CN112424578A - 扭矩传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够提高检测精度的扭矩传感器。扭矩传感器(40)具备第一结构体(41)、第二结构体(42)、设置于第一结构体和第二结构体之间的第三结构体(43)、以及设置于第一结构体和第二结构体之间的至少两个传感器部(44、45)，其中第一结构体和第二结构体中靠近传感器部的一方的刚性比另一方的刚性高。

Description

扭矩传感器
技术领域
本发明的实施方式涉及一种应用于例如机械臂等的扭矩传感器。
背景技术
扭矩传感器具有被施加扭矩的第一结构体、输出扭矩的第二结构体、以及连结第一结构体和第二结构体的作为梁的多个应变产生部，在这些应变产生部配置有作为传感器元件的多个应变计。由这些应变计构成电桥电路(例如参照专利文献1、2、3)。
在测定在汽车发动机等的输出部中产生的扭矩的扭矩量转换器中，开发出一种减少扭矩以外的弯曲应力的影响的技术(例如参照专利文献4)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013－096735号公报
专利文献2：日本特开2015－049209号公报
专利文献3：日本特开2017－172983号公报
专利文献4：日本特开2010－169586号公报
发明内容
例如圆盘状的扭矩传感器具有第一结构体、第二结构体、以及设置于第一结构体和第二结构体之间的第三结构体，在第一结构体和第二结构体之间设置有作为传感器的应变产生体或应变计。
在将第一结构体经由包括电动机或减速器的驱动部固定于机械臂的例如基台并将第二结构体固定于机械臂的例如臂进行使用的情况下，除了扭矩以外，对扭矩传感器施加伴随机械臂的输送重量和直至负荷的距离及动作加速度而来的弯曲力矩或其反作用力的荷重。
这样，当对扭矩传感器施加扭矩以外的弯曲力矩或荷重(X轴方向Fx、Y轴方向Fy、Z轴方向Fz)即平移力(並進力)时，虽然采用使应变对称的测量器配置，但因为结构非对称、负荷非对称，所以产生非对称的位移(应变)。因此，由于其它轴干扰而产生传感器输出，扭矩传感器的检测精度下降。
本发明的实施方式提供一种能够提高检测精度的扭矩传感器。
本实施方式的扭矩传感器具备第一结构体、第二结构体、设置于所述第一结构体和所述第二结构体之间的第三结构体、以及设置于所述第一结构体和所述第二结构体之间的至少两个传感器部，所述第一结构体和所述第二结构体中靠近所述传感器部的一方的刚性比所述第一结构体和所述第二结构体中远离所述传感器部的另一方高。
附图说明
图1是表示应用第一实施方式的机械臂的一例的立体图。
图2是表示第一实施方式的扭矩传感器的一例的俯视图。
图3是图2的侧视图。
图4是将图2的A所示的部分放大示出的立体图。
图5是表示第二实施方式的扭矩传感器的一例的俯视图。
图6是将图5的主要部分分解示出的立体图。
图7是沿着图5的VII－VII线的剖视图。
图8是为了说明第二实施方式的效果而示出的图。
图9是表示图8的比较例的图。
图10是说明第二实施方式的效果而示出的图。
图11是表示第三实施方式的主要部分的立体图。
图12表示第三实施方式的变形例，是将主要部分分解示出的立体图。
具体实施方式
以下，参照附图对实施方式进行说明。在附图中，对相同的部分标注相同的符号。
首先，参照图1和图2对应用本实施方式的机械臂30及扭矩传感器40进行说明。
图1表示多关节机器人，即机械臂30的一例。机械臂30例如具备基台31、第一臂32、第二臂33、第三臂34、第四臂35、作为驱动源的第一驱动部36、第二驱动部37、第三驱动部38、第四驱动部39。但是，机械臂30的结构不限于此，能够变形。
第一臂32通过设置于第一关节J1的第一驱动部36能够相对于基台31旋转。第二臂33通过设置于第二关节J2的第二驱动部37能够相对于第一臂32旋转。第三臂34通过设置于第三关节J3的第三驱动部38能够相对于第二臂33旋转。第四臂35被设为通过设置于第四关节J4的第四驱动部39能够相对于第三臂34旋转。在第四臂35上安装有未图示的手部或各种工具。
第一驱动部36～第四驱动部39具备例如后述的电动机、减速器以及扭矩传感器。
(第一实施方式)
图2～图5表示第一实施方式的圆盘状的扭矩传感器40。扭矩传感器40设置于机械臂30的例如第一驱动部36。但是，扭矩传感器40也能够设置于机械臂30的例如第二驱动部37～第四驱动部39。
扭矩传感器40具备第一结构体41、第二结构体42、多个第三结构体43、作为传感器部的第一应变传感器44及第二应变传感器45等。
第一结构体41和第二结构体42形成为环状，第二结构体42的直径小于第一结构体41的直径。第二结构体42被配置为与第一结构体41成同心状，第一结构体41和第二结构体42由配置为放射状的多个作为梁部的第三结构体43连结。多个第三结构体43在第一结构体41和第二结构体42之间传递扭矩。第二结构体42具有中空部42a，例如未图示的配线穿过中空部42a。
安装有扭矩传感器40的第一臂32等例如由铝构成。因此，第一结构体41、第二结构体42以及多个第三结构体43由杨氏模量比铝高的金属材料，例如不锈钢构成，但只要针对施加的扭矩或弯曲力矩获得足够的机械强度，也能够使用金属以外的材料。
在第一结构体41和第二结构体42之间设置有第一应变传感器44和第二应变传感器45。构成第一应变传感器44的应变产生体44a和构成第二应变传感器45的应变产生体45a的一端部分别与第一结构体41接合，应变产生体44a、45a的另一端部分别与第二结构体42接合。
应变产生体44a及应变产生体45a的厚度比第一结构体41、第二结构体42及多个第三结构体43的厚度薄。
第一应变传感器44和第二应变传感器45配置于相对于第一结构体41及第二结构体42的中心(扭矩的作用中心)对称的位置。换句话说，第一应变传感器44和第二应变传感器45配置于环状的第一结构体41及第二结构体42的直径上。
在应变产生体44a及应变产生体45a的表面设置有后述的多个应变计。应变产生体44a及应变产生体45a的各应变计分别构成电桥电路。应变产生体44a及应变产生体45a分别与未图示的柔性基板连接。柔性基板与由罩46覆盖的未图示的印刷基板连接。在印刷基板上配置有将两个电桥电路的输出电压放大的运算放大器等。因为电路结构不是本实施方式的本质，所以省略说明。
图4将图2所示的区域A放大示出。在应变产生体44a的表面设置有作为传感器元件的例如四个应变计51、52、53、54。由四个应变计51、52、53、54构成电桥电路。
在第一实施方式中，应变计51、52、53、54配置于与应变产生体44a的有效长度(作为应变产生体发挥作用的部分的长度)L的中央部CT相比靠例如第二结构体42侧的区域AR1。该区域AR1是在应变产生体44a的有效长度L的范围内在应变产生体44a中产生大的应变的区域，是对于扭矩以外的方向，例如Fx、My方向的力的第一应变传感器44的感度(sensitivity)和扭矩(Mz)方向上的第一应变传感器44的感度相同的区域。
以下，在第一结构体41及第二结构体42中，将靠近应变计51、52、53、54的一侧称为检测侧。在第一实施方式的情况下，第二结构体42相当于检测侧。
第二应变传感器45也被设为与第一应变传感器44相同的结构，对于第二应变传感器45，第二结构体42也相当于检测侧。
在第一实施方式中，扭矩传感器40的检测侧的结构体的刚性比其以外的结构体的刚性高。即，在扭矩传感器40中，第二结构体42的刚性比第一结构体41及第三结构体43的刚性高。
具体而言，如图3所示，第二结构体42的厚度T2比第一结构体41及第三结构体43的厚度T1厚。
上述结构的扭矩传感器40的第一结构体41例如安装有第一臂32，第二结构体42经由包括未图示的电动机或减速器的第一驱动部36固定于基台31。但是，也能够将扭矩传感器40的第一结构体41经由第一驱动部36固定于基台31，将第二结构体42固定于例如第一臂32。
在该状态下，当驱动第一驱动部36时，图2所示的扭矩(Mz)方向的力施加到扭矩传感器40。扭矩传感器40的第一结构体41相对于第二结构体42沿扭矩(Mz)方向位移。就扭矩传感器40而言，由于第一结构体41相对于第二结构体42位移，从而从第一应变传感器44、第二应变传感器45输出电信号，能够检测到扭矩。
另一方面，在由于第一臂32～第四臂35的动作而在第一臂32中产生扭矩以外(Mx、My)方向的弯曲力矩的情况下，弯曲力矩或平移力施加到第一结构体41。但是，因为第二结构体42具有比第一结构体41及第三结构体高的刚性，所以抑制了第二结构体42的变形。因此，能够抑制构成第一应变传感器44和第二应变传感器45的多个应变计的电阻值的变化。因此，能够抑制对于扭矩以外(Mx、My)方向的弯曲力矩输出信号，能够提高扭矩的检测精度。
在第一实施方式中，为了提高第二结构体42的刚性，使第二结构体42的厚度比第一结构体41及第三结构体43的厚度厚。但是，不限于此，也能由杨氏模量比第一结构体41及第三结构体43高的材料构成第二结构体42。在该情况下，第二结构体42不需要比第一结构体41及第三结构体43厚，也可以为第一结构体41及第三结构体43的厚度以下。
(第一实施方式的效果)
根据上述第一实施方式，构成第一应变传感器44及第二应变传感器45的应变计51、52、53、54配置于与应变产生体44a的有效长度相比靠第二结构体42侧的区域，靠近应变计51、52、53、54的第二结构体42具有比第一结构体41及第三结构体43高的刚性。因此，在对第一结构体41施加扭矩以外的弯曲力矩或平移力的情况下，因为能够抑制第二结构体42的变形，所以能够抑制构成第一应变传感器44和第二应变传感器45的多个应变计的电阻值的变化。因此，能够抑制对于扭矩以外的弯曲力矩输出信号，也能够提高扭矩的检测精度。
另外，为了提高扭矩传感器40的刚性，仅加厚检测侧的第二结构体42的厚度，而不是加厚扭矩传感器40整体的厚度。因此，与加厚扭矩传感器40整体的厚度的情况相比，为了获得所需的性能，能够进行扭矩传感器40的轻量化。
而且，因为仅加厚第二结构体42的厚度而不是加厚扭矩传感器40整体的厚度，所以能够防止安装有扭矩传感器40的第一驱动部36的厚度的增加。
(第二实施方式)
图5和图6表示第二实施方式。在第一实施方式中，为了使第二结构体42的刚性比第一结构体41及第三结构体43的刚性高，使第二结构体42的厚度比第一结构体41及第三结构体43的厚度厚。
另一方面，在第二实施方式中，如图6所示，扭矩传感器40的第一结构体41、第二结构体42及第三结构体43的厚度相等，为了使第二结构体42的刚性比第一结构体41及第三结构体43的刚性高，在第二结构体42上安装有作为加强部件的适配件60。具体而言，环状的适配件60例如通过多个螺丝61固定于第二结构体42的一表面。
适配件60的材料与扭矩传感器40的材料相同，或者应用由杨氏模量比扭矩传感器40的材料高的材料。
如图5和图6所示，在扭矩传感器40上通过多个螺丝61安装有适配件60的状态下，在旋转力矩My以例如Y轴为中心左右对称地施加到扭矩传感器40的情况下，在螺丝61形成的紧固部难以产生扭曲，能够减少其它轴干扰的影响。
在第二实施方式中，示出了螺丝61配置于从连结第一应变传感器44及第二应变传感器45的径(Y轴)上偏离的位置的情况。具体而言，两个螺丝61配置于相对于连结第一应变传感器44及第二应变传感器45的径(Y轴)例如对称的位置。
图7表示配置于第一应变传感器44的附近的两个螺丝61和应变产生体44a的位置关系。两个螺丝61配置于以应变产生体44a(Y轴)为中心对称的位置。
这样，在将两个螺丝61配置于相对于第一应变传感器44对称的位置的情况下，因为与第一应变传感器44对应的部分由于适配件60而厚度增加，所以第一应变传感器44附近的极惯性矩(二次極モーメント)变大，不易扭曲。因此，在旋转力矩My以Y轴为中心施加到扭矩传感器40的情况下，能够减少在位于两个螺丝61之间的紧固部62产生的扭曲，能够减少其它轴干扰的影响。
图5是将两个螺丝61配置于相对于第一应变传感器44对称的位置的情况，但螺丝61也可以配置于连结第一应变传感器44及第二应变传感器45的线上。但是，通过将螺丝61配置于连结第一应变传感器44及第二应变传感器45的线上以外的位置，能够增大极惯性矩，更不易扭曲。
(第二实施方式的效果)
通过上述第二实施方式能够与第一实施方式相同地减少其它轴干扰，能够提高扭矩的检测精度。
而且，根据第二实施方式，使用与扭矩传感器40分开的适配件60。因此，容易根据使用条件调整适配件60的刚性。能够容易地设定与使用条件匹配的最合适的刚性。
另外，通过将与扭矩传感器40的材料不同的材料用作适配件60的材料，能够使适配件60的厚度变薄以获得所需的刚性。因此，能够将扭矩传感器40进一步薄型化。
而且，通过使用与扭矩传感器40分开的适配件60，与第一实施方式相比，能够减少用于加工扭矩传感器40的工序数。
因为适配件60的形状与扭矩传感器40相同，为环状，所以容易加工，因此，能够减少加工工序数，能够抑制制造成本的增加。
另外，相对于第一应变传感器44和第二应变传感器45分别对称地配置用于将适配件60固定于第二结构体42的多个螺丝61。因此，在旋转力矩My以Y轴为中心施加到扭矩传感器40的情况下，能够减少在紧固部62产生的扭曲，上述紧固部62位于与第一应变传感器44及第二应变传感器45分别对应的两个螺丝61之间。因此，能够减少其它轴干扰的影响，能够提高扭矩的检测精度。
图8表示在扭矩传感器40上安装了适配件60的状态下，旋转力矩(输入力矩)My以Y轴为中心左右对称地施加到扭矩传感器40时的应变计51、52、53、54的电阻的变化率。
在此，R1、R2、R3、R4分别表示应变计51、52、53、54的电阻。
因为电阻相对于旋转力矩的变化具有滞后，所以图8表示对扭矩传感器40施加两次旋转力矩的结果。
图9表示图8的比较例，表示从扭矩传感器40拆下适配件60时的电阻的变化率。
从图8可知，通过将适配件60安装于扭矩传感器40，减少了旋转力矩My的影响(其它轴干扰)，抑制了电阻值的变化。
图10表示改变适配件60的厚度时的电阻变化率。将图9所示的没有适配件60时的电阻变化率的宽度W记录为100％，并且分别记录适配件60的厚度为例如5mm及10mm时的电阻的变化率的平均值。在此，N表示没有适配件60的情况。
从图10可知，随着从没有适配件60的情况(N)到适配件60的厚度增加到5mm、10mm，其它轴干扰的影响减少。即，可知随着适配件60的刚性提高，其它轴干扰的影响减少。
(第三实施方式)
图11表示第三实施方式。
在第一实施方式及第二实施方式中，配置有应变计51、52、53、54的区域AR1为第二结构体42的附近，第二结构体42相当于检测侧。因此，使第二结构体42的刚性比第一结构体41及第三结构体43的刚性高。
在第三实施方式中，如图11所示，配置有应变计51、52、53、54的区域为第一结构体41的附近，第一结构体41相当于检测侧。
未图示的第二应变传感器45的应变计也与第一应变传感器44的应变计相同地配置于第一结构体41的附近。
因此，作为检测侧的第一结构体41的刚性比第二结构体42及第三结构体43的刚性高。
具体而言，第一结构体41的厚度比第二结构体42和第三结构体43的厚度厚。
作为提高第一结构体41的刚性的手段，与第一实施方式相同地能够由杨氏模量高的材料形成第一结构体41的材料。
或者，如图12所示，也能够与第二实施方式相同地在第一结构体41的一表面通过多个螺丝71安装作为加强部件的环状的适配件70。在该情况下，第一结构体41、第二结构体42及第三结构体43的厚度相等。
另外，在将两个螺丝71配置于相对于第一应变传感器44对称的位置的情况下，因为与第一应变传感器44对应的部分的厚度增加，所以极惯性矩变大，紧固部不易扭曲。因此，在旋转力矩My以Y轴为中心施加到扭矩传感器40的情况下，能够减少在位于两个螺丝71之间的紧固部产生的扭曲，能够减少其它轴干扰的影响。
螺丝71也可以配置于连结第一应变传感器44及第二应变传感器45的线上。但是，通过将螺丝71配置于连结第一应变传感器44及第二应变传感器45的线上以外的位置，能够增大极惯性矩，更不易扭曲。
(第三实施方式的效果)
通过上述第三实施方式也能够获得与第一实施方式及第二实施方式相同的效果。
此外，本发明不限于上述各实施方式的原样，在实施阶段，能够在不脱离其主旨的范围内将构成要素变形并具体化。另外，通过上述各实施方式所公开的多个构成要素的适当的组合能够形成各种发明。例如，也可以从实施方式所示的所有构成要素删除几个构成要素。而且，也可以将遍及不同的实施方式的构成要素适当地组合。

Claims (14)

1.一种扭矩传感器，包括：
第一结构体；
第二结构体；
第三结构体，其设置于所述第一结构体和所述第二结构体之间；以及
至少两个传感器部，它们设置于所述第一结构体和所述第二结构体之间，
其中，所述第一结构体和所述第二结构体中靠近所述传感器部的一方的刚性比所述第一结构体和所述第二结构体中远离所述传感器部的另一方高。
2.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其中，
所述传感器部配置于所述第二结构体的附近。
3.根据权利要求2所述的扭矩传感器，其中，
所述第二结构体的厚度比所述第一结构体及所述第三结构体的厚度厚。
4.根据权利要求2所述的扭矩传感器，其中，
所述第二结构体由杨氏模量比所述第一结构体及所述第三结构体高的材料构成。
5.根据权利要求2所述的扭矩传感器，其中，
所述第二结构体还具备加强部件。
6.根据权利要求5所述的扭矩传感器，其中，
所述第一结构体、所述第二结构体及所述第三结构体的厚度相等。
7.根据权利要求5所述的扭矩传感器，其中，
还具备将所述加强部件固定于所述第二结构体的螺丝，所述螺丝设置在相对于连结所述两个传感器部的线对称的位置。
8.根据权利要求5所述的扭矩传感器，其中，
还具备将所述加强部件固定于所述第二结构体的螺丝，所述螺丝设置在连结所述两个传感器部的线上以外的位置。
9.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其中，
所述传感器部配置于所述第一结构体的附近。
10.根据权利要求9所述的扭矩传感器，其中，
所述第一结构体的厚度比所述第二结构体及所述第三结构体的厚度厚。
11.根据权利要求9所述的扭矩传感器，其中，
所述第一结构体还具备加强部件。
12.根据权利要求11所述的扭矩传感器，其中，
所述第一结构体、所述第二结构体及所述第三结构体的厚度相等。
13.根据权利要求11所述的扭矩传感器，其中，
还具备将所述加强部件固定于所述第一结构体的螺丝，所述螺丝设置在相对于连结所述两个传感器部的线对称的位置。
14.根据权利要求11所述的扭矩传感器，其中，
还具备将所述加强部件固定于所述第一结构体的螺丝，所述螺丝设置在连结所述两个传感器部的线上以外的位置。
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