WO2023013316A1 - センサ - Google Patents
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- G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
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- G01L5/1627—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance of strain gauges
Definitions
- Embodiments of the present invention relate to sensors that detect force.
- a torque sensor is known in which a bridge circuit including a plurality of strain sensors detects force transmitted between a first structure and a second structure.
- a torque sensor that detects an abnormality based on the difference in output voltages of two bridge circuits including a plurality of strain sensors has been disclosed (see, for example, Patent Document 1).
- An object of the present embodiment is to provide a sensor that reduces the difference in detection accuracy between duplicated detection circuits.
- a sensor according to an embodiment of the present invention comprises: a first structure formed in a ring shape; a second structure formed in a ring shape on an inner peripheral side of the first structure; A strain-generating body provided between the strain-generating body and a duplicated first-system detection circuit and second-system detection circuit are configured to detect strain arranged line-symmetrically on one side of the strain-generating body. and a plurality of sensor elements.
- FIG. 1 is an enlarged perspective view of the vicinity of the sensor portion of the torque sensor according to the first embodiment.
- FIG. 2 is a top view showing the configuration of the torque sensor according to the first embodiment.
- FIG. 3 is a top view showing the configuration of the sensor section provided with one terminal section according to the first embodiment.
- FIG. 4 is a top view showing the configuration of a sensor section provided with two terminal sections according to the first embodiment.
- FIG. 5 is a front view showing the mounting state of the torque sensor according to the first embodiment.
- FIG. 6 is a cross-sectional view of the torque sensor mounting plate shown in FIG. 5 taken along line AA.
- FIG. 7 is a simplified diagram showing the state of the torque sensor when an external load is applied to the torque sensor mounting plate according to the first embodiment.
- FIG. 8 is a top view showing the configuration of the sensor section according to the second embodiment.
- FIG. 9 is a top view showing the configuration of the sensor section according to the third embodiment.
- FIG. 1 is an enlarged perspective view of the vicinity of the sensor section 14 of the torque sensor 10 according to the first embodiment.
- FIG. 2 is a top view showing the configuration of the torque sensor 10 according to this embodiment.
- the same parts are given the same reference numerals.
- the torque sensor 10 is not limited to the one described here, and may be changed into various shapes or configurations.
- the torque sensor 10 may be a sensor with another name such as a force sensor as long as it detects at least torque (z-axis moment Mz).
- the force sensor detects translational forces Fx, Fy, Fz and moments Mx, My, Mz of the three orthogonal axes (x-axis, y-axis, z-axis) shown in FIG.
- the torque sensor 10 includes a first structure 11, a second structure 12, a plurality of third structures 13, a plurality of sensor units 14, a case 15, and a cable 16.
- the first structure 11, the second structure 12 and the third structure 13 are integrally formed as one elastic body.
- the first structure 11, the second structure 12 and the third structure 13 are made of metal such as stainless steel. Materials other than metal (resin, etc.) may also be used.
- the first structure 11 and the second structure 12 are formed in an annular shape.
- the diameter of the second structure 12 is smaller than the diameter of the first structure 11 .
- the second structure 12 is arranged on the inner peripheral side concentrically with the first structure 11 .
- a plurality of third structures 13 are radially arranged and provided as beams connecting the first structures 11 and the second structures 12 . Any number of third structures 13 may be provided.
- the thickness (the length in the z-axis direction) of the third structure 13 is thinner than the thicknesses of the first structure 11 and the second structure 12 .
- the thickness of the third structure 13 is inclined so as to become thinner toward the center from both ends connected to the first structure 11 or the second structure 12, and the central portion has a uniform thickness. It is flat.
- the thickness (length in the z-axis direction) of the third structure 13 is made longer than the width (length in the circumferential direction) to facilitate torque detection.
- the thickness and width of body 13 may be arbitrarily determined.
- the case 15 is provided so as to cover the hollow portion provided in the central portion of the second structure 12 .
- a data processing circuit for processing data detected by each sensor unit 14 is provided in the hollow portion.
- the data processing circuit is electrically connected to each sensor unit 14 via a flexible printed circuit board.
- the data processing circuit is supplied with power through the cable 16 and outputs the data-processed sensor signal to the outside.
- the sensor unit 14 detects strain caused by relative movement of the first structure 11 and the second structure 12 . Data indicating the strain detected by the sensor unit 14 is transmitted to the data processing circuit as an electrical signal. The data processing circuit detects the applied force such as torque based on the strain detected by the sensor section 14 . Although four sensor units 14 are provided at equal intervals (90 degree intervals) in the circumferential direction here, any number of sensor units 14 may be provided.
- the sensor unit 14 includes a strain body 20, four A-system sensor elements 21a, 21b, 21c, and 21d, and four B-system sensor elements 22a, 22b, 22c, and 22d.
- the sensor section 14 is provided so as to span between the first structure 11 and the second structure 12 . Both ends of the sensor section 14 are fixed to the first structure 11 and the second structure 12, respectively.
- the first structure 11 and the second structure 12 are formed with recesses 11a and 12a that are thinner than the other portions in order to fix both ends of the sensor section 14 .
- a cover for protecting the sensor section 14 from external factors such as waterproofing and dustproofing is fitted into the concave portions 11a and 12a on the upper surface of the sensor section 14 .
- the lower surface of the sensor section 14 may be similarly provided with a cover.
- the sensor section 14 is attached.
- a fixing plate 31 is arranged so as to hold both ends of the strain body 20 from above, and both ends of the strain body 20 together with the fixing plate 31 are screwed to the first structure 11 and the second structure 12, respectively. 32 to fix.
- the sensor unit 14 may be attached in any way.
- the A system sensor elements 21 a to 21 d and the B system sensor elements 22 a to 22 d are arranged between the first structure 11 and the second structure 12 on the upper surface of the strain body 20 .
- the A-system sensor elements 21a-21d and the B-system sensor elements 22a-22d are wired to form an A-system detection circuit and a B-system detection circuit, respectively.
- the two detection circuits are redundant detection circuits for detecting torque and the like, and detect torque and the like independently.
- the torque sensor 10 outputs torque or the like as a detection result based on detection data from the two detection circuits. Note that the torque sensor 10 may determine the torque or the like as the detection result based on the detection data of one of the two detection circuits.
- the A system sensor elements 21a to 21d and the B system sensor elements 22a to 22d are strain gauges, and the detection circuit is a full bridge circuit, but the present invention is not limited to this.
- the detection circuit of each system includes two strain gauges provided on the strain generating body 20, and a portion that does not substantially deform due to the application of torque (for example, the data processing circuit provided on the second structure 12). ) may be a bridge circuit composed of reference resistors provided in the .
- the four sensor elements 21a to 21d of each system, two sensor elements arbitrarily selected from the sensor elements 22a to 22d, and two reference resistors provided in the data processing circuit form a bridge circuit.
- the following embodiments are not limited to full bridge circuits, and similar bridge circuits may be configured.
- FIG. 3 is a top view showing the configuration of the sensor section 14a provided with a terminal section T1 in which the terminals of the sensor elements 21a to 21d and 22a to 22d are gathered in one place.
- FIG. 4 is a top view showing the configuration of the sensor section 14b provided with terminal sections Ta and Tb in which the terminals of the sensor elements 21a to 21d and 22a to 22d are grouped at two locations for each system. Note that the wiring of the sensor elements 21a to 21d and 22a to 22d is not limited to the configuration described here. For example, the sensor elements 21a to 21d and 22a to 22d may have three or more terminal portions.
- the strain-generating body 20 has a plate-like shape with a rectangular upper surface and a lower surface.
- the sensor elements 21a to 21d and 22a to 22d are plate-shaped with rectangular upper and lower surfaces.
- the arrangement of the sensor elements 21a to 21d and 22a to 22d in the strain generating bodies 20 of the sensor portions 14a and 14b is substantially the same.
- the A-system sensor elements 21a to 21d are arranged on the strain body 20 on the first structure 11 side (left side in the figure).
- the B-system sensor elements 22a to 22d are arranged on the strain body 20 on the second structure 12 side (on the right side in the figure).
- the first A-system sensor element 21a and the second A-system sensor element 21b of the first set are provided close to each other within a non-contact range so as to maintain an electrical insulation distance.
- the first set of A-system sensor elements 21a and 21b are arranged in substantially the same direction and inclined with respect to the longitudinal direction of the strain generating body 20 so that the ends on the first structure 11 side face outward. be.
- the third A-system sensor element 21c and the fourth A-system sensor element 21d of the second set are oriented in substantially the same direction and do not contact so as to maintain an electrical insulation distance. are provided in close proximity to each other.
- the second set of A-system sensor elements 21c and 21d are arranged so as to be symmetrical to the first set of A-system sensor elements 21a and 21b with respect to the center line that halves the strain-generating body 20 in the longitudinal direction. be.
- the four B-system sensor elements 22a to 22d are line-symmetrical to the four A-system sensor elements 21a to 21d with respect to the center line that halves the strain-generating body 20 in the transverse direction (perpendicular to the longitudinal direction). are arranged so that
- the terminal portion T1 shown in FIG. 3 is arranged in the center of the strain generating body 20 in the longitudinal direction, and each terminal is arranged adjacent to each other in the lateral direction.
- Each terminal of the A-system sensor elements 21a to 21d is electrically connected to a terminal located in the center of the terminal portion T1 by two wirings W1.
- Each terminal of the B-system sensor elements 22a to 22d is electrically connected to terminals located at both ends of the terminal portion T1 by two wirings W1.
- Each terminal of the sensor elements 21a to 21d and 22a to 22d may be connected to any terminal of the terminal portion T1.
- Terminal portions Ta and Tb shown in FIG. 4 are configured by dividing the terminal portion T1 shown in FIG. 3 into two.
- Each terminal of the A-system sensor elements 21a to 21d is electrically connected to the A-system terminal portion Ta by two wires Wa.
- Each terminal of the B system sensor elements 22a to 22d is electrically connected to the B system terminal portion Tb by two wirings Wb.
- FIG. 5 is a front view showing the mounting state of the torque sensor 10.
- FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view of the torque sensor mounting plate 41 shown in FIG. 5 taken along line AA.
- the adapter 42, the speed reducer 43, and the motor 44 are shown simply.
- the torque sensor 10 is attached to the torque sensor mounting plate 41 . Thereby, the first structure 11 of the torque sensor 10 is fixed to the torque sensor mounting plate 41 .
- the torque sensor attachment plate 41 is a member attached to a structure to which torque or the like is applied.
- the second structure 12 of the torque sensor 10 is fixed to a speed reducer 43 connected to a motor 44 via an adapter 42 .
- torque output from the motor 44 is applied to the torque sensor mounting plate 41 via the reduction gear 43 , the adapter 42 and the torque sensor 10 .
- the torque sensor mounting plate 41 and the structure to which it is mounted are operated by torque output from the motor 44 .
- the second structure 12 of the torque sensor 10 is attached to the side to which torque or the like is applied (torque sensor mounting plate 41 or the like), and the first structure 11 of the torque sensor 10 is attached to the side to which torque or the like is applied (motor 44 etc.).
- FIG. 7 is a simplified diagram showing the state of the torque sensor 10 when an external load is applied to the torque sensor mounting plate 41.
- FIG. 5 and 7 show two layout patterns P1 and P2 of the four sensor units 14, and the sensor units 14 are attached in one of the two layout patterns P1 and P2. Note that the sensor unit 14 is not limited to these two layout patterns P1 and P2, and other layout patterns may be employed.
- each sensor unit 14 of both arrangement patterns P1 and P2 is also deformed from the rectangle indicated by the dotted line to the quadrangle indicated by the solid line.
- the stress received by the external load Fw differs depending on the position where the sensor section 14 is arranged in any of the arrangement patterns P1 and P2.
- each sensor unit 14 is provided with A-system sensor elements 21a to 21d and B-system sensor elements 22a to 22d that respectively constitute a duplicated A-system detection circuit and B-system detection circuit. Therefore, even if the stress received by each sensor unit 14 is different, the detection accuracy of each detection circuit of each system is substantially the same.
- the sensor unit 14 having only the A system detection circuit is arranged in the layout pattern P1
- the sensor unit 14 having only the B system detection circuit is arranged in the layout pattern P2.
- the redundant 2 it is possible to suppress the difference in detection accuracy between the two detection circuits.
- A-system sensor elements 21a to 21d and B-system sensor elements 22a to 22d in line symmetry on one side surface (front surface or back surface) of one strain generating body 20, the A-system detection circuit and the B-system detection The data representing the distortion detected by each of the circuits can be approximated to be the same.
- the A-system sensor elements 21a to 21d and the B-system sensor elements 22a to 22d may be arranged line-symmetrically with respect to the center line that halves the strain-generating body 20 in the longitudinal direction.
- FIG. 8 is a top view showing the configuration of the sensor section 14A according to the second embodiment.
- the sensor section 14A is obtained by changing the arrangement of the sensor elements 21a to 21d and 22a to 22d and their wiring in the sensor section 14a according to the first embodiment shown in FIG. Other points are the same as those of the torque sensor 10 according to the first embodiment.
- the sensor section 14A includes one terminal section T1, similar to the sensor section 14a shown in FIG.
- the terminal portion T1 is arranged in the center of the strain generating body 20 in the longitudinal direction, and each terminal is arranged adjacent to each other in the lateral direction.
- Each terminal of the A-system sensor elements 21a to 21d is electrically connected to terminals located at both ends of the terminal portion T1 by two wirings W1A.
- Each terminal of the B-system sensor elements 22a to 22d is electrically connected to a terminal located in the center of the terminal portion T1 by two wirings W1A.
- Each terminal of the sensor elements 21a to 21d and 22a to 22d may be connected to any terminal of the terminal portion T1.
- the first A-system sensor element 21a is inclined with respect to the longitudinal direction of the strain body 20 so that the end on the first structure 11 side of the strain body 20 faces outward. are placed.
- the fourth A-system sensor element 21d is arranged on the first structural body 11 side of the strain-generating body 20 with respect to the center line that halves the strain-generating body 20 in the longitudinal direction. arranged symmetrically.
- the second A-system sensor element 21b and the third A-system sensor element 21c are arranged with respect to the center line that halves the strain-generating body 20 in the transverse direction. They are arranged so as to be line-symmetrical with the system sensor element 21d.
- the B-system sensor elements 22a to 22d are provided in close proximity to the corresponding A-system sensor elements 21a to 21d within a range of non-contact so as to maintain an electrical insulation distance, and are oriented in substantially the same direction.
- the correspondence between the A system sensor elements 21a to 21d and the B system sensor elements 22a to 22d is determined by the electric circuit positional relationship between the A system detection circuit and the B system detection circuit.
- the arrangement of the sensor elements 21a to 21d and 22a to 22d in the sensor section 14A is such that in the sensor section 14a shown in FIG.
- the positions of the B-system sensor element 22a and the fourth B-system sensor element 22d are interchanged.
- the sensor elements 21a to 21d and 22a to 22d corresponding to each other are arranged in close proximity to each other on the strain generating body 20 between the two duplicated detection circuits, as in the first embodiment. It is possible to obtain the effects of
- FIG. 9 is a top view showing the configuration of the sensor section 14B according to the third embodiment.
- the sensor section 14B is obtained by changing the arrangement of the A-system sensor elements 21a to 21d and their wiring in the sensor section 14a according to the first embodiment shown in FIG. Other points are the same as those of the torque sensor 10 according to the first embodiment.
- the arrangement and wiring of the B-system sensor elements 22a to 22d in the sensor section 14B are the same as those of the sensor section 14a shown in FIG.
- the A system sensor elements 21a to 21d and the B system sensor elements 22a to 22d are arranged on the strain body 20 on the second structure 12 side.
- the sensor section 14B includes one terminal section T1, like the sensor section 14a shown in FIG.
- the terminal portion T1 is arranged in the center of the strain generating body 20 in the longitudinal direction, and each terminal is arranged adjacent to each other in the lateral direction.
- Each terminal of the A-system sensor elements 21a to 21d is electrically connected to a terminal located in the center of the terminal portion T1 by two wirings W1B.
- Each terminal of the B-system sensor elements 22a to 22d is electrically connected to terminals located at both ends of the terminal portion T1 by two wirings W1B.
- Each terminal of the sensor elements 21a to 21d and 22a to 22d may be connected to any terminal of the terminal portion T1.
- the first A-system sensor element 21a is closer to the second B-system sensor element 22b than the second B-system sensor element 22b inside the strain-generating body 20 so as to maintain an electrical insulation distance within a non-contact range. provided.
- the first A system sensor element 21a is oriented in substantially the same direction as the second B system sensor element 22b. placed at an angle to the
- the second A-system sensor element 21b is closer to the first A-system sensor element 21a than the first A-system sensor element 21a on the inner side of the strain generating body 20 within a range of non-contact so as to maintain an electrical insulation distance.
- the second A system sensor element 21b is oriented in substantially the same direction as the first A system sensor element 21a. placed at an angle to the
- the third A-system sensor element 21c and the fourth A-system sensor element 21d are arranged relative to the center line that halves the strain-generating body 20 in the longitudinal direction. They are arranged line-symmetrically with the sensor element 21a.
- the fourth A-system sensor element 21d is located inside the strain-generating body 20 relative to the third B-system sensor element 22c, within a range where it does not come into contact with the third B-system sensor element 22c so as to maintain an electrical insulation distance. provided in close proximity.
- the third A-system sensor element 21c is closer to the fourth A-system sensor element 21d than the fourth A-system sensor element 21d on the inner side of the strain generating body 20 so as to maintain an electrical insulation distance within a non-contact range. provided.
- all the sensor elements 21a to 21d and 22a to 22d of the two duplicated detection circuits are arranged on the second structure 12 side of the strain body 20, which is the same as in the first embodiment. It is possible to obtain the effects of
- the sensor elements 21a to 21d and 22a to 22d may be arranged on the first structure 11 side of the strain body 20 so as to be symmetrical with the arrangement shown in FIG. Even in this way, it is possible to obtain the same effect as in the first embodiment.
- the present invention is not limited to the above-described embodiments as they are, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the gist of the present invention at the implementation stage.
- various inventions can be formed by appropriate combinations of the plurality of constituent elements disclosed in the above embodiments. For example, some components may be omitted from all components shown in the embodiments. Furthermore, components across different embodiments may be combined as appropriate.
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Abstract
センサ(10)は、環状に形成される第1構造体(11)と、第1構造体(11)の内周側に環状に形成される第2構造体(12)と、第1構造体(11)と第2構造体(12)との間に設けられた起歪体(20)と、二重化された第1系検出回路及び第2系検出回路を構成し、起歪体(20)の片側の面に線対称に配置された歪みを検出する複数のセンサ素子(21a-21d,22a-22d)とを備える。
Description
本発明の実施形態は、力を検出するセンサに関する。
複数の歪センサを含むブリッジ回路が、第1構造体と第2構造体との間に伝達される力を検出するトルクセンサが知られている。例えば、複数の歪センサを含む2つのブリッジ回路の出力電圧の差に基づいて、異常を検出するトルクセンサが開示されている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、歪センサを用いた検出回路(ブリッジ回路等)を二重化する場合、2つの歪センサを同一箇所に配置することは物理的にできない。このため、二重化された検出回路の歪センサの配置が異なることにより、それぞれの検出回路の検出精度に差が生じる。このように、二重化された検出回路のそれぞれの検出精度が異なることは、センサとして望ましくない。
本実施形態の目的は、二重化された検出回路のそれぞれの検出精度の差を低減するセンサを提供することにある。
本発明の実施形態のセンサは、環状に形成される第1構造体と、前記第1構造体の内周側に環状に形成される第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起歪体と、二重化された第1系検出回路及び第2系検出回路を構成し、前記起歪体の片側の面に線対称に配置された歪みを検出する複数のセンサ素子とを備える。
本発明の実施形態のセンサは、環状に形成される第1構造体と、前記第1構造体の内周側に環状に形成される第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起歪体と、二重化された第1系検出回路及び第2系検出回路を構成し、前記起歪体の片側の面に線対称に配置された歪みを検出する複数のセンサ素子とを備える。
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係るトルクセンサ10のセンサ部14付近を拡大した斜視図である。図2は、本実施形態に係るトルクセンサ10の構成を示す上面図である。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、第1実施形態に係るトルクセンサ10のセンサ部14付近を拡大した斜視図である。図2は、本実施形態に係るトルクセンサ10の構成を示す上面図である。図面において、同一部分には、同一符号を付している。
なお、トルクセンサ10は、ここで説明するものに限らず、様々な形状又は構成に変更してもよい。また、トルクセンサ10は、少なくともトルク(z軸モーメントMz)を検出するセンサであれば、力覚センサなどの他の名称のセンサでもよい。例えば、力覚センサは、図2に示す直交する3軸(x軸、y軸、z軸)のそれぞれの並進力Fx,Fy,Fz及びモーメントMx,My,Mzを検出する。
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、複数のセンサ部14、ケース15、及び、ケーブル16を備える。
第1構造体11、第2構造体12及び第3構造体13は、1つの弾性体として一体形成される。第1構造体11、第2構造体12及び第3構造体13は、ステンレス鋼等の金属により構成されるが、印加されるトルク等の力に対して機械的に十分な強度があれば、金属以外の材料(樹脂等)を使用してもよい。
第1構造体11及び第2構造体12は、環状に形成される。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と同心円上で内周側に配置される。複数の第3構造体13は、放射状に配置され、第1構造体11と第2構造体12を接続する梁として設けられる。なお、第3構造体13は、いくつ設けられてもよい。
第3構造体13の厚さ(z軸方向の長さ)は、第1構造体11及び第2構造体12の厚さよりも薄い。具体的には、第3構造体13の厚さは、第1構造体11又は第2構造体12に接続される両端部から中央に向けて薄くなるように傾斜し、中央部分は均一の厚さ(平面)である。第3構造体13は、厚さ(z軸方向の長さ)を幅(周方向の長さ)より長くすることで、トルクを検出し易くしているが、これに限らず、第3構造体13の厚さ及び幅は、任意に決定してよい。
ケース15は、第2構造体12の中心部分に設けられた中空部を覆うように設けられる。中空部には、各センサ部14により検出されたデータを処理するためのデータ処理回路が設けられる。データ処理回路は、各センサ部14とフレキシブル基板(flexible printed circuit board)で電気的に接続される。データ処理回路は、ケーブル16を介して、電源が供給され、データ処理したセンサ信号を外部に出力する。
センサ部14は、第1構造体11と第2構造体12が相対的に動くことで生じる歪みを検出する。センサ部14により検出された歪みを示すデータは、電気信号としてデータ処理回路に送信される。データ処理回路は、センサ部14で検出された歪みに基づいて、トルク等の印加された力を検出する。ここでは、センサ部14は、円周方向に等間隔(90度間隔)で4つ設けた構成を示したが、センサ部14は、いくつ設けてもよい。
センサ部14は、起歪体20、4つのA系センサ素子21a,21b,21c,21d、及び、4つのB系センサ素子22a,22b,22c,22dを備える。
センサ部14は、第1構造体11と第2構造体12の間を跨ぐように設けられる。センサ部14の両端は、それぞれ第1構造体11及び第2構造体12に固定される。第1構造体11及び第2構造体12には、センサ部14の両端を固定するために、他の部分よりも厚さが薄い凹部11a,12aが形成される。例えば、防水及び防塵などの外部因子からセンサ部14を保護するためのカバーがセンサ部14の上面の凹部11a,12aに嵌め込まれる。センサ部14の下面も同様にカバーが設けられてもよい。
起歪体20の両端を第1構造体11及び第2構造体12に固定することで、センサ部14が取り付けられる。具体的には、起歪体20の両端をそれぞれ上面から抑えるように固定プレート31を配置し、固定プレート31と共に起歪体20の両端をそれぞれ第1構造体11及び第2構造体12にネジ32で固定する。なお、センサ部14は、どのように取り付けられてもよい。
A系センサ素子21a~21d及びB系センサ素子22a~22dは、起歪体20の上面の第1構造体11と第2構造体12の間に配置される。A系センサ素子21a~21d及びB系センサ素子22a~22dは、A系検出回路及びB系検出回路をそれぞれ形成するように配線される。2つの検出回路は、トルク等を検出するための二重化された検出回路であり、それぞれ独立してトルク等を検出する。トルクセンサ10は、2つの検出回路による検出データに基づいて、検出結果としてトルク等を出力する。なお、トルクセンサ10は、2つの検出回路の内1つの検出データに基づいて、検出結果としてのトルク等を決定してもよい。
ここでは、A系センサ素子21a~21d及びB系センサ素子22a~22dは、歪ゲージとし、検出回路は、フルブリッジ回路とするが、これに限らない。例えば、各系の検出回路は、起歪体20に設けられた2つの歪ゲージ、及び、トルク等の印加で実質的に変形しない箇所(例えば、第2構造体12に設けられたデータ処理回路)に設けられた参照抵抗により構成されたブリッジ回路でもよい。具体的には、各系の4つのセンサ素子21a~21d,センサ素子22a~22dの内任意に選択された2つのセンサ素子とデータ処理回路に設けられた2つの参照抵抗によりブリッジ回路を構成してもよい。以降の実施形態についても、フルブリッジ回路に限らず、同様のブリッジ回路を構成してもよい。
図3及び図4を参照して、センサ部14の構成として、2つの例を説明する。図3は、センサ素子21a~21d,22a~22dの端子を1カ所に集約した端子部T1を設けたセンサ部14aの構成を示す上面図である。図4は、センサ素子21a~21d,22a~22dの端子を系別に2カ所に集約した端子部Ta,Tbを設けたセンサ部14bの構成を示す上面図である。なお、各センサ素子21a~21d,22a~22dの配線は、ここで説明する構成に限らない。例えば、センサ素子21a~21d,22a~22dの端子部は、3つ以上設けてもよい。
起歪体20は、上面及び下面が長方形の板形状である。センサ素子21a~21d,22a~22dは、上面及び下面が長方形の板形状である。各センサ部14a,14bの起歪体20におけるセンサ素子21a~21d,22a~22dの配置は、ほぼ同じである。A系センサ素子21a~21dは、起歪体20の第1構造体11側(図の左側)に配置される。B系センサ素子22a~22dは、起歪体20の第2構造体12側(図の右側)に配置される。
4つのA系センサ素子21a~21dのうち第1組の第1のA系センサ素子21a及び第2のA系センサ素子21bは、電気絶縁距離を保つように接触しない範囲で近接して設けられる。第1組のA系センサ素子21a,21bは、ほぼ同一方向の向きで、第1構造体11側の端部が外側に向くように、起歪体20の長手方向に対して傾けて配置される。
4つのA系センサ素子21a~21dのうち第2組の第3のA系センサ素子21c及び第4のA系センサ素子21dは、ほぼ同一方向の向きで、電気絶縁距離を保つように接触しない範囲で近接して設けられる。第2組のA系センサ素子21c,21dは、起歪体20を長手方向に半分にする中心線に対して、第1組のA系センサ素子21a,21bと線対称になるように配置される。
4つのB系センサ素子22a~22dは、起歪体20を短手方向(長手方向と垂直の方向)に半分にする中心線に対して、4つのA系センサ素子21a~21dと線対称になるように配置される。
図3に示す端子部T1は、起歪体20の長手方向の中央に配置され、各端子が短手方向に隣接して並べられた構成である。A系センサ素子21a~21dの各端子は、端子部T1の中央に位置する端子と2つの配線W1で電気的に接続される。B系センサ素子22a~22dの各端子は、端子部T1の両端に位置する端子と2つの配線W1で電気的に接続される。なお、センサ素子21a~21d,22a~22dの各端子は、端子部T1のどの端子に接続してもよい。
図4に示す端子部Ta,Tbは、図3に示す端子部T1を2つに分けた構成である。A系端子部Taには、A系センサ素子21a~21dの各端子が2つの配線Waで電気的に接続される。B系端子部Tbには、B系センサ素子22a~22dの各端子が2つの配線Wbで電気的に接続される。
図5及び図6を参照して、トルクセンサ10を取り付けた状態について説明する。図5は、トルクセンサ10の取り付け状態を示す正面図である。図6は、図5に示すトルクセンサ取付板41をA-A線で切断した断面図である。なお、図6では、アダプタ42、減速機43及びモータ44を簡易的に示している。
トルクセンサ10は、トルクセンサ取付板41に取り付けられる。これにより、トルクセンサ10の第1構造体11は、トルクセンサ取付板41に固定される。トルクセンサ取付板41は、トルク等が印加される構造体に取り付けられる部材である。
トルクセンサ10の第2構造体12は、アダプタ42を介して、モータ44に連結された減速機43に固定される。モータ44が駆動することで、モータ44から出力されるトルクが、減速機43、アダプタ42及びトルクセンサ10を介して、トルクセンサ取付板41に印加される。これにより、トルクセンサ取付板41及びこれが取り付けられた構造体が、モータ44から出力されるトルクにより動作する。
なお、トルクセンサ10の第2構造体12がトルク等を印加される側(トルクセンサ取付板41等)に取り付けられ、トルクセンサ10の第1構造体11がトルク等を印加する側(モータ44等)に取り付けられてもよい。
図5及び図7を参照して、トルクセンサ取付板41に外部負荷(荷重等)Fwが生じた場合について説明する。図7は、トルクセンサ取付板41に外部負荷が生じている時のトルクセンサ10の状態を示す簡易図である。図5及び図7では、4つのセンサ部14の2つの配置パターンP1,P2が示されており、センサ部14は、2つの配置パターンP1,P2のうちいずれか一方の配置パターンで取り付けられる。なお、センサ部14は、これらの2つの配置パターンP1,P2に限らず、その他の配置パターンを採用してもよい。
図7に示すように、トルクセンサ取付板41に矢印のような下向きの外部負荷Fwが生じると、トルクセンサ取付板41の上辺側には、引張応力が生じ、トルクセンサ取付板41の下辺側には、圧縮応力が生じる。
トルクセンサ取付板41の変形により、トルクセンサ10の弾性体(第1構造体11、第2構造体12及び第3構造体13)は、点線で示す円形から実線で示す楕円のような形状に変形する。変形後の弾性体を楕円形とすると、弾性体は、長軸方向に引っ張られ、短軸方向に圧縮される。
弾性体の変形により、いずれの配置パターンP1,P2の各センサ部14も、点線で示す長方形から実線で示す四角形に変形する。このように、外部負荷Fwが生じている場合、いずれの配置パターンP1,P2でも、センサ部14は、配置された位置毎に外部負荷Fwにより受ける応力は異なる。
トルクセンサ10では、各センサ部14に、二重化されたA系検出回路及びB系検出回路をそれぞれ構成するA系センサ素子21a~21d及びB系センサ素子22a~22dが設けられている。このため、各センサ部14で受ける応力が異なる場合でも、各系の検出回路のそれぞれの検出精度は、ほぼ同じになる。
これに対して、本実施形態のトルクセンサ10とは異なり、配置パターンP1にA系検出回路のみが設けられたセンサ部14を配置し、配置パターンP2にB系検出回路のみが設けられたセンサ部14を配置して、二重化された検出回路を設けた場合を考える。
外部負荷Fwが全く生じずに、トルクセンサ10に理想的なトルクが印加されれば、各配置パターンP1,P2の各センサ部14で受ける応力は、ほぼ同じである。即ち、各センサ部14の起歪体20は、ほぼ同じように変形する。したがって、各系で検出される歪みはほぼ同じになるため、二重化された2つの検出回路の検出精度に差はあまり生じない。
一方、外部負荷Fwが生じた場合、トルクセンサ10に理想的なトルクが印加されても、上述したように、センサ部14の配置された位置に起因して、センサ部14が受ける応力は異なる。即ち、各センサ部14の起歪体20は、それぞれ異なる変形をする。したがって、2つの系で検出される歪みは異なるため、二重化された2つの検出回路の検出精度に大きな差が生じる可能性がある。例えば、二重化された2つの検出回路の差で、異常を検出する機能を設けた場合、正常なトルク等の力が印加されても、意図しない異常を検出する可能性がある。
本実施形態によれば、二重化された2つの検出回路の各系のセンサ素子21a~21d,22a~22dを同じセンサ部14に設けることで、外部負荷Fwが生じた場合でも、二重化された2つの検出回路の検出精度の差を抑制することができる。
また、1つの起歪体20の片側の面(表面又は裏面)に、A系センサ素子21a~21dとB系センサ素子22a~22dを線対称に設けることで、A系検出回路とB系検出回路のそれぞれで検出される歪みを示すデータが同じになるように近付けることができる。なお、A系センサ素子21a~21dとB系センサ素子22a~22dは、起歪体20を長手方向に半分にする中心線に対して線対称に設けてもよい。
なお、ここでは、全てのセンサ素子21a~21d,22a~22dを起歪体20の表面に設けたが、起歪体20の裏面に設けてもよい。
(第2実施形態)
図8は、第2実施形態に係るセンサ部14Aの構成を示す上面図である。
センサ部14Aは、図3に示す第1実施形態に係るセンサ部14aにおいて、センサ素子21a~21d,22a~22dの配置及びその配線等を変更したものである。その他の点は、第1実施形態に係るトルクセンサ10と同様である。
図8は、第2実施形態に係るセンサ部14Aの構成を示す上面図である。
センサ部14Aは、図3に示す第1実施形態に係るセンサ部14aにおいて、センサ素子21a~21d,22a~22dの配置及びその配線等を変更したものである。その他の点は、第1実施形態に係るトルクセンサ10と同様である。
センサ部14Aは、図3に示すセンサ部14aと同様に、1つの端子部T1を備える。端子部T1は、起歪体20の長手方向の中央に配置され、各端子が短手方向に隣接して並べられた構成である。A系センサ素子21a~21dの各端子は、端子部T1の両端に位置する端子と2つの配線W1Aで電気的に接続される。B系センサ素子22a~22dの各端子は、端子部T1の中央に位置する端子と2つの配線W1Aで電気的に接続される。なお、センサ素子21a~21d,22a~22dの各端子は、端子部T1のどの端子に接続してもよい。
第1のA系センサ素子21aは、起歪体20の第1構造体11側に、第1構造体11側の端部が外側に向くように、起歪体20の長手方向に対して傾けて配置される。第4のA系センサ素子21dは、起歪体20の第1構造体11側に、起歪体20を長手方向に半分にする中心線に対して、第1のA系センサ素子21aと線対称になるように配置される。
第2のA系センサ素子21b及び第3のA系センサ素子21cは、起歪体20を短手方向に半分にする中心線に対して、第1のA系センサ素子21a及び第4のA系センサ素子21dとそれぞれ線対称になるように配置される。
B系センサ素子22a~22dは、それぞれ対応するA系センサ素子21a~21dと、電気絶縁距離を保つように接触しない範囲で近接して、ほぼ同一方向の向きで設けられる。例えば、A系センサ素子21a~21dとB系センサ素子22a~22dのそれぞれの対応関係は、A系検出回路及びB系検出回路における電気回路的な位置関係により決定する。
したがって、センサ部14Aにおける各センサ素子21a~21d,22a~22dの配置は、図3に示すセンサ部14aにおいて、第2のA系センサ素子21b及び第3のA系センサ素子21cを、第1のB系センサ素子22a及び第4のB系センサ素子22dとそれぞれ位置を入れ替えたものである。
本実施形態によれば、二重化された2つの検出回路の間で、互いに対応するセンサ素子21a~21d,22a~22dを近接させて起歪体20に配置することで、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)
図9は、第3実施形態に係るセンサ部14Bの構成を示す上面図である。
センサ部14Bは、図3に示す第1実施形態に係るセンサ部14aにおいて、A系センサ素子21a~21dの配置及びその配線等を変更したものである。その他の点は、第1実施形態に係るトルクセンサ10と同様である。
図9は、第3実施形態に係るセンサ部14Bの構成を示す上面図である。
センサ部14Bは、図3に示す第1実施形態に係るセンサ部14aにおいて、A系センサ素子21a~21dの配置及びその配線等を変更したものである。その他の点は、第1実施形態に係るトルクセンサ10と同様である。
センサ部14BにおけるB系センサ素子22a~22dの配置及びその配線等は、図3に示すセンサ部14aと同様である。A系センサ素子21a~21d及びB系センサ素子22a~22dは、起歪体20の第2構造体12側に配置される。
センサ部14Bは、図3に示すセンサ部14aと同様に、1つの端子部T1を備える。端子部T1は、起歪体20の長手方向の中央に配置され、各端子が短手方向に隣接して並べられた構成である。A系センサ素子21a~21dの各端子は、端子部T1の中央に位置する端子と2つの配線W1Bで電気的に接続される。B系センサ素子22a~22dの各端子は、端子部T1の両端に位置する端子と2つの配線W1Bで電気的に接続される。なお、センサ素子21a~21d,22a~22dの各端子は、端子部T1のどの端子に接続してもよい。
第1のA系センサ素子21aは、第2のB系センサ素子22bよりも起歪体20の内側で、第2のB系センサ素子22bと電気絶縁距離を保つように接触しない範囲で近接して設けられる。第1のA系センサ素子21aは、第2のB系センサ素子22bとほぼ同一方向の向きで、第2構造体12側の端部が外側に向くように、起歪体20の長手方向に対して傾けて配置される。
第2のA系センサ素子21bは、第1のA系センサ素子21aよりも起歪体20の内側で、第1のA系センサ素子21aと電気絶縁距離を保つように接触しない範囲で近接して設けられる。第2のA系センサ素子21bは、第1のA系センサ素子21aとほぼ同一方向の向きで、第2構造体12側の端部が外側に向くように、起歪体20の長手方向に対して傾けて配置される。
第3のA系センサ素子21c及び第4のA系センサ素子21dは、起歪体20を長手方向に半分にする中心線に対して、第2のA系センサ素子21b及び第1のA系センサ素子21aとそれぞれ線対称になるように配置される。
即ち、第4のA系センサ素子21dは、第3のB系センサ素子22cよりも起歪体20の内側で、第3のB系センサ素子22cと電気絶縁距離を保つように接触しない範囲で近接して設けられる。第3のA系センサ素子21cは、第4のA系センサ素子21dよりも起歪体20の内側で、第4のA系センサ素子21dと電気絶縁距離を保つように接触しない範囲で近接して設けられる。
本実施形態によれば、二重化された2つの検出回路の全てのセンサ素子21a~21d,22a~22dを起歪体20の第2構造体12側に配置することで、第1実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
なお、センサ素子21a~21d,22a~22dを図9に示す配置と線対称になるように、起歪体20の第1構造体11側に配置してもよい。このようにしても、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。
Claims (5)
- 環状に形成される第1構造体と、
前記第1構造体の内周側に環状に形成される第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起歪体と、
二重化された第1系検出回路及び第2系検出回路を構成し、前記起歪体の片側の面に線対称に配置された歪みを検出する複数のセンサ素子と
を備えることを特徴とするセンサ。 - 前記第1系検出回路の複数の第1センサ素子が線対称に配置され、
前記第2系検出回路の複数の第2センサ素子が線対称に配置されたこと
を特徴とする請求項1に記載のセンサ。 - 前記複数の第1センサ素子は、それぞれ他の第1センサ素子に近接して配置され、
前記複数の第2センサ素子は、それぞれ他の第2センサ素子に近接して配置されたこと
を特徴とする請求項2に記載のセンサ。 - 前記第1系検出回路の複数の第1センサ素子と前記第2系検出回路の複数の第2センサ素子が線対称に配置されたこと
を特徴とする請求項1に記載のセンサ。 - 前記複数の第1センサ素子と前記複数の第2センサ素子がそれぞれ対応するように近接して配置されたこと
を特徴とする請求項4に記載のセンサ。
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