JP2022037742A - 故障検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】歪みに基づいて計測値を取得する歪み検出センサを備えたシステムにおいて、同じ歪みがかかる箇所に複数の歪み検出センサを配置することなく、歪み検出センサの故障を検出できる技術を提供する。【解決手段】故障検出システムは、歪みを検出する歪み検出センサと、歪み検出センサの故障を検出する故障検出部と、を備える。歪み検出センサは、基板と、基板に搭載された抵抗線パターンと、抵抗線パターンを有するブリッジ回路と、を備える。故障検出部は、ブリッジ回路の第１中間点および第２中間点から、それぞれ第１出力値と、第２出力値とを、同時に取得する。故障検出部は、第１出力値と第２出力値との関係が、所定の正常範囲内であるか否かに基づいて、歪み検出センサの故障を検出する。【選択図】図１３

Description

本発明は、故障検出システムに関する。

近年、ロボットの関節などに搭載される減速機の需要が急速に高まっている。減速機のギアに歪み検出センサを搭載することにより、ギアの歪みを検出できる。それにより、ギアにかかるトルク等を検出することができる。従来の歪み検出センサについては、例えば、特開２０１８－１３２３１３号公報に記載されている。この公報では、被計測体に連結される第１構造体と、第２構造体と、第１構造体と第２構造体との間に伝達される力を検出する複数の歪センサを含む第１ブリッジ回路と、第１構造体と第２構造体との間に伝達される力を検出する複数の歪センサを含む第２ブリッジ回路と、第１ブリッジ回路の第１出力電圧と第２ ブリッジ回路の第２出力電圧との差が第１閾値電圧を超えた場合、異常検出信号を出力するコントローラと、を具備することを特徴とするトルクセンサが開示されている。これにより、トルクセンサ自体の異常を検出することができる。
特開２０１８－１３２３１３号公報

しかしながら、同じ歪みがかかる箇所に複数の歪み検出センサを配置して、歪み検出センサの異常を検出する場合、複数の歪み検出センサの特性を揃える必要がある。また、構造的に歪み検出センサを複数配置すること自体が難しい場合がある。

本発明の目的は、歪みに基づいて計測値を取得する歪み検出センサを備えたシステムにおいて、同じ歪みがかかる箇所に複数の歪み検出センサを配置することなく、歪み検出センサの故障を検出できる技術を提供することである。

本開示の例示的な第１発明は、歪みを検出する歪み検出センサと、前記歪み検出センサの故障を検出する故障検出部と、を備えた故障検出システムであって、前記歪み検出センサは、基板と、前記基板に搭載された抵抗線パターンと、前記抵抗線パターンを有するブリッジ回路と、を備え、前記故障検出部は、前記ブリッジ回路の第１中間点および第２中間点から、それぞれ第１出力値と、第２出力値とを、同時に取得し、前記第１出力値と前記第２出力値との関係が、所定の正常範囲内であるか否かに基づいて、前記歪み検出センサの故障を検出する、故障検出システムである。

本願発明によれば、ブリッジ回路を有する歪み検出センサについて、同じ歪みがかかる箇所に複数の歪み検出センサを配置することなく、歪み検出センサの故障を検出できる。

図１は、動力伝達装置の縦断面図である。 図２は、動力伝達装置の横断面図である。 図３は、ダイヤフラム部およびセンサ基板の部分断面図である。 図４は、センサ基板裏面を示した図である。 図５は、センサ基板表面を示した図である。 図６は、第１ブリッジ回路の回路図である。 図７は、第２ブリッジ回路の回路図である。 図８は、第１電圧計の計測値および第２電圧計の計測値を示したグラフである。 図９は、第３ブリッジ回路の回路図である。 図１０は、第２計測値の補正処理を概念的に示した図である。 図１１は、温度センサの検出回路の回路図である。 図１２は、本件の故障検出システムのシステム構成図である。 図１３は、故障検出処理の流れを示したフローチャートである。

以下、本願の例示的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本願で
は、動力伝達装置の中心軸と平行な方向を「軸方向」、動力伝達装置の中心軸に直交する方向を「半径方向」、動力伝達装置の中心軸を中心とする円弧に沿う方向を「周方向」、とそれぞれ称する。ただし、上記の「平行な方向」は、略平行な方向も含む。また、上記の「直交する方向」は、略直交する方向も含む。

＜１．動力伝達装置の構成＞
図１は、第１実施形態に係る動力伝達装置１の縦断面図である。図２は、図１のＡ－Ａ位置から見た動力伝達装置１の横断面図である。この動力伝達装置１は、モータから得られる第１回転数の回転運動を、第１回転数よりも低い第２回転数に減速させつつ後段へ伝達する装置である。動力伝達装置１は、例えば、ロボットの関節に、モータとともに組み込まれて使用される。ただし、本発明の動力伝達装置は、アシストスーツ、無人搬送台車などの他の装置に用いられるものであってもよい。

図１および図２に示すように、本実施形態の動力伝達装置１は、インタナルギア１０、フレックスギア２０、波動発生器３０、センサ基板４０、および故障検出部６０を備えた波動歯車減速機である。

インタナルギア１０は、内周面に複数の内歯１１を有する円環状のギアである。インタナルギア１０は、動力伝達装置１が搭載される装置の枠体に、例えばねじ止めで固定される。インタナルギア１０は、中心軸９と同軸に配置される。また、インタナルギア１０は、フレックスギア２０の後述する筒状部２１の半径方向外側に位置する。インタナルギア１０の剛性は、フレックスギア２０の筒状部２１の剛性よりも、はるかに高い。このため、インタナルギア１０は、実質的に剛体とみなすことができる。インタナルギア１０は、円筒状の内周面を有する。複数の内歯１１は、当該内周面において、周方向に一定のピッチで配列されている。各内歯１１は、半径方向内側へ向けて突出する。

フレックスギア２０は、可撓性を有する円環状のギアである。フレックスギア２０は、中心軸９を中心として回転可能に支持される。フレックスギア２０は、本発明における「起歪体」の一例である。起歪体とは、外力を受けると変形する物である。

本実施形態のフレックスギア２０は、筒状部２１と平板部２２とを有する。筒状部２１は、中心軸９の周囲において、軸方向に筒状に延びる。筒状部２１の軸方向の先端は、波動発生器３０の半径方向外側、かつ、インタナルギア１０の半径方向内側に位置する。筒状部２１は、可撓性を有するため、半径方向に変形可能である。特に、インタナルギア１０の半径方向内側に位置する筒状部２１の先端部は、自由端であるため、他の部分よりも大きく半径方向に変位可能である。

フレックスギア２０は、複数の外歯２３を有する。複数の外歯２３は、筒状部２１の軸方向の先端部付近の外周面において、周方向に一定のピッチで配列されている。各外歯２３は、半径方向外側へ向けて突出する。上述したインタナルギア１０が有する内歯１１の数と、フレックスギア２０が有する外歯２３の数とは、僅かに相違する。

平板部２２は、ダイヤフラム部２２１と肉厚部２２２とを有する。ダイヤフラム部２２１は、筒状部２１の軸方向の基端部から、半径方向外側へ向けて平板状に広がり、かつ、中心軸９を中心として円環状に広がる。ダイヤフラム部２２１は、軸方向に僅かに撓み変形可能である。肉厚部２２２は、ダイヤフラム部２２１の半径方向外側に位置する、円環状の部分である。肉厚部２２２の軸方向の厚みは、ダイヤフラム部２２１の軸方向の厚みよりも厚い。肉厚部２２２は、動力伝達装置１が搭載される装置の、駆動対象となる部品に、例えばねじ止めで固定される。

波動発生器３０は、フレックスギア２０の筒状部２１に、周期的な撓み変形を発生させる機構である。波動発生器３０は、カム３１と可撓性軸受３２とを有する。カム３１は、中心軸９を中心として回転可能に支持される。カム３１は、軸方向に視たときに楕円形の外周面を有する。可撓性軸受３２は、カム３１の外周面と、フレックスギア２０の筒状部２１の内周面との間に介在する。したがって、カム３１と筒状部２１とは、異なる回転数で回転できる。

可撓性軸受３２の内輪は、カム３１の外周面に接触する。可撓性軸受３２の外輪は、フレックスギア２０の内周面に接触する。このため、フレックスギア２０の筒状部２１は、カム３１の外周面に沿った楕円形状に変形する。その結果、当該楕円の長軸の両端に相当する２箇所において、フレックスギア２０の外歯２３と、インタナルギア１０の内歯１１とが噛み合う。周方向の他の位置においては、外歯２３と内歯１１とが噛み合わない。

カム３１は、直接または他の動力伝達機構を介して、モータに接続される。モータを駆動させると、カム３１は、中心軸９を中心として第１回転数で回転する。これにより、フレックスギア２０の上述した楕円の長軸も、第１回転数で回転する。そうすると、外歯２３と内歯１１との噛み合い位置も、周方向に第１回転数で変化する。また、上述の通り、インタナルギア１０の内歯１１の数と、フレックスギア２０の外歯２３の数とは、僅かに相違する。この歯数の差によって、カム３１の１回転ごとに、外歯２３と内歯１１との噛み合い位置が、周方向に僅かに変化する。その結果、インタナルギア１０に対してフレックスギア２０が、中心軸９を中心として、第１回転数よりも低い第２回転数で回転する。したがって、フレックスギア２０から、減速された第２回転数の回転運動を取り出すことができる。

＜２．センサ基板について＞
＜２－１．センサ基板の構成＞
センサ基板４０は、フレックスギア２０にかかるトルクを検出するためのセンサが搭載された基板である。図１に示すように、本実施形態では、円環状のダイヤフラム部２２１の円形の表面に、センサ基板４０が固定されている。

図３は、ダイヤフラム部２２１およびセンサ基板４０の部分断面図である。 図４は、センサ基板４０の表裏面のうち、ダイヤフラム部２２１に対向する裏面を示した図である。図５は、センサ基板４０の表裏面のうち、ダイヤフラム部２２１に対向しない表面を示した図である。

本実施形態のセンサ基板４０は、柔軟に変形可能なフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）である。図４および図５に示すように、センサ基板４０は、中心軸９を中心とする円環状の本体部４１と、本体部４１から半径方向外側へ向けて突出したフラップ部４２とを有する。また、図３に示すように、センサ基板４０は、絶縁層４３と、導体層４４とを有する。絶縁層４３は、絶縁体である樹脂からなる。導体層４４は、導体である金属からなる。導体層４４の材料には、例えば、銅または銅を含む合金が用いられる。本実施形態のセンサ基板４０は、絶縁層４３の表面と裏面との両方に、導体層４４を有する。また、本実施形態のセンサ基板４０は、表面の導体層４４と、裏面の導体層４４との軸方向の間に、図示しない中間導体層を有する。

また、図３に示すように、センサ基板４０は、両面接着テープ４５により、フレックスギア２０のダイヤフラム部２２１に固定される。具体的には、ダイヤフラム部２２１の表面と、センサ基板４０の裏面とが、両面接着テープ４５を介して固定される。両面接着テープ４５は、接着力を有する材料がテープ状に成形されて、形状を維持できる程度に硬化されたものである。このような両面接着テープ４５を用いれば、流動性を有する接着剤を用いる場合よりも、ダイヤフラム部２２１に対するセンサ基板４０の固定作業が容易となる。また、作業者による固定作業のばらつきを低減できる。

センサ基板４０には、回転角度検出センサＳ１、トルク検出センサＳ２、および温度センサＳ３と、信号処理回路４６とが搭載されている。回転角度検出センサＳ１は、本体部４１の表裏面のうち、ダイヤフラム部２２１に対向する裏面に形成された抵抗線パターンを有する。すなわち、裏面側の導体層４４が、回転角度検出センサＳ１の抵抗線パターンを含む。トルク検出センサＳ２は、本体部４１の表裏面のうち、ダイヤフラム部２２１に対向しない表面、および中間導体層に形成された抵抗線パターンを有する。すなわち、表面側の導体層４４および中間導体層が、トルク検出センサＳ２の抵抗線パターンを含む。温度センサＳ３は、本体部４１の表裏面のうち、ダイヤフラム部２２１に対向しない表面に形成された抵抗線パターンを有する。すなわち、表面側の導体層４４が、温度センサＳ３の抵抗線パターンを含む。なお、温度センサＳ３は、表面に形成された抵抗線パターンに加え、中間導体層に形成された抵抗線パターンを有していてもよい。

信号処理回路４６は、フラップ部４２に配置されている。

＜２－２．回転角度検出センサについて＞
回転角度検出センサＳ１は、ダイヤフラム部２２１の歪みに基づいて、フレックスギア２０に入力される回転運動の回転角度を検出するセンサである。図４に示すように、回転角度検出センサＳ１は、４つの第１抵抗線パターンＲ１と、４つの第２抵抗線パターンＲ２とを含む。

４つの第１抵抗線パターンＲ１は、中心軸９の周囲において、周方向に等間隔に配列されている。第１抵抗線パターンＲ１は、それぞれ、１本の導体がジグザグに曲折しながら周方向に延びる、全体として円弧状のパターンである。本実施形態では、中心軸９の周囲の約４５°の角度範囲に、１つの第１抵抗線パターンＲ１が広がっている。また、第１抵抗線パターンＲ１は、複数の第１抵抗線ｒ１を含む。複数の第１抵抗線ｒ１は、周方向に微小な間隔をあけて配列される。各第１抵抗線ｒ１は、フレックスギア２０の半径方向に沿って、直線状に延びる。周方向に隣り合う第１抵抗線ｒ１の端部同士は、半径方向の内側または外側で交互に接続される。これにより、複数の第１抵抗線ｒ１が、全体として直列に接続される。

４つの第２抵抗線パターンＲ２は、中心軸９の周囲において、周方向に等間隔に配列されている。第２抵抗線パターンＲ２は、それぞれ、１本の導体がジグザグに曲折しながら周方向に延びる、全体として円弧状のパターンである。本実施形態では、中心軸９の周囲の約４５°の角度範囲に、１つの第２抵抗線パターンＲ２が広がっている。また、第２抵抗線パターンＲ２は、複数の第２抵抗線ｒ２を含む。複数の第２抵抗線ｒ２は、周方向に微小な間隔をあけて配列される。各第２抵抗線ｒ２は、フレックスギア２０の半径方向に沿って、直線状に延びる。周方向に隣り合う第２抵抗線ｒ２の端部同士は、半径方向の内側または外側で交互に接続される。これにより、複数の第２抵抗線ｒ２が、全体として直列に接続される。

４つの第２抵抗線パターンＲ２は、４つの第１抵抗線パターンＲ１と同心円状に、かつ、周方向において第１抵抗線パターンＲ１が配置されない領域に、配置される。本実施形態では、第１抵抗線パターンＲ１と、第２抵抗線パターンＲ２とが、周方向に交互に配列される。そして、４つの第１抵抗線パターンＲ１と、４つの第２抵抗線パターンＲ２とが、全体として、中心軸９を中心とする円環状に広がっている。

図６は、４つの第１抵抗線パターンＲ１を含む第１ブリッジ回路Ｃ１の回路図である。図６の例では、４つの第１抵抗線パターンＲ１を、Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄとして区別して示している。第１抵抗線パターンＲａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄは、図４においてＲａを１つ目として反時計回りにこの順に配列されている。

図６に示すように、４つの第１抵抗線パターンＲａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄは、第１ブリッジ回路Ｃ１に組み込まれている。第１抵抗線パターンＲａと第１抵抗線パターンＲｂとは、この順に直列に接続される。第１抵抗線パターンＲｄと第１抵抗線パターンＲｃとは、この順に直列に接続される。そして、電源電圧の＋極と－極との間において、２つの第１抵抗線パターンＲａ，Ｒｂの列と、２つの第１抵抗線パターンＲｄ，Ｒｃの列とが、並列に接続される。また、第１抵抗線パターンＲａおよび第１抵抗線パターンＲｂの中間点Ｍ１１と、第１抵抗線パターンＲｄおよび第１抵抗線パターンＲｃの中間点Ｍ１２とが、第１電圧計Ｖ１に接続される。

図７は、４つの第２抵抗線パターンＲ２を含む第２ブリッジ回路Ｃ２の回路図である。図７の例では、４つの第２抵抗線パターンＲ２を、Ｒｅ，Ｒｆ，Ｒｇ，Ｒｈとして区別して示している。第２抵抗線パターンＲｅは、図４において、第１抵抗線パターンＲａと第１抵抗線パターンＲｄとの間に位置する。また、第２抵抗線パターンＲｅ，Ｒｆ，Ｒｇ，Ｒｈは、図４においてＲｅを１つ目として時計回りにこの順に配列されている。

図７に示すように、４つの第２抵抗線パターンＲｅ、Ｒｆ、Ｒｇ、Ｒｈは、第２ブリッジ回路Ｃ２に組み込まれている。第２抵抗線パターンＲｅと第２抵抗線パターンＲｆとは、この順に直列に接続される。第２抵抗線パターンＲｈと第２抵抗線パターンＲｇとは、この順に直列に接続される。そして、電源電圧の＋極と－極との間において、２つの第２抵抗線パターンＲｅ，Ｒｆの列と、２つの第２抵抗線パターンＲｈ，Ｒｇの列とが、並列に接続される。また、第２抵抗線パターンＲｅおよび第２抵抗線パターンＲｆの中間点Ｍ２１と、第２抵抗線パターンＲｈおよび第２抵抗線パターンＲｇの中間点Ｍ２２とが、第２電圧計Ｖ２に接続される。

動力伝達装置１の駆動時には、ダイヤフラム部２２１に、半径方向に伸長する部分（以下「伸長部」と称する）と、半径方向に収縮する部分（以下「収縮部」と称する）とが、発生する。具体的には、２つの伸長部と２つの収縮部とが、周方向に交互に発生する。すなわち、伸長部と収縮部とは、周方向に９０°間隔で交互に発生する。そして、これらの伸長部および収縮部の発生する箇所が、上述した第１回転数で回転する。

センサ基板４０の裏面に設けられた第１抵抗線パターンＲａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄおよび第２抵抗線パターンＲｅ、Ｒｆ、Ｒｇ、Ｒｈの各抵抗値は、ダイヤフラム部２２１の半径方向の歪みに応じて変化する。例えば、上述した伸長部が、ある抵抗線パターンと重なるときには、その抵抗線パターンの抵抗値が増加する。また、上述した収縮部が、ある抵抗線パターンと重なるときには、その抵抗線パターンの抵抗値が低下する。

図４の例では、収縮部が第１抵抗線パターンＲａ，Ｒｃと重なるときには、伸長部が第１抵抗線パターンＲｂ，Ｒｄと重なる。また、伸長部が第１抵抗線パターンＲａ，Ｒｃと重なるときには、収縮部が第１抵抗線パターンＲｂ，Ｒｄと重なる。したがって、第１ブリッジ回路Ｃ１では、第１抵抗線パターンＲａ，Ｒｃと、第１抵抗線パターンＲｂ，Ｒｄとが、逆向きの抵抗値変化を示す。

また、図４の例では、収縮部が第２抵抗線パターンＲｅ，Ｒｇと重なるときには、伸長部が第２抵抗線パターンＲｆ，Ｒｈと重なる。また、伸長部が第２抵抗線パターンＲｅ，Ｒｇと重なるときには、収縮部が第２抵抗線パターンＲｆ，Ｒｈと重なる。したがって、第２ブリッジ回路Ｃ２では、第２抵抗線パターンＲｅ，Ｒｇと、第２抵抗線パターンＲｆ，Ｒｈとが、逆向きの抵抗値変化を示す。

図８は、第１ブリッジ回路Ｃ１の第１電圧計Ｖ１の計測値ｖ１と、第２ブリッジ回路Ｃ２の第２電圧計Ｖ２の計測値ｖ２とを、示したグラフである。図８のように、第１電圧計Ｖ１および第２電圧計Ｖ２からは、それぞれ、周期的に変化する正弦波状の計測値ｖ１，ｖ２が出力される。この計測値の周期Ｔは、上述した第１回転数の周期の１／２倍に相当する。また、第１電圧計Ｖ１の計測値の位相に対して、第２電圧計Ｖ２の計測値の位相が、第１回転数の１／８周期分（計測値ｖ１，ｖ２の１／４周期分）進んでいるか、それとも第１回転数の１／８周期分（計測値ｖ１，ｖ２の１／４周期分）遅れているかにより、入力される回転運動の向きを判断できる。

したがって、これらの２つの電圧計Ｖ１，Ｖ２の計測値ｖ１，ｖ２に基づいて、フレックスギア２０に入力される回転運動の回転角度の計測値（第１計測値）が得られる。具体的には、例えば、第１電圧計Ｖ１および第２電圧計Ｖ２の各計測値ｖ１，ｖ２の組み合わせと、第１計測値とを対応づけた関数テーブルを予め用意し、その関数テーブルに計測値ｖ１，ｖ２を入力することにより、第１計測値を出力すればよい。

＜２－３．トルク検出センサについて＞
トルク検出センサＳ２は、ダイヤフラム部２２１の歪みに基づいて、フレックスギア２０にかかるトルクを検出するセンサである。図５に示すように、トルク検出センサＳ２は、第３抵抗線パターンＲ３、第４抵抗線パターンＲ４とを含む。また、トルク検出センサＳ２は、図示しない中間導体層に、第５抵抗線パターンＲ５、および第６抵抗線パターンＲ６とを含む。

第３抵抗線パターンＲ３は、１本の導体がジグザグに曲折しながら周方向に延びる、全体として円弧状または円環状のパターンである。本実施形態では、中心軸９の周囲の約３６０°の範囲に、第３抵抗線パターンＲ３が設けられている。また、第３抵抗線パターンＲ３は、複数の第３抵抗線ｒ３を含む。複数の第３抵抗線ｒ３は、互いに略平行な姿勢で、周方向に配列される。各第３抵抗線ｒ３は、フレックスギア２０の半径方向に対して、周方向一方側に傾斜している。半径方向に対する第３抵抗線ｒ３の傾斜角度は、例えば４５°とされる。周方向に隣り合う第３抵抗線ｒ３の端部同士は、半径方向の内側または外側で交互に接続される。これにより、複数の第３抵抗線ｒ３が、全体として直列に接続される。

第４抵抗線パターンＲ４は、１本の導体がジグザグに曲折しながら周方向に延びる、全体として円弧状または円環状のパターンである。第４抵抗線パターンＲ４は、第３抵抗線パターンＲ３よりも、半径方向内側に位置する。本実施形態では、中心軸９の周囲の約３６０°の範囲に、第４抵抗線パターンＲ４が設けられている。また、第３抵抗線パターンＲ４は、複数の第４抵抗線ｒ４を含む。複数の第４抵抗線ｒ４は、互いに略平行な姿勢で、周方向に配列される。各第４抵抗線ｒ４は、フレックスギア２０の半径方向に対して、周方向他方側に傾斜している。半径方向に対する第４抵抗線ｒ４の傾斜角度は、例えば－４５°とされる。周方向に隣り合う第４抵抗線ｒ４の端部同士は、半径方向の内側または外側で交互に接続される。これにより、複数の第４抵抗線ｒ４が、全体として直列に接続される。

第５抵抗線パターンＲ５は、１本の導体がジグザグに曲折しながら周方向に延びる、全体として円弧状または円環状のパターンである。本実施形態では、中心軸９の周囲の約３６０°の範囲に、第５抵抗線パターンＲ５が設けられている。また、第５抵抗線パターンＲ５は、複数の第５抵抗線ｒ５を含む。複数の第５抵抗線ｒ５は、互いに略平行な姿勢で、周方向に配列される。各第５抵抗線ｒ５は、フレックスギア２０の半径方向に対して、周方向他方側に傾斜している。半径方向に対する第５抵抗線ｒ５の傾斜角度は、例えば－４５°とされる。周方向に隣り合う第５抵抗線ｒ５の端部同士は、半径方向の内側または外側で交互に接続される。これにより、複数の第５抵抗線ｒ５が、全体として直列に接続される。

第６抵抗線パターンＲ６は、１本の導体がジグザグに曲折しながら周方向に延びる、全体として円弧状または円環状のパターンである。第６抵抗線パターンＲ６は、第５抵抗線パターンＲ５よりも、半径方向内側に位置する。本実施形態では、中心軸９の周囲の約３６０°の範囲に、第６抵抗線パターンＲ６が設けられている。また、第６抵抗線パターンＲ６は、複数の第６抵抗線ｒ６を含む。複数の第６抵抗線ｒ６は、互いに略平行な姿勢で、周方向に配列される。各第６抵抗線ｒ６は、フレックスギア２０の半径方向に対して、周方向一方側に傾斜している。半径方向に対する第６抵抗線ｒ６の傾斜角度は、例えば４５°とされる。周方向に隣り合う第６抵抗線ｒ６の端部同士は、半径方向の内側または外側で交互に接続される。これにより、複数の第６抵抗線ｒ６が、全体として直列に接続される。

図９は、第３抵抗線パターンＲ３、第４抵抗線パターンＲ４、第５抵抗線パターンＲ５および第６抵抗線パターンＲ６を含む第３ブリッジ回路Ｃ３の回路図である。第３抵抗線パターンＲ３と第４抵抗線パターンＲ４とは、直列に接続される。第５抵抗線パターンＲ５と第６抵抗線パターンＲ６とは、直列に接続される。そして、電源電圧の＋極と－極との間において、２つの抵抗線パターンＲ３，Ｒ４の列と、２つの抵抗線パターンＲ５，Ｒ６の列とが、並列に接続される。また、第３抵抗線パターンＲ３および第４抵抗線パターンＲ４の中間点Ｍ３１と、第５抵抗線パターンＲ５および第６抵抗線パターンＲ６の中間点Ｍ３２とが、第３電圧計Ｖ３に接続される。

抵抗線パターンＲ３，R４，R５，およびＲ６の各抵抗値は、フレックスギア２０にかかるトルクに応じて変化する。例えば、フレックスギア２０に、中心軸９を中心として、周方向の一方側へ向かうトルクがかかると、抵抗線パターンＲ３およびＲ６の抵抗値が低下し、抵抗線パターンＲ４およびＲ５の抵抗値が増加する。一方、フレックスギア２０に、中心軸９を中心として、周方向の他方側へ向かうトルクがかかると、抵抗線パターンＲ３およびＲ６の抵抗値が増加し、抵抗線パターンＲ４およびＲ５の抵抗値が低下する。このように、抵抗線パターンＲ３およびＲ６と、抵抗線パターンＲ４およびＲ５とは、トルクに対して互いに逆向きの抵抗値変化を示す。

そして、抵抗線パターンＲ３，R４，R５，およびＲ６の各抵抗値が変化すると、抵抗線パターンＲ３およびＲ４の中間点Ｍ３１と、抵抗線パターンＲ５およびＲ６の中間点Ｍ３２との間の電位差が変化するので、第３電圧計Ｖ３の計測値ｖ３が変化する。したがって、この第３電圧計Ｖ３の計測値ｖ３に基づいて、フレックスギア２０にかかるトルクの向きおよび大きさを検出することができる。すなわち、フレックスギア２０にかかるトルクの計測値（第２計測値）を得ることができる。

＜２－４．リップル補正について＞
動力伝達装置１の駆動時には、フレックスギア２０に、周期的な撓み変形が生じる。したがって、上述したトルク検出センサＳ２の計測値には、本来計測したいトルクを反映した成分と、フレックスギア２０の周期的な撓み変形に起因する誤差成分（リップル）とが含まれる。当該誤差成分は、フレックスギア２０に入力される回転運動の回転角度に応じて変化する。

そこで、信号処理回路４６は、トルク検出センサＳ２の計測値から、上記の誤差成分をキャンセルするための補正処理を行う。図１０は、信号処理回路４６の当該補正処理を、概念的に示した図である。

信号処理回路４６は、回転角度検出センサＳ１から、フレックスギア２０に入力される回転運動の回転角度の計測値（第１計測値）を取得するとともに、トルク検出センサＳ２から、フレックスギア２０にかかるトルクの計測値（第２計測値）を取得する。信号処理回路４６は、取得した第１計測値に応じて、上述した誤差成分を推定する。そして、推定された誤差成分を用いて、第２計測値を補正する。具体的には、第２計測値を、誤差成分をキャンセルする方向に増加または減少させる。これにより、フレックスギア２０にかかるトルクをより精度よく反映した第２計測値を出力することができる。

トルク検出センサＳ２の計測値の誤差成分について詳しく記す。フレックスギア２０に入力される回転運動の回転角度に応じて、トルク検出センサＳ２の計測値の誤差成分は変化する。動力伝達装置１につき、組み立て誤差や抵抗線パターンの異方性等が無い状態であれば、ダイヤフラム部２２１の伸長部および収縮部の発生する箇所の回転角度によらず、抵抗線パターンの抵抗値の合計値は一定となる。そのため、計測値ｖ３の振幅は０となって正弦波状にはならない。しかし、実際には組み立て誤差や抵抗線パターンの異方性等により、回転角度によって、抵抗線パターンの抵抗値の合計値が変わる。動力伝達装置１の駆動時には、ダイヤフラム部２２１の伸長部および収縮部の発生する箇所は第１回転数で回転する。こうして、故障が無いときであっても、フレックスギア２０の周期的な撓み変形に起因する誤差成分（リップル）が計測値ｖ３に含まれる。

そのため、誤差成分の推定にあたっては、動力伝達装置１を駆動させながらトルクと回転角度を測定すること等により、回転角度に応じた誤差成分のデータを事前に取得しておけばよい。第２計測値の補正にあたっては、回転角度検出センサＳ１により求めた回転角度（第１計測値）に対応した、誤差成分（リップル）をキャンセルする方向に第２計測値を増加または減少させればよい。また、第３電圧計Ｖ３の計測値ｖ３について、同様の方法により、第１計測値に対応した誤差成分をキャンセルする方向にｖ３の電圧を増加または減少させてから、補正後のｖ３に基づいて、第２計測値を取得してもよい。

なお、信号処理回路４６は、上述した回転角度を演算することなく、第１計測値に所定の係数をかけて、第２計測値に合成してもよい。このようにすれば、回転角度の演算にかかる処理負担が削減されるため、信号処理回路４６の演算速度を向上させることができる。

＜２－５．温度補正について＞
上述の通り、導体層４４の材料に、銅または銅を含む合金を用いると、センサ基板４０の材料費を抑えることができる。ただし、他の高価な材料と比べて、銅の抵抗値は、環境温度により変化しやすい。そこで、本実施形態のセンサ基板４０は、温度の影響を補正するために、温度センサＳ３を備えている。図５に示すように、温度センサＳ３は、フレックスギア２０の周方向に沿って、円弧状または円環状に延びる第７抵抗線パターンＲ７を有する。

図１１は、第７抵抗線パターンＲ７を含む検出回路Ｃ４の回路図である。図１１に示すように、第７抵抗線パターンＲ７の一端は、定電流源４７の＋極に接続されている。また、第７抵抗線パターンＲ７の他端は、定電流源４７の－極に接続されている。また、温度センサＳ３は、第４電圧計Ｖ４を有する。図１１に示すように、第４電圧計Ｖ４は、第７抵抗線パターンＲ７に対して並列に接続されている。したがって、第４電圧計Ｖ４は、第７抵抗線パターンＲ７の抵抗値に応じた電圧値を計測する。具体的には、定電流源４７から供給される電流値をＩｏとすると、第４電圧計Ｖ４の計測値ｖ４は、ｖ４＝Ｉｏ×Ｒ7
となる。

第７抵抗線パターンＲ７は、円弧状または円環状であるため、第７抵抗線パターンＲ７の抵抗値は、フレックスギア２０にかかるトルクの影響を受けにくく、温度による変化が支配的となる。したがって、第４電圧計Ｖ４の計測値ｖ４は、動力伝達装置１の温度に応じて変動する。すなわち、第４電圧計Ｖ４の計測値ｖ４に基づいて、動力伝達装置１の温度を示す計測値（第３計測値）を得ることができる。

図１０に示すように、信号処理回路４６は、トルク検出センサＳ２から得られるトルクの計測値（第２計測値）を、回転角度検出センサＳ１の計測値（第１計測値）だけではなく、温度センサＳ３の計測値（第３計測値）も考慮して、補正する。具体的には、第２計測値を、温度による変化をキャンセルする方向に増加または減少させる。このようにすれば、安価な銅または銅合金を使用しつつ、温度変化の影響を抑制して、フレックスギア２０にかかるトルクを、より精度よく検出できる。

＜３．故障検出部について＞
続いて、上述した回転角度検出センサＳ１またはトルク検出センサＳ２において、抵抗線パターンの断線や剥がれや短絡等の故障が発生したときに、その故障を検出する、故障検出システムの機能について、説明する。図１、図４、および図５に示すように、本実施形態の動力伝達装置１は、故障検出部６０を有する。センサ基板４０の信号処理回路４６は、故障検出部６０と電気的に接続されている。故障検出部６０は、アンプおよびＣＰＵを有する。

図１２は、故障検出システムのシステム構成図である。図１２にて、ブリッジ回路Ｃ５は抵抗Ｚａ，Ｚｂ、Ｚｃ、Ｚｄ、第１中間点Ｍａ、第２中間点Ｍｂを有する。第１中間点Ｍａ、第２中間点Ｍｂから得られる電圧信号を、それぞれＯｕｔ－、Ｏｕｔ＋とする。抵抗Ｚａ，Ｚｂ、Ｚｃ、Ｚｄは、それぞれ第１ブリッジ回路Ｃ１での第１抵抗線パターンＲａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄに相当する。また、抵抗Ｚａ，Ｚｂ、Ｚｃ、Ｚｄは、それぞれ第２ブリッジ回路Ｃ２での第２抵抗線パターンＲｅ，Ｒｆ，Ｒｇ，Ｒｈに相当する。また、抵抗Ｚａ，Ｚｂ、Ｚｃ、Ｚｄは、それぞれ第３ブリッジ回路Ｃ３での第３抵抗線パターンＲ３、第４抵抗線パターンＲ４、第６抵抗線パターンＲ６、第５抵抗線パターンＲ５に相当する。

図１２に示すように、４つの抵抗Ｚａ，Ｚｂ、Ｚｃ、Ｚｄは、ブリッジ回路Ｃ５に組み込まれている。抵抗Ｚａと抵抗Ｚｂとは、この順に直列に接続される。抵抗Ｚｄと抵抗Ｚｃとは、この順に直列に接続される。そして、電源電圧のＶｉｎ＋とＶｉｎ－との間において、２つの抵抗Ｚａ，Ｚｂの列と、２つの抵抗Ｚｄ，Ｚｃの列とが、並列に接続される。また、ブリッジ回路Ｃ５は、抵抗Ｚａおよび抵抗Ｚｂの第１中間点Ｍａと、抵抗Ｚｄおよび抵抗Ｚｃの第２中間点Ｍｂとを有する。ブリッジ回路Ｃ５と同様の構成である、第１ブリッジ回路Ｃ１、第２ブリッジ回路Ｃ２、第３ブリッジ回路Ｃ３に対し、下記に説明する故障検出処理を行う事ができる。

ブリッジ回路Ｃ５の第１中間点Ｍａ、第２中間点Ｍｂから、それぞれ故障検出部６０のアンプに、Ｏｕｔ－、Ｏｕｔ＋が同時に入力される。Ｖｉｎ＋とＶｉｎ－との差分の電圧をΔＶｉｎとすると、アンプは、アンプに入力されたＯｕｔ－、Ｏｕｔ＋を、ΔＶｉｎ/２と同電位の電圧とでそれぞれ差動増幅し、その出力をＣＰＵに入力する。アンプがＯｕｔ－、Ｏｕｔ＋を増幅することにより、ＣＰＵはＯｕｔ－、Ｏｕｔ＋を処理しやすくなる。ΔＶｉｎ/２を得るために、電源電圧の＋極であるＶｉｎ＋から、電源電圧の－極であるＶｉｎ－に、抵抗値が同一である2つの抵抗を含んだ分圧回路を、ブリッジ回路Ｃ５と並列して接続し、その分圧回路の中間点の電圧を、ΔＶｉｎ/２としてアンプに入力すればよい。なお、Ｖｉｎ＋とＶｉｎ－との差分をΔＶｉｎとして取得し、ΔＶｉｎの半分の電圧を、ΔＶｉｎ/２としてアンプに入力してもよい。また、Ｏｕｔ－、Ｏｕｔ＋を差動増幅するための電圧は、ΔＶｉｎ/２ではなくても、アンプの出力レンジを超えない任意の値であっても良い。

ＣＰＵは、ＣＰＵに入力されたＯｕｔ－、Ｏｕｔ＋を、ＡＤ変換する。ＣＰＵは、ＡＤ変換したＯｕｔ－、Ｏｕｔ＋について、Ｏｕｔ－、Ｏｕｔ＋のそれぞれをセンサ信号として出力する。ＡＤ変換したＯｕｔ－、Ｏｕｔ＋は、Ｏｕｔ－、Ｏｕｔ＋を比較しての故障検出のために使用する。ＡＤ変換したＯｕｔ－、Ｏｕｔ＋のうち、いずれか１つを元に、フレックスギア２０に入力される回転運動の回転角度の計測値、またはフレックスギア２０にかかるトルクの計測値を取得してもよい。これにより、Ｏｕｔ－、Ｏｕｔ＋のうち、いずれか1つに異常が発生しても、異常が発生していないもう1つの信号を元に、フレックスギア２０に入力される回転運動の回転角度の計測値、またはフレックスギア２０にかかるトルクの計測値を取得できる。また、ＣＰＵは、ＡＤ変換したＯｕｔ－、Ｏｕｔ＋の差分であるΔＯｕｔを、センサ信号として出力する。また、ＣＰＵは、ＡＤ変換したＯｕｔ－、Ｏｕｔ＋を比較して故障検出を行う。

図１３は、ＣＰＵが行う故障検出処理の流れを示したフローチャートである。ＣＰＵは、ＣＰＵに入力されたＯｕｔ－、Ｏｕｔ＋を、ＡＤ変換することで第１出力値と、第２出力値を取得する。このとき、第１出力値と、第２出力値を同時に取得することで、第１出力値と第２出力値の時間軸を容易に合わせることができ、波形の経時的変化を元に故障検出処理をしやすくなる。そして、第１出力値と、第２出力値とを比較し、第１出力値と第２出力値の関係が、所定の正常範囲内かを判定する。所定の正常範囲内である場合には、ブリッジ回路Ｃ５に、断線や剥がれや短絡等の故障は発生していないと判定する。一方、第１出力値と第２出力値の関係が、所定の正常範囲から外れた場合には、ブリッジ回路Ｃ５に、断線や剥がれや短絡等の故障が発生したと判定する。

なお、上述した判定処理に用いられる「第１出力値と第２出力値の関係」は、例えば、
第１出力値と第２出力値の差分、または、第１出力値と第２出力値の比率とすればよい。
すなわち、故障検出部６０は、これらの差分または比率が、所定の正常範囲から外れた場
合に、回転角度検出センサＳ１またはトルク検出センサＳ２に故障が発生したと判定すればよい。比較を行う数値は、例えば電圧の大きさや、電圧波形の位相とすればよい。また、第１出力値と、第２出力値とが、故障無しの場合は電圧の正負が反転した関係にある場合は、第１出力値または第２出力値のいずれかの電圧の正負を反転させてから、比較をすればよい。波形の振幅または位相の比較による検出の場合は、波形の経時的変化を元に故障検出処理をしやすくなる。動力伝達装置１の駆動中に故障が発生しても、すぐに故障検出を行うことができる。

その後、故障検出部６０は、故障の有無に関する検出結果を出力する。具体的には、故障検出部６０から外部のコントローラへ、検出結果を示す信号を出力する。検出結果は、故障検出部６０またはコントローラが有する表示部に表示されてもよい。

第１出力値と第２出力値との比較を行うタイミングについて、例えば常時比較を行い続ければよい。これにより、故障が発生しても、すぐに故障を検出することができる。

第１出力値と第２出力値との比較について、Ｏｕｔ－、Ｏｕｔ＋、およびΔＯｕｔの関係から、抵抗Ｚａ，Ｚｂの列と、抵抗Ｚｄ，Ｚｃの列とのどちらに故障が発生したかを特定してもよい。その結果を示す信号を故障検出部６０が出力してもよい。

第１出力値と第２出力値との関係が、「所定の正常範囲内」であるか否かの検出方法について、例えば１出力値と第２出力値との差分から得られる波形の、振幅または位相がしきい値以上になると、故障検出信号を出力するようにしてもよい。これにより、波形の経時的変化を監視し続け、故障が発生したときの信号変化を検出することが出来る。

以上のように、この動力伝達装置１では、故障検出部６０が、ブリッジ回路の第１中間点および第２中間点から、それぞれ第１出力値と第２出力値を取得する。そして、第１出力値と第２出力値の関係が、所定の正常範囲内であるか否かに基づいて、回転角度検出センサＳ１またはトルク検出センサＳ２の故障を検出する。

このようにすれば、回転角度検出センサＳ１またはトルク検出センサＳ２の故障検出のために、同一のフレックスギア２０に対して２つ以上の回転角度検出センサＳ１または２つ以上のトルク検出センサＳ２を設ける必要がない。

＜４．変形例＞
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態には限定されない。

上記の実施形態では、信号処理回路４６が、センサ基板４０に搭載されていた。しかしながら、信号処理回路４６は、センサ基板４０の外部に設けられていてもよい。例えば、故障検出部６０を構成するコンピュータまたは電気回路基板に、信号処理回路４６が組み込まれていてもよい。

また、上記の実施形態では、各抵抗線パターンの材料に、銅または銅を含む合金が使用されていた。しかしながら、抵抗線パターンの材料に、ＳＵＳ、アルミニウム等の他の金属を用いてもよい。また、抵抗線パターンの材料に、セラミックスや樹脂などの非金属材を用いてもよい。また、抵抗線パターンの材料に、導電性インクを用いてもよい。導電性インクを用いる場合には、センサ基板４０の表面に、導電性インクで各抵抗線パターンをプリントすればよい。

また、上記の実施形態のフレックスギア２０では、ダイヤフラム部２２１が、筒状部２１の基端部から半径方向外側へ向けて広がっていた。しかしながら、ダイヤフラム部２２１は、筒状部２１の基端部から半径方向内側へ向けて広がるものであってもよい。

また、上記の実施形態では、センサ基板４０が、動力伝達装置１のフレックスギア２０に固定されていた。しかしながら、センサ基板４０は、フレックスギア２０以外のギアに固定されるものであってもよい。

また、上記の実施形態では、動力伝達装置１が、故障検出部６０を備えていた。すなわち、動力伝達装置１自体が、故障検出システムとしての機能を有していた。しかしながら、故障検出部６０は、動力伝達装置１とは別に設けられていてもよい。そして、動力伝達装置１と故障検出部６０とで、故障検出システムが構成されていてもよい。

その他、故障検出システムの細部の構成については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜に変更してもよい。また、上記の各実施形態および各変形例に登場した要素を、矛盾が生じない範囲で、適宜に組み合わせてもよい。

本願は、故障検出システムに利用できる。

１ 動力伝達装置（故障検出システム）
９ 中心軸
１０ インタナルギア
１１ 内歯
２０ フレックスギア
２１ 筒状部
２２ 平板部
２３ 外歯
３０ 波動発生器
３１ カム
３２ 可撓性軸受
４０ センサ基板
４１ 本体部
４２ フラップ部
４３ 絶縁層
４４ 導体層
４５ 両面接着テープ
４６ 信号処理回路
４７ 定電流源
６０ 故障検出部
２２１ ダイヤフラム部
Ｃ１ 第１ブリッジ回路
Ｃ２ 第２ブリッジ回路
Ｃ３ 第３ブリッジ回路
Ｃ４ 検出回路
Ｃ５ ブリッジ回路
Ｒ１，Ｒａ～Ｒｄ 第１抵抗線パターン
Ｒ２，Ｒｅ～Ｒｈ 第２抵抗線パターン
Ｒ３～R７ 第３抵抗線パターン～第７抵抗線パターン
Ｓ１ 回転角度検出センサ
Ｓ２ トルク検出センサ
Ｓ３ 温度センサ
Ｖ１ 第１電圧計
Ｖ２ 第２電圧計
Ｖ３ 第３電圧計
Ｖ４ 第４電圧計

Claims (5)

1. 歪みを検出する歪み検出センサと、
   前記歪み検出センサの故障を検出する故障検出部と、
   を備えた故障検出システムであって、
   前記歪み検出センサは、
   基板と、
   前記基板に搭載された抵抗線パターンと、
   前記抵抗線パターンを有するブリッジ回路と、
   を備え、
   前記故障検出部は、
   前記ブリッジ回路の第１中間点および第２中間点から、それぞれ第１出力値と、第２出力値とを、同時に取得し、
   前記第１出力値と前記第２出力値との関係が、所定の正常範囲内であるか否かに基づいて、前記歪み検出センサの故障を検出する、故障検出システム。
2. 請求項１に記載の故障検出システムであって、
   前記歪み検出センサは、
   歪みに基づいて、トルクを検出するトルク検出センサと、
   歪みに基づいて、回転運動の回転角度を検出する回転角度検出センサと、
   の少なくともいずれか１つを含み、
   前記第１出力値および第２出力値は、歪み検出センサに含まれる、前記回転角度検出センサおよび前記トルク検出センサのうちの少なくともいずれか１つの出力である、故障検出システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の故障検出システムであって、
   前記第１出力値および前記第２出力値との差分から得られる波形の、振幅または位相がしきい値以上になると、故障検出信号を出力する、故障検出システム。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の故障検出システムであって、
   前記故障検出システムは、起歪体をさらに有し、
   前記歪み検出センサは、前記起歪体の歪みを検出し、
   前記基板は、前記起歪体に搭載される、故障検出システム。
5. 請求項４に記載の故障検出システムであって、
   前記起歪体は、
   波動歯車減速機のフレックスギアである、故障検出システム。

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