JP7085922B2 - トルクセンサ - Google Patents

Description

この発明は、トルクを検出するトルクセンサに関する。

従来から、回転軸体の外周面に取付けられたセンサ素子を有し、トルクにより回転軸体の外周面に生じるせん断応力の大きさを、センサ素子における抵抗値変化により検出するトルクセンサがある（例えば特許文献１参照）。
また、回転軸体を外筒部及びその両端に連結された２枚のフランジから構成し、各フランジにディスク状のトルク伝達部を介して連結された内筒部を設け、この内筒部の外周面にセンサ素子が取付けられたトルクセンサも知られている。

特開２００２－１３９３９１号公報

一方、トルクセンサには、用途によっては、一端のみに径方向の外力（張力又は圧縮力）が加わる場合がある。この場合、トルク伝達部を有するトルクセンサでは、外力の方向とセンサ素子の位置との関係によっては出力誤差が生じるため、改善が必要である。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、一端のみに加えられた径方向の外力による出力誤差を低減可能とするトルクセンサを提供することを目的としている。

この発明に係るトルクセンサは、外筒部と、外筒部の一端に連結された第１フランジと、外筒部の他端に連結された第２フランジと、外筒部と同一の軸心上に位置する内筒部と、内筒部の外周面に設けられ、軸心に対して斜め方向を向いた抵抗ゲージを有するセンサ素子と、一端が第１フランジの内周面に連結され、他端が内筒部の一端側の外周面に連結された薄板部材である第１トルク伝達部と、一端が第２フランジの内周面に連結され、他端が内筒部の他端側の外周面に連結された薄板部材である第２トルク伝達部とを備え、第１トルク伝達部及び第２トルク伝達部のうちの少なくとも一方は、軸心に対する径方向に凹凸を有し、第１トルク伝達部及び第２トルク伝達部のうちの凹凸を有するトルク伝達部は、軸心に対する径方向のうちのセンサ素子が位置する方向を除く方向に空間が存在することを特徴とする。

この発明によれば、上記のように構成したので、一端のみに加えられた径方向の外力による出力誤差を低減可能となる。

図１Ａ、図１Ｂは、この発明の実施の形態１に係るトルクセンサの構成例を示す図であり、図１Ａは正面図であり、図１Ｂは側断面図である。 図２Ａ～図２Ｅは、この発明の実施の形態１に係るトルクセンサの別の構成例を示す正面図である。 図３Ａ、図３Ｂは、従来のトルクセンサにおける出力誤差の発生原理を説明する図であり、トルクセンサ及びセンサ素子の状態を示す図である。 図４Ａ～図４Ｃは、この発明の実施の形態１に係るトルクセンサによる効果を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るトルクセンサの構成例を示す図である。
トルクセンサは、トルクを検出する。このトルクセンサは、図１に示すように、外筒部１の一端に連結されたフランジ（第１フランジ）２と、外筒部１の他端に連結されたフランジ（第２フランジ）３とを有している。外筒部１、フランジ２及びフランジ３は、例えばステンレスにより構成される。なお、フランジ２及びフランジ３のうちの一方にはモータ等の駆動系が接続され、他方には例えばロボットハンド等の負荷系が接続される。

また、トルクセンサは、外筒部１と同一（略同一の意味を含む）の軸心上に位置する内筒部４を有している。この内筒部４の外周面には、１つ以上のセンサ素子５が貼付けられている。センサ素子５は、外部からのせん断応力に応じた信号を出力する。このセンサ素子５は、上記軸心に対して斜め方向（４５度方向）を向いた抵抗ゲージを有する。なお、斜め方向は４５度方向としているが、これに限らず、ある程度のずれ（例えば４４度方向又は４６度方向等）は許容される。また図１に示すように、内筒部４を挟んで対向するように２つのセンサ素子５が設けられることで、トルクセンサは他軸干渉を低減可能となる。また、センサ素子５としては、例えば半導体歪ケージ又は金属歪ゲージを用いることができる。

また、トルクセンサは、一端がフランジ２の内周面に連結され、他端が内筒部４の一端側の外周面に連結されたトルク伝達部（第１トルク伝達部）６を有する。トルク伝達部６は、フランジ２に加えられた外力により生じるトルクを内筒部４を介してセンサ素子５に伝達するための薄板部材である。また、トルク伝達部６は、上記軸心に対する径方向に凹凸を有している。図１では、トルク伝達部６が円周状に波形の凹凸を有するディスク部材６１から構成されている。

また、トルクセンサは、一端がフランジ３の内周面に連結され、他端が内筒部４の他端側の外周面に連結されたトルク伝達部（第２トルク伝達部）７を有する。トルク伝達部７は、フランジ３に加えられた外力により生じるトルクを内筒部４を介してセンサ素子５に伝達するための薄板部材である。また、トルク伝達部７は、上記軸心に対する径方向に凹凸を有している。図１では、トルク伝達部７が円周状に波形の凹凸を有するディスク部材７１から構成されている。

また、トルクセンサは、センサ素子５により出力された信号をトルクとして計測する計測部８（不図示）を有する。トルクセンサに２つ以上のセンサ素子５が設けられる場合には、計測部８は、各センサ素子５により出力された信号の演算値をトルクとして計測する。なお、計測部８は、システムＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）等の処理回路、又はメモリ等に記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等により実現される。

なお図１では、トルク伝達部６が円周状に波形の凹凸を有するディスク部材６１である場合を示している。しかしながら、トルク伝達部６の形状及び配置はこれに限らず、上記軸心に対する径方向に凹凸を有していればよく、例えば図２に示すような形状及び配置としてもよい。

図２では、トルク伝達部６に、上記軸心に対する径方向のうちのセンサ素子５が位置する方向を除く方向に空間が存在している。図２に示すトルクセンサでは、図１に示すトルクセンサに対し、トルク伝達部６に空間を設けることで、上記径方向のうちのセンサ素子５が感度を有する方向に加えられた外力をセンサ素子５に伝達し難いように外力の伝達を軽減することができる。

例えば図２Ａでは、トルク伝達部６が円周状に波形の凹凸を有する２枚の板部材６２から構成されている。そして、２枚の板部材６２が上記軸心に対する径方向のうちのセンサ素子５が位置する方向にそれぞれ位置している。図２Ａに示すトルクセンサでは、図１に示すトルクセンサに対し、トルク伝達部６に空間が設けられることで、外力の伝達抑制が向上する。

また図２Ｂでは、トルク伝達部６が円周状に波形の凹凸を有する４枚の板部材６２から構成されている。そして、図２Ａに示す配置に加え、上記軸心に対する径方向のうちのセンサ素子５が位置する方向に対して垂直な方向にも２枚の板部材６２が位置している。図２Ｂに示すトルクセンサでは、図２Ａに示すトルクセンサに対し、板部材６２の数が増えることで、外力の伝達抑制を維持しつつトルクの伝達効率が向上する。

また図２Ｃでは、トルク伝達部６が円周状に波形の凹凸を有するディスク部材６１から成り、ディスク部材６１の外周面のうちの４方向に円弧状の凹部６３が形成されている。これにより、トルク伝達部６は、内筒部４の一端側の外周面のうちの全周に連結され、且つ、フランジ２の内周面のうちの一部に連結される。その結果、図２Ｃに示すトルクセンサでは、図２Ａ，２Ｂに示すトルクセンサに対し、トルクの伝達効率が向上する。

また図２Ｄでは、トルク伝達部６が円周状に波形の凹凸を有するディスク部材６１から成り、ディスク部材６１のうちの４方向に楕円状の開口部６４が形成されている。図２Ｄに示すトルクセンサでは、トルク伝達部６がフランジ２の内周面のうちの全周に連結されているため、図２Ｃに示すトルクセンサに対して外力の伝達効率が上がってしまうものの、開口部６４によりその影響が低減される。

また図２Ｅでは、トルク伝達部６が直線状に波形の凹凸を有する４枚の板部材６２から構成されている。なお、各板部材６２の配置は図２Ｂと同一である。

なお上記では、トルク伝達部６の形状及び配置について説明したが、トルク伝達部７の形状及び配置についても同様である。

次に、実施の形態１に係るトルクセンサによる効果について説明する。以下では、トルクセンサが図１に示す構成である場合について説明する。また、従来のトルクセンサは、図３に示すように、実施の形態１におけるトルク伝達部６及びトルク伝達部７に凹凸が存在しない構成に相当する。

トルクセンサには、用途によっては、フランジ２及びフランジ３のうちの一方のみに径方向の外力（張力又は圧縮力）が加わる場合がある。この場合、外力の方向とセンサ素子５の位置との関係によってはトルクセンサに出力誤差が生じる。
例えば図３Ａに示すように、フランジ２に径方向の張力が加わった場合であって、その方向がセンサ素子５が位置する方向である場合には、センサ素子５の特性上、センサ素子５は張力に対する感度を持たないため、出力誤差は生じない。一方、例えば図３Ｂに示すように、フランジ２に径方向の張力が加わった場合であって、その方向がセンサ素子５が位置する方向ではない場合には、２つのセンサ素子５にせん断応力が加わるため、出力誤差が生じる。なお、図３ではフランジ２に張力が加わる場合を示したが、フランジ２に圧縮力が加わった場合及びフランジ３に張力又は圧縮力が加わった場合についても同様である。

ここで、トルクセンサでは、上記外力のセンサ素子５への変形伝達を抑制するためには、トルク伝達部６及びトルク伝達部７の径方向への柔らかさが重要となる。一方、トルクセンサでは、外部から加えられたトルクのセンサ素子５への変形伝達を促進するためには、トルク伝達部６及びトルク伝達部７の回転に対する剛性が重要となる。

そこで、実施の形態１に係るトルクセンサでは、トルク伝達部６及びトルク伝達部７に上記径方向に凹凸を設けることで、トルクのセンサ素子５への変形伝達を上記外力のセンサ素子５への変形伝達に対して相対的に大きくする。これにより、実施の形態１に係るトルクセンサは、出力誤差の低減を実現可能となる。
すなわち、実施の形態１に係るトルクセンサでは、例えば図４Ａに示すように、フランジ２に加えられた張力の方向がセンサ素子５が位置する方向ではない場合でも、トルク伝達部６の上記径方向の凹凸によって、その張力のセンサ素子５への伝達を抑制できる。その結果、実施の形態１に係るトルクセンサは、出力誤差を低減できる。なお、図４Ａではフランジ２に張力が加わる場合を示したが、フランジ２に圧縮力が加わった場合及びフランジ３に張力又は圧縮力が加わった場合についても同様である。したがって、凹凸は、トルク伝達部６，７のうちの、張力又は圧縮力が加わるフランジ側のトルク伝達部にのみ設けられていれば十分である。

また、実施の形態１に係るトルクセンサでは、例えば図４Ｂに示すように、トルクセンサに通常のトルクが加えられた場合には、２つのセンサ素子５にせん断応力が加わるため、従来通りトルクが出力される。

また、他軸干渉の低減のために２つのセンサ素子５が設けられたトルクセンサでは、例えば図４Ｃに示すように、フランジ２に双方向のトルクが加わった場合に、２つのセンサ素子５に加わる信号の向きが互いに反転する。その結果、計測部８において出力が相殺され、出力誤差が低減される。

以上のように、この実施の形態１によれば、トルクセンサは、外筒部１と、外筒部１の一端に連結されたフランジ２と、外筒部１の他端に連結されたフランジ３と、外筒部１と同一の軸心上に位置する内筒部４と、内筒部４の外周面に設けられ、軸心に対して斜め方向を向いた抵抗ゲージを有するセンサ素子５と、一端がフランジ２の内周面に連結され、他端が内筒部４の一端側の外周面に連結された薄板部材であるトルク伝達部６と、一端がフランジ３の内周面に連結され、他端が内筒部４の他端側の外周面に連結された薄板部材であるトルク伝達部７とを備え、トルク伝達部６及びトルク伝達部７のうちの少なくとも一方は、軸心に対する径方向に凹凸を有する。これにより、実施の形態１に係るトルクセンサは、一端のみに加えられた径方向の外力による出力誤差を低減可能となる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１ 外筒部
２ フランジ（第１フランジ）
３ フランジ（第２フランジ）
４ 内筒部
５ センサ素子
６ トルク伝達部（第１トルク伝達部）
７ トルク伝達部（第２トルク伝達部）
８ 計測部
６１ ディスク部材
６２ 板部材
６３ 凹部
６４ 開口部
７１ ディスク部材

Claims (5)

1. 外筒部と、
   前記外筒部の一端に連結された第１フランジと、
   前記外筒部の他端に連結された第２フランジと、
   前記外筒部と同一の軸心上に位置する内筒部と、
   前記内筒部の外周面に設けられ、前記軸心に対して斜め方向を向いた抵抗ゲージを有するセンサ素子と、
   一端が前記第１フランジの内周面に連結され、他端が前記内筒部の一端側の外周面に連結された薄板部材である第１トルク伝達部と、
   一端が前記第２フランジの内周面に連結され、他端が前記内筒部の他端側の外周面に連結された薄板部材である第２トルク伝達部とを備え、
   前記第１トルク伝達部及び前記第２トルク伝達部のうちの少なくとも一方は、前記軸心に対する径方向に凹凸を有し、
   前記第１トルク伝達部及び前記第２トルク伝達部のうちの前記凹凸を有するトルク伝達部は、前記軸心に対する径方向のうちの前記センサ素子が位置する方向を除く方向に空間が存在する
   ことを特徴とするトルクセンサ。
2. 前記第１トルク伝達部及び前記第２トルク伝達部のうちの前記凹凸を有するトルク伝達部は、前記他端が、前記内筒部の外周面のうちの全周に連結された
   ことを特徴とする請求項１記載のトルクセンサ。
3. 前記第１トルク伝達部及び前記第２トルク伝達部のうちの前記凹凸を有するトルク伝達部は、前記一端が、前記第１フランジ及び前記第２フランジのうちの連結対象である一方のフランジの内周面のうちの一部に連結された
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のトルクセンサ。
4. 前記センサ素子は、前記内筒部を挟んで対向した２つのセンサ素子である
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちの何れか１項記載のトルクセンサ。
5. 前記凹凸は波形である
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちの何れか１項記載のトルクセンサ。

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