(57)【要約】【課題】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、簡易に製作可能である。【解決手段】複数の抵抗ゲージ１３から成る回路を有し、回転軸体に軸周りに等間隔で取付けられた複数の歪センサ１と、複数の歪センサ１の出力の和を計測する計測部２とを備え、抵抗ゲージ１３は、回転軸体５の軸方向に対して斜め方向を向いた。【選択図】図１
2019066374.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアクティブゲージから成る回路を有し、回転軸体に軸周りに等間隔で取付けられた複数の歪センサと、
前記複数の歪センサの出力の和を計測する計測部とを備え、
前記抵抗ゲージは、前記回転軸体の軸方向に対して斜め方向を向いた
ことを特徴とするトルク検出器。
【請求項２】
前記回路は、ホイートストンブリッジ回路のフルブリッジ回路である
ことを特徴とする請求項１記載のトルク検出器。
【請求項３】
前記回路は、ホイートストンブリッジ回路のハーフブリッジ回路である
ことを特徴とする請求項１記載のトルク検出器。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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に関する。
【背景技術】
【０００２】
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（スラスト荷重又はラジアル荷重）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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０９−０２１７０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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、簡易に製作可能であるトルク検出器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係るトルク検出器は、複数のアクティブゲージから成る回路を有し、回転軸体に軸周りに等間隔で取付けられた複数の歪センサと、複数の歪センサの出力の和を計測する計測部とを備え、抵抗ゲージは、回転軸体の軸方向に対して斜め方向を向いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
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、簡易に製作可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】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正面図（歪センサが回転軸体に取付けられた状態を示す図）である。
【図２】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３】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。
【図４】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５】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６】図６Ａ〜図６Ｃは、この発明の実施の形態１に係るトルク検出器において、センサ搭載方向にラジアル荷重が加わった場合を示す図であり、図６Ａ及び図６Ｂは歪センサの搭載位置を示す正面図及び側面図であり、図６Ｃはセンサ搭載方向にラジアル荷重が加わった状態を示す側面図である。
【図７】図７Ａ〜図７Ｄは、この発明の実施の形態１に係るトルク検出器において、センサ非搭載方向にラジアル荷重が加わった場合を示す図であり、図７Ａ及び図７Ｂは歪センサの搭載位置を示す正面図及び側面図であり、図７Ｃはセンサ搭載方向にラジアル荷重が加わった状態を示す側面図であり、図７Ｄは図７Ｃでの２つの歪センサの状態を示す図である。
【図８】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９】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１０】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図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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正面図である。図１では、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。
トルク検出器は、回転軸体５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、複数の歪センサ１、及び計測部２を備えている。図１では２つの歪センサ１を用いた場合を示している。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。
【００１１】
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）に応じた信号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。
【００１２】
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、複数のアクティブゲージである抵抗ゲージ（拡散抵抗）１３から成る回路を有するセンサ層である。図３では、上記回路が、ホイートストンブリッジ回路のフルブリッジ回路である場合を示している。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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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）。
【００１７】
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。
【００１８】
また、複数の歪センサ１は、等間隔、且つ、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ている。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。また、複数の歪センサ１は、それぞれ同一の感度を有するものとする。図１では、２つの歪センサ１が、回転軸体５に互いに対向配置されている。
【００１９】
ここで、特許文献１に開示されたトルク検出器では、８つ以上の金属歪ゲージを、相対位置及び角度を厳密に合わせて取付ける必要がある。それに対し、実施の形態１に係るトルク検出器では、１つの歪センサ１にブリッジ回路が形成されているため、少なくとも２つの歪センサ１を搭載すればよく、トルク検出器をより簡易に製作可能となる。なお、１つの歪センサ１に複数の抵抗ゲージ１３を形成する場合、フォトリソグラフィによりパターニングするため、各抵抗ゲージ１３を精巧に位置決め可能である。
【００２０】
計測部２は、複数の歪センサ１により出力された信号の和をトルクとして計測する。図１では、計測部２は、２つの歪センサ１により出力された信号の和をトルクとして計測する。
【００２１】
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、１つの歪センサ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信号を出力する。そして、トルク検出器は、この歪センサ１により出力された信号から回転軸体５に加えられたトルクを検出する。
【００２２】
実施の形態１に係るトルク検出器では、複数の歪センサ１が、回転軸体５に軸周りに等間隔で配置されている。また、歪センサ１が有するフルブリッジ回路を構成する４つの抵抗は、回転軸体５の軸方向に対して４５度方向を向くように配置されている。
以下、実施の形態１に係るトルク検出器の効果について、図６，７を参照しながら説明する。なお図６，７では、２つの歪センサ１ａ，１ｂが、回転軸体５に互いに対向配置された場合を示している。
【００２３】
ここで、回転軸体５にトルクが加わった場合に生じる応力は、同一半径の周面上で等しい。よって、２つの歪センサ１ａ，１ｂにより出力された信号の和は、単一の歪センサ１により出力された信号の２倍となる。
【００２４】
一方、回転軸体５にスラスト荷重又は図６Ｂに矢印で示すセンサ搭載方向へのラジアル荷重が加わった場合には、歪センサ１ａ，１ｂ内の２対の抵抗値変化が反転し相殺される。そのため、歪センサ１ａ，１ｂによる出力はない。
また、回転軸体５に図７Ｂに矢印で示すセンサ非搭載側へのラジアル荷重が加わった場合には、図７Ｄに示すように歪センサ１ａ，１ｂが互いに反対方向に歪み、歪センサ１ａ，１ｂによる出力が反転する。よって、計測部２でその和を取ることで相殺される。
よって、他軸荷重による影響を抑制できる。また、２つの歪センサ１ａ，１ｂを用いた場合には、回転軸体５に互いに対向配置させて取付ければよいため、組立が容易である。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
以上のように、この実施の形態１によれば、複数の抵抗ゲージ１３から成る回路を有し、回転軸体５に軸周りに等間隔で取付けられた複数の歪センサ１と、複数の歪センサ１の出力の和を計測する計測部２とを備え、抵抗ゲージ１３は、回転軸体５の軸方向に対して斜め方向を向いたので、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、簡易に製作可能である。
【００３２】
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。
【符号の説明】
【００３３】
１  歪センサ
２  計測部
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
【図１】
2019066374.tif 000003
【図２】
2019066374.tif 000004
【図３】
2019066374.tif 000005
【図４】
2019066374.tif 000006
【図５】
2019066374.tif 000007
【図６】
2019066374.tif 000008
【図７】
2019066374.tif 000009
【図８】
2019066374.tif 000010
【図９】
2019066374.tif 000011
【図１０】
2019066374.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成30年9月19日(2018.9.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
この発明に係るトルク検出器は、複数のアクティブゲージから成る回路を有し、回転軸体に軸周りに等間隔で取付けられた複数の歪センサと、複数の歪センサの出力の和を計測する計測部とを備え、アクティブゲージは、回転軸体の軸方向に対して斜め方向を向いたことを特徴とする。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアクティブゲージから成る回路を有し、回転軸体に軸周りに等間隔で取付けられた複数の歪センサと、
前記複数の歪センサの出力の和を計測する計測部とを備え、
前記アクティブゲージは、前記回転軸体の軸方向に対して斜め方向を向いた
ことを特徴とするトルク検出器。
【請求項２】
前記回路は、ホイートストンブリッジ回路のフルブリッジ回路である
ことを特徴とする請求項１記載のトルク検出器。
【請求項３】
前記回路は、ホイートストンブリッジ回路のハーフブリッジ回路である
ことを特徴とする請求項１記載のトルク検出器。
【請求項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。