JPWO2019220516A1 - アクチュエータおよびトルクセンサユニット - Google Patents

Abstract

アクチュエータ（１）のトルク計測部（２）は、アクチュエータ中心軸線（１ａ）に沿った方向から対峙するアクチュエータ固定部（５）と取付フランジ（７）の間に配置される。トルク計測部（２）では、歪ゲージ（３ａ、３ｂ）を貼り付けたセンサピース（４）がアクチュエータ中心軸線（１ａ）に沿った方向に架け渡される。トルク検出用の各構成部分が半径方向ではなく軸線方向にレイアウトされるので、半径方向の設置スペースを多く必要とすることなく、トルクセンサをアクチュエータに付設できる。センサピース（４）は、取付フランジ（７）とは別部品として製作されるので、トルク計測部（２）の製作が容易である。

Description

本発明は、回転型のアクチュエータが出しているトルクを検出するトルクセンサを備えたアクチュエータ、および回転型のアクチュエータに取り付けて使用するトルクセンサユニットに関する。

回転型のアクチュエータが出しているトルクを計測するためのトルクセンサとして、ＳＩＭＥＸ３０Ｎｍ（製造元：ＳＥＮＳＯＤＲＩＶＥ ＧｍｂＨ、URL:https://www.sensodrive.de/EN/products/torque-sensors/SIMEX30Nm.php）が知られている。このアクチュエータ一体型のトルクセンサでは、リング状の内側フランジおよびリング状の外側フランジが同心状に配列され、これらの間に、半径方向に延びる複数本のリブが一体形成されている。リブの部分は、歪ゲージが貼り付けられてトルク計測部となっている。内側フランジはアクチュエータの減速機に固定され、外側フランジはアクチュエータ固定部とされる。また、特許文献１には、同心状に配置した内側の回転体と外側の回転体の間を放射状に繋ぐ起歪部に歪ゲージが貼り付けられた構造のトルクセンサが記載されている。

特開２０１７−２０３６４５号公報

この構成のトルクセンサでは、同心状に配置した内側フランジおよび外側フランジの間にトルク計測用のリブが一体に作られており、半径方向の寸法が大きい。このため、アクチュエータにおける半径方向の外方に設置スペースを確保できない場合等には適していない。また、内側フランジと外側フランジの間の狭い空間に位置する細いリブに歪ゲージを貼る必要があるので、歪ゲージの貼り付け作業などが困難な場合がある。

本発明の目的は、これらの点に鑑みて、半径方向に大きな設置スペースを必要としないトルクセンサを備えたアクチュエータ、およびトルクセンサユニットを提供することにある。

また、本発明の目的は、半径方向に大きな設置スペースを必要とせず、組立作業も容易なトルクセンサを備えたアクチュエータ、およびトルクセンサユニットを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明による、アクチュエータ出力回転部材から出力されるトルクを検出するトルクセンサを備えたアクチュエータは、
アクチュエータ固定側部材に設けたアクチュエータ固定部と、
前記アクチュエータ固定側部材に設けられ、アクチュエータ中心軸線に沿った方向から前記アクチュエータ固定部に対峙している取付フランジと
を備えており、
前記トルクセンサのトルク計測部は、
前記アクチュエータ固定部と前記取付フランジの間に、前記アクチュエータ中心軸線に沿った方向に架け渡したセンサピースと、
前記センサピースに取り付けられ、当該センサピースに生じる歪を検出する歪検出素子と
を備えている。

本発明のアクチュエータでは、トルク計測のための各構成部品（アクチュエータ固定部、取付フランジ、歪検出素子を取り付けたセンサピース）が、半径方向ではなく軸線方向にレイアウトされている。これにより、半径方向の設置スペースを多く必要とすることなく、アクチュエータのトルク検出が可能になる。よって、半径方向にコンパクトなトルクセンサを備えたアクチュエータを実現できる。

本発明において、センサピースは、アクチュエータ固定部および取付フランジとは別部品として製作され、アクチュエータ固定部および取付フランジのそれぞれに、ねじ止め、接着などによって、連結固定される。

センサピースがアクチュエータ固定部、取付フランジに一体形成されている場合に比べて、センサピースに対する歪検出素子の貼り付けなどの作業も容易になる。また、歪検出素子およびセンサピースからなるトルク計測部の交換作業も容易になる。トルク計測部の取付位置を複数箇所設けておき、必要に応じて、トルク計測部の取付箇所を変更し、あるいは取付個数を変更することも容易になる。

本発明において、トルク計測部は、アクチュエータ中心軸線を中心とする同一円上に、所定の角度間隔で複数個配置される。例えば、１８０度の角度間隔で２か所に配置される。

また、センサピースには、アクチュエータ中心軸線を中心とする円周方向の一方の側を向く第１素子取付面と他方の側を向く第２素子取付面とが設けられ、歪検出素子として、第１素子取付面および前記第２素子取付面に、それぞれ第１歪ゲージおよび第２歪ゲージが貼り付けられる。

例えば、１８０度間隔に配置した２個のセンサピースに貼り付けた合計４枚の歪ゲージを、ホイートストンブリッジ回路が形成されるように接続して、抵抗の変化を電圧の変化に変換して出力する。これにより、アクチュエータ固定部と取付フランジの間に生じるモーメントに対応する検出信号が得られる。

次に、本発明による、アクチュエータの出力回転部材から被駆動部材に出力されるトルクを検出するトルクセンサユニットは、
アクチュエータ固定部と、
ユニット中心軸線に沿った方向から前記アクチュエータ固定部に対峙している取付フランジと、
トルク計測部と
を有しており、
トルク計測部は、
前記アクチュエータ固定部と前記取付フランジの間に、前記ユニット中心軸線に沿った方向に架け渡したセンサピースと、
前記センサピースに取り付けられ、当該センサピースに生じる歪を検出する歪検出素子と
を備えていることを特徴としている。

本発明のトルクセンサユニットの各構成部品は、半径方向ではなく軸線方向にレイアウトされている。半径方向の設置スペースを多く必要とすることなく、アクチュエータに付設できる。

センサピースは、アクチュエータ固定部および取付フランジとは別部品として製作され、アクチュエータ固定部および取付フランジのそれぞれに、ねじ止め、接着などによって、連結固定される。センサピースがアクチュエータ固定部、取付フランジに一体形成される場合に比べて、トルク計測部の製作が容易になる。

本発明を適用したトルクセンサを備えた回転型のアクチュエータを示す斜視図である。 図１に示すアクチュエータの側面図である。 図１に示すアクチュエータの平面図である。 図１に示すアクチュエータのセンサピースを示す斜視図である。 図３Ａに示すセンサピースの正面図である。 本発明を適用したトルクセンサユニットを示す斜視図である。

以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。

図１は本発明を適用したトルクセンサを備えた回転型のアクチュエータを示す斜視図であり、図２Ａはアクチュエータの側面図であり、図２Ｂはアクチュエータの平面図である。これらの図を参照して説明すると、アクチュエータ１には、当該アクチュエータ１が出している、あるいは受けているトルクを測定するトルクセンサが付設されている。トルクセンサのトルク計測部２は、第１、第２歪ゲージ３ａ、３ｂと、これらが貼り付けられたセンサピース４とを備えている。センサピース４は単独部品として製作され、アクチュエータ１に設けられているアクチュエータ固定部５と、想像線で示す取付対象物６に取り付けられる取付フランジ７との間に取り付けられる。第１、第２歪ゲージ３ａ、３ｂによってセンサピース４の変形を検出することで、アクチュエータ１が出しているトルク（アクチュエータ固定部５が受けるモーメント）を測定できる。

アクチュエータ中心軸線１ａに沿った方向から対峙するアクチュエータ固定部５と取付フランジ７との間に、センサピース４が、アクチュエータ中心軸線１ａに沿った方向に架け渡されている。これにより、トルクセンサを備えたアクチュエータ１を、半径方向にコンパクトに構成できる。また、センサピース４を単独部品とすることで、トルク計測部２の製作が容易になる。

各部の構成を更に詳しく説明する。アクチュエータ１は、同軸に連結したモータ１１および減速機１２を備えたギヤードモータである。減速機１２は例えば遊星減速機であるが、減速機１２は他の種類の減速機でもよい。モータ１１はほぼ矩形の輪郭のモータケース１３を備え、モータケース１３の出力側の前端部には、アクチュエータ固定部５が形成されている。本例のアクチュエータ固定部５は、モータケース１３の前端部から外方に広がる円環状の減速機固定部である。減速機１２の減速機ケース１４の後端部は、減速機固定部であるアクチュエータ固定部５の前面に同軸に連結固定されている。減速機ケース１４の前端面には、減速機出力軸である出力回転部材１５が露出している。また、減速機ケース１４の前端部には、外方に広がる円環状の取付フランジ７が形成されている。

アクチュエータ固定部５と取付フランジ７は、アクチュエータ中心軸線１ａに沿った方向から、一定の間隔で対峙している。相互に対峙しているアクチュエータ固定部５の内側端面１６と取付フランジ７の内側端面１７との間に、歪ゲージ３を貼り付けたセンサピース４からなるトルク計測部２が配置されている。本例では、アクチュエータ中心軸線１ａを中心とする同一円上において、１８０度の角度間隔で、２か所にトルク計測部２が配置されている。各トルク計測部２において、センサピース４のそれぞれには、２枚の第１、第２歪ゲージ３ａ、３ｂが貼り付けられている。

本例のセンサピース４は矩形枠形状をしている。センサピース４は、内側端面１６、１７の間において、アクチュエータ中心軸線１ａに沿った方向に架け渡されている。また、センサピース４は、ねじ１８ａによってアクチュエータ固定部５に固定され、ねじ１８ｂによって取付フランジ７に固定されている。

図３Ａはセンサピース４の一例を示す斜視図であり、図３Ｂはその正面図である。本例のセンサピース４は、一定厚さの矩形枠状のピースであり、直方体の中心部に、角丸の四角形のくり抜き部４５が形成されている。センサピース４における左右の側枠部分４１、４２の外側面はそれぞれ第１素子取付面４１ａ、第２素子取付面４２ａである。

センサピース４の前後の端枠部分４３、４４の中心には、ねじ穴４３ａ、４４ａが形成されており、これらにねじ１８ａ、１８ｂがねじ込み固定される。なお、センサピース４の形状は他の形状であってもよい。また、くり抜き形状も角丸の四角形に限定されず、例えば、亜鈴形にくり抜くこともできる。

各トルク計測部２において、センサピース４は、図１、図２Ａ、図２Ｂから分かるように、その側枠部分４１、４２が円周方向を向く状態に配置されている。側枠部分４１の外側面である第１素子取付面４１ａには、第１歪ゲージ３ａが貼り付けられている。同様に、側枠部分４１の外側面である第２素子取付面４２ａには、第２歪ゲージ３ｂが貼り付けられている。第１、第２歪ゲージ３ａ、３ｂからの信号は、不図示の配線を介して所定の信号処理部に取り込まれる。

なお、本例では２か所にトルク計測部２（２個のセンサピース４）を対向配置している。トルク計測部２（センサピース４）の数は２か所に限らない。３か所以上に、トルク計測部２（センサピース４）を所定の角度間隔で配置することできる。例えば、４個のトルク計測部（センサピース４）を等角度間隔で配置することができる。また、センサピース４の個数と、歪ゲージ３ａ、３ｂの枚数とは、直接には関係がない。適切にホイートストンブリッジを構成してトルク検出ができるように、センサピースの個数および歪ゲージの枚数を設定することができる。

アクチュエータ１は、その減速機固定部であるアクチュエータ固定部５が、不図示の固定側部材に固定される。出力回転部材１５が、図１において想像線で示す取付対象物６の側の被駆動部材、例えばロボットアーム（図示せず）に接続される。例えば、ロボットアームが何かに固定されている状態で、アクチュエータ１がトルクを出すと、出力回転部材１５が出したトルクは、アクチュエータ固定部５の側から反モーメントとしてアクチュエータ１に掛かる。反モーメントは、アクチュエータ１に固定されたセンサピース４を変形させる。センサピース４の変形に応じて、そこに貼り付けた第１、第２歪ゲージ３が伸縮して、それらの抵抗値が変化する。

１個のセンサピース４に着目すると、アクチュエータ１にモーメントが掛かった場合に、センサピース４の一方の側枠部分、例えば側枠部分４１の第１素子取付面４１ａに伸びが生じる。他方の側枠部分４２の第２素子取付面４２ａには縮みが生じる。第１、第２素子取付面４１ａ、４２ａに貼ってある第１、第２歪ゲージ３ａ、３ｂも同様に伸び縮みが生じ、それらの抵抗値が変化する。他方のセンサピース４においても同様である。４枚の歪ゲージでホイートストンブリッジを構成することで、抵抗変化を電気的に取り出して、アクチュエータ１に掛かるモーメントを検出できる。

（トルクセンサユニット）
次に、本発明によるトルクセンサをユニットとして構成して、アクチュエータもしくは、他の減速機に取り付けることもできる。図４はトルクセンサユニットの一例を示す斜視図である。トルクセンサユニット５０は、不図示のアクチュエータの出力回転部材から被駆動部材に出力されるトルクを検出するために、アクチュエータ固定部５５と、ユニット中心軸線５０ａに沿った方向からアクチュエータ固定部５５に対峙している取付フランジ５７と、アクチュエータ固定部５５と取付フランジ５７の間に、ユニット中心軸線５０ａに沿った方向に架け渡したトルク計測部５２とを備えている。トルク計測部５２は、センサピース５４と、センサピース５４に貼り付けた歪ゲージ５３ａ、５３ｂとを備えている。センサピース５４は、取付フランジ５７の内側端面６６にねじ６８ｂによって固定され、取付フランジ５７の内側端面６７にねじ６８ａによって固定されている。

アクチュエータ固定部５５は例えば上記のアクチュエータ１におけるアクチュエータ固定部５に固定される部位であり、取付フランジ５７は上記のアクチュエータ１の取付フランジ７に固定される部位である。また、センサピース５４は上記のセンサピース４に対応し、歪ゲージ５３ａ、５３ｂは上記の歪ゲージ３ａ、３ｂに対応する。これらの部位は、上記の例の場合と同様に構成できるので、説明を省略する。

Claims (9)

1. アクチュエータ出力回転部材から被駆動部材に出力されるトルクを検出するトルクセンサを備えたアクチュエータであって、
   アクチュエータ固定側部材に設けたアクチュエータ固定部と、
   前記アクチュエータ固定側部材に設けられ、アクチュエータ中心軸線に沿った方向から前記アクチュエータ固定部に対峙している取付フランジと
   を備えており、
   前記トルクセンサのトルク計測部は、
   前記アクチュエータ固定部と前記取付フランジの間に、前記アクチュエータ中心軸線に沿った方向に架け渡したセンサピースと、
   前記センサピースに取り付けられ、当該センサピースに生じる歪を検出する歪検出素子と
   を備えているアクチュエータ。
2. 請求項１において、
   前記歪検出素子が取り付けられた前記センサピースは、前記アクチュエータ固定部および前記取付フランジとは別個の部品であり、
   前記センサピースは、前記アクチュエータ固定部および前記取付フランジのそれぞれに連結固定されているアクチュエータ。
3. 請求項１において、
   前記トルク計測部は、前記アクチュエータ中心軸線を中心とする同一円上に、所定の角度間隔で複数個配置されているアクチュエータ。
4. 請求項１において、
   前記センサピースは、前記アクチュエータ中心軸線を中心とする円周方向の一方の側を向く第１素子取付面と他方の側を向く第２素子取付面とを備えており、
   前記歪検出素子は、前記第１素子取付面および前記第２素子取付面に、それぞれ貼り付けた第１歪ゲージおよび第２歪ゲージであるアクチュエータ。
5. 請求項１において、
   モータと、
   前記モータのモータケースにおける出力側の前端部に形成した前記アクチュエータ固定部である円環状の減速機取付フランジと、
   前記減速機取付フランジに同軸に取り付けた減速機と、
   前記減速機の減速機ケースにおける出力側の前端面に露出している前記アクチュエータ出力回転部材と、
   前記減速機ケースの前端部に形成された円環状の前記取付フランジと
   を備えているアクチュエータ。
6. アクチュエータの出力回転部材から被駆動部材に出力されるトルクを検出するトルクセンサユニットであって、
   アクチュエータ固定部と、
   ユニット中心軸線に沿った方向から前記アクチュエータ固定部に対峙している取付フランジと、
   トルク計測部と
   を有しており、
   前記トルク計測部は、
   前記アクチュエータ固定部と前記取付フランジの間に、前記ユニット中心軸線に沿った方向に架け渡したセンサピースと、
   前記センサピースに取り付けられ、当該センサピースに生じる歪を検出する歪検出素子と
   を備えているトルクセンサユニット。
7. 請求項６において、
   前記センサピースは、前記アクチュエータ固定部および前記取付フランジとは別個の部品であり、
   前記センサピースは、前記アクチュエータ固定部および前記取付フランジのそれぞれに連結固定されているトルクセンサユニット。
8. 請求項６において、
   前記歪検出素子が取り付けられている前記センサピースは、前記ユニット中心軸線を中心とする同一円上に、所定の角度間隔で複数個配置されているトルクセンサユニット。
9. 請求項６において、
   前記センサピースは、前記ユニット中心軸線を中心とする円周方向の一方の側を向く第１素子取付面と他方の側を向く第２素子取付面とを備えており、
   前記歪検出素子は、前記第１素子取付面および前記第２素子取付面に、それぞれ貼り付けた第１歪ゲージおよび第２歪ゲージであるトルクセンサユニット。

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