(57)【要約】【課題】構造が単純で、厚みを小さく抑えた薄型のトルクセンサを提供する。【解決手段】Ｚ軸を中心軸として、内側から外側の順に、内側支持体１１０、検出用変形体１２０、環状の外側支持体１３０が配置される。検出用変形体１２０の内側支持点Ｐ１，Ｐ２の近傍の内側面は、内側接続部材１４１，１４２によって内側支持体１１０の外側面に接続され、検出用変形体１２０の外側支持点Ｑ１，Ｑ２の近傍の外側面は、外側接続部材１５１，１５２によって外側支持体１３０の内側面に接続される。内側支持体１１０を固定した状態で、外側支持体１３０に時計まわりのトルクが作用すると、検出部１２１，１２３は外側に変位し、検出部１２２，１２４は内側に変位する。これらの変位は、対向電極Ｅ１１−Ｆ１１，Ｅ１２−Ｆ１２，Ｅ１３−Ｆ１３，Ｅ１４−Ｆ１４によって構成される４組の容量素子の静電容量値の変化として電気的に検出される。【選択図】図４
2017032301.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、
前記回転軸の周囲を取り巻く基本環状路に沿って配置された環状構造体によって構成され、少なくとも一部分が弾性変形を生じる検出用変形体と、
前記検出用変形体の内側に配置された内側支持体と、
前記検出用変形体の外側に配置された環状構造体によって構成される外側支持体と、
前記検出用変形体と前記内側支持体とを接続する内側接続部材と、
前記検出用変形体と前記外側支持体とを接続する外側接続部材と、
前記検出用変形体に生じる弾性変形を検出する検出素子と、
を備え、
前記基本環状路上の互いに異なる位置に内側支持点および外側支持点が定義されており、
前記内側接続部材は、前記検出用変形体の内側面の前記内側支持点近傍に設けられた内側接続面と、前記内側支持体の前記内側接続面に対向する対向面と、を接続し、
前記外側接続部材は、前記検出用変形体の外側面の前記外側支持点近傍に設けられた外側接続面と、前記外側支持体の前記外側接続面に対向する対向面と、を接続し、
前記検出素子は、前記検出用変形体の前記内側支持点と前記外側支持点との間に位置する検出部の弾性変形を検出する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、
ＸＹＺ三次元直交座標系のＺ軸が回転軸となるように配置したときに、基本環状路がＸＹ平面に含まれ、
検出用変形体、内側支持体、外側支持体、内側接続部材、外側接続部材のすべてが、ＸＹ平面に沿って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、
基本環状路上に複数ｎ個（ｎ≧２）の内側支持点と複数ｎ個の外側支持点とが交互に配置されており、複数ｎ本の内側接続部材と複数ｎ本の外側接続部材とが設けら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３に記載のトルクセンサにおいて、
ｎ＝２に設定することにより、基本環状路上に２個の内側支持点と２個の外側支持点とが交互に配置されており、
第１の内側支持点は正のＸ軸と前記基本環状路との交点に位置し、第２の内側支持点は負のＸ軸と前記基本環状路との交点に位置し、第１の外側支持点は正のＹ軸と前記基本環状路との交点に位置し、第２の外側支持点は負のＹ軸と前記基本環状路との交点に位置し、
第１の内側接続部材は、正のＸ軸に沿って配置され、第２の内側接続部材は、負のＸ軸に沿って配置され、第１の外側接続部材は、正のＹ軸に沿って配置され、第２の外側接続部材は、負のＹ軸に沿って配置されていることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項５】
請求項４に記載のトルクセンサにおいて、
ＸＹ座標系の第１象限に配置されている第１の検出部の弾性変形を検出する第１の検出素子と、ＸＹ座標系の第２象限に配置されている第２の検出部の弾性変形を検出する第２の検出素子と、ＸＹ座標系の第３象限に配置されている第３の検出部の弾性変形を検出する第３の検出素子と、ＸＹ座標系の第４象限に配置されている第４の検出部の弾性変形を検出する第４の検出素子と、を有することを特徴とするトルクセンサ。
【請求項６】
請求項５に記載のトルクセンサにおいて、
第１の検出素子が、第１の検出部のＺ軸に対する変位に基づいて弾性変形の検出を行い、第２の検出素子が、第２の検出部のＺ軸に対する変位に基づいて弾性変形の検出を行い、第３の検出素子が、第３の検出部のＺ軸に対する変位に基づいて弾性変形の検出を行い、第４の検出素子が、第４の検出部のＺ軸に対する変位に基づいて弾性変形の検出を行うことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項７】
請求項６に記載のトルクセンサにおいて、
第１の検出素子が、第１の検出部の内側面に配置された第１の変位電極と、内側支持体の前記第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、によって構成される第１の容量素子を有し、
第２の検出素子が、第２の検出部の内側面に配置された第２の変位電極と、内側支持体の前記第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、によって構成される第２の容量素子を有し、
第３の検出素子が、第３の検出部の内側面に配置された第３の変位電極と、内側支持体の前記第３の変位電極に対向する位置に配置された第３の固定電極と、によって構成される第３の容量素子を有し、
第４の検出素子が、第４の検出部の内側面に配置された第４の変位電極と、内側支持体の前記第４の変位電極に対向する位置に配置された第４の固定電極と、によって構成される第４の容量素子を有することを特徴とするトルクセンサ。
【請求項８】
請求項６に記載のトルクセンサにおいて、
第１の検出素子が、第１の検出部の外側面に配置された第１の変位電極と、外側支持体の前記第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、によって構成される第１の容量素子を有し、
第２の検出素子が、第２の検出部の外側面に配置された第２の変位電極と、外側支持体の前記第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、によって構成される第２の容量素子を有し、
第３の検出素子が、第３の検出部の外側面に配置された第３の変位電極と、外側支持体の前記第３の変位電極に対向する位置に配置された第３の固定電極と、によって構成される第３の容量素子を有し、
第４の検出素子が、第４の検出部の外側面に配置された第４の変位電極と、外側支持体の前記第４の変位電極に対向する位置に配置された第４の固定電極と、によって構成される第４の容量素子を有することを特徴とするトルクセンサ。
【請求項９】
請求項７または８に記載のトルクセンサにおいて、
第１の容量素子の静電容量値と第３の容量素子の静電容量値との和と、第２の容量素子の静電容量値と第４の容量素子の静電容量値との和と、の差分に基づいて、回転軸まわりに作用したトルクの検出値を出力する検出回路を更に備えることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項１０】
請求項６に記載のトルクセンサにおいて、
第１の検出素子が、第１の検出部の内側面に配置された第１の内側変位電極と、内側支持体の前記第１の内側変位電極に対向する位置に配置された第１の内側固定電極と、によって構成される第１の内側容量素子と、第１の検出部の外側面に配置された第１の外側変位電極と、外側支持体の前記第１の外側変位電極に対向する位置に配置された第１の外側固定電極と、によって構成される第１の外側容量素子と、を有し、
第２の検出素子が、第２の検出部の内側面に配置された第２の内側変位電極と、内側支持体の前記第２の内側変位電極に対向する位置に配置された第２の内側固定電極と、によって構成される第２の内側容量素子と、第２の検出部の外側面に配置された第２の外側変位電極と、外側支持体の前記第２の外側変位電極に対向する位置に配置された第２の外側固定電極と、によって構成される第２の外側容量素子と、を有し、
第３の検出素子が、第３の検出部の内側面に配置された第３の内側変位電極と、内側支持体の前記第３の内側変位電極に対向する位置に配置された第３の内側固定電極と、によって構成される第３の内側容量素子と、第３の検出部の外側面に配置された第３の外側変位電極と、外側支持体の前記第３の外側変位電極に対向する位置に配置された第３の外側固定電極と、によって構成される第３の外側容量素子と、を有し、
第４の検出素子が、第４の検出部の内側面に配置された第４の内側変位電極と、内側支持体の前記第４の内側変位電極に対向する位置に配置された第４の内側固定電極と、によって構成される第４の内側容量素子と、第４の検出部の外側面に配置された第４の外側変位電極と、外側支持体の前記第４の外側変位電極に対向する位置に配置された第４の外側固定電極と、によって構成される第４の外側容量素子と、を有することを特徴とするトルクセンサ。
【請求項１１】
請求項２〜１０のいずれかに記載のトルクセンサにおいて、
基本環状路が、原点Ｏを中心としてＸＹ平面上に配置された第１の円であり、
検出用変形体が、前記第１の円に沿って伸びる円環状構造体によって構成されており、
外側支持体が、原点Ｏを中心としてＸＹ平面上に配置され、前記第１の円よりも径の大きな第２の円に沿って伸びる円環状構造体によって構成されていることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項１２】
請求項１１に記載のトルクセンサにおいて、
内側支持体が、原点Ｏを中心としてＸＹ平面上に配置され、第１の円よりも径の小さな第３の円に沿って伸びる円環状構造体によって構成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２〜１２のいずれかに記載のトルクセンサにおいて、
ＸＹＺ三次元直交座標系において、外側支持体の上面が、方程式Ｚ＝＋ｄで表される第１の平面上に位置し、外側支持体の下面が、方程式Ｚ＝−ｄで表される第２の平面上に位置し、
検出用変形体、内側支持体、外側支持体、内側接続部材、外側接続部材のすべてが、前記第１の平面と前記第２の平面との間に挟まれた空間内に収容されていることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項１４】
請求項２〜１２のいずれかに記載のトルクセンサにおいて、
ＸＹＺ三次元直交座標系のＺ軸を鉛直軸としたときに、外側支持体の上端面が内側支持体の上端面よりも所定の空隙寸法だけ上方に位置し、内側支持体の下端面が外側支持体の下端面よりも所定の空隙寸法だけ下方に位置す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検出可能なセンサに関する。
【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、環状の荷重検出機構部に生じる歪みをストレインゲージによって検出することにより、作用した力成分およびモーメント成分を電気信号として出力するセンサが開示されている。また、特許文献２には、剛性中央部材と剛性環状リングとの間に複数の半径方向部材を設け、この半径方向部材に生じる歪みを検出することにより、作用した力成分およびモーメント成分を電気信号として出力するセンサが開示されている。
【０００３】
更に、特許文献３には、回転軸が挿通する貫通開口部を有する検出リングを、回転軸に沿った両側から支持体によって支持し、当該検出リングの弾性変形を容量素子を利用して検出することにより、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センサが開示されており、特許文献４には、複数本の検出リングを隣接配置する構造を採用することにより、内部空間を確保しつつ、力とモーメントの検出感度のバランスを調整することが可能なセンサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公平６−４１８９２号公報
【特許文献２】特表２００１−５００９７９号公報
【特許文献３】特開２０１２−０３７３００号公報
【特許文献４】特許第５６６７７２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ロボットアームの関節部分に取り付けるような用途では、構造が単純で、厚みが小さな薄型のトルクセンサが望まれている。しかしながら、これまで提案されているトルクセンサは、構造上、薄型化が困難である。
【０００６】
たとえば、前掲の特許文献１に開示されているセンサでは、環状の荷重検出機構部に２本の剛体部を取り付ける必要があり、薄型化が困難である。また、特許文献２に開示されているセンサでは、半径方向部材に生じる歪みを検出するため、全体的な構造が複雑になり、薄型化には不向きである。そして、特許文献３，４に開示されているセンサでは、検出リングや支持体を積層する構造を採用しているため、やはり薄型化を図ることが困難である。
【０００７】
そこで本発明は、構造が単純で、厚みを小さく抑えた薄型の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】
【０００８】
(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、
回転軸の周囲を取り巻く基本環状路に沿って配置された環状構造体によって構成され、少なくとも一部分が弾性変形を生じる検出用変形体と、
検出用変形体の内側に配置された内側支持体と、
検出用変形体の外側に配置された環状構造体によって構成される外側支持体と、
検出用変形体と内側支持体とを接続する内側接続部材と、
検出用変形体と外側支持体とを接続する外側接続部材と、
検出用変形体に生じる弾性変形を検出する検出素子と、
を設け、
基本環状路上の互いに異なる位置に内側支持点および外側支持点を定義したときに、
内側接続部材は、検出用変形体の内側面の内側支持点近傍に設けられた内側接続面と、この内側接続面に対向する内側支持体の対向面と、を接続し、
外側接続部材は、検出用変形体の外側面の外側支持点近傍に設けられた外側接続面と、この外側接続面に対向する外側支持体の対向面と、を接続し、
検出素子は、検出用変形体の内側支持点と外側支持点との間に位置する検出部の弾性変形を検出するようにしたものである。
【０００９】
(2)   本発明の第２の態様は、上述した第１の態様に係るトルクセンサにおいて、
ＸＹＺ三次元直交座標系のＺ軸が回転軸となるように配置したときに、基本環状路がＸＹ平面に含まれ、
検出用変形体、内側支持体、外側支持体、内側接続部材、外側接続部材のすべてが、ＸＹ平面に沿って配置されているようにしたものである。
【００１０】
(3)   本発明の第３の態様は、上述した第２の態様に係るトルクセンサにおいて、
基本環状路上に複数ｎ個（ｎ≧２）の内側支持点と複数ｎ個の外側支持点とが交互に配置されており、複数ｎ本の内側接続部材と複数ｎ本の外側接続部材とが設けられているようにしたものである。
【００１１】
(4)   本発明の第４の態様は、上述した第３の態様に係るトルクセンサにおいて、
ｎ＝２に設定することにより、基本環状路上に２個の内側支持点と２個の外側支持点とが交互に配置されており、
第１の内側支持点は正のＸ軸と基本環状路との交点に位置し、第２の内側支持点は負のＸ軸と基本環状路との交点に位置し、第１の外側支持点は正のＹ軸と基本環状路との交点に位置し、第２の外側支持点は負のＹ軸と基本環状路との交点に位置し、
第１の内側接続部材は、正のＸ軸に沿って配置され、第２の内側接続部材は、負のＸ軸に沿って配置され、第１の外側接続部材は、正のＹ軸に沿って配置され、第２の外側接続部材は、負のＹ軸に沿って配置されているようにしたものである。
【００１２】
(5)   本発明の第５の態様は、上述した第４の態様に係るトルクセンサにおいて、
ＸＹ座標系の第１象限に配置されている第１の検出部の弾性変形を検出する第１の検出素子と、ＸＹ座標系の第２象限に配置されている第２の検出部の弾性変形を検出する第２の検出素子と、ＸＹ座標系の第３象限に配置されている第３の検出部の弾性変形を検出する第３の検出素子と、ＸＹ座標系の第４象限に配置されている第４の検出部の弾性変形を検出する第４の検出素子と、を設けるようにしたものである。
【００１３】
(6)   本発明の第６の態様は、上述した第５の態様に係るトルクセンサにおいて、
第１の検出素子が、第１の検出部のＺ軸に対する変位に基づいて弾性変形の検出を行い、第２の検出素子が、第２の検出部のＺ軸に対する変位に基づいて弾性変形の検出を行い、第３の検出素子が、第３の検出部のＺ軸に対する変位に基づいて弾性変形の検出を行い、第４の検出素子が、第４の検出部のＺ軸に対する変位に基づいて弾性変形の検出を行うようにしたものである。
【００１４】
(7)   本発明の第７の態様は、上述した第６の態様に係るトルクセンサにおいて、
第１の検出素子が、第１の検出部の内側面に配置された第１の変位電極と、内側支持体の第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、によって構成される第１の容量素子を有し、
第２の検出素子が、第２の検出部の内側面に配置された第２の変位電極と、内側支持体の第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、によって構成される第２の容量素子を有し、
第３の検出素子が、第３の検出部の内側面に配置された第３の変位電極と、内側支持体の第３の変位電極に対向する位置に配置された第３の固定電極と、によって構成される第３の容量素子を有し、
第４の検出素子が、第４の検出部の内側面に配置された第４の変位電極と、内側支持体の第４の変位電極に対向する位置に配置された第４の固定電極と、によって構成される第４の容量素子を有するようにしたものである。
【００１５】
(8)   本発明の第８の態様は、上述した第６の態様に係るトルクセンサにおいて、
第１の検出素子が、第１の検出部の外側面に配置された第１の変位電極と、外側支持体の第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、によって構成される第１の容量素子を有し、
第２の検出素子が、第２の検出部の外側面に配置された第２の変位電極と、外側支持体の第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、によって構成される第２の容量素子を有し、
第３の検出素子が、第３の検出部の外側面に配置された第３の変位電極と、外側支持体の第３の変位電極に対向する位置に配置された第３の固定電極と、によって構成される第３の容量素子を有し、
第４の検出素子が、第４の検出部の外側面に配置された第４の変位電極と、外側支持体の第４の変位電極に対向する位置に配置された第４の固定電極と、によって構成される第４の容量素子を有するようにしたものである。
【００１６】
(9)   本発明の第９の態様は、上述した第７または第８の態様に係るトルクセンサにおいて、
第１の容量素子の静電容量値と第３の容量素子の静電容量値との和と、第２の容量素子の静電容量値と第４の容量素子の静電容量値との和と、の差分に基づいて、回転軸まわりに作用したトルクの検出値を出力する検出回路を更に設けたものである。
【００１７】
(10)  本発明の第１０の態様は、上述した第６の態様に係るトルクセンサにおいて、
第１の検出素子が、第１の検出部の内側面に配置された第１の内側変位電極と、内側支持体の第１の内側変位電極に対向する位置に配置された第１の内側固定電極と、によって構成される第１の内側容量素子と、第１の検出部の外側面に配置された第１の外側変位電極と、外側支持体の第１の外側変位電極に対向する位置に配置された第１の外側固定電極と、によって構成される第１の外側容量素子と、を有し、
第２の検出素子が、第２の検出部の内側面に配置された第２の内側変位電極と、内側支持体の第２の内側変位電極に対向する位置に配置された第２の内側固定電極と、によって構成される第２の内側容量素子と、第２の検出部の外側面に配置された第２の外側変位電極と、外側支持体の第２の外側変位電極に対向する位置に配置された第２の外側固定電極と、によって構成される第２の外側容量素子と、を有し、
第３の検出素子が、第３の検出部の内側面に配置された第３の内側変位電極と、内側支持体の第３の内側変位電極に対向する位置に配置された第３の内側固定電極と、によって構成される第３の内側容量素子と、第３の検出部の外側面に配置された第３の外側変位電極と、外側支持体の第３の外側変位電極に対向する位置に配置された第３の外側固定電極と、によって構成される第３の外側容量素子と、を有し、
第４の検出素子が、第４の検出部の内側面に配置された第４の内側変位電極と、内側支持体の第４の内側変位電極に対向する位置に配置された第４の内側固定電極と、によって構成される第４の内側容量素子と、第４の検出部の外側面に配置された第４の外側変位電極と、外側支持体の第４の外側変位電極に対向する位置に配置された第４の外側固定電極と、によって構成される第４の外側容量素子と、を有するようにしたものである。
【００１８】
(11)  本発明の第１１の態様は、上述した第２〜第１０の態様に係るトルクセンサにおいて、
基本環状路が、原点Ｏを中心としてＸＹ平面上に配置された第１の円であり、
検出用変形体が、第１の円に沿って伸びる円環状構造体によって構成されており、
外側支持体が、原点Ｏを中心としてＸＹ平面上に配置され、第１の円よりも径の大きな第２の円に沿って伸びる円環状構造体によって構成されているようにしたものである。
【００１９】
(12)  本発明の第１２の態様は、上述した第１１の態様に係るトルクセンサにおいて、
内側支持体が、原点Ｏを中心としてＸＹ平面上に配置され、第１の円よりも径の小さな第３の円に沿って伸びる円環状構造体によって構成されていることを特徴とするトルクセンサ。
【００２０】
(13)  本発明の第１３の態様は、上述した第２〜第１２の態様に係るトルクセンサにおいて、
ＸＹＺ三次元直交座標系において、外側支持体の上面が、方程式Ｚ＝＋ｄで表される第１の平面上に位置し、外側支持体の下面が、方程式Ｚ＝−ｄで表される第２の平面上に位置し、
検出用変形体、内側支持体、外側支持体、内側接続部材、外側接続部材のすべてが、第１の平面と第２の平面との間に挟まれた空間内に収容されているようにしたものである。
【００２１】
(14)  本発明の第１４の態様は、上述した第２〜第１２の態様に係るトルクセンサにおいて、
ＸＹＺ三次元直交座標系のＺ軸を鉛直軸としたときに、外側支持体の上端面が内側支持体の上端面よりも所定の空隙寸法だけ上方に位置し、内側支持体の下端面が外側支持体の下端面よりも所定の空隙寸法だけ下方に位置するようにしたものである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明のトルクセンサでは、弾性変形を生じる検出用変形体の内側に内側支持体が配置され、外側に環状の外側支持体が配置される。しかも、検出用変形体の内側面と内側支持体の対向面とが内側接続部材によって接続され、検出用変形体の外側面と外側支持体の対向面とが外側接続部材によって接続される。このため、すべての構成要素が平面に沿って配置されることになり、構造が単純で、厚みを小さく抑えた薄型のトルクセンサを実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るトルクセンサの上面図（図(a) ）およびこれをＸＺ平面で切断した正断面図（図(b) ）である。
【図２】図１に示すトルクセンサの基本構造体１００をＸＹ平面で切断した横断面図である（取付用孔部および位置決め用孔部については図示を省略）。
【図３】図２に示す基本構造体１００の各部に異なるハッチングを施して示す横断面図である。
【図４】図３に示す基本構造体１００に４組の検出素子を付加することにより構成したトルクセンサの検出動作を説明する横断面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係るトルクセンサをＸＹ平面で切断し、各部に異なるハッチングを施して示す横断面図である（取付用孔部および位置決め用孔部については図示を省略）。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。
【００２５】
＜＜＜  §１．  第１の実施形態の基本構造  ＞＞＞
図１(a) は、本発明の第１の実施形態に係るトルクセンサの上面図であり、図１(b) は、当該トルクセンサをＸＺ平面で切断した正断面図である。
【００２６】
図１(a) に示すとおり、このトルクセンサの主たる構造部を構成する基本構造体１００は、全体的に円盤状をしている。ここでは、説明の便宜上、図示のとおり、このトルクセンサの中心位置に原点Ｏを有するＸＹＺ三次元直交座標系を定義し、この座標系にトルクセンサが配置されているという前提で、各部の構造を述べることにする。図１(a) の上面図の場合、図の右方向にＸ軸、図の上方向にＹ軸、紙面垂直手前方向にＺ軸が定義されており、トルクセンサは、Ｚ軸を中心軸として配置されている。図１(b) の正断面図では、図の右方向にＸ軸、図の上方向にＺ軸、紙面垂直奥方向にＹ軸が定義される。このトルクセンサは、Ｚ軸を回転軸として、当該回転軸まわりに作用するトルクを検出する機能を果たす。なお、回転軸とは、仮想軸を示す。
【００２７】
図１(a) に示すとおり、基本構造体１００は、内側に位置する内側支持体１１０と、その外側を取り囲むように配置された検出用変形体１２０と、更にその外側を取り囲むように配置された外側支持体１３０と、内側支持体１１０と検出用変形体１２０とを接続する内側接続部材１４０と、検出用変形体１２０と外側支持体１３０とを接続する外側接続部材１５０と、を有している。ここに示す実施例の場合、内側支持体１１０は、中央に空洞部Ｈ（貫通孔）が形成された略直方体状の部材になっている。検出用変形体１２０は、その周囲に配置された環状構造体であり、外側支持体１３０は、更にその周囲に配置された環状構造体である。
【００２８】
なお、図示する実施例は、円環状の検出用変形体１２０および円環状の外側支持体１３０を用いた例であるが、本発明にいう「環」とは「円環」に限らず、「方環」や「任意形状の輪」も含むものであり、検出用変形体１２０および外側支持体１３０としては、たとえば「方環状」の形状のものや、「六角形の環状」や「八角形の環状」のものを用いてもかまわない。
【００２９】
内側支持体１１０には、４箇所に取付用孔部１１１（小さい円形孔）が設けられており、２箇所に位置決め用孔部１１２（若干大きめの円形孔）が設けられている。同様に、外側支持体１３０には、６箇所に取付用孔部１３１（小さい円形孔）が設けられており、２箇所に位置決め用孔部１３２（若干大きめの円形孔）が設けられている。ここに示す実施例の場合、図１(b) に示すように、取付用孔部１１１，１３１は、空洞部Ｈと同様に上下に貫通する孔である。また、図１(b) には現れていないが、位置決め用孔部１１２，１３２も、上下に貫通する孔である。
【００３０】
このトルクセンサは、ロボットアームの関節部分に取り付けるような用途に最適である。たとえば、図１(b) に示す基本構造体１００の下方に第１のアーム部を配置し、上方に第２のアーム部を配置すれば、この基本構造体１００は、両アーム部を接続する関節部材として機能する。取付用孔部１１１，１３１は、この基本構造体１００を各アーム部に取り付けるためのボルト挿通用の孔部として用いられる。上例の場合、たとえば、内側支持体１１０を、取付用孔部１１１に挿通させたボルトによって、下方に配置された第１のアーム部に取り付け、外側支持体１３０を、取付用孔部１３１に挿通させたボルトによって、上方に配置された第２のアーム部に取り付けるようにすれば、第１のアーム部に対して第２のアーム部に加わるトルクを検出することができる。もちろん、取付用孔部１１１，１３１の内面には、必要に応じて、ねじを形成するようにしてもかまわない。
【００３１】
一方、位置決め用孔部１１２，１３２は、このトルクセンサを実装する際の位置決めの用途に利用される穴であり、ここに位置決め用ピンを挿入することにより、位置決め操作を行うことができる。もちろん、位置決め用孔部１１２，１３２は、必ずしも貫通孔にする必要はなく、窪み状の孔部にしてもかまわない。
【００３２】
なお、取付用孔部１１１，１３１や位置決め用孔部１１２，１３２は、このトルクセンサに必須の構成要素ではなく、また、動作原理上、トルク検出のために直接的な機能を果たすものではない。たとえば、アーム部に対する接続を、ボルトを用いない接着方法を採用して行うようにすれば、取付用孔部１１１，１３１は不要である。また、別な方法で位置決め操作を行うようにすれば、位置決め用孔部１１２，１３２も不要である。したがって、図２以降では、取付用孔部１１１，１３１や位置決め用孔部１１２，１３２の図示を省略する。
【００３３】
図２は、図１に示すトルクセンサの基本構造体１００をＸＹ平面で切断した横断面図である。ここに示す実施例の場合、基本構造体１００は、円盤状の１枚の一体構造体であり、鉄、ステンレス、アルミニウムなどの金属板に対して、ワイヤーカットによる加工を施すことにより構成している。なお、金属板に対して切削加工（たとえば、フライスによる加工）を施して、基本構造体１００を構成してもよい。本願では、この基本構造体１００の各部を、その機能に着目して、内側支持体１１０、検出用変形体１２０、外側支持体１３０、内側接続部材１４０、外側接続部材１５０と呼んでいる。
【００３４】
上述したとおり、実際には、内側支持体１１０には取付用孔部１１１および位置決め用孔部１１２が設けられており、外側支持体１３０には取付用孔部１３１および位置決め用孔部１３２が設けられているが、図２では図示が省略されている。
【００３５】
図３は、図２に示す基本構造体１００の各部にそれぞれ異なるハッチングを施して示した横断面図であり、幾何学的には図２と全く同一の図面である。以下、この図３を参照しながら、基本構造体１００の各部の構造をより詳細に説明する。
【００３６】
まず、中央に設けられた内側支持体１１０は、中心に円形の空洞部Ｈが形成された略直方体状の部材であり、検出用変形体１２０を内側から支持する役割を果たす。空洞部Ｈは必須のものではないが、実用上は設けておいた方が好ましい。これは、中心に空洞部Ｈを形成しておけば、必要に応じて、ここに様々な部材（たとえば、電気信号を取り出すための配線）を挿通させることができるためである。
【００３７】
検出用変形体１２０は、図に一点鎖線で示す基本環状路Ｒに沿って配置された環状構造体によって構成されている。この実施例の場合、基本環状路Ｒは、回転軸（Ｚ軸）を中心としてＸＹ平面上に描かれた円であるため、検出用変形体１２０は、内側支持体１１０の外側を取り囲むように配置された円環状の構造体からなる。後述するように、このセンサに回転軸（Ｚ軸）まわりのトルクが作用すると、検出用変形体１２０の少なくとも一部分に弾性変形が生じる。そして、検出素子によって当該弾性変形を検出することにより、作用したトルクが電気信号として取り出される。
【００３８】
外側支持体１３０は、検出用変形体１２０の外側に配置された環状構造体によって構成されており、この実施例の場合、基本環状路Ｒよりも径の大きな円に沿って伸びる円環状構造体によって構成されている。
【００３９】
内側接続部材１４０は、検出用変形体１２０の内側面と内側支持体１１０の外側面とを接続する役割を果たす部材である。図示の例の場合、内側接続部材１４０は、正のＸ軸に沿って配置された第１の内側接続部材１４１と負のＸ軸に沿って配置された第２の内側接続部材１４２とによって構成される。一方、外側接続部材１５０は、検出用変形体１２０の外側面と外側支持体１３０の内側面とを接続する役割を果たす部材である。図示の例の場合、外側接続部材１５０は、正のＹ軸に沿って配置された第１の外側接続部材１５１と負のＹ軸に沿って配置された第２の外側接続部材１５２とによって構成される。
【００４０】
結局、検出用変形体１２０は、内側支持体１１０によって、２本の内側接続部材１４１，１４２を介して内側から支持され、外側支持体１３０によって、２本の外側接続部材１５１，１５２を介して外側から支持された状態になる。
【００４１】
図２に示すとおり、実際には、基本構造体１００は、同一の材質からなる一体構造体であるが、Ｚ軸を中心軸としたときの半径方向の肉厚に着目すると、検出用変形体１２０の肉厚は、内側支持体１１０の肉厚や外側支持体１３０の肉厚に比べて小さく設定されている。このため、検出用変形体１２０の少なくとも一部分は弾性変形を生じることになる。
【００４２】
ここでは、説明の便宜上、図３に示されている円環状の検出用変形体１２０（ドットによるハッチングが施された部分）について、基本環状路Ｒに沿って複数の区間を設定することにする。すなわち、接続部材１４１，１４２によって内側支持体１１０に固定されている区間と、接続部材１５１，１５２によって外側支持体１３０に固定されている区間と、これらの各区間の間に位置する区間とを設定する。そして、各接続部材１４１，１４２，１５１，１５２によって内側支持体１１０もしくは外側支持体１３０に固定されている区間を「固定部」と呼ぶことにし、これら「固定部」によって挟まれた区間を「検出部」と呼ぶことにする。
【００４３】
具体的には、図３に示す検出用変形体１２０は、第１の内側接続部材１４１によって内側支持体１１０に固定されている第１の固定部（正のＸ軸近傍に位置する部分）と、第１の外側接続部材１５１によって外側支持体１３０に固定されている第２の固定部（正のＹ軸近傍に位置する部分）と、第２の内側接続部材１４２によって内側支持体１１０に固定されている第３の固定部（負のＸ軸近傍に位置する部分）と、第２の外側接続部材１５２によって外側支持体１３０に固定されている第４の固定部（負のＹ軸近傍に位置する部分）と、を有し、更に、第１の固定部と第２の固定部とに挟まれた第１の検出部１２１（ＸＹ座標系の第１象限に位置する部分）と、第２の固定部と第３の固定部とに挟まれた第２の検出部１２２（ＸＹ座標系の第２象限に位置する部分）と、第３の固定部と第４の固定部とに挟まれた第３の検出部１２３（ＸＹ座標系の第３象限に位置する部分）と、第４の固定部と第１の固定部とに挟まれた第４の検出部１２４（ＸＹ座標系の第４象限に位置する部分）と、を有している。
【００４４】
結局、図３に示す検出用変形体１２０は、基本環状路Ｒに沿って交互に配置された４組の固定部と４組の検出部とによって構成される構造体ということになる。ここで、４組の検出部１２１，１２２，１２３，１２４は、上述したように半径方向の厚みが小さく、しかも内側接続部材１４１，１４２や外側接続部材１５１，１５２の接続もない部分であるため、トルクの作用により大きく弾性変形する。なお、ここに示す実施例の場合、各検出部１２１，１２２，１２３，１２４の内側の一部分には、若干内側に凸状に隆起した隆起部が形成されているが、これらの各隆起部は、後述するように、変位電極を形成する便宜を図るためのものであり、本発明の検出原理上は、必ずしも必要なものではない。
【００４５】
もちろん、基本構造体１００は、同一の材質からなる一体構造体であり、これを、たとえば鉄、ステンレス、アルミニウムなどの金属によって構成すれば、トルクの作用により、すべての部分に弾性変形が生じることになる。しかしながら、各検出部１２１，１２２，１２３，１２４は、弾性変形が生じやすい部分であるため、内側支持体１１０，外側支持体１３０，内側接続部材１４１，１４２，外側接続部材１５１，１５２に生じる弾性変形は、各検出部１２１，１２２，１２３，１２４に生じる弾性変形に比べてわずかである。別言すれば、作用したトルクに基づく弾性変形を各検出部１２１，１２２，１２３，１２４に集中させるためには、それ以外の部分は、できるだけ剛体として振舞うように肉厚に設計するのが好ましい。
【００４６】
以上、図２および図３を参照して、基本構造体１００の各部の構造について説明した。本発明のトルクセンサは、この基本構造体１００に、更に検出素子を付加することにより構成される。図１(a) には、基本構造体１００に４組の検出素子Ｄ１〜Ｄ４を付加することにより構成された第１の実施形態に係るトルクセンサが示されている。これら４組の検出素子Ｄ１〜Ｄ４は、検出用変形体１２０に生じる弾性変形を電気的に検出する機能を有しており、図示の例の場合、いずれも容量素子によって構成されている。すなわち、各検出素子Ｄ１〜Ｄ４は、検出用変形体１２０の内側面に形成された変位電極と、内側支持体１１０の外側面に形成された固定電極と、を対向させた容量素子によって構成されている。これら各検出素子Ｄ１〜Ｄ４の機能については、次の§２において詳述する。
【００４７】
＜＜＜  §２．  第１の実施形態の検出動作  ＞＞＞
続いて、図１に示す第１の実施形態に係るトルクセンサの検出動作を、図４を参照しながら説明する。図４は、図３に示す基本構造体１００に４組の検出素子を付加することにより構成したトルクセンサの検出動作を説明する図であり、図１(a) に示すトルクセンサをＸＹ平面で切断した横断面図に相当する。前述したとおり、基本構造体１００は、同一の材質からなる一体構造体であるが、図４では、図３と同様に各部に異なるハッチングを施して示してある。
【００４８】
図示のとおり、検出用変形体１２０の内側面の４箇所には、それぞれ変位電極Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ１３，Ｅ１４が設けられており、内側支持体１１０の外側面の４箇所には、それぞれ固定電極Ｆ１１，Ｆ１２，Ｆ１３，Ｆ１４が設けられている。
【００４９】
より具体的には、第１の検出部１２１の内側面の隆起部には第１の変位電極Ｅ１１が設けられ、内側支持体１１０の対向面には、第１の変位電極Ｅ１１に対向する第１の固定電極Ｆ１１が設けられている。これら一対の電極Ｅ１１，Ｆ１１は、容量素子を構成する。図１(a) に示す第１の検出素子Ｄ１は、当該容量素子に他ならない。
【００５０】
一方、第２の検出部１２２の内側面の隆起部には第２の変位電極Ｅ１２が設けられ、内側支持体１１０の対向面には、第２の固定電極Ｆ１２が設けられており、図１(a) に示す第２の検出素子Ｄ１となる容量素子が構成される。同様に、第３の検出部１２３の内側面の隆起部には第３の変位電極Ｅ１３が設けられ、内側支持体１１０の対向面には、第３の固定電極Ｆ１３が設けられており、図１(a) に示す第３の検出素子Ｄ３となる容量素子が構成される。また、第４の検出部１２４の内側面の隆起部には第４の変位電極Ｅ１４が設けられ、内側支持体１１０の対向面には、第４の固定電極Ｆ１４が設けられており、図１(a) に示す第４の検出素子Ｄ４となる容量素子が構成される。
【００５１】
なお、検出用変形体１２０の内側面の隆起部と各変位電極Ｅ１１〜Ｅ１４との間には絶縁基板（図の白塗り部分）が挿入され、内側支持体１１０と各固定電極Ｆ１１〜Ｆ１４との間にも絶縁基板（図の白塗り部分）が挿入されている。このように、絶縁基板を介して各電極を形成しているのは、この実施例の場合、図２に示すように、基本構造体１００が金属からなる一体構造体によって構成されており、個々の電極を電気的に独立させる必要があるためである。したがって、基本構造体１００を樹脂などの絶縁材料によって構成した場合は、絶縁基板を設ける必要はない。
【００５２】
ここでは、この図４に示すトルクセンサの検出動作を説明する便宜上、一点鎖線で示されている円形の基本環状路Ｒ（回転軸（Ｚ軸）の周囲を取り巻くＸＹ平面上の円）の上に、内側支持点Ｐ１，Ｐ２（図では×印で示す）と外側支持点Ｑ１，Ｑ２（図では白丸で示す）とを定義する。図示のとおり、２個の内側支持点Ｐ１，Ｐ２と２個の外側支持点Ｑ１，Ｑ２とは、基本環状路Ｒ上に交互に配置されている。より具体的には、第１の内側支持点Ｐ１は正のＸ軸と基本環状路Ｒとの交点に位置し、第２の内側支持点Ｐ２は負のＸ軸と基本環状路Ｒとの交点に位置し、第１の外側支持点Ｑ１は正のＹ軸と基本環状路Ｒとの交点に位置し、第２の外側支持点Ｑ２は負のＹ軸と基本環状路Ｒとの交点に位置する。
【００５３】
いま、内側支持体１１０を固定した状態において、外側支持体１３０に対して、図に白矢印で示すように、Ｚ軸を回転軸とする時計まわりのモーメント（トルク）が作用した場合に、検出用変形体１２０にどのような変形が生じるかを考えてみる。この場合、図に×印で示す内側支持点Ｐ１，Ｐ２は、内側接続部材１４１，１４２を介して内側支持体１１０に接続されているため固定点になる。一方、図に白丸で示す外側支持点Ｑ１，Ｑ２は、外側接続部材１５１，１５２を介して外側支持体１３０に接続されているため、外側支持体１３０に対して時計まわりのトルクが作用した場合、時計まわりの回転力の作用を受ける。
【００５４】
そうすると、点Ｑ１は点Ｐ１に近づくように移動するので、第１の検出部１２１は外側に膨らむように変形する。同様に、点Ｑ２は点Ｐ２に近づくように移動するので、第３の検出部１２３も外側に膨らむように変形する。その結果、第１の変位電極Ｅ１１は、第１の固定電極Ｆ１１から遠ざかり、両電極によって構成される容量素子（第１の検出素子Ｄ１）の静電容量値Ｃ１は減少する。同様に、第３の変位電極Ｅ１３は、第３の固定電極Ｆ１３から遠ざかり、両電極によって構成される容量素子（第３の検出素子Ｄ３）の静電容量値Ｃ３も減少する。
【００５５】
一方、点Ｑ１は点Ｐ２から遠ざかるように移動するので、第２の検出部１２２は内側にへこむように変形する。同様に、点Ｑ２は点Ｐ１から遠ざかるように移動するので、第４の検出部１２４も内側にへこむように変形する。その結果、第２の変位電極Ｅ１２は、第２の固定電極Ｆ１２に近づき、両電極によって構成される容量素子（第２の検出素子Ｄ２）の静電容量値Ｃ２は増加する。同様に、第４の変位電極Ｅ１４は、第４の固定電極Ｆ１４に近づき、両電極によって構成される容量素子（第４の検出素子Ｄ４）の静電容量値Ｃ４は増加する。
【００５６】
結局、第１の検出素子Ｄ１（電極対Ｅ１１・Ｆ１１からなる容量素子）は、ＸＹ座標系の第１象限に配置されている第１の検出部１２１の弾性変形を検出する役割を果たし、第２の検出素子Ｄ２（電極対Ｅ１２・Ｆ１２からなる容量素子）は、ＸＹ座標系の第２象限に配置されている第２の検出部１２２の弾性変形を検出する役割を果たし、第３の検出素子Ｄ３（電極対Ｅ１３・Ｆ１３からなる容量素子）は、ＸＹ座標系の第３象限に配置されている第３の検出部１２３の弾性変形を検出する役割を果たし、第４の検出素子Ｄ４（電極対Ｅ１４・Ｆ１４からなる容量素子）は、ＸＹ座標系の第４象限に配置されている第４の検出部１２４の弾性変形を検出する役割を果たすことになる。
【００５７】
実際には、各検出部の弾性変形は、Ｚ軸に対する半径方向の変位として検出される。すなわち、第１の検出素子Ｄ１は、第１の検出部１２１のＺ軸に対する変位に基づいて弾性変形の検出を行い、第２の検出素子Ｄ２は、第２の検出部１２２のＺ軸に対する変位に基づいて弾性変形の検出を行い、第３の検出素子Ｄ３は、第３の検出部１２３のＺ軸に対する変位に基づいて弾性変形の検出を行い、第４の検出素子Ｄ４は、第４の検出部１２４のＺ軸に対する変位に基づいて弾性変形の検出を行う。
【００５８】
ここに示す実施例の場合、各検出素子Ｄ１〜Ｄ４として、一対の対向電極からなる容量素子が用いられている。すなわち、第１の検出素子Ｄ１は、第１の検出部１２１の内側面に配置された第１の変位電極Ｅ１１と、内側支持体１１０の第１の変位電極Ｅ１１に対向する位置に配置された第１の固定電極Ｆ１１と、によって構成される第１の容量素子によって構成され、第２の検出素子Ｄ２は、第２の検出部１２２の内側面に配置された第２の変位電極Ｅ１２と、内側支持体１１０の第２の変位電極Ｅ１２に対向する位置に配置された第２の固定電極Ｆ１２と、によって構成される第２の容量素子によって構成され、第３の検出素子Ｄ３は、第３の検出部１２３の内側面に配置された第３の変位電極Ｅ１３と、内側支持体１１０の第３の変位電極Ｅ１３に対向する位置に配置された第３の固定電極Ｆ１３と、によって構成される第３の容量素子によって構成され、第４の検出素子Ｄ４は、第４の検出部１２４の内側面に配置された第４の変位電極Ｅ１４と、内側支持体１１０の第４の変位電極Ｅ１４に対向する位置に配置された第４の固定電極Ｆ１４と、によって構成される第４の容量素子によって構成される。
【００５９】
このような構成をもったトルクセンサにおいて、回転軸（Ｚ軸）まわりに作用したトルクの検出値を電気信号として取り出すには、第１の容量素子Ｄ１の静電容量値Ｃ１と第３の容量素子Ｄ３の静電容量値Ｃ３との和「Ｃ１＋Ｃ３」と、第２の容量素子Ｄ２の静電容量値Ｃ２と第４の容量素子Ｄ４の静電容量値Ｃ４との和「Ｃ２＋Ｃ４」と、の差分、すなわち、（Ｃ１＋Ｃ３）−（Ｃ２＋Ｃ４）を求めて出力する検出回路を用意すればよい。
【００６０】
たとえば、図４に示すように、外側支持体１３０に対して時計まわりのトルクが作用すると、上述したとおり、静電容量値Ｃ１，Ｃ３は減少し、静電容量値Ｃ２，Ｃ４は増加するため、差分値「（Ｃ１＋Ｃ３）−（Ｃ２＋Ｃ４）」は負の値として出力される。逆に、外側支持体１３０に対して反時計まわりのトルクが作用すると、静電容量値Ｃ１，Ｃ３は増加し、静電容量値Ｃ２，Ｃ４は減少するため、差分値「（Ｃ１＋Ｃ３）−（Ｃ２＋Ｃ４）」は正の値として出力される。したがって、当該差分値の符号は、作用したトルクの向きを示すことになり、当該差分値の絶対値は、作用したトルクの大きさを示すことになる。
【００６１】
このような差分検出は、検出誤差を低減する上で効果的である。たとえば、温度環境の変化により、基本構造体１００の各部に膨張や収縮が生じ、各容量素子の電極間隔が変化した場合にも、上記差分検出を行えば、そのような電極間隔の変化に基づいて生じる誤差を相殺することができる。
【００６２】
＜＜＜  §３．  第２の実施形態の基本構造  ＞＞＞
続いて、図５を参照しながら、本発明の第２の実施形態に係るトルクセンサの基本構造を説明する。図５は、基本構造体１００′に４組の検出素子を付加することにより構成したトルクセンサを、ＸＹ平面で切断した横断面図である。この図５に示されている基本構造体１００′は、図４に示す基本構造体１００とほぼ同じ構造を有しており、やはり同一の材質からなる一体構造体によって構成されている。この図５においても、図４と同様に、各部に異なるハッチングを施してある。
【００６３】
図５に示す基本構造体１００′と図４に示す基本構造体１００との相違は、検出用変形体１２０の形状だけである。別言すれば、図５に示す内側支持体１１０，外側支持体１３０，内側接続部材１４１，１４２，外側接続部材１５１，１５２は、図４に示す同符号の各構成要素と全く同じである。図５に示す検出用変形体１２０は、図４に示す検出用変形体１２０とは、若干形状が異なる構成要素であるが、ここでは便宜上、同じ符号「１２０」を用いて示してある。同様に、図５に示す各検出部１２１〜１２４は、図４に示す各検出部１２１〜１２４とは、若干形状が異なる構成要素であるが、同じ符号「１２１〜１２４」を用いて示してある。
【００６４】
この図５に示す第２の実施形態に係るトルクセンサも、上述した基本構造体１００′に４組の検出素子Ｄ１〜Ｄ４を付加することにより構成される。ここで、図４に示す第１の実施形態と図５に示す第２の実施形態との大きな違いは、前者の場合、各検出素子Ｄ１〜Ｄ４が検出用変形体１２０の内側に設けられていたのに対して、後者の場合、各検出素子Ｄ１〜Ｄ４が検出用変形体１２０の外側に設けられている点である。
【００６５】
具体的には、図５に示す第２の実施形態に係るトルクセンサの場合、第１の検出素子Ｄ１が、第１の検出部１２１の外側面に配置された第１の変位電極Ｅ２１と、外側支持体１３０の第１の変位電極Ｅ２１に対向する位置に配置された第１の固定電極Ｆ２１と、を有する第１の容量素子によって構成され、第２の検出素子Ｄ２が、第２の検出部１２２の外側面に配置された第２の変位電極Ｅ２２と、外側支持体１３０の第２の変位電極Ｅ２２に対向する位置に配置された第２の固定電極Ｆ２２と、を有する第２の容量素子によって構成され、第３の検出素子Ｄ３が、第３の検出部１２３の外側面に配置された第３の変位電極Ｅ２３と、外側支持体１３０の第３の変位電極Ｅ２３に対向する位置に配置された第３の固定電極Ｆ２３と、を有する第３の容量素子によって構成され、第４の検出素子Ｄ４が、第４の検出部１２４の外側面に配置された第４の変位電極Ｅ２４と、外側支持体１３０の第４の変位電極Ｅ２４に対向する位置に配置された第４の固定電極Ｆ２４と、を有する第４の容量素子によって構成されている。
【００６６】
このように、各検出素子Ｄ１〜Ｄ４を構成する容量素子を、検出用変形体１２０の外側に設けると、各容量素子の静電容量値の増減の関係が、図４に示す第１の実施形態とは逆になる。たとえば、図４で説明した例と同様に、内側支持体１１０を固定した状態において、外側支持体１３０に時計まわりのトルクが作用すると、図５に示す電極Ｅ２１，Ｆ２１の間隔および電極Ｅ２３，Ｆ２３の間隔は小さくなり、第１の検出素子Ｄ１の静電容量値Ｃ１および第３の検出素子Ｄ３の静電容量値Ｃ３は増加する。一方、電極Ｅ２２，Ｆ２２の間隔および電極Ｅ２４，Ｆ２４の間隔は大きくなり、第２の検出素子Ｄ２の静電容量値Ｃ２および第４の検出素子Ｄ４の静電容量値Ｃ４は減少する。
【００６７】
したがって、第１の実施形態と同様に差分検出を行うことが可能であり、差分値「（Ｃ１＋Ｃ３）−（Ｃ２＋Ｃ４）」を求めることにより、作用したトルクの向きと大きさを検出することができる。この場合、外側支持体１３０に対して時計まわりのトルクが作用すると、差分値「（Ｃ１＋Ｃ３）−（Ｃ２＋Ｃ４）」は正の値をとり、反時計まわりのトルクが作用すると、差分値「（Ｃ１＋Ｃ３）−（Ｃ２＋Ｃ４）」は負の値をとることになる。
【００６８】
なお、図５に示す実施例では、検出用変形体１２０の外側面と各変位電極Ｅ２１〜Ｅ２４との間には絶縁基板は介挿されておらず、外側支持体１３０の内側面と各固定電極Ｆ２１〜Ｆ２４との間にも絶縁基板は介挿されていない。これは、基本構造体１００′を、樹脂などの絶縁材料によって構成した場合を想定したためである。基本構造体１００′を金属などの導電性材料によって構成する場合には、図４に示す実施例と同様に、絶縁基板を介して各電極を形成すればよい。
【００６９】
また、図４に示す実施例では、検出用変形体１２０の各検出部１２１，１２２，１２３，１２４の内側位置に隆起部を設け、この隆起部の頂面に各変位電極Ｅ１１〜Ｅ１４を形成しているが、これは各固定電極Ｆ１１〜Ｆ１４との間の電極間距離を縮めて、検出感度を高めるための配慮である。図５に示す実施例の場合、検出用変形体１２０の外側面と外側支持体１３０の内側面との距離が比較的小さいため、隆起部を設けていないが、必要があれば、検出用変形体１２０の外側に突き出す隆起部を設けるようにしてもかまわない。
【００７０】
＜＜＜  §４．  本発明の特徴とその変形例  ＞＞＞
これまで、本発明を図１〜図４に示す第１の実施形態と、図５に示す第２の実施形態とについて説明したが、もちろん、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
【００７１】
たとえば、図４に示す第１の実施形態は、検出用変形体１２０の内側に検出素子Ｄ１〜Ｄ４（変位電極Ｅ１１〜Ｅ１４と固定電極Ｆ１１〜Ｆ１４）を配置した例であり、図５に示す第２の実施形態は、検出用変形体１２０の外側に検出素子Ｄ１〜Ｄ４（変位電極Ｅ２１〜Ｅ２４と固定電極Ｆ２１〜Ｆ２４）を配置した例であるが、検出用変形体１２０の内側および外側の双方に、それぞれ検出素子を設ける第３の実施形態も可能である。具体的には、この第３の実施形態では、図４に示す第１の実施形態に係る構造に、更に、図５に示す第２の実施形態に係る変位電極Ｅ２１〜Ｅ２４および固定電極Ｆ２１〜Ｆ２４を付加すればよい。
【００７２】
要するに、第３の実施形態では、第１の検出素子Ｄ１は、第１の検出部１２１の内側面に配置された第１の内側変位電極Ｅ１１と、この第１の内側変位電極Ｅ１１に対向する内側支持体１１０の位置に配置された第１の内側固定電極Ｆ１１と、によって構成される第１の内側容量素子と、第１の検出部１２１の外側面に配置された第１の外側変位電極Ｅ２１と、この第１の外側変位電極Ｅ２１に対向する外側支持体１３０の位置に配置された第１の外側固定電極Ｆ２１と、によって構成される第１の外側容量素子と、を有することになる。また、第２の検出素子Ｄ２は、第２の検出部１２２の内側面に配置された第２の内側変位電極Ｅ１２と、この第２の内側変位電極Ｅ１２に対向する内側支持体１１０の位置に配置された第２の内側固定電極Ｆ１２と、によって構成される第２の内側容量素子と、第２の検出部１２２の外側面に配置された第２の外側変位電極Ｅ２２と、この第２の外側変位電極Ｅ２２に対向する外側支持体１３０の位置に配置された第２の外側固定電極Ｆ２２と、によって構成される第２の外側容量素子と、を有することになる。
【００７３】
同様に、この第３の実施形態では、第３の検出素子Ｄ３は、第３の検出部１２３の内側面に配置された第３の内側変位電極Ｅ１３と、この第３の内側変位電極Ｅ１３に対向する内側支持体１１０の位置に配置された第３の内側固定電極Ｆ１３と、によって構成される第３の内側容量素子と、第３の検出部１２３の外側面に配置された第３の外側変位電極Ｅ２３と、この第３の外側変位電極Ｅ２３に対向する外側支持体１３０の位置に配置された第３の外側固定電極Ｆ２３と、によって構成される第３の外側容量素子と、を有することになる。また、第４の検出素子Ｄ４は、第４の検出部１２４の内側面に配置された第４の内側変位電極Ｅ１４と、この第４の内側変位電極Ｅ１４に対向する内側支持体１１０の位置に配置された第４の内側固定電極Ｆ１４と、によって構成される第４の内側容量素子と、第４の検出部１２４の外側面に配置された第４の外側変位電極Ｅ２４と、この第４の外側変位電極Ｅ２４に対向する外側支持体１３０の位置に配置された第４の外側固定電極Ｆ２４と、によって構成される第４の外側容量素子と、を有することになる。
【００７４】
これまで述べてきた各実施形態に係るトルクセンサの特徴は、ＸＹＺ三次元直交座標系のＺ軸が回転軸となるように配置したときに、基本環状路ＲがＸＹ平面に含まれ、検出用変形体１２０、内側支持体１１０、外側支持体１３０、内側接続部材１４０、外側接続部材１５０のすべてが、ＸＹ平面に沿って配置されている、すなわち、ＸＹ平面を含む位置（ＸＹ平面を横切る位置）に配置されている点である。したがって、図４や図５に示すＸＹ平面での切断面には、検出用変形体１２０、内側支持体１１０、外側支持体１３０、内側接続部材１４０、外側接続部材１５０のすべてが現れている。このように、ＸＹ平面に沿った配置は、厚みを小さく抑えた薄型のトルクセンサを実現する上で重要である。
【００７５】
特に、図１(b) を見れば明らかなように、これまで述べてきた各実施形態に係るトルクセンサは、ＸＹＺ三次元直交座標系において、外側支持体１３０の上面が、方程式Ｚ＝＋ｄで表される第１の平面上に位置し、外側支持体１３０の下面が、方程式Ｚ＝−ｄで表される第２の平面上に位置しており、検出用変形体１２０、内側支持体１１０、外側支持体１３０、内側接続部材１４０、外側接続部材１５０のすべてが、当該第１の平面と第２の平面との間に挟まれた空間内に収容されている。また、各検出素子Ｄ１〜Ｄ４を構成する容量素子も、上記空間内に収容されている。
【００７６】
このような構成を採れば、トルクセンサ全体の厚み（Ｚ軸方向に関する寸法）を２ｄの範囲内に抑えることができ、構造が単純で、厚みを小さく抑えた薄型のトルクセンサを実現することが可能になる。もちろん、動作原理上は、各検出素子Ｄ１〜Ｄ４は、上記空間位置に配置されていれば足り、その一部分が上記空間から食み出していても検出には支障はない。しかしながら、トルクセンサ全体の厚みを２ｄの範囲内に抑えて薄型化を図る上では、各検出素子Ｄ１〜Ｄ４を構成する容量素子も、上記空間内に収容するのが好ましい。
【００７７】
もっとも、このトルクセンサをロボットアームの関節部分などに取り付けて利用する場合は、各部の上面位置および下面位置に若干の修正を加えるのが好ましい。たとえば、このトルクセンサをロボットアームの上腕部と下腕部との間に挿入し、外側支持体１３０を、その上方に配置されている上腕部の下面に接合し、内側支持体１１０を、その下方に配置されている下腕部の上面に接合して利用する場合を考えてみる。このような利用を前提とした場合、図１(b) において、外側支持体１３０の上面位置を方程式Ｚ＝＋ｄ＋δ１で表される平面位置に修正し、内側支持体１１０の下面位置を方程式Ｚ＝−ｄ−δ２で表される平面位置に修正するのが好ましい。そうすれば、内側支持体１１０の上面と上腕部の下面との間に所定の空隙寸法δ１が確保され、両者間の無用な接触を避けることができ、同様に、外側支持体１３０の下面と下腕部の上面との間に所定の空隙寸法δ２が確保され、両者間の無用な接触を避けることができる。
【００７８】
もちろん、外側支持体１３０の上面に段差構造を設けたり（たとえば、一部分に上方へ隆起する隆起部を形成したり）、内側支持体１１０の下面に段差構造を設けたり（たとえば、一部分に下方へ隆起する隆起部を形成したり）することにより、上記空隙寸法δ１，δ２を確保するようにしてもよい。要するに、図１(b) に示すように、ＸＹＺ三次元直交座標系のＺ軸を、上下方向に伸びる鉛直軸としたときに、外側支持体１３０の上端面（最も上方に位置する面）が内側支持体１１０の上端面（最も上方に位置する面）よりも所定の空隙寸法δ１だけ上方に位置し、内側支持体１１０の下端面（最も下方に位置する面）が外側支持体１３０の下端面（最も下方に位置する面）よりも所定の空隙寸法δ２だけ下方に位置するような構造にすれば、全体の厚みは２ｄよりも若干厚くなるが、ロボットアームの関節部分などに取り付けて利用する場合でも、無用な接触を避けることができる。
【００７９】
なお、これまで述べた実施形態では、たとえば図４に示す例のように、基本環状路Ｒ上に２個の内側支持点Ｐ１，Ｐ２と２個の外側支持点Ｑ１，Ｑ２とを交互に配置し、２組の内側接続部材１４１，１４２と２組の外側接続部材１５１，１５２とを設けているが、内側支持点Ｐの数や外側支持点Ｑの数は、必ずしも２に限定されるものではない。たとえば、基本環状路Ｒ上に３個の内側支持点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３と３個の外側支持点Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３とを交互に配置し、３組の内側接続部材１４１，１４２，１４３と３組の外側接続部材１５１，１５２，１５３とを設けることも可能である。
【００８０】
要するに、本発明のトルクセンサでは、基本環状路Ｒ上の互いに異なる位置に、少なくとも１つの内側支持点Ｐと、少なくとも１つの外側支持点Ｑを定義し、内側接続部材により、検出用変形体の内側面の内側支持点Ｐ近傍に設けられた内側接続面と、この内側接続面に対向する内側支持体１１０の対向面と、を接続するようにし、外側接続部材により、検出用変形体の外側面の外側支持点近傍に設けられた外側接続面と、この外側接続面に対向する外側支持体１３０の対向面と、を接続するようにすればよい。そして、検出素子により、検出用変形体の内側支持点Ｐと外側支持点Ｑとの間に位置する検出部の弾性変形を検出するようにすればよい。
【００８１】
もっとも実用上は、基本環状路Ｒ上に複数ｎ個（ｎ≧２）の内側支持点Ｐと複数ｎ個の外側支持点Ｑとを交互に配置するようにし、複数ｎ本の内側接続部材と複数ｎ本の外側接続部材とを設けるのが好ましい。この場合も、複数ｎ本の内側接続部材は、それぞれ検出用変形体の内側面の内側支持点Ｐ近傍に設けられた内側接続面と、内側支持体の内側接続面に対向する対向面と、を接続するようにし、複数ｎ本の外側接続部材は、それぞれ検出用変形体の外側面の外側支持点Ｑ近傍に設けられた外側接続面と、外側支持体の外側接続面に対向する対向面と、を接続するようにすればよい。これまで述べてきた第１の実施形態および第２の実施形態は、ｎ＝２に設定した例ということになる。
【００８２】
また、これまで述べてきた実施形態は、基本環状路Ｒとして、原点Ｏを中心としてＸＹ平面上に配置された第１の円を設定し、検出用変形体１２０を、この第１の円に沿って伸びる円環状構造体によって構成し、外側支持体１３０を、原点Ｏを中心としてＸＹ平面上に配置され、上記第１の円よりも径の大きな第２の円に沿って伸びる円環状構造体によって構成した例であるが、前述したように、検出用変形体１２０や外側支持体１３０は、必ずしも円環状の構造体によって構成する必要はない。たとえば、平面形状が矩形となる方環状の構造体によって構成したり、平面形状が六角形となる環状構造体によって構成したりすることも可能である。もちろん、内側支持体１１０を、原点Ｏを中心としてＸＹ平面上に配置され、上記第１の円よりも径の小さな第３の円に沿って伸びる円環状構造体によって構成してもかまわない。
【００８３】
最後に、検出素子の変形例について述べておく。これまで述べてきた実施形態では、一方の変位電極を検出用変形体の内側面（第１の実施形態）もしくは外側面（第２の実施形態）に配置し、他方の固定電極を内側支持体（第１の実施形態）の外側面もしくは外側支持体（第２の実施形態）の内側面に配置し、相互に対向する変位電極と固定電極とによって構成される容量素子を検出素子として用いていた。しかしながら、本発明における検出素子は、検出用変形体に生じる弾性変形を何らかの形で検出する機能をもった素子であれば足り、必ずしも容量素子である必要はない。
【００８４】
たとえば、容量素子の代わりにストレインゲージを検出素子として用いてもかまわない。具体的には、検出用変形体１２０の４箇所に設けられた検出部１２１〜１２４に、それぞれ検出素子として機能するストレインゲージを貼り付け、各ストレインゲージの抵抗値の変化を電気的に検出するようにしても、トルクの検出が可能である。
【００８５】
ただ、実用上、本発明に係る検出素子としては、容量素子を用いるのが最も適している。容量素子は、単純な電極層によって構成することができるため、非常に安価である。また、容量素子を用いれば、製造プロセスも単純化できる。たとえば、図１(a) に示す第１の実施形態の場合、金属の一体構造体として基本構造体１００を作成した後、電極層が形成された８組の絶縁基板を所定位置に貼り付ける作業を行えばよい。
【００８６】
なお、検出素子を容量素子によって構成する場合、対向する一対の電極のうち、一方の面積を他方の面積よりも大きく設定するのが好ましい。これは、トルクの作用により変位電極が回転方向に若干移動し、両電極の相対位置にずれが生じた場合にも、容量素子としての実効対向面積を一定に維持するための配慮である。容量素子の静電容量値は、対向する一対の電極間距離だけでなく実効対向面積にも依存する。そこで、一方の面積を他方の面積よりも大きく設定しておき、変位電極の位置が多少変わっても実効対向面積が一定に保たれるようにしておけば、静電容量値は電極間距離のみに依存することになるので、より正確な検出が可能になる。
【００８７】
また、これまで述べてきた実施形態では、個々の容量素子に用いる電極として、それぞれ別個独立した個別電極を用いているが、変位電極および固定電極のうち、一方については、１枚の共通電極によって構成することも可能である。たとえば、図５に示す例において、４枚の個別の変位電極Ｅ２１〜Ｅ２４を形成する代わりに、検出用変形体１２０の外側面を覆う１枚の共通電極を形成し、当該共通電極の部分領域（固定電極Ｆ２１〜Ｆ２４に対向する領域）をそれぞれ変位電極Ｅ２１〜Ｅ２４として用いることも可能である。
【００８８】
一方の電極を共通電極によって構成しても、他方の電極が個別電極になっていれば、電気的には、それぞれ個別の容量素子が形成されることになる。あるいは、上例の場合、検出用変形体１２０を金属などの導電性材料によって構成すれば、検出用変形体１２０の外側面の表皮層をそのまま共通電極として用いることも可能である。もちろん、変位電極側を１枚の共通電極によって構成する代わりに、固定電極側を１枚の共通電極によって構成してもかまわない。
【００８９】
ただ、一方を共通電極によって構成すると、静電容量値を電気的に検出する際に、検出信号にノイズが混入しやすくなるので、感度の高い正確な検出を行う必要がある場合には、各電極をそれぞれ個別電極によって構成するのが好ましい。
【００９０】
また、これまで述べた実施形態では、容量素子を構成する各電極を平板状の電極層によって構成しているが、電極は必ずしも平板状にする必要はなく、多少湾曲していてもかまわない。たとえば、図５には、各変位電極Ｅ２１〜Ｅ２４および各固定電極Ｆ２１〜Ｆ２４として、いずれも平板状の電極を用いた例が描かれているが、各変位電極Ｅ２１〜Ｅ２４を検出用変形体１２０の外周面に沿った曲面とし、各固定電極Ｆ２１〜Ｆ２４を外側支持体の内周面に沿った曲面としてもかまわない。
【符号の説明】
【００９１】
１００：トルクセンサの基本構造体（第１の実施形態）
１００′：トルクセンサの基本構造体（第２の実施形態）
１１０：内側支持体
１１１：取付用孔部
１１２：位置決め用孔部
１２０：検出用変形体
１２１：第１の検出部
１２２：第２の検出部
１２３：第３の検出部
１２４：第４の検出部
１３０：外側支持体
１３１：取付用孔部
１３２：位置決め用孔部
１４０：内側接続部材
１４１：第１の内側接続部材
１４２：第２の内側接続部材
１５０：外側接続部材
１５１：第１の外側接続部材
１５２：第２の外側接続部材
Ｄ１：第１の検出素子
Ｄ２：第２の検出素子
Ｄ３：第３の検出素子
Ｄ４：第４の検出素子
ｄ：厚み方向の寸法値
Ｅ１１：第１の変位電極
Ｅ１２：第２の変位電極
Ｅ１３：第３の変位電極
Ｅ１４：第４の変位電極
Ｅ２１：第１の変位電極
Ｅ２２：第２の変位電極
Ｅ２３：第３の変位電極
Ｅ２４：第４の変位電極
Ｆ１１：第１の固定電極
Ｆ１２：第２の固定電極
Ｆ１３：第３の固定電極
Ｆ１４：第４の固定電極
Ｆ２１：第１の固定電極
Ｆ２２：第２の固定電極
Ｆ２３：第３の固定電極
Ｆ２４：第４の固定電極
Ｈ：空洞部
Ｏ：ＸＹＺ三次元直交座標系の原点
Ｐ１：第１の内側支持点
Ｐ２：第２の内側支持点
Ｑ１：第１の外側支持点
Ｑ２：第２の外側支持点
Ｒ：基本環状路
Ｘ：ＸＹＺ三次元直交座標系の座標軸
Ｙ：ＸＹＺ三次元直交座標系の座標軸
Ｚ：ＸＹＺ三次元直交座標系の座標軸
【図１】
2017032301.tif 000003
【図２】
2017032301.tif 000004
【図３】
2017032301.tif 000005
【図４】
2017032301.tif 000006
【図５】
2017032301.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成28年10月25日(2016.10.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
前記回転軸の周囲を取り巻く基本環状路に沿って配置された環状構造体によって構成され、少なくとも一部分が弾性変形を生じる検出用変形体と、
前記検出用変形体の内側に配置された内側支持体と、
前記検出用変形体の外側に配置された環状構造体によって構成される外側支持体と、
前記検出用変形体と前記内側支持体とを接続する内側接続部材と、
前記検出用変形体と前記外側支持体とを接続する外側接続部材と、
前記検出用変形体に生じる弾性変形を検出する検出素子と、
を備え、
前記基本環状路上の互いに異なる位置に内側支持点および外側支持点が定義されており、
前記内側接続部材は、前記検出用変形体の内側面の前記内側支持点近傍に設けられた内側接続面と、前記内側支持体の前記内側接続面に対向する対向面と、を接続し、
前記外側接続部材は、前記検出用変形体の外側面の前記外側支持点近傍に設けられた外側接続面と、前記外側支持体の前記外側接続面に対向する対向面と、を接続し、
前記検出素子は、前記検出用変形体の前記内側支持点と前記外側支持点との間に位置する検出部の弾性変形を検出する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、
ＸＹＺ三次元直交座標系のＺ軸が回転軸となるように配置したときに、基本環状路がＸＹ平面に含まれ、
検出用変形体、内側支持体、外側支持体、内側接続部材、外側接続部材のすべてが、ＸＹ平面に沿って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、
基本環状路上に複数ｎ個（ｎ≧２）の内側支持点と複数ｎ個の外側支持点とが交互に配置されており、複数ｎ本の内側接続部材と複数ｎ本の外側接続部材とが設けら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３に記載のトルクセンサにおいて、
ｎ＝２に設定することにより、基本環状路上に２個の内側支持点と２個の外側支持点とが交互に配置されており、
第１の内側支持点は正側のＸ軸と前記基本環状路との交点に位置し、第２の内側支持点は負側のＸ軸と前記基本環状路との交点に位置し、第１の外側支持点は正側のＹ軸と前記基本環状路との交点に位置し、第２の外側支持点は負側のＹ軸と前記基本環状路との交点に位置し、
第１の内側接続部材は、正側のＸ軸上に配置され、第２の内側接続部材は、負側のＸ軸上に配置され、第１の外側接続部材は、正側のＹ軸上に配置され、第２の外側接続部材は、負側の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５】
請求項４に記載のトルクセンサにおいて、
ＸＹ座標系の第１象限に配置されている第１の検出部の弾性変形を検出する第１の検出素子と、ＸＹ座標系の第２象限に配置されている第２の検出部の弾性変形を検出する第２の検出素子と、ＸＹ座標系の第３象限に配置されている第３の検出部の弾性変形を検出する第３の検出素子と、ＸＹ座標系の第４象限に配置されている第４の検出部の弾性変形を検出する第４の検出素子と、を有することを特徴とするトルクセンサ。
【請求項６】
請求項５に記載のトルクセンサにおいて、
第１の検出素子が、第１の検出部のＺ軸を中心とする半径方向の変位に基づいて弾性変形の検出を行い、第２の検出素子が、第２の検出部のＺ軸を中心とする半径方向の変位に基づいて弾性変形の検出を行い、第３の検出素子が、第３の検出部のＺ軸を中心とする半径方向の変位に基づいて弾性変形の検出を行い、第４の検出素子が、第４の検出部のＺ軸を中心とする半径方向の変位に基づいて弾性変形の検出を行うことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項７】
請求項６に記載のトルクセンサにおいて、
第１の検出素子が、第１の検出部の内側面に配置された第１の変位電極と、内側支持体の前記第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、によって構成される第１の容量素子を有し、
第２の検出素子が、第２の検出部の内側面に配置された第２の変位電極と、内側支持体の前記第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、によって構成される第２の容量素子を有し、
第３の検出素子が、第３の検出部の内側面に配置された第３の変位電極と、内側支持体の前記第３の変位電極に対向する位置に配置された第３の固定電極と、によって構成される第３の容量素子を有し、
第４の検出素子が、第４の検出部の内側面に配置された第４の変位電極と、内側支持体の前記第４の変位電極に対向する位置に配置された第４の固定電極と、によって構成される第４の容量素子を有することを特徴とするトルクセンサ。
【請求項８】
請求項６に記載のトルクセンサにおいて、
第１の検出素子が、第１の検出部の外側面に配置された第１の変位電極と、外側支持体の前記第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、によって構成される第１の容量素子を有し、
第２の検出素子が、第２の検出部の外側面に配置された第２の変位電極と、外側支持体の前記第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、によって構成される第２の容量素子を有し、
第３の検出素子が、第３の検出部の外側面に配置された第３の変位電極と、外側支持体の前記第３の変位電極に対向する位置に配置された第３の固定電極と、によって構成される第３の容量素子を有し、
第４の検出素子が、第４の検出部の外側面に配置された第４の変位電極と、外側支持体の前記第４の変位電極に対向する位置に配置された第４の固定電極と、によって構成される第４の容量素子を有することを特徴とするトルクセンサ。
【請求項９】
請求項７または８に記載のトルクセンサにおいて、
第１の容量素子の静電容量値と第３の容量素子の静電容量値との和と、第２の容量素子の静電容量値と第４の容量素子の静電容量値との和と、の差分に基づいて、回転軸まわりに作用したトルクの検出値を出力する検出回路を更に備えることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項１０】
請求項６に記載のトルクセンサにおいて、
第１の検出素子が、第１の検出部の内側面に配置された第１の内側変位電極と、内側支持体の前記第１の内側変位電極に対向する位置に配置された第１の内側固定電極と、によって構成される第１の内側容量素子と、第１の検出部の外側面に配置された第１の外側変位電極と、外側支持体の前記第１の外側変位電極に対向する位置に配置された第１の外側固定電極と、によって構成される第１の外側容量素子と、を有し、
第２の検出素子が、第２の検出部の内側面に配置された第２の内側変位電極と、内側支持体の前記第２の内側変位電極に対向する位置に配置された第２の内側固定電極と、によって構成される第２の内側容量素子と、第２の検出部の外側面に配置された第２の外側変位電極と、外側支持体の前記第２の外側変位電極に対向する位置に配置された第２の外側固定電極と、によって構成される第２の外側容量素子と、を有し、
第３の検出素子が、第３の検出部の内側面に配置された第３の内側変位電極と、内側支持体の前記第３の内側変位電極に対向する位置に配置された第３の内側固定電極と、によって構成される第３の内側容量素子と、第３の検出部の外側面に配置された第３の外側変位電極と、外側支持体の前記第３の外側変位電極に対向する位置に配置された第３の外側固定電極と、によって構成される第３の外側容量素子と、を有し、
第４の検出素子が、第４の検出部の内側面に配置された第４の内側変位電極と、内側支持体の前記第４の内側変位電極に対向する位置に配置された第４の内側固定電極と、によって構成される第４の内側容量素子と、第４の検出部の外側面に配置された第４の外側変位電極と、外側支持体の前記第４の外側変位電極に対向する位置に配置された第４の外側固定電極と、によって構成される第４の外側容量素子と、を有することを特徴とするトルクセンサ。
【請求項１１】
請求項２〜１０のいずれかに記載のトルクセンサにおいて、
基本環状路が、原点Ｏを中心としてＸＹ平面上に配置された第１の円であり、
検出用変形体が、前記第１の円に沿って伸びる円環状構造体によって構成されており、
外側支持体が、原点Ｏを中心としてＸＹ平面上に配置され、前記第１の円よりも径の大きな第２の円に沿って伸びる円環状構造体によって構成されていることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項１２】
請求項１１に記載のトルクセンサにおいて、
内側支持体が、原点Ｏを中心としてＸＹ平面上に配置され、第１の円よりも径の小さな第３の円に沿って伸びる円環状構造体によって構成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２〜１２のいずれかに記載のトルクセンサにおいて、
ＸＹＺ三次元直交座標系において、外側支持体の上面が、方程式Ｚ＝＋ｄで表される第１の平面上に位置し、外側支持体の下面が、方程式Ｚ＝−ｄで表される第２の平面上に位置し、
検出用変形体、内側支持体、外側支持体、内側接続部材、外側接続部材のすべてが、前記第１の平面と前記第２の平面との間に挟まれた空間内に収容されていることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項１４】
請求項２〜１２のいずれかに記載のトルクセンサにおいて、
ＸＹＺ三次元直交座標系のＺ軸を鉛直軸としたときに、外側支持体の上端面が内側支持体の上端面よりも所定の空隙寸法だけ上方に位置し、内側支持体の下端面が外側支持体の下端面よりも所定の空隙寸法だけ下方に位置することを特徴とするトルクセンサ。
【手続補正書】
【提出日】平成28年12月9日(2016.12.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
前記回転軸の周囲を取り巻く基本環状路に沿って配置された環状構造体によって構成され、少なくとも一部分が弾性変形を生じる検出用変形体と、
前記検出用変形体の内側に配置された内側支持体と、
前記検出用変形体の外側に配置された環状構造体によって構成される外側支持体と、
前記検出用変形体と前記内側支持体とを接続する内側接続部材と、
前記検出用変形体と前記外側支持体とを接続する外側接続部材と、
前記検出用変形体に生じる弾性変形を検出する検出素子と、
を備え、
前記基本環状路上の互いに異なる位置に内側支持点および外側支持点が定義されており、
前記内側接続部材は、前記検出用変形体の内側面の前記内側支持点近傍に設けられた内側接続面と、前記内側支持体の前記内側接続面に対向する対向面と、を接続し、
前記外側接続部材は、前記検出用変形体の外側面の前記外側支持点近傍に設けられた外側接続面と、前記外側支持体の前記外側接続面に対向する対向面と、を接続し、
前記検出素子は、前記検出用変形体の前記内側支持点と前記外側支持点との間に位置する検出部の弾性変形を検出し、
ＸＹＺ三次元直交座標系のＺ軸が回転軸となるように配置したときに、前記基本環状路がＸＹ平面に含まれ、
前記検出用変形体、前記内側支持体、前記外側支持体、前記内側接続部材、前記外側接続部材のすべてが、ＸＹ平面に沿って配置されており、
前記基本環状路上に２個の内側支持点と２個の外側支持点とが交互に配置されており、２本の内側接続部材と２本の外側接続部材とが設けられており、
第１の内側支持点は正側のＸ軸と前記基本環状路との交点に位置し、第２の内側支持点は負側のＸ軸と前記基本環状路との交点に位置し、第１の外側支持点は正側のＹ軸と前記基本環状路との交点に位置し、第２の外側支持点は負側のＹ軸と前記基本環状路との交点に位置し、
第１の内側接続部材は、正側のＸ軸上に配置され、第２の内側接続部材は、負側のＸ軸上に配置され、第１の外側接続部材は、正側のＹ軸上に配置され、第２の外側接続部材は、負側のＹ軸上に配置されており、
ＸＹ座標系の第１象限に配置されている第１の検出部の弾性変形を検出する第１の検出素子と、ＸＹ座標系の第２象限に配置されている第２の検出部の弾性変形を検出する第２の検出素子と、ＸＹ座標系の第３象限に配置されている第３の検出部の弾性変形を検出する第３の検出素子と、ＸＹ座標系の第４象限に配置されている第４の検出部の弾性変形を検出する第４の検出素子と、を有し、
前記第１の検出素子が、前記第１の検出部のＺ軸を中心とする半径方向の変位に基づいて弾性変形の検出を行い、前記第２の検出素子が、前記第２の検出部のＺ軸を中心とする半径方向の変位に基づいて弾性変形の検出を行い、前記第３の検出素子が、前記第３の検出部のＺ軸を中心とする半径方向の変位に基づいて弾性変形の検出を行い、前記第４の検出素子が、前記第４の検出部のＺ軸を中心とする半径方向の変位に基づいて弾性変形の検出を行い、
前記第１の検出素子が、前記第１の検出部の内側面に配置された第１の変位電極と、前記内側支持体の前記第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、によって構成される第１の容量素子を有し、
前記第２の検出素子が、前記第２の検出部の内側面に配置された第２の変位電極と、前記内側支持体の前記第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、によって構成される第２の容量素子を有し、
前記第３の検出素子が、前記第３の検出部の内側面に配置された第３の変位電極と、前記内側支持体の前記第３の変位電極に対向する位置に配置された第３の固定電極と、によって構成される第３の容量素子を有し、
前記第４の検出素子が、前記第４の検出部の内側面に配置された第４の変位電極と、前記内側支持体の前記第４の変位電極に対向する位置に配置された第４の固定電極と、によって構成される第４の容量素子を有することを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２】
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、
前記回転軸の周囲を取り巻く基本環状路に沿って配置された環状構造体によって構成され、少なくとも一部分が弾性変形を生じる検出用変形体と、
前記検出用変形体の内側に配置された内側支持体と、
前記検出用変形体の外側に配置された環状構造体によって構成される外側支持体と、
前記検出用変形体と前記内側支持体とを接続する内側接続部材と、
前記検出用変形体と前記外側支持体とを接続する外側接続部材と、
前記検出用変形体に生じる弾性変形を検出する検出素子と、
を備え、
前記基本環状路上の互いに異なる位置に内側支持点および外側支持点が定義されており、
前記内側接続部材は、前記検出用変形体の内側面の前記内側支持点近傍に設けられた内側接続面と、前記内側支持体の前記内側接続面に対向する対向面と、を接続し、
前記外側接続部材は、前記検出用変形体の外側面の前記外側支持点近傍に設けられた外側接続面と、前記外側支持体の前記外側接続面に対向する対向面と、を接続し、
前記検出素子は、前記検出用変形体の前記内側支持点と前記外側支持点との間に位置する検出部の弾性変形を検出し、
ＸＹＺ三次元直交座標系のＺ軸が回転軸となるように配置したときに、前記基本環状路がＸＹ平面に含まれ、
前記検出用変形体、前記内側支持体、前記外側支持体、前記内側接続部材、前記外側接続部材のすべてが、ＸＹ平面に沿って配置されており、
前記基本環状路上に２個の内側支持点と２個の外側支持点とが交互に配置されており、２本の内側接続部材と２本の外側接続部材とが設けられており、
第１の内側支持点は正側のＸ軸と前記基本環状路との交点に位置し、第２の内側支持点は負側のＸ軸と前記基本環状路との交点に位置し、第１の外側支持点は正側のＹ軸と前記基本環状路との交点に位置し、第２の外側支持点は負側のＹ軸と前記基本環状路との交点に位置し、
第１の内側接続部材は、正側のＸ軸上に配置され、第２の内側接続部材は、負側のＸ軸上に配置され、第１の外側接続部材は、正側のＹ軸上に配置され、第２の外側接続部材は、負側のＹ軸上に配置されており、
ＸＹ座標系の第１象限に配置されている第１の検出部の弾性変形を検出する第１の検出素子と、ＸＹ座標系の第２象限に配置されている第２の検出部の弾性変形を検出する第２の検出素子と、ＸＹ座標系の第３象限に配置されている第３の検出部の弾性変形を検出する第３の検出素子と、ＸＹ座標系の第４象限に配置されている第４の検出部の弾性変形を検出する第４の検出素子と、を有し、
前記第１の検出素子が、前記第１の検出部のＺ軸を中心とする半径方向の変位に基づいて弾性変形の検出を行い、前記第２の検出素子が、前記第２の検出部のＺ軸を中心とする半径方向の変位に基づいて弾性変形の検出を行い、前記第３の検出素子が、前記第３の検出部のＺ軸を中心とする半径方向の変位に基づいて弾性変形の検出を行い、前記第４の検出素子が、前記第４の検出部のＺ軸を中心とする半径方向の変位に基づいて弾性変形の検出を行い、
前記第１の検出素子が、前記第１の検出部の外側面に配置された第１の変位電極と、前記外側支持体の前記第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、によって構成される第１の容量素子を有し、
前記第２の検出素子が、前記第２の検出部の外側面に配置された第２の変位電極と、前記外側支持体の前記第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、によって構成される第２の容量素子を有し、
前記第３の検出素子が、前記第３の検出部の外側面に配置された第３の変位電極と、前記外側支持体の前記第３の変位電極に対向する位置に配置された第３の固定電極と、によって構成される第３の容量素子を有し、
前記第４の検出素子が、前記第４の検出部の外側面に配置された第４の変位電極と、前記外側支持体の前記第４の変位電極に対向する位置に配置された第４の固定電極と、によって構成される第４の容量素子を有することを特徴とするトルクセンサ。
【請求項３】
請求項１または２に記載のトルクセンサにおいて、
第１の容量素子の静電容量値と第３の容量素子の静電容量値との和と、第２の容量素子の静電容量値と第４の容量素子の静電容量値との和と、の差分に基づいて、回転軸まわりに作用したトルクの検出値を出力する検出回路を更に備えることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項４】
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、
前記回転軸の周囲を取り巻く基本環状路に沿って配置された環状構造体によって構成され、少なくとも一部分が弾性変形を生じる検出用変形体と、
前記検出用変形体の内側に配置された内側支持体と、
前記検出用変形体の外側に配置された環状構造体によって構成される外側支持体と、
前記検出用変形体と前記内側支持体とを接続する内側接続部材と、
前記検出用変形体と前記外側支持体とを接続する外側接続部材と、
前記検出用変形体に生じる弾性変形を検出する検出素子と、
を備え、
前記基本環状路上の互いに異なる位置に内側支持点および外側支持点が定義されており、
前記内側接続部材は、前記検出用変形体の内側面の前記内側支持点近傍に設けられた内側接続面と、前記内側支持体の前記内側接続面に対向する対向面と、を接続し、
前記外側接続部材は、前記検出用変形体の外側面の前記外側支持点近傍に設けられた外側接続面と、前記外側支持体の前記外側接続面に対向する対向面と、を接続し、
前記検出素子は、前記検出用変形体の前記内側支持点と前記外側支持点との間に位置する検出部の弾性変形を検出し、
ＸＹＺ三次元直交座標系のＺ軸が回転軸となるように配置したときに、前記基本環状路がＸＹ平面に含まれ、
前記検出用変形体、前記内側支持体、前記外側支持体、前記内側接続部材、前記外側接続部材のすべてが、ＸＹ平面に沿って配置されており、
前記基本環状路上に２個の内側支持点と２個の外側支持点とが交互に配置されており、２本の内側接続部材と２本の外側接続部材とが設けられており、
第１の内側支持点は正側のＸ軸と前記基本環状路との交点に位置し、第２の内側支持点は負側のＸ軸と前記基本環状路との交点に位置し、第１の外側支持点は正側のＹ軸と前記基本環状路との交点に位置し、第２の外側支持点は負側のＹ軸と前記基本環状路との交点に位置し、
第１の内側接続部材は、正側のＸ軸上に配置され、第２の内側接続部材は、負側のＸ軸上に配置され、第１の外側接続部材は、正側のＹ軸上に配置され、第２の外側接続部材は、負側のＹ軸上に配置されており、
ＸＹ座標系の第１象限に配置されている第１の検出部の弾性変形を検出する第１の検出素子と、ＸＹ座標系の第２象限に配置されている第２の検出部の弾性変形を検出する第２の検出素子と、ＸＹ座標系の第３象限に配置されている第３の検出部の弾性変形を検出する第３の検出素子と、ＸＹ座標系の第４象限に配置されている第４の検出部の弾性変形を検出する第４の検出素子と、を有し、
前記第１の検出素子が、前記第１の検出部のＺ軸を中心とする半径方向の変位に基づいて弾性変形の検出を行い、前記第２の検出素子が、前記第２の検出部のＺ軸を中心とする半径方向の変位に基づいて弾性変形の検出を行い、前記第３の検出素子が、前記第３の検出部のＺ軸を中心とする半径方向の変位に基づいて弾性変形の検出を行い、前記第４の検出素子が、前記第４の検出部のＺ軸を中心とする半径方向の変位に基づいて弾性変形の検出を行い、
前記第１の検出素子が、前記第１の検出部の内側面に配置された第１の内側変位電極と、前記内側支持体の前記第１の内側変位電極に対向する位置に配置された第１の内側固定電極と、によって構成される第１の内側容量素子と、前記第１の検出部の外側面に配置された第１の外側変位電極と、前記外側支持体の前記第１の外側変位電極に対向する位置に配置された第１の外側固定電極と、によって構成される第１の外側容量素子と、を有し、
前記第２の検出素子が、前記第２の検出部の内側面に配置された第２の内側変位電極と、前記内側支持体の前記第２の内側変位電極に対向する位置に配置された第２の内側固定電極と、によって構成される第２の内側容量素子と、前記第２の検出部の外側面に配置された第２の外側変位電極と、前記外側支持体の前記第２の外側変位電極に対向する位置に配置された第２の外側固定電極と、によって構成される第２の外側容量素子と、を有し、
前記第３の検出素子が、前記第３の検出部の内側面に配置された第３の内側変位電極と、前記内側支持体の前記第３の内側変位電極に対向する位置に配置された第３の内側固定電極と、によって構成される第３の内側容量素子と、前記第３の検出部の外側面に配置された第３の外側変位電極と、前記外側支持体の前記第３の外側変位電極に対向する位置に配置された第３の外側固定電極と、によって構成される第３の外側容量素子と、を有し、
前記第４の検出素子が、前記第４の検出部の内側面に配置された第４の内側変位電極と、前記内側支持体の前記第４の内側変位電極に対向する位置に配置された第４の内側固定電極と、によって構成される第４の内側容量素子と、前記第４の検出部の外側面に配置された第４の外側変位電極と、前記外側支持体の前記第４の外側変位電極に対向する位置に配置された第４の外側固定電極と、によって構成される第４の外側容量素子と、を有する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、
基本環状路が、原点Ｏを中心としてＸＹ平面上に配置された第１の円であり、
検出用変形体が、前記第１の円に沿って伸びる円環状構造体によって構成されており、
外側支持体が、原点Ｏを中心としてＸＹ平面上に配置され、前記第１の円よりも径の大きな第２の円に沿って伸びる円環状構造体によって構成されていることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項６】
請求項５に記載のトルクセンサにおいて、
内側支持体が、原点Ｏを中心としてＸＹ平面上に配置され、第１の円よりも径の小さな第３の円に沿って伸びる円環状構造体によって構成されてい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、
ＸＹＺ三次元直交座標系において、外側支持体の上面が、方程式Ｚ＝＋ｄで表される第１の平面上に位置し、外側支持体の下面が、方程式Ｚ＝−ｄで表される第２の平面上に位置し、
検出用変形体、内側支持体、外側支持体、内側接続部材、外側接続部材のすべてが、前記第１の平面と前記第２の平面との間に挟まれた空間内に収容されていることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれかに記載のトルクセンサにおいて、
ＸＹＺ三次元直交座標系のＺ軸を鉛直軸としたときに、外側支持体の上端面が内側支持体の上端面よりも所定の空隙寸法だけ上方に位置し、内側支持体の下端面が外側支持体の下端面よりも所定の空隙寸法だけ下方に位置することを特徴とするトルクセンサ。