JP6698595B2

JP6698595B2 - トルク検出器

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Publication number: JP6698595B2
Application number: JP2017160191A
Authority: JP
Inventors: 祐希瀬戸; 石倉　義之; 義之石倉; 里奈小笠原
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2017-08-23
Filing date: 2017-08-23
Publication date: 2020-05-27
Anticipated expiration: 2037-08-23
Also published as: JP2019039708A; KR20200019245A; WO2019039146A1; KR102332884B1; CN111033199A

Description

この発明は、回転軸体に加わるトルクを検出するトルク検出器に関する。

回転軸体に加わるトルクを検出する方式の一つとして、回転軸体の周面に金属歪ゲージを取付け、トルクにより回転軸体の周面に生じるせん断応力の大きさを、金属歪ゲージにおける抵抗値変化により検出する方式がある。
この方式において、微小なトルク変化を精度よく検出する場合には、回転軸体における起歪部の軸径を小さくしてねじれ剛性を低くすることで、感度を向上させる手法が取られる（例えば特許文献１参照）。

特開２００２−１３９３９１号公報

しかしながら、回転軸体の起歪部の軸径を小さくして剛性が下がると、応力増大によるヒステリシスの問題（感度とヒステリシスとのトレードオフの問題）が発生し、精度の向上は望めない。
また、駆動系及び負荷系との接続の都合上必要な回転軸体の外形サイズに対し、起歪部の軸径を小さくした場合、狭く奥まった箇所に金属歪ゲージを取付けることになる。よって、金属歪ゲージを位置精度よく均一に取付けることが難しいという課題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、トルクの検出精度が向上するトルク検出器を提供することを目的としている。

この発明に係るトルク検出器は、２つのフランジ部、及び、当該２つのフランジ部の間に設けられ、当該２つのフランジ部より軸径が小さい起歪部を有する回転軸体に対し、当該２つのフランジ部に跨って固定されたベース板と、ベース板の起歪部に対向する位置に搭載された歪センサと、ベース板の起歪部に対向する両側面に形成され、歪センサの幅よりも狭い凹部とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、上記のように構成したので、トルクの検出精度が向上する。

図１Ａ，図１Ｂは、この発明の実施の形態１に係るトルク検出器の構成例を示す図（歪センサがベース板を介して回転軸体に取付けられた状態を示す図）であり、図１Ａは側面図であり、図１Ｂは上方から見た斜視図である。図２Ａ〜図２Ｃは、この発明の実施の形態１における歪センサの構成例を示す図であり、図２Ａは上面図であり、図２Ｂは側面図であり、図２ＣはＡ−Ａ’線断面図である。図３Ａはこの発明の実施の形態１における抵抗ゲージの配置例を示す上面図であり、図３Ｂは図３Ａに示す抵抗ゲージにより構成されるフルブリッジ回路の構成例を示す図である。この発明の実施の形態１における歪センサの製造方法の一例を示すフローチャートである。この発明の実施の形態１におけるベース板の構成例を示す上面図（歪センサが搭載された状態を示す図）である。図６Ａ、図６Ｂは、トルク検出器の基本動作原理を説明する図であり、図６Ａは回転軸体に加えられたトルクを示す側面図であり、図６Ｂは図６Ａに示すトルクにより歪センサに発生した応力分布の一例を示す図である。図７Ａ、図７Ｂは、この発明の実施の形態１に係るトルク検出器の効果を示す図であり、図７Ａはベース板の凹部間の幅（くびれ幅）を示す図であり、図７Ｂはくびれ幅とトルク検出器の感度との関係の一例を示す図である。この発明の実施の形態１における回転軸体の別の構成例を示す断面図（歪センサがベース板を介して回転軸体に取付けられた状態を示す図）である。図９Ａ〜図９Ｃは、この発明の実施の形態１における抵抗ゲージの別の配置例を示す上面図である。図１０Ａはこの発明の実施の形態１における抵抗ゲージの別の配置例を示す上面図であり、図１０Ｂは図１０Ａに示す抵抗ゲージにより構成されるハーフブリッジ回路の構成例を示す図である。図１１Ａ〜図１１Ｃは、この発明の実施の形態１におけるシリコン層の別の構成例を示す裏面図である。図１２Ａ、図１２Ｂは、この発明の実施の形態１におけるベース板の別の構成例を示す上面図（歪センサが搭載された状態を示す図）である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るトルク検出器の構成例を示す図である。図１では、歪センサ１がベース板２を介して回転軸体５に取付けられた状態を示している。
回転軸体５は、軸方向における一端にモータ等の駆動系６が接続され、他端にロボットハンド等の負荷系が接続される。この回転軸体５は、図１に示すように、フランジ部５１、フランジ部５２及び起歪部５３を有している。

フランジ部５１は、軸方向における一端に駆動系６のシャフトが接合される。
フランジ部５２は、軸方向における一端に負荷系のシャフトが接合される。
起歪部５３は、フランジ部５１とフランジ部５２との間に設けられ、フランジ部５１及びフランジ部５２より小さな軸径に構成されている。例えば、起歪部５３の軸径は、回転軸体５として必要な剛性を維持可能な最小直径に設定される。この起歪部５３は、軸方向における一端がフランジ部５１の他端に接続され、他端がフランジ部５２の他端に接続される。

このように、回転軸体５は、フランジ部５１とフランジ部５２との間に、フランジ部５１及びフランジ部５２より軸径が小さい起歪部５３を有するＨ型起歪体に構成されている。

一方、トルク検出器は、回転軸体５に加わるトルクを検出する。トルク検出器は、図１に示すように、歪センサ１及びベース板２を備えている。以下では、歪センサ１として半導体歪ゲージを用いた場合を示す。

歪センサ１は、ベース板２を介して回転軸体５に取付けられ、外部からのせん断応力（引張応力及び圧縮応力）に応じた電圧を出力する半導体歪ゲージである。歪センサ１は、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）により実現される。この歪センサ１は、ベース板２の起歪部５３に対向する位置に搭載される。歪センサ１は、図２，３に示すように、シリコン層（基板層）１１及び絶縁層１２を有する。

シリコン層１１は、外力に応じて歪みが生じる単結晶シリコンであり、複数の抵抗ゲージ（拡散抵抗）１３から成るホイートストンブリッジ回路を有するセンサ層である。シリコン層１１には、裏面（一面）の中央に、溝部１１１が形成されている。溝部１１１により、シリコン層１１には薄肉部１１２が構成される。抵抗ゲージ１３は、この薄肉部１１２に形成される。

なお、薄肉部１１２の厚さは、シリコン層１１の剛性等に応じて適宜設計される。例えば、シリコン層１１の剛性が低い場合には薄肉部１１２は厚くされ、シリコン層１１の剛性が高い場合には薄肉部１１２は薄くされる。

また、単結晶シリコンは、結晶異方性を有し、ｐ型シリコン（１００）面において、＜１１０＞方向のときに最もピエゾ抵抗係数が大きくなる。そのため、抵抗ゲージ１３は、例えば表面の結晶方位が（１００）であるシリコン層１１の＜１１０＞方向に形成される。
図３では、フルブリッジ回路（ホイートストンブリッジ回路）を構成する４つの抵抗ゲージ１３（Ｒ１〜Ｒ４）が、シリコン層１１の辺方向に対して斜め方向（４５度方向）に形成され、歪センサ１が２方向のせん断応力を検知する場合を示している。なおここでは、上記斜め方向の具体例として４５度方向とした場合を示したが、上記斜め方向は４５度方向に限定されず、歪センサ１の特性上、ある程度のずれ（例えば４４度方向又は４６度方向等）は許容される。

絶縁層１２は、上面がシリコン層１１の裏面に接合され、裏面が回転軸体５に接合される台座である。この絶縁層１２としては、例えばガラス又はサファイア等を用いることができる。

次に、歪センサ１の製造方法の一例について、図４を参照しながら説明する。
歪センサ１の製造方法では、図４に示すように、まず、シリコン層１１に、イオン注入により複数の抵抗ゲージ１３を形成する（ステップＳＴ１）。そして、複数の抵抗ゲージ１３によりホイートストンブリッジ回路を形成する。
次いで、シリコン層１１の裏面に、エッチングにより溝部１１１を形成する（ステップＳＴ２）。これにより、シリコン層１１の抵抗ゲージ１３が形成された箇所を薄肉部１１２とさせる。
次いで、シリコン層１１の裏面と絶縁層１２の上面とを、例えば陽極接合により接合する（ステップＳＴ３）。

ベース板２は、歪センサ１が搭載され、フランジ部５１及びフランジ部５２に直接跨って固定される板部材である。このベース板２としては、例えばコバール等の金属部材を用いることができる。図１では、ベース板２が、フランジ部５１及びフランジ部５２の周面に跨って固定された場合を示している。また図５に示すように、ベース板２には、起歪部５３に対向する両側面の中央に、凹部２１が形成されている。この凹部２１は歪センサ１の幅よりも狭く構成されている。また、凹部２１は、フランジ部５１とフランジ部５２との間（軸方向における間隔）よりも狭く構成されている。

また上記のようにして製造された歪センサ１をベース板２に取付ける場合には、絶縁層１２の裏面とベース板２とを例えばはんだ接合により接合する。この際、絶縁層１２の裏面及びベース板２の接合部位をメタライズした上で、はんだ接合を行う。また、ベース板２を回転軸体５に取付ける場合にも上記と同様に例えばはんだ接合により接合する。

また、歪センサ１は、抵抗ゲージ１３が回転軸体５の軸方向に対して斜め方向（４５度方向）を向くように配置される。すなわち、抵抗ゲージ１３は、回転軸体５にトルクが加わった際に発生するせん断応力の発生方向を向くように配置される。なおここでは、上記斜め方向の具体例として４５度方向とした場合を示したが、上記斜め方向は４５度方向に限定されず、歪センサ１の特性上、ある程度のずれ（例えば４４度方向又は４６度方向等）は許容される。

次に、トルク検出器の基本動作原理について、図６を参照しながら説明する。図６Ａでは、歪センサ１が取付けられた回転軸体５の一端に駆動系６が接続され、この駆動系６により回転軸体５にトルクが加えられた状態を示している。また図６では、円柱状の回転軸体５を用い、歪センサ１が回転軸体５に直接取付けられた場合を示している。
図６Ａに示すように、回転軸体５にトルクが加えられることで、回転軸体５に取付けられた歪センサ１が歪み、歪センサ１の表面に図６Ｂに示すようなせん断応力が発生する。図６では、色が濃い点ほど引張応力が強い状態であり、色が薄い点ほど圧縮応力が強い状態であることを示している。そして、回転軸体５の軸方向に対して斜め方向（４５度方向）を向いた抵抗ゲージ１３は、このせん断応力に応じて抵抗値が変化し、歪センサ１は、抵抗値の変化に応じた電圧を出力する。そして、トルク検出器は、この歪センサ１により出力された電圧から回転軸体５に加えられたトルクを検出する。

実施の形態１に係るトルク検出器では、Ｈ型起歪体である回転軸体５に対し、ベース板２を介して、歪センサ１が起歪部５３よりも径方向外側に配置されている。
これにより、許容トルクを確保し、且つ、歪センサ１を有効に歪ませることができる。すなわち、回転軸体５にトルクが加わった際に生じる歪みの大きさは軸心から径方向外側になるほど増加する。よって、軸心から外側に離れた位置に歪センサ１が配置されることで、回転軸体５に加わるトルクに対する検出感度が向上する。また、起歪部５３より径方向外側にベース板２が配置されることで、ベース板２の取付けが容易となる。

更に、実施の形態１に係るトルク検出器では、ベース板２の起歪部５３に対向する両側面に凹部２１が形成され、凹部２１は歪センサ１の幅よりも狭く構成されている。
ここで、歪センサ１がベース板２を介して回転軸体５に取付けられると、回転軸体５の変形が歪センサ１に伝達される際の伝達効率が下がる。そこで、ベース板２に凹部２１を設けることで、ベース板２が回転方向に歪み易くされ、且つ、歪センサ１の幅（チップ長）より狭い領域で変形を起こさせることで、回転軸体５に加わるトルクに対する検出感度が向上する。
また、凹部２１は、フランジ部５１とフランジ部５２との間（軸方向における間隔）よりも狭く構成されている。これにより、ベース板２の変形を局所的に集中させることができ、歪み量が増大し、回転軸体５に加わるトルクに対する検出感度が向上する。

図７に実施の形態１に係るトルク検出器の効果を示す。
図７Ａに示すように、ベース板２の凹部２１間の幅をくびれ幅ｗとする。この場合、このくびれ幅ｗとトルク検出器の感度との関係は、例えば図７Ｂに示すようになる。なお図７Ｂでは、ベース板２にくびれが無い（凹部２１が無い）場合でのくびれ幅比を１とし、その際の感度比を１として、くびれ幅比と感度比との関係を示している。この図７Ｂに示すように、ベース板２に凹部２１を設けることで、トルク検出器の感度比が向上することがわかる。

また、歪センサ１がベース板２に搭載されることで、歪センサ１の固定及び電気取出し工程をベース板２上で実施できる。よって、歪センサ１が扱い易く、プロセス装置上の制約も少ない。

また、歪センサ１とベース板２との接合では、はんだ接合により熱が加えられる。そのため、ベース板２の材料を適切に選択することで、線膨張率の差による温度特性悪化を低減できる。例えば、歪センサ１としてシリコンを用いた場合には、ベース板２としてコバールを用いる。

なお上記のトルク検出器では、シリコン層１１の裏面中央に溝部１１１が形成されることで薄肉部１１２が構成され、抵抗ゲージ１３がこの薄肉部１１２に形成されている。これにより、抵抗ゲージ１３が形成された薄肉部１１２に応力を集中させることができ、回転軸体５に加わるトルクに対する検出感度が向上する。

また上記では、ベース板２が、フランジ部５１及びフランジ部５２の周面に跨って固定された場合を示した。しかしながら、これに限らず、歪センサ１が起歪部５３より径方向外側に対向配置されていればよい。よって、例えば図８に示すように、回転軸体５（フランジ部５１，５２）の周面に収納溝５４を形成し、ベース板２が当該収納溝５４に収納されてもよい。

また、４つの抵抗ゲージ１３の配置は図３に示す配置に限らず、例えば図９に示すような配置としてもよい。

また上記では、ホイートストンブリッジ回路として、４つの抵抗ゲージ１３（Ｒ１〜Ｒ４）から成るフルブリッジ回路を用いた場合を示した。しかしながら、これに限らず、図１０に示すように、ホイートストンブリッジ回路として、２つの抵抗ゲージ１３（Ｒ１，Ｒ２）から成るハーフブリッジ回路を用いてもよい。なお、図１０ＢにおけるＲは、固定抵抗である。

また図１１に示すように、シリコン層１１の裏面に、溝部１１１をシリコン層１１の側面に連通する連通溝部１１３が形成されてもよい。ここで、シリコン層１１と絶縁層１２との接合では、陽極接合により４００度程度の温度が加えられる。そのため、連通溝部１１３が無い場合には、陽極接合の際に、シリコン層１１と絶縁層１２との間の溝部１１１に存在する空気が高温状態で封止されてしまい、常温に下がるとその空気が収縮するため、薄肉部１１２が変形し、歪センサ１のゼロ点がずれてしまう恐れがある。一方、連通溝部１１３が設けられることで、陽極接合の際に、溝部１１１に存在する空気を外部に逃がすことができ、薄肉部１１２の変形を回避できる。
なお、シリコン層１１は、溝部１１１及び連通溝部１１３により、全体が薄くならないように、一部のみが薄くなるように構成される必要がある。

なお上記では、基板層として、シリコン層１１を用いた場合を示したが、これに限らず、外力に応じて歪みが生じる部材であればよい。例えば、基板層として、絶縁体（ガラス等）又は金属を用いることができる。ここで、基板層が絶縁体である場合には、抵抗ゲージ１３は、当該絶縁体にスパッタリング等により成膜されることで形成される。また、基板層が金属である場合には、抵抗ゲージ１３は、当該金属に絶縁膜を介してスパッタリング等により成膜されることで形成される。また、基板層としてシリコン層１１を用い、抵抗ゲージ１３が、当該シリコン層１１にスパッタリング等により成膜されることで形成されてもよい。
基板層として上記絶縁体又は金属を用いた場合でも、一般的な金属歪ゲージよりもゲージ率は高くなる。また、成膜によって抵抗ゲージ１３を形成した場合には、シリコン層１１にイオン注入により抵抗ゲージ１３を形成した場合に対し、結晶方位によってゲージ率が変わることはなく、すなわち、方向を限定する必要がなくなる。
一方、ゲージ率は、成膜によって抵抗ゲージ１３を形成した場合に対し、シリコン層１１にイオン注入により抵抗ゲージ１３を形成した場合の方が、４〜１０倍以上高くなる。

また上記では、図５に示すように、凹部２１が矩形状に構成された場合を示した。しかしながら、これに限らず、凹部２１は、例えば、図１２Ａに示すような半円形状又は図１２Ｂに示すような角にＲを有する形状に構成されてもよい。ここで、ベース板２が変形する場合、凹部２１の角に応力が集中する。そのため、凹部２１を半円形状又は角にＲを有する形状とすることで、ベース板２が変形した場合での応力分散及び応力緩和を図ることができる。

また上記では、歪センサ１として、図２に示すような形状の半導体歪ゲージを用いた場合を示した。しかしながら、これに限らず、その他の形状の半導体歪ケージを用いてもよい。また、歪センサ１として、その他の歪ゲージ（例えば金属歪ゲージ）を用いてもよい。
また、薄膜歪ゲージのように歪センサ１の剛性が低い場合には、ベース板２は、歪センサ１に対して剛性調整の役割も果たす。

以上のように、この実施の形態１によれば、２つのフランジ部５１，５２、及び、当該２つのフランジ部５１，５２の間に設けられ、当該２つのフランジ部５１，５２より軸径が小さい起歪部５３を有する回転軸体５に対し、当該２つのフランジ部５１，５２に跨って固定されたベース板２と、ベース板２の起歪部５３に対向する位置に搭載された歪センサ１と、ベース板２の起歪部５３に対向する両側面に形成され、歪センサ１の幅よりも狭い凹部２１とを備えたので、トルクの検出精度が向上する。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１歪センサ
２ベース板
５回転軸体
６駆動系
１１シリコン層（基板層）
１２絶縁層
１３抵抗ゲージ（拡散抵抗）
２１凹部
５１，５２フランジ部
５３起歪部
５４収納溝
１１１溝部
１１２薄肉部
１１３連通溝部

Claims

２つのフランジ部、及び、当該２つのフランジ部の間に設けられ、当該２つのフランジ部より軸径が小さい起歪部を有する回転軸体に対し、当該２つのフランジ部に跨って固定されたベース板と、
前記ベース板の前記起歪部に対向する位置に搭載された歪センサと、
前記ベース板の前記起歪部に対向する両側面に形成された凹部と
を備えたトルク検出器。
前記凹部は、前記歪センサの幅よりも狭い
ことを特徴とする請求項１記載のトルク検出器。
前記凹部は、前記２つのフランジ部の軸方向における間隔よりも狭い
ことを特徴とする請求項１記載のトルク検出器。
前記凹部は、半円形状又は角にＲを有する形状に構成された
ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちの何れか１項記載のトルク検出器。
前記歪センサは、半導体歪ゲージである
ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちの何れか１項記載のトルク検出器。
前記歪センサは、外力に応じて歪みが生じる基板層、及び、当該基板層に成膜されることで形成された抵抗ゲージとを有する
ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちの何れか１項記載のトルク検出器。
前記ベース板は、コバールから成る
ことを特徴とする請求項５記載のトルク検出器。