JP2022114413A - トルクセンサのモーメントアーム構造及びトルクセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】トルクセンサの測定感度を向上できるトルクセンサのモーメントアーム構造及びトルクセンサを提供する。【解決手段】トルクセンサのモーメントアーム構造１００は、外輪１１０、連結部材１２０、及び少なくとも２つのモーメントアーム１３０を含む。外輪には、第１連結箇所１１１がある。連結部材は、外輪内に位置し、かつ、外輪と同軸に設置される。連結部材には、第２連結箇所がある。各モーメントアームの両端は、それぞれ外輪の内壁及び連結部材に固定連結される。各モーメントアームには、対応するモーメントアームのひずみ情報を検出するためのひずみゲージ１４０が設置されている。荷重入力点は、第１連結箇所又は第２連結箇所にある。トルクセンサのモーメントアーム構造の設置により、トルクセンサの体積を小さくするとともに、高い測定感度を両立させる。【選択図】図１

Description

本発明は、トルクセンサ技術の分野に関し、特に、トルクセンサのモーメントアーム構造及びトルクセンサに関する。

トルクセンサは、トルク検出デバイスとして、ロボットの関節、医療機器、軍用機器などの力又はねじりを密接に測定する必要のある応用状況に適用できる。従来のトルクセンサのほとんどは、モーメントアームに設置されているひずみゲージを介してモーメントアームのひずみ情報を検出し、続いてひずみ情報からトルク値を取得する。しかし、従来のトルクセンサのモーメントアーム構造は、配置スペースの制限から、検出感度に大きな影響を与える。したがって、一部の感度に対する要求が高い応用状況では、従来のトルクセンサは測定要件を満たすのが非常に困難である。

これに基づき、従来のトルクセンサの測定感度が低いという問題について、トルクセンサの測定感度を向上できるトルクセンサのモーメントアーム構造及びトルクセンサを提供する必要がある。

環状を呈する外輪と、幾何学的中心に対して中心対称である連結部材と、少なくとも２つのモーメントアームとを含み、
前記外輪には第１連結箇所があり、
前記連結部材は、前記外輪内に位置し、かつ、前記外輪と同軸に設置され、前記連結部材には第２連結箇所があり、
各前記モーメントアームの両端は、それぞれ前記外輪の内壁及び前記連結部材に固定連結され、前記少なくとも２つの前記モーメントアームの数は偶数であり、少なくとも２つの前記モーメントアームは、前記外輪の中心に対して中心対称になるように設置され、
各前記モーメントアームには、対応する前記モーメントアームのひずみ情報を検出するためのひずみゲージが設置され、
前記トルクセンサのモーメントアーム構造の荷重入力点が前記第１連結箇所又は前記第２連結箇所にあり、
前記荷重入力点が前記第１連結箇所にある場合、荷重が前記第１連結箇所から前記モーメントアームの前記ひずみゲージが設置されている部位に伝達される伝達ルートは、非直線状を呈し、
前記荷重入力点が前記第２連結箇所にある場合、荷重が前記第２連結箇所から前記モーメントアームの前記ひずみゲージが設置されている部位に伝達される伝達ルートは、非直線状を呈する、
ことを特徴とするトルクセンサのモーメントアーム構造を提供する。

さらに、前記モーメントアームの長さは、その幅より大きく、前記モーメントアームの厚さは、それぞれ前記外輪の厚さ及び前記連結部材の厚さより小さい。
さらに、前記連結部材は、連結部及び２つの作用部を含み、前記連結部が２つの前記作用部の間に連結されて、前記連結部材は長尺状を呈する板状構造になり、前記第２連結箇所は、前記作用部の前記連結部から離れた一端に位置し、前記モーメントアームの一端は前記連結部の側壁に固定連結される。

さらに、前記連結部の向かい合う２つの側面は、いずれも外側に突出する弧状面であり、各前記モーメントアームの前記外輪の内壁から離反する一端は、対応する前記弧状面に連結される。

さらに、各前記モーメントアームは、第１アーム板と、前記第１アーム板の一端に連結される第２アーム板とを含み、前記第１アーム板の延在方向と、前記第２アーム板の延在方向とが交差するように設置し、前記ひずみゲージは、前記第１アーム板又は前記第２アーム板の表面に設置され、
前記第１アーム板及び前記第２アーム板のうちの１方は、前記外輪の内壁に固定連結され、他方は、前記連結部材に固定連結される。

さらに、前記第１アーム板の幅は前記第２アーム板の幅より大きく、前記ひずみゲージは前記第２アーム板の表面に設置される。

さらに、前記第２アーム板は２つあり、２つの前記第２アーム板は、平行にかつ間隔を置いて設置され、各前記第２アーム板には、前記ひずみゲージが設置され、及び／又は
前記第１アーム板は、前記外輪の軸線に垂直な平面内で非直線方向に沿って延在する。

さらに、各前記第２アーム板は、横板及び２つの縦板を含み、２つの前記縦板は、それぞれ前記横板の両端に連結され、各前記縦板の延在方向と、前記横板の延在方向とが交差するように設置し、前記第１アーム板は、前記縦板の前記横板から離反する一側に固定連結され、前記横板の幅は、それぞれ前記縦板の幅及び前記第１アーム板の幅より小さく、前記ひずみゲージは前記横板の表面に設置される。

さらに、前記第１アーム板は、前記横板の中間部位に位置し、前記第１アーム板の両側に位置する前記横板の部位には、いずれも前記ひずみゲージが設置されている。

さらに、前記モーメントアームは、長尺状の板状構造であり、前記第１連結箇所は、前記モーメントアームと前記外輪及び連結箇所とずれて設置され、前記第２連結箇所は、前記モーメントアーム及び前記連結部材の連結箇所とずれて設置される。

さらに、前記モーメントアームの幅は、前記連結部材の前記外輪を向かう方向に沿って徐々に減少し、前記ひずみゲージは、前記モーメントアームの前記外輪に近い一端の表面に設置される。

さらに、前記外輪の内壁に連結される遷移板をさらに含み、前記遷移板の幅は、前記外輪の内壁の前記連結部材を向かう方向に沿って徐々に減少し、前記モーメントアームの一端は前記遷移板の傾斜面に連結される。

さらに、前記遷移板は、長尺状を呈する曲線板であり、前記遷移板の両端は、いずれも前記外輪の内壁に固定連結され、前記遷移板は、台形輪郭の曲線方向に沿って延在する。

さらに、前記モーメントアームの横断面の形状は、長方形、Ｔ字状、Ｈ字状又はＵ字状であり、又は、
前記モーメントアームの材質は、沈降性マルテンサイト系ステンレス鋼であり、又は、
前記ひずみゲージは、スパッタリング薄膜技術により前記モーメントアームの表面に形成された薄膜ひずみゲージである。

さらに、第１連結板と、前記第１連結板に積層設置される第２連結板と、を含み、前記第１連結板には第１連結箇所があり、
前記第２連結板は、固定板、４つのモーメントアーム、及び向かい合い且つ間隔を置いて設置される２つの作用板を含み、前記モーメントアーム、作用板及び前記固定板は、同じ平面に位置し、
前記固定板は、２つの前記作用板の間に位置し、各前記作用板は、２つの前記モーメントアームを介して前記固定板に固定連結され、４つの前記モーメントアームは、前記固定板の幾何学的中心に対して中心対称になるように設置されて、４つの前記モーメントアームはＸ字状を呈するように設置され、前記作用板には第２連結箇所があり、
前記固定板は、前記第１連結箇所に固定連結され、各前記モーメントアームの側面には、前記モーメントアームのひずみ情報をリアルタイムに検出するためのひずみゲージが設置され、
前記トルクセンサのモーメントアーム構造の荷重入力点が前記第１連結箇所にある場合、荷重が前記第１連結箇所から前記モーメントアームの前記ひずみゲージが設置されている部位に伝達される伝達ルートは非直線状を呈する、
ことを特徴とするトルクセンサのモーメントアーム構造を提供する。

さらに、前記第１連結板は、長尺状を呈する板状構造であり、前記固定板は、前記第１連結板の中間部位に固定連結され、前記第１連結板の延在方向と、前記固定板の前記作用板を向かう方向とが交差するように設置し、前記第１連結箇所は、前記第１連結板の前記固定板から離れた端部に設置される。

さらに、前記モーメントアームの厚さは、その幅より大きく、前記ひずみゲージは、前記モーメントアームの、前記モーメントアームの厚さ方向に平行な平面に位置し、又は、
前記モーメントアームの、前記モーメントアーム長手方向に垂直な断面の形状は長方形、Ｔ字状、Ｈ字状又はＵ字状であり、又は、
前記第２連結板及び前記第２連結板の材質は、沈降性マルテンサイト系ステンレス鋼であり、又は、
前記ひずみゲージは、スパッタリング薄膜技術により前記モーメントアームの表面に形成された薄膜ひずみゲージである。

さらに、請求項１～請求項１７のいずれか１項に記載のトルクセンサのモーメントアーム構造を含む、
ことを特徴とするトルクセンサ
上記トルクセンサのモーメントアーム構造及びトルクセンサは、実際に使用する際に、荷重が荷重入力点からモーメントアームのひずみゲージが設置されている部位に伝達される伝達ルートは、非直線状を呈するため、荷重が荷重入力点からモーメントアームのひずみゲージが設置されている部位に伝達される伝達長が長く、荷重入力点に小さな回転荷重が負荷されても、モーメントアームのひずみゲージが設置されている部位に大きなひずみ量が生じ、それにより、ひずみゲージがひずみ情報を収集するのに有利である。したがって、上記トルクセンサのモーメントアーム構造の設置により、トルクセンサの体積を小さくするとともに、高い測定感度を両立させる。

本発明の実施例１のトルクセンサのモーメントアーム構造の構造模式図である。 本発明の実施例２のトルクセンサのモーメントアーム構造の構造模式図である。 本発明の実施例３のトルクセンサのモーメントアーム構造の構造模式図である。 本発明の実施例４のトルクセンサのモーメントアーム構造の構造模式図である。 本発明の実施例５のトルクセンサのモーメントアーム構造の構造模式図である。 本発明の実施例６のトルクセンサのモーメントアーム構造の構造模式図である。 本発明の実施例７のトルクセンサのモーメントアーム構造の構造模式図である。 本発明の実施例８のトルクセンサのモーメントアーム構造の構造模式図である。 本発明の実施例９のトルクセンサのモーメントアーム構造の構造模式図である。 本発明の実施例１０のトルクセンサのモーメントアーム構造の構造模式図である。 図１、図３、図５～図９に示すトルクセンサのモーメントアーム構造の連結部材の構造模式図である。 図１から図１０に示すトルクセンサのモーメントアーム構造のモーメントアームの断面図である。 図１から図１０に示すトルクセンサのモーメントアーム構造のモーメントアームの断面図である。 図１から図１０に示すトルクセンサのモーメントアーム構造のモーメントアームの断面図である。 図１から図１０に示すトルクセンサのモーメントアーム構造のモーメントアームの断面図である。

以下、本発明の理解を容易にするため、図面を参照しながら、本発明についてより全面的に説明する。図面に本発明の好ましい実施例を示した。しかし、本発明は、本明細書に記述した実施例に限定されず、多くの異なる形態で実施することができる。むしろ、これらの実施例を提供した目的は、本発明に開示された内容の理解をより完全かつ包括的にすることである。

特に定義しない限り、本明細書に使用される全ての技術用語と科学用語の意味は、当業者が一般的に理解する意味と同じである。本発明の明細書に使用される用語は、具体的な実施例を説明することを目的とするだけで、本発明を限定することを意図するものではない。本明細書に使用される用語「及び／又は」は、１つ又は複数の列挙された関連項目の任意の組合せやすべての組合せを含む。

位置関係を説明する場合、特に規定しない限り、ある素子が別の素子の「上」にあると見なされる場合、それが直接他の素子の上にあってもよく、介在素子があってもよい。又、素子が２つの素子「の間」にあると見なされる場合、それは、２つの素子の間の唯一のものであってもよく、１つ又は複数の介在素子があってもよいということは理解できる。

本明細書の説明に「含む（ｃｏｎｓｉｓｔ ｏｆ）」、「有する」、及び「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」を使用した場合、「のみ」、「......から構成される」などの明確な限定用語を使用しないかぎり、別の部材を追加することができる。逆に言及されない限り、単数形の用語は複数形を含んでもよく、その数が１つあると理解することができない。

背景技術の記載のように、トルクセンサは、モーメントアーム構造に設けられたひずみゲージによってモーメントアームのひずみ情報を検出し、ひずみ情報からトルク値を取得する。しかし、従来のトルクセンサのモーメントアーム構造は、配置スペースの制限から、検出感度に大きな影響を与える。検出感度を向上させようとする場合、既存技術の多くはモーメントアーム構造の体積を増加することによりこの問題を解決する。だから、従来のトルクセンサは、検出感度と体積との間に矛盾がある。

本発明は、上記の理由に基づき、トルクセンサのモーメントアーム構造及びトルクセンサを開示した。ここで、トルクセンサは、トルクセンサのモーメントアーム構造を含む。図１から図１０のそれぞれに、実施例１から実施例１０におけるトルクセンサのモーメントアーム構造の構造模式図を示した。説明の便宜上、図１から図１０に、本発明の実施例に関連する構造のみを示した。

図１から図９を参照すると、本発明の好ましい一実施例におけるトルクセンサのモーメントアーム構造１００は、環状を呈する外輪１１０と、連結部材１２０と、少なくとも２つのモーメントアーム１３０とを含む。

外輪１１０に第１連結箇所１１１がある。具体的に、外輪１１０は、円環状を呈する板状構造である。第１連結箇所１１１は、１つあってもよいし、複数あってもよい。第１連結箇所１１１が複数ある場合、複数の第１連結箇所１１１は、外輪１１０の周方向に沿って間隔を置いて設置される。なお、第１連結箇所１１１は、外輪１１０に開けられた連結穴、係合溝、突出支柱などの、検出対象部材を取り付けるための連結構造であってもよいし、外輪１１０に形成された検出対象部材を取り付けるための仮想取り付け位置又は領域であってもよい。

図１１も一緒に参照すると、連結部材１２０は、自体の幾何学的中心に対して中心対称になるように設置された構造である。連結部材１２０は、外輪１１０内に位置し、かつ、外輪１１０と同軸に設置される。具体的に、連結部材１２０は、外輪１１０と同じ平面に位置する。連結部材１２０に第２連結箇所１２１がある。なお、第２連結箇所１２１は、連結部材１２０に開けられた連結穴、係合溝、突出支柱などの検出対象部材を取り付けるための連結構造であってもよいし、連結部材１２０に形成された検出対象部材を取り付けるための仮想取り付け位置又は領域であってもよい。

再び図１から図１０を参照すると、各モーメントアーム１３０の両端は、それぞれ外輪１１０の内壁及び連結部材１２０に固定連結される。少なくとも２つのモーメントアーム１３０の数は偶数である。少なくとも２つのモーメントアーム１３０は、外輪１１０の中心が中心対称になるように設置する。これにより、連結部材１２０は、モーメントアーム１３０を介して外輪１１０に固定連結される。モーメントアーム１３０は、それぞれ溶接、螺接、かしめなどの方法により、外輪１１０と連結部材１２０との間に固定連結されてもよいし、それぞれ外輪１１０及び連結部材１２０と一体成型されてもよい。

具体的に、モーメントアーム１３０の材質は、モーメントアーム１３０の耐疲労性及び耐食性を向上させるために、沈降性マルテンサイト系ステンレス鋼であり、モーメントアーム１３０の耐用年数を効果的に延長し、さらに、トルクセンサの耐用年数を延長することができる。

図１２ａ、図１２ｂ、図１２ｃ及び図１２ｄも一緒に参照すると、具体的に、モーメントアーム１３０の横断面の形状は、長方形、Ｔ字状、Ｈ字状又はＵ字状である。ここで、モーメントアーム１３０の横断面は、その長手方向に垂直な断面である。モーメントアーム１３０の横断面の形状を長方形、Ｔ字状、Ｈ字状又はＵ字状に設置することは、モーメントアーム１３０に応力が集中するのに有利である。

他の実施例において、モーメントアーム１３０の横断面の形状は、応力の集中に有利な他の形状であってもよい。

再び図１から図１１を参照すると、各モーメントアーム１３０には、ひずみゲージ１４０が設置されている。ひずみゲージ１４０は、対応するモーメントアーム１３０のひずみ情報を検出するために用いられる。ここで、各モーメントアーム１３に、ひずみゲージ１４０が１つ設置されてもよく、ひずみゲージ１４０が複数設置されてもよい。各モーメントアーム１３０にひずみゲージ１４０を複数設置する場合、各モーメントアーム１３０のひずみゲージ１４０の数は同じである。トルクセンサでは、ひずみ情報から検出対象部材のトルク値を取得する。

具体的に、ひずみゲージ１４０は、スパッタリング薄膜技術によりモーメントアーム１３０の表面に形成された薄膜ひずみゲージ１４０である。これにより、スパッタリング薄膜技術により、ひずみゲージ１４０とモーメントアーム１３０との間の結合力が大幅に強化され、ひずみゲージ１４０がモーメントアーム１３０から外れる確率を低減し、トルクセンサの耐用年数を効果的に延長した。

トルクセンサのモーメントアーム構造１００の荷重入力点は第１連結箇所１１１又は第２連結箇所１２１にある。具体的には、第１連結箇所１１１を荷重入力点とする場合、第２連結箇所１２１は固定配置され、第１連結箇所１１１に回転荷重が入力されると、外輪１１０は連結部材１２０に対して回転する傾向があり、モーメントアーム１３０が連動されてひずみを発生し、第２連結箇所１２１を荷重入力点とする場合、第１連結箇所１１１は固定配置され、第２連結箇所１２１に回転荷重が入力されると、連結部材１２０は外輪１１０に対して回転する傾向があり、モーメントアーム１３０が連動されてひずみを発生する。

荷重入力点が第１連結箇所１１１である場合、荷重が第１連結箇所１１１からモーメントアーム１３０のひずみゲージ１４０が設置されている部位に伝達される伝達ルートは、非直線状を呈する。荷重入力点が第２連結箇所１２１にある場合、荷重が第２連結箇所１２１からモーメントアーム１３０のひずみゲージ１４０が設置されている部位に伝達される伝達ルートは、非直線状を呈する。

これにより、トルクセンサのモーメントアーム構造１００において、荷重が荷重入力点からモーメントアーム１３０のひずみゲージ１４０が設置されている部位に伝達される伝達ルートは、非直線状を呈するため、荷重が荷重入力点からモーメントアーム１３０のひずみゲージ１４０が設置されている部位に伝達される伝達長が長く、荷重入力点に小さな回転荷重が負荷されても、モーメントアーム１３０のひずみゲージ１４０が設置されている部位には大きなひずみ量が発生し、それにより、ひずみゲージ１４０がひずみ情報を収集するのに有利である。したがって、上記トルクセンサのモーメントアーム構造１００の設置により、トルクセンサの体積を小さくするとともに、高い検出感度を両立させる。

一部の実施例では、モーメントアーム１３０の長さは、その幅より大きい。モーメントアーム１３０の厚さは、それぞれ外輪１１０の厚さ及び連結部材１２０の厚さより小さい。ここで、モーメントアーム１３０の長さとは、モーメントアーム１３０のその延在方向に沿った寸法をいい、モーメントアーム１３０の幅とは、外輪１１０の周方向に沿ったモーメントアーム１３０の寸法をいい、モーメントアーム１３０の厚さとは、外輪１１０の軸線方向に沿ったモーメントアーム１３０の寸法をいい、連結部材１２０及び外輪１１０の厚さは、いずれも外輪１１０の軸線方向に沿った寸法である。これにより、モーメントアーム１３０は、薄い長棒構造であることにより、モーメントアーム１３０にひずみがより生じやすく、トルクセンサの測定感度がさらに向上する。

再び図１１を参照すると、一部の実施例では、連結部材１２０は、連結部１２２及び２つの作用部１２３を含む。連結部１２２は、２つの作用部１２３の間に連結されるため、連結部材１２０は長尺状を呈する板状構造になる。第１連結箇所１１１は、作用部１２３の連結部１２２から離れた一端に位置する。モーメントアーム１３０の一端は、連結部１２２の側壁に固定連結される。

第２連結箇所１２１が１つある場合、第２連結箇所１２１は、そのうちの１つの作用部１２３に位置し、第１連結箇所１１１が複数ある場合、複数の第２連結箇所１２１は、そのうちのいずれかの作用部１２３に位置してもよいし、２つの組に分けられて、それぞれ２つの作用部１２３に位置してもよい。

これにより、トルクセンサのモーメントアーム構造１００の荷重入力点が第２連結箇所１２１にある場合、連結部材１２０を長尺状の板状構造に設置し、かつ、第２連結箇所１２１を作用部１２３の連結部１２２から離れた一端に設置し、荷重が荷重入力点からモーメントアーム１３０のひずみゲージ１４０が設置されている部位に伝達される伝達長をさらに長くすることができ、トルクセンサの測定感度がさらに向上することができる。

さらに、一部の実施例では、連結部１２２の向かい合う２つの側面は、いずれも外側に突出する弧状面１２２１である。各モーメントアーム１３０の外輪１１０の内壁から離反する内壁の一端は、対応する弧状面１２２１に連結される。具体的に、弧状面１２２１は円弧面である。

トルクセンサのモーメントアーム構造１００の荷重入力点が第２連結箇所１２１にある場合、連結部１２２のモーメントアーム１３０に連結される側面が弧状面１２２１であるため、荷重が第２連結箇所１２１からモーメントアーム１３０のひずみゲージ１４０が設置されている部位に伝達される伝達ルートは、より屈曲であり、荷重が第２連結箇所１２１からモーメントアーム１３０のひずみゲージ１４０が設置されている部位に伝達される伝達長をより一層長くし、トルクセンサの測定感度をより一層向上させた。

無論、別の実施例では、連結部材１２０は、環状又は他の形状を呈する板状構造であってもよい。連結部材１２０が環状を呈する板状構造である場合、モーメントアーム１３０は、連結部材１２０の外壁に連結され、第２連結箇所１２１が複数ある場合、複数の第２連結箇所１２１は、連結部材１２０の周方向に沿って間隔を置いて設置される。

以下の実施例I及び実施例IIは、上記実施例のモーメントアーム１３０の異なる構造形態を示し、具体的には、次のとおりである。

図１から図７を参照すると、実施例Iは次のとおりである。

各モーメントアーム１３０は、第１アーム板１３１と、与第１アーム板１３１の一端に連結される第２アーム板１３２と、を含む。第１アーム板１３１の延在方向と第２アーム板１３２の延在方向とが交差するように設置する。そのため、モーメントアーム１３０は、折曲線に沿って延在する長尺状の板状構造である。ひずみゲージ１４０は、第１アーム板１３１又は第２アーム板１３２の表面に設置される。第１アーム板１３１及び第２アーム板１３２のうちの一方は、外輪１１０の内壁に固定連結され、他方は、連結部材１２０に固定連結される。

そのため、モーメントアーム１３０は、折曲線の方向に沿って延在する板状構造であり、トルクセンサのモーメントアーム構造１００の荷重入力点を第１連結箇所１１１に設置するか、又は第２連結箇所１２１に設置するかに関わらず、折曲線の方向に沿って延在するモーメントアーム１３０は、いずれも荷重が荷重入力点からモーメントアーム１３０のひずみゲージ１４０が設置されている部位に伝達される伝達長を長くすることができ、トルクセンサ測定感度を向上させるのに有利である。

さらに、一実施例では、第１アーム板１３１の幅は第２アーム板１３２の幅より大きい。ひずみゲージ１４０は、第２アーム板１３２の表面に設置される。これにより、モーメントアーム１３０は、幅がその長手方向で変化する板状構造である。荷重入力点に回転荷重が負荷されるとき、幅が小さい第２アーム板１３２に、ひずみがより生じやすく、トルクセンサの測定感度をより一層向上させた。

再び図１、図２、図５及び図６を参照すると、具体的に、第２アーム板１３２は２つあり、２つの第２アーム板１３２は、平行にかつ間隔を置いて設置される。各第２アーム板１３２のそれぞれには、ひずみゲージ１４０が設置されている。第２アーム板１３２の延在方向と第１アーム板１３１の延在方向との間の夾角は、０度より大きく１８０度未満の夾角である。

２つの第２アーム板１３２の設置により、モーメントアーム１３０の剛性要件を保証するとともに、各モーメントアーム１３０の幅を減少して、トルクセンサの測定感度をより一層向上させルことができ、そして、ひずみゲージ１４０の数を増やして、トルクセンサの測定精度を向上させることができる。

より具体的に、各第２アーム板１３２は、第１アーム板１３１に垂直に設置されることで、モーメントアーム１３０はＦ字状を呈する。

より一層、一部の実施例では、第１アーム板１３１は、外輪１１０の軸線に垂直な平面内で非直線方向に沿って延在する。これにより、第１アーム板１３１は折曲線の方向に沿って延在する板状構造であり、トルクセンサのモーメントアーム構造１００の体積を増加せずに、モーメントアーム１３０の長さを長くすることができ、それにより、トルクセンサの測定感度をより一層向上させる。

無論、他の実施例において、第１アーム板１３１は、直線方向に沿って延在する板状構造である。

再び図７を参照すると、さらに、別の実施例では、各第２アーム板１３２は、横板１３２１及び２つの縦板１３２２を含む。２つの縦板１３２２は、それぞれ横板１３２１の両端に連結される。各縦板１３２２の延在方向と横板１３２１の延在方向とが交差するように設置する。具体的に、第２アーム板１３２はガントリ形状を呈する。第１アーム板１３１は、縦板１３２２の横板１３２１から離反する一側に固定連結される。横板１３２１の幅は、それぞれ縦板１３２２の幅及び第１アーム板１３１の幅より小さい。ひずみゲージ１４０は、横板１３２１の表面に設置される。

これにより、第２アーム板１３２には、横板１３２１及び２つの縦板１３２２が設置されており、トルク測定中のモーメントアーム１３０の剛性を保証できる。横板１３２１の幅が縦板１３２２の幅及び第１アーム板１３１の幅より小さくなるように設置するとともに、ひずみゲージ１４０を横板１３２１に設置して、横板１３２１にひずみがより生じやすく、トルクセンサの測定感度をより一層向上させる。

より一層、第１アーム板１３１は、横板１３２１の中間部位に位置する。第１アーム板１３１の両側に位置する横板１３２１の部位には、いずれもひずみゲージ１４０が設置されている。ひずみゲージ１４０の数を増やすとともに、モーメントアーム１３０が対称構造なるように、第１アーム板１３１の両側に位置する横板１３２１の部位にいずれもひずみゲージ１４０が設置され、トルクセンサの測定精度を保証する。

再び図８及び図９を参照すると、実施例IIはつぎのとおりである。

モーメントアーム１３０は、長尺状の板状構造である。第１連結箇所１１１は、モーメントアーム１３０及び外輪１１０の連結箇所とずれて設置される。第２連結箇所１２１は、モーメントアーム１３０及び連結部材１２０の連結箇所とずれて設置される。これにより、トルク測定中に、長尺状を呈する板状に設置されたモーメントアーム１３０にひずみがより生じやすく、ひずみ情報の収集に有利である。そして、荷重入力点を第１連結箇所１１１に設置するか、又は第２連結箇所１２１に設置するかに関わらず、荷重が荷重入力点からモーメントアーム１３０のひずみゲージ１４０が設置されている部位に伝達される伝達ルートは、いずれも非直線状を呈し、トルクセンサ測定感度の向上により有利である。

さらに、一部の実施例では、モーメントアーム１３０の幅は、連結部材１２０の外輪１１０を向く方向に沿って徐々に減少する。ひずみゲージ１４０は、モーメントアーム１３０の外輪１１０に近い一端の表面に設置される。トルク検出中に、モーメントアーム１３０の幅が小さい一端にひずみがより生じやすいため、ひずみゲージ１４０をモーメントアーム１３０の幅が小さい一端に設置すると、トルクセンサの測定感度がさらに向上することができる。

再び図１から図４を参照すると、一部の実施例では、トルクセンサのモーメントアーム構造１００は、外輪１１０の内壁に連結される遷移板１５０をさらに含む。遷移板１５０の幅は、外輪１１０の内壁の連結部材１２０を向く方向に沿って徐々に減少する。モーメントアーム１３０の一端は、遷移板１５０の傾斜面に連結される。

なお、遷移板１５０の幅とは、外輪１１０の周方向における遷移板１５０の寸法をいい、遷移板１５０の傾斜面は、遷外輪１１０の内壁に連結される移板１５０の表面であるので、遷移板１５０の形状は、台形或者三角形の板状構造である。したがって、トルクセンサのモーメントアーム構造１００の荷重負荷点は第１連結箇所１１１に位置し、遷移板１５０の設置により、荷重が第１連結箇所１１１からモーメントアーム１３０のひずみゲージ１４０が設置されている部位に伝達される伝達ルートがより屈曲になり、荷重が荷重負荷点からモーメントアーム１３０のひずみゲージ１４０が設置されている部位に伝達される伝達長をさらに延長し、トルクセンサの測定感度をさらに向上させた。

さらに、一部の実施例では、遷移板１５０は長尺状を呈する曲線板である。具体的に、遷移板１５０は、台形を呈する折曲線の方向に沿って延在する。遷移板１５０の両端は、いずれも外輪１１０の内壁に固定連結される。モーメントアーム１３０の一端は、遷移板１５０の側面に連結される。

荷重負荷点が第１連結箇所１１１に位置する場合、遷移板１５０を、長尺状を呈する曲線板に設置し、荷重が第１連結箇所１１１からモーメントアーム１３０のひずみゲージ１４０が設置されている部位に伝達される伝達ルートの屈曲度をさらに向上できることにより、トルクセンサのモーメントアーム構造１００は、体積が変化せず、荷重が第１連結箇所１１１からモーメントアーム１３０のひずみゲージ１４０が設置されている部位に伝達される伝達長が長くなり、トルクセンサの測定感度をより一層向上させた。

図１０を参照すると、本発明の別の好ましい実施例のトルクセンサのモーメントアーム構造１００は、第１連結板１６０と、第１連結板１６０に積層設置される第２連結板１７０と、を含む。

第１連結板１６０の端部には、第１連結箇所１１１がる。ここで、第１連結箇所１１１は、１つあってもよいし、複数あってもよい。第１連結箇所１１１が複数ある場合、複数の第１連結箇所１１１は、第１連結板１６０に間隔を置いて設置される。

第２連結板１７０は、固定板１７１、４つのモーメントアーム１３０、及び向かい合い且つ間隔を置いて設置される２つの作用板１７２を含む。モーメントアーム１３０、作用板１７２及び固定板１７１は、同じ平面に位置する。固定板１７１は、２つの作用板１７２の間に位置する。各作用板１７２は、２つのモーメントアーム１３０を介して固定板１７１に固定連結される。

４つのモーメントアーム１３０は、固定板１７１の幾何学的中心に対して中心対称になるように設置されて、４つのモーメントアーム１３０は、Ｘ字状を呈するように設置される。そのため、第２連結板１７０は、Ｘ字状を呈する板状構造であり、２つの作用板１７２は、固定板１７１に対して対称的に設置される。ここで、モーメントアーム１３０は、それぞれ溶接などの方式により、固定板１７１と作用板１７２との間に固定連結されてもよいし、一体成型方式により形成されてもよい。

作用板１７２には、第２連結箇所１２１がある。具体的に、作用板１７２は、長尺状を呈する弧状板である。第２連結箇所１２１は、１つあってもよいし、複数あってもよい。第２連結箇所１２１が複数ある場合、複数の第２連結箇所１２１は、作用板１７２の延在方向に沿って間隔を置いて設置される。

ここで、第１連結箇所１１１及び第２連結箇所１２１の構造の形態は、上記実施例のトルクセンサのモーメントアーム構造１００の第１連結箇所１１１及び第２連結箇所１２１のそれぞれと同じであり、例えば、第１連結箇所１１１及び第２連結箇所１２１は連結穴などである。

固定板１７１は、第１連結板１６０に固定連結される。具体的に、第１連結板１６０は、その幾何学的中心に対して中心対称である板状構造であり、固定板１７１は、第１連結板１６０の中間部位に固定連結される。

各モーメントアーム１３０の側面には、ひずみゲージ１４０が設置されている。ひずみゲージ１４０は、モーメントアーム１３０のひずみ情報をリアルタイムに検出するために用いられる。ここでのひずみゲージ１４０の作用、構造、及び形成技術は、いずれも上記実施例のトルクセンサのモーメントアーム構造１００のひずみゲージ１４０と完全に同じであるため、ここでは詳細な説明を省略する。

なお、モーメントアーム１３０の側面は、第１連結板１６０の厚さ方向に平行なモーメントアーム１３０の表面である。

再び図１２ａ、図１２ｂ、図１２ｃ及び図１２ｄを参照すると、具体的に、モーメントアーム１３０の横断面の形状は、長方形、Ｔ字状、Ｈ字状又はＵ字状である。ここで、モーメントアーム１３０の横断面は、その長手方向に垂直な断面である。モーメントアーム１３０の横断面の形状を長方形、Ｔ字状、Ｈ字状又はＵ字状に設置すると、モーメントアーム１３０に応力が集中するのに有利である。

他の実施例において、モーメントアーム１３０の横断面の形状は、応力の集中に有利な他の形状であってもよい。

具体的に、ひずみゲージ１４０は、スパッタリング薄膜技術によりモーメントアーム１３０の表面に形成された薄膜ひずみゲージ１４０である。ここで、薄膜ひずみゲージ１４０の形成方法及びそれで達成できる有益な効果の詳細については、上記実施例の薄膜ひずみゲージ１４０についての説明を参照されたい。

トルクセンサのモーメントアーム構造１００の荷重入力点は、第１連結箇所１１１にある。荷重が第１連結箇所１１１からモーメントアーム１３０のひずみゲージ１４０が設置されている部位に伝達される伝達ルートは、非直線状を呈する。

これにより、トルクセンサのモーメントアーム構造１００の荷重入力点が第１連結箇所１１１にある場合、第２連結箇所１２１は固定配置され、荷重が第１連結箇所１１１からモーメントアーム１３０のひずみゲージ１４０が設置されている部位に伝達される伝達ルートを屈曲状に設置することにより、荷重が荷重入力点からモーメントアーム１３０のひずみゲージ１４０が設置されている部位に伝達される伝達長が長くなり、第１連結箇所１１１に小さな回転荷重が負荷されても、モーメントアーム１３０のひずみゲージ１４０が設置されている部位には大きなひずみ量が生じ、それにより、ひずみゲージ１４０がひずみ情報を収集するのに有利である。したがって、上記トルクセンサのモーメントアーム構造１００の設置により、トルクセンサの体積を小さくするとともに、高い測定感度を両立させる。

さらに、ひずみゲージ１４０をモーメントアーム１３０の側面に設置することにより、ひずみゲージ１４０がモーメントアーム１３０のひずみ情報をより容易に検出し、トルクセンサの測定感度をさらに向上させた。

一部の実施例では、第１連結板１６０は、長尺状を呈する板状構造である。固定板１７１は、第１連結板１６０の中間部位に固定連結される。第１連結板１６０の延在方向と、固定板１７１の作用板１７２を向かう方向とが交差するように設置する。第１連結箇所１１１は第１連結板１６０の固定板１７１から離れた端部に位置する。

ここで、第１連結板１６０の延在方向と、固定板１７１の作用板１７２を向かう方向との間の夾角は、０度より大きく１８０度未満である。第１連結板１６０を、長尺状を呈する板状構造に設置し、かつ、第１連結箇所１１１を第１連結板１６０の２つの端部に設置して、荷重が第１連結箇所１１１からモーメントアーム１３０のひずみゲージ１４０が設置されている部位に伝達される伝達ルートの屈曲度さらに増加させ、トルクセンサの測定感度をより一層向上させた。

ここで、第１連結箇所１１１が複数ある場合、複数の第１連結箇所１１１は、第１連結板１６０の一端に全部設置されてもよいし、２つのグルプに分けられ、それぞれ第１連結板１６０の両端に設置されてもよい。

一部の実施例では、モーメントアーム１３０の厚さは、その幅より大きい。ひずみゲージ１４０は、モーメントアーム１３０の、平行なモーメントアーム１３０の厚さ方向に表面に設置される。なお、モーメントアーム１３０の幅方向は、第１連結箇所１１１に負荷される回転荷重の方向と一致する。ひずみゲージ１４０を厚さ方向に平行な表面に設置することにより、モーメントアーム１３０がひずみゲージ１４０の処で大きなひずみ量を有することを保証できるため、ひずみゲージ１４０がひずみ情報を収集することがより容易になり、トルクセンサの測定感度をさらに向上させた。

一部の実施例では、第２連結板１７０及び第２連結板１７０の耐疲労性と耐食性を向上させるために、第２連結板１７０及び第２連結板１７０の材質は、沈降性マルテンサイト系ステンレス鋼であり、第２連結板１７０及び第２連結板１７０の耐用年数を効果的に延長し、さらに、トルクセンサの耐用年数も延長することができる。

以上に記載した実施例の各技術特徴は、任意に組み合わせることができるが、説明を簡潔にするために、上記実施例における各技術特徴の可能な組み合わせを全部説明していないが、これらの技術特徴の組合せが矛盾しない限り、いずれも本明細書に記載の範囲であると見なすべきである。

以上に記載した実施例は、本発明のいくつかの実施形態のみを表し、それらを具体的で、詳細に説明したが、本発明の特許の範囲を限定するものとして理解するべきではない。当業者にとって、本発明の構想から逸脱することなく、いくつかの変形や改良を行うことができ、これらはいずれも本発明の保護範囲に属することを理解されたい。したがって、本発明の保護範囲は、添付の特許請求の範囲に準じる。

１００...トルクセンサのモーメントアーム構造、１１０...外輪、１１１...第１連結箇所、１２０...連結部材、１２１...第２連結箇所、１２２...連結部、１２２１...弧状面、１２３...作用部、１３０...モーメントアーム、１３１...第１アーム板、１３２...第２アーム板、１３２１...横板、１３２２...縦板、１４０...ひずみゲージ、１５０...遷移板、１６０...第１連結板、１７０...第２連結板、１７１...固定板、１７２...作用板。

Claims (18)

1. 環状を呈する外輪と、幾何学的中心に対して中心対称である連結部材と、少なくとも２つのモーメントアームとを含み、
   前記外輪には第１連結箇所があり、
   前記連結部材は、前記外輪内に位置し、かつ、前記外輪と同軸に設置され、前記連結部材には第２連結箇所があり、
   各前記モーメントアームの両端は、それぞれ前記外輪の内壁及び前記連結部材に固定連結され、前記少なくとも２つの前記モーメントアームの数は偶数であり、少なくとも２つの前記モーメントアームは、前記外輪の中心に対して中心対称になるように設置され、
   各前記モーメントアームには、対応する前記モーメントアームのひずみ情報を検出するためのひずみゲージが設置され、
   前記トルクセンサのモーメントアーム構造の荷重入力点が前記第１連結箇所又は前記第２連結箇所にあり、
   前記荷重入力点が前記第１連結箇所にある場合、荷重が前記第１連結箇所から前記モーメントアームの前記ひずみゲージが設置されている部位に伝達される伝達ルートは、非直線状を呈し、
   前記荷重入力点が前記第２連結箇所にある場合、荷重が前記第２連結箇所から前記モーメントアームの前記ひずみゲージが設置されている部位に伝達される伝達ルートは、非直線状を呈する、
   ことを特徴とするトルクセンサのモーメントアーム構造。
2. 前記モーメントアームの長さは、その幅より大きく、前記モーメントアームの厚さは、それぞれ前記外輪の厚さ及び前記連結部材の厚さより小さい、
   ことを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサのモーメントアーム構造。
3. 前記連結部材は、連結部及び２つの作用部を含み、前記連結部が２つの前記作用部の間に連結されて、前記連結部材は長尺状を呈する板状構造になり、前記第２連結箇所は、前記作用部の前記連結部から離れた一端に位置し、前記モーメントアームの一端は前記連結部の側壁に固定連結される、
   ことを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサのモーメントアーム構造。
4. 前記連結部の向かい合う２つの側面は、いずれも外側に突出する弧状面であり、各前記モーメントアームの前記外輪の内壁から離反する一端は、対応する前記弧状面に連結される、
   ことを特徴とする請求項３に記載のトルクセンサのモーメントアーム構造。
5. 各前記モーメントアームは、第１アーム板と、前記第１アーム板の一端に連結される第２アーム板とを含み、前記第１アーム板の延在方向と、前記第２アーム板の延在方向とが交差するように設置し、前記ひずみゲージは、前記第１アーム板又は前記第２アーム板の表面に設置され、
   前記第１アーム板及び前記第２アーム板のうちの１方は、前記外輪の内壁に固定連結され、他方は、前記連結部材に固定連結される、
   ことを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサのモーメントアーム構造。
6. 前記第１アーム板の幅は前記第２アーム板の幅より大きく、前記ひずみゲージは前記第２アーム板の表面に設置される、
   ことを特徴とする請求項５に記載のトルクセンサのモーメントアーム構造。
7. 前記第２アーム板は２つあり、２つの前記第２アーム板は、平行にかつ間隔を置いて設置され、各前記第２アーム板には、前記ひずみゲージが設置され、及び／又は
   前記第１アーム板は、前記外輪の軸線に垂直な平面内で非直線方向に沿って延在する、
   ことを特徴とする請求項６に記載のトルクセンサのモーメントアーム構造。
8. 各前記第２アーム板は、横板及び２つの縦板を含み、２つの前記縦板は、それぞれ前記横板の両端に連結され、各前記縦板の延在方向と、前記横板の延在方向とが交差するように設置し、前記第１アーム板は、前記縦板の前記横板から離反する一側に固定連結され、前記横板の幅は、それぞれ前記縦板の幅及び前記第１アーム板の幅より小さく、前記ひずみゲージは前記横板の表面に設置される、
   ことを特徴とする請求項５に記載のトルクセンサのモーメントアーム構造。
9. 前記第１アーム板は、前記横板の中間部位に位置し、前記第１アーム板の両側に位置する前記横板の部位には、いずれも前記ひずみゲージが設置されている、
   ことを特徴とする請求項８に記載のトルクセンサのモーメントアーム構造。
10. 前記モーメントアームは、長尺状の板状構造であり、前記第１連結箇所は、前記モーメントアームと前記外輪及び連結箇所とずれて設置され、前記第２連結箇所は、前記モーメントアーム及び前記連結部材の連結箇所とずれて設置される、
    ことを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサのモーメントアーム構造。
11. 前記モーメントアームの幅は、前記連結部材の前記外輪を向かう方向に沿って徐々に減少し、前記ひずみゲージは、前記モーメントアームの前記外輪に近い一端の表面に設置される、
    ことを特徴とする請求項１０に記載のトルクセンサのモーメントアーム構造。
12. 前記外輪の内壁に連結される遷移板をさらに含み、前記遷移板の幅は、前記外輪の内壁の前記連結部材を向かう方向に沿って徐々に減少し、前記モーメントアームの一端は前記遷移板の傾斜面に連結される、
    ことを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサのモーメントアーム構造。
13. 前記遷移板は、長尺状を呈する曲線板であり、前記遷移板の両端は、いずれも前記外輪の内壁に固定連結され、前記遷移板は、台形輪郭の曲線方向に沿って延在する、
    ことを特徴とする請求項１２に記載のトルクセンサのモーメントアーム構造。
14. 前記モーメントアームの横断面の形状は、長方形、Ｔ字状、Ｈ字状又はＵ字状であり、又は、
    前記モーメントアームの材質は、沈降性マルテンサイト系ステンレス鋼であり、又は、
    前記ひずみゲージは、スパッタリング薄膜技術により前記モーメントアームの表面に形成された薄膜ひずみゲージである、
    ことを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサのモーメントアーム構造。
15. 第１連結板と、前記第１連結板に積層設置される第２連結板と、を含み、前記第１連結板には第１連結箇所があり、
    前記第２連結板は、固定板、４つのモーメントアーム、及び向かい合い且つ間隔を置いて設置される２つの作用板を含み、前記モーメントアーム、作用板及び前記固定板は、同じ平面に位置し、
    前記固定板は、２つの前記作用板の間に位置し、各前記作用板は、２つの前記モーメントアームを介して前記固定板に固定連結され、４つの前記モーメントアームは、前記固定板の幾何学的中心に対して中心対称になるように設置されて、４つの前記モーメントアームはＸ字状を呈するように設置され、前記作用板には第２連結箇所があり、
    前記固定板は、前記第１連結箇所に固定連結され、各前記モーメントアームの側面には、前記モーメントアームのひずみ情報をリアルタイムに検出するためのひずみゲージが設置され、
    前記トルクセンサのモーメントアーム構造の荷重入力点が前記第１連結箇所にある場合、荷重が前記第１連結箇所から前記モーメントアームの前記ひずみゲージが設置されている部位に伝達される伝達ルートは非直線状を呈する、
    ことを特徴とするトルクセンサのモーメントアーム構造。
16. 前記第１連結板は、長尺状を呈する板状構造であり、前記固定板は、前記第１連結板の中間部位に固定連結され、前記第１連結板の延在方向と、前記固定板の前記作用板を向かう方向とが交差するように設置し、前記第１連結箇所は、前記第１連結板の前記固定板から離れた端部に設置される、
    ことを特徴とする請求項１５に記載のトルクセンサのモーメントアーム構造。
17. 前記モーメントアームの厚さは、その幅より大きく、前記ひずみゲージは、前記モーメントアームの、前記モーメントアームの厚さ方向に平行な平面に位置し、又は、
    前記モーメントアームの、前記モーメントアーム長手方向に垂直な断面の形状は長方形、Ｔ字状、Ｈ字状又はＵ字状であり、又は、
    前記第２連結板及び前記第２連結板の材質は、沈降性マルテンサイト系ステンレス鋼であり、又は、
    前記ひずみゲージは、スパッタリング薄膜技術により前記モーメントアームの表面に形成された薄膜ひずみゲージである、
    ことを特徴とする請求項１５に記載のトルクセンサのモーメントアーム構造。
18. 請求項１～請求項１７のいずれか１項に記載のトルクセンサのモーメントアーム構造を含む、
    ことを特徴とするトルクセンサ。

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