WO2023181531A1 - トルクセンサ - Google Patents

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WO2023181531A1
WO2023181531A1 PCT/JP2022/046456 JP2022046456W WO2023181531A1 WO 2023181531 A1 WO2023181531 A1 WO 2023181531A1 JP 2022046456 W JP2022046456 W JP 2022046456W WO 2023181531 A1 WO2023181531 A1 WO 2023181531A1
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torque sensor
torque
strain
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Inventor
嵩幸 遠藤
Original Assignee
日本電産コパル電子株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a torque sensor provided, for example, at a joint of a robot arm.
  • the torque sensor includes a first structure to which torque is applied, a second structure to which torque is output, a plurality of third structures connecting the first structure and the second structure, and the first structure. and a plurality of strain-generating bodies provided between the second structure and a plurality of strain-generating bodies, and a plurality of strain gauges are disposed on the surface of these strain-generating bodies (for example, Japanese Patent Application Publication No. 2018-091813, Japanese Patent Application Publication No. 2018-091813, (See Publication No. 2017-172983).
  • the first structure and the second structure of the torque sensor are, for example, annular.
  • the first structure and the second structure may be deformed into an elliptical shape.
  • each part of the first structure and the second structure does not deform uniformly, so the plurality of strain bodies provided between the first structure and the second structure also do not deform uniformly. Therefore, the output signals of the plurality of strain gauges provided on each strain-generating body include signals due to forces other than torque, and the accuracy of torque detection is reduced.
  • Embodiments of the present invention provide a torque sensor that can detect torque with high accuracy even when a force other than torque is applied.
  • the torque sensor of this embodiment includes a first structure, a second structure, a plurality of third structures connected between the first structure and the second structure, and an adjacent third structure.
  • a strain-generating body located between the structures and including a plurality of sensor elements coupled between the first structure and the second structure; and a strain body located between the adjacent third structure;
  • a fourth structure connected between the first structure and the second structure, the width of the fourth structure (with respect to the plane of the first structure and the second structure) (parallel, length in a direction intersecting the length direction of the fourth structure) becomes wider as it approaches the first structure and the second structure from the center in the length direction of the fourth structure.
  • FIG. 1 is a partially removed plan view showing the torque sensor according to the present embodiment
  • FIG. 3 is a plan view shown to explain a deformed state of the torque sensor according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. 1, showing the fourth structure according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is an enlarged plan view of the portion indicated by A in FIG. 2, which is shown for explaining the fourth structure according to the present embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing the amount of deformation of a structure in this embodiment and other examples.
  • FIG. 1 shows a torque sensor 10 according to this embodiment.
  • the configuration of the torque sensor 10 is not limited to this, and can be applied to torque sensors with various configurations. Furthermore, the present embodiment can be applied not only to torque sensors but also to force sensors using strain gauges.
  • the torque sensor 10 includes a first structure 11, a second structure 12, a plurality of third structures 13, a plurality of waterproof caps 14, a case 15, a bush 16, a cable 17, and a plurality of strain sensors 20. , a plurality of flexible substrates 23, a plurality of fourth structures 24, a plurality of waterproof caps 25, and the like.
  • the first structure 11 and the second structure 12 are annular, and the diameter of the second structure 12 is smaller than the diameter of the first structure 11.
  • the second structure 12 is arranged concentrically with the first structure 11, and the first structure 11 and the second structure 12 are connected to a third structure 13 and a plurality of beam parts arranged radially. 4 structures 24.
  • Each of the fourth structures 24 is arranged at regular intervals and between adjacent third structures 13.
  • the fourth structures 24 are arranged corresponding to the strain sensors 20, and the number of the strain sensors 20 and the number of the fourth structures 24 is, for example, eight.
  • the number of strain sensors 20 and fourth structures 24 is not limited to eight.
  • the first structure 11 is connected to, for example, an object to be measured, and the second structure 12 is connected to another structure (not shown).
  • the plurality of third structures 13 transmit torque (moment (Mz) shown in FIG. 2) from the first structure 11 to the second structure 12.
  • Mz ment
  • the second structure 12 is connected to the object to be measured
  • the first structure 11 is connected to another structure (not shown)
  • a plurality of third structures are connected from the second structure 12 to the first structure 11. Torque may also be transmitted via the body 13.
  • the first structure 11, the second structure 12, and the plurality of third structures 13 are made of metal, for example, stainless steel, but if they can have sufficient mechanical strength against the applied torque. , it is also possible to use materials other than metal.
  • the second structure 12 has a hollow part 12a, and the case 15 is attached to the second structure 12 around the hollow part 12a.
  • a processing circuit (not shown) is provided inside the case 15. The processing circuit processes the electrical signal supplied from the strain sensor 20 and generates a torque detection signal as a sensor signal.
  • the bush 16 is provided in a part of the case 15 and holds the cable 17.
  • One end (not shown) of the cable 17 is connected to a processing circuit within the case 15, and the other end of the cable 17 is passed through, for example, the hollow portion 12a.
  • the cable 17 supplies power to the processing circuit from the outside and outputs the sensor signal processed by the processing circuit to the outside. Since the configuration of the processing circuit is not the essence of this embodiment, its description will be omitted.
  • Each strain sensor 20 arranged corresponding to each fourth structure 24 is covered by a cap 14.
  • the structure of the portion covered by the cap 14 is the same. Since FIG. 1 shows the fourth structure 24, strain sensor 20, flexible substrate 23, and cap 25, the four caps 14 and components unnecessary for explanation are removed, and the components necessary for explanation are exposed.
  • the strain sensor 20 is provided between the first structure 11 and the second structure 12. That is, as will be described later, one end of the strain sensor 20 is joined to the first structure 11, and the other end of the strain sensor 20 is joined to the second structure 12.
  • a recess 30 is integrally formed in the first structure 11 and the second structure 12 corresponding to the fourth structure 24.
  • a hole 30a is provided approximately at the center of the portion of the recess 30 corresponding to the first structure 11, and a hole 30b is also provided approximately at the center of the portion corresponding to the second structure 12.
  • the strain sensor 20 is provided within the recess 30 between the first structure 11 and the second structure 12.
  • the strain sensor 20 includes, for example, a metal strain body 21 and a plurality of strain gauges 22 as sensor elements arranged on the surface of the strain body 21.
  • the strain body 21 has a rectangular shape, for example, and the length of the strain body 21 is longer than the length of the third structure 13 and shorter than the length between the holes 30a and 30b.
  • One longitudinal end of the flexure element 21 is placed on the surface of the first structure 11 within the recess 30 , and the other longitudinal end of the flexure element 21 is placed on the surface of the second structure 12 within the recess 30 . will be placed on.
  • One end of the strain body 21 is fixed to the first structure by a fixing member 40a disposed in the recess 30 and a screw 41a inserted into the hole 30a from the back side of the first structure 11 and screwed into the fixing member 40a. It is fixed to the structure 11.
  • the other end of the strain body 21 is secured to the second end by a fixing member 40b disposed in the recess 30 and a screw 41b inserted into the hole 30b from the back side of the second structure 12 and screwed into the fixing member 40b. 2 structure 12.
  • the strain gauge 22 is, for example, a thin film resistance element, and its resistance value changes as the strain body 21 deforms.
  • the plurality of strain gauges 22 constitute a bridge circuit (not shown), and a change in resistance value is detected as an electrical signal by the bridge circuit.
  • the plurality of strain gauges 22 are connected to one end of a flexible substrate 23 provided at the center of the strain body 21 .
  • the other end of the flexible substrate 23 is connected to a processing circuit inside the case 15.
  • the electrical signal output from the bridge circuit is supplied to the processing circuit via the flexible substrate 23, and the processing circuit generates a torque detection signal as a sensor signal.
  • the cap 14 is attached to the recess 30 and seals the recess 30.
  • the cap 25 is arranged between the strain body 21 and the fourth structure 24 so as to cover the fourth structure 24, and seals the openings 26 provided on both sides of the fourth structure 24.
  • Strain sensor 20 is protected from moisture by cap 14 and cap 25. Specifically, the cap 14 prevents moisture from entering the front surface of the strain body 21, and the cap 25 prevents moisture from entering the back surface of the strain body 21.
  • FIG. 2 shows an example of deformation caused by the force that the torque sensor 10 receives.
  • the torque sensor 10 in which eight strain sensors 20 are arranged, when a force other than torque is applied and the first structure 11 and the second structure 12 are deformed into an elliptical shape as shown by the broken line, 8
  • the strain bodies 21 of the individual strain sensors 20 do not deform uniformly.
  • the output signal of the bridge circuit constituted by a plurality of strain gauges arranged on the surface (plane) of the strain body 21 includes a signal corresponding to a force other than torque. Therefore, the detection accuracy of torque Mz decreases.
  • torque detection accuracy is achieved by increasing the rigidity of the first structure 11 and the second structure 12 against forces other than torque using the fourth structure 24 arranged corresponding to each strain sensor 20. This prevents a decrease in
  • FIG. 3 shows a cross section taken along the line III-III in FIG. There is.
  • Each of the two third structures 13 arranged in a direction intersecting the longitudinal direction of the flexure element 21 has a side surface 13a parallel to the side surface 21a along the longitudinal direction of the flexure element 21.
  • the longitudinal direction of the third structure 13 and the longitudinal direction of the strain body 21 are arranged in the same direction.
  • the width of the portion of the third structure 13 parallel to the strain body 21 (parallel to the plane 11a of the first structure 11 (shown in FIG. 1) and the plane 12a of the second structure 12, The length in the direction crossing the longitudinal direction) is constant.
  • the length of the portion of the third structure 13 parallel to the strain body 21 is, for example, 25% to 40% of the total length of the third structure 13.
  • the width of both ends of the third structure 13 in the longitudinal direction is widened toward the first structure 11 and the second structure 12.
  • surfaces corresponding to the planes of the first structure 11 and the second structure 12 have curved portions 13b.
  • the fourth structure 24 is arranged parallel to the strain body 21 and away from the strain body 21. That is, the surface 24b of the fourth structure 24 (a surface parallel to the plane 11a of the first structure 11 and the plane 12a of the second structure 12) is parallel to the back surface 21c of the strain body 21, and the surface 24b is parallel to the back surface 21c of the strain body 21. is opposed to the back surface 21c of.
  • the width at the center in the longitudinal direction is narrower than the width at both ends in the longitudinal direction.
  • the fourth structure 24 has a side surface 24a that is not parallel to the side surface 21a of the strain body 21 (the surface in the direction intersecting the plane 11a of the first structure 11 and the plane 12a of the second structure 12). ing. That is, as shown in FIG. 1, a circular opening 26 is formed between the fourth structure 24 and two adjacent third structures 13, and the side surface 24a of the fourth structure 24 has an arc shape. has been done. Therefore, the width of the plane 24b of the fourth structure 24 is widened from the longitudinal center of the fourth structure 24 toward the first structure 11 and the second structure 12. That is, the width W4 of the connection portion between the first structure 11 and the second structure 12 of the fourth structure 24 is wider than the width W1 at the center in the longitudinal direction (W4>W1).
  • the connecting portion of the fourth structure 24 with the first structure 11 and the connecting portion of the fourth structure with the second structure 12 are connected to the two third structures 13 adjacent to the fourth structure 24. away from Therefore, the fourth structure 24 can function as a beam independent of the two third structures 13 adjacent to the fourth structure 24 .
  • the shape of the opening 26 is not limited to a circular shape, and the shape of the plane 24b of the fourth structure 24 extends from the longitudinal center of the fourth structure 24 to the first structure 11 and the second structure. As long as the width becomes wider toward 12, the shape may be an ellipse or the like.
  • the thickness T1 of the fourth structure 24 is thicker than the thickness T3 of the strain body 21 and thinner than the thickness T2 of the third structure 13 (T3 ⁇ T1 ⁇ T2).
  • the width W1 of the longitudinal center portion of the fourth structure 24 is narrower than the width W3 of the strain body 21 and wider than the width W2 of the third structure 13 (W3>W1>W2).
  • the thickness is the length of the third structure 13, the fourth structure 24, and the strain body 21 in the direction perpendicular to the plane of the first structure 11 and the second structure 12, and the width is the length of the third structure 13, fourth structure 24, and strain body 21 in a direction that is parallel to the plane of the first structure 11 and second structure 12 and intersects with the length direction.
  • the fourth structure 24 when no force is applied to the torque sensor 10, the fourth structure 24, the two adjacent third structures 13, the first structure 11, and the second structure 12 are connected to each other by the broken line B As shown, it forms a rectangle.
  • the fourth structure 24 When a force (a force other than torque Mz) that deforms the torque sensor 10 into an elliptical shape is applied to the torque sensor 10 having the above configuration, the fourth structure 24 It acts as an X-shaped beam provided in between. Therefore, due to the rigidity of the fourth structure 24, the two third structures 13, the first structure 11, and the second structure 12 adjacent to the fourth structure 24 are deformed by a force other than the torque Mz. is suppressed. Therefore, the output of signals due to forces other than torque can be reduced, interference with other axes can be suppressed, and torque can be detected with high accuracy.
  • a force a force other than torque Mz
  • the fourth structure 24, the two adjacent third structures 13, the first structure 11, and the second structure 12 are shown by broken lines C. , it is transformed into a parallelogram.
  • the rigidity of the fourth structure 24 suppresses deformation of the strain body 21 compared to the case where the fourth structure 24 is not provided.
  • the width of the fourth structure 24 at the central portion in the longitudinal direction is narrower than the width of the connection portion with the first structure 11 and the width of the connection portion with the second structure 12. Therefore, when the central portion of the fourth structure 24 deforms in response to the torque Mz, the strain body 21 deforms and the torque Mz can be detected with high accuracy.
  • FIG. 5 shows the results of analyzing the rigidity of the first structure 11 and the second structure 12 against deformation (elliptic deformation) when a force other than torque is applied to different beam structures of the torque sensor 10. There is.
  • FIG. 5 shows the amount of deformation when the first structure 11 and the second structure 12 undergo elliptical deformation due to a force other than torque. Therefore, the smaller the value of the deformation amount, the higher the rigidity, which indicates that interference with other axes due to forces other than torque can be suppressed.
  • the beam includes two third structures 13 and a structure provided between them, and the width of the beam is adjusted so that each model has the same rigidity in the torque direction.
  • Model 1 is a beam in which there is no fourth structure 24 or the like between two third structures 13.
  • the amount of deformation for the elliptical deformation of the first structure 11 and the second structure 12 due to a force other than torque is 0.771.
  • Model 2 is a beam in which two third structures 13 and the first structure 11 and second structure 12 are connected with a thin metal material.
  • the amount of deformation for the elliptical deformation of the first structure 11 and the second structure 12 due to a force other than torque is 0.707.
  • Model 3 is related to the present embodiment, and is a case of a beam in which a fourth structure 24 connecting the first structure 11 and the second structure 12 is provided between two third structures 13. It is.
  • the amount of deformation for the elliptical deformation of the first structure 11 and the second structure 12 due to a force other than torque is 0.624.
  • the first structure 11 and the second structure 12 have high rigidity against forces other than torque. Therefore, the plurality of strain bodies 21 can be equally deformed by forces other than torque, and a signal due to a force other than torque can be output from the output signals of the plurality of strain gauges provided on each strain body 21. can be reduced. Therefore, interference with other axes can be suppressed and torque can be detected with high accuracy.
  • the torque sensor 10 of this embodiment has a first structure 11, a second structure 12, and two third structures 13 forming a rectangle, and inside the rectangle, the first structure 11 and the second structure 12 are arranged. and a fourth structure 24 that connects the first structure 11 and the second structure 12, the fourth structure 24 includes:
  • the width at the center in the longitudinal direction is narrower than the width at both ends in the longitudinal direction. Therefore, when a force in a direction other than torque is applied to the torque sensor 10, the fourth structure 24 can increase the rigidity of the first structure 11 and the second structure 12 against elliptical deformation. Therefore, when a force in a direction other than torque is applied to the torque sensor 10, the output of a signal due to a force other than torque can be reduced, interference with other axes can be suppressed, and torque can be detected with high accuracy.
  • the width of the fourth structure 24 at the central portion in the longitudinal direction is narrower than the width at both end portions in the longitudinal direction, the rigidity of the fourth structure 24 is low when a force in the torque direction is applied to the torque sensor 10. Therefore, torque can be detected with high accuracy.
  • the present invention is not limited to the above-mentioned embodiments as they are, and at the implementation stage, the constituent elements can be modified and embodied without departing from the spirit of the invention.
  • various inventions can be formed by appropriately combining the plurality of constituent elements disclosed in each of the above embodiments. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiments. Furthermore, components of different embodiments may be combined as appropriate.

Abstract

本発明は、トルク以外の力が印加された場合においても高精度にトルクを検出することが可能なトルクセンサを提供する。トルクセンサ１０は、第１構造体１１と、第２構造体１２と、複数の第３構造体１３と、起歪体２１と、第４構造体２４と、を具備する。複数の第３構造体１３は、第１構造体と第２構造体との間に接続される。複数のセンサ素子を含む起歪体２１は、隣接する第３構造体の間に位置し、第１構造体と第２構造体との間に結合される。第４構造体２４は、隣接する第３構造体の間に位置し、第１構造体と第２構造体との間に接続される。第４構造体２４の幅は、第４構造体の長さ方向の中央から第１構造体及び第２構造体に近づくに従って広い。

Description

トルクセンサ
　本発明の実施形態は、例えばロボットアームの関節に設けられるトルクセンサに関する。
　トルクセンサは、トルクが印加される第１構造体と、トルクが出力される第２構造体と、第１構造体と第２構造体とを繋ぐ複数の第３構造体と、第１構造体と第２構造体との間に設けられた複数の起歪体とを有し、これら起歪体の表面に複数の歪ゲージが配置されている（例えば特開２０１８－０９１８１３号公報、特開２０１７－１７２９８３号公報参照）。
　トルクセンサの第１構造体及び第２構造体は、例えば環状である。このトルクセンサにトルク及びトルク以外の力が印加されたとき、第１構造体及び第２構造体が楕円形に変形されることがある。この場合、第１構造体と第２構造体の各部は、均等に変形しないため、第１構造体と第２構造体との間に設けられた複数の起歪体も均等に変形しない。したがって、各起歪体に設けられた複数の歪ゲージの出力信号は、トルク以外の力による信号を含み、トルクの検出精度が低下していた。
　本発明の実施形態は、トルク以外の力が印加された場合においても高精度にトルクを検出することが可能なトルクセンサを提供する。
　本実施形態のトルクセンサは第１構造体と、第２構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体との間に接続された複数の第３構造体と、隣接する前記第３構造体の間に位置し、前記第１構造体と前記第２構造体との間に結合された複数のセンサ素子を含む起歪体と、隣接する前記第３構造体の間に位置し、前記第１構造体と前記第２構造体との間に接続された第４構造体と、を具備し、前記第４構造体の幅（前記第１構造体及び前記第２構造体の平面と平行で、前記第４構造体の長さ方向と交差する方向の長さ）は、前記第４構造体の長さ方向の中央から前記第１構造体及び前記第２構造体に近づくに従って広い。
本実施形態に係るトルクセンサを示すものであり、一部除去して示す平面図。 本実施形態に係るトルクセンサが変形した状態を説明するために示す平面図。 本実施形態に係る第４構造体を示すものであり、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図。 本実施形態に係る第４構造体を説明するために示すものであり、図２のＡで示す部分を拡大して示す平面図。 本実施形態と他の例における構造体の変形量を示す図。
　以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。図面において、同一部分又は同一機能を有する部分には、同一符号を付している。
　図１は、本実施形態に係るトルクセンサ１０を示している。トルクセンサ１０の構成は、これに限定されるものでなく、様々な構成のトルクセンサに適用することが可能である。また、トルクセンサに限らず、歪ゲージを用いた力覚センサなどに本実施形態を適用することも可能である。
　図１において、トルクセンサ１０は、第１構造体１１、第２構造体１２、複数の第３構造体１３、複数の防水用キャップ１４、ケース１５、ブッシュ１６、ケーブル１７、複数の歪センサ２０、複数のフレキシブル基板２３、複数の第４構造体２４、複数の防水用キャップ２５等を具備している。
　第１構造体１１と、第２構造体１２は、環状であり、第２構造体１２の径は、第１構造体１１の径より小さい。第２構造体１２は、第１構造体１１と同心状に配置され、第１構造体１１と第２構造体１２は、放射状に配置された複数の梁部としての第３構造体１３及び第４構造体２４により連結されている。各第４構造体２４は、等間隔に配置され、隣り合う第３構造体１３の間に配置されている。
　後述するように、第４構造体２４は、歪センサ２０に対応して配置されており、歪センサ２０と第４構造体２４の数は、それぞれ例えば８個である。歪センサ２０と第４構造体２４の数は、８個に限定されるものではない。
　第１構造体１１は、例えば被計測体に連結され、第２構造体１２は、図示せぬ別の構造体に連結される。複数の第３構造体１３は、第１構造体１１から第２構造体１２にトルク（図２に示すモーメント（Ｍｚ））を伝達する。逆に、第２構造体１２が被計測体に連結され、第１構造体１１が図示せぬ別の構造体に連結され、第２構造体１２から第１構造体１１に複数の第３構造体１３を介してトルクを伝達してもよい。
　第１構造体１１、第２構造体１２、複数の第３構造体１３は、金属、例えばステンレス鋼により構成されるが、印加されるトルクに対して機械的に十分な強度を得ることができれば、金属以外の材料を使用することも可能である。
　第２構造体１２は、中空部１２ａを有しており、ケース１５は、中空部１２ａの周囲の第２構造体１２に取り付けられる。ケース１５の内部には、図示せぬ処理回路が設けられている。処理回路は、歪センサ２０から供給される電気信号を処理し、センサ信号としてのトルクの検出信号を生成する。
　ブッシュ１６は、ケース１５の一部分に設けられ、ケーブル１７を保持する。ケーブル１７の図示せぬ一端は、ケース１５内の処理回路に接続され、ケーブル１７の他端は、例えば中空部１２ａに通される。ケーブル１７は、処理回路に外部から電源を供給したり、処理回路により処理されたセンサ信号を外部に出力したりする。処理回路の構成は、本実施形態の本質ではないため、説明は省略する。
　各第４構造体２４に対応して配置された各歪センサ２０は、キャップ１４により覆われている。キャップ１４により覆われた部分の構成は、同一である。図１は、第４構造体２４、歪センサ２０、フレキシブル基板２３、キャップ２５を示すため、４つのキャップ１４及び説明に不要な構成が外され、説明に必要な構成が露出されている。
　歪センサ２０は、第１構造体１１と第２構造体１２との間に設けられている。すなわち、後述するように、歪センサ２０の一端部は、第１構造体１１に接合され、歪センサ２０の他端部は、第２構造体１２に接合される。
　具体的には、第４構造体２４に対応する第１構造体１１、第２構造体１２には、一体的に凹部３０が形成されている。
　凹部３０の第１構造体１１に対応する部分のほぼ中央部には、穴３０ａが設けられ、第２構造体１２に対応する部分のほぼ中央部にも、穴３０ｂが設けられている。
　歪センサ２０は、凹部３０内において、第１構造体１１と第２構造体１２の間に設けられる。歪センサ２０は、例えば金属製の起歪体２１と、起歪体２１の表面に配置されたセンサ素子としての複数の歪ゲージ２２とを具備している。
　起歪体２１は、例えば矩形状であり、起歪体２１の長さは、第３構造体１３の長さより長く、穴３０ａと穴３０ｂとの間の長さより短い。起歪体２１の長手方向一端は、凹部３０内において、第１構造体１１の表面に載置され、起歪体２１の長手方向他端は、凹部３０内において、第２構造体１２の表面に載置される。起歪体２１の一端は、凹部３０内に配置された固定部材４０ａと、第１構造体１１の裏面側から穴３０ａに挿入され、固定部材４０ａに螺合されるねじ４１ａとにより、第１構造体１１に固定される。起歪体２１の他端は、凹部３０内に配置された固定部材４０ｂと、第２構造体１２の裏面側から穴３０ｂに挿入され、固定部材４０ｂに螺合されるねじ４１ｂとにより、第２構造体１２に固定される。
　歪ゲージ２２は、例えば薄膜抵抗素子であり、起歪体２１の変形に伴い抵抗値が変化する。複数の歪ゲージ２２は、図示せぬブリッジ回路を構成し、ブリッジ回路により抵抗値の変化が電気信号として検出される。複数の歪ゲージ２２は、起歪体２１の中央部に設けられたフレキシブル基板２３の一端部に接続される。フレキシブル基板２３の他端部は、ケース１５内の処理回路に接続される。ブリッジ回路から出力された電気信号は、フレキシブル基板２３を介して処理回路に供給され、処理回路において、センサ信号としてのトルクの検出信号が生成される。
　キャップ１４は、凹部３０に装着され、凹部３０を密閉する。キャップ２５は、起歪体２１と第４構造体２４との間で、第４構造体２４を覆うように配置され、第４構造体２４の両側に設けられた開口２６を密閉する。歪センサ２０は、キャップ１４及びキャップ２５により水分から保護される。具体的には、キャップ１４は、起歪体２１の表面側への水分の進入を防止し、キャップ２５は、起歪体２１の裏面側への水分の進入を防止している。
　図２は、トルクセンサ１０が受ける力による変形の一例を示している。例えば８個の歪センサ２０が配置されたトルクセンサ１０において、トルク以外の力が印加され、第１構造体１１及び第２構造体１２が破線で示すように、楕円形に変形した場合、８個の歪センサ２０の起歪体２１は均等に変形しない。この場合、起歪体２１の表面（平面）に配置された複数の歪みゲージにより構成されたブリッジ回路の出力信号は、トルク以外の力に対応する信号を含んでいる。このため、トルクＭｚの検出精度が低下する。
　本実施形態は、各歪センサ２０に対応して配置された第４構造体２４により、トルク以外の力に対する第１構造体１１及び第２構造体１２の剛性を高めることによって、トルクの検出精度の低下を防止するものである。
　図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面を示しており、２つの第３構造体１３とこれらの間に配置された第４構造体２４と起歪体２１の断面を示している。
　起歪体２１の長手方向と交差する方向に配置された２つの第３構造体１３のそれぞれは、起歪体２１の長手方向に沿った側面２１ａと平行な側面１３ａを有している。具体的には、第３構造体１３の長手方向と、起歪体２１の長手方向は、同方向に配置されている。第３構造体１３の起歪体２１と平行な部分の幅（第１構造体１１の平面１１ａ（図１に示す）及び第２構造体１２の平面１２ａと平行で、第３構造体１３の長手方向と交差する方向の長さ）は、一定である。第３構造体１３の起歪体２１と平行な部分の長さは、第３構造体１３の全長の例えば２５％乃至４０％である。
　第３構造体１３の長手方向の両端の幅は、第１構造体１１及び第２構造体１２に向かって広くされている。換言すると、第３構造体１３の長手方向の両端で、第１構造体１１及び第２構造体１２の平面と対応する面は、湾曲部１３ｂを有している。
　第４構造体２４は、起歪体２１と平行で、起歪体２１から離れて配置されている。すなわち、第４構造体２４の表面（第１構造体１１の平面１１ａ及び第２構造体１２の平面１２ａと平行な面）２４ｂは、起歪体２１の裏面２１ｃと平行で、起歪体２１の裏面２１ｃと対向されている。
　第４構造体２４の平面２４ｂにおいて、長手方向中央部の幅は、長手方向両端の幅より狭い。換言すると、第４構造体２４は、起歪体２１の側面２１ａ（第１構造体１１の平面１１ａ及び第２構造体１２の平面１２ａと交差する方向の面）と平行でない側面２４ａを有している。すなわち、図１に示すように、第４構造体２４と隣り合う２つの第３構造体１３との間には円形の開口２６が形成され、第４構造体２４の側面２４ａは、円弧状とされている。このため、第４構造体２４の平面２４ｂの幅は、第４構造体２４の長手方向中央から、第１構造体１１と第２構造体１２に向かって広くされている。すなわち、第４構造体２４の第１構造体１１と第２構造体１２との接続部分の幅Ｗ４は、長手方向中央の幅Ｗ１より広い（Ｗ４＞Ｗ１）。
　また、第４構造体２４の第１構造体１１との接続部分と、第４構造体の第２構造体１２との接続部分は、第４構造体２４と隣り合う２つの第３構造体１３から離れている。このため、第４構造体２４は、第４構造体２４と隣り合う２つの第３構造体１３から独立した梁として機能することができる。
　尚、開口２６の形状は、円形に限定されるものではなく、第４構造体２４の平面２４ｂの形状が、第４構造体２４の長手方向中央から、第１構造体１１と第２構造体１２に向かって幅が広くなるような形状であれば、楕円形などの形状であってもよい。
　第４構造体２４の厚みＴ１は、起歪体２１の厚みＴ３より厚く、第３構造体１３の厚みＴ２より薄い（Ｔ３＜Ｔ１＜Ｔ２）。第４構造体２４の長手方向中央部の幅Ｗ１は、起歪体２１の幅Ｗ３より狭く、第３構造体１３の幅Ｗ２より広い（Ｗ３＞Ｗ１＞Ｗ２）。しかし、これら幅の関係は一例であり、これに限定されるものではなく、変形可能である。
　ここで、厚みとは、第３構造体１３、第４構造体２４及び起歪体２１の第１構造体１１及び第２構造体１２の平面に対して垂直な方向の長さであり、幅とは、第３構造体１３、第４構造体２４及び起歪体２１の第１構造体１１及び第２構造体１２の平面と平行で、長さ方向と交差する方向の長さである。
　図４に示すように、トルクセンサ１０に力が印加されていない場合、第４構造体２４と隣り合う２つの第３構造体１３と第１構造体１１及び第２構造体１２は、破線Ｂで示すように、四角形を構成している。
　上記構成のトルクセンサ１０にトルクセンサ１０を楕円形に変形させる力（トルクＭｚ以外の力）が印加された場合、第４構造体２４は、第１構造体１１と第２構造体１２との間に設けられたＸ形状の梁として作用する。このため、第４構造体２４の剛性により、トルクＭｚ以外の力に対して、第４構造体２４と隣り合う２つの第３構造体１３と第１構造体１１及び第２構造体１２の変形が抑制される。したがって、トルク以外の力による信号の出力を低減でき、他軸干渉を抑制してトルクの高精度に検出することができる。
　一方、上記構成のトルクセンサ１０にトルクＭｚが印加された場合、第４構造体２４と隣り合う２つの第３構造体１３と第１構造体１１及び第２構造体１２は、破線Ｃで示すように、平行四辺形に変形される。この時、第４構造体２４の剛性により、第４構造体２４が無い場合に比べて起歪体２１の変形が抑制される。しかし、第４構造体２４の長手方向の中央部の幅は、第１構造体１１との接続部の幅、及び第２構造体１２との接続部との幅に比べて狭い。このため、トルクＭｚに対して、第４構造体２４の中央部が変形することにより、起歪体２１が変形してトルクＭｚを高精度に検出することができる。
　図５は、トルクセンサ１０の異なる梁の構造にトルク以外の力が印加された場合において、第１構造体１１及び第２構造体１２の変形（楕円変形）に対する剛性を解析した結果を示している。
　具体的には、図５は、トルク以外の力により第１構造体１１及び第２構造体１２に楕円変形が生じた場合の変形量を示している。このため、変形量は、その数値が小さい程、剛性が高く、トルク以外の力に対する他軸干渉を抑制できることを示している。
　尚、梁は、２つの第３構造体１３とその間に設けられる構造を含み、各モデルは、トルク方向の剛性が等しくなるように、梁の幅が調整されている。
　モデル１は、２つの第３構造体１３の間に第４構造体２４などがない梁の場合である。この場合、トルク以外の力による第１構造体１１及び第２構造体１２の楕円変形に対する変形量は、０．７７１である。
　モデル２は、２つの第３構造体１３の間及び第１構造体１１と第２構造体１２の間を薄い金属材料で接続した梁の場合である。この場合、トルク以外の力による第１構造体１１及び第２構造体１２の楕円変形に対する変形量は、０．７０７である。
　モデル３は、本実施形態に係るものであり、２つの第３構造体１３の間に、第１構造体１１と第２構造体１２とを接続する第４構造体２４を設けた梁の場合である。この場合、トルク以外の力による第１構造体１１及び第２構造体１２の楕円変形に対する変形量は、０．６２４である。
　このように、本実施形態は、トルク以外の力に対する第１構造体１１及び第２構造体１２の剛性が高いことが分かる。このため、トルク以外の力に対して複数の起歪体２１を均等に変形させることができ、各起歪体２１に設けられた複数の歪みゲージの出力信号からトルク以外の力による信号の出力を低減することができる。したがって、他軸干渉を抑制でき、高精度にトルクを検出することができる。
　（実施形態の効果）　
　本実施形態のトルクセンサ１０は、第１構造体１１及び第２構造体１２と２つの第３構造体１３により四角形を構成し、四角形の内側に、第１構造体１１と第２構造体１２との間に接合される歪センサ２０としての起歪体２１と、第１構造体１１と第２構造体１２とを接続する第４構造体２４とを具備し、第４構造体２４は、長手方向中央部の幅が長手方向両端の幅より狭くされている。このため、トルクセンサ１０にトルク以外の方向の力が印加された場合、第４構造体２４により、第１構造体１１及び第２構造体１２の楕円変形に対する剛性を高めることができる。したがって、トルクセンサ１０にトルク以外の方向の力が印加された場合において、トルク以外の力による信号の出力を低減でき、他軸干渉を抑制してトルクの高精度に検出することができる。
　しかも、第４構造体２４の長手方向中央部の幅は、長手方向両端部の幅より狭いため、トルクセンサ１０にトルク方向の力が印加された場合において、第４構造体２４の剛性は低いため、トルクを高精度に検出することができる。
　その他、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

Claims (9)

  1. 　第１構造体と、
    　第２構造体と、
    　前記第１構造体と前記第２構造体との間に接続された複数の第３構造体と、
    　隣接する前記第３構造体の間に位置し、前記第１構造体と前記第２構造体との間に結合された複数のセンサ素子を含む起歪体と、
    　隣接する前記第３構造体の間に位置し、前記第１構造体と前記第２構造体との間に接続された第４構造体と、
    　を具備し、
    　前記第４構造体の幅（前記第１構造体及び前記第２構造体の平面と平行で、前記第４構造体の長さ方向と交差する方向の長さ）は、前記第４構造体の長さ方向の中央から前記第１構造体及び前記第２構造体に近づくに従って広いことを特徴とするトルクセンサ。
  2. 　前記起歪体に隣接する前記第３構造体の長手方向は、前記起歪体の長手方向と平行であることを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
  3. 　前記起歪体の形状は、矩形状であり、前記第１構造体及び第２構造体の平面と交差する方向に沿った側面を有し、
    　前記第３構造体は、前記起歪体の前記側面と平行な側面を有することを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
  4. 　前記第３構造体の前記起歪体と平行な部分の長さは、前記第３構造体の全長の２５％乃至４０％であることを特徴とする請求項２又は３に記載のトルクセンサ。
  5. 　前記第４構造体の前記第１構造体及び前記第２構造体の平面に対して垂直な方向の厚みは、前記第３構造体の前記第１構造体及び前記第２構造体の平面に対して垂直な方向の厚みより薄いことを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
  6. 　前記起歪体と前記第４構造体との間に設けられ、隣接する前記第３構造体と前記第４構造体との間と前記第１構造体と前記第２構造体との間の空間を閉塞するキャップと、をさらに具備することを特徴とする請求項５に記載のトルクセンサ。
  7. 　前記第４構造体の前記第１構造体及び前記第２構造体の平面に対して平行な面の一方は、前記起歪体の前記第１構造体及び前記第２構造体の平面に対して平行な面の他方と対向して配置されていることを特徴とする請求項６記載のトルクセンサ。
  8. 　前記起歪体は、前記第１構造体及び第２構造体の平面と平行な表面と裏面と、を有し、
    　前記第４構造体は、前記第１構造体及び第２構造体の平面と平行な表面と裏面と、を有し、前記第４構造体の前記表面は、前記起歪体の前記裏面と対向して配置されることを特徴とする請求項７に記載のトルクセンサ。
  9. 　前記第４構造体の前記第１構造体との接続部分と前記第４構造体の前記第２構造体との接続部分は、前記第４構造体と隣り合う前記第３構造体から離れていることを特徴とする請求項８に記載のトルクセンサ。
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