JP2023034759A - センサ、機器および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 センサの検出精度の低下を抑制する。
【解決手段】 構造体と、前記構造体の変形を計測するエンコーダとを有したセンサであって、前記エンコーダは、スケールと、前記スケールに対向して配置された検出ヘッドとを有し、前記検出ヘッドは、検出ユニットと、前記検出ユニットと前記スケールとの間に存在し、前記検出ユニットに固定される光透過材とを備え、前記構造体は、第１部分と、第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との間に配され、前記第１部分および前記第２部分に結合し、前記構造体にかかる力によって変形する弾性部と、前記第１部分と一体で構成された第３部分を有し、前記検出ヘッドが、前記光透過材および前記第３部分に接する接着剤によって、前記第３部分に固定されていることを特徴とするセンサ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、センサに関する。

自動車やロボットには、トルクを検出して電気信号として出力するセンサが搭載されている。センサは、エンコーダ装置などの変位検出装置を搭載しており、変位検出装置によって検出された変位情報を用いてトルク値を求める。そこで特許文献１には、スケールからの位置情報を取得する検出ヘッドが、検出ヘッド支持部に取り付けられ、検出ヘッド支持部が取り付け部に固定されている形態が提案されている。

特開２０１９－９０７１８号公報

特許文献１の形態では、センサ周囲の温度上昇などの環境変化により、センサの精度が低下することがあった。そこで、センサの検出精度の低下を抑制することを目的とする。

上記課題を解決するための手段は、構造体と、前記構造体の変形を計測するエンコーダとを有したセンサであって、前記エンコーダは、スケールと、前記スケールに対向して配置された検出ヘッドとを有し、前記検出ヘッドは、検出ユニットと、前記検出ユニットと前記スケールとの間に存在し、前記検出ユニットに固定される光透過材とを備え、前記構造体は、第１部分と、第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との間に配され、前記第１部分および前記第２部分に結合し、前記構造体にかかる力によって変形する弾性部と、前記第１部分と一体で構成された第３部分を有し、前記検出ヘッドが、前記光透過材および前記第３部分に接する接着剤によって、前記第３部分に固定されていることを特徴とする。

本発明によれば、センサの検出精度の低下を抑制する上で有利な技術を提供することができる。

（ａ）は第１実施形態に係るセンサの上面図である。（ｂ）は第１実施形態に係るセンサの一部分の模式図である。（ｃ）は、図１（ｂ）の要部の拡大図である。 （ａ）は第１実施形態に係るセンサの構成のブロック図である。（ｂ）は第１実施形態に係るセンサの機能のブロック図である。 （ａ）は第１実施形態に係る変位検出装置の一例であるエンコーダ装置の模式図である。（ｂ）は第１実施形態に係る検出ヘッドの平面図である。 第１実施形態に係るスケールの説明図である。 第１実施形態に係る受光素子アレイの平面図である。 第１実施形態における信号処理回路の回路部の回路図である。 第２実施形態におけるセンサの一部分の模式図である。 第３実施形態におけるセンサの一部分の模式図である。 第４実施形態におけるセンサの一部分の模式図である。 第５実施形態に係るロボットシステムの説明図である。 第５実施形態に係るロボットアームの関節を示す部分断面図である。 第５実施形態におけるロボットアームの関節の制御系を示すブロック図である。 第５実施形態に係るトルクの検出方法の一例を示すフローチャートである。 第５実施形態における位相とスケール位置との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態を説明する。ただし、以下に説明する形態は、発明の１つの実施形態であって、これに限定されるものではない。そして、共通する構成を複数の図面を相互に参照して説明し、共通の符号を付した構成については適宜説明を省略する。同じ名称で別々の事項については、それぞれ、第一の事項、第二の事項というように、「第〇」を付けて区別することができる。

＜第１実施形態＞
図１（ａ）は、本実施形態に係るセンサ５００の一例としてのトルクセンサの上面図である。図１（ｂ）は、本実施形態に係るセンサ５００の一部分の模式図である。図１（ｃ）は、図１（ｂ）の要部の拡大図である。

センサ５００は、構造体５２０とエンコーダ５１０からなる。構造体５２０は、剛性部７００と弾性部５０３からなる。剛性部７００は、結合部分４０１，４０２と中継部分４０３，４０４と支持部分５０１，５０２からなる。

剛性部７００と弾性部５０３は均一な材質でできており、一体で構成されているが、剛性部７００に比べて弾性部５０３の厚みを薄くすることで、弾性部５０３は構造体にかかる力によって弾性変形する。

支持部分５０１，５０２は、平板状の部材であり、例えば図１（ａ）に示すように回転軸線Ｃ０を中心とする円環形状となっている。支持部分５０１は、支持部分５０２に対して回転軸線Ｃ０を中心とする回転方向に相対的に変位可能となっている。なお、支持部分５０１，５０２の形状は、これに限定するものではなく、例えば円盤形状であってもよい。

支持部分５０１と支持部分５０２とは、回転軸線Ｃ０の延びる方向であるＺ方向に間隔をあけて互いに対向して配置されている。弾性部５０３は、結合部分４０１、結合部分４０２との間に配され、結合部分４０１と結合部分４０２に結合する。支持部分５０１は、結合部分４０１と一体で構成された支持部分５０１であって、結合部分４０１および中継部分４０３を介して、弾性部５０３に固定される。支持部分５０２は、結合部分４０２と一体で構成された支持部分５０２であって、結合部分４０２中継部分４０４を介して、弾性部５０３に固定される。弾性部５０３は、構造体５２０にかかる力によって変形し、回転軸線Ｃ０の周方向に沿って互いに間隔をあけて複数配置されている。

トルクが作用すると、作用したトルクの大きさに応じた回転量で、支持部分５０１が支持部分５０２に対して回転軸線Ｃ０を中心に相対的に回転変位する。弾性部５０３は、目的とするトルクの計測範囲および必要とする分解能などに応じた弾性係数、即ちばね係数を有する材質で構成される。弾性部５０３の材質は、例えば樹脂又は金属であり、金属であるのが好ましい。金属としては、鋼材、ステンレスなどが挙げられる。本実施形態では、支持部分５０１、支持部分５０２、結合部分４０１、中継部分４０３、結合部分４０２、中継部分４０４および弾性部５０３は、同じ材質であり、一体に構成されている。一体に構成されているとは、支持部分５０１、支持部分５０２および弾性部５０３の間には取り付け部や結合部などがないことを指す。

ロボットシステムに用いられる支持部分５０１、支持部分５０２、弾性部５０３を構成する材質は、トルク検出方向以外に歪みづらい硬い材質が好適であり、ビッカース硬度９０ＨＶを超える材質であれば好ましい。たとえば支持部分５０１、支持部分５０２、弾性部５０３を構成する材質は、金属であれば好ましく、金属のうちでも合金であればより好ましい。

なお、支持部分５０１、支持部分５０２、弾性部５０３を構成する材質は、金属もしくは金属以外の母材にメッキ加工を施したものでもよい。支持部分５０１、支持部分５０２、弾性部５０３を構成する材質は、炭素鋼や合金鋼などの鋼や、アルミニウム合金、チタン合金等を用いることができる。合金鋼としては、ステンレス（ＳＵＳ（Ｓｔｅｅｌ Ｕｓｅ Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ））が好適である。

本実施形態で用いるＳＵＳは、磁性を持つステンレス鋼であり、比電気抵抗率は常温で７５μΩ・ｃｍ以上８５μΩ・ｃｍ以下、熱伝導率は１００℃において０．０３４０ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃以上０．０５４０ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃以下である。熱膨張係数は、９．８×１０^－６／℃以上１１．８×１０－６／℃以下、弾性係数は１０．０×１０^３ｋｇ／ｍｍ^２以上３０．０×１０^３ｋｇ／ｍｍ^２以下であり、銅やニオブを含んでいる。

構造体５２０は一体形成されているため、硬い材質を用いると、トルクが掛かった場合のトルク検出方向の変位量も小さくなる。つまり、周囲温度変化による僅かな変動等も、大きなトルク検出誤差となってしまう虞がある。

センサ５００は、支持部分５０１と支持部分５０２との相対的な変位、即ち支持部分５０１と支持部分５０２との間に作用したトルクを計測するのに用いる少なくとも１つのエンコーダ５１０を有する。少なくとも１つのエンコーダ５１０は、複数設けられたエンコーダであるのが好適である。複数のエンコーダは、４つであるのがさらに好適である。本実施形態では、センサ５００は、４つのエンコーダ５１０を有する。

４つのエンコーダ５１０は、互いに同じ構成である。４つのエンコーダ５１０は、回転軸線Ｃ０を中心に９０度対称な位置に等間隔で配置されている。なお、センサ５００に含まれるエンコーダ５１０の数は、４つであるのが好ましいが、これに限定するものではない。センサ５００に含まれるエンコーダ５１０の数は、１つ、２つ、３つ、又は５つ以上であってもよい。

各エンコーダ５１０は、インクリメンタル型もしくはアブソリュート型のエンコーダである。本実施形態ではインクリメンタル型のエンコーダを例として説明を行うが、アブソリュート型のエンコーダでも良い。また、各エンコーダ５１０は、光学式、静電容量式又は磁気式のエンコーダが好適であり、このうち、高い検出分解能を実現可能な光学式のエンコーダがより好適である。したがって、本実施形態では、各エンコーダ５１０は、光学式のエンコーダである。

各エンコーダ５１０は、リニアエンコーダであってもロータリエンコーダであってもよい。回転軸線Ｃ０を中心とする支持部分５０１と支持部分５０２との相対的な回転方向の変位は、各エンコーダ５１０の位置では微小な変位であり、並進方向の変位とみなすことができる。よって、本実施形態では、各エンコーダ５１０は、リニアエンコーダを採用している。また、エンコーダ５１０は、本実施形態では反射型であるが、透過型であってもよい。各エンコーダ５１０は、支持部分５０１に対する支持部分５０２の、回転軸線Ｃ０を中心とした回転方向の相対的な変位、即ちタンジェンシャル方向の相対的な変位を検出できる。

各エンコーダ５１０は、スケール２と、スケール２と対向するように配置された検出ヘッド７と、を有する。検出ヘッド７は、光を透過する光透過材６と、光透過材６に固定され、スケール２からの情報を処理する検出ユニット１０とを備える。光透過材６は、検出ユニット１０とスケール２の間に存在し、たとえばガラスやプラスチック等であり得るが、ガラスであると好ましい。支持部分５０１は、検出ヘッド７を支持し、支持部分５０２は、スケール２を支持する。回転軸線Ｃ０は、検出ヘッド７からスケール２に向かう方向における構造体５２０の回転軸である。支持部分５０１は、検出ヘッド支持部分と呼ぶことができ、支持部分５０２は、スケール支持部分と呼ぶことができる。支持部分５０１はたとえば第３部分であり、支持部分５０２はたとえば第４部分である。

検出ヘッド７のうち光透過材６は、光透過材６および支持部分５０１に接する接着剤１１によって、支持部分５０１に接着される。すなわち、光透過材６は、支持部分５０１に直接接着される。

検出ヘッド７は、支持部分５０１に接着され、支持部分５０１に支持されている。スケール２は、支持部分５０２に接着され、支持部分５０２に支持されている。

検出ヘッド７は、支持部分５０１に設けられた開口部５０１０を閉じるように配置される。本実施形態では、光透過材６と支持部分５０１は、光透過材６の側面６１で接着されているが、光透過材６のスケール２の側の面において接着されていても良い。また、スケール２も支持部分５０２と接着剤１１によって接着されていてもよい。

本実施形態では、スケール２および検出ヘッド７は、支持部分５０１、５０２に直接接している。すなわち、支持部分５０１、５０２とスケール２および検出ヘッド７が直接接着されており、センサステイ等の部品を介していない。それにより、センサ５００を構成する取り付け部や結合部の数が最小限であるため、センサ５００の周囲の温度上昇等の環境変化があっても、トルク値τを高精度に求めることができる。

接着剤１１を用いることで、検出ヘッド７の左右に遊びを持たせることができ、光透過材６の破損を防ぐことができる。接着剤１１は、周囲の温度上昇により、接着が緩くなってしまうことがある。しかし本実施形態においては、検出ヘッド７を支持部５０１に直接接着しているため、従来に比べ接着箇所が少なく、周囲の温度上昇によるセンサ５００の検出精度の低下を抑制できる。

次に図１（ｃ）を用いて、検出ヘッド７の構成の説明を行なう。

検出ヘッド７は、光透過材６と検出ユニット１０を有する。検出ユニット１０は、光源１と受光ユニット３とプリント配線板４とを備える。本実施形態に用いる光源１は、電流狭窄型の点発光ＬＥＤを用いた例について、説明を行う。光源１からスケール２へ発散光を照射して、反射した光を受光ユニット３で受光する。光源１からスケール２へ照射される光は、どの波長の光でもよいが、５５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であれば好ましく、６５０ｎｍ以上９００ｎｍ以下であればより好ましい。

受光ユニット３は、受光素子アレイ９を有する。光源１および受光ユニット３は、プリント配線板４に実装され、光を透過する透明の樹脂５で封止されている。樹脂５の表面には、光を透過する透明の光透過材６が配置されている。この構成により、光源１および受光ユニット３が樹脂５および光透過材６で保護されている。

樹脂５の表面に光透過材６としてのガラス等が存在せず、樹脂５が剥き出しの状態であっても、樹脂５が光透過材６として機能することができる。その場合、樹脂５と支持部分５０１に接する接着剤１１によって、樹脂５が支持部分５０１に接着される。本実施形態では検出ヘッド７のうち光透過材６が支持部分５０１に接着されているが、光透過材６だけでなくプリント配線板４および樹脂５が支持部分５０１に接着されていても良い。樹脂５と光透過材６の屈折率は、１．２以上１．８以下であり、それぞれの屈折率差は０．２以下であることが好ましく、等しいことがより好ましい。

支持部分５０１に開口部５０１０を設けることで、スケール２と検出ヘッド７との間に遮蔽物が存在しない状態としている。

本実施形態では、支持部分５０１のうち支持部分５０２側の面５０１２は、検出ヘッド７よりもスケール２側に存在している。しかし、検出ヘッド７の面のうちスケール２側の面７２と対向する面７７が、支持部分５０１のうちスケール２側の面５０１２よりスケール２から離れた位置に存在していればよい。

スケール２と検出ヘッド７の距離は、たとえば０．２ｍｍ以上であればよく、０．６ｍｍ以上だと好ましい。また、たとえば１．２ｍｍ以下であればよく、１．０ｍｍ以下であれば好ましい。０．６ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であればより好適である。

光透過材６の厚みは０．２ｍｍ以上であれば好ましく、０．６ｍｍ以上であればより好ましい。また、１．２ｍｍ以下であれば好ましく、１．０ｍｍ以下であればより好ましい。

樹脂５の厚みは、０．４ｍｍ以上であれば好ましく、０．６ｍｍ以上であれば好ましい。また、１．１ｍｍ以下であれば好ましく、０．９ｍｍ以下であればより好ましい。光透過材６と検出ユニット１０との距離は、たとえば０．４ｍｍ以上１．４ｍｍ以下であれば好ましい。

なお、図１（ｃ）に示した通り、支持部分５０１と検出ヘッド７との接着位置に接着剤１１を塗布したとき、液面がメニスカスになることがある。接着剤１１としては、通常の接着剤を使うこともできるが、２液混合硬化型や、紫外線硬化型の接着剤であれば任意のタイミングで固定が可能であるため、好ましい。

エンコーダ５１０を用いることにより、支持部分５０１と支持部分５０２との相対的な変位を、ある基準位置を起点とする相対量として計測することが可能である。

図２（ａ）は、本実施形態に係るセンサ５００の演算処理装置６００の構成を示したブロック図である。演算処理装置６００は、エンコーダ５１０と同じ数、例えば４つの信号処理回路５０と、４つの信号処理回路５０と接続されたコンピュータ６５０と、を有する。コンピュータ６５０は、例えばマイクロコンピュータである。以下、コンピュータ６５０の構成の一例について説明する。

コンピュータ６５０は、処理部の一例であるプロセッサとしてのＣＰＵ６５１（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を有する。また、コンピュータ６５０は、ＣＰＵ６５１にトルク値τを求める演算処理を行わせるためのプログラム６２０を格納したＲＯＭ６５２（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、データ等を一時的に格納するのに用いられるＲＡＭ６５３（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）と、を有する。また、コンピュータ６５０は、信号処理回路５０や外部接続機器、例えば制御部３００や不図示の外部ストレージなどとのインタフェースであるＩ／Ｏ６５４（Ｉｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ）を有する。ＣＰＵ６５１、ＲＯＭ６５２、ＲＡＭ６５３、およびＩ／Ｏ６５４は、バス６６０で互いに通信可能に接続されている。

トルク値τは、トルク情報、即ちトルクデータであり、規格化された値であってもよい。ＣＰＵ６５１は、各信号処理回路５０から位相情報を取得し、プログラム６２０に従って演算処理を行ってトルク値τを求め、求めたトルク値τを制御部３００へ出力する。

本実施形態では、ＲＯＭ６５２およびＲＡＭ６５３を有して、記憶部の一例である記憶装置６７０が構成されている。なお、記憶装置６７０の構成は、これに限定するものではない。また、記憶装置６７０は、内部ストレージであっても、外部ストレージであっても、内部ストレージおよび外部ストレージの組み合わせであってもよい。

また、本実施形態では、コンピュータ６５０によって読み取り可能な非一時的な記録媒体がＲＯＭ６５２であり、ＲＯＭ６５２にプログラム６２０が記録されているが、これに限定するものではない。プログラム６２０は、コンピュータ６５０によって読み取り可能な非一時的な記録媒体であれば、いかなる記録媒体に記録されていてもよい。また、プログラム６２０をコンピュータ６５０に供給するための記録媒体としては、例えばフレキシブルディスク、光ディスク、光磁気ディスク、磁気テープ、不揮発性メモリ等を用いることができる。

演算処理装置６００は、各エンコーダ５１０の検出ヘッド７からのエンコーダ信号である検出信号Ｓに基づき、支持部分５０１と支持部分５０２との相対的な変位情報を求める。そして、演算処理装置６００は、求めた変位情報をトルク値τに換算して、制御部３００に出力する。ＣＰＵ６５１は、検出ヘッド７がスケール２から得た情報を検出信号Ｓとして内挿処理、記憶装置６７０への情報の書き込みおよび読み出しの処理、位置信号の出力等の処理を行う。

図２（ｂ）は、本実施形態に係るセンサ５００の機能を示したブロック図である。

センサ５００は、複数の変位検出装置の一例として複数、例えば４つのエンコーダ装置５５０を有する。各エンコーダ装置５５０は、エンコーダ５１０と、信号処理回路５０と、図２（ａ）に示すコンピュータ６５０の一部の機能と、を有する。図２（ａ）に示すＣＰＵ６５１がプログラム６２０を実行することにより、図２（ｂ）に示す各変位算出部６８０およびトルク算出部６８１として機能する。

即ち、ＣＰＵ６５１は、各エンコーダ装置５５０の変位算出部６８０として機能する。また、ＣＰＵ６５１は、各変位算出部６８０で算出した変位情報である位相Φ１を用いてトルク値τを算出するセンサ５００のトルク算出部６８１として機能する。各変位算出部６８０による位相Φ１の演算処理については、後述する。位相Φ１は、支持部分５０１の弾性変形を含まない、センサ５００に作用したトルクに応じて弾性部５０３が弾性変形することによる支持部分５０２に対する支持部分５０１の相対的な変位情報である。

図３を用いて、本実施形態に係るエンコーダ装置５５０を説明する。図３（ａ）は、本実施形態に係るエンコーダ装置５５０をＸ方向から見た模式図であり、図３（ｂ）は、本実施形態に係る検出ヘッド７をＺ方向から見た平面図である。

スケール２は、検出ヘッド７に対して相対的にＸ方向に並進移動する。検出ヘッド７に対して相対的に並進移動するスケール２の移動方向をＸ方向、Ｘ方向と交差する方向をＹ方向、Ｘ方向およびＹ方向に交差する方向をＺ方向とする。Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向は、互いに直交する方向であるのが好ましい。Ｘ方向はタンジェンシャル方向であり、Ｙ方向はラジアル方向である。Ｘ方向は、エンコーダ５１０における測位方向でもある。

検出ヘッド７は、Ｚ方向においてスケール２と対向する位置に配置される。検出ヘッド７は、発光ユニットの一例である、ＬＥＤからなる光源１と、受光ユニット３とを有する。受光ユニット３は、光源１に対してＹ方向に間隔をあけて配置されている。

図３を用いて、エンコーダ装置５５０の説明を行なう。スケール２の表面にはスケールトラック８が設けられている。光源１から出射された発散光束は、スケール２のスケールトラック８に斜め方向から照射される。スケールトラック８で反射した光束は、検出ヘッド７の受光素子アレイ９に向けて反射される。

信号処理回路５０は、例えばＩＣチップからなる半導体素子で構成される。信号処理回路５０は、例えばプリント配線板４の表面に実装される。なお、信号処理回路５０の配置位置は、これに限定するものではなく、プリント配線板４上とは別の場所に配置されていてもよい。図３（ａ）では、信号処理回路５０は、説明の便宜上、プリント配線板４上とは別の場所に図示されている。信号処理回路５０は、検出信号Ｓのうち、受光素子アレイ９から取得した検出信号Ｓを処理する回路部５１を含む。

次に図４を用いてスケール２の構成について説明する。スケール２はパターン部８０を有し、検出ヘッド７はスケール２のパターン部８０を読み取って、検出信号Ｓを信号処理回路５０に出力する。パターン部８０は、スケールトラック８に形成される。

受光素子アレイ９によって受光された光束は、電気信号に変換される。各電気信号は、各検出信号Ｓとして信号処理回路５０の回路部５１に送信される。

スケールトラック８の各々のパターン８０１は、所定のピッチＰ１でＸ方向に互いに間隔をあけて配置されている。トルクを計測するのに用いるピッチＰ１は、できるだけ小さいピッチとするのが好ましい。ピッチＰ１を狭くすることで、高い分解能のセンサ５００を実現することができる。以下、ピッチＰ１が１００μｍである場合について説明する。

スケール２は、例えばガラスのような基材を有する。パターン部８０は、基材上にクロム膜がパターニングされることで形成されている。なお、スケール２の基材は、ポリカーボネートなどの樹脂やＳＵＳのような金属であってもよい。また、パターン部８０は、反射膜として機能すればよく、アルミニウムのような膜であってもよい。

図５は、本実施形態に係る受光素子アレイ９の平面図である。受光素子アレイ９は、Ｘ方向に５０μｍのピッチで配列された複数、例えば３２個の受光素子９０を有する。各受光素子９０は、たとえばＸ方向の幅Ｘ＿ｐｄが５０μｍであり、Ｙ方向の幅Ｙ＿ｐｄが８００μｍである。受光素子アレイ９の全幅Ｘ＿ｔｏｔａｌは１６００μｍである。

スケール２上のパターン８０１は、受光素子アレイ９において２倍の拡大投影となる。そのため、スケール２上の検出範囲は、たとえばＸ方向８００μｍ、Ｙ方向４００μｍの範囲となる。受光素子アレイ９の検出信号は、図３（ａ）に示す回路部５１に出力される。

図６は、本実施形態における信号処理回路５０の回路部５１の回路図である。

受光素子アレイ９の後段には、初段増幅器である４つのＩＶ変換アンプ３４，３５，３６，３７が設けられている。ＩＶ変換アンプ３４，３５，３６，３７は、受光素子アレイ９の各受光素子９０から読み出された電流信号である検出信号から４相の正弦波出力Ｓ（Ａ＋），Ｓ（Ｂ＋），Ｓ（Ａ－），Ｓ（Ｂ－）を生成する。４相正弦波の相対位相は、検出ピッチに対し、Ｓ（Ａ＋）を基準とすると、Ｓ（Ｂ＋）が約＋９０度、Ｓ（Ａ－）が約＋１８０度、Ｓ（Ｂ－）が約＋２７０度の関係にある。

ＩＶ変換アンプ３４，３５，３６，３７の後段には、Ａ相用差動アンプ３９およびＢ相用差動アンプ４０が設けられている。Ａ相用差動アンプ３９およびＢ相用差動アンプ４０は、４相の正弦波出力Ｓ（Ａ＋），Ｓ（Ｂ＋），Ｓ（Ａ－），Ｓ（Ｂ－）を用いて以下の式（１）および式（２）の演算を行う。これにより、Ａ相用差動アンプ３９およびＢ相用差動アンプ４０は、直流分が除去された２相の正弦波信号Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）を生成する。

Ｓ（Ａ）＝Ｓ（Ａ＋）－Ｓ（Ａ－）・・・（１）
Ｓ（Ｂ）＝Ｓ（Ｂ＋）－Ｓ（Ｂ－）・・・（２）
Ａ相用差動アンプ３９およびＢ相用差動アンプ４０の後段には、図２（ａ）に示すコンピュータ６５０が設けられており、２相の正弦波信号Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）は、コンピュータ６５０に出力される。

このように、図３（ａ）に示す回路部５１は、受光素子アレイ９から取得した検出信号Ｓから、直流分が除去された２相の正弦波信号Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）を生成する。

本実施形態では、コンピュータ６５０は、検出ヘッド７からの検出信号Ｓに基づく位相情報である正弦波信号Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）を用いて、支持部分５０１にかかるトルク値τを求める。

＜第２実施形態＞
次に図７を用いて第２実施形態に係るセンサ５００について説明する。本実施形態に係るセンサ５００は、第１実施形態のセンサ５００とは支持部分５０２の構造が異なる。具体的には、構造体５２０が凸部５１１を備え、支持部分５０２に、支持部分５０１側に突出する凸部５１１が設けられている。凸部５１１の上面にスケール２を設けることで、スケール２を支持している。

本実施形態の支持部分５０２は、スケール２を支持する位置を、スケール２を支持しない中継部分４０４に比べて嵩上げしている。凸部５１１で嵩上げすることにより、スケール２と検出ヘッド７との距離を調整することができる。検出ヘッド７とスケール２は、検出精度における最良の距離にすることが望ましいため、このようにして設計的に距離の調整を行うことができる。

＜第３実施形態＞
次に図８を用いて第３実施形態に係るセンサ５００について説明する。本実施形態に係るセンサ５００は、第２実施形態のセンサ５００とは検出ヘッド７の配置が異なる。

本実施形態の支持部分５０１が検出ヘッド７を支持する位置を、検出ヘッド７を支持しない中継部分４０３と同じ高さにしている。必ずしも同じ高さにする必要はなく、検出ヘッド７の位置を調整することにより、スケール２と検出ヘッド７との距離を調整することができる。検出ヘッド７とスケール２は、検出精度における最良の距離にすることが望ましいため、このようにして設計的に距離の調整を行うことができる。

＜第４実施形態＞
次に図９を用いて、第４実施形態に係るセンサ５００について説明する。

本実施形態に係るセンサ５００は、第１実施形態に係るセンサ５００とは結合部分４０１の結合部分４０２側、および結合部分４０２の結合部分４０１側にそれぞれ部材６０１、部材６０２を設けている点が異なる。

より具体的には、部材６０１を介して弾性部５０３に結合された結合部分４０１と一体に構成された支持部分５０１に検出ヘッド７が設けられている。また、部材６０２を介して弾性部５０３に結合された結合部分４０２と一体に構成された支持部分５０２にスケール２が設けられている。

検出ヘッド７とスケール２は、センサ５００の回転の径方向に沿って配置されており、検出ヘッド７のうち光透過材６の側面６１が接着剤１１によって、支持部分５０１に接着されている。ほかの実施形態に比べて、回転軸線Ｃ０から離れた位置に検出ヘッド７およびスケール２を配置することで、センサ５００の分解能および精度を向上させることができる。

また、部材６０１および部材６０２を補強する支持部分５０１および支持部分５０２に、検出ヘッド７およびスケール２を接着することで、測位方向以外のトルクの影響を抑制することができる。

＜第５実施形態＞
次に図１０から図１４を用いて、第１実施形態から第４実施形態に係るセンサ５００を搭載したものの一例としてのロボットシステム１００を説明する。

図１０は、本実施形態に係るロボットシステム１００の説明図である。図９に示すように、ロボットシステム１００は、ロボット２００と、制御部３００からなる。ロボット２００は、物品を製造する作業、例えば第１ワークＷ１０を把持し、把持した第１ワークＷ１０を第２ワークＷ２０に組み付けることによって物品を製造する作業などを行うことができる。また、作業者が近くにいる場合でも、協働して作業することが可能である。

機械装置とはたとえばロボット２００であり、機械装置を制御する制御部３００とはたとえばロボット制御装置であり、ロボット２００を制御するものである。制御部３００には、教示装置の一例であるティーチングペンダント４００が接続可能である。ティーチングペンダント４００は、ロボット２００を教示する装置であり、制御部３００に教示データを出力する。制御部３００は、教示データに基づいて軌道データを生成し、軌道データに従ってロボット２００を動作させる。

ロボット２００は、ロボットアーム２０１と、エンドエフェクタの一例であるロボットハンド２０２と、を備える。ロボットアーム２０１は、例えば垂直多関節のロボットアームである。ロボットアーム２０１の基端である固定端２０１Ａが架台１５０に固定されている。ロボットアーム２０１の先端である自由端２０１Ｂには、ロボットハンド２０２が取り付けられている。ロボットアーム２０１は、複数のリンク２１０，２１１，２１２，２１３を有し、これらリンク２１０，２１１，２１２，２１３が関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３で回転可能に連結されている。ロボットアーム２０１の各関節Ｊ１～Ｊ３には駆動装置２３０が設けられている。各関節Ｊ１～Ｊ３の駆動装置２３０は、必要とされるトルクに合わせた適切な出力のものが用いられる。

以下、ロボットアーム２０１において、関節Ｊ１を例に代表して説明し、他の関節Ｊ２，Ｊ３については、サイズや性能が異なる場合もあるが、同様の構成であるため、説明を省略する。

図１１は、本実施形態に係るロボットアーム２０１の関節Ｊ１を示す部分断面図である。駆動装置２３０は、回転駆動源である電動のモータ１４１と、モータ１４１の回転軸部１４２に接続され、回転軸部１４２の回転を減速してセンサ５００に伝達する減速機１４３と、減速機１４３の出力側に配置されたセンサ５００と、を有する。センサ５００に設けられたスケール２および検出ヘッド７は、それぞれ減速機１４３側および制御部３００側に設けられている。モータ１４１の回転軸部１４２は、回転軸線Ｃ０を中心に回転する。リンク２１０とリンク２１１とは、クロスローラベアリング１４７を介して回転可能に連結されている。モータ１４１は、サーボモータであり、例えばブラシレスＤＣサーボモータやＡＣサーボモータである。モータ１４１は発熱し、モータ１４１の温度は例えば９０℃以上になりうる。モータ１４１から発せられる熱でセンサ５００周囲の温度が高くなり、さらに、支持部分５０１と検出ヘッド７を接着する接着剤１１の温度が高くなり、接着剤１１が緩くなる虞がある。

特に、接着剤１１の温度が、接着剤１１のガラス転移点よりも高い温度になると、接着剤が緩くなりやすい。接着剤１１のガラス転移点は例えば４０～８０℃である。

したがって、モータ１４１を駆動した際、モータ１４１の温度が、接着剤のガラス転移点よりも高い温度になると、接着剤１１が緩くなりやすい。

センサ５００とモータ１４１との距離が小さいほど、モータ１４１から発せられる熱でセンサ５００周囲の温度が高くなりやすい。モータ１４１とセンサ５００との距離が、たとえば３ｃｍ以内であると、モータ１４１から発せられる熱でセンサ５００周囲の温度が高くなりやすい。

減速機１４３は、本実施形態では波動歯車減速機である。減速機１４３は、モータ１４１の回転軸部１４２に連結された、入力軸の一例であるウェブジェネレータ１５１と、リンク２１１に固定された、出力軸の一例であるサーキュラスプライン１５２と、を備える。なお、サーキュラスプライン１５２は、リンク２１１に連結されているが、リンク２１１と一体に形成されていてもよい。

また、減速機１４３は、ウェブジェネレータ１５１とサーキュラスプライン１５２との間に配置され、センサ５００を介してリンク２１０に連結されたフレクスプライン１５３を備える。フレクスプライン１５３は、カップ状に形成されている。フレクスプライン１５３は、ウェブジェネレータ１５１によって楕円形状に撓み変形され、楕円形状の長軸部分でサーキュラスプライン１５２と噛み合う。ウェブジェネレータ１５１が回転することによって、フレクスプライン１５３における楕円形状の長軸部分が回転し、フレクスプライン１５３とサーキュラスプライン１５２との噛み合い位置がウェブジェネレータ１５１の回転方向に移動していく。ウェブジェネレータ１５１が１回転することで、フレクスプライン１５３とサーキュラスプライン１５２との歯数差分だけサーキュラスプライン１５２がフレクスプライン１５３に対して相対的に回転する。

これにより、サーキュラスプライン１５２は、ウェブジェネレータ１５１の回転に対して所定の減速比で減速され、フレクスプライン１５３に対して相対的に回転する。したがって、サーキュラスプライン１５２が連結されたリンク２１１は、フレクスプライン１５３がセンサ５００を介して連結されたリンク２１０に対して、回転軸線Ｃ０まわりに相対的に回転する。

センサ５００は、減速機１４３の出力側であるフレクスプライン１５３に配置されている。つまり、センサ５００は、リンク２１０と減速機１４３のフレクスプライン１５３との間、即ち第１リンクの一例であるリンク２１０と、第２リンクの一例であるリンク２１１との間に配置されている。そして、センサ５００は、リンク２１０とリンク２１１との間に作用する回転軸線Ｃ０まわりのトルクを計測し、計測値であるトルク値τに応じた電気信号（デジタル信号）を制御部３００に出力する。制御部３００は、トルク値に基づいてロボット２００を制御する。

図１２は、本実施形態におけるロボットアーム２０１の関節Ｊ１の制御系を示すブロック図である。駆動装置２３０は、モータ１４１および制御部３００に電気的に接続された駆動制御装置２６０を有する。駆動装置２３０のセンサ５００は、制御部３００に電気的に接続されている。

制御部３００は、ロボットシステム全体を統括して制御するものである。即ち、制御部３００は、ロボット２００の動作を制御する。ロボット２００の動作の制御には、位置制御と力制御とがある。

制御部３００は、位置制御時には、ロボット２００の手先の位置に基づいて動作指令を生成し、生成した動作指令を駆動制御装置２６０に出力する。制御部３００は、力制御時には、センサ５００からの計測値であるトルク値τに基づいて動作指令を生成し、生成した動作指令を駆動制御装置２６０に出力する。駆動制御装置２６０は、動作指令に従ってモータ１４１を通電制御してモータ１４１を駆動する。

力制御時、制御部３００は、センサ５００の出力であるトルク値τに基づいてロボット２００を動作させる。このため、ロボット２００の力制御の性能は、センサ５００の精度、即ち分解能に依存する。

図１３に示すフローチャートを参照しながら、ロボット２００の制御方法について説明する。図１２は、本実施形態に係るトルクの検出方法の一例を示すフローチャートである。

ステップＳ１０１において、制御部３００は、教示データを含むロボットプログラムに応じた軌道データに従ってロボット２００が動作するようロボット２００を制御する。その際、制御部３００は、各関節Ｊ１～Ｊ３のモータ１４１に駆動電流を供給し、各関節Ｊ１～Ｊ３を駆動させる。各関節Ｊ１～Ｊ３には、外部から負荷であるトルクがかかっている状態でもかかっていない状態であってもよい。

ステップＳ１０２において、変位算出部６８０は、パターン８０１からＸ方向の変位量を示す位相Φ１を検出する。即ち、変位算出部６８０は、回路部５１からの正弦波信号Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）を用いて、検出ヘッド７に対するスケール２の相対的なＸ方向の変位量を位相Φ１として求める。

ステップＳ１０３において、制御部３００は、ロボット２００の制御中、センサ５００からのトルク値τを取得する。

ここで、図１３に示すステップＳ１０２は、図２（ｂ）に示す各変位算出部６８０の演算処理であり、ステップＳ１０３は、図２（ｂ）に示すトルク算出部６８１の演算処理である。以下、図５（ｂ）に示す各変位算出部６８０で行うステップＳ１０２の処理について説明する。

位相Φ１は、式（１）および式（２）を用いて以下の式（３）から求められる。

Φ１＝ＡＴＡＮ２［Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）］・・・（３）
ＡＴＡＮ２［Ｙ，Ｘ］は、象限を判別して０～２π位相に変換する逆正接演算関数である。位相Φ１とスケール２の位置との関係は、図１４のグラフに示すようになる。

なお、式（３）の演算をする前に、各アンプのオフセット、およびゲインばらつき等に起因する正弦波信号Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）に含まれるゲイン比、およびオフセット誤差を、予め求めておいた補正値で補正してもよい。例えば、正弦波信号Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）のそれぞれにおいて、（最大値－最小値）／２からゲイン比、即ち振幅比を算出し、信号振幅が等しくするような補正値を算出しておけばよい。同様に、（最大値＋最小値）／２から、オフセット誤差量を算出し、そのオフセット誤差を補正する補正値を算出しておけばよい。これら補正値は、記憶装置６７０に格納しておけばよい。

以上、変位算出部６８０は、正弦波信号Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）から位相Φ１を求める。

そして、ステップＳ１０３において、トルク算出部６８１は、４つのエンコーダ５１０それぞれに対して求められた４つの位相Φ１に基づき、トルク値τを算出する。例えば、トルク算出部６８１は、４つの位相Φ１を平均化し、その平均値に所定係数、例えば弾性部５０３の弾性係数に比例した感度係数を乗算するなどして、トルク値τを算出する。なお、トルク値τの算出方法は、これに限定するものではなく、各位相Φ１を暫定トルク値に換算し、４つの暫定トルク値を平均化してトルク値τを求めてもよい。変位算出部６８０は、算出したトルク値τを制御部３００に出力する。

本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

本実施形態のセンサ５００は、ロボットなどの産業機器のみならず、自動車などの輸送機器、カメラなどの電子機器、プリンタなどの事務機器、ＣＴなどの医療機器、露光装置などの産業機器等に適用が可能である。これらの機器において、センサ５００が検出した信号に基づいて、機械装置などの制御を制御装置で行なうことができる。

以上説明した実施形態において、センサ５００の一例としてトルクセンサを説明したが、センサ５００はトルクセンサに限定されるものではない。たとえば、変位検出器やポテンショメータやストレインゲージ等の変位を検出する装置（センサ）であれば、本発明を適用することで、センサの精度の低下を抑制することができる。

以上、説明した実施形態は、技術思想を逸脱しない範囲において適宜変更が可能である。

たとえば複数の実施形態を組み合わせることができる。また、少なくとも１つの実施形態の一部の事項の削除あるいは置換を行うことができる。

また、少なくとも１つの実施形態に新たな事項の追加を行うことができる。なお、本明細書の開示内容は、本明細書に明示的に記載したことのみならず、本明細書および本明細書に添付した図面から把握可能な全ての事項を含む。

また本明細書の開示内容は、本明細書に記載した個別の概念の補集合を含んでいる。すなわち、本明細書に例えば「ＡはＢよりも大きい」旨の記載があれば、たとえ「ＡはＢよりも大きくない」旨の記載を省略していたとしても、本明細書は「ＡはＢよりも大きくない」旨を開示していると云える。なぜなら、「ＡはＢよりも大きい」旨を記載している場合には、「ＡはＢよりも大きくない」場合を考慮していることが前提だからである。

２ スケール
６ 光透過材
７ 検出ヘッド
１０ 検出ユニット
１１ 接着剤
４０１ 第１部分
４０２ 第２部分
５００ センサ
５０１ 第３部分
５０３ 弾性部
５１０ エンコーダ
５２０ 構造体

Claims (20)

1. 構造体と、前記構造体の変形を計測するエンコーダとを有したセンサであって、
   前記エンコーダは、スケールと、前記スケールに対向して配置された検出ヘッドとを有し、
   前記検出ヘッドは、検出ユニットと、前記検出ユニットと前記スケールとの間に存在し、前記検出ユニットに固定される光透過材とを備え、
   前記構造体は、第１部分と、第２部分と、
   前記第１部分と前記第２部分との間に配され、前記第１部分および前記第２部分に結合し、前記構造体にかかる力によって変形する弾性部と、
   前記第１部分と一体で構成された第３部分を有し、
   前記検出ヘッドが、前記光透過材および前記第３部分に接する接着剤によって、前記第３部分に固定されていることを特徴とするセンサ。
2. 構造体と、前記構造体の変位を計測するエンコーダとを有したセンサであって、
   前記エンコーダは、スケールと、前記スケールに対向して配置された検出ヘッドとを有し、
   前記検出ヘッドは、検出ユニットと、前記検出ユニットと前記スケールとの間に存在し、前記検出ユニットに固定される光透過材を備え、
   前記構造体は、第１部分と、第２部分と、
   前記第１部分と前記第２部分との間に配され、前記第１部分および前記第２部分に結合し、前記構造体にかかる力によって変形する弾性部と、
   前記第１部分と一体で構成された第３部分を有し、
   前記光透過材は、前記第３部分に接していることを特徴とするセンサ。
3. 前記構造体は、前記第２部分と一体に構成された、前記スケールを支持する第４部分を有していることを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ。
4. 前記構造体は、前記検出ヘッドの側に突出する凸部を備え、前記スケールは、前記凸部と前記検出ヘッドの間に配置されることを特徴とする請求項３に記載のセンサ。
5. 前記凸部は、前記第４部分に設けられていることを特徴とする請求項４に記載のセンサ。
6. 前記光透過材の側面が、前記第３部分に接着されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のセンサ。
7. 前記第３部分のうち、前記スケールの側の面は、前記検出ヘッドの面のうち、前記スケールの側の面と対向する面より、前記スケールの側に存在することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のセンサ。
8. 前記第３部分のうち、前記スケールの側の面は、前記検出ヘッドの面のうち、前記スケールの側の面より、前記スケールの側に存在することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のセンサ。
9. 前記第３部分と前記弾性部は、一体に構成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のセンサ。
10. 前記スケールは、パターン部を有し、前記検出ヘッドは前記パターン部を読み取って検出信号を出力することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のセンサ。
11. 前記検出ヘッドと前記スケールとの距離は、０．２ｍｍ以上１．２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のセンサ。
12. 前記エンコーダは、前記弾性部に作用するトルクに応じた信号を出力することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のセンサ。
13. 前記弾性部は、前記センサの回転の周方向に沿って複数配置されていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のセンサ。
14. 前記光透過材は、ガラスからなることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のセンサ。
15. 前記第３部分は、ステンレスからなることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載のセンサ。
16. 前記エンコーダが複数設けられていることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載のセンサ。
17. 前記構造体は、円環形状であることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載のセンサ。
18. 請求項１乃至１７のいずれか１項に記載のセンサと、機械装置と、前記検出ヘッドから出力された信号に基づいて、前記機械装置を制御する制御装置とを備えることを特徴とする機器。
19. 前記センサと、前記機械装置を駆動するモータとの距離は、３ｃｍ以内であることを特徴とする請求項１８に記載の機器。
20. 請求項１８または１９に記載の機器はロボットであって、前記ロボットがワークを把持し、物品を製造することを特徴とする製造方法。

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