JP6100448B1 - トルクセンサ - Google Patents

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Abstract

本発明のトルクセンサは、環状変形体と、環状変形体の弾性変形に起因した変位を生じる第１及び第２変位電極と、第１及び変位電極に対向する位置に配置された第１及び第２固定電極と、それぞれの変位電極と固定電極とによって構成される第１及び第２容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、トルクを示す電気信号を出力する検出回路と、を備えている。環状変形体は、高弾力部と、前記高弾力部のバネ定数よりも小さいバネ定数を有する低弾力部と、を有している。検出回路は、第１容量素子の静電容量値に相当する第１電気信号と、前記第２容量素子の静電容量値に相当する第２電気信号と、を作用したトルクを示す電気信号として出力し、第１電気信号と第２電気信号との比率に基づいて、当該トルクセンサが正常に機能しているか否かを判定する。

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。
所定の回転軸まわりに作用したトルクを検出するトルクセンサは、様々な輸送機械や産業機械に広く利用されている。たとえば、下記の特許文献１には、トルクの作用によって生じた機械的な変形を歪みゲージによって検出するタイプのトルクセンサが開示されている。また、特許文献２には、シャフト表面にメッキ処理により磁歪膜を形成し、この磁歪膜の磁気特性の変化を測定することによりシャフトに作用したトルクを検出するセンサが開示されている。一方、特許文献３には、トーションバーの端部に磁気発生部を設け、この磁気発生部によって発生される磁気の磁束密度の変化を集磁リングを用いて検出するタイプのトルクセンサが開示されており、特許文献４には、Ｎ極とＳ極とが周方向に交互に並ぶように円筒状に多数の磁石を配置し、これら磁石によって生じる磁界を検出するタイプのトルクセンサが開示されている。更に、特許文献５には、トルクの作用により環状部材の形状を径方向に変形させるリンク機構を用意し、環状部材の変形によってその径方向に加わる力を荷重センサで検出するトルクセンサが開示されている。また、引用文献６には、トルクの作用により環状の弾性リングに生じた変形に起因する容量素子の静電容量値の変動量に基づいてトルクを検出する静電容量タイプのトルクセンサが開示されている。
これらのようなトルクセンサは、近年、生活支援ロボットへの用途が広がっており、高い安全性が求められている。しかしながら、例えば、現状の静電容量タイプのトルクセンサにおいては、トルク検出部を含む機構部、ＣＶ変換回路、マイコンを含む電子回路を備えているが、結露、衝撃、過負荷、あるいは当該静電容量を提供する一対の平行平板間に異物が混入することによって、故障してしまう可能性がある。特には、トルクセンサのトルク検出部は、可撓性を有するため、過負荷や繰り返し荷重によって金属疲労を生じる。このことにより、当該トルク検出部を構成する弾性体にクラック等が生じ、最終的には破断してしまう恐れがある。
トルクセンサが故障しているか否かを判断する簡便な方法として、検出対象のトルクの回転軸に沿って引用文献６に記載されているトルクセンサを複数（例えば３つ）並列に並べ、各トルクセンサの出力信号の差を評価する方法が開示されている。この方法では、３つの出力信号を２つずつ比較し、２つのトルクセンサの出力信号の差が所定の範囲内に存在していれば当該トルクセンサは正常に機能していると判断され、一方で当該差が所定の範囲内に存在していなければ、当該トルクセンサは正常に機能していない（故障している）と判断される。
特開２００９−０５８３８８号公報 特開２００７−０２４６４１号公報 特開２００９−２４４１３４号公報 特開２００６−２９２４２３号公報 特開２０００−０１９０３５号公報 特開２０１２−０３７３００号公報
しかしながら、複数のトルクセンサを用いて当該トルクセンサが正常に機能しているか否かを判断する方法を採用した場合、トルクセンサの個数に応じてコストが増大してしまう。更に、トルクセンサを設置するために必要なスペースも増大してしまい、問題である。もちろん、ロボット等に取り付けられたトルクセンサを取り外して故障診断を行うことにより、当該トルクセンサが正常に機能しているか否かを判定することは可能ではある。しかしながら、一度取り付けられたトルクセンサを取り外すことは面倒であるため、より簡便に故障診断を行うことができるトルクセンサが望まれていた。
本発明は、以上のような問題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、トルク検出部を構成する弾性体が破断する前に当該弾性体に金属疲労が生じていること検出し、当該トルク検出部の故障を診断することが可能なトルクセンサを提供することである。
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、
検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、Ｚ軸が挿通する貫通開口部を有する環状変形体と、
前記環状変形体がＸＺ平面と交わる２つの第１部位において当該環状変形体に接続された第１支持体と、
前記環状変形体がＺ軸を含みＸＺ平面とは異なる平面と交わる２つの第２部位において当該環状変形体に接続され、前記第１支持体に対してＺ軸まわりに回転可能な第２支持体と、
前記環状変形体に配置され、当該環状変形体の弾性変形に起因した変位を生じる変位電極と、
前記第１支持体のうち前記変位電極に対向する位置に配置された固定電極と、
前記変位電極と前記固定電極とによって構成される容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記第１支持体及び前記第２支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用したＺ軸まわりのトルクを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記環状変形体は、高弾力部と、前記高弾力部のバネ定数よりも小さいバネ定数を有する低弾力部と、を有し、
前記容量素子は、第１容量素子及び第２容量素子を有し、前記第１容量素子は、Ｚ軸まわりのトルクが作用したときに、前記高弾力部のうち前記環状変形体と前記第１支持体との離間距離が変化する第１位置に配置された変位電極及び固定電極から構成され、前記第２容量素子は、Ｚ軸まわりのトルクが作用したときに、前記低弾力部のうち前記環状変形体と前記第１支持体との離間距離が変化する第２位置に配置された変位電極及び固定電極から構成され、
前記検出回路は、
前記第１容量素子の静電容量値に相当する第１電気信号と、前記第２容量素子の静電容量値に相当する第２電気信号と、を作用したトルクを示す電気信号として出力し、
前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率に基づいて、当該トルクセンサが正常に機能しているか否かを判定する。
本発明によれば、高弾力部よりも低弾力部の方が先に金属疲労することに伴って、第１電気信号と第２電気信号との比率に変化が生じる。このことに着目してトルク検出部を構成する弾性体が破断する前に当該弾性体に金属疲労が生じていること検出することにより、当該トルク検出部の故障を診断することが可能なトルクセンサを提供することができる。
第１及び第２容量素子を構成する各固定電極及び各変位電極は、それぞれの容量素子ごとに個別的に形成され得る。あるいは、各固定電極及び各変位電極のうちの一方が共通電極として構成されていても良い。すなわち、前記第１及び第２容量素子の各変位電極が共通の電極で構成されているか、または、前記第１及び第２容量素子の各固定電極が共通の電極で構成されていても良い。
好ましくは、Ｚ軸まわりのトルクが作用した結果、前記固定電極に対する前記変位電極の相対位置が変化した場合にも、前記第１及び第２容量素子を構成する各一対の電極の実効対向面積が変化しないように、前記第１及び第２容量素子のそれぞれの変位電極及び固定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されている。
この場合、Ｚ軸まわりのトルクが作用しても第１及び第２容量素子を構成する各一対の電極の実効対向面積が変化しないため、トルクの検出精度とトルクセンサが正常に機能しているか否かの判定精度とを高めることができる。
以上のようなトルクセンサにおいて、前記第２支持体は、前記環状変形体がＹＺ平面と交わる２つの領域において当該環状変形体に接続されていることが好ましい。この場合、作用したトルクによる環状変形体の変形が、原点Ｏに関して対称となるため、当該トルクの測定が容易である。
好ましくは、ＸＹ平面上に、原点Ｏを通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなすＶ軸およびＷ軸を定義した場合に、Ｚ軸方向から見ると、前記第１容量素子及び前記第２容量素子は、共にＶ軸上またはＷ軸上に配置されている。
この場合、各容量素子の静電容量値の変化について、第１及び第２容量素子が互いに反対の挙動を示す。このため、各容量素子の静電容量値の変化に基づくトルクの測定及びトルクセンサの故障診断のための処理が容易である。
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、
検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、Ｚ軸が挿通する貫通開口部を有する環状変形体と、
前記環状変形体がＸＺ平面と交わる２つの第１部位において当該環状変形体に接続された第１支持体と、
前記環状変形体がＺ軸を含みＸＺ平面とは異なる平面と交わる２つの第２部位において当該環状変形体に接続され、前記第１支持体に対してＺ軸まわりに回転可能な第２支持体と、
前記環状変形体に配置され、当該環状変形体の弾性変形に起因した変位を生じる変位電極と、
前記第１支持体のうち前記変位電極に対向する位置に配置された固定電極と、
前記変位電極と前記固定電極とによって構成される容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記第１支持体及び前記第２支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用したＺ軸まわりのトルクを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記環状変形体は、高弾力部と、前記高弾力部のバネ定数よりも小さいバネ定数を有する低弾力部と、を有し、
前記容量素子は、第１容量素子、第２容量素子、第３容量素子及び第４容量素子を有し、前記第１容量素子及び前記第２容量素子は、Ｚ軸まわりのトルクが作用したときに、前記高弾力部のうち前記環状変形体と前記第１支持体との離間距離が変化する２つの第１位置に配置された変位電極及び固定電極からそれぞれ構成され、前記第３容量素子及び前記第４容量素子は、Ｚ軸まわりのトルクが作用したときに、前記低弾力部のうち前記環状変形体と前記第１支持体との離間距離が変化する２つの第２位置に配置された変位電極及び固定電極からそれぞれ構成され、
前記検出回路は、
「前記第１容量素子の静電容量値と、前記第２容量素子の静電容量値と、の差」に相当する第１電気信号と、「前記第３容量素子の静電容量値と、前記第４容量素子の静電容量値と、の差」に相当する第２電気信号と、を作用したトルクを示す電気信号として出力し、
前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率に基づいて、当該トルクセンサが正常に機能しているか否かを判定する。
本発明によれば、高弾力部よりも低弾力部の方が先に金属疲労することに伴って、第１電気信号と第２電気信号との比率に変化が生じる。このことに着目して故障診断を行うことにより、トルク検出部を構成する弾性体が破断する前に当該弾性体に金属疲労が生じていること検出し、当該トルク検出部の故障を診断することが可能なトルクセンサを提供することができる。また、本発明においては、高弾力部及び低弾力部に各２つの容量素子が配置されているため、差分検出を行うことが可能である。このため、トルクを高精度に検出することができる。
第１〜第４容量素子を構成する各固定電極及び各変位電極は、それぞれの容量素子ごとに個別的に形成され得る。あるいは、各固定電極及び各変位電極のうちの一方が共通電極として構成されていても良い。すなわち、 前記第１〜第４容量素子の各変位電極のうち少なくとも２つが共通の電極で構成されているか、または、前記第１〜第４容量素子の各固定電極のうち少なくとも２つが共通の電極で構成されていても良い。
好ましくは、Ｚ軸まわりのトルクが作用した結果、前記固定電極に対する前記変位電極の相対位置が変化した場合にも、前記第１〜第４容量素子を構成する各一対の電極の実効対向面積が変化しないように、前記第１〜第４容量素子のそれぞれの変位電極及び固定電極のうち一方の面積を他方の面積よりも大きく設定されている。
この場合、Ｚ軸まわりのトルクが作用しても第１〜第４容量素子を構成する各一対の電極の実効対向面積が変化しないため、トルクの検出精度とトルクセンサが正常に機能しているか否かの判定精度とを高めることができる。
以上のようなトルクセンサにおいて、前記第２支持体は、前記環状変形体がＹＺ平面と交わる２つの領域において当該環状変形体に接続されていることが好ましい。この場合、作用したトルクによる環状変形体の変形が、原点Ｏに関して対称となるため、当該トルクの測定が容易である。
好ましくは、ＸＹ平面上に、原点Ｏを通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなすＶ軸およびＷ軸を定義した場合に、Ｚ軸方向から見ると、前記第１容量素子は正のＶ軸上に配置され、前記第２容量素子は正のＷ軸上に配置され、前記第３容量素子は負のＶ軸上に配置され、前記第４容量素子は負のＷ軸上に配置されている。
この場合、各容量素子の静電容量値の変化について、第１及び第３容量素子が互いに同様の挙動を示し、第２及び第４容量素子が互いに同様の挙動を示す。このため、各容量素子の静電容量値の変化に基づくトルクの測定及びトルクセンサの故障診断のための処理が容易である。
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、
検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、Ｚ軸が挿通する貫通開口部を有する環状変形体と、
前記環状変形体がＸＺ平面と交わる２つの第１部位において当該環状変形体に接続された第１支持体と、
前記環状変形体がＺ軸を含みＸＺ平面とは異なる平面と交わる２つの第２部位において当該環状変形体に接続され、前記第１支持体に対してＺ軸まわりに回転可能な第２支持体と、
前記環状変形体に配置され、当該環状変形体の弾性変形に起因した変位を生じる変位電極と、
前記第１支持体のうち前記変位電極に対向する位置に配置された固定電極と、
前記変位電極と前記固定電極とによって構成される容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記第１支持体及び前記第２支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用したＺ軸まわりのトルクを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記環状変形体は、４つの高弾力部と、前記高弾力部のバネ定数よりも小さいバネ定数を有する４つの低弾力部と、が周方向に各１つずつ交互に配置されて構成され、
前記容量素子は、第１容量素子、第２容量素子、第３容量素子、第４容量素子、第５容量素子、第６容量素子、第７容量素子及び第８容量素子を有し、前記第１、第３、第５及び第７容量素子は、Ｚ軸まわりのトルクが作用したときに、前記高弾力部のうち前記環状変形体と前記第１支持体との離間距離が変化する各１つの第１位置に配置された変位電極及び固定電極からそれぞれ構成され、前記第２、第４、第６及び第８容量素子は、Ｚ軸まわりのトルクが作用したときに、前記低弾力部のうち前記環状変形体と前記第１支持体との離間距離が変化する各１つの第２位置に配置された変位電極及び固定電極からそれぞれ構成され
前記検出回路は、
「前記第１容量素子の静電容量値と前記第５容量素子の静電容量値との和と、前記第３容量素子の静電容量値と前記第７容量素子の静電容量値との和と、の差」に相当する第１電気信号と、「前記第２容量素子の静電容量値と前記第６容量素子の静電容量値との和と、前記第４容量素子の静電容量値と前記第８容量素子の静電容量値との和と、の差」に相当する第２電気信号と、を作用したトルクを示す電気信号として出力し、
前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率に基づいて、当該トルクセンサが正常に機能しているか否かを判定する。
本発明によれば、高弾力部よりも低弾力部の方が先に金属疲労することに伴って、第１電気信号と第２電気信号との比率に変化が生じる。このことに着目して故障診断を行うことにより、トルク検出部を構成する弾性体が破断する前に当該弾性体に金属疲労が生じていること検出し、当該トルク検出部の故障を診断することが可能なトルクセンサを提供することができる。また、本発明においては、高弾力部及び低弾力部に各４つの容量素子が配置されているため、高精度な差分検出を行うことが可能である。このため、トルクをより高精度に検出することができる。
このようなトルクセンサにおいて、第１〜第８容量素子を構成する各固定電極及び各変位電極は、それぞれの容量素子ごとに個別的に形成され得る。あるいは、各固定電極及び各変位電極のうちの一方が共通電極として構成されていても良い。すなわち、前記第１〜第８容量素子の各変位電極のうち少なくとも２つが共通の電極で構成されているか、または、前記第１〜第８容量素子の各固定電極のうち少なくとも２つが共通の電極で構成されていても良い。
好ましくは、Ｚ軸まわりのトルクが作用した結果、前記固定電極に対する前記変位電極の相対位置が変化した場合にも、前記第１〜第８容量素子を構成する各一対の電極の実効対向面積が変化しないように、前記第１〜第８容量素子のそれぞれの変位電極及び固定電極のうち一方の面積を他方の面積よりも大きく設定されている。
この場合、Ｚ軸まわりのトルクが作用しても第１〜第８容量素子を構成する各一対の電極の実効対向面積が変化しないため、トルクの検出精度とトルクセンサが正常に機能しているか否かの判定精度とを高めることができる。
以上のようなトルクセンサにおいて、前記第２支持体は、前記環状変形体がＹＺ平面と交わる２つの領域において当該環状変形体に接続されていることが好ましい。この場合、作用したトルクによる環状変形体の変形が、原点Ｏに関して対称となるため、当該トルクの測定が容易である。
好ましくは、ＸＹ平面上に、原点Ｏを通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなすＶ軸およびＷ軸を定義した場合に、Ｚ軸方向から見ると、前記第１高弾力部は、正のＸ軸と正のＶ軸とで区画された領域に配置され、前記第２高弾力部は、正のＹ軸と正のＷ軸とで区画された領域に配置され、前記第３高弾力部は、負のＸ軸と負のＶ軸とで区画された領域に配置され、前記第４高弾力部は、負のＹ軸と負のＷ軸とで区画された領域に配置され、前記第１低弾力部は、正のＶ軸と正のＹ軸とで区画された領域に配置され、前記第２低弾力部は、正のＷ軸と負のＸ軸とで区画された領域に配置され、前記第３低弾力部は、負のＶ軸と負のＹ軸とで区画された領域に配置され、前記第４低弾力部は、負のＷ軸と正のＸ軸とで区画された領域に配置され、前記第１容量素子は、前記第１高弾力部に配置されている。
より具体的には、前記第１容量素子及び前記第２容量素子は、正のＶ軸近傍に、Ｚ軸方向から見て当該Ｖ軸に関して対称的に配置され、
前記第３容量素子及び前記第４容量素子は、正のＷ軸近傍に、Ｚ軸方向から見て当該Ｗ軸に関して対称的に配置され、
前記第５容量素子及び前記第６容量素子は、負のＶ軸近傍に、Ｚ軸方向から見て当該Ｖ軸に関して対称的に配置され、
前記第７容量素子及び前記第８容量素子は、負のＷ軸近傍に、Ｚ軸方向から見て当該Ｗ軸に関して対称的に配置されている。
この場合、各容量素子の静電容量値の変化について、第１及び第５容量素子が互いに同様の挙動を示し、第２及び第６容量素子が互いに同様の挙動を示し、第３及び第７容量素子が互いに同様の挙動を示し、第４及び第８容量素子が互いに同様の挙動を示す。このため、各容量素子の静電容量値の変化に基づくトルクの測定及びトルクセンサの故障診断のための処理が容易である。
また、以上のトルクセンサにおいて、高弾力部及び低弾力部は、各種の態様によって構成され得る。例えば、前記低弾力部は、前記環状変形体の径方向において、前記高弾力部よりも幅狭に構成され得る。あるいは、前記低弾力部は、Ｚ軸方向において、前記高弾力部よりも肉薄に構成され得る。
また、前記変位電極は、前記環状変形体の表面、具体的には、前記環状変形体の内周面、外周面、または、前記第１支持体に面する表面に配置されていることが好ましい。この場合、固定電極との間で容量素子を構成することが容易である。
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、
検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、Ｚ軸が挿通する貫通開口部を有する環状変形体と、
前記環状変形体がＸＺ平面と交わる２つの第１部位において当該環状変形体に接続された第１支持体と、
前記環状変形体がＺ軸を含みＸＺ平面とは異なる平面と交わる２つの第２部位において当該環状変形体に接続され、前記第１支持体に対してＺ軸まわりに回転可能な第２支持体と、
前記環状変形体の所定位置に配置され、当該環状変形体の弾性変形に起因した変位を生じる変位電極と、
前記第１支持体のうち前記変位電極に対向する位置に配置された固定電極と、
前記変位電極と前記固定電極とによって構成される容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記第１支持体及び前記第２支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用したＺ軸まわりのトルクを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記環状変形体は、当該前記環状変形体上に定義された２つの検出点に位置する第１及び第２検出部と、これらの第１及び第２検出部の両端に接続された連結部と、を有し、
前記第１及び第２検出部は、それぞれ、検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる第１変形部と、検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる第２変形部と、前記第１変形部および前記第２変形部の弾性変形により変位を生じる変位部と、を有し、
前記第１変形部の外側端はこれに隣接する連結部に接続され、前記第１変形部の内側端は前記変位部に接続され、前記第２変形部の外側端はこれに隣接する連結部に接続され、前記第２変形部の内側端は前記変位部に接続され、
前記第１検出部の前記第１及び第２変形部は、前記第２検出部の前記第１及び第２変形部のバネ定数よりも大きいバネ定数を有し、
前記容量素子は、第１容量素子及び第２容量素子を有し、各容量素子は、前記第１及び第２検出部のそれぞれの前記変位部に対応する位置に配置された変位電極及び固定電極から構成され、
前記検出回路は、
前記第１容量素子の静電容量値に相当する第１電気信号と、前記第２容量素子の静電容量値に相当する第２電気信号と、を作用したトルクを示す電気信号として出力し、
前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率に基づいて、当該トルクセンサが正常に機能しているか否かを判定する。
本発明によれば、第１検出部の第１及び第２変形部よりも第２検出部の第１及び第２変形部の方が先に金属疲労しバネ定数が低下するため、長期間の使用により第１電気信号と第２電気信号との比率に変化が生じる。このことに着目して故障診断を行うことにより、トルク検出部を構成する弾性体が破断する前に当該弾性体に金属疲労が生じていること検出し、当該トルク検出部の故障を診断することが可能なトルクセンサを提供することができる。
第１及び第２容量素子を構成する各固定電極及び各変位電極は、それぞれの容量素子ごとに個別的に形成され得る。あるいは、各固定電極及び各変位電極のうちの一方が共通電極として構成されていても良い。すなわち、前記第１及び第２容量素子の各変位電極が共通の電極で構成されているか、または、前記第１及び第２容量素子の各固定電極が共通の電極で構成されていても良い。
好ましくは、Ｚ軸まわりのトルクが作用した結果、前記固定電極に対する前記変位電極の相対位置が変化した場合にも、前記第１及び第２容量素子を構成する各一対の電極の実効対向面積が変化しないように、前記第１及び第２容量素子のそれぞれの変位電極及び固定電極のうち一方の面積を他方の面積よりも大きく設定されている。
この場合、Ｚ軸まわりのトルクが作用しても第１及び第２容量素子を構成する各一対の電極の実効対向面積が変化しないため、トルクの検出精度とトルクセンサが正常に機能しているか否かの判定精度とを高めることができる。
また、前記第２支持体は、前記環状変形体がＹＺ平面と交わる２つの領域において当該環状変形体に接続されていることが好ましい。この場合、作用したトルクによる環状変形体の変形が、原点Ｏに関して対称となるため、当該トルクの測定が容易である。
好ましくは、ＸＹ平面上に、原点Ｏを通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなすＶ軸およびＷ軸を定義した場合に、Ｚ軸方向から見ると、
前記第１容量素子は、正のＶ軸上に配置され、前記第２容量素子は、正のＷ軸上に配置されている。
この場合、各容量素子の静電容量値の変化について、第１及び第２容量素子が互いに反対の挙動を示す。このため、各容量素子の静電容量値の変化に基づくトルクの測定及びトルクセンサの故障診断のための処理が容易である。
以上の各トルクセンサにおいて、相対的にバネ定数が大きい第１検出部の第１及び第２変形部と相対的にバネ定数が小さい第２検出部の第１及び第２変形部とは、各種の態様によって構成され得る。例えば、前記第２検出部の前記第１及び第２変形部は、前記環状変形体の径方向において、前記第１検出部の前記第１及び第２変形部よりも幅狭に構成され得る。あるいは、前記第２検出部の前記第１及び第２変形部は、Ｚ軸方向において、前記第１検出部の前記第１及び第２変形部よりも肉薄に構成され得る。
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、
検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、Ｚ軸が挿通する貫通開口部を有する環状変形体と、
前記環状変形体がＸＺ平面と交わる２つの第１部位において当該環状変形体に接続された第１支持体と、
前記環状変形体がＺ軸を含みＸＺ平面とは異なる平面と交わる２つの第２部位において当該環状変形体に接続され、前記第１支持体に対してＺ軸まわりに回転可能な第２支持体と、
前記環状変形体の所定位置に配置され、当該環状変形体の弾性変形に起因した変位を生じる変位電極と、
前記第１支持体のうち前記変位電極に対向する位置に配置された固定電極と、
前記変位電極と前記固定電極とによって構成される容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記第１支持体及び前記第２支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用したＺ軸まわりのトルクを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記環状変形体は、当該前記環状変形体上に定義された４つの検出点に位置する第１〜第４検出部と、これらの第１〜第４検出部の両端に接続された連結部と、を有し、
前記第１〜第４検出部は、それぞれ、検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる第１変形部と、検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる第２変形部と、前記第１変形部および前記第２変形部の弾性変形により変位を生じる変位部と、を有し、
前記第１変形部の外側端はこれに隣接する連結部に接続され、前記第１変形部の内側端は前記変位部に接続され、前記第２変形部の外側端はこれに隣接する連結部に接続され、前記第２変形部の内側端は前記変位部に接続され、
前記第１及び第４検出部の前記第１及び第２変形部は、前記第２及び第３検出部の前記第１及び第２変形部のバネ定数よりも大きいバネ定数を有し、
前記容量素子は、第１容量素子、第２容量素子、第３容量素子及び第４容量素子を有し、各容量素子は、前記第１〜第４検出部のそれぞれの前記変位部に対応する位置に配置された変位電極及び固定電極から構成され、
前記検出回路は、
「前記第１容量素子の静電容量値と前記第４容量素子の静電容量値との差」に相当する第１電気信号と、「前記第２容量素子の静電容量値と前記第３容量素子の静電容量値との差」に相当する第２電気信号と、を作用したトルクを示す電気信号として出力し、
前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率に基づいて、当該トルクセンサが正常に機能しているか否かを判定する。
本発明によれば、第１及び第４検出部の第１及び第２変形部よりも第２及び第３検出部の第１及び第２変形部の方が先に金属疲労しバネ定数が低下するため、長期間の使用により第１電気信号と第２電気信号との比率に変化が生じる。このことに着目して故障診断を行うことにより、トルク検出部を構成する弾性体が破断する前に当該弾性体に金属疲労が生じていること検出し、当該トルク検出部の故障を診断することが可能なトルクセンサを提供することができる。
このようなトルクセンサにおいて、第１〜第４容量素子を構成する各固定電極及び各変位電極は、それぞれの容量素子ごとに個別的に形成され得る。あるいは、各固定電極及び各変位電極のうちの一方が共通電極として構成されていても良い。すなわち、 前記第１〜第４容量素子の各変位電極のうち少なくとも２つが共通の電極で構成されているか、または、前記第１〜第４容量素子の各固定電極のうち少なくとも２つが共通の電極で構成されていても良い。
好ましくは、Ｚ軸まわりのトルクが作用した結果、前記固定電極に対する前記変位電極の相対位置が変化した場合にも、前記第１〜第４容量素子を構成する各一対の電極の実効対向面積が変化しないように、前記第１〜第４容量素子のそれぞれの変位電極及び固定電極のうち一方の面積を他方の面積よりも大きく設定されている。
この場合、Ｚ軸まわりのトルクが作用しても第１及び第２容量素子を構成する各一対の電極の実効対向面積が変化しないため、トルクの検出精度とトルクセンサが正常に機能しているか否かの判定精度とを高めることができる。
また、前記第２支持体は、前記環状変形体がＹＺ平面と交わる２つの領域において当該環状変形体に接続されていることが好ましい。この場合、作用したトルクによる環状変形体の変形が、原点Ｏに関して対称となるため、当該トルクの測定が容易である。
好ましくは、ＸＹ平面上に、原点Ｏを通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなすＶ軸およびＷ軸を定義した場合に、Ｚ軸方向から見ると、前記第１容量素子は、正のＶ軸上に配置され、前記第２容量素子は、正のＷ軸上に配置され、前記第３容量素子は、負のＶ軸上に配置され、前記第４容量素子は、負のＷ軸上に配置される。
この場合、各容量素子の静電容量値の変化について、第１及び第４容量素子が互いに反対の挙動を示し、第２及び第３容量素子が互いに反対の挙動を示す。このため、各容量素子の静電容量値の変化に基づくトルクの測定及びトルクセンサの故障診断のための処理が容易である。
以上の各トルクセンサにおいて、相対的にバネ定数が大きい第１検出部の第１及び第２変形部と相対的にバネ定数が小さい第２検出部の第１及び第２変形部とは、各種の態様で構成され得る。例えば、前記第２及び第３検出部の前記第１及び第２変形部は、前記環状変形体の径方向において、前記第１及び第４検出部の前記第１及び第２変形部よりも幅狭に構成され得る。あるいは、前記第２及び第３検出部の前記第１及び第２変形部は、Ｚ軸方向において、前記第１及び第４検出部の前記第１及び第２変形部よりも肉薄に構成され得る。
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、検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、Ｚ軸が挿通する貫通開口部を有する環状変形体と、
前記環状変形体がＸＺ平面と交わる２つの第１部位において当該環状変形体に接続された第１支持体と、
前記環状変形体がＺ軸を含みＸＺ平面とは異なる平面と交わる２つの第２部位において当該環状変形体に接続され、前記第１支持体に対してＺ軸まわりに回転可能な第２支持体と、
前記環状変形体の所定位置に配置され、当該環状変形体の弾性変形に起因した変位を生じる変位電極と、
前記第１支持体のうち前記変位電極に対向する位置に配置された固定電極と、
前記変位電極と前記固定電極とによって構成される容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記第１支持体及び前記第２支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用したＺ軸まわりのトルクを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記環状変形体は、当該前記環状変形体上に定義された８つの検出点に位置する第１〜第８検出部と、これらの第１〜第８検出部の両端に接続された連結部と、を有し、
前記第１〜第８検出部は、それぞれ、検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる第１変形部と、検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる第２変形部と、前記第１変形部および前記第２変形部の弾性変形により変位を生じる変位部と、を有し、
前記第１変形部の外側端はこれに隣接する連結部に接続され、前記第１変形部の内側端は前記変位部に接続され、前記第２変形部の外側端はこれに隣接する連結部に接続され、前記第２変形部の内側端は前記変位部に接続され、
前記第１、第３、第５及び第７検出部の前記第１及び第２変形部は、前記第２、第４、第６及び第８検出部の前記第１及び第２変形部のバネ定数よりも大きいバネ定数を有し、
前記容量素子は、第１容量素子、第２容量素子、第３容量素子、第４容量素子、第５容量素子、第６容量素子、第７容量素子及び第８容量素子を有し、各容量素子は、前記第１〜第８検出部のそれぞれの前記変位部に対応する位置に配置された変位電極及び固定電極から構成され、
前記検出回路は、
「前記第１容量素子の静電容量値と前記第５容量素子の静電容量値との和と、前記第３容量素子の静電容量値と前記第７容量素子の静電容量値との和と、の差」に相当する第１電気信号と、「前記第２容量素子の静電容量値と前記第６容量素子の静電容量値との和と、前記第４容量素子の静電容量値と前記第８容量素子の静電容量値との和と、の差」に相当する第２電気信号と、を作用したトルクを示す電気信号として出力し、
前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率に基づいて、当該トルクセンサが正常に機能しているか否かを判定する。
本発明によれば、第１検出部の第１及び第２変形部よりも第２検出部の第１及び第２変形部の方が先に金属疲労しバネ定数が低下するため、長期間の使用により第１電気信号と第２電気信号との比率に変化が生じる。このことに着目して故障診断を行うことにより、トルク検出部を構成する弾性体が破断する前に当該弾性体に金属疲労が生じていること検出し、当該トルク検出部の故障を診断することが可能なトルクセンサを提供することができる。また、本発明においては、第１及び第２電気信号を各４つの容量素子により提供するため、高精度な差分検出を行うことが可能である。このため、トルクをより高精度に検出することができる。
第１〜第８容量素子を構成する各固定電極及び各変位電極は、それぞれの容量素子ごとに個別的に形成され得る。あるいは、各固定電極及び各変位電極のうちの一方が共通電極として構成されていても良い。すなわち、前記第１〜第８容量素子の各変位電極のうち少なくとも２つが共通の電極で構成されているか、または、前記第１〜第８容量素子の各固定電極のうち少なくとも２つが共通の電極で構成され得る。
好ましくは、Ｚ軸まわりのトルクが作用した結果、前記固定電極に対する前記変位電極の相対位置が変化した場合にも、前記第１〜第４容量素子を構成する各一対の電極の実効対向面積が変化しないように、前記第１〜第４容量素子のそれぞれの変位電極及び固定電極のうち一方の面積を他方の面積よりも大きく設定されている。
この場合、Ｚ軸まわりのトルクが作用しても第１〜第８容量素子を構成する各一対の電極の実効対向面積が変化しないため、トルクの検出精度とトルクセンサが正常に機能しているか否かの判定精度とを高めることができる。
また、前記第２支持体は、前記環状変形体がＹＺ平面と交わる２つの領域において当該環状変形体に接続されていることが好ましい。この場合、作用したトルクによる環状変形体の変形が、原点Ｏに関して対称となるため、当該トルクの測定が容易である。
好ましくは、Ｚ軸方向から見ると、前記第１容量素子は、原点Ｏを通り正のＸ軸に対して３０°の角度をなす直線上に配置され、前記第２容量素子は、原点Ｏを通り正のＸ軸に対して６０°の角度をなす直線上に配置され、前記第３容量素子は、原点Ｏを通り正のＸ軸に対して１２０°の角度をなす直線上に配置され、前記第４容量素子は、原点Ｏを通り正のＸ軸に対して１５０°の角度をなす直線上に配置され、前記第５容量素子は、原点Ｏを通り正のＸ軸に対して２１０°の角度をなす直線上に配置され、前記第６容量素子は、原点Ｏを通り正のＸ軸に対して２４０°の角度をなす直線上に配置され、前記第７容量素子は、原点Ｏを通り正のＸ軸に対して３００°の角度をなす直線上に配置され、前記第８容量素子は、原点Ｏを通り正のＸ軸に対して３３０°の角度をなす直線上に配置されている。
この場合、各容量素子の静電容量値の変化について、第１及び第５容量素子が互いに同様の挙動を示し、第３及び第７容量素子が互いに同様の挙動を示し、第２及び第６容量素子が互いに同様の挙動を示し、第４及び第８容量素子が互いに同様の挙動を示す。このため、各容量素子の静電容量値の変化に基づくトルクの測定及びトルクセンサの故障診断のための処理が容易である。
以上の各トルクセンサにおいて、バネ定数が相対的に大きい第１検出部の第１及び第２変形部とバネ定数が相対的に小さい第２検出部の第１及び第２変形部とは、各種の態様によって構成され得る。例えば、前記第２、第４、第６及び第８検出部の前記第１及び第２変形部は、前記環状変形体の径方向において、前記第１、第３、第５及び第７検出部の前記第１及び第２変形部よりも幅狭に構成され得る。あるいは、前記第２、第４、第６及び第８検出部の前記第１及び第２変形部は、Ｚ軸方向において、前記第１、第３、第５及び第７検出部の前記第１及び第２変形部よりも肉薄に構成され得る。
好ましくは、前記検出回路は、当該トルクセンサが正常に機能している状態における前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率を基準比率として記憶する記憶部を有し、
前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率と、前記基準比率と、の差が所定の範囲内にあるか否かを判定することによって、当該トルクセンサが正常に機能しているか否かを判定する。
この場合、第１電気信号と第２電気信号との比率を基準比率と比較するため、環状変形体に金属疲労が生じていることを確実に検出することが可能である。
以上のトルクセンサにおいて、作用したトルクが前記第１電気信号に基づいて計測され得る。この場合、バネ定数が相対的に大きい検出部の第１及び第２変形部は、バネ定数が相対的に小さい検出部の第１及び第２変形部よりも金属疲労が緩やかに発現するため、環状変形体に対して荷重が繰り返し作用しても、安定的に第１電気信号を提供することができる。
あるいは、作用したトルクが前記第２電気信号に基づいて計測されても良い。この場合、第２電気信号を提供する容量素子に対応する検出部の第１及び第２変形部は、バネ定数が相対的に小さいため、作用したトルクに対して相対的に大きく変位する（感度が高い）ため、Ｓ／Ｎに優れたトルクの計測が可能となる。
また、環状変形体、第１支持部材及び第２支持部材の配置としては、次のような態様が可能である。すなわち、前記第１支持体は、前記環状変形体のＺ軸の一側に配置され、
前記第２支持体は、前記環状変形体のＺ軸の他側に配置され、
前記環状変形体は、第１接続部材を介して前記第１支持体に接続され、第２接続部材を介して前記第２支持体に接続される。
あるいは、前記第１支持体は、前記環状変形体の内周面の内側に配置され、
前記第２支持体は、前記環状変形体の外周面の外側に配置され、
前記環状変形体は、第１接続部材を介して前記第１支持体に接続され、第２接続部材を介して前記第２支持体に接続される。
前者の場合は、トルクセンサの直径を小さく構成でき、後者の場合は、トルクセンサの厚み（Ｚ軸方向の寸法）を小さく構成することができる。これらは、トルクセンサが設置されるスペースに応じて適宜選択することができる。
もちろん、他の例として、これらの配置を組み合わせてもよい。すなわち、前記第１支持体は、前記環状変形体の内周面の内側または外周面の外側に配置され、
前記第２支持体は、前記環状変形体のＺ軸の一側に配置され、
前記環状変形体は、第１接続部材を介して前記第１支持体に接続され、第２接続部材を介して前記第２支持体に接続される。
あるいは、前記第１支持体は、前記環状変形体のＺ軸の一側に配置され、
前記第２支持体は、前記環状変形体の内周面の内側または外周面の外側に配置され、
前記環状変形体は、第１接続部材を介して前記第１支持体に接続され、第２接続部材を介して前記第２支持体に接続される。
従来のトルクセンサの基本構造部の分解斜視図である。 図１に示す３つの構成要素を相互に接合することにより得られるトルクセンサの基本構造部の側面図である。 図２に示す基本構造部をＹＺ平面で切断した側断面図である。 図１に示す左側支持体および凸状部を図１の右方向から見た正面図である。 図１に示す環状変形体を図１の右方向から見た正面図である。 図１に示す右側支持体および凸状部を図１の右方向から見た正面図である。 図２に示す基本構造部をＸＹ平面で切断し、図２の左方向から見た断面図である。 図２に示す基本構造部にＺ軸正まわりのトルクが作用したときの変形状態を示すＸＹ平面での断面図である（図２に示す基本構造部をＸＹ平面で切断し、図２の左方向から見た断面図である。破線は変形前の状態を示す）。 内周面に変位電極を形成した状態の環状変形体を、図２の左方向から見た平面図である。 固定電極を取り付けた状態の右側支持体を、図２の左方向から見た平面図である。 図１０に示す右側支持体の側面図である。 図３に示す基本構造部に変位電極および固定電極を付加した構造体をＶＺ平面で切断した側断面図である（図１２の上方は、図９および図１０に示すＶ軸方向）。 図２に示す基本構造部に上述した変位電極および固定電極を付加した構造体をＸＹ平面で切断し、図２の左方向から見た断面図である。 図３に示す基本構造部に対して、Ｚ軸正まわりのトルクが作用したときの状態を示す断面図である（破線は変形前の状態を示す）。 本発明による２電極タイプのトルクセンサの基本構造部を示すＸＹ断面図である。 図１５の基本構造部に対して、Ｚ軸正まわりのトルクが作用したときの状態を示す断面図である（破線は変形前の状態を示す）。 図１５の環状変形体に金属疲労が生じていない場合（初期状態）において、トルクセンサに作用するトルクの大きさと、当該トルクセンサから出力される第１電気信号Ｔ１ａ及び第２電気信号Ｔ２ａと、の関係を示すグラフである。 図１５の環状変形体に金属疲労が生じている場合において、トルクセンサに作用するトルクの大きさと、当該トルクセンサから出力される第１電気信号Ｔ１ｂ及び第２電気信号Ｔ２ｂと、の関係を示すグラフである。 本実施の形態のトルクセンサに採用されている検出回路のブロック図である。 本発明による１電極タイプのトルクセンサの基本構造部を示すＸＹ断面図である。 図２０の基本構造部に対して、Ｚ軸正まわりのトルクが作用したときの状態を示す断面図である（破線は変形前の状態を示す）。 本発明による４電極タイプのトルクセンサの基本構造部を示すＸＹ断面図である。 図２２の基本構造部に対して、Ｚ軸正まわりのトルクが作用したときの状態を示す断面図である（破線は変形前の状態を示す）。 波型の検出部を採用した従来のトルクセンサの基本構造部の分解斜視図である。 図２４に示す３つの構成要素を相互に接合することにより得られるトルクセンサの基本構造部の側面図である。 図２４に示す環状変形体を図２４の右方向から見た正面図である。 図２４に示す環状変形体の各検出点および各接続点の配置を示すＸＹ平面上への投影図である。 図２４に示す環状変形体の検出部の詳細構造を示す部分断面図である。 図１５に示す環状変形体の検出部およびこれに対向する右側支持体の所定部分に電極を設けた詳細構造を示す部分断面図であり、図２４に示す環状変形体および右側支持体の一部を示すものである。 図２４に示す基本構造部における右側支持体に負荷がかかっている状態において、左側支持体に、Ｚ軸正まわりのトルクが作用したときの変形状態を示すＸＹ平面での断面図である。 図３０に示す変形が生じたときの各検出部の挙動を示す表である。 図１５に示す基本的実施形態に係るトルクセンサに用いる検出回路の一例を示す回路図である。 本発明に係る、波形の変形部を有する１電極タイプのトルクセンサの基本構造部を示す概略平面図である。 図３３の環状変形体に金属疲労が生じていない場合（初期状態）において、トルクセンサに作用するトルクの大きさと、当該トルクセンサから出力される第１電気信号Ｔ１ａ及び第２電気信号Ｔ２ａと、の関係を示すグラフである。 図３３の環状変形体に金属疲労が生じている場合において、トルクセンサに作用するトルクの大きさと、当該トルクセンサから出力される第１電気信号Ｔ１ｂ及び第２電気信号Ｔ２ｂと、の関係を示すグラフである。 波形の検出部を有する、本発明に係る２電極タイプのトルクセンサの基本構造部を示す概略平面図である。 波形の検出部を有する、本発明に係る４電極タイプのトルクセンサの基本構造部を示す概略平面図である。 本発明のトルクセンサに採用され得る基本構造部の変形例を示す概略正面図である。 容量素子が環状変形体と内側支持体との間に構成される場合における、固定電極及び変位電極の配置を示す図である。 固定電極に対する変位電極の相対位置が変化した場合にも、容量素子の実効面積を一定に維持する原理を示す図である。
本発明によるトルクセンサで採用されているトルクの検出原理自体は、従来のトルクセンサと共通しているため、まず、§１〜§３において従来のトルクセンサの構造とトルクの検出原理とを説明する。そして、この説明に基づいて、§４〜§６において本発明によるトルクセンサの実施の形態を説明することとする。更に、他の例として、§７及び§８において波形の検出部を採用したトルクセンサの構造とトルクの検出原理とを説明し、§９〜§１１において、波形の検出部を採用した本発明によるトルクセンサの実施の形態を説明することとする。§７及び§８において説明される波形の検出部を採用したトルクセンサは、本出願人によって出願された国際特許出願ＰＣＴ／ＪＰ２０１５／０５２７８３において提案されている。更に、いずれの実施例に対しても適用可能な変形例について§１２及び§１３で説明する。
＜＜＜ §１． 従来のトルクセンサの基本構造部 ＞＞＞
図１は、従来のトルクセンサの基本構造部の分解斜視図である。図示されるように、この基本構造部は、左側支持体１０と右側支持体２０との間に、環状変形体３０を配置し、これら３つの構成要素を相互に接合することによって構成される。ここでは、便宜上、図示のとおりＸＹＺ三次元座標系を定義して、以下の説明を行うことにする。ここで、図１の水平方向に描かれたＺ軸が、検出対象となるトルクの回転軸に相当し、このトルクセンサは、この回転軸まわり（Ｚ軸まわり）のトルクを検出する機能を果たすことになる。
図１の中央に配置された環状変形体３０は、検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、その内部には、回転軸（Ｚ軸）が挿通する貫通開口部Ｈ３０が形成されている。一方、図１の左側に配置された左側支持体１０は、環状変形体３０の左側面を支持する部材であり、図１の右側に配置された右側支持体２０は、環状変形体３０の右側面を支持する部材である。ここに示す例の場合、左側支持体１０は、回転軸（Ｚ軸）が挿通する貫通開口部Ｈ１０が形成された環状部材であり、右側支持体２０は、回転軸（Ｚ軸）が挿通する貫通開口部Ｈ２０が形成された環状部材である。
なお、一般に右側および左側という概念は、特定の観察方向から見た場合にのみ意味をもつ概念であるが、ここでは説明の便宜上、図１に示すとおり、回転軸（Ｚ軸）が左右に伸びる水平線をなすような基準観察方向（右方向がＺ軸の正方向となるような観察方向）から見たときに、環状変形体３０の左側に隣接する位置に配置された支持体を左側支持体１０と呼び、環状変形体３０の右側に隣接する位置に配置された支持体を右側支持体２０と呼ぶことにする。
ここでは、環状変形体３０の中心位置にＸＹＺ三次元座標系の原点Ｏを定義しており、左側支持体１０，環状変形体３０，右側支持体２０は、いずれもＺ軸を中心軸とする円環状の部材によって構成されている。より具体的には、環状変形体３０は、Ｚ軸（回転軸）を中心軸として配置された円盤の中央部に、より径の小さな同心円盤の形状をした貫通開口部Ｈ３０を形成することにより得られる円環状の部材からなる。同様に、左側支持体１０および右側支持体２０も、Ｚ軸（回転軸）を中心軸として配置された円盤の中央部に、より径の小さな同心円盤の形状をした貫通開口部Ｈ１０，Ｈ２０を形成することにより得られる円環状の部材からなる。もちろん、貫通開口部Ｈ１０、Ｈ２０が設けられていなくても良く、左側支持体１０と右側支持体２０は円盤でも良い。
一方、左側支持体１０の右側面には、右方に突出した２つの扇形の凸状部１１，１２が設けられており、この凸状部１１，１２の頂面が環状変形体３０の左側面に接合されている。図示のとおり、凸状部１１は環状変形体３０の上部（Ｙ軸正方向に位置する部分）に接合され、凸状部１２は環状変形体３０の下部（Ｙ軸負方向に位置する部分）に接合される。同様に、右側支持体２０の左側面には、左方に突出した２つの扇形の凸状部２１，２２が設けられており、この凸状部２１，２２の頂面が環状変形体３０の右側面に接合されている。図示のとおり、凸状部２１は環状変形体３０の奥の部分（Ｘ軸正方向に位置する部分）に接合され、凸状部２２は環状変形体３０の手前の部分（Ｘ軸負方向に位置する部分）に接合される。
図２は、図１に示す３つの構成要素を相互に接合することにより得られるトルクセンサの基本構造部の側面図であり、図３は、この基本構造部をＹＺ平面で切断した側断面図である。ここに示す例の場合、図３に示すとおり、凸状部１１，１２は、左側支持体１０と一体となった構造体であり、その頂面が環状変形体３０の左側面に接合されている。同様に、凸状部２１，２２は、右側支持体２０と一体となった構造体であり、その頂面が環状変形体３０の右側面に接合されている。
結局、凸状部１１，１２は、環状変形体３０の左側支持体１０に対向する左側の側面上の左側接続点を、左側支持体１０に接続する左側接続部材として機能し、凸状部２１，２２は、環状変形体３０の右側支持体２０に対向する右側の側面上の右側接続点を、右側支持体２０に接続する右側接続部材として機能する。
図４は、左側支持体１０および凸状部１１，１２を図１の右方向から見た正面図、図５は、環状変形体３０を図１の右方向から見た正面図、図６は、右側支持体２０および凸状部２１，２２を図１の右方向から見た正面図である。図４において、凸状部１１，１２の中心位置に示されている点Ｐ１１，Ｐ１２は左側接続点であり、§２において、環状変形体３０に対する接続位置を説明するために用いられる。同様に、図６において、凸状部２１，２２の中心位置に示されている点Ｐ２１，Ｐ２２は右側接続点であり、やはり§２において、環状変形体３０に対する接続位置を説明するために用いられる。
なお、図４に示す部品（左側支持体１０および凸状部１１，１２）と図６に示す部品（右側支持体２０および凸状部２１，２２）とは、実際には、全く同一のものにするのが好ましい。この場合、図４に示す部品をＹ軸を回転軸として１８０°回転させて裏返し、更に、Ｚ軸を回転軸として９０°回転させれば、図６に示す部品に完全に一致する。したがって、実際には、図４に示す部品を２組用意し、図５に示す部品を１組用意すれば、図２に示す基本構造部を構成することができる。
図５に示すとおり、環状変形体３０には、円形の貫通開口部Ｈ３０が設けられているが、これは、検出に必要な弾性変形を生じさせるためのものである。後述するように、この基本構造部に検出対象となるトルクが作用した場合、環状変形体３０は楕円形に変形する必要がある。このような環状変形体３０の弾性変形のしやすさは、センサの検出感度を左右するパラメータになる。弾性変形しやすい環状変形体３０を用いれば、微小なトルクでも検出可能な感度の高いセンサを実現することができるが、検出可能なトルクの最大値は抑制されることになる。逆に、弾性変形しにくい環状変形体３０を用いれば、検出可能なトルクの最大値を大きくとることができるが、感度は低下するため、微小なトルクの検出はできなくなる。
環状変形体３０の弾性変形のしやすさは、Ｚ軸方向の厚み（薄くするほど弾性変形しやすい）および貫通開口部Ｈ３０の径（大きくするほど弾性変形しやすい）に依存して決まり、更に、その材質にも依存して決まる。したがって、実用上は、トルクセンサの用途に応じて、環状変形体３０の各部の寸法や材質を適宜選択すればよい。
一方、左側支持体１０および右側支持体２０は、本発明の検出原理上、弾性変形を生じる部材である必要はない。むしろ、作用したトルクが環状変形体３０の変形に１００％寄与するようにするためには、左側支持体１０および右側支持体２０は、完全な剛体である方が好ましい。図示の例において、左側支持体１０および右側支持体２０として、中心部に貫通開口部Ｈ１０，Ｈ２０を有する環状の構造体を用いた理由は、弾性変形しやすくするためではなく、回転軸（Ｚ軸）に沿って、左側支持体１０、環状変形体３０、右側支持体２０の各貫通開口部Ｈ１０，Ｈ３０，Ｈ２０を貫く挿通孔が確保されるようにするためである。
図３の側断面図を見れば明らかなように、この基本構造部は、内部が中空となる構造を採っている。このような中空部分を有するトルクセンサを、ロボットアームの関節部分に組み込んで利用する場合、この中空部分に減速機などを配置することができ、総合的に省スペースのロボットアームを設計することが可能になる。これは、中実丸棒形状をしたトーションバーのねじれを利用する従来型のトルクセンサでは実現困難であった利点のひとつである。
このように、本発明に係るトルクセンサでは、環状変形体３０は、トルク検出に必要な程度の弾性変形を生じる材質で構成する必要があるが、左側支持体１０および右側支持体２０は、弾性変形を生じる必要はなく、むしろ剛性の高い材質を用いて構成するのが好ましい。実用上、左側支持体１０，右側支持体２０，環状変形体３０の材料としては、絶縁材料を利用するのであれば、プラスチックなどの合成樹脂を用いれば十分であり、導電材料を利用するのであれば（この場合、後述するように、電極が短絡しないよう必要箇所に絶縁を施す必要がある）、ステンレス、アルミニウムなどの金属を用いれば十分である。もちろん、絶縁材料と導電材料とを組み合わせて利用してもかまわない。
左側支持体１０、右側支持体２０、環状変形体３０は、いずれも軸方向の厚みが小さな扁平構造体によって構成することができるので、センサ全体の軸長を短く設定することが可能になる。また、環状変形体３０の形状の変位によってトルク検出が行われるので、環状変形体３０としては、弾性変形を生じる材質を用いる必要があるものの、比較的高い剛性をもった材質を利用しても、高精度の検出が可能になる。
＜＜＜ §２． 本発明におけるトルクの検出原理 ＞＞＞
続いて、ここでは、§１で述べた基本構造部にトルクが作用した場合、各部がどのように変形するかを考えてみる。図７は、図２に示す基本構造部をＸＹ平面で切断し、図２の左方向から見た断面図である。なお、この図７に示されたＸＹ座標系は、通常のＸＹ座標系を裏側から見たものになる（Ｘ軸正方向は図の左方向になる）。したがって、このＸＹ座標系では、左上領域が第１象限、右上領域が第２象限、右下領域が第３象限、左下領域が第４象限になる。図示のＩ〜ＩＶは、この座標系の各象限を示すものである。図７にハッチングを施した断面部分は、環状変形体３０の部分に相当し、その奥に、右側支持体２０が見えている。図７の点Ｐ１１〜Ｐ２２は、図４および図６に示した各接続点Ｐ１１〜Ｐ２２のＸＹ平面上への正射影投影像である。
すなわち、図７において、Ｙ軸上に配置された点Ｐ１１，Ｐ１２は、左側支持体１０の凸状部１１，１２の接合位置（接合面の中心点）を示しており、Ｘ軸上に配置された点Ｐ２１，Ｐ２２は、右側支持体２０の凸状部２１，２２の接合位置（接合面の中心点）を示している。結局、環状変形体３０の左側面は、Ｙ軸に沿った２箇所の接続点Ｐ１１，Ｐ１２において左側支持体１０に接合され、環状変形体３０の右側面は、Ｘ軸に沿った２箇所の接続点Ｐ２１，Ｐ２２において右側支持体２０に接合されていることになる。
このように、環状変形体３０の上下の２箇所を左側支持体１０に接合し、左右の２箇所を右側支持体２０に接合して、各接続点が９０°ずつずれるようにすれば、トルクの作用によって、環状変形体３０を効率的に変形させることができる。
図７に示す例の場合、環状変形体３０の両側面をＸＹ平面上に投影して正射影投影像を得た場合に、第１の右側接続点Ｐ２１の投影像が正のＸ軸上、第２の右側接続点Ｐ２２の投影像が負のＸ軸上、第１の左側接続点Ｐ１１の投影像が正のＹ軸上、第２の左側接続点Ｐ１２の投影像が負のＹ軸上に配置されていることになる。このような配置を行うと、環状変形体３０を軸対称性をもった楕円に変形させることができるので、軸対称性をもった検出値を得ることができる。
本発明に係るトルクセンサは、図２に示す基本構造部において、左側支持体１０と右側支持体２０との間に相対的に加わるトルク（回転モーメント）を検出するものであり、検出値は、両支持体１０，２０間に相対的に作用する力を示すものである。そこで、ここでは説明の便宜上、右側支持体２０に負荷がかかった状態において、左側支持体１０に加わった回転モーメントを検出対象となるトルクとして考えることにする（もちろん、左側支持体１０に負荷がかかった状態において、右側支持体２０に加わった回転モーメントを検出対象となるトルクとしても等価である。）。
たとえば、ロボットアームの関節部分にこのトルクセンサを利用した一例として、左側支持体１０にモータなどの駆動源を取り付け、右側支持体２０にロボットハンドを取り付けた例を考えてみよう。ロボットハンドに重量のある物体が把持されている状態で、駆動源から左側支持体１０に対して回転駆動力を加えたとすると、この回転駆動力が関節部分を構成する基本構造部を介して、ロボットハンド側へと伝達されることになる。この場合、右側支持体２０を回転駆動させようとするトルクが作用することになり、当該トルクは、右側支持体２０を固定した状態において、左側支持体１０に加わった回転モーメントに相当する。
さて、このような回転モーメントが、図７に示す構造体にどのような変化をもたらすかを考えてみる。右側支持体２０を固定すると、図７に示すＸ軸上の接続点Ｐ２１，Ｐ２２の位置は固定状態となる。一方、左側支持体１０に対して、たとえば、図７において時計まわりの方向に回転モーメントが加わったとすると、Ｙ軸上の接続点Ｐ１１，Ｐ１２は時計まわりに移動しようとする。そうなると、必然的に、第１象限Ｉに位置する円弧Ｐ２１−Ｐ１１の部分は内側方向に縮み、第２象限ＩＩに位置する円弧Ｐ１１−Ｐ２２の部分は外側に膨らみ、第３象限ＩＩＩに位置する円弧Ｐ２２−Ｐ１２の部分は内側方向に縮み、第４象限ＩＶに位置する円弧Ｐ１２−Ｐ２１の部分は外側に膨らむことになる。
図８は、図７に示す構造体に、このような変形が生じた状態を示す断面図である。すなわち、図２に示す基本構造部にＺ軸正まわりのトルクが作用した場合に、この基本構造部をＸＹ平面で切断し、図２の左方向から見た断面図である。なお、本願では、任意の座標軸に関して、右ねじを当該座標軸の正方向に進めるための回転方向を正方向と定義し、右ねじを当該座標軸の負方向に進めるための回転方向を負方向と定義している。したがって、図８において、Ｚ軸正まわりのトルクは、図に白抜き矢印で示すとおり時計まわりの方向に作用するトルクということになる。
図８に描かれた破線は、環状変形体３０の変形前の状態（図７の状態）を示している。この破線を参考にすれば、Ｚ軸正まわりのトルクが作用したことにより、環状変形体３０は楕円形に変形していることが容易に把握できよう。ここでは、説明の便宜上、ＸＹ平面上に、原点Ｏを通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなすＶ軸およびＷ軸を定義する。Ｖ軸は第１象限Ｉを正方向とする座標軸であり、Ｗ軸は第２象限ＩＩを正方向とする座標軸である。図示のとおり、環状変形体３０は、Ｖ軸を短軸方向、Ｗ軸を長軸方向とする楕円に変形しており、Ｖ軸およびＷ軸に対して軸対称性を有している。このような軸対称性は、§３で述べる方法でトルクの検出値を得る場合に好都合である。
図示の実施形態において、軸対称性をもった変形が生じるのは、図７に示すとおり、無負荷時（トルクが作用していない時）に環状変形体３０が完全な円形をしており、環状変形体３０の両側面をＸＹ平面上に投影して正射影投影像を得た場合に、第１の右側接続点Ｐ２１の投影像が正のＸ軸上、第２の右側接続点Ｐ２２の投影像が負のＸ軸上、第１の左側接続点Ｐ１１の投影像が正のＹ軸上、第２の左側接続点Ｐ１２の投影像が負のＹ軸上に配置されているためである。
作用したトルクが大きければ大きいほど、環状変形体３０はより扁平した楕円に変形することになる。したがって、図８において、環状変形体３０のＶ軸上に位置する部分の原点Ｏからの距離や、環状変形体３０のＷ軸上に位置する部分の原点Ｏからの距離を測定することができれば（これらの距離は、破線で示す変形前の位置からの変位量を示す情報になる）、作用したトルクの大きさを求めることができる。別言すれば、環状変形体３０の内周面もしくは外周面の径方向の変位を測定することができればよい。
一方、逆向きにトルクが作用した場合、すなわち、Ｚ軸負まわりのトルクが作用した場合は、図８に示す例とは逆に、環状変形体３０（の接続点Ｐ１１，Ｐ１２）に対して反時計まわりの回転力が作用するため、環状変形体３０は、Ｖ軸を長軸方向、Ｗ軸を短軸方向とする楕円に変形する。したがって、環状変形体３０のＶ軸上に位置する部分あるいはＷ軸上に位置する部分の変位方向は、図８に示す例とは逆の方向になる。
結局、環状変形体３０のＶ軸上に位置する部分あるいはＷ軸上に位置する部分の変位を測定すれば、作用したトルクの方向および大きさの双方を検出することが可能になる。たとえば、環状変形体３０の内周面とＶ軸との交点の位置をモニタした場合、破線で示す基準位置から内側方向に変位した場合はＺ軸正まわりのトルクが加わっており、外側方向に変位した場合はＺ軸負まわりのトルクが加わっていると判断できる。あるいは、環状変形体３０の内周面とＷ軸との交点の位置をモニタした場合、破線で示す基準位置から外側方向に変位した場合はＺ軸正まわりのトルクが加わっており、内側方向に変位した場合はＺ軸負まわりのトルクが加わっていると判断できる。もちろん、変位量の絶対値は、作用したトルクの大きさを示すものになる。
本発明に係るトルクセンサにおいて生じる環状変形体３０の径方向の変位は、環状変形体３０に生じたねじれ角度が小さくても、環状変形体の径次第で比較的大きな変位になる。このため、比較的剛性が高い環状変形体３０を用いたとしても、十分な感度をもったトルク検出が可能になる。
以上が、本発明におけるトルクの検出原理である。本発明では、このような原理に基づくトルク検出を行うために、これまで述べてきた基本構造部に、更に、容量素子と検出回路とが付加される。
＜＜＜ §３． 容量素子と検出回路 ＞＞＞
トルクセンサは、図３に示す基本構造部に、更に、容量素子と検出回路が付加されて構成されることになる。図８に示すように、トルクの作用により、環状変形体３０は楕円に変形する。このような変形により、最も大きな変位を生じる部分は、Ｖ軸上に位置する部分あるいはＷ軸上に位置する部分であるから、環状変形体３０の特定部分の変位に基づいて、環状変形体３０の変形量（作用したトルクの大きさ）を測定するには、Ｖ軸上に位置する部分あるいはＷ軸上に位置する部分の変位を測定するのが最も効率的である。
そこで、ここで述べる実施形態では、環状変形体３０の内周面のＶ軸上に位置する領域およびＷ軸上に位置する領域に変位電極を形成している。図９は、内周面に変位電極Ｅ３１、Ｅ３２を形成した状態の環状変形体３０を、図２の左方向から見た平面図である。説明の便宜上、Ｘ，Ｙ，Ｖ，Ｗ軸が重ねて描かれている。変位電極Ｅ３１は、Ｖ軸の正の領域と環状変形体３０の内周面との交差領域に形成された電極であり、変位電極Ｅ３２は、Ｗ軸の正の領域と環状変形体３０の内周面との交差領域に形成された電極である。これら変位電極Ｅ３１の奥行き寸法（図９の紙面に垂直方向の寸法）は、環状変形体３０の奥行き寸法に等しい。この例の場合、変位電極Ｅ３１、Ｅ３２は、環状変形体３０の内周面に、蒸着やメッキ等の方法で形成された金属膜などの導電層によって構成されている。もちろん、環状変形体３０がアルミニウムやステンレスのような金属でできている場合は、環状変形体３０自体が導電性をもつため、絶縁層を介して変位電極Ｅ３１、Ｅ３２を形成する必要がある。
一方、これら変位電極Ｅ３１、Ｅ３２に対向する位置には、固定電極Ｅ２１、Ｅ２２が配置され、右側支持体２０に固定されている。図１０は、これら固定電極Ｅ２１、Ｅ２２を取り付けた状態の右側支持体２０を、図２の左方向から見た平面図である。ここでも、説明の便宜上、Ｘ，Ｙ，Ｖ，Ｗ軸が重ねて描かれている。固定電極Ｅ２１は、Ｖ軸の正の領域に配置され、変位電極Ｅ３１に対向している。固定電極Ｅ２２は、Ｗ軸の正の領域に配置され、変位電極Ｅ３２に対向している。
図１１は、図１０に示す右側支持体２０の側面図である。図示のとおり、固定電極Ｅ２１は、右側支持体２０の左側面から回転軸に沿った方向（Ｚ軸負方向）に突き出した導電板によって構成されている。なお、固定電極Ｅ２１は、固定電極Ｅ２２の奥に隠れているため、図１１には現れていない。
図１２は、図３に示す基本構造部に変位電極および固定電極を付加した構造体をＶＺ平面で切断した側断面図である。図３がＹＺ平面で切断した側断面図であるのに対して、図１２はＶＺ平面で切断した側断面図であるため、図１２の上方は、Ｙ軸方向ではなく、図９および図１０に示すＶ軸方向となっている。この図１２の側断面図には、Ｖ軸上に配置された変位電極Ｅ３１と固定電極Ｅ２１とが互いに対向している状態が明瞭に示されている。変位電極Ｅ３１、Ｅ３２は、環状変形体３０の内周面に固着された電極であるため、環状変形体３０の変形に依存して変位する。一方、固定電極Ｅ２１、Ｅ２２は、右端が右側支持体２０に固定されており、環状変形体３０の変形にかかわらず、常に一定の位置を保つことになる。
結局、変位電極Ｅ３１の固定電極Ｅ２１に対する相対位置及び変位電極Ｅ３２の固定電極Ｅ２２に対する相対位置は、環状変形体３０の変形に依存して変化することになる。別言すれば、変位電極Ｅ３１と固定電極Ｅ２１との電極間距離及び変位電極Ｅ３２と固定電極Ｅ２２との電極間距離は、環状変形体３０の変形に依存して変化する。
図１３は、図２に示す基本構造部に上述した変位電極および固定電極を付加した構造体をＸＹ平面で切断し、図２の左方向から見た断面図である。この断面図では、Ｖ軸上に配置された変位電極Ｅ３１、Ｅ３２と固定電極Ｅ２１、Ｅ２２とが互いに対向した状態が明瞭に示されている。
本実施の形態の場合、変位電極Ｅ３１、Ｅ３２は、環状変形体３０の内周面に形成された導電層によって構成されているため、その表面は環状変形体３０の内周に沿った曲面になる。そこで、これらに対向する固定電極Ｅ２１、Ｅ２２も、曲面状の電極にしている。別言すれば、変位電極Ｅ３１、Ｅ３２や固定電極Ｅ２１、Ｅ２２の表面は、Ｚ軸を中心軸とした同心状の円柱表面によって構成されている。もっとも、各電極の表面形状は容量素子を構成する役割を果たすことができれば、どのような形状であってもよいので、表面が平面となる平板状の電極を用いてもかまわない。
なお、本願図面では、図示の便宜上、各変位電極および各固定電極の厚みの実寸を無視して描いてある。たとえば、変位電極Ｅ３１、Ｅ３２を、環状変形体３０の内周面に形成された導電層（蒸着層やメッキ層）によって構成した場合、その厚みは、数μｍ程度に設定することができる。これに対して、固定電極Ｅ２１、Ｅ２２を、右側支持体２０の左側面から突き出した導電板（金属板）によって構成した場合、実用上の強度を確保するために、その厚みは、数ｍｍ程度確保するのが好ましい。したがって、図１３等では、便宜上、変位電極の厚みと固定電極の厚みを同じ寸法で描いてあるが、これら電極の厚みの実寸は、製造工程や実用上の強度を考慮して、それぞれ適当な値に設定されるべきものである。
図１４は、図１３に示す基本構造部に対して、Ｚ軸正まわりのトルクが作用したときの状態を示すＸＹ断面図である。§２で述べたとおり、このようなトルクが作用すると、環状変形体３０は楕円状に変形し、Ｖ軸は当該楕円の短軸方向、Ｗ軸は当該楕円の長軸方向になる。その結果、Ｖ軸上に配置された一対の電極Ｅ２１，Ｅ３１の電極間隔は狭まり、Ｗ軸上に配置された一対の電極Ｅ２３，Ｅ３３の電極間隔は広がることになる。そこで、一対の電極Ｅ２１，Ｅ３１により容量素子Ｃ１１を構成し、一対の電極Ｅ２２，Ｅ３２により容量素子Ｃ１２を構成しておけば、この容量素子Ｃ１１、Ｃ１２の静電容量値の変動量として、作用したトルクの方向および大きさを検出することが可能になる。
たとえば、図１３に示す無負荷状態（トルクが作用していない状態）を基準として、電極Ｅ２１，Ｅ３１からなる容量素子Ｃ１１の静電容量値の変動に着目すると、図１４に示すようにＺ軸正まわりのトルクが作用すると、電極間隔が狭まるため、静電容量値は増加する。逆に、Ｚ軸負まわりのトルクが作用すると、電極間隔が広がるため、静電容量値は減少する。したがって、静電容量値の増加変動はＺ軸正まわりのトルクが作用していることを示し、静電容量値の減少変動はＺ軸負まわりのトルクが作用していることを示すことになる。もちろん、変動量の絶対値は、作用したトルクの大きさを示すことになる。
同様に、電極Ｅ２２，Ｅ３２からなる容量素子Ｃ１２の静電容量値の変動に着目すると、図１４に示すようにＺ軸正まわりのトルクが作用すると、電極間隔が広がるため、静電容量値は減少する。逆に、Ｚ軸負まわりのトルクが作用すると、電極間隔が狭まるため、静電容量値は増加する。したがって、静電容量値の減少変動はＺ軸正まわりのトルクが作用していることを示し、静電容量値の増加変動はＺ軸負まわりのトルクが作用していることを示すことになる。もちろん、変動量の絶対値は、作用したトルクの大きさを示すことになる。
結局、２つの容量素子Ｃ１１、Ｃ１２のうちいずれを用いても、Ｚ軸まわりのトルク検出が可能であり、理論的には、いずれか１つの容量素子のみを用いれば足りる。ただし、実用上は、２つの容量素子Ｃ１１、Ｃ１２の双方を用いた検出を行うのが好ましい。すなわち、環状変形体３０が楕円に変形した際の短軸位置（Ｖ軸上）に容量素子Ｃ１１を設けておき、長軸位置（Ｗ軸上）に容量素子Ｃ１２を設けておけば、同一のトルクが加わった場合、短軸位置（Ｖ軸上）では電極間隔が狭まり静電容量値が増加するのに対して、長軸位置（Ｗ軸上）では電極間隔が広がり静電容量値が減少するので、２つの静電容量値Ｃ１１とＣ１２との差分として、作用したトルクを検出することができる。
＜＜＜ §４． 本発明に係る２電極タイプのトルクセンサの実施例 ＞＞＞
次に、図１５乃至図１９を参照して、本発明に係る２電極タイプのトルクセンサの実施例について説明する。
図１５は、本発明による２電極タイプのトルクセンサの基本構造部を示すＸＹ断面図である。図１５に示すように、本実施の形態の環状変形体３０は、高弾力部３０ａと、この高弾力部３０ａのバネ定数よりも小さいバネ定数を有する低弾力部３０ｂと、を有している。本実施の形態では、環状変形体３０のうち、Ｙ座標が正である領域に配置されている半円環状の部分が高弾力部３０ａとして構成され、Ｙ座標が負の領域に配置されている残りの半円環状の部分が低弾力部３０ｂとして構成されている。高弾力部３０ａと低弾力部３０ｂとを具現化する手段としては種々の態様が考えられるが、ここでは、図示されるように、高弾力部３０ａの径方向の肉厚を低弾力部３０ｂの径方向の肉厚よりも大きくすることによって、当該高弾力部３０ａのバネ定数を低弾力部３０ｂのバネ定数よりも大きくしている。
もちろん、高弾力部３０ａのＺ軸方向の肉厚を低弾力部３０ｂのＺ軸方向の肉厚よりも大きくすることによって、当該高弾力部３０ａのバネ定数を低弾力部３０ｂのバネ定数より大きくすることも可能であるし、高弾力部３０ａと低弾力部３０ｂとを異なる材質で構成することによって、当該高弾力部３０ａのバネ定数を低弾力部３０ｂのバネ定数より大きくすることも可能である。
また、図１５に示す例においては、高弾力部３０ａと低弾力部３０ｂとが内周面に段差が生じないように接続され、Ｚ軸方向から見て、環状変形体３０の内周面が円形となっている。換言すれば、原点Ｏから環状変形体３０の内周面がＶ軸及びＷ軸と交わる４つの部位までの距離が全て等しくなっている。そして、図示されるように、この４つの部位に対応する位置に、各１つの変位電極Ｅ３１ａ、Ｅ３２ａ、Ｅ３１ｂ、Ｅ３２ｂが配置されている。詳述すれば、変位電極Ｅ３１ａは、Ｖ軸の正の領域と環状変形体３０の高弾力部３０ａの内周面とが交わる領域に形成された電極であり、変位電極Ｅ３２ａは、Ｗ軸の正の領域と環状変形体３０の高弾力部３０ａの内周面とが交わる領域に形成された電極である。また、変位電極Ｅ３１ｂは、Ｖ軸の負の領域と環状変形体３０の低弾力部３０ｂの内周面とが交わる領域に形成された電極であり、変位電極Ｅ３２ｂは、Ｗ軸の負の領域と環状変形体３０の低弾力部３０ｂの内周面とが交わる領域に形成された電極である。
そして、これら変位電極Ｅ３１ａ、Ｅ３２ａ、Ｅ３１ｂ、Ｅ３２ｂに対向する位置には、固定電極Ｅ２１ａ、Ｅ２２ａ、Ｅ２１ｂ、Ｅ２２ｂがそれぞれ配置され、右側支持体２０に固定されている。右側支持体２０及び左側支持体１０の構成は、前述した従来のトルクセンサと同様であるため、その詳細な説明は省略する。ここでは、高弾力部３０ａ及び低弾力部３０ｂに各２つの容量素子を配置したトルクセンサを、２電極タイプのトルクセンサと呼ぶことにする。
図１６は、本実施の形態のトルクセンサにＺ軸正まわりのトルクが作用した時の図１５の基本構造部の変形状態を示すＸＹ断面図である。§２で述べたとおり、このようなトルクが作用すると、環状変形体３０は楕円状に変形し、Ｖ軸は当該楕円の短軸方向、Ｗ軸は当該楕円の長軸方向になる。但し、本実施の形態の環状変形体３０は、高弾力部３０ａのバネ定数が低弾力部３０ｂのバネ定数よりも大きい。このため、図示されるように、高弾力部３０ａの変形の程度よりも低弾力部３０ｂの変形の程度の方が大きい。その結果、Ｖ軸上に配置された一対の電極Ｅ２１ａ，Ｅ３１ａ及び一対の電極Ｅ２１ｂ，Ｅ３１ｂの各電極間隔は共に狭まるのであるが、その程度は、負のＶ軸上に配置された一対の電極Ｅ２１ｂ，Ｅ３１ｂの電極間隔の方が大きい。また、Ｗ軸上に配置された一対の電極Ｅ２２ａ，Ｅ３２ａ及び一対の電極Ｅ２２ｂ，Ｅ３２ｂの各電極間隔は共に広がるのであるが、その程度は、負のＷ軸上に配置された一対の電極Ｅ２２ｂ，Ｅ３２ｂの電極間隔の方が大きい。
一方、逆向きにトルクが作用した場合、すなわち、Ｚ軸負まわりのトルクが作用した場合は、図１６示す例とは逆に、環状変形体３０（の接続点Ｐ１１，Ｐ１２）に対して反時計まわりの回転力が作用するため、環状変形体３０は、Ｖ軸を長軸方向、Ｗ軸を短軸方向とする楕円に変形する。したがって、環状変形体３０のＶ軸上及びＷ軸上に位置する各変位電極Ｅ３１ａ、Ｅ３１ｂ、Ｅ３２ａ、Ｅ３２ｂの変位方向は、図１６に示す例とは逆の方向になる。
このため、以下の［式１］に示すように、一対の電極Ｅ２１ａ，Ｅ３１ａにより構成される容量素子Ｃ１ａ、及び、一対の電極Ｅ２２ａ，Ｅ３２ａにより構成される容量素子Ｃ２ａの静電容量値の差分に相当する第１電気信号Ｔ１に基づいて、作用したトルクの方向および大きさを検出することが可能になる。更に、一対の電極Ｅ２１ｂ，Ｅ３１ｂにより構成される容量素子Ｃ１ｂ、及び、一対の電極Ｅ２２ｂ，Ｅ３２ｂにより構成される容量素子Ｃ２ｂの静電容量値の差分に相当する第２電気信号Ｔ２に基づいて、作用したトルクの方向および大きさを検出することが可能になる。なお、以下の［式１］において、Ｃ１ａ、Ｃ２ａ、Ｃ１ｂ、Ｃ２ｂは、それぞれ容量素子Ｃ１ａ、Ｃ２ａ、Ｃ１ｂ、Ｃ２ｂの静電容量値を示している。
［式１］
Ｔ１＝Ｃ１ａ−Ｃ２ａ
Ｔ２＝Ｃ１ｂ−Ｃ２ｂ
本実施の形態では、環状変形体３０に金属疲労が蓄積することに伴って、これら第１及び第２電気信号Ｔ１及びＴ２の比率が変化することを利用して、トルクセンサの故障診断を行う。このため、以下の説明においては、環状変形体３０に金属疲労が生じていない初期状態での第１及び第２電気信号をＴ１ａ、Ｔ２ａとし、環状変形体３０に金属疲労が生じている（蓄積している）状態での第１及び第２電気信号をＴ１ｂ、Ｔ２ｂとして、それぞれ区別することとする。
図１７は、図１５の環状変形体３０に金属疲労が生じていない状態（初期状態）において、トルクセンサに作用するトルクの大きさと、当該トルクセンサから出力される第１電気信号Ｔ１ａ及び第２電気信号Ｔ２ａと、の関係を示すグラフであり、図１８は、図１５の環状変形体３０に金属疲労が生じている（蓄積している）状態において、トルクセンサに作用するトルクの大きさと、当該トルクセンサから出力される第１電気信号Ｔ１ｂ及び第２電気信号Ｔ２ｂと、の関係を示すグラフである。各図において、横軸はトルクセンサに作用したトルクを示し、縦軸は当該トルクに応じてトルクセンサから出力される電気信号の大きさを示している。このため、各図において、各電気信号Ｔ１ａ〜Ｔ２ｂを示す直線の傾きは、トルクセンサの検出感度を示すことになる。結局、本実施の形態の基本構造部は、前述した従来の２電極タイプの基本構造部を異なる感度で２つ配置した構成と等価である。なお、各直線の傾きは、対応する高弾力部３０ａ及び低弾力部３０ｌのバネ定数に依存する。
次に、トルクセンサが正常に機能しているか否かを判定する方法について説明する。本実施の形態のトルクセンサに対して繰り返しの負荷が作用すると、環状変形体３０に金属疲労が生じる。金属疲労は、トルクによる変形が相対的に大きい低弾力部３０ｂにおいて顕著に発現する。この金属疲労が蓄積されると、低弾力部３０ｂの強度が低下し、最終的に環状変形体３０が破断することになる。一般的に、金属材料においては、金属疲労が蓄積すると、当該金属材料が軟化するため、低弾力部３０ｂのバネ定数が低下することになる。すなわち、本実施の形態の環状変形体３０においては、低弾力部３０ｂに金属疲労が蓄積すると、当該低弾力部３０ｂがトルクによって大きく変形されるようになり、初期状態と比較して、トルクに対する低弾力部３０ｂの感度が上昇する。このことは、図１７と図１８とを比較することによって理解される。
具体的には、図１７を参照すると、初期状態においては、低弾力部３０ｂに対応する第２電気信号Ｔ２ａを示す直線の傾き（感度）は２．０である。一方、図１８を参照すると、金属疲労が蓄積している状態においては、低弾力部３０ｂに対応する第２電気信号Ｔ２ｂを示す直線の傾き（感度）は３．０であり、感度が５０％上昇している。
もちろん、金属疲労は、高弾力部３０ａにも発現するが、その発現の程度は、低弾力部３０ｂにおける金属疲労の発現の程度よりも小さい。実際、図１７を参照すると、初期状態においては、高弾力部３０ａに対応する第１電気信号Ｔ１ａを示す直線の傾き（感度）は０．５である。その一方、図１８を参照すると、金属疲労が蓄積している状態においては、高弾力部３０ａに対応する第１電気信号Ｔ１ｂを示す直線の傾き（感度）は０．６である。従って、感度の上昇は２０％にとどまっている。
ここで着目すべきは、高弾力部３０ａと低弾力部３０ｂとで、金属疲労の発現の程度が異なっているということである。すなわち、初期状態においては、第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの比率（Ｔ２ａ／Ｔ１ａ）は、４．０であるのに対し、金属疲労が蓄積している状態においては、第１電気信号Ｔ１ｂと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率（Ｔ２ｂ／Ｔ１ｂ）は、５．０に上昇しているということである。本発明は、このことを利用してトルクセンサの故障診断を行うものである。
換言すれば、高弾力部３０ａと低弾力部３０ｂとで金属疲労の蓄積の特性が異なることに起因して、繰り返しの負荷に伴って第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率が次第に変化する。そして、トルクセンサに対して繰り返しの負荷が更に作用すると、環状変形体３０は最終的に低弾力部３０ｂにおいて破断し、当該低弾力部３０ｂ側に配置された２つの容量素子Ｃ１ｂ、Ｃ２ｂが正常に機能しなくなる。一方、この時点では高弾力部３０ａ側に配置された２つの容量素子Ｃ１ａ、Ｃ２ａは正常に機能している蓋然性が高い。
以上のことから、トルクの計測を例えば高弾力部３０ａ側に配置された容量素子Ｃ１ａ、Ｃ２ａを用いて行いつつ、第１電気信号Ｔ１ｂと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率と、初期状態における第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの比率と、の差が所定の範囲内にあるか否かを評価することによって、トルクセンサが正常に機能しているか否かを判定することができる。
以上の判定原理を具現化するために、本実施の形態のトルクセンサは、図１９に示す検出回路を有している。図１９は、本実施の形態のトルクセンサに採用されている検出回路のブロック図である。この検出回路は、環状変形体３０及び容量素子Ｃ１ａ、Ｃ２ａ、Ｃ１ｂ、Ｃ２ｂを含む機構部から提供される４つの容量素子の静電容量値に関する情報をそれぞれ対応する電圧値に変換するＣ／Ｖ変換器４１と、Ｃ／Ｖ変換器４１から提供される４つの電圧値を［式１］に対応してそれぞれ差分処理し、前述した第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２とを演算してトルクセンサに作用しているトルクを算出するマイコン４７と、マイコン４７に接続され第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの初期状態の比率を記憶する記憶部４８と、を有している。マイコン４７は、記憶部４８に記憶された初期状態の比率と、現在の第１電気信号Ｔ１ｂと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率と、を比較して、その比較結果が所定の範囲内にあるか否かを判定する機能を有している。
比較の結果、前記比率が所定の範囲内にある場合、マイコン４７は、トルクセンサが正常に機能していると判定し、計測されたトルクの値を出力する。本実施の形態では、高弾力部３０側に設けられた容量素子Ｃ１ａ、Ｃ２ａに基づいて提供される第１電気信号Ｔ１ａ、Ｔ１ｂを用いてトルクが計測される。これは、前述したように、高弾力部３０ａの方が低弾力部３０ｂよりも相対的に金属疲労が発現しにくいため、当該金属疲労による影響が小さく、トルクをより高精度に計測することができると考えられるためである。一方、前記比率が所定の範囲内に無い場合は、マイコン４７は、トルクセンサが正常に機能していない（故障している）と判定し、故障診断信号を出力する。もちろん、トルクの計測を低弾力部３０ｂに配置された容量素子Ｃ１ｂ、Ｃ２ｂの静電容量値の変動量に基づいて行ってもよい。これらの容量素子Ｃ１ｂ、Ｃ２ｂは、容量素子Ｃ１ａ、Ｃ２ａと比較してトルクに対し大きく変化する（感度が高い）ためＳ／Ｎに優れたトルクの計測が可能である。
なお、本実施の形態では、各固定電極Ｅ２１ａ、Ｅ２２ａ、Ｅ２１ｂ、Ｅ２２ｂを、右側支持体２０に固定しているが、固定電極は左側支持体１０に固定されてもかまわない。たとえば、図１２に示す例の場合、固定電極Ｅ２１は、右側支持体２０の左側面から左側へ突き出した導電板によって構成されているが、左側支持体１０の右側面から右側へ突き出した導電板によって固定電極Ｅ２１を構成してもかまわない。要するに、固定電極Ｅ２１は、変位電極Ｅ３１に対向する定位置に、環状変形体３０の変形にかかわらず維持されるように設けられていればよい。
また、ここに示す実施形態では、変位電極Ｅ３１ａ、Ｅ３２ａ、Ｅ３１ｂ、Ｅ３２ｂを、環状変形体３０の内周面に固定しているが、変位電極は、環状変形体３０の外周面に固定してもかまわない。図１６を見れば明らかなように、環状変形体３０が楕円に変形した際に変位を生じるのは、環状変形体３０の内周面だけではなく、外周面も同じように変位を生じる。したがって、変位電極は環状変形体３０の外周面に形成してもよい。この場合、変位電極に対向する固定電極は、変位電極の更に外側に配置すればよい。但し、この場合、高弾力部３０ａと低弾力部３０ｂとが、外周面において段差が生じないように滑らかに接続されるならば、高い対称性で各電極を配置することが可能である。この場合、低弾力部３０ｂを、環状変形体３０の径方向の肉厚が高弾力部３０ａの当該径方向の肉厚よりも薄く構成する場合には、環状変形体３０の内周面において高弾力部３０ａと低弾力部３０ｂとの接続部分に段差が生じることになる。もっとも、環状変形体３０の外側に各電極を配置する構造を採ると、センサの全体的なサイズが大きくなるので、実用上は、これまで述べた実施形態のように、環状変形体３０の内周面に変位電極を設けるのが好ましい。ただし、後述の図３８及び図３９に示す変形例では、変位電極を外側に配置してもサイズは同じである。
以上のような本実施の形態のトルクセンサによれば、高弾力部３０ａよりも低弾力部３０ｂの方が先に金属疲労することに伴って、第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率に変化が生じる。このことに着目して、環状変形体３０が破断する前に当該環状変形体３０に金属疲労が生じていること検出することにより、環状変形体３０の故障を診断することが可能なトルクセンサを提供することができる。
＜＜＜ §５． 本発明に係る１電極タイプのトルクセンサの実施例 ＞＞＞
§４では、２電極タイプのトルクセンサとして、高弾力部３０ａ及び低弾力部３０ｂに各２つの容量素子を配置したトルクセンサについて説明した。このトルクセンサは、各２つの容量素子によって差分検出を行うことができるため、温度変化の影響を排除した高精度なトルクの計測が可能である。しかしながら、温度が一定の場合や温度補償がなされる場合には、高弾力部３０ａ及び低弾力部３０ｂに各１つの容量素子のみを配置しても、単一のトルクセンサによって、トルクの検出と故障診断とを行うことができる。ここでは、高弾力部３０ａ及び低弾力部３０ｂに各１つの容量素子を配置したトルクセンサを、１電極タイプのトルクセンサと呼ぶことにする。
図２０は、本発明による１電極タイプのトルクセンサの基本構造部を示すＸＹ断面図である。図２０においても、説明の便宜上、Ｘ，Ｙ，Ｖ，Ｗ軸が重ねて描かれている。図示されるように、本実施の形態によるトルクセンサの環状変形体３０は、§４で説明した２電極タイプのトルクセンサの環状変形体３０と同じ構造を有している。また、Ｖ軸の正の領域と環状変形体３０の高弾力部３０ａの内周面との交差領域には変位電極Ｅ３１ａが配置されており、Ｖ軸の負の領域と環状変形体３０の低弾力部３０ｂの内周面との交差領域には変位電極Ｅ３１ｂが配置されている。
そして、これら変位電極Ｅ３１ａ、Ｅ３１ｂに対向する位置には、固定電極Ｅ２１ａ、Ｅ２１ｂがそれぞれ配置され、右側支持体２０に固定されている。このような構成により、変位電極Ｅ３１ａと固定電極Ｅ２１ａとにより容量素子Ｃ１ａが構成され、変位電極Ｅ３１ｂと固定電極Ｅ２１ｂとにより容量素子Ｃ１ｂが構成されている。結局、本実施の形態のトルクセンサは、§４で説明した２電極タイプのトルクセンサからＷ軸上に配置された２つの容量素子Ｃ２ａ、Ｃ２ｂを構成する各電極を取り除いた構成となっている。その他の構成は§４で説明した２電極タイプのトルクセンサと同様であるため、その詳細な説明は省略する。
図２１は、図２０の基本構造部に対して、Ｚ軸正まわりのトルクが作用したときの状態を示すＸＹ断面図である（破線は変形前の状態を示す）。図２１に示すように、本実施の形態によるトルクセンサの基本構造部に対してＺ軸正まわり（図２１における右回り）のトルクが作用すると、前述したように、環状変形体３０は楕円状に変形し、Ｖ軸は当該楕円の短軸方向、Ｗ軸は当該楕円の長軸方向になる。但し、環状変形体３０は、高弾力部３０ａのバネ定数が低弾力部３０ｂのバネ定数よりも大きい。このため、§４において述べたように、高弾力部３０ａの変形の程度よりも低弾力部３０ｂの変形の程度の方が大きい。その結果、Ｖ軸上に配置された一対の電極Ｅ２１ａ，Ｅ３１ａ及び一対の電極Ｅ２１ｂ，Ｅ３１ｂの電極間隔は共に狭まるのであるが、その程度は、負のＶ軸上に配置された一対の電極Ｅ２１ｂ，Ｅ３１ｂの電極間隔の方が大きい。
もちろん、逆向きにトルクが作用した場合、すなわち、Ｚ軸負まわりのトルクが作用した場合は、図２１示す例とは逆に、環状変形体３０（の接続点Ｐ１１，Ｐ１２）に対して反時計まわりの回転力が作用するため、環状変形体３０は、Ｖ軸を長軸方向、Ｗ軸を短軸方向とする楕円に変形する。したがって、環状変形体３０のＶ軸上に位置する部分の変位方向は、図２１に示す例とは逆の方向になる。
このため、以下の［式２］に示すように、一対の電極Ｅ２１ａ，Ｅ３１ａにより構成される容量素子Ｃ１ａの静電容量値に対応する第１電気信号Ｔ１に基づいて、作用したトルクの方向および大きさを検出することが可能になる。更に、一対の電極Ｅ２１ｂ，Ｅ３１ｂにより構成される容量素子Ｃ１ｂの静電容量値に対応する第２電気信号Ｔ２に基づいて、作用したトルクの方向および大きさを検出することが可能になる。なお、以下の［式２］において、Ｃ１ａ及びＣ１ｂは、それぞれ容量素子Ｃ１ａ、Ｃ１ｂの静電容量値を示している。
［式２］
Ｔ１＝Ｃ１ａ
Ｔ２＝Ｃ１ｂ
本実施の形態でも、環状変形体３０に金属疲労が蓄積することに伴って、これらＴ１とＴ２との比率が変化することを利用して、トルクセンサの故障診断を行う。このため、以下の説明においては、§４と同様に、環状変形体３０に金属疲労が生じていない初期状態での第１及び第２電気信号をＴ１ａ、Ｔ２ａとし、環状変形体３０に金属疲労が生じている（蓄積している）状態での第１及び第２電気信号をＴ１ｂ、Ｔ２ｂとして、それぞれ区別することとする。本実施の形態では、トルクセンサに作用するトルクの大きさと、初期状態での第１及び第２電気信号Ｔ１ａ、Ｔ２ａとの関係は、図１７に示すグラフと同じである。また、トルクセンサに作用するトルクの大きさと、環状変形体３０に金属疲労が生じている状態での第１及び第２電気信号Ｔ１ｂ、Ｔ２ｂと、の関係は、図１８に示すグラフと同じである。
以上のような本実施の形態によるトルクセンサが正常に機能しているか否かを判定するための原理及び方法は、§４と同じである。すなわち、§４における第１電気信号Ｔ１（Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ）及び第２電気信号Ｔ２（Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ）を［式２］に読み替えることによって、本実施の形態によるトルクセンサの故障判定の原理及び方法が理解される。このため、ここでは、当該原理及び方法の詳細な説明は省略する。但し、本実施の形態では、検出回路のマイコン４７は、差分検出を行う必要が無い。このため、マイコン４７は、Ｃ／Ｖ変換器４１から提供される２つの電圧値をそのまま第１電気信号Ｔ１及び第２電気信号Ｔ２として出力すればよい。
以上のような本実施の形態のトルクセンサによれば、高弾力部３０ａよりも低弾力部３０ｂの方が先に金属疲労することに伴って、第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率に変化が生じる。このことに着目して、環状変形体３０が破断する前に当該環状変形体３０に金属疲労が生じていること検出することにより、環状変形体３０の故障を診断することが可能なトルクセンサを提供することができる。
なお、以上の説明においては、２つの容量素子Ｃ１ａ、Ｃ１ｂが正のＶ軸上と負のＶ軸上とに各１つ配置され、Ｗ軸上には容量素子が配置されていないが、２つの容量素子が正のＷ軸上と負のＷ軸上とに各１つ配置され、Ｖ軸上には容量素子が配置されていない、という態様でも、同様の機能を提供することができる。
＜＜＜ §６． 本発明に係る４電極タイプのトルクセンサの実施例 ＞＞＞
次に図２２を参照して、本発明による４電極タイプのトルクセンサについて説明する。図２２は、本発明による４電極タイプのトルクセンサの基本構造部を示すＸＹ断面図である。図２２においても、説明の便宜上、Ｘ，Ｙ，Ｖ，Ｗ軸が重ねて描かれている。本実施の形態による基本構造部は、２電極タイプ及び１電極タイプのトルクセンサの基本構造部とは異なり、４つの高弾力部３０ａと４つの低弾力部３０ｂとが周方向に交互に配置されて構成されている。具体的には、図示されるように、ＸＹ平面上に、原点Ｏを通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなすＶ軸およびＷ軸を定義した場合に、Ｚ軸方向から見ると、高弾力部３０ａは、正のＸ軸と正のＶ軸とで区画された領域（ｉ）と、正のＹ軸と正のＷ軸とで区画された領域（ｉｉｉ）と、負のＸ軸と負のＶ軸とで区画された領域（ｖ）と、負のＹ軸と負のＷ軸とで区画された領域（ｖｉｉ）と、に各１つずつ配置されている。一方、低弾力部３０ｂは、残りの領域、すなわち正のＶ軸と正のＹ軸とで区画された領域（ｉｉ）と、正のＷ軸と負のＸ軸とで区画された領域（ｉｖ）と、負のＶ軸と負のＹ軸とで区画された領域（ｖｉ）と、負のＷ軸と正のＸ軸とで区画された領域（ｖｉｉｉ）と、に各１つずつ配置されている。４電極タイプのトルクセンサとは、このようにな高弾力部３０ａ及び低弾力部３０ｂに各４つの容量素子を配置したトルクセンサを意味することとする。
図示されるように、各高弾力部３０ａ及び各低弾力部３０ｂは、環状変形体３０の内周面に段差が生じないように互いに接続されている。そして、この内周面に、８つの変位電極Ｅ３１ａ〜Ｅ３４ｂが配置されている。変位電極Ｅ３１ａは、正のＶ軸近傍において、領域（ｉ）に配置された高弾力部３０ａの内周面に配置されており、変位電極Ｅ３１ｂは、正のＶ軸近傍において、領域（ｉｉ）に配置された低弾力部３０ｂの内周面に配置されている。変位電極Ｅ３２ａは、正のＷ軸近傍において、領域（ｉｉｉ）に配置された高弾力部３０ａの内周面に配置されており、変位電極Ｅ３２ｂは、正のＷ軸近傍において、領域（ｉｖ）に配置された低弾力部３０ｂの内周面に配置されている。変位電極Ｅ３３ａは、負のＶ軸近傍において、領域（ｖ）に配置された高弾力部３０ａの内周面に配置されており、変位電極Ｅ３３ｂは、負のＷ軸近傍において、領域（ｖｉ）に配置された低弾力部３０ｂの内周面に配置されている。変位電極Ｅ３４ａは、負のＷ軸近傍において、領域（ｖｉｉ）に配置された高弾力部３０ａの内周面に配置されており、変位電極Ｅ３４ｂは、負のＷ軸近傍において、領域（ｖｉｉｉ）に配置された低弾力部３０ｂの内周面に配置されている。
一方、これらの変位電極Ｅ３１ａ〜Ｅ３４ｂに対向する位置には、図示されるように、固定電極Ｅ２１ａ〜Ｅ２４ｂがそれぞれ配置され、右側支持体（不図示）に固定されている。そして、これらの互いに対向する８組の電極によって、８つの容量素子Ｃ１ａ〜Ｃ４ｂが構成されている。
本実施の形態では、固定電極Ｅ２１ａと変位電極Ｅ３１ａとによって構成される容量素子Ｃ１ａと、固定電極Ｅ２１ｂと変位電極Ｅ３１ｂとによって構成される容量素子Ｃ１ｂとは、Ｚ軸方向から見てＶ軸に関して対称的に配置されている。また、固定電極Ｅ２２ａと変位電極Ｅ３２ａとによって構成される容量素子Ｃ２ａと、固定電極Ｅ２２ｂと変位電極Ｅ３２ｂとによって構成される容量素子Ｃ２ｂとは、Ｚ軸方向から見てＷ軸に関して対称的に配置されており、固定電極Ｅ２３ａと変位電極Ｅ３３ａとによって構成される容量素子Ｃ３ａと、固定電極Ｅ２３ｂと変位電極Ｅ３３ｂとによって構成される容量素子Ｃ３ｂとは、Ｚ軸方向から見てＶ軸に関して対称的に配置されており、固定電極Ｅ２４ａと変位電極Ｅ３４ａとによって構成される容量素子Ｃ４ａと、固定電極Ｅ２４ｂと変位電極Ｅ３４ｂとによって構成される容量素子Ｃ４ｂとは、Ｚ軸方向から見てＷ軸に関して対称的に配置されている。その他の構成は、前述の２電極タイプ及び１電極タイプのトルクセンサと同様であるため、その詳細な説明は省略する。
図２３は、図２２に示す基本構造部に対して、Ｚ軸正まわりのトルクが作用したときの状態を示すＸＹ断面図である。前述したように、このようなトルクが作用すると、環状変形体３０は略楕円状に変形し、Ｖ軸は当該楕円の短軸方向、Ｗ軸は当該楕円の長軸方向になる。但し、本実施の形態による環状変形体３０は、相対的に変形しにくい高弾力部３０ａと、相対的に変形しやすい低弾力部３０ｂとが、交互に配置されて構成されている。このため、環状変形体３０は、図示されるように、高弾力部３０ａと低弾力部３０ｂとで変位の程度が異なっている。具体的には、領域（ｉ）の高弾力部３０ａと領域（ｉｉ）の低弾力部３０ｂとは、共に正のＶ軸方向に変位するが、領域（ｉｉ）の低弾力部３０ｂの方が大きく変位する。同様に、領域（ｉｉｉ）の高弾力部３０ａと領域（ｉｖ）の低弾力部３０ｂとは、共に負のＷ軸方向に変位するが、領域（ｉｖ）の低弾力部３０ｂの方が大きく変位する。また、領域（ｖ）の高弾力部３０ａと領域（ｖｉ）の低弾力部３０ｂとは、共に負のＶ軸方向に変位するが、領域（ｖｉ）の低弾力部３０ｂの方が大きく変位する。領域（ｖｉｉ）の高弾力部３０ａと領域（ｖｉｉｉ）の低弾力部３０ｂとは、共に正のＷ軸方向に変位するが、領域（ｖｉｉｉ）の低弾力部３０ｂの方が大きく変位する。
逆向きにトルクが作用した場合、すなわち、Ｚ軸負まわりのトルクが作用した場合は、図２３示す例とは逆に、環状変形体３０（の接続点Ｐ１１，Ｐ１２）に対して反時計まわりの回転力が作用するため、環状変形体３０は、Ｖ軸を長軸方向、Ｗ軸を短軸方向とする楕円に変形する。したがって、環状変形体３０のＶ軸及びＷ軸の近傍に位置する各変位電極Ｅ３１ａ〜Ｅ３４ｂの変位は、図２３に示す例とは逆の方向になる。
本実施の形態のトルクセンサによれば、以下の［式３］に示すように、各一対の電極により構成される容量素子Ｃ１ａ、Ｃ２ａ、Ｃ３ａ、Ｃ４ａの各静電容量値に基づく第１電気信号Ｔ１によって、作用したトルクの方向および大きさを検出することが可能である。更に、各一対の電極により構成される容量素子Ｃ１ｂ、Ｃ２ｂ、Ｃ３ｂ、Ｃ４ｂの各静電容量値に基づく第２電気信号Ｔ２によっても、作用したトルクの方向および大きさを検出することが可能である。なお、以下の［式３］において、Ｃ１ａ〜Ｃ４ｂは、容量素子Ｃ１ａ〜Ｃ４ｂの静電容量値を示している。
［式３］
Ｔ１＝（Ｃ１ａ＋Ｃ３ａ）−（Ｃ２ａ＋Ｃ４ａ）
Ｔ２＝（Ｃ１ｂ＋Ｃ３ｂ）−（Ｃ２ｂ＋Ｃ４ｂ）
本実施の形態でも、環状変形体３０に金属疲労が蓄積することに伴って、これらＴ１及びＴ２が変化することを利用して、トルクセンサの故障診断を行う。このため、以下の説明においては、§４と同様に、環状変形体３０に金属疲労が生じていない初期状態での第１及び第２電気信号をＴ１ａ、Ｔ２ａとし、環状変形体３０に金属疲労が生じている（蓄積している）状態での第１及び第２電気信号をＴ１ｂ、Ｔ２ｂとして、それぞれ区別することとする。本実施の形態では、トルクセンサに作用するトルクの大きさと、初期状態での第１及び第２電気信号Ｔ１ａ、Ｔ２ａとの関係は、図１７に示すグラフと同じである。また、トルクセンサに作用するトルクの大きさと、環状変形体３０に金属疲労が生じている状態での第１及び第２電気信号Ｔ１ｂ、Ｔ２ｂと、の関係は、図１８に示すグラフと同じである。
以上のような本実施の形態によるトルクセンサが正常に機能しているか否かを判定するための原理及び方法は、§４と同じである。すなわち、§４における第１電気信号Ｔ１（Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ）及び第２電気信号Ｔ２（Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ）を［式３］に読み替えることによって、本実施の形態によるトルクセンサの故障判定の原理及び方法が理解される。このため、ここでは、当該原理及び方法の詳細な説明は省略する。
但し、本実施の形態では、高弾力部３０ａ側及び低弾力部３０ｂ側に設けられた各４つの容量素子を用いて高精度な差分検出が行われる。このため、検出回路のマイコン４７は、「２つの容量素子Ｃ１ａ、Ｃ３ａの静電容量値の和と、２つの容量素子Ｃ２ａ、Ｃ４ａの静電容量値の和と、の差」に相当する第１電気信号Ｔ１と、２つの容量素子Ｃ１ｂ、Ｃ３ｂの静電容量値の和と、２つの容量素子Ｃ２ｂ、Ｃ４ｂの静電容量値の和と、の差」に相当する第２電気信号Ｔ２と、を作用したトルクを示す電気信号として出力することになる。
以上のような本実施の形態のトルクセンサによれば、高弾力部３０ａよりも低弾力部３０ｂの方が先に金属疲労することに伴って、第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率に変化が生じる。このことに着目して、環状変形体３０が破断する前に当該環状変形体３０に金属疲労が生じていること検出することにより、環状変形体３０の故障を診断することが可能なトルクセンサを提供することができる。
なお、本実施の形態では、環状変形体３０の内周面に変位電極Ｅ３１ａ〜Ｅ３４ｂが配置されているが、変形例として、環状変形体３０の外周面に当該変位電極Ｅ３１ａ〜Ｅ３４ｂを配置することも可能である。この場合、変位電極に対向する固定電極は、変位電極の更に外側に配置すればよい。但し、この場合、高弾力部３０ａと低弾力部３０ｂとが、外周面において段差が生じないように滑らかに接続されるならば、高い対称性で各電極を配置することが可能である。この場合、低弾力部３０ｂを、環状変形体３０の径方向の肉厚が高弾力部３０ａの当該径方向の肉厚よりも薄く構成する場合には、環状変形体３０の内周面において高弾力部３０ａと低弾力部３０ｂとの接続部分に段差が生じることになる。もっとも、環状変形体３０の外側に各電極を配置する構造を採ると、センサの全体的なサイズが大きくなるので、実用上は、これまで述べた実施形態のように、環状変形体３０の内周面に変位電極を設けるのが好ましい。ただし、本実施の形態でも、後述の図３８及び図３９に示す変形例では、変位電極を外側に配置してもサイズは同じである。
また、§６で述べた４電極タイプのトルクセンサでは、Ｚ軸まわりのトルク以外のＸ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのトルクＴｘ、Ｙ軸まわりのトルクＴｙの影響を受けることなく、Ｚ軸まわりのトルクＴｚを正確に計測することができる。この詳細については本出願人による特開２０１２−３７３００号公報に記載されている。
＜＜＜ §７． 本出願人によって提案された波型の検出部を採用したトルクセンサの基本構造部 ＞＞＞
＜７−１．基本構造部の全体構成＞
次に、本出願人によって出願された国際特許出願ＰＣＴ／ＪＰ２０１５／０５２７８３において提案されているトルクセンサに対して本発明の故障判定の機能を付与した新たなトルクセンサについて説明する。この説明に先だち、まず、図２４乃至図３２を参照して、当該国際特許出願において提案されたトルクセンサの基本構造部について述べることとする。図２４は、波型の検出部を採用した従来のトルクセンサの基本構造部の分解斜視図である。図示されるように、この基本構造部は、左側支持体１０と右側支持体２０との間に、環状変形体５０を配置し、これら３つの構成要素を相互に接合することによって構成される。ここでも、便宜上、図示のとおりＸＹＺ三次元座標系を定義して、以下の説明を行う。図の水平方向に描かれたＺ軸が、検出対象となるトルクの回転軸に相当し、このトルクセンサは、この回転軸まわり（Ｚ軸まわり）のトルクを検出する機能を果たす。
図１に示すトルクセンサの基本構造部と、図２４に示す波型の検出部を採用したトルクセンサの基本構造部との相違は、前者の環状変形体３０が、後者では環状変形体５０に置き換えられている点である。図１に示す環状変形体３０は、Ｚ軸（回転軸）を中心軸として配置された円盤の中央部に、より径の小さな同心円盤の形状をした貫通開口部Ｈ３０を形成することにより得られる円環状の部材である。これに対して、図２４に示す環状変形体５０は、この円環状の環状変形体３０に対して、部分的な材料除去加工を施すことにより得られた部材であり、内部に形成された貫通開口部Ｈ５０には、回転軸（Ｚ軸）が挿通している。したがって、この環状変形体５０は、基本的には、内部に同心円盤状の貫通開口部Ｈ５０が形成された円環状の部材であるが、材料除去加工を施した部分によって、図示のような第１〜第４検出部Ｄ１〜Ｄ４が形成されていることになる。
なお、ここでは、環状変形体５０の形状を説明するために「材料除去加工」という文言を用いているが、環状変形体５０を実際に作成する際には、必ずしも円環状の部材に対して切削加工などを施す必要はない。たとえば、環状変形体５０を金属で構成する場合であれば、鋳型を用いた鋳造によって製造することもでき、プラスチックなどの樹脂で構成する場合であれば、所定の型を用いた射出成形加工やプレス加工によって環状変形体５０を製造することができる。
ここでは、環状変形体５０のうち、第１〜第４検出部Ｄ１〜Ｄ４以外の部分を連結部Ｌ１〜Ｌ４と呼ぶことにする。図示のとおり、環状変形体５０は、４組の検出部Ｄ１〜Ｄ４と４組の連結部Ｌ１〜Ｌ４とを交互に配置した構造を有する。４組の連結部Ｌ１〜Ｌ４は、円環状の部材の円弧状部分によって構成され、４組の検出部Ｄ１〜Ｄ４は、後述するように、トルクの作用による弾性変形が生じる構造を有している。図示の例の場合、環状変形体５０の第１〜第４検出部Ｄ１〜Ｄ４の部分は、肉厚の薄い板状片によって構成されており、この板状片が板ばねとして機能して検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる。
なお、この図２４に示す左側支持体１０および右側支持体２０は、図１に示す左側支持体１０および右側支持体２０と全く同一の構成要素であり、Ｚ軸（回転軸）を中心軸として配置された円盤の中央部に、より径の小さな同心円盤の形状をした貫通開口部Ｈ１０，Ｈ２０を形成することにより得られる円環状の部材である。結局、この図２４に示す基本構造部の場合も、左側支持体１０および右側支持体２０は、中心部に貫通開口部Ｈ１０，Ｈ２０を有する環状の構造体であり、Ｚ軸（回転軸）に沿って、左側支持体１０、環状変形体５０、右側支持体２０の各貫通開口部Ｈ１０，Ｈ５０，Ｈ２０を貫く挿通孔が確保されている。なお、各支持体１０，２０について貫通開口部Ｈ１０，Ｈ２０を形成することは、本発明を実施する上での必須条件ではないので、貫通開口部Ｈ１０，Ｈ２０は必ずしも設ける必要はない。
図２４に示す基本構造部においても、左側支持体１０は、環状変形体５０の左側面を支持する部材であり、右側支持体２０は、環状変形体５０の右側面を支持する部材である。ここでも、環状変形体５０の中心位置にＸＹＺ三次元座標系の原点Ｏを定義しており、左側支持体１０，環状変形体５０，右側支持体２０は、いずれもＺ軸が中心軸となるように配置されている。
また、左側支持体１０の右側面には、右方に突出した２つの扇形の凸状部１１，１２（左側接続部材）が設けられており、この凸状部１１，１２の頂面が環状変形体５０の左側面に接合されている。同様に、右側支持体２０の左側面には、左方に突出した２つの扇形の凸状部２１，２２（右側接続部材）が設けられており、この凸状部２１，２２の頂面が環状変形体５０の右側面に接合されている。
図示のとおり、凸状部１１は環状変形体５０の上部（Ｙ軸正方向に位置する連結部Ｌ２）に接合され、凸状部１２は環状変形体５０の下部（Ｙ軸負方向に位置する連結部Ｌ４）に接合される。同様に、凸状部２１は環状変形体５０の奥の部分（Ｘ軸正方向に位置する連結部Ｌ１）に接合され、凸状部２２は環状変形体５０の手前の部分（Ｘ軸負方向に位置する連結部Ｌ３）に接合される。後述するように、これら各凸状部の接続位置は、環状変形体５０の各接続点Ｑ１〜Ｑ４の位置に相当する。
図２５は、図２４に示す３つの構成要素を相互に接合することにより得られるトルクセンサの基本構造部の側面図である（図が繁雑になるのを避けるため、検出部に関しては、手前に位置する検出部Ｄ２，Ｄ３の外周面のみを示してある）。ここに示す例の場合、図２４に示すとおり、凸状部１１，１２は、左側支持体１０と一体となった構造体であり、その頂面が環状変形体５０の連結部Ｌ２，Ｌ４の左側面に接合されている。同様に、凸状部２１，２２は、右側支持体２０と一体となった構造体であり、その頂面が環状変形体５０の連結部Ｌ１，Ｌ３の右側面に接合されている。
結局、凸状部１１，１２は、環状変形体５０の左側支持体１０に対向する左側の側面上の左側接続点を、左側支持体１０に接続する左側接続部材として機能し、凸状部２１，２２は、環状変形体５０の右側支持体２０に対向する右側の側面上の右側接続点を、右側支持体２０に接続する右側接続部材として機能する。
図２６は、図２４に示す環状変形体５０を図２４の右方向から見た正面図である。この図においても、説明の便宜上、ＸＹ平面上に、原点Ｏを通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなすＶ軸およびＷ軸を定義している。Ｖ軸はＸＹ平面上において、原点Ｏを中心としてＸ軸を反時計まわりに４５°回転させた座標軸であり、Ｗ軸はＸＹ平面上において、原点Ｏを中心としてＹ軸を反時計まわりに４５°回転させた座標軸である。図示のとおり、第１の検出部Ｄ１は正のＶ軸上（第１象限Ｉ）、第２の検出部Ｄ２は正のＷ軸上（第２象限ＩＩ）、第３の検出部Ｄ３は負のＶ軸上（第３象限ＩＩＩ）、第４の検出部Ｄ４は負のＷ軸上（第４象限ＩＶ）にそれぞれ配置されている。
ここで、各検出部Ｄ１〜Ｄ４は、いずれも第１の変形部５１，第２の変形部５２，変位部５３なる３つの部品によって構成されている。図では、検出部Ｄ１の構成部品についてのみ符号を記してあるが、検出部Ｄ２〜Ｄ４についても同様である。これら４組の検出部Ｄ１〜Ｄ４の三次元形状は、図２４の分解斜視図に示すとおりである。４組の連結部Ｌ１〜Ｌ４は、これら４組の検出部Ｄ１〜Ｄ４を連結する機能を有し、各検出部Ｄ１〜Ｄ４の間にそれぞれ各連結部Ｌ１〜Ｌ４が介挿されている。
図２６には、凸状部１１，１２（左側接続部材）の接合位置および凸状部２１，２２（右側接続部材）の接合位置が破線で示されている。
図２７は、図２４に示す環状変形体５０の各検出点Ｑ１〜Ｑ４および各接続点Ｐ１１〜Ｐ２２の配置を示すＸＹ平面上への投影図である（右側支持体２０側から見た図）。環状変形体５０は、その内側および外側の輪郭円の投影像のみを示す。また、図に一点鎖線で描かれた太い円は、ＸＹ平面上に定義された基本環状路Ｒである。この基本環状路Ｒは、図示の実施例の場合、環状変形体５０の内側輪郭円と外側輪郭円との中間位置を通るＸＹ平面上の円であり、環状変形体５０の環状肉厚部分の中心線になる。
図示のとおり、４組の検出点Ｑ１〜Ｑ４は、この基本環状路Ｒ上の点として定義される。具体的には、第１の検出点Ｑ１は、正のＶ軸と基本環状路Ｒとの交点位置に定義され、第２の検出点Ｑ２は、正のＷ軸と基本環状路Ｒとの交点位置に定義され、第３の検出点Ｑ３は、負のＶ軸と基本環状路Ｒとの交点位置に定義され、第４の検出点Ｑ４は、負のＷ軸と基本環状路Ｒとの交点位置に定義されている。これら検出点Ｑ１〜Ｑ４は、それぞれ検出部Ｄ１〜Ｄ４の配置を示すものである。すなわち、図２６および図２７を対比すれば、第１の検出部Ｄ１は第１の検出点Ｑ１の位置に配置され、第２の検出部Ｄ２は第２の検出点Ｑ２の位置に配置され、第３の検出部Ｄ３は第３の検出点Ｑ３の位置に配置され、第４の検出部Ｄ４は第４の検出点Ｑ４の位置に配置されていることがわかる。
一方、図２７に白ドットで示されている点Ｐ１１，Ｐ１２は左側接続点の投影像であり、図２７に黒ドットで示されている点Ｐ２１，Ｐ２２は右側接続点の投影像である。前述したとおり、左側接続点Ｐ１１，Ｐ１２は、実際には、環状変形体５０の左側面上の点であり、凸状部１１，１２（左側接続部材）の接続位置を示しており、右側接続点Ｐ２１，Ｐ２２は、実際には、環状変形体５０の右側面上の点であり、凸状部２１，２２（右側接続部材）の接続位置を示している。図示の例の場合、これら各接続点Ｐ１１〜Ｐ２２の投影像も基本環状路Ｒ上に位置している。すなわち、左側接続点Ｐ１１，Ｐ１２の投影像は、Ｙ軸と基本環状路Ｒとの交点位置に定義され、右側接続点Ｐ２１，Ｐ２２の投影像は、Ｘ軸と基本環状路Ｒとの交点位置に定義されている。
結局、図２７に示す例の場合、左側接続部材１１，１２の接続位置を示す左側接続点Ｐ１１，Ｐ１２（白ドット）と、右側接続部材２１，２２の接続位置を示す右側接続点Ｐ２１，Ｐ２２（黒ドット）とは、基本環状路Ｒに沿って交互に配置されていることになる。このような交互配置は、後述するように、検出対象となるトルクが作用したときに、環状変形体５０に効果的な変形を生じさせる上で重要である。また、４組の検出点Ｑ１〜Ｑ４は、各接続点Ｐ１１〜Ｐ２２の間に配置されている。このような配置も、検出対象となるトルクが作用したときに、各検出部Ｄ１〜Ｄ４に効果的な変位を生じさせる上で重要である。
＜７−２．検出部の構造と機能＞
続いて、各検出部Ｄ１〜Ｄ４の構造と機能について説明する。図２８は、図２４に示す環状変形体５０の検出部Ｄ１〜Ｄ４の詳細構造を示す部分断面図である。４組の検出部Ｄ１〜Ｄ４は、いずれも同一の構造を有している。図２８に示す検出部Ｄは、これら４組の検出部Ｄ１〜Ｄ４を代表するものであり、環状変形体５０を、基本環状路Ｒを含む円柱面で切断したときの断面部分を示している。図２８（ａ）は、トルクが作用していない状態、図２８（ｂ）は、トルクの作用により検出部Ｄに圧縮力ｆ１が作用した状態、図２８（ｃ）は、トルクの作用により検出部Ｄに伸張力ｆ２が作用した状態をそれぞれ示している。
図２８（ａ）に示すとおり、検出部Ｄの左右両脇には、連結部Ｌが位置している。この連結部Ｌは、４組の連結部Ｌ１〜Ｌ４のいずれかに相当する。たとえば、図２８（ａ）に示す検出部Ｄが、図２４に示されている第２の検出部Ｄ２の場合、右脇に配置されている連結部Ｌは、図２４に示す連結部Ｌ２に相当し、左脇に配置されている連結部Ｌは、図２４に示す連結部Ｌ３に相当する。
図示のとおり、検出部Ｄは、検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる第１の変形部５１と、検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる第２の変形部５２と、第１の変形部５１および第２の変形部５２の弾性変形により変位を生じる変位部５３と、を有しており、左脇に配置された連結部Ｌの端部と右脇に配置された連結部Ｌの端部との間に配置されている。
ここに示す例の場合、第１の変形部５１は、可撓性を有する第１の板状片によって構成され、第２の変形部５２は、可撓性を有する第２の板状片によって構成され、変位部５３は、第３の板状片によって構成されている。実際には、環状変形体５０は、金属（ステンレス、アルミニウムなど）や合成樹脂（プラスチックなど）といった同一材料からなる構造体によって構成される。第１の板状片５１、第２の板状片５２、変位部５３は、連結部Ｌに比べて肉厚の薄い板状の部材であるため可撓性を有することになる。
なお、ここに示す例の場合、変位部５３も肉厚の薄い板状の部材であるため可撓性を有しているが、変位部５３は必ずしも可撓性をもった部材である必要はない（もちろん、可撓性があってもよい）。変位部５３の役割は、トルクが作用したときに、対向する右側支持体２０に対して変位を生じることであり、そのような変位を生じさせるには、第１の変形部５１および第２の変形部５２が可撓性を有していれば足りる。したがって、変位部５３は、必ずしも肉厚の薄い板状の部材によって構成する必要はなく、より肉厚の厚い部材であってもかまわない。一方、連結部Ｌは、ある程度の可撓性を有していてもかまわないが、作用したトルクによって、第１の変形部５１および第２の変形部５２に効果的な変形を生じさせる上では、連結部Ｌはなるべく変形しない方が好ましい。
第１の変形部５１の外側端はこれに隣接する連結部Ｌに接続され、第１の変形部５１の内側端は変位部５３に接続されている。また、第２の変形部５２の外側端はこれに隣接する連結部Ｌに接続され、第２の変形部５２の内側端は変位部５３に接続されている。図２８（ａ）に示す例の場合、第１の変形部、第２の変形部、変位部は、それぞれ第１の板状片５１、第２の板状片５２、第３の板状片５３によって構成されており、第１の板状片５１の外側端（左端）は、左脇に配置された連結部Ｌの右端部に接続され、第１の板状片５１の内側端（右端）は、第３の板状片５３の左端に接続され、第２の板状片５２の外側端（右端）は、右脇に配置された連結部Ｌの左端部に接続され、第２の板状片５２の内側端は、第３の板状片５３の右端に接続されている。
前述したとおり、検出部Ｄは、基本環状路Ｒ上に定義された検出点Ｑの位置に配置される。図２８（ａ）に示す法線Ｎは、検出点Ｑの位置に立てた、基本環状路Ｒを含む基本平面（ＸＹ平面）の法線であり、検出部Ｄは、この法線Ｎが中心にくるように配置されている。また、図２８（ａ）の断面図において、第１の板状片５１および第２の板状片５２は、法線Ｎに対して傾斜しており、かつ、第１の板状片５１の傾斜方向（右下がり）と第２の板状片５２の傾斜方向（右上がり）とが逆向きとなっている。特に、図示の例の場合、検出部Ｄの断面形状は法線Ｎに関して線対称となっており、第３の板状片５３の上下両面は、ＸＹ平面に平行な面を構成している。
このように、基本環状路Ｒを含む断面に関して、法線Ｎに対する第１の板状片５１の傾斜方向と第２の板状片５２の傾斜方向とが逆向きとなっているため、基本環状路Ｒに沿った方向に圧縮力ｆ１が作用した場合と、伸張力ｆ２が作用した場合とでは、第３の板状片５３（変位部）の変位方向が逆になる。これは、後述するように、複数の容量素子を用いた差分検出を行う上で好都合である。
すなわち、図２８（ｂ）に示すとおり、検出部Ｄに対して基本環状路Ｒに沿った方向に圧縮力ｆ１（図の白矢印）が作用した場合は、検出部Ｄには、横幅を縮める方向に応力が加わることになるので、第１の板状片５１および第２の板状片５２の姿勢は、より垂直に立った状態に変化する。その結果、第３の板状片５３（変位部）は、図に黒矢印で示すとおり下方に変位する。一方、図２８（ｃ）に示すとおり、検出部Ｄに対して基本環状路Ｒに沿った方向に伸張力ｆ２（図の白矢印）が作用した場合は、検出部Ｄには、横幅を広げる方向に応力が加わることになるので、第１の板状片５１および第２の板状片５２の姿勢は、より水平に寝た状態に変化する。その結果、第３の板状片５３（変位部）は、図に黒矢印で示すとおり上方に変位する。
本発明の基本原理は、このような変位を利用して、作用したトルクの向きおよび大きさを検出することにある。すなわち、作用したトルクの向きは、変位部５３の変位方向（図２８における上方か下方か）によって検出することができ、作用したトルクの大きさは、その変位量によって検出することができる。
＜７−３．容量素子の構成＞
本発明では、変位部５３の変位を検出するために容量素子を利用する。図２９は、図１５に示す環状変形体５０の第１〜第４検出部Ｄ１〜Ｄ４およびこれに対向する右側支持体２０の所定部分に電極を設けた詳細構造を示す部分断面図であり、図２４に示す環状変形体５０および右側支持体２０の一部を示すものである。この図２９においても、検出部Ｄは、４組の検出部Ｄ１〜Ｄ４を代表するものであり、環状変形体５０を、基本環状路Ｒを含む円柱面で切断したときの断面部分を示している。すなわち、図２９の左側に示されている環状変形体５０の一部分は、図２８（ａ）に示す環状変形体５０の一部分に対応する。
前述したとおり、トルクが作用していない状態において、第３の板状片５３の両面は、基本環状路Ｒを含むＸＹ平面に平行な面を構成している。したがって、図示のとおり、第３の板状片５３（変位部）と右側支持体２０の対向面とは平行な状態になっている。しかも、ここに示す実施例の場合、検出部Ｄの断面形状は法線Ｎに関して線対称となっているため、第３の板状片５３（変位部）は、図２８（ｂ）、図２８（ｃ）に示すとおり、法線Ｎに沿って平行移動する形で変位を生じる。結局、第３の板状片５３（変位部）と右側支持体２０の対向面とは常に平行な状態に維持される。
変位部の変位を検出するために、第３の板状片５３（変位部）の右側支持体２０に対向する位置には、絶縁層Ｉ５０を介して変位電極Ｅ５０が固定される。また、右側支持体２０の変位電極Ｅ５０に対向する位置には、絶縁層Ｉ２０を介して固定電極Ｅ２０が固定される。そうすれば、変位電極Ｅ５０と固定電極Ｅ２０とによって構成される容量素子Ｃの静電容量値に基づいて、第３の板状片５３（変位部）の変位方向および変位量を検出することができる。
具体的には、図２８（ｂ）に示すように、検出部Ｄに圧縮力ｆ１が作用すると、両電極間距離が縮み、容量素子Ｃの静電容量値は増加し、図２８（ｃ）に示すように、検出部Ｄに伸張力ｆ２が作用すると、両電極間距離が広がり、容量素子Ｃの静電容量値は減少する。図２９には、検出部Ｄについて容量素子Ｃを形成した例が示されているが、もちろん、実際には、図２４に示す４組の検出部Ｄ１〜Ｄ４について、それぞれ変位電極Ｅ５０と固定電極Ｅ２０とが設けられ、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４が形成されることになる。これら４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４を用いた具体的なトルク検出の原理は、次の§８において詳述する。
なお、図２９に示す実施例では、変位電極Ｅ５０を絶縁層Ｉ５０を介して第３の板状片５３（変位部）に固定しているが、これは、環状変形体５０を金属などの導電性材料によって構成したためである。同様に、固定電極Ｅ２０を絶縁層Ｉ２０を介して右側支持体２０に固定しているが、これは、右側支持体２０を金属などの導電性材料によって構成したためである。すなわち、ここに示す実施例の場合、左側支持体１０、右側支持体２０、環状変形体５０を、金属などの導電性材料により構成しているため、変位電極Ｅ５０を、変位部５３の表面に絶縁層Ｉ５０を介して形成し、固定電極Ｅ２０を、右側支持体２０の表面に絶縁層Ｉ２０を介して形成している。
したがって、環状変形体５０（そのうち、少なくとも変位電極Ｅ５０の形成面）を樹脂などの絶縁材料によって構成した場合は、絶縁層Ｉ５０を設ける必要はない。同様に、右側支持体２０（そのうち、少なくとも固定電極Ｅ２０の形成面）を樹脂などの絶縁材料によって構成した場合は、絶縁層Ｉ２０を設ける必要はない。
また、環状変形体５０を金属などの導電性材料により構成した場合は、環状変形体５０の右側面の表面の一部の領域を変位電極Ｅ５０として利用することもできる。たとえば、図２９に示す実施例において、環状変形体５０を導電性材料により構成すれば、第３の板状片５３（変位部）は導電性の板になるため、それ自身が変位電極Ｅ５０としての機能を果たすことになる。このため、別途、変位電極Ｅ５０を設ける必要はなくなる。この場合、電気的には、環状変形体５０の表面全体が同電位になるが、実際に４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４の変位電極Ｅ５０としての機能を果たす部分は、個別に設けられた４組の固定電極Ｅ２０に対向する領域のみということになる。したがって、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４はそれぞれ別個の容量素子として振る舞うことになり、原理的な支障は生じない。
逆に、右側支持体２０を金属などの導電性材料により構成した場合は、右側支持体２０の左側面の表面の一部の領域を固定電極Ｅ２０として利用することもできる。たとえば、図２９に示す実施例において、右側支持体２０を導電性材料により構成すれば、その左側面の表面の一部が固定電極Ｅ２０としての機能を果たすことになる。このため、別途、固定電極Ｅ２０を設ける必要はなくなる。この場合、電気的には、右側支持体２０の表面全体が同電位になるが、実際に４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４の固定電極Ｅ２０としての機能を果たす部分は、個別に設けられた４組の変位電極Ｅ５０に対向する領域のみということになる。したがって、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４はそれぞれ別個の容量素子として振る舞うことになり、原理的な支障は生じない。
このように、環状変形体５０を金属などの導電性材料により構成したり、あるいは、右側支持体２０を金属などの導電性材料により構成したりすれば、個別の変位電極Ｅ５０や個別の固定電極Ｅ２０を設ける工程を省略することができるので、生産効率を更に向上させることができる。
もっとも、このような省略構造を採ると、環状変形体５０全体あるいは右側支持体２０全体が共通の電極になり、意図していない様々な部分に浮遊容量が形成されることになる。このため、静電容量の検出値にノイズ成分が混入しやすくなり、検出精度が低下する可能性がある。したがって、高精度の検出が要求されるトルクセンサの場合には、環状変形体５０や右側支持体２０を導電性材料によって構成した場合であっても、図２９に示す実施例のように、それぞれ絶縁層を介して、個別の変位電極Ｅ５０および個別の固定電極Ｅ２０を設けるようにするのが好ましい。
なお、検出部Ｄの弾性変形のしやすさは、センサの検出感度を左右するパラメータになる。弾性変形しやすい検出部Ｄを用いれば、微小なトルクでも検出可能な感度の高いセンサを実現することができるが、検出可能なトルクの最大値は抑制されることになる。逆に、弾性変形しにくい検出部Ｄを用いれば、検出可能なトルクの最大値を大きくとることができるが、感度は低下するため、微小なトルクの検出はできなくなる。
検出部Ｄの弾性変形のしやすさは、第１の変形部５１（第１の板状片）および第２の変形部５２（第２の板状片）の厚み（薄くするほど弾性変形しやすい）、幅（狭くするほど弾性変形しやすい）、長さ（長くするほど弾性変形しやすい）などの形状に依存して決まり、更に、その材質にも依存して決まる。また、変位部５３（第３の板状片）を弾性変形させる構造で検出部Ｄを設計することもできる。したがって、実用上は、トルクセンサの用途に応じて、検出部Ｄの各部の寸法や材質を適宜選択すればよい。
なお、前述したとおり、本願図面では、図示の便宜上、各部の実寸を無視して描いてある。たとえば、図２９では、変位電極Ｅ５０，固定電極Ｅ２０の厚みや、絶縁層Ｉ５０，絶縁層Ｉ２０の厚みが、各板状片５１，５２，５３の厚みとほぼ同じになるように描かれているが、これら各電極や絶縁層は、蒸着やメッキによって構成することができ、その厚みは、数μｍ程度に設定することができる。これに対して、各板状片５１，５２，５３の厚みは、実用的な強度を考慮してより厚く設計するのが好ましく、たとえば、金属により構成する場合であれば、１ｍｍ程度に設定するのが好ましい。
一方、左側支持体１０および右側支持体２０は、トルクを検出する原理上、弾性変形を生じる部材である必要はない。むしろ、作用したトルクが環状変形体５０の変形に１００％寄与するようにするためには、左側支持体１０および右側支持体２０は、完全な剛体である方が好ましい。図示の例において、左側支持体１０および右側支持体２０として、中心部に貫通開口部Ｈ１０，Ｈ２０を有する環状の構造体を用いた理由は、弾性変形しやすくするためではなく、回転軸（Ｚ軸）に沿って、左側支持体１０、環状変形体５０、右側支持体２０の各貫通開口部Ｈ１０，Ｈ５０，Ｈ２０を貫く挿通孔が確保されるようにするためである。§１〜§３で述べた先願トルクセンサと同様に、内部が中空となる構造を採用すれば、この中空部分に様々な部品を配置することができ、実用的な利用勝手が向上する。
図２４に示すとおり、左側支持体１０、右側支持体２０、環状変形体５０は、いずれもＺ軸方向の厚みが小さな扁平構造体によって構成することができるので、センサ全体の軸長を短く設定することが可能になる。しかも、容量素子Ｃを構成するための電極構造を単純化することができるため、生産効率を向上させる効果が期待できる。この効果は、図１２に例示されているトルクセンサの容量素子と、図２９に例示されているトルクセンサの容量素子とを比較すると、容易に理解できよう。
＜＜＜ §８． 波形の検出部を有するトルクセンサによるトルク検出原理 ＞＞＞
＜８−１．容量素子を用いたトルク検出＞
続いて、§７で述べたトルクセンサによるトルクの検出原理を説明する。図３０は、図２４に示す基本構造部における右側支持体２０に負荷がかかっている状態において、左側支持体１０に、Ｚ軸正まわりのトルク＋Ｍｚが作用したときの変形状態を示すＸＹ平面での断面図である。別言すれば、図２４に示す基本構造部をＸＹ平面で切断し、図２４の右方向から見た断面図である。ここでも、説明の便宜上、Ｘ軸およびＹ軸を反時計まわりに４５°回転させた座標軸として、Ｖ軸およびＷ軸を定義している。
図にハッチングを施した断面部分は、環状変形体５０に相当し、その奥に、左側支持体１０が見えている。図の点Ｐ１１〜Ｐ２２は、各接続点Ｐ１１〜Ｐ２２のＸＹ平面上への正射影投影像である。左側支持体１０にＺ軸正まわりのトルク＋Ｍｚが作用すると、図に白ドットで示されている点Ｐ１１，Ｐ１２（左側接続点）には、白矢印で示すような反時計まわりの応力が作用する。一方、右側支持体２０には負荷がかかっているので、図に黒ドットで示されている点Ｐ２１，Ｐ２２（右側接続点）は、そのまま定位置に留まろうとする。
その結果、第１の検出点Ｑ１および第３の検出点Ｑ３の位置近傍には、図に白矢印で示すような伸張力ｆ２が作用し、第２の検出点Ｑ２および第４の検出点Ｑ４の位置近傍には、図に白矢印で示すような圧縮力ｆ１が作用する。結局、環状変形体５０は、図示のとおり、Ｗ軸を長軸、Ｖ軸を短軸とする楕円形に変形する（図の破線は変形前の状態を示している）。
前述したとおり、各検出点Ｑ１〜Ｑ４の位置には、それぞれ検出部Ｄ１〜Ｄ４が配置されており、容量素子Ｃ１〜Ｃ４が形成されている。そして、図２８（ｂ）に示すように、圧縮力ｆ１が作用した検出部Ｄの変位部５３は右側支持体２０に近づくように変位し、容量素子Ｃの静電容量値は増加し、図２８（ｃ）に示すように、伸張力ｆ２が作用した検出部Ｄの変位部５３は右側支持体２０から遠ざかるように変位し、容量素子Ｃの静電容量値は減少する。したがって、Ｚ軸正まわりのトルク＋Ｍｚが作用したとき、各検出部Ｄ１〜Ｄ４は、図３１の表に示すような挙動を示すことになる。
すなわち、検出部Ｄ１〜Ｄ４に配置された変位電極をそれぞれＥ５０１〜Ｅ５０４とし、これに対向する固定電極をそれぞれＥ２０１〜Ｅ２０４とすれば、Ｚ軸正まわりのトルク＋Ｍｚの作用により、検出点Ｑ１，Ｑ３には、伸張力ｆ２が作用し、変位電極Ｅ５０１，Ｅ５０３は、固定電極Ｅ２０１，Ｅ２０３から遠ざかるように変位し、容量素子Ｃ１，Ｃ３の静電容量値は減少（表では「−」で示す）する。一方、検出点Ｑ２，Ｑ４には、圧縮力ｆ１が作用し、変位電極Ｅ５０２，Ｅ５０４は、固定電極Ｅ２０２，Ｅ２０４に近づくように変位し、容量素子Ｃ２，Ｃ４の静電容量値は増加（表では「＋」で示す）する。
したがって、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値を、同じ符号Ｃ１〜Ｃ４を用いて表すことにすれば、表の最下行に示すように、演算式「Ｍｚ＝−Ｃ１＋Ｃ２−Ｃ３＋Ｃ４」に基づく演算を行うことにより、作用したＺ軸正まわりのトルク＋Ｍｚを検出することができる。この場合、得られる演算値Ｍｚは正の値になり、その絶対値は作用したトルクの大きさを示すことになる。
一方、逆回りのトルク、すなわち、Ｚ軸負まわりのトルク−Ｍｚが作用したときの各検出部Ｄ１〜Ｄ４の挙動は、図３１の表とは逆になり、検出点Ｑ１，Ｑ３には、圧縮力ｆ１が作用し、検出点Ｑ２，Ｑ４には、伸張力ｆ２が作用する。したがって、容量素子Ｃ１，Ｃ３の静電容量値は増加し、容量素子Ｃ２，Ｃ４の静電容量値は減少する。その結果、演算式「Ｍｚ＝−Ｃ１＋Ｃ２−Ｃ３＋Ｃ４」に基づいて得られる演算値Ｍｚは負の値になり、その絶対値は作用したトルクの大きさを示すことになる。結局、この演算式で得られる演算値Ｍｚの符号は、作用したトルクの向きを示し、絶対値はその大きさを示すものになる。
なお、ここでは説明の便宜上、右側支持体２０に負荷がかかった状態において、左側支持体１０に加わった回転モーメントを検出対象となるトルクとして考えたが、もちろん、左側支持体１０に負荷がかかった状態において、右側支持体２０に加わった回転モーメントを検出対象となるトルクとしても、検出原理は全く同じである。
したがって、ここで説明した例の場合、図３２の回路図に示されているような検出回路を用いれば、Ｚ軸まわりのトルクを検出することができる。この回路図に示すＥ５０１〜Ｅ５０４は、各検出部Ｄ１〜Ｄ４に設けられた変位電極であり、Ｅ２０１〜Ｅ２０４は、これら変位電極Ｅ５０１〜Ｅ５０４に対向する固定電極であり、Ｃ１〜Ｃ４は、これらの電極によって構成される容量素子である。また、Ｃ／Ｖ変換回路１０１〜１０４は、それぞれ容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値Ｃ１〜Ｃ４を、電圧値Ｖ１〜Ｖ４に変換する回路であり、変換後の電圧値Ｖ１〜Ｖ４は、それぞれ各静電容量値Ｃ１〜Ｃ４に対応した値になる。差分演算器１０５は、上述した演算式「Ｍｚ＝−Ｃ１＋Ｃ２−Ｃ３＋Ｃ４」なる演算を行い、その結果を出力端子Ｔに出力する機能を有する。
なお、以上の説明においては、４つの検出部Ｄ１〜Ｄ４に設けられた４つ全ての容量素子の静電容量値を用いてトルクの方向及び大きさを検出しているが、検出部Ｄ１及びＤ２に設けられた２つの容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値を用いてトルクの方向及び大きさを検出することも可能である。この場合、「Ｍｚ＝−Ｃ１＋Ｃ２」に基づく演算を行うことにより、作用したＺ軸正まわりのトルク＋Ｍｚを検出することができる。
あるいは、温度が一定の場合や温度補償がなされる場合には、検出部Ｄ１に設けられた１つの容量素子Ｃ１の静電容量値のみを用いてトルクの方向及び大きさを検出することも可能である。この場合、「Ｍｚ＝−Ｃ１」に基づく演算を行うことにより、作用したＺ軸正まわりのトルク＋Ｍｚを検出することができる。もちろん、例えば検出部Ｄ２に設けられた１つの容量素子Ｃ２の静電容量値のみを用いることも可能であり、この場合は、「Ｍｚ＝Ｃ２」に基づく演算を行えばよい。
＜＜＜ §９． 本発明に係る、波形の検出部を採用した１電極タイプのトルクセンサの実施例 ＞＞＞
次に、図３３を参照して、本発明に係る、波形の変形部を有する１電極タイプのトルクセンサの実施例について説明する。図３３は、本実施の形態のトルクセンサの基本構造部を示す概略平面図である。本実施の形態の基本構造部は、第１検出部Ｄ１と第２検出部Ｄ２とが異なるバネ定数を有するように構成されている。具体的には、図示されるように、第１検出部Ｄ１における第１の変形部５１及び第２の変形部５２の前記肉厚が第２検出部Ｄ２における第１の変形部５１及び第２の変形部５２の前記肉厚よりも薄く構成されていることによって、検出部Ｄ１のバネ定数が検出部Ｄ２のバネ定数よりも小さくなっている。また、本実施の形態では、第３検出部Ｄ３は、第１検出部Ｄ１と同じ径方向の肉厚（すなわち同じバネ定数）を有し、第４検出部Ｄ４は、第２検出部Ｄ２と同じ径方向の肉厚（すなわち同じバネ定数）を有している。但し、本実施の形態においては、容量素子は、第１及び第２検出部Ｄ１、Ｄ２に対応する位置にのみ配置されており、第３及び第４検出部Ｄ３、Ｄ４に対応する位置には配置されていない。また、第１及び第２検出部Ｄ１、Ｄ２に配置された各容量素子Ｃ１、Ｃ２を構成する各固定電極Ｅ２０１、Ｅ２０２と各変位電極Ｅ５０１、Ｅ５０２の実効対向面積は共に同一である。その他の構成は§７及び§８で説明したトルクセンサと同様であるため、その詳細な説明は省略する。
このようなトルクセンサに対してＺ軸正まわりのトルクが作用すると、前述したように、第１検出部Ｄ１においては、変位電極Ｅ５０１が右側支持体２０から遠ざかるように変位し、容量素子Ｃ１の静電容量値は減少する。その一方で、第２検出部Ｄ２においては、変位電極Ｅ５０２が右側支持体に近づくように変位し、容量素子Ｃ２の静電容量値は増加する。但し、本実施の形態においては、第１検出部Ｄ１のバネ定数が第２検出部Ｄ２のバネ定数よりも相対的に小さいため、変位電極Ｅ５０１の変位の方が変位電極Ｅ５０２の変位よりも大きい。すなわち、容量素子Ｃ１の静電容量値の変動量の絶対値の方が、容量素子Ｃ２の静電容量値の変動量の絶対値よりも大きい。
逆向きにトルクが作用した場合、すなわち、Ｚ軸負まわりのトルクが作用した場合は、これまでとは逆に、環状変形体５０（の接続点Ｐ１１，Ｐ１２）に対して反時計まわりの回転力が作用する。このため、各変位電極Ｅ５０１、Ｅ５０２の変位方向は、逆の方向になる。
このため、以下の［式４］に示すように、一対の電極Ｅ２０１，Ｅ５０１により構成される容量素子Ｃ１の静電容量値に相当する第１電気信号Ｔ１に基づいて、作用したトルクの方向および大きさを検出することが可能になる。更に、一対の電極Ｅ２０２，Ｅ５０２により構成される容量素子Ｃ２の静電容量値の相当する第２電気信号Ｔ２に基づいて、作用したトルクの方向および大きさを検出することも可能になる。なお、以下の［式４］において、Ｃ１、Ｃ２は、容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値をそれぞれ示している。
［式４］
Ｔ１＝Ｃ１
Ｔ２＝Ｃ２
本実施の形態では、環状変形体５０の特に第１検出部Ｄ１に金属疲労が蓄積することに伴って第１及び第２電気信号Ｔ１、Ｔ２の比率が変化することを利用して、トルクセンサの故障診断を行う。このため、以下の説明においては、各検出部Ｄ１、Ｄ２に金属疲労が生じていない初期状態での第１及び第２電気信号をＴ１ａ、Ｔ２ａとし、各検出部Ｄ１、Ｄ２に金属疲労が生じている（蓄積している）状態での第１及び第２電気信号をＴ１ｂ、Ｔ２ｂとして、それぞれ区別することとする。
図３４は、図３３の各検出部Ｄ１、Ｄ２に金属疲労が生じていない状態（初期状態）において、トルクセンサに作用するトルクの大きさと、当該トルクセンサから出力される第１電気信号Ｔ１ａ及び第２電気信号Ｔ２ａと、の関係を示すグラフであり、図３５は、図３２の各検出部Ｄ１、Ｄ２に金属疲労が生じている状態において、トルクセンサに作用するトルクの大きさと、当該トルクセンサから出力される第１電気信号Ｔ１ｂ及び第２電気信号Ｔ２ｂと、の関係を示すグラフである。各図において、横軸はトルクセンサに作用したトルクを示し、縦軸は当該トルクに応じてトルクセンサから出力される電気信号の大きさを示している。このため、各図において、各電気信号Ｔ１ａ〜Ｔ２ｂを示す直線の傾きは、トルクセンサの検出感度を示すことになる。
次に、トルクセンサが正常に機能しているか否かを判定する方法について説明する。本実施の形態のトルクセンサに対して繰り返しの負荷が作用すると、環状変形体５０に金属疲労が生じる。金属疲労は、前述したように、トルクによる変形が相対的に大きい第１検出部Ｄ１において顕著に発現する。この金属疲労が蓄積されると、第１検出部Ｄ１における第１の変形部５１及び第２の変形部５２の強度が低下し、最終的に当該第１検出部Ｄ１において環状変形体が破断することになる。第１検出部Ｄ１に金属疲労が蓄積すると、当該第１検出部Ｄ１がトルクによって大きく変形されるようになり、初期状態と比較して、トルクに対する第１検出部Ｄ１の感度が上昇する。このことは、図３４と図３５とを比較することによって理解される。
具体的には、図３４を参照すると、初期状態においては、第１検出部Ｄ１に対応する第１電気信号Ｔ１ａを示す直線の傾き（感度）は２．０である。一方、図３５を参照すると、金属疲労が蓄積している状態においては、第１検出部Ｄ１に対応する第１電気信号Ｔ１ｂを示す直線の傾き（感度）は３．０であり、感度が５０％上昇している。
もちろん、金属疲労は、第２検出部Ｄ２にも発現するが、その発現の程度は、第１検出部Ｄ１における金属疲労の発現の程度よりも小さい。実際、図３４を参照すると、初期状態においては、第２検出部Ｄ２に対応する第２電気信号Ｔ２ａを示す直線の傾きの絶対値（感度）は０．５である。その一方、図３５を参照すると、金属疲労が蓄積している状態においては、第２検出部Ｄ２に対応する第２電気信号Ｔ２ｂを示す直線の傾きの絶対値（感度）は０．６である。従って、感度の上昇は２０％にとどまっている。
ここで着目すべきは、高弾力部３０ａと低弾力部３０ｂとで、金属疲労の発現の程度が異なっているということである。本発明は、このことを利用してトルクセンサの故障診断を行うものである。すなわち、初期状態においては、第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの比率（Ｔ２ａ／Ｔ１ａ）の絶対値は、０．２５であるのに対し、金属疲労が蓄積している状態においては、第１電気信号Ｔ１ｂと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率（Ｔ２ｂ／Ｔ１ｂ）の絶対値は、０．２に下降している。
換言すれば、第１検出部Ｄ１と第２検出部Ｄ２とで金属疲労の蓄積の特性が異なることに起因して、繰り返しの負荷に伴って第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率が次第に変化する。そして、トルクセンサに対して繰り返しの負荷が更に作用すると、環状変形体５０は最終的に第１検出部Ｄ１において破断し、第１検出部Ｄ１に配置された容量素子Ｃ１が正常に機能しなくなる。一方、この時点では第２検出部Ｄ２に配置された容量素子Ｃ２は正常に機能している蓋然性が高い。
以上のことから、トルクの計測を相対的にバネ定数が大きい第１検出部Ｄ１側に配置された容量素子Ｃ１を用いて行いつつ、ある時点における第１電気信号Ｔ２ｂと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率と、初期状態における第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの比率と、の差が所定の範囲内にあるか否かを評価することによって、トルクセンサが正常に機能しているか否かを判定することができる。もちろん、トルクの計測を相対的にバネ定数が小さい第２検出部Ｄ２に配置された容量素子Ｃ２の静電容量値の変動量に基づいて行ってもよい。容量素子Ｃ２は、容量素子Ｃ１と比較してトルクに対し大きく変化する（感度が高い）ためＳ／Ｎに優れたトルクの計測が可能である。
以上の判定原理を具現化するために、本実施の形態のトルクセンサも、前述した図１９に示す検出回路を有している。この検出回路による故障診断の方法については、§４と略同様であるため、その詳細な説明は省略する。但し、本実施の形態では、検出回路のマイコン４７は、差分検出を行う必要が無い。このため、マイコン４７は、Ｃ／Ｖ変換器４１から提供される２つの電圧値をそのまま第１電気信号Ｔ１及び第２電気信号Ｔ２として出力すればよい。
以上のような本実施の形態のトルクセンサによれば、第２検出部Ｄ２よりも第１検出部Ｄ１の方が先に金属疲労することに伴って、第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率に変化が生じる。このことに着目して、環状変形体５０が破断する前に当該環状変形体５０（第１検出部Ｄ１）に金属疲労が生じていること検出することにより、環状変形体５０の故障を診断することが可能なトルクセンサを提供することができる。
なお、本実施の形態では、環状変形体５０に第３検出部Ｄ３及び第４検出部Ｄ４が設けられている。これは、トルクセンサにトルクが作用した際に当該環状変形体５０（の第１及び第２検出部Ｄ１、Ｄ２）が回転軸に関して対称的に弾性変形され、第１電気信号Ｔ１及び第２電気信号Ｔ２に基づいて、作用したトルクの方向及び大きさを容易に計測できるようにすることを狙いとしている。しかしながら、第１電気信号Ｔ１及び第２電気信号Ｔ２に対して適宜の信号補償を行うことによって、第３検出部Ｄ３及び第４検出部Ｄ４を設けないこと、すなわち環状変形体５０のうちＹ座標が負の領域を例えば一様な弾性体から構成することも、可能である。
また、本実施の形態では、第１検出部Ｄ１及び第３検出部Ｄ３が、環状変形体５０の基本環状路に沿って見た場合に径方向外側に偏って配置されている。しかしながら、このような態様には限定されず、例えば、環状変形体５０の基本環状路に沿って見た場合に径方向内側に偏って配置しても良い。但し、図３３に示すように、径方向外側に沿って配置した方が、作用したトルクによって当該検出部により大きな変位がもたらされるため、トルクの検出感度が高められ、有利である。
＜＜＜ §１０． 本発明に係る、波形の検出部を有する２電極タイプのトルクセンサの実施例 ＞＞＞
次に、図３６を参照して、本発明に係る、波形の検出部を有する２電極タイプのトルクセンサについて説明する。図３６は、本実施の形態のトルクセンサの基本構造部を示す概略平面図である。図３６において、説明の便宜上、Ｘ，Ｙ，Ｖ，Ｗ軸が重ねて描かれている。２電極タイプのトルクセンサは、§４において説明したように差分検出を行うことが可能であるため、温度変化の影響を排除した、より高精度なトルクの検出を行うことが可能である。
本実施の形態によるトルクセンサの環状変形体５０は、第１及び第４検出部Ｄ１、Ｄ４と第２及び第３検出部Ｄ２、Ｄ３とが異なるバネ定数を有するように構成されている。具体的には、図示されるように、検出部Ｄ２、Ｄ３の径方向の肉厚が、検出部Ｄ１、Ｄ４の径方向の肉厚よりも相対的に薄く構成されており、これによって第２及び第３検出部Ｄ２、Ｄ３のバネ定数が第１及び第４検出部Ｄ１、Ｄ４のバネ定数よりも小さくなっている。一方、第２検出部Ｄ２の径方向の肉厚（すなわちバネ定数）と第３検出部Ｄ３の径方向の肉厚（すなわちバネ定数）とは同一であり、第１検出部Ｄ１の径方向の肉厚（すなわちバネ定数）と第４検出部Ｄ４の径方向の肉厚（すなわちバネ定数）とは同一である。その他の構成は§７及び§８で説明したトルクセンサと同様であるため、その詳細な説明は省略する。なお、前述の２電極タイプのトルクセンサとは、以上のようにバネ定数が相対的に小さい検出部Ｄ２、Ｄ３及びバネ定数が相対的に大きい検出部Ｄ１、Ｄ４の、各２つの容量素子が配置されているトルクセンサを意味することとする。
このようなトルクセンサに対してＺ軸正まわりのトルクが作用すると、前述したように、検出部Ｄ１、Ｄ３においては、変位電極Ｅ５０１が右側支持体２０から遠ざかるように変位し、容量素子Ｃ１、Ｃ３の静電容量値は減少する。その一方で、検出部Ｄ２、Ｄ４においては、変位電極Ｅ５０２が右側支持体に近づくように変位し、容量素子Ｃ２、Ｃ４の静電容量値は増加する。
但し、本実施の形態の環状変形体５０は、検出部Ｄ１、Ｄ４のバネ定数が検出部Ｄ２、Ｄ３のバネ定数よりも大きい。このため、検出部Ｄ１、Ｄ４の変位よりも検出部Ｄ２、Ｄ３の変位の方が大きい。その結果、正のＶ軸上に配置された一対の電極Ｅ２０１，Ｅ５０１の電極間隔は狭まり、負のＶ軸上に配置された一対の電極Ｅ２０３，Ｅ３０３の電極間隔はより一層狭まる。更に、正のＷ軸上に配置された一対の電極Ｅ２０２，Ｅ３０２の電極間隔は広がり、負のＷ軸上に配置された一対の電極Ｅ２０４，Ｅ３０４の電極間隔は一層広がることになる。
逆向きにトルクが作用した場合、すなわち、Ｚ軸負まわりのトルクが作用した場合は、環状変形体５０（の接続点Ｐ１１，Ｐ１２）に対して反時計まわりの回転力が作用する。このため、各検出部Ｄ１〜Ｄ４に位置する各変位電極Ｅ３０１〜Ｄ３０４の変位方向は、逆の方向になる。
このため、以下の［式５］に示すように、一対の電極Ｅ２０２，Ｅ５０２により構成される容量素子Ｃ２、及び、一対の電極Ｅ２０３，Ｅ５０３により構成される容量素子Ｃ３の静電容量値の差分に相当する第１電気信号Ｔ１に基づいて、作用したトルクの方向および大きさを検出することが可能になる。更に、一対の電極Ｅ２０４，Ｅ５０４により構成される容量素子Ｃ４、及び、一対の電極Ｅ２０１，Ｅ５０１により構成される容量素子Ｃ１、の静電容量値の差分に相当する第２電気信号Ｔ２に基づいても、作用したトルクの方向および大きさを検出することが可能になる。なお、以下の［式５］において、Ｃ１〜Ｃ４は、それぞれ容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値を示している。
［式５］
Ｔ１＝Ｃ２−Ｃ３
Ｔ２ｂ＝Ｃ４−Ｃ１
本実施の形態でも、第２及び第３検出部Ｄ２、Ｄ３に金属疲労が蓄積することに伴って、これらＴ１とＴ２との比率が変化することを利用して、トルクセンサの故障診断を行う。ここでも、以下の説明においては、§９と同様に、初期状態での第１及び第２電気信号をＴ１ａ、Ｔ２ａとし、各検出部Ｄ１〜Ｄ４に金属疲労が生じている（蓄積している）状態での第１及び第２電気信号をＴ１ｂ、Ｔ２ｂとして、それぞれ区別することとする。本実施の形態では、トルクセンサに作用するトルクの大きさと、初期状態での第１及び第２電気信号Ｔ１ａ、Ｔ２ａとの関係は、図３４に示すグラフと同じである。また、トルクセンサに作用するトルクの大きさと、各検出部Ｄ１〜Ｄ４に金属疲労が生じている状態での第１及び第２電気信号Ｔ１ｂ、Ｔ２ｂと、の関係は、図３５に示すグラフと同じである。
以上のような本実施の形態によるトルクセンサが正常に機能しているか否かを判定するための原理及び方法は、§９と同じである。すなわち、§９における第１電気信号Ｔ１（Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ）及び第２電気信号Ｔ２（Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ）を［式５］に読み替えることによって、本実施の形態によるトルクセンサの故障判定の原理及び方法が理解される。このため、ここでは、当該原理及び方法の詳細な説明は省略する。但し、本実施の形態では、第１及び第４検出部Ｄ１、Ｄ４、並びに、第２及び第３検出部Ｄ２、Ｄ３にそれぞれ設けられた各２つの容量素子を用いて差分検出が行われる。このため、検出回路のマイコン４７は、Ｃ／Ｖ変換器４１から提供される４つの電圧値を［式５］に対応してそれぞれ差分処理することになる。
以上のような本実施の形態のトルクセンサによれば、検出部Ｄ１、Ｄ４よりも検出部Ｄ２、Ｄ３の方が先に金属疲労することに伴って、第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率に変化が生じる。このことに着目して、環状変形体５０が破断する前に当該環状変形体５０に金属疲労が生じていること検出することにより、環状変形体５０の故障を診断することが可能なトルクセンサを提供することができる。
＜＜＜ §１１． 本発明に係る、波形の検出部を有する４電極タイプのトルクセンサの実施例 ＞＞＞
次に、図３７を参照して、本発明に係る、波形の検出部を有する４電極タイプのトルクセンサについて説明する。図３７は、本実施の形態のトルクセンサの基本構造部を示す概略平面図である。図３７においても、説明の便宜上、Ｘ，Ｙ，Ｖ，Ｗ軸が重ねて描かれている。４電極タイプのトルクセンサは、§６において説明したように、高精度な差分検出を行うことが可能である。本実施の形態による基本構造部は、２電極タイプ及び１電極タイプのトルクセンサの基本構造部とは異なり、相対的にバネ定数が小さい４つの検出部Ｄ１ｂ〜Ｄ４ｂと、相対的にバネ定数が大きい４つの検出部Ｄ１ａ〜Ｄ４ａと、が連結部Ｌ１〜Ｌ８を介して周方向に交互に配置されて構成されている。
本実施の形態では、図示されるように、検出部Ｄ１ｂ〜Ｄ４ｂの径方向の肉厚が、検出部Ｄ１ａ〜Ｄ４ａの径方向の肉厚よりも相対的に薄く構成されており、これによって検出部Ｄ１ｂ〜Ｄ４ｂのバネ定数が検出部Ｄ１ａ〜Ｄ４ａのバネ定数よりも小さくなっている。また、検出部Ｄ１ａ〜Ｄ４ａは、互いに同じ径方向の肉厚（すなわち同じバネ定数）を有し、検出部Ｄ１ｂ〜Ｄ４ｂは、互いに同じ径方向の肉厚（すなわち同じバネ定数）を有している。
各検出部Ｄ１ａ〜Ｄ４ｂの具体的な配置について、Ｚ軸方向から見ると、相対的にバネ定数が小さい検出部Ｄ１ｂ〜Ｄ４ｂは、正のＸ軸と正のＶ軸とで区画された領域（ｉ）と、正のＹ軸と正のＷ軸とで区画された領域（ｉｉｉ）と、負のＸ軸と負のＶ軸とで区画された領域（ｖ）と、負のＹ軸と負のＷ軸とで区画された領域（ｖｉｉ）と、に各１つずつ配置されており、相対的にバネ定数が大きい検出部Ｄ１ａ〜Ｄ４ａは、正のＶ軸と正のＹ軸とで区画された領域（ｉｉ）と、正のＷ軸と負のＸ軸とで区画された領域（ｉｖ）と、負のＶ軸と負のＹ軸とで区画された領域（ｖｉ）と、負のＷ軸と正のＸ軸とで区画された領域（ｖｉｉｉ）と、に各１つずつ配置されている。
より具体的には、Ｚ軸方向から見ると、検出部Ｄ１ｂは、原点Ｏを通り正のＸ軸に対して３０°の角度をなす直線上に配置され、検出部Ｄ１ａは、原点Ｏを通り正のＸ軸に対して６０°の角度をなす直線上に配置され、検出部Ｄ２ｂは、原点Ｏを通り正のＸ軸に対して１２０°の角度をなす直線上に配置され、検出部Ｄ２ａは、原点Ｏを通り正のＸ軸に対して１５０°の角度をなす直線上に配置され、検出部Ｄ３ｂは、原点Ｏを通り正のＸ軸に対して２１０°の角度をなす直線上に配置され、検出部Ｄ３ａは、原点Ｏを通り正のＸ軸に対して２４０°の角度をなす直線上に配置され、検出部Ｄ４ｂは、原点Ｏを通り正のＸ軸に対して３００°の角度をなす直線上に配置され、検出部Ｄ４ａは、原点Ｏを通り正のＸ軸に対して３３０°の角度をなす直線上に配置されている。
そして、各検出部Ｄ１ａ〜Ｄ４ｂには、変位電極Ｅ５０１ａ〜５０４ｂが配置されている。また、これらの変位電極Ｅ５０１ａ〜５０４ｂに対向する位置には、固定電極Ｅ２０１ａ〜Ｅ２０４ｂが配置され、右側支持体（不図示）に固定されている。そして、変位電極Ｅ５０１ａ〜５０４ｂと固定電極Ｅ２０１ａ〜Ｅ２０４ｂとによって、容量素子Ｃ１ａ〜Ｃ４ｂが構成されている。具体的には、変位電極Ｅ５０１ａと固定電極Ｅ２０１ａとによって容量素子Ｃ１ａが構成されており、変位電極Ｅ５０２ａと固定電極Ｅ２０２ａとによって容量素子Ｃ２ａが構成されており、変位電極Ｅ５０３ａと固定電極Ｅ２０３ａとによって容量素子Ｃ３ａが構成されており、変位電極Ｅ５０４ａと固定電極Ｅ２０４ａとによって容量素子Ｃ４ａが構成されている。更に、変位電極Ｅ５０１ｂと固定電極Ｅ２０１ｂとによって容量素子Ｃ１ｂが構成されており、変位電極Ｅ５０２ｂと固定電極Ｅ２０２ｂとによって容量素子Ｃ２ｂが構成されており、変位電極Ｅ５０３ｂと固定電極Ｅ２０３ｂとによって容量素子Ｃ３ｂが構成されており、変位電極Ｅ５０４ｂと固定電極Ｅ２０４ｂとによって容量素子Ｃ４ｂが構成されている。本実施の形態でも、各容量素子を構成する固定電極Ｅ２０１ａ〜Ｅ２０４ｂと変位電極Ｅ５０１ａ〜Ｅ５０４ｂとの実効対向面積がそれぞれ等しい。その他の構成は§７及び§８で説明したトルクセンサと同様であるため、その詳細な説明は省略する。
本実施の形態のトルクセンサに対してＺ軸正まわりのトルクが作用すると、環状変形体５０は略楕円状に変形し、Ｖ軸は当該楕円の短軸方向、Ｗ軸は当該楕円の長軸方向になる。具体的には、領域（ｉ）の検出部Ｄ１ｂと領域（ｉｉ）の検出部Ｄ１ａとは、共に正のＶ軸方向に変位するが、バネ定数が小さい領域（ｉ）の検出部Ｄ１ｂの方が大きく変位する。同様に、領域（ｉｉｉ）の検出部Ｄ２ｂと領域（ｉｖ）の検出部Ｄ２ａとは、共に負のＷ軸方向に変位するが、領域（ｉｉｉ）の検出部Ｄ２ｂの方が大きく変位する。また、領域（ｖ）の検出部Ｄ３ｂと領域（ｖｉ）の検出部Ｄ３ａとは、共に負のＶ軸方向に変位するが、領域（ｖ）の検出部Ｄ３ｂの方が大きく変位する。領域（ｖｉｉ）の検出部Ｄ４ｂと領域（ｖｉｉｉ）の検出部Ｄ４ａとは、共に正のＷ軸方向に変位するが、領域（ｖｉｉ）の検出部Ｄ４ｂの方が大きく変位する。
逆向きにトルクが作用した場合、すなわち、Ｚ軸負まわりのトルクが作用した場合は、これとは逆に、環状変形体５０（の接続点Ｐ１１，Ｐ１２）に対して反時計まわりの回転力が作用する。このため、環状変形体５０のＶ軸及びＷ軸の近傍に位置する各変位電極Ｅ５０１ａ〜Ｅ５０４ｂの変位方向は、逆の方向になる。
このため、以下の［式６］に示すように、各一対の電極により構成される容量素子Ｃ１ｂ、Ｃ２ｂ、Ｃ３ｂ、Ｃ４ｂの各静電容量値に基づく第１電気信号Ｔ１によって、作用したトルクの方向および大きさを検出することが可能である。更に、各一対の電極により構成される容量素子Ｃ１ａ、Ｃ２ａ、Ｃ３ａ、Ｃ４ａの各静電容量値に基づく第２電気信号Ｔ２によっても、作用したトルクの方向および大きさを検出することが可能である。なお、以下の［式６］において、Ｃ１ａ〜Ｃ４ｂは、容量素子Ｃ１ａ〜Ｃ４ｂの静電容量値を示している。
［式６］
Ｔ１＝（Ｃ１ｂ＋Ｃ３ｂ）−（Ｃ２ｂ＋Ｃ４ｂ）
Ｔ２＝（Ｃ１ａ＋Ｃ３ａ）−（Ｃ２ａ＋Ｃ４ａ）
すなわち、本実施の形態におけるトルクセンサに採用されている検出回路は、２つの容量素子Ｃ１ｂ、Ｃ３ｂの静電容量値の和と、２つの容量素子Ｃ２ｂ、Ｃ４ｂの静電容量値の和と、の差」に相当する第１電気信号Ｔ１と、２つの容量素子Ｃ１ａ、Ｃ３ａの静電容量値の和と、２つの容量素子Ｃ２ａ、Ｃ４ａの静電容量値の和と、の差」に相当する第２電気信号Ｔ２と、を作用したトルクを示す電気信号として出力するようになっている。
本実施の形態でも、とりわけ各検出部Ｄ１ａ〜Ｄ４ｂに金属疲労が蓄積することに伴ってＴ１とＴ２との比率が変化することを利用して、トルクセンサの故障診断を行う。このため、ここでも、§９と同様に、初期状態での第１及び第２電気信号をＴ１ａ、Ｔ２ａとし、各検出部Ｄ１ａ〜Ｄ４ｂに金属疲労が生じている（蓄積している）状態での第１及び第２電気信号をＴ１ｂ、Ｔ２ｂとして、それぞれ区別することとする。本実施の形態では、トルクセンサに作用するトルクの大きさと、初期状態での第１及び第２電気信号Ｔ１ａ、Ｔ２ａとの関係は、図３４に示すグラフと同じである。また、トルクセンサに作用するトルクの大きさと、各検出部Ｄ１ａ〜Ｄ４ｂに金属疲労が生じている状態での第１及び第２電気信号Ｔ１ｂ、Ｔ２ｂと、の関係は、図３５に示すグラフと同じである。
以上のような本実施の形態によるトルクセンサが正常に機能しているか否かを判定するための原理及び方法は、§９と同じである。すなわち、§９における第１電気信号Ｔ１（Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ）及び第２電気信号Ｔ２（Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ）を［式６］に読み替えることによって、本実施の形態によるトルクセンサの故障判定の原理及び方法が理解される。このため、ここでは、当該原理及び方法の詳細な説明は省略する。
但し、本実施の形態では、高弾力部３０ａ側及び低弾力部３０ｂ側に設けられた各４つの容量素子を用いて高精度な差分検出が行われる。このため、検出回路のマイコン４７は、「２つの容量素子Ｃ１ａ、Ｃ３ａの静電容量値の和と、２つの容量素子Ｃ２ａ、Ｃ４ａの静電容量値の和と、の差」に相当する第１電気信号Ｔ１と、「２つの容量素子Ｃ１ｂ、Ｃ３ｂの静電容量値の和と、２つの容量素子Ｃ２ｂ、Ｃ４ｂの静電容量値の和と、の差」に相当する第２電気信号Ｔ２と、を作用したトルクを示す電気信号として出力することになる。
以上のような本実施の形態のトルクセンサによれば、相対的にバネ定数が大きい検出部Ｄ１ａ〜Ｄ４ａよりも相対的にバネ定数が小さい検出部Ｄ１ｂ〜Ｄ４ｂの方が先に金属疲労することに伴って、第１電気信号Ｔ２ａと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率に変化が生じる。このことに着目して、環状変形体５０が破断する前に当該環状変形体５０（検出部Ｄ１ａ〜Ｄ４ｂ）に金属疲労が生じていること検出することにより、環状変形体５０の故障を診断することが可能なトルクセンサを提供することができる。
＜＜＜ §１２． トルクセンサの基本構造部の変形例 ＞＞＞
これまで説明したトルクセンサは、例えば図１に示すように、環状変形体３０が左側支持体１０と右側支持体２０との間に配置された基本構造部を有していたが、このような形態には限られない。
図３８は、本発明のトルクセンサに採用され得る基本構造部の変形例を示す概略正面図である。図３８に示すように、本変形例の基本構造部は、環状変形体３０と、環状変形体３０の貫通開口部Ｈ３０の内部に配置された円環状の内側支持体３１０と、環状変形体３０の外周面を取り囲むように配置された円環状の外側支持体３２０と、を有している。図示されるように、環状変形体３０、内側支持体３１０及び外側支持体３２０は、互いに同心である。
また、図３８に示すＸ軸上には、内側支持体３１０と環状変形体３０との間に第１及び第２内側接続部材３３１，３３２が原点Ｏに関して対称に設けられており、これら第１及び第２内側接続部材３３１，３３２によって、内側支持体３１０の外周面と環状変形体３０の内周面とが接続されている。更に、Ｙ軸上には、環状変形体３０と外側支持体３２０との間に第１及び第２外側接続部材３４１，３４２が原点Ｏに関して対称に設けられており、これら第１及び第２外側接続部材３４１，３４２によって、環状変形体３０の外周面と外側支持体３２０の内周面とが接続されている。従って、本変形例の基本構造部を採用したトルクセンサは、環状変形体３０、内側支持体３１０及び外側支持体３２０がいずれもＸＹ平面上に配置されているため、前述の図２に示すトルクセンサよりも薄型の構造を有している。
このような基本構造部に対する固定電極及び変位電極の配置を、図３９を参照して説明する。図３９は、２電極タイプのトルクセンサにおいて、容量素子が環状変形体３０と内側支持体３１０との間に構成される場合における、固定電極及び変位電極の配置を示す図である。環状変形体３０は、図１５に示す例と同様に、Ｙ軸が正の領域が高弾力部３０ａであり、Ｙ軸が負の領域が低弾力部３０ｂとなっている。
図３９においては、基本構造部に４つの容量素子が設けられている。具体的には、説明の便宜上、ＸＹ平面上に、原点Ｏを通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなすＶ軸およびＷ軸を定義すると、環状変形体３０の内周面には、正のＶ軸上に変位電極Ｅ３１ａが配置されており、正のＷ軸上に変位電極Ｅ３２ａが配置されており、負のＶ軸上に変位電極Ｅ３１ｂが配置されており、負のＷ軸上に変位電極Ｅ３２ｂが配置されている。
そして、内側支持体３１０の外周面には、変位電極Ｅ３１ａに対向する位置に固定電極Ｅ２１ａが配置されており、変位電極Ｅ３２ａに対向する位置に固定電極Ｅ２２ａが配置されており、変位電極Ｅ３１ｂに対向する位置に固定電極Ｅ２１ｂが配置されており、変位電極Ｅ３２ｂに対向する位置に固定電極Ｅ２２ｂが配置されている。換言すれば、内側支持体３１０の外周面には、正のＶ軸上に固定電極Ｅ２１ａが配置されており、正のＷ軸上に固定電極Ｅ２２ａが配置されており、負のＶ軸上に固定電極Ｅ２１ｂが配置されており、負のＷ軸上に第４固定電極Ｅ２２ｂが当該Ｗ軸に関して対称的に配置されている。
このような構成のトルクセンサは、図１５〜図１９を参照して既に説明したトルクセンサと同様の機能を提供するため、その詳細な説明は省略する。もちろん、図示されていないが、各容量素子が環状変形体３０と外側支持体３２０との間に構成されていても良い。すなわち、変位電極Ｅ３１ａ〜Ｅ３２ｂが環状変形体３０の外周面に配置され、固定電極Ｅ２１ａ〜Ｅ２２ｂが外側支持体３２０の内周面に配置されていても良い。
また、このような構造は、１電極タイプ及び４電極タイプのトルクセンサに対しても採用し得るし、§７〜§１１において説明した、波形の検出部を有するトルクセンサに対しても採用し得る。
また、ここでは、内側支持体３１０及び外側支持体３２０が共に円環状である場合を例示したが、このような形態に限定されるものではなく、環状変形体３０に対してトルクを伝達することが可能であれば、例えばロッド状や半円状などの他の形態でも良い。
あるいは、他の変形例として、図１に示す構造と図３９に示す構造とを組み合わせることも可能である。すなわち、図示されていないが、このような構造の一例として、図３９に示す外側支持体３２０と環状変形体３０とが第１及び第２外側接続部材３４１、３４２を介して接続され、更に、環状変形体３０が図１の右側支持体２０に凸状部２１、２２を介して接続される構造が挙げられる。もちろん、外側支持体３２０に代えて内側支持体３１０を採用することも可能であるし、右側支持体２０に代えて左側支持体１０を採用することも可能である。
＜＜＜ §１４． 固定電極と変位電極との実効対向面積を一定にした変形例 ＞＞＞
なお、Ｚ軸まわりのトルクが作用すると、例えば図３０に示すように、各検出点Ｑ１〜Ｑ４の位置は、環状変形体３０の変形に応じて、環状変形体３０の円周に沿った方向に若干の変位を生じることになる。具体的には、図示の例の場合、各検出点Ｑ１〜Ｑ４の位置は、Ｖ軸もしくはＷ軸から時計まわりの方向に若干ずれた位置に移動している。したがって、トルクが作用すると、図２９に示す検出点Ｑも図の上下に移動することになり、変位部５３（変位電極Ｅ５０）は、図の左右方向に変位を生じるだけでなく、図の上下方向にも変位を生じる。
ただ、図２９に示す実施例の場合、変位電極Ｅ５０のサイズ（平面的なサイズ、すなわち、占有面積）に比べて、固定電極Ｅ２０のサイズ（平面的なサイズ、すなわち、占有面積）の方が大きく設定されているため、変位電極Ｅ５０が図の上下方向や図の紙面に垂直な方向に変位したとしても、固定電極Ｅ２０に対する変位電極Ｅ５０の対向面積に変化は生じない。したがって、容量素子Ｃの実効面積は、常に一定に維持されることになる。
図４０は、このように、固定電極Ｅ２０に対する変位電極Ｅ５０の相対位置が変化した場合にも、容量素子Ｃの実効面積が一定に維持される原理を示す図である。いま、図４０（ａ）に示すように、一対の電極ＥＬ，ＥＳを互いに対向するように配置した場合を考える。両電極ＥＬ，ＥＳは、互いに所定間隔をおいて平行になるように配置されており、容量素子を構成している。ただ、電極ＥＬは電極ＥＳに比べて面積が大きくなっており、電極ＥＳの輪郭を電極ＥＬの表面に投影して正射影投影像を形成した場合、電極ＥＳの投影像は、電極ＥＬの表面内に完全に含まれる。この場合、容量素子としての実効面積は、電極ＥＳの面積になる。
図４０（ｂ）は、図４０（ａ）に示す一対の電極ＥＳ，ＥＬの側面図である。図にハッチングを施した領域は、実質的な容量素子としての機能を果たす部分であり、容量素子としての実効面積は、このハッチングを施した電極の面積（すなわち、電極ＥＳの面積）ということになる。
いま、図に一点鎖線で示すような鉛直面Ｕを考える。電極ＥＳ，ＥＬは、いずれも鉛直面Ｕに平行になるように配置されている。ここで、電極ＥＳを鉛直面Ｕに沿って垂直上方に移動させたとすると、電極ＥＬ側の対向部分は上方に移動するものの、当該対向部分の面積に変わりはない。電極ＥＳを下方に移動させても、紙面の奥方向や手前方向に移動させても、やはり電極ＥＬ側の対向部分の面積は変わらない。
要するに、面積が小さい方の電極ＥＳの輪郭を、面積が大きい方の電極ＥＬの表面に投影して正射影投影像を形成した場合、電極ＥＳの投影像が、電極ＥＬの表面内に完全に含まれる状態を維持している限り、両電極によって構成される容量素子の実効面積は、電極ＥＳの面積に等しくなり、常に一定になる。
したがって、図２９に示す変位電極Ｅ５０と固定電極Ｅ２０との関係が、図４０に示す電極ＥＳと電極ＥＬとの関係と同様の関係になっていれば、トルクの作用によって、変位電極Ｅ５０がどの方向に変位したとしても、変位電極Ｅ５０と固定電極Ｅ２０との間に平行が保たれている限り、容量素子を構成する一対の電極の実効対向面積は一定になる。これは、容量素子Ｃの静電容量値の変化が、専ら、変位電極Ｅ５０と固定電極Ｅ２０との距離に応じて生じることを意味する。別言すれば、容量素子Ｃの静電容量値の変化は、変位部５３の法線Ｎに沿った方向への変位にのみ依存して生じることになり、法線Ｎに直交する方向への変位には依存しないことを意味する。これは、上述した原理に基づいて、作用したトルクを正確に検出する上で重要である。
結局、本発明を実施する上では、所定回転方向のトルクが作用した結果、固定電極Ｅ２０に対する変位電極Ｅ５０の相対位置が変化した場合にも、容量素子Ｃを構成する一対の電極の実効対向面積が変化しないように、固定電極Ｅ２０および変位電極Ｅ５０のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定しておくのが好ましい。
なお、図４０には、２枚の電極ＥＬ，ＥＳとして、矩形状の電極を用いた例を示したが、本発明に係るトルクセンサに用いる変位電極Ｅ５０および固定電極Ｅ２０の形状は任意であり、たとえば、円形の電極を用いるようにしてもかまわない。また、§４−３で述べたとおり、環状変形体５０を金属などの導電性材料により構成し、その表面の一部の領域を変位電極Ｅ５０として利用したり、右側支持体２０を金属などの導電性材料により構成し、その表面の一部の領域を固定電極Ｅ２０として利用するようにしてもかまわない。
もちろん、このような構造は、§４〜§６において説明した２電極タイプ、１電極タイプ及び４電極タイプの各トルクセンサに対しても適用可能であるし、§１０、§１１において説明した２電極タイプ及び４電極タイプの波形の検出部を有するトルクセンサに対して適用可能である。

Claims (46)

  1. ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸まわりのトルクを検出するトルクセンサであって、
    検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、Ｚ軸が挿通する貫通開口部を有する環状変形体と、
    前記環状変形体がＸＺ平面と交わる２つの第１部位において当該環状変形体に接続された第１支持体と、
    前記環状変形体がＺ軸を含みＸＺ平面とは異なる平面と交わる２つの第２部位において当該環状変形体に接続され、前記第１支持体に対してＺ軸まわりに回転可能な第２支持体と、
    前記環状変形体に配置され、当該環状変形体の弾性変形に起因した変位を生じる変位電極と、
    前記第１支持体のうち前記変位電極に対向する位置に配置された固定電極と、
    前記変位電極と前記固定電極とによって構成される容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記第１支持体及び前記第２支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用したＺ軸まわりのトルクを示す電気信号を出力する検出回路と、
    を備え、
    前記環状変形体は、高弾力部と、前記高弾力部のバネ定数よりも小さいバネ定数を有する低弾力部と、を有し、
    前記容量素子は、第１容量素子及び第２容量素子を有し、前記第１容量素子は、Ｚ軸まわりのトルクが作用したときに、前記高弾力部のうち前記環状変形体と前記第１支持体との離間距離が変化する第１位置に配置された変位電極及び固定電極から構成され、前記第２容量素子は、Ｚ軸まわりのトルクが作用したときに、前記低弾力部のうち前記環状変形体と前記第１支持体との離間距離が変化する第２位置に配置された変位電極及び固定電極から構成され、
    前記検出回路は、
    前記第１容量素子の静電容量値に相当する第１電気信号と、前記第２容量素子の静電容量値に相当する第２電気信号と、を作用したトルクを示す電気信号として出力し、
    前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率に基づいて、当該トルクセンサが正常に機能しているか否かを判定する
    ことを特徴とするトルクセンサ。
  2. 前記第１及び第２容量素子の各変位電極が共通の電極で構成されているか、または、前記第１及び第２容量素子の各固定電極が共通の電極で構成されている
    ことを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
  3. Ｚ軸まわりのトルクが作用した結果、前記固定電極に対する前記変位電極の相対位置が変化した場合にも、前記第１及び第２容量素子を構成する各一対の電極の実効対向面積が変化しないように、前記第１及び第２容量素子のそれぞれの変位電極及び固定電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定した
    ことを特徴とする請求項１または２に記載のトルクセンサ。
  4. 前記第２支持体は、前記環状変形体がＹＺ平面と交わる２つの領域において当該環状変形体に接続されている
    ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のトルクセンサ。
  5. ＸＹ平面上に、原点Ｏを通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなすＶ軸およびＷ軸を定義した場合に、Ｚ軸方向から見ると、前記第１容量素子及び前記第２容量素子は、共にＶ軸上またはＷ軸上に配置される
    ことを特徴とする請求項４に記載のトルクセンサ。
  6. ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸まわりのトルクを検出するトルクセンサであって、
    検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、Ｚ軸が挿通する貫通開口部を有する環状変形体と、
    前記環状変形体がＸＺ平面と交わる２つの第１部位において当該環状変形体に接続された第１支持体と、
    前記環状変形体がＺ軸を含みＸＺ平面とは異なる平面と交わる２つの第２部位において当該環状変形体に接続され、前記第１支持体に対してＺ軸まわりに回転可能な第２支持体と、
    前記環状変形体に配置され、当該環状変形体の弾性変形に起因した変位を生じる変位電極と、
    前記第１支持体のうち前記変位電極に対向する位置に配置された固定電極と、
    前記変位電極と前記固定電極とによって構成される容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記第１支持体及び前記第２支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用したＺ軸まわりのトルクを示す電気信号を出力する検出回路と、
    を備え、
    前記環状変形体は、高弾力部と、前記高弾力部のバネ定数よりも小さいバネ定数を有する低弾力部と、を有し、
    前記容量素子は、第１容量素子、第２容量素子、第３容量素子及び第４容量素子を有し、前記第１容量素子及び前記第２容量素子は、Ｚ軸まわりのトルクが作用したときに、前記高弾力部のうち前記環状変形体と前記第１支持体との離間距離が変化する２つの第１位置に配置された変位電極及び固定電極からそれぞれ構成され、前記第３容量素子及び前記第４容量素子は、Ｚ軸まわりのトルクが作用したときに、前記低弾力部のうち前記環状変形体と前記第１支持体との離間距離が変化する２つの第２位置に配置された変位電極及び固定電極からそれぞれ構成され、
    前記検出回路は、
    「前記第１容量素子の静電容量値と、前記第２容量素子の静電容量値と、の差」に相当する第１電気信号と、「前記第３容量素子の静電容量値と、前記第４容量素子の静電容量値と、の差」に相当する第２電気信号と、を作用したトルクを示す電気信号として出力し、
    前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率に基づいて、当該トルクセンサが正常に機能しているか否かを判定する
    ことを特徴とするトルクセンサ。
  7. 前記第１〜第４容量素子の各変位電極のうち少なくとも２つが共通の電極で構成されているか、または、前記第１〜第４容量素子の各固定電極のうち少なくとも２つが共通の電極で構成されている
    ことを特徴とする請求項６に記載のトルクセンサ。
  8. Ｚ軸まわりのトルクが作用した結果、前記固定電極に対する前記変位電極の相対位置が変化した場合にも、前記第１〜第４容量素子を構成する各一対の電極の実効対向面積が変化しないように、前記第１〜第４容量素子のそれぞれの変位電極及び固定電極のうち一方の面積を他方の面積よりも大きく設定した
    ことを特徴とする請求項６または７に記載のトルクセンサ。
  9. 前記第２支持体は、前記環状変形体がＹＺ平面と交わる２つの領域において当該環状変形体に接続されている
    ことを特徴とする請求項６乃至８のいずれか一項に記載のトルクセンサ。
  10. ＸＹ平面上に、原点Ｏを通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなすＶ軸およびＷ軸を定義した場合に、Ｚ軸方向から見ると、前記第１容量素子は正のＶ軸上に配置され、前記第２容量素子は正のＷ軸上に配置され、前記第３容量素子は負のＶ軸上に配置され、前記第４容量素子は負のＷ軸上に配置される
    ことを特徴とする請求項９に記載のトルクセンサ。
  11. ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸まわりのトルクを検出するトルクセンサであって、
    検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、Ｚ軸が挿通する貫通開口部を有する環状変形体と、
    前記環状変形体がＸＺ平面と交わる２つの第１部位において当該環状変形体に接続された第１支持体と、
    前記環状変形体がＺ軸を含みＸＺ平面とは異なる平面と交わる２つの第２部位において当該環状変形体に接続され、前記第１支持体に対してＺ軸まわりに回転可能な第２支持体と、
    前記環状変形体に配置され、当該環状変形体の弾性変形に起因した変位を生じる変位電極と、
    前記第１支持体のうち前記変位電極に対向する位置に配置された固定電極と、
    前記変位電極と前記固定電極とによって構成される容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記第１支持体及び前記第２支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用したＺ軸まわりのトルクを示す電気信号を出力する検出回路と、
    を備え、
    前記環状変形体は、４つの高弾力部と、前記高弾力部のバネ定数よりも小さいバネ定数を有する４つの低弾力部と、が周方向に各１つずつ交互に配置されて構成され、
    前記容量素子は、第１容量素子、第２容量素子、第３容量素子、第４容量素子、第５容量素子、第６容量素子、第７容量素子及び第８容量素子を有し、前記第１、第３、第５及び第７容量素子は、Ｚ軸まわりのトルクが作用したときに、前記高弾力部のうち前記環状変形体と前記第１支持体との離間距離が変化する各１つの第１位置に配置された変位電極及び固定電極からそれぞれ構成され、前記第２、第４、第６及び第８容量素子は、Ｚ軸まわりのトルクが作用したときに、前記低弾力部のうち前記環状変形体と前記第１支持体との離間距離が変化する各１つの第２位置に配置された変位電極及び固定電極からそれぞれ構成され
    前記検出回路は、
    「前記第１容量素子の静電容量値と前記第５容量素子の静電容量値との和と、前記第３容量素子の静電容量値と前記第７容量素子の静電容量値との和と、の差」に相当する第１電気信号と、「前記第２容量素子の静電容量値と前記第６容量素子の静電容量値との和と、前記第４容量素子の静電容量値と前記第８容量素子の静電容量値との和と、の差」に相当する第２電気信号と、を作用したトルクを示す電気信号として出力し、
    前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率に基づいて、当該トルクセンサが正常に機能しているか否かを判定する
    ことを特徴とするトルクセンサ。
  12. 前記第１〜第８容量素子の各変位電極のうち少なくとも２つが共通の電極で構成されているか、または、前記第１〜第８容量素子の各固定電極のうち少なくとも２つが共通の電極で構成されている
    ことを特徴とする請求項１１に記載のトルクセンサ。
  13. Ｚ軸まわりのトルクが作用した結果、前記固定電極に対する前記変位電極の相対位置が変化した場合にも、前記第１〜第８容量素子を構成する各一対の電極の実効対向面積が変化しないように、前記第１〜第８容量素子のそれぞれの変位電極及び固定電極のうち一方の面積を他方の面積よりも大きく設定した
    ことを特徴とする請求項１１または１２に記載のトルクセンサ。
  14. 前記第２支持体は、前記環状変形体がＹＺ平面と交わる２つの領域において当該環状変形体に接続されている
    ことを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか一項に記載のトルクセンサ。
  15. ＸＹ平面上に、原点Ｏを通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなすＶ軸およびＷ軸を定義した場合に、Ｚ軸方向から見ると、
    前記高弾力部は、正のＸ軸と正のＶ軸とで区画された領域と、正のＹ軸と正のＷ軸とで区画された領域と、負のＸ軸と負のＶ軸とで区画された領域と、負のＹ軸と負のＷ軸とで区画された領域と、に各１つずつ配置され、
    前記低弾力部は、正のＶ軸と正のＹ軸とで区画された領域と、正のＷ軸と負のＸ軸とで区画された領域と、負のＶ軸と負のＹ軸とで区画された領域と、負のＷ軸と正のＸ軸とで区画された領域と、に各１つずつ配置される
    ことを特徴とする請求項１４に記載のトルクセンサ。
  16. 前記第１容量素子及び前記第２容量素子は、正のＶ軸近傍に、Ｚ軸方向から見て当該Ｖ軸に関して対称的に配置され、
    前記第３容量素子及び前記第４容量素子は、正のＷ軸近傍に、Ｚ軸方向から見て当該Ｗ軸に関して対称的に配置され、
    前記第５容量素子及び前記第６容量素子は、負のＶ軸近傍に、Ｚ軸方向から見て当該Ｖ軸に関して対称的に配置され、
    前記第７容量素子及び前記第８容量素子は、負のＷ軸近傍に、Ｚ軸方向から見て当該Ｗ軸に関して対称的に配置される
    ことを特徴とする請求項１５に記載のトルクセンサ。
  17. 前記低弾力部は、前記環状変形体の径方向において、前記高弾力部よりも幅狭に構成されている
    ことを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか一項に記載のトルクセンサ。
  18. 前記低弾力部は、Ｚ軸方向において、前記高弾力部よりも肉薄に構成されている
    ことを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか一項に記載のトルクセンサ。
  19. 前記変位電極は、前記環状変形体の表面に配置されている
    ことを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか一項に記載のトルクセンサ。
  20. ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸まわりのトルクを検出するトルクセンサであって、
    検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、Ｚ軸が挿通する貫通開口部を有する環状変形体と、
    前記環状変形体がＸＺ平面と交わる２つの第１部位において当該環状変形体に接続された第１支持体と、
    前記環状変形体がＺ軸を含みＸＺ平面とは異なる平面と交わる２つの第２部位において当該環状変形体に接続され、前記第１支持体に対してＺ軸まわりに回転可能な第２支持体と、
    前記環状変形体の所定位置に配置され、当該環状変形体の弾性変形に起因した変位を生じる変位電極と、
    前記第１支持体のうち前記変位電極に対向する位置に配置された固定電極と、
    前記変位電極と前記固定電極とによって構成される容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記第１支持体及び前記第２支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用したＺ軸まわりのトルクを示す電気信号を出力する検出回路と、
    を備え、
    前記環状変形体は、当該前記環状変形体上に定義された２つの検出点に位置する第１及び第２検出部と、これらの第１及び第２検出部の両端に接続された連結部と、を有し、
    前記第１及び第２検出部は、それぞれ、検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる第１変形部と、検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる第２変形部と、前記第１変形部および前記第２変形部の弾性変形により変位を生じる変位部と、を有し、
    前記第１変形部の外側端はこれに隣接する連結部に接続され、前記第１変形部の内側端は前記変位部に接続され、前記第２変形部の外側端はこれに隣接する連結部に接続され、前記第２変形部の内側端は前記変位部に接続され、
    前記第１検出部の前記第１及び第２変形部は、前記第２検出部の前記第１及び第２変形部のバネ定数よりも大きいバネ定数を有し、
    前記容量素子は、第１容量素子及び第２容量素子を有し、各容量素子は、前記第１及び第２検出部のそれぞれの前記変位部に対応する位置に配置された変位電極及び固定電極から構成され、
    前記検出回路は、
    前記第１容量素子の静電容量値に相当する第１電気信号と、前記第２容量素子の静電容量値に相当する第２電気信号と、を作用したトルクを示す電気信号として出力し、
    前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率に基づいて、当該トルクセンサが正常に機能しているか否かを判定する
    ことを特徴とするトルクセンサ。
  21. 前記第１及び第２容量素子の各変位電極が共通の電極で構成されているか、または、前記第１及び第２容量素子の各固定電極が共通の電極で構成されている
    ことを特徴とする請求項２０に記載のトルクセンサ。
  22. Ｚ軸まわりのトルクが作用した結果、前記固定電極に対する前記変位電極の相対位置が変化した場合にも、前記第１及び第２容量素子を構成する各一対の電極の実効対向面積が変化しないように、前記第１及び第２容量素子のそれぞれの変位電極及び固定電極のうち一方の面積を他方の面積よりも大きく設定した
    ことを特徴とする請求項２０または２１に記載のトルクセンサ。
  23. 前記第２支持体は、前記環状変形体がＹＺ平面と交わる２つの領域において当該環状変形体に接続されている
    ことを特徴とする請求項２０乃至２２のいずれか一項に記載のトルクセンサ。
  24. ＸＹ平面上に、原点Ｏを通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなすＶ軸およびＷ軸を定義した場合に、Ｚ軸方向から見ると、
    前記第１容量素子は、正のＶ軸上に配置され、前記第２容量素子は、正のＷ軸上に配置される
    ことを特徴とする請求項２３に記載のトルクセンサ。
  25. 前記第２検出部の前記第１及び第２変形部は、前記環状変形体の径方向において、前記第１検出部の前記第１及び第２変形部よりも幅狭に構成されている
    ことを特徴とする請求項２０乃至２４のいずれか一項に記載のトルクセンサ。
  26. 前記第２検出部の前記第１及び第２変形部は、Ｚ軸方向において、前記第１検出部の前記第１及び第２変形部よりも肉薄に構成されている
    ことを特徴とする請求項２０乃至２４のいずれか一項に記載のトルクセンサ。
  27. ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸まわりのトルクを検出するトルクセンサであって、
    検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、Ｚ軸が挿通する貫通開口部を有する環状変形体と、
    前記環状変形体がＸＺ平面と交わる２つの第１部位において当該環状変形体に接続された第１支持体と、
    前記環状変形体がＺ軸を含みＸＺ平面とは異なる平面と交わる２つの第２部位において当該環状変形体に接続され、前記第１支持体に対してＺ軸まわりに回転可能な第２支持体と、
    前記環状変形体の所定位置に配置され、当該環状変形体の弾性変形に起因した変位を生じる変位電極と、
    前記第１支持体のうち前記変位電極に対向する位置に配置された固定電極と、
    前記変位電極と前記固定電極とによって構成される容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記第１支持体及び前記第２支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用したＺ軸まわりのトルクを示す電気信号を出力する検出回路と、
    を備え、
    前記環状変形体は、当該前記環状変形体上に定義された４つの検出点に位置する第１〜第４検出部と、これらの第１〜第４検出部の両端に接続された連結部と、を有し、
    前記第１〜第４検出部は、それぞれ、検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる第１変形部と、検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる第２変形部と、前記第１変形部および前記第２変形部の弾性変形により変位を生じる変位部と、を有し、
    前記第１変形部の外側端はこれに隣接する連結部に接続され、前記第１変形部の内側端は前記変位部に接続され、前記第２変形部の外側端はこれに隣接する連結部に接続され、前記第２変形部の内側端は前記変位部に接続され、
    前記第１及び第４検出部の前記第１及び第２変形部は、前記第２及び第３検出部の前記第１及び第２変形部のバネ定数よりも大きいバネ定数を有し、
    前記容量素子は、第１容量素子、第２容量素子、第３容量素子及び第４容量素子を有し、各容量素子は、前記第１〜第４検出部のそれぞれの前記変位部に対応する位置に配置された変位電極及び固定電極から構成され、
    前記検出回路は、
    「前記第１容量素子の静電容量値と前記第４容量素子の静電容量値との差」に相当する第１電気信号と、「前記第２容量素子の静電容量値と前記第３容量素子の静電容量値との差」に相当する第２電気信号と、を作用したトルクを示す電気信号として出力し、
    前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率に基づいて、当該トルクセンサが正常に機能しているか否かを判定する
    ことを特徴とするトルクセンサ。
  28. 前記第１〜第４容量素子の各変位電極のうち少なくとも２つが共通の電極で構成されているか、または、前記第１〜第４容量素子の各固定電極のうち少なくとも２つが共通の電極で構成される
    ことを特徴とする請求項２７に記載のトルクセンサ。
  29. Ｚ軸まわりのトルクが作用した結果、前記固定電極に対する前記変位電極の相対位置が変化した場合にも、前記第１〜第４容量素子を構成する各一対の電極の実効対向面積が変化しないように、前記第１〜第４容量素子のそれぞれの変位電極及び固定電極のうち一方の面積を他方の面積よりも大きく設定した
    ことを特徴とする請求項２７または２８に記載のトルクセンサ。
  30. 前記第２支持体は、前記環状変形体がＹＺ平面と交わる２つの領域において当該環状変形体に接続されている
    ことを特徴とする請求項２７乃至２９のいずれか一項に記載のトルクセンサ。
  31. ＸＹ平面上に、原点Ｏを通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなすＶ軸およびＷ軸を定義した場合に、Ｚ軸方向から見ると、前記第１容量素子は、正のＶ軸上に配置され、前記第２容量素子は、正のＷ軸上に配置され、前記第３容量素子は、負のＶ軸上に配置され、前記第４容量素子は、負のＷ軸上に配置される
    ことを特徴とする請求項３０に記載のトルクセンサ。
  32. 前記第２及び第３検出部の前記第１及び第２変形部は、前記環状変形体の径方向において、前記第１及び第４検出部の前記第１及び第２変形部よりも幅狭に構成されている
    ことを特徴とする請求項２７乃至３１のいずれか一項に記載のトルクセンサ。
  33. 前記第２及び第３検出部の前記第１及び第２変形部は、Ｚ軸方向において、前記第１及び第４検出部の前記第１及び第２変形部よりも肉薄に構成されている
    ことを特徴とする請求項２７乃至３１のいずれか一項に記載のトルクセンサ。
  34. ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸まわりのトルクを検出するトルクセンサであって、
    検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、Ｚ軸が挿通する貫通開口部を有する環状変形体と、
    前記環状変形体がＸＺ平面と交わる２つの第１部位において当該環状変形体に接続された第１支持体と、
    前記環状変形体がＺ軸を含みＸＺ平面とは異なる平面と交わる２つの第２部位において当該環状変形体に接続され、前記第１支持体に対してＺ軸まわりに回転可能な第２支持体と、
    前記環状変形体の所定位置に配置され、当該環状変形体の弾性変形に起因した変位を生じる変位電極と、
    前記第１支持体のうち前記変位電極に対向する位置に配置された固定電極と、
    前記変位電極と前記固定電極とによって構成される容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記第１支持体及び前記第２支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用したＺ軸まわりのトルクを示す電気信号を出力する検出回路と、
    を備え、
    前記環状変形体は、当該前記環状変形体上に定義された８つの検出点に位置する第１〜第８検出部と、これらの第１〜第８検出部の両端に接続された連結部と、を有し、
    前記第１〜第８検出部は、それぞれ、検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる第１変形部と、検出対象となるトルクの作用により弾性変形を生じる第２変形部と、前記第１変形部および前記第２変形部の弾性変形により変位を生じる変位部と、を有し、
    前記第１変形部の外側端はこれに隣接する連結部に接続され、前記第１変形部の内側端は前記変位部に接続され、前記第２変形部の外側端はこれに隣接する連結部に接続され、前記第２変形部の内側端は前記変位部に接続され、
    前記第１、第３、第５及び第７検出部の前記第１及び第２変形部は、前記第２、第４、第６及び第８検出部の前記第１及び第２変形部のバネ定数よりも大きいバネ定数を有し、
    前記容量素子は、第１容量素子、第２容量素子、第３容量素子、第４容量素子、第５容量素子、第６容量素子、第７容量素子及び第８容量素子を有し、各容量素子は、前記第１〜第８検出部のそれぞれの前記変位部に対応する位置に配置された変位電極及び固定電極から構成され、
    前記検出回路は、
    「前記第１容量素子の静電容量値と前記第５容量素子の静電容量値との和と、前記第３容量素子の静電容量値と前記第７容量素子の静電容量値との和と、の差」に相当する第１電気信号と、「前記第２容量素子の静電容量値と前記第６容量素子の静電容量値との和と、前記第４容量素子の静電容量値と前記第８容量素子の静電容量値との和と、の差」に相当する第２電気信号と、を作用したトルクを示す電気信号として出力し、
    前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率に基づいて、当該トルクセンサが正常に機能しているか否かを判定する
    ことを特徴とするトルクセンサ。
  35. 前記第１〜第８容量素子の各変位電極のうち少なくとも２つが共通の電極で構成されているか、または、前記第１〜第８容量素子の各固定電極のうち少なくとも２つが共通の電極で構成されている
    ことを特徴とする請求項３４に記載のトルクセンサ。
  36. Ｚ軸まわりのトルクが作用した結果、前記固定電極に対する前記変位電極の相対位置が変化した場合にも、前記第１〜第４容量素子を構成する各一対の電極の実効対向面積が変化しないように、前記第１〜第４容量素子のそれぞれの変位電極及び固定電極のうち一方の面積を他方の面積よりも大きく設定した
    ことを特徴とする請求項３４または３５に記載のトルクセンサ。
  37. 前記第２支持体は、前記環状変形体がＹＺ平面と交わる２つの領域において当該環状変形体に接続されている
    ことを特徴とする請求項３４乃至３６のいずれか一項に記載のトルクセンサ。
  38. Ｚ軸方向から見ると、前記第１容量素子は、原点Ｏを通り正のＸ軸に対して３０°の角度をなす直線上に配置され、前記第２容量素子は、原点Ｏを通り正のＸ軸に対して６０°の角度をなす直線上に配置され、前記第３容量素子は、原点Ｏを通り正のＸ軸に対して１２０°の角度をなす直線上に配置され、前記第４容量素子は、原点Ｏを通り正のＸ軸に対して１５０°の角度をなす直線上に配置され、前記第５容量素子は、原点Ｏを通り正のＸ軸に対して２１０°の角度をなす直線上に配置され、前記第６容量素子は、原点Ｏを通り正のＸ軸に対して２４０°の角度をなす直線上に配置され、前記第７容量素子は、原点Ｏを通り正のＸ軸に対して３００°の角度をなす直線上に配置され、前記第８容量素子は、原点Ｏを通り正のＸ軸に対して３３０°の角度をなす直線上に配置される
    ことを特徴とする請求項３７に記載のトルクセンサ。
  39. 前記第２、第４、第６及び第８検出部の前記第１及び第２変形部は、前記環状変形体の径方向において、前記第１、第３、第５及び第７検出部の前記第１及び第２変形部よりも幅狭に構成されている
    ことを特徴とする請求項３４乃至３８のいずれか一項に記載のトルクセンサ。
  40. 前記第２、第４、第６及び第８検出部の前記第１及び第２変形部は、Ｚ軸方向において、前記第１、第３、第５及び第７検出部の前記第１及び第２変形部よりも肉薄に構成されている
    ことを特徴とする請求項３４乃至３８のいずれか一項に記載のトルクセンサ。
  41. 前記検出回路は、当該トルクセンサが正常に機能している状態における前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率を基準比率として記憶する記憶部を有し、
    前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率と、前記基準比率と、の差が所定の範囲内にあるか否かを判定することによって、当該トルクセンサが正常に機能しているか否かを判定する
    ことを特徴とする請求項１乃至４０のいずれか一項に記載のトルクセンサ。
  42. 作用したトルクが前記第１電気信号または前記第２電気信号に基づいて計測される
    ことを特徴とする請求項１乃至４１のいずれか一項に記載のトルクセンサ。
  43. 前記第１支持体は、前記環状変形体のＺ軸の一側に配置され、
    前記第２支持体は、前記環状変形体のＺ軸の他側に配置され、
    前記環状変形体は、第１接続部材を介して前記第１支持体に接続され、第２接続部材を介して前記第２支持体に接続される
    ことを特徴とする請求項１乃至４２のいずれか一項に記載のトルクセンサ。
  44. 前記第１支持体は、前記環状変形体の内周面の内側に配置され、
    前記第２支持体は、前記環状変形体の外周面の外側に配置され、
    前記環状変形体は、第１接続部材を介して前記第１支持体に接続され、第２接続部材を介して前記第２支持体に接続される
    ことを特徴とする請求項１乃至４２のいずれか一項に記載のトルクセンサ。
  45. 前記第１支持体は、前記環状変形体の内周面の内側または外周面の外側に配置され、
    前記第２支持体は、前記環状変形体のＺ軸の一側に配置され、
    前記環状変形体は、第１接続部材を介して前記第１支持体に接続され、第２接続部材を介して前記第２支持体に接続される
    ことを特徴とする請求項１乃至４２のいずれか一項に記載のトルクセンサ。
  46. 前記第１支持体は、前記環状変形体のＺ軸の一側に配置され、
    前記第２支持体は、前記環状変形体の内周面の内側または外周面の外側に配置され、
    前記環状変形体は、第１接続部材を介して前記第１支持体に接続され、第２接続部材を介して前記第２支持体に接続される
    ことを特徴とする請求項１乃至４２のいずれか一項に記載のトルクセンサ。
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