WO2019035289A1 - Torque detector, and method for producing torque detector - Google Patents

Torque detector, and method for producing torque detector Download PDF

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祐希 瀬戸
石倉 義之
里奈 小笠原
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アズビル株式会社
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Abstract

The present invention is provided with: a silicon layer (11); a resistance gauge (13) which is formed in the silicon layer (11); slit portions (111) which are formed in the silicon layer (11), and which define a place where the resistance gauge (13) in the silicon layer (11) is formed as a local portion (112); and an insulation layer (12) which is joined to the silicon layer (11).

Description

トルク検出器及びトルク検出器の製造方法Torque detector and method of manufacturing torque detector
 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。 The present invention relates to a torque detector that detects a torque applied to a rotating shaft and a method of manufacturing the torque detector.
 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。
A metal strain gauge is attached to the peripheral surface of the rotating shaft as one of the methods to detect the torque applied to the rotating shaft, and the magnitude of shear stress generated on the peripheral surface of the rotating shaft by torque There is a method of detecting by value change. In this method, a bridge circuit is configured by mounting four or more metal strain gauges at 45 degrees with respect to the axial direction of the rotating shaft.
However, with a metal strain gauge, it is difficult to detect minute strain with high accuracy because the gauge factor is small.
 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。 On the other hand, as a method of increasing the detection sensitivity of torque, there is considered a method of decreasing the rigidity of the rotating shaft and increasing the amount of distortion. In patent document 1, the improvement of sensitivity is implement | achieved by giving various processes to a rotating shaft and forming a beam part.
特開2016-109568号公報JP, 2016-109568, A
 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。
However, in the method of reducing the rigidity of the rotating shaft, a problem of hysteresis due to stress increase (a problem of trade-off between sensitivity and hysteresis) occurs, and improvement in accuracy can not be expected.
In the conventional method, it is necessary to arrange at least four metal strain gauges. Therefore, it is necessary to exactly match the relative positions and angles of the metal strain gauges, which causes a problem of difficulty.
 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。
Here, in an industrial robot, detection of torque is essential to control its operation. Therefore, conventionally, a torque detector is attached to the industrial robot to detect the torque of each joint of the robot arm.
On the other hand, in recent years, in order for industrial robots to coexist with people without being separated, there is a demand for safety that instantaneously detects contact and stops operation when touching an object such as a person or a thing. There is. However, since the industrial robot has its own weight and the weight of the object to be held, and it is a robust casing in consideration of the operation speed, it is not possible to detect the torque with high accuracy with the conventional metal strain gauge. difficult.
 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。 The present invention has been made to solve the problems as described above, and it is an object of the present invention to provide a torque detector that improves the detection accuracy of torque.
 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、基板層に接合された絶縁層とを備えたことを特徴とする。 The torque detector according to the present invention includes a substrate layer in which strain occurs in response to an external force, a resistance gauge formed on the substrate layer, and a substrate layer formed on the substrate layer, and a local portion where the resistance gauge of the substrate layer is formed. And an insulating layer bonded to the substrate layer.
 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。 According to this invention, since it comprised as mentioned above, detection accuracy of a torque improves.
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。1A to 1C are diagrams showing a configuration example of a torque detector according to Embodiment 1 of the present invention, FIG. 1A is a top view, FIG. 1B is a side view, and FIG. 1C is AA FIG. 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。FIG. 2A is a top view showing an arrangement example of the resistance gauges according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a view showing a construction example of a full bridge circuit constituted by the resistance gauges shown in FIG. 2A. 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。It is a flowchart which shows an example of the manufacturing method of the distortion sensor in Embodiment 1 of this invention. 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。FIGS. 4A and 4B are diagrams showing a state in which the strain sensor according to Embodiment 1 of the present invention is attached to a rotating shaft, FIG. 4A is a top view, and FIG. 4B is a side view. 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。5A and 5B are diagrams for explaining the basic operation principle of the torque detector, and FIG. 5A is a side view showing the torque applied to the rotating shaft, and FIG. 5B is a strain sensor based on the torque shown in FIG. It is a figure which shows an example of the stress distribution which generate | occur | produced in. 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。6A and 6B are top views showing another configuration example of the strain sensor in accordance with the first embodiment of the present invention. 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。7A and 7B are side views showing another configuration example of the strain sensor in the first embodiment of the present invention. 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。FIG. 8A is a top view showing another arrangement example of the resistance gauge in accordance with the first embodiment of the present invention, and FIG. 8B is a view showing a construction example of a half bridge circuit constituted by the resistance gauge shown in FIG. 8A. 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。9A to 9F are a top view and a side view showing an example of the size of the strain sensor in the first embodiment of the present invention, and FIG. 9G is a view showing the difference in sensitivity depending on the size of the strain sensor. 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。It is a figure which shows the difference in the sensitivity by the thickness of the insulating layer in Embodiment 1 of this invention, and the thickness of a joining layer. 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。11A and 11B show a top view and a side view of the strain sensor according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 11C shows a difference in sensitivity depending on the width of the slit portion and the width of the local portion. .
 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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
Embodiment 1
FIG. 1 is a view showing a configuration example of a torque detector according to Embodiment 1 of the present invention.
The torque detector detects the torque applied to the rotating shaft 5 (see FIG. 4). In the rotating shaft 5, a drive system 6 such as a motor is connected to one end in the axial direction, and a load system such as a robot hand is connected to the other end. The torque detector includes a strain sensor 1 as shown in FIG.
 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。 The strain sensor 1 is a semiconductor strain gauge attached to the rotating shaft 5 and outputting a voltage according to external shear stress (tensile stress and compressive stress). The strain sensor 1 is realized by MEMS (Micro Electro Mechanical Systems). The strain sensor 1 has a silicon layer (substrate layer) 11 and an insulating layer 12 as shown in FIGS.
 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。 The silicon layer 11 is a single crystal silicon in which strain is generated in response to an external force, and is a sensor layer having a Wheatstone bridge circuit composed of a plurality of resistance gauges (diffusion resistances) 13. In the silicon layer 11, a plurality of slit portions 111 are formed. A local portion 112 is formed at the center of the silicon layer 11 by the slit portion 111. The resistance gauge 13 is formed on the local portion 112.
 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。 In FIG. 1, slit portions 111 are formed on a pair of side surfaces of the silicon layer 11 respectively. Thus, the silicon layer 11 is a local portion 112 provided between the silicon layer (first substrate layer) 113, the silicon layer (second substrate layer) 114, and the silicon layer 113 and the silicon layer 114. And a bridge unit 115. Further, in FIG. 1, the corner of the slit portion 111 is formed in an arc shape.
 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。
In addition, single crystal silicon has crystal anisotropy, and in the p-type silicon (100) plane, the piezoresistance coefficient is largest in the <110> direction. Therefore, the resistance gauge 13 is formed, for example, in the <110> direction of the silicon layer 11 whose crystal orientation on the surface is (100).
In FIG. 2, four resistance gauges 13 (R1 to R4) constituting a full bridge circuit (Wheatstone bridge circuit) are formed in a diagonal direction (45 degrees direction) with respect to the side direction of the silicon layer 11. Shows the case of detecting shear stress in two directions. Here, although the case where it is 45 degrees direction was shown as a specific example of the above-mentioned oblique direction, the above-mentioned oblique direction is not limited to 45 degrees direction, but the characteristic of distortion sensor 1 46 degrees direction etc) is acceptable.
 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。
The insulating layer 12 is a pedestal whose upper surface is joined to the back surface of the silicon layer 11 and whose back surface is joined to the rotary shaft 5. For example, glass or sapphire can be used as the insulating layer 12.
In FIG. 1, the insulating layer 12 is composed of two plate-like insulating layers (a first insulating layer and a second insulating layer) 121 and 122 disposed with a gap, and the upper surface of the insulating layer 121 is a silicon layer. The upper surface of the insulating layer 122 is bonded to the back surface of the silicon layer 114.
 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)。
Next, an example of a method of manufacturing the strain sensor 1 will be described with reference to FIG.
In the method of manufacturing the strain sensor 1, as shown in FIG. 3, first, a plurality of resistance gauges 13 are formed in the silicon layer 11 by ion implantation (Step ST1). Then, a plurality of resistance gauges 13 form a Wheatstone bridge circuit.
Next, the slit portion 111 is formed in the silicon layer 11 by etching (step ST2). Thus, the portion of the silicon layer 11 where the resistance gauge 13 is formed is made to be the local portion 112.
Next, the back surface of the silicon layer 11 and the top surface of the insulating layer 12 are bonded by, for example, anodic bonding (step 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。 When the strain sensor 1 manufactured as described above is attached to the rotating shaft 5, the back surface of the insulating layer 12 and the rotating shaft 5 are joined by, for example, solder bonding. At this time, the rear surface of the insulating layer 12 and the bonding portion of the rotary shaft 5 are metallized and then solder bonding is performed. FIG. 4 shows a state in which the strain sensor 1 is attached to the rotating shaft 5.
 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。 Further, the strain sensor 1 is disposed such that the resistance gauge 13 is directed obliquely (45 degrees) with respect to the axial direction of the rotating shaft 5. That is, the resistance gauge 13 is disposed so as to face the generation direction of the shear stress generated when the torque is applied to the rotating shaft 5. Here, although the case where it is 45 degrees direction was shown as a specific example of the above-mentioned oblique direction, the above-mentioned oblique direction is not limited to 45 degrees direction, but the characteristic of distortion sensor 1 46 degrees direction etc) is acceptable.
 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。
Next, the basic operation principle of the torque detector will be described with reference to FIG. In FIG. 5A, the drive system 6 is connected to one end of the rotary shaft 5 to which the strain sensor 1 is attached, and a state where torque is applied to the rotary shaft 5 by the drive system 6 is shown. Moreover, in FIG. 5, the case where the distortion sensor 1 of rectangular shape is used is shown.
As shown in FIG. 5A, by applying torque to the rotating shaft 5, the strain sensor 1 attached to the rotating shaft 5 is strained, and shear stress as shown in FIG. 5B is generated on the surface of the strain sensor 1. . FIG. 5 shows that the deeper the color, the stronger the tensile stress, and the lighter the color, the stronger the compressive stress. And resistance gauge 13 which turned to a diagonal direction (45 degrees direction) to the axial direction of axis of rotation 5 changes resistance value according to this shear stress, and strain sensor 1 changes according to change of resistance value. Output voltage. The torque detector detects the torque applied to the rotating shaft 5 from the voltage output by the strain sensor 1.
 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。
In the torque detector according to the first embodiment, the local portion 112 is formed by forming a plurality of slits 111 in the silicon layer 11, and the resistance gauge 13 is formed in the local portion 112. Thereby, stress can be concentrated on the local portion 112 in which the resistance gauge 13 is formed, and the detection sensitivity to the torque applied to the rotating shaft 5 is improved.
Further, as shown in FIG. 1, the insulating layer 12 is formed of the insulating layer 121 and the insulating layer 122, and the center of the insulating layer 12 is divided, so that the detection sensitivity to the torque applied to the rotating shaft 5 is further improved.
 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。 Moreover, in FIG. 1, the corner of the slit part 111 is comprised by circular arc shape. Thereby, the stress concentrated locally can be dispersed to the case where the slit portion 111 has a corner, and the risk of breakage of the bridge portion 115 can be reduced.
 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。 Note that FIG. 1 shows the case where the slit portions 111 are formed on the pair of side surfaces of the silicon layer 11 and the silicon layer 11 has a one bridge structure having one bridge portion 115. However, the bridge shape is not limited to this. For example, as shown in FIG. 6A, two slits 111 may be formed in the silicon layer 11, and the silicon layer 11 may have a three-bridge structure having three bridge portions 115 including the local portion 112. By the configuration shown in FIG. 6A, the strength of silicon layer 11 can be increased. Further, as shown in FIG. 6B, the silicon layer 11 may have a cross bridge structure having two bridge portions 115 crossed each other which is a local portion 112.
 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。
Further, FIG. 1 shows the case where the thickness of the local portion 112 is the same as the thickness of the silicon layer 11 (silicon layers 113 and 114). However, the thickness of the local portion 112 may be thinner than the thickness of the silicon layer 11 (silicon layers 113 and 114), for example, as shown in FIG. 7A. Thereby, the detection sensitivity to the torque applied to the rotating shaft 5 is further improved. The thickness of the local portion 112 is appropriately designed in accordance with the rigidity and the like of the silicon layer 11. For example, if the stiffness of the silicon layer 11 is low, the local portion 112 is designed to be thick, and if the stiffness of the silicon layer 11 is high, the local portion 112 is designed to be thin.
Further, FIG. 1 shows the case where the insulating layer 12 is composed of the insulating layer 121 and the insulating layer 122, and the center of the insulating layer 12 is divided. However, not limited to this, for example, as shown in FIG. 7B, the insulating layer 12 may not be divided.
 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。 Also, in the above description, the case where a full bridge circuit composed of four resistance gauges 13 (R1 to R4) is used as the Wheatstone bridge circuit is shown. However, the present invention is not limited to this, and as shown in FIG. 8, a half bridge circuit composed of two resistance gauges 13 (R1 and R2) may be used as a Wheatstone bridge circuit. Note that R in FIG. 8B is a fixed resistance.
 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。
Finally, parameters that affect the sensitivity of the strain sensor 1 (MEMS chip) will be described together with experimental data.
The parameters that affect the sensitivity of the strain sensor 1 according to the first embodiment of the present invention include the size of the strain sensor 1 (chip size), the thickness of the insulating layer 12, and the bonding layer between the silicon layer 11 and the insulating layer 12. And the width of the slit portion 111 and the width of the local portion 112.
 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。
First, the difference in sensitivity depending on the size of the strain sensor 1 will be described with reference to FIG. 9A and 9B show the case where the size of the strain sensor 1 is (a × 3a), and FIGS. 9C and 9D show the case where the size of the strain sensor 1 is (1.5a × 1.5a), 9E and 9F show the case where the size of the strain sensor 1 is (3a × 3a). a is a constant. And FIG. 9G shows the difference in sensitivity depending on the size of the strain sensor 1. The strain sensor 1 shown in FIGS. 9A to 9F shows the case where the slit portion 111 is provided. Further, FIG. 9G shows the sensitivity ratio when the sensitivity of a general metal strain gauge is 1.
As shown in FIG. 9, the larger the size of the strain sensor 1, the higher the sensitivity. In the case of the same area, the strain sensor 1 has a higher sensitivity in the case of a square than in the case of a rectangle. That is, the strain sensor 1 shown in FIGS. 9C and 9D is smaller in area than the strain sensor 1 shown in FIGS. 9A and 9B, but has high sensitivity as shown in FIG. 9G.
 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。
Further, while the gauge factor is about 2 to 3 in a general metal strain gauge, the gauge factor is about several tens to about 100 in the strain sensor 1. Therefore, this strain sensor 1 can achieve a sensitivity of 100 times or more with respect to a metal strain gauge. In addition, since the strain sensor 1 has high sensitivity, the strain sensor 1 can be downsized significantly with respect to the metal strain gauge, and the degree of freedom on the fixed side (rotation shaft 5 side) is increased.
As described above, although the size and sensitivity of the strain sensor 1 are in a trade-off relationship, the strain sensor 1 can be made highly sensitive by dividing the insulating layer 12 or forming the slit portion 111 because the size is reduced.
 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。
Next, differences in sensitivity due to the thickness of the insulating layer 12 and the thickness and hardness of the bonding layer will be described with reference to FIG. In FIG. 10, the sensitivity ratio when the thickness when the thickness of the bonding layer is T and the thickness ratio of the insulating layer 12 (the ratio to the reference thickness) is 2 when the thickness is 1 is used. It shows. Further, in FIG. 10, when the thickness of the bonding layer is T, the thickness ratio of the insulating layer 12 is 1 and the solder bonding is performed, the thickness ratio of the insulating layer 12 is 1 and the thickness of the bonding layer is 4T. The case is shown.
If the insulating layer 12 is thick, strain is absorbed, and the strain transmission efficiency decreases. Therefore, as shown in FIG. 10, the strain sensor 1 has higher sensitivity as the thickness of the insulating layer 12 is thinner. On the other hand, a minimum thickness considering the withstand voltage necessary for the insulating layer 12 is required. When an adhesive is used as the bonding layer, the sensitivity changes depending on the thickness and hardness. That is, in the strain sensor 1, the sensitivity is higher when an adhesive having a high Young's modulus, such as an epoxy type, is used or the bonding layer is thinner. Further, the sensitivity of the strain sensor 1 is higher in the case of using a solder joint than in the case of using an adhesive.
 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)。
Next, the difference in sensitivity depending on the width of the slit portion 111 and the width of the local portion 112 will be described with reference to FIG. 11A and 11B show, as an example, the case where the size of the strain sensor 1 is (3a × 3a). Further, as shown in FIG. 11A, the width of the slit portion 111 is h1 and the width of the local portion 112 is h2. Moreover, in FIG. 11C, similarly to FIG. 9G, the sensitivity ratio when the sensitivity of a general metal strain gauge is 1 is shown.
As shown in FIG. 11, by forming the slit portion 111 and the local portion 112 in the strain sensor 1, it is possible to increase the sensitivity approximately twice that in the case where the slit portion 111 and the local portion 112 are not provided. Become. Further, the width of the slit portion 111 and the width of the local portion 112, which become the highest sensitivity, are almost the same even if the size of the strain sensor 1 is changed (in the example of FIG. The case where the width of the portion 111 is 0.25a and the width of the local portion 112 is 0.25a is the highest sensitivity).
 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。 As described above, according to the first embodiment, the silicon layer 11, the resistance gauge 13 formed on the silicon layer 11, and the silicon layer 11 are formed, and the resistance gauge 13 of the silicon layer 11 is formed. Since the slit part 111 which makes a part a local part 112 and the insulating layer 12 joined to the silicon layer 11 are provided, the detection accuracy of torque is improved.
 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。
In addition, although the case where the silicon layer 11 was used as a board | substrate layer was shown in the above, it does not restrict to this, and should just be a member which distortion produces according to external force. For example, as the substrate layer, an insulator (such as glass) or a metal can be used. Here, when the substrate layer is an insulator, the resistance gauge 13 is formed by depositing a film on the insulator by sputtering or the like. When the substrate layer is metal, the resistance gauge 13 is formed by sputtering the metal via an insulating film. Alternatively, the silicon layer 11 may be used as a substrate layer, and the resistance gauge 13 may be formed on the silicon layer 11 by sputtering or the like.
Even when the above-mentioned insulator or metal is used as the substrate layer, the gauge factor becomes higher than that of a general metal strain gauge. Further, when the resistance gauge 13 is formed by film formation, the gauge ratio does not change depending on the crystal orientation as opposed to the case where the resistance gauge 13 is formed in the silicon layer 11 by ion implantation, that is, the direction needs to be limited. There is no
On the other hand, the gauge factor is 4 to 10 times higher in the case where the resistance gauge 13 is formed by ion implantation in the silicon layer 11 than when the resistance gauge 13 is formed by film formation.
 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。 In the present invention, within the scope of the invention, modifications of optional components of the embodiment or omission of optional components of the embodiment is possible.
 本発明に係るトルク検出器及びトルク検出器の製造方法は、トルクの検出精度が向上するので、例えば、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で用いるのに適している。 The torque detector and the method of manufacturing the torque detector according to the present invention can be used, for example, in a method of manufacturing the torque detector and the torque detector that detects the torque applied to the rotating shaft because the accuracy of torque detection is improved. Is suitable.
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
Reference Signs List 1 strain sensor 5 rotating shaft 6 driving system 11 silicon layer (substrate layer)
12 insulation layer 13 resistance gauge (diffusion resistance)
111 Slit portion 112 Local portion 113 Silicon layer 114 Silicon layer 115 Bridge portion 121 Insulating layer 122 Insulating layer

Claims (12)

  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、
     前記基板層に接合された絶縁層と
     を備えたトルク検出器。
    A substrate layer which is distorted in response to an external force,
    A resistance gauge formed on the substrate layer;
    A slit portion which is formed on the substrate layer and which makes a portion where the resistance gauge of the substrate layer is formed be a local portion;
    A torque detector comprising: an insulating layer bonded to the substrate layer.
  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。
    The torque detector according to claim 1, wherein the substrate layer is a silicon layer.
  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。
    The crystal orientation of the surface of the said silicon layer is (100). The torque detector of Claim 2 characterized by the above-mentioned.
  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。
    The torque detector according to any one of claims 1 to 3, wherein the resistance gauge is formed by forming a film on the substrate layer.
  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。
    The said resistance gauge was formed in the <110> direction of the said silicon layer. The torque detector of Claim 2 or Claim 3 characterized by the above-mentioned.
  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。
    The torque detector according to any one of claims 1 to 5, wherein a corner of the slit portion is formed in an arc shape.
  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。
    The substrate layer is
    A first substrate layer,
    A second substrate layer,
    It has one bridge part which is the said local part provided between the said 1st board | substrate layer and the said 2nd board | substrate layer. Any one of Claim 1 to 6 characterized by the above-mentioned. Torque detector.
  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。
    The substrate layer is
    A first substrate layer,
    A second substrate layer,
    It has three bridge parts containing the said local part provided between the said 1st board | substrate layer and the said 2nd board | substrate layer. It is characterized by the above-mentioned. Torque detector.
  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。
    The substrate layer is
    A first substrate layer,
    A second substrate layer,
    It has two crossed bridge parts which are the local parts provided between the 1st substrate layer and the 2nd substrate layer. Any one of claims 1 to 6 The torque detector according to the item.
  10.  前記絶縁層は、
     前記第1基板層に接合された第1絶縁層と、
     前記第2基板層に接合された第2絶縁層とを有する
     ことを特徴とする請求項7から請求項9のうちの何れか1項記載のトルク検出器。
    The insulating layer is
    A first insulating layer bonded to the first substrate layer;
    The torque detector according to any one of claims 7 to 9, further comprising: a second insulating layer bonded to the second substrate layer.
  11.  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10のうちの何れか1項記載のトルク検出器。
    The torque detector according to any one of claims 1 to 10, wherein the local portion is configured to be thinner than the thickness of the substrate layer.
  12.  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。
    Forming a resistance gauge on the substrate layer that is strained in response to an external force;
    Forming, in the substrate layer, a slit portion which makes a portion where the resistance gauge of the substrate layer is formed be a local portion;
    Bonding the substrate layer and the insulating layer.
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