WO2018186008A1 - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

歪センサの感度や許容トルク、あるいはトルクセンサの機械的な強度を独立に設定することが可能なトルクセンサを提供する。第１構造体１１と第２構造体１２は、第３構造体１３により連結される。第１溝部１１ｃ、１１ｄは、第１構造体１１に設けられ、第２溝部１２ｃ、１２ｄは、第２構造体１２に設けられる。歪センサ１４は、第１端部が第１溝部内に設けられ、第２端部が第２溝部内に設けられる。歪センサは、基板と、基板の表面に設けられた抵抗体とを具備する。

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。

　この種のトルクセンサは、トルクが印加される第１構造体と、トルクが出力される第２構造体と、第１構造体と第２構造体とを連結する複数の起歪部を有し、これら起歪部に歪センサが配置されている（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

　トルクセンサにおいて、歪センサの感度や許容トルク（最大トルク）、あるいはトルクセンサの機械的な強度を独立に設定することが困難であった。

　本発明の実施形態は、歪センサの感度や許容トルク、あるいはトルクセンサの機械的な強度を独立に設定することが可能なトルクセンサを提供する。

　本実施形態のトルクセンサは、第１構造体と、第２構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体を連結する第３構造体と、前記第１構造体に設けられた第１溝部と、前記第２構造体に設けられた第２溝部と、第１端部が前記第１溝部内に設けられ、第２端部が前記第２溝部内に設けられた歪センサと、を具備し、前記歪センサは、基板と、前記基板の表面に設けられた抵抗体と、を具備する。

　本発明の実施形態は、歪センサの感度や許容トルク、あるいはトルクセンサの機械的な強度を独立に設定することが可能なトルクセンサを提供できる。

本実施形態に係るトルクセンサの一例を示す平面図。 本実施形態に係るトルクセンサの一例を示す斜視図。 図１の構造体のみを示す平面図。 本実施形態に適用される歪センサの一例を示す平面図。 図４のＶ－Ｖ線に沿った断面図。 図２を分解して示す分解斜視図。 図６の一部を組み立てた状態を示す斜視図。 本実施形態に適用されるブリッジ回路の一例を示す図。

　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。

　図１、図２において、トルクセンサ１０は、第１構造体１１、第２構造体１２、複数の梁部（第３構造体）１３、第１歪センサ１４、第２歪センサ１５、第３歪センサ１６、第４歪センサ１７、第１端子ホルダ１８ａ乃至第４端子ホルダ１８ｄ、複数の端子１９を具備している。

　第１構造体１１と、第２構造体１２は、環状に形成され、第２構造体１２の径は、第１構造体１１の径より小さい。第２構造体１２は、第１構造体１１と同心状に配置され、第１構造体１１と第２構造体１２は、放射状に配置された複数の梁部１３により連結されている。第２構造体１２は、中空部１２ｅを有しており、中空部１２ｅには、例えば図示せぬ配線が通される。

　第１構造体１１は、例えば被計測体に連結され、複数の梁部１３は、第１構造体１１から第２構造体１２にトルクを伝達する。逆に、第２構造体１２を被計測体に連結し、第２構造体１２から第１構造体１１に複数の梁部１３を介してトルクを伝達してもよい。

　第１構造体１１、第２構造体１２、複数の梁部１３は、例えば金属により構成されるが、印加されるトルクに対して機械的な強度を十分に得ることができれば、金属以外の材料を使用することも可能である。

　第１歪センサ１４と第２歪センサ１５、及び第３歪センサ１６と第４歪センサ１７は、梁部１３と梁部１３の間の空間で、第１構造体１１と第２構造体１２の間に直接設けられる。すなわち、第１歪センサ１４と第２歪センサ１５、及び第３歪センサ１６と第４歪センサ１７の第１端部は、第１構造体１１に設けられ、第２端部は、第２構造体１２に設けられている。

　第１歪センサ１４と第２歪センサ１５、及び第３歪センサ１６と第４歪センサ１７は、第１構造体１１及び第２構造体１２の中心（トルクの作用中心）に対して対称な位置に配置されている。換言すると、第１歪センサ１４と第２歪センサ１５、及び第３歪センサ１６と第４歪センサ１７は、環状の第１構造体１１及び第２構造体１２の直径上に配置されている。

　さらに、第１歪センサ１４乃至第４歪センサ１７は、後述する起歪体の表面が、第１構造体１１及び第２構造体１２の表面に対して、垂直に交差されている。以下、第１歪センサ１４乃至第４歪センサ１７の表面が、第１構造体１１及び第２構造体１２の表面に対して、垂直に交差されることを、縦置きとも言う。

　第１歪センサ１４と第２歪センサ１５には、第１端子ホルダ１８ａと第２端子ホルダ１８ｂが設けられ、第３歪センサ１６と第４歪センサ１７には、第３端子ホルダ１８ｃと第４端子ホルダ１８ｄが設けられる。

　第１端子ホルダ１８ａ乃至第４端子ホルダ１８ｄは、それぞれ一対の端子１９を具備している。これら端子１９は、第１歪センサ１４乃至第４歪センサ１７に設けられた後述する抵抗体に電気的に接触される。

　第１歪センサ１４乃至第４歪センサ１７の厚み（起歪体の厚み）は、梁部１３の厚みより薄く、トルクセンサ１０の機械的な強度は、梁部１３の厚みにより設定される。

　図３に示すように、第１構造体１１は、内側面（内壁）に第１突起部１１ａ及び第２突起部１１ｂを有し、第２構造体１２は、外側面（外壁）に第３突起部１２ａ及び第４突起部１２ｂを有している。第１突起部１１ａと第３突起部１２ａ、及び第２突起部１１ｂと第４突起部１２ｂは、第１構造体１１の直径上において、互いに対向されている。具体的には、第１突起部１１ａと第３突起部１２ａは、所定間隔離間して対向され、第２突起部１１ｂと第４突起部１２ｂは、所定間隔離間して対向されている。

　第１構造体１１は、第１突起部１１ａの両側に第１溝部１１ｃを有し、第２突起部１１ｂの両側に第２溝部１１ｄを有している。

　第２構造体１２は、第３突起部１２ａの両側に第３溝部１２ｃを有し、第４突起部１２ｂの両側に第４溝部１２ｄを有している。

　第１溝部１１ｃと第３溝部１２ｃに第１歪センサ１４及び第２歪センサ１５が挿入され、第２溝部１１ｄと第４溝部１２ｄに第３歪センサ１６と第４歪センサ１７が挿入される。

　図４は、第１歪センサ１４の一例を示している。第２歪センサ１５乃至第４歪センサ１７も第１歪センサ１４と同様の構成であるため、説明は省略する。

　第１歪センサ１４は、基板（以下、起歪体とも言う）２１の表面に歪ゲージとしての例えば薄膜抵抗体（以下、抵抗体と言う）２２を有している。起歪体２１は、矩形状の金属板、例えばステンレススチール（ＳＵＳ）により構成されている。抵抗体２２は、起歪体２１の長手方向中央部に設けられている。抵抗体２２の第１端部は、配線パターン２３に接続され、第２端部は配線パターン２４に接続されている。

　起歪体２１の幅は、第１構造体１１の第１溝部１１ｃと第２溝部１１ｄ及び第２構造体１２の第３溝部１２ｃと第４溝部１２ｄの深さとほぼ等しく、起歪体２１の厚みは、第１溝部１１ｃと第２溝部１１ｄ及び第３溝部１２ｃと第４溝部１２ｄの幅とほぼ等しい。

　図５は、図４に示すＶ－Ｖ線に沿った断面を示している。

　第１歪センサ１４は、例えば起歪体２１、絶縁膜２１ａ、抵抗体２２、接着膜２１ｂ、配線パターン２３、接着膜２１ｃ、保護膜としてのガラス膜２１ｄを具備している。

　具体的には、起歪体２１上に絶縁膜２１ａが設けられ、絶縁膜２１ａ上に例えばＣｒ－Ｎにより構成された抵抗体２２が設けられる。抵抗体２２の第１端部上に接着膜２１ｂを介在して、例えば銅（Ｃｕ）により構成された配線パターン２３が設けられる。配線パターン２３上には接着膜２１ｃが設けられる。絶縁膜２１ａ、抵抗体２２、接着膜２１ｃは、例えばガラス膜２１ｄにより覆われる。接着膜２１ｂは、配線パターン２３と抵抗体２２との密着性を高め、接着膜２１ｃは、配線パターン２３とガラス膜２１ｄとの密着性を高めている。接着膜２１ｂ、２１ｃは、例えばクロム（Ｃｒ）を含む導電膜である。

　尚、ガラス膜２１ｄは、配線パターン２３及び配線パターン２４の後述する端子１９が接触される部分には、形成されておらず、端子１９が接触される部分は、配線パターン２３及び配線パターン２４の一部が露出されている。

　第１歪センサ１４乃至第４歪センサ１７の構成は、これに限定されるものではなく、変形可能である。

　図６は、トルクセンサ１０の分解斜視図を示している。図６を参照してトルクセンサ１０の製造工程について説明する。

　第１歪センサ１４乃至第４歪センサ１７は、第１構造体１１の第１溝部１１ｃと第２溝部１１ｄ及び第２構造体１２の第３溝部１２ｃと第４溝部１２ｄに挿入される。すなわち、第１歪センサ１４及び第２歪センサ１５の第１端部は、第１構造体１１の第１溝部１１ｃにそれぞれ挿入され、第２端部は、第２構造体１２の第３溝部１２ｃにそれぞれ挿入される。

　また、第３歪センサ１６及び第４歪センサ１７の第１端部は、第１構造体１１の第２溝部１１ｄにそれぞれ挿入され、第２端部は、第２構造体１２の第４溝部１２ｄにそれぞれ挿入される。

　この時、第１歪センサ１４乃至第４歪センサ１７は、起歪体２１の抵抗体２２が形成されていない裏面が第１構造体１１の第１突起部１１ａと第２突起部１１ｂ及び第２構造体１２の第３突起部１２ａと第４突起部１２ｂにそれぞれ接触するように配置される。

　第１歪センサ１４と第２歪センサ１５の抵抗体２２に接続された配線パターン２３は、第１突起部１１ａの側面に位置され、配線パターン２４は、第３突起部１２ａの側面に位置される。

　また、第３歪センサ１６と第４歪センサ１７の抵抗体２２に接続された配線パターン２３は、第２突起部１１ｂの側面に位置され、配線パターン２４は、第４突起部１２ｂの側面に位置される。

　この後、一対の端子１９を保持した第１端子ホルダ１８ａが、第１歪センサ１４、第２歪センサ１５の第１端部に装着され、一対の端子１９を保持した第２端子ホルダ１８ｂが、第１歪センサ１４、第２歪センサ１５の第２端部に装着される。すなわち、第１端子ホルダ１８ａは、第１歪センサ１４及び第２歪センサ１５の第１端部と第１突起部１１ａを跨いで装着され、第２端子ホルダ１８ｂは、第１歪センサ１４及び第２歪センサ１５の第２端部と第３突起部１２ａを跨いで装着される。

　また、一対の端子１９を保持した第３端子ホルダ１８ｃは、第３歪センサ１６、第４歪センサ１７の第１端部に装着され、一対の端子１９を保持した第４端子ホルダ１８ｄは、第３歪センサ１６、第４歪センサ１７の第２端部に装着される。すなわち、第３端子ホルダ１８ｃは、第３歪センサ１６及び第４歪センサの第１端部と第２突起部１１ｂを跨いで装着され、第４端子ホルダ１８ｄは、第３歪センサ１６及び第４歪センサ１７の第２端部と第４突起部１２ｂを跨いで装着される。

　図７に示すように、第１端子ホルダ１８ａに保持された一対の端子１９は、第１歪センサ１４と第２歪センサ１５の第１端部に配置された図示せぬ配線パターン２３に接触され、第２端子ホルダ１８ｂに保持された一対の端子１９は、第１歪センサ１４と第２歪センサ１５の第２端部に配置された図示せぬ配線パターン２４に接触される。

　第３端子ホルダ１８ｃに保持された一対の端子１９は、第３歪センサ１６と第４歪センサ１７の第１端部に配置された図示せぬ配線パターン２３に接触され、第４端子ホルダ１８ｄに保持された一対の端子１９は、第３歪センサ１６と第４歪センサ１７の第２端部に配置された図示せぬ配線パターンに接触される。

　上記のように第１歪センサ１４乃至第４歪センサ１７が第１構造体１１及び第２構造体１２に取着された状態において、第１歪センサ１４乃至第４歪センサ１７と第１構造体１１及び第２構造体１２が例えば溶接される。

　具体的には、第１歪センサ１４乃至第４歪センサ１７の第１端部は、第１構造体１１の外側面（外壁）に露出され、第２端部は、第２構造体１２の内側面（内壁）に露出されている。第１構造体１１の外側面に露出された第１歪センサ１４乃至第４歪センサ１７の第１端部は、第１構造体１１の外側面に溶接され、第２構造体１２の内側面に露出された第１歪センサ１４乃至第４歪センサ１７の第２端部は、第２構造体１２の内側面に溶接される。

　図７に示す破線の丸印はそれぞれ溶接部Ｗｐを示している。

　第１端子ホルダ１８ａ乃至第４端子ホルダ１８ｄに保持された複数の端子１９を接続することによりブリッジ回路が構成される。

　図８は、ブリッジ回路３０の一例を概略的に示している。

　図８において、第１歪センサ１４の抵抗体２２を抵抗体２２－１と記し、第２歪センサ１５乃至第４の歪センサ１７の抵抗体２２を、それぞれ抵抗体２２－２、抵抗体２２－３、抵抗体２２－４と記す。

　また、図８において、第１歪センサ１４乃至第４歪センサ１７の表面は、説明の便宜上第１構造体１１及び第２構造体１２の表面と平行に記載しているが、前述したように、第１歪センサ１４乃至第４歪センサ１７は、第１構造体１１及び第２構造体１２の表面に対して縦置きとされている。

　ブリッジ回路３０において、抵抗体２２－１と抵抗体２２－３は直列接続され、抵抗体２２－２と抵抗体２２－４は直列接続される。直列接続された抵抗体２２－１、２２－３は、直列接続された抵抗体２２－２、２２－４と並列接続される。抵抗体２２－２と抵抗体２２－４の接続点に電源Ｖｏ、例えば５Ｖが供給され、抵抗体２２－１と抵抗体２２－３の接続点は、例えば接地される。抵抗体２２－１と抵抗体２２－２の接続点から出力電圧Ｖout+が出力され、抵抗体２２－３と抵抗体２２－４の接続点から出力電圧Ｖout-が出力される。

　トルクセンサ１０にトルクが印加され、例えば第１構造体１１に対して第２構造体１２が図示矢印Ａ又はＢ方向に回動した場合、すなわち、図示Ｚ軸回りのトルクが印加された場合、ブリッジ回路３０の出力電圧Ｖout+及び出力電圧Ｖout-から、式（１）で示すトルクセンサ１０の出力電圧Ｖoutが得られる。

　Ｖout＝（Ｖout+－Ｖout-）
　　　　＝（Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２）－Ｒ３／（Ｒ３＋Ｒ４））・Ｖｏ　　　…（１）
　ここで、
　　Ｒ１は、抵抗体２２－１の抵抗値
　　Ｒ２は、抵抗体２２－２の抵抗値
　　Ｒ３は、抵抗体２２－３の抵抗値
　　Ｒ４は、抵抗体２２－４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８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１４、第２歪センサ１５、第３歪センサ１６及び第４歪センサ１７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。

（実施形態の効果）
　本実施形態によれば、第１構造体１１は、第１溝部１１ｃと第２溝部１１ｄを有し、第２構造体１２は、第３溝部１２ｃと第４溝部１２ｄを有し、抵抗体２２を有する第１歪センサ１４乃至第４歪センサ１７は、抵抗体２２を有する表面が第１構造体１１及び第２構造体１２の表面に対して垂直となるように、第１構造体１１の第１溝部１１ｃ内と第２溝部１１ｄ内、及び第２構造体１２の第３溝部１２ｃ内と第４溝部１２ｄ内に設けられている。すなわち、第１歪センサ１４乃至第４歪センサ１７は、第１構造体１１と第２構造体１２との間に直接配置されている。したがって、梁部１３に対する歪センサの位置や梁部１３の形状を工夫することなく、第１歪センサ１４乃至第４歪センサ１７をそれぞれ構成する起歪体２１の剛性を調整するにより、第１歪センサ１４乃至第４歪センサ１７の感度や許容トルクを設定することが可能である。

　しかも、第１歪センサ１４乃至第４歪センサ１７の起歪体２１は、第１構造体１１と第２構造体１２の間で、第１構造体１１と第２構造体１２に対して縦置きとされている。このため、第１構造体１１と第２構造体１２間に印加されるＺ軸回りのトルクを直接検出することができる。したがって、トルクセンサ１０の感度を向上させることが可能である。

　また、第１構造体１１と第２構造体１２は、複数の梁部１３により連結されている。複数の梁部１３の厚さは、第１歪センサ１４乃至第４歪センサ１７をそれぞれ構成する起歪体２１の厚さより厚く設定されている。このため、トルクセンサ１０の許容トルクやトルクセンサ１０の機械的な強度は、第１構造体１１、第２構造体１２及び梁部１３により規定され、第１構造体１１、第２構造体１２及び梁部１３の厚さを変えたり、梁部１３の数を変えたりすることにより、必要に応じて自由に設定することが可能である。

　また、第１歪センサ１４乃至第４歪センサ１７の裏面は、第１構造体１１に設けられた第１突起部１１ａ、第２突起部１１ｂ、及び第２構造体１２に設けられた第３突起部１２ａ、第４突起部１２ｂに接触されている。このため、第１構造体１１及び第２構造体１２に印加されたトルクを第１突起部１１ａ乃至第４突起部１２ｂを介して第１歪センサ１４乃至第４歪センサ１７に伝達させることが可能であるため、トルクセンサ１０の感度を向上させることが可能である。

　また、第１歪センサ１４乃至第４歪センサ１７は、第１構造体１１及び第２構造体１２の表面に対して縦置きとされている。このため、図７に示すＺ軸回りのトルクを検出する際、起歪体２１は、Ｘ軸回り方向及びＹ軸回り方向の力に対する剛性が大きいので、変形しにくい。したがって、本実施形態によれば、他軸の干渉を低減してトルクの測定精度を向上することが可能である。

　さらに、トルクセンサ１０は、第１歪センサ１４乃至第４歪センサ１７を第１構造体１１の第１溝部１１ｃと第２溝部１１ｄ内と、第２構造体１２の第３溝部１２ｃと第４溝部１２ｄ内に挿入し、第１端子ホルダ１８ａ乃至第４端子ホルダ１８ｄに保持された複数の端子１９を各抵抗体２２に接触させ、第１歪センサ１４乃至第４歪センサ１７と第１構造体１１及び第２構造体１２を溶接することにより完成できる。このため、組み立て作業が容易である。

　しかも、第１歪センサ１４乃至第４歪センサ１７の第１端部は、第１構造体１１の側面から露出され、第２端部は、第２構造体１２の側面から露出されている。このため、第１構造体１１と第１歪センサ１４乃至第４歪センサ１７の第１端部との溶接作業、及び第２構造体１２と第１歪センサ１４乃至第４歪センサ１７の第２端部との溶接作業が容易であり、作業工数を削減することが可能である。

　さらに、第１歪センサ１４乃至第４歪センサ１７の溶接位置は、抵抗体２２から離れた位置であるため、溶接位置がトルクセンサ１０の感度に与える影響を低減することが可能である。

　また、第１端子ホルダ１８ａ乃至第４端子ホルダ１８ｄを第１歪センサ１４乃至第４歪センサ１７に装着するだけで、第１端子ホルダ１８ａ乃至第４端子ホルダ１８ｄに保持された複数の端子１９を各抵抗体２２に接触させることができるため、複数の端子１９の接続作業が容易である。

　尚、第１歪センサ１４と第２歪センサ１５、及び第３歪センサ１６と第４歪センサ１７は、各抵抗体２２が互いに対向しないように縦置きとした。しかし、これに限らず、第１歪センサ１４と第２歪センサ１５、及び第３歪センサ１６と第４歪センサ１７の抵抗体２２が互いに対向するように縦置きとすることも可能である。

　この場合、第１突起部１１ａ乃至第４突起部１２ｂに代えて、例えば第１歪センサ１４乃至第４歪センサ１７の第１端部及び第２端部の裏面にそれぞれ当接可能な複数の突起部を設け、第１端子ホルダ１８ａ乃至第４端子ホルダ１８ｄに保持される複数の端子１９は、第１歪センサ１４乃至第４歪センサ１７の第１端部及び第２端部の表面に設けられた配線パターン２３及び配線パターン２４にそれぞれ接触するように配置すればよい。

　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力覚センサは、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。

　１１…第１構造体、１２…第２構造体、１３…梁部、１１ｃ…第１溝部、１１ｄ…第２溝部、１２ｃ…第３溝部、１２ｄ…第４溝部、１１ａ…第１突起部、１１ｂ…第２突起部、１２ａ…第３突起部、１２ｂ…第４突起部、１４～１７…第１構造体乃至第４構造体、２１…起歪体、２２、２２－１～２２－４…抵抗体、Ｗｐ…溶接部。

Claims (6)

1. 　第１構造体と、
   　第２構造体と、
   　前記第１構造体と前記第２構造体を連結する第３構造体と、
   　前記第１構造体に設けられた第１溝部と、
   　前記第２構造体に設けられた第２溝部と、
   　第１端部が前記第１溝部内に設けられ、第２端部が前記第２溝部内に設けられた歪センサと、を具備し、
   　前記歪センサは、
   　基板と、
   　前記基板の表面に設けられた抵抗体と、
   　を具備するトルクセンサ。
2. 　前記歪センサの表面は、前記第１構造体及び前記第２構造体の表面と垂直に交差する請求項１記載のトルクセンサ。
3. 　前記歪センサの前記第１端部は、前記第１構造体に溶接される第１溶接部を具備し、前記第２端部は、前記第２構造体に溶接される第２溶接部を具備する請求項１記載のトルクセンサ。
4. 　前記抵抗体の第１端部と電気的に接触される第１端子と、
   　前記抵抗体の第２端部と電気的に接触される第２端子と、
   　をさらに具備する請求項１記載のトルクセンサ。
5. 　前記第１構造体は、前記歪センサの裏面に接触する第１突起部を具備し、
   　前記第２構造体は、前記歪センサの裏面に接触する第２突起部を具備する請求項１記載のトルクセンサ。
6. 　前記第１端子を保持し、前記歪センサの前記第１端部に装着される第１ホルダと、
   　前記第２端子を保持し、前記歪センサの前記第２端部に装着される第２ホルダと
   　をさらに具備する請求項４記載のトルクセンサ。

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