WO2021111892A1 - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

外部機器が締結される締結部（１１１）と、外部機器が締結される締結部（１１２）と、締結部（１１１）と締結部（１１２）との間に設けられ、センサ素子（１２）が設けられたセンシング部（１１３）と、締結部（１１１）及び締結部（１１２）のうちの少なくとも一方とセンシング部（１１３）との間に設けられ、回転対称に位置する非スリット部（１１４２）、及び、当該非スリット部（１１４２）間に設けられた円弧状のスリット部（１１４３）から成る円状の不連続開口部（１１４１）を多重に有する外力精製部（１１４）とを備え、非スリット部（１１４２）は、トルク軸に垂直な面におけるトルク軸周りの配置角度が、不連続開口部（１１４１）のうちの隣り合う不連続開口部（１１４１）における非スリット部（１１４２）の配置角度とは異なる。

Description

トルクセンサ

　この発明は、トルクを検出するトルクセンサに関する。

　従来、回転軸体の外周面に取付けられたセンサ素子を有し、トルクにより当該外周面に生じるせん断応力の大きさを、センサ素子における抵抗値変化から検出するトルクセンサが知られている（例えば特許文献１参照）。
　また、回転軸体を外筒部及びその両端に連結された２枚のフランジから構成し、外筒部の両端にディスク状のトルク伝達部を介して両端が連結された内筒部を設け、この内筒部の外周面にセンサ素子が取付けられたトルクセンサも知られている。

特開２００２－１３９３９１号公報

　一方、トルクセンサには、トルクセンサの前後に取付けられる外部機器から、計測対象であるトルクの他にも各種の力が外乱として加えられる。
　上記外乱となる力のうち、トルク軸（トルクセンサの軸心）の径方向の力が非定常的にトルクセンサに加えられる場合には、トルクセンサの配置関係で、疑似的にトルクが加えられた場合と同様の荷重が加えられることになる。これはトルクセンサの出力誤差要因となるため、改善が必要である。

　この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、出力誤差を低減可能となるトルクセンサを提供することを目的としている。

　この発明に係るトルクセンサは、外部機器が締結される第１の締結部と、外部機器が締結される第２の締結部と、第１の締結部と第２の締結部との間に設けられ、センサ素子が設けられたセンシング部と、第１の締結部及び第２の締結部のうちの少なくとも一方とセンシング部との間に設けられ、回転対称に位置する非スリット部、及び、当該非スリット部間に設けられた円弧状のスリット部から成る円状の不連続開口部を多重に有する外力精製部とを備え、非スリット部のうちの少なくとも一部は、軸心に垂直な面における軸心周りの配置角度が、不連続開口部のうちの隣り合う不連続開口部における非スリット部の配置角度とは異なることを特徴とする。

　この発明によれば、上記のように構成したので、出力誤差を低減可能となる。

実施の形態１に係るトルクセンサの構成例を示す上面図である。 実施の形態１に係るトルクセンサの構成例を示す一部断面斜視図である。 実施の形態１に係るトルクセンサの別の構成例を示す上面図である。 実施の形態１に係るトルクセンサの別の構成例を示す斜視図である。 実施の形態２に係るトルクセンサの構成例を示す一部断面斜視図である。 実施の形態２に係るトルクセンサの構成例を示す斜視図である。 実施の形態２における外筒部の構成例を示す分解斜視図である。

　以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
　図１，２は実施の形態１に係るトルクセンサの構成例を示す図である。
　トルクセンサは、トルクを検出する。このトルクセンサは、図１，２に示すように、本体部１１、センサ素子１２及び計測部１３（不図示）を備えている。

　本体部１１は、軸心に孔を有するディスク状部材である。本体部１１は、例えばステンレスにより構成される。この本体部１１は、図１，２に示すように、締結部（第１の締結部）１１１、締結部（第２の締結部）１１２、センシング部１１３及び外力精製部１１４を有している。

　締結部１１１は、一方の面（本体部１１の一方の面）に外部機器（不図示）が締結される部位である。図１，２では、締結部１１１は、本体部１１の外周側に設けられている。また図１，２では、締結部１１１には、孔１１１１が周方向に複数設けられている。孔１１１１はボルト等の締結部材の軸部を挿入可能に構成され、孔１１１１により上記外部機器が当該締結部材を介して締結部１１１に締結される。

　締結部１１２は、一方の面（本体部１１の他方の面）に外部機器（不図示）が締結される部位である。図１，２では、締結部１１２は、本体部１１の内周側に設けられている。また図１，２では、締結部１１２には、孔１１２１が周方向に複数設けられている。孔１１２１はボルト等の締結部材の軸部を挿入可能に構成され、孔１１２１により上記外部機器が当該締結部材を介して締結部１１２に締結される。

　なお、締結部１１１及び締結部１１２のうちの一方には、外部機器としてモータ等の駆動系が締結され、他方には、外部機器としてロボットハンド等の負荷系が締結される。

　センシング部１１３は、締結部１１１と締結部１１２との間に設けられ、センサ素子１２が設けられた部位である。

　外力精製部１１４は、締結部１１１及び締結部１１２のうちの少なくとも一方とセンシング部１１３との間に設けられた部位である。図１，２では、外力精製部１１４は、締結部１１２とセンシング部１１３との間に設けられている。

　外力精製部１１４は、円状の不連続開口部１１４１を多重に有している。図１，２では、不連続開口部１１４１は、トルク軸（トルクセンサの軸心）の径方向に沿って多重に設けられている。不連続開口部１１４１は、回転対称に位置する非スリット部１１４２、及び、非スリット部１１４２間に設けられた円弧状のスリット部１１４３から成る。図１，２では、外力精製部１１４は、４つの非スリット部１１４２及び４つのスリット部１１４３から成る不連続開口部１１４１をトルク軸の径方向に２重に有し、更にその外側に、８つの非スリット部１１４２及び８つのスリット部１１４３から成る不連続開口部１１４１を有している。

　なお、非スリット部１１４２のうちの少なくとも一部は、トルク軸に垂直な面におけるトルク軸周りの配置角度が、不連続開口部１１４１のうちの隣り合う不連続開口部１１４１における非スリット部１１４２の配置角度とは異なる。この際、非スリット部１１４２は、トルク軸に垂直な面におけるトルク軸周りの配置角度が、不連続開口部１１４１のうちの隣り合う不連続開口部１１４１におけるスリット部１１４３の中央に一致（略一致の意味を含む）することが望ましい。

　また、不連続開口部１１４１のうちのセンシング部１１３に最も近い不連続開口部１１４１における非スリット部１１４２のうちの少なくとも一部は、トルク軸に垂直な面におけるトルク軸周りの配置角度が、センサ素子１２の配置角度と一致（略一致の意味を含む）することが望ましい。

　センサ素子１２は、センシング部１１３に１つ以上貼付けられている。センサ素子１２は、外部からのせん断応力に応じた信号を出力する。センサ素子１２としては、例えば半導体歪ゲージ又は金属歪ゲージを用いることができる。

　なお図１，２に示すように、本体部１１の軸心を介して対向するように２つのセンサ素子１２が設けられることで、トルクセンサは他軸干渉を低減可能となる。

　計測部１３は、センサ素子１２により出力された信号をトルクとして計測する。トルクセンサに２つ以上のセンサ素子１２が設けられる場合には、計測部１３は、各センサ素子１２により出力された信号の演算値をトルクとして計測する。なお、計測部１３は、システムＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ　Ｓｃａｌｅ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）等の処理回路、又はメモリ等に記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）等により実現される。

　このように、実施の形態１に係るトルクセンサは、外部機器がそれぞれ接続される締結部１１１及び締結部１１２と、センサ素子１２が設けられたセンシング部１１３とを有する。そして、このトルクセンサは、締結部１１１及び締結部１１２のうちの少なくとも一方とセンシング部１１３との間に、剛性に方向異方性がある外力精製部１１４が設けられている。ここでいう剛性に方向異方性があるとは、トルク軸周りに高剛性であり、且つ、トルク軸の径方向に低剛性であるということを意味する。なお、実施の形態１では、外力精製部１１４が有する不連続開口部１１４１が、トルク軸の径方向に沿って多重に設けられている。このように、このトルクセンサは、センシング部１１３に対し、選択的にトルク軸周りの変位を伝達し且つトルク軸の径方向の変位を抑制して伝達することで、トルクセンサの出力誤差を低減可能となる。

　なお、外力精製部１１４が有する不連続開口部１１４１は図１，２に示す構成に限らず、不連続開口部１１４１の数及び配置間隔、非スリット部１１４２の数及び長さ、並びに、スリット部１１４３の数、長さ及び幅等は、要求される剛性等に応じて適宜設計可能である。例えば図３，４では、外力精製部１１４は、４つの非スリット部１１４２及び４つのスリット部１１４３から成る不連続開口部１１４１をトルク軸の径方向に３重に有し、更にその外側に、８つの非スリット部１１４２及び８つのスリット部１１４３から成る不連続開口部１１４１を有している。

　以上のように、この実施の形態１によれば、トルクセンサは、外部機器が締結される締結部１１１と、外部機器が締結される締結部１１２と、締結部１１１と締結部１１２との間に設けられ、センサ素子１２が設けられたセンシング部１１３と、締結部１１１及び締結部１１２のうちの少なくとも一方とセンシング部１１３との間に設けられ、回転対称に位置する非スリット部１１４２、及び、当該非スリット部１１４２間に設けられた円弧状のスリット部１１４３から成る円状の不連続開口部１１４１を多重に有する外力精製部１１４とを備え、非スリット部１１４２のうちの少なくとも一部は、トルク軸に垂直な面におけるトルク軸周りの配置角度が、不連続開口部１１４１のうちの隣り合う不連続開口部１１４１における非スリット部１１４２の配置角度とは異なる。これにより、実施の形態１に係るトルクセンサは、出力誤差を低減可能となる。

実施の形態２．
　図５，６は実施の形態２に係るトルクセンサの構成例を示す図である。図５では、後述する締結部２３及びセンサ素子２５の図示を省略している。また図６では、後述するセンシング部２９の図示を省略している。
　トルクセンサは、トルクを検出する。このトルクセンサは、図５，６に示すように、外筒部（外力精製部）２１、締結部（第１の締結部）２２、締結部（第２の締結部）２３、内筒部２４、センサ素子２５、トルク伝達部（第１のトルク伝達部）２６、トルク伝達部（第２のトルク伝達部）２７及び計測部２８（不図示）を備えている。

　外筒部２１は、両端が開口した筒状部材である。外筒部２１は、例えばステンレスにより構成される。外筒部２１の詳細については後述する。

　締結部２２は、上面に外部機器（不図示）が締結される部位である。図５では、締結部２２は、下面が外筒部２１の一端面に連結されたリング状部材である。締結部２２は、例えばステンレスにより構成される。また図５に示す締結部２２には、孔２２１が周方向に複数設けられている。孔２２１はボルト等の締結部材の軸部を挿入可能に構成され、孔２２１及び後述する孔２３２により上記外部機器が当該締結部材を介して締結部２２に締結される。

　締結部２３は、下面に外部機器（不図示）が締結される部位である。図６では、締結部２３は、上面が外筒部２１の他端面に連結されたリング状部材である。締結部２３は、例えばステンレスにより構成される。また図６に示す締結部２３には、ボルト孔２３１が周方向に複数設けられている。ボルト孔２３１により上記外部機器がボルトを介して締結部２３に締結される。また、締結部２３には、孔２３２が周方向に複数設けられている。孔２３２は、孔２２１と同一（略同一の意味を含む）軸心上に位置し、且つ、ボルト等の締結部材の頭部を挿入可能に構成されている。

　なお、締結部２２及び締結部２３のうちの一方には、外部機器としてモータ等の駆動系が締結され、他方には、外部機器としてロボットハンド等の負荷系が締結される。

　内筒部２４は、外筒部２１と同一（略同一の意味を含む）軸心上に位置する。

　センサ素子２５は、内筒部２４の外周面に１つ以上貼付けられている。センサ素子２５は、外部からのせん断応力に応じた信号を出力する。このセンサ素子２５は、トルク軸（トルクセンサの軸心）に対して斜め方向（４５度方向）を向いた抵抗ゲージを有する。なお、斜め方向は４５度方向としているが、これに限らず、ある程度のずれ（例えば４４度方向又は４６度方向等）は許容される。センサ素子２５としては、例えば半導体歪ゲージ又は金属歪ゲージを用いることができる。

　なお、内筒部２４を挟んで対向するように２つのセンサ素子２５が設けられることで、トルクセンサは他軸干渉を低減可能となる。

　トルク伝達部２６は、一端が外筒部２１の一端側の内周面に連結され、他端が内筒部２４の一端側の外周面に連結されている。トルク伝達部２６は、締結部２２に加えられた外力により生じるトルクをセンサ素子２５に伝達するための薄板部材である。
　図５に示すトルク伝達部２６では、トルク軸の径方向のうちのセンサ素子２５が位置する方向を除く方向に空間が存在しているが、空間が存在していなくてもよい。また図５に示すトルク伝達部２６では、トルク軸の径方向に凹凸が存在しているが、凹凸が存在していなくてもよい。図５では、トルク伝達部２６が円周状に波形の凹凸を有する４枚の板部材２６１から構成されている。そして、４枚の板部材２６１のうちの２枚の板部材２６１は、トルク軸の径方向のうちの２つのセンサ素子２５が位置する方向にそれぞれ位置し、残りの２枚の板部材２６１は、センサ素子２５が位置する方向に対して垂直な方向にそれぞれ位置している。

　トルク伝達部２７は、一端が外筒部２１の他端側の内周面に連結され、他端が内筒部２４の他端側の外周面に連結されている。トルク伝達部２７は、締結部２３に加えられた外力により生じるトルクをセンサ素子２５に伝達するための薄板部材である。
　図５に示すトルク伝達部２７では、トルク軸の径方向のうちのセンサ素子２５が位置する方向を除く方向に空間が存在しているが、空間が存在していなくてもよい。また図５に示すトルク伝達部２７では、トルク軸の径方向に凹凸が存在しているが、凹凸が存在していなくてもよい。図５では、トルク伝達部２７が円周状に波形の凹凸を有する４枚の板部材２７１から構成されている。そして、４枚の板部材２７１のうちの２枚の板部材２７１は、トルク軸の径方向のうちの２つのセンサ素子２５が位置する方向にそれぞれ位置し、残りの２枚の板部材２７１は、センサ素子２５が位置する方向に対して垂直な方向にそれぞれ位置している。

　なお図５に示すように、トルク伝達部２６に空間が設けられることで、トルク軸の径方向のうちのセンサ素子２５が感度を有する方向に加えられた外力をセンサ素子２５に伝達しないように外力の伝達方向を限定可能となる。また、トルク伝達部２６に径方向に凹凸が設けられることで、トルクのセンサ素子２５への変形伝達が径方向の外力のセンサ素子２５への変形伝達に対して相対的に大きくなり、径方向の外力による出力誤差の低減を実現可能となる。トルク伝達部２７についても同様である。

　なお、内筒部２４、トルク伝達部２６及びトルク伝達部２７は、締結部２２と締結部２３との間に設けられ、センサ素子２５が設けられたセンシング部２９を構成する。

　計測部２８は、センサ素子２５により出力された信号をトルクとして計測する。トルクセンサに２つ以上のセンサ素子２５が設けられる場合には、計測部２８は、各センサ素子２５により出力された信号の演算値をトルクとして計測する。なお、計測部２８は、システムＬＳＩ等の処理回路、又はメモリ等に記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ等により実現される。

　次に、外筒部２１の詳細について、図５～７を参照しながら説明する。
　外筒部２１は、締結部２２及び締結部２３のうちの少なくとも一方とセンシング部２９との間に設けられた部位である。図５～７では、外筒部２１は、締結部２２とセンシング部２９との間に設けられている。

　外筒部２１は、円状の不連続開口部２１１を多重に有している。図５～７では、不連続開口部２１１は、トルク軸方向に沿って多重に設けられている。不連続開口部２１１は、回転対称に位置する非スリット部２１２、及び、非スリット部２１２間に設けられた円弧状のスリット部２１３から成る。図５～７では、外筒部２１は、４つの非スリット部２１２及び４つのスリット部２１３から成る不連続開口部２１１をトルク軸方向に２重に有している。この場合、例えば図７に示すように、外筒部２１を、一方の不連続開口部２１１を有する構造２１ａと、他方の不連続開口部２１１を有する構造２１ｂとに分けて構成し、この構造２１ａと構造２１ｂとを重ね合わせて周囲を溶接等により接合することで外筒部２１を構成する。

　なお、非スリット部２１２のうちの少なくとも一部は、トルク軸に垂直な面におけるトルク軸周りの配置角度が、不連続開口部２１１のうちの隣り合う不連続開口部２１１における非スリット部２１２の配置角度とは異なる。この際、非スリット部２１２は、トルク軸に垂直な面におけるトルク軸周りの配置角度が、不連続開口部２１１のうちの隣り合う不連続開口部２１１におけるスリット部２１３の中央に一致（略一致の意味を含む）することが望ましい。

　また、不連続開口部２１１のうちのセンシング部２９に最も近い不連続開口部２１１における非スリット部２１２のうちの少なくとも一部は、トルク軸に垂直な面におけるトルク軸周りの配置角度が、センサ素子２５の配置角度と一致（略一致の意味を含む）することが望ましい。

　このように、実施の形態２に係るトルクセンサは、外部機器がそれぞれ接続される締結部２２及び締結部２３と、センサ素子２５が設けられたセンシング部２９とを有する。そして、このトルクセンサは、締結部２２及び締結部２３のうちの少なくとも一方とセンシング部２９との間に、剛性に方向異方性がある外筒部２１が設けられている。ここでいう剛性に方向異方性があるとは、トルク軸周りに高剛性であり、且つ、トルク軸の径方向に低剛性であるということを意味する。なお、実施の形態２では、外筒部２１が有する不連続開口部２１１が、トルク軸方向に沿って多重に設けられている。このように、このトルクセンサは、センシング部２９に対し、選択的にトルク軸周りの変位を伝達し且つトルク軸の径方向の変位を抑制して伝達することで、トルクセンサの出力誤差を低減可能となる。

　なお、外筒部２１が有する不連続開口部２１１は図５～７に示す構成に限らず、不連続開口部２１１の数及び配置間隔、非スリット部２１２の数及び長さ、並びに、スリット部２１３の数、長さ及び幅等は、要求される剛性等に応じて適宜設計可能である。

　なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組合わせ、或いは各実施の形態の任意の構成要素の変形、若しくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

　この発明に係るトルクセンサは、出力誤差を低減可能となり、トルクを検出するトルクセンサに用いるのに適している。

１１　本体部
１２　センサ素子
１３　計測部
２１　外筒部（外力精製部）
２２　締結部（第１の締結部）
２３　締結部（第２の締結部）
２４　内筒部
２５　センサ素子
２６　トルク伝達部（第１のトルク伝達部）
２７　トルク伝達部（第２のトルク伝達部）
２８　計測部
２９　センシング部
１１１　締結部（第１の締結部）
１１２　締結部（第２の締結部）
１１３　センシング部
１１４　外力精製部
２１１　不連続開口部
２１２　非スリット部
２１３　スリット部
２２１　孔
２３１　ボルト孔
２３２　孔
２６１　板部材
２７１　板部材
１１１１　孔
１１２１　孔
１１４１　不連続開口部
１１４２　非スリット部
１１４３　スリット部

Claims (5)

1. 　外部機器が締結される第１の締結部と、
   　外部機器が締結される第２の締結部と、
   　前記第１の締結部と前記第２の締結部との間に設けられ、センサ素子が設けられたセンシング部と、
   　前記第１の締結部及び前記第２の締結部のうちの少なくとも一方と前記センシング部との間に設けられ、回転対称に位置する非スリット部、及び、当該非スリット部間に設けられた円弧状のスリット部から成る円状の不連続開口部を多重に有する外力精製部とを備え、
   　前記非スリット部のうちの少なくとも一部は、軸心に垂直な面における軸心周りの配置角度が、前記不連続開口部のうちの隣り合う不連続開口部における前記非スリット部の配置角度とは異なる
   　ことを特徴とするトルクセンサ。
2. 　前記不連続開口部のうちの前記センシング部に最も近い不連続開口部における前記非スリット部のうちの少なくとも一部は、軸心に垂直な面における軸心周りの配置角度が、前記センサ素子の配置角度と一致する
   　ことを特徴とする請求項１記載のトルクセンサ。
3. 　前記非スリット部は、軸心に垂直な面における軸心周りの配置角度が、前記不連続開口部のうちの隣り合う不連続開口部における前記スリット部の中央に一致する
   　ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のトルクセンサ。
4. 　前記不連続開口部は、軸心の径方向に沿って多重に設けられた
   　ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちの何れか１項記載のトルクセンサ。
5. 　前記不連続開口部は、軸心方向に沿って多重に設けられた
   　ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちの何れか１項記載のトルクセンサ。

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