JPWO2017208350A1 - トルクセンサ - Google Patents

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〜第４変位電極と、第１〜第４変位電極に対向する位置に配置された第１〜第４固定電極と、第１〜第４変位電極と第１〜第４固定電極とによって構成される第１〜第４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、検出回路は、「第１容量素子の静電容量値と第２容量素子の静電容量値との和」と、「第３容量素子の静電容量値と第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、第１容量素子の静電容量値と第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、第１及び第２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。

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、機構部、静電容量の検出部、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。

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。

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、コスト及び設置スペースを最小化しつつ、故障の判定（正常に機能しているか否かの判定）が可能なトルクセンサを提供することである。

本発明のトルクセンサは、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ものであって、
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。

本発明によれば、第１電気信号に基づくトルクと、第２電気信号または第３電気信号に基づくトルクと、を比較するため、トルクセンサが正常に機能しているか否かを当該トルクセンサ自身で判断することができる。このため、複数のトルクセンサを使用することなく、すなわちコスト及び設置スペースを最小化しつつ、故障の判定（正常に機能しているか否かの判定）が可能なトルクセンサを提供することができる。

好ましくは、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ている。

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ても良い。

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。

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。

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。

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。

また、トルクセンサに作用したトルクは、前記第１電気信号に基づいて計測されることが好ましい。この場合、第１電気信号は、第１〜第３電気信号の内で、トルクの測定に用いられる静電容量値（電極面積）が最も大きいため、容量変化も大きく、Ｓ／Ｎの点からも有利である。

好ましくは、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。この場合、トルクセンサが正常に機能しているか否かを容易に判定することができる。

より好ましくは、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。

また、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されることが好ましい。

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。

あるいは、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、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。

これらの場合、各容量素子の静電容量値の変化について、第１及び第２容量素子が互いに同様の挙動を示し、第３及び第４容量素子が互いに略同様の挙動を示す。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。

本発明によれば、第１電気信号に基づくトルクと、第２電気信号または第３電気信号に基づくトルクと、を比較するため、トルクセンサが正常に機能しているか否かを当該トルクセンサ自身で判断することができる。このため、複数のトルクセンサを使用することなく、すなわちコスト及び設置スペースを最小化しつつ、故障の判定（正常に機能しているか否かの判定）が可能なトルクセンサを提供することができる。

好ましくは、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ている。

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ても良い。

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。

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。

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。

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。

また、トルクセンサに作用したトルクは、前記第１電気信号に基づいて計測されることが好ましい。この場合、第１電気信号は、第１〜第３電気信号の内で、トルクの測定に用いられる静電容量値（電極面積）が最も大きいため、容量変化も大きく、Ｓ／Ｎの点からも有利である。

好ましくは、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。この場合、トルクセンサが正常に機能しているか否かを容易に判定することができる。

より好ましくは、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。

また、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されることが好ましい。

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。

あるいは、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。

これらの場合、各容量素子の静電容量値の変化について、第１、第２、第５及び第６容量素子が互いに同様の挙動を示し、第３、第４、第７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。

従来のトルクセンサによるトルクの検出原理を説明するための片持ち梁モデルである。 図１の片持ち梁モデルに用いる検出回路の一例を示す回路図である。 本発明のトルクセンサによるトルクの検出原理及び当該トルクセンサが正常に機能しているか否かの判定原理を説明するための片持ち梁モデルである。 図３の片持ち梁モデルの受力体に加えられた力を検出するための検出回路の一例を示す回路図である。 図４の検出回路に設けられているスイッチのＯＮ／ＯＦＦの接続状態を示す図表である。 図３の片持ち梁モデルの受力体に加えられた力を検出するための検出回路の他の例を示す回路図である。 図６の検出回路に設けられているスイッチのＯＮ／ＯＦＦの接続状態を示す図表である。 図３の片持ち梁モデルの受力体に加えられた力を検出するための検出回路の更に他の例を示す回路図である。 図８の検出回路に設けられているスイッチのＯＮ／ＯＦＦの接続状態を示す図表である。 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１０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１１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１０に示す左側支持体および凸状部を図１０の右方向から見た正面図である。 図１０に示す環状変形体を図１０の右方向から見た正面図である。 図１０に示す右側支持体および凸状部を図１０の右方向から見た正面図である。 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。 図１１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。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１１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１１の左方向から見た平面図である。 図１９に示す右側支持体の側面図である。 図１２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２１の上方は、図１８および図１９に示すＶ軸方向）。 図１１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１１の左方向から見た断面図である。 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断面図である（破線は変形前の状態を示す）。 ８組の容量素子を用いる変形例に係るトルクセンサのＸＹ平面での断面図である。 図２４に示すトルクセンサについて、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２４に示す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。 図２６の検出回路に設けられているスイッチのＯＮ／ＯＦＦの接続状態を示す図表である。 図２４に示すトルクセンサに用いる検出回路の他の例を示す回路図である。 図２８の検出回路に設けられているスイッチのＯＮ／ＯＦＦの接続状態を示す図表である。 図２４に示すトルクセンサに用いる検出回路の更に他の例を示す回路図である。 図３０の検出回路に設けられているスイッチのＯＮ／ＯＦＦの接続状態を示す図表である。 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。 図２４に示すトルクセンサに、図３２に示す原理を適用した変形例を示すＸＹ平面での断面図である。 図３３に示すトルクセンサをＶＺ平面で切断した側断面図である。 図３３に示すトルクセンサについて、Ｚ軸正まわりのモーメントＭｚ（検出対象となるトルク）が作用したときの状態を示すＸＹ平面での断面図である（破線は変形前の状態を示す）。 図３３に示すトルクセンサについて、Ｘ軸方向の力Ｆｘが作用したときの状態を示すＸＹ平面での断面図である（破線は変形前の状態を示す）。 図３３に示すトルクセンサについて、Ｘ軸正まわりのモーメントＭｘが作用したときの状態を示すＺＶ平面での断面図である。 図３３に示すトルクセンサについて、右側支持体に負荷がかかった状態において、左側支持体から環状変形体に対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの８組の容量素子の静電容量値の変化態様を示す表である。 容量素子にＰＷＭ回路を設けた回路図である。 図３９のＰＷＭ回路の各構成部において出力される信号の波形を示す概略図である。 本発明のトルクセンサに採用され得るＰＷＭ回路の一例を示す回路図である。 図４１のＰＷＭ回路の各構成部において出力される信号の波形を示す概略図である。 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。 一対の固定電極がＺ軸方向に沿って隣接して配置された状態を示す図である。

＜＜＜ §０． 片持ち梁モデルによる故障検出原理 ＞＞＞
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。

図１は、従来のトルクセンサによるトルクの検出原理を説明するための片持ち梁モデル２００である。この片持ち梁モデル２００は、水平方向に延在し上面２１０ｕ（図１における上方の面）と下面２１０ｒ（図１における下方の面）とを有する、撓み変形可能な片持ち梁２１０と、片持ち梁２１０の一端（図１における左端）が固定された第１固定部２２１と、片持ち梁２１０の上面２１０ｕの他端近傍に設けられた受力体２３０と、を備えている。第１固定部２２１は、片持ち梁２１０の延在方向（長手方向）に直交し、上下方向にある程度の広がりをもった平面を有している。また、受力体２３０は、片持ち梁２１０の他端に作用する力を受けるためのものである。この片持ち梁モデル２００は、受力体２３０に作用する力を検出するためのものでありトルクを検出するものではないが、以下に説明する力の検出原理から、トルクの検出原理が類推的に理解され得る。

片持ち梁モデル２００は、片持ち梁２１０の上面２１０ｕから所定の間隔が空けられた第２固定部２２２と、片持ち梁２１０の下面２１０ｒから所定の間隔が空けられた第３固定部２２３と、を更に備えている。第２及び第３固定部２２２、２２３は、共に一端が第１固定部２２１に固定されている。第２固定部２２２の下面２２２ｒと第３固定部２２３の上面２２３ｕとは、共に片持ち梁２１０の上面２１０ｕ及び下面２１０ｒと平行な平面となっている。

図１に示すように、片持ち梁２１０の上面２１０ｕには、上部可撓基板２４１と上部可撓電極Ｅ３１とが上方に向かってこの順序で積層されており、当該片持ち梁２１０の下面２１０ｒには、下部可撓基板２４２と下部可撓電極Ｅ３２とが下方に向かってこの順序で積層されている。更に、第２固定部２２２の下面２２２ｒには、上部固定基板２４３と上部固定電極Ｅ２１とが下方に向かってこの順序で積層されており、第３固定部２２３の上面２２３ｕには、下部固定基板２４４と下部固定電極Ｅ２２とが上方に向かってこの順序で積層されている。この状態で、上部固定電極Ｅ２１と上部可撓電極Ｅ３１とが互いに対向しており、下部固定電極Ｅ２２と下部可撓電極Ｅ３２とが互いに対向している。更に、図１に示すように、上部可撓電極Ｅ３１と上部固定電極Ｅ２１との間には所定の間隔が設けられており、下部可撓電極Ｅ３２と下部固定電極Ｅ２２との間にも、同一の所定の間隔が設けられている。以上の構成によって、上部可撓電極Ｅ３１と上部固定電極Ｅ２１とによって第１容量素子Ｃ１が形成され、下部可撓電極Ｅ３２と下部固定電極Ｅ２２とによって第２容量素子Ｃ２が形成されている。なお、図１においては、上部可撓電極Ｅ３１と上部固定電極Ｅ２１との対向面積が下部可撓電極Ｅ３２と下部固定電極Ｅ２２との対向面積に等しい。

以上のような片持ち梁モデル２００において、受力体２３０に下向きの力Ｆが加えられると、片持ち梁２１０は下方に向かって湾曲する。これに伴って、上部可撓電極Ｅ３１及び下部可撓電極Ｅ３２も下方に向かって湾曲する。このことにより、上部可撓電極Ｅ３１と上部固定電極Ｅ２１との離間距離が増大して第１容量素子Ｃ１の静電容量値が減少し、その一方で、下部可撓電極Ｅ３２と下部固定電極Ｅ２２との離間距離が減少して第２容量素子Ｃ２の静電容量値が増加する。これらの静電容量値の変動量に基づいて、両静電容量値の差分として、作用した力を検出することができる。このような差分検出は、同相ノイズやゼロ点ドリフトを押さえた安定した力検出に有効であり、また、温度による各部の膨張の影響を相殺して、精度の高い検出値を得るのに貢献する。

そして、このような差分検出を行うための検出回路として、第１容量素子Ｃ１の静電容量値と、第２容量素子Ｃ２の静電容量値と、の差に相当する電気信号を、作用した力を示す電気信号として出力する回路を設けておけばよい。

図２は、このような差分検出を行う機能をもった検出回路の一例を示す回路図である。この回路図に示すＥ２１，Ｅ３１，Ｅ２２，Ｅ３２は、図１に示す各電極であり、Ｃ１，Ｃ２は、これらの電極によって構成される容量素子である。Ｃ／Ｖ変換器４０ａ、４０ｂは、それぞれ容量素子Ｃ１，Ｃ２の静電容量値を電圧値Ｖ１，Ｖ２に変換する回路であり、変換後の電圧値Ｖ１，Ｖ２は、各容量素子の静電容量値に対応した値になる。差分演算器４１ａは、電圧値の差分「Ｖ１−Ｖ２」を求め、これを出力端子Ｔ１に出力する機能を有する。

図１に示す例において、各電極Ｅ２１〜Ｅ３２を同一形状、同一サイズの電極によって構成し、図１の上方から視た各電極Ｅ２１〜Ｅ３２の位置が同一になるように設定すれば、無負荷状態（片持ち梁２１０に撓みが生じていない状態）において、容量素子Ｃ１，Ｃ２の静電容量値は等しくなる。したがって、図２に示す検出回路の出力端子Ｔ１に出力される電圧値は０になる。

これに対して、受力体２３０に図１に示す下向きの力が作用すると、片持ち梁２１０が下方に撓むため、容量素子Ｃ１の静電容量値は小さくなり、容量素子Ｃ２の静電容量値は大きくなる。これにより、図２に示す検出回路の出力端子Ｔ１に出力される電圧値は負の値となり、作用する力が大きいほどその絶対値は大きくなる。逆に、受力体に上向きの力が作用すると、容量素子Ｃ１の静電容量値は大きくなり、容量素子Ｃ２の静電容量値は小さくなる。これにより、図２に示す検出回路の出力端子Ｔ１に出力される電圧値は正の値となり、作用する力が大きいほどその絶対値は大きくなる。かくして、出力端子Ｔ１には、符号を含めた力の検出値が得られる。

しかしながら、この片持ち梁モデル２００は、当該片持ち梁モデル２００が正常に機能しているか否かを判定することができない。すなわち、例えば検出回路に何らかの不具合が生じると、片持ち梁モデル２００によって評価された力と実際に受力体２３０に作用している力との間にズレが生じてしまうが、図１に示す片持ち梁モデル２００は、このようなズレが生じているということを識別することができない。これに対し、図３に示す片持ち梁モデル２００’によれば、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ことができる。以下に、図３を参照して片持ち梁モデル２００’について詳細に説明する。

図３に示す片持ち梁モデル２００’は、本発明のトルクセンサによるトルクの検出原理及び当該トルクセンサが正常に機能しているか否かの判定原理を説明するためのものであり、図１に示す片持ち梁モデル２００の各電極Ｅ２１〜Ｅ３２がそれぞれ２等分されたモデルである。すなわち、上部可撓電極Ｅ３１が第１上部可撓電極Ｅ３１ａと第２上部可撓電極Ｅ３１ｂとに２等分されており、下部可撓電極Ｅ３２が第１下部可撓電極Ｅ３２ａと第２下部可撓電極Ｅ３２ｂとに２等分されており、上部固定電極Ｅ２１が第１上部固定電極Ｅ２１ａと第２上部固定電極Ｅ２１ｂとに２等分されており、下部固定電極Ｅ２２が第１下部固定電極Ｅ２２ａと第２下部固定電極Ｅ２２ｂとに２等分されている。そして、第１上部可撓電極Ｅ３１ａとこれに対向する第１上部固定電極Ｅ２１ａとによって第１容量素子Ｃ１１が形成され、第２上部可撓電極Ｅ３１ｂとこれに対向する第２上部固定電極Ｅ２１ｂとによって第２容量素子Ｃ１２が形成され、第１下部可撓電極Ｅ３２ａとこれに対向する第１下部固定電極Ｅ２２ａとによって第３容量素子Ｃ２１が形成され、第２下部可撓電極Ｅ３２ｂとこれに対向する第２下部固定電極Ｅ２２ｂとによって、第４容量素子Ｃ２２が形成されている。

受力体２３０に力が加えられていない初期状態においては、第１上部可撓電極Ｅ３１ａとこれに対向する第１上部固定電極Ｅ２１ａとの離間距離及び対向面積、第２上部可撓電極Ｅ３１ｂとこれに対向する第２上部固定電極Ｅ２１ｂとの離間距離及び対向面積、第１下部可撓電極Ｅ３２ａとこれに対向する第１下部固定電極Ｅ２２ａとの離間距離及び対向面積、並びに、第２下部可撓電極Ｅ３２ｂとこれに対向する第２下部固定電極Ｅ２２ｂとの離間距離及び対向面積、がそれぞれ等しい。すなわち、初期状態において、第１〜第４容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の各静電容量値が、互いに等しい。

以上のような片持ち梁モデル２００’の受力体２３０に下向きの力Ｆが加えられると、片持ち梁２１０は下方に向かって湾曲する。これに伴って、上部可撓電極Ｅ３１及び下部可撓電極Ｅ３２も下方に向かって湾曲する。このことにより、第１及び第２上部可撓電極Ｅ３１ａ、Ｅ３１ｂと第１及び第２上部固定電極Ｅ２１ａ、Ｅ２１ｂとの離間距離が増大して第１及び第２容量素子Ｃ１１、Ｃ１２の静電容量値が減少し、その一方で、第１及び第２下部可撓電極Ｅ３２ａ、Ｅ３２ｂと第１及び第２下部固定電極Ｅ２２ａ、Ｅ２２ｂとの離間距離が減少して第３及び第４容量素子Ｃ２１、Ｃ２２の静電容量値が増加する。これらの静電容量値の変動量に基づき、「第１及び第２容量素子Ｃ１１、Ｃ１２の静電容量値の和」と、「第３及び第４容量素子Ｃ２１、Ｃ２２の静電容量値の和」と、の差分として、作用した力を検出することができる。このような差分検出は、前述の通り、精度の高い検出値を得るのに貢献する。

すなわち、第１容量素子Ｃ１１と第２容量素子Ｃ１２とを並列に接続し、第３容量素子Ｃ２１と第４容量素子Ｃ２２とを並列に接続した場合、受力体２３０に加えられている力Ｆは、下式に基づいて評価され得る。なお、下式において、Ｃ１１〜Ｃ２２は、第１〜第４容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の静電容量値を示している。また、力と静電容量値とが「＝」で結ばれているが、これらは互いに異なる物理量であるため、実際には所定の変換がなされた上で力Ｆが評価される。また、Ｆ１とは、下式の右辺に基づいて評価される力Ｆを意味しており、後述される他の式に基づいて評価される力Ｆと区別するための記号である。

［数１］
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。

［数２］
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。

もちろん、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、を評価する代わりに、Ｆ１とＦ３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、を評価しても良い。

図３の片持ち梁モデル２００’においては、当該片持ち梁モデル２００’の構造上、Ｆ２とＦ３とは完全には一致しない。すなわち、片持ち梁２１０の第１固定部２２１側はわずかにしか変位しないが、当該片持ち梁２１０の受力体２３０側は相対的に大きく変位するため、Ｆ２とＦ３との間に差異が生じるのである。この差異を加味して、前述の所定の範囲を設定することにより、片持ち梁モデル２００’が正常に機能しているか否かが適正に判定され得る。

なお、図３に示す片持ち梁モデル２００’においては、第１〜第４容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の静電容量値がいずれも等しいことに鑑みると、前述の［数１］及び［数２］の右辺から明らかなように、Ｆ２及びＦ３はＦ１の略半分の値となる。このため、Ｆ１とＦ２、または、Ｆ１とＦ３を比較する際には、例えばＦ２ないしＦ３を２倍して、当該比較が適正に実行されるための処理がなされる。もちろん、この処理は、第１〜第４容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の各静電容量値に応じて適切になされるべきものである。

以上の判定方法を、実際の検出回路に基づいて説明する。

図４は、図３の片持ち梁モデル２００’の受力体２３０に加えられた力を検出するための検出回路の一例を示す回路図であり、図５は、図４の検出回路に設けられているスイッチのＯＮ／ＯＦＦの接続状態を示す図表である。

図４の回路図においては、便宜上、第１容量素子Ｃ１１と第２容量素子Ｃ１２とを上下方向に並べ、第３容量素子Ｃ２１と第４容量素子Ｃ２２とを上下方向に並べて示している。図４に示すように、第１容量素子Ｃ１１は、スイッチＳＷ１を介して第１Ｃ／Ｖ変換器４０ａに選択的に接続可能となっており、第２容量素子Ｃ１２は、スイッチＳＷ２を介して第２Ｃ／Ｖ変換器４０ｂに選択的に接続可能となっており、第３容量素子Ｃ２１は、スイッチＳＷ３を介して第３Ｃ／Ｖ変換器４０ｃに選択的に接続可能となっており、第４容量素子Ｃ２２は、スイッチＳＷ４を介して第３Ｃ／Ｖ変換器４０ｄに選択的に接続可能となっている。また、第１容量素子Ｃ１１と第２容量素子Ｃ１２とはスイッチＳＷ５を介して選択的に接続可能となっており、第３容量素子要素Ｃ２１と第４容量素子Ｃ２２とは、スイッチＳＷ６を介して選択的に接続可能となっている。

第１〜第４Ｃ／Ｖ変換器４０ａ〜４０ｄは、それぞれの容量素子Ｃ１１〜Ｃ１２の静電容量値を電圧値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に対応した値になる。図４の第１差分演算器４１ａは、電圧値の差分「Ｖ１−Ｖ３（＝Ｖ５）」を求め、これを第１信号処理部４３ａに出力する。同様に、第２差分演算器４１ｂは、電圧値の差分「Ｖ２−Ｖ４（＝Ｖ６）」を求め、これを第２信号処理部４３ｂに出力する。

第１及び第２信号処理部４３ａ、４３ｂは、当該第１及び第２信号処理部４３ａ、４３ｂによる出力信号を比較するための比較部４４に接続され、この比較部４４の出力信号に基づいて、片持ち梁モデル２００’が正常に機能しているか否かが判定されるようになっている。

受力体２３０に加えられた力を検出するには、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ６の接続状態を図５のタイミング１の列に記載されているように制御すればよい。すなわち、スイッチＳＷ１、ＳＷ３、ＳＷ５及びＳＷ６をＯＮにし（接続し）、残りのスイッチＳＷ２、ＳＷ４をＯＦＦにする（切断する）。これにより、第１〜第４Ｃ／Ｖ変換器４０ａ〜４０ｄの出力Ｖ１〜Ｖ４は、下式で表される。

［数３］
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。

［数４］
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。

次に、図３に示す片持ち梁モデル２００’が正常に機能しているか否かを判定するには、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ６の接続状態を図５のタイミング２の列に記載されているように制御すればよい。すなわち、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４をＯＮにし（接続し）、残りのスイッチＳＷ５〜ＳＷ６をＯＦＦにする（切断する）。これにより、第１〜第４Ｃ／Ｖ変換器４０ａ〜４０ｄの出力Ｖ１〜Ｖ４は、下式で表される。

［数５］
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。

［数６］
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。

そして、図４の比較部４４が、（ａ）「Ｆ１−Ｆ２」が所定の範囲内にあるか否か、及び、（ｂ）「Ｆ２−Ｆ３」が所定の範囲内にあるか否か、を評価する。これら（ａ）及び（ｂ）の条件の少なくとも一方を満たしていない場合には、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）と判定される。この場合、図４の出力端子Ｓ１から、故障と判定されたことを示す故障診断信号が発信される。

スイッチＳＷ１〜ＳＷ６のタイミング１とタイミング２との切替は、マイコンで行えばよい。タイミング１とタイミング２との接続状態は、例えば同じ時間ずつ交互に切り換えても良いし、タイミング１の接続状態とタイミング２の接続状態とを例えば１００：１の時間比で切り替えて、力Ｆの測定時間を長くして、故障診断（タイミング２）の時間を相対的に短縮させても良い。

なお、前述したように、受力体２３０に作用した力Ｆは、Ｆ１〜Ｆ３のいずれによっても評価可能であるが、電極面積が大きい方が力の検出感度が高く、静止ノイズにも優れるため、Ｆ１によって測定することが好ましい。

また、図４の比較部４４は、（ｃ）「Ｆ１−Ｆ３」が所定の範囲内にあるか否か、及び、（ｂ）「Ｆ２−Ｆ３」が所定の範囲内にあるか否か、を評価して、これら（ｃ）及び（ｂ）の条件の少なくとも一方を満たしていない場合に片持ち梁モデル２００’が正常に機能していない（故障している）と判定しても良いし、（ａ）「Ｆ１−Ｆ２」が所定の範囲内にあるか否か、及び、（ｃ）「Ｆ１−Ｆ３」が所定の範囲内にあるか否か、を評価し、これら（ａ）及び（ｃ）の条件の少なくとも一方が当該所定の範囲内に無い場合には、片持ち梁モデル２００’が正常に機能していない（故障している）と判定しても良い。

図４の検出回路においては、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ための回路が２系統設けられているため、例えば４つのＣ／Ｖ変換器４０ａ〜４０ｄのうちの１つが故障しても、２つの差分演算器４１ａ、４１ｂのうち１つが故障しても、あるいは２つの信号処理部４３ａ、４３ｂのうちの１つが故障しても、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ことが可能である。

以上の検出回路の一例においては、第１及び第２容量素子Ｃ１１、Ｃ１２を並列に接続し、第３及び第４容量素子Ｃ２１、Ｃ２２を並列に接続することによって各２つの容量素子の加算ができる、という特徴に基づいて当該検出回路が構成されている。しかしながら、他の例においては、第１〜第４容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２をそれぞれ独立にＣ／Ｖ変換しても良い。このような検出回路の回路図の例が、図６に示されている。また、図７には、図６の検出回路に設けられているスイッチＳＷ１〜ＳＷ８のＯＮ／ＯＦＦの接続状態を示す図表が示されている。

図６の検出回路によって受力体２３０に加えられた力Ｆを検出するには、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ８の接続状態を図７のタイミング１の列に記載されているように制御すればよい。すなわち、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４をＯＮにし（接続し）、残りのスイッチＳＷ５〜ＳＷ８をＯＦＦにする（切断する）。これにより、第１〜第４Ｃ／Ｖ変換器及びＡ／Ｄ変換器４５ａ〜４５ｄを介して、図６の第１マイコン４７ａ及び第２マイコン４７ｂに「Ｃ１１＋Ｃ１２」に対応する出力信号と「Ｃ２１＋Ｃ２２」に対応する出力信号とが、提供される。第１及び第２マイコン４７ａ、４７ｂは、各出力信号に基づいてＦ１、すなわち「（Ｃ２１＋Ｃ２２）−（Ｃ１１＋Ｃ１２）」を演算し、力Ｆを計測する。

次に、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、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ８の接続状態を図７のタイミング２の列に記載されているように制御すればよい。すなわち、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４をＯＦＦにし（切断し）、残りのスイッチＳＷ５〜ＳＷ８をＯＮにする（接続する）。これにより、図６の第１マイコン４７ａ及び第２マイコン４７ｂに対して「Ｃ１１」、「Ｃ１２」、「Ｃ２１」及び「Ｃ２２」に対応する出力信号がそれぞれ提供される。第１及び第２マイコン４７ａ、４７ｂは、各出力信号に基づいてＦ２及びＦ３、すなわち「Ｃ１１−Ｃ２１」及び「Ｃ１２−Ｃ２２」を演算し、力Ｆを評価する。

そして、第１及び第２マイコン４７ａ、４７ｂは、例えば（ａ）「Ｆ１−Ｆ２」が所定の範囲内にあるか否か、及び、（ｂ）「Ｆ２−Ｆ３」が所定の範囲内にあるか否か、を評価する。これら（ａ）及び（ｂ）の条件の少なくとも一方を満たしていない場合には、片持ち梁モデル２００’が正常に機能していない（故障している）と判定される。この場合、図６の出力端子Ｓ１、Ｓ２から、故障と判定されたことを示す故障診断信号が出力される。

図６に示す検出回路においては、２つのマイコン４７ａ、４７ｂが使用されているが、これは、一方のマイコンが故障しても他方のマイコンから、受力体２３０に加えられた力と、故障診断信号とを出力できるようにするためである。また、本センサのユーザーは、第１マイコン４７ａから出力されるＦ１〜Ｆ３及び故障診断信号と、第２マイコン４７ｂから出力されるＦ１〜Ｆ３及び故障診断信号と、の両者を比較することができるため、検出回路によって出力された信号の信頼性を確認することができる。

もちろん、この場合も、比較部４４は、（ｃ）「Ｆ１−Ｆ３」が所定の範囲内にあるか否か、及び、（ｂ）「Ｆ２−Ｆ３」が所定の範囲内にあるか否か、を評価して、これら（ｃ）及び（ｂ）の条件の少なくとも一方を満たしていない場合に片持ち梁モデル２００’が正常に機能していない（故障している）と判定しても良いし、（ａ）「Ｆ１−Ｆ２」が所定の範囲内にあるか否か、及び、（ｃ）「Ｆ１−Ｆ３」が所定の範囲内にあるか否か、を評価し、これら（ａ）及び（ｃ）の条件の少なくとも一方が当該所定の範囲内に無い場合には、片持ち梁モデル２００’が正常に機能していない（故障している）と判定しても良い。

なお、Ｆ１及びＦ２のみによっても、受力体２３０に加えられた力の検出と、片持ち梁モデル２００’が正常に機能しているか否かの判定と、を行うことができる。図８は、図３に示す片持ち梁モデル２００’の受力体２３０に加えられた力を検出するための検出回路の更に他の例を示す回路図であり、図９は、図８の検出回路に設けられているスイッチのＯＮ／ＯＦＦの接続状態を示す図表である。

図８に示す検出回路においては、図６に示す検出回路から、第２容量素子Ｃ１２にスイッチＳＷ５及びＳＷ６を介して選択的に接続される第２Ｃ／Ｖ変換器及びＡ／Ｄ変換器４５ｂと、第４容量素子Ｃ２２にスイッチＳＷ７及びＳＷ８を介して選択的に接続される第４Ｃ／Ｖ変換器及びＡ／Ｄ変換器４５ｄとが、省略されている。

図８に示す検出回路によって受力体２３０に加えられた力Ｆを検出するには、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の接続状態を図９のタイミング１の列に記載されているように制御すればよい。すなわち、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４を全てＯＮにする（接続する）。これにより、図８の第１マイコン４７ａ及び第２マイコン４７ｂに対して「Ｃ１１＋Ｃ１２」に対応する出力信号と「Ｃ２１＋Ｃ２２」に対応する出力信号とが、提供される。第１及び第２マイコン４７ａ、４７ｂは、各出力信号に基づいてＦ１、すなわち「（Ｃ２１＋Ｃ２２）−（Ｃ１１＋Ｃ１２）」を演算し、力Ｆ１を評価する。

次に、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、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の接続状態を図９のタイミング２の列に記載されているように制御すればよい。すなわち、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４を全てＯＦＦにする（切断する）。これにより、図８の第１マイコン４７ａ及び第２マイコン４７ｂに対して「Ｃ１１」及び「Ｃ２１」に対応する出力信号がそれぞれ提供される。第１及び第２マイコン４７ａ、４７ｂは、各出力信号に基づいてＦ２、すなわち「Ｃ１１−Ｃ２１」を演算する。

そして、第１及び第２マイコン４７ａ、４７ｂは、「Ｆ１−Ｆ２」が所定の範囲内にあるか否かを評価する。「Ｆ１−Ｆ２」が所定の範囲内にない場合には、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）と判定される。この場合、図８の出力端子Ｓ１、Ｓ２から、故障と判定されたことを示す故障診断信号が出力されることになる。

次に、以上のような故障診断の原理を利用した本発明のトルクセンサについて説明する。

＜＜＜ §１． 本発明に係るトルクセンサの基本構造部 ＞＞＞
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。

図１０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１０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１０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。ここに示す基本的な実施形態の場合、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１０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１１は、図１０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１２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１２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１３は、左側支持体１０および凸状部１１，１２を図１０の右方向から見た正面図、図１４は、環状変形体３０を図１０の右方向から見た正面図、図１５は、右側支持体２０および凸状部２１，２２を図１０の右方向から見た正面図である。図１３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１５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１３に示す部品（左側支持体１０および凸状部１１，１２）と図１３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１３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１５に示す部品に完全に一致する。したがって、実際には、図１３に示す部品を２組用意し、図１４に示す部品を１組用意すれば、図１１に示す基本構造部を構成することができる。

図１４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１２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。

すなわち、図１６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１６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１１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１６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１６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１６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１７は、図１６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１１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１１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１７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１７に描かれた破線は、環状変形体３０の変形前の状態（図１６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１６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１７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１７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１７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を付加することになる。

＜＜＜ §３． 容量素子と検出回路 ＞＞＞
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。

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１８は、内周面に変位電極Ｅ３１〜Ｅ３４を形成した状態の環状変形体３０を、図１１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及びＥ３２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Ｅ３３及びＥ３４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。より具体的には、図１１から確認されるように、変位電極Ｅ３１及びＥ３２はＶ軸を挟んで、当該Ｖ軸近傍に対称的に配置されており、変位電極Ｅ３３及びＥ３４はＷ軸を挟んで当該Ｗ軸に対称的に配置されている。これら変位電極Ｅ３１〜Ｅ３４の奥行き寸法（図１８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〜Ｅ３４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〜Ｅ３４を形成する必要がある。

一方、これら変位電極Ｅ３１〜Ｅ３４に対向する位置には、それぞれ固定電極Ｅ２１〜Ｅ２４が設けられ、右側支持体２０に固定されている。図１９は、これら固定電極Ｅ２１〜Ｅ２４を取り付けた状態の右側支持体２０を、図１１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及びＥ２２は、Ｖ軸の正の領域に配置され、変位電極Ｅ３１及びＥ３２にそれぞれ対向している。固定電極Ｅ２３及びＥ２４は、Ｗ軸の正の領域に配置され、変位電極Ｅ３３及びＥ３４にそれぞれ対向している。

図２０は、図１９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Ｅ２３及びＥ２４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及びＥ２２は、固定電極Ｅ２３及びＥ２４の奥に隠れているため、図２０には現れていない。

図２１は、図１２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がＹＺ平面で切断した側断面図であるのに対して、図２１はＶＺ平面で切断した側断面図であるため、図２１の上方は、Ｙ軸方向ではなく、図１８および図１９に示すＶ軸方向となっている。この図２１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〜Ｅ３４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〜Ｅ２４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２１には示されていないが、Ｗ軸近傍に配置された変位電極Ｅ３３と固定電極Ｅ２３との関係及び変位電極Ｅ３４と固定電極Ｅ２４との関係も、全く同様である。

図２２は、図１１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１１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、Ｗ軸上に配置された変位電極Ｅ３３、Ｅ３４と固定電極Ｅ２３、Ｅ２４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〜Ｅ３４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〜Ｅ２４も、曲面状の電極にしている。別言すれば、変位電極Ｅ３１〜Ｅ３４や固定電極Ｅ２１〜Ｅ２４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〜Ｅ３４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〜Ｅ２４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２２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。§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軸近傍に配置された一対の電極Ｅ２１，Ｅ３１の電極間隔及び一対の電極Ｅ２２，Ｅ３２の電極間隔は共に狭まり、Ｗ軸近傍に配置された一対の電極Ｅ２３，Ｅ３３の電極間隔及び一対の電極Ｅ２４，Ｅ３４の電極間隔は共に広がることになる。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、一対の電極Ｅ２３，Ｅ３３により容量素子Ｃ２１を構成し、一対の電極Ｅ２４，Ｅ３４により容量素子Ｃ２２を構成しておけば、これら容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２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２２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の静電容量値及び電極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２３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、静電容量値は共に増加することになり、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、静電容量値は共に減少することになる。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Ｅ２３，Ｅ３３からなる容量素子Ｃ２１の静電容量値及び電極Ｅ２４，Ｅ３４からなる容量素子Ｃ２２の静電容量値の変動に着目すると、図２３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、静電容量値は共に減少することになり、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、静電容量値は共に増加することになる。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、容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２のいずれを用いても、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、容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の全て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軸近傍）に容量素子Ｃ１１，Ｃ１２を並列に接続して設けておき、長軸位置（Ｗ軸近傍）に容量素子Ｃ２１，Ｃ２２を並列に接続して設けておけば、同一のトルクが加わった場合、短軸位置（Ｖ軸近傍）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軸近傍）では電極間隔が広がり静電容量値が減少するので、両静電容量値「Ｃ１１＋Ｃ１２」とＣ「２１＋Ｃ２２」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。結局、このような容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の静電容量値の変動に基づく差分検出は、§０において説明した片持ち梁モデル２００に基づく力の差分検出と共通している。

すなわち、このような差分検出を行うための検出回路としては、図２に示す検出回路を設けておけばよいが、本実施の形態においては、図４に示す検出回路が採用されている。図４の検出回路によれば、§０と同様にして、トルクセンサに作用するトルクを測定することができ、更に、当該トルクセンサが正常に機能しているか否かについて判定することもできる。すなわち、§０における「力」を「トルク」と読み替えることによって、本実施の形態のトルクセンサによるトルクの測定原理及び当該トルクセンサの故障診断原理が理解され得る。

図２２に示す例において、変位電極Ｅ３１〜Ｅ３４を同一形状、同一サイズの電極によって構成し、固定電極Ｅ２１〜Ｅ２４を同一形状、同一サイズの電極によって構成し、Ｖ軸に対する電極Ｅ３１，Ｅ２１の位置関係及び電極Ｅ３２，Ｅ２２の位置関係と、Ｗ軸に対する電極Ｅ３３，Ｅ２３の位置関係及び電極Ｅ３４，Ｅ２４の位置関係と、が同一になるように設定すれば、図２２に示す無負荷状態において、容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の静電容量値は等しくなる。したがって、図５に示すタイミング１の接続状態において、図４に示す検出回路の出力端子Ｔ１，Ｔ２に出力される電圧値は０になる。

これに対して、図２３に示す例のように、Ｚ軸正まわりのトルクが作用すると、容量素子Ｃ１１，Ｃ１２の静電容量値は大きくなり、容量素子Ｃ２１，Ｃ２２の静電容量値は小さくなるので、図４に示す検出回路の出力端子Ｔ１に出力される電圧値は正の値となり、トルクが大きいほどその絶対値は大きくなる。逆に、Ｚ軸負まわりのトルクが作用すると、容量素子Ｃ１１，Ｃ１２の静電容量値は小さくなり、容量素子Ｃ２１，Ｃ２２の静電容量値は大きくなるので、図２４に示す検出回路の出力端子Ｔ１に出力される電圧値は負の値となり、トルクが大きいほどその絶対値は大きくなる。かくして、出力端子Ｔ１には、符号を含めたトルクの検出値が得られる。

一方、トルクセンサが正常に機能しているか否かを評価する場合には、§０で説明したように、図５のタイミング１の接続状態において容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２から測定されるトルクとタイミング２の接続状態とにおいて容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２から測定されるトルクとを比較し、その差が所定の範囲内にあるか否かを評価すればよい。具体的な評価方法及び故障の判定方法については、§０に記載したとおりである。

なお、ここに示す実施形態では、各固定電極Ｅ２１〜Ｅ２４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に固定してもかまわない。たとえば、図２１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Ｅ３１〜Ｅ３４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２３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。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り、また、各電極部分が破損しやすくなるので、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４３及び図４４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。

結局、本発明に係るトルクセンサは、§１で説明した基本構造部（左側支持体１０，右側支持体２０，環状変形体３０）に、環状変形体３０の内周面もしくは外周面に固定され環状変形体３０の弾性変形に起因した変位を生じる変位電極と、この変位電極に対向する位置に配置され、左側支持体１０もしくは右側支持体２０に固定された固定電極と、これら変位電極および固定電極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、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に作用した回転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、を付加することにより構成されるセンサということになる。

以上のような本実施の形態のトルクセンサによれば、第１〜第４容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の静電容量値の変動量に対応する電気信号に基づくトルクＴ１と、第１及び第３容量素子Ｃ１１、Ｃ２１の静電容量値の変動量、並びに、第２及び第４容量素子Ｃ２１、Ｃ２２の静電容量値の変動量、のいずれか一方に対応する電気信号に基づくトルクＴ２ないしＴ３と、を比較するため、トルクセンサが正常に機能しているか否かを当該トルクセンサ自身で判定することができる。このため、複数のトルクセンサを使用することなく、すなわちコスト及び設置スペースを最小化しつつ、故障の判定（正常に機能しているか否かの判定）が可能なトルクセンサを提供することができる。

具体的には、検出回路は、トルクＴ１と、トルクＴ２ないしＴ３と、の差が所定の範囲内にあるか否か、及び、トルクＴ２とトルクＴ３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、トルクセンサが正常に機能しているか否かを判定する。このため、トルクセンサが正常に機能しているか否かを容易かつ確実に判定することができる。トルクを検出するためには、（Ｃ１１＋Ｃ１２）と（Ｃ２１＋Ｃ２２）との差に基づくトルクＴ１を利用することが望ましい。これは、Ｃ１１とＣ２１との差に基づくトルクＴ２や、Ｃ２１とＣ２２との差に基づくトルクＴ３を利用する場合よりも、Ｓ／Ｎの点で優れているためである。

＜＜＜ §４． ８組の容量素子を用いる変形例 ＞＞＞
§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。

この§４で述べるトルクセンサも、§３で述べた実施形態と同様に、図１１に示す基本構造部を用いる。§３で述べた実施形態との相違点は、合計８組の容量素子を用い、検出回路が、この８組の容量素子の静電容量値に基づくトルク検出し、及び、トルクセンサが正常に機能しているか否かを判定する点である。

図２４は、この８組の容量素子を用いる変形例に係るトルクセンサのＸＹ平面での断面図である。図２２に示す基本的な実施形態と比べると、新たに４枚の変位電極Ｅ３５〜Ｅ３８と４枚の固定電極Ｅ２５〜Ｅ２８が付加されていることがわかる。すなわち、正のＶ軸近傍には、第１及び第２変位電極Ｅ３１，Ｅ３２と第１及び第２固定電極Ｅ２１、Ｅ２２とが配置され、正のＷ軸近傍には、第３及び第４変位電極Ｅ３３，Ｅ３４と第３及び第４固定電極Ｅ２３，Ｅ２４とが配置され、負のＶ軸近傍には、第５及び第６変位電極Ｅ３５，Ｅ３６と第５及び第６固定電極Ｅ２５，Ｅ２６とが配置され、負のＷ軸近傍には、第７及び第８変位電極Ｅ３７，Ｅ３８と第７及び第８固定電極Ｅ２７，Ｅ２８とが配置されている。

もちろん、各変位電極Ｅ３１〜Ｅ３８はいずれも環状変形体３０の内周面に固定されており、各固定電極Ｅ２１〜Ｅ２８は、それぞれ各変位電極Ｅ３１〜Ｅ３８に対向する位置にくるように、端部が右側支持体２０（左側支持体１０でもよい）に固定されている。

結局、ＸＹ座標系において、第１象限Ｉには、第１変位電極Ｅ３１と第１固定電極Ｅ２１とによって構成される第１容量素子Ｃ１１及び第２変位電極Ｅ３２と第２固定電極Ｅ２２とによって構成される第２容量素子Ｃ１２が配置され、第２象限ＩＩには、第３変位電極Ｅ３３と第３固定電極Ｅ２３とによって構成される第３容量素子Ｃ２１及び第４変位電極Ｅ３４と第４固定電極Ｅ２４とによって構成される第４容量素子Ｃ２２が配置され、第３象限ＩＩＩには、第５変位電極Ｅ３５と第５固定電極Ｅ２５とによって構成される第５容量素子Ｃ３１及び第６変位電極Ｅ３６と第６固定電極Ｅ２６とによって構成される第６容量素子Ｃ３２が配置され、第４象限ＩＶには、第７変位電極Ｅ３７と第７固定電極Ｅ２７とによって構成される第７容量素子Ｃ４１及び第８変位電極Ｅ３８と第８固定電極Ｅ２８とによって構成される第８容量素子Ｃ４２が配置されている。

ここで、前述したトルク検出に関して、第５及び第６容量素子Ｃ３１，Ｃ３２の挙動は、第１及び第２容量素子Ｃ１１，Ｃ１２の挙動とそれぞれ同じであり、第７及び第８容量素子Ｃ４１，Ｃ４２の挙動は、第３及び第４容量素子Ｃ２１，Ｃ２２の挙動と同じである。たとえば、図２４に示す無負荷状態のセンサに対して、Ｚ軸正まわりのトルクが作用すると、図２５に示す変形状態へと遷移し、容量素子Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ３１，Ｃ３２の電極間隔が狭まるため静電容量値は増加し、容量素子Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ４１，Ｃ４２の電極間隔が広がるため静電容量値は減少する。Ｚ軸負まわりのトルクが作用した場合は、これと逆の現象が生じる。

したがって、この変形例の場合、図２６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ことができる。この回路図に示すＥ２１〜Ｅ３８は、図２４および図２５に示す各電極であり、Ｃ１１〜Ｃ４２は、これらの電極によって構成される容量素子である。Ｃ／Ｖ変換器４０ａ〜４０ｈは、それぞれ容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２の静電容量値を電圧値Ｖ１〜Ｖ８に変換する回路であり、変換後の電圧値Ｖ１〜Ｖ８は、それぞれ各静電容量値に対応した値になる。図２６の第１差分演算器４１ａは、「Ｖ１−Ｖ３」なる演算を行い、その演算結果Ｖ９を第１及び第２加算演算器４２ａ、４２ｂに出力する。第２差分演算器４１ｂは、「Ｖ２−Ｖ４」なる演算を行い、その演算結果Ｖ１０を第３加算演算器４２ｃに出力する。第３差分演算器４１ｃは、「Ｖ５−Ｖ７」なる演算を行い、その演算結果Ｖ１１を第１及び第２加算演算器４２ａ、４２ｂに出力する。第４差分演算器４１ｄは、「Ｖ６−Ｖ８」なる演算を行い、その演算結果Ｖ１２を第３加算演算器４２ｃに出力する。

そして、第１加算演算器４２ａは、「Ｖ９＋Ｖ１１」なる演算を行い、その演算結果Ｖ１３を、第１信号処理部４３ａを介して出力端子Ｔ１及び比較部４４に出力する。第２加算演算器４２ｂは、第１加算演算器４２ａと同様に「Ｖ９＋Ｖ１１」なる演算を行い、その演算結果Ｖ１３を、第２信号処理部４３ｂを介して出力端子Ｔ２及び比較部４４に出力する。第３加算演算器４２ｃは、「Ｖ１０＋Ｖ１２」なる演算を行い、その演算結果Ｖ１４を、第３信号処理部４３ｃを介して出力端子Ｔ３及び比較部４４に出力する。

図２６に示すように、この回路図にはスイッチＳＷ１〜ＳＷ１２の１２のスイッチが設けられており、これらのスイッチの接続状態が、図２７に示す図表に基づいて切り替えられる。すなわち、タイミング１においては、出力Ｖ１〜Ｖ１４は以下の式で表される。

［数７］
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。

さらに、図２７のタイミング２及びタイミング３の接続状態によって、トルクセンサが正常に機能しているか否かについて判定することができる。タイミング２の接続状態においては、出力Ｖ１〜Ｖ１４は以下の式で表される。

［数８］
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。

更に、タイミング３においては、出力Ｖ１〜Ｖ１４は以下の式で表される。

［数１０］
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。

そして、図２６の比較部４４は、例えば（ａ）「Ｔ１−Ｔ２」が所定の範囲内にあるか否か、並びに、（ｂ）「Ｔ２−Ｔ３」が所定の範囲内にあるか否か、を評価する。これら（ａ）及び（ｂ）の条件の少なくとも一方を満たしていない場合には、トルクセンサは正常に機能していない（故障している）と判定される。この場合、図２６の出力端子Ｓから、故障と判定されたことを示す故障診断信号が発信される。

もちろん、比較部４４は、（ｃ）「Ｔ１−Ｔ３」が所定の範囲内にあるか否か、及び、（ｂ）「Ｔ２−Ｔ３」が所定の範囲内にあるか否か、を評価して、これら（ｃ）及び（ｂ）の条件の少なくとも一方を満たしていない場合にトルクセンサが正常に機能していない（故障している）と判定しても良いし、（ａ）「Ｔ１−Ｔ２」が所定の範囲内にあるか否か、及び、（ｃ）「Ｔ１−Ｔ３」が所定の範囲内にあるか否か、を評価し、これら（ａ）及び（ｃ）の条件の少なくとも一方が当該所定の範囲内に無い場合には、トルクセンサが正常に機能していない（故障している）と判定しても良い。

このように、合計８組の容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２を、Ｖ軸およびＷ軸の正負両側に設けるようにすれば、静電容量値が増加する４組の容量素子と、静電容量値が減少する４組の容量素子と、を用いた差分検出が可能になり、検出精度は更に向上する。

図２６において、第１信号処理部４３ａと第２信号処理部４３ｂとは、全く同じ構成である。図２７のタイミング１でＴ１を出力し、タイミング２でＴ２を出力し、タイミング３でＴ３を出力することを分かり易く説明するために、第１信号処理部４３ａ及び第２信号処理部４３ｂを設けたが、他の実施の形態では、第２信号処理部４３ｂを省略して、タイミング１における第１信号処理部４３ａの出力をＴ２と見なしても良い。

図２６に示す回路図の例においては、第１及び第２容量素子Ｃ１１、Ｃ１２を並列に接続し、第３及び第４容量素子Ｃ２１、Ｃ２２を並列に接続し、第５及び第６容量素子Ｃ３１、Ｃ３２を並列に接続し、第７及び第８容量素子Ｃ４１、Ｃ４２を並列に接続することによって各２つの容量素子の加算ができるという特徴に基づいて検出回路が構成されている。しかしながら、他の例においては、第１〜第４８量素子Ｃ１１〜Ｃ４２をそれぞれ独立にＣ／Ｖ変換しても良い。このような検出回路の回路図の一例が、図２８に示されている。また、図２９には、図２８の検出回路に設けられているスイッチのＯＮ／ＯＦＦの接続状態を示す図表が示されている。

図２８の検出回路によってトルクセンサに作用しているトルクＴを検出するには、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ１６の接続状態を図２９のタイミング１の列に記載されているように制御すればよい。すなわち、スイッチＳＷ１〜ＳＷ８をＯＮにし（接続し）、残りのスイッチＳＷ９〜ＳＷ１６をＯＦＦにする（切断する）。これにより、図２８の第１マイコン４７ａ及び第２マイコン４７ｂに対して「Ｃ１１＋Ｃ１２」に対応する出力信号と「Ｃ２１＋Ｃ２２」に対応する出力信号と、「Ｃ３１＋Ｃ３２」に対応する出力信号と、「Ｃ４１＋Ｃ４２」に対応する出力信号とが、提供される。第１及び第２マイコン４７ａ、４７ｂは、各出力信号に基づいて前述のタイミング１のＶ１３に相当する電圧値、すなわち「（Ｃ１１＋Ｃ１２）−（Ｃ２１＋Ｃ２２）＋（Ｃ３１＋Ｃ３２）−（Ｃ４１＋Ｃ４２）」を演算し、トルクＴ１を評価する。

そして、トルクセンサが正常に機能しているか否かを判定するには、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ１６の接続状態を図２９のタイミング２の列に記載されているように制御すればよい。すなわち、スイッチＳＷ１〜ＳＷ８をＯＦＦにし（切断し）、残りのスイッチＳＷ９〜ＳＷ１６をＯＮにする（接続する）。これにより、第１〜第８Ｃ／Ｖ変換器及びＡ／Ｄ変換器４５ａ〜４５ｈを介して、図２８の第１及び第２マイコン４７ａ、４７ｂに「Ｃ１１」、「Ｃ１２」、「Ｃ２１」、「Ｃ２２」、「Ｃ３１」、「Ｃ３２」、「Ｃ４１」及び「Ｃ４２」に対応する出力信号がそれぞれ提供される。第１及び第２マイコン４７ａ、４７ｂは、各出力信号に基づいて前述のタイミング２のＶ１３に相当する電圧値、すなわち「（Ｃ１１−Ｃ２１）＋（Ｃ３１−Ｃ４１）」と、前述のタイミング３のＶ１４に相当する電圧値、すなわち「（Ｃ１２−Ｃ２２）＋（Ｃ３２−Ｃ４２）」と、を演算し、各演算結果に基づくトルクＴ２及びＴ３を評価する。

そして、第１及び第２マイコン４７ａ、４７ｂは、例えば（ａ）「Ｔ１−Ｔ２」が所定の範囲内にあるか否か、並びに、（ｂ）「Ｔ２−Ｔ３」が所定の範囲内にあるか否か、を評価する。これら（ａ）及び（ｂ）の条件の双方が充足されている場合には、トルクセンサは正常に機能していると判定される。一方、これら（ａ）及び（ｂ）の条件の少なくとも一方を満たしていない場合には、トルクセンサが正常に機能していない（故障している）と判定される。この場合、図２８の出力端子Ｓ１、Ｓ２から、故障と判定されたことを示す故障診断信号が出力される。

もちろん、この場合も、比較部４４は、（ｃ）「Ｔ１−Ｔ３」が所定の範囲内にあるか否か、及び、（ｂ）「Ｔ２−Ｔ３」が所定の範囲内にあるか否か、を評価して、これら（ｃ）及び（ｂ）の条件の少なくとも一方を満たしていない場合にトルクセンサが正常に機能していない（故障している）と判定しても良いし、（ａ）「Ｔ１−Ｔ２」が所定の範囲内にあるか否か、及び、（ｃ）「Ｔ１−Ｔ３」が所定の範囲内にあるか否か、を評価し、これら（ａ）及び（ｃ）の条件の少なくとも一方が当該所定の範囲内に無い場合には、トルクセンサが正常に機能していない（故障している）と判定しても良い。

図２８に示す回路図においては、２つのマイコン４７ａ、４７ｂが使用されているが、これは、一方のマイコンが故障しても他方のマイコンから、トルクセンサに作用しているトルクＴと、故障診断信号とを出力できるようにするためである。また、２つのマイコン４７ａ、４７ｂが正常に機能している場合には、第１マイコン４７ａから出力されたトルクＴ１、Ｔ２、Ｔ３及び故障診断信号と、第２マイコン４７ｂから出力されたトルクＴ１、Ｔ２、Ｔ３及び故障診断信号と、の両者を比較することができるため、図２８の検出回路の出力信号の信頼性を確認することができる。もちろん、第１マイコン４７ａと第２マイコン４７ｂとの一方のみが設けられていても良い。

なお、以上の説明から明らかなとおり、Ｔ１及びＴ２のみによっても、トルクセンサに作用しているトルクＴと、故障診断信号とを出力することができる。図３０は、トルクセンサに作用する力を検出するための検出回路の更に他の例を示す回路図であり、図３１は、図３０の検出回路に設けられているスイッチのＯＮ／ＯＦＦの接続状態を示す図表である。

図３０に示す検出回路は、図２８に示す検出回路から、第２容量素子Ｃ１２にスイッチＳＷ９及びＳＷ１０を介して選択的に接続される第１Ｃ／Ｖ変換器及びＡ／Ｄ変換器４５ｂと、第４容量素子Ｃ２２にスイッチＳＷ１１及びＳＷ１２を介して選択的に接続される第４Ｃ／Ｖ変換器及びＡ／Ｄ変換器４５ｄと、第６容量素子Ｃ３２にスイッチＳＷ１３及びＳＷ１４を介して選択的に接続される第６Ｃ／Ｖ変換器及びＡ／Ｄ変換器４５ｆと、第８容量素子Ｃ４２にスイッチＳＷ１５及びＳＷ１６を介して選択的に接続される第４Ｃ／Ｖ変換器及びＡ／Ｄ変換器４５ｈとが、省略された回路である。

図３０に示す検出回路によってトルクセンサに作用しているトルクＴを検出するには、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ８の接続状態を図３１のタイミング１の列に記載されているように制御すればよい。すなわち、スイッチＳＷ１〜ＳＷ８を全てＯＮにする（接続する）。これにより、図３０のマイコン４７ａに対して「Ｃ１１＋Ｃ１２」に対応する出力信号と、「Ｃ２１＋Ｃ２２」に対応する出力信号と、「Ｃ３１＋Ｃ３２」に対応する出力信号と、「Ｃ４１＋Ｃ４２」に対応する出力信号と、が提供される。マイコン４７ａは、各出力信号に基づいて、前述の図２６の回路図における図２７のタイミング１のＶ１３に相当する電圧値、すなわち「（Ｃ１１＋Ｃ１２）−（Ｃ２１＋Ｃ２２）＋（Ｃ３１＋Ｃ３２）−（Ｃ４１＋Ｃ４２）」に対応する電圧値、を生成することによりトルクＴ１を評価する。

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には、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ８の接続状態を図３１のタイミング２の列に記載されているように制御すればよい。すなわち、スイッチＳＷ１〜ＳＷ８を全てＯＦＦにする（切断する）。これにより、図３０のマイコン４７ａに対して「Ｃ１１」、「Ｃ２１」、「Ｃ３１」及び「Ｃ４１」に対応する出力信号がそれぞれ提供される。マイコン４７ａは、各出力信号に基づいて「Ｃ１１−Ｃ２１」及び「Ｃ３１−Ｃ４１」を演算し、トルク力Ｔ２を評価する。

そして、マイコン４７ａは、「Ｔ１−Ｔ２」が所定の範囲内にあるか否かを評価する。「Ｔ１−Ｔ２」が所定の範囲内にある場合には、トルクセンサは正常に機能していると判定される。一方、「Ｔ１−Ｔ２」が所定の範囲内にない場合には、トルクセンサは正常に機能していない（故障している）と判定され、図３０の出力端子Ｓ１から、故障と判定されたことを示す故障診断信号が出力される。

以上のような本実施の形態のトルクセンサによれば、「第１〜第８容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２の静電容量値の変動量に対応する電気信号」に基づくトルクＴ１と、「第１、第３、第５及び第７容量素子Ｃ１１、Ｃ２１、Ｃ３１、Ｃ４１の静電容量値の変動量、並びに、第２、第４、第６及び第８容量素子Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ３２、Ｃ４２の静電容量値の変動量、のいずれか一方に対応する電気信号」に基づくトルクＴ２ないしＴ３と、を比較するため、トルクセンサが正常に機能しているか否かを当該トルクセンサ自身で判定することができる。このため、複数のトルクセンサを使用することなく、すなわちコスト及び設置スペースを最小化しつつ、故障の判定（正常に機能しているか否かの判定）が可能なトルクセンサを提供することができる。

具体的には、検出回路は、トルクＴ１と、トルクＴ２ないしＴ３と、の差が所定の範囲内にあるか否か、及び、トルクＴ２とトルクＴ３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、トルクセンサが正常に機能しているか否かを判定する。このため、トルクセンサが正常に機能しているか否かを容易かつ確実に判定することができる。

なお、本トルクセンサに作用したトルクの計測には、検出する静電容量（面積）が大きい方が、容量変化も大きく、Ｓ／Ｎの点からも有利となることから、トルクは、トルクＴ１で測定した方がよい。また、§０で述べたとおり、Ｔ１とＴ２及びＴ３との測定時間を変えてもよい。すなわち、Ｔ１の測定時間を長くし、故障診断の時間を相対的に短くしても良い。

なお、以上の説明においては、各容量素子を構成する変位電極及び固定電極がそれぞれの容量素子ごとに配置されている例が採用されたが、いずれかの電極を共通電極として構成することも可能である。すなわち、例えば第１及び第２変位電極Ｅ３１、Ｅ３２とが共通電極として一体的に構成され、第３及び第４変位電極Ｅ３３、Ｅ３４とが共通電極として一体的に構成され、第５及び第６変位電極Ｅ３５、Ｅ３６とが共通電極として一体的に構成され、並びに、第７及び第８変位電極Ｅ３７、Ｅ３８とが共通電極として一体的に構成されていても良い。あるいは、環状変形体３０を導電性材料（たとえば、ステンレス、アルミニウム、チタンなどの金属材料）から構成し、当該環状変形体３０自体を共通の変位電極として機能させることも可能である。もちろん、これらの考えは、§３で説明したトルクセンサに対しても適用可能である。

＜＜＜ §５． 容量素子の実効面積を一定に維持する変形例 ＞＞＞
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。

図３２は、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。いま、図３２（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。ただし、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３２（ｂ）は、図３２（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、電極ＥＬの表面に形成された電極ＥＳの正射影投影像が、電極ＥＬの表面内に完全に含まれている状態（すなわち、一部でもはみ出ることがない状態）であれば、容量素子としての実効面積は、常に電極ＥＳの面積に一致する。すなわち、容量素子の実効面積は、電極ＥＳの移動にかかわらず、一定に維持される。これは、電極ＥＬ側を移動させた場合も同様である。

したがって、所定回転方向の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、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、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しておけば、トルクが作用した場合でも、容量素子の実効面積は一定に維持されることになる。より厳密に言えば、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。

図３３は、図２４に示すトルクセンサに、図３２に示す原理を適用した変形例を示すＸＹ平面での断面図である。図２４に示すセンサとの相違点は、８枚の変位電極Ｅ３１〜Ｅ３８を、より面積の大きな変位電極Ｅ３１Ｌ〜Ｅ３８Ｌに置き換え、８枚の固定電極Ｅ２１〜Ｅ２８を、より面積の小さな固定電極Ｅ２１Ｓ〜Ｅ２８Ｓに置き換えた点のみである。図３３を見れば明らかなように、ＸＹ平面に沿った断面図において、円周方向に関する各電極の幅を比較すると、常に、変位電極Ｅ３１Ｌ〜Ｅ３８Ｌの幅が、固定電極Ｅ２１Ｓ〜Ｅ２８Ｓの幅よりも広くなっている。

図３４は、図３３に示すトルクセンサをＶＺ平面で切断した側断面図である。図３４の上方は、Ｙ軸方向ではなく、図３３に示すＶ軸方向である。図の原点Ｏ近傍には、変位電極Ｅ３７Ｌ，Ｅ３８Ｌと固定電極Ｅ２７Ｓ，Ｅ２８Ｓとの位置関係が明瞭に示されている。この例では、固定電極Ｅ２７Ｓ，Ｅ２８Ｓは、絶縁板Ｄ２４を介して右側支持体２０に固定されている。容量素子Ｃ４１，Ｃ４２を構成する電極として機能する部分は、原点Ｏ近傍に配置された固定電極Ｅ２７Ｓ，Ｅ２８Ｓの部分のみであり、絶縁板Ｄ２４は、固定電極Ｅ２７Ｓ，Ｅ２８Ｓを支持するための単なる台座としての役割を果たすだけである。

同様に、図３４の上方には、変位電極Ｅ３１Ｌと固定電極Ｅ２１Ｓとの位置関係が明瞭に示されている。ここでも、絶縁板Ｄ２１は、固定電極Ｅ２１Ｓを支持するための台座としての役割を果たす。また、図３４の下方には、変位電極Ｅ３６Ｌと固定電極Ｅ２６Ｓとの位置関係が明瞭に示されている。ここでも、絶縁板Ｄ２３は、固定電極Ｅ２６Ｓを支持するための台座としての役割を果たす。

結局、この実施例の場合、変位電極Ｅ３１Ｌ〜Ｅ３８Ｌが図３３における円周方向に変位しても、図３４におけるＺ軸方向に変位しても、その変位量が所定の許容範囲を超えない限り（すなわち、固定電極の投影像が変位電極の表面からはみ出さない限り）、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２の実効面積は一定に維持されることになる。したがって、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２の静電容量値の変動は、専ら、電極間距離の変化という要因に起因して生じることになり、実効対向面積の変化という要因に起因した静電容量値の変動は生じない。図３４においては、変位電極Ｅ３１Ｌ〜Ｅ３８Ｌを環状変形体３０上に配置したが、このような形態には限られず、例えば、絶縁体を介して変位電極Ｅ３１Ｌ〜Ｅ３８Ｌを配置しても良い。

なお、この図３３に示す実施例は、検出対象となるトルク以外の余分な力成分（以下、外乱成分という）が作用した場合にも、これら外乱成分の影響を受けない正確なトルク検出が可能になるという付加的な特徴を有しており、実用上、極めて有益である。以下、この付加的な特徴を詳細に説明する。

一般に、ＸＹＺ三次元座標系に作用する力は、Ｘ軸方向の力Ｆｘ，Ｙ軸方向の力Ｆｙ，Ｚ軸方向の力Ｆｚという各座標軸方向に作用する力成分と、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ，Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ，Ｚ軸まわりのモーメントＭｚという各座標軸まわりに作用するモーメント成分という、合計６つの成分に分けられる。そして、これら６成分のうちの特定成分を検出するセンサには、他の成分の影響を受けずに、当該特定成分のみを独立して検出する機能が備わっているのが好ましい。

そこで、図３３に示すトルクセンサに対して、上記６つの成分が作用した場合に、どのような検出結果が得られるかを検討してみる。ここでは、便宜上、右側支持体２０に負荷がかかった状態（右側支持体２０を固定した状態）において、環状変形体３０に対して、個々の力成分が作用した場合を別個に考える。

まず、図３５は、図３３に示すトルクセンサについて、Ｚ軸正まわりのモーメントＭｚが作用したときの状態を示すＸＹ平面での断面図である。このＺ軸正まわりのモーメントＭｚは、このトルクセンサにおいて、検出対象となるトルクに他ならない。図３３に示す無負荷状態のセンサに対して、Ｚ軸正まわりのモーメントＭｚ（検出対象トルク）が作用すると、図３５に示す変形状態へと遷移し、容量素子Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ３１，Ｃ３２の電極間隔は狭まるため静電容量値は増加し、容量素子Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ４１，Ｃ４２の電極間隔は広がるため静電容量値は減少する。したがって、既に述べたとおり、図２６，図２８，図３０に示されているような検出回路を用いれば、出力端子Ｔ２に、モーメントＭｚ（検出対象トルク）の検出値を得ることができる。

一方、図３６は、図３３に示すトルクセンサについて、Ｘ軸方向の力Ｆｘが作用したときの状態を示すＸＹ平面での断面図である。この場合、環状変形体３０を構成する上方の円弧部分についても、下方の円弧部分についても、白抜き矢印で示すとおり、図の左方向へ移動させようとする力が加わることになるので、環状変形体３０は図示の状態に変形する。その結果、容量素子Ｃ２１〜Ｃ３２の電極間隔は狭まるため静電容量値は増加し、容量素子Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ４１，Ｃ４２の電極間隔は広がるため静電容量値は減少する。ところが、図２６，図２８，図３０に示す検出回路では、容量素子Ｃ２１〜Ｃ３２の静電容量値の変動分は相互に相殺され、容量素子Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ４１，Ｃ４２の静電容量値の変動分も相互に相殺されてしまうため、出力端子Ｔ２に出力される検出値は０になる。結局、Ｘ軸方向の力Ｆｘが作用しても、その値は検出されないことになる。

Ｙ軸方向の力Ｆｙが作用したときも同様である。この場合、容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の電極間隔は広がるため静電容量値は減少し、容量素子Ｃ３１〜Ｃ４２の電極間隔は狭まるため静電容量値は増加する。ところが、図２６，図２８，図３０に示す検出回路では、容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の静電容量値の変動分は相互に相殺され、容量素子Ｃ３１〜Ｃ４２の静電容量値の変動分も相互に相殺されてしまうため、出力端子Ｔ２に出力される検出値は０になる。結局、Ｙ軸方向の力Ｆｙが作用しても、その値は検出されないことになる。

また、Ｚ軸方向の力Ｆｚが作用した場合は、図３４において、環状変形体３０が図の右方へ平行移動することになるが、各容量素子の電極間隔は変化せずに一定値を維持し、また、変動量が上述した所定の許容範囲内である限り、各容量素子の実効面積も一定のままである。したがって、各容量素子に静電容量値の変動は生じず、Ｚ軸方向の力Ｆｚが作用しても、その値は検出されないことになる。

一方、図３７は、図３３に示すトルクセンサについて、Ｘ軸正まわりのモーメントＭｘが作用したときの状態を示すＺＶ平面での断面図である。図示のとおり、環状変形体３０は、図面上での時計まわりに回転変位することになるので、各変位電極と各固定電極との位置関係は変化する。しかしながら、各容量素子の静電容量値に変化は生じない。たとえば、原点Ｏ近傍に描かれている変位電極Ｅ３７Ｌ，Ｅ３８Ｌと固定電極Ｅ２７Ｓ，Ｅ２８Ｓとは、相互の向きが変化するものの、電極間隔や実効面積に変わりはないので、容量素子Ｃ４１，Ｃ４２の静電容量値に変動は生じない。容量素子Ｃ２１，Ｃ２２についても同様である。

また、図の上方に描かれている変位電極Ｅ３１Ｌ，３２Ｌと固定電極Ｅ２１Ｓ，Ｅ２２Ｓとについては、変位電極Ｅ３１Ｌ，３２Ｌが傾斜したため、相互の位置関係は変化するが、実効面積に変わりはない。しかも、電極間隔については、右側半分では狭くなるが左側半分では広くなる関係にあるので、トータルでは、電極間隔が一定の場合と同等になる。したがって、容量素子Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ３１，Ｃ３２についても、静電容量値の変動は生じない。

結局、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘが作用しても、その値は検出されないことになる。Ｙ軸まわりのモーメントＭｙについても、全く同様である。

図３８は、図３３に示すトルクセンサについて、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から環状変形体３０に対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの８組の容量素子Ｃ１１〜Ｃ４１の静電容量値の変化態様を示す表である。図において、「＋」の欄は静電容量値が増加することを示し、「−」の欄は静電容量値が減少することを示し、「０」の欄は静電容量値が変化しないことを示している。このような結果が得られる理由は、既に、図３５〜図３７を参照して説明したとおりである。この図３８の表を参照しながら、図２６，図２８，図３０に示す検出回路の動作を考えると、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚ（検出対象となるトルク）が作用した場合にのみ、出力端子Ｔ２に検出値が得られ、それ以外の５つの外乱成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙが作用しても、出力端子Ｔ２には検出値は得られないことが理解できよう。結局、図３３に示す実施例に係るトルクセンサでは、検出対象となるトルク以外の余分な力成分（外乱成分）が作用した場合にも、これら外乱成分の影響を受けない正確なトルク検出が可能になる。

なお、この図３３に示す実施例に係るトルクセンサでは、Ｘ軸方向の力ＦｘおよびＹ軸方向の力Ｆｙを、
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。

なお、実際には、図２８の検出回路では、図２９のタイミング２で各静電容量値Ｃ１１〜Ｃ４２をＣ／Ｖ変換器５１〜５８により電圧値Ｖ１〜Ｖ８に変換し、これら電圧値を用いて演算を行うことになる。その場合は、
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。

このように、図３３に示す実施例に係るセンサは、Ｚ軸まわりのトルクを検出するトルクセンサとしての機能を果たすとともに、Ｘ軸方向の力ＦｘおよびＹ軸方向の力Ｆｙを検出する力センサとしての機能を果たすことができる。

以上のようなトルクセンサによれば、所定回転方向のトルクが作用しても第１〜第８容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２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。

もちろん、図３２に示す原理は、図２２に示す４つの容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２を有するタイプのトルクセンサにも採用可能である。この場合においても、所定回転方向のトルクが作用しても第１〜第４容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２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。

＜＜＜ §６． ＰＷＭ変換回路を用いた検出回路の変形例 ＞＞＞
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。

しかしながら、アナログスイッチは、入出力用の端子に寄生容量が存在し、この寄生容量が各容量素子の静電容量値よりも大きくなる恐れがある。この場合、静電容量値を正確に評価することができず、トルクセンサによって検出されるトルクの精度が低下してしまう。従って、アナログスイッチではなく、電子回路を用いて所定の容量素子の静電容量値の加算演算を行うことが望ましい。各容量素子の静電容量値を電気信号に変換するためには、静電容量値の大きさを、電圧に変換する回路（Ｃ／Ｖ変換器）、周波数に変換する回路（Ｃ／ｆ変換器）、パルス幅に変換する回路（ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：パルス幅変調）回路）等が考えられる。ここでは、一例として、ＰＷＭ回路を用い、静電容量値をパルス波に変換し、当該パルス波の幅をマイコンのカウンタで計測する方法について、図３９乃至図４２に基づいて説明する。

図３９は、容量素子にＰＷＭ回路を設けた回路図であり、図４０は、図３９のＰＷＭ回路の各構成部において出力される信号の波形を示す概略図である。

図３９及び図４０に示すように、本回路図におけるＰＷＭ回路は、容量素子Ｃに対して矩形の駆動パルス波Ｗ１を提供する駆動部５１と、容量素子Ｃに並列に接続されたローパスフィルタ５２と、ローパスフィルタ５２を通過した波Ｗ２の波形を矩形波Ｗ３に変換するコンパレータ５３と、駆動部５１によって提供された駆動パルス波Ｗ１とコンパレータ５３によって変換された矩形波Ｗ３との排他的論理和の論理演算を行う演算部５４と、演算部５４による演算後のパルス波Ｗ４のパルス幅を計測するカウンタ５５と、を備えている。

このＰＷＭ回路においては、図４０に示すように、ローパスフィルタ５２を通過した駆動パルス波Ｗ１は、容量素子Ｃによる当該駆動パルス波Ｗ１の伝達遅れのため、波形に鈍りが生じる。この鈍りの程度は、容量素子Ｃの静電容量値が大きいほど、大きくなるという特性がある。このため、ローパスフィルタ５２を通過した後の波Ｗ２をコンパレータ５３で矩形波Ｗ３に変換すると、当該矩形波Ｗ３は、駆動部５１によって提供された駆動パルス波Ｗ１に対して、容量素子Ｃの静電容量値に応じた分だけ遅延した波となる。従って、駆動パルス波Ｗ１と矩形波Ｗ３との排他的論理和によって得られるパルス波Ｗ４のパルス幅を計測することにより、容量素子Ｃの静電容量値を評価することができる。

以上のようなＰＷＭ回路を本発明によるトルクセンサに採用するには、例えば、図４１に示す回路図を構成すればよい。図４１は、本発明のトルクセンサに採用され得るＰＷＭ回路の一例を示す回路図であり、図４２は、図４１のＰＷＭ回路の各構成部において出力される信号の波形を示す概略図である。

図４１に示すＰＷＭ回路は、図３９に示すＰＭＷ回路を並列に２つ配置した構成となっているため、共通する構成部分には図３９と同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。一方、図４１に示すＰＷＭ回路においては、図３９に示すＰＷＭ回路とは異なり、ローパスフィルタ５２ａ、５２ｂを通過したそれぞれの波Ｗ２ａ、Ｗ２ｂは、コンパレータ５３ａ、５３ｂに加え、差分演算器５６にも入力される。そして、差分演算器５６から出力された波Ｗ５がコンパレータ５３ｃで矩形波Ｗ６に整形され、この矩形波Ｗ６が、駆動部５１ａによって提供された駆動パルス波Ｗ１ａと共に、排他的論理和を演算する演算部５４ｃに入力される。そして、演算部５４ｃによって演算された波Ｗ７は、カウンタ５５ｃに入力され、当該波Ｗ７のパルス幅が計測される。

なお、図示されている回路図においては、２つの駆動パルス波Ｗ１ａ、Ｗ１ｂは互いに逆位相となっている。このため、差分演算器５６によって「Ｗ２ａ−Ｗ２ｂ」という演算が行われるのであるが、実際には「Ｗ２ａ＋Ｗ２ｂ」という加算演算が行われることになる。すなわち、例えば２つの容量素子Ｃ１、Ｃ２に対して本ＰＷＭ回路を適用した場合には、容量素子Ｃ１に基づく信号がカウンタ５５ａから出力され、容量素子Ｃ２に基づく信号がカウンタ５５ｂから出力される。更に、２つの容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量の和（Ｃ１＋Ｃ２）の信号がカウンタ５５ｃから出力される。

以上のＰＷＭ回路を、例えば§３で説明した４つの容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２を有するタイプのトルクセンサに採用するには、４つの容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２を各２つの容量素子Ｃ１１及びＣ１２とＣ２１及びＣ２２との２組に分け、各組毎に当該ＰＷＭ回路を適用すればよい。このような回路構成によれば、容量素子Ｃ１１、Ｃ１２を含む回路から、各容量素子Ｃ１１、Ｃ１２の静電容量値「Ｃ１１」、「Ｃ１２」、及び、静電容量値の和「Ｃ１１＋Ｃ１２」を評価することができる。同様に、容量素子Ｃ２１、Ｃ２２を含む回路から、各容量素子Ｃ２１、Ｃ２２の静電容量値「Ｃ２１」、「Ｃ２２」、及び、静電容量値の和「Ｃ２１＋Ｃ２２」を評価することができる。これらの評価結果を用いて、前述の［数１］に対応する演算「（Ｃ１１＋Ｃ１２）−（Ｃ２１＋Ｃ２２）」を行うことにより、トルクセンサに作用しているトルクＴを評価することができ、更に、前述の［数２］に対応する演算「Ｃ２１−Ｃ１１」及び「Ｃ２２−Ｃ１２」を行うことにより、§０で詳細に説明した通り、当該トルクセンサが正常に機能しているか否かを評価することもできる。

あるいは、以上のＰＷＭ回路を、§４及び§５で説明した８つの容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２を有するタイプのトルクセンサに採用するには、８つの容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２を各２つの容量素子の組Ｃ１１及びＣ１２、Ｃ２１及びＣ２２、Ｃ３１及びＣ３２、並びに、Ｃ４１及びＣ４２の４組に分け、各組毎に当該ＰＷＭ回路を適用すればよい。このような回路構成によれば、容量素子Ｃ１１、Ｃ１２を含む回路からは、各容量素子Ｃ１１、Ｃ１２の静電容量値「Ｃ１１」、「Ｃ１２」、及び、静電容量値の和「Ｃ１１＋Ｃ１２」を評価することができる。同様に、容量素子Ｃ２１、Ｃ２２を含む回路からは、各容量素子Ｃ２１、Ｃ２２の静電容量値「Ｃ２１」、「Ｃ２２」、及び、静電容量値の和「Ｃ２１＋Ｃ２２」を、容量素子Ｃ３１、Ｃ３２を含む回路からは、各容量素子Ｃ３１、Ｃ３２の静電容量値「Ｃ３１」、「Ｃ３２」、及び、静電容量値の和「Ｃ３１＋Ｃ３２」を、容量素子Ｃ４１、Ｃ４２を含む回路からは、各容量素子Ｃ４１、Ｃ４２の静電容量値「Ｃ４１」、「Ｃ４２」、及び、静電容量値の和「Ｃ４１＋Ｃ４２」を、それぞれ評価することができる。

これらの評価結果を用いて、前述の［数７］のＶ１３に対応する演算「（Ｃ１１＋Ｃ１２）−（Ｃ２１＋Ｃ２２）＋（Ｃ３１＋Ｃ３２）−（Ｃ４１＋Ｃ４２）」を行うことにより、トルクセンサに作用しているトルクＴを評価することができ、更に、前述の［数８］のＶ１３に対応する演算「（Ｃ１１−Ｃ２１）＋（Ｃ３１−Ｃ４１）」及び前述［数９］のＶ１４に対応する演算「（Ｃ１２−Ｃ２２）＋（Ｃ３２−Ｃ４２）」を行うことにより、§４において詳細に説明した通り、当該トルクセンサが正常に機能しているか否かを評価することもできる。

ここで説明したＰＷＭ回路によれば、ローパスフィルタ５２ａ、５２ｂを通過した後の波Ｗ２ａ、Ｗ２ｂに同相ノイズ（図４２の波Ｗ２ａ、Ｗ２ｂにおいて破線で示されている）が混入しても、波Ｗ５の波形に示されるように、差分演算器５６で当該ノイズをキャンセルすることができ、静電容量値を高精度に計測することができる。なお、図４１においては、３つのカウンタ５５ａ、５５ｂ、５５ｃを設けて、「Ｃ１」、「Ｃ２」及び「Ｃ１＋Ｃ１」を独立に同時に計測しているが、これらのカウンタ５５ａ、５５ｂ、５５ｃに代えて、１つのマイコンを採用することも可能である。この場合、「Ｃ１」、「Ｃ２」及び「Ｃ１＋Ｃ１」を同時に計測することはできないが、回路構成を単純化することができる。

＜＜＜ §７． 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、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４３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４３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４３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１０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４４を参照して説明する。図４４は、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。

図４４においては、基本構造部に８つの容量素子（第１〜第８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軸近傍に第１及び第２変位電極Ｅ３１，Ｅ３２が当該Ｖ軸に関して対称的に配置されており、正のＷ軸近傍に第３及び第４変位電極Ｅ３３，Ｅ３４が当該Ｗ軸に関して対称的に配置されており、負のＶ軸近傍に第５及び第６変位電極Ｅ３５，Ｅ３６が当該Ｖ軸に関して対称的に配置されており、負のＷ軸近傍に第７及び第８変位電極Ｅ３７，Ｅ３８が当該Ｗ軸に関して対称的に配置されている。

そして、内側支持体３１０の外周面には、第１変位電極Ｅ３１に対向する位置に第１固定電極Ｅ２１が配置されており、第２変位電極Ｅ３２に対向する位置に第２固定電極Ｅ２２が配置されており、第３変位電極Ｅ３３に対向する位置に第３固定電極Ｅ２３が配置されており、第４変位電極Ｅ３４に対向する位置に第４固定電極Ｅ２４が配置されており、第５変位電極Ｅ３５に対向する位置に第５固定電極Ｅ２５が配置されており、第６変位電極Ｅ３６に対向する位置に第６固定電極Ｅ２６が配置されており、第７変位電極Ｅ３７に対向する位置に第７固定電極Ｅ２７が配置されており、第８変位電極Ｅ３８に対向する位置に第８固定電極Ｅ２８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軸近傍に第１及び第２固定電極Ｅ２１，Ｅ２２が当該Ｖ軸に関して対称的に配置されており、正のＷ軸近傍に第３及び第４固定電極Ｅ２３，Ｅ２４が当該Ｗ軸に関して対称的に配置されており、負のＶ軸近傍に第５及び第６固定電極Ｅ２５，Ｅ２６が当該Ｖ軸に関して対称的に配置されており、負のＷ軸近傍に第７及び第８固定電極Ｅ２７，Ｅ２８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２４〜図３１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、第１〜第８変位電極Ｅ３１〜Ｅ３８が環状変形体３０の外周面に配置され、第１〜第８固定電極Ｅ２１〜Ｅ２２が外側支持体３２０の内周面に配置されていても良い。この場合、各電極は、前述の変形例と同様にＶ軸またはＷ軸に関して対称的に配置されることが好ましい。

なお、第１〜第４容量素子のみを配置しても良く、このようなトルクセンサの作用は、図２２及び図２３に示すトルクセンサと同様である。この場合も、各容量素子を環状変形体３０と内側支持体３１０との間に設けても良いし、環状変形体３０と外側支持体３２０との間に設けても良い。

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１０に示す構造と図４４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４４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１０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。

＜＜＜ §８． 固定電極及び変位電極の配置の変形例 ＞＞＞
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。

図４５は、一対の固定電極Ｅ２１，Ｅ２２がＺ軸方向に沿って隣接して配置された状態を示す図である。もちろん、図４５に示す配置は、一対の固定電極Ｅ２１，Ｅ２２に限らず、一対の固定電極Ｅ２３，Ｅ２４、一対の固定電極Ｅ２５，Ｅ２６、及び、一対の固定電極Ｅ２７，Ｅ２８についても採用され得るし、一対の変位電極Ｅ３１，Ｅ３２、一対の変位電極Ｅ３３，Ｅ３４、一対の変位電極Ｅ３５，Ｅ３６、及び、一対の変位電極Ｅ３７，Ｅ３８についても採用され得る。このような電極の配置によっても、図２４〜図３１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。もちろん、この電極の配置は、４つの容量素子のみを有するトルクセンサ（図２２及び図２３参照）において採用され得るし、§７で説明した基本構造の変形例においても採用され得る。

Claims (28)

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
   ことを特徴とするトルクセンサ。
2. 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に記載のトルクセンサ。
3. 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２に記載のトルクセンサ。
4. 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３のいずれかに記載のトルクセンサ。
5. 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３のいずれかに記載のトルクセンサ。
6. 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３のいずれかに記載のトルクセンサ。
7. 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３のいずれかに記載のトルクセンサ。
8. 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乃至７のいずれかに記載のトルクセンサ。
9. 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乃至８のいずれかに記載のトルクセンサ。
10. 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乃至８のいずれかに記載のトルクセンサ。
11. 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２または３に記載のトルクセンサ。
12. 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。
13. 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。
14. 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。
15. 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。
16. 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１５に記載のトルクセンサ。
17. 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１６に記載のトルクセンサ。
18. 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１５乃至１７のいずれかに記載のトルクセンサ。
19. 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１５乃至１７のいずれかに記載のトルクセンサ。
20. 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１５乃至１７のいずれかに記載のトルクセンサ。
21. 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１５乃至１７のいずれかに記載のトルクセンサ。
22. 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１５乃至２１のいずれかに記載のトルクセンサ。
23. 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１５乃至２２のいずれかに記載のトルクセンサ。
24. 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１５乃至２２のいずれかに記載のトルクセンサ。
25. 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１６または１７に記載のトルクセンサ。
26. 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１５乃至２５のいずれかに記載のトルクセンサ。
27. 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２６に記載のトルクセンサ。
28. 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２６に記載のトルクセンサ。

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