JP7589091B2

JP7589091B2 - トルクセンサ

Info

Publication number: JP7589091B2
Application number: JP2021060811A
Authority: JP
Inventors: 啓也星野; 貴敏井ノ口; 嵩幸遠藤
Original assignee: Nidec Components Corp
Current assignee: Nidec Components Corp
Priority date: 2021-03-31
Filing date: 2021-03-31
Publication date: 2024-11-25
Anticipated expiration: 2041-03-31
Also published as: EP4317928A4; US20230408354A1; JP2022156891A; WO2022209109A1; CN116940819A; EP4317928A1

Description

本発明の実施形態は、例えばロボットアーム等に適用されるトルクセンサに関する。

トルクセンサは、例えば環状の第１構造体と、第１構造体と同心状に配置された環状の第２構造体と、第１構造体と第２構造体とを接続する複数の第３構造体と、第１構造体と第２構造体との間に設けられた歪センサを具備する。第１構造体と第２構造体は、例えばロボットアームの関節に取り付けられ、アームの動作に従ってトルクを検出する。（例えば特許文献１参照）。

特開２０２１－１２０２４号公報

トルクセンサの第１構造体は、例えば筒状のアームの内側に固定され、第２構造体は、例えば基台に設けられたモータの出力軸に固定される。第１構造体は、その外側面の一部が筒状のアームの内面に接触される。第１構造体とアームの内面との接触面積は、僅かであるため、アームの軸心に対して第１構造体の軸心が斜めに取り付けられた場合、例えば水平方向のトルクに対して垂直方向のトルクの影響を受ける他軸干渉が生じ、トルクを正確に検出することができない。

本実施形態は、第１構造体をアームに対して正確に取り付けることが可能なトルクセンサを提供する。

本実施形態のトルクセンサは、環状の第１面と、前記第１面に平行な環状の第２面と、前記第１面と第２面の外周を繋ぐ第３面と、前記第１面と第２面の内周を繋ぐ第４面と、を含む第１構造体と、前記第１構造体の内側に同心状に配置された環状の第２構造体と、前記第１構造体と第２構造体とを接続する複数の第３構造体と、前記第１構造体と第２構造体との間に接続された複数の歪センサと、を具備し、前記第１構造体は、前記第３面の一部に、前記第１面から前記第２面方向に高くなる傾斜部と、前記傾斜部と連続し、前記第３面に平行で直線状の接触部と、を含む複数の突起を具備する。

本実施形態に係るトルクセンサを示す平面図。図１の側面図。図２のＡ部を拡大して示す斜視図。本実施形態に係るトルクセンサをロボットアームに取り付けた場合を示すものであり、一部を断面とした斜視図。図４のＢ部を示す断面図。図５の比較例を示す断面図。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。図面において、同一部分又は同一機能を有する部分には、同一符号を付している。

図１、図２は、本実施形態に係るトルクセンサを示している。トルクセンサ１０は、第１構造体１１と、第２構造体１２と、複数の第３構造体１３と、複数の歪センサ１４などを具備している。

第１構造体１１と、第２構造体１２は、環状に形成され、第２構造体１２は、第１構造体１１の内側に同心状に配置されている。第１構造体１１と第２構造体１２は、放射状に配置された複数の梁としての第３構造体１３により接続されている。複数の第３構造体１３は、第１構造体１１と第２構造体１２との間でトルクを伝達する。

第１構造体１１、第２構造体１２、及び複数の第３構造体１３は、金属、例えばステンレス鋼により構成されるが、印加されるトルクに対して機械的に十分な強度を得ることができれば、金属以外の材料を使用することも可能である。

第１構造体１１及び第２構造体１２は、例えば同じ厚みを有し、複数の第３構造体１３の厚みは、第１構造体１１及び第２構造体１２の厚みより薄い。トルクセンサ１０の機械的な強度は、第３構造体１３の厚みや幅、長さにより設定される。

第１構造体１１と第２構造体１２との間で、複数の第３構造体以外の位置には、複数の歪センサ１４が設けられる。複数の歪センサ１４は、第１構造体１１及び第２構造体１２の中心（トルクの作用中心）に対して対称な位置に等間隔に配置される。具体的には、図１において、８個の歪センサ１４は、それぞれ例えば４５°離れた位置に配置される。歪センサ１４の数は、８個に限定されるものではなく、例えば４個、３個、２個であってもよい。

各歪センサ１４は、起歪体１４ａと、図示せぬ歪ゲージとしての例えば複数の薄膜抵抗を具備している。複数の薄膜抵抗は、起歪体１４ａ上に配置される。起歪体１４ａの厚みは、第３構造体１３の厚みより薄い。複数の薄膜抵抗は、ブリッジ回路を構成する。

起歪体１４ａの一端部は、第１構造体１１上に固定され、起歪体１４ａの他端部は、第２構造体１２上に固定される。起歪体１４ａの固定方法は、例えばネジ止め、溶接、接着材を用いた接着を用いることが可能である。ネジ止めの場合、起歪体１４ａの両端部上に図示せぬ押え部材がそれぞれ載置され、これら押え部材がネジにより第１構造体１１及び第２構造体に固定されることにより、起歪体１４ａが第１構造体１１及び第２構造体に固定される。

図２に示すように、第１構造体１１は、第１面としての上面１１ａと、上面１１ａに平行な第２面としての下面１１ｂと、上面１１ａと下面１１ｂとを繋ぐ第３面としての外側面１１ｃと、上面１１ａと下面１１ｂとを繋ぐ第４面としての内側面１１ｄ（図１に示す）と、を有している。

外側面１１ｃの厚み方向ほぼ中央には、段部１１ｅが設けられている。このため、第１構造体１１の段部１１ｅと上面１１ａとの間の外側面の直径は、段部１１ｅと下面１１ｂとの間の外側面の直径より小さくされている。

第１構造体１１の段部１１ｅと上面１１ａとの間の外側面には、複数の突起１１ｆが設けられている。各突起１１ｆは、例えば９０°離れた位置に配置されている。本実施形態において、突起１１ｆの数は、４個であるが、これに限定されるものではなく、例えば３個、５個、６個、８個であってもよい。

図３は、突起１１ｆの具体的な構成を示している。突起１１ｆは、略三角形の面を有する傾斜部１１ｇと、直線状の接触部１１ｈとを具備している。傾斜部１１ｇは、第１構造体１１の上面１１ａから下面１１ｂ方向に向かって高くなるように傾斜している。傾斜部１１ｇの頂点の高さは、段部１１ｅと下面１１ｂとの間の外側面と一致されている。接触部１１ｈは、傾斜部１１ｇの頂点から連続し、下面１１ｂ方向に向かって段部１１ｅまで延びている。したがって、接触部１１ｈの高さは、段部１１ｅと下面１１ｂとの間の外側面と一致されている。

第１構造体の厚みをＴ１とした場合、突起１１ｆの長さＴ２は、第１構造体の上面１１ａから段部１１ｅまでの長さＴ２と等しく、長さＴ２は、例えば第１構造体１１の厚みＴ１の１／３より長く、厚みＴ１の１／２以下（Ｔ１／３＜Ｔ２≦Ｔ１／２）である。つまり、突起１１ｆの長さＴ２は、第１構造体１１の厚みＴ１の１／３以上で１／２以下である。また、接触部１１ｈの長さは、例えば突起１１ｆの長さの１／２以上で２／３以下である。

尚、段部１１ｅは必ずしも必要ではなく、第１構造体１１の外側面１１ｃに複数の突起１１ｆが設けられていてもよい。

図４は、本実施形態に係るトルクセンサをロボットアームに取り付けた場合を示しており、図５は、図４のＢ部を拡大して示している。

ロボットアームの筒状の本体２０の内部に環状の取り付け部材２１が設けられている。取り付け部材２１は、環状の第４構造体２１ａと筒状の第５構造体２１ｂとを具備している。第４構造体２１ａは、トルクセンサ１０の第１構造体１１の上面１１ａと平行であり、筒状の第５構造体２１ｂは、第４構造体２１ａに垂直で、第１構造体１１の外側面１１ｃと平行である。筒状の第５構造体２１ｂの内面の直径は、第１構造体の複数の突起１１ｆと下面１１ｂとの間の外側面の直径より僅かに大きい。

トルクセンサ１０を取り付け部材２１に取り付ける場合、トルクセンサ１０が筒状の第５構造体２１ｂ内に挿入される。このとき、先ず、トルクセンサ１０の突起１１ｆに設けられた傾斜部１１ｇが筒状の第５構造体２１ｂ内に挿入され、この後、突起１１ｆの接触部１１ｈが第５構造体２１ｂの内面に接触した状態で挿入される。さらに、トルクセンサ１０が筒状の第５構造体２１ｂ内に挿入されると、図５に示すように、取り付け部材２１の第４構造体２１ａに第１構造体１１の上面１１ａが接触される。この状態において、取り付け部材２１の第５構造体２１ｂに設けられた複数の穴２１ｃに図示せぬネジが挿入され、第１構造体１１の上面１１ａに設けられた複数のネジ穴１１ｉ（図１に示す）のそれぞれにネジが螺合される。このようにして、トルクセンサ１０が取り付け部材２１に取り付けられる。

尚、第５構造体２１ｂの内面に段部２１ｃを設け、第１構造体１１と第５構造体２１ｂの内面との間に隙間を設けることにより、第５構造体２１ｂに対してトルクセンサ１０を挿入し易くすることができる。

（実施形態の効果）
上記実施形態によれば、トルクセンサ１０は、外側面１１ｃに複数の突起１１ｆを有し、各突起１１ｆは、傾斜部１１ｇと直線状の接触部１１ｈとを具備している。このため、トルクセンサ１０をロボットアームに取り付ける場合、各突起１１ｆの傾斜部１１ｇが筒状の第５構造体２１ｂへ挿入する際に案内として機能するため、挿入が容易である。

しかも、突起１１ｆの接触部１１ｈが筒状の第５構造体２１ｂに線接触するため、トルクセンサ１０の第１構造体１１の軸心が筒状の第５構造体２１ｂの軸心に対して斜めに装着されることを防止できる。したがって、トルクセンサ１０をロボットアーム２０に対して正確に取り付けることができるため、他軸干渉を防止してトルクの検出精度を向上させることが可能である。

さらに、突起１１ｆの長さは、第１構造体１１の厚みの１／３以上で１／２以下であり、接触部１１ｈの長さは、突起１１ｆの長さの１／２以上で２／３以下である。このため、筒状の第５構造体２１ｂに対して十分に線接触することができる。したがって、接触の安定性を保持することが可能である。

具体的には、図６に示す比較例のように、突起１１ｆの長さが短い場合、突起１１ｆは第５構造体２１ｂと十分に線接触できない。このため、第１構造体１１の軸心が筒状の第５構造体２１ｂの軸心に対して斜めに装着され、他軸干渉が生じる。

さらに、本実施形態において、複数の突起１１ｆは、第１構造体１１の周囲に等間隔に配置されている。このため、トルクセンサ１０が筒状の第５構造体２１ｂに対して斜めに装着されることを防止できる。

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。

１１…第１構造体、１１ａ…上面、１１ｂ…下面、１１ｃ…外側面、１１ｄ…内側面、１１ｅ…段部、１１ｆ…突起、１１ｇ…傾斜部、１１ｈ…接触部、１２…第２構造体、１３…第３構造体、１４…歪センサ、１４ａ…起歪体。

Claims

環状の第１面と、前記第１面に平行な環状の第２面と、前記第１面と第２面の外周を繋ぐ第３面と、前記第１面と第２面の内周を繋ぐ第４面と、を含む第１構造体と、
前記第１構造体の内側に同心状に配置された環状の第２構造体と、
前記第１構造体と第２構造体とを接続する複数の第３構造体と、
前記第１構造体と第２構造体との間に接続された複数の歪センサと、
を具備し、
前記第１構造体は、前記第３面の一部に、前記第１面から前記第２面方向に高くなる傾斜部と、前記傾斜部の頂点から連続し、前記第３面に平行で直線状の接触部と、を含む複数の突起
を具備することを特徴とするトルクセンサ。
前記複数の突起の長さは、前記第１構造体の厚みの１／３以上で１／２以下であることを特徴とする請求項１記載のトルクセンサ。
前記接触部の長さは、前記突起の長さの１／２以上で２／３以下であることを特徴とする請求項２記載のトルクセンサ。
前記複数の突起は、前記第１構造体の周囲に等間隔に配置されることを特徴とする請求項３記載のトルクセンサ。
前記第１構造体は、前記第３面に段部を有し、前記第１構造体の前記段部と前記第１面との間の外側面の直径は、前記段部と前記第２面側との間の外側面の直径より小さく、前記複数の突起は、前記段部と前記第１面との間の外側面に設けられることを特徴とする請求項４記載のトルクセンサ。