JP2023065132A - センサ、機器および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 センサの検出精度を向上させることを目的とする。【解決手段】 第１支持部と前記第１支持部に対向する第２支持部と、前記第１支持部と前記第２支持部とを連結する複数の弾性部と、前記第１支持部に固定されたスケールと、前記スケールに対向し、前記第２支持部に固定された前記検出ヘッドとを備え、前記第１支持部に対する前記第２支持部の回転を、前記スケールと前記検出ヘッドによって検出するセンサであって、前記複数の弾性部は前記回転の周方向に並んで配列され、前記複数の弾性部の各々と前記第１支持部との連結部と、前記複数の弾性部の各々と前記第２支持部との連結部とは、前記回転の軸方向に沿って配置されており、前記スケールと前記検出ヘッドは、前記回転の径方向に並んで配置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。エンコーダ装置は、センサにかかるトルクの検出を高精度に行なうことが求められている。

そこで特許文献１には、検出ヘッドがＹ軸方向においてスケールより外方に配置された形態が提案されている。

特開２０１２－１８９５１６号公報

特許文献１のセンサは、構造的にトルク検出方向以外の変位を生じやすく、これを回避するために、外力による弾性変形を検出するエンコーダ（リニアスケール及び検出ヘッド）部分に、本来のトルク検出方向以外の変位を抑制する補強構造を配しているため、構成が複雑化し、特にトルク検出方向でないＺ軸方向の変位によって検出精度を低下させる虞があった。そこで本発明は、センサの検出精度を向上させることを目的とする。

上記課題を解決するための第１の手段は、第１支持部と前記第１支持部に対向する第２支持部と、前記第１支持部と前記第２支持部とを連結する複数の弾性部と、前記第１支持部に固定されたスケールと、前記スケールに対向し、前記第２支持部に固定された前記検出ヘッドとを備え、前記第１支持部に対する前記第２支持部の回転を、前記スケールと前記検出ヘッドによって検出するセンサであって、前記複数の弾性部は前記回転の周方向に並んで配列され、前記複数の弾性部の各々と前記第１支持部との連結部と、前記複数の弾性部の各々と前記第２支持部との連結部とは、前記回転の軸方向に沿って配置されており、前記スケールと前記検出ヘッドは、前記回転の径方向に並んで配置されていることを特徴とする。

上記課題を解決するための第２の手段は、第１支持部と前記第１支持部に対向する第２支持部と、前記第１支持部と前記第２支持部とを連結する複数の弾性部と、を有し、前記第１支持部に対する前記第２支持部の回転を、スケールと前記スケールに対向する検出ヘッドからなるエンコーダによって検出するセンサであって、前記弾性部は、前記回転の中心に対して同心円上に所定間隔で配されており前記第１支持部と前記弾性部との間に設けられた第１結合部と、前記第２支持部と前記弾性部との間に設けられた第２結合部とを有し、前記スケールは前記第１支持部に固定され、前記検出ヘッドは前記第２支持部に固定され、前記スケールおよび検出ヘッドは、前記回転の径方向に並んで配置されていることを特徴とする。

センサの検出精度を向上させ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、（ａ）の円５０００で囲んだ部分をＹ方向から見た模式図である。（ｃ）は、（ｂ）の要部の拡大図である。 （ａ）は第１実施形態に係る鋼板の斜視図である。（ｂ）は（ａ）の要部の拡大図である。（ｃ）は、センサ製造時の工程を示した模式図である。 （ａ）は第１実施形態に係る構造部の斜視図である。（ｂ）は第１実施形態に係る構造体の斜視図である。（ｃ）は（ｂ）の円６０００で囲んだ部分の拡大図である。 （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。 （ａ）は第２実施形態に係る構造体の斜視図である。（ｂ）は、（ａ）の円７０００で囲んだ部分の拡大図である。（ｃ）は、エンコーダの取り付け方法を示した図であり（ｄ）は取付部の下面図である。 第３実施形態に係るロボットシステムの説明図である。 第３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３実施形態に係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。

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、図１（ａ）の円５０００で囲んだ部分をＹ方向から見た模式図である。図１（ｃ）は、図１（ｂ）の要部の拡大図である。

センサ５００は、エンコーダ５１０と構造体５２０からなる。エンコーダ５１０は検出ヘッド７とスケール２からなる。構造体５２０は、支持部５０１と、支持部５０２と、構造部９００からなる。構造部９００は、持部５０１と弾性部５０３との間および支持部５０２と弾性部５０３との間に配された結合部６０１，６０２とを有する。支持部５０１と支持部５０２とを連結する複数の弾性部５０３からなる。支持部５０１と弾性部５０３とが連結する部分が連結部４０１であり、支持部５０２と弾性部５０３とが連結する部分が連結部４０２である。

弾性部５０３は、回転軸線Ｃ０に一致する中心を有する円上に並んで所定間隔で複数配置されている。

結合部６０１、６０２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。しかし、結合部６０１、６０２の上下に支持部５０１、５０２を設けることで、結合部６０１、６０２を補強し、弾性部５０３のみが構造体５２０にかかる力によって弾性変形する構成としている。結合部６０１はたとえば第１結合部であり、結合部６０２はたとえば第２結合部である。

支持部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５０１は、支持部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５０１と支持部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、支持部５０１、５０２との間に配され、結合部６０１、６０２に結合する。

支持部５０１、５０２は、結合部６０１、６０２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の周方向に沿う、もしくは周方向に並んで、センサ５００の外周に、互いに間隔をあけて複数配置されている。

支持部５０１がスケール２および検出ヘッド７の一方を支持し、支持部５０２がスケール２および検出ヘッド７の他方を支持している。本実施形態では、支持部５０１がスケール２を支持し、支持部５０２が検出ヘッド７を支持している。

支持部５０１、５０２間に回転方向のトルクが作用すると、作用したトルクの大きさに応じて弾性部５０３が変形し、その変形量に応じた回転量で、結合部６０１が結合部６０２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、結合部６０１、６０２、および弾性部５０３は、同じ材質であり、一体に構成され、ユニット化されている。一体に構成されているとは、結合部６０１、６０２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。

なお、結合部６０１、６０２、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。本実施形態では、ＳＥＣＣ（Ｓｔｅｅｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ Ｃｏｌｄ Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ）を用いており、ＳＥＣＣからなる板金を折り曲げることで、結合部６０１、６０２、弾性部５０３を作製している。板金を折り曲げて構造部９００を製造することで、切削により製造していた従来のセンサに比べて、低コストでセンサを製造することが可能となる。結合部６０１、６０２、弾性部５０３は板金により一体で形成されているため、厚みは一様となっている。支持部５０１、５０２も同様に、ＳＥＣＣからなる板金を用いている。

本実施形態に用いるＳＥＣＣは、冷間圧延鋼板であるＳＰＣＣ（Ｓｔｅｅｌ Ｐｌａｔｅ Ｃｏｌｄ Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ）に電気亜鉛メッキした鋼種である。ＳＰＣＣは、炭素、マンガン、リン、硫黄からなる鋼板である。本実施形態で用いるＳＰＣＣの材料特性は以下の通りである。

溶融点は１５１０℃以上１５５０℃以下、比重は７．８ｇ／ｃｍ^３以上７．９ｇ／ｃｍ^３以下、電気抵抗０．０８５μΩ・ｍ以上０．１μΩ・ｍ以下、比熱４４０ＫＪ／ｋｇ・Ｋ以上４８０ＫＪ／ｋｇ・Ｋ以下である。また、体積比熱３．３Ｗ／ｃｍ^３・Ｋ以上３．９Ｗ／ｃｍ^３・Ｋ以下、線膨張係数１０×１０^６／Ｋ以上１２×１０^６／Ｋ以下、ヤング率２００ＧＰａ以上２２０ＧＰａ以下、ポアソン比０．２５以上０．３５以下である。

本実施形態に係るセンサ５００は、回転軸線Ｃ０を中心とした回転の周方向にかかるトルクを検出する。その際、Ｚ軸方向、すなわち回転の軸方向にかかるトルクは極力検出しないことが好ましい。そのため、弾性部５０３と支持部５０１との連結部４０１、および弾性部５０３と支持部５０２との連結部４０２とは回転の軸方向に沿って連結されている。弾性部５０３は、センサ５００の外輪に配置されており、外力（トルク）がかかった際の弾性部５０３の変位量を大きくしている。しかし、必ずしも外輪に配置する必要はなく、回転の周方向に沿った配置となっていればよい。加えて、結合部６０１のうち弾性部５０３と反対側の面、および６０２のうち弾性部５０３と反対側の面にサポート材としての支持部５０１、５０２を取り付ける。それにより、回転の軸方向にかかるトルクは極力検出せず、測位方向である回転の周方向にかかるトルクを精度よく検出することができる。

本実施形態では、サポート材としての支持部５０１、５０２にスケール２および検出ヘッド７を取り付けているため、結合部６０１、６０２に取り付ける場合に比べ、回転の軸方向にかかるトルクの検出をしづらい構成となっている。

また、本実施形態に係るスケール２および検出ヘッド７は、円環状の支持部５０１、５０２の径方向すなわち支持部５０１と５０２が相対的に回転する方向に並んで配置されている。この構成にすることで、スケール２および検出ヘッド７を回転の軸方向すなわち支持部５０１と５０２が重なる方向に並んで配置した場合に比べ、よりセンサ５００の外周に配置することができる。それにより、センサ５００にトルクがかかった際のスケール２の変位量が大きくなり、トルクの検出精度を向上させることができる。また、スケール２および検出ヘッド７は弾性部５０３に近い位置に配置されている、すなわち弾性部５０３に対向する位置に配置されている。それにより、弾性部５０３の変位をより正確に測定することができる。

スケール２は、回転軸線Ｃ０から結合部６０１、６０２の径方向における端部６０１０までの距離Ｒよりも外方に配置されることが好ましいが、スケール２の回転軸線Ｃ０側の面と対向する面２０が距離Ｒより外方に配置されていればよい。距離Ｒはたとえば、３ｃｍ以上７ｃｍ以下である。ここではスケール２を例としているが検出ヘッド７が距離Ｒよりも外方に配置されていても良い。

センサ５００は、結合部６０１と結合部６０２との相対的な変位、即ち結合部６０１と結合部６０２との間に作用した回転方向における変位を検出することによってトルクを計測する。エンコーダ５１０は１つでもトルクを計測可能であるが、支持部５０１、５０２の周方向に複数設けられているのが好適である。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。

また光学式のエンコーダを用いた場合、スケール２（あるいは検出ヘッド７）を、支持部５０１を折り曲げた部分の内側に取り付けているので、折り曲げ部分が外光に対する遮光効果を有している。

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５０１と支持部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５０１に対する支持部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としての光源１と受光ユニット３とプリント配線板４とを備える。光透過材６は、検出ユニットとスケール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。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。

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５０２に接する接着剤１１によって、支持部５０２に接着される。光透過材６は、支持部５０２に直接接着されるが、検出ユニットを被覆する樹脂５、およびプリント配線板４も支持部５０２に直接接着されてもよい。

本実施形態では、検出ヘッド７は支持部５０２に接着され、支持部５０２に支持されている。スケール２は、支持部５０１に接着され、支持部５０１に支持されている。すなわち、支持部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。

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、検出ユニットとしての光源１と受光ユニット３とプリント配線板４を有する。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５０２に接する接着剤１１によって、樹脂５が支持部５０２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５０２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５０２には開口部が設けられており、スケール２と検出ヘッド７との間に遮蔽物はない。

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５０２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、結合部６０１と結合部６０２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。

次に図２および図３を用いて、本実施形態に係るセンサ５００の形成方法について説明する。

図２（ａ）は、厚さが均一な鋼板７００である。鋼板７００は、自在に折り曲げ可能な部位７０３を有する。図２（ｂ）は、図２（ａ）の要部の拡大図であり、図２（ｃ）は、鋼板７００の組み立て工程を示した図である。

折り曲げ可能な部位７０１および折り曲げ可能な部位７０２を、線８００を折り曲げ線として、それぞれ矢印７１０、矢印７２０の向きに折り曲げる。また、部位７０３を、線８０１を折り曲げ線として、矢印７３０の向きに折り曲げる。折り曲げた部位７０１、７０２は、センサ５００において結合部６０１、６０２となり、部位７０３は、センサ５００において弾性部５０３となる。

折り曲げ線に沿って折り曲げた鋼板７００を、線８０２を折り曲げ線として、矢印７４０の向きに折り曲げる。そして、端部７５０と端部７５１とを合わせて、図３（ａ）の構造部９００を形成する。

次に図３（ｂ）に示すように、構造部９００の上下に支持部５０１および支持部５０２を設ける。図３（ｂ）は、支持部５０１、５０２を設けているが、スケール２および検出ヘッド７が取り付けられていない状態を示している。

図３（ｃ）は、支持部５０１、５０２にスケール２および検出ヘッド７を取り付け、図３（ｂ）の円６０００で囲んだ部分を拡大した図である。支持部５０１、５０２を屈曲させ、屈曲させた部分の先にスケール２および検出ヘッド７を回転の径方向に沿って取り付け、センサ５００を製造する。屈曲させた部分の先、すなわちセンサ５００の外輪にスケール２または検出ヘッド７を設けることで、弾性部５０３の変位を高精度に測定することができる。

図４（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／Ｏ（Ｉｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ）６５４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、結合部６０１と結合部６０２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４（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４（ａ）に示すコンピュータ６５０の一部の機能と、を有する。図４（ａ）に示すＣＰＵ６５１がプログラム６２０を実行することにより、図４（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、結合部６０１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結合部６０２に対する結合部６０１の相対的な変位情報である。

図５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５（ａ）は、本実施形態に係るエンコーダ装置５５０をＹ方向から見た模式図であり、図５（ｂ）は、本実施形態に係る検出ヘッド７をＸ方向から見た平面図である。

スケール２は、検出ヘッド７に対して相対的に回転の周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、もしくはＸ方向と交差する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方向およびＹ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、Ｘ方向またはＹ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Ｘ方向またはＹ方向に間隔をあけて配置されている。

図５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５（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６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８１０は、所定のピッチＰ１でＸ方向またはＹ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７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８１０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５（ａ）に示す回路部５１に出力される。

＜第２実施形態＞
次に図８を用いて、本実施形態に係るエンコーダ５１０の取付方法を説明する。本実施形態は、第１実施形態に比べて支持部５０１、５０２と検出ヘッド７およびスケール２との間に取付部３１０，３２０を設けた点が異なる。

図８（ａ）は構造部９００の上下に支持部５０１、５０２を設けた図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）の円７０００で囲んだ部分の拡大図であり、図８（ｃ）はエンコーダ５１０の取付方法を示す図である。図８（ｄ）は、エンコーダ５１０取り付け後の、エンコーダ５１０の下面図である。

本実施形態では、取付部３１０、３２０にスケール２および検出ヘッド７を取り付け、支持部５０１、５０２に取付部３１０、３２０を固定する。

取付部３１０は、構成部３０１および構成部３０２からなり、構成部３０１、３０２を組み合わせることで取付部３１０とし、スケール２を取り付ける。同様に、取付部３２０は、構成部３０３および構成部３０４からなり、構成部３０３、３０４を組み合わせることで取付部３２０とし、検出ヘッド７を取り付ける。

取付部３１０は、支持部５０１および支持部５０２の一方にピン３０５によって位置決めされ、取付部３２０は、支持部５０１および支持部５０２の他方にピン３０６によって位置決めされる。支持部５０１、５０２には、ピン３０５およびピン３０６と同径の穴が設けられており、そこにピン３０５、３０６を嵌合させることで、取付部３１０、３２０の位置決めを行なう。

本実施形態では、構成部３０２および構成部３０４の間に、スポンジ製の封止材３０７を挟み込む。それにより、センサ５００周りの埃等の侵入を防止することができる。構成部３０２は、スケール２を位置決めするための穴が設けられている。図８（ｄ）では、封止材３０７は不図示であるが、構成部３０２と構成部３０４との間に封止材３０７を設け、スケール２の周囲に埃等が侵入しないようにする。

取付部３１０、３２０を支持部５０１、５０２に取り付ける際には、構成部３０１～３０４に設けられた凹部に同径の軸を嵌合させることで取付部３１０、３２０の位置決めをすることができる。

取付部３１０に検出ヘッド７およびスケール２の一方を取り付け、取付部３２０に検出ヘッド７およびスケール２の他方を取り付ければよい。また、支持部５０１に取付部３１０および取付部３２０の一方を取り付け、支持部５０２に取付部３１０および取付部３２０の他方を取り付ければよい。

＜第３実施形態＞
次に図９から図１１を用いて、第１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９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１０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。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、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１１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。

次に、ロボット２００の制御方法について説明する。

ロボット２００が動作するとき、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。

ロボット２００が動作を開始した後、変位算出部６８０は、パターン８１０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。

検出した結果に基づいて、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。

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。

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、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、義手義足やパワーアシストスーツなどのアシスト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。

Ｃ０ 回転の軸
２ スケール
７ 検出ヘッド
４０１ 連結部
４０２ 連結部
５００ センサ
５０１ 第１支持部
５０２ 第２支持部
５０３ 弾性部

Claims (17)

1. 第１支持部と前記第１支持部に対向する第２支持部と、
   前記第１支持部と前記第２支持部とを連結する複数の弾性部と、
   前記第１支持部に固定されたスケールと、前記スケールに対向し、前記第２支持部に固定された検出ヘッドとを備え、
   前記第１支持部に対する前記第２支持部の回転を、前記スケールと前記検出ヘッドによって検出するセンサであって、
   前記複数の弾性部は前記回転の周方向に並んで配列され、
   前記複数の弾性部の各々と前記第１支持部との連結部と、前記複数の弾性部の各々と前記第２支持部との連結部とは、前記回転の軸方向に沿って配置されており、
   前記スケールと前記検出ヘッドは、前記回転の径方向に並んで配置されていることを特徴とするセンサ。
2. 前記第１支持部と前記弾性部との間に設けられた第１結合部と、前記第２支持部と前記弾性部との間に設けられた第２結合部とを有し、前記第１結合部と前記第２結合部は、前記弾性部と一体に構成されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
3. 第１支持部と前記第１支持部に対向する第２支持部と、
   前記第１支持部と前記第２支持部とを連結する複数の弾性部と、を有し、
   前記第１支持部に対する前記第２支持部の回転を、スケールと前記スケールに対向する検出ヘッドからなるエンコーダによって検出するセンサであって、
   前記弾性部は、前記回転の中心に一致する中心を有する円上に並んで配されており
   前記第１支持部と前記弾性部との間に設けられた第１結合部と、前記第２支持部と前記弾性部との間に設けられた第２結合部とを有し、
   前記スケールは前記第１支持部に固定され、前記検出ヘッドは前記第２支持部に固定され、
   前記スケールおよび検出ヘッドは、前記回転の径方向に並んで配置されていることを特徴とするセンサ。
4. 前記第１結合部と前記第２結合部は、前記弾性部と一体に構成されていることを特徴とする請求項３に記載のセンサ。
5. 前記第１結合部と前記第２結合部と前記弾性部は、一つの材質からなることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載のセンサ。
6. 前記複数の弾性部は、前記第１結合部と前記第２結合部とを前記回転の軸方向に連結することを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載のセンサ。
7. 前記スケールおよび前記検出ヘッドのうち一方は、前記第１支持部に接着され、前記スケールおよび前記検出ヘッドの他方は、前記第２支持部に接着され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. 前記複数の弾性部は、前記センサの外周に配列され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１支持部に固定される前記スケールおよび前記検出ヘッドのうち一方は、前記回転の軸の側の面と対向する面を有し、前記面は、前記回転の中心から前記第１結合部の前記回転の径方向における端部までの距離Ｒより離れた位置に配置されることを特徴とする請求項２乃至６のいずれか１項に記載のセンサ。
10. 前記第２支持部に固定される前記スケールおよび前記検出ヘッドのうち他方は、前記距離Ｒより、近い距離に配置されることを特徴とする請求項９に記載のセンサ。
11. 前記第１結合部と前記第２結合部と前記弾性部は、板金からなることを特徴とする請求項９または１０に記載のセンサ。
12. 前記板金は、メッキ加工が施された板金であることを特徴とする請求項１１に記載のセンサ。
13. 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１２のいずれか１項に記載のセンサ。
14. 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１３のいずれか１項に記載のセンサ。
15. 封止材によって、前記スケールと前記検出ヘッドとの間を封止す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. 請求項１乃至１５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。
17. 請求項１６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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