JP2021096267A - Torque sensor - Google Patents

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Abstract

To provide a torque sensor that can detect torque with high accuracy and with high sensitivity, while being treatable with high load torque.SOLUTION: A torque sensor 100c of the present invention comprises: a deformation body 30 that generates elastic deformation by an action of torque; and a detection circuit 40 that outputs an electric signal indicative of the acted torque on the basis of the elastic deformation. The deformation body 30 has: fixation parts 33 and 35 that are fixed with respect to an XYZ three-dimensional coordinate system; force reception parts 32 and 34 that receive the action of the torque; a deformation part 36 that generates elastic deformation by acting the torque on the force reception parts 32 and 34; and a beam structure 31 that has a supporting body 31f connected to the deformation part 36, and beam 31b supported by the supporting body 31f. In the beam 31b, a measurement point P for measuring a displacement of the beam 31b is defined, and the detection circuit 40 is configured to output the electric signal on the basis of the displacement generating in the measurement P of the beam 31b.SELECTED DRAWING: Figure 6

Description

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(モーメント)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。 The present invention relates to a torque sensor, and more particularly to a sensor having a function of outputting a torque (moment) acting around a predetermined rotation axis as an electric signal.

トルクセンサは、産業用ロボットをはじめ、生活支援ロボット、医療用ロボット等におけるトルク制御の分野において幅広く利用されている。とりわけ、高い安全性が求められるロボットに採用されるトルクセンサにおいては、より高精度且つ高感度でトルクを検出することが重要である。 Torque sensors are widely used in the field of torque control in industrial robots, life support robots, medical robots, and the like. In particular, in a torque sensor used in a robot that requires high safety, it is important to detect torque with higher accuracy and sensitivity.

従来のトルクセンサの一例としては、下記特許文献1に記載されているものが挙げられる。特許文献1のトルクセンサは、円環状の起歪体(環状変形体)を有しており、作用したトルクによって起歪体が径方向に弾性変形するようになっている。起歪体には、所定の位置に静電容量素子が配置されていて、トルクセンサは、起歪体の弾性変形に起因した静電容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、作用したトルクを検出するようになっている。 As an example of the conventional torque sensor, the one described in Patent Document 1 below can be mentioned. The torque sensor of Patent Document 1 has an annular strain-generating body (annular deformed body), and the strain-causing body is elastically deformed in the radial direction by the applied torque. A capacitance element is arranged at a predetermined position on the strain-causing body, and the torque sensor operates based on the amount of change in the capacitance value of the capacitance element due to the elastic deformation of the strain-causing body. The torque is detected.

しかしながら、従来のトルクセンサを用いて高荷重のトルクを検出するためには、起歪体の剛性を高くする必要がある。もっとも、円環状の起歪体は変形しにくいため、高荷重のトルクセンサには適している。しかし、その反面、トルクセンサの感度が低下してしまうという問題がある。 However, in order to detect a high-load torque using a conventional torque sensor, it is necessary to increase the rigidity of the strain-causing body. However, since the annular strain-causing body is not easily deformed, it is suitable for a high-load torque sensor. However, on the other hand, there is a problem that the sensitivity of the torque sensor is lowered.

特開2012−37300号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-37300

本発明は、以上のような事情に鑑みて創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、高荷重のトルクに対応可能でありながら、高精度且つ高感度でトルクを検出可能なトルクセンサを提供することである。 The present invention has been devised in view of the above circumstances. That is, an object of the present invention is to provide a torque sensor capable of detecting torque with high accuracy and high sensitivity while being able to handle torque of a high load.

本発明は、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って、
トルクの作用によって弾性変形を生じる変形体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、作用したトルクを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、
XYZ三次元座標系に対して固定された固定部と、
前記固定部とは異なる部位に設けられ、トルクの作用を受ける受力部と、
前記固定部と前記受力部とを連結し、前記受力部にトルクが作用することによって弾性変形を生じる変形部と、
前記変形部に接続された支持体と、この支持体によって支持された梁と、を有する梁構造体と、を有し、
前記梁には、当該梁の変位を計測するための計測点が規定されており、
前記検出回路は、前記変形体の弾性変形に起因して前記梁の前記計測点に生じる変位に基づいて、前記電気信号を出力するようになっている
ことを特徴とするトルクセンサである。
The present invention is a torque sensor that detects torque around the Z axis in the XYZ three-dimensional coordinate system.
A deformed body that undergoes elastic deformation due to the action of torque,
A detection circuit that outputs an electric signal indicating the applied torque based on the elastic deformation generated in the deformed body is provided.
The variant is
A fixed part fixed to the XYZ three-dimensional coordinate system,
A receiving part that is provided in a part different from the fixed part and is affected by torque, and a receiving part.
A deformed portion that connects the fixed portion and the receiving portion and causes elastic deformation by applying torque to the receiving portion, and a deformed portion.
It has a beam structure having a support connected to the deformed portion and a beam supported by the support.
The beam is defined with measurement points for measuring the displacement of the beam.
The detection circuit is a torque sensor characterized in that the electric signal is output based on the displacement generated at the measurement point of the beam due to the elastic deformation of the deformed body.

本発明によれば、梁構造体の存在によって、変形体に生じる弾性変形が計測点において増幅されるため、高荷重のトルクに対応可能でありながら、高精度且つ高感度でトルクを検出可能なトルクセンサを提供することができる。 According to the present invention, the elastic deformation generated in the deformed body is amplified at the measurement point due to the presence of the beam structure, so that the torque can be detected with high accuracy and high sensitivity while being able to cope with a high load torque. A torque sensor can be provided.

前記変形体の前記変形部は、Z軸方向から見て、原点を中心とする円弧に沿った形状を有していて良い。この場合、変形部に効果的に弾性変形を生じさせることができる。 The deformed portion of the deformed body may have a shape along an arc centered on the origin when viewed from the Z-axis direction. In this case, elastic deformation can be effectively caused in the deformed portion.

前記変形体の前記固定部は、Z軸方向から見て、X軸及びY軸のうちの一方と重なるように位置付けられており、
前記変形体の前記受力部は、Z軸方向から見て、X軸及びY軸のうちの他方と重なるように位置付けられていて良い。
The fixed portion of the deformed body is positioned so as to overlap one of the X-axis and the Y-axis when viewed from the Z-axis direction.
The receiving portion of the deformed body may be positioned so as to overlap the other of the X-axis and the Y-axis when viewed from the Z-axis direction.

この場合、梁の計測点において、変形部に生じる弾性変形を効率的に増幅させることができる。 In this case, the elastic deformation generated in the deformed portion can be efficiently amplified at the measurement point of the beam.

更に、XY平面上に、原点を通りX軸およびY軸に対して所定の角度をなすV軸およびW軸を定義した場合に、前記梁の前記計測点は、V軸上またはW軸上に位置付けられていて良い。この場合、変形部に生じる弾性変形を、梁の計測点に生じる変位として効率的に検出することができる。なお、所定の角度とは、例えば45°である。 Further, when the V-axis and the W-axis that pass through the origin and form a predetermined angle with respect to the X-axis and the Y-axis are defined on the XY plane, the measurement point of the beam is on the V-axis or the W-axis. It may be positioned. In this case, the elastic deformation that occurs in the deformed portion can be efficiently detected as the displacement that occurs at the measurement point of the beam. The predetermined angle is, for example, 45 °.

以上のトルクセンサは、XYZ三次元座標系に対して固定された固定体と、
トルクの作用によってZ軸回りに回動する受力体と、を更に備え、
前記固定体は、前記変形体の前記固定部に接続され、
前記受力体は、前記変形体の前記受力部に接続されていて良い。
The above torque sensors are a fixed body fixed to the XYZ three-dimensional coordinate system and
Further equipped with a receiving body that rotates around the Z axis by the action of torque.
The fixed body is connected to the fixed portion of the deformed body and is connected to the fixed body.
The receiving body may be connected to the receiving portion of the deformed body.

この場合、安定的にトルクの検出を行うことができる。 In this case, torque can be detected stably.

前記検出回路は、前記梁の前記計測点に配置された変位電極と、この変位電極に対向配置され、前記受力体または前記固定体に接続された固定電極と、を有し、
前記変位電極と前記固定電極とは、静電容量素子を構成し、
前記検出回路は、前記静電容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記電気信号を出力するようになっていて良い。
The detection circuit has a displacement electrode arranged at the measurement point of the beam and a fixed electrode arranged opposite to the displacement electrode and connected to the receiving body or the fixed body.
The displacement electrode and the fixed electrode form a capacitance element, and the displacement electrode and the fixed electrode form a capacitance element.
The detection circuit may output the electric signal based on the amount of fluctuation of the capacitance value of the capacitance element.

この場合、作用したトルクを静電容量値の変動量に基づいて容易に検出することができる。 In this case, the applied torque can be easily detected based on the fluctuation amount of the capacitance value.

あるいは、本発明は、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って、
Z軸方向から見て原点を取り囲むように配置され、トルクの作用によって弾性変形を生じる環状の変形体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、作用したトルクを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、
XYZ三次元座標系に対して固定された2つの固定部と、
当該変形体の周方向において前記固定部と交互に位置付けられ、トルクの作用を受ける、2つの受力部と、
当該変形体の周方向において隣接する前記固定部と前記受力部とを連結し、前記受力部にトルクが作用することによって弾性変形を生じる4つの変形部と、
各変形部に1つずつ接続された4つの梁構造体と、を有し、
各梁構造体は、前記変形部に接続された支持体と、この支持体によって支持された梁と、を有し、
各梁には、当該各梁の変位を計測するための計測点が規定されており、
前記検出回路は、前記変形体の弾性変形に起因して各梁の前記計測点に生じる変位に基づいて、前記電気信号を出力するようになっている
ことを特徴とするトルクセンサである。
Alternatively, the present invention is a torque sensor that detects torque around the Z axis in the XYZ three-dimensional coordinate system.
An annular plasmodium that is arranged so as to surround the origin when viewed from the Z-axis direction and elastically deforms due to the action of torque.
A detection circuit that outputs an electric signal indicating the applied torque based on the elastic deformation generated in the deformed body is provided.
The variant is
Two fixed parts fixed to the XYZ three-dimensional coordinate system,
Two receiving parts that are alternately positioned with the fixed part in the circumferential direction of the deformed body and are subjected to the action of torque.
Four deformed portions that connect the fixed portion and the receiving portion that are adjacent to each other in the circumferential direction of the deformed body and cause elastic deformation by applying torque to the receiving portion.
It has four beam structures, one connected to each deformed portion, and
Each beam structure has a support connected to the deformed portion and a beam supported by the support.
Each beam has a measurement point for measuring the displacement of each beam.
The detection circuit is a torque sensor characterized in that the electric signal is output based on the displacement generated at the measurement point of each beam due to the elastic deformation of the deformed body.

本発明によれば、梁構造体の存在によって、変形体に生じる弾性変形が計測点において増幅されるため、高荷重のトルクに対応可能でありながら、高精度且つ高感度でトルクを検出可能なトルクセンサを提供することができる。 According to the present invention, the elastic deformation generated in the deformed body is amplified at the measurement point due to the presence of the beam structure, so that the torque can be detected with high accuracy and high sensitivity while being able to cope with a high load torque. A torque sensor can be provided.

前記2つの固定部は、Z軸方向から見て、前記変形体とY軸とが重なる部位にX軸対称に位置付けられ、
前記2つの受力部は、Z軸方向から見て、前記変形体とX軸とが重なる部位にY軸対称に位置付けられていて良い。
The two fixing portions are positioned X-axis symmetrically at a portion where the deformed body and the Y-axis overlap when viewed from the Z-axis direction.
The two receiving portions may be positioned symmetrically with respect to the Y axis at a portion where the deformed body and the X axis overlap when viewed from the Z axis direction.

この場合、各変形部に対称的に弾性変形を生じさせることができるため、作用したトルクの計測が容易である。 In this case, since elastic deformation can be generated symmetrically in each deformed portion, it is easy to measure the applied torque.

更に、XY平面上に、原点を通り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、各梁の前記計測点は、正のV軸上、正のW軸上、負のV軸上及び負のW軸上にそれぞれ位置付けられていて良い。 Further, when the V-axis and the W-axis passing through the origin and forming 45 ° with respect to the X-axis and the Y-axis are defined on the XY plane, the measurement points of each beam are on the positive V-axis and the positive W. It may be positioned on the axis, on the negative V-axis, and on the negative W-axis, respectively.

特には、V軸は、原点を通りX軸に対して45°の角度をなしており、
W軸は、原点を通りY軸に対して45°の角度をなしていて良い。
In particular, the V-axis passes through the origin and makes an angle of 45 ° with respect to the X-axis.
The W axis may pass through the origin and make an angle of 45 ° with respect to the Y axis.

これらの場合、梁の計測点において、変形部に生じる弾性変形を効率的に増幅させることができる。 In these cases, the elastic deformation generated in the deformed portion can be efficiently amplified at the measurement point of the beam.

以上のトルクセンサにおいて、XYZ三次元座標系に対して固定された固定体と、
トルクの作用によってZ軸回りに回動する受力体と、を更に備え、
前記固定体は、前記変形体の前記固定部に接続され、
前記受力体は、前記変形体の前記受力部に接続されていて良い。
In the above torque sensor, a fixed body fixed to the XYZ three-dimensional coordinate system and
Further equipped with a receiving body that rotates around the Z axis by the action of torque.
The fixed body is connected to the fixed portion of the deformed body and is connected to the fixed body.
The receiving body may be connected to the receiving portion of the deformed body.

この場合、安定的にトルクの検出を行うことができる。 In this case, torque can be detected stably.

前記検出回路は、前記梁の各計測点に配置された4つの変位電極と、これらの変位電極に対向配置され、前記受力体または前記固定体に接続された固定電極と、を有し、
各変位電極と前記固定電極とは、4組の静電容量素子を構成し、
前記検出回路は、前記4組の静電容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記電気信号を出力するようになっていて良い。
The detection circuit has four displacement electrodes arranged at each measurement point of the beam, and a fixed electrode arranged to face the displacement electrodes and connected to the receiving body or the fixed body.
Each displacement electrode and the fixed electrode constitute four sets of capacitance elements.
The detection circuit may output the electric signal based on the fluctuation amount of the capacitance value of the four sets of capacitance elements.

より具体的には、前記4組の静電容量素子は、Z軸方向から見て、XY平面の第1象限に配置された第1静電容量素子と、XY平面の第2象限に配置された第2静電容量素子と、XY平面の第3象限に配置された第3静電容量素子と、XY平面の第4象限に配置された第4静電容量素子と、を有し、
前記検出回路は、前記第1静電容量素子の静電容量値の変動量と前記第3静電容量素子の静電容量値の変動量との和と、前記第2静電容量素子の静電容量値の変動量と前記第4静電容量素子の静電容量値の変動量との和と、の差、に基づいて、作用したトルクを示す電気信号を出力するようになっていて良い。
More specifically, the four sets of capacitance elements are arranged in the first quadrant of the XY plane and the second quadrant of the XY plane when viewed from the Z-axis direction. It has a second capacitance element, a third capacitance element arranged in the third quadrant of the XY plane, and a fourth capacitance element arranged in the fourth quadrant of the XY plane.
In the detection circuit, the sum of the fluctuation amount of the capacitance value of the first capacitance element and the fluctuation amount of the capacitance value of the third capacitance element and the static of the second capacitance element. An electric signal indicating the acting torque may be output based on the difference between the fluctuation amount of the capacitance value and the fluctuation amount of the capacitance value of the fourth capacitance element. ..

この場合、作用したトルクを容易に検出することができると共に、Z軸まわりのトルク以外の力(X,Y,Z軸方向の力やX,Z軸回りのトルク)による影響や、使用環境の温度変化による影響を受けることなく、所望のトルクを検出することができる。 In this case, the applied torque can be easily detected, and the influence of forces other than the torque around the Z axis (forces in the X, Y, Z axis directions and torque around the X, Z axis) and the usage environment can be affected. The desired torque can be detected without being affected by the temperature change.

前記固定電極は、それぞれの静電容量素子ごとに個別の電極として構成されていて良い。この場合、高い自由度で固定電極を配置することができる。 The fixed electrode may be configured as an individual electrode for each capacitance element. In this case, the fixed electrodes can be arranged with a high degree of freedom.

あるいは、本発明は、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って、
Z軸方向から見て原点を取り囲むように配置され、トルクの作用によって弾性変形を生じる環状の変形体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、作用したトルクを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、
XYZ三次元座標系に対して固定された2つの固定部と、
当該変形体の周方向において前記固定部と交互に位置付けられ、トルクの作用を受ける、2つの受力部と、
当該変形体の周方向において隣接する前記固定部と前記受力部とを連結し、前記受力部にトルクが作用することによって弾性変形を生じる4つの変形部と、
各変形部の外周面に1つずつ接続された4つの外側梁構造体と、
各変形部の内周面に1つずつ接続された4つの内側梁構造体と、を有し、
各外側梁構造体は、前記変形部に接続された外側支持体と、この外側支持体によって支持された外側梁と、を有し、
各内側梁構造体は、前記変形部に接続された内側支持体と、この内側支持体によって支持された内側梁と、を有し、
各内側梁及び各外側梁には、各梁の変位を計測するための計測点が規定されており、
前記検出回路は、前記変形体の弾性変形に起因して各内側梁に生じる変位、及び、当該弾性変形に起因して各外側梁に生じる変位、の少なくとも一方に基づいて、前記電気信号を出力するようになっている
ことを特徴とするトルクセンサである。
Alternatively, the present invention is a torque sensor that detects torque around the Z axis in the XYZ three-dimensional coordinate system.
An annular plasmodium that is arranged so as to surround the origin when viewed from the Z-axis direction and elastically deforms due to the action of torque.
A detection circuit that outputs an electric signal indicating the applied torque based on the elastic deformation generated in the deformed body is provided.
The variant is
Two fixed parts fixed to the XYZ three-dimensional coordinate system,
Two receiving parts that are alternately positioned with the fixed part in the circumferential direction of the deformed body and are subjected to the action of torque.
Four deformed portions that connect the fixed portion and the receiving portion that are adjacent to each other in the circumferential direction of the deformed body and cause elastic deformation by applying torque to the receiving portion.
Four outer beam structures, one connected to the outer peripheral surface of each deformed part,
It has four inner beam structures, one connected to the inner peripheral surface of each deformed portion.
Each outer beam structure has an outer support connected to the deformed portion and an outer beam supported by the outer support.
Each inner beam structure has an inner support connected to the deformed portion and an inner beam supported by the inner support.
Each inner beam and each outer beam are defined with measurement points for measuring the displacement of each beam.
The detection circuit outputs the electric signal based on at least one of the displacement caused in each inner beam due to the elastic deformation of the deformed body and the displacement caused in each outer beam due to the elastic deformation. It is a torque sensor characterized in that it is designed to be used.

本発明によれば、内側梁構造体及び外側梁構造体の存在によって、変形体に生じる弾性変形が計測点において増幅されるため、高荷重のトルクに対応可能でありながら、高精度且つ高感度でトルクを検出可能なトルクセンサを提供することができる。 According to the present invention, the presence of the inner beam structure and the outer beam structure amplifies the elastic deformation generated in the deformed body at the measurement point, so that it is possible to cope with a high load torque, but it is highly accurate and highly sensitive. Can provide a torque sensor capable of detecting torque.

前記2つの固定部は、Z軸方向から見て、前記変形体とY軸とが重なる部位にX軸対称に位置付けられており、
前記2つの受力部は、Z軸方向から見て、前記変形体とX軸とが重なる部位にY軸対称に位置付けられていて良い。
The two fixing portions are positioned symmetrically with respect to the X-axis at a portion where the deformed body and the Y-axis overlap when viewed from the Z-axis direction.
The two receiving portions may be positioned symmetrically with respect to the Y axis at a portion where the deformed body and the X axis overlap when viewed from the Z axis direction.

この場合、各変形部に効果的に弾性変形を生じさせることができる。 In this case, elastic deformation can be effectively generated in each deformed portion.

XY平面上に、原点を通りX軸およびY軸に対して所定の角度をなすV軸およびW軸を定義した場合に、
前記4つの外側梁構造体の各計測点は、正のV軸上、正のW軸上、負のV軸上及び負のW軸上にそれぞれ位置付けられており、
前記4つの内側梁構造体の各計測点は、正のV軸上、正のW軸上、負のV軸上及び負のW軸上にそれぞれ位置付けられていて良い。
When the V-axis and W-axis that pass through the origin and form a predetermined angle with respect to the X-axis and Y-axis are defined on the XY plane,
Each measurement point of the four outer beam structures is positioned on the positive V-axis, the positive W-axis, the negative V-axis, and the negative W-axis, respectively.
Each measurement point of the four inner beam structures may be positioned on the positive V-axis, the positive W-axis, the negative V-axis, and the negative W-axis, respectively.

特には、V軸は、原点を通りX軸に対して45°の角度をなしており、
W軸は、原点を通りY軸に対して45°の角度をなしていて良い。
In particular, the V-axis passes through the origin and makes an angle of 45 ° with respect to the X-axis.
The W axis may pass through the origin and make an angle of 45 ° with respect to the Y axis.

これらの場合、内側梁及び外側梁の各計測点において、変形部に生じる弾性変形を効率的に増幅させることができる。 In these cases, the elastic deformation generated in the deformed portion can be efficiently amplified at each measurement point of the inner beam and the outer beam.

以上のトルクセンサは、XYZ三次元座標系に対して固定された固定体と、
トルクの作用によってZ軸回りに回動する受力体と、を更に備え、
前記固定体は、前記変形体の前記固定部に接続され、
前記受力体は、前記変形体の前記受力部に接続されていて良い。
The above torque sensors are a fixed body fixed to the XYZ three-dimensional coordinate system and
Further equipped with a receiving body that rotates around the Z axis by the action of torque.
The fixed body is connected to the fixed portion of the deformed body and is connected to the fixed body.
The receiving body may be connected to the receiving portion of the deformed body.

この場合、安定的にトルクの検出を行うことができる。 In this case, torque can be detected stably.

前記検出回路は、
前記内側梁の各計測点に1つずつ配置された4つの内側変位電極と、これらの内側変位電極に対向配置され、前記受力体または前記固定体に接続された内側固定電極と、
前記外側梁の各計測点に1つずつ配置された4つの外側変位電極と、これらの外側変位電極に対向配置され、前記受力体または前記固定体に接続された外側固定電極と、を有し、
各内側変位電極と前記内側固定電極とは、4組の内側静電容量素子を構成しており、
各外側変位電極と前記外側固定電極とは、4組の外側静電容量素子を構成しており、
前記検出回路は、前記4組の内側静電容量素子の静電容量値の変動量、及び、前記4組の外側静電容量素子の静電容量値の変動量、の少なくとも一方に基づいて、前記電気信号を出力するようになっていて良い。
The detection circuit
Four inner displacement electrodes arranged one at each measurement point of the inner beam, and inner fixed electrodes arranged opposite to these inner displacement electrodes and connected to the receiving body or the fixed body.
It has four outer displacement electrodes arranged one at each measurement point of the outer beam, and outer fixed electrodes arranged opposite to these outer displacement electrodes and connected to the receiving body or the fixed body. And
Each inner displacement electrode and the inner fixed electrode constitute four sets of inner capacitance elements.
Each outer displacement electrode and the outer fixed electrode constitute four sets of outer capacitance elements.
The detection circuit is based on at least one of the fluctuation amount of the capacitance value of the four sets of inner capacitance elements and the fluctuation amount of the capacitance value of the four sets of outer capacitance elements. The electric signal may be output.

より具体的には、前記4組の内側静電容量素子は、Z軸方向から見て、XY平面の第1象限に配置された第1内側静電容量素子と、XY平面の第2象限に配置された第2内側静電容量素子と、XY平面の第3象限に配置された第3内側静電容量素子と、XY平面の第4象限に配置された第4内側静電容量素子と、を有し、
前記4組の外側静電容量素子は、Z軸方向から見て、XY平面の第1象限に配置された第1外側静電容量素子と、XY平面の第2象限に配置された第2外側静電容量素子と、XY平面の第3象限に配置された第3外側静電容量素子と、XY平面の第4象限に配置された第4外側静電容量素子と、を有し、
前記検出回路は、「前記第1内側静電容量素子の静電容量値の変動量と前記第3内側静電容量素子の静電容量値の変動量との和と、前記第2内側静電容量素子の静電容量値の変動量と前記第4内側静電容量素子の静電容量値の変動量との和と、の差」、及び、「前記第1外側静電容量素子の静電容量値の変動量と前記第3外側静電容量素子の静電容量値の変動量との和と、前記第2外側静電容量素子の静電容量値の変動量と前記第4外側静電容量素子の静電容量値の変動量との和と、の差」、の少なくとも一方に基づいて、前記電気信号を出力するようになっていて良い。
More specifically, the four sets of inner capacitance elements are arranged in the first quadrant of the XY plane and the second quadrant of the XY plane when viewed from the Z-axis direction. The arranged second inner capacitance element, the third inner capacitance element arranged in the third quadrant of the XY plane, and the fourth inner capacitance element arranged in the fourth quadrant of the XY plane. Have,
The four sets of outer capacitance elements are a first outer capacitance element arranged in the first quadrant of the XY plane and a second outer surface arranged in the second quadrant of the XY plane when viewed from the Z-axis direction. It has a capacitance element, a third outer capacitance element arranged in the third quadrant of the XY plane, and a fourth outer capacitance element arranged in the fourth quadrant of the XY plane.
The detection circuit is described by "the sum of the fluctuation amount of the capacitance value of the first inner capacitance element and the fluctuation amount of the capacitance value of the third inner capacitance element, and the second inner capacitance. "Difference between the amount of change in the capacitance value of the capacitance element and the sum of the amount of change in the capacitance value of the fourth inner capacitance element" and "the capacitance of the first outer capacitance element" The sum of the fluctuation amount of the capacitance value and the fluctuation amount of the capacitance value of the third outer capacitance element, the fluctuation amount of the capacitance value of the second outer capacitance element, and the fourth outer capacitance. The electric signal may be output based on at least one of "the difference between the sum of the capacitance value of the capacitance element and the fluctuation amount".

この場合、作用したトルクを容易に検出することができると共に、Z軸まわりのトルク以外の力(X,Y,Z軸方向の力やX,Z軸回りのトルク)による影響や、使用環境の温度変化による影響を受けることなく、所望のトルクを検出することができる。 In this case, the applied torque can be easily detected, and the influence of forces other than the torque around the Z axis (forces in the X, Y, Z axis directions and torque around the X, Z axis) and the usage environment can be affected. The desired torque can be detected without being affected by the temperature change.

前記内側固定電極及び前記外側固定電極は、それぞれの内側静電容量素子及び外側静電容量素子ごとに個別の電極として構成されていて良い。この場合、高い自由度で各固定電極を配置することができる。 The inner fixed electrode and the outer fixed electrode may be configured as individual electrodes for each of the inner capacitance element and the outer capacitance element. In this case, each fixed electrode can be arranged with a high degree of freedom.

前記検出回路は、前記4組の外側静電容量素子の静電容量値の変動量に基づいて計測されたトルクと、前記4組の内側静電容量素子の静電容量値の変動量に基づいて計測されたトルクと、を比較することによって、前記トルクセンサが正常に機能しているか否かを判定するようになっていて良い。 The detection circuit is based on the torque measured based on the fluctuation amount of the capacitance value of the four sets of outer capacitance elements and the fluctuation amount of the capacitance value of the four sets of inner capacitance elements. By comparing the torque measured with the torque sensor, it may be determined whether or not the torque sensor is functioning normally.

この場合、作用したトルクを検出することに加え、単一のトルクセンサによって、その故障診断をも行うことができる。 In this case, in addition to detecting the applied torque, the failure diagnosis can be performed by a single torque sensor.

また、前記変形体は、Z軸方向から見て、X軸及びY軸に関して対称的な形状を有していて良い。 Further, the deformed body may have a shape symmetrical with respect to the X-axis and the Y-axis when viewed from the Z-axis direction.

特には、前記変形体は、Z軸方向から見て、原点を中心とする円環の形状を有していて良い。 In particular, the deformed body may have the shape of an annulus centered on the origin when viewed from the Z-axis direction.

これらの場合、作用したトルクを検出するための演算が容易である。 In these cases, the calculation for detecting the applied torque is easy.

以上のトルクセンサにおいて、前記梁構造体は、前記梁と前記固定体または前記受力体とを連結する連結体を有していて良い。 In the above torque sensor, the beam structure may have a connecting body that connects the beam and the fixed body or the receiving body.

あるいは、前記外側梁構造体は、前記外側梁と前記受力体とを連結する外側連結体を有しており、
前記内側梁構造体は、前記内側梁と前記固定体とを連結する内側連結体を有していて良い。
Alternatively, the outer beam structure has an outer connecting body that connects the outer beam and the receiving body.
The inner beam structure may have an inner connecting body that connects the inner beam and the fixed body.

これらの場合、連結体(あるいは外側連結体及び内側連結体)の存在によって、外部環境において生じる振動が減衰されて梁構造体に伝達されることになる。このため、トルクセンサから出力される電気信号に含まれるノイズが低減または除去され、トルクの計測をより高精度で行うことができる。 In these cases, the presence of the coupling (or the outer and inner couplings) attenuates the vibrations that occur in the external environment and is transmitted to the beam structure. Therefore, the noise included in the electric signal output from the torque sensor is reduced or eliminated, and the torque can be measured with higher accuracy.

本発明によれば、梁構造体の存在によって、変形体に生じる弾性変形が計測点において増幅されるため、高荷重のトルクに対応可能でありながら、高精度且つ高感度でトルクを検出可能なトルクセンサを提供することができる。 According to the present invention, the elastic deformation generated in the deformed body is amplified at the measurement point due to the presence of the beam structure, so that the torque can be detected with high accuracy and high sensitivity while being able to cope with a high load torque. A torque sensor can be provided.

あるいは、本発明によれば、内側梁構造体及び外側梁構造体の存在によって、変形体に生じる弾性変形が計測点において増幅されるため、高荷重のトルクに対応可能でありながら、高精度且つ高感度でトルクを検出可能なトルクセンサを提供することができる。 Alternatively, according to the present invention, the presence of the inner beam structure and the outer beam structure amplifies the elastic deformation generated in the deformed body at the measurement point. It is possible to provide a torque sensor capable of detecting torque with high sensitivity.

本発明の一実施の形態によるトルクセンサの基本構造部を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows the basic structure part of the torque sensor by one Embodiment of this invention. 従来のトルクセンサの基本構造部を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows the basic structure part of the conventional torque sensor. 図1の基本構造部の変形体のうち第1象限に位置する部分を示す模式図である。図3(a)は、図1の基本構造部の初期状態に対応する図であり、図3(b)は、図1の基本構造部に負のトルクが作用したときに対応する図であり、図3(c)は、図1の基本構造部に正のトルクが作用したときに対応する図である。It is a schematic diagram which shows the part located in the 1st quadrant of the deformed body of the basic structure part of FIG. FIG. 3A is a diagram corresponding to the initial state of the basic structural portion of FIG. 1, and FIG. 3B is a diagram corresponding to a negative torque acting on the basic structural portion of FIG. 3 (c) is a diagram corresponding to when a positive torque acts on the basic structure portion of FIG. 図2の基本構造部の変形体のうち第1象限に位置する部分を示す模式図である。図4(a)は、図2の基本構造部の初期状態に対応する図であり、図4(b)は、図2の基本構造部に負のトルクが作用したときに対応する図であり、図4(c)は、図2の基本構造部に正のトルクが作用したときに対応する図である。It is a schematic diagram which shows the part located in the 1st quadrant of the deformed body of the basic structure part of FIG. FIG. 4A is a diagram corresponding to the initial state of the basic structure portion of FIG. 2, and FIG. 4B is a diagram corresponding to the case where a negative torque acts on the basic structure portion of FIG. 4 (c) is a diagram corresponding to when a positive torque acts on the basic structure portion of FIG. 図1及び図2に示す基本構造部に対してトルクが作用したときの、所定部位に生じる変位を纏めて示す図表である。It is a chart which shows the displacement which occurs in the predetermined part collectively when the torque acts on the basic structure part shown in FIG. 1 and FIG. 図1の基本構造部を採用したトルクセンサの一例を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows an example of the torque sensor which adopted the basic structure part of FIG. 本発明の第2の実施の形態によるトルクセンサの基本構造部を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows the basic structure part of the torque sensor by the 2nd Embodiment of this invention. 図7の基本構造部に対して負のトルクが作用したときの変形体を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the deformed body when a negative torque acts on the basic structure part of FIG. 図7の基本構造部に対して正のトルクが作用したときの変形体を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the deformed body when a positive torque acts on the basic structure part of FIG. 図7の基本構造部を採用したトルクセンサの一例を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows an example of the torque sensor which adopted the basic structure part of FIG. 本発明の第3の実施の形態によるトルクセンサの基本構造部を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows the basic structure part of the torque sensor by the 3rd Embodiment of this invention. 図11の基本構造部に対して負のトルクが作用したときの変形体を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the deformed body when a negative torque acts on the basic structure part of FIG. 図11の基本構造部に対して正のトルクが作用したときの変形体を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the deformed body when a positive torque acts on the basic structure part of FIG. 図11の基本構造部を採用したトルクセンサの一例を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows an example of the torque sensor which adopted the basic structure part of FIG. 図10の変形例を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows the modification of FIG. 図10の他の変形例を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows the other modification of FIG. 図10の更に他の変形例を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows still another modification of FIG. 基本構造部の変形例を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows the modification of the basic structure part. 絶縁体を介して電極を配置した状態を示す概略側面図である。It is a schematic side view which shows the state which the electrode is arranged through an insulator.

<<< §1. 本発明の第1の実施の形態によるトルクセンサ >>>
以下に、添付の図面を参照して、本発明の第1の実施の形態によるトルクセンサについて詳細に説明する。
<<< §1. Torque sensor according to the first embodiment of the present invention >>>
Hereinafter, the torque sensor according to the first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

< 1−1. 基本構造部の構成 >
図1は、本発明の第1の実施の形態によるトルクセンサの基本構造部100を示す概略平面図である。また、図2は、従来のトルクセンサの基本構造部100aであり、図1との差異を説明するための参考図である。
<1-1. Structure of basic structure >
FIG. 1 is a schematic plan view showing a basic structural portion 100 of a torque sensor according to the first embodiment of the present invention. Further, FIG. 2 is a basic structural portion 100a of the conventional torque sensor, and is a reference diagram for explaining the difference from FIG. 1.

図1及び図2では、XYZ三次元座標系が定められており、X軸が左右方向に、Y軸が上下方向に、Z軸(不図示)が奥行き方向に、それぞれ延びている。ここでは、X軸が左方から右方に向かって延びている点に注意を要する。更に、XY平面上に、原点Oを通り正のX軸に対して時計回りに45°をなすV軸と、原点Oを通り正のY軸に対して時計回りに45°をなすW軸と、がそれぞれ定められている。なお、このような座標軸は、他の図面においても同様に規定されている。また、本明細書では、正のトルクとは、右ねじをZ軸方向(手前側から奥側に向かう方向)に前進させるために当該右ねじを回転させる方向(図1及び図2における時計回りの方向)に作用するトルクを意味し、負のトルクとは、その逆の方向に作用するトルクを意味することとする。 In FIGS. 1 and 2, an XYZ three-dimensional coordinate system is defined, and the X-axis extends in the left-right direction, the Y-axis extends in the up-down direction, and the Z-axis (not shown) extends in the depth direction. It should be noted here that the X-axis extends from the left to the right. Further, on the XY plane, a V-axis that passes through the origin O and forms 45 ° clockwise with respect to the positive X-axis, and a W-axis that passes through the origin O and forms 45 ° clockwise with respect to the positive Y-axis. , Are defined respectively. It should be noted that such coordinate axes are similarly defined in other drawings. Further, in the present specification, the positive torque means the direction in which the right-hand screw is rotated in order to advance the right-hand screw in the Z-axis direction (direction from the front side to the back side) (clockwise in FIGS. 1 and 2). It means the torque acting in the direction of), and the negative torque means the torque acting in the opposite direction.

図1に示すように、基本構造部100は、原点Oを中心としてXY平面上に固定された円盤状の固定体10と、固定体10を取り囲み、トルクの作用を受けることによって固定体10に対して相対回転する受力体20と、固定体10と受力体20との間隙において当該固定体10及び受力体20に接続され、受力体20から伝達されるトルクの作用によって弾性変形を生じる円環状の変形体30と、を有している。 As shown in FIG. 1, the basic structural portion 100 surrounds the disk-shaped fixed body 10 fixed on the XY plane with the origin O as the center, and the fixed body 10 is subjected to the action of torque to form the fixed body 10. It is connected to the fixed body 10 and the receiving body 20 in the gap between the receiving body 20 that rotates relative to each other and the fixed body 10 and the receiving body 20, and is elastically deformed by the action of the torque transmitted from the receiving body 20. It has an annular deformed body 30 that produces the above.

図1に示すように、固定体10は、原点Oを中心とする円盤状の部材であり、受力体20及び変形体30は、原点を中心とする円環状の部材である。固定体10は、外周面のうちY軸と重なる2つの部位に、当該固定体10の径方向外方に突出した固定体接続部11、12を有している。更に、変形体30は、Y軸と重なる部位に固定部33、35を有しており、これらの固定部33、35と固定体接続部11、12とが互いに接続されている。更に、図1に示すように、受力体20は、内周面のうちX軸と重なる2つの部位に、当該受力体20の径方向内方に突出した受力体接続部21、22を有している。変形体30は、X軸と重なる部位に受力部32、34を有しており、これらの受力部32、34と受力体接続部21、22とが互いに接続されている。そして、変形体30のうち、正のY軸上に位置する固定部33と負のX軸上に位置する受力部34とを連結する変形部36に、トルクの作用による弾性変形が生じるようになっている。 As shown in FIG. 1, the fixed body 10 is a disk-shaped member centered on the origin O, and the receiving body 20 and the deformed body 30 are annular members centered on the origin. The fixed body 10 has fixed body connecting portions 11 and 12 protruding outward in the radial direction of the fixed body 10 at two portions on the outer peripheral surface that overlap with the Y axis. Further, the deformed body 30 has fixed portions 33 and 35 at a portion overlapping the Y-axis, and these fixed portions 33 and 35 and the fixed body connecting portions 11 and 12 are connected to each other. Further, as shown in FIG. 1, the receiving body 20 has the receiving body connecting portions 21 and 22 protruding inward in the radial direction of the receiving body 20 at two portions of the inner peripheral surface overlapping the X axis. have. The deformed body 30 has receiving portions 32 and 34 at a portion overlapping the X-axis, and these receiving portions 32 and 34 and the receiving body connecting portions 21 and 22 are connected to each other. Then, of the deformed body 30, the deformed portion 36 that connects the fixed portion 33 located on the positive Y-axis and the receiving portion 34 located on the negative X-axis is elastically deformed by the action of torque. It has become.

もちろん、図1に示す基本構造部100では、変形体30のうち、周方向において隣接する固定部33、35と受力部32、34とを連結する全ての部位(第1象限〜第4象限に位置する部位)において、トルクの作用による弾性変形が生じる。ただし、ここでは、後述される梁構造体31が変形部36にのみ配置されていることから、当該変形部36に生じる弾性変形にのみ着目する。 Of course, in the basic structural portion 100 shown in FIG. 1, all the portions (first to fourth quadrants) of the deformed body 30 that connect the fixed portions 33, 35 and the receiving portions 32, 34 that are adjacent in the circumferential direction are connected. Elastic deformation occurs due to the action of torque. However, since the beam structure 31 described later is arranged only in the deformed portion 36, attention is paid only to the elastic deformation generated in the deformed portion 36.

なお、従来のトルクセンサ(図2参照)は、以上に説明した構造と同じ構成を有している。このため、図2において、図1と共通する構成部分には略同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。 The conventional torque sensor (see FIG. 2) has the same configuration as the structure described above. Therefore, in FIG. 2, substantially the same reference numerals are given to the constituent parts common to those in FIG. 1, and detailed description thereof will be omitted.

本実施の形態による基本構造部100は、変形体30が梁構造体31を有している点で、従来の基本構造部(図2参照)とは異なっている。すなわち、基本構造部100は、図1に示すように、変形体30は、変形部36の外周面に接続された支持体31fと、この支持体31fによって一端が支持された梁31bと、を有する梁構造体31を備えている。梁31bには、当該梁31bの変位を計測するための計測点Pが規定されている。図1に示すように、計測点Pは、梁31bのうち支持体31fに接続されている側の端部とは反対側の端部の近傍に規定されている。より具体的には、支持体31fは、正のV軸と正のX軸とによって挟まれた領域において変形部36に接続されており、梁31bは、支持体31fの先端から、V軸を横切るように延び出ている。図1に示す例では、計測点Pは、梁31bとV軸とが重なる部位に、規定されている。 The basic structure portion 100 according to the present embodiment is different from the conventional basic structure portion (see FIG. 2) in that the deformed body 30 has the beam structure 31. That is, as shown in FIG. 1, the basic structural portion 100 includes a support 31f connected to the outer peripheral surface of the deformed portion 36 and a beam 31b whose one end is supported by the support 31f. The beam structure 31 to have is provided. The beam 31b is defined with a measurement point P for measuring the displacement of the beam 31b. As shown in FIG. 1, the measurement point P is defined in the vicinity of the end of the beam 31b on the side opposite to the end connected to the support 31f. More specifically, the support 31f is connected to the deformed portion 36 in the region sandwiched by the positive V-axis and the positive X-axis, and the beam 31b connects the V-axis from the tip of the support 31f. It extends across. In the example shown in FIG. 1, the measurement point P is defined as a portion where the beam 31b and the V axis overlap.

< 1−2. 基本構造部の作用 >
次に、上述した基本構造部100の作用について、図3及び図4を参照して説明する。
<1-2. Action of basic structure>
Next, the operation of the basic structure unit 100 described above will be described with reference to FIGS. 3 and 4.

図3は、図1の基本構造部100の変形体30のうち第1象限に位置する部分を示す模式図である。図3(a)は、図1の基本構造部100の初期状態に対応する図であり、図3(b)は、図1の基本構造部100に負のトルクが作用したときに対応する図であり、図3(c)は、図1の基本構造部100に正のトルクが作用したときに対応する図である。また、図4は、図2の基本構造部100aの変形体30aのうち第1象限に位置する部分を示す模式図である。図4(a)は、図2の基本構造部100aの初期状態に対応する図であり、図4(b)は、図2の基本構造部100aに負のトルクが作用したときに対応する図であり、図4(c)は、図2の基本構造部100aに正のトルクが作用したときに対応する図である。図3及び図4において、各構成要素の厚みや幅は、無視してある。 FIG. 3 is a schematic view showing a portion of the modified body 30 of the basic structural portion 100 of FIG. 1 located in the first quadrant. FIG. 3A is a diagram corresponding to the initial state of the basic structure portion 100 of FIG. 1, and FIG. 3B is a diagram corresponding to the case where a negative torque acts on the basic structure portion 100 of FIG. 3 (c) is a diagram corresponding to the case where a positive torque is applied to the basic structure portion 100 of FIG. Further, FIG. 4 is a schematic view showing a portion of the modified body 30a of the basic structural portion 100a of FIG. 2 located in the first quadrant. FIG. 4A is a diagram corresponding to the initial state of the basic structure portion 100a of FIG. 2, and FIG. 4B is a diagram corresponding to the case where a negative torque acts on the basic structure portion 100a of FIG. 4 (c) is a diagram corresponding to the case where a positive torque acts on the basic structure portion 100a of FIG. In FIGS. 3 and 4, the thickness and width of each component are ignored.

図3(b)に示すように、図1の基本構造部100に負のトルクが作用すると、変形体30のうち正のX軸上に位置していた受力部34は、下方に移動される。一方、変形体30のうち正のY軸上に位置していた固定部33は、移動しない。このため、変形部36には引張力が作用し、これによって、変形部36は、曲率半径が大きくなるように弾性変形する。図3(b)において、実線は、弾性変形を生じている状態の変形体30を示しており、破線は、初期状態の変形部36(図3(a)参照)を示している。なお、このような図示については、図3及び図4の各図において共通である。 As shown in FIG. 3B, when a negative torque acts on the basic structural portion 100 of FIG. 1, the receiving portion 34 of the deformed body 30 located on the positive X-axis is moved downward. To. On the other hand, the fixed portion 33 of the deformed body 30 located on the positive Y-axis does not move. Therefore, a tensile force acts on the deformed portion 36, whereby the deformed portion 36 is elastically deformed so that the radius of curvature becomes large. In FIG. 3B, the solid line shows the deformed body 30 in the state of elastic deformation, and the broken line shows the deformed portion 36 in the initial state (see FIG. 3A). It should be noted that such an illustration is common to each of the figures of FIGS. 3 and 4.

ここで、梁構造体31の支持体31fと変形部36との接続点Qにおける当該変形部36の接線に着目する。初期状態の接線は、図3(a)において符号Loで示されており、負のトルクが作用したときの当該接線は、図3(b)において符号Ltで示されている。上述したように、変形体30に負のトルクが作用すると、変形部36は、固定部33が変位しないままで変形部36の曲率半径が大きくなるように弾性変形する。このため、接線Ltは、接線Loよりもより水平に寝た状態に変化する。 Here, attention is paid to the tangent line of the deformed portion 36 at the connection point Q between the support 31f of the beam structure 31 and the deformed portion 36. The tangent line in the initial state is indicated by the symbol Lo in FIG. 3 (a), and the tangent line when a negative torque is applied is indicated by the symbol Lt in FIG. 3 (b). As described above, when a negative torque acts on the deformed body 30, the deformed portion 36 is elastically deformed so that the radius of curvature of the deformed portion 36 becomes large without the fixed portion 33 being displaced. Therefore, the tangent line Lt changes to a state of lying more horizontally than the tangent line Lo.

梁構造体31の支持体31fは、梁31b及び接線Lo、Ltと直交する関係にある。このため、梁31bと接線Lo、Ltとは常に平行な状態を維持している。このことを考慮すれば、変形体30に負のトルクが作用したときに梁31bの計測点Pに生じる変位は、接続点Qに生じる変位と接線Ltの傾きの変化に起因する変位とを合算した量となる。すなわち、梁構造体31によって、接続点Qに生じる変位が増幅されて、計測点Pに現れることになる。図3(b)において、計測点Pに生じる変位(初期位置Poから変位後の位置Ptまでの変位量)は、記号dtで示されている。実際のトルクセンサにおいて、トルクの作用によって点Qに生じる変位は数10〜数100μm程度であるため、図3(b)では、点PがV軸に沿って変位するものとして、図示してある。 The support 31f of the beam structure 31 has a relationship orthogonal to the beam 31b and the tangents Lo and Lt. Therefore, the beam 31b and the tangents Lo and Lt are always maintained in a parallel state. Considering this, the displacement generated at the measurement point P of the beam 31b when a negative torque is applied to the deformed body 30 is the sum of the displacement generated at the connection point Q and the displacement caused by the change in the inclination of the tangent line Lt. It will be the amount of displacement. That is, the beam structure 31 amplifies the displacement generated at the connection point Q and appears at the measurement point P. In FIG. 3B, the displacement (displacement amount from the initial position Po to the position Pt after the displacement) that occurs at the measurement point P is indicated by the symbol dt. In an actual torque sensor, the displacement generated at the point Q due to the action of torque is about several tens to several hundreds of μm. Therefore, in FIG. 3B, the point P is shown as being displaced along the V axis. ..

次に、図3(c)に示すように、図1の基本構造部100に正のトルクが作用すると、変形体30のうち負のX軸上に位置していた受力部34は、上方に移動される。一方、変形体30のうち正のY軸上に位置していた固定部33は、移動しない。このため、変形部36には、作用するトルクの向きに沿って圧縮力が作用し、これによって、変形体30は、曲率半径が小さくなるように弾性変形する。 Next, as shown in FIG. 3C, when a positive torque acts on the basic structural portion 100 of FIG. 1, the receiving portion 34 of the deformed body 30 located on the negative X-axis is moved upward. Moved to. On the other hand, the fixed portion 33 of the deformed body 30 located on the positive Y-axis does not move. Therefore, a compressive force acts on the deformed portion 36 along the direction of the applied torque, whereby the deformed body 30 is elastically deformed so that the radius of curvature becomes smaller.

ここでも、梁構造体31の支持体31fと変形部36との接続点Qにおける当該変形部36の接線に着目する。接線は、図3(b)において符号Lcで示されている。上述したように、変形体30に正のトルクが作用すると、変形部36は、固定部33が変位しないままで変形部36の曲率半径が小さくなるように弾性変形するため、接線Lcは、初期状態の接線Lo(図3(a)参照)よりもより垂直に立った状態に変化する。 Here, too, attention is paid to the tangent line of the deformed portion 36 at the connection point Q between the support 31f of the beam structure 31 and the deformed portion 36. The tangent line is indicated by the symbol Lc in FIG. 3 (b). As described above, when a positive torque acts on the deformed body 30, the deformed portion 36 is elastically deformed so that the radius of curvature of the deformed portion 36 becomes smaller without the fixed portion 33 being displaced. Therefore, the tangent line Lc is initially set. It changes to a more vertically standing state than the tangent line Lo of the state (see FIG. 3A).

変形体30に正のトルクが作用したときに梁31bの計測点Pに生じる変位は、先の場合と同様に、接続点Qに生じる変位と接線Lcの傾きの変化に起因する変位とを合算した量となる。すなわち、梁構造体31によって、接続点Qに生じる変位が増幅されて、計測点Pに現れることになる。図3(c)において、計測点Pに生じる変位(初期位置Poから変位後の位置Pcまでの変位量)は、記号dcで示されている。ここでも、実際のトルクセンサにおいて生じる変位の大きさを考慮し、図3(c)では、点PがV軸に沿って変位するものとして、図示してある。 The displacement generated at the measurement point P of the beam 31b when a positive torque is applied to the deformed body 30 is the sum of the displacement generated at the connection point Q and the displacement caused by the change in the inclination of the tangent line Lc, as in the previous case. It will be the amount of displacement. That is, the beam structure 31 amplifies the displacement generated at the connection point Q and appears at the measurement point P. In FIG. 3C, the displacement (displacement amount from the initial position Po to the position Pc after the displacement) that occurs at the measurement point P is indicated by the symbol dc. Again, in consideration of the magnitude of the displacement that occurs in the actual torque sensor, in FIG. 3C, the point P is shown as being displaced along the V axis.

比較のため、従来のトルクセンサにおいて変形体30aに生じる弾性変形について、図4を参照して簡単に説明する。従来のトルクセンサに対して負のトルクが作用すると、図4(b)に示すように、変形部36aには、図3(b)に示す変形部36と同様の弾性変形が生じる。一方、従来のトルクセンサに対して正のトルクが作用すると、図4(c)に示すように変形部36aには、図3(c)に示す変形部36と同様の弾性変形が生じる。 For comparison, the elastic deformation that occurs in the deformed body 30a in the conventional torque sensor will be briefly described with reference to FIG. When a negative torque acts on the conventional torque sensor, as shown in FIG. 4 (b), the deformed portion 36a undergoes the same elastic deformation as the deformed portion 36 shown in FIG. 3 (b). On the other hand, when a positive torque acts on the conventional torque sensor, the deformed portion 36a undergoes the same elastic deformation as the deformed portion 36 shown in FIG. 3 (c) as shown in FIG. 4 (c).

変形部36aのうち、径方向の変位が最大の位置は、V軸と交差する位置である。このため、従来のトルクセンサでは、このV軸と交差する位置に計測点Rが規定され、この計測点RのV軸方向における変位に基づいて、作用したトルクが検出されていた。図4(b)では、計測点RのV軸方向における変位が符号dtaで示されており、図4(c)では、計測点RのV軸方向における変位が符号dcaで示されている。 The position where the radial displacement is maximum in the deformed portion 36a is the position where it intersects the V axis. Therefore, in the conventional torque sensor, the measurement point R is defined at a position intersecting the V axis, and the applied torque is detected based on the displacement of the measurement point R in the V axis direction. In FIG. 4B, the displacement of the measurement point R in the V-axis direction is indicated by the symbol dta, and in FIG. 4C, the displacement of the measurement point R in the V-axis direction is indicated by the symbol dca.

次に、図5は、図1に示す本実施の形態による基本構造部100(モデル1)及び図2に示す従来の基本構造部100a(モデル2)に対してトルクが作用したときの所定部位に生じる変位をFEM解析(有限要素解析)した結果を纏めて示す図表である。所定部位とは、図1に示す基本構造部100においては、梁構造体31の梁31bに規定された計測点P、及び、変形部36が正のV軸と交差する部位に規定された参照点Rであり、図2に示す基本構造部100aにおいては、変形体30aが正のV軸と交差する位置に規定された計測点Raである。 Next, FIG. 5 shows a predetermined portion when torque acts on the basic structure portion 100 (model 1) according to the present embodiment shown in FIG. 1 and the conventional basic structure portion 100a (model 2) shown in FIG. It is a chart which shows the result of FEM analysis (finite element analysis) of the displacement which occurs in. The predetermined portion is a reference defined in the basic structure portion 100 shown in FIG. 1 at a measurement point P defined by the beam 31b of the beam structure 31 and a portion where the deformed portion 36 intersects the positive V axis. It is a point R, and in the basic structure portion 100a shown in FIG. 2, it is a measurement point Ra defined at a position where the deformed body 30a intersects the positive V axis.

図5では、本実施の形態による基本構造部100(モデル1)の参照点Rに生じるV軸方向の変位と、従来の基本構造部100a(モデル2)の計測点Raに生じるV軸方向の変位と、が共に同じ253μm(=dt2)であるように、各基本構造部100、100aに対してトルクを作用させている。このとき、本実施の形態による基本構造部100(モデル1)の計測点Pに生じるV軸方向の変位は、320μm(=dt1)となっている。このことから、本実施の形態による基本構造部(モデル1)は、従来の基本構造部100a(モデル2)と比較して、感度が1.26倍高まっていることが分かる。 In FIG. 5, the displacement in the V-axis direction generated at the reference point R of the basic structure portion 100 (model 1) according to the present embodiment and the displacement in the V-axis direction generated at the measurement point Ra of the conventional basic structure portion 100a (model 2) Torque is applied to the basic structural portions 100 and 100a so that the displacement and the displacement are both the same as 253 μm (= dt2). At this time, the displacement in the V-axis direction generated at the measurement point P of the basic structure portion 100 (model 1) according to the present embodiment is 320 μm (= dt1). From this, it can be seen that the sensitivity of the basic structural portion (model 1) according to the present embodiment is 1.26 times higher than that of the conventional basic structural portion 100a (model 2).

基本構造部100(モデル1)は、変形部36に梁構造体31が設けられている影響により、当該変形体に発生する応力について、モデル1(190MPa)とモデル2(185MPa)とで異なっているが、これは大きな差ではない。また、図5は、本実施の形態による基本構造部100が従来の基本構造部100aよりも感度が相対的に優れていることを示すものであり、図中に示されている数値の絶対値に意味があるものではない。なお、変形部36に190MPaの応力が生じるような構造設計は、機械的信頼性に欠けるため、好ましいものではないことに注意が必要である。 In the basic structure portion 100 (model 1), the stress generated in the deformed body is different between the model 1 (190 MPa) and the model 2 (185 MPa) due to the influence that the beam structure 31 is provided in the deformed portion 36. Yes, but this is not a big difference. Further, FIG. 5 shows that the basic structure portion 100 according to the present embodiment is relatively more sensitive than the conventional basic structure portion 100a, and is an absolute value of the numerical value shown in the figure. Does not make sense. It should be noted that a structural design in which a stress of 190 MPa is generated in the deformed portion 36 is not preferable because it lacks mechanical reliability.

このように、梁構造体31の存在によって、同じ大きさのトルクが作用した場合に、計測点Pに生じる変位は、参照点Rに生じる変位及び従来の基本構造部100の計測点Raに生じる変位よりも大きい。換言すれば、梁構造体31の存在によって、計測点Pにおいて、変形部36に生じる弾性変形が増幅されることになる。 As described above, when a torque of the same magnitude acts due to the presence of the beam structure 31, the displacement generated at the measurement point P occurs at the displacement generated at the reference point R and at the measurement point Ra of the conventional basic structure unit 100. Greater than displacement. In other words, the presence of the beam structure 31 amplifies the elastic deformation that occurs in the deformed portion 36 at the measurement point P.

< 1−3. 本実施の形態による基本構造部を採用したトルクセンサ >
次に、図6は、図1の基本構造部100を採用したトルクセンサ100cの一例を示す概略平面図である。
<1-3. Torque sensor that employs the basic structure according to this embodiment>
Next, FIG. 6 is a schematic plan view showing an example of the torque sensor 100c that employs the basic structure portion 100 of FIG.

図6に示すように、トルクセンサ100cは、図1に示す基本構造部100と、基本構造部100の梁構造体31に配置された静電容量素子Cと、静電容量素子Cに接続され、変形体30の変形部36に生じる弾性変形に基づいて、作用したトルクを示す電気信号を出力する検出回路40と、を備えている。 As shown in FIG. 6, the torque sensor 100c is connected to the basic structure portion 100 shown in FIG. 1, the capacitance element C arranged in the beam structure 31 of the basic structure portion 100, and the capacitance element C. A detection circuit 40 that outputs an electric signal indicating the applied torque based on the elastic deformation generated in the deformed portion 36 of the deformed body 30 is provided.

図6に示すように、静電容量素子Cは、梁31bの計測点Pに受力体20に面するように配置された変位電極Emと、この変位電極Emに対向配置された固定電極Efと、によって構成されている。本実施の形態では、固定電極Efは、受力体20の内周面に設けられた台座23上に配置されている。台座23は、固定電極Efを変位電極Emと平行に所定の間隔で配置するためのものである。図6に示すように、台座23には、梁31bに面する領域に変位電極Emと平行な面が形成されているため、固定電極Efと変位電極Emとは、互いに平行に(極板間距離が一定であるように)配置されている。以上のような電極の配置によって、静電容量素子Cは、正のV軸上に形成されている。 As shown in FIG. 6, the capacitance element C includes a displacement electrode Em arranged so as to face the receiving body 20 at the measurement point P of the beam 31b, and a fixed electrode Ef arranged to face the displacement electrode Em. And is composed of. In the present embodiment, the fixed electrode Ef is arranged on the pedestal 23 provided on the inner peripheral surface of the receiving body 20. The pedestal 23 is for arranging the fixed electrodes Ef in parallel with the displacement electrodes Em at predetermined intervals. As shown in FIG. 6, since the pedestal 23 is formed with a surface parallel to the displacement electrode Em in the region facing the beam 31b, the fixed electrode Ef and the displacement electrode Em are parallel to each other (between the plates). (So that the distance is constant). Due to the arrangement of the electrodes as described above, the capacitance element C is formed on the positive V-axis.

検出回路40は、変形体30の弾性変形に起因して梁31bの計測点Pに生じる変位に基づいて、電作用したトルクを示す気信号を出力するようになっている。具体的には、検出回路40は、所定の電気配線(不図示)によって静電容量素子Cに接続されている。更に、検出回路40には、例えば、静電容量素子Cの静電容量値の変動量と作用したトルクの値とが対応付けられたテーブル(不図示)が格納されている。そして、検出回路40は、計測点Pの変位に起因して生じる静電容量素子Cの静電容量値の変動を検知すると、前記テーブルを参照してその変動量に対応するトルクを特定し、当該トルクを示す電気信号を出力するようになっている。 The detection circuit 40 outputs an air signal indicating an electrically applied torque based on the displacement generated at the measurement point P of the beam 31b due to the elastic deformation of the deformed body 30. Specifically, the detection circuit 40 is connected to the capacitance element C by a predetermined electrical wiring (not shown). Further, the detection circuit 40 stores, for example, a table (not shown) in which the fluctuation amount of the capacitance value of the capacitance element C and the value of the applied torque are associated with each other. Then, when the detection circuit 40 detects the fluctuation of the capacitance value of the capacitance element C caused by the displacement of the measurement point P, the detection circuit 40 refers to the table and identifies the torque corresponding to the fluctuation amount. An electric signal indicating the torque is output.

次に、以上のようなトルクセンサ100cを用いてトルクを計測する原理について説明する。 Next, the principle of measuring torque using the torque sensor 100c as described above will be described.

トルクセンサ100cの受力体20に負のトルク(図6における反時計回りのトルク)が作用すると、受力体20は、Z軸回りに、固定体10に対して反時計回りに回動する。このことによって、トルクセンサ100cの変形部36は、図3(b)に示すように弾性変形する。すなわち、梁31bの計測点PがV軸方向において径方向内方にdt1だけ変位する。前述したように、この変位dt1は、参照点Rの変位(図4(b)における計測点R0の変位に相当)よりも大きい。このような計測点Pの変位によって、静電容量素子Cを構成する変位電極Emが径方向内方に移動する。一方、固定電極Efは、受力体20の内周面に対して固定されていることから、径方向へは移動しない。以上から、トルクセンサ100cに負のトルクが作用すると、静電容量素子Cを構成する各電極Ef、Em間の離間距離が増大するため、静電容量値が減少する。 When a negative torque (counterclockwise torque in FIG. 6) acts on the receiving body 20 of the torque sensor 100c, the receiving body 20 rotates counterclockwise with respect to the fixed body 10 in the Z-axis direction. .. As a result, the deformed portion 36 of the torque sensor 100c is elastically deformed as shown in FIG. 3 (b). That is, the measurement point P of the beam 31b is displaced inward in the radial direction by dt1 in the V-axis direction. As described above, this displacement dt1 is larger than the displacement of the reference point R (corresponding to the displacement of the measurement point R0 in FIG. 4B). Due to such displacement of the measurement point P, the displacement electrode Em constituting the capacitance element C moves inward in the radial direction. On the other hand, since the fixed electrode Ef is fixed to the inner peripheral surface of the receiving body 20, it does not move in the radial direction. From the above, when a negative torque acts on the torque sensor 100c, the separation distance between the electrodes Ef and Em constituting the capacitance element C increases, so that the capacitance value decreases.

一方、トルクセンサ100cの受力体20に正のトルク(図6における時計回りのトルク)が作用すると、受力体20は、Z軸回りに、固定体10に対して時計回りに回動する。このことによって、トルクセンサ100cの変形部36は、図3(c)に示すように弾性変形する。すなわち、梁31bの計測点PがV軸方向において径方向外方にdc1だけ変位する。前述したように、この変位dc1は、参照点Rの変位(図4(c)における計測点R0の変位に相当)よりも大きい。このような計測点Pの変位によって、静電容量素子Cを構成する変位電極Emが径方向外方に移動する。このため、トルクセンサ100cに正のトルクが作用すると、静電容量素子Cを構成する各電極Ef、Em間の離間距離が減少するため、静電容量値が増大する。 On the other hand, when a positive torque (clockwise torque in FIG. 6) acts on the receiving body 20 of the torque sensor 100c, the receiving body 20 rotates clockwise with respect to the fixed body 10 in the Z-axis direction. .. As a result, the deformed portion 36 of the torque sensor 100c is elastically deformed as shown in FIG. 3 (c). That is, the measurement point P of the beam 31b is displaced outward by dc1 in the radial direction in the V-axis direction. As described above, this displacement dc1 is larger than the displacement of the reference point R (corresponding to the displacement of the measurement point R0 in FIG. 4C). Due to such displacement of the measurement point P, the displacement electrode Em constituting the capacitance element C moves outward in the radial direction. Therefore, when a positive torque acts on the torque sensor 100c, the separation distance between the electrodes Ef and Em constituting the capacitance element C decreases, so that the capacitance value increases.

そして、検出回路40は、これらの静電容量値の変動量を検知し、予め格納されたテーブルを参照して作用したトルクを特定する。そして、特定されたトルクに対応する電気信号が、所定の出力端子(不図示)から出力される。 Then, the detection circuit 40 detects the fluctuation amount of these capacitance values, and refers to the table stored in advance to specify the applied torque. Then, an electric signal corresponding to the specified torque is output from a predetermined output terminal (not shown).

以上のような本実施の形態によれば、梁構造体31の存在によって、計測点Pにおいて変形部36に生じる弾性変形が増幅されるため、高荷重のトルクに対応可能でありながら、高精度且つ高感度でトルクを検出可能なトルクセンサ100cを提供することができる。 According to the present embodiment as described above, since the elastic deformation generated in the deformed portion 36 at the measurement point P is amplified by the presence of the beam structure 31, it is possible to cope with a high load torque and to have high accuracy. Moreover, it is possible to provide a torque sensor 100c capable of detecting torque with high sensitivity.

変形体30の変形部36は、Z軸方向から見て、原点Oを取り囲む円環状の形状を有している。更に、変形体30の固定部33は、Z軸方向から見て、Y軸と重なるように位置付けられており、変形体30の受力部34は、Z軸方向から見て、X軸と重なるように位置付けられている。これらのことにより、変形部36において、より効果的に弾性変形が生じることになる。 The deformed portion 36 of the deformed body 30 has an annular shape surrounding the origin O when viewed from the Z-axis direction. Further, the fixed portion 33 of the deformed body 30 is positioned so as to overlap the Y-axis when viewed from the Z-axis direction, and the receiving portion 34 of the deformed body 30 overlaps with the X-axis when viewed from the Z-axis direction. It is positioned as. As a result, elastic deformation occurs more effectively in the deformed portion 36.

また、梁31bの計測点Pは、正のX軸に対して45°をなすV軸上(固定部33と受力部34との中間位置)に位置付けられているため、変形部36に生じる弾性変形を、梁31bの計測点Pに生じる変位として効率的に検出することができる。 Further, since the measurement point P of the beam 31b is positioned on the V-axis (intermediate position between the fixed portion 33 and the receiving portion 34) forming 45 ° with respect to the positive X-axis, it occurs in the deformed portion 36. The elastic deformation can be efficiently detected as the displacement generated at the measurement point P of the beam 31b.

更には、検出回路40は、梁31bの計測点Pに配置された変位電極Emと、この変位電極Emに対向するように受力体20の内周面に配置された固定電極Efと、によって構成される静電容量素子Cを有しており、この静電容量素子Cの静電容量値の変動量に基づいて、作用したトルクを示す電気信号を出力するようになっている。このため、作用したトルクを容易に検出することができる。 Further, the detection circuit 40 is composed of a displacement electrode Em arranged at the measurement point P of the beam 31b and a fixed electrode Ef arranged on the inner peripheral surface of the receiving body 20 so as to face the displacement electrode Em. It has a configured capacitance element C, and outputs an electric signal indicating the applied torque based on the amount of fluctuation of the capacitance value of the capacitance element C. Therefore, the applied torque can be easily detected.

<<< §2. 本発明の第2の実施の形態によるトルクセンサ >>>
次に、本発明の第2の実施の形態によるトルクセンサ200cについて説明する。
<<< §2. Torque sensor according to the second embodiment of the present invention >>>
Next, the torque sensor 200c according to the second embodiment of the present invention will be described.

< 2−1. 基本構造部の構成 >
図7は、本発明の第2の実施の形態によるトルクセンサの基本構造部200を示す概略平面図である。
<2-1. Structure of basic structure >
FIG. 7 is a schematic plan view showing the basic structural portion 200 of the torque sensor according to the second embodiment of the present invention.

図7に示すように、基本構造部200は、梁構造体231A〜231Dが4つ設けられている点を除いて、図1に示す第1の実施の形態による基本構造部100と同じ構造を有している。本実施の形態では、変形体230は、Z軸方向から見て、第1象限〜第4象限のそれぞれに位置する部位に生じる弾性変形が利用される。このため、図7に示すように、変形体30のうち、正のY軸上に位置する固定部233と正のX軸上に位置する受力部234とを連結する第1象限の部分を第1変形部236Aとし、負のX軸上に位置する受力部232と正のY軸上に位置する固定部233とを連結する第2象限の部分を第2変形部236Bとし、負のY軸上に位置する固定部235と負のX軸上に位置する受力部232とを連結する第3象限の部分を第3変形部236Cとし、正のX軸上に位置する受力部234と負のY軸上に位置する固定部235とを連結する第4象限の部分を第4変形部236Dとして、以下の説明を行うこととする。なお、図7に示す基本構造部200において、第1の実施の形態による基本構造部100(図1参照)と共通する構成要素には同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。 As shown in FIG. 7, the basic structure portion 200 has the same structure as the basic structure portion 100 according to the first embodiment shown in FIG. 1, except that four beam structures 231A to 231D are provided. Have. In the present embodiment, the deformed body 230 utilizes elastic deformation that occurs in the portions located in each of the first to fourth quadrants when viewed from the Z-axis direction. Therefore, as shown in FIG. 7, the portion of the first quadrant that connects the fixed portion 233 located on the positive Y-axis and the receiving portion 234 located on the positive X-axis of the deformed body 30 is provided. The first deformed portion 236A and the second quadrant portion connecting the receiving portion 232 located on the negative X-axis and the fixed portion 233 located on the positive Y-axis are referred to as the second deformed portion 236B and are negative. The third quadrant that connects the fixed portion 235 located on the Y-axis and the receiving portion 232 located on the negative X-axis is the third deformed portion 236C, and the receiving portion located on the positive X-axis. The following description will be given with the fourth quadrant portion connecting the 234 and the fixed portion 235 located on the negative Y axis as the fourth deformed portion 236D. In the basic structure unit 200 shown in FIG. 7, the same reference numerals are given to the components common to the basic structure unit 100 (see FIG. 1) according to the first embodiment, and detailed description thereof will be omitted.

本実施の形態による基本構造部200において、4つの梁構造体は、いずれも変形体230の外周面上に配置されている。具体的には、4つの梁構造体は、第1変形部236Aに配置された第1梁構造体231Aと、第2変形部236Bに配置された第2梁構造体231Bと、第3変形部236Cに配置された第3梁構造体231Cと、第4梁構造体231Dに配置された第4梁構造体231Dと、を有している。 In the basic structure portion 200 according to the present embodiment, all four beam structures are arranged on the outer peripheral surface of the deformed body 230. Specifically, the four beam structures include a first beam structure 231A arranged in the first deformed portion 236A, a second beam structure 231B arranged in the second deformed portion 236B, and a third deformed portion. It has a third beam structure 231C arranged in 236C and a fourth beam structure 231D arranged in the fourth beam structure 231D.

第1梁構造体231Aは、第1の実施の形態による基本構造部100の梁構造体31と同じ構造で同じ位置に、配置されている。すなわち、第1梁構造体231Aは、第1変形部236Aの外周面に接続された第1支持体231Afと、この第1支持体231Afによって一端が支持された第1梁231Abと、を有している。第1梁231Abには、Z軸方向から見て正のV軸と重なる位置に、当該第1梁231Abの変位を計測するための第1計測点P1が規定されている。 The first beam structure 231A has the same structure as the beam structure 31 of the basic structure portion 100 according to the first embodiment and is arranged at the same position. That is, the first beam structure 231A has a first support 231Af connected to the outer peripheral surface of the first deformed portion 236A, and a first beam 231Ab whose one end is supported by the first support 231Af. ing. The first beam 231Ab defines a first measurement point P1 for measuring the displacement of the first beam 231Ab at a position overlapping the positive V-axis when viewed from the Z-axis direction.

残りの第2〜第4梁構造体231B〜231Dは、第1梁構造体231Aと同じ構造を有しており、配置されている位置のみが異なっている。すなわち、第2梁構造体231Bは、第1梁構造体231Aを時計回りに90°回転させた位置に配置されており、第1変形部236Bの外周面に接続された第2支持体231Bfと、この第2支持体231Bfによって一端が支持された第2梁231Bbと、を有している。第2梁231Bbには、Z軸方向から見て正のW軸と重なる位置に、当該第2梁231Bbの変位を計測するための第2計測点P2が規定されている。 The remaining second to fourth beam structures 231B to 231D have the same structure as the first beam structure 231A, and differ only in the positions where they are arranged. That is, the second beam structure 231B is arranged at a position where the first beam structure 231A is rotated 90 ° clockwise, and is connected to the second support 231Bf connected to the outer peripheral surface of the first deformed portion 236B. It has a second beam 231Bb whose one end is supported by the second support 231Bf. The second beam 231Bb is defined with a second measurement point P2 for measuring the displacement of the second beam 231Bb at a position overlapping the positive W axis when viewed from the Z-axis direction.

第3梁構造体231Cは、第2梁構造体231Bを時計回りに90°回転させた位置に配置されており、第3変形部236Cの外周面に接続された第3支持体231Cfと、この第3支持体231Cfによって一端が支持された第3梁231Cbと、を有している。第3梁231Cbには、Z軸方向から見て負のV軸と重なる位置に、当該第3梁231Cbの変位を計測するための第3計測点P3が規定されている。 The third beam structure 231C is arranged at a position where the second beam structure 231B is rotated 90 ° clockwise, and is connected to the outer peripheral surface of the third deformed portion 236C and the third support 231Cf. It has a third beam 231Cb whose one end is supported by the third support 231Cf. The third beam 231Cb is defined with a third measurement point P3 for measuring the displacement of the third beam 231Cb at a position overlapping the negative V axis when viewed from the Z-axis direction.

第4梁構造体231Dは、第3梁構造体231Cを時計回りに90°回転させた位置に配置されており、第4変形部236Dの外周面に接続された第4支持体231Dfと、この第4支持体231Dfによって一端が支持された第4梁231Dbと、を有している。第4梁231Dbには、Z軸方向から見て負のW軸と重なる位置に、当該第4梁231Dbの変位を計測するための第4計測点P4が規定されている。 The fourth beam structure 231D is arranged at a position where the third beam structure 231C is rotated 90 ° clockwise, and is connected to the outer peripheral surface of the fourth deformed portion 236D and the fourth support 231Df. It has a fourth beam 231Db whose one end is supported by the fourth support 231Df. The fourth beam 231Db defines a fourth measurement point P4 for measuring the displacement of the fourth beam 231Db at a position overlapping the negative W axis when viewed from the Z-axis direction.

< 2−2. 基本構造部の作用 >
次に、上述した基本構造部200の作用について、図8及び図9を参照して説明する。
<2-2. Action of basic structure>
Next, the operation of the basic structure portion 200 described above will be described with reference to FIGS. 8 and 9.

図8は、図7の基本構造部200に負のトルクT−が作用したときの変形体230を示す模式図であり、図9は、図7の基本構造部200に正のトルクT+が作用したときの変形体230を示す模式図である。図8及び図9において、各構成要素の厚みや幅は、無視してある。 FIG. 8 is a schematic view showing a deformed body 230 when a negative torque T− acts on the basic structure portion 200 of FIG. 7, and FIG. 9 shows a positive torque T + acting on the basic structure portion 200 of FIG. It is a schematic diagram which shows the deformed body 230 at the time of this. In FIGS. 8 and 9, the thickness and width of each component are ignored.

基本構造部200の受力体20に負のトルクT−が作用すると、当該トルクT−は、受力体接続部21、22を介して、受力部232、234に伝達される。この結果、図8に示すように、受力部232、234は、共に反時計回りに変位する。このことにより、第1及び第3変形部236A、236Cには引張力が作用するため、各変形部236A、236Cは、曲率半径が大きくなるように弾性変形する。一方、受力部232、234の変位に伴って、第2及び第4変形部236B、236Dには圧縮力が作用するため、各変形部236B、236Dは、曲率半径が小さくなるように弾性変形する。 When a negative torque T-acts on the receiving body 20 of the basic structure portion 200, the torque T- is transmitted to the receiving portions 232 and 234 via the receiving body connecting portions 21 and 22. As a result, as shown in FIG. 8, both the receiving portions 232 and 234 are displaced counterclockwise. As a result, a tensile force acts on the first and third deformed portions 236A and 236C, so that the deformed portions 236A and 236C are elastically deformed so that the radius of curvature becomes large. On the other hand, since a compressive force acts on the second and fourth deformed portions 236B and 236D with the displacement of the receiving force portions 232 and 234, each deformed portion 236B and 236D are elastically deformed so that the radius of curvature becomes smaller. To do.

以上のような変形体230の弾性変形によって、図8に示すように、第1梁構造体231Aの計測点P1及び第3梁構造体231Cの計測点P3は、共に変形体230の径方向内方に変位する。一方、第2梁構造体231Bの計測点P2及び第4梁構造体231Dの計測点P4は、共に変形体230の径方向外方に変位する。各計測点P1〜P4に生じる変位の大きさは、各変形部236A〜236Dに生じる径方向(V軸方向またはW軸方向)の変位の大きさよりも、大きい(変形体230に生じる変位が増幅される)。 As shown in FIG. 8, the measurement point P1 of the first beam structure 231A and the measurement point P3 of the third beam structure 231C are both within the radial direction of the deformed body 230 due to the elastic deformation of the deformed body 230 as described above. Displace towards. On the other hand, the measurement point P2 of the second beam structure 231B and the measurement point P4 of the fourth beam structure 231D are both displaced outward in the radial direction of the deformed body 230. The magnitude of the displacement generated at each measurement point P1 to P4 is larger than the magnitude of the radial (V-axis direction or W-axis direction) displacement generated at each of the deformed portions 236A to 236D (the displacement generated at the deformed body 230 is amplified). Will be).

各変形部236A〜236Dに生じる径方向の変位が増幅されて各計測点P1〜P4に現れる原理については、上記1−2.に記載した説明によって理解され得る。というのは、図8の第1変形部236A及び第1梁構造体231Aは、図3(b)に示す変形部36及び梁構造体31と同一であり、第2梁構造体231Bは、図3(c)をY軸に関して対称移動させた上で梁構造体31をW軸に関して対称移動させた構造であり、第4梁構造体231Dは、図3(c)をX軸に関して対称移動させた上で梁構造体31をW軸に関して対称移動させた構造であり、第3梁構造体231Cは、図3(b)を原点回りに180°回転移動した構造となっているからである。 The principle that the radial displacement generated in each deformed portion 236A to 236D is amplified and appears at each measurement point P1 to P4 is described in the above 1-2. Can be understood by the description given in. This is because the first deformed portion 236A and the first beam structure 231A in FIG. 8 are the same as the deformed portion 36 and the beam structure 31 shown in FIG. 3 (b), and the second beam structure 231B is shown in FIG. 3 (c) is symmetrically moved with respect to the Y axis, and then the beam structure 31 is symmetrically moved with respect to the W axis. The fourth beam structure 231D is symmetrically moved with respect to the X axis. This is because the beam structure 31 is symmetrically moved with respect to the W axis, and the third beam structure 231C has a structure in which FIG. 3B is rotated 180 ° around the origin.

次に、基本構造部200の受力体20に正のトルクT+が作用すると、図9に示すように、受力部232、234は、共に時計回りに変位する。このことにより、第1及び第3変形部236A、236Cには圧縮力が作用するため、各変形部236A、236Cは、曲率半径が小さくなるように弾性変形する。一方、受力部232、234の変位に伴って、第2及び第4変形部236B、236Dには引張力が作用するため、各変形部236B、236Dは、曲率半径が大きくなるように弾性変形する。 Next, when a positive torque T + acts on the receiving body 20 of the basic structure portion 200, both the receiving portions 232 and 234 are displaced clockwise as shown in FIG. As a result, a compressive force acts on the first and third deformed portions 236A and 236C, so that the deformed portions 236A and 236C are elastically deformed so that the radius of curvature becomes smaller. On the other hand, since a tensile force acts on the second and fourth deformed portions 236B and 236D with the displacement of the receiving force portions 232 and 234, each deformed portion 236B and 236D are elastically deformed so that the radius of curvature becomes large. To do.

以上のような変形体230の弾性変形によって、図9に示すように、第1梁構造体231Aの計測点P1及び第3梁構造体231Cの計測点P3は、共に変形体30の径方向外方に変位する。一方、第2梁構造体231Bの計測点P2及び第4梁構造体231Dの計測点P4は、共に変形体230の径方向内方に変位する。各計測点P1〜P4に現れる変位の大きさは、各変形部236A〜236Dに生じる径方向(V軸方向またはW軸方向)の変位の大きさよりも、大きい(増幅される)。 As shown in FIG. 9, the measurement point P1 of the first beam structure 231A and the measurement point P3 of the third beam structure 231C are both outside the radial direction of the deformed body 30 due to the elastic deformation of the deformed body 230 as described above. Displace towards. On the other hand, the measurement point P2 of the second beam structure 231B and the measurement point P4 of the fourth beam structure 231D are both displaced inward in the radial direction of the deformed body 230. The magnitude of the displacement appearing at each of the measurement points P1 to P4 is larger (amplified) than the magnitude of the radial (V-axis direction or W-axis direction) displacement that occurs in each of the deformed portions 236A to 236D.

この場合も、各変形部236A〜236Dに生じる径方向の変位が増幅されて各計測点P1〜P4に生じる原理については、上記1−2.に記載した説明によって理解され得る。というのは、図9の変形体230は、図8の変形体230をX軸に関して対称移動(反転)させ、各梁構造体231A〜231DをV軸またはW軸に関して対称移動させた構造と同じだからである。 Also in this case, the principle that the radial displacement generated in each of the deformed portions 236A to 236D is amplified and occurs in each of the measurement points P1 to P4 is described in the above 1-2. Can be understood by the description given in. This is because the deformed body 230 of FIG. 9 is the same as the structure in which the deformed body 230 of FIG. 8 is symmetrically moved (reversed) with respect to the X axis, and the beam structures 231A to 231D are symmetrically moved with respect to the V axis or the W axis. That's why.

< 2−3. 本実施の形態による基本構造部を採用したトルクセンサ >
次に、図10は、図7の基本構造部200を採用したトルクセンサ200cの一例を示す概略平面図である。
<2-3. Torque sensor that employs the basic structure according to this embodiment>
Next, FIG. 10 is a schematic plan view showing an example of a torque sensor 200c that employs the basic structure portion 200 of FIG. 7.

図10に示すように、トルクセンサ200cは、図7に示す基本構造部200と、基本構造部200の各梁構造体231A〜231Dの梁231Ab〜231Dbに1つずつ配置された4つの静電容量素子C1〜C4と、これらの静電容量素子C1〜C4に接続され、変形体230の各変形部236A〜236Dに生じる弾性変形に基づいて、作用したトルクを示す電気信号を出力する検出回路240と、を備えている。 As shown in FIG. 10, the torque sensor 200c has four capacitances arranged one by one in the basic structure portion 200 shown in FIG. 7 and the beams 231Ab to 231Db of the beam structures 231A to 231D of the basic structure portion 200. A detection circuit that is connected to the capacitive elements C1 to C4 and these capacitive elements C1 to C4 and outputs an electric signal indicating the applied torque based on the elastic deformation generated in each deformed portion 236A to 236D of the deformed body 230. It is equipped with 240 and.

図10に示すように、4つの静電容量素子とは、第1梁構造体231Aに配置された第1静電容量素子C1と、第2梁構造体231Bに配置された第2静電容量素子C2と、第3梁構造体231Cに配置された第3静電容量素子C3と、第4梁構造体231Dに配置された第4静電容量素子C4と、である。 As shown in FIG. 10, the four capacitance elements are the first capacitance element C1 arranged in the first beam structure 231A and the second capacitance element arranged in the second beam structure 231B. The element C2, the third capacitance element C3 arranged in the third beam structure 231C, and the fourth capacitance element C4 arranged in the fourth beam structure 231D.

第1静電容量素子C1は、第1梁231Abの第1計測点P1に受力体20に面するように配置された第1変位電極Em1と、この第1変位電極Em1に対向配置された第1固定電極Ef1と、によって構成されている。同様に、第2静電容量素子C2は、第2梁231Bbの第2計測点P2に受力体20に面するように配置された第2変位電極Em2と、この第2変位電極Em2に対向配置された第2固定電極Ef2と、によって構成されている。第3静電容量素子C3は、第3梁231Cbの第3計測点P3に受力体20に面するように配置された第3変位電極Em3と、この第3変位電極Em3に対向配置された第3固定電極Ef3と、によって構成されている。第4静電容量素子C4は、第4梁231Dbの第4計測点P4に受力体20に面するように配置された第4変位電極Em4と、この第4変位電極Em4に対向配置された第4固定電極Ef4と、によって構成されている。 The first capacitance element C1 is arranged to face the first displacement electrode Em1 arranged so as to face the receiving body 20 at the first measurement point P1 of the first beam 231Ab, and to face the first displacement electrode Em1. It is composed of a first fixed electrode Ef1. Similarly, the second capacitance element C2 faces the second displacement electrode Em2 arranged so as to face the receiving body 20 at the second measurement point P2 of the second beam 231Bb and the second displacement electrode Em2. It is composed of a second fixed electrode Ef2 arranged. The third capacitance element C3 is arranged to face the third displacement electrode Em3 and the third displacement electrode Em3 arranged so as to face the receiving body 20 at the third measurement point P3 of the third beam 231Cb. It is composed of a third fixed electrode Ef3. The fourth capacitance element C4 is arranged to face the fourth displacement electrode Em4 and the fourth displacement electrode Em4 arranged so as to face the receiving body 20 at the fourth measurement point P4 of the fourth beam 231Db. It is composed of a fourth fixed electrode Ef4.

なお、第1〜第4静電容量素子C1〜C4は、各静電容量素子C1〜C4を構成する電極の実効対向面積が全て同一であり、電極間の離間距離も全て等しく構成されている。 The first to fourth capacitance elements C1 to C4 have the same effective facing area of the electrodes constituting the respective capacitance elements C1 to C4, and the separation distances between the electrodes are all the same. ..

図10に示すように、第1固定電極Ef1は、受力体20の内周面に設けられた第1台座23A上に配置されており、第2固定電極Ef2は、受力体20の内周面に設けられた第2台座23B上に配置されており、第3固定電極Ef3は、受力体20の内周面に設けられた第3台座23C上に配置されており、第4固定電極Ef4は、受力体20の内周面に設けられた第4台座23D上に配置されている。各台座23A〜23Dには、梁231Ab〜231Dbに面する領域に各変位電極Em1〜Em4と平行な面が形成されているため、各固定電極Ef1〜Ef4と対応する変位電極Em1〜Em4とは、互いに平行に(極板間距離が一定であるように)配置されている。以上のような電極の配置によって、第1静電容量素子C1は、正のV軸上に形成されており、第2静電容量素子C2は正のW軸上に形成されており、第3静電容量素子C3は、負のV軸上に形成されており、第4静電容量素子C4は、負のW軸上に形成されている。 As shown in FIG. 10, the first fixed electrode Ef1 is arranged on the first pedestal 23A provided on the inner peripheral surface of the receiving body 20, and the second fixed electrode Ef2 is inside the receiving body 20. The third fixed electrode Ef3 is arranged on the second pedestal 23B provided on the peripheral surface, and the third fixed electrode Ef3 is arranged on the third pedestal 23C provided on the inner peripheral surface of the receiving body 20, and is fixed to the fourth. The electrode Ef4 is arranged on the fourth pedestal 23D provided on the inner peripheral surface of the receiving body 20. Since the pedestals 23A to 23D are formed with surfaces parallel to the displacement electrodes Em1 to Em4 in the region facing the beams 231Ab to 231Db, the displacement electrodes Em1 to Em4 corresponding to the fixed electrodes Ef1 to Ef4 are different from each other. , Are arranged parallel to each other (so that the distance between the plates is constant). Due to the arrangement of the electrodes as described above, the first capacitance element C1 is formed on the positive V-axis, the second capacitance element C2 is formed on the positive W-axis, and the third The capacitance element C3 is formed on the negative V-axis, and the fourth capacitance element C4 is formed on the negative W-axis.

検出回路240は、所定の電気配線(不図示)によって第1〜第4静電容量素子C1〜C4に接続されており、変形体230の弾性変形に起因して第1〜第4梁231Ab〜231Dbの各計測点P1〜P4に生じる変位に基づいて、作用したトルクを示す電気信号を出力するようになっている。第1の実施の形態と同様に、検出回路240には、例えば、第1〜第4静電容量素子C1〜C4の静電容量値の各変動量を用いて所定の演算を行うことによって得られる値と作用したトルクの値とが対応付けられたテーブル(不図示)が格納されている。検出回路240は、静電容量素子Cの静電容量値の変動を検知すると、このテーブルを参照することによって、作用したトルクを特定するようになっている。トルクの具体的な測定の詳細については、後述される。 The detection circuit 240 is connected to the first to fourth capacitance elements C1 to C4 by predetermined electrical wiring (not shown), and the first to fourth beams 231Ab to the first to fourth beams 231Ab due to the elastic deformation of the deformed body 230. An electric signal indicating the applied torque is output based on the displacement generated at each measurement point P1 to P4 of 231Db. Similar to the first embodiment, the detection circuit 240 is obtained by, for example, performing a predetermined calculation using each fluctuation amount of the capacitance values of the first to fourth capacitance elements C1 to C4. A table (not shown) in which the value to be obtained and the value of the applied torque are associated with each other is stored. When the detection circuit 240 detects the fluctuation of the capacitance value of the capacitance element C, the detection circuit 240 is adapted to specify the applied torque by referring to this table. Details of the specific measurement of torque will be described later.

次に、以上のようなトルクセンサ200cを用いてトルクを計測する原理について説明する。 Next, the principle of measuring torque using the torque sensor 200c as described above will be described.

トルクセンサ200cの受力体20に負のトルク(図10における反時計回りのトルク)が作用すると、受力体20は、Z軸回りに、固定体10に対して反時計回りに回動する。このことによって、トルクセンサ200cの第1〜第4変形部236A〜236Dは、図8に示すように弾性変形する。このことによって、第1静電容量素子C1及び第3静電容量素子C3においては、各静電容量素子C1、C3を構成する電極間の離間距離が増大するため、静電容量値は減少する。一方、第2静電容量素子C2及び第4静電容量素子C4においては、各静電容量素子C2、C4を構成する電極間の離間距離が減少するため、静電容量値は増大する。 When a negative torque (counterclockwise torque in FIG. 10) acts on the receiving body 20 of the torque sensor 200c, the receiving body 20 rotates counterclockwise with respect to the fixed body 10 in the Z-axis direction. .. As a result, the first to fourth deformed portions 236A to 236D of the torque sensor 200c are elastically deformed as shown in FIG. As a result, in the first capacitance element C1 and the third capacitance element C3, the separation distance between the electrodes constituting the respective capacitance elements C1 and C3 increases, so that the capacitance value decreases. .. On the other hand, in the second capacitance element C2 and the fourth capacitance element C4, the separation distance between the electrodes constituting the respective capacitance elements C2 and C4 decreases, so that the capacitance value increases.

一方、トルクセンサ200cの受力体20に正のトルク(図10における時計回りのトルク)が作用すると、受力体20は、Z軸回りに、固定体10に対して時計回りに回動する。このことによって、トルクセンサ200cの第1〜第4変形部236A〜236Dは、図9に示すように弾性変形する。このことによって、第1静電容量素子C1及び第3静電容量素子C3においては、各静電容量素子C1、C3を構成する電極間の離間距離が減少するため、静電容量値は増大する。一方、第2静電容量素子C2及び第4静電容量素子C4においては、各静電容量素子C2、C4を構成する電極間の離間距離が増大するため、静電容量値は減少する。結局、受力体20に作用するトルクの向きが逆転すると、第1〜第4静電容量素子C1〜C4の静電容量値の変動(増大か減少か)も逆になる。 On the other hand, when a positive torque (clockwise torque in FIG. 10) acts on the receiving body 20 of the torque sensor 200c, the receiving body 20 rotates clockwise with respect to the fixed body 10 in the Z-axis direction. .. As a result, the first to fourth deformed portions 236A to 236D of the torque sensor 200c are elastically deformed as shown in FIG. As a result, in the first capacitance element C1 and the third capacitance element C3, the separation distance between the electrodes constituting the respective capacitance elements C1 and C3 is reduced, so that the capacitance value is increased. .. On the other hand, in the second capacitance element C2 and the fourth capacitance element C4, the capacitance value decreases because the separation distance between the electrodes constituting the respective capacitance elements C2 and C4 increases. After all, when the direction of the torque acting on the receiving body 20 is reversed, the fluctuation (increase or decrease) of the capacitance values of the first to fourth capacitance elements C1 to C4 is also reversed.

本実施の形態では、前述したように、第1〜第4梁構造体231A〜231Dの存在によって、各計測点P1〜P4に生じる変位は、各変形部236A〜236Dに生じる変位よりも大きい。このため、静電容量素子が各変形部236A〜236Dに直接配置されている従来のトルクセンサと比較して、各静電容量素子C1〜C4の静電容量値の変動量は、大きい。 In the present embodiment, as described above, the displacement generated at each measurement point P1 to P4 due to the presence of the first to fourth beam structures 231A to 231D is larger than the displacement generated at each deformed portion 236A to 236D. Therefore, the amount of fluctuation in the capacitance value of each of the capacitance elements C1 to C4 is larger than that of the conventional torque sensor in which the capacitance elements are directly arranged in the deformed portions 236A to 236D.

以上のような静電容量素子C1〜C4の静電容量値の変動に鑑み、検出回路240は、次の[式1]を用いてトルクセンサ200cに作用したZ軸回りのトルクTを算出する。[式1]において、C1〜C4は、第1〜第4静電容量素子C1〜C4の静電容量値の変動量を示している。 In view of the fluctuation of the capacitance value of the capacitance elements C1 to C4 as described above, the detection circuit 240 calculates the torque T around the Z axis acting on the torque sensor 200c using the following [Equation 1]. .. In [Equation 1], C1 to C4 indicate the amount of fluctuation in the capacitance value of the first to fourth capacitance elements C1 to C4.

[式1]
T=C1−C2+C3−C4
そして、検出回路240は、予め格納されたテーブルを参照して、[式1]に基づいて得られる値から、作用したトルクを特定する。そして、特定されたトルクに対応する電気信号が、所定の出力端子(不図示)から出力される。
[Equation 1]
T = C1-C2 + C3-C4
Then, the detection circuit 240 refers to the table stored in advance and identifies the applied torque from the value obtained based on [Equation 1]. Then, an electric signal corresponding to the specified torque is output from a predetermined output terminal (not shown).

以上のような本実施の形態によれば、4つの梁構造体231A〜231Dの存在によって、変形体230の変形部236A〜236Dに生じる弾性変形が各計測点P1〜P4において増幅される。このため、高荷重のトルクに対応可能でありながら、高精度且つ高感度でトルクを検出可能なトルクセンサ200cを提供することができる。 According to the present embodiment as described above, the elastic deformation generated in the deformed portions 236A to 236D of the deformed body 230 is amplified at the measurement points P1 to P4 by the presence of the four beam structures 231A to 231D. Therefore, it is possible to provide a torque sensor 200c capable of detecting torque with high accuracy and high sensitivity while being able to handle torque of a high load.

本実施の形態においても、2つの固定部233、235は、Z軸方向から見て、変形体230とX軸とが重なる部位にY軸対称に位置付けられ、2つの受力部232、234は、Z軸方向から見て、変形体230とY軸とが重なる部位にX軸対称に位置付けられている。更には、各計測点P1〜P4は、正のW軸上、正のV軸上、負のW軸上及び負のV軸上に1つずつ位置付けられている。これらのことによって、第1〜第4変形部236A〜236Dに生じる弾性変形を、第1〜第4梁231Ab〜231Dbの各計測点P1〜P4に生じる変位として効率的に検出することができる。 Also in the present embodiment, the two fixing portions 233 and 235 are positioned symmetrically with respect to the Y axis at the portion where the deformed body 230 and the X axis overlap when viewed from the Z axis direction, and the two receiving portions 232 and 234 are , The portion where the deformed body 230 and the Y-axis overlap when viewed from the Z-axis direction is positioned symmetrically with respect to the X-axis. Further, each measurement point P1 to P4 is positioned on the positive W axis, the positive V axis, the negative W axis, and the negative V axis one by one. As a result, the elastic deformation generated in the first to fourth deformed portions 236A to 236D can be efficiently detected as the displacement generated in the measurement points P1 to P4 of the first to fourth beams 231Ab to 231Db.

また、本実施の形態の検出回路240は、第1〜第4梁231Ab〜231Dbの各計測点P1〜P4に1つずつ配置された4つの変位電極Em1〜Em4と、これらの変位電極Em1〜Em4に対向配置された固定電極Ef1〜Ef4と、によって構成された4組の静電容量素子C1〜C4を有している。そして、検出回路240は、前述した[式1]に基づいて、作用したトルクを示す電気信号を出力するようになっている。このため、作用したトルクを容易に検出することができると共に、Z軸まわりのトルク以外の力(X,Y,Zの各軸方向の力やX軸、Y軸回りのトルク)による影響や、使用環境の温度変化による影響を受けることなく、Z軸回りのトルクのみを検出することができる。 Further, the detection circuit 240 of the present embodiment includes four displacement electrodes Em1 to Em4 arranged one at each measurement point P1 to P4 of the first to fourth beams 231Ab to 231Db, and these displacement electrodes Em1 to Em1. It has four sets of capacitance elements C1 to C4 composed of fixed electrodes Ef1 to Ef4 arranged opposite to Em4. Then, the detection circuit 240 is adapted to output an electric signal indicating the applied torque based on the above-mentioned [Equation 1]. Therefore, the applied torque can be easily detected, and the influence of forces other than the torque around the Z axis (forces in the X, Y, Z axial directions and torques around the X axis and the Y axis) can be detected. Only the torque around the Z axis can be detected without being affected by the temperature change in the usage environment.

<<< §3. 本発明の第3の実施の形態によるトルクセンサ >>>
次に、本発明の第3の実施の形態によるトルクセンサ300cについて説明する。
<<< §3. Torque sensor according to the third embodiment of the present invention >>>
Next, the torque sensor 300c according to the third embodiment of the present invention will be described.

< 3−1. 基本構造部の構成 >
図11は、本発明の第3の実施の形態によるトルクセンサの基本構造部300を示す概略平面図である。
<3-1. Structure of basic structure >
FIG. 11 is a schematic plan view showing the basic structural portion 300 of the torque sensor according to the third embodiment of the present invention.

図11に示すように、基本構造部300は、4つの梁構造体331E〜331Hが変形体330の内周面にも設けられている点を除いて、図7に示す第2の実施の形態による基本構造部200と同じ構造を有している。このため、図11に示す基本構造部200において、第2の実施の形態による基本構造部200(図1参照)と共通する構成要素には同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。 As shown in FIG. 11, the basic structure portion 300 has a second embodiment shown in FIG. 7, except that four beam structures 331E to 331H are also provided on the inner peripheral surface of the deformed body 330. It has the same structure as the basic structure part 200 according to the above. Therefore, in the basic structure unit 200 shown in FIG. 11, the components common to the basic structure unit 200 (see FIG. 1) according to the second embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. ..

但し、説明の便宜上、変形体330の外周面に配置された、第2の実施の形態と共通の梁構造体を次のように置き換えることとする。すなわち、XY平面の第1象限に配置された梁構造体を第1外側梁構造体331Aとし、XY平面の第2象限に配置された梁構造体を第2外側梁構造体331Bとし、XY平面の第3象限に配置された梁構造体を第3外側梁構造体331Cとし、XY平面の第4象限に配置された梁構造体を第4外側梁構造体331Dとする。 However, for convenience of explanation, the beam structure common to the second embodiment, which is arranged on the outer peripheral surface of the deformed body 330, is replaced as follows. That is, the beam structure arranged in the first quadrant of the XY plane is referred to as the first outer beam structure 331A, and the beam structure arranged in the second quadrant of the XY plane is referred to as the second outer beam structure 331B. The beam structure arranged in the third quadrant is referred to as the third outer beam structure 331C, and the beam structure arranged in the fourth quadrant of the XY plane is referred to as the fourth outer beam structure 331D.

本実施の形態による基本構造部300は、変形体330の内周面に、変形体330の第1変形部336Aに配置された第1内側梁構造体331E、第2変形部336Bに配置された第2内側梁構造体331F、第3変形部336Cに配置された第3内側梁構造体331G、及び、第4変形部336Dに配置された第4内側梁構造体331H、の4つの梁構造体を追加的に有している。 The basic structure portion 300 according to the present embodiment is arranged on the inner peripheral surface of the deformed body 330 in the first inner beam structure 331E and the second deformed portion 336B arranged in the first deformed portion 336A of the deformed body 330. Four beam structures, a second inner beam structure 331F, a third inner beam structure 331G arranged in the third deformed portion 336C, and a fourth inner beam structure 331H arranged in the fourth deformed portion 336D. Has additionally.

図11に示すように、第1内側梁構造体331Eは、第1変形部336Aの内周面に接続された第1内側支持体331Efと、この第1内側支持体331Efによって一端が支持された第1内側梁331Ebと、を有している。第1内側梁331Ebは、第1外側梁構造体331Aの梁331Abと平行に延在している。更に、第1内側梁331Ebには、Z軸方向から見て正のV軸と重なる位置に、当該第1内側梁331Ebの変位を計測するための計測点P21が規定されている。 As shown in FIG. 11, one end of the first inner beam structure 331E is supported by the first inner support 331Ef connected to the inner peripheral surface of the first deformed portion 336A and the first inner support 331Ef. It has a first inner beam 331Eb. The first inner beam 331Eb extends parallel to the beam 331Ab of the first outer beam structure 331A. Further, the first inner beam 331Eb is defined with a measurement point P21 for measuring the displacement of the first inner beam 331Eb at a position overlapping the positive V-axis when viewed from the Z-axis direction.

また、図11に示すように、第1内側支持体331Efと変形体330との接続部位は、当該変形体330の周方向において、第1外側梁構造体331Aの第1外側支持体331Afと変形体330との接続部位と同じである。図11に示すように、同様のことが、第2〜第4内側梁構造体331F〜331Hと、その各々に対応する第2〜第4外側梁構造体331B〜331Dと、の間においても、成り立っている。 Further, as shown in FIG. 11, the connection portion between the first inner support 331Ef and the deformed body 330 is deformed from the first outer support 331Af of the first outer beam structure 331A in the circumferential direction of the deformed body 330. It is the same as the connection site with the body 330. As shown in FIG. 11, the same thing can be said between the second to fourth inner beam structures 331F to 331H and the corresponding second to fourth outer beam structures 331B to 331D. It holds.

第2内側梁構造体331Fは、第2変形部336Bの内周面に接続された第2内側支持体331Ffと、この第2内側支持体331Ffによって一端が支持された第2内側梁331Fbと、を有している。第2内側支持体331Ffと変形体330との接続部位は、当該変形体330の周方向において、第2外側梁構造体331Bの第2内側支持体331Bfと変形体330との接続部位と同じである。第2内側梁331Fbは、第2外側梁構造体331Bの梁331Bbと平行に延在している。更に、第2内側梁331Fbには、Z軸方向から見て正のW軸と重なる位置に、当該第2内側梁331Fbの変位を計測するための計測点P22が規定されている。 The second inner beam structure 331F includes a second inner support 331Ff connected to the inner peripheral surface of the second deformed portion 336B, and a second inner beam 331Fb whose one end is supported by the second inner support 331Ff. have. The connection portion between the second inner support 331Ff and the deformed body 330 is the same as the connection portion between the second inner support 331Bf and the deformed body 330 of the second outer beam structure 331B in the circumferential direction of the deformed body 330. is there. The second inner beam 331Fb extends parallel to the beam 331Bb of the second outer beam structure 331B. Further, the second inner beam 331Fb is defined with a measurement point P22 for measuring the displacement of the second inner beam 331Fb at a position overlapping the positive W axis when viewed from the Z-axis direction.

第3内側梁構造体331Gは、第3変形部336Cの内周面に接続された第3内側支持体331Gfと、この第3内側支持体331Gfによって一端が支持された第3内側梁331Gbと、を有している。第3内側支持体331Gfと変形体330との接続部位は、当該変形体330の周方向において、第3外側梁構造体331Cの第3内側支持体331Cfと変形体330との接続部位と同じである。第3内側梁331Gbは、第3外側梁構造体331Cの梁331Cbと平行に延在している。更に、第3内側梁331Gbには、Z軸方向から見て負のV軸と重なる位置に、当該第3内側梁331Gbの変位を計測するための計測点P23が規定されている。 The third inner beam structure 331G includes a third inner support 331Gf connected to the inner peripheral surface of the third deformed portion 336C, and a third inner beam 331Gb whose one end is supported by the third inner support 331Gf. have. The connection portion between the third inner support 331Gf and the deformed body 330 is the same as the connection portion between the third inner support 331Cf and the deformed body 330 of the third outer beam structure 331C in the circumferential direction of the deformed body 330. is there. The third inner beam 331Gb extends parallel to the beam 331Cb of the third outer beam structure 331C. Further, the third inner beam 331Gb is defined with a measurement point P23 for measuring the displacement of the third inner beam 331Gb at a position overlapping the negative V axis when viewed from the Z-axis direction.

更に、第4内側梁構造体331Hは、第4変形部336Dの内周面に接続された第4内側支持体331Hfと、この第4内側支持体331Hfによって一端が支持された第4内側梁331Hbと、を有している。第4内側支持体331Hfと変形体330との接続部位は、当該変形体330の周方向において、第4外側梁構造体331Dの第4内側支持体331Dfと変形体330との接続部位と同じである。第4内側梁331Hbは、第4外側梁構造体331Dの梁331Dbと平行に延在している。更に、第4内側梁331Hbには、Z軸方向から見て負のW軸と重なる位置に、当該第4内側梁331Hbの変位を計測するための計測点P24が規定されている。 Further, the fourth inner beam structure 331H has a fourth inner support 331Hf connected to the inner peripheral surface of the fourth deformed portion 336D and a fourth inner beam 331Hb whose one end is supported by the fourth inner support 331Hf. And have. The connection portion between the fourth inner support 331Hf and the deformed body 330 is the same as the connection portion between the fourth inner support 331Df and the deformed body 330 of the fourth outer beam structure 331D in the circumferential direction of the deformed body 330. is there. The fourth inner beam 331Hb extends parallel to the beam 331Db of the fourth outer beam structure 331D. Further, the fourth inner beam 331Hb is defined with a measurement point P24 for measuring the displacement of the fourth inner beam 331Hb at a position overlapping the negative W axis when viewed from the Z-axis direction.

本実施の形態では、第1〜第4内側梁構造体331E〜331Hは、互いに同じ構造を有しており、取り付け位置のみが異なっている。 In the present embodiment, the first to fourth inner beam structures 331E to 331H have the same structure as each other, and only the mounting positions are different.

結局、図11に示す例では、第1〜第4外側梁構造体331A〜331Dと対応する変形部336A〜336Dとの接続部位と、第1〜第4内側梁構造体331E〜331Hと対応する変形部336E〜336Hとの接続部位と、が変形体330の周方向において同じ位置に配置されている。更に、図11に示す例では、第1〜第4外側梁331Ab〜331Dbと対応する第1〜第4内側梁331EAb〜331Hbとが互いに平行となっている。 After all, in the example shown in FIG. 11, the connection portions between the first to fourth outer beam structures 331A to 331D and the corresponding deformed portions 336A to 336D correspond to the first to fourth inner beam structures 331E to 331H. The connection portions with the deformed portions 336E to 336H are arranged at the same positions in the circumferential direction of the deformed body 330. Further, in the example shown in FIG. 11, the first to fourth outer beams 331Ab to 331Db and the corresponding first to fourth inner beams 331EAb to 331Hb are parallel to each other.

もちろん、このような形態には限定されず、他の実施の形態では、第1〜第4内側梁構造体331E〜331Hと対応する変形部336E〜336Hとの接続部位と、が変形体330の周方向において異なる位置に配置されていても良い。また、第1〜第4外側梁331Ab〜331Dbと対応する第1〜第4内側梁331EAb〜331Hbとが互いに非平行となっていても良い。 Of course, the present invention is not limited to such a form, and in other embodiments, the connecting portion between the first to fourth inner beam structures 331E to 331H and the corresponding deformed portions 336E to 336H is the deformed body 330. They may be arranged at different positions in the circumferential direction. Further, the first to fourth outer beams 331Ab to 331Db and the corresponding first to fourth inner beams 331EAb to 331Hb may be non-parallel to each other.

< 3−2. 基本構造部の作用 >
次に、上述した基本構造部300の作用について、図12及び図13を参照して説明する。
<3-2. Action of basic structure>
Next, the operation of the basic structure unit 300 described above will be described with reference to FIGS. 12 and 13.

図12は、図11の基本構造部300に対して負のトルクT−が作用したときの変形体330を示す模式図であり、図13は、図11の基本構造部300に対して正のトルクT+が作用したときの変形体330を示す模式図である。図12及び図13において、各構成要素の厚みや幅は、無視してある。 FIG. 12 is a schematic view showing a deformed body 330 when a negative torque T- is applied to the basic structure portion 300 of FIG. 11, and FIG. 13 is a positive view of the basic structure portion 300 of FIG. It is a schematic diagram which shows the deformed body 330 when the torque T + acts. In FIGS. 12 and 13, the thickness and width of each component are ignored.

基本構造部300の受力体20に負のトルクT−が作用すると、変形体330は、図8に示す第2の実施の形態による基本構造部200と同様に弾性変形する。前述したように、変形体330の外周面に配置されている第1〜第4外側梁構造体331A〜331Dは、図8に示す第1〜第4梁構造体231A〜231Dと同一である。このため、第1〜第4外側梁構造体331A〜331Dは、変形体330の弾性変形によって、当該第1〜第4梁構造体231A〜231Dと同じ挙動を示す。すなわち、図12に示すように、第1及び第3外側梁構造体331A、331Cの各計測点P11、P13は、共に、実質的にV軸に沿って、変形体330の径方向内方に変位する。一方、第2及び第4外側梁構造体331B、331Dの各計測点P12、P14は、共に、実質的にW軸に沿って、変形体330の径方向外方に変位する。 When a negative torque T- is applied to the receiving body 20 of the basic structure portion 300, the deformed body 330 is elastically deformed in the same manner as the basic structure portion 200 according to the second embodiment shown in FIG. As described above, the first to fourth outer beam structures 331A to 331D arranged on the outer peripheral surface of the deformed body 330 are the same as the first to fourth beam structures 231A to 231D shown in FIG. Therefore, the first to fourth outer beam structures 331A to 331D exhibit the same behavior as the first to fourth beam structures 231A to 231D due to the elastic deformation of the deformed body 330. That is, as shown in FIG. 12, the measurement points P11 and P13 of the first and third outer beam structures 331A and 331C are both substantially inward in the radial direction of the deformed body 330 along the V axis. Displace. On the other hand, the measurement points P12 and P14 of the second and fourth outer beam structures 331B and 331D are both substantially displaced outward in the radial direction of the deformed body 330 along the W axis.

次に、第1〜第4内側梁構造体331E〜331Hが示す挙動については、次の通りである。まず、第1内側梁構造体331Eは、前述したように、第1内側梁331Ebと第1外側梁構造体331Aの第1梁331Abとが互いに平行であるように構成されている。このことから、第1内側梁331Eの計測点P21は、第1梁331Abの計測点P11と同様に、実質的にV軸に沿って、変形体330の径方向内方に変位する。更に、第2〜第4内側梁構造体331F〜331Hは、各内側梁331Fb〜331Hbが、対応する外側梁構造体331B〜331Dの梁331Bb〜331Dbと互いに平行であるように構成されている。これらのことから、第2〜第4内側梁331F〜331Hの各計測点P22〜P24は、対応する外側梁構造体331B〜331Dの各計測点P12〜P14と同じ方向に変位する。すなわち、第2及び第4内側梁331Fb、331Hbの各計測点P22、P24は、W軸に沿って変形体330の径方向外側に変位し、第3内側梁331Gbの計測点P23は、V軸に沿って径方向内側に変位する。 Next, the behaviors of the first to fourth inner beam structures 331E to 331H are as follows. First, as described above, the first inner beam structure 331E is configured such that the first inner beam 331Eb and the first beam 331Ab of the first outer beam structure 331A are parallel to each other. From this, the measurement point P21 of the first inner beam 331E is substantially displaced inward in the radial direction of the deformed body 330 along the V axis, similarly to the measurement point P11 of the first beam 331Ab. Further, the second to fourth inner beam structures 331F to 331H are configured such that the inner beams 331Fb to 331Hb are parallel to the beams 331Bb to 331Db of the corresponding outer beam structures 331B to 331D. From these facts, the measurement points P22 to P24 of the second to fourth inner beams 331F to 331H are displaced in the same direction as the measurement points P12 to P14 of the corresponding outer beam structures 331B to 331D. That is, the measurement points P22 and P24 of the second and fourth inner beams 331Fb and 331Hb are displaced outward in the radial direction of the deformed body 330 along the W axis, and the measurement points P23 of the third inner beam 331Gb are the V axis. Displaces inward in the radial direction along.

第1〜第4内側梁331Eb〜331Hbの各計測点P21〜P24に生じる変位の大きさは、各変形部336A〜336Dに生じる径方向(V軸方向またはW軸方向)の変位の大きさよりも、大きい(変形体330に生じる変位が増幅される)。これは、第1〜第4外側梁331Ab〜331Dbの各計測点P11〜P14に生じる変位の大きさが、各変形部336A〜336Dに生じる径方向(V軸方向またはW軸方向)の変位の大きさよりも大きいことと、同じ理由による。というのは、各内側梁構造体331E〜331Hは、当該外側梁構造体331A〜331Dを、変形体330との接続点Q1〜Q4(図8参照)における接線に関して反転させた構造を有しているからである。但し、各内側梁331Eb〜331Hbの長さは、対応する外側梁構造体331A〜331Dの梁331Ab〜331Dbの長さと必ずしも一致している必要は無い。 The magnitude of the displacement occurring at the measurement points P21 to P24 of the first to fourth inner beams 331Eb to 331Hb is larger than the magnitude of the displacement in the radial direction (V-axis direction or W-axis direction) occurring in the deformed portions 336A to 336D. , Large (displacement generated in the deformed body 330 is amplified). This is because the magnitude of the displacement that occurs at each measurement point P11 to P14 of the first to fourth outer beams 331Ab to 331Db is the displacement in the radial direction (V-axis direction or W-axis direction) that occurs in each of the deformed portions 336A to 336D. For the same reason that it is larger than the size. This is because each of the inner beam structures 331E to 331H has a structure in which the outer beam structures 331A to 331D are inverted with respect to the tangent line at the connection points Q1 to Q4 (see FIG. 8) with the deformed body 330. Because there is. However, the lengths of the inner beams 331Eb to 331Hb do not necessarily have to match the lengths of the beams 331Ab to 331Db of the corresponding outer beam structures 331A to 331D.

次に、基本構造部300の受力体20に正のトルクT+が作用すると、図13に示すように、受力部332、334は、共に時計回りに変位する。このことにより、変形体330は、図9に示す第2の実施の形態による基本構造部200と同様に弾性変形する。変形体330の外周面に配置されている第1〜第4外側梁構造体331A〜331Dは、図9に示す第1〜第4梁構造体231A〜231Dと同一であるから、変形体330の弾性変形によって、当該第1〜第4梁構造体231A〜231Dと同じ挙動を示す。すなわち、図13に示すように、第1及び第3外側梁構造体331A、331Cの各計測点P11、P13は、共に、実質的にW軸に沿って、変形体330の径方向外側に変位する。一方、第2及び第4外側梁構造体331B、331Dの各計測点P12、P14は、共に、実質的にV軸に沿って、変形体330の径方向内側に変位する。この場合も、各計測点P21〜P24に生じる変位の大きさは、各変形部336A〜336Dに生じる径方向(V軸方向またはW軸方向)の変位の大きさよりも、大きい(変形体330に生じる変位が増幅される)。 Next, when a positive torque T + acts on the receiving body 20 of the basic structure portion 300, both the receiving portions 332 and 334 are displaced clockwise as shown in FIG. As a result, the deformed body 330 is elastically deformed in the same manner as the basic structural portion 200 according to the second embodiment shown in FIG. Since the first to fourth outer beam structures 331A to 331D arranged on the outer peripheral surface of the deformed body 330 are the same as the first to fourth beam structures 231A to 231D shown in FIG. 9, the deformed body 330 Due to the elastic deformation, it exhibits the same behavior as the first to fourth beam structures 231A to 231D. That is, as shown in FIG. 13, the measurement points P11 and P13 of the first and third outer beam structures 331A and 331C are both substantially displaced outward in the radial direction of the deformed body 330 along the W axis. To do. On the other hand, the measurement points P12 and P14 of the second and fourth outer beam structures 331B and 331D are both substantially displaced inward in the radial direction of the deformed body 330 along the V axis. Also in this case, the magnitude of the displacement occurring at each measurement point P21 to P24 is larger than the magnitude of the radial (V-axis direction or W-axis direction) displacement occurring at each of the deformed portions 336A to 336D (to the deformed body 330). The resulting displacement is amplified).

< 3−3. 本実施の形態による基本構造部を採用したトルクセンサ >
次に、図14は、図11の基本構造部300を採用したトルクセンサ300cの一例を示す概略平面図である。
<3-3. Torque sensor that employs the basic structure according to this embodiment>
Next, FIG. 14 is a schematic plan view showing an example of the torque sensor 300c that employs the basic structure portion 300 of FIG.

図14に示すように、トルクセンサ300cは、図11に示す基本構造部300と、基本構造部300の8つの梁構造体331A〜331Hの各梁331Ab〜331Hbに1つずつ配置された8つの静電容量素子C11〜C24と、これらの静電容量素子C11〜C24に接続され、変形体330の各変形部336A〜336Dに生じる弾性変形に基づいて、作用したトルクを示す電気信号を出力する検出回路340と、を備えている。 As shown in FIG. 14, eight torque sensors 300c are arranged in the basic structure portion 300 shown in FIG. 11 and in each of the beams 331Ab to 331Hb of the eight beam structures 331A to 331H of the basic structure portion 300. It is connected to the capacitance elements C11 to C24 and these capacitance elements C11 to C24, and outputs an electric signal indicating the applied torque based on the elastic deformation generated in each of the deformed portions 336A to 336D of the deformed body 330. It includes a detection circuit 340 and.

図14に示すように、8つの静電容量素子とは、第1外側梁構造体331Aに配置された第1外側静電容量素子C11と、第2外側梁構造体331Bに配置された第2外側静電容量素子C12と、第3外側梁構造体331Cに配置された第3外側静電容量素子C13と、第4梁構造体331Dに配置された第4外側静電容量素子C14と、第1内側梁構造体331Eに配置された第1内側静電容量素子C21と、第2内側梁構造体331Fに配置された第2内側静電容量素子C22と、第3内側梁構造体331Gに配置された第3内側静電容量素子C23と、第4内側梁構造体331Hに配置された第4内側静電容量素子C24と、である。 As shown in FIG. 14, the eight capacitance elements are the first outer capacitance element C11 arranged in the first outer beam structure 331A and the second outer capacitance element C11 arranged in the second outer beam structure 331B. The outer capacitance element C12, the third outer capacitance element C13 arranged in the third outer beam structure 331C, the fourth outer capacitance element C14 arranged in the fourth beam structure 331D, and the first 1 First inner capacitance element C21 arranged in the inner beam structure 331E, second inner capacitance element C22 arranged in the second inner beam structure 331F, and arranged in the third inner beam structure 331G. The third inner capacitance element C23 and the fourth inner capacitance element C24 arranged in the fourth inner beam structure 331H.

これら8つの静電容量素子のうち、変形体330の外側に配置された第1〜第4外側静電容量素子C11〜C14は、第2の実施の形態によるトルクセンサ200cに配置された第1〜第4静電容量素子C1〜C4と同じ構成である。但し、説明の便宜上、第1〜第4外側静電容量素子C11〜C14を構成する各電極について、変位電極を外側変位電極Em11〜Em14と呼び、固定電極を外側固定電極Ef11〜Ef14と呼ぶこととする。 Of these eight capacitance elements, the first to fourth outer capacitance elements C11 to C14 arranged outside the deformed body 330 are the first arranged in the torque sensor 200c according to the second embodiment. It has the same configuration as the fourth capacitance elements C1 to C4. However, for convenience of explanation, for each of the electrodes constituting the first to fourth outer capacitance elements C11 to C14, the displacement electrode is referred to as the outer displacement electrode Em11 to Em14, and the fixed electrode is referred to as the outer fixed electrode Ef11 to Ef14. And.

変形体330の内側に配置された第1〜第4内側静電容量素子C21〜C24について、第1内側静電容量素子C21は、第1内側梁331Ebの計測点P21に固定体10に面するように配置された第1内側変位電極Em21と、この第1内側変位電極Em21に対向配置された第1内側固定電極Ef21と、によって構成されている。同様に、第2内側静電容量素子C22は、第2内側梁331Fbの計測点P22に固定体10に面するように配置された第2内側変位電極Em22と、この第2内側変位電極Em22に対向配置された第2内側固定電極Ef22と、によって構成されている。第3内側静電容量素子C23は、第3内側梁331Gbの計測点P23に固定体10に面するように配置された第3内側変位電極Em23と、この第3内側変位電極Em23に対向配置された第3内側固定電極Ef23と、によって構成されている。第4内側静電容量素子C24は、第4内側梁331Hbの計測点P24に固定体10に面するように配置された第4内側変位電極Em24と、この第4内側変位電極Em24に対向配置された第4内側固定電極Ef24と、によって構成されている。 Regarding the first to fourth inner capacitance elements C21 to C24 arranged inside the deformed body 330, the first inner capacitance element C21 faces the fixed body 10 at the measurement point P21 of the first inner beam 331Eb. It is composed of a first inner displacement electrode Em21 arranged in such a manner and a first inner fixed electrode Ef21 arranged to face the first inner displacement electrode Em21. Similarly, the second inner capacitance element C22 is attached to the second inner displacement electrode Em22 and the second inner displacement electrode Em22 arranged so as to face the fixed body 10 at the measurement point P22 of the second inner beam 331Fb. It is composed of a second inner fixed electrode Ef22 arranged to face each other. The third inner capacitance element C23 is arranged to face the third inner displacement electrode Em23 and the third inner displacement electrode Em23 arranged so as to face the fixed body 10 at the measurement point P23 of the third inner beam 331Gb. It is composed of a third inner fixed electrode Ef23. The fourth inner capacitance element C24 is arranged to face the fourth inner displacement electrode Em24 and the fourth inner displacement electrode Em24 arranged so as to face the fixed body 10 at the measurement point P24 of the fourth inner beam 331Hb. It is composed of a fourth inner fixed electrode Ef24.

なお、第2の実施の形態によるトルクセンサ200cと同様に、第1〜第4外側静電容量素子C11〜C14は、各外側静電容量素子C11〜C14を構成する電極の実効対向面積が全て同一であり、電極間の離間距離も全て等しく構成されている。更に、第1〜第4内側静電容量素子C21〜C24は、各内側静電容量素子C21〜C24を構成する電極の実効対向面積が全て同一であり、電極間の離間距離も全て等しく構成されている。 Similar to the torque sensor 200c according to the second embodiment, the first to fourth outer capacitance elements C11 to C14 have all the effective facing areas of the electrodes constituting the outer capacitance elements C11 to C14. They are the same, and the separation distances between the electrodes are all the same. Further, in the first to fourth inner capacitance elements C21 to C24, the effective facing areas of the electrodes constituting the inner capacitance elements C21 to C24 are all the same, and the separation distances between the electrodes are all the same. ing.

図14に示すように、第1外側固定電極Ef11は、受力体20の内周面に設けられた第1台座23A上に配置されており、第2外側固定電極Ef12は、受力体20の内周面に設けられた第2台座23B上に配置されており、第3外側固定電極Ef13は、受力体20の内周面に設けられた第3台座23C上に配置されており、第4外側固定電極Ef14は、受力体20の内周面に設けられた第4台座23D上に配置されている。図14に示すように、各台座23A〜23Dには、外側梁231Ab〜231Dbに面する領域に各外側変位電極Em11〜Em14と平行な面が形成されていることにより、各外側固定電極Ef11〜Ef14と対応する外側変位電極Em11〜Em14とは、互いに平行に(極板間距離が一定であるように)配置されている。以上のような電極の配置によって、第1外側静電容量素子C11は、正のV軸上に形成されており、第2外側静電容量素子C12は正のW軸上に形成されており、第3外側静電容量素子C13は、負のV軸上に形成されており、第4外側静電容量素子C14は、負のW軸上に形成されている。 As shown in FIG. 14, the first outer fixed electrode Ef11 is arranged on the first pedestal 23A provided on the inner peripheral surface of the receiving body 20, and the second outer fixed electrode Ef12 is the receiving body 20. The third outer fixed electrode Ef13 is arranged on the second pedestal 23B provided on the inner peripheral surface of the receiving body 20, and the third outer fixed electrode Ef13 is arranged on the third pedestal 23C provided on the inner peripheral surface of the receiving body 20. The fourth outer fixed electrode Ef14 is arranged on the fourth pedestal 23D provided on the inner peripheral surface of the receiving body 20. As shown in FIG. 14, each of the pedestals 23A to 23D is formed with a surface parallel to the outer displacement electrodes Em11 to Em14 in the region facing the outer beams 231Ab to 231Db, so that the outer fixed electrodes Ef11 to 1 The outer displacement electrodes Em11 to Em14 corresponding to Ef14 are arranged in parallel with each other (so that the distance between the plates is constant). Due to the arrangement of the electrodes as described above, the first outer capacitance element C11 is formed on the positive V axis, and the second outer capacitance element C12 is formed on the positive W axis. The third outer capacitance element C13 is formed on the negative V-axis, and the fourth outer capacitance element C14 is formed on the negative W-axis.

更に、第1内側固定電極Ef21は、固定体10の外周面に設けられた第1内側台座13A上に配置されており、第2内側固定電極Ef22は、固定体10の外周面に設けられた第2内側台座13B上に配置されており、第3内側固定電極Ef23は、固定体10の外周面に設けられた第3内側台座13C上に配置されており、第4内側固定電極Ef24は、固定体10の外周面に設けられた第4内側台座14C上に配置されている。図14に示すように、各内側台座13A〜13Dには、内側梁331Eb〜331Hbに面する領域に各内側変位電極Em21〜Em24と平行な面が形成されていることにより、各内側固定電極Ef21〜Ef24と対応する内側変位電極Em21〜Em24とは、互いに平行に(極板間距離が一定であるように)配置されている。以上のような電極の配置によって、第1内側静電容量素子C21は、正のV軸上に形成されており、第2内側静電容量素子C22は正のW軸上に形成されており、第3内側静電容量素子C23は、負のV軸上に形成されており、第4内側静電容量素子C24は、負のW軸上に形成されている。 Further, the first inner fixed electrode Ef21 is arranged on the first inner pedestal 13A provided on the outer peripheral surface of the fixed body 10, and the second inner fixed electrode Ef22 is provided on the outer peripheral surface of the fixed body 10. The third inner fixed electrode Ef23 is arranged on the second inner pedestal 13B, the third inner fixed electrode Ef23 is arranged on the third inner pedestal 13C provided on the outer peripheral surface of the fixed body 10, and the fourth inner fixed electrode Ef24 is arranged. It is arranged on the fourth inner pedestal 14C provided on the outer peripheral surface of the fixed body 10. As shown in FIG. 14, each inner pedestal 13A to 13D is formed with a surface parallel to each inner displacement electrode Em21 to Em24 in a region facing the inner beams 331Eb to 331Hb, so that each inner fixed electrode Ef21 ~ Ef24 and the corresponding inner displacement electrodes Em21 to Em24 are arranged in parallel with each other (so that the distance between the plates is constant). Due to the arrangement of the electrodes as described above, the first inner capacitance element C21 is formed on the positive V-axis, and the second inner capacitance element C22 is formed on the positive W-axis. The third inner capacitance element C23 is formed on the negative V-axis, and the fourth inner capacitance element C24 is formed on the negative W-axis.

検出回路340は、所定の電気配線(不図示)によって第1〜第4外側静電容量素子C11〜C14及び第1〜第4内側静電容量素子C21〜C24に接続されている。そして、当該検出回路340は、変形体330の弾性変形に起因して、第1〜第4外側梁331Ab〜331Dbの各計測点P11〜P14に生じる変位、及び、第1〜第4内側梁331Eb〜331Hbの各計測点P21〜P24に生じる変位、の少なくとも一方、に基づいて、作用したトルクを示す電気信号を出力するようになっている。検出回路340には、例えば、第1〜第4外側静電容量素子C11〜C14の静電容量値の各変動量を用いて、後述される所定の演算を行うことによって得られる値と、作用したトルクの値と、が対応付けられたテーブル(不図示)、及び、第1〜第4内側静電容量素子C21〜C24の静電容量値の各変動量を用いて、後述される所定の演算を行うことによって得られる値と、作用したトルクの値と、が対応付けられたテーブル(不図示)が格納されている。検出回路340は、各静電容量素子C11〜C24の静電容量値の変動量を検知すると、このテーブルを参照することによって、作用したトルクを特定するようになっている。 The detection circuit 340 is connected to the first to fourth outer capacitance elements C11 to C14 and the first to fourth inner capacitance elements C21 to C24 by predetermined electrical wiring (not shown). Then, the detection circuit 340 has displacements generated at the measurement points P11 to P14 of the first to fourth outer beams 331Ab to 331Db due to the elastic deformation of the deformed body 330, and the first to fourth inner beams 331Eb. An electric signal indicating the applied torque is output based on at least one of the displacements generated at the respective measurement points P21 to P24 of ~ 331Hb. In the detection circuit 340, for example, a value obtained by performing a predetermined calculation described later using each fluctuation amount of the capacitance value of the first to fourth outer capacitance elements C11 to C14, and an action. A predetermined table (not shown) associated with the torque value and the fluctuation amount of the capacitance value of the first to fourth inner capacitance elements C21 to C24, which will be described later, will be used. A table (not shown) in which the value obtained by performing the calculation and the value of the acting torque are associated with each other is stored. When the detection circuit 340 detects the amount of fluctuation in the capacitance value of each of the capacitance elements C11 to C24, the detection circuit 340 identifies the applied torque by referring to this table.

次に、以上のようなトルクセンサ300cを用いてトルクを計測する原理について説明する。 Next, the principle of measuring torque using the torque sensor 300c as described above will be described.

トルクセンサ300cの受力体20に負のトルク(図14における反時計回りのトルク)が作用すると、受力体20は、Z軸回りに、固定体10に対して反時計回りに回動する。このことによって、トルクセンサ300cの第1〜第4変形部336A〜336Dは、図12に示すように弾性変形する。このことによって、第1外側静電容量素子C11、第3外側静電容量素子C13、第2内側静電容量素子C22及び第4内側静電容量素子C24においては、各静電容量素子C11、C13、C22、C24を構成する電極間の離間距離が増大するため、静電容量値は減少する。一方、第2外側静電容量素子C12、第4外側静電容量素子C14、第1内側静電容量素子C21及び第3内側静電容量素子C23においては、各静電容量素子C12、C14、C21、C23を構成する電極間の離間距離が減少するため、静電容量値は増大する。 When a negative torque (counterclockwise torque in FIG. 14) acts on the receiving body 20 of the torque sensor 300c, the receiving body 20 rotates counterclockwise with respect to the fixed body 10 in the Z-axis direction. .. As a result, the first to fourth deformed portions 336A to 336D of the torque sensor 300c are elastically deformed as shown in FIG. As a result, in the first outer capacitance element C11, the third outer capacitance element C13, the second inner capacitance element C22, and the fourth inner capacitance element C24, the respective capacitance elements C11 and C13 , C22, and C24 increase the distance between the electrodes, so that the capacitance value decreases. On the other hand, in the second outer capacitance element C12, the fourth outer capacitance element C14, the first inner capacitance element C21 and the third inner capacitance element C23, the respective capacitance elements C12, C14, C21 , The capacitance value increases because the separation distance between the electrodes constituting C23 decreases.

一方、トルクセンサ300cの受力体20に正のトルク(図14における時計回りのトルク)が作用すると、受力体20は、Z軸回りに、固定体10に対して時計回りに回動する。このことによって、トルクセンサ300cの第1〜第4変形部336A〜336Dは、図13に示すように弾性変形する。このことによって、第1外側静電容量素子C11、第3外側静電容量素子C13、第2内側静電容量素子C22及び第4内側静電容量素子C24においては、各静電容量素子C11、C13、C22、C24を構成する電極間の離間距離が減少するため、静電容量値は増大する。一方、第2外側静電容量素子C12、第4外側静電容量素子C14、第1内側静電容量素子C21及び第3内側静電容量素子C23においては、各静電容量素子C12、C14、C21、C23を構成する電極間の離間距離が増大するため、静電容量値は減少する。結局、受力体20に作用するトルクの向きが逆転すると、各静電容量素子C11〜C24の静電容量値の変動(増大か減少か)も逆になる。 On the other hand, when a positive torque (clockwise torque in FIG. 14) acts on the receiving body 20 of the torque sensor 300c, the receiving body 20 rotates clockwise with respect to the fixed body 10 in the Z-axis direction. .. As a result, the first to fourth deformed portions 336A to 336D of the torque sensor 300c are elastically deformed as shown in FIG. As a result, in the first outer capacitance element C11, the third outer capacitance element C13, the second inner capacitance element C22, and the fourth inner capacitance element C24, the respective capacitance elements C11 and C13 , C22, the separation distance between the electrodes constituting C24 is reduced, so that the capacitance value is increased. On the other hand, in the second outer capacitance element C12, the fourth outer capacitance element C14, the first inner capacitance element C21 and the third inner capacitance element C23, the respective capacitance elements C12, C14, C21 , The capacitance value decreases because the separation distance between the electrodes constituting C23 increases. After all, when the direction of the torque acting on the receiving body 20 is reversed, the fluctuation (increase or decrease) of the capacitance value of each capacitance element C11 to C24 is also reversed.

本実施の形態では、前述したように、梁構造体331A〜331Hの存在によって、各計測点P11〜P24に生じる変位は、各変形部336A〜336Dに生じる変位よりも大きい。このため、静電容量素子が各変形部336A〜336Dに直接配置されている従来のトルクセンサと比較して、各静電容量素子C11〜C24の静電容量値の変動量は、大きい。 In the present embodiment, as described above, the displacement generated at the measurement points P11 to P24 due to the presence of the beam structures 331A to 331H is larger than the displacement generated at the deformed portions 336A to 336D. Therefore, the fluctuation amount of the capacitance value of each of the capacitance elements C11 to C24 is large as compared with the conventional torque sensor in which the capacitance element is directly arranged on each of the deformed portions 336A to 336D.

以上のような静電容量素子C11〜C24の静電容量値の変動に鑑み、検出回路340は、次の[式2]に示すT1またはT2のいずれかを用いて、トルクセンサ200cに作用したZ軸回りのトルクTを算出する。T1は、外側静電容量素子C11〜C14を用いて作用したトルクTを計測するための式であり、T2は、内側静電容量素子C21〜C24を用いて作用したトルクを計測するための式である。また、[式2]において、C11〜C24は、第1〜第4外側静電容量素子C11〜C14及び第1〜第4内側静電容量素子C21〜C24の静電容量値の変動量を示している。 In view of the fluctuation of the capacitance value of the capacitance elements C11 to C24 as described above, the detection circuit 340 acted on the torque sensor 200c by using either T1 or T2 shown in the following [Equation 2]. The torque T around the Z axis is calculated. T1 is an equation for measuring the torque T acted by using the outer capacitance elements C11 to C14, and T2 is an equation for measuring the torque acted by using the inner capacitance elements C21 to C24. Is. Further, in [Equation 2], C11 to C24 indicate the amount of fluctuation in the capacitance value of the first to fourth outer capacitance elements C11 to C14 and the first to fourth inner capacitance elements C21 to C24. ing.

[式2]
T1=C11−C12+C13−C14
T2=C21−C22+C23−C24
あるいは、[式2]に代えて、次の[式3]を用いて作用したトルクを計測することも可能である。この[式3]は、[式2]に示すT1とT2との和である。
[Equation 2]
T1 = C11-C12 + C13-C14
T2 = C21-C22 + C23-C24
Alternatively, instead of [Equation 2], the acting torque can be measured using the following [Equation 3]. This [Equation 3] is the sum of T1 and T2 shown in [Equation 2].

[式3]
T3=(C11+C21)−(C12+C22)+(C13+C13)−(C14+C24)
そして、検出回路340は、予め格納されたテーブルを参照して、[式2]または[式3]に基づいて得られる値から、作用したトルクを特定する。そして、特定されたトルクに対応する電気信号が、所定の出力端子(不図示)から出力される。
[Equation 3]
T3 = (C11 + C21)-(C12 + C22) + (C13 + C13)-(C14 + C24)
Then, the detection circuit 340 refers to the table stored in advance and identifies the applied torque from the values obtained based on [Equation 2] or [Equation 3]. Then, an electric signal corresponding to the specified torque is output from a predetermined output terminal (not shown).

更に、本実施の形態によるトルクセンサ300cは、次のようにして、当該トルクセンサ300cが正常に機能しているか否かをも診断することができる。すなわち、トルクセンサ300cは、[式2]に示すように、第1〜第4外側静電容量素子C11〜C14の4つの静電容量素子と、第1〜第4内側静電容量素子C21〜C24の4つの静電容量素子と、のいずれを用いても作用したトルクを計測することが可能である。したがって、トルクセンサ300cが正常に機能している場合には、[式2]に示すT1に基づいて計測されたトルクの値と、T2に基づいて計測されたトルクの値と、は実質的に同じ値になる。一方、トルクセンサ300cが正常に機能していない場合には、[式2]に示すT1に基づいて計測されたトルクの値と、T2に基づいて計測されたトルクの値と、は実質的に異なる値になる。 Further, the torque sensor 300c according to the present embodiment can also diagnose whether or not the torque sensor 300c is functioning normally as follows. That is, as shown in [Equation 2], the torque sensor 300c includes the four capacitance elements C11 to C14 of the first to fourth outer capacitance elements and the first to fourth inner capacitance elements C21 to C21. It is possible to measure the torque acted by using any of the four capacitance elements of C24. Therefore, when the torque sensor 300c is functioning normally, the torque value measured based on T1 shown in [Equation 2] and the torque value measured based on T2 are substantially equal to each other. It will be the same value. On the other hand, when the torque sensor 300c is not functioning normally, the torque value measured based on T1 shown in [Equation 2] and the torque value measured based on T2 are substantially equal to each other. It will be a different value.

このことに基づき、T1に基づいて計測されたトルクの値とT2に基づいて計測されたトルクの値との差(T1―T2)が所定の閾値を超えているとき、トルクセンサ300cが正常に機能していない(故障している)と判定され得る。なお、本実施の形態では、当該所定の閾値は、予め検出回路340内に格納されている。 Based on this, when the difference (T1-T2) between the torque value measured based on T1 and the torque value measured based on T2 exceeds a predetermined threshold value, the torque sensor 300c normally operates. It can be determined that it is not functioning (it is out of order). In the present embodiment, the predetermined threshold value is stored in the detection circuit 340 in advance.

以上のような本実施の形態によれば、第1〜第4外側梁構造体331A〜331D及び第1〜第4内側梁構造体331E〜331Hの存在によって、変形体330に生じる弾性変形が計測点P11〜P24において増幅される。このため、高荷重のトルクに対応可能でありながら、高精度且つ高感度でトルクを検出可能なトルクセンサ300cを提供することができる。 According to the present embodiment as described above, the elastic deformation generated in the deformed body 330 is measured by the presence of the first to fourth outer beam structures 331A to 331D and the first to fourth inner beam structures 331E to 331H. It is amplified at points P11 to P24. Therefore, it is possible to provide a torque sensor 300c capable of detecting torque with high accuracy and high sensitivity while being able to handle torque of a high load.

本実施の形態でも、2つの固定部333、335は、Z軸方向から見て、変形体330とY軸とが重なる部位にX軸対称に位置付けられており、2つの受力部332、334は、Z軸方向から見て、変形体330とX軸とが重なる部位にY軸対称に位置付けられている。このため、各変形部336A〜336Dに効果的に弾性変形を生じさせることができる。 Also in this embodiment, the two fixing portions 333 and 335 are positioned X-axis symmetrically at the portion where the deformed body 330 and the Y axis overlap when viewed from the Z-axis direction, and the two receiving portions 332 and 334 are located. Is positioned symmetrically with respect to the Y axis at a portion where the deformed body 330 and the X axis overlap when viewed from the Z axis direction. Therefore, elastic deformation can be effectively generated in each of the deformed portions 336A to 336D.

また、4つの外側梁構造体331A〜331Dの各計測点P11〜P14は、正のV軸上、正のW軸上、負のV軸上及び負のW軸上に1つずつ位置付けられており、4つの内側梁構造体331E〜331Hの各計測点P21〜P24も、正のV軸上、正のW軸上、負のV軸上及び負のW軸上に1つずつ位置付けられている。このため、計測点P11〜P24において、対応する変形部336A〜336Dに生じる弾性変形を効率的に増幅させることができる。 Further, each measurement point P11 to P14 of the four outer beam structures 331A to 331D is positioned one by one on the positive V axis, the positive W axis, the negative V axis, and the negative W axis. The measurement points P21 to P24 of the four inner beam structures 331E to 331H are also positioned one on the positive V axis, one on the positive W axis, one on the negative V axis, and one on the negative W axis. There is. Therefore, at the measurement points P11 to P24, the elastic deformation that occurs in the corresponding deformation portions 336A to 336D can be efficiently amplified.

本実施の形態の検出回路340は、[式2]に示すT1及びT2の少なくとも一方に基づいて、作用したトルクを示す電気信号を出力するようになっている。このため、いずれの式T1、T2を用いた場合でも、作用したトルクを容易に検出することができると共に、Z軸まわりのトルク以外の力(X,Y,Z軸方向の力やX,Z軸回りのトルク)による影響や、使用環境の温度変化による影響を受けることなく、所望のトルクを検出することができる。 The detection circuit 340 of the present embodiment outputs an electric signal indicating the applied torque based on at least one of T1 and T2 shown in [Equation 2]. Therefore, regardless of which of the equations T1 and T2 is used, the applied torque can be easily detected, and the force other than the torque around the Z axis (force in the X, Y, Z axis direction or X, Z) can be detected. The desired torque can be detected without being affected by the torque around the shaft) or the temperature change in the usage environment.

更に、検出回路340は、第1〜第4外側静電容量素子C11〜C14の静電容量値の変動量に基づいて計測されたトルクT1と、第1〜第4内側静電容量素子C21〜C24の静電容量値の変動量に基づいて計測されたトルクと、を比較することによって、トルクセンサ300cが正常に機能しているか否かを判定するようになっている。このため、作用したトルクを検出することに加え、単一のトルクセンサ300cによって、その故障診断をも行うことができる。 Further, the detection circuit 340 includes the torque T1 measured based on the fluctuation amount of the capacitance value of the first to fourth outer capacitance elements C11 to C14 and the first to fourth inner capacitance elements C21 to By comparing with the torque measured based on the fluctuation amount of the capacitance value of C24, it is determined whether or not the torque sensor 300c is functioning normally. Therefore, in addition to detecting the applied torque, the failure diagnosis can be performed by a single torque sensor 300c.

<<< §4. 各実施の形態における梁構造体の変形例 >>>
以上に示した各実施の形態では、梁構造体は、いわゆる片持ち梁として構成されていた。片持ち梁は、梁の一端が自由端となっているため、両持ち梁と比較して、共振周波数が低く、外部の振動の影響を受けやすい。例えば、各実施の形態によるトルクセンサ100c、200c、300cをモーターに直結した場合、各梁構造体(片持ち梁)とモーターの振動数(数KHz)とが一致してしまう可能性がある。更に、梁構造体は、外部環境において生じる振動の影響も受ける。この場合、トルクセンサ100c、200c、300cに設けられた梁構造体に生じる振動がノイズとして出力される電気信号に加えられることになる。すなわち、トルクセンサ100c、200c、300cが設置される環境において発生する振動の影響によって、当該トルクセンサ100c、200c、300cの出力も振動してしまい、作用するトルクが正確に検出できないおそれがある。
<<< §4. Deformation example of beam structure in each embodiment >>>
In each of the above-described embodiments, the beam structure is configured as a so-called cantilever. Since one end of the cantilever beam is a free end, the resonance frequency of the cantilever beam is lower than that of the double-sided beam, and the cantilever beam is easily affected by external vibration. For example, when the torque sensors 100c, 200c, and 300c according to each embodiment are directly connected to the motor, there is a possibility that each beam structure (cantilever) and the frequency of the motor (several KHz) match. In addition, the beam structure is also affected by vibrations that occur in the external environment. In this case, the vibration generated in the beam structure provided in the torque sensors 100c, 200c, and 300c is added to the electric signal output as noise. That is, due to the influence of vibration generated in the environment in which the torque sensors 100c, 200c, and 300c are installed, the outputs of the torque sensors 100c, 200c, and 300c also vibrate, and the acting torque may not be accurately detected.

このような問題の解決策の一案として、図15及び図16に示すように、梁構造体を両持ち梁にて構成することが有効である。 As one of the solutions to such a problem, it is effective to configure the beam structure with double-sided beams as shown in FIGS. 15 and 16.

図15は、図10の変形例を示す概略平面図であり、図16は、図10の他の変形例を示す概略平面図である。ここでは、主として図10(第2の実施の形態)の変形例について説明を行うが、同様の構造を、図6(第1の実施の形態)及び図14(第3の実施の形態)にて採用することもできる。 FIG. 15 is a schematic plan view showing a modified example of FIG. 10, and FIG. 16 is a schematic plan view showing another modified example of FIG. Here, a modified example of FIG. 10 (second embodiment) will be mainly described, but similar structures are shown in FIGS. 6 (first embodiment) and 14 (third embodiment). Can also be adopted.

図15に示すように、本変形例によるトルクセンサ201cは、各梁構造体231A〜231Dの梁231Ab〜231Dbの先端と固定体10または受力体20とを連結する連結体231Ac〜231Dcを有している点で、第2の実施の形態によるトルクセンサ200cと異なっている。 As shown in FIG. 15, the torque sensor 201c according to the present modification has connecting bodies 231Ac to 231Dc for connecting the tips of the beams 231Ab to 231Db of the beam structures 231A to 231D and the fixed body 10 or the receiving body 20. This is different from the torque sensor 200c according to the second embodiment.

具体的には、固定体10は、正のY軸上に位置する固定体接続部11に、変形体230の固定部233を介してY軸正方向に延び出た第1延出部11eと、負のY軸上に位置する固定体接続部12に、変形体230の固定部235を介してY軸負方向に延び出た第2延出部12eと、を有している。各延出部11e、12eの先端と受力体20の内周面との間には所定の隙間が存在している。そして、図15に示すように、第1梁構造体231Aの梁231Abの先端と第1延出部11eとが柔軟な第1連結体231Acによって連結されている。更に、第2梁構造体231Bの梁231Bbの先端と受力体接続部21とが柔軟な第2連結体231Bcによって連結されており、第3梁構造体231Cの梁231Cbの先端と第2延出部12eとが柔軟な第3連結体231Ccによって連結されており、第4梁構造体231Dの梁231Dbの先端と受力体接続部22とが柔軟な第4連結体231Dcによって連結されている。 Specifically, the fixed body 10 is connected to the fixed body connecting portion 11 located on the positive Y-axis with the first extending portion 11e extending in the positive direction of the Y-axis via the fixed portion 233 of the deformed body 230. The fixed body connecting portion 12 located on the negative Y-axis has a second extending portion 12e extending in the negative direction of the Y-axis via the fixed portion 235 of the deformed body 230. A predetermined gap exists between the tips of the extending portions 11e and 12e and the inner peripheral surface of the receiving body 20. Then, as shown in FIG. 15, the tip of the beam 231Ab of the first beam structure 231A and the first extending portion 11e are connected by a flexible first connecting body 231Ac. Further, the tip of the beam 231Bb of the second beam structure 231B and the receiving body connecting portion 21 are connected by the flexible second connecting body 231Bc, and the tip of the beam 231Cb of the third beam structure 231C and the second extension The protruding portion 12e is connected by a flexible third connecting body 231Cc, and the tip of the beam 231Db of the fourth beam structure 231D and the receiving body connecting portion 22 are connected by a flexible fourth connecting body 231Dc. ..

あるいは、図16に示すように、延出部11e、12eに代えて、受力体20の内周面のうちY軸上に位置する2つの部位に径方向内側に突出した第1突出部24及び第2突出部25を設けても良い。この場合、第1連結体231Acの一端を第1延出部11eに代えて第1突出部24に連結し、第3連結体231Ccの一端を第2延出部12eに代えて第2突出部25に連結すれば良い。 Alternatively, as shown in FIG. 16, instead of the extending portions 11e and 12e, the first protruding portion 24 projecting radially inward to two portions of the inner peripheral surface of the receiving body 20 located on the Y axis. And the second protruding portion 25 may be provided. In this case, one end of the first connecting body 231Ac is connected to the first protruding portion 24 instead of the first extending portion 11e, and one end of the third connecting body 231Cc is replaced with the second extending portion 12e. It may be connected to 25.

以上のような両持ち梁による梁構造体を有するトルクセンサ201c、202cによれば、連結体231Ac〜231Dcの存在によって、外部環境において生じる振動が減衰されて梁構造体231A〜231Dに伝達されることになる。このため、トルクセンサ201c、202cから出力される電気信号に含まれるノイズが低減または除去され、トルクの計測をより高精度で行うことができる。 According to the torque sensors 201c and 202c having the beam structure with the double-sided beam as described above, the vibration generated in the external environment is attenuated by the presence of the connecting bodies 231Ac to 231Dc and transmitted to the beam structures 231A to 231D. It will be. Therefore, noise contained in the electric signals output from the torque sensors 201c and 202c is reduced or eliminated, and the torque can be measured with higher accuracy.

なお、以上のような両持ち梁による構造体を第1の実施の形態によるトルクセンサ100c(図6参照)に採用する場合には、図15に示すトルクセンサ201cまたは図16に示すトルクセンサ202cの第1象限に示されている構造を採用すればよい。また、以上のような両持ち梁による構造体を第3の実施の形態によるトルクセンサ300c(図14参照)に採用する場合、第1〜第4外側梁構造体331A〜331Dについては、図15に示すトルクセンサ201cまたは図16に示すトルクセンサ202cと同じ構造を採用することができる。残りの第1〜第4内側梁構造体331E〜331Hについては、例えば、第1及び第3内側梁331Eb、331Gbの先端と固定体接続部11、12とを柔軟な連結体でそれぞれ連結し、第2及び第4内側梁331Fb、331Hbの先端と固定体10とを柔軟な連結体で接続すればよい。 When the structure with the double-sided beam as described above is adopted for the torque sensor 100c (see FIG. 6) according to the first embodiment, the torque sensor 201c shown in FIG. 15 or the torque sensor 202c shown in FIG. 16 The structure shown in the first quadrant of the above may be adopted. Further, when the structure having the double-sided beam as described above is adopted for the torque sensor 300c (see FIG. 14) according to the third embodiment, the first to fourth outer beam structures 331A to 331D are shown in FIG. The same structure as the torque sensor 201c shown in FIG. 16 or the torque sensor 202c shown in FIG. 16 can be adopted. For the remaining first to fourth inner beam structures 331E to 331H, for example, the tips of the first and third inner beams 331Eb and 331Gb and the fixed body connecting portions 11 and 12 are connected by a flexible connecting body, respectively. The tips of the second and fourth inner beams 331Fb and 331Hb and the fixed body 10 may be connected by a flexible connecting body.

<<< §4. 極板間の実効対向面積を一定に保つための工夫 >>>
以上の各トルクセンサは、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、静電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、各静電容量素子を構成する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ことも考えられる。これは、面積が小さい方の電極(例えば変位電極)の輪郭を、面積が大きい方の電極(例えば固定電極)の表面に当該電極の法線方向に投影して正射影投影像を形成した場合、面積が小さい方の電極の投影像が、面積が大きい方の電極の表面内に完全に含まれるような状態である。この状態が維持されれば、両電極によって構成される静電容量素子の実効面積は、小さい方の電極の面積に等しくなり、常に一定になる。すなわち、力の検出精度を向上させることができる。
<<< §4. Ingenuity to keep the effective facing area between the plates constant >>>
Each of the above torque sensors is static so that the effective facing area of the pair of electrodes constituting the capacitance element does not change even when the relative position of the displacement electrode with respect to the fixed electrode changes as a result of the torque acting. It is also conceivable to set the area of one of the fixed electrode and the displacement electrode constituting the capacitance element to be larger than the area of the other. This is the case where the contour of the electrode having a smaller area (for example, a displacement electrode) is projected onto the surface of the electrode having a larger area (for example, a fixed electrode) in the normal direction of the electrode to form a normal projection image. , The projected image of the electrode having the smaller area is completely included in the surface of the electrode having the larger area. If this state is maintained, the effective area of the capacitance element composed of both electrodes becomes equal to the area of the smaller electrode and is always constant. That is, the force detection accuracy can be improved.

これまでに説明してきた各実施の形態及び変形例の各々は、対応する各図面に示されているように、固定電極の面積の方が変位電極の面積よりも大きく構成されている。 In each of the embodiments and modifications described so far, the area of the fixed electrode is larger than the area of the displacement electrode, as shown in the corresponding drawings.

<<< §5. その他の変形例 >>>
以上に示した各実施の形態及び変形例において、受力体20をXYZ三次元座標系に対して固定された固定体とし、固定体10をZ軸回りに回動可能な受力体として構成することも可能である。このようなトルクセンサの受力体(以上の各実施の形態及び変形例における固定体10に相当)に正のトルクが作用すると、変形体30、230、330には、以上の各実施の形態及び変形例による各トルクセンサにおいて受力体20に負のトルクが作用した場合と同様の弾性変形が生じる。その一方、このようなトルクセンサの受力体に負のトルクが作用すると、変形体30、230、330には、以上の各実施の形態及び変形例による各トルクセンサにおいて受力体20に正のトルクが作用した場合と同様の弾性変形が生じる。したがって、このトルクセンサによってトルクを計測する場合には、上述した[式1]〜[式3]において、T、T1、T2及びT3を−T、−T1、−T2及び−T3にそれぞれ読み替えればよい。
<<< §5. Other variants >>>
In each of the above-described embodiments and modifications, the receiving body 20 is a fixed body fixed to the XYZ three-dimensional coordinate system, and the fixed body 10 is configured as a receiving body that can rotate around the Z axis. It is also possible to do. When a positive torque acts on the receiving body of such a torque sensor (corresponding to the fixed body 10 in each of the above embodiments and modifications), the deformed bodies 30, 230, and 330 are subjected to the above embodiments. In each torque sensor according to the deformation example, elastic deformation similar to the case where a negative torque acts on the receiving body 20 occurs. On the other hand, when a negative torque acts on the receiving body of such a torque sensor, the deformed bodies 30, 230, and 330 are positive to the receiving body 20 in each of the torque sensors according to the above embodiments and modifications. The same elastic deformation occurs when the torque of. Therefore, when the torque is measured by this torque sensor, T, T1, T2 and T3 should be read as -T, -T1, -T2 and -T3 in the above-mentioned [Equation 1] to [Equation 3], respectively. Just do it.

次に、図17は、図10の更に他の変形例によるトルクセンサ203cを示す概略平面図である。図17に示すように、本変形例では、固定電極Ef1〜Ef4を支持する台座23Ac〜23Dcが受力体20から離間して配置されている点で、図10の例とは異なっている。本変形例において、台座23Ac〜23Dcは、図17の手前側から奥側に向かって延在しており、奥側の端部が固定体10に接続されている。これにより、台座23Ac〜23Dcは、固定体10に対して移動しないようになっている。図10に示すトルクセンサ200cでは、台座23Ac〜23Dcが受力体20の内面上に配置されている。 Next, FIG. 17 is a schematic plan view showing the torque sensor 203c according to still another modification of FIG. 10. As shown in FIG. 17, this modification is different from the example of FIG. 10 in that the pedestals 23Ac to 23Dc supporting the fixed electrodes Ef1 to Ef4 are arranged apart from the receiving body 20. In this modification, the pedestals 23Ac to 23Dc extend from the front side to the back side of FIG. 17, and the end portion on the back side is connected to the fixed body 10. As a result, the pedestals 23Ac to 23Dc do not move with respect to the fixed body 10. In the torque sensor 200c shown in FIG. 10, the pedestals 23Ac to 23Dc are arranged on the inner surface of the receiving body 20.

このため、受力体20にZ軸回りのトルク以外の力(例えばX軸方向の力、Y軸方向の力)が作用すると、受力体20と共に各固定電極Ef1〜Ef4がZ軸方向及び/Y軸方向に移動してしまう。これに対し、図17に示すトルクセンサ203cでは、受力体20にZ軸回りのトルク以外の力(例えばX軸方向の力、Y軸方向の力)が作用して、受力体20の中心位置がZ軸方向から見て原点Oと一致しなくなっても、各固定電極Ef1〜Ef4がその影響によって変位してしまうことが無い。これにより、図17に示すトルクセンサは、作用したトルクを一層安定的に計測することができる。 Therefore, when a force other than the torque around the Z axis (for example, a force in the X-axis direction and a force in the Y-axis direction) acts on the receiving body 20, each of the fixed electrodes Ef1 to Ef4 moves in the Z-axis direction and / It moves in the Y-axis direction. On the other hand, in the torque sensor 203c shown in FIG. 17, a force other than the torque around the Z axis (for example, a force in the X-axis direction and a force in the Y-axis direction) acts on the receiving body 20 to cause the receiving body 20 to act. Even if the center position does not coincide with the origin O when viewed from the Z-axis direction, the fixed electrodes Ef1 to Ef4 will not be displaced due to the influence thereof. As a result, the torque sensor shown in FIG. 17 can measure the applied torque more stably.

もちろん、このような台座の配置は、これまで説明したトルクセンサ100c(図6参照)、トルクセンサ200c〜202c(図10、図15及び図16参照)及びトルクセンサ300c(図14参照)に対しても、適用することができる。 Of course, such an arrangement of the pedestal is relative to the torque sensor 100c (see FIG. 6), the torque sensors 200c to 202c (see FIGS. 10, 15 and 16) and the torque sensor 300c (see FIG. 14) described so far. Even if it can be applied.

あるいは、以上に示した各実施の形態及び変形例では、固定体10及び受力体20がXY平面上に同心に配置されているが、図18に示すように、Z軸方向において変形体30、230、330を挟み込むように配置されていても良い。なお、図18においては、固定体10、受力体20及び変形体30、230、330のみが示されており、梁構造体、静電容量素子等の図示は省略されている。もちろん、この場合も、固定体10及び受力体20のうちのいずれか一方がXYZ三次元座標系に対して固定されていれば良い。 Alternatively, in each of the above-described embodiments and modifications, the fixed body 10 and the receiving body 20 are arranged concentrically on the XY plane, but as shown in FIG. 18, the deformed body 30 is arranged in the Z-axis direction. , 230, 330 may be arranged so as to sandwich them. In FIG. 18, only the fixed body 10, the receiving body 20, and the deformed bodies 30, 230, and 330 are shown, and the beam structure, the capacitance element, and the like are not shown. Of course, in this case as well, either one of the fixed body 10 and the receiving body 20 may be fixed to the XYZ three-dimensional coordinate system.

また、§2〜§4に示した各実施の形態及び変形例において、各静電容量素子を構成する固定電極は、静電容量素子ごとに個別的に配置されていた。これにより、固定電極の自由度の高い配置が可能である。しかしながら、このような実施の形態には限定されず、例えば、各静電容量素子を構成する固定電極が共通電極として構成されていても良い。 Further, in each of the embodiments and modifications shown in §2 to §4, the fixed electrodes constituting each capacitance element were individually arranged for each capacitance element. As a result, the fixed electrodes can be arranged with a high degree of freedom. However, the present invention is not limited to such an embodiment, and for example, the fixed electrodes constituting each capacitance element may be configured as a common electrode.

また、以上の説明において、静電容量素子を支持する梁構造体、受力体20及び固定体10は、金属(アルミ軽合金、鉄系合金)によって構成される場合が多い。この場合、電極同士がショートして、トルクを適正に検出することができない。したがって、電極を支持する構成部材が金属にて構成される場合には、図19に示すように当該構成部材Bと電極Eとの間に絶縁体Iを配置すればよい。 Further, in the above description, the beam structure, the receiving body 20 and the fixed body 10 that support the capacitance element are often made of a metal (aluminum light alloy, iron-based alloy). In this case, the electrodes are short-circuited and the torque cannot be detected properly. Therefore, when the constituent member supporting the electrode is made of metal, the insulator I may be arranged between the constituent member B and the electrode E as shown in FIG.

以上の説明では、計測点P、P1〜P4、P11〜P24が配置されているV軸及びW軸について、X軸及びY軸に対しそれぞれ45°をなし互いに直交する軸であるとして各実施の形態を説明したが、これには限定されない。静電容量値の変動量は、梁構造体の梁の長さに関係し、梁が長いほど静電容量の変化が大きくなりトルクセンサの感度が高まる。このため、V軸及びW軸が添付の図面の通りに規定されていない場合であっても、計測点Pの位置が梁構造体の支持体から離れて設定されていれば、トルクセンサの感度が高められ、本発明による効果が得られることになる。したがって、V軸及びW軸が、例えば、X軸及びY軸に対して40°あるいは50°といった45°とは異なる角度をなすように規定されていても良い。更に、V軸及びW軸が互いに直交していなくても良い。 In the above description, the V-axis and W-axis in which the measurement points P, P1 to P4, and P11 to P24 are arranged are assumed to be axes that are orthogonal to each other at 45 ° with respect to the X-axis and the Y-axis. The form has been described, but the present invention is not limited to this. The amount of fluctuation in the capacitance value is related to the length of the beam of the beam structure, and the longer the beam, the larger the change in capacitance and the higher the sensitivity of the torque sensor. Therefore, even if the V-axis and W-axis are not defined as shown in the attached drawings, the sensitivity of the torque sensor is as long as the position of the measurement point P is set away from the support of the beam structure. Is enhanced, and the effect according to the present invention can be obtained. Therefore, the V-axis and the W-axis may be defined to be at angles different from 45 °, such as 40 ° or 50 °, with respect to the X-axis and the Y-axis. Further, the V-axis and the W-axis do not have to be orthogonal to each other.

10 固定体
11 固定体接続部
11e 第1延出部
12 固定体接続部
12e 第2延出部
13A〜13D 第1〜第4内側台座
20 受力体
21、22 受力体接続部
23 台座
23A〜23D 第1〜第4台座
24 第1突出部
25 第2突出部
30、30a 変形体
31 梁構造体
31b 梁
31f 支持体
32、34 受力部
33、35 固定部
36、36a 変形部
40 検出回路
100、100a 基本構造部
100c トルクセンサ
200 基本構造部
200c、201c、202c トルクセンサ
230 変形体
231A〜231D 第1〜第4梁構造体
231Ab〜231Db 第1〜第4梁(第1〜第4外側梁)
231Ac〜231Dc 第1〜第4連結体
231Af〜231Df 第1〜第4支持体
231Dc 第4連結体
231Df 第4支持体
232、234 受力部
233、235 固定部
236A〜236D 第1〜第4変形部
240 検出回路
300 基本構造部
300c トルクセンサ
330 変形体
331A〜331D 第1〜第4外側梁構造体
331Ab〜331Db 第1〜第4外側梁
331Af〜331Df 第1〜第4外側支持体
331E〜331H 第1〜第4内側梁構造体
331Eb〜331Hb 第1〜第4内側梁
331Ef〜331Hf 第1〜第4内側支持体
332、334 受力部
333、335 固定部
336A〜336D 第1〜第4変形部
340 検出回路
10 Fixed body 11 Fixed body connection part 11e 1st extension part 12 Fixed body connection part 12e 2nd extension part 13A to 13D 1st to 4th inner pedestals 20 Receiving bodies 21, 22 Receiving body connecting parts 23 Pedestal 23A ~ 23D 1st to 4th pedestal 24 1st protruding part 25 2nd protruding part 30, 30a Deformed part 31 Beam structure 31b Beam 31f Support 32, 34 Receiving part 33, 35 Fixed part 36, 36a Deformed part 40 detection Circuit 100, 100a Basic structure 100c Torque sensor 200 Basic structure 200c, 201c, 202c Torque sensor 230 Deformed bodies 231A to 231D First to fourth beam structures 231Ab to 231Db First to fourth beams (first to fourth beams) Outer beam)
231Ac to 231Dc 1st to 4th connecting bodies 231Af to 231Df 1st to 4th supports 231Dc 4th connecting body 231Df 4th support 232, 234 Receiving part 233, 235 Fixed part 236A to 236D 1st to 4th deformation Part 240 Detection circuit 300 Basic structure part 300c Torque sensor 330 Deformed body 331A to 331D First to fourth outer beam structures 331Ab to 331Db First to fourth outer beams 331Af to 331Df First to fourth outer supports 331E to 331H 1st to 4th inner beam structures 331Eb to 331Hb 1st to 4th inner beams 331Ef to 331Hf 1st to 4th inner beams 332, 334 Receiving part 333, 335 Fixing part 336A to 336D 1st to 4th deformation Part 340 detection circuit

Claims (2)

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、
XYZ三次元座標系の原点を中心とする第1の固定/受力体と、
Z軸方向から見て前記第1の固定/受力体を取り囲むように配置された環状の第2の固定/受力体と、
第1端が前記第1の固定/受力体によって支持され、第2端が前記第2の固定/受力体によって支持された第1の弾性変形体と、
第3端が前記第1の固定/受力体によって支持され、第4端が前記第2の固定/受力体によって支持された第2の弾性変形体と、
前記第1の弾性変形体に配置された第1の変位電極と、前記第1の変位電極に対向する第1の固定電極とを有する第1の静電容量素子と、
前記第2の弾性変形体に配置された第2の変位電極と、前記第2の変位電極に対向する第2の固定電極とを有する第2の静電容量素子と、
前記第2の固定/受力体から延び出るように設けられており、前記第1の静電容量素子の静電容量値および前記第2の静電容量素子の静電容量値を伝える電気配線と、
前記電気配線に接続されており、前記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、を備え、
前記第1の固定/受力体および前記第2の固定/受力体のうちの一方は、XYZ三次元座標系に対して固定され、前記第1の固定/受力体および前記第2の固定/受力体のうちの他方は、前記Z軸まわりのトルクの作用によってZ軸回りに回動し、
前記第1の固定電極は、前記第2の固定/受力体の内周面に設けられた第1の台座の上に配置され、
前記第2の固定電極は、前記第2の固定/受力体の内周面に設けられた第2の台座の上に配置され、
前記第1の弾性変形体の前記第1端と前記第2の弾性変形体の前記第3端は、Z軸方向から見てX軸またはY軸に関して対称に配置されていることを特徴とするトルクセンサ。
A torque sensor that detects torque around the Z axis in the XYZ three-dimensional coordinate system.
The first fixed / receiving body centered on the origin of the XYZ three-dimensional coordinate system,
An annular second fixed / received body arranged so as to surround the first fixed / received body when viewed from the Z-axis direction.
A first elastically deformed body whose first end is supported by the first fixed / receiving body and whose second end is supported by the second fixed / receiving body.
A second elastically deformed body whose third end is supported by the first fixed / receiving body and whose fourth end is supported by the second fixed / receiving body.
A first capacitance element having a first displacement electrode arranged on the first elastically deformed body and a first fixed electrode facing the first displacement electrode.
A second capacitance element having a second displacement electrode arranged on the second elastically deformed body and a second fixed electrode facing the second displacement electrode.
An electrical wiring that is provided so as to extend from the second fixed / receiving body and conveys the capacitance value of the first capacitance element and the capacitance value of the second capacitance element. When,
It is connected to the electrical wiring and includes a detection circuit that outputs an electrical signal indicating torque around the Z-axis.
One of the first fixed / receiving body and the second fixed / receiving body is fixed to the XYZ three-dimensional coordinate system, and the first fixed / receiving body and the second fixed / receiving body are fixed. The other of the fixed / receiving bodies rotates around the Z-axis by the action of the torque around the Z-axis.
The first fixed electrode is arranged on a first pedestal provided on the inner peripheral surface of the second fixed / receiving body.
The second fixed electrode is arranged on a second pedestal provided on the inner peripheral surface of the second fixed / receiving body.
The first end of the first elastically deformed body and the third end of the second elastically deformed body are arranged symmetrically with respect to the X-axis or the Y-axis when viewed from the Z-axis direction. Torque sensor.
前記第1の弾性変形体および前記第2の弾性変形体は、Z軸方向から見てXYZ三次元座標系の原点に関して点対称に配置されていることを特徴とする請求項1に記載のトルクセンサ。 The torque according to claim 1, wherein the first elastic deformed body and the second elastic deformed body are arranged point-symmetrically with respect to the origin of the XYZ three-dimensional coordinate system when viewed from the Z-axis direction. Sensor.
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