JP6578646B2 - ロボット - Google Patents

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Description

本発明はロボットに関する。
ロボットのアーム内の配線にフレキシブルプリント基板を使用する技術が知られている(特許文献1、参照)。また、フレキシブルプリント基板上の配線の特性インピーダンスを、当該配線に接続する被覆配線の特性インピーダンスと整合させる技術が知られている(特許文献2、参照)。
特開2010−214530号公報 特開2008−210839号公報
しかしながら、可動部材がある位置に移動した状態で特性インピーダンスを整合させておいても、可動部材が別の位置に移動するとフレキシブルプリント基板が変形して特性インピーダンスが整合しなくなるという問題があった。
本発明は、このような問題を解決するために創作されたものであって、可動部材を移動させても特性インピーダンスを整合させることができるロボットを提供することを目的とする。
前記目的を達成するため本発明のロボットは、第1部材と、第1部材に対して移動可能に設けられた第2部材と、を備え、さらに第1部材に配置された接続配線と、接続配線に接続する基板上配線を有し、第1部材に対する第2部材の移動に応じて変形するフレキシブルプリント基板である配線基板と、を備える。また、配線基板の変形に応じた基板上配線の特性インピーダンスの変化範囲内に、接続配線の特性インピーダンスが含まれるように構成される。このように、基板上配線の特性インピーダンスの変化範囲内に接続配線の特性インピーダンスが含まれるように構成したため、第2部材を第1部材に対して移動させても特性インピーダンスを整合させることができる。
配線基板は変形可能なフレキシブルプリント基板であるため、第1部材に対する第2部材の移動を許容できる。基板上配線とは、配線基板上に形成された配線であり、配線基板の面方向に形成された配線であればよく、厳密に配線基板の表面に形成されなてもよい。例えば、基板上配線はレジストによって被覆されていてもよい。接続配線とは、少なくとも配線基板上に形成されていない配線であればよく、絶縁体によって被覆されたケーブルであってもよいし、配線基板以外の基板上に形成された配線であってもよい。
また、接続配線の特性インピーダンスと変化範囲の中心値との差の絶対値は、変化範囲の全幅の25%以下であってもよい。ここで、基板上配線の特性インピーダンスは、変化範囲の中心値を中心に増加または減少すると言える。従って、接続配線の特性インピーダンスが基板上配線の特性インピーダンスの変化範囲の中心値に近くなるほど、接続配線の特性インピーダンスの近くで基板上配線の特性インピーダンスを変化させることができる。特に、接続配線の特性インピーダンスと変化範囲の中心値との差の絶対値を、変化範囲の全幅の25%以下に抑制することにより、確実に、接続配線の特性インピーダンスの近くで基板上配線の特性インピーダンスを変化させることができる。
ここで、変化範囲の中心値とは、変化範囲の上限値と下限値との平均値であってもよいし、基板上配線の特性インピーダンスを複数回サンプリングした場合の最頻値であってもよいし、第1部材に対する移動範囲の中心位置に第2部材が移動した際における基板上配線の特性インピーダンスであってもよい。
さらに、接続配線の特性インピーダンスと変化範囲の中心値とが等しくてもよい。これにより、より確実に、接続配線の特性インピーダンスの近くで基板上配線の特性インピーダンスを変化させることができる。
また、基板上配線の特性インピーダンスの変化範囲は、接続配線の特性インピーダンスを含むように設定された許容範囲内に含まれてもよい。これにより、基板上配線の特性インピーダンスの許容範囲内において、接続配線の特性インピーダンスを変化させることができる。許容範囲とは、基板上配線の特性インピーダンスの変化が許容できる設計上の範囲であり、接続配線の特性インピーダンスを含む許容範囲である。従って、接続配線の特性インピーダンスと基板上配線の特性インピーダンスとを整合させることができる。
さらに、導体を有するフレキシブルプリント基板であって、厚み方向から見て、導体が配線基板と重なるように配置されたシールド基板が備えられてもよい。このように、配線基板とシールド基板の導体とを重ねることにより、基板上配線から最も近い導体をシールド基板の導体とすることができ、配線基板とシールド基板との距離によって基板上配線の特性インピーダンスを管理できる。さらに、シールド基板の遮蔽効果によって、基板上配線から外部へとノイズが漏れることを防止できるとともに、外部から基板上配線にノイズが混入することを防止できる。なお、シールド基板は厚み方向において配線基板の一方側にのみ備えられてもよいし、2枚のシールド基板によって配線基板を厚み方向に挟み込んでもよい。
また、配線基板とシールド基板との間にスペーサーが挟まれてもよい。これにより、配線基板とシールド基板との距離をスペーサーの厚み以上に管理できる。これにより、配線基板とシールド基板との間の距離の変化量を抑制することができ、基板上配線の特性インピーダンスの変化範囲の幅を小さくすることができる。
さらに、シールド基板の導体はグランドに接続されてもよい。これにより、専用のグランド線を設けなくても、第1部材と第2部材とに対してグランド電位を供給できる。
また、配線基板の幅方向から見ると、配線基板は渦巻き状に形成されてもよい。配線基板を渦巻き状としておくことにより、渦巻きの巻径の変化によって、配線基板の両端の相対位置の変化を許容できる。また、配線基板の変形を渦巻きの巻径の変化に留めることができるため、当該配線基板の変形に応じた基板上配線の特性インピーダンスの変化を抑制できる。
ここで、基板上配線は特性インピーダンスの変化範囲を有するため、接続配線の特性インピーダンスと基板上配線の特性インピーダンスとが一致しない状態も生じ得る。そのため、接続配線と基板上配線とが、減衰器を介して接続されてもよい。これにより、接続配線の特性インピーダンスと基板上配線の特性インピーダンスとが一致しない状態においても、接続配線と基板上配線との間において電流が反射することを防止できる。
本発明の一実施形態のロボットシステムの正面図である。 (2A),(2B)はアームの先端部分の内部を透視した斜視図である。 基板束の斜視図である。 (4A)〜(4D)は基板上配線と導体との位置関係を示す模式図である。 (5A)は基板束の斜視図、(5B)〜(5D)は基板束の説明図である。 (6A)は基板間距離と特性インピーダンスとの関係を示すグラフ、(6B),(6C)は回転角度と特性インピーダンスとの関係を示すグラフ、(6D)は基板束の折り線の模式図である。 (7A)は特性インピーダンスの測定方法の説明図、(7B)は電圧のグラフ、(7C),(7D)は基板束の説明図、(7E)は回転角度と特性インピーダンスとの関係を示すグラフである。
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら以下の順に説明する。なお、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。
(1)全体構成:
(2)アームの先端部分の構成:
(3)伝送経路の構成:
(4)特性インピーダンスの測定方法:
(5)他の実施形態:
(1)全体構成:
図1は、本発明の一実施形態にかかるロボットシステム1の正面図である。ロボットシステム1は、ロボット9と、制御装置40とを備える。制御装置40は、ロボット9と通信可能に接続されている。この接続は、例えば、イーサネット(登録商標)やUSB(Universal Serial Bus)等の有線通信規格、Wi−Fi(登録商標)等の無線通信規格に準じる。ロボット9は、撮像部10とハンドユニット20a、20bと胴体ユニット30とを備えている。すなわち、ロボット9は、2つのハンドユニット20a、20bを備える双腕ロボットである。
ロボット9は、制御信号を制御装置40から取得し、取得した制御信号に基づいてワークに対して所定の作業を行う。所定の作業とは、例えば、ハンドユニット20によりワークを把持し、把持されたワークを現在設置されている位置から、他の位置へと移動させることや、移動させた後に別の装置に組み付けを行うこと等の作業である。
撮像部10は、胴体ユニット30の上部に設けられる。撮像部10は、例えば、レンズとCCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等の撮像素子とをそれぞれ備えたカメラ11a、11bによって構成されている。撮像部10は、作業台等に置かれたワークやハンドユニット20に把持された状態のワークを撮像し、撮像したワークの画像を、通信により制御装置40へ出力する。なお、ロボット9は、撮像部10を備えていなくてもよく、撮像部10に相当する外部の撮影装置と通信可能であってもよい。
ハンドユニット20は、胴体ユニット30の上部の2カ所に連結される。ハンドユニット20は、少なくとも3軸のリンクを備えるアーム21と、アーム21の先端部に1軸の自由度で連結されたハンド22とを備える。ハンドユニット20の各軸は図示しないアクチュエーターによって駆動される。本実施形態のハンド22は、ワークを把持する複数の指222と、当該指222が駆動可能に連結された掌部221とを備える。
胴体ユニット30には制御基板31が備えられ、制御基板31には制御装置40から制御信号が入力される。制御基板31は、制御装置40からの制御信号および各軸のアクチュエーターに取り付けられたエンコーダーからの角度信号に基づいてハンドユニット20に備えられた各軸のアクチュエーターを駆動させるための駆動信号を生成する回路を備える。さらに、制御基板31はハンド22へハンド制御信号を送受信するための通信回路を備える。また、制御基板31には図示しない商用電源から生成した電源が供給されるとともに、ロボット9の筐体の電位であるFG(Frame Ground)電位が入力されている。制御基板31から伝送経路Aが引き出さされており、伝送経路Aがアーム21の先端まで到達している。
伝送経路Aは、ハンドユニット20に備えられた各軸のアクチュエーターを駆動させるための駆動信号と、各軸のアクチュエーターに取り付けられたエンコーダーからの角度信号と、ハンド22へハンド制御信号とを伝送する信号線を含む。さらに、伝送経路Aは、電源を伝送するための電源線と、ロボット9の筐体と同電位のFG線を含む。また、伝送経路Aの先端は、ハンド22に備えられた制御回路と接続する。これにより、ハンド22の各可動部を制御する制御回路に、ハンド制御信号やFG電位や電源を供給できる。さらに、伝送経路Aは、アーム21の途中にて分岐しており、アーム21に備えられた各軸のアクチュエーターを駆動させる駆動回路およびエンコーダーに接続している。これにより、アーム21に備えられた各軸のアクチュエーターを駆動させる駆動回路に、駆動信号やFG電位や電源を供給でき、エンコーダーからの角度信号を取り込むことができる。制御基板31は、左右のハンドユニット20a,20bごとに別々に備えられてもよい。
(2)アームの先端部分の構成:
図2A,2Bは、アーム21の先端部分の内部を透視した斜視図である。アーム21の先端部分は、第1部材23と第2部材24とを有している。第2部材24の先端においてハンド22を回転可能に連結することができる。第2部材24は、第1部材23に対して移動可能に設けられている。具体的に、第1部材23に対して第2部材24は回転移動できるように連結されている。
まず、第1部材23に対して第2部材24が回転移動するための構成について説明する。図2Aに示すように、第1部材23と第2部材24とが円柱状の回転軸242を介して連結されている。第2部材24から回転軸242が突出しており、回転軸242が第1部材23に形成された貫通穴(不図示)にて軸受けされている。回転軸242には円柱状の従動プーリー237aが接合されている。従動プーリー237aが回転することにより、従動プーリー237aが接合している回転軸242を回転させ、第2部材24を回転移動させることができる。
従動プーリー237aを回転させるための動力はモーター236によって生成される。モーター236は、伝送経路Aによって伝送された電源と駆動信号の供給を受けて駆動する。モーター236の駆動軸には、円柱状の駆動プーリー237bが接合されており、駆動プーリー237bと従動プーリー237aとがベルト239aによって連結されている。これにより、モーター236の動力によって従動プーリー237aを駆動させることができる。ベルト239aに接触するようにプーリー239bが備えられており、プーリー239bによってベルト239aのテンションが適度に調整されている。
(3)伝送経路の構成:
次に、伝送経路Aのうち第1部材23と第2部材24との間を接続する部分について説明する。上述したように、第1部材23に対して第2部材24が回転移動するが、当該回転移動を許容できるように伝送経路Aが構成されている。図2Bは図2Aの反対側から第1部材23および第2部材24を見た状態を示す。第2部材24の側面に円形の貫通穴24aが形成されており、貫通穴24aを介して第1部材23の内部空間と第2部材24の内部空間とが連通している。第1部材23には略円柱状の巻芯23aが設けられており、巻芯23aが貫通穴24aを介して第2部材24の内部空間に挿入されている。巻芯23aの断面は回転軸242の断面と同心円を構成する。巻芯23aを直径方向に切り欠くことにより溝23a1が形成されており、溝23a1に基板束Fが挿入されている。基板束Fは、フレキシブルプリント基板の束であり、詳細については後述する。
第1部材23の内部には、接続基板231が収容されており、当該接続基板231にコネクタ233が実装されている。コネクタ233に接続配線Kの端子が接続している。接続配線Kは、絶縁体によって導体が被覆されたケーブルであり、市販のLAN(Local Area Network)ケーブル等であってもよい。接続配線Kは、第1部材23に対して胴体ユニット30側に連結されたアーム部材25から導出されたケーブルであり、伝送経路Aの一部を構成する。接続基板231には複数のコネクタ232が実装されており、コネクタ232に基板束Fを構成する各フレキシブルプリント基板の端子が接続している。接続基板231には、接続配線Kのコネクタ233と、基板束Fのコネクタ232とを接続するパターン(不図示)が形成されており、コネクタ233とコネクタ232との間には減衰器を構成する接続回路234が形成されている。接続回路234は、接続配線Kと基板束Fとの間でインピーダンスマッチングを行う回路であればよく、例えば複数の抵抗(不図示)をT型やπ型に接続した回路であってもよい。
次に、基板束Fの詳細について説明する。図3は、基板束Fの構成を示す斜視図である。基板束Fは、複数のフレキシブルプリント基板を厚み方向に重ねることによって形成される。基板束Fを構成するフレキシブルプリント基板には、配線基板Wとシールド基板Sとが含まれる。フレキシブルプリント基板とは、可撓性を有するプリント基板であり、例えば基材上の全面に形成された銅箔を選択的にエッチングすることによりパターンが形成された基板であってもよい。また、本実施形態のフレキシブルプリント基板は、片側単層のプリント基板である。基板束Fにおいては、当該基板束Fの配置箇所よりもアーム21の先端側の各アクチュエーターの駆動に必要な数の配線基板Wが含まれ、各配線基板Wを紙面上下から挟むようにシールド基板Sが重ねられる。さらに、配線基板Wとシールド基板Sとの間には所定の厚みUのスペーサーIが1枚ずつ挟まれている。
配線基板Wは、基板上配線Bとして、高周波信号線Hと低周波信号線Lと電源線Pとを有する。従って、基板上配線Bとしての高周波信号線Hと低周波信号線Lは減衰器(接続回路234)およびコネクタ232,233を介して接続配線Kと接続し、基板上配線Bとしての電源線Pはコネクタ232,233を介して接続配線Kと接続していることとなる。高周波信号線Hと低周波信号線Lと電源線Pとは、配線方向に延びる直線状のパターンである。配線方向とは基板束Fの長さ方向を意味し、基板束Fの幅方向は配線方向および基板束Fの厚み方向に直交する直交方向を意味する。高周波信号線Hおよび低周波信号線Lは第2部材24よりもアーム21の先端側に備えられるアクチュエーターを駆動するための信号を伝送する基板上配線Bである。電源線Pは、第2部材24よりもアーム21の先端側に備えられるアクチュエーター等に供給する電力を伝送する基板上配線Bである。高周波信号線Hと低周波信号線Lと電源線Pにて伝送される信号(電流)の周波数は、高周波信号線Hが最も大きく、電源線Pが最も小さい。
高周波信号線Hは所定のビットレートで生成されたデジタル通信信号であってもよく、低周波信号線Lは高周波信号線Hよりも低いビットレートで生成されたデジタル通信信号であってもよい。また、高周波信号線Hと低周波信号線Lとは、それぞれ2本のラインで構成される差動信号線であってもよい。電源線Pを流れる電流は、交流電流(交流電源)であってもよいし、周波数が0である直流電流(直流電源)であってもよい。なお、高周波信号線Hと低周波信号線Lにて伝送される信号は単純なデジタル通信信号に限らない。例えば、高周波搬送波で変調されたRF(Radio Frequency)信号や、アナログ信号、PWM(pulse width modulation)変調された信号などであってもかまわない。また、ビットレートや搬送波周波数が可変である場合、可変となる周波数帯域の平均値や最大値や最小値を変調信号の周波数とみなしてよい。本実施形態では、高周波信号線Hにはハンド制御信号が、低周波信号線Lにはエンコーダー信号が伝送される。ここで、基板上配線Bにて電気信号や電力が伝送されることは、基板上配線Bを電流が流れることを意味する。
シールド基板Sは、面方向の全体において一様な厚みの導体Cが形成されたフレキシブルプリント基板である。すなわち、導体Cを有するフレキシブルプリント基板であって、厚み方向から見て、導体Cが配線基板Wと重なるように配置されたシールド基板Sが備えられていることとなる。シールド基板Sの導体Cは、接続配線K等を介して、制御基板31におけるFG電位の端子に電気的に接続されている。すなわち、シールド基板Sの導体Cはグランドに接続されている。
スペーサーIは、一様な厚みUの絶縁体で形成された可撓性を有する部材である。配線基板Wとシールド基板SとスペーサーIとは、幅が同じであり、幅方向の端部が揃うように重ねられている。ただし、基板束Fにおいて、配線基板Wとシールド基板SとスペーサーIとは接着等によって相互に固定されていない。すなわち、配線基板Wとシールド基板SとスペーサーIとの間の厚み方向の距離は可変であるし、配線基板Wとシールド基板SとスペーサーIとは幅方向にずれ得る。
次に、配線方向の直交方向(基板束Fの幅方向)における配線基板Wの基板上配線Bとシールド基板Sの位置関係について説明する。図4A〜図4Cは、基板束Fを配線方向から見た模式図である。図4A〜図4Cに示すように、配線方向の直交方向において、紙面左側から電源線Pと高周波信号線Hと低周波信号線Lとが順に並ぶように配置されている。また、配線方向の直交方向において、シールド基板S(導体C)の導体端Eと、配線基板WとスペーサーIの端の位置が一致するように、配線基板Wとシールド基板SとスペーサーIとが重ねられている。また、紙面左側から、シールド基板Sの導体Cの導体端Eから電源線Pまでの距離を余白距離T1とし、電源線Pから高周波信号線Hまでの距離を線間距離T2とし、高周波信号線Hから低周波信号線Lまでの距離を線間距離T2とし、低周波信号線Lからシールド基板Sの導体Cの導体端Eまでの距離を余白距離T1とする。すなわち、本実施形態では、基板束Fの幅方向の中心線上に高周波信号線Hが位置し、かつ、当該中心線に関して対称な位置に電源線Pと低周波信号線Lとが存在している。以上のように、配線方向の直交方向において電源線Pと高周波信号線Hと低周波信号線Lとを配置することにより、以下に説明する距離の関係が成立する。
図4Aでは、導体Cの紙面右端を第1導体端E1と見なすこととする。この場合、図4Aに示すように、配線方向の直交方向(基板束Fの幅方向)において、導体Cの一方の端部(紙面右端)である第1導体端E1と、第1基板上配線B1としての高周波信号線Hと、第2基板上配線B2としての電源線Pと、導体Cの他方の端部(紙面左端)である第2導体端E2と、が紙面右から順に並ぶこととなる。ここで、配線方向の直交方向(基板束Fの幅方向)において、第2導体端E2から第2基板上配線B2としての電源線Pまでの距離D22=T1は、第1導体端E1から第1基板上配線B1としての高周波信号線Hまでの距離D11=T1+T2よりも小さくなっている。
図4Bでは、導体Cの紙面左端を第1導体端E1と見なしている。この場合、図4Bに示すように、配線方向の直交方向(基板束Fの幅方向)において、導体Cの一方の端部(紙面左端)である第1導体端E1と、第1基板上配線B1としての高周波信号線Hと、第2基板上配線B2としての低周波信号線Lと、導体Cの他方の端部(紙面右端)である第2導体端E2と、が紙面左から順に並ぶこととなる。ここで、配線方向の直交方向(基板束Fの幅方向)において、第2導体端E2から第2基板上配線B2としての低周波信号線Lまでの距離D22=T1は、第1導体端E1から第1基板上配線B1としての高周波信号線Hまでの距離D11=T1+T2よりも小さくなっている。
また、高周波信号線Hを伝送される電流の周波数を第1周波数とし、低周波信号線Lを伝送される電流の周波数を第2周波数とし、電源線Pを伝送される電流の周波数を第3周波数とすると、第2周波数と第3周波数はいずれも第1周波数よりも小さい。すなわち、配線基板Wは、第1周波数よりも小さい周波数である第3周波数の電流が流れる第3基板上配線B3としての電源線Pを有する。そのため、図4Cに示すように、配線方向の直交方向(基板束Fの幅方向)において、第2基板上配線B2としての低周波信号線Lと、第3基板上配線B3としての電源線Pとの間に、第1基板上配線B1としての高周波信号線Hが位置していることとなる。
図5Aは、基板束Fの形状を示す斜視図である。図5Aは、図2Bの巻芯23a付近を拡大した図である。図5Aに示すように、基板束Fは、第1導体端E1と第2導体端E2の方向に対して45°の角度の折り線F1が形成されるように折り曲げられている。すなわち、配線基板Wとシールド基板Sとは、第1導体端E1と第2導体端E2の方向と直交しない方向の折り線F1にて折り曲げられていることとなる。基板束Fを折り曲げることにより、巻芯23aの溝23a1に基板束Fを挿入して拘束することができるとともに、配線基板Wの配線方向を90°変化させることができる。このように、基板束Fを折り曲げることにより、配線方向を変化させることができ、基板束Fの配置自由度を高めることができる。溝23a1から巻芯23aの軸方向に導出された基板束Fは、第1導体端E1と第2導体端E2の方向に対して直交する折り線F2が形成されるように折り曲げられている。一方、溝23a1から巻芯23aの直径方向に導出された基板束Fは、巻芯23aの側面に巻き付けられており、電流の配線方向は巻芯23aの断面の円周方向となっている。
図5B〜5Dは、基板束Fの説明図である。図5B〜5Dに示すように、基板束Fは巻芯23aに対して紙面反時計回りに巻き付けられている。配線方向および配線基板Wの厚み方向と直交する直交方向から見ると、配線基板Wとシールド基板Sとは渦巻き状に形成されていることとなる。このように、基板束Fを渦巻き状としておくことにより、配線方向に長い基板束Fを形成しても、基板束Fとをコンパクトに配置できる。巻芯23aに巻き付けられた基板束Fは第2部材24に設けられた固定点243に向けて導出され、当該固定点243に対して基板束Fが固定される。第1部材23に対して第2部材24を回転移動させると、巻芯23aは回転することなく、固定点243が巻芯23aを中心とする円弧軌道上を移動することとなる。図5Bは可動範囲内において最も第2部材24が紙面反時計回り方向に回転している状態を示しており、このときの固定点243の回転角度θを0°と定義する。図5Dは可動範囲内において最も第2部材24が紙面時計回り方向に回転している状態を示しており、このときの固定点243の回転角度θをθmaxと定義する。図5Cは可動範囲内において中間点にて第2部材24が回転している状態を示しており、このときの固定点243の回転角度θをθmid=θmax/2と定義する。
図5B〜5Dに示すように、固定点243の回転角度θが小さくなるほど、固定点243が巻き付け方向(紙面反時計回り)に移動し、渦巻き状の基板束Fが締め付けられることとなる。すなわち、配線基板Wは、第1部材23に対する第2部材24の移動(回転角度θの減少)に応じて巻径を小さくするように変形することとなる。さらに、固定点243の回転角度θが小さくなるほど、渦巻き状の基板束Fの構成要素間の厚み方向の距離が小さくなり、配線基板Wとシールド基板Sとの間の厚み方向の距離(以下、基板間距離Y)も小さくなる。ただし、基板間距離Yは、スペーサーIの厚みU以下とはなり得ない。
反対に、固定点243の回転角度θが大きくなるほど、固定点243が巻き付け方向(紙面反時計回り)の反対方向に移動し、渦巻き状の基板束Fの締め付けが緩和されることとなる。従って、固定点243の回転角度θが大きくなるほど、渦巻き状の基板束Fの構成要素間の距離が大きくなり、基板間距離Yも大きくなる。
図6Aは、高周波信号線Hの特性インピーダンスと基板間距離Yとの関係を示すグラフである。図6Aの縦軸は高周波信号線Hの特性インピーダンスZ0を示し、横軸は基板間距離Yを示す(図4A〜4C参照)。図6Aに示すように、特性インピーダンスZ0は、基板間距離Yが大きくなるほど大きくなり、かつ、基板間距離Yが大きくなるほど傾きが小さくなる性質を有する。すなわち、特性インピーダンスZ0は、基板間距離Yが小さい範囲ほど、基板間距離Yの変化に応じた変化量が大きくなる。ここで、基板間距離YはスペーサーIの厚みU以下とはなり得ないため、スペーサーIの厚みU以上の基板間距離Yに対応する範囲(実線)でのみ特性インピーダンスZ0が変化することとなる。
すなわち、基板間距離Yが変化しても、傾きが小さい範囲においてのみ特性インピーダンスZ0が変化するに留まるため、特性インピーダンスZ0の変化量を抑制できる。なお、図示しないが、低周波信号線Lと電源線PについてもスペーサーIによって特性インピーダンスZ0の変化量を抑制できる。スペーサーIの厚みが大きいほど高周波信号線Hの特性インピーダンスZ0の変化量を抑制できるため、スペーサーIの柔軟度が所定基準以上となる範囲内でスペーサーIの厚みを大きくするのが望ましい。さらに、2枚以上のスペーサーIを配線基板Wとシールド基板Sとの間に挟むことにより、基板間距離YとスペーサーIの柔軟度とを両立させてもよい。
配線基板Wとシールド基板Sとを厚み方向に重ねることにより、高周波信号線Hの特性インピーダンスZ0を基板間距離Yに依存させることができ、基板間距離Yを管理することにより、高周波信号線Hの特性インピーダンスZ0を管理できる。さらに、シールド基板Sの遮蔽効果によって、高周波信号線Hから外部へとノイズが漏れることを防止できるとともに、外部から高周波信号線Hにノイズが混入することを防止できる。むろん、低周波信号線Lと電源線Pについても同様の効果が得られる。
図6B,6Cは、高周波信号線Hの特性インピーダンスと回転角度θとの関係を示すグラフである。図6B,6Cの縦軸は特性インピーダンスZ0を示し、横軸は回転角度θを示す(図5B〜5D参照)。上述したように、回転角度θが大きくなるほど基板間距離Yが大きくなるため、回転角度θが大きくなるほど特性インピーダンスZ0が大きくなる。図6Bに示すように、本実施形態において、配線基板Wの変形に応じた高周波信号線H(基板上配線B)の特性インピーダンスZ0の変化範囲J内に、接続配線Kのうち高周波信号線Hと接続する信号線の特性インピーダンスZ0Tが含まれる。
さらに、図6Bに示すように、接続配線Kのうち高周波信号線Hと接続する信号線の特性インピーダンスZ0Tと変化範囲Jの中心値JCとの差の絶対値は、変化範囲Jの全幅Xの25%以下である。変化範囲Jの中心値JCとは、変化範囲Jの上限値と下限値の平均値(図6Bの二点鎖線)である。図6Bにおいて、接続配線Kの特性インピーダンスZ0Tとの差の絶対値が、変化範囲Jの全幅Xの25%以下となる範囲をハッチングで示している。さらに、図6Bに示すように、本実施形態において、接続配線Kの特性インピーダンスZ0Tと変化範囲Jの中心値JCとが等しい。すなわち、接続配線Kの特性インピーダンスZ0Tと変化範囲Jの中心値JCとの差の絶対値は0であるため、もちろん当該絶対値は変化範囲Jの全幅Xの25%以下となっている。
また、図6Bに示すように、変化範囲Jは、接続配線Kの特性インピーダンスZ0Tを含むように設定された許容範囲Q内に含まれる。本実施形態において、許容範囲Qは、接続配線Kの特性インピーダンスZ0Tに許容誤差eを減算した下限値から、接続配線Kの特性インピーダンスZ0Tに許容誤差eを加算した上限値までの範囲である。許容誤差eは、例えば接続配線Kの特性インピーダンスZ0Tに所定比率(例えば10%)を乗じた値である。例えば、回転角度θを変化させながら高周波信号線Hの特性インピーダンスZ0の最大値と最小値を調査し、当該最大値と最小値とが許容範囲Q内となるように高周波信号線Hの幅や厚みを設計してもよい。
また、本実施形態では特性インピーダンスZ0は回転角度θに対して単調増加である。そのため、図6Cに示すように、回転角度θが中間の回転角度θ=θmid/2となった際における高周波信号線Hの特性インピーダンスZ0が接続配線Kの特性インピーダンスZ0Tと同じとなるように、高周波信号線Hの幅や厚みを設計してもよい。これにより、接続配線Kの特性インピーダンスZ0Tの付近でバランスよく高周波信号線Hの特性インピーダンスZ0を変化させることができる。すなわち、高周波信号線Hの特性インピーダンスZ0が接続配線Kの特性インピーダンスZ0Tよりも大きい範囲または小さい範囲で偏って変化することにより、許容範囲Q外となることを防止できる。なお、図6Cにおいても、接続配線Kのうち高周波信号線Hと接続する信号線の特性インピーダンスZ0Tと変化範囲Jの中心値JCとの差の絶対値は、変化範囲Jの全幅Xの25%以下である。さらに、図6Cにおいても、変化範囲Jは、接続配線Kの特性インピーダンスZ0Tを含むように設定された許容範囲Q内に含まれる。
高周波信号線Hの特性インピーダンスZ0は変化範囲J内にて変化するため、回転角度θによっては高周波信号線Hの特性インピーダンスZ0が接続配線Kの特性インピーダンスZ0Tと整合性が悪化する場合もある。これに対して本実施形態では、接続配線Kと高周波信号線Hとを減衰器(接続回路234)を介して接続しているため、接続配線Kと高周波信号線Hとの間において特性インピーダンスZ0の不整合に起因する反射を防止できる。
以上においては、高周波信号線Hの特性インピーダンスZ0を接続配線Kと整合させるための構成を説明したが、基板上配線Bとしての低周波信号線Lの電源線Pの特性インピーダンスを接続配線Kと整合させる構成も同様に実現可能である。
以上においては、配線基板Wの基板上配線Bがシールド基板Sの導体Cと厚み方向において重なっていることを前提とした特性インピーダンスZ0の変化について説明した。しかしながら、第1部材23に対して第2部材24を回転移動させる動作を繰り返し行った場合、基板上配線Bがシールド基板Sの導体Cと厚み方向において重ならなくなる場合が生じ得る。配線基板Wまたはシールド基板Sに対して配線方向の直交方向(幅方向)の力が作用した場合には、配線基板Wとシールド基板Sとが配線方向の直交方向にずれる可能性があるからである。例えば、配線方向の直交方向に配線基板Wとシールド基板Sとをずらす力は、基板束Fが第1部材23に対して第2部材24の他の構成部品に配線方向の直交方向に干渉することによって生じ得る。
また、配線方向の直交方向に配線基板Wとシールド基板Sとをずらす力は、図5Aに示す折り線F1においても生じ得る。図6Dは、折り線F1付近の基板端Eの拡大図である。上述したように、回転角度θの変化に応じて基板間距離Yが変化し、基板間距離Yが0に近づいた場合に、折り線F1付近にて外側の基板が内側に接触している基板を内側に押すこととなる。折り線F1の付近では、外側の基板が内側に接触している基板を内側に押す力(黒矢印)によって、折り線F1の直交方向に内側の基板を押す力の合力Vが形成されることとなる。図5Aに示すように、折り線F1の方向がシールド基板Sの導体端Eの方向と直交しない方向である場合、合力Vは導体端Eに平行でない方向の分力、すなわち配線基板Wとシールド基板Sとを配線方向の直交方向にずらす力を含むこととなる。
図4Dは、配線基板Wとシールド基板Sとが配線方向の直交方向にずれた状態を示す模式図である。図4Dにおいては、紙面上側のシールド基板Sが紙面右方向にずれ、紙面下側のシールド基板Sが紙面左方向にずれている。同図に示すように、電源線Pが上側のシールド基板Sの導体Cと重ならなくなっており、低周波信号線Lが下側のシールド基板Sの導体Cと重ならなくなっている。これに対して、高周波信号線Hは紙面上側のシールド基板Sの導体Cと、紙面下側のシールド基板Sの導体Cとのいずれとも重なっており、図6Bに示す特性インピーダンスZ0の変化範囲Jを維持できている。
図4Cに示すように、配線方向の直交方向において、第2基板上配線B2としての低周波信号線Lと、第3基板上配線B3としての電源線Pとの間に、第1基板上配線B1としての高周波信号線Hが位置しているため、低周波信号線Lと電源線Pよりも優先して高周波信号線Hの特性インピーダンスZ0を接続配線Kと整合させることができる。従って、高周波信号線Hにて周波数の大きい信号を確実に伝送できる。ここで、図4Aに示すように、配線方向の直交方向において、第2導体端E2から第2基板上配線B2としての電源線Pまでの距離D22=T1は、第1導体端E1から第1基板上配線B1としての高周波信号線Hまでの距離D11=T1+T2よりも小さくなっているため、電源線Pよりも優先して高周波信号線Hの特性インピーダンスZ0を接続配線Kと整合させることができる。また、図4Bに示すように、配線方向の直交方向において、第2導体端E2から第2基板上配線B2としての低周波信号線Lまでの距離D22=T1は、第1導体端E1から第1基板上配線B1としての高周波信号線Hまでの距離D11=T1+T2よりも小さくなっているため、低周波信号線Lよりも優先して高周波信号線Hの特性インピーダンスZ0を接続配線Kと整合させることができる。
(4)特性インピーダンスの測定方法:
図7Aは、特定インピーダンスを測定するための装置構成の説明図である。図7Aに示すように、基板束F(高周波信号線H)の特定インピーダンスを測定するために、方形波発生器GとオシロスコープOと標準ケーブルSCとを用いる。方形波発生器Gは、出力端子から電圧の方形波を出力する装置である。標準ケーブルSCは、特性インピーダンスZSC(例えば100Ω)が既知のケーブル(例えば同軸ケーブル)である。標準ケーブルSCの導線(一点鎖線)と基板束Fの高周波信号線H(破線)とが直列に接続されており、標準ケーブルSCの導線と接続していない高周波信号線Hの端は開放終端となっている。高周波信号線Hと接続していない標準ケーブルSCの導線の端は、方形波発生器Gの出力端子と、オシロスコープOの入力端子の双方に接続されている。以上の装置構成において、基板束Fの形状を図5B〜5Dに示す各回転角度θに対応した形状に変形させることにより、各回転角度θにおける高周波信号線Hの特性インピーダンスZ0を測定する。
図7Bは、オシロスコープOにて測定される電圧のグラフである。図7Bの横軸は時刻を示し、縦軸は電圧を示す。まず、方形波発生器Gの出力端子から所定の方形波を出力する。方形波が標準ケーブルSCを伝送される期間t1(方形波が高周波信号線Hに到達していない期間)において入力電圧V1がオシロスコープOにて測定される。さらに、期間t1後にて方形波が高周波信号線Hを伝送される期間t2(方形波が高周波信号線Hの開放終端に到達していない期間)において、標準ケーブルSCと高周波信号線Hとの境界における反射波電圧V2が入力電圧V1に加算された電圧V3がオシロスコープOにて測定される。さらに、方形波が高周波信号線Hの開放終端に到達した後の期間t3において、高周波信号線Hの開放終端における反射波電圧V4が電圧V3に加算された電圧V5がオシロスコープOにて測定される。
そして、以下の(1)式によって高周波信号線Hの特性インピーダンスZ0を導出する。
0=(1+ρ)/(1−ρ)×ZSC ・・・(1)
なお、(1)式におけるρは、V2/V1である。
(5)他の実施形態:
前記実施形態では高周波信号線Hの特性インピーダンスZ0が回転角度θに応じて単調増加したが、特性インピーダンスZ0は必ずしも回転角度θに応じて単調増加しなくてもよい。図7C,7Dは、他の実施形態における基板束Fを示す模式図である。図7C,7Dにおいてハッチングで示す領域は基板束Fが移動できない領域を意味する。すなわち、ハッチングで示す領域でない可動領域α内において基板束Fが移動可能となっている。巻芯23aと同心円状の壁面が第1部材23や第2部材24に形成された場合には、図7C,7Dに示すような円環状の可動領域αが形成される。図7Cのように回転角度θ=θmaxとなった場合に、可動領域αを区画する壁面と、基板束Fの最外周部分とが接触せず、これらの間にわずかな隙間が形成される。従って、0〜θmaxで回転角度θが増加する場合においては、可動領域αを区画する壁面の制約を受けることなく、回転角度θに応じて基板束Fの巻径が増大し、前記実施形態の図5B〜5Dと同様に基板間距離Yが単調増加する。そのため、0〜θmaxで回転角度θが増加する場合において、図6Bに示すように、高周波信号線Hの特性インピーダンスZ0も回転角度θの増加に応じて単調増加することとなる。
他の実施形態では、回転角度θがθmaxよりも大きくなることができるように第1部材23と第2部材24とが連結されている。例えば、図7Dのように回転角度θがθmaxよりも大きいθ1(>θmax)となった場合に、可動領域αを区画する壁面に基板束Fが接触し、基板束Fの最外周部分の巻径の増大が妨げられる。その一方で、基板束Fの最外周部分よりも内側(巻芯23a側)の部分の巻径は増大するため、基板束Fの最外周部分と内側の部分との間の距離が小さくなる。従って、θmax〜θ1で回転角度θが増加する場合において、回転角度θの増加に応じて基板間距離Yが単調減少する。
図7Eは、他の実施形態における高周波信号線Hの特性インピーダンスZ0と回転角度θとの関係を示すグラフである。図7Eの縦軸は特性インピーダンスZ0を示し、横軸は回転角度θを示す(図5B〜5D,7C,7D参照)。上述したように、θmax〜θ1で回転角度θが増加する場合においては、回転角度θの増加に応じて基板間距離Yが単調減少するため、図7Eに示すように特性インピーダンスZ0も回転角度θの増加に応じて単調減少することとなる。そのため、回転角度θの変化範囲(0〜θ1)において、特性インピーダンスZ0は極大値を有することとなる。このような場合でも、図7Eのように、高周波信号線Hの特性インピーダンスZ0の変化範囲J内に、接続配線Kの特性インピーダンスZ0Tが含まれるようにすることにより、第2部材24を第1部材23に対して移動させても特性インピーダンスを整合させることができる。
なお、高周波信号線Hの特性インピーダンスZ0が極大値を有する場合に、当該極大値と接続配線Kの特性インピーダンスZ0Tとが一致するように、高周波信号線Hの線幅等を設計してもよい。むろん、高周波信号線Hの特性インピーダンスZ0が極小値を有してもよく、当該極小値と接続配線Kの特性インピーダンスZ0Tとが一致するように、高周波信号線Hの線幅等を設計してもよい。さらに、高周波信号線Hの特性インピーダンスZ0が極大値または極小値を有する場合に、回転角度θの変化範囲の中間の角度における高周波信号線Hの特性インピーダンスZ0が接続配線Kの特性インピーダンスZ0Tと一致するように、高周波信号線Hの線幅等を設計してもよい。
第1部材23と第2部材24とは、ロボット9を構成する部材であればよく、必ずしもアーム21の先端部分を構成しなくてもよいし、アーム21以外の可動部を構成してもよい。また、第1部材23と第2部材24とは、ロボット9に対して着脱可能な部材(例えばハンド22の構成部材)であってもよい。さらに、配線基板Wは、第1部材23に対して第2部材24が移動した際に変形して特性インピーダンスZ0が変化すればよく、配線基板Wの変形態様は巻径が変化するものに限られない。例えば、渦巻き状に形成された配線基板Wの両端が巻芯の軸方向に移動してもよい。例えば、第1部材23に対して第2部材24が移動した際に、予め折り曲げられた配線基板Wの折り曲げ角が変化してもよい。むろん、第1部材23に対して第2部材24は直線移動をしてもよい。また、配線基板Wは、必ずしも複数の基板上配線Bを有していなくてもよく、少なくとも1本の基板上配線Bを有していればよい。
また、必ずしもシールド基板Sが備えられなくてもよい。例えば、配線基板Wが変形することによって筐体等のシールド基板S以外の導体との距離が変化して、特性インピーダンスZ0が変化してもよい。さらに、シールド基板Sによって配線基板Wを厚み方向の両側から挟まなくてもよく、配線基板Wを厚み方向の一方のみからシールド基板Sが重ねられてもよい。また、シールド基板Sは、全面に導体Cを有するフレキシブルプリント基板でなくてもよく、部分的に導体Cを有するフレキシブルプリント基板であってもよい。さらに、シールド基板Sは、遮蔽効果を有する導体Cを有していればよく、導体Cはグランドと接続されていなくてもよい。
さらに、必ずしも配線基板Wとシールド基板Sとの間にスペーサーIが挟まれなくてもよく、配線基板Wとシールド基板Sとが直接接触し得る構成であってもよい。この場合、基板上配線Bの特性インピーダンスZ0の変化量が大きくなるが、特性インピーダンスZ0の許容範囲Jが大きい場合等にはスペーサーIを省略してもよい。なお、スペーサーIは、配線基板Wとシールド基板Sとの距離を確保できるように構成されていればよく、必ずしも配線基板Wとシールド基板Sと同一の幅を有さなくてもよいし、変形抵抗が小さくなるように穴や溝が設けられてもよい。また、接続配線Kと基板上配線Bとは、必ずしも減衰器を介して接続しなくてもよく、例えば基板上配線Bにて伝送される信号の信号強度が小さい場合等には減衰器を省略してもよい。
1…ロボットシステム、9…ロボット、10…撮像部、11a…カメラ、20…ハンドユニット、20a,20b…ハンドユニット、21…アーム、22…ハンド、23…第1部材、24…第2部材、25…アーム部材、30…胴体ユニット、31…制御基板、40…制御装置、221…掌部、222…指、231…接続基板、232…コネクタ、233…コネクタ、234…回路(減衰器)、236…モーター、237a…従動プーリー、237b…駆動プーリー、239a…タイミングベルト、239b…プーリー、242…回転軸、23a…巻芯、23a1…溝、A…伝送経路、B…基板上配線、C…導体、D…距離、e…許容誤差、E…導体端、F…基板束、F1…折り線、H…高周波信号線、I…スペーサー、J…変化範囲、JC…中心値、K…接続配線、L…低周波信号線、P…電源線、Q…許容範囲、S…シールド基板、T1…余白距離、T2…線間距離、W…配線基板、Y…基板間距離、Z0…特性インピーダンス、θ…回転角度。

Claims (6)

  1. 第1部材と、
    前記第1部材に連結され、前記第1部材に対して回転軸を中心に回転する第2部材と、
    前記第1部材の内部において、前記回転軸と重なる位置に配置された巻芯と、
    記第1部材に配置された接続配線と、
    一端が前記第1部材に接続され、他端が前記第2部材に接続され、前記巻芯の周りに巻き付けられ、可撓性を有する基板束と、を備え、
    前記基板束は、
    前記接続配線に接続する基板上配線を有する配線基板と、
    第1導体を有する第1シールド基板と、
    第2導体を有する第2シールド基板と、
    第1スペーサーと、
    第2スペーサーと、を有し、
    前記第1シールド基板、前記第1スペーサー、前記配線基板、前記第2スペーサー、前記第2シールド基板の順に重なるように配置され、
    前記第1シールド基板、前記第1スペーサー、前記配線基板、前記第2スペーサー、および前記第2シールド基板の前記巻芯の周りに巻き付けられている部分は、互いに固定されておらず、
    前記配線基板の変形に応じた前記基板上配線の特性インピーダンスの変化範囲内に、前記接続配線の特性インピーダンスが含まれる、
    ロボット。
  2. 前記接続配線の特性インピーダンスと前記変化範囲の中心値との差の絶対値は、前記変化範囲の全幅の25%以下である、
    請求項1に記載のロボット。
  3. 前記接続配線の特性インピーダンスと前記変化範囲の中心値とが等しい、
    請求項1または請求項2のいずれかに記載のロボット。
  4. 前記変化範囲は、前記接続配線の特性インピーダンスを含むように設定された許容範囲内に含まれる、
    請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のロボット。
  5. 前記シールド基板の前記導体はグランドに接続される、
    請求項1から4のいずれか一項に記載のロボット。
  6. 前記接続配線と前記基板上配線とは、減衰器を介して接続する、
    請求項1から請求項のいずれか一項に記載のロボット。
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