JP7343101B2 - 回転角度検出センサ、トルク検出センサ、および動力伝達装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転角度検出センサ、トルク検出センサ、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

しかしながら、この種の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、歪みゲージの出力値は、本来計測したいトルクに起因する成分と、可撓性外歯歯車の周期的な変形に起因する誤差成分とを含むこととなる。この誤差成分は、可撓性外歯歯車に入力される回転運動の回転角度に応じて変化する。したがって、トルクを精度よく計測ためには、歪みゲージの出力値から、回転角度に応じた誤差成分をキャンセルする必要がある。

しかしながら、従来の構造では、歪みゲージ自体は、可撓性外歯歯車に入力される回転運動の回転角度を検出できなかった。したがって、上記の誤差成分を算出するために、減速機に接続されるモータから、回転角度の情報を取得する必要があった。

本発明の目的は、可撓性外歯歯車等の円形体に入力される回転運動の回転角度を検出できる回転角度検出センサを提供することである。

本願発明は、円形体に入力される回転運動の回転角度を検出する回転角度検出センサであって、導体層を有する基板を備え、前記導体層は、周方向に等間隔に配置された複数の第１抵抗線パターンと、前記第１抵抗線パターンと同心円状に、かつ、周方向において前記第１抵抗線パターンが配置されない領域に、等間隔に配置された複数の第２抵抗線パターンと、を含み、前記第１抵抗線パターンは、半径方向および周方向のいずれか一方向に延びる第１抵抗線が、直列に接続されたパターンであり、前記第２抵抗線パターンは、前記一方向に延びる第２抵抗線が、直列に接続されたパターンである。

本願発明によれば、複数の第１抵抗線パターンおよび複数の第２抵抗線パターンの抵抗値の変化に基づいて、円形体に入力される回転運動の回転角度を検出できる。

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、トルク検出センサの裏面を示した図である。 図４は、トルク検出センサの表面を示した図である。 図５は、ダイヤフラム部およびトルク検出センサの部分断面図である。 図６は、第１ホイートストンブリッジ回路の回路図である。 図７は、第２ホイートストン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ホイートストンブリッジ回路の回路図である。 図１０は、補正処理を概念的に示した図である。 図１１は、変形例に係るトルク検出センサの裏面を示した図である。

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「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、およびトルク検出センサ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「円形体」の一例である。

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．トルク検出センサについて＞
＜２－１．トルク検出センサの構成＞
トルク検出センサ４０は、フレックスギア２０にかかる周方向のトルクを検出するセンサである。図１に示すように、本実施形態では、円板状のダイヤフラム部２２１の円形の表面に、トルク検出センサ４０が固定されている。

図３は、トルク検出センサ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４は、トルク検出センサ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。図５は、ダイヤフラム部２２１およびトルク検出センサ４０の部分断面図である。

図３～図５に示すように、トルク検出センサ４０は、回路基板４１を有する。本実施形態の回路基板４１は、柔軟に変形可能なフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）である。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から半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５に示すように、トルク検出センサ４０の回路基板４１は、絶縁層４２と、導体層４３とを有する。絶縁層４２は、絶縁体である樹脂からなる。導体層４３は、導体である金属からなる。導体層４３の材料には、例えば、銅または銅を含む合金が用いられる。本実施形態の回路基板４１は、絶縁層４２の表面と裏面との両方に、導体層４３を有する。

また、図５に示すように、トルク検出センサ４０は、両面接着テープ４４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の裏面とが、両面接着テープ４４を介して固定される。両面接着テープ４４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４４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に対するトルク検出センサ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の変形をトルク検出センサ４０へ精度よく伝達するために、両面接着テープ４４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。

回路基板４１には、回転角度検出用抵抗線パターンＰ１と、トルク検出用抵抗線パターンＰ２と、信号処理回路Ｐ３とが、実装されている。回転角度検出用抵抗線パターンＰ１は、本体部４１１の表裏面のうち、ダイヤフラム部２２１に対向する裏面に配置されている。すなわち、裏面側の導体層４３が、回転角度検出用抵抗線パターンＰ１を含む。トルク検出用抵抗線パターンＰ２は、本体部４１１の表裏面のうち、ダイヤフラム部２２１に対向しない表面に配置されている。すなわち、表面側の導体層４３が、トルク検出用抵抗線パターンＰ２を含む。信号処理回路Ｐ３は、フラップ部４１２に配置されている。

＜２－２．回転角度検出機能について＞
回転角度検出用抵抗線パターンＰ１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３に示すように、回転角度検出用抵抗線パターンＰ１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、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ホイートストンブリッジ回路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３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ホイートストンブリッジ回路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ホイートストンブリッジ回路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３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３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ホイートストンブリッジ回路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、径方向に伸長する部分（以下「伸長部」と称する）と、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。

トルク検出センサ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３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ホイートストンブリッジ回路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３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ホイートストンブリッジ回路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ホイートストンブリッジ回路Ｃ１の第１電圧計Ｖ１の計測値ｖ１と、第２ホイートストンブリッジ回路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。このように、本実施形態のトルク検出センサ４０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回転角度検出センサの機能を備えている。

＜２－３．トルク検出機能について＞
トルク検出用抵抗線パターンＰ２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４に示すように、トルク検出用抵抗線パターンＰ２は、第３抵抗線パターンＲ３と、第４抵抗線パターンＲ４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４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。

図９は、第３抵抗線パターンＲ３および第４抵抗線パターンＲ４を含む第３ホイートストンブリッジ回路Ｃｔの回路図である。図９に示すように、本実施形態の第３ホイートストンブリッジ回路Ｃｔは、第３抵抗線パターンＲ３、第４抵抗線パターンＲ４、および２つの固定抵抗Ｒｓを含む。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。２つ固定抵抗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つ抵抗線パターンＲ３，Ｒ４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３抵抗線パターンＲ３および第４抵抗線パターンＲ４の中点Ｍ１と、２つの固定抵抗Ｒｓの中点Ｍ２とが、第３電圧計Ｖｔに接続される。

第３抵抗線パターンＲ３および第４抵抗線パターンＲ４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３抵抗線パターンＲ３の抵抗値が低下し、第４抵抗線パターンＲ４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３抵抗線パターンＲ３の抵抗値が増加し、第４抵抗線パターンＲ４の抵抗値が低下する。このように、第３抵抗線パターンＲ３と第４抵抗線パターンＲ４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３抵抗線パターンＲ３および第４抵抗線パターンＲ４の各抵抗値が変化すると、第３抵抗線パターンＲ３および第４抵抗線パターンＲ４の中点Ｍ１と、２つの固定抵抗Ｒｓの中点Ｍ２との間の電位差が変化するので、第３電圧計Ｖｔの計測値ｖｔが変化する。したがって、この第３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。

＜２－４．リップル補正について＞
ただし、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、第３電圧計Ｖｔの計測値は、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）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Ｐ３は、第３電圧計Ｖｔ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Ｐ３の当該補正処理を、概念的に示した図である。図１０のように、信号処理回路Ｐ３には、第１電圧計Ｖ１、第２電圧計Ｖ２、および第３電圧計Ｖｔの各計測値ｖ１，ｖ２，ｖｔが入力される。信号処理回路Ｐ３は、まず、第１電圧計Ｖ１および第２電圧計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を検出する。そして、検出された回転角度に応じて、上述した誤差成分を推定する。その後、第３電圧計Ｖｔの計測値ｖｔを、推定された誤差成分を用いて補正する。その結果、フレックスギア２０にかかるトルクを、より精度よく出力することができる。

なお、信号処理回路Ｐ３は、上述した回転角度を演算することなく、第１電圧計Ｖ１および第２電圧計Ｖ２の各計測値ｖ１，ｖ２に所定の係数をかけて、第３電圧計Ｖｔの計測値ｖｔ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Ｐ３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＞
また、上述の通り、導体層４３の材料に、銅または銅を含む合金を用いると、トルク検出センサ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、本実施形態では、温度の影響を補正するために、トルク検出センサ４０に温度検出用抵抗線パターンＰ４を設けている。図４に示すように、温度検出用抵抗線パターンＰ４は、トルク検出用抵抗線パターンＰ２と同じ回路基板４１の表面に配置されている。すなわち、表面側の導体層４３が、温度検出用抵抗線パターンＰ４を含む。

温度検出用抵抗線パターンＰ４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パターンである。このため、周方向のトルクによる温度検出用抵抗線パターンＰ４の抵抗値の変化は、極めて小さい。したがって、温度検出用抵抗線パターンＰ４の抵抗値は、温度による変化が支配的となる。したがって、温度検出用抵抗線パターンＰ４の抵抗値を測定すれば、フレックスギア２０の温度または環境温度を反映した信号を取得できる。

信号処理回路Ｐ３は、第３電圧計Ｖｔの計測値を、上記の回転角度だけではなく、温度検出用抵抗線パターンＰ４の抵抗値も考慮して、補正する。具体的には、第３電圧計Ｖｔの計測値ｖｔ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．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、第１抵抗線パターンＲ１に含まれる複数の第１抵抗線ｒ１と、第２抵抗線パターンＲ２に含まれる複数の第２抵抗線ｒ２とが、それぞれ、半径方向に延びていた。これは、ダイヤフラム部２２１の半径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、半径方向だけではなく、周方向にも周期的に変形する。このため、図１１のように、第１抵抗線ｒ１および第２抵抗線ｒ２の向きは、周方向であってもよい。すなわち、第１抵抗線パターンＲ１に含まれる複数の第１抵抗線ｒ１と、第２抵抗線パターンＲ２に含まれる複数の第２抵抗線ｒ２とは、それぞれ、半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。

ただし、第１抵抗線ｒ１および第２抵抗線ｒ２の向きは、検出対象となる円形体に応じて、半径方向および周方向のうち、歪みが大きい向きとすることが望ましい。すなわち、検出対象となる円形体の半径方向の歪みが、周方向の歪みよりも大きい場合には、図３のように、第１抵抗線ｒ１および第２抵抗線ｒ２の向きを、半径方向とすることが望ましい。逆に、検出対象となる円形体の半径方向の歪みが、周方向の歪みよりも小さい場合には、図１１のように、第１抵抗線ｒ１および第２抵抗線ｒ２の向きを、周方向とすることが望ましい。これにより、より大きい検出信号を得ることができる。したがって、より精度よく回転角度を検出できる。

具体的には、上記の実施形態のように、フレックスギア２０のダイヤフラム部２２１にトルク検出センサ４０を取り付ける場合には、第１抵抗線ｒ１および第２抵抗線ｒ２の向きは、半径方向とすることが望ましい。また、フレックスギア２０の円筒部や、インタナルギア１０に、トルク検出センサ４０を取り付ける場合には、第１抵抗線ｒ１および第２抵抗線ｒ２の向きは、周方向とすることが好ましい。

また、上記の実施形態の回転角度検出用抵抗線パターンＰ１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、含んでいた。しかしながら、回転角度検出用抵抗線パターンＰ１に含まれる第１抵抗線パターンＲ１および第２抵抗線パターンＲ２の数は、それぞれ４つ以外でもよい。

また、回路基板４１の導体層４３は、回転角度検出用抵抗線パターンＰ１、トルク検出用抵抗線パターンＰ２、および温度検出用抵抗線パターンＰ４以外の抵抗線パターンを含んでいてもよい。例えば、導体層４３に、フレックスギア２０の軸方向の歪みを検出するための抵抗線パターンが、含まれていてもよい。

また、上記の実施形態では、信号処理回路Ｐ３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Ｐ３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、回路基板４１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、トルク検出の対象物が、フレックスギア２０であった。しかしながら、上記実施形態と同等の構造を有するトルク検出センサ４０を、フレックスギア２０以外の円形体にかかるトルクを検出するために、用いてもよい。ただし、円形体は、入力される回転運動に応じて周期的に撓み変形するものであることが望ましい。

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、本発明に係る回転角度検出センサまたはトルク検出センサを、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、本発明における円形体は、遊星減速機のリングであってもよい。

その他、回転角度検出センサ、トルク検出センサ、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、回転角度検出センサ、トルク検出センサ、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 トルク検出センサ
４１ 回路基板
４２ 絶縁層
４３ 導体層
４４ 両面接着テープ
２２１ ダイヤフラム部
２２２ 肉厚部
４１１ 本体部
４１２ フラップ部
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
Ｃｔ 第３ホイートストンブリッジ回路
Ｐ１ 回転角度検出用抵抗線パターン
Ｐ２ トルク検出用抵抗線パターン
Ｐ３ 信号処理回路
Ｐ４ 温度検出用抵抗線パターン
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 第３抵抗線パターン
Ｒ４ 第４抵抗線パターン
Ｒｓ 固定抵抗
Ｖ１ 第１電圧計
Ｖ２ 第２電圧計
Ｖｔ 第３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

Claims (13)

1. 円形体に入力される回転運動の回転角度を検出する回転角度検出センサであって、
   導体層を有する基板
   を備え、
   前記導体層は、
   周方向に等間隔に配置された複数の第１抵抗線パターンと、
   前記第１抵抗線パターンと同心円状に、かつ、周方向において前記第１抵抗線パターンが配置されない領域に、等間隔に配置された複数の第２抵抗線パターンと、
   を含み、
   前記第１抵抗線パターンは、半径方向および周方向のいずれか一方向に延びる第１抵抗線が、直列に接続されたパターンであり、
   前記第２抵抗線パターンは、前記一方向に延びる第２抵抗線が、直列に接続されたパターンである、回転角度検出センサ。
2. 請求項１に記載の回転角度検出センサであって、
   前記複数の第１抵抗線パターンおよび前記複数の第２抵抗線パターンはそれぞれ、ホイートストンブリッジ回路に組み込まれる、回転角度検出センサ。
3. 請求項１または請求項２に記載の回転角度検出センサであって、
   前記第１抵抗線パターンおよび前記第２抵抗線パターンは、それぞれ、円弧状である、回転角度検出センサ。
4. 請求項３に記載の回転角度検出センサであって、
   前記導体層は、
   ４つの前記第１抵抗線パターンと、
   ４つの前記第２抵抗線パターンと、
   を有し、
   前記第１抵抗線パターンおよび前記第２抵抗線パターンは、それぞれ、前記円形体の中心軸を中心として４５°の角度範囲に広がる、回転角度検出センサ。
5. 請求項４に記載の回転角度検出センサであって、
   前記第１抵抗線パターンおよび前記第２抵抗線パターンは、全体として一つの円環状に広がる、回転角度検出センサ。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の回転角度検出センサを含むトルク検出センサであって、
   前記導体層は、
   前記円形体に掛かるトルクを検出するためのトルク検出用抵抗線パターン
   を含む、トルク検出センサ。
7. 請求項６に記載のトルク検出センサであって、
   前記回転角度検出センサにより検出される前記回転角度に基づいて、前記トルク検出用抵抗線パターンの計測値を補正する信号処理回路
   を備える、トルク検出センサ。
8. 請求項６または請求項７に記載のトルク検出センサであって、
   前記導体層は、
   前記円形体の温度を検出するための温度検出用抵抗線パターン
   を含む、トルク検出センサ。
9. 請求項６から請求項８までのいずれか一項に記載のトルク検出センサであって、
   前記導体層の材料は、銅または銅を含む合金である、トルク検出センサ。
10. 請求項６から請求項９までのいずれか一項に記載のトルク検出センサであって、
    複数の前記導体層を有する、トルク検出センサ。
11. 請求項６から請求項１０までのいずれか一項に記載のトルク検出センサと、
    前記円形体と、
    を有する動力伝達装置。
12. 請求項１１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一方側から半径方向外側または半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、
    前記基板は、前記ダイヤフラム部に固定される、動力伝達装置。
13. 請求項１１に記載の動力伝達装置であって、
    前記円形体は、
    太陽輪の周囲を自転しながら公転する複数の遊星輪が内接するリングであり、
    前記基板は、前記リングの表面に固定される、動力伝達装置。

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