(57)【要約】【課題】小型化され、かつ、トルクを精度よく検出可能なトルクセンサ及び力制御型アクチュエータを提案する。【解決手段】トルクセンサは、入力軸の回りに軸回転可能な第１の回転体と、出力軸の回りに軸回転可能な第２の回転体と、第１の回転体と第２の回転体とに渡って設けられ、入力軸に平行な第１の方向の一方側を向く第１の面、及び、第１の方向の他方側を向く第２の面を有し、第１の回転体及び第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、第１の面及び第２の面にそれぞれ設けられて起歪部の歪みを検出する複数の歪検出部と、を備える。【選択図】図３
2017203645.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力軸の回りに軸回転可能な第１の回転体と、
出力軸の回りに軸回転可能な第２の回転体と、
前記第１の回転体と前記第２の回転体とに渡って設けられ、前記入力軸に平行な第１の方向の一方側を向く第１の面、及び、前記第１の方向の他方側を向く第２の面を有し、前記第１の回転体及び前記第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、
前記第１の面及び前記第２の面にそれぞれ設けられて前記起歪部の歪みを検出する複数の歪検出部と、
を備えた、トルクセンサ。
【請求項２】
前記複数の歪検出部は、前記第１の面に備えられて、前記起歪部に作用するせん断応力を検出する第１の歪ゲージ、第２の歪ゲージ、第３の歪ゲージ及び第４の歪ゲージと、
前記第２の面に備えられて、前記起歪部に作用するせん断応力を検出する第５の歪ゲージ、第６の歪ゲージ、第７の歪ゲージ及び第８の歪ゲージと、を備え、
８アクティブ４ゲージ法の等価回路を構成する、請求項１に記載のトルクセンサ。
【請求項３】
前記起歪部は、前記第１の回転体と前記第２の回転体との間に放射状に延在する複数の接続部を有する、請求項１に記載のトルクセンサ。
【請求項４】
前記複数の接続部は、前記第１の方向の幅が、前記入力軸の軸回り方向の幅よりも小さい板状を有する、請求項３に記載のトルクセンサ。
【請求項５】
前記複数の接続部のうちの隣り合う前記接続部の間に、前記複数の歪検出部が電気的に接続される回路基板が配置される、請求項３に記載のトルクセンサ。
【請求項６】
前記複数の歪検出部は、前記複数の接続部のうちの第１の接続部の前記第１の面に備えられた第１の歪検出部と、前記複数の接続部のうちの第２の接続部の前記第１の面に備えられた第２の歪検出部と、前記第１の接続部の前記第２の面に備えられた第３の歪検出部と、前記第２の接続部の前記第２の面に備えられた第４の歪検出部と、を含む、請求項３に記載のトルクセンサ。
【請求項７】
前記第１の接続部及び前記第２の接続部は、前記入力軸の軸回り方向に隣り合う接続部である、請求項６に記載のトルクセンサ。
【請求項８】
前記第１の歪検出部、前記第２の歪検出部、前記第３の歪検出部及び前記第４の歪検出部は、前記入力軸から等距離に配置される、請求項６に記載のトルクセンサ。
【請求項９】
前記第１の歪検出部、前記第２の歪検出部、前記第３の歪検出部及び前記第４の歪検出部は、それぞれ、前記入力軸に対して直交する方向であって、前記入力軸を中心とする径方向に対して所定方向に４５度傾斜する方向の歪みを検出する第１の受感部と、前記入力軸に対して直交する方向であって、前記第１の受感部の検出方向に直交する方向の歪みを検出する第２の受感部と、を備え、８アクティブ４ゲージ法の等価回路を構成する、請求項６に記載のトルクセンサ。
【請求項１０】
前記第１の接続部及び前記第２の接続部は、前記入力軸の軸回り方向に隣り合う接続部であり、
前記複数の歪検出部は、前記入力軸を中心に前記第１の接続部の対角位置に設けられた第３の接続部の前記第１の面に備えられた第５の歪検出部と、前記入力軸を中心に前記第２の接続部の対角位置に設けられた第４の接続部の前記第１の面に備えられた第６の歪検出部と、前記第３の接続部の前記第２の面に備えられた第７の歪検出部と、前記第４の接続部の前記第２の面に備えられた第８の歪検出部と、を含む、請求項６に記載のトルクセンサ。
【請求項１１】
前記第５の歪検出部、前記第６の歪検出部、前記第７の歪検出部及び前記第８の歪検出部は、それぞれ、前記入力軸に対して直交する方向であって、前記入力軸を中心とする径方向に対して所定方向に４５度傾斜する方向の歪みを検出する第１の受感部と、前記入力軸に対して直交する方向であって、前記第１の受感部の検出方向に直交する方向の歪みを検出する第２の受感部と、を備え、８アクティブ４ゲージ法の等価回路を構成する、請求項１０に記載のトルクセンサ。
【請求項１２】
前記歪検出部は、前記起歪部の前記第１の面及び前記第２の面に配置された歪みゲージである、請求項１に記載のトルクセンサ。
【請求項１３】
前記歪検出部は、前記起歪部の前記第１の面及び前記第２の面に成膜されたゲージパターンである、請求項１に記載のトルクセンサ。
【請求項１４】
前記起歪部の前記第１の面及び前記第２の面のうちの少なくとも一方の面と、前記第１の回転体の前記第１の方向の端面と、前記第２の回転体の第１の方向の端面と、が同一平面上にある、請求項１３に記載のトルクセンサ。
【請求項１５】
前記第１の回転体及び前記第２の回転体のうちの少なくとも一方に対して、別体に構成された前記起歪部が接合されてなる、請求項１に記載のトルクセンサ。
【請求項１６】
入力軸の回りに軸回転可能な第１の回転体と、
出力軸の回りに軸回転可能な第２の回転体と、
前記第１の回転体と前記第２の回転体とに渡って設けられ、前記入力軸に平行な第１の方向の一方側を向く第１の面、及び、前記第１の方向の他方側を向く第２の面を有し、前記第１の回転体及び前記第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、
前記第１の面及び前記第２の面にそれぞれ設けられて前記起歪部の歪みを検出する複数の歪検出部と、
前記第１の回転体及び前記第２の回転体のうちの少なくとも一方に固定されたエンコーダと、
を備えた、力制御型アクチュエータ。
【請求項１７】
前記第１の回転体及び前記第２の回転体は、互いに異なる直径を有する同心円状に設けられ、
前記エンコーダの少なくとも一部は、外周側に位置する前記第２の回転体の内周側に配置される、請求項１６に記載の力制御型アクチュエータ。
【請求項１８】
前記起歪部は、前記第１の回転体と前記第２の回転体とに渡って放射状に延在する複数の接続部を有し、前記エンコーダの少なくとも一部は、前記入力軸の軸回り方向に隣り合う前記複数の接続部の間に配置される、請求項１６に記載の力制御型アクチュエータ。
【請求項１９】
前記エンコーダは、前記起歪部の前記第１の面が向く前記一方側に配置された回路基板と、前記起歪部の前記第２の面が向く前記他方側に対向配置された磁気ディスクと、前記入力軸の軸回り方向に隣り合う前記複数の接続部の間に配置されて前記磁気ディスクにより生成される磁場を検出する磁場検出素子と、を備える、請求項１８に記載の力制御型アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、トルクセンサ及び力制御型アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、力制御型のアクチュエータが様々な装置において用いられている。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。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。
【０００３】
特許文献１には、軸方向一端に駆動力が入力され、軸方向他端に負荷が入力されて、駆動側と負荷側との間で捩れを伴いながらトルクを伝達する起歪部に作用するトルクを検出するトルクセンサが開示されている。特許文献１には、かかるトルクセンサの一態様として、円筒状の起歪部の内周面に、起歪部に対するトルク入力によって起歪部に生じる捩れに対応する二方向の歪みを検出する姿勢でシート状の歪ゲージが貼付されたトルクセンサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１３２７５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載されたトルクセンサにおいて、歪ゲージが貼付される円筒状の起歪部に生じる歪みは微小である。上記トルクセンサでは、かかる歪みを検出するために、歪ゲージは、長手方向が起歪部の軸方向に沿うように配置されている。このため、起歪部の軸方向長さがある程度長くならざるを得なかった。したがって、トルクセンサを備えた力制御型アクチュエータを小型化することに限界があった。
【０００６】
なお、特許文献１に記載されたトルクセンサは、歪検出部を利用した回転数計を併せて備えており、当該回転数計に用いられる歪検出部は、起歪部の内周面のうち軸心を中心として互いに対称の位置にある部位同士を連結する支持壁に取り付けられ得る。しかし、かかる歪検出部は、軸方向の幅（厚さ）が比較的小さい支持壁の一方の面に、長手方向が径方向に沿うように取り付けられて、支持壁の径方向の歪みを検出するものであり、当該歪検出部を用いてトルクを精度よく検出することは困難である。
【０００７】
そこで、本開示では、小型化され、かつ、トルクを精度よく検出可能な、新規かつ改良されたトルクセンサ及び力制御型アクチュエータを提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示によれば、入力軸の回りに軸回転可能な第１の回転体と、出力軸の回りに軸回転可能な第２の回転体と、第１の回転体と第２の回転体とに渡って設けられ、入力軸に平行な第１の方向の一方側を向く第１の面、及び、第１の方向の他方側を向く第２の面を有し、第１の回転体及び第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、第１の面及び第２の面にそれぞれ設けられて起歪部の歪みを検出する複数の歪検出部と、を備えた、トルクセンサが提供される。
【０００９】
また、本開示によれば、入力軸の回りに軸回転可能な第１の回転体と、出力軸の回りに軸回転可能な第２の回転体と、第１の回転体と第２の回転体とに渡って設けられ、入力軸に平行な第１の方向の一方側を向く第１の面、及び、第１の方向の他方側を向く第２の面を有し、第１の回転体及び第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、第１の面及び第２の面にそれぞれ設けられて起歪部の歪みを検出する複数の歪検出部と、第１の回転体及び第２の回転体のうちの少なくとも一方に固定されたエンコーダと、を備えた、力制御型アクチュエータが提供される。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように本開示によれば、トルクセンサを小型化し、かつ、トルクを精度よく検出することができる。
なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、または本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本開示の第１の実施の形態に係る力制御型アクチュエータの断面図である。
【図２】同実施形態に係る力制御型アクチュエータの分解断面図である。
【図３】同実施形態に係るトルクセンサのベース材を正面側から見た斜視図である。
【図４】エンコーダが取り付けられたトルクセンサを正面側から見た斜視図である。
【図５】同実施形態に係るトルクセンサの構成例を示す正面図である。
【図６】同実施形態に係るトルクセンサの構成例を示す背面図である。
【図７】歪ゲージＧの構成例を示す説明図である。
【図８】同実施形態に係るトルクセンサの等価回路を構成する受感部を示す説明図である。
【図９】同実施形態に係るトルクセンサの等価回路の構成を示す説明図である。
【図１０】トルクセンサのトルク変動について示す説明図である。
【図１１】エンコーダの構成例を示す説明図である。
【図１２】図１１に示した出力側エンコーダ２０による回転角度の検出方法を示す模式図である。
【図１３】本開示の第２の実施の形態に係るトルクセンサを背面側から見た斜視図である。
【図１４】同実施形態に係るトルクセンサの分解斜視図である。
【図１５】同実施形態に係るトルクセンサの断面図である。
【図１６】同実施形態に係るトルクセンサの起歪部を示す平面図である。
【図１７】同実施形態に係るトルクセンサの起歪部の断面図である。
【図１８】本開示の関連技術に係るトルクセンサを背面側から見た斜視図である。
【図１９】同関連技術に係るトルクセンサの背面図である。
【図２０】同関連技術に係るトルクセンサの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．第１の実施の形態（センサ素子を使用する例）
１−１．力制御型アクチュエータの全体構成
１−２．トルクセンサ
２．第２の実施の形態（ゲージパターンを使用する例）
３．参考例
【００１４】
＜＜１．第１の実施形態＞＞
＜１−１．力制御型アクチュエータの全体構成＞
まず、図１及び図２を参照して、本開示の第１の実施形態に係る力制御型アクチュエータ１の全体構成について説明する。図１は、力制御型アクチュエータ１の概略断面図であり、図２は、図１の概略断面図により示された力制御型アクチュエータ１の分解斜視図である。
【００１５】
力制御型アクチュエータ（以下、「回転アクチュエータ」ともいう。）１は、トルクセンサ１００と、出力側エンコーダ２０と、波動歯車装置３０と、モータ４０と、ブレーキ機構５０と、入力側エンコーダ６０とを備える。かかる回転アクチュエータ１において、モータ４０は、通電により回転して回転トルクを生成する。波動歯車装置３０は、モータ４０と同軸状態で連設され、モータ４０から出力される回転トルクを減速して出力する。トルクセンサ１００は、波動歯車装置３０から伝達される回転トルクを出力側に連設された回転対象物に伝達する。入力側エンコーダ６０は、モータ４０の回転情報を取得する。出力側エンコーダ２０は、波動歯車装置３０により減速されて出力される回転情報を取得する。
【００１６】
なお、本明細書において、「前方」あるいは「正面」とは出力側エンコーダ２０が配置されている方向（図１及び図２の左方向）をいい、「後方」あるいは「背面」とは入力側エンコーダ６０が配置されている方向（図１及び図２の右方向）をいう。
【００１７】
（１−１−１．モータ）
モータ４０は、通電により駆動され、回転トルクを生成する。モータ４０は、例えばブラシレスモータとすることができる。図示したモータ４０は、コアレス型のＤＣサーボモータであり、円筒状のモータハウジング４１と、モータハウジング４１内にモータハウジング４１と同心円状に配置された中空のモータ軸４２とを備える。モータ軸４２は中空形状を有し、回転アクチュエータ１の中心軸Ａの軸回りに回転可能となっている。モータ軸４２は、波動歯車装置３０、モータ４０、ブレーキ機構５０及び入力側エンコーダ６０に渡って配置されている。モータ軸４２の内部には配管１１が挿通されている。配管１１は、回転アクチュエータ１の軸方向両端側で、カバー６９及びエンコーダケース２９により保持されている。
【００１８】
モータ軸４２は、モータハウジング４１及びカバー４８に設けられた中心開口部４６，４９の内周面により、軸受部４７，５６を介して、回転自在に支持されている。モータ軸４２の軸線方向の中央部には、大径部４３が設けられている。当該大径部４３の外周には、円環状のマグネット４４が取り付けられている。かかる大径部４３及びマグネット４４はロータとして構成される。モータハウジング４１の内周部には、円環状のコイル４５が取り付けられている。かかるコイル４５は、ステータとして構成される。
【００１９】
（１−１−２．ブレーキ機構）
ブレーキ機構５０は、モータ４０の回転を減速する。ブレーキ機構５０は、モータハウジング４１の内周部のロータ及びステータの後方側に設けられている。ブレーキ機構５０は、モータハウジング４１のカバー４８の後方側の面に固定された基板５１と、基板５１に固定された円環状のコイル５２と、可動子５３と、ブレーキプレート５５と、可動子５３とブレーキプレート５５との間に配置されたブレーキディスク５４とを備える。このうち、ブレーキプレート５５は基板５１に固定される。また、ブレーキディスク５４は、ハブ５７を介してモータ軸４２に固定され、モータ軸４２と一体的に回転する。コイル５２に通電されている間に、可動子５３がコイル５２側に引き付けられて、可動子５３、ブレーキディスク５４及びブレーキプレート５５はそれぞれ離間する。一方、コイル５２への通電が停止されると、図示しないバネ等の付勢手段により可動子５３がブレーキディスク５４側に移動させられることにより、ブレーキディスク５４がブレーキプレート５５に押し付けられて、ロータの回転が停止される。
【００２０】
（１−１−３．入力側エンコーダ）
入力側エンコーダ６０は、モータ４０の回転速度や原点位置等を検出する。モータハウジング４１の後方側には、入力側エンコーダ６０のエンコーダケース６１が同心円状に取り付けられている。エンコーダケース６１は円筒状を有し、エンコーダケース６１の内部に、入力側エンコーダ６０用の磁気ディスク（永久磁石）６３を支持する支持基板６２が配置されている。かかる支持基板６２はモータ軸４２に固定され、磁気ディスク６３及び支持基板６２は、モータ軸４２と一体的に回転する。また、入力側エンコーダ６０は、磁気ディスク６３と対向する位置には、磁気ディスク６３の相対的な回転による磁場の変化を検出する磁場検出素子６５を備える。磁場検出素子６５は、可撓性回路基板等を介して、エンコーダケース６１の外周部に配置された入力側エンコーダ基板６７に電気的に接続されている。かかる入力側エンコーダ６０により、モータ軸４２の原点位置及び回転角度等の回転情報が得られる。入力側エンコーダ６０は、後述する出力側エンコーダ２０と同様に構成することができる。
【００２１】
（１−１−４．波動歯車装置）
波動歯車装置３０は、モータ４０の回転を減速して出力する減速機として機能する。波動歯車装置３０は、円環状のハウジング３１と、ハウジング３１の内周部に固定された内歯歯車３２と、内歯歯車３２の内周部に配置されたカップ状の可撓性外歯歯車３３と、さらに可撓性外歯歯車３３の内周部に配置された波動発生部３４とを備える。カップ状の可撓性外歯歯車３３は、後方側に開口する円筒状の胴部３３ａと、当該胴部３３ａにおける前方端から径方向内側に延びるダイヤフラム３３ｂと、ダイヤフラム３３ｂの内周縁に連続して前方に延びるボス３３ｃと、胴部３３ａの開口端側の外周面に形成された外歯３３ｄとを備える。ボス３３ｃには、固定用ボルト３８により回転伝達部材３５が固定されている。
【００２２】
回転伝達部材３５は、クロスローラベアリング３６を介してハウジング３１に支持されている。可撓性外歯歯車３３は、回転伝達部材３５及びクロスローラベアリング３６を介して、ハウジング３１により回転自在に支持されている。ハウジング３１の前方側には、出力側エンコーダ２０の磁気ディスク２１が固定された支持プレート３９が装着されている。
【００２３】
可撓性外歯歯車３３の胴部３３ａの内部には、モータ軸４２が配置され、当該モータ軸４２の外周に、波動発生部３４が固定されている。これにより、波動発生部３４は、モータ軸４２と一体的に回転する。波動発生部３４は、円筒状を有し、外周にウェーブベアリング３７が備えられている。ウェーブベアリング３７は、可撓性の内輪及び外輪を備えたボールベアリングであり、楕円状に撓められている。可撓性外歯歯車３３の外歯３３ｄが形成されている部分は、波動発生部３４によって楕円状に撓められており、楕円の長軸方向の２箇所で、外歯３３ｄが内歯歯車３２の内歯に噛み合っている。
【００２４】
クロスローラベアリング３６は、ハウジング３１に固定された外輪３６ａと、回転伝達部材３５の外周に固定された内輪３６ｂと、外輪３６ａ及び内輪３６ｂの間に挿入された複数のローラ３６ｃとを備えている。モータ４０が駆動されモータ軸４２が回転すると、波動発生部３４及び可撓性外歯歯車３３により回転が減速されて回転伝達部材３５に伝達される。
【００２５】
（１−１−５．トルクセンサ）
トルクセンサ１００は、波動歯車装置３０から出力され、回転対象物に伝達される回転トルクを検出する。トルクセンサ１００は、固定用ボルト３８により回転伝達部材３５に連設されている。トルクセンサ１００は、互いに異なる直径で同心円状に設けられた第１の回転体１１２と第２の回転体１１４とを有する。内側の第１の回転体１１２は、固定用ボルト３８により、可撓性外歯歯車３３及び回転伝達部材３５に固定されている。外側の第２の回転体１１４は、起歪部１２１を介して第１の回転体１１２に接続され、第１の回転体１１２に入力された回転トルクが、起歪部１２１を介して第２の回転体１１４に伝達される。第２の回転体１１４には図示しない回転対象物が連結されており、第２の回転体１１４の回転によって回転対象物も回転する。
【００２６】
このとき、起歪部１２１は、歪みを生じながら、第１の回転体１１２に入力された回転トルクを第２の回転体１１４に伝達する。起歪部１２１には、図示しない歪検出部が設けられている。歪検出部は、図示しない可撓性回路基板等を介して、出力側エンコーダ２０と共通の回路基板２３に対して電気的に接続されている。トルクセンサ１００は、歪検出部により検出される歪みに基づいて、回転トルクを検出する。
【００２７】
（１−１−６．出力側エンコーダ）
出力側エンコーダ２０は、トルクセンサ１００を介して回転対象物に出力される回転の回転角度及び回転速度を検出する。出力側エンコーダ２０は、第２の回転体１１４の内周に配置されている。出力側エンコーダ２０のエンコーダケース２９が第２の回転体１１４の内周に配置され、当該エンコーダケース２９の内部には回路基板２３が組み付けられている。出力側エンコーダ２０は、例えば磁気式のエンコーダとすることができる。
【００２８】
エンコーダケース２９の一部２９ａは、トルクセンサ１００の起歪部１２１に設けられた開口部１１８内に入り込み、当該一部２９ａの後方側を向く端面には磁場検出素子２５が設けられている。当該磁場検出素子２５に対向する波動歯車装置３０の支持プレート３９には、出力側エンコーダ２０用の磁気ディスク（永久磁石）２１が配置されている。磁場検出素子２５は、回路基板２３に対して電気的に接続されており、磁気ディスク２１と出力側エンコーダ２０との相対的な回転による磁場の変化を検出する。かかる出力側エンコーダ２０により、モータ軸４２の原点位置及び回転角度等の回転情報が得られる。
【００２９】
本実施形態に係る回転アクチュエータ１では、中心軸Ａに沿う軸方向の長さが短くされ、径方向の幅に対する軸方向の幅の比が１に近づけられている。また、かかる回転アクチュエータ１では、モータ４０の外径を最外径として軸方向の中央にモータ４０が配置され、軸方向の両端側に外径の小さい他の構成要素が配置されることで、回転アクチュエータ１全体として球体に近い形状とされている。特に、本実施形態に係る回転アクチュエータ１では、トルクセンサ１００の軸方向の長さが短くされ、かつ、出力側エンコーダ２０がトルクセンサ１００の内周に配置されることで、出力側エンコーダ２０及びトルクセンサ１００に要する軸方向長さが短くなっている。したがって、例えばロボットアームの関節部等における回転アクチュエータ１の配置スペースを小さくすることができ、ロボットアームの余分なスペースを削減することができる。
【００３０】
ここまで、本実施形態に係る回転アクチュエータ１の全体構成の概略について説明した。以下、出力側エンコーダ２０と一体化されたトルクセンサ１００の構成について、詳細に説明する。
【００３１】
＜１−２．トルクセンサ＞
以下、図３〜図７を参照して、本実施形態に係る回転アクチュエータ１に備えられたトルクセンサ１００の構成について詳細に説明する。本実施形態に係るトルクセンサ１００は、出力側エンコーダ２０が組み付けられて一体化されている。図３は、トルクセンサ１００のベース材１１０を正面側（前方側）から見た斜視図である。図４は、カバー２７、エンコーダケース２９及び回路基板２３が取り付けられた状態のトルクセンサ１００を正面側から見た斜視図である。図５は、エンコーダケース２９及び回路基板２３の図示を省略したトルクセンサ１００を正面側（前方側）から見た平面図である。図６は、出力側エンコーダ２０が組み付けられたトルクセンサ１００を背面側（後方側）から見た平面図である。
【００３２】
トルクセンサ１００は、ベース材１１０を有する。ベース材１１０は、互いに異なる直径を有して同心円状に配置された第１の回転体１１２及び第２の回転体１１４と、第１の回転体１１２と第２の回転体１１４とに渡って設けられた起歪部１２１（１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄ）とを備える。本実施形態に係るトルクセンサ１００では、第１の回転体１１２、第２の回転体１１４及び起歪部１２１は一体的に形成されている。例えば、ベース材１１０は、型成形及び切削加工により一体成形され得る。ただし、ベース材１１０の製造方法は限定されない。ベース材１１０の構成材料は特に限定されず、鉄鋼材料や非鉄金属材料で構成された各種構造用材料を用いることができる。構造用材料は、第１の回転体１１２に入力される回転トルクを第２の回転体１１４に伝達可能であり、かつ、適度な歪みを生じ得る材料であればよい。
【００３３】
第１の回転体１１２及び第２の回転体１１４は、ともに中心軸Ａに平行な方向に延びる円筒形状を有する。第１の回転体１１２は、径方向内側に配置され、波動歯車装置３０からの回転トルクを伝達する入力軸の回りに軸回転可能になっている。第２の回転体１１４は、径方向外側に配置され、回転対象物に対して回転トルクを伝達する出力軸の回りに軸回転可能になっている。本実施形態に係るトルクセンサ１００では、入力軸及び出力軸は、ともに回転アクチュエータ１の中心軸Ａに一致する。
【００３４】
第１の回転体１１２は、中心部に配管１１が挿通される中央開口部１１１と、背面側から固定用ボルト３８が挿入される複数（図示した例では６個）の孔部１１３と、を有する。第１の回転体１１２は、固定用ボルト３８により回転伝達部材３５に固定されることで、回転伝達部材３５を介して伝達される回転トルクを受けて、中心軸Ａの回りに軸回転可能となっている。第２の回転体１１４は、正面側の端面に、エンコーダケース２９及び回路基板２３を支持するカバー２７を固定するための固定用ボルト２８が挿入される複数（図示した例では６個）の孔部１１５を有する。孔部１１５は、中心軸Ａを中心に対称となる位置に３個ずつ設けられている。本実施形態に係るトルクセンサ１００では、回路基板２３は、出力側エンコーダ２０の回路基板とトルクセンサ１００の回路基板とを兼ねている。
【００３５】
また、第２の回転体１１４は、正面側の端面に、回転対象物に嵌められる突出部１１６を有する。突出部１１６は、中心軸Ａを中心に対称となる位置に２個設けられている。第２の回転体１１４は、起歪部１２１を介して伝達される回転トルクを受けて、中心軸Ａの回りに軸回転可能となっている。
【００３６】
起歪部１２１は、中心軸Ａを中心に放射状に延在する複数（図示の例では４個）の接続部（梁部）１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄとして構成されている。複数の接続部１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄは、周方向に等間隔で設けられている。つまり、本実施形態に係るトルクセンサ１００では、４個の接続部１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄが周方向に９０°の間隔で設けられている。かかる起歪部１２１は、第１の回転体１１２に入力された回転トルクを、第２の回転体１１４に伝達する。それぞれの接続部１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄは、入力軸（中心軸Ａ）に平行な第１の方向の一方側（前方側）を向く第１の面と、当該第１の方向の他方側（後方側）を向く第２の面とを有する。
【００３７】
また、それぞれの接続部１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄは、軸方向（第１の方向）の長さ（厚さ）が、入力軸の軸回り方向の長さ（幅）よりも小さい板状を有している。したがって、接続部１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄは、回転トルクを伝達する際に、中心軸Ａを中心とする周方向（せん断方向）への歪みを生じ得る。板状の接続部１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄの表裏の面は、中心軸Ａに直交するように形成される。
【００３８】
それぞれの接続部１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄの周方向の幅は、トルクセンサ１００の外径にもよるが、例えば、８．０〜１２．０ｍｍとすることができる。また、それぞれの接続部１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄの厚さは、トルクセンサ１００の外径にもよるが、例えば、０．８〜１．５ｍｍとすることができる。接続部１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄの周方向の幅、あるいは、厚さが大きすぎると、接続部１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄの剛性が大きくなって、歪みの検出が困難になるおそれがある。一方、接続部１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄの周方向の幅、あるいは、厚さが小さすぎると、接続部１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄの剛性が著しく低下して、回転トルクに耐えられないおそれがある。これらの点を考慮して、接続部１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄの寸法が、適切に設定され得る。
【００３９】
それぞれの板状の接続部１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ、１２１ｄの表裏の面には、歪みを検出するための歪検出部として、せん断用の２軸歪ゲージＧ１〜Ｇ８が接着等により配置されている。第１の接続部１２１ａの前方側の第１の面には第１の歪ゲージＧ１が配置され、後方側の第２の面には第５の歪ゲージＧ５が配置されている。第２の接続部１２１ｂの前方側の第２の面には第２の歪ゲージＧ２が配置され、後方側の第２の面には第６の歪ゲージＧ６が配置されている。第３の接続部１２１ｃの前方側の第１の面には第３の歪ゲージＧ３が配置され、後方側の第２の面には第７の歪ゲージＧ７が配置されている。第４の接続部１２１ｄの前方側の第１の面には第４の歪ゲージＧ４が配置され、後方側の第２の面には第８の歪ゲージＧ８が配置されている。それぞれの歪ゲージＧ１〜Ｇ８は、中心軸Ａから等距離の位置に配置されている。
【００４０】
図７は、歪ゲージＧの構成例を示す説明図である。図７に示す歪ゲージＧは、せん断用の２軸歪ゲージであり、それぞれ２方向の歪みを検出するために、第１の受感部Ｒａ及び第２の受感部Ｒｂを有する。各歪ゲージＧ１〜Ｇ８は、第１の受感部Ｒａ及び第２の受感部Ｒｂが中心軸Ａを中心とした周方向に隣り合うようにして配置される。第１の受感部Ｒａは、中心軸Ａに直交し、かつ、中心軸Ａを中心とした径方向に対して所定方向に４５度傾斜する方向に沿って形成される。かかる第１の受感部Ｒａは、中心軸Ａに対して直交する方向であって、中心軸Ａを中心とする径方向に対して所定方向に４５度傾斜する方向の歪みを検出する。また、第２の受感部Ｒｂは、中心軸Ａに直交し、かつ、第１の受感部Ｒ１に直交する方向に沿って形成される。かかる第２の受感部Ｒｂは、中心軸Ａに対して直交する方向であって、第１の受感部Ｒａの検出方向に直交する方向の歪みを検出する。
【００４１】
本実施形態に係るトルクセンサ１００では、第１の接続部１２１ａ及び第２の接続部１２１ｂに接着剤等により取り付けられた第１の歪ゲージＧ１、第２の歪ゲージＧ２、第５の歪ゲージＧ５及び第６の歪ゲージＧ６により第１のセンサ部が構成される。各歪ゲージＧ１，Ｇ２，Ｇ５，Ｇ６は、図示しない可撓性回路基板上の配線パターンに電気的に接続される。可撓性回路基板の各種電子部品の実装部１２７は、隣り合う第１の接続部１２１ａ及び第２の接続部１２１ｂの間に設けられた基板配置部１２５の正面側の面に配置されている。
【００４２】
同様に、第３の接続部１２１ｃ及び第４の接続部１２１ｄに接着剤等により取り付けられた第３の歪ゲージＧ３、第４の歪ゲージＧ４、第７の歪ゲージＧ７及び第８の歪ゲージＧ８により第２のセンサ部が構成される。各歪ゲージＧ３，Ｇ４，Ｇ７，Ｇ８は、図示しない可撓性回路基板上の配線パターンに電気的に接続される。可撓性回路基板の各種電子部品の実装部１３７は、隣り合う第３の接続部１２１ｃ及び第４の接続部１２１ｄの間に設けられた基板配置部１３５の正面側の面に配置されている。
【００４３】
波動歯車装置３０は、中心軸Ａの軸方向及び径方向に振動成分を有することが多く、波動歯車装置３０のギヤ間の噛み合いにおいて回転方向へ振動を生じさせることがある。また、波動歯車装置３０に設けられた軸受部は、回転軸の径方向の振動をすべて除去できるとは限らない。このため、軸受部では除去できない振動成分が起歪部１２１に入力されることで、回転トルク以外の多軸力がトルクセンサ１００の出力に含まれ得る。
【００４４】
そこで、本実施形態に係るトルクセンサ１００では、８アクティブ４ゲージ法の等価回路を構成し、回転トルク以外の多軸力の影響を小さくすることで、回転トルクの検出精度を向上させている。その際、トルクセンサ１００の外形、特に、トルクセンサ１００の軸方向長さが小さくなるようにすることで、トルクセンサ１００あるいは回転アクチュエータ１の小型化が図られている。
【００４５】
図８〜図９は、第１のセンサ部の構成例を示す説明図である。図８は、第１のセンサ部を構成する歪ゲージＧ１，Ｇ２，Ｇ５，Ｇ６の配置を模式的に示す説明図であり、図９は、第１のセンサ部の等価回路図である。
【００４６】
第１のセンサ部を構成する歪ゲージＧ１，Ｇ２，Ｇ５，Ｇ６は、中心軸Ａから９０度異なる方向に延びる第１の接続部１２１ａ及び第２の接続部１２１ｂ上に、接着剤等により取り付けられる。第１の歪ゲージＧ１及び第５の歪ゲージＧ５は、第１の接続部１２１ａの表裏の面に配置され、第２の歪ゲージＧ２及び第６の歪ゲージＧ６は、第２の接続部１２１ｂの表裏の面に配置される。それぞれの歪ゲージＧ１，Ｇ２，Ｇ５，Ｇ６は、第１の受感部Ｒａ及び第２の受感部Ｒｂを有しており、第１のセンサ部は、計８個の受感部を有する。これらの受感部を２組でブリッジ接続することにより、８アクティブ４ゲージ法のブリッジ（ホイートストンブリッジ）が構成されている。
【００４７】
図９において、第１の接続部１２１ａの表裏の面に配置した第１の歪ゲージＧ１及び第５の歪ゲージＧ５の第１の受感部Ｒａ及び第２の受感部Ｒｂの電気抵抗値を、それぞれＲ１，Ｒ２，Ｒ７，Ｒ８とする。また、第２の接続部１２１ｂの表裏の面に配置した第２の歪ゲージＧ２及び第６の歪ゲージＧ６の第１の受感部Ｒａ及び第２の受感部Ｒｂの電気抵抗値を、それぞれＲ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６とする。抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ７，Ｒ８を直列接続した回路と、抵抗Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６を直列接続した回路とが形成され、これらの回路が互いに並列接続されることにより、８アクティブ４ゲージ法のブリッジが構成される。
【００４８】
起歪部１２１に中心軸Ａ回りの回転トルクが入力されて歪みが発生すると、第１の接続部１２１ａ及び第２の接続部１２１ｂも微小変形し、変形量に応じて第１の受感部Ｒａ及び第２の受感部Ｒｂの抵抗値が変化する。各抵抗群Ｒ１〜Ｒ８を並列接続した回路の両端に電圧ＶＥを印加したときに、各抵抗群Ｒ１〜Ｒ８の中間点間で現れる電位差Ｖｅが、トルクセンサ１００のセンサ出力となる。印加電圧ＶＥと出力電圧Ｖｅとの関係は以下のとおりとなる。
Ｖｅ＝ＶＥ［{（Ｒ７−Ｒ２）／（Ｒ１−Ｒ８＋Ｒ７−Ｒ２）}−｛（Ｒ６−Ｒ３）／（Ｒ４−Ｒ５＋Ｒ６−Ｒ３）｝］
【００４９】
つまり、９０度異なる方向に延在する第１の接続部１２１ａ及び第２の接続部１２１ｂのそれぞれの表裏面に歪ゲージを配置することにより、中心軸Ａの偏心や温度の変動による、第１の接続部１２１ａ及び第２の接続部１２１ｂに生じた曲げ歪み又は引張圧縮変形の影響がキャンセルされ、せん断方向の歪みを精度よく検出することができる。また、第１の接続部１２１ａ及び第２の接続部１２１ｂの表裏の面に歪ゲージＧ１，Ｇ２，Ｇ５，Ｇ６を配置して第１のセンサ部を構成することにより、起歪部１２１の歪みが小さい場合であっても、大きな出力として検出することができる。
【００５０】
また、本実施形態に係るトルクセンサ１００は、第３の接続部１２１ｃ及び第４の接続部１２１ｄにおいても、第１の接続部１２１ａ及び第２の接続部１２１ｂと同様に、それぞれの表裏面に歪ゲージを配置し、８アクティブ４ゲージ法のブリッジからなる、第２のセンサ部を構成することができる。この場合、第１の接続部１２１ａと第３の接続部１２１ｃ、第２の接続部１２１ｂと第４の接続部１２１ｄは、中心軸Ａを中心に対角に配置され、かつ、中心軸Ａからの距離を等しくして設けられているため、第１のセンサ部で検出されるトルクノイズと、第２のセンサ部で検出されるトルクノイズは、逆位相で現れる。これにより、１つの起歪部１２１で２系統のトルク出力を検出し、その合力によってノイズ成分を除去することができる。
【００５１】
図１０は、第１のセンサ部及び第２のセンサ部により検出されるセンサ値（出力電圧）と、第１のセンサ部及び第２のセンサ部のセンサ値の合算値を示している。中心軸Ａを中心に対角に配置された第１のセンサ部のセンサ値と第２のセンサ部のセンサ値とを合算することで、０．１Ｎｍ程度のトルク変動が、０．０２Ｎｍ程度まで抑えられていることが分かる。ただし、本開示のトルクセンサ１００において、第２のセンサ部は必須ではない。
【００５２】
このように構成されるトルクセンサ１００は、起歪部１２１としての接続部１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄの厚さが薄いため、第１の回転体１１２及び第２の回転体１１４の軸方向長さを短くすることができる。本実施形態に係るトルクセンサ１００では、第２の回転体１１４の軸方向長さが第１の回転体１１２の軸方向長さよりも長くなっており、第２の回転体１１４の軸方向長さにより、トルクセンサ１００の軸方向長さが定められる。例えば、突出部１１６を含まない第２の回転体１１４の軸方向長さを、７．０〜１５．０ｍｍとすることができる。
【００５３】
また、本実施形態に係るトルクセンサ１００では、第２の回転体１１４の内周に出力側エンコーダ２０の少なくとも一部が配置されている。図１及び図４に示したように、本実施形態に係るトルクセンサ１００では、出力側エンコーダ２０のエンコーダケース２９及び回路基板２３を支持するカバー２７の表面が、トルクセンサ１００の第２の回転体１１４に設けられた突出部１１６の先端位置に略一致している。このため、トルクセンサ１００及び出力側エンコーダ２０を合わせた合計の軸方向長さが短くなって、アクチュエータ１の軸方向長さが小さくされる。また、トルクセンサ１００及び出力側エンコーダ２０は、波動歯車装置３０に比べて小さい外径を有するために、アクチュエータ１全体の形状が球体に近づけられる。
【００５４】
出力側エンコーダ２０は、エンコーダケース２９と、エンコーダケース２９の内周に配置された回路基板２３と、磁気ディスク（永久磁石）２１と、磁場検出素子２５とを備える。エンコーダケース２９及び回路基板２３は、少なくとも一部がトルクセンサ１００の第２の回転体１１４の内周に配置されて、固定用ボルト２８により第２の回転体１１４の正面側端面に固定されている。エンコーダケース２９の一部２９ａは、トルクセンサ１００の第１の接続部１２１ａと第４の接続部１２１ｄとの間の開口部１１８に入り込み、当該一部２９ａの端面が、トルクセンサ１００の背面側の端面とほぼ同一面上に位置している（図２を参照。）。当該エンコーダケース２９の一部２９ａの端面には、磁場検出素子２５が設けられている。
【００５５】
図１１は、出力側エンコーダ２０の構成例を示す模式図である。出力側エンコーダ２０は、円盤状の磁気ディスク２１と、当該磁気ディスク２１との相対的な回転に伴う磁場の変化を検出する磁場検出素子２５とを備える。上述のとおり、円盤状の磁気ディスク２１は、波動歯車装置３０の支持プレート３９に対して、中心軸Ａと同心状に固定されている。磁気ディスク２１は、径方向外側及び内側の２列で、正極及び負極が交互に配列された第１の磁極列２１ａ及び第２の磁極列２１ｂを有する。磁場検出素子２５は、第１の磁極列２１ａ及び第２の磁極列２１ｂそれぞれの磁界を検出するためにそれぞれ２つ、計４つのホール素子を有する。磁場検出素子２５は、例えば、複数のホール素子とＡＤコンバータとを備えたＩＣチップであってもよい。
【００５６】
径方向内側の第２の磁極列２１ｂの正極及び負極の対の数は、径方向外側の第１の磁極列２１ａの正極及び負極の対の数よりも１対少なくされており、それぞれ検出される磁場に応じた電気信号の出力に基づいて、回転角度及び回転速度等の回転情報の検出が可能になっている。つまり、トルクセンサ１００の回転に伴い、磁気ディスク２１に対する磁場検出素子２５の位置が変化すると、磁場検出素子２５により検出される第１の磁極列２１ａ及び第２の磁極列２１ｂそれぞれの磁束密度は変化する。このとき、第１の磁極列２１ａと第２の磁極列２１ｂとは正極及び負極の数が１対異なるため、３６０°回転する間に、磁場検出素子２５により検出される第１の磁極列２１ａの磁力と第２の磁極列２１ｂの磁力との組み合わせは同じになることがない。
【００５７】
図１２は、図１１に示した出力側エンコーダ２０による回転角度の検出方法を示す模式図である。図１２に示す例では、第２の磁極列２１ｂの正極及び負極の対の数が５であり、第１の磁極列２１ａの正極及び負極の対の数が６である。図１２には、第１の磁極列２１ａ及び第１の磁極列２１ａからの検出信号ｓｉｎθｍと、第２の磁極列２１ｂ及び第２の磁極列２１ｂからの検出信号ｓｉｎθｎとが示されている。また、図１２の下側には、第１の磁極列２１ａからの検出信号ｓｉｎθｍ、及び第２の磁極列２１ｂからの検出信号ｓｉｎθｎにより生成され得る磁気角出力Φ１，Φ２と、磁気角出力の差分（Φ１−Φ２）とが示されている。
【００５８】
かかる出力側エンコーダ２０では、３６０°回転する間に、第１の磁極列２１ａからの検出信号ｓｉｎθｍは６０°周期で振幅する一方、第２の磁極列２１ｂからの検出信号ｓｉｎθｎは７２°周期で振幅する。そして、両者の磁気角出力の差分は、０°〜３６０°までリニアに変化する。したがって、かかる磁気角出力を求めることによって、回転角度を検出することができる。
【００５９】
本実施形態に係る出力側エンコーダ２０は、磁気ディスク２１が円盤状であり、かつ、磁場検出素子２５が磁気ディスク２１対向する平面状のチップからなるため、軸方向の長さを小さくすることができる。また、磁気ディスク２１は、波動歯車装置３０の支持プレート３９に取り付けられ、エンコーダケース２９及び回路基板２３は、トルクセンサ１００の第２の回転体１１４の内周に配置されている。そして、トルクセンサ１００の起歪部１２１に設けられた開口領域を利用して、磁場検出素子２５が磁気ディスク２１に対向させられている。したがって、トルクセンサ１００及び出力側エンコーダ２０に要する軸方向の長さをより小さくすることができる。
【００６０】
なお、入力側エンコーダ６０も、出力側エンコーダ２０と同様の構成とすることができる。
【００６１】
以上説明したように、本実施形態に係るトルクセンサ１００によれば、第１の回転体１１２と第２の回転体１１４とを接続する起歪部１２１を、軸方向の長さ（厚さ）が小さい板状の起歪部１２１とし、当該起歪部１２１の両面に歪ゲージＧ１〜Ｇ８が配置されて、回転トルクが検出される。したがって、トルクセンサ１００の軸方向の長さを短くすることができる。
【００６２】
また、本実施形態に係るトルクセンサ１００では、８アクティブ４ブリッジ法の等価回路により構成され、回転トルク以外の振動成分が除去されて、回転トルクの検出精度が高められる。さらに、中心軸Ａを中心とした対角上にそれぞれ歪ゲージを配置して、第１のセンサ部及び第２のセンサ部を構成し、両者の合力に基づいて回転トルクを検出するようにした場合には、ノイズを除去することができ、さらに検出精度が高められる。
【００６３】
また、本実施形態に係るトルクセンサ１００は、トルクセンサ１００の第２の回転体１１４の内周を利用して出力側エンコーダ２０が配置されている。したがって、トルクセンサ１００及び出力側エンコーダ２０に要する軸方向の長さが短くされ、回転アクチュエータ１全体の長さを短くすることができる。そして、回転アクチュエータ１では、外径が大きいモータ４０及び波動歯車装置３０が軸方向の中央に配置され、軸方向の外側へ向かうにつれて外径が小さい構成部材が配置されている。したがって、回転アクチュエータ１全体を球体状に構成することができる。これにより、回転アクチュエータ１の省スペース化が図られる。
【００６４】
＜２．第２の実施の形態＞
次に、本開示の第２の実施の形態に係るトルクセンサ１５０について説明する。本実施形態に係るトルクセンサ１５０では、歪検出部としての歪ゲージ素子が接続部１２１ａ〜１２１ｄの表面及び裏面に配置されるのではなく、接続部１２１ａ〜１２１ｄの両面に、歪検出部としてのゲージパターンが成膜された起歪部１６１が用いられている。
【００６５】
図１３〜図１６は、本実施形態に係るトルクセンサ１５０の構成を示す説明図である。図１３は、本実施形態に係るトルクセンサ１５０を背面側（後方側）から見た斜視図であり、図１４は、本実施形態に係るトルクセンサ１５０の第１の回転体１８１、第２の回転体１５１及び起歪部１６１の分解斜視図である。図１５は、組付けられたトルクセンサ１５０の第１の回転体１８１、第２の回転体１５１及び起歪部１６１の軸方向断面図である。
【００６６】
本実施形態に係るトルクセンサ１５０では、第１の回転体１８１、第２の回転体１５１及び起歪部１６１がそれぞれ別体の構成要素として成形され、互いに接合されている。具体的には、図１４及び図１５に示すように、第１の回転体１８１は、起歪部１６１の中央部１７３に対して、表面側（前方側）から、図示しない固定用ボルト等により固定される。また、第２の回転体１５１は、背面側（後方側）の面に起歪部１６１が配置される凹部１５３を有し、起歪部１６１の外縁部１７１は、第２の回転体１５１の凹部１５３に対して接合される。第２の回転体１５１の背面側の端面に沿って可撓性回路基板１９０が配置され、当該可撓性回路基板１９０の一部が、第２の回転体１５１の表面側に取り付けられたエンコーダケース２９の内部の回路基板に接続されている。
【００６７】
図１６は、起歪部１６１を表面側（前方側）から見た平面図であり、図１７は、図１６のＩ−Ｉ断面矢視図を模式的に示した断面図である。起歪部１６１は、第１の回転体１８１が固定される中央部１７３と、第２の回転体１５１に接合される外縁部１７１と、中心軸Ａを中心に放射状に延在して中央部１７３と外縁部１７１とを接続する複数（図示の例では４個）の接続部（梁部）１６３（１６３ａ，１６３ｂ，１６３ｃ，１６３ｄ）とを有する。それぞれの接続部１６３の表裏の面には、それぞれゲージパターンＧ１〜Ｇ８が形成されている。
【００６８】
具体的には、第１の接続部１６３ａの前方側の面には第１のゲージパターンＧ１が形成され、後方側の面には第５のゲージパターンＧ５が形成されている。第２の接続部１６３ｂの前方側の面には第２のゲージパターンＧ２が形成され、後方側の面には第６のゲージパターンＧ６が形成されている。第３の接続部１６３ｃの前方側の面には第３のゲージパターンＧ３が形成され、後方側の面には第７のゲージパターンＧ７が形成されている。第４の接続部１６３ｄの前方側の面には第４のゲージパターンＧ４が形成され、後方側の面には第８のゲージパターンＧ８が形成されている。それぞれのゲージパターンＧ１〜Ｇ８は、中心軸Ａから等距離の位置に形成されている。
【００６９】
ゲージパターンＧ１〜Ｇ８は、例えば、起歪部１６１上に、絶縁膜としてのＳｉＯｘ膜を高周波（ＲＦ）スパッタリング法により形成した後、さらに、ＣｒＯｘ膜を高周波（ＲＦ）スパッタリング法により形成し、フォトリソグラフィ法によりパターニングすることにより形成され得る。このとき、ＳｉＯｘ膜あるいはＣｒＯｘ膜の密着性を高めるために、起歪部１６１の表面が鏡面研磨処理されてもよい。本実施形態に係るトルクセンサ１５０の起歪部１６１は、薄板状であり、表裏両面が平坦面であることから、表裏両面に対して鏡面研磨処理を施しやすくなっている。また、起歪部１６１の表裏両面が平坦面であることから、同一面に成膜することができ、成膜の精度を向上させることができる。
【００７０】
その結果、すべてのゲージパターンＧ１〜Ｇ８の密着性が高められる。これにより、ゲージパターンＧ１〜Ｇ８の抵抗値が安定し、歪みの検出精度を向上させることができる。つまり、ゲージパターンＧ１〜Ｇ８と起歪部１６１との間に、接着剤が介在しないことから、歪みに対する感度が高い歪検出部とすることができる。また、接着剤を用いて歪みゲージを起歪部上に接着する場合と比較して、密着性が高く、剥がれ等のリスクが低減されている。さらに、歪みゲージの場合、熟練者が手作業で起歪部に貼り付ける場合もあるが、ゲージパターンＧ１〜Ｇ８であれば、物理蒸着により起歪部１６１の表面に成膜されるため、成膜装置等により安定的な生産が可能になり、かつ、量産性にも優れる。
【００７１】
なお、絶縁膜の構成材料はＳｉＯｘに限られず、その他の電気絶縁性の材料が用いられてもよい。また、ゲージパターンＧ１〜Ｇ８の構成材料はＣｒＯｘに限られず、その他の導電性の材料が用いられてもよい。また、図示しないものの、起歪部１６１上には、ゲージパターンＧ１〜Ｇ８を可撓性回路基板１９０に対して電気的に接続するための配線パターンが形成されていてもよい。また、ゲージパターンＧ１〜Ｇ８あるいは配線パターンが形成された後、さらに、保護膜としてのＳｉＯｘ膜が積層されていてもよい。
【００７２】
本実施形態に係るトルクセンサ１５０においても、例えば、起歪部１６１の第１の接続部１６３ａ及び第２の接続部１６３ｂの表裏両面に形成されたゲージパターンＧ１，Ｇ２，Ｇ５，Ｇ６により第１のセンサ部を構成し、起歪部１６１の第３の接続部１６３ｃ及び第４の接続部１６３ｄの表裏両面に形成されたゲージパターンＧ３，Ｇ４，Ｇ７，Ｇ８により第２のセンサ部を構成してもよい。これにより、８アクティブ４ゲージ法の等価回路の歪みセンサが構成され、中心軸Ａの偏心や温度の変動による、第１の接続部１６３ａ及び第２の接続部１６３ｂに生じた曲げ歪み又は引張圧縮変形の影響がキャンセルされ、せん断方向の歪みを精度よく検出することができる。また、第１の接続部１６３ａ及び第２の接続部１６３ｂの表裏の面に歪ゲージＧ１，Ｇ２，Ｇ５，Ｇ６を配置して第１のセンサ部を構成することにより、起歪部１２１の歪みが小さい場合であっても、大きな出力として検出することができる。
【００７３】
以上、本実施形態に係るトルクセンサ１５０は、第１の回転体１８１及び第２の回転体１５１が別部材からなり、薄板状の起歪部１６１によって、一体的に連結されている。このため、起歪部１６１の表裏両面が平坦面となり、鏡面研磨処理を施すことができるとともに、高周波スパッタリング法及びフォトリソグラフィ法によって、密着性の高いゲージパターンＧ１〜Ｇ８を効率的に得ることができる。また、かかるゲージパターンＧ１〜Ｇ８であれば、起歪部１６１に直接パターニングされるため、歪みの感度を高めることができる。そして、本実施形態に係るトルクセンサ１５０によっても、起歪部１６１が、軸方向の長さ（厚さ）が小さい薄板状であるために、トルクセンサ１５０を小型化することができる。
【００７４】
また、本実施形態に係るトルクセンサ１５０においても、第１の実施の形態に係るトルクセンサ１００と同様に、第２の回転体１５１の内周に出力側エンコーダを配置することができる。したがって、本実施形態に係るトルクセンサ１５０を備えた回転アクチュエータ１によっても、回転アクチュエータ１が小型化され、球体状の回転アクチュエータ１とすることができる。
【００７５】
＜３．参考例＞
次に、本開示の回転アクチュエータ１に関連する参考例に係るトルクセンサについて説明する。
【００７６】
図１８〜図２０は、参考例に係るトルクセンサのベース材２０１を示す説明図である。図１８は、ベース材２０１を背面側（後方側）から見た斜視図であり、図１９は、ベース材２０１を背面側（後方側）から見た平面図である。また、図２０は、図１９のベース材２０１のＩＩ−ＩＩ断面矢視図である。
【００７７】
参考例に係るトルクセンサのベース材２０１は、基本的には第１の実施の形態に係るトルクセンサ１００のベース材１１０と同一の構成を有する。つまり、第１の回転体２０２と、第２の回転体２０４と、第１の回転体２０２及び第２の回転体２０４に渡って設けられた起歪部２１１（２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃ，２１１ｄ）とが一体的に成形されている。
【００７８】
一方、ベース材２０１は、起歪部２１１を含む後方側の端面が平坦面であり、かかる平坦面に対して、ゲージパターンＧ１〜Ｇ４が形成されている。つまり、ベース材２０１の後方側の端面が平坦面であることから、当該端面を鏡面研磨処理することができ、かつ、同一面に対してパターニングをすることができる。これにより、密着性に優れたゲージパターンＧ１〜Ｇ４を形成することができ、歪みの検出精度を向上させることができる。ゲージパターンＧ１〜Ｇ４は、第２の実施の形態に係るトルクセンサ１５０のゲージパターンと同様に、高周波スパッタリング法による成膜処理と、フォトリソグラフィ法によるパターニング処理とにより形成することができる。
【００７９】
参考例に係るトルクセンサは、第１の回転体２０２、第２の回転体２０４及び起歪部２１１が一体成形され、ベース材２０１の端面が平坦面であるために、鏡面研磨処理を施すことができるとともに、高周波スパッタリング法及びフォトリソグラフィ法によって、密着性の高いゲージパターンＧ１〜Ｇ８を効率的に得ることができる。また、かかるゲージパターンＧ１〜Ｇ８であれば、起歪部２１１に直接パターニングされるため、歪みの感度を高めることができる。そして、参考例に係るトルクセンサによっても、起歪部２１１が、軸方向の長さ（厚さ）が小さい薄板状であるために、トルクセンサを小型化することができる。
【００８０】
また、参考例に係るトルクセンサにおいても、第１の実施の形態に係るトルクセンサ１００と同様に、第２の回転体２０４の内周に出力側エンコーダを配置することができる。したがって、参考例に係るトルクセンサを備えた回転アクチュエータによっても、回転アクチュエータが小型化され、球体状の回転アクチュエータとすることができる。
【００８１】
この場合、起歪部２１１の表面側（前方側）の面に、接着剤等によって歪みゲージが貼り付けられてもよい。起歪部２１１の表面側にも歪ゲージを配置することにより、第１の実施の形態に係るトルクセンサ１００と同様の８アクティブ４ゲージ法の等価回路の歪みセンサとすることができる。あるいは、背面側に形成されたゲージパターンＧ１〜Ｇ４を用いた８アクティブ４ゲージ法の等価回路の歪みセンサとしてもよい。
【００８２】
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、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許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。
【００８３】
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。
【００８４】
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）入力軸の回りに軸回転可能な第１の回転体と、出力軸の回りに軸回転可能な第２の回転体と、前記第１の回転体と前記第２の回転体とに渡って設けられ、前記入力軸に平行な第１の方向の一方側を向く第１の面、及び、前記第１の方向の他方側を向く第２の面を有し、前記第１の回転体及び前記第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、前記第１の面及び前記第２の面にそれぞれ設けられて前記起歪部の歪みを検出する複数の歪検出部と、を備えた、トルクセンサ。
（２）前記複数の歪検出部は、前記第１の面に備えられて、前記起歪部に作用するせん断応力を検出する第１の歪ゲージ、第２の歪ゲージ、第３の歪ゲージ及び第４の歪ゲージと、前記第２の面に備えられて、前記起歪部に作用するせん断応力を検出する第５の歪ゲージ、第６の歪ゲージ、第７の歪ゲージ及び第８の歪ゲージと、を備え、８アクティブ４ゲージ法の等価回路を構成する、前記（１）に記載のトルクセンサ。
（３）前記起歪部は、前記第１の回転体と前記第２の回転体との間に放射状に延在する複数の接続部を有する、（１）又は（２）に記載のトルクセンサ。
（４）前記複数の接続部は、前記第１の方向の幅が、前記入力軸の軸回り方向の幅よりも小さい板状を有する、前記（３）に記載のトルクセンサ。
（５）前記複数の接続部のうちの隣り合う前記接続部の間に、前記複数の歪検出部が電気的に接続される回路基板が配置される、前記（３）又は（４）に記載のトルクセンサ。
（６）前記複数の歪検出部は、前記複数の接続部のうちの第１の接続部の前記第１の面に備えられた第１の歪検出部と、前記複数の接続部のうちの第２の接続部の前記第１の面に備えられた第２の歪検出部と、前記第１の接続部の前記第２の面に備えられた第３の歪検出部と、前記第２の接続部の前記第２の面に備えられた第４の歪検出部と、を含む、前記（３）〜（５）のいずれか１項に記載のトルクセンサ。
（７）前記第１の接続部及び前記第２の接続部は、前記入力軸の軸回り方向に隣り合う接続部である、前記（６）に記載のトルクセンサ。
（８）前記第１の歪検出部、前記第２の歪検出部、前記第３の歪検出部及び前記第４の歪検出部は、前記入力軸から等距離に配置される、前記（６）又は（７）に記載のトルクセンサ。
（９）前記第１の歪検出部、前記第２の歪検出部、前記第３の歪検出部及び前記第４の歪検出部は、それぞれ、前記入力軸に対して直交する方向であって、前記入力軸を中心とする径方向に対して所定方向に４５度傾斜する方向の歪みを検出する第１の受感部と、前記入力軸に対して直交する方向であって、前記第１の受感部の検出方向に直交する方向の歪みを検出する第２の受感部と、を備え、８アクティブ４ゲージ法の等価回路を構成する、前記（６）〜（８）のいずれか１項に記載のトルクセンサ。
（１０）前記第１の接続部及び前記第２の接続部は、前記入力軸の軸回り方向に隣り合う接続部であり、前記複数の歪検出部は、前記入力軸を中心に前記第１の接続部の対角位置に設けられた第３の接続部の前記第１の面に備えられた第５の歪検出部と、前記入力軸を中心に前記第２の接続部の対角位置に設けられた第４の接続部の前記第１の面に備えられた第６の歪検出部と、前記第３の接続部の前記第２の面に備えられた第７の歪検出部と、前記第４の接続部の前記第２の面に備えられた第８の歪検出部と、を含む、前記（６）〜（９）のいずれか１項に記載のトルクセンサ。
（１１）前記第５の歪検出部、前記第６の歪検出部、前記第７の歪検出部及び前記第８の歪検出部は、それぞれ、前記入力軸に対して直交する方向であって、前記入力軸を中心とする径方向に対して所定方向に４５度傾斜する方向の歪みを検出する第１の受感部と、前記入力軸に対して直交する方向であって、前記第１の受感部の検出方向に直交する方向の歪みを検出する第２の受感部と、を備え、８アクティブ４ゲージ法の等価回路を構成する、前記（１０）に記載のトルクセンサ。
（１２）前記歪検出部は、前記起歪部の前記第１の面及び前記第２の面に配置された歪みゲージである、前記（１）〜（１１）のいずれか１項に記載のトルクセンサ。
（１３）前記歪検出部は、前記起歪部の前記第１の面及び前記第２の面に成膜されたゲージパターンである、（１）〜（１１）に記載のトルクセンサ。
（１４）前記起歪部の前記第１の面及び前記第２の面のうちの少なくとも一方の面と、前記第１の回転体の前記第１の方向の端面と、前記第２の回転体の第１の方向の端面と、が同一平面上にある、前記（１３）に記載のトルクセンサ。
（１５）前記第１の回転体及び前記第２の回転体のうちの少なくとも一方に対して、別体に構成された前記起歪部が接合されてなる、前記（１）〜（１４）のいずれか１項に記載のトルクセンサ。
（１６）入力軸の回りに軸回転可能な第１の回転体と、出力軸の回りに軸回転可能な第２の回転体と、前記第１の回転体と前記第２の回転体とに渡って設けられ、前記入力軸に平行な第１の方向の一方側を向く第１の面、及び、前記第１の方向の他方側を向く第２の面を有し、前記第１の回転体及び前記第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、前記第１の面及び前記第２の面にそれぞれ設けられて前記起歪部の歪みを検出する複数の歪検出部と、前記第１の回転体及び前記第２の回転体のうちの少なくとも一方に固定されたエンコーダと、を備えた、力制御型アクチュエータ。
（１７）前記第１の回転体及び前記第２の回転体は、互いに異なる直径を有する同心円状に設けられ、前記エンコーダの少なくとも一部は、外周側に位置する前記第２の回転体の内周側に配置される、前記（１６）に記載の力制御型アクチュエータ。
（１８）前記起歪部は、前記第１の回転体と前記第２の回転体とに渡って放射状に延在する複数の接続部を有し、前記エンコーダの少なくとも一部は、前記入力軸の軸回り方向に隣り合う前記複数の接続部の間に配置される、前記（１６）又は（１７）に記載の力制御型アクチュエータ。
（１９）前記エンコーダは、前記起歪部の前記第１の面が向く前記一方側に配置された回路基板と、前記起歪部の前記第２の面が向く前記他方側に対向配置された磁気ディスクと、前記入力軸の軸回り方向に隣り合う前記複数の接続部の間に配置されて前記磁気ディスクにより生成される磁場を検出する磁場検出素子と、を備える、前記（１８）に記載の力制御型アクチュエータ。
【符号の説明】
【００８５】
１        力制御型アクチュエータ（回転アクチュエータ）
２０      出力側エンコーダ
２１      磁気ディスク
２３      回路基板
２５      磁場検出素子
２９      エンコーダケース
３０      波動歯車装置
４０      モータ
５０      ブレーキ機構
６０      入力側エンコーダ
１００    トルクセンサ
１１０    ベース材
１１２    第１の回転体
１１４    第２の回転体
１２１    起歪部
１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄ    接続部
【図１】
2017203645.tif 000003
【図２】
2017203645.tif 000004
【図３】
2017203645.tif 000005
【図４】
2017203645.tif 000006
【図５】
2017203645.tif 000007
【図６】
2017203645.tif 000008
【図７】
2017203645.tif 000009
【図８】
2017203645.tif 000010
【図９】
2017203645.tif 000011
【図１０】
2017203645.tif 000012
【図１１】
2017203645.tif 000013
【図１２】
2017203645.tif 000014
【図１３】
2017203645.tif 000015
【図１４】
2017203645.tif 000016
【図１５】
2017203645.tif 000017
【図１６】
2017203645.tif 000018
【図１７】
2017203645.tif 000019
【図１８】
2017203645.tif 000020
【図１９】
2017203645.tif 000021
【図２０】
2017203645.tif 000022