(57)【要約】【課題】曲げ、伸縮の影響を低減することができ、且つ、微小なトルクを検出でき、構成が簡素なトルクセンサを提供する。【解決手段】トルクセンサ（１）は、第１起歪体（２）、細径結合体（４）、及び第２起歪体（３）の捻り動作に応じて遮光率が増大する第１フォトインタラプタ（５ａ）及び第２フォトインタラプタ（５ｂ）と、捻り動作に応じて遮光率が減少する第３フォトインタラプタ（５ｃ）及び第４フォトインタラプタ（５ｄ）とを備え、第１フォトインタラプタ（５ａ）、第３フォトインタラプタ（５ｃ）、第２フォトインタラプタ（５ｂ）、及び第４フォトインタラプタ（５ｄ）が、捻り動作のねじり軸の周りにこの順番で配置される。【選択図】図４
2019190885.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する第１及び第２高剛性部材と、
前記第１及び第２高剛性部材を結合する細径結合体と、
前記第１高剛性部材、前記細径結合体、及び前記第２高剛性部材の捻り動作に応じて遮光率が増大する第１及び第２光学素子と、
前記捻り動作に応じて遮光率が減少する第３及び第４光学素子とを備え、
前記第１光学素子、前記第３光学素子、前記第２光学素子、及び前記第４光学素子が、前記捻り動作のねじり軸の周りにこの順番で配置されることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２】
前記第１光学素子が、前記ねじり軸に垂直な方向に沿って光を出射するために前記第１高剛性部材に設けられた発光部と、
前記発光部から出射された光を受光するために前記第１高剛性部材に設けられた受光部と、
前記発光部から前記受光部に向かう光の少なくとも一部を前記捻り動作に応じて遮光するように前記第２高剛性部材に取り付けられた遮光板とを有する請求項１に記載のトルクセンサ。
【請求項３】
前記第１〜第４光学素子は、前記第１及び第２高剛性部材の伸縮動作又は曲げ動作によって出力が変化し得る請求項１に記載のトルクセンサ。
【請求項４】
前記第１及び第２高剛性部材の伸縮量、曲げ角度、及び捻り角度と、前記第１〜第４光学素子の出力との間の関係を表す数式、並びに、前記第１〜第４光学素子の出力に基づいて、前記第１及び第２高剛性部材に作用するトルクを算出するトルク算出回路をさらに備える請求項１に記載のトルクセンサ。
【請求項５】
前記細径結合体が円筒状に形成される請求項１に記載のトルクセンサ。
【請求項６】
前記発光部と前記受光部とが、コの字状部材に互いに対向するように取り付けられる請求項２に記載のトルクセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造部材を結合する結合体に作用する捻り力を測定するトルクセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
トルクセンサは、力に対して高感度な応答が要求されるロボット作業（複雑な組立作業、不定形物体や柔軟物体のハンドリング、人との協働搬送作業等）の遂行に必須である。
【０００３】
トルクセンサで測定されるトルクは、高剛性部材（「起歪体」と呼ばれる）の歪みを電気信号に変換し、変換された電気信号に基づいて算出される。この際、計測軸周り以外の方向に沿って発生した歪みの影響も上記電気信号に重畳される（「他軸干渉」と呼ばれる）。
【０００４】
起歪体の変形（歪み）は、３方向の伸縮変形、２方向の曲げ変形、及び１方向の捻り（トルク）変形が合成された変形である。起歪体に加えられた力・トルクとこれら６方向の歪み（変形）とは、互いに干渉する関係にある。従って、トルクのみを抽出するためには、理論的にはこれら６方向の歪みをすべて計測し、６個の連立方程式を解かなければならない。
【０００５】
そうすると、通常、歪みを検出するトルクセンサの歪み検出素子は、１方向当たり４個以上付設し、総数３０個前後付設することになる。この歪み検出素子自体は安価であることが多いが、歪み検出素子の付設や較正には大きなコストを要する。このようなトルクセンサのコストの問題が、ロボットによる上記作業の実用化の妨げとなっていた。
【０００６】
構造部材（起歪体）を結合する結合体に作用する捻り力を測定するトルクセンサとして、抵抗素子を構造部材に貼り付けて、抵抗素子の歪みにより構造部材の歪みを測定する接触式のトルクセンサが知られている。
【０００７】
また、互いに対向する第１及び第２起歪体と、第１及び第２起歪体を結合する細径結合体とを設け、発光部と受光部とを第１起歪体に設け、遮光板を第２起歪体に設け、発光部から受光部に向かう光の少なくとも一部を、第１起歪体と第２起歪体との間の捻り動作に応じて遮光板が遮光し、上記遮光板の遮光率に基づいて、第１及び第２起歪体に作用するトルクを検出する光学素子を用いた非接触式のトルクセンサが知られている（非特許文献１）。
【０００８】
そして、環状変形体と右側支持体と左側支持体とを備え、右側支持体及び左側支持体の捻り動作に基づく環状変形体の変形を利用した静電容量素子を用いたトルクセンサが知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第6270186号明細書（2018年1月12日登録）
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Dzmitry Tsetserukou1他，Optical Torque Sensors for Implementation of Local，Proceedings of the 2006 IEEE International Conference on Robotics and Automation Orlando, Florida - May 2006,p.1674-1679
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記接触式のトルクセンサは、抵抗素子の歪により構造部材の歪みを測定するので、抵抗素子の歪率と構造部材の歪率とが一致しなければトルクの測定精度を確保することが困難であるという問題がある。また、構造部材に貼り付ける抵抗素子が多数である場合、較正（キャリブレーション）に手間がかかるという問題がある。
【００１２】
上記非特許文献１に記載のトルクセンサは、第１起歪体と第２起歪体との間に歪み易い細径結合体を配置しているので、第１起歪体と第２起歪体とが捻れた場合のみならず、第１起歪体と第２起歪体との間の曲げが発生した場合にも光学素子からの出力信号が変化してしまうし、第１起歪体と第２起歪体と圧縮した場合にも光学素子からの出力信号が変化してしまうという問題がある。
【００１３】
上記特許文献１に記載のトルクセンサは、捻り動作に基づく環状変形体を楕円形に変形させ、固定電極と変位電極との間の距離を変化させて、これによる静電容量の変化を計測するので、相当の変位の歪みでないと検出が困難であるという問題がある。また、環状変形体を楕円形に変形させるための環状変形体と右側支持体及び左側支持体との組み合わせの構成及び形状が複雑になり、構造として弱くなるという問題がある。
【００１４】
本発明の目的は、曲げ、伸縮の影響を低減することができ、且つ、微小なトルクを検出でき、構成が簡素なトルクセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の課題を解決するために、本発明に係るトルクセンサは、互いに対向する第１及び第２高剛性部材と、前記第１及び第２高剛性部材を結合する細径結合体と、前記第１高剛性部材、前記細径結合体、及び前記第２高剛性部材の捻り動作に応じて遮光率が増大する第１及び第２光学素子と、前記捻り動作に応じて遮光率が減少する第３及び第４光学素子とを備え、前記第１光学素子、前記第３光学素子、前記第２光学素子、及び前記第４光学素子が、前記捻り動作のねじり軸の周りにこの順番で配置されることを特徴とする。
【００１６】
この特徴によれば、第１光学素子、第３光学素子、第２光学素子、及び第４光学素子が、捻り動作のねじり軸の周りにこの順番で配置され、第１及び第２光学素子は第２高剛性部材の捻り動作に応じて遮光率が増大し、第３及び第４光学素子は上記捻り動作に応じて遮光率が減少する。このため、トルク情報を４個の光学素子のみの信号から抽出することができる。この結果、曲げ、伸縮の影響を低減することができ、且つ、微小なトルクを検出でき、構成が簡素なトルクセンサを提供することができる。
【００１７】
本発明に係るトルクセンサでは、前記第１光学素子が、前記ねじり軸に垂直な方向に沿って光を出射するために前記第１高剛性部材に設けられた発光部と、前記発光部から出射された光を受光するために前記第１高剛性部材に設けられた受光部と、前記発光部から前記受光部に向かう光の少なくとも一部を前記捻り動作に応じて遮光するように前記第２高剛性部材に取り付けられた遮光板とを有することが好ましい。
【００１８】
上記構成によれば、歪み検出素子の構成を簡素にすることができる。
【００１９】
本発明に係るトルクセンサでは、前記第１〜第４光学素子は、前記第１及び第２高剛性部材の伸縮動作又は曲げ動作によって出力が変化し得ることが好ましい。
【００２０】
上記構成によれば、捻り動作に応じて遮光率が増大する第１及び第２光学素子と、前記捻り動作に応じて遮光率が減少する第３及び第４光学素子とにより、伸縮動作又は曲げ動作の影響を低減することができる。
【００２１】
本発明に係るトルクセンサでは、前記第１及び第２高剛性部材の伸縮量、曲げ角度、及び捻り角度と、前記第１〜第４光学素子の出力との間の関係を表す数式、並びに、前記第１〜第４光学素子の出力に基づいて、前記第１及び第２高剛性部材に作用するトルクを算出するトルク算出回路をさらに備えることが好ましい。
【００２２】
上記構成によれば、第１及び第２高剛性部材の伸縮量、曲げ角度、及び捻り角度と、第１〜第４光学素子の出力との間の関係を表す数式に基づいて、第１〜第４光学素子の出力を演算することにより、第１及び第２高剛性部材の伸縮動作又は曲げ動作による検出トルクへの影響を低減することができる。
【００２３】
本発明に係るトルクセンサでは、前記細径結合体が円筒状に形成されることが好ましい。
【００２４】
上記構成によれば、第１高剛性部材及び第２高剛性部材を結合する部材の構成を簡素にすることができる。
【００２５】
本発明に係るトルクセンサでは、前記発光部と前記受光部とが、コの字状部材に互いに対向するように取り付けられることが好ましい。
【００２６】
上記構成によれば、第１高剛性部材への発光部と受光部との取り付けが容易になる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明は、曲げ、伸縮の影響を低減することができ、且つ、微小なトルクを検出でき、構成が簡素なトルクセンサを提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】（ａ）は実施形態に係るトルクセンサの外観を示す斜視画像であり、（ｂ）は上記トルクセンサのカバーを外した状態の斜視画像である。
【図２】上記トルクセンサの分解斜視図である。
【図３】上記トルクセンサの断面斜視図である。
【図４】上記トルクセンサに設けられた第１〜第４フォトインタラプタの構成及び配置を模式的に示す図である。
【図５】上記トルクセンサに設けられた第１及び第２起歪体を示す斜視図である。
【図６】上記第２起歪体を除いた状態の第１起歪体を示す斜視図である。
【図７】上記カバーを示す立面図である。
【図８】（ａ）は上記トルクセンサに設けられたトルク算出回路の外観を示す画像であり、（ｂ）は上記トルク算出回路を装着してカバーを外した状態のトルクセンサの外観を示す斜視画像である。
【図９】比較例に係るトルクセンサの外観を示す図である。
【図１０】上記比較例に係るトルクセンサによる他軸干渉の実験条件を示す図である。
【図１１】上記他軸干渉の実験条件による実験結果を示すグラフである。
【図１２】（ａ）〜（ｄ）は、他の比較例に係るトルクセンサによる他軸干渉によるアームの角度変位を示すグラフである。
【図１３】（ａ）〜（ｄ）は、上記実施形態に係るトルクセンサによる他軸干渉実験の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態について、詳細に説明する。
【００３０】
（トルクセンサ１の構成）
図１（ａ）は実施形態に係るトルクセンサ１の外観を示す斜視画像であり、（ｂ）はトルクセンサ１のカバー１１・１３を外した状態の斜視画像である。図２はトルクセンサ１の分解斜視図である。図３はトルクセンサ１の断面斜視図である。図４はトルクセンサ１に設けられた第１〜第４フォトインタラプタ５ａ〜５ｄの構成及び配置を模式的に示す図である。図５はトルクセンサ１に設けられた第１及び第２起歪体２・３を示す斜視図である。図６は第２起歪体３を除いた状態の第１起歪体２を示す斜視図である。図７はカバー１１・１３を示す立面図である。
【００３１】
トルクセンサ１は、互いに対向する略円盤形状の第１起歪体２（第１高剛性部材）及び第２起歪体３（第２高剛性部材）を備える。第１起歪体２と第２起歪体３とは、第１起歪体２及び第２起歪体３よりも径が細い円筒形状に形成されて捻り弾性を有する細径結合体４により結合されている。第１起歪体２と第２起歪体３と細径結合体４とは一体に形成されることが好ましい。第１起歪体２の第２起歪体３と反対側にベアリング軸受１２が設けられる。第１起歪体２及び第２起歪体３の外周を覆うように円筒形状のカバー１１・１３が設けられる。
【００３２】
第１起歪体２、細径結合体４、及び第２起歪体３の捻り動作に応じて遮光率が増大する第１フォトインタラプタ５ａ（第１光学素子）及び第２フォトインタラプタ５ｂ（第２光学素子）と、この捻り動作に応じて遮光率が減少する第３フォトインタラプタ５ｃ（第３光学素子）及び第４フォトインタラプタ５ｄ（第４光学素子）とがトルクセンサ１に設けられる。
【００３３】
第１フォトインタラプタ５ａ、第３フォトインタラプタ５ｃ、第２フォトインタラプタ５ｂ、及び第４フォトインタラプタ５ｄは、この捻り動作のねじり軸の周りにこの順番で等しい間隔を空けて配置される。このねじり軸は図４に示されるＺ軸に相当する。
【００３４】
第１フォトインタラプタ５ａは、Ｚ軸に垂直な径方向に沿って光を出射するために第１起歪体２に設けられた第１発光部６ａと、第１発光部６ａから出射された光を受光するために第１起歪体２に設けられた第１受光部７ａと、第１発光部６ａから第１受光部７ａに向かう光の少なくとも一部を前記捻り動作に応じて遮光するように第２起歪体３に取り付けられた第１遮光板８ａとを有する。第１発光部６ａと第１受光部７ａとはコの字状部材９に互いに対向するように取り付けられる。
【００３５】
第３フォトインタラプタ５ｃは、Ｚ軸を中心として第１フォトインタラプタ５ａから反時計回りに９０度回転した位置に配置され、Ｚ軸に垂直な径方向に沿って光を出射するために第１起歪体２に設けられた第３発光部６ｃと、第３発光部６ｃから出射された光を受光するために第１起歪体２に設けられた第３受光部７ｃと、第３発光部６ｃから第３受光部７ｃに向かう光の少なくとも一部を前記捻り動作に応じて遮光するように第２起歪体３に取り付けられた第３遮光板８ｃとを有する。第３発光部６ｃと第３受光部７ｃとはコの字状部材９に互いに対向するように取り付けられる。
【００３６】
第２フォトインタラプタ５ｂは、Ｚ軸を中心として第３フォトインタラプタ５ｃから反時計回りに９０度回転した位置に配置され、Ｚ軸に垂直な径方向に沿って光を出射するために第１起歪体２に設けられた第２発光部６ｂと、第２発光部６ｂから出射された光を受光するために第１起歪体２に設けられた第２受光部７ｂと、第２発光部６ｂから第２受光部７ｂに向かう光の少なくとも一部を前記捻り動作に応じて遮光するように第２起歪体３に取り付けられた第２遮光板８ｂとを有する。第２発光部６ｂと第２受光部７ｂとはコの字状部材９に互いに対向するように取り付けられる。
【００３７】
第４フォトインタラプタ５ｄは、Ｚ軸を中心として第２フォトインタラプタ５ｂから反時計回りに９０度回転した位置に配置され、Ｚ軸に垂直な径方向に沿って光を出射するために第１起歪体２に設けられた第４発光部６ｄと、第４発光部６ｄから出射された光を受光するために第１起歪体２に設けられた第４受光部７ｄと、第４発光部６ｄから第４受光部７ｄに向かう光の少なくとも一部を前記捻り動作に応じて遮光するように第２起歪体３に取り付けられた第４遮光板８ｄとを有する。第４発光部６ｄと第４受光部７ｄとはコの字状部材９に互いに対向するように取り付けられる。
【００３８】
第１遮光板８ａ及び第２遮光板８ｂは、第２起歪体３が第１起歪体２に対してＺ軸の周りに時計回りに捻れると、遮光率が増大するように配置される。第３遮光板８ｃ及び第４遮光板８ｄは、第２起歪体３が上記のように捻れると、遮光率が減少するように配置される。
【００３９】
図８（ａ）はトルクセンサ１に設けられたトルク算出回路１０の外観を示す画像であり、（ｂ）はトルク算出回路１０を装着してカバー１１・１３を外した状態のトルクセンサ１の外観を示す斜視画像である。
【００４０】
トルクセンサ１は、第１及び第２起歪体２・３の伸縮量、曲げ角度、及び捻り角度と、第１〜第４フォトインタラプタ５ａ〜５ｄの出力との間の関係を表す後述する数式と、第１〜第４フォトインタラプタ５ａ〜５ｄの出力とに基づいて、第１及び第２起歪体２・３に作用するトルクを算出するトルク算出回路１０をさらに備える。
【００４１】
（第１〜第４フォトインタラプタ５ａ〜５ｄの出力の演算方法）
第１・第２起歪体２・３に対し、第１〜第４フォトインタラプタ５ａ〜５ｄが図４及び図５に示すように配置されているとする。
【００４２】
第１〜第４フォトインタラプタ５ａ〜５ｄは、第１・第２起歪体２・３の捻りのみならず、第１・第２起歪体２・３の伸縮、曲げによっても出力電圧が変化する。第２起歪体３が第１起歪体２に対して中立姿勢から［ｘ ｙ ｚ］Ｔで表される伸縮量で並進し、及び、［φｘ φｙ θ］で表される曲げ角度、ねじり角度で回転した際、第１〜第４フォトインタラプタ５ａ〜５ｄの出力電圧ｖｘ１、ｖｘ２、ｖｙ１、ｖｙ２は近似的に下記の（式１）〜（式４）に示すように表せることを仮定する。
【００４３】
第１〜第４遮蔽板８ａ〜８ｄが第１〜第４フォトインタラプタ５ａ〜５ｄのスリットに対して垂直方向へ変位すること(例えば、第１フォトインタラプタ５ａでは第１遮光板８ａのＸ軸方向への変位)、及び、その軸まわりの回転方向に変位すること(例えば、第１フォトインタラプタ５ａでは第１遮光板８ａがＸ軸まわりに回転する変位) は，第１〜第４遮蔽板８ａ〜８ｄによる第１〜第４フォトインタラプタ５ａ〜５ｄの信号検出域の遮蔽の程度が幾何学的に変化しない。このため、これらの２つの方向による第１〜第４遮蔽板８ａ〜８ｄの変位によっては第１〜第４フォトインタラプタ５ａ〜５ｄの出力は変化しないものとする。
【００４４】
【数１】
2019190885.tif 000003
【００４５】
係数はすべて定数である。
【００４６】
後述するトルク算出回路１０内の個体差調整部において、第１〜第４フォトインタラプタ５ａ〜５ｄのゲイン調整を個々に行えるため、ｋｘｙ１＝ｋｘｙ２＝ｋｘｙ、ｋｙｘ１＝ｋｙｘ２＝ｋｙｘ、ｋｘφ１＝ｋｘφ２＝ｋｘφ、ｋｙφ１＝ｋｙφ２＝ｋｙφ、ｋｘθ１＝ｋｘθ２＝ｋｙθ１＝ｋｙθ２＝ｋθ、ｋｘｚ１＝ｋｘｚ２＝ｋｙｚ１＝ｋｙｚ２＝ｋｚであるものとすると、上記（式１）〜（式４）は次の（式５）〜（式８）のように表せる。
【００４７】
【数２】
2019190885.tif 000004
【００４８】
トルクセンサ１の較正より、トルクτはねじり角度θと近似でき、（式５）〜（式８）よりｘ、ｙ、φｘ、φｙを消去すれば次の（式９）を得る。
【００４９】
【数３】
2019190885.tif 000005
【００５０】
以上により、第１〜第４フォトインタラプタ５ａ〜５ｄの出力電圧が上記（式５）〜（式８）で表されると仮定すると、上記（式９）を満たす演算を行うトルク算出回路１０を実装することでトルクセンサ１に加えられるトルクに対して、計測軸（Ｚ軸）まわりのトルクのみを抽出することができる。即ち、対向配置した２対の歪み検出素子（第１・第２フォトインタラプタ５ａ・５ｂ、並びに、第３・第４フォトインタラプタ５ｃ・５ｄ）によって、ねじり角度θ以外の変位量を全てキャンセルすることができる。
【００５１】
このように、本発明者らは、起歪体をトーションバー型（第１起歪体２、第２起歪体３）とし、歪み検出素子（第１〜第４フォトインタラプタ５ａ〜５ｄ）の配置を図４に示すように工夫すれば、トルク情報を第１〜第４フォトインタラプタ５ａ〜５ｄの４個の出力信号のみから計算式（（式１）〜（式４）等）により検出できることを見出した。その計算式は、各歪み検出素子（第１〜第４フォトインタラプタ５ａ〜５ｄ）の特性がある程度近ければ、トルクセンサ１をそれほど厳密に較正しなくても自然と検出精度が得られるものとなっている。従って、各歪み検出素子（第１〜第４フォトインタラプタ５ａ〜５ｄ）の間に個体差が多少存在しても良好な検出精度が得られる。これにより、安価なトルクセンサ１を構成することができる。
【００５２】
（他軸干渉実験結果）
（比較例に係るトルクセンサ９１）
図９は比較例に係るトルクセンサ９１の外観を示す図である。図１０は比較例に係るトルクセンサ９１による他軸干渉の実験条件を示す図である。トルクセンサ９１は、２対の電極板を４組内蔵している。トルクセンサ９１のセンシングの方法は、円柱状の筐体からなる起歪体にトルクが加えられると、その起歪体の弾性変形による歪みに応じて電極板間の距離が変化し、その電極板からの出力電圧の変化によって加えられたトルクを推定する。
【００５３】
他軸干渉試験では、図９及び図１０に示すように、トルクセンサ９１に取り付けられたアーム９２を、ワイヤ９３でつないだフォースゲージ９４で曲げ方向に引っ張ることにより、トルクセンサ９１の計測軸Ｊ２（回転軸）に対する曲げモーメントを印加した。ワイヤ９３によりアーム９２を引っ張る引張り方向Ａ１と、フォースゲージ９４を直接アーム９２に押し当てる圧縮方向Ａ２の２つの方向で曲げモーメントをトルクセンサ９１に印加した。
【００５４】
図１１は上記他軸干渉の実験条件による実験結果を示すグラフである。引張り方向Ａ１と圧縮方向Ａ２とのどちらの方向にも９［Ｎｍ］程度になるまで荷重を加え、その後ゆっくり除荷している。引張り方向Ａ１に荷重を加えたときのトルクセンサ９１の推定トルクが曲線Ｃ１で示され、圧縮方向Ａ２に荷重を加えたときのトルクセンサ９１の推定トルクが曲線Ｃ２で示される。実験結果より、引張り方向Ａ１は９［Ｎｍ］印加時、印加トルクの９［Ｎｍ］に対して１０．８［％］の他軸干渉が発生し、圧縮方向Ａ２へは４．５［％］の他軸干渉が発生していた。
【００５５】
（他の比較例に係るトルクセンサ）
図１２（ａ）〜（ｄ）は、他の比較例に係るトルクセンサによる他軸干渉によるアームの角度変位を示すグラフである。この他の比較例に係るトルクセンサは、実施形態に係るトルクセンサ１と同様に、第１起歪体２、細径結合体４、及び第２起歪体３の捻り動作に応じて遮光率が増大する第１フォトインタラプタ５ａ及び第２フォトインタラプタ５ｂを有しているが、この捻り動作に応じて遮光率が減少する第３フォトインタラプタ５ｃ及び第４フォトインタラプタ５ｄとは有しておらず、ベアリング軸受１２も有していない。この他の比較例に係るトルクセンサは、第１フォトインタラプタ５ａの出力と第２フォトインタラプタ５ｂの出力との平均値に基づいてトルクを計測するトルクセンサである。
【００５６】
他の比較例に係るトルクセンサに取り付けられたアームにモータ及び減速器を接続し、摩擦補償制御下においてアームを水平位置に静止させる位置制御時に、アームの取り付け角度を９０［ｄｅｇ］毎に変えることで４種類の曲げモーメントを印加する。そして、印加する曲げモーメントＭ、トルクセンサの推定トルクＴ、及びアームの角度変位Ｒを測定した。
【００５７】
摩擦補償制御によりアームは外トルクに対してバックドライバブルである。つまり、トルクセンサが推定トルクＴの何らかの値を計測すると、その値はトルクセンサの回転軸(計測軸) まわりの外トルクとしての計測値となるため、摩擦補償制御が働き、アームはトルクセンサの計測値に沿ってバックドライブする。印加する曲げモーメントＭは全てトルクセンサの計測軸まわりのトルクではないため、トルクセンサの回転軸(計測軸)まわりにトルクは印加されない。そのため、曲げモーメントＭを印加してもアームが水平位置から変位しないことが理想的な挙動であるが、他軸干渉により推定トルクＴの何らかの値がトルクセンサにより計測されてしまうためアームは変位する。
【００５８】
（実施形態に係るトルクセンサ）
図１３（ａ）〜（ｄ）は、実施形態に係るトルクセンサ１による他軸干渉実験の結果を示すグラフである。図１２と同様に、摩擦補償制御下における他軸干渉実験を行う。摩擦補償制御下における位置制御に対する他軸干渉の影響を検証する。
【００５９】
アームの取り付け角度を９０［ｄｅｇ］毎に変えることで４種類の曲げ方向モーメントＭを印加する。その際の印加する曲げモーメントＭ、トルクセンサの推定トルクＴ、及びアームの角度変位Ｒを測定した。
【００６０】
図１３（ａ）〜（ｄ）に示されるように、曲げモーメントＭの印加に基づく他軸干渉によるトルクセンサの推定トルクＴの検出値への影響は、図１２（ａ）〜（ｄ）に示される他の比較例に係るトルクセンサの場合に比べて、どの取り付け角度の曲げモーメントＭの印加方向においても低減された。
【００６１】
上記の通り、本実施形態のトルクセンサ１は、比較的少数の歪み検出素子（第１〜第４フォトインタラプタ５ａ〜５ｄ）によってトルク計測における他軸干渉を低減し、較正コストも大きく減少する効果を奏する。このトルクセンサ１により製品化されたセンサは、現在入手可能なセンサよりも単価が大幅に減少する。従って、本実施形態のトルクセンサ１は、価格が障壁となって実用化が見送られてきた、物や人との頻繁かつ不規則な衝突・接触を伴うロボット作業の自動化を大きく促進し、当該ロボット作業の自動化を新たな産業へと展開するための鍵になる。
【００６２】
本実施形態では、４個の第１〜第４フォトインタラプタ５ａ〜５ｄを設けた例を示したが、本発明はこれに限定されない。５個以上のフォトインタラプタを設けてもよい。
【００６３】
本実施形態のトルクセンサ１は、光学式の歪み検出素子を設けるので、特許文献１の静電容量方式のトルクセンサとは異なり、肉眼で視認できない程度の微小な歪を検出することができる。
【００６４】
そして、本実施形態のトルクセンサ１は、光学式の歪み検出素子（第１〜第４フォトインタラプタ５ａ〜５ｄ）の配置を図４に示すように工夫したので、非特許文献１に記載の光学式のトルクセンサとは異なり、歪み検出素子の出力信号に対する第１・第２起歪体２・３の伸縮、曲げの影響（他軸干渉）を低減することができる。
【００６５】
本実施形態のトルクセンサ１は、セルベース生産における多種の複雑形状部品の組み立て作業自動化に適用することができ、生活支援作業等における不定形物体・柔軟物体の搬送・操作自動化、高齢者や障碍者の介護支援に適用することができる。そして、その他、不定形物体との頻繁な衝突・接触を伴う作業自動化にも本実施形態のトルクセンサ１を適用することができる。
【００６６】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６７】
１  トルクセンサ
２  第１起歪体（第１高剛性部材）
３  第２起歪体（第２高剛性部材）
４  細径結合体
５ａ  第１フォトインタラプタ（第１光学素子）
５ｂ  第２フォトインタラプタ（第２光学素子）
５ｃ  第３フォトインタラプタ（第３光学素子）
５ｄ  第４フォトインタラプタ（第４光学素子）
６ａ  第１発光部
６ｂ  第２発光部
６ｃ  第３発光部
６ｄ  第４発光部
７ａ  第１受光部
７ｂ  第２受光部
７ｃ  第３受光部
７ｄ  第４受光部
８ａ  第１遮光板
８ｂ  第２遮光板
８ｃ  第３遮光板
８ｄ  第４遮光板
９  コの字状部材
１０  トルク算出回路
１１  カバー
１２  ベアリング軸受
１３  カバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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