WO2023013316A1 - センサ - Google Patents

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WO2023013316A1
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strain
sensor elements
torque
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ありさ 大竹
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
    • 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
    • G01L3/14—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • G01L5/161—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance
    • G01L5/1627—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance of strain gauges

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to sensors that detect force.
  • a torque sensor is known in which a bridge circuit including a plurality of strain sensors detects force transmitted between a first structure and a second structure.
  • a torque sensor that detects an abnormality based on the difference in output voltages of two bridge circuits including a plurality of strain sensors has been disclosed (see, for example, Patent Document 1).
  • An object of the present embodiment is to provide a sensor that reduces the difference in detection accuracy between duplicated detection circuits.
  • a sensor according to an embodiment of the present invention comprises: a first structure formed in a ring shape; a second structure formed in a ring shape on an inner peripheral side of the first structure; A strain-generating body provided between the strain-generating body and a duplicated first-system detection circuit and second-system detection circuit are configured to detect strain arranged line-symmetrically on one side of the strain-generating body. and a plurality of sensor elements.
  • FIG. 1 is an enlarged perspective view of the vicinity of the sensor portion of the torque sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a top view showing the configuration of the torque sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a top view showing the configuration of the sensor section provided with one terminal section according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a top view showing the configuration of a sensor section provided with two terminal sections according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a front view showing the mounting state of the torque sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the torque sensor mounting plate shown in FIG. 5 taken along line AA.
  • FIG. 7 is a simplified diagram showing the state of the torque sensor when an external load is applied to the torque sensor mounting plate according to the first embodiment.
  • FIG. 8 is a top view showing the configuration of the sensor section according to the second embodiment.
  • FIG. 9 is a top view showing the configuration of the sensor section according to the third embodiment.
  • FIG. 1 is an enlarged perspective view of the vicinity of the sensor section 14 of the torque sensor 10 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a top view showing the configuration of the torque sensor 10 according to this embodiment.
  • the same parts are given the same reference numerals.
  • the torque sensor 10 is not limited to the one described here, and may be changed into various shapes or configurations.
  • the torque sensor 10 may be a sensor with another name such as a force sensor as long as it detects at least torque (z-axis moment Mz).
  • the force sensor detects translational forces Fx, Fy, Fz and moments Mx, My, Mz of the three orthogonal axes (x-axis, y-axis, z-axis) shown in FIG.
  • the torque sensor 10 includes a first structure 11, a second structure 12, a plurality of third structures 13, a plurality of sensor units 14, a case 15, and a cable 16.
  • the first structure 11, the second structure 12 and the third structure 13 are integrally formed as one elastic body.
  • the first structure 11, the second structure 12 and the third structure 13 are made of metal such as stainless steel. Materials other than metal (resin, etc.) may also be used.
  • the first structure 11 and the second structure 12 are formed in an annular shape.
  • the diameter of the second structure 12 is smaller than the diameter of the first structure 11 .
  • the second structure 12 is arranged on the inner peripheral side concentrically with the first structure 11 .
  • a plurality of third structures 13 are radially arranged and provided as beams connecting the first structures 11 and the second structures 12 . Any number of third structures 13 may be provided.
  • the thickness (the length in the z-axis direction) of the third structure 13 is thinner than the thicknesses of the first structure 11 and the second structure 12 .
  • the thickness of the third structure 13 is inclined so as to become thinner toward the center from both ends connected to the first structure 11 or the second structure 12, and the central portion has a uniform thickness. It is flat.
  • the thickness (length in the z-axis direction) of the third structure 13 is made longer than the width (length in the circumferential direction) to facilitate torque detection.
  • the thickness and width of body 13 may be arbitrarily determined.
  • the case 15 is provided so as to cover the hollow portion provided in the central portion of the second structure 12 .
  • a data processing circuit for processing data detected by each sensor unit 14 is provided in the hollow portion.
  • the data processing circuit is electrically connected to each sensor unit 14 via a flexible printed circuit board.
  • the data processing circuit is supplied with power through the cable 16 and outputs the data-processed sensor signal to the outside.
  • the sensor unit 14 detects strain caused by relative movement of the first structure 11 and the second structure 12 . Data indicating the strain detected by the sensor unit 14 is transmitted to the data processing circuit as an electrical signal. The data processing circuit detects the applied force such as torque based on the strain detected by the sensor section 14 . Although four sensor units 14 are provided at equal intervals (90 degree intervals) in the circumferential direction here, any number of sensor units 14 may be provided.
  • the sensor unit 14 includes a strain body 20, four A-system sensor elements 21a, 21b, 21c, and 21d, and four B-system sensor elements 22a, 22b, 22c, and 22d.
  • the sensor section 14 is provided so as to span between the first structure 11 and the second structure 12 . Both ends of the sensor section 14 are fixed to the first structure 11 and the second structure 12, respectively.
  • the first structure 11 and the second structure 12 are formed with recesses 11a and 12a that are thinner than the other portions in order to fix both ends of the sensor section 14 .
  • a cover for protecting the sensor section 14 from external factors such as waterproofing and dustproofing is fitted into the concave portions 11a and 12a on the upper surface of the sensor section 14 .
  • the lower surface of the sensor section 14 may be similarly provided with a cover.
  • the sensor section 14 is attached.
  • a fixing plate 31 is arranged so as to hold both ends of the strain body 20 from above, and both ends of the strain body 20 together with the fixing plate 31 are screwed to the first structure 11 and the second structure 12, respectively. 32 to fix.
  • the sensor unit 14 may be attached in any way.
  • the A system sensor elements 21 a to 21 d and the B system sensor elements 22 a to 22 d are arranged between the first structure 11 and the second structure 12 on the upper surface of the strain body 20 .
  • the A-system sensor elements 21a-21d and the B-system sensor elements 22a-22d are wired to form an A-system detection circuit and a B-system detection circuit, respectively.
  • the two detection circuits are redundant detection circuits for detecting torque and the like, and detect torque and the like independently.
  • the torque sensor 10 outputs torque or the like as a detection result based on detection data from the two detection circuits. Note that the torque sensor 10 may determine the torque or the like as the detection result based on the detection data of one of the two detection circuits.
  • the A system sensor elements 21a to 21d and the B system sensor elements 22a to 22d are strain gauges, and the detection circuit is a full bridge circuit, but the present invention is not limited to this.
  • the detection circuit of each system includes two strain gauges provided on the strain generating body 20, and a portion that does not substantially deform due to the application of torque (for example, the data processing circuit provided on the second structure 12). ) may be a bridge circuit composed of reference resistors provided in the .
  • the four sensor elements 21a to 21d of each system, two sensor elements arbitrarily selected from the sensor elements 22a to 22d, and two reference resistors provided in the data processing circuit form a bridge circuit.
  • the following embodiments are not limited to full bridge circuits, and similar bridge circuits may be configured.
  • FIG. 3 is a top view showing the configuration of the sensor section 14a provided with a terminal section T1 in which the terminals of the sensor elements 21a to 21d and 22a to 22d are gathered in one place.
  • FIG. 4 is a top view showing the configuration of the sensor section 14b provided with terminal sections Ta and Tb in which the terminals of the sensor elements 21a to 21d and 22a to 22d are grouped at two locations for each system. Note that the wiring of the sensor elements 21a to 21d and 22a to 22d is not limited to the configuration described here. For example, the sensor elements 21a to 21d and 22a to 22d may have three or more terminal portions.
  • the strain-generating body 20 has a plate-like shape with a rectangular upper surface and a lower surface.
  • the sensor elements 21a to 21d and 22a to 22d are plate-shaped with rectangular upper and lower surfaces.
  • the arrangement of the sensor elements 21a to 21d and 22a to 22d in the strain generating bodies 20 of the sensor portions 14a and 14b is substantially the same.
  • the A-system sensor elements 21a to 21d are arranged on the strain body 20 on the first structure 11 side (left side in the figure).
  • the B-system sensor elements 22a to 22d are arranged on the strain body 20 on the second structure 12 side (on the right side in the figure).
  • the first A-system sensor element 21a and the second A-system sensor element 21b of the first set are provided close to each other within a non-contact range so as to maintain an electrical insulation distance.
  • the first set of A-system sensor elements 21a and 21b are arranged in substantially the same direction and inclined with respect to the longitudinal direction of the strain generating body 20 so that the ends on the first structure 11 side face outward. be.
  • the third A-system sensor element 21c and the fourth A-system sensor element 21d of the second set are oriented in substantially the same direction and do not contact so as to maintain an electrical insulation distance. are provided in close proximity to each other.
  • the second set of A-system sensor elements 21c and 21d are arranged so as to be symmetrical to the first set of A-system sensor elements 21a and 21b with respect to the center line that halves the strain-generating body 20 in the longitudinal direction. be.
  • the four B-system sensor elements 22a to 22d are line-symmetrical to the four A-system sensor elements 21a to 21d with respect to the center line that halves the strain-generating body 20 in the transverse direction (perpendicular to the longitudinal direction). are arranged so that
  • the terminal portion T1 shown in FIG. 3 is arranged in the center of the strain generating body 20 in the longitudinal direction, and each terminal is arranged adjacent to each other in the lateral direction.
  • Each terminal of the A-system sensor elements 21a to 21d is electrically connected to a terminal located in the center of the terminal portion T1 by two wirings W1.
  • Each terminal of the B-system sensor elements 22a to 22d is electrically connected to terminals located at both ends of the terminal portion T1 by two wirings W1.
  • Each terminal of the sensor elements 21a to 21d and 22a to 22d may be connected to any terminal of the terminal portion T1.
  • Terminal portions Ta and Tb shown in FIG. 4 are configured by dividing the terminal portion T1 shown in FIG. 3 into two.
  • Each terminal of the A-system sensor elements 21a to 21d is electrically connected to the A-system terminal portion Ta by two wires Wa.
  • Each terminal of the B system sensor elements 22a to 22d is electrically connected to the B system terminal portion Tb by two wirings Wb.
  • FIG. 5 is a front view showing the mounting state of the torque sensor 10.
  • FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view of the torque sensor mounting plate 41 shown in FIG. 5 taken along line AA.
  • the adapter 42, the speed reducer 43, and the motor 44 are shown simply.
  • the torque sensor 10 is attached to the torque sensor mounting plate 41 . Thereby, the first structure 11 of the torque sensor 10 is fixed to the torque sensor mounting plate 41 .
  • the torque sensor attachment plate 41 is a member attached to a structure to which torque or the like is applied.
  • the second structure 12 of the torque sensor 10 is fixed to a speed reducer 43 connected to a motor 44 via an adapter 42 .
  • torque output from the motor 44 is applied to the torque sensor mounting plate 41 via the reduction gear 43 , the adapter 42 and the torque sensor 10 .
  • the torque sensor mounting plate 41 and the structure to which it is mounted are operated by torque output from the motor 44 .
  • the second structure 12 of the torque sensor 10 is attached to the side to which torque or the like is applied (torque sensor mounting plate 41 or the like), and the first structure 11 of the torque sensor 10 is attached to the side to which torque or the like is applied (motor 44 etc.).
  • FIG. 7 is a simplified diagram showing the state of the torque sensor 10 when an external load is applied to the torque sensor mounting plate 41.
  • FIG. 5 and 7 show two layout patterns P1 and P2 of the four sensor units 14, and the sensor units 14 are attached in one of the two layout patterns P1 and P2. Note that the sensor unit 14 is not limited to these two layout patterns P1 and P2, and other layout patterns may be employed.
  • each sensor unit 14 of both arrangement patterns P1 and P2 is also deformed from the rectangle indicated by the dotted line to the quadrangle indicated by the solid line.
  • the stress received by the external load Fw differs depending on the position where the sensor section 14 is arranged in any of the arrangement patterns P1 and P2.
  • each sensor unit 14 is provided with A-system sensor elements 21a to 21d and B-system sensor elements 22a to 22d that respectively constitute a duplicated A-system detection circuit and B-system detection circuit. Therefore, even if the stress received by each sensor unit 14 is different, the detection accuracy of each detection circuit of each system is substantially the same.
  • the sensor unit 14 having only the A system detection circuit is arranged in the layout pattern P1
  • the sensor unit 14 having only the B system detection circuit is arranged in the layout pattern P2.
  • the redundant 2 it is possible to suppress the difference in detection accuracy between the two detection circuits.
  • A-system sensor elements 21a to 21d and B-system sensor elements 22a to 22d in line symmetry on one side surface (front surface or back surface) of one strain generating body 20, the A-system detection circuit and the B-system detection The data representing the distortion detected by each of the circuits can be approximated to be the same.
  • the A-system sensor elements 21a to 21d and the B-system sensor elements 22a to 22d may be arranged line-symmetrically with respect to the center line that halves the strain-generating body 20 in the longitudinal direction.
  • FIG. 8 is a top view showing the configuration of the sensor section 14A according to the second embodiment.
  • the sensor section 14A is obtained by changing the arrangement of the sensor elements 21a to 21d and 22a to 22d and their wiring in the sensor section 14a according to the first embodiment shown in FIG. Other points are the same as those of the torque sensor 10 according to the first embodiment.
  • the sensor section 14A includes one terminal section T1, similar to the sensor section 14a shown in FIG.
  • the terminal portion T1 is arranged in the center of the strain generating body 20 in the longitudinal direction, and each terminal is arranged adjacent to each other in the lateral direction.
  • Each terminal of the A-system sensor elements 21a to 21d is electrically connected to terminals located at both ends of the terminal portion T1 by two wirings W1A.
  • Each terminal of the B-system sensor elements 22a to 22d is electrically connected to a terminal located in the center of the terminal portion T1 by two wirings W1A.
  • Each terminal of the sensor elements 21a to 21d and 22a to 22d may be connected to any terminal of the terminal portion T1.
  • the first A-system sensor element 21a is inclined with respect to the longitudinal direction of the strain body 20 so that the end on the first structure 11 side of the strain body 20 faces outward. are placed.
  • the fourth A-system sensor element 21d is arranged on the first structural body 11 side of the strain-generating body 20 with respect to the center line that halves the strain-generating body 20 in the longitudinal direction. arranged symmetrically.
  • the second A-system sensor element 21b and the third A-system sensor element 21c are arranged with respect to the center line that halves the strain-generating body 20 in the transverse direction. They are arranged so as to be line-symmetrical with the system sensor element 21d.
  • the B-system sensor elements 22a to 22d are provided in close proximity to the corresponding A-system sensor elements 21a to 21d within a range of non-contact so as to maintain an electrical insulation distance, and are oriented in substantially the same direction.
  • the correspondence between the A system sensor elements 21a to 21d and the B system sensor elements 22a to 22d is determined by the electric circuit positional relationship between the A system detection circuit and the B system detection circuit.
  • the arrangement of the sensor elements 21a to 21d and 22a to 22d in the sensor section 14A is such that in the sensor section 14a shown in FIG.
  • the positions of the B-system sensor element 22a and the fourth B-system sensor element 22d are interchanged.
  • the sensor elements 21a to 21d and 22a to 22d corresponding to each other are arranged in close proximity to each other on the strain generating body 20 between the two duplicated detection circuits, as in the first embodiment. It is possible to obtain the effects of
  • FIG. 9 is a top view showing the configuration of the sensor section 14B according to the third embodiment.
  • the sensor section 14B is obtained by changing the arrangement of the A-system sensor elements 21a to 21d and their wiring in the sensor section 14a according to the first embodiment shown in FIG. Other points are the same as those of the torque sensor 10 according to the first embodiment.
  • the arrangement and wiring of the B-system sensor elements 22a to 22d in the sensor section 14B are the same as those of the sensor section 14a shown in FIG.
  • the A system sensor elements 21a to 21d and the B system sensor elements 22a to 22d are arranged on the strain body 20 on the second structure 12 side.
  • the sensor section 14B includes one terminal section T1, like the sensor section 14a shown in FIG.
  • the terminal portion T1 is arranged in the center of the strain generating body 20 in the longitudinal direction, and each terminal is arranged adjacent to each other in the lateral direction.
  • Each terminal of the A-system sensor elements 21a to 21d is electrically connected to a terminal located in the center of the terminal portion T1 by two wirings W1B.
  • Each terminal of the B-system sensor elements 22a to 22d is electrically connected to terminals located at both ends of the terminal portion T1 by two wirings W1B.
  • Each terminal of the sensor elements 21a to 21d and 22a to 22d may be connected to any terminal of the terminal portion T1.
  • the first A-system sensor element 21a is closer to the second B-system sensor element 22b than the second B-system sensor element 22b inside the strain-generating body 20 so as to maintain an electrical insulation distance within a non-contact range. provided.
  • the first A system sensor element 21a is oriented in substantially the same direction as the second B system sensor element 22b. placed at an angle to the
  • the second A-system sensor element 21b is closer to the first A-system sensor element 21a than the first A-system sensor element 21a on the inner side of the strain generating body 20 within a range of non-contact so as to maintain an electrical insulation distance.
  • the second A system sensor element 21b is oriented in substantially the same direction as the first A system sensor element 21a. placed at an angle to the
  • the third A-system sensor element 21c and the fourth A-system sensor element 21d are arranged relative to the center line that halves the strain-generating body 20 in the longitudinal direction. They are arranged line-symmetrically with the sensor element 21a.
  • the fourth A-system sensor element 21d is located inside the strain-generating body 20 relative to the third B-system sensor element 22c, within a range where it does not come into contact with the third B-system sensor element 22c so as to maintain an electrical insulation distance. provided in close proximity.
  • the third A-system sensor element 21c is closer to the fourth A-system sensor element 21d than the fourth A-system sensor element 21d on the inner side of the strain generating body 20 so as to maintain an electrical insulation distance within a non-contact range. provided.
  • all the sensor elements 21a to 21d and 22a to 22d of the two duplicated detection circuits are arranged on the second structure 12 side of the strain body 20, which is the same as in the first embodiment. It is possible to obtain the effects of
  • the sensor elements 21a to 21d and 22a to 22d may be arranged on the first structure 11 side of the strain body 20 so as to be symmetrical with the arrangement shown in FIG. Even in this way, it is possible to obtain the same effect as in the first embodiment.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments as they are, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the gist of the present invention at the implementation stage.
  • various inventions can be formed by appropriate combinations of the plurality of constituent elements disclosed in the above embodiments. For example, some components may be omitted from all components shown in the embodiments. Furthermore, components across different embodiments may be combined as appropriate.

Landscapes

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Abstract

センサ（１０）は、環状に形成される第１構造体（１１）と、第１構造体（１１）の内周側に環状に形成される第２構造体（１２）と、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（２０）と、二重化された第１系検出回路及び第２系検出回路を構成し、起歪体（２０）の片側の面に線対称に配置された歪みを検出する複数のセンサ素子（２１ａ－２１ｄ，２２ａ－２２ｄ）とを備える。

Description

センサ
　本発明の実施形態は、力を検出するセンサに関する。
　複数の歪センサを含むブリッジ回路が、第１構造体と第２構造体との間に伝達される力を検出するトルクセンサが知られている。例えば、複数の歪センサを含む２つのブリッジ回路の出力電圧の差に基づいて、異常を検出するトルクセンサが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
　しかしながら、歪センサを用いた検出回路（ブリッジ回路等）を二重化する場合、２つの歪センサを同一箇所に配置することは物理的にできない。このため、二重化された検出回路の歪センサの配置が異なることにより、それぞれの検出回路の検出精度に差が生じる。このように、二重化された検出回路のそれぞれの検出精度が異なることは、センサとして望ましくない。
特開２０１８－１３２３１３号公報
　本実施形態の目的は、二重化された検出回路のそれぞれの検出精度の差を低減するセンサを提供することにある。
　本発明の実施形態のセンサは、環状に形成される第１構造体と、前記第１構造体の内周側に環状に形成される第２構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられた起歪体と、二重化された第１系検出回路及び第２系検出回路を構成し、前記起歪体の片側の面に線対称に配置された歪みを検出する複数のセンサ素子とを備える。
図１は、第１実施形態に係るトルクセンサのセンサ部付近を拡大した斜視図である。 図２は、第１実施形態に係るトルクセンサの構成を示す上面図である。 図３は、第１実施形態に係る１つの端子部を設けたセンサ部の構成を示す上面図である。 図４は、第１実施形態に係る２つの端子部を設けたセンサ部の構成を示す上面図である。 図５は、第１実施形態に係るトルクセンサの取り付け状態を示す正面図である。 図６は、図５に示すトルクセンサ取付板をＡ－Ａ線で切断した断面図である。 図７は、第１実施形態に係るトルクセンサ取付板に外部負荷が生じている時のトルクセンサの状態を示す簡易図である。 図８は、第２実施形態に係るセンサ部の構成を示す上面図である。 図９は、第３実施形態に係るセンサ部の構成を示す上面図である。
　（第１実施形態）　
　図１は、第１実施形態に係るトルクセンサ１０のセンサ部１４付近を拡大した斜視図である。図２は、本実施形態に係るトルクセンサ１０の構成を示す上面図である。図面において、同一部分には、同一符号を付している。
　なお、トルクセンサ１０は、ここで説明するものに限らず、様々な形状又は構成に変更してもよい。また、トルクセンサ１０は、少なくともトルク（ｚ軸モーメントＭｚ）を検出するセンサであれば、力覚センサなどの他の名称のセンサでもよい。例えば、力覚センサは、図２に示す直交する３軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）のそれぞれの並進力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ及びモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚを検出する。
　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、複数のセンサ部１４、ケース１５、及び、ケーブル１６を備える。
　第１構造体１１、第２構造体１２及び第３構造体１３は、１つの弾性体として一体形成される。第１構造体１１、第２構造体１２及び第３構造体１３は、ステンレス鋼等の金属により構成されるが、印加されるトルク等の力に対して機械的に十分な強度があれば、金属以外の材料（樹脂等）を使用してもよい。
　第１構造体１１及び第２構造体１２は、環状に形成される。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と同心円上で内周側に配置される。複数の第３構造体１３は、放射状に配置され、第１構造体１１と第２構造体１２を接続する梁として設けられる。なお、第３構造体１３は、いくつ設けられてもよい。
　第３構造体１３の厚さ（ｚ軸方向の長さ）は、第１構造体１１及び第２構造体１２の厚さよりも薄い。具体的には、第３構造体１３の厚さは、第１構造体１１又は第２構造体１２に接続される両端部から中央に向けて薄くなるように傾斜し、中央部分は均一の厚さ（平面）である。第３構造体１３は、厚さ（ｚ軸方向の長さ）を幅（周方向の長さ）より長くすることで、トルクを検出し易くしているが、これに限らず、第３構造体１３の厚さ及び幅は、任意に決定してよい。
　ケース１５は、第２構造体１２の中心部分に設けられた中空部を覆うように設けられる。中空部には、各センサ部１４により検出されたデータを処理するためのデータ処理回路が設けられる。データ処理回路は、各センサ部１４とフレキシブル基板（flexible printed circuit board）で電気的に接続される。データ処理回路は、ケーブル１６を介して、電源が供給され、データ処理したセンサ信号を外部に出力する。
　センサ部１４は、第１構造体１１と第２構造体１２が相対的に動くことで生じる歪みを検出する。センサ部１４により検出された歪みを示すデータは、電気信号としてデータ処理回路に送信される。データ処理回路は、センサ部１４で検出された歪みに基づいて、トルク等の印加された力を検出する。ここでは、センサ部１４は、円周方向に等間隔（９０度間隔）で４つ設けた構成を示したが、センサ部１４は、いくつ設けてもよい。
　センサ部１４は、起歪体２０、４つのＡ系センサ素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ、及び、４つのＢ系センサ素子２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを備える。
　センサ部１４は、第１構造体１１と第２構造体１２の間を跨ぐように設けられる。センサ部１４の両端は、それぞれ第１構造体１１及び第２構造体１２に固定される。第１構造体１１及び第２構造体１２には、センサ部１４の両端を固定するために、他の部分よりも厚さが薄い凹部１１ａ，１２ａが形成される。例えば、防水及び防塵などの外部因子からセンサ部１４を保護するためのカバーがセンサ部１４の上面の凹部１１ａ，１２ａに嵌め込まれる。センサ部１４の下面も同様にカバーが設けられてもよい。
　起歪体２０の両端を第１構造体１１及び第２構造体１２に固定することで、センサ部１４が取り付けられる。具体的には、起歪体２０の両端をそれぞれ上面から抑えるように固定プレート３１を配置し、固定プレート３１と共に起歪体２０の両端をそれぞれ第１構造体１１及び第２構造体１２にネジ３２で固定する。なお、センサ部１４は、どのように取り付けられてもよい。
　Ａ系センサ素子２１ａ～２１ｄ及びＢ系センサ素子２２ａ～２２ｄは、起歪体２０の上面の第１構造体１１と第２構造体１２の間に配置される。Ａ系センサ素子２１ａ～２１ｄ及びＢ系センサ素子２２ａ～２２ｄは、Ａ系検出回路及びＢ系検出回路をそれぞれ形成するように配線される。２つの検出回路は、トルク等を検出するための二重化された検出回路であり、それぞれ独立してトルク等を検出する。トルクセンサ１０は、２つの検出回路による検出データに基づいて、検出結果としてトルク等を出力する。なお、トルクセンサ１０は、２つの検出回路の内１つの検出データに基づいて、検出結果としてのトルク等を決定してもよい。
　ここでは、Ａ系センサ素子２１ａ～２１ｄ及びＢ系センサ素子２２ａ～２２ｄは、歪ゲージとし、検出回路は、フルブリッジ回路とするが、これに限らない。例えば、各系の検出回路は、起歪体２０に設けられた２つの歪ゲージ、及び、トルク等の印加で実質的に変形しない箇所（例えば、第２構造体１２に設けられたデータ処理回路）に設けられた参照抵抗により構成されたブリッジ回路でもよい。具体的には、各系の４つのセンサ素子２１ａ～２１ｄ，センサ素子２２ａ～２２ｄの内任意に選択された２つのセンサ素子とデータ処理回路に設けられた２つの参照抵抗によりブリッジ回路を構成してもよい。以降の実施形態についても、フルブリッジ回路に限らず、同様のブリッジ回路を構成してもよい。
　図３及び図４を参照して、センサ部１４の構成として、２つの例を説明する。図３は、センサ素子２１ａ～２１ｄ，２２ａ～２２ｄの端子を１カ所に集約した端子部Ｔ１を設けたセンサ部１４ａの構成を示す上面図である。図４は、センサ素子２１ａ～２１ｄ，２２ａ～２２ｄの端子を系別に２カ所に集約した端子部Ｔａ，Ｔｂを設けたセンサ部１４ｂの構成を示す上面図である。なお、各センサ素子２１ａ～２１ｄ，２２ａ～２２ｄの配線は、ここで説明する構成に限らない。例えば、センサ素子２１ａ～２１ｄ，２２ａ～２２ｄの端子部は、３つ以上設けてもよい。
　起歪体２０は、上面及び下面が長方形の板形状である。センサ素子２１ａ～２１ｄ，２２ａ～２２ｄは、上面及び下面が長方形の板形状である。各センサ部１４ａ，１４ｂの起歪体２０におけるセンサ素子２１ａ～２１ｄ，２２ａ～２２ｄの配置は、ほぼ同じである。Ａ系センサ素子２１ａ～２１ｄは、起歪体２０の第１構造体１１側（図の左側）に配置される。Ｂ系センサ素子２２ａ～２２ｄは、起歪体２０の第２構造体１２側（図の右側）に配置される。
　４つのＡ系センサ素子２１ａ～２１ｄのうち第１組の第１のＡ系センサ素子２１ａ及び第２のＡ系センサ素子２１ｂは、電気絶縁距離を保つように接触しない範囲で近接して設けられる。第１組のＡ系センサ素子２１ａ，２１ｂは、ほぼ同一方向の向きで、第１構造体１１側の端部が外側に向くように、起歪体２０の長手方向に対して傾けて配置される。
　４つのＡ系センサ素子２１ａ～２１ｄのうち第２組の第３のＡ系センサ素子２１ｃ及び第４のＡ系センサ素子２１ｄは、ほぼ同一方向の向きで、電気絶縁距離を保つように接触しない範囲で近接して設けられる。第２組のＡ系センサ素子２１ｃ，２１ｄは、起歪体２０を長手方向に半分にする中心線に対して、第１組のＡ系センサ素子２１ａ，２１ｂと線対称になるように配置される。
　４つのＢ系センサ素子２２ａ～２２ｄは、起歪体２０を短手方向（長手方向と垂直の方向）に半分にする中心線に対して、４つのＡ系センサ素子２１ａ～２１ｄと線対称になるように配置される。
　図３に示す端子部Ｔ１は、起歪体２０の長手方向の中央に配置され、各端子が短手方向に隣接して並べられた構成である。Ａ系センサ素子２１ａ～２１ｄの各端子は、端子部Ｔ１の中央に位置する端子と２つの配線Ｗ１で電気的に接続される。Ｂ系センサ素子２２ａ～２２ｄの各端子は、端子部Ｔ１の両端に位置する端子と２つの配線Ｗ１で電気的に接続される。なお、センサ素子２１ａ～２１ｄ，２２ａ～２２ｄの各端子は、端子部Ｔ１のどの端子に接続してもよい。
　図４に示す端子部Ｔａ，Ｔｂは、図３に示す端子部Ｔ１を２つに分けた構成である。Ａ系端子部Ｔａには、Ａ系センサ素子２１ａ～２１ｄの各端子が２つの配線Ｗａで電気的に接続される。Ｂ系端子部Ｔｂには、Ｂ系センサ素子２２ａ～２２ｄの各端子が２つの配線Ｗｂで電気的に接続される。
　図５及び図６を参照して、トルクセンサ１０を取り付けた状態について説明する。図５は、トルクセンサ１０の取り付け状態を示す正面図である。図６は、図５に示すトルクセンサ取付板４１をＡ－Ａ線で切断した断面図である。なお、図６では、アダプタ４２、減速機４３及びモータ４４を簡易的に示している。
　トルクセンサ１０は、トルクセンサ取付板４１に取り付けられる。これにより、トルクセンサ１０の第１構造体１１は、トルクセンサ取付板４１に固定される。トルクセンサ取付板４１は、トルク等が印加される構造体に取り付けられる部材である。
　トルクセンサ１０の第２構造体１２は、アダプタ４２を介して、モータ４４に連結された減速機４３に固定される。モータ４４が駆動することで、モータ４４から出力されるトルクが、減速機４３、アダプタ４２及びトルクセンサ１０を介して、トルクセンサ取付板４１に印加される。これにより、トルクセンサ取付板４１及びこれが取り付けられた構造体が、モータ４４から出力されるトルクにより動作する。
　なお、トルクセンサ１０の第２構造体１２がトルク等を印加される側（トルクセンサ取付板４１等）に取り付けられ、トルクセンサ１０の第１構造体１１がトルク等を印加する側（モータ４４等）に取り付けられてもよい。
　図５及び図７を参照して、トルクセンサ取付板４１に外部負荷（荷重等）Ｆｗが生じた場合について説明する。図７は、トルクセンサ取付板４１に外部負荷が生じている時のトルクセンサ１０の状態を示す簡易図である。図５及び図７では、４つのセンサ部１４の２つの配置パターンＰ１，Ｐ２が示されており、センサ部１４は、２つの配置パターンＰ１，Ｐ２のうちいずれか一方の配置パターンで取り付けられる。なお、センサ部１４は、これらの２つの配置パターンＰ１，Ｐ２に限らず、その他の配置パターンを採用してもよい。
　図７に示すように、トルクセンサ取付板４１に矢印のような下向きの外部負荷Ｆｗが生じると、トルクセンサ取付板４１の上辺側には、引張応力が生じ、トルクセンサ取付板４１の下辺側には、圧縮応力が生じる。
　トルクセンサ取付板４１の変形により、トルクセンサ１０の弾性体（第１構造体１１、第２構造体１２及び第３構造体１３）は、点線で示す円形から実線で示す楕円のような形状に変形する。変形後の弾性体を楕円形とすると、弾性体は、長軸方向に引っ張られ、短軸方向に圧縮される。
　弾性体の変形により、いずれの配置パターンＰ１，Ｐ２の各センサ部１４も、点線で示す長方形から実線で示す四角形に変形する。このように、外部負荷Ｆｗが生じている場合、いずれの配置パターンＰ１，Ｐ２でも、センサ部１４は、配置された位置毎に外部負荷Ｆｗにより受ける応力は異なる。
　トルクセンサ１０では、各センサ部１４に、二重化されたＡ系検出回路及びＢ系検出回路をそれぞれ構成するＡ系センサ素子２１ａ～２１ｄ及びＢ系センサ素子２２ａ～２２ｄが設けられている。このため、各センサ部１４で受ける応力が異なる場合でも、各系の検出回路のそれぞれの検出精度は、ほぼ同じになる。
　これに対して、本実施形態のトルクセンサ１０とは異なり、配置パターンＰ１にＡ系検出回路のみが設けられたセンサ部１４を配置し、配置パターンＰ２にＢ系検出回路のみが設けられたセンサ部１４を配置して、二重化された検出回路を設けた場合を考える。
　外部負荷Ｆｗが全く生じずに、トルクセンサ１０に理想的なトルクが印加されれば、各配置パターンＰ１，Ｐ２の各センサ部１４で受ける応力は、ほぼ同じである。即ち、各センサ部１４の起歪体２０は、ほぼ同じように変形する。したがって、各系で検出される歪みはほぼ同じになるため、二重化された２つの検出回路の検出精度に差はあまり生じない。
　一方、外部負荷Ｆｗが生じた場合、トルクセンサ１０に理想的なトルクが印加されても、上述したように、センサ部１４の配置された位置に起因して、センサ部１４が受ける応力は異なる。即ち、各センサ部１４の起歪体２０は、それぞれ異なる変形をする。したがって、２つの系で検出される歪みは異なるため、二重化された２つの検出回路の検出精度に大きな差が生じる可能性がある。例えば、二重化された２つの検出回路の差で、異常を検出する機能を設けた場合、正常なトルク等の力が印加されても、意図しない異常を検出する可能性がある。
　本実施形態によれば、二重化された２つの検出回路の各系のセンサ素子２１ａ～２１ｄ，２２ａ～２２ｄを同じセンサ部１４に設けることで、外部負荷Ｆｗが生じた場合でも、二重化された２つの検出回路の検出精度の差を抑制することができる。
　また、１つの起歪体２０の片側の面（表面又は裏面）に、Ａ系センサ素子２１ａ～２１ｄとＢ系センサ素子２２ａ～２２ｄを線対称に設けることで、Ａ系検出回路とＢ系検出回路のそれぞれで検出される歪みを示すデータが同じになるように近付けることができる。なお、Ａ系センサ素子２１ａ～２１ｄとＢ系センサ素子２２ａ～２２ｄは、起歪体２０を長手方向に半分にする中心線に対して線対称に設けてもよい。
　なお、ここでは、全てのセンサ素子２１ａ～２１ｄ，２２ａ～２２ｄを起歪体２０の表面に設けたが、起歪体２０の裏面に設けてもよい。
　（第２実施形態）　
　図８は、第２実施形態に係るセンサ部１４Ａの構成を示す上面図である。
　センサ部１４Ａは、図３に示す第１実施形態に係るセンサ部１４ａにおいて、センサ素子２１ａ～２１ｄ，２２ａ～２２ｄの配置及びその配線等を変更したものである。その他の点は、第１実施形態に係るトルクセンサ１０と同様である。
　センサ部１４Ａは、図３に示すセンサ部１４ａと同様に、１つの端子部Ｔ１を備える。端子部Ｔ１は、起歪体２０の長手方向の中央に配置され、各端子が短手方向に隣接して並べられた構成である。Ａ系センサ素子２１ａ～２１ｄの各端子は、端子部Ｔ１の両端に位置する端子と２つの配線Ｗ１Ａで電気的に接続される。Ｂ系センサ素子２２ａ～２２ｄの各端子は、端子部Ｔ１の中央に位置する端子と２つの配線Ｗ１Ａで電気的に接続される。なお、センサ素子２１ａ～２１ｄ，２２ａ～２２ｄの各端子は、端子部Ｔ１のどの端子に接続してもよい。
　第１のＡ系センサ素子２１ａは、起歪体２０の第１構造体１１側に、第１構造体１１側の端部が外側に向くように、起歪体２０の長手方向に対して傾けて配置される。第４のＡ系センサ素子２１ｄは、起歪体２０の第１構造体１１側に、起歪体２０を長手方向に半分にする中心線に対して、第１のＡ系センサ素子２１ａと線対称になるように配置される。
　第２のＡ系センサ素子２１ｂ及び第３のＡ系センサ素子２１ｃは、起歪体２０を短手方向に半分にする中心線に対して、第１のＡ系センサ素子２１ａ及び第４のＡ系センサ素子２１ｄとそれぞれ線対称になるように配置される。
　Ｂ系センサ素子２２ａ～２２ｄは、それぞれ対応するＡ系センサ素子２１ａ～２１ｄと、電気絶縁距離を保つように接触しない範囲で近接して、ほぼ同一方向の向きで設けられる。例えば、Ａ系センサ素子２１ａ～２１ｄとＢ系センサ素子２２ａ～２２ｄのそれぞれの対応関係は、Ａ系検出回路及びＢ系検出回路における電気回路的な位置関係により決定する。
　したがって、センサ部１４Ａにおける各センサ素子２１ａ～２１ｄ，２２ａ～２２ｄの配置は、図３に示すセンサ部１４ａにおいて、第２のＡ系センサ素子２１ｂ及び第３のＡ系センサ素子２１ｃを、第１のＢ系センサ素子２２ａ及び第４のＢ系センサ素子２２ｄとそれぞれ位置を入れ替えたものである。
　本実施形態によれば、二重化された２つの検出回路の間で、互いに対応するセンサ素子２１ａ～２１ｄ，２２ａ～２２ｄを近接させて起歪体２０に配置することで、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
　（第３実施形態）　
　図９は、第３実施形態に係るセンサ部１４Ｂの構成を示す上面図である。
　センサ部１４Ｂは、図３に示す第１実施形態に係るセンサ部１４ａにおいて、Ａ系センサ素子２１ａ～２１ｄの配置及びその配線等を変更したものである。その他の点は、第１実施形態に係るトルクセンサ１０と同様である。
　センサ部１４ＢにおけるＢ系センサ素子２２ａ～２２ｄの配置及びその配線等は、図３に示すセンサ部１４ａと同様である。Ａ系センサ素子２１ａ～２１ｄ及びＢ系センサ素子２２ａ～２２ｄは、起歪体２０の第２構造体１２側に配置される。
　センサ部１４Ｂは、図３に示すセンサ部１４ａと同様に、１つの端子部Ｔ１を備える。端子部Ｔ１は、起歪体２０の長手方向の中央に配置され、各端子が短手方向に隣接して並べられた構成である。Ａ系センサ素子２１ａ～２１ｄの各端子は、端子部Ｔ１の中央に位置する端子と２つの配線Ｗ１Ｂで電気的に接続される。Ｂ系センサ素子２２ａ～２２ｄの各端子は、端子部Ｔ１の両端に位置する端子と２つの配線Ｗ１Ｂで電気的に接続される。なお、センサ素子２１ａ～２１ｄ，２２ａ～２２ｄの各端子は、端子部Ｔ１のどの端子に接続してもよい。
　第１のＡ系センサ素子２１ａは、第２のＢ系センサ素子２２ｂよりも起歪体２０の内側で、第２のＢ系センサ素子２２ｂと電気絶縁距離を保つように接触しない範囲で近接して設けられる。第１のＡ系センサ素子２１ａは、第２のＢ系センサ素子２２ｂとほぼ同一方向の向きで、第２構造体１２側の端部が外側に向くように、起歪体２０の長手方向に対して傾けて配置される。
　第２のＡ系センサ素子２１ｂは、第１のＡ系センサ素子２１ａよりも起歪体２０の内側で、第１のＡ系センサ素子２１ａと電気絶縁距離を保つように接触しない範囲で近接して設けられる。第２のＡ系センサ素子２１ｂは、第１のＡ系センサ素子２１ａとほぼ同一方向の向きで、第２構造体１２側の端部が外側に向くように、起歪体２０の長手方向に対して傾けて配置される。
　第３のＡ系センサ素子２１ｃ及び第４のＡ系センサ素子２１ｄは、起歪体２０を長手方向に半分にする中心線に対して、第２のＡ系センサ素子２１ｂ及び第１のＡ系センサ素子２１ａとそれぞれ線対称になるように配置される。
　即ち、第４のＡ系センサ素子２１ｄは、第３のＢ系センサ素子２２ｃよりも起歪体２０の内側で、第３のＢ系センサ素子２２ｃと電気絶縁距離を保つように接触しない範囲で近接して設けられる。第３のＡ系センサ素子２１ｃは、第４のＡ系センサ素子２１ｄよりも起歪体２０の内側で、第４のＡ系センサ素子２１ｄと電気絶縁距離を保つように接触しない範囲で近接して設けられる。
　本実施形態によれば、二重化された２つの検出回路の全てのセンサ素子２１ａ～２１ｄ，２２ａ～２２ｄを起歪体２０の第２構造体１２側に配置することで、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
　なお、センサ素子２１ａ～２１ｄ，２２ａ～２２ｄを図９に示す配置と線対称になるように、起歪体２０の第１構造体１１側に配置してもよい。このようにしても、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
　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 (5)

  1. 　環状に形成される第１構造体と、
    　前記第１構造体の内周側に環状に形成される第２構造体と、
    　前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられた起歪体と、
    　二重化された第１系検出回路及び第２系検出回路を構成し、前記起歪体の片側の面に線対称に配置された歪みを検出する複数のセンサ素子と
    を備えることを特徴とするセンサ。
  2. 　前記第１系検出回路の複数の第１センサ素子が線対称に配置され、
    　前記第２系検出回路の複数の第２センサ素子が線対称に配置されたこと
    を特徴とする請求項１に記載のセンサ。
  3. 　前記複数の第１センサ素子は、それぞれ他の第１センサ素子に近接して配置され、
    　前記複数の第２センサ素子は、それぞれ他の第２センサ素子に近接して配置されたこと
    を特徴とする請求項２に記載のセンサ。
  4. 　前記第１系検出回路の複数の第１センサ素子と前記第２系検出回路の複数の第２センサ素子が線対称に配置されたこと
    を特徴とする請求項１に記載のセンサ。
  5. 　前記複数の第１センサ素子と前記複数の第２センサ素子がそれぞれ対応するように近接して配置されたこと
    を特徴とする請求項４に記載のセンサ。
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