JP2023095022A - 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検出ヘッドと、前記第２支持部に固定された、前記検出ヘッドに対向するスケールと、を備え、前記検出ヘッドおよび前記スケールによって、前記第１支持部に対する前記第２支持部の回転を検出するセンサであって、前記スケールは、前記第２支持部の第１部位に固定された第１スケールと、前記第２支持部の第２部位に固定された第２スケールと、を含み、前記第２支持部は、前記第２支持部の第３部位から前記第２部位までを中継する中継部を有し、前記中継部には、前記複数の弾性部のいずれの弾性部も結合しておらず、前記第１スケールと前記第２スケールとの距離は、前記第２部位と前記第３部位との距離より小さい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、センサにかかる測位方向（ＸＹ方向）のトルクの検出を高精度かつ低コストで行なうことが求められている。

そこで特許文献１には、スケールおよび検出ヘッドからなるエンコーダを、第１締結部および第２締結部が回転変位する回転軸を中心とする円周上に９０°間隔で均等に合計４つ配置した形態が提案されている。

特開２０１７－９６９２９号公報

特許文献１では、検出ヘッドが装着された側の締結部に、トルクの検出方向ではない方向である回転軸に沿う方向（Ｚ方向）にトルクがかかった場合、検出ヘッドとスケールとの距離が変位する。

第１スケールと第１スケールに対向する第１検出ヘッドの距離と、第１スケールに対して回転軸を中心とする円周上に９０°回転した位置に配置された第２スケールと第２スケールに対向する第２検出ヘッドの距離と、の差が大きくなる。それにより、測位方向（ＸＹ方向）にトルクがかかった際の測位方向のトルク検出に誤差が発生してしまう虞があった。

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検出ヘッドと、前記第２支持部に固定された、前記検出ヘッドに対向するスケールと、を備え、前記検出ヘッドおよび前記スケールによって、前記第１支持部に対する前記第２支持部の回転を検出するセンサであって、前記スケールは、前記第２支持部の第１部位に固定された第１スケールと、前記第２支持部の第２部位に固定された第２スケールと、を含み、前記第２支持部は、前記第２支持部の第３部位から前記第２部位までを中継する中継部を有し、前記中継部には、前記複数の弾性部のいずれの弾性部も結合しておらず、前記第１スケールと前記第２スケールとの距離は、前記第２部位と前記第３部位との距離より小さいことを特徴とする。

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斜視図であり、（ｂ）は第２支持部から第１支持部を見た模式図であり、（ｃ）は第１支持部から第２支持部を見た模式図である。 （ａ）は図１（ｃ）の要部の拡大図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ－Ａ線で切ったセンサの断面図である。 （ａ）は第２実施形態に係るセンサの第２支持部から第１支持部を見た模式図であり、（ｂ）は第１支持部から第２支持部を見た模式図である。 （ａ）は第３実施形態に係るセンサの第２支持部から第１支持部を見た模式図であり、（ｂ）は第１支持部から第２支持部を見た模式図である。 （ａ）は第４実施形態に係るセンサの第２支持部から第１支持部を見た模式図であり、（ｂ）は第１支持部から第２支持部を見た模式図である。 第４実施形態に係るセンサの変形例である。 （ａ）は第５実施形態に係るセンサの第１支持部から第２支持部を見た模式図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ－Ｂ線で切った断面図である。 第６実施形態に係るロボットシステムの説明図である。 第６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６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斜視図である。

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、支持部５０１、支持部５０２と弾性部５０３からなる。

支持部５０１は検出ヘッド７を支持し、支持部５０２は検出ヘッド７に対向するスケール２を支持し、弾性部５０３は支持部５０１と支持部５０２とを連結する。スケール２は、支持部５０２または部材５１４に固定されている。

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、四辺形状であってもよい。

支持部５０１、５０２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、支持部５０１、５０２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５２０にかかる力によって弾性変形する。弾性部５０３は、センサ５００にかかる力によって変形し、回転軸線Ｃ０に沿って支持部５０１、５０２を連結し、かつ周方向に並んで、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、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、支持部５０１が支持部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。

なお、支持部５０１、支持部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５０１、支持部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。

本実施形態では、支持部５０１、５０２、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、支持部５０１、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。なお、支持部５０１、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。

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く、Ｚ方向にかかるトルクによってＸＹ方向のトルクの検出精度が低下しないことが好ましい。弾性部５０３は、センサ５００の外周に配置されており、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、必ずしも外周に配置する必要はなく、回転の周方向に並んだ配置となっていればよい。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。

センサ５００は、支持部５０１と支持部５０２との相対的な変位、即ち支持部５０１と支持部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。本実施形態では、４つの検出ヘッド７と４つのスケール２とを備えた２つのエンコーダ５１０を有する。必ずしも検出ヘッド７の個数が、スケール２の個数と同じである必要はなく、検出ヘッド７の個数が、スケール２の個数の半分であってもよい。

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、及び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。

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。

図１（ｂ）は、支持部５０２から支持部５０１を見た模式図である。

支持部５０２には、検出ヘッド７１、検出ヘッド７１に隣接した検出ヘッド７２、および検出ヘッド７３、検出ヘッド７３に隣接した検出ヘッド７４が固定されている。検出ヘッド７１には、光源１１と受光部としての受光ユニット３１が設けられており、検出ヘッド７２も同様の構成である。検出ヘッド７１と検出ヘッド７２は、回転の径方向に並ぶように配置されており、検出ヘッド７３と検出ヘッド７４も回転の径方向に並ぶように配置されている。

検出ヘッド７４は、検出ヘッド７１から回転軸線Ｃ０を中心に１７０°以上１９０°以下回転した位置に設けられている。同様に検出ヘッド７３は、検出ヘッド７２から回転軸線Ｃ０を中心に１７０°以上１９０°以下回転した位置に設けられている。

本実施形態では、検出ヘッド７は、４つ配置されているが、１つの検出ヘッド７で２つのスケール２を読み取ることもできる。

図１（ｃ）は、支持部５０１から支持部５０２を見た模式図である。

支持部５０２に、スケール２１、スケール２４が固定され、連結部位５１３において支持部５０２に連結された部材５１４にスケール２２、スケール２３が固定される。部材５１４は、連結部位５１３と、スケール２２、２３とを中継する部材である。スケール２１、２４は、支持部５０２の連結部位５１１で固定され、スケール２２、２３は、支持部５０２の連結部位５１２で固定される。

スケール２１とスケール２２は、回転の径方向に並ぶように配置されており、スケール２３とスケール２４も回転の径方向に並ぶように配置されている。

本実施形態では、スケール２１、２２は径方向に並ぶように配置されているが、必ずしも径方向に並ぶ必要はなく、どちらもＸＹ平面に存在することが好ましい。たとえば、スケール２１と回転軸線Ｃ０を結ぶ線分と、スケール２２と回転軸線Ｃ０を結ぶ線分とのなす角が９０°未満であればよく、４５°未満であれば好ましい。また３０°未満であればより好ましい。

スケール２１と検出ヘッド７１は、連結部位５１３におけるトルクも一部検出し得るが、部材５１４に固定されたスケール２２とそれに対向する検出ヘッド７２を配置することで、より高精度なトルクの検出が可能である。

連結部位５１３は、スケール２２およびスケール２３が配置される位置から、回転軸線Ｃ０を中心として回転の周方向に８０°以上１００°以下回転した位置上が好ましい。好ましくは８５°以上９５°以下ずれていると良い。

このようにスケール２２とスケール２２に対向する検出ヘッド７２が、連結部位５１３における回転変位を検出することで、スケール２１とスケール２４、連結部位５１３の計４点での回転変位を検出することができる。それにより、エンコーダを９０°に均等に配置した形態と同程度の精度のセンサ５００とすることができる。また、スケール２１、２２の距離が小さいことで、Ｚ方向からのトルクの影響を受けづらい構成となっている。

実施形態中で説明するスケール２１、２２は、スケール２３、２４と同様の機能、構成を持つ。同様に検出ヘッド７１、７２は、検出ヘッド７３、７４と同様の機能、構成を持つ。

図２（ａ）は、図１（ｃ）の要部の拡大図である。図２（ｂ）は、図１（ｂ）と図１（ｃ）のＡ－Ａ線で切ったセンサ５００の断面図である。

スケール２１からスケール２２までの距離Ｌ１は、スケール２１から連結部位５１３までの距離より小さい。距離Ｌ１を小さくすることで、トルクの検出方向ではないＺ方向から力が加わった場合においても、スケール２１と検出ヘッド７１の距離Ｈ１と、スケール２２と検出ヘッド７２の距離Ｈ２と、の差を小さくすることができる。それにより、ＸＹ方向からかかるトルクの検出する際に、検出誤差が発生することを抑制することができ、センサ５００の検出精度を向上させることができる。

スケール２１からスケール２２までの距離Ｌ１は、スケール２２から回転軸線Ｃ０までの距離Ｌ２よりも小さい構成となっている。スケール２１からスケール２２までの距離は、たとえばスケール２１上に設けられたスケールトラック８１から、スケール２２上に設けられたスケールトラック８２までの距離であると好ましい。

支持部５０１に検出ヘッド７１、７２が固定され、支持部５０２、部材５１４にスケール２１、２２が固定されている。検出ヘッド７１は、光源１１と受光ユニット３１とプリント配線板４１と樹脂５１と光を透過する光透過材６１とを備える。検出ヘッド７１、７２およびスケール２１，２２の支持部５０１、５０２および部材５１４への固定方法は限定されず、接着やねじ止め等様々な固定方法を適用できる。

本実施形態では、部材５１４は支持部５０１、５０２と同じ材質であり、回転の周方向に沿って延在している。部材５１４は、支持部５０１、５０２と同じ材質で、一体に形成されることが好ましいが、本実施形態のように支持部５０１、５０２を形成後、部材５１４を取り付ける別体の形態でも良い。

支持部５０２と部材５１４とは、連結部位５１３以外で接していないことが好ましく、弾性部５０３と部材５１４は結合していない。接している場合、連結部位５１３にかかるトルク以外のトルクを検出してしまう虞がある。

光源１１から照射される光がスケール２２で反射し、受光ユニット３２に入射してしまう場合、検出ヘッド７１と検出ヘッド７２の間に遮蔽物を配置することもできる。

本実施形態に用いる光源１１、１２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１１からスケール２１へ発散光を照射して、反射した光を受光ユニット３１で受光する。光源１１からスケール２１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３１、３２は、受光素子アレイ９１、９２を有する。光源１１、１２および受光ユニット３１、３２は、プリント配線板４１、４２に実装され、光を透過する透明の樹脂５１、５２で封止されている。樹脂５１、５２の表面には、光を透過する透明の光透過材６１、６２が配置されている。この構成により、光源１１、１２および受光ユニット３１、３２が樹脂５１、５２および光透過材６１、６２で保護されている。

樹脂５１、５２の表面に光透過材６１、６２としてのガラス等が存在せず、樹脂５１、５２が剥き出しの状態であっても、樹脂５１、５２が光透過材６１、６２として機能することができる。樹脂５１、５２と光透過材６１、６２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。

光透過材６１、６２は、光源１１、１２とスケール２１、２２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。

スケール２１、２２は、検出ヘッド７１、７２側にスケールトラック８１、８２を有する。スケールトラック８１、８２は表面にパターン部を有しており、検出ヘッド７１、７２はパターン部を読み取ってセンサ５００にかかるトルクの算出を行なう。

スケール２１とスケール２２との距離Ｌ１は、たとえば１．０ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であればよく、１．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下だと好ましい。しかし、上記範囲に限定されず、スケール２２と回転軸線Ｃ０の距離Ｌ２より小さければよい。

スケール２２と回転軸線Ｃ０との距離Ｌ２はたとえば６０ｍｍ以上９０ｍｍ以下であればよく、７０ｍｍ以上８０ｍｍ以下だとより好ましい。しかし、上記範囲に限定されず、スケール２１とスケール２２との距離Ｌ１より小さければよい。

スケール２と検出ヘッド７の距離Ｈ１、Ｈ２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６１、６２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５１、５２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６１、６２と受光ユニット３１、３２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。

本実施形態にあるように、スケール２同士および検出ヘッド７同士の距離を近づけることで、配線も纏めることができ、省スペース化に繋がる。また、１つのセンサ基板に２つの検出ヘッド７１、７２を実装することで、配線の本数を削減することもできる。

＜第２実施形態＞
次に図３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。

図３（ａ）は支持部５０２から支持部５０１を見た模式図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ－Ａ線で切ったセンサ５００の断面図である。支持部５０１から支持部５０２を見た模式図は、図１（ｃ）と同じ構成であるため、説明を割愛する。

本実施形態のセンサ５００は、１組のエンコーダ５１０の構成が、検出ヘッド７が１つ、スケール２が１つではなく、検出ヘッド７が１つ、スケール２が２つである点で第１実施形態と異なる。すなわち本実施形態のセンサ５００は、エンコーダ５１０が２組である。

検出ヘッド７１は、第２支持部または部材５１４に支持されるスケール２１、２２と対向し、検出ヘッド７４は、スケール２３、２４に対向する。

本実施形態の検出ヘッド７１は、受光ユニット３１、３２を備えており、スケール２１、２２での反射光を受光素子アレイ９１、９２で読み取ることで、センサ５００にかかるトルクを１つの検出ヘッド７で検出することができる。

ここで検出ヘッド７の個数とは、プリント配線板４１の個数であり、受光ユニット３１、３２の個数ではない。本実施形態では、１つのプリント配線板４１に２つの受光ユニット３１、３２が設けられているため、１つの検出ヘッド７で２つのスケール２を検出している。

本実施形態のセンサ５００は、第１実施形態に比べ、検出ヘッド７の個数が少ないため、コストを低減することができる。

本実施形態においても、部材５１４に支持されるスケール２２、２３が離れた位置における回転を検出することで、第１実施形態に比べ、検出精度を維持することができる。

＜第３実施形態＞
次に図４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。

図４（ａ）は支持部５０２から支持部５０１を見た模式図であり、図４（ｂ）は、支持部５０１から支持部５０２を見た模式図である。

本実施形態のセンサ５００は、検出ヘッド７１，７４および部材５１４がセンサ５００の外側に配置されている点で、第２実施形態と異なる。

省スペースの観点では、第２実施形態のセンサ５００のほうが好ましいが、エンコーダ５１０をセンサ５００の外周面より外側に配置することで、センサ５００の検出精度を第２実施形態に比べて向上させることができる。また、センサ５００の内側に別のものを配置することができ、設計自由度の向上にもつながる。

＜第４実施形態＞
図５を用いて、本実施形態に係るセンサ５００の説明を行なう。図５（ａ）は、支持部５０２から支持部５０１を見た模式図であり、図５（ｂ）は、支持部５０１から支持部５０２を見た模式図である。

本実施形態に係るセンサ５００は、連結部位５１３が、部材５１４に支持されたスケール２２、２３から回転軸線Ｃ０を中心に１７０°以上１９０°以下回転した位置上に設けられている点で第２実施形態と異なる。

本実施形態においては、スケール２２が回転軸線Ｃ０を中心に１７０°以上１９０°以下回転した位置上に設けられている連結部位５１３におけるトルクの検出を行なう。同様に、スケール２３が回転軸線Ｃ０を中心に１７０°以上１９０°以下回転した位置上に設けられている連結部位５１３におけるトルクの検出を行なう。本実施形態においても、部材５１４は、連結部位５１３以外の箇所では、支持部５０２に接していない。

スケール２をこのように配置し、部材５１４との連結部位５１３を、回転軸線Ｃ０を中心に反対側に配置することで、計４点での高精度なトルクの検出を実現することができる。また、検出ヘッド７が２つしか設けられていないため、コストの低減も図ることができる。

図６（ａ）、図６（ｂ）にあるように、検出ヘッド７が１つ、スケール２が２つとすることもでき、その場合よりコストの低減を図ることができる。図６の場合、第１実施形態と同様に検出ヘッド７が２つ、スケール２が２つとすることもできる。

＜第５実施形態＞
図７を用いて、本実施形態に係るセンサ５００の説明を行なう。

図７（ａ）は支持部５０１から支持部５０２を見た模式図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のＢ－Ｂ線で切った断面図である。

本実施形態は、第１実施形態に比べて部材５１４を設けておらず、空隙５０２０を設け、支持部５０２と一体の部材５１４０がスケール２２、２３を支持する点が異なる。

支持部５０２と一体ではない部材５１４がスケール２２、２３を支持していた第１実施形態に比べ、支持部５０２と一体の部材５１４０がスケール２２、２３を支持することで、コストの低減を図ることができる。また、一体の部材がスケール２２、２３を支持しているため、より高精度なトルクの検出ができる。

部材５１４０は、支持部５０１と対向する位置に配置されており、部材５１４０から回転軸線Ｃ０までの距離と、支持部５０１、５０２から回転軸線Ｃ０までの距離は等しい。

本実施形態においても、部材５１４０に支持されるスケール２２、２３が、スケール２１、２４からスケール２２、２３までの距離よりも離れた位置におけるトルクを検出する。

＜第６実施形態＞
次に第１乃至第５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８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８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９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。

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１０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。

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に適用が可能である。ほかにも、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。

２ スケール
２１、２４ 第１スケール
２２、２３ 第２スケール
７、７１，７２、７３、７４ 検出ヘッド
５０１ 第１支持部
５０２ 第２支持部
５０３ 弾性部
５１１ 第１部位
５１２ 第２部位
５１３ 第３部位
５１４、５１４０ 中継部

Claims (18)

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検出ヘッドと、
   前記第２支持部に固定された、前記検出ヘッドに対向するスケールと、を備え、
   前記検出ヘッドおよび前記スケールによって、
   前記第１支持部に対する前記第２支持部の回転を検出するセンサであって、
   前記スケールは、
   前記第２支持部の第１部位に固定された第１スケールと、
   前記第２支持部の第２部位に固定された第２スケールと、
   を含み、
   前記第２支持部は、前記第２支持部の第３部位から前記第２部位までを中継する中継部を有し、
   前記中継部には、前記複数の弾性部のいずれの弾性部も結合しておらず、
   前記第１スケールと前記第２スケールとの距離は、前記第２部位と前記第３部位との距離より小さいことを特徴とするセンサ。
2. 前記第１スケールおよび前記第２スケールは、前記回転の径方向に並んで配置され、前記第２スケールは、前記第１スケールよりも前記回転の軸の側に配置されることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
3. 前記第１スケールおよび前記第２スケールの個数は、それぞれ２つずつであ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. 前記第１スケールから前記第２スケールまでの距離は、前記第２スケールから前記回転の軸までの距離よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセンサ。
5. 前記検出ヘッドは２つであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセンサ。
6. 前記検出ヘッドは１つであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセンサ。
7. 前記第１スケールと前記回転の軸とを結ぶ線分と、前記第２スケールと前記回転の軸とを結ぶ線分と、のなす角は４５°未満であ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１スケールと前記回転の軸とを結ぶ線分と、前記第２スケールと前記回転の軸とを結ぶ線分と、のなす角は３０°未満であ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. 前記中継部は、前記第２支持部と同じ材質で一体に形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. 前記中継部は、前記第２支持部と別体で形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。
11. 前記中継部は、前記回転の周方向に沿って延びてい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. 前記第３部位は、前記中継部のうち、前記第２スケールから、前記回転の軸を中心として８０°以上１００°以下回転した位置上に設けられた部分であ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. 前記第１スケールと前記第２スケールの距離は、１．０ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であ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. 前記第２スケールから前記回転の軸までの距離は、６０ｍｍ以上９０ｍｍ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. 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、を備え、
    前記第１支持部に対する前記第２支持部の回転を検出するセンサであって、
    前記第１支持部に固定された検出ヘッドと、前記検出ヘッドに対向し前記第２支持部に固定されたスケールを備え、
    前記検出ヘッドの個数は、前記スケールの個数の半分であることを特徴とするセンサ。
16. 前記検出ヘッドの各々は、前記スケールで反射した反射光を受光する受光部を２つ備え、前記受光部が実装された配線板を１つ備え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. 請求項１乃至１６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。
18. 請求項１７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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