扭矩传感器制造技术

本发明专利技术的扭矩传感器具备：环状变形体；第一以及第二位移电极，产生因环状变形体的弹性变形而引起的位移；第一以及第二固定电极，配置于与第一以及第二位移电极对置的位置；以及检测电路，基于由各个位移电极和固定电极构成的第一以及第二电容元件的静电电容值的变动量而输出示出扭矩的电信号。环状变形体具备高弹力部和具有比所述高弹力部的弹簧常数小的弹簧常数的低弹力部。检测电路将相当于第一电容元件的静电电容值的第一电信号、和相当于所述第二电容元件的静电电容值的第二电信号作为示出所作用的扭矩的电信号输出，并基于第一电信号与第二电信号的比率来判定该扭矩传感器是否正常发挥机能。

The torque sensor

The torque sensor of the present invention has: Ring deformable body; first and second displacement electrodes to produce displacement caused by the elastic deformation of the ring deformable body; the first and second fixed electrodes are arranged in position with the first and second displacement electrodes; and the detection circuit is based on each displacement electrode and fixed. The electrical signals of the first and second capacitance elements of the electrodes are changed and the electrical signals showing the torque are output. The ring deformable body has a high elastic part and a low elastic part with a spring constant smaller than the high elastic part. The detection circuit will be equivalent to the first electrical signal of the electrostatic capacitance value of the first capacitance element and the second electrical signal equivalent to the electrostatic capacitance value of the second capacitance element as an electrical signal output indicating the torque acting on it, and determine whether the torque sensor is normal or not based on the ratio of the first electrical signal to the second electrical signal. Function.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】扭矩传感器
本专利技术涉及扭矩传感器，尤其涉及具有将作用于绕规定的旋转轴的扭矩作为电信号输出的功能的传感器。
技术介绍
检测作用于绕规定的旋转轴的扭矩的扭矩传感器广泛利用于各种各样的运输设备、工业设备中。例如，在下述的专利文献1中公开了一种类型的扭矩传感器，其通过应变计来检测由扭矩的作用所产生的机械变形。另外，在专利文献2中公开了一种传感器，其由电镀处理而在轴表面形成磁致伸缩膜，并通过测定该磁致伸缩膜的磁特性的变化来检测作用于轴的扭矩。另一方面，在专利文献3中公开了一种类型的扭矩传感器，其在扭杆的端部设置磁发生部，使用聚磁环检测由该磁发生部产生的磁的磁通密度的变化，在专利文献4中公开了一种类型的扭矩传感器，其以在圆周方向交替排列N极和S极的方式，将多个磁铁配置成圆筒状，检测由这些磁铁产生的磁场。进一步地，在专利文献5中公开了一种扭矩传感器，其准备由扭矩的作用使环状构件的形状向径向变形的连杆机构，通过载荷传感器检测由环状构件的变形而向该径向施加的力。另外，在引用文献6中公开了一种静电电容类型的扭矩传感器，其基于因由扭矩的作用在环状的弹性环所产生的变形而引起的电容元件的静电电容值的变动量来检测扭矩。近年来，在扩大这样的扭矩传感器向生活支援机器人的用途，追求高安全性。然而，例如，在目前的静电电容类型的扭矩传感器中，具备包含扭矩检测部的机构部、CV转换电路、包含微型计算机的电子电路，但存在由结露、冲击、过负荷或者在提供该静电电容的一对平行平板间混入异物而故障的可能性。特别是，由于扭矩传感器的扭矩检测部具有可挠性，因此由过负荷、反复载荷而产生金属疲劳。由该情况而存在在构成该扭矩检测部的弹性体产生裂纹等并最终断裂的担心。作为判断扭矩传感器是否故障的简便的方法，公开了如下方法：将多个(例如三个)在引用文献6中所记载的扭矩传感器沿着检测对象的扭矩的旋转轴并列排列，评价各扭矩传感器的输出信号之差。在该方法中，将三个输出信号逐两个进行比较，如果两个扭矩传感器的输出信号之差存在于规定的范围内，则判断为该扭矩传感器正常发挥机能，另一方面，如果该差不存在于规定的范围内，则判断为该扭矩传感器未正常发挥机能(故障)。在先技术文献专利文献专利文献1：日本专利特开2009-058388号公报专利文献2：日本专利特开2007-024641号公报专利文献3：日本专利特开2009-244134号公报专利文献4：日本专利特开2006-292423号公报专利文献5：日本专利特开2000-019035号公报专利文献6：日本专利特开2012-037300号公报然而，在采用了使用多个扭矩传感器来判断该扭矩传感器是否正常发挥机能的方法的情况下，根据扭矩传感器的个数而成本增大。进一步地，问题是为了设置扭矩传感器而所需要的空间也增大。当然，通过将安装于机器人等的扭矩传感器拆下来进行故障诊断而能够判断该扭矩传感器是否正常发挥机能。然而，由于将本安装好的扭矩传感器拆下来较麻烦，因此期望能够更简便地进行故障诊断的扭矩传感器。
技术实现思路
本专利技术是鉴于以上那样的问题而作出的。即，本专利技术的目在于提供能够在构成扭矩检测部的弹性体断裂之前检测在该弹性体产生了金属疲劳并诊断该扭矩检测部的故障的扭矩传感器。本专利技术为一种扭矩传感器，检测XYZ三维坐标系中的绕Z轴的扭矩，具备：环状变形体，由通过作为检测对象的扭矩的作用而产生弹性变形的材质构成，具有Z轴插通的贯通开口部；第一支承体，在所述环状变形体与XZ平面相交的两个第一部位连接于该环状变形体；第二支承体，在所述环状变形体与包括Z轴且和XZ平面不同的平面相交的两个第二部位连接于该环状变形体，并相对所述第一支承体能够绕Z轴旋转；位移电极，配置于所述环状变形体，产生因该环状变形体的弹性变形而引起的位移；固定电极，配置于所述第一支承体中与所述位移电极对置的位置；以及检测电路，基于由所述位移电极和所述固定电极构成的电容元件的静电电容值的变动量，输出示出在向所述第一支承体以及所述第二支承体的一方施加了负荷的状态下作用于另一方的绕Z轴的扭矩的电信号，所述环状变形体具备高弹力部和具有比所述高弹力部的弹簧常数小的弹簧常数的低弹力部，所述电容元件具有第一电容元件以及第二电容元件，所述第一电容元件由在绕Z轴的扭矩进行了作用时所述高弹力部中所述环状变形体与所述第一支承体的分离距离发生变化的第一位置配置的位移电极以及固定电极构成，所述第二电容元件由在绕Z轴的扭矩进行了作用时所述低弹力部中所述环状变形体与所述第一支承体的分离距离发生变化的第二位置配置的位移电极以及固定电极构成，所述检测电路，将相当于所述第一电容元件的静电电容值的第一电信号和相当于所述第二电容元件的静电电容值的第二电信号作为示出所作用的扭矩的电信号输出，基于所述第一电信号与所述第二电信号的比率来判定该扭矩传感器是否正常发挥机能。根据本专利技术，随着低弹力部比高弹力部先金属疲劳，第一电信号与第二电信号的比率产生变化。关注该情况，能够提供如下扭矩传感器：在构成扭矩检测部的弹性体断裂之前，检测在该弹性体产生了金属疲劳，从而能够诊断该扭矩检测部的故障。构成第一电容元件和第二电容元件的各固定电极以及各位移电极可在每个电容元件单独地形成。或者，也可以使各固定电极以及各位移电极中的一方作为共用电极而构成。即，也可以使所述第一以及第二电容元件的各位移电极由共用的电极构成或使所述第一以及第二电容元件的各固定电极由共用的电极构成。优选，在绕Z轴的扭矩进行了作用的结果而使所述位移电极相对于所述固定电极的相对位置发生了变化的情况下，以构成所述第一以及第二电容元件的各一对电极的有效对置面积不发生变化的方式，设定了所述第一和第二电容元件的各自的位移电极以及固定电极中的一方的面积大于另一方的面积。在该情况下，由于即使绕Z轴的扭矩进行作用，构成第一以及第二电容元件的各一对电极的有效对置面积也不发生变化，因此能够提高扭矩的检测精度和扭矩传感器是否正常发挥机能的判定精度。在以上那样的扭矩传感器中，优选所述第二支承体在所述环状变形体与YZ平面相交的两个区域连接于该环状变形体。在该情况下，由于由所作用的扭矩引起的环状变形体的变形关于原点O对称，因此容易进行该扭矩的测定。优选，在XY平面上，在定义了通过原点O并相对X轴以及Y轴形成45°的V轴和W轴的情况下，当从Z轴方向观察时，所述第一电容元件以及所述第二电容元件同时配置于V轴上或W轴上。在该情况下，关于各电容元件的静电电容值的变化，第一以及第二电容元件示出彼此相反的动作。因此，容易进行用于基于各电容元件的静电电容值的变化的扭矩的测定以及扭矩传感器的故障诊断的处理。或者，本专利技术涉及的扭矩传感器检测XYZ三维坐标系中的绕Z轴的扭矩，具备：环状变形体，由通过作为检测对象的扭矩的作用而产生弹性变形的材质构成，具有Z轴插通的贯通开口部；第一支承体，在所述环状变形体与XZ平面相交的两个第一部位连接于该环状变形体；第二支承体，在所述环状变形体与包括Z轴且和XZ平面不同的平面相交的两个第二部位连接于该环状变形体，并相对所述第一支承体能够绕Z轴旋转；位移电极，配置于所述环状变形体，产生因该环状变形体的弹性变形而引起的位移；固定电极，配置于所述第一支承体中与所述位移电极对置的位置；以及检测电路，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种扭矩传感器，检测XYZ三维坐标系中的绕Z轴的扭矩，其特征在于，所述扭矩传感器具备：环状变形体，由通过作为检测对象的扭矩的作用而产生弹性变形的材质构成，具有Z轴插通的贯通开口部；第一支承体，在所述环状变形体与XZ平面相交的两个第一部位连接于该环状变形体；第二支承体，在所述环状变形体与包括Z轴且与XZ平面不同的平面相交的两个第二部位连接于该环状变形体，并相对所述第一支承体能绕Z轴旋转；位移电极，配置于所述环状变形体，产生因该环状变形体的弹性变形而引起的位移；固定电极，配置于所述第一支承体中与所述位移电极对置的位置；以及检测电路，基于由所述位移电极和所述固定电极构成的电容元件的静电电容值的变动量，输出表示在向所述第一支承体以及所述第二支承体的一方施加了负荷的状态下作用于另一方的绕Z轴的扭矩的电信号，所述环状变形体具备高弹力部和具有比所述高弹力部的弹簧常数小的弹簧常数的低弹力部，所述电容元件具有第一电容元件以及第二电容元件，所述第一电容元件由在绕Z轴的扭矩进行作用时所述高弹力部中所述环状变形体与所述第一支承体的分离距离发生变化的第一位置配置的位移电极以及固定电极构成，所述第二电容元件由在绕Z轴的扭矩进行作用时所述低弹力部中所述环状变形体与所述第一支承体的分离距离发生变化的第二位置配置的位移电极以及固定电极构成，所述检测电路将相当于所述第一电容元件的静电电容值的第一电信号和相当于所述第二电容元件的静电电容值的第二电信号作为示出所作用的扭矩的电信号输出，基于所述第一电信号与所述第二电信号的比率来判定该扭矩传感器是否正常发挥机能。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种扭矩传感器，检测XYZ三维坐标系中的绕Z轴的扭矩，其特征在于，所述扭矩传感器具备：环状变形体，由通过作为检测对象的扭矩的作用而产生弹性变形的材质构成，具有Z轴插通的贯通开口部；第一支承体，在所述环状变形体与XZ平面相交的两个第一部位连接于该环状变形体；第二支承体，在所述环状变形体与包括Z轴且与XZ平面不同的平面相交的两个第二部位连接于该环状变形体，并相对所述第一支承体能绕Z轴旋转；位移电极，配置于所述环状变形体，产生因该环状变形体的弹性变形而引起的位移；固定电极，配置于所述第一支承体中与所述位移电极对置的位置；以及检测电路，基于由所述位移电极和所述固定电极构成的电容元件的静电电容值的变动量，输出表示在向所述第一支承体以及所述第二支承体的一方施加了负荷的状态下作用于另一方的绕Z轴的扭矩的电信号，所述环状变形体具备高弹力部和具有比所述高弹力部的弹簧常数小的弹簧常数的低弹力部，所述电容元件具有第一电容元件以及第二电容元件，所述第一电容元件由在绕Z轴的扭矩进行作用时所述高弹力部中所述环状变形体与所述第一支承体的分离距离发生变化的第一位置配置的位移电极以及固定电极构成，所述第二电容元件由在绕Z轴的扭矩进行作用时所述低弹力部中所述环状变形体与所述第一支承体的分离距离发生变化的第二位置配置的位移电极以及固定电极构成，所述检测电路将相当于所述第一电容元件的静电电容值的第一电信号和相当于所述第二电容元件的静电电容值的第二电信号作为示出所作用的扭矩的电信号输出，基于所述第一电信号与所述第二电信号的比率来判定该扭矩传感器是否正常发挥机能。2.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其特征在于，使所述第一电容元件以及所述第二电容元件的各位移电极由共用的电极构成或使所述第一电容元件以及所述第二电容元件的各固定电极由共用的电极构成。3.根据权利要求1或2所述的扭矩传感器，其特征在于，在绕Z轴的扭矩进行了作用的结果使所述位移电极相对于所述固定电极的相对位置发生了变化的情况下，以构成所述第一电容元件以及所述第二电容元件的各一对电极的有效对置面积不发生变化的方式，设定所述第一电容元件和所述第二电容元件各自的位移电极以及固定电极中的一方的面积大于另一方的面积。4.根据权利要求1至3中任一项所述的扭矩传感器，其特征在于，所述第二支承体在所述环状变形体与YZ平面相交的两个区域连接于该环状变形体。5.根据权利要求4所述的扭矩传感器，其特征在于，在XY平面上，在定义了通过原点O且相对X轴以及Y轴形成45°的V轴和W轴的情况下，当从Z轴方向观察时，所述第一电容元件以及所述第二电容元件都配置于V轴上或W轴上。6.一种扭矩传感器，检测XYZ三维坐标系中的绕Z轴的扭矩，其特征在于，所述扭矩传感器具备：环状变形体，由通过作为检测对象的扭矩的作用而产生弹性变形的材质构成，具有Z轴插通的贯通开口部；第一支承体，在所述环状变形体与XZ平面相交的两个第一部位连接于该环状变形体；第二支承体，在所述环状变形体与包括Z轴且和XZ平面不同的平面相交的两个第二部位连接于该环状变形体，并相对所述第一支承体能绕Z轴旋转；位移电极，配置于所述环状变形体，产生因该环状变形体的弹性变形而引起的位移；固定电极，配置于所述第一支承体中与所述位移电极对置的位置；以及检测电路，基于由所述位移电极和所述固定电极构成的电容元件的静电电容值的变动量，输出示出在向所述第一支承体以及所述第二支承体的一方施加了负荷的状态下作用于另一方的绕Z轴的扭矩的电信号，所述环状变形体具备高弹力部和具有比所述高弹力部的弹簧常数小的弹簧常数的低弹力部，所述电容元件具有第一电容元件、第二电容元件、第三电容元件以及第四电容元件，所述第一电容元件和所述第二电容元件由在绕Z轴的扭矩进行了作用时所述高弹力部中所述环状变形体与所述第一支承体的分离距离发生变化的两个配置于第一位置的位移电极以及固定电极分别构成，所述第三电容元件和所述第四电容元件由在绕Z轴的扭矩进行作用时所述低弹力部中所述环状变形体与所述第一支承体的分离距离发生变化的两个配置于第二位置的位移电极以及固定电极分别构成，所述检测电路将相当于“所述第一电容元件的静电电容值与所述第二电容元件的静电电容值之差”的第一电信号、和相当于“所述第三电容元件的静电电容值与所述第四电容元件的静电电容值之差”的第二电信号作为示出所作用的扭矩的电信号输出，基于所述第一电信号与所述第二电信号的比率来判定该扭矩传感器是否正常发挥机能。7.根据权利要求6所述的扭矩传感器，其特征在于，使所述第一电容元件至所述第四电容元件的各位移电极中至少两个由共用的电极构成或使所述第一电容元件至所述第四电容元件的各固定电极之中至少两个由共用的电极构成。8.根据权利要求6或7所述的扭矩传感器，其特征在于，在绕Z轴的扭矩进行作用的结果而使所述位移电极相对于所述固定电极的相对位置发生了变化的情况下，以构成所述第一电容元件至所述第四电容元件的各一对电极的有效对置面积不发生变化的方式，设定了所述第一电容元件至所述第四电容元件各自的位移电极以及固定电极中一方的面积大于另一方的面积。9.根据权利要求6至8中任一项所述的扭矩传感器，其特征在于，所述第二支承体在所述环状变形体与YZ平面相交的两个区域连接于该环状变形体。10.根据权利要求9所述的扭矩传感器，其特征在于，在XY平面上，在定义了通过原点O并相对X轴以及Y轴形成45°的V轴和W轴的情况下，当从Z轴方向观察时，所述第一电容元件配置于正的V轴上，所述第二电容元件配置于正的W轴上，所述第三电容元件配置于负的V轴上，所述第四电容元件配置于负的W轴上。11.一种扭矩传感器，检测XYZ三维坐标系中的绕Z轴的扭矩，其特征在于，所述扭矩传感器具备：环状变形体，由通过作为检测对象的扭矩的作用而产生弹性变形的材质构成，具有Z轴插通的贯通开口部；第一支承体，在所述环状变形体与XZ平面相交的两个第一部位连接于该环状变形体；第二支承体，在所述环状变形体与包括Z轴且和XZ平面不同的平面相交的两个第二部位连接于该环状变形体，并相对所述第一支承体能够绕Z轴旋转；位移电极，配置于所述环状变形体，产生因该环状变形体的弹性变形而引起的位移；固定电极，配置于所述第一支承体中与所述位移电极对置的位置；以及检测电路，基于由所述位移电极和所述固定电极构成的电容元件的静电电容值的变动量，输出示出在向所述第一支承体以及所述第二支承体的一方施加了负荷的状态下作用于另一方的绕Z轴的扭矩的电信号，所述环状变形体使四个高弹力部和具有比所述高弹力部的弹簧常数小的弹簧常数的四个低弹力部在圆周方向上各自逐个地交替配置而构成，所述电容元件具有第一电容元件、第二电容元件、第三电容元件、第四电容元件、第五电容元件、第六电容元件、第七电容元件以及第八电容元件，所述第一电容元件、所述第三电容元件、所述第五电容元件和所述第七电容元件由在绕Z轴的扭矩进行了作用时所述高弹力部中所述环状变形体与所述第一支承体的分离距离发生变化的各个配置于第一位置的位移电极以及固定电极分别构成，所述第二电容元件、所述第四电容元件、所述第六电容元件和所述第八电容元件由在绕Z轴的扭矩进行作用时所述低弹力部中所述环状变形体与所述第一支承体的分离距离发生变化的各个配置于第二位置的位移电极以及固定电极分别构成，所述检测电路将相当于“所述第一电容元件的静电电容值和所述第五电容元件的静电电容值之和、与所述第三电容元件的静电电容值和所述第七电容元件的静电电容值之和的差”的第一电信号、和相当于“所述第二电容元件的静电电容值和所述第六电容元件的静电电容值之和、与所述第四电容元件的静电电容值和所述第八电容元件的静电电容值之和的差”的第二电信号作为示出所作用的扭矩的电信号输出，基于所述第一电信号与所述第二电信号的比率来判定该扭矩传感器是否正常发挥机能。12.根据权利要求11所述的扭矩传感器，其特征在于，使所述第一电容元件至所述第八电容元件的各位移电极中至少两个由共用的电极构成或使所述第一电容元件至所述第八电容元件的各固定电极中至少两个由共用的电极构成。13.根据权利要求11或12所述的扭矩传感器，其特征在于，在绕Z轴的扭矩进行了作用的结果而使所述位移电极相对于所述固定电极的相对位置发生变化的情况下，以构成所述第一电容元件至所述第八电容元件的各一对电极的有效对置面积不发生变化的方式，设定了所述第一电容元件至所述第八电容元件各自的位移电极以及固定电极中一方的面积大于另一方的面积。14.根据权利要求11至13中任一项所述的扭矩传感器，其特征在于，所述第二支承体在所述环状变形体与YZ平面相交的两个区域连接于该环状变形体。15.根据权利要求14所述的扭矩传感器，其特征在于，在XY平面上，在定义了通过原点O并相对X轴以及Y轴形成45°的V轴和W轴的情况下，当从Z轴方向观察时，使所述高弹力部在由正的X轴和正的V轴所划分的区域、由正的Y轴和正的W轴所划分的区域、由负的X轴和负的V轴所划分的区域以及由负的Y轴和负的W轴所划分的区域各自逐个地配置，使所述低弹力部在由正的V轴和正的Y轴所划分的区域、由正的W轴和负的X轴所划分的区域、由负的V轴和负的Y轴所划分的区域以及由负的W轴和正的X轴所划分的区域各自逐个地配置。16.根据权利要求15所述的扭矩传感器，其特征在于，所述第一电容元件以及所述第二电容元件在正的V轴附近从Z轴方向观察关于该V轴对称地配置，所述第三电容元件以及所述第四电容元件在正的W轴附近从Z轴方向观察关于该W轴对称地配置，所述第五电容元件以及所述第六电容元件在负的V轴附近从Z轴方向观察关于该V轴对称地配置，所述第七电容元件以及所述第八电容元件在负的W轴附近从Z轴方向观察关于该W轴对称地配置。17.根据权利要求1至16中任一项所述的扭矩传感器，其特征在于，所述低弹力部构成为在所述环状变形体的径向上比所述高弹力部宽度窄。18.根据权利要求1至16中任一项所述的扭矩传感器，其特征在于，所述低弹力部构成为在Z轴方向上比所述高弹力部厚度薄。19.根据权利要求1至18中任一项所述的扭矩传感器，其特征在于，所述位移电极配置于所述环状变形体的表面。20.一种扭矩传感器，检测XYZ三维坐标系中的绕Z轴的扭矩，其特征在于，所述扭矩传感器具备：环状变形体，由通过作为检测对象的扭矩的作用而产生弹性变形的材质构成，具有Z轴插通的贯通开口部；第一支承体，在所述环状变形体与XZ平面相交的两个第一部位连接于该环状变形体；第二支承体，在所述环状变形体与包括Z轴且和XZ平面不同的平面相交的两个第二部位连接于该环状变形体，并相对所述第一支承体能够绕Z轴旋转；位移电极，配置于所述环状变形体的规定位置，产生因该环状变形体的弹性变形而引起的位移；固定电极，配置于所述第一支承体中与所述位移电极对置的位置；以及检测电路，基于由所述位移电极和所述固定电极构成的电容元件的静电电容值的变动量，输出示出在向所述第一支承体以及所述第二支承体的一方施加了负荷的状态下作用于另一方的绕Z轴的扭矩的电信号，所述环状变形体具有位于在该所述环状变形体上所定义的两个检测点的第一检测部和第二检测部、以及与这些第一检测部和第二检测部的两端连接的连结部，所述第一检测部和所述第二检测部分别具有由作为检测对象的扭矩的作用而产生弹性变形的第一变形部、由作为检测对象的扭矩的作用而产生弹性变形的第二变形部、以及由所述第一变形部和所述第二变形部的弹性变形而产生位移的位移部，所述第一变形部的外侧端连接于与其相邻的连结部，所述第一变形部的内侧端与所述位移部连接，所述第二变形部的外侧端连接于与其相邻的连结部，所述第二变形部的内侧端与所述位移部连接，所述第一检测部的所述第一变形部以及所述第二变形部具有比所述第二检测部的所述第一变形部以及所述第二变形部的弹簧常数大的弹簧常数，所述电容元件具有第一电容元件以及第二电容元件，各电容元件由与所述第一检测部和所述第二检测部各自的所述位移部对应的位置配置的位移电极以及固定电极构成，所述检测电路将相当于所述第一电容元件的静电电容值的第一电信号和相当于所述第二电容元件的静电电容值的第二电信号作为示出所作用的扭矩的电信号输出，基于所述第一电信号与所述第二电信号的比率来判定该扭矩传感器是...

【专利技术属性】
技术研发人员：冈田和广，冈田美穂，
申请(专利权)人：三角力量管理株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP