JP7587041B2

JP7587041B2 - トルクセンサ

Info

Publication number: JP7587041B2
Application number: JP2023531233A
Authority: JP
Inventors: 一貴若林
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Filing date: 2021-06-30
Publication date: 2024-11-19
Anticipated expiration: 2041-06-30

Description

本開示は、トルクセンサに関するものである。

従来、円環状の外周部と、外周部の径方向内方に配置された円環状の内周部と、外周部と内周部との間に配置された円環状の中間部とを備えた計測装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
中間部には、周方向に延びる長穴形状の複数の剛性調整穴が、周方向に等間隔に設けられている。これにより、隣接する剛性調整穴同士の間には、外周部と内周部とを径方向に接続する両持ち梁状部分が、周方向に間隔をあけて複数設けられている。各両持ち梁状部分の径方向の中央位置に歪みゲージが貼り付けられることにより、トルクを計測する計測装置が構成されている。

特開２０２１－２５９５６号公報

特許文献１における各両持ち梁状部分は、周方向の両側面が長穴形状の剛性調整穴の端部の円弧面によって構成されているため、外周部および内周部との接続部分において、周方向の幅寸法が大きくなりすぎて、トルクの検出感度が低下する。
一方、この円弧面の半径を小さくすることにより、トルクの検出感度は向上するが、応力集中が発生しやすくなる。
したがって、トルクの検出感度の低下を抑制しつつ、両持ち梁状部分における応力集中を低減することが望まれている。

本開示の一態様は、径方向に間隔をあけて同芯に配置された円環状の外周部および内周部と、周方向に間隔をあけて前記外周部と前記内周部との間を接続する複数の両持ち梁状の接続梁部と、前記外周部と前記内周部との間に加わる中心軸回りのトルクを検出する検出部とを備え、前記接続梁部の周方向の両側面が、前記中心軸方向から見て、前記外周部の内周面および前記内周部の外周面から前記接続梁部の長さ方向の中央に向かって、それぞれ曲率半径が漸次増大する凹状の曲面形状を有し、前記曲面形状が、長径を前記接続梁部の長さ方向に平行に配置した楕円の一部により構成されているトルクセンサである。

本開示の一実施形態に係るトルクセンサを示す平面図である。図１のトルクセンサの接続梁部を示す部分拡大図である。図１のトルクセンサをロボットの関節に取り付けた例を示す図である。図２の接続梁部の両側面の輪郭形状を楕円弧にした場合の解析モデルの一部を示す図である。図２の接続梁部の両側面の輪郭形状が円弧にした場合の解析モデルの一部を示す図である。図２の接続梁部の両側面の輪郭形状（短径Ｒ＝Ｒ_１）と、接続梁部の最大応力値の変化率との関係についての解析結果を示すグラフである。図２の接続梁部の両側面の輪郭形状（短径Ｒ＝Ｒ_２）と、接続梁部の最大応力値の変化率との関係についての解析結果を示すグラフである。図２の接続梁部の両側面の輪郭形状（短径Ｒ＝Ｒ_３）と、接続梁部の最大応力値の変化率との関係についての解析結果を示すグラフである。図２の接続梁部の両側面の輪郭形状（短径Ｒ＝Ｒ_１）と、接続梁部の変形量の変化率との関係についての解析結果を示すグラフである。図２の接続梁部の両側面の輪郭形状（短径Ｒ＝Ｒ_２）と、接続梁部の変形量の変化率との関係についての解析結果を示すグラフである。図２の接続梁部の両側面の輪郭形状（短径Ｒ＝Ｒ_３）と、接続梁部の変形量の変化率との関係についての解析結果を示すグラフである。図２の接続梁部の両側面の輪郭形状（短径Ｒ＝Ｒ_１）と、最大応力値の変化率と変形量の変化率との比を示すグラフである。図２の接続梁部の両側面の輪郭形状（短径Ｒ＝Ｒ_２）と、最大応力値の変化率と変形量の変化率との比を示すグラフである。図２の接続梁部の両側面の輪郭形状（短径Ｒ＝Ｒ_３）と、最大応力値の変化率と変形量の変化率との比を示すグラフである。図１のトルクセンサの第１の変形例の接続梁部を示す部分拡大図である。図１のトルクセンサの第２の変形例の接続梁部を示す部分拡大図である。

本開示の一実施形態に係るトルクセンサ１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るトルクセンサ１は、一定の厚さを有する金属製平板を厚さ方向に打ち抜いて形成されたセンサ本体１０と、センサ本体１０に装着されたひずみゲージ（検出部）２０とを備えている。

センサ本体１０は、図１に示されるように、軸線（中心軸）Ａを中心軸とする円環状の外周部２と、外周部２の径方向内方に間隔をあけて同芯に配置された円環状の内周部３とを備えている。センサ本体１０は、外周部２と内周部３との間の円環状の隙間に、軸線Ａ回りの周方向に等間隔をあけて配列され、外周部２と内周部３とを径方向に両持ち梁状に接続する複数、例えば、４本の接続梁部４および、例えば、４本の検出梁部（検出部）５を備えている。

外周部２には、板厚方向に貫通する貫通孔６ａが、周方向に間隔をあけて複数設けられている。内周部３には、板厚方向に貫通するネジ孔６ｂが、周方向に間隔をあけて複数設けられている。

各接続梁部４は、図２に示されるように、それぞれ軸線Ａを通過する直線に沿って径方向に延びる長手軸Ｂを備えている。各接続梁部４の長手軸Ｂ方向の一端は、外周部２の内周面２ａに接続し、他端は内周部３の外周面３ａに接続している。

各接続梁部４の軸線Ａ回りの周方向の両側面４ａは、軸線Ａ方向から見た輪郭形状が、長手軸Ｂに対して線対称に形成されている。各側面４ａの輪郭形状は、長径を長手軸Ｂに平行に配置した楕円の半周分の楕円弧からなる凹状の曲線によって形成されている。楕円弧の長径は、外周部２の内周面２ａと内周部３の外周面３ａとの径方向の間隔と同一の長さを有している。
これにより、各側面４ａは、長手軸Ｂ方向の両端から中央に向かってそれぞれ曲率半径が漸次増大する曲面形状となっている。

各検出梁部５は、それぞれ周方向に隣接する一対の接続梁部４の間に配置され、外周部２と内周部３とを径方向に接続している。検出梁部５の横断面の面積は、接続梁部４の横断面の面積と比較して十分に小さく、外周部２と内周部３との間に周方向のトルクが作用したときには、変形し易い形状を有している。これにより、トルクセンサ１の強度は主として接続梁部４によって受け持たれ、検出梁部５はトルクセンサ１の強度に影響を与えない。

ひずみゲージ２０は、各検出梁部５の表面に、それぞれ１つずつ貼り付けられている。各ひずみゲージ２０は、例えば、薄膜状の抵抗素子であって、各々が貼り付けられている各検出梁部５の変形に応じて抵抗値が変化する。
また、各ひずみゲージ２０は、図示しないブリッジ回路を構成し、抵抗値の変化を電圧の変化として検出する。

このように構成された本実施形態に係るトルクセンサ１の作用について以下に説明する。
トルクセンサ１は、図３に示されるように、例えば、ロボットの関節１００などに取り付けられ、関節１００に設けられるアクチュエータ１１０が出力するトルクの検出に用いられる。

図３に示す例では、トルクセンサ１は、ロボットの関節１００のアクチュエータ１１０を構成する減速機１１１の出力軸１１２と、出力軸１１２に固定されるロボットアーム１２０との間に、軸線Ａを出力軸１１２の回転軸線に一致させて取り付けられる。具体的には、貫通孔６ａを貫通させたボルト７を利用して、外周部２を減速機１１１の出力軸１１２に固定し、内周部３のネジ孔６ｂに締結されるボルト８により、内周部３をロボットアーム１２０に固定する。
これにより、トルクセンサ１は、被検出体である減速機１１１とロボットアーム１２０との間に直接固定される。

この状態において、減速機１１１の出力軸１１２が軸線Ａ回りに回転すると、外周部２と内周部３との間に、軸線Ａ回りの周方向のトルクが作用し、外周部２と内周部３とが、周方向に相対的に微小変位する。また、外周部２と内周部３との微小変位によって、各検出梁部５も変形させられる。
これにより、各検出梁部５に貼り付けられた各ひずみゲージ２０によって、検出梁部５の変形量に応じた電圧値が検出され、減速機１１１の出力軸１１２の回転によって発生したトルクの大きさを検出することができる。

この場合において、外周部２と内周部３との間に軸線Ａ回りのトルクが作用すると、外周部２と内周部３とを接続している各接続梁部４に応力が発生する。特に、各接続梁部４の長手軸Ｂ方向の両端には、より大きな応力が発生する。一方、長手軸Ｂ方向の中央近傍には、ほとんど応力は発生しない。

ここで、接続梁部４の各側面４ａの形状と、接続梁部４に発生する応力の大きさおよび接続梁部４の変形のし易さとの関係について説明する。

図４は、接続梁部４の両側面４ａの長手軸Ｂ方向の一端の軸線Ａ方向から見た輪郭形状を楕円弧にした場合の解析モデルの一部を示す。図５は、図４の楕円弧を円弧に置き換えた場合の解析モデルの一部を示す。両解析モデルに対して、それぞれ接続梁部４の長手軸Ｂ方向の他端に周方向の一定の力を加えたときの接続梁部４に発生する最大応力値と変形量とを計算した。

図６から図８には、図４の解析モデルにおいて楕円弧の短径Ｒを、それぞれＲ_１，Ｒ_２，Ｒ_３（Ｒ_１＞Ｒ_２＞Ｒ_３）に一定とし、長径Ｒａを長手軸Ｂ方向に変化させた場合の最大応力値の変化率を実線で示している。また、図５の解析モデルにおける半径Ｒａを、図４の解析モデルの長径Ｒａの変化に対応して変化させた場合の最大応力値の変化率を破線で示している。同様に、図９から図１１は、両解析モデルの接続梁部４の変形量の変化率を比較した図である。
図６から図１１における変化率とは、各長径Ｒａ又は半径Ｒａにおける最大応力値あるいは変形量を、図４の解析モデルにおいては長径Ｒａを短径Ｒと等しくした場合、図５の解析モデルでは半径ＲａをＲとした場合の最大応力値あるいは変形量で除算した値である。

図６に示す解析結果によれば、接続梁部４に発生する最大応力値を所定の割合Ｐまで減少させるには、図５の解析モデルの場合には、半径ＲａをＲ（＝Ｒ_１）からＲａ１まで増大させる必要がある。一方、図４の解析モデルの場合には、短径Ｒ（＝Ｒ_１）の寸法を増大させることなく、長径ＲａだけをＲａ１よりも大きいＲａ２まで増大させればよいことが分かる。
これにより、接続梁部４の両側面４ａの長手軸Ｂ方向の両端の軸線Ａ方向から見た輪郭形状を楕円弧にすることにより、接続梁部４の長手軸Ｂ方向の両端の長手軸Ｂに直交する方向の幅寸法を増大させることなく、接続梁部４の応力集中を低減することができる。

また、図９に示す解析結果によれば、図４の解析モデルの短径Ｒ（＝Ｒ_１）を維持し、長径ＲａをＲａ２まで増大させた場合の接続梁部４の変形量の変化率は、図５の解析モデルの半径ＲａをＲａ１まで増大させた場合の接続梁部４の変形量の変化率よりも大きい。
すなわち、接続梁部４に発生する最大応力値を所定の割合Ｐまで減少させた図４の解析モデルおよび図５の解析モデルを比較すると、図４の解析モデルの方が、接続梁部４の周方向への変形のし易さが維持され、剛性の過度の増加を抑えることができる。
図７と図１０および、図８と図１１とからも、上記と同様の効果を得られることが分かる。

このように、本実施形態に係るトルクセンサ１によれば、外周部２と内周部３との間に周方向のトルクが作用した場合の、両者の周方向の相対的な変位および、各検出梁部５の変形量をより大きく維持しつつ、接続梁部４に発生する応力集中を低減することができる。
したがって、本実施形態に係るトルクセンサ１は、トルクの検出感度の低下を小さく抑えつつ、接続梁部４の強度を向上することができるという利点がある。

また、図１２から図１４は、図６から図１１と同様に、両解析モデルにおける長径Ｒａあるいは半径Ｒａを変化させた場合の、接続梁部４の変形量の変化率に対する最大応力値の変化率の比率を示している。
図１２に示されるように、図４の解析モデルにおいては、楕円弧の長径Ｒａだけを増大させ、扁平率ｆを５７％まで増大させた場合には、接続梁部４の変形量の変化率と最大応力値の変化率とは、互いに同程度の比率で変化する。これに対して、図５の解析モデルにおいては、半径Ｒａを増大させた場合には、最大応力値の変化率よりも変形量の変化率の方が大きく上回っている。

また、図１３および図１４においても、図４の解析モデルの楕円弧の扁平率ｆが０％よりも大きく５７％以下の範囲においては、図５の解析モデルに比べて、接続梁部４の変形量の変化率よりも最大応力値の変化率が大きく上回っている。

これらの結果からも、接続梁部４の両側面４ａの長手軸Ｂ方向の両端の軸線Ａ方向から見た輪郭形状を楕円弧とすることにより、扁平率ｆの値に関わらず、接続梁部４の周方向の剛性の過度の増加を抑えつつ、接続梁部４の応力集中を緩和することができると言える。
また、この場合の図４の解析モデルにおいて、楕円弧の扁平率ｆは、好ましくは、０％以上５７％以下であり、より好ましくは、２０％以上５５％以下である。

なお、本実施形態においては、接続梁部４の各側面４ａの軸線Ａ方向から見た輪郭形状を、長径を長手軸Ｂに平行に配置した楕円の半周分の楕円弧により構成した。これに代えて、図１５に示すように、接続梁部４の両側面４ａの軸線Ａ方向から見た輪郭形状を、それぞれ長手軸Ｂ方向の中央における長手軸Ｂに平行な直線と、長手軸Ｂ方向の両端における長手軸Ｂに平行な長径を有する楕円弧とからなる形状としてもよい。

これにより、接続梁部４の両側面４ａのうち、最も応力が集中しやすい長手軸Ｂ方向の両端における必要最小限の範囲だけが、軸線Ａ方向から見た輪郭形状が楕円弧となる曲面で形成される。これにより、接続梁部４の軸線Ａ回りの周方向の剛性の増加をより小さく抑えるとともに、接続梁部４に発生する応力集中を低減することができる。

また、本実施形態においては、接続梁部４の各側面４ａの長手軸Ｂ方向の両端における軸線Ａ方向から見た輪郭形状を互いに異ならせてもよい。
これにより、例えば、接続梁部４の長手軸Ｂ方向の両端に発生する応力の分布が均等でないことが予め予見されている場合には、その予見される応力分布に応じて、接続梁部４の各側面４ａの長手軸Ｂ方向の両端の曲面をそれぞれ最適な形状に設定することができる。

また、本実施形態においては、図１６に示されるように、接続梁部４の各側面４ａの軸線Ａ方向から見た輪郭形状が、長手軸Ｂに対して傾いた方向に長径を配置した楕円弧の一部によって形成されてもよい。

また、本実施形態においては、接続梁部４を４本としたが、２本、３本あるいは５本以上であってもよい。
また、本実施形態においては、検出梁部５をセンサ本体１０の一部としたが、これに代えて、検出梁部５をセンサ本体１０とは別体とし、ボルト等によって外周部２と内周部３との間に径方向に跨って固定されてもよい。

また、本実施形態においては、ひずみゲージ２０を検出梁部５の表面に貼り付ける構成としたが、これに代えて、各接続梁部４の表面に１つずつ貼り付けられてもよい。この場合、検出梁部５を省略することができるので、トルクセンサ１の構成をより簡易なものとすることができる。

また、検出梁部５の変形量を検出する部品として、電気抵抗式のひずみゲージ２０を例示したが、これに限定されるものではなく、静電容量センサや光学センサあるいは磁歪センサ等、他の任意の方式のセンサを採用してもよい。
例えば、静電容量センサを採用した場合には、一対の対向して配置される電極を、外周部２と内周部３との間に作用する周方向のトルクによって、電極間の距離あるいは、対向面積が変化する構成とすればよい。

また、本実施形態においては、接続梁部４の各側面４ａの軸線Ａ方向から見た輪郭形状を楕円弧により構成したが、これに代えて、接続梁部４の長手軸Ｂ方向の両端から中央に向かって、曲率半径が漸次大きくなる任意の凹状の曲線によって構成してもよい。

１トルクセンサ
２外周部
２ａ内周面
３内周部
３ａ外周面
４接続梁部
４ａ側面
５検出梁部（検出部）
２０ひずみゲージ（検出部）
Ａ軸線（中心軸）
ｆ扁平率
Ｒａ長径

Claims

径方向に間隔をあけて同芯に配置された円環状の外周部および内周部と、
周方向に間隔をあけて前記外周部と前記内周部との間を接続する複数の両持ち梁状の接続梁部と、
前記外周部と前記内周部との間に加わる中心軸回りのトルクを検出する検出部とを備え、
前記接続梁部の周方向の両側面が、前記中心軸方向から見て、前記外周部の内周面および前記内周部の外周面から前記接続梁部の長さ方向の中央に向かって、それぞれ曲率半径が漸次増大する凹状の曲面形状を有し、
前記曲面形状が、長径を前記接続梁部の長さ方向に平行に配置した楕円の一部により構成されているトルクセンサ。
前記接続梁部の周方向の各前記側面の前記外周部から前記内周部までの前記曲面形状が、単一の楕円の一部によって構成されている請求項１に記載のトルクセンサ。
前記接続梁部の周方向の各前記側面において、前記外周部の前記内周面から前記接続梁部の長さ方向の中央に向かう前記曲面形状と、前記内周部の前記外周面から前記接続梁部の長さ方向の中央に向かう前記曲面形状とが互いに異なる請求項１に記載のトルクセンサ。
前記楕円の扁平率が、０％より大きく５７％以下である請求項１に記載のトルクセンサ。
前記楕円の扁平率が、２０％以上であり５５％以下である請求項１に記載のトルクセンサ。