JPWO2018159032A1 - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】小型であっても高出力を実現可能な、アクチュエータを提案する。【解決手段】円筒形状のロータを有するモータと、前記モータの回転軸と同軸である入力軸を有し、かつ、前記ロータに内包される減速機と、を備える、アクチュエータ。前記減速機は、円筒形状であり、前記減速機は、前記モータの回転軸と同軸である出力軸をさらに有し、前記モータは、ステータをさらに有し、前記アクチュエータは、前記減速機および前記ステータを支持する筐体をさらに備える。【選択図】図１

Description

本開示は、アクチュエータに関する。

従来、様々な装置においてアクチュエータが用いられている。例えば、関節部に力制御型のアクチュエータを備え、当該関節部を介して複数のアームが接続されたロボットアームが知られている。ここで、力制御は、作業対象に対して加えるべき力の目標値を直接的に受け、その目標値に基づいてアクチュエータを駆動させる制御である。力制御において、出力トルクを正確に検出しフィードバックすることにより、人とのインタラクションに優れた柔軟で安全な動作の実現が可能になる。

例えば、下記特許文献１には、波動減速機に含まれるフレクスプラインの内側にモータが配置された波動減速機付きモータが開示されている。

特開２０１０−４５８２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、フレクスプラインの内側にモータが配置されるので、フレクスプラインのサイズよりも小さいモータだけしか利用することができない。このため、特許文献１に記載の技術では、高出力化が困難である。

そこで、本開示では、小型であっても高出力を実現可能な、新規かつ改良されたアクチュエータを提案する。

本開示によれば、円筒形状のロータを有するモータと、前記モータの回転軸と同軸である入力軸を有し、かつ、前記ロータに内包される減速機と、を備える、アクチュエータが提供される。

以上説明したように本開示によれば、アクチュエータが小型であっても高出力を実現することができる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。

本開示の第１の実施形態に係るアクチュエータ２‐１の断面図である。 アクチュエータ２‐１の分解斜視図である。 アクチュエータ２‐１の入力側の部品を拡大して示した概略図である。 アクチュエータ２‐１の出力側の部品を拡大して示した概略図である。 図１に示した領域４の拡大図である。 図４Ａに示したＡ−Ａ線による断面を概略的に示した図である。 入力エンコーダ基板４２と入力エンコーダディスク４４との距離の調整機構の一例を示した説明図である。 本開示の第２の実施形態に係るアクチュエータ２‐２の断面図である。 アクチュエータ２‐２の分解斜視図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

また、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する複数の構成要素を、同一の符号の後に異なるアルファベットを付して区別する場合もある。例えば、実質的に同一の機能構成を有する複数の構成要素を、必要に応じてモータマグネット２４２ａおよびモータマグネット２４２ｂのように区別する。ただし、実質的に同一の機能構成を有する複数の構成要素の各々を特に区別する必要がない場合、同一符号のみを付する。例えば、モータマグネット２４２ａおよびモータマグネット２４２ｂを特に区別する必要が無い場合には、単にモータマグネット２４２と称する。

また、以下に示す項目順序に従って当該「発明を実施するための形態」を説明する。
１．背景
２．第１の実施形態
３．第２の実施形態
４．むすび

＜＜１．背景＞＞
本開示は、一例として「２．第１の実施形態」および「３．第２の実施形態」において説明するように、多様な形態で実施され得る。まず、本開示の特徴を明確に示すために、本開示の各実施形態に係るアクチュエータを創作するに至った背景について説明する。

従来、例えば、モータ、波動歯車減速機、および、エンコーダを一体化したアクチュエータが提案されている。しかしながら、公知の技術では、モータ、波動歯車減速機、および、エンコーダが別々に選定され、そして、これらの各要素部品の間にブラケット部品が介在される、または、各要素部品に締結部をカスタムして組み合わされることによりアクチュエータが構成される。このため、モータの回転軸方向に長い構成（直列構成）となるので、アクチュエータを小型化し難かった。

なお、アクチュエータの小型化を図るために、波動歯車減速機に含まれるフレクスプラインの内側にモータを配置する技術も提案されている。しかしながら、この技術では、フレクスプラインのサイズよりも小さいモータだけしか利用することができないので、高出力化が困難である。

そこで、上記事情を一着眼点にして、本開示の各実施形態に係るアクチュエータを創作するに至った。当該アクチュエータは、円筒形状のロータ２４を有するモータ２０と、モータシャフト２６と同軸であるウェブジェネレータ１０４を有し、かつ、ロータ２４に内包される波動歯車減速機１０と、を備える。これにより、当該アクチュエータが小型であっても高出力を実現可能である。なお、当該アクチュエータは、力制御型アクチュエータであり得る。

以下、このような本開示の各実施形態について順次詳細に説明する。なお、以下では、本開示の第１の実施形態に係るアクチュエータ２‐１、および、第２の実施形態に係るアクチュエータ２‐２を総称して、アクチュエータ２と称する場合がある。

＜＜２．第１の実施形態＞＞
＜２−１．構成＞
まず、第１の実施形態に係るアクチュエータ２‐１の構成について、図１〜図３Ｂを参照して説明する。図１は、アクチュエータ２‐１の断面を示した図である。より具体的には、図１は、後述するモータシャフト２６の中心軸Ｘを通り、かつ、モータシャフト２６の軸方向に直交する面で切断された際のアクチュエータ２‐１の断面を示した図である。また、図２は、アクチュエータ２‐１の構成を示す分解斜視図である。また、図３Ａは、アクチュエータ２‐１の入力側の部品を拡大して示した概略図である。また、図３Ｂは、アクチュエータ２‐１の出力側の部品を拡大して示した概略図である。

ここで、モータシャフト２６は、本開示におけるモータの回転軸の一例である。また、アクチュエータ２‐１の入力側とは、モータ２０に対して波動歯車減速機１０が位置する側の反対側（例えば図１における右側）である。また、アクチュエータ２‐１の出力側とは、モータ２０に対して波動歯車減速機１０が位置する側（例えば図１における左側）である。なお、中心軸Ｘは、アクチュエータ２‐１の中心軸と同一であってもよい。

図１および図２に示したように、アクチュエータ２‐１は、筐体９０、波動歯車減速機１０、モータ２０、ブレーキ３０、入力エンコーダ４０、出力エンコーダ５０、トルクセンサ６０、入力側カバー７０、および、出力側カバー７２を有する。例えば、モータシャフト２６の軸方向に関して、入力側カバー７０、入力エンコーダ４０、ブレーキ３０、モータ２０、波動歯車減速機１０、出力エンコーダ５０、トルクセンサ６０、出力側カバー７２の順に、これらの各構成要素が筐体９０内に配置される。

詳細については後述するが、モータ２０は、円筒形状のロータ２４を有し、かつ、波動歯車減速機１０は、モータシャフト２６と同軸であるウェブジェネレータ１０４を有し、かつ、ロータ２４に内包される。換言すれば、モータ２０と波動歯車減速機１０とは入れ子構造になっている。かかる構成によれば、モータシャフト２６の軸方向に関して波動歯車減速機１０とモータ２０とが効率的に配置されるので、アクチュエータ２‐１の小型化を実現することができる。また、例えば公知の技術と比較して、アクチュエータ２‐１の体積に対して、より大きいサイズのモータ２０を配置することが可能であったり、モータ２０の回転半径がより大きくなる。従って、アクチュエータ２‐１が小型であっても、高出力が可能である。

また、かかるアクチュエータ２‐１において、モータ２０は、通電されることにより回転して回転トルクを生成し得る。また、波動歯車減速機１０は、モータ２０から出力される回転トルクを減速してトルクセンサ６０へ出力し得る。また、トルクセンサ６０は、波動歯車減速機１０から伝達される回転トルクを計測し得る。また、トルクセンサ６０に外部の部品（図示省略）が結合される場合、トルクセンサ６０は、当該回転トルクを当該外部の部品へ出力し得る。以下では、アクチュエータ２‐１の構成についてさらに詳細に説明を行う。

｛２−１−１．筐体９０｝
筐体９０は、筐体９０内に配置された例えば波動歯車減速機１０、および、モータ２０のステータ２２などを支持する。また、筐体９０は、円筒形であり得る。但し、かかる例に限定されず、筐体９０の形状は、角柱（四角柱など）であってもよい。

｛２−１−２．波動歯車減速機１０｝
波動歯車減速機１０は、本開示における減速機の一例である。波動歯車減速機１０は、円筒形状であり得る。また、波動歯車減速機１０に含まれるウェブジェネレータ１０４および出力軸１２はそれぞれ、モータシャフト２６と同軸であり得る。なお、ウェブジェネレータ１０４は、本開示における入力軸の一例である。また、出力軸１２は、本開示における出力軸の一例である。

ここで、出力軸１２は、後述するフレクスプライン１０２とブラケット１２０とが組み合わされて構成され得る。例えば、図１に示したように、ブラケット１２０に設けられた開口部１２２において、フレクスプライン１０２の一部とブラケット１２０とがスプリングピンなどによって固く締結される。但し、かかる例に限定されず、出力軸１２は、フレクスプライン１０２だけであってもよいし、または、ブラケット１２０だけであってもよい。

また、図１および図２に示したように、波動歯車減速機１０は、サーキュラスプライン１００、フレクスプライン１０２、および、ウェブジェネレータ１０４が組み合わされて構成される。具体的には、サーキュラスプライン１００、フレクスプライン１０２、ウェブジェネレータ１０４の順に、波動歯車減速機１０の外側から内側へ配置されている。

（２−１−２−１．サーキュラスプライン１００）
図１に示したように、サーキュラスプライン１００は、ロータ２４に内包される円筒形状の第１の外周面１０００と、第１の外周面１０００よりも径が大きい円筒形状の第２の外周面１００２とを有する。第２の外周面１００２は、筐体９０の内壁に固定される（支持される）。また、サーキュラスプライン１００は、第１の外周面１０００と第２の外周面１００２とに隣接する少なくとも一つの他の外周面１００４をさらに含む。

また、サーキュラスプライン１００の内周には歯（以下、内周歯と称する）が刻まれている。当該内周歯のピッチは、フレクスプライン１０２の外周に刻まれている歯（以下、外周歯と称する）のピッチと同じである。また、当該内周歯の歯数は、フレクスプライン１０２の外周歯の歯数よりも所定の数（例えば２枚）だけ多い。また、当該内周歯とフレクスプライン１０２の外周歯とは噛合うように配置されている。

また、図１に示したように、第２の外周面１００２と向かい合う内周面１００６には、クロスローラベアリング１４が固定されている。クロスローラベアリング１４は、出力軸１２を回転可能に支持する。なお、クロスローラベアリング１４は、本開示における第１の軸受の一例である。

例えば、内周面１００６は、クロスローラベアリング１４の外輪１４０と固定され得る。より具体的には、外輪１４０は、内周面１００６と外側ロックリング１８０とによって予圧されている。また、クロスローラベアリング１４の内輪１４２は、ブラケット１２０と内側ロックリング１８２とによって予圧されている。このようにクロスローラベアリング１４が用いられることにより、モータシャフト２６以外のモーメント荷重も受けることができるので、滑らかなトルク伝達を実現することができる。なお、クロスローラベアリング１４の代わりに、玉軸受が用いられてもよい。

（２−１−２−２．フレクスプライン１０２）
フレクスプライン１０２は、カップ状の金属弾性体である。また、フレクスプライン１０２は、ウェブジェネレータ１０４と固定されている。

また、図１に示したように、フレクスプライン１０２の内部（例えば根元内側）には、軸受１６が固定され得る。軸受１６は、モータシャフト２６を回転可能に支持する。ここで、軸受１６は、本開示における第２の軸受の一例である。

また、図１および図３Ｂに示したように、フレクスプライン１０２は、ねじ（例えばボルトなど）によりトルクセンサ６０に固定され得る。

（２−１−２−３．ウェブジェネレータ１０４）
図１および図２に示したように、ウェブジェネレータ１０４は、楕円部１０６および軸受１０８が組み合わされて構成される。ウェブジェネレータ１０４は、フレクスプライン１０２に嵌入されている。また、楕円部１０６は、楕円形状を有している。また、楕円部１０６は、モータシャフト２６に固定され得る。かかる構成によれば、モータ２０のロータ２４が回転すると、ウェブジェネレータ１０４がロータ２４と同期して回転する。そして、フレクスプライン１０２は、ウェブジェネレータ１０４の回転に応じて楕円状に撓められながら（弾性変形しながら）、サーキュラスプライン１００の内周歯とフレクスプライン１０２の外周歯とが当該楕円の長軸方向の２箇所で噛合った状態で回転する。これにより、ウェブジェネレータ１０４に対してフレクスプライン１０２が減速されて回転し、そして、当該減速された速度で出力軸１２が回転する。さらに、出力軸１２の回転に応じたトルクが出力軸１２を介してトルクセンサ６０へ伝達される。

｛２−１−３．モータ２０｝
モータ２０は、通電により駆動され、回転トルクを生成する。モータ２０は、ブラシレスモータであり得る。また、図１および図２に示したように、モータ２０は、ステータ２２、ロータ２４、および、モータシャフト２６を有する。ステータ２２とロータ２４との組み合わせでモータ磁気回路が構成され得る。例えば、三相交流電流がステータ２２に供給されると、ステータ２２と、（ロータ２４に含まれる）複数のモータマグネット２４２との間で回転磁界が発生することにより、回転トルクが発生する。

（２−１−３−１．ステータ２２）
図１に示したように、ステータ２２は、筐体９０の内壁に固定される。また、図１および図２に示したように、ステータ２２は、スタックコア２２０およびモータコイル２２２を有する。例えば、スタックコア２２０の外周面は、筐体９０の内壁に固定される。また、モータコイル２２２は、スタックコア２２０の内周面に固定される。

（２−１−３−２．ロータ２４）
ロータ２４は、円筒形状であり、かつ、サーキュラスプライン１００の第１の外周面１０００を内包するように配置される。また、ロータ２４は、モータヨーク２４０、および、複数のモータマグネット２４２を有する。

例えば、図１および図３Ａに示したように、モータヨーク２４０には、ロータ２４の延在方向に直交する面を含み、かつ、モータシャフト２６を支持する支持部２４２０が設置されている。例えば、支持部２４２０は、ウェブジェネレータ１０４に固定される。

また、モータマグネット２４２は永久磁石であり得る。また、図２および図３Ａに示したように、複数のモータマグネット２４２は、モータヨーク２４０の外周面上に例えば等間隔で設置される。ここで、複数のモータマグネット２４２の極数は例えば８以上である。なお、極数が大きいほどコギングトルクが小さくなり、好ましい。

上記の構成によれば、波動歯車減速機１０の構造を変えることなく、（公知の技術と比較して）サイズのより大きいモータマグネット２４２を筐体９０内に配置することができる。また、アクチュエータ２‐１の適用場面ごとに異なるサイズのモータマグネット２４２を採用することも可能であるので、多様なモータ出力を実現することができる。例えば、シリアル型のロボットアームでは、通常、関節によって自重が異なるので、必要な保持トルクも異なり得る。そこで、関節ごとにモータ磁気回路部（例えばモータマグネット２４２のサイズなど）を適宜変更することにより、関節ごとに適切な出力を実現することができる。

（２−１−３−３．モータシャフト２６）
モータシャフト２６は、モータ２０の回転軸である。図１に示したように、モータシャフト２６は、軸受１６、および、後述する軸受３８によって、中心軸Ｘ回りに回転可能に支持され得る。ここで、前述したように、軸受１６は、フレクスプライン１０２の根元内側に設置され得る。また、図１に示したように、軸受３８は、ブレーキ３０の本体部３２の略中心に設置され得る。つまり、モータシャフト２６を支持する２個のベアリング（軸受１６および軸受３８）の間の距離が大きい。これにより、例えばモータ２０の駆動時におけるモータシャフト２６の振れを抑制することができる。また、軸受１６および軸受３８はそれぞれ空き空間内に設置されるので、アクチュエータ２‐１のさらなる小型化が可能となる。

また、モータシャフト２６は、中空であり得る。また、図１および図２に示したように、モータシャフト２６の内部には、後述する中空管８０が配置され得る。

｛２−１−４．ブレーキ３０｝
ブレーキ３０は、ロータ２４の回転を停止させるための機構である。ブレーキ３０は、無励磁型のブレーキであり得る。また、ブレーキ３０は、モータ２０に対して波動歯車減速機１０の反対側に配置される。つまり、ブレーキ３０は、波動歯車減速機１０による減速前の位置に配置される。かかる構成によれば、ロータ２４の回転を停止させるために必要なブレーキトルクを、波動歯車減速機１０の減速比分だけ小さくすることができる。従って、ブレーキ３０の機構を小型化することができるので、アクチュエータ２‐１のさらなる小型化が可能になる。また、同様の理由により、ブレーキ３０の不感帯（バックラッシュ）も、波動歯車減速機１０の減速比分だけ小さくすることができる。

以下、ブレーキ３０の構成について詳細に説明する。ブレーキ３０は、本体部３２、回転部３４、可動子３６、および、弾性部材（図示省略）を有する。

（２−１−４−１．回転部３４）
回転部３４は、モータ２０の位置を基準として本体部３２よりも遠くに位置し得る。また、回転部３４は、ウェブジェネレータ１０４に固定され、かつ、モータシャフト２６と同軸であり得る。例えば、回転部３４は、ウェブジェネレータ１０４の一端部に固定される。これにより、回転部３４は、ロータ２４と同期して回転する。

また、後述するように、回転部３４には、入力エンコーダディスク４４が固定され得る。かかる構成によれば、ロータ２４、波動歯車減速機１０の回転軸、および、ブレーキ３０の同軸度が高精度に設定されると、入力エンコーダ４０による計測の精度を高めることができ、かつ、滑らかなトルク伝達を実現することができる。

（２−１−４−２．可動子３６）
可動子３６は、本体部３２と回転部３４との間の空間内に配置される。可動子３６は、アーマチュアであり得る。

（２−１−４−３．弾性部材）
弾性部材は、本体部３２および可動子３６に固定され得る。弾性部材は、可動子３６に対して回転部３４に向かう弾性力を付与するように構成されている。例えば、後述する電磁石３２０の非通電時には、可動子３６は弾性部材によって回転部３４に押し付けられる。これにより、回転部３４の接触面と可動子３６の接触面との摩擦によってブレーキトルク（摩擦トルク）が生じ、そして、当該ブレーキトルクにより回転部３４の回転が停止される。その結果、（例えばウェブジェネレータ１０４を介して回転部３４に連結されている）ロータ２４の回転が停止される。

なお、弾性部材は、例えば圧縮コイルばねである。

（２−１−４−４．本体部３２）
図２に示したように、本体部３２には、電磁石３２０が固定されている。電磁石３２０は、通電状況に応じて可動子３６を本体部３２に引き寄せる。例えば、電磁石３２０が通電されている間（通電時）は、電磁石３２０は、可動子３６を本体部３２に引き寄せる。これにより、ブレーキトルクが解放され、そして、回転部３４が回転可能になる。その結果、ロータ２４も回転可能になる。

また、電磁石３２０が通電されていない間（非通電時）は、電磁石３２０は、可動子３６を本体部３２に引き寄せない。

また、図１に示したように、本体部３２の略中心には、軸受３８が固定され得る。軸受３８は、モータシャフト２６を回転可能に支持する。ここで、軸受３８は、本開示における第３の軸受の一例である。

また、本体部３２は、波動歯車減速機１０の側面に対して押し付けて配置されることにより、波動歯車減速機１０を支持し得る。また、図１に示したように、筐体９０と本体部３２とは例えばインロー構造で固定され得る。これにより、ロータ２４、波動歯車減速機１０の回転軸、および、ブレーキ３０の同軸度を容易に高めることができる。

｛２−１−５．入力エンコーダ４０｝
入力エンコーダ４０は、本開示における第１のエンコーダの一例である。入力エンコーダ４０は、アクチュエータ２‐１の入力側に配置され、かつ、ロータ２４の回転角度を計測する。例えば、入力エンコーダ４０は、アブソリュートエンコーダであり、かつ、ロータ２４の絶対的な回転角度を計測する。これにより、例えば、アクチュエータ２‐１をコントロールするホスト（図示省略）は、入力エンコーダ４０によるロータ２４の回転角度の計測結果に基づいて、モータ２０の出力をリアルタイムに変更することが可能になる。

また、図２に示したように、入力エンコーダ４０は、入力エンコーダ基板４２と、円盤状の入力エンコーダディスク４４とから構成される。

以下、図４Ａおよび図４Ｂを参照して、入力エンコーダ４０の構成についてさらに詳細に説明する。図４Ａは、図１に示した領域４の拡大図である。また、図４Ｂは、図４Ａに示したＡ−Ａ線による断面を概略的に示した図である。

（２−１−５−１．入力エンコーダ基板４２）
図４Ａに示したように、入力エンコーダ基板４２には、磁場計測素子４２０が設置される。磁場計測素子４２０は、例えば、図４Ｂに示したように、永久磁石４２００とホールＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）４２０２とが結合されて構成される。

なお、例えば図２に示したように、入力エンコーダ基板４２には、入力エンコーダホルダ４２４が固定され得る。そして、入力エンコーダホルダ４２４と、ブレーキ３０の本体部３２に固定された入力エンコーダブラケット４２２とは、例えばインロー構造で固定され得る。なお、入力エンコーダブラケット４２２は、本体部３２と同軸になるように本体部３２に対して例えば治具などで固定され得る。

（２−１−５−２．入力エンコーダディスク４４）
入力エンコーダディスク４４は、磁気ディスクであり得る。例えば、入力エンコーダディスク４４は、所定のパターンの複数のスリットが設けられた磁性体である。また、図３Ａに示したように、入力エンコーダディスク４４は、ブレーキ３０の回転部３４に固定され得る。かかる構成によれば、回転部３４の回転に応じて入力エンコーダディスク４４が回転することにより、永久磁石４２００によって生じる、バイアスされた磁界に対して、（スリットが設けられた）入力エンコーダディスク４４が横切るので、磁場計測素子４２０（より詳細にはホールＩＣ４２０２）により計測される磁束密度が変化し得る。この場合、磁場計測素子４２０は、磁束密度の変化を計測することにより、ロータ２４の絶対的な回転角度を計測する。

なお、磁場計測素子４２０が回転角度を高精度で計測するためには、入力エンコーダディスク４４と磁場計測素子４２０との距離が厳密に調整される必要がある。そこで、図５に示したように、入力エンコーダホルダ４２４と入力エンコーダブラケット４２２とは、例えば外周の４点において、モータシャフト２６の軸方向に関してねじ４３０で固定可能に構成され得る。つまり、モータシャフト２６の軸方向に関して、入力エンコーダホルダ４２４と入力エンコーダブラケット４２２との距離が調整可能に構成され得る。また、前述したように、入力エンコーダホルダ４２４と、入力エンコーダブラケット４２２とは、インロー構造で固定され得る。上記の構成によれば、アクチュエータ２‐１全体を組み立てた後でもユーザは例えば一般工具を用いて、入力エンコーダ基板４２と入力エンコーダディスク４４との距離を容易に、かつ、厳密に調整することができる。

｛２−１−６．出力エンコーダ５０｝
出力エンコーダ５０は、本開示における第２のエンコーダの一例である。出力エンコーダ５０は、アクチュエータ２‐１の出力側に配置され、かつ、出力軸１２の回転角度を計測する。例えば、出力エンコーダ５０は、トルクセンサ６０と筐体９０との間に配置される。また、出力エンコーダ５０は、アブソリュートエンコーダであり、かつ、出力軸１２の絶対的な回転角度を計測する。また、図２に示したように、出力エンコーダ５０は、出力エンコーダ基板５２と、円盤状の出力エンコーダディスク５４とから構成される。

（２−１−６−１．出力エンコーダ基板５２）
出力エンコーダ基板５２には、磁場計測素子５２０が設置され得る。磁場計測素子５２０は、例えば、永久磁石５２００とホールＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）５２０２とが結合されて構成される。また、磁場計測素子５２０は、磁場計測素子４２０と同一の素子であってもよい。

なお、例えば図３Ｂに示したように、出力エンコーダ基板５２には、出力基板ホルダ６２６が固定され得る。そして、出力基板ホルダ６２６と、後述するトルクセンサ起歪体６２とは、例えばインロー構造で固定され得る。

（２−１−６−２．出力エンコーダディスク５４）
出力エンコーダディスク５４は、磁気ディスクであり得る。例えば、出力エンコーダディスク５４は、所定のパターンの複数のスリットが設けられた磁性体である。なお、出力エンコーダディスク５４は、入力エンコーダディスク４４と同一のディスクであってもよい。

また、図１に示したように、出力エンコーダディスク５４は、筐体９０（例えば筐体９０に設けられた溝など）に固定され得る。かかる構成によれば、波動歯車減速機１０の出力軸１２の回転に応じてトルクセンサ起歪体６２が回転し、そして、トルクセンサ起歪体６２の回転に応じて出力エンコーダ基板５２が回転することにより、（磁場計測素子５２０に含まれる）永久磁石５２００によって生じる、バイアスされた磁界に対して、（スリットが設けられた）出力エンコーダディスク５４が横切るので、磁場計測素子５２０（より詳細にはホールＩＣ５２０２）により計測される磁束密度が変化し得る。この場合、磁場計測素子５２０は、磁束密度の変化を計測することにより、出力軸１２の絶対的な回転角度を計測する。

なお、図５に示したように、出力基板ホルダ６２６とトルクセンサ起歪体６２とは、例えば外周の４点において、モータシャフト２６の軸方向に関してねじ６３０で固定可能に構成され得る。つまり、モータシャフト２６の軸方向に関して、出力基板ホルダ６２６とトルクセンサ起歪体６２との距離が調整可能に構成され得る。また、前述したように、出力基板ホルダ６２６とトルクセンサ起歪体６２とは、インロー構造で固定され得る。上記の構成によれば、（入力エンコーダ４２と同様に）アクチュエータ２‐１全体を組み立てた後でもユーザは例えば一般工具を用いて、出力エンコーダ基板５２と出力エンコーダディスク５４との距離を容易に、かつ、厳密に調整することができる。その結果、出力エンコーダ５０は、出力軸１２の絶対的な回転角度を高精度で計測することができる。

（２−１−６−３．変形例）
なお、上記の説明では、入力エンコーダ４０および出力エンコーダ５０が磁気式のエンコーダである例について説明したが、かかる例に限定されない。例えば、入力エンコーダ４０および／または出力エンコーダ５０は、光学式のエンコーダであってもよい。

｛２−１−７．トルクセンサ６０｝
トルクセンサ６０は、（波動歯車減速機１０の）出力軸１２に固定され、かつ、出力軸１２の回転に応じたトルクを計測する。また、トルクセンサ６０は、トルクセンサ起歪体６２、および、トルクセンサ基板６４を有する。

（２−１−７−１．トルクセンサ起歪体６２）
図２に示したように、トルクセンサ起歪体６２は、出力軸１２に固定される第１の回転体６２０と、第２の回転体６２４と、第１の回転体６２０および第２の回転体６２４に固定されている複数の起歪部６２２とを有する。第１の回転体６２０に回転トルクが入力された場合には、複数の起歪部６２２の各々は、例えば歪みを生じながら、当該回転トルクを第２の回転体６２４へ伝達し得る。

（２−１−７−２．トルクセンサ基板６４）
トルクセンサ基板６４は、本開示における計測部の一例である。トルクセンサ基板６４は、複数の起歪部６２２の各々に生じた歪みの検出結果に応じて回転トルクを計測する。例えば、複数の起歪部６２２の各々には歪みゲージ（図示省略）が設置される。この場合、個々の起歪部６２２に設置された歪みゲージは、当該起歪部６２２に生じた歪みを検出する。そして、トルクセンサ基板６４は、個々の起歪部６２２に生じた歪みの検出結果に応じて、入力された回転トルクを計測する。

なお、トルクセンサ６０が外力を受けた場合に関しても、当該外力は起歪部６２２を介してアクチュエータ２‐１の内部（波動歯車減速機１０など）へ伝達される。従って、トルクセンサ基板６４は、起歪部６２２に生じた歪みの検出結果に応じて、当該外力に対応するトルクを正確に計測することができる。また、トルクセンサ６０に接続され、かつ、中空管８０内に配置されたケーブル（例えば同軸ケーブル８２）を介して、トルクセンサ６０による計測結果はホストへ送信され得る。この場合、当該ホストは、受信した計測結果に応じて、ステータ２２に供給する三相交流電流の値を適切に調整すること（フィードバックすること）ができる。これにより、アクチュエータ２‐１は、外力を受けた場合であっても、目標のトルクを出力することができる。

なお、トルクセンサ６０は、例えば、磁歪式、静電容量方式、半導体歪みゲージ方式、または、汎用歪みゲージ方式などであってもよい。

｛２−１−８．中空管８０｝
中空管８０は、モータシャフト２６の内部に配置されている。また、中空管８０は、入力側カバー７０および出力側カバー７２によって支持され得る。例えば、入力側カバー７０および出力側カバー７２にそれぞれ設置される軸受が中空管８０を支持してもよい。または、入力側カバー７０および出力側カバー７２は、例えばポリアセタール（ＰＯＭ）樹脂などの摺動抵抗の小さい樹脂材料によってそれぞれ構成され、かつ、中空管８０は、金属製であってもよい。この場合、入力側カバー７０および出力側カバー７２が中空管８０を支持する際に生じる摩擦が非常に小さくなるので、軸受と同等の効果を実現することができる。また、モータシャフト２６の軸方向に関してアクチュエータ２‐１のさらなる小型化が可能になる。

また、中空管８０の内部には、同軸ケーブル８２が配置され得る。ここで、同軸ケーブル８２は、例えば、入力エンコーダ４０および出力エンコーダ５０を接続するケーブルや、入力エンコーダ４０、出力エンコーダ５０、および、トルクセンサ６０の各々と外部の装置（ホストや電源など）とを接続するケーブルなどを含み得る。一例として、入力エンコーダ４０、出力エンコーダ５０、および、トルクセンサ６０に対して電力を供給するための少なくとも一つの電源線が中空管８０の内部に配置される。また、入力エンコーダ４０、出力エンコーダ５０、および、トルクセンサ６０の各々と外部の装置（ホストなど）との間で信号を伝送するための少なくとも一つの信号線が中空管８０の内部に配置される。

なお、モータシャフト２６の内部は、回転半径が（アクチュエータ２‐１の中で）最も小さく、かつ、モータシャフト２６の内部には他の部品が存在しない。そこで、前述したように、モータシャフト２６の内部に中空管８０が配置されることにより、配線が単純となり、かつ、モータ２０の多回転を実現することができる。例えば、モータシャフト２６内のクリアランスを一定に保つことができる。また、モータシャフト２６とケーブルとが接触することがないので、アクチュエータ２‐１の内部に無駄な摩擦トルクが発生しない。また、例えば入力エンコーダ４０、出力エンコーダ５０、および、トルクセンサ６０の各々とホストとを一つのケーブルで接続することが可能となる。

＜２−２．効果＞
｛２−２−１．効果１｝
以上説明したように、第１の実施形態に係るアクチュエータ２‐１は、円筒形状のロータ２４を有するモータ２０と、モータシャフト２６と同軸であるウェブジェネレータ１０４を有し、かつ、ロータ２４に内包される波動歯車減速機１０と、を備える。このため、アクチュエータ２‐１が小型であっても高出力を実現可能である。

例えば、公知の技術と比較して、アクチュエータ２‐１の体積に対して、より大きいサイズのモータ２０（例えばモータマグネット２４２など）を配置することが可能であったり、モータ２０の回転半径がより大きくなる。従って、発生する磁束密度が大きくなるので、アクチュエータ２‐１が小型であっても高出力が可能となる。

｛２−２−２．効果２｝
また、アクチュエータ２‐１は、無励磁型のブレーキ３０を備える。このため、緊急時（例えば電源停止時など）にはアクチュエータ２‐１の出力を安全に停止することができる。

｛２−２−３．効果３｝
また、波動歯車減速機１０の減速前後の位置に入力エンコーダ４０または出力エンコーダ５０がそれぞれ配置され、かつ、入力エンコーダ４０および出力エンコーダ５０は、アブソリュートエンコーダであり得る。このため、アクチュエータ２‐１の入力側の絶対角度と、アクチュエータ２‐１の出力側の絶対角度との関係を常に計測することができる。

例えば、電源停止時などにアクチュエータ２‐１の出力側が外力などの影響により動いてしまったとしても、電源投入時においてアクチュエータ２‐１の入力側の絶対角度とアクチュエータ２‐１の出力側の絶対角度との関係を即時に把握することができる。従って、電源投入時の原点復帰動作が不要になる。

｛２−２−４．効果４｝
また、波動歯車減速機１０の出力軸１２には、トルクセンサ６０が固定され得る。このため、出力されるトルクをリアルタイムに計測することができる。例えば、ロボットアームの関節部にアクチュエータ２‐１が搭載される場合では、当該ロボットアームの全身随所においてトルクをセンシングしながらトルク指令を与えることが可能となる。このため、人間と同じ環境や複雑な作業環境下であっても、安全なアーム作業を実現することができる。

｛２−２−５．効果５｝
また、第１の実施形態によれば、モータシャフト２６の軸方向に沿って、個々の要素部品（例えば、波動歯車減速機１０、ブレーキ３０、入力エンコーダ４０、出力エンコーダ５０、および、トルクセンサ６０など）がコンパクトに配置され得る。このため、例えば図１に示したように、アクチュエータ２‐１の断面の形状が正方形に近い形状になる。従って、様々なロボットシステムにアクチュエータ２‐１が搭載される際にアクチュエータ２‐１の配置制約が緩和されるので、ロボットシステム内の様々な場所にアクチュエータ２‐１を設置することができる。例えば、ロボットアームの関節部にアクチュエータ２‐１が搭載される場合には、公知の技術と比較して、無駄な出っ張りが生じない。従って、よりコンパクトで、かつ、より軽量なロボットアームを実現することができる。

｛２−２−６．効果６｝
また、第１の実施形態によれば、モータ２０と波動歯車減速機１０との間、波動歯車減速機１０とブレーキ３０との間、および、ブレーキ３０と入力エンコーダ４０との間にそれぞれ無駄な部品が配置されない。例えば、一つの部品に対して他の全ての部品を組み上げることによりアクチュエータ２‐１が構成される。このため、同軸度のばらつきを低減させることができる。従って、理想的な歯車の噛合いを実現することができ、かつ、滑らかなトルク伝達を実現することができる。例えば、トルクリップルの少ないアクチュエータを実現することができる。

｛２−２−７．効果７｝
また、第１の実施形態によれば、各要素部品（波動歯車減速機１０、モータ２０、ブレーキ３０、入力エンコーダ４０、出力エンコーダ５０、および、トルクセンサ６０など）間に介在する部品を共通化したり、削減することができる。このため、公知の技術と比較して、より少ない部品でアクチュエータ２‐１を構成することができる。従って、製造コストがより小さく、かつ、より軽量なアクチュエータを実現することができる。さらに、モータ２０の駆動時などの騒音が低減されたり、外部への磁気影響（漏れ磁束など）が小さかったり、ブレーキパッドへ環境ゴミが入りにくいなどの利点もある。

｛２−２−８．効果８｝
また、各要素部品は全てアクチュエータ２‐１に内蔵され得る。つまり、各要素部品がユニット化されているので、様々なロボットシステムに搭載しやすい。

＜＜３．第２の実施形態＞＞
以上、第１の実施形態について説明した。次に、第２の実施形態に係るアクチュエータ２‐２の構成について説明する。図６は、アクチュエータ２‐２の断面を示した図である。より具体的には、図６は、モータシャフト２６の中心軸Ｘを通り、かつ、モータシャフト２６の軸方向に直交する面で切断された際のアクチュエータ２‐２の断面を示した図である。また、図７は、アクチュエータ２‐２の構成を示す分解斜視図である。なお、以下では、第１の実施形態と同一の内容については説明を省略し、第１の実施形態と異なる内容についてのみ説明を行う。

＜３−１．波動歯車減速機１０＞
図６および図７に示したように、第２の実施形態に係るアクチュエータ２‐２では、第１の実施形態に係るアクチュエータ２‐１と比べてより大型の波動歯車減速機１０が配置される。これにより、さらに高出力が可能となる。

＜３−２．ブレーキ３０＞
また、図６に示したように、第２の実施形態に係るブレーキ３０の本体部３２のうちの一部は、ロータ２４に内包される。例えば、図６に示したように、支持部２４２０を境界として、ロータ２４の第１の側において波動歯車減速機１０がロータ２４に内包される。また、支持部２４２０を境界として、第１の側とは反対の第２の側において、本体部３２のうちの一部がロータ２４に内包される。換言すれば、ブレーキ３０と波動歯車減速機１０とは入れ子構造になっている。

かかる構成によれば、モータシャフト２６の軸方向に関して、アクチュエータ２‐２のさらなる小型（薄型）化が可能となる。

＜＜４．むすび＞＞
以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示はかかる例に限定されない。本開示の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。

なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）
円筒形状のロータを有するモータと、
前記モータの回転軸と同軸である入力軸を有し、かつ、前記ロータに内包される減速機と、
を備える、アクチュエータ。
（２）
前記減速機は、円筒形状であり、
前記減速機は、前記モータの回転軸と同軸である出力軸をさらに有する、前記（１）に記載のアクチュエータ。
（３）
前記モータは、ステータをさらに有し、
前記アクチュエータは、
前記減速機および前記ステータを支持する筐体をさらに備える、前記（２）に記載のアクチュエータ。
（４）
前記減速機は、
前記ロータに内包される円筒形状の第１の外周面と、
前記第１の外周面よりも径が大きい円筒形状の第２の外周面と、を有し、
前記第２の外周面は、前記筐体に支持されている、前記（３）に記載のアクチュエータ。
（５）
前記アクチュエータは、
前記第２の外周面と向かい合う内周面で支持され、かつ、前記出力軸を回転可能に支持する第１の軸受をさらに備える、前記（４）に記載のアクチュエータ。
（６）
前記減速機は、波動歯車減速機である、前記（４）または（５）に記載のアクチュエータ。
（７）
前記波動歯車減速機は、
前記入力軸であるウェブジェネレータと、
前記出力軸の一部であるフレクスプラインと、を有する、前記（６）に記載のアクチュエータ。
（８）
前記アクチュエータは、
前記フレクスプラインの内部で支持され、かつ、前記モータの回転軸を回転可能に支持する第２の軸受をさらに備える、前記（７）に記載のアクチュエータ。
（９）
前記アクチュエータは、
前記モータに対して前記減速機の反対側に配置されたブレーキをさらに備え、
前記ブレーキは、
固定されている本体部と、
前記モータの回転軸と同軸である回転部とを有する、前記（３）〜（８）のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
（１０）
前記アクチュエータは、
前記本体部に支持され、かつ、前記モータの回転軸を回転可能に支持する第３の軸受をさらに備える、前記（９）に記載のアクチュエータ。
（１１）
前記ブレーキは、
前記本体部と前記回転部との間に位置する可動子と、
前記可動子に対して前記回転部に向かう弾性力を付与するように構成され、かつ、前記本体部に固定された弾性部材と、
通電された場合に、前記可動子を前記本体部に引き寄せる電磁石と、をさらに有する、前記（９）または（１０）に記載のアクチュエータ。
（１２）
前記本体部のうちの一部は前記ロータに内包される、前記（９）〜（１１）のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
（１３）
前記ロータは、
前記ロータの延在方向に直交する面を含み、かつ、前記モータの回転軸を支持する支持部を有し、
前記支持部を境界として、前記ロータの第１の側において前記減速機は前記ロータに内包され、
前記支持部を境界として、前記第１の側とは反対の第２の側において、前記本体部のうちの一部が前記ロータに内包される、前記（１２）に記載のアクチュエータ。
（１４）
前記アクチュエータは、
前記出力軸に固定され、かつ、前記出力軸の回転に応じたトルクを計測するトルクセンサをさらに備える、前記（２）〜（１３）のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
（１５）
前記トルクセンサは、
前記出力軸に固定される第１の回転体と、
第２の回転体と、
前記第１の回転体および前記第２の回転体に固定されており、かつ、前記第１の回転体および前記第２の回転体の間で歪みを生じながら回転トルクを伝達する起歪部と、
前記起歪部の歪みに応じて回転トルクを計測する計測部と、を有する、前記（１４）に記載のアクチュエータ。
（１６）
前記モータの回転軸は、中空であり、
前記モータの回転軸の内部には、前記トルクセンサと外部の装置とを接続するためのケーブルが配置されている、前記（１４）または（１５）に記載のアクチュエータ。
（１７）
前記アクチュエータは、
前記ロータの回転角度を計測する第１のエンコーダと、
前記出力軸の回転角度を計測する第２のエンコーダと、をさらに備える、前記（９）〜（１３）のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
（１８）
前記アクチュエータは、
前記出力軸に固定され、かつ、前記出力軸の回転に応じたトルクを計測するトルクセンサをさらに備え、
前記モータに対して前記ブレーキが位置する側に、前記第１のエンコーダは配置されており、
前記トルクセンサと前記筐体との間に前記第２のエンコーダは配置されている、前記（１７）に記載のアクチュエータ。
（１９）
前記モータの回転軸は、中空であり、
前記モータの回転軸の内部には、前記第１のエンコーダと前記第２のエンコーダとを接続するケーブルが配置されている、前記（１７）または（１８）に記載のアクチュエータ。

２‐１、２‐２ アクチュエータ
１０ 波動歯車減速機
１２ 出力軸
１４ クロスローラベアリング
１６、３８、１０８ 軸受
２０ モータ
２２ ステータ
２４ ロータ
２６ モータシャフト
３０ ブレーキ
３２ 本体部
３４ 回転部
３６ 可動子
４０ 入力エンコーダ
４２ 入力エンコーダ基板
４４ 入力エンコーダディスク
５０ 出力エンコーダ
５２ 出力エンコーダ基板
５４ 出力エンコーダディスク
６０ トルクセンサ
６２ トルクセンサ起歪体
６４ トルクセンサ基板
７０ 入力側カバー
７２ 出力側カバー
８０ 中空管
９０ 筐体
１００ サーキュラスプライン
１０２ フレクスプライン
１０４ ウェブジェネレータ
１０６ 楕円部
１２０ ブラケット
２２０ スタックコア
２２２ モータコイル
２４０ モータヨーク
２４２ モータマグネット
３２０ 電磁石
４２０、５２０ 磁場計測素子
４２２ 入力エンコーダブラケット
４２４ 入力エンコーダホルダ
４３０、６３０ ねじ
６２０ 第１の回転体
６２２ 起歪部
６２４ 第２の回転体
６２６ 出力基板ホルダ
１０００ 第１の外周面
１００２ 第２の外周面
１００６ 内周面
２４２０ 支持部

Claims (19)

1. 円筒形状のロータを有するモータと、
   前記モータの回転軸と同軸である入力軸を有し、かつ、前記ロータに内包される減速機と、
   を備える、アクチュエータ。
2. 前記減速機は、円筒形状であり、
   前記減速機は、前記モータの回転軸と同軸である出力軸をさらに有する、請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記モータは、ステータをさらに有し、
   前記アクチュエータは、
   前記減速機および前記ステータを支持する筐体をさらに備える、請求項２に記載のアクチュエータ。
4. 前記減速機は、
   前記ロータに内包される円筒形状の第１の外周面と、
   前記第１の外周面よりも径が大きい円筒形状の第２の外周面と、を有し、
   前記第２の外周面は、前記筐体に支持されている、請求項３に記載のアクチュエータ。
5. 前記アクチュエータは、
   前記第２の外周面と向かい合う内周面で支持され、かつ、前記出力軸を回転可能に支持する第１の軸受をさらに備える、請求項４に記載のアクチュエータ。
6. 前記減速機は、波動歯車減速機である、請求項４に記載のアクチュエータ。
7. 前記波動歯車減速機は、
   前記入力軸であるウェブジェネレータと、
   前記出力軸の一部であるフレクスプラインと、を有する、請求項６に記載のアクチュエータ。
8. 前記アクチュエータは、
   前記フレクスプラインの内部で支持され、かつ、前記モータの回転軸を回転可能に支持する第２の軸受をさらに備える、請求項７に記載のアクチュエータ。
9. 前記アクチュエータは、
   前記モータに対して前記減速機の反対側に配置されたブレーキをさらに備え、
   前記ブレーキは、
   固定されている本体部と、
   前記モータの回転軸と同軸である回転部とを有する、請求項３に記載のアクチュエータ。
10. 前記アクチュエータは、
    前記本体部に支持され、かつ、前記モータの回転軸を回転可能に支持する第３の軸受をさらに備える、請求項９に記載のアクチュエータ。
11. 前記ブレーキは、
    前記本体部と前記回転部との間に位置する可動子と、
    前記可動子に対して前記回転部に向かう弾性力を付与するように構成され、かつ、前記本体部に固定された弾性部材と、
    通電された場合に、前記可動子を前記本体部に引き寄せる電磁石と、をさらに有する、請求項９に記載のアクチュエータ。
12. 前記本体部のうちの一部は前記ロータに内包される、請求項９に記載のアクチュエータ。
13. 前記ロータは、
    前記ロータの延在方向に直交する面を含み、かつ、前記モータの回転軸を支持する支持部を有し、
    前記支持部を境界として、前記ロータの第１の側において前記減速機は前記ロータに内包され、
    前記支持部を境界として、前記第１の側とは反対の第２の側において、前記本体部のうちの一部が前記ロータに内包される、請求項１２に記載のアクチュエータ。
14. 前記アクチュエータは、
    前記出力軸に固定され、かつ、前記出力軸の回転に応じたトルクを計測するトルクセンサをさらに備える、請求項２に記載のアクチュエータ。
15. 前記トルクセンサは、
    前記出力軸に固定される第１の回転体と、
    第２の回転体と、
    前記第１の回転体および前記第２の回転体に固定されており、かつ、前記第１の回転体および前記第２の回転体の間で歪みを生じながら回転トルクを伝達する起歪部と、
    前記起歪部の歪みに応じて回転トルクを計測する計測部と、を有する、請求項１４に記載のアクチュエータ。
16. 前記モータの回転軸は、中空であり、
    前記モータの回転軸の内部には、前記トルクセンサと外部の装置とを接続するためのケーブルが配置されている、請求項１４に記載のアクチュエータ。
17. 前記アクチュエータは、
    前記ロータの回転角度を計測する第１のエンコーダと、
    前記出力軸の回転角度を計測する第２のエンコーダと、をさらに備える、請求項９に記載のアクチュエータ。
18. 前記アクチュエータは、
    前記出力軸に固定され、かつ、前記出力軸の回転に応じたトルクを計測するトルクセンサをさらに備え、
    前記モータに対して前記ブレーキが位置する側に、前記第１のエンコーダは配置されており、
    前記トルクセンサと前記筐体との間に前記第２のエンコーダは配置されている、請求項１７に記載のアクチュエータ。
19. 前記モータの回転軸は、中空であり、
    前記モータの回転軸の内部には、前記第１のエンコーダと前記第２のエンコーダとを接続するケーブルが配置されている、請求項１７に記載のアクチュエータ。

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