JP7062540B2 - トルクセンサ - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、例えばロボットアーム等に適用さ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）。

自動車のエンジン等の出力部に生じるトルクを測定するトルク量変換器において、トルク以外の曲げ応力の影響を低減する技術が開発されている（例えば特許文献４参照）。

特開２０１３－０９６７３５号公報 特開２０１５－０４９２０９号公報 特開２０１７－１７２９８３号公報 特開２０１０－１６９５８６号公報

例えば円盤状のトルクセンサは、第１構造体と第２構造体と、第１構造体と第２構造体との間の第３構造体とを有し、第１構造体と第２構造体との間に歪センサとしての起歪体や、歪ゲージが設けられる。
第１構造体をロボットアームの例えば基台に固定し、第２構造体をロボットアームの例えばアームに固定して使用する場合、トルクセンサには、トルク以外に、ロボットアームの搬送重量と負荷までの距離、及び動作加速度に伴う曲げモーメントや、その反力の荷重が加わる。

トルクセンサをロボットアームに取り付ける場合、トルクセンサの軸心とロボットアームの例えばアームや基台の軸心とを合せる必要がある。
トルクセンサの第１構造体の形状を例えば円柱と仮定し、ロボットアームの基台の形状を円筒と仮定し、円柱を円筒内に嵌める場合、円柱の外径と、円筒の内径を嵌め合わせることにより、軸心が一致される。しかし、この場合、軸心は一致するものの、円柱と円筒が厳密にどこで接触しているかが不明確である。すなわち、円柱の外径と円筒の内径は、真円ではないため、円柱の外面と円筒の内面は、ランダムに数か所で接触することが予想される。

このように、トルクセンサの第１構造体とロボットアームの基台やアームとがランダムに数か所で接触した場合、トルクセンサにトルク以外の曲げモーメントや、並進力を印加した際、第１構造体や第２構造体が非対称に変形され、その変形に伴い歪センサが非対称に変形し、センサから出力が出てしまう。

トルクセンサにトルク以外の曲げモーメントや荷重（Ｘ軸方向Ｆｘ、Ｙ軸方向Ｆｙ、Ｚ軸方向Ｆｚ）すなわち並進力が印加されると、トルクセンサに設けられた複数の歪センサには変位に応じた歪が生じる。通常、トルクセンサのブリッジ回路は、トルク方向の力に対して電圧を出力し、トルク以外の方向の力に対して電圧を出力しないように構成されている。しかし、第１構造体、或は第２構造体が非対称に変形すると、トルクセンサに設けられた複数の歪センサに非対称な歪が生じる。この他軸干渉によって、センサ出力が発生し、トルクセンサの検出精度が低下していた。

本発明の実施形態は、トルクセンサの検出精度を向上させ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構造体との間に設けられた第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た少なくとも２つのセンサ部と、を具備するトルクセンサ本体と、前記第１構造体に固定され、実装個所に取り付けるための取り付け部と、前記トルクセンサ本体又は前記取り付け部のいずれか一方に固定されずに接触するように、前記トルクセンサ本体の外縁と前記取り付け部との間に設けられた弾性手段とを具備する。

第１実施形態に係るトルクセンサ本体を示す構成図。 各実施形態が適用されるロボットアームの一例を示す斜視図。 第１実施形態に係るトルクセンサを上から見た平面図。 第１実施形態に係る取り付け部を下方から見た斜視図。 第１実施形態に係るトルクセンサの外縁部分を側面から見た断面を簡易的に示した簡易図。 第２実施形態に係る取り付け部を下から見た平面図。 第２実施形態に係るトルクセンサの外縁部分を側面から見た断面を簡易的に示した簡易図。 第３実施形態に係るトルクセンサ本体を上から見た平面図。 第３実施形態に係るトルクセンサを上から見た断面を簡易的に示した簡易図。 第４実施形態に係る取り付け部を下から見た平面図。 第４実施形態に係るトルクセンサを下から見た平面を簡易的に示した簡易図。 第５実施形態に係るトルクセンサの外縁部分を側面から見た断面を簡易的に示した簡易図。

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。
先ず、図２を参照して、本発明の各実施形態が適用されるロボットアーム３０について説明する。
図２は、多関節ロボット、すなわち、ロボットアーム３０の一例を示している。ロボットアーム３０は、例えば基台３１、第１アーム３２、第２アーム３３、第３アーム３４、第４アーム３５、駆動源としての第１駆動部３６、第２駆動部３７、第３駆動部３８、第４駆動部３９を具備している。しかし、ロボットアーム３０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。

第１アーム３２は、第１関節Ｊ１に設けられた第１駆動部３６により、基台３１に対して回転可能とされている。第２アーム３３は、第２関節Ｊ２に設けられた第２駆動部３７により、第１アーム３２に対して回転可能とされている。第３アーム３４は、第３関節Ｊ３に設けられた第３駆動部３８により、第２アーム３３に対して回転可能とされている。第４アーム３５は、第４関節Ｊ４に設けられた第４駆動部３９により、第３アーム３４に対して回転可能に設けられている。第４アーム３５に図示せぬハンドや各種のツールが装着される。

第１駆動部３６～第４駆動部３９は、例えば後述するモータと、減速機と、トルクセンサとを具備している。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るトルクセンサ本体４０を示す構成図である。
本実施形態において、トルクセンサ本体４０は、トルク（Ｍｚ）に対して変形し、トルク以外（Ｍｘ、Ｍｙ）の曲げモーメントに対して、変形が抑制される。

ここでは、トルクセンサ本体４０が図２に示すロボットアーム３０の第１関節Ｊ１に実装され、トルクセンサ本体４０が測定するトルクの回転軸方向（Ｆｚ）を上下方向とすると、第１アーム３２の方が上側、基台３１の方が下側になるように接続されるものとして主に説明する。

但し、トルクセンサ本体４０は、第２関節Ｊ２乃至第４関節Ｊ４に設けられてもよいし、回転軸方向（Ｆｚ）がどの向きになるように設けられてもよい。また、トルクセンサ本体４０の向きは、以降の説明と上下が反対になるように設けられてもよい。
トルクセンサ本体４０は、第１構造体４１と、第２構造体４２と、複数の第３構造体４３と、センサ部としての第１歪センサ４４及び第２歪センサ４５などを具備している。

第１構造体４１と、第２構造体４２は、環状に形成され、第２構造体４２の径は、第１構造体４１の径より小さい。第２構造体４２は、第１構造体４１と同心状に配置され、第１構造体４１と第２構造体４２は、放射状に配置された複数の梁部としての第３構造体４３により連結されている。複数の第３構造体４３は、第１構造体４１と第２構造体４２との間でトルクを伝達する。第２構造体４２は、中空部４２aを有しており、中空部４２aには、例えば図示せぬ配線が通される。

第１構造体４１、第２構造体４２、複数の第３構造体４３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。第１構造体４１、第２構造体４２、複数の第３構造体４３は、例えば同じ厚みを有している。トルクセンサ本体４０の機械的な強度は、第３構造体４３の厚みや幅、長さにより設定される。

第１構造体４１と第２構造体４２との間には、第１歪センサ４４と第２歪センサ４５が設けられている。具体的には、第１歪センサ４４を構成する起歪体４４ａと、第２歪センサ４５を構成する起歪体４５ａの一端部は、第１構造体４１に接合され、起歪体４４ａ，４５ａの他端部は、第２構造体４２に接合されている。起歪体４４ａ，４５ａの厚みは、第１構造体４１、第２構造体４２、及び複数の第３構造体４３の厚みより薄い。

起歪体４４ａ，４５ａの表面には、センサ素子としての図示せぬ複数の歪ゲージがそれぞれ設けられている。起歪体４４ａに設けられたセンサ素子により第１ブリッジ回路が構成され、起歪体４５ａに設けられたセンサ素子により第２ブリッジ回路が構成される。すなわち、トルクセンサ本体４０は、２つのブリッジ回路を具備している。

また、第１歪センサ４４と第２歪センサ４５は、第１構造体４１及び第２構造体４２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４４と第２歪センサ４５は、環状の第１構造体４１及び第２構造体４２の直径上に配置されている。

第１歪センサ４４（起歪体４４ａ）はフレキシブル基板４６に接続され、第２歪センサ４５（起歪体４５ａ）はフレキシブル基板４７に接続されている。フレキシブル基板４６，４７は、カバー４８により覆われた図示せぬプリント基板に接続されている。プリント基板には、２つのブリッジ回路の出力電圧を増幅する演算増幅器などが配置されている。回路構成は、本実施形態の本質ではないため、説明は省略する。

ここで、上述したトルクセンサ本体４０の構成は、本実施形態に適用されるトルクセンサ本体の一例として示したものであり、これに限らない。例えば、トルクセンサ本体４０は、円盤状のものについて説明したが、多角形状など、どのような形状でもよい。また、トルクセンサ本体４０は、第１歪センサ４４と第２歪センサ４５との２つのセンサ部を有する場合について説明した。しかし、これに限らず、トルクセンサ本体４０は、他軸干渉を抑制するために必要な、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚの３つの軸情報を得ることができる構成であればよい。したがって、３軸以下の情報を得ることができれば、どのようなトルクセンサ本体４０でもよい。

トルクセンサ本体４０の外縁部分には、弾性形状部Ｅ１が一体形成するように外周に沿って設けられている。弾性形状部Ｅ１は、溝状の部分が潰れるように変形することで、弾性の性質を有する。
図３は、本実施形態に係るトルクセンサ２０を上から見た平面図である。

トルクセンサ２０は、トルクセンサ本体４０の第１構造体４１に取り付け部１０がボルト（ネジ）などで固定されたものである。
図４は、本実施形態に係る取り付け部１０を下方から見た斜視図である。
取り付け部１０は、トルクセンサ２０を実装個所に取り付けるための部品である。例えば、取り付け部１０は、基台３１又は第１アーム３２などのロボットアーム３０の一部にボルトなどの固定するための部品で接続される。なお、取り付け部１０は、実装個所に直接取り付けられる部品でなくてもよく、実装個所に取り付けるためにトルクセンサ本体４０を保護するような部品（例えば、カバー）でもよい。取り付け部１０は、例えば金属であるが、強度が確保できれば金属以外の材料でもよい。

取り付け部１０の上面は、トルクセンサ本体４０よりも一回り大きい円盤状の中央に、トルクセンサ本体４０の第２構造体４２と同程度の大きさの円形状の穴があるドーナツ形状である。取り付け部１０の内周の径は、トルクセンサ本体４０の外径とほぼ同じである。取り付け部１０には、複数のボルトを通すためのそれぞれのネジ穴Ｈ１が周方向に等間隔で設けられている。取り付け部１０の内側（下側）は、トルクセンサ本体４０の上部を覆うように、内周部分よりも外周部分の厚みが大きい形状である。

図５は、本実施形態に係るトルクセンサ２０の外縁部分を側面から見た断面を簡易的に示した簡易図である。
取り付け部１０をトルクセンサ本体４０に取り付けると、取り付け部１０の内側の側面は、トルクセンサ本体４０の外縁にある弾性形状部Ｅ１に接触する。この状態で、取り付け部１０とトルクセンサ本体４０が固定される。

トルクセンサ本体４０の外縁に弾性形状部Ｅ１が設けられていることにより、トルクセンサ本体４０の外縁と取り付け部１０との間に、弾性形状部Ｅ１が位置する。これにより、弾性形状部Ｅ１の溝状の部分が潰れるように弾性変形することにより、トルクセンサ本体４０にトルク（Ｍｚ）の回転に対してラジアル方向に加わる外力が低減される。
（第１実施形態の効果）
上記第１実施形態によれば、トルクセンサ本体４０の外縁に弾性形状部Ｅ１を設けることにより、トルクセンサ本体４０に加わるラジアル方向の外力を低減し、トルクセンサ２０の検出精度を向上させることができる。
（第２実施形態）
第２実施形態に係るトルクセンサ２０Ａは、第１実施形態に係るトルクセンサ２０において、トルクセンサ本体４０をトルクセンサ本体４０Ａに代え、取り付け部１０を取り付け部１０Ａに代えたものである。その他の点は、第１実施形態と同様である。

トルクセンサ本体４０Ａは、第１実施形態に係るトルクセンサ本体４０から弾性形状部Ｅ１を取り除いたものである。
図６は、本実施形態に係る取り付け部１０Ａを下から見た平面図である。
取り付け部１０Ａは、第１実施形態に係る取り付け部１０において、第１実施形態に係る弾性形状部Ｅ１と同様の形状の弾性形状部Ｅ２を設けたものである。弾性形状部Ｅ２は、トルクセンサ本体４０Ａの外縁に接触するように、取り付け部１０Ａの内側の側面に一体形成するように内周に沿って設けられている。

図７は、本実施形態に係るトルクセンサ２０Ａの外縁部分を側面から見た断面を簡易的に示した簡易図である。
取り付け部１０Ａをトルクセンサ本体４０Ａに取り付けると、取り付け部１０の内側の側面にある弾性形状部Ｅ２は、トルクセンサ本体４０Ａの外縁に接触する。この状態で、取り付け部１０Ａとトルクセンサ本体４０Ａが固定される。

取り付け部１０Ａの内側の側面に弾性形状部Ｅ２が設けられていることにより、トルクセンサ本体４０Ａの外縁と取り付け部１０Ａとの間に、弾性形状部Ｅ２が位置する。これにより、弾性形状部Ｅ２の溝状の部分が潰れるように弾性変形することにより、トルクセンサ本体４０Ａにトルク（Ｍｚ）の回転に対してラジアル方向に加わる外力が低減される。
（第２実施形態の効果）
上記第２実施形態によれば、取り付け部１０Ａの内側の側面に弾性形状部Ｅ２を設けることにより、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
（第３実施形態）
第３実施形態に係るトルクセンサ２０Ｂは、第１実施形態に係るトルクセンサ２０において、トルクセンサ本体４０をトルクセンサ本体４０Ｂに代えたものである。その他の点は、第１実施形態と同様である。

図８は、本実施形態に係るトルクセンサ本体４０Ｂを上から見た平面図である。
トルクセンサ本体４０Ｂは、第１実施形態に係るトルクセンサ本体４０において、弾性形状部Ｅ１の代わりに４つの弾性形状部Ｅ３を設けたものである。弾性形状部Ｅ３は、トルクセンサ本体４０Ｂの外縁に、周方向に等間隔で設けられている。弾性形状部Ｅ３は、湾曲した板形状の一端がトルクセンサ本体４０Ｂの外縁に一体形成するように接続されている。弾性形状部Ｅ３は、板バネのように変形することで、弾性の性質を有する。なお、弾性形状部Ｅ３は、２以上であればいくつ設けられてもよい。また、弾性形状部Ｅ３は、湾曲した板形状の両端がトルクセンサ本体４０Ｂの外縁に接続されてもよい。

図９は、本実施形態に係るトルクセンサ２０Ｂを上から見た断面を簡易的に示した簡易図である。
取り付け部１０をトルクセンサ本体４０Ｂに取り付けると、取り付け部１０の内側の側面は、トルクセンサ本体４０の外縁にある弾性形状部Ｅ３に接触する。この状態で、取り付け部１０とトルクセンサ本体４０Ｂが固定される。

トルクセンサ本体４０Ｂの外縁に弾性形状部Ｅ３が設けられていることにより、トルクセンサ本体４０Ｂの外縁と取り付け部１０との間に、弾性形状部Ｅ３が位置する。これにより、弾性形状部Ｅ３が板バネのように弾性変形することにより、トルクセンサ本体４０Ｂにトルク（Ｍｚ）の回転に対してラジアル方向に加わる外力が低減される。
（第３実施形態の効果）
上記第３実施形態によれば、トルクセンサ本体４０Ｂの外縁に弾性形状部Ｅ３を設けることにより、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
（第４実施形態）
第４実施形態に係るトルクセンサ２０Ｃは、第２実施形態に係るトルクセンサ２０Ａにおいて、取り付け部１０を取り付け部１０Ｃに代えたものである。その他の点は、第２実施形態と同様である。

図１０は、本実施形態に係る取り付け部１０Ｃを下から見た平面図である。
取り付け部１０Ｃは、第２実施形態に係る取り付け部１０Ａにおいて、弾性形状部Ｅ２の代わりに、第３実施形態に係る弾性形状部Ｅ３と同様の形状の４つの弾性形状部Ｅ４を設けたものである。弾性形状部Ｅ４は、トルクセンサ本体４０Ａの外縁に接触するように、取り付け部１０Ｃの内側の側面に一体形成するように内周に沿って等間隔に設けられている。なお、弾性形状部Ｅ４の数及び形状などについては、第３実施形態に係る弾性形状部Ｅ３と同様である。

図１１は、本実施形態に係るトルクセンサ２０Ｃを下から見た平面を簡易的に示した簡易図である。
取り付け部１０Ｃをトルクセンサ本体４０Ａに取り付けると、取り付け部１０Ｃの内側の側面にある弾性形状部Ｅ４は、トルクセンサ本体４０Ａの外縁に接触する。この状態で、取り付け部１０Ｃとトルクセンサ本体４０Ａが固定される。

取り付け部１０Ｃの内側の側面に弾性形状部Ｅ４が設けられていることにより、トルクセンサ本体４０Ａの外縁と取り付け部１０Ｃとの間に、弾性形状部Ｅ４が位置する。これにより、弾性形状部Ｅ４が板バネのように弾性変形することにより、トルクセンサ本体４０Ａにトルク（Ｍｚ）の回転に対してラジアル方向に加わる外力が低減される。
（第４実施形態の効果）
上記第４実施形態によれば、取り付け部１０Ｃの内側の側面に弾性形状部Ｅ４を設けることにより、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
（第５実施形態）
第５実施形態に係るトルクセンサ２０Ｄは、第１実施形態に係るトルクセンサ２０において、トルクセンサ本体４０を第２実施形態に係るトルクセンサ本体４０Ａに代え、弾性部材Ｅ５を加えたものである。その他の点は、第１実施形態と同様である。

図１２は、本実施形態に係るトルクセンサ２０Ｄの外縁部分を側面から見た断面を簡易的に示した簡易図である。
弾性部材Ｅ５は、取り付け部１０をトルクセンサ本体４０Ａに取り付けた状態で、取り付け部１０の内側の側面とトルクセンサ本体４０Ａの外縁のそれぞれに接触するように設けられる。弾性部材Ｅ５は、弾性変形する材質であれば、どのような材質でもよい。弾性部材Ｅ５は、例えば樹脂である。弾性部材Ｅ５は、独立した部品でもよいし、取り付け部１０の内側又はトルクセンサ本体４０Ａの外縁の一方又は両方に接着されてもよいし、いずれかに一体形成されるように設けられてもよい。この状態で、取り付け部１０とトルクセンサ本体４０Ａが固定される。

取り付け部１０の内側の側面とトルクセンサ本体４０Ａの外縁との間に、弾性部材Ｅ５が位置するように設けられる。これにより、弾性形状部Ｅ５が潰れるように弾性変形することにより、トルクセンサ本体４０Ａにトルク（Ｍｚ）の回転に対してラジアル方向に加わる外力が低減される。
（第５実施形態の効果）
上記第５実施形態によれば、取り付け部１０の内側の側面とトルクセンサ本体４０Ａの外縁との間に弾性形状部Ｅ５を設けることにより、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

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。

４０…トルクセンサ本体、４１…第１構造体、４２…第２構造体、４３…第３構造体、４４…第１歪センサ、４４ａ…起歪体、４５…第２歪センサ、４５ａ…起歪体、４６…フレキシブル基板、４７…フレキシブル基板、４８…カバー、Ｅ１…弾性形状部。

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構造体との間に設けられた第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た少なくとも２つのセンサ部と、を具備するトルクセンサ本体と、
   前記第１構造体に固定され、実装個所に取り付けるための取り付け部と、
   前記トルクセンサ本体又は前記取り付け部のいずれか一方に固定されずに接触するように、前記トルクセンサ本体の外縁と前記取り付け部との間に設けられた弾性手段と
   を具備することを特徴とするトルクセンサ。
2. 前記弾性手段は、溝状の部分を含む形状であること
   を特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
3. 前記弾性手段は、板バネのように弾性変形する形状であること
   を特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
4. 前記弾性手段は、弾性変形する材質であること
   を特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
5. 前記弾性手段は、前記トルクセンサ本体に一体形成されるように設けられたこと
   を特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のトルクセンサ。
6. 前記弾性手段は、前記取り付け部に一体形成されるように設けられたこと
   を特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のトルクセンサ。

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