特開 2021-143987 故障検出システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2021-143987(P2021-143987A)

(43)【公開日】2021年9月24日

(54)【発明の名称】故障検出システム

(51)【国際特許分類】

   G01L 3/14 20060101AFI20210827BHJP

【ＦＩ】

   G01L3/14 G

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2020-44114(P2020-44114)

(22)【出願日】2020年3月13日

(71)【出願人】

【識別番号】000107147

【氏名又は名称】日本電産シンポ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100135013

【弁理士】

【氏名又は名称】西田 隆美

(72)【発明者】

【氏名】坪根 太平

(72)【発明者】

【氏名】赤峰 勇佑

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼木 大輔

(57)【要約】      （修正有）

【課題】ギアの歪みに基づいて計測値を取得するセンサを備えた駆動装置において、センサの故障を検出できる技術を提供する。
【解決手段】故障検出システムは、モータに搭載された回転角度取得部５３と、動力伝達装置に搭載された回転角度検出センサＳ１と、故障検出部６０と、を備える。故障検出部は、回転角度取得部から、入力軸の回転角度を示す第１計測値を取得するとともに、回転角度検出センサから、入力軸の回転角度を示す第２計測値を取得する。そして、故障検出部は、第１計測値と第２計測値の関係が、所定の範囲内であるか否かに基づいて、前記回転角度取得部または回転角度検出センサの故障を検出する。
【選択図】図１２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

モータと、
前記モータから入力される入力軸の回転運動を減速して出力する動力伝達装置と、
前記モータに搭載され、前記入力軸の回転角度の計測値である第１計測値を取得する回転角度取得部と、
前記動力伝達装置に搭載され、前記動力伝達装置のギアの歪みに基づいて前記入力軸の回転角度の計測値である第２計測値を取得する回転角度検出センサと、
前記回転角度取得部または前記回転角度検出センサの故障を検出する故障検出部と、
を備え、
前記故障検出部は、前記回転角度取得部から前記第１計測値を取得するとともに、前記回転角度検出センサから前記第２計測値を取得し、前記第１計測値と前記第２計測値の関係が、所定の範囲内であるか否かに基づいて、前記回転角度取得部または前記回転角度検出センサの故障を検出する、故障検出システム。

【請求項2】

請求項１に記載の故障検出システムであって、
前記回転角度取得部は、前記モータに搭載されたエンコーダである、故障検出システム。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の故障検出システムであって、
前記動力伝達装置に搭載され、前記動力伝達装置のギアの歪みに基づいて前記ギアにかかるトルクの計測値である第３計測値を取得するトルク検出センサと、
前記第３計測値を、前記第１計測値または前記第２計測値に基づいて補正する補正処理部と、
をさらに備える、故障検出システム。

【請求項4】

請求項３に記載の故障検出システムであって、
前記動力伝達装置に含まれるギアに固定された基板
をさらに備え、
前記回転角度検出センサおよび前記トルク検出センサの少なくともいずれか１つは、前記基板に搭載されている、故障検出システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、故障検出システムに関する。

【背景技術】

【0002】

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計測が可能となっている。

【特許文献1】特開２００４−１９８４００号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

しかしながら、歪みゲージの抵抗線は、ジグザグに折り返された複雑な形状を有する。このため、減速機の駆動時に、計測対象のギアが変形を繰り返すことによって、歪みゲージの抵抗線の一部に断線等の故障が発生する場合がある。このような故障が発生すると、歪みゲージの計測値が変化する。ただし、歪みゲージの計測値の変化を検出するだけでは、その変化が、断線等の故障によるものか、それとも、ギアの実際の歪みによるものかの区別がつかない。従来、このような歪みゲージの故障を適切に検出できる技術は知られていなかった。

【0004】

本発明の目的は、ギアの歪みに基づいて計測値を取得するセンサを備えた駆動装置において、センサの故障を検出できる技術を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本願発明は、モータと、前記モータから入力される入力軸の回転運動を減速して出力する動力伝達装置と、前記モータに搭載され、前記入力軸の回転角度の計測値である第１計測値を取得する回転角度取得部と、前記動力伝達装置に搭載され、前記動力伝達装置のギアの歪みに基づいて前記入力軸の回転角度の計測値である第２計測値を取得する回転角度検出センサと、前記回転角度取得部または前記回転角度検出センサの故障を検出する故障検出部と、を備えた故障検出システムであって、前記故障検出部は、前記回転角度取得部から前記第１計測値を取得するとともに、前記回転角度検出センサから前記第２計測値を取得し、前記第１計測値と前記第２計測値の関係が、所定の範囲内であるか否かに基づいて、前記回転角度取得部または前記回転角度検出センサの故障を検出する。

【発明の効果】

【0006】

本願発明によれば、前記回転角度取得部または回転角度検出センサの故障を検出できる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１は、駆動装置の構成を示した図である。

【図2】図２は、動力伝達装置の横断面図である。

【図3】図３は、センサ基板の裏面を示した図である。

【図4】図４は、センサ基板表面を示した図である。

【図5】図５は、ダイヤフラム部およびセンサ基板の部分断面図である。

【図6】図６は、第１ブリッジ回路の回路図である。

【図7】図７は、第２ブリッジ回路の回路図である。

【図8】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】図９は、第３ブリッジ回路の回路図である。

【図10】図１０は、第３計測値の補正処理を概念的に示した図である。

【図11】図１１は、温度センサの検出回路の回路図である。

【図12】図１２は、故障検出部の機能を概念的に示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

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、駆動装置の中心軸と平行な方向を「軸方向」、駆動装置の中心軸に直交する方向を「半径方向」、駆動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。

【0009】

＜１．駆動装置の構成＞
図１は、駆動装置１００の構成を示した図である。この駆動装置１００は、例えば、ロボットアームの関節に組み込まれて、ロボットアームを動作させるために使用される。ただし、駆動装置１００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に示すように、駆動装置１００は、モータ１と、動力伝達装置２とを備えている。図１では、モータ１および動力伝達装置２のうち、動力伝達装置２のみを断面で示している。

【0010】

モータ１は、駆動電流に応じて回転運動を発生させる駆動源である。図１に示すように、モータ１は、モータケーシング５１、入力軸５２、およびエンコーダ５３を有する。モータケーシング５１の内部には、コイルを含むステータと、マグネットを含むロータとが、収容されている。入力軸５２は、ロータに固定されている。コイルに駆動電流が供給されると、コイルとマグネットとの間の磁気的な吸引力および反発力によって、ロータおよび入力軸５２が、中心軸９を中心として回転する。以下では、このロータおよび入力軸５２の回転数を、「第１回転数」と称する。

【0011】

エンコーダ５３は、入力軸５２の回転角度を計測する計測器である。エンコーダ５３は、多数のスリットが周方向に配列された円板と、光センサとにより構成される。入力軸５２が回転すると、光センサは、スリットを通過する光を断続的に検出する。これにより、入力軸５２の回転角度の計測値（第１計測値）が得られる。エンコーダ５３は、得られた第１計測値を、後述する故障検出部６０へ出力する。エンコーダ５３は、本発明における「回転角度取得部」の一例である。

【0012】

動力伝達装置２は、モータ１から入力される第１回転数の回転運動を、第１回転数よりも低い第２回転数に減速して、出力する装置である。図２は、図１のＡ−Ａ位置から見た動力伝達装置２の横断面図である。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２は、インタナルギア１０、フレックスギア２０、波動発生器３０、およびセンサ基板４０を備えている。

【0013】

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、駆動装置１００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。

【0014】

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「ギア」の一例である。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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、駆動装置１００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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

カム３１は、モータ１の入力軸５２に固定される。モータ１を駆動させると、入力軸５２とともに、カム３１が、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。

【0021】

＜２．センサ基板について＞
＜２−１．センサ基板の構成＞
センサ基板４０は、フレックスギア２０にかかるトルクを検出するためのセンサが搭載された基板である。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、センサ基板４０が固定されている。

【0022】

図３は、センサ基板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、センサ基板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およびセンサ基板４０の部分断面図である。

【0023】

本実施形態のセンサ基板４０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。図３および図４に示すように、センサ基板４０は、中心軸９を中心とする円環状の本体部４１と、本体部４１から半径方向外側へ向けて突出したフラップ部４２とを有する。また、図５に示すように、センサ基板４０は、絶縁層４３と、導体層４４とを有する。絶縁層４３は、絶縁体である樹脂からなる。導体層４４は、導体である金属からなる。導体層４４の材料には、例えば、銅または銅を含む合金が用いられる。本実施形態のセンサ基板４０は、絶縁層４３の表面と裏面との両方に、導体層４４を有する。

【0024】

また、図５に示すように、センサ基板４０は、両面接着テープ４５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、センサ基板４０の裏面とが、両面接着テープ４５を介して固定される。両面接着テープ４５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４５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に対するセンサ基板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。

【0025】

センサ基板４０には、回転角度検出センサＳ１、トルク検出センサＳ２、および温度センサＳ３と、信号処理回路４６とが搭載されている。回転角度検出センサＳ１は、本体部４１の表裏面のうち、ダイヤフラム部２２１に対向する裏面に形成された抵抗線パターンを有する。すなわち、裏面側の導体層４４が、回転角度検出センサＳ１の抵抗線パターンを含む。トルク検出センサＳ２および温度センサＳ３は、本体部４１の表裏面のうち、ダイヤフラム部２２１に対向しない表面に形成された抵抗線パターンを有する。すなわち、表面側の導体層４４が、トルク検出センサＳ２の抵抗線パターンおよび温度センサＳ３の抵抗線パターンを含む。

【0026】

信号処理回路４６は、フラップ部４２に配置されている。

【0027】

＜２−２．回転角度検出センサについて＞
回転角度検出センサＳ１は、ダイヤフラム部２２１の歪みに基づいて、入力軸５２の回転角度を検出するセンサである。図３に示すように、回転角度検出センサＳ１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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

４つの第２抵抗線パターンＲ２は、４つの第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。

【0031】

図６は、４つの第１抵抗線パターンＲ１を含む第１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。

【0032】

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。

【0033】

図７は、４つの第２抵抗線パターンＲ２を含む第２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。

【0034】

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。

【0035】

駆動装置１００の駆動時には、ダイヤフラム部２２１に、半径方向に伸長する部分（以下「伸長部」と称する）と、半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。

【0036】

センサ基板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の半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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

図８は、第１ブリッジ回路Ｃ１の第１電圧計Ｖ１の計測値ｖ１と、第２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。

【0040】

したがって、これらの２つの電圧計Ｖ１，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ことができる。すなわち、これらの計測値ｖ１，ｖ２に基づいて、入力軸５２の回転角度の計測値（第２計測値）が得られる。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、第２計測値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、第２計測値を出力すればよい。

【0041】

＜２−３．トルク検出センサについて＞
トルク検出センサＳ２は、ダイヤフラム部２２１の歪みに基づいて、フレックスギア２０にかかるトルクを検出するセンサである。図４に示すように、トルク検出センサＳ２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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

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ブリッジ回路Ｃ３の回路図である。図９に示すように、本実施形態の第３ブリッジ回路Ｃ３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Ｖ３に接続される。

【0045】

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。

【0046】

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Ｖ３の計測値ｖ３が変化する。したがって、この第３電圧計Ｖ３の計測値ｖ３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。すなわち、フレックスギア２０にかかるトルクの計測値（第３計測値）を得ることができる。

【0047】

＜２−４．リップル補正について＞
駆動装置１００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、上述したトルク検出センサＳ２の計測値には、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）とが含まれる。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。

【0048】

そこで、信号処理回路４６は、トルク検出センサＳ２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４６の当該補正処理を、概念的に示した図である。図１０に示すように、本実施形態の信号処理回路４６は、補正処理部４６１を有する。

【0049】

補正処理部４６１は、回転角度検出センサＳ１から、入力軸５２の回転角度の計測値（第２計測値）を取得するとともに、トルク検出センサＳ２から、フレックスギア２０にかかるトルクの計測値（第３計測値）を取得する。補正処理部４６１は、取得した第２計測値に応じて、上述した誤差成分を推定する。そして、推定された誤差成分を用いて、第３計測値を補正する。具体的には、第３計測値を、誤差成分をキャンセルする方向に増加または減少させる。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反映した第３計測値を出力することができる。

【0050】

なお、補正処理部４６１は、上述した回転角度を演算することなく、第２計測値に所定の係数をかけて、第３計測値に合成してもよい。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、補正処理部４６１の演算速度を向上させることができる。

【0051】

＜２−５．温度補正について＞
上述の通り、導体層４４の材料に、銅または銅を含む合金を用いると、センサ基板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、本実施形態のセンサ基板４０は、温度の影響を補正するために、温度センサＳ３を備えている。図４に示すように、温度センサＳ３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第５抵抗線パターンＲ５を有する。

【0052】

図１１は、第５抵抗線パターンＲ５を含む検出回路Ｃ４の回路図である。図１１に示すように、第５抵抗線パターンＲ５の一端は、定電流源４７の＋極に接続されている。また、第５抵抗線パターンＲ５の他端は、定電流源４７の−極に接続されている。また、温度センサＳ３は、第４電圧計Ｖ４を有する。図１１に示すように、第４電圧計Ｖ４は、第５抵抗線パターンＲ５に対して並列に接続されている。したがって、第４電圧計Ｖ４は、第５抵抗線パターンＲ５の抵抗値に応じた電圧値を計測する。具体的には、定電流源４７から供給される電流値をＩｏとすると、第４電圧計Ｖ４の計測値ｖ４は、ｖ４＝Ｉｏ×Ｒ５となる。

【0053】

第５抵抗線パターンＲ５は、円弧状または円環状であるため、第５抵抗線パターンＲ５の抵抗値は、フレックスギア２０にかかるトルクの影響を受けにくく、温度による変化が支配的となる。したがって、第４電圧計Ｖ４の計測値ｖ４は、動力伝達装置２の温度に応じて変動する。すなわち、第４電圧計Ｖ４の計測値ｖ４に基づいて、動力伝達装置２の温度を示す計測値（第４計測値）を得ることができる。

【0054】

図１０に示すように、信号処理回路４６の補正処理部４６１は、トルク検出センサＳ２から得られるトルクの計測値（第３計測値）を、回転角度検出センサＳ１の計測値（第２計測値）だけではなく、温度センサＳ３の計測値（第４計測値）も考慮して、補正する。具体的には、第３計測値を、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。

【0055】

＜３．故障検出部について＞
続いて、上述した回転角度検出センサＳ１において、抵抗線パターンの断線等の故障が発生したときに、その故障を検出する、故障検出システムの機能について、説明する。図１、図３、および図４に示すように、本実施形態の駆動装置１００は、故障検出部６０を有する。センサ基板４０の信号処理回路４６は、故障検出部６０と電気的に接続されている。故障検出部６０は、ＣＰＵ等のプロセッサや各種のメモリを備えたコンピュータ、または電気回路基板により構成される。

【0056】

図１２は、故障検出部６０の機能を概念的に示した図である。図１２に示すように、故障検出部６０は、モータ１のエンコーダ５３から、入力軸５２の回転角度の計測値（第１計測値）を取得する。また、故障検出部６０は、センサ基板４０の回転角度検出センサＳ１から、信号処理回路４６を通じて、入力軸５２の回転角度の計測値（第２計測値）を取得する。そして、故障検出部６０は、これらの第１計測値と第２計測値とを比較する。

【0057】

回転角度検出センサＳ１が故障していないときには、第１計測値と第２計測値は、入力軸５２の回転角度に応じて、同様に変化する。ただし、モータ１のエンコーダ５３は、光センサを利用しているため故障しにくいのに対し、回転角度検出センサＳ１の第１抵抗線パターンＲ１（Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄ）および第２抵抗線パターンＲ２（Ｒｅ，Ｒｆ，Ｒｇ，Ｒｈ）は、複雑な形状であるため、断線等の故障が発生する可能性が相対的に大きい。また、エンコーダ５３の故障は、モータ１のドライバ回路により、単独で検出することができる。以下では、モータ１のドライバ回路により、エンコーダ５３の故障が検出されていない場合について説明する。回転角度検出センサＳ１が故障すると、第１計測値と第２計測値との関係が、正常範囲から外れる。

【0058】

故障検出部６０は、第１計測値と第２計測値の関係が、所定の正常範囲内である場合（図１２においてｙｅｓの場合）には、回転角度検出センサＳ１の第１抵抗線パターンＲ１（Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄ）および第２抵抗線パターンＲ２（Ｒｅ，Ｒｆ，Ｒｇ，Ｒｈ）に、断線等の故障は発生していないと判定する。一方、第１計測値と第２計測値の関係が、所定の正常範囲から外れた場合（図１２においてｎｏの場合）には、回転角度検出センサＳ１の第１抵抗線パターンＲ１（Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄ）および第２抵抗線パターンＲ２（Ｒｅ，Ｒｆ，Ｒｇ，Ｒｈ）のいずれかに、断線等の故障が発生したと判定する。

【0059】

なお、上述した判定処理に用いられる「第１計測値と第２計測値の関係」は、例えば、第１計測値と第２計測値の差分、または、第１計測値と第２計測値の比率とすればよい。すなわち、故障検出部６０は、これらの差分または比率が、所定の正常範囲から外れた場合に、回転角度検出センサＳ１に故障が発生したと判定すればよい。

【0060】

その後、故障検出部６０は、故障の有無に関する検出結果を出力する。具体的には、故障検出部６０から外部のコントローラへ、検出結果を示す信号を出力する。検出結果は、故障検出部６０またはコントローラが有する表示部に表示されてもよい。

【0061】

以上のように、この駆動装置１００では、故障検出部６０が、モータ１のエンコーダ５３から、入力軸５２の回転角度を示す第１計測値を取得するとともに、回転角度検出センサＳ１から、入力軸５２の回転角度を示す第２計測値を取得する。そして、第１計測値と第２計測値の関係が、所定の正常範囲内であるか否かに基づいて、回転角度検出センサＳ１の故障を検出する。

【0062】

このようにすれば、回転角度検出センサＳ１の第２計測値が変化したときに、その変化が実際の入力軸５２の回転によるものであるのか、それとも、回転角度検出センサＳ１の故障によるものであるのかを、切り分けることができる。また、回転角度検出センサＳ１の故障検出のために、同一のフレックスギア２０に対して２つ以上の回転角度検出センサを設ける必要がない。

【0063】

また、回転角度検出センサＳ１が故障すると、回転角度検出センサＳ１から得られる第２計測値に基づいて補正される第３計測値も、不正確な値となる。しかしながら、本実施形態の駆動装置１００は、故障検出部６０により、回転角度検出センサＳ１が故障していないかどうかを、常時監視できる。したがって、補正後の第３計測値が信頼性のある出力値であるかどうかを、判断できる。

【0064】

＜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。

【0065】

上記の実施形態では、第１計測値を取得する「回転角度検出部」として、モータ１のエンコーダ５３を利用していた。しかしながら、「回転角度検出部」は、エンコーダ５３以外の計測器であってもよい。例えば、「回転角度検出部」は、入力軸５２に固定されたロータの回転角度を、誘起電圧の変化や、磁力の変化により計測する計測器であってもよい。

【0066】

また、上記の実施形態の故障検出部６０は、入力軸５２の回転角度を示す第１計測値および第２計測値を比較することにより、回転角度検出センサＳ１の故障を検出していた。しかしながら、故障検出部６０は、第１計測値および第２計測値をそれぞれ時間微分し、入力軸５２の回転速度を示す値同士を比較することにより、回転角度検出センサＳ１の故障を検出してもよい。

【0067】

また、上記の実施形態では、信号処理回路４６が、センサ基板４０に搭載されていた。しかしながら、信号処理回路４６は、センサ基板４０の外部に設けられていてもよい。例えば、故障検出部６０を構成するコンピュータまたは電気回路基板に、信号処理回路４６が組み込まれていてもよい。また、モータ１のドライバ回路に、信号処理回路４６や故障検出部６０が、搭載されていてもよい。

【0068】

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、センサ基板４０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。

【0069】

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。

【0070】

また、上記の実施形態では、センサ基板４０が、動力伝達装置２のフレックスギア２０に固定されていた。しかしながら、センサ基板４０は、フレックスギア２０以外のギアに固定されるものであってもよい。

【0071】

また、上記の実施形態では、図１０のように、トルク検出センサＳ２の第３計測値を、回転角度検出センサＳ１の第２計測値に基づいて補正していた。しかしながら、第３計測値を、エンコーダ５３の第１計測値に基づいて補正してもよい。例えば、回転角度検出センサＳ１が故障した場合に、第２計測値の代わりに第１計測値を使って、第３計測値を補正してもよい。

【0072】

また、上記の実施形態では、抵抗線パターンの抵抗値の変化により、ギア（可撓性外歯歯車）の歪みを検出していた。しかしながら、ギアに磁性を持たせ、ギアの弾性変形に応じた磁気歪特性の変化を磁気センサ等で検出することで、歪みを検出してもよい。この場合、上記の実施形態よりも、歪みの検出感度は劣るものの、歪みがある部分と非接触で歪みを検出できるため、上記の実施形態よりもセンサの耐久性を向上させることができる。

【0073】

また、上記の実施形態では、エンコーダ５３の故障が、モータのドライバ回路により検出されていないことを前提として、故障検出部６０により、回転角度検出センサＳ１の故障を検出していた。しかしながら、エンコーダ５３が正常であることを前提にできない場合には、故障検出部６０は、エンコーダ５３（回転角度取得部）または回転角度検出センサＳ１の故障を検出するものとして、使用してもよい。

【0074】

また、上記の実施形態では、駆動装置１００が、故障検出部６０を備えていた。すなわち、駆動装置１００自体が、故障検出システムとしての機能を有していた。しかしながら、故障検出部６０は、駆動装置１００とは別に設けられていてもよい。そして、駆動装置１００と故障検出部６０とで、故障検出システムが構成されていてもよい。

【0075】

その他、故障検出システム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。

【産業上の利用可能性】

【0076】

本願は、故障検出システムに利用できる。

【符号の説明】

【0077】

１ モータ
２ 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
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 センサ基板
４１ 本体部
４２ フラップ部
４３ 絶縁層
４４ 導体層
４５ 両面接着テープ
４６ 信号処理回路
４７ 定電流源
５１ モータケーシング
５２ 入力軸
５３ エンコーダ
６０ 故障検出部
１００ 駆動装置（故障検出システム）
２２１ ダイヤフラム部
４６１ 補正処理部
Ｃ１ 第１ブリッジ回路
Ｃ２ 第２ブリッジ回路
Ｃ３ 第３ブリッジ回路
Ｃ４ 検出回路
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
Ｒ５ 第５抵抗線パターン
Ｓ１ 回転角度検出センサ
Ｓ２ トルク検出センサ
Ｓ３ 温度センサ
Ｖ１ 第１電圧計
Ｖ２ 第２電圧計
Ｖ３ 第３電圧計
Ｖ４ 第４電圧計

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】