JP6820102B2 - トルク検出器及びトルク検出器の製造方法 - Google Patents

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及びトルク検出器の製造方法に関する。

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、外力に応じて歪みが生じるシリコン層と、シリコン層に形成された抵抗ゲージと、シリコン層の一面に形成され、当該シリコン層の抵抗ゲージが形成された箇所を薄肉部とさせる溝部と、シリコン層の一面に形成され、溝部を当該シリコン層の側面に連通する連通溝部と、シリコン層の一面に接合された絶縁層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。 図６Ａ〜図６Ｃ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７Ａ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７Ｂ、図７Ｃは図７Ａに示す抵抗ゲージを有する歪センサが回転軸体に取付けられた状態を示す上面図及び側面図である。 図８Ａ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８Ｂは図８Ａ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９Ａ〜図９Ｃ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。 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１１Ａ〜図１１Ｃは、この発明の実施の形態１における歪センサのサイズの一例を示す上面図であり、図１１Ｄは、歪センサのサイズによる感度の違いを示す図である。 この発明の実施の形態１における絶縁層の厚み及び接合層の厚みによる感度の違いを示す図である。 図１３Ａ、図１３Ｂは、この発明の実施の形態１におけるシリコン層の上面図及び側断面図を示す図であり、図１３Ｃは薄肉部のサイズ及び厚みによる感度の違いを示す図である。

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。
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（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）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。
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）。

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の裏面と回転軸体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の裏面及び回転軸体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。なお図４Ａでは、抵抗ゲージ１３の配置箇所も図示している。

図４Ａに示すように、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。また図５では、長方形状の歪センサ１を用いた場合を示している。
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、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、抵抗ゲージ１３がシリコン層１１の辺方向に対して斜め方向（４５度方向）に形成されている。これにより、シリコン層１１の膨張及び収縮による抵抗値変化はほとんど起こらない。また、４つの抵抗ゲージ１３が受ける影響は同じであるため、出力変動は理論的にはゼロである。

なお、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６に示すような配置としてもよい。

また上記では、抵抗ゲージ１３がシリコン層１１の辺方向に対して斜め方向（４５度方向）に形成された場合を示した。しかしながら、これに限らず、抵抗ゲージ１３はシリコン層１１の＜１１０＞方向に形成されていればよく、例えば図７Ａに示すように、抵抗ゲージ１３がシリコン層１１の辺方向に沿って（０度方向及び９０度方向に）形成されてもよい。この場合にも、図７Ｂ、図７Ｃに示すように、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。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。

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８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８ＢにおけるＲは、固定抵抗である。

また図９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、シリコン層１１に１つの溝部１１１が形成されることで１つ薄肉部１１２が構成された場合を示した。しかしながら、これに限らず、薄肉部１１２に抵抗ゲージ１３が配置されていればよく、図１０に示すように、シリコン層１１に複数の溝部１１１が形成されることで複数の薄肉部１１２が構成されてもよい。図１０に示す例では、シリコン層１１に４つの溝部１１１が形成されている。

最後に、歪センサ１（ＭＥＭＳチップ）の感度に影響するパラメータについて実験データとともに説明する。
この発明の実施の形態１に係る歪センサ１の感度に影響するパラメータとしては、歪センサ１のサイズ（チップサイズ）、絶縁層１２の厚み、シリコン層１１と絶縁層１２との間の接合層の厚み及び硬さ、薄肉部１１２のサイズ及び厚みが挙げられる。

まず、歪センサ１のサイズによる感度の違いについて、図１１を参照しながら説明する。図１１Ａでは歪センサ１のサイズが（ａ×３ａ）である場合を示し、図１１Ｂでは歪センサ１のサイズが（１．５ａ×１．５ａ）である場合を示し、図１１Ｃでは歪センサ１のサイズが（３ａ×３ａ）である場合を示している。ａは定数である。そして、図１１Ｄでは、歪センサ１のサイズによる感度の違いを示している。なお図１１Ｄでは、一般的な金属歪ゲージの感度を１とした場合の感度比を示している。
この図１１に示すように、歪センサ１は、サイズが大きい程、感度が高くなる。また、歪センサ１は、同じ面積の場合には、長方形よりも正方形の方が感度が高くなる。すなわち、図１１Ｂに示す歪センサ１は、図１１Ａに示す歪センサ１に対して、面積は小さいが、図１１Ｄに示すように感度は高くなっている。

また、一般的な金属歪ゲージでは、ゲージ率が２〜３程度であるのに対し、歪センサ１では、ゲージ率が数１０〜１００程度である。よって、この歪センサ１は、金属歪ゲージに対し、１００倍以上の感度を達成できる。また、歪センサ１は、感度が高いため、金属歪ゲージに対して大幅に小型化が可能であり、固定側（回転軸体５側）の自由度が大きくなる。
このように、歪センサ１のサイズと感度はトレードオフの関係にあるが、小型化した分、薄肉部１１２を形成することやその他厚みを制御することで歪センサ１を高感度にできる。

次に、絶縁層１２の厚み並びに接合層の厚み及び硬さによる感度の違いについて、図１２を参照しながら説明する。図１２では、絶縁層１２としてパイレックスガラスを用い、接合層の厚みがＴであり且つ絶縁層１２の厚比（基準厚に対する比率）が２であるときの感度を１とした場合の感度比を示している。また図１２では、接合層の厚みをＴとした場合、絶縁層１２の厚比を１とし且つはんだ接合を行った場合、絶縁層１２の厚比を１とし且つ接合層の厚みを４Ｔとした場合を示している。
絶縁層１２が厚いと歪みを吸収してしまい、歪みの伝達効率が下がる。そのため、図１２に示すように、歪センサ１は、絶縁層１２の厚みが薄い程、感度が高くなる。一方、絶縁層１２として必要な耐電圧を考慮した最低限の厚みは必要となる。また、接合層として接着剤を用いた場合、厚みと硬さにより感度が変わる。すなわち、歪センサ１は、接着剤としてエポキシ系等のヤング率の高いものを用いた場合や接合層が薄い程、感度が高くなる。また、歪センサ１は、接着剤を用いた場合によりもはんだ接合を用いた場合の方が、感度が高くなる。

次に、薄肉部１１２のサイズ及び厚みによる感度の違いについて、図１３を参照しながら説明する。図１３Ａ、図１３Ｂでは、一例として、歪センサ１のサイズが（３ａ×３ａ）であり、且つ、薄肉部１１２のサイズが（０．５ａ×０．５ａ）である場合を示している。また、図１３Ｂに示すように、シリコン層１１の全体の厚みをｔ１とし、薄肉部１１２の厚みをｔ２としている。また図１３Ｃでは、図１１Ｄと同様に、一般的な金属歪ゲージの感度を１とした場合の感度比を示している。
この図１３に示すように、歪センサ１に薄肉部１１２を構成することで、薄肉部１１２を設けない場合に対して、約１．４倍の高感度化が可能となる。また、最も高感度となる薄肉部１１２のサイズは、歪センサ１のサイズを変えてもほぼ同一である（図１３の例では、歪センサ１のサイズに依らず、薄肉部１１２のサイズが（０．５ａ×０．５ａ）の場合が最も高感度となっている）。また、薄肉部１１２の厚みｔ２は、シリコン層１１の厚みｔ１に対して半分以下とすることでより効果がある。

以上のように、この実施の形態１によれば、シリコン層１１と、シリコン層１１に形成された抵抗ゲージ１３と、シリコン層１１の一面に形成され、当該シリコン層１１の抵抗ゲージ１３が形成された箇所を薄肉部１１２とさせる溝部１１１と、シリコン層１１の一面に接合された絶縁層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。

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）
１１１ 溝部
１１２ 薄肉部
１１３ 連通溝部

Claims (7)

1. 外力に応じて歪みが生じるシリコン層と、
   前記シリコン層に形成された抵抗ゲージと、
   前記シリコン層の一面に形成され、当該シリコン層の前記抵抗ゲージが形成された箇所を薄肉部とさせる溝部と、
   前記シリコン層の一面に形成され、前記溝部を当該シリコン層の側面に連通する連通溝部と、
   前記シリコン層の一面に接合された絶縁層と
   を備えたトルク検出器。
2. 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１記載のトルク検出器。
3. 前記抵抗ゲージは、前記シリコン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又は請求項２項記載のトルク検出器。
4. 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１又は請求項２記載のトルク検出器。
5. 前記抵抗ゲージは、前記シリコン層の辺方向に対して斜め方向に形成された
   ことを特徴とする請求項４記載のトルク検出器。
6. 前記抵抗ゲージは、前記シリコン層の辺方向に沿って形成された
   ことを特徴とする請求項４記載のトルク検出器。
7. 外力に応じて歪みが生じるシリコン層に抵抗ゲージを形成するステップと、
   前記シリコン層の一面に、当該シリコン層の前記抵抗ゲージが形成された箇所を薄肉部とさせる溝部を形成するステップと、
   前記シリコン層の一面に、前記溝部を当該シリコン層の側面に連通する連通溝部を形成するステップと、
   前記シリコン層の一面と絶縁層とを接合するステップと
   を有するトルク検出器の製造方法。

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