WO2022149340A1 - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

センサ素子を水分や塵埃から保護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、複数の第３構造体１３により接続される。歪センサ２０を構成する起歪体２０ａは、第１構造体と第２構造体との間に設けられる。複数の固定部材２１，２２，２３，２４は、起歪体を第１構造体と第２構造体に固定する。起歪体を覆うキャップ１４は、複数の固定部材に係合される。

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。

　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梁としての複数の起歪部とを有し、これら起歪部にセンサ素子としての複数の歪ゲージが配置されている。これら歪ゲージによりブリッジ回路が構成されている（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 特開２０１７-１７２９８３号公報

　トルクセンサは、精密機器であり、センサ素子は、水分、湿度、或いは塵埃により検出出力に影響を受ける。このため、センサ素子が配置された部分に水分や塵埃が進入することを防止する必要がある。

　本実施形態は、センサ素子を水分や塵埃から保護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構造体とを接続する複数の第３構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられ、歪センサを構成する起歪体と、前記起歪体を前記第１構造体と前記第２構造体に固定する複数の固定部材と、前記複数の固定部材に係合され、前記起歪体を覆うキャップと、を具備する。

本実施形態が適用されるトルクセンサを示す平面図。 図１のＡ部を拡大して示す平面図。 第１実施形態に係り、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図。 第１実施形態に係り、図１のＩＶ－ＩＶ線に沿った断面図。 第１実施形態に係り、図１の一部分を取出して示す斜視図。 第２実施形態に係り、図４と同一部分を示す断面図。 図６の一部を取出して示す斜視図。 第２実施形態の変形例を示す断面図。 第３実施形態に係り、図３と同一部分を示す断面図。

　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は、本実施形態が適用されるトルクセンサ１０の一例を示している。トルクセンサ１０の構成は、これに限定されるものでなく、様々な構成のトルクセンサに適用することが可能である。また、トルクセンサに限らず、歪ゲージを用いた力覚センサなどに本実施形態を適用することも可能である。

　図１において、トルクセンサ１０は、第１構造体１１、第２構造体１２、複数の第３構造体１３、複数の防水用キャップ１４、ケース１５、ブッシュ１６、ケーブル１７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としての第３構造体１３により連結されている。第３構造体１３の数は、例えば８個であり、８個の第３構造体１３が等間隔に配置されている。第３構造体１３の数は、８個に限定されるものではない。

　第１構造体１１は、例えば被計測体に連結され、第２構造体１２は、図示せぬ別の構造体に接続され、複数の第３構造体１３は、第１構造体１１から第２構造体１２にトルク（図２に示すモーメント（Ｍｚ））を伝達する。逆に、第２構造体１２を被計測体に連結し、第１構造体１１を図示せぬ別の構造体に接続し、第２構造体１２から第１構造体１１に複数の第３構造体１３を介してトルクを伝達してもよい。

　尚、力覚センサの場合、第１構造体１１、第２構造体１２、第３構造体１３は、三次元に変形し、図１に示す直交する３軸（ｘ、ｙ、ｚ）に関して、力（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ）とモーメント（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）を検出する。

　第１構造体１１、第２構造体１２、複数の第３構造体１３は、金属、例えばステンレス鋼により構成されるが、印加されるトルクに対して機械的に十分な強度を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。

　各第３構造体１３に対応して、後述する歪センサ２０が配置される。歪センサ２０は、後述するキャップ１４により覆われている。キャップ１４は、凹部１８内に圧入されている。

　本実施形態において、歪センサ２０の数は、第３構造体１３の数と同一とされているが、これに限定されるものではなく、歪センサ２０の数は、第３構造体１３の数より少なくてもよい。

　第２構造体１２は、中空部１２ａを有しており、ケース１５は、中空部１２ａの周囲の第２構造体１２に取り付けられている。ケース１５の内部には、歪センサ２０から供給される電気信号を処理し、センサ信号としてのトルクの検出信号を生成する図示せぬ処理回路が設けられている。

　ケース１５の一部分にケーブル１７を保持するブッシュ１６が設けられている。ケーブル１７の図示せぬ一端は、ケース１５内の処理回路に接続され、ケーブル１７の他端は、例えば中空部１２ａに通される。ケーブル１７は、処理回路に外部から電源を供給したり、処理回路により処理されたセンサ信号を外部に出力したりする。処理回路の構成は、本実施形態の本質ではないため、説明は省略する。

　図２、図３に示すように、凹部１８は、第１構造体１１、第２構造体１２、及び第３構造体１３に一体的に形成されている。歪センサ２０は、凹部１８内において、第１構造体１１と第２構造体１２との間に配置される。歪センサ２０は、例えば金属製の起歪体２０ａと、起歪体２０ａの表面に配置された複数の歪ゲージ２０ｂを含み、複数の歪ゲージ２０ｂは、例えばブリッジ回路を構成する。起歪体２０ａの一端部は、第１構造体１１上に配置され、他端は第２構造体１２上に配置される。

　固定部材は、第１固定プレート２１、第２固定プレート２２、第１ネジ２３、第２ネジ２４を含んでいる。第１固定プレート２１は、第１構造体１１と起歪体２０ａの一端部上に配置され、第１ネジ２３により、第１構造体１１に固定される。第２固定プレート２２は、第２構造体１２と起歪体２０ａの他端部上に配置され、第２ネジ２４により第２構造体１２に固定される。このため、起歪体２０ａの一端部は、第１固定プレート２１と第１ネジ２３により第１構造体１１に固定され、他端部は、第２固定プレート２２と第２ネジ２４により第２構造体１２に固定される。

　複数の歪ゲージ２０ｂは、フレキシブル基板２５の一端部に接続され、フレキシブル基板２５の他端部は、ケース１５内の処理回路に接続される。

　前述したように、各歪センサ２０は、キャップ１４により覆われている。キャップ１４は、例えばシリコーンゴム、又は弾性を有する樹脂により構成され、凹部１８内に圧入される。

　図１、図４に示すように、キャップ１４は、凹部１８の平面形状と同様の平面形状を有し、キャップ１４の幅（キャップ１４の短手方向の長さ）Ｗ１は、凹部１８の幅Ｗ２より僅かに大きくされており（Ｗ１＞Ｗ２）、図３に示すように、キャップ１４の長さ（キャップ１４の長手方向の長さ）Ｌ１は、凹部１８の長さＬ２より僅かに大きくされている（Ｌ１＞Ｌ２）。このため、キャップ１４が凹部１８内に圧入されることにより、キャップ１４が変形してキャップ１４と凹部１８との間の隙間が除去される。

　また、図４、図５に示すように、キャップ１４は、第１ネジ２３と第２ネジ２４と対応する位置で、幅方向の両側に例えば４つの脚部１４ａを有している。各脚部１４ａは、第１ネジ２３と第２ネジ２４に対向する面に、第１係合部１４ｂを有しており、各第１係合部１４ｂは、第１ネジ２３と第２ネジ２４の各頭部２３ａ、２４ａに係合可能とされている。

　すなわち、第１固定プレート２１の幅Ｗ３は、第１ネジ２３の頭部２３ａの直径Ｄ１より小さく（Ｗ３＜Ｄ１）、第１ネジ２３の頭部が第１固定プレート２１の幅方向の両側より外側に位置される。第２固定プレート２２と第２ネジ２４も第１固定プレート２１と第１ネジ２３と同様の構成とされている。このため、キャップ１４の各第１係合部１４ｂは、第１固定プレート２１と第２固定プレート２２より張出した第１ネジ２３の頭部２３ａと第２ネジ２４の頭部２４ａとに係合可能とされている。

　上記構成において、キャップ１４が凹部１８内に圧入されると、各脚部１４ａの第１係合部１４ｂが第１ネジ２３の頭部２３ａと第２ネジ２４の頭部２４ａの下側に進入し、第１ネジ２３の頭部２３ａと第２ネジ２４の頭部２４ａに係合される。すなわち、各係合部１４ｂは、第１ネジ２３の頭部２３ａと第２ネジ２４の頭部２４ａにスナップ・フィットされる。このため、キャップ１４が凹部１８から容易に外れず、防水、防塵効果が高められる。

　（第１実施形態の効果）
　上記第１実施形態によれば、キャップ１４は、歪センサ２０の固定部材としての第１ネジ２３、第２ネジ２４に対応して複数の脚部１４ａを有し、キャップ１４が凹部１８内に圧入されると、各脚部１４ａに設けられた第１係合部１４ｂが第１ネジ２３の頭部２３ａと第２ネジ２４の頭部２４ａに係合される。したがって、キャップ１４が凹部１８から容易に外れないため、歪センサ２０に対する防水及び防塵効果を向上させることが可能である。

　また、キャップ１４の幅Ｗ１は、凹部１８の幅Ｗ２より僅かに大きくされ、キャップ１４の長さＬ１は、凹部１８の長さＬ２よりも長くされており、キャップ１４が凹部１８内に圧入されると、キャップ１４が変形してキャップ１４と凹部１８との間の隙間が除去される。このため、歪センサ２０に対する防水及び防塵効果を向上することが可能である。

　尚、第１実施形態において、キャップ１４の各脚部１４ａに設けられた第１係合部１４ｂは、第１ネジ２３の頭部２３ａと第２ネジ２４の頭部２４ａの両方に係合されている。しかし、十分な係合力を得ることができれば、第１ネジ２３の頭部２３ａと第２ネジ２４の頭部２４ａの一方のみにキャップ１４の第１係合部１４ｂが係合されてもよい。この構成は、後述する実施形態においても同様である。

　（第２実施形態）
　図６は、第２実施形態を示している。第１実施形態において、キャップ１４の各脚部１４ａに設けられた第１係合部１４ｂは、第１ネジ２３の頭部２３ａと第２ネジ２４の頭部２４ａに係合された。これに対して、第２実施形態において、キャップ１４の各脚部１４ａに設けられた第１係合部１４ｂは、固定部材としての第１固定プレート２１と第２固定プレート２２に係合される。

　具体的には、図６、図７に示すように、第１固定プレート２１は、凹部１８の幅方向の両側に第１固定プレート２１の長さ方向に沿って段部２１ａを有している。第２固定プレート２２も第１固定プレート２１と同様に段部２２ａ（図示せず）を有している。キャップ１４の各脚部１４ａ及び各脚部１４ａに設けられた第２係合部１４ｄは、第１固定プレート２１の段部２１ａと、第２固定プレート２２の段部２２ａに係合可能な位置に配置されている。

　さらに、図７に示すように、各第２係合部１４ｄの長さＬ３は、例えば各段部２１ａの長さＬ４と等しくされている。しかし、段部２１ａとの係合力が十分であれば、第２係合部１４ｄの長さは、段部２１ａの長さより短くてもよい。

　上記構成において、キャップ１４が凹部１８内に圧入されると、キャップ１４の各脚部１４ａに設けられた第２係合部１４ｄは、第１固定プレート２１の段部２１ａと、第２固定プレート２２の段部２２ａにそれぞれ係合される。すなわち、各第２係合部１４ｄは、段部２１ａ、段部２２ａにスナップ・フィットされる。

　（第２実施形態の効果）
　上記第２実施形態によっても第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
　しかも、第２実施形態において、第１固定プレート２１は、段部２１ａを有し、第２固定プレート２２も段部２２ａを有し、段部２１ａ及び段部２２ａは、第１固定プレート２１と第２固定プレート２２の長さ方向に沿って形成されている。また、キャップ１４の第２係合部１４ｄは、段部２１ａの長さＬ１とほぼ等しくされている。このため、キャップ１４の第１係合部１４ｂとの接触面積を第１ネジ２３の頭部２３ａ及び第２ネジ２４の頭部２４ａとの接触面積に比べて大きくすることができる。したがって、キャップ１４と第１固定プレート２１及び第２固定プレート２２との係合力を第１実施形態に比べて大きくすることができ、より一層キャップ１４を凹部１８から外れ難くすることができ、防水、防塵効果を向上させることが可能である。

　（第２実施形態の変形例）
　図８は、第２実施形態の変形例を示している。第２実施形態において、第１固定プレート２１及び第２固定プレート２２は、それぞれ段部２１ａ及び段部２２ａを有し、キャップ１４の第２係合部１４ｄは、段部２１ａ及び段部２２ａに係合されている。

　これに対して、図８に示す変形例において、第１固定プレート２１及び第２固定プレート２２は、段部２１ａ及び段部２２ａを持たず、キャップ１４の第２係合部１４ｄは、第１固定プレート２１及び第２固定プレート２２の下面に係合される。第１固定プレート２１と第２固定プレート２２の長さと、第２係合部１４ｄの長さの関係は、第２実施形態と同様である。

　上記変形例によっても、第２実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
　しかも、変形例の場合、第２係合部１４ｄは、第１固定プレート２１と第２固定プレート２２の下面に係合され、且つ凹部１８の底面と接触されるため、より係合状態を保持することが可能である。
　さらに、第１固定プレート２１と第２固定プレート２２は、段部を持たないため、製造が容易である。

　（第３実施形態）
　図９は、第３実施形態を示している。第１実施形態及び第２実施形態において、キャップ１４は、その幅方向の両側に脚部１４ａを有し、各脚部１４ａに設けられた第１係合部１４ｂ又は第２係合部１４ｄが、第１ネジ２３の頭部２３ａ、第２ネジ２４の頭部２４ａ、又は第１固定プレート２１の段部２１ａ又は下面、及び第２固定プレート２２の段部２２ａ又は下面に係合された。

　これに対して、図９に示す第３実施形態において、キャップ１４は、その長さ方向に所定距離離れて例えば２つの脚部１４ｅを有している。これら脚部１４ｅは、例えば第１ネジ２３に対応して配置されている。２つの脚部１４ｅの一方は、キャップ１４の側面に設けられ、他方の脚部１４ｅは、側面より内側に配置されている。各脚部１４ｅは、第１ネジ２３の頭部２３ａに係合可能な第３係合部１４ｆを有している。第１ネジ２３の頭部２３ａに第３係合部１４ｆを係合させるため、第１固定プレート２１の第３係合部１４ｆと対応する位置に凹部２１ｂを設けてもよい。

　上記構成において、キャップ１４が凹部１８内に圧入されると、キャップ１４の各脚部１４ｅに設けられた第３係合部１４ｆは、第１ネジ２３の頭部２３ａに係合される。すなわち、第３係合部１４ｆは、第１ネジ２３の頭部２３ａにスナップ・フィットされる。

　（第３実施形態の効果）
　第３実施形態によっても、第１、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。
　しかも、第３実施形態において、キャップ１４の２つの脚部１４ｅ及び第３係合部１４ｆは、キャップ１４の長さ方向に設けられているため、トルク方向の力により外れ難く、防水、防塵効果を向上させ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。

Claims (10)

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構造体とを接続する複数の第３構造体と、
   　前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられ、歪センサを構成する起歪体と、
   　前記起歪体を前記第１構造体と前記第２構造体に固定する複数の固定部材と、
   　前記複数の固定部材に係合され、前記起歪体を覆うキャップと、
   　を具備することを特徴とするトルクセンサ。
2. 　前記複数の固定部材は、
   　前記起歪体の一端部に接触される第１固定プレートと、
   　前記起歪体の他端部に接触される第２固定プレートと、
   　前記第１固定プレートを前記第１構造体に固定する第１ネジと、
   　前記第２固定プレートを前記第２構造体に固定する第２ネジと、
   　を具備することを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
3. 　前記第１構造体、第２構造体、及び第３構造体に一体的に設けられた凹部をさらに具備し、
   　前記起歪体、前記第１固定プレート、前記第２固定プレート、前記第１ネジ、前記第２ネジ、及び前記キャップは、前記凹部内に配置されることを特徴とする請求項２に記載のトルクセンサ。
4. 　前記キャップは、弾性を有する材料により構成され、前記キャップの幅は、前記凹部の幅より大きく、前記キャップの長さは、前記凹部の長さより長いことを特徴とする請求項３に記載のトルクセンサ。
5. 　前記キャップは、前記第１ネジと前記第２ネジの少なくとも一方の頭部に係合される第１係合部を有することを特徴とする請求項２に記載のトルクセンサ。
6. 　前記キャップの前記第１係合部は、前記キャップの幅方向の両側で、前記第１ネジと前記第２ネジの少なくとも一方に対応して配置されることを特徴とする請求項５に記載のトルクセンサ。
7. 　前記第１固定プレートと前記第２固定プレートの少なくとも一方は、段部を有し、前記キャップは、前記段部に係合される第２係合部を有することを特徴とする請求項２に記載のトルクセンサ。
8. 　前記キャップは、前記第１固定プレートと前記第２固定プレートの少なくとも一方の下面に係合される第２係合部を有することを特徴とする請求項２に記載のトルクセンサ。
9. 　前記キャップの第２係合部は、前記キャップの前記第１構造体から第２構造体に向かう方向と交差する方向に沿った幅方向の両側で、前記第１ネジと前記第２ネジの少なくとも一方に対応して配置されることを特徴とする請求項７又は８に記載のトルクセンサ。
10. 　前記キャップは、前記キャップの前記第１構造体から第２構造体に向かう方向に沿った長手方向で、前記第１ネジと前記第２ネジの一方の両側に対応して配置され、前記第１ネジと前記第２ネジの一方の頭部に係合される第３係合部を具備することを特徴とする請求項２記載のトルクセンサ。

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