WO2019069620A1 - トルク検出装置 - Google Patents

Abstract

起歪部（５３）、当該起歪部（５３）の軸方向における一端に設けられ、当該起歪部（５３）に対して当該軸方向に垂直な方向に幅広なフランジ部（５１）、及び、当該起歪部（５３）の軸方向における他端に設けられ、当該起歪部（５３）に対して当該軸方向に垂直な方向に幅広なフランジ部（５２）を有する回転軸体（５）と、回転軸体（５）に取付けられたトルク検出器とを備え、フランジ部（５１）は、起歪部（５３）に対して上記軸方向に垂直な方向に乖離した位置に、トルク検出器の一端側を搭載可能な搭載部（５１１）を有し、フランジ部（５２）は、起歪部（５３）に対して上記軸方向に垂直な方向に乖離した位置に、トルク検出器の他端側を搭載可能な搭載部（５２１）を有し、トルク検出器は、搭載部（５１１）及び搭載部（５２１）に跨って固定された。

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。
　この方式において、微小なトルク変化を精度よく検出する場合には、回転軸体における起歪部の軸径を小さくしてねじれ剛性を低くすることで、感度を向上させる手法が取られる（例えば特許文献１参照）。

特開２００２－１３９３９１号公報

　しかしながら、回転軸体の起歪部の軸径を小さくして剛性が下がると、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、駆動系及び負荷系との接続の都合上必要な回転軸体の外形サイズに対し、起歪部の軸径を小さくした場合、狭く奥まった箇所に金属歪ゲージを取付けることになる。よって、金属歪ゲージを位置精度よく均一に取付けることが難しいという課題がある。

　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、トルクの検出精度が向上し、簡易に製作可能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、起歪部、当該起歪部の軸方向における一端に設けられ、当該起歪部に対して当該軸方向に垂直な方向に幅広な第１の部材、及び、当該起歪部の軸方向における他端に設けられ、当該起歪部に対して当該軸方向に垂直な方向に幅広な第２の部材を有する回転軸体と、回転軸体に取付けられたトルク検出器とを備え、第１の部材は、起歪部に対して上記軸方向に垂直な方向に乖離した位置に、トルク検出器の一端側を搭載可能な第１の搭載部を有し、第２の部材は、起歪部に対して上記軸方向に垂直な方向に乖離した位置に、トルク検出器の他端側を搭載可能な第２の搭載部を有し、トルク検出器は、第１の搭載部及び第２の搭載部に跨って固定されたことを特徴とする。

　この発明によれば、上記のように構成したので、トルクの検出精度が向上し、簡易に製作可能である。

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は側面図であり、図１Ｂは上方から見た斜視図である。 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は歪センサ１の搭載位置を示す図であり、図６Ｂは歪センサ１の搭載位置とトルク検出器の感度との関係の一例を示す図である。 この発明の実施の形態１における回転軸体の別の構成例を示す断面図（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。

　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は、図１に示すように、フランジ部（第１の部材）５１、フランジ部（第２の部材）５２及び起歪部５３を有している。

　フランジ部５１は、軸方向における一端に駆動系６のシャフトが接合される。フランジ部５１は、起歪部５３に対して径方向外側に、トルク検出器（図１ではベース板２）の一端側を搭載可能な搭載部（第１の搭載部）５１１を有している。図１では図示を省略しているが、搭載部５１１は、フランジ部５１の周面に対してＤカット加工が施されることで構成されている。
　フランジ部５２は、軸方向における一端に負荷系のシャフトが接合される。フランジ部５２は、起歪部５３に対して径方向外側に、トルク検出器（図１ではベース板２）の他端側を搭載可能な搭載部（第２の搭載部）５２１を有している。図１では図示を省略しているが、搭載部５２１は、フランジ部５２の周面に対してＤカット加工が施されることで構成されている。

　なお上記では、搭載部５１１がフランジ部５１の周面に対してＤカット加工が施されることで構成され且つ搭載部５２１がフランジ部５２の周面に対してＤカット加工が施されることで構成された場合を示した。
　しかしながら、これに限らず、フランジ部５１の周面の一部を搭載部５１１とし、フランジ部５２の周面の一部を搭載部５２１としてもよい。この場合、ベース板２は、搭載部５１１，５２１であるフランジ部５１，５２の周面に搭載可能であるように、例えば曲面加工が施される。

　起歪部５３は、フランジ部５１とフランジ部５２との間に設けられ、フランジ部５１及びフランジ部５２より小さな軸径に構成されている。起歪部５３は、回転軸体５にトルクが加えられた場合に、回転軸体５の中で最も大きな歪が生じる部分である。例えば、起歪部５３の軸径は、回転軸体５として必要な剛性を維持可能な最小直径に設定される。この起歪部５３は、軸方向における一端がフランジ部５１の他端に接続され、他端がフランジ部５２の他端に接続される。

　このように、回転軸体５は、フランジ部５１とフランジ部５２との間に、フランジ部５１及びフランジ部５２より軸径が小さい起歪部５３を有するＨ型起歪体に構成されている。

　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の起歪部５３に対向する位置に搭載される。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、フランジ部５１に設けられた搭載部５１１及びフランジ部５２に設けられた搭載部５２１に直接跨って固定される板部材である。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。図１では、ベース板２が、フランジ部５１及びフランジ部５２の周面に跨って固定された場合を示している。

　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、Ｈ型起歪体である回転軸体５に対し、ベース板２を介して、歪センサ１が起歪部５３の径方向外側に配置されている。
　これにより、許容トルクを確保し、且つ、歪センサ１を有効に歪ませることができる。すなわち、回転軸体５にトルクが加わった際に生じる歪みの大きさは軸心から径方向外側になるほど増加する。よって、軸心から外側に離れた位置に歪センサ１が配置されることで、回転軸体５に加わるトルクに対する検出感度が向上する。また、起歪部５３より径方向外側に歪センサ１が配置されることで、ベース板２の取付けが容易となる。

　図６に実施の形態１に係るトルク検出器の効果を示す。
　図６Ａに示すように、回転軸体５の軸心から歪センサ１までの距離を歪センサ１の搭載位置ｄとする。この場合、この搭載位置ｄとトルク検出器の感度との関係は、例えば図６Ｂに示すようになる。なお図６Ｂでは、搭載位置ｄと起歪部５３の軸径ｒとの比（ｄ／ｒ）を用い、歪センサ１を起歪部５３に取付けた場合（ｄ／ｒ＝１）での感度を１として、当該比（ｄ／ｒ）と感度比との関係を示している。この図６Ｂに示すように、歪センサ１を起歪部５３より径方向外側に配置することで、トルク検出器の感度が向上することがわかる。

　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。

　また上記では、搭載部５１１は、フランジ部５１の周面に対してＤカット加工が施されることで構成され、又は当該周面の一部である場合を示した。同様に、搭載部５２１は、フランジ部５２の周面に対してＤカット加工が施されることで構成され、又は当該周面の一部である場合を示した。しかしながら、これに限らず、歪センサ１が起歪部５３より径方向外側に配置されていればよい。よって、例えば図７に示すように、フランジ部５１の周面に溝部が形成されることで搭載部５１１が構成され、フランジ部５２の周面に溝部が形成されることで搭載部５２１が構成されてもよい。このように、溝形状の搭載部５１１及び搭載部５２１を用いることで、ベース板２を回転軸体５に固定する際にベース板２が搭載部５１１及び搭載部５２１に嵌め合い、位置決めが容易となる。

　また上記では、回転軸体５を構成するフランジ部５１、フランジ部５２及び起歪部５３がそれぞれ円柱形又は略円柱形である場合を示した。しかしながら、これに限らず、フランジ部５１、フランジ部５２及び起歪部５３はそれぞれ、例えば、角柱形、又は段差等を含む形状であってもよい。

　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ゲ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、歪センサ１が、ベース板２を介して回転軸体５に取付けられる場合を示した。しかしながら、これに限らず、半導体歪ゲージのように歪センサ１の剛性が高い場合には、ベース板２を用いず、歪センサ１がフランジ部５１に設けられた搭載部５１１及びフランジ部５２に設けられた搭載部５２１に直接跨って固定されてもよい。
　なお、薄膜歪ゲージのように歪センサ１の剛性が低い場合には、ベース板２を用いる必要がある。また、この場合には、ベース板２は、歪センサ１に対して剛性調整の役割も果たす。

　以上のように、この実施の形態１によれば、起歪部５３、当該起歪部５３の軸方向における一端に設けられ、当該起歪部５３に対して当該軸方向に垂直な方向に幅広なフランジ部５１、及び、当該起歪部５３の軸方向における他端に設けられ、当該起歪部５３に対して当該軸方向に垂直な方向に幅広なフランジ部５２を有する回転軸体５と、回転軸体５に取付けられたトルク検出器とを備え、フランジ部５１は、起歪部５３に対して上記軸方向に垂直な方向に乖離した位置に、トルク検出器の一端側を搭載可能な搭載部５１１を有し、フランジ部５２は、起歪部５３に対して上記軸方向に垂直な方向に乖離した位置に、トルク検出器の他端側を搭載可能な搭載部５２１を有し、トルク検出器は、搭載部５１１及び搭載部５２１に跨って固定されたので、高剛性且つ高感度で、組立が容易となる。

　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。

　この発明に係るトルク検出装置は、トルクの検出精度が向上し、簡易に製作可能であり、回転軸体に加わるトルクを検出するトルク検出装置等に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）
５１　フランジ部（第１の部材）
５２　フランジ部（第２の部材）
５３　起歪部
１１１　溝部
１１２　薄肉部
１１３　連通溝部
５１１　搭載部（第１の搭載部）
５２１　搭載部（第２の搭載部）

Claims (6)

1. 　起歪部、当該起歪部の軸方向における一端に設けられ、当該起歪部に対して当該軸方向に垂直な方向に幅広な第１の部材、及び、当該起歪部の軸方向における他端に設けられ、当該起歪部に対して当該軸方向に垂直な方向に幅広な第２の部材を有する回転軸体と、
   　前記回転軸体に取付けられたトルク検出器とを備え、
   　前記第１の部材は、前記起歪部に対して前記軸方向に垂直な方向に乖離した位置に、前記トルク検出器の一端側を搭載可能な第１の搭載部を有し、
   　前記第２の部材は、前記起歪部に対して前記軸方向に垂直な方向に乖離した位置に、前記トルク検出器の他端側を搭載可能な第２の搭載部を有し、
   　前記トルク検出器は、前記第１の搭載部及び前記第２の搭載部に跨って固定された
   　ことを特徴とするトルク検出装置。
2. 　前記トルク検出器は、
   　前記第１の搭載部及び前記第２の搭載部に直接跨って固定された歪センサを有する
   　ことを特徴とする請求項１記載のトルク検出装置。
3. 　前記トルク検出器は、
   　歪センサと、
   　前記歪センサが搭載され、前記第１の搭載部及び前記第２の搭載部に直接跨って固定されたベース板とを有する
   　ことを特徴とする請求項１記載のトルク検出装置。
4. 　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２又は請求項３記載のトルク検出装置。
5. 　前記歪センサは、シリコン層を有する半導体歪ゲージであり、
   　前記ベース板は、コバールから成る
   　ことを特徴とする請求項３記載のトルク検出装置。
6. 　前記第１の搭載部及び前記第２の搭載部は、溝部である
   　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装置。

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