JP6820817B2

JP6820817B2 - トルク検出装置

Info

Publication number: JP6820817B2
Application number: JP2017193434A
Authority: JP
Inventors: 里奈小笠原; 石倉　義之; 義之石倉; 祐希瀬戸
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2017-10-03
Filing date: 2017-10-03
Publication date: 2021-01-27
Anticipated expiration: 2037-10-03
Also published as: WO2019069595A1; JP2019066373A

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装置に関する。

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。
しかしながら、この方式では、回転軸体にトルク以外の他軸荷重（スラスト荷重）が加わった場合にも少なからず感度を持ってしまい、トルクのみを精度よく検出できない。

そこで、例えば特許文献１に開示された方式では、複数の金属歪ゲージを、回転軸体の周面に、他軸荷重が加わった場合に対となる金属歪ゲージの抵抗値変化が反転するように配置している。これにより、他軸荷重による影響をキャンセルできる。

特開平０９−０２１７０９号公報

しかしながら、特許文献１に開示された方式では、金属歪ゲージを８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、他軸荷重が加わった場合でも精度よくトルクを検出でき、組立が容易であるトルク検出装置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装置は、回転軸体と、回転軸体に取付けられたベース板と、ベース板に搭載され、抵抗ゲージを有する歪センサとを備え、ベース板は、回転軸体の軸方向における歪センサの一端側又は両端側に形成され、当該軸方向におけるベース板の変形を吸収する変形吸収部と、抵抗ゲージに対向する領域及び上記軸方向における抵抗ゲージと変形吸収部との間の領域を含む領域に設けられ、回転軸体に対して非固定である非固定部とを有し、ベース板は、軸方向に沿った両側面のうち、軸方向におけるベース板の端部の位置から歪センサの端部よりも内側の位置に対向する面が、回転軸体に固定され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、他軸荷重が加わった場合でも精度よくトルクを検出でき、組立が容易である。

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は断面図であり、図１Ｂは図１Ａに示すＡ部の上面図である。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。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６Ｂ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６Ａは回転軸体に軸方向の圧縮応力が加えられた場合を示す図であり、図６Ｂは回転軸体に軸方向の引張応力が加えられた場合を示す図である。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８Ａ〜図８Ｃ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９Ａ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９Ｂは図９Ａ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１０Ａ〜図１０Ｃ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１１Ａ、図１１Ｂは、この発明の実施の形態１における変形吸収部の別の構成例を示す側面図である。

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。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の周面には、収納溝５１が形成されている。なお図１では、収納溝５１の断面形状がＴ型に構成されている。

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。また、トルク検出器及び回転軸体５は、トルク検出装置を構成する。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の中央に搭載される。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、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、回転軸体５の収納溝５１に収納されて回転軸体５に取付けられる板部材である。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。また、ベース板２には、長手方向（回転軸体５の軸方向）における歪センサ１の一端側に、スリット部（変形吸収部）２１が形成されている。スリット部２１の長手方向（上記軸方向に垂直な方向）の長さは、歪センサ１の短手方向（上記軸方向に垂直な方向）の長さより長く構成されている。なお、回転軸体５に加えられるトルクによるせん断応力を歪センサ１に発生させ易くするため、スリット部２１の短手方向（上記軸方向）の長さは短い方がよい。なお図１では、歪センサ１がスリット部２１に接している場合を示しているが、離れていてもよい。
また、ベース板２には、表面及び裏面に、非固定部２２が設けられている。非固定部２２は、抵抗ゲージ１３に対向する領域及び上記軸方向における抵抗ゲージ１３とスリット部２１との間の領域を含む領域に設けられ、回転軸体５に対して非固定とされる部分である。また、ベース板２における非固定部２２以外の部分は、回転軸体５に対して固定可能としている。図１に示すベース板２では、短手方向（上記軸方向に垂直な方向）における両側面のうち、歪センサ１の長手方向（上記軸方向）における両端の位置よりも内側から外側に対向する面２３が、回転軸体５に固定されている。

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、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、ベース板２の長手方向における歪センサ１の一端側にスリット部２１が設けられている。また、スリット部２１の長手方向の長さは、歪センサ１の短手方向の長さより長く構成されている。これにより、回転軸体５にトルク以外の他軸荷重（スラスト荷重）が加わった場合に、スリット部２１の分離効果（吸収効果）により、歪センサ１に発生する歪みを低減できる。図６では、回転軸体５にスラスト荷重（圧縮応力、引張応力）が加えられた場合を示している。図６に示すように、回転軸体５にスラスト荷重が加えられた場合に、スリット部２１が変形することで、歪センサ１に発生する歪みを低減できる。

一方、ベース板２にスリット部２１を設けることで、歪センサ１に発生するせん断応力も低減してしまう。それに対し、実施の形態１に係るトルク検出器では、ベース板２に非固定部２２を設け（抵抗ゲージ１３に対向する領域及び上記軸方向における抵抗ゲージ１３とスリット部２１との間の領域を含む領域を、回転軸体５に対して非固定とし）、それ以外の部分を回転軸体５に対して固定可能としている。ここで、非固定部２２の部分ではベース板２と回転軸体５が分離されるため、所定の領域（スリット部２１と、抵抗ゲージ１３に対向する領域及び上記軸方向における抵抗ゲージ１３とスリット部２１との間の領域を含む領域）を非固定領域とすることで、スリット部２１の分離効果を歪センサ１に与えることができる。このように、ベース板２に非固定部２２を設けて、ベース板２が回転軸体５に固定される固定領域を調整することで、他軸影響を低減する効果を維持しながら、歪センサ１に効率的にせん断応力を発生させることができ、トルク感度を持つことができる。

また、実施の形態１に係るトルク検出器では、従来方式のような複数の歪ゲージを用いる必要はなく、単一の歪センサ１で構成可能であるため、従来方式に対してトルク検出器の組立が容易となる。

なお上記では、図１に示すように、ベース板２の長手方向における歪センサ１の一端側に位置するスリット部２１が形成された場合を示した。しかしながら、これに限らず、図７に示すように、ベース板２の長手方向における歪センサ１の両端側にそれぞれスリット部２１が形成されてもよい。各スリット部２１の長手方向の長さは、歪センサ１の短手方向の長さより長く構成されている。なお、回転軸体５に加えられるトルクによるせん断応力を歪センサ１に発生させ易くするため、各スリット部２１の短手方向の長さは短い方がよい。このように、歪センサ１の両側にそれぞれスリット部２１が形成されることで、他軸荷重による影響を更に抑制できる。

また、歪センサ１がベース板２に搭載されることで、ベース板２が歪センサ１に対して剛性調整の役割を果たす。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の固定及び信号取出し工程をベース板２上で実施でき、トルク検出器の組立時におけるハンドリング性が向上する。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、はんだ接合等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、シリコンに対して線膨張係数が近いコバールを用いる。これにより、トルク検出器の温度特性が向上する。また、歪センサ１をベース板２にはんだ接合等により固定する際に、線膨張係数の違いにより生じる熱歪を抑制できる（熱プロセスの影響を抑制できる）。

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、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８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９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９ＢにおけるＲは、固定抵抗である。

また図１０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、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。

また上記では、変形吸収部としてスリット部２１を用いた場合を示した。しかしながら、これに限らず、変形吸収部は、上記軸方向におけるベース板２の変形を吸収する構成であればよく、変形吸収部として例えば、溝部、波状の凹凸部２１ｂ、又は弾性を有するバネ部を用いてもよい。図１１は変形吸収部として波状の凹凸部２１ｂを用いた場合を示し、図１１Ａは形状が半波長波である場合を示し、図１１Ｂは形状が１波長波である場合を示している。

以上のように、この実施の形態１によれば、回転軸体５と、回転軸体５に取付けられたベース板２と、ベース板２に搭載され、抵抗ゲージ１３を有する歪センサ１とを備え、ベース板２は、回転軸体５の軸方向における歪センサ１の一端側又は両端側に形成され、当該軸方向におけるベース板２の変形を吸収する変形吸収部（スリット部２１）と、抵抗ゲージ１３に対向する領域及び軸方向における抵抗ゲージ１３と変形吸収部との間の領域を含む領域に設けられ、回転軸体５に対して非固定である非固定部２２とを有するので、他軸荷重が加わった場合でも精度よくトルクを検出でき、組立が容易である。

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スリット部（変形吸収部）
２１ｂ凹凸部
２２非固定部
２３側面部分
５１収納溝
１１１溝部
１１２薄肉部
１１３連通溝部

Claims

回転軸体と、
前記回転軸体に取付けられたベース板と、
前記ベース板に搭載され、抵抗ゲージを有する歪センサとを備え、
前記ベース板は、
前記回転軸体の軸方向における前記歪センサの一端側又は両端側に形成され、当該軸方向における前記ベース板の変形を吸収する変形吸収部と、
前記抵抗ゲージに対向する領域及び前記軸方向における前記抵抗ゲージと前記変形吸収部との間の領域を含む領域に設けられ、前記回転軸体に対して非固定である非固定部とを有し、
前記ベース板は、前記軸方向に沿った両側面のうち、前記軸方向における前記ベース板の端部の位置から前記歪センサの端部よりも内側の位置に対向する面が、前記回転軸体に固定された
ことを特徴とするトルク検出装置。
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記載のトルク検出装置。
前記変形吸収部は、スリット部又は溝部である
ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のトルク検出装置。