JPH0560625A - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 任意の測定箇所でトルクを高感度で検出する
ことができるトルクセンサを提供する。 【構成】 非晶質磁性金属材の透磁率の変化にともなっ
てコイルの両端で観測される電気的定数の変化に基いて
前記被検出部材に負荷されるトルクを検出するようにし
たトルクセンサにおいて、前記被検出部材１の表面にト
ルクの負荷される方向に沿って複数の前記検出部４ａ，
４ｂ，４ｃ，４ｄが互いに対向して固着されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、回転する軸等の被検
出部材に負荷されるトルクを検出するトルクセンサに関
する。

【０００２】

【従来の技術】軸のトルクを検出するトルクセンサに
は、種々のタイプが知られている。これらの代表的なも
のとして、抵抗線を箔に固着し、抵抗線の抵抗値の変化
を検出する抵抗線歪センサがある。また、他には、非晶
質磁性金属材の磁歪効果を利用したトルクセンサがあ
る。この磁歪効果を利用したタイプのトルクセンサは、
特公昭62-28413号公報に開示されている。このトルクセ
ンサは、軸の外周面に磁歪効果の大きい箔帯状の非晶質
磁性金属材が固着されるとともに、この金属材の近傍に
軸とは、非接触にコイルが配設された構造を有してい
る。このような構造において、軸に回転力が負荷される
と、非晶質磁性金属材に透磁率の変化が生じ、金属泊に
対向されたコイルのインピ−ダンスが変化したり、コイ
ルに生じる誘起電圧が変化する。このインピーダンス或
は、誘起電力の変化から軸トルクが検出される。このタ
イプのトルクセンサは、軸とは非接触にトルク検出がで
き、既存の軸に設置できるばかりか、箔帯状の非晶質磁
性金属材の磁化容易軸を適切に選定することによって、
トルクの方向までも容易に検出することができる。

【０００３】しかしながら、非晶質磁性金属材の磁歪効
果を利用したトルクセンサにあっても次のような問題が
ある。すなわち、この非晶質磁性金属材を用いた非接触
方式のトルクセンサは、検出コイルが環状であるために
軸あるいは構造材の断面形状が円柱または円筒等には適
しているが、測定箇所の形状が複雑な場合には、その形
状に対応したコイルが必要となり、測定位置の制限を受
け、汎用性に欠けるという問題がある。

【０００４】また、抵抗線歪センサには、次のような問
題点がある。すなわち、接着剤で軸等に張り付ける抵抗
線歪センサは、検出感度が一般的に低いために、トルク
が加わる軸の一部を細くして軸に生じる変位量を大きく
することがある。このような場合、軸の強度がそれだけ
弱めることになる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
非晶質磁性金属材の磁歪効果を利用したトルクセンサに
あっては、測定箇所の形状が複雑であるときにその形状
に対応したコイルが必要となり、測定位置の制限を受
け、汎用性に欠けるという問題がある。

【０００６】また、抵抗線歪センサは検出感度が一般的
に低いため、検出感度を向上させるために、トルクが加
わる軸の一部を細くして変位量を大きくすることが必要
となり、トルク検出の為に軸の強度が弱められる問題点
がある。

【０００７】この発明は、上述のような事情に鑑みなさ
れたものであって、その目的は、測定箇所の形状に左右
されずに任意の測定箇所でトルクを高感度で測定するこ
とができ、またトルクが加わる軸の強度を下げずに高感
度でトルクを測定することができるトルクセンサを提供
するにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明のトルクセンサは、被検出部材の表面に磁
歪効果を有する非晶質磁性金属材を固着するとともに前
記非晶質磁性金属材に対し電気的に絶縁状態でコイルを
固着してなる検出部を有し、前記被検出部材に負荷され
る回転力によって生じる前記非晶質磁性金属材の透磁率
の変化にともなって前記コイルの両端で観測される電気
的定数の変化に基いて前記被検出部材に負荷されるトル
クを検出するようにしたトルクセンサにおいて、前記被
検出部材の表面にトルクの負荷される方向に沿って複数
の前記検出部を互いに対向して固着させてなることを特
徴としている。

【０００９】

【作用】上述のようなトルクセンサにおいては、被検出
部材の表面にトルクの負荷される方向に沿って複数の前
記検出部が互いに対向して固着されていることから、測
定箇所の形状が複雑であっても高感度でトルクを検出す
ることができ、またトルクが検出される被検出部材の強
度を低下させることがない。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照しながらこの発明のトルク
センサの実施例を説明する。

【００１１】図１は、この発明の一実施例に係るトルク
センサが適用された産業用ロボットの関節部分の構造を
示している。図１に示され産業用ロボットの関節部分の
構造において、１は、トルクが検出されるべき被検出部
材であるところの板状の腕部分を示し、この板状の腕部
分１には、腕部分１を矢印Ａ方向或は、その反対方向に
回転駆動する駆動軸２が設けられている。駆動軸２の周
囲の腕部分１には、４つの空洞部３ａ，３ｂ，３ｃ，３
ｄが設けられ、この空洞部３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ内の
内側表面には、腕部分１の回転軸の周りに負荷されるト
ルクを検出する為に検出部４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄが設
けられている。これらの検出部４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ
としては、図２に示すように夫々厚さが0.3mm、幅が5 m
m、長さが15 mm 程度の薄い板状に形成されたひずみセ
ンサが採用されている。これら検出部４ａ，４ｂ，４
ｃ，４ｄは、検出部４ａと検出部４ｃとが互いに対向さ
れ、また、検出部４ｂと検出部４ｄとが互いに対向さ
れ、検出部４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄが板状部材１の表面
にトルクの加えられる方向に沿って配置されるように板
状部材１の表面に貼り付けて固定されている。

【００１２】この検出部４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄには、
図２に示すようにその長手方向の両端部の対角線位置に
端子部４２ａ，４２ｂが設けられ、これら端子部４２
ａ，４２ｂには、接続用の端子４３ａ，４３ｂが露出状
態に設けられている。この検出部４ａ，４ｂ，４ｃ，４
ｄは、図３に示すような信号処理回路のインピーダンス
ブリッジ回路１０中に組み込まれている。即ち、検出部
４ａのプリントコイルの端子４３ａ，４３ｂの一方は、
検出部４ｂのコイルの端子の一方に電気的に直列に接続
され、また、検出部４ｃのプリントコイルの端子４３
ａ，４３ｂの一方は、検出部４ｄのコイルの端子の一方
に電気的に直列に接続されている。この検出部４ａ，４
ｂの直列回路は、固定抵抗１１に接続され、また、検出
部４ｃ，４ｄの直列回路は、抵抗１２に接続されて図３
に示されるようにインピ−ダンスブリッジ回路１０が構
成されている。このインピーダンスブリッジ回路１０で
は、検出部４ａ，４ｂ及び固定抵抗１１から成る直列回
路及び検出部４ｃ，４ｄ及び固定抵抗１２から成る直列
回路に発振器１３からの発振信号が印加されている。検
出部４ａ，４ｂ及び固定抵抗１１間の接続点及び検出部
４ｃ，４ｄ及び固定抵抗１２間の接続点は、差動増幅器
１４の入力端子に接続され、この差動増幅器１４の出力
端子は、位相検波回路１５に接続されている。この位相
検波回路１５には、発振器１３の出力が位相設定回路１
６を介して他方の入力端子に入力され、差動増幅器１４
の出力信号が位相差に応じて検波整流される。位相検波
回路１５は、検波された信号を平滑化するフィルタ回路
１７に接続されている。

【００１３】第２図に示された検出部４ａ，４ｂ，４
ｃ，４ｄは、図４に示すようにそれぞれプリントコイ
ル、即ち、導電体群５１、６１と非晶質磁性合金層５９
とが密着された層構造を有するひずみセンサに形成され
ている。即ち、図４に示すように可撓性を備えた絶縁材
で長方形に形成された基板５０は、その長手方向の両端
部で対角線位置に前述した端子部４２ａ，４２ｂに相当
する突出部分を有している。基板５０の上面には、第１
の導電体群５１が設けられている。この導電体群５１
は、基板５０の長手方向に等間隔に複数設けられた導電
体５２-1，５２-2，……５２-nによって構成されてい
る。これら導電体５２-1，５２-2，……５２-nは、幅が
0.1 mm、厚みが0.05mm程度に形成され、それぞれ基板５
０の長手方向と直交する方向に延びる部分５３と、この
部分５３の両端部から基板５０の長手方向に互いに逆向
きに延びる部分５４，５５とで構成されている。そし
て、部分５４，５５の先端部には、それぞれ部分５４，
５５より幅広で、しかも厚肉に形成された接続部５６，
５７が設けられている。なお、基板５０の長手方向の一
端側に位置する導電体５２ー１の部分５５は、端子部４
２ａの上まで延びており、その先端部が端子４３ａに接
続されている。同様に、基板５０の長手方向の他端側に
位置する導電体５２ー１の部分５４は、端子部４２ｂの
上まで延びており、その先端部が端子４３ｂに接続され
ている。

【００１４】第１の導電体群５１の上には、絶縁材層５
８が設けられている。この絶縁材層５８は、第１の導電
体群５１を構成している導電体５２-1，５２-2，……５
２-nの接続部５６，５７を除いた部分を覆う大きさの縦
横寸法に形成されている。

【００１５】絶縁材層５８の上には、絶縁材層５８より
縦横寸法が若干小さい非晶質磁性合金層５９が設けられ
ている。この非晶質磁性合金層５９は、例えば、Ｃｏ
（85wt% ）、Ｚｒ（10wt% ）、Ｆｅ（5wt%）の組成を持
つ材料で形成されている。この非晶質磁性合金層５９に
は、図５に示すように、レーザ光線、たとえば炭配ガス
レーザが長手方向に一定間隔で幅方向に照射され、この
照射によって磁気異方性が与えられている。すなわち、
レーザ光線の照射された場所は加熱されて、磁気特性が
変化する。非晶質磁性合金層５９は、長手方向に磁気特
性が縞模様に異なる分布を持ち、幅方向に磁気異方性が
付与される。

【００１６】非晶質磁性合金層５９の上には、絶縁材層
５８の縦横寸法とほぼ同じ大きさの絶縁材層６０が設け
られている。そして、この絶縁材層６０および基板５０
の上には、第２の導電体群６１が形成されている。この
第２の導電体群６１は、絶縁材層６０の長手方向に等間
隔に（n-1)個の数だけ設けられた導電体６２-1，６２-
2，……６２-(n-1)によって構成されている。これら導
電体６２-1，６２-2，……６２-(n-1)は、先に説明した
第１の導電体群５１を構成する導電体と同程度の幅およ
び厚みに形成されている。これら、導電体６２-1，６２
-2，……６２-(n-1)の両端部には、接続部６３，６４が
設けられている。すなわち、導電体６２-1，６２-2，…
…６２-(n-1)は、その両端部に設けられた接続部６３，
６４が第１の導電体群５１を構成している導電体５２-
1，５２-2，……５２-nの接続部５６，５７に接続さ
れ、導電体５２-1，５２-2，……５２-nを直列に接続し
て非晶質磁性合金層５９を螺旋状に取り囲む１本のコイ
ルを形成するように設けられている。そして、第２の導
電体群６１の上には、絶縁材層６５が設けられている。

【００１７】したがって、このひずみセンサの構造を有
する検出部４１は、図６に模式図で示すように、非晶質
磁性合金層５９の外周に絶縁材層５８，６０を介して導
電体５２-1，５２-2，……５２-nおよび６２-1，６２-
2，……６２-(n-1)で形成されたコイル６６が装着さ
れ、さらにコイル６６の外周が基板５０および絶縁材層
６５で覆われ、これらが一体化された構造に形成されて
いる。このように構成された検出部４１は、金属抵抗線
形ひずみセンサと同様に構造材に貼着される。そして、
コイル６６のインダクタンス値から構造材のひずみ量が
検出される。

【００１８】このような構成であると、図６に実線矢印
６７，６８で示すように、非晶質磁性合金層５９に圧縮
力あるいは引張力が加わると、非晶質磁性合金層５９の
透磁率が図７に示すように変化される。この場合、コイ
ル６６を非晶質磁性合金層５９が貫通しているので、圧
縮力あるいは引張力による非晶質磁性合金層５９の透磁
率の変化はコイル６６のインダクタンス値の変化となっ
て現れる。したがって、このインダクタンス値の変化か
らひずみ量、つまり構造材に加わっている力を検出する
ことができる。この検出感度は、金属抵抗線形ひずみセ
ンサに比べて50〜150 倍と高い。

【００１９】次に上述した構造を有するトルクセンサの
動作について説明する。いま、板状部材１が図示してな
い例えばモ−タ等の駆動源によって駆動軸２を回転させ
て板状部材１に対し矢印Ａ方向の力が加わったとする
と、検出部４ａ，４ｂには引張り応力が、そして検出部
４ｃ，４ｄには、圧縮応力がそれぞれ発生する。

【００２０】それぞれの検出部４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ
に応力が加わると非晶質磁性金属材５９の透磁率の変化
によってプリントコイルのインダクタンスが変化する。
この変化を図３に示している信号処理回路に入力し、最
終的にトルクに比例した出力信号を検出する。ここで、
図１に示す矢印Ａ方向にトルクが加わると検出部４ａと
検出部４ｂのコイルには引張り応力が働き、そのために
これらのコイルのインピ−ダンスが大きくなる。反対に
検出部４ｃと検出部４ｄのコイルには圧縮応力が働き、
そのためにこれらのコイルのインピ−ダンスが小さくな
る。したがって、差動増幅器１４の一方の端子に入力さ
れるところの検出部４ａと検出部４ｂのコイルが直列的
に接続されている側の信号は大きくなり、また、差動増
幅器１４の他方の端子に入力されるところの検出部４ｃ
と検出部４ｄのコイルが直列的に接続されている側の信
号は小さくなる。差動増幅器１４から出力される出力信
号は前記２つの入力信号の差を増幅してあるものであ
る。そして、差動増幅器１４の出力信号は位相検波回路
１５に導入されている。この位相検波回路１５には、発
振器１３の出力から位相設定回路１６を介して他方の入
力端子に入力されており、差動増幅器１４の出力との位
相差に応じて検波整流を行なう。最後に位相検波回路１
５の出力信号をフィルタ回路１７で平滑することによっ
て板状部材１に負荷されるトルクに応じた出力信号を得
ることができる。

【００２１】本実施例において、検出部は合計４箇所設
けられており、２組として構成したが、これに限るもの
ではない。例えば８箇所設けて、２組の構成とすると、
さらに検出感度が高くなる。なお、本発明は上述した実
施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱し
ない限りにおいて、種々の変形が可能であるのは勿論で
ある。

【００２２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明のトルクセン
サによれば次のような効果が得られる。すなわち、抵抗
線歪センサと比較して高感度のトルク検出ができる。ま
た、被検出部材の測定箇所の形状が複雑であるときでも
トルクを検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のトルクセンサの一実施例を示す被検
出部材の正面図。

【図２】図１に示された検出部を示す斜視図。

【図３】この発明のトルクセンサの信号処理回路部の回
路構成を示すブロック図。

【図４】図２に示された検出部の構造を示す分解斜視
図。

【図５】図２に示された検出部に組み込まれる非晶質磁
性金属上のレーザビームが与えられる領域を示す平面
図。

【図６】図２に示される検出部の検出原理を示す斜視
図。

【図７】図５に示された加工によって磁気異方性が付与
された非晶質磁性金属の特性を示すグラフ。

【符号の説明】

１・・・板状部材、 ２・・・駆動軸、 ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ・・・空洞部、 ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ・・・検出部、 １０・・・インピ−ダンスブリッジ回路、 １３・・・発振器、 １４・・・差動増幅器、 １５・・・位相検波回路、 １７・・・フィルタ回路。 ５０・・・基板 ５１・・・第１の導電体群 ５８・・・絶縁材層 ５９・・・非晶質磁性合金層 ６０・・・絶縁材層 ６１・・・第２の導電体群

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検出部材の表面に磁歪効果を有する非
   晶質磁性金属材を固着するとともに前記非晶質磁性金属
   材に対し電気的に絶縁状態でコイルを固着してなる検出
   部を有し、前記被検出部材に負荷される回転力によって
   生じる前記非晶質磁性金属材の透磁率の変化にともなっ
   て前記コイルの両端で観測される電気的定数の変化に基
   いて前記被検出部材に負荷されるトルクを検出するよう
   にしたトルクセンサにおいて、前記被検出部材の表面に
   トルクの負荷される方向に沿って複数の前記検出部を互
   いに対向して固着させてなることを特徴とするトルクセ
   ンサ。