JP6216879B2 - Torque detection device - Google Patents

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    • G01L3/10Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating

Description

本発明は、半導体ひずみセンサ等のひずみセンサを用いて、回転シャフトに印加されるトルクを検出する装置に関する。   The present invention relates to an apparatus for detecting torque applied to a rotating shaft using a strain sensor such as a semiconductor strain sensor.

近年、自動車に用いられる回転シャフトなどに生じるトルクを検出する装置が各種開発されている。一例をあげると、特開2013−174562号公報(特許文献1)に記載されたトルク検出装置がある。本文献のトルク検出装置では、装置の小型軽量化を目的として、ひずみ検出部を有したアタッチメント部品をシャフトに取り付ける構造となっている。具体的には、トルク検出装置は、回転駆動シャフトの外周面に固定され、回転駆動シャフトのトルクを平面上の歪みに変換する平坦部を有するアタッチメントと、アタッチメントの平坦部に装着される表面弾性波センサと、回転駆動シャフトの周囲に装着され、送受信機側アンテナと送受信するフィルムアンテナとを備えている(要約参照)。   In recent years, various devices for detecting torque generated in a rotating shaft used in an automobile have been developed. As an example, there is a torque detection device described in JP2013-174562A (Patent Document 1). The torque detection device of this document has a structure in which an attachment component having a strain detection portion is attached to a shaft for the purpose of reducing the size and weight of the device. Specifically, the torque detection device includes an attachment having a flat portion that is fixed to the outer peripheral surface of the rotary drive shaft and converts the torque of the rotary drive shaft into a strain on a plane, and a surface elasticity that is attached to the flat portion of the attachment. It is equipped with a wave sensor and a film antenna that is mounted around the rotary drive shaft and transmits / receives a transceiver antenna (see summary).

また、トルク印加時にシャフトに発生するひずみを検出するセンサとして、半導体ひずみセンサがある。半導体ひずみセンサは、ひずみ検出部を金属薄膜ではなく、シリコン(Si)などの半導体に不純物をドープして形成した半導体ピエゾ抵抗を利用するデバイスである。半導体ひずみセンサは、ひずみに対する抵抗変化率が金属薄膜を用いたひずみゲージの数十倍と大きく、微小なひずみを測定することが可能である。また、金属薄膜のひずみゲージでは、抵抗変化が小さいため、得られる電気信号を増幅するための外部のアンプが必要となる。半導体ひずみセンサは抵抗変化が大きいため、得られた電気信号を外部のアンプを用いずに使用することができる。アンプが必要な場合であっても、半導体ひずみセンサの半導体チップにアンプ回路を作りこむことが可能であるため、小型化や高精度化を実現することが可能である。このセンサを用いることによって、適用用途や使用上の利便性を大きく向上できると考えられている。本センサを用いたトルク検出装置の一例をあげると、例えば、特開2006−220574号公報(特許文献2)に記載された回転体力学量測定装置がある。具体的には、回転体力学量測定装置は、特定の結晶方位を長手とする不純物拡散層で構成したホイートストンブリッジ回路を含む半導体単結晶によって形成されたチップ形状を成し、回転軸に貼り付けられて使用される(要約及び段落0010参照)。   Moreover, there is a semiconductor strain sensor as a sensor for detecting strain generated in the shaft when torque is applied. A semiconductor strain sensor is a device that uses a semiconductor piezoresistor in which a strain detector is formed by doping impurities such as silicon (Si) instead of a metal thin film. A semiconductor strain sensor has a resistance change rate with respect to strain as large as several tens of times that of a strain gauge using a metal thin film, and can measure a minute strain. In addition, since the resistance change is small in the metal thin film strain gauge, an external amplifier for amplifying the obtained electric signal is required. Since the semiconductor strain sensor has a large resistance change, the obtained electrical signal can be used without using an external amplifier. Even when an amplifier is required, an amplifier circuit can be built in the semiconductor chip of the semiconductor strain sensor, so that miniaturization and high accuracy can be realized. By using this sensor, it is considered that the application and convenience in use can be greatly improved. An example of a torque detection device using this sensor is, for example, a rotating body mechanical quantity measurement device described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-220574 (Patent Document 2). Specifically, the rotating body mechanical quantity measuring device has a chip shape formed of a semiconductor single crystal including a Wheatstone bridge circuit composed of an impurity diffusion layer having a specific crystal orientation as a longitudinal direction, and is attached to a rotating shaft. (See summary and paragraph 0010).

特開2013−174562号公報JP 2013-174562 A 特開2006−220574号公報JP 2006-220574 A

しかし、半導体ひずみセンサを被測定物であるシャフト(回転軸)外周面に直接貼り付けてひずみ計測を行う場合、シャフトのひずみ量が大きくなると、シリコンである半導体ひずみセンサ自体が破壊してしまうという課題が存在する。シリコンは、大きなひずみが印加されると脆性破壊を起こしやすく、弾性変形するひずみ範囲は、他の材料と比較して広くない。ひずみ計測が可能なひずみ範囲は、センサの実装条件などにも依存するが、例えば、±1000με(以下、ひずみ量を表す記号としてεを用いる)以内とすることが一つの基準となる。   However, when the strain is measured by directly attaching the semiconductor strain sensor to the outer peripheral surface of the shaft (rotating shaft) as the object to be measured, if the strain amount of the shaft increases, the semiconductor strain sensor itself, which is silicon, will be destroyed. There are challenges. Silicon is susceptible to brittle fracture when a large strain is applied, and the strain range of elastic deformation is not wide compared to other materials. The strain range in which strain measurement is possible depends on the mounting conditions of the sensor, but one criterion is, for example, within ± 1000 με (hereinafter, ε is used as a symbol representing the amount of strain).

したがって、半導体ひずみセンサをトルク検出装置に適用する場合、最大トルク印加時に本センサに発生するひずみ量が、ある許容ひずみ値(例.±1000με)以内となるように、シャフト寸法を設計する必要がある。もし、発生ひずみが許容ひずみ値以上の場合、一般には、発生ひずみを低減するために、シャフト外径を大きくしてシャフトの剛性を上げる。しかし、シャフト寸法は、他の要因から決定していることも多く、容易に変更できないことが多い。   Therefore, when applying a semiconductor strain sensor to a torque detector, it is necessary to design the shaft dimensions so that the amount of strain generated in this sensor when maximum torque is applied is within a certain allowable strain value (eg ± 1000 με). is there. If the generated strain is equal to or greater than the allowable strain value, generally, in order to reduce the generated strain, the shaft outer diameter is increased to increase the shaft rigidity. However, shaft dimensions are often determined from other factors and are often not easily changed.

特許文献1では、シャフトの外周面に固定したアタッチメントにトルクを検出する表面弾性波センサを取り付けている。しかし、表面弾性波センサを構成する圧電材料基板は、シャフトのトルクを平面上の歪みに変換する平坦部の、シャフトの軸方向における中心部に取り付けられている。そして、特許文献1では、平坦部上におけるセンサの取り付け位置は、特に配慮されていない。   In Patent Document 1, a surface acoustic wave sensor that detects torque is attached to an attachment fixed to the outer peripheral surface of a shaft. However, the piezoelectric material substrate constituting the surface acoustic wave sensor is attached to the central portion in the axial direction of the shaft of the flat portion that converts the torque of the shaft into the strain on the plane. And in patent document 1, the attachment position of the sensor on a flat part is not considered in particular.

本発明の目的は、半導体ひずみセンサのような脆性破壊を起こしやすいセンサを使用した場合でも、センサが破壊しないように信頼性を確保した上で、大トルクの計測を実現することができるトルク検出装置を提供することにある。   The object of the present invention is to provide torque detection that can realize measurement of a large torque while ensuring reliability so that the sensor does not break even when a sensor that easily causes brittle fracture such as a semiconductor strain sensor is used. To provide an apparatus.

上記目的を達成するために、本発明のトルク検出装置は、トルク計測の対象とするシャフト部材1の外周面に設けられた突起部2と、突起部2に搭載されたひずみを計測するひずみセンサ5とを備え、突起部2が前記ひずみセンサ5を搭載する搭載部4と搭載部4の両端部をシャフト部材1の軸方向に離間した2箇所でシャフト部材1の外周面に連結固定する2つの接続部3とで構成され、搭載部4がシャフト部材1の外周面から離間して設けられたトルク検出装置において、ひずみセンサ5は、搭載部4の前記軸方向における中央から一方の接続部3の側に偏って配置される。   In order to achieve the above object, a torque detection device of the present invention includes a protrusion 2 provided on the outer peripheral surface of a shaft member 1 to be subjected to torque measurement, and a strain sensor that measures strain mounted on the protrusion 2. 5, and the projecting portion 2 connects and fixes the mounting portion 4 on which the strain sensor 5 is mounted and the both end portions of the mounting portion 4 to the outer peripheral surface of the shaft member 1 at two locations separated in the axial direction of the shaft member 1. In the torque detection device that is configured with two connection portions 3 and the mounting portion 4 is provided apart from the outer peripheral surface of the shaft member 1, the strain sensor 5 includes one connection portion from the center in the axial direction of the mounting portion 4. 3 is biased to the side.

本発明によれば、ひずみセンサとして半導体ひずみセンサのような脆性破壊を起こしやすいセンサを使用した場合でも、センサが破壊しないように信頼性を確保した上で、シャフトに印加される大トルクの計測が可能なトルク検出装置を実現できる。   According to the present invention, even when a sensor that easily causes brittle fracture, such as a semiconductor strain sensor, is used as a strain sensor, the reliability of the sensor is ensured so that the sensor is not broken, and the large torque applied to the shaft is measured. A torque detection device capable of achieving the above can be realized.

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。   Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following description of embodiments.

本発明の実施例であるトルク検出装置の斜視図である。It is a perspective view of the torque detection apparatus which is an Example of this invention. 本発明の実施例であるトルク検出装置の側面図である。It is a side view of the torque detection apparatus which is an Example of this invention. シャフト形状が異なるトルク検出装置の斜視図である。It is a perspective view of the torque detection apparatus from which a shaft shape differs. シャフト形状が異なるトルク検出装置の側面図である。It is a side view of the torque detection apparatus from which a shaft shape differs. 半導体ひずみセンサの表面側の構成を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the structure of the surface side of a semiconductor strain sensor. 半導体ひずみセンサの表面側の構成を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the structure of the surface side of a semiconductor strain sensor. 半導体ひずみセンサの側面から見た構成を模式的に示す側面図である。It is a side view which shows typically the structure seen from the side surface of the semiconductor strain sensor. 本発明の実施例であるトルク検出装置の、半導体ひずみセンサ周辺の拡大図である。It is an enlarged view of a semiconductor strain sensor periphery of the torque detection apparatus which is the Example of this invention. トルクを印加されたシャフトの変形模式図である。It is a deformation | transformation schematic diagram of the shaft to which the torque was applied. トルク印加時のシャフト部材の変形図である。It is a deformation | transformation figure of the shaft member at the time of torque application. トルク印加時のシャフト部材に発生するひずみ分布図である。It is a distortion distribution map which generate | occur | produces in the shaft member at the time of torque application. トルク印加時の平板部上のひずみ分布図である。It is a strain distribution figure on the flat plate part at the time of torque application. 本発明の実施例2であるトルク検出装置の側面図である。It is a side view of the torque detection apparatus which is Example 2 of this invention. 本発明の実施例3であるトルク検出装置の側面図である。It is a side view of the torque detection apparatus which is Example 3 of this invention. 本発明の実施例4であるトルク検出装置の側面図である。It is a side view of the torque detection apparatus which is Example 4 of this invention. 本発明の実施例4であるトルク検出装置に用いるシャフトの側面図である。It is a side view of the shaft used for the torque detection apparatus which is Example 4 of this invention. 本発明の実施例4であるトルク検出装置に用いる金属板の平面図である。It is a top view of the metal plate used for the torque detection apparatus which is Example 4 of this invention.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiments, and the repetitive description thereof will be omitted.

図1および図2に、本発明のトルク検出装置の斜視図および側面図を示す。トルク検出装置は、測定対象であるシャフト1と、半導体ひずみセンサ5と、半導体ひずみセンサ5と電気的に接続される配線部10(フレキシブル配線板やガラエポ基板など)と、バッテリー部品11と、無線通信部品12とで構成されている。シャフト1に印加されるトルク6を検出することが本実施例の目的である。なお、図1では、配線部10、バッテリー部品11および無線通信部品12は図示していない。   1 and 2 are a perspective view and a side view of the torque detector of the present invention. The torque detector includes a shaft 1 to be measured, a semiconductor strain sensor 5, a wiring portion 10 (such as a flexible wiring board or a glass epoxy substrate) electrically connected to the semiconductor strain sensor 5, a battery component 11, and a wireless The communication part 12 is comprised. The purpose of this embodiment is to detect the torque 6 applied to the shaft 1. In FIG. 1, the wiring portion 10, the battery component 11, and the wireless communication component 12 are not shown.

図1および図2を用いて、シャフト1の詳細について説明する。図示したシャフトは、中空軸であるが、本実施例は中空軸に限定したものではなく、中実軸も対象となる。シャフト1は、外周面に、突起部2を有している。突起部2は、切削加工などによって、シャフト1の回転軸と一体で形成されている。従って、突起部2はシャフト1と同じ材料でできている。突起部2は、2箇所の接続部3と平板部4とで構成されている。2箇所の接続部3は、シャフト1の回転軸(軸心)8の方向に間隔を置いて配置されており、シャフト1の外周面に接続している。平板部4は、2箇所の接続部3の間に形成され、平板部4の両端が接続部3とつながっている。平板部4は平板形状であり、平板の長手方向がシャフト1の回転軸8と略平行に配置され、センサを搭載する面7は、シャフト1の周方向と略垂直に形成されている。すなわち、平板部4は、シャフト1の回転軸8に垂直な断面上において、シャフト1の回転軸8から放射方向(径方向)に伸ばした直線上に配置され、センサ搭載面7は前記直線に平行である。   Details of the shaft 1 will be described with reference to FIGS. 1 and 2. Although the illustrated shaft is a hollow shaft, the present embodiment is not limited to the hollow shaft, and a solid shaft is also an object. The shaft 1 has a protrusion 2 on the outer peripheral surface. The protrusion 2 is formed integrally with the rotating shaft of the shaft 1 by cutting or the like. Therefore, the protrusion 2 is made of the same material as the shaft 1. The protrusion 2 is composed of two connection portions 3 and a flat plate portion 4. The two connection portions 3 are arranged at intervals in the direction of the rotation axis (axial center) 8 of the shaft 1 and are connected to the outer peripheral surface of the shaft 1. The flat plate portion 4 is formed between the two connection portions 3, and both ends of the flat plate portion 4 are connected to the connection portion 3. The flat plate portion 4 has a flat plate shape, the longitudinal direction of the flat plate is disposed substantially parallel to the rotation axis 8 of the shaft 1, and the surface 7 on which the sensor is mounted is formed substantially perpendicular to the circumferential direction of the shaft 1. That is, the flat plate portion 4 is arranged on a straight line extending in a radial direction (radial direction) from the rotation axis 8 of the shaft 1 on a cross section perpendicular to the rotation axis 8 of the shaft 1, and the sensor mounting surface 7 is in the straight line. Parallel.

図3および図4は、シャフト1の別形状案の斜視図、側面図である。図1および図2に示したシャフト1の接続部3は、シャフト外周面の一部に形成されていた。しかし、接続部3の形状は、図3および図4に示す通り、シャフト1の外周面の全周に形成されていてもよい。シャフト1の材質は、特に指定はないが、機械構造用鋼などの金属材料を用いることが多い。   3 and 4 are a perspective view and a side view of another shape plan of the shaft 1. The connecting portion 3 of the shaft 1 shown in FIGS. 1 and 2 is formed on a part of the outer peripheral surface of the shaft. However, the shape of the connecting portion 3 may be formed on the entire outer periphery of the shaft 1 as shown in FIGS. 3 and 4. The material of the shaft 1 is not particularly specified, but a metal material such as steel for machine structure is often used.

突起部2は、回転体であるシャフト1の回転バランスに配慮して、小型軽量化される。それでも、図1および図2の構成では、少なからず回転のアンバランスが生じることになる。図3および図4の構成によれば、接続部3がシャフト外周面の全周に形成されるため、アンバランスの解消には有利である。   The protrusion 2 is reduced in size and weight in consideration of the rotation balance of the shaft 1 that is a rotating body. Nevertheless, in the configuration of FIGS. 1 and 2, there is a considerable unbalance of rotation. According to the configuration of FIGS. 3 and 4, the connecting portion 3 is formed on the entire circumference of the outer peripheral surface of the shaft, which is advantageous in eliminating the imbalance.

図5Aおよび図5Bは、半導体ひずみセンサ5の表面側の構成を模式的に示す平面図である。図5Cは、半導体ひずみセンサ5の側面から見た構成を模式的に示す側面図である。なお、図5Cの側面図は、図5Aおよび図5Bに示す半導体ひずみセンサ5に共通する。   5A and 5B are plan views schematically showing the configuration of the surface side of the semiconductor strain sensor 5. FIG. 5C is a side view schematically showing a configuration viewed from the side of the semiconductor strain sensor 5. The side view of FIG. 5C is common to the semiconductor strain sensor 5 shown in FIGS. 5A and 5B.

半導体ひずみセンサ5は、図5A、図5Bおよび図5Cに示すように、表面(主面)5aおよび表面5aの反対側に位置する裏面5bを備える。半導体ひずみセンサ5の裏面5bには金属膜が形成されている。この金属膜は、例えば半導体基板側からチタン(Ti)、ニッケル(Ni)、金(Au)が順に積層された積層膜(金属積層膜)から成り、例えばスパッタ法により形成することができる。このように半導体ひずみセンサ5の裏面5bに金属膜を形成することで、はんだなどの金属製の接合材との接合強度を向上させることができる。また、表面5aおよび裏面5bはそれぞれ四辺形(四角形)を成し、図5Aおよび図5Bに示す例では、例えば、一辺の長さが2mm〜5mm程度の正方形を成す。また、半導体ひずみセンサ5は、表面5a側の中央部に位置するセンサ領域14に形成された複数の抵抗素子15(ピエゾ抵抗素子)を備える。   As shown in FIGS. 5A, 5B, and 5C, the semiconductor strain sensor 5 includes a front surface (main surface) 5a and a back surface 5b located on the opposite side of the front surface 5a. A metal film is formed on the back surface 5 b of the semiconductor strain sensor 5. This metal film is composed of a laminated film (metal laminated film) in which, for example, titanium (Ti), nickel (Ni), and gold (Au) are sequentially laminated from the semiconductor substrate side, and can be formed, for example, by sputtering. Thus, by forming the metal film on the back surface 5b of the semiconductor strain sensor 5, the bonding strength with a metal bonding material such as solder can be improved. Further, the front surface 5a and the back surface 5b each form a quadrilateral (quadrangle), and in the example shown in FIGS. 5A and 5B, for example, each side has a length of about 2 mm to 5 mm. The semiconductor strain sensor 5 includes a plurality of resistance elements 15 (piezoresistive elements) formed in the sensor region 14 located in the central portion on the surface 5a side.

また、半導体ひずみセンサ5は、複数の抵抗素子15(ピエゾ抵抗素子)と電気的に接続される複数の電極(パッド、電極パッド9)を備える。電極パッド9は、表面5a側のセンサ領域14よりも周縁部側に位置する入出力回路領域に形成されている。複数の抵抗素子15は、例えば(100)面を有するシリコン基板の素子形成面に不純物をドープし、拡散させた不純物拡散領域により構成される。半導体ひずみセンサ5は、例えば4本の抵抗素子15を電気的に接続したホイートストンブリッジ回路25を備える。このホイートストンブリッジ回路25は、ピエゾ抵抗効果による抵抗素子15の抵抗変化を計測してひずみを検知する検知回路(ひずみ検知回路)を構成する。   The semiconductor strain sensor 5 includes a plurality of electrodes (pads, electrode pads 9) that are electrically connected to a plurality of resistance elements 15 (piezoresistive elements). The electrode pad 9 is formed in the input / output circuit region located on the peripheral side of the sensor region 14 on the surface 5a side. The plurality of resistance elements 15 are constituted by impurity diffusion regions in which, for example, an element formation surface of a silicon substrate having a (100) plane is doped and diffused. The semiconductor strain sensor 5 includes a Wheatstone bridge circuit 25 in which, for example, four resistance elements 15 are electrically connected. The Wheatstone bridge circuit 25 constitutes a detection circuit (strain detection circuit) that detects a strain by measuring a resistance change of the resistance element 15 due to the piezoresistance effect.

また、検知回路25は、複数の配線を介して複数の電極パッド9に接続される。複数の電極パッド9は、半導体ひずみセンサ5の入出力端子となっており、例えば、センサチップ1に電源電位(第1電源電位)を供給する端子Vcc、基準電位(第2電源電位)を供給する端子GND、および検知信号を出力する端子SIGが含まれる。また、検知回路25を構成する複数の抵抗素子15のレイアウトは、図5に示す態様に限定されるものではないが、本実施形態では以下の構成としている。すなわち、半導体ひずみセンサ5が備える半導体基板(例えばシリコン(Si)から成るシリコン基板)を単結晶(シリコン単結晶)とした場合、検知回路25を構成する複数の抵抗素子15の延在方向(長手方向)は、それぞれ(100)面を有する半導体基板の<110>方向または<100>方向と一致する。例えば、図5Aに示す例では、半導体ひずみセンサ5が備える半導体基板(シリコン基板)には、シリコン単結晶の<110>方向(図5AではX方向およびX方向と直交するY方向)の結晶方位に沿って電流が流れるように4本のp型拡散領域(導電型がp型である不純物をドープした領域)が形成される。言い換えれば、半導体ひずみセンサ5では、シリコン基板のシリコン単結晶の<110>方向の結晶方位に沿って延びるように4箇所にp型の不純物をドープして、4本の抵抗素子15が形成される。   The detection circuit 25 is connected to the plurality of electrode pads 9 via a plurality of wirings. The plurality of electrode pads 9 are input / output terminals of the semiconductor strain sensor 5. For example, a terminal Vcc that supplies a power supply potential (first power supply potential) to the sensor chip 1 and a reference potential (second power supply potential) are supplied. And a terminal SIG that outputs a detection signal. Further, the layout of the plurality of resistance elements 15 constituting the detection circuit 25 is not limited to the mode shown in FIG. 5, but the following configuration is adopted in the present embodiment. That is, when the semiconductor substrate (for example, a silicon substrate made of silicon (Si)) provided in the semiconductor strain sensor 5 is a single crystal (silicon single crystal), the extending direction (longitudinal direction) of the plurality of resistance elements 15 constituting the detection circuit 25 is described. Direction) coincides with the <110> direction or <100> direction of the semiconductor substrate having the (100) plane. For example, in the example shown in FIG. 5A, the semiconductor substrate (silicon substrate) provided in the semiconductor strain sensor 5 has a crystal orientation in the <110> direction of the silicon single crystal (the X direction and the Y direction orthogonal to the X direction in FIG. 5A). Four p-type diffusion regions (regions doped with impurities whose conductivity type is p-type) are formed so that a current flows along. In other words, in the semiconductor strain sensor 5, four resistance elements 15 are formed by doping p-type impurities at four locations so as to extend along the crystal orientation in the <110> direction of the silicon single crystal of the silicon substrate. The

また、図5Bに示す例では、半導体ひずみセンサ5が備える半導体基板(シリコン基板)には、シリコン単結晶の<100>方向(図5BではX方向およびX方向と直交するY方向)の結晶方位に沿って電流が流れるように4本のn型拡散領域(導電型がn型である不純物をドープした領域)が形成される。言い換えれば、半導体ひずみセンサ5では、シリコン基板のシリコン単結晶の<100>方向の結晶方位に沿って延びるように4箇所にn型の不純物をドープして、4本の抵抗素子15が形成される。   In the example shown in FIG. 5B, the semiconductor substrate (silicon substrate) included in the semiconductor strain sensor 5 has a crystal orientation in the <100> direction of the silicon single crystal (the X direction and the Y direction orthogonal to the X direction in FIG. 5B). Four n-type diffusion regions (regions doped with impurities whose conductivity type is n-type) are formed so that a current flows along. In other words, in the semiconductor strain sensor 5, four resistance elements 15 are formed by doping n-type impurities at four locations so as to extend along the crystal orientation in the <100> direction of the silicon single crystal of the silicon substrate. The

図Aおよび図5Bに示すように、検知回路を構成する複数の抵抗素子15の延在方向が、それぞれ(100)面を有する半導体基板の<110>方向または<100>方向と一致する半導体ひずみセンサ5は、例えば図5Aおよび図5Bに示すX方向のひずみと、Y方向のひずみの差分を出力することができる。詳しくは、図5Aおよび図5Bに示す端子SIGから、X方向のひずみとY方向のひずみの差分を電位差として出力することができる。このように、X方向のひずみとY方向のひずみの差分を出力する計測方式は、半導体ひずみセンサ5に印加される熱ひずみの影響を低減する観点から有利である。   As shown in FIGS. A and 5B, the semiconductor strain in which the extending directions of the plurality of resistance elements 15 constituting the detection circuit respectively coincide with the <110> direction or the <100> direction of the semiconductor substrate having the (100) plane. The sensor 5 can output the difference between the strain in the X direction shown in FIGS. 5A and 5B and the strain in the Y direction, for example. Specifically, the difference between the strain in the X direction and the strain in the Y direction can be output as a potential difference from the terminal SIG shown in FIGS. 5A and 5B. Thus, the measurement method that outputs the difference between the strain in the X direction and the strain in the Y direction is advantageous from the viewpoint of reducing the influence of the thermal strain applied to the semiconductor strain sensor 5.

すなわち、図1に示すように半導体ひずみセンサ5は、シャフト1である被測定物上に取り付けられるため、測定環境温度が変化すると、シャフト1と半導体ひずみセンサ5の線膨張係数の違いに起因した熱ひずみが生じる。この熱ひずみは測定対象となるひずみとは異なるノイズ成分なので、熱ひずみの影響は低減する方が好ましい。   That is, as shown in FIG. 1, the semiconductor strain sensor 5 is mounted on the object to be measured which is the shaft 1, and therefore, when the measurement environment temperature changes, it is caused by the difference in the linear expansion coefficient between the shaft 1 and the semiconductor strain sensor 5. Thermal distortion occurs. Since this thermal strain is a noise component different from the strain to be measured, it is preferable to reduce the influence of thermal strain.

ここで、図5Aおよび図5Bに示すように、半導体ひずみセンサ5の平面形状が正方形の場合、熱ひずみの影響は、X方向とY方向で同程度となる。このため、例えば、X方向に発生するひずみを検出する場合には、X方向のひずみとY方向のひずみの差分を出力すれば、熱ひずみに起因するひずみ量はキャンセルされ、測定対象であるひずみを選択的に検出することができる。   Here, as shown in FIGS. 5A and 5B, when the planar shape of the semiconductor strain sensor 5 is a square, the influence of thermal strain is approximately the same in the X direction and the Y direction. For this reason, for example, when detecting the strain generated in the X direction, if the difference between the strain in the X direction and the strain in the Y direction is output, the strain amount due to the thermal strain is canceled, and the strain to be measured. Can be selectively detected.

つまり、半導体ひずみセンサ5を用いれば、熱ひずみによる影響を低減できるので、環境温度の変化によるひずみ値のばらつきを低減することができる。また、半導体ひずみセンサ5を構成する抵抗素子15や電極パッド9などの各部材は、公知の半導体装置の製造技術を適用して形成することができるので、素子や配線の微細化が容易である。また、製造効率を向上させて、製造コストを低減することができる。   That is, if the semiconductor strain sensor 5 is used, the influence of thermal strain can be reduced, so that variation in strain values due to changes in environmental temperature can be reduced. In addition, since each member such as the resistance element 15 and the electrode pad 9 constituting the semiconductor strain sensor 5 can be formed by applying a known semiconductor device manufacturing technique, the elements and wirings can be easily miniaturized. . Moreover, manufacturing efficiency can be improved and manufacturing cost can be reduced.

次に、半導体ひずみセンサ5をシャフト1に取り付ける接合材(図示していない)について説明する。接合材は、半導体ひずみセンサ5の裏面5b全体、および半導体ひずみセンサ5の側面の一部を覆うように設けられる。言い換えれば、接合材の周縁部は、半導体ひずみセンサ5の側面の外側まで広がり、フィレットを形成することもある。半導体ひずみセンサ5とシャフト1を固定する観点からは、接合材は金属材料に限定されず、例えば熱硬化性樹脂などの樹脂製接着材を用いることができる。   Next, a bonding material (not shown) for attaching the semiconductor strain sensor 5 to the shaft 1 will be described. The bonding material is provided so as to cover the entire back surface 5 b of the semiconductor strain sensor 5 and a part of the side surface of the semiconductor strain sensor 5. In other words, the peripheral edge portion of the bonding material may extend to the outside of the side surface of the semiconductor strain sensor 5 to form a fillet. From the viewpoint of fixing the semiconductor strain sensor 5 and the shaft 1, the bonding material is not limited to a metal material, and for example, a resin adhesive such as a thermosetting resin can be used.

図6に、半導体ひずみセンサ5近傍の拡大図を示す。半導体ひずみセンサ5および配線部10は、シャフト1の平板部4上に取りつけられている。配線部10は、半導体ひずみセンサ5の複数の電極パッド9と電気的に接続される複数の配線を備えている。また、配線部10は、複数の金属パターンである配線部が樹脂フィルム内に封止された構成であり、樹脂フィルムの一部に設けられた開口部において、複数の配線の一部が露出して、この露出部分が複数の端子10aを構成する。また、図6に示す例では、半導体ひずみセンサ5の複数の電極パッド9と配線部の複数の端子10aとは、複数のAuワイヤ13(導電性部材)を介して電気的に接続されている。ワイヤ13は、例えば、線径が10μm〜200μm程度の金線(Au線)である。また、半導体ひずみセンサ5およびAuワイヤ13は、封止樹脂16により封止されている。封止樹脂16でワイヤ13を覆うことにより、隣り合うワイヤ同士の短絡を防止できる。また、配線部10の一方の端部は、図6に示すように平板部4に固定される。配線部10の他方の端部には例えば図示しないコネクタが形成され、例えば、ひずみを計測する回路(図示は省略)を搭載した基板部品などと電気的に接続される。配線部10の他方の端部はひずみ計測回路を搭載した基板部品に直接接続されてもよい。なお、図6では、配線部10とワイヤ13とは区別して説明したが、複数のワイヤ13を含めて配線部と見做すこともできる。また、配線部10は、半導体ひずみセンサ5と図示しない外部機器の間で、入出力電流を伝送することができれば良く、図6に示す態様には限定されない。   FIG. 6 shows an enlarged view of the vicinity of the semiconductor strain sensor 5. The semiconductor strain sensor 5 and the wiring part 10 are mounted on the flat plate part 4 of the shaft 1. The wiring unit 10 includes a plurality of wirings that are electrically connected to the plurality of electrode pads 9 of the semiconductor strain sensor 5. In addition, the wiring part 10 has a structure in which a wiring part that is a plurality of metal patterns is sealed in a resin film, and a part of the plurality of wirings is exposed in an opening provided in a part of the resin film. Thus, the exposed portion constitutes a plurality of terminals 10a. In the example shown in FIG. 6, the plurality of electrode pads 9 of the semiconductor strain sensor 5 and the plurality of terminals 10a of the wiring portion are electrically connected via a plurality of Au wires 13 (conductive members). . The wire 13 is, for example, a gold wire (Au wire) having a wire diameter of about 10 μm to 200 μm. Further, the semiconductor strain sensor 5 and the Au wire 13 are sealed with a sealing resin 16. By covering the wire 13 with the sealing resin 16, a short circuit between adjacent wires can be prevented. One end of the wiring part 10 is fixed to the flat plate part 4 as shown in FIG. For example, a connector (not shown) is formed at the other end of the wiring part 10 and is electrically connected to, for example, a board component or the like on which a circuit (not shown) for measuring strain is mounted. The other end of the wiring part 10 may be directly connected to a board component on which a strain measurement circuit is mounted. In FIG. 6, the wiring portion 10 and the wire 13 are described separately, but a plurality of wires 13 can also be regarded as a wiring portion. Moreover, the wiring part 10 should just be able to transmit input-output current between the semiconductor strain sensor 5 and the external apparatus which is not shown in figure, and is not limited to the aspect shown in FIG.

図2に示す通り、シャフト1には、バッテリー11および無線通信部品12が搭載されている。半導体ひずみセンサ5は、回転体であるシャフト1に固定されている。したがって、半導体ひずみセンサ5を動作させるためのバッテリー10もシャフト1に固定されている。また、計測ひずみ値は、無線通信部品12を経由して、外部の計測システム部(図示しない)に伝達される。なお、図2にはバッテリーを用いる実施例を示したが、本発明では、バッテリーを搭載せず、電磁誘導方式や磁気共鳴方式などによる無線給電を用いることも可能である。   As shown in FIG. 2, a battery 11 and a wireless communication component 12 are mounted on the shaft 1. The semiconductor strain sensor 5 is fixed to a shaft 1 that is a rotating body. Therefore, the battery 10 for operating the semiconductor strain sensor 5 is also fixed to the shaft 1. Further, the measured strain value is transmitted to an external measurement system unit (not shown) via the wireless communication component 12. Although an embodiment using a battery is shown in FIG. 2, in the present invention, it is also possible to use wireless power feeding by an electromagnetic induction method or a magnetic resonance method without mounting a battery.

次に、図7〜図10を用いて、トルク検出原理について説明する。   Next, the principle of torque detection will be described with reference to FIGS.

シャフト1に、トルク6が印加された場合、シャフト1の外周面には、ねじり変形が発生する。図7に、ねじり変形によるシャフト外周面の変形量を模式的に示す。図7は、図中のシャフト右端部17を完全固定し、左端部18にトルクを印加した場合のねじり変形量を矢印で示している。図に示す通り、シャフト1の回転軸8の方向に沿って、ねじり変形量は変化する。つまり、シャフト外周面上において、回転軸8方向に沿って離れた位置にある2箇所P1,P2におけるねじり変形量には差分が生じる。ここで、本実施例のシャフトの場合、シャフト外周面には、図2に示すように、回転軸8方向に沿って離れた位置に2つの接続部3が形成されているので、2つの接続部3のねじり変形量には差分が生じることになる。次に、平板部4は、その長手方向における両端のみが接続部3とつながる構造となっている。平板部4の回転軸8方向に沿う辺4a(図2参照)とシャフト外周面との間には隙間が形成され、辺4aとシャフト外周面とは接続されていない。したがって、2つの接続部3にねじり変形量の差分が生じた場合、平板部4には曲げ変形が発生する。   When torque 6 is applied to the shaft 1, torsional deformation occurs on the outer peripheral surface of the shaft 1. FIG. 7 schematically shows the deformation amount of the outer peripheral surface of the shaft due to torsional deformation. FIG. 7 shows the amount of torsional deformation with an arrow when the right end 17 of the shaft in the figure is completely fixed and torque is applied to the left end 18. As shown in the figure, the amount of torsional deformation changes along the direction of the rotation axis 8 of the shaft 1. That is, there is a difference in the amount of torsional deformation at the two locations P1 and P2 that are separated from each other along the direction of the rotation axis 8 on the outer peripheral surface of the shaft. Here, in the case of the shaft of the present embodiment, as shown in FIG. 2, two connecting portions 3 are formed on the outer peripheral surface of the shaft at positions separated along the direction of the rotation axis 8. A difference occurs in the torsional deformation amount of the portion 3. Next, the flat plate portion 4 has a structure in which only both ends in the longitudinal direction are connected to the connection portion 3. A gap is formed between the side 4a (see FIG. 2) along the direction of the rotation axis 8 of the flat plate portion 4 and the shaft outer peripheral surface, and the side 4a and the shaft outer peripheral surface are not connected. Therefore, when a difference in the amount of torsional deformation occurs in the two connecting portions 3, bending deformation occurs in the flat plate portion 4.

以上をまとめると、シャフト1にトルクが印加されると、平板部4には曲げひずみが発生する。平板部4上に搭載された半導体ひずみセンサ5によって、この曲げひずみを計測し、シャフト1に印加されたトルクを計測することが可能となる。   In summary, when a torque is applied to the shaft 1, bending strain occurs in the flat plate portion 4. This bending strain can be measured by the semiconductor strain sensor 5 mounted on the flat plate portion 4, and the torque applied to the shaft 1 can be measured.

図8〜10に、測定原理を検証した応力解析結果を示す。本実施例のシャフト材にトルクを負荷した場合の応力解析を実施し、平板部4の変形図および平板部4上に発生するひずみ分布を検証した。解析モデルは、図3および図4に示したシャフト1(接続部3がシャフト外周の全周に形成されているモデル)とした。シャフト1の右端部を完全固定とし、シャフト1の左端部にトルクを印加した。図8に、トルク印加時のシャフト変形図を示す。2箇所の接続部3のねじり変形量の差分に起因して、平板部4に曲げ変形が発生することが分かる。また、平板部4の固定側19(平板部の右半分側)は図面上で下に凸の変形、平板部4のトルク負荷側20(平板部の左半分側)は図面上で上に凸の変形となることが分かる。   8 to 10 show the stress analysis results for verifying the measurement principle. A stress analysis was performed when torque was applied to the shaft material of the present example, and the deformation diagram of the flat plate portion 4 and the strain distribution generated on the flat plate portion 4 were verified. The analysis model was the shaft 1 shown in FIGS. 3 and 4 (a model in which the connecting portion 3 is formed on the entire outer periphery of the shaft). The right end portion of the shaft 1 was completely fixed, and torque was applied to the left end portion of the shaft 1. FIG. 8 shows a shaft deformation view when torque is applied. It can be seen that bending deformation occurs in the flat plate portion 4 due to the difference in torsional deformation amount of the two connection portions 3. Further, the fixed side 19 (right half side of the flat plate portion) of the flat plate portion 4 is deformed downward in the drawing, and the torque load side 20 (left half side of the flat plate portion) of the flat plate portion 4 is protruded upward in the drawing. It turns out that it becomes a deformation | transformation.

次に、図9に、平板部4に発生する曲げひずみ分布図を示す。また、図10に、平板部4の長手方向(図9中のAA’線上)におけるひずみ分布図を示す。図9では、ひずみの大きさを白黒の濃淡で表してある。白色に近づくほど圧縮ひずみが大きくなり、黒色に近づくほど引張ひずみが大きくなる。   Next, FIG. 9 shows a distribution diagram of bending strain generated in the flat plate portion 4. FIG. 10 shows a strain distribution diagram in the longitudinal direction of the flat plate portion 4 (on the line AA ′ in FIG. 9). In FIG. 9, the magnitude of the distortion is represented by shades of black and white. The closer to white, the greater the compressive strain, and the closer to black, the greater the tensile strain.

図9および図10に示すように、平板部4の固定側19の上面19aには圧縮ひずみが発生する。これは、平板部4が下に凸の変形となるためである。一方、平板部4のトルク負荷側20の上面20aには引張ひずみが発生する。これは、上に凸の変形となるためである。なお、平板部4の固定側19の下面19bには引張ひずみが発生し、トルク負荷側20の下面20bには圧縮ひずみが発生する。   As shown in FIGS. 9 and 10, compressive strain is generated on the upper surface 19 a of the fixed side 19 of the flat plate portion 4. This is because the flat plate portion 4 is deformed downward. On the other hand, tensile strain is generated on the upper surface 20 a of the flat plate portion 4 on the torque load side 20. This is due to the upward convex deformation. In addition, a tensile strain is generated on the lower surface 19b of the fixed side 19 of the flat plate portion 4, and a compressive strain is generated on the lower surface 20b of the torque load side 20.

また、図10より、平板部4の長手方向の中心線21に発生するひずみは0であり、平板部4の上面19a,20aに発生するひずみは、平板部上の長手方向に沿って、ほぼ線形に圧縮から引張ひずみに変化していることが分かる。以上より、平板部4上には、想定通り、曲げひずみが発生することが確認できた。   Further, as shown in FIG. 10, the strain generated in the center line 21 in the longitudinal direction of the flat plate portion 4 is 0, and the strain generated in the upper surfaces 19a and 20a of the flat plate portion 4 is substantially along the longitudinal direction on the flat plate portion. It can be seen that there is a linear change from compression to tensile strain. From the above, it was confirmed that bending strain was generated on the flat plate portion 4 as expected.

本発明の実施例であるトルク検出装置の効果について説明する。   The effect of the torque detection device according to the embodiment of the present invention will be described.

本実施例の半導体ひずみセンサ5は、平板部4の中心線21上には搭載されず、中心線21から外れた位置に搭載されている。図8〜10に示した応力解析結果から分かる通り、平板部4の中心線21上の発生ひずみは0である。したがって、半導体ひずみセンサ5は、中心線21上には搭載されず、外れた位置に搭載される。   The semiconductor strain sensor 5 of the present embodiment is not mounted on the center line 21 of the flat plate portion 4 but is mounted at a position off the center line 21. As can be seen from the stress analysis results shown in FIGS. 8 to 10, the generated strain on the center line 21 of the flat plate portion 4 is zero. Therefore, the semiconductor strain sensor 5 is not mounted on the center line 21 but mounted at a position away from the center line 21.

本実施例では、特に、半導体ひずみセンサ5全体が中心線(中央線)21から一方の接続部3側に偏った位置に配置されている。これにより、ひずみを確実に検知することができる。なお、中心線21は、平板部4の長手方向において、平板部4が2つの接続部3に接続される位置から等距離にある中央位置を表す。本実施例によれば、半導体ひずみセンサ5は、平板部(搭載部)4の回転軸(軸心)8方向における中央部から一方の接続部3の側に偏って配置される。   In the present embodiment, in particular, the entire semiconductor strain sensor 5 is disposed at a position deviated from the center line (center line) 21 toward the one connection portion 3 side. Thereby, distortion can be detected reliably. The center line 21 represents a central position that is equidistant from the position at which the flat plate portion 4 is connected to the two connecting portions 3 in the longitudinal direction of the flat plate portion 4. According to the present embodiment, the semiconductor strain sensor 5 is arranged so as to be biased toward the one connecting portion 3 side from the central portion in the direction of the rotation axis (axial center) 8 of the flat plate portion (mounting portion) 4.

また、応力解析結果より、平板部4に発生するひずみは、平板部上の長手方向に沿って、ほぼ線形に圧縮から引張ひずみに変化する。ここで、センサが破壊しないように信頼性を確保した上で、大トルクの計測を可能にするためには、最大トルクが印加された際に、半導体ひずみセンサ5に発生するひずみ値が、ある許容ひずみ値(例.±1000με)以内となるように設計する必要がある。本実施例の場合、平板部4上の曲げひずみは、ほぼ線形に圧縮から引張ひずみに変化している。したがって、最大トルクが印加される際に発生するひずみ値が許容ひずみ値以下となる位置が、平板部4上に必ず存在することになる。そのような位置に、半導体ひずみセンサ5を搭載すれば、半導体ひずみセンサ5の破壊を防止して信頼性を確保することが可能となる。シャフト外周面のひずみを直接計測する場合は、発生ひずみ値がある許容値以下となるように、シャフト形状を変更する必要があることを述べたが、本実施例の場合、シャフト形状を変更することなく、平板部4への貼り付け位置のみを変更することによって、発生ひずみをある許容値以下となるように設計することが可能となる。   Further, from the stress analysis result, the strain generated in the flat plate portion 4 changes from compression to tensile strain almost linearly along the longitudinal direction on the flat plate portion. Here, there is a strain value generated in the semiconductor strain sensor 5 when maximum torque is applied in order to enable measurement of a large torque while ensuring reliability so that the sensor is not destroyed. It is necessary to design so as to be within an allowable strain value (eg, ± 1000 με). In the case of the present embodiment, the bending strain on the flat plate portion 4 changes almost linearly from compression to tensile strain. Therefore, there is always a position on the flat plate portion 4 at which the strain value generated when the maximum torque is applied is equal to or less than the allowable strain value. If the semiconductor strain sensor 5 is mounted at such a position, it is possible to prevent the semiconductor strain sensor 5 from being broken and to ensure reliability. In the case of directly measuring the strain on the outer peripheral surface of the shaft, it has been stated that the shaft shape needs to be changed so that the generated strain value is below a certain allowable value. In the case of this embodiment, the shaft shape is changed. Without changing, only the attachment position to the flat plate portion 4 can be changed so that the generated strain can be designed to be a certain allowable value or less.

図11に、本実施例のトルク検出装置の側面図を示す。基本的な構成は、実施例1と同じである。半導体ひずみセンサ5を2個搭載している点が実施例1との相違点である。図11に示す通り、半導体ひずみセンサ5は、平板部4の中心線21に対して対称の位置に搭載されている。   In FIG. 11, the side view of the torque detection apparatus of a present Example is shown. The basic configuration is the same as that of the first embodiment. The difference from the first embodiment is that two semiconductor strain sensors 5 are mounted. As shown in FIG. 11, the semiconductor strain sensor 5 is mounted at a symmetrical position with respect to the center line 21 of the flat plate portion 4.

図9および図10に示した通り、平板部4上に発生するひずみは、中心線21を対称として、圧縮ひずみと引張ひずみが発生する。つまり、2個の半導体ひずみセンサ5に発生するひずみは、一方が引張ひずみであり、もう一方が圧縮ひずみである。よって、負荷トルクを推定する際、両センサによって計測したひずみ値の差分を取得することによって、負荷トルクに対するセンサ出力値の大きさ(すなわち、センサ感度)を上げることが可能となり、トルク検出精度を向上させることができる。   As shown in FIG. 9 and FIG. 10, the strain generated on the flat plate portion 4 generates a compressive strain and a tensile strain with the center line 21 being symmetrical. That is, one of the strains generated in the two semiconductor strain sensors 5 is tensile strain and the other is compressive strain. Therefore, when estimating the load torque, it is possible to increase the magnitude of the sensor output value with respect to the load torque (that is, the sensor sensitivity) by acquiring the difference between the strain values measured by both sensors, and to improve the torque detection accuracy. Can be improved.

図12に、本実施例のトルク検出装置の側面図を示す。基本的な構成は、実施例1と同じである。本実施例では、突起部2Aおよび突起部2Bに搭載された半導体ひずみセンサ5が、シャフト回転軸8に対して点対称の位置に2つ形成されている。なお、突起部2Aおよび突起部2Bは実施例1で説明した突起部2と同じ構成であるが、突起部2A、突起部2Bのように異なる符号を付して、両者を区別する。   In FIG. 12, the side view of the torque detection apparatus of a present Example is shown. The basic configuration is the same as that of the first embodiment. In this embodiment, two semiconductor strain sensors 5 mounted on the protrusions 2 </ b> A and 2 </ b> B are formed at point-symmetrical positions with respect to the shaft rotation axis 8. The protrusion 2A and the protrusion 2B have the same configuration as the protrusion 2 described in the first embodiment. However, the protrusions 2A and 2B are distinguished from each other by giving different reference numerals like the protrusion 2A and the protrusion 2B.

本実施例のトルク検出装置の効果について説明する。シャフト1には、トルクに起因したねじり変形以外に、外力の影響によって、図12中に示す曲げ変形22が印加されることが考えられる。この場合、半導体ひずみセンサ5には、曲げ変形22に起因した曲げひずみが発生する。例えば、図12中に示す曲げ変形22が印加された場合、半導体ひずみセンサ5Aには引張ひずみが、半導体ひずみセンサ5Bには圧縮ひずみが発生する。ここで、突起部2および半導体ひずみセンサ5が1個の場合、センサ出力値は、トルクによって発生したひずみと曲げ変形22によって発生したひずみが加算されて出力されるため、求めたいトルク値の検出精度が低下することになる。   The effect of the torque detector of the present embodiment will be described. It is conceivable that the bending deformation 22 shown in FIG. 12 is applied to the shaft 1 due to the influence of external force in addition to the torsional deformation caused by the torque. In this case, bending strain due to the bending deformation 22 is generated in the semiconductor strain sensor 5. For example, when the bending deformation 22 shown in FIG. 12 is applied, tensile strain is generated in the semiconductor strain sensor 5A and compressive strain is generated in the semiconductor strain sensor 5B. Here, when there is one protrusion 2 and one semiconductor strain sensor 5, the sensor output value is output by adding the strain generated by the torque and the strain generated by the bending deformation 22. Accuracy will be reduced.

一方、本実施例のように突起部2および半導体ひずみセンサ5がシャフト回転軸8に対して軸対称に複数配置されて、図12に示す曲げ変形が発生した場合、半導体ひずみセンサ5Aには引張ひずみが、半導体ひずみセンサ5Bには前記引張ひずみと大きさが同じである圧縮ひずみが発生する。このため、両センサ5A,5Bの出力値を加算することによって、曲げ変形に起因して発生するひずみを打ち消すことが可能となる。   On the other hand, when a plurality of protrusions 2 and semiconductor strain sensors 5 are arranged symmetrically with respect to the shaft rotation axis 8 and bending deformation as shown in FIG. As for the strain, a compressive strain having the same magnitude as the tensile strain is generated in the semiconductor strain sensor 5B. For this reason, by adding the output values of both sensors 5A and 5B, it is possible to cancel the distortion caused by the bending deformation.

このように、本実施例の場合、シャフト1の曲げ変形に起因したひずみ変動の影響を打ち消すことが可能となるため、測定対象であるトルク値の検出精度を向上させることが可能となる。   As described above, in the case of the present embodiment, it is possible to cancel the influence of the strain variation caused by the bending deformation of the shaft 1, so that it is possible to improve the detection accuracy of the torque value that is the measurement target.

本実施例の突起部2Aおよび突起部2Bを、それぞれ実施例2の突起部2のように構成してもよい。すなわち、各突起部2A,2Bに2つの半導体ひずみセンサ5を設けてもよい。   The protruding portion 2A and the protruding portion 2B of the present embodiment may be configured like the protruding portion 2 of the second embodiment. That is, two semiconductor strain sensors 5 may be provided on each of the protrusions 2A and 2B.

図13および図14に、本実施例のトルク検出装置の斜視図および側面図を示す。基本的な構成は、実施例1と同じであるが、半導体ひずみセンサ5を搭載した平板部4が、シャフト1とは別体となっていることを特徴とする。   13 and 14 are a perspective view and a side view of the torque detection device of the present embodiment. Although the basic configuration is the same as that of the first embodiment, the flat plate portion 4 on which the semiconductor strain sensor 5 is mounted is separate from the shaft 1.

図13および図14に示す通り、シャフト1に形成される突起部2は、接続部3のみで構成されている。また、接続部3には、隙間部24が形成されている。また、図15は、半導体ひずみセンサ5を搭載した金属板23を示す。金属板23は上述した各実施例の平板部4を構成するための部材である。なお、図15には、配線部、ワイヤ、封止樹脂などのその他部品は図示していない。本実施例では、この金属板23を、隙間部24に挿入し、金属板23の両端を固定する。固定する方法は、接着、溶接、ボルト締めなど各種方法が考えられる。図13〜15はボルト締めすることを想定し、金属板23の両端には、丸穴23aが加工されている。また、接続部3には、丸穴3aとねじ部3bが加工されている。すなわち、隙間部24を介して対向する2つの部分3A,3Bには、一方の部分3Aに丸穴3aが形成され、他方の部分3Bにねじ部3bが形成されている。   As shown in FIGS. 13 and 14, the protruding portion 2 formed on the shaft 1 is composed of only the connecting portion 3. Further, a gap portion 24 is formed in the connection portion 3. FIG. 15 shows a metal plate 23 on which the semiconductor strain sensor 5 is mounted. The metal plate 23 is a member for constituting the flat plate portion 4 of each embodiment described above. Note that FIG. 15 does not show other parts such as wiring parts, wires, and sealing resin. In this embodiment, the metal plate 23 is inserted into the gap portion 24 and both ends of the metal plate 23 are fixed. Various methods such as adhesion, welding, and bolting are conceivable as the fixing method. In FIGS. 13 to 15, assuming that bolting is performed, round holes 23 a are processed at both ends of the metal plate 23. The connecting portion 3 is processed with a round hole 3a and a screw portion 3b. That is, in the two portions 3A and 3B that are opposed to each other through the gap 24, a circular hole 3a is formed in one portion 3A, and a screw portion 3b is formed in the other portion 3B.

このように、半導体ひずみセンサ5を搭載する金属板23とシャフト1とを別体とした場合、以下の効果が考えられる。まず、半導体ひずみセンサ5を金属板23に接続するプロセスは、ヒーターや高温槽によって高温加熱することが多いが、サイズの小さい金属板23に搭載する場合、金属板の温度上昇が速いので、製造時間を短縮できる。また、シャフト1には、接続部3のみを追加工すればよいので、シャフト1の加工を簡略化できる。   As described above, when the metal plate 23 on which the semiconductor strain sensor 5 is mounted and the shaft 1 are separated, the following effects can be considered. First, the process of connecting the semiconductor strain sensor 5 to the metal plate 23 is often heated at a high temperature by a heater or a high-temperature bath, but when mounted on the metal plate 23 having a small size, the temperature rise of the metal plate is rapid. You can save time. Moreover, since only the connection part 3 needs to be additionally processed in the shaft 1, the processing of the shaft 1 can be simplified.

なお、本実施例では、接続部3とシャフト1は同一部材としたが、両部材を別体としてもよい。接続部3とシャフト1とを別体とすることにより、シャフト1の製造時間が短縮され、材料費の低減も可能である。一方で、接続部3とシャフト1とを一体形成する場合は、回転バランスに配慮してシャフト1と接続部3とを設計することができ、取付誤差等による回転アンバランスが生じ難い。   In addition, in the present Example, although the connection part 3 and the shaft 1 were the same members, both members are good also as a different body. By making the connecting portion 3 and the shaft 1 separate, the manufacturing time of the shaft 1 can be shortened and the material cost can be reduced. On the other hand, when the connection portion 3 and the shaft 1 are integrally formed, the shaft 1 and the connection portion 3 can be designed in consideration of the rotation balance, and rotation imbalance due to an attachment error or the like hardly occurs.

シャフト1、接続部3、金属板23に使用される材料の線膨張係数(α)は全て同じである。この場合、使用環境温度が変化しても、線膨張係数差に起因した熱ひずみは発生せず、半導体ひずみセンサ出力の変動は小さくなる。つまり、トルク推定精度を向上させることができる。   The linear expansion coefficient (α) of the materials used for the shaft 1, the connection portion 3, and the metal plate 23 are all the same. In this case, even if the use environment temperature changes, thermal strain due to the difference in linear expansion coefficient does not occur, and the fluctuation of the output of the semiconductor strain sensor becomes small. That is, the torque estimation accuracy can be improved.

本発明に係る上述の各実施例では、平板部4の中心線(中央線)21上は曲げひずみがゼロとなる。従って、ひずみセンサ5は中心線(中央線)21上を避けて、接続部3,3A,3B側に偏らせて配置される。このため、回転軸8方向において、中心線(中央線)21の両側に、少なくともひずみセンサ5が一つずつ収まる長さ寸法が必要である。すなわち、回転軸8方向における平板部4の長さは、少なくともひずみセンサ5の二つ分の長さが必要である。さらに、中心線(中央線)21の近傍では、曲げひずみが非常に小さな値になる。この曲げひずみの小さい領域を避けてひずみセンサ5を配置するため、回転軸8方向において、中心線(中央線)21の両側に、少なくともひずみセンサ5が二つつずつ収まる長さ寸法のセンサ搭載部を設けることが望ましい。この場合、回転軸8方向における平板部4の長さは、少なくともひずみセンサ5の四個分の長さが必要である。上述した実施例では、ひずみセンサ5が受ける曲げひずみの大きさを確実に変化させて調整することができるように、中心線(中央線)21の片方の側に、ひずみセンサ5の5個分の長さを確保しており、合計10個分の長さを確保している。   In each of the above-described embodiments according to the present invention, the bending strain is zero on the center line (center line) 21 of the flat plate portion 4. Accordingly, the strain sensor 5 is disposed so as to be biased toward the connecting portions 3, 3 </ b> A, 3 </ b> B, avoiding the center line (center line) 21. For this reason, the length dimension in which at least one strain sensor 5 is accommodated on both sides of the center line (center line) 21 in the direction of the rotation axis 8 is required. That is, the length of the flat plate portion 4 in the direction of the rotation shaft 8 needs to be at least two lengths of the strain sensor 5. Further, in the vicinity of the center line (center line) 21, the bending strain becomes a very small value. In order to arrange the strain sensor 5 while avoiding the region where the bending strain is small, a sensor mounting portion having a length dimension that fits at least two strain sensors 5 on both sides of the center line (center line) 21 in the direction of the rotation axis 8. It is desirable to provide In this case, the length of the flat plate portion 4 in the direction of the rotation axis 8 needs to be at least the length of four strain sensors 5. In the embodiment described above, the five strain sensors 5 are arranged on one side of the center line (center line) 21 so that the magnitude of the bending strain received by the strain sensor 5 can be reliably changed and adjusted. The total length of 10 pieces is secured.

なお、本実施例の突起部2A,2Bに係る構成を、実施例1〜実施例3に適用してもよい。   In addition, you may apply the structure which concerns on protrusion part 2A, 2B of a present Example to Example 1- Example 3. FIG.

なお、本発明は上記した各実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。   In addition, this invention is not limited to each above-mentioned Example, Various modifications are included. For example, the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations. Further, a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. Further, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.

1…シャフト、2,2A,2B…突起部、3,3A,3B…接続部、3a…丸穴、3b…ねじ部、4…平板部、4a…平板部の長手方向に沿う辺、5,5A,5B…半導体ひずみセンサ、5a…半導体ひずみセンサの表面、5b…半導体ひずみセンサの裏面、6…負荷トルク、7…センサ搭載面、8…シャフト回転軸、9…電極パッド、10…配線部、10a…配線部の端子、11…バッテリー、12…無線通信部品、13…ワイヤ、14…センサ領域、15…抵抗素子(ピエゾ抵抗素子)、16…封止樹脂、17…シャフト固定部(図中の右端)、18…シャフト負荷部(図中の左端)、19…平板部4の固定側(図中の右半分側)、19a…固定側19の上面、19b…固定側19の下面、20…平板部4のトルク負荷側(図中の左半分側)、20a…トルク負荷側20の上面、20b…トルク負荷側20の下面、21…平板部4の中心線、22…曲げ変形、23…金属板、23a…丸穴、24…隙間部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Shaft, 2, 2A, 2B ... Projection part, 3, 3A, 3B ... Connection part, 3a ... Round hole, 3b ... Screw part, 4 ... Flat plate part, 4a ... Side along the longitudinal direction of a flat plate part, 5, 5A, 5B ... Semiconductor strain sensor, 5a ... Front surface of semiconductor strain sensor, 5b ... Back surface of semiconductor strain sensor, 6 ... Load torque, 7 ... Sensor mounting surface, 8 ... Shaft rotating shaft, 9 ... Electrode pad, 10 ... Wiring part DESCRIPTION OF SYMBOLS 10a ... Terminal of wiring part, 11 ... Battery, 12 ... Wireless communication component, 13 ... Wire, 14 ... Sensor area | region, 15 ... Resistance element (piezoresistive element), 16 ... Sealing resin, 17 ... Shaft fixing | fixed part (FIG. Middle right end), 18 ... shaft load portion (left end in the figure), 19 ... fixed side of plate 4 (right half side in the figure), 19a ... upper surface of fixed side 19, 19b ... lower surface of fixed side 19, 20: Torque load side of the flat plate portion 4 (left half in the figure) ), The upper surface of 20a ... torque load side 20, the lower surface of the 20b ... torque load side 20, 21 ... flat plate portion 4 of the center line, 22 ... bending deformation, 23 ... metal plate, 23a ... round hole, 24 ... clearance.

Claims (8)

トルク計測の対象とするシャフト部材の外周面に設けられた突起部と、前記突起部に搭載されたひずみを計測するひずみセンサとを備え、前記突起部が前記ひずみセンサを搭載する搭載部と前記搭載部の両端部を前記シャフト部材の軸方向に離間した2箇所で前記シャフト部材の外周面に連結固定する2つの接続部とで構成され、前記搭載部が前記シャフト部材の外周面から離間して設けられたトルク検出装置において、
前記ひずみセンサは、前記搭載部の前記軸方向における中央から一方の接続部の側に偏って配置され
前記ひずみセンサは、1つの半導体基板上にホイートストンブリッジ回路が形成された半導体ひずみセンサであり、
二つの前記半導体ひずみセンサが、それぞれ、前記シャフト部材の回転軸に対して点対称の位置になるように配置され、かつ前記二つの前記半導体ひずみセンサの二つのホイートストンブリッジ回路の出力値を加算することを特徴とするトルク検出装置。
A projection provided on the outer peripheral surface of the shaft member to be subjected to torque measurement, and a strain sensor for measuring strain mounted on the projection, wherein the projection mounts the strain sensor; and The connecting portion is composed of two connecting portions for connecting and fixing the both end portions of the mounting portion to the outer peripheral surface of the shaft member at two locations separated in the axial direction of the shaft member, and the mounting portion is separated from the outer peripheral surface of the shaft member. In the torque detection device provided
The strain sensor is arranged so as to be biased from the center of the mounting portion in the axial direction toward one connecting portion ,
The strain sensor is a semiconductor strain sensor in which a Wheatstone bridge circuit is formed on one semiconductor substrate,
The two semiconductor strain sensors are arranged so as to be point-symmetrical with respect to the rotation axis of the shaft member, and the output values of the two Wheatstone bridge circuits of the two semiconductor strain sensors are added. A torque detector characterized by the above.
請求項1に記載のトルク検出装置において、
前記搭載部は、長手方向を有する平板形状であり、前記長手方向がシャフト回転軸と略平行に配置され、前記ひずみセンサを搭載する面が前記シャフト部材の周方向と略垂直に設置されていることを特徴とするトルク検出装置。
The torque detection device according to claim 1,
The mounting portion has a flat plate shape having a longitudinal direction, the longitudinal direction is disposed substantially parallel to the shaft rotation axis, and the surface on which the strain sensor is mounted is disposed substantially perpendicular to the circumferential direction of the shaft member. A torque detector characterized by the above.
請求項2に記載のトルク検出装置において、
前記搭載部の前記中央に対して、前記センサが配置された位置と、前記軸方向において対称となる位置に、もう一つのひずみセンサが配設されたことを特徴とするトルク検出装置。
The torque detection device according to claim 2,
A torque detecting device, wherein another strain sensor is disposed at a position symmetrical to the position where the sensor is disposed with respect to the center of the mounting portion.
請求項1に記載のトルク検出装置において、
前記接続部は前記シャフト部材と一体に形成されたことを特徴とするトルク検出装置。
The torque detection device according to claim 1,
The torque detector according to claim 1, wherein the connecting portion is formed integrally with the shaft member.
請求項4に記載のトルク検出装置において、
前記搭載部は前記接続部とは別体の金属板で構成され、前記接続部に継合されていることを特徴とするトルク検出装置。
The torque detector according to claim 4, wherein
The mounting portion is made of a metal plate separate from the connection portion, and is joined to the connection portion.
請求項1に記載のトルク検出装置において、
前記ひずみセンサは、半導体基板の表面にピエゾ抵抗素子を形成した半導体ひずみセンサであることを特徴とするトルク検出装置。
The torque detection device according to claim 1,
The strain sensor is a semiconductor strain sensor in which a piezoresistive element is formed on a surface of a semiconductor substrate.
請求項1に記載のトルク検出装置において、
前記突起部および前記ひずみセンサが前記シャフト部材の回転軸に対して軸対称に配置されていることを特徴とするトルク検出装置。
The torque detection device according to claim 1,
The torque detection device, wherein the protrusion and the strain sensor are arranged symmetrically with respect to a rotation axis of the shaft member.
請求項5に記載のトルク検出装置において、
前記シャフト部材および前記接続部の材質の線膨張係数と前記金属板の材質の線膨張係数とが同じであることを特徴とするトルク検出装置。
The torque detection device according to claim 5,
The torque detector according to claim 1, wherein a linear expansion coefficient of a material of the shaft member and the connecting portion is equal to a linear expansion coefficient of a material of the metal plate.
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