JP6150366B1 - トルクセンサ - Google Patents
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Abstract
Description
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、
前記環状変形体の内周面もしくは外周面に配置され、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、
前記容量素子は、Z軸まわりのトルクが作用したときに、前記環状変形体と前記第1支持体との離間距離が減少する第1部分に配置された第1容量素子及び第2容量素子と、前記環状変形体と前記第1支持体との離間距離が増大する第2部分に配置された第3容量素子及び第4容量素子と、を有し、
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、の和」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、の和」と、の差に相当する第1電気信号と、「前記第1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、及び、「前記第2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3電気信号、の少なくとも一方と、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電気信号または前記第3電気信号と、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。
前記固定電極は、前記第1変位電極に対向する位置に配置された第1固定電極と、前記第2変位電極に対向する位置に配置された第2固定電極と、前記第3変位電極に対向する位置に配置された第3固定電極と、前記第4変位電極に対向する位置に配置された第4固定電極と、を有し、
前記第1容量素子は、前記第1変位電極と前記第1固定電極とによって構成され、
前記第2容量素子は、前記第2変位電極と前記第2固定電極とによって構成され、
前記第3容量素子は、前記第3変位電極と前記第3固定電極とによって構成され、
前記第4容量素子は、前記第4変位電極と前記第4固定電極とによって構成されている。
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、
前記環状変形体の前記2つの第1部位は、第1接続部材を介して前記第1支持体に接続され、
前記環状変形体の前記2つの第2部位は、第2接続部材を介して前記第2支持体に接続されている。
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、
前記環状変形体の前記2つの第1部位は、第1接続部材を介して前記第1支持体に接続され、
前記環状変形体の前記2つの第2部位は、第2接続部材を介して前記第2支持体に接続されている。
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、
前記環状変形体の前記2つの第1部位は、第1接続部材を介して前記第1支持体に接続され、
前記環状変形体の前記2つの第2部位は、第2接続部材を介して前記第2支持体に接続されている。
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、
前記環状変形体の前記2つの第1部位は、第1接続部材を介して前記第1支持体に接続され、
前記環状変形体の前記2つの第2部位は、第2接続部材を介して前記第2支持体に接続されている。
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、
前記環状変形体の内周面もしくは外周面に配置され、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、
前記容量素子は、Z軸まわりのトルクが作用したときに、前記環状変形体と前記第1支持体との離間距離が減少する第1部分に配置された第1容量素子及び第2容量素子と、前記環状変形体と前記第1支持体との離間距離が減少する第2部分に配置された第3容量素子及び第4容量素子と、前記環状変形体と前記第1支持体との離間距離が増大する第3部分に配置された第5容量素子及び第6容量素子と、前記環状変形体と前記第1支持体との離間距離が増大する第4部分に配置された第7容量素子及び第8容量素子と、を有し、
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、前記第5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、前記第7容量素子の静電容量値と、前記第8変位電極と、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1電気信号と、「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2電気信号、並びに、「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3電気信号、の少なくとも一方と、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電気信号または前記第3電気信号と、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。
前記固定電極は、前記第1変位電極に対向する位置に配置された第1固定電極と、前記第2変位電極に対向する位置に配置された第2固定電極と、前記第3変位電極に対向する位置に配置された第3固定電極と、前記第4変位電極に対向する位置に配置された第4固定電極と、前記第5変位電極に対向する位置に配置された第5固定電極と、前記第6変位電極に対向する位置に配置された第6固定電極と、前記第7変位電極に対向する位置に配置された第7固定電極と、前記第8変位電極に対向する位置に配置された第8固定電極と、を有し、
前記第1容量素子は、前記第1変位電極と前記第1固定電極とによって構成され、
前記第2容量素子は、前記第2変位電極と前記第2固定電極とによって構成され、
前記第3容量素子は、前記第3変位電極と前記第3固定電極とによって構成され、
前記第4容量素子は、前記第4変位電極と前記第4固定電極とによって構成され、
前記第5容量素子は、前記第5変位電極と前記第5固定電極とによって構成され、
前記第6容量素子は、前記第6変位電極と前記第6固定電極とによって構成され、
前記第7容量素子は、前記第7変位電極と前記第7固定電極とによって構成され、
前記第8容量素子は、前記第8変位電極と前記第8固定電極とによって構成されている。
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、
前記環状変形体の前記2つの第1部位は、第1接続部材を介して前記第1支持体に接続され、
前記環状変形体の前記2つの第2部位は、第2接続部材を介して前記第2支持体に接続されている。
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、
前記環状変形体の前記2つの第1部位は、第1接続部材を介して前記第1支持体に接続され、
前記環状変形体の前記2つの第2部位は、第2接続部材を介して前記第2支持体に接続されている
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。
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、
前記環状変形体の前記2つの第1部位は、第1接続部材を介して前記第1支持体に接続され、
前記環状変形体の前記2つの第2部位は、第2接続部材を介して前記第2支持体に接続されている。
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、
前記環状変形体の前記2つの第1部位は、第1接続部材を介して前記第1支持体に接続され、
前記環状変形体の前記2つの第2部位は、第2接続部材を介して前記第2支持体に接続されている。
前記第2電気信号と前記第3電気信号との双方を、作用したトルクを示す電気信号として出力し、
「前記第1電気信号に基づくトルクと前記第2電気信号に基づくトルクとの差、及び、前記第1電気信号に基づくトルクと前記第3電気信号に基づくトルクとの差、の少なくとも一方」、並びに、「前記第2電気信号に基づくトルクと前記第3電気信号に基づくトルクとの差」、が共に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、トルクセンサが正常に機能しているか否かを確実に判定することができる。
本実施の形態によるトルクセンサの説明に先立ち、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ための原理について、片持ち梁のモデルを用いて説明する。
F1=(C21+C22)−(C11+C12)
受力体230に加えられた力Fは、第1容量素子C11の静電容量値と第3容量素子C21の静電容量値とに基づいて評価することも、第2容量素子C12の静電容量値と第4容量素子C22の静電容量値とに基づいて評価することも、可能である。すなわち、力Fは、以下のF2、F3によっても評価することができる。
F2=C21−C11
F3=C22−C12
本発明においては、片持ち梁モデル200’が正常に機能しているか否かを判定するに当たって、上記F1〜F3が利用される。具体的には、片持ち梁モデル200’が正常に機能しているか否かを判定するには、第1容量素子C11と第2容量素子C12とを切り離し、及び、第3容量素子C21と第4容量素子C22とを切り離し、前述のF2及びF3の式に基づいて力Fが評価される。そして、F1とF2との差が所定の範囲内にあるか否かと、F2とF3との差が所定の範囲内にあるか否かと、を評価すればよい。そして、すべての差が所定の範囲内にあれば、片持ち梁モデル200’は正常に機能しており、いずれかの差が所定の範囲外にあれば、当該片持ち梁モデル200’は正常に機能していない(故障している)と判定すればよい。
V1=C11+C12
V2=0
V3=C21+C22
V4=0
従って、第1及び第2差分演算器41a、41bの出力V5、V6は、下式で表される。
V5=V1−V3=(C11+C12)−(C21+C22)
V6=0
以上から、V5は「−F1」に対応する([数1]参照)ため、図5のタイミング1の接続状態によって、力Fを計測することができる。
V1=C11
V2=C12
V3=C21
V4=C22
従って、第1及び第2差分演算器41a、41bの出力V5、V6は、下式で表される。
V5=V1−V3=C11−C21
V6=V2−V4=C12−C22
以上から、V5は「−F2」に対応し、V6は「−F3」に対応する([数2]参照)ため、図5のタイミング2の接続状態にてF2とF3とを評価することができる。
図10は、本発明の基本的な実施形態に係るトルクセンサの基本構造部の分解斜視図である。図示のように、この基本構造部は、左側支持体10と右側支持体20との間に、環状変形体30を配置し、これら3つの構成要素を相互に接合することによって構成される。ここでは、便宜上、図示のとおりXYZ三次元座標系を定義して、以下の説明を行うことにする。ここで、図10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。
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16は、図11に示す基本構造部をXY平面で切断し、図11の左方向から見た断面図である。なお、この図16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16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16の点P11〜P22は、図13および図15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。
上述したとおり、本発明では、図3に示す基本構造部に、更に、容量素子と検出回路を付加し、トルクセンサを構成することになる。図17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。
§3では、円環状の環状変形体30をトルクの作用により楕円形に変形させる基本構造部を用いて、楕円の短軸方向および長軸方向にそれぞれV軸、W軸を定義し、V軸およびW軸の位置にそれぞれ容量素子を2組ずつ配置してトルクを検出すると共に、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の一例を述べた。ここでは、合計8組の容量素子を用いて、検出精度を更に向上させた変形例を説明する。
V1=C11+C12
V2=0
V3=C21+C22
V4=0
V5=C31+C32
V6=0
V7=C41+C42
V8=0
V9=V1−V3=(C11+C12)−(C21+C22)
V10=V2−V4=0
V11=V5−V7=(C31+C32)−(C41+C42)
V12=V6−V8=0
V13=V9+V11=(C11+C12)−(C21+C22)+(C31+C32)−(C41+C42)
V14=V10+V12=0
結局、図26に示す検出回路は、タイミング1において、「第1容量素子C11の静電容量値と、第2容量素子C12の静電容量値と、第5容量素子C31の静電容量値と、第6容量素子C32の静電容量値の和」と、「第3容量素子C21の静電容量値と、第4容量素子C22の静電容量値と、第7容量素子C41の静電容量値と、第8容量素子C42の静電容量値と、の和」と、の差に相当する電気信号を、作用したトルクT1を示す電気信号として出力する機能を有する。
V1=C11
V2=0
V3=C21
V4=0
V5=C31
V6=0
V7=C41
V8=0
V9=V1−V3=C11−C21
V10=V2−V4=0
V11=V5−V7=C31−C41
V12=V6−V8=0
V13=V9+V11=(C11−C21)+(C31−C41)
V14=V10+V12=0
結局、図26に示す検出回路は、タイミング2において、「第1容量素子C11の静電容量値と、第3容量素子C21の静電容量値と、の差」と、「第5容量素子C31の静電容量値と、第7容量素子C41の静電容量値、の差」と、の和に相当する電気信号を、作用したトルクT2を示す電気信号として出力する機能を有する。
V1=0
V2=C12
V3=0
V4=C22
V5=0
V6=C32
V7=0
V8=C42
V9=V1−V3=0
V10=V2−V4=C12−C22
V11=V5−V7=0
V12=V6−V8=C32−C42
V13=V9+V11=0
V14=V10+V12=(C12−C22)+(C32−C42)
結局、図26に示す検出回路は、タイミング3において、「第2容量素子C12の静電容量値と、第4容量素子C22の静電容量値と、の差」と、「第6容量素子C32の静電容量値と、第8容量素子C42の静電容量値、の差」と、の和に相当する電気信号を、作用したトルクT3を示す電気信号として出力する機能を有する。
ここでは、トルクが作用した場合に、変位電極が回転方向に若干のずれを生じた場合に、すなわち、固定電極に対する変位電極の相対位置が変化した場合に、容量素子の実効面積に変化が生じないようにする工夫を述べる。
Fx=(C21+C22+C31+C32)−(C11+C12+C41+C42)
Fy=(C31+C32+C41+C42)−(C11+C12+C21+C22)
なる演算によって求めることも可能である。ここで、C11〜C42は、それぞれ容量素子C11〜C42の静電容量値である。このような演算によって、力Fx,Fyが求まる理由は、図38の表に示す結果を踏まえれば、容易に理解できよう。
Fx=(V3+V4+V5+V6)−(V1+V2+V7+V8)
Fy=(V5+V6+V7+V8)−(V1+V2+V3+V4)
なる演算を行う演算器を設けておけばよい。
これまで説明したトルクセンサは、スイッチSW1〜SW8のON/OFFを所定のタイミングで切り換えることによって所定の容量素子を選択的に並列接続し、静電容量値の加算演算を行っていた。スイッチSW1〜SW8としては、機械的な接点を有するスイッチを採用可能であるが、検出回路の回路基板を小型化するという観点からは、アナログスイッチを採用することが好ましい。
これまで説明したトルクセンサは、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。
以上のような実施の形態及び変形例によるトルクセンサにおいては、各一対の容量素子がV軸またはW軸に関して対称的に、環状変形体30、内側支持体310または外側支持体320の周方向に沿って隣接して配置されている。これに対して、当該各一対の容量素子を、XY平面に投影した正射影投影像がV軸上またはW軸上で重なるように、Z軸方向に沿って隣接して配置しても良い。
Claims (32)
- 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、
前記環状変形体の内周面もしくは外周面に配置され、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支持体に接続され、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、
前記容量素子は、Z軸まわりのトルクが作用したときに、前記環状変形体と前記第1支持体との離間距離が減少する第1部分に配置された第1容量素子及び第2容量素子と、前記環状変形体と前記第1支持体との離間距離が増大する第2部分に配置された第3容量素子及び第4容量素子と、を有し、
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、の和」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、の和」と、の差に相当する第1電気信号と、「前記第1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、及び、「前記第2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3電気信号、の少なくとも一方と、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電気信号または前記第3電気信号と、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。 - 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る
ことを特徴とする請求項1に記載のトルクセンサ。 - 前記検出回路は、前記第1電気信号に基づくトルクと、前記第2電気信号または前記第3電気信号に基づくトルクと、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または2に記載のトルクセンサ。 - 前記検出回路は、
前記第2電気信号と前記第3電気信号との双方を、作用したトルクを示す電気信号として出力し、
「前記第1電気信号に基づくトルクと前記第2電気信号に基づくトルクとの差、及び、前記第1電気信号に基づくトルクと前記第3電気信号に基づくトルクとの差、の少なくとも一方」、並びに、「前記第2電気信号に基づくトルクと前記第3電気信号に基づくトルクとの差」、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または2に記載のトルクセンサ。 - 前記変位電極は、前記環状変形体の各部分のうち、前記第1部分に対応する位置に配置された第1変位電極及び第2変位電極と、前記第2部分に対応する位置に配置された第3変位電極及び第4変位電極と、を有し、
前記固定電極は、前記第1変位電極に対向する位置に配置された第1固定電極と、前記第2変位電極に対向する位置に配置された第2固定電極と、前記第3変位電極に対向する位置に配置された第3固定電極と、前記第4変位電極に対向する位置に配置された第4固定電極と、を有し、
前記第1容量素子は、前記第1変位電極と前記第1固定電極とによって構成され、
前記第2容量素子は、前記第2変位電極と前記第2固定電極とによって構成され、
前記第3容量素子は、前記第3変位電極と前記第3固定電極とによって構成され、
前記第4容量素子は、前記第4変位電極と前記第4固定電極とによって構成される
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のトルクセンサ。 - 前記第1〜第4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5に記載のトルクセンサ。 - 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、
前記環状変形体の前記2つの第1部位は、第1接続部材を介して前記第1支持体に接続され、
前記環状変形体の前記2つの第2部位は、第2接続部材を介して前記第2支持体に接続された
ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載のトルクセンサ。 - 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、
前記環状変形体の前記2つの第1部位は、第1接続部材を介して前記第1支持体に接続され、
前記環状変形体の前記2つの第2部位は、第2接続部材を介して前記第2支持体に接続された
ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載のトルクセンサ。 - 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、
前記環状変形体の前記2つの第1部位は、第1接続部材を介して前記第1支持体に接続され、
前記環状変形体の前記2つの第2部位は、第2接続部材を介して前記第2支持体に接続された
ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載のトルクセンサ。 - 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、
前記環状変形体の前記2つの第1部位は、第1接続部材を介して前記第1支持体に接続され、
前記環状変形体の前記2つの第2部位は、第2接続部材を介して前記第2支持体に接続された
ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載のトルクセンサ。 - 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固定電極及び前記第1変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第2固定電極及び前記第2変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第3固定電極及び前記第3変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第4固定電極及び前記第4変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定した
ことを特徴とする請求項5または6に記載のトルクセンサ。 - 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11のいずれかに記載のトルクセンサ。 - 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、V軸近傍に当該V軸に関して対称的に配置されており、前記第3容量素子及び前記第4容量素子は、W軸近傍に当該W軸に関して対称的に配置されている
ことを特徴とする請求項12に記載のトルクセンサ。 - 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、前記第1容量素子及び前記第2容量素子は、V軸近傍にZ軸方向に沿って並置され、XY平面への正射影投影像が互いに重なっており、前記第3容量素子及び前記第4容量素子は、W軸近傍にZ軸方向に沿って並置され、XY平面への正射影投影像がW軸と重なっている
ことを特徴とする請求項12に記載のトルクセンサ。 - 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、
前記環状変形体の内周面もしくは外周面に配置され、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支持体に接続され、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、
前記容量素子は、Z軸まわりのトルクが作用したときに、前記環状変形体と前記第1支持体との離間距離が減少する第1部分に配置された第1容量素子及び第2容量素子と、前記環状変形体と前記第1支持体との離間距離が増大する第2部分に配置された第3容量素子及び第4容量素子と、を有し、
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、及び、「前記第2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3電気信号、を作用したトルクを示す電気信号として出力し、
前記第2電気信号及び前記第3電気信号に基づいて、当該トルクセンサが正常に機能しているか否かを判定し、
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、
前記環状変形体の前記2つの第1部位は、第1接続部材を介して前記第1支持体に接続され、
前記環状変形体の前記2つの第2部位は、第2接続部材を介して前記第2支持体に接続されている
ことを特徴とするトルクセンサ。 - 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、
前記環状変形体の内周面もしくは外周面に配置され、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支持体に接続され、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、
前記容量素子は、Z軸まわりのトルクが作用したときに、前記環状変形体と前記第1支持体との離間距離が減少する第1部分に配置された第1容量素子及び第2容量素子と、前記環状変形体と前記第1支持体との離間距離が増大する第2部分に配置された第3容量素子及び第4容量素子と、を有し、
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、及び、「前記第2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3電気信号、を作用したトルクを示す電気信号として出力し、
前記第2電気信号及び前記第3電気信号に基づいて、当該トルクセンサが正常に機能しているか否かを判定し、
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、
前記環状変形体の前記2つの第1部位は、第1接続部材を介して前記第1支持体に接続され、
前記環状変形体の前記2つの第2部位は、第2接続部材を介して前記第2支持体に接続されている
ことを特徴とするトルクセンサ。 - 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、
前記環状変形体の内周面もしくは外周面に配置され、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支持体に接続され、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、
前記容量素子は、Z軸まわりのトルクが作用したときに、前記環状変形体と前記第1支持体との離間距離が減少する第1部分に配置された第1容量素子及び第2容量素子と、前記環状変形体と前記第1支持体との離間距離が増大する第2部分に配置された第3容量素子及び第4容量素子と、を有し、
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、及び、「前記第2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3電気信号、を作用したトルクを示す電気信号として出力し、
前記第2電気信号及び前記第3電気信号に基づいて、当該トルクセンサが正常に機能しているか否かを判定し、
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、
前記環状変形体の前記2つの第1部位は、第1接続部材を介して前記第1支持体に接続され、
前記環状変形体の前記2つの第2部位は、第2接続部材を介して前記第2支持体に接続されている
ことを特徴とするトルクセンサ。 - 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、
前記環状変形体の内周面もしくは外周面に配置され、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支持体に接続され、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、
前記容量素子は、Z軸まわりのトルクが作用したときに、前記環状変形体と前記第1支持体との離間距離が減少する第1部分に配置された第1容量素子及び第2容量素子と、前記環状変形体と前記第1支持体との離間距離が減少する第2部分に配置された第3容量素子及び第4容量素子と、前記環状変形体と前記第1支持体との離間距離が増大する第3部分に配置された第5容量素子及び第6容量素子と、前記環状変形体と前記第1支持体との離間距離が増大する第4部分に配置された第7容量素子及び第8容量素子と、を有し、
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、前記第5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、前記第7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1電気信号と、「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2電気信号、並びに、「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3電気信号、の少なくとも一方と、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電気信号または前記第3電気信号と、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。 - 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る
ことを特徴とする請求項18に記載のトルクセンサ。 - 前記検出回路は、前記第1電気信号に基づくトルクと、前記第2電気信号または前記第3電気信号に基づくトルクと、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18または19に記載のトルクセンサ。 - 前記検出回路は、
前記第2電気信号と前記第3電気信号との双方を、作用したトルクを示す電気信号として出力し、
「前記第1電気信号に基づくトルクと前記第2電気信号に基づくトルクとの差、及び、前記第1電気信号に基づくトルクと前記第3電気信号に基づくトルクとの差、の少なくとも一方」、並びに、「前記第2電気信号に基づくトルクと前記第3電気信号に基づくトルクとの差」、が共に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18または19に記載のトルクセンサ。 - 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、
前記環状変形体の内周面もしくは外周面に配置され、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支持体に接続され、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、
前記容量素子は、Z軸まわりのトルクが作用したときに、前記環状変形体と前記第1支持体との離間距離が減少する第1部分に配置された第1容量素子及び第2容量素子と、前記環状変形体と前記第1支持体との離間距離が減少する第2部分に配置された第3容量素子及び第4容量素子と、前記環状変形体と前記第1支持体との離間距離が増大する第3部分に配置された第5容量素子及び第6容量素子と、前記環状変形体と前記第1支持体との離間距離が増大する第4部分に配置された第7容量素子及び第8容量素子と、を有し、
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2電気信号、並びに、「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3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2電気信号及び前記第3電気信号に基づいて、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。 - 前記変位電極は、前記環状変形体の各部分のうち、前記第1部分に対応する位置に配置された第1変位電極及び第2変位電極と、前記第2部分に対応する位置に配置された第3変位電極及び第4変位電極と、前記第3部分に対応する位置に配置された第5変位電極及び第6変位電極と、前記第4部分に対応する位置に配置された第7変位電極及び第8変位電極と、を有し、
前記固定電極は、前記第1変位電極に対向する位置に配置された第1固定電極と、前記第2変位電極に対向する位置に配置された第2固定電極と、前記第3変位電極に対向する位置に配置された第3固定電極と、前記第4変位電極に対向する位置に配置された第4固定電極と、前記第5変位電極に対向する位置に配置された第5固定電極と、前記第6変位電極に対向する位置に配置された第6固定電極と、前記第7変位電極に対向する位置に配置された第7固定電極と、前記第8変位電極に対向する位置に配置された第8固定電極と、を有し、
前記第1容量素子は、前記第1変位電極と前記第1固定電極とによって構成され、
前記第2容量素子は、前記第2変位電極と前記第2固定電極とによって構成され、
前記第3容量素子は、前記第3変位電極と前記第3固定電極とによって構成され、
前記第4容量素子は、前記第4変位電極と前記第4固定電極とによって構成され、
前記第5容量素子は、前記第5変位電極と前記第5固定電極とによって構成され、
前記第6容量素子は、前記第6変位電極と前記第6固定電極とによって構成され、
前記第7容量素子は、前記第7変位電極と前記第7固定電極とによって構成され、
前記第8容量素子は、前記第8変位電極と前記第8固定電極とによって構成される
ことを特徴とする請求項18乃至22のいずれかに記載のトルクセンサ。 - 前記第1〜第8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23に記載のトルクセンサ。 - 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、
前記環状変形体の前記2つの第1部位は、第1接続部材を介して前記第1支持体に接続され、
前記環状変形体の前記2つの第2部位は、第2接続部材を介して前記第2支持体に接続された
ことを特徴とする請求項18乃至24のいずれかに記載のトルクセンサ。 - 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、
前記環状変形体の前記2つの第1部位は、第1接続部材を介して前記第1支持体に接続され、
前記環状変形体の前記2つの第2部位は、第2接続部材を介して前記第2支持体に接続された
ことを特徴とする請求項18乃至24のいずれかに記載のトルクセンサ。 - 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、
前記環状変形体の前記2つの第1部位は、第1接続部材を介して前記第1支持体に接続され、
前記環状変形体の前記2つの第2部位は、第2接続部材を介して前記第2支持体に接続された
ことを特徴とする請求項18乃至24のいずれかに記載のトルクセンサ。 - 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、
前記環状変形体の前記2つの第1部位は、第1接続部材を介して前記第1支持体に接続され、
前記環状変形体の前記2つの第2部位は、第2接続部材を介して前記第2支持体に接続された
ことを特徴とする請求項18乃至24のいずれかに記載のトルクセンサ。 - 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固定電極及び前記第1変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第2固定電極及び前記第2変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第3固定電極及び前記第3変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第4固定電極及び前記第4変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第5固定電極及び前記第5変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第6固定電極及び前記第6変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第7固定電極及び前記第7変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第8固定電極及び前記第8変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定した
ことを特徴とする請求項23または24に記載のトルクセンサ。 - 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18乃至27のいずれかに記載のトルクセンサ。 - XY平面上に、原点Oを通りX軸およびY軸に対して45°をなす方向を持った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容量素子は正のV軸近傍に当該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軸近傍に当該W軸に関して対称的に配置されている
ことを特徴とする請求項30に記載のトルクセンサ。 - XY平面上に、原点Oを通りX軸およびY軸に対して45°をなす方向を持ったV軸およびW軸を定義した場合に、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軸方向に沿って並置され、XY平面への正射影投影像が正のV軸と重なっており、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軸方向に沿って並置され、XY平面への正射影投影像が正のW軸と重なっており、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軸方向に沿って並置され、XY平面への正射影投影像が負のV軸と重なっており、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軸方向に沿って並置され、XY平面への正射影投影像が負のW軸と重なっている
ことを特徴とする請求項30に記載のトルクセンサ。
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