JP6824764B2

JP6824764B2 - センサ、ロボット装置及び物品の製造方法

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Description

本発明は、センサ、センサを有するロボット装置及び物品の製造方法に関する。

物品の生産の用途にロボットプログラムに従って動作するロボットが用いられている。組立動作が要求される物品の生産に関しては、ロボットにトルクセンサを配置し、関節に作用するトルクを計測してロボットの動作を制御する制御方法が用いられている。この種のトルクセンサでは、微小変位を低ノイズで測定できるインクリメンタル形のエンコーダを用いることで、高剛性かつ高分解能なトルクセンサを実現することができる。インクリメンタル形のエンコーダを用いた場合、スケールおよびヘッドの初期位置を起点とする変位の相対量を計測する。このため、ロボットが物体に衝突するなどの原因で変位量を見失うことがある。そこで、インクリメンタル形のエンコーダと、変位量の絶対量を計測可能なアブソリュート形のエンコーダの２つを搭載したトルクセンサが提案されている（非特許文献１参照）。非特許文献１では、アブソリュート形のエンコーダで適宜インクリメンタル形のエンコーダの値を補償している。

川上智弘，鮎澤光，神永拓，黒崎浩介，オット・クリスティアン，中村仁彦："ロボットのトルク制御関節のためのリニアエンコーダを用いた高剛性トルクセンサの開発"第１４回ロボティクスシンポジア予稿集，ｐｐ．１２０−１２５，２００９．

しかしながら、インクリメンタル形のエンコーダとアブソリュート形のエンコーダの２つのエンコーダを用いる場合、各エンコーダのスケールとヘッドとの間に障害物が無い状態でそれぞれ対向して配置する必要がある。このため、各エンコーダの配置の制約により、センサが大型化する問題があった。

そこで、本発明は、小型で計測精度が向上するセンサを提供することにある。

本発明の一態様は、互いに相対的に変位可能な第１の支持部及び第２の支持部と、スケール及びヘッドを有し、前記第１の支持部と前記第２の支持部との相対的な変位量を検出するエンコーダと、前記第１の支持部と前記第２の支持部との相対的な変位量を検出する磁束発生源及び磁電変換素子と、を備え、前記第１の支持部または前記第２の支持部のうち一方に前記スケールが設けられ、他方に前記ヘッドが前記スケールに対向して設けられ、前記第１の支持部または前記第２の支持部のうち一方に前記磁束発生源が設けられ、他方に前記磁電変換素子が前記磁束発生源に対向して設けられ、前記スケール、前記ヘッド、前記磁電変換素子及び前記磁束発生源は、前記第１の支持部と前記第２の支持部とが対向する方向に並んで配置されている、ことを特徴とするセンサである。

本発明によれば、アブソリュート形のエンコーダを用いる場合と比較して磁束発生源及び磁電変換素子の配置の制約が軽減され、小型な構成で計測精度を向上させることができる。

第１実施形態に係るロボットシステムを示す説明図である。第１実施形態におけるロボットアームの関節を示す部分断面図である。第１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。（ａ）は第１実施形態に係るトルクセンサの斜視図である。（ｂ）は第１実施形態に係るトルクセンサの要部を示す模式図である。（ａ）はスケールの平面図、（ｂ）はヘッドの平面図、（ｃ）はスケール及びヘッドの断面図である。（ａ）は第１実施形態におけるトルクセンサの制御系を示すブロック図である。（ｂ）は演算装置の機能ブロック図である。（ａ）は磁電変換素子の出力を計測するための回路を示す模式図である。（ｂ）は演算装置における演算処理を説明するための図である。（ａ）はエンコーダのヘッドが出力する電圧信号を説明するための図である。（ｂ）は一対の支持部の相対的な変位量を求める処理を説明するための図である。第２実施形態に係るトルクセンサの要部を示す模式図である。（ａ）は第２実施形態のシミュレーション結果を示す磁場の平面図である。（ｂ）はシミュレーション結果を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係るロボットシステムを示す説明図である。図１に示すように、ロボットシステム１００は、ロボット２００と、ロボット制御装置３００とを備えている。ロボット２００は、第１のワークを第２のワークに組み付けるなど、物品の製造に用いられる。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とを備えている。ロボットアーム２０１は、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、必要なトルクの大きさに合わせて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２は、第１実施形態におけるロボットアーム２０１の関節Ｊ１を示す部分断面図である。駆動装置２３０は、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の回転を減速して出力する減速機１４３と、センサの一例であるトルクセンサ５００と、を有している。モータ１４１の回転軸部１４２は、回転軸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は例えば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、ウェブジェネレータ１５１と、リンク２１１に固定されたサーキュラスプライン１５２と、を備えている。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、トルクセンサ５００を介してリンク２１０に連結されたフレクスプライン１５３を備えている。フレクスプライン１５３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、サーキュラスプライン１５２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がトルクセンサ５００を介して連結されたリンク２１０に対して、回転軸Ｃ０まわりに相対的に回転する。トルクセンサ５００は、リンク２１０と減速機１４３の出力軸との間、即ち第１のリンクであるリンク２１０と第２のリンクであるリンク２１１との間に配置されている。そして、トルクセンサ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をロボット制御装置３００に出力する。

図３は、第１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及びロボット制御装置３００に電気的に接続された駆動制御装置２６０を有している。駆動装置２３０のトルクセンサ５００は、ロボット制御装置３００に電気的に接続されている。

ロボット制御装置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、ロボット制御装置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。ロボット制御装置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。ロボット制御装置３００は、力制御時には、トルクセンサ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。力制御時は、トルクセンサ５００の出力に基づいてロボット２００を動作させるため、ロボット２００の力制御の性能は、トルクセンサ５００の精度、即ち分解能に依存する。

図４（ａ）は、第１実施形態に係るトルクセンサ５００の斜視図である。図４（ｂ）は、第１実施形態に係るトルクセンサ５００の要部を示す模式図である。トルクセンサ５００は、センサ本体５９０と、演算部である演算装置６００と、を備えている。センサ本体５９０は、図２の減速機１４３及びリンク２１０のうち一方に締結される第１の支持部である支持部５０１と、図２の減速機１４３及びリンク２１０のうち他方に締結される第２の支持部である支持部５０２と、を有する。

支持部５０１，５０２は、平板状の部材であり、例えば図４（ａ）に示すように回転軸Ｃ０を中心とする円環形状となっており、回転軸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５０１，５０２は、リンク２１０及び減速機１４３にそれぞれボルト等で締結可能にフランジ部位を構成している。支持部５０１と支持部５０２とは、回転軸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する位置に配置されており、弾性部５０３で連結されている。

弾性部５０３は、回転軸Ｃ０を中心に放射状に互いに間隔をあけて配置された複数の板ばね５０４を有している。図２に示すリンク２１０とリンク２１１との間にトルクに作用すると、作用したトルクの大きさに応じた回転量で支持部５０１と支持部５０２とが回転軸Ｃ０を中心に相対的に回転変位する。弾性部５０３の板ばね５０４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、例えば樹脂や金属である。金属としては、鋼材、ステンレスなどが挙げられる。第１実施形態では支持部５０１、支持部５０２及び弾性部５０３は、同じ材質である。

センサ本体５９０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センサ部５１０を有する。第１実施形態では、センサ本体５９０は、同一構成の２つのセンサ部５１０を有しており、２つのセンサ部５１０は、回転軸Ｃ０を中心に１８０度対称な位置に配置されている。なお、センサ部５１０の数は、２つに限らず、１つでも３つ以上であってもよい。

センサ部５１０は、エンコーダ５２０、磁束発生源５３１、及び磁電変換素子５３２を有している。エンコーダ５２０は、インクリメンタル形のエンコーダである。また、エンコーダ５２０は、磁気式を除くエンコーダ、具体例を挙げると光学式又は静電容量式のエンコーダが好適であり、光学式のエンコーダがより好適である。したがって、第１実施形態では、エンコーダ５２０は、光学式のエンコーダである。回転軸Ｃ０を中心とする支持部５０１と支持部５０２との相対的な変位は、センサ部５１０の位置では微小な変位であり、並進方向であるＸ方向の変位とみなすことができる。したがって、第１実施形態では、エンコーダ５２０は、リニアエンコーダである。

エンコーダ５２０は、スケール５２１とヘッド５２２とを有する。スケール５２１は、支持部５０１に支持され、ヘッド５２２は、支持部５０２に支持されている。磁束発生源５３１は、支持部５０１，５０２のうち一方、第１実施形態では支持部５０１に支持され、磁電変換素子５３２は、支持部５０１，５０２のうち他方、第１実施形態では支持部５０２に支持されている。エンコーダ５２０により、支持部５０１と支持部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。また、磁束発生源５３１及び磁電変換素子５３２により、支持部５０１と支持部５０２との相対的な変位を、磁束、即ち絶対量として計測することが可能である。

演算装置６００は、エンコーダ５２０のヘッド５２２からの信号及び磁電変換素子５３２からの信号に基づき、支持部５０１と支持部５０２との相対的な変位量の絶対量を求める。即ち、演算装置６００は、エンコーダ５２０のヘッド５２２からの信号により計測した変位の相対量を、磁電変換素子５３２からの信号により計測した変位の絶対量で補償することで、支持部５０１と支持部５０２との相対的な変位量の絶対量を求める。そして、演算装置６００は、変位量をトルク値に換算して、ロボット制御装置３００に出力する。

磁束発生源５３１から発生される磁束は、磁電変換素子５３２が配置された空間において広い範囲に分布する。よって、磁束発生源５３１及び磁電変換素子５３２を用いることにより、エンコーダと比較して配置の制約が軽減される。即ち、磁束発生源５３１及び磁電変換素子５３２を用いることで、アブソリュート形のエンコーダを用いる場合と比較して、磁束発生源５３１及び磁電変換素子５３２の配置の制約が軽減され、トルクセンサ５００の小型化を実現することができる。また、支持部５０１と支持部５０２との相対的な変位量の計測精度、即ち支持部５０１と支持部５０２との間のトルクの計測精度を向上させることができる。

光学的に変位を計測するスケール５２１及びヘッド５２２と、磁気的に変位を計測する磁束発生源５３１及び磁電変換素子５３２について詳細に説明する。図５（ａ）はスケール５２１の平面図、図５（ｂ）はヘッド５２２の平面図、図５（ｃ）はエンコーダ５２０、即ちスケール５２１及びヘッド５２２の断面図である。

スケール５２１は、例えば光反射型のスケールであり、図５（ａ）に示すように、格子配列の光学パターン５４１を有する。光学パターン５４１は、例えばＡｌ、Ｃｒで形成されている。ヘッド５２２は、例えば光反射型のヘッドであり、図５（ｂ）に示すように、発光素子５５１及び受光素子アレイ５５２を有する。発光素子５５１上にはインデックス格子パターン５５３が配置されている。詳細な図示は省略しているが、ヘッド５２２の受光素子アレイ５５２は、例えば千鳥配置の複数相、例えばＡ、Ｂの２相に配置された受光素子のサブアレイを有する。この受光素子アレイ５５２のサブアレイからそれぞれ得られるＡ、Ｂの２相の信号を処理することにより、変位信号を取得することができる。

トルクセンサ５００に加わる最大外力とその外力が生じる弾性部５０３の変形量から決定される計測範囲は、スケール５２１の長さを任意に変更することで自由に設定することができる。スケール５２１の光学パターン５４１のピッチは、変位計測に必要とされる分解能などに応じて決定するが、エンコーダ５２０の高精度化及び高分解能化に伴い、μｍオーダのピッチのものも利用可能である。磁束発生源５３１及び磁電変換素子５３２の計測の影響を加味すると、スケール５２１及びヘッド５２２の材質は、非磁性物質で構成されることが望ましい。

磁束発生源５３１はＮｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石、Ｓｍ−Ｃｏ磁石、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ磁石、フェライト磁石等の永久磁石であってもよいし、磁性体のまわりにコイルを巻き、通電することによって磁力を発生させる電磁石であってもよい。磁束発生源５３１は、通電を行わなくてもよい永久磁石であるのが好適である。磁電変換素子５３２は、例えばホール素子、磁気抵抗素子、磁気インピーダンス素子、フラックスゲート素子、巻き線コイルなどである。第１実施形態では、磁束発生源５３１のＮ極又はＳ極、つまり磁極を、磁電変換素子５３２に対向させている。即ち、磁束発生源５３１のＮ極−Ｓ極の方向がＺ方向である。なお、磁束発生源５３１の向きは、これに限定するものではない。磁電変換素子５３２がＸ方向に変位したときに磁電変換素子５３２における磁束が変化するように磁束発生源５３１を配置すればよく、例えば磁束発生源５３１のＮ極−Ｓ極の方向が、Ｚ方向に対して交差するＸ方向となるように配置してもよい。

スケール５２１、ヘッド５２２、磁束発生源５３１及び磁電変換素子５３２は、支持部５０１と支持部５０２との間に配置されている。これにより、ヘッド５２２とスケール５２１、磁束発生源５３１と磁電変換素子５３２を近接して配置することができ、トルクセンサ５００を更に小型化することが可能である。

スケール５２１、ヘッド５２２、磁束発生源５３１及び磁電変換素子５３２は、支持部５０１と支持部５０２とが対向する方向であるＺ方向に並んで配置されている。スケール５２１、ヘッド５２２、磁束発生源５３１及び磁電変換素子５３２をＺ方向に直列に配置することで、スケール５２１に対するヘッド５２２の相対的な変位と、磁束発生源５３１に対する磁電変換素子５３２の相対的な変位とがほぼ同一となる。即ち、トルクを計測するＸ方向以外の方向、例えばＹ，Ｚ方向からの力が作用した場合や、温度ドリフトなどによって支持部５０１，５０２間に相対的な変位が生じることがある。このような変位は、スケール５２１とヘッド５２２との間、及び磁束発生源５３１と磁電変換素子５３２との間で同等に現れることになる。光学的に計測した変位と磁気的に計測した変位との間の誤差を小さくすることができるため、支持部５０１と支持部５０２との相対的な変位量、即ちトルクの計測精度を高めることができる。

第１実施形態では、エンコーダ５２０が光学式のエンコーダであるため、スケール５２１とヘッド５２２との間に光を遮蔽する物がないように互いに対向して配置されている。そして、スケール５２１及びヘッド５２２を挟む位置に磁束発生源５３１と磁電変換素子５３２とが配置されている。そして、スケール５２１とヘッド５２２との中心と、磁束発生源５３１と磁電変換素子５３２との中心とが点Ｐ１で一致するよう配置されている。これにより、磁束発生源５３１及び磁電変換素子５３２は、エンコーダ５２０の光路を遮蔽することがなく、また、磁束もエンコーダ５２０により遮蔽されることがない。即ち、エンコーダ５２０と磁束発生源５３１及び磁電変換素子５３２とが互いに干渉することはない。また、ヘッド５２２及びスケール５２１を接近して配置することができるので、より好適な構造である。

第１実施形態では、ヘッド５２２及び磁電変換素子５３２は基板５７０に固定されている。基板５７０は、プリント配線板であり、主に樹脂、及び銅箔又は金箔で構成されており、演算装置６００とヘッド５２２及び磁電変換素子５３２とを接続する配線の一部となっている。したがって、支持部５０２側からヘッド５２２及び磁電変換素子５３２の配線を引き回せばよいので、配線構造が簡略化される。なお、１枚の基板５７０に、ヘッド５２２及び磁電変換素子５３２を固定した場合について説明したが、ヘッド５２２及び磁電変換素子５３２のそれぞれに対して基板を用意してもよい。

ヘッド５２２は、基板５７０の一方の面５７０Ａに固定され、磁電変換素子５３２は、基板５７０の他方の面５７０Ｂに固定されている。そして、基板５７０は、面５７０Ａが支持部５０１に対面し、面５７０Ｂが支持部５０２に対面するように、支持部５０２に固定部材５６２で固定されている。スケール５２１は、固定部材５６１で支持部５０１に固定され、スケール５２１と支持部５０１との間に磁束発生源５３１が固定して配置されている。

以上の構成により、トルクセンサ５００の一対の支持部５０１，５０２の間に軸Ｃ０まわりのトルクが作用すると、弾性部５０３が軸Ｃ１を中心に変形する。弾性部５０３の変形により支持部５０１と支持部５０２とが相対的にＸ方向に変位し、その変位をセンサ部５１０で計測し、トルク値に換算することで、トルクが計測される。

図６（ａ）は、第１実施形態におけるトルクセンサ５００の制御系を示すブロック図である。トルクセンサ５００の演算装置６００は、マイクロコンピュータ等で構成されている。演算装置６００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）６０１を有する。また、演算装置６００は、記憶部として、ＲＯＭ（Read Only Memory）６０２と、ＲＡＭ（Random Access Memory）６０３と、を有する。更に、演算装置６００は、複数のインタフェース６１１〜６１３と、バス６１０とを有する。ＣＰＵ６０１と、ＲＯＭ６０２と、ＲＡＭ６０３と、インタフェース６１１〜６１３とは、互いに通信可能にバス６１０で接続されている。

ＣＰＵ６０１は、変位量、即ちトルク値を求める演算処理を行う。ＲＯＭ６０２は、ＣＰＵ６０１に演算処理を実行させるためのプログラム６２０を記憶する記憶装置、即ちプログラム６２０が記録された記録媒体である。ＲＡＭ６０３は、ＣＰＵ６０１の演算処理結果等、各種データを一時的に記憶する記憶装置である。

インタフェース６１１には、ロボット制御装置３００が接続されており、インタフェース６１１を介してロボット制御装置３００にトルク値を示す信号が送信される。インタフェース６１２には、ヘッド５２２が接続されている。インタフェース６１２は、ヘッド５２２の発光素子５５１を点滅させるとともに、受光素子アレイ５５２からの信号をＣＰＵ６０１に送信する。インタフェース６１３には、磁電変換素子５３２が接続されている。磁束発生源５３１と磁電変換素子５３２とが対向配置された状態で相対的に変位すると、その変位によって生じる磁電変換素子５３２を通過する磁束密度の変化が電圧となって現れる。インタフェース６１３は、磁電変換素子５３２の出力電圧を増幅する増幅器を有しており、磁電変換素子５３２からの信号のゲインを変更して、ＣＰＵ６０１に送信する。

図６（ｂ）は、演算装置６００の機能ブロック図である。図６（ａ）に示すＣＰＵ６０１がプログラム６２０を実行することにより、変位算出部６３１、変位算出部６３２、合成部６３３及びトルク算出部６３４として機能する。以下、各部６３１，６３２，６３３，６３４の機能について詳細に説明する。

図７（ａ）は、磁電変換素子５３２の出力を計測するための回路を示す模式図である。図７（ｂ）は、演算装置６００における演算処理を説明するための図である。磁電変換素子５３２は、磁束発生源５３１に対する磁電変換素子５３２の変位位置、即ち計測した磁束に応じた電圧を出力する。そして、図７（ａ）に示すように、インタフェース６１３の増幅器６１３Ａにより磁電変換素子５３２の出力電圧を増幅して、計測した磁束に比例する電圧Ｖ_Ｘを出力する。図６（ｂ）に示す変位算出部６３１は、入力を受けた電圧Ｖ_Ｘに対応する変位信号Ｄ_Ｘを生成する。第１実施形態では、変位算出部６３１は、記憶部であるＲＯＭ６０２に予め記憶させておいた図７（ｂ）に示す関係に基づき、磁電変換素子５３２から取得した電圧Ｖ_Ｘに対応する変位信号Ｄ_Ｘを生成する。図７（ｂ）においては、電圧Ｖ_Ｘと変位信号Ｄ_Ｘとは計測範囲Ｄにおいて比例関係にある。

図８（ａ）は、エンコーダ５２０のヘッド５２２が出力する電圧信号を説明するための図である。ヘッド５２２は、計測結果としてＡ相電圧信号Ｖ_ＡとＢ相電圧信号Ｖ_Ｂとを出力する。電圧信号Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂは、位相の異なる正弦波の電圧信号である。図６（ｂ）に示す変位算出部６３２は、入力を受けた電圧信号Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂから逆正接ｔａｎ^−１（Ｖ_Ａ／Ｖ_Ｂ）を演算することで、相対変位信号である計測値Ｄ_Ｙを求める。

図８（ｂ）は、支持部５０１と支持部５０２との相対的な変位量Ｄ_Ｚを求める処理を説明するための図である。図８（ｂ）には、逆正接ｔａｎ^−１（Ｖ_Ａ／Ｖ_Ｂ）の値、即ち計測値Ｄ_Ｙの波形を図示している。スケール５２１に対するヘッド５２２の変位が増減すると、図８（ｂ）に示すように、逆正接ｔａｎ^−１（Ｖ_Ａ／Ｖ_Ｂ）の値、即ち計測値Ｄ_Ｙが鋸波状に周期的に変化する。よって、計測値Ｄ_Ｙは、計測範囲Ｄに亘って、スケール５２１とヘッド５２２との相対的な変位、即ち支持部５０１と支持部５０２との相対的な変位に対して周期的な値をとる。即ち、エンコーダ５２０は、微小な変位を計測することは可能であるが、計測値Ｄ_Ｙが周期的に同じ値を繰り返すため、計測値Ｄ_Ｙのみではスケール５２１とヘッド５２２の変位を絶対量として取得することができない。したがって、計測値Ｄ_Ｙのみでは、ロボット２００において衝突などが生じて、鋸波の１周期を超えて短時間で急激に変位した場合には、どの周期の計測値Ｄ_Ｙなのか特定が困難である。

合成部６３３は、変位信号Ｄ_Ｘにより、図８（ｂ）に示すように、鋸波の波数ｋを求める。具体的には、記憶部であるＲＯＭ６０２に予め変位信号Ｄ_Ｘと波数ｋとの対応関係が記憶されており、合成部６３３は、ＲＯＭ６０２の対応関係に基づいて鋸波の波数ｋを求める。次に、合成部６３３は、鋸波の１周期あたりのインクリメント値Ｄ_Ｏと波数ｋとを掛け算した値に計測値Ｄ_Ｙを足し算することで、支持部５０１と支持部５０２との相対的な変位量Ｄ_Ｚを求める。即ち、合成部６３３は、Ｄ_Ｚ＝Ｄ_Ｏ×ｋ＋Ｄ_Ｙを演算する。例えば、値Ｄ_Ｏが「１０」であり、計測範囲Ｄが「８０」の場合、波数ｋは「０」〜「７」の整数となる。そして、変位信号Ｄ_Ｘから波数ｋが例えば「３」が求まり、計測値Ｄ_Ｙが例えば「５」だった場合には、変位量Ｄ_Ｚは、「３５」（＝１０×３＋５）と求められる。このように、合成部６３３は、計測値Ｄ_Ｙ及び波数ｋから変位量Ｄ_Ｚを求める。

第１実施形態では、エンコーダ５２０として、光学式のインクリメンタル形のエンコーダを用いたことにより、スケール５２１に対するヘッド５２２の変位の相対量、即ち計測値Ｄ_Ｙを高分解能に計測することができる。そして、磁束発生源５３１及び磁電変換素子５３２による変位の絶対量で補償することにより、高精度かつ高分解能に支持部５０１と支持部５０２との相対的な変位量Ｄ_Ｚを求めることができる。即ち、変位算出部６３１における絶対変位の計測結果に、変位算出部６３２における微小変位の計測結果を内挿することにより、ヘッド５２２とスケール５２１の微小変位量を絶対量として求めることができる。よって、広い範囲の絶対変位の出力と、微小な範囲かつ高分解能の微小変位の出力とを組み合わせることで、支持部５０１と支持部５０２との間の絶対変位を高精度かつ高分解能に計測することができる。

図６（ｂ）に示すトルク算出部６３４は、変位量Ｄ_Ｚに基づき、支持部５０１と支持部５０２との間に作用したトルクを求める。具体的には、トルク算出部６３４は、弾性部５０３の弾性から決定される変換係数を、変位量Ｄ_Ｚに乗ずることでトルクを求める。この変換係数は、記憶部であるＲＯＭ６０２に記憶されており、トルク算出部６３４は、ＲＯＭ６０２に記憶された変換係数を用いてトルクを求める。以上、第１実施形態によれば、高精度かつ高分解能にトルクを計測することができる。計測されたトルクの値は、ロボット制御装置３００に送信され、ロボット２００の力制御に用いられる。ロボット２００が物体に衝突するなど、ロボット２００の関節に急激に力が作用しても、トルクセンサ５００において安定して高精度にトルクを計測することができる。したがって、ロボット２００の安定した力制御を実現することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係るトルクセンサについて説明する。図９は、第２実施形態に係るトルクセンサ５００Ａの要部を示す模式図である。第２実施形態では、トルクセンサ５００Ａの磁束発生源５３１Ａの構成が、第１実施形態で説明したトルクセンサ５００の磁束発生源５３１と異なる。

磁束発生源５３１Ａは、複数の磁石、即ち第１の磁石である磁石５８１と、第２の磁石である磁石５８２とを有する。磁石５８１，５８２は、永久磁石であるのが好ましい。磁石５８１，５８２は、同一形状、同一サイズの直方体である。磁石５８１と磁石５８２とは互いに隣接して配置されている。そして、磁石５８１と磁石５８２とは磁極が互いに逆となるように配置されている。即ち、隣り合う磁石５８１，５８２の境界を境にして磁場の向きが逆転するように配置されている。具体的に説明すると、磁石５８１のＮ極と磁石５８２のＳ極とが隣接し、磁石５８１のＳ極と磁石５８２のＮ極とが隣接する。そして、各磁石５８１，５８２の磁極が磁電変換素子５３２に対向するように磁束発生源５３１Ａが配置されている。

図１０（ａ）は、第２実施形態の磁束発生源５３１Ａについて、２次元の静磁界モデルで行ったシミュレーション結果を示す磁場の平面図である。図１０（ａ）には、磁力線が図示されている。図１０（ａ）において、Ｚ方向に５［ｍｍ］、Ｘ方向に５［ｍｍ］の大きさの２つの磁石５８１，５８２を空気中に配置したものとしてコンピュータによりシミュレーションを行った。また、隣り合う磁石５８１，５８２は、Ｚ方向に対して極性が逆となっている。磁石５８１，５８２として、残留磁束密度１．４［Ｔ］、保磁力１０００［ｋＡ／ｍ］程度を有するＮｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石の特性をコンピュータに設定してシミュレーションを行った。シミュレーションにおいて、磁電変換素子５３２は、磁石５８１，５８２の磁極面からＺ方向へ１［ｍｍ］離れた位置であって、隣り合う磁石５８１，５８２の境界に対向させた位置に、磁場のＺ方向成分を計測する向きに配置したものとした。

図１０（ｂ）は、トルクを計測するＸ方向以外のＺ方向に磁電変換素子５３２を変位させた場合と、Ｘ方向に磁電変換素子５３２を変位させた場合に、磁電変換素子５３２を通過する磁束密度の変化を示すグラフである。磁電変換素子５３２を、Ｘ方向及びＺ方向にそれぞれ±５０［μｍ］変位させた。図１０（ｂ）に示すように、磁電変換素子５３２において、トルクを計測する方向となるＸ方向の変位に対しては、磁場のＺ方向成分の磁束密度の変化が大きい。一方で、トルクを計測する方向以外のＺ方向の変位に対しては、磁場のＺ方向成分の磁束密度の変化が小さい。したがって、上述の磁束発生源５３１Ａの構成にすることにより、トルク計測方向の変位によって生じる出力に対してトルク計測方向以外の変位によって生じる出力を小さくすることができる。これによって、さらに精度良くトルクを計測することができる。

なお、本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。また、実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、実施形態に記載されたものに限定されない。

上述の実施形態では、ロボットアーム２０１が垂直多関節のロボットアームの場合について説明したが、これに限定するものではない。例えば、水平多関節のロボットアーム、パラレルリンクのロボットアーム、直交ロボット等であってもよい。

また、上述の実施形態では、支持部５０１に磁束発生源５３１，５３１Ａが支持され、支持部５０２に磁電変換素子５３２が支持される場合について説明したが、逆の配置であってもよい。即ち、支持部５０１に磁電変換素子５３２が支持され、支持部５０２に磁束発生源５３１，５３１Ａが支持される場合であってもよい。

また、上述の実施形態では、センサがトルクセンサである場合について説明したが、これに限定するものではなく、例えばセンサが力覚センサであってもよい。

２００…ロボット、５００…トルクセンサ（センサ）、５０１…支持部（第１の支持部）、５０２…支持部（第２の支持部）、５２０…エンコーダ、５２１…スケール、５２２…ヘッド、５３１…磁束発生源、５３２…磁電変換素子、６００…演算装置（演算部）

Claims

互いに相対的に変位可能な第１の支持部及び第２の支持部と、
スケール及びヘッドを有し、前記第１の支持部と前記第２の支持部との相対的な変位量を検出するエンコーダと、
前記第１の支持部と前記第２の支持部との相対的な変位量を検出する磁束発生源及び磁電変換素子と、を備え、
前記第１の支持部または前記第２の支持部のうち一方に前記スケールが設けられ、他方に前記ヘッドが前記スケールに対向して設けられ、
前記第１の支持部または前記第２の支持部のうち一方に前記磁束発生源が設けられ、他方に前記磁電変換素子が前記磁束発生源に対向して設けられ、
前記スケール、前記ヘッド、前記磁電変換素子及び前記磁束発生源は、前記第１の支持部と前記第２の支持部とが対向する方向に並んで配置されている、ことを特徴とするセンサ。
前記スケール、前記ヘッド、前記磁電変換素子及び前記磁束発生源は、前記第１の支持部と前記第２の支持部との間に配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
前記スケールと前記ヘッドは、前記磁電変換素子と前記磁束発生源との間に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ。
前記支持部は基板を含み、前記ヘッド及び前記磁電変換素子は前記基板に固定され、
前記基板は前記第１の支持部または前記第２の支持部に固定されている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。
前記ヘッドが前記基板の一方の面に固定され、前記磁電変換素子が前記基板の他方の面に固定されていることを特徴とする請求項４に記載のセンサ。
前記エンコーダが検出する前記第１の支持部と前記第２の支持部との相対的な変位量は、前記磁電変換素子及び前記磁束発生源が検出する前記第１の支持部と前記第２の支持部との相対的な変位量より高分解能であ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。
前記エンコーダは、光学式のエンコーダ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。
前記ヘッドからの信号及び前記磁電変換素子からの信号に基づき、前記第１の支持部と前記第２の支持部との相対的な変位量を求める演算部を更に備えた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。
前記演算部は、前記ヘッドからの信号により、前記スケールに対する前記ヘッドの変位によって鋸波状に周期的に変化する計測値を求め、前記磁電変換素子からの信号により、
前記鋸波の波数を求め、前記計測値及び前記波数から前記変位量を求めることを特徴とする請求項８に記載のセンサ。
前記演算部は、前記変位量に基づき、前記第１の支持部と前記第２の支持部との間のトルクを求めることを特徴とする請求項８又は９に記載のセンサ。
前記磁束発生源は、第１の磁石と、前記第１の磁石とは磁極が逆となるように配置された第２の磁石とを有す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。
前記第１の支持部と前記第２の支持部とが弾性部で連結されてい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。
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のセンサを有するロボット装置。
請求項１３に記載のロボット装置を用いて物品の製造を行うことを特徴とする物品の製造方法。