WO2019035291A1 - トルク検出器及びトルク検出器の製造方法 - Google Patents

トルク検出器及びトルク検出器の製造方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2019035291A1
WO2019035291A1 PCT/JP2018/025896 JP2018025896W WO2019035291A1 WO 2019035291 A1 WO2019035291 A1 WO 2019035291A1 JP 2018025896 W JP2018025896 W JP 2018025896W WO 2019035291 A1 WO2019035291 A1 WO 2019035291A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
silicon layer
layer
torque detector
gauge
strain sensor
Prior art date
Application number
PCT/JP2018/025896
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
祐希 瀬戸
石倉　義之
里奈 小笠原
Original Assignee
アズビル株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by アズビル株式会社 filed Critical アズビル株式会社
Priority to KR1020207004008A priority Critical patent/KR102332882B1/ko
Priority to CN201880052321.2A priority patent/CN110998265B/zh
Publication of WO2019035291A1 publication Critical patent/WO2019035291A1/ja

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/14—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft

Definitions

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 portion formed on one surface of the substrate layer, where the resistance gauge of the substrate layer is formed.
  • a groove portion to be a thin portion and an insulating layer joined to one surface of the substrate layer are provided.
  • 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.
  • FIG. 4A is a top view
  • FIG. 4B is a side view
  • 5A and 5B are diagrams for explaining the basic operation principle of the torque detector
  • FIG. 5A is a side view showing the torque applied to the rotating shaft
  • 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
  • produced in. 6A to 6C are top views showing another example of arrangement of the resistance gauges according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7A is a top view showing another arrangement example of the resistance gauge according to the first embodiment of the present invention
  • FIGS. 7B and 7C are states in which the strain sensor having the resistance gauge shown in FIG. 7A is attached to a rotating shaft.
  • FIG. 8A is a top view showing another arrangement example of the resistance gauge in accordance with the first embodiment of the present invention
  • FIG. 8B is a view showing a construction example of a half bridge circuit constituted by the resistance gauge shown in FIG. 8A
  • 9A to 9C are back views showing another configuration example of the silicon layer in the first embodiment of the present invention. It is a back view which shows another structural example of the silicon layer in Embodiment 1 of this invention.
  • 11A to 11C are top views showing an example of the size of the strain sensor in the first embodiment of the present invention
  • FIG. 11D is a view showing the difference in sensitivity depending on the size of the strain sensor.
  • FIG. 13A and 13B show a top view and a side cross sectional view of the silicon layer in the first embodiment of the present invention
  • FIG. 13C shows a difference in sensitivity depending on the size and thickness of the thin portion.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • a groove 111 is formed in the center of the back surface (one surface) of the silicon layer 11.
  • the thin portion 112 is formed in the silicon layer 11 by the groove portion 111.
  • the resistance gauge 13 is formed on the thin portion 112.
  • the thickness of the thin portion 112 is appropriately designed in accordance with the rigidity and the like of the silicon layer 11. For example, when the rigidity of the silicon layer 11 is low, the thin portion 112 is thick, and when the rigidity of the silicon layer 11 is high, the thin portion 112 is thin.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • glass or sapphire can be used as the insulating layer 12.
  • 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 groove portion 111 is formed on the back surface of the silicon layer 11 by etching (step ST2). Thereby, the portion of the silicon layer 11 where the resistance gauge 13 is formed is made to be the thin 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).
  • FIG. 4 shows a state in which the strain sensor 1 is attached to the rotating shaft 5.
  • the location of the resistance gauge 13 is also illustrated.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • FIG. 5 the case where the distortion sensor 1 of rectangular shape is used is shown.
  • 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.
  • the thin portion 112 is formed by forming the groove portion 111 in the center of the back surface of the silicon layer 11, and the resistance gauge 13 is formed in the thin portion 112.
  • the stress can be concentrated on the thin 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.
  • the resistance gauge 13 is formed in the oblique direction (45 degrees direction) with respect to the side direction of the silicon layer 11. Thereby, the resistance value change due to the expansion and contraction of the silicon layer 11 hardly occurs. Also, since the four resistance gauges 13 have the same influence, the output fluctuation is theoretically zero.
  • the arrangement of the four resistance gauges 13 is not limited to the arrangement shown in FIG. 2, but may be, for example, an arrangement as shown in FIG.
  • the resistance gauge 13 is formed in the oblique direction (45 degrees direction) with respect to the side direction of the silicon layer 11 .
  • the resistance gauge 13 is not limited to this, as long as it is formed in the ⁇ 110> direction of the silicon layer 11.
  • the resistance gauge 13 extends along the side direction of the silicon layer And 90 degrees).
  • the strain sensor 1 is disposed such that the resistance gauge 13 is directed obliquely (with 45 degrees) to the axial direction of the rotating shaft 5.
  • 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.
  • a communication groove portion 113 may be formed, which communicates the groove portion 111 with the side surface of the silicon layer 11.
  • a temperature of about 400 ° C. is applied by anodic bonding. Therefore, when the communication groove portion 113 is not present, the air present in the groove portion 111 between the silicon layer 11 and the insulating layer 12 is sealed in a high temperature state at the time of anodic bonding, and when the temperature drops to normal temperature As a result, the thin-walled portion 112 may be deformed and the zero point of the strain sensor 1 may be displaced.
  • the communication groove portion 113 air present in the groove portion 111 can be released to the outside at the time of anodic bonding, and deformation of the thin portion 112 can be avoided.
  • the silicon layer 11 needs to be configured so as to be partially thinned by the groove portion 111 and the communication groove portion 113 so as not to be entirely thinned.
  • one thin portion 112 is formed by forming one groove portion 111 in the silicon layer 11 is shown.
  • the present invention is not limited to this, as long as the resistance gauge 13 is disposed in the thin portion 112, as shown in FIG. 10, the plurality of grooves 111 are formed in the silicon layer 11 to configure the plurality of thin portions 112. It may be done. In the example shown in FIG. 10, four grooves 111 are formed in the silicon layer 11.
  • the parameters that affect the sensitivity of the strain sensor 1 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 size and thickness of the thin portion 112.
  • FIG. 11A shows the case where the size of the strain sensor 1 is (a ⁇ 3a)
  • FIG. 11B shows the case where the size of the strain sensor 1 is (1.5a ⁇ 1.5a)
  • FIG. 11C shows the case where the strain sensor 1 is Shows the case where the size of is (3a ⁇ 3a).
  • a is a constant.
  • FIG. 11D shows the difference in the sensitivity by the size of the distortion sensor 1.
  • FIG. 11D shows the sensitivity ratio when the sensitivity of a general metal strain gauge is 1. As shown in FIG. 11, as the strain sensor 1 is larger, the sensitivity is higher.
  • the strain sensor 1 has a higher sensitivity in the case of a square than in the case of a rectangle. That is, although the area of the strain sensor 1 shown in FIG. 11B is smaller than that of the strain sensor 1 shown in FIG. 11A, the sensitivity is high as shown in FIG. 11D.
  • 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.
  • the strain sensor 1 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.
  • the strain sensor 1 can be made highly sensitive by forming the thin portion 112 or controlling the thickness of the thin portion 112 because the size is reduced.
  • 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. 12, 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.
  • 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.
  • 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.
  • FIG. 13A and 13B show, as an example, the case where the size of the strain sensor 1 is (3a ⁇ 3a) and the size of the thin portion 112 is (0.5a ⁇ 0.5a).
  • the thickness of the whole silicon layer 11 is set to t1
  • the thickness of the thin part 112 is set to t2.
  • FIG. 13C similarly to FIG. 11D, the sensitivity ratio when the sensitivity of a general metal strain gauge is 1 is shown. As shown in FIG.
  • the sensitivity can be increased by about 1.4 times as compared with the case where the thin portion 112 is not provided. Further, the size of the thin portion 112 having the highest sensitivity is almost the same even if the size of the strain sensor 1 is changed (in the example of FIG. 13, the size of the thin portion 112 is independent of the size of the strain sensor 1 The case of 0.5a ⁇ 0.5a) has the highest sensitivity). Further, by setting the thickness t2 of the thin portion 112 to half or less of the thickness t1 of the silicon layer 11, more effect is obtained.
  • the silicon layer 11, the resistance gauge 13 formed on the silicon layer 11, and the one surface of the silicon layer 11 are formed, and the resistance gauge 13 of the silicon layer 11 is formed. Since the groove portion 111 which makes the above-mentioned portion a thin portion 112 and the insulating layer 12 joined to one surface of the silicon layer 11 are provided, the detection accuracy of torque is improved.
  • 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.
  • an insulator such as glass
  • the resistance gauge 13 is formed by depositing a film on the insulator by sputtering or the like.
  • the resistance gauge 13 is formed by sputtering the metal via an insulating film.
  • 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.
  • the gauge factor is 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.
  • the torque detector and the method of manufacturing the torque detector according to the present invention are suitable for use in the method of manufacturing the torque detector and the torque detector that detects the torque applied to the rotating shaft.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)
  • Measurement Of Force In General (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

Abstract

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。

Description

トルク検出器及びトルク検出器の製造方法
　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、基板層の一面に形成され、当該基板層の抵抗ゲージが形成された箇所を薄肉部とさせる溝部と、基板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。
　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、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。
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 (9)

  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、
    　前記基板層の一面に形成され、当該基板層の前記抵抗ゲージが形成された箇所を薄肉部とさせる溝部と、
    　前記基板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５記載のトルク検出器。
  7. 　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５記載のトルク検出器。
  8. 　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を備えた
    　ことを特徴とする請求項２、請求項３又は請求項５から請求項７のうちの何れか１項記載のトルク検出器。
  9. 　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、
    　前記基板層の一面に、当該基板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、
    　前記基板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。
PCT/JP2018/025896 2017-08-14 2018-07-09 トルク検出器及びトルク検出器の製造方法 WO2019035291A1 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020207004008A KR102332882B1 (ko) 2017-08-14 2018-07-09 토크 검출기 및 토크 검출기의 제조 방법
CN201880052321.2A CN110998265B (zh) 2017-08-14 2018-07-09 扭矩检测器及扭矩检测器的制造方法

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017-156383 2017-08-14
JP2017156383A JP6820102B2 (ja) 2017-08-14 2017-08-14 トルク検出器及びトルク検出器の製造方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2019035291A1 true WO2019035291A1 (ja) 2019-02-21

Family

ID=65362308

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2018/025896 WO2019035291A1 (ja) 2017-08-14 2018-07-09 トルク検出器及びトルク検出器の製造方法

Country Status (4)

Country Link
JP (1) JP6820102B2 (ja)
KR (1) KR102332882B1 (ja)
CN (1) CN110998265B (ja)
WO (1) WO2019035291A1 (ja)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023106236A1 (ja) * 2021-12-08 2023-06-15 ミネベアミツミ株式会社 歪みゲージモジュール

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61223625A (ja) * 1985-03-29 1986-10-04 Nec Corp センサ
JPH0846218A (ja) * 1994-08-04 1996-02-16 Mitsubishi Electric Corp 半導体圧力検出装置
WO2003074986A1 (fr) * 2002-03-07 2003-09-12 K-Tech Devices Corp. Capteur de contrainte
US20060137470A1 (en) * 2004-12-29 2006-06-29 Industrial Technology Research Institute Apparatus for measuring torque of a torque tool by using an indirect structure

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB8408502D0 (en) * 1984-04-03 1984-05-16 Trw Probe Electronics Co Ltd Torque sensing apparatus
JPS63280476A (ja) * 1987-05-12 1988-11-17 Sumitomo Metal Ind Ltd 歪測定方法
JPH01189971A (ja) * 1988-01-26 1989-07-31 Toshiba Corp トルクセンサ
CN88201030U (zh) * 1988-01-28 1988-09-07 复旦大学 矩形双岛硅膜结构过压保护型压力传感器
JPH08274350A (ja) * 1995-03-29 1996-10-18 Yokogawa Electric Corp 半導体圧力センサ及びその製造方法
JPH0989692A (ja) * 1995-09-25 1997-04-04 Nissan Motor Co Ltd ステアリングトルクセンサ
AUPP098497A0 (en) * 1997-12-17 1998-01-15 Bishop Innovation Pty Limited Transmission path torque transducer
JP2001264198A (ja) * 2000-03-16 2001-09-26 Olympus Optical Co Ltd 多軸力覚センサ及び力覚センサの製造方法
KR20030077754A (ko) * 2002-03-27 2003-10-04 삼성전기주식회사 마이크로 관성센서 및 그 제조 방법
CN2636217Y (zh) * 2003-04-29 2004-08-25 周国玉 电阻应变压轴式土压力盒
JP2006220574A (ja) * 2005-02-14 2006-08-24 Hitachi Ltd 回転体力学量測定装置および回転体力学量計測システム
CN101576656B (zh) * 2005-02-23 2012-05-30 皮克斯特罗尼克斯公司 显示方法和装置
JP4566227B2 (ja) * 2007-09-25 2010-10-20 株式会社日立製作所 半導体歪センサーおよび半導体歪センサーの取付け方法
CN101241030A (zh) * 2008-03-10 2008-08-13 清华大学 Mos力敏传感器
JP2010197219A (ja) * 2009-02-25 2010-09-09 Hitachi Ltd センサデバイスおよび計測システム
WO2010124400A1 (en) * 2009-05-01 2010-11-04 The University Of Western Ontario Photonic crystal pressure sensor
JP2011220927A (ja) * 2010-04-13 2011-11-04 Yamatake Corp 圧力センサ
CN101825505B (zh) * 2010-04-22 2015-02-18 无锡市纳微电子有限公司 一种mems压力敏感芯片及其制作方法
CN202886037U (zh) * 2012-10-12 2013-04-17 西北工业大学 一种扭矩传感器
JP5975970B2 (ja) * 2013-11-20 2016-08-23 日立オートモティブシステムズ株式会社 圧力センサ
JP2016109568A (ja) * 2014-12-08 2016-06-20 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 トルクセンサ
US10032936B2 (en) * 2015-05-29 2018-07-24 Seiko Epson Corporation Method for manufacturing resistive element, method for manufacturing pressure sensor element, pressure sensor element, pressure sensor, altimeter, electronic apparatus, and moving object
US9739673B2 (en) * 2015-08-05 2017-08-22 Sensata Technologies, Inc. Sensor substrate

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61223625A (ja) * 1985-03-29 1986-10-04 Nec Corp センサ
JPH0846218A (ja) * 1994-08-04 1996-02-16 Mitsubishi Electric Corp 半導体圧力検出装置
WO2003074986A1 (fr) * 2002-03-07 2003-09-12 K-Tech Devices Corp. Capteur de contrainte
US20060137470A1 (en) * 2004-12-29 2006-06-29 Industrial Technology Research Institute Apparatus for measuring torque of a torque tool by using an indirect structure

Also Published As

Publication number Publication date
CN110998265A (zh) 2020-04-10
KR20200022034A (ko) 2020-03-02
JP6820102B2 (ja) 2021-01-27
KR102332882B1 (ko) 2021-12-01
JP2019035638A (ja) 2019-03-07
CN110998265B (zh) 2021-12-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2004245760A (ja) 圧力と加速度との双方を検出するセンサおよびその製造方法
WO2019035291A1 (ja) トルク検出器及びトルク検出器の製造方法
JP6698595B2 (ja) トルク検出器
WO2019069620A1 (ja) トルク検出装置
JP2020067295A (ja) アクチュエーティングユニット
JP2021025966A (ja) Ｍｅｍｓセンサ
WO2019035290A1 (ja) トルク検出器
JP6820817B2 (ja) トルク検出装置
WO2019069683A1 (ja) トルク検出器
JP6139377B2 (ja) センサ装置およびその製造方法
JP6843019B2 (ja) トルク検出器及びトルク検出器の製造方法
JP4715503B2 (ja) センサモジュールの製造方法
JP2514974Y2 (ja) 半導体３軸力覚センサーの起歪体構造
CN110668391B (zh) 一种具有应力释放功能的双端固支板式mems结构
JP5547054B2 (ja) 静電容量型加速度センサ
JP2011179850A (ja) 振動式圧力センサ
JPH06300774A (ja) 加速度センサ
JP3938196B1 (ja) センサモジュール
JP2010014460A (ja) Ｍｅｍｓ
JP2019045207A (ja) 圧力センサ
JP2007173640A (ja) センサモジュールおよびその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18846484

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20207004008

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18846484

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1