(57)【要約】【課題】  トルクセンサの検出精度向上のためシール部材が用いられる。このシール部材本体の剛性によるトルク検出の精度悪化を低減し、かつ防塵性の高いトルクセンサを提供する。【解決手段】  トルクセンサを構成する第１の構造体と第２の構造体との間の空間における所定の位置に、シール部材が設けられた検出ユニットを備え、検出ユニットは、第１の構造体と第２の構造体のどちらか一方に固定された検出部と、他方に固定された被検出部からなり、シール部材は、検出部と被検出部の対向する空間を封止するよう設けられていることを特徴とするトルクセンサ。【選択図】  図６
2019090718.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の構造体と第２の構造体を、弾性を有する連結部材で互いに連結し、前記第１の構造体と前記第２の構造体との相対移動量から、前記第１の構造体と前記第２の構造体とに作用するトルクを算出するトルクセンサであって、
前記第１の構造体と前記第２の構造体との間の所定の位置に、前記相対移動量を検出する検出ユニットを備え、
前記検出ユニットは、前記第１の構造体と前記第２の構造体のどちらか一方に固定された検出部と、他方に固定された被検出部と、シール部材とからなり、
前記シール部材は、前記検出部と前記被検出部の対向する空間を封止するよう設けられていることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載のトルクセンサにおいて、前記シール部材は、弾性を有し、前記検出部と前記被検出部とが対向する空間の周囲を、前記検出ユニットと接触しながら取り囲むよう、かつ押圧されて配されていることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のトルクセンサにおいて、
中空の円筒形で、前記トルクセンサの円周上に前記検出ユニットが配されていることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項４】
請求項２に記載のトルクセンサにおいて、
前記検出部はステー部材を介して前記第１の構造体もしくは前記第２の構造体に固定され、
前記ステー部材から、前記検出部の配線が引き出されていることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項５】
請求項１または請求項４のいずれか１項に記載のトルクセンサにおいて、前記トルクによって、前記シール部材に生じる内力によるトルクの値が前記トルクの値に対して１％以下であると計算されることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項６】
請求項３に記載のトルクセンサにおいて、
前記検出部は発光素子と受光素子を備え、
前記被検出部はスケールであることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のトルクセンサを、ロボットアームを構成するリンクの間に備えたロボット装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トルクを検出するトルクセンサ及びトルクセンサを備えたロボット装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、様々な工業製品の生産ラインにおいてロボット装置が利用されている。この種のロボット装置においては、柔軟物や軽量物、低強度部材等のワークの組付けや精密嵌合といった動作を実現することが要求されている。
【０００３】
しかし、上述のような柔軟物、軽量物、又は低強度部材といったワークは微小な力で破損や変形が生じやすい。そのため、このようなワークの組付けや精密嵌合といった動作では、動作によりワークに作用する力をロボット装置のロボットアーム本体によって高精度に制御する必要がある。そこで、ロボットアーム本体の各リンクに作用するトルクをトルクセンサにより計測して、ロボットアーム本体の駆動制御にフィードバックすることが考えられる。
【０００４】
上記のようにトルクセンサによりロボットアーム本体の駆動制御にフィードバックする場合、トルクセンサのトルク検出精度がロボット装置の駆動制御に大きく影響する。特にトルクセンサのトルク検出部にゴミが付着すると検出精度が悪化するため、トルクセンサは防塵構造を備えていることが望ましい。このような防塵構造に関して、特許文献１のようにトルクセンサの全周をシール部材で覆いゴミの侵入を防ぐ構成が考案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−１５５２９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら特許文献１の構成では、トルクの検出方式がトルクセンサを構成する複数の構造体の相対移動量を検出して求める方式である場合に課題が生じる。トルクがかかることで構造体が相対移動を行うと、シール部材は構造体に引っ張られ外力が働く。その際シール部材は元の形に戻ろうとするため、作用・反作用の関係からシール部材には外力が働いている方向とは逆方向に内力が生じる。この内力によるトルクが構造体の相対移動の抵抗となる。このとき、特許文献１のようにトルクセンサの全周をシール部材で覆うと、シール部材が大きくなりシール部材自体の剛性が大きくなる。シール部材の剛性が大きくなると、シール部材に生じる内力も大きくなり発生するトルクも大きくなるため、シール部材自体が構造体の相対移動の抵抗となりトルク検出精度を悪化させてしまう。
【０００７】
さらに、特許文献１のようにトルクセンサの全周をシール部材で覆うことで、トルクセンサ外からのゴミの侵入を防ぐことはできるが、シール部材の内部で発生したゴミを防ぐことができない。
【０００８】
そこで本発明は、シール部材によるトルク検出の精度悪化を低減し、かつ防塵性の高いトルクセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために本発明は、第１の構造体と第２の構造体を、弾性を有する連結部材で互いに連結し、前記第１の構造体と前記第２の構造体との相対移動量から、前記第１の構造体と前記第２の構造体とに作用するトルクを算出するトルクセンサであって、前記第１の構造体と前記第２の構造体との間の所定の位置に、前記相対移動量を検出する検出ユニットを備え、前記検出ユニットは、前記第１の構造体と前記第２の構造体のどちらか一方に固定された検出部と、他方に固定された被検出部と、シール部材とからなり、前記シール部材は、前記検出部と前記被検出部の対向する空間を封止するよう設けられていることを特徴とするトルクセンサを採用した。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、シール部材によりトルクセンサの全周を覆うことなく、防塵が必要なトルクセンサを構成する複数の構造体の相対移動量を検出するための検出ユニットを配した空間を覆っている。そのためシール部材を小さくすることができ、生じる内力を減らすことができる。ゆえにシール部材によるトルク検出の精度悪化が微小となり、高精度なトルク測定が可能になる。またトルクセンサ外部からのゴミの侵入を防ぐだけでなく、トルクセンサを構成する構造体の内部からのゴミも防ぐことができ、ロボットアーム本体に配する場合に極めて効果的である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるロボットシステム１００の概略構成を示した説明図である。
【図２】本発明の実施形態１におけるロボットアーム本体２００の各リンク２０１〜２０６間における各電動モータ２１１〜２１６、各トルクセンサ２２１〜２２６の配置の模式図である。
【図３】本発明の第１の実施形態におけるロボットシステム１００のブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施形態におけるトルクセンサ２０１〜２０６の斜視図である。
【図５】本発明の第１の実施形態における光学式エンコーダ５０２の詳細図である。
【図６】本発明の第１の実施形態におけるトルクセンサ２０１〜２０６の断面図である。
【図７】本発明の第１の実施形態におけるトルクセンサ２０１〜２０６の変形例の断面図である。
【図８】本発明の第１の実施形態におけるトルクセンサ２０１〜２０６の変形例の断面図である。
【図９】本発明の第１の実施形態におけるトルクセンサ２０１〜２０６の変形例の断面図である。
【図１０】本発明の第１の実施形態におけるシール部材５１１の詳細図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態につき説明する。なお、以下に示す実施形態はあくまでも一例であり、例えば細部の構成については本発明の趣旨を逸脱しない範囲において当業者が適宜変更することができる。また、本実施形態で取り上げる数値は、参考数値であって、本発明を限定するものではない。
【００１３】
（第１の実施形態）
図１は本実施形態のロボットシステムの概略構成を示している。図１において、ロボットシステム１００は、多関節ロボットとして構成されたロボットアーム本体２００と、ロボットアーム本体２００を制御する制御装置３００と、外部入力装置４００を備えている。
【００１４】
本実施形態のロボットアーム本体２００は６軸多関節で構成されている。ロボットアーム本体２００は、台座２１０と６つのリンク２０１〜２０６で構成されている。各リンク２０１〜２０６は各関節軸Ａ１〜Ａ６を図示した矢印周りにそれぞれ回転駆動する６つの電動モータ２１１〜２１６により回転駆動される。即ち、電動モータ２１１〜２１６は、各関節が各々連結する各リンク２０１〜２０６を相対変位させる駆動力を発生させる駆動源となる。さらに各電動モータ２１１〜２１６には電動モータ自体の回転角度を検出するエンコーダが内蔵されている。
【００１５】
電動モータ２１１〜２１６の一端にはトルクセンサ２２１〜２２６が設けられている。トルクセンサ２２１〜２２６は後述する構造体およびその相対移動量を検出する光学式エンコーダを備えている。ロボットアーム本体２００の関節駆動時には、ロボットアーム本体２００のリンクの相対変位に伴うトルクセンサ２２１〜２２６の構造体の相対移動量が光学式エンコーダによって検出される。
【００１６】
同図より、ロボットアーム本体２００の台座２１０とリンク２０１は図中の電動モータ２１１とトルクセンサ２２１を挟んで接続されている。電動モータ２１１は、初期姿勢から矢印方向に可動範囲を有するものとする。
【００１７】
ロボットアーム本体２００のリンク２０１とリンク２０２は電動モータ２１２とトルクセンサ２２２を挟んで接続されている。電動モータ２１２は、初期姿勢から矢印方向に可動範囲を有するものとする。
【００１８】
ロボットアーム本体２００のリンク２０２とリンク２０３は電動モータ２１３とトルクセンサ２２３を挟んで接続されている。電動モータ２１３は、初期姿勢から矢印方向に可動範囲を有するものとする。
【００１９】
ロボットアーム本体２００のリンク２０３とリンク２０４は電動モータ２１４とトルクセンサ２２４を挟んで接続されている。電動モータ２１４は、初期姿勢から矢印方向に可動範囲を有するものとする。
【００２０】
ロボットアーム本体２００のリンク２０４とリンク２０５は電動モータ２１５とトルクセンサ２２５を挟んで接続されている。電動モータ２１５は、初期姿勢から矢印方向に可動範囲を有するものとする。
【００２１】
ロボットアーム本体２００のリンク２０５とリンク２０６は電動モータ２１６とトルクセンサ２２６を挟んで接続されている。電動モータ２１６は、初期姿勢から矢印方向に可動範囲を有するものとする。
【００２２】
制御装置３００が、各電動モータ２１１〜２１６の回転角度をそれぞれ制御することにより、ロボットアーム本体２００の手先であるリンク２０６を任意の３次元位置で任意の方向に向けることができる。
【００２３】
外部入力装置４００は、制御装置３００に複数の教示点のデータを送信する教示装置であり、主にロボットシステム１００の設置現場において、操作者がロボットアーム本体２００の動作を指定するのに用いられる。
【００２４】
図２はロボットアーム本体２００の各リンク２０１〜２０６間における各電動モータ２１１〜２１６、各トルクセンサ２２１〜２２６の配置を模式的に表している。今回は説明の簡略化のため、リンク２０１とリンク２０２を例にとり説明する。
【００２５】
図２のように電動モータ２１２はリンク２０１に対して、リンク２０２をＡ２を軸として相対回転可能に連結する。電動モータ２１２は入力駆動軸２５１によりリンク２０１に設けられている。
【００２６】
また、トルクセンサ２２２は、電動モータ２１２の出力駆動軸２５２と、リンク２０２側のリンク駆動軸２５３の間に配置されている。トルクセンサ２２２は、後述する構造体およびその相対移動量を検出する光学式エンコーダを備える。リンク２０２が電動モータ２１２により駆動される際には、リンク駆動軸２５３と出力駆動軸２５２の相対変位に伴うトルクセンサ２２２の構造体の相対移動量が光学式エンコーダによって検出される。
【００２７】
なお、簡略化のため、図示を省略しているが、電動モータ２１１〜２１６の部位には、他に波動歯車機構などを利用した減速機が含まれていてよい。
【００２８】
図３は本実施形態におけるロボットシステム１００の制御ブロック図である。制御装置３００が制御プログラムを実行することにより、ロボットアーム本体２００の各部が制御される。
【００２９】
図３より、制御装置３００はロボットアーム本体２００の各種動作に応じて対応する電動モータ２１１〜２１６を制御するためのプログラムや、それらの制御に必要なデータ等を記憶したＲＯＭ３０２を有する。さらにロボットシステム１００を制御する上で必要なデータ、設定値、プログラム等を展開するとともにＣＰＵ３０１の作業領域として使用するＲＡＭ３０３を備えている。外部入力装置４００は汎用入出力インターフェイスＩ／Ｏ３０４などによって接続されている。
【００３０】
各電動モータ２１１〜２１６はモータドライバ２３１〜２３６に各々接続されており制御装置３００からの制御値に従って駆動する。また各電動モータ２１１〜２１６の駆動量を検出するためのエンコーダ２６１〜２６６が、各電動モータ２１１〜２１６に内蔵されており制御装置３００に位置の情報をフィードバックする事ができる。
【００３１】
また上述した各トルクセンサ２２１〜２２６の出力を制御装置３００に返し、各電動モータ２１１〜２１６の駆動にフィードバックする事で、駆動時に各リンク２０１〜２０６でかかるトルクを制御できる。さらに各トルクセンサ２２１〜２２６の値からロボットアーム本体２００のリンク２０６で発生する力を計算で求める事ができ、組立対象の部品に印加する荷重をフィードバック制御する事が可能である。
【００３２】
図４は本実施形態におけるトルクセンサ２２１の構造を示した図である。なお、図４は各トルクセンサ２２１〜２２６を代表して示しており、図４と同様の構造を各トルクセンサ２２２〜２２６も有している。同図より、トルクセンサ２２１は円筒形のフレーム５０１と、光学式エンコーダ５０２により構成されている。光学式エンコーダ５０２は回転軸５０３を中心としたフレーム５０１の円周上に対向配置されている。
【００３３】
フレーム５０１は、第１の固定部材５０４、第２の固定部材５０５、およびこれら両者を相対移動可能に連結するフレーム５０１の円周上に配置された連結部材５０６により構成されている。第１の固定部材５０４、第２の固定部材５０５、連結部材５０６は本実施形態では同じ材質で一体に作られている。また第１の固定部材５０４には検出ヘッド支持部５１０を取り付ける取付部５１２が設けられている。第１の固定部材５０４は特許請求の範囲に記載の「第１の構造体」の一例であり、第２の固定部材５０５は特許請求の範囲に記載の「第２の構造体」の一例である。
【００３４】
第１の固定部材５０４と第２の固定部材５０５は、図示のような中空の円筒形状に構成される。これら第１の固定部材５０４、第２の固定部材５０５は、相対変位する測定対象、例えば図２の電動モータ２１１〜２１６の出力駆動軸２５２および各リンク２０１〜２０６のリンク駆動軸２５３にそれぞれ締結するためのフランジ部位として機能する。
【００３５】
連結部材５０６は、ドーナツ形状の第１の固定部材５０４と、第２の固定部材５０５の間を結合するリブ形状の部材として構成されている。この複数の連結部材５０６は回転軸５０３を中心として、第１の固定部材５０４と第２の固定部材５０５の間に円陣配置されている。
【００３６】
また第１の固定部材５０４と第２の固定部材５０５には、電動モータ２１１〜２１６の出力駆動軸２５２と各リンク２０１〜２０６のリンク駆動軸２５３にそれぞれ締結するための締結部位５０７が複数個配置されている。本実施形態ではビス止めを行うビス孔が締結部位５０７として、第１の固定部材５０４および第２の固定部材５０５にそれぞれ１２個配置されている。
【００３７】
フレーム５０１の各部位は、目的のトルク検出範囲およびその必要分解能などに応じた弾性係数を有する所定の材質、例えば樹脂や、金属（鋼材、ステンレスなど）の材質から構成される。さらにフレーム５０１は３Ｄプリンタによって製造されてもよい。具体的には、フレーム５０１の設計データ（例えばＣＡＤデータ）から、３Ｄプリンタ用のスライスデータを作成し、そのデータを従来の３Ｄプリンタに入力することにより製造することができる。
【００３８】
光学式エンコーダ５０２は光学式の位置センサとしての機能を有する。光学式エンコーダ５０２は、スケール５０８と、スケール５０８から位置情報を検出する検出ヘッド５０９を備える。また検出ヘッド５０９は検出ヘッド支持部５１０に取り付けられており、検出ヘッド５０９とスケール５０８が対向する空間をシール部材５１１により封止している。以下、詳細に説明する。
【００３９】
なお、光学式エンコーダ５０２は特許請求の範囲に記載の「検出ユニット」の一例である。検出ヘッド５０９は特許請求の範囲に記載の「検出部」の一例であり、スケール５０８は特許請求の範囲に記載の「被検出部」の一例である。
【００４０】
図５は光学式エンコーダ５０２を詳細に説明した図である。図５（ａ）はスケール５０８の平面図、図５（ｂ）は検出ヘッド５０９の平面図、図５（ｃ）はスケール５０８及び検出ヘッド５０９を対向配置させた際の図である。
【００４１】
図５（ａ）よりスケール５０８は、反射型のスケールであり、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。
【００４２】
図５（ｂ）より検出ヘッド５０９は、反射型の検出ヘッドであり、発光素子５５１及び受光素子５５２を有する。
【００４３】
図５（ｃ）より検出ヘッド５０９は、発光素子５５１から光をスケール５０８に対して矢印Ｓ１のように照射し、スケール５０８の光学パターン５４１から矢印Ｓ２のように反射した光を受光素子５５２が受光する。
【００４４】
なお、検出ヘッド５０９は第１の固定部材５０４に、スケール５０８は第２の固定部材５０５に設けられているが逆でも構わない。相対移動量が検出できるならば、第１の固定部材と第２の固定部材のどちらか一方に検出ヘッド５０９、他方にスケール５０８が設けられていればよい。
【００４５】
ここで、回転軸５０３まわりのトルクが作用し、第１の固定部材５０４と第２の固定部材５０５とが相対移動すると、検出ヘッド５０９とスケール５０８の相対位置が矢印Ｅ方向に変化する。そしてスケール５０８に照射されている光の照射位置がスケール５０８上を移動する。
【００４６】
このとき、スケール５０８に照射されている光がスケール５０８上に設けられたパターンを通過すると、検出ヘッド５０９の受光素子５５２で検出される光の光量が変化する。この光量の変化から、第１の固定部材５０４と第２の固定部材５０５との相対移動量を検出する。検出ヘッド５０９が検出した相対移動量をフレーム５０１に作用したトルクに変換する感度係数を用いることでトルク検出値に変換される。
【００４７】
なお、このスケールパターンは、検出演算の方式によっては１条のみならず、（例えば配置位相の異なる）複数条の濃淡パターンを複数条配置することもできる。スケールパターンのピッチは、位置検出に必要とされる分解能などに応じて決定するが、近年ではエンコーダの高精度化／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。
【００４８】
上述した検出ヘッド５０９とスケール５０８の対向する空間が一点鎖線で示した空間Ｄである。この空間Ｄを本実施形態の方法により封止する。
【００４９】
図６は、光学式エンコーダ５０２の部分に相当する断面図であり、図４の一点鎖線ＡＡより矢印Ｐ方向の矢視断面に相当する。図５より検出ヘッド支持部５１０、スケール５０８は、それぞれ第１の固定部材５０４、および第２の固定部材５０５に対して固定されており、検出ヘッド５０９については、検出ヘッド支持部５１０に固定されている。
【００５０】
図６より、検出ヘッド支持部５１０は第１の固定部材５０４に形成された取付部５１２に固定される。図に示すように取付部５１２は、第１の固定部材５０４に凹部形状を有して設けられている。
【００５１】
この検出ヘッド５０９とスケール５０８との間にシール部材５１１が挿入されている。シール部材５１１はリング状の形状で、発光素子５５１と受光素子５５２とスケール５０８に接触しないよう、かつ上述した空間Ｄに外界からの異物が侵入しないよう局所的に空間Ｄの周囲に配置されている。また、シール部材５１１は第１の固定部材５０４と第２の固定部材５０５の間の空間に配置され、シール部材５１１にはスポンジ等の低剛性の材料が用いられている。
【００５２】
これにより、第１の固定部材５０４と第２の固定部材５０５の相対移動量を検出するのに必要な空間を微小な量のシール部材で封止できるので、シール部材５１１の剛性による相対移動量への影響を低減させることができる。
【００５３】
また、シール部材５１１は検出ヘッド５０９により押圧されて挟みこまれている。その際、第１の固定部材５０４と第２の固定部材５０５の相対移動により生じるシール部材５１１の内力が、シール部材５１１に働く静止摩擦力より小さくなるようにしている。そのため、シール部材５１１と検出ヘッド５０９の間に擦れは発生せず、シール部材５１１が損傷して生じるゴミを防ぐことができる。
【００５４】
また、シール部材５１１を各トルクセンサ２２１〜２２６を構成する部品に密着させて擦れの発生を防いでも良い。
【００５５】
また、図７のように検出ヘッド支持部５１０と、第２の固定部材５０５との間にシール部材５１１を挿入し、検出ヘッド５０９とスケール５０８全体を封止し、検出ヘッド５０９とスケール５０８の対向する空間を封止しても同様の効果を得ることができる。
【００５６】
また、図８のように検出ヘッド支持部５１０をステー部材で構成し、発光素子５５１のための配線５１４を外部へ引き出しやすいよう構成してもよい。この場合、検出ヘッド支持部５１０には発光素子５５１からの照射光をスケール５０８側に送りかつスケール５０８からの反射光を受光素子５５２で受光するための開口部５１５が設けられている。
【００５７】
検出ヘッド５０９は、検出ヘッド支持部５１０との取付において開口部５１５を覆うよう検出ヘッド支持部５１０に固定される。そのため開口部５１５からの異物が、検出ヘッド５０９とスケール５０８の対向する空間へ侵入することを防ぐ。
【００５８】
また検出ヘッド支持部５１０が、発光素子５５１に電力を供給するための配線５１４の障壁とならないため、配線５１４の引き出しが容易となる。
【００５９】
さらに、トルクセンサ２２１を構成する第１の固定部材５０４と第２の固定部材５０５の相対移動量が少なくてもトルクセンサの検出精度に影響がない場合、図９のように連結部材５０６を短くしても良い。こうすれば検出ヘッド支持部５１０を用いず、第１の固定部材５０４、第２の固定部材５０５に直接検出ヘッド５０９とスケール５０８を設けて、シール部材５１１により検出ヘッド５０９とスケール５０８の対向する空間を封止することができる。
【００６０】
この場合、連結部材５０６を短くすることで、検出ヘッド５０９とスケール５０８を近づけて対向させることができる。そして検出ヘッド５０９とスケール５０８の対向する空間をシール部材５１１で囲み、検出ヘッド５０９と第２の固定部材５０５でシール部材５１１を挟み込む。こうすることで検出ヘッド５０９とスケール５０８の対向する空間を封止し、検出ヘッド支持部５１０を用いない簡素な構成にすることができる。なお、シール部材５１１の配置の仕方は図６のように検出ヘッド５０９に接触させながら設けても良いし、図７のように検出ヘッド支持部５１０に接触させながら設けても構わない。
【００６１】
（実施例）
以下、実際にシール部材５１１の設計値を用いて説明する。図１０はシール部材の詳細図である。図１０（ａ）はシール部材５１１をｘｙ平面から見た図、図１０（ｂ）はｘｚ平面から見た図である。
【００６２】
図１０（ａ）よりシール部材５１１は一辺８．８ｍｍの正方形となっており、角を全て面取りしている。また検出ヘッド５０９とスケール５０８を囲うため、一辺６．２ｍｍの全ての角を面取りした正方形の孔が設けられている。図１０（ｂ）よりシール部材５１１の厚みは１．０ｍｍである。シール部材５１１の材質はＰＶＡスポンジである。図４よりこのシール部材５１１が２か所設けられた光学式エンコーダ５０２にそれぞれ設けられている。なお、シール部材５１１は押圧されて挿入されているため、実際に変形する時の厚みは０．８ｍｍとなっている。シール部材５１１が変形する方向の弾性係数は１１５ｋＰａである。
【００６３】
ここで、ある部材が変形することで生じる応力σは、内力をＱ、内力が生じる断面積をＡとすると数式（１）より求まる。
【００６４】
【数１】
2019090718.tif 000003
【００６５】
応力が生じる断面積Ａは、トルクによりねじれて変形する部分の断面積となる。本実施例では、応力が生じる断面積Ａは数式（２）より、
【００６６】
【数２】
2019090718.tif 000004
となり、応力が生じる断面積Ａはシール部材５１１一つあたり約３９ｍｍ２となった。
【００６７】
また、応力σは変形する方向の弾性係数とひずみから算出される。今回はトルクによりねじれて変形するため、弾性係数をＧ、せん断ひずみをγとすると応力σはフックの法則より数式（３）より求まる。
【００６８】
【数３】
2019090718.tif 000005
【００６９】
せん断ひずみγはシール部材５１１の厚みをｌ、変形量をΔＸとすると数式（４）で求まる。
【００７０】
【数４】
2019090718.tif 000006
【００７１】
今回はフレーム５０１に５０Ｎｍのトルクがかかった場合を考える。このかけているトルクがトルクセンサ２２１〜２２６により検出したい値となる。構造解析の結果、第１の固定部材５０４と第２の固定部材５０５の相対移動量は約２３μｍと試算された。この相対移動量分シール部材５１１も同様に変形するものとして、相対移動量を変位量ΔＸとし、押圧されているシール部材５１１の厚みｌ＝０．８ｍｍを数式（４）に代入するとシール部材５１１のせん断ひずみγは約０．０２９となった。
【００７２】
以上よりＧ＝１１５ｋＰａ、γ＝０．０２９を数式（３）に代入すると、シール部材５１１に働く応力σは約３．３０ｋＰａとなった。このσ＝３．３０ｋＰａと、Ａ＝３９ｍｍ２から、シール部材５１１に生じる内力Ｑは数式（１）より約０．１３Ｎとなった。
【００７３】
シール部材５１１は回転軸５０３から距離３７．５ｍｍの位置にあるため、シール部材５１１の内力によるトルクは０．００４８Ｎｍとなる。これが２つ設けられているため約０．０１Ｎｍが第１の固定部材と第２の固定部材の相対移動に抵抗し検出誤差となりうる。
【００７４】
今回は５０Ｎｍのトルクをかけているため、シール部材５１１の内力によるトルクはかけているトルクに比べて０．０２％程度となった。つまりシール部材５１１の内力による検出誤差への影響は０．０２％となる。一般的にトルクセンサの検出誤差精度は１％以下の精度で求められるため、本実施例によりトルクセンサ２２１〜２２６の検出誤差精度は問題ないことがわかる。
【００７５】
本実施例のトルクセンサ２２１〜２２６を特許文献１のように全周をシール部材で覆って封止する場合、シール部材５１１に生じる内力がかかる断面積Ａは約６７００ｍｍ２であることがトルクセンサ２２１〜２２６の設計仕様より算出された。
【００７６】
本発明を適用した場合の断面積は、２つのシール部材５１１を合わせて約８０ｍｍ２となる。トルクセンサ２２１〜２２６の全周を覆った場合の断面積はこれの８０倍以上であるため、内力により生じるトルクも数式（１）より８０倍となる。結果、トルクセンサ２２１〜２２６の全周をシール部材５１１で覆った場合の検出誤差への影響は０．０２％の８０倍、つまり１．６％となり、１パーセント以上となってしまった。
【００７７】
以上、本実施形態のトルクセンサによれば、シール部材５１１により検出ヘッド５０９とスケール５０８の対向する空間を囲うよう局所的に用いている。これにより必要なシール部材５１１の量を低減させることができる。また、シール部材５１１を微小にさせることができるため、シール部材５１１に生じる内力によるトルクを低減させることでき、検出精度を高めることができる。
【００７８】
ゆえに、シール部材自体が構造体の相対移動の抵抗となってトルク検出精度を悪化させることなく、トルクセンサ２２１〜２２６の検出部分を封止することができ、検出誤差やエラーの発生を抑制することができる。
【００７９】
また、図７で示したトルクセンサ２２１〜２２６により検出ヘッド５０９のための配線５１４を、外部に引き出しやすくなるため、配線へのダメージが少ない引き回し方を容易にとることができる。
【００８０】
さらにトルクセンサ外部からのゴミの侵入を防ぐだけでなく、トルクセンサを構成する構造体の内部からのゴミも防ぐことができ、ロボットアーム本体２００に配する場合に極めて効果的である。
【００８１】
なお、上記実施形態におけるトルクセンサ２２１〜２２６のフレーム５０１の連結部材５０６の本数は、本実施形態で示した本数に限定されるものではない。図４では、光学式エンコーダ５０２に隣接する連結部材５０６は、他の箇所よりも配置の間隔を広く図示しているが、本実施形態で示した配置間隔に限定されるものではない。また、スケール５０８および検出ヘッド５０９の設置数についても、本実施例で示した設置個数に限定されるものではなく、例えば１個でも良いし３個以上設置しても良い。
【００８２】
上記実施形態ではスケール５０８と検出ヘッド５０９は回転軸５０３に沿って対向するよう配置されたが、これに限らず回転軸５０３に直交するように対向配置させても良い。
【００８３】
（その他の実施形態）
また上記実施形態では、第１の固定部材５０４と第２の固定部材５０５との相対移動量を検出するために光学式のエンコーダを用いたが別の形態をとっても良い。例えば磁気的に変位を計測する方法に関して、第１の固定部材５０４と第２の固定部材５０５のどちらに磁束発生源、磁電変換素子を配置して検出しても良い。第１の固定部材５０４と第２の固定部材５０５が相対移動することで、磁束発生源と磁電変換素子との距離の変化に伴い、磁電変換素子へ流入する磁束密度の大きさに変化が生じ、磁束密度の変化に伴う磁電変換素子の出力が変化する。この磁電変換素子の出力の変化を検出することで変位を計測することができる。
【００８４】
また上記実施形態では、ロボットアーム本体２００が６つの関節を有する６関節ロボットである場合を説明したが、関節の数はこれに限定されるものではない。ロボットアーム本体２００の形式として、垂直多軸構成を示したが、パラレルリンク型など異なる形式のロボットアーム本体２００の関節においても上記と同等の構成を実施することができる。
【００８５】
ロボットアーム本体２００の関節の構成例を図２により示したが、関節の構成はこれだけに限定されるものではなく、当業者において任意に設計変更が可能である。また、各電動モータ２１１〜２１６は、上述の構成に限定されるものではなく、各関節を駆動する駆動源は例えば人工筋肉のようなデバイス等であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は産業用ロボットに利用可能である。
【符号の説明】
【００８７】
１００  ロボットシステム
２００  ロボットアーム本体
２１１〜２１６  電動モータ
２２１〜２２６  トルクセンサ
２３１〜２３６  モータドライバ
２５１  入力駆動軸
２５２  出力駆動軸
２５３  リンク駆動軸
２６１〜２６６  エンコーダ
３００  制御装置
４００  外部入力装置
５０１  フレーム
５０２  光学式エンコーダ
５０３  回転軸
５０４  第１の固定部材
５０５  第２の固定部材
５０６  連結部材
５０７  締結部位
５０８  スケール
５０９  検出ヘッド
５１０  検出ヘッド支持部
５１２  取付部
５１４  配線
５４１  光学パターン
５５１  発光素子
５５２  受光素子
【図１】
2019090718.tif 000007
【図２】
2019090718.tif 000008
【図３】
2019090718.tif 000009
【図４】
2019090718.tif 000010
【図５】
2019090718.tif 000011
【図６】
2019090718.tif 000012
【図７】
2019090718.tif 000013
【図８】
2019090718.tif 000014
【図９】
2019090718.tif 000015
【図１０】
2019090718.tif 000016