CN111033200A - 扭矩检测器及扭矩检测器的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明包括：硅层(11)；电阻计(13)，形成于硅层(11)；狭缝部(111)，形成于硅层(11)，使所述硅层(11)的形成有电阻计(13)的部位为本地部(112)；以及绝缘层(12)，与硅层(11)接合。

Description

扭矩检测器及扭矩检测器的制造方法

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及扭矩检测器的制造方法。

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，根据外力而产生应变；电阻计(resistance gauge)，形成于基板层；狭缝部，形成于基板层，使所述基板层的形成有电阻计的部位为本地部；以及绝缘层，与基板层接合。

发明的效果

根据本发明，如上所述而构成，因此扭矩的检测精度提高。

附图说明

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4A、图4B是表示将本发明的实施方式1中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6A、图6B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顶视图。

图7A、图7B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8A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8B是表示包括图8A所示的电阻计的半电桥电路的结构例的图。

图9A～图9F是表示本发明的实施方式1中的应变传感器的尺寸的一例的顶视图及侧视图，图9G是表示应变传感器的尺寸所引起的灵敏度的不同的图。

图10是表示本发明的实施方式1中的绝缘层的厚度及接合层的厚度所引起的灵敏度的不同的图。

图11A、图11B是表示本发明的实施方式1中的应变传感器的顶视图及侧视图的图，图11C是表示狭缝部的宽度及本地部的宽度所引起的灵敏度的不同的图。

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，形成有多条狭缝部111。利用狭缝部111，在硅层11的中央构成本地部112。电阻计13形成于所述本地部112。

在图1中，在硅层11的一对两侧面，分别形成有狭缝部111。因此，硅层11包括硅层(第一基板层)113、硅层(第二基板层)114、以及一个电桥部115，所述一个电桥部115是设置于硅层113与硅层114之间的本地部112。并且，在图1中，狭缝部111的角部构成为圆弧状。

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，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)。

绝缘层12是上表面与硅层11的背面接合，且背面与旋转轴体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，绝缘层12包括具有间隙而配置的板状的两块绝缘层(第一绝缘层及第二绝缘层)121、122，绝缘层121的上表面与硅层113的背面接合，绝缘层122的上表面与硅层114的背面接合。

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，通过蚀刻而形成狭缝部111(步骤ST2)。因此，使硅层11的形成有电阻计13的部位为本地部112。

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ST3)。

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的背面与旋转轴体5加以接合。这时，使绝缘层12的背面及旋转轴体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。并且，图5中，表示利用长方形状的应变传感器1的情况。

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，通过在硅层11形成多条狭缝部111，而构成本地部112，将电阻计13形成于所述本地部112。因此，可使应力集中于形成有电阻计13的本地部112，对施加至旋转轴体5的扭矩的检测灵敏度提高。

另外，如图1所示，绝缘层12包括绝缘层121及绝缘层122，通过对绝缘层12的中央进行分割，而使得对施加至旋转轴体5的扭矩的检测灵敏度进一步提高。

另外，在图1中，狭缝部111的角部构成为圆弧状。因此，相对于狭缝部111包含角的情况，能够分散局部集中的应力，能够减少电桥部115的破坏风险。

另外，在图1中，示出如下的情况：将狭缝部111形成于硅层11的一对两侧面，将硅层11设为包括一个电桥部115的单电桥结构。但是，电桥形状并不限于此。例如，如图6A所示，也可以在硅层11内形成两条狭缝部111，将硅层11设为三电桥结构，其包括含有本地部112的三个电桥部115。通过图6A所示的结构，能够提高硅层11的强度。并且，如图6B所示，也可以将硅层11设为交联电桥(cross bridge)结构，包括作为本地部112的交叉的两条电桥部115。

另外，在图1中，表示本地部112的厚度与硅层11(硅层113、114)的厚度相同的情况。但是，并不限于此，例如，如图7A所示，也可以使本地部112的厚度相对于硅层11(硅层113、114)的厚度而构成得薄。因此，对施加至旋转轴体5的扭矩的检测灵敏度进一步提高。另外，本地部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，本地部112设计得厚，当硅层11的刚性高时，本地部112设计得薄。

另外，在图1中，示出如下的情况：绝缘层12包括绝缘层121及绝缘层122，对绝缘层12的中央进行分割。但是，并不限于此，例如，如图7B所示，也可以设为对绝缘层12不进行分割的结构。

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8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8B中的R是固定电阻。

最后，与实验数据一并，说明对应变传感器1(MEMS芯片)的灵敏度造成影响的参数。

作为对本发明的实施方式1的应变传感器1的灵敏度造成影响的参数，可举出应变传感器1的尺寸(芯片尺寸)、绝缘层12的厚度、硅层11与绝缘层12之间的接合层的厚度及硬度、狭缝部111的宽度及本地部112的宽度。

首先，一边参照图9，一边说明应变传感器1的尺寸所引起的灵敏度的不同。图9A、图9B中，表示了应变传感器1的尺寸为(a×3a)的情况，图9C、图9D中，表示了应变传感器1的尺寸为(1.5a×1.5a)的情况，图9E、图9F中，表示了应变传感器1的尺寸为(3a×3a)的情况。a是常数。而且，在图9G中，表示应变传感器1的尺寸所引起的灵敏度的不同。另外，图9A～图9F所示的应变传感器1表示包括狭缝部111的情况。并且，在图9G中，表示将一般的金属应变计的灵敏度设为1时的灵敏度比。

如所述图9所示，应变传感器1中，尺寸越大，灵敏度越高。并且，应变传感器1在相同面积的情况下，正方形的灵敏度高于长方形的灵敏度。即，图9C、图9D所示的应变传感器1相对于图9A、图9B所示的应变传感器1，面积小，但是如图9G所示灵敏度提高。

另外，在一般的金属应变计中，量规因数为2～3左右，与此相对，在应变传感器1中，量规因数为数十～100左右。因此，所述应变传感器1相对于金属应变计，能够实现100倍以上的灵敏度。并且，应变传感器1由于灵敏度高，所以能够相对于金属应变计大幅小型化，因此固定侧(旋转轴体5侧)的自由度变大。

如上所述，应变传感器1的尺寸与灵敏度处于权衡的关系，但是通过相应于小型化的程度，对绝缘层12进行分割，或形成狭缝部111，能够使应变传感器1为高灵敏度。

其次，一边参照图10，一边说明绝缘层12的厚度与接合层的厚度及硬度所引起的灵敏度的不同。在图10中，表示了使用派热克斯玻璃(Pyrex glass)作为绝缘层12，将接合层的厚度为T并且绝缘层12的厚度比(相对于基准厚度的比率)为2时的灵敏度设为1时的灵敏度比。并且，在图10中，表示了将接合层的厚度设为T的情况、将绝缘层12的厚度比设为1并且进行了焊料接合的情况、将绝缘层12的厚度比设为1并且将接合层的厚度设为4T的情况。

如果绝缘层12厚，就会吸收应变，应变的传递效率下降。因此，如图10所示，应变传感器1中，绝缘层12的厚度越薄，灵敏度越高。另一方面，需要考虑到作为绝缘层12所需要的耐受电压的最低限度的厚度。并且，当使用粘接剂作为接合层时，灵敏度会根据厚度及硬度而发生变化。即，应变传感器1在使用环氧系等杨氏模量(Young′s modulus)高的粘接剂作为粘接剂的情况下或者接合层越薄，灵敏度越高。并且，应变传感器1中，与使用粘接剂的情况相比，使用焊料接合的情况下的灵敏度更高。

其次，一边参照图11，一边说明狭缝部111的宽度及本地部112的宽度所引起的灵敏度的不同。在图11A、图11B中，作为一例，表示应变传感器1的尺寸为(3a×3a)的情况。并且，如图11A所示，将狭缝部111的宽度设为h1，将本地部112的宽度设为h2。并且，在图11C中，与图9G同样地，表示了将一般的金属应变计的灵敏度设为1时的灵敏度比。

如所述图11所示，通过在应变传感器1构成狭缝部111及本地部112，能够相对于不设置狭缝部111及本地部112的情况，提高约两倍的灵敏度。并且，即使改变应变传感器1的尺寸，灵敏度最高的狭缝部111的宽度及本地部112的宽度也大致相同(在图11的示例中，不论应变传感器1的尺寸如何，狭缝部111的宽度为0.25a且本地部112的宽度为0.25a的情况下，灵敏度最高)。

如以上所述，根据所述实施方式1，包括：硅层11；电阻计13，形成于硅层11；狭缝部111，形成于硅层11，使所述硅层11的形成有电阻计13的部位为本地部112；以及绝缘层12，与硅层11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，当通过成膜而形成有电阻计13时，相对于通过离子注入而在硅层11形成有电阻计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及扭矩检测器的制造方法由于提高了扭矩的检测精度，所以例如适用于检测施加至旋转轴体的扭矩的扭矩检测器及扭矩检测器的制造方法。

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)

111：狭缝部

112：本地部

113：硅层

114：硅层

115：电桥部

121：绝缘层

122：绝缘层

Claims (12)

1.一种扭矩检测器，包括：

基板层，根据外力而产生应变；

电阻计，形成于所述基板层；

狭缝部，形成于所述基板层，使所述基板层的形成有所述电阻计的部位为本地部；以及

绝缘层，与所述基板层接合。

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，

所述狭缝部将角部构成为圆弧状。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的扭矩检测器，其特征在于，

所述基板层包括：

第一基板层；

第二基板层；以及

一个电桥部，是设置于所述第一基板层与所述第二基板层之间的所述本地部。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的扭矩检测器，其特征在于，

所述基板层包括：

第一基板层；

第二基板层；以及

三个电桥部，包括设置于所述第一基板层与所述第二基板层之间的所述本地部。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的扭矩检测器，其特征在于，

所述基板层包括：

第一基板层；

第二基板层；以及

交叉的两个电桥部，是设置于所述第一基板层与所述第二基板层之间的所述本地部。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的扭矩检测器，其特征在于，

所述绝缘层包括：

第一绝缘层，与所述第一基板层接合；以及

第二绝缘层，与所述第二基板层接合。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的扭矩检测器，其特征在于，

所述本地部是相对于所述基板层的厚度构成得较薄。

12.一种扭矩检测器的制造方法，包括如下的步骤：

在根据外力而产生应变的基板层形成电阻计；

在所述基板层，形成狭缝部，所述狭缝部使所述基板层的形成有所述电阻计的部位为本地部；以及

将所述基板层与绝缘层加以接合。

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