JP6865976B2 - トルクセンサ - Google Patents

Description

本発明は、トルクセンサに関し、特に、所定の回転軸まわりに作用したトルク（モーメント）を電気信号として出力する機能をもったセンサに関する。

トルクセンサは、産業用ロボットをはじめ、生活支援ロボット、医療用ロボット等におけるトルク制御の分野において幅広く利用されている。とりわけ、高い安全性が求められるロボットに採用されるトルクセンサにおいては、より高精度且つ高感度でトルクを検出することが重要である。

従来のトルクセンサの一例としては、下記特許文献１に記載されているものが挙げられる。特許文献１のトルクセンサは、円環状の起歪体（環状変形体）を有しており、作用したトルクによって起歪体が径方向に弾性変形するようになっている。起歪体には、所定の位置に静電容量素子が配置されていて、トルクセンサは、起歪体の弾性変形に起因した静電容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、作用したトルクを検出するようになっている。

しかしながら、従来のトルクセンサを用いて高荷重のトルクを検出するためには、起歪体の剛性を高くする必要がある。もっとも、円環状の起歪体は変形しにくいため、高荷重のトルクセンサには適している。しかし、その反面、トルクセンサの感度が低下してしまうという問題がある。

特開２０１２−３７３００号公報

本発明は、以上のような事情に鑑みて創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、高荷重のトルクに対応可能でありながら、高精度且つ高感度でトルクを検出可能なトルクセンサを提供することである。

本発明は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸まわりのトルクを検出するトルクセンサであって、
トルクの作用によって弾性変形を生じる変形体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、作用したトルクを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、
ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された固定部と、
前記固定部とは異なる部位に設けられ、トルクの作用を受ける受力部と、
前記固定部と前記受力部とを連結し、前記受力部にトルクが作用することによって弾性変形を生じる変形部と、
前記変形部に接続された支持体と、この支持体によって支持された梁と、を有する梁構造体と、を有し、
前記梁には、当該梁の変位を計測するための計測点が規定されており、
前記検出回路は、前記変形体の弾性変形に起因して前記梁の前記計測点に生じる変位に基づいて、前記電気信号を出力するようになっている
ことを特徴とするトルクセンサである。

本発明によれば、梁構造体の存在によって、変形体に生じる弾性変形が計測点において増幅されるため、高荷重のトルクに対応可能でありながら、高精度且つ高感度でトルクを検出可能なトルクセンサを提供することができる。

前記変形体の前記変形部は、Ｚ軸方向から見て、原点を中心とする円弧に沿った形状を有していて良い。この場合、変形部に効果的に弾性変形を生じさせることができる。

前記変形体の前記固定部は、Ｚ軸方向から見て、Ｘ軸及びＹ軸のうちの一方と重なるように位置付けられており、
前記変形体の前記受力部は、Ｚ軸方向から見て、Ｘ軸及びＹ軸のうちの他方と重なるように位置付けられていて良い。

この場合、梁の計測点において、変形部に生じる弾性変形を効率的に増幅させることができる。

更に、ＸＹ平面上に、原点を通りＸ軸およびＹ軸に対して所定の角度をなすＶ軸およびＷ軸を定義した場合に、前記梁の前記計測点は、Ｖ軸上またはＷ軸上に位置付けられていて良い。この場合、変形部に生じる弾性変形を、梁の計測点に生じる変位として効率的に検出することができる。なお、所定の角度とは、例えば４５°である。

以上のトルクセンサは、ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された固定体と、
トルクの作用によってＺ軸回りに回動する受力体と、を更に備え、
前記固定体は、前記変形体の前記固定部に接続され、
前記受力体は、前記変形体の前記受力部に接続されていて良い。

この場合、安定的にトルクの検出を行うことができる。

前記検出回路は、前記梁の前記計測点に配置された変位電極と、この変位電極に対向配置され、前記受力体または前記固定体に接続された固定電極と、を有し、
前記変位電極と前記固定電極とは、静電容量素子を構成し、
前記検出回路は、前記静電容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記電気信号を出力するようになっていて良い。

この場合、作用したトルクを静電容量値の変動量に基づいて容易に検出することができる。

あるいは、本発明は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸まわりのトルクを検出するトルクセンサであって、
Ｚ軸方向から見て原点を取り囲むように配置され、トルクの作用によって弾性変形を生じる環状の変形体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、作用したトルクを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、
ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された２つの固定部と、
当該変形体の周方向において前記固定部と交互に位置付けられ、トルクの作用を受ける、２つの受力部と、
当該変形体の周方向において隣接する前記固定部と前記受力部とを連結し、前記受力部にトルクが作用することによって弾性変形を生じる４つの変形部と、
各変形部に１つずつ接続された４つの梁構造体と、を有し、
各梁構造体は、前記変形部に接続された支持体と、この支持体によって支持された梁と、を有し、
各梁には、当該各梁の変位を計測するための計測点が規定されており、
前記検出回路は、前記変形体の弾性変形に起因して各梁の前記計測点に生じる変位に基づいて、前記電気信号を出力するようになっている
ことを特徴とするトルクセンサである。

本発明によれば、梁構造体の存在によって、変形体に生じる弾性変形が計測点において増幅されるため、高荷重のトルクに対応可能でありながら、高精度且つ高感度でトルクを検出可能なトルクセンサを提供することができる。

前記２つの固定部は、Ｚ軸方向から見て、前記変形体とＹ軸とが重なる部位にＸ軸対称に位置付けられ、
前記２つの受力部は、Ｚ軸方向から見て、前記変形体とＸ軸とが重なる部位にＹ軸対称に位置付けられていて良い。

この場合、各変形部に対称的に弾性変形を生じさせることができるため、作用したトルクの計測が容易である。

更に、ＸＹ平面上に、原点を通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなすＶ軸およびＷ軸を定義した場合に、各梁の前記計測点は、正のＶ軸上、正のＷ軸上、負のＶ軸上及び負のＷ軸上にそれぞれ位置付けられていて良い。

特には、Ｖ軸は、原点を通りＸ軸に対して４５°の角度をなしており、
Ｗ軸は、原点を通りＹ軸に対して４５°の角度をなしていて良い。

これらの場合、梁の計測点において、変形部に生じる弾性変形を効率的に増幅させることができる。

以上のトルクセンサにおいて、ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された固定体と、
トルクの作用によってＺ軸回りに回動する受力体と、を更に備え、
前記固定体は、前記変形体の前記固定部に接続され、
前記受力体は、前記変形体の前記受力部に接続されていて良い。

この場合、安定的にトルクの検出を行うことができる。

前記検出回路は、前記梁の各計測点に配置された４つの変位電極と、これらの変位電極に対向配置され、前記受力体または前記固定体に接続された固定電極と、を有し、
各変位電極と前記固定電極とは、４組の静電容量素子を構成し、
前記検出回路は、前記４組の静電容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記電気信号を出力するようになっていて良い。

より具体的には、前記４組の静電容量素子は、Ｚ軸方向から見て、ＸＹ平面の第１象限に配置された第１静電容量素子と、ＸＹ平面の第２象限に配置された第２静電容量素子と、ＸＹ平面の第３象限に配置された第３静電容量素子と、ＸＹ平面の第４象限に配置された第４静電容量素子と、を有し、
前記検出回路は、前記第１静電容量素子の静電容量値の変動量と前記第３静電容量素子の静電容量値の変動量との和と、前記第２静電容量素子の静電容量値の変動量と前記第４静電容量素子の静電容量値の変動量との和と、の差、に基づいて、作用したトルクを示す電気信号を出力するようになっていて良い。

この場合、作用したトルクを容易に検出することができると共に、Ｚ軸まわりのトルク以外の力（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の力やＸ，Ｚ軸回りのトルク）による影響や、使用環境の温度変化による影響を受けることなく、所望のトルクを検出することができる。

前記固定電極は、それぞれの静電容量素子ごとに個別の電極として構成されていて良い。この場合、高い自由度で固定電極を配置することができる。

あるいは、本発明は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸まわりのトルクを検出するトルクセンサであって、
Ｚ軸方向から見て原点を取り囲むように配置され、トルクの作用によって弾性変形を生じる環状の変形体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、作用したトルクを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、
ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された２つの固定部と、
当該変形体の周方向において前記固定部と交互に位置付けられ、トルクの作用を受ける、２つの受力部と、
当該変形体の周方向において隣接する前記固定部と前記受力部とを連結し、前記受力部にトルクが作用することによって弾性変形を生じる４つの変形部と、
各変形部の外周面に１つずつ接続された４つの外側梁構造体と、
各変形部の内周面に１つずつ接続された４つの内側梁構造体と、を有し、
各外側梁構造体は、前記変形部に接続された外側支持体と、この外側支持体によって支持された外側梁と、を有し、
各内側梁構造体は、前記変形部に接続された内側支持体と、この内側支持体によって支持された内側梁と、を有し、
各内側梁及び各外側梁には、各梁の変位を計測するための計測点が規定されており、
前記検出回路は、前記変形体の弾性変形に起因して各内側梁に生じる変位、及び、当該弾性変形に起因して各外側梁に生じる変位、の少なくとも一方に基づいて、前記電気信号を出力するようになっている
ことを特徴とするトルクセンサである。

本発明によれば、内側梁構造体及び外側梁構造体の存在によって、変形体に生じる弾性変形が計測点において増幅されるため、高荷重のトルクに対応可能でありながら、高精度且つ高感度でトルクを検出可能なトルクセンサを提供することができる。

前記２つの固定部は、Ｚ軸方向から見て、前記変形体とＹ軸とが重なる部位にＸ軸対称に位置付けられており、
前記２つの受力部は、Ｚ軸方向から見て、前記変形体とＸ軸とが重なる部位にＹ軸対称に位置付けられていて良い。

この場合、各変形部に効果的に弾性変形を生じさせることができる。

ＸＹ平面上に、原点を通りＸ軸およびＹ軸に対して所定の角度をなすＶ軸およびＷ軸を定義した場合に、
前記４つの外側梁構造体の各計測点は、正のＶ軸上、正のＷ軸上、負のＶ軸上及び負のＷ軸上にそれぞれ位置付けられており、
前記４つの内側梁構造体の各計測点は、正のＶ軸上、正のＷ軸上、負のＶ軸上及び負のＷ軸上にそれぞれ位置付けられていて良い。

特には、Ｖ軸は、原点を通りＸ軸に対して４５°の角度をなしており、
Ｗ軸は、原点を通りＹ軸に対して４５°の角度をなしていて良い。

これらの場合、内側梁及び外側梁の各計測点において、変形部に生じる弾性変形を効率的に増幅させることができる。

以上のトルクセンサは、ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された固定体と、
トルクの作用によってＺ軸回りに回動する受力体と、を更に備え、
前記固定体は、前記変形体の前記固定部に接続され、
前記受力体は、前記変形体の前記受力部に接続されていて良い。

この場合、安定的にトルクの検出を行うことができる。

前記検出回路は、
前記内側梁の各計測点に１つずつ配置された４つの内側変位電極と、これらの内側変位電極に対向配置され、前記受力体または前記固定体に接続された内側固定電極と、
前記外側梁の各計測点に１つずつ配置された４つの外側変位電極と、これらの外側変位電極に対向配置され、前記受力体または前記固定体に接続された外側固定電極と、を有し、
各内側変位電極と前記内側固定電極とは、４組の内側静電容量素子を構成しており、
各外側変位電極と前記外側固定電極とは、４組の外側静電容量素子を構成しており、
前記検出回路は、前記４組の内側静電容量素子の静電容量値の変動量、及び、前記４組の外側静電容量素子の静電容量値の変動量、の少なくとも一方に基づいて、前記電気信号を出力するようになっていて良い。

より具体的には、前記４組の内側静電容量素子は、Ｚ軸方向から見て、ＸＹ平面の第１象限に配置された第１内側静電容量素子と、ＸＹ平面の第２象限に配置された第２内側静電容量素子と、ＸＹ平面の第３象限に配置された第３内側静電容量素子と、ＸＹ平面の第４象限に配置された第４内側静電容量素子と、を有し、
前記４組の外側静電容量素子は、Ｚ軸方向から見て、ＸＹ平面の第１象限に配置された第１外側静電容量素子と、ＸＹ平面の第２象限に配置された第２外側静電容量素子と、ＸＹ平面の第３象限に配置された第３外側静電容量素子と、ＸＹ平面の第４象限に配置された第４外側静電容量素子と、を有し、
前記検出回路は、「前記第１内側静電容量素子の静電容量値の変動量と前記第３内側静電容量素子の静電容量値の変動量との和と、前記第２内側静電容量素子の静電容量値の変動量と前記第４内側静電容量素子の静電容量値の変動量との和と、の差」、及び、「前記第１外側静電容量素子の静電容量値の変動量と前記第３外側静電容量素子の静電容量値の変動量との和と、前記第２外側静電容量素子の静電容量値の変動量と前記第４外側静電容量素子の静電容量値の変動量との和と、の差」、の少なくとも一方に基づいて、前記電気信号を出力するようになっていて良い。

この場合、作用したトルクを容易に検出することができると共に、Ｚ軸まわりのトルク以外の力（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の力やＸ，Ｚ軸回りのトルク）による影響や、使用環境の温度変化による影響を受けることなく、所望のトルクを検出することができる。

前記内側固定電極及び前記外側固定電極は、それぞれの内側静電容量素子及び外側静電容量素子ごとに個別の電極として構成されていて良い。この場合、高い自由度で各固定電極を配置することができる。

前記検出回路は、前記４組の外側静電容量素子の静電容量値の変動量に基づいて計測されたトルクと、前記４組の内側静電容量素子の静電容量値の変動量に基づいて計測されたトルクと、を比較することによって、前記トルクセンサが正常に機能しているか否かを判定するようになっていて良い。

この場合、作用したトルクを検出することに加え、単一のトルクセンサによって、その故障診断をも行うことができる。

また、前記変形体は、Ｚ軸方向から見て、Ｘ軸及びＹ軸に関して対称的な形状を有していて良い。

特には、前記変形体は、Ｚ軸方向から見て、原点を中心とする円環の形状を有していて良い。

これらの場合、作用したトルクを検出するための演算が容易である。

以上のトルクセンサにおいて、前記梁構造体は、前記梁と前記固定体または前記受力体とを連結する連結体を有していて良い。

あるいは、前記外側梁構造体は、前記外側梁と前記受力体とを連結する外側連結体を有しており、
前記内側梁構造体は、前記内側梁と前記固定体とを連結する内側連結体を有していて良い。

これらの場合、連結体（あるいは外側連結体及び内側連結体）の存在によって、外部環境において生じる振動が減衰されて梁構造体に伝達されることになる。このため、トルクセンサから出力される電気信号に含まれるノイズが低減または除去され、トルクの計測をより高精度で行うことができる。

本発明によれば、梁構造体の存在によって、変形体に生じる弾性変形が計測点において増幅されるため、高荷重のトルクに対応可能でありながら、高精度且つ高感度でトルクを検出可能なトルクセンサを提供することができる。

あるいは、本発明によれば、内側梁構造体及び外側梁構造体の存在によって、変形体に生じる弾性変形が計測点において増幅されるため、高荷重のトルクに対応可能でありながら、高精度且つ高感度でトルクを検出可能なトルクセンサを提供することができる。

本発明の一実施の形態によるトルクセンサの基本構造部を示す概略平面図である。 従来のトルクセンサの基本構造部を示す概略平面図である。 図１の基本構造部の変形体のうち第１象限に位置する部分を示す模式図である。図３（ａ）は、図１の基本構造部の初期状態に対応する図であり、図３（ｂ）は、図１の基本構造部に負のトルクが作用したときに対応する図であり、図３（ｃ）は、図１の基本構造部に正のトルクが作用したときに対応する図である。 図２の基本構造部の変形体のうち第１象限に位置する部分を示す模式図である。図４（ａ）は、図２の基本構造部の初期状態に対応する図であり、図４（ｂ）は、図２の基本構造部に負のトルクが作用したときに対応する図であり、図４（ｃ）は、図２の基本構造部に正のトルクが作用したときに対応する図である。 図１及び図２に示す基本構造部に対してトルクが作用したときの、所定部位に生じる変位を纏めて示す図表である。 図１の基本構造部を採用したトルクセンサの一例を示す概略平面図である。 本発明の第２の実施の形態によるトルクセンサの基本構造部を示す概略平面図である。 図７の基本構造部に対して負のトルクが作用したときの変形体を示す模式図である。 図７の基本構造部に対して正のトルクが作用したときの変形体を示す模式図である。 図７の基本構造部を採用したトルクセンサの一例を示す概略平面図である。 本発明の第３の実施の形態によるトルクセンサの基本構造部を示す概略平面図である。 図１１の基本構造部に対して負のトルクが作用したときの変形体を示す模式図である。 図１１の基本構造部に対して正のトルクが作用したときの変形体を示す模式図である。 図１１の基本構造部を採用したトルクセンサの一例を示す概略平面図である。 図１０の変形例を示す概略平面図である。 図１０の他の変形例を示す概略平面図である。 図１０の更に他の変形例を示す概略平面図である。 基本構造部の変形例を示す概略斜視図である。 絶縁体を介して電極を配置した状態を示す概略側面図である。

＜＜＜ §１． 本発明の第１の実施の形態によるトルクセンサ ＞＞＞
以下に、添付の図面を参照して、本発明の第１の実施の形態によるトルクセンサについて詳細に説明する。

＜ １−１． 基本構造部の構成 ＞
図１は、本発明の第１の実施の形態によるトルクセンサの基本構造部１００を示す概略平面図である。また、図２は、従来のトルクセンサの基本構造部１００ａであり、図１との差異を説明するための参考図である。

図１及び図２では、ＸＹＺ三次元座標系が定められており、Ｘ軸が左右方向に、Ｙ軸が上下方向に、Ｚ軸（不図示）が奥行き方向に、それぞれ延びている。ここでは、Ｘ軸が左方から右方に向かって延びている点に注意を要する。更に、ＸＹ平面上に、原点Ｏを通り正のＸ軸に対して時計回りに４５°をなすＶ軸と、原点Ｏを通り正のＹ軸に対して時計回りに４５°をなすＷ軸と、がそれぞれ定められている。なお、このような座標軸は、他の図面においても同様に規定されている。また、本明細書では、正のトルクとは、右ねじをＺ軸方向（手前側から奥側に向かう方向）に前進させるために当該右ねじを回転させる方向（図１及び図２における時計回りの方向）に作用するトルクを意味し、負のトルクとは、その逆の方向に作用するトルクを意味することとする。

図１に示すように、基本構造部１００は、原点Ｏを中心としてＸＹ平面上に固定された円盤状の固定体１０と、固定体１０を取り囲み、トルクの作用を受けることによって固定体１０に対して相対回転する受力体２０と、固定体１０と受力体２０との間隙において当該固定体１０及び受力体２０に接続され、受力体２０から伝達されるトルクの作用によって弾性変形を生じる円環状の変形体３０と、を有している。

図１に示すように、固定体１０は、原点Ｏを中心とする円盤状の部材であり、受力体２０及び変形体３０は、原点を中心とする円環状の部材である。固定体１０は、外周面のうちＹ軸と重なる２つの部位に、当該固定体１０の径方向外方に突出した固定体接続部１１、１２を有している。更に、変形体３０は、Ｙ軸と重なる部位に固定部３３、３５を有しており、これらの固定部３３、３５と固定体接続部１１、１２とが互いに接続されている。更に、図１に示すように、受力体２０は、内周面のうちＸ軸と重なる２つの部位に、当該受力体２０の径方向内方に突出した受力体接続部２１、２２を有している。変形体３０は、Ｘ軸と重なる部位に受力部３２、３４を有しており、これらの受力部３２、３４と受力体接続部２１、２２とが互いに接続されている。そして、変形体３０のうち、正のＹ軸上に位置する固定部３３と負のＸ軸上に位置する受力部３４とを連結する変形部３６に、トルクの作用による弾性変形が生じるようになっている。

もちろん、図１に示す基本構造部１００では、変形体３０のうち、周方向において隣接する固定部３３、３５と受力部３２、３４とを連結する全ての部位（第１象限〜第４象限に位置する部位）において、トルクの作用による弾性変形が生じる。ただし、ここでは、後述される梁構造体３１が変形部３６にのみ配置されていることから、当該変形部３６に生じる弾性変形にのみ着目する。

なお、従来のトルクセンサ（図２参照）は、以上に説明した構造と同じ構成を有している。このため、図２において、図１と共通する構成部分には略同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

本実施の形態による基本構造部１００は、変形体３０が梁構造体３１を有している点で、従来の基本構造部（図２参照）とは異なっている。すなわち、基本構造部１００は、図１に示すように、変形体３０は、変形部３６の外周面に接続された支持体３１ｆと、この支持体３１ｆによって一端が支持された梁３１ｂと、を有する梁構造体３１を備えている。梁３１ｂには、当該梁３１ｂの変位を計測するための計測点Ｐが規定されている。図１に示すように、計測点Ｐは、梁３１ｂのうち支持体３１ｆに接続されている側の端部とは反対側の端部の近傍に規定されている。より具体的には、支持体３１ｆは、正のＶ軸と正のＸ軸とによって挟まれた領域において変形部３６に接続されており、梁３１ｂは、支持体３１ｆの先端から、Ｖ軸を横切るように延び出ている。図１に示す例では、計測点Ｐは、梁３１ｂとＶ軸とが重なる部位に、規定されている。

＜ １−２． 基本構造部の作用 ＞
次に、上述した基本構造部１００の作用について、図３及び図４を参照して説明する。

図３は、図１の基本構造部１００の変形体３０のうち第１象限に位置する部分を示す模式図である。図３（ａ）は、図１の基本構造部１００の初期状態に対応する図であり、図３（ｂ）は、図１の基本構造部１００に負のトルクが作用したときに対応する図であり、図３（ｃ）は、図１の基本構造部１００に正のトルクが作用したときに対応する図である。また、図４は、図２の基本構造部１００ａの変形体３０ａのうち第１象限に位置する部分を示す模式図である。図４（ａ）は、図２の基本構造部１００ａの初期状態に対応する図であり、図４（ｂ）は、図２の基本構造部１００ａに負のトルクが作用したときに対応する図であり、図４（ｃ）は、図２の基本構造部１００ａに正のトルクが作用したときに対応する図である。図３及び図４において、各構成要素の厚みや幅は、無視してある。

図３（ｂ）に示すように、図１の基本構造部１００に負のトルクが作用すると、変形体３０のうち正のＸ軸上に位置していた受力部３４は、下方に移動される。一方、変形体３０のうち正のＹ軸上に位置していた固定部３３は、移動しない。このため、変形部３６には引張力が作用し、これによって、変形部３６は、曲率半径が大きくなるように弾性変形する。図３（ｂ）において、実線は、弾性変形を生じている状態の変形体３０を示しており、破線は、初期状態の変形部３６（図３（ａ）参照）を示している。なお、このような図示については、図３及び図４の各図において共通である。

ここで、梁構造体３１の支持体３１ｆと変形部３６との接続点Ｑにおける当該変形部３６の接線に着目する。初期状態の接線は、図３（ａ）において符号Ｌｏで示されており、負のトルクが作用したときの当該接線は、図３（ｂ）において符号Ｌｔで示されている。
上述したように、変形体３０に負のトルクが作用すると、変形部３６は、固定部３３が変位しないままで変形部３６の曲率半径が大きくなるように弾性変形する。このため、接線Ｌｔは、接線Ｌｏよりもより水平に寝た状態に変化する。

梁構造体３１の支持体３１ｆは、梁３１ｂ及び接線Ｌｏ、Ｌｔと直交する関係にある。このため、梁３１ｂと接線Ｌｏ、Ｌｔとは常に平行な状態を維持している。このことを考慮すれば、変形体３０に負のトルクが作用したときに梁３１ｂの計測点Ｐに生じる変位は、接続点Ｑに生じる変位と接線Ｌｔの傾きの変化に起因する変位とを合算した量となる。すなわち、梁構造体３１によって、接続点Ｑに生じる変位が増幅されて、計測点Ｐに現れることになる。図３（ｂ）において、計測点Ｐに生じる変位（初期位置Ｐｏから変位後の位置Ｐｔまでの変位量）は、記号ｄｔで示されている。実際のトルクセンサにおいて、トルクの作用によって点Ｑに生じる変位は数１０〜数１００μｍ程度であるため、図３（ｂ）では、点ＰがＶ軸に沿って変位するものとして、図示してある。

次に、図３（ｃ）に示すように、図１の基本構造部１００に正のトルクが作用すると、変形体３０のうち負のＸ軸上に位置していた受力部３４は、上方に移動される。一方、変形体３０のうち正のＹ軸上に位置していた固定部３３は、移動しない。このため、変形部３６には、作用するトルクの向きに沿って圧縮力が作用し、これによって、変形体３０は、曲率半径が小さくなるように弾性変形する。

ここでも、梁構造体３１の支持体３１ｆと変形部３６との接続点Ｑにおける当該変形部３６の接線に着目する。接線は、図３（ｂ）において符号Ｌｃで示されている。上述したように、変形体３０に正のトルクが作用すると、変形部３６は、固定部３３が変位しないままで変形部３６の曲率半径が小さくなるように弾性変形するため、接線Ｌｃは、初期状態の接線Ｌｏ（図３（ａ）参照）よりもより垂直に立った状態に変化する。

変形体３０に正のトルクが作用したときに梁３１ｂの計測点Ｐに生じる変位は、先の場合と同様に、接続点Ｑに生じる変位と接線Ｌｃの傾きの変化に起因する変位とを合算した量となる。すなわち、梁構造体３１によって、接続点Ｑに生じる変位が増幅されて、計測点Ｐに現れることになる。図３（ｃ）において、計測点Ｐに生じる変位（初期位置Ｐｏから変位後の位置Ｐｃまでの変位量）は、記号ｄｃで示されている。ここでも、実際のトルクセンサにおいて生じる変位の大きさを考慮し、図３（ｃ）では、点ＰがＶ軸に沿って変位するものとして、図示してある。

比較のため、従来のトルクセンサにおいて変形体３０ａに生じる弾性変形について、図４を参照して簡単に説明する。従来のトルクセンサに対して負のトルクが作用すると、図４（ｂ）に示すように、変形部３６ａには、図３（ｂ）に示す変形部３６と同様の弾性変形が生じる。一方、従来のトルクセンサに対して正のトルクが作用すると、図４（ｃ）に示すように変形部３６ａには、図３（ｃ）に示す変形部３６と同様の弾性変形が生じる。

変形部３６ａのうち、径方向の変位が最大の位置は、Ｖ軸と交差する位置である。このため、従来のトルクセンサでは、このＶ軸と交差する位置に計測点Ｒが規定され、この計測点ＲのＶ軸方向における変位に基づいて、作用したトルクが検出されていた。図４（ｂ）では、計測点ＲのＶ軸方向における変位が符号ｄｔａで示されており、図４（ｃ）では、計測点ＲのＶ軸方向における変位が符号ｄｃａで示されている。

次に、図５は、図１に示す本実施の形態による基本構造部１００（モデル１）及び図２に示す従来の基本構造部１００ａ（モデル２）に対してトルクが作用したときの所定部位に生じる変位をＦＥＭ解析（有限要素解析）した結果を纏めて示す図表である。所定部位とは、図１に示す基本構造部１００においては、梁構造体３１の梁３１ｂに規定された計測点Ｐ、及び、変形部３６が正のＶ軸と交差する部位に規定された参照点Ｒであり、図２に示す基本構造部１００ａにおいては、変形体３０ａが正のＶ軸と交差する位置に規定された計測点Ｒａである。

図５では、本実施の形態による基本構造部１００（モデル１）の参照点Ｒに生じるＶ軸方向の変位と、従来の基本構造部１００ａ（モデル２）の計測点Ｒａに生じるＶ軸方向の変位と、が共に同じ２５３μｍ（＝ｄｔ２）であるように、各基本構造部１００、１００ａに対してトルクを作用させている。このとき、本実施の形態による基本構造部１００（モデル１）の計測点Ｐに生じるＶ軸方向の変位は、３２０μｍ（＝ｄｔ１）となっている。このことから、本実施の形態による基本構造部（モデル１）は、従来の基本構造部１００ａ（モデル２）と比較して、感度が１．２６倍高まっていることが分かる。

基本構造部１００（モデル１）は、変形部３６に梁構造体３１が設けられている影響により、当該変形体に発生する応力について、モデル１（１９０ＭＰａ）とモデル２（１８５ＭＰａ）とで異なっているが、これは大きな差ではない。また、図５は、本実施の形態による基本構造部１００が従来の基本構造部１００ａよりも感度が相対的に優れていることを示すものであり、図中に示されている数値の絶対値に意味があるものではない。なお、変形部３６に１９０ＭＰａの応力が生じるような構造設計は、機械的信頼性に欠けるため、好ましいものではないことに注意が必要である。

このように、梁構造体３１の存在によって、同じ大きさのトルクが作用した場合に、計測点Ｐに生じる変位は、参照点Ｒに生じる変位及び従来の基本構造部１００の計測点Ｒａに生じる変位よりも大きい。換言すれば、梁構造体３１の存在によって、計測点Ｐにおいて、変形部３６に生じる弾性変形が増幅されることになる。

＜ １−３． 本実施の形態による基本構造部を採用したトルクセンサ ＞
次に、図６は、図１の基本構造部１００を採用したトルクセンサ１００ｃの一例を示す概略平面図である。

図６に示すように、トルクセンサ１００ｃは、図１に示す基本構造部１００と、基本構造部１００の梁構造体３１に配置された静電容量素子Ｃと、静電容量素子Ｃに接続され、変形体３０の変形部３６に生じる弾性変形に基づいて、作用したトルクを示す電気信号を出力する検出回路４０と、を備えている。

図６に示すように、静電容量素子Ｃは、梁３１ｂの計測点Ｐに受力体２０に面するように配置された変位電極Ｅｍと、この変位電極Ｅｍに対向配置された固定電極Ｅｆと、によって構成されている。本実施の形態では、固定電極Ｅｆは、受力体２０の内周面に設けられた台座２３上に配置されている。台座２３は、固定電極Ｅｆを変位電極Ｅｍと平行に所定の間隔で配置するためのものである。図６に示すように、台座２３には、梁３１ｂに面する領域に変位電極Ｅｍと平行な面が形成されているため、固定電極Ｅｆと変位電極Ｅｍとは、互いに平行に（極板間距離が一定であるように）配置されている。以上のような電極の配置によって、静電容量素子Ｃは、正のＶ軸上に形成されている。

検出回路４０は、変形体３０の弾性変形に起因して梁３１ｂの計測点Ｐに生じる変位に基づいて、電作用したトルクを示す気信号を出力するようになっている。具体的には、検出回路４０は、所定の電気配線（不図示）によって静電容量素子Ｃに接続されている。更に、検出回路４０には、例えば、静電容量素子Ｃの静電容量値の変動量と作用したトルクの値とが対応付けられたテーブル（不図示）が格納されている。そして、検出回路４０は、計測点Ｐの変位に起因して生じる静電容量素子Ｃの静電容量値の変動を検知すると、前記テーブルを参照してその変動量に対応するトルクを特定し、当該トルクを示す電気信号を出力するようになっている。

次に、以上のようなトルクセンサ１００ｃを用いてトルクを計測する原理について説明する。

トルクセンサ１００ｃの受力体２０に負のトルク（図６における反時計回りのトルク）が作用すると、受力体２０は、Ｚ軸回りに、固定体１０に対して反時計回りに回動する。このことによって、トルクセンサ１００ｃの変形部３６は、図３（ｂ）に示すように弾性変形する。すなわち、梁３１ｂの計測点ＰがＶ軸方向において径方向内方にｄｔ１だけ変位する。前述したように、この変位ｄｔ１は、参照点Ｒの変位（図４（ｂ）における計測点Ｒ０の変位に相当）よりも大きい。このような計測点Ｐの変位によって、静電容量素子Ｃを構成する変位電極Ｅｍが径方向内方に移動する。一方、固定電極Ｅｆは、受力体２０の内周面に対して固定されていることから、径方向へは移動しない。以上から、トルクセンサ１００ｃに負のトルクが作用すると、静電容量素子Ｃを構成する各電極Ｅｆ、Ｅｍ間の離間距離が増大するため、静電容量値が減少する。

一方、トルクセンサ１００ｃの受力体２０に正のトルク（図６における時計回りのトルク）が作用すると、受力体２０は、Ｚ軸回りに、固定体１０に対して時計回りに回動する。このことによって、トルクセンサ１００ｃの変形部３６は、図３（ｃ）に示すように弾性変形する。すなわち、梁３１ｂの計測点ＰがＶ軸方向において径方向外方にｄｃ１だけ変位する。前述したように、この変位ｄｃ１は、参照点Ｒの変位（図４（ｃ）における計測点Ｒ０の変位に相当）よりも大きい。このような計測点Ｐの変位によって、静電容量素子Ｃを構成する変位電極Ｅｍが径方向外方に移動する。このため、トルクセンサ１００ｃに正のトルクが作用すると、静電容量素子Ｃを構成する各電極Ｅｆ、Ｅｍ間の離間距離が減少するため、静電容量値が増大する。

そして、検出回路４０は、これらの静電容量値の変動量を検知し、予め格納されたテーブルを参照して作用したトルクを特定する。そして、特定されたトルクに対応する電気信号が、所定の出力端子（不図示）から出力される。

以上のような本実施の形態によれば、梁構造体３１の存在によって、計測点Ｐにおいて変形部３６に生じる弾性変形が増幅されるため、高荷重のトルクに対応可能でありながら、高精度且つ高感度でトルクを検出可能なトルクセンサ１００ｃを提供することができる。

変形体３０の変形部３６は、Ｚ軸方向から見て、原点Ｏを取り囲む円環状の形状を有している。更に、変形体３０の固定部３３は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸と重なるように位置付けられており、変形体３０の受力部３４は、Ｚ軸方向から見て、Ｘ軸と重なるように位置付けられている。これらのことにより、変形部３６において、より効果的に弾性変形が生じることになる。

また、梁３１ｂの計測点Ｐは、正のＸ軸に対して４５°をなすＶ軸上（固定部３３と受力部３４との中間位置）に位置付けられているため、変形部３６に生じる弾性変形を、梁３１ｂの計測点Ｐに生じる変位として効率的に検出することができる。

更には、検出回路４０は、梁３１ｂの計測点Ｐに配置された変位電極Ｅｍと、この変位電極Ｅｍに対向するように受力体２０の内周面に配置された固定電極Ｅｆと、によって構成される静電容量素子Ｃを有しており、この静電容量素子Ｃの静電容量値の変動量に基づいて、作用したトルクを示す電気信号を出力するようになっている。このため、作用したトルクを容易に検出することができる。

＜＜＜ §２． 本発明の第２の実施の形態によるトルクセンサ ＞＞＞
次に、本発明の第２の実施の形態によるトルクセンサ２００ｃについて説明する。

＜ ２−１． 基本構造部の構成 ＞
図７は、本発明の第２の実施の形態によるトルクセンサの基本構造部２００を示す概略平面図である。

図７に示すように、基本構造部２００は、梁構造体２３１Ａ〜２３１Ｄが４つ設けられている点を除いて、図１に示す第１の実施の形態による基本構造部１００と同じ構造を有している。本実施の形態では、変形体２３０は、Ｚ軸方向から見て、第１象限〜第４象限のそれぞれに位置する部位に生じる弾性変形が利用される。このため、図７に示すように、変形体３０のうち、正のＹ軸上に位置する固定部２３３と正のＸ軸上に位置する受力部２３４とを連結する第１象限の部分を第１変形部２３６Ａとし、負のＸ軸上に位置する受力部２３２と正のＹ軸上に位置する固定部２３３とを連結する第２象限の部分を第２変形部２３６Ｂとし、負のＹ軸上に位置する固定部２３５と負のＸ軸上に位置する受力部２３２とを連結する第３象限の部分を第３変形部２３６Ｃとし、正のＸ軸上に位置する受力部２３４と負のＹ軸上に位置する固定部２３５とを連結する第４象限の部分を第４変形部２３６Ｄとして、以下の説明を行うこととする。なお、図７に示す基本構造部２００において、第１の実施の形態による基本構造部１００（図１参照）と共通する構成要素には同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

本実施の形態による基本構造部２００において、４つの梁構造体は、いずれも変形体２３０の外周面上に配置されている。具体的には、４つの梁構造体は、第１変形部２３６Ａに配置された第１梁構造体２３１Ａと、第２変形部２３６Ｂに配置された第２梁構造体２３１Ｂと、第３変形部２３６Ｃに配置された第３梁構造体２３１Ｃと、第４梁構造体２３１Ｄに配置された第４梁構造体２３１Ｄと、を有している。

第１梁構造体２３１Ａは、第１の実施の形態による基本構造部１００の梁構造体３１と同じ構造で同じ位置に、配置されている。すなわち、第１梁構造体２３１Ａは、第１変形部２３６Ａの外周面に接続された第１支持体２３１Ａｆと、この第１支持体２３１Ａｆによって一端が支持された第１梁２３１Ａｂと、を有している。第１梁２３１Ａｂには、Ｚ軸方向から見て正のＶ軸と重なる位置に、当該第１梁２３１Ａｂの変位を計測するための第１計測点Ｐ１が規定されている。

残りの第２〜第４梁構造体２３１Ｂ〜２３１Ｄは、第１梁構造体２３１Ａと同じ構造を有しており、配置されている位置のみが異なっている。すなわち、第２梁構造体２３１Ｂは、第１梁構造体２３１Ａを時計回りに９０°回転させた位置に配置されており、第１変形部２３６Ｂの外周面に接続された第２支持体２３１Ｂｆと、この第２支持体２３１Ｂｆによって一端が支持された第２梁２３１Ｂｂと、を有している。第２梁２３１Ｂｂには、Ｚ軸方向から見て正のＷ軸と重なる位置に、当該第２梁２３１Ｂｂの変位を計測するための第２計測点Ｐ２が規定されている。

第３梁構造体２３１Ｃは、第２梁構造体２３１Ｂを時計回りに９０°回転させた位置に配置されており、第３変形部２３６Ｃの外周面に接続された第３支持体２３１Ｃｆと、この第３支持体２３１Ｃｆによって一端が支持された第３梁２３１Ｃｂと、を有している。第３梁２３１Ｃｂには、Ｚ軸方向から見て負のＶ軸と重なる位置に、当該第３梁２３１Ｃｂの変位を計測するための第３計測点Ｐ３が規定されている。

第４梁構造体２３１Ｄは、第３梁構造体２３１Ｃを時計回りに９０°回転させた位置に配置されており、第４変形部２３６Ｄの外周面に接続された第４支持体２３１Ｄｆと、この第４支持体２３１Ｄｆによって一端が支持された第４梁２３１Ｄｂと、を有している。第４梁２３１Ｄｂには、Ｚ軸方向から見て負のＷ軸と重なる位置に、当該第４梁２３１Ｄｂの変位を計測するための第４計測点Ｐ４が規定されている。

＜ ２−２． 基本構造部の作用 ＞
次に、上述した基本構造部２００の作用について、図８及び図９を参照して説明する。

図８は、図７の基本構造部２００に負のトルクＴ−が作用したときの変形体２３０を示す模式図であり、図９は、図７の基本構造部２００に正のトルクＴ＋が作用したときの変形体２３０を示す模式図である。図８及び図９において、各構成要素の厚みや幅は、無視してある。

基本構造部２００の受力体２０に負のトルクＴ−が作用すると、当該トルクＴ−は、受力体接続部２１、２２を介して、受力部２３２、２３４に伝達される。この結果、図８に示すように、受力部２３２、２３４は、共に反時計回りに変位する。このことにより、第１及び第３変形部２３６Ａ、２３６Ｃには引張力が作用するため、各変形部２３６Ａ、２３６Ｃは、曲率半径が大きくなるように弾性変形する。一方、受力部２３２、２３４の変位に伴って、第２及び第４変形部２３６Ｂ、２３６Ｄには圧縮力が作用するため、各変形部２３６Ｂ、２３６Ｄは、曲率半径が小さくなるように弾性変形する。

以上のような変形体２３０の弾性変形によって、図８に示すように、第１梁構造体２３１Ａの計測点Ｐ１及び第３梁構造体２３１Ｃの計測点Ｐ３は、共に変形体２３０の径方向内方に変位する。一方、第２梁構造体２３１Ｂの計測点Ｐ２及び第４梁構造体２３１Ｄの計測点Ｐ４は、共に変形体２３０の径方向外方に変位する。各計測点Ｐ１〜Ｐ４に生じる変位の大きさは、各変形部２３６Ａ〜２３６Ｄに生じる径方向（Ｖ軸方向またはＷ軸方向）の変位の大きさよりも、大きい（変形体２３０に生じる変位が増幅される）。

各変形部２３６Ａ〜２３６Ｄに生じる径方向の変位が増幅されて各計測点Ｐ１〜Ｐ４に現れる原理については、上記１−２．に記載した説明によって理解され得る。というのは、図８の第１変形部２３６Ａ及び第１梁構造体２３１Ａは、図３（ｂ）に示す変形部３６及び梁構造体３１と同一であり、第２梁構造体２３１Ｂは、図３（ｃ）をＹ軸に関して対称移動させた上で梁構造体３１をＷ軸に関して対称移動させた構造であり、第４梁構造体２３１Ｄは、図３（ｃ）をＸ軸に関して対称移動させた上で梁構造体３１をＷ軸に関して対称移動させた構造であり、第３梁構造体２３１Ｃは、図３（ｂ）を原点回りに１８０°回転移動した構造となっているからである。

次に、基本構造部２００の受力体２０に正のトルクＴ＋が作用すると、図９に示すように、受力部２３２、２３４は、共に時計回りに変位する。このことにより、第１及び第３変形部２３６Ａ、２３６Ｃには圧縮力が作用するため、各変形部２３６Ａ、２３６Ｃは、曲率半径が小さくなるように弾性変形する。一方、受力部２３２、２３４の変位に伴って、第２及び第４変形部２３６Ｂ、２３６Ｄには引張力が作用するため、各変形部２３６Ｂ、２３６Ｄは、曲率半径が大きくなるように弾性変形する。

以上のような変形体２３０の弾性変形によって、図９に示すように、第１梁構造体２３１Ａの計測点Ｐ１及び第３梁構造体２３１Ｃの計測点Ｐ３は、共に変形体３０の径方向外方に変位する。一方、第２梁構造体２３１Ｂの計測点Ｐ２及び第４梁構造体２３１Ｄの計測点Ｐ４は、共に変形体２３０の径方向内方に変位する。各計測点Ｐ１〜Ｐ４に現れる変位の大きさは、各変形部２３６Ａ〜２３６Ｄに生じる径方向（Ｖ軸方向またはＷ軸方向）の変位の大きさよりも、大きい（増幅される）。

この場合も、各変形部２３６Ａ〜２３６Ｄに生じる径方向の変位が増幅されて各計測点Ｐ１〜Ｐ４に生じる原理については、上記１−２．に記載した説明によって理解され得る。というのは、図９の変形体２３０は、図８の変形体２３０をＸ軸に関して対称移動（反転）させ、各梁構造体２３１Ａ〜２３１ＤをＶ軸またはＷ軸に関して対称移動させた構造と同じだからである。

＜ ２−３． 本実施の形態による基本構造部を採用したトルクセンサ ＞
次に、図１０は、図７の基本構造部２００を採用したトルクセンサ２００ｃの一例を示す概略平面図である。

図１０に示すように、トルクセンサ２００ｃは、図７に示す基本構造部２００と、基本構造部２００の各梁構造体２３１Ａ〜２３１Ｄの梁２３１Ａｂ〜２３１Ｄｂに１つずつ配置された４つの静電容量素子Ｃ１〜Ｃ４と、これらの静電容量素子Ｃ１〜Ｃ４に接続され、変形体２３０の各変形部２３６Ａ〜２３６Ｄに生じる弾性変形に基づいて、作用したトルクを示す電気信号を出力する検出回路２４０と、を備えている。

図１０に示すように、４つの静電容量素子とは、第１梁構造体２３１Ａに配置された第１静電容量素子Ｃ１と、第２梁構造体２３１Ｂに配置された第２静電容量素子Ｃ２と、第３梁構造体２３１Ｃに配置された第３静電容量素子Ｃ３と、第４梁構造体２３１Ｄに配置された第４静電容量素子Ｃ４と、である。

第１静電容量素子Ｃ１は、第１梁２３１Ａｂの第１計測点Ｐ１に受力体２０に面するように配置された第１変位電極Ｅｍ１と、この第１変位電極Ｅｍ１に対向配置された第１固定電極Ｅｆ１と、によって構成されている。同様に、第２静電容量素子Ｃ２は、第２梁２３１Ｂｂの第２計測点Ｐ２に受力体２０に面するように配置された第２変位電極Ｅｍ２と、この第２変位電極Ｅｍ２に対向配置された第２固定電極Ｅｆ２と、によって構成されている。第３静電容量素子Ｃ３は、第３梁２３１Ｃｂの第３計測点Ｐ３に受力体２０に面するように配置された第３変位電極Ｅｍ３と、この第３変位電極Ｅｍ３に対向配置された第３固定電極Ｅｆ３と、によって構成されている。第４静電容量素子Ｃ４は、第４梁２３１Ｄｂの第４計測点Ｐ４に受力体２０に面するように配置された第４変位電極Ｅｍ４と、この第４変位電極Ｅｍ４に対向配置された第４固定電極Ｅｆ４と、によって構成されている。

なお、第１〜第４静電容量素子Ｃ１〜Ｃ４は、各静電容量素子Ｃ１〜Ｃ４を構成する電極の実効対向面積が全て同一であり、電極間の離間距離も全て等しく構成されている。

図１０に示すように、第１固定電極Ｅｆ１は、受力体２０の内周面に設けられた第１台座２３Ａ上に配置されており、第２固定電極Ｅｆ２は、受力体２０の内周面に設けられた第２台座２３Ｂ上に配置されており、第３固定電極Ｅｆ３は、受力体２０の内周面に設けられた第３台座２３Ｃ上に配置されており、第４固定電極Ｅｆ４は、受力体２０の内周面に設けられた第４台座２３Ｄ上に配置されている。各台座２３Ａ〜２３Ｄには、梁２３１Ａｂ〜２３１Ｄｂに面する領域に各変位電極Ｅｍ１〜Ｅｍ４と平行な面が形成されているため、各固定電極Ｅｆ１〜Ｅｆ４と対応する変位電極Ｅｍ１〜Ｅｍ４とは、互いに平行に（極板間距離が一定であるように）配置されている。以上のような電極の配置によって、第１静電容量素子Ｃ１は、正のＶ軸上に形成されており、第２静電容量素子Ｃ２は正のＷ軸上に形成されており、第３静電容量素子Ｃ３は、負のＶ軸上に形成されており、第４静電容量素子Ｃ４は、負のＷ軸上に形成されている。

検出回路２４０は、所定の電気配線（不図示）によって第１〜第４静電容量素子Ｃ１〜Ｃ４に接続されており、変形体２３０の弾性変形に起因して第１〜第４梁２３１Ａｂ〜２３１Ｄｂの各計測点Ｐ１〜Ｐ４に生じる変位に基づいて、作用したトルクを示す電気信号を出力するようになっている。第１の実施の形態と同様に、検出回路２４０には、例えば、第１〜第４静電容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の各変動量を用いて所定の演算を行うことによって得られる値と作用したトルクの値とが対応付けられたテーブル（不図示）が格納されている。検出回路２４０は、静電容量素子Ｃの静電容量値の変動を検知すると、このテーブルを参照することによって、作用したトルクを特定するようになっている。トルクの具体的な測定の詳細については、後述される。

次に、以上のようなトルクセンサ２００ｃを用いてトルクを計測する原理について説明する。

トルクセンサ２００ｃの受力体２０に負のトルク（図１０における反時計回りのトルク）が作用すると、受力体２０は、Ｚ軸回りに、固定体１０に対して反時計回りに回動する。このことによって、トルクセンサ２００ｃの第１〜第４変形部２３６Ａ〜２３６Ｄは、図８に示すように弾性変形する。このことによって、第１静電容量素子Ｃ１及び第３静電容量素子Ｃ３においては、各静電容量素子Ｃ１、Ｃ３を構成する電極間の離間距離が増大するため、静電容量値は減少する。一方、第２静電容量素子Ｃ２及び第４静電容量素子Ｃ４においては、各静電容量素子Ｃ２、Ｃ４を構成する電極間の離間距離が減少するため、静電容量値は増大する。

一方、トルクセンサ２００ｃの受力体２０に正のトルク（図１０における時計回りのトルク）が作用すると、受力体２０は、Ｚ軸回りに、固定体１０に対して時計回りに回動する。このことによって、トルクセンサ２００ｃの第１〜第４変形部２３６Ａ〜２３６Ｄは、図９に示すように弾性変形する。このことによって、第１静電容量素子Ｃ１及び第３静電容量素子Ｃ３においては、各静電容量素子Ｃ１、Ｃ３を構成する電極間の離間距離が減少するため、静電容量値は増大する。一方、第２静電容量素子Ｃ２及び第４静電容量素子Ｃ４においては、各静電容量素子Ｃ２、Ｃ４を構成する電極間の離間距離が増大するため、静電容量値は減少する。結局、受力体２０に作用するトルクの向きが逆転すると、第１〜第４静電容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変動（増大か減少か）も逆になる。

本実施の形態では、前述したように、第１〜第４梁構造体２３１Ａ〜２３１Ｄの存在によって、各計測点Ｐ１〜Ｐ４に生じる変位は、各変形部２３６Ａ〜２３６Ｄに生じる変位よりも大きい。このため、静電容量素子が各変形部２３６Ａ〜２３６Ｄに直接配置されている従来のトルクセンサと比較して、各静電容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変動量は、大きい。

以上のような静電容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変動に鑑み、検出回路２４０は、次の［式１］を用いてトルクセンサ２００ｃに作用したＺ軸回りのトルクＴを算出する。［式１］において、Ｃ１〜Ｃ４は、第１〜第４静電容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変動量を示している。

［式１］
Ｔ＝Ｃ１−Ｃ２＋Ｃ３−Ｃ４
そして、検出回路２４０は、予め格納されたテーブルを参照して、［式１］に基づいて得られる値から、作用したトルクを特定する。そして、特定されたトルクに対応する電気信号が、所定の出力端子（不図示）から出力される。

以上のような本実施の形態によれば、４つの梁構造体２３１Ａ〜２３１Ｄの存在によって、変形体２３０の変形部２３６Ａ〜２３６Ｄに生じる弾性変形が各計測点Ｐ１〜Ｐ４において増幅される。このため、高荷重のトルクに対応可能でありながら、高精度且つ高感度でトルクを検出可能なトルクセンサ２００ｃを提供することができる。

本実施の形態においても、２つの固定部２３３、２３５は、Ｚ軸方向から見て、変形体２３０とＸ軸とが重なる部位にＹ軸対称に位置付けられ、２つの受力部２３２、２３４は、Ｚ軸方向から見て、変形体２３０とＹ軸とが重なる部位にＸ軸対称に位置付けられている。更には、各計測点Ｐ１〜Ｐ４は、正のＷ軸上、正のＶ軸上、負のＷ軸上及び負のＶ軸上に１つずつ位置付けられている。これらのことによって、第１〜第４変形部２３６Ａ〜２３６Ｄに生じる弾性変形を、第１〜第４梁２３１Ａｂ〜２３１Ｄｂの各計測点Ｐ１〜Ｐ４に生じる変位として効率的に検出することができる。

また、本実施の形態の検出回路２４０は、第１〜第４梁２３１Ａｂ〜２３１Ｄｂの各計測点Ｐ１〜Ｐ４に１つずつ配置された４つの変位電極Ｅｍ１〜Ｅｍ４と、これらの変位電極Ｅｍ１〜Ｅｍ４に対向配置された固定電極Ｅｆ１〜Ｅｆ４と、によって構成された４組の静電容量素子Ｃ１〜Ｃ４を有している。そして、検出回路２４０は、前述した［式１］に基づいて、作用したトルクを示す電気信号を出力するようになっている。このため、作用したトルクを容易に検出することができると共に、Ｚ軸まわりのトルク以外の力（Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸方向の力やＸ軸、Ｙ軸回りのトルク）による影響や、使用環境の温度変化による影響を受けることなく、Ｚ軸回りのトルクのみを検出することができる。

＜＜＜ §３． 本発明の第３の実施の形態によるトルクセンサ ＞＞＞
次に、本発明の第３の実施の形態によるトルクセンサ３００ｃについて説明する。

＜ ３−１． 基本構造部の構成 ＞
図１１は、本発明の第３の実施の形態によるトルクセンサの基本構造部３００を示す概略平面図である。

図１１に示すように、基本構造部３００は、４つの梁構造体３３１Ｅ〜３３１Ｈが変形体３３０の内周面にも設けられている点を除いて、図７に示す第２の実施の形態による基本構造部２００と同じ構造を有している。このため、図１１に示す基本構造部２００において、第２の実施の形態による基本構造部２００（図１参照）と共通する構成要素には同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

但し、説明の便宜上、変形体３３０の外周面に配置された、第２の実施の形態と共通の梁構造体を次のように置き換えることとする。すなわち、ＸＹ平面の第１象限に配置された梁構造体を第１外側梁構造体３３１Ａとし、ＸＹ平面の第２象限に配置された梁構造体を第２外側梁構造体３３１Ｂとし、ＸＹ平面の第３象限に配置された梁構造体を第３外側梁構造体３３１Ｃとし、ＸＹ平面の第４象限に配置された梁構造体を第４外側梁構造体３３１Ｄとする。

本実施の形態による基本構造部３００は、変形体３３０の内周面に、変形体３３０の第１変形部３３６Ａに配置された第１内側梁構造体３３１Ｅ、第２変形部３３６Ｂに配置された第２内側梁構造体３３１Ｆ、第３変形部３３６Ｃに配置された第３内側梁構造体３３１Ｇ、及び、第４変形部３３６Ｄに配置された第４内側梁構造体３３１Ｈ、の４つの梁構造体を追加的に有している。

図１１に示すように、第１内側梁構造体３３１Ｅは、第１変形部３３６Ａの内周面に接続された第１内側支持体３３１Ｅｆと、この第１内側支持体３３１Ｅｆによって一端が支持された第１内側梁３３１Ｅｂと、を有している。第１内側梁３３１Ｅｂは、第１外側梁構造体３３１Ａの梁３３１Ａｂと平行に延在している。更に、第１内側梁３３１Ｅｂには、Ｚ軸方向から見て正のＶ軸と重なる位置に、当該第１内側梁３３１Ｅｂの変位を計測するための計測点Ｐ２１が規定されている。

また、図１１に示すように、第１内側支持体３３１Ｅｆと変形体３３０との接続部位は、当該変形体３３０の周方向において、第１外側梁構造体３３１Ａの第１外側支持体３３１Ａｆと変形体３３０との接続部位と同じである。図１１に示すように、同様のことが、第２〜第４内側梁構造体３３１Ｆ〜３３１Ｈと、その各々に対応する第２〜第４外側梁構造体３３１Ｂ〜３３１Ｄと、の間においても、成り立っている。

第２内側梁構造体３３１Ｆは、第２変形部３３６Ｂの内周面に接続された第２内側支持体３３１Ｆｆと、この第２内側支持体３３１Ｆｆによって一端が支持された第２内側梁３３１Ｆｂと、を有している。第２内側支持体３３１Ｆｆと変形体３３０との接続部位は、当該変形体３３０の周方向において、第２外側梁構造体３３１Ｂの第２内側支持体３３１Ｂｆと変形体３３０との接続部位と同じである。第２内側梁３３１Ｆｂは、第２外側梁構造体３３１Ｂの梁３３１Ｂｂと平行に延在している。更に、第２内側梁３３１Ｆｂには、Ｚ軸方向から見て正のＷ軸と重なる位置に、当該第２内側梁３３１Ｆｂの変位を計測するための計測点Ｐ２２が規定されている。

第３内側梁構造体３３１Ｇは、第３変形部３３６Ｃの内周面に接続された第３内側支持体３３１Ｇｆと、この第３内側支持体３３１Ｇｆによって一端が支持された第３内側梁３３１Ｇｂと、を有している。第３内側支持体３３１Ｇｆと変形体３３０との接続部位は、当該変形体３３０の周方向において、第３外側梁構造体３３１Ｃの第３内側支持体３３１Ｃｆと変形体３３０との接続部位と同じである。第３内側梁３３１Ｇｂは、第３外側梁構造体３３１Ｃの梁３３１Ｃｂと平行に延在している。更に、第３内側梁３３１Ｇｂには、Ｚ軸方向から見て負のＶ軸と重なる位置に、当該第３内側梁３３１Ｇｂの変位を計測するための計測点Ｐ２３が規定されている。

更に、第４内側梁構造体３３１Ｈは、第４変形部３３６Ｄの内周面に接続された第４内側支持体３３１Ｈｆと、この第４内側支持体３３１Ｈｆによって一端が支持された第４内側梁３３１Ｈｂと、を有している。第４内側支持体３３１Ｈｆと変形体３３０との接続部位は、当該変形体３３０の周方向において、第４外側梁構造体３３１Ｄの第４内側支持体３３１Ｄｆと変形体３３０との接続部位と同じである。第４内側梁３３１Ｈｂは、第４外側梁構造体３３１Ｄの梁３３１Ｄｂと平行に延在している。更に、第４内側梁３３１Ｈｂには、Ｚ軸方向から見て負のＷ軸と重なる位置に、当該第４内側梁３３１Ｈｂの変位を計測するための計測点Ｐ２４が規定されている。

本実施の形態では、第１〜第４内側梁構造体３３１Ｅ〜３３１Ｈは、互いに同じ構造を有しており、取り付け位置のみが異なっている。

結局、図１１に示す例では、第１〜第４外側梁構造体３３１Ａ〜３３１Ｄと対応する変形部３３６Ａ〜３３６Ｄとの接続部位と、第１〜第４内側梁構造体３３１Ｅ〜３３１Ｈと対応する変形部３３６Ｅ〜３３６Ｈとの接続部位と、が変形体３３０の周方向において同じ位置に配置されている。更に、図１１に示す例では、第１〜第４外側梁３３１Ａｂ〜３３１Ｄｂと対応する第１〜第４内側梁３３１ＥＡｂ〜３３１Ｈｂとが互いに平行となっている。

もちろん、このような形態には限定されず、他の実施の形態では、第１〜第４内側梁構造体３３１Ｅ〜３３１Ｈと対応する変形部３３６Ｅ〜３３６Ｈとの接続部位と、が変形体３３０の周方向において異なる位置に配置されていても良い。また、第１〜第４外側梁３３１Ａｂ〜３３１Ｄｂと対応する第１〜第４内側梁３３１ＥＡｂ〜３３１Ｈｂとが互いに非平行となっていても良い。

＜ ３−２． 基本構造部の作用 ＞
次に、上述した基本構造部３００の作用について、図１２及び図１３を参照して説明する。

図１２は、図１１の基本構造部３００に対して負のトルクＴ−が作用したときの変形体３３０を示す模式図であり、図１３は、図１１の基本構造部３００に対して正のトルクＴ＋が作用したときの変形体３３０を示す模式図である。図１２及び図１３において、各構成要素の厚みや幅は、無視してある。

基本構造部３００の受力体２０に負のトルクＴ−が作用すると、変形体３３０は、図８に示す第２の実施の形態による基本構造部２００と同様に弾性変形する。前述したように、変形体３３０の外周面に配置されている第１〜第４外側梁構造体３３１Ａ〜３３１Ｄは、図８に示す第１〜第４梁構造体２３１Ａ〜２３１Ｄと同一である。このため、第１〜第４外側梁構造体３３１Ａ〜３３１Ｄは、変形体３３０の弾性変形によって、当該第１〜第４梁構造体２３１Ａ〜２３１Ｄと同じ挙動を示す。すなわち、図１２に示すように、第１及び第３外側梁構造体３３１Ａ、３３１Ｃの各計測点Ｐ１１、Ｐ１３は、共に、実質的にＶ軸に沿って、変形体３３０の径方向内方に変位する。一方、第２及び第４外側梁構造体３３１Ｂ、３３１Ｄの各計測点Ｐ１２、Ｐ１４は、共に、実質的にＷ軸に沿って、変形体３３０の径方向外方に変位する。

次に、第１〜第４内側梁構造体３３１Ｅ〜３３１Ｈが示す挙動については、次の通りである。まず、第１内側梁構造体３３１Ｅは、前述したように、第１内側梁３３１Ｅｂと第１外側梁構造体３３１Ａの第１梁３３１Ａｂとが互いに平行であるように構成されている。このことから、第１内側梁３３１Ｅの計測点Ｐ２１は、第１梁３３１Ａｂの計測点Ｐ１１と同様に、実質的にＶ軸に沿って、変形体３３０の径方向内方に変位する。更に、第２〜第４内側梁構造体３３１Ｆ〜３３１Ｈは、各内側梁３３１Ｆｂ〜３３１Ｈｂが、対応する外側梁構造体３３１Ｂ〜３３１Ｄの梁３３１Ｂｂ〜３３１Ｄｂと互いに平行であるように構成されている。これらのことから、第２〜第４内側梁３３１Ｆ〜３３１Ｈの各計測点Ｐ２２〜Ｐ２４は、対応する外側梁構造体３３１Ｂ〜３３１Ｄの各計測点Ｐ１２〜Ｐ１４と同じ方向に変位する。すなわち、第２及び第４内側梁３３１Ｆｂ、３３１Ｈｂの各計測点Ｐ２２、Ｐ２４は、Ｗ軸に沿って変形体３３０の径方向外側に変位し、第３内側梁３３１Ｇｂの計測点Ｐ２３は、Ｖ軸に沿って径方向内側に変位する。

第１〜第４内側梁３３１Ｅｂ〜３３１Ｈｂの各計測点Ｐ２１〜Ｐ２４に生じる変位の大きさは、各変形部３３６Ａ〜３３６Ｄに生じる径方向（Ｖ軸方向またはＷ軸方向）の変位の大きさよりも、大きい（変形体３３０に生じる変位が増幅される）。これは、第１〜第４外側梁３３１Ａｂ〜３３１Ｄｂの各計測点Ｐ１１〜Ｐ１４に生じる変位の大きさが、各変形部３３６Ａ〜３３６Ｄに生じる径方向（Ｖ軸方向またはＷ軸方向）の変位の大きさよりも大きいことと、同じ理由による。というのは、各内側梁構造体３３１Ｅ〜３３１Ｈは、当該外側梁構造体３３１Ａ〜３３１Ｄを、変形体３３０との接続点Ｑ１〜Ｑ４（図８参照）における接線に関して反転させた構造を有しているからである。但し、各内側梁３３１Ｅｂ〜３３１Ｈｂの長さは、対応する外側梁構造体３３１Ａ〜３３１Ｄの梁３３１Ａｂ〜３３１Ｄｂの長さと必ずしも一致している必要は無い。

次に、基本構造部３００の受力体２０に正のトルクＴ＋が作用すると、図１３に示すように、受力部３３２、３３４は、共に時計回りに変位する。このことにより、変形体３３０は、図９に示す第２の実施の形態による基本構造部２００と同様に弾性変形する。変形体３３０の外周面に配置されている第１〜第４外側梁構造体３３１Ａ〜３３１Ｄは、図９に示す第１〜第４梁構造体２３１Ａ〜２３１Ｄと同一であるから、変形体３３０の弾性変形によって、当該第１〜第４梁構造体２３１Ａ〜２３１Ｄと同じ挙動を示す。すなわち、図１３に示すように、第１及び第３外側梁構造体３３１Ａ、３３１Ｃの各計測点Ｐ１１、Ｐ１３は、共に、実質的にＷ軸に沿って、変形体３３０の径方向外側に変位する。一方、第２及び第４外側梁構造体３３１Ｂ、３３１Ｄの各計測点Ｐ１２、Ｐ１４は、共に、実質的にＶ軸に沿って、変形体３３０の径方向内側に変位する。この場合も、各計測点Ｐ２１〜Ｐ２４に生じる変位の大きさは、各変形部３３６Ａ〜３３６Ｄに生じる径方向（Ｖ軸方向またはＷ軸方向）の変位の大きさよりも、大きい（変形体３３０に生じる変位が増幅される）。

＜ ３−３． 本実施の形態による基本構造部を採用したトルクセンサ ＞
次に、図１４は、図１１の基本構造部３００を採用したトルクセンサ３００ｃの一例を示す概略平面図である。

図１４に示すように、トルクセンサ３００ｃは、図１１に示す基本構造部３００と、基本構造部３００の８つの梁構造体３３１Ａ〜３３１Ｈの各梁３３１Ａｂ〜３３１Ｈｂに１つずつ配置された８つの静電容量素子Ｃ１１〜Ｃ２４と、これらの静電容量素子Ｃ１１〜Ｃ２４に接続され、変形体３３０の各変形部３３６Ａ〜３３６Ｄに生じる弾性変形に基づいて、作用したトルクを示す電気信号を出力する検出回路３４０と、を備えている。

図１４に示すように、８つの静電容量素子とは、第１外側梁構造体３３１Ａに配置された第１外側静電容量素子Ｃ１１と、第２外側梁構造体３３１Ｂに配置された第２外側静電容量素子Ｃ１２と、第３外側梁構造体３３１Ｃに配置された第３外側静電容量素子Ｃ１３と、第４梁構造体３３１Ｄに配置された第４外側静電容量素子Ｃ１４と、第１内側梁構造体３３１Ｅに配置された第１内側静電容量素子Ｃ２１と、第２内側梁構造体３３１Ｆに配置された第２内側静電容量素子Ｃ２２と、第３内側梁構造体３３１Ｇに配置された第３内側静電容量素子Ｃ２３と、第４内側梁構造体３３１Ｈに配置された第４内側静電容量素子Ｃ２４と、である。

これら８つの静電容量素子のうち、変形体３３０の外側に配置された第１〜第４外側静電容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４は、第２の実施の形態によるトルクセンサ２００ｃに配置された第１〜第４静電容量素子Ｃ１〜Ｃ４と同じ構成である。但し、説明の便宜上、第１〜第４外側静電容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４を構成する各電極について、変位電極を外側変位電極Ｅｍ１１〜Ｅｍ１４と呼び、固定電極を外側固定電極Ｅｆ１１〜Ｅｆ１４と呼ぶこととする。

変形体３３０の内側に配置された第１〜第４内側静電容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４について、第１内側静電容量素子Ｃ２１は、第１内側梁３３１Ｅｂの計測点Ｐ２１に固定体１０に面するように配置された第１内側変位電極Ｅｍ２１と、この第１内側変位電極Ｅｍ２１に対向配置された第１内側固定電極Ｅｆ２１と、によって構成されている。同様に、第２内側静電容量素子Ｃ２２は、第２内側梁３３１Ｆｂの計測点Ｐ２２に固定体１０に面するように配置された第２内側変位電極Ｅｍ２２と、この第２内側変位電極Ｅｍ２２に対向配置された第２内側固定電極Ｅｆ２２と、によって構成されている。第３内側静電容量素子Ｃ２３は、第３内側梁３３１Ｇｂの計測点Ｐ２３に固定体１０に面するように配置された第３内側変位電極Ｅｍ２３と、この第３内側変位電極Ｅｍ２３に対向配置された第３内側固定電極Ｅｆ２３と、によって構成されている。第４内側静電容量素子Ｃ２４は、第４内側梁３３１Ｈｂの計測点Ｐ２４に固定体１０に面するように配置された第４内側変位電極Ｅｍ２４と、この第４内側変位電極Ｅｍ２４に対向配置された第４内側固定電極Ｅｆ２４と、によって構成されている。

なお、第２の実施の形態によるトルクセンサ２００ｃと同様に、第１〜第４外側静電容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４は、各外側静電容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４を構成する電極の実効対向面積が全て同一であり、電極間の離間距離も全て等しく構成されている。更に、第１〜第４内側静電容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４は、各内側静電容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４を構成する電極の実効対向面積が全て同一であり、電極間の離間距離も全て等しく構成されている。

図１４に示すように、第１外側固定電極Ｅｆ１１は、受力体２０の内周面に設けられた第１台座２３Ａ上に配置されており、第２外側固定電極Ｅｆ１２は、受力体２０の内周面に設けられた第２台座２３Ｂ上に配置されており、第３外側固定電極Ｅｆ１３は、受力体２０の内周面に設けられた第３台座２３Ｃ上に配置されており、第４外側固定電極Ｅｆ１４は、受力体２０の内周面に設けられた第４台座２３Ｄ上に配置されている。図１４に示すように、各台座２３Ａ〜２３Ｄには、外側梁２３１Ａｂ〜２３１Ｄｂに面する領域に各外側変位電極Ｅｍ１１〜Ｅｍ１４と平行な面が形成されていることにより、各外側固定電極Ｅｆ１１〜Ｅｆ１４と対応する外側変位電極Ｅｍ１１〜Ｅｍ１４とは、互いに平行に（極板間距離が一定であるように）配置されている。以上のような電極の配置によって、第１外側静電容量素子Ｃ１１は、正のＶ軸上に形成されており、第２外側静電容量素子Ｃ１２は正のＷ軸上に形成されており、第３外側静電容量素子Ｃ１３は、負のＶ軸上に形成されており、第４外側静電容量素子Ｃ１４は、負のＷ軸上に形成されている。

更に、第１内側固定電極Ｅｆ２１は、固定体１０の外周面に設けられた第１内側台座１３Ａ上に配置されており、第２内側固定電極Ｅｆ２２は、固定体１０の外周面に設けられた第２内側台座１３Ｂ上に配置されており、第３内側固定電極Ｅｆ２３は、固定体１０の外周面に設けられた第３内側台座１３Ｃ上に配置されており、第４内側固定電極Ｅｆ２４は、固定体１０の外周面に設けられた第４内側台座１４Ｃ上に配置されている。図１４に示すように、各内側台座１３Ａ〜１３Ｄには、内側梁３３１Ｅｂ〜３３１Ｈｂに面する領域に各内側変位電極Ｅｍ２１〜Ｅｍ２４と平行な面が形成されていることにより、各内側固定電極Ｅｆ２１〜Ｅｆ２４と対応する内側変位電極Ｅｍ２１〜Ｅｍ２４とは、互いに平行に（極板間距離が一定であるように）配置されている。以上のような電極の配置によって、第１内側静電容量素子Ｃ２１は、正のＶ軸上に形成されており、第２内側静電容量素子Ｃ２２は正のＷ軸上に形成されており、第３内側静電容量素子Ｃ２３は、負のＶ軸上に形成されており、第４内側静電容量素子Ｃ２４は、負のＷ軸上に形成されている。

検出回路３４０は、所定の電気配線（不図示）によって第１〜第４外側静電容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４及び第１〜第４内側静電容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４に接続されている。そして、当該検出回路３４０は、変形体３３０の弾性変形に起因して、第１〜第４外側梁３３１Ａｂ〜３３１Ｄｂの各計測点Ｐ１１〜Ｐ１４に生じる変位、及び、第１〜第４内側梁３３１Ｅｂ〜３３１Ｈｂの各計測点Ｐ２１〜Ｐ２４に生じる変位、の少なくとも一方、に基づいて、作用したトルクを示す電気信号を出力するようになっている。検出回路３４０には、例えば、第１〜第４外側静電容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４の静電容量値の各変動量を用いて、後述される所定の演算を行うことによって得られる値と、作用したトルクの値と、が対応付けられたテーブル（不図示）、及び、第１〜第４内側静電容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４の静電容量値の各変動量を用いて、後述される所定の演算を行うことによって得られる値と、作用したトルクの値と、が対応付けられたテーブル（不図示）が格納されている。検出回路３４０は、各静電容量素子Ｃ１１〜Ｃ２４の静電容量値の変動量を検知すると、このテーブルを参照することによって、作用したトルクを特定するようになっている。

次に、以上のようなトルクセンサ３００ｃを用いてトルクを計測する原理について説明する。

トルクセンサ３００ｃの受力体２０に負のトルク（図１４における反時計回りのトルク）が作用すると、受力体２０は、Ｚ軸回りに、固定体１０に対して反時計回りに回動する。このことによって、トルクセンサ３００ｃの第１〜第４変形部３３６Ａ〜３３６Ｄは、図１２に示すように弾性変形する。このことによって、第１外側静電容量素子Ｃ１１、第３外側静電容量素子Ｃ１３、第２内側静電容量素子Ｃ２２及び第４内側静電容量素子Ｃ２４においては、各静電容量素子Ｃ１１、Ｃ１３、Ｃ２２、Ｃ２４を構成する電極間の離間距離が増大するため、静電容量値は減少する。一方、第２外側静電容量素子Ｃ１２、第４外側静電容量素子Ｃ１４、第１内側静電容量素子Ｃ２１及び第３内側静電容量素子Ｃ２３においては、各静電容量素子Ｃ１２、Ｃ１４、Ｃ２１、Ｃ２３を構成する電極間の離間距離が減少するため、静電容量値は増大する。

一方、トルクセンサ３００ｃの受力体２０に正のトルク（図１４における時計回りのトルク）が作用すると、受力体２０は、Ｚ軸回りに、固定体１０に対して時計回りに回動する。このことによって、トルクセンサ３００ｃの第１〜第４変形部３３６Ａ〜３３６Ｄは、図１３に示すように弾性変形する。このことによって、第１外側静電容量素子Ｃ１１、第３外側静電容量素子Ｃ１３、第２内側静電容量素子Ｃ２２及び第４内側静電容量素子Ｃ２４においては、各静電容量素子Ｃ１１、Ｃ１３、Ｃ２２、Ｃ２４を構成する電極間の離間距離が減少するため、静電容量値は増大する。一方、第２外側静電容量素子Ｃ１２、第４外側静電容量素子Ｃ１４、第１内側静電容量素子Ｃ２１及び第３内側静電容量素子Ｃ２３においては、各静電容量素子Ｃ１２、Ｃ１４、Ｃ２１、Ｃ２３を構成する電極間の離間距離が増大するため、静電容量値は減少する。結局、受力体２０に作用するトルクの向きが逆転すると、各静電容量素子Ｃ１１〜Ｃ２４の静電容量値の変動（増大か減少か）も逆になる。

本実施の形態では、前述したように、梁構造体３３１Ａ〜３３１Ｈの存在によって、各計測点Ｐ１１〜Ｐ２４に生じる変位は、各変形部３３６Ａ〜３３６Ｄに生じる変位よりも大きい。このため、静電容量素子が各変形部３３６Ａ〜３３６Ｄに直接配置されている従来のトルクセンサと比較して、各静電容量素子Ｃ１１〜Ｃ２４の静電容量値の変動量は、大きい。

以上のような静電容量素子Ｃ１１〜Ｃ２４の静電容量値の変動に鑑み、検出回路３４０は、次の［式２］に示すＴ１またはＴ２のいずれかを用いて、トルクセンサ２００ｃに作用したＺ軸回りのトルクＴを算出する。Ｔ１は、外側静電容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４を用いて作用したトルクＴを計測するための式であり、Ｔ２は、内側静電容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４を用いて作用したトルクを計測するための式である。また、［式２］において、Ｃ１１〜Ｃ２４は、第１〜第４外側静電容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４及び第１〜第４内側静電容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４の静電容量値の変動量を示している。

［式２］
Ｔ１＝Ｃ１１−Ｃ１２＋Ｃ１３−Ｃ１４
Ｔ２＝Ｃ２１−Ｃ２２＋Ｃ２３−Ｃ２４
あるいは、［式２］に代えて、次の［式３］を用いて作用したトルクを計測することも可能である。この［式３］は、［式２］に示すＴ１とＴ２との和である。

［式３］
Ｔ３＝（Ｃ１１＋Ｃ２１）−（Ｃ１２＋Ｃ２２）＋（Ｃ１３＋Ｃ１３）−（Ｃ１４＋Ｃ２４）
そして、検出回路３４０は、予め格納されたテーブルを参照して、［式２］または［式３］に基づいて得られる値から、作用したトルクを特定する。そして、特定されたトルクに対応する電気信号が、所定の出力端子（不図示）から出力される。

更に、本実施の形態によるトルクセンサ３００ｃは、次のようにして、当該トルクセンサ３００ｃが正常に機能しているか否かをも診断することができる。すなわち、トルクセンサ３００ｃは、［式２］に示すように、第１〜第４外側静電容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４の４つの静電容量素子と、第１〜第４内側静電容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４の４つの静電容量素子と、のいずれを用いても作用したトルクを計測することが可能である。したがって、トルクセンサ３００ｃが正常に機能している場合には、［式２］に示すＴ１に基づいて計測されたトルクの値と、Ｔ２に基づいて計測されたトルクの値と、は実質的に同じ値になる。一方、トルクセンサ３００ｃが正常に機能していない場合には、［式２］に示すＴ１に基づいて計測されたトルクの値と、Ｔ２に基づいて計測されたトルクの値と、は実質的に異なる値になる。

このことに基づき、Ｔ１に基づいて計測されたトルクの値とＴ２に基づいて計測されたトルクの値との差（Ｔ１―Ｔ２）が所定の閾値を超えているとき、トルクセンサ３００ｃが正常に機能していない（故障している）と判定され得る。なお、本実施の形態では、当該所定の閾値は、予め検出回路３４０内に格納されている。

以上のような本実施の形態によれば、第１〜第４外側梁構造体３３１Ａ〜３３１Ｄ及び第１〜第４内側梁構造体３３１Ｅ〜３３１Ｈの存在によって、変形体３３０に生じる弾性変形が計測点Ｐ１１〜Ｐ２４において増幅される。このため、高荷重のトルクに対応可能でありながら、高精度且つ高感度でトルクを検出可能なトルクセンサ３００ｃを提供することができる。

本実施の形態でも、２つの固定部３３３、３３５は、Ｚ軸方向から見て、変形体３３０とＹ軸とが重なる部位にＸ軸対称に位置付けられており、２つの受力部３３２、３３４は、Ｚ軸方向から見て、変形体３３０とＸ軸とが重なる部位にＹ軸対称に位置付けられている。このため、各変形部３３６Ａ〜３３６Ｄに効果的に弾性変形を生じさせることができる。

また、４つの外側梁構造体３３１Ａ〜３３１Ｄの各計測点Ｐ１１〜Ｐ１４は、正のＶ軸上、正のＷ軸上、負のＶ軸上及び負のＷ軸上に１つずつ位置付けられており、４つの内側梁構造体３３１Ｅ〜３３１Ｈの各計測点Ｐ２１〜Ｐ２４も、正のＶ軸上、正のＷ軸上、負のＶ軸上及び負のＷ軸上に１つずつ位置付けられている。このため、計測点Ｐ１１〜Ｐ２４において、対応する変形部３３６Ａ〜３３６Ｄに生じる弾性変形を効率的に増幅させることができる。

本実施の形態の検出回路３４０は、［式２］に示すＴ１及びＴ２の少なくとも一方に基づいて、作用したトルクを示す電気信号を出力するようになっている。このため、いずれの式Ｔ１、Ｔ２を用いた場合でも、作用したトルクを容易に検出することができると共に、Ｚ軸まわりのトルク以外の力（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の力やＸ，Ｚ軸回りのトルク）による影響や、使用環境の温度変化による影響を受けることなく、所望のトルクを検出することができる。

更に、検出回路３４０は、第１〜第４外側静電容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４の静電容量値の変動量に基づいて計測されたトルクＴ１と、第１〜第４内側静電容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４の静電容量値の変動量に基づいて計測されたトルクと、を比較することによって、トルクセンサ３００ｃが正常に機能しているか否かを判定するようになっている。このため、作用したトルクを検出することに加え、単一のトルクセンサ３００ｃによって、その故障診断をも行うことができる。

＜＜＜ §４． 各実施の形態における梁構造体の変形例 ＞＞＞
以上に示した各実施の形態では、梁構造体は、いわゆる片持ち梁として構成されていた。片持ち梁は、梁の一端が自由端となっているため、両持ち梁と比較して、共振周波数が低く、外部の振動の影響を受けやすい。例えば、各実施の形態によるトルクセンサ１００ｃ、２００ｃ、３００ｃをモーターに直結した場合、各梁構造体（片持ち梁）とモーターの振動数（数ＫＨｚ）とが一致してしまう可能性がある。更に、梁構造体は、外部環境において生じる振動の影響も受ける。この場合、トルクセンサ１００ｃ、２００ｃ、３００ｃに設けられた梁構造体に生じる振動がノイズとして出力される電気信号に加えられることになる。すなわち、トルクセンサ１００ｃ、２００ｃ、３００ｃが設置される環境において発生する振動の影響によって、当該トルクセンサ１００ｃ、２００ｃ、３００ｃの出力も振動してしまい、作用するトルクが正確に検出できないおそれがある。

このような問題の解決策の一案として、図１５及び図１６に示すように、梁構造体を両持ち梁にて構成することが有効である。

図１５は、図１０の変形例を示す概略平面図であり、図１６は、図１０の他の変形例を示す概略平面図である。ここでは、主として図１０（第２の実施の形態）の変形例について説明を行うが、同様の構造を、図６（第１の実施の形態）及び図１４（第３の実施の形態）にて採用することもできる。

図１５に示すように、本変形例によるトルクセンサ２０１ｃは、各梁構造体２３１Ａ〜２３１Ｄの梁２３１Ａｂ〜２３１Ｄｂの先端と固定体１０または受力体２０とを連結する連結体２３１Ａｃ〜２３１Ｄｃを有している点で、第２の実施の形態によるトルクセンサ２００ｃと異なっている。

具体的には、固定体１０は、正のＹ軸上に位置する固定体接続部１１に、変形体２３０の固定部２３３を介してＹ軸正方向に延び出た第１延出部１１ｅと、負のＹ軸上に位置する固定体接続部１２に、変形体２３０の固定部２３５を介してＹ軸負方向に延び出た第２延出部１２ｅと、を有している。各延出部１１ｅ、１２ｅの先端と受力体２０の内周面との間には所定の隙間が存在している。そして、図１５に示すように、第１梁構造体２３１Ａの梁２３１Ａｂの先端と第１延出部１１ｅとが柔軟な第１連結体２３１Ａｃによって連結されている。更に、第２梁構造体２３１Ｂの梁２３１Ｂｂの先端と受力体接続部２１とが柔軟な第２連結体２３１Ｂｃによって連結されており、第３梁構造体２３１Ｃの梁２３１Ｃｂの先端と第２延出部１２ｅとが柔軟な第３連結体２３１Ｃｃによって連結されており、第４梁構造体２３１Ｄの梁２３１Ｄｂの先端と受力体接続部２２とが柔軟な第４連結体２３１Ｄｃによって連結されている。

あるいは、図１６に示すように、延出部１１ｅ、１２ｅに代えて、受力体２０の内周面のうちＹ軸上に位置する２つの部位に径方向内側に突出した第１突出部２４及び第２突出部２５を設けても良い。この場合、第１連結体２３１Ａｃの一端を第１延出部１１ｅに代えて第１突出部２４に連結し、第３連結体２３１Ｃｃの一端を第２延出部１２ｅに代えて第２突出部２５に連結すれば良い。

以上のような両持ち梁による梁構造体を有するトルクセンサ２０１ｃ、２０２ｃによれば、連結体２３１Ａｃ〜２３１Ｄｃの存在によって、外部環境において生じる振動が減衰されて梁構造体２３１Ａ〜２３１Ｄに伝達されることになる。このため、トルクセンサ２０１ｃ、２０２ｃから出力される電気信号に含まれるノイズが低減または除去され、トルクの計測をより高精度で行うことができる。

なお、以上のような両持ち梁による構造体を第１の実施の形態によるトルクセンサ１００ｃ（図６参照）に採用する場合には、図１５に示すトルクセンサ２０１ｃまたは図１６に示すトルクセンサ２０２ｃの第１象限に示されている構造を採用すればよい。また、以上のような両持ち梁による構造体を第３の実施の形態によるトルクセンサ３００ｃ（図１４参照）に採用する場合、第１〜第４外側梁構造体３３１Ａ〜３３１Ｄについては、図１５に示すトルクセンサ２０１ｃまたは図１６に示すトルクセンサ２０２ｃと同じ構造を採用することができる。残りの第１〜第４内側梁構造体３３１Ｅ〜３３１Ｈについては、例えば、第１及び第３内側梁３３１Ｅｂ、３３１Ｇｂの先端と固定体接続部１１、１２とを柔軟な連結体でそれぞれ連結し、第２及び第４内側梁３３１Ｆｂ、３３１Ｈｂの先端と固定体１０とを柔軟な連結体で接続すればよい。

＜＜＜ §４． 極板間の実効対向面積を一定に保つための工夫 ＞＞＞
以上の各トルクセンサは、トルクが作用した結果、固定電極に対する変位電極の相対位置が変化した場合にも、静電容量素子を構成する一対の電極の実効対向面積が変化しないように、各静電容量素子を構成する固定電極および変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定することも考えられる。これは、面積が小さい方の電極（例えば変位電極）の輪郭を、面積が大きい方の電極（例えば固定電極）の表面に当該電極の法線方向に投影して正射影投影像を形成した場合、面積が小さい方の電極の投影像が、面積が大きい方の電極の表面内に完全に含まれるような状態である。この状態が維持されれば、両電極によって構成される静電容量素子の実効面積は、小さい方の電極の面積に等しくなり、常に一定になる。すなわち、力の検出精度を向上させることができる。

これまでに説明してきた各実施の形態及び変形例の各々は、対応する各図面に示されているように、固定電極の面積の方が変位電極の面積よりも大きく構成されている。

＜＜＜ §５． その他の変形例 ＞＞＞
以上に示した各実施の形態及び変形例において、受力体２０をＸＹＺ三次元座標系に対して固定された固定体とし、固定体１０をＺ軸回りに回動可能な受力体として構成することも可能である。このようなトルクセンサの受力体（以上の各実施の形態及び変形例における固定体１０に相当）に正のトルクが作用すると、変形体３０、２３０、３３０には、以上の各実施の形態及び変形例による各トルクセンサにおいて受力体２０に負のトルクが作用した場合と同様の弾性変形が生じる。その一方、このようなトルクセンサの受力体に負のトルクが作用すると、変形体３０、２３０、３３０には、以上の各実施の形態及び変形例による各トルクセンサにおいて受力体２０に正のトルクが作用した場合と同様の弾性変形が生じる。したがって、このトルクセンサによってトルクを計測する場合には、上述した［式１］〜［式３］において、Ｔ、Ｔ１、Ｔ２及びＴ３を−Ｔ、−Ｔ１、−Ｔ２及び−Ｔ３にそれぞれ読み替えればよい。

次に、図１７は、図１０の更に他の変形例によるトルクセンサ２０３ｃを示す概略平面図である。図１７に示すように、本変形例では、固定電極Ｅｆ１〜Ｅｆ４を支持する台座２３Ａｃ〜２３Ｄｃが受力体２０から離間して配置されている点で、図１０の例とは異なっている。本変形例において、台座２３Ａｃ〜２３Ｄｃは、図１７の手前側から奥側に向かって延在しており、奥側の端部が固定体１０に接続されている。これにより、台座２３Ａｃ〜２３Ｄｃは、固定体１０に対して移動しないようになっている。図１０に示すトルクセンサ２００ｃでは、台座２３Ａｃ〜２３Ｄｃが受力体２０の内面上に配置されている。

このため、受力体２０にＺ軸回りのトルク以外の力（例えばＸ軸方向の力、Ｙ軸方向の力）が作用すると、受力体２０と共に各固定電極Ｅｆ１〜Ｅｆ４がＺ軸方向及び／Ｙ軸方向に移動してしまう。これに対し、図１７に示すトルクセンサ２０３ｃでは、受力体２０にＺ軸回りのトルク以外の力（例えばＸ軸方向の力、Ｙ軸方向の力）が作用して、受力体２０の中心位置がＺ軸方向から見て原点Ｏと一致しなくなっても、各固定電極Ｅｆ１〜Ｅｆ４がその影響によって変位してしまうことが無い。これにより、図１７に示すトルクセンサは、作用したトルクを一層安定的に計測することができる。

もちろん、このような台座の配置は、これまで説明したトルクセンサ１００ｃ（図６参照）、トルクセンサ２００ｃ〜２０２ｃ（図１０、図１５及び図１６参照）及びトルクセンサ３００ｃ（図１４参照）に対しても、適用することができる。

あるいは、以上に示した各実施の形態及び変形例では、固定体１０及び受力体２０がＸＹ平面上に同心に配置されているが、図１８に示すように、Ｚ軸方向において変形体３０、２３０、３３０を挟み込むように配置されていても良い。なお、図１８においては、固定体１０、受力体２０及び変形体３０、２３０、３３０のみが示されており、梁構造体、静電容量素子等の図示は省略されている。もちろん、この場合も、固定体１０及び受力体２０のうちのいずれか一方がＸＹＺ三次元座標系に対して固定されていれば良い。

また、§２〜§４に示した各実施の形態及び変形例において、各静電容量素子を構成する固定電極は、静電容量素子ごとに個別的に配置されていた。これにより、固定電極の自由度の高い配置が可能である。しかしながら、このような実施の形態には限定されず、例えば、各静電容量素子を構成する固定電極が共通電極として構成されていても良い。

また、以上の説明において、静電容量素子を支持する梁構造体、受力体２０及び固定体１０は、金属（アルミ軽合金、鉄系合金）によって構成される場合が多い。この場合、電極同士がショートして、トルクを適正に検出することができない。したがって、電極を支持する構成部材が金属にて構成される場合には、図１９に示すように当該構成部材Ｂと電極Ｅとの間に絶縁体Ｉを配置すればよい。

以上の説明では、計測点Ｐ、Ｐ１〜Ｐ４、Ｐ１１〜Ｐ２４が配置されているＶ軸及びＷ軸について、Ｘ軸及びＹ軸に対しそれぞれ４５°をなし互いに直交する軸であるとして各実施の形態を説明したが、これには限定されない。静電容量値の変動量は、梁構造体の梁の長さに関係し、梁が長いほど静電容量の変化が大きくなりトルクセンサの感度が高まる。このため、Ｖ軸及びＷ軸が添付の図面の通りに規定されていない場合であっても、計測点Ｐの位置が梁構造体の支持体から離れて設定されていれば、トルクセンサの感度が高められ、本発明による効果が得られることになる。したがって、Ｖ軸及びＷ軸が、例えば、Ｘ軸及びＹ軸に対して４０°あるいは５０°といった４５°とは異なる角度をなすように規定されていても良い。更に、Ｖ軸及びＷ軸が互いに直交していなくても良い。

１０ 固定体
１１ 固定体接続部
１１ｅ 第１延出部
１２ 固定体接続部
１２ｅ 第２延出部
１３Ａ〜１３Ｄ 第１〜第４内側台座
２０ 受力体
２１、２２ 受力体接続部
２３ 台座
２３Ａ〜２３Ｄ 第１〜第４台座
２４ 第１突出部
２５ 第２突出部
３０、３０ａ 変形体
３１ 梁構造体
３１ｂ 梁
３１ｆ 支持体
３２、３４ 受力部
３３、３５ 固定部
３６、３６ａ 変形部
４０ 検出回路
１００、１００ａ 基本構造部
１００ｃ トルクセンサ
２００ 基本構造部
２００ｃ、２０１ｃ、２０２ｃ トルクセンサ
２３０ 変形体
２３１Ａ〜２３１Ｄ 第１〜第４梁構造体
２３１Ａｂ〜２３１Ｄｂ 第１〜第４梁（第１〜第４外側梁）
２３１Ａｃ〜２３１Ｄｃ 第１〜第４連結体
２３１Ａｆ〜２３１Ｄｆ 第１〜第４支持体
２３１Ｄｃ 第４連結体
２３１Ｄｆ 第４支持体
２３２、２３４ 受力部
２３３、２３５ 固定部
２３６Ａ〜２３６Ｄ 第１〜第４変形部
２４０ 検出回路
３００ 基本構造部
３００ｃ トルクセンサ
３３０ 変形体
３３１Ａ〜３３１Ｄ 第１〜第４外側梁構造体
３３１Ａｂ〜３３１Ｄｂ 第１〜第４外側梁
３３１Ａｆ〜３３１Ｄｆ 第１〜第４外側支持体
３３１Ｅ〜３３１Ｈ 第１〜第４内側梁構造体
３３１Ｅｂ〜３３１Ｈｂ 第１〜第４内側梁
３３１Ｅｆ〜３３１Ｈｆ 第１〜第４内側支持体
３３２、３３４ 受力部
３３３、３３５ 固定部
３３６Ａ〜３３６Ｄ 第１〜第４変形部
３４０ 検出回路

Claims (2)

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、
   ＸＹＺ三次元座標系の原点を中心とする第１の固定／受力体と、
   Ｚ軸方向から見て前記第１の固定／受力体を取り囲むように配置された環状の第２の固定／受力体と、
   第１端が前記第１の固定／受力体によって支持され、第２端が前記第２の固定／受力体によって支持された第1の弾性変形体と、
   第３端が前記第１の固定／受力体によって支持され、第４端が前記第２の固定／受力体によって支持された第２の弾性変形体と、
   前記第1の弾性変形体に配置された第1の変位電極と、前記第1の変位電極に対向する第1の固定電極とを有する第1の静電容量素子と、
   前記第２の弾性変形体に配置された第２の変位電極と、前記第２の変位電極に対向する第２の固定電極とを有する第２の静電容量素子と、
   前記第２の固定／受力体から延び出るように設けられており、前記第１の静電容量素子の静電容量値および前記第２の静電容量素子の静電容量値を伝える電気配線と、
   前記電気配線に接続されており、前記Ｚ軸まわりのトルクを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
   前記第１の固定／受力体および前記第２の固定／受力体のうちの一方は、ＸＹＺ三次元座標系に対して固定され、前記第１の固定／受力体および前記第２の固定／受力体のうちの他方は、前記Ｚ軸まわりのトルクの作用によってＺ軸回りに回動し、
   前記第１の固定電極は、前記第１の変位電極と平行に配置されるように、前記第２の固定／受力体の内周面に設けられ前記第１の変位電極と平行な面が形成された第１の台座の上に配置され、
   前記第２の固定電極は、前記第２の変位電極と平行に配置されるように、前記第２の固定／受力体の内周面に設けられ前記第２の変位電極と平行な面が形成された第２の台座の上に配置され、
   前記第１の弾性変形体の前記第２端と前記第２の弾性変形体の前記第４端は、Ｚ軸方向から見てＸ軸またはＹ軸に関して対称に配置されていることを特徴とするトルクセンサ。
2. 前記第１の弾性変形体および前記第２の弾性変形体は、Ｚ軸方向から見てＸＹＺ三次元座標系の原点に関して点対称に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。

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