(57)【要約】【課題】小型で高剛性をもち、構造が単純なトルクセンサを提供する。【解決手段】左側支持体１０と右側支持体２０との間に環状変形体３０を配置する。環状変形体３０の左側面の上下２箇所には、左側支持体１０から右方へ突出した凸状部１１，１２が接合され、環状変形体３０の右側面の左右２箇所には、右側支持体２０から左方へ突出した凸状部２１，２２が接合される。右側支持体２０に負荷がかかった状態で、左側支持体１０にＺ軸まわりのトルクが作用すると、環状変形体３０は楕円状に変形し、その内周面の長軸位置はＺ軸から離れ、短軸位置はＺ軸に近づく。この内周面の長軸位置および短軸位置には図示しない変位電極が形成され、各変位電極に対向する位置には図示しない固定電極が配置され、各固定電極は右側支持体２０に固定される。作用したトルクは、各変位電極と各固定電極とによって構成される容量素子の静電容量値の変動として検出される。【選択図】図１
2012037300.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の回転軸まわりのトルクを検出するトルクセンサであって、
検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、前記回転軸が挿通する貫通開口部を有する環状変形体と、
前記回転軸が左右に伸びる水平線をなすような基準観察方向から見たときに、前記環状変形体の左側に隣接する位置に配置された左側支持体と、
前記基準観察方向から見たときに、前記環状変形体の右側に隣接する位置に配置された右側支持体と、
前記環状変形体の左側の側面上の左側接続点を、前記左側支持体に接続する左側接続部材と、
前記環状変形体の右側の側面上の右側接続点を、前記右側支持体に接続する右側接続部材と、
前記環状変形体の内周面もしくは外周面に固定され、前記環状変形体の弾性変形に起因した変位を生じる変位電極と、
前記変位電極に対向する位置に配置され、前記左側支持体もしくは前記右側支持体に固定された固定電極と、
前記変位電極と前記固定電極とによって構成される容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記右側支持体および前記左側支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用した前記回転軸まわりのトルクを示す電気信号を出力する検出回路と、
を備え、
前記回転軸に直交する投影面についての前記左側接続点の正射影投影像と前記右側接続点の正射影投影像とが異なる位置に形成されるようにしたことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載のトルクセンサにおいて、
環状変形体の左側の側面上に第１の左側接続点および第２の左側接続点が設けられ、
左側接続部材は、前記第１の左側接続点を左側支持体に接続する第１の左側接続部材と、前記第２の左側接続点を左側支持体に接続する第２の左側接続部材と、を有し、
環状変形体の右側の側面上に第１の右側接続点および第２の右側接続点が設けられ、
右側接続部材は、前記第１の右側接続点を右側支持体に接続する第１の右側接続部材と、前記第２の右側接続点を右側支持体に接続する第２の右側接続部材と、を有し、
回転軸に直交する投影面に環状変形体を投影して正射影投影像を得た場合に、環状変形体の輪郭に沿った環状路に、第１の左側接続点、第１の右側接続点、第２の左側接続点、第２の右側接続点の順に、各接続点の正射影投影像が配置されていることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項３】
請求項２に記載のトルクセンサにおいて、
回転軸に直交する投影面上に、回転軸の投影点を通り互いに直交する２直線を引いた場合に、第１の左側接続点および第２の左側接続点の正射影投影像が第１の直線上に配置され、第１の右側接続点および第２の右側接続点の正射影投影像が第２の直線上に配置されていることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のトルクセンサにおいて、
左側支持体および右側支持体として、中心部に貫通開口部を有する環状の構造体を用い、回転軸に沿って、左側支持体、環状変形体、右側支持体の各貫通開口部を貫く挿通孔が確保されるようにしたことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のトルクセンサにおいて、
環状変形体が、回転軸を中心軸として配置された円盤の中央部に、より径の小さな同心円盤の形状をした貫通開口部を形成することにより得られる円環状の部材からなることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のトルクセンサにおいて、
左側支持体および右側支持体が、回転軸を中心軸として配置された円盤の中央部に、より径の小さな同心円盤の形状をした貫通開口部を形成することにより得られる円環状の部材からなることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載のトルクセンサにおいて、
変位電極を、環状変形体の内周面に形成された導電層によって構成し
固定電極を、この導電層に対向する位置に配置され、左側支持体もしくは右側支持体から回転軸に沿った方向に突き出した導電板によって構成したことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載のトルクセンサにおいて、
環状変形体の各部分のうち、所定回転方向のトルクが作用したときに、回転軸に近づく方向に変位する第１の部分に固定された第１の変位電極と、回転軸から離れる方向に変位する第２の部分に固定された第２の変位電極と、前記第１の変位電極に対向する位置に配置された第１の固定電極と、前記第２の変位電極に対向する位置に配置された第２の固定電極と、を有し、
検出回路が、前記第１の変位電極と前記第１の固定電極とによって構成される第１の容量素子の静電容量値と、前記第２の変位電極と前記第２の固定電極とによって構成される第２の容量素子の静電容量値と、の差に相当する電気信号を、作用したトルクを示す電気信号として出力することを特徴とするトルクセンサ。
【請求項９】
請求項８に記載のトルクセンサにおいて、
所定回転方向のトルクが作用したときに、電極間隔が狭まる容量素子を構成する一対の電極の実効対向面積が増加し、電極間隔が広がる容量素子を構成する一対の電極の実効対向面積が減少するように、互いに対向する変位電極と固定電極とをオフセットをもたせて配置したことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれかに記載のトルクセンサにおいて、
所定回転方向のトルクが作用した結果、固定電極に対する変位電極の相対位置が変化した場合にも、容量素子を構成する一対の電極の実効対向面積が変化しないように、固定電極および変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定したことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載のトルクセンサにおいて、
検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、回転軸が挿通する貫通開口部を有し、環状変形体の内側に配置された内側環状変形体と、
前記内側環状変形体の左側の側面上の内側左側接続点を左側支持体に接続する内側左側接続部材と、
前記内側環状変形体の右側の側面上の内側右側接続点を右側支持体に接続する内側右側接続部材と、
前記内側環状変形体の内周面もしくは外周面に固定され、前記内側環状変形体の弾性変形に起因した変位を生じる内側変位電極と、
前記内側変位電極に対向する位置に配置され、前記左側支持体もしくは前記右側支持体に固定された内側固定電極と、
を更に備え、
回転軸に直交する投影面についての前記内側左側接続点の正射影投影像と前記内側右側接続点の正射影投影像とが異なる位置に形成されるようにし、
検出回路が、前記内側変位電極と前記内側固定電極とによって構成される容量素子の静電容量値の変動量を更に利用して、回転軸まわりのトルクを示す電気信号を出力することを特徴とするトルクセンサ。
【請求項１２】
請求項１に記載のトルクセンサにおいて、
ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸まわりのトルクを検出するために、環状変形体が原点Ｏを中心としてＸＹ平面上に配置され、左側支持体がＺ軸負領域に配置され、右側支持体がＺ軸正領域に配置され、
環状変形体のＺ軸負側の側面上に第１の左側接続点および第２の左側接続点が設けられ、
左側接続部材は、前記第１の左側接続点を左側支持体に接続する第１の左側接続部材と、前記第２の左側接続点を左側支持体に接続する第２の左側接続部材と、を有し、
環状変形体のＺ軸正側の側面上に第１の右側接続点および第２の右側接続点が設けられ、
右側接続部材は、前記第１の右側接続点を右側支持体に接続する第１の右側接続部材と、前記第２の右側接続点を右側支持体に接続する第２の右側接続部材と、を有し、
環状変形体の両側面をＸＹ平面上に投影して正射影投影像を得た場合に、第１の右側接続点の投影像が正のＸ軸上、第２の右側接続点の投影像が負のＸ軸上、第１の左側接続点の投影像が正のＹ軸上、第２の左側接続点の投影像が負のＹ軸上に配置されていることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項１３】
請求項１２に記載のトルクセンサにおいて、
環状変形体が、Ｚ軸を中心軸として配置された円盤の中央部に、より径の小さな同心円盤の形状をした貫通開口部を形成することにより得られる円環状の部材からなることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項１４】
請求項１３に記載のトルクセンサにおいて、
ＸＹ平面上に、原点Ｏを通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなすＶ軸およびＷ軸を定義した場合に、Ｖ軸上に配置された第１の変位電極および第１の固定電極と、Ｗ軸上に配置された第２の変位電極および第２の固定電極と、を有し、
検出回路が、前記第１の変位電極と前記第１の固定電極とによって構成される第１の容量素子の静電容量値と、前記第２の変位電極と前記第２の固定電極とによって構成される第２の容量素子の静電容量値と、の差に相当する電気信号を、作用したトルクを示す電気信号として出力することを特徴とするトルクセンサ。
【請求項１５】
請求項１４に記載のトルクセンサにおいて、
所定回転方向のトルクの作用により環状変形体のＸＹ平面上への正射影投影像の輪郭が円から楕円に変化する場合に、この楕円の短軸方向にＶ軸、長軸方向にＷ軸をとり、
トルクが作用していない状態において、第１の固定電極の位置が、第１の変位電極の位置に比べて、前記所定回転方向に所定のオフセット量だけずれ、第２の固定電極の位置が、第２の変位電極の位置に比べて、前記所定回転方向とは逆の方向に所定のオフセット量だけずれていることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項１６】
請求項１３に記載のトルクセンサにおいて、
ＸＹ平面上に、原点Ｏを通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなし、符号をもったＶ軸およびＷ軸を定義した場合に、正のＶ軸上に配置された第１の変位電極および第１の固定電極と、正のＷ軸上に配置された第２の変位電極および第２の固定電極と、負のＶ軸上に配置された第３の変位電極および第３の固定電極と、負のＷ軸上に配置された第４の変位電極および第４の固定電極と、を有し、
検出回路が、「前記第１の変位電極と前記第１の固定電極とによって構成される第１の容量素子の静電容量値と、前記第３の変位電極と前記第３の固定電極とによって構成される第３の容量素子の静電容量値と、の和」と、「前記第２の変位電極と前記第２の固定電極とによって構成される第２の容量素子の静電容量値と、前記第４の変位電極と前記第４の固定電極とによって構成される第４の容量素子の静電容量値と、の和」と、の差に相当する電気信号を、作用したトルクを示す電気信号として出力することを特徴とするトルクセンサ。
【請求項１７】
請求項１６に記載のトルクセンサにおいて、
所定回転方向のトルクの作用により環状変形体のＸＹ平面上への正射影投影像の輪郭が円から楕円に変化する場合に、この楕円の短軸方向にＶ軸、長軸方向にＷ軸をとり、
トルクが作用していない状態において、第１の固定電極の位置が、第１の変位電極の位置に比べて、前記所定回転方向に所定のオフセット量だけずれ、第２の固定電極の位置が、第２の変位電極の位置に比べて、前記所定回転方向とは逆の方向に所定のオフセット量だけずれ、第３の固定電極の位置が、第３の変位電極の位置に比べて、前記所定回転方向に所定のオフセット量だけずれ、第４の固定電極の位置が、第４の変位電極の位置に比べて、前記所定回転方向とは逆の方向に所定のオフセット量だけずれていることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項１８】
請求項１４または１６に記載のトルクセンサにおいて、
所定回転方向のトルクが作用した結果、固定電極に対する変位電極の相対位置が変化した場合にも、容量素子を構成する一対の電極の実効対向面積が変化しないように、固定電極および変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定したことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項１９】
請求項１８に記載のトルクセンサにおいて、
各変位電極を、環状変形体の内周面に形成された共通導電層によって構成したことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２０】
請求項１９に記載のトルクセンサにおいて、
環状変形体を導電性の弾性材料によって構成し、環状変形体の内周面自身を共通導電層として用いることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２１】
請求項１２に記載のトルクセンサにおいて、
検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、Ｚ軸が挿通する貫通開口部を有し、原点Ｏを中心としてＸＹ平面上に、環状変形体の内側にくるように配置された内側環状変形体を更に備え、
前記内側環状変形体のＺ軸負側の側面上に第１の内側左側接続点および第２の内側左側接続点が設けられ、
前記内側環状変形体のＺ軸正側の側面上に第１の内側右側接続点および第２の内側右側接続点が設けられ、
前記第１の内側左側接続点を左側支持体に接続する第１の内側左側接続部材と、前記第２の内側左側接続点を左側支持体に接続する第２の内側左側接続部材と、前記第１の内側右側接続点を右側支持体に接続する第１の内側右側接続部材と、前記第２の内側右側接続点を右側支持体に接続する第２の内側右側接続部材と、
前記内側環状変形体の内周面もしくは外周面に固定され、前記内側環状変形体の弾性変形に起因した変位を生じる内側変位電極と、
前記内側変位電極に対向する位置に配置され、前記左側支持体もしくは前記右側支持体に固定された内側固定電極と、
を更に備え、
前記内側環状変形体の両側面をＸＹ平面上に投影して正射影投影像を得た場合に、第１の内側右側接続点の投影像が正のＹ軸上、第２の内側右側接続点の投影像が負のＹ軸上、第１の内側左側接続点の投影像が正のＸ軸上、第２の内側左側接続点の投影像が負のＸ軸上に配置されており、
検出回路が、前記内側変位電極と前記内側固定電極とによって構成される容量素子の静電容量値の変動量を更に利用して、回転軸まわりのトルクを示す電気信号を出力することを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２２】
所定の回転軸まわりのトルクを検出するトルクセンサであって、
検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、前記回転軸が挿通する貫通開口部を有する外側環状変形体と、
検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、前記回転軸が挿通する貫通開口部を有し、前記外側環状変形体の内側に配置された内側環状変形体と、
前記回転軸が左右に伸びる水平線をなすような基準観察方向から見たときに、前記外側環状変形体および前記内側環状変形体の左側に隣接する位置に配置された左側支持体と、
前記基準観察方向から見たときに、前記外側環状変形体および前記内側環状変形体の右側に隣接する位置に配置された右側支持体と、
前記外側環状変形体の左側の側面上の外側左側接続点を、前記左側支持体に接続する外側左側接続部材と、
前記外側環状変形体の右側の側面上の外側右側接続点を、前記右側支持体に接続する外側右側接続部材と、
前記内側環状変形体の左側の側面上の内側左側接続点を、前記左側支持体に接続する内側左側接続部材と、
前記内側環状変形体の右側の側面上の内側右側接続点を、前記右側支持体に接続する内側右側接続部材と、
前記外側環状変形体の内周面に固定され、前記外側環状変形体の弾性変形に起因した変位を生じる外側変位電極と、
前記外側変位電極に対向するように、前記内側環状変形体の外周面に固定され、前記内側環状変形体の弾性変形に起因した変位を生じる内側変位電極と、
前記外側変位電極と前記内側変位電極とによって構成される容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記右側支持体および前記左側支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用した前記回転軸まわりのトルクを示す電気信号を出力する検出回路と、
を備え、
前記回転軸に直交する投影面について、前記外側左側接続点の正射影投影像と前記外側右側接続点の正射影投影像とが異なる位置に形成され、前記内側左側接続点の正射影投影像と前記内側右側接続点の正射影投影像とが異なる位置に形成されるようにしたことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２３】
ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸まわりのトルクを検出するトルクセンサであって、
検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、Ｚ軸が挿通する貫通開口部を有し、原点Ｏを中心としてＸＹ平面上に配置された外側環状変形体と、
検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、Ｚ軸が挿通する貫通開口部を有し、原点Ｏを中心としてＸＹ平面上に配置され、かつ、前記外側環状変形体の貫通開口部内に配置された内側環状変形体と、
前記外側環状変形体および前記内側環状変形体のＺ軸負領域側に隣接する位置に配置された左側支持体と、
前記外側環状変形体および前記内側環状変形体のＺ軸正領域側に隣接する位置に配置された右側支持体と、
を備え、
前記外側環状変形体のＺ軸負側の側面上に、第１の外側左側接続点および第２の外側左側接続点が設けられ、前記外側環状変形体のＺ軸正側の側面上に、第１の外側右側接続点および第２の外側右側接続点が設けられ、
前記内側環状変形体のＺ軸負側の側面上に、第１の内側左側接続点および第２の内側左側接続点が設けられ、前記内側環状変形体のＺ軸正側の側面上に、第１の内側右側接続点および第２の内側右側接続点が設けられ、
前記第１の外側左側接続点を前記左側支持体に接続する第１の外側左側接続部材と、前記第２の外側左側接続点を前記左側支持体に接続する第２の外側左側接続部材と、前記第１の外側右側接続点を前記右側支持体に接続する第１の外側右側接続部材と、前記第２の外側右側接続点を前記右側支持体に接続する第２の外側右側接続部材と、
前記第１の内側左側接続点を前記左側支持体に接続する第１の内側左側接続部材と、前記第２の内側左側接続点を前記左側支持体に接続する第２の内側左側接続部材と、前記第１の内側右側接続点を前記右側支持体に接続する第１の内側右側接続部材と、前記第２の内側右側接続点を前記右側支持体に接続する第２の内側右側接続部材と、
前記外側環状変形体の内周面に固定され、前記外側環状変形体の弾性変形に起因した変位を生じる外側変位電極と、
前記内側環状変形体の外周面における前記外側変位電極に対向する位置に固定され、前記内側環状変形体の弾性変形に起因した変位を生じる内側変位電極と、
前記外側変位電極と前記内側変位電極とによって構成される容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記右側支持体および前記左側支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用したＺ軸まわりのトルクを示す電気信号を出力する検出回路と、
を更に備え、
前記外側環状変形体および前記内側環状変形体の両側面をＸＹ平面上に投影して正射影投影像を得た場合に、第１の外側右側接続点の投影像が正のＸ軸上、第２の外側右側接続点の投影像が負のＸ軸上、第１の外側左側接続点の投影像が正のＹ軸上、第２の外側左側接続点の投影像が負のＹ軸上、第１の内側右側接続点の投影像が正のＹ軸上、第２の内側右側接続点の投影像が負のＹ軸上、第１の内側左側接続点の投影像が正のＸ軸上、第２の内側左側接続点の投影像が負のＸ軸上に配置されていることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２４】
請求項２３に記載のトルクセンサにおいて、
外側環状変形体および内側環状変形体が、Ｚ軸を中心軸として配置された円盤の中央部に、より径の小さな同心円盤の形状をした貫通開口部を形成することにより得られる円環状の部材からなることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２５】
請求項２４に記載のトルクセンサにおいて、
左側支持体および右側支持体として、中心部に貫通開口部を有する環状の構造体を用い、Ｚ軸に沿って、左側支持体、内側環状変形体、右側支持体の各貫通開口部を貫く挿通孔が確保されるようにしたことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２６】
請求項２４または２５に記載のトルクセンサにおいて、
ＸＹ平面上に、原点Ｏを通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなすＶ軸およびＷ軸を定義した場合に、Ｖ軸上に配置された第１の外側変位電極および第１の内側変位電極と、Ｗ軸上に配置された第２の外側変位電極および第２の内側変位電極と、を有し、
検出回路が、前記第１の外側変位電極と前記第１の内側変位電極とによって構成される第１の容量素子の静電容量値と、前記第２の外側変位電極と前記第２の内側変位電極とによって構成される第２の容量素子の静電容量値と、の差に相当する電気信号を、作用したトルクを示す電気信号として出力することを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２７】
請求項２４または２５に記載のトルクセンサにおいて、
ＸＹ平面上に、原点Ｏを通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなし、符号をもったＶ軸およびＷ軸を定義した場合に、正のＶ軸上に配置された第１の外側変位電極および第１の内側変位電極と、正のＷ軸上に配置された第２の外側変位電極および第２の内側変位電極と、負のＶ軸上に配置された第３の外側変位電極および第３の内側変位電極と、負のＷ軸上に配置された第４の外側変位電極および第４の内側変位電極と、を有し、
検出回路が、「前記第１の外側変位電極と前記第１の内側変位電極とによって構成される第１の容量素子の静電容量値と、前記第３の外側変位電極と前記第３の内側変位電極とによって構成される第３の容量素子の静電容量値と、の和」と、「前記第２の外側変位電極と前記第２の内側変位電極とによって構成される第２の容量素子の静電容量値と、前記第４の外側変位電極と前記第４の内側変位電極とによって構成される第４の容量素子の静電容量値と、の和」と、の差に相当する電気信号を、作用したトルクを示す電気信号として出力することを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２８】
請求項２６または２７に記載のトルクセンサにおいて、
各外側変位電極を、外側環状変形体の内周面に形成された共通導電層によって構成するか、もしくは、各内側変位電極を、内側環状変形体の外周面に形成された共通導電層によって構成したことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２９】
請求項２８に記載のトルクセンサにおいて、
外側環状変形体を導電性の弾性材料によって構成し、外側環状変形体の内周面自身を共通導電層として用いるようにするか、もしくは、内側環状変形体を導電性の弾性材料によって構成し、内側環状変形体の外周面自身を共通導電層として用いるようにしたことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項３０】
請求項１〜２９のいずれかに記載のトルクセンサにおいて、
左側接続部材が、左側支持体の右側面から右方に突出した凸状部によって構成され、右側接続部材が、右側支持体の左側面から左方に突出した凸状部によって構成され、各凸状部の頂面が環状変形体の各接続点に接合されていることを特徴とするトルクセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トルクセンサに関し、特に、所定の回転軸まわりに作用したトルクを電気信号として出力する機能をもったセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
所定の回転軸まわりに作用したトルクを検出するトルクセンサは、様々な輸送機械や産業機械に広く利用されている。たとえば、下記の特許文献１には、トルクの作用によって生じた機械的な変形を歪みゲージによって検出するタイプのトルクセンサが開示されている。また、特許文献２には、シャフト表面にメッキ処理により磁歪膜を形成し、この磁歪膜の磁気特性の変化を測定することによりシャフトに作用したトルクを検出するセンサが開示されている。一方、特許文献３には、トーションバーの端部に磁気発生部を設け、この磁気発生部によって発生される磁気の磁束密度の変化を集磁リングを用いて検出するタイプのトルクセンサが開示されており、特許文献４には、Ｎ極とＳ極とが周方向に交互に並ぶように円筒状に多数の磁石を配置し、これら磁石によって生じる磁界を検出するタイプのトルクセンサが開示されている。更に、特許文献５には、トルクの作用により環状部材の形状を径方向に変形させるリンク機構を用意し、環状部材の変形によってその径方向に加わる力を荷重センサで検出するトルクセンサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−０５８３８８号公報
【特許文献２】特開２００７−０２４６４１号公報
【特許文献３】特開２００９−２４４１３４号公報
【特許文献４】特開２００６−２９２４２３号公報
【特許文献５】特開２０００−０１９０３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
産業界では、小型で高剛性をもち、構造が単純なトルクセンサが要求されている。特に、ロボットアームを用いて自動組立を行う産業機器では、アームの先端部に生じる力を監視し、これを制御することが不可欠である。このようなトルクフィードバック型のロボットアームには、アームの関節部分に組み込んで用いるのに適した小型で高剛性をもち、構造が単純なトルクセンサが望まれている。
【０００５】
一般に、ロボットアームの関節部分は軸長が短いため、関節部分に組み込むトルクセンサも、できるだけ軸長の短い小型のものが好ましい。しかしながら、従来のトーションバーを用いた方式のトルクセンサでは、軸長を短く設計することは困難である。これは、トルクの作用によってトーションバーにねじれが生じた際に、当該ねじれに起因して軸長に変化が生じることになるので、この変化分が無視できる程度にトーションバーの全長を長く設定せざるを得ないためである。
【０００６】
通常、関節部分に組み込まれたトルクセンサの軸長が、トルクの作用によって変動すると、軸方向の力が新たに生じることになり、軸の偏心や傾斜を誘発し、正確なトルク検出を阻む要因になる。このような弊害に対処するためには、軸長の変化分を吸収する固有の仕組みが必要になるが、そのような仕組みを設ければ、それだけ構造が複雑化することになり好ましくない。結局、軸長の変化分が無視できる程度にトーションバーの全長を長く設定せざるを得ず、従来のトルクセンサでは、軸長を短く設計することは困難である。
【０００７】
また、安定したトルクフィードバックを行うためには、電気的な観点において、信号処理の高速応答性を確保するとともに、機械的な観点において、センサ構造体に高い剛性を確保する必要がある。一般的なトルクセンサの基本原理は、何らかの構造体に機械的なねじれを生じさせ、このねじれを電気的に検出することにある。したがって、ねじれを生じさせる対象物としては、当然、完全な剛体を用いることはできず、ある程度の弾性変形を生じる構造体を用いる必要がある。しかしながら、トルク検出に伴って生じるねじれ角が大きいと、ハンチング現象により制御系の周波数特性が劣化し、高速応答性を確保することができなくなる。
【０００８】
したがって、安定したトルクフィードバックを行うためには、トルク検出に伴って生じるねじれ角はできるだけ小さく抑える必要があり、できるだけ高い剛性をもった構造体によりトルクセンサを構成するのが好ましい。しかしながら、従来提案されている磁気方式のねじれ角検出手法では、小さなねじれ角を高精度で検出することが困難である。
【０００９】
更に、産業利用の観点からは、トルクセンサにも、当然ながらコストダウンが要求される。そのためには、できるだけ構造を単純化するのが好ましい。しかしながら、従来提案されているトルクセンサでは、トーションバーに歪みゲージを貼り付けたり、磁歪膜を形成したり、あるいは、磁石やコイルを取り付けたりする必要があり、構造はかなり複雑なものにならざるを得ない。
【００１０】
そこで本発明は、小型で高剛性をもち、構造が単純なトルクセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
(1)   本発明の第１の態様は、所定の回転軸まわりのトルクを検出するトルクセンサにおいて、
検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、回転軸が挿通する貫通開口部を有する環状変形体と、
回転軸が左右に伸びる水平線をなすような基準観察方向から見たときに、環状変形体の左側に隣接する位置に配置された左側支持体と、
基準観察方向から見たときに、環状変形体の右側に隣接する位置に配置された右側支持体と、
環状変形体の左側の側面上の左側接続点を、左側支持体に接続する左側接続部材と、
環状変形体の右側の側面上の右側接続点を、右側支持体に接続する右側接続部材と、
環状変形体の内周面もしくは外周面に固定され、環状変形体の弾性変形に起因した変位を生じる変位電極と、
変位電極に対向する位置に配置され、左側支持体もしくは右側支持体に固定された固定電極と、
変位電極と固定電極とによって構成される容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、右側支持体および左側支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用した回転軸まわりのトルクを示す電気信号を出力する検出回路と、
を設け、
回転軸に直交する投影面についての左側接続点の正射影投影像と右側接続点の正射影投影像とが異なる位置に形成されるようにしたものである。
【００１２】
(2)   本発明の第２の態様は、上述の第１の態様に係るトルクセンサにおいて、
環状変形体の左側の側面上に第１の左側接続点および第２の左側接続点が設けられ、
左側接続部材は、第１の左側接続点を左側支持体に接続する第１の左側接続部材と、第２の左側接続点を左側支持体に接続する第２の左側接続部材と、を有し、
環状変形体の右側の側面上に第１の右側接続点および第２の右側接続点が設けられ、
右側接続部材は、第１の右側接続点を右側支持体に接続する第１の右側接続部材と、第２の右側接続点を右側支持体に接続する第２の右側接続部材と、を有し、
回転軸に直交する投影面に環状変形体を投影して正射影投影像を得た場合に、環状変形体の輪郭に沿った環状路に、第１の左側接続点、第１の右側接続点、第２の左側接続点、第２の右側接続点の順に、各接続点の正射影投影像が配置されているようにしたものである。
【００１３】
(3)   本発明の第３の態様は、上述の第２の態様に係るトルクセンサにおいて、
回転軸に直交する投影面上に、回転軸の投影点を通り互いに直交する２直線を引いた場合に、第１の左側接続点および第２の左側接続点の正射影投影像が第１の直線上に配置され、第１の右側接続点および第２の右側接続点の正射影投影像が第２の直線上に配置されているようにしたものである。
【００１４】
(4)   本発明の第４の態様は、上述の第１〜第３の態様に係るトルクセンサにおいて、
左側支持体および右側支持体として、中心部に貫通開口部を有する環状の構造体を用い、回転軸に沿って、左側支持体、環状変形体、右側支持体の各貫通開口部を貫く挿通孔が確保されるようにしたものである。
【００１５】
(5)   本発明の第５の態様は、上述の第１〜第４の態様に係るトルクセンサにおいて、
環状変形体が、回転軸を中心軸として配置された円盤の中央部に、より径の小さな同心円盤の形状をした貫通開口部を形成することにより得られる円環状の部材からなるようにしたものである。
【００１６】
(6)   本発明の第６の態様は、上述の第１〜第５の態様に係るトルクセンサにおいて、
左側支持体および右側支持体が、回転軸を中心軸として配置された円盤の中央部に、より径の小さな同心円盤の形状をした貫通開口部を形成することにより得られる円環状の部材からなるようにしたものである。
【００１７】
(7)   本発明の第７の態様は、上述の第１〜第６の態様に係るトルクセンサにおいて、
変位電極を、環状変形体の内周面に形成された導電層によって構成し、
固定電極を、この導電層に対向する位置に配置され、左側支持体もしくは右側支持体から回転軸に沿った方向に突き出した導電板によって構成したものである。
【００１８】
(8)   本発明の第８の態様は、上述の第１〜第７の態様に係るトルクセンサにおいて、
環状変形体の各部分のうち、所定回転方向のトルクが作用したときに、回転軸に近づく方向に変位する第１の部分に固定された第１の変位電極と、回転軸から離れる方向に変位する第２の部分に固定された第２の変位電極と、第１の変位電極に対向する位置に配置された第１の固定電極と、第２の変位電極に対向する位置に配置された第２の固定電極と、を有し、
検出回路が、第１の変位電極と第１の固定電極とによって構成される第１の容量素子の静電容量値と、第２の変位電極と第２の固定電極とによって構成される第２の容量素子の静電容量値と、の差に相当する電気信号を、作用したトルクを示す電気信号として出力するようにしたものである。
【００１９】
(9)   本発明の第９の態様は、上述の第８の態様に係るトルクセンサにおいて、
所定回転方向のトルクが作用したときに、電極間隔が狭まる容量素子を構成する一対の電極の実効対向面積が増加し、電極間隔が広がる容量素子を構成する一対の電極の実効対向面積が減少するように、互いに対向する変位電極と固定電極とをオフセットをもたせて配置するようにしたものである。
【００２０】
(10)  本発明の第１０の態様は、上述の第１〜第８の態様に係るトルクセンサにおいて、
所定回転方向のトルクが作用した結果、固定電極に対する変位電極の相対位置が変化した場合にも、容量素子を構成する一対の電極の実効対向面積が変化しないように、固定電極および変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定するようにしたものである。
【００２１】
(11)  本発明の第１１の態様は、上述の第１〜第１０の態様に係るトルクセンサにおいて、
検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、回転軸が挿通する貫通開口部を有し、環状変形体の内側に配置された内側環状変形体と、
内側環状変形体の左側の側面上の内側左側接続点を左側支持体に接続する内側左側接続部材と、
内側環状変形体の右側の側面上の内側右側接続点を右側支持体に接続する内側右側接続部材と、
内側環状変形体の内周面もしくは外周面に固定され、内側環状変形体の弾性変形に起因した変位を生じる内側変位電極と、
内側変位電極に対向する位置に配置され、左側支持体もしくは右側支持体に固定された内側固定電極と、
を更に設け、
回転軸に直交する投影面についての内側左側接続点の正射影投影像と内側右側接続点の正射影投影像とが異なる位置に形成されるようにし、
検出回路が、内側変位電極と内側固定電極とによって構成される容量素子の静電容量値の変動量を更に利用して、回転軸まわりのトルクを示す電気信号を出力するようにしたものである。
【００２２】
(12)  本発明の第１２の態様は、上述の第１の態様に係るトルクセンサにおいて、
ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸まわりのトルクを検出するために、環状変形体が原点Ｏを中心としてＸＹ平面上に配置され、左側支持体がＺ軸負領域に配置され、右側支持体がＺ軸正領域に配置され、
環状変形体のＺ軸負側の側面上に第１の左側接続点および第２の左側接続点が設けられ、
左側接続部材は、第１の左側接続点を左側支持体に接続する第１の左側接続部材と、第２の左側接続点を左側支持体に接続する第２の左側接続部材と、を有し、
環状変形体のＺ軸正側の側面上に第１の右側接続点および第２の右側接続点が設けられ、
右側接続部材は、第１の右側接続点を右側支持体に接続する第１の右側接続部材と、第２の右側接続点を右側支持体に接続する第２の右側接続部材と、を有し、
環状変形体の両側面をＸＹ平面上に投影して正射影投影像を得た場合に、第１の右側接続点の投影像が正のＸ軸上、第２の右側接続点の投影像が負のＸ軸上、第１の左側接続点の投影像が正のＹ軸上、第２の左側接続点の投影像が負のＹ軸上に配置されているようにしたものである。
【００２３】
(13)  本発明の第１３の態様は、上述の第１２の態様に係るトルクセンサにおいて、
環状変形体が、Ｚ軸を中心軸として配置された円盤の中央部に、より径の小さな同心円盤の形状をした貫通開口部を形成することにより得られる円環状の部材からなるようにしたものである。
【００２４】
(14)  本発明の第１４の態様は、上述の第１３の態様に係るトルクセンサにおいて、
ＸＹ平面上に、原点Ｏを通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなすＶ軸およびＷ軸を定義した場合に、Ｖ軸上に配置された第１の変位電極および第１の固定電極と、Ｗ軸上に配置された第２の変位電極および第２の固定電極と、を有し、
検出回路が、第１の変位電極と第１の固定電極とによって構成される第１の容量素子の静電容量値と、第２の変位電極と第２の固定電極とによって構成される第２の容量素子の静電容量値と、の差に相当する電気信号を、作用したトルクを示す電気信号として出力するようにしたものである。
【００２５】
(15)  本発明の第１５の態様は、上述の第１４の態様に係るトルクセンサにおいて、
所定回転方向のトルクの作用により環状変形体のＸＹ平面上への正射影投影像の輪郭が円から楕円に変化する場合に、この楕円の短軸方向にＶ軸、長軸方向にＷ軸をとり、
トルクが作用していない状態において、第１の固定電極の位置が、第１の変位電極の位置に比べて、所定回転方向に所定のオフセット量だけずれ、第２の固定電極の位置が、第２の変位電極の位置に比べて、所定回転方向とは逆の方向に所定のオフセット量だけずれているようにしたものである。
【００２６】
(16)  本発明の第１６の態様は、上述の第１３の態様に係るトルクセンサにおいて、
ＸＹ平面上に、原点Ｏを通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなし、符号をもったＶ軸およびＷ軸を定義した場合に、正のＶ軸上に配置された第１の変位電極および第１の固定電極と、正のＷ軸上に配置された第２の変位電極および第２の固定電極と、負のＶ軸上に配置された第３の変位電極および第３の固定電極と、負のＷ軸上に配置された第４の変位電極および第４の固定電極と、を有し、
検出回路が、「第１の変位電極と第１の固定電極とによって構成される第１の容量素子の静電容量値と、第３の変位電極と第３の固定電極とによって構成される第３の容量素子の静電容量値と、の和」と、「第２の変位電極と第２の固定電極とによって構成される第２の容量素子の静電容量値と、第４の変位電極と第４の固定電極とによって構成される第４の容量素子の静電容量値と、の和」と、の差に相当する電気信号を、作用したトルクを示す電気信号として出力するようにしたものである。
【００２７】
(17)  本発明の第１７の態様は、上述の第１６の態様に係るトルクセンサにおいて、
所定回転方向のトルクの作用により環状変形体のＸＹ平面上への正射影投影像の輪郭が円から楕円に変化する場合に、この楕円の短軸方向にＶ軸、長軸方向にＷ軸をとり、
トルクが作用していない状態において、第１の固定電極の位置が、第１の変位電極の位置に比べて、所定回転方向に所定のオフセット量だけずれ、第２の固定電極の位置が、第２の変位電極の位置に比べて、所定回転方向とは逆の方向に所定のオフセット量だけずれ、第３の固定電極の位置が、第３の変位電極の位置に比べて、所定回転方向に所定のオフセット量だけずれ、第４の固定電極の位置が、第４の変位電極の位置に比べて、所定回転方向とは逆の方向に所定のオフセット量だけずれているようにしたものである。
【００２８】
(18)  本発明の第１８の態様は、上述の第１４または第１６の態様に係るトルクセンサにおいて、
所定回転方向のトルクが作用した結果、固定電極に対する変位電極の相対位置が変化した場合にも、容量素子を構成する一対の電極の実効対向面積が変化しないように、固定電極および変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定したものである。
【００２９】
(19)  本発明の第１９の態様は、上述の第１８の態様に係るトルクセンサにおいて、
各変位電極を、環状変形体の内周面に形成された共通導電層によって構成したものである。
【００３０】
(20)  本発明の第２０の態様は、上述の第１９の態様に係るトルクセンサにおいて、
環状変形体を導電性の弾性材料によって構成し、環状変形体の内周面自身を共通導電層として用いるようにしたものである。
【００３１】
(21)  本発明の第２１の態様は、上述の第１２の態様に係るトルクセンサにおいて、
検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、Ｚ軸が挿通する貫通開口部を有し、原点Ｏを中心としてＸＹ平面上に、環状変形体の内側にくるように配置された内側環状変形体を更に設け、
内側環状変形体のＺ軸負側の側面上に第１の内側左側接続点および第２の内側左側接続点が設けられ、
内側環状変形体のＺ軸正側の側面上に第１の内側右側接続点および第２の内側右側接続点が設けられ、
第１の内側左側接続点を左側支持体に接続する第１の内側左側接続部材と、第２の内側左側接続点を左側支持体に接続する第２の内側左側接続部材と、第１の内側右側接続点を右側支持体に接続する第１の内側右側接続部材と、第２の内側右側接続点を右側支持体に接続する第２の内側右側接続部材と、
内側環状変形体の内周面もしくは外周面に固定され、内側環状変形体の弾性変形に起因した変位を生じる内側変位電極と、
内側変位電極に対向する位置に配置され、左側支持体もしくは右側支持体に固定された内側固定電極と、
を更に設け、
内側環状変形体の両側面をＸＹ平面上に投影して正射影投影像を得た場合に、第１の内側右側接続点の投影像が正のＹ軸上、第２の内側右側接続点の投影像が負のＹ軸上、第１の内側左側接続点の投影像が正のＸ軸上、第２の内側左側接続点の投影像が負のＸ軸上に配置されており、
検出回路が、内側変位電極と内側固定電極とによって構成される容量素子の静電容量値の変動量を更に利用して、回転軸まわりのトルクを示す電気信号を出力するようにしたものである。
【００３２】
(22)  本発明の第２２の態様は、所定の回転軸まわりのトルクを検出するトルクセンサにおいて、
検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、回転軸が挿通する貫通開口部を有する外側環状変形体と、
検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、回転軸が挿通する貫通開口部を有し、外側環状変形体の内側に配置された内側環状変形体と、
回転軸が左右に伸びる水平線をなすような基準観察方向から見たときに、外側環状変形体および内側環状変形体の左側に隣接する位置に配置された左側支持体と、
基準観察方向から見たときに、外側環状変形体および内側環状変形体の右側に隣接する位置に配置された右側支持体と、
外側環状変形体の左側の側面上の外側左側接続点を、左側支持体に接続する外側左側接続部材と、
外側環状変形体の右側の側面上の外側右側接続点を、右側支持体に接続する外側右側接続部材と、
内側環状変形体の左側の側面上の内側左側接続点を、左側支持体に接続する内側左側接続部材と、
内側環状変形体の右側の側面上の内側右側接続点を、右側支持体に接続する内側右側接続部材と、
外側環状変形体の内周面に固定され、外側環状変形体の弾性変形に起因した変位を生じる外側変位電極と、
外側変位電極に対向するように、内側環状変形体の外周面に固定され、内側環状変形体の弾性変形に起因した変位を生じる内側変位電極と、
外側変位電極と内側変位電極とによって構成される容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、右側支持体および左側支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用した回転軸まわりのトルクを示す電気信号を出力する検出回路と、
を設け、
回転軸に直交する投影面について、外側左側接続点の正射影投影像と外側右側接続点の正射影投影像とが異なる位置に形成され、内側左側接続点の正射影投影像と内側右側接続点の正射影投影像とが異なる位置に形成されるようにしたものである。
【００３３】
(23)  本発明の第２３の態様は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸まわりのトルクを検出するトルクセンサにおいて、
検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、Ｚ軸が挿通する貫通開口部を有し、原点Ｏを中心としてＸＹ平面上に配置された外側環状変形体と、
検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、Ｚ軸が挿通する貫通開口部を有し、原点Ｏを中心としてＸＹ平面上に配置され、かつ、外側環状変形体の貫通開口部内に配置された内側環状変形体と、
外側環状変形体および内側環状変形体のＺ軸負領域側に隣接する位置に配置された左側支持体と、
外側環状変形体および内側環状変形体のＺ軸正領域側に隣接する位置に配置された右側支持体と、
を設け、
外側環状変形体のＺ軸負側の側面上に、第１の外側左側接続点および第２の外側左側接続点が設けられ、外側環状変形体のＺ軸正側の側面上に、第１の外側右側接続点および第２の外側右側接続点が設けられ、
内側環状変形体のＺ軸負側の側面上に、第１の内側左側接続点および第２の内側左側接続点が設けられ、内側環状変形体のＺ軸正側の側面上に、第１の内側右側接続点および第２の内側右側接続点が設けられ、
第１の外側左側接続点を左側支持体に接続する第１の外側左側接続部材と、第２の外側左側接続点を左側支持体に接続する第２の外側左側接続部材と、第１の外側右側接続点を右側支持体に接続する第１の外側右側接続部材と、第２の外側右側接続点を右側支持体に接続する第２の外側右側接続部材と、
第１の内側左側接続点を左側支持体に接続する第１の内側左側接続部材と、第２の内側左側接続点を左側支持体に接続する第２の内側左側接続部材と、第１の内側右側接続点を右側支持体に接続する第１の内側右側接続部材と、第２の内側右側接続点を右側支持体に接続する第２の内側右側接続部材と、
外側環状変形体の内周面に固定され、外側環状変形体の弾性変形に起因した変位を生じる外側変位電極と、
内側環状変形体の外周面における外側変位電極に対向する位置に固定され、内側環状変形体の弾性変形に起因した変位を生じる内側変位電極と、
外側変位電極と内側変位電極とによって構成される容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、右側支持体および左側支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用したＺ軸まわりのトルクを示す電気信号を出力する検出回路と、
を更に設け、
外側環状変形体および内側環状変形体の両側面をＸＹ平面上に投影して正射影投影像を得た場合に、第１の外側右側接続点の投影像が正のＸ軸上、第２の外側右側接続点の投影像が負のＸ軸上、第１の外側左側接続点の投影像が正のＹ軸上、第２の外側左側接続点の投影像が負のＹ軸上、第１の内側右側接続点の投影像が正のＹ軸上、第２の内側右側接続点の投影像が負のＹ軸上、第１の内側左側接続点の投影像が正のＸ軸上、第２の内側左側接続点の投影像が負のＸ軸上に配置されているようにしたものである。
【００３４】
(24)  本発明の第２４の態様は、上述の第２３の態様に係るトルクセンサにおいて、
外側環状変形体および内側環状変形体が、Ｚ軸を中心軸として配置された円盤の中央部に、より径の小さな同心円盤の形状をした貫通開口部を形成することにより得られる円環状の部材からなるようにしたものである。
【００３５】
(25)  本発明の第２５の態様は、上述の第２４の態様に係るトルクセンサにおいて、
左側支持体および右側支持体として、中心部に貫通開口部を有する環状の構造体を用い、Ｚ軸に沿って、左側支持体、内側環状変形体、右側支持体の各貫通開口部を貫く挿通孔が確保されるようにしたものである。
【００３６】
(26)  本発明の第２６の態様は、上述の第２４または第２５の態様に係るトルクセンサにおいて、
ＸＹ平面上に、原点Ｏを通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなすＶ軸およびＷ軸を定義した場合に、Ｖ軸上に配置された第１の外側変位電極および第１の内側変位電極と、Ｗ軸上に配置された第２の外側変位電極および第２の内側変位電極と、を設け、
検出回路が、第１の外側変位電極と第１の内側変位電極とによって構成される第１の容量素子の静電容量値と、第２の外側変位電極と第２の内側変位電極とによって構成される第２の容量素子の静電容量値と、の差に相当する電気信号を、作用したトルクを示す電気信号として出力するようにしたものである。
【００３７】
(27)  本発明の第２７の態様は、上述の第２４または第２５の態様に係るトルクセンサにおいて、
ＸＹ平面上に、原点Ｏを通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなし、符号をもったＶ軸およびＷ軸を定義した場合に、正のＶ軸上に配置された第１の外側変位電極および第１の内側変位電極と、正のＷ軸上に配置された第２の外側変位電極および第２の内側変位電極と、負のＶ軸上に配置された第３の外側変位電極および第３の内側変位電極と、負のＷ軸上に配置された第４の外側変位電極および第４の内側変位電極と、を設け、
検出回路が、「第１の外側変位電極と第１の内側変位電極とによって構成される第１の容量素子の静電容量値と、第３の外側変位電極と第３の内側変位電極とによって構成される第３の容量素子の静電容量値と、の和」と、「第２の外側変位電極と第２の内側変位電極とによって構成される第２の容量素子の静電容量値と、第４の外側変位電極と第４の内側変位電極とによって構成される第４の容量素子の静電容量値と、の和」と、の差に相当する電気信号を、作用したトルクを示す電気信号として出力するようにしたものである。
【００３８】
(28)  本発明の第２８の態様は、上述の第２６または第２７の態様に係るトルクセンサにおいて、
各外側変位電極を、外側環状変形体の内周面に形成された共通導電層によって構成するか、もしくは、各内側変位電極を、内側環状変形体の外周面に形成された共通導電層によって構成したものである。
【００３９】
(29)  本発明の第２９の態様は、上述の第２８の態様に係るトルクセンサにおいて、
外側環状変形体を導電性の弾性材料によって構成し、外側環状変形体の内周面自身を共通導電層として用いるようにするか、もしくは、内側環状変形体を導電性の弾性材料によって構成し、内側環状変形体の外周面自身を共通導電層として用いるようにしたものである。
【００４０】
(30)  本発明の第３０の態様は、上述の第１〜第２９の態様に係るトルクセンサにおいて、
左側接続部材が、左側支持体の右側面から右方に突出した凸状部によって構成され、右側接続部材が、右側支持体の左側面から左方に突出した凸状部によって構成され、各凸状部の頂面が環状変形体の各接続点に接合されているようにしたものである。
【発明の効果】
【００４１】
本発明に係るトルクセンサでは、回転軸が挿通する貫通開口部を有する環状変形体を利用してトルク検出が行われる。この環状変形体の左右両脇には、左側支持体と右側支持体とが配置され、それぞれが異なる接続点に接合される。このため、一方の支持体に負荷がかかった状態で、他方の支持体にトルクが加わると、環状変形体に歪みが生じることになり、環状変形体の各部の回転軸からの距離に変化が生じる。本発明では、この距離の変化を容量素子の静電容量値によって検出できる。すなわち、環状変形体の内周面もしくは外周面に固定された変位電極と、この変位電極に対向する位置に配置され、左側支持体もしくは右側支持体に固定された固定電極と、によって構成される容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、環状変形体の変形態様を認識することができ、作用したトルクの検出が可能になる。
【００４２】
環状変形体、左側支持体、右側支持体は、軸方向の厚みが小さな扁平構造体によって構成することができるので、センサ全体の軸長を短く設定することが可能になる。また、環状変形体の形状の歪みによってトルク検出が行われるので、環状変形体としては、弾性変形を生じる材質を用いる必要があるものの、比較的高い剛性をもった材質を利用しても、高精度の検出が可能になる。更に、環状変形体の形状の歪みは、一対の電極からなる容量素子によって検出できるので、構造も単純化され、コストダウンに貢献することができる。
【００４３】
特に、環状変形体の上下の２箇所を左側支持体に接合し、左右の２箇所を右側支持体に接合して、各接続点が９０°ずつずれるようにすれば、トルクの作用によって、環状変形体を効率的に変形させることができる。環状変形体として円環状の構造体を用いると、トルクが作用していない無負荷状態では円形を維持するため、各部の回転軸からの距離は等しくなるが、トルクの作用により楕円形に変形すると、長軸位置では回転軸からの距離は伸び、短軸位置では回転軸からの距離が縮むことになる。そこで、長軸位置と短軸位置とにそれぞれ容量素子を設けておけば、同一のトルクが加わった場合、長軸位置では電極間隔が広がり静電容量値が減少するのに対して、短軸位置では電極間隔が狭まり静電容量値が増加するので、両静電容量値の差分として、作用したトルクを検出することができる。
【００４４】
このような差分検出は、同相ノイズやゼロ点ドリフトを抑えた安定したトルク検出に有効であり、また、温度による各部の膨張の影響を相殺して、精度の高い検出値を得るのに貢献する。更に、４組の容量素子を、長軸の両端位置および短軸の両端位置に設けるようにすれば、静電容量値が増加する２組の容量素子と、静電容量値が減少する２組の容量素子と、を用いた差分検出が可能になり、検出精度は更に向上する。
【００４５】
本発明に係るトルクセンサでは、環状変形体だけでなく、左側支持体および右側支持体にも、回転軸を挿通する貫通開口部を形成することが可能である。これにより、回転軸に沿って、左側支持体、環状変形体、右側支持体の各貫通開口部を貫く挿通孔を確保することができ、内部が中空となる構造を採ることができる。したがって、本発明に係るトルクセンサを、ロボットアームの関節部分に組み込んで利用する場合、この中空部分に減速機などを配置することができ、総合的に省スペースのロボットアームを設計することが可能になる。
【００４６】
なお、本発明に係るトルクセンサでは、トルクが作用した状態において、環状変形体のねじれ角は比較的小さく抑えることが可能であるが、それでも環状変形体の各部はトルクが加わった回転方向に移動することになる。そのため、トルクが作用すると、変位電極の位置が固定電極の位置に対してオフセットを生じることになり、容量素子を構成する一対の電極の実効対向面積に変動が生じ、この面積変動によって静電容量値に影響が及ぶことになる。
【００４７】
そこで、トルクが作用していない無負荷状態において、予め一方の電極を所定方向にオフセットをもたせて配置しておくようにすると、トルクが作用したときに、容量素子の実効面積の変動によって検出結果に悪影響が及ぶことを阻止することができる。あるいは、固定電極および変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定しておけば、固定電極に対する変位電極の相対位置が変化した場合にも、容量素子の実効面積を一定に維持することができ、面積変動によって検出結果に悪影響が及ぶことを阻止することができる。また、検出対象となるトルク以外の外乱成分の影響を受けない正確なトルク検出が可能になる。
【００４８】
本発明に係るトルクセンサでは、２組の環状変形体を組み込む構成を採ることも可能である。すなわち、外側環状変形体の内側に、更に内側環状変形体を組み込むようにすれば、２組の環状変形体のそれぞれから別個の検出結果を得ることができ、検出感度および精度を向上させることができる。また、センサ構造全体の剛性も向上する。特に、両環状変形体として円環状の構造体を用い、トルクが作用した際にいずれも楕円形に変形するようにし、一方の楕円の長軸方向が他方の楕円の短軸方向となるように、互いに９０°ずらした接続点を設けるようにすれば、検出感度を更に向上させることができる。
【００４９】
また、外側と内側とに配置された２組の環状変形体を組み込む構成を採った場合、変位電極と固定電極とによって容量素子を構成する代わりに、外側環状変形体の内周面に形成した外側変位電極と、内側環状変形体の外周面に形成した内側変位電極と、によって容量素子を形成することも可能になる。この場合も、両環状変形体として円環状の構造体を用い、トルクが作用した際にいずれも楕円形に変形するようにし、一方の楕円の長軸方向が他方の楕円の短軸方向となるように、互いに９０°ずらした接続点を設けるようにすれば、外側変位電極と内側変位電極との間の電極間隔の変動量を大きくとることができ、検出感度を更に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の基本的な実施形態に係るトルクセンサの基本構造部の分解斜視図である。
【図２】図１に示す３つの構成要素を相互に接合することにより得られるトルクセンサの基本構造部の側面図である。
【図３】図２に示す基本構造部をＹＺ平面で切断した側断面図である。
【図４】図１に示す左側支持体１０および凸状部１１，１２を図１の右方向から見た正面図である。
【図５】図１に示す環状変形体３０を図１の右方向から見た正面図である。
【図６】図１に示す右側支持体２０および凸状部２１，２２を図１の右方向から見た正面図である。
【図７】図２に示す基本構造部をＸＹ平面で切断し、図２の左方向から見た断面図である。
【図８】図２に示す基本構造部にＺ軸正まわりのトルクが作用したときの変形状態を示すＸＹ平面での断面図である（図２に示す基本構造部をＸＹ平面で切断し、図２の左方向から見た断面図である。破線は変形前の状態を示す）。
【図９】内周面に変位電極Ｅ３１，Ｅ３２を形成した状態の環状変形体３０を、図２の左方向から見た平面図である。
【図１０】固定電極Ｅ２１，Ｅ２２を取り付けた状態の右側支持体２０を、図２の左方向から見た平面図である。
【図１１】図１０に示す右側支持体２０の側面図である。
【図１２】図３に示す基本構造部に変位電極および固定電極を付加した構造体をＶＺ平面で切断した側断面図である（図１２の上方は、図９および図１０に示すＶ軸方向）。
【図１３】図２に示す基本構造部に上述した変位電極および固定電極を付加した構造体をＸＹ平面で切断し、図２の左方向から見た断面図である。
【図１４】図１３に示す基本構造部に対して、Ｚ軸正まわりのトルクが作用したときの状態を示す断面図である（破線は変形前の状態を示す）。
【図１５】本発明の基本的な実施形態に係るトルクセンサに用いる検出回路の一例を示す回路図である。
【図１６】図１３に示す基本構造部に対して、Ｚ軸正まわりのトルクが作用したときの変位電極の回転方向のずれを強調して描いた断面図である（破線は変形前の状態を示す）。
【図１７】固定電極をオフセット配置した変形例に係るトルクセンサを示すＸＹ平面での断面図である。
【図１８】図１７に示すトルクセンサについて、環状変形体３０を時計まわりに若干回転させたときの各電極の位置関係を示す断面図である。
【図１９】４組の容量素子を用いる変形例に係るトルクセンサのＸＹ平面での断面図である。
【図２０】図１９に示すトルクセンサについて、Ｚ軸正まわりのトルクが作用したときの状態を示す断面図である（破線は変形前の状態を示す）。
【図２１】図１９に示すトルクセンサに用いる検出回路の一例を示す回路図である。
【図２２】固定電極に対する変位電極の相対位置が変化した場合にも、容量素子の実効面積を一定に維持する原理を示す図である。
【図２３】図１９に示すトルクセンサに図２２に示す原理を適用した変形例を示すＸＹ平面での断面図である。
【図２４】図２３に示すトルクセンサをＶＺ平面で切断した側断面図である（図２４の上方は、図２３に示すＶ軸方向）。
【図２５】図２３に示すトルクセンサについて、Ｚ軸正まわりのモーメントＭｚ（検出対象となるトルク）が作用したときの状態を示すＸＹ平面での断面図である（破線は変形前の状態を示す）。
【図２６】図２３に示すトルクセンサについて、Ｘ軸方向の力Ｆｘが作用したときの状態を示すＸＹ平面での断面図である（破線は変形前の状態を示す）。
【図２７】図２３に示すトルクセンサについて、Ｘ軸正まわりのモーメントＭｘが作用したときの状態を示すＺＶ平面での断面図である。
【図２８】図２３に示すトルクセンサについて、右側支持体２０に負荷がかかった状態において、左側支持体１０から環状変形体３０に対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの４組の容量素子の静電容量値の変化態様を示す表である。
【図２９】図２３に示すトルクセンサにおいて、４組の変位電極Ｅ３１Ｌ〜Ｅ３４Ｌを共通導電層Ｅ３５に置き換えた変形例を示すＸＹ平面での断面図である。
【図３０】図２９に示すトルクセンサにおいて、導電性材料からなる環状変形体３０Ａを用いることにより、環状変形体３０Ａの内周面を共通導電層として利用した変形例を示すＸＹ平面での断面図である。
【図３１】２組の環状変形体を用いた本発明の変形例に係るトルクセンサの基本構造部の分解斜視図である。
【図３２】図３１に示すトルクセンサについて、Ｚ軸正まわりのトルクが作用したときの状態を示すＸＹ平面での断面図である（破線は変形前の状態を示す）。
【図３３】図３１に示す基本構造部に、具体的な電極配置を行うことによって構成されたトルクセンサのＸＹ平面での断面図である。
【図３４】図３３に示すトルクセンサについて、Ｚ軸正まわりのトルクが作用したときの状態を示すＸＹ平面での断面図である（破線は変形前の状態を示す）。
【図３５】２組の環状変形体を用いた本発明の別な変形例に係るトルクセンサのＸＹ平面での断面図である。
【図３６】図３５に示すトルクセンサについて、Ｚ軸正まわりのトルクが作用したときの状態を示すＸＹ平面での断面図である（破線は変形前の状態を示す）。
【図３７】図３５に示すトルクセンサにおいて、４組の外側変位電極Ｅ８１〜Ｅ８４を共通導電層Ｅ８５に置き換えた変形例を示すＸＹ平面での断面図である。
【図３８】図３７に示すトルクセンサにおいて、導電性材料からなる環状変形体８０Ａを用いることにより、環状変形体８０Ａの内周面を共通導電層として利用した変形例を示すＸＹ平面での断面図である。
【図３９】２組の環状変形体を用いた本発明の更に別な変形例に係るトルクセンサのＸＹ平面での断面図である。
【図４０】図３９に示すトルクセンサについて、右側支持体７０に負荷がかかった状態において、環状変形体８０，９０に対してＺ軸正まわりのトルク（モーメント＋Ｍｚ）が作用したときの状態を示すＸＹ平面での断面図である（破線は変形前の状態を示し、電極は図示省略。＋−の符号は、当該位置の容量素子の静電容量値の増減を示す）。
【図４１】図３９に示すトルクセンサについて、右側支持体７０に負荷がかかった状態において、環状変形体８０，９０に対してＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの状態を示すＸＹ平面での断面図である（破線は変形前の状態を示し、電極は図示省略。＋−の符号は、当該位置の容量素子の静電容量値の増減を示す）。
【図４２】図３９に示すトルクセンサについて、右側支持体７０に負荷がかかった状態において、環状変形体８０，９０に対してＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用したときの状態を示すＸＹ平面での断面図である（破線は変形前の状態を示し、電極は図示省略。＋−の符号は、当該位置の容量素子の静電容量値の増減を示す）。
【図４３】図３９に示すトルクセンサについて、右側支持体７０に負荷がかかった状態において、環状変形体８０，９０に対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの８組の容量素子の静電容量値の変化態様を示す表である。
【図４４】本発明に係るトルクセンサの更に別な電極構成を示すＸＹ平面での断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。
【００５２】
＜＜＜  §１．  本発明に係るトルクセンサの基本構造部  ＞＞＞
図１は、本発明の基本的な実施形態に係るトルクセンサの基本構造部の分解斜視図である。図示のように、この基本構造部は、左側支持体１０と右側支持体２０との間に、環状変形体３０を配置し、これら３つの構成要素を相互に接合することによって構成される。ここでは、便宜上、図示のとおりＸＹＺ三次元座標系を定義して、以下の説明を行うことにする。ここで、図の水平方向に描かれたＺ軸が、検出対象となるトルクの回転軸に相当し、このトルクセンサは、この回転軸まわり（Ｚ軸まわり）のトルクを検出する機能を果たすことになる。
【００５３】
図の中央に配置された環状変形体３０は、検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、その内部には、回転軸（Ｚ軸）が挿通する貫通開口部Ｈ３０が形成されている。一方、図の左側に配置された左側支持体１０は、環状変形体３０の左側面を支持する部材であり、図の右側に配置された右側支持体２０は、環状変形体３０の右側面を支持する部材である。ここに示す基本的な実施形態の場合、左側支持体１０は、回転軸（Ｚ軸）が挿通する貫通開口部Ｈ１０が形成された環状部材であり、右側支持体２０は、回転軸（Ｚ軸）が挿通する貫通開口部Ｈ２０が形成された環状部材である。
【００５４】
なお、一般に右側および左側という概念は、特定の観察方向から見た場合にのみ意味をもつ概念であるが、ここでは説明の便宜上、図１に示すとおり、回転軸（Ｚ軸）が左右に伸びる水平線をなすような基準観察方向（右方向がＺ軸の正方向となるような観察方向）から見たときに、環状変形体３０の左側に隣接する位置に配置された支持体を左側支持体１０と呼び、環状変形体３０の右側に隣接する位置に配置された支持体を右側支持体２０と呼ぶことにする。
【００５５】
ここでは、環状変形体３０の中心位置にＸＹＺ三次元座標系の原点Ｏを定義しており、左側支持体１０，環状変形体３０，右側支持体２０は、いずれもＺ軸を中心軸とする円環状の部材によって構成されている。より具体的には、環状変形体３０は、Ｚ軸（回転軸）を中心軸として配置された円盤の中央部に、より径の小さな同心円盤の形状をした貫通開口部Ｈ３０を形成することにより得られる円環状の部材からなる。同様に、左側支持体１０および右側支持体２０も、Ｚ軸（回転軸）を中心軸として配置された円盤の中央部に、より径の小さな同心円盤の形状をした貫通開口部Ｈ１０，Ｈ２０を形成することにより得られる円環状の部材からなる。
【００５６】
一方、左側支持体１０の右側面には、右方に突出した２つの扇形の凸状部１１，１２が設けられており、この凸状部１１，１２の頂面が環状変形体３０の左側面に接合されている。図示のとおり、凸状部１１は環状変形体３０の上部（Ｙ軸正方向に位置する部分）に接合され、凸状部１２は環状変形体３０の下部（Ｙ軸負方向に位置する部分）に接合される。同様に、右側支持体２０の左側面には、左方に突出した２つの扇形の凸状部２１，２２が設けられており、この凸状部２１，２２の頂面が環状変形体３０の右側面に接合されている。図示のとおり、凸状部２１は環状変形体３０の奥の部分（Ｘ軸正方向に位置する部分）に接合され、凸状部２２は環状変形体３０の手前の部分（Ｘ軸負方向に位置する部分）に接合される。
【００５７】
図２は、図１に示す３つの構成要素を相互に接合することにより得られるトルクセンサの基本構造部の側面図であり、図３は、この基本構造部をＹＺ平面で切断した側断面図である。ここに示す例の場合、図３に示すとおり、凸状部１１，１２は、左側支持体１０と一体となった構造体であり、その頂面が環状変形体３０の左側面に接合されている。同様に、凸状部２１，２２は、右側支持体２０と一体となった構造体であり、その頂面が環状変形体３０の右側面に接合されている。
【００５８】
結局、凸状部１１，１２は、環状変形体３０の左側支持体１０に対向する左側の側面上の左側接続点を、左側支持体１０に接続する左側接続部材として機能し、凸状部２１，２２は、環状変形体３０の右側支持体２０に対向する右側の側面上の右側接続点を、右側支持体２０に接続する右側接続部材として機能する。
【００５９】
図４は、左側支持体１０および凸状部１１，１２を図１の右方向から見た正面図、図５は、環状変形体３０を図１の右方向から見た正面図、図６は、右側支持体２０および凸状部２１，２２を図１の右方向から見た正面図である。図４において、凸状部１１，１２の中心位置に示されている点Ｐ１１，Ｐ１２は左側接続点であり、§２において、環状変形体３０に対する接続位置を説明するために用いられる。同様に、図６において、凸状部２１，２２の中心位置に示されている点Ｐ２１，Ｐ２２は右側接続点であり、やはり§２において、環状変形体３０に対する接続位置を説明するために用いられる。
【００６０】
なお、図４に示す部品（左側支持体１０および凸状部１１，１２）と図６に示す部品（右側支持体２０および凸状部２１，２２）とは、実際には、全く同一のものにするのが好ましい。この場合、図４に示す部品をＹ軸を回転軸として１８０°回転させて裏返し、更に、Ｚ軸を回転軸として９０°回転させれば、図６に示す部品に完全に一致する。したがって、実際には、図４に示す部品を２組用意し、図５に示す部品を１組用意すれば、図２に示す基本構造部を構成することができる。
【００６１】
図５に示すとおり、環状変形体３０には、円形の貫通開口部Ｈ３０が設けられているが、これは、検出に必要な弾性変形を生じさせるためのものである。後述するように、この基本構造体に検出対象となるトルクが作用した場合、環状変形体３０は楕円形に変形する必要がある。このような環状変形体３０の弾性変形のしやすさは、センサの検出感度を左右するパラメータになる。弾性変形しやすい環状変形体３０を用いれば、微小なトルクでも検出可能な感度の高いセンサを実現することができるが、検出可能なトルクの最大値は抑制されることになる。逆に、弾性変形しにくい環状変形体３０を用いれば、検出可能なトルクの最大値を大きくとることができるが、感度は低下するため、微小なトルクの検出はできなくなる。
【００６２】
環状変形体３０の弾性変形のしやすさは、Ｚ軸方向の厚み（薄くするほど弾性変形しやすい）および貫通開口部Ｈ３０の径（大きくするほど弾性変形しやすい）に依存して決まり、更に、その材質にも依存して決まる。したがって、実用上は、トルクセンサの用途に応じて、環状変形体３０の各部の寸法や材質を適宜選択すればよい。
【００６３】
一方、左側支持体１０および右側支持体２０は、本発明の検出原理上、弾性変形を生じる部材である必要はない。むしろ、作用したトルクが環状変形体３０の変形に１００％寄与するようにするためには、左側支持体１０および右側支持体２０は、完全な剛体である方が好ましい。図示の例において、左側支持体１０および右側支持体２０として、中心部に貫通開口部Ｈ１０，Ｈ２０を有する環状の構造体を用いた理由は、弾性変形しやすくするためではなく、回転軸（Ｚ軸）に沿って、左側支持体１０、環状変形体３０、右側支持体２０の各貫通開口部Ｈ１０，Ｈ３０，Ｈ２０を貫く挿通孔が確保されるようにするためである。
【００６４】
図３の側断面図を見れば明らかなように、この基本構造部は、内部が中空となる構造を採っている。このような中空部分を有するトルクセンサを、ロボットアームの関節部分に組み込んで利用する場合、この中空部分に減速機などを配置することができ、総合的に省スペースのロボットアームを設計することが可能になる。これは、中実丸棒形状をしたトーションバーのねじれを利用する従来型のトルクセンサでは実現困難であった利点のひとつである。
【００６５】
このように、本発明に係るトルクセンサでは、環状変形体３０は、トルク検出に必要な程度の弾性変形を生じる材質で構成する必要があるが、左側支持体１０および右側支持体２０は、弾性変形を生じる必要はなく、むしろ剛性の高い材質を用いて構成するのが好ましい。実用上、左側支持体１０，右側支持体２０，環状変形体３０の材料としては、絶縁材料を利用するのであれば、プラスチックなどの合成樹脂を用いれば十分であり、導電材料を利用するのであれば（この場合、後述するように、電極が短絡しないよう必要箇所に絶縁を施す必要がある）、ステンレス、アルミニウムなどの金属を用いれば十分である。もちろん、絶縁材料と導電材料とを組み合わせて利用してもかまわない。
【００６６】
左側支持体１０、右側支持体２０、環状変形体３０は、いずれも軸方向の厚みが小さな扁平構造体によって構成することができるので、センサ全体の軸長を短く設定することが可能になる。また、環状変形体３０の形状の歪みによってトルク検出が行われるので、環状変形体３０としては、弾性変形を生じる材質を用いる必要があるものの、比較的高い剛性をもった材質を利用しても、高精度の検出が可能になる。
【００６７】
＜＜＜  §２．  本発明におけるトルクの検出原理  ＞＞＞
続いて、ここでは、§１で述べた基本構造体にトルクが作用した場合、各部がどのように変形するかを考えてみる。図７は、図２に示す基本構造部をＸＹ平面で切断し、図２の左方向から見た断面図である。なお、この図７に示されたＸＹ座標系は、通常のＸＹ座標系を裏側から見たものになる（Ｘ軸正方向は図の左方向になる）。したがって、このＸＹ座標系では、左上領域が第１象限、右上領域が第２象限、右下領域が第３象限、左下領域が第４象限になる。図示のＩ〜IVは、この座標系の各象限を示すものである。図にハッチングを施した断面部分は、環状変形体３０の部分に相当し、その奥に、右側支持体２０が見えている。図の点Ｐ１１〜Ｐ２２は、図４および図６に示した各接続点Ｐ１１〜Ｐ２２のＸＹ平面上への正射影投影像である。
【００６８】
すなわち、図７において、Ｙ軸上に配置された点Ｐ１１，Ｐ１２は、左側支持体１０の凸状部１１，１２の接合位置（接合面の中心点）を示しており、Ｘ軸上に配置された点Ｐ２１，Ｐ２２は、右側支持体２０の凸状部２１，２２の接合位置（接合面の中心点）を示している。結局、環状変形体３０の左側面は、Ｙ軸に沿った２箇所の接続点Ｐ１１，Ｐ１２において左側支持体１０に接合され、環状変形体３０の右側面は、Ｘ軸に沿った２箇所の接続点Ｐ２１，Ｐ２２において右側支持体２０に接合されていることになる。
【００６９】
このように、環状変形体３０の上下の２箇所を左側支持体１０に接合し、左右の２箇所を右側支持体２０に接合して、各接続点が９０°ずつずれるようにすれば、トルクの作用によって、環状変形体３０を効率的に変形させることができる。
【００７０】
図７に示す例の場合、環状変形体３０の両側面をＸＹ平面上に投影して正射影投影像を得た場合に、第１の右側接続点Ｐ２１の投影像が正のＸ軸上、第２の右側接続点Ｐ２２の投影像が負のＸ軸上、第１の左側接続点Ｐ１１の投影像が正のＹ軸上、第２の左側接続点Ｐ１２の投影像が負のＹ軸上に配置されていることになる。このような配置を行うと、環状変形体３０を軸対称性をもった楕円に変形させることができるので、軸対称性をもった検出値を得ることができる。
【００７１】
本発明に係るトルクセンサは、図２に示す基本構造部において、左側支持体１０と右側支持体２０との間に相対的に加わるトルク（回転モーメント）を検出するものであり、検出値は、両支持体１０，２０間に相対的に作用する力を示すものである。そこで、ここでは説明の便宜上、右側支持体２０に負荷がかかった状態において、左側支持体１０に加わった回転モーメントを検出対象となるトルクとして考えることにする（もちろん、左側支持体１０に負荷がかかった状態において、右側支持体２０に加わった回転モーメントを検出対象となるトルクとしても等価である。）。
【００７２】
たとえば、ロボットアームの関節部分にこのトルクセンサを利用した一例として、左側支持体１０にモータなどの駆動源を取り付け、右側支持体２０にロボットハンドを取り付けた例を考えてみよう。ロボットハンドに重量のある物体が把持されている状態で、駆動源から左側支持体１０に対して回転駆動力を加えたとすると、この回転駆動力が関節部分を構成する基本構造部を介して、ロボットハンド側へと伝達されることになる。この場合、右側支持体２０を回転駆動させようとするトルクが作用することになり、当該トルクは、右側支持体２０を固定した状態において、左側支持体１０に加わった回転モーメントに相当する。
【００７３】
さて、このような回転モーメントが、図７に示す構造体にどのような変化をもたらすかを考えてみる。右側支持体２０を固定すると、図７に示すＸ軸上の接続点Ｐ２１，Ｐ２２の位置は固定状態となる。一方、左側支持体１０に対して、たとえば、図７において時計まわりの方向に回転モーメントが加わったとすると、Ｙ軸上の接続点Ｐ１１，Ｐ１２は時計まわりに移動しようとする。そうなると、必然的に、第１象限Ｉに位置する円弧Ｐ２１−Ｐ１１の部分は内側方向に縮み、第２象限IIに位置する円弧Ｐ１１−Ｐ２２の部分は外側に膨らみ、第３象限IIIに位置する円弧Ｐ２２−Ｐ１２の部分は内側方向に縮み、第４象限IVに位置する円弧Ｐ１２−Ｐ２１の部分は外側に膨らむことになる。
【００７４】
図８は、図７に示す構造体に、このような変形が生じた状態を示す断面図である。すなわち、図２に示す基本構造部にＺ軸正まわりのトルクが作用した場合に、この基本構造部をＸＹ平面で切断し、図２の左方向から見た断面図である。なお、本願では、任意の座標軸に関して、右ねじを当該座標軸の正方向に進めるための回転方向を正方向と定義し、右ねじを当該座標軸の負方向に進めるための回転方向を負方向と定義している。したがって、図８において、Ｚ軸正まわりのトルクは、図に白抜き矢印で示すとおり時計まわりの方向に作用するトルクということになる。
【００７５】
図８に描かれた破線は、環状変形体３０の変形前の状態（図７の状態）を示している。この破線を参考にすれば、Ｚ軸正まわりのトルクが作用したことにより、環状変形体３０は楕円形に変形していることが容易に把握できよう。ここでは、説明の便宜上、ＸＹ平面上に、原点Ｏを通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなすＶ軸およびＷ軸を定義する。Ｖ軸は第１象限Ｉを正方向とする座標軸であり、Ｗ軸は第２象限IIを正方向とする座標軸である。図示のとおり、環状変形体３０は、Ｖ軸を短軸方向、Ｗ軸を長軸方向とする楕円に変形しており、Ｖ軸およびＷ軸に対して軸対称性を有している。このような軸対称性は、§３で述べる方法でトルクの検出値を得る場合に好都合である。
【００７６】
図示の実施形態において、軸対称性をもった変形が生じるのは、図７に示すとおり、無負荷時（トルクが作用していない時）に環状変形体３０が完全な円形をしており、環状変形体３０の両側面をＸＹ平面上に投影して正射影投影像を得た場合に、第１の右側接続点Ｐ２１の投影像が正のＸ軸上、第２の右側接続点Ｐ２２の投影像が負のＸ軸上、第１の左側接続点Ｐ１１の投影像が正のＹ軸上、第２の左側接続点Ｐ１２の投影像が負のＹ軸上に配置されているためである。
【００７７】
作用したトルクが大きければ大きいほど、環状変形体３０はより扁平した楕円に変形することになる。したがって、図８において、環状変形体３０のＶ軸上に位置する部分の原点Ｏからの距離や、環状変形体３０のＷ軸上に位置する部分の原点Ｏからの距離を測定することができれば（これらの距離は、破線で示す変形前の位置からの変位量を示す情報になる）、作用したトルクの大きさを求めることができる。別言すれば、環状変形体３０の内周面もしくは外周面の径方向の変位を測定することができればよい。
【００７８】
一方、逆向きにトルクが作用した場合、すなわち、Ｚ軸負まわりのトルクが作用した場合は、図８に示す例とは逆に、環状変形体３０（の接続点Ｐ１１，Ｐ１２）に対して反時計まわりの回転力が作用するため、環状変形体３０は、Ｖ軸を長軸方向、Ｗ軸を短軸方向とする楕円に変形する。したがって、環状変形体３０のＶ軸上に位置する部分あるいはＷ軸上に位置する部分の変位方向は、図８に示す例とは逆の方向になる。
【００７９】
結局、環状変形体３０のＶ軸上に位置する部分あるいはＷ軸上に位置する部分の変位を測定すれば、作用したトルクの方向および大きさの双方を検出することが可能になる。たとえば、環状変形体３０の内周面とＶ軸との交点の位置をモニタした場合、破線で示す基準位置から内側方向に変位した場合はＺ軸正まわりのトルクが加わっており、外側方向に変位した場合はＺ軸負まわりのトルクが加わっていると判断できる。あるいは、環状変形体３０の内周面とＷ軸との交点の位置をモニタした場合、破線で示す基準位置から外側方向に変位した場合はＺ軸正まわりのトルクが加わっており、内側方向に変位した場合はＺ軸負まわりのトルクが加わっていると判断できる。もちろん、変位量の絶対値は、作用したトルクの大きさを示すものになる。
【００８０】
本発明に係るトルクセンサにおいて生じる環状変形体３０の径方向の変位は、環状変形体３０に生じたねじれ角度が小さくても、環状変形体の径次第で比較的大きな変位になる。このため、比較的剛性が高い環状変形体３０を用いたとしても、十分な感度をもったトルク検出が可能になる。
【００８１】
以上が、本発明におけるトルクの検出原理である。本発明では、このような原理に基づくトルク検出を行うために、これまで述べてきた基本構造体に、更に、容量素子と検出回路とを付加することになる。
【００８２】
＜＜＜  §３．  容量素子と検出回路  ＞＞＞
上述したとおり、本発明では、図２に示す基本構造体に、更に、容量素子と検出回路を付加し、トルクセンサを構成することになる。図８に示すように、トルクの作用により、環状変形体３０は楕円に変形する。このような変形により、最も大きな変位を生じる部分は、Ｖ軸上に位置する部分あるいはＷ軸上に位置する部分であるから、環状変形体３０の特定部分の変位に基づいて、環状変形体３０の変形量（作用したトルクの大きさ）を測定するには、Ｖ軸上に位置する部分あるいはＷ軸上に位置する部分の変位を測定するのが最も効率的である。
【００８３】
そこで、ここで述べる実施形態では、環状変形体３０の内周面のＶ軸上に位置する部分およびＷ軸上に位置する部分に変位電極を形成している。図９は、内周面に変位電極Ｅ３１，Ｅ３２を形成した状態の環状変形体３０を、図２の左方向から見た平面図である。説明の便宜上、Ｘ，Ｙ，Ｖ，Ｗ軸が重ねて描かれている。変位電極Ｅ３１は、Ｖ軸の正の領域と環状変形体３０の内周面との交差位置に形成された電極であり、変位電極Ｅ３２は、Ｗ軸の正の領域と環状変形体３０の内周面との交差位置に形成された電極である。これら変位電極Ｅ３１，Ｅ３２の奥行き寸法（図９の紙面に垂直方向の寸法）は、環状変形体３０の奥行き寸法に等しい。この例の場合、変位電極Ｅ３１，Ｅ３２は、環状変形体３０の内周面に、蒸着やメッキ等の方法で形成された金属膜などの導電層によって構成されている。もちろん、環状変形体３０がアルミニウムやステンレスのような金属でできている場合は、環状変形体３０自体が導電性をもつため、絶縁層を介して変位電極Ｅ３１，Ｅ３２を形成する必要がある。
【００８４】
一方、これら変位電極Ｅ３１，Ｅ３２に対向する位置には、それぞれ固定電極Ｅ２１，Ｅ２２が設けられ、右側支持体２０に固定される。図１０は、これら固定電極Ｅ２１，Ｅ２２を取り付けた状態の右側支持体２０を、図２の左方向から見た平面図である。ここでも、説明の便宜上、Ｘ，Ｙ，Ｖ，Ｗ軸が重ねて描かれている。固定電極Ｅ２１は、Ｖ軸の正の領域に配置され、変位電極Ｅ３１に対向する。固定電極Ｅ２２は、Ｗ軸の正の領域に配置され、変位電極Ｅ３２に対向する。
【００８５】
図１１は、図１０に示す右側支持体２０の側面図である。図示のとおり、固定電極Ｅ２２は、右側支持体２０の左側面から回転軸に沿った方向（Ｚ軸負方向）に突き出した導電板によって構成されている。なお、固定電極Ｅ２１は、固定電極Ｅ２２の奥に隠れているため、図１１には現れていない。
【００８６】
図１２は、図３に示す基本構造部に変位電極および固定電極を付加した構造体をＶＺ平面で切断した側断面図である。図３がＹＺ平面で切断した側断面図であるのに対して、図１２はＶＺ平面で切断した側断面図であるため、図１２の上方は、Ｙ軸方向ではなく、図９および図１０に示すＶ軸方向となっている。この図１２の側断面図には、Ｖ軸上に配置された変位電極Ｅ３１と固定電極Ｅ２１とが互いに対向している状態が明瞭に示されている。変位電極Ｅ３１は、環状変形体３０の内周面に固着された電極であるため、環状変形体３０の変形に依存して変位する。一方、固定電極Ｅ２１は、右端が右側支持体２０に固定されており、環状変形体３０の変形にかかわらず、常に一定の位置を保つことになる。
【００８７】
結局、変位電極Ｅ３１の固定電極Ｅ２１に対する相対位置は、環状変形体３０の変形に依存して変化することになる。別言すれば、変位電極Ｅ３１と固定電極Ｅ２１との電極間距離は、環状変形体３０の変形に依存して変化する。図１２には示されていないが、Ｗ軸上に配置された変位電極Ｅ３２と固定電極Ｅ２２との関係も全く同様である。
【００８８】
図１３は、図２に示す基本構造部に上述した変位電極および固定電極を付加した構造体をＸＹ平面で切断し、図２の左方向から見た断面図である。この断面図では、Ｖ軸上に配置された変位電極Ｅ３１と固定電極Ｅ２１とが互いに対向し、Ｗ軸上に配置された変位電極Ｅ３２と固定電極Ｅ２２とが互いに対向した状態が明瞭に示されている。
【００８９】
ここに示す実施形態の場合、変位電極Ｅ３１，Ｅ３２は、環状変形体３０の内周面に形成された導電層によって構成されているため、その表面は環状変形体３０の内周に沿った曲面になる。そこで、これらに対向する固定電極Ｅ２１，Ｅ２２も、曲面状の電極にしている。別言すれば、変位電極Ｅ３１，Ｅ３２や固定電極Ｅ２１，Ｅ２２の表面は、Ｚ軸を中心軸とした同心状の円柱表面によって構成されている。もっとも、各電極の表面形状は容量素子を構成する役割を果たすことができれば、どのような形状であってもよいので、表面が平面となる平板状の電極を用いてもかまわない。
【００９０】
なお、本願図面では、図示の便宜上、各変位電極および各固定電極の厚みの実寸を無視して描いてある。たとえば、変位電極Ｅ３１，Ｅ３２を、環状変形体３０の内周面に形成された導電層（蒸着層やメッキ層）によって構成した場合、その厚みは、数μｍ程度に設定することができる。これに対して、固定電極Ｅ２１，Ｅ２２を、右側支持体２０の左側面から突き出した導電板（金属板）によって構成した場合、実用上の強度を確保するために、その厚みは、数ｍｍ程度確保するのが好ましい。したがって、図１３等では、便宜上、変位電極の厚みと固定電極の厚みを同じ寸法で描いてあるが、これら電極の厚みの実寸は、製造工程や実用上の強度を考慮して、それぞれ適当な値に設定されるべきものである。
【００９１】
図１４は、図１３に示す基本構造部に対して、Ｚ軸正まわりのトルクが作用したときの状態を示すＸＹ断面図である。§２で述べたとおり、このようなトルクが作用すると、環状変形体３０は楕円状に変形し、Ｖ軸は当該楕円の短軸方向、Ｗ軸は当該楕円の長軸方向になる。その結果、Ｖ軸上に配置された一対の電極Ｅ２１，Ｅ３１の電極間隔は狭まり、Ｗ軸上に配置された一対の電極Ｅ２２，Ｅ３２の電極間隔は広がることになる。そこで、一対の電極Ｅ２１，Ｅ３１により容量素子Ｃ１を構成し、一対の電極Ｅ２２，Ｅ３２により容量素子Ｃ２を構成しておけば、これら容量素子Ｃ１，Ｃ２の静電容量値の変動量として、作用したトルクの方向および大きさを検出することが可能になる。
【００９２】
たとえば、図１３に示す無負荷状態（トルクが作用していない状態）を基準として、電極Ｅ２１，Ｅ３１からなる容量素子Ｃ１の静電容量値の変動に着目すると、図１４に示すようにＺ軸正まわりのトルクが作用すると、電極間隔が狭まるため、静電容量値は増加することになり、逆に、Ｚ軸負まわりのトルクが作用すると、電極間隔が広がるため、静電容量値は減少することになる。したがって、静電容量値の増加変動はＺ軸正まわりのトルクが作用していることを示し、静電容量値の減少変動はＺ軸負まわりのトルクが作用していることを示すことになる。もちろん、変動量の絶対値は、作用したトルクの大きさを示すことになる。
【００９３】
同様に、電極Ｅ２２，Ｅ３２からなる容量素子Ｃ２の静電容量値の変動に着目すると、図１４に示すようにＺ軸正まわりのトルクが作用すると、電極間隔が広がるため、静電容量値は減少することになり、逆に、Ｚ軸負まわりのトルクが作用すると、電極間隔が狭まるため、静電容量値は増加することになる。したがって、静電容量値の減少変動はＺ軸正まわりのトルクが作用していることを示し、静電容量値の増加変動はＺ軸負まわりのトルクが作用していることを示すことになる。もちろん、変動量の絶対値は、作用したトルクの大きさを示すことになる。
【００９４】
結局、容量素子Ｃ１を用いても、容量素子Ｃ２を用いても、Ｚ軸まわりのトルク検出が可能であり、理論的には、いずれか一方の容量素子のみを用いれば足りる。ただ、実用上は、容量素子Ｃ１，Ｃ２の双方を用いた検出を行うのが好ましい。すなわち、環状変形部３０が楕円に変形した際の短軸位置（Ｖ軸上）と長軸位置（Ｗ軸上）とにそれぞれ容量素子Ｃ１，Ｃ２を設けておけば、同一のトルクが加わった場合、短軸位置（Ｖ軸上）では電極間隔が狭まり静電容量値が増加するのに対して、長軸位置（Ｗ軸上）では電極間隔が広がり静電容量値が減少するので、両静電容量値Ｃ１，Ｃ２の差分として、作用したトルクを検出することができる。このような差分検出は、同相ノイズやゼロ点ドリフトを抑えた安定したトルク検出に有効であり、また、温度による各部の膨張の影響を相殺して、精度の高い検出値を得るのに貢献する。
【００９５】
このような差分検出を行うためには、要するに、環状変形体３０の各部分のうち、所定回転方向のトルクが作用したときに、回転軸に近づく方向に変位する第１の部分（この例ではＶ軸との交差部分）に固定された第１の変位電極Ｅ３１と、回転軸から離れる方向に変位する第２の部分（この例ではＷ軸との交差部分）に固定された第２の変位電極Ｅ３２と、第１の変位電極Ｅ３１に対向する位置に配置された第１の固定電極Ｅ２１と、第２の変位電極Ｅ３２に対向する位置に配置された第２の固定電極Ｅ２２と、を設けておけばよい。
【００９６】
そして、このような差分検出を行うための検出回路として、第１の変位電極Ｅ３１と第１の固定電極Ｅ２１とによって構成される第１の容量素子Ｃ１の静電容量値と、第２の変位電極Ｅ３２と第２の固定電極Ｅ２２とによって構成される第２の容量素子Ｃ２の静電容量値と、の差に相当する電気信号を、作用したトルクを示す電気信号として出力する回路を設けておけばよい。
【００９７】
図１５は、このような差分検出を行う機能をもった検出回路の一例を示す回路図である。この回路図に示すＥ２１，Ｅ３１，Ｅ２２，Ｅ３２は、図１３および図１４に示す各電極であり、Ｃ１，Ｃ２は、これらの電極によって構成される容量素子である。Ｃ／Ｖ変換回路４１，４２は、それぞれ容量素子Ｃ１，Ｃ２の静電容量値を電圧値Ｖ１，Ｖ２に変換する回路であり、変換後の電圧値Ｖ１，Ｖ２は、それぞれ各静電容量値に対応した値になる。差分演算器４３は、電圧値の差分「Ｖ１−Ｖ２」を求め、これを出力端子Ｔ１に出力する機能を有する。
【００９８】
図１３に示す例において、変位電極Ｅ３１，Ｅ３２を同一形状、同一サイズの電極によって構成し、固定電極Ｅ２１，Ｅ２２を同一形状、同一サイズの電極によって構成し、Ｖ軸に対する電極Ｅ３１，Ｅ２１の位置関係と、Ｗ軸に対する電極Ｅ３２，Ｅ２２の位置関係と、が同一になるように設定すれば、図１３に示す無負荷状態において、容量素子Ｃ１，Ｃ２の静電容量値は等しくなる。したがって、図１５に示す検出回路から出力端子Ｔ１に出力される電圧値は０になる。
【００９９】
これに対して、図１４に示す例のように、Ｚ軸正まわりのトルクが作用すると、容量素子Ｃ１の静電容量値は大きくなり、容量素子Ｃ２の静電容量値は小さくなるので、図１５に示す検出回路から出力端子Ｔ１に出力される電圧値は正の値となり、トルクが大きいほどその絶対値は大きくなる。逆に、Ｚ軸負まわりのトルクが作用すると、容量素子Ｃ１の静電容量値は小さくなり、容量素子Ｃ２の静電容量値は大きくなるので、図１５に示す検出回路から出力端子Ｔ１に出力される電圧値は負の値となり、トルクが大きいほどその絶対値は大きくなる。かくして、出力端子Ｔ１には、符号を含めたトルクの検出値が得られる。
【０１００】
なお、ここに示す実施形態では、各固定電極Ｅ２１，Ｅ２２を、右側支持体２０に固定しているが、固定電極は左側支持体１０に固定してもかまわない。たとえば、図１２に示す例の場合、固定電極Ｅ２１は、右側支持体２０の左側面から左側へ突き出した導電板によって構成されているが、左側支持体１０の右側面から右側へ突き出した導電板によって固定電極Ｅ２１を構成してもかまわない。要するに、固定電極Ｅ２１は、変位電極Ｅ３１に対向する定位置に、環状変形体３０の変形にかかわらず維持されるように設けられていればよい。
【０１０１】
また、ここに示す実施形態では、変位電極Ｅ３１，Ｅ３２を、環状変形体３０の内周面に固定しているが、変位電極は、環状変形体３０の外周面に固定してもかまわない。図１４を見れば明らかなように、環状変形体３０が楕円に変形した際に変位を生じるのは、環状変形体３０の内周面だけではなく、外周面も同じように変位を生じる。したがって、変位電極は環状変形体３０の外周面に形成してもよい。この場合、変位電極に対向する固定電極は、変位電極の更に外側に配置すればよい。もっとも、環状変形体３０の外側に各電極を配置する構造を採ると、センサの全体的なサイズが大きくなり、また、各電極部分が破損しやすくなるので、実用上は、これまで述べた実施形態のように、環状変形体３０の内周面に変位電極を設けるのが好ましい。
【０１０２】
結局、本発明に係るトルクセンサは、§１で説明した基本構造体（左側支持体１０，右側支持体２０，環状変形体３０）に、環状変形体３０の内周面もしくは外周面に固定され環状変形体３０の弾性変形に起因した変位を生じる変位電極と、この変位電極に対向する位置に配置され、左側支持体１０もしくは右側支持体２０に固定された固定電極と、これら変位電極および固定電極によって構成される容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、右側支持体２０に負荷がかかった状態において左側支持体１０に作用した回転軸まわりのトルクを示す電気信号を出力する検出回路と、を付加することにより構成されるセンサということになる。
【０１０３】
容量素子は、変位電極と固定電極という一対の電極を設けるだけで構成できるので、トルクセンサ全体の構造は単純化され、コストダウンに貢献することができる。また、図１５に示すＣ／Ｖ変換回路４１，４２や、差分演算器４３は、古くから知られている単純な回路であり、低コストで実現可能な回路である。
【０１０４】
なお、変位電極および固定電極は、それぞれ１枚ずつでもかまわないが、実用上は、より精度の高い検出を行うことができるように、Ｖ軸上に配置された第１の変位電極Ｅ３１および第１の固定電極Ｅ２１と、Ｗ軸上に配置された第２の変位電極Ｅ３２および第２の固定電極Ｅ２２と、を設け、検出回路が、第１の変位電極Ｅ３１と第１の固定電極Ｅ２１とによって構成される第１の容量素子Ｃ１の静電容量値と、第２の変位電極Ｅ３２と第２の固定電極Ｅ２２とによって構成される第２の容量素子Ｃ２の静電容量値と、の差に相当する電気信号を、作用したトルクを示す電気信号として出力するようにするのが好ましい。この場合、容量素子Ｃ１，Ｃ２の検出感度が異なる場合には、所定の係数を乗じる補正を行えばよい。
【０１０５】
＜＜＜  §４．  電極をオフセット配置する変形例  ＞＞＞
§３では、図１３に示す無負荷状態のセンサに対して、Ｚ軸正まわりのトルクが作用すると、図１４に示す変形状態へと遷移するので、この変形状態を、一対の容量素子Ｃ１，Ｃ２の静電容量値の変動により検出する基本原理を述べた。しかしながら、図１４は、説明の便宜上、変位電極Ｅ３１，Ｅ３２の回転方向に関する変位を無視して描いた図であり、実際には、変位電極Ｅ３１，Ｅ３２の位置は、時計まわりに若干ずれ、オフセットを生じることになる。
【０１０６】
図１６は、この変位電極Ｅ３１，Ｅ３２の回転方向のずれを強調して描いた断面図である。§３で説明したとおり、Ｚ軸正まわりのトルクが作用すると、環状変形体３０は楕円状に変形するため、Ｖ軸上に配置された一対の電極Ｅ２１，Ｅ３１の電極間隔は狭まり、Ｗ軸上に配置された一対の電極Ｅ２２，Ｅ３２の電極間隔は広がることになる。しかしながら、実際には、環状変形体３０に対しては、図に白抜き矢印で示すように、時計まわりへ回転させる力が加わるため、環状変形体３０の内周面に固着された変位電極Ｅ３１，Ｅ３２は、図の時計まわりの方向へ若干移動することになる。
【０１０７】
なお、図１６では、説明の便宜上、この回転方向のオフセット量をかなり大きくとって示してあるが、実際には、環状変形体３０として、プラスチックや金属など、ある程度、高い剛性をもった材質を用いれば、変位電極の回転方向のオフセット量はこれほど大きくはならない。
【０１０８】
結局、図１６に示すような変形状態において、Ｖ軸上に配置された一対の電極Ｅ２１，Ｅ３１の位置関係をみると、相互の電極間隔は狭まり、変位電極Ｅ３１の位置が時計まわりに若干ずれるため、実効対向面積は小さくなることがわかる。同様に、Ｗ軸上に配置された一対の電極Ｅ２２，Ｅ３２の位置関係をみると、相互の電極間隔は広がり、変位電極Ｅ３２の位置が時計まわりに若干ずれるため、実効対向面積は小さくなることがわかる。
【０１０９】
ここで、一対の対向電極によって構成される容量素子の静電容量値の変化を検討すると、電極Ｅ２１，Ｅ３１によって構成される容量素子Ｃ１の静電容量値は、電極間隔が狭まった要因により増加するものの、実効対向面積が小さくなった要因により減少することになる。一方、電極Ｅ２２，Ｅ３２によって構成される容量素子Ｃ２の静電容量値は、電極間隔が広がった要因により減少し、実効対向面積が小さくなった要因により更に減少することになる。
【０１１０】
こうして、各容量素子Ｃ１，Ｃ２の静電容量値は、電極間隔の変化要因と実効対向面積の変化要因との双方の影響を受けて変化することになる。ここで、図１６に示す変化態様では、容量素子Ｃ２に関しては、電極間隔の変化要因と実効対向面積の変化要因との双方が、静電容量値を減少させる方向に作用する感度増幅効果が得られる。ところが、容量素子Ｃ１に関しては、電極間隔の変化要因は静電容量値を増加させる方向に作用するが、実効対向面積の変化要因は逆に静電容量値を減少させる方向に作用することになり、両変化要因は互いに逆方向に作用し合い、結果的に感度が減少してしまうことになる。また、図１６に示す変化態様とは逆に、Ｚ軸負まわりのトルクが作用した場合は、容量素子Ｃ１に関しては、感度増幅効果が得られるが、容量素子Ｃ２に関しては、感度が減少してしまうことになる。
【０１１１】
前述したとおり、環状変形体３０として、高い剛性をもった材質を用いれば、トルクが作用した状態において、環状変形体３０のねじれ角は比較的小さく抑えることが可能であり、変位電極の固定電極に対するオフセット量を小さく抑えることができる。しかしながら、両電極の位置関係に生じたオフセットによって、検出感度を低下させる悪影響が及ぶことは確かである。
【０１１２】
そこで、この§４では、容量素子を構成する一対の電極の実効対向面積の変化に起因して生じる検出感度の低下に対処する工夫を述べる。この工夫の基本概念は、トルクが作用していない無負荷状態において、予め一方の電極を所定方向にオフセットをもたせて配置しておくようにする、というものである。このような工夫により、トルクが作用したときに、容量素子の実効面積の変動によって検出結果に悪影響が及ぶことを阻止することができる。
【０１１３】
具体的には、たとえば、図１７に示すように、トルクが作用していない無負荷状態において、第１の固定電極Ｅ２１の位置が、第１の変位電極Ｅ３１の位置に比べて、所定回転方向（この例では、図における時計まわり方向）に所定のオフセット量だけずれ、第２の固定電極Ｅ２２の位置が、第２の変位電極Ｅ３２の位置に比べて、前記所定回転方向とは逆の方向（この例では、図における反時計まわり方向）に所定のオフセット量だけずれているような電極配置を採ればよい。
【０１１４】
図１８は、図１７に示すトルクセンサについて、環状変形体３０を時計まわりに若干回転させたときの各電極の位置関係を示す断面図である。実際には、Ｚ軸正まわりのトルクが作用した場合、環状変形体３０は楕円形に変形することになるが、図１８では、各電極の回転方向に関する位置関係の変化を示すため、環状変形体３０は円形形状を維持したままの状態で描かれている（右側支持体２０の凸状部２１，２２が、環状変形体３０に接合されておらず、環状変形体３０が時計まわりに空転した状態と考えればよい）。
【０１１５】
ここで、Ｖ軸上に配置された一対の電極Ｅ２１，Ｅ３１の位置関係をみると、図１７に示す状態に比べて、図１８に示す状態では、変位電極Ｅ３１の位置が時計まわりに若干ずれるため、実効対向面積は大きくなることがわかる。一方、Ｗ軸上に配置された一対の電極Ｅ２２，Ｅ３２の位置関係をみると、図１７に示す状態に比べて、図１８に示す状態では、変位電極Ｅ３２の位置が時計まわりに若干ずれるため、実効対向面積は小さくなることがわかる。結局、実効対向面積の変化という要因のみを考慮すると、図１７に示す状態から図１８に示す状態に遷移することにより、容量素子Ｃ１の静電容量値は増加し、容量素子Ｃ２の静電容量値は減少することになる。
【０１１６】
一方、電極間隔の変化という要因のみを考慮した場合は、既に§３で述べたとおり、図１３に示す状態から図１４に示す状態に遷移することにより、容量素子Ｃ１の静電容量値は増加し、容量素子Ｃ２の静電容量値は減少する。実際に、図１７に示すトルクセンサに、Ｚ軸正まわりのトルクが作用した場合は、図１８に示す状態ではなく、更に、環状変形体３０の楕円変形が加わった状態ということになるので、各容量素子Ｃ１，Ｃ２の静電容量値は、実効対向面積の変化という要因と電極間隔の変化という要因との２通りの影響を受けて変化することになる。
【０１１７】
その場合でも、図１７に例示するようなオフセット配置を採っていれば、両変化要因は常に同じ方向に作用し合い、結果的に感度を増加させる効果が得られる。たとえば、容量素子Ｃ１に関しては、Ｚ軸正まわりのトルクが作用した場合、電極間隔の変化という要因では、図１４に示すとおり、電極間隔が狭まり静電容量値が増加する作用が生じ、実効対向面積の変化という要因では、図１８に示すとおり、実効対向面積が大きくなり、やはり静電容量値が増加する作用が生じる。すなわち、両変化要因は、いずれも静電容量値を増加させる方向に作用する。
【０１１８】
一方、容量素子Ｃ２に関しては、Ｚ軸正まわりのトルクが作用した場合、電極間隔の変化という要因では、図１４に示すとおり、電極間隔が広がり静電容量値が減少する作用が生じ、実効対向面積の変化という要因では、図１８に示すとおり、実効対向面積が小さくなり、やはり静電容量値が減少する作用が生じる。すなわち、両変化要因は、いずれも静電容量値を減少させる方向に作用する。
【０１１９】
また、Ｚ軸負まわりのトルクが作用した場合は、容量素子Ｃ１に関しては、電極間隔が広がり静電容量値が減少する作用が生じ、実効対向面積は小さくなり、やはり静電容量値が減少する作用が生じる。同様に、容量素子Ｃ２に関しては、電極間隔が狭まり静電容量値が増加する作用が生じ、実効対向面積は大きくなり、やはり静電容量値が増加する作用が生じる。
【０１２０】
このように、無負荷状態において、図１７に例示するようなオフセット配置を採っていれば、電極間隔の変化という要因に基づく静電容量値の変化と、実効対向面積の変化という要因に基づく静電容量値の変化とが、常に同じ方向に作用するため、常に検出感度を増幅させる効果が得られることになる。
【０１２１】
要するに、所定回転方向のトルクが作用したときに、電極間隔が狭まる位置に配置された第１の容量素子と、電極間隔が広がる位置に配置された第２の容量素子と、の双方を用いてトルク検出を行う場合、前記トルクが作用したときに、第１の容量素子を構成する一対の電極の実効対向面積が増加し、第２の容量素子を構成する一対の電極の実効対向面積が減少するように、トルクが作用していない無負荷状態において、互いに対向する変位電極と固定電極とを予めオフセットをもたせて配置しておけばよい。
【０１２２】
＜＜＜  §５．  ４組の容量素子を用いる変形例  ＞＞＞
§３では、円環状の環状変形体３０をトルクの作用により楕円形に変形させる基本構造部を用いて、楕円の短軸方向および長軸方向にそれぞれＶ軸，Ｗ軸を定義し、Ｖ軸およびＷ軸の位置にそれぞれ容量素子を１組ずつ配置してトルクを検出する例を述べた。ここでは、合計４組の容量素子を用いて、検出精度を更に向上させた変形例を説明する。
【０１２３】
この§５で述べるトルクセンサも、§３で述べた実施形態と同様に、図２に示す基本構造部を用いる。§３で述べた実施形態との相違点は、合計４組の容量素子を用い、検出回路が、この４組の容量素子の静電容量値に基づくトルク検出を行う点である。
【０１２４】
図１９は、この４組の容量素子を用いる変形例に係るトルクセンサのＸＹ平面での断面図である。図１３に示す基本的な実施形態と比べると、新たに２枚の変位電極Ｅ３３，Ｅ３４と２枚の固定電極Ｅ２３，Ｅ２４が付加されていることがわかる。すなわち、正のＶ軸上には、第１の変位電極Ｅ３１および第１の固定電極Ｅ２１が配置され、正のＷ軸上には、第２の変位電極Ｅ３２および第２の固定電極Ｅ２２が配置され、負のＶ軸上には、第３の変位電極Ｅ３３および第３の固定電極Ｅ２３が配置され、負のＷ軸上には、第４の変位電極Ｅ３４および第４の固定電極Ｅ２４が配置されている。
【０１２５】
もちろん、各変位電極Ｅ３１〜Ｅ３４はいずれも環状変形体３０の内周面に固定されており、各固定電極Ｅ２１〜Ｅ２４は、それぞれ各変位電極Ｅ３１〜Ｅ３４に対向する位置にくるように、端部が右側支持体２０（左側支持体１０でもよい）に固定されている。
【０１２６】
結局、ＸＹ座標系において、第１象限Ｉには、第１の変位電極Ｅ３１と第１の固定電極Ｅ２１とによって構成される第１の容量素子Ｃ１が配置され、第２象限IIには、第２の変位電極Ｅ３２と第２の固定電極Ｅ２２とによって構成される第２の容量素子Ｃ２が配置され、第３象限IIIには、第３の変位電極Ｅ３３と第３の固定電極Ｅ２３とによって構成される第３の容量素子Ｃ３が配置され、第４象限IVには、第４の変位電極Ｅ３４と第４の固定電極Ｅ２４とによって構成される第４の容量素子Ｃ４が配置されている。
【０１２７】
ここで、前述した基本原理に基づくトルク検出に関して、第３の容量素子Ｃ３の挙動は、第１の容量素子Ｃ１の挙動と同じであり、第４の容量素子Ｃ４の挙動は、第２の容量素子Ｃ２の挙動と同じである。たとえば、図１９に示す無負荷状態のセンサに対して、Ｚ軸正まわりのトルクが作用すると、図２０に示す変形状態へと遷移し、容量素子Ｃ１，Ｃ３の電極間隔は狭まるため静電容量値は増加し、容量素子Ｃ２，Ｃ４の電極間隔は広がるため静電容量値は減少する。Ｚ軸負まわりのトルクが作用した場合は、これと逆の現象が生じる。
【０１２８】
したがって、この変形例の場合、図２１の回路図に示されているような検出回路を用いれば、Ｚ軸まわりのトルクを検出することができる。この回路図に示すＥ２１〜Ｅ３４は、図１９および図２０に示す各電極であり、Ｃ１〜Ｃ４は、これらの電極によって構成される容量素子である。Ｃ／Ｖ変換回路５１〜５４は、それぞれ容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値を電圧値Ｖ１〜Ｖ４に変換する回路であり、変換後の電圧値Ｖ１〜Ｖ４は、それぞれ各静電容量値に対応した値になる。演算器５５は、「Ｖ１−Ｖ２＋Ｖ３−Ｖ４」なる演算を行い、その結果を出力端子Ｔ２に出力する機能を有する。当該演算は、電圧値の和「Ｖ１＋Ｖ３」と、電圧値の和「Ｖ２＋Ｖ４」と、の差を求める演算に相当する。
【０１２９】
結局、図２１に示す検出回路は、「第１の変位電極Ｅ３１と第１の固定電極Ｅ２１とによって構成される第１の容量素子Ｃ１の静電容量値と、第３の変位電極Ｅ３３と第３の固定電極Ｅ２３とによって構成される第３の容量素子Ｃ３の静電容量値と、の和」と、「第２の変位電極Ｅ３２と第２の固定電極Ｅ２２とによって構成される第２の容量素子Ｃ２の静電容量値と、第４の変位電極Ｅ３４と第４の固定電極Ｅ２４とによって構成される第４の容量素子Ｃ４の静電容量値と、の和」と、の差に相当する電気信号を、作用したトルクを示す電気信号として出力する機能を有する。
【０１３０】
このように、合計４組の容量素子を、Ｖ軸およびＷ軸の正負両側に設けるようにすれば、静電容量値が増加する２組の容量素子と、静電容量値が減少する２組の容量素子と、を用いた差分検出が可能になり、検出精度は更に向上する。
【０１３１】
もちろん、この４組の容量素子を用いた変形例についても、§４で述べた電極のオフセット配置を行うことにより、容量素子の実効対向面積の変化という要因に基づく検出感度の低下を防ぐこともできる。すなわち、所定回転方向のトルクの作用により環状変形体３０のＸＹ平面上への正射影投影像の輪郭が円から楕円に変化する場合に、この楕円の短軸方向にＶ軸、長軸方向にＷ軸をとり、Ｖ軸およびＷ軸の正負両側にそれぞれ容量素子Ｃ１〜Ｃ４を配置する構成をとり、トルクが作用していない状態において、第１の固定電極Ｅ２１の位置が、第１の変位電極Ｅ３１の位置に比べて、前記所定回転方向に所定のオフセット量だけずれ、第２の固定電極Ｅ２２の位置が、第２の変位電極Ｅ３２の位置に比べて、前記所定回転方向とは逆の方向に所定のオフセット量だけずれ、第３の固定電極Ｅ２３の位置が、第３の変位電極Ｅ３３の位置に比べて、前記所定回転方向に所定のオフセット量だけずれ、第４の固定電極Ｅ２４の位置が、第４の変位電極Ｅ３４の位置に比べて、前記所定回転方向とは逆の方向に所定のオフセット量だけずれているようにすればよい。
【０１３２】
＜＜＜  §６．  容量素子の実効面積を一定に維持する変形例  ＞＞＞
§４では、トルクが作用した場合に、変位電極が回転方向に若干のずれを生じるため、対向する一対の変位電極／固定電極間にオフセットが生じ、容量素子の実効面積が変化する現象が生じることを説明し、その結果、検出感度の低下を招くことを説明した。そして、そのような感度低下を防ぐための工夫として、無負荷状態において、予め電極をオフセット配置しておく方法を述べた。ここでは、変位電極が回転方向に若干のずれを生じた場合にも、すなわち、固定電極に対する変位電極の相対位置が変化した場合にも、容量素子の実効面積に変化が生じないようにする工夫を述べることにする。
【０１３３】
図２２は、固定電極に対する変位電極の相対位置が変化した場合にも、容量素子の実効面積を一定に維持する原理を示す図である。いま、図２２(a) に示すように、一対の電極ＥＬ，ＥＳを互いに対向するように配置した場合を考える。両電極ＥＬ，ＥＳは、互いに所定間隔をおいて平行になるように配置されており、容量素子を構成している。ただ、電極ＥＬは電極ＥＳに比べて面積が大きくなっており、電極ＥＳの輪郭を電極ＥＬの表面に投影して正射影投影像を形成した場合、電極ＥＳの投影像は、電極ＥＬの表面内に完全に含まれる。この場合、容量素子としての実効面積は、電極ＥＳの面積になる。
【０１３４】
図２２(b) は、図２２(a) に示す一対の電極ＥＳ，ＥＬの側面図である。図にハッチングを施した領域は、実質的な容量素子としての機能を果たす部分であり、容量素子としての実効面積は、このハッチングを施した電極の面積（すなわち、電極ＥＳの面積）ということになる。
【０１３５】
いま、図に一点鎖線で示すような鉛直面Ｕを考える。電極ＥＳ，ＥＬは、いずれも鉛直面Ｕに平行になるように配置されている。ここで、電極ＥＳを鉛直面Ｕに沿って垂直上方に移動させたとすると、電極ＥＬ側の対向部分は上方に移動するものの、当該対向部分の面積に変わりはない。電極ＥＳを下方に移動させても、紙面の奥方向や手前方向に移動させても、やはり電極ＥＬ側の対向部分の面積は変わらない。
【０１３６】
要するに、電極ＥＬの表面に形成された電極ＥＳの正射影投影像が、電極ＥＬの表面内に完全に含まれている状態（すなわち、一部でもはみ出ることがない状態）であれば、容量素子としての実効面積は、常に電極ＥＳの面積に一致する。すなわち、容量素子の実効面積は、電極ＥＳの移動にかかわらず、一定に維持される。これは、電極ＥＬ側を移動させた場合も同様である。
【０１３７】
したがって、所定回転方向のトルクが作用した結果、固定電極に対する変位電極の相対位置が変化した場合にも、容量素子を構成する一対の電極の実効対向面積が変化しないように、固定電極および変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定しておけば、トルクが作用した場合でも、容量素子の実効面積は一定に維持されることになる。より厳密に言えば、面積が小さい方の電極ＥＳの輪郭を、面積が大きい方の電極ＥＬの表面に投影して正射影投影像を形成した場合、電極ＥＳの投影像が、電極ＥＬの表面内に完全に含まれる状態を維持している限り、両電極によって構成される容量素子の実効面積は、電極ＥＳの面積に等しくなり、常に一定になる。
【０１３８】
図２３は、§５で述べた図１９に示すトルクセンサに、図２２に示す原理を適用した変形例を示すＸＹ平面での断面図である。図１９に示すセンサとの相違点は、４枚の変位電極Ｅ３１〜Ｅ３４を、より面積の大きな変位電極Ｅ３１Ｌ〜Ｅ３４Ｌに置き換え、４枚の固定電極Ｅ２１〜Ｅ２４を、より面積の小さな固定電極Ｅ２１Ｓ〜Ｅ２４Ｓに置き換えた点のみである。図２３を見れば明らかなように、ＸＹ平面に沿った断面図において、円周方向に関する各電極の幅を比較すると、常に、変位電極Ｅ３１Ｌ〜Ｅ３４Ｌの幅が、固定電極Ｅ２１Ｓ〜Ｅ２４Ｓの幅よりも広くなっている。
【０１３９】
図２４は、図２３に示すトルクセンサをＶＺ平面で切断した側断面図である。図２４の上方は、Ｙ軸方向ではなく、図２３に示すＶ軸方向である。図の原点Ｏ近傍には、変位電極Ｅ３４Ｌと固定電極Ｅ２４Ｓとの位置関係が明瞭に示されている。この例では、固定電極Ｅ２４Ｓは、絶縁板Ｄ２４を介して右側支持体２０に固定されている。容量素子Ｃ４を構成する電極として機能する部分は、原点Ｏ近傍に配置された固定電極Ｅ２４Ｓの部分のみであり、絶縁板Ｄ２４は、固定電極Ｅ２４Ｓを支持するための単なる台座としての役割を果たすだけである。
【０１４０】
同様に、図２４の上方には、変位電極Ｅ３１Ｌと固定電極Ｅ２１Ｓとの位置関係が明瞭に示されている。ここでも、絶縁板Ｄ２１は、固定電極Ｅ２１Ｓを支持するための台座としての役割を果たす。また、図２４の下方には、変位電極Ｅ３３Ｌと固定電極Ｅ２３Ｓとの位置関係が明瞭に示されている。ここでも、絶縁板Ｄ２３は、固定電極Ｅ２３Ｓを支持するための台座としての役割を果たす。
【０１４１】
結局、この実施例の場合、変位電極Ｅ３１Ｌ〜Ｅ３４Ｌが図２３における円周方向に変位しても、図２４におけるＺ軸方向に変位しても、その変位量が所定の許容範囲を超えない限り（すなわち、固定電極の投影像が変位電極の表面からはみ出さない限り）、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の実効面積は一定に維持されることになる。したがって、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変動は、専ら、電極間距離の変化という要因に起因して生じることになり、実効対向面積の変化という要因に起因した静電容量値の変動は生じない。これは、§４で述べた理由による検出感度の低下が生じないことを意味する。
【０１４２】
なお、この図２３に示す実施例は、検出対象となるトルク以外の余分な力成分（以下、外乱成分という）が作用した場合にも、これら外乱成分の影響を受けない正確なトルク検出が可能になるという付加的な特徴を有しており、実用上、極めて有益である。以下、この付加的な特徴を詳細に説明する。
【０１４３】
一般に、ＸＹＺ三次元座標系に作用する力は、Ｘ軸方向の力Ｆｘ，Ｙ軸方向の力Ｆｙ，Ｚ軸方向の力Ｆｚという各座標軸方向に作用する力成分と、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ，Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ，Ｚ軸まわりのモーメントＭｚという各座標軸まわりに作用するモーメント成分という、合計６つの成分に分けられる。そして、これら６成分のうちの特定成分を検出するセンサには、他の成分の影響を受けずに、当該特定成分のみを独立して検出する機能が備わっているのが好ましい。
【０１４４】
そこで、図２３に示すトルクセンサに対して、上記６つの成分が作用した場合に、どのような検出結果が得られるかを検討してみる。ここでは、便宜上、右側支持体２０に負荷がかかった状態（右側支持体２０を固定した状態）において、環状変形体３０に対して、個々の力成分が作用した場合を別個に考える。
【０１４５】
まず、図２５は、図２３に示すトルクセンサについて、Ｚ軸正まわりのモーメントＭｚが作用したときの状態を示すＸＹ平面での断面図である。このＺ軸正まわりのモーメントＭｚは、このトルクセンサにおいて、検出対象となるトルクに他ならない。図２３に示す無負荷状態のセンサに対して、Ｚ軸正まわりのモーメントＭｚ（検出対象トルク）が作用すると、図２５に示す変形状態へと遷移し、容量素子Ｃ１，Ｃ３の電極間隔は狭まるため静電容量値は増加し、容量素子Ｃ２，Ｃ４の電極間隔は広がるため静電容量値は減少する。したがって、既に§５で述べたとおり、図２１に示されているような検出回路を用いれば、出力端子Ｔ２に、モーメントＭｚ（検出対象トルク）の検出値を得ることができる。
【０１４６】
一方、図２６は、図２３に示すトルクセンサについて、Ｘ軸方向の力Ｆｘが作用したときの状態を示すＸＹ平面での断面図である。この場合、環状変形体３０を構成する上方の円弧部分についても、下方の円弧部分についても、白抜き矢印で示すとおり、図の左方向へ移動させようとする力が加わることになるので、環状変形体３０は図示の状態に変形する。その結果、容量素子Ｃ２，Ｃ３の電極間隔は狭まるため静電容量値は増加し、容量素子Ｃ１，Ｃ４の電極間隔は広がるため静電容量値は減少する。ところが、図２１に示す検出回路では、容量素子Ｃ２，Ｃ３の静電容量値の変動分は相互に相殺され、容量素子Ｃ１，Ｃ４の静電容量値の変動分も相互に相殺されてしまうため、出力端子Ｔ２に出力される検出値は０になる。結局、Ｘ軸方向の力Ｆｘが作用しても、その値は検出されないことになる。
【０１４７】
Ｙ軸方向の力Ｆｙが作用したときも同様である。この場合、容量素子Ｃ１，Ｃ２の電極間隔は広がるため静電容量値は減少し、容量素子Ｃ３，Ｃ４の電極間隔は狭まるため静電容量値は増加する。ところが、図２１に示す検出回路では、容量素子Ｃ１，Ｃ２の静電容量値の変動分は相互に相殺され、容量素子Ｃ３，Ｃ４の静電容量値の変動分も相互に相殺されてしまうため、出力端子Ｔ２に出力される検出値は０になる。結局、Ｙ軸方向の力Ｆｙが作用しても、その値は検出されないことになる。
【０１４８】
また、Ｚ軸方向の力Ｆｚが作用した場合は、図２４において、環状変形体３０が図の右方へ平行移動することになるが、各容量素子の電極間隔は変化せずに一定値を維持し、また、変動量が上述した所定の許容範囲内である限り、各容量素子の実効面積も一定のままである。したがって、各容量素子に静電容量値の変動は生じず、Ｚ軸方向の力Ｆｚが作用しても、その値は検出されないことになる。
【０１４９】
一方、図２７は、図２３に示すトルクセンサについて、Ｘ軸正まわりのモーメントＭｘが作用したときの状態を示すＺＶ平面での断面図である。図示のとおり、環状変形体３０は、図面上での時計まわりに回転変位することになるので、各変位電極と各固定電極との位置関係は変化する。しかしながら、各容量素子の静電容量値に変化は生じない。たとえば、原点Ｏ近傍に描かれている変位電極Ｅ３４Ｌと固定電極Ｅ２４Ｓとは、相互の向きが変化するものの、電極間隔や実効面積に変わりはないので、容量素子Ｃ４の静電容量値に変動は生じない。容量素子Ｃ２についても同様である。
【０１５０】
また、図の上方に描かれている変位電極Ｅ３１Ｌと固定電極Ｅ２１Ｓとについては、変位電極Ｅ３１Ｌが傾斜したため、相互の位置関係は変化するが、実効面積に変わりはない。しかも、電極間隔については、右側半分では狭くなるが左側半分では広くなる関係にあるので、トータルでは、電極間隔が一定の場合と同等になる。したがって、容量素子Ｃ１，Ｃ３についても、静電容量値の変動は生じない。
【０１５１】
結局、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘが作用がしても、その値は検出されないことになる。Ｙ軸まわりのモーメントＭｙについても、全く同様である。
【０１５２】
図２８は、図２３に示すトルクセンサについて、右側支持体２０に負荷がかかった状態において、左側支持体１０から環状変形体３０に対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変化態様を示す表である。図において、「＋」の欄は静電容量値が増加することを示し、「−」の欄は静電容量値が減少することを示し、「０」の欄は静電容量値が変化しないことを示している。このような結果が得られる理由は、既に、図２５〜図２７を参照して説明したとおりである。この図２８の表を参照しながら、図２１に示す検出回路の動作を考えると、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚ（検出対象となるトルク）が作用した場合にのみ、出力端子Ｔ２に検出値が得られ、それ以外の５つの外乱成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙが作用しても、出力端子Ｔ２には検出値は得られないことが理解できよう。結局、図２３に示す実施例に係るトルクセンサでは、検出対象となるトルク以外の余分な力成分（外乱成分）が作用した場合にも、これら外乱成分の影響を受けない正確なトルク検出が可能になる。
【０１５３】
なお、この図２３に示す実施例に係るトルクセンサでは、Ｘ軸方向の力ＦｘおよびＹ軸方向の力Ｆｙを、
Ｆｘ＝（Ｃ２＋Ｃ３）−（Ｃ１＋Ｃ４）
Ｆｙ＝（Ｃ３＋Ｃ４）−（Ｃ１＋Ｃ２）
なる演算によって求めることも可能である。ここで、Ｃ１〜Ｃ４は、それぞれ容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値である。このような演算によって、力Ｆｘ，Ｆｙが求まる理由は、図２８の表に示す結果を踏まえれば、容易に理解できよう。
【０１５４】
なお、実際には、図２１の検出回路に示すように、各静電容量値Ｃ１〜Ｃ４を、Ｃ／Ｖ変換器５１〜５４により電圧値Ｖ１〜Ｖ４に変換し、これら電圧値を用いて演算を行うことになる。その場合は、
Ｆｘ＝（Ｖ２＋Ｖ３）−（Ｖ１＋Ｖ４）
Ｆｙ＝（Ｖ３＋Ｖ４）−（Ｖ１＋Ｖ２）
なる演算を行う演算器を設けておけばよい。
【０１５５】
このように、図２３に示す実施例に係るセンサは、Ｚ軸まわりのトルクを検出するトルクセンサとしての機能を果たすとともに、Ｘ軸方向の力ＦｘおよびＹ軸方向の力Ｆｙを検出する力センサとしての機能を果たすことができる。
【０１５６】
＜＜＜  §７．  共通導電層を用いる変形例  ＞＞＞
これまで述べた実施形態では、個々の変位電極と個々の固定電極とを、それぞれ別個の物理的に独立した電極として形成していたが、複数の変位電極もしくは複数の固定電極を、単一の共通電極によって構成することも可能である。特に、各変位電極を、環状変形体３０の内周面に形成された共通導電層によって構成すると、構造を単純化することができ、製造コストを低減することができる。
【０１５７】
たとえば、§６で述べた図２３に示す実施形態の場合、４枚の変位電極Ｅ３１Ｌ〜Ｅ３４Ｌと、４枚の固定電極Ｅ２１Ｓ〜Ｅ２４Ｓとが、それぞれ物理的に独立した電極として形成されており、製造時には、８枚の別個独立した電極を形成するプロセスが必要になる。そこで、４枚の変位電極Ｅ３１Ｌ〜Ｅ３４Ｌを、単一の共通電極によって構成すると、構造は単純化され、製造プロセスも簡単になる。
【０１５８】
図２９は、図２３に示すトルクセンサにおいて、４組の変位電極Ｅ３１Ｌ〜Ｅ３４Ｌを共通導電層Ｅ３５に置き換えた変形例を示すＸＹ平面での断面図である。共通導電層Ｅ３５は、環状変形体３０の内周面全面を覆うように形成された導電層であり、たとえば、環状変形体３０の内周面に蒸着やメッキにより形成した金属膜によって、この共通導電層Ｅ３５を構成することができる。この場合、内周面の全面に広がる共通導電層Ｅ３５のうち、個々の固定電極Ｅ２１Ｓ〜Ｅ２４Ｓに対向する部分領域が、それぞれ変位電極Ｅ３１Ｌ〜Ｅ３４Ｌとしての機能を果たすことになる。変位電極Ｅ３１Ｌ〜Ｅ３４Ｌは相互に短絡した状態になるが、図２１に示す検出回路の動作上、何ら支障は生じない。
【０１５９】
図３０は、図２９に示すトルクセンサにおいて、導電性材料からなる環状変形体３０Ａを用いることにより、環状変形体３０Ａの内周面を共通導電層として利用した変形例を示すＸＹ平面での断面図である。たとえば、環状変形体３０Ａを金属などの導電性の弾性材料によって構成しておけば、環状変形体３０Ａの内周面自身が、図２９に示す共通導電層Ｅ３５として機能することになる。したがって、実質的には、環状変形体側には、何ら電極を形成する工程を行う必要はなくなり、製造プロセスは非常に単純化される。
【０１６０】
以上、変位電極側を共通電極とする例を述べたが、もちろん、固定電極側を共通電極とすることも可能である。たとえば、図１９に示すトルクセンサにおいて、４枚の固定電極Ｅ２１〜Ｅ２４の代わりに、導電性材料からなる円筒状の共通固定電極を設けるようにしてもよい。この場合、この円筒状の電極の部分部分（変位電極Ｅ３１〜Ｅ３４に対向する部分）が、それぞれ固定電極Ｅ２１〜Ｅ２４として機能することになる。
【０１６１】
＜＜＜  §８．  ２組の環状変形体を用いる変形例（その１）  ＞＞＞
図３１は、２組の環状変形体を用いた本発明の変形例に係るトルクセンサの基本構造部の分解斜視図である。図示のように、この基本構造部は、左側支持体６０と右側支持体７０との間に、２組の環状変形体８０，９０を配置し、これら４つの構成要素を相互に接合することによって構成される。ここで、図の水平方向に描かれたＺ軸が、検出対象となるトルクの回転軸に相当し、このトルクセンサが、この回転軸まわり（Ｚ軸まわり）のトルクを検出する機能を果たす点は、これまで述べてきた実施例と全く同じである。
【０１６２】
図の中央に配置された環状変形体８０は、検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、その内部には、回転軸（Ｚ軸）が挿通する貫通開口部Ｈ８０が形成されている。実は、この環状変形体８０は、図１に示す環状変形体３０と全く同じ構成要素である。一方、環状変形体９０も、検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、その内部には、回転軸（Ｚ軸）が挿通する貫通開口部Ｈ９０が形成されている。環状変形体９０は、環状変形体８０の貫通開口部Ｈ８０内に組み込まれている。すなわち、環状変形体９０は、環状変形体８０の内部の同心位置に配置されており、両者の厚み（Ｚ軸方向の寸法）は同一である。そこで、ここでは、環状変形体８０を外側環状変形体と呼び、環状変形体９０を内側環状変形体と呼ぶことにする。
【０１６３】
一方、図３１の左側に配置された左側支持体６０は、外側環状変形体８０および内側環状変形体９０の左側面を支持する部材であり、図３１の右側に配置された右側支持体７０は、外側環状変形体８０および内側環状変形体９０の右側面を支持する部材である。ここに示す例の場合、左側支持体６０は、回転軸（Ｚ軸）が挿通する貫通開口部Ｈ６０が形成された環状部材であり、右側支持体７０は、回転軸（Ｚ軸）が挿通する貫通開口部Ｈ７０が形成された環状部材である。
【０１６４】
左側支持体６０の右側面には、右方に突出した４つの扇形の凸状部６１〜６４が設けられている。凸状部６１，６２は、図１に示す左側支持体１０に形成された凸状部１１，１２と全く同じ構成要素であり、これらの頂面が外側環状変形体８０の左側面に接合されている。また、凸状部６３，６４の頂面は、内側環状変形体９０の左側面に接合されている。一方、右側支持体７０の左側面には、左方に突出した４つの扇形の凸状部７１〜７４が設けられている（図には、凸状部７２のみが現れている）。凸状部７１，７２は、図１に示す右側支持体２０に形成された凸状部２１，２２と全く同じ構成要素であり、これらの頂面が外側環状変形体８０の右側面に接合されている。また、凸状部７３，７４の頂面は、内側環状変形体９０の右側面に接合されている。なお、左側支持体６０に４つの凸状部６１〜６４を加えた部品と、右側支持体７０に４つの凸状部７１〜７４を加えた部品とは、物理的には全く同じ部品である。
【０１６５】
ここで、凸状部６１は外側環状変形体８０の上の部分（Ｙ軸正方向に位置する部分）に接合され、凸状部６２は外側環状変形体８０の下の部分（Ｙ軸負方向に位置する部分）に接合され、凸状部６３は内側環状変形体９０の奥の部分（Ｘ軸正方向に位置する部分）に接合され、凸状部６４は内側環状変形体９０の手前の部分（Ｘ軸負方向に位置する部分）に接合されている。また、凸状部７１は外側環状変形体８０の奥の部分（Ｘ軸正方向に位置する部分）に接合され、凸状部７２は外側環状変形体８０の手前の部分（Ｘ軸負方向に位置する部分）に接合され、凸状部７３は内側環状変形体９０の上の部分（Ｙ軸正方向に位置する部分）に接合され、凸状部７４は内側環状変形体９０の下の部分（Ｙ軸負方向に位置する部分）に接合されている。
【０１６６】
このように、外側環状変形体８０についての各接続点の位置は、図１に示す基本的な実施形態における環状変形体３０についての各接続点の位置と全く同じである。すなわち、外側環状変形体８０は、左側支持体６０に対しては、凸状部６１，６２によってＹ軸に沿った２点が接続され、右側支持体７０に対しては、凸状部７１，７２によってＸ軸に沿った２点が接続される。これに対して、内側環状変形体９０についての各接続点の位置は、９０°ずれた位置になる。すなわち、内側環状変形体９０は、左側支持体６０に対しては、凸状部６３，６４によってＸ軸に沿った２点が接続され、右側支持体７０に対しては、凸状部７３，７４によってＹ軸に沿った２点が接続される。
【０１６７】
結局、図３１に示すトルクセンサの基本構造部は、図１に示すトルクセンサの基本構造部に、更に、内側環状変形体９０と、この内側環状変形体９０の左側の側面上の内側左側接続点を、左側支持体６０に接続する内側左側接続部材（凸状部６３，６４）と、この内側環状変形体９０の右側の側面上の内側右側接続点を、右側支持体７０に接続する内側右側接続部材（凸状部７３，７４）と、を付加したものということになる。
【０１６８】
図３２は、図３１に示すトルクセンサの基本構造部について、Ｚ軸正まわりのトルクが作用したときの状態を示すＸＹ平面での断面図である。外側環状変形体８０と内側環状変形体９０とは、直接的には接合されていないので、トルクが作用した場合、それぞれが別個独立して楕円状に変形することになる。しかも、それぞれの楕円の長軸と短軸の関係は逆になる。すなわち、図３２に示されているとおり、Ｚ軸正まわりのトルクが作用した場合、外側環状変形体８０はＶ軸方向を短軸、Ｗ軸方向を長軸とする楕円に変形するのに対して、内側環状変形体９０はＶ軸方向を長軸、Ｗ軸方向を短軸とする楕円に変形する。
【０１６９】
図３２に白抜き矢印で示すとおり、同じ方向のトルクが作用しているにもかかわらず、外側環状変形体８０と内側環状変形体９０とでは、変形により得られる楕円の長軸と短軸とが９０°ずれた関係になる理由は、上述したとおり、各接続点の位置が、９０°ずれているためである。もちろん、外側環状変形体８０と内側環状変形体９０とで、楕円変形時の長軸方向を９０°ずれた関係にすることは必須ではない。楕円変形時の長軸方向が全く同じ方向であっても、何ら支障なくトルク検出が可能である。ただ、９０°ずれた関係にすると、後述するように、４組の容量素子を片側に寄せた配置をとることが可能になり、スペースの利用効率を向上させることができる。また、後の§９で述べる実施形態を採る場合では、検出感度を高める効果が得られる。
【０１７０】
さて、このように楕円の長軸と短軸とが９０°ずれた関係になるものの、外側環状変形体８０と内側環状変形体９０とは、いずれもトルクの作用によって楕円形に変形するので、これまで述べてきた実施形態と同様に、長軸位置および短軸位置に容量素子を設けておくようにすれば、これら容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、作用したトルクの方向と大きさとを検出することが可能である。実際、外側環状変形体８０の変形に基づく検出原理は、これまで述べてきた実施形態と全く同様である。たとえば、貫通開口部Ｈ８０内の正のＶ軸上、負のＶ軸上、正のＷ軸上、負のＷ軸上にそれぞれ容量素子を配置すれば、図１９に示す実施例と同様に、図２１の検出回路によりトルク検出が可能である。
【０１７１】
また、内側環状変形体９０の変形に基づくトルク検出も、全く同様の原理に基づいて行うことができる。たとえば、貫通開口部Ｈ９０内の正のＶ軸上、負のＶ軸上、正のＷ軸上、負のＷ軸上にそれぞれ容量素子を配置すれば、やはり、図２１の検出回路によりトルク検出が可能である。あるいは、内側環状変形体９０の外周面側に、容量素子を配置してもかまわない。要するに、内側環状変形体９０の内周面もしくは外周面に固定され、内側環状変形体９０の弾性変形に起因した変位を生じる内側変位電極と、この内側変位電極に対向する位置に配置され、左側支持体６０もしくは右側支持体７０に固定された内側固定電極と、を更に設けておけばよい。
【０１７２】
そうすれば、検出回路は、外側変位電極と外側固定電極とによって構成される容量素子の静電容量値の変動量に加えて、内側変位電極と内側固定電極とによって構成される容量素子の静電容量値の変動量を更に利用して、回転軸まわりのトルクを示す電気信号を出力することができる。
【０１７３】
このように、外側環状変形体８０の変形に基づくトルク検出の結果と、内側環状変形体９０の変形に基づくトルク検出の結果との双方を利用すれば、より精度の高いトルク検出が可能になる。具体的には、両方の検出結果について、スケーリングを整合させる処理（検出感度に応じた係数を乗じる補正）を行った上で、その平均値を求めるようにすればよい。
【０１７４】
このように２組の環状変形体８０，９０を組み込む構成を採れば、個々の環状変形体８０，９０のそれぞれから別個の検出結果を得ることができ、検出感度および精度を向上させることができる。また、２組の環状変形体８０，９０を同時にねじることになるため、センサ構造全体の剛性も向上する。
【０１７５】
特に、ここに述べる実施例のように、両環状変形体として円環状の構造体を用い、トルクが作用した際にいずれも楕円形に変形するようにし、一方の楕円の長軸方向が他方の楕円の短軸方向となるように、互いに９０°ずらした接続点を設けるようにすれば、４組の容量素子を片側に寄せた配置をとることが可能になり、スペースの利用効率の向上を図ることができる。以下、これを図面で示そう。
【０１７６】
図３３は、図３１に示す基本構造部に、具体的な電極配置を行うことによって構成されたトルクセンサのＸＹ平面での断面図である。図示のとおり、外側環状変形体８０の内周面には、２枚の外側変位電極Ｅ８１，Ｅ８２が形成され、内側環状変形体９０の外周面には、２枚の内側変位電極Ｅ９１，Ｅ９２が形成されている。一方、電極Ｅ８１，Ｅ９１間に配置された固定電極Ｅ１０１と、電極Ｅ８２，Ｅ９２間に配置された固定電極Ｅ１０２とは、右側支持体７０に固定された固定電極である。
【０１７７】
ここで、電極Ｅ８１，Ｅ９１，Ｅ１０１は、いずれも正のＶ軸上に配置されており、固定電極Ｅ１０１は、変位電極Ｅ８１に対する固定電極としての機能と、変位電極Ｅ９１に対する固定電極としての機能と、の両方を果たす共通固定電極になる。このため、電極Ｅ８１，Ｅ１０１によって第１の容量素子Ｃ１が構成され、電極Ｅ９１，Ｅ１０１によって第３の容量素子Ｃ３が構成される。
【０１７８】
同様に、電極Ｅ８２，Ｅ９２，Ｅ１０２は、いずれも正のＷ軸上に配置されており、固定電極Ｅ１０２は、変位電極Ｅ８２に対する固定電極としての機能と、変位電極Ｅ９２に対する固定電極としての機能と、の両方を果たす共通固定電極になる。このため、電極Ｅ８２，Ｅ１０２によって第２の容量素子Ｃ２が構成され、電極Ｅ９２，Ｅ１０２によって第４の容量素子Ｃ４が構成される。
【０１７９】
図３４は、図３３に示すトルクセンサについて、Ｚ軸正まわりのトルクが作用したときの状態を示すＸＹ平面での断面図である（破線は変形前の状態を示す）。図示のとおり、容量素子Ｃ１，Ｃ３は電極間隔が狭まり静電容量値が増加し、容量素子Ｃ２，Ｃ４は電極間隔が広がり静電容量値が減少する。これは、図１９，図２０に示すトルクセンサと全く同じ動作であり、図２１に示す検出回路を利用して、Ｚ軸まわりのトルクを検出できることになる。このような特性が得られるのは、外側環状変形体８０と内側環状変形体９０とについて、変形により得られる楕円の長軸と短軸とが９０°ずれた関係になるように、各接続点の位置を９０°ずらすようにしたためである。
【０１８０】
結局、図３３に示すトルクセンサは、図１９に示すトルクセンサと同様に、４組の容量素子を用いた差分検出を行うことができるため、高い検出精度が得られるという利点を有する。しかも、図３３に示すトルクセンサの場合、４組の容量素子を片側（図の上半分の領域、すなわち、Ｙ軸正領域）に寄せた配置をとることが可能になるので、スペースの利用効率を向上させることが可能になるというメリットも得られる。すなわち、図の下半分の領域では、外側環状変形体８０と内側環状変形体９０との間の空隙部に電極が配置されていないので、この空間を利用して、配線を通したり、付加的な部品を配置したりすることができる。
【０１８１】
このように、図３３に示すトルクセンサは、図１９に示すトルクセンサと同様に高い検出精度を維持しつつ、機能付加のためのスペースを確保できる利点があり、装置全体を小型化できるメリットが得られる。ただ、この図３３に示すトルクセンサでは、力Ｆｘ，Ｆｙという外乱成分が作用した場合にも、図２１に示す検出回路に出力が得られる。したがって、その用途は、力Ｆｘ，Ｆｙという外乱成分が作用しない環境下に制限されることになる。
【０１８２】
なお、図３３に示す構造において、図の下半分のスペースを利用する必要がない場合には、この部分にも検出用の電極を配置して、検出精度を更に高めることも可能である。具体的には、上半分に形成されている４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４と全く同じ容量素子Ｃ５〜Ｃ８をＸＺ平面に関して面対称となる下半分の位置に配置し、合計８組の容量素子による検出を行うようにすればよい。上半分の容量素子による検出結果と下半分の容量素子による検出結果との平均をとれば、より正確な検出値を得ることができる。
【０１８３】
結局、この§８で述べる変形例は、§３で述べた基本的な実施形態に係るトルクセンサにおいて、検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、Ｚ軸が挿通する貫通開口部Ｈ９０を有し、原点Ｏを中心としてＸＹ平面上に、外側環状変形体８０の内側にくるように配置された内側環状変形体９０を付加したものであり、内側環状変形体９０のＺ軸負側の側面上に第１の内側左側接続点および第２の内側左側接続点を設定し、内側環状変形体９０のＺ軸正側の側面上に第１の内側右側接続点および第２の内側右側接続点を設定し、第１の内側左側接続点を左側支持体６０に接続する第１の内側左側接続部材（凸状部６３）と、第２の内側左側接続点を左側支持体６０に接続する第２の内側左側接続部材（凸状部６４）と、第１の内側右側接続点を右側支持体７０に接続する第１の内側右側接続部材（凸状部７３）と、第２の内側右側接続点を右側支持体７０に接続する第２の内側右側接続部材（凸状部７４）と、内側環状変形体９０の内周面もしくは外周面に固定され、内側環状変形体９０の弾性変形に起因した変位を生じる内側変位電極と、内側変位電極に対向する位置に配置され、左側支持体６０もしくは右側支持体７０に固定された内側固定電極と、を更に設けたものである。
【０１８４】
しかも、内側環状変形体９０の両側面をＸＹ平面上に投影して正射影投影像を得た場合に、第１の内側右側接続点の投影像が正のＹ軸上、第２の内側右側接続点の投影像が負のＹ軸上、第１の内側左側接続点の投影像が正のＸ軸上、第２の内側左側接続点の投影像が負のＸ軸上に配置されており、検出回路が、内側変位電極と内側固定電極とによって構成される容量素子の静電容量値の変動量を更に利用して、回転軸まわりのトルクを示す電気信号を出力するようにしたものである。
【０１８５】
＜＜＜  §９．  ２組の環状変形体を用いる変形例（その２）  ＞＞＞
さて、§８では、図３１に示すように、外側環状変形体８０と内側環状変形体９０という２組の環状変形体を用いる変形例を述べた。このように、§８に示す例は、２組の環状変形体を用いてはいるが、個々の環状変形体を用いたトルク検出の原理は、これまで述べた基本的実施形態と全く同じである。すなわち、図３２には、容量素子を構成する各電極の配置は描かれていないが、外側環状変形体８０に関しては、その内周面もしくは外周面に変位電極を固定し、これに対向する固定電極を左側支持体もしくは右側支持体に固定し、変位電極と固定電極とによって容量素子を形成することになる。同様に、内側環状変形体９０に関しても、その内周面もしくは外周面に変位電極を固定し、これに対向する固定電極を左側支持体もしくは右側支持体に固定し、変位電極と固定電極とによって容量素子を形成することになる。
【０１８６】
このように、これまで述べてきた実施例は、いずれも、環状変形体側に固定された変位電極と、左側支持体もしくは右側支持体側に固定された固定電極と、によって、検出用の容量素子を形成することが前提となっていた。これに対して、この§９で述べる変形例は、外側環状変形体８０の内周面に固定された外側変位電極と、内側環状変形体９０の外周面に固定された内側変位電極と、によって、検出用の容量素子を形成する点に特徴がある。
【０１８７】
図３５は、そのような実施例に係るトルクセンサをＸＹ平面で切断した断面図である。このトルクセンサの基本構造部の構造は、§８で述べたトルクセンサの構造（図３１に示す構造）と全く同じである。§８で述べたトルクセンサとの相違は、電極の配置にある。すなわち、ここで述べる実施例では、図３５に示すとおり、４枚の外側変位電極Ｅ８１〜Ｅ８４が外側環状変形体８０の内周面に形成され、これに対向するように、４枚の内側変位電極Ｅ９１〜Ｅ９４が内側環状変形体９０の外周面に形成されている。
【０１８８】
より具体的には、正のＶ軸上には、第１の外側変位電極Ｅ８１および第１の内側変位電極Ｅ９１が配置され、正のＷ軸上には、第２の外側変位電極Ｅ８２および第２の内側変位電極Ｅ９２が配置され、負のＶ軸上には、第３の外側変位電極Ｅ８３および第３の内側変位電極Ｅ９３が配置され、負のＷ軸上には、第４の外側変位電極Ｅ８４および第４の内側変位電極Ｅ９４が配置されている。
【０１８９】
結局、ＸＹ座標系において、第１象限Ｉには、第１の外側変位電極Ｅ８１と第１の内側変位電極Ｅ９１とによって構成される第１の容量素子Ｃ１が配置され、第２象限IIには、第２の外側変位電極Ｅ８２と第２の内側変位電極Ｅ９２とによって構成される第２の容量素子Ｃ２が配置され、第３象限IIIには、第３の外側変位電極Ｅ８３と第３の内側変位電極Ｅ９３とによって構成される第３の容量素子Ｃ３が配置され、第４象限IVには、第４の外側変位電極Ｅ８４と第４の内側変位電極Ｅ９４とによって構成される第４の容量素子Ｃ４が配置されている。
【０１９０】
図３６は、このトルクセンサについて、Ｚ軸正まわりのトルクが作用したときの状態を示すＸＹ平面での断面図である。外側環状変形体８０および内側環状変形体９０の変形態様自体は、§８で述べたセンサ（図３２参照）と同様であるが、図３６に示すトルクセンサでは、対向する一対の電極がいずれも変位電極であり、容量素子を構成する双方の電極が共に変位する。しかも、対向する一対の変位電極は、双方が共に接近する方向に動くか、もしくは、双方が共に遠ざかる方向に動くか、のいずれかになる。このため、電極間隔は、一方を固定電極とした場合に比べて、より大きく変化し、検出感度を向上させることができる。
【０１９１】
たとえば、図３６において、Ｖ軸上に配置された第１の容量素子Ｃ１および第３の容量素子Ｃ３に着目すると、外側変位電極Ｅ８１，Ｅ８３は内側へ移動しているのに対して、内側変位電極Ｅ９１，Ｅ９３は外側へ移動しており、相互に接近する方向に動いている。このため、一方を固定電極とした場合に比べて、電極間隔の減少はより大きくなり、静電容量値の増加変動量も大きくなる。また、Ｗ軸上に配置された第２の容量素子Ｃ２および第４の容量素子Ｃ４に着目すると、外側変位電極Ｅ８２，Ｅ８４は外側へ移動しているのに対して、内側変位電極Ｅ９２，Ｅ９４は内側へ移動しており、相互に遠ざかる方向に動いている。このため、一方を固定電極とした場合に比べて、電極間隔の増加はより大きくなり、静電容量値の減少変動量も大きくなる。
【０１９２】
このように、ここで述べるトルクセンサの場合、静電容量値の変動量は、これまで述べてきた実施例よりも大きくなるが、トルク検出の基本原理は、これまで述べてきた実施例と全く同じであり、図２１の回路図に示されているような検出回路を用いれば、Ｚ軸まわりのトルクを検出することができる。
【０１９３】
結局、この§９で述べるトルクセンサは、ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸まわりのトルクを検出するトルクセンサであり、その基本構造部は、図３１に示すとおり、検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、Ｚ軸が挿通する貫通開口部Ｈ８０を有し、原点Ｏを中心としてＸＹ平面上に配置された外側環状変形体８０と、検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、Ｚ軸が挿通する貫通開口部Ｈ９０を有し、原点Ｏを中心としてＸＹ平面上に配置され、かつ、外側環状変形体８０の貫通開口部Ｈ８０内に配置された内側環状変形体９０と、外側環状変形体８０および内側環状変形体９０のＺ軸負領域側に隣接する位置に配置された左側支持体６０と、外側環状変形体８０および内側環状変形体９０のＺ軸正領域側に隣接する位置に配置された右側支持体７０と、各環状変形体８０，９０と各支持体６０，７０とを接続する接続部材と、によって構成されていることになる。
【０１９４】
ここで、図３１に示すとおり、外側環状変形体８０のＺ軸負側の側面上には、第１の外側左側接続点（凸状部６１の接続点）および第２の外側左側接続点（凸状部６２の接続点）が設けられ、外側環状変形体８０のＺ軸正側の側面上には、第１の外側右側接続点（凸状部７１の接続点）および第２の外側右側接続点（凸状部７２の接続点）が設けられ、内側環状変形体９０のＺ軸負側の側面上には、第１の内側左側接続点（凸状部６３の接続点）および第２の内側左側接続点（凸状部６４の接続点）が設けられ、内側環状変形体９０のＺ軸正側の側面上には、第１の内側右側接続点（凸状部７３の接続点）および第２の内側右側接続点（凸状部７４の接続点）が設けられている。
【０１９５】
そして、第１の外側左側接続点を左側支持体６０に接続する第１の外側左側接続部材（凸状部６１）と、第２の外側左側接続点を左側支持体６０に接続する第２の外側左側接続部材（凸状部６２）と、第１の外側右側接続点を右側支持体７０に接続する第１の外側右側接続部材（凸状部７１）と、第２の外側右側接続点を右側支持体７０に接続する第２の外側右側接続部材（凸状部７２）と、によって、外側環状変形体８０が左右から支持されることになる。
【０１９６】
また、第１の内側左側接続点を左側支持体６０に接続する第１の内側左側接続部材（凸状部６３）と、第２の内側左側接続点を左側支持体６０に接続する第２の内側左側接続部材（凸状部６４）と、第１の内側右側接続点を右側支持体７０に接続する第１の内側右側接続部材（凸状部７３）と、第２の内側右側接続点を右側支持体７０に接続する第２の内側右側接続部材（凸状部７４）と、によって、内側環状変形体９０が左右から支持されることになる。
【０１９７】
ここで、各接続点は、外側環状変形体８０および内側環状変形体９０の両側面をＸＹ平面上に投影して正射影投影像を得た場合に、第１の外側右側接続点の投影像が正のＸ軸上、第２の外側右側接続点の投影像が負のＸ軸上、第１の外側左側接続点の投影像が正のＹ軸上、第２の外側左側接続点の投影像が負のＹ軸上、第１の内側右側接続点の投影像が正のＹ軸上、第２の内側右側接続点の投影像が負のＹ軸上、第１の内側左側接続点の投影像が正のＸ軸上、第２の内側左側接続点の投影像が負のＸ軸上にくるように配置されている。
【０１９８】
実際のトルクセンサは、このような基本構造部に、更に、検出用の電極と検出回路を付加することによって構成される。すなわち、外側環状変形体８０の内周面に固定され、外側環状変形体８０の弾性変形に起因した変位を生じる外側変位電極と、内側環状変形体９０の外周面における外側変位電極に対向する位置に固定され、内側環状変形体９０の弾性変形に起因した変位を生じる内側変位電極と、これら互いに対向する電極によって構成される容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、右側支持体７０に負荷がかかった状態において左側支持体６０に作用したＺ軸まわりのトルクを示す電気信号を出力する検出回路が設けられる。
【０１９９】
なお、原理上は、図３５に示す４組の容量素子のうち、少なくとも１組の容量素子があれば、トルク検出が可能である。ただ、実用上は、同相ノイズやゼロ点ドリフトを抑えた安定したトルク検出を行うために、差分検出を行うのが好ましい。そのためには、図３５に示す４組の容量素子のうち、少なくとも、Ｖ軸上に配置された１組の容量素子と、Ｗ軸上に配置された１組の容量素子とを設けておけばよい。
【０２００】
すなわち、ＸＹ平面上に、原点Ｏを通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなすＶ軸およびＷ軸を定義した場合に、Ｖ軸上に配置された第１の外側変位電極および第１の内側変位電極と、Ｗ軸上に配置された第２の外側変位電極および第２の内側変位電極と、設け、検出回路が、第１の外側変位電極と第１の内側変位電極とによって構成される第１の容量素子の静電容量値と、第２の外側変位電極と第２の内側変位電極とによって構成される第２の容量素子の静電容量値と、の差に相当する電気信号を、作用したトルクを示す電気信号として出力すればよい。
【０２０１】
もちろん、更に精度の高い検出を行う上では、図３５に示す４組の容量素子のすべてを用いるのが好ましい。この場合、ＸＹ平面上に、原点Ｏを通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなし、符号をもったＶ軸およびＷ軸を定義した場合に、正のＶ軸上に配置された第１の外側変位電極Ｅ８１および第１の内側変位電極Ｅ９１と、正のＷ軸上に配置された第２の外側変位電極Ｅ８２および第２の内側変位電極Ｅ９２と、負のＶ軸上に配置された第３の外側変位電極Ｅ８３および第３の内側変位電極Ｅ９３と、負のＷ軸上に配置された第４の外側変位電極Ｅ８４および第４の内側変位電極Ｅ９４と、を設け、検出回路が、「第１の外側変位電極Ｅ８１と第１の内側変位電極Ｅ９１とによって構成される第１の容量素子Ｃ１の静電容量値と、第３の外側変位電極Ｅ８３と第３の内側変位電極Ｅ９３とによって構成される第３の容量素子Ｃ３の静電容量値と、の和」と、「第２の外側変位電極Ｅ８２と第２の内側変位電極Ｅ９２とによって構成される第２の容量素子Ｃ２の静電容量値と、第４の外側変位電極Ｅ８４と第４の内側変位電極Ｅ９４とによって構成される第４の容量素子Ｃ４の静電容量値と、の和」と、の差に相当する電気信号を、作用したトルクを示す電気信号として出力すればよい。
【０２０２】
このように、外側と内側とに配置された２組の環状変形体を組み込む構成を採った場合、変位電極と固定電極とによって容量素子を構成する代わりに、外側環状変形体８０の内周面に形成した外側変位電極と、内側環状変形体９０の外周面に形成した内側変位電極と、によって容量素子を形成することが可能になる。そして、図示の例のように、両環状変形体として円環状の構造体を用い、トルクが作用した際にいずれも楕円形に変形するようにし、一方の楕円の長軸方向が他方の楕円の短軸方向となるように、互いに９０°ずらした接続点を設けるようにすれば、外側変位電極と内側変位電極との間の電極間隔の変動量を大きくとることができ、検出感度を更に向上させることができる。
【０２０３】
もっとも、両環状変形体が変形したときに、一方の楕円の長軸方向が他方の楕円の短軸方向となるように、互いに９０°ずらした接続点を設けることは、トルク検出を行う上で、必ずしも必須の要件ではない。変形後の楕円の長軸方向が同じであっても、無負荷時の真円の状態における外側変位電極と内側変位電極との距離と、変形後の楕円の状態における同距離とは異なるため、やはり容量素子の静電容量値の変動量として、トルク検出が可能である。ただ、感度をより高める上では、ここに示した実施例のように、一方の楕円の長軸方向が他方の楕円の短軸方向となるように、互いに９０°ずらした接続点を設けるのが好ましい。
【０２０４】
結局、この§９で述べた実施例に係る技術思想は、所定の回転軸まわりのトルクを検出するトルクセンサに係る発明であり、検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、回転軸Ｚが挿通する貫通開口部Ｈ８０を有する外側環状変形体８０と、検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、回転軸Ｚが挿通する貫通開口部Ｈ９０を有し、外側環状変形体８０の内側に配置された内側環状変形体９０と、回転軸Ｚが左右に伸びる水平線をなすような基準観察方向から見たときに、外側環状変形体８０および内側環状変形体９０の左側に隣接する位置に配置された左側支持体６０と、基準観察方向から見たときに、外側環状変形体８０および内側環状変形体９０の右側に隣接する位置に配置された右側支持体７０と、各接続部材と、によって構成される基本構造部を有するセンサの発明ということになる。
【０２０５】
ここで、各接続部材は、外側環状変形体８０の左側支持体６０に対向する左側の側面上の外側左側接続点を、左側支持体６０に接続する外側左側接続部材と、外側環状変形体８０の右側支持体７０に対向する右側の側面上の外側右側接続点を、右側支持体７０に接続する外側右側接続部材と、内側環状変形体９０の左側支持体６０に対向する左側の側面上の内側左側接続点を、左側支持体６０に接続する内側左側接続部材と、内側環状変形体９０の右側支持体７０に対向する右側の側面上の内側右側接続点を、右側支持体７０に接続する内側右側接続部材と、によって構成されている。
【０２０６】
そして、この基本構造部に、外側環状変形体８０の内周面に固定され、外側環状変形体８０の弾性変形に起因した変位を生じる外側変位電極と、内側環状変形体９０の外周面に固定され、内側環状変形体９０の弾性変形に起因した変位を生じる内側変位電極と、外側変位電極と内側変位電極とによって構成される容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、右側支持体７０に負荷がかかった状態において左側支持体６０に作用した回転軸Ｚまわりのトルクを示す電気信号を出力する検出回路を付加することにより、トルクセンサが実現できる。
【０２０７】
ここで、各環状変形体８０，９０に変形を生じさせるために、回転軸Ｚに直交する投影面について、外側左側接続点の正射影投影像と外側右側接続点の正射影投影像とが異なる位置に形成され、内側左側接続点の正射影投影像と内側右側接続点の正射影投影像とが異なる位置に形成されるようにする必要がある。
【０２０８】
なお、この§９で述べる実施例についても、§７で述べた「共通導電層を用いる変形例」を適用することが可能である。図３７は、図３５に示すトルクセンサにおいて、４組の外側変位電極Ｅ８１〜Ｅ８４を共通導電層Ｅ８５に置き換えた変形例を示すＸＹ平面での断面図である。このように、各外側変位電極Ｅ８１〜Ｅ８４を、外側環状変形体８０の内周面に形成された共通導電層Ｅ８５によって構成しても、検出系は電気的には同じであり、これまで述べた実施例と同様の原理でトルク検出が可能である。もちろん、外側変位電極は、４組の独立した電極Ｅ８１〜Ｅ８４としておき、各内側変位電極Ｅ９１〜Ｅ９４を、内側環状変形体９０の外周面に形成された共通導電層によって構成してもかまわない。
【０２０９】
一方、図３８は、図３７に示すトルクセンサにおいて、導電性材料からなる環状変形体８０Ａを用いることにより、環状変形体８０Ａの内周面を共通導電層として利用した変形例を示すＸＹ平面での断面図である。外側環状変形体８０Ａを導電性の弾性材料によって構成したため、その内周面が図３７に示す共通導電層Ｅ８５と同等の機能を果たすことになる。もちろん、外側変位電極は、４組の独立した電極Ｅ８１〜Ｅ８４としておき、内側環状変形体９０を導電性の弾性材料によって構成し、内側環状変形体９０の外周面自身を、４組の内側変位電極の代用となる共通導電層として用いるようにしてもよい。
【０２１０】
＜＜＜  §１０．  ２組の環状変形体を用いる変形例（その３）  ＞＞＞
図３９は、２組の環状変形体を用いた更に別な変形例に係るトルクセンサのＸＹ平面での断面図である。この変形例は、容量素子を構成する一方の電極を変位電極、他方の電極を固定電極とする例であり、この点において、§８で述べた変形例に類似している。実際、この変形例に係るトルクセンサの基本構造部は、§８で述べた変形例と全く同一であり、その分解斜視図は、図３１に示すとおりである。ただ、§８で述べた変形例とは、電極の構成および配置が若干異なっている。
【０２１１】
図３９に示すとおり、外側環状変形体８０の内周面におけるＶ軸およびＷ軸との交差部分には、大面積外側変位電極Ｅ８１Ｌ，Ｅ８２Ｌ，Ｅ８３Ｌ，Ｅ８４Ｌが固定されており、内側環状変形体９０の外周面におけるＶ軸およびＷ軸との交差部分には、大面積内側変位電極Ｅ９１Ｌ，Ｅ９２Ｌ，Ｅ９３Ｌ，Ｅ９４Ｌが固定されている。また、これらの中間位置には、右側支持体７０に固定された４枚の固定電極Ｅ１０１，Ｅ１０２，Ｅ１０３，Ｅ１０４が設けられている。これら４枚の固定電極Ｅ１０１，Ｅ１０２，Ｅ１０３，Ｅ１０４は、大面積外側変位電極Ｅ８１Ｌ，Ｅ８２Ｌ，Ｅ８３Ｌ，Ｅ８４Ｌに対向する対向電極としての機能と、大面積内側変位電極Ｅ９１Ｌ，Ｅ９２Ｌ，Ｅ９３Ｌ，Ｅ９４Ｌに対向する対向電極としての機能と、を兼ねている。
【０２１２】
ここでは説明の便宜上、変位電極Ｅ８１Ｌと固定電極Ｅ１０１とによって構成される容量素子をＣ１−１とし、変位電極Ｅ９１Ｌと固定電極Ｅ１０１とによって構成される容量素子をＣ１−２とする。また、変位電極Ｅ８２Ｌと固定電極Ｅ１０２とによって構成される容量素子をＣ２−１とし、変位電極Ｅ９２Ｌと固定電極Ｅ１０２とによって構成される容量素子をＣ２−２とする。同様に、変位電極Ｅ８３Ｌと固定電極Ｅ１０３とによって構成される容量素子をＣ３−１とし、変位電極Ｅ９３Ｌと固定電極Ｅ１０３とによって構成される容量素子をＣ３−２とし、変位電極Ｅ８４Ｌと固定電極Ｅ１０４とによって構成される容量素子をＣ４−１とし、変位電極Ｅ９４Ｌと固定電極Ｅ１０４とによって構成される容量素子をＣ４−２とする。結局、合計８組の容量素子が構成されている。
【０２１３】
大面積外側変位電極Ｅ８１Ｌ，Ｅ８２Ｌ，Ｅ８３Ｌ，Ｅ８４Ｌ、および大面積内側変位電極Ｅ９１Ｌ，Ｅ９２Ｌ，Ｅ９３Ｌ，Ｅ９４Ｌを、それぞれ「大面積電極」と呼んでいる理由は、中間位置に介挿されている固定電極Ｅ１０１，Ｅ１０２，Ｅ１０３，Ｅ１０４に比べて面積の大きな電極になっているためである。すなわち、各大面積変位電極Ｅ８１Ｌ〜Ｅ８４Ｌ，Ｅ９１Ｌ〜Ｅ９４Ｌと各固定電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４との関係は、図２２に示す大面積電極ＥＬと小面積電極ＥＳとの関係と同様であり、各固定電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４に対する各大面積変位電極Ｅ８１Ｌ〜Ｅ８４Ｌ，Ｅ９１Ｌ〜Ｅ９４Ｌの相対位置が変化した場合にも、容量素子を構成する一対の電極の実効対向面積が変化しないようになっている。このため、８組の容量素子の静電容量値の変化は、対向する両電極の間隔の変化によってのみ生じることになる。
【０２１４】
さて、この図３９に示すトルクセンサに対して、６つの成分が作用した場合に、８組の容量素子の静電容量値にどのような変化が生じるかを検討してみる。図４０は、図３９に示すトルクセンサについて、Ｚ軸正まわりのモーメントＭｚが作用したときの状態を示すＸＹ平面での断面図である。このＺ軸正まわりのモーメントＭｚは、このトルクセンサにおける検出対象となるトルクに他ならない。図４０では、図が繁雑になるのを避けるために各電極の図示は省略している。その代わりに、図３９に示す８組の容量素子の配置位置に「＋」もしくは「−」の符号を記している。これらの符号は、当該位置に配置された容量素子の静電容量値の増減を示している。すなわち、符号「＋」は静電容量値が増加することを示し、符号「−」は静電容量値が減少することを示している。
【０２１５】
図４０に示すとおり、右側支持体７０に負荷がかかった状態において、左側支持体６０から環状変形体８０，９０に対して、Ｚ軸正まわりのモーメントＭｚが作用すると、外側環状変形体８０はＷ軸を長軸とする楕円に変形し、内側環状変形体９０はＶ軸を長軸とする楕円に変形する。その結果、Ｖ軸上に配置された４組の容量素子Ｃ１−１，Ｃ１−２，Ｃ３−１，Ｃ３−２は、いずれも電極間隔が狭まり静電容量値が増加するのに対して、Ｗ軸上に配置された４組の容量素子Ｃ２−１，Ｃ２−２，Ｃ４−１，Ｃ４−２は、いずれも電極間隔が広がり静電容量値が減少する。
【０２１６】
一方、図４１は、図３９に示すトルクセンサについて、右側支持体７０に負荷がかかった状態において、左側支持体６０から環状変形体８０，９０に対して、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの状態を示すＸＹ平面での断面図である。このような変形態様が生じるのは、外側環状変形体８０には、Ｘ軸上の両接続点が右側支持体７０に支持されている状態でＹ軸上の両接続点に左側支持体６０からの力＋Ｆｘが加わるのに対して、内側環状変形体９０には、Ｙ軸上の両接続点が右側支持体７０に支持されている状態でＸ軸上の両接続点に左側支持体６０からの力＋Ｆｘが加わるためである。
【０２１７】
結局、外側環状変形体８０および内側環状変形体９０ともに、第１象限Ｉおよび第４象限IVに位置する円弧部分は外側に膨らみ、第２象限IIおよび第３象限IIIに位置する円弧部分は内側にしぼむことになる。その結果、４組の容量素子Ｃ１−１，Ｃ２−２，Ｃ３−２，Ｃ４−１は、いずれも電極間隔が広がり静電容量値が減少するのに対して、残りの４組の容量素子Ｃ１−２，Ｃ２−１，Ｃ３−１，Ｃ４−２は、いずれも電極間隔が狭まり静電容量値が増加する。
【０２１８】
図４２は、図３９に示すトルクセンサについて、右側支持体７０に負荷がかかった状態において、左側支持体６０から環状変形体８０，９０に対して、Ｙ軸正方向の力＋Ｆｙが作用したときの状態を示すＸＹ平面での断面図である。このような変形態様が生じるのは外側環状変形体８０には、Ｘ軸上の両接続点が右側支持体７０に支持されている状態でＹ軸上の両接続点に左側支持体６０からの力＋Ｆｙが加わるのに対して、内側環状変形体９０には、Ｙ軸上の両接続点が右側支持体７０に支持されている状態でＸ軸上の両接続点に左側支持体６０からの力＋Ｆｙが加わるためである。
【０２１９】
結局、外側環状変形体８０および内側環状変形体９０ともに、第１象限Ｉおよび第２象限IIに位置する円弧部分は外側に膨らみ、第３象限IIIおよび第４象限IVに位置する円弧部分は内側にしぼむことになる。その結果、４組の容量素子Ｃ１−１，Ｃ２−１，Ｃ３−２，Ｃ４−２は、いずれも電極間隔が広がり静電容量値が減少するのに対して、残りの４組の容量素子Ｃ１−２，Ｃ２−２，Ｃ３−１，Ｃ４−１は、いずれも電極間隔が狭まり静電容量値が増加する。
【０２２０】
図４３は、図３９に示すトルクセンサについて、右側支持体７０に負荷がかかった状態において、左側支持体６０から環状変形体８０，９０に対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの８組の容量素子の静電容量値の変化態様を示す表である。ここで、Ｍｚ，Ｆｘ，Ｆｙの各欄の「＋」，「−」の結果は、図４０〜図４２に示す結果に対応するものである。また、Ｆｚの欄がすべて０になっている理由は、Ｚ軸方向の力Ｆｚが作用した場合は、環状変形体８０，９０がＺ軸方向に変位するものの、対向する電極の間隔には変化が生じないためである。また、Ｍｘ，Ｍｙの欄がすべて０になっている理由は、容量素子を構成する一対の電極の間隔は、一部では狭くなり、別な一部では広くなるため、トータルでは静電容量値に変化は生じないためである。
【０２２１】
この図４３の表に示す結果を踏まえると、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚ（検出対象となるトルク）は、各容量素子の静電容量値を当該容量素子の符号と同一符号で表すことにすれば、
Ｍｚ＝（（Ｃ１−１）＋（Ｃ１−２）＋（Ｃ３−１）＋（Ｃ３−２））
−（（Ｃ２−１）＋（Ｃ２−２）＋（Ｃ４−１）＋（Ｃ４−２））
なる式に基づく差分演算によって求めることができることになる。しかも、各容量素子を構成する電極の形状および配置が、ＸＺ平面およびＹＺ平面に関して対称性を維持していれば、力Ｆｘもしくは力Ｆｙの作用によって生じる各容量素子の静電容量値の変動分は、上記差分演算によって相殺されるので、たとえ力Ｆｘや力Ｆｙが作用していたとしても、上記差分演算によって得られるＺ軸まわりのモーメントＭｚの検出値は、他軸成分の干渉を受けない正確な値になる（Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙの欄はすべて０であるから、これらの成分はもともと干渉を生じさせない）。
【０２２２】
更に、この図４３の表に示す結果を踏まえると、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚだけでなく、力Ｆｘ，Ｆｙの検出も可能である。すなわち、力Ｆｘは、
Ｆｘ＝（（Ｃ１−２）＋（Ｃ２−１）＋（Ｃ３−１）＋（Ｃ４−２））
−（（Ｃ１−１）＋（Ｃ２−２）＋（Ｃ３−２）＋（Ｃ４−１））
なる式に基づく差分演算によって求めることができ、力Ｆｙは、
Ｆｙ＝（（Ｃ１−２）＋（Ｃ２−２）＋（Ｃ３−１）＋（Ｃ４−１））
−（（Ｃ１−１）＋（Ｃ２−１）＋（Ｃ３−２）＋（Ｃ４−２））
なる式に基づく差分演算によって求めることができる。なお、実際には、図２１の検出回路に示すように、各静電容量値を、Ｃ／Ｖ変換器により電圧値に変換し、これら電圧値を用いて演算を行うことになる。
【０２２３】
このように、図３９に示す実施例に係るセンサは、Ｚ軸まわりのトルクを検出するトルクセンサとしての機能を果たすとともに、Ｘ軸方向の力ＦｘおよびＹ軸方向の力Ｆｙを検出する力センサとしての機能を果たすことができる。もっとも、力Ｆｘ，Ｆｙの検出に関しては、各容量素子を構成する電極の形状および配置が、ＸＺ平面およびＹＺ平面に関して対称性を維持していたとしても、他軸成分の干渉があると、上記差分演算式における静電容量値の増加分の絶対値と減少分の絶対値とは必ずしも等しくならないため、他軸成分が多少の誤差として検出される。
【０２２４】
＜＜＜  §１１．  その他の変形例  ＞＞＞
最後に、本発明についての更に別な変形例を列挙しておく。
【０２２５】
（１）  これまでの実施例では、環状変形体として、トルクが作用しない無負荷状態において円環状をなす部材を用いた例を示したが、本発明に係るトルクセンサに用いる環状変形体は、必ずしも円環状である必要はない。たとえば、八角形の環状変形体を用いることも可能である。ただ、実用上は、円環状の環状変形体を用いるのが好ましい。また、左側支持体や右側支持体は、環状変形体を左右から支持することができればよいので、その形状は任意でかまわない。ただ、実用上は、環状変形体の外形と同じ形状のものを用いると、基本構造部の全体形状を単純化することができるので好ましい。
【０２２６】
（２）  これまでの実施例では、環状変形体の左側面の２箇所に接続点を設定して左側支持体に接続するとともに、環状変形体の右側面の２箇所に接続点を設定して右側支持体に接続する構造を採っていたが、左右の支持体に対する接続点は、必ずしも２箇所にする必要はなく、３箇所以上設けるようにしてもかまわない。あるいは、左右１箇所ずつ接続する構造を採ってもかまわない。ただ、トルクの作用により、環状変形体の一部を変形させる必要があるため、左右の接続点は異なる位置に設定する必要がある。より正確に言えば、回転軸に直交する投影面についての左側接続点の正射影投影像と右側接続点の正射影投影像とが異なる位置に形成されるようにする必要がある。
【０２２７】
（３）  これまでの実施例では、環状変形体の左側面の接続点に接続する左側接続部材として、左側支持体の右側面から右方に突出した凸状部を用い、環状変形体の右側面の接続点に接続する右側接続部材として、右側支持体の左側面から左方に突出した凸状部を用い、各凸状部の頂面を環状変形体の各接続点に接合する構造を採っていた。しかしながら、各接続部材には、必ずしも支持体側面から突出した凸状部を用いる必要はなく、環状変形体の接続点を各支持体に接続する機能をもった部材であれば、どのような部材を接続部材として用いてもかまわない。
【０２２８】
（４）  §１で述べた基本構造部では、環状変形体３０の左側の側面上には、第１の左側接続点Ｐ１１および第２の左側接続点Ｐ１２が設定され、第１の左側接続点Ｐ１１の位置には、左側支持体１０に接続するための第１の左側接続部材（凸状部１１）が接合され、第２の左側接続点Ｐ１２の位置には、左側支持体１０に接続するための第２の左側接続部材（凸状部１２）が接合されている。同様に、環状変形体３０の右側の側面上には、第１の右側接続点Ｐ２１および第２の右側接続点Ｐ２２が設定され、第１の右側接続点Ｐ２１の位置には、右側支持体２０に接続するための第１の右側接続部材（凸状部２１）が接合され、第２の右側接続点Ｐ２２の位置には、右側支持体２０に接続するための第２の右側接続部材（凸状部２２）が接合されている。
【０２２９】
そして、図７に示すように、ＸＹ平面を投影面として、回転軸（Ｚ軸）の投影点（すなわち、原点Ｏ）を通り、互いに直交する２直線（すなわち、Ｘ軸およびＹ軸）を引いた場合に、第１の左側接続点Ｐ１１および第２の左側接続点Ｐ１２の正射影投影像が第１の直線（Ｙ軸）上に配置され、第１の右側接続点Ｐ２１および第２の右側接続点Ｐ２２の正射影投影像が第２の直線（Ｘ軸）上に配置されている。このような配置を採ると、環状変形体３０を軸対称性をもった楕円に変形させることができるので、軸対称性をもった検出値を得ることができる。
【０２３０】
しかしながら、この４つの接続点Ｐ１１〜Ｐ２２は、必ずしも正確にＸ軸およびＹ軸上に位置させる必要はない。すなわち、ＸＹ平面上に環状変形体３０の正射影投影像を得た場合、環状変形体３０の輪郭に沿った環状路に、第１の左側接続点Ｐ１１、第１の右側接続点Ｐ２２、第２の左側接続点Ｐ１２、第２の右側接続点Ｐ２１の順に、各接続点の正射影投影像が配置されていれば、すなわち、左側接続点と右側接続点とが、環状路に沿って交互に配置されるようにすれば、トルクの作用によって環状変形体３０の各部を変形させることができる。
【０２３１】
（５）  本発明に係るトルクセンサにおいて、作用したトルクの大きさと、環状変形体３０の各部の変位量との関係は、必ずしも線形関係にはならない。したがって、作用したトルクの大きさに正確に比例した検出値を得る必要がある場合には、たとえば、図１５に示す検出回路の出力端子Ｔ１や、図２１に示す検出回路の出力端子Ｔ２に出力される電圧値を、線形検出値に変換するような補正テーブルを用意し、この補正テーブルを用いて変換された線形検出値が出力されるようにすればよい。
【０２３２】
（６）  図１５に示す検出回路や図２１に示す検出回路では、アナログ電圧に対する演算器が用いられているが、もちろん、Ｃ／Ｖ変換器で変換されたアナログ電圧値Ｖを、Ａ／Ｄ変換器を用いてデジタル信号に変換し、デジタル演算によって検出値を求めるようにしてもかまわない。
【０２３３】
（７）  これまでの実施形態では、環状変形体３０，８０，９０の径方向の変位を効率良く検出できるように、容量素子を構成する固定電極や変位電極として、環状変形体３０，８０，９０の内周面もしくは外周面に沿った形状および配置をもった電極を用いる例を述べた。しかしながら、本発明に係るトルクセンサの基本構造部に、Ｚ軸まわりのモーメント（トルク）や、Ｘ軸方向の力ＦｘまたはＹ軸方向の力Ｆｙが作用すると、図４０〜図４２に示す変形態様からもわかるとおり、環状変形体は接線方向（円周方向）にも変位する。したがって、容量素子を構成する固定電極や変位電極は、必ずしも環状変形体の内周面もしくは外周面に沿った形状および配置をもった電極にする必要はなく、環状変形体の接線方向（円周方向）の変位検出に適した形状や配置をもった電極にしてもかまわない。
【０２３４】
図４４は、本発明に係るトルクセンサの更に別な電極構成を示すＸＹ平面での断面図である。ここでは、説明の便宜上、同一のトルクセンサに様々な形態の電極を用いた例を示す。たとえば、第１象限Ｉには、環状変形体３０の半径方向に沿った変位電極Ｅ３１Ａと固定電極Ｅ２１Ａとによって、容量素子Ｃ１を構成した例が示されている。また、第２象限IIには、環状変形体３０の半径方向に沿った固定電極Ｅ２２Ａと、環状変形体３０の内周面に掘られた溝部壁面Ｅ３２Ａとによって、容量素子Ｃ２を構成した例が示されている。この場合、環状変形体３０自身を導電性材料で構成しておくか、もしくは溝部壁面Ｅ３２Ａに導電膜を形成する必要がある。
【０２３５】
また、第３象限IIIには、断面三角形の突起部を環状変形体３０の内周面に設けて変位電極Ｅ３３Ａとし、この突起部の傾斜面に対向する位置に固定電極Ｅ２３Ａを配置し、両電極によって容量素子Ｃ３を構成した例が示されている。更に、第４象限IVには、環状変形体３０の半径方向に沿った変位電極Ｅ３４Ａと、この変位電極Ｅ３４Ａの両側にそれぞれ固定電極Ｅ２４Ａ，Ｅ２４Ｂを設けた例が示されている。この場合、変位電極Ｅ３４Ａと固定電極Ｅ２４Ａとによって第１の容量素子Ｃ４Ａが構成されるとともに、変位電極Ｅ３４Ａと固定電極Ｅ２４Ｂとによって第２の容量素子Ｃ４Ｂが構成される。
【０２３６】
この図４４に示す容量素子Ｃ１〜Ｃ４Ｂは、いずれも環状変形体３０の接線方向（円周方向）の変位検出に適した容量素子ということができる。もちろん、外側環状変形体８０および内側環状変形体９０を用いた実施形態についても、図４４に例示するような接線方向（円周方向）の変位検出に適した容量素子を用いることができる。また、この図４４に示すセンサは、トルクだけでなく、力Ｆｘ，Ｆｙの検出を行うことも可能である。なお、図４４では、説明の便宜上、各象限に４種類の異なるタイプの容量素子を配置した例を示したが、もちろん、同一タイプの容量素子を４ヶ所に配置してもよいし、様々なタイプの容量素子を適宜組み合わせて４ヶ所に配置してもよい。
【符号の説明】
【０２３７】
１０：左側支持体
１１：凸状部（第１の左側接続部材）
１２：凸状部（第２の左側接続部材）
２０：右側支持体
２１：凸状部（第１の右側接続部材）
２２：凸状部（第２の右側接続部材）
３０：環状変形体
３０Ａ：導電性材料からなる環状変形体
４１，４２：Ｃ／Ｖ変換回路
４３：差分演算器
５１〜５４：Ｃ／Ｖ変換回路
５５：演算器
６０：左側支持体
６１：凸状部（第１の外側左側接続部材）
６２：凸状部（第２の外側左側接続部材）
６３：凸状部（第１の内側左側接続部材）
６４：凸状部（第２の内側左側接続部材）
７０：右側支持体
７２：凸状部（第２の外側右側接続部材）
８０：外側環状変形体
８０Ａ：導電性材料からなる外側環状変形体
９０：内側環状変形体
Ｃ１〜Ｃ４，Ｃ４Ａ，Ｃ４Ｂ：容量素子
Ｃ１−１〜Ｃ４−２：容量素子
Ｄ２１〜Ｄ２４：絶縁板
Ｅ２１〜Ｅ２４，Ｅ２１Ａ〜Ｅ２４Ａ，Ｅ２４Ｂ：固定電極（右側支持体２０に固定）
Ｅ２１Ｓ〜Ｅ２４Ｓ：小面積固定電極（右側支持体２０に固定）
Ｅ３１〜Ｅ３４，Ｅ３１Ａ〜Ｅ３４Ａ：変位電極（環状変形体３０の内周面に固定）
Ｅ３１Ｌ〜Ｅ３４Ｌ：大面積変位電極（環状変形体３０の内周面に固定）
Ｅ３５：共通導電層
Ｅ８１〜Ｅ８４：外側変位電極（外側環状変形体８０の内周面に固定）
Ｅ８１Ｌ〜Ｅ８４Ｌ：大面積外側変位電極（外側環状変形体８０の内周面に固定）
Ｅ８５：共通導電層
Ｅ９１〜Ｅ９４：内側変位電極（内側環状変形体９０の外周面に固定）
Ｅ９１Ｌ〜Ｅ９４Ｌ：大面積内側変位電極（内側環状変形体９０の外周面に固定）
Ｅ１０１〜Ｅ１０４：固定電極（右側支持体７０に固定）
ＥＬ：大面積電極
ＥＳ：小面積電極
Ｆｘ：Ｘ軸方向の力
Ｆｙ：Ｙ軸方向の力
Ｆｚ：Ｚ軸方向の力
Ｈ１０：左側支持体１０に形成された貫通開口部
Ｈ２０：右側支持体２０に形成された貫通開口部
Ｈ３０：環状変形体３０に形成された貫通開口部
Ｈ６０：左側支持体６０に形成された貫通開口部
Ｈ７０：右側支持体７０に形成された貫通開口部
Ｈ８０：外側環状変形体８０に形成された貫通開口部
Ｈ９０：内側環状変形体９０に形成された貫通開口部
Ｍｘ：Ｘ軸まわりのモーメント
Ｍｙ：Ｙ軸まわりのモーメント
Ｍｚ：Ｚ軸まわりのモーメント（検出対象トルク）
Ｏ：ＸＹＺ三次元座標系の原点
Ｐ１１〜Ｐ２２：接続点／その投影像
Ｔ１，Ｔ２：出力端子
Ｕ：鉛直面
Ｖ：ＸＹ平面上でＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなす座標軸
Ｖ１〜Ｖ４：電圧
Ｗ：ＸＹ平面上でＶ軸に直交する座標軸
Ｘ：ＸＹＺ三次元座標系の座標軸
Ｙ：ＸＹＺ三次元座標系の座標軸
Ｚ：ＸＹＺ三次元座標系の座標軸
【図１】
2012037300.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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