JP2022178073A - 歪みセンサおよび動力伝達装置 - Google Patents

Abstract

【課題】歪みセンサにおいて、折り返し部の十分な強度を確保しつつ、複数の抵抗線による歪みの検出精度を向上させることができる技術を提供する。【解決手段】歪みセンサは、絶縁層、第１導体層４３、および第２導体層４４を備える。絶縁層は、被検出体に固定される。第１導体層は、絶縁層の表面に形成される。第２導体層は、第１導体層の表面に積層される。第１導体層は、検出線パターンを有する。検出線パターンは、所定の方向に延びる複数の抵抗線と、抵抗線の端部を接続する折り返し部と、を含む。第２導体層は、折り返し部の表面に積層される。これにより、検出線パターンの折り返し部が、第２導体層で補強される。したがって、折り返し部にクラックが発生することを、抑制できる。また、第２導体層を積層することで、折り返し部の抵抗値が下がる。これにより、複数の抵抗線による歪みの検出精度を向上させることができる。【選択図】図５

Description

本発明は、歪みセンサおよび動力伝達装置に関する。

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。従来の減速機については、例えば、特開２００４－１９８４００号公報に記載されている。この公報では、減速後の回転数で回転する可撓性外歯歯車に、歪みゲージが貼り付けられている。これにより、可撓性外歯歯車にかかるトルクの検出が可能となっている。
特開２００４－１９８４００号公報

歪みゲージは、互いに平行に延びる複数の抵抗線と、隣り合う抵抗線の端部を接続する折り返し部と、を含む検出線パターンを有する。歪みゲージは、複数の抵抗線の抵抗値の変化に基づいて、被検出体の歪みを検出する。この種の歪みゲージでは、歪みの検出精度を向上させるために、折り返し部の抵抗値を下げることが望ましい。折り返し部の抵抗値を下げるためには、例えば、複数の抵抗線の線幅よりも、折り返し部の線幅を大きくすることが考えられる。

しかしながら、減速機に用いられる可撓性外歯歯車は、周期的な撓み変形を繰り返す。このため、折り返し部の線幅を大きくすると、折り返し部の剛性が高くなることにより、折り返し部が撓みにくくなる。その結果、折り返し部の強度が下がる可能性がある。

本発明の目的は、歪みセンサにおいて、折り返し部の十分な強度を確保しつつ、複数の抵抗線による歪みの検出精度を向上させることができる技術を提供することである。

本願発明は、歪みセンサであって、被検出体に固定される絶縁層と、前記絶縁層の表面に形成された第１導体層と、前記第１導体層の表面に積層された第２導体層と、を備え、前記第１導体層は、所定の方向に延びる複数の抵抗線と、前記抵抗線の端部を接続する折り返し部と、を含む検出線パターンを有し、前記折り返し部の表面に前記第２導体層が積層される。

本願発明によれば、検出線パターンの折り返し部が、第２導体層で補強される。これにより、折り返し部の強度を確保できる。また、第２導体層を積層することで、折り返し部の抵抗値が下がる。これにより、複数の抵抗線による歪みの検出精度を向上させることができる。

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、歪みセンサの平面図である。 図４は、ダイヤフラム部および歪みセンサの部分断面図である。 図５は、第１検出線パターンの部分拡大図である。 図６は、第２検出線パターンの部分拡大図である。 図７は、第１検出線パターンおよび第２検出線パターンを含むホイートストンブリッジ回路の回路図である。 図８は、第２実施形態に係る歪みセンサの平面図である。 図９は、第３検出線パターンの部分拡大図である。 図１０は、４つの第３検出線パターンを含む第１ホイートストンブリッジ回路の回路図である。 図１１は、４つの第４検出線パターンを含む第２ホイートストンブリッジ回路の回路図である。 図１２は、第１変形例に係る歪みセンサの平面図である。 図１３は、第３変形例に係る検出線パターンの部分拡大図である。 図１４は、隣接部分の長さＬと応力Ｓの関係を示したグラフである。 図１５は、動力伝達装置を備えたロボットの部分縦断面図である。

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「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。

また、本願において「回転数」とは、単位時間あたりに物体が回転する回数（回転速度）を意味する。

＜１．第１実施形態＞
＜１－１．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、および歪みセンサ４０を備えている。

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、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、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の径方向外側、かつ、インタナルギア１０の径方向内側に位置する。筒状部２１は、可撓性を有するため、径方向に変形可能である。特に、インタナルギア１０の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、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、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回転数で移動する。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、周方向に僅かにずれる。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。

＜１－２．歪みセンサの構成＞
歪みセンサ４０は、動力伝達装置１の駆動時におけるフレックスギア２０の歪みを検出するセンサである。本実施形態では、円形体であるフレックスギア２０が、歪みセンサ４０の被検出体となる。図１に示すように、歪みセンサ４０は、円板状のダイヤフラム部２２１の円形の表面に、固定されている。

図３は、歪みセンサ４０の平面図である。図４は、ダイヤフラム部２２１および歪みセンサ４０の部分断面図である。図３および図４に示すように、歪みセンサ４０は、回路基板４１を有する。本実施形態の回路基板４１は、柔軟に変形可能な絶縁層４２の表面に、導体が形成されたものである。図３に示すように、回路基板４１は、中心軸９を中心とする円環状の本体部４１１と、本体部４１１から径方向外側へ向けて突出したフラップ部４１２とを有する。

図４に示すように、歪みセンサ４０の回路基板４１は、絶縁層４２と、第１導体層４３と、第２導体層４４とを有する。絶縁層４２は、絶縁体である樹脂からなる。第１導体層４３および第２導体層４４は、導体である金属からなる。第１導体層４３は、絶縁層４２の表面に形成される。第１導体層４３の材料には、例えば、銅を含む合金またはクロムを含む合金が使用される。第２導体層４４は、第１導体層４３の表面に積層される。第２導体層４４の材料には、例えば、銅、銀、または金が使用される。

回路基板４１の製造時には、まず、絶縁層４２の表面の全体に、第１導体層４３を構成する金属の薄膜が形成される。そして、形成された金属の薄膜を、後述するトルク検出パターンＰｔおよび配線部４６の形状に合わせて、部分的にエッチングする。これにより、第１導体層４３が形成される。また、その後、絶縁層４２および第１導体層４３の表面に、第２導体層４４を構成する金属の薄膜が形成される。そして、形成された金属の薄膜を、後述する第１折り返し部ｒａおよび第２折り返し部ｒｂの形状に合わせて、部分的にエッチングする。これにより、第２導体層４４が形成される。その際、第２導体層４４は、第１導体層４３とは異なる金属材料により形成されるため、第１導体層４３をエッチングすることなく、第２導体層４４をエッチングすることができる。ただし、回路基板４１の製造方法は、この例には限定されない。

図４に示すように、歪みセンサ４０は、両面接着テープ４７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、回路基板４１の絶縁層４２の裏面とが、両面接着テープ４７を介して固定される。両面接着テープ４７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４７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に対する歪みセンサ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。

なお、ダイヤフラム部２２１の変形を歪みセンサ４０へ精度よく伝達するために、両面接着テープ４７は、ベースフィルムを有さず、接着材料のみで構成されていることが好ましい。

＜１－３．トルク検出パターンについて＞
回路基板４１には、トルク検出パターンＰｔ、信号処理回路４５、および配線部４６が実装されている。トルク検出パターンＰｔは、本体部４１１に配置されている。信号処理回路４５は、フラップ部４１２に配置されている。トルク検出パターンＰｔと信号処理回路４５とは、配線部４６により接続される。第１導体層４３は、トルク検出パターンＰｔおよび配線部４６を有する。

トルク検出パターンＰｔは、フレックスギア２０にかかるトルクを検出するためのパターンである。図３に示すように、トルク検出パターンＰｔは、第１検出線パターンＲ１と、第２検出線パターンＲ２とを含む。

第１検出線パターンＲ１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１検出線パターンＲ１が設けられている。

図５は、第１検出線パターンＲ１の部分拡大図である。図３および図５に示すように、第１検出線パターンＲ１は、複数の第１抵抗線ｒ１と、複数の第１折り返し部ｒａとを含む。複数の第１抵抗線ｒ１は、互いに略平行な姿勢で、周方向に配列される。各第１抵抗線ｒ１は、径方向および周方向に対して傾斜する方向に沿って、直線状に延びる。第１抵抗線ｒ１は、フレックスギア２０の径方向に対して、周方向一方側に傾斜している。径方向に対する第１抵抗線ｒ１の傾斜角度は、例えば４５°である。

第１折り返し部ｒａは、周方向に隣り合う第１抵抗線ｒ１の端部同士を接続する円弧状の部分である。複数の第１抵抗線ｒ１は、径方向の内側と外側とで交互に、第１折り返し部ｒａにより接続される。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。

第２検出線パターンＲ２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２検出線パターンＲ２は、第１検出線パターンＲ１よりも、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２検出線パターンＲ２が設けられている。

図６は、第２検出線パターンＲ２の部分拡大図である。図３および図６に示すように、第２検出線パターンＲ２は、複数の第２抵抗線ｒ２と、複数の第２折り返し部ｒｂとを含む。複数の第２抵抗線ｒ２は、互いに略平行な姿勢で、周方向に配列される。各第２抵抗線ｒ２は、径方向および周方向に対して傾斜する方向に沿って、直線状に延びる。第２抵抗線ｒ２は、フレックスギア２０の径方向に対して、周方向他方側に傾斜している。径方向に対する第２抵抗線ｒ２の傾斜角度は、例えば４５°である。

第２折り返し部ｒｂは、周方向に隣り合う第２抵抗線ｒ２の端部同士を接続する円弧状の部分である。複数の第２抵抗線ｒ２は、径方向の内側と外側とで交互に、第２折り返し部ｒｂにより接続される。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。

図７は、第１検出線パターンＲ１および第２検出線パターンＲ２を含むホイートストンブリッジ回路Ｃｔの回路図である。図７に示すように、ホイートストンブリッジ回路Ｃｔは、第１検出線パターンＲ１、第２検出線パターンＲ２、および２つの固定抵抗Ｒｓを含む。第１検出線パターンＲ１と第２検出線パターンＲ２とは、直列に接続される。２つの固定抵抗Ｒｓ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つの検出線パターンＲ１，Ｒ２の列と、２つの固定抵抗Ｒｓの列とが、並列に接続される。また、第１検出線パターンＲ１および第２検出線パターンＲ２の中間点Ｍ１と、２つの固定抵抗Ｒｓの中間点Ｍ２とが、電圧計Ｖｔに接続される。

第１検出線パターンＲ１および第２検出線パターンＲ２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、第１検出線パターンＲ１の抵抗値が低下し、第２検出線パターンＲ２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、第１検出線パターンＲ１の抵抗値が増加し、第２検出線パターンＲ２の抵抗値が低下する。このように、第１検出線パターンＲ１と第２検出線パターンＲ２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、第１検出線パターンＲ１および第２検出線パターンＲ２の各抵抗値が変化すると、第１検出線パターンＲ１および第２検出線パターンＲ２の中間点Ｍ１と、２つの固定抵抗Ｒｓの中間点Ｍ２との間の電位差が変化するので、電圧計Ｖｔの計測値ｖｔが変化する。したがって、この電圧計Ｖｔの計測値ｖｔ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。

図５に示すように、第１抵抗線ｒ１の表面は、第１導体層４３が露出している。これに対し、第１折り返し部ｒａの表面には、第２導体層４４が積層されている。このため、第１検出線パターンＲ１の第１折り返し部ｒａは、第２導体層４４により補強される。したがって、第１折り返し部ｒａの強度を確保できる。フレックスギア２０が楕円変形を繰り返しても、第１折り返し部ｒａにクラックは発生しにくい。

第１検出線パターンＲ１の抵抗値のうち、トルクの検出に寄与する部分は、複数の第１抵抗線ｒ１の抵抗値である。したがって、複数の第１折り返し部ｒａの抵抗値が大きいと、トルクの検出精度が低下する。この点において、本実施形態のように、第１折り返し部ｒａに第２導体層４４を積層すれば、第１折り返し部ｒａの抵抗値が下がる。これにより、第１検出線パターンＲ１の抵抗値のうち、複数の第１抵抗線ｒ１の抵抗値が占める割合を大きくすることができる。したがって、トルクの検出精度を向上させることができる。

また、図５に示すように、第１折り返し部ｒａの線幅ｄａは、第１抵抗線ｒ１の線幅ｄ１と略同一である。このようにすれば、第１折り返し部ｒａの線幅ｄａが第１抵抗線ｒ１の線幅ｄ１よりも大きい場合と比べて、第１折り返し部ｒａの剛性が低くなる。すなわち、第１折り返し部ｒａの柔軟性が高くなる。したがって、第１折り返し部ｒａにおけるクラックの発生を、より抑制できる。

なお、第１折り返し部ｒａの線幅ｄａと、第１抵抗線ｒ１の線幅ｄ１とは、必ずしも厳密に同一でなくてもよく、±１０％程度の誤差があってもよい。すなわち、第１折り返し部ｒａの線幅ｄａは、第１抵抗線ｒ１の線幅ｄ１の９０～１１０％程度の寸法であればよい。また、第１折り返し部ｒａの線幅ｄａは、第１抵抗線ｒ１の線幅ｄ１以下であってもよい。第１折り返し部ｒａの線幅ｄａを、第１抵抗線ｒ１の線幅ｄ１以下とすれば、第１折り返し部ｒａの柔軟性がより高くなる。したがって、第１折り返し部ｒａにおけるクラックの発生を、より抑制できる。

第２検出線パターンＲ２についても、同様である。すなわち、図６に示すように、第２抵抗線ｒ２の表面は、第１導体層４３が露出している。これに対し、第２折り返し部ｒｂの表面には、第２導体層４４が積層されている。このため、第２検出線パターンＲ２の第２折り返し部ｒｂは、第２導体層４４により補強される。したがって、第２折り返し部ｒｂの強度を確保できる。フレックスギア２０が楕円変形を繰り返しても、第２折り返し部ｒｂにクラックは発生しにくい。

第２検出線パターンＲ２の抵抗値のうち、トルクの検出に寄与する部分は、複数の第２抵抗線ｒ２の抵抗値である。したがって、複数の第２折り返し部ｒｂの抵抗値が大きいと、トルクの検出精度が低下する。この点において、本実施形態のように、第２折り返し部ｒｂに第２導体層４４を積層すれば、第２折り返し部ｒｂの抵抗値が下がる。これにより、第２検出線パターンＲ２の抵抗値のうち、複数の第２抵抗線ｒ２の抵抗値が占める割合を大きくすることができる。したがって、トルクの検出精度を向上させることができる。

また、図６に示すように、第２折り返し部ｒｂの線幅ｄｂは、第２抵抗線ｒ２の線幅ｄ２と略同一である。このようにすれば、第２折り返し部ｒｂの線幅ｄｂが第２抵抗線ｒ２の線幅ｄ２よりも大きい場合と比べて、第２折り返し部ｒｂの剛性が低くなる。すなわち、第２折り返し部ｒｂの柔軟性が高くなる。したがって、第２折り返し部ｒｂにおけるクラックの発生を、より抑制できる。

なお、第２折り返し部ｒｂの線幅ｄｂと、第２抵抗線ｒ２の線幅ｄ２とは、必ずしも厳密に同一でなくてもよく、±１０％程度の誤差があってもよい。すなわち、第２折り返し部ｒｂの線幅ｄｂは、第２抵抗線ｒ２の線幅ｄ２の９０～１１０％程度の寸法であればよい。また、第２折り返し部ｒｂの線幅ｄｂは、第２抵抗線ｒ２の線幅ｄ２以下であってもよい。第１折り返し部ｒｂの線幅ｄｂを、第２抵抗線ｒ２の線幅ｄ２以下とすれば、第２折り返し部ｒｂの柔軟性がより高くなる。したがって、第２折り返し部ｒｂにおけるクラックの発生を、より抑制できる。

また、第２導体層４４には、第１導体層４３よりも、比抵抗またはゲージ率が低い材料を使用することが望ましい。そうすれば、第２導体層４４を積層することにより、第１折り返し部ｒａおよび第２折り返し部ｒｂの抵抗値を、より効果的に下げることができる。したがって、トルク検出パターンＰｔによるトルクの検出精度を、より向上させることができる。例えば、第１導体層４３の材料を、Ｃｕ－Ｎｉ合金などの銅を含む材料とし、第２導体層４４の材料を、銅とするとよい。あるいは、第１導体層４３の材料を、クロムを含む材料とし、第２導体層４４の材料を、金とするとよい。ただし、第１導体層４３の材料は、クロム、窒化クロム、または酸化クロム等であってもよい。

＜２．第２実施形態（角度検出パターン）＞
続いて、第２実施形態について説明する。第２実施形態は、歪みセンサ４０における検出線パターンの形状のみが、上述した第１実施形態と異なる。他の構成については、第１実施形態と同様であるため、重複説明を省略する。

図８は、第２実施形態に係る歪みセンサ４０の平面図である。図８の例では、回路基板４１に、角度検出パターンＰθ、信号処理回路４５、および配線部４６が実装されている。角度検出パターンＰθは、本体部４１１に配置されている。信号処理回路４５は、フラップ部４１２に配置されている。角度検出パターンＰθと信号処理回路４５とは、配線部４６により接続される。第１導体層４３は、角度検出パターンＰθおよび配線部４６を有する。

角度検出パターンＰθは、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ためのパターンである。図８に示すように、角度検出パターンＰθは、４つの第３検出線パターンＲ３と、４つの第４検出線パターンＲ４とを含む。

４つの第３検出線パターンＲ３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。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３検出線パターンＲ３が広がっている。

図９は、第３検出線パターンＲ３の部分拡大図である。図８および図９に示すように、第３検出線パターンＲ３は、複数の第３抵抗線ｒ３と、複数の第３折り返し部ｒｃとを含む。複数の第３抵抗線ｒ３は、径方向に微少な間隔をあけて、互いに平行に配列される。各第３抵抗線ｒ３は、周方向に沿って円弧状に延びる。第３折り返し部ｒｃは、径方向に隣り合う第３抵抗線ｒ３の周方向の端部同士を接続する円弧状の部分である。複数の第３抵抗線ｒ３は、周方向の一端と他端とで交互に、第３折り返し部ｒｃにより接続される。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。

４つの第４検出線パターンＲ４は、第１検出線パターンＲ１と同心円状に、かつ、周方向において第３検出線パターンＲ３が配置されない領域に、配置される。本実施形態では、第３検出線パターンＲ３と、第４検出線パターンＲ４とが、周方向に交互に配列される。そして、４つの第３検出線パターンＲ３と、４つの第４検出線パターンＲ４とが、全体として、中心軸９を中心とする円環状に配列されている。

第４検出線パターンＲ４の部分拡大図は、第３検出線パターンＲ３と同様であるため、省略する。図８に示すように、第４検出線パターンＲ４は、複数の第４抵抗線ｒ４と、複数の第４折り返し部ｒｄとを含む。複数の第４抵抗線ｒ４は、径方向に微少な間隔をあけて、互いに平行に配列される。各第４抵抗線ｒ４は、周方向に沿って円弧状に延びる。第４折り返し部ｒｄは、径方向に隣り合う第４抵抗線ｒ４の周方向の端部同士を接続する円弧状の部分である。複数の第４抵抗線ｒ４は、周方向の一端と他端とで交互に、第４折り返し部ｒｄにより接続される。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。

図１０は、４つの第３検出線パターンＲ３を含む第１ホイートストンブリッジ回路Ｃ１の回路図である。図１０の例では、４つの第３検出線パターンＲ３を、Ｒ３１，Ｒ３２，Ｒ３３，Ｒ３４として区別して示している。第３検出線パターンＲ３１，Ｒ３２，Ｒ３３，Ｒ３４は、図８においてＲ３１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１０に示すように、４つの第３検出線パターンＲ３１，Ｒ３２，Ｒ３３，Ｒ３４は、第１ホイートストンブリッジ回路Ｃ１に組み込まれている。第３検出線パターンＲ３１と第３検出線パターンＲ３２とは、この順に直列に接続される。第３検出線パターンＲ３４と第３検出線パターンＲ３３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３検出線パターンＲ３１，Ｒ３２の列と、２つの第３検出線パターンＲ３４，Ｒ３３の列とが、並列に接続される。また、第３検出線パターンＲ３１および第３検出線パターンＲ３２の中間点Ｍ１１と、第３検出線パターンＲ３４および第３検出線パターンＲ３３の中間点Ｍ１２とが、第１電圧計Ｖ１に接続される。

図１１は、４つの第４検出線パターンＲ４を含む第２ホイートストンブリッジ回路Ｃ２の回路図である。図１１の例では、４つの第４検出線パターンＲ４を、Ｒ４１，Ｒ４２，Ｒ４３，Ｒ４４として区別して示している。第４検出線パターンＲ４１は、図８において、第３検出線パターンＲ３１と第３検出線パターンＲ３４との間に位置する。また、第４検出線パターンＲ４１，Ｒ４２，Ｒ４３，Ｒ４４は、図８においてＲ４１を１つ目として時計回りにこの順に配列されている。

図１１に示すように、４つの第４検出線パターンＲ４１、Ｒ４２、Ｒ４３、Ｒ４４は、第２ホイートストンブリッジ回路Ｃ２に組み込まれている。第４検出線パターンＲ４１と第４検出線パターンＲ４２とは、この順に直列に接続される。第４検出線パターンＲ４４と第４検出線パターンＲ４３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４検出線パターンＲ４１，Ｒ４２の列と、２つの第４検出線パターンＲ４４，Ｒ４３の列とが、並列に接続される。また、第４検出線パターンＲ４１および第４検出線パターンＲ４２の中間点Ｍ２１と、第４検出線パターンＲ４４および第４検出線パターンＲ４３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、周方向に伸長する部分（以下「伸長部」と称する）と、周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。

第３検出線パターンＲ３１，Ｒ３２，Ｒ３３，Ｒ３４および第４検出線パターンＲ４１、Ｒ４２、Ｒ４３、Ｒ４４の各抵抗値は、ダイヤフラム部２２１の周方向の歪みに応じて変化する。例えば、上述した伸長部が、ある検出線パターンと重なるときには、その検出線パターンの抵抗値が増加する。また、上述した収縮部が、ある検出線パターンと重なるときには、その検出線パターンの抵抗値が低下する。

図８の例では、収縮部が第３検出線パターンＲ３１，Ｒ３３と重なるときには、伸長部が第３検出線パターンＲ３２，Ｒ３４と重なる。また、伸長部が第３検出線パターンＲ３１，Ｒ３３と重なるときには、収縮部が第３検出線パターンＲ３２，Ｒ３４と重なる。したがって、第１ホイートストンブリッジ回路Ｃ１では、第３検出線パターンＲ３１，Ｒ３３と、第３検出線パターンＲ３２，Ｒ３４とが、逆向きの抵抗値変化を示す。

また、図８の例では、収縮部が第４検出線パターンＲ４１，Ｒ４３と重なるときには、伸長部が第４検出線パターンＲ４２，Ｒ４４と重なる。また、伸長部が第４検出線パターンＲ４１，Ｒ４３と重なるときには、収縮部が第４検出線パターンＲ４２，Ｒ４４と重なる。したがって、第２ホイートストンブリッジ回路Ｃ２では、第４検出線パターンＲ４１，Ｒ４３と、第４検出線パターンＲ４２，Ｒ４４とが、逆向きの抵抗値変化を示す。

このため、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ｖ１，ｖ２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ｖ１の位相に対して、第２電圧計Ｖ２の計測値ｖ２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つのホイートストンブリッジ回路Ｃ１，Ｃ２の出力値に基づいて、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ことができる。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、回転角度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、回転角度を出力すればよい。

図９に示すように、第３抵抗線ｒ３の表面は、第１導体層４３が露出している。これに対し、第３折り返し部ｒｃの表面には、第２導体層４４が積層されている。このため、第３検出線パターンＲ３の第３折り返し部ｒｃは、第２導体層４４により補強される。したがって、第３折り返し部ｒｃの強度を確保できる。フレックスギア２０が楕円変形を繰り返しても、第３折り返し部ｒｃにクラックは発生しにくい。

第３検出線パターンＲ３の抵抗値のうち、回転角度の検出に寄与する部分は、複数の第３抵抗線ｒ３の抵抗値である。したがって、複数の第３折り返し部ｒｃの抵抗値が大きいと、回転角度の検出精度が低下する。この点において、本実施形態のように、第３折り返し部ｒｃに第２導体層４４を積層すれば、第３折り返し部ｒｃの抵抗値が下がる。これにより、第３検出線パターンＲ３の抵抗値のうち、複数の第３抵抗線ｒ３の抵抗値が占める割合を大きくすることができる。したがって、回転角度の検出精度を向上させることができる。

また、図９に示すように、第３折り返し部ｒｃの線幅ｄｃは、第３抵抗線ｒ３の線幅ｄ３と略同一である。このようにすれば、第３折り返し部ｒｃの線幅ｄｃが第３抵抗線ｒ３の線幅ｄ３よりも大きい場合と比べて、第３折り返し部ｒｃの剛性が低くなる。すなわち、第３折り返し部ｒｃの柔軟性が高くなる。したがって、第３折り返し部ｒｃにおけるクラックの発生を、より抑制できる。

なお、第３折り返し部ｒｃの線幅ｄｃと、第３抵抗線ｒ３の線幅ｄ３とは、必ずしも厳密に同一でなくてもよく、±１０％程度の誤差があってもよい。すなわち、第３折り返し部ｒｃの線幅ｄｃは、第３抵抗線ｒ３の線幅ｄ３の９０～１１０％程度の寸法であればよい。また、第３折り返し部ｒｃの線幅ｄｃは、第３抵抗線ｒ３の線幅ｄ３以下であってもよい。第３折り返し部ｒｃの線幅ｄｃを、第３抵抗線ｒ３の線幅ｄ３以下とすれば、第３折り返し部ｒｃの柔軟性がより高くなる。したがって、第３折り返し部ｒｃにおけるクラックの発生を、より抑制できる。

第４検出線パターンＲ４についても、同様である。すなわち、第４抵抗線ｒ４の表面は、第１導体層４３が露出している。これに対し、第４折り返し部ｒｄの表面には、第２導体層４４が積層されている。このため、第４検出線パターンＲ４の第４折り返し部ｒｄは、第２導体層４４により補強される。したがって、第４折り返し部ｒｄの強度を確保できる。フレックスギア２０が楕円変形を繰り返しても、第４折り返し部ｒｄにクラックは発生しにくい。

第４検出線パターンＲ４の抵抗値のうち、回転角度の検出に寄与する部分は、複数の第４抵抗線ｒ４の抵抗値である。したがって、複数の第４折り返し部ｒｄの抵抗値が大きいと、回転角度の検出精度が低下する。この点において、本実施形態のように、第４折り返し部ｒｄに第２導体層４４を積層すれば、第４折り返し部ｒｄの抵抗値が下がる。これにより、第４検出線パターンＲ４の抵抗値のうち、複数の第４抵抗線ｒ４の抵抗値が占める割合を大きくすることができる。したがって、回転角度の検出精度を向上させることができる。

また、第４折り返し部ｒｄの線幅は、第４抵抗線ｒ４の線幅と略同一である。このようにすれば、第４折り返し部ｒｄの線幅が第４抵抗線ｒ４の線幅よりも大きい場合と比べて、第４折り返し部ｒｄの剛性が低くなる。すなわち、第４折り返し部ｒｄの柔軟性が高くなる。したがって、第４折り返し部ｒｄにおけるクラックの発生を、より抑制できる。

なお、第４折り返し部ｒｄの線幅と、第４抵抗線ｒ４の線幅とは、必ずしも厳密に同一でなくてもよく、±１０％程度の誤差があってもよい。すなわち、第４折り返し部ｒｄの線幅は、第４抵抗線ｒ４の線幅の９０～１１０％程度の寸法であればよい。また、第４折り返し部ｒｄの線幅は、第４抵抗線ｒ４の線幅以下であってもよい。第４折り返し部ｒｄの線幅を、第４抵抗線ｒ４の線幅以下とすれば、第４折り返し部ｒｄの柔軟性がより高くなる。したがって、第４折り返し部ｒｄにおけるクラックの発生を、より抑制できる。

また、第２導体層４４には、第１導体層４３よりも、比抵抗またはゲージ率が低い材料を使用することが望ましい。そうすれば、第２導体層４４を積層することにより、第３折り返し部ｒｃおよび第４折り返し部ｒｄの抵抗値を、より効果的に下げることができる。したがって、角度検出パターンＰθによる回転角度の検出精度を、より向上させることができる。例えば、第１導体層４３の材料を、Ｃｕ－Ｎｉ合金などの銅を含む材料とし、第２導体層４４の材料を、銅とするとよい。あるいは、第１導体層４３の材料を、クロムを含む材料とし、第２導体層４４の材料を、金とするとよい。ただし、第１導体層４３の材料は、クロム、窒化クロム、または酸化クロム等であってもよい。

＜３．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。

＜３－１．第１変形例＞
上記の第２実施形態では、角度検出パターンＰθにおいて、第３検出線パターンＲ３に含まれる複数の第３抵抗線ｒ３と、第４検出線パターンＲ４に含まれる複数の第４抵抗線ｒ４とが、それぞれ、周方向に延びていた。これは、ダイヤフラム部２２１の周方向の周期的な変形を検出するためである。しかしながら、動力伝達装置１の駆動時には、ダイヤフラム部２２１は、周方向だけではなく、径方向にも周期的に変形する。このため、図１２のように、第３抵抗線ｒ３および第４抵抗線ｒ４の向きは、径方向であってもよい。すなわち、第３検出線パターンＲ３に含まれる複数の第３抵抗線ｒ３と、第４検出線パターンＲ４に含まれる複数の第４抵抗線ｒ４とは、それぞれ、径方向および周方向のいずれか一方向に延びていればよい。

＜３－２．第２変形例＞
上記の第１実施形態および第２実施形態の歪みセンサ４０において、各検出線パターンの端部から延びる配線部４６の表面にも、第２導体層４４を積層してもよい。そのようにすれば、配線部４６の抵抗値が下がる。したがって、第１抵抗線ｒ１および第２抵抗線ｒ２の抵抗値の変化、または、第３抵抗線ｒ３および第４抵抗線ｒ４の抵抗値の変化を、より精度よく検出できる。したがって、トルクまたは回転角度の検出精度を、より向上させることができる。

＜３－３．第３変形例＞
上記の第１実施形態および第２実施形態では、抵抗線および折り返し部のうち、折り返し部のみに、第２導体層４４が積層されていた。しかしながら、図１３のように、抵抗線ｒ５のうち、折り返し部ｒｅに隣接する隣接部分ｒ５１の表面にも、第２導体層４４を積層してもよい。図１３の例では、折り返し部ｒｅの表面と、抵抗線ｒ５の隣接部分ｒ５１の表面とに、第２導体層４４が積層されている。このようにすれば、折り返し部ｒｅおよび隣接部分ｒ５１が、第２導体層４４で補強される。これにより、折り返し部ｒｅと抵抗線ｒ５の境界部付近にクラックが発生することを、抑制できる。

図１４のグラフは、図１３の構造において、隣接部分ｒ５１の長さＬを変えて、折り返し部ｒｅの内周部うち、最も応力が集中しやすい周方向の端部Ｅにかかる応力Ｓを解析した結果である。図１４の横軸は、抵抗線ｒ５の線幅ｗに対する隣接部分ｒ５１の長さＬの比Ｌ／ｗを示す。図１４の縦軸は、隣接部分ｒ５１の長さＬが０のときの端部Ｅにかかる応力ＳをＳ０として、応力Ｓ０に対する応力Ｓの比Ｓ／Ｓ０を示す。図１４の結果から、第２導体層４４が積層される隣接部分ｒ５１の長さが０以下の場合と比べて、第２導体層４４が積層される隣接部分ｒ５１の長さＬを０よりも大きくすることで、端部Ｅにかかる応力Ｓを小さくできることが分かる。ただし、隣接部分ｒ５１の長さＬが長すぎると、隣接部分ｒ５１の長さＬが０の場合よりも、端部Ｅにかかる応力Ｓが大きくなる。第２導体層４４が積層される隣接部分ｒ５１の長さＬは、例えば、０よりも大きく、かつ、抵抗線ｒ５の線幅ｗの２倍よりも小さくする（０＜Ｌ／ｗ＜２）することが望ましい。

＜３－４．第４変形例＞
図１５は、動力伝達装置１を備えたロボット１００の部分縦断面図である。図１５の例では、動力伝達装置１が、ロボット１００の関節に組み込まれている。波動発生器３０のカム３１は、モータ９０の出力軸９１に固定されている。インタナルギア１０は、モータ９０を支持するモータケース９２に固定される。フレックスギア２０は、ロボット１００のアーム９３に固定される。モータ９０を駆動させると、インタナルギア１０に対してフレックスギア２０が、減速後の第２回転数で回転する。これにより、モータケース９２に対してアーム９３を、第２回転数で回転させることができる。

＜３－５．他の変形例＞
上記の第１実施形態では、トルク検出パターンＰｔが、２つの検出線パターンＲ１，Ｒ２を含んでいた。そして、ホイートストンブリッジ回路Ｃｔは、２つの検出線パターンＲ１，Ｒ２と、２つの固定抵抗Ｒｓとで構成される、ハーフブリッジ回路となっていた。しかしながら、第１実施形態の構造において、トルク検出パターンＰｔが、４つの検出線パターンを含んでいてもよい。そして、ホイートストンブリッジ回路Ｃｔを、当該４つの検出線パターンで構成されるフルブリッジ回路としてもよい。

上記の第１実施形態の歪みセンサ４０は、検出線パターンとして、トルク検出パターンＰｔのみを有していた。また、上記の第２実施形態の歪みセンサ４０は、検出線パターンとして、角度検出パターンＰθのみを有していた。しかしながら、歪みセンサ４０は、トルク検出パターンＰｔおよび角度検出パターンＰθの両方を有していてもよい。

また、上記の第１実施形態および第２実施形態では、回路基板４１の片面のみに、検出線パターンが設けられていた。すなわち、上記の第１実施形態および第２実施形態では、絶縁層４２の片面のみに、第１導体層４３および第２導体層４４が形成されていた。しかしながら、回路基板４１の両面に、検出線パターンが設けられていてもよい。すなわち、絶縁層４２の両面に、第１導体層４３および第２導体層４４が形成されていてもよい。

また、歪みセンサ４０は、トルク検出パターンＰｔおよび角度検出パターンＰθ以外の検出線パターンを有していてもよい。例えば、歪みセンサ４０は、温度を検出するための検出線パターンや、フレックスギア２０の軸方向の歪みを検出するための検出線パターンを有していてもよい。

また、上記の第１実施形態および第２実施形態では、信号処理回路４５が、回路基板４１に実装されていた。しかしながら、信号処理回路４５は、回路基板４１の外部に設けられていてもよい。

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、歪みセンサ４０の被検出体が、フレックスギア２０であった。しかしながら、歪みセンサ４０の被検出体は、フレックスギア２０には限られない。例えば、太陽輪と、太陽輪の周囲において自転しながら公転する複数の遊星輪と、を有する遊星減速機において、複数の遊星輪が内接するリングに、本発明に係る歪みセンサを取り付けてもよい。この場合、リングの円形の表面に、回路基板を固定すればよい。すなわち、本発明における被検出体は、遊星減速機のリングであってもよい。

その他、歪みセンサおよび動力伝達装置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、歪みセンサおよび動力伝達装置に利用できる。

１ 動力伝達装置
９ 中心軸
１０ インタナルギア
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
４０ 歪みセンサ
４１ 回路基板
４２ 絶縁層
４３ 第１導体層
４４ 第２導体層
４５ 信号処理回路
４６ 配線部
４７ 両面接着テープ
２２１ ダイヤフラム部
４１１ 本体部
４１２ フラップ部
Ｃｔ ホイートストンブリッジ回路
Ｃ１ 第１ホイートストンブリッジ回路
Ｃ２ 第２ホイートストンブリッジ回路
Ｐｔ トルク検出パターン
Ｐθ 角度検出パターン
Ｒ１ 第１検出線パターン
Ｒ２ 第２検出線パターン
Ｒ３ 第３検出線パターン
Ｒ４ 第４検出線パターン
Ｖｔ 電圧計
Ｖ１ 第１電圧計
Ｖ２ 第２電圧計
ｒ１ 第１抵抗線
ｒ２ 第２抵抗線
ｒ３ 第３抵抗線
ｒ４ 第４抵抗線
ｒａ 第１折り返し部
ｒｂ 第２折り返し部
ｒｃ 第３折り返し部
ｒｄ 第４折り返し部

Claims (14)

1. 被検出体に固定される絶縁層と、
   前記絶縁層の表面に形成された第１導体層と、
   前記第１導体層の表面に積層された第２導体層と、
   を備え、
   前記第１導体層は、
   所定の方向に延びる複数の抵抗線と、前記抵抗線の端部を接続する折り返し部と、を含む検出線パターン
   を有し、
   前記折り返し部の表面に前記第２導体層が積層される、歪みセンサ。
2. 請求項１に記載の歪みセンサであって、
   前記折り返し部の表面と、前記抵抗線の前記折り返し部に隣接する隣接部分の表面とに、前記第２導体層が積層される、歪みセンサ。
3. 請求項２に記載の歪みセンサであって、
   前記隣接部分の長さは、前記抵抗線の線幅の２倍よりも小さい、歪みセンサ。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の歪みセンサであって、
   前記折り返し部の線幅は、前記抵抗線の線幅と略同一である、歪みセンサ。
5. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の歪みセンサであって、
   前記折り返し部の線幅は、前記抵抗線の線幅以下である、歪みセンサ。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の歪みセンサであって、
   前記第２導体層の材料は、前記第１導体層の材料よりも、比抵抗が低い、歪みセンサ。
7. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の歪みセンサであって、
   前記第２導体層の材料は、前記第１導体層の材料よりも、ゲージ率が低い、歪みセンサ。
8. 請求項６または請求項７に記載の歪みセンサであって、
   前記第１導体層の材料は、銅を含む材料またはクロムを含む材料であり、
   前記第２導体層の材料は、銅、銀、または金である、歪みセンサ。
9. 請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の歪みセンサであって、
   前記第１導体層は、
   前記被検出体にかかるトルクを検出するための前記検出線パターンを含むトルク検出パターン
   を有し、
   前記抵抗線は、径方向および周方向に対して傾斜する方向に沿って延びる、歪みセンサ。
10. 請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の歪みセンサであって、
    前記第１導体層は、
    前記被検出体に入力される回転運動の回転角度を検出するための前記検出線パターンを含む角度検出パターン
    を有し、
    前記抵抗線は、周方向または径方向に延びる、歪みセンサ。
11. 請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の歪みセンサであって、
    前記第１導体層は、
    前記検出線パターンの端部から延びる配線部
    を有し、
    前記配線部の表面に前記第２導体層が積層される、歪みセンサ。
12. 請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載の歪みセンサと、
    前記被検出体である円形体と、
    を備える、動力伝達装置。
13. 請求項１２に記載の動力伝達装置であって、
    前記円形体は、
    軸方向に筒状に延びる可撓性の筒状部と、
    前記筒状部の外周面に設けられた複数の外歯と、
    前記筒状部の軸方向の端部から径方向外側または径方向内側に向けて広がる平板状のダイヤフラム部と、
    を有し、
    前記歪みセンサは、前記ダイヤフラム部に固定される、動力伝達装置。
14. 請求項１２または請求項１３に記載の動力伝達装置と、
    前記動力伝達装置から出力される回転数で回転するアームと、
    を備えたロボット。

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