CN111033198A - 扭矩检测器 - Google Patents

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Abstract

本发明包括：硅层(11)，包括电阻计(13)；以及绝缘层(12)，一面与硅层(11)的至少两端接合，与所述一面相向的相向面的长边方向两端与旋转轴体(5)接合。

Description

扭矩检测器
技术领域
本发明涉及一种检测施加至旋转轴体的扭矩的扭矩检测器。
背景技术
作为检测施加至旋转轴体的扭矩的方式之一，有如下的方式：在旋转轴体的周面安装金属应变计(strain gauge)，通过金属应变计的电阻值变化，而检测因扭矩而产生于旋转轴体的周面的剪切应力的大小。在所述方式下，相对于旋转轴体的轴方向在45度方向上安装四个以上的金属应变计而构成电桥电路。
但是，在金属应变计中，量规因数(gauge factor)小，因此难以高精度地检测微小的应变。
另一方面，作为提高扭矩的检测灵敏度的方法，可考虑降低旋转轴体的刚性，增大应变量的方式。在专利文献1中，通过对旋转轴体施加各种加工而形成梁部，来实现灵敏度的提高。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2016-109568号公报
发明内容
发明所要解决的问题
但是，在降低旋转轴体的刚性的方式下，会产生因应力增大而导致迟滞(hysteresis)的问题(灵敏度与迟滞的权衡(trade off)问题)，无法期待精度的提高。
另外，在现有方式下，需要配置至少四个以上的金属应变计。因此，存在需要使各金属应变计的相对位置及角度严密配合，而较为困难的问题。
在这里，在工业用机器人中，为了控制其运行，扭矩的检测不可或缺。因此，从之前起，将扭矩检测器安装于工业用机器人，来检测机械臂(robot arm)的各关节的扭矩。
另一方面，近年来，对于工业用机器人，为了与人和谐共存，要求如下的安全性，即，在与人或物等物体接触时，瞬间探测到接触而使运行停止。但是，工业用机器人具有自身的重量及所保持的物体的重量，进而是考虑到运行速度的牢固的框体，因此在现有的金属应变计中，难以高精度地检测扭矩。
本发明是为了解决如上所述的问题而完成的，其目的在于提供一种扭矩的检测精度提高的扭矩检测器。
解决问题的技术手段
本发明的扭矩检测器的特征在于包括：基板层，包括电阻计，根据外力而产生应变；以及绝缘层，一面与基板层的至少两端接合，与所述一面相向的相向面的长边方向两端与旋转轴体接合。
发明的效果
根据本发明，如上所述而构成，所以扭矩的检测精度提高。
附图说明
[图1]图1A～图1C是表示本发明的实施方式1的扭矩检测器的结构例的图，图1A是顶视图，图1B是侧视图，图1C是A-A'线截面图。
[图2]图2A是表示本发明的实施方式1中的电阻计的配置例的顶视图，图2B是表示包括图2A所示的电阻计的全电桥电路的结构例的图。
[图3]是表示本发明的实施方式1中的应变传感器的制造方法的一例的流程图。
[图4]图4A、图4B是表示将本发明的实施方式1的应变传感器安装于旋转轴体的状态的图，图4A是顶视图，图4B是侧视图。
[图5]图5A、图5B是说明扭矩检测器的基本运行原理的图，图5A是表示施加至旋转轴体的扭矩的侧视图，图5B是表示因图5A所示的扭矩而产生于应变传感器的应力分布的一例的图。
[图6]是表示本发明的实施方式1中的应变传感器的另一结构例的侧视图。
[图7]是表示本发明的实施方式1中的应变传感器的另一结构例的侧视图(表示将应变传感器安装于旋转轴体的状态的图)。
[图8]是表示本发明的实施方式1中的应变传感器的另一结构例的侧视图(表示将应变传感器安装于旋转轴体的状态的图)。
[图9]是表示本发明的实施方式1中的应变传感器的另一结构例的侧视图(表示将应变传感器安装于旋转轴体的状态的图)。
[图10]图10A～图10C是表示本发明的实施方式1中的电阻计的另一配置例的顶视图。
[图11]图11A是表示本发明的实施方式1中的电阻计的另一配置例的顶视图，图11B是表示包括图11A所示的电阻计的半电桥电路的结构例的图。
[图12]图12A～图12C是表示本发明的实施方式1中的硅层的另一结构例的后视图。
具体实施方式
以下，一边参照附图，一边对本发明的实施方式进行详细说明。
实施方式1.
图1是表示本发明的实施方式1的扭矩检测器的结构例的图。
扭矩检测器检测施加至旋转轴体5(参照图4)的扭矩。旋转轴体5在轴方向上的一端连接马达等驱动系统6，在另一端连接机械手(robot hand)等负载系统。扭矩检测器如图1所示，包括应变传感器1。
应变传感器1是安装于旋转轴体5，且输出与来自外部的剪切应力(拉伸应力及压缩应力)相应的电压的半导体应变计。应变传感器1是通过微机电系统(Micro ElectroMechanical Systems，MEMS)而实现。如图1、图2所示，应变传感器1包括硅层(基板层)11及绝缘层12。
硅层11是根据外力而产生应变的单晶硅，是包括含有多个电阻计(扩散电阻)13的惠斯通电桥电路(Wheatstone bridge circuit)的传感器层。在硅层11，在背面(一面)的中央，形成有槽部111。利用槽部111，在硅层11构成薄壁部112。电阻计13形成于所述薄壁部112。
另外，薄壁部112的厚度是根据硅层11的刚性等而适当设计。例如，当硅层11的刚性低时，使薄壁部112变厚，当硅层11的刚性高时，使薄壁部112变薄。
另外，单晶硅具有结晶各向异性，在p型硅(100)面，在<110>方向时压电电阻系数最大。因此，电阻计13例如形成于表面的结晶定向是(100)的硅层11的<110>方向上。
在图2中，示出如下的情况：构成全电桥电路(惠斯通电桥电路)的四个电阻计13(R1～R4)相对于硅层11的边方向形成于倾斜方向(45度方向)，应变传感器1探测两个方向上的剪切应力。另外，在这里，作为所述倾斜方向的具体例，表示设为45度方向的情况，但是所述倾斜方向并不限定于45度方向，在应变传感器1的特性上，允许某种程度的偏离(例如44度方向或46度方向等)。
绝缘层12是上表面(一面)与硅层11的背面的至少两端接合，背面(与一面相向的相向面)的长边方向两端与旋转轴体5接合的台座。作为所述绝缘层12，例如可使用玻璃或蓝宝石等。
在图1中，表示绝缘层12的上表面与硅层11中的背面的整个面接合的情况。并且，在绝缘层12，在背面的除了长边方向两端以外的区域，形成有槽部121。利用槽部121，在绝缘层12的背面的长边方向两端构成接合部122。而且，如图4所示，将绝缘层12的接合部122直接与旋转轴体5接合。
其次，一边参照图3，一边说明应变传感器1的制造方法的一例。
在应变传感器1的制造方法中，如图3所示，首先，在硅层11，通过离子注入而形成多个电阻计13(步骤ST1)。接着，利用多个电阻计13形成惠斯通电桥电路。
其次，在硅层11的背面，通过蚀刻而形成槽部111(步骤ST2)。因此，使硅层11的形成有电阻计13的部位为薄壁部112。
另外，在绝缘层12的背面的除了长边方向两端以外的区域，通过蚀刻而形成槽部121(步骤ST3)。因此，在绝缘层12的背面的长边方向两端构成接合部122。
其次，通过例如阳极接合，而将硅层11的背面与绝缘层12的上表面加以接合(步骤ST4)。
另外，当将以所述方式而制造的应变传感器1安装于旋转轴体5时，例如通过焊料接合而将绝缘层12的接合部122与旋转轴体5加以接合。这时，使绝缘层12的接合部122及旋转轴体5的接合部位金属化之后，进行焊料接合。图4表示将应变传感器1安装于旋转轴体5的状态。
另外，应变传感器1是以电阻计13相对于旋转轴体5的轴方向朝向倾斜方向(45度方向)的方式而配置。即，电阻计13配置成朝向对旋转轴体5施加扭矩时所产生的剪切应力的产生方向。另外，在这里，作为所述倾斜方向的具体例，示出了设为45度方向的情况，但是所述倾斜方向并不限定于45度方向，在应变传感器1的特性上，允许某种程度的偏离(例如44度方向或46度方向等)。
其次，一边参照图5，一边说明扭矩检测器的基本运行原理。在图5A中，表示如下的状态：在安装有应变传感器1的旋转轴体5的一端连接着驱动系统6，通过所述驱动系统6而对旋转轴体5施加扭矩。
如图5A所示，通过对旋转轴体5施加扭矩，而使得安装于旋转轴体5的应变传感器1产生应变，在应变传感器1的表面产生如图5B所示的剪切应力。在图5中，表示了呈如下的状态：颜色越深的点，拉伸应力越强，颜色越浅的点，压缩应力越强。而且，相对于旋转轴体5的轴方向朝向倾斜方向(45度方向)的电阻计13是根据所述剪切应力，电阻值发生变化，应变传感器1输出与电阻值的变化相应的电压。接着，扭矩检测器根据由所述应变传感器1所输出的电压，检测施加至旋转轴体5的扭矩。
在实施方式1的扭矩检测器中，通过在绝缘层12的背面的长边方向两端形成接合部122，而仅将所述接合部122与旋转轴体5接合。
在这里，当在旋转轴体5直接安装应变传感器1时，安装位置在旋转轴体5的轴方向上距离越隔开，相对的应变量越增加。因此，通过将应变传感器1的接合部122只看作轴方向上的外侧，可以将最大的位移差传递至应变传感器1，从而对施加至旋转轴体5的扭矩的检测灵敏度提高。
另外，在所述方式下，当应变传感器1自身，特别是绝缘层12的刚性低时，难以将旋转轴体5的变形传递至应变传感器1，因此通过利用更硬的材料构成绝缘层12，而使得效果进一步提高。例如，相对于使用玻璃的情况，使用蓝宝石等作为绝缘层12更有效。
另外，在所述的扭矩检测器中，通过在硅层11的背面中央形成槽部111而构成薄壁部112，将电阻计13形成于所述薄壁部112。因此，能够使应力集中于形成有电阻计13的薄壁部112，对施加至旋转轴体5的扭矩的检测灵敏度提高。
另外，以上，示出了将绝缘层12的上表面与硅层11的背面的整个面接合的情况。但是，并不限于此，例如，也可以如图6所示，使用将绝缘层12在中央一分为二的绝缘层(第一绝缘层)123及绝缘层(第二绝缘层)124。因此，能够将旋转轴体5的变形更有效率地传递至应变传感器1。
另外，以上，示出了在绝缘层12的背面形成有槽部121的情况。但是，并不限定于此，只要仅将绝缘层12的长边方向两端侧与旋转轴体5接合即可。
例如，如图7所示，也可以使用具有间隙而配置，并只与硅层11的长边方向两端相向的两个板状的绝缘层(第一绝缘层，第二绝缘层)125、126，作为绝缘层12，将所述两个绝缘层125、126直接与旋转轴体5接合。
另外，例如，如图8所示，也可以在板状的绝缘层12的背面的长边方向两端，接合刚性高的柱构件14，绝缘层12构成为经由所述柱构件14而与旋转轴体5接合。
另外，例如，如图9所示，也可以将板状的绝缘层12的背面的长边方向两端，通过粘接构件(粘接剂或焊料等)15，而直接与旋转轴体5接合。
另外，四个电阻计13的配置并不限于图2所示的配置，例如也可以设为如图10所示的配置。
另外，以上，示出了使用包括四个电阻计13(R1～R4)的全电桥电路作为惠斯通电桥电路的情况。但是，并不限于此，如图11所示，也可以使用包括两个电阻计13(R1、R2)的半电桥电路，作为惠斯通电桥电路。另外，图11B中的R是固定电阻。
另外，如图12所示，也可以在硅层11的背面，形成有将槽部111与硅层11的侧面连通的连通槽部113。在这里，在硅层11与绝缘层12的接合中，通过阳极接合而施加400度左右的温度。因此，当没有连通槽部113时，在阳极接合时，存在于硅层11与绝缘层12之间的槽部111的空气在高温状态下被密封，如果下降至常温，则所述空气收缩，因此有可能导致薄壁部112变形，应变传感器1的零点偏离。另一方面，通过设置连通槽部113，在阳极接合时，能够使存在于槽部111的空气散出至外部，能够避免薄壁部112的变形。
另外，硅层11需要构成为利用槽部111及连通槽部113，使得只有一部分变薄而不使整体变薄。
另外，以上，示出了使用包括用于使应力集中的薄壁部112的半导体应变计，作为应变传感器1的情况。但是，并不限定于此，也可以使用其它形状(例如无薄壁部112的形状)的半导体应变计。
如以上所述，根据所述实施方式1，包括：硅层11，包括电阻计13；以及绝缘层12，一面与硅层11的至少两端接合，与所述一面相向的相向面的长边方向两端与旋转轴体5接合，因此，扭矩的检测精度提高。
另外，以上，示出了使用硅层11作为基板层的情况，但是并不限于此，只要是根据外力而产生应变的构件即可。例如，作为基板层，能够使用绝缘体(玻璃等)或金属。在这里，当基板层是绝缘体时，电阻计13是通过利用溅射等成膜于所述绝缘体而形成。并且，当基板层是金属时，电阻计13是通过利用溅射等经由绝缘膜成膜于所述金属而形成。并且，也可以使用硅层11作为基板层，通过利用溅射等成膜于所述硅层11而形成电阻计13。
在使用所述绝缘体或金属作为基板层的情况下，量规因数也高于一般的金属应变计。并且，当通过成膜而形成电阻计13时，相对于通过离子注入而在硅层11形成电阻计13的情况，量规因数不会因结晶定向而改变，即，不需要限定方向。
另一方面，相对于通过成膜而形成电阻计13的情况，通过离子注入而在硅层11形成电阻计13的情况下，量规因数高4～10倍以上。
另外，本申请发明在所述发明的范围内，能够进行实施方式的任意构成元件的变形、或者实施方式的任意构成元件的省略。
产业上的可利用性
本发明的扭矩检测器由于扭矩的检测精度提高，故例如适用于检测施加至旋转轴体的扭矩的扭矩检测器。
符号的说明
1：应变传感器
5：旋转轴体
6：驱动系统
11：硅层(基板层)
12：绝缘层
13：电阻计(扩散电阻)
14：柱构件
15：粘接构件
111：槽部
112：薄壁部
113：连通槽部
121：槽部
122：接合部
123：绝缘层(第一绝缘层)
124：绝缘层(第二绝缘层)
125：绝缘层(第一绝缘层)
126：绝缘层(第二绝缘层)。

Claims (9)

1.一种扭矩检测器，包括：
基板层，包括电阻计，根据外力而产生应变；以及
绝缘层，一面与所述基板层的至少两端接合，与所述一面相向的相向面的长边方向两端与旋转轴体接合。
2.根据权利要求1所述的扭矩检测器，其特征在于，
所述基板层是硅层。
3.根据权利要求2所述的扭矩检测器，其特征在于，
所述硅层的表面的结晶定向为(100)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的扭矩检测器，其特征在于，
所述电阻计是通过成膜于所述基板层而形成。
5.根据权利要求2或3所述的扭矩检测器，其特征在于，
所述电阻计形成于所述硅层的<110>方向上。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的扭矩检测器，其特征在于，包括：
槽部，形成于所述绝缘层的所述相向面，在所述相向面的长边方向两端构成接合部；并且
所述接合部直接与所述旋转轴体接合。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的扭矩检测器，其特征在于，
所述绝缘层包括具有间隙而配置的第一绝缘层及第二绝缘层，
所述第一绝缘层及所述第二绝缘层直接与所述旋转轴体接合。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的扭矩检测器，其特征在于，包括：
柱构件，一面与所述绝缘层的所述相向面的长边方向两端接合，与所述一面相向的相向面直接与所述旋转轴体接合；并且
所述绝缘层经由所述柱构件而与所述旋转轴体接合。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的扭矩检测器，其特征在于，
所述绝缘层通过粘接构件，而直接与所述旋转轴体接合。
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