WO2019069595A1 - トルク検出装置 - Google Patents

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WO2019069595A1
WO2019069595A1 PCT/JP2018/032181 JP2018032181W WO2019069595A1 WO 2019069595 A1 WO2019069595 A1 WO 2019069595A1 JP 2018032181 W JP2018032181 W JP 2018032181W WO 2019069595 A1 WO2019069595 A1 WO 2019069595A1
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WO
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base plate
strain sensor
rotating shaft
torque
gauge
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PCT/JP2018/032181
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English (en)
French (fr)
Inventor
里奈 小笠原
石倉　義之
祐希 瀬戸
Original Assignee
アズビル株式会社
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a torque detection device that detects a torque applied to a rotating shaft.
  • 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. However, in this method, even when another axial load (thrust load) other than torque is applied to the rotary shaft, sensitivity is obtained to some extent, and only torque can not be detected accurately.
  • Patent Document 1 it is necessary to arrange eight or more 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.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a torque detection device which can accurately detect a torque even when another shaft load is applied and which is easy to assemble. .
  • the torque detection device includes a rotating shaft, a base plate attached to the rotating shaft, and a strain sensor mounted on the base plate and having a resistance gauge, and the base plate is an axis of the rotating shaft. Between the resistance gauge in the axial direction and the deformation absorbing portion formed on one end side or both ends of the strain sensor in the direction to absorb the deformation of the base plate in the axial direction, and between the resistance gauge in the axial direction and the deformation absorbing portion And a non-fixed portion which is provided non-fixed relative to the rotary shaft.
  • torque can be accurately detected even when a load of another shaft is applied, and assembly is easy.
  • FIGS. 1A and 1B are diagrams showing a configuration example of a torque detector according to Embodiment 1 of the present invention (a diagram showing a state in which a strain sensor is attached to a rotary shaft via a base plate), 1A is a cross-sectional view, and FIG. 1B is a top view of a portion A shown in FIG. 1A.
  • FIGS. 2A to 2C are diagrams showing a configuration example of the strain sensor according to the first embodiment of the present invention, FIG. 2A is a top view, FIG. 2B is a side view, and FIG. FIG. FIG. FIG. 3A is a top view showing an arrangement example of the resistance gauges according to the first embodiment of the present invention, and FIG.
  • FIG. 3B is a view showing a construction example of a full bridge circuit composed of the resistance gauges shown in FIG. 3A. It is a flowchart which shows an example of the manufacturing method of the distortion sensor in Embodiment 1 of this invention.
  • 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
  • 6A and 6B are diagrams showing the effect of the torque detector according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 6A is a diagram showing a case where axial compressive stress is applied to the rotary shaft, FIG.
  • FIG. 6B is a view showing a case where an axial tensile stress is applied to the rotating shaft. It is a top view (figure which shows the state in which the distortion sensor was attached to the rotating shaft via a base board) which shows another structural example of the base board in Embodiment 1 of this invention.
  • 8A to 8C are top views showing another example of arrangement of the resistance gauges according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 9A is a top view showing another arrangement example of the resistance gauges according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 9B is a view showing a construction example of a half bridge circuit constituted by the resistance gauges shown in FIG. 9A.
  • 10A to 10C are back views showing another configuration example of the silicon layer in the first embodiment of the present invention.
  • 11A and 11B are side views showing another configuration example of the deformation absorbing portion in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a view showing a configuration example of a torque detector according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 1 shows a state in which the strain sensor 1 is attached to the rotating shaft 5 via the base plate 2.
  • 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.
  • a storage groove 51 is formed on the circumferential surface of the rotary shaft 5.
  • the cross-sectional shape of the storage groove 51 is T-shaped.
  • the torque detector detects the torque applied to the rotating shaft 5.
  • the torque detector comprises a strain sensor 1 and a base plate 2 as shown in FIG.
  • the torque detector and the rotating shaft 5 constitute a torque detection device. Below, the case where a semiconductor strain gauge is used as the strain sensor 1 is shown.
  • the strain sensor 1 is a semiconductor strain gauge attached to the rotating shaft 5 via the base plate 2 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 is mounted at the center of the base plate 2.
  • 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 in the ⁇ 110> direction of the silicon layer 11.
  • four resistance gauges 13 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.
  • step ST1 a plurality of resistance gauges 13 are formed on 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).
  • the base plate 2 is a plate member on which the strain sensor 1 is mounted, which is accommodated in the accommodation groove 51 of the rotating shaft 5 and attached to the rotating shaft 5.
  • a metal member such as Kovar can be used.
  • a slit portion (deformation absorbing portion) 21 is formed on one end side of the strain sensor 1 in the longitudinal direction (axial direction of the rotating shaft 5). The length in the longitudinal direction (direction perpendicular to the axial direction) of the slit portion 21 is longer than the length in the lateral direction (direction perpendicular to the axial direction) of the strain sensor 1.
  • the length of the slit portion 21 in the lateral direction (the above axial direction) be short.
  • FIG. 1 shows the case where the strain sensor 1 is in contact with the slit portion 21, it may be separated.
  • the base plate 2 is provided with non-fixed portions 22 on the front and back surfaces.
  • the non-fixed portion 22 is provided in a region including a region facing the resistance gauge 13 and a region between the resistance gauge 13 and the slit portion 21 in the axial direction, and a portion which is not fixed relative to the rotation shaft 5 It is. Further, portions of the base plate 2 other than the non-fixed portion 22 can be fixed to the rotating shaft 5.
  • the strain sensor 1 manufactured as described above is attached to the base plate 2
  • the back surface of the insulating layer 12 and the base plate 2 are joined by, for example, solder bonding.
  • solder bonding is performed after the back surface of the insulating layer 12 and the bonding portion of the base plate 2 are metallized.
  • the base plate 2 is attached to the rotary shaft 5, it is joined by, for example, solder bonding in the same manner as described above.
  • 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 strain sensor 1 is directly attached to the rotating shaft 5 using the cylindrical rotating shaft 5 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 slit portion 21 is provided on one end side of the strain sensor 1 in the longitudinal direction of the base plate 2. Further, the length in the longitudinal direction of the slit portion 21 is longer than the length in the lateral direction of the strain sensor 1.
  • FIG. 6 shows the case where a thrust load (compressive stress, tensile stress) is applied to the rotating shaft 5. As shown in FIG. 6, when a thrust load is applied to the rotating shaft 5, distortion of the strain sensor 1 can be reduced by deformation of the slit portion 21.
  • the non-fixed portion 22 is provided on the base plate 2 (a region facing the resistance gauge 13 and a region between the resistance gauge 13 and the slit portion 21 in the axial direction The region including the part is not fixed to the rotating shaft 5, and the other part can be fixed to the rotating shaft 5.
  • the strain sensor 1 can be provided with the separation effect of the slit portion 21.
  • the strain sensor is maintained while maintaining the effect of reducing the influence of other axes. 1 can generate shear stress efficiently and can have torque sensitivity.
  • the torque detector according to the first embodiment it is not necessary to use a plurality of strain gauges as in the conventional method, and it can be configured by a single strain sensor 1. It becomes easy to assemble.
  • the slit part 21 located in the end side of the distortion sensor 1 in the longitudinal direction of the base board 2 was formed was shown.
  • the present invention is not limited to this, and as shown in FIG. 7, the slit portions 21 may be formed on both ends of the strain sensor 1 in the longitudinal direction of the base plate 2.
  • the length in the longitudinal direction of each slit portion 21 is longer than the length in the lateral direction of the strain sensor 1.
  • the base plate 2 plays a role of adjusting the rigidity of the strain sensor 1. Further, by mounting the strain sensor 1 on the base plate 2, the process of fixing the strain sensor 1 and extracting the signal can be performed on the base plate 2, and the handling property at the time of assembling the torque detector is improved. Therefore, the strain sensor 1 is easy to handle, and there are few restrictions on the process device.
  • the bonding of the strain sensor 1 and the base plate 2 heat is applied by solder bonding or the like. Therefore, by appropriately selecting the material of the base plate 2, it is possible to reduce the temperature characteristic deterioration due to the difference in linear expansion coefficient.
  • the strain sensor 1 when silicon is used as the strain sensor 1, Kovar having a linear expansion coefficient close to that of silicon is used as the base plate 2. This improves the temperature characteristics of the torque detector.
  • the strain sensor 1 when the strain sensor 1 is fixed to the base plate 2 by solder bonding or the like, it is possible to suppress the thermal strain caused by the difference in linear expansion coefficient (can suppress the influence of the thermal process).
  • 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. Thereby, 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 arrangement of the four resistance gauges 13 is not limited to the arrangement shown in FIG. 3, but may be an arrangement as shown in FIG. 8, for example.
  • 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.
  • 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 strain sensor 1 In the above, the case of using a semiconductor strain gauge having a shape as shown in FIG. 2 as the strain sensor 1 is shown. However, the present invention is not limited to this, and semiconductor strain cages of other shapes may be used. In addition, as the strain sensor 1, another strain gauge (for example, a metal strain gauge) may be used.
  • the deformation absorbing portion may be configured to absorb the deformation of the base plate 2 in the axial direction, and as the deformation absorbing portion, for example, a groove, a corrugated uneven portion 21b, or a spring having elasticity. May be used.
  • FIG. 11 shows the case where the wave-like uneven portion 21b is used as the deformation absorbing portion
  • FIG. 11A shows the case where the shape is a half wave
  • FIG. 11B shows the case where the shape is a one wave.
  • the base plate 2 is formed at one end or both ends of the strain sensor 1 in the axial direction of the rotary shaft 5, and a deformation absorbing portion (slit portion 21) that absorbs the deformation of the base plate 2 in the axial direction;
  • a deformation absorbing portion slit portion 21
  • it is provided in a region including the region facing the resistance gauge 13 and the region between the resistance gauge 13 and the deformation absorbing portion in the axial direction, it has a non-fixed portion 22 which is not fixed with respect to the rotating shaft 5, Even when another axis load is applied, the torque can be detected accurately, and the assembly is easy.
  • the torque detection device can accurately detect torque even when another shaft load is applied and is easy to assemble, so it is suitable for use in, for example, a torque detection device that detects torque applied to a rotating shaft. There is.
  • strain sensor 1 base plate 5 rotating shaft 6 driving system 11 silicon layer (substrate layer) 12 insulation layer 13 resistance gauge (diffusion resistance) 21 Slit part (deformed absorption part) 21 b uneven portion 22 non-fixed portion 23 side surface portion 51 storage groove 111 groove portion 112 thin portion 113 communication groove portion

Abstract

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。

Description

トルク検出装置
　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す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、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（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）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。
　本発明に係るトルク検出装置は、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装置で用いるのに適している。
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 (3)

  1. 　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する
    　ことを特徴とするトルク検出装置。
  2. 　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。
  3. 　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。
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