JP2021179309A - トルクセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】 組み立てが容易であり、かつ、トルクを精度よく検出できるトルクセンサを提供する。【解決手段】 一実施形態に係るトルクセンサは、環状の第1固定部と、前記第1固定部と中心を共有する第2固定部と、前記第1固定部と前記第2固定部とを連結する複数の連結部と、を有する起歪体と、前記起歪体上に設けられた複数の歪ゲージと、を備え、前記連結部は、前記第1固定部と前記第2固定部との間に配置され、両端部が前記第1固定部の内周に接続され、中央部が前記第2固定部の外周に接続される。【選択図】 図1
Description
本発明は、トルクセンサに関する。
近年、円盤状の起歪体と歪ゲージとを備えたトルクセンサが、ロボットの関節部分などで用いられている。起歪体として、環状の外側固定部と、外側固定部の内側に配置された内側固定部と、外側固定部及び内側固定部を連結する連結部と、を有するものが知られている。このようなトルクセンサでは、起歪体を回転軸と垂直に配置し、外側固定部及び内側固定部にそれぞれ回転体(回転軸やロボットアームなど)を固定し、回転体の回転により生じた連結部の歪みを歪ゲージにより検出することにより、起歪体に加わったトルクを検出する。
ところで、従来の起歪体の連結部は、起歪体の径方向に延びていた。このため、回転体の回転により生じる連結部の歪みは、連結部の側面で最大となった。この結果、トルクを精度よく検出するためには、連結部の側面に歪ゲージを配置しなければならず、トルクセンサの組み立てが困難になった。また、歪ゲージを連結部の表面に配置すれば、トルクセンサの組み立ては容易になるが、トルクの検出精度が低下するという問題があった。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、組み立てが容易であり、かつ、トルクを精度よく検出できるトルクセンサを提供することを目的とする。
一実施形態に係るトルクセンサは、環状の第1固定部と、前記第1固定部と中心を共有する第2固定部と、前記第1固定部と前記第2固定部とを連結する複数の連結部と、を有する起歪体と、前記起歪体上に設けられた複数の歪ゲージと、を備え、前記連結部は、前記第1固定部と前記第2固定部との間に配置され、両端部が前記第1固定部の内周に接続され、中央部が前記第2固定部の外周に接続される。
本発明の各実施形態によれば、組み立てが容易であり、かつ、トルクを精度よく検出できるトルクセンサを提供できる。
以下、本発明の各実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。なお、各実施形態に係る明細書及び図面の記載に関して、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重畳した説明を省略する。
一実施形態に係るトルクセンサ100について、図1〜図7を参照して説明する。本実施形態に係るトルクセンサ100は、トルクを検出する円盤状のセンサである。トルクセンサ100は、ロボットの関節部分などに、回転軸と垂直に搭載される。
図1は、トルクセンサ100の一例を示す平面図である。図2は、トルクセンサ100の分解斜視図である。図3は、起歪体1の平面図である。以下、図に示す方向(X1,X2,Y1,Y2,Z1,Z2方向)を基準としてトルクセンサ100について説明する。X1,X2方向をX方向、Y1,Y2方向をY方向、Z1,Z2方向をZ方向と総称する。また、Z1方向及びZ2方向を上方及び下方と称する場合がある。なお、X,Y,Z方向は互いに直交する。
図1に示すように、トルクセンサ100は、起歪体1と、絶縁層2と、歪ゲージ3a〜3hと、を備える。以下、歪ゲージ3a〜3hを区別しない場合、歪ゲージ3と称する。他の構成についても同様である。
起歪体1は、回転体の回転によりトルクを加えられる円盤状部材である。起歪体1は、例えば、金属により形成される。トルクセンサ100は、歪ゲージ3を利用して起歪体1の歪みを検出することにより、起歪体1に加えられたトルクを検出する。図3に示すように、起歪体1は、第1固定部11と、第2固定部12と、4つの連結部13a〜13dと、を有する。なお、図3における破線は、第1固定部11、第2固定部12、及び連結部13の境界を便宜的に示したものである。
第1固定部11は、起歪体1の外側に位置する略環状の部分である。ここでいう略環状は、環状、環状の一部を切り欠いた形状、及び環状の一部を突出させた形状を含む。第1固定部11は、駆動源からの駆動力を伝達する伝達部材(回転体)、又は起歪体1を介して駆動力を伝達される操作体(回転体)をボルトにより固定するための複数の開口部14を有する。以下、第1固定部11の中心を中心Cと称する。
第2固定部12は、起歪体1の内側に位置する略環状の部分である。第2固定部12は、第1固定部11と中心Cを共有し、第1固定部11の内半径(内周の半径)より小さい外半径(外周の半径)を有する。第2固定部12は、駆動源からの駆動力を伝達する伝達部材、又は起歪体1を介して駆動力を伝達される操作体をボルトにより固定するための複数の開口部15を有する。第2固定部12が伝達部材に固定された場合、第1固定部11は操作体に固定され、第2固定部12が操作体に固定された場合、第1固定部11は伝達部材に固定される。また、伝達部材と操作体はZ方向の異なる面に配置される。なお、第2固定部12は、略円形に形成されてもよい。ここでいう略円形は、円形、円形の一部を切り欠いた形状、及び円形の一部が突出した形状を含む。
連結部13は、第1固定部11と第2固定部12とを連結する、第2固定部12の外周から当該外周の接線方向に延びる略矩形の部分である。ここでいう略矩形は、矩形、矩形の一部を切り欠いた形状、及び矩形の一部が突出した形状を含む。連結部13は、第1固定部11の内周と第2固定部12の外周との間に配置され、両端部が第1固定部11の内周に接続され、中央部が第2固定部12の外周に接続される。言い換えると、連結部13は、両端部が第2固定部12の外周と接続されず、中央部が第1固定部11の内周と接続されない。このため、連結部13の両端部と第2固定部12の外周との間には開口部16が形成され、連結部13の中央部と第1固定部11の内周との間には開口部17が形成される。
具体的には、連結部13aは、Y方向に延びる略矩形の部分であり、Y1側端部が第1固定部11の内周のX2Y1側部分に接続され、Y2側端部が第1固定部11の内周のX2Y2側部分に接続され、中央部が第2固定部12の外周のX2側部分に接続される。連結部13aのY1側端部と第2固定部12の外周との間には、開口部16aが形成され、連結部13aのY2側端部と第2固定部12の外周との間には、開口部16dが形成され、連結部13aの中央部と第1固定部11の内周との間には、開口部17aが形成される。
連結部13bは、X方向に延びる略矩形の部分であり、X1側端部が第1固定部11の内周のX1Y1側部分に接続され、X2側端部が第1固定部11の内周のX2Y1側部分に接続され、中央部が第2固定部12の外周のY1側部分に接続される。連結部13bのX1側端部と第2固定部12の外周との間には、開口部16bが形成され、連結部13bのX2側端部と第2固定部12の外周との間には、開口部16aが形成され、連結部13bの中央部と第1固定部11の内周との間には、開口部17bが形成される。
連結部13cは、Y方向に延びる略矩形の部分であり、Y1側端部が第1固定部11の内周のX1Y1側部分に接続され、Y2側端部が第1固定部11の内周のX1Y2側部分に接続され、中央部が第2固定部12の外周のX1側部分に接続される。連結部13cのY1側端部と第2固定部12の外周との間には、開口部16bが形成され、連結部13cのY2側端部と第2固定部12の外周との間には、開口部16cが形成され、連結部13cの中央部と第1固定部11の内周との間には、開口部17cが形成される。
連結部13dは、X方向に延びる略矩形の部分であり、X1側端部が第1固定部11の内周のX1Y2側部分に接続され、X2側端部が第1固定部11の内周のX2Y2側部分に接続され、中央部が第2固定部12の外周のY2側部分に接続される。連結部13dのX1側端部と第2固定部12の外周との間には、開口部16cが形成され、連結部13dのX2側端部と第2固定部12の外周との間には、開口部16dが形成され、連結部13dの中央部と第1固定部11の内周との間には、開口部17dが形成される。
第1固定部11又は第2固定部12に固定された伝達部材(回転体)が回転すると、当該回転により起歪体1を介して操作体(回転体)も回転し、回転体間に加わるトルクに応じて連結部13が歪む。本実施形態によれば、連結部13の歪みは、連結部13の側面(Z方向と平行な面)ではなく、連結部13の両端部の表面(Z方向と垂直な面)(第1面)で最大となる。ここでいう表面は、上面及び下面を含む。
したがって、本実施形態によれば、連結部13の両端部の表面に歪ゲージ3を配置し、当該歪ゲージ3により連結部13の歪みを検出することにより、トルクセンサ100は、精度よくトルクを検出することができる。また、歪ゲージ3を連結部13の両端部の表面に配置することは容易であるため、トルクセンサ100を容易に組み立てることができる。
また、本実施形態によれば、図3に示すように、4つの連結部13は、第2固定部12の周囲に正方形状に配置されている。言い換えると、4つの連結部13は、第2固定部12の周囲に等間隔に配置されている。このように、4つの連結部13を等間隔に配置することにより、各連結部13の歪みを均一化し、連結部13の歪みに基づくトルクの検出精度をさらに高めることができる。
なお、連結部13の数、形状、及び配置は、図3の例に限られない。例えば、起歪体1は、2つ、3つ、又は4つ以上の連結部13を有してもよい。また、連結部13は、湾曲した形状を有してもよいし、非等間隔に配置されてもよい。また、連結部13が変形可能であれば、第1固定部11及び第2固定部12は変形しない材質でもよく、その場合には両者が一体的に挙動するように別の部材を一体化して起歪体1を形成する。
絶縁層2は、起歪体1上に設けられた絶縁性の層であり、表面にプリント配線を形成される。絶縁層2は、起歪体1上に、少なくとも連結部13を覆うように配置される。図1の例では、絶縁層2は、接着剤により起歪体1に固定されたプリント基板を想定しているが、起歪体1上に形成された酸化膜、窒化膜、又は樹脂製の絶縁膜であってもよい。プリント基板は、フレキシブル基板及びリジッド基板を含む。いずれの場合も、絶縁層2は、連結部13の歪みに応じて歪むように、連結部13に固定される。また、起歪体1は少なくとも、その表面が絶縁性であって歪みゲージ3がショーティングせずに配置できれば足りるので、起歪体1自体がプリント基板又は合成樹脂により形成されてもよい。この場合、起歪体1が絶縁層2の役割を果たす。なお、絶縁層2は、図1の例のように、第1固定部11と第2固定部12との間の全体を覆うように形成されるのが好ましい。これにより、絶縁層2の面積が大きくなるため、回路設計の自由度を向上させることができる。プリント基板2が配置される面の第2固定部12にボルトにより回転体が固定される。
歪ゲージ3は、変形に応じて抵抗値が変化する素子である。歪ゲージ3は、絶縁層2上に実装され、絶縁層2における連結部13の両端部に対応する位置に配置される。すなわち、歪ゲージ3は、連結部13の両端部に配置される。具体的には、歪ゲージ3aは連結部13aのY1側端部に配置され、歪ゲージ3bは連結部13bのX2側端部に配置され、歪ゲージ3cは連結部13bのX1側端部に配置され、歪ゲージ3dは連結部13cのY1側端部に配置され、歪ゲージ3eは連結部13cのY2側端部に配置され、歪ゲージ3fは連結部13dのX1側端部に配置され、歪ゲージ3gは連結部13dのX2側端部に配置され、歪ゲージ3hは連結部13aのY2側端部に配置される。
このような構成により、回転体の回転により連結部13が歪むと、絶縁層2が歪み、歪ゲージ3が変形し、歪ゲージ3の抵抗値が変化する。トルクセンサ100は、当該抵抗値の変化に基づいて、トルクを検出することができる。
ここで、絶縁層2上に形成される歪ゲージ3の回路構成について、図4を参照して説明する。図4は、絶縁層2上の歪みゲージ3を回路部品(図示省略)に接続した回路構成の一例を示す図である。図4に示すように、該回路は、歪ゲージ3a〜3hと、固定抵抗Ra〜Rhと、スイッチ回路21と、増幅回路22と、ADコンバータ23と、判定回路24と、を備える。
歪ゲージ3aと固定抵抗Raとは、電源とグラウンドとの間に直列に接続される。歪ゲージ3b〜3h及び固定抵抗Rb〜Rhについても同様である。図4に示すように、歪ゲージ3aは、可変抵抗として機能する。
スイッチ回路21は、歪ゲージ3と固定抵抗Rとの間の電圧をそれぞれ入力され、入力された電圧のいずれか1つを出力する。スイッチ回路21が出力する電圧は、ADコンバータ23から入力されるチャネル切替指示により制御される。スイッチ回路21が出力した電圧は、増幅回路22に入力される。
増幅回路22は、スイッチ回路21から入力された電圧を増幅して出力する。増幅回路22が出力した電圧は、ADコンバータ23に入力される。
ADコンバータ23は、増幅回路22から入力された電圧をAD変換し、得られた電圧値V(デジタル値)を出力する。また、ADコンバータ23は、スイッチ回路21に出力電圧の切り替えを支持するチャネル切替指示を出力する。ADコンバータ23が出力した電圧値Vは判定回路24に入力される。
判定回路24は、ADコンバータ23から入力された電圧値Vに基づいて、起歪体1に加わったトルクを判定(検出)する。判定回路24には、ADコンバータ23から、歪ゲージ3a〜3hの抵抗値にそれぞれ対応する電圧値Va〜Vhが順次入力される。判定回路24は、電圧値Va〜Vhに基づいて、トルクを算出することができる。例えば、トルクは、以下の式により算出される。
T=k×{(Va−Vh)+(Vc−Vb)+(Ve−Vd)+(Vg−Vf)}・・・(1)
式(1)において、Tはトルク、kは予め設定された係数である。式(1)では、各連結部13における、回転方向の一方側に配置された歪ゲージ3a,3c,3e,3gに対応する電圧値Va,Vc,Ve,Vgと、回転方向の他方側に配置された歪ゲージ3b,3d,3f,3hに対応する電圧値Vb,Vd,Vf,Vhと、の差を合計している。理由は、以下の通りである。
本実施形態では、起歪体1にトルクが加わると、連結部13の両端部が逆向きに歪む。すなわち、連結部13は、一方の端部が縮むと同時に、他方の端部が伸びる。このため、起歪体1にトルクが加わると、同じ連結部13の両端部に配置された2つの歪ゲージ3に対応する電圧値Vは、一方が大きくなり、他方が小さくなる。したがって、同じ連結部13に配置された2つの歪ゲージ3に対応する電圧値Vを合計すると、トルクに応じた電圧値Vの変化が相殺されてしまう。そこで、式(1)では、トルクに応じた電圧値Vの変化が相殺されないように、各連結部13における、回転方向の一方側に配置された歪ゲージ3a,3c,3e,3gに対応する電圧値Va,Vc,Ve,Vgと、回転方向の他方側に配置された歪ゲージ3b,3d,3f,3hに対応する電圧値Vb,Vd,Vf,Vhと、の差を合計している。これにより、トルクに応じた電圧値Va〜Vhの変化量を合計し、当該変化量を合計に応じたトルクを算出することができる。
また、判定回路24は、電圧値Va〜Vhに基づいて、起歪体1に加わった力がトルクであるか、それ以外の力(ねじれ荷重や回転軸方向の荷重)であるか、を判定してもよい。例えば、判定回路24は、回転方向に1つおきに配置された4つの歪ゲージ3a,3c,3e,3gに対応する電圧値Va,Vc,Ve,Vgの差が所定範囲内である場合、起歪体1に加わった力がトルクであると判定し、当該差異が所定範囲外である場合、起歪体1に加わった力がトルクでないと判定すればよい。このような判定を行うことにより、判定回路24は、起歪体1に加わった力がトルクであると判定した場合のみ、トルクを算出し、出力することができる。
なお、絶縁層2上に、歪ゲージ3、固定抵抗R、スイッチ回路21、増幅回路22、ADコンバータ23、及び判定回路24が実装されても良い。
以上説明した通り、本実施形態によれば、連結部13は、両端部が第1固定部11の内周に接続され、中央部が第2固定部12の外周に接続される。このような構成により、起歪体1にトルクが加わった際に、連結部13の両端部の表面で歪みが最大となるようにすることができる。したがって、連結部13の両端部の表面に歪ゲージ3を配置することにより、トルクを精度よく検出可能なトルクセンサ100を実現できる。また、歪ゲージ3を連結部13の両端部の表面に配置することは容易であるため、組み立てが容易なトルクセンサ100を実現できる。結果として、組み立てが容易であり、かつ、トルクを精度よく検出できるトルクセンサ100を実現できる。
また、本実施形態によれば、開口部16,17によって、回転力が加わる周方向に長さが長い略棒状の連結部13が形成されて、その形成方向に伸ばす力と圧縮するの力とが加わり、当該力を歪みゲージ3で測定することとなる。よって、径方向に延びて形成されて、その方向の側面に力が加わる従来の連結部に比べて、連結部13の変形量を少なくし、大きなトルクを測定することができる。これにより、起歪体1を小型化、軽量化、及び薄型化することができる。なお、歪みゲージ3が設けられる連結部13が周方向に形成されるので、径方向に形成される従来例に比べて、径寸法を抑えることもできる。
ここで、図5は、起歪体1の第1の変形例を示す平面図である。第1の変形例では、連結部13の両端部が中央部より細く形成されている。具体的には、Y方向に延びる連結部13a,13cは、両端部のX方向の寸法が、中央部のX方向の寸法より小さく形成されている。また、X方向に延びる連結部13b,13dは、両端部のY方向の寸法が、中央部のY方向の寸法より小さく形成されている。このような構成により、連結部13の歪みが、より両端部に集中するため、トルクに応じた連結部13の両端部の歪みが大きくなる。したがって、連結部13の歪みに基づくトルクの検出精度をさらに高めることができる。
図6は、起歪体1の第2の変形例を示す斜視図である。第2の変形例では、連結部13は、第1固定部11及び第2固定部12より薄く形成されている。すなわち、連結部13は、Z方向の寸法が、第1固定部11及び第2固定部12のZ方向の寸法より小さく形成されている。このような構成により、トルクに応じた連結部13の歪みがより大きくなる。したがって、連結部13の歪みに基づくトルクの検出精度をさらに高めることができる。なお、図6の例では、連結部13のZ1側の面を低くすることにより連結部13を薄くする場合を想定しているが、連結部13のZ2側の面を高くすることにより連結部13を薄くしてもよい。また、連結部13のZ1側の面を低くし、連結部13のZ2側の面を高くすることにより、連結部13を薄くしてもよい。
図7は、起歪体1の第3の変形例を示す平面図である。第3の変形例では、起歪体1に8つの連結部13a〜13hが設けられている。8つの連結部13は、第2固定部12の周囲に正八角形状に配置されている。言い換えると、8つの連結部13は、第2固定部12の周囲に等間隔に配置されている。このように、8つの連結部13を等間隔に配置することにより、各連結部13の歪みを均一化し、連結部13の歪みに基づくトルクの検出精度をさらに高めることができる。なお、起歪体1がN個(N≧3)の連結部13を有する場合、N個の連結部13が正N角形状(正多角形状)となるように、N個の連結部13を等間隔に配置すればよい。また、起歪体1が2つの連結部13を有する場合、2つの連結部13が対向した位置で平行になるように、2つの連結部13を等間隔に配置すればよい。いずれの場合も、各連結部13の歪みを均一化し、連結部13の歪みに基づくトルクの検出精度をさらに高めることができる。
また、上記実施形態に挙げた構成等に、その他の要素との組み合わせなど、ここで示した構成に本発明が限定されるものではない。これらの点に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能であり、その応用形態に応じて適切に定めることができる。
1:起歪体
2:絶縁層
3:歪ゲージ
11:第1固定部
12:第2固定部
13:連結部
14〜17:開口部
21:スイッチ回路
22:増幅回路
23:ADコンバータ
24:判定回路
100:トルクセンサ
R:固定抵抗
2:絶縁層
3:歪ゲージ
11:第1固定部
12:第2固定部
13:連結部
14〜17:開口部
21:スイッチ回路
22:増幅回路
23:ADコンバータ
24:判定回路
100:トルクセンサ
R:固定抵抗
Claims (7)
- 環状の第1固定部と、前記第1固定部と中心を共有する第2固定部と、前記第1固定部と前記第2固定部とを連結する複数の連結部と、を有する起歪体と、
前記起歪体上に設けられた複数の歪ゲージと、
を備え、
前記連結部は、前記第1固定部と前記第2固定部との間に配置され、両端部が前記第1固定部の内周に接続され、中央部が前記第2固定部の外周に接続される
トルクセンサ。 - 前記連結部は、前記両端部が前記中央部より細い
請求項1に記載のトルクセンサ。 - 前記連結部は、前記第1固定部及び前記第2固定部より薄い
請求項1又は請求項2に記載のトルクセンサ。 - 前記連結部は、前記第2固定部の接線方向に延びる
請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載のトルクセンサ。 - 前記複数の連結部は、前記第2固定部の周囲に正多角形状に配置される
請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載のトルクセンサ。 - 前記起歪体は、4つの前記連結部を有する
請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載のトルクセンサ。 - 前記歪ゲージは、前記連結部の前記両端部の第1面に配置される
請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載のトルクセンサ。
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