JP6820101B2

JP6820101B2 - トルク検出器

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Publication number: JP6820101B2
Application number: JP2017156382A
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: 2017-08-14
Filing date: 2017-08-14
Publication date: 2021-01-27
Anticipated expiration: 2037-08-14
Also published as: WO2019035290A1; KR102333525B1; CN111033198B; JP2019035637A; KR20200019244A; CN111033198A

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。この方式では、４つ以上の金属歪ゲージを回転軸体の軸方向に対して４５度方向に取付けてブリッジ回路を構成している。
しかしながら、金属歪ゲージでは、ゲージ率が小さいため、微小な歪を高精度に検出することは困難である。

一方、トルクの検出感度を上げる方法として、回転軸体の剛性を下げ、歪量を増大させる方式が考えられる。特許文献１では、回転軸体に様々な加工を施して梁部を形成することで、感度の向上を実現している。

特開２０１６−１０９５６８号公報

しかしながら、回転軸体の剛性を下げる方式では、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、従来方式では、金属歪ゲージを少なくとも４つ以上配置する必要がある。よって、各金属歪ゲージの相対位置及び角度を厳密に合わせる必要があり、困難であるという課題がある。

ここで、産業用ロボットでは、その動作を制御するためにトルクの検出が不可欠である。そのため、従来から、トルク検出器が産業用ロボットに取付けられ、ロボットアームの各関節のトルクを検出している。
一方、近年では、産業用ロボットに対し、人と隔たりなく共存するために、人又は物等の物体に接触した際に、瞬時に接触を検知して動作が止まるような安全性が求められている。しかしながら、産業用ロボットは、自身の重み及び保持する物体の重みを有し、更に動作スピードを考慮した堅牢な筐体であることから、従来の金属歪ゲージでは高精度にトルクを検出することは難しい。

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、抵抗ゲージを有し、外力に応じて歪みが生じる基板層と、一面が基板層の少なくとも両端に接合され、当該一面に対向する対向面における長手方向両端が回転軸体に接合される絶縁層と、絶縁層の対向面に形成され、当該対向面における長手方向両端に接合部を構成させる溝部とを備え、接合部は、直接、回転軸体に接合されることを特徴とする。

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１Ｃ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り、図１Ａは上面図であり、図１Ｂは側面図であり、図１ＣはＡ−Ａ’線断面図である。図２Ａ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２Ｂは図２Ａ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。図４Ａ、図４Ｂは、この発明の実施の形態１における歪センサが回転軸体に取付けられた状態を示す図であり、図４Ａは上面図であり、図４Ｂは側面図である。図５Ａ、図５Ｂは、トルク検出器の基本動作原理を説明する図であり、図５Ａは回転軸体に加えられたトルクを示す側面図であり、図５Ｂは図５Ａ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。この発明の実施の形態１における歪センサの別の構成例を示す側面図である。この発明の実施の形態１における歪センサの別の構成例を示す側面図（歪センサが回転軸体に取付けられた状態を示す図）である。この発明の実施の形態１における歪センサの別の構成例を示す側面図（歪センサが回転軸体に取付けられた状態を示す図）である。この発明の実施の形態１における歪センサの別の構成例を示す側面図（歪センサが回転軸体に取付けられた状態を示す図）である。図１０Ａ〜図１０Ｃ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１１Ａ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１１Ｂは図１１Ａ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１２Ａ〜図１２Ｃ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。

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。
トルク検出器は、回転軸体５（図４参照）に加わるトルクを検出する。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。トルク検出器は、図１に示すように、歪センサ１を備えている。

歪センサ１は、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。歪センサ１は、図１，２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２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（一面）がシリコン層１１の裏面の少なくとも両端に接合され、裏面（一面に対向する対向面）の長手方向両端が回転軸体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。
図１では、絶縁層１２の上面がシリコン層１１における裏面の全面に接合された場合を示している。また、絶縁層１２には、裏面の長手方向両端を除く領域に、溝部１２１が形成されている。溝部１２１により、絶縁層１２の裏面の長手方向両端には接合部１２２が構成される。そして、図４に示すように、絶縁層１２の接合部１２２が、直接、回転軸体５に接合される。

次に、歪センサ１の製造方法の一例について、図３を参照しながら説明する。
歪センサ１の製造方法では、図３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。
また、絶縁層１２の裏面の長手方向両端を除く領域に、エッチングにより溝部１２１を形成する（ステップＳＴ３）。これにより、絶縁層１２の裏面の長手方向両端に接合部１２２が構成される。
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ＳＴ４）。

また上記のようにして製造された歪センサ１を回転軸体５に取付ける場合には、絶縁層１２の接合部１２２と回転軸体５とを例えばはんだ接合により接合する。この際、絶縁層１２の接合部１２２及び回転軸体５の接合部位をメタライズした上で、はんだ接合を行う。図４は、歪センサ１が回転軸体５に取付けられた状態を示している。

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５を参照しながら説明する。図５Ａ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。
図５Ａ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５Ｂに示すようなせん断応力が発生する。図５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、絶縁層１２の裏面の長手方向両端に接合部１２２が形成され、この接合部１２２のみが回転軸体５に接合されている。
ここで、回転軸体５に歪センサ１が直接取付けられた場合、取付け位置が回転軸体５の軸方向に距離が離れるほど相対的な歪量が増える。そこで、歪センサ１の接合部１２２が軸方向の外側のみとされることで、最も大きな変位差を歪センサ１に伝達でき、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。

なお、この方式では、歪センサ１自体、特に絶縁層１２の剛性が低い場合には、回転軸体５の変形が歪センサ１に伝達され難いため、絶縁層１２をより硬い材料で構成することで効果がより高くなる。例えば、絶縁層１２としてサファイア等を用いた方が、ガラスを用いた場合に対して効果的となる。

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、絶縁層１２の上面がシリコン層１１の裏面の全面に接合された場合を示した。しかしながら、これに限らず、例えば図６に示すように、絶縁層１２が中央で２つに分断された絶縁層（第１絶縁層）１２３及び絶縁層（第２絶縁層）１２４を用いてもよい。これにより、回転軸体５の変形を更に効率よく歪センサ１に伝達できる。

また上記では、絶縁層１２の裏面に溝部１２１が形成された場合を示した。しかしながら、これに限らず、絶縁層１２の長手方向両端側のみが回転軸体５に接合されていればよい。
例えば図７に示すように、絶縁層１２として、間隙を有して配置され、シリコン層１１の長手方向両端のみに対向する２つの板状の絶縁層（第１絶縁層、第２絶縁層）１２５，１２６を用い、この２つの絶縁層１２５，１２６が、直接、回転軸体５に接合されてもよい。
また、例えば図８に示すように、板状の絶縁層１２の裏面の長手方向両端に、剛性の高い柱部材１４が接合され、絶縁層１２は、この柱部材１４を介して回転軸体５に接合されるように構成してもよい。
また例えば図９に示すように、板状の絶縁層１２の裏面の長手方向両端が、接着部材（接着剤又ははんだ等）１５により、直接、回転軸体５に接合されてもよい。

また、４つの抵抗ゲージ１３の配置は図２に示す配置に限らず、例えば図１０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１１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１１ＢにおけるＲは、固定抵抗である。

また図１２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。

また上記では、歪センサ１として、応力を集中させるための薄肉部１１２を有する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（例えば薄肉部１１２の無い形状）の半導体歪ケージを用いてもよい。

以上のように、この実施の形態１によれば、抵抗ゲージ１３を有するシリコン層１１と、一面がシリコン層１１の少なくとも両端に接合され、当該一面に対向する対向面における長手方向両端が回転軸体５に接合される絶縁層１２とを備えたので、トルクの検出精度が向上する。

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が高くなる。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。

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
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）
１４柱部材
１５接着部材
１１１溝部
１１２薄肉部
１１３連通溝部
１２１溝部
１２２接合部
１２３絶縁層（第１絶縁層）
１２４絶縁層（第２絶縁層）
１２５絶縁層（第１絶縁層）
１２６絶縁層（第２絶縁層）

Claims

抵抗ゲージを有し、外力に応じて歪みが生じる基板層と、
一面が前記基板層の少なくとも両端に接合され、当該一面に対向する対向面における長手方向両端が回転軸体に接合される絶縁層と、
前記絶縁層の前記対向面に形成され、当該対向面における長手方向両端に接合部を構成させる溝部とを備え、
前記接合部は、直接、前記回転軸体に接合される
ことを特徴とするトルク検出器。
前記基板層はシリコン層である
ことを特徴とする請求項１記載のトルク検出器。
前記シリコン層は、表面の結晶方位が（１００）である
ことを特徴とする請求項２記載のトルク検出器。
前記抵抗ゲージは、前記基板層に成膜されることで形成された
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。
前記抵抗ゲージは、前記シリコン層の＜１１０＞方向に形成された
ことを特徴とする請求項２又は請求項３記載のトルク検出器。
前記絶縁層は、間隙を有して配置された第１絶縁層及び第２絶縁層から成り、
前記第１絶縁層及び前記第２絶縁層は、直接、前記回転軸体に接合される
ことを特徴とする請求項１から請求項５のうちの何れか１項記載のトルク検出器。
前記絶縁層は、接着部材により、直接、前記回転軸体に接合される
ことを特徴とする請求項１から請求項５のうちの何れか１項記載のトルク検出器。