JP7396588B2 - 歪み検出センサおよび動力伝達装置 - Google Patents

Description

本発明は、歪み検出センサおよび動力伝達装置に関する。

近年、例えばロボットの関節などに搭載される減速機の出力歯車において、歪みを精度よく検出することが求められている。斯かる用途に用いられる歪み検出装置は、例えば特開２００４－１９８４００号公報に記載されている。
特開２００４－１９８４００号公報

特開２００４－１９８４００号公報に記載された歪み検出装置は、減速機の可撓性外歯歯車の表面に貼り付けられる歪みゲージユニットを有する。特開２００４－１９８４００号公報の歪みゲージユニットは、３６０度の円弧形状をした検出セグメントが形成された歪みゲージパターンを備える。上記検出セグメントは、一定の間隔で抵抗線を配列したグリッドパターンが所定形状となるように形成されたものである。斯かる歪み検出装置によれば、可撓性外歯歯車の歪みを、全周に亘って精度よく検出することができると考えられる。

しかしながら、特開２００４－１９８４００号公報に記載された歪み検出装置では、歪みゲージパターンの一部に応力が集中しやすいと考えられる。とりわけ、隣り合う抵抗線同士を繋ぐ接続箇所には、応力が集中しやすく、歪みゲージパターンの断線を招いてしまう虞もあった。

本発明の目的は、円形体の歪みを精度よく検出することができ、しかも断線が生じ難い歪み検出センサおよび動力伝達装置を提供することを目的とする。

本願の観点では、円形体の歪みを検出する歪み検出センサであって、基板と、補強層とを備える歪み検出センサが提供される。前記基板は、導体層を有する。前記補強層は、前記基板の一部を覆う。前記導体層は、円弧状または円環状の抵抗線パターンを含む。前記抵抗線パターンは、複数の抵抗線と、複数の折り返し部位とを含む。前記複数の抵抗線は、前記円形体の半径方向に延び、または前記円形体の半径方向に対して周方向一方側に一定角度傾斜して延びている。前記複数の折り返し部位は、前記複数の抵抗線の端部同士を接続する。前記複数の抵抗線は、周方向に等間隔に配列されて、前記周方向に隣り合う前記抵抗線の端部同士が、前記半径方向の両側で交互に前記折り返し部位により接続されて、全体として直列に接続される。前記円形体を軸方向に見たときに、前記補強層は、前記折り返し部位と重複する領域に位置する。

本願の観点によれば、円形体の歪みを精度よく検出することができ、しかも断線が生じ難い歪み検出センサおよび動力伝達装置が提供される。

図１は、第１実施形態に係る動力伝達装置の縦断面図である。 図２は、第１実施形態に係る動力伝達装置の横断面図である。 図３は、第１実施形態に係る歪み検出センサの平面図である。 図４は、抵抗線パターンの様子を示す平面図である。 図５は、第１実施形態に係るホイートストンブリッジ回路の回路図である。 図６は、第１実施形態に係る歪み検出センサの断面図である。 図７は、第２実施形態に係る歪み検出センサの断面図である。 図８は、第３実施形態に係る歪み検出センサの断面図である。 図９は、第４実施形態に係る歪み検出センサの平面図である。 図１０は、第４実施形態に係るブリッジ回路の回路図である。

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．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、無人運搬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、軸方向に見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の筒状部２１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。

＜１－２．歪み検出センサについて＞
歪み検出センサ４０は、フレックスギア２０の歪み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、歪み検出センサ４０の裏面が固定されている。

図３は、歪み検出センサ４０を軸方向に見た平面図である。図３に示すように、歪み検出センサ４０は、基板４１を備える。本実施形態の基板４１は、柔軟に変形可能なフレキシブル基板である。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。基板４１は、導体層Ｌ１を有する。本実施形態の導体層Ｌ１は、基板４１の軸方向における一方側の端面（表面）に位置する。

図３に示すように、導体層Ｌ１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。図４は、第１抵抗線パターンＲ１および第２抵抗線パターンＲ２の部分拡大図である。後述するように、第１抵抗線パターンＲ１および第２抵抗線パターンＲ２は、ホイートストンブリッジ回路４２に組み込まれる。別の言い方をすれば、本体部４１１の表面にホイートストンブリッジ回路４２が実装されている。また、信号処理回路４３が、フラップ部４１２に実装されている。

図３に示すように、第１抵抗線パターンＲ１は、１本の導体が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。第１抵抗線パターンＲ１の材料には、例えば、銅または銅を含む合金が用いられる。図３および図４に示すように、第１抵抗線パターンＲ１には、複数の第１抵抗線ｒ１と、複数の折り返し部位ｒ１１とが含まれる。複数の第１抵抗線ｒ１は、互いに略平行な姿勢で、周方向に等間隔に配列される。第１抵抗線パターンＲ１においては、周方向に隣り合う第１抵抗線ｒ１同士が、半径方向の一方側と他方側とで折り返し部位ｒ１１により交互に接続されて、全体として直列に接続されている。各第１抵抗線ｒ１は、基板４１の軸方向における一方側から見たときに、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１抵抗線ｒ１の傾斜角度は、例えば４５°とされる。

図３に示すように、第２抵抗線パターンＲ２は、１本の導体が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。第２抵抗線パターンＲ２の材料には、例えば、銅または銅を含む合金が用いられる。第２抵抗線パターンＲ２は、第１抵抗線パターンＲ１よりも、半径方向内側に位置する。すなわち、第１抵抗線パターンＲ１と第２抵抗線パターンＲ２とは、互いに重ならない位置に配置される。図３および図４に示すように、第２抵抗線パターンＲ２には、複数の第２抵抗線ｒ２と、複数の折り返し部位ｒ１２とが含まれる。複数の第２抵抗線ｒ２は、互いに略平行な姿勢で、周方向に等間隔に配列される。第２抵抗線パターンＲ２においては、周方向に隣り合う第２抵抗線ｒ２同士が、半径方向の一方側と他方側とで折り返し部位ｒ１２により交互に接続されて、全体として直列に接続されている。各第２抵抗線ｒ２は、基板４１の軸方向における一方側から見たときに、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２抵抗線ｒ２の傾斜角度は、例えば－４５°とされる。

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つの抵抗線パターン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に掛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、軸方向の一方側から見たときに、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掛かると、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、軸方向の一方側から見たときに、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掛かると、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に掛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の間の電位差信号に基づいて、フレックスギア２０の歪みを検出することにより、フレックスギア２０に掛かるトルクを検出するための回路である。別の言い方をすれば、信号処理回路４３は、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に掛かるトルクを検出する。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。

以上のような構成の動力伝達装置１において、フレックスギア２０の回転に伴ってダイヤフラム部２２１は撓み変形を繰り返す。特に、フレックスギア２０のダイヤフラム部２２１の径方向外側の端部、およびダイヤフラム部２２１の径方向内側の端部において、ダイヤフラム部２２１は大きく撓む。そのため、単に第１抵抗線パターンＲ１および第２抵抗線パターンＲ２の全面を均一な固着力で基板４１の本体部４１１に固着させた場合、第１抵抗線パターンＲ１の半径方向外側の折り返し部位ｒ１１、および第２抵抗線パターンＲ２の半径方向内側の折り返し部位ｒ１２に直接的にダイヤフラム部２２１の歪みが伝わり、応力が集中し易い。そのため、当該折り返し部位ｒ１１，ｒ１２において、断線が生じる虞がある。この点、本実施形態では、折り返し部位ｒ１１，ｒ１２の断線を防ぐための特有の構成を有している。

＜１－３．本実施形態に特有の構成について＞
以下では、歪み検出センサ４０が有する特有の構成について、図６を参照して説明する。図６は、歪み検出センサ４０の断面図である。歪み検出センサ４０は、第１固着層４５、第２固着層４６、絶縁層４７、第３固着層４８、および補強層４９を有する。

第１固着層４５は、基板４１の本体部４１１とダイヤフラム部２２１との間に位置する。本実施形態では、第１固着層４５は、基板４１の本体部４１１の裏面に位置する。第１固着層４５は、軸方向に一定の厚みを有する。本実施形態の第１固着層４５は、両面接着テープである。両面接着テープは、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。

第２固着層４６は、基板４１の本体部４１１を挟んで第１固着層４５とは反対側に位置する。本実施形態では、第２固着層４６は基板４１の導体層Ｌ１の表面を覆う。第２固着層４６は、軸方向に一定の厚みを有する。本実施形態の第２固着層４６は、両面接着テープである。

絶縁層４７は、第２固着層４６を挟んで基板４１の本体部４１１とは反対側に位置する。絶縁層４７の素材は、絶縁体である。本実施形態では、絶縁層４７は、第２固着層４６を介して導体層Ｌ１の表面を覆う。これにより、基板４１の導体層Ｌ１が保護されると共に、後述する補強層４９と導体層Ｌ１との接触が回避されている。

第３固着層４８は、絶縁層４７を挟んで第２固着層４６とは反対側に位置する。本実施形態では、第３固着層４８は、絶縁層４７の表面の一部に位置する。具体的には、第３固着層４８は、絶縁層４７の表面のうち、軸方向に見たときに第１抵抗線パターンＲ１の半径方向外側の折り返し部位ｒ１１が位置する領域と、軸方向に見たときに第２抵抗線パターンＲ２の半径方向内側の折り返し部位ｒ１２が位置する領域とに、位置する。第１抵抗線パターンＲ１の半径方向外側の折り返し部位ｒ１１に対応して設けられる第３固着層４８は、軸方向に見たときに円環状である。第２抵抗線パターンＲ２の半径方向内側の折り返し部位ｒ１２に対応して設けられる第３固着層４８も、軸方向に見たときに円環状である。別の言い方をすれば、第３固着層４８は、軸方向に見たときに上記折り返し部位ｒ１１，ｒ１２を覆う二重の円環状となっている。第３固着層４８は、軸方向に一定の厚みを有する。本実施形態の第３固着層４８は、両面接着テープである。

補強層４９は、基板４１の本体部４１１を挟んでダイヤフラム部２２１とは反対側に位置する。また、補強層４９は、第３固着層４８を挟んで絶縁層４７とは反対側に位置する。本実施形態では、補強層４９は、第３固着層４８の表面の全面に位置する。補強層４９の素材は、ＳＵＳ等の金属であってもよく、あるいはゴム等のより柔らかい素材であってもよい。補強層４９は、軸方向にみたときに、第１抵抗線パターンＲ１の半径方向外側の折り返し部位ｒ１１が位置する領域と、第２抵抗線パターンＲ２の半径方向内側の折り返し部位ｒ１２が位置する領域とに対応する、二重の円環状となっている（図３を参照）。補強層４９は、軸方向に一定の厚みを有する。

以上のような構成の歪み検出センサ４０において、軸方向に見たときに、第１抵抗線パターンＲ１の半径方向外側の折り返し部位ｒ１１が位置する領域と、第２抵抗線パターンＲ２の半径方向内側の折り返し部位ｒ１２が位置する領域とに、補強層４９が重ねられている。これによれば、基板４１の本体部４１１のうち、第１抵抗線パターンＲ１の半径方向外側の折り返し部位ｒ１１が位置する領域と、第２抵抗線パターンＲ２の半径方向内側の折り返し部位ｒ１２が位置する領域とが、補強層４９により補強されて、変形し難くなる。よって、第１抵抗線パターンＲ１の半径方向外側の折り返し部位ｒ１１、および、第２抵抗線パターンＲ２の半径方向内側の折り返し部位ｒ１２に、ダイヤフラム部２２１の歪みが伝わり難くなる。その結果、当該折り返し部位ｒ１１，１２が断線してしまうことが抑制される。

なお、本実施形態のように歪み検出センサ４０が補強層４９を有することにすると、ダイヤフラム部２２１が補強層４９により押さえ込まれて、ダイヤフラム部２２１の全体が変形し難くなる。しかしながら、ダイヤフラム部２２１が変形し難くなる度合いに比べて、折り返し部位ｒ１１，ｒ１２の応力が低減される度合いの方が、はるかに大きい。したがって、補強層４９を設けて折り返し部位ｒ１１，ｒ１２の応力を低減しても、導体層Ｌ１のセンシング部（第１抵抗線ｒ１および第２抵抗線ｒ２）で、ダイヤフラム部２２１の歪みを精度よく検出することができる。

＜１－４．まとめ＞
以上に示したように、本実施形態に係る歪み検出センサ４０は、基板４１の一部を覆う補強層４９を備える。フレックスギア２０のダイヤフラム部２２１を軸方向に見たときに、補強層４９は、折り返し部位ｒ１１，ｒ１２と重複する領域に位置する。これにより、抵抗線パターンＲ１，Ｒ２の折り返し部位ｒ１１，ｒ１２にフレックスギア２０のダイヤフラム部２２１の歪みが伝わることを抑制できる。したがって、抵抗線パターンＲ１，Ｒ２の断線を抑制できる。

また、本実施形態に係る歪み検出センサ４０においては、フレックスギア２０の軸方向に見たときに、補強層４９は、第１抵抗線パターンＲ１の半径方向外側の折り返し部位ｒ１１、および第２抵抗線パターンＲ２の半径方向内側の折り返し部位ｒ１２の全てと、重複する領域に位置する。これにより、全ての折り返し部位ｒ１１，ｒ１２において応力が集中するのを抑制することができ、抵抗線パターンＲ１，Ｒ２の断線を抑制できる。

また、本実施形態に係る歪み検出センサ４０においては、フレックスギア２０の軸方向に見たときに、補強層４９は、複数の抵抗線ｒ１，ｒ２が周方向に配列される領域を避けた領域に位置する。これにより、フレックスギア２０のダイヤフラム部２２１の歪みが抵抗線ｒ１，ｒ２に良好に伝わる。したがって、精度よく歪み検出結果を得るととともに、抵抗線パターンＲ１，Ｒ２の断線を抑制できる。

また、本実施形態に係る歪み検出センサ４０においては、固着層４５，４６，４８は、両面接着テープである。これにより、容易にフレックスギア２０のダイヤフラム部２２１に歪み検出センサ４０の基板４１の本体部４１１を取り付けたり、基板４１の本体部４１１に補強層４９を取り付けたりすることができる。

また、本実施形態に係る歪み検出センサ４０においては、第１抵抗線パターンＲ１および第２抵抗線パターンＲ２は、ホイートストンブリッジ回路４２に組み込まれる。これにより、ホイートストンブリッジ回路４２を用いて、フレックスギア２０に掛かるトルク（歪み）を検出することができる。

また、本実施形態に係る動力伝達装置１においては、フレックスギア（円形体）２０はダイヤフラム部２２１を備える。基板４１の本体部４１１は、ダイヤフラム部２２１に固定される。これにより、フレックスギア２０のダイヤフラム部２２１に掛かるトルク（歪み）を検出することができる。

＜２．第２実施形態＞
以下では、第２実施形態に係る動力伝達装置１について、図７を参照しながら説明する。なお、以下の説明においては、上述した実施形態で示したのと同様の構成・機能の部材については、上述の実施形態で示したのと同一の符号を付し、重複説明を省略する。

図７は、第２実施形態に係る歪み検出センサ２４０の断面図である。歪み検出センサ２４０は、第１固着層４５、第２固着層２４６、および補強層２４９を有する。

第２固着層２４６は、基板４１の本体部４１１を挟んで第１固着層４５とは反対側に位置する。本実施形態では、第２固着層２４６は、導体層Ｌ１の表面の一部を覆う。具体的には、第２固着層２４６は、導体層Ｌ１の表面のうち、軸方向に見たときに第１抵抗線パターンＲ１の半径方向外側の折り返し部位ｒ１１が位置する領域と、軸方向に見たときに第２抵抗線パターンＲ２の半径方向内側の折り返し部位ｒ１２が位置する領域とに、位置する。第２固着層２４６は、これらの折り返し部位ｒ１１，ｒ１２と、軸方向において重なる。第１抵抗線パターンＲ１の半径方向外側の折り返し部位ｒ１１に対応して設けられる第２固着層２４６は、軸方向に見たときに円環状である。第２抵抗線パターンＲ２の半径方向内側の折り返し部位ｒ１２に対応して設けられる第２固着層２４６も、軸方向に見たときに円環状である。別の言い方をすれば、第２固着層２４６は、軸方向に見たときに上記折り返し部位ｒ１１，ｒ１２を覆う二重の円環状となっている。第２固着層２４６は、軸方向に一定の厚みを有する。本実施形態の第２固着層２４６は、両面接着テープである。

補強層２４９は、第２固着層２４６を挟んで基板４１の本体部４１１とは反対側に位置する。本実施形態では、補強層２４９は、第２固着層２４６の表面の全面に位置する。補強層２４９の素材は、ゴム等の絶縁体である。補強層２４９は、軸方向に見たときに、第１抵抗線パターンＲ１の半径方向外側の折り返し部位ｒ１１が位置する領域と、第２抵抗線パターンＲ２の半径方向内側の折り返し部位ｒ１２が位置する領域とに重なる、二重の円環状となっている。補強層２４９は、軸方向に一定の厚みを有する。

このような構成によっても、基板４１の本体部４１１のうち、応力が集中し易い折り返し部位ｒ１１，ｒ１２に対応する領域が、補強層２４９により補強される。これにより、当該折り返し部位ｒ１１，ｒ１２に、ダイヤフラム部２２１の歪みが伝わり難くなる。その結果、当該折り返し部位ｒ１１，ｒ１２が断線してしまうことが抑制される。

また、第２実施形態に係る歪み検出センサ２４０においては、補強層２４９自体が絶縁体である。これにより、補強層２４９と、基板４１の本体部４１１と、の間に別部材としての絶縁体を設けることなく、補強層２４９により、抵抗線パターンＲ１，Ｒ２の折り返し部位ｒ１１，ｒ１２が配置される領域を補強することができる。その結果、歪み検出センサ４０を軸方向において薄型化することができる。

＜３．第３実施形態＞
以下では、第３実施形態に係る動力伝達装置１について、図８を参照しながら説明する。なお、以下の説明においては、上述した実施形態で示したのと同様の構成・機能の部材については、上述の実施形態で示したのと同一の符号を付し、重複説明を省略する。

図８は、第３実施形態に係る歪み検出センサ３４０の断面図である。歪み検出センサ３４０は、第１固着層４５および補強層３４９を有する。

補強層３４９は、基板４１の本体部４１１を挟んで第１固着層４５とは反対側に位置する。本実施形態では、補強層３４９は、導体層Ｌ１の表面の一部に位置する。具体的には、補強層３４９は、導体層Ｌ１の表面のうち、軸方向に見たときに第１抵抗線パターンＲ１の半径方向外側の折り返し部位ｒ１１が位置する領域と、軸方向に見たときに第２抵抗線パターンＲ２の半径方向内側の折り返し部位ｒ１２が位置する領域とに、位置する。補強層３４９は、これらの折り返し部位ｒ１１，ｒ１２と、軸方向において重なる。第１抵抗線パターンＲ１の半径方向外側の折り返し部位ｒ１１に対応して設けられる補強層３４９は、軸方向に見たときに円環状である。第２抵抗線パターンＲ２の半径方向内側の折り返し部位ｒ１２に対応して設けられる補強層３４９も、軸方向に見たときに円環状である。別の言い方をすれば、補強層３４９は、軸方向に見たときに上記折り返し部位ｒ１１，ｒ１２を覆う二重の円環状となっている。補強層３４９は、軸方向に一定の厚みを有する。本実施形態の補強層３４９は、片面接着テープである。また、補強層３４９の素材は、絶縁体である。

このような構成によっても、基板４１の本体部４１１のうち、応力が集中し易い折り返し部位ｒ１１，ｒ１２に対応する領域が、補強層３４９により補強される。これにより、当該折り返し部位ｒ１１，ｒ１２に、ダイヤフラム部２２１の歪みが伝わり難くなる。その結果、当該折り返し部位ｒ１１，ｒ１２が断線してしまうことが抑制される。

また、第３実施形態に係る歪み検出センサ３４０においては、補強層３４９自体が固着層であるとともに、絶縁体でもある。これにより、補強層３４９と、基板４１の本体部４１１と、の間に別部材としての絶縁体および固着層を設けることなく、補強層３４９により、抵抗線パターンＲ１，Ｒ２の折り返し部位ｒ１１，ｒ１２が配置される領域を補強することができる。その結果、歪み検出センサ４０を軸方向において薄型化することができる。

＜４．第４実施形態＞
以下では、第４実施形態に係る動力伝達装置１について、図９を参照しながら説明する。なお、以下の説明においては、上述した実施形態で示したのと同様の構成・機能の部材については、上述の実施形態で示したのと同一の符号を付し、重複説明を省略する。

図９に示すように、第３抵抗線パターンＲ３は、１本の導体が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１８０°の範囲に、第３抵抗線パターンＲ３が、半円状に設けられている。第３抵抗線パターンＲ３の材料には、例えば、銅または銅を含む合金が用いられる。第３抵抗線パターンＲ３には、複数の第３抵抗線ｒ３と、複数の折り返し部位ｒ１３とが含まれる。複数の第３抵抗線ｒ３は、互いに略平行な姿勢で、周方向に等間隔に配列される。第３抵抗線パターンＲ３においては、周方向に隣り合う第３抵抗線ｒ３同士が、半径方向の一方側と他方側とで折り返し部位ｒ１３により交互に接続されて、全体として直列に接続されている。各第３抵抗線ｒ３は、基板４１の軸方向における一方側から見たときに、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。

第４抵抗線パターンＲ４は、１本の導体が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１８０°の範囲に、第４抵抗線パターンＲ４が、半円状に設けられている。第４抵抗線パターンＲ４の材料には、例えば、銅または銅を含む合金が用いられる。第４抵抗線パターンＲ４には、複数の第４抵抗線ｒ４と、複数の折り返し部位ｒ１４とが含まれる。複数の第４抵抗線ｒ４は、互いに略平行な姿勢で、周方向に等間隔に配列される。第４抵抗線パターンＲ４においては、周方向に隣り合う第４抵抗線ｒ４同士が、半径方向の一方側と他方側とで折り返し部位ｒ１４により交互に接続されて、全体として直列に接続されている。各第４抵抗線ｒ４は、基板４１の軸方向における一方側から見たときに、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ｎ対する第４抵抗線ｒ４の傾斜角度は、例えば－４５°とされる。

第３抵抗線パターンＲ３と第４抵抗線パターンＲ４とは、同心かつ線対称に配置される。具体的には、軸方向に視たときに、中心軸９を通る仮想直線Ｌに対して、一方側に第３抵抗線パターンＲ３が配置され、他方側に第４抵抗線パターンＲ４が配置される。すなわち、第３抵抗線パターンＲ３と第４抵抗線パターンＲ４とは、互いに重ならない位置に配置される。また、第３抵抗線パターンＲ３と第４抵抗線パターンＲ４とは、中心軸９に対する径が同一である。

この第４実施形態の構造でも、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。このため、第３抵抗線パターンＲ３および第４抵抗線パターンＲ４を含むブリッジ回路からの出力信号に基づいて、フレックスギア２０に掛かるトルクを検出できる。

第５抵抗線パターンＲ５は、スラスト歪みを検出するためのものである。第５抵抗線パターンＲ５は、信号処理回路４３と電気的に接続されている。第５抵抗線パターンＲ５の材料には、例えば、銅または銅を含む合金が用いられる。第５抵抗線パターンＲ５は、１本の導体が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。第５抵抗線パターンＲ５は、第３抵抗線パターンＲ３および第４抵抗線パターンＲ４よりも、半径方向外側に位置する。すなわち、第５抵抗線パターンＲ５は、第３抵抗線パターンＲ３および第４抵抗線パターンＲ４と重ならない位置に配置されている。第５抵抗線パターンＲ５には、複数の第５抵抗線ｒ５が含まれる。複数の第５低抵抗線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の半径方向に延びる。

第６抵抗線パターンＲ６は、スラスト歪みを検出するためのものである。第６抵抗線パターンＲ６は、信号処理回路４３と電気的に接続されている。第６抵抗線パターンＲ６の材料には、例えば、銅または銅を含む合金が用いられる。第６抵抗線パターンＲ６は、１本の導体が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６抵抗線パターンＲ６が設けられている。第６抵抗線パターンＲ６は、第３抵抗線パターンＲ３および第４抵抗線パターンＲ４よりも、半径方向内側に位置する。すなわち、第６抵抗線パターンＲ６は、第３抵抗線パターンＲ３および第４抵抗線パターンＲ４と重ならない位置に配置されている。第６抵抗線パターンＲ６には、複数の第６抵抗線ｒ６が含まれる。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の半径方向に延びる。

このように、第５抵抗線パターンＲ５に含まれる複数の第５抵抗線ｒ５と、第６抵抗線パターンＲ６に含まれる複数の第６抵抗線ｒ６とは、いずれも半径方向に延びる。このため、周方向のトルクによる第５抵抗線パターンＲ５および第６抵抗線パターンＲ６の抵抗値の変化は、極めて小さい。ただし、フレックスギア２０のダイヤフラム部２２１に軸方向の歪みが発生すると、第５抵抗線パターンＲ５および第６抵抗線パターンＲ６の抵抗値は、大きく変化する。したがって、第５抵抗線パターンＲ５および第６抵抗線パターンＲ６の各測定値を測定すれば、ダイヤフラム部２２１の軸方向の歪みを反映した信号を取得できる。

信号処理回路４３は、第３抵抗線パターンＲ３および第４抵抗線パターンＲ４を含むブリッジ回路からの出力信号を、第５抵抗線パターンＲ５および第６抵抗線パターンＲ６の各抵抗値で補正する。具体的には、ブリッジ回路からの出力信号の値を、ダイヤフラム部２２１の軸方向の変位の影響をキャンセルする方向に、増加または減少させる。そして、補正後の出力信号に基づいて、トルクを検出する。このようにすれば、ダイヤフラム部２２１の軸方向の変位の影響を抑制して、フレックスギア２０に掛かるトルクを精度よく検出できる。

特に、本実施形態の歪み検出センサ４０は、スラスト歪み検出用の抵抗線パターンとして、第５抵抗線パターンＲ５と第６抵抗線パターンＲ６との２つの抵抗線パターンを有する。このようにすれば、第５抵抗線パターンＲ５と第６抵抗線パターンＲ６とを含むブリッジ回路を構成することができる。したがって、当該ブリッジ回路からの出力信号に基づいて、ダイヤフラム部２２１の軸方向の歪みを、精度よく検出できる。

図１０は、外側抵抗線パターンＲｏと内側抵抗線パターンＲｉとを含むブリッジ回路の例を示した図である。図１０のブリッジ回路は、外側抵抗線パターンＲｏ、内側抵抗線パターンＲｉ、第３固定抵抗Ｒｃ、および第４固定抵抗Ｒｄを含む。外側抵抗線パターンＲｏと第３固定抵抗Ｒｃとは、この順に直列に接続される。第４固定抵抗Ｒｄと内側抵抗線パターンＲｉ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、外側抵抗線パターンＲｏおよび第３固定抵抗Ｒｃの列と、第４固定抵抗Ｒｄおよび内側抵抗線パターンＲｉの列とが、並列に接続される。また、外側抵抗線パターンＲｏおよび第３固定抵抗Ｒｃの中点Ｍ３と、第４固定抵抗Ｒｄおよび内側抵抗線パターンＲｉの中点Ｍ４とが、電圧計Ｖに接続される。

外側抵抗線パターンＲｏおよび内側抵抗線パターンＲｉの各抵抗値は、ダイヤフラム部２２１の軸方向の変位に応じて変化する。例えば、ダイヤフラム部２２１の内周部が、インタナルギア１０から離れる方向に変位すると、外側抵抗線パターンＲｏおよび内側抵抗線パターンＲｉの各抵抗値が低下する。一方、ダイヤフラム部２２１の内周部が、インタナルギア１０に近づく方向に変位すると、外側抵抗線パターンＲｏおよび内側抵抗線パターンＲｉの各抵抗値が増加する。このように、外側抵抗線パターンＲｏと内側抵抗線パターンＲｉとは、ダイヤフラム部２２１の軸方向の変位に対して同じ向きの抵抗値変化を示す。

そして、外側抵抗線パターンＲｏおよび内側抵抗線パターンＲｉの各抵抗値が変化すると、外側抵抗線パターンＲｏおよび第３固定抵抗Ｒｃの中点Ｍ３と、第４固定抵抗Ｒｄおよび内側抵抗線パターンＲｉの中点Ｍ４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、ダイヤフラム部２２１の軸方向の変位量を、精度よく検出することができる。その結果、第３抵抗線パターンＲ３および第４抵抗線パターンＲ４を含むブリッジ回路４２からの出力信号に対する補正値を、より適正に算出できる。

なお、スラスト歪み検出用の抵抗線パターンＲ５，Ｒ６は、上述した任意の実施形態の歪み検出センサ４０に追加することができる。例えば、第１実施形態の歪み検出センサ４０に、本実施形態と同様のスラスト歪み検出用の抵抗線パターンＲ５，Ｒ６を追加してもよい。

図９において二点鎖線で示したように、本実施形態の歪み検出センサ４０は、２つの円環状の補強層４４９を有する。２つの補強層４４９の一方は、軸方向に視たときに、第５抵抗線パターンＲ５の半径方向外側の折り返し部位ｒ１５が位置する領域に、上述と同様の固着層や絶縁層等を介して、重ねられている。これにより、軸方向に視たときに、第５抵抗線パターンＲ５の半径方向外側の折り返し部位ｒ１５が位置する領域は、補強層４４９によって補強されて、変形し難くなる。その結果、本実施形態では、第５抵抗線パターンＲ５の半径方向外側の折り返し部位ｒ１５において、ダイヤフラム部２２１の歪みが伝わり難く、断線が生じ難い。

２つの補強層４４９の他方は、軸方向に視たときに、第６抵抗線パターンＲ６の半径方向内側の折り返し部位ｒ１６が位置する領域に、上述と同様の固着層や絶縁層等を介して、重ねられている。これにより、軸方向に視たときに、第６抵抗線パターンＲ６の半径方向内側の折り返し部位ｒ１６が位置する領域は、補強層４４９によって補強されて、変形し難くなる。その結果、本実施形態では、第６抵抗線パターンＲ６の半径方向内側の折り返し部位ｒ１６において、ダイヤフラム部２２１の歪みが生じ難く、断線が生じ難い。

＜５．変形例＞
以上、本発明の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。

上記の実施形態で示した固着層４６，４８，２４６が、補強層を兼ねることにしてもよい。すなわち、補強層は、フレックスギア２０の軸方向において複数箇所に備えられていてもよい。これにより、抵抗線パターンＲ１，Ｒ２の折り返し部位ｒ１１，ｒ１２にフレックスギア２０のダイヤフラム部２２１の歪みが伝わることをより効果的に抑制できる。したがって、抵抗線パターンＲ１，Ｒ２の断線をより一層抑制できる。

上記の実施形態では、補強層４９，２４９，３４９は円環状であるとしたが、これに限らず、補強層を円弧状としてもよい。具体的には、導体層Ｌ１が半円状の抵抗線パターンを含む場合に、補強層を半円状としてもよい。また、補強層を、複数の円弧状の補強層が組み合わされて構成されるものとしてもよい。

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、歪み検出の対象物が、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歪み検出センサ４０を、フレックスギア２０以外の円形体に掛かるトルクを検出するために、用いてもよい。

上記の実施形態の抵抗線パターンは、全て、円形体の歪みを検出するために用いられる抵抗線パターンである。これらの抵抗線パターンの数や形状や位置は、適宜に設計変更可能である。その他、歪み検出センサおよび動力伝達装置の細部の構成についても、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型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
１１ 内歯
２０ フレックスギア（円形体）
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 歪み検出センサ
４１ 基板
４２ ホイートストンブリッジ回路
４３ 信号処理回路
４５ 第１固着層
４６ 第２固着層
４７ 絶縁層
４８ 第３固着層
４９ 補強層
２２１ ダイヤフラム部
２２２ 肉厚部
４１１ 本体部
４１２ フラップ部
Ｌ１ 導体層
Ｒ１ 第１抵抗線パターン
Ｒ２ 第２抵抗線パターン
ｒ１ 抵抗線
ｒ１１ 折り返し部位
ｒ１２ 折り返し部位
ｒ２ 第２抵抗線

Claims (16)

1. 円形体の歪みを検出する歪み検出センサであって、
   導体層を有する基板と、
   前記基板の一部を覆う補強層と、
   を備え、
   前記導体層は、円弧状または円環状の抵抗線パターンを含み、
   前記抵抗線パターンは、
   前記円形体の半径方向に延びた、または、前記円形体の半径方向に対して周方向一方側に一定角度傾斜して延びた複数の抵抗線と、
   前記複数の抵抗線の端部同士を接続する複数の折り返し部位と、
   を含み、
   前記複数の抵抗線が、周方向に等間隔に配列されて、前記周方向に隣り合う前記抵抗線の端部同士が、前記半径方向の両側で交互に前記折り返し部位により接続されて、全体として直列に接続され、
   前記円形体を軸方向に見たときに、前記補強層は、前記折り返し部位と重複する領域に位置し、
   前記円形体を軸方向に見たときに、前記補強層は、前記複数の抵抗線が周方向に配列される領域を避けた領域に位置することを特徴とする、歪み検出センサ。
2. 請求項１に記載の歪み検出センサであって、
   前記円形体を軸方向に見たときに、前記補強層は、周方向に並ぶ複数の前記折り返し部位の全てと重複する領域に位置する、歪み検出センサ。
3. 請求項１から請求項２までのいずれか一項に記載の歪み検出センサであって、
   前記補強層は、円弧状または円環状である、歪み検出センサ。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の歪み検出センサであって、
   前記補強層は、前記基板を挟んで前記円形体とは反対側に位置する、歪み検出センサ。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の歪み検出センサであって、
   前記補強層は絶縁体である、歪み検出センサ。
6. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の歪み検出センサであって、
   前記基板と前記円形体との間に位置する第１固着層と、
   前記基板を挟んで前記第１固着層とは反対側に位置する第２固着層と、
   前記第２固着層を挟んで前記基板とは反対側に位置する絶縁層と、
   前記絶縁層を挟んで前記第２固着層とは反対側に位置する第３固着層と、
   をさらに備え、
   前記補強層は、前記第３固着層を挟んで前記絶縁層とは反対側に位置する、歪み検出センサ。
7. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の歪み検出センサであって、
   前記基板と前記円形体との間に位置する第１固着層と、
   前記基板を挟んで前記第１固着層とは反対側に位置する第２固着層と、
   をさらに備え、
   前記補強層は、前記第２固着層を挟んで前記基板とは反対側に位置し、
   前記補強層は絶縁体である、歪み検出センサ。
8. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の歪み検出センサであって、
   前記基板と前記円形体との間に位置する第１固着層と、
   前記基板を挟んで前記第１固着層とは反対側に位置する第２固着層と、
   を備え、
   前記第２固着層は、絶縁体であり、
   前記第２固着層は、前記補強層である、歪み検出センサ。
9. 請求項６に記載の歪み検出センサであって、
   前記補強層は、前記第１固着層、前記第２固着層、および前記第３固着層の少なくともいずれかを含む、歪み検出センサ。
10. 請求項７に記載の歪み検出センサであって、
    前記補強層は、前記第１固着層および前記第２固着層の少なくともいずれかを含む、歪み検出センサ。
11. 請求項６から請求項１０までのいずれか一項に記載の歪み検出センサであって、
    前記固着層は、接着テープである、歪み検出センサ。
12. 請求項１から請求項１１までのいずれか一項に記載の歪み検出センサであって、
    前記補強層は、前記円形体の軸方向において複数箇所に備えられる、歪み検出センサ。
13. 請求項１から請求項１２までのいずれか一項に記載の歪み検出センサであって、
    前記抵抗線パターンは、ホイートストンブリッジ回路に組み込まれる、歪み検出センサ。
14. 請求項１３に記載の歪み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、前記円形体の歪みを検出する信号処理回路
    を備える、歪み検出センサ。
15. 請求項１から請求項１４までのいずれか一項に記載の歪み検出センサと、
    前記円形体と、
    を有する動力伝達装置。
16. 請求項１５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へ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。

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