, and a predetermined operation is executed using the normal second bridge circuit B2.
  • the first bridge circuit B1 is determined to be normal (S31, NO), and the controller 19 is stored in the output voltage Vout2 of the second bridge circuit B2 and the storage unit 20.
  • the absolute value of the difference from the previous output voltage Vout21 of the second bridge circuit B2 is obtained, and it is determined whether the absolute value of this difference is higher than the second threshold voltage (S33).
  • the determination if the absolute value of the difference is larger than the second threshold voltage (S33, YES), it is determined that the second bridge circuit B2 is abnormal, and for example, power supply to the second bridge circuit B2 is stopped. At the same time, a signal indicating abnormality is supplied to the display device 21, and the display device 21 displays that the second bridge circuit B2 is abnormal (S34). Thereafter, the control is shifted to S2, for example, and a predetermined operation is executed using the normal first bridge circuit B1.
  • the torque sensor 10 includes the first bridge circuit B1 and the second bridge circuit B2, and the difference between the output voltage of the first bridge circuit B1 and the output voltage of the second bridge circuit B2 ( Is greater than the first threshold voltage, it is determined that an abnormality has occurred in one of the first bridge circuit B1 and the second bridge circuit B2. For this reason, it is possible to detect an abnormality in the torque sensor 10 before both the first bridge circuit B1 and the second bridge circuit B2 fail. Therefore, the torque sensor 10 has a fail-safe function, and can prevent a collision of a robot arm to which the torque sensor 10 is mounted in advance.
  • the torque sensor 10 can be continuously operated using a normal bridge circuit, and control such as stopping the robot arm after moving it to a safe position, for example, can be performed.
  • the first bridge circuit B1 and the second bridge circuit B2 are both provided in the first structures 13a and 13c. That is, the first bridge circuit B1 and the second bridge circuit B2 are arranged in parallel.
  • the first bridge circuit B and the second bridge circuit B2 are arranged so as to cross each other.
  • FIG. 4 shows an example of the second embodiment.
  • the first strain sensor G1 and the second strain sensor G2 of the first bridge circuit B1 are arranged in the third structure 13a, and the third strain sensor G3 and the fourth strain of the first bridge circuit B1.
  • the sensor G4 is disposed on the third structure 13c.
  • the fifth strain sensor G5 and the sixth strain sensor G6 of the second bridge circuit B2 are arranged in the third structure 13b, and the seventh strain sensor G7 and the eighth strain sensor G8 of the second bridge circuit B2 are The three structures 13d are arranged.
  • circuit configuration and operation are the same as those in the first embodiment.
  • the first bridge circuit B1 and the second bridge circuit B2 are arranged so as to cross each other, and the first strain sensor G1 to the fourth strain sensor G4 of the first bridge circuit B1 have the third structure.
  • the fifth strain sensors G5 to G8 of the second bridge circuit B2 are arranged in the third structures 13b and 13d different from the third structures 13a and 13c. For this reason, it is possible to reduce the probability that the first bridge circuit B1 and the second bridge circuit B2 will fail simultaneously.
  • the abnormality of the first bridge circuit B1 and the second bridge circuit B2 is detected based on the digital signal.
  • the present invention is not limited to this, and it is also possible to detect an abnormality in the first bridge circuit B1 and the second bridge circuit B2 based on analog signals.
  • FIG. 5 shows an example of the third embodiment.
  • the arrangement of the first bridge circuit B1 and the second bridge circuit B2 is arranged in parallel as in the first embodiment, but crosses like the second embodiment. You may arrange.
  • the output voltages Vout + and Vout ⁇ of the first bridge circuit B1 are supplied to the first voltage detection circuit 15, and the output voltages Vout + and Vout ⁇ of the second bridge circuit B2 are supplied to the second voltage detection circuit 16.
  • the output voltage Vout1 of the first voltage detection circuit 15 and the output voltage Vout2 of the second voltage detection circuit 16 are supplied to the subtraction circuit 22.
  • the subtraction circuit 22 outputs a voltage difference between the output voltage Vout1 of the first voltage detection circuit 15 and the output voltage Vout2 of the second voltage detection circuit 16.
  • the output voltage of the subtraction circuit 22 and the first threshold voltage 24 are supplied to the comparison circuit 23.
  • the comparison circuit 23 compares the output voltage of the subtraction circuit 22 with the first threshold voltage 24.
  • the comparison result of the comparison circuit 23 is supplied to the controller 19.
  • the controller 19 stops the power supply to the first bridge circuit B1 and the second bridge circuit B2, for example, and stops the operation of the robot arm, for example.
  • the controller 19 may be configured to detect one of the first bridge circuit B1 and the second bridge circuit B2 that has an abnormality as in the first embodiment.
  • the processing speed can be increased by processing based on the analog signal.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments as they are, and can be embodied by modifying constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage.
  • various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the above embodiments. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
  • the torque sensor according to the embodiment of the present invention can be applied to a joint of a robot arm, for example.
  • SYMBOLS 10 ... Torque sensor, 11 ... 1st structure, 12 ... 2nd structure, 13a, 13b, 13c, 13d ... 3rd structure, B1 ... 1st bridge circuit, B2 ... 2nd bridge circuit, G1-G8 ... 1st strain sensor-8th strain sensor, 15 ... 1st voltage detection circuit, 16 ... 2nd voltage detection circuit, 19 ... Controller, 20 ... Memory

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Abstract

トルクセンサ自体の異常や、ロボットアームの異常を検出することができ、フェイルセーフ機能を有するトルクセンサを提供する。第１構造体１１は、被計測体に連結される。複数の歪センサを含む第１ブリッジ回路Ｂ１は、第１構造体１１と第２構造体１２との間に伝達される力を検出する。複数の歪センサを含む第２ブリッジ回路Ｂ２は、第１構造体１１と第２構造体１２との間に伝達される力を検出する。コントローラ１９は、第１ブリッジ回路Ｂ１の第１出力電圧と第２ブリッジ回路Ｂ２の第２出力電圧との差が第１閾値電圧より大きい場合、異常を示す信号を出力する。

Description

トルクセンサ
　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トルクセンサに関する。
　例えば製造ラインには、複数のロボットアームが設置され、これらロボットアームが協働して製品が組み立てられている。これらロボットアームの関節には、トルクセンサが設けられている（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 特許第５６４０９０５号公報
　従来、ロボットアームに装着されるトルクセンサは、トルクセンサ自体の異常や、アームの異常を検出することが困難であった。このため、例えば複数のロボットアームが協働する協働ロボットにおいて、何らかの原因によりトルクセンサ自体の異常や、アームの異常が発生した場合においても、ロボットアーム同士の衝突などを回避することが困難であった。したがって、トルクセンサ自体の異常を事前に検知することが可能な所謂フェイルセーフ機能を有するトルクセンサが要望されている。
　本発明の実施形態は、トルクセンサ自体の異常を検出することができ、フェイルセーフ機能を有するトルクセンサを提供する。
　本実施形態のトルクセンサは、被計測体に連結される第１構造体と、第２構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体との間に伝達される力を検出する複数の第１歪センサを含む第１ブリッジ回路と、前記第１構造体と前記第２構造体との間に伝達される力を検出する複数の第２歪センサを含む第２ブリッジ回路と、前記第１ブリッジ回路の第１出力電圧と前記第２ブリッジ回路の第２出力電圧との差が第１閾値電圧より大きい場合、異常を示す信号を出力するコントローラと、を具備する。
　本発明の実施形態は、トルクセンサ自体の異常を検出することができ、フェイルセーフ機能を有するトルクセンサを提供できる。
第１の実施形態に係るトルクセンサの一例を示す構成図。 図１の動作を説明するために示すフローチャート。 図２に続く動作を説明するために示すフローチャート。 第２の実施形態に係るトルクセンサの一例を示す構成図。 第３の実施形態に係るトルクセンサの一例を示す構成図。
　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。
（第１の実施形態）
　図１において、トルクセンサ１０は、例えば第１構造体１１、第２構造体１２、梁部としての複数の第３構造体１３、第１ブリッジ回路Ｂ１、及び第２ブリッジ回路Ｂ２を具備している。
　第１構造体１１及び第２構造体１２は、例えば環状であり、第２構造体１２と第１構造体１１は、同心円を構成する。複数の第３構造体１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄは、第１構造体１１と第２構造体１２を連結する。第１の実施形態において、第３構造体１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄは、例えば起歪部として機能する。
　第１構造体１１は、被計測体としての例えば図示せぬロボットアームの関節の一方に取着される。具体的には、第１構造体１１は、例えば図示せぬ減速機に取着され、減速機は図示せぬモータに連結される。第２構造体１２は、例えば図示せぬロボットアームの関節の他方に取着される。
　第３構造体１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄは、第１構造体１１と第２構造体１２との間において、力（トルク）を伝達する。
　第１構造体１１、第２構造体１２、第３構造体１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄは、例えば金属により構成されている。しかし、印加されるトルクに対して十分な機械的強度を得ることができれば、金属以外の材料により第１構造体１１、第２構造体１２、第３構造体１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄを構成することも可能である。
　第３構造体１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄのうち、例えば１８０°離れた位置に配置された第３構造体１３ａ、１３ｃには、第１ブリッジ回路Ｂ１と、第２ブリッジ回路Ｂ２が設けられる。
　第１ブリッジ回路Ｂ１は、第１歪センサ（歪ゲージ）Ｇ１～第４歪センサＧ４により構成され、第２ブリッジ回路Ｂ２は、第５歪センサＧ５～第８歪センサＧ８により構成されている。
　第１ブリッジ回路Ｂ１の第１歪センサＧ１、第２歪センサＧ２、及び第２ブリッジ回路Ｂ２の第５歪センサＧ５、第６歪センサＧ６は、第３構造体１３ａに設けられ、第１ブリッジ回路Ｂ１の第３歪センサＧ３、第４歪センサＧ４、及び第２ブリッジ回路Ｂ２の第７歪センサＧ７、第８歪センサＧ８は、第３構造体１３ｃに設けられている。
　第１歪センサＧ１～第８歪センサＧ８は、例えば図示せぬ金属板上に絶縁膜を介して設けられた例えば薄膜抵抗体により構成されている。しかし、第１歪センサＧ１～第８歪センサＧ８の構成は、これに限定されるものではない。
　第１歪センサＧ１～第８歪センサＧ８の金属板は、例えば接着、ネジ又は溶接などの手段を用いて第３構造体１３ａ又は第３構造体１３ｃの表面に固定される。
　また、第１歪センサＧ１、第２歪センサＧ２、第５歪センサＧ５、第６歪センサＧ６を、第３構造体１３ａに設け、第３歪センサＧ３、第４歪センサＧ４、第７歪センサＧ７、第８歪センサＧ８を、第３構造体１３ｃに設けたが、これに限定されるものではない。
　例えば、第１歪センサＧ１～第８歪センサＧ８に設けられた金属板を起歪体として用いてもよい。この場合、第３構造体１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ以外の場所で、第１歪センサＧ１、第２歪センサＧ２、第５歪センサＧ５、及び第６歪センサＧ６の金属板を、第１構造体１１と第２構造体１２との間に設け、第３歪センサＧ３、第４歪センサＧ４、第７歪センサＧ７、及び第８歪センサＧ８の金属板を、第１構造体１１と第２構造体１２との間に設けてもよい。各歪センサの金属板は、例えば接着、ネジ又は溶接などの手段を用いて第１構造体１１と第２構造体１２に固定すればよい。
　第１ブリッジ回路Ｂ１において、第１歪センサＧ１と第３歪センサＧ３は直列接続され、第２歪センサＧ２と第４歪センサＧ４は、直列接続されている。直列接続された第１歪センサＧ１と第３歪センサＧ３は、直列接続された第２歪センサＧ２と第４歪センサＧ４に並列接続されている。
　第２歪センサＧ２と第４歪センサＧ４との接続ノードに電源Ｖｏ、例えば５Ｖが供給され、第１歪センサＧ１と第３歪センサＧ３との接続ノードは、接地されている。
　第２ブリッジ回路Ｂ２において、第５歪センサＧ５と第７歪センサＧ７は直列接続され、第６歪センサＧ６と第８歪センサＧ８は、直列接続されている。直列接続された第５歪センサＧ５と第７歪センサＧ７は、直列接続された第６歪センサＧ６と第８歪センサＧ８に並列接続されている。
　第６歪センサＧ６と第８歪センサＧ８との接続ノードに電源Ｖｏ、例えば５Ｖが供給され、第５歪センサＧ５と第７歪センサＧ７との接続ノードは、接地されている。
　第１ブリッジ回路Ｂ１において、第１歪センサＧ１と第２歪センサＧ２との接続ノードは第１電圧検出回路１５の第１入力端に接続され、第３歪センサＧ３と第４歪センサＧ４との接続ノードは第１電圧検出回路１５の第２入力端に接続されている。
　第２ブリッジ回路Ｂ２において、第５歪センサＧ５と第６歪センサＧ６との接続ノードは第２電圧検出回路１６の第１入力端に接続され、第７歪センサＧ７と第８歪センサＧ８との接続ノードは第２電圧検出回路１６の第２入力端に接続されている。
　第１電圧検出回路１５は、第１ブリッジ回路Ｂ１の出力電圧を検出し、第２電圧検出回路１６は、第２ブリッジ回路Ｂ２の出力電圧を検出する。第１電圧検出回路１５及び第２電圧検出回路１６は、例えば分圧抵抗と演算増幅器により構成される。しかし、これに限定されるものではない。
　第１電圧検出回路１５の動作原理は、次の通りである。
　例えばトルクセンサ１０にトルク（第１構造体１１、第２構造体１２の時計回り方向又は反時計回り方向）が印加された場合、第１ブリッジ回路Ｂ１において、第１歪センサＧ１と第２歪センサＧ２の接続点から出力電圧Ｖout+が出力され、第３歪センサＧ３と第４歪センサＧ４の接続点から出力電圧Ｖout-が出力される。出力電圧Ｖout+及び出力電圧Ｖout-から式（１）で示す第１ブリッジ回路Ｂ１の出力電圧Ｖout１が得られる。
　Ｖout１＝（Ｖout+－Ｖout-）
　　　　＝（Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２）－Ｒ３／（Ｒ３＋Ｒ４））・Ｖｏ　　　…（１）
　ここで、
　　Ｒ１は、第１歪センサＧ１の抵抗値
　　Ｒ２は、第２歪センサＧ２の抵抗値
　　Ｒ３は、第３歪センサＧ３の抵抗値
　　Ｒ４は、第４歪センサＧ４の抵抗値
であり、トルクセンサ１０にトルクが印加されていない状態において、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝Ｒである。
　一方、トルクセンサ１０にトルク以外の力、例えばスラスト力（図１に示す第１構造体１１、第２構造体１２に対する左右方向（Ｘ方向）の力、又は、上下方向（Ｙ方向）の力）が加わった場合、第１歪センサＧ１、第２歪センサＧ２、第３歪センサＧ３及び第４歪センサＧ４の抵抗値の変化（Ｒ１＝Ｒ－ΔＲ、Ｒ２＝Ｒ＋ΔＲ、Ｒ３＝Ｒ－ΔＲ、Ｒ４＝Ｒ＋ΔＲ、ここで、ΔＲは、抵抗値の変化の値）が相殺され、第１ブリッジ回路Ｂ１の出力電圧Ｖout１は、０Ｖとなる。
　第２ブリッジ回路Ｂ２に対応する第２電圧検出回路１６の動作原理も第１電圧検出回路１５と同様である。第２電圧検出回路１６の出力電圧Ｖout２も第１電圧検出回路１５と同様にして得られる。
　第１電圧検出回路１５の出力電圧Ｖout１は、アナログデジタル（ＡＤ）変換回路１７に供給されてデジタル信号に変換され、第２電圧検出回路１６出力電圧Ｖout２は、ＡＤ変換回路１８に供給されてデジタル信号に変換される。ＡＤ変換回路１７及びＡＤ変換回路１８の出力信号（以下、第１ブリッジ回路Ｂ１及び第２ブリッジ回路Ｂ２の出力信号とも言う）は、例えば定期的にコントローラ１９に供給される。コントローラ１９は、ＡＤ変換回路１７及びＡＤ変換回路１８の出力信号の一方又は両方を、トルクセンサ１０の出力信号として外部の装置に供給したり、後述するトルクセンサ１０の異常を検知したりする。
　また、コントローラ１９は、ＡＤ変換回路１７及びＡＤ変換回路１８の出力信号を例えば一定期間記憶することが可能な記憶部２０を具備している。記憶部２０に記憶されたＡＤ変換回路１７及びＡＤ変換回路１８の出力信号は、例えば一定期間毎に更新される。
　さらに、コントローラ１９には、例えば表示装置２１が接続されている。表示装置２１は、トルクセンサ１０の検出出力信号やトルクセンサ１０の異常が検出されたことを示す信号などを表示する。
（動作）
　図２、図３は、コントローラ１９の動作を説明するためのフローチャートである。
　トルクセンサ１０は、通常時、第１ブリッジ回路Ｂ１と第２ブリッジ回路Ｂ２との両方が同時に動作しており、第１ブリッジ回路Ｂ１と第２ブリッジ回路Ｂ２の出力電圧が比較されている。すなわち、コントローラ１９は、第１電圧検出回路１５からＡＤ変換回路１７を介して供給される第１ブリッジ回路Ｂ１の出力電圧Ｖout１と、第２電圧検出回路１６からＡＤ変換回路１８を介して供給される第２ブリッジ回路Ｂ２の出力電圧Ｖout２との差の絶対値を求め、この差の絶対値と第１閾値電圧とを比較する（Ｓ１）。尚、絶対値は必ずしも必要なく、両出力電圧の差が求められればよい。
　上記比較の結果、差の絶対値が第１閾値電圧より小さい場合（Ｓ１、ＮＯ）、第１ブリッジ回路Ｂ１と第２ブリッジ回路Ｂ２の両方は、正常に動作していると判断される。コントローラ１９は、第１ブリッジ回路Ｂ１と第２ブリッジ回路Ｂ２の例えば一方の出力電圧に基づきトルクセンサ１０の所定の動作が終了したかどうかを判断する（Ｓ２）。所定の動作とは、前述したように、例えばトルクセンサ１０の出力信号を外部の装置に供給したり、トルクセンサ１０の異常を検知したりするなどの動作である。この判断の結果、所定の動作が終了していない場合（Ｓ２、ＮＯ）、制御がＳ１に移行される。また、所定の動作が終了している場合（Ｓ２、ＹＥＳ）、制御が終了される。
　一方、Ｓ１において、差の絶対値が第１閾値電圧より大きいと判断された場合（Ｓ１、ＹＥＳ）、制御が異常処理ルーチンＳ３に移行される。すなわち、差の絶対値が第１閾値電圧より大きいということは、第１ブリッジ回路Ｂ１と第２ブリッジ回路Ｂ２のいずれかに異常が発生したことを意味している。このため、異常処理ルーチンＳ３において、第１ブリッジ回路Ｂ１と第２ブリッジ回路Ｂ２のどちらに異常が発生しているかが判別される。
　図３は、異常処理ルーチンＳ３の一例を示している。
　先ず、コントローラ１９は、第１ブリッジ回路Ｂ１の出力電圧Ｖout１と記憶部２０に記憶された第１ブリッジ回路Ｂ１の前回の出力電圧Ｖout１１との差の絶対値を求め、この絶対値が第２閾値電圧より高いかどうかを判断する（Ｓ３１）。第２閾値電圧は、第１閾値電圧と同等又は第１閾値電圧以下であってもよい。
　この判別の結果、差の絶対値が第２閾値電圧より大きい場合（Ｓ３１、ＹＥＳ）、第１ブリッジ回路Ｂ１は異常と判断され、例えば第１ブリッジ回路Ｂ１への電源供給が停止される。これとともに、表示装置２１に異常を示す信号が供給され、第１ブリッジ回路Ｂ１が異常であることが表示装置２１に表示される（Ｓ３２）。この後、制御が例えばＳ２に移行され、正常な第２ブリッジ回路Ｂ２を用いて所定の動作が実行される。
　一方、絶対値が第２閾値電圧以下である場合、第１ブリッジ回路Ｂ１は正常と判断され（Ｓ３１、ＮＯ）、コントローラ１９は、第２ブリッジ回路Ｂ２の出力電圧Ｖout２と記憶部２０に記憶された第２ブリッジ回路Ｂ２の前回の出力電圧Ｖout２１との差の絶対値を求め、この差の絶対値が第２閾値電圧より高いかどうかを判断する（Ｓ３３）。
　この判別の結果、差の絶対値が第２閾値電圧より大きい場合（Ｓ３３、ＹＥＳ）、第２ブリッジ回路Ｂ２は異常と判断され、例えば第２ブリッジ回路Ｂ２への電源供給が停止される。これとともに、表示装置２１に異常を示す信号が供給され、第２ブリッジ回路Ｂ２が異常であることが表示装置２１に表示される（Ｓ３４）。この後、制御が例えばＳ２に移行され、正常な第１ブリッジ回路Ｂ１を用いて所定の動作が実行される。
　また、Ｓ３３において、差の絶対値が第２閾値電圧以下と判断された場合（Ｓ３３、ＮＯ）、今回の判断において、第１ブリッジ回路Ｂ１と第２ブリッジ回路Ｂ２のいずれにも異常が検出されなかったと判断される。このような結果が出る場合は、トルクセンサ１０以外に異常が発生しているなどの原因が考えられる。このため、Ｓ３３において、絶対値が第２閾値電圧以下と判断された場合（Ｓ３３、ＮＯ）、例えば表示装置２１に異常が発生したことが表示される（Ｓ３５）。この後、制御がＳ２に移行される。
　このように、異常処理ルーチンＳ３において、第１ブリッジ回路Ｂ１と第２ブリッジ回路Ｂ２との一方に異常が検出された場合、第１ブリッジ回路Ｂ１及び第２ブリッジ回路Ｂ２のうち異常が検出された一方が停止され、第１ブリッジ回路Ｂ１及び第２ブリッジ回路Ｂ２のうち正常な他方を用いてトルクセンサ１０の動作が継続される。
　しかし、異常処理ルーチンは、これに限定されるものではなく、Ｓ１において、異常が検出された場合、直ちに第１ブリッジ回路Ｂ１及び第２ブリッジ回路Ｂ２の両方を停止させ、表示装置２１にトルクセンサ１０に異常が発生したことを表示させてもよい。
　上記第１の実施形態によれば、トルクセンサ１０は、第１ブリッジ回路Ｂ１と第２ブリッジ回路Ｂ２を具備し、第１ブリッジ回路Ｂ１の出力電圧と第２ブリッジ回路Ｂ２の出力電圧の差（の絶対値）が第１閾値電圧より大きい場合、第１ブリッジ回路Ｂ１と第２ブリッジ回路Ｂ２の一方に異常が発生したものと判断している。このため、第１ブリッジ回路Ｂ１と第２ブリッジ回路Ｂ２の両方が故障する以前にトルクセンサ１０の異常を検出することが可能である。したがった、トルクセンサ１０は、フェイルセーフ機能を有し、トルクセンサ１０が装着されるロボットアームの衝突等を未然に防止することが可能である。
　また、第１ブリッジ回路Ｂ１又は第２ブリッジ回路Ｂ２に異常が発生した場合、異常が発生したブリッジ回路を特定して停止させ、正常なブリッジ回路を用いて動作を継続することが可能である。このため、正常なブリッジ回路を用いてトルクセンサ１０を継続して動作させることができ、ロボットアームを例えば安全な位置に移動させた後に停止させるなどの制御を行うことが可能である。
（第２の実施形態）
　第１の実施形態において、第１ブリッジ回路Ｂ１と第２ブリッジ回路Ｂ２は、共に第１構造体１３ａと１３ｃに設けた。すなわち、第１ブリッジ回路Ｂ１と第２ブリッジ回路Ｂ２は、並行に配置されていた。
　これに対して、第２の実施形態において、第１ブリッジ回路Ｂと第２ブリッジ回路Ｂ２は、交差して配置される。
　図４は、第２の実施形態の一例を示している。
　図４に示すように、第１ブリッジ回路Ｂ１の第１歪センサＧ１と第２歪センサＧ２は、第３構造体１３ａに配置され、第１ブリッジ回路Ｂ１の第３歪センサＧ３と第４歪センサＧ４は、第３構造体１３ｃに配置される。
　また、第２ブリッジ回路Ｂ２の第５歪センサＧ５と第６歪センサＧ６は、第３構造体１３ｂに配置され、第２ブリッジ回路Ｂ２の第７歪センサＧ７と第８歪センサＧ８は、第３構造体１３ｄに配置される。
　第２の実施形態において、回路構成及び動作は、第１の実施形態と同様である。
　第２の実施形態によっても第１の実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
　しかも、第２の実施形態によれば、第１ブリッジ回路Ｂ１と第２ブリッジ回路Ｂ２を交差して配置し、第１ブリッジ回路Ｂ１の第１歪センサＧ１～第４歪センサＧ４を第３構造体１３ａ、１３ｃに配置し、第２ブリッジ回路Ｂ２の第５歪センサＧ５～第８歪センサＧ８を第３構造体１３ａ、１３ｃとは別の第３構造体１３ｂ、１３ｄに配置している。このため、第１ブリッジ回路Ｂ１と第２ブリッジ回路Ｂ２が同時に故障する確率を低減させることが可能である。
（第３の実施形態）
　第１、第２の実施形態において、第１ブリッジ回路Ｂ１及び第２ブリッジ回路Ｂ２の異常は、デジタル信号に基づき検出された。しかし、これに限らず、アナログ信号に基づき第１ブリッジ回路Ｂ１及び第２ブリッジ回路Ｂ２の異常を検出することも可能である。
　図５は、第３の実施形態の一例を示している。
　第３の実施形態において、第１ブリッジ回路Ｂ１と第２ブリッジ回路Ｂ２の配置は、第１の実施形態と同様に平行に配置されているが、第２の実施形態のように、交差して配置してもよい。
　第１ブリッジ回路Ｂ１の出力電圧Ｖout+、Ｖout-は、第１電圧検出回路１５に供給され、第２ブリッジ回路Ｂ２の出力電圧Ｖout+、Ｖout-は、第２電圧検出回路１６に供給される。第１電圧検出回路１５の出力電圧Ｖout１と、第２電圧検出回路１６の出力電圧Ｖout２は、減算回路２２に供給される。減算回路２２は、第１電圧検出回路１５の出力電圧Ｖout１と、第２電圧検出回路１６の出力電圧Ｖout２との差の電圧を出力する。減算回路２２の出力電圧と第１閾値電圧２４は、比較回路２３に供給される。比較回路２３は、減算回路２２の出力電圧と第１閾値電圧２４とを比較する。比較回路２３の比較結果はコントローラ１９に供給される。コントローラ１９は、比較回路２３の比較結果が異常を示す場合、例えば第１ブリッジ回路Ｂ１及び第２ブリッジ回路Ｂ２への電源供給を停止させ、例えばロボットアームの動作を停止させる。或いは、コントローラ１９は、第１の実施形態のように、第１ブリッジ回路Ｂ１と第２ブリッジ回路Ｂ２のうち異常を有する一方を検出するように構成されてもよい。
　第３の実施形態によっても第１、第２の実施形態と同様の効果を得ることが可能である。しかも、アナログ信号に基づき処理することにより、処理速度を高速化することが可能である。
　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。
　本発明の実施形態に係るトルクセンサは、例えばロボットアームの関節などに適用することが可能である。
　１０…トルクセンサ、１１…第１構造体、１２…第２構造体、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ…第３構造体、Ｂ１…第１ブリッジ回路、Ｂ２…第２ブリッジ回路、Ｇ１～Ｇ８…第１歪センサ～第８歪センサ、１５…第１電圧検出回路、１６…第２電圧検出回路、１９…コントローラ、２０…記憶部、２１…表示装置。

Claims (7)

  1. 　被計測体に連結される第１構造体と、
    　第２構造体と、
    　前記第１構造体と前記第２構造体との間に伝達される力を検出する複数の第１歪センサを含む第１ブリッジ回路と、
    　前記第１構造体と前記第２構造体との間に伝達される力を検出する複数の第２歪センサを含む第２ブリッジ回路と、
    　前記第１ブリッジ回路の第１出力電圧と前記第２ブリッジ回路の第２出力電圧との差が第１閾値電圧より大きい場合、異常を示す信号を出力するコントローラと、
    　を具備することを特徴とするトルクセンサ。
  2. 　前記コントローラは、前記信号を出力した後、前記第１ブリッジ回路の前記第１出力電圧と、前記第２ブリッジ回路の前記第２出力電圧とのうち、第２閾値電圧より小さい出力電圧を選択することを特徴とする請求項１記載のトルクセンサ。
  3. 　前記第１ブリッジ回路に含まれる前記第１歪センサと前記第２ブリッジ回路に含まれる前記第２歪センサは、並行に配置されることを特徴とする請求項１記載のトルクセンサ。
  4. 　前記第１ブリッジ回路に含まれる前記第１歪センサと前記第２ブリッジ回路に含まれる前記第２歪センサは、直行する方向に配置されることを特徴とすることを特徴とする請求項１記載のトルクセンサ。
  5. 　前記第１ブリッジ回路の前記第１出力電圧を検出する第１検出回路と、
    　前記第２ブリッジ回路の前記第２出力電圧を検出する第２検出回路と、
    　をさらに具備することを特徴とする請求項１記載のトルクセンサ。
  6. 　前記第１出力電圧及び前記第２出力電圧を格納するメモリ
    をさらに具備することを特徴とする請求項５記載のトルクセンサ。
  7. 　前記コントローラは、前記第１検出回路から供給される前記第１出力電圧と前記メモリに格納された前記第１出力電圧との差が第２閾値電圧より大きい場合、前記第１ブリッジ回路を停止させ、前記第２検出回路から供給される前記第２出力電圧と前記メモリに格納された前記第２出力電圧との差が前記第２閾値電圧より大きい場合、前記第２ブリッジ回路を停止させることを特徴とする請求項６記載のトルクセンサ。
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