特許 6863552 センサチップ、力覚センサ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6863552

(24)【登録日】2021年4月5日

(45)【発行日】2021年4月21日

(54)【発明の名称】センサチップ、力覚センサ装置

(51)【国際特許分類】

   G01L 5/162 20200101AFI20210412BHJP

   H01L 29/84 20060101ALI20210412BHJP

【ＦＩ】

   G01L5/162

   H01L29/84 A

【請求項の数】6

【全頁数】36

(21)【出願番号】特願2018-1554(P2018-1554)

(22)【出願日】2018年1月10日

(62)【分割の表示】特願2017-86966(P2017-86966)の分割

【原出願日】2017年4月26日

(65)【公開番号】特開2018-63262(P2018-63262A)

(43)【公開日】2018年4月19日

【審査請求日】2020年3月23日

(31)【優先権主張番号】特願2016-199486(P2016-199486)

(32)【優先日】2016年10月7日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000114215

【氏名又は名称】ミネベアミツミ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】山口 真也

【審査官】 公文代 康祐

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−２５５２２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０５１６２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２６４１９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１８５７２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５５２６７００（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｌ １／１８

Ｇ０１Ｌ ５／００

Ｇ０１Ｌ ５／１６−５／１７３

Ｂ８１Ｂ ３／００

Ｈ０１Ｌ ２９／８４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板に形成された複数の支持部と、
複数の検出部と、を有し、
各々の前記検出部は、
両側が支持されて、力が印加される力点を含む第１の検知用梁を含み、
複数の前記支持部は、
前記基板の中央に形成された一の支持部と、
前記一の支持部の周囲に形成された他の支持部と、を含み、
複数の前記検出部は、前記一の支持部の周囲を囲むように設けられているセンサチップ。

【請求項2】

前記一の支持部と前記他の支持部とが補強用梁により連結されている請求項１に記載のセンサチップ。

【請求項3】

各々の前記検出部は、
隣接する前記補強用梁同士を連結する第２の検知用梁を含み、
前記第１の検知用梁と前記第２の検知用梁とが連結されている請求項２に記載のセンサチップ。

【請求項4】

前記力点は、前記第１の検知用梁の中央部に設けられている請求項１乃至３の何れか一項に記載のセンサチップ。

【請求項5】

請求項１乃至４の何れか一項に記載のセンサチップと、
前記センサチップへ力を伝達する起歪体と、を備えた力覚センサ装置。

【請求項6】

前記センサチップは複数の前記支持部において前記起歪体に固定されている請求項５に記載の力覚センサ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、センサチップ、力覚センサ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、金属からなる起歪体に複数の歪ゲージを貼り付け、外力が印加された際の歪みを電気信号に変換することで多軸の力を検出する力覚センサ装置が知られている。しかし、この力覚センサ装置は、歪ゲージを１枚づつ手作業によって貼り付ける必要から、精度や生産性に問題があり、構造上小型化することが困難であった。

【0003】

一方、歪ゲージを歪み検出用のＭＥＭＳのセンサチップに置き換えることで、貼り合わせ精度の問題を解消し、かつ小型化を実現する力覚センサ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第４０１１３４５号

【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、上記の力覚センサ装置では、センサチップの複数の歪み素子からの出力を演算（信号処理）して６軸出力を得る必要があり、簡易な方法で多軸出力を得ることができなかった。

【0006】

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、簡易な方法で多軸の変位を検知して出力可能なセンサチップを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本センサチップ（１１０）は、基板と、前記基板に形成された複数の支持部（１１１ａ〜１１１ｅ）と、複数の検出部と、を有し、各々の前記検出部は、両側が支持されて、力が印加される力点（１１４ａ〜１１４ｄ）を含む第１の検知用梁（１１３ａ、１１３ｄ、１１３ｇ、１１３ｊ）を含み、複数の前記支持部（１１１ａ〜１１１ｅ）は、前記基板の中央に形成された一の支持部（１１１ｅ）と、前記一の支持部（１１１ｅ）の周囲に形成された他の支持部（１１１ａ〜１１１ｄ）と、を含み、複数の前記検出部は、前記一の支持部（１１１ｅ）の周囲を囲むように設けられていることを要件とする。

【0008】

なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、図示の態様に限定されるものではない。

【発明の効果】

【0009】

開示の技術によれば、簡易な方法で多軸の変位を検知して出力可能なセンサチップを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１の実施の形態に係る力覚センサ装置を例示する斜視図である。

【図2】第１の実施の形態に係る力覚センサ装置のセンサチップ及び起歪体を例示する斜視図である。

【図3】センサチップ１０をＺ軸方向上側から視た図である。

【図4】センサチップ１０をＺ軸方向下側から視た図である。

【図5】各軸にかかる力及びモーメントを示す符号を説明する図である。

【図6】センサチップ１０のピエゾ抵抗素子の配置を例示する図である。

【図7】センサチップ１０における電極配置と配線を例示する図である。

【図8】センサチップ１０の温度センサを例示する拡大平面図である。

【図9】起歪体２０を例示する斜視図である。

【図10】起歪体２０を例示する図である。

【図11】力覚センサ装置１の製造工程を例示する図（その１）である。

【図12】力覚センサ装置１の製造工程を例示する図（その２）である。

【図13】力覚センサ装置１の製造工程を例示する図（その３）である。

【図14】起歪体に力及びモーメントを印加した際の変形（歪）についてのシミュレーション結果（その１）である。

【図15】起歪体に力及びモーメントを印加した際の変形（歪）についてのシミュレーション結果（その２）である。

【図16】図１４及び図１５の力及びモーメントを印加した際にセンサチップ１０に発生する応力についてのシミュレーション結果（その１）である。

【図17】図１４及び図１５の力及びモーメントを印加した際にセンサチップ１０に発生する応力についてのシミュレーション結果（その２）である。

【図18】図１４及び図１５の力及びモーメントを印加した際にセンサチップ１０に発生する応力についてのシミュレーション結果（その３）である。

【図19】第１の実施の形態の変形例１に係る力覚センサ装置を例示する斜視図である。

【図20】第１の実施の形態の変形例１に係る力覚センサ装置を例示する図である。

【図21】センサチップ５０をＺ軸方向上側から視た図である。

【図22】センサチップ５０のピエゾ抵抗素子の配置を例示する図である。

【図23】第１の実施の形態の変形例３に係る力覚センサ装置を例示する斜視図である。

【図24】第１の実施の形態の変形例４に係る力覚センサ装置を例示する斜視図である。

【図25】センサチップ１１０をＺ軸方向上側から視た図である。

【図26】センサチップ１１０をＺ軸方向下側から視た図である。

【図27】センサチップ１１０のピエゾ抵抗素子の配置を例示する図である。

【図28】センサチップ１１０における耐荷重の改善について説明する図（その１）である。

【図29】センサチップ１１０における耐荷重の改善について説明する図（その２）である。

【図30】センサチップ１１０における耐荷重の改善について説明する図（その３）である。

【図31】センサチップ１１０における耐荷重の改善について説明する図（その４）である。

【図32】センサチップ１１０における感度の向上について説明する図である。

【図33】センサチップ１１０における他軸特性の改善について説明する図（その１）である。

【図34】センサチップ１１０における他軸特性の改善について説明する図（その２）である。

【図35】力及びモーメントを印加した際にセンサチップ１１０に発生する応力についてのシミュレーション結果（その１）である。

【図36】力及びモーメントを印加した際にセンサチップ１１０に発生する応力についてのシミュレーション結果（その２）である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

【0012】

〈第１の実施の形態〉
（力覚センサ装置１の概略構成）
図１は、第１の実施の形態に係る力覚センサ装置を例示する斜視図である。図２は、第１の実施の形態に係る力覚センサ装置のセンサチップ及び起歪体を例示する斜視図である。図１及び図２を参照するに、力覚センサ装置１は、センサチップ１０と、起歪体２０と、入出力基板３０とを有している。力覚センサ装置１は、例えば、工作機械等に使用されるロボットの腕や指等に搭載される多軸の力覚センサ装置である。

【0013】

センサチップ１０は、起歪体２０の上面側に、起歪体２０から突出しないように接着されている。又、起歪体２０の上面及び側面に、センサチップ１０に対して信号の入出力を行う入出力基板３０の一端側が接着されている。センサチップ１０と入出力基板３０の各電極３１とは、ボンディングワイヤ等（図示せず）により、電気的に接続されている。入出力基板３０の他端側には、力覚センサ装置１と接続される制御装置等との電気的な入出力が可能な端子（図示せず）が配列されている。

【0014】

なお、本実施の形態では、便宜上、力覚センサ装置１において、起歪体２０の入出力基板３０が設けられた側を上側又は一方の側、その反対側を下側又は他方の側とする。又、各部位の起歪体２０の入出力基板３０が設けられた側の面を一方の面又は上面、その反対側の面を他方の面又は下面とする。但し、力覚センサ装置１は天地逆の状態で用いることができ、又は任意の角度で配置することができる。又、平面視とは対象物をセンサチップ１０の上面の法線方向（Ｚ軸方向）から視ることを指し、平面形状とは対象物をセンサチップ１０の上面の法線方向（Ｚ軸方向）から視た形状を指すものとする。

【0015】

（センサチップ１０）
図３は、センサチップ１０をＺ軸方向上側から視た図であり、図３（ａ）は斜視図、図３（ｂ）は平面図である。図４は、センサチップ１０をＺ軸方向下側から視た図であり、図４（ａ）は斜視図、図４（ｂ）は底面図である。図４（ｂ）において、便宜上、同一高さの面を同一の梨地模様で示している。なお、センサチップ１０の上面の一辺に平行な方向をＸ軸方向、垂直な方向をＹ軸方向、センサチップ１０の厚さ方向（センサチップ１０の上面の法線方向）をＺ軸方向としている。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向は、互いに直交している。

【0016】

図３及び図４に示すセンサチップ１０は、１チップで最大６軸を検知できるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）センサチップであり、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板等の半導体基板から形成されている。センサチップ１０の平面形状は、例えば、３０００μｍ角程度の正方形とすることができる。

【0017】

センサチップ１０は、柱状の５つの支持部１１ａ〜１１ｅを備えている。支持部１１ａ〜１１ｅの平面形状は、例えば、５００μｍ角程度の正方形とすることができる。第１の支持部である支持部１１ａ〜１１ｄは、センサチップ１０の四隅に配置されている。第２の支持部である支持部１１ｅは、支持部１１ａ〜１１ｄの中央に配置されている。

【0018】

支持部１１ａ〜１１ｅは、例えば、ＳＯＩ基板の活性層、ＢＯＸ層、及び支持層から形成することができ、それぞれの厚さは、例えば、５００μｍ程度とすることができる。

【0019】

支持部１１ａと支持部１１ｂとの間には、支持部１１ａと支持部１１ｂとに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）、構造を補強するための補強用梁１２ａが設けられている。支持部１１ｂと支持部１１ｃとの間には、支持部１１ｂと支持部１１ｃとに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）、構造を補強するための補強用梁１２ｂが設けられている。

【0020】

支持部１１ｃと支持部１１ｄとの間には、支持部１１ｃと支持部１１ｄとに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）、構造を補強するための補強用梁１２ｃが設けられている。支持部１１ｄと支持部１１ａとの間には、支持部１１ｄと支持部１１ａとに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）、構造を補強するための補強用梁１２ｄが設けられている。

【0021】

言い換えれば、第１の補強用梁である４つの補強用梁１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、及び１２ｄが枠状に形成され、各補強用梁の交点をなす角部が、支持部１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ａとなる。

【0022】

支持部１１ａの内側の角部と、それに対向する支持部１１ｅの角部とは、構造を補強するための補強用梁１２ｅにより連結されている。支持部１１ｂの内側の角部と、それに対向する支持部１１ｅの角部とは、構造を補強するための補強用梁１２ｆにより連結されている。

【0023】

支持部１１ｃの内側の角部と、それに対向する支持部１１ｅの角部とは、構造を補強するための補強用梁１２ｇにより連結されている。支持部１１ｄの内側の角部と、それに対向する支持部１１ｅの角部とは、構造を補強するための補強用梁１２ｈにより連結されている。第２の補強用梁である補強用梁１２ｅ〜１２ｈは、Ｘ軸方向（Ｙ軸方向）に対して斜めに配置されている。つまり、補強用梁１２ｅ〜１２ｈは、補強用梁１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、及び１２ｄと非平行に配置されている。

【0024】

補強用梁１２ａ〜１２ｈは、例えば、ＳＯＩ基板の活性層、ＢＯＸ層、及び支持層から形成することができる。補強用梁１２ａ〜１２ｈの太さ（短手方向の幅）は、例えば、１４０μｍ程度とすることができる。補強用梁１２ａ〜１２ｈのそれぞれの上面は、支持部１１ａ〜１１ｅの上面と略面一である。

【0025】

これに対して、補強用梁１２ａ〜１２ｈのそれぞれの下面は、支持部１１ａ〜１１ｅの下面及び力点１４ａ〜１４ｄの下面よりも数１０μｍ程度上面側に窪んでいる。これは、センサチップ１０を起歪体２０に接着したときに、補強用梁１２ａ〜１２ｈの下面が起歪体２０の対向する面と接しないようにするためである。

【0026】

このように、歪を検知するための検知用梁とは別に、検知用梁よりも厚く形成した剛性の強い補強用梁を配置することで、センサチップ１０全体の剛性を高めることができる。これにより、入力に対して検知用梁以外が変形しづらくなるため、良好なセンサ特性を得ることができる。

【0027】

支持部１１ａと支持部１１ｂとの間の補強用梁１２ａの内側には、補強用梁１２ａと所定間隔を空けて平行に、支持部１１ａと支持部１１ｂとに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）、歪を検知するための検知用梁１３ａが設けられている。

【0028】

検知用梁１３ａと支持部１１ｅとの間には、検知用梁１３ａ及び支持部１１ｅと所定間隔を空けて検知用梁１３ａと平行に、検知用梁１３ｂが設けられている。検知用梁１３ｂは、補強用梁１２ｅの支持部１１ｅ側の端部と補強用梁１２ｆの支持部１１ｅ側の端部とを連結している。

【0029】

検知用梁１３ａの長手方向の略中央部と、それに対向する検知用梁１３ｂの長手方向の略中央部とは、検知用梁１３ａ及び検知用梁１３ｂと直交するように配置された、歪を検知するための検知用梁１３ｃにより連結されている。

【0030】

支持部１１ｂと支持部１１ｃとの間の補強用梁１２ｂの内側には、補強用梁１２ｂと所定間隔を空けて平行に、支持部１１ｂと支持部１１ｃとに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）、歪を検知するための検知用梁１３ｄが設けられている。

【0031】

検知用梁１３ｄと支持部１１ｅとの間には、検知用梁１３ｄ及び支持部１１ｅと所定間隔を空けて検知用梁１３ｄと平行に、検知用梁１３ｅが設けられている。検知用梁１３ｅは、補強用梁１２ｆの支持部１１ｅ側の端部と補強用梁１２ｇの支持部１１ｅ側の端部とを連結している。

【0032】

検知用梁１３ｄの長手方向の略中央部と、それに対向する検知用梁１３ｅの長手方向の略中央部とは、検知用梁１３ｄ及び検知用梁１３ｅと直交するように配置された、歪を検知するための検知用梁１３ｆにより連結されている。

【0033】

支持部１１ｃと支持部１１ｄとの間の補強用梁１２ｃの内側には、補強用梁１２ｃと所定間隔を空けて平行に、支持部１１ｃと支持部１１ｄとに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）、歪を検知するための検知用梁１３ｇが設けられている。

【0034】

検知用梁１３ｇと支持部１１ｅとの間には、検知用梁１３ｇ及び支持部１１ｅと所定間隔を空けて検知用梁１３ｇと平行に、検知用梁１３ｈが設けられている。検知用梁１３ｈは、補強用梁１２ｇの支持部１１ｅ側の端部と補強用梁１２ｈの支持部１１ｅ側の端部とを連結している。

【0035】

検知用梁１３ｇの長手方向の略中央部と、それに対向する検知用梁１３ｈの長手方向の略中央部とは、検知用梁１３ｇ及び検知用梁１３ｈと直交するように配置された、歪を検知するための検知用梁１３ｉにより連結されている。

【0036】

支持部１１ｄと支持部１１ａとの間の補強用梁１２ｄの内側には、補強用梁１２ｄと所定間隔を空けて平行に、支持部１１ｄと支持部１１ａとに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）、歪を検知するための検知用梁１３ｊが設けられている。

【0037】

検知用梁１３ｊと支持部１１ｅとの間には、検知用梁１３j及び支持部１１ｅと所定間隔を空けて検知用梁１３ｊと平行に、検知用梁１３ｋが設けられている。検知用梁１３ｋは、補強用梁１２ｈの支持部１１ｅ側の端部と補強用梁１２ｅの支持部１１ｅ側の端部とを連結している。

【0038】

検知用梁１３ｊの長手方向の略中央部と、それに対向する検知用梁１３ｋの長手方向の略中央部とは、検知用梁１３ｊ及び検知用梁１３ｋと直交するように配置された、歪を検知するための検知用梁１３ｌにより連結されている。

【0039】

検知用梁１３ａ〜１３ｌは、支持部１１ａ〜１１ｅの厚さ方向の上端側に設けられ、例えば、ＳＯＩ基板の活性層から形成することができる。検知用梁１３ａ〜１３ｌの太さ（短手方向の幅）は、例えば、７５μｍ程度とすることができる。検知用梁１３ａ〜１３ｌのそれぞれの上面は、支持部１１ａ〜１１ｅの上面と略面一である。検知用梁１３ａ〜１３ｌのそれぞれの厚さは、例えば、５０μｍ程度とすることができる。

【0040】

検知用梁１３ａの長手方向の中央部の下面側（検知用梁１３ａと検知用梁１３ｃとの交点）には、力点１４ａが設けられている。検知用梁１３ａ、１３ｂ、及び１３ｃと力点１４ａとにより、１組の検知ブロックをなしている。

【0041】

検知用梁１３ｄの長手方向の中央部の下面側（検知用梁１３ｄと検知用梁１３ｆとの交点）には、力点１４ｂが設けられている。検知用梁１３ｄ、１３ｅ、及び１３ｆと力点１４ｂとにより、１組の検知ブロックをなしている。

【0042】

検知用梁１３ｇの長手方向の中央部の下面側（検知用梁１３ｇと検知用梁１３ｉとの交点）には、力点１４ｃが設けられている。検知用梁１３ｇ、１３ｈ、及び１３ｉと力点１４ｃとにより、１組の検知ブロックをなしている。

【0043】

検知用梁１３ｊの長手方向の中央部の下面側（検知用梁１３ｊと検知用梁１３ｌとの交点）には、力点１４ｄが設けられている。検知用梁１３ｊ、１３ｋ、及び１３ｌと力点１４ｄとにより、１組の検知ブロックをなしている。

【0044】

力点１４ａ〜１４ｄは、外力が印加される箇所であり、例えば、ＳＯＩ基板のＢＯＸ層及び支持層から形成することができる。力点１４ａ〜１４ｄのそれぞれの下面は、支持部１１ａ〜１１ｅの下面と略面一である。

【0045】

このように、力または変位を４つの力点１４ａ〜１４ｄから取り入れることで、力の種類毎に異なる梁の変形が得られるため、６軸の分離性が良いセンサを実現することができる。

【0046】

なお、センサチップ１０において、応力集中を抑制する観点から、内角を形成する部分はＲ状とすることが好ましい。

【0047】

図５は、各軸にかかる力及びモーメントを示す符号を説明する図である。図５に示すように、Ｘ軸方向の力をＦｘ、Ｙ軸方向の力をＦｙ、Ｚ軸方向の力をＦｚとする。又、Ｘ軸を軸として回転させるモーメントをＭｘ、Ｙ軸を軸として回転させるモーメントをＭｙ、Ｚ軸を軸として回転させるモーメントをＭｚとする。

【0048】

図６は、センサチップ１０のピエゾ抵抗素子の配置を例示する図である。４つ力点１４ａ〜１４ｄに対応する各検知ブロックの所定位置には、ピエゾ抵抗素子が配置されている。

【0049】

具体的には、図３及び図６を参照すると、力点１４ａに対応する検知ブロックにおいて、ピエゾ抵抗素子ＭｘＲ３及びＭｘＲ４は、検知用梁１３ａを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁１３ｃを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。又、ピエゾ抵抗素子ＦｙＲ３及びＦｙＲ４は、検知用梁１３ｂを長手方向に二等分する線よりも検知用梁１３ａ側であって、かつ、検知用梁１３ｃを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。

【0050】

又、力点１４ｂに対応する検知ブロックにおいて、ピエゾ抵抗素子ＭｙＲ３及びＭｙＲ４は、検知用梁１３ｄを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁１３ｆを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。又、ピエゾ抵抗素子ＦｘＲ３及びＦｘＲ４は、検知用梁１３ｅを長手方向に二等分する線よりも検知用梁１３ｄ側であって、かつ、検知用梁１３ｆを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。

【0051】

又、ＭｚＲ３及びＭｚＲ４は、検知用梁１３ｆを短手方向に二等分する線よりも検知用梁１３ｅ側であって、かつ、検知用梁１３ｆを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。又、ＦｚＲ３及びＦｚＲ４は、検知用梁１３ｆを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁１３ｆを短手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。

【0052】

又、力点１４ｃに対応する検知ブロックにおいて、ピエゾ抵抗素子ＭｘＲ１及びＭｘＲ２は、検知用梁１３ｇを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁１３ｉを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。又、ピエゾ抵抗素子ＦｙＲ１及びＦｙＲ２は、検知用梁１３ｈを長手方向に二等分する線よりも検知用梁１３ｇ側であって、かつ、検知用梁１３ｉを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。

【0053】

又、力点１４ｄに対応する検知ブロックにおいて、ピエゾ抵抗素子ＭｙＲ１及びＭｙＲ２は、検知用梁１３ｊを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁１３ｌを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。又、ピエゾ抵抗素子ＦｘＲ１及びＦｘＲ２は、検知用梁１３ｋを長手方向に二等分する線よりも検知用梁１３ｊ側であって、かつ、検知用梁１３ｌを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。

【0054】

又、ＭｚＲ１及びＭｚＲ２は、検知用梁１３ｌを短手方向に二等分する線よりも検知用梁１３ｋ側であって、かつ、検知用梁１３ｌを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。又、ＦｚＲ１及びＦｚＲ２は、検知用梁１３ｌを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁１３ｌを短手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。

【0055】

ここで、ピエゾ抵抗素子ＦｘＲ１〜ＦｘＲ４は力Ｆｘを検出し、ピエゾ抵抗素子ＦｙＲ１〜ＦｙＲ４は力Ｆｙを検出し、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１〜ＦｚＲ４は力Ｆｚを検出する。又、ピエゾ抵抗素子ＭｘＲ１〜ＭｘＲ４はモーメントＭｘを検出し、ピエゾ抵抗素子ＭｙＲ１〜ＭｙＲ４はモーメントＭｙを検出し、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ１〜ＭｚＲ４はモーメントＭｚを検出する。

【0056】

このように、センサチップ１０では、各検知ブロックに複数のピエゾ抵抗素子を分けて配置している。これにより、力点１４ａ〜１４ｄに印加（伝達）された力または変位の向き（軸方向）に応じた、所定の梁に配置された複数のピエゾ抵抗素子の出力の変化に基づいて、所定の軸方向の変位を最大で６軸検知することができる。

【0057】

具体的には、センサチップ１０において、Ｚ軸方向の変位（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｆｚ）は、所定の検知用梁の変形に基づいて検知することができる。すなわち、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のモーメント（Ｍｘ、Ｍｙ）は、第１の検知用梁である検知用梁１３ａ、１３ｄ、１３ｇ、及び１３ｊの変形に基づいて検知することができる。又、Ｚ軸方向の力（Ｆｚ）は、第３の検知用梁である検知用梁１３ｆ及び１３ｌの変形に基づいて検知することができる。

【0058】

又、センサチップ１０において、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の変位（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｍｚ）は、所定の検知用梁の変形に基づいて検知することができる。すなわち、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の力（Ｆｘ、Ｆｙ）は、第２の検知用梁である検知用梁１３ｂ、１３ｅ、１３ｈ、及び１３ｋの変形に基づいて検知することができる。又、Ｚ軸方向のモーメント（Ｍｚ）は、第３の検知用梁である検知用梁１３ｆ及び１３ｌの変形に基づいて検知することができる。

【0059】

各検知用梁の厚みと幅を可変することで、検出感度の均一化や、検出感度の向上等の調整を図ることができる。

【0060】

但し、ピエゾ抵抗素子の数を減らし、５軸以下の所定の軸方向の変位を検知するセンサチップとすることも可能である。

【0061】

図７は、センサチップ１０における電極配置と配線を例示する図であり、センサチップ１０をＺ軸方向上側から視た平面図である。図７に示すように、センサチップ１０は、電気信号を取り出すための複数の電極１５を有している。各電極１５は、力点１４ａ〜１４ｄに力が印加された際の歪みが最も少ない、センサチップ１０の支持部１１ａ〜１１ｄの上面に配置されている。各ピエゾ抵抗素子から電極１５までの配線１６は、各補強用梁上及び各検知用梁上を適宜引き回すことができる。

【0062】

このように、各補強用梁は、必要に応じて配線を引き出す際の迂回路としても利用できるため、検知用梁とは別に補強用梁を配置することで、配線設計の自由度を向上することができる。これにより、各ピエゾ抵抗素子を、より理想的な位置に配置することが可能となる。

【0063】

図８は、センサチップ１０の温度センサを例示する拡大平面図である。図７及び図８に示すように、センサチップ１０は、歪み検出用に用いるピエゾ抵抗素子に温度補正を行うための温度センサ１７を備えている。温度センサ１７は、４つのピエゾ抵抗素子ＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３、及びＴＲ４がブリッジ接続された構成である。

【0064】

ピエゾ抵抗素子ＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３、及びＴＲ４のうち、対向する２つは歪み検出用に用いるピエゾ抵抗素子ＭｘＲ１等と同一特性とされている。又、ピエゾ抵抗素子ＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３、及びＴＲ４のうち、対向する他の２つは、不純物半導体により不純物濃度を変えることで、ピエゾ抵抗素子ＭｘＲ１等と異なる特性とされている。これにより、温度変化によりブリッジのバランスが崩れるため、温度検出が可能となる。

【0065】

なお、歪み検出用に用いるピエゾ抵抗素子（ＭｘＲ１等）は、全て、センサチップ１０を構成する半導体基板（シリコン等）の結晶方位に水平又は垂直に配置されている。これにより、同じ歪みに対して、より大きな抵抗の変化を得ることができ、印加される力及びモーメントの測定精度を向上させることが可能となる。

【0066】

これに対して、温度センサ１７を構成するピエゾ抵抗素子ＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３、及びＴＲ４は、センサチップ１０を構成する半導体基板（シリコン等）の結晶方位に対して４５度傾けて配置されている。これにより、応力に対する抵抗変化を低減できるため、温度変化のみを精度よく検知できる。

【0067】

又、温度センサ１７は、力点１４ａ〜１４ｄに力が印加された際の歪みが最も少ない、センサチップ１０の支持部１１ａの上面に配置されている。これにより、応力に対する抵抗変化をいっそう低減できる。

【0068】

なお、ピエゾ抵抗素子は、本発明にかかる歪検出素子の代表的な一例である。

【0069】

（起歪体２０）
図９は、起歪体２０を例示する斜視図である。図１０は、起歪体２０を例示する図であり、図１０（ａ）は平面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面斜視図である。図１０（ａ）において、便宜上、同一高さの面を同一の梨地模様で示している。

【0070】

図９及び図１０に示すように、起歪体２０において、土台２１上の四隅には、第１の柱である４本の柱２２ａ〜２２ｄが配置され、隣接する柱同士を連結する第１の梁である４本の梁２３ａ〜２３ｄが枠状に設けられている。又、土台２１上の中央には、第２の柱である柱２２ｅが配置されている。柱２２ｅは、センサチップ１０を固定するための柱であり、柱２２ａ〜２２ｄよりも太くて短く形成されている。なお、センサチップ１０は、柱２２ａ〜２２ｄの上面から突出しないように、柱２２ｅ上に固定される。

【0071】

起歪体２０の概略形状は、例えば、縦５０００μｍ程度、横５０００μｍ程度、高さ７０００μｍ程度の直方体状とすることができる。柱２２ａ〜２２ｄの横断面形状は、例えば、１０００μｍ角程度の正方形とすることができる。柱２２ｅの横断面形状は、例えば、２０００μｍ角程度の正方形とすることができる。

【0072】

梁２３ａ〜２３ｄのそれぞれの上面の長手方向の中央部には、梁２３ａ〜２３ｄの長手方向の中央部から上方に突起する突起部が設けられ、突起部上に、例えば円柱状の入力部２４ａ〜２４ｄが設けられている。入力部２４ａ〜２４ｄは外部から力が印加される部分であり、入力部２４ａ〜２４ｄに力が印加されると、それに応じて梁２３ａ〜２３ｄ及び柱２２ａ〜２２ｄが変形する。

【0073】

なお、柱２２ｅは、印加された力により変形する梁２３ａ〜２３ｄや、印加された力により変形する柱２２ａ〜２２ｄとは分離されているため、入力部２４ａ〜２４ｄに力が印加されても可動することはない（印加された力により変形しない）。

【0074】

このように、４つの入力部２４ａ〜２４ｄを設けることで、例えば１つの入力部の構造と比較して、梁２３ａ〜２３ｄの耐荷重を向上することができる。

【0075】

柱２２ｅの上面の四隅には第３の柱である４本の柱２５ａ〜２５ｄが配置され、柱２２ｅの上面の中央部には第４の柱である柱２５ｅが配置されている。柱２５ａ〜２５ｅは、同一の高さに形成されている。

【0076】

すなわち、柱２５ａ〜２５ｅのそれぞれの上面は、同一平面上に位置している。柱２５ａ〜２５ｅのそれぞれの上面は、センサチップ１０の下面と接着される接合部となる。柱２５ａ〜２５ｅは印加された力により変形する梁２３ａ〜２３ｄや、印加された力により変形する柱２２ａ〜２２ｄとは分離されているため、入力部２４ａ〜２４ｄに力が印加されても可動することはない（印加された力により変形しない）。

【0077】

梁２３ａ〜２３ｄのそれぞれの内側面の長手方向の中央部には、梁２３ａ〜２３ｄのそれぞれの内側面から水平方向内側に突出する梁２６ａ〜２６ｄが設けられている。梁２６ａ〜２６ｄは、梁２３ａ〜２３ｄや柱２２ａ〜２２ｄの変形をセンサチップ１０に伝達する第２の梁である。又、梁２６ａ〜２６ｄのそれぞれの上面の先端側には、梁２６ａ〜２６ｄのそれぞれの上面の先端側から上方に突起する突起部２７ａ〜２７ｄが設けられている。

【0078】

突起部２７ａ〜２７ｄは、同一の高さに形成されている。すなわち、突起部２７ａ〜２７ｄのそれぞれの上面は、同一平面上に位置している。突起部２７ａ〜２７ｄのそれぞれの上面は、センサチップ１０の下面と接着される接合部となる。梁２６ａ〜２６ｄ及び突起部２７ａ〜２７ｄは、可動部となる梁２３ａ〜２３ｄと連結されているため、入力部２４ａ〜２４ｄに力が印加されると、それに応じて変形する。

【0079】

なお、入力部２４ａ〜２４ｄに力が印加されていない状態では、柱２５ａ〜２５ｅのそれぞれの上面と、突起部２７ａ〜２７ｄのそれぞれの上面とは、同一平面上に位置している。

【0080】

起歪体２０において、土台２１、柱２２ａ〜２２ｅ、梁２３ａ〜２３ｄ、入力部２４ａ〜２４ｄ、柱２５ａ〜２５ｅ、梁２６ａ〜２６ｄ、及び突起部２７ａ〜２７ｄの各部位は、剛性を確保しかつ精度良く作製する観点から、一体に形成されていることが好ましい。起歪体２０の材料としては、例えば、ＳＵＳ（ステンレス鋼）等の硬質な金属材料を用いることができる。中でも、特に硬質で機械的強度の高いＳＵＳ６３０を用いることが好ましい。

【0081】

このように、センサチップ１０と同様に、起歪体２０も柱と梁とを備えた構造とすることで、印加される力によって６軸それぞれで異なる変形を示すため、６軸の分離性が良い変形をセンサチップ１０に伝えることができる。

【0082】

すなわち、起歪体２０の入力部２４ａ〜２４ｄに印加された力を、柱２２ａ〜２２ｄ、梁２３ａ〜２３ｄ、及び梁２６ａ〜２６ｄを介してセンサチップ１０に伝達し、センサチップ１０で変位を検知する。そして、センサチップ１０において、１つの軸につき１個ずつ形成されたブリッジ回路から各軸の出力を得ることができる。

【0083】

なお、起歪体２０において、応力集中を抑制する観点から、内角を形成する部分はＲ状とすることが好ましい。

【0084】

（力覚センサ装置１の製造工程）
図１１〜図１３は、力覚センサ装置１の製造工程を例示する図である。まず、図１１（ａ）に示すように、起歪体２０を作製する。起歪体２０は、例えば、成形や切削、ワイヤ放電等により一体に形成することができる。起歪体２０の材料としては、例えば、ＳＵＳ（ステンレス鋼）等の硬質な金属材料を用いることができる。中でも、特に硬質で機械的強度の高いＳＵＳ６３０を用いることが好ましい。起歪体２０を成形により作製する場合には、例えば、金属粒子とバインダーとなる樹脂とを金型に入れて成形し、その後、焼結して樹脂を蒸発させることで、金属からなる起歪体２０を作製できる。

【0085】

次に、図１１（ｂ）に示す工程では、柱２５ａ〜２５ｅの上面、及び突起部２７ａ〜２７ｄの上面に接着剤４１を塗布する。接着剤４１としては、例えば、エポキシ系の接着剤等を用いることができる。外部から印加される力に対する耐力の点から、接着剤４１はヤング率１ＧＰａ以上で厚さ２０μｍ以下であることが好ましい。

【0086】

次に、図１２（ａ）に示す工程では、センサチップ１０を作製する。センサチップ１０は、例えば、ＳＯＩ基板を準備し、準備した基板にエッチング加工（例えば、反応性イオンエッチング等）等を施す周知の方法により作製できる。又、電極や配線は、例えば、基板の表面にスパッタ法等により銅等の金属膜を成膜後、金属膜をフォトリソグラフィによってパターニングすることにより作製できる。

【0087】

次に、図１２（ｂ）に示す工程では、センサチップ１０の下面が柱２５ａ〜２５ｅの上面、及び突起部２７ａ〜２７ｄの上面に塗布された接着剤４１と接するように、センサチップ１０を起歪体２０内に加圧しながら配置する。そして、接着剤４１を所定温度に加熱して硬化させる。これにより、センサチップ１０が起歪体２０内に固定される。具体的には、センサチップ１０の支持部１１ａ〜１１ｄが各々柱２５ａ〜２５ｅ上に固定され、支持部１１ｅが柱２５ｅ上に固定され、力点１４ａ〜１４ｄが各々突起部２７ａ〜２７ｄ上に固定される。

【0088】

次に、図１３（ａ）に示す工程では、柱２２ａ〜２２ｄの上面に、接着剤４２を塗布する。接着剤４２としては、例えば、エポキシ系の接着剤等を用いることができる。なお、接着剤４２は、入出力基板３０を起歪体２０上に固定するためのものであり、外部から力が印加されないため、汎用の接着剤を用いることができる。

【0089】

次に、図１３（ｂ）に示す工程では、入出力基板３０を準備し、入出力基板３０の下面が柱２２ａ〜２２ｄの上面に塗布された接着剤４２と接するように、入出力基板３０を起歪体２０上に配置する。そして、入出力基板３０を起歪体２０側に加圧しながら接着剤４２を所定温度に加熱して硬化させる。これにより、入出力基板３０が起歪体２０に固定される。

【0090】

なお、入出力基板３０は、センサチップ１０及び入力部２４ａ〜２４ｄを露出するように起歪体２０に固定される。入出力基板３０の各電極３１は、入力部２４ａ〜２４ｄに力が印加された際の歪みが最も少ない、起歪体２０の柱２２ａ〜２２ｄ上に配置することが好ましい。

【0091】

その後、入出力基板３０の起歪体２０から水平方向にはみ出した部分（入力端子側を除く）を、起歪体２０の側面側に折り曲げる。そして、入出力基板３０とセンサチップ１０の対応する部分をボンディングワイヤ等（図示せず）により電気的に接続する。これにより、図１に示す力覚センサ装置１が完成する。

【0092】

このように、力覚センサ装置１は、センサチップ１０、起歪体２０、及び入出力基板３０の３部品のみで作製できるため、組み立てが容易であり、かつ位置合わせ箇所も最低限で済むため、実装起因による精度の劣化を抑制できる。

【0093】

又、起歪体２０において、センサチップ１０との接続箇所（柱２５ａ〜２５ｅの上面、及び突起部２７ａ〜２７ｄの上面）は全て同一平面にあるため、起歪体２０に対するセンサチップ１０の位置合わせが１度で済み、起歪体２０にセンサチップ１０を実装することが容易である。

【0094】

（応力のシミュレーション）
図１４及び図１５は、起歪体２０に力及びモーメントを印加した際の変形（歪）についてのシミュレーション結果である。力及びモーメントは、起歪体２０の入力部２４ａ〜２４ｄ（図９等参照）から印加した。又、図１６〜図１８は、図１４及び図１５の力及びモーメントを印加した際にセンサチップ１０に発生する応力についてのシミュレーション結果である。図１６〜図１８において、引張の垂直応力を『＋』、圧縮の垂直応力を『−』で示している。

【0095】

Ｘ軸に沿ってＸ１からＸ２の方向に力Ｆｘが印加された場合は、起歪体２０は図１４に示すように変形し、センサチップ１０には図１６（ａ）のような応力が発生する。具体的には、力Ｆｘの印加により、検知用梁１３ｋ及び１３ｅが力Ｆｘの方向に歪む。

【0096】

ここで、ピエゾ抵抗素子ＦｘＲ１及びＦｘＲ２は、検知用梁１３ｋの長手方向の中心よりもＸ１側に位置しているため、引張の垂直応力が発生して抵抗値が増加する。一方、ピエゾ抵抗素子ＦｘＲ３及びＦｘＲ４は、検知用梁１３ｅの長手方向の中心よりもＸ２側に位置しているため、圧縮の垂直応力が発生して抵抗値が減少する。これにより、ピエゾ抵抗素子ＦｘＲ１〜ＦｘＲ４のバランスが崩れるため、図１６（ａ）に示すブリッジ回路から電圧が出力され、力Ｆｘを検出することができる。

【0097】

なお、検知用梁１３ｄ及び１３ｊも力Ｆｘの方向に歪むが、ピエゾ抵抗素子ＭｙＲ１及びＭｙＲ２、並びにピエゾ抵抗素子ＭｙＲ３及びＭｙＲ４の位置では、ほとんど応力が生じないか、或いは同方向の応力が生じる。そのため、ブリッジのバランスが維持され、図１８（ａ）に示すモーメントＭｙのブリッジ回路からは電圧は出力されない。

【0098】

Ｙ軸に沿ってＹ１からＹ２の方向に力Ｆｙが印加された場合は、センサチップ１０には図１６（ｂ）のような応力が発生する。具体的には、力Ｆｙの印加により、検知用梁１３ｂ及び１３ｈが力Ｆｙの方向に歪む。

【0099】

ここで、ピエゾ抵抗素子ＦｙＲ３及びＦｙＲ４は、検知用梁１３ｂの長手方向の中心よりもＹ１側に位置しているため、引張の垂直応力が発生して抵抗値が増加する。一方、ピエゾ抵抗素子ＦｙＲ１及びＦｙＲ２は、検知用梁１３ｈの長手方向の中心よりもＹ２側に位置しているため、圧縮の垂直応力が発生して抵抗値が減少する。これにより、ピエゾ抵抗素子ＦｙＲ１〜ＦｙＲ４のバランスが崩れるため、図１６（ｂ）に示すブリッジ回路から電圧が出力され、力Ｆｙを検出することができる。

【0100】

なお、モーメントＭｙと同様の理由により、図１７（ｂ）に示すモーメントＭｘのブリッジ回路からは電圧は出力されない。

【0101】

Ｚ軸に沿ってＺ２からＺ１の方向に力Ｆｚが印加された場合は、起歪体２０は図１４に示すように変形し、センサチップ１０には図１７（ａ）のような応力が発生する。具体的には、力Ｆｚの印加により、検知用梁１３ａ、１３ｂ、１３ｇ、１３ｈ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｊ、１３ｋ、１３ｃ、１３ｆ、１３ｌ、及び１３ｉが力Ｆｚの方向に歪む。

【0102】

ここで、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１及びＦｚＲ４には引張の垂直応力が発生して抵抗値が増加する。又、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ２及びＦｚＲ３には圧縮の垂直応力が発生して抵抗値が減少する。これにより、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１〜ＦｚＲ４のバランスが崩れるため、図１７（ａ）に示すブリッジ回路により、力Ｆｚを検出することができる。

【0103】

なお、上記と同様の理由により、図１６（ａ）に示す力Ｆｘのブリッジ回路、図１６（ｂ）に示す力Ｆｙのブリッジ回路、図１７（ｂ）に示すモーメントＭｘのブリッジ回路、及び図１８（ａ）に示すモーメントＭｙのブリッジ回路、図１８（ｂ）に示すモーメントＭｚのブリッジ回路からは電圧は出力されない。

【0104】

Ｘ軸を回転軸としてＹ２−Ｚ２−Ｙ１の方向にモーメントＭｘが印加された場合は、センサチップ１０には図１７（ｂ）のような応力が発生する。具体的には、モーメントＭｘの印加により、検知用梁１３ｇ及び１３ａがモーメントＭｘの方向に歪む。そのため、ピエゾ抵抗素子ＭｘＲ１及びＭｘＲ２には引張の垂直応力が発生して抵抗値が増加する。又、ピエゾ抵抗素子ＭｘＲ３及びＭｘＲ４には圧縮の垂直応力が発生して抵抗値が減少する。これにより、ピエゾ抵抗素子ＭｘＲ１〜ＭｘＲ４のバランスが崩れるため、図１７（ｂ）に示すブリッジ回路により、モーメントＭｘを検出することができる。

【0105】

なお、上記と同様の理由により、図１６（ｂ）に示す力Ｆｙのブリッジ回路からは電圧は出力されない。

【0106】

Ｙ軸を回転軸としてＸ１−Ｚ２−Ｘ２の方向にモーメントＭｙが印加された場合は、起歪体２０は図１５に示すように変形し、センサチップ１０には図１８（ａ）のような応力が発生する。具体的には、モーメントＭｙの印加により、検知用梁１３ｊ及び１３ｄがモーメントＭｙの方向に歪む。

【0107】

ここで、ピエゾ抵抗素子ＭｙＲ１及びＭｙＲ２には引張の垂直応力が発生して抵抗値が増加する。又、ピエゾ抵抗素子ＭｙＲ３及びＭｙＲ４には圧縮の垂直応力が発生して抵抗値が減少する。これにより、ピエゾ抵抗素子ＭｙＲ１〜ＭｙＲ４のバランスが崩れるため、図１８（ａ）に示すブリッジ回路により、モーメントＭｙを検出することができる。

【0108】

なお、上記と同様の理由により、図１６（ａ）に示す力Ｆｘのブリッジ回路からは電圧は出力されない。

【0109】

Ｚ軸を回転軸としてＸ２−Ｙ２−Ｘ１の方向にモーメントＭｚが印加された場合は、起歪体２０は図１５に示すように変形し、センサチップ１０には図１８（ｂ）のような応力が発生する。具体的には、モーメントＭｚの印加により、検知用梁１３ａ、１３ｂ、１３ｇ、１３ｈ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｊ、１３ｋ、１３ｃ、１３ｆ、１３ｌ、及び１３ｉがモーメントＭｚの方向に歪む。

【0110】

ここで、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ１及びＭｚＲ４には引張の垂直応力が発生して抵抗値が増加する。又、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ２及びＭｚＲ３には圧縮の垂直応力が発生して抵抗値が減少する。これにより、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ１〜ＭｚＲ４のバランスが崩れるため、図１８（ｂ）に示すブリッジ回路により、モーメントＭｚを検出することができる。

【0111】

なお、上記と同様の理由により、図１６（ａ）に示す力Ｆｘのブリッジ回路、図１６（ｂ）に示す力Ｆｙのブリッジ回路、図１７（ｂ）に示すモーメントＭｘのブリッジ回路、図１８（ａ）に示すモーメントＭｙのブリッジ回路からは電圧は出力されない。

【0112】

このように、センサチップ１０では、力点に変位（力又はモーメント）が入力されると、入力に応じた曲げ及び捩れの応力が所定の検知用梁に発生する。発生した応力により検知用梁の所定位置に配置されたピエゾ抵抗素子の抵抗値が変化し、センサチップ１０に形成された各ブリッジ回路からの出力電圧を電極１５から得ることができる。更に、電極１５の出力電圧は、入出力基板３０を経由して外部で得ることができる。

【0113】

又、センサチップ１０では、１つの軸につき１個のブリッジ回路が形成されているため、出力の合成を伴わずに各軸の出力を得ることができる。これにより、複雑な計算や信号処理を必要としない簡易な方法で多軸の変位を検知して出力可能となる。

【0114】

又、ピエゾ抵抗素子を入力の種類により異なる検知用梁に分けて配置している。これにより、該当する検知用梁の剛性（厚みや幅）を変更することで、任意の軸の感度を独立して調整することができる。

【0115】

なお、本明細書における、『平行』、『垂直』、『直交』、『同一平面』等の文言は、厳密な意味での『平行』、『垂直』、『直交』、『同一平面』等のみでなく、実質的に『平行』、『垂直』、『直交』、『同一平面』等である場合も含むものとする。すなわち、本実施の形態の作用及び効果が得られる範囲でバラツキがある態様も含むものとする。

【0116】

〈第１の実施の形態の変形例１〉
第１の実施の形態の変形例１では、受力板を備えた力覚センサ装置の例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例１において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

【0117】

図１９は、第１の実施の形態の変形例１に係る力覚センサ装置を例示する斜視図である。図２０は、第１の実施の形態の変形例１に係る力覚センサ装置を例示する図であり、図２０（ａ）は平面図、図２０（ｂ）は図２０（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。図１９及び図２０を参照するに、力覚センサ装置１Ａは、起歪体２０の入力部２４ａ〜２４ｄ上に受力板４０を設けた点が力覚センサ装置１と相違する。

【0118】

受力板４０の下面側には４つ凹部４０ｘが設けられている。又、受力板４０の上面側の、各々の凹部４０ｘと平面視で略重複する位置に、４つの凹部４０ｙが設けられている。４つの凹部４０ｘは各々起歪体２０の入力部２４ａ〜２４ｄを覆うように配置され、各々の凹部４０ｘの底面は入力部２４ａ〜２４ｄの上面と接している。

【0119】

このような構造により、受力板４０と起歪体２０とを位置決めすることができる。又、凹部４０ｙは、力覚センサ装置１Ａをロボット等に取り付ける際の位置決めに用いることができる。

【0120】

受力板４０の材料としては、例えば、ＳＵＳ（ステンレス鋼）６３０等を用いることができる。受力板４０は、例えば、起歪体２０に溶接、接着、ねじ止め等により固定することができる。

【0121】

このように、受力板４０を設けることで、受力板４０を介して起歪体２０の入力部２４ａ〜２４ｄに外部から力を入力することができる。

【0122】

〈第１の実施の形態の変形例２〉
第１の実施の形態の変形例２では、第１の実施の形態とは異なるセンサチップの例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例２において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

【0123】

図２１は、センサチップ５０をＺ軸方向上側から視た図であり、図２１（ａ）は平面図、図２１（ｂ）は底面図である。図２１（ｂ）において、便宜上、同一高さの面を同一の梨地模様で示している。

【0124】

図２１に示すセンサチップ５０は、センサチップ１０と同様に、１チップで最大６軸を検知できるＭＥＭＳセンサチップであり、ＳＯＩ基板等から作製することができる。センサチップ５０の平面形状は、例えば、３０００μｍ角程度の正方形とすることができる。力覚センサ装置１において、センサチップ１０に代えて、センサチップ５０を用いることができる。

【0125】

センサチップ５０は、柱状の５つの支持部５１ａ〜５１ｅを備えている。支持部５１ａ〜５１ｅの平面形状は、例えば、５００μｍ角程度の正方形とすることができる。第１の支持部である支持部５１ａ〜５１ｄは、センサチップ５０の四隅に配置されている。第２の支持部である支持部５１ｅは、支持部５１ａ〜５１ｄの中央に配置されている。

【0126】

支持部５１ａ〜５１ｅは、例えば、ＳＯＩ基板の活性層、ＢＯＸ層、及び支持層から形成することができ、それぞれの厚さは、例えば、５００μｍ程度とすることができる。

【0127】

支持部５１ａと支持部５１ｂとの間には、支持部５１ａと支持部５１ｂとに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）、構造を補強するための補強用梁５２ａが設けられている。支持部５１ｂと支持部５１ｃとの間には、支持部５１ｂと支持部５１ｃとに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）、構造を補強するための補強用梁５２ｂが設けられている。

【0128】

支持部５１ｃと支持部５１ｄとの間には、支持部５１ｃと支持部５１ｄとに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）、構造を補強するための補強用梁５２ｃが設けられている。支持部５１ｄと支持部５１ａとの間には、支持部５１ｄと支持部５１ａとに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）、構造を補強するための補強用梁５２ｄが設けられている。

【0129】

言い換えれば、第１の補強用梁である４つの補強用梁５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、及び５２ｄが枠状に形成され、各補強用梁の交点をなす角部が、支持部５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ、５１ａとなる。

【0130】

補強用梁５２ａ〜５２ｄは、例えば、ＳＯＩ基板の活性層、ＢＯＸ層、及び支持層から形成することができる。補強用梁５２ａ〜５２ｄの太さ（短手方向の幅）は、例えば、３０μｍ程度とすることができる。補強用梁５２ａ〜５２ｄのそれぞれの上面は、支持部５１ａ〜５１ｅの上面と略面一である。

【0131】

これに対して、補強用梁５２ａ〜５２ｄのそれぞれの下面は、支持部５１ａ〜５１ｅの下面及び力点５４ａ〜５４ｄの下面よりも数１０μｍ程度上面側に窪んでいる。これは、センサチップ５０を起歪体２０に接着したときに、補強用梁５２ａ〜５２ｄの下面が起歪体２０の対向する面と接しないようにするためである。

【0132】

このように、歪を検知するための検知用梁とは別に、検知用梁よりも厚く形成した剛性の強い補強用梁を配置することで、センサチップ５０全体の剛性を高めることができる。これにより、入力に対して検知用梁以外が変形しづらくなるため、良好なセンサ特性を得ることができる。

【0133】

支持部５１ａと支持部５１ｂとの間の補強用梁５２ａの内側には、補強用梁５２ａと所定間隔を空けて平行に、支持部５１ａと支持部５１ｂとに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）、歪を検知するための検知用梁５３ａが設けられている。

【0134】

検知用梁５３ａと支持部５１ｅとの間には、検知用梁５３ａ及び支持部５１ｅと所定間隔を空けて、長手方向が検知用梁５３ａと平行な枠状の検知用梁５３ｂが設けられている。検知用梁５３ｂは、検知用梁５３ａの長手方向の略中央部と、それに対向する支持部５１ｅの１辺の略中央部との間を連結する、検知用梁５３ａの長手方向に対して略垂直方向に伸びる検知用梁５３ｃの長手方向の略中央部に保持されている。

【0135】

支持部５１ｂと支持部５１ｃとの間の補強用梁５２ｂの内側には、補強用梁５２ｂと所定間隔を空けて平行に、支持部５１ｂと支持部５１ｃとに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）、歪を検知するための検知用梁５３ｄが設けられている。

【0136】

検知用梁５３ｄと支持部５１ｅとの間には、検知用梁５３ｄ及び支持部５１ｅと所定間隔を空けて、長手方向が検知用梁５３ｄと平行な枠状の検知用梁５３ｅが設けられている。検知用梁５３ｅは、検知用梁５３ｄの長手方向の略中央部と、それに対向する支持部５１ｅの１辺の略中央部との間を連結する、検知用梁５３ｄの長手方向に対して略垂直方向に伸びる検知用梁５３ｆの長手方向の略中央部に保持されている。

【0137】

支持部５１ｃと支持部５１ｄとの間の補強用梁５２ｃの内側には、補強用梁５２ｃと所定間隔を空けて平行に、支持部５１ｃと支持部５１ｄとに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）、歪を検知するための検知用梁５３ｇが設けられている。

【0138】

検知用梁５３ｇと支持部５１ｅとの間には、検知用梁５３ｇ及び支持部５１ｅと所定間隔を空けて、長手方向が検知用梁５３ｇと平行な枠状の検知用梁５３ｈが設けられている。検知用梁５３ｈは、検知用梁５３ｇの長手方向の略中央部と、それに対向する支持部５１ｅの１辺の略中央部との間を連結する、検知用梁５３ｇの長手方向に対して略垂直方向に伸びる検知用梁５３ｉの長手方向の略中央部に保持されている。

【0139】

支持部５１ｄと支持部５１ａとの間の補強用梁５２ｄの内側には、補強用梁５２ｄと所定間隔を空けて平行に、支持部５１ｄと支持部５１ａとに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）、歪を検知するための検知用梁５３ｊが設けられている。

【0140】

検知用梁５３ｊと支持部５１ｅとの間には、検知用梁５３ｊ及び支持部５１ｅと所定間隔を空けて、長手方向が検知用梁５３ｊと平行な枠状の検知用梁５３ｋが設けられている。検知用梁５３ｋは、検知用梁５３ｊの長手方向の略中央部と、それに対向する支持部５１ｅの１辺の略中央部との間を連結する、検知用梁５３ｊの長手方向に対して略垂直方向に伸びる検知用梁５３ｌの長手方向の略中央部に保持されている。

【0141】

検知用梁５３ａ〜５３ｌは、支持部５１ａ〜５１ｅの厚さ方向の上端側に設けられ、例えば、ＳＯＩ基板の活性層から形成することができる。検知用梁５３ａ〜５３ｌの太さ（短手方向の幅）は、例えば、１５０μｍ程度とすることができる。検知用梁５３ａ〜５３ｌのそれぞれの上面は、支持部５１ａ〜５１ｅの上面と略面一である。検知用梁５３ａ〜５３ｌのそれぞれの厚さは、例えば、５０μｍ程度とすることができる。

【0142】

検知用梁５３ａの長手方向の中央部の下面側（検知用梁５３ａと検知用梁５３ｃとの交点）には、力点５４ａが設けられている。検知用梁５３ａ、５３ｂ、及び５３ｃと力点５４ａとにより、１組の検知ブロックをなしている。

【0143】

検知用梁５３ｄの長手方向の中央部の下面側（検知用梁５３ｄと検知用梁５３ｆとの交点）には、力点５４ｂが設けられている。検知用梁５３ｄ、５３ｅ、及び５３ｆと力点５４ｂとにより、１組の検知ブロックをなしている。

【0144】

検知用梁５３ｇの長手方向の中央部の下面側（検知用梁５３ｇと検知用梁５３ｉとの交点）には、力点５４ｃが設けられている。検知用梁５３ｇ、５３ｈ、及び５３ｉと力点５４ｃとにより、１組の検知ブロックをなしている。

【0145】

検知用梁５３ｊの長手方向の中央部の下面側（検知用梁５３ｊと検知用梁５３ｌとの交点）には、力点５４ｄが設けられている。検知用梁５３ｊ、５３ｋ、及び５３ｌと力点５４ｄとにより、１組の検知ブロックをなしている。

【0146】

力点５４ａ〜５４ｄは、外力が印加される箇所であり、例えば、ＳＯＩ基板のＢＯＸ層及び支持層から形成することができる。力点５４ａ〜５４ｄのそれぞれの下面は、支持部５１ａ〜５１ｅの下面と略面一である。

【0147】

このように、力を４つの力点５４ａ〜５４ｄから取り入れることで、力の種類毎に異なる梁の変形が得られるため、６軸の分離性が良いセンサを実現することができる。

【0148】

図２２は、センサチップ５０のピエゾ抵抗素子の配置を例示する図である。４つ力点５４ａ〜５４ｄに対応する各検知ブロックの所定位置には、ピエゾ抵抗素子配置されている。

【0149】

具体的には、図２１及び図２２を参照すると、力点５４ａに対応する検知ブロックにおいて、ピエゾ抵抗素子ＭｘＲ３及びＭｘＲ４は、検知用梁５３ａを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁５３ｃを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。又、ピエゾ抵抗素子ＦｙＲ３及びＦｙＲ４は、枠状の検知用梁５３ｂの開口部よりも検知用梁５３ａ側であって、かつ、検知用梁５３ｃを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。

【0150】

又、力点５４ｂに対応する検知ブロックにおいて、ピエゾ抵抗素子ＭｙＲ３及びＭｙＲ４は、検知用梁５３ｄを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁５３ｆを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。又、ピエゾ抵抗素子ＦｘＲ３及びＦｘＲ４は、枠状の検知用梁５３ｅの開口部よりも検知用梁５３ｄ側であって、かつ、検知用梁５３ｆを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。

【0151】

又、ＭｚＲ３及びＭｚＲ４は、検知用梁５３ｅよりも支持部５１ｅ側であって、かつ、検知用梁５３ｆを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。又、ＦｚＲ３及びＦｚＲ４は、検知用梁５３ｆを長手方向に二等分する線上であって、かつ、枠状の検知用梁５３ｅの開口部を長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。

【0152】

又、力点５４ｃに対応する検知ブロックにおいて、ピエゾ抵抗素子ＭｘＲ１及びＭｘＲ２は、検知用梁５３ｇを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁５３ｉを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。又、ピエゾ抵抗素子ＦｙＲ１及びＦｙＲ２は、枠状の検知用梁５３ｈの開口部よりも検知用梁５３ｇ側であって、かつ、検知用梁５３ｉを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。

【0153】

又、力点５４ｄに対応する検知ブロックにおいて、ピエゾ抵抗素子ＭｙＲ１及びＭｙＲ２は、検知用梁５３ｊを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁５３ｌを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。又、ピエゾ抵抗素子ＦｘＲ１及びＦｘＲ２は、枠状の検知用梁１３ｋの開口部よりも検知用梁５３ｊ側であって、かつ、検知用梁５３ｌを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。

【0154】

又、ＭｚＲ１及びＭｚＲ２は、検知用梁５３ｋよりも支持部５１ｅ側であって、かつ、検知用梁５３ｌを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。又、ＦｚＲ１及びＦｚＲ２は、検知用梁５３ｌを長手方向に二等分する線上であって、かつ、枠状の検知用梁５３ｋの開口部を長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。

【0155】

このように、センサチップ５０では、センサチップ１０と同様に、各検知ブロックに複数のピエゾ抵抗素子を分けて配置している。これにより、センサチップ１０と同様に、力点５４ａ〜５４ｄに印加（伝達）された力の向き（軸方向）に応じた、所定の梁に配置された複数のピエゾ抵抗素子の出力の変化に基づいて、所定の軸方向の変位を最大で６軸検知することができる。

【0156】

〈第１の実施の形態の変形例３〉
第１の実施の形態の変形例３では、起歪体を用いない力覚センサ装置の例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例３において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

【0157】

図２３は、第１の実施の形態の変形例３に係る力覚センサ装置を例示する斜視図である。図２３を参照するに、力覚センサ装置１Ｂは、センサチップ１０と、受力板６０と、パッケージ７０とを有している。センサチップ１０上に受力板６０が接合され、センサチップ１０はパッケージ７０内に保持されている。受力板６０は、例えば、ガラスにより形成することができる。パッケージ７０は、例えば、セラミックスにより形成することができる。

【0158】

受力板６０は、略円形状の本体６１と、本体６１の下面側に設けられた４つの突起部６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、及び６１ｄとを有している。突起部６１ａは、検知用梁１３ａの上面の、力点１４ａに対応する領域と接している。突起部６１ｂは、検知用梁１３ｊの上面の、力点１４ｄに対応する領域と接している。突起部６１ｃは、検知用梁１３ｇの上面の、力点１４ｃに対応する領域と接している。突起部６１ｄは、検知用梁１３ｄの上面の、力点１４ｂに対応する領域と接している。

【0159】

力覚センサ装置１Ｂでは、図２３のような構成とすることで、起歪体を用いずに、受力板６０を介してセンサチップ１０に外力を印加することができる。

【0160】

なお、力覚センサ装置１Ｂは、センサチップ１０の完成後に受力板６０を接合する製造プロセスとしてもよいし、以下のような製造プロセスとしてもよい。すなわち、センサチップ１０が形成されたダイシング前のセンサチップウェハに対して、受力板６０となるガラスウェハ（センサチップウェハと同サイズ）を陽極接合する。そして、陽極接合されたセンサチップウェハとガラスウェハを同時にダイシングすることで、センサチップ１０と受力板６０を同時に形成することができる。

【0161】

〈第１の実施の形態の変形例４〉
第１の実施の形態の変形例４では、起歪体を用いない力覚センサ装置の他の例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例４において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

【0162】

図２４は、第１の実施の形態の変形例４に係る力覚センサ装置を例示する斜視図である。図２４を参照するに、力覚センサ装置１Ｃは、センサチップ１０と、柱構造部８０とを有している。センサチップ１０は柱構造部８０上に接着されている。柱構造部８０は、例えば、シリコン、ガラス、金属等により形成することができる。

【0163】

柱構造部８０は、土台８１と、土台８１上に略等間隔で配置された９本の柱８２ａ〜８２ｉとを有している。柱８２ａ、８２ｃ、８２ｅ、及び８２ｇは、土台８１の四隅に配置されている。柱８２ｉは、土台８１の中央に配置されている。柱８２ｂは、柱８２ａと柱８２ｃとの間に配置されている。柱８２ｄは、柱８２ｃと柱８２ｅとの間に配置されている。柱８２ｆは、柱８２ｅと柱８２ｇとの間に配置されている。柱８２ｈは、柱８２ｇと柱８２ａとの間に配置されている。

【0164】

力覚センサ装置１Ｃでは、図２４のような構成とすることで、起歪体を用いずに、センサチップ１０に直接外力を印加することができる。なお、力覚センサ装置１Ｂと同様に、センサチップ１０上に受力板６０を設けてもよい。

【0165】

なお、力覚センサ装置１Ｃは、センサチップ１０の完成後に柱構造部８０を接合する製造プロセスとしてもよいし、以下のような製造プロセスとしてもよい。すなわち、センサチップ１０が形成されたダイシング前のセンサチップウェハに対して、柱構造部８０となるガラスウェハ又はシリコンウェハ（センサチップウェハと同サイズ）を陽極接合する。そして、陽極接合されたセンサチップウェハとガラスウェハ又はシリコンウェハを同時にダイシングすることで、センサチップ１０と柱構造部８０を同時に形成することができる。

【0166】

又、力覚センサ装置は、図２３に示す受力板６０と図２４に示す柱構造部８０の両方を備える構成としてもよい。この場合、例えば、センサチップ１０が形成されるセンサチップウェハの一方の面側に受力板６０となるガラスウェハを陽極接合し、他方の面側に柱構造部８０となるガラスウェハ又はシリコンウェハを陽極接合する。そして、陽極接合後に、受力板６０や柱構造部８０となるガラスウェハ又はシリコンウェハでセンサチップウェハを挟み込んだ状態でダイシングすることで、受力板６０、センサチップ１０、柱構造部８０を同時に形成することができる。

【0167】

〈第１の実施の形態の変形例５〉
第１の実施の形態の変形例５では、第１の実施の形態とは異なるセンサチップの他の例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例５において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

【0168】

図２５は、センサチップ１１０をＺ軸方向上側から視た図であり、図２５（ａ）は斜視図、図２５（ｂ）は平面図である。図２６は、センサチップ１１０をＺ軸方向下側から視た図であり、図２６（ａ）は斜視図、図２６（ｂ）は底面図である。図２６（ｂ）において、便宜上、同一高さの面を同一の梨地模様で示している。

【0169】

図２５及び図２６に示すセンサチップ１１０は、センサチップ１０と同様に、１チップで最大６軸を検知できるＭＥＭＳセンサチップであり、ＳＯＩ基板等の半導体基板から形成されている。センサチップ１１０の平面形状は、例えば、３０００μｍ角程度の正方形とすることができる。

【0170】

センサチップ１１０の基本的な梁構造は、センサチップ１０と同様である。センサチップ１１０の支持部１１１ａ〜１１１ｅは、センサチップ１０の支持部１１ａ〜１１ｅに相当する。

【0171】

同様に、センサチップ１１０の補強用梁１１２ａ〜１１２ｈは、センサチップ１０の補強用梁１２ａ〜１２ｈに相当する。同様に、センサチップ１１０の検知用梁１１３ａ〜１１３ｌは、センサチップ１０の検知用梁１３ａ〜１３ｌに相当する。同様に、センサチップ１１０の力点１１４ａ〜１１４ｄは、センサチップ１０の力点１４ａ〜１４ｄに相当する。

【0172】

センサチップ１１０では、第１の検知用梁（検知用梁１１３ａ、１１３ｄ、１１３ｇ、及び１１３ｊ）、並びに、第２の検知用梁（検知用梁１１３ｂ、１１３ｅ、１１３ｈ、及び１１３ｋ）の幅は、第３の検知用梁（検知用梁１１３ｃ、１１３ｆ、１１３ｉ、及び１１３ｌ）の幅よりも狭くなっている。

【0173】

又、第１の検知用梁（検知用梁１１３ａ、１１３ｄ、１１３ｇ、及び１１３ｊ）、並びに、第２の検知用梁（検知用梁１１３ｂ、１１３ｅ、１１３ｈ、及び１１３ｋ）の長さは、第３の検知用梁（検知用梁１１３ｃ、１１３ｆ、１１３ｉ、及び１１３ｌ）の長さよりも長くなっている。

【0174】

又、図２５を図３と比較すると、センサチップ１１０とセンサチップ１０では、検知用梁の幅や長さが異なっていることがわかる。例えば、検知用梁１１３ａは、検知用梁１３ａと比べて幅が狭くなり（０．６７倍程度）、長さが長くなっている（１．３６倍程度）。同様に、検知用梁１１３ｄ、１１３ｇ、及び１１３ｊは、検知用梁１３ｄ、１３ｇ、及び１３ｊと比べて幅が狭くなり（０．６７倍程度）、長さが長くなっている（１．３６倍程度）。

【0175】

又、検知用梁１１３ｂは、検知用梁１３ｂと比べて最細部の幅が狭くなり（０．４７倍程度）、長さが長くなっている（２．９倍程度）。同様に、検知用梁１１３ｅ、１１３ｈ、及び１１３ｋは、検知用梁１３ｅ、１３ｈ、及び１３ｋと比べて最細部の幅が狭くなり（０．４７倍程度）、長さが長くなっている（２．９倍程度）。但し、検知用梁１１３ｂ、１１３ｅ、１１３ｈ、及び１１３ｋにおいて、他の梁との接続部分は、強度を維持するために最細部よりも太めに形成されている。

【0176】

又、検知用梁１１３ｃは、検知用梁１３ｃと比べて長さが短くなっている（０．５倍程度）。検知用梁１１３ｃは、検知用梁１３ｃと比べて平均的な幅は同程度であるが、支持部１１１ｅ側に向かって徐々に縮幅する部分を有する点で相違する。同様に、検知用梁１１３ｆ、１１３ｉ、及び１１３ｌは、検知用梁１３ｆ、１３ｉ、及び１３ｌと比べて長さが短くなっている（０．５倍程度）。検知用梁１３ｆ、１３ｉ、及び１３ｌは、検知用梁１３ｃと比べて平均的な幅は同程度であるが、支持部１１１ｅ側に向かって徐々に縮幅する部分を有する点で相違する。

【0177】

又、検知用梁１１３ｃ、１１３ｆ、１１３ｉ、及び１１３ｌを短くして、検知用梁１１３ｂ、１１３ｅ、１１３ｈ、及び１１３ｋを検知用梁１１３ａ、１１３ｄ、１１３ｇ、及び１１３ｊに近つけたことにより、支持部１１１ｅの面積が支持部１１ｅの面積よりも大きくなっている。

【0178】

以上の相違点により、同じ歪（変位）が入力されたときに、検知用梁１１３ａ、１１３ｄ、１１３ｇ、及び１１３ｊは検知用梁１３ａ、１３ｄ、１３ｇ、及び１３ｊよりも梁に発生する応力を減少させ、検知用梁１１３ｂ、１１３ｅ、１１３ｈ、及び１１３ｋは検知用梁１３ｂ、１３ｅ、１３ｈ、及び１３ｋよりも梁に発生する応力を減少させることが可能となる。

【0179】

これにより、大きな歪（変位）が入力されたときに、検知用梁１１３ａ、１１３ｄ、１１３ｇ、及び１１３ｊの耐荷重を検知用梁１３ａ、１３ｄ、１３ｇ、及び１３ｊの耐荷重よりも大きくすることができる。又、検知用梁１１３ｂ、１１３ｅ、１１３ｈ、及び１１３ｋの耐荷重を検知用梁１３ｂ、１３ｅ、１３ｈ、及び１３ｋの耐荷重よりも大きくすることができる。

【0180】

特に、検知用梁１１３ｃ、１１３ｆ、１１３ｉ、及び１１３ｌを短くして、検知用梁１１３ｂ、１１３ｅ、１１３ｈ、及び１１３ｋを検知用梁１１３ａ、１１３ｄ、１１３ｇ、及び１１３ｊに近つけた効果が大きい。これにより、検知用梁１１３ｂ、１１３ｅ、１１３ｈ、及び１１３ｋを検知用梁１３ｂ、１３ｅ、１３ｈ、及び１３ｋと比べて大幅に細く長くできたため、弓なりに撓みやすくなって応力集中を緩和でき、検知用梁１１３ｂ、１１３ｅ、１１３ｈ、及び１１３ｋの耐荷重を大幅に向上することができる。

【0181】

図２７は、センサチップ１１０のピエゾ抵抗素子の配置を例示する図である。図２５及び図２７を参照すると、力点１４ａに対応する検知ブロックにおいて、ピエゾ抵抗素子ＭｘＲ３及びＭｘＲ４は、検知用梁１１３ａを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁１１３ａの検知用梁１１３ｃに近い領域において検知用梁１１３ｃを長手方向（Ｙ方向）に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。又、ピエゾ抵抗素子ＦｙＲ３及びＦｙＲ４は、検知用梁１１３ａを長手方向に二等分する線よりも補強用梁１１２ａ側であって、かつ、検知用梁１１３ａの検知用梁１１３ｃから遠い領域において検知用梁１１３ｃを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。

【0182】

又、力点１４ｂに対応する検知ブロックにおいて、ピエゾ抵抗素子ＭｙＲ３及びＭｙＲ４は、検知用梁１１３ｄを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁１１３ｄの検知用梁１１３ｆに近い領域において検知用梁１１３ｆを長手方向（Ｘ方向）に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。又、ピエゾ抵抗素子ＦｘＲ３及びＦｘＲ４は、検知用梁１１３ｄを長手方向に二等分する線よりも補強用梁１１２ｂ側であって、かつ、検知用梁１１３ｄの検知用梁１１３ｆから遠い領域において検知用梁１１３ｆを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。

【0183】

又、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ３及びＭｚＲ４は、検知用梁１１３ｄを長手方向に二等分する線よりも検知用梁１１３ｆ側であって、かつ、検知用梁１１３ｄの検知用梁１１３ｆに近い領域において検知用梁１１３ｆを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ２及びＦｚＲ３は、検知用梁１１３ｅを長手方向に二等分する線よりも支持部１１１ｅ側であって、かつ、検知用梁１１３ｅの検知用梁１１３ｆに近い領域において検知用梁１１３ｆを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。

【0184】

又、力点１４ｃに対応する検知ブロックにおいて、ピエゾ抵抗素子ＭｘＲ１及びＭｘＲ２は、検知用梁１１３ｇを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁１１３ｇの検知用梁１１３ｉに近い領域において検知用梁１１３ｉを長手方向（Ｙ方向）に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。又、ピエゾ抵抗素子ＦｙＲ１及びＦｙＲ２は、検知用梁１１３ｇを長手方向に二等分する線よりも補強用梁１１２ｃ側であって、かつ、検知用梁１１３ｇの検知用梁１１３ｉから遠い領域において検知用梁１１３ｉを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。

【0185】

又、力点１４ｄに対応する検知ブロックにおいて、ピエゾ抵抗素子ＭｙＲ１及びＭｙＲ２は、検知用梁１１３ｊを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁１１３ｊの検知用梁１１３ｌに近い領域において検知用梁１１３ｌを長手方向（Ｘ方向）に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。又、ピエゾ抵抗素子ＦｘＲ１及びＦｘＲ２は、検知用梁１１３ｊを長手方向に二等分する線よりも補強用梁１１２ｄ側であって、かつ、検知用梁１１３ｊの検知用梁１１３ｌから遠い領域において検知用梁１１３ｌを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。

【0186】

又、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ１及びＭｚＲ２は、検知用梁１１３ｊを長手方向に二等分する線よりも検知用梁１１３ｋ側であって、かつ、検知用梁１１３ｊの検知用梁１１３ｌに近い領域において検知用梁１１３ｌを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１及びＦｚＲ４は、検知用梁１１３ｋを長手方向に二等分する線よりも支持部１１１ｅ側であって、かつ、検知用梁１１３ｋの検知用梁１１３ｌから遠い領域において検知用梁１１３ｌを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。

【0187】

このように、センサチップ１１０では、センサチップ１０と同様に、各検知ブロックに複数のピエゾ抵抗素子を分けて配置している。これにより、センサチップ１０と同様に、力点１１４ａ〜１１４ｄに印加（伝達）された力の向き（軸方向）に応じた、所定の梁に配置された複数のピエゾ抵抗素子の抵抗の変化に基づいて、所定の軸方向の変位を最大で６軸検知することができる。

【0188】

なお、センサチップ１１０では、歪の検出に用いるピエゾ抵抗素子以外にも、ダミーのピエゾ抵抗素子が配置されている。ダミーのピエゾ抵抗素子は、歪の検出に用いるピエゾ抵抗素子も含めた全てのピエゾ抵抗素子が、支持部１１１ｅの中心に対して点対称となるように配置されている。

【0189】

図２８〜図３１は、センサチップ１１０における耐荷重の改善について説明する図である。図２８（ａ）は、センサチップ１０においてＸ軸方向の力Ｆｘを印加したときの応力発生分布のシミュレーション結果であり、右図は左図の破線部を拡大したものである。図２８（ｂ）は、センサチップ１１０においてＸ軸方向の力Ｆｘを印加したときの応力発生分布のシミュレーション結果であり、右図は左図の破線部を拡大したものである。

【0190】

図２８（ａ）に示すように、センサチップ１０では、短くて撓みにくい検知用梁１３ｋが応力集中部となっている。図２８（ｂ）に示すように、センサチップ１１０では、検知用梁１１３ｋを検知用梁１３ｋと比べて細く長くしている。合わせて、検知用梁１１３ｊを検知用梁１３ｊと比べて細く長くしている。

【0191】

以上は、検知用梁１１３ｋと検知用梁１３ｋ及び検知用梁１１３ｊと検知用梁１３ｊについて説明したが、検知用梁１１３ａと検知用梁１３ａ及び検知用梁１１３ｂと検知用梁１３ｂ、検知用梁１１３ｄと検知用梁１３ｄ及び検知用梁１１３ｅと検知用梁１３ｅ、検知用梁１１３ｇと検知用梁１３ｇ及び検知用梁１１３ｈと検知用梁１３ｈについても同様である。

【0192】

図２９に示す検知用梁１１３ｊの長さＬ_１と検知用梁１１３ｋの長さＬ_２との比（検知用梁１１３ａ、１１３ｄ、１１３ｇの長さと検知用梁１１３ｂ、１１３ｅ、１１３ｈの長さとの比も同様）、及び検知用梁１１３ｋの平均幅Ｗ_２と検知用梁１１３ｊの平均幅Ｗ_１との比（検知用梁１１３ｂ、１１３ｅ、１１３ｈの平均幅と検知用梁１１３ａ、１１３ｄ、１１３ｇの平均幅との比も同様）を調整することで、検知用梁に発生する最大応力をセンサチップ１０と同等以下にすることができる。

【0193】

図３０（ａ）は、センサチップ１０において図２８（ａ）に示す応力集中部に発生する最大応力を１００としたときの、センサチップ１１０の応力集中部に発生する最大応力を、Ｌ_２／Ｌ_１をパラメータとしてシミュレーションした結果である。図３０（ａ）において、横軸がＬ_２／Ｌ_１、縦軸が応力である。図３０（ｂ）は、図３０（ａ）においてＬ_２／Ｌ_１が０．３６以上０．８２以下のプロットについて、Ｗ_１／Ｗ_２とＬ_２／Ｌ_１との関係を示したものである。図３０（ｂ）において、横軸がＷ_１／Ｗ_２、縦軸がＬ_２／Ｌ_１である。

【0194】

図３０（ａ）及び図３０（ｂ）に示すように、Ｌ_２／Ｌ_１を０．３６以上０．８２以下とし、Ｗ_１／Ｗ_２を５．３以上３７．７以下とすることで、センサチップ１１０において、検知用梁に発生する最大応力をセンサチップ１０と同等以下にすることができる。

【0195】

このように、センサチップ１１０において、Ｗ_１／Ｗ_２とＬ_２／Ｌ_１との関係を選択して剛性を下げることで、検知用梁に発生する最大応力を低減することが可能となり、センサチップ１１０の耐荷重をセンサチップ１０よりも向上できる。Ｗ_１／Ｗ_２とＬ_２／Ｌ_１との関係を選択することで、例えば、図３１に示すように、センサチップ１１０では、センサチップ１０と比べて耐荷重を大幅に向上することができる（図３１の例では約１１倍）。

【0196】

図３２は、センサチップ１１０における感度の向上について説明する図である。図３２（ａ）及び図３２（ｂ）に示すように、センサチップ１１０では、センサチップ１０とは異なり、短くしたことで応力に対する変形が小さくなった検知用梁１１３ｌ（破線部）にはピエゾ抵抗素子を配置せず、検知用梁１１３ｊ及び１１３ｋの応力が最大になる位置の近傍にピエゾ抵抗素子を配置している。検知用梁１１３ｃ、１１３ｆ、及び１１３ｉについても同様である。

【0197】

その結果、図３２（ｃ）のシミュレーション結果に示すように、センサチップ１１０では、センサチップ１０よりも効率よく応力を取り込むことが可能となり、感度（同じ応力に対するピエゾ抵抗素子の抵抗変化）が向上する。

【0198】

すなわち、センサチップ１１０では、短くしたことで応力に対する変形が小さくなった検知用梁１１３ｃ、１１３ｆ、１１３ｉ、及び１１３ｌにはピエゾ抵抗素子を配置していない。その代り、検知用梁１１３ｃ、１１３ｆ、１１３ｉ、及び１１３ｌよりも細くて長く、弓なりに撓みやすい検知用梁１１３ａ、１１３ｄ、１１３ｇ、及び１１３ｊ、並びに検知用梁１１３ｂ、１１３ｅ、１１３ｈ、及び１１３ｋの応力が最大になる位置の近傍にピエゾ抵抗素子を配置している。その結果、センサチップ１１０では、効率よく応力を取り込むことが可能となり、感度（同じ応力に対するピエゾ抵抗素子の抵抗変化）を向上することができる。

【0199】

なお、図２９に示す検知用梁１１３ｊ（検知用梁１１３ａ、１１３ｄ、１１３ｇについても同様）のＢ側の梁幅をＡ側の梁幅の７５〜８０％の幅に設定し、Ａ側からＢ側に向けて先細る形状とすることで、センサ感度を向上させつつ、耐荷重を維持することができる。Ｂ側の梁幅がＡ側の梁幅の７５％以下になると、耐荷重が悪化し破損しやすくなる。又、Ｂ側の梁幅がＡ側の梁幅の８０％以上になるとセンサ感度が悪くなる。

【0200】

図３３及び図３４は、センサチップ１１０における他軸干渉（力とモーメントとの分離性）の改善について説明する図である。図３３に示すようにセンサチップ１１０においてＸ軸方向の力Ｆｘを印加したシミュレーションを行った結果、図３４（ａ）に示すような他軸特性が得られた。図３４（ｂ）はセンサチップ１０においてＸ軸方向の力Ｆｘを印加したシミュレーションを行った結果得られた他軸特性である。

【0201】

図３４（ａ）と図３４（ｂ）とを比較すると、図３４（ｂ）に示すセンサチップ１０では力Ｆｘを印加したときにモーメントＭｙの成分が出現しているが、図３４（ａ）に示すセンサチップ１１０では力Ｆｘを印加したときには、モーメントＭｙの成分を含めた他軸成分は略ゼロとなっている。

【0202】

図３４（ｂ）でモーメントＭｙの成分が出現している理由は、センサチップ１０の検知用梁１３ｂ、１３ｅ、１３ｈ、及び１３ｋが太く短いため横方向に変形し難い分、検知用梁１３ａ、１３ｄ、１３ｇ、及び１３ｊが上下方向に変形したためと考えられる。

【0203】

これに対して、センサチップ１１０の検知用梁１１３ｂ、１１３ｅ、１１３ｈ、及び１１３ｋはセンサチップ１０の検知用梁１３ｂ、１３ｅ、１３ｈ、及び１３ｋより細く長いため、厚みに対して横方向（Ｆｘ、Ｆｙ）や捻じれ方向（Ｍｘ、Ｍｙ）の変形が容易となり、検知用梁１１３ａ、１１３ｄ、１１３ｇ、及び１１３ｊが上下方向に変形しなくなる。その結果、図３４（ａ）に示すように、モーメントＭｙの成分が出現しなくなり、並進方向の力とモーメントとの分離性（すなわち、他軸特性）が向上したものと考えられる。

【0204】

（応力のシミュレーション）
図３５及び図３６は、力及びモーメントを印加した際にセンサチップ１１０に発生する応力についてのシミュレーション結果である。図３５及び図３６において、引張の垂直応力を『＋』、圧縮の垂直応力を『−』で示している。

【0205】

Ｘ軸に沿ってＸ１からＸ２の方向に力Ｆｘが印加された場合は、センサチップ１１０には図３５（ａ）のような応力が発生する。具体的には、力Ｆｘの印加により、検知用梁１１３ｄ及び１１３ｊが力Ｆｘの方向に歪む。

【0206】

ここで、ピエゾ抵抗素子ＦｘＲ１及びＦｘＲ２は、検知用梁１１３ｄの長手方向の中心よりもＸ１側に位置しているため、引張の垂直応力が発生して抵抗値が増加する。一方、ピエゾ抵抗素子ＦｘＲ３及びＦｘＲ４は、検知用梁１１３ｊの長手方向の中心よりもＸ２側に位置しているため、圧縮の垂直応力が発生して抵抗値が減少する。これにより、ピエゾ抵抗素子ＦｘＲ１〜ＦｘＲ４のバランスが崩れるため、図３５（ａ）に示すブリッジ回路から電圧が出力され、力Ｆｘを検出することができる。力Ｆｙについても同様である。

【0207】

Ｚ軸に沿ってＺ２からＺ１の方向（センサチップ１１０の表面側から裏面側）に力Ｆｚが印加された場合は、センサチップ１１０には図３５（ｂ）のような応力が発生する。具体的には、力Ｆｚの印加により、検知用梁１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｇ、１１３ｈ、１１３ｄ、１１３ｅ、１１３ｊ、１１３ｋ、１１３ｃ、１１３ｆ、１１３ｌ、及び１１３ｉが力Ｆｚの方向に歪む。

【0208】

ここで、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１及びＦｚＲ４には引張の垂直応力が発生して抵抗値が増加する。又、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ２及びＦｚＲ３には圧縮の垂直応力が発生して抵抗値が減少する。これにより、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１〜ＦｚＲ４のバランスが崩れるため、図３５（ｂ）に示すブリッジ回路により、力Ｆｚを検出することができる。

【0209】

Ｙ軸を回転軸としてＸ１−Ｚ２−Ｘ２の方向にモーメントＭｙが印加された場合は、センサチップ１１０には図３６（ａ）のような応力が発生する。具体的には、モーメントＭｙの印加により、検知用梁１１３ｄ及び１１３ｊがモーメントＭｙの方向に歪む。

【0210】

ここで、ピエゾ抵抗素子ＭｙＲ１及びＭｙＲ２には引張の垂直応力が発生して抵抗値が増加する。又、ピエゾ抵抗素子ＭｙＲ３及びＭｙＲ４には圧縮の垂直応力が発生して抵抗値が減少する。これにより、ピエゾ抵抗素子ＭｙＲ１〜ＭｙＲ４のバランスが崩れるため、図３６（ａ）に示すブリッジ回路により、モーメントＭｙを検出することができる。

【0211】

Ｚ軸を回転軸としてＸ２−Ｙ２−Ｘ１の方向にモーメントＭｚが印加された場合は、センサチップ１１０には図３６（ｂ）のような応力が発生する。具体的には、モーメントＭｚの印加により、検知用梁１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｇ、１１３ｈ、１１３ｄ、１１３ｅ、１１３ｊ、１１３ｋ、１１３ｃ、１１３ｆ、１１３ｌ、及び１１３ｉがモーメントＭｚの方向に歪む。

【0212】

ここで、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ１及びＭｚＲ４には引張の垂直応力が発生して抵抗値が増加する。又、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ２及びＭｚＲ３には圧縮の垂直応力が発生して抵抗値が減少する。これにより、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ１〜ＭｚＲ４のバランスが崩れるため、図３６（ｂ）に示すブリッジ回路により、モーメントＭｚを検出することができる。

【0213】

このように、センサチップ１１０では、力点に変位（力又はモーメント）が入力されると、入力に応じた曲げ及び捩れの応力が所定の検知用梁に発生する。発生した応力により検知用梁の所定位置に配置されたピエゾ抵抗素子の抵抗値が変化し、センサチップ１１０に形成された各ブリッジ回路からの出力電圧を電極１５から得ることができる。更に、電極１５の出力電圧は、入出力基板３０を経由して外部で得ることができる。

【0214】

又、センサチップ１１０では、１つの軸につき１個のブリッジ回路が形成されているため、出力の合成を伴わずに各軸の出力を得ることができる。これにより、複雑な計算や信号処理を必要としない簡易な方法で多軸の変位を検知して出力可能となる。

【0215】

又、ピエゾ抵抗素子を入力の種類により異なる検知用梁に分けて配置している。これにより、該当する検知用梁の剛性（厚みや幅）を変更することで、任意の軸の感度を独立して調整することができる。

【0216】

以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

【符号の説明】

【0217】

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 力覚センサ装置
１０、５０、１１０ センサチップ
１１ａ〜１１ｅ、５１ａ〜５１ｅ、１１１ａ〜１１１ｅ 支持部
１２ａ〜１２ｈ、５２ａ〜５２ｄ、１１２ａ〜１１２ｈ 補強用梁
１３ａ〜１３ｌ、５３ａ〜５３ｌ、１１３ａ〜１１３ｌ 検知用梁
１４ａ〜１４ｄ、５４ａ〜５４ｄ、１１４ａ〜１１４ｄ 力点
１５ 電極
１６ 配線
１７ 温度センサ
２０ 起歪体
２１、８１ 土台
２２ａ〜２２ｅ、２５ａ〜２５ｄ、８２ａ〜８２ｉ 柱
２３ａ〜２３ｄ、２６ａ〜２６ｄ 梁
２４ａ〜２４ｄ 入力部
２７ａ〜２７ｄ、６１ａ〜６１ｄ 突起部
３０ 入出力基板
４０、６０ 受力板
４０ｘ、４０ｙ 凹部
４１、４２ 接着剤
７０ パッケージ
８０ 柱構造部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34】

【図35】

【図36】