特許 7646393 ロボットシステム、トルクセンサ、変位検出装置、検出方法、物品の製造方法、プログラム及び記録媒体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-03-07

(45)【発行日】2025-03-17

(54)【発明の名称】ロボットシステム、トルクセンサ、変位検出装置、検出方法、物品の製造方法、プログラム及び記録媒体

(51)【国際特許分類】

   B25J 19/02 20060101AFI20250310BHJP

   G01D 5/347 20060101ALI20250310BHJP

【ＦＩ】

B25J19/02

G01D5/347 D

G01D5/347 110C

【請求項の数】 20

(21)【出願番号】P 2021032211

(22)【出願日】2021-03-02

(65)【公開番号】P2022133508

(43)【公開日】2022-09-14

【審査請求日】2024-02-26

(73)【特許権者】

【識別番号】000001007

【氏名又は名称】キヤノン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003133

【氏名又は名称】弁理士法人近島国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】堀口 春彦

【審査官】臼井 卓巳

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－１９７０９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０９４９９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１０８９１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２４３９８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－００７７９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１３００１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／００２２２３５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／０１０９９６８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０２０／１１２８５０（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２５Ｊ ９／００－１９／０２

Ｇ０１Ｄ ５／１２－５／３４７

Ｇ０１Ｌ １／００－２５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

減速機、及び少なくとも１つのエンコーダを関節に有するロボットと、
前記エンコーダの検出信号に基づく位相情報を用いてトルク値を求める処理部と、を備え、
前記エンコーダは、
パターン部を含むスケールと、
前記スケールに対向して配置され、前記スケールの前記パターン部を読み取って前記検出信号を出力するヘッドと、を有し、
前記処理部は、
前記位相情報に基づいて、前記ヘッドに対する前記スケールの相対的な第１方向の第１変位量、及び前記ヘッドに対する前記スケールの相対的な前記第１方向と交差する第２方向の第２変位量を求め、
前記第１変位量及び前記第２変位量に基づいて、前記トルク値を求める、
ことを特徴とするロボットシステム。

【請求項2】

前記パターン部は、
前記第１方向に周期的に配置された複数の第１パターン要素を含み、前記複数の第１パターン要素の各々が前記第２方向に延びる第１軸線に対して対称な形状である、少なくとも１つの第１パターン列と、
前記第１方向に周期的に配置された複数の第２パターン要素を含み、前記複数の第２パターン要素の各々が前記第２方向に延びる第２軸線に対して非対称な形状である、少なくとも１つの第２パターン列と、を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載のロボットシステム。

【請求項3】

前記少なくとも１つの第２パターン列は、前記第２方向に連続して配置された複数の第２パターン列を有する、
ことを特徴とする請求項２に記載のロボットシステム。

【請求項4】

前記少なくとも１つの第１パターン列は、複数の第１パターン列を有し、
前記少なくとも１つの第２パターン列は、複数の第２パターン列を有し、
前記複数の第１パターン列と前記複数の第２パターン列とは、前記第２方向に交互に配置されている、
ことを特徴とする請求項２に記載のロボットシステム。

【請求項5】

前記位相情報は、前記ヘッドが前記少なくとも１つの第１パターン列を読み取ったことにより得られる第１情報と、前記ヘッドが前記少なくとも１つの第２パターン列を読み取ったことにより得られる第２情報と、を含み、
前記処理部は、
前記第１情報から前記第１変位量を求め、
前記第２情報及び前記第１変位量から前記第２変位量を求める、
ことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載のロボットシステム。

【請求項6】

前記処理部は、
前記ロボットの軌道データに対応する補正値で前記第１変位量および前記第２変位量の少なくとも一方を補正することにより得られる変位情報から前記トルク値を求める、
ことを特徴とする請求項１に記載のロボットシステム。

【請求項7】

前記パターン部は、
前記第１方向に周期的に配置された複数のパターン要素を含み、前記複数のパターン要素の各々が前記第１方向と交差する第２方向に延びる軸線に対して非対称な形状である、少なくとも１つのパターン列を有する、
ことを特徴とする請求項６に記載のロボットシステム。

【請求項8】

前記少なくとも１つのパターン列は、前記第２方向に連続して配置された複数のパターン列を有する、
ことを特徴とする請求項７に記載のロボットシステム。

【請求項9】

前記減速機は、波動歯車減速機である、
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のロボットシステム。

【請求項10】

前記処理部は、さらに前記関節の回転方向の変位に基づいて前記トルク値を求める、
ことを特徴とする請求項９に記載のロボットシステム。

【請求項11】

前記少なくとも１つのエンコーダは、複数のエンコーダを含み、
前記処理部は、前記複数のエンコーダの各々からの前記検出信号に基づく前記位相情報を用いて前記トルク値を求める、
ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のロボットシステム。

【請求項12】

駆動装置に配置される少なくとも１つのエンコーダと、
前記エンコーダからの検出信号に基づく位相情報を用いてトルク値を求める処理部と、を備え、
前記エンコーダは、
パターン部を含むスケールと、
前記スケールに対向して配置され、前記スケールの前記パターン部を読み取って前記検出信号を出力するヘッドと、を有し、
前記処理部は、
前記位相情報に基づいて、前記ヘッドに対する前記スケールの相対的な第１方向の第１変位量、及び前記ヘッドに対する前記スケールの相対的な前記第１方向と交差する第２方向の第２変位量を求め、
前記第１変位量及び前記第２変位量に基づいて、前記トルク値を求める、
ことを特徴とするトルクセンサ。

【請求項13】

前記駆動装置は減速機を有し、
前記処理部は、
前記駆動装置の軌道データに対応する補正値で前記第１変位量および前記第２変位量の少なくとも一方を補正することにより得られる変位情報から前記トルク値を求める、
ことを特徴とする請求項１２に記載のトルクセンサ。

【請求項14】

減速機を有する駆動装置に配置されるエンコーダと、
前記エンコーダからの検出信号に基づく位相情報を用いて第１方向の変位情報を求める処理部と、を備え、
前記エンコーダは、
パターン部を含むスケールと、
前記スケールに対向して配置され、前記スケールの前記パターン部を読み取って前記検出信号を出力するヘッドと、を含み、
前記処理部は、
前記位相情報に基づいて、前記ヘッドに対する前記スケールの相対的な前記第１方向の第１変位量、及び前記ヘッドに対する前記スケールの相対的な前記第１方向と交差する第２方向の第２変位量を求め、
前記第１変位量及び前記第２変位量に基づいて前記変位情報を求める、
ことを特徴とする変位検出装置。

【請求項15】

前記処理部は、
前記駆動装置の軌道データに対応する補正値で前記第１変位量および前記第２変位量の少なくとも一方を補正することで前記変位情報を求める、
ことを特徴とする請求項１４に記載の変位検出装置。

【請求項16】

減速機を有する駆動装置に配置されたエンコーダが、パターン部を含むスケールと、前記スケールに対向して配置され、前記スケールの前記パターン部を読み取って検出信号を出力するヘッドと、を有し、処理部が、前記検出信号に基づく位相情報を用いてトルク値を求める検出方法であって、
前記処理部が、前記位相情報に基づいて、前記ヘッドに対する前記スケールの相対的な第１方向の第１変位量、及び前記ヘッドに対する前記スケールの相対的な前記第１方向と交差する第２方向の第２変位量を求め、
前記処理部が、前記第１変位量及び前記第２変位量に基づいて、前記トルク値を求める、
ことを特徴とする検出方法。

【請求項17】

前記処理部が、前記駆動装置の軌道データに対応する補正値で前記第１変位量および前記第２変位量の少なくとも一方を補正することにより得られる変位情報から前記トルク値を求める、
ことを特徴とする請求項１６に記載の検出方法。

【請求項18】

請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のロボットシステムを用いて物品を製造する、
ことを特徴とする物品の製造方法。

【請求項19】

請求項１６又は請求項１７に記載の検出方法を、コンピュータに実行させるためのプログラム。

【請求項20】

請求項１９に記載のプログラムを記録した、コンピュータにより読み取り可能な記録媒体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、センシング技術に関する。

【背景技術】

【0002】

工場等の生産ラインには、製造する物品の生産性を向上させるため、産業用ロボットが配置される。産業用ロボットには、作業者と協働作業が可能な協働ロボットがある。特許文献１には、作業者や物体との接触を検出するためにトルクセンサを搭載した産業用ロボットが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０２０－１０４２４９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

トルクセンサは、エンコーダ装置などの変位検出装置を搭載しており、変位検出装置によって検出された変位情報を用いてトルク値を求める。近年、ロボットなどの駆動装置には、正確な動作が要求されるようになってきており、このため、トルクセンサ、即ち変位検出装置においては、高い検出精度が要求されるようになってきている。

【0005】

そこで、本発明は、検出精度を向上させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明のロボットシステムは、減速機、及び少なくとも１つのエンコーダを関節に有するロボットと、前記エンコーダの検出信号に基づく位相情報を用いてトルク値を求める処理部と、を備え、前記エンコーダは、パターン部を含むスケールと、前記スケールに対向して配置され、前記スケールの前記パターン部を読み取って前記検出信号を出力するヘッドと、を有し、前記処理部は、前記位相情報に基づいて、前記ヘッドに対する前記スケールの相対的な第１方向の第１変位量、及び前記ヘッドに対する前記スケールの相対的な前記第１方向と交差する第２方向の第２変位量を求め、前記第１変位量及び前記第２変位量に基づいて、前記トルク値を求める、ことを特徴とする。

【0008】

また、本発明のトルクセンサは、駆動装置に配置される少なくとも１つのエンコーダと、前記エンコーダからの検出信号に基づく位相情報を用いてトルク値を求める処理部と、を備え、前記エンコーダは、パターン部を含むスケールと、前記スケールに対向して配置され、前記スケールの前記パターン部を読み取って前記検出信号を出力するヘッドと、を有し、前記処理部は、前記位相情報に基づいて、前記ヘッドに対する前記スケールの相対的な第１方向の第１変位量、及び前記ヘッドに対する前記スケールの相対的な前記第１方向と交差する第２方向の第２変位量を求め、前記第１変位量及び前記第２変位量に基づいて、前記トルク値を求める、ことを特徴とする。

【0010】

また、本発明の変位検出装置は、減速機を有する駆動装置に配置されるエンコーダと、前記エンコーダからの検出信号に基づく位相情報を用いて第１方向の変位情報を求める処理部と、を備え、前記エンコーダは、パターン部を含むスケールと、前記スケールに対向して配置され、前記スケールの前記パターン部を読み取って前記検出信号を出力するヘッドと、を含み、前記処理部は、前記位相情報に基づいて、前記ヘッドに対する前記スケールの相対的な前記第１方向の第１変位量、及び前記ヘッドに対する前記スケールの相対的な前記第１方向と交差する第２方向の第２変位量を求め、前記第１変位量及び前記第２変位量に基づいて前記変位情報を求める、ことを特徴とする。

【0012】

また、本発明の検出方法は、減速機を有する駆動装置に配置されたエンコーダが、パターン部を含むスケールと、前記スケールに対向して配置され、前記スケールの前記パターン部を読み取って検出信号を出力するヘッドと、を有し、処理部が、前記検出信号に基づく位相情報を用いてトルク値を求める検出方法であって、前記処理部が、前記位相情報に基づいて、前記ヘッドに対する前記スケールの相対的な第１方向の第１変位量、及び前記ヘッドに対する前記スケールの相対的な前記第１方向と交差する第２方向の第２変位量を求め、前記処理部が、前記第１変位量及び前記第２変位量に基づいて、前記トルク値を求める、ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、検出精度が向上する。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】第１実施形態に係るロボットシステムの説明図である。

【図2】第１実施形態に係るロボットアームの関節を示す部分断面図である。

【図3】第１実施形態におけるロボットアームの関節の制御系を示すブロック図である。

【図4】第１実施形態に係るトルクセンサの斜視図である。

【図5】（ａ）は第１実施形態に係るトルクセンサの構成のブロック図である。（ｂ）は第１実施形態に係るトルクセンサの機能のブロック図である。

【図6】（ａ）は第１実施形態に係る変位検出装置の一例であるエンコーダ装置の模式図である。（ｂ）は第１実施形態に係るセンサヘッドの平面図である。

【図7】（ａ）及び（ｂ）は、第１実施形態に係るトルクセンサの説明図である。

【図8】第１実施形態に係るスケールの説明図である。

【図9】第１実施形態に係る受光素子アレイの平面図である。

【図10】第１実施形態における信号処理回路の回路部の回路図である。

【図11】（ａ）は第１実施形態に係るロボットの制御方法の一例を示すフローチャートである。（ｂ）は第１実施形態に係るトルクの検出方法の一例を示すフローチャートである。

【図12】第１実施形態における位相とスケール位置との関係を示すグラフである。

【図13】（ａ）及び（ｂ）は第１実施形態における原理の説明図である。（ｃ）は第１実施形態におけるリサージュ波形の模式図である。

【図14】第１実施形態に係る差分と変位量との関係を示すグラフである。

【図15】変形例のスケールの平面図である。

【図16】（ａ）は第２実施形態に係る変位検出装置の一例であるエンコーダ装置の模式図である。（ｂ）は第２実施形態に係るセンサヘッドの平面図である。

【図17】第２実施形態に係るスケールの説明図である。

【図18】第２実施形態に係る受光素子アレイの平面図である。

【図19】第２実施形態に係る受光素子アレイの平面図である。

【図20】（ａ）は第３実施形態に係る変位検出装置の一例であるエンコーダ装置の模式図である。（ｂ）は第３実施形態に係るセンサヘッドの平面図である。

【図21】第３実施形態に係るスケールの説明図である。

【図22】（ａ）は第３実施形態に係るロボットシステムにおける前処理を示すフローチャートである。（ｂ）は第３実施形態に係るトルクの検出方法の一例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

【0017】

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係るロボットシステム１００の説明図である。図１に示すように、ロボットシステム１００は、ロボット２００と、ロボット制御装置３００とを備えている。ロボット２００は、産業用ロボットであり、物品を製造するのに用いられる。ロボット２００は、物品を製造する作業、例えば第１ワークＷ１を把持し、把持した第１ワークＷ１を第２ワークＷ２に組み付ける作業などを行うことができる。

【0018】

ロボット制御装置３００は、制御部の一例であり、ロボット２００を制御するものである。ロボット制御装置３００には、教示装置の一例であるティーチングペンダント４００が接続可能である。ティーチングペンダント４００は、ロボット２００を教示する装置であり、ロボット制御装置３００に教示データを出力する。ロボット制御装置３００は、教示データに基づいて軌道データを生成し、軌道データに従ってロボット２００を動作させる。

【0019】

ロボット２００は、ロボットアーム２０１と、エンドエフェクタの一例であるロボットハンド２０２と、を備える。ロボットアーム２０１は、例えば垂直多関節のロボットアームである。ロボットアーム２０１の基端である固定端２０１Ａが架台１５０に固定されている。ロボットアーム２０１の先端である自由端２０１Ｂには、ロボットハンド２０２が取り付けられている。ロボットアーム２０１は、複数のリンク２１０，２１１，２１２，２１３を有し、これらリンク２１０，２１１，２１２，２１３が関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３で回転可能に連結されている。ロボットアーム２０１の各関節Ｊ１～Ｊ３には駆動装置２３０が設けられている。各関節Ｊ１～Ｊ３の駆動装置２３０は、必要とされるトルクに合わせた適切な出力のものが用いられる。

【0020】

以下、ロボットアーム２０１において、関節Ｊ１を例に代表して説明し、他の関節Ｊ２，Ｊ３については、サイズや性能が異なる場合もあるが、同様の構成であるため、説明を省略する。

【0021】

図２は、第１実施形態に係るロボットアーム２０１の関節Ｊ１を示す部分断面図である。駆動装置２３０は、回転駆動源である電動のモータ１４１と、モータ１４１の回転軸部１４２に接続され、回転軸部１４２の回転を減速して出力する減速機１４３と、トルクセンサ５００と、を有する。モータ１４１の回転軸部１４２は、回転軸線Ｃ０を中心に回転する。リンク２１０とリンク２１１とは、クロスローラベアリング１４７を介して回転可能に連結されている。モータ１４１は、サーボモータであり、例えばブラシレスＤＣサーボモータやＡＣサーボモータである。減速機１４３は、第１実施形態では波動歯車減速機である。減速機１４３は、モータ１４１の回転軸部１４２に連結された、入力軸の一例であるウェブジェネレータ１５１と、リンク２１１に固定された、出力軸の一例であるサーキュラスプライン１５２と、を備える。なお、サーキュラスプライン１５２は、リンク２１１に連結されているが、リンク２１１と一体に形成されていてもよい。また、減速機１４３は、ウェブジェネレータ１５１とサーキュラスプライン１５２との間に配置され、トルクセンサ５００を介してリンク２１０に連結されたフレクスプライン１５３を備える。フレクスプライン１５３は、カップ状に形成されている。フレクスプライン１５３は、ウェブジェネレータ１５１によって楕円形状に撓み変形され、楕円形状の長軸部分でサーキュラスプライン１５２と噛み合う。ウェブジェネレータ１５１が回転することによって、フレクスプライン１５３における楕円形状の長軸部分が回転し、フレクスプライン１５３とサーキュラスプライン１５２との噛み合い位置がウェブジェネレータ１５１の回転方向に移動していく。ウェブジェネレータ１５１が１回転することで、フレクスプライン１５３とサーキュラスプライン１５２との歯数差分だけサーキュラスプライン１５２がフレクスプライン１５３に対して相対的に回転する。これにより、サーキュラスプライン１５２は、ウェブジェネレータ１５１の回転に対して所定の減速比で減速され、フレクスプライン１５３に対して相対的に回転する。したがって、サーキュラスプライン１５２が連結されたリンク２１１は、フレクスプライン１５３がトルクセンサ５００を介して連結されたリンク２１０に対して、回転軸線Ｃ０まわりに相対的に回転する。

【0022】

トルクセンサ５００は、減速機１４３の出力側であるフレクスプライン１５３に配置されている。つまり、トルクセンサ５００は、リンク２１０と減速機１４３のフレクスプライン１５３との間、即ち第１リンクの一例であるリンク２１０と、第２リンクの一例であるリンク２１１との間に配置されている。そして、トルクセンサ５００は、リンク２１０とリンク２１１との間に作用する回転軸線Ｃ０まわりのトルクを計測し、計測値であるトルク値に応じた電気信号（デジタル信号）をロボット制御装置３００に出力する。ロボット制御装置３００は、トルク値に基づいてロボット２００を制御する。

【0023】

図３は、第１実施形態におけるロボットアーム２０１の関節Ｊ１の制御系を示すブロック図である。駆動装置２３０は、モータ１４１及びロボット制御装置３００に電気的に接続された駆動制御装置２６０を有する。駆動装置２３０のトルクセンサ５００は、ロボット制御装置３００に電気的に接続されている。

【0024】

ロボット制御装置３００は、ロボットシステム全体を統括して制御するものである。即ち、ロボット制御装置３００は、ロボット２００の動作を制御する。ロボット２００の動作の制御には、位置制御と力制御とがある。ロボット制御装置３００は、位置制御時には、ロボット２００の手先の位置に基づいて動作指令を生成し、生成した動作指令を駆動制御装置２６０に出力する。ロボット制御装置３００は、力制御時には、トルクセンサ５００からの計測値であるトルク値に基づいて動作指令を生成し、生成した動作指令を駆動制御装置２６０に出力する。駆動制御装置２６０は、動作指令に従ってモータ１４１を通電制御してモータ１４１を駆動する。力制御時、ロボット制御装置３００は、トルクセンサ５００の出力であるトルク値に基づいてロボット２００を動作させる。このため、ロボット２００の力制御の性能は、トルクセンサ５００の精度、即ち分解能に依存する。

【0025】

図４は、第１実施形態に係るトルクセンサ５００の斜視図である。トルクセンサ５００は、センサ本体５９０と、演算処理装置６００とを備える。センサ本体５９０は、図２の減速機１４３に締結により固定される第１部材の一例である支持部５０１と、図２のリンク２１０に締結により固定される第２部材の一例である支持部５０２と、を有する。

【0026】

各支持部５０１，５０２は、平板状の部材であり、例えば図４に示すように回転軸線Ｃ０を中心とする円環形状となっている。支持部５０２は、支持部５０１に対して回転軸線Ｃ０を中心とする回転方向に相対的に変位可能となっている。なお、各支持部５０１，５０２の形状は、これに限定するものではなく、例えば円盤形状であってもよい。支持部５０１，５０２は、減速機１４３及びリンク２１０にそれぞれボルト等で締結可能にフランジ部位を構成している。支持部５０１と支持部５０２とは、回転軸線Ｃ０の延びる方向であるＺ方向に間隔をあけて互いに対向して配置されており、弾性部５０３で連結されている。

【0027】

弾性部５０３は、回転軸線Ｃ０を中心に放射状に互いに間隔をあけて配置された複数の板ばね５０４を有する。図２に示すリンク２１０とリンク２１１との間にトルクが作用すると、作用したトルクの大きさに応じた回転量で、支持部５０２が支持部５０１に対して回転軸線Ｃ０を中心に相対的に回転変位する。各板ばね５０４は、目的とするトルクの計測範囲および必要とする分解能などに応じた弾性係数、即ちばね係数を有する材質で構成される。弾性部５０３の材質は、例えば樹脂又は金属であり、金属であるのが好ましい。金属としては、鋼材、ステンレスなどが挙げられる。第１実施形態では、支持部５０１、支持部５０２及び弾性部５０３は、同じ材質であり、一体に形成されている。支持部５０１、支持部５０２及び弾性部５０３は必ずしも一体に形成されていなくてもよい。

【0028】

センサ本体５９０は、支持部５０１と支持部５０２との相対的な変位、即ち支持部５０１と支持部５０２との間に作用したトルクを計測するのに用いる少なくとも１つのエンコーダを有する。少なくとも１つのエンコーダは、複数のエンコーダであるのが好適である。複数のエンコーダは、４つのエンコーダ５１０であるのがさらに好適である。即ち、第１実施形態では、センサ本体５９０は、４つのエンコーダ５１０を有する。４つのエンコーダ５１０は、互いに同じ構成である。４つのエンコーダ５１０は、回転軸線Ｃ０を中心に９０度対称な位置に等間隔で配置されている。なお、センサ本体５９０に含まれるエンコーダ５１０の数は、４つであるのが好ましいが、これに限定するものではない。センサ本体５９０に含まれるエンコーダ５１０の数は、１つ、２つ、３つ、又は５つ以上であってもよい。各エンコーダ５１０は、インクリメンタル型のエンコーダである。本実施形態ではインクリメンタル型のエンコーダを例として説明を行うが、アブソリュート型のエンコーダでもよい。また、各エンコーダ５１０は、光学式、静電容量式又は磁気式のエンコーダが好適であり、このうち、高い検出分解能を実現可能な光学式のエンコーダがより好適である。したがって、第１実施形態では、各エンコーダ５１０は、光学式のエンコーダである。

【0029】

各エンコーダ５１０は、リニアエンコーダであってもロータリエンコーダであってもよい。回転軸線Ｃ０を中心とする支持部５０１と支持部５０２との相対的な回転方向の変位は、各エンコーダ５１０の位置では微小な変位であり、並進方向の変位とみなすことができる。よって、第１実施形態では、各エンコーダ５１０は、リニアエンコーダである。各エンコーダ５１０は、支持部５０１に対する支持部５０２の、回転軸線Ｃ０を中心とした回転方向の相対的な変位、即ちタンジェンシャル方向の相対的な変位を検出できる。

【0030】

各エンコーダ５１０は、スケール２と、スケール２と対向するように配置された、ヘッドの一例であるセンサヘッド７と、を有する。センサヘッド７は、センサユニットである。スケール２は、支持部５０１及び支持部５０２の一方、第１実施形態では支持部５０１に固定されることにより支持部５０１に支持されている。センサヘッド７は、支持部５０１及び支持部５０２の他方、第１実施形態では支持部５０２に固定されることにより支持部５０２に支持されている。なお、スケール２は、支持部５０２に支持され、センサヘッド７は、支持部５０１に支持されてもよい。エンコーダ５１０を用いることにより、支持部５０１と支持部５０２との相対的な変位を、ある基準位置を起点とする相対量として計測することが可能である。

【0031】

図５（ａ）は、第１実施形態に係るトルクセンサ５００の構成のブロック図である。演算処理装置６００は、エンコーダ５１０と同じ数、例えば４つの信号処理回路５０と、４つの信号処理回路５０と接続されたコンピュータ６５０と、を有する。コンピュータ６５０は、例えばマイクロコンピュータである。以下、コンピュータ６５０の構成の一例について説明する。

【0032】

コンピュータ６５０は、処理部の一例であるプロセッサとしてのＣＰＵ６５１を有する。また、コンピュータ６５０は、ＣＰＵ６５１にトルク値τを求める演算処理を行わせるためのプログラム６２０を格納したＲＯＭ６５２と、データ等を一時的に格納するのに用いられるＲＡＭ６５３と、を有する。また、コンピュータ６５０は、信号処理回路５０や外部接続機器、例えばロボット制御装置３００や不図示の外部ストレージなどとのインタフェースであるＩ／Ｏ６５４を有する。ＣＰＵ６５１、ＲＯＭ６５２、ＲＡＭ６５３、及びＩ／Ｏ６５４は、バス６６０で互いに通信可能に接続されている。

【0033】

トルク値τは、トルク情報、即ちトルクデータであり、規格化された値であってもよい。ＣＰＵ６５１は、各信号処理回路５０から位相情報を取得し、プログラム６２０に従って演算処理を行ってトルク値τを求め、求めたトルク値τをロボット制御装置３００へ出力する。

【0034】

本実施形態では、ＲＯＭ６５２及びＲＡＭ６５３を有する記憶部の一例である記憶装置６７０が構成されている。なお、記憶装置６７０の構成は、これに限定するものではない。また、記憶装置６７０は、内部ストレージであっても、外部ストレージであっても、内部ストレージ及び外部ストレージの組み合わせであってもよい。

【0035】

また、本実施形態では、コンピュータ６５０によって読み取り可能な非一時的な記録媒体がＲＯＭ６５２であり、ＲＯＭ６５２にプログラム６２０が記録されているが、これに限定するものではない。プログラム６２０は、コンピュータ６５０によって読み取り可能な非一時的な記録媒体であれば、いかなる記録媒体に記録されていてもよい。また、プログラム６２０をコンピュータ６５０に供給するための記録媒体としては、例えばフレキシブルディスク、光ディスク、光磁気ディスク、磁気テープ、不揮発性メモリ等を用いることができる。

【0036】

演算処理装置６００は、各エンコーダ５１０のセンサヘッド７からのエンコーダ信号である検出信号に基づき、支持部５０１と支持部５０２との相対的な変位情報を求める。そして、演算処理装置６００は、求めた変位情報をトルク値τに換算して、ロボット制御装置３００に出力する。

【0037】

図５（ｂ）は、第１実施形態に係るトルクセンサ５００の機能のブロック図である。
トルクセンサ５００は、複数の変位検出装置の一例として複数、例えば４つのエンコーダ装置５５０を有する。各エンコーダ装置５５０は、エンコーダ５１０と、信号処理回路５０と、図５（ａ）に示すコンピュータ６５０の一部の機能と、を有する。図５（ａ）に示すＣＰＵ６５１がプログラム６２０を実行することにより、図５（ｂ）に示す各変位算出部６８０及びトルク算出部６８１として機能する。即ち、ＣＰＵ６５１は、各エンコーダ装置５５０の変位算出部６８０として機能する。また、ＣＰＵ６５１は、各変位算出部６８０で算出した変位情報である位相Φ１０を用いてトルク値τを算出する、トルクセンサ５００のトルク算出部６８１として機能する。各変位算出部６８０による位相Φ１０の演算処理については、後述する。位相Φ１０は、支持部５０１の弾性変形を含まない、センサ本体５９０に作用したトルクに応じて弾性部５０３が弾性変形することによる支持部５０２に対する支持部５０１の相対的な変位情報である。

【0038】

図６（ａ）は、第１実施形態に係るエンコーダ装置５５０の模式図である。スケール２は、センサヘッド７に対して相対的にＸ方向に並進移動する。センサヘッド７に対して相対的に並進移動するスケール２の移動方向をＸ方向、Ｘ方向と交差する方向をＹ方向、Ｘ方向及びＹ方向に交差する方向をＺ方向とする。Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向は、互いに直交する方向であるのが好ましい。Ｘ方向は、タンジェンシャル方向である。Ｙ方向は、ラジアル方向である。Ｘ方向は、第１方向の一例であり、Ｙ方向は、第２方向の一例である。Ｘ方向は、エンコーダ５１０における測位方向でもある。図６（ａ）には、Ｘ方向に視たスケール２及びセンサヘッド７を模式的に図示している。また、図６（ｂ）は、第１実施形態に係るセンサヘッド７の平面図である。図６（ｂ）には、Ｚ方向に視たセンサヘッド７を模式的に図示している。

【0039】

エンコーダ５１０は、光学式の光干渉型エンコーダであって、インクリメンタル方式のリニアエンコーダである。また、エンコーダ５１０は、第１実施形態では反射型であるが、透過型であってもよい。ＣＰＵ６５１は、センサヘッド７から得られた検出信号Ｓの内挿処理、記憶装置６７０への情報の書き込み及び読み出しの処理、位置信号の出力等の処理を行う。

【0040】

センサヘッド７は、Ｚ方向においてスケール２と対向する位置に配置される。スケール２は、パターン部８０を有する。センサヘッド７は、スケール２のパターン部８０を読み取って検出信号Ｓを信号処理回路５０に出力する。センサヘッド７は、発光ユニットの一例である、ＬＥＤからなる光源１と、２つの受光ユニット３_１，３_２とを有する。各受光ユニット３_１，３_２は、光源１に対してＹ方向に間隔をあけて配置されている。第１実施形態では、光源１は、２つの受光ユニット３_１，３_２の間に配置されている。なお、受光ユニット３_１，３_２は、部品の種類の共通化が図れ、コストダウンにも繋がるなどの利点があるため、互いに同一のものを用いるのが好ましいが、それぞれが読み取るトラックの変調周期に適した別々の種類のものを用いてもよい。

【0041】

受光ユニット３_１は、受光素子アレイ９_１を有し、受光ユニット３_２は、受光素子アレイ９_２を有する。光源１及び受光ユニット３_１，３_２は、プリント配線板４に実装され、光が透過する透明の樹脂５で封止されている。樹脂５の表面には、光が透過する透明のガラス６が配置されている。この構成により、光源１及び受光ユニット３_１，３_２が樹脂５及びガラス６で保護されている。

【0042】

信号処理回路５０は、例えばＩＣチップからなる半導体素子で構成される。信号処理回路５０は、例えばプリント配線板４の表面に実装される。なお、信号処理回路５０の配置位置は、これに限定するものではなく、プリント配線板４上とは別の場所に配置されていてもよい。図６（ａ）では、信号処理回路５０は、説明の便宜上、プリント配線板４上とは別の場所に図示されている。信号処理回路５０は、検出信号Ｓのうち、受光素子アレイ９_１から取得した検出信号Ｓ１を処理する回路部５１_１と、受光素子アレイ９_２から取得した検出信号Ｓ２を処理する回路部５１_２とを含む。

【0043】

図６（ａ）に示すように、パターン部８０は、２つのスケールトラック８_１，８_２を含む。２つのスケールトラック８_１，８_２は、Ｙ方向に並んで配置されている。光源１から出射された発散光束は、スケール２の各スケールトラック８_１，８_２に斜め方向から照射される。各スケールトラック８_１，８_２で反射した光束は、各受光素子アレイ９_１，９_２に向けて反射される。各反射光は、各受光素子アレイ９_１，９_２に対して斜め方向から入射される。光量に分布のある反射光が、各受光素子アレイ９_１，９_２において、像として受光される。具体的には、各受光素子アレイ９_１，９_２における受光量は、光源１からＹ方向に遠ざかるに連れて減少する。

【0044】

各受光素子アレイ９_１，９_２によって受光された光束は、電気信号に変換される。各電気信号は、各検出信号Ｓ１，Ｓ２として信号処理回路５０の各回路部５１_１，５１_２に送信される。

【0045】

ところで、第１実施形態では、図４に示すセンサ本体５９０の支持部５０１は、図２に示す減速機１４３のフレクスプライン１５３に取り付け固定される。フレクスプライン１５３は、ウェブジェネレータ１５１によって楕円変形するため、その変形力が支持部５０１にも伝達される。よって、支持部５０１は、その変形力によって変形する。

【0046】

図７（ａ）及び図７（ｂ）は、回転軸線Ｃ０の延びる方向に視たトルクセンサ５００の説明図である。図７（ａ）には、トルクセンサ５００の支持部５０１に、図２に示す減速機１４３のフレクスプライン１５３の変形力が伝達していない状態を図示している。図７（ｂ）には、トルクセンサ５００の支持部５０１に、図２に示す減速機１４３のフレクスプライン１５３の変形力が伝達している状態を図示している。図７（ａ）及び図７（ｂ）には、４つのエンコーダ５１０を、エンコーダ５１０_１，５１０_２，５１０_３，５１０_４として図示している。これらエンコーダ５１０_１，５１０_２，５１０_３，５１０_４は、回転軸線Ｃ０を中心に９０度対称な位置に等間隔で配置されている。

【0047】

トルクセンサ５００の支持部５０１にフレクスプライン１５３による変形力が作用していなければ、図７（ａ）に示すように、支持部５０１は、円環形状を保っている。各エンコーダ５１０_１，５１０_２，５１０_３，５１０_４においては、正確にＸ方向の変位を検出することができる。

【0048】

ロボット２００の関節にトルクセンサ５００を適用すると、トルクセンサ５００の支持部５０１にはフレクスプライン１５３による変形力が作用する。これにより、支持部５０１は、図７（ｂ）に示すように、フレクスプライン１５３と同様に楕円変形する。ウェブジェネレータ１５１を矢印方向に回転させてロボットアーム２０１の関節を駆動すると、フレクスプライン１５３の楕円形状、即ち支持部５０１の楕円形状も同様に矢印方向に回転する。そして、ウェブジェネレータ１５１の回転数の２倍の周波数で支持部５０１の楕円形状が回転する。各エンコーダ５１０_１，５１０_２，５１０_３，５１０_４のスケール２は、支持部５０１に固定されている。つまり、ロボットアーム２０１の関節を回転させると、各エンコーダ５１０_１～５１０_４において、スケール２がセンサヘッド７に対して相対的にＸ方向及びＹ方向にウェブジェネレータ１５１の回転数の２倍の周波数で周期的に変動する。

【0049】

例えば、図７（ｂ）に示すように、支持部５０１の楕円変形が回転軸線Ｃ０を中心に時計回りに回転したとする。エンコーダ５１０_１および５１０_３においては、時計回りにトルクが掛かったのと同じように、センサヘッド７に対してスケール２が相対的に＋Ｘ方向に変位する。これに対し、エンコーダ５１０_２及び５１０_４においては、反時計回りにトルクが掛かったのと同じように、センサヘッド７に対してスケール２が相対的に－Ｘ方向に変位する。

【0050】

このように、各エンコーダ５１０_１～５１０_４のスケール２の変位には、ロボットアーム２０１の関節に実際にかかるトルク以外に、支持部５０１の楕円変形による誤差分が重畳する。トルクセンサ５００は、４つのエンコーダ５１０_１～５１０_４を有するため、これらで検出される値を平均化することで、誤差をある程度までは低減することができる。しかし、各エンコーダ５１０_１～５１０_４間で、楕円変形による変位量にばらつきがあるため、平均化処理だけでは誤差を除去しきれない。

【0051】

そこで、第１実施形態では、各エンコーダ５１０_１～５１０_４において、Ｙ方向の変位も測定し、そのＹ方向の変位に基づきＸ方向の変位を補正することにより、正確なトルク値を算出する。

【0052】

図８は、第１実施形態に係るスケール２の説明図である。図８には、スケール２の全体と、スケール２の一部分を拡大したものを図示している。スケール２は、例えばガラスのような基材を有する。パターン部８０は、基材上にクロム膜がパターニングされることで形成されている。なお、スケール２の基材は、ポリカーボネートなどの樹脂やＳＵＳのような金属であってもよい。また、パターン部８０は、反射膜として機能すればよく、アルミニウムのような膜であってもよい。

【0053】

パターン部８０のスケールトラック８_１のパターンは、受光素子アレイ９_１で読み取られる。パターン部８０のスケールトラック８_２のパターンは、受光素子アレイ９_２で読み取られる。スケールトラック８_１は、少なくとも１つの第１パターン列としてのパターン列８０１を含む。スケールトラック８_２は、少なくとも１つの第２パターン列としての複数のパターン列８０２を含む。

【0054】

パターン列８０１は、Ｘ方向に周期的に配置された複数の第１パターン要素である複数のパターン要素８１０を含む。複数のパターン要素８１０は、変調周期である所定のピッチＰ１でＸ方向に互いに間隔をあけて配置されている。複数のパターン要素８１０の各々は、Ｙ方向に延びる第１軸線である軸線Ｌ１に対して対称な形状である。

【0055】

各パターン列８０２は、Ｘ方向に周期的に配置された複数の第２パターン要素である複数のパターン要素８２０を含む。複数のパターン要素８２０は、変調周期である所定のピッチＰ２でＸ方向に互いに間隔をあけて配置されている。複数のパターン要素８２０の各々は、Ｙ方向に延びる第２軸線である軸線Ｌ２に対して非対称な形状である。本実施形態では、複数のパターン要素８１０のピッチＰ１と複数のパターン要素８２０のピッチＰ２が同じピッチである。即ち、隣り合う２つの軸線Ｌ１の間隔と隣り合う２つの軸線Ｌ２の間隔とは同じである。

【0056】

ここで、パターン要素８２０は、Ｙ方向に延びる仮想的な軸線をＸ方向のどの位置にとっても、その軸線で非対称である。つまり、パターン要素８２０は、線対称となる軸線が存在しない。一方、パターン要素８１０は、Ｙ方向に延びる仮想的な軸線のうち、線対称となる軸線が１つ存在し、その軸線が軸線Ｌ１である。

【0057】

第１実施形態では、複数のパターン列８０２は、Ｙ方向に連続して配置されている。各パターン列８０２のＹ方向の長さをＹ２とする。Ｙ方向に連続する１列の複数のパターン要素８２０でパターン要素群８２５が構成されている。パターン要素群８２５において、同一形状の複数のパターン要素８２０がＹ方向に長さＹ２の周期で配列されていることになる。第１実施形態では、複数のパターン要素群８２５が、Ｘ方向にピッチＰ２で等間隔に配置されている。

【0058】

各パターン列８０２において、Ｘ方向に間隔をあけて配置された複数のパターン要素８２０の各々は、矩形状の第１部分である部分８２１と、部分８２１に対してＸ方向にずらして配置された矩形状の第２部分である部分８２２と、を含む。部分８２１に対する部分８２２のＸ方向のずれ量は、複数のパターン要素８２０のうち隣り合う２つのパターン要素８２０のピッチＰ２の１／６であるのが好ましい。また、部分８２１のＹ方向の長さと部分８２２のＹ方向の長さが同じ、即ち各部分８２１，８２２のＹ方向の長さがＹ２／２であるのが好ましい。

【0059】

ピッチＰ１とピッチＰ２とは、異なっていてもよいが、同一であるのが好ましい。トルクを計測するのに用いるピッチＰ１は、できるだけ小さいピッチとするのが好ましい。ピッチＰ１を狭くすることで、高い分解能のトルクセンサ５００を実現することができる。以下、ピッチＰ１及びＰ２が１００μｍ、長さＹ２が５０μｍである場合について説明する。

【0060】

図９は、第１実施形態に係る受光素子アレイ９_１の平面図である。なお、受光素子アレイ９_２の構成は、受光素子アレイ９_１と同様であるため、図示及び説明を省略する。受光素子アレイ９_１は、Ｘ方向に５０μｍのピッチで配列された複数、例えば３２個の受光素子９０を有する。各受光素子９０は、Ｘ方向の幅Ｘ＿ｐｄが５０μｍであり、Ｙ方向の幅Ｙ＿ｐｄが８００μｍである。受光素子アレイ９_１の全幅Ｘ＿ｔｏｔａｌは１６００μｍである。

【0061】

スケール２上のパターンは、受光素子アレイ９_１において２倍の拡大投影となる。そのため、スケール２上の検出範囲は、Ｘ方向８００μｍ、Ｙ方向４００μｍの範囲となる。受光素子アレイ９_２においては、幅Ｙ＿ｐｄと長さＹ２との関係から、スケール２上の検出範囲は、８列のパターン列８０２となる。なお、Ｙ＿ｐｄ／Ｙ２の値が整数でない場合は、Ｙ方向の検出位置によってＸ方向の位相が異なってしまう。そのため、Ｙ方向の位置がＸ方向の検出位相に影響が出ないように、Ｙ＿ｐｄ／Ｙ２の値は整数であることが好ましい。各受光素子アレイ９_１，９_２の検出信号は、図６（ａ）に示す各回路部５１_１，５１_２に出力される。

【0062】

図１０は、第１実施形態における信号処理回路５０の回路部５１_１の回路図である。なお、回路部５１_２は、回路部５１_１と同様の構成であるため、回路部５１_２の構成の図示及び説明を省略する。

【0063】

受光素子アレイ９_１の後段には、初段増幅器である４つのＩＶ変換アンプ３４，３５，３６，３７が設けられている。ＩＶ変換アンプ３４，３５，３６，３７は、受光素子アレイ９_１の各受光素子９０から読み出された電流信号である検出信号から４相の正弦波出力Ｓ１（Ａ＋），Ｓ１（Ｂ＋），Ｓ１（Ａ－），Ｓ１（Ｂ－）を生成する。４相正弦波の相対位相は、検出ピッチに対し、Ｓ１（Ａ＋）を基準とすると、Ｓ１（Ｂ＋）が約＋９０度、Ｓ１（Ａ－）が約＋１８０度、Ｓ１（Ｂ－）が約＋２７０度の関係にある。

【0064】

ＩＶ変換アンプ３４，３５，３６，３７の後段には、Ａ相用差動アンプ３９及びＢ相用差動アンプ４０が設けられている。Ａ相用差動アンプ３９及びＢ相用差動アンプ４０は、４相の正弦波出力Ｓ１（Ａ＋），Ｓ１（Ｂ＋），Ｓ１（Ａ－），Ｓ１（Ｂ－）を用いて以下の式（１）及び式（２）の演算を行う。これにより、Ａ相用差動アンプ３９及びＢ相用差動アンプ４０は、直流分が除去された２相の正弦波信号Ｓ１（Ａ），Ｓ１（Ｂ）を生成する。
Ｓ１（Ａ）＝Ｓ１（Ａ＋）－Ｓ１（Ａ－） ・・・（１）
Ｓ１（Ｂ）＝Ｓ１（Ｂ＋）－Ｓ１（Ｂ－） ・・・（２）

【0065】

Ａ相用差動アンプ３９及びＢ相用差動アンプ４０の後段には、図５（ａ）に示すコンピュータ６５０が設けられており、２相の正弦波信号Ｓ１（Ａ），Ｓ１（Ｂ）は、コンピュータ６５０に出力される。

【0066】

このように、図６（ａ）に示す回路部５１_１は、受光素子アレイ９_１から取得した検出信号Ｓ１から、直流分が除去された２相の正弦波信号Ｓ１（Ａ），Ｓ１（Ｂ）を生成する。回路部５１_２は、回路部５１_１と同様に、受光素子アレイ９_２から取得した検出信号Ｓ２から、直流分が除去された２相の正弦波信号Ｓ２（Ａ），Ｓ２（Ｂ）を生成する。

【0067】

ここで、図８のパターン列８０１のパターンは、センサヘッド７とスケール２とが相対的にＸ方向に変位すると、センサヘッド７にてＸ方向の変位として検出されるパターンである。なお、パターン列８０１のパターンは、センサヘッド７とスケール２とが相対的にＹ方向に変位しても、センサヘッド７にてＸ方向の変位として検出されないパターンである。

【0068】

また、パターン列８０２のパターンは、センサヘッド７とスケール２とが相対的にＸ方向に変位すると、センサヘッド７にてＸ方向の変位として検出されるパターンである。更に、パターン列８０２のパターンは、センサヘッド７とスケール２とが相対的にＹ方向に変位すると、センサヘッド７にてＸ方向の変位として検出されるパターンである。

【0069】

第１実施形態では、コンピュータ６５０は、センサヘッド７からの検出信号Ｓ１，Ｓ２に基づく位相情報である正弦波信号Ｓ１（Ａ），Ｓ１（Ｂ），Ｓ２（Ａ），Ｓ２（Ｂ）を用いて、支持部５０１の楕円変形による誤差分を除去したトルク値τを求める。位相情報のうち、正弦波信号Ｓ１（Ａ），Ｓ１（Ｂ）が第１情報であり、正弦波信号Ｓ２（Ａ），Ｓ２（Ｂ）が第２情報である。

【0070】

以下、第１実施形態に係るロボット２００の制御方法と、トルクセンサ５００によるトルクの検出方法について具体的に説明する。図１１（ａ）は、第１実施形態に係るロボット２００の制御方法の一例を示すフローチャートである。

【0071】

まず、図１１（ａ）に示すフローチャートを参照しながら、ロボット２００の制御方法について説明する。ステップＳ１０１において、ロボット制御装置３００は、教示データを含むロボットプログラムに応じた軌道データに従ってロボット２００が動作するようロボット２００を制御する。その際、ロボット制御装置３００は、各関節Ｊ１～Ｊ３のモータ１４１に駆動電流を供給し、各関節Ｊ１～Ｊ３を駆動させる。各関節Ｊ１～Ｊ３には、外部から負荷であるトルクがかかっている状態でもかかっていない状態であってもよい。

【0072】

ステップＳ１０２において、ロボット制御装置３００は、ロボット２００の制御中、トルクセンサ５００からのトルク値τを取得する。

【0073】

次に、ステップＳ１０３において、ロボット制御装置３００は、トルク値τが閾値ＴＨよりも大きいか否かを判定する。つまり、ロボット２００がロボット２００の周囲の作業者や物体に接触したかどうかを判定する。ロボット２００が何かに接触すれば、トルク値τが閾値ＴＨを超えることになる。

【0074】

トルク値τが閾値ＴＨ以下の場合（Ｓ１０３：ＮＯ）、ロボット制御装置３００は、ステップＳ１０１の処理に戻って、ロボット２００を制御する。

【0075】

トルク値τが閾値ＴＨよりも大きい場合（Ｓ１０３：ＹＥＳ）、ステップＳ１０４において、ロボット制御装置３００は、ロボット２００の動作を停止させる。また、ステップＳ１０５において、ロボット制御装置３００は、アラート処理を実行する。本実施形態では、ロボットシステム１００は、３つのトルクセンサ５００を備えているので、ロボット制御装置３００は、３つのトルク値のうちの１つでも閾値ＴＨを超えれば、ステップＳ１０４，１０５の処理に移行する。

【0076】

ロボット２００の動作を停止させる方法としては、瞬時に停止、ゆっくり停止、逆方向に移動、インピーダンス制御へ切替などが挙げられる。また、アラート処理として、ロボット制御装置３００は、例えばロボット２００からエラー信号発信（警告）させたり、トルク値τをティーチングペンダント４００などの端末に表示させたり、ログを取得しロボット制御装置３００内の記憶部に保存したりする。

【0077】

なお、ステップＳ１０４の処理及びステップＳ１０５の処理の順番は、逆であってもよいし、同時であってもよい。また、ステップＳ１０４の処理及びステップＳ１０５の処理のいずれかの処理を省略してもよい。

【0078】

ステップＳ１０２においてロボット制御装置３００に取得されるトルク値τは、以下のように検出される。図１１（ｂ）は、第１実施形態に係るトルクの検出方法の一例を示すフローチャートである。ここで、図１１（ｂ）に示すステップＳ２０１～Ｓ２０４は、図５（ｂ）に示す各変位算出部６８０の演算処理であり、ステップＳ２０５は、図５（ｂ）に示すトルク算出部６８１の演算処理である。図５（ｂ）に示す各変位算出部６８０は、同様の演算を行うため、以下のステップＳ２０１～Ｓ２０４の処理の説明においては、複数の変位算出部６８０のうちの１つについて説明する。

【0079】

ステップＳ２０１において、変位算出部６８０は、パターン列８０１からＸ方向の変位量を示す位相Φ１１を検出する。即ち、変位算出部６８０は、回路部５１_１からの正弦波信号Ｓ１（Ａ），Ｓ１（Ｂ）を用いて、センサヘッド７に対するスケール２の相対的なＸ方向の第１変位量を位相Φ１１として求める。位相Φ１１は、以下の式（３）から求められる。
Φ１１＝ＡＴＡＮ２［Ｓ１（Ａ），Ｓ１（Ｂ）］ ・・・（３）
ＡＴＡＮ２［Ｙ，Ｘ］は、象限を判別して０～２π位相に変換する逆正接演算関数である。位相Φ１１とスケール２の位置との関係は、図１２のグラフに示すようになる。

【0080】

なお、式（３）の演算をする前に、各アンプのオフセット、及びゲインばらつき等に起因する正弦波信号Ｓ１（Ａ），Ｓ１（Ｂ）に含まれるゲイン比、及びオフセット誤差を、予め求めておいた補正値で補正してもよい。例えば、正弦波信号Ｓ１（Ａ），Ｓ１（Ｂ）のそれぞれにおいて、（最大値－最小値）／２からゲイン比、即ち振幅比を算出し、信号振幅が等しくするような補正値を算出しておけばよい。同様に、（最大値＋最小値）／２から、オフセット誤差量を算出し、そのオフセット誤差を補正する補正値を算出しておけばよい。これら補正値は、記憶装置６７０に格納しておけばよい。

【0081】

ところで、位相Φ１１には、支持部５０１が楕円変形したことによりスケール２がセンサヘッド７に対してＸ方向に相対的にずれたことに起因するＸ方向の誤差分Φ１０’が含まれている。なお、支持部５０１が楕円変形したことによりスケール２がセンサヘッド７に対してＹ方向に相対的にずれたとしても、位相Φ１１には影響しない。

【0082】

即ち、支持部５０１が楕円変形していなかったと仮定した場合に得られると考えられる、楕円変形による誤差分Φ１０’を含んでいない位相をΦ１０とすると、位相Φ１１は、以下の式（４）の関係にある。
Φ１１＝Φ１０＋Φ１０’ ・・・（４）
例えば、トルクセンサ５００にトルクがかかっていない状態では、位相Φ１０はゼロであるが、支持部５０１の楕円変形により、実際に検出される位相Φ１１は、誤差分Φ１０’となる。

【0083】

次に、ステップＳ２０２において、変位算出部６８０は、パターン列８０２からＸ方向の変位量である位相Φ１２を検出する。即ち、変位算出部６８０は、回路部５１_２からの正弦波信号Ｓ２（Ａ），Ｓ２（Ｂ）を用いて、センサヘッド７に対するスケール２の相対的なＸ方向の変位量を位相Φ１２として求める。位相Φ１２は、以下の式（５）から求められる。
Φ１２＝ＡＴＡＮ２［Ｓ２（Ａ），Ｓ２（Ｂ）］ ・・・（５）

【0084】

位相Φ１２には、支持部５０１が楕円変形したことによりスケール２がセンサヘッド７に対してＸ方向に相対的にずれたことに起因するＸ方向の誤差分Φ１０’が含まれている。

【0085】

更に、位相Φ１２には、支持部５０１が楕円変形したことによりスケール２がセンサヘッド７に対してＹ方向に相対的にずれたことに起因するＹ方向の誤差分が、Ｘ方向の誤差分Φ１０’’として含まれている。即ち、位相Φ１２は、以下の式（６）の関係にある。
Φ１２＝Φ１０＋Φ１０’＋Φ１０’’ ・・・（６）

【0086】

以下、位相Φ１２に誤差分Φ１０’’が重畳する原理について説明する。説明を容易にするため、スケール２は、センサヘッド７に対して相対的にＹ方向にのみ変位し、Ｘ方向への相対的な変位はないものとして説明する。図１３（ａ）及び図１３（ｂ）は、第１実施形態において、位相Φ１２に誤差分Φ１０’’が重畳する原理の説明図である。

【0087】

スケールトラック８_２における検出範囲をＲ２とする。検出範囲Ｒ２からの反射光のみが受光素子アレイ９_２にて受光され、検出範囲Ｒ２の外の領域からの反射光は、受光素子アレイ９_２にて受光されない。スケールトラック８_２においては、光源１の出射光が斜め方向から照射され、受光素子アレイ９_２においては、スケールトラック８_２からの反射光が斜め方向から受光される。したがって、検出範囲Ｒ２において反射光の光量に分布が生じる。検出範囲Ｒ２からの反射光のうち、光量の多い反射光が受光素子アレイ９_２の受光感度に大きく影響を与える。よって、受光素子アレイ９_２から出力される検出信号Ｓ２は、検出範囲Ｒ２において光量が多い部分の反射光が支配的となる。そして、検出範囲Ｒ２が、図１３（ａ）に示す状態から図１３（ｂ）に示す状態にＹ方向に移動すると、検出信号Ｓ２は、検出範囲Ｒ２がＸ方向に移動していないにも関わらず、軸線Ｌ２に対して非対称のパターン要素８２０の形状に応じて変化する。

【0088】

第１実施形態では、各パターン要素群８２５は、同一形状の複数のパターン要素８２０がＹ方向に連続することで、周期的な形状となっている。よって、検出範囲Ｒ２がＹ方向に長さＹ２以上移動すれば、位相Φ１２も周期的に変化する。図１３（ｃ）は、第１実施形態におけるリサージュ波形の模式図である。横軸は検出信号Ｓ２のうちの正弦波信号Ｓ２（Ａ）、縦軸は検出信号Ｓ２のうちの正弦波信号Ｓ２（Ｂ）を示す。検出範囲Ｒ２がＹ方向に移動すると、リサージュ波形の円上の所定範囲を、点Ｐ１２（Ｓ２（Ａ），Ｓ２（Ｂ））が往復移動することになる。

【0089】

第１実施形態では、図８に示すように、部分８２１に対する部分８２２のＸ方向のずれ量がピッチＰ２の１／６である。このようなパターンの場合、図１３（ｃ）に示した破線で示すリサージュ波形において、高調波成分を光干渉の原理により小さくすることができる。このように、パターン要素８２０において部分８２１に対する部分８２２のＸ方向のずれ量がピッチＰ２の１／６であるので、３次の高調波成分が除去された高精度な位相Φ１２を検出することが可能となる。

【0090】

ステップＳ２０３において、変位算出部６８０は、センサヘッド７に対するスケール２の相対的なＹ方向の第２変位量である変位量ΔＹを求める。以下、具体的に説明すると、まず、変位算出部６８０は、位相Φ１２から位相Φ１１を減算することで差分ΔΦを求める。差分ΔΦは、以下の式（７）で表される。
ΔΦ＝Φ１２－Φ１１（＝Φ１０’’）・・・（７）

【0091】

つまり、差分ΔΦは、誤差分Φ１０’’に相当し、変位算出部６８０は、差分ΔΦを求めることで、誤差分Φ１０’’を求めていることになる。差分ΔΦ、即ち誤差分Φ１０’’は、センサヘッド７に対するスケール２の相対的なＹ方向の変位量ΔＹに対して周期的に変化する値である。図１４は、差分ΔΦと変位量ΔＹとの関係を示すグラフである。図１４に示す関係は、予め記憶装置６７０に記憶させておく。例えば、差分ΔΦと変位量ΔＹとの関係をテーブルデータや演算式などで記憶装置６７０に記憶させておく。図１４に示す関係は、例えば光源の配光特性の設計値およびスケールのパターン列８０２の設計値などを用いて作成してもよいし、実験を行って求めておいてもよい。変位算出部６８０は、図１４に示す関係に基づいて、差分ΔΦを、変位量ΔＹに変換する。

【0092】

パターン要素８２０は、部分８２１と部分８２２とがピッチＰ２の１／６だけ非対称にずれたパターンとなっている。このため、センサヘッド７に対してスケール２が相対的にＹ方向に変位するのに応じて、差分ΔΦは、差分ΔΦの最大値と最小値との差分値が（１／６）×２π［ｒａｄ］の範囲内で、周期的に変化する。変位算出部６８０は、差分ΔΦの変化が何周期目かをカウントしておき、その時のカウント値と差分ΔΦの値により、変位量ΔＹを求める。

【0093】

以上、変位算出部６８０は、正弦波信号Ｓ１（Ａ），Ｓ１（Ｂ）から位相Φ１１を求め、位相Φ１１及び正弦波信号Ｓ２（Ａ），Ｓ２（Ｂ）から変位量ΔＹを求める。

【0094】

次に、変位算出部６８０は、位相Φ１１から変換して得られるＸ方向の変位量ΔＸおよび変位量ΔＹから支持部５０１の楕円形状、即ち楕円率を求める。ここで、減速機１４３の入力軸であるウェブジェネレータ１５１の回転方向によって、支持部５０１が楕円形状に変形することによるＸ方向の誤差量の正負（±）が逆になる。このため、変位算出部６８０は、減速機１４３の入力軸の回転方向の情報を、ロボット制御装置３００から得ておく。具体的には、図７（ｂ）のように時計回りに回転したときは、円から右周りに所定の角度だけ歪んだ楕円だと推定し、楕円率は正の値とする。一方、反時計回りに回転したときは円から左回りに所定の角度だけ歪んだ楕円だと推定し、楕円率は負の値とする。

【0095】

変位算出部６８０は、減速機１４３の入力軸の回転方向の情報を加味した支持部５０１の楕円率に基づき、支持部５０１がＹ方向に変形することにより発生するＸ方向の誤差成分の量と方向を求める。

【0096】

変位算出部６８０は、支持部５０１の楕円率と図７（ａ）に示した変形力を受けていないときの支持部５０１の回転中心である回転軸線Ｃ０からの距離との差を求める。これにより、減速機１４３の楕円運動に基づいた支持部５０１の変位の影響を受けたＸ方向の検出誤差である誤差分Φ１０’を求めることが可能となる。

【0097】

次に、ステップＳ２０４において、変位算出部６８０は、トルク値τに対応するＸ方向の変位情報として、位相Φ１０を以下の式（８）から求める。変位情報である位相Φ１０は、支持部５０１の楕円変形による誤差をキャンセルした、弾性部５０３の弾性変形による支持部５０２に対する支持部５０１の相対的な変位量に相当する。
Φ１０＝Φ１１－Φ１０’・・・（８）

【0098】

そして、ステップＳ２０５において、トルク算出部６８１は、４つのエンコーダ５１０それぞれに対して求められた４つの位相Φ１０に基づき、トルク値τを算出する。例えば、トルク算出部６８１は、４つの位相Φ１０を平均化し、その平均値に所定係数、例えば弾性部５０３の弾性係数に比例した感度係数を乗算するなどして、トルク値τを算出する。なお、トルク値τの算出方法は、これに限定するものではなく、各位相Φ１０を暫定トルク値に換算し、４つの暫定トルク値を平均化してトルク値τを求めてもよい。変位算出部６８０は、算出したトルク値τをロボット制御装置３００に出力する。

【0099】

以上、第１実施形態によれば、ロボット２００の関節に搭載されるトルクセンサ５００において、減速機４３１の楕円変形による変形力が作用しても、トルク値τを高精度に求めることができる。即ち、トルク値τの検出精度が向上する。トルク値τの検出精度が向上するので、ロボット２００の動作精度を向上させることができる。例えば、ロボット２００の動作を停止させるかどうかの判定にトルク値τを用いることにより、ロボット２００が作業者や物体に接触した際に、迅速にロボット２００の動作を停止させることができる。また、トルク値τを用いてロボット２００を力制御する場合には、ロボット２００の動作を高精度に制御することができる。

【0100】

また、ステップＳ２０１の処理とステップＳ２０２との処理の順番は、以上説明した順番に限定するものではなく、ステップＳ２０２の処理の次にステップＳ２０１の処理を実行してもよい。また、同時に実行可能であれば、同時に実行してもよい。

【0101】

［変形例］
変形例について説明する。図１５は、変形例のスケール２におけるスケールトラック８_２の平面図である。変形例のスケールトラック８_２は、複数のパターン列８０２を有する。複数のパターン列８０２は、Ｙ方向に連続して配置されている。各パターン列８０２のＹ方向の長さをＹ２とする。スケールトラック８_２において、Ｙ方向に連続する１列の複数のパターン要素８２０に着目すると、同一形状の複数のパターン要素８２０がＹ方向に長さＹ２の周期で配列されていることになる。Ｙ方向に一列に連続して並ぶ複数のパターン要素８２０でパターン要素群８２５が構成されている。変形例では、複数のパターン要素群８２５が、Ｘ方向にピッチＰ２で等間隔に配置されている。各パターン列８０２における各パターン要素８２０は、軸線Ｌ２に対して非対称であるのが好ましく、例えば図１５に示すように、波形状であってもよい。

【0102】

［第２実施形態］
第２実施形態について説明する。図１６（ａ）は、第２実施形態に係る変位検出装置の一例であるエンコーダ装置５５０Ａの模式図である。なお、第２実施形態において、第１実施形態と同様の構成については、同一符号を用いて説明を省略する。エンコーダ装置５５０Ａは、エンコーダ５１０Ａと、信号処理回路５０Ａと、第１実施形態と同様、変位算出部６８０及び記憶装置６７０とを備える。

【0103】

第２実施形態では、図１に示すロボットシステム１００における図４に示すトルクセンサ５００において、エンコーダ５１０に代えて図１６（ａ）に示すエンコーダ５１０Ａとしたものである。以下、第１実施形態で説明した図面も適宜参照しながら説明する。

【0104】

エンコーダ５１０Ａは、リニアエンコーダであってもロータリエンコーダであってもよいが、第２実施形態においても、第１実施形態と同様、リニアエンコーダである。また、エンコーダ５１０Ａは、光学式の光干渉型エンコーダであって、インクリメンタル方式のエンコーダである。また、エンコーダ５１０Ａは、第２実施形態では反射型であるが、透過型であってもよい。

【0105】

エンコーダ５１０Ａは、スケール２Ａと、Ｚ方向においてスケール２Ａと対向する位置に配置されたセンサヘッド７Ａとを有する。スケール２Ａは、パターン部８０Ａを有する。図１６（ｂ）は、第２実施形態に係るセンサヘッド７Ａの平面図である。

【0106】

センサヘッド７Ａは、スケール２Ａのパターン部８０Ａを読み取って検出信号Ｓを信号処理回路５０Ａに出力する。センサヘッド７Ａは、発光ユニットの一例である、ＬＥＤからなる光源１と、１つの受光ユニット３とを有する。受光ユニット３は、第１実施形態で説明した受光ユニット３_１と略同様の構成である。即ち、第２実施形態では、受光ユニット３_２を省略することで、センサヘッド７Ａが小型化されている。

【0107】

受光ユニット３は、光源１に対してＹ方向に間隔をあけて配置されている。受光ユニット３は、受光素子アレイ９を有する。光源１及び受光ユニット３は、プリント配線板４に実装され、光が透過する透明の樹脂５で封止されている。樹脂５の表面には、光が透過する透明のガラス６が配置されている。この構成により、光源１及び受光ユニット３が樹脂５及びガラス６で保護されている。

【0108】

信号処理回路５０Ａは、例えばＩＣチップからなる半導体素子で構成される。信号処理回路５０Ａは、例えばプリント配線板４の表面に実装される。なお、信号処理回路５０Ａの配置位置は、これに限定するものではなく、プリント配線板４上とは別の場所に配置されていてもよい。図１６（ａ）では、信号処理回路５０Ａは、説明の便宜上、プリント配線板４上とは別の場所に図示されている。信号処理回路５０Ａは、検出信号として、受光素子アレイ９から検出信号Ｓ１と検出信号Ｓ２とを切り替えて出力するスイッチ回路４１と、回路部５１とを含む。回路部５１の回路構成は、第１実施形態で説明した回路部５１_１と同様の構成である。

【0109】

図１７は、第２実施形態に係るスケール２Ａの説明図である。図１７には、スケール２Ａの全体と、スケール２Ａの一部分を拡大したものを図示している。スケール２Ａは、例えばガラスのような基材を有する。パターン部８０Ａは、基材上にクロム膜がパターニングされることで形成されている。なお、スケール２Ａの基材は、ポリカーボネートなどの樹脂やＳＵＳのような金属であってもよい。また、パターン部８０Ａは、反射膜として機能すればよく、アルミニウムのような膜であってもよい。

【0110】

パターン部８０Ａのパターンは、受光素子アレイ９で読み取られる。パターン部８０Ａは、少なくとも１つの第１パターン列として複数のパターン列８０１Ａを含む。また、パターン部８０Ａは、少なくとも１つの第２パターン列として複数のパターン列８０２Ａを含む。

【0111】

各パターン列８０１Ａは、Ｘ方向に周期的に配置された複数の第１パターン要素である複数のパターン要素８１０Ａを含む。複数のパターン要素８１０Ａは、変調周期である所定のピッチＰ４でＸ方向に互いに間隔をあけて配置されている。複数のパターン要素８１０Ａの各々は、Ｙ方向に延びる第１軸線である軸線Ｌ４に対して対称な形状である。

【0112】

各パターン列８０２Ａは、Ｘ方向に周期的に配置された複数の第２パターン要素である複数のパターン要素８２０Ａを含む。複数のパターン要素８２０Ａは、変調周期である所定のピッチＰ５でＸ方向に互いに間隔をあけて配置されている。複数のパターン要素８２０Ａの各々は、Ｙ方向に延びる第２軸線である軸線Ｌ５に対して非対称な形状である。本実施形態では、複数のパターン要素８１０ＡのピッチＰ４と複数のパターン要素８２０ＡのピッチＰ５が異なるピッチである。例えば、ピッチＰ４は１００μｍであり、ピッチＰ５は２００μｍである。なお、パターン列８０１Ａ，８０２Ａ以外のパターン列がパターン部８０Ａに含まれていてもよい。

【0113】

第２実施形態では、複数のパターン列８０１Ａと複数のパターン列８０２Ａとは、Ｙ方向に交互に配置されている。１つのパターン列８０１Ａとパターン列８０２Ａとの組のＹ方向の長さをＹ４とする。パターン部８０Ａは、Ｙ方向においては、長さＹ４の周期で同じ形状が繰り返されるように構成されている。

【0114】

図１８及び図１９は、第２実施形態に係る受光素子アレイ９の平面図である。受光素子アレイ９は、複数、例えば３２個の受光素子９０を有する。各受光素子９０は、Ｘ方向の幅Ｘ＿ｐｄが５０μｍであり、Ｙ方向の幅Ｙ＿ｐｄが８００μｍである。受光素子アレイ９の全幅Ｘ＿ｔｏｔａｌは１６００μｍである。なお、Ｙ＿ｐｄ／Ｙ４の値が整数でない場合は、Ｙ方向の検出位置によってＸ方向の位相が異なってしまう。そのため、Ｙ方向の位置がＸ方向の検出位相に影響が出ないように、Ｙ＿ｐｄ／Ｙ４の値は整数であることが好ましい。パターン部８０Ａにおいて、受光素子アレイ９に入射するよう光が反射する検出範囲内の面積の総和は、Ｙ方向の位置によらず一定となるよう構成されていることが好ましい。このようにすると、ピッチＰ４とピッチＰ５のそれぞれから得られるＳ（Ａ＋），Ｓ（Ｂ＋），Ｓ（Ａ－），Ｓ（Ｂ－）の総和をもとに、光源１の出射光量を制御することができる。

【0115】

第２実施形態では、スイッチ回路４１を切り替えることで検出分解能を切り替えることができる。スイッチ回路４１を切り替えることで、受光素子アレイ９は、パターン列８０１Ａに基づく検出信号Ｓ１と、パターン列８０２Ａに基づく検出信号Ｓ２とを、別々に出力できるようになっている。即ち、第２実施形態では、スイッチ回路４１を切り替えることで、回路部５１は、受光素子アレイ９から検出信号Ｓ１又は検出信号Ｓ２を選択的に取得することができる。回路部５１は、受光素子アレイ９から取得した検出信号Ｓ１から、直流分が除去された２相の正弦波信号Ｓ１（Ａ），Ｓ１（Ｂ）を生成する。また、回路部５１は、受光素子アレイ９から取得した検出信号Ｓ２から、直流分が除去された２相の正弦波信号Ｓ２（Ａ），Ｓ２（Ｂ）を生成する。なお、パターン列８０１Ａ，８０２Ａ以外のパターン列がパターン部８０Ａに含まれている場合には、スイッチ回路４１において３つ以上の検出分解能に切り替え可能に構成してもよい。

【0116】

ここで、パターン列８０１Ａのパターンは、センサヘッド７Ａとスケール２Ａとが相対的にＸ方向に変位すると、センサヘッド７ＡにてＸ方向の変位として検出されるパターンである。なお、パターン列８０１Ａのパターンは、センサヘッド７Ａとスケール２Ａとが相対的にＹ方向に変位しても、センサヘッド７ＡにてＸ方向の変位として検出されないパターンである。

【0117】

また、パターン列８０２Ａのパターンは、センサヘッド７Ａとスケール２Ａとが相対的にＹ方向に変位すると、センサヘッド７ＡにてＸ方向の変位として検出されるパターンである。

【0118】

第２実施形態では、変位算出部６８０は、センサヘッド７Ａからの検出信号Ｓ１，Ｓ２に基づく位相情報である正弦波信号Ｓ１（Ａ），Ｓ１（Ｂ），Ｓ２（Ａ），Ｓ２（Ｂ）を用いて、トルク算出部６８１にてトルク値τを求めるための位相Φ１０を求める。位相情報のうち、正弦波信号Ｓ１（Ａ），Ｓ１（Ｂ）が第１情報であり、正弦波信号Ｓ２（Ａ），Ｓ２（Ｂ）が第２情報である。

【0119】

以下、第２実施形態におけるロボット２００（図１）の制御方法は、第１実施形態において説明した図１１（ａ）に示す制御方法のフローチャートと同様であるため、説明を省略する。第２実施形態におけるトルクセンサによるトルクの検出方法についても、第１実施形態と同様であるが、スイッチ回路４１による切り替え操作を行うため、その点が第１実施形態と異なる。即ち、第２実施形態における検出方法は、図１１（ｂ）に示す検出方法と略同様であるが、ステップＳ２０１の処理とステップＳ２０２の処理は、スイッチ回路４１を切り替えて行う。具体的には、ステップＳ２０１では、スイッチ回路４１を図１８に示すように切り替え、ステップＳ２０２では、スイッチ回路４１を図１９に示すように切り替える。

【0120】

ステップＳ２０１において、スイッチ回路４１を図１８に示すように切り替えることにより、複数の受光素子９０において、３つおきに受光素子同士が電気的に接続され、図１０に示すＩＶ変換アンプ３４～３７のいずれかに電流信号が入力される。これにより、ピッチＰ４のパターンが検出されることになる。

【0121】

ステップＳ２０２において、スイッチ回路４１を図１９に示すように切り替えることにより、複数の受光素子９０において、隣り合った２つの受光素子同士が電気的に接続され、図１０に示すＩＶ変換アンプ３４～３７のいずれかに電流信号が入力される。これにより、ピッチＰ５のパターンが検出されることになる。

【0122】

以上、スイッチ回路４１によって検出分解能を切り替えることにより、１つの受光素子アレイ９によって、ピッチＰ４の周期パターンに基づく検出信号Ｓ１と、ピッチＰ５の周期パターンに基づく検出信号Ｓ２とを選択的に回路部５１に出力することができる。

【0123】

以上、第２実施形態によれば、第１実施形態と同様、減速機４３１の楕円変形による変形力がトルクセンサに作用しても、トルク値τを高精度に求めることができる。即ち、トルク値τの検出精度が向上する。トルク値τの検出精度が向上するので、ロボット２００の動作精度を向上させることができる。また、エンコーダ５１０Ａを小型化することができ、トルクセンサ、ひいてはロボットを小型化することができる。

【0124】

なお、ステップＳ２０１の処理とステップＳ２０２との処理の順番は、以上説明した順番に限定するものではなく、ステップＳ２０２の処理の次にステップＳ２０１の処理を実行してもよい。また、各パターン要素８２０Ａは、軸線Ｌ５に対して非対称であるのが好ましく、例えば図１５に示すパターン要素８２０のように波形状であってもよい。

【0125】

［第３実施形態］
第３実施形態について説明する。図２０（ａ）は、第３実施形態に係る変位検出装置の一例であるエンコーダ装置５５０Ｂの模式図である。なお、第３実施形態において、第１実施形態と同様の構成については、同一符号を用いて説明を省略する。エンコーダ装置５５０Ｂは、エンコーダ５１０Ｂと、信号処理回路５０Ｂと、第１実施形態と同様、変位算出部６８０及び記憶装置６７０とを備える。

【0126】

第３実施形態では、図１に示すロボットシステム１００における図４に示すトルクセンサ５００において、エンコーダ５１０に代えて図２０（ａ）に示すエンコーダ５１０Ｂとしたものである。以下、第１実施形態で説明した図面も適宜参照しながら説明する。

【0127】

エンコーダ５１０Ｂは、リニアエンコーダであってもロータリエンコーダであってもよいが、第３実施形態においても、第１実施形態と同様、リニアエンコーダである。また、エンコーダ５１０Ｂは、光学式の光干渉型エンコーダであって、インクリメンタル方式のエンコーダである。また、エンコーダ５１０Ｂは、第３実施形態では反射型であるが、透過型であってもよい。

【0128】

エンコーダ５１０Ｂは、スケール２Ｂと、Ｚ方向においてスケール２Ｂと対向する位置に配置されたセンサヘッド７Ｂとを有する。スケール２Ｂは、パターン部８０Ｂを有する。図２０（ｂ）は、第３実施形態に係るセンサヘッド７Ｂの平面図である。

【0129】

センサヘッド７Ｂは、スケール２Ｂのパターン部８０Ｂを読み取って検出信号Ｓ２を信号処理回路５０Ｂに出力する。センサヘッド７Ｂは、発光ユニットの一例である、ＬＥＤからなる光源１と、１つの受光ユニット３とを有する。受光ユニット３は、第１実施形態で説明した受光ユニット３_２と略同様の構成である。即ち、第３実施形態では、受光ユニット３_１を省略することで、センサヘッド７Ｂが小型化されている。

【0130】

受光ユニット３は、光源１に対してＹ方向に間隔をあけて配置されている。受光ユニット３は、受光素子アレイ９を有する。光源１及び受光ユニット３は、プリント配線板４に実装され、光が透過する透明の樹脂５で封止されている。樹脂５の表面には、光が透過する透明のガラス６が配置されている。この構成により、光源１及び受光ユニット３が樹脂５及びガラス６で保護されている。

【0131】

信号処理回路５０Ｂは、例えばＩＣチップからなる半導体素子で構成される。信号処理回路５０Ｂは、例えばプリント配線板４の表面に実装される。なお、信号処理回路５０Ｂの配置位置は、これに限定するものではなく、プリント配線板４上とは別の場所に配置されていてもよい。図２０（ａ）では、信号処理回路５０Ｂは、説明の便宜上、プリント配線板４上とは別の場所に図示されている。信号処理回路５０Ｂは、受光素子アレイ９から検出信号Ｓ２を取得して信号処理する回路部５１を含む。回路部５１の回路構成は、第１実施形態で説明した回路部５１_２、即ち回路部５１_１と同様の構成である。

【0132】

図２１は、第３実施形態に係るスケール２Ｂの説明図である。図２１には、スケール２Ｂの全体と、スケール２Ｂの一部分を拡大したものを図示している。スケール２Ｂは、例えばガラスのような基材を有する。パターン部８０Ｂは、基材上にクロム膜がパターニングされることで形成されている。なお、スケール２Ｂの基材は、ポリカーボネートなどの樹脂やＳＵＳのような金属であってもよい。また、パターン部８０Ｂは、反射膜として機能すればよく、アルミニウムのような膜であってもよい。

【0133】

パターン部８０Ｂのパターンは、第１実施形態で説明したスケールトラック８_２と同様の構成であり、第１実施形態で説明したスケールトラック８_１を省略した構成である。パターン部８０Ｂのパターンは、受光素子アレイ９で読み取られる。パターン部８０Ｂは、少なくとも１つのパターン列として複数のパターン列８０２を含む。即ち、パターン部８０Ｂは、第１実施形態と同様の構成の複数のパターン列８０２を含み、第１実施形態で説明したパターン列８０１は含んでいない。

【0134】

各パターン列８０２は、Ｘ方向に周期的に配置された複数のパターン要素８２０を含む。複数のパターン要素８２０は、変調周期である所定のピッチＰ２でＸ方向に互いに間隔をあけて配置されている。複数のパターン要素８２０の各々は、Ｙ方向に延びる軸線Ｌ２に対して非対称な形状である。

【0135】

複数のパターン列８０２は、Ｙ方向に連続して配置されている。各パターン列８０２のＹ方向の長さはＹ２である。Ｙ方向に連続する１列の複数のパターン要素８２０でパターン要素群８２５が構成されている。パターン要素群８２５において、同一形状の複数のパターン要素８２０がＹ方向に長さＹ２の周期で配列されていることになる。第３実施形態では、複数のパターン要素群８２５が、Ｘ方向にピッチＰ２で等間隔に配置されている。

【0136】

各パターン列８０２において、Ｘ方向に間隔をあけて配置された複数のパターン要素８２０の各々は、矩形状の第１部分である部分８２１と、部分８２１に対してＸ方向にずらして配置された矩形状の第２部分である部分８２２と、を含む。部分８２１に対する部分８２２のＸ方向のずれ量は、複数のパターン要素８２０のうち隣り合う２つのパターン要素８２０のピッチＰ２の１／６であるのが好ましい。また、部分８２１のＹ方向の長さと部分８２２のＹ方向の長さが同じ、即ち各部分８２１，８２２のＹ方向の長さがＹ２／２であるのが好ましい。なお、各パターン要素８２０は、軸線Ｌ２に対して非対称であるのが好ましく、例えば図１５に示す変形例のパターン要素８２０のように波形状であってもよい。

【0137】

ここで、パターン列８０２のパターンは、センサヘッド７Ｂとスケール２Ｂとが相対的にＸ方向に変位すると、センサヘッド７ＢにてＸ方向の変位として検出されるパターンである。更に、パターン列８０２のパターンは、センサヘッド７Ｂとスケール２Ｂとが相対的にＹ方向に変位すると、センサヘッド７ＢにてＸ方向の変位として検出されるパターンである。

【0138】

第３実施形態では、変位算出部６８０は、センサヘッド７Ｂからの検出信号Ｓ２に基づく位相情報である正弦波信号Ｓ２（Ａ），Ｓ２（Ｂ）を用いて、トルク算出部６８１にてトルク値τを求めるための位相Φ１０を求める。

【0139】

以下、第３実施形態におけるロボット２００（図１）の制御方法は、第１実施形態において説明した図１１（ａ）に示す制御方法のフローチャートと同様であるため、説明を省略する。第３実施形態において、図１１（ａ）に示すフローチャートは、ロボット２００に実際に製品を製造するための作業を行わせる運転モードを示すものである。

【0140】

第３実施形態におけるトルクセンサによるトルクの検出方法が、第１実施形態と異なる。ロボット２００は産業用ロボットである。ロボット２００は、同じ製品を連続して製造するのに用いられ、その際に同じ動作を繰り返すことになる。そこで、第３実施形態においては、予め補正値を測定して記憶装置６７０に記憶させておく。この記憶動作は、試運転モードにおいて行われる。そして、ロボット２００の実動作、即ち運転モードにおいて、トルクセンサに含まれるエンコーダ装置５５０Ｂの検出結果を補正値で補正するようにする。第１モードである運転モードと第２モードである試運転モードの選択は、例えば作業者が図１のティーチングペンダント４００を操作することによって行われる。ロボット制御装置３００は、作業者に選択されたモードを実行する。

【0141】

図２２（ａ）は、第３実施形態に係るロボットシステムにおける前処理を示すフローチャートである。即ち、図２２（ａ）に示すフローチャートは、試運転モードを示すものである。ステップＳ３０１Ｂにおいて、ロボット制御装置３００は、運転モードで用いる軌道データに従ってロボット２００を無負荷で動作させる。このとき、各関節Ｊ１～Ｊ３に対応する図５（ａ）に示すＣＰＵ６５１は、軌道データと対応付けて補正値を求める。ステップＳ３０２Ｂにおいて、ＣＰＵ６５１は、軌道データと対応付けた補正値を、図２０（ａ）の記憶装置６７０にテーブルデータ６７１Ｂとして記憶させる。このようにして、減速機１４３の楕円変形によって検出結果に現れる誤差分のプロファイルを、補正値として予め測定しておく。

【0142】

ここで、補正値について具体的に説明する。ロボット２００を無負荷で動作させるとは、ロボット２００が人や物体に衝突しない状態で、各関節Ｊ１～Ｊ３の減速機１４３のウェブジェネレータ１５１を回転させることをいう。換言すると、ロボット２００が、人や物体に接触したり、物品の組み付けの際に物体同士がぶつかったりして発生するトルクが無い、ことを意味する。一般に、ロボットを動作させる際には、ロボットに人や物体の衝突がなくても、地球の重力やロボットの関節の動作に起因して負荷は発生する。このため、ロボットの各関節に搭載されているトルクセンサには、人や物体の衝突がなくても、ロボットの姿勢やロボットの動作に依存してトルクが検出される。そのためロボットの姿勢やロボットの動作に応じて軌道データを取得して、補正値を求める必要がある。取得する軌道データは、ウェブジェネレータ１５１を回転させたときの回転角度のプロファイルである。つまり、ＣＰＵ６５１は、軌道データとしてウェブジェネレータ１５１の回転角度と対応付けて補正値を求める。そして、この補正値は、ロボット２００を無負荷で動作させたときの式（６）に示す位相Φ１０’＋Φ１０’’に相当する。つまり、ロボット２００を無負荷で動作させることで、補正値として、位相Φ１２の誤差分に相当するプロファイルが取得される。このようにロボットの姿勢やロボットの動作に応じて補正値を算出することにより、例えば、人協働ロボットに本実施形態のロボットシステムを適用した際に、ロボットが人や物体に接触した際の接触力を正確に検出することが可能となる。

【0143】

生産工程におけるロボット２００の制御方法は、第１実施形態において図１１（ａ）に示すフローチャートを用いて説明した通りであり、説明を省略する。図１１（ａ）のステップＳ１０２においてロボット制御装置３００に取得されるトルク値τは、以下のように検出される。図２２（ｂ）は、第３実施形態に係るトルクの検出方法の一例を示すフローチャートである。ここで、図２２（ｂ）に示すステップＳ２０１Ｂ～Ｓ２０３Ｂは、変位算出部６８０の演算処理であり、ステップＳ２０４Ｂは、トルク算出部６８１の演算処理である。

【0144】

ステップＳ２０１Ｂにおいて、変位算出部６８０は、テーブルデータ６７１Ｂから補正値を読み出す。

【0145】

次に、ステップＳ２０２Ｂにおいて、変位算出部６８０は、パターン列８０２からＸ方向の変位量である位相Φ１２を検出する。即ち、変位算出部６８０は、回路部５１からの正弦波信号Ｓ２（Ａ），Ｓ２（Ｂ）を用いて、センサヘッド７Ｂに対するスケール２Ｂの相対的なＸ方向の変位量を位相Φ１２として求める。位相Φ１２は、上記第１実施形態の式（５）から求められる。位相Φ１２は、上記第１実施形態の式（６）の関係にある。ステップＳ２０１Ｂにて読み出した補正値は、式（６）における誤差分（Φ１０’＋Φ１０’’）に相当する。

【0146】

よって、ステップＳ２０３Ｂにおいて、変位算出部６８０は、位相Φ１２を補正値で補正する、即ち位相Φ１２から補正値を減算することで、変位情報である位相Φ１０を求める。

【0147】

ステップＳ２０４Ｂの処理は、第１実施形態で説明したステップＳ２０５の処理と同様である。即ち、ステップＳ２０４Ｂにおいて、トルク算出部６８１は、４つのエンコーダ５１０Ｂそれぞれに対して求められた４つの位相Φ１０に基づき、トルク値τを算出する。

【0148】

以上、第３実施形態によれば、トルク値τを高精度に求めることが可能となる。即ち、トルク値τの検出精度が向上する。トルク値τを高精度に求めることができるので、ロボット２００の動作精度を向上させることができる。また、エンコーダ５１０Ｂを小型化することができ、トルクセンサ５００、ひいてはロボット２００を小型化することができる。

【0149】

なお、本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。また、実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、実施形態に記載されたものに限定されない。

【0150】

上述の実施形態では、ロボットアーム２０１が垂直多関節のロボットアームの場合について説明したが、これに限定するものではない。ロボットアーム２０１が、例えば、水平多関節のロボットアーム、パラレルリンクのロボットアーム、直交ロボット等、種々のロボットアームであってもよい。

【0151】

また、上述の実施形態ではトルクセンサが減速機の出力側に配置された場合について説明したが、これに限定するものではなく、減速機の入力側であってもよい。トルクセンサが関節もしくは駆動装置において、減速機の楕円変形力が伝達する位置に配置されていればよい。

【0152】

また、上述の実施形態では、エンコーダがインクリメンタル型である場合について説明したが、これに限定するものではなく、アブソリュート型であってもよい。

【0153】

また、上述の実施形態では、トルクセンサが４つのエンコーダを有する場合について説明したが、これに限定するものではない。例えばトルクセンサが１つのエンコーダのみを有する場合であってもよい。この場合、トルク値τを算出する際に、位相Φ１０を平均化する計算は不要である。もちろん、トルクセンサが４つのエンコーダを有するのが好適であり、４つのエンコーダによって検出される４つの位相Φ１０を平均することで、検出される位相の誤差を低減することができる。

【0154】

また、上述の実施形態では、減速機が波動歯車減速機であり、波動歯車減速機のフレクスプラインがカップ形状である場合について説明したが、これに限定するものではない。フレクスプラインがカップ形状以外の形状、例えばシルクハット形状であってもよい。

【0155】

また、上述の実施形態では、１つのＣＰＵ６５１で複数の変位算出部６８０とトルク算出部６８１の機能を実現する場合について説明したが、これに限定するものではなく、複数のＣＰＵでこれらの機能を実現するようにしてもよい。

【0156】

（その他の実施例）
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

【符号の説明】

【0157】

２…スケール、７…センサヘッド、８０…パターン部、１００…ロボットシステム、１４３…減速機、２００…ロボット、５００…トルクセンサ、５１０…エンコーダ、５５０…エンコーダ装置（変位検出装置）、６５１…ＣＰＵ（処理部）

【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13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】