(57)【要約】【課題】変形可能な変形機械要素を介して動力が伝達される装置における、変形機械要素の変形量を高精度に取得する。【解決手段】回転子２０と結合された第１アーム１と、固定子１０と結合された第２アーム２と、固定子１０と第２アーム２の間に設けられた弾性部材３０と、回転子２０に設けられたエンコーダ板Ｅと、固定子１０に設けられ、エンコーダ板Ｅの符号を検出する第１フォトセンサＳ１と、第２アーム２に設けられたエンコーダ板Ｅの符号を検出する第２フォトセンサＳ２とを備えて、駆動装置を構成する。【選択図】図２
2012016799.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動装置であって、
第１駆動部材、および、当該第１駆動部材と作用することで第１駆動部材との間に駆動力を発生し、第１駆動部材に対し相対的に運動する第２駆動部材を有する駆動源と、
前記第１駆動部材と結合された第１部材と、
前記第２駆動部材と結合された第２部材と、
前記第１駆動部材と前記第１部材の間、または、前記第２駆動部材と前記第２部材の間に設けられて、前記第１部材と前記第２部材の間に掛かる力により変形可能な変形機械要素と、
前記第１駆動部材に設けられ、当該第１駆動部材の前記第２駆動部材に対する相対的運動方向に所定ピッチで並んだ符号からなる第１符号群と、
前記第１駆動部材に設けられ、当該第１駆動部材の前記第２駆動部材に対する相対的運動方向に所定ピッチで並んだ符号からなる第２符号群と、
前記第２駆動部材に設けられ、前記第１符号群の符号を検出する第１検出器と、
前記第１部材および前記第２部材のうち、前記変形機械要素を介して前記第１駆動部材または前記第２駆動部材と結合された一方に設けられた、前記第２符号群の符号を検出する第２検出器とを備えたことを特徴とする駆動装置。
【請求項２】
前記駆動源は、回転駆動源であり、
前記第１駆動部材は、回転子であり、
前記第２駆動部材は、固定子であり、
前記第１符号群は、前記回転子と一体に回転する第１回転板に設けられ、
前記第２符号群は、前記回転子と一体に回転する第２回転板に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
【請求項３】
前記第１符号群と前記第２符号群は、所定ピッチで連続して並んだ共通の符号群であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の駆動装置
【請求項４】
前記第１回転板と前記第２回転板は、共通の１つの回転符号板であり、前記第１符号群および前記第２符号群は、前記回転符号板上の回転方向に所定ピッチで並ぶ符号からなることを特徴とする請求項２に記載の駆動装置。
【請求項５】
前記回転子と第１部材の間に、前記回転子の回転を減速する減速機が設けられたことを特徴とする請求項４に記載の駆動装置。
【請求項６】
前記減速機は、第１回転伝達体、第２回転伝達体および第３回転伝達体が互いに係合することで構成され、
前記第１回転伝達体は、前記回転子に結合され、
前記第２回転伝達体は、前記第１部材に結合され、
前記第３回転伝達体は、前記固定子に結合されたことを特徴とする請求項５に記載の駆動装置。
【請求項７】
前記減速機は、第１回転伝達体、第２回転伝達体が互いに係合することで構成され、
前記第１回転伝達体は、前記回転子に結合され、
前記第２回転伝達体は、前記第１部材に結合されるとともに前記固定子に回転が支持されていることを特徴とする請求項５に記載の駆動装置。
【請求項８】
前記第１検出器および前記第２検出器は、共に、前記回転符号板に対し、一方側に配置されたことを特徴とする請求項４から請求項７のいずれか１項に記載の駆動装置。
【請求項９】
前記変形機械要素の変形をする部分が、前記回転子の軸方向において、当該回転子の動力発生源の一端から他端まで延びていることを特徴とする請求項４から請求項８のいずれか１項に記載の駆動装置。
【請求項１０】
前記回転子と前記変形機械要素の一方は筒状に形成され、他方が一方の内側を通っていることを特徴とする請求項４から請求項９のいずれか一方に記載の駆動装置。
【請求項１１】
前記第１部材および前記第２部材のうち、前記第２検出器が設けられた部材には、カップリングで係合されることで当該部材と一体に回動するセンサ取付板が設けられ、前記第２検出器は、前記センサ取付板に固定されたことを特徴とする請求項４から請求項１０のいずれか１項に記載の駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動源により駆動可能な駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ロボットの関節機構として、モータや油圧アクチュエータなどの回転駆動源からの出力を、ばねなどの弾性部材を介して関節により接続されるリンクに伝達する構成が提案されている。このような関節機構は、ＳＥＡ（Ｓｅｒｉａｌ  Ｅｌａｓｔｉｃ  Ａｃｔｕａｔｏｒ）と呼ばれ、リンクが障害物などに衝突したときに、弾性部材が変形することで障害物や駆動源を保護したり、弾性部材の変形量に基づいてリンクに掛かる負荷を検出することで、ロボットの適切な制御を行うことが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−０５５５４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、弾性部材の変形量を取得するには、関節により接続される２つのリンクの回転角を検出するが、一方のリンクに回転符号板を設け、他方のリンクでこの回転符号板の回転検出を行う場合、回転符号板に設けたスリットなどによる符号のピッチにより検出角度の分解能の上限が決まり、検出精度を余り高くすることができない。
【０００５】
そして、今後、弾性部材のような変形可能な部材を介して駆動力を伝達する装置において、その変形量を検出する手段は、上述したロボットの駆動関節以外の装置においても求められることが予想される。
【０００６】
そこで、本発明は、変形可能な変形機械要素を介して動力が伝達される装置における、変形機械要素の変形量を高精度に取得することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記した目的を達成するため、本発明の駆動装置は、第１駆動部材、および、当該第１駆動部材と作用することで第１駆動部材との間に駆動力を発生し、第１駆動部材に対し相対的に運動する第２駆動部材を有する駆動源と、前記第１駆動部材と結合された第１部材と、前記第２駆動部材と結合された第２部材と、前記第１駆動部材と前記第１部材の間、または、前記第２駆動部材と前記第２部材の間に設けられて、前記第１部材と前記第２部材の間に掛かる力により変形可能な変形機械要素と、前記第１駆動部材に設けられ、当該第１駆動部材の前記第２駆動部材に対する相対的運動方向に所定ピッチで並んだ符号からなる第１符号群と、前記第１駆動部材に設けられ、当該第１駆動部材の前記第２駆動部材に対する相対的運動方向に所定ピッチで並んだ符号からなる第２符号群と、前記第２駆動部材に設けられ、前記第１符号群の符号を検出する第１検出器と、前記第１部材および前記第２部材のうち、前記変形機械要素を介して前記第１駆動部材または前記第２駆動部材と結合された一方に設けられた、前記第２符号群の符号を検出する第２検出器とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
このような駆動装置によれば、第１駆動部材に対し第２駆動部材が相対的に運動すると、第１検出器が第１符号群の符号を読み取り、第２検出器が第２符号群の符号を読み取る。この運動の最中に、外力または慣性力により第１駆動部材と第２駆動部材の間に力が掛かると、変形機械要素が変形する。すると、この変形の結果、第１検出器と第２検出器の、第１駆動部材と第２駆動部材の相対的運動方向についての距離（回転運動の場合には位相）が変わることで、第１検出器が読み取った符号によるパルスと、第２検出器が読み取った符号によるパルスには、変形量に応じた時間的なずれが生じる。したがって、このずれ（差）を利用して、変形機械要素の変形量を演算することが可能である。仮に、第１部材と第２部材の一方に符号群を設け、他方にこの符号を読み取る検出器を設けた場合には、符号のピッチ分の変形が生じて初めてそのピッチ分の変形量を取得できるため、符号のピッチが、検出精度の限界となるが、本発明によれば、第１駆動部材と第２駆動部材の相対的な運動により、第１検出部材と第２検出部材は、第１符号群または第２符号群を読み取ってパルスを出力し続け、変形機械要素に、符号群の符号のピッチより小さい変形が生じたときでも、このパルスのタイミングの差から変形量を演算できるため、高精度に変形機械要素の変形量を取得することができる。
【０００９】
なお、本発明においていう符号とは、検出装置を用いて位置情報を量子的に検出するために設けられたマークであり、このマークは、光、磁気、音など、如何なる物理的手段を利用した検出装置（第１検出器または第２検出器）により検出されるかは問わない。例えば、符号は、光の反射率の変調によるパターンであったり、形状のパターン（凹凸、穴など）であったり、磁気パターンであったりすることができる。
【００１０】
前記した駆動装置においては、前記駆動源は、回転駆動源であり、前記第１駆動部材は、回転子であり、前記第２駆動部材は、固定子であり、前記第１符号群は、前記回転子と一体に回転する第１回転板に設けられ、前記第２符号群は、前記回転子と一体に回転する第２回転板に設けられた構成とすることが可能である。
【００１１】
このような具体的な構成では、駆動装置を回転駆動装置、例えば、ロボットの駆動関節として利用することができる。
【００１２】
前記した各駆動装置においては、前記第１符号群と前記第２符号群は、所定ピッチで連続して並んだ共通の符号群である構成とすることができる。
【００１３】
このような構成によれば、符号群の数を減らして、装置の簡素化を図ることができる。
【００１４】
前記した回転駆動装置型の駆動装置においては、前記第１回転板と前記第２回転板は、共通の１つの回転符号板であり、前記第１符号群および前記第２符号群は、前記回転符号板上の回転方向に所定ピッチで並ぶ符号からなる構成とすることができる。
【００１５】
このような構成によれば、回転符号板を一つにすることができるので、駆動装置の小型化を図ることができる。
【００１６】
前記した回転駆動装置型の駆動装置においては、前記回転子と第１部材の間に、前記回転子の回転を減速する減速機が設けられた構成とすることができる。
【００１７】
回転子と第１部材の間に減速機が設けられると、第１部材と第２部材の相対回転角に対して、回転子の固定子に対する回転角が大きくなる。このため、第１部材と第２部材を互いに所定角度回転させる間に第１検出器が回転符号板の符号を検出する回数が多くなる。そして、第１部材と第２部材が所定角度回転する間に回転子が回転する回数が、減速機が無い場合に比較して多くなることにより、第１部材と第２部材が所定角度回転する間に第２検出器が回転符号板の符号を検出する回数も多くなる。このように、減速機で減速した分、第１部材と第２部材が所定角度回転する間に、第１検出器と第２検出器で回転符号板の符号を検出する回数が増えるので、第１検出器で検出した回転符号板の回転と第２検出器で検出した回転符号板の回転との比較による変形機械要素の変形量の検出分解能（回転子が回転している最中に検出できる分解能）が高くなる。
【００１８】
前記した回転駆動装置型の駆動装置においては、前記減速機は、第１回転伝達体、第２回転伝達体および第３回転伝達体が互いに係合することで構成され、前記第１回転伝達体は、前記回転子に結合され、前記第２回転伝達体は、前記第１部材に結合され、前記第３回転伝達体は、前記固定子に結合された構成とすることができる。
または、回転駆動装置型の駆動装置において、前記減速機は、第１回転伝達体、第２回転伝達体が互いに係合することで構成され、前記第１回転伝達体は、前記回転子に結合され、前記第２回転伝達体は、前記第１部材に結合されるとともに前記固定子に回転が支持された構成とすることができる。
【００１９】
前記した回転駆動装置型の駆動装置においては、前記第１検出器および前記第２検出器は、共に、前記回転符号板に対し、一方側に配置されることが望ましい。
【００２０】
このように、第１検出器と第２検出器を回転符号板に対し一方側に配置することで、回転符号板の両側に第１検出器と第２検出器を振り分けて配置する場合に比較して、駆動装置の大きさを回転子の軸方向に関してコンパクトにすることができる。
【００２１】
前記した回転駆動装置型の駆動装置においては、前記変形機械要素の変形をする部分が、前記回転子の軸方向において、当該回転子の動力発生源の一端から他端まで延びていることが望ましい。
【００２２】
このように、回転子の動力発生源の一端から他端に渡るように変形機械要素の変形する部分を配置することで、変形機械要素の変形をする部分の長さを長くすることができ、変形機械要素の強度を保ちつつ、大きな変形量を得ることができる。
【００２３】
前記した回転駆動装置型の駆動装置においては、前記回転子と前記変形機械要素の一方は筒状に形成され、他方が一方の内側を通っている構成とするのが望ましい。
【００２４】
このように構成することで、変形機械要素の変形可能な部分を十分な大きさで構成しつつ、全体としてコンパクトな駆動装置とすることができる。
【００２５】
前記した回転駆動装置型の駆動装置においては、前記第１部材および前記第２部材のうち、前記第２検出器が設けられた部材には、カップリングで係合されることで当該部材と一体に回動するセンサ取付板が設けられ、前記第２検出器は、前記センサ取付板に固定された構成とすることが望ましい。
【００２６】
このように、センサ取付板を、回転を結合するカップリングにより第２検出器が設けられた第１または第２部材と係合することで、センサ取付板には、第１または第２部材に掛かるモーメントがほとんど伝わらないため、第２検出器に外力が掛からず、第２検出器が取り付けられる部材の歪による検出の誤差を小さくすることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の駆動装置によれば、第１検出器が読み取った第１符号群の符号によるパルスと、第２検出器が読み取った第２符号群の符号によるパルスとを利用することで、変形機械要素の変形量を高精度に取得することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施形態に係るロボットの駆動関節が設けられる、ロボットのアームの全体斜視図である。
【図２】第１実施形態に係るロボットの駆動関節の、図１におけるII−II線断面図である。
【図３】第１実施形態に係るロボットの駆動関節の模式図である。
【図４】エンコーダ板と光検出器の位置関係を示す図であり、（ａ）アームに負荷が掛かる前と、（ｂ）アームに負荷が掛かった後を示す。
【図５】（ａ）各光検出器による符号のカウントと各検出器のカウントの差を示す図と、（ｂ）一つの光検出器で変形量を検出しようとした場合の光検出器のカウントを示す図である。
【図６】ロボットアームを回動させながら負荷を掛けた場合の時間と弾性部材の回転角度（変形量）の関係を示すグラフである。
【図７】第１実施形態に係るロボットの駆動関節の変形例を示す断面図である。
【図８】第２実施形態に係るロボットの駆動関節の、図１におけるII−II線断面図である。
【図９】第２実施形態に係るロボットの駆動関節の模式図である。
【図１０】第３実施形態に係るロボットの駆動関節の模式図である。
【図１１】第４実施形態に係るロボットの駆動関節の模式図である。
【図１２】第５実施形態に係るロボットの駆動関節の模式図である。
【図１３】第６実施形態に係るロボットの駆動関節の模式図である。
【図１４】第７実施形態に係るロボットの駆動関節の模式図である。
【図１５】第８実施形態に係るリニアモーターカーの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。以下の説明において、第１から第７実施形態においては、駆動装置として、回転駆動装置型の駆動装置の例であるロボットの駆動関節を例示し、第８実施形態においては、リニア型の駆動装置の例であるリニアモーターカーを例示する。なお、第８実施形態は、本発明を最もシンプルに実現した形態であるので、本発明の理解に好適と思われる。
【００３０】
図１に示すように、ロボットの駆動関節Ａは、ロボットの第１アーム１と第２アーム２とを、関節部４において互いに回動可能に係合しているとともに、モータにより互いを回動駆動するように構成されている。なお、第１アーム１は第１部材の一例であり、第２アーム２は第２部材の一例である。
【００３１】
［第１実施形態］
図２および図３に示すように、第１実施形態に係る駆動関節Ａは、主に、回転駆動源の一例としてのモータＭ、減速機の一例としてのハーモニックドライブ減速機Ｒ、変形機械要素の一例としての弾性部材３０を備えている。ここでは、駆動関節Ａの理解を容易にするため、まず、図３を参照して構造および動作原理の概略を説明する。なお、以下の説明において、左右は、参照する図面を基準とする。
【００３２】
図３に示すように、モータＭは、公知のモータと同様に第２駆動部材の一例としての固定子１０および第１駆動部材の一例としての回転子２０を有し、固定子１０に対して回転子２０が回転駆動するように構成されている。回転子２０は、回転軸２１にコイル２２、回転符号板の一例としてのエンコーダ板Ｅ、ウェーブジェネレータ２３が設けられている。
【００３３】
コイル２２は、モータＭにおける動力発生源の一例であり、電流が適宜なタイミングで供給されることで、固定子１０に設けられた磁石との相互作用により回転駆動力を発生する。エンコーダ板Ｅは、図４に示すように、周方向に一定のピッチで符号の一例としてのスリットＳＬが設けられた円板である。このエンコーダ板Ｅは、第１符号群および第２符号群が所定ピッチで周方向に連続して並んだ共通の符号群の一例であり、また、第１回転板と第２回転板を共通の１つの回転符号板としたものである。
【００３４】
ハーモニックドライブ減速機Ｒは、大きな減速比を実現する公知の減速機構であり、第１回転伝達体の一例としてのウェーブジェネレータ２３と、第３回転伝達体の一例としてのフレクスプライン３５と、第２回転伝達体の一例としてのサーキュラスプライン４１とを備えて構成されている。フレクスプライン３５は、固定子１０に結合され、サーキュラスプライン４１は、モータＭの回転出力を受ける第１アーム１の根本部分である関節接続部４０に結合されている。すなわち、ハーモニックドライブ減速機Ｒは、回転子２０と第１アーム１（第１部材）の間に配置されている。
【００３５】
第２アーム２は、弾性部材３０を介して固定子１０の左端付近に結合されている。弾性部材３０は、第２アーム２と第１アーム１の間に掛かるモーメントによりモータＭの回転軸２１と同軸周りで捩れ変形可能な部材である。
【００３６】
エンコーダ板Ｅの左側には、エンコーダ板Ｅに対面してスリットＳＬを検出する第１検出器の一例としての第１フォトセンサＳ１が配置され、エンコーダ板Ｅの右側には、エンコーダ板Ｅに対面してスリットＳＬを検出する第２検出器の一例としての第２フォトセンサＳ２が配置されている。第１フォトセンサＳ１は固定子１０に設けられ、第２フォトセンサＳ２は、第２アーム２に設けられている。すなわち、第２フォトセンサＳ２は、第２アーム２と第１アーム１のうち、弾性部材３０を介して固定子１０に結合された一方である第２アーム２に設けられている。
【００３７】
このような構成により、駆動関節Ａは、モータＭの回転子２０が回転すると、ハーモニックドライブ減速機Ｒによりこの回転が大きく減速されて固定子１０に伝わり、第１アーム１に対し固定子１０が少しずつ回転する。固定子１０が回転すると、弾性部材３０を介して結合されている第２アーム２が固定子１０と一体に回転する。第２アーム２または第１アーム１が、何か他の物に当たった場合や、加速した場合など、何らかの負荷が掛かった場合には、この負荷に応じて弾性部材３０が捩れ変形し、駆動関節Ａに適度な柔軟性を持たせることができるようになっている。
【００３８】
図２に戻り、駆動関節Ａの具体的な構造について説明する。
第２アーム２は、右側においてベアリング８１により第１アーム１に回動可能に支持されている。また、第２アーム２は、左側においてベアリングローラ８２を介して支持リング８９に回動可能に支持され、支持リング８９は、ベアリングローラ８３を介してリング状のサーキュラスプライン４１に回動可能に支持されている。そして、サーキュラスプライン４１は、ボルト９１により第１アーム１の関節接続部４０に固定されている。このように、第２アーム２の左端は、ベアリングローラ８２，８３を介して第１アーム１に回動可能に支持されている。
【００３９】
弾性部材３０は、左支持部３１と右支持部３２を有し、左支持部３１と右支持部３２が、弾性変形可能なバネ部３３により結合されている。バネ部３３は、詳細は図示しないが変形可能な金属製のワイヤまたは棒状の部材が筒状に並んで構成されている。前記した回転子２０を含むモータＭは、この筒状に形成されたバネ部３３の内側に配置されていることで、駆動関節Ａが全体としてコンパクトに構成されている。
【００４０】
フレクスプライン３５は外側にスプライン（ギヤ歯）を有する薄肉のギヤであり、弾性部材３０の左支持部３１から左方に延びるように左支持部３１と一体に構成されている。フレクスプライン３５の外歯の数はサーキュラスプライン４１の内歯の数よりも僅かに少ない。左支持部３１は、ボルト９２により支持リング８９に固定され、右支持部３２は、ボルト９３により第２アーム２に固定されている。また、左支持部３１は、固定子１０の外側に、圧入、接着または係合により結合され、固定子１０が第１アーム１に対し回動するのに伴い固定子１０と一体に回動するようになっている。
【００４１】
ウェーブジェネレータ２３は、薄肉のベアリング２３ａを外周に有しており、外周形状が楕円となっている（図示せず）。ウェーブジェネレータ２３の楕円の長軸方向の部分は、サーキュラスプライン４１との間でフレクスプライン３５を挟持している。そのため、ウェーブジェネレータ２３が回転すると、ウェーブジェネレータ２３とサーキュラスプライン４１によるフレクスプライン３５の挟持位置、つまり、サーキュラスプライン４１とフレクスプライン３５の歯合箇所が周方向に移動し、これにより、ウェーブジェネレータ２３が一回転するとサーキュラスプライン４１の内歯とフレクスプライン３５の外歯の歯数の差に対応する角度だけサーキュラスプライン４１に対してフレクスプライン３５が回転するようになっている。
【００４２】
モータＭは、中空の固定子１０内に回転子２０が回転可能に支持されている。回転子２０の回転軸２１の右端にはエンコーダ板Ｅが固定されている。エンコーダ板ＥのスリットＳＬを検出する第１フォトセンサＳ１は、固定子１０の内壁に固定されている。第１フォトセンサＳ１は、図示しない発光部および受光部を有し、発光部と受光部がエンコーダ板Ｅを挟んで両側に配置されている。これにより、エンコーダ板Ｅの回転に伴い、発光部と受光部の間をスリットＳＬが通過する度に発光部が発した光を受光部が受光することで、第１フォトセンサＳ１に対するスリットＳＬの通過を検出することができる。
【００４３】
一方、エンコーダ板ＥのスリットＳＬを検出する第２フォトセンサＳ２は、カバー５１およびカップリング部材５２を介して第２アーム２に結合されたセンサ取付板５３に固定されている。カバー５１は、ボルト９３により第２アーム２に固定され、関節部４の右側を覆っている。カバー５１の中心には、回転子２０の回転軸２１と同軸位置に突起５１ａが内側に突出するように設けられている。センサ取付板５３は円板形状を有し、外周部分でベアリング８４により固定子１０に回転可能に支持されている。センサ取付板５３の中心には、回転子２０の回転軸２１と同軸位置に突起５３ａが外側に突出するように設けられ、突起５３ａと突起５１ａが、筒状のカップリング部材５２によりカバー５１とセンサ取付板５３の回転を伝えるように繋いでいる。カップリング部材５２は、例えば、キーやセレーションなどにより突起５１ａおよび突起５３ａと係合しており、センサ取付板５３は、カバー５１と一体に回転するようになっている。
【００４４】
ここで、仮に、第２フォトセンサＳ２がカバー５１に直接取り付けられていた場合には、第２アーム２に掛かる負荷によりカバー５１が歪んで第２フォトセンサＳ２による検出に誤差が生じるおそれがある。しかし、本実施形態では、センサ取付板５３は、回転を伝えるカップリング部材５２で第２アーム２（カバー５１）と係合していることにより、第２アーム２に掛かる負荷により歪むことなく第２アーム２と一体に回転することができる。そして、第２フォトセンサＳ２は、第２アーム２に掛かる負荷により歪むことがないセンサ取付板５３に固定されることで、エンコーダ板Ｅの回転の検出誤差が小さくなっている。なお、本実施形態では、製作を容易にするため、筒状のカップリング部材５２を用いて第２アーム２（カバー５１）とセンサ取付板５３の回転を結合していたが、突起５１ａをセレーション軸とし、センサ取付板５３にセレーション穴を設け、このセレーション軸とセレーション穴のカップリングによりカバー５１とセンサ取付板５３の回転を結合してもよい。
【００４５】
第１フォトセンサＳ１の検出結果と第２フォトセンサＳ２の検出結果は、図示しないモータ制御装置に出力されている。モータ制御装置は、第１フォトセンサＳ１の検出結果により、固定子１０に対する回転子２０の回転角を演算し、これによりモータＭの動作および停止を制御することで、ロボットの制御装置が所望する回転角だけ第１アーム１に対し第２アーム２を回動させる。また、モータ制御装置は、第１フォトセンサＳ１の検出結果から求まる固定子１０に対する回転子２０の回転量と、第２フォトセンサＳ２の検出結果から求まる第２アーム２に対する回転子２０の回転量の比較に基づき弾性部材３０の捩れ変形量を求める。この具体的な方法の一例は後述する。
【００４６】
以上のように構成されたロボットの駆動関節Ａは、モータＭが回転すると、固定子１０に対して回転子２０が回転し、回転子２０の高速回転がハーモニックドライブ減速機Ｒにより大きく減速されて第１アーム１に対する固定子１０のゆっくりとした回転へと伝えられる。固定子１０は、弾性部材３０を介して第２アーム２に結合されているので、固定子１０の回転とともに第２アーム２がゆっくりと回転する。
【００４７】
このようにして第２アーム２が第１アーム１に対し回転すると、第２アーム２が何かの物体に当たることがある。第２アーム２に外力や慣性力が加わっていないとき、図４（ａ）に示すように、第１フォトセンサＳ１は回転軸２１を挟んで第２フォトセンサＳ２と反対側に位置するが、第２アーム２に外力や慣性力が加わると、弾性部材３０が捩れ変形することで、例えば図４（ｂ）に示すように、第２フォトセンサＳ２は第１フォトセンサＳ１に対し図４の時計回りに変位する。この第１フォトセンサＳ１に対する第２フォトセンサＳ２の回転変位は弾性部材３０の捩れ変形量に相当するので、第１フォトセンサＳ１で検出したエンコーダ板Ｅの回転量と第２フォトセンサＳ２で検出したエンコーダ板Ｅの回転量の差が弾性部材３０の捩れ変形量に相当する。
【００４８】
この捩れ変形量を高精度に算出する場合、図５（ａ）に示すように、第１フォトセンサＳ１で検出したスリットＳＬのカウントＣＡと第２フォトセンサＳ２で検出したスリットＳＬのカウントＣＢの差ΔＣを適宜な短い時間間隔で求め、過去の複数個のΔＣの平均を算出するとよい。すなわち、ΔＣの所定時間中の平均を求めるとよい。このようにΔＣの時間的平均を求めると、ΔＣが徐々に増加していくことを算出できるので、弾性部材３０の変形量を高い分解能で取得することができる。
【００４９】
この効果は、第１フォトセンサＳ１の検出結果と第２フォトセンサＳ２の検出結果を比較することにより顕著に得られるもので、例えば、比較例として、固定子１０に設けられたエンコーダ板を第２アーム２に固定されたフォトセンサで検出し、この一つのフォトセンサの検出結果から弾性部材３０の変形量を求めようとする場合には、エンコーダ板に設けられた符号（スリットなど）の分解能（角度方向の細かさ）とほぼ同じ分解能しか得られない。この１つのフォトセンサにより検出される符号のカウントＣＣを図５（ａ）と同じ時間スケールで図示すると図５（ｂ）のようになる。
【００５０】
この図５（ａ），（ｂ）の２つの例において、過去８回分のΔＣの平均またはＣＣの平均から弾性部材３０の変形量を算出した結果が図６である。図６に示すように、２つのフォトセンサのカウントの差ΔＣから弾性部材３０の変形量（捩れによる回転角度で縦軸に示す）を求めた場合には、変形量の計算値（回転角）は、弾性部材３０の実際の変形量（横軸の時間）に応じておよそ線形に変化し、高い分解能で計算結果を得られることが分かる。一方、１つのフォトセンサの検出結果の時間的平均を取っても、およそ段階的にしか変形量（回転角度）を求められないことが分かる。
【００５１】
以上のように、本実施形態のロボットの駆動関節Ａによれば、主としてモータＭの回転角の検出のために第１フォトセンサＳ１と、弾性部材３０の変形量の検出のための第２フォトセンサＳ２とを、回転子２０に設けた１つのエンコーダ板Ｅに対面させ、スリットＳＬを検出させることで、モータＭの回転角の検出と弾性部材３０の変形量の検出のために２つのエンコーダ板Ｅを設ける場合に比較して、エンコーダ板Ｅが１つで済む分、スペース効率が良くなり、駆動関節Ａの回動軸方向の大きさを小さくすることができる。
【００５２】
そして、本実施形態の駆動関節Ａでは、回転子２０の回転は、ハーモニックドライブ減速機Ｒを介して第１アーム１に対する第２アーム２の回転へと伝えられるため、第２アーム２と第１アーム１が所定角度回動する間に、回転子２０はその所定角度より大きな角度だけ回転する。そのため、第２アーム２と第１アーム１が所定角度回動する間に、第１フォトセンサＳ１と第２フォトセンサＳ２で多くのスリットＳＬを検出することができるので、高い分解能で弾性部材３０の変形量を算出することが可能である。
【００５３】
また、弾性部材３０の捩れ変形をする部分であるバネ部３３が、回転軸２１の軸方向において、回転子２０の動力発生源であるコイル２２の左端から右端へ渡るように延びているので、バネ部３３を左右に長くとることができ、バネ部３３の強度を保ちながら、変形量、すなわち、ロボットの関節の柔軟性を高くすることができる。
【００５４】
そして、弾性部材３０は、筒状に形成され、この筒状の弾性部材３０の内側にモータＭが入っていることで、弾性部材３０の捩れ変形可能な部分であるバネ部３３を十分な大きさで構成しつつ、駆動関節Ａをコンパクトにすることができる。
【００５５】
以上に本発明の第１実施形態について説明したが、第１実施形態に第１フォトセンサＳ１と第２フォトセンサＳ２による符号の読み取りを、エンコーダ板Ｅの透過によるのではなく、エンコーダ板Ｅでの反射により検出するようにすれば、駆動関節Ａをよりコンパクトにすることができる。反射型のフォトセンサを用いる場合には、例えば、図７に示す駆動関節Ａ′のように、第１フォトセンサＳ１′および第２フォトセンサＳ２′を共にエンコーダ板Ｅの右側（左右の一方側のみ）に配置する。このようにすると、エンコーダ板Ｅの左側にフォトセンサの一部ないし全部を配置する必要がないので、その分、駆動関節Ａ′を駆動軸（回転軸２１）の軸方向に短くすることができる。
【００５６】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態においては、第１実施形態と同じ機能を有する部材については、配置や形状が異なる場合にもできるだけ第１実施形態と同じ符号を付して詳細な説明を省略する。本実施形態においても、まず、図９の模式図を参照して全体構造を説明した後、図８を参照して詳細な構造を説明する。
【００５７】
図９に示すように、第２実施形態に係るロボットの駆動関節１００は、回転子１２０を中空に形成し、弾性部材１３０を回転子１２０の内側を通して左端から右端へ延ばした形態である。駆動関節１００において、固定子１０は、第２アーム２に固定され、また、固定子１０に第３回転伝達体の一例としてのサーキュラスプライン４１が結合されている。
【００５８】
回転子１２０は、回転軸１２１が貫通した中空部分を有する円筒状に形成され、左端に第１回転伝達体の一例としてのウェーブジェネレータ１２３が結合されている。
【００５９】
弾性部材１３０は、左端部１３１と、第１アーム１と接続する部分である右端部１３２と、左端部１３１および右端部１３２を接続し、弾性変形可能な細軸状のバネ部１３３とを有している。左端部１３１には、第２回転伝達体の一例としてのフレクスプライン３５が結合されている。
【００６０】
このような構成により、駆動関節１００は、モータＭの回転子１２０が回転すると、ハーモニックドライブ減速機Ｒによりこの回転が大きく減速されてフレクスプライン３５に伝わり、固定子１０に対し第１アーム１が少しずつ回転する。そして、第１アーム１が何か他の物に当たった場合など、何らかの負荷が掛かった場合には、この負荷に応じて弾性部材１３０が捩れ変形し、駆動関節１００に適度な柔軟性を持たせることができるようになっている。
【００６１】
図８に戻り、駆動関節１００の具体的な構造について説明する。
第１アーム１は、右端においてベアリング１８１により第２アーム２に回動可能に支持されている。また、第１アーム１は、左端においてベアリング１８２を介して第２アーム２に回動可能に支持されている。
【００６２】
弾性部材３０の右端部１３２は、バネ部１３３よりも太軸状に形成され、第１アーム１に形成された嵌合孔３ａ内に圧入されて第１アーム１と一体に回動するようになっている。弾性部材３０のバネ部１３３は、回転子１２０の中空の回転軸１２１内を通って回転子１２０の左端から右端へと貫通しているので、駆動関節１００の全体をコンパクトに構成しながら、バネ部１３３は左右に長く構成されることで変形量を大きくとることができる。
【００６３】
弾性部材３０の左端部１３１には、ボルト１９２によりフレクスプライン３５が固定されている。また、左端部１３１は、その外周において、ベアリング１８３により第２アーム２に回転可能に支持されている。
【００６４】
回転子１２０の回転軸１２１の左端には、外周にベアリング２３ａを有するウェーブジェネレータ１２３が設けられている。さらに、第２アーム２には、ボルト１９１によりサーキュラスプライン４１が固定されている。サーキュラスプライン４１はまた、固定子１０とも接着や嵌合などにより結合されて、これにより、固定子１０、サーキュラスプライン４１および第２アーム２は一体となっている。サーキュラスプライン４１とウェーブジェネレータ１２３は、フレクスプライン３５を挟持して、これら３つの部材でハーモニックドライブ減速機Ｒを構成している。
なお、回転子１２０は、ベアリング１８４，１８５により固定子１０の内側において回転可能に支持されている。
【００６５】
第１実施形態と同様に、第１フォトセンサＳ１は固定子１０に固定され、第２フォトセンサＳ２はセンサ取付板５３に固定されている。また、センサ取付板５３がカップリング部材５２を介して第１アーム１に結合されている点も第１実施形態と同様である。
【００６６】
以上のように構成された本実施形態の駆動関節１００によっても、第１実施形態の駆動関節Ａと同様に、モータＭの回転子１２０が回転すると、この回転がハーモニックドライブ減速機Ｒで減速されて固定子１０および第２アーム２に対し第１アーム１がゆっくりと回転する。そして、第１アーム１は、弾性部材１３０を介してフレクスプライン３５の回転が伝えられるため、第１アーム１に物が当たるなどの負荷が掛かると、弾性部材１３０のバネ部１３３が捩れ変形して駆動関節１００の柔軟性が発揮される。そして、回転子１２０の回転は、ハーモニックドライブ減速機Ｒを介して第２アーム２に対する第１アーム１の回転へと伝えられるため、第２アーム２に対して第１アーム１が所定角度回動する間に、第１フォトセンサＳ１と第２フォトセンサＳ２で多くのスリットＳＬを検出することができるので、高い分解能で弾性部材３０の変形量を算出することが可能である。
【００６７】
また、弾性部材１３０の捩れ変形をする部分であるバネ部１３３が、回転軸１２１の軸方向において、回転子１２０の動力発生源であるコイル２２の左端から右端へ渡るように延びているので、バネ部３３を左右に長くとることができ、バネ部１３３の強度を保ちながら、ロボットの関節の柔軟性を高くすることができる。
【００６８】
そして、バネ部１３３が細軸に形成され、回転子１２０の回転軸１２１が筒状に形成され、回転子１２０の内側にバネ部１３３が入っていることで、駆動関節１００をコンパクトにすることができる。
【００６９】
以上には、減速機としてハーモニックドライブ減速機Ｒを用いる場合を例示したが、本発明のロボットの駆動関節は、以下の第３から第５実施形態のように、減速機を用いずに構成することもできるし、他の減速機を用いて構成することもできる。
【００７０】
［第３実施形態］
図１０に示すロボットの駆動関節２００は、減速機を用いずに構成した例である。駆動関節２００は、回転子２０の右端にエンコーダ板Ｅを有し、エンコーダ板Ｅのさらに右側に回転軸２１と同軸で弾性部材３０が延び、弾性部材３０の右端に第１アーム１が固定されている。これにより、回転子２０の回転は、弾性部材３０を介して第１アーム１に伝えられるようになっている。そして、第１フォトセンサＳ１はエンコーダ板Ｅの左側に位置するように固定子１０の内周に固定され、第２フォトセンサＳ２はエンコーダ板Ｅの右側に位置するように第１アーム１に固定されている。このような駆動関節２００においても、モータＭの回転を第１フォトセンサＳ１で検出できるとともに、弾性部材３０の変形量を第１フォトセンサＳ１の検出結果と第２フォトセンサＳ２の検出結果を比較することで取得することができる。そして、第１フォトセンサＳ１と第２フォトセンサＳ２が共通のエンコーダ板Ｅの回転を検出するように配置されることで、駆動関節２００のコンパクト化が図られている。
【００７１】
［第４実施形態］
図１１に示すロボットの駆動関節３００は、減速機として遊星ギヤ機構Ｒ１を用いたものである。駆動関節３００は、回転子２０の回転軸２１の左端に第１回転伝達体の一例としてのサンギヤ３４１が結合され、固定子１０に第３回転伝達体の一例としてのリングギヤ３４３が結合され、キャリア３４０に第２回転伝達体の一例としてのプラネタリギヤ３４２が回転可能に設けられている。そして、キャリア３４０が、駆動関節３００の左端から右端まで延びる弾性部材３０を介して第１アーム１に結合されている。そして、第３実施形態と同様に、第１フォトセンサＳ１はエンコーダ板Ｅの左側に位置するように固定子１０の内周に固定され、第２フォトセンサＳ２はエンコーダ板Ｅの右側に位置するように第１アーム１に固定されている。
【００７２】
このような駆動関節３００においても、モータＭの回転を第１フォトセンサＳ１で検出できるとともに、弾性部材３０の変形量を第１フォトセンサＳ１の検出結果と第２フォトセンサＳ２の検出結果を比較することで取得することができる。そして、第１フォトセンサＳ１と第２フォトセンサＳ２が共通のエンコーダ板Ｅの回転を検出するように配置されることで、駆動関節３００のコンパクト化が図られている。
【００７３】
［第５実施形態］
図１２に示すロボットの駆動関節４００は、回転子２０の回転軸２１の左端に第１回転伝達体の一例としての第１平歯車４４１が結合され、第１アーム１の関節接続部４０に、第２平歯車４４３が設けられている。第２平歯車４４３は、固定子１０に回転可能に支持されている。第１平歯車４４１は第２平歯車４４３と係合していることで、第１平歯車４４１の回転が第２平歯車４４３を介して第１アーム１に伝わるようになっている。
【００７４】
そして、第１実施形態と同様に、筒状で、モータＭの回転軸２１と同軸で捩れ変形可能な弾性部材３０が用いられ、固定子１０の左端部付近には弾性部材３０の左端が結合され、弾性部材３０の右端は第２アーム２に結合されている。また、第１実施形態と同様に、第１フォトセンサＳ１はエンコーダ板Ｅの左側に位置するように固定子１０の内周に固定され、第２フォトセンサＳ２はエンコーダ板Ｅの右側に位置するように第２アーム２に固定されている。
【００７５】
このような駆動関節４００においても、モータＭの回転を第１フォトセンサＳ１で検出できるとともに、弾性部材３０の変形量を第１フォトセンサＳ１の検出結果と第２フォトセンサＳ２の検出結果を比較することで取得することができる。そして、第１フォトセンサＳ１と第２フォトセンサＳ２が共通のエンコーダ板Ｅの回転を検出するように配置されることで、駆動関節４００のコンパクト化が図られている。
【００７６】
［第６実施形態］
以上においては、符号群が１つの場合について説明したが、本発明は、第６および第７実施形態のように、第１符号群と第２符号群を設け、第１符号群の符号を第１フォトセンサＳ１で検出し、第２符号群の符号を第２フォトセンサＳ２で検出するように構成することもできる。
【００７７】
図１３に示すロボットの駆動関節５００は、回転子２０の回転軸２１の右端に第１回転伝達体の一例としてのウェーブジェネレータ２３が結合されている。第１アーム１には、フレクスプライン３５が結合され、フレクスプライン３５は薄肉に形成されることで、バネ部３３としても機能している。固定子１０には、サーキュラスプライン４１が結合されている。
【００７８】
回転子２０の回転軸２１には、左端に第１符号群を有する第１エンコーダ板Ｅ１が設けられ、右端に第２符号群を有する第２エンコーダ板Ｅ２が設けられている。そして、第１フォトセンサＳ１は固定子１０において第１エンコーダ板Ｅ１の右側に位置するように設けられ、第２フォトセンサＳ２は第１アーム１において第２エンコーダ板Ｅ２の右側に位置するように設けられている。
【００７９】
このような駆動関節５００においても、モータＭの回転を第１フォトセンサＳ１で検出できるとともに、第１フォトセンサＳ１の検出結果と第２フォトセンサＳ２の検出結果を比較することで、弾性部材３０の変形量を高精度に取得することができる。
【００８０】
［第７実施形態］
図１４に示すロボットの駆動関節６００は、回転子２０の回転軸２１の右端にウェーブジェネレータ２３が設けられている。ウェーブジェネレータ２３の左面には、第１符号群を有する第１エンコーダ板Ｅ１が貼り付けられ、右面には、第２符号群を有する第２エンコーダ板Ｅ２が貼り付けられている。そして、第１アーム１には、カップ状のフレクスプライン３５が結合され、フレクスプライン３５は薄肉に形成されることで、バネ部３３としても機能している。固定子１０には、サーキュラスプライン４１が結合されている。
【００８１】
第１フォトセンサＳ１は固定子１０において第１エンコーダ板Ｅ１の左側に位置するように設けられ、第２フォトセンサＳ２は、第１アーム１において第２エンコーダ板Ｅ２の右側に位置するように設けられている。また、第２フォトセンサＳ２は、カップ状のフレクスプライン３５の中に収まるように配置されている。
【００８２】
このような駆動関節６００においても、モータＭの回転を第１フォトセンサＳ１で検出できるとともに、第１フォトセンサＳ１の検出結果と第２フォトセンサＳ２の検出結果を比較することで、弾性部材３０の変形量を高精度に取得することができる。また、カップ状のフレクスプライン３５の中に第２フォトセンサＳ２を配置することで、スペース効率が向上されている。
【００８３】
［第８実施形態］
第８実施形態で説明する駆動装置の一例としてのリニアモーターカーは、本発明を最もシンプルに実現した形態である。
図１５に示すように、リニアモーターカー７００は、第１部材の一例としての軌道７０１上を、２両編成の車両ＬＭが走行するように構成されている。軌道７０１には、第１駆動部材の一例としての複数の電磁石７２０が軌道７０１の延びる方向に沿って所定ピッチで設けられている。また、軌道７０１の、車両ＬＭに対向する面には、連続的に、所定ピッチの符号を表示した符号ラインＥ′が表示されている。この符号ラインＥ′は、第１符号群および第２符号群が所定ピッチで軌道７０１の長手方向に連続して並んだ共通の符号群の一例である。車両ＬＭは、第２駆動部材の一例としての牽引車両７１０と、第２部材の一例としての客車車両７０２とを備えている。客車車両７０２は変形機械要素の一例としての連結器７３３を介して牽引車両７１０に連結されている。連結器７３３は、牽引車両７１０の加速、減速を、緩やかに客車車両７０２に伝達するため、金属バネや、エアシリンダなどのクッション性を備えた機械要素を含んでいる。
【００８４】
牽引車両７１０は、公知のリニアモーターカーの車両と同様に、電磁石７２０と作用する永久磁石７１１を備えている。また、牽引車両７１０の右側壁には、第１検出器の一例として、符号ラインＥ′の符号を読み取る反射型の第１フォトセンサＳ１′が設けられ、客車車両７０２の右側壁には、第２検出器の一例として、符号ラインＥ′の符号を読み取る第２フォトセンサＳ２′が設けられている。
【００８５】
このようなリニアモーターカー７００によれば、電磁石７２０と永久磁石７１１との作用により、車両ＬＭが走行すると、第１フォトセンサＳ１′と第２フォトセンサＳ２′が、次々と符号ラインＥ′の符号を読み取って、パルスを出力する。そして、牽引車両７１０の加速または減速により、牽引車両７１０と客車車両７０２の間に力が掛かると連結器７３３が変形する。この変形により、第１フォトセンサＳ１′からのパルスと第２フォトセンサＳ２′からのパルスには時間的なずれが生じるので、このずれに基づき、高精度に連結器７３３の変形量を演算することができる。この変形量の精度につき補足すると、仮に、連結器７３３の牽引車両７１０側の部分に符号ラインを設け、連結器７３３の客車車両７０２側でこの符号ラインを読み取る検出器を設けたとすると、符号ラインの符号ピッチ以上の変形が生じなければ変形量を求めることができない。すなわち、符号ピッチの細かさ以上の精度で変形量を求めることができない。しかし、本実施形態では、車両ＬＭが高速で走行し、第１フォトセンサＳ１′と第２フォトセンサＳ２′が次々と軌道７０１の符号ラインＥ′の符号を読み取るので、図５を参照して第１実施形態において説明したように、僅かな変形でもその変形量を取得することが可能である。
【００８６】
なお、第１フォトセンサＳ１′から得られるパルスは、牽引車両７１０の速度を求めるのにも利用することができ、第２フォトセンサＳ２′から得られるパルスは、客車車両７０２の速度を求めるのにも利用することができる。
【００８７】
以上に本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前記した各実施形態に限定されることなく適宜変形して実施することが可能である。
例えば、第１部材、第２部材として、ロボットの部分としてアームを例示したが、第１部材および第２部材は、必ずしもアーム形状でなくてもよい。例えば、本発明は、ロボットの首関節に用いることも可能である。この場合には、第１部材または第２部材はロボットの頭部分となる。
【００８８】
また、変形機械要素として、弾性部材を例示したが、変形機械要素は、変形可能であれば、弾性とともに粘性の性質を有する粘弾性体であってもよいし、エアシリンダやオイルシリンダなどの機械部品であってもよい。
【００８９】
さらに、回転符号板として、スリットＳＬを有するエンコーダ板Ｅを例示したが、回転符号板は、スリットＳＬに相当する位置に、符号として黒色の線やミラーを配置したものであってもよい。
【００９０】
また、回転駆動源の一例として、電動のモータを例示したが、流体によりタービンを回転させるような駆動源であってもよい。この場合、回転子の動力発生源はタービンとなる。
【符号の説明】
【００９１】
１      駆動関節
２      第１アーム
３      第２アーム
４      関節部
１０    固定子
２０    回転子
２１    回転軸
２２    コイル
２３    ウェーブジェネレータ
３０    弾性部材
３１    左支持部
３２    右支持部
３３    バネ部
３５    フレクスプライン
４０    関節接続部
４１    サーキュラスプライン
５１    カバー
５２    カップリング部材
５３    センサ取付板
Ｅ      エンコーダ板
ＳＬ    スリット
Ｍ      モータ
Ｒ      ハーモニックドライブ減速機
Ｓ１    第１フォトセンサ
Ｓ２    第２フォトセンサ
【図１】
2012016799.tif 000003
【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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【図１４】
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【図１５】
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