トルクセンサ及びトルクセンサ付モータ
【課題】
回転出力軸を有する装置に特殊な加工が必要でなく、回転出力軸を有する装置に簡単に装着できるとともに容易に小型化ができ、さらには、汎用性が高いトルクセンサ及びトルクセンサ付モータを提供する。
【解決手段】
トルクセンサ２０は、一対の第１厚肉部２１と一対の第２厚肉部２２とが交互に配置されるとともに互いに隣接する第１厚肉部２１と第２厚肉部２２間に弾性変形可能な薄肉部２３が連結された連結体と、各薄肉部２３に配置された歪みゲージ３０とを備える。第１厚肉部２１が、減速機付モータ１１のハウジング１３と一体に連結可能に形成され、第２厚肉部２２が、固定プレート１２に一体に連結可能に形成され、第１厚肉部２１と第２厚肉部２２とが並んだ方向に変位可能にされている。
回転出力軸を有する装置に特殊な加工が必要でなく、回転出力軸を有する装置に簡単に装着できるとともに容易に小型化ができ、さらには、汎用性が高いトルクセンサ及びトルクセンサ付モータを提供する。
【解決手段】
トルクセンサ２０は、一対の第１厚肉部２１と一対の第２厚肉部２２とが交互に配置されるとともに互いに隣接する第１厚肉部２１と第２厚肉部２２間に弾性変形可能な薄肉部２３が連結された連結体と、各薄肉部２３に配置された歪みゲージ３０とを備える。第１厚肉部２１が、減速機付モータ１１のハウジング１３と一体に連結可能に形成され、第２厚肉部２２が、固定プレート１２に一体に連結可能に形成され、第１厚肉部２１と第２厚肉部２２とが並んだ方向に変位可能にされている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トルクセンサ及びトルクセンサ付モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
多指ロボットハンドにおける物体の把持・操作は、多くの分野において実用化が望まれている。ロボットハンドにおいて、物体の把持・操作の力情報を得るためには、関節トルクの測定が重要となっている。トルクを直接計測する測定法では、歪みゲージや、磁歪式トルクセンサを用いる測定法（特許文献１〜３、非特許文献２）や、光学式トルクセンサ（非特許文献１，３）がある。
【０００３】
特許文献１では、駆動プーリと従動プーリ間に巻掛けられた媒介節の往復両側に一対のテンションプーリが設けられ、同テンションプーリを支持する主フレームのはり部に歪みゲージが貼り付けられた構成になっている。そして、この歪みゲージの出力により従動プーリのトルク値を求めるようにしている。
【０００４】
特許文献２では、モータの出力軸の先端に磁歪膜を形成し、その周囲を囲むようにして励磁コイルを配置して、磁歪式トルクセンサを構成し、磁歪膜の磁気特性変化に基づいてトルクを検出するようにしている。
【０００５】
特許文献３では、指リンクの関節回転部に設けられたセンサは長尺状に形成されて、一方の端部がモータの回転軸に固定され、他端部が指リンクに設けられた一対の突起体間に挟まれて、長手方向と突起体周りの回転方向に変位可能となっている。そして、回転軸が回転すると、同センサにおいて、回転軸と突起体間に位置するくびれ部分に設けられたゲージの出力により、トルクを検出するようになっている。
【０００６】
非特許文献１では、ダイレクト・ドライブ手首の回転駆動するモータのロータと関節軸を結合するハブに光学式トルクセンサが設けられている。
非特許文献２では、ハーモニックドライブ（登録商標）減速装置内のフレクススプラインのねじり変形を利用してトルクを計測するようにしている。
【０００７】
非特許文献３では、検出器が、入力軸に連結されるリングと、同リング内に配置されるとともに出力軸に連結されるハブとを備え、前記ハブが前記リングに対して撓み可能な複数のスポークにて連結されることにより構成されている。前記リングには、固定されたフォトインタラプタの間を移動するシールドが設けられ、入力軸から出力軸に回転トルクが付与されたときに、前記フォトインタラプタに対する前記シールドの位置がスポークの歪みに応じて変化することに基づいてトルク検出を行うようにしている。
【特許文献１】実開平５−９４７３７号公報
【特許文献２】特開２００２−２５０６６２号公報
【特許文献３】特開２００４−２０３６８号公報
【非特許文献１】浅田春比古，金寧鐸，「光学式トルクセンサを内蔵したダイレクト・ドライブロボットの動的コンプライアンス制御」，日本ロボット学会誌，Vol.7,No.2,pp.3-12,1989
【非特許文献２】橋本稔，ゴドレール・イヴァン，「ハーモニックドライブ（登録商標）内蔵型トルクセンサの高精度化」，日本ロボット学会誌，Vol.15,No.5,pp.146-150,1997
【非特許文献３】ヅミトリ・ツェツェルコウ(Dzmitry Tsetserukou),リイチロウ・タダクマ(Riichiro Tadakuma),ヒロユキ・カジモト(Hiroyuki Kajimoto),ススム・タチ(Susumu Tachi),「オプティカル トルク センサーズ フォー ローカル インピーダンス コントロール リアリゼーション オブ アン アンスロポモルフィック ロボット アーム (Optical Torque Sensors for Local Impedance Control Realization of an Anthropomorphic Robot Arm)」,ジャーナル・オブ・ロボティクス・アンド・メカトロニクス(Jounal of Robotics and Mechatronics),Vol.18,No2,pp.121-130,2006
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、特許文献１では、プーリー等の複数の部品をロボットハンドに追加する必要があり、ロボットハンドに簡単に装着することが困難な問題がある。従って、特許文献１の構成では、回転出力軸を有する装置にトルクセンサを簡単に取付することができない。特許文献２では、モータの出力軸の先に磁歪式トルクセンサを結合する構成をとることから、出力軸の全長が長くなり、回転出力軸を有する装置にトルクセンサを付設した構成の小型化は容易ではない問題がある。
【０００９】
特許文献３では、ロボットハンド自体に特殊な加工が必要となるため、簡単にロボットハンドに装着することが困難である問題がある。従って、特許文献３では、ロボットハンド自体のように回転出力軸を有する装置側に特殊加工が必要となり、簡単にトルクセンサを装着することが困難である。
【００１０】
非特許文献１では、出力ファイバーと、入力ファィバーとを相対させる必要があり、例えばロボットハンドのように限られた空間内において、両ファィバーの取付精度を維持することが難しい問題があり、又、小型化が難しい。又、非特許文献３では、フォトインタラプタとシールドと両者の位置関係の管理が難しい問題があり、又、小型化が難しい。
【００１１】
非特許文献２では、ハーモニックドライブ（登録商標）減速装置という特定の減速装置機内部にトルク測定部位を設けることから、様々なモータへの取付が困難であり、汎用性に乏しい問題がある。
【００１２】
本発明の目的は、回転出力軸を有する装置に特殊な加工が必要でなく、回転出力軸を有する装置に簡単に装着できるとともに容易に小型化ができ、さらには、汎用性が高いトルクセンサを提供することにある。
【００１３】
又、本発明の他の目的は、回転出力軸を有する装置や、トルクセンサ付モータが取付けられる側に特殊な加工が必要でなくて、容易に小型化ができ、さらには汎用性が高いトルクセンサ付モータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、厚肉部と弾性変形可能な薄肉部とが連結された連結体と、前記薄肉部に配置された歪みゲージとを備え、前記厚肉部は、回転出力軸を有する装置のハウジングに一体に連結可能に形成された第１厚肉部と、支持部材に一体に連結可能に形成された第２厚肉部を含み、前記第１厚肉部と前記第２厚肉部間に前記薄肉部が形成されて、第１厚肉部と第２厚肉部とが互いに並んだ方向に変位可能にされていることを特徴とするトルクセンサを要旨とするものである。
【００１５】
請求項１の発明のトルクセンサは、第１厚肉部が回転出力軸を有する装置のハウジングに一体に連結され、第２厚肉部が支持部材に一体に連結される。このことにより、回転出力軸を有する装置は、トルクセンサを介して支持部材に取付支持される。
【００１６】
このトルクセンサの配置の方法は、例えば、回転出力軸を有する装置と支持部材間にトルクセンサを配置する方法（以下、第１の方法という）と、支持部材とトルクセンサ間に回転出力軸を有する装置を配置する方法（以下、第２の方法という）がある。
【００１７】
第１の方法の場合、回転出力軸を回転出力軸を有する装置のハウジングから支持部材側に突出させてもよく（第１実施形態参照）、或いは、前記ハウジングにおいて、支持部材側の端面とは１８０度反対側の端面から回転出力軸を突出させてもよい。
【００１８】
第２の方法の場合、支持部材とトルクセンサの第２厚肉部とを連結する部材を、例えば、回転出力軸を回転出力軸を有する装置のハウジング内を貫通配置したり（第２実施形態参照）、ハウジング外に配置してもよい。
【００１９】
請求項２の発明は、第１厚肉部と第２厚肉部とが交互に配置されるとともに互いに隣接する第１厚肉部と第２厚肉部間に弾性変形可能な薄肉部が連結された連結体と、前記薄肉部のうち少なくとも１つの薄肉部に配置された歪みゲージとを備え、前記第１厚肉部が、回転出力軸を有する装置に一体に連結可能に形成され、前記第２厚肉部が、支持部材に一体に連結可能に形成され、前記第１厚肉部と第２厚肉部とが並んだ方向に変位可能にされていることを特徴とするトルクセンサを要旨とするものである。
【００２０】
請求項２の発明においても、トルクセンサを請求項１と同様に第１の方法及び第２の方法の取付が可能である。
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２において、前記連結体がリング状に形成されていることを特徴とする。
【００２１】
請求項４の発明は、請求項１又は請求項２において、前記連結体が、円弧状に形成されていることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のうちいずれか１項に記載のトルクセンサが、回転出力軸を有する装置であるモータに対して第１厚肉部にて取付けされていることを特徴とするトルクセンサ付モータを要旨とするものである。
【００２２】
この場合、トルクセンサはモータのハウジングにおいて、回転出力軸が突出する側の面に第１厚肉部を取付けしてもよく、或いは、回転出力軸が突出する側とは１８０度反対側の面に対して第１厚肉部を取付けしてもよい。
【００２３】
請求項６の発明は、請求項５において、前記モータが減速機付モータであることを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項６において、前記減速機付モータがロボットハンド用のモータであることを特徴とする。
【００２４】
請求項８の発明は、請求項５乃至請求項７のうちいずれか１項において、前記第２厚肉部が、支持部材に一体に連結されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
請求項１乃至請求項４の発明によれば、トルクセンサを、支持部材と回転出力軸を有する装置のハウジング間や、或いは、回転出力軸を有する装置の同回転出力軸が突出する方向とは１８０度反対側の面に取付けする。このことにより、回転出力軸を有する装置に特殊な加工が必要でなく、回転出力軸を有する装置に簡単に装着できるとともに容易に小型化ができ、さらには、汎用性が高いトルクセンサを提供することができる。
【００２６】
請求項５乃至請求項８の発明によれば、回転出力軸を有する装置や、トルクセンサ付モータが取付けされる側に特殊な加工が必要でなくて、容易に小型化ができ、さらには汎用性が高いトルクセンサ付モータを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明をロボットハンドに使用されるトルクセンサ及びトルクセンサ付モータに具体化した第１実施形態を図１〜６を参照して説明する。
トルクセンサ付モータは、減速機付モータ１１と、減速機付モータ１１を図示しないロボットハンドに取付けするための支持部材としての固定プレート１２と、減速機付モータ１１と固定プレート１２間に介在配置されたトルクセンサ２０とから構成されている。
【００２８】
減速機付モータ１１は円柱状のハウジング１３内にモータ本体と同モータ本体の出力を減速する減速歯車機構（ともに図示しない）を備えており、減速歯車機構の回転出力軸１４がハウジング１３の固定プレート１２側の端面から突出されている。減速機付モータ１１は、回転出力軸を有する装置に相当する。
【００２９】
トルクセンサ２０は、同じ大きさをなす一対の第１厚肉部２１と、同じ大きさをなす一対の第２厚肉部２２とが同一円上において交互に配置され、互いに隣接する第１厚肉部２１と第２厚肉部２２とが弾性変形可能に形成された薄肉部２３により連結されている。第１厚肉部２１，第２厚肉部２２及び薄肉部２３は、例えば、アルミニウムや或いは高力アルミニウム合金等から一体に形成されている。第１厚肉部２１及び第２厚肉部２２は、厚肉部を構成する。又、第１厚肉部２１、第２厚肉部２２及び薄肉部２３により、円形リング状をなす連結体を構成する。連結体を構成するトルクセンサ２０の外径は、減速機付モータ１１のハウジング１３の外径と同径にしてハウジング１３と同軸となるように配置され、トルクセンサ２０がハウジング１３から径方向に突出しないようにされている。
【００３０】
第１厚肉部２１、第２厚肉部２２及び薄肉部２３の固定プレート１２と対向する面２１ａ，２２ａ，２３ａ及び減速機付モータ１１に対向する面２１ｂ，２２ｂ，２３ｂは平面に形成されている。第１厚肉部２１の面２１ａは、第２厚肉部２２の面２２ａに対して図２に示すようにオフセットされている。
【００３１】
第１厚肉部２１の面２１ａには、段付貫通孔２４が形成されている。そして、第１厚肉部２１は、段付貫通孔２４にボルト３１が挿通されてハウジング１３の固定プレート１２側の端面に設けられたネジ孔１３ａに螺合されることにより、面２１ｂが図２に示すように減速機付モータ１１のハウジング１３の端面に対し当接された状態で締結されて一体に連結されている。
【００３２】
ボルト３１の頭部の頂面は、第１厚肉部２１の面２１ａから突出しないように同面２１ａと面一、又は、段付貫通孔２４内に位置する。又、図２に示すように、薄肉部２３と第２厚肉部２２はハウジング１３のトルクセンサ２０と対向する端面に対して間隙を介して離間され、ハウジング１３に対してはフリーな状態となっている。
【００３３】
第２厚肉部２２の固定プレート１２と対向する面２２ａには、雌ネジ孔２５が形成されている。一方、固定プレート１２には、雌ネジ孔２５と相対して段付貫通孔１５が形成されている。なお、段付貫通孔２４と雌ネジ孔２５の中心は、トルクセンサ２０が減速機付モータ１１に取付けされた際、後述する回転出力軸１４の軸心を中心とする共通の円Ｃ上に位置するように配置されている（図４（ａ）参照）。
【００３４】
そして、第２厚肉部２２は、段付貫通孔１５に挿通されたボルト３２が雌ネジ孔２５に螺合されることにより面２２ａが図２に示すように固定プレート１２に対し当接された状態で締結されて一体に連結されている。ボルト３２の頭部の頂面は、固定プレート１２の上面（図３において）から突出しないように同面と面一、又は、段付貫通孔１５内に位置する。又、図２に示すように、薄肉部２３と第１厚肉部２１は固定プレート１２と間隙を介して離間され、固定プレート１２に対してはフリーな状態となっている。
【００３５】
各薄肉部２３は、図４（ａ）に示すように、回転出力軸１４を中心として９０度間隔で配置されている。薄肉部２３の内径側の面（すなわち、回転出力軸１４に向かう面、以下、ゲージ面２３ｃという）には、回転出力軸１４の軸心に沿うように歪みゲージ３０が貼着されている。
【００３６】
固定プレート１２の中央には、貫通孔１８が形成され、回転出力軸１４が突出されている。固定プレート１２の各コーナには、固定プレート１２を図示しないロボットハンドの関節に取付するためのボルト挿通孔１９が設けられている。
【００３７】
さて、上記のように構成されたトルクセンサ２０及びトルクセンサ付モータの作用を図４（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。なお、固定プレート１２は、図示しないロボットハンドの関節に固定されているものとする。
【００３８】
減速機付モータ１１が回転し、関節トルクが発生すると、固定プレート１２とモータは、ある程度の剛性を有するトルクセンサ２０を介して結合されているため、相対的な変位が生ずる。すなわち、減速機付モータ１１の回転出力軸１４が回転すると、ハウジング１３には回転出力軸１４の回転方向とは反対方向に反力が働くことから、トルクセンサ２０には第１厚肉部２１と第２厚肉部２２とが相対的に変位する。具体的には、第１厚肉部２１は、減速機付モータ１１のハウジング１３に働いた反力により変位する。
【００３９】
図４（ａ）において、回転出力軸１４が反時計回り方向に回転すると、第１厚肉部２１はＡ方向に変位し、回転出力軸１４が時計回り方向に回転すると、第１厚肉部２１はＢ方向に変位する。このように、第１厚肉部２１は、第２厚肉部２２と互いに並んだ方向に変位する。この並んだ方向は、本実施形態では、回転出力軸１４を中心とした円Ｃの周方向である。
【００４０】
一般的な片持ち梁による構造では、減速機付モータ１１の反時計回り方向の回転により、Ａ方向に負荷を生じると、図４（ｂ）に示すように薄肉部２３の（イ），（ハ）のゲージ面２３ｃが圧縮力を受け、（ロ），（ニ）のゲージ面２３ｃが引張力を受け、（イ）〜（ニ）のゲージ面２３ｃに配置された歪みゲージ３０が歪む。
【００４１】
又、減速機付モータ１１の時計回り方向の回転により、Ｂ方向に負荷を生じると、図４（ｃ）に示すように薄肉部２３の（イ），（ハ）のゲージ面２３ｃが引張力を受け、（ロ），（ニ）のゲージ面２３ｃが圧縮力を受け、（イ）〜（ニ）のゲージ面２３ｃに配置された歪みゲージ３０が歪む。
【００４２】
上記のように構成されたトルクセンサ２０では、前記各歪みゲージ３０により、ゲージブリッジを構成して、トルク検出を行うことができる。図５は、４つの歪みゲージ３０を４アクティブゲージ法によりゲージブリッジを構成したものである。この場合の出力は、
Ｖout＝ＫεＶin
なお、Ｋは歪みゲージ率、εは歪み、Ｖinはブリッジ電圧、Ｖoutは出力電圧である。又、図５中、Ｒ１〜Ｒ４は、歪みゲージのゲージ抵抗である。４アクティブゲージ法では、歪みゲージ３０を単独で使用した場合の４倍の出力が得られ、温度補償が可能となる。又、ロボットハンドの姿勢変化に伴うセンサ出力の重力補償も可能となる。
【００４３】
図６は、本実施形態のトルクセンサの出力の特性図である。図６に示すように、トルクの増加に伴い、歪みが線形の関係で増加し、歪みからトルクの計算ができる。
以上のように構成された第１実施形態では、下記の特徴がある。
【００４４】
（１） 本実施形態のトルクセンサ２０は、第１厚肉部２１と、第２厚肉部２２を含む厚肉部と弾性変形可能な薄肉部２３とが連結された連結体と、薄肉部２３に配置された歪みゲージ３０とを備える。又、厚肉部は、減速機付モータ１１（回転出力軸を有する装置）のハウジング１３に一体に連結可能に形成された第１厚肉部２１と、固定プレート１２（支持部材）に一体に連結可能に形成された第２厚肉部２２とから構成されている。そして、第１厚肉部２１と第２厚肉部２２間に薄肉部２３が形成されて、第１厚肉部２１と第２厚肉部２２とが互いに並んだ方向に変位可能にされているようにした。
【００４５】
この結果、本実施形態のトルクセンサ２０は、減速機付モータ１１と固定プレート１２間に配置されて、第１厚肉部２１が減速機付モータ１１のハウジング１３に一体に連結され、第２厚肉部２２が固定プレート１２に一体に連結される。このことにより、減速機付モータ１１は、トルクセンサ２０を介して固定プレート１２に取付支持できる。
【００４６】
そして、上記のようにトルクセンサ２０を、減速機付モータ１１と固定プレート１２との間に配置して取付けができるため、減速機付モータ１１に特殊な加工が必要でなく、減速機付モータ１１に簡単に装着できるとともにトルクセンサ付モータを容易に小型化ができ、さらには、汎用性が高いトルクセンサとすることができる。
【００４７】
（２） 本実施形態のトルクセンサ２０は、一対の第１厚肉部２１と一対の第２厚肉部２２とが交互に配置されるとともに互いに隣接する第１厚肉部２１と第２厚肉部２２間に弾性変形可能な薄肉部２３が連結された連結体と、各薄肉部２３に配置された歪みゲージ３０とを備えるようにした。又、第１厚肉部２１が、減速機付モータ１１のハウジング１３と一体に連結可能に形成され、第２厚肉部２２が、固定プレート１２に一体に連結可能に形成され、第１厚肉部２１と第２厚肉部２２とが並んだ方向に変位可能にされている。
【００４８】
この結果、トルクセンサ２０を、減速機付モータ１１と固定プレート１２との間に配置して取付けができることから、減速機付モータ１１に特殊な加工が必要でなくなる。又、減速機付モータ１１にトルクセンサ２０を簡単に装着できるとともに容易にトルクセンサ付モータを小型化ができ、さらには、汎用性が高いトルクセンサとすることができる。
【００４９】
（３） 本実施形態では、トルクセンサ２０を構成する連結体を円形リング状に形成して、減速機付モータ１１のハウジング１３と同じ外径にした。この結果、トルクセンサ２０がハウジング１３の径方向へ突出することがなく、トルクセンサ付モータとして小型化ができる。
【００５０】
（４） 本実施形態のトルクセンサ付モータでは、トルクセンサ２０が取り付けされているモータを減速機付モータ１１とした。この結果、トルクセンサ２０により、減速機先端のトルクを測定することができる。すなわち、モータや、減速機内部の摩擦等を考慮した外部への実質的なトルクを測定できる。
【００５１】
（５） 本実施形態のトルクセンサ付モータでは、減速機付モータ１１がロボットハンド用のモータとしている。この結果、ロボットハンドの関節部に取付けする減速機付モータ１１に特殊な加工が必要でないとともに、ロボットハンドの関節部側にもトルク検出するための特殊な加工を施す必要がなくて、容易に小型化ができる。
【００５２】
（６） 本実施形態のトルクセンサ付モータでは、第２厚肉部２２が、固定プレート１２に一体に連結されている。この結果、トルクセンサ付モータを固定プレート１２を介して例えばロボットハンドの関節部位に簡単に取付することができる。
【００５３】
（第２実施形態）
次に第２実施形態を図７〜９を参照して説明する。なお、第１実施形態と同一構成、又は相当する構成については同一符号を付してその詳細な説明を省略し、異なる構成を中心に説明する。
【００５４】
第２実施形態のトルクセンサ２０及びトルクセンサ付モータは、図７に示すように、トルクセンサ２０と、固定プレート１２との間に減速機付モータ１１を配置したところが第１実施形態と異なっている。
【００５５】
トルクセンサ２０は、第１厚肉部２１、第２厚肉部２２及び薄肉部２３とが第１実施形態と同様に形成されて配置されるとともにその外径は、減速機付モータ１１のハウジング１３の外径と同径にしてハウジング１３と同軸となるように配置され、ハウジング１３から径方向に突出しないようにされている。
【００５６】
第２実施形態では、第１厚肉部２１、第２厚肉部２２及び薄肉部２３の面２１ａ，２２ａ，２３ａは、それぞれ減速機付モータ１１に対向するところが第１実施形態と異なっている。
【００５７】
又、第１実施形態では、第１厚肉部２１の面２１ａに段付貫通孔２４が形成されているのに対して、第２実施形態では、第１厚肉部２１の面２１ｂに、段付貫通孔２４が形成されているところが異なっている。そして、第１厚肉部２１は、段付貫通孔２４にボルト３１が挿通されてハウジング１３の下端面に設けられたネジ孔（図示しない）に螺合されることにより、面２１ａが図８に示すようにハウジング１３の下端面に対し当接された状態で締結されて一体に連結されている。
【００５８】
ボルト３１の頭部の頂面は、第１厚肉部２１の面２１ｂから突出しないように同面２１ｂと面一、又は、段付貫通孔２４内に位置する。又、図８に示すように、薄肉部２３と第２厚肉部２２はハウジング１３のトルクセンサ２０と対向する下端面に対して間隙を介して離間され、ハウジング１３に対してはフリーな状態となっている。
【００５９】
なお、第２厚肉部２２の固定プレート１２と対向する面２２ａに設けられた雌ネジ孔２５と、固定プレート１２に設けられた段付貫通孔１５の位置関係は第１実施形態と同じである。
【００６０】
又、段付貫通孔２４と雌ネジ孔２５の位置関係は第１実施形態と同様にその中心が、トルクセンサ２０が減速機付モータ１１に取付けされた際、回転出力軸１４の軸心を中心とする共通の円上に位置するように配置されている。
【００６１】
そして、第２厚肉部２２は段付貫通孔１５に挿通されたボルト３２がハウジング１３に設けられた貫通孔１３ｂを介して雌ネジ孔２５に螺合されることにより、面２２ａがハウジング１３の下端面とは離間された状態で（図８参照）、固定プレート１２に対して締結され一体に連結されている。
【００６２】
ボルト３２の頭部の頂面は、固定プレート１２の上面（図９において）から突出しないように同面と面一、又は、段付貫通孔１５内に位置する。又、図８に示すように、薄肉部２３と第１厚肉部２１はハウジング１３と間隙を介して離間され、減速機付モータ１１及び固定プレート１２に対してはフリーな状態となっている。薄肉部２３の構成及び歪みゲージ３０の配置は第１実施形態と同様である。
【００６３】
上記のように構成された第２実施形態のトルクセンサ２０及びトルクセンサ付モータは、第１実施形態と同様の機能を有するので、作用の説明は省略する。
第２実施形態は、第１実施形態で述べた（２）〜（６）の特徴を有する他、以下の特徴がある。
【００６４】
（１） 第２実施形態では、減速機付モータ１１の両端面に対してトルクセンサ２０と固定プレート１２とをそれぞれ配置して、減速機付モータ１１を挟み込むようにし、減速機付モータ１１を固定プレート１２に対してトルクセンサ２０を介して支持するようにした。
【００６５】
この結果、減速機付モータ１１に特殊な加工が必要でなく、減速機付モータ１１にトルクセンサ２０を簡単に装着できるとともにトルクセンサ付モータを容易に小型化ができ、さらには、汎用性が高いトルクセンサとすることができる。
【００６６】
なお、本発明の実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 第１実施形態及び第２実施形態のトルクセンサ付モータは、固定プレート付であったが、固定プレート１２を省略したトルクセンサ付モータとしてもよい。この場合、減速機付モータ１１のハウジング１３において、回転出力軸１４が突出する側の端面に第１厚肉部２１を取付けすることにより、減速機付モータ１１をトルクセンサ付モータとする。
【００６７】
このような構成にすると、後に固定プレート１２をトルクセンサ２０の第２厚肉部２２にボルト３２にて締結するだけで、トルクセンサ付モータを固定プレート１２を介して例えばロボットハンドの関節部位等に簡単に取付することができる。
【００６８】
○ 第１実施形態では、回転出力軸１４は、固定プレート１２と対向するハウジング１３の端面から突出されているが、回転出力軸１４は、固定プレート１２と対向する端面とは１８０度反対側の端面（図１においては、ハウジング１３の下端面）から突出させてもよい。
【００６９】
○ 又、第１実施形態及び第２実施形態のトルクセンサ付モータは、減速機付モータであったが、減速機を省略したモータに代えてもよい。
○ 第１実施形態及び第２実施形態では、回転出力軸を有する装置として、モータとしたが、回転出力軸を有する装置としては、モータに限定されるものではなく、増速歯車機構や、ハーモニックドライブ（登録商標）等の減速歯車機構等を内蔵した歯車機構の回転出力軸を備えた装置を回転出力軸を有する装置としてもよい。
【００７０】
○ 第１実施形態では、トルクセンサ２０を円形リング状に設けたが、リング状は、円形に限定されるものではなく、楕円、三角形、四角形、五角形以上の多角形等のリング状に形成してもよい。
【００７１】
○ 第１実施形態のトルクセンサ２０は、歪みゲージ３０を各薄肉部２３に対して配置して４個としたが、図１０（ａ）に示すように、１つの薄肉部２３に対して歪みゲージ３０を配置するようにしてもよい。この場合、１アクティブゲージ法によりゲージブリッジを構成して、トルクを検出することができる。
【００７２】
そして、この構成のトルクセンサ２０を第１、又は第２実施形態と同様に減速機付モータ１１に取付したり、減速機を省略したモータに対して取付してもよい。
○ 第１実施形態のトルクセンサ２０は、歪みゲージ３０を各薄肉部２３に対して配置して４個としたが、図１０（ｂ）に示すように、第１厚肉部２１に隣接する２つの薄肉部２３に対して一対の歪みゲージ３０を配置するようにしてもよい。この場合、２アクティブゲージ法によりゲージブリッジを構成して、トルクを検出することができる。
【００７３】
そして、この構成のトルクセンサ２０を第１、又は第２実施形態と同様に減速機付モータ１１に取付したり、減速機を省略したモータに対して取付してもよい。
○ トルクセンサ２０の構成として、第１厚肉部２１及び第２厚肉部２２を１つのみにし、第１厚肉部２１に隣接する１つ又は一対の薄肉部２３に対して１つ又は一対の歪みゲージ３０を配置するようにしてもよい。図１０（ｃ）では、上記の一例として、１つの歪みゲージ３０を備えた薄肉部２３と、第１厚肉部２１と、歪みゲージ３０を備えていない薄肉部２３と、第２厚肉部２２とが交互に連結配置されて、全体が円形状に形成されたトルクセンサ２０を図示している。
【００７４】
○ 第１実施形態ではトルクセンサ２０を円形リング状としたが、図１１（ａ）に示すように、１つの第１厚肉部２１の両側に一対の薄肉部２３を介して第２厚肉部２２を連結して、連結体を構成するトルクセンサ２０を半円状に形成してもよい。そして、各薄肉部２３に対して歪みゲージ３０を取付する。
【００７５】
この場合、減速機付モータ１１に取付する場合は、図１１（ａ）に示すように、一対のトルクセンサ２０を使用して全体が、略円形状になるように配置して減速機付モータ１１と固定プレート１２に対して取付けするようにする。この場合においては、部品点数が増加するが、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。勿論、第２実施形態と同様にトルクセンサ２０を減速機付モータ１１に対して取付けしてもよい。
【００７６】
○ 図１０（ａ）に示す実施形態の変形例として、図１１（ｂ）又は図１１（ｃ）に示すように構成してもよい。すなわち、図１１（ｂ）の変形例では、トルクセンサ２０の構成は１つとして、歪みゲージ３０は、１つの薄肉部２３のみに配置されたものである。
【００７７】
又、図１１（ｃ）の変形例では、トルクセンサ２０の構成は１つとして、一対の歪みゲージ３０が一対の薄肉部２３に配置されたものである。
この場合、図１１（ａ）では一対のトルクセンサ２０を介して減速機付モータ１１を固定プレート１２に固定する代わりに、減速機付モータ１１を１つのトルクセンサ２０とダミー４０を介して固定プレート１２に支持する。
【００７８】
ダミー４０はトルクセンサ２０と同様に円弧状に形成され、歪みゲージ３０を備えていない以外は、トルクセンサ２０と同様に構成すればよい。
なお、説明の便宜上、ダミー４０の構成体においても、本変形例のトルクセンサ２０に相当する構成は、同一符号を付している。
【００７９】
○ 又、図１２に示すように、トルクセンサ２０を構成してもよい。図１２の例では、第１厚肉部２１、第２厚肉部２２の間に薄肉部２３を間にするように連結されて、連結体を構成するトルクセンサ２０が１／４円弧状に形成されている。このようにして、第１厚肉部２１と第２厚肉部２２とが、薄肉部２３を挟んで互いに並んだ方向（すなわち、１／４円弧に沿った方向）に変位可能にされている。そして、薄肉部２３のゲージ面２３ｃに対して歪みゲージ３０が取付けされている。
【００８０】
○ 前記各実施形態では、歪みゲージ３０を各薄肉部２３の内径側のゲージ面２３ｃに設けたが、外径側の面や面２３ａ、２３ｂに配置してもよい。又、ゲージ面２３ｃ，及び面２３ａ、或いはゲージ面２３ｃ及び面２３ｂにそれぞれ歪みゲージ３０を配置してもよい。又、歪みゲージ３０を各薄肉部２３において、外径側の面，及び面２３ａ、或いは外径側の面及び面２３ｂにそれぞれ歪みゲージ３０を配置してもよい。
【００８１】
○ 前記各実施形態ではロボットハンドに使用されるトルクセンサ及びトルクセンサ付モータに具体化したが、トルクセンサ及びトルクセンサ付モータはロボットハンド用に限定されるものではなく、他の用途に使用されるトルクセンサ及びトルクセンサ付モータとして使用してもよい。
【００８２】
○ 第２実施形態では、ハウジング１３に貫通孔１３ｂを設けて、貫通孔１３ｂ内、すなわち、ハウジング１３内を貫通するボルト３２により、固定プレート１２とトルクセンサ２０とを締結した。これに代えて、固定プレート１２を第２実施形態よりも幅広くするとともに、トルクセンサ２０の外径を大きくして、ボルト３２をハウジング１３の外方に配置して、固定プレート１２とトルクセンサ２０とを締結するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】第１実施形態のトルクセンサ付モータの斜視図。
【図２】同じくトルクセンサの第１厚肉部と第２厚肉部の厚み方向の相違を示す模式図。
【図３】同じくトルクセンサ付モータの分解斜視図。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は第１実施形態のトルクセンサの作用の説明図。
【図５】第１実施形態のトルクセンサにおけるホイートストンブリッジ回路図。
【図６】第１実施形態のトルクセンサの出力特性図。
【図７】第２実施形態のトルクセンサ付モータの斜視図。
【図８】同じくトルクセンサの第１厚肉部と第２厚肉部の厚み方向の相違を示す模式図。
【図９】同じくトルクセンサ付モータの分解斜視図。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ他の実施形態のトルクセンサの平面図。
【図１１】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ他の実施形態のトルクセンサの平面図。
【図１２】他の実施形態のトルクセンサの平面図。
【符号の説明】
【００８４】
１１…減速機付モータ、１２…固定プレート（支持部材）、
１３…ハウジング、１４…回転出力軸、２０…トルクセンサ、
２１…第１厚肉部、２１ａ…面、２１ｂ…面、
２２…第２厚肉部、２２ａ…面、２２ｂ…面、
２３…薄肉部、２３ａ…面、２３ｂ…面
２３ｃ…ゲージ面、３０…歪みゲージ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トルクセンサ及びトルクセンサ付モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
多指ロボットハンドにおける物体の把持・操作は、多くの分野において実用化が望まれている。ロボットハンドにおいて、物体の把持・操作の力情報を得るためには、関節トルクの測定が重要となっている。トルクを直接計測する測定法では、歪みゲージや、磁歪式トルクセンサを用いる測定法（特許文献１〜３、非特許文献２）や、光学式トルクセンサ（非特許文献１，３）がある。
【０００３】
特許文献１では、駆動プーリと従動プーリ間に巻掛けられた媒介節の往復両側に一対のテンションプーリが設けられ、同テンションプーリを支持する主フレームのはり部に歪みゲージが貼り付けられた構成になっている。そして、この歪みゲージの出力により従動プーリのトルク値を求めるようにしている。
【０００４】
特許文献２では、モータの出力軸の先端に磁歪膜を形成し、その周囲を囲むようにして励磁コイルを配置して、磁歪式トルクセンサを構成し、磁歪膜の磁気特性変化に基づいてトルクを検出するようにしている。
【０００５】
特許文献３では、指リンクの関節回転部に設けられたセンサは長尺状に形成されて、一方の端部がモータの回転軸に固定され、他端部が指リンクに設けられた一対の突起体間に挟まれて、長手方向と突起体周りの回転方向に変位可能となっている。そして、回転軸が回転すると、同センサにおいて、回転軸と突起体間に位置するくびれ部分に設けられたゲージの出力により、トルクを検出するようになっている。
【０００６】
非特許文献１では、ダイレクト・ドライブ手首の回転駆動するモータのロータと関節軸を結合するハブに光学式トルクセンサが設けられている。
非特許文献２では、ハーモニックドライブ（登録商標）減速装置内のフレクススプラインのねじり変形を利用してトルクを計測するようにしている。
【０００７】
非特許文献３では、検出器が、入力軸に連結されるリングと、同リング内に配置されるとともに出力軸に連結されるハブとを備え、前記ハブが前記リングに対して撓み可能な複数のスポークにて連結されることにより構成されている。前記リングには、固定されたフォトインタラプタの間を移動するシールドが設けられ、入力軸から出力軸に回転トルクが付与されたときに、前記フォトインタラプタに対する前記シールドの位置がスポークの歪みに応じて変化することに基づいてトルク検出を行うようにしている。
【特許文献１】実開平５−９４７３７号公報
【特許文献２】特開２００２−２５０６６２号公報
【特許文献３】特開２００４−２０３６８号公報
【非特許文献１】浅田春比古，金寧鐸，「光学式トルクセンサを内蔵したダイレクト・ドライブロボットの動的コンプライアンス制御」，日本ロボット学会誌，Vol.7,No.2,pp.3-12,1989
【非特許文献２】橋本稔，ゴドレール・イヴァン，「ハーモニックドライブ（登録商標）内蔵型トルクセンサの高精度化」，日本ロボット学会誌，Vol.15,No.5,pp.146-150,1997
【非特許文献３】ヅミトリ・ツェツェルコウ(Dzmitry Tsetserukou),リイチロウ・タダクマ(Riichiro Tadakuma),ヒロユキ・カジモト(Hiroyuki Kajimoto),ススム・タチ(Susumu Tachi),「オプティカル トルク センサーズ フォー ローカル インピーダンス コントロール リアリゼーション オブ アン アンスロポモルフィック ロボット アーム (Optical Torque Sensors for Local Impedance Control Realization of an Anthropomorphic Robot Arm)」,ジャーナル・オブ・ロボティクス・アンド・メカトロニクス(Jounal of Robotics and Mechatronics),Vol.18,No2,pp.121-130,2006
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、特許文献１では、プーリー等の複数の部品をロボットハンドに追加する必要があり、ロボットハンドに簡単に装着することが困難な問題がある。従って、特許文献１の構成では、回転出力軸を有する装置にトルクセンサを簡単に取付することができない。特許文献２では、モータの出力軸の先に磁歪式トルクセンサを結合する構成をとることから、出力軸の全長が長くなり、回転出力軸を有する装置にトルクセンサを付設した構成の小型化は容易ではない問題がある。
【０００９】
特許文献３では、ロボットハンド自体に特殊な加工が必要となるため、簡単にロボットハンドに装着することが困難である問題がある。従って、特許文献３では、ロボットハンド自体のように回転出力軸を有する装置側に特殊加工が必要となり、簡単にトルクセンサを装着することが困難である。
【００１０】
非特許文献１では、出力ファイバーと、入力ファィバーとを相対させる必要があり、例えばロボットハンドのように限られた空間内において、両ファィバーの取付精度を維持することが難しい問題があり、又、小型化が難しい。又、非特許文献３では、フォトインタラプタとシールドと両者の位置関係の管理が難しい問題があり、又、小型化が難しい。
【００１１】
非特許文献２では、ハーモニックドライブ（登録商標）減速装置という特定の減速装置機内部にトルク測定部位を設けることから、様々なモータへの取付が困難であり、汎用性に乏しい問題がある。
【００１２】
本発明の目的は、回転出力軸を有する装置に特殊な加工が必要でなく、回転出力軸を有する装置に簡単に装着できるとともに容易に小型化ができ、さらには、汎用性が高いトルクセンサを提供することにある。
【００１３】
又、本発明の他の目的は、回転出力軸を有する装置や、トルクセンサ付モータが取付けられる側に特殊な加工が必要でなくて、容易に小型化ができ、さらには汎用性が高いトルクセンサ付モータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、厚肉部と弾性変形可能な薄肉部とが連結された連結体と、前記薄肉部に配置された歪みゲージとを備え、前記厚肉部は、回転出力軸を有する装置のハウジングに一体に連結可能に形成された第１厚肉部と、支持部材に一体に連結可能に形成された第２厚肉部を含み、前記第１厚肉部と前記第２厚肉部間に前記薄肉部が形成されて、第１厚肉部と第２厚肉部とが互いに並んだ方向に変位可能にされていることを特徴とするトルクセンサを要旨とするものである。
【００１５】
請求項１の発明のトルクセンサは、第１厚肉部が回転出力軸を有する装置のハウジングに一体に連結され、第２厚肉部が支持部材に一体に連結される。このことにより、回転出力軸を有する装置は、トルクセンサを介して支持部材に取付支持される。
【００１６】
このトルクセンサの配置の方法は、例えば、回転出力軸を有する装置と支持部材間にトルクセンサを配置する方法（以下、第１の方法という）と、支持部材とトルクセンサ間に回転出力軸を有する装置を配置する方法（以下、第２の方法という）がある。
【００１７】
第１の方法の場合、回転出力軸を回転出力軸を有する装置のハウジングから支持部材側に突出させてもよく（第１実施形態参照）、或いは、前記ハウジングにおいて、支持部材側の端面とは１８０度反対側の端面から回転出力軸を突出させてもよい。
【００１８】
第２の方法の場合、支持部材とトルクセンサの第２厚肉部とを連結する部材を、例えば、回転出力軸を回転出力軸を有する装置のハウジング内を貫通配置したり（第２実施形態参照）、ハウジング外に配置してもよい。
【００１９】
請求項２の発明は、第１厚肉部と第２厚肉部とが交互に配置されるとともに互いに隣接する第１厚肉部と第２厚肉部間に弾性変形可能な薄肉部が連結された連結体と、前記薄肉部のうち少なくとも１つの薄肉部に配置された歪みゲージとを備え、前記第１厚肉部が、回転出力軸を有する装置に一体に連結可能に形成され、前記第２厚肉部が、支持部材に一体に連結可能に形成され、前記第１厚肉部と第２厚肉部とが並んだ方向に変位可能にされていることを特徴とするトルクセンサを要旨とするものである。
【００２０】
請求項２の発明においても、トルクセンサを請求項１と同様に第１の方法及び第２の方法の取付が可能である。
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２において、前記連結体がリング状に形成されていることを特徴とする。
【００２１】
請求項４の発明は、請求項１又は請求項２において、前記連結体が、円弧状に形成されていることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のうちいずれか１項に記載のトルクセンサが、回転出力軸を有する装置であるモータに対して第１厚肉部にて取付けされていることを特徴とするトルクセンサ付モータを要旨とするものである。
【００２２】
この場合、トルクセンサはモータのハウジングにおいて、回転出力軸が突出する側の面に第１厚肉部を取付けしてもよく、或いは、回転出力軸が突出する側とは１８０度反対側の面に対して第１厚肉部を取付けしてもよい。
【００２３】
請求項６の発明は、請求項５において、前記モータが減速機付モータであることを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項６において、前記減速機付モータがロボットハンド用のモータであることを特徴とする。
【００２４】
請求項８の発明は、請求項５乃至請求項７のうちいずれか１項において、前記第２厚肉部が、支持部材に一体に連結されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
請求項１乃至請求項４の発明によれば、トルクセンサを、支持部材と回転出力軸を有する装置のハウジング間や、或いは、回転出力軸を有する装置の同回転出力軸が突出する方向とは１８０度反対側の面に取付けする。このことにより、回転出力軸を有する装置に特殊な加工が必要でなく、回転出力軸を有する装置に簡単に装着できるとともに容易に小型化ができ、さらには、汎用性が高いトルクセンサを提供することができる。
【００２６】
請求項５乃至請求項８の発明によれば、回転出力軸を有する装置や、トルクセンサ付モータが取付けされる側に特殊な加工が必要でなくて、容易に小型化ができ、さらには汎用性が高いトルクセンサ付モータを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明をロボットハンドに使用されるトルクセンサ及びトルクセンサ付モータに具体化した第１実施形態を図１〜６を参照して説明する。
トルクセンサ付モータは、減速機付モータ１１と、減速機付モータ１１を図示しないロボットハンドに取付けするための支持部材としての固定プレート１２と、減速機付モータ１１と固定プレート１２間に介在配置されたトルクセンサ２０とから構成されている。
【００２８】
減速機付モータ１１は円柱状のハウジング１３内にモータ本体と同モータ本体の出力を減速する減速歯車機構（ともに図示しない）を備えており、減速歯車機構の回転出力軸１４がハウジング１３の固定プレート１２側の端面から突出されている。減速機付モータ１１は、回転出力軸を有する装置に相当する。
【００２９】
トルクセンサ２０は、同じ大きさをなす一対の第１厚肉部２１と、同じ大きさをなす一対の第２厚肉部２２とが同一円上において交互に配置され、互いに隣接する第１厚肉部２１と第２厚肉部２２とが弾性変形可能に形成された薄肉部２３により連結されている。第１厚肉部２１，第２厚肉部２２及び薄肉部２３は、例えば、アルミニウムや或いは高力アルミニウム合金等から一体に形成されている。第１厚肉部２１及び第２厚肉部２２は、厚肉部を構成する。又、第１厚肉部２１、第２厚肉部２２及び薄肉部２３により、円形リング状をなす連結体を構成する。連結体を構成するトルクセンサ２０の外径は、減速機付モータ１１のハウジング１３の外径と同径にしてハウジング１３と同軸となるように配置され、トルクセンサ２０がハウジング１３から径方向に突出しないようにされている。
【００３０】
第１厚肉部２１、第２厚肉部２２及び薄肉部２３の固定プレート１２と対向する面２１ａ，２２ａ，２３ａ及び減速機付モータ１１に対向する面２１ｂ，２２ｂ，２３ｂは平面に形成されている。第１厚肉部２１の面２１ａは、第２厚肉部２２の面２２ａに対して図２に示すようにオフセットされている。
【００３１】
第１厚肉部２１の面２１ａには、段付貫通孔２４が形成されている。そして、第１厚肉部２１は、段付貫通孔２４にボルト３１が挿通されてハウジング１３の固定プレート１２側の端面に設けられたネジ孔１３ａに螺合されることにより、面２１ｂが図２に示すように減速機付モータ１１のハウジング１３の端面に対し当接された状態で締結されて一体に連結されている。
【００３２】
ボルト３１の頭部の頂面は、第１厚肉部２１の面２１ａから突出しないように同面２１ａと面一、又は、段付貫通孔２４内に位置する。又、図２に示すように、薄肉部２３と第２厚肉部２２はハウジング１３のトルクセンサ２０と対向する端面に対して間隙を介して離間され、ハウジング１３に対してはフリーな状態となっている。
【００３３】
第２厚肉部２２の固定プレート１２と対向する面２２ａには、雌ネジ孔２５が形成されている。一方、固定プレート１２には、雌ネジ孔２５と相対して段付貫通孔１５が形成されている。なお、段付貫通孔２４と雌ネジ孔２５の中心は、トルクセンサ２０が減速機付モータ１１に取付けされた際、後述する回転出力軸１４の軸心を中心とする共通の円Ｃ上に位置するように配置されている（図４（ａ）参照）。
【００３４】
そして、第２厚肉部２２は、段付貫通孔１５に挿通されたボルト３２が雌ネジ孔２５に螺合されることにより面２２ａが図２に示すように固定プレート１２に対し当接された状態で締結されて一体に連結されている。ボルト３２の頭部の頂面は、固定プレート１２の上面（図３において）から突出しないように同面と面一、又は、段付貫通孔１５内に位置する。又、図２に示すように、薄肉部２３と第１厚肉部２１は固定プレート１２と間隙を介して離間され、固定プレート１２に対してはフリーな状態となっている。
【００３５】
各薄肉部２３は、図４（ａ）に示すように、回転出力軸１４を中心として９０度間隔で配置されている。薄肉部２３の内径側の面（すなわち、回転出力軸１４に向かう面、以下、ゲージ面２３ｃという）には、回転出力軸１４の軸心に沿うように歪みゲージ３０が貼着されている。
【００３６】
固定プレート１２の中央には、貫通孔１８が形成され、回転出力軸１４が突出されている。固定プレート１２の各コーナには、固定プレート１２を図示しないロボットハンドの関節に取付するためのボルト挿通孔１９が設けられている。
【００３７】
さて、上記のように構成されたトルクセンサ２０及びトルクセンサ付モータの作用を図４（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。なお、固定プレート１２は、図示しないロボットハンドの関節に固定されているものとする。
【００３８】
減速機付モータ１１が回転し、関節トルクが発生すると、固定プレート１２とモータは、ある程度の剛性を有するトルクセンサ２０を介して結合されているため、相対的な変位が生ずる。すなわち、減速機付モータ１１の回転出力軸１４が回転すると、ハウジング１３には回転出力軸１４の回転方向とは反対方向に反力が働くことから、トルクセンサ２０には第１厚肉部２１と第２厚肉部２２とが相対的に変位する。具体的には、第１厚肉部２１は、減速機付モータ１１のハウジング１３に働いた反力により変位する。
【００３９】
図４（ａ）において、回転出力軸１４が反時計回り方向に回転すると、第１厚肉部２１はＡ方向に変位し、回転出力軸１４が時計回り方向に回転すると、第１厚肉部２１はＢ方向に変位する。このように、第１厚肉部２１は、第２厚肉部２２と互いに並んだ方向に変位する。この並んだ方向は、本実施形態では、回転出力軸１４を中心とした円Ｃの周方向である。
【００４０】
一般的な片持ち梁による構造では、減速機付モータ１１の反時計回り方向の回転により、Ａ方向に負荷を生じると、図４（ｂ）に示すように薄肉部２３の（イ），（ハ）のゲージ面２３ｃが圧縮力を受け、（ロ），（ニ）のゲージ面２３ｃが引張力を受け、（イ）〜（ニ）のゲージ面２３ｃに配置された歪みゲージ３０が歪む。
【００４１】
又、減速機付モータ１１の時計回り方向の回転により、Ｂ方向に負荷を生じると、図４（ｃ）に示すように薄肉部２３の（イ），（ハ）のゲージ面２３ｃが引張力を受け、（ロ），（ニ）のゲージ面２３ｃが圧縮力を受け、（イ）〜（ニ）のゲージ面２３ｃに配置された歪みゲージ３０が歪む。
【００４２】
上記のように構成されたトルクセンサ２０では、前記各歪みゲージ３０により、ゲージブリッジを構成して、トルク検出を行うことができる。図５は、４つの歪みゲージ３０を４アクティブゲージ法によりゲージブリッジを構成したものである。この場合の出力は、
Ｖout＝ＫεＶin
なお、Ｋは歪みゲージ率、εは歪み、Ｖinはブリッジ電圧、Ｖoutは出力電圧である。又、図５中、Ｒ１〜Ｒ４は、歪みゲージのゲージ抵抗である。４アクティブゲージ法では、歪みゲージ３０を単独で使用した場合の４倍の出力が得られ、温度補償が可能となる。又、ロボットハンドの姿勢変化に伴うセンサ出力の重力補償も可能となる。
【００４３】
図６は、本実施形態のトルクセンサの出力の特性図である。図６に示すように、トルクの増加に伴い、歪みが線形の関係で増加し、歪みからトルクの計算ができる。
以上のように構成された第１実施形態では、下記の特徴がある。
【００４４】
（１） 本実施形態のトルクセンサ２０は、第１厚肉部２１と、第２厚肉部２２を含む厚肉部と弾性変形可能な薄肉部２３とが連結された連結体と、薄肉部２３に配置された歪みゲージ３０とを備える。又、厚肉部は、減速機付モータ１１（回転出力軸を有する装置）のハウジング１３に一体に連結可能に形成された第１厚肉部２１と、固定プレート１２（支持部材）に一体に連結可能に形成された第２厚肉部２２とから構成されている。そして、第１厚肉部２１と第２厚肉部２２間に薄肉部２３が形成されて、第１厚肉部２１と第２厚肉部２２とが互いに並んだ方向に変位可能にされているようにした。
【００４５】
この結果、本実施形態のトルクセンサ２０は、減速機付モータ１１と固定プレート１２間に配置されて、第１厚肉部２１が減速機付モータ１１のハウジング１３に一体に連結され、第２厚肉部２２が固定プレート１２に一体に連結される。このことにより、減速機付モータ１１は、トルクセンサ２０を介して固定プレート１２に取付支持できる。
【００４６】
そして、上記のようにトルクセンサ２０を、減速機付モータ１１と固定プレート１２との間に配置して取付けができるため、減速機付モータ１１に特殊な加工が必要でなく、減速機付モータ１１に簡単に装着できるとともにトルクセンサ付モータを容易に小型化ができ、さらには、汎用性が高いトルクセンサとすることができる。
【００４７】
（２） 本実施形態のトルクセンサ２０は、一対の第１厚肉部２１と一対の第２厚肉部２２とが交互に配置されるとともに互いに隣接する第１厚肉部２１と第２厚肉部２２間に弾性変形可能な薄肉部２３が連結された連結体と、各薄肉部２３に配置された歪みゲージ３０とを備えるようにした。又、第１厚肉部２１が、減速機付モータ１１のハウジング１３と一体に連結可能に形成され、第２厚肉部２２が、固定プレート１２に一体に連結可能に形成され、第１厚肉部２１と第２厚肉部２２とが並んだ方向に変位可能にされている。
【００４８】
この結果、トルクセンサ２０を、減速機付モータ１１と固定プレート１２との間に配置して取付けができることから、減速機付モータ１１に特殊な加工が必要でなくなる。又、減速機付モータ１１にトルクセンサ２０を簡単に装着できるとともに容易にトルクセンサ付モータを小型化ができ、さらには、汎用性が高いトルクセンサとすることができる。
【００４９】
（３） 本実施形態では、トルクセンサ２０を構成する連結体を円形リング状に形成して、減速機付モータ１１のハウジング１３と同じ外径にした。この結果、トルクセンサ２０がハウジング１３の径方向へ突出することがなく、トルクセンサ付モータとして小型化ができる。
【００５０】
（４） 本実施形態のトルクセンサ付モータでは、トルクセンサ２０が取り付けされているモータを減速機付モータ１１とした。この結果、トルクセンサ２０により、減速機先端のトルクを測定することができる。すなわち、モータや、減速機内部の摩擦等を考慮した外部への実質的なトルクを測定できる。
【００５１】
（５） 本実施形態のトルクセンサ付モータでは、減速機付モータ１１がロボットハンド用のモータとしている。この結果、ロボットハンドの関節部に取付けする減速機付モータ１１に特殊な加工が必要でないとともに、ロボットハンドの関節部側にもトルク検出するための特殊な加工を施す必要がなくて、容易に小型化ができる。
【００５２】
（６） 本実施形態のトルクセンサ付モータでは、第２厚肉部２２が、固定プレート１２に一体に連結されている。この結果、トルクセンサ付モータを固定プレート１２を介して例えばロボットハンドの関節部位に簡単に取付することができる。
【００５３】
（第２実施形態）
次に第２実施形態を図７〜９を参照して説明する。なお、第１実施形態と同一構成、又は相当する構成については同一符号を付してその詳細な説明を省略し、異なる構成を中心に説明する。
【００５４】
第２実施形態のトルクセンサ２０及びトルクセンサ付モータは、図７に示すように、トルクセンサ２０と、固定プレート１２との間に減速機付モータ１１を配置したところが第１実施形態と異なっている。
【００５５】
トルクセンサ２０は、第１厚肉部２１、第２厚肉部２２及び薄肉部２３とが第１実施形態と同様に形成されて配置されるとともにその外径は、減速機付モータ１１のハウジング１３の外径と同径にしてハウジング１３と同軸となるように配置され、ハウジング１３から径方向に突出しないようにされている。
【００５６】
第２実施形態では、第１厚肉部２１、第２厚肉部２２及び薄肉部２３の面２１ａ，２２ａ，２３ａは、それぞれ減速機付モータ１１に対向するところが第１実施形態と異なっている。
【００５７】
又、第１実施形態では、第１厚肉部２１の面２１ａに段付貫通孔２４が形成されているのに対して、第２実施形態では、第１厚肉部２１の面２１ｂに、段付貫通孔２４が形成されているところが異なっている。そして、第１厚肉部２１は、段付貫通孔２４にボルト３１が挿通されてハウジング１３の下端面に設けられたネジ孔（図示しない）に螺合されることにより、面２１ａが図８に示すようにハウジング１３の下端面に対し当接された状態で締結されて一体に連結されている。
【００５８】
ボルト３１の頭部の頂面は、第１厚肉部２１の面２１ｂから突出しないように同面２１ｂと面一、又は、段付貫通孔２４内に位置する。又、図８に示すように、薄肉部２３と第２厚肉部２２はハウジング１３のトルクセンサ２０と対向する下端面に対して間隙を介して離間され、ハウジング１３に対してはフリーな状態となっている。
【００５９】
なお、第２厚肉部２２の固定プレート１２と対向する面２２ａに設けられた雌ネジ孔２５と、固定プレート１２に設けられた段付貫通孔１５の位置関係は第１実施形態と同じである。
【００６０】
又、段付貫通孔２４と雌ネジ孔２５の位置関係は第１実施形態と同様にその中心が、トルクセンサ２０が減速機付モータ１１に取付けされた際、回転出力軸１４の軸心を中心とする共通の円上に位置するように配置されている。
【００６１】
そして、第２厚肉部２２は段付貫通孔１５に挿通されたボルト３２がハウジング１３に設けられた貫通孔１３ｂを介して雌ネジ孔２５に螺合されることにより、面２２ａがハウジング１３の下端面とは離間された状態で（図８参照）、固定プレート１２に対して締結され一体に連結されている。
【００６２】
ボルト３２の頭部の頂面は、固定プレート１２の上面（図９において）から突出しないように同面と面一、又は、段付貫通孔１５内に位置する。又、図８に示すように、薄肉部２３と第１厚肉部２１はハウジング１３と間隙を介して離間され、減速機付モータ１１及び固定プレート１２に対してはフリーな状態となっている。薄肉部２３の構成及び歪みゲージ３０の配置は第１実施形態と同様である。
【００６３】
上記のように構成された第２実施形態のトルクセンサ２０及びトルクセンサ付モータは、第１実施形態と同様の機能を有するので、作用の説明は省略する。
第２実施形態は、第１実施形態で述べた（２）〜（６）の特徴を有する他、以下の特徴がある。
【００６４】
（１） 第２実施形態では、減速機付モータ１１の両端面に対してトルクセンサ２０と固定プレート１２とをそれぞれ配置して、減速機付モータ１１を挟み込むようにし、減速機付モータ１１を固定プレート１２に対してトルクセンサ２０を介して支持するようにした。
【００６５】
この結果、減速機付モータ１１に特殊な加工が必要でなく、減速機付モータ１１にトルクセンサ２０を簡単に装着できるとともにトルクセンサ付モータを容易に小型化ができ、さらには、汎用性が高いトルクセンサとすることができる。
【００６６】
なお、本発明の実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 第１実施形態及び第２実施形態のトルクセンサ付モータは、固定プレート付であったが、固定プレート１２を省略したトルクセンサ付モータとしてもよい。この場合、減速機付モータ１１のハウジング１３において、回転出力軸１４が突出する側の端面に第１厚肉部２１を取付けすることにより、減速機付モータ１１をトルクセンサ付モータとする。
【００６７】
このような構成にすると、後に固定プレート１２をトルクセンサ２０の第２厚肉部２２にボルト３２にて締結するだけで、トルクセンサ付モータを固定プレート１２を介して例えばロボットハンドの関節部位等に簡単に取付することができる。
【００６８】
○ 第１実施形態では、回転出力軸１４は、固定プレート１２と対向するハウジング１３の端面から突出されているが、回転出力軸１４は、固定プレート１２と対向する端面とは１８０度反対側の端面（図１においては、ハウジング１３の下端面）から突出させてもよい。
【００６９】
○ 又、第１実施形態及び第２実施形態のトルクセンサ付モータは、減速機付モータであったが、減速機を省略したモータに代えてもよい。
○ 第１実施形態及び第２実施形態では、回転出力軸を有する装置として、モータとしたが、回転出力軸を有する装置としては、モータに限定されるものではなく、増速歯車機構や、ハーモニックドライブ（登録商標）等の減速歯車機構等を内蔵した歯車機構の回転出力軸を備えた装置を回転出力軸を有する装置としてもよい。
【００７０】
○ 第１実施形態では、トルクセンサ２０を円形リング状に設けたが、リング状は、円形に限定されるものではなく、楕円、三角形、四角形、五角形以上の多角形等のリング状に形成してもよい。
【００７１】
○ 第１実施形態のトルクセンサ２０は、歪みゲージ３０を各薄肉部２３に対して配置して４個としたが、図１０（ａ）に示すように、１つの薄肉部２３に対して歪みゲージ３０を配置するようにしてもよい。この場合、１アクティブゲージ法によりゲージブリッジを構成して、トルクを検出することができる。
【００７２】
そして、この構成のトルクセンサ２０を第１、又は第２実施形態と同様に減速機付モータ１１に取付したり、減速機を省略したモータに対して取付してもよい。
○ 第１実施形態のトルクセンサ２０は、歪みゲージ３０を各薄肉部２３に対して配置して４個としたが、図１０（ｂ）に示すように、第１厚肉部２１に隣接する２つの薄肉部２３に対して一対の歪みゲージ３０を配置するようにしてもよい。この場合、２アクティブゲージ法によりゲージブリッジを構成して、トルクを検出することができる。
【００７３】
そして、この構成のトルクセンサ２０を第１、又は第２実施形態と同様に減速機付モータ１１に取付したり、減速機を省略したモータに対して取付してもよい。
○ トルクセンサ２０の構成として、第１厚肉部２１及び第２厚肉部２２を１つのみにし、第１厚肉部２１に隣接する１つ又は一対の薄肉部２３に対して１つ又は一対の歪みゲージ３０を配置するようにしてもよい。図１０（ｃ）では、上記の一例として、１つの歪みゲージ３０を備えた薄肉部２３と、第１厚肉部２１と、歪みゲージ３０を備えていない薄肉部２３と、第２厚肉部２２とが交互に連結配置されて、全体が円形状に形成されたトルクセンサ２０を図示している。
【００７４】
○ 第１実施形態ではトルクセンサ２０を円形リング状としたが、図１１（ａ）に示すように、１つの第１厚肉部２１の両側に一対の薄肉部２３を介して第２厚肉部２２を連結して、連結体を構成するトルクセンサ２０を半円状に形成してもよい。そして、各薄肉部２３に対して歪みゲージ３０を取付する。
【００７５】
この場合、減速機付モータ１１に取付する場合は、図１１（ａ）に示すように、一対のトルクセンサ２０を使用して全体が、略円形状になるように配置して減速機付モータ１１と固定プレート１２に対して取付けするようにする。この場合においては、部品点数が増加するが、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。勿論、第２実施形態と同様にトルクセンサ２０を減速機付モータ１１に対して取付けしてもよい。
【００７６】
○ 図１０（ａ）に示す実施形態の変形例として、図１１（ｂ）又は図１１（ｃ）に示すように構成してもよい。すなわち、図１１（ｂ）の変形例では、トルクセンサ２０の構成は１つとして、歪みゲージ３０は、１つの薄肉部２３のみに配置されたものである。
【００７７】
又、図１１（ｃ）の変形例では、トルクセンサ２０の構成は１つとして、一対の歪みゲージ３０が一対の薄肉部２３に配置されたものである。
この場合、図１１（ａ）では一対のトルクセンサ２０を介して減速機付モータ１１を固定プレート１２に固定する代わりに、減速機付モータ１１を１つのトルクセンサ２０とダミー４０を介して固定プレート１２に支持する。
【００７８】
ダミー４０はトルクセンサ２０と同様に円弧状に形成され、歪みゲージ３０を備えていない以外は、トルクセンサ２０と同様に構成すればよい。
なお、説明の便宜上、ダミー４０の構成体においても、本変形例のトルクセンサ２０に相当する構成は、同一符号を付している。
【００７９】
○ 又、図１２に示すように、トルクセンサ２０を構成してもよい。図１２の例では、第１厚肉部２１、第２厚肉部２２の間に薄肉部２３を間にするように連結されて、連結体を構成するトルクセンサ２０が１／４円弧状に形成されている。このようにして、第１厚肉部２１と第２厚肉部２２とが、薄肉部２３を挟んで互いに並んだ方向（すなわち、１／４円弧に沿った方向）に変位可能にされている。そして、薄肉部２３のゲージ面２３ｃに対して歪みゲージ３０が取付けされている。
【００８０】
○ 前記各実施形態では、歪みゲージ３０を各薄肉部２３の内径側のゲージ面２３ｃに設けたが、外径側の面や面２３ａ、２３ｂに配置してもよい。又、ゲージ面２３ｃ，及び面２３ａ、或いはゲージ面２３ｃ及び面２３ｂにそれぞれ歪みゲージ３０を配置してもよい。又、歪みゲージ３０を各薄肉部２３において、外径側の面，及び面２３ａ、或いは外径側の面及び面２３ｂにそれぞれ歪みゲージ３０を配置してもよい。
【００８１】
○ 前記各実施形態ではロボットハンドに使用されるトルクセンサ及びトルクセンサ付モータに具体化したが、トルクセンサ及びトルクセンサ付モータはロボットハンド用に限定されるものではなく、他の用途に使用されるトルクセンサ及びトルクセンサ付モータとして使用してもよい。
【００８２】
○ 第２実施形態では、ハウジング１３に貫通孔１３ｂを設けて、貫通孔１３ｂ内、すなわち、ハウジング１３内を貫通するボルト３２により、固定プレート１２とトルクセンサ２０とを締結した。これに代えて、固定プレート１２を第２実施形態よりも幅広くするとともに、トルクセンサ２０の外径を大きくして、ボルト３２をハウジング１３の外方に配置して、固定プレート１２とトルクセンサ２０とを締結するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】第１実施形態のトルクセンサ付モータの斜視図。
【図２】同じくトルクセンサの第１厚肉部と第２厚肉部の厚み方向の相違を示す模式図。
【図３】同じくトルクセンサ付モータの分解斜視図。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は第１実施形態のトルクセンサの作用の説明図。
【図５】第１実施形態のトルクセンサにおけるホイートストンブリッジ回路図。
【図６】第１実施形態のトルクセンサの出力特性図。
【図７】第２実施形態のトルクセンサ付モータの斜視図。
【図８】同じくトルクセンサの第１厚肉部と第２厚肉部の厚み方向の相違を示す模式図。
【図９】同じくトルクセンサ付モータの分解斜視図。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ他の実施形態のトルクセンサの平面図。
【図１１】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ他の実施形態のトルクセンサの平面図。
【図１２】他の実施形態のトルクセンサの平面図。
【符号の説明】
【００８４】
１１…減速機付モータ、１２…固定プレート（支持部材）、
１３…ハウジング、１４…回転出力軸、２０…トルクセンサ、
２１…第１厚肉部、２１ａ…面、２１ｂ…面、
２２…第２厚肉部、２２ａ…面、２２ｂ…面、
２３…薄肉部、２３ａ…面、２３ｂ…面
２３ｃ…ゲージ面、３０…歪みゲージ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚肉部と弾性変形可能な薄肉部とが連結された連結体と、
前記薄肉部に配置された歪みゲージとを備え、
前記厚肉部は、回転出力軸を有する装置のハウジングに一体に連結可能に形成された第１厚肉部と、支持部材に一体に連結可能に形成された第２厚肉部を含み
前記第１厚肉部と前記第２厚肉部間に前記薄肉部が形成されて、第１厚肉部と第２厚肉部とが互いに並んだ方向に変位可能にされていることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２】
第１厚肉部と第２厚肉部とが交互に配置されるとともに互いに隣接する第１厚肉部と第２厚肉部間に弾性変形可能な薄肉部が連結された連結体と、
前記薄肉部のうち少なくとも１つの薄肉部に配置された歪みゲージとを備え、
前記第１厚肉部が、回転出力軸を有する装置に一体に連結可能に形成され、
前記第２厚肉部が、支持部材に一体に連結可能に形成され、
前記第１厚肉部と第２厚肉部とが並んだ方向に変位可能にされていることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項３】
前記連結体がリング状に形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のトルクセンサ。
【請求項４】
前記連結体が、円弧状に形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のトルクセンサ。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のうちいずれか１項に記載のトルクセンサが、回転出力軸を有する装置であるモータに対して第１厚肉部にて取付けされていることを特徴とするトルクセンサ付モータ。
【請求項６】
前記モータが減速機付モータであることを特徴とする請求項５に記載のトルクセンサ付モータ。
【請求項７】
前記減速機付モータがロボットハンド用のモータであることを特徴とする請求項６に記載のトルクセンサ付モータ。
【請求項８】
前記第２厚肉部が、支持部材に一体に連結されていることを特徴とする請求項５乃至請求項７のうちいずれか１項に記載のトルクセンサ付モータ。
【請求項１】
厚肉部と弾性変形可能な薄肉部とが連結された連結体と、
前記薄肉部に配置された歪みゲージとを備え、
前記厚肉部は、回転出力軸を有する装置のハウジングに一体に連結可能に形成された第１厚肉部と、支持部材に一体に連結可能に形成された第２厚肉部を含み
前記第１厚肉部と前記第２厚肉部間に前記薄肉部が形成されて、第１厚肉部と第２厚肉部とが互いに並んだ方向に変位可能にされていることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２】
第１厚肉部と第２厚肉部とが交互に配置されるとともに互いに隣接する第１厚肉部と第２厚肉部間に弾性変形可能な薄肉部が連結された連結体と、
前記薄肉部のうち少なくとも１つの薄肉部に配置された歪みゲージとを備え、
前記第１厚肉部が、回転出力軸を有する装置に一体に連結可能に形成され、
前記第２厚肉部が、支持部材に一体に連結可能に形成され、
前記第１厚肉部と第２厚肉部とが並んだ方向に変位可能にされていることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項３】
前記連結体がリング状に形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のトルクセンサ。
【請求項４】
前記連結体が、円弧状に形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のトルクセンサ。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のうちいずれか１項に記載のトルクセンサが、回転出力軸を有する装置であるモータに対して第１厚肉部にて取付けされていることを特徴とするトルクセンサ付モータ。
【請求項６】
前記モータが減速機付モータであることを特徴とする請求項５に記載のトルクセンサ付モータ。
【請求項７】
前記減速機付モータがロボットハンド用のモータであることを特徴とする請求項６に記載のトルクセンサ付モータ。
【請求項８】
前記第２厚肉部が、支持部材に一体に連結されていることを特徴とする請求項５乃至請求項７のうちいずれか１項に記載のトルクセンサ付モータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００９−５８３８８（Ｐ２００９−５８３８８Ａ）
【公開日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２２６２３６（Ｐ２００７−２２６２３６）
【出願日】平成１９年８月３１日（２００７．８．３１）
【出願人】（５０７２９４１６６）
【出願人】（３９６０２４９０１）
【出願人】（５０４３３１３９２）株式会社丸富精工 (11)
【出願人】（５０２０００５９５）株式会社 ダイニチ (4)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月３１日（２００７．８．３１）
【出願人】（５０７２９４１６６）
【出願人】（３９６０２４９０１）
【出願人】（５０４３３１３９２）株式会社丸富精工 (11)
【出願人】（５０２０００５９５）株式会社 ダイニチ (4)
【Ｆターム（参考）】
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