JP2025080260A - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 トルクセンサ全体が小型化し易くなる位置に回路基板が設けられるトルクセンサを提供することにある。
【解決手段】 トルクセンサ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を接続する複数の第３構造体１３と、第１構造体１１と第２構造体１２との間に設けられたセンサ部１４と、第１構造体１１又は第２構造体１２の外周の側面又は内周の側面に形成された溝１１１に収納され、センサ部１４により検出された歪みに基づいて、トルクを検出するための回路基板１５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、トルクを検出するトルクセンサに関する。

環状に形成された第１構造体と第２構造体が同心円状に配置され、外側に位置する第１構造体と内側に位置する第２構造体との間に設けられた歪センサにより、トルクを検出するトルクセンサが知られている。また、このようなトルクセンサにおいて、内側の第２構造体の中心にある空間にケースを設け、このケースの内部に処理回路を設けることが開示されている（特許文献１参照）。

特開２０２２－１０７２０７号公報

しかしながら、トルクを検出するための回路基板を設ける位置により、トルクセンサ全体を小型化することが困難になる。
本実施形態は、トルクセンサ全体が小型化し易くなる位置に回路基板が設けられるトルクセンサを提供することにある。

本実施形態によれば、トルクセンサ全体が小型化し易くなる位置に回路基板が設けられるトルクセンサを提供することができる。

本発明の実施形態のトルクセンサは、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構造体を接続する複数の第３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センサ部と、前記第１構造体又は前記第２構造体の外周の側面又は内周の側面に形成された溝に収納され、前記センサ部により検出された歪みに基づいて、トルクを検出するための回路基板とを備える。

第１実施形態に係るトルクセンサの構成を簡易的に示した構成図。 第１実施形態に係る第１構造体を図１のＡ－Ａ線で切断した断面図。 第２実施形態に係るトルクセンサの構成を簡易的に示した構成図。 第２実施形態に係る第１構造体を図３のＢ－Ｂ線で切断した断面図。 第３実施形態に係るトルクセンサの構成を簡易的に示した構成図。 第３実施形態に係る第１構造体を図５のＣ－Ｃ線で切断した断面図。 第４実施形態に係るトルクセンサの構成を簡易的に示した構成図。 第４実施形態に係る第１構造体、第２構造体及び第３構造体による構成の一部を示す斜視図。 第４実施形態に係るトルクセンサを図７のＤ－Ｄ線で切断した断面図。

（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の構成を簡易的に示した構成図である。図２は、本実施形態に係る第１構造体１１を図１のＡ－Ａ線で切断した断面図である。図面において、同一部分には、同一符号を付している。

トルクセンサ１０は、トルクＭｚを検出するセンサである。トルクＭｚは、図１に示すｚ軸（回転軸方向）のモーメントである。ここで、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸は、互いに直交する。なお、トルクセンサ１は、少なくともトルク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。

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、及び、回路基板１５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Ｍｚ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。

第１構造体１１の外周の側面には、少なくとも１つの回路基板１５を収納するための少なくとも１つの溝１１１が形成される。溝１１１は、第１構造体１１の外周に沿って、第１構造体１１の厚さ方向の間に形成される。溝１１１は、第１構造体１１の外周を一周するように１つに繋がっていてもよいし、複数の回路基板１５のそれぞれが収納されるように、複数の溝１１１が形成されてもよい。溝１１１が１つの場合は、回路基板１５も１つに繋がっていてもよいし、複数の回路基板１５が１つの溝１１１に収納されてもよい。第１構造体１１の内周側には、回路基板１５と接続される配線等を収納するための空洞１１２が設けられる。空洞１１２は、配線等のし易さの観点から、溝１１１と隣接する位置に形成されるのが望ましい。なお、空洞１１２は、設けられなくてもよい。

溝１１１及び回路基板１５は、任意の数及び任意の形状にすることができる。図１では、第１構造体１１の外周の約半分の長さの２つの溝１１１が左右対称に設けられており、溝１１１に収納される回路基板１５は、第１構造体１１の外周の円の約半分の長さの弧状の平板形状である。

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。例えば、第３構造体１３は、円周方向に等間隔（４５度間隔）で８つ設けられる。なお、第３構造体１３は、いくつ設けられてもよい。例えば、第３構造体１３は、複数のセンサ部１４のそれぞれと対応するように、センサ部１４と同数設けられる。

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。例えば、センサ部１４は、第３構造体１３に設けられるが、第３構造体１３以外の場所に設けられてもよい。ここでは、センサ部１４は、第３構造体１３のそれぞれに設けられ、円周方向に等間隔（４５度間隔）で８つ設けられた構成を示したが、これに限らない。センサ部１４は、いくつ設けてもよく、第３構造体１３と同数でなくてもよい。例えば、センサ部１４は、２つ、４つ、６つ、又は８つ等、偶数個設けられる。

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。例えば、センサ部１４は、歪みが生じる起歪体の表面に歪ゲージ等のセンサ素子が設けられた構成である。センサ素子は、フルブリッジ回路又はブリッジ回路等の電気回路を構成する。センサ部１４により検出された歪みを示すデータは、電気信号として回路基板１５に送信される。例えば、センサ部１４は、フレキシブル基板（flexible printed circuit board）等の配線により、回路基板１５と電気的に接続される。

回路基板１５は、センサ部１４で検出された歪みを電気信号として、センサ部１４から受信する。回路基板１５は、センサ部１４で検出された歪みに基づいて、印加されたトルクＭｚを検出するための電気回路が構成された基板である。例えば、回路基板１５は、プリント基板(PCB, Printed Circuit Board）である。回路基板１５は、溝１１１の内部に設置される。全てのセンサ部１４は、少なくとも１つの回路基板１５と接続される。センサ部１４と接続される配線は、第１構造体１１に形成された空洞１１２に収納されてもよい。

各センサ部１４は、どの回路基板１５と接続されてもよい。各回路基板１５に接続されるセンサ部１４の数は、均等になるように決定されることが望ましい。また、各センサ部１４は、最も近くにある回路基板１５に接続されるのが望ましい。１つのセンサ部１４から同距離に複数の回路基板１５が位置している場合は、そのセンサ部１４に接続される回路基板１５は、どのように決定されてもよい。

例えば、図１において、２つの回路基板１５に接続されるセンサ部１４は、次のように決定される。２つの回路基板１５が左右対称に位置するように、トルクセンサ１０を半分に分ける。左半分にある３つのセンサ部１４は、左側の回路基板１５に接続される。右半分にある３つのセンサ部１４は、右側の回路基板１５に接続される。半分にした線上にある２つのセンサ部１４は、２つの回路基板１５に均等に接続されるように、それぞれ別々の回路基板１５に接続される。例えば、上側にあるセンサ部１４は、左側の回路基板１５に接続され、下側にあるセンサ部１４は、右側の回路基板１５に接続される。

本実施形態によれば、第１構造体１１の外周の側面に溝１１１を形成し、センサ部１４と接続される回路基板１５を溝１１１に収納するように配置することで、トルクセンサ１０の全体の大きさを小さくすることができる。

例えば、回路基板１５を環状の第２構造体１２の中心にある円形の空間に設ける場合、この空間は、回路基板１５を設けるために、ある程度の大きさを確保しなければならない。この空間を大きくすると（空間の外形の円を大きくすると）、第２構造体１２の外形が大きくなり、さらに、第１構造体１１の外形も大きくなる。これに対して、本実施形態であれば、第２構造体１２の中心にある空間は無くてもよいため、この空間を限りなく小さくすることができる。したがって、第１構造体１１及び第２構造体１２を小さくすることで、トルクセンサ１０を全体的に小さくすることができる。

なお、本実施形態では、第１構造体１１の外周の側面に溝１１１が形成されたが、第２構造体１２の外周の側面に溝１１１が形成されてもよい。この場合、後述する第２実施形態の溝１１１Ａと同様に、溝１１１は、第２構造体１２の第３構造体１３との接続箇所を避けるように設けられてもよい。例えば、溝１１１は、隣接する２つの第３構造体１３の間に形成されてもよい。溝１１１が第２構造体１２の外周に形成される場合も、本実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（第２実施形態）
図３は、第２実施形態に係るトルクセンサ１０Ａの構成を簡易的に示した構成図である。図４は、本実施形態に係る第１構造体１１Ａを図３のＢ－Ｂ線で切断した断面図である。

トルクセンサ１０Ａは、回路基板１５を収納するための溝１１１Ａが第１構造体１１Ａの内周の側面に形成された構成である。その他の点は、第１実施形態に係るトルクセンサ１０と基本的に同様である。ここでは、主に、第１実施形態と異なる点について説明する。

第３構造体１３は、円周方向に等間隔（９０度間隔）で４つ設けられる。センサ部１４は、第３構造体１３のそれぞれに設けられる。なお、第１実施形態と同様に、第３構造体１３は、いくつ設けられてもよい。また、センサ部１４は、第３構造体１３以外の場所に設けられてもよいし、いくつ設けられてもよい。

第１構造体１１Ａの内周の側面には、少なくとも１つの回路基板１５を収納するための少なくとも１つの溝１１１Ａが形成される。溝１１１Ａは、第１構造体１１Ａの内周に沿って、第１構造体１１Ａの厚さ方向の間に形成される。各溝１１１Ａは、隣接する２つの第３構造体１３の間に位置する第１構造体１１Ａの内周の側面に形成される。即ち、溝１１１Ａは、第３構造体１３の接続箇所を避けるように形成される。例えば、溝１１１Ａは、図３に示すように、第１構造体１１Ａの内周上において、第３構造体１３の接続箇所と重ならないように形成される。

なお、溝１１１Ａは、いくつ設けられてもよいし、第１構造体１１Ａの内周を一周するように１つに繋がっていてもよい。また、溝１１１Ａは、第１構造体１１Ａの内周上において、第３構造体１３の接続箇所と重なる位置に設けられてもよい。例えば、第１構造体１１Ａの内周の側面において、第３構造体１３の接続箇所の上又は下に、溝１１１Ａが形成されてもよい。

第１構造体１１Ａの外周側には、第１実施形態に係る空洞１１２と同様に、回路基板１５と接続される配線等を収納するための空洞１１２Ａが設けられる。なお、空洞１１２Ａは、設けられなくてもよい。

溝１１１Ａ及び回路基板１５は、第１実施形態と同様に、任意の数及び任意の形状にすることができる。例えば、図３に示すように、全ての隣接する２つの第３構造体１３の間に溝１１１Ａが形成される。これにより、４つの溝１１１Ａが形成される。各溝１１１Ａに収納されるように、４つの回路基板１５が設けられる。回路基板１５は、溝１１１Ａに収納されるような形状に形成される。４つの溝１１１Ａが設けられる場合、溝１１１Ａの形状は、環状の第１構造体１１Ａを円周方向で４分割した形状よりも小さくなる。回路基板１５は、溝１１１Ａの形状よりもさらに小さい形状に形成される。例えば、溝１１１Ａは、第１構造体１１の内周の４分の１の長さよりも短い弧状の空間を形成し、回路基板１５は、溝１１１Ａのこの空間に収納されるような弧状の平板形状である。

各センサ部１４は、第１実施形態と同様に、どの回路基板１５と接続されてもよい。例えば、各センサ部１４は、最も近くにある回路基板１５に接続される。図３に示すトルクセンサ１０Ａの場合、４つのセンサ部１４と４つの回路基板１５は、１対１で対応するように接続される。

本実施形態によれば、第１構造体１１Ａの内周の側面に溝１１１Ａを形成し、センサ部１４と接続される回路基板１５を溝１１１Ａに収納するように配置することで、第１実施形態と同様に、トルクセンサ１０Ａを全体的に小さくすることができる。

なお、トルクセンサ１０Ａでは、第１構造体１１Ａの内周の側面に溝１１１Ａが形成されたが、第２構造体１２の内周の側面に溝１１１Ａが形成されてもよい。この場合も、本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５は、第３実施形態に係るトルクセンサ１０Ｂの構成を簡易的に示した構成図である。図６は、本実施形態に係る第１構造体１１Ｂを図５のＣ－Ｃ線で切断した断面図である。

トルクセンサ１０Ｂは、回路基板１５ａ，１５ｂを収納するための溝１１１ａ，溝１１１ｂが第１構造体１１Ｂの外周の側面及び内周の側面にそれぞれ形成された構成である。

第１構造体１１Ｂの外周の側面に形成された溝１１１ａ及びこの溝１１１ａに設けられた回路基板１５ａは、第１実施形態に係る溝１１１及び回路基板１５と同様である。

第１構造体１１Ｂの内周の側面に形成された溝１１１ｂ及びこの溝１１１ｂに設けられた回路基板１５ｂは、第２実施形態に係る溝１１１Ａ及び回路基板１５と同様である。

その他の点は、第１実施形態又は第２実施形態と基本的に同様である。ここでは、主に、第１実施形態及び第２実施形態と異なる点について説明する。

外周側の回路基板１５ａ及び内周側の回路基板１５ｂは、２つが組み合わさることで、第１実施形態に係る回路基板１５に相当してもよいし、それぞれが第１実施形態に係る回路基板１５に相当してもよい。また、外周側の回路基板１５ａと内周側の回路基板１５ｂは、電気的に又は回路的に接続されてもよい。

外周側の溝１１１ａ及び内周側の溝１１１ｂのいずれか一方は、回路基板１５ａ，１５ｂが設けられなくてもよいし、回路基板１５ａ，１５ｂの代わりに、配線等が収納されてもよい。

各センサ部１４は、第１実施形態又は第２実施形態と同様に、どの回路基板１５ａ，１５ｂと接続されてもよい。例えば、各センサ部１４は、最も近くにある回路基板１５ａ，１５ｂに接続される。１つのセンサ部１４が１つの回路基板１５ａ，１５ｂに接続されてもよいし、１つのセンサ部１４が外周側の回路基板１５ａと内周側の回路基板１５ｂのそれぞれに接続されてもよい。

本実施形態によれば、第１構造体１１Ｂの外周の側面及び内周の側面に溝１１１ａ，１１１ｂをそれぞれ形成し、回路基板１５ａ，１５ｂを溝１１１ａ，１１１ｂにそれぞれ収納するように配置することで、第１実施形態又は第２実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

なお、本実施形態では、第１構造体１１Ｂの外周の側面及び内周の側面に溝１１１ａ，１１１ｂをそれぞれ形成したが、第２構造体１２の外周の側面及び内周の側面に溝１１１ａ，１１１ｂをそれぞれ形成してもよい。この場合も、本実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（第４実施形態）
図７は、第４実施形態に係るトルクセンサ１０Ｃの構成を簡易的に示した構成図である。図８は、本実施形態に係る第１構造体１１Ｃ、第２構造体１２Ｃ及び第３構造体１３Ｃによる構成の一部を示す斜視図である。図９は、本実施形態に係るトルクセンサ１０Ｃを図７のＤ－Ｄ線で切断した断面図である。

トルクセンサ１０Ｃは、第１から第３実施形態に係るトルクセンサ１０，１０Ａ，１０Ｂと基本的に同様である。ここでは、主に、第１から第３実施形態と異なる点について説明する。

図８は、図７に示すトルクセンサ１０Ｃの第３構造体１３Ｃが含まれる部分を切り取った構成を示している。トルクセンサ１０Ｃは、図８に示すように、第１構造体１１Ｃ及び第２構造体１２Ｃが段差を付けて設けられている。第３構造体１３Ｃは、段差のある第１構造体１１Ｃと第２構造体１２Ｃを接続するように設けられる。

センサ部１４は、図７に示すように、第３構造体１３Ｃ以外の部分に設けられてもよいし、第３構造体１３Ｃに設けられてもよい。

回路基板１５Ｃａを収納するための溝１１１Ｃａは、第１構造体１１Ｃの外周の側面に形成される。回路基板１５Ｃｂを収納するための溝１１１Ｃｂは、第２構造体１２Ｃの内周の側面に形成される。溝１１１Ｃａ及び溝１１１Ｃｂは、第３実施形態に係る溝１１１ａ，１１１ｂとそれぞれ同様である。回路基板１５Ｃａ及び回路基板１５Ｃｂは、第３実施形態に係る回路基板１５ａ及び回路基板１５ｂとそれぞれ同様である。

本実施形態によれば、第１構造体１１Ｃと第２構造体１２Ｃに段差があるトルクセンサ１０Ｃにおいて、第１構造体１１Ｃ及び第２構造体１２Ｃのそれぞれに溝１１１Ｃａ，溝１１１Ｃｂを形成し、回路基板１５Ｃａ，１５Ｃｂを溝１１１Ｃａ，１１１Ｃｂに収納するように配置することで、第１実施形態から第３実施形態のいずれか少なくとも１つと同様の作用効果を得ることができる。

なお、本実施形態では、第１構造体１１Ｃの外周の側面に溝１１１Ｃａを形成し、第２構造体１２Ｃの内周の側面に溝１１１Ｃｂを形成したが、いずれか一方の溝１１１Ｃａ，１１１Ｃｂのみを形成してもよい。また、外周側の溝１１１Ｃａ及び内周側の溝１１１Ｃｂにそれぞれ収納された回路基板１５Ｃａ，１５Ｃｂは、いずれか一方の回路基板１５Ｃａ，１５Ｃｂのみが設けられてもよい。この場合も、本実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

なお、追加の利点及び修正について当業者により容易に生じることがある。したがって、そのより広い態様における本発明は、本明細書に示して説明される特定の詳細で代表的な実施形態に限定されない。したがって、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物により定義される一般的な発明の概念の精神又は範囲から逸脱することなく、様々な修正を行うことができる。

１０…トルクセンサ、１１…第１構造体、１２…第２構造体、１３…第３構造体、１４…センサ部、１５…回路基板、１１１…溝、１１２…空洞。

Claims (3)

1. 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構造体を接続する複数の第３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センサ部と、
   前記第１構造体又は前記第２構造体の外周の側面又は内周の側面に形成された溝に収納され、前記センサ部により検出された歪みに基づいて、トルクを検出するための回路基板と
   を備えることを特徴とするトルクセンサ。
2. 前記第１構造体又は前記第２構造体に形成された空洞に収納され、前記センサ部と前記回路基板を電気的に接続する配線
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
3. 前記回路基板が収納される前記溝は、前記第１構造体の内周の側面又は前記第２構造体の外周の側面において隣接する２つの前記第３構造体の間に形成されたこと
   を特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。

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