特開 2024-13725 トルクセンサ

(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】P2024013725

(43)【公開日】2024-02-01

(54)【発明の名称】トルクセンサ

(51)【国際特許分類】

   G01L 3/14 20060101AFI20240125BHJP

【ＦＩ】

G01L3/14 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022116042

(22)【出願日】2022-07-21

(71)【出願人】

【識別番号】000006666

【氏名又は名称】アズビル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003166

【氏名又は名称】弁理士法人山王内外特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】栗原 賢二

(57)【要約】

【課題】、従来に対し、他軸剛性に対してトルク剛性を低くする。
【解決手段】外周側に設けられて第１の外部機器１０１が接続される外周側締結部１１、内周側に設けられて第２の外部機器１０２が接続される内周側締結部１２、及び、当該外周側締結部１１と当該内周側締結部１２との間に設けられたセンシング部１４を有するフランジ１と、フランジ１におけるセンシング部１４に接合されたセンサ素子２と、フランジ１に設けられたフィン状部材３とを備え、フィン状部材３は、主面が当該フランジ１における径方向に沿って配置され、一端側がフランジ１に接続され、当該フランジ１の軸方向に延びたフィン部３１を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

外周側に設けられて第１の外部機器が接続される外周側締結部、内周側に設けられて第２の外部機器が接続される内周側締結部、及び、当該外周側締結部と当該内周側締結部との間に設けられたセンシング部を有するフランジと、
前記フランジにおけるセンシング部に接合されたセンサ素子と、
前記フランジに設けられたフィン状部材とを備え、
前記フィン状部材は、
主面が当該フランジにおける径方向に沿って配置され、一端側が前記フランジに接続され、当該フランジの軸方向に延びたフィン部を有する
ことを特徴とするトルクセンサ。

【請求項2】

前記フィン状部材は、前記フランジに対して周方向に沿って複数設けられた
ことを特徴とする請求項１記載のトルクセンサ。

【請求項3】

前記センサ素子は、対称的に配置され、
前記フィン状部材は、前記センサ素子の配置を基準として対称的に配置された
ことを特徴とする請求項２記載のトルクセンサ。

【請求項4】

前記フィン状部材は、前記フィン部を前記フランジに対して周方向に沿って複数組有する
ことを特徴とする請求項１記載のトルクセンサ。

【請求項5】

前記センサ素子は、対称的に配置され、
前記フィン部は、前記センサ素子の配置を基準として対称的に配置された
ことを特徴とする請求項４記載のトルクセンサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、トルクを検出するトルクセンサに関する。

【背景技術】

【0002】

トルクセンサは、フランジに搭載されたセンサチップであるセンサ素子によって、トルク（トルク軸周りにおける加重）を検出する。このトルクセンサにおけるトルクの検知方法としては、トルク負荷以外の影響をキャンセル又は補正することでトルクのみ検知する方法が挙げられる。

【0003】

従来のトルクセンサでは、例えば図４及び図５に示すように、ディスク状のフランジ１に、外周側締結部１１、内周側締結部１２、スリット部１３、及び、センシング部１４が設けられている。

【0004】

外周側締結部１１は、第１の外部機器（不図示）が締結される部位である。この外周側締結部１１は、フランジ１における外周側に設けられ、フランジ１における一方の面に上記第１の外部機器が締結される。

【0005】

この外周側締結部１１には、孔１１１が周方向に複数設けられている。孔１１１は、ボルト等の締結部材（不図示）の軸部を挿入可能に構成されている。そして、この孔１１１により、上記第１の外部機器が上記締結部材を介して外周側締結部１１に締結される。
図４及び図５では、孔１１１は、合計８つ設けられている。

【0006】

内周側締結部１２は、第２の外部機器（不図示）が締結される部位である。この内周側締結部１２は、フランジ１における内周側に設けられ、フランジ１における他方の面に上記第２の外部機器が締結される。

【0007】

この内周側締結部１２には、孔１２１が周方向に複数設けられている。孔１２１は、ボルト等の締結部材（不図示）の軸部を挿入可能に構成されている。そして、この孔１２１により、上記第２の外部機器が上記締結部材を介して内周側締結部１２に締結される。
図４及び図５では、孔１２１は、合計８つ設けられている。

【0008】

なお、例えば、ロボットにおけるモータ等の駆動系及びロボットハンド等の負荷系のうちの一方が、第１の外部機器に相当し、当該駆動系及び当該負荷系のうちの他方が、第２の外部機器に相当する。

【0009】

スリット部１３は、フランジ１における外周側締結部１１と内周側締結部１２と間に複数設けられた円弧状のスリットである。この複数のスリット部１３は、回転対称に配置されている。図４及び図５では、スリット部１３は、８つ設けられている。
このスリット部１３は、トルクセンサに加えられるトルクに対する感度を向上するための部位である。

【0010】

センシング部１４は、スリット部１３間に設けられ、センサ素子２が設けられた部位である。図４及び図５では、センシング部１４は、トルク軸（トルクセンサの軸心）に垂直な面（フランジ面）において９０°毎に設けられた軸（センサ軸）を中心にして１つずつ、合計４か所設けられている。

【0011】

そして、センサ素子２は、フランジ１におけるセンシング部１４に接合されている。

【0012】

一方、このトルクセンサにおける剛性に関する設計は、トルク検出精度に関わる重要な要素である（例えば特許文献１参照）。特許文献１では、第１構造体と第２構造体を備えるトルクセンサにおいて、剛性に関する重要性が示されている。

【0013】

より具体的には、トルクセンサにおいて、他軸剛性（トルク軸に垂直な軸であるＸ軸周りのモーメント、又は、トルク軸に垂直な軸であるＹ軸周りのモーメントの剛性）とトルク剛性（トルク軸であるＺ軸周りのモーメントの剛性）の比を大きくすることについて、常に改善が求められている。
すなわち、トルクセンサにおいて、他軸剛性に対してトルク剛性が低い場合、トルク感度の高い構造となる。また、この場合、トルクセンサは、キャンセルし切れない他軸負荷の影響による誤差も小さくできる。

【0014】

しかしながら、従来のトルクセンサでは、円板部材であるフランジの設計に限界があり、他軸剛性に対してトルク剛性を十分に低くすることができない。そのため、従来のトルクセンサでは、キャンセルし切れない他軸負荷の影響によるトルクの検出誤差が生じていた。ここで、例えば、力制御に利用されるトルクに検出誤差が生じている場合、その力制御の誤差に直結してしまう。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0015】

【特許文献1】特開２０２０－１２６６０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0016】

このように、従来のトルクセンサでは、他軸剛性に対してトルク剛性を十分に低くすることができない。そして、その結果、従来のトルクセンサでは、キャンセルし切れない他軸負荷の影響によるトルクの検出誤差が生じていた。

【0017】

本開示は、上記のような課題を解決するためになされたもので、従来に対し、他軸剛性に対してトルク剛性を低くすることが可能となるトルクセンサを提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0018】

本開示に係るトルクセンサは、外周側に設けられて第１の外部機器が接続される外周側締結部、内周側に設けられて第２の外部機器が接続される内周側締結部、及び、当該外周側締結部と当該内周側締結部との間に設けられたセンシング部を有するフランジと、フランジにおけるセンシング部に接合されたセンサ素子と、フランジに設けられたフィン状部材とを備え、フィン状部材は、主面が当該フランジにおける径方向に沿って配置され、一端側がフランジに接続され、当該フランジの軸方向に延びたフィン部を有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0019】

本開示によれば、上記のように構成したので、従来に対し、他軸剛性に対してトルク剛性を低くすることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】実施の形態１に係るトルクセンサの構成例を示す斜視図である。

【図2】実施の形態１に係るトルクセンサの構成例を示す模式的な側断面図である。

【図3】実施の形態１に係るトルクセンサの別の構成例を示す模式的な上面図である。

【図4】従来のトルクセンサの構成例を示す斜視図である。

【図5】従来のトルクセンサの構成例を示す上面図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、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及び図２は実施の形態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及び図２に示すように、フランジ１、センサ素子２、フィン状部材３、及び、演算部４（不図示）を備えている。

【0022】

フランジ１は、例えばステンレスにより構成される。
図１及び図２に示すフランジ１は、軸心に孔を有するディスク状部材である。このフランジ１は、図１及び図２に示すように、外周側締結部１１、内周側締結部１２、スリット部１３、及び、センシング部１４を有している。

【0023】

外周側締結部１１は、第１の外部機器１０１が締結される部位である。この外周側締結部１１は、フランジ１における外周側に設けられ、フランジ１における一方の面に上記第１の外部機器１０１が締結される。
なお、図１では、第１の外部機器１０１の図示を省略している。

【0024】

この外周側締結部１１には、孔１１１が周方向に複数設けられている。孔１１１は、ボルト等の締結部材５の軸部を挿入可能に構成されている。そして、この孔１１１により、上記第１の外部機器１０１が上記締結部材５を介して外周側締結部１１に締結される。図１及び図２では、孔１１１は、合計８つ設けられている。
なお、図１では、孔１１１に挿入される締結部材５の図示を省略している。

【0025】

内周側締結部１２は、第２の外部機器１０２が締結される部位である。この内周側締結部１２は、フランジ１における内周側に設けられ、フランジ１における一方の面に上記第２の外部機器１０２が締結される。
なお、図１では、第２の外部機器１０２の図示を省略している。

【0026】

この内周側締結部１２には、孔１２１が周方向に複数設けられている。孔１２１は、ボルト等の締結部材５の軸部を挿入可能に構成されている。そして、この孔１２１により、上記第２の外部機器１０２が上記締結部材５を介して内周側締結部１２に締結される。図１及び図２では、孔１２１は、合計８つ設けられている。
なお、図１では、孔１２１に挿入される締結部材５の図示を省略している。

【0027】

なお、例えば、ロボットにおけるモータ等の駆動系及びロボットハンド等の負荷系のうちの一方が、第１の外部機器１０１に相当し、当該駆動系及び当該負荷系のうちの他方が、第２の外部機器１０２に相当する。

【0028】

スリット部１３は、フランジ１における外周側締結部１１と内周側締結部１２と間に複数設けられた円弧状のスリットである。この複数のスリット部１３は、回転対称に配置されている。図１及び図２では、スリット部１３は、８つ設けられている。
このスリット部１３は、トルクセンサに加えられるトルクに対する感度を向上するための部位である。

【0029】

センシング部１４は、スリット部１３との間に設けられ、センサ素子２が設けられた部位である。図１及び図２では、センシング部１４は、トルク軸（トルクセンサの軸心）に垂直な面（フランジ面）において９０°毎に設けられた軸（センサ軸）を中心にして１つずつ、合計４か所設けられている。

【0030】

なお、図１及び図２に示すフランジ１の構成は一例であり、フランジ１の構成はこれに限らない。すなわち、フランジ１は、外周側締結部１１、内周側締結部１２、及び、センシング部１４を有するフランジであればよい。

【0031】

センサ素子２は、フランジ１におけるセンシング部１４に接合されている。このセンサ素子２は、外部からのせん断応力に応じた信号を出力する。センサ素子２としては、例えば半導体歪ゲージ又は金属歪ゲージを用いることができる。
なお、図１及び図２では、センサ素子２は、対称的に配置されている。

【0032】

フィン状部材３は、フランジ１に設けられた部材である。図１及び図２では、フィン状部材３がフランジ１とは別体に構成された場合を示している。また、図１では、フィン状部材３がフランジ１に対して周方向に沿って８つ設けられている。
このフィン状部材３は、図１に示すように、フィン部３１、及び、締結板部３２を有している。

【0033】

フィン部３１は、主面がフランジ１における径方向に沿って配置され、一端側が当該フランジ１に接続され、当該フランジ１の軸方向に延びた板状の部位である。
また、図１及び図２では、フィン部３１は、幅が、フランジ１における外周側端部から内周側端部までの幅に相当する幅に構成されている。また、図１及び図２では、フィン部３１の一端側は、締結板部３２を介してフランジ１に接続されている。
また、図１及び図２では、１つのフィン状部材３に対してフィン部３１が１つ設けられている。

【0034】

締結板部３２は、フィン部３１をフランジ１に接続するための板状の部位である。この締結板部３２は、一端がフィン部３１の一端に連結され、また、外周側締結部１１の孔１１１及び内周側締結部１２の孔１２１に対向する箇所には、孔３２１が設けられている。図１及び図２では、締結板部３２の主面が、フィン部３１の主面に対して垂直（略垂直の意味を含む）であり、且つ、フランジ１の面に対して水平（略垂直の意味を含む）に配置されている。また、孔３２１は、ボルト等の締結部材５の軸部を挿入可能に構成されている。また、図１及び図２では、孔３２１は、外周側締結部１１側と内周側締結部１２側に１つずつ設けられている。
そして、この孔３２１により、第１の外部機器１０１の外周側締結部１１への締結及び第２の外部機器１０２の内周側締結部１２への締結に伴って、締結板部３２がフランジ１に締結される。

【0035】

また、図１及び図２では、締結板部３２は、フランジ１における外周側締結部１１及び内周側締結部１２に対向し、スリット部１３には対向しないように構成されている。
また、図１及び図２では、締結板部３２は、フィン部３１に対し、センサ素子２とは反対側に配置されている。

【0036】

なお、図１及び図２では、フィン状部材３が、センサ素子２の配置を基準として対称的に配置されている。すなわち、図１及び図２では、フィン状部材３が、センサ素子２間に配置されている。図１及び図２の例では、フィン状部材３が、センサ素子２間に２つずつ配置された場合を示している。

【0037】

演算部４は、センサ素子２により出力された信号に基づいて、トルクを演算する。この演算部４による演算方法については、既存の演算方法を用いることが可能であり、その説明を省略する。
なお、演算部４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。

【0038】

次に、図１及び図２に示す実施の形態１に係るトルクセンサによる効果について説明する。
ここで、円板部材であるフランジ１のみでは、他軸剛性に対してトルク剛性を十分に低くすることができない。

【0039】

これに対し、仮に、フランジ１に対し、フランジ１における径方向に垂直な方向（フランジ面内）での厚みが小さいフィン状の部材を配置した場合には、フランジ１のみの場合に対し、トルク剛性は比較的落ちる。
一方、仮に、フランジ１に対し、フランジ１における軸方向での厚みが大きいフィン状の部材を配置した場合には、フランジ１のみの場合に対し、他軸剛性は比較的落ちない。

【0040】

以上から、フランジ１に対し、フランジ１における径方向に垂直な方向（フランジ面内）での厚みが小さく、且つ、フランジ１における軸方向での厚みが大きいフィン状の部材を配置することで、フランジ１のみの場合に対し、トルク剛性は比較的落ちるものの、他軸剛性は比較的落ちない構成を実現でき、すなわち、他軸剛性をトルク剛性に対して高くすることができる。

【0041】

そこで、図１及び図２に示す実施の形態１に係るトルクセンサでは、フランジ１に対し、主面がフランジ１における径方向に沿って配置され、当該フランジ１の軸方向に延びたフィン部３１を有するフィン状部材３が追加されている。これにより、この実施の形態１に係るトルクセンサでは、従来に対し、他軸剛性に対してトルク剛性を低くすることが可能となる。その結果、実施の形態１に係るトルクセンサでは、従来に対し、トルクの検出誤差を抑制可能となる。

【0042】

また、フランジ１にフィン状部材３が追加されることで、センサ素子２のねじれを抑制することが可能となる。すなわち、フランジ１にフィン状部材３が追加されることで、他軸負荷による変形量が小さくなるため、フランジ１において外周側と内周側とで軸方向における高低差を抑制可能であり、これにより、センサ素子２のねじれが抑制される。
また、図１及び図２に示すように、センサ素子２が対称的に配置され、フィン状部材３がセンサ素子２の配置を基準として対称的に配置されることで、全てのセンサ素子２に対して均一にねじれを抑制することが可能となる。

【0043】

なお、図１及び図２では、フィン部３１は、幅が、フランジ１における外周側端部から内周側端部までの幅に相当する幅に構成された場合を示した。しかしながら、フィン部３１の幅はこれに限らない。なお、このフィン部３１では、外周側締結部１１の孔１１１に取り付けられた締結部材５と内周側締結部１２の孔１２１に取り付けられた締結部材５との間に対向する部分が上記の効力を発揮するため、それ以外の部分については上記の効力を発揮しない。

【0044】

また、図１及び図２では、フィン状部材３がフランジ１に対して周方向に沿って複数設けられた場合を示した。しかしながら、これに限らず、例えば図３に示すように、フィン状部材３は、フィン部３１をフランジ１に対して周方向に沿って複数組有するように構成されていてもよい。図３では、８個のフィン部３１を有するフィン状部材３が示されている。なお、図３では、センサ素子２，スリット部１３、孔１１１，１２１、及び、締結板部３２の図示を省略している。

【0045】

また、図１及び図２では、フィン状部材３がフランジ１とは別体に構成された場合を示した。しかしながら、これに限らず、フィン状部材３はフランジ１と一体に構成されていてもよい。
すなわち、この場合には、フィン状部材３に対し、締結板部３２は不要である。

【0046】

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、外周側に設けられて第１の外部機器１０１が接続される外周側締結部１１、内周側に設けられて第２の外部機器１０２が接続される内周側締結部１２、及び、当該外周側締結部１１と当該内周側締結部１２との間に設けられたセンシング部１４を有するフランジ１と、フランジ１におけるセンシング部１４に接合されたセンサ素子２と、フランジ１に設けられたフィン状部材３とを備え、フィン状部材３は、主面が当該フランジ１における径方向に沿って配置され、一端側がフランジ１に接続され、当該フランジ１の軸方向に延びたフィン部３１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、従来に対し、他軸剛性に対してトルク剛性を低くすることが可能となる。

【0047】

また、この実施の形態１によれば、フィン状部材３は、フランジ１に対して周方向に沿って複数設けられていてもよい。これにより、実施の形態１に係るトルクセンサは、他軸剛性に対してトルク剛性をより低くすることが可能となる。
また、この実施の形態１によれば、上記構成において、センサ素子２は、対称的に配置され、フィン状部材３は、センサ素子２の配置を基準として対称的に配置されていてもよい。これにより、実施の形態１に係るトルクセンサは、全てのセンサ素子２に対して均一にねじれを抑制することが可能となる。

【0048】

また、この実施の形態１によれば、フィン状部材３は、フィン部３１をフランジ１に対して周方向に沿って複数組有していてもよい。これにより、実施の形態１に係るトルクセンサは、他軸剛性に対してトルク剛性をより低くすることが可能となる。
また、この実施の形態１によれば、上記構成において、センサ素子２は、対称的に配置され、フィン部３１は、センサ素子２の配置を基準として対称的に配置されていてもよい。これにより、実施の形態１に係るトルクセンサは、全てのセンサ素子２に対して均一にねじれを抑制することが可能となる。

【0049】

なお、実施の形態の任意の構成要素の変形、若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。

【符号の説明】

【0050】

１ フランジ
２ センサ素子
３ フィン状部材
４ 演算部
５ 締結部材
１１ 外周側締結部
１２ 内周側締結部
１３ スリット部
１４ センシング部
３１ フィン部
３２ 締結板部
１０１ 第１の外部機器
１０２ 第２の外部機器
１１１ 孔
１２１ 孔
３２１ 孔

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】