JP7352877B2 - トルク検出センサおよび動力伝達装置 - Google Patents

Description

本発明は、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２０００－１３１１６０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歯車に、歪みゲージが貼り付けられている。これにより、歯車にかかるトルクの検出が可能となっている。
特開２０００－１３１１６０号公報

しかしながら、上記公報の構造では、歯車の周方向の数か所に、歪みゲージが離散的に貼り付けられている。各歪みゲージが検出するトルクは、歯車の局所的な一部分のトルクである。このような構造では、歯車の全周にかかるトルクを、精度よく検出することが困難であった。

また、この種の減速機では、歯車が周期的に変形する。このため、歪みゲージの検出値は、本来計測したいトルクに起因する成分と、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。

本発明の目的は、歯車等の円形体にかかるトルクを検出するトルク検出センサにおいて、円形体自体の変形に起因する誤差成分を抑えて、円形体にかかるトルクを精度よく検出できる技術を提供することである。

本願の発明は、円形体にかかるトルクを検出するトルク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、円弧状または円環状の第１抵抗線パターンと、前記第１抵抗線パターンと同心円上に配置される円弧状または円環状の第２抵抗線パターンと、を少なくともそれぞれ１つ含み、前記第１抵抗線パターンは、前記円形体の半径方向に対して周方向一方側に、０°よりも大きく４５°よりも小さいか、あるいは、４５°よりも大きく９０°よりも小さい一定角度傾斜した複数の第１抵抗線と、周方向に隣り合う前記第１抵抗線の端部同士を、半径方向の両側で交互に接続して、全体として直列に接続する第１折り返し部位と、を含み、前記第２抵抗線パターンは、前記円形体の半径方向に対して周方向他方側に前記一定角度傾斜した複数の第２抵抗線と、周方向に隣り合う前記第２抵抗線の端部同士を、半径方向の両側で交互に接続して、全体として直列に接続する第２折り返し部位と、を含む。

本願発明によれば、第１抵抗線パターンおよび第２抵抗線パターンを含む回路からの出力信号により、円形体にかかるトルクを検出できる。また、円形体の周期的な変形に起因する誤差成分を抑えて、円形体にかかるトルクを精度よく検出することができる。

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、トルク検出センサの平面図である。 図４は、トルク検出センサの平面図である。 図５は、ホイートストンブリッジ回路の回路図である。 図６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７は、トルク検出センサの一部分を軸方向に視た平面図である。 図８は、傾斜角度と誤差成分との関係を示したグラフである。 図９は、誤差成分が最小となる傾斜角度を示したグラフである。 図１０は、εｒｒ＜εθθの場合の傾斜角度と誤差成分との関係を示したグラフである。 図１１は、変形例に係るトルク検出センサの平面図である。

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「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および図４は、トルク検出センサ４０を軸方向に視た平面図である。図３および図４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。

回路基板４１には、第１抵抗線パターンＲ１および第２抵抗線パターンＲ２を含むホイートストンブリッジ回路４２と、信号処理回路４３とが、実装されている。第１抵抗線パターンＲ１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。第２抵抗線パターンＲ２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。第１抵抗線パターンＲ１と第２抵抗線パターンＲ２とは、軸方向に視たときに互いに重なる位置に配置され、かつ、同心円上に配置されている。信号処理回路４３は、フラップ部４１２に配置されている。なお、図４では、第１抵抗線パターンＲ１の図示が省略され、第２抵抗線パターンＲ２が破線で示されている。

第１抵抗線パターン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抵抗線パターンＲ１が設けられている。また、第１抵抗線パターンＲ１は、複数の第１抵抗線ｒ１１と、複数の第１折り返し部位ｒ１２とを含む。複数の第１抵抗線ｒ１１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ｒ１１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。第１折り返し部位ｒ１２は、周方向に隣り合う第１抵抗線ｒ１１の端部同士を、半径方向の両側で交互に接続する。これにより、複数の第１抵抗線ｒ１１が、全体として直列に接続される。

第２抵抗線パターン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。本実施形態では、中心軸９の周囲の約３６０°の範囲に、第２抵抗線パターンＲ２が設けられている。また、第２抵抗線パターンＲ２は、複数の第２抵抗線ｒ２１と、複数の第２折り返し部位ｒ２２とを含む。複数の第２抵抗線ｒ２１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ｒ２１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。第２折り返し部位ｒ２２は、周方向に隣り合う第２抵抗線ｒ２１の端部同士を、半径方向の両側で交互に接続する。これにより、複数の第２抵抗線ｒ２１が、全体として直列に接続される。

図５は、第１抵抗線パターンＲ１および第２抵抗線パターンＲ２を含むホイートストンブリッジ回路４２の回路図である。図５に示すように、本実施形態のホイートストンブリッジ回路４２は、第１抵抗線パターンＲ１、第２抵抗線パターンＲ２、第１固定抵抗Ｒａ、および第２固定抵抗Ｒｂを含む。第１抵抗線パターンＲ１と第２抵抗線パターンＲ２とは、直列に接続される。第１固定抵抗Ｒａと第２固定抵抗Ｒｂ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つ抵抗線パターンＲ１，Ｒ２の列と、２つの固定抵抗Ｒａ，Ｒｂの列とが、並列に接続される。また、第１抵抗線パターンＲ１および第２抵抗線パターンＲ２の中点Ｍ１と、第１固定抵抗Ｒａおよび第２固定抵抗Ｒｂの中点Ｍ２とが、電圧計Ｖに接続される。

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抵抗線パターンＲ１の抵抗値が低下し、第２抵抗線パターン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抵抗線パターンＲ１の抵抗値が増加し、第２抵抗線パターンＲ２の抵抗値が低下する。このように、第１抵抗線パターンＲ１と第２抵抗線パターン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抵抗線パターンＲ１および第２抵抗線パターンＲ２の各抵抗値が変化すると、第１抵抗線パターンＲ１および第２抵抗線パターンＲ２の中点Ｍ１と、第１固定抵抗Ｒａおよび第２固定抵抗Ｒｂの中点Ｍ２との間の電位差が変化するので、電圧計Ｖの計測値が変化する。したがって、この電圧計Ｖの計測値に基づいて、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。

信号処理回路４３は、電圧計Ｖにより計測される中点Ｍ１，Ｍ２の間の電位差信号（ホイートストンブリッジ回路４２の出力信号）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ための回路である。第１抵抗線パターンＲ１および第２抵抗線パターンＲ２を含むホイートストンブリッジ回路４２は、信号処理回路４３と電気的に接続されている。信号処理回路４３には、例えば、中点Ｍ１，Ｍ２の間の電位差を増幅する増幅器や、増幅後の電気信号に基づいて、トルクの向きおよび大きさを算出するための回路が含まれる。検出されたトルクは、有線または無線により信号処理回路４３に接続された外部の装置へ出力される。

図６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６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４４と、導体層４５とを有する。絶縁層４４は、絶縁体である樹脂からなる。導体層４５は、導体である金属からなる。導体層４５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４４の表面と裏面との両方に、導体層４５を有する。そして、表面の導体層４５が、第１抵抗線パターンＲ１を含み、裏面の導体層４５が、第２抵抗線パターンＲ２を含む。

図６に示すように、トルク検出センサ４０は、両面接着テープ４６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４６を介して固定される。両面接着テープ４６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４６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４６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。

以上のように、本実施形態の動力伝達装置１では、トルク検出センサ４０により、フレックスギア２０にかかるトルクを検出できる。したがって、検出したトルクを、動力伝達装置１が搭載される装置の制御や、故障検出に用いることができる。特に、本実施形態では、トルク検出センサ４０が、動力伝達装置１の構成部品のうち、最も出力側の部品であるフレックスギア２０に固定されている。このようにすれば、フレックスギア２０に出力側からかかる外力を、トルク検出センサ４０により精度よく検出することができる。したがって、例えば、外力を検出したときに装置を緊急停止させるような制御を、応答性よく行うことができる。

特に、本実施形態のトルク検出センサ４０では、フレックスギア２０の周方向の一部分のみにひずみゲージを取り付けるのではなく、フレックスギア２０の周方向のほぼ全周に亘って、第１抵抗線パターンＲ１および第２抵抗線パターンＲ２を設ける。これにより、フレックスギア２０にかかるトルクを、より精度よく検出できる。

また、本実施形態のトルク検出センサ４０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、軸方向に視たときに互いに重なる位置に配置される。これにより、トルク検出センサ４０の半径方向の寸法を抑制できる。したがって、小型の動力伝達装置１に対しても、ダイヤフラム部２２１の表面の限られた範囲に、トルク検出センサ４０を配置できる。

また、本実施形態のトルク検出センサ４０では、ホイートストンブリッジ回路４２と信号処理回路４３とが、１枚の回路基板４１に実装されている。このようにすれば、ホイートストンブリッジ回路４２が搭載された回路基板４１とは別に、信号処理回路４３が搭載された回路基板を用意する必要がない。また、第１抵抗線パターンＲ１および第２抵抗線パターンＲ２を、柔軟なフレキシブルプリント基板に実装することで、フレックスギア２０にかかるトルクの検出精度を、より高めることができる。

各抵抗線パターンＲ１，Ｒ２の材料には、銅または銅を含む合金が用いられる。銅または銅を含む合金を用いれば、他の高価な材料を用いる場合よりも、材料費を抑えることができる。また、回路基板の配線として一般的な銅または銅を含む合金を用いることにより、通常のプリント配線基板と同様の製造工程で、トルク検出センサ４０を製造できる。したがって、トルク検出センサ４０の製造コストを、より抑制できる。

＜３．抵抗線パターンの傾斜角度について＞
図７は、トルク検出センサ４０の一部分を軸方向に視た平面図である。図７に示すように、第１抵抗線パターンＲ１の第１抵抗線ｒ１１は、フレックスギア２０の半径方向に対して、周方向一方側に一定の傾斜角度αだけ傾斜している。この場合、第２抵抗線パターンＲ２の第２抵抗線ｒ２１は、半径方向に対して周方向他方側に一定の傾斜角度αだけ傾斜する。傾斜角度αは、各抵抗線の中点において、半径方向に対して抵抗線が延びる角度とする。本実施形態のトルク検出センサ４０では、この傾斜角度αが、４５°よりも大きく、かつ、９０°よりも小さい一定角度とされている。

動力伝達装置１の動作時には、カム３１の回転により、フレックスギア２０の筒状部２１が、楕円状に変形する。この変形に伴い、ダイヤフラム部２２１に、半径方向の歪みεｒｒと、周方向の歪みεθθとが発生する。半径方向の歪みεｒｒは、周方向の歪みεθθよりも大きい。これらの歪みεｒｒ，εθθは、フレックスギア２０にトルクがかかっていない場合でも、フレックスギア２０が楕円変形している限り発生する。すなわち、ダイヤフラム部２２１には、本来計測したいトルクによる歪みとは別に、フレックスギア２０の楕円変形による半径方向および周方向の歪みεｒｒ，εθθが発生する。したがって、トルク検出センサ４０の検出値は、本来計測したいトルクを反映した成分と、これらの歪みεｒｒ，εθθに起因する誤差成分とを、含むこととなる。

図８は、第１抵抗線ｒ１１および第２抵抗線ｒ２１の傾斜角度αと、上述した歪みεｒｒ，εθθに起因する誤差成分との関係を示したグラフである。図８の横軸は、第１抵抗線ｒ１１および第２抵抗線ｒ２１の傾斜角度αを示している。図８の縦軸は、トルク検出センサ４０の検出値の誤差成分を、本来計測したいトルクの検出感度で正規化した値の絶対値を示している。すなわち、図８のグラフは、本来計測したいトルクの検出感度をＳ、トルク検出センサ４０の検出値の誤差成分をεとして、｜ε／Ｓ｜の値の変化を示したものである。

なお、上述したトルクの検出感度Ｓは、入力信号（負荷トルクに起因する歪）に対する出力信号の比である。トルクの検出感度Ｓは、α＝４５°のときに最も大きくなり、Ｓ＝sin２αで表すことができる。また、トルク検出センサ４０の検出値の誤差成分εは、ε＝１／２｛εｒｒ＋εθθ＋（εｒｒ－εθθ）cos２α｝で表すことができる。したがって、図８のグラフは、｜ε／Ｓ｜＝１／２Ｓ｛｜εｒｒ｜＋｜εθθ｜＋（｜εｒｒ｜－｜εθθ｜）cos２α｝＝１／２sin２α｛｜εｒｒ｜＋｜εθθ｜＋（｜εｒｒ｜－｜εθθ｜）cos２α｝のグラフとなる。

図８中のプロットＰ１は、上記の歪みεｒｒ，εθθの比率が、εｒｒ／εθθ＝１の場合の｜ε／Ｓ｜の変化を示している。図８中のプロットＰ２は、上記の歪みεｒｒ，εθθの比率が、εｒｒ／εθθ＝２の場合の｜ε／Ｓ｜の変化を示している。図８中のプロットＰ３は、上記の歪みεｒｒ，εθθの比率が、εｒｒ／εθθ＝３の場合の｜ε／Ｓ｜の変化を示している。図８中のプロットＰ４は、上記の歪みεｒｒ，εθθの比率が、εｒｒ／εθθ＝４の場合の｜ε／Ｓ｜の変化を示している。

図８の結果によると、プロットＰ１では、｜ε／Ｓ｜の値が最も小さくなるのは、第１抵抗線ｒ１１および第２抵抗線ｒ２１の傾斜角度αが４５°のときである。これに対し、プロットＰ２，Ｐ３，Ｐ４では、｜ε／Ｓ｜の値が最も小さくなるのは、傾斜角度αが４５°のときではなく、４５°よりも大きく９０°よりも小さい角度のときである。具体的には、プロットＰ２では、α＝５４．７°のときに｜ε／Ｓ｜の値が最小となり、プロットＰ３では、α＝６０°のときに｜ε／Ｓ｜の値が最小となり、プロットＰ４では、α＝６３．４°のときに｜ε／Ｓ｜の値が最小となった。

図９は、上記の歪みεｒｒ，εθθの比率εｒｒ／εθθをより細かく変化させて、｜ε／Ｓ｜の値が最小となる傾斜角度αを調べた結果を示したグラフである。図９の横軸は、歪みεｒｒ，εθθの比率εｒｒ／εθθを示している。図９の縦軸は、｜ε／Ｓ｜の値が最小となる傾斜角度αを示している。図９のように、半径方向の歪みεｒｒが周方向の歪みεθθよりも大きい場合（εｒｒ／εθθ＞１の場合）には、誤差成分が最小となる傾斜角度αは、４５°よりも大きく、かつ、９０°よりも小さい角度となる。特に、フレックスギア２０では、上記の比率εｒｒ／εθθは、通常１．５～７．５の範囲となる。このため、図９のグラフより、第１抵抗線ｒ１１および第２抵抗線ｒ２１の傾斜角度αは、５０°以上かつ７０°以下とすることが望ましいと言える。また、フレックスギア２０では、上記の比率εｒｒ／εθθが、２．０～３．５の範囲となる場合が多い。このため、図９のグラフより、第１抵抗線ｒ１１および第２抵抗線ｒ２１の傾斜角度αは、５４°以上かつ６２°以下とすることが、より望ましいと言える。

このように、第１抵抗線ｒ１１および第２抵抗線ｒ２１の傾斜角度αを、４５°よりも大きく、かつ、９０°よりも小さい一定角度とすれば、トルク検出センサ４０の検出値のうち、フレックスギア２０の周期的な楕円変形に起因する誤差成分を抑えることができる。したがって、トルク検出センサ４０により、フレックスギア２０にかかるトルクを、より精度よく検出できる。

また、第１抵抗線ｒ１１および第２抵抗線ｒ２１の傾斜角度αを４５°よりも大きく、かつ、９０°よりも小さい一定角度とすることにより、第１抵抗線パターンＲ１および第２抵抗線パターンＲ２の半径方向の寸法を抑えることができる。これにより、トルク検出センサ４０を、半径方向により小型化できる。

＜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。

＜４－１．εｒｒ＜εθθの場合＞
上記の実施形態では、ダイヤフラム部２２１の半径方向の歪みεｒｒが、周方向の歪みεθθよりも大きい場合について、説明した。これに対し、ダイヤフラム部２２１の半径方向の歪みεｒｒが、周方向の歪みεθθよりも小さい場合について、以下に説明する。

図１０は、εｒｒ＜εθθの場合の、第１抵抗線ｒ１１および第２抵抗線ｒ２１の傾斜角度αと、上述した歪みεｒｒ，εθθに起因する誤差成分との関係を示したグラフである。図１０中のプロットＰ１は、上記の歪みεｒｒ，εθθの比率が、εｒｒ／εθθ＝１の場合の｜ε／Ｓ｜の変化を示している。図１０中のプロットＰ５は、上記の歪みεｒｒ，εθθの比率が、εｒｒ／εθθ＝１／２の場合の｜ε／Ｓ｜の変化を示している。図１０中のプロットＰ６は、上記の歪みεｒｒ，εθθの比率が、εｒｒ／εθθ＝１／３の場合の｜ε／Ｓ｜の変化を示している。図１０中のプロットＰ７は、上記の歪みεｒｒ，εθθの比率が、εｒｒ／εθθ＝１／４の場合の｜ε／Ｓ｜の変化を示している。

図１０の結果によると、プロットＰ５，Ｐ６，Ｐ７では、｜ε／Ｓ｜の値が最も小さくなるのは、傾斜角度αが４５°のときではなく、４５°よりも小さく０°よりも大きい角度のときである。このように、半径方向の歪みεｒｒが周方向の歪みεθθよりも小さい場合（εｒｒ／εθθ＜１の場合）には、第１抵抗線ｒ１１および第２抵抗線ｒ２１の傾斜角度αを、４５°よりも小さく、かつ、０°よりも大きい角度とすることで、トルク検出センサ４０の検出値のうち、フレックスギア２０の周期的な楕円変形に起因する誤差成分を抑えることができる。したがって、トルク検出センサ４０により、フレックスギア２０にかかるトルクを、より精度よく検出できる。

＜４－２．導体層が１層のみの場合＞
図１１は、変形例に係るトルク検出センサ４０を軸方向に視た平面図である。図１１の例では、第１抵抗線パターンＲ１と第２抵抗線パターンＲ２とが、いずれも、ダイヤフラム部２２１に対向しない回路基板４１の表面に配置されている。そして、第２抵抗線パターンＲ２は、第１抵抗線パターンＲ１の半径方向内側、かつ、第１抵抗線パターンＲ１と同心円上に配置されている。このように、第１抵抗線パターンＲ１および第２抵抗線パターンＲ２を、回路基板４１の同一の面に配置すれば、回路基板４１の両面に導体層４５を形成する必要がない。したがって、トルク検出センサ４０を、軸方向により薄型化できる。

＜４－３．他の変形例＞
また、上記の実施形態および変形例のトルク検出センサ４０は、第１抵抗線パターンＲ１および第２抵抗線パターンＲ２を、それぞれ１つずつ備えていた。しかしながら、トルク検出センサ４０は、第１抵抗線パターンＲ１および第２抵抗線パターンＲ２のいずれか一方または両方を、２つ以上備えていてもよい。すなわち、回路基板４１の導体層４５は、第１抵抗線パターンＲ１と、第２抵抗線パターンＲ２とを、少なくともそれぞれ１つ含んでいればよい。また、第１抵抗線パターンＲ１および第２抵抗線パターンＲ２の一部が、ホイートストンブリッジ回路４２とは別の回路に組み込まれていてもよい。

また、回路基板４１の導体層４５は、第１抵抗線パターンＲ１および第２抵抗線パターンＲ２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４５に、温度を計測するための抵抗線パターンや、ダイヤフラム部２２１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、ホイートストンブリッジ回路４２および信号処理回路４３の両方が、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４３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、計測対象となる円形体は、半径方向の歪みと、半径方向の歪みよりも小さい周方向の歪みとを伴いながら、周期的な変形をするものであることが望ましい。

その他、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、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
３０ 波動発生器
４０ トルク検出センサ
４１ 回路基板
４２ ホイートストンブリッジ回路
４３ 信号処理回路
４４ 絶縁層
４５ 導体層
４６ 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
Ｒ１ 第１抵抗線パターン
Ｒ２ 第２抵抗線パターン
Ｒａ 第１固定抵抗
Ｒｂ 第２固定抵抗
εｒｒ 半径方向の歪み
εθθ 周方向の歪み
Ｖ 電圧計
ｒ１１ 第１抵抗線
ｒ１２ 第１折り返し部位
ｒ２１ 第２抵抗線
ｒ２２ 第２折り返し部位
α 傾斜角度

Claims (9)

1. 円形体にかかるトルクを検出するトルク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、
   円弧状または円環状の第１抵抗線パターンと、
   前記第１抵抗線パターンと同心円上に配置される円弧状または円環状の第２抵抗線パターンと、
   を少なくともそれぞれ１つ含み、
   前記第１抵抗線パターンは、
   前記円形体の半径方向に対して周方向一方側に、０°よりも大きく４５°よりも小さいか、あるいは、４５°よりも大きく９０°よりも小さい一定角度傾斜した複数の第１抵抗線と、
   周方向に隣り合う前記第１抵抗線の端部同士を、半径方向の両側で交互に接続して、全体として直列に接続する第１折り返し部位と、
   を含み、
   前記第２抵抗線パターンは、
   前記円形体の半径方向に対して周方向他方側に前記一定角度傾斜した複数の第２抵抗線と、
   周方向に隣り合う前記第２抵抗線の端部同士を、半径方向の両側で交互に接続して、全体として直列に接続する第２折り返し部位と、
   を含む、トルク検出センサ。
2. 請求項１に記載のトルク検出センサであって、
   前記一定角度は、５０°以上かつ７０°以下である、トルク検出センサ。
3. 請求項１または請求項２に記載のトルク検出センサであって、
   前記一定角度は、５４°以上かつ６２°以下である、トルク検出センサ。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のトルク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抵抗線パターンの少なくともいずれか一方は、ホイートストンブリッジ回路に組み込まれる、トルク検出センサ。
5. 請求項４に記載のトルク検出センサであって、
   前記ホイートストンブリッジ回路の出力信号に基づいて、前記円形体にかかるトルクを検出する信号処理回路
   を備える、トルク検出センサ。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載のトルク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。
7. 請求項１から請求項６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、
   前記第１抵抗線パターンは、前記基板の表面に位置し、
   前記第２抵抗線パターンは、前記基板の裏面に位置する、トルク検出センサ。
8. 請求項１から請求項７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。
9. 請求項８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。

Images