特開 2022-10110 トルクセンサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022010110

(43)【公開日】2022-01-14

(54)【発明の名称】トルクセンサ

(51)【国際特許分類】

   G01L 3/10 20060101AFI20220106BHJP

【ＦＩ】

G01L3/10 311

【審査請求】有

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021181291

(22)【出願日】2021-11-05

(62)【分割の表示】P 2018063827の分割

【原出願日】2018-03-29

(71)【出願人】

【識別番号】000105659

【氏名又は名称】日本電産コパル電子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001737

【氏名又は名称】特許業務法人スズエ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】遠藤 嵩幸

(57)【要約】

【課題】 形状の大型化を抑制し、高精度なトルクセンサを提供する。
【解決手段】 トルクセンサ１０は、第１構造体と第２構造体との間に設けられた第４構造体１４と、第５構造体１５と、第４構造体に設けられた第１歪センサ１９と、第５構造体に設けられた第２歪センサ２０と、を具備する。第４構造体と第５接続部のそれぞれは、第１歪センサ又は前記第２歪センサの一端部が接続される第１接続部１４ａと、第１歪センサ又は前記第２歪センサの他端部が接続される第２接続部１４ｂと、第１接続部と前記第２接続部との間に設けられ、前記第１接続部及び前記第２接続部の剛性より低い剛性を有する第３接続部１４ｃと第４接続部１４ｄとを具備する。
【選択図】 図５

【特許請求の範囲】

【請求項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構造体とを接続する複数の第３構造体と、
前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられた少なくとも１つの第４構造体と、
前記第４構造体に設けられた歪センサと、
を具備し、
前記第４構造体は、
前記第１構造体に設けられ、前記歪センサの一端部が接続される第１接続部と、
前記第２構造体に設けられ、前記歪センサの他端部が接続される第２接続部と、
前記第１接続部と前記第２接続部との間に設けられ、前記第１接続部及び前記第２接続部の剛性より低い剛性を有する第３接続部と第４接続部と、
を具備することを特徴とするトルクセンサ。

【請求項2】

前記第３接続部と前記第４接続部の長さは、前記第３構造体の長さより短いことを特徴とする請求項１記載のトルクセンサ。

【請求項3】

前記第３接続部と前記第４接続部の幅は、前記第３構造体の幅より狭いことを特徴とする請求項１記載のトルクセンサ。

【請求項4】

前記第１接続部と前記第２接続部の幅は、前記第３接続部と前記第４接続部の幅より広いことを特徴とする請求項１記載のトルクセンサ。

【請求項5】

前記第１接続部と前記第２接続部の厚さは、前記第３接続部と前記第４接続部の厚さより薄いことを特徴とする請求項１記載のトルクセンサ。

【請求項6】

前記第１接続部にトルク方向の力を印加した場合の断面二次モーメントをＪｓで表し、前記第３接続部及び前記第４接続部にトルク方向の力を印加した場合の断面二次モーメントをＪｗで表し、前記第１接続部にトルク方向以外の力を印加した場合の断面二次モーメントをＩｓで表し、前記第３接続部及び前記第４接続部にトルク方向以外の力を印加した場合の断面二次モーメントをＩｗで表した場合、Ｊｓ、Ｊｗ、Ｉｓ、Ｉｗが次式
Ｊｓ／Ｊｗ＞Ｉｓ／Ｉｗ
の関係を満たすことを特徴とする請求項１記載のトルクセンサ。

【請求項7】

前記第４構造体は、前記歪センサが配置される凹部を有し、前記歪センサの表面は、前記第１構造体、前記第２構造体、複数の前記第３構造体、及び少なくとも１つの前記第４構造体からなる構造体の重心を含む面と一致されていることを特徴とする請求項１記載のトルクセンサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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構造体とを連結する梁としての複数の起歪部とを有し、これら起歪部にセンサ素子としての複数の歪ゲージが配置されている。これら歪ゲージによりブリッジ回路が構成されている（例えば特許文献１、２、３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１３－０９６７３５号公報

【特許文献2】特開２０１５－０４９２０９号公報

【特許文献3】特開２０１７－１７２９８３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

トルクセンサのブリッジ回路は、トルク方向の力に対して電圧を出力し、トルク以外の方向の力に対して電圧を出力しないように構成される必要がある。

【0005】

しかし、第１構造体、第２構造体、及び起歪部の加工精度の低下や、歪ゲージの配置にばらつきが生じた場合、トルク以外の方向の力に対してブリッジ回路が電圧を出力し、検出精度が低下する。このため、一般的には、トルクセンサの構造体をトルク方向に変形し易く、トルク以外の方向に変形しにくく設計すればよいが、この場合、トルクセンサの形状が大型化する。

【0006】

本発明の実施形態は、形状の大型化を抑制し、高精度なトルクセンサを提供しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

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構造体とを接続する複数の第３構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられた少なくとも１つの第４構造体と、前記第４構造体に設けられた歪センサと、を具備し、前記第４構造体は、前記第１構造体に設けられ、前記歪センサの一端部が接続される第１接続部と、前記第２構造体に設けられ、前記歪センサの他端部が接続される第２接続部と、前記第１接続部と前記第２接続部との間に設けられ、前記第１接続部及び前記第２接続部の剛性より低い剛性を有する第３接続部と第４接続部と、を具備する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】各実施形態が適用されるトルクセンサを示す平面図。

【図2】図１の一部を除いて示す平面図。

【図3】第１の実施形態に係り、図２の一部を除いて示す平面図。

【図4】図３の斜視図。

【図5】図３に破線で示すＡ部を拡大して示す平面図。

【図6A】図５に示すトルクセンサにトルク（Ｍｚ）方向の力を印加した場合の動作を説明するために示す平面図。

【図6B】図５に示すトルクセンサにトルク以外（Ｆｚ、Ｍｘ）の方向の力を印加した場合の動作を説明するために示す側面図。

【図7】図５に示す構造を示す斜視図。

【図8A】図７に示すＶＩＩＩＡ－ＶＩＩＩＡ線に沿った断面図であり、トルク以外（Ｆｚ、Ｍｘ）の方向の断面二次モーメントを説明するために示す図。

【図8B】図７に示すＶＩＩＩＢ－ＶＩＩＩＢ線に沿った断面図であり、トルク以外（Ｆｚ、Ｍｘ）の方向の断面二次モーメントを説明するために示す図。

【図8C】一般的な構造体の断面二次モーメントを説明するために示す図。

【図8D】図８Ｃと異なる構造体の断面二次モーメントを説明するために示す図。

【図8E】図８Ａのトルク（Ｍｚ）方向の断面二次モーメントを説明するために示す図。

【図8F】図８Ｂのトルク（Ｍｚ）方向の断面二次モーメントを説明するために示す図。

【図8G】図８Ｃ、図８Ｄと異なる構造体の断面二次モーメントを説明するために示す図。

【図8H】構造体と起歪体の位置関係を説明するために示す図。

【図9】第１の実施形態の比較例に係るトルクセンサを示す平面図。

【図10A】図９に示すトルクセンサにトルク（Ｍｚ）方向の力を印加した場合の動作を説明するために示す平面図。

【図10B】図９に示すトルクセンサにトルク以外（Ｆｚ、Ｍｘ）の方向の力を印加した場合の動作を説明するために示す側面図。

【図11】第１の実施形態のトルクセンサと比較例のトルクセンサの各軸方向に同一の力を印加した場合における歪を示す図。

【図12】第２の実施形態を示すものであり、第１歪センサと第２歪センサを示す平面図。

【図13】第１歪センサのブリッジ回路の一例を示す回路図。

【図14】第２の実施形態のトルクセンサにトルク方向の力が印加された場合と、トルク方向以外の方向の力が印加された場合における起歪体の様子を説明するために示す図。

【図15】第２の実施形態の比較例に係るトルクセンサを概略的に示す図。

【図16】第３の実施形態を示すものであり、図１のＢで示す部分を拡大して示す平面図。

【図17A】ストッパーの動作を示すものであり、図１６の一部を模式的に示す図。

【図17B】図１７Ａと異なるストッパーの動作を示すものであり、図１６の一部を模式的に示す図。

【図18】トルクセンサに印加されるトルクとストッパーの動作の関係を説明するために示す図。

【図19】歪ゲージの歪と応力の関係を示す図。

【図20】第３の実施形態の第１の変形例を示すものであり、一部を拡大して示す平面図。

【図21】第３の実施形態の第２の変形例を示す平面図。

【発明を実施するための形態】

【0009】

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、同一部分には同一符号を付している。

【0010】

図１は、本実施形態が適用されるトルクセンサ１０の一例を示している。

【0011】

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、第４構造体１４、第５構造体１５、ストッパー１６、１７、カバー１８を具備している。

【0012】

第１構造体１１と、第２構造体１２は、環状に形成され、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により連結されている。第２構造体１２は、中空部１２aを有しており、中空部１２aには、例えば図示せぬ配線が通される。

【0013】

第１構造体１１は、例えば被計測体に連結され、複数の第３構造体１３は、第１構造体１１から第２構造体１２にトルクを伝達する。逆に、第２構造体１２を被計測体に連結し、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。

【0014】

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な強度を十分に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。

【0015】

図２は、図１のストッパー１６、１７を外した状態を示している。第１構造体１１と第２構造体１２との間には、第１歪センサ１９、第２歪センサ２０が設けられている。すなわち、後述するように、第１歪センサ１９と第２歪センサ２０の一端部は、第１構造体１１に接合され、第１歪センサ１９と第２歪センサ２０の他端部は、第２構造体１２に接合されている。

【0016】

また、第１歪センサ１９と第２歪センサ２０は、第１構造体１１及び第２構造体１２の中心（トルクの作用中心）に対して対称な位置に配置されている。換言すると、第１歪センサ１９と第２歪センサ２０は、環状の第１構造体１１及び第２構造体１２の直径上に配置されている。

【0017】

第１歪センサ１９と第２歪センサ２０の厚み、すなわち、後述する起歪体の厚みは、第３構造体１３の厚みより薄い。トルクセンサ１０の機械的な強度は、第３構造体１３の厚みや幅により設定される。起歪体には、センサ素子としての複数の歪ゲージが設けられ、これらセンサ素子によりブリッジ回路が構成される。

【0018】

ストッパー１６、１７は、第１歪センサ１９と第２歪センサ２０の機械的な変形を保護するとともに、第１歪センサ１９と第２歪センサ２０のカバーとしての機能を有している。ストッパー１６、１７の詳細については、後述する。

【0019】

第１歪センサ１９はフレキシブル基板２１に接続され、第２歪センサ２０はフレキシブル基板２２に接続されている。フレキシブル基板２１、２２は、カバー１８により覆われた図示せぬプリント基板に接続されている。プリント基板には、後述するブリッジ回路の出力電圧を増幅する演算増幅器などが配置されている。回路構成は、本実施形態の本質ではないため、説明は省略する。
（第１の実施形態）
図３、図４は、第１の実施形態を示すものであり、図１、図２から第１歪センサ１９と第２歪センサ２０、フレキシブル基板２１、２２及びカバー１８等を外し、第１構造体１１、第２構造体１２、複数の第３構造体１３、第４構造体１４、第５構造体１５のみを示している。

【0020】

第１の実施形態は、トルク方向Ｍｚ以外の方向、特に、図示矢印Ｆｚ方向、Ｍｘ方向の力がトルクセンサ１０に印加された際、第１歪センサ１９及び第２歪センサ２０の起歪体に設けられたセンサ素子としての複数の歪ゲージに歪が集中しない構造とされている。

【0021】

具体的には、第１構造体１１及び第２構造体１２の中心に対して対称な位置に第４構造体１４と第５構造体１５とが設けられ、第４構造体１４は、第１構造体１１から第２構造体１２に連続する凹部１４ｆを有し、第５構造体１５は第１構造体１１から第２構造体１２に連続する凹部１５ｆを有している。後述するように、第１歪センサ１９は、第４構造体１４の凹部１４ｆ内に配置され、第２歪センサ２０は、第５構造体１５の凹部１５ｆ内に配置される。

【0022】

尚、第１実施形態は、第１歪センサ１９と第２歪センサの２つの歪センサを具備する場合について示しているが、歪センサの数は、３つ以上であってもよい。この場合、歪センサの数に応じて構造体の数を増加すればよい。

【0023】

第４構造体１４及び第５構造体１５は、同一の構成であるため、第４構造体１４についてのみ具体的に説明する。

【0024】

図５に示すように、第４構造体１４は、第１歪センサ１９を接合する接合部としての第１接続部１４ａ及び第２接続部１４ｂと、梁としての第３接続部１４ｃ及び第４接続部１４ｄと、第１接続部１４ａ、第２接続部１４ｂ、第３接続部１４ｃ及び第４接続部１４ｄとに囲まれた開口部１４ｅと、を有している。

【0025】

換言すると、第４構造体１４は、第１構造体１１と第２構造体１２との間に設けられた開口部１４ｅを有する梁である。

【0026】

第１接続部１４ａは、第１構造体１１から第２構造体１２側に延出している。第２接続部１４ｂは、第２構造体１２から第１構造体１１側に延出している。

【0027】

梁としての第３接続部１４ｃ及び第４接続部１４ｄは、第１接続部１４ａと第２接続部１４ｂとの間に設けられている。

【0028】

第３接続部１４ｃ及び第４接続部１４ｄの長さＬ１は、梁としての第３構造体１３の長さＬ２（図１にも示す）より短い。第３接続部１４ｃ及び第４接続部１４ｄのトルク（Ｍｚ）方向の幅Ｗ１は、第１接続部１４ａ及び第２接続部１４ｂのトルク方向の幅Ｗ２より狭く、第３接続部１４ｃ及び第４接続部１４ｄの幅Ｗ１の合計は、第３構造体１３のトルク（Ｍｚ）方向の幅Ｗ３（図１に示す）より狭い。このため、第３接続部１４ｃ及び第４接続部１４ｄのトルク方向の剛性は、第１接続部１４ａ、第２接続部１４ｂ及び第３構造体１３のトルク方向の剛性に比べて低い。

【0029】

また、第３接続部１４ｃ及び第４接続部１４ｄのＦｚ方向の厚みは、第１構造体、第２構造体及び第３構造体のＦｚ方向の厚みと等しい。さらに、第１接続部１４ａの長さＬ１１と、第２接続部１４ｂの長さＬ１２と、第３接続部１４ｃ及び第４接続部１４ｄの長さＬ１の合計は、第３構造体１３の長さと等しい。このため、第３接続部１４ｃ及び第４接続部１４ｄのＦｚ方向の剛性は、第３構造体１３のＦｚ方向の剛性よりやや小さくなる。

【0030】

すなわち、後述する図６Ａに示すように、トルク（Ｍｚ）方向において、第１接続部１４ａと第１構造体１１は、高剛性部ＨＳ１を構成し、第２接続部１４ｂと第２構造体１２は、高剛性部ＨＳ２を構成する。さらに、トルク（Ｍｚ）方向において、第３接続部１４ｃは、低剛性部ＬＳ１を構成し、第４接続部１４ｄは、低剛性部ＬＳ２を構成する。

【0031】

尚、第１接続部１４ａの長さＬ１１と、第２接続部１４ｂの長さＬ１２と、第３接続部１４ｃ及び第４接続部１４ｄの長さＬ１の合計は、第３構造体１３の長さと等しい場合に限らず、等しくなくてもよい。

【0032】

第１接続部１４ａは、前述した凹部１４ｆを有している。凹部１４ｆの部分の厚さは、第１乃至第３構造体１１、１２、１３の厚さより薄い。

【0033】

第１歪センサ１９の一端部は、第１接続部１４ａの凹部１４ｆに接続され、他端部は、第２接続部１４ｂの凹部１４ｆに接続される。このため、第１歪センサ１９は、開口部１４ｅを跨いでいる。凹部１４ｆの底部は、後述するように、第４構造体１４の厚みの中央以下に位置し、第１歪センサ１９を構成する起歪体の表面が、第１構造体１１、第２構造体１２、複数の第３構造体１３、第４構造体１４及び第５構造体１５からなる構造体の重心を含む面に一致されている。

【0034】

図６Ａ、図６Ｂは、図５を模式的に示す図であり、図６Ａは、トルクセンサ１０にトルク（Ｍｚ）方向の力を印加した場合を示し、図６Ｂは、トルクセンサ１０にトルク以外（Ｆｚ、Ｍｘ）の方向の力を印加した場合を示している。

【0035】

図６Ａに示すように、トルクセンサ１０にトルク（Ｍｚ）方向の力が印加された場合、低剛性部ＬＳ１、ＬＳ２としての第３接続部１４ｃと第４接続部１４ｄが変形することにより、第１歪センサ１９（第２歪センサ２０）が変形し、トルクを検出することが可能である。

【0036】

一方、図６Ｂに示すように、トルクセンサ１０にトルク以外（Ｆｚ、Ｍｘ）の方向の力が印加された場合、すなわち、第２構造体１２に対して第１構造体１１が図示矢印方向に変位する場合、第１接続部１４ａと第２接続部１４ｂとの剛性と、第３接続部１４ｃと第４接続部１４ｄとの剛性がほぼ等しい。このため、第１接続部１４ａの長さＬ１１と第２接続部１４ｂの長さＬ１２及び第３接続部１４ｃと第４接続部１４ｄの長さＬ１の合計の長さＬ２が有効長として働く。長さＬ２は、第３接続部１４ｃと第４接続部１４ｄの長さＬ１より長いため、トルク以外（Ｆｚ、Ｍｘ）の方向の力が印加された場合、第１歪センサ１９（第２歪センサ２０）の変形は長さＬ２の範囲で起こり、第１歪センサ１９の起歪体に設けられたセンサ素子としての複数の歪ゲージに歪が集中しないようにすることができ、第１歪センサ１９（第２歪センサ２０）の検出精度の低下を防止することが可能である。

【0037】

図７は、第４構造体１４を模式的に示すものである。図７を参照して、第４構造体１４の断面二次モーメント（変形し易さ）及び第４構造体１４(第５構造体１５)に要求される条件について説明する。

【0038】

第４構造体１４の高剛性部ＨＳ２を固定し、高剛性部ＨＳ１にトルク（Ｍｚ）方向の力を印加した場合の断面二次モーメントをＪｓで表し、低剛性部ＬＳ１、ＬＳ２にトルク（Ｍｚ）方向の力を印加した場合の断面２次モーメントをＪｗで表し、高剛性部ＨＳ１にトルク以外（Ｆｚ）の方向の力を印加した場合の断面２次モーメントをＩｓで表し、低剛性部ＬＳ１、ＬＳ２にトルク以外（Ｆｚ）の方向の力を印加した場合の断面２次モーメントをＩｗで表わすとする。

【0039】

トルク（Ｍｚ）方向の高剛性部ＨＳ１の断面２次モーメントと、低剛性部ＬＳ１、ＬＳ２の断面二次モーメントの比は、次式（１）で表される。

【0040】

Ｊｓ／Ｊｗ …（１）
トルク以外（Ｆｚ）の方向の高剛性部ＨＳ１の断面２次モーメントと、低剛性部ＬＳ１、ＬＳ２の断面２次モーメントの比は、次式（２）で表される。

【0041】

トルク以外（Ｆｚ）の方向の高剛性部ＨＳ１の断面二次モーメントと、低剛性部ＬＳ１、ＬＳ２の断面二次モーメントの比は、次式（２）で表される。

【0042】

Ｉｓ／Ｉｗ …（２）
式（１）（２）の値がいずれも“１”であれば、高剛性部ＨＳ１と低剛性部ＬＳ１、ＬＳ２の断面二次モーメントは等しく、低剛性部ＬＳ１、ＬＳ２に変形は集中しない。式（１）（２）の値がいずれも“１”より大きければ大きいほど、低剛性部ＬＳ１、ＬＳ２に変形が集中することとなる。

【0043】

トルク（Ｍｚ）方向の力を印加した場合、第１歪センサ１９の起歪体に設けられたセンサ素子としての複数の歪ゲージに対して歪を集中させ、トルク以外（Ｆｚ、Ｍｘ）の方向の力を印加した場合に、歪の集中箇所を歪ゲージからずらすためには、一方の変形集中度（α）が１に近く（α→１）、他方の変形集中度（β）が変形集中度（α）と比較して非常に大きい（β＞＞α）ことが望まれる。

【0044】

トルク（Ｍｚ）方向の力を印加したときの低剛性部ＬＳ１、ＬＳ２の変形集中度が、トルク以外（Ｆｚ）の方向の力を印加したときの低剛性部ＬＳ１、ＬＳ２の変形集中度より大きければ、トルク方向の力に対して変形し易く、トルク以外の方向の力に対して変形し難いこととなる。すなわち、次式（３）で示す関係が成立することが、第４構造体１４(第５構造体１５)に要求される条件である。

【0045】

Ｊｓ／Ｊｗ＞Ｉｓ／Ｉｗ …（３）
具体的には、図８Ａは、図７に示すＶＩＩＩＡ－ＶＩＩＩＡ線に沿った断面図であり、高剛性部ＨＳ１の寸法の一例を示している。図８Ｂは、図７に示すＶＩＩＩＢ－ＶＩＩＩＢ線に沿った断面図であり、低剛性部ＬＳ１、ＬＳ２の寸法の一例を示している。

【0046】

図８Ａに示すように、Ｕ字型の断面を有する高剛性部ＨＳ１において、トルク以外（Ｆｚ）の方向の力が印加された場合における軸Ｎ１－Ｎ１に関する断面二次モーメントＩｓは、次の通りである。ここで、軸Ｎ１－Ｎ１は、高剛性部ＨＳ１の厚さ方向の中心を通る軸である。

【0047】

図８Ｃに示すように、一般に、Ｌ字型の断面を有する構造体とＵ字型の断面を有する構造体の寸法が、ｂ＝Ｂ－ａ、ｈ＝ｅ_１－ｔの関係を満たす場合、Ｌ字型の断面を有する構造体とＵ字型の断面を有する構造体の断面二次モーメントＩｓは同一であり、次式（４）で表される。

【0048】

Ｉｓ＝（Ｂｅ_１ ^３－ｂｈ^３＋ａｅ_２ ^３）／３ …（４）
ここで、ｈ＝ｅ_１－ｔ、
ｅ_１＝（ａＨ^２＋ｂｔ^２）／（２（ａＨ＋ｂｔ））
ｅ_２＝Ｈ－ｅ_１
このため、図８Ａに示す高剛性部ＨＳ１にトルク以外（Ｆｚ）の方向の力が印加された場合における軸Ｎ１－Ｎ１に関する断面二次モーメントＩｓは、式（４）により求めることができる。

【0049】

尚、ｅ_１は、第１構造体１１、第２構造体１２、複数の第３構造体１３、第４構造体１４、及び第５構造体１５からなる弾性体としての構造体における重心の位置は、構造体の厚みの半分である。このため、厚みＨ＝１２に対してｅ_１≒６となる。したがって、ｅ_２≒６となる。

【0050】

式（４）に図８Ａに示す寸法を代入すると、次のようになる。

【0051】

Ｉｓ＝（Ｂｅ_１ ^３－ｂｈ^３＋ａｅ_２ ^３）／３
＝（１４×６^３－８×(６－５．８)^３＋６×６^３）／３
＝１４４０
また、図８Ｂに示すように、長方形の断面を有する低剛性部ＬＳ１、ＬＳ２にトルク以外（Ｆｚ）の方向の力が印加された場合における、軸Ｎ２－Ｎ２に関する断面二次モーメントＩｓは、次の通りである。ここで、軸Ｎ２－Ｎ２は、低剛性部ＬＳ１、ＬＳ２の厚さ方向の中心を通る軸である。

【0052】

図８Ｄに示すように、一般に、長方形の断面を有する構造体の断面二次モーメントＩｗ’は、次式（５）で表される。

【0053】

Ｉｗ’＝ｂｈ^３／１２ …（５）
式（５）に図８Ｂに示す寸法を代入すると、次のようになる。

【0054】

Ｉｗ’＝２×１２^３／１２
＝２８８
図８Ｂに示す低剛性部ＬＳ１、ＬＳ２は、２つの長方形の断面を有するため、軸Ｎ２－Ｎ２に関するトルク以外（Ｆｚ）の方向の断面二次モーメントＩｗは、次式（６）で表される。

【0055】

Ｉｗ＝２×Ｉｗ’ …（６）
したがって、軸Ｎ２－Ｎ２に関するトルク以外（Ｆｚ）の方向の断面二次モーメントＩｗは、次のようになる。

【0056】

Ｉｗ＝５７６
一方、図８Ｅに示すように、Ｕ字型の断面を有する高剛性部ＨＳ１において、トルク（Ｍｚ）方向の力を印加したとき、軸Ｎ３－Ｎ３に関する断面二次モーメントＪｓは、次の通りである。ここで、軸Ｎ３－Ｎ３は、高剛性部ＨＳ１の幅方向の中心を通る軸である。

【0057】

図８Ｇに示すように、一般に、Ｉ型の断面を有する構造体と、Ｕ字型の断面を有する構造体の寸法が、ｂ＝Ｂ－ａ、ｈ＝Ｈ－２ｔの関係を満たす場合、Ｉ字型の断面を有する構造体とＵ字型の断面を有する構造体の断面二次モーメントは同一であり、次式（７）で表される。

【0058】

Ｊｓ＝（ＢＨ^３－ｂｈ^３）／１２ …（７）
式（７）に図８Ａに示す寸法を代入すると、次のようになる。

【0059】

Ｊｓ＝（１２×１４^３－６．２×８^３）／１２
＝２４７９
また、図８Ｆに示すように、長方形の断面を有する低剛性部ＬＳ１、ＬＳ２において、トルク（Ｍｚ）方向の力を印加したとき、軸Ｎ４－Ｎ４に関する断面二次モーメントＪｗ’は、図８Ｄを用いて説明したように、次式（８）で表される。ここで、軸Ｎ４－Ｎ４は、低剛性部ＬＳ１の幅方向の中心を通る軸である。

【0060】

Ｊｗ’＝ｂｈ^３／１２ …（８）
式（８）に図８Ｂに示す寸法を代入すると、次のようになる。

【0061】

Ｊｗ’＝１２×２^３／１２
＝８
図８Ｆに示す低剛性部ＬＳ１、ＬＳ２は、２つの長方形の断面を有するため、軸Ｎ４－Ｎ４に関するトルク（Ｍｚ）の方向の断面二次モーメントＪｗは、次式（９）で表される。

【0062】

Ｊｗ＝２×Ｊｗ’ …（９）
したがって、軸Ｎ２－Ｎ２に関するトルク以外（Ｆｚ）の方向の断面二次モーメントＩｗは、次のようになる。

【0063】

Ｊｗ＝１６
上記のようにして求めたトルク以外（Ｆｚ）の方向の断面二次モーメントＩｓ＝１４４０、Ｉｗ＝５７６、トルク（Ｍｚ）方向の断面二次モーメントＪｓ＝２４７９、Ｊｗ＝１６を上記式（３）に代入すると、次のようになり、式（３）の条件を満たしていることが分る。

【0064】

Ｊｓ／Ｊｗ＞Ｉｓ／Ｉｗ
２４７９／１６＞１４４０／５７６
１５５＞２．５
したがって、第４構造体１４、第５構造体１５は、トルク（Ｍｚ）方向の力に対して変形し易く、トルク以外（Ｆｚ）の方向の力に対して変形し難いことが分かる。

【0065】

図８Ｈは、凹部１４ｆと第１歪センサ１９（起歪体）の位置関係を示している。前述したように、凹部１４ｆの底部は、第４構造体１４の厚みの中央Ｈ／２以下に位置している。具体的には、第１歪センサ１９を構成する起歪体の表面が、第１構造体１１、第２構造体１２、複数の第３構造体１３、第４構造体１４及び第５構造体１５からなる構造体の重心を含む面ＣＧに位置させるため、凹部１４ｆの底部は、第４構造体１４の重心を含む面ＣＧより、起歪体の厚みだけ低い位置とされている。この位置は、中立面であり、起歪体に対して圧縮力及び引張力が加わらない。このため、起歪体の曲げ方向、すなわちトルク以外（Ｆｚ）の方向の歪を低減することが可能である。
（第１の実施形態の効果）
第１の実施形態によれば、第１歪センサ１９が設けられる第４構造体１４、及び第２歪センサ２０が設けられる第５構造体１５は、それぞれトルク（Ｍｚ）方向及びトルク以外（Ｆｚ、Ｍｘ）の方向の力に対して高剛性部として作用する第１接続部１４ａ及び第２接続部１４ｂと、トルク（Ｍｚ）方向の力に対して低剛性部として作用し、トルク以外（Ｆｚ、Ｍｘ）の方向の力に対して高剛性部として作用する第３接続部１４ｃ及び第４接続部１４ｄを具備している。このため、第１歪センサ１９及び第２歪センサ２０の歪ゲージ５１、５２、５３、５４にトルク以外の方向の力によって生じる歪が集中することを防止できる。したがって、歪ゲージ５１、５２、５３、５４に印加される歪の絶対量を低減でき、第１歪センサ１９及び第２歪センサ２０のトルク以外の方向の力に対する検出電圧を大幅に低減できる。よって、トルクやトルク以外の他軸干渉を防止して形状の大型化を防止でき、高精度のトルクセンサを提供することが可能である。

【0066】

以下、第１の実施形態の効果について、比較例を参照して具体的に説明する。

【0067】

図９は、トルクセンサ１０の比較例を示している。図９に示すトルクセンサ３０は、第１歪センサ１９と第２歪センサ２０の接続部の構成が、第１の実施形態に示すトルクセンサ１０と相違し、その他の構成は第１の実施形態と同様である。

【0068】

トルクセンサ３０において、第１歪センサ１９と第２歪センサ２０の一端部は、第１構造体１１に設けられた突起１１－１にそれぞれ接続され、他端部は、第２構造体１２に設けられた突起１２－１にそれぞれ接続される。突起１１－１、１２－１は、例えば第１構造体１１及び第２構造体１２と同等の厚みを有している。突起１１－１と突起１２－１との間隔は、図５に示す第３接続部１４ｃ、第４接続部１４ｄの長さＬ１と同等である。

【0069】

比較例としてのトルクセンサ３０は、第３構造体１３のみがトルク方向及びトルク以外の方向の力に対して高剛性部として作用し、第１歪センサ１９と第２歪センサ２０は、第１構造体１１と第２構造体１２との間に起歪体が設けられているだけである。このため、トルクセンサ３０にトルク（Ｍｚ）方向の力を印加した場合と、トルク以外（Ｆｚ、Ｍｘ）の方向の力を印加した場合のいずれの方向においても、第１歪センサ１９と第２歪センサ２０の起歪体に設けられた歪ゲージに歪が集中することとなる。

【0070】

図１０Ａ、図１０Ｂは、図９を模式的に示す図であり、図１０Ａは、トルクセンサ３０にトルク（Ｍｚ）方向の力を印加した場合を示し、図１０Ｂは、トルクセンサ３０にトルク以外（Ｆｚ、Ｍｘ）の方向の力を印加した場合を示している。

【0071】

図１１は、第１の実施形態に係るトルクセンサ１０と比較例に係るトルクセンサ３０の各軸方向に同一の力を印加した場合における歪を示している。

【0072】

図１１から明らかなように、第１の実施形態に係るトルクセンサ１０の場合、トルク（Ｍｚ）方向の力に対する歪が比較例に比べて大きく、トルク以外（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ）の方向の力に対する歪が比較例に比べて小さい。特に、Ｆｚ及びＭｘ方向の力に対する歪を比較例に比べて格段に小さくすることが可能であることが分る。したがって、第１の実施形態によれば、第１歪センサ１９及び第２歪センサ２０にトルク以外の方向の力による歪を低減でき、第１歪センサ１９及び第２歪センサ２０の検出精度の低下を防止することが可能である。

【0073】

また、第１歪センサ１９を構成する起歪体の表面は、第１構造体１１、第２構造体１２、複数の第３構造体１３、第４構造体１４及び第５構造体１５からなる構造体の重心を含む面ＣＧに位置されている。このため、起歪体の曲げ方向、すなわちトルク以外（Ｆｚ）の方向の歪を低減することが可能である。
（第２の実施形態）
図１２は、第２の実施形態を示している。

【0074】

前述したように、第１歪センサ１９は、第４構造体１４に設けられ、第２歪センサ２０は、第５構造体１５に設けられている。第１歪センサ１９及び第２歪センサ２０の構成は、同一であるため、第１歪センサ１９の構成についてのみ説明する。

【0075】

第１歪センサ１９は、起歪体４１と、起歪体４１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５１、５２、５３、５４を具備している。

【0076】

起歪体４１は、矩形状の金属板、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）により構成されている。起歪体４１の厚みは、第３構造体１３の厚みより薄い。

【0077】

歪ゲージ５１、５２、５３、５４は、起歪体４１上に設けられた例えばＣｒ－Ｎの薄膜抵抗体により構成されている。薄膜抵抗体の材料は、Ｃｒ－Ｎに限定されるものではない。

【0078】

起歪体４１は、一端部が第１接続部１４ａに接続され、他端部が第２接続部１４ｂに接続される。起歪体４１と、第１接続部１４ａ及び第２接続部１４ｂとの接続方法は、例えば溶接、ねじ止め、又は接着剤を用いた接続方法を用いることが可能である。

【0079】

起歪体４１は、例えば第１接続部１４ａに溶接された箇所と第２接続部１４ｂに溶接された箇所との間の部分が実質的な起歪体として機能する。このため、起歪体４１の有効長は、第１接続部１４ａに接続された箇所から第２接続部１４ｂに接続された箇所との間の長さに相当する。

【0080】

複数の歪ゲージ５１、５２、５３、５４は、起歪体４１において、起歪体４１の有効長の中央部ＣＴより第２構造体１２側の領域ＡＲ１に配置される。この領域ＡＲ１は、開口部１４ｅの範囲内で、起歪体４１に大きな歪が生じる領域である。後述するように、この領域ＡＲ１は、トルク以外の方向、例えばＦｘ、Ｍｙ方向の力に対する第１歪センサ１９の感度と、トルク（Ｍｚ）方向における第１歪センサ１９の感度が同一となる領域である。

【0081】

歪ゲージ５１、５２、５３、５４は、領域ＡＲ１において、歪ゲージ５１、５２、５３、５４の長手方向が起歪体４１の２つの対角線ＤＧ１、ＤＧ２に沿って配置される。すなわち、歪ゲージ５１、５２は、その長手方向が破線で示す一方の対角線ＤＧ１に沿って配置され、歪ゲージ５３、５４は、その長手方向が破線で示す他方の対角線ＤＧ２に沿って配置される。対角線ＤＧ１、ＤＧ２は、起歪体４１の開口部１４ｅ内に位置する長方形の領域に対応している。

【0082】

第１歪センサ１９の歪ゲージ５１、５２、５３、５４は、１つのブリッジ回路を構成し、第２歪センサ２０の歪ゲージ５１、５２、５３、５４も、１つのブリッジ回路を構成する。このため、トルクセンサ１０は、２つのブリッジ回路を具備している。

【0083】

図１３は、第１歪センサ１９のブリッジ回路５０の一例を示している。第２歪センサ２０もブリッジ回路５０と同様の構成のブリッジ回路を具備している。第１歪センサ１９のブリッジ回路５０の出力電圧と、第２歪センサ１９のブリッジ回路５０の出力電圧のそれぞれは、図示せぬ例えばソフトウェアを用いて、オフセットや温度などが補償される。この後、第１歪センサ１９のブリッジ回路５０の出力電圧と、第２歪センサ１９のブリッジ回路５０の出力電圧が統合されて、トルクセンサ１０の検出電圧として出力される。オフセットや温度などの補償は、ソフトウェアに限定されるものではなく、ハードウェアによっても可能である。

【0084】

ブリッジ回路５０は、電源Ｖｏと接地ＧＮＤとの間に歪ゲージ５２と歪ゲージ５３の直列回路と、歪ゲージ５４と歪ゲージ５１の直列回路が配置されている。歪ゲージ５２と歪ゲージ５３の接続ノードから出力電圧Ｖｏｕｔ＋が出力され、歪ゲージ５４と歪ゲージ５１の接続ノードから出力電圧Ｖｏｕｔ－が出力される。出力電圧Ｖｏｕｔ＋及び出力電圧Ｖｏｕｔ－は、演算増幅器ＯＰに供給され、演算増幅器ＯＰの出力端から出力電圧Ｖｏｕｔが出力される。

【0085】

トルクセンサ１０にトルク（Ｍｚ）方向の力が印加された場合、ブリッジ回路５０の一方の接続ノードの出力電圧Ｖout+、及び他方の接続ノードの出力電圧Ｖout-から、式（５）で示すトルクセンサ１０の出力電圧Ｖoutが得られる。

【0086】

Ｖout＝（Ｖout+－Ｖout-）
＝（Ｒ３／（Ｒ２＋Ｒ３）－Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ４））・Ｖｏ …（５）
ここで、Ｒ１は、歪ゲージ５１の抵抗値、Ｒ２は、歪ゲージ５２の抵抗値、Ｒ３は、歪ゲージ５３の抵抗値、Ｒ４は、歪ゲージ５４の抵抗値である。

【0087】

トルクセンサ１０にトルクが印加されていない状態において、理想的には、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝Ｒである。しかし、実際には、抵抗値にばらつきがあり、トルクが印加されていない状態において、抵抗値のばらつきに伴う電圧が出力される。この電圧は、オフセット調整によってゼロとされる。

【0088】

一方、トルクセンサ１０にトルク以外の方向、例えばＦｘ、Ｍｙ方向の力が加わった場合、Ｒ１～Ｒ４の抵抗値が変化することにより、ブリッジ回路５０から出力電圧Ｖoutが出力される。しかし、第２歪センサ２０のブリッジ回路５０の出力電圧は、第１歪センサ１９のブリッジ回路５０の出力電圧と正負が逆の電圧が出力される。このため、それぞれのブリッジ回路５０における出力電圧は、絶対値が同じで、正負が異なるため、相殺され、検出電圧は０Ｖとなる。

【0089】

センサ素子としての歪ゲージ５１、５２、５３、５４は、トルク（Ｍｚ）方向と、トルク以外（Ｆｘ、Ｍｙ）の方向とで、同一の変位量である場合、同一の電圧を出力することが好ましい。このため、歪ゲージ５１、５２、５３、５４は、トルク（Ｍｚ）方向と、トルク以外（Ｆｘ、Ｍｙ）の方向とで、起歪体４１の歪が等しい領域（測定の感度が等しい領域）に配置されることが好ましい。

【0090】

図１４は、トルクセンサ１０にトルク（Ｍｚ）方向の力が印加された場合と、トルク以外（Ｆｘ，Ｍｙ）の方向の力が印加された場合における起歪体４１の様子を模式的に示している。

【0091】

第１構造体１１と第２構造体１２との間に設けられた起歪体４１の動きをマクロ的に観察すると、トルクセンサ１０にトルク（Ｍｚ）方向の力が印加された場合と、トルク以外（Ｆｘ，Ｍｙ）の方向の力が印加された場合のいずれにおいても、起歪体４１をせん断方向に変化させているように見える。

【0092】

しかし、第１構造体１１と第２構造体１２との間に設けられた起歪体４１の動きをミクロ的に観察すると、トルクセンサ１０にトルク（Ｍｚ）方向の力が印加された場合、起歪体４１には、回転力が作用する。一方、トルクセンサ１０にトルク以外（Ｆｘ，Ｍｙ）の方向の力が印加された場合、起歪体４１には、並進力が作用する。このため、トルク（Ｍｚ）方向の力が印加された場合と、トルク以外（Ｆｘ，Ｍｙ）の方向の力が印加された場合において、起歪体４１の変形に差が生じる。

【0093】

すなわち、起歪体４１の第２構造体１２側の領域ＡＲ１の変形と、起歪体４１の第１構造体１１側の領域ＡＲ２の変形とに差が生じる。具体的には、起歪体４１の領域ＡＲ１において、トルク（Ｍｚ）方向の力が印加された場合における起歪体４１の歪と、トルク以外（Ｆｘ、Ｍｙ）の方向の力が印加された場合における起歪体４１の歪との差は、起歪体４１の領域ＡＲ２において、トルク（Ｍｚ）方向の力が印加された場合における起歪体４１の歪と、トルク以外（Ｆｘ、Ｍｙ）の方向の力が印加された場合における起歪体４１の歪との差より小さい。

【0094】

つまり、第２構造体１２側の領域ＡＲ１は、トルク方向（Ｍｚ）の力が印加された場合における起歪体４１の歪と、トルク以外（Ｆｘ、Ｍｙ）の方向の力が印加された場合における起歪体４１の歪との差が小さい。

【0095】

このため、領域ＡＲ１に複数の歪ゲージ５１、５２、５３、５４を配置した場合、トルク（Ｍｚ）の検出感度と、トルク以外（Ｆｘ、Ｍｙ）の検出感度の差は、１％未満と少ない。これに対して、領域ＡＲ２に複数の歪ゲージ５１、５２、５３、５４を配置した場合、トルクの検出感度と、トルク以外の検出感度の差は、数％である。したがって、第２構造体１２側の領域ＡＲ１に複数の歪ゲージ５１、５２、５３、５４を配置することが好ましい。
（第２の実施形態の効果）
上記第２の実施形態によれば、第１歪センサ１９と第２歪センサ２０のそれぞれは、第１構造体１１と、第２構造体１２との間に接続された起歪体４１と、起歪体４１に設けられたセンサ素子としての複数の歪ゲージ５１、５２、５３、５４とを具備し、複数の歪ゲージ５１、５２、５３、５４は、起歪体４１の長手方向中央部ＣＴより第２構造体１２側の領域ＡＲ１に配置されている。起歪体４１の領域ＡＲ１は、第１歪センサ１９と第２歪センサ２０のそれぞれに、トルク方向の力が印加された場合の歪（感度）（ａ１、ａ２）と、トルク以外の方向の力が印加された場合の歪（感度）（ｂ１、ｂ２）の差が少ない領域である（ａ１≒ｂ１、ａ２≒ｂ２、ａ１≠ａ２）。このため、第１歪センサ１９と第２歪センサ２０のそれぞれに対してトルクの感度を調整することによって、第１構造体１１、第２構造体１２、第３構造体１３の加工精度や、第１構造体１１、第２構造体１２に対する第１歪センサ１９と第２歪センサ２０の配置精度に依存することなく、トルクの検出精度の低下を防止することができる。

【0096】

しかも、起歪体４１の領域ＡＲ１に配置されたブリッジ回路５０は、トルク方向の力とトルク以外の方向の力に対する検出感度の差が小さいため、第１歪センサ１９と第２歪センサ２０の出力電圧の誤差も小さい。このため、２つのブリッジ回路５０から出力される電圧を校正する際、トルクに対する検出誤差を校正するだけで、トルク以外の検出誤差も校正することができる。したがって、トルク以外（Ｆｘ，Ｍｙ）の方向の力を検出するために別の歪センサを設ける必要がないため、校正時間を短縮でき、高速な応答を実現することが可能である。

【0097】

以下、第２の実施形態の効果について具体的に説明する。

【0098】

図１５は、比較例に係るトルクセンサ６０を概略的に示している。このトルクセンサ６０は、第１構造体１１と第２構造体１２との間に第１歪センサ６１と第２歪センサ６２を具備している。第１歪センサ６１と第２歪センサ６２は、それぞれ起歪体６３を有し、起歪体６３のそれぞれに、図１３に示すブリッジ回路を構成する複数の歪ゲージ５１、５２、５３、５４が配置されている。図１５は、概略図であるため、第３構造体１３は、省略している。

【0099】

比較例において、歪ゲージ５１、５２、５３、５４の配置が第２の実施形態と相違している。すなわち、歪ゲージ５２、５３は、起歪体６３の第１構造体１１側の領域に配置され、歪ゲージ５１、５４は、起歪体６３の第２構造体１２側の領域に配置されている。

【0100】

図１５に示す構成の場合、第１構造体１１側の領域に配置された歪ゲージ５２、５３は、トルク（Ｍｚ）方向とトルク以外（Ｆｘ、Ｍｙ）の方向とで、起歪体６３の歪が異なる。このため、トルク（Ｍｚ）方向の力が印加された場合の第１歪センサ６１の感度と第２歪センサ６２の感度と、トルク以外（Ｆｘ、Ｍｙ）の方向の力が印加された場合の第１歪センサ６１の感度と第２歪センサ６２の感度との差が大きい。

【0101】

具体的には、トルクセンサ６０にトルク以外（Ｆｘ、Ｍｙ）の方向の力を印加した場合、トルク以外（Ｆｘ、Ｍｙ）の方向の感度は、トルク（Ｍｚ）方向の感度と異なるため、第１歪センサ６１の出力電圧の値（正の値）と、第２歪センサ６２の出力電圧の値（負の値）は、互いに異なる。このため、トルクセンサ６０は、第１歪センサ６１と第２歪センサ６２の平均値からなる誤差を出力することとなる。

【0102】

一方、第２の実施形態のトルクセンサ１０の場合、トルクセンサ１０にトルク以外（Ｆｘ、Ｍｙ）の方向の力を印加した場合、トルク以外（Ｆｘ、Ｍｙ）の方向の感度は、トルク（Ｍｚ）方向の感度と一致している。よって、第１歪センサ１９の出力電圧の値（正の値）（Ｖｏｕｔ１）と、第２歪センサ２０の出力電圧の値（負の値）（－Ｖｏｕｔ２）は、ほぼ等しくなる（｜Ｖｏｕｔ１｜≒｜－Ｖｏｕｔ２｜）。このため、トルクセンサ１０の出力は、第１歪センサ６１と第２歪センサ６２の出力電圧が相殺され、ほぼ０となる。したがって、第２の実施形態の場合、トルク以外（Ｆｘ、Ｍｙ）の方向の力に対する検出誤差を低減することができる。

【0103】

比較例に係るトルクセンサ６０の場合、トルク（Ｍｚ）方向とトルク以外（Ｆｘ、Ｍｙ）の方向とで、第１歪センサ６１と第２歪センサ６２の出力電圧の誤差が大きい（｜Ｖｏｕｔ１｜≠｜－Ｖｏｕｔ２｜）。このため、これらの誤差を校正するために、トルク方向の検出誤差を修正する校正と、トルク以外の方向の検出誤差を修正する校正を行う必要がある。したがって、比較例に係るトルクセンサ６０は、トルク以外の方向の力を検出するための歪ゲージを含むブリッジ回路を別途設ける必要がある。このため、比較例に係るトルクセンサ６０は、回路基板の大型化やソフトウェアによる演算処理時間が増加し、第２の実施形態に比べて調整作業が煩雑であり、応答性が低下する。

【0104】

一方、第２の実施形態の場合、トルク（Ｍｚ）方向とトルク以外（Ｆｘ、Ｍｙ）の方向とで、第１歪センサ１９と第２歪センサ２０の出力電圧の誤差が殆どない。このため、トルク方向の検出誤差を修正するだけでよい。したがって、校正時間を短縮することができ、トルクセンサの応答性能を向上することが可能である。

【0105】

また、第２の実施形態は、トルクセンサ１０の構造に限定されず、歪ゲージ５１、５２、５３、５４が領域ＡＲ１に配置されていればよい。このため、第２の実施形態に係る配置を、例えば図９に示すような構造のトルクセンサ３０に適用しても第２の実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
（第３の実施形態）
図１６は、第３の実施形態を示すものであり、図１のＢで示す部分を拡大して示している。

【0106】

図２を参照して説明したように、第１歪センサ１９は、ストッパー１６により覆われ、第２歪センサ２０は、ストッパー１７により覆われている。ストッパー１６及びストッパー１７は、例えばステンレス鋼や鉄系の合金により形成される。ストッパー１６及びストッパー１７は、第１歪センサ１９と第２歪センサ２０の機械的な変形を防止、歪ゲージ５１、５２、５３、５４を保護する。さらに、ストッパー１６及びストッパー１７は、第１歪センサ１９と第２歪センサ２０の防水カバーを兼ねている。具体的な防水構造については、説明を省略する。

【0107】

ストッパー１６とストッパー１７の構成は同一であるため、ストッパー１６についてのみ説明する。

【0108】

図１６に示すように、ストッパー１６は、一端部１６ａと他端部１６ｂを有し、ストッパー１６の他端部１６ｂの幅は、一端部１６ａの幅より狭くされている。ストッパー１６の一端部１６ａは、第４構造体１４の第２構造体１２側に形成された係合部としての凹部１４ｆ内に例えば圧入され、固定される。ストッパー１６の他端部１６ｂは、第４構造体１４の第１構造体１１側に形成された凹部１４ｆ内に配置される。ストッパー１６の他端部１６ｂの幅は、第１構造体１１側に設けられた凹部１４ｆの幅より狭く、ストッパー１６の他端部１６ｂの両側と、凹部１４ｆの側面との間には、間隙ＧＰがそれぞれ設けられる。

【0109】

間隙ＧＰは、第３構造体１３の剛性と定格トルクにより決定される。

【0110】

具体的には、トルクセンサ１０に例えば１０００Ｎ・ｍのトルクが印加された場合、第１構造体１１が第２構造体１２に対して例えば１０μｍ変形する場合、間隙ＧＰは、例えば１０μｍに設定される。

【0111】

図１７Ａ、図１７Ｂは、ストッパーの動作を示すものであり、図１６の一部を模式的に示している。

【0112】

図１７Ａに示すように、トルクセンサ１０にトルクが印加されていない場合、ストッパー１６の他端部１６ｂの両側と凹部１４ｆとの間には、それぞれ予め定められた間隙ＧＰが設けられている。この状態において、トルクセンサ１０に定格トルク以下のトルクが印加された場合、第１構造体１１が第２構造体１２に対して移動し、第１歪センサ１９から印加されたトルクに対応する電圧が出力される。トルクセンサ１０へのトルクの印加が除去されると、第１歪センサ１９は弾性変形により復帰する。

【0113】

一方、図１７Ｂに示すように、トルクセンサ１０に定格トルクより大きなトルクが印加された場合、第１構造体１１の凹部１４ｆの側面がストッパー１６の他端部１６ｂに当接され、第２構造体１２に対する第１構造体１１の移動が制限される。このため、第１歪センサ１９は、弾性変形の範囲で保護される。トルクセンサ１０へのトルクの印加が除去されると、第１歪センサ１９は弾性変形により復帰する。第２歪センサ２０も同様の構成により保護される。

【0114】

図１８は、トルクセンサ１０に印加される負荷としてのトルクとストッパー１６の動作の関係を説明するために示す図であり、トルクセンサ１０に印加されるトルクと、検出される歪（ブリッジ回路５０の出力電圧）との関係を概略的に示している。

【0115】

図１８に示すように、トルクセンサ１０に定格トルク以下のトルクが印加された場合、第１歪センサ１９（第２歪センサ２０）の起歪体４１は、第１構造体１１が第２構造体１２に対して移動し、印加されたトルクに対応する電圧が第１歪センサ１９（第２歪センサ２０）から出力される。

【0116】

一方、トルクセンサ１０に定格トルクより大きなトルクが印加されると、凹部１４ｆの側面がストッパー１６に当接し、ストッパー１６（ストッパー１７）の剛性により複数の第３構造体１３の変形が抑制され、それに伴い起歪体４１の変形が抑制される。すなわち、ストッパー１６の動作点Ｏｐは、トルクセンサ１０の定格トルクと等しく設定され、ストッパー１６は、定格トルクより大きなトルクに対して、起歪体４１を保護している。
（第３の実施形態の効果）
上記第３の実施形態によれば、第１歪センサ１９及び第２歪センサ２０にカバーとしてのストッパー１６を設け、ストッパー１６の一端部１６ａは、第２構造体１２側の凹部１４ｆ内に固定され、他端部１６ｂは、トルクセンサ１０に定格トルクより大きなトルクが印加された場合、第１構造体１１側の凹部１４ｆの側面に当接する。このため、第１歪センサ１９及び第２歪センサ２０を保護することが可能である。さらに、第１歪センサ１９及び第２歪センサ２０以外の構造体も、第１歪センサ１９及び第２歪センサ２０と同様に、塑性変形などから保護される。

【0117】

しかも、トルクセンサ１０の定格トルクを歪ゲージの０．２％耐力に近づけることができる。このため、定格トルクにおけるブリッジ回路５０の出力電圧を大きくすることができる。したがって、高分解能、高精度のトルクセンサを提供することができる。

【0118】

図１９は、歪ゲージの歪と応力の関係を示すものであり、第３の実施形態に係るトルクセンサの定格トルクと、比較例としてのストッパー１６及びストッパー１７を持たないトルクセンサの定格トルクと、を示している。

【0119】

比較例としてのストッパー１６及びストッパー１７を持たない一般的なトルクセンサの場合、歪ゲージは、衝撃や疲労に対する安全率を３乃至５程度に設定して設計される。安全率を例えば３とした場合、歪ゲージの応力は、０．２％耐力の１／３に設定される。このため、定格トルクも、破壊トルクの１／３に設定される。

【0120】

これに対して、第３の実施形態の場合、ストッパー１６及びストッパー１７により第１歪センサ１９及び第２歪センサ２０を保護しているため、歪ゲージの安全率を１以上に設定する必要がない。このため、歪ゲージの定格トルクをストッパー１６及びストッパー１７を持たない一般的なトルクセンサより大きく設定することができる。したがって、高分解能、高精度のトルクセンサを提供することができる。

【0121】

さらに、ストッパー１６の剛性を高めることにより、高許容負荷（高最大トルク）のトルクセンサを提供することができる。
（変形例）
図２０は、第３の実施形態の第１の変形例を示すものである。第３の実施形態において、ストッパー１６は、他端部１６ｂが第１構造体１１側の凹部１４ｆの側面に当接することにより、第１歪センサ１９を保護した。

【0122】

第１の変形例において、ストッパー１６の他端部１６ｂは、開口部１６ｂ－１を有し、第４構造体１４の第１構造体１１側には、開口部１６ｂ－１内に挿入された突起１４ｇが設けられている。開口部１６ｂ－１と突起１４ｇの間には、間隙ＧＰ１が設けられている。間隙ＧＰ１の寸法は、例えば間隙ＧＰの寸法以下である。このため、トルクセンサ１０に許容トルクより大きなトルクが印加された場合、ストッパー１６の開口部１６ｂ－１に突起１４ｇが当接することにより、第１歪センサ１９を保護することができる。

【0123】

第２歪センサ２０のストッパー１７もストッパー１６と同様の構成を具備している。

【0124】

上記第１の変形例によっても、第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。しかも、第１の変形例によれば、ストッパー１６の開口部１６ｂ－１に突起１４ｇが当接することにより、一層、第１歪センサ１９（第２歪センサ２０）を保護することが可能である。

【0125】

図２１は、第３の実施形態の第２の変形例を示している。

【0126】

第３の実施形態は、ストッパー１６とストッパー１７を具備しているのに対して、第２の変形例は、さらに、４つのストッパー１６－１、１６－２、１７－１、１７－２を具備している。すなわち、ストッパー１６－１、１６－２、１７－１、１７－２の構造は、ストッパー１６とストッパー１７と同様である。

【0127】

第２の変形例によっても第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。しかも、第２の変形例によれば、第３の実施形態に比べてストッパーの数が多いため、一層第１歪センサ１９、第２歪センサ２０を保護することが可能である。

【0128】

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。

【符号の説明】

【0129】

１０…トルクセンサ、１１…第１構造体、１２…第２構造体、１３…第３構造体、１４…第４構造体、１４ａ…第１接続部、１４ｂ…第２接続部、１４ｃ…第３接続部、１４ｄ…第４接続部、１４ｅ…開口部、１４ｆ…凹部（係合部）、１４ｇ…突起、１５…第５構造体、１６、１６－１、１６－２…ストッパー、１６ｂ－１…開口部、１７、１７－１、１７－２…ストッパー、１９…第１歪センサ、２０…第２歪センサ、４１…起歪体、ＧＰ、ＧＰ１…間隙、５１、５２、５３、５４…センサ素子としての歪ゲージ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図8D】

【図8E】

【図8F】

【図8G】

【図8H】

【図9】

【図10A】

【図10B】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17A】

【図17B】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【手続補正書】

【提出日】2021-11-05

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項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構造体とを接続する複数の第３構造体と、
前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられた少なくとも１つの第４構造体と、
前記第４構造体に設けられた歪センサと、
を具備し、
前記第４構造体は、
前記第１構造体に設けられ、前記歪センサの一端部が接続される第１接続部と、
前記第２構造体に設けられ、前記歪センサの他端部が接続される第２接続部と、
前記第１接続部と前記第２接続部との間に設けられ、前記第１接続部及び前記第２接続部のトルク方向の剛性より低いトルク方向の剛性を有し、トルク以外の方向の力に対してトルク方向の剛性より高い剛性を有する第３接続部と第４接続部と、
を具備することを特徴とするトルクセンサ。

【請求項2】

環状の第１構造体と、
前記第１構造体と同心状に配置された環状の第２構造体と、
前記第１構造体と前記第２構造体とを接続する複数の第３構造体と、
前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられた少なくとも１つの第４構造体と、
前記第４構造体に設けられた歪センサと、
を具備し、
前記第４構造体は、
前記第１構造体に設けられ、前記歪センサの一端部が接続される第１接続部と、
前記第２構造体に設けられ、前記歪センサの他端部が接続される第２接続部と、
前記第１接続部と前記第２接続部との間に設けられ、前記第１接続部及び前記第２接続部のトルク方向の剛性より低いトルク方向の剛性を有し、トルク以外の方向の力に対してトルク方向の剛性より高い剛性を有する第３接続部と第４接続部と、
を具備することを特徴とするトルクセンサ。

【請求項3】

前記第３接続部と前記第４接続部の前記第１構造体から前記第２構造体へと向かう方向に沿った長さは、前記第３構造体の前記第１構造体から前記第２構造体へと向かう方向に沿った長さより短いことを特徴とする請求項１又は２記載のトルクセンサ。

【請求項4】

前記第３接続部と前記第４接続部の前記第１構造体から前記第２構造体へと向かう方向と交差し、前記第１構造体の平面に沿った方向の幅は、前記第３構造体の前記第１構造体から前記第２構造体へと向かう方向と交差し、前記第１構造体の平面に沿った方向の幅より狭いことを特徴とする請求項１又は２記載のトルクセンサ。

【請求項5】

前記第１接続部と前記第２接続部の前記第１構造体から前記第２構造体へと向かう方向と交差し、前記第１構造体の平面に沿った方向の幅は、前記第３接続部と前記第４接続部の前記第１構造体から前記第２構造体へと向かう方向と交差し、前記第１構造体の平面に沿った方向の幅より広いことを特徴とする請求項１又は２記載のトルクセンサ。

【請求項6】

前記第１接続部と前記第２接続部の前記第１構造体から前記第２構造体へと向かう方向と交差し、前記第１構造体の平面と交差する方向の厚さは、前記第３接続部と前記第４接続部の前記第１構造体から前記第２構造体へと向かう方向と交差し、前記第１構造体の平面と交差する方向の厚さより薄いことを特徴とする請求項１又は２記載のトルクセンサ。

【請求項7】

前記第１接続部にトルク方向の力を印加した場合の断面二次モーメントをＪｓで表し、前記第３接続部及び前記第４接続部にトルク方向の力を印加した場合の断面二次モーメントをＪｗで表し、前記第１接続部にトルク方向以外の力を印加した場合の断面二次モーメントをＩｓで表し、前記第３接続部及び前記第４接続部にトルク方向以外の力を印加した場合の断面二次モーメントをＩｗで表した場合、Ｊｓ、Ｊｗ、Ｉｓ、Ｉｗが次式
Ｊｓ／Ｊｗ＞Ｉｓ／Ｉｗ
の関係を満たすことを特徴とする請求項１又は２記載のトルクセンサ。

【請求項8】

前記第４構造体は、前記歪センサが配置される凹部を有し、前記歪センサの表面は、前記第１構造体、前記第２構造体、複数の前記第３構造体、及び少なくとも１つの前記第４構造体からなる構造体の重心を含む面と一致されていることを特徴とする請求項１又は２記載のトルクセンサ。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0007】

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構造体とを接続する複数の第３構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられた少なくとも１つの第４構造体と、前記第４構造体に設けられた歪センサと、を具備し、前記第４構造体は、前記第１構造体に設けられ、前記歪センサの一端部が接続される第１接続部と、前記第２構造体に設けられ、前記歪センサの他端部が接続される第２接続部と、前記第１接続部と前記第２接続部との間に設けられ、前記第１接続部及び前記第２接続部のトルク方向の剛性より低いトルク方向の剛性を有し、トルク以外の方向の力に対してトルク方向の剛性より高い剛性を有する第３接続部と第４接続部と、を具備する。

【手続補正3】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３８

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0038】

第４構造体１４の高剛性部ＨＳ２を固定し、高剛性部ＨＳ１にトルク（Ｍｚ）方向の力を印加した場合の断面二次モーメントをＪｓで表し、低剛性部ＬＳ１、ＬＳ２にトルク（Ｍｚ）方向の力を印加した場合の断面二次モーメントをＪｗで表し、高剛性部ＨＳ１にトルク以外（Ｆｚ）の方向の力を印加した場合の断面二次モーメントをＩｓで表し、低剛性部ＬＳ１、ＬＳ２にトルク以外（Ｆｚ）の方向の力を印加した場合の断面二次モーメントをＩｗで表わすとする。

【手続補正4】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３９

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0039】

トルク（Ｍｚ）方向の高剛性部ＨＳ１の断面二次モーメントと、低剛性部ＬＳ１、ＬＳ２の断面二次モーメントの比は、次式（１）で表される。

【手続補正5】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４０

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0040】

Ｊｓ／Ｊｗ …（１）

【手続補正6】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４９

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0049】

尚、ｅ_１は、第１構造体１１、第２構造体１２、複数の第３構造体１３、第４構造体１４、及び第５構造体１５からなる弾性体としての構造体における重心の位置であり、構造体の厚みの半分である。このため、厚みＨ＝１２に対してｅ_１≒６となる。したがって、ｅ_２≒６となる。

【手続補正7】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００６５

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0065】

図８Ｈは、凹部１４ｆと第１歪センサ１９（起歪体）の位置関係を示している。前述したように、凹部１４ｆの底部は、第４構造体１４の厚みの中央Ｈ／２以下に位置している。具体的には、第１歪センサ１９を構成する起歪体の表面を、第１構造体１１、第２構造体１２、複数の第３構造体１３、第４構造体１４及び第５構造体１５からなる構造体の重心を含む面ＣＧに位置させるため、凹部１４ｆの底部は、第４構造体１４の重心を含む面ＣＧより、起歪体の厚みだけ低い位置とされている。この位置は、中立面であり、起歪体に対して圧縮力及び引張力が加わらない。このため、起歪体の曲げ方向、すなわちトルク以外（Ｆｚ）の方向の歪を低減することが可能である。
（第１の実施形態の効果）
第１の実施形態によれば、第１歪センサ１９が設けられる第４構造体１４、及び第２歪センサ２０が設けられる第５構造体１５は、それぞれトルク（Ｍｚ）方向及びトルク以外（Ｆｚ、Ｍｘ）の方向の力に対して高剛性部として作用する第１接続部１４ａ及び第２接続部１４ｂと、トルク（Ｍｚ）方向の力に対して低剛性部として作用し、トルク以外（Ｆｚ、Ｍｘ）の方向の力に対して高剛性部として作用する第３接続部１４ｃ及び第４接続部１４ｄを具備している。このため、第１歪センサ１９及び第２歪センサ２０の歪ゲージ５１、５２、５３、５４にトルク以外の方向の力によって生じる歪が集中することを防止できる。したがって、歪ゲージ５１、５２、５３、５４に印加される歪の絶対量を低減でき、第１歪センサ１９及び第２歪センサ２０のトルク以外の方向の力に対する検出電圧を大幅に低減できる。よって、トルクやトルク以外の他軸干渉を防止して形状の大型化を防止でき、高精度のトルクセンサを提供することが可能である。

【手続補正8】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００８３

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0083】

図１３は、第１歪センサ１９のブリッジ回路５０の一例を示している。第２歪センサ２０もブリッジ回路５０と同様の構成のブリッジ回路を具備している。第１歪センサ１９のブリッジ回路５０の出力電圧と、第２歪センサ２０のブリッジ回路５０の出力電圧のそれぞれは、図示せぬ例えばソフトウェアを用いて、オフセットや温度などが補償される。この後、第１歪センサ１９のブリッジ回路５０の出力電圧と、第２歪センサ２０のブリッジ回路５０の出力電圧が統合されて、トルクセンサ１０の検出電圧として出力される。オフセットや温度などの補償は、ソフトウェアに限定されるものではなく、ハードウェアによっても可能である。

【手続補正9】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０１０６

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0106】

図２を参照して説明したように、第１歪センサ１９は、ストッパー１６により覆われ、第２歪センサ２０は、ストッパー１７により覆われている。ストッパー１６及びストッパー１７は、例えばステンレス鋼や鉄系の合金により形成される。ストッパー１６及びストッパー１７は、第１歪センサ１９と第２歪センサ２０の機械的な変形を防止し、歪ゲージ５１、５２、５３、５４を保護する。さらに、ストッパー１６及びストッパー１７は、第１歪センサ１９と第２歪センサ２０の防水カバーを兼ねている。具体的な防水構造については、説明を省略する。

【手続補正10】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０１２６

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0126】

第３の実施形態は、ストッパー１６とストッパー１７を具備しているのに対して、第２の変形例は、さらに、４つのストッパー１６－１、１６－２、１７－１、１７－２を具備している。ストッパー１６－１、１６－２、１７－１、１７－２の構造は、ストッパー１６とストッパー１７と同様である。