JP6843019B2 - 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基板層と、基板層に形成された抵抗ゲージと、基板層に形成され、当該基板層の抵抗ゲージが形成された箇所を局所部とさせるスリット部と、基板層のうちの局所部を挟んだ一端側に接合された第１絶縁層と、基板層のうちの局所部を挟んだ他端側に接合された第２絶縁層とを備え、第１の絶縁部及び第２の絶縁部が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。 図６Ａ、図６Ｂは、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上面図である。 図７Ａ、図７Ｂは、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。 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９Ｆ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及び側面図であり、図９Ｇ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１１Ａ、図１１Ｂは、この発明の実施の形態１における歪センサの上面図及び側面図を示す図であり、図１１Ｃはスリット部の幅及び局所部の幅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、複数本のスリット部１１１が形成されている。スリット部１１１により、シリコン層１１の中央には局所部１１２が構成される。抵抗ゲージ１３は、この局所部１１２に形成される。

図１では、シリコン層１１の一対の両側面に、それぞれスリット部１１１が形成されている。これにより、シリコン層１１は、シリコン層（第１基板層）１１３と、シリコン層（第２基板層）１１４と、シリコン層１１３とシリコン層１１４との間に設けられた局所部１１２である１つのブリッジ部１１５とから構成される。また図１では、スリット部１１１は、隅が円弧状に構成されている。

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。
図１では、絶縁層１２が、間隙を有して配置された板状の２枚の絶縁層（第１絶縁層及び第２絶縁層）１２１，１２２から成り、絶縁層１２１の上面がシリコン層１１３の裏面に接合され、絶縁層１２２の上面がシリコン層１１４の裏面に接合されている。

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に、エッチングによりスリット部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局所部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。

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、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に複数本のスリット部１１１が形成されることで局所部１１２が構成され、抵抗ゲージ１３がこの局所部１１２に形成されている。これにより、抵抗ゲージ１３が形成された局所部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。
また図１に示すように、絶縁層１２が絶縁層１２１及び絶縁層１２２から構成され、絶縁層１２の中央が分断されることで、回転軸体５に加わるトルクに対する検出感度が更に向上する。

また図１では、スリット部１１１の隅が円弧状に構成されている。これにより、スリット部１１１が角を有する場合に対し、局所的に集中される応力を分散でき、ブリッジ部１１５の破壊リスクを低減できる。

なお図１では、スリット部１１１がシリコン層１１の一対の両側面に形成され、シリコン層１１が、１つのブリッジ部１１５を有する１ブリッジ構造とされた場合を示した。しかしながら、ブリッジ形状はこれに限らない。例えば、図６Ａに示すように、スリット部１１１がシリコン層１１内に２本形成され、シリコン層１１が、局所部１１２を含む３つのブリッジ部１１５を有する３ブリッジ構造とされてもよい。図６Ａに示す構成により、シリコン層１１の強度を高めることができる。また、図６Ｂに示すように、シリコン層１１が、局所部１１２である交差された２本のブリッジ部１１５を有するクロスブリッジ構造とされてもよい。

また図１では、局所部１１２の厚みが、シリコン層１１（シリコン層１１３，１１４）の厚みと同一である場合を示した。しかしながら、これに限らず、例えば図７Ａに示すように、局所部１１２の厚みが、シリコン層１１（シリコン層１１３，１１４）の厚みに対して薄く構成されてもよい。これにより、回転軸体５に加わるトルクに対する検出感度が更に向上する。なお、局所部１１２の厚みは、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局所部１１２は厚めに設計され、シリコン層１１の剛性が高い場合には局所部１１２は薄めに設計される。
また図１では、絶縁層１２が絶縁層１２１及び絶縁層１２２から構成され、絶縁層１２の中央が分断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７Ｂに示すように、絶縁層１２が分断されない構成とされてもよい。

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。

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、スリット部１１１の幅及び局所部１１２の幅が挙げられる。

まず、歪センサ１のサイズによる感度の違いについて、図９を参照しながら説明する。図９Ａ、図９Ｂでは歪センサ１のサイズが（ａ×３ａ）である場合を示し、図９Ｃ、図９Ｄ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９Ｅ、図９Ｆ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９Ｇ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９Ａ〜図９Ｆに示す歪センサ１は、スリット部１１１を有する場合を示している。また図９Ｇ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９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９Ｃ、図９Ｄに示す歪センサ１は、図９Ａ、図９Ｂに示す歪センサ１に対して、面積は小さいが、図９Ｇ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、絶縁層１２を分断したり、スリット部１１１を形成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１０を参照しながら説明する。図１０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１０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１０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、スリット部１１１の幅及び局所部１１２の幅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、図１１Ｂでは、一例として、歪センサ１のサイズが（３ａ×３ａ）である場合を示している。また、図１１Ａに示すように、スリット部１１１の幅をｈ１とし、局所部１１２の幅をｈ２としている。また図１１Ｃでは、図９Ｇ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１１に示すように、歪センサ１にスリット部１１１及び局所部１１２を構成することで、スリット部１１１及び局所部１１２を設けない場合に対して、約２倍の高感度化が可能となる。また、最も高感度となるスリット部１１１の幅及び局所部１１２の幅は、歪センサ１のサイズを変えてもほぼ同一である（図１１の例では、歪センサ１のサイズに依らず、スリット部１１１の幅が０．２５ａであり且つ局所部１１２の幅が０．２５ａの場合が最も高感度となっている）。

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局所部１１２とさせるスリット部１１１と、シリコン層１１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）
１１１ スリット部
１１２ 局所部
１１３ シリコン層
１１４ シリコン層
１１５ ブリッジ部
１２１ 絶縁層
１２２ 絶縁層

Claims (11)

1. 外力に応じて歪みが生じる基板層と、
   前記基板層に形成された抵抗ゲージと、
   前記基板層に形成され、当該基板層の前記抵抗ゲージが形成された箇所を局所部とさせるスリット部と、
   前記基板層のうちの前記局所部を挟んだ一端側に接合された第１絶縁層と、
   前記基板層のうちの前記局所部を挟んだ他端側に接合された第２絶縁層とを備え、
   前記第１絶縁層及び前記第２絶縁層が回転軸体に接合される
   ことを特徴とするトルク検出器。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 前記スリット部は、隅が円弧状に構成された
   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。
7. 前記基板層は、
   第１基板層と、
   第２基板層と、
   前記第１基板層と前記第２基板層との間に設けられた前記局所部である１つのブリッジ部とを有する
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のうちの何れか１項記載のトルク検出器。
8. 前記基板層は、
   第１基板層と、
   第２基板層と、
   前記第１基板層と前記第２基板層との間に設けられた前記局所部を含む３つのブリッジ部を有する
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のうちの何れか１項記載のトルク検出器。
9. 前記基板層は、
   第１基板層と、
   第２基板層と、
   前記第１基板層と前記第２基板層との間に設けられた前記局所部である交差された２つのブリッジ部を有する
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のうちの何れか１項記載のトルク検出器。
10. 前記局所部は、前記基板層の厚みに対して薄く構成された
    ことを特徴とする請求項１から請求項９のうちの何れか１項記載のトルク検出器。
11. 外力に応じて歪みが生じる基板層に抵抗ゲージを形成するステップと、
    前記基板層に、当該基板層の前記抵抗ゲージが形成された箇所を局所部とさせるスリット部を形成するステップと、
    前記基板層のうちの前記局所部を挟んだ一端側と第１の絶縁層とを接合し、当該基板層のうちの前記局所部を挟んだ他端側と第２の絶縁層とを接合するステップとを有し、
    前記第１の絶縁層及び前記第２の絶縁層が回転軸体に接合される
    ことを特徴とするトルク検出器の製造方法。

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