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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024116460
(43)【公開日】2024-08-28
(54)【発明の名称】トルクセンサ
(51)【国際特許分類】
G01L 3/10 20060101AFI20240821BHJP
【ＦＩ】
G01L3/10 311
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023022090
(22)【出願日】2023-02-16
(71)【出願人】
【識別番号】000105659
【氏名又は名称】ニデックコンポーネンツ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001737
【氏名又は名称】弁理士法人スズエ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 隆史
(57)【要約】
【課題】 本発明の実施形態は、小型で軽量であり、トルクの測定精度を向上することが可能なトルクセンサを提供する。
【解決手段】 第１取り付け部１１ａは、構造体３１の表面に取着される。第２取り付け部１１ｂは、構造体の表面に取着される。第１支持部１１ｃは、第１取り付け部に設けられる。第２支持部１１ｄは、第２取り付け部に設けられ、第１支持部と対向して配置される。起歪体２１は、第１端部が第１支持部に取り付けられ、第２端部が第２支持部に取り付けられ、表面に複数の歪ゲージが配置される。構造体は、多関節ロボットアームの少なくとも１つのアームであり、第１支持部と、起歪体と、第２支持部は、少なくとも１つのアームのトルクが印加される部分の近傍で、少なくとも１つのアームの表面に配置される。
【選択図】図１Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
構造体と、
前記構造体の表面に取着される第１取り付け部と、
前記構造体の表面に取着される第２取り付け部と、
前記第１取り付け部に設けられた第１支持部と、
前記第２取り付け部に設けられ、前記第１支持部と対向して配置された第２支持部と、
第１端部が前記第１支持部に取り付けられ、第２端部が前記第２支持部に取り付けられ、表面に複数の歪ゲージが配置された起歪体と、
を具備し、
前記構造体は、多関節ロボットアームの少なくとも１つのアームであり、
前記第１支持部と、前記起歪体と、前記第２支持部は、前記少なくとも１つのアームのトルクが印加される部分の近傍で、前記少なくとも１つのアームの表面に配置されることを特徴とするトルクセンサ。
前記構造体の表面に取着される第１取り付け部と、
前記構造体の表面に取着される第２取り付け部と、
前記第１取り付け部に設けられた第１支持部と、
前記第２取り付け部に設けられ、前記第１支持部と対向して配置された第２支持部と、
第１端部が前記第１支持部に取り付けられ、第２端部が前記第２支持部に取り付けられ、表面に複数の歪ゲージが配置された起歪体と、
を具備し、
前記構造体は、多関節ロボットアームの少なくとも１つのアームであり、
前記第１支持部と、前記起歪体と、前記第２支持部は、前記少なくとも１つのアームのトルクが印加される部分の近傍で、前記少なくとも１つのアームの表面に配置されることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項2】
前記第１支持部と前記第２支持部は所定間隔離間し、
前記第１支持部及び前記第２支持部の剛性は、前記起歪体の剛性より大きいことを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
前記第１支持部及び前記第２支持部の剛性は、前記起歪体の剛性より大きいことを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
【請求項3】
前記トルクセンサは、直列に配置された前記第１支持部、前記起歪体、及び前記第２支持部が前記少なくとも１つのアームの回転軸に沿って配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。
【請求項4】
前記第１取り付け部、前記第２取り付け部、前記第１支持部、及び前記第２支持部は、前記トルクセンサの本体を構成し、前記起歪体のねじり角は、前記本体のねじり角より大きいことを特徴とする請求項２に記載のトルクセンサ。
【請求項5】
前記第１支持部と前記第２支持部との間に位置する前記起歪体の長さは、前記第１取り付け部と前記第２取り付け部との間の長さより短い請求項２に記載のトルクセンサ。
【請求項6】
前記第１支持部、及び前記第２支持部は、第１の厚みを有し、
前記起歪体は、前記第１の厚みより薄い第２の厚みを有する
請求項２に記載のトルクセンサ。
前記起歪体は、前記第１の厚みより薄い第２の厚みを有する
請求項２に記載のトルクセンサ。
【請求項7】
前記第１取り付け部と前記第２取り付け部との間に設けられ、前記第１取り付け部と前記第２取り付け部とを繋ぐ少なくとも１つの梁をさらに具備し、
前記梁は、前記第２の厚みを有する請求項６に記載のトルクセンサ。
前記梁は、前記第２の厚みを有する請求項６に記載のトルクセンサ。
【請求項8】
前記梁の剛性は、前記起歪体の剛性より小さい請求項７に記載のトルクセンサ。
【請求項9】
前記梁と前記第１支持部との間、及び前記梁と前記第２支持部との間に設けられたスリットをさらに具備する請求項７に記載のトルクセンサ。
【請求項10】
前記構造体は、前記第１取り付け部の長手方向の一端に係合可能な第１係合部と、前記第２取り付け部の長手方向の他端に係合可能な第２係合部と、を有する請求項１に記載のトルクセンサ。
【請求項11】
前記構造体は、前記第１取り付け部の長手方向の一端に係合可能な第１係合部と、前記第２取り付け部の長手方向の他端に係合可能な第２係合部と、を含む凹部を有する請求項１に記載のトルクセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、例えばロボットアームに適用され、トルクを検出するトルクセンサに関する。
【背景技術】
【0002】
例えばロボットアームのモータに接続された減速機の出力軸に設けられ、回転軸体、歪センサ及びベース板を備え、トルクを検出するトルクセンサが開発されている。回転軸体は、２つのフランジ部と、２つのフランジ部の間の起歪部とを有し、２つのフランジ部の間に歪センサを含むベース板が接合されている（例えば特許文献１参照）。
【0003】
ロボットアームのモータに接続された減速機の出力軸に設けられ、第１構造体、第２構造体、第１構造体と第２構造体との間の複数の第３構造体、及び第１構造体と第２構造体との間に接合された歪センサを具備するトルクセンサが開発されている（例えば特許文献２乃至５参照）。
【0004】
手術ロボットシステムにおいて、マニュピレータのシャフトの外面に複数の歪ゲージが直接設けられ、これら歪ゲージによりトルクを検出する技術が開発されている（例えば特許文献６参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０２０－０６７２９５号公報
【特許文献2】特開２０１８－９１８１３号公報
【特許文献3】特開２０１９－１７４３２５号公報
【特許文献4】特開２０１９－１８４３９６号公報
【特許文献5】特開２０２１－６０３４６号公報
【特許文献6】特表２００９－５２２０１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ロボットアームに設けられるトルクセンサは、ロボットアームに生じたトルクを歪センサに伝達させるための構造体を有しており、この構造体はロボットアームの直径とほぼ同等の直径を有するとともに、大きな重量を有している。このため、ロボットアームの設計において、トルクセンサの小型化及び重量の軽量化が求められている。
【0007】
しかし、小型で軽量化されたトルクセンサは、印加されるトルクに対して変位が小さく、又、計測すべきトルク以外の方向の外力に対する剛性が弱い。このため、歪センサにより大きな信号を取り出すことが困難であり、トルクの測定精度が低下する可能性がある。
【0008】
本発明の実施形態は、小型で軽量であり、トルクの測定精度を向上することが可能なトルクセンサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本実施形態のトルクセンサは、構造体と、前記構造体の表面に取着される第１取り付け部と、前記構造体の表面に取着される第２取り付け部と、前記第１取り付け部に設けられた第１支持部と、前記第２取り付け部に設けられ、前記第１支持部と対向して配置された第２支持部と、第１端部が前記第１支持部に取り付けられ、第２端部が前記第２支持部に取り付けられ、表面に複数の歪ゲージが配置された起歪体と、を具備し、前記構造体は、多関節ロボットアームの少なくとも１つのアームであり、前記第１支持部と、前記起歪体と、前記第２支持部は、前記少なくとも１つのアームのトルクが印加される部分の近傍で、前記少なくとも１つのアームの表面に配置される。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1A】本実施形態に係るトルクセンサを示す平面図。
【図4】本実施形態に係るトルクセンサが取り付けられたロボットアームの一例を示す斜視図。
【図5】本実施形態に係るトルクセンサの動作を説明するために示す概略図。
【図6】本実施形態に係るトルクセンサの剛性を説明するために示す概略図。
【図7】本実施形態に係るトルクセンサの剛性を説明するために示す概略図。
【図8】本実施形態に係るトルクセンサの第１変形例を示すものであり、本体を取出して示す平面図。
【図9】本実施形態に係るトルクセンサの第２変形例を示すものであり、本体を取出して示す平面図。
【図10】本実施形態に係るトルクセンサが取り付けられるロボットアームの第１変形例を示す断面図。
【図11】本実施形態に係るトルクセンサが取り付けられるロボットアームの第２変形例を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【0011】
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、同一部分には、同一符号を付している。
【0012】
【0013】
図３は本体１１を示している。本体１１は、例えば金属板により構成され、第１取り付け部１１ａと、第２取り付け部１１ｂと、第１取り付け部１１ａから張り出して設けられた第１支持部１１ｃと、第２取り付け部１１ｂから張り出して設けられた第２支持部１１ｄと、第１取り付け部１１ａと第２取り付け部１１ｂとの間で、第１支持部１１ｃ及び第２支持部１１ｄの両側に設けられた第１梁１１ｅ及び第２梁１１ｆとを具備している。
【0014】
第１支持部１１ｃの長さＬｃと第２支持部１１ｄの長さＬｄは、等しく（Ｌｃ＝Ｌｄ）、第１支持部１１ｃと第２支持部１１ｄとの間は、所定間隔離間されている。このため、第１支持部１１ｃの先端と第２支持部１１ｄの先端は、本体１１の長さ方向に沿って所定間隔開けて対向されている。
【0015】
第１梁１１ｅと、第１支持部１１ｃと及び第２支持部１１ｄとの間には第１スリット１１ｇが設けられ、第２梁１１ｆと、第１支持部１１ｃ及び第２支持部１１ｄとの間には第２スリット１１ｈが設けられている。このため、第１支持部１１ｃの長手方向の両側面と第２支持部１１ｄの長手方向の両側面は、第１梁１1ｅ及び第２梁１１ｆから離れている。
【0016】
本実施形態において、第１梁１１ｅと第２梁１１ｆは、第１支持部１１ｃと第２支持部１１ｄとの間の距離を一定に保持するために必要とされている。このため、第１梁１１ｅと第２梁１１ｆの幅（トルクセンサ１０の長手方向と交差する方向の長さ）は、極力狭く、第１梁１１ｅと第２梁１１ｆの剛性は極力小さいことが好ましい。
【0017】
本実施形態において、第１梁１１ｅと第２梁１１ｆのそれぞれの幅は、第１スリット１１ｇと第２スリット１１ｈを設けることにより狭められている。このため、第１梁１１ｅと第２梁１１ｆの剛性は、後述する起歪体２１の剛性よりも小さくされている。
【0018】
また、第１梁１１ｅと第２梁１１ｆは、必ずしも２つ必要ではなく、第１梁１１ｅと第２梁１１ｆの一方のみであってもよい。
【0019】
第１取り付け部１１ａは、本体１１の長さ方向と交差する方向に、後述する複数のネジが挿入される複数の孔１１ｉを含み、第２取り付け部１１ｂは、本体１１の長さ方向と交差する方向に後述する複数のネジが挿入される複数の孔１１ｊを含んでいる。
【0020】
第１支持部１１ｃは、後述するネジが螺合されるネジ穴１１ｋを含み、第２支持部１１ｄは、後述するネジが螺合されるネジ穴１１ｌを含んでいる。
【0021】
上記構成の本体１１は、例えば金属板を打ち抜いて形成することができるが、他の方法で製造することも可能である。
【0022】
図１Ａ及び図２に示すように、第１支持部１１ｃと第２支持部１１ｄとの間に歪センサ２０が配置される。歪センサ２０は、例えば矩形状の起歪体２１と、起歪体２１の表面に配置された複数の歪ゲージ２２とを含んでいる。
【0023】
起歪体２１は、金属、例えば例えばアルミニウムにより形成されている。しかし、これに限らず他の金属やセラミックなどを用いることも可能である。
【0024】
複数の歪ゲージ２２は、起歪体２１の例えば対角線に沿って配置されているが、これに限定されるものではなく、別の配置も可能である。
【0025】
図１Ａにおいて、歪ゲージ２２は、起歪体２１に４つ配置されて、例えばブリッジ回路が構成されているが、歪ゲージ２２の数、及びブリッジ回路の構成は、これに限定されるものではなく、変形可能である。
【0026】
図２に示すように、起歪体２１の厚み（起歪体２１の長手方向と垂直な方向の長さ）Ｔａは、第１支持部１１ｃと第２支持部１１ｄの厚み（第１支持部１１ｃ及び第２支持部１１ｄの長手方向と垂直な方向の長さ）Ｔｂより薄い（Ｔａ＜Ｔｂ）。
【0027】
図１Ａに示すように、起歪体２１の幅Ｗａは、第１支持部１１ｃ及び第２支持部１１ｄの幅Ｗｂより狭くされている（Ｗａ＜Ｗｂ）。
【0028】
図１Ｂに示すように、歪ゲージ２２は、例えば弾性体２２ａ、絶縁膜２２ｂ、薄膜抵抗体（感歪膜）２２ｃ、接着膜２２ｄ、薄膜配線２２ｅ、接着膜２２ｆ、保護膜としてのガラス膜２２ｇを具備している。具体的には、弾性体２２ａ上に絶縁膜２２ｂが設けられ、絶縁膜２２ｂ上に例えばＣｒ－Ｎ抵抗体により構成された薄膜抵抗体２２ｃが設けられる。薄膜抵抗体２２ｃ上の端部に接着膜２２ｄを介在して、例えば銅（Ｃｕ）により構成された電極リードとしての薄膜配線２２ｅが設けられる。薄膜配線２２ｅ上には接着膜２２ｆが設けられる。絶縁膜２２ｂ、薄膜抵抗体２２ｃ、及び接着膜２２ｆは、ガラス膜２２ｇにより覆われる。接着膜２２ｄは、薄膜配線２２ｅと薄膜抵抗体２２ｃとの密着性を高め、接着膜２２ｆは、薄膜配線２２ｅとガラス膜２２ｇとの密着性を高めている。弾性体２２ａは、例えばステンレス鋼やアルミニウム合金などの金属、又はシリコン基板により構成され、接着膜２２ｄ、２２ｆは、例えばクロム（Ｃｒ）を含む膜である。歪ゲージ２２の構成は、これに限定されるものではなく、変形可能である。
【0029】
歪センサ２０（起歪体２１）の第１端部は、第１支持部１１ｃの上に載置され、歪センサ２０の第２端部は、第２支持部１１ｄの上に載置される。歪センサ２０の第１端部は、第１支持部１１ｃの上に配置された第１固定部材２３及びネジ２４により第１支持部１１ｃに固定され、歪センサ２０の第２端部は、第２支持部１１ｄの上に配置された第２固定部材２５及びネジ２６により第２支持部１１ｄに固定される。
【0030】
具体的には、図２に示すように、第１固定部材２３は、第１支持部１１ｃの上面に接する第１突起２３ａと、歪センサ２０の第１端部に接することが可能で、第１突起２３ａより低い第２突起２３ｂと、第１突起２３ａと第２突起２３ｂとの間に位置する孔２３ｃとを含んでいる。
【0031】
孔２３ｃにネジ２４が挿入され、第１支持部１１ｃのネジ孔１１ｋに螺合されることにより、第１固定部材２３は、第１突起２３ａを支点として回動され、第２突起２３ｂが歪センサ２０の第１端部に線接触される。これにより、歪センサ２０の第１端部は、第１支持部１１ｃに固定される。
【0032】
第２固定部材２５の構成は、第１固定部材２３の構成と同様であり、第２支持部１１ｄの上面に接する第３突起２５ａと、歪センサ２０の第２端部に接することが可能で、第３突起２５ａより低い第４突起２５ｂと、第３突起２５ａと第４突起２５ｂとの間に位置する孔２５ｃとを含んでいる。
【0033】
孔２５ｃにネジ２６が挿入され、第２支持部１１ｄのネジ孔１１ｌに螺合されることにより、第２固定部材２５は、第３突起２５ａを支点として回動され、第４突起２５ｂが歪センサ２０の第２端部に線接触される。これにより、歪センサ２０の第２端部は、第２支持部１１ｄに固定される。
【0034】
上記構成のトルクセンサ１０は、第１取り付け部１１ａ、第１支持部１１ｃ、起歪体２１、第２支持部１１ｄ、及び第２取り付け部１１ｂがトルクセンサ１０の長手方向に沿って直線状に配置されている。すなわち、第１支持部１１ｃ、起歪体２１、及び第２支持部１１ｄが直列に配置されている。
【0035】
上記構成のトルクセンサ１０は、第１取り付け部１１ａに設けられた複数の孔１１ｉにそれぞれネジ２７が挿入され、第２取り付け部１１ｂに設けられた複数の孔１１ｊにそれぞれネジ２８が挿入され、ロボットアーム３０の表面に取り付けられる。
【0036】
このため、起歪体２１の固定部間の長さ（第２突起２３ｂと第３突起２５ａとの間の長さ、起歪体２１の実効長とも言う）Ｌａと、第１取り付け部１１ａと第２取り付け部１１ｂとの間の長さ（ネジ２７の中心とネジ２８の中心との間の長さ：本体１１の実効長）Ｌｂの関係は、Ｌａ＜Ｌｂである。
【0037】
図４は、多関節ロボットアーム（以下、単にアームとも言う）３０の第１アーム３１、第２アーム３２の一例を示しており、第１アーム３１と第２アーム３２の表面に複数のトルクセンサ１０が取り付けられた場合を示している。各アームの先端近傍に図示せぬモータと減速機が配置され、減速機の出力部に次のアームが取り付けられる。
【0038】
複数のトルクセンサ１０は、例えば第１アーム３１と第２アーム３２の一端近傍、すなわち前段のアームに配置されたモータや減速機のように、駆動力を出力する部分の近傍で第１アーム３１と第２アーム３２の表面に取り付けられる。換言すると、各アームにトルクが印加される部分の近傍で、各アームの表面に配置される。このように、トルクセンサ１０は、各アームにトルクを印加する駆動部の近傍に配置されることにより、各アームに生じた歪みを正確に検知することができる。このため、より正確にトルクを検出することができる。しかし、トルクセンサ１０の配置場所は、これに限定されるものではなく、トルクを検出することが必要な場所に配置されればよい。
【0039】
また、トルクセンサ１０は、トルクセンサ１０の長手方向がアーム３０を通る軸（回転軸）Ａの方向に沿って取り付けられる。具体的には、トルクセンサ１０の直列に配置された第１支持部１１ｃ、起歪体２１、及び第２支持部１１ｄが、アーム３０の軸Ａに沿って配置される。換言すると、直列に配置された第１支持部１１ｃ、起歪体２１、及び第２支持部１１ｄは、アーム３０の軸Ａと平行に配置される。
【0040】
図４に示すアーム３１、３２は、例えば１対のトルクセンサ１０をそれぞれ有し、各対のトルクセンサ１０は、各アーム３１、３２の周囲に１８０°離れて配置されている。このように配置することにより、本来検出すべきトルク、すなわち軸Ａ周りのトルクのみを検出することができ、トルク以外の外力に対しては１対のトルクセンサ１０の出力値が互いにキャンセルされ、出力されない。したがって、より正確にトルクを検出することができる。しかし、各アーム３１、３２に配置されるトルクセンサ１０の数、及び配置の角度は、これに限定されるものではなく、ブリッジ回路の構成もトルクセンサ１０の数や配置に応じて変形可能である。
【0041】
また、各トルクセンサ１０は、アーム３０の外側の表面に取り付けられているが、これに限らず、アーム３０の内側の表面に取り付けられてもよい。
【0042】
【0043】
上記のように、トルクセンサ１０は、アーム３０の外側の表面に取り付けられている。具体的には、直列に配置された第１支持部１１ｃ、起歪体２１及び第２支持部１１ｄがアーム３０の軸Ａに沿って平行に配置されている。この状態において、アーム３０にトルクが図示矢印Ｔ方向に印加されると、アーム３０の表面にトルクと同方向にねじれが生じる。すなわち、アーム３０が軸Ａに対して角度θねじれることによりアーム３０の表面に変位Δが生じる。このため、トルクセンサ１０の第１支持部１１ｃが第２支持部１１ｄに対して矢印Ｔ方向に変位する。これにより、起歪体２１に歪みが生じ、この歪みが複数の歪ゲージ２２により検知される。
【0044】
図６に示すトルクセンサ１０において、第１支持部１１ｃ及び第２支持部１１ｄの剛性は、起歪体２１の剛性より十分大きいため、第２支持部１１ｄに対する第１支持部１１ｃの変位Ｘ１は、第２取り付け部１１ｂに対する第１取り付け部１１ａの変位Ｘ２に比べて大きくない。より具体的には、第２支持部１１ｄに対する第１支持部１１ｃの変位と第２取り付け部１１ｂに対する第１取り付け部１１ａの変位は、ほぼ同一である。
【0045】
一方、起歪体２１の実効長Ｌａは、本体１１の実効長（ネジ２７の中心とネジ２８の中心との間の長さ）Ｌｂより十分短い。このため、起歪体２１のねじり角θ１は、本体１１のねじり角θ２より大きくなる。したがって、起歪体２１は、本体１１より大きく変形し、本体１１が受けた歪み量より、起歪体２１が受ける歪み量が大きくなり、歪が増幅されたこととなる。よって、起歪体２１に配置された複数の歪ゲージ２２から大きな信号が出力される。
【0046】
ここで、第１支持部１１ｃ、第２支持部１１ｄ、及び起歪体２１の剛性について、説明する。第１支持部１１ｃ及び第２支持部１１ｄの一端は、第１取り付け部１１ａ及び第２取り付け部１１ｂにそれぞれ接続されている。このため、第１支持部１１ｃ及び第２支持部１１ｄは、片持ち梁の変形と考えることができる。
【0047】
図７に示す片持ち梁において、梁の長さをＬとし、梁の自由端に荷重Ｐを印加した場合における梁の変位量をymaxとすると、ymaxは、次式（１）で表される。
【0048】
ymax ＝ ＰＬ３／３ＥＩ …（１）
ここで、Ｉ：断面２次モーメント
Ｅ：ヤング率
式（１）を変形すると、式（２）となる。
Ｐ＝３ＥＩymax／Ｌ３ …（２）
３ＥＩ／Ｌ３は、バネ定数のようになっており、これが剛性に相当すると考えることができる。
ここで、Ｉ：断面２次モーメント
Ｅ：ヤング率
式（１）を変形すると、式（２）となる。
Ｐ＝３ＥＩymax／Ｌ３ …（２）
３ＥＩ／Ｌ３は、バネ定数のようになっており、これが剛性に相当すると考えることができる。
【0049】
本実施形態において、３ＥＩ／Ｌ３の値が、起歪体２１（実効長Ｌａの区間）より第１支持部１１ｃ及び第２支持部１１ｄ（長さＬｃ、Ｌｄ（Ｌｃ＝Ｌｄ）の区間）の方が大きく設定されている。
【0050】
３ＥＩ／Ｌ３の値は、具体的には、Ｅに起歪体２１、第１支持部１１ｃ、及び第２支持部１１ｄのヤング率をそれぞれ代入し、Ｉに起歪体２１、第１支持部１１ｃ、及び第２支持部１１ｄの断面２次モーメント（図１Ａに示す平面図において、平面と垂直方向の断面２次モーメント）をそれぞれ代入することにより求めることができる。
【0051】
例えば、第１支持部１１ｃ及び第２支持部１１ｄの断面が長方形であり、平面と垂直方向の厚みがｔ、長手方向と交差する方向の幅がＷであるとすると、第１支持部１１ｃ及び第２支持部１１ｄの長さＬｃ、Ｌｄの区間の断面２次モーメントＩｓは、式（３）で示される。
【0052】
Ｉｓ＝ｔＷ３／１２ …（３）
第１支持部１１ｃ及び第２支持部１１ｄの長さＬｃ、Ｌｄの区間が起歪体２１を挟んで２つに分かれているため、剛性に相当する値は、長さＬｃ、Ｌｄの区間それぞれの剛性の和となる。したがって、長さＬｃ、Ｌｄの区間の剛性は、
２（３ＥＩ／Ｌ３） …（４）
で示される。
第１支持部１１ｃ及び第２支持部１１ｄの長さＬｃ、Ｌｄの区間が起歪体２１を挟んで２つに分かれているため、剛性に相当する値は、長さＬｃ、Ｌｄの区間それぞれの剛性の和となる。したがって、長さＬｃ、Ｌｄの区間の剛性は、
２（３ＥＩ／Ｌ３） …（４）
で示される。
【0053】
上記のように、起歪体２１、第１支持部１１ｃ、及び第２支持部１１ｄの構成を定義することができ、本実施形態における起歪体２１と第１支持部１１ｃ及び第２支持部１１ｄの剛性の関係は、起歪体２１の剛性が、第１支持部１１ｃ及び第２支持部１１ｄの剛性より小さくされている（起歪体２１の剛性＜第１支持部１１ｃ及び第２支持部１１ｄの剛性）。
【0054】
具体的には、起歪体２１及び第１支持部１１ｃ及び第２支持部１１ｄを含む本体１１は、金属、例えばステンレス鋼で構成され、起歪体２１の厚みＴａは、第１支持部１１ｃ及び第２支持部１１ｄの厚みＴｂより薄く、起歪体２１の幅は、第１支持部１１ｃ及び第２支持部１１ｄの幅より狭くされている。
【0055】
起歪体２１及び本体１１の材料は、上記剛性の関係を満たすことができれば、別の材料を組み合わせることが可能である。
【0056】
尚、起歪体２１は、第１固定部材２３、第２固定部材２５、ネジ２４、２６を用いて第１支持部１１ｃ、第２支持部１１ｄにそれぞれ固定したが、これに限定されるものではなく、例えば、接着剤又は溶接を用いて固定することも可能である。
【0057】
さらに、本体１１は、複数のネジ２７、２８を用いてアーム３０に固定したが、これに限定されるものではなく、例えば、接着剤又は溶接を用いて固定することも可能である。
【0058】
（線膨張について）
本実施形態において、第１支持部１１ｃと、起歪体２１と、第２支持部１１ｄは、直列に配置され、構造体としてのアーム３０に配置されている。アーム３０と、第１支持部１１ｃ、起歪体２１、及び第２支持部１１ｄが同じ材料で構成されていれば、温度変化に対する線膨張係数が等しいため、起歪体２１に伸張力又は圧縮力が生じない。
本実施形態において、第１支持部１１ｃと、起歪体２１と、第２支持部１１ｄは、直列に配置され、構造体としてのアーム３０に配置されている。アーム３０と、第１支持部１１ｃ、起歪体２１、及び第２支持部１１ｄが同じ材料で構成されていれば、温度変化に対する線膨張係数が等しいため、起歪体２１に伸張力又は圧縮力が生じない。
【0059】
しかし、起歪体２１の材料によっては、起歪体２１の上に歪ゲージ２２を成膜することが難しく、起歪体２１と、アーム３０、第１支持部１１ｃ及び第２支持部１１ｄを同じ材料で形成することが困難である。これらの材料が異なると、温度変化により起歪体２１に伸張力又は圧縮力が生じ、トルクの測定精度が低下する。
【0060】
そこで、本実施形態において、起歪体２１と、第１支持部１１ｃと第２支持部１１ｄ、及びアーム３０の線膨張係数の関係が、起歪体２１＜アーム３０＜第１支持部１１ｃ、第２支持部１１ｄとなるように調整されている。
【0061】
具体的には、温度がΔＴ変化したときのアーム３０の線膨張Ｌｅｘ１と、トルクセンサ１０の起歪体２１の線膨張Ｌｅｘ２及び第１支持部１１ｃ及び第２支持部１１ｄの線膨張Ｌｅｘ３が等しければ（Ｌｅｘ１＝Ｌｅｘ２＋Ｌｅｘ３）、起歪体２１に力が生じない。
【0062】
ここで、
Ｌｅｘ１＝α２・Ｌｂ・ΔＴ
Ｌｅｘ２＝α１・Ｌａ・ΔＴ
Ｌｅｘ３＝α３・（Ｌｂ－Ｌａ）・ΔＴ
Ｌａ：起歪体２１の実効長
Ｌｂ：第１取り付け部１１ａと第２取り付け部１１ｂとの間のアーム３０の長さ（アーム３１の実効長）
とすると、
Ｌｅｘ１＝Ｌｅｘ２＋Ｌｅｘ３
α２・Ｌｂ・ΔＴ＝α１・Ｌａ・ΔＴ＋α３・（Ｌｂ－Ｌａ）・ΔＴ
よって、次式（５）を満たせば、起歪体２１に温度変化による力が生じない。
Ｌａ＝Ｌｂ・（α２－α３）／（α１－α３） …（５）
この時、線膨張係数の関係は、α１＞α２＞α３、又はα１＜α２＜α３となる。
Ｌｅｘ１＝α２・Ｌｂ・ΔＴ
Ｌｅｘ２＝α１・Ｌａ・ΔＴ
Ｌｅｘ３＝α３・（Ｌｂ－Ｌａ）・ΔＴ
Ｌａ：起歪体２１の実効長
Ｌｂ：第１取り付け部１１ａと第２取り付け部１１ｂとの間のアーム３０の長さ（アーム３１の実効長）
とすると、
Ｌｅｘ１＝Ｌｅｘ２＋Ｌｅｘ３
α２・Ｌｂ・ΔＴ＝α１・Ｌａ・ΔＴ＋α３・（Ｌｂ－Ｌａ）・ΔＴ
よって、次式（５）を満たせば、起歪体２１に温度変化による力が生じない。
Ｌａ＝Ｌｂ・（α２－α３）／（α１－α３） …（５）
この時、線膨張係数の関係は、α１＞α２＞α３、又はα１＜α２＜α３となる。
【0063】
具体的には、本実施形態の場合、起歪体２１はステンレス鋼、アーム３０は、例えばアルミニウム合金により構成され、第１支持部１１ｃと第２支持部１１ｄは、例えば亜鉛合金により構成される。この場合、アルミニウム合金の線膨張係数α２がステンレス鋼の線膨張係数α１よりも大きく（α１＜α２）、亜鉛合金の線膨張係数α３より小さい（α２＜α３）ため、線膨張係数が大きい第１支持部１１ｃ及び第２支持部１１ｄと、線膨張係数が小さい起歪体２１とにより、起歪体２１と第１支持部１１ｃ及び第２支持部１１ｄとの全体の線膨張を、アーム３０の線膨張に近づけることができる。
【0064】
したがって、温度変化に対するトルクの測定精度を向上させることが可能である。
【0065】
（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、本体１１と歪センサ２０を含み、本体１１は、第１取り付け部１１ａと、第２取り付け部１１ｂと、第１取り付け部１１ａに設けられた第１支持部１１ｃと、第２取り付け部１１ｂに設けられた第２支持部１１ｄと、を少なくとも含み、第１支持部１１ｃと第２支持部１１ｄとの間に複数の歪ゲージ２２を有する起歪体２１含む歪センサ２０が接合されている。本体１１は、アーム３０の表面で減速機の近傍に取付けることができるサイズであるため、アーム３０の減速機の出力軸に装着されるトルクセンサに比べて格段に小型、軽量化することが可能である。
上記実施形態によれば、トルクセンサ１０は、本体１１と歪センサ２０を含み、本体１１は、第１取り付け部１１ａと、第２取り付け部１１ｂと、第１取り付け部１１ａに設けられた第１支持部１１ｃと、第２取り付け部１１ｂに設けられた第２支持部１１ｄと、を少なくとも含み、第１支持部１１ｃと第２支持部１１ｄとの間に複数の歪ゲージ２２を有する起歪体２１含む歪センサ２０が接合されている。本体１１は、アーム３０の表面で減速機の近傍に取付けることができるサイズであるため、アーム３０の減速機の出力軸に装着されるトルクセンサに比べて格段に小型、軽量化することが可能である。
【0066】
また、上記実施形態のトルクセンサ１０によれば、本体１１の第１支持部１１ｃと第２支持部１１ｄとの間に複数の歪ゲージ２２を含む起歪体２１を接合し、ロボットアームのねじれを第１支持部１１ｃと第２支持部１１ｄとの変位、及び起歪体２１の変位に変換して検出している。すなわち、第１支持部１１ｃと第２支持部１１ｄの変位は、ロボットアームのねじれ量を拡大する作用を有している。このため、起歪体２１に設けられた複数の歪ゲージ２２から大きな信号を出力することができる。したがって、複数の歪ゲージをロボットアームの表面に直接設けて僅かな歪を検知する場合に比べてトルクの測定精度を向上させることが可能である。
【0067】
さらに、第１支持部１１ｃ及び第２支持部１１ｄと、第１梁１１ｅとの間に第１スリット１１ｇが設けられ、第１支持部１１ｃ及び第２支持部１１ｄと、第２梁１１ｆとの間に第２スリット１１ｈが設けられている。このため、第１梁１１ｅと第２梁１１ｆの剛性を起歪体２１の剛性よりも小さくすることができ、第１取り付け部１１ａと第２取り付け部１１ｂの変位を大きくすることが可能である。したがって、第１支持部１１ｃと第２支持部１１ｄとの間の起歪体２１の変位も大きくすることができるため、複数の歪ゲージ２２から大きな信号を出力することができ、トルクの測定精度を向上させることが可能である。
【0068】
また、起歪体２１の線膨張係数α１と、第１支持部１１ｃ及び第２支持部１１ｄの線膨張係数α３と、アーム３１の線膨張係数α２と、の関係が、α１＞α２＞α３、又はα１＜α２＜α３を満たすことにより、起歪体２１に温度変化による力が生じない。したがって、温度変化に対するトルクの測定精度を向上させることが可能である。
【0069】
（変形例）
図８は、本実施形態に係るトルクセンサ１０の第１変形例を示すものであり、本体１１のみを示している。
図８は、本実施形態に係るトルクセンサ１０の第１変形例を示すものであり、本体１１のみを示している。
【0070】
上記実施形態において、本体１１は、第１取り付け部１１ａと第２取り付け部１１ｂとの間に第１梁１１ｅ、第２梁１１ｆ、及び第１スリット１１ｇ、及び第２スリット１１ｈを含んでいる。
【0071】
これに対して、第１変形例において、本体１１は、第１梁１１ｅ、第２梁１１ｆ、及び第１スリット１１ｇ、及び第２スリット１１ｈを含まず、第１支持部１１ｃと第２支持部１１ｄとの間に、開口１１ｍを含んでいる。
【0072】
第１変形例の場合、実施形態に比べて本体１１及び第１支持部１１ｃと第２支持部１１ｄの剛性が高いため、実施形態に比べてアーム３１のねじれに対して第１支持部１１ｃと第２支持部１１ｄの変位が小さくなるが、上記実施形態とほぼ同様の効果を得ることができる。
【0073】
図９は、本実施形態に係るトルクセンサ１０の第２変形例を示すものであり、本体１１のみを示している。
【0074】
第２変形例において、本体１１は、第１本体１１－１と第２本体１１－２に分離されている。
【0075】
第２変形例の場合、第１本体１１－１と第２本体１１－２が分離されているため、アーム３１のねじれに対して第１本体１１－１と第１支持部１１ｃが同一に変位し、第２本体１１－２と第２支持部１１ｄが同一に変位する。このため、第１支持部１１ｃと第２支持部１１ｄとの間に接合される起歪体２１は、上記実施形態に比べて大きな変位を生じる。したがって、複数の歪ゲージ２２は、上記実施形態より大きな信号を出力することが可能であり、トルクの測定精度を向上させることが可能である。
【0076】
第２変形例の場合、第１本体１１－１と第２本体１１－２との間の距離を一定に保持させる必要がある。
【0077】
図１０は、トルクセンサ１０の取り付け部の第１変形例を示している。図１０において、アーム３１は、表面に第１係合部としての第１突起３１ａと第２係合部としての第２突起３０ｂを備えている。第１突起３１ａと第２突起３１ｂは、アーム３１の軸方向Ａに沿って所定間隔離れて配置され、第１本体１１－１と第２本体１１－２との間の距離を規定する。すなわち、第１本体１１－１の第１取り付け部１１ａ側の側面は、第１突起３１ａに接触して配置され、第２本体１１－２の第２取り付け部１１ｂ側の側面は、第２突起３１ｂに接触して配置される。その他の構成は、上記実施形態と同様である。
【0078】
このように、アーム３１の表面に第１突起３１ａと第２突起３１ｂを設けることにより、分離された第１本体１１－１と第２本体１１－２とを所定の距離離して配置させることができ、第１本体１１－１と第２本体１１－２との間の寸法の精度を向上させることができる。
【0079】
【0080】
凹部３１ｃの長手方向は、アーム３１の軸方向Ａに沿って配置され、凹部３１ｃの長手方向の長さＬｅは、第１本体１１－１と第２本体１１－２との間の距離を規定する。第１本体１１－１の第１取り付け部１１ａ側の側面は、凹部３１ｃの長手方向の一方側の側面（第１係合部）に接触して配置され、第２本体１１－２の第２取り付け部１１ｂ側の側面は、凹部３１ｃの長手方向の他方側の側面（第２係合部）に接触して配置される。その他の構成は、上記実施形態と同様である。
【0081】
このように、アーム３１の表面に凹部３１ｃを設けることにより、分離された第１本体１１－１と第２本体１１－２とを所定の距離離して配置させることができ、第１本体１１－１と第２本体１１－２との間の寸法の精度を向上させることができる。
【0082】
また、凹部３１ｃは、印加されたトルクに対してアーム３１の表面と同様に変位するため、上記実施形態と同様にトルクを測定することが可能である。
【0083】
【0084】
また、上記説明は、本実施形態をトルクセンサに適用した場合について説明した。しかし、本実施形態は、トルクセンサに限定されるものではなく、例えばトルク及びトルク以外の方向の力を測定する力覚センサに適用することも可能である。
【0085】
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。
【符号の説明】
【0086】
１０…トルクセンサ、１１…本体、１１ａ…第１取り付け部、１１ｂ…第２取り付け部、１１ｃ…第１支持部、１１ｄ…第２支持部、１１ｅ…第１梁、１１ｆ…第２梁、１１ｇ…第１スリット、１１ｈ…第２スリット、２０…歪センサ、２１…起歪体、２２…歪ゲージ、３０ａ…アーム（構造体）、３１ａ…第１突起、３１ｂ…第２突起、３１ｃ…凹部。
【図1A】
【図1B】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】