特開 2023-34601 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】P2023034601

(43)【公開日】2023-03-13

(54)【発明の名称】トルクセンサ

(51)【国際特許分類】

   G01L 3/10 20060101AFI20230306BHJP

【ＦＩ】

G01L3/10 315

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021140917

(22)【出願日】2021-08-31

(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】弁理士法人スズエ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】阿部 純一

(57)【要約】

【課題】 軸方向の厚みを低減することが可能なトルクセンサを提供する。
【解決手段】 第１構造体１１は、第１固定部１３ａと第２固定部１３ｂと、複数の突起１１ｆとを含む。起歪体１２は、第１構造体の複数の突起に対応して配置された複数の変形部１２ｆと、第３固定部１４ａと、第４固定部１４ｂとを含む。複数の第１電極１５ａは、複数の突起１１ｆのそれぞれに配置される。複数の第２電極１５ｂは、複数の変形部１２ｆの内側にそれぞれ設けられ、複数の第１電極のそれぞれから離間して配置される。第１固定部と第２固定部はトルクの入力部と出力部の一方であり、第３固定部と第４固定部はトルクの入力部と出力部の他方である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１面と、前記第１面に平行な第２面と、前記第１面に配置された第１固定部と、前記第１面で、前記第１固定部から点対称の位置に配置された第２固定部と、前記第２面で、前記第１固定部と前記第２固定部からそれぞれ一定間隔離れた位置に設けられた複数の突起と、を含む第１構造体と、
第３面と、前記第３面に平行な第４面と、前記第３面に前記第１構造体の前記複数の突起に対応して配置され、前記第３面から前記第４面方向に窪み、弾性変形可能な複数の変形部と、を含み、前記第３面が前記第１構造体の前記第１固定部と前記第２固定部に固定され、前記第４面で、前記第１固定部と前記第２固定部と隣り合わず、前記複数の変形部と異なる位置に対応する部分に配置された第３固定部と、前記第３固定部と点対称の位置に配置された第４固定部と、を含む起歪体と、
前記複数の突起のそれぞれに配置された複数の第１電極と、
前記複数の変形部の内側にそれぞれ設けられ、前記複数の第１電極のそれぞれから離間された複数の第２電極と、
を具備し、
前記第１固定部と前記第２固定部がトルクの入力部と出力部の一方であり、前記第３固定部と前記第４固定部が前記トルクの入力部と出力部の他方であることを特徴とするトルクセンサ。

【請求項2】

第１面と、前記第１面に平行な第２面と、前記第１面に配置された第１固定部と、前記第１固定部から点対称の位置に配置された第２固定部と、前記第２面で、前記第１固定部と前記第２固定部からそれぞれ一定間隔離れた位置に設けられた複数の第１電極と、を含む第１構造体と、
第３面と、前記第３面に平行な第４面と、前記第３面に前記第１構造体の前記複数の第１電極に対応して配置され、前記第３面から前記第４面方向に窪み、弾性変形可能な複数の変形部と、を含み、前記第３面が前記第１構造体の前記第１固定部と前記第２固定部に固定され、前記第４面で、前記第１固定部と前記第２固定部と隣り合わず、前記複数の変形部と異なる位置に対応する部分配置された第３固定部と、前記第３固定部と点対称の位置に配置された第４固定部と、を含む起歪体と、
前記複数の変形部の内側にそれぞれ設けられ、前記複数の第１電極のそれぞれから離間された複数の第２電極と、
を具備し、
前記第１固定部と前記第２固定部は、トルクの入力部と出力部の一方であり、前記第３固定部と前記第４固定部は、前記トルクの入力部と出力部の他方であることを特徴とするトルクセンサ。

【請求項3】

前記起歪体の前記第４面に設けられ、前記第３固定部と前記第４固定部において、前記起歪体に固定される第２構造体を、さらに具備することを特徴とする請求項１又は２に記載のトルクセンサ。

【請求項4】

環状の第１面と、前記第１面に平行な環状の第２面と、前記第１面の外周と前記第２面の外周との間の第１側面と、前記第１面の内周と前記第２面の内周との間の第２側面と、前記第１側面から前記第２側面に設けられた第１固定部と、前記第１固定部から点対称の位置に配置され、前記第１側面から前記第２側面に設けられた第２固定部と、前記第１固定部と前記第２固定部からそれぞれ一定間隔離れた位置で、前記第２側面に設けられた複数の突起と、を含む第１構造体と、
前記第１構造体の内側に同心状に配置され、前記第１構造体の前記第１面に隣接する環状の第３面と、前記第３面に平行な環状の第４面と、前記第３面の外周と前記第４面の外周との間の第３側面と、前記第３面の内周と前記第４面の内周との間の第４側面と、前記第１構造体の前記複数の突起が設けられた位置に対応して配置され、前記第３面から前記第４面方向に窪み、弾性変形可能で、内部に前記複数の突起が配置される複数の変形部と、前記第４面で、前記第１固定部及び前記第２固定部と隣り合わず、前記複数の突起と異なる位置に対応する位置に配置された第３固定部と、前記第３固定部と点対象の位置に配置された第４固定部と、を含む、起歪体と、
前記第１構造体の前記複数の突部のそれぞれに配置された複数の第１電極と、
前記複数の変形部の内側にそれぞれ設けられ、前記複数の第１電極のそれぞれから離間された複数の第２電極と、
を具備し、
前記第１構造体の前記第１固定部と前記第２固定部に対応する部分がトルクの入力部と出力部の一方であり、前記起歪体の前記第３固定部と前記第４固定部が前記トルクの入力部と出力部の他方であることを特徴とするトルクセンサ。

【請求項5】

環状の第１面と、前記第１面に平行な環状の第２面と、前記第１面の外周と前記第２面の外周との間の第１側面と、前記第１面の内周と前記第２面の内周との間の第２側面と、前記第１側面から前記第２側面に設けられた第１固定部と、前記第１固定部から点対称の位置に配置され、前記第１側面から前記第２側面に設けられた第２固定部と、を含む第１構造体と、
前記第１構造体の内側に同心状に配置され、前記第１構造体の前記第１面に隣接する環状の第３面と、前記第３面に平行な環状の第４面と、前記第３面の外周と前記第４面の外周との間の第３側面と、前記第３面の内周と前記第４面の内周との間の第４側面と、前記第１構造体の前記第１固定部と前記第２固定部と対応する部分以外で、前記第１固定部及び前記第２固定部から一定間隔離れた位置に配置され、前記第３面から前記第４面方向に窪み、弾性変形可能な複数の変形部と、を含み、前記第３側面が前記第１構造体の前記第１固定部と前記第２固定部に固定された起歪体と、
前記起歪体の内側に同心状に配置され、前記起歪体の前記第３面に隣接する環状の第５面と、前記第５面に平行な環状の第６面と、前記第５面の外周と前記第６面の外周との間の第５側面と、前記第５面の内周と前記第６面の内周との間の第６側面と、前記第５側面で、前記複数の変形部に対応する位置に配置された複数の突起と、前記第１固定部と前記第２固定部と隣り合う領域以外で、一対の前記突起の間の領域に配置された第３固定部と、前記第３固定部と点対称の位置に配置された第４固定部と、を含み、前記第３固定部及び前記第４固定部において、前記起歪体に固定される第２構造体と、
前記第２構造体の前記複数の突部のそれぞれに配置された複数の第１電極と、
前記起歪体の前記複数の変形部の内側にそれぞれ設けられ、前記複数の第１電極のそれぞれから離間された複数の第２電極と、
を具備し、
前記第１構造体の前記第１面で、前記第１固定部と前記第２固定部に対応する位置がトルクの入力部と出力部の一方であり、前記第２構造体の第６面で、前記第３固定部と前記第４固定部に対応するが前記トルクの入力部と出力部の他方であることを特徴とするトルクセンサ。

【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等に適用されるトルクセンサに関する。

【背景技術】

【0002】

この種のトルクセンサは、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構造体との間に配置された起歪体を具備し、起歪体に生じた歪を検知する複数のセンサが起歪体上又は起歪体と第１構造体又は第２構造体との間に配置されている（例えば特許文献１、２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第６８５１８９３号公報

【特許文献2】特許第６２７０１８６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記トルクセンサは、第１構造体、第２構造体、及び起歪体が軸方向に積層されて構成される。このため、軸方向における第１構造体、第２構造体、及び起歪体の厚みによりトルクセンサの厚みが確定され、トルクセンサの厚みが増加していた。

【0005】

本実施形態は、軸方向の厚みを低減することが可能なトルクセンサを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本実施形態のトルクセンサは、第１面と、前記第１面に平行な第２面と、前記第１面に配置された第１固定部と、前記第１面で、前記第１固定部から点対称の位置に配置された第２固定部と、前記第２面で、前記第１固定部と前記第２固定部からそれぞれ一定間隔離れた位置に設けられた複数の突起と、を含む第１構造体と、第３面と、前記第３面に平行な第４面と、前記第３面に前記第１構造体の前記複数の突起に対応して配置され、前記第３面から前記第４面方向に窪み、弾性変形可能な複数の変形部と、を含み、前記第３面が前記第１構造体の前記第１固定部と前記第２固定部に固定され、前記第４面で、前記第１固定部と前記第２固定部と隣り合わず、前記複数の変形部と異なる位置に対応する部分に配置された第３固定部と、前記第３固定部と点対称の位置に配置された第４固定部と、を含む起歪体と、前記複数の突起のそれぞれに配置された複数の第１電極と、前記複数の変形部の内側にそれぞれ設けられ、前記複数の第１電極のそれぞれから離間された複数の第２電極と、を具備し、前記第１固定部と前記第２固定部がトルクの入力部と出力部の一方であり、前記第３固定部と前記第４固定部が前記トルクの入力部と出力部の他方である。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】第１実施形態に係るトルクセンサを示す平面図。

【図2】図１に示すトルクセンサの第１構造体の例を示す平面図。

【図3】図１に示すトルクセンサの起歪体の例を示す平面図。

【図4】図１に示すトルクセンサの側面を概略的に示す図。

【図5】第１実施形態に係るトルクセンサに適用される検出回路の一例を示す構成図。

【図6】第１実施形態に係るトルクセンサの第１変形例を示すものであり、側面を概略的に示す図。

【図7】第１実施形態に係るトルクセンサの第２変形例を示すものであり、第２構造体の例を示す平面図。

【図8】第２変形例に係るトルクセンサの側面を概略的に示す図。

【図9】第２実施形態に係るトルクセンサを示す平面図。

【図10】図９に示すトルクセンサの第１構造体の例を示す平面図。

【図11】図９に示すトルクセンサの起歪体の例を示す平面図。

【図12】図９に示すトルクセンサの側面を概略的に示す図

【図13】第２実施形態に係るトルクセンサの変形例を示す平面図。

【図14】図１３に示すトルクセンサの第１構造体の例を示す平面図。

【図15】図１３に示すトルクセンサの起歪体の例を示す平面図。

【図16】図１３に示すトルクセンサの第２構造体の例を示す平面図。

【図17】図１３に示すトルクセンサの側面を概略的に示す図。

【発明を実施するための形態】

【0008】

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。

【0009】

（第１実施形態）
図１乃至図４に示すように、トルクセンサ１０は、第１構造体１１と、起歪体１２と、第１固定部１３ａと、第２固定部１３ｂと、第３固定部１４ａと、第４固定部１４ｂと、複数のセンサ１５などを具備している。第１固定部１３ａと第２固定部１３ｂは、複数のボルト１６を含み、第３固定部１４ａと第４固定部１４ｂは、複数のボルト１７を含んでいる。

【0010】

図１、図２に示すように、第１構造体１１と起歪体１２は、環状に形成されている。第１構造体１１の内径及び外径は、起歪体１２の内径及び外径と等しくされている。しかし、第１構造体１１の内径と起歪体１２の内径は、異なっていてもよい。第１構造体１１と起歪体１２は、金属、例えばステンレススチールにより形成されるが、金属に限らず、例えば樹脂により形成することも可能である。

【0011】

図１、図２、図４に示すように、第１構造体１１は、環状の第１面１１ａと、第１面１１ａに平行な第２面１１ｂと、第１面１１ａの外周と第２面１１ｂの外周との間の第１側面１１ｃと、第１面１１ａの内周と第２面１１ｂの内周との間の第２側面１１ｄと、を含んでいる。

【0012】

第１固定部１３ａは、ボルト１６が挿入される複数のネジ穴、又は複数の貫通孔１１ｅを含んでいる。複数の貫通孔１１ｅは、例えば第１面１１ａから第２面１１ｂに貫通されている。第２固定部１３ｂは、第１固定部１３ａと点対称の位置に配置されている。換言すると、第１固定部１３ａと第２固定部１３ｂは、第１構造体１１の直径方向に１８０°離れて配置されている。第２固定部１３ｂも第１固定部１３ａと同様に、複数のネジ穴、又は複数の貫通孔１１ｅを含んでいる。

【0013】

図２は、第１構造体１１を示している。図１、図２、図４に示すように、第１構造体１１は、第２面１１ｂに例えば４つの突起１１ｆを具備している。第１固定部１３ａに隣接する２つの突起１１ｆは、第１固定部１３ａから一定距離離れた位置に配置され、第２固定部１３ｂに隣接する２つの突起１１ｆも、第２固定部１３ｂから一定距離離れた位置に配置されている。具体的には、２つの突起１１ｆは、第１固定部１３ａの中心からそれぞれ４５°離れた位置に配置され、２つの突起１１ｆは、第２固定部１３ｂの中心からそれぞれ４５°離れた位置に配置されている。このため、４つの突起１１ｆは、互いに９０°離れた位置に配置されている。

【0014】

図２、図４に示すように、複数の突起１１ｆは、センサ１５を構成する第１電極１５ａをそれぞれ具備している。各第１電極１５ａは、各突起１１ｆの先端部、すなわち、第１構造体１１の第２面１１ｂと平行する面に設けられている。しかし、これに限らず、各第１電極１５ａは、例えば各突起１１ｆの側面、すなわち、第１構造体１１の第２面１１ｂと直交する面に設けてもよい。

【0015】

第１電極１５ａは、例えば導電性金属により形成され、図示せぬ絶縁性接着剤、又は絶縁シートを介して各突起１１ｆ上に接着される。突起１１ｆに対する第１電極１５ａの取付け方法は、接着に限定されるものではなく、例えば蒸着やスパッタなどを用いることも可能である。

【0016】

図３は、起歪体１２を示している。図１、図３、図４に示すように、起歪体１２は、環状の第３面１２ａと、第３面１２ａに平行な第４面１２ｂと、第３面１２ａの外周と第４面１２ｂの外周との間の第３側面１２ｃと、第３面１２ａの内周と第４面１２ｂの内周との間の第４側面１２ｄと、を含んでいる。

【0017】

起歪体１２は、第１構造体１１の第１固定部１３ａ及び第２固定部１３ｂと対応する位置に、複数のネジ穴１２ｅを有している。第１固定部１３ａ及び第２固定部１３ｂの複数の貫通孔又はネジ穴１１ｅに挿入された複数のボルト１６は、ネジ穴１２ｅに螺合される。

【0018】

さらに、起歪体１２は、第１構造体１１の複数の突起１１ｆと対応する位置に複数の変形部１２ｆを具備している。第１固定部１３ａに隣接する２つの変形部１２ｆは、第１固定部１３ａの中心からそれぞれ４５°離れた位置に配置され、第２固定部１３ｂに隣接する２つの変形部１２ｆは、第２固定部１３ｂの中心からそれぞれ４５°離れた位置に配置される。このため、４つの変形部１２ｆは、互いに９０°離れた位置に配置される。

【0019】

図４に示すように、各変形部１２ｆは、起歪体１２の第３面１２ａ側から第４面１２ｂ側に設けられた凹状の窪みであり、窪みの第３側面１２ｃ及び第４側面１２ｄと対応する部分は、切り欠かれている。起歪体１２の窪みの底部に対応する部分の厚みＴ１は、起歪体１２の他の部分（例えば第１固定部１３ａ、第２固定部１３ｂに対応する部分）の厚みＴ２の例えば１／２より薄くされている（Ｔ１＜Ｔ２／２）。このため、後述するように、起歪体１２にトルクが印加された場合、印加されたトルクに応じて変形部１２ｆが変形する。

【0020】

変形部１２ｆの形状は、これに限定されるものではなく、図４に破線Ａで示すように、起歪体１２の第４面１２ｂに凹部１２ｈを設けてもよい。凹部１２ｈは、起歪体１２の第４面１２ｂで、第２電極１５ｂに対応した位置に配置されている。具体的には、凹部１２ｈは、起歪体１２の第４面１２ｂ側から第３面１２ａ側に向けて設けられた窪み又は溝である。起歪体１２の第４面１２ｂに凹部１２ｈを設けることにより、変形部１２ｆは印加されたトルクに応じて一層変形し易くなり、トルクの検出精度を向上させることが可能となる。

【0021】

変形部１２ｆの形状は、さらに、図４に破線Ｂで示すように、起歪体１２の第４面１２ｂに変形部１２ｆに沿った凹部１２ｉを設けてもよい。凹部１２ｉを設けることにより、変形部１２ｆの厚みを薄くすることができるため、変形部１２ｆは印加されたトルクに応じて一層変形し易くなり、トルクの検出精度を向上させることが可能となる。

【0022】

図４に示す破線Ａ及びＢに示す変形例は、以下の実施形態にも適用することが可能である。

【0023】

各変形部１２ｆの内側で、各変形部１２ｆの例えば底部には、センサ１５を構成する第２電極１５ｂがそれぞれ配置されている。各第２電極１５ｂは、第１電極１５ａと同様に導電性金属により形成され、図示せぬ絶縁性接着剤、又は絶縁シートを介して各変形部１２ｆの底部上に接着される。しかし、第２電極１５ｂは、第１電極１５ａと同様に別の方法で形成することも可能である。

【0024】

各第２電極１５ｂが配置される位置は、各変形部１２ｆの底部に限定されるものではなく、第１電極１５ａと対向することが可能であれば、変形部１２ｆの内側面に設けることも可能である。

【0025】

第１構造体１１の第２面１１ｂに起歪体１２の第３面１２ａを連結した場合、図１、図４に示すように、各変形部１２ｆの内部に第１構造体１１の複数の突起１１ｆがそれぞれ挿入される。各突起１１ｆの第１構造体１１の第２面１１ｂからの高さは、各変形部１２ｆを構成する窪みの深さより低い。このため、突起１１ｆに設けられた第１電極１５ａと変形部１２ｆに設けられた第２電極１５ｂとの間には、一定の間隔が設けられる。

【0026】

第１電極１５ａと第２電極１５ｂは、キャパシタを構成し、このキャパシタの容量は、第１電極１５ａと第２電極１５ｂとの距離及び／又は対向面積により変化する。このため、起歪体１２にトルクが印加され、変形部１２ｆが変形することにより、第１電極１５ａと第２電極１５ｂとの距離及び／又は対向面積が変化して、キャパシタの容量が変化する。この容量の変化がトルクセンサ１０に印加されたトルクとして検出される。

【0027】

図３、図４に示すように、起歪体１２は、第４面１２ｂに第３固定部１４ａと第４固定部１４ｂを具備している。第３固定部１４ａ及び第４固定部１４ｂは、複数の変形部１２ｆ以外の位置で、第１固定部１３ａと第２固定部１３ｂに隣り合わない位置に配置されている。すなわち、第３固定部１４ａ及び第４固定部１４ｂの各中心は、第１固定部１３ａ及び第２固定部１３ｂの各中心から９０°離れた位置に配置されている。

【0028】

第３固定部１４ａと第４固定部１４ｂは、起歪体１２の第４面１２ｂに設けられた例えば複数のネジ穴１２ｇである。これらネジ穴１２ｇに、図１、図４に示すように、複数のボルト１７が螺合される。

【0029】

図４に示すように、起歪体１２の第３固定部１４ａ及び第４固定部１４ｂに対応する部分の厚みＴ３は、起歪体１２の他の部分（例えば第１固定部１３ａ、第２固定部１３ｂに対応する部分）の厚みＴ２より僅かに薄くされている（Ｔ３＜Ｔ２）。具体的には、起歪体１２の第３面１２ａにおいて、第３固定部１４ａ及び第４固定部１４ｂに対応する部分が削られ、この部分の厚みＴ３が起歪体１２の他の部分の厚みＴ２より僅かに薄くされている。

【0030】

上記構成において、第１構造体１１の第２面１１ｂに起歪体１２の第３面１２ａが取り付けられる。このとき、起歪体１２の第３面１２ａの第１固定部１３ａと第２固定部１３ｂと対応する部分が第１構造体１１の第２面１１ｂに接触され、起歪体１２の第３固定部１４ａと第４固定部１４ｂと対応する第３面１２ａは、第１構造体１１の第２面１１ｂに接触されない。すなわち、第１構造体１１の第２面１１ｂと、起歪体１２の第３固定部１４ａと第４固定部１４ｂと対応する部分の間には、間隙ＧＰが形成される。このため、第１構造体１１と起歪体１２との間の摩擦力が低減され、変形部１２ｆの変形を促進できる。したがって、トルクセンサ１０の感度を向上させることが可能である。

【0031】

さらに、第１構造体１１の複数の突起１１ｆは、起歪体１２の複数の変形部１２ｆの内部に挿入され、第１電極１５ａと第２電極１５ｂが所定間隔を空けて対向され、第１電極１５ａと第２電極１５ｂとにより、キャパシタが形成される。

【0032】

この状態において、第１固定部１３ａと第２固定部１３ｂに複数のボルト１６が装着され、第１構造体１１と起歪体１２は、複数のボルト１６により固定される。

【0033】

トルクセンサ１０を例えばロボットアームの関節に取り付ける場合、第１構造体１１の第１面１１ａに例えばトルクの入力部（例えばモータの動力を伝達するシャフト）又は出力部（例えばアーム）の一方が固定される。具体的には、第１構造体１１の第１固定部１３ａと第２固定部１３ｂに、複数のボルト１６を用いて、トルクの入力部又は出力部の一方が固定される。

【0034】

また、起歪体１２の第４面１２ｂに、例えばトルクの入力部又は出力部の他方が固定される。具体的には、起歪体１２の第３固定部１４ａと第４固定部１４ｂに複数のボルト１７により、トルクの入力部又は出力部の他方が固定される。

【0035】

トルクセンサ１０にトルクが印加された場合、第１構造体１１と起歪体１２が軸に対して時計回り又は反時計回りに相対的に変位される。このため、起歪体１２の複数の変形部１２ｆが変形し、第１電極１５ａと第２電極１５ｂとの間の距離、又は第１電極１５ａと第２電極１５ｂとの対向面積が変化する。したがって、第１電極１５ａと第２電極１５ｂとにより構成されたキャパシタの容量が変化する。この容量の変化が電圧に変換され、４つのキャパシタに対応する４つの電圧の和及び差が演算されてトルクが検出される。

【0036】

図５は、トルク検出回路の一例を示している。キャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４は、それぞれ第１電極１５ａと第２電極１５ｂとにより構成される。キャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の位置は、例えば図１に示す通りである。しかし、これに限定されるものではなく、後述する演算回路２２の回路構成に応じて変形可能である。

【0037】

キャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の第１電極１５ａと第２電極１５ｂは、それぞれ容量を電圧に変換するＣ／Ｖ変換器２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの入力端に接続される。Ｃ／Ｖ変換器２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの出力端は、演算回路２２に接続される。演算回路２２は、Ｃ／Ｖ変換器２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの出力電圧を演算し、トルクに対応する信号を出力する。

【0038】

第１実施形態において、キャパシタの数は４つであるが、突起１１ｆと変形部１２ｆの数を５つ以上に増加することも可能であり、演算回路２２は、キャパシタの数に応じて変形可能である。

【0039】

（第１実施形態の効果）
上記第１実施形態によれば、環状の第１構造体１１に設けられた複数の突起１１ｆにそれぞれ第１電極１５ａを設け、第１構造体１１に取り付けられる環状の起歪体１２に複数の変形部１２ｆを設け、各変形部１２ｆの内側の底部に第１電極１５ａと対向する第２電極１５ｂを配置している。起歪体１２を第１構造体１１に取付けた状態において、各突起１１ｆは、各変形部１２ｆの内部に挿入される。したがって、トルクセンサ１０の軸方向の厚みは、第１構造体１１の厚みと起歪体１２の厚みの合計であり、第１構造体１１の厚みと起歪体１２の厚みを必要な強度に応じて適宜設定することにより、トルクセンサ１０の厚みを薄くすることが可能である。

【0040】

また、起歪体１２の第３固定部１４ａと第４固定部１４ｂに対応する部分の厚みが起歪体１２の他の部分の厚みより薄くされ、起歪体１２の第３固定部１４ａと第４固定部１４ｂに対応する第３面１２ａと第１構造体１１の第２面１１ｂとの間に間隙ＧＰが形成されている。このため、第１構造体１１と起歪体１２との摩擦力を低減でき、トルクセンサ１０の感度を向上させることが可能である。

【0041】

（第１実施形態の第１変形例）
図６は、第１実施形態の第１変形例を示している。第１実施形態において、第１構造体１１は、複数の突起１１ｆを具備していた。これに対して、第１変形例において、第１構造体１１は、複数の突起１１ｆを具備しておらず、起歪体１２の変形部１２ｆに対応する位置に、第１電極１５ａが設けられている。第１電極１５ａの取付け方法は、第１実施形態と同様である。

【0042】

起歪体１２において、変形部１２ｆとしての窪みの深さは、第１構造体１１の第１電極１５ａと、変形部１２ｆの内部且つ底部に配置される第２電極１５ｂとの間の距離により規定される。すなわち、第１電極１５ａと第２電極１５ｂとの間の距離が第１実施形態と同様である場合、変形部１２ｆとしての窪みの深さを、第１実施形態に比べて浅くすることができる。このため、起歪体１２の軸方向の厚みＴ４を第１実施形態における起歪体１２の軸方向の厚みＴ２に比べて薄くすることができる（Ｔ４＜Ｔ２）。

【0043】

第１変形例においても、第１実施形態と同様に、図６に示すＡ、Ｂの変形が可能である。

【0044】

（第１変形例の効果）
上記第１変形例によれば、複数のキャパシタを構成する複数の第１電極１５ａは、第１構造体１１の第２面１１ｂの表面上で、起歪体１２の複数の変形部１２ｆと対応する位置にそれぞれ配置されている。このため、第１実施形態のように、第１構造体１１は、複数の突起１１ｆを具備しないため、起歪体１２の変形部１２ｆの深さを浅くすることができる。したがって、起歪体１２自体の厚みを薄くすることができるため、第１実施形態に比べて、トルクセンサ１０の軸方向のトータルの厚みを低減することが可能である。

【0045】

（第１実施形態の第２変形例）
図７、図８は、第１実施形態の第２変形例を示している。第１変形例のように、起歪体１２の厚みを薄くした場合、起歪体１２の剛性が低下する可能性がある。

【0046】

第２変形例は、第１変形例に関連し、起歪体１２を補強するため、環状の第２構造体３１が起歪体１２に取付けられる。第２構造体３１は、例えば第１構造体１１や起歪体１２と同一の材料により構成され、起歪体１２と同一の外径及び内径を有している。第２構造体３１は、起歪体１２の第３固定部１４ａ及び第４固定部１４ｂと対応する位置に複数の貫通孔又はネジ穴３１ａを有している。

【0047】

図８に示すように、これら貫通孔又はネジ穴３１ａに複数のボルト１７が挿入され、起歪体１２の複数のネジ穴１２ｇに螺合される。このようにして、複数のボルト１７により第２構造体３１が起歪体１２の第４面１２ｂに固定される。

【0048】

尚、第２構造体３１は、第１変形例に適用したが、第１実施形態に適用することも可能である。この場合、第２構造体３１の厚みを第２変形例に示す場合より薄くすることも可能である。

【0049】

（第２変形例の効果）
上記第２変形例によれば、起歪体１２の第４面１２ｂに第２構造体３１を取付けている。このため、起歪体１２の厚みが薄い場合においても、起歪体１２の剛性を向上させることが可能である。しかも、第２構造体３１の厚みは、第１構造体１１の厚みより薄くてよい。このため、トルクセンサ１０のトータルの厚みを第１実施形態と同等とすることが可能であり、厚みの増加を抑制することが可能である。

【0050】

（第２実施形態）
図９乃至図１２は、第２実施形態を示している。

【0051】

第１実施形態において、起歪体１２は、第１構造体１１の第２面１１ｂに固定された。これに対して、第２実施形態において、起歪体１２は、第１構造体１１の内側で、第１構造体１１と同心状に配置される。

【0052】

図９乃至図１２に示すように、トルクセンサ１０は、第１構造体４１と、起歪体４２と、第１固定部４３ａと、第２固定部４３ｂと、第３固定部４４ａと、第４固定部４４ｂと、複数のセンサ４５などを具備している。第１固定部４３ａと第２固定部４３ｂは、複数のボルト４６を含み、第３固定部４４ａと第４固定部４４ｂは、複数のボルト４７を含んでいる。

【0053】

図９に示すように、第１構造体４１と起歪体４２は、環状に形成されている。起歪体４２の外径は、第１構造体４１の内径より小さく、起歪体４２は、第１構造体の内側に、第１構造体４１と同心状に配置される。第１構造体４１と起歪体４２の材料は、第１実施形態と同様である。

【0054】

図９、図１０、図１２に示すように、第１構造体４１は、環状の第１面４１ａと、第１面４１ａに平行な第２面４１ｂと、第１面４１ａの外周と第２面４１ｂの外周との間の第１側面４１ｃと、第１面４１ａの内周と第２面４１ｂの内周との間の第２側面４１ｄを含んでいる。

【0055】

図１０は、第１構造体４１を示している。第１構造体４１において、第１固定部４３ａと第２固定部４３ｂの位置は、第１実施形態と同様である。第１固定部４３ａと第２固定部４３ｂは、それぞれ例えば３つのネジ穴４１ｅを具備している。３つのネジ穴４１ｅのうち、２つのネジ穴４１ｅは、第１構造体４１の第１面４１ａから第２面４１ｂに貫通され、残りの１つのネジ穴４１ｅは、第１側面４１ｃから第２側面４１ｄに貫通されている。第１側面４１ｃから第２側面４１ｄに貫通された２つのネジ穴４１ｅは、第１構造体４１の直径上に配置されている。起歪体４２は、後述するように、第１側面４１ｃから第２側面４１ｄに貫通された２つのネジ穴４１ｅに螺合される２つのボルト４６により、第１構造体４１に固定される。

【0056】

第１構造体４１の第２側面４１ｄには、半径方向に沿って４つの突起４１ｆが設けられている。第１固定部４３ａと第２固定部４３ｂに対するこれら突起４１ｆの位置は、第１実施形態と同様である。すなわち、第１固定部４３ａと第２固定部４３ｂにそれぞれ隣接する２つの突起４１ｆは、第１固定部４３ａと第２固定部４３ｂの中心に配置されたネジ穴４１ｅの位置からそれぞれ４５°離れた位置に配置されている。このため、４つの突起４１ｆは、互いに９０°離れている。

【0057】

各突起４１ｆにおいて、第１構造体４１の第２面４１ｂと平行する面には、第１電極４５ａが設けられている。第１電極４５ａの材料、及び、突起４１ｆに対する取着方法は、第１実施形態と同様である。

【0058】

図９、図１１、図１２に示すように、起歪体４２は、環状の第３面４２ａと、第３面４２ａに平行な第４面４２ｂと、第３面４２ａの外周と第４面４２ｂの外周との間の第３側面４２ｃと、第３面４２ａの内周と第４面４２ｂの内周との間の第４側面４２ｄを含んでいる。

【0059】

図１１は、起歪体４２を示している。起歪体４２は、第１構造体４１の第１固定部４３ａ及び第２固定部４３ｂと対応する位置に、２つのネジ穴４２ｅを有している。２つのネジ穴４２ｅは、起歪体４２の第３側面４２ｃから第４側面４２ｄに向かって設けられている。起歪体４２は、第１構造体４１の第１側面４１ｃのネジ穴４１ｅに挿入されたボルト４６が、起歪体４２の第３側面４２ｃに設けられたネジ穴４２ｅに螺合されることにより、第１構造体４１に固定される。

【0060】

さらに、起歪体４２は、複数の変形部４２ｆを具備している。複数の変形部４２ｆは、第１構造体４１の複数の突起４１ｆと対応する位置に配置されている。ネジ穴４２ｅに隣接する２つの変形部４２ｆは、ネジ穴４２ｅの中心からそれぞれ４５°離れた位置に配置される。このため、４つの変形部４２ｆは、互いに９０°離れた位置に配置されている。

【0061】

図１２に示すように、各変形部４２ｆは、起歪体１２の第３面４２ａ側から第４面４２ｂ側に設けられた凹状の窪みであり、窪みの第３側面４２ｃ及び第４側面４２ｄと対応する部分は、切り欠かれている。第１実施形態と同様に、起歪体１２の窪みの底部に対応する部分の厚みは、起歪体４２の他の部分の厚みより薄くされている。このため、後述するように、起歪体４２にトルクが印加された場合、印加されたトルクに応じて変形部４２ｆが変形する。

【0062】

変形部４２ｆの形状は、これに限定されるものではない。図１２に破線Ａで示すように、第１実施形態と同様に、起歪体４２の第４面４２ｂで、第２電極４５ｂに対応する位置に凹部４２ｈを設けてもよい。

【0063】

さらに、図１２に破線Ｂで示すように、第４面４２ｂに変形部４２ｆに沿った凹部４２ｉを設けてもよい。

【0064】

各変形部４２ｆの内側で、各変形部４２ｆの底部には、センサ４５を構成する第２電極４５ｂがそれぞれ配置されている。各第２電極４５ｂは、第１電極４５ａと同様に導電性金属により形成され、図示せぬ絶縁性接着剤、又は絶縁シートを介して各変形部４２ｆの底部上に接着されている。

【0065】

第１構造体４１と起歪体４２を連結した場合、図９、図１２に示すように、各変形部４２ｆの内部に第１構造体４１の複数の突起４１ｆがそれぞれ挿入される。各突起４１ｆの第１構造体４１の第１面４１ａからの高さは、各変形部４２ｆの窪みの深さより低い。このため、突起４１ｆに設けられた第１電極４５ａと変形部４２ｆに設けられた第２電極４５ｂとの間には、一定の間隔が設けられる。

【0066】

第１電極４５ａと第２電極４５ｂは、キャパシタを構成し、このキャパシタの容量は、第１電極４５ａと第２電極４５ｂとの距離及び／又は対向面積により変化する。このため、起歪体４２にトルクが印加され、変形部４２ｆが変形することにより、第１電極４５ａと第２電極４５ｂとの距離及び／又は対向面積が変化して、キャパシタの容量が変化する。この容量の変化がトルクセンサ１０に印加されたトルクとして検出される。

【0067】

図９、図１１、図１２に示すように、起歪体４２は、第３固定部４４ａと第４固定部４４ｂを具備している。第３固定部４４ａ及び第４固定部４４ｂは、複数の変形部４２ｆ以外の位置で、第１固定部４３ａと第２固定部４３ｂに隣り合わない位置に配置されている。すなわち、第３固定部４４ａ及び第４固定部４４ｂの各中心は、第１固定部４３ａ及び第２固定部４３ｂの各中心から９０°離れた位置に配置されている。

【0068】

第３固定部４４ａと第４固定部４４ｂは、起歪体４２の第４面４２ｂに例えば複数のネジ穴４２ｇを有している。これらネジ穴４２ｇに、図９、図１２に示すように、複数のボルト４７が螺合される。

【0069】

上記構成において、第１構造体４１の第２側面４１ｄに起歪体１２の第３側面４２ｃが取り付けられる。このとき、図９に示すように、起歪体４２の第３側面４２ｃの第１固定部４３ａと第２固定部４３ｂと対応する部分が第１構造体４１の第２側面４１ｄに接触される。一方、起歪体４２の第３側面４２ｃにおいて、第３固定部４４ａと第４固定部４４ｂと対応する部分は、第１構造体４１の第２側面４１ｄに接触されない。すなわち、第１構造体４１の第２側面４１ｄと、起歪体４２の第３固定部４４ａと第４固定部４４ｂに対応する第３側面４２ｃとの間には、間隙ＧＰが形成される。このため、第１構造体４１と起歪体４２との間の摩擦力が低減され、複数の変形部４２ｆの変形を促進できる。したがって、トルクセンサ１０の感度を向上させることが可能である。

【0070】

さらに、第１構造体４１の複数の突起４１ｆは、起歪体４２の複数の変形部４２ｆの内部に挿入され、第１電極４５ａと第２電極４５ｂが所定間隔を空けて対向され、第１電極４５ａと第２電極４５ｂとにより、キャパシタが形成される。

【0071】

この状態において、第１固定部４３ａと第２固定部４３ｂに複数のボルト４６が装着され、第１構造体４１と起歪体４２は、複数のボルト４６により固定される。

【0072】

トルクセンサ１０を例えばロボットアームの関節に取り付ける場合、第１構造体４１の第１面４１ａに例えばトルクの入力部（例えばモータの動力を伝達するシャフト）又は出力部（例えばアーム）の一方が固定される。具体的には、第１構造体４１の第１固定部４３ａと第２固定部４３ｂに、複数のボルト４６を用いて、トルクの入力部又は出力部の一方が固定される。

【0073】

また、起歪体４２の第４面４２ｂに、例えばトルクの入力部又は出力部の他方が固定される。具体的には、起歪体４２の第３固定部４４ａと第４固定部４４ｂと対応する位置に複数のボルト４７により、トルクの入力部又は出力部の他方が固定される。

【0074】

トルクセンサ１０にトルクが印加された場合、第１構造体４１と起歪体４２が軸に対して時計回り又は反時計回りに相対的に変位される。このため、起歪体４２の複数の変形部４２ｆが変形し、第１電極４５ａと第２電極４５ｂとの間の距離及び／又は対向面積が変化する。したがって、第１電極４５ａと第２電極４５ｂとにより構成されたキャパシタの容量が変化する。この容量の変化が電圧に変換され、４つのキャパシタに対応する４つの電圧の和及び差が演算されてトルクが検出される。トルク検出回路は、第１実施形態と同様である。

【0075】

（第２実施形態の効果）
第２実施形態によっても第１実施形態と同様の効果を得ることが可能である。しかも、第２実施形態の場合、起歪体４２は第１構造体４１の内側に同心状に配置されている。このため、トルクセンサ１０の厚みは、第１構造体４１又は起歪体４２の単体の厚みと等しい。したがって、トルクセンサ１０のトータルの厚みを第１実施形態より一層薄くすることが可能である。

【0076】

（第２実施形態の変形例）
図１３乃至図１７は、第２実施形態に係るトルクセンサの変形例を示している。

【0077】

第２実施形態において、第１構造体４１の内側に起歪体４２が同心状に配置され、センサ４５は、第１構造体４１に設けられた複数の突起４１ｆと第１電極４５ａと、起歪体４２の複数の変形部４２ｆに設けられた第２電極１５ｂとにより構成されていた。

【0078】

これに対して、第２実施形態の変形例は、図１３に示すように、第１構造体４１及び起歪体４２に対して同心状に配置された第２構造体５１をさらに具備している。第１構造体４１は、複数の突起４１ｆと第１電極４５ａを持たず、第２構造体５１は、後述するように、起歪体４２の複数の変形部４２ｆに対応した位置に複数の突起５１ｆと第１電極５２を具備している。

【0079】

具体的には、図１４に示すように、第１構造体４１は、複数の突起４１ｆと第１電極４５ａを持たず、第１固定部４３ａと第２固定部４３ｂを具備している。

【0080】

図１５に示すように、起歪体４２の構成は、第２実施形態とほぼ同様であり、さらに、第３固定部４４ａと第４固定部４４ｂに対応する位置に２つのネジ穴４２ｊが設けられている。各ネジ穴４２ｊは、起歪体４２の第４側面４２ｄから第３側面４２ｃ側に向けて設けられている。ネジ穴４２ｊは、第１固定部４３ａと第２固定部４３ｂに対応して設けられた２つのネジ穴４２ｅに対して、９０°離れた位置に配置されている。

【0081】

図１６は、第２構造体５１を示している。第２構造体５１は、環状の第５面５１ａ（図１７に示す）と、第５面５１ａと平行で環状の第６面５１ｂと、第５面５１ａの外周と第６面５１ｂの外周との間の第５側面５１ｃと、第５面５１ａの内周と第６面５１ｂの内周との間の第６側面５１ｄと、を具備している。第２構造体５１は、第１構造体４１や起歪体４２と同一の材料により構成されている。第５面５１ａの外径は、起歪体４２の内径より僅かに小さい。

【0082】

さらに、第２構造体５１は、起歪体４２の複数の変形部４２ｆと対応する位置に配置された複数の突起５１ｆを具備している。具体的には、複数の突起５１ｆは、第２構造体５１の第５側面５１ｃから放射状に配置されている。

【0083】

各突起５１ｆにおいて、起歪体４２の各変形部４２ｆに設けられた第２電極４５ｂと対応する面に第１電極４５ａが設けられている。具体的には、各第１電極４５ａは、第２構造体５１の第６面５１ｂ側に設けられている。第１電極４５ａの取着方法は、第１実施形態と同様である。

【0084】

また、第２構造体５１において、起歪体４２の２つのネジ穴４２ｊと対応する位置に２つのネジ穴５１ｈが設けられている。２つのネジ穴５１ｈは、第２構造体５１の第６側面５１ｄから第５側面５１ｃに貫通されている。

【0085】

さらに、第２構造体５１において、第３固定部４４ａと第４固定部４４ｂと対応する位置にそれぞれ２つのネジ穴５１ｇが設けられている。これら４つのネジ穴５１ｇは、第２構造体５１の第６面５１ｂに設けられている。

【0086】

図１３に示すように、第１構造体４１の内側に起歪体４２が配置された状態において、第１構造体４１の第１固定部４３ａと第２固定部４３ｂに対応する第１側面４１ｃ側からボルト４６がそれぞれ挿入され、２つのボルト４６により、起歪体４２が第１構造体４１の第１固定部４３ａと第２固定部４３ｂに固定される。この状態において、第３固定部４４ａと第４固定部４４ｂに対応する第１構造体４１と起歪体４２との間に僅かな間隙ＧＰが形成される。

【0087】

さらに、起歪体４２の内側に第２構造体５１が配置された状態において、第２構造体５１の第３固定部４４ａと第４固定部４４ｂに対応する第６側面５１ｄ側からボルト４８がそれぞれ挿入され、２つのボルト４８により、第３固定部４４ａと第４固定部４４ｂと対応する位置において、第２構造体５１が起歪体４２に固定される。この状態において、第１固定部４３ａと第２固定部４３ｂに対応する第２構造体５１と起歪体４２との間に僅かな間隙ＧＰが形成される。

【0088】

トルクセンサ１０をロボットアームに取付ける場合、第１構造体４１の第１固定部４３ａと第２固定部４３ｂが複数のボルト４６によりトルクの入力部と出力部の一方に固定される。すなわち、第１構造体４１の第１面４１ａがトルクの入力部と出力部の一方に固定される。さらに、第２構造体５１の第３固定部４４ａと第４固定部４４ｂに複数のボルト４７により、トルクの入力部と出力部の他方に固定される。すなわち、第２構造体５１の第６面５１ｂに複数のボルト４７により、トルクの入力部と出力部の他方に固定される。

【0089】

この状態において、トルクセンサ１０にトルクが印加されると、第１構造体４１と第２構造体５１が軸に対して時計回り又は反時計回りに相対的に変位される。このため、起歪体４２の各変形部４２ｆが変形し、各突起５１ｆと各変形部４２ｆとの位置が変化する。これに伴い、第１電極４５ａと第２電極４５ｂとの間の距離及び／又は対向面積が変化する。したがって、第１電極１５ａと第２電極１５ｂとにより構成されたキャパシタの容量が変化する。この容量の変化が電圧に変換され、４つのキャパシタに対応する４つの電圧の和及び差が演算されてトルクが検出される。トルク検出回路は、第１実施形態と同様である。

【0090】

変形部４２ｆの形状は、これに限定されるものではない。図１７に破線Ａで示すように、第１実施形態と同様に、起歪体４２の第４面４２ｂで、第２電極４５ｂに対応する位置に凹部４２ｈを設けてもよい。

【0091】

さらに、図１７に破線Ｂで示すように、第４面４２ｂに変形部４２ｆに沿った凹部４２ｉを設けてもよい。

【0092】

（第２実施形態の変形例の効果）
上記変形例によっても第２実施形態と同様の効果を得ることが可能である。しかも、変形例の場合、起歪体４２の内側に第２構造体５１を設け、第１構造体４１と第２構造体５１とにより、起歪体４２にトルクを印加している。したがって、起歪体４２の各変形部４２ｆに均等にトルクを印加することが可能であるため、各センサ４５の感度を均等とすることができ、トルクの検出精度を向上させることが可能である。

【0093】

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】

【0094】

１１、４１…第１構造体、１１ａ、４１ａ…第１面、１１ｂ、４１ｂ…第２面、１１ｃ、４１ｃ…第１側面、１１ｄ、４１ｄ…第２側面、１２、４２…起歪体、１２ａ、４２ａ…第３面、１２ｂ、４２ｂ…第４面、１１ｆ、４１ｆ…突起、１２ｃ、４２ｃ…第３側面、１２ｄ、４２ｄ…第４側面、１３ａ、１３ｂ、４３ａ、４３ｂ…第１固定部、１４ａ、１４ｂ、４４ａ、４４ｂ…第２固定部、１５、４５…センサ、１５ａ、４５ａ…第１電極、１５ｂ、４５ｂ…第２電極、３１、５１…第２構造体、５１ａ…第５面、５１ｂ…第６面、５１ｃ…第５側面、５１ｄ…第６側面、５１ｆ…突起。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】