KR102333525B1 - torque detector - Google Patents

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KR102333525B1
KR102333525B1 KR1020207002934A KR20207002934A KR102333525B1 KR 102333525 B1 KR102333525 B1 KR 102333525B1 KR 1020207002934 A KR1020207002934 A KR 1020207002934A KR 20207002934 A KR20207002934 A KR 20207002934A KR 102333525 B1 KR102333525 B1 KR 102333525B1
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요시유키 이시쿠라
리나 오가사와라
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아즈빌주식회사
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Abstract

저항 게이지(13)를 갖는 실리콘층(11)과, 일면이 실리콘층(11)의 적어도 양단에 접합되고, 상기 일면에 대향하는 대향면에 있어서의 길이 방향 양단이 회전축체(5)에 접합되는 절연층(12)을 구비하였다.A silicon layer 11 having a resistance gauge 13, one surface is joined to at least both ends of the silicon layer 11, and both longitudinal ends of the opposite surface opposite to the one surface are joined to the rotating shaft body 5 An insulating layer 12 was provided.

Figure 112020009997369-pct00001
Figure 112020009997369-pct00001

Description

토크 검출기torque detector

본 발명은 회전축체에 가해지는 토크를 검출하는 토크 검출기에 관한 것이다.The present invention relates to a torque detector for detecting a torque applied to a rotating shaft.

회전축체에 가해지는 토크를 검출하는 방식의 하나로서, 회전축체의 둘레면에 금속 스트레인 게이지를 부착하여, 토크에 의해 회전축체의 둘레면에 발생하는 전단 응력의 크기를, 금속 스트레인 게이지에 있어서의 저항값 변화에 의해 검출하는 방식이 있다. 이 방식에서는, 4개 이상의 금속 스트레인 게이지를 회전축체의 축 방향에 대해 45도 방향으로 부착하여 브리지 회로를 구성하고 있다.As one of the methods of detecting the torque applied to the rotating shaft body, a metal strain gauge is attached to the circumferential surface of the rotating shaft body, and the magnitude of the shear stress generated on the circumferential surface of the rotating shaft body by the torque is measured in the metal strain gauge. There is a method of detecting by changing the resistance value. In this method, four or more metal strain gauges are attached at 45 degrees to the axial direction of the rotating shaft to constitute a bridge circuit.

그러나, 금속 스트레인 게이지에서는, 게이지율이 작기 때문에, 미소한 스트레인을 고정밀도로 검출하는 것은 곤란하다.However, in a metal strain gauge, since the gauge rate is small, it is difficult to detect a minute strain with high accuracy.

한편, 토크의 검출 감도를 올리는 방법으로서, 회전축체의 강성을 낮춰, 변형량을 증대시키는 방식이 고려된다. 특허문헌 1에서는, 회전축체에 여러 가지 가공을 실시하여 빔(beam)부를 형성함으로써, 감도의 향상을 실현하고 있다.On the other hand, as a method of increasing the torque detection sensitivity, a method of increasing the deformation amount by lowering the rigidity of the rotating shaft body is considered. In patent document 1, the improvement of sensitivity is implement|achieved by giving various processing to a rotating shaft body and forming a beam part.

특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2016-109568호 공보Patent Document 1: Japanese Patent Laid-Open No. 2016-109568

그러나, 회전축체의 강성을 낮추는 방식에서는, 응력 증대에 의한 히스테리시스의 문제(감도와 히스테리시스의 트레이드오프의 문제)가 발생하여, 정밀도의 향상은 기대할 수 없다.However, in the method of lowering the rigidity of the rotating shaft, a problem of hysteresis due to an increase in stress (a problem of trade-off between sensitivity and hysteresis) occurs, and improvement in precision cannot be expected.

또한, 종래 방식에서는, 금속 스트레인 게이지를 적어도 4개 이상 배치할 필요가 있다. 따라서, 각 금속 스트레인 게이지의 상대 위치 및 각도를 엄밀하게 맞출 필요가 있어, 곤란하다고 하는 과제가 있다.In addition, in the conventional method, it is necessary to arrange at least four or more metal strain gauges. Therefore, it is necessary to precisely match the relative position and angle of each metal strain gauge, and there is a problem that it is difficult.

여기서, 산업용 로봇에서는, 그 동작을 제어하기 위해서 토크의 검출이 불가결하다. 그 때문에, 종래부터, 토크 검출기가 산업용 로봇에 부착되어, 로봇 아암의 각 관절의 토크를 검출하고 있다.Here, in the industrial robot, the detection of torque is indispensable in order to control its operation. Therefore, conventionally, a torque detector is attached to an industrial robot, and the torque of each joint of a robot arm is detected.

한편, 최근에는, 산업용 로봇에 대해, 사람과 격차 없이 공존하기 때문에, 사람 또는 물건 등의 물체에 접촉했을 때에, 순식간에 접촉을 검지하여 동작이 멈추는 것과 같은 안전성이 요구되고 있다. 그러나, 산업용 로봇은, 자신의 무게 및 유지하는 물체의 무게를 갖고, 또한 동작 스피드를 고려한 견고한 케이스이기 때문에, 종래의 금속 스트레인 게이지에서는 고정밀도로 토크를 검출하는 것은 어렵다.On the other hand, in recent years, since industrial robots coexist without a gap with humans, safety such that when they come into contact with an object such as a person or an object, the contact is detected instantly and the operation is stopped. However, since the industrial robot has its own weight and the weight of an object to be held, and is a sturdy case in consideration of the operation speed, it is difficult to detect the torque with high accuracy in the conventional metal strain gauge.

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 토크의 검출 정밀도가 향상되는 토크 검출기를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.The present invention has been made in order to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a torque detector with improved torque detection accuracy.

본 발명에 따른 토크 검출기는, 저항 게이지를 갖고, 외력에 따라 스트레인이 발생하는 기판층과, 일면이 기판층의 적어도 양단에 접합되고, 상기 일면에 대향하는 대향면에 있어서의 길이 방향 양단이 회전축체에 접합되는 절연층을 구비한 것을 특징으로 한다.The torque detector according to the present invention has a resistance gauge, a substrate layer in which a strain is generated according to an external force, and one surface is bonded to at least both ends of the substrate layer, and both ends in the longitudinal direction on the opposite surface opposite to the one surface are rotation shafts It is characterized in that it has an insulating layer bonded to the sieve.

본 발명에 의하면, 상기한 바와 같이 구성했기 때문에, 토크의 검출 정밀도가 향상된다.According to the present invention, since it is configured as described above, the torque detection accuracy is improved.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 실시형태 1에 따른 토크 검출기의 구성예를 도시한 도면이며, 도 1a는 상면도이고, 도 1b는 측면도이며, 도 1c는 A-A'선 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 저항 게이지의 배치예를 도시한 상면도이고, 도 2b는 도 2a에 도시된 저항 게이지에 의해 구성되는 풀 브리지 회로의 구성예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 스트레인 센서의 제조 방법의 일례를 도시한 플로우차트이다.
도 4a, 도 4b는 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 스트레인 센서가 회전축체에 부착된 상태를 도시한 도면이며, 도 4a는 상면도이고, 도 4b는 측면도이다.
도 5a, 도 5b는 토크 검출기의 기본 동작 원리를 설명하는 도면이며, 도 5a는 회전축체에 가해진 토크를 도시한 측면도이고, 도 5b는 도 5a에 도시된 토크에 의해 스트레인 센서에 발생한 응력 분포의 일례를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 스트레인 센서의 다른 구성예를 도시한 측면도이다.
도 7은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 스트레인 센서의 다른 구성예를 도시한 측면도(스트레인 센서가 회전축체에 부착된 상태를 도시한 도면)이다.
도 8은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 스트레인 센서의 다른 구성예를 도시한 측면도(스트레인 센서가 회전축체에 부착된 상태를 도시한 도면)이다.
도 9는 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 스트레인 센서의 다른 구성예를 도시한 측면도(스트레인 센서가 회전축체에 부착된 상태를 도시한 도면)이다.
도 10a 내지 도 10c는 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 저항 게이지의 다른 배치예를 도시한 상면도이다.
도 11a는 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 저항 게이지의 다른 배치예를 도시한 상면도이고, 도 11b는 도 11a에 도시된 저항 게이지에 의해 구성되는 하프 브리지 회로의 구성예를 도시한 도면이다.
도 12a 내지 도 12c는 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 실리콘층의 다른 구성예를 도시한 이면도이다.1A to 1C are views showing a configuration example of a torque detector according to Embodiment 1 of the present invention, wherein FIG. 1A is a top view, FIG. 1B is a side view, and FIG. 1C is a cross-sectional view taken along line A-A'.
Fig. 2A is a top view showing an example of arrangement of a resistance gauge in Embodiment 1 of the present invention, and Fig. 2B is a diagram showing an example of the configuration of a full-bridge circuit constituted by the resistance gauge shown in Fig. 2A.
3 is a flowchart showing an example of a method for manufacturing a strain sensor according to Embodiment 1 of the present invention.
4A and 4B are views showing a state in which the strain sensor according to Embodiment 1 of the present invention is attached to a rotating shaft, and FIG. 4A is a top view, and FIG. 4B is a side view.
5A and 5B are views for explaining the basic operating principle of the torque detector, FIG. 5A is a side view showing the torque applied to the rotating shaft, and FIG. 5B is the stress distribution generated in the strain sensor by the torque shown in FIG. 5A. It is a drawing showing an example.
Fig. 6 is a side view showing another configuration example of the strain sensor according to the first embodiment of the present invention.
Fig. 7 is a side view showing another configuration example of the strain sensor according to the first embodiment of the present invention (a diagram showing a state in which the strain sensor is attached to a rotating shaft body).
Fig. 8 is a side view (a view showing a state in which the strain sensor is attached to a rotating shaft body) showing another configuration example of the strain sensor according to the first embodiment of the present invention.
Fig. 9 is a side view (a view showing a state in which the strain sensor is attached to a rotating shaft body) showing another structural example of the strain sensor according to the first embodiment of the present invention.
10A to 10C are top views showing another arrangement example of the resistance gauge according to the first embodiment of the present invention.
11A is a top view showing another arrangement example of a resistance gauge in Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 11B is a diagram showing a configuration example of a half-bridge circuit constituted by the resistance gauge shown in FIG. 11A. .
12A to 12C are rear views showing another configuration example of the silicon layer according to the first embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 실시형태에 대해 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, embodiment of this invention is described in detail, referring drawings.

실시형태 1Embodiment 1

도 1은 본 발명의 실시형태 1에 따른 토크 검출기의 구성예를 도시한 도면이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure which shows the structural example of the torque detector which concerns on Embodiment 1 of this invention.

토크 검출기는, 회전축체(5)(도 4 참조)에 가해지는 토크를 검출한다. 회전축체(5)는, 축 방향에 있어서의 일단에 모터 등의 구동계(6)가 접속되고, 타단에 로봇 핸드 등의 부하계가 접속된다. 토크 검출기는, 도 1에 도시된 바와 같이, 스트레인 센서(1)를 구비하고 있다.A torque detector detects the torque applied to the rotating shaft body 5 (refer FIG. 4). As for the rotating shaft body 5, a drive system 6, such as a motor, is connected to one end in the axial direction, and load systems, such as a robot hand, are connected to the other end. The torque detector is provided with a strain sensor 1 as shown in FIG. 1 .

스트레인 센서(1)는, 회전축체(5)에 부착되고, 외부로부터의 전단 응력(인장 응력 및 압축 응력)에 따른 전압을 출력하는 반도체 스트레인 게이지이다. 스트레인 센서(1)는, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)에 의해 실현된다. 스트레인 센서(1)는, 도 1, 도 2에 도시된 바와 같이, 실리콘층(기판층)(11) 및 절연층(12)을 갖는다.The strain sensor 1 is a semiconductor strain gauge attached to the rotating shaft body 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. 1 and 2 .

실리콘층(11)은, 외력에 따라 변형이 발생하는 단결정 실리콘이며, 복수의 저항 게이지(확산 저항)(13)를 포함하는 휘트스톤 브리지 회로를 갖는 센서층이다. 실리콘층(11)에는, 이면(裏面)(일면)의 중앙에, 홈부(111)가 형성되어 있다. 홈부(111)에 의해, 실리콘층(11)에는 박육부(薄肉部; 112)가 구성된다. 저항 게이지(13)는, 이 박육부(112)에 형성된다.The silicon layer 11 is single-crystal silicon that is deformed by an external force, and is a sensor layer having a Wheatstone bridge circuit including a plurality of resistance gauges (diffusion resistors) 13 . In the silicon layer 11, a groove part 111 is formed in the center of the back surface (one surface). A thin portion 112 is formed in the silicon layer 11 by the groove portion 111 . The resistance gauge 13 is formed in the thin portion 112 .

한편, 박육부(112)의 두께는, 실리콘층(11)의 강성 등에 따라 적절히 설계된다. 예컨대, 실리콘층(11)의 강성이 낮은 경우에는 박육부(112)는 두껍게 되고, 실리콘층(11)의 강성이 높은 경우에는 박육부(112)는 얇게 된다.On the other hand, the thickness of the thin portion 112 is appropriately designed according to the rigidity of the silicon layer 11 or the like. For example, when the rigidity of the silicon layer 11 is low, the thin portion 112 becomes thick, and when the rigidity of the silicon layer 11 is high, the thin portion 112 becomes thin.

또한, 단결정 실리콘은, 결정 이방성을 갖고, p형 실리콘 (100)면에 있어서, <110> 방향일 때에 피에조 저항 계수가 가장 커진다. 그 때문에, 저항 게이지(13)는, 예컨대 표면의 결정 방위가 (100)인 실리콘층(11)의 <110> 방향으로 형성된다.Further, single crystal silicon has crystal anisotropy, and in the p-type silicon (100) plane, the piezo-resistance coefficient is greatest in the <110> direction. Therefore, the resistance gauge 13 is formed, for example, in the <110> direction of the silicon layer 11 whose surface crystal orientation is (100).

도 2에서는, 풀 브리지 회로(휘트스톤 브리지 회로)를 구성하는 4개의 저항 게이지[13(R1~R4)]가, 실리콘층(11)의 변 방향에 대해 경사 방향(45도 방향)으로 형성되어, 스트레인 센서(1)가 2방향의 전단 응력을 검지하는 경우를 도시하고 있다. 한편 여기서는, 상기 경사 방향의 구체예로서 45도 방향으로 한 경우를 나타내었으나, 상기 경사 방향은 45도 방향에 한정되지 않고, 스트레인 센서(1)의 특성상, 어느 정도의 어긋남(예컨대 44도 방향 또는 46도 방향 등)은 허용된다.In Fig. 2, four resistance gauges 13 (R1 to R4) constituting the full bridge circuit (Wheatstone bridge circuit) are formed in an oblique direction (45 degree direction) with respect to the side direction of the silicon layer 11, , a case where the strain sensor 1 detects shear stress in two directions is shown. On the other hand, as a specific example of the inclination direction, the case where the inclination direction is set to a 45 degree direction is shown here, but the inclination direction is not limited to the 45 degree direction, and due to the characteristics of the strain sensor 1, some degree of deviation (for example, 44 degrees direction or 46 degree orientation, etc.) is acceptable.

절연층(12)은, 상면(일면)이 실리콘층(11)의 이면의 적어도 양단에 접합되고, 이면(일면에 대향하는 대향면)의 길이 방향 양단이 회전축체(5)에 접합되는 대좌(臺座)이다. 이 절연층(12)으로서는, 예컨대 유리 또는 사파이어 등을 이용할 수 있다.The insulating layer 12 has an upper surface (one side) joined to at least both ends of the back surface of the silicon layer 11, and both longitudinal ends of the back surface (opposite surface opposite to one surface) are joined to the rotating shaft body 5. A pedestal (臺座) is As this insulating layer 12, glass, sapphire, etc. can be used, for example.

도 1에서는, 절연층(12)의 상면이 실리콘층(11)에 있어서의 이면의 전면(全面)에 접합된 경우를 도시하고 있다. 또한, 절연층(12)에는, 이면의 길이 방향 양단을 제외한 영역에, 홈부(121)가 형성되어 있다. 홈부(121)에 의해, 절연층(12)의 이면의 길이 방향 양단에는 접합부(122)가 구성된다. 그리고, 도 4에 도시된 바와 같이, 절연층(12)의 접합부(122)가, 직접, 회전축체(5)에 접합된다.In FIG. 1, the case where the upper surface of the insulating layer 12 was joined to the whole surface of the back surface in the silicon layer 11 is shown. Further, in the insulating layer 12 , a groove portion 121 is formed in a region of the back surface except for both ends in the longitudinal direction. A joint portion 122 is formed at both ends of the back surface of the insulating layer 12 in the longitudinal direction by the groove portion 121 . And, as shown in FIG. 4 , the bonding portion 122 of the insulating layer 12 is directly bonded to the rotating shaft 5 .

다음으로, 스트레인 센서(1)의 제조 방법의 일례에 대해, 도 3을 참조하면서 설명한다.Next, an example of the manufacturing method of the strain sensor 1 is demonstrated, referring FIG.

스트레인 센서(1)의 제조 방법에서는, 도 3에 도시된 바와 같이, 먼저, 실리콘층(11)에, 이온 주입에 의해 복수의 저항 게이지(13)를 형성한다(단계 ST1). 그리고, 복수의 저항 게이지(13)에 의해 휘트스톤 브리지 회로를 형성한다.In the manufacturing method of the strain sensor 1, as shown in FIG. 3, first, the plurality of resistance gauges 13 are formed in the silicon layer 11 by ion implantation (step ST1). Then, a Wheatstone bridge circuit is formed by the plurality of resistance gauges 13 .

계속해서, 실리콘층(11)의 이면에, 에칭에 의해 홈부(111)를 형성한다(단계 ST2). 이에 의해, 실리콘층(11)의 저항 게이지(13)가 형성된 개소를 박육부(112)로 되게 한다.Subsequently, a groove portion 111 is formed on the back surface of the silicon layer 11 by etching (step ST2). Thereby, the location where the resistance gauge 13 of the silicon layer 11 is formed becomes the thin part 112. As shown in FIG.

또한, 절연층(12)의 이면의 길이 방향 양단을 제외한 영역에, 에칭에 의해 홈부(121)를 형성한다(단계 ST3). 이에 의해, 절연층(12)의 이면의 길이 방향 양단에 접합부(122)가 구성된다.Further, in a region of the back surface of the insulating layer 12 excluding both ends in the longitudinal direction, groove portions 121 are formed by etching (step ST3). Thereby, the junction part 122 is comprised in the longitudinal direction both ends of the back surface of the insulating layer 12. As shown in FIG.

계속해서, 실리콘층(11)의 이면과 절연층(12)의 상면을, 예컨대 양극 접합에 의해 접합한다(단계 ST4).Then, the back surface of the silicon layer 11 and the upper surface of the insulating layer 12 are joined by, for example, anodic bonding (step ST4).

또한 상기한 바와 같이 하여 제조된 스트레인 센서(1)를 회전축체(5)에 부착하는 경우에는, 절연층(12)의 접합부(122)와 회전축체(5)를 예컨대 땜납 접합에 의해 접합한다. 이때, 절연층(12)의 접합부(122) 및 회전축체(5)의 접합 부위를 메탈라이즈한 후에, 땜납 접합을 행한다. 도 4는 스트레인 센서(1)가 회전축체(5)에 부착된 상태를 도시하고 있다.Further, when the strain sensor 1 manufactured as described above is attached to the rotating shaft body 5, the joint portion 122 of the insulating layer 12 and the rotating shaft body 5 are joined by, for example, solder bonding. At this time, after metallizing the joint portion of the joint portion 122 of the insulating layer 12 and the rotary shaft body 5, solder jointing is performed. 4 shows a state in which the strain sensor 1 is attached to the rotating shaft body 5 .

또한, 스트레인 센서(1)는, 저항 게이지(13)가 회전축체(5)의 축 방향에 대해 경사 방향(45도 방향)을 향하도록 배치된다. 즉, 저항 게이지(13)는, 회전축체(5)에 토크가 가해졌을 때에 발생하는 전단 응력의 발생 방향을 향하도록 배치된다. 한편 여기서는, 상기 경사 방향의 구체예로서 45도 방향으로 한 경우를 나타내었으나, 상기 경사 방향은 45도 방향에 한정되지 않고, 스트레인 센서(1)의 특성상, 어느 정도의 어긋남(예컨대 44도 방향 또는 46도 방향 등)은 허용된다.In addition, the strain sensor 1 is arranged so that the resistance gauge 13 faces an oblique direction (45 degree direction) with respect to the axial direction of the rotating shaft body 5 . That is, the resistance gauge 13 is arranged so as to face the generation direction of the shear stress generated when a torque is applied to the rotating shaft body 5 . On the other hand, as a specific example of the inclination direction, the case where the inclination direction is set to a 45 degree direction is shown here, but the inclination direction is not limited to the 45 degree direction, and due to the characteristics of the strain sensor 1, some degree of deviation (for example, 44 degrees direction or 46 degree orientation, etc.) is acceptable.

다음으로, 토크 검출기의 기본 동작 원리에 대해, 도 5를 참조하면서 설명한다. 도 5a에서는, 스트레인 센서(1)가 부착된 회전축체(5)의 일단에 구동계(6)가 접속되고, 이 구동계(6)에 의해 회전축체(5)에 토크가 가해진 상태를 도시하고 있다.Next, the basic operation principle of the torque detector will be described with reference to FIG. 5 . 5A, the drive system 6 is connected to one end of the rotating shaft body 5 to which the strain sensor 1 is attached, and the state in which torque is applied to the rotating shaft body 5 by this drive system 6 is shown.

도 5a에 도시된 바와 같이, 회전축체(5)에 토크가 가해짐으로써, 회전축체(5)에 부착된 스트레인 센서(1)가 변형되어, 스트레인 센서(1)의 표면에 도 5b에 도시된 바와 같은 전단 응력이 발생한다. 도 5에서는, 색이 짙은 점일수록 인장 응력이 강한 상태이고, 색이 옅은 점일수록 압축 응력이 강한 상태인 것을 나타내고 있다. 그리고, 회전축체(5)의 축 방향에 대해 경사 방향(45도 방향)을 향한 저항 게이지(13)는, 이 전단 응력에 따라 저항값이 변화하고, 스트레인 센서(1)는, 저항값의 변화에 따른 전압을 출력한다. 그리고, 토크 검출기는, 이 스트레인 센서(1)에 의해 출력된 전압으로부터 회전축체(5)에 가해진 토크를 검출한다.As shown in FIG. 5A, as a torque is applied to the rotating shaft body 5, the strain sensor 1 attached to the rotating shaft body 5 is deformed, and the strain sensor 1 is attached to the surface of the strain sensor 1 as shown in FIG. 5B. A shear stress as shown is generated. In Fig. 5, the darker the color, the stronger the tensile stress, and the lighter the color, the stronger the compressive stress. Then, the resistance gauge 13 facing the inclination direction (45 degree direction) with respect to the axial direction of the rotating shaft body 5 changes its resistance value according to this shear stress, and the strain sensor 1 changes the resistance value. output the voltage according to And the torque detector detects the torque applied to the rotating shaft body 5 from the voltage output by this strain sensor 1 .

실시형태 1에 따른 토크 검출기에서는, 절연층(12)의 이면의 길이 방향 양단에 접합부(122)가 형성되고, 이 접합부(122)만이 회전축체(5)에 접합되어 있다.In the torque detector according to the first embodiment, junctions 122 are formed at both ends in the longitudinal direction of the back surface of the insulating layer 12 , and only the junctions 122 are joined to the rotating shaft body 5 .

여기서, 회전축체(5)에 스트레인 센서(1)가 직접 부착된 경우, 부착 위치가 회전축체(5)의 축 방향으로 거리가 멀어질수록 상대적인 변형량이 증가한다. 그래서, 스트레인 센서(1)의 접합부(122)가 축 방향의 외측만으로 됨으로써, 가장 큰 변위차를 스트레인 센서(1)에 전달할 수 있고, 회전축체(5)에 가해지는 토크에 대한 검출 감도가 향상된다.Here, when the strain sensor 1 is directly attached to the rotating shaft body 5 , the relative deformation amount increases as the attachment position increases the distance in the axial direction of the rotating shaft body 5 . Therefore, since the joint portion 122 of the strain sensor 1 is formed only outside the axial direction, the largest displacement difference can be transmitted to the strain sensor 1, and the detection sensitivity for the torque applied to the rotating shaft body 5 is improved. do.

한편, 이 방식에서는, 스트레인 센서(1) 자체, 특히 절연층(12)의 강성이 낮은 경우에는, 회전축체(5)의 변형이 스트레인 센서(1)에 전달되기 어렵기 때문에, 절연층(12)을 보다 단단한 재료로 구성함으로써 효과가 보다 높아진다. 예컨대, 절연층(12)으로서 사파이어 등을 이용하는 편이, 유리를 이용한 경우에 비해 효과적이 된다.On the other hand, in this method, when the rigidity of the strain sensor 1 itself, particularly the insulating layer 12 is low, the deformation of the rotating shaft body 5 is difficult to transmit to the strain sensor 1, so the insulating layer 12 ) is made of a harder material, and the effect is higher. For example, the use of sapphire or the like as the insulating layer 12 is more effective than the case of using glass.

한편 상기한 토크 검출기에서는, 실리콘층(11)의 이면 중앙에 홈부(111)가 형성됨으로써 박육부(112)가 구성되고, 저항 게이지(13)가 이 박육부(112)에 형성되어 있다. 이에 의해, 저항 게이지(13)가 형성된 박육부(112)에 응력을 집중시킬 수 있고, 회전축체(5)에 가해지는 토크에 대한 검출 감도가 향상된다.On the other hand, in the above-described torque detector, 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, stress can be concentrated on the thin-walled portion 112 in which the resistance gauge 13 is formed, and the detection sensitivity for the torque applied to the rotating shaft body 5 is improved.

또한 상기에서는, 절연층(12)의 상면이 실리콘층(11)의 이면의 전면에 접합된 경우를 나타내었다. 그러나, 이것에 한하지 않고, 예컨대 도 6에 도시된 바와 같이, 절연층(12)이 중앙에서 2개로 분단된 절연층(제1 절연층)(123) 및 절연층(제2 절연층)(124)을 이용해도 좋다. 이에 의해, 회전축체(5)의 변형을 더욱 효율적으로 스트레인 센서(1)에 전달할 수 있다.In addition, in the above, the case where the upper surface of the insulating layer 12 was joined to the whole surface of the back surface of the silicon layer 11 was shown. However, the present invention is not limited thereto, and, for example, as shown in FIG. 6 , an insulating layer (first insulating layer) 123 and an insulating layer (second insulating layer) in which the insulating layer 12 is divided into two at the center ( 124) may be used. Thereby, the deformation of the rotating shaft body 5 can be transmitted to the strain sensor 1 more efficiently.

또한 상기에서는, 절연층(12)의 이면에 홈부(121)가 형성된 경우를 나타내었다. 그러나, 이것에 한하지 않고, 절연층(12)의 길이 방향 양단측만이 회전축체(5)에 접합되어 있으면 된다.In addition, in the above, the case in which the groove part 121 is formed in the back surface of the insulating layer 12 is shown. However, it is not limited to this, and only both ends of the insulating layer 12 in the longitudinal direction may be joined to the rotating shaft body 5 .

예컨대 도 7에 도시된 바와 같이, 절연층(12)으로서, 간극을 갖고 배치되며, 실리콘층(11)의 길이 방향 양단에만 대향하는 2개의 판형의 절연층(제1 절연층, 제2 절연층)(125, 126)을 이용하여, 이 2개의 절연층(125, 126)이, 직접, 회전축체(5)에 접합되어도 좋다.For example, as shown in FIG. 7 , as the insulating layer 12 , it is disposed with a gap, and two plate-shaped insulating layers (a first insulating layer and a second insulating layer) opposing only both ends of the silicon layer 11 in the longitudinal direction. ) (125, 126), these two insulating layers (125, 126) may be directly joined to the rotating shaft body (5).

또한, 예컨대 도 8에 도시된 바와 같이, 판형의 절연층(12)의 이면의 길이 방향 양단에, 강성이 높은 기둥 부재(14)가 접합되고, 절연층(12)은, 이 기둥 부재(14)를 통해 회전축체(5)에 접합되도록 구성해도 좋다.Further, for example, as shown in FIG. 8 , pillar members 14 having high rigidity are joined to both ends in the longitudinal direction of the back surface of the plate-shaped insulating layer 12 , and the insulating layer 12 is formed by the pillar member 14 . ) may be configured to be joined to the rotating shaft body 5 via the .

또한 예컨대 도 9에 도시된 바와 같이, 판형의 절연층(12)의 이면의 길이 방향 양단이, 접착 부재(접착제 또는 땜납 등)(15)에 의해, 직접, 회전축체(5)에 접합되어도 좋다.Further, for example, as shown in FIG. 9 , both ends in the longitudinal direction of the back surface of the plate-shaped insulating layer 12 may be directly joined to the rotating shaft body 5 by an adhesive member (adhesive or solder, etc.) 15 . .

또한, 4개의 저항 게이지(13)의 배치는 도 2에 도시된 배치에 한하지 않고, 예컨대 도 10에 도시된 바와 같은 배치로 해도 좋다.Note that the arrangement of the four resistance gauges 13 is not limited to the arrangement shown in FIG. 2 , and may be, for example, an arrangement as shown in FIG. 10 .

또한 상기에서는, 휘트스톤 브리지 회로로서, 4개의 저항 게이지[13(R1~R4)]를 포함하는 풀 브리지 회로를 이용한 경우를 나타내었다. 그러나, 이것에 한하지 않고, 도 11에 도시된 바와 같이, 휘트스톤 브리지 회로로서, 2개의 저항 게이지[13(R1, R2)]를 포함하는 하프 브리지 회로를 이용해도 좋다. 한편, 도 11b에 있어서의 부호 R은, 고정 저항이다.Also, in the above description, a case in which a full bridge circuit including four resistance gauges 13 (R1 to R4) is used as the Wheatstone bridge circuit is shown. However, the present invention is not limited thereto, and as the Wheatstone bridge circuit, as shown in Fig. 11, a half-bridge circuit including two resistance gauges 13 (R1, R2) may be used. In addition, the code|symbol R in FIG. 11B is a fixed resistance.

또한 도 12에 도시된 바와 같이, 실리콘층(11)의 이면에, 홈부(111)를 실리콘층(11)의 측면에 연통(連通)하는 연통홈부(113)가 형성되어도 좋다. 여기서, 실리콘층(11)과 절연층(12)의 접합에서는, 양극 접합에 의해 400도 정도의 온도가 가해진다. 그 때문에, 연통홈부(113)가 없는 경우에는, 양극 접합 시에, 실리콘층(11)과 절연층(12) 사이의 홈부(111)에 존재하는 공기가 고온 상태로 밀봉되어 버리고, 상온으로 내려가면 그 공기가 수축하기 때문에, 박육부(112)가 변형하여, 스트레인 센서(1)의 제로점이 어긋나 버릴 우려가 있다. 한편, 연통홈부(113)가 마련됨으로써, 양극 접합 시에, 홈부(111)에 존재하는 공기를 외부로 도피시킬 수 있어, 박육부(112)의 변형을 회피할 수 있다.Further, as shown in FIG. 12 , a communication groove portion 113 for communicating the groove portion 111 with the side surface of the silicon layer 11 may be formed on the back surface of the silicon layer 11 . Here, in the bonding of the silicon layer 11 and the insulating layer 12, a temperature of about 400 degrees is applied by the anodic bonding. Therefore, when there is no communication groove 113, the air present in the groove 111 between the silicon layer 11 and the insulating layer 12 is sealed at a high temperature at the time of anodic bonding, and the temperature is lowered to room temperature. As the air contracts, the thin portion 112 deforms, and there is a fear that the zero point of the strain sensor 1 is shifted. On the other hand, since the communication groove portion 113 is provided, air present in the groove portion 111 can escape to the outside at the time of anodic bonding, and deformation of the thin-walled portion 112 can be avoided.

한편, 실리콘층(11)은, 홈부(111) 및 연통홈부(113)에 의해, 전체가 얇아지지 않도록, 일부만이 얇아지도록 구성될 필요가 있다.On the other hand, the silicon layer 11 needs to be configured such that only a part is thinned by the groove part 111 and the communication groove part 113 so that the whole is not thinned.

또한 상기에서는, 스트레인 센서(1)로서, 응력을 집중시키기 위한 박육부(112)를 갖는 반도체 스트레인 게이지를 이용한 경우를 나타내었다. 그러나, 이것에 한하지 않고, 그 외의 형상[예컨대 박육부(112)가 없는 형상]의 반도체 스트레인 게이지를 이용해도 좋다.In addition, in the above, the case of using the semiconductor strain gauge which has the thin part 112 for concentrating stress as the strain sensor 1 was shown. However, it is not limited to this, and you may use the semiconductor strain gauge of other shapes (for example, the shape without the thin-walled part 112).

이상과 같이, 이 실시형태 1에 의하면, 저항 게이지(13)를 갖는 실리콘층(11)과, 일면이 실리콘층(11)의 적어도 양단에 접합되고, 상기 일면에 대향하는 대향면에 있어서의 길이 방향 양단이 회전축체(5)에 접합되는 절연층(12)을 구비했기 때문에, 토크의 검출 정밀도가 향상된다.As mentioned above, according to this Embodiment 1, the silicon layer 11 which has the resistance gauge 13, and one surface are joined to at least both ends of the silicon layer 11, The length in the opposing surface opposite to the said one surface. Since the insulating layer 12 joined to the rotating shaft body 5 was provided at both ends of the direction, the detection precision of a torque improves.

한편 상기에서는, 기판층으로서, 실리콘층(11)을 이용한 경우를 나타내었으나, 이것에 한하지 않고, 외력에 따라 변형이 발생하는 부재이면 된다. 예컨대, 기판층으로서, 절연체(유리 등) 또는 금속을 이용할 수 있다. 여기서, 기판층이 절연체인 경우에는, 저항 게이지(13)는, 상기 절연체에 스퍼터링 등에 의해 성막(成膜)됨으로써 형성된다. 또한, 기판층이 금속인 경우에는, 저항 게이지(13)는, 상기 금속에 절연막을 통해 스퍼터링 등에 의해 성막됨으로써 형성된다. 또한, 기판층으로서 실리콘층(11)을 이용하고, 저항 게이지(13)가, 상기 실리콘층(11)에 스퍼터링 등에 의해 성막됨으로써 형성되어도 좋다.In addition, although the case where the silicon layer 11 was used as a board|substrate layer was shown in the above, it is not limited to this, Any member which a deformation|transformation generate|occur|produces according to an external force may be sufficient. For example, as the substrate layer, an insulator (eg, glass) or a metal can be used. Here, when the substrate layer is an insulator, the resistance gauge 13 is formed by forming a film on the insulator by sputtering or the like. In the case where the substrate layer is a metal, the resistance gauge 13 is formed by forming a film on the metal through an insulating film by sputtering or the like. Further, the silicon layer 11 may be used as the substrate layer, and the resistance gauge 13 may be formed by forming a film on the silicon layer 11 by sputtering or the like.

기판층으로서 상기 절연체 또는 금속을 이용한 경우에도, 일반적인 금속 스트레인 게이지보다 게이지율이 높아진다. 또한, 성막에 의해 저항 게이지(13)를 형성한 경우에는, 실리콘층(11)에 이온 주입에 의해 저항 게이지(13)를 형성한 경우에 비해, 결정 방위에 따라 게이지율이 변화하는 일은 없고, 즉 방향을 한정할 필요가 없어진다.Even when the insulator or metal is used as the substrate layer, the gauge ratio is higher than that of a general metal strain gauge. In addition, when the resistance gauge 13 is formed by film formation, compared to the case where the resistance gauge 13 is formed by ion implantation in the silicon layer 11, the gauge ratio does not change depending on the crystal orientation, That is, there is no need to limit the direction.

한편, 게이지율은, 성막에 의해 저항 게이지(13)를 형성한 경우에 비해, 실리콘층(11)에 이온 주입에 의해 저항 게이지(13)를 형성한 경우 쪽이, 4배~10배 이상 높아진다.On the other hand, compared with the case where the resistance gauge 13 is formed by film-forming, when the resistance gauge 13 is formed in the silicon layer 11 by ion implantation, the gauge rate becomes 4 times - 10 times or more higher. .

한편, 본원 발명은 그 발명의 범위 내에 있어서, 실시형태의 임의의 구성 요소의 변형, 혹은 실시형태의 임의의 구성 요소의 생략이 가능하다.On the other hand, in the present invention, within the scope of the invention, it is possible to modify any component of the embodiment or to omit any component of the embodiment.

본 발명에 따른 토크 검출기는, 토크의 검출 정밀도가 향상되기 때문에, 예컨대, 회전축체에 가해지는 토크를 검출하는 토크 검출기로 이용하기에 적합하다.The torque detector according to the present invention is suitable for use as a torque detector for detecting a torque applied to a rotating shaft, for example, because the torque detection accuracy is improved.

1: 스트레인 센서 5: 회전축체
6: 구동계 11: 실리콘층(기판층)
12: 절연층 13: 저항 게이지(확산 저항)
14: 기둥 부재 15: 접착 부재
111: 홈부 112: 박육부
113: 연통홈부 121: 홈부
122: 접합부 123: 절연층(제1 절연층)
124: 절연층(제2 절연층) 125: 절연층(제1 절연층)
126: 절연층(제2 절연층)1: Strain sensor 5: Rotating shaft
6: drive system 11: silicon layer (substrate layer)
12: insulating layer 13: resistance gauge (diffusion resistance)
14: pillar member 15: adhesive member
111: groove part 112: thin part
113: communication groove 121: groove
122: junction 123: insulating layer (first insulating layer)
124 insulating layer (second insulating layer) 125 insulating layer (first insulating layer)
126: insulating layer (second insulating layer)

Claims (9)

저항 게이지를 갖고, 외력에 따라 변형이 발생하는 기판층과,
일면이 상기 기판층의 적어도 양단에 접합되고, 상기 일면에 대향하는 대향면에 있어서의 길이 방향 양단이 회전축체에 접합되는 절연층과,
상기 절연층의 상기 대향면에 형성되고, 상기 대향면에 있어서의 길이 방향 양단에 접합부를 구성시키는 홈부를 구비하고,
상기 접합부는, 직접, 상기 회전축체에 접합되는 것을 특징으로 하는 토크 검출기.A substrate layer having a resistance gauge and deforming according to an external force;
an insulating layer having one surface bonded to at least both ends of the substrate layer, and both longitudinal ends of the opposite surface opposite to the one surface being joined to the rotating shaft;
a groove portion formed on the opposite surface of the insulating layer and forming a joint portion at both ends of the opposite surface in the longitudinal direction;
The joint portion is directly joined to the rotating shaft body, characterized in that the torque detector. 제1항에 있어서, 상기 기판층은 실리콘층인 것을 특징으로 하는 토크 검출기.The torque detector according to claim 1, wherein the substrate layer is a silicon layer. 제2항에 있어서, 상기 실리콘층은, 표면의 결정 방위가 (100)인 것을 특징으로 하는 토크 검출기.The torque detector according to claim 2, wherein the surface of the silicon layer has a crystal orientation of (100). 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저항 게이지는, 상기 기판층에 성막(成膜)됨으로써 형성된 것을 특징으로 하는 토크 검출기.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. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 저항 게이지는, 상기 실리콘층의 <110> 방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 토크 검출기.The torque detector according to claim 2 or 3, wherein the resistance gauge is formed in a <110> direction of the silicon layer. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절연층은, 간극을 갖고 배치된 제1 절연층 및 제2 절연층을 포함하고,
상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층은, 직접, 상기 회전축체에 접합되는 것을 특징으로 하는 토크 검출기.The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the insulating layer comprises a first insulating layer and a second insulating layer arranged with a gap,
The first insulating layer and the second insulating layer are directly bonded to the rotating shaft body, characterized in that the torque detector. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절연층은, 접착 부재에 의해, 직접, 상기 회전축체에 접합되는 것을 특징으로 하는 토크 검출기.The torque detector according to any one of claims 1 to 3, wherein the insulating layer is directly joined to the rotating shaft by an adhesive member. 삭제delete 삭제delete
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