特開 2023-67575 小型３軸力覚センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023067575

(43)【公開日】2023-05-16

(54)【発明の名称】小型３軸力覚センサ

(51)【国際特許分類】

   G01L 5/1627 20200101AFI20230509BHJP

【ＦＩ】

G01L5/1627

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021178958

(22)【出願日】2021-11-01

(71)【出願人】

【識別番号】000173795

【氏名又は名称】公益財団法人電磁材料研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110000800

【氏名又は名称】弁理士法人創成国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】植竹 宏明

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 祥弘

【テーマコード（参考）】

2F051

【Ｆターム（参考）】

2F051AB09

2F051BA07

2F051DA03

2F051DB05

(57)【要約】

【課題】本発明は、３軸力覚センサであって、従来のセンサより小型であっても、フルブリッジ回路を構成する導電性部材の電気抵抗値を十分担保できるとともに、ノイズを低減した高精度な小型化可能な３軸力覚センサを提供する。
【解決手段】本発明の３軸力覚センサは、板状の基板と、前記基板の一面から突出するように設けられた突起部と、前記基板の一面から前記突起部の基端の周囲を囲むように円環状に窪んでいる溝を設けることで、形成される肉薄部としての起歪部と、前記突起部を設けた一面とは反対側の他面において、前記起歪部に相当する起歪領域の内周縁部及び外周縁部のそれぞれに沿って弧線状に延在し、かつ、４回回転対称性を有するように配置されている複数の導電性部材と、を備え、前記複数の導電性部材のそれぞれが、４回回転対称性を有するように配置される４個のフルブリッジ回路を構成している。
【選択図】 図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

板状の基板と、
前記基板の一面から突出するように設けられた突起部と、
前記基板の一面から前記突起部の基端の周囲を囲むように円環状に窪んでいる溝を設けることで、形成される肉薄部としての起歪部と、
前記突起部を設けた一面とは反対側の他面において、前記起歪部に相当する起歪領域の内周縁部及び外周縁部のそれぞれに沿って弧線状に延在し、かつ、４回回転対称性を有するように配置されている複数の導電性部材と、を備え、
前記複数の導電性部材のそれぞれが、４回回転対称性を有するように配置される４個のフルブリッジ回路を構成し、
前記フルブリッジ回路のそれぞれを構成する前記導電性部材のうち前記フルブリッジ回路のそれぞれの対辺をなす一の組が前記起歪領域の内周縁部に配置され、
前記フルブリッジ回路のそれぞれを構成する前記導電性部材のうち前記フルブリッジ回路のそれぞれの対辺をなす一の組とは別の他の組が前記起歪領域の外周縁部に配置されることを特徴とする３軸力覚センサ。

【請求項2】

請求項１記載の３軸力覚センサであって、
前記起歪領域の内周縁部に配置されている前記一の組の導電性部材のそれぞれが、互いに異なる円周上に沿って弧線状に延在して、配置されていることを特徴とする３軸力覚センサ。

【請求項3】

請求項１または２記載の３軸力覚センサであって、
前記起歪領域の外周縁部に配置されている前記一の組とは別の前記他の組の導電性部材のそれぞれが、互いに異なる周上に沿って弧線状に延在して、配置されていることを特徴とする３軸力覚センサ。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか１項記載の３軸力覚センサであって、
前記基板の他面に、前記導電性部材の端部を連結する連結部と、
前記４個のフルブリッジ回路のそれぞれに電源を供給する電源部と、
前記４個のフルブリッジ回路のそれぞれを接地するための接地部と、が設けられていることを特徴とする３軸力覚センサ。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか１項記載の３軸力覚センサであって、
前記基板の前記一面及び前記他面のそれぞれを機械的に固定するホルダ部と、
前記４個のフルブリッジ回路と電気信号を接続するためのセンサ基板と、を備えることを特徴とする３軸力覚センサ。

【請求項6】

請求項５に記載の３軸力覚センサであって、
前記ホルダ部に前記フルブリッジ回路の出力信号を増幅するアンプＩＣを備えたアンプ基板を有することを特徴とする３軸力覚センサ。

【請求項7】

請求項１～６のいずれか１項記載の３軸力覚センサであって、
前記起歪領域に配置された前記導電性部材の両端部が、ワイヤボンディングによってセンサ基板に接続されていることを特徴とする３軸力覚センサ。

【請求項8】

請求項１～７のいずれか１項記載の３軸力覚センサであって、
前記導電性部材がＣｒ薄膜により構成されていることを特徴とする３軸力覚センサ。

【請求項9】

請求項１～８のいずれか１項記載の３軸力覚センサであって、
前記一の組を構成する前記導電性部材のうち、前記起歪部を中心とした円の半径が短い円周上に配置される前記導電性部材の長さが、前期起歪部を中心とした円の半径が長い円周上に配置される前記導電性部材の長さよりも長く、
前記他の組を構成する前記導電性部材のうち、前期起歪部を中心とした円の半径が短い円周上に配置される前記導電性部材の長さが、前期起歪部を中心とした円の半径が長い円周上に配置される前記導電性部材の長さよりも短く構成されていることを特徴とする３軸力覚センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は小型化可能な３軸力覚センサに関し、該３軸力覚センサのための起歪する基板および基板の起歪領域における導電性部材の配置パターンに関する。

【背景技術】

【0002】

物体に加わる力を測定するために用いられる力センサは主に起歪体と起歪体に接、加わる力を電気的に変換させる導電性部材を備える。導電性部材は適当な歪ゲージを有し、歪に応じて電気抵抗値を変化させる。

【0003】

特に３軸方向の力のそれぞれを検知するための力センサが特許文献１で提案されている。特許文献１の力センサは３軸の力を受ける円柱部と円柱部によって受けた力によって歪を発生させる、起歪部を有している。起歪部で発生した歪を電気的に変換させるために歪ゲージからなるＣｒ基薄膜で構成された導電性部材を用いている。該導電性部材の配置を調整することで、各方向からの力を測定できるように構成されている。

【0004】

また、例えば特許文献２では、Ｃｒ基薄膜によって構成された導電性部材を単線状に構成し起歪体に接するように配置した力センサを用いた力センサアレイが提案されている。該力センサアレイに用いられている、個々の力センサは溝を有した起歪体の下面に導電性部材がブリッジ回路を構成するように配置されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１７－１６６８４７号公報

【特許文献2】特開２０２１－０６０２２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

力センサはウェアラブル端末（例えば、特開２０２１―０６７５５３号公報）などのＩＣＴ産業に応用されることが期待されることから、ウェアラブル端末など小型化に適した環境で利用可能な力センサが必要である。

【0007】

しかしながら、特許文献１及び特許文献２の力センサを小型化する場合、導電性部材そのものも小型になるため、電気抵抗値を十分な大きさにできなくなるという課題がある。電気抵抗値が十分な大きさとして担保されないと、センサの熱的な測定誤差や電磁気的な測定誤差が大きくなるため、センサとして十分に力を測定できなくなる。特に、電気抵抗値は導電性部材の長さに比例し、断面に反比例するが、３軸力覚センサにおける起歪体を１０ｍｍ以下で製造する場合、導電性部材の長さが十分ではなくなるため、電気抵抗値が安定せずに、測定の精度が低下する。従って、既存の３軸力覚センサの起歪体は１０ｍｍ以下安定して製造できないという課題がある。

【0008】

そこで、本発明は、３軸力覚センサであって、従来のセンサより小型であっても、フルブリッジ回路を構成するセンサの電気抵抗値を十分担保できるとともに、ノイズを低減した高精度かつ小型化可能な３軸力覚センサ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】

【0009】

（１）本発明の３軸力覚センサは、板状の基板と、前記基板の一面から突出するように設けられた突起部と、前記基板の一面から前記突起部の基端の周囲を囲むように円環状に窪んでいる溝を設けることで、形成される肉薄部としての起歪部と、前記突起部を設けた一面とは反対側の他面において、前記起歪部に相当する起歪領域の内周縁部及び外周縁部のそれぞれに沿って弧線状に延在し、かつ、４回回転対称性を有するように配置されている複数の導電性部材と、を備え、前記複数の導電性部材のそれぞれが、４回回転対称性を有するように配置される4個のフルブリッジ回路を構成し、前記フルブリッジ回路のそれぞれを構成する前記導電性部材のうち前記フルブリッジ回路のそれぞれの対辺をなす一の組が前記起歪領域の内周縁部に配置され、前記フルブリッジ回路のそれぞれを構成する前記導電性部材のうち前記フルブリッジ回路のそれぞれの対辺をなす一の組とは別の他の組が前記起歪領域の外周縁部に配置されることを特徴とする。

【0010】

かかる構成によれば、少なくとも突起部の上面および側面のいずれか一方から受ける力によって起歪部に歪を発生させることができる。起歪部に発生する歪の空間分布を４個のフルブリッジ回路によって測定するので、高精度かつ高感度の３軸力覚センサが実現される。また、フルブリッジ回路を構成する一の組の導電性部材を起歪領域の内周縁部に配置し、フルブリッジ回路を構成する他の組の導電性部材を起歪領域の外周縁部に配置し、各導電性部材を弧線状に延在するように形成する。よって、３軸力覚センサを１０ｍｍ以下ひいては、５ｍｍ程度まで小型にした場合であっても、限られた基板の空間内において各導電性部材の電気抵抗値はフルブリッジ回路を構成するうえで十分に担保される。さらに、各導電性部材を重ねて配置したり、折って配置したりすることがないので、導電性部材同士が接触することがなくなり、短絡の発生を抑制することができるので、小型化しても十分な耐久性を維持する。

【0011】

（２）また、本発明の３軸力覚センサにおいて、前記起歪領域の内周縁部に配置されている前記一の組の導電性部材のそれぞれが、互いに異なる円周上に沿って弧線状に延在して、配置されていることが好ましい。

【0012】

かかる構成によれば、内径が短い起歪領域であっても導電性部材に十分な電気抵抗値を担保するほどの長さが維持される。また、一の組を構成する２個の導電性部材が起歪領域の内周縁部に配置されるので、センサを小型にしても力を高精度に計測すること及び高耐久が実現される。

【0013】

（３）また、本発明の３軸力覚センサにおいて、前記起歪領域の外周縁部に配置されている前記一の組とは別の前記他の組の導電性部材のそれぞれが、互いに異なる周上に沿って弧線状に延在して、配置されていることが好ましい。

【0014】

かかる構成によれば、外径が短い起歪領域であっても導電性部材に十分な電気抵抗値を担保しうるほどの長さが維持されうる。また、他の組を構成する２個の導電性部材が起歪領域の外周縁部に配置されるので、センサを小型にしても力を高精度に計測すること及び高耐久が実現される。

【0015】

（４）また、本発明の３軸力覚センサにおいて、前記基板の他面に、前記導電性部材の端部を連結する連結部と、前記４個のフルブリッジ回路のそれぞれに電源を供給する電源部と、前記４個のフルブリッジ回路のそれぞれを接地するための接地部と、が設けられていることが好ましい。

【0016】

かかる構成によれば、連結部、電源部および接地部がセンサと一体となり構成されるので、３軸力覚センサの小型化を実現する。また、外部影響を低減できるので、高精度に力を測定できる。

【0017】

（５）また、本発明の３軸力覚センサは、前記基板の一面及び他面のそれぞれを機械的に固定する一組のホルダ部と、前記４個のフルブリッジ回路と電気信号を接続するためのセンサ基板と、を備えることが好ましい。

【0018】

かかる構成によれば、ホルダ部およびセンサ基板がセンサと一体となり構成されるので、３軸力覚センサの小型化を実現する。また、外部影響を低減できるので、高精度に力を測定できる。

【0019】

（６）また、本発明の３軸力覚センサは、前記ホルダ部に前記フルブリッジ回路の出力信号を増幅するアンプＩＣを備えたアンプ基板を有することが好ましい。

【0020】

かかる構成によれば、アンプ基板がセンサと一体となり構成されるので、３軸力覚センサの小型化を実現する。また、外部影響を低減できるので、高精度に力を測定できる。さらにアンプ基板を内蔵することで高感度の力センサが実現される。

【0021】

（７）また、本発明の３軸力覚センサにおいて、前記基板上に配置された前記導電性部材の両端部が、ワイヤボンディングによって前記センサ基板に接続されていることが好ましい。

【0022】

かかる構成によれば、ワイヤボンディングを用いて、接続するので、小型であっても短絡を低減でき、高耐久性を備えたセンサを実現する。

【0023】

（８）また、本発明の３軸力覚センサにおいて、前記導電性部材がＣｒ基薄膜により構成されていることが好ましい。

【0024】

かかる構成によれば、Ｃｒ薄膜からなる導電性部材が用いられるので、高感度であり、３軸の力を高精度で計測する。

【0025】

（９）また、本発明の３軸力覚センサにおいて、前記一の組を構成する前記導電性部材のうち、前記起歪部を中心とした円の半径が短い円周上に配置される前記導電性部材の長さが、前期起歪部を中心とした円の半径が長い円周上に配置される前記導電性部材の長さよりも長く、前記他の組を構成する前記導電性部材のうち、前期起歪部を中心とした円の半径が短い円周上に配置される前記導電性部材の長さが、前期起歪部を中心とした円の半径が長い円周上に配置される前記導電性部材の長さよりも短く構成されていることが好ましい。

【0026】

かかる構成によれば、起歪領域の内周縁部であっても、内周縁部の最近傍に位置する導電性部材の長さが電気抵抗値を十分な大きさに担保するための、長さとすることができる。また、隣接する別の導電性部材と接することがないため、短絡など影響を削減し、耐久性を向上できる。さらに、十分な断面積を有するので、製造時の電気抵抗値のばらつき抑制でき、小型であってもノイズや誤差を低減し、高精度で計測するセンサが提供される。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】本発明の３軸力覚センサの基板の概略構成を示す図である。

【図2】本発明の３軸力覚センサの第１実施形態に係る導電性部材の配置の概略構成を示す図である。

【図3】図２のうち一のフルブリッジ回路を拡大した拡大図である。

【図4】図３のフルブリッジ回路に係る回路図である。

【図5】本発明の３軸力覚センサの第２実施形態に係る導電性部材の配置の概略構成を示す図である。

【図6】図５のうち一のフルブリッジ回路を拡大した拡大図である。

【図7】図６のフルブリッジ回路に係る回路図である。

【図8】有限要素法のシミュレーションによって得られた基板の垂直荷重とひずみの関係を示す図である。

【図9】有限要素法のシミュレーションによって得られた基板の水平荷重とひずみの関係を示す図である。

【図10】本発明の３軸力覚センサのセンサヘッドを示す図である。

【図11A】本発明の３軸力覚センサのセンサヘッドとセンサ基板及び一部の連結線の位置関係を基板の他面の上面からみたときの模式的な図である。

【図11B】本発明の３軸力覚センサのセンサヘッドとセンサ基板及び一部の連結線の位置関係を示す模式図である。

【図12】Ｚ方向荷重印加時の荷重と各フルブリッジから得られる出力との関係を示す図である。

【図13A】Ｘ方向荷重印加時の荷重と各フルブリッジから得られるブリッジ出力との関係を示す図である。

【図13B】Ｘ方向荷重印加時の荷重と各フルブリッジから得られるアンプ出力との関係を示す図である。

【図14A】Ｙ方向荷重印加時の荷重と各フルブリッジから得られるブリッジ出力との関係を示す図である。

【図14B】Ｙ方向荷重印加時の荷重と各フルブリッジから得られるアンプ出力との関係を示す図である。

【図15A】各導電性部材の荷重と電気抵抗値の実測値との関係を示す図である。

【図15B】各導電性部材の荷重と電気抵抗値のシミュレーション値との関係を示す図である。

【図16】各導電性部材の電気抵抗値変化の感度係数依存性を示す図である。

【図17A】本発明の第1実施形態に係る導電性部材の配置においてワイヤボンディングの数を低減した際の概略構成を示す図である。

【図17B】本発明の第1実施形態に係る導電性部材の配置においてワイヤボンディングの数をさらに低減した際の概略構成を示す図である。

【図18A】本発明の第２実施形態に係る導電性部材の配置においてワイヤボンディングの数を低減した際の概略構成を示す図である。

【図18B】本発明の第２実施形態に係る導電性部材の配置においてワイヤボンディングの数をさらに低減した際の概略構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

以下、本発明の３軸力覚センサの実施形態は次の説明及び図面を用いることで説明される。図１Ａは、本発明の３軸力覚センサの一面１０の上方からみた上面図である。本発明の３軸力覚センサは、基板１と、基板１の一面１０から突出するように形成される突起部２と、基板１の一面１０に、突起部２の基端の周囲を囲む円環状に窪んでいる溝を設けることで、形成される肉薄部としての起歪部３を有する。図１ＡのＡＡ断面図である図１Ｂに示すように、起歪部３を形成する溝は基板１の一面１０にＵ字断面を有するように設けられる。３軸力覚センサの構成要素の位置および姿勢の説明のため、基板１の幾何重心を極点とする３次元円筒座標系（ｒ、θ、Ｚ）を用いる。

【0029】

基板１の外郭形状は円柱として構成されるが、これに限られない。基板１の外郭形状は角柱など測定環境に対して最適な形状となる任意の形状であってもよい。突起部２の形状は一面１０側に凸面を有した円柱として形成されるが、これに限らない。突起部２の一面１０側の面が平面であってもよいし凹面であってもよい。また、突起部２の形状は任意の角柱、円錐台、角錐台、円錐、角錐、その他本発明の３軸力覚センサが使用される場所に沿って最適な形状を有してもよい。突起部２は基板１に一体として形成されるが、これに限らず、ネジによる螺着や、圧入による接着など様々な方法で形成できるような構造であっても良い。起歪部３の一面１０の上部からみた形状は円環として、形成されるが、これに限られない。起歪部３の一面１０の上部からみた形状は四角形や三角形など任意の形状の辺に沿った、環状構造を有してもよい。また、起歪部３の厚さは基板１の起歪部３以外の領域の厚さよりも薄く形成される。起歪部３の厚さを一定に維持してもよいし、厚さが径に沿って連続的または非連続的に変化してもよい。その他、基板１の厚さおよび構造は、所定の歪を発生させる観点から調整される。基板１の材料としては、所定の弾性率を有した材料が選択される。基板１の材料として、所定の弾性率と耐食性を備えた金属材料を通常用いるが、金属材料に限らず、セラミックやゴムなどの有機材料をも用いることができる。

【0030】

突起部２および基板１のいずれか一方に力が加わると、起歪部３に歪が発生するが、所定の力以上の荷重が加わると起歪部３の破損につながる。そのため、起歪部３の厚さは、加わる最大荷重に対して耐えうるように調整される。好ましくは、加わる最大荷重によって発生するミーゼス応力の３倍以上の安全率が担保しうるように調整される。

【0031】

続いて、本発明の３軸力覚センサの一面１０側の面とは反対側の面である他面１１の上面からみた図である図２で示すように、本発明の３軸力覚センサの基板１の他面１１に設けられ、起歪部３に接するように配置される導電性部材４が備えられる。導電性部材４は起歪部３で発生した歪を電気的に測定するために利用される。

【0032】

導電性部材４は、例えば、特許文献１に記載されているＣｒおよび不可避不純物からなるＣｒ薄膜、または、Ｃｒ、Ｎおよび不可避不純物からなるＣｒ－Ｎ薄膜により構成されている。Ｃｒ－Ｎ薄膜は、例えば、一般式Ｃｒ_{1 0 0-x}Ｎ_xで表され、組成比ｘは原子％で０．０００１≦ｘ≦３０である。

【0033】

また、導電性部材４は、一般式Ｃｒ_{1 0 0-x}Ｍｎ_ｘ（ｘは原子％であり、０．１≦ｘ≦３４である）または一般式Ｃｒ_{1 0 0-x}Ａｌ_x（ｘは原子％であり、４≦ｘ≦２５である）で表されるＣｒ薄膜により構成されていてもよい。導電性部材４は、一般式Ｃｒ_{1 0 0-x-y}Ａｌ_xＮ_y（ｘ、ｙは原子％であり、４≦ｘ≦２５、０．１≦ｙ≦２０である。）で表されるＣｒ薄膜により構成されていてもよい。Ｃｒ－Ｎ薄膜は、抵抗温度係数（ＴＣＲ）が極めて小さいため（＜±５０ｐｐｍ／℃）、温度変化に対して安定であるため、圧力感度及び圧力測定精度は温度に依存しない。

【0034】

本発明の実施形態の好ましい例では、導電性部材４はＣｒ－Ｎ膜であり、約０．１μｍの厚みでスパッタ成膜される。成膜は、Ｃｒターゲットを用い、Ａｒガスに適量のＮ２ガスを添加した反応性スパッタリングによって行われる。成膜後、ポジレジストを用いて所定のパターンを形成した後に、Ｃｒのエッチング薬液を用いてウエットエッチングを行い不要な部分を除去し、Ｃｒ－Ｎからなる導電性部材４を得る。

【0035】

導電性部材４を構成するＣｒ薄膜またはＣｒ－Ｎ薄膜を成膜する手法は特に限定されないが、Ｃｒ薄膜またはＣｒ－Ｎ薄膜の形成が可能な合金を原料とした蒸着法、ＣｒターゲットまたはＣｒ－Ｎ薄膜の形成が可能な合金ターゲット、複合ターゲットまたは多元ターゲットを用いたスパッタリング法、Ｃｒ－Ｎ薄膜の場合は、窒素ガスを含む成膜雰囲気を用いた反応性スパッタリング法、上記薄膜の形成が可能な原料を用いた気相輸送法、もしくはめっきを含む液相法等により成膜してもよい。また、このような薄膜を形成する際に、マスク法などを用いて所望の形状の薄膜を形成してもよいし、薄膜を形成した後、ドライエッチング（プラズマエッチング、スパッタエッチング等）、化学エッチング（腐食法）、リフトオフ法、レーザトリミング法などのエッチングまたはトリミング加工などを施すことにより測定装置に対して最適な形状に加工してもよい。さらに、Ｃｒ薄膜またはＣｒ－Ｎ薄膜は成膜したままで使用してもよいが、大気中、非酸化性ガス中、還元性ガス中または真空中で２００℃以上１０００℃以下の温度の加熱処理を行うことが好ましい。

【0036】

導電性部材４は、４個のフルブリッジ回路４０、４１、４２、４３のそれぞれを構成する。４個のフルブリッジ回路４０、４１、４２、４３のそれぞれは基板１の極を基準にして４回回転対称性を有しており、起歪部３を４等分するように配置されている。フルブリッジ回路４０、４１、４２、４３のそれぞれは４個の導電性部材４によって構成される。この時、導電性部材４００、４０１、４０２、４０３はフルブリッジ回路４０を構成し、導電性部材４１０、４１１、４１２、４１３はフルブリッジ回路４１を構成し、導電性部材４２０、４２１、４２２、４２３はフルブリッジ回路４２を構成し、導電性部材４３０、４３１、４３２、４３３はフルブリッジ回路４３を構成する。また、導電性部材４のそれぞれは弧線状に延在するように形成される。

【0037】

図２は本発明の第１実施形態に係る３軸力覚センサに導電性部材４を設けたときの基板１の他面１１の上部からみた上面図である。フルブリッジ回路４０を構成する導電性部材４のうち、導電性部材４０３および導電性部材４０１は、起歪部３の起歪領域の内周縁部に互いに径方向に隣接するように配置され、導電性部材４００および導電性部材４０２は、起歪部３の起歪領域の外周縁部に互いに径方向に隣接するように配置される。ここで、導電性部材４０３および導電性部材４０１がブリッジの対辺を構成する一の組であり、導電性部材４００および導電性部材４０２がもう一の組とは別の対辺を構成する他の組である。フルブリッジ回路４１、４２、４３のそれぞれを構成する導電性部材４１０～４１３、４２０～４２３、４３０～４３３のそれぞれもフルブリッジ回路４０と同様に配置される。

【0038】

図５は本発明の第２実施形態に係る３軸力覚センサに導電性部材４を設けたときの基板１の他面１１の上部からみた上面図である。フルブリッジ回路４０を構成する導電性部材のうち、導電性部材４０３および導電性部材４０１は、起歪部３の起歪領域の内周縁部に互いに径方向に隣接するように配置され、導電性部材４００および導電性部材４０２は、起歪部３の起歪領域の外周縁部に互いに周方向に隣接するように配置される。ここで、導電性部材４０３および導電性部材４０１がブリッジの対辺を構成する一の組であり、導電性部材４００および導電性部材４０２が一の組とは別の対辺を構成する他の組である。フルブリッジ回路４１、４２、４３のそれぞれを構成する導電性部材４１０～４１３、４２０～４２３、４３０～４３３のそれぞれもフルブリッジ回路４０と同様に配置される。

【0039】

以下、重複の記載の観点から、フルブリッジ回路４０のみを説明するが、フルブリッジ回路４１、４２、４３のそれぞれも、フルブリッジ回路４０と同様に構成される。図３には、本発明の第１実施形態に係る３軸力覚センサの４個のフルブリッジのうち、フルブリッジ回路４０を拡大した図であり、図４は第1実施形態に係るフルブリッジ回路４０の回路を示す回路図である。図６には、本発明の第２実施形態に係る３軸力覚センサの４個のフルブリッジのうち、フルブリッジ回路４０を拡大した図であり、図７は第２実施形態に係るフルブリッジ回路４０の回路を示す回路図である。第１実施形態では、フルブリッジ回路４０を構成する一の組の導電性部材４０３および導電性部材４０１のそれぞれは互いに異なる円周上に沿った略９０度の弧線状に延在するように配置され、他の組の導電性部材４００および導電性部材４０２のそれぞれは互いに異なる円周上に沿った略９０度の弧線状に延在するように配置される。第２実施形態では、フルブリッジ回路４０を構成する一の組の導電性部材４０３および導電性部材４０１のそれぞれは互いに異なる円周上に沿った略９０度の弧線状に延在するように配置され、他の組の導電性部材４００および導電性部材４０２のそれぞれは同じ円周上に沿った略４５度の弧線状に延在するように配置される。

【0040】

本発明の各導電性部材４の長さ及び断面積は起歪部３の径方向に沿って調整される。起歪部３の内径及び外径が短くなると、導電性部材４を電気的に接続する電極パッド５の大きさにより配置が困難になる。そこで、フルブリッジ回路４０を構成する導電性部材のうち、一の組を構成する導電性部材４０３及び導電性部材４０１うち、起歪部３を中心とした円の半径が短い円周上に配置される導電性部材４０３長さが、起歪部３を中心とした円の半径が長い円周上に配置される導電性部材４０１よりも長く構成されることが好ましいが、この限りではない。導電性部材４０３の長さは導電性部材４０１の長さと同じであってもよいし、導電性部材４０３の長さは導電性部材４０１の長さよりも短くてもよい。また、フルブリッジ回路４０を構成する導電性部材のうち、他の組を構成する導電性部材４０２及び導電性部材４００うち、起歪部３を中心とした円の半径が短い円周上に配置される導電性部材４０２の長さが、起歪部３を中心とした円の半径が長い円周上に配置される導電性部材４００の長さよりも長く構成されることが好ましいが、この限りではない。導電性部材４０２の長さは導電性部材４００の長さと同じであってもよいし、導電性部材４０２の長さは導電性部材４００の長さよりも短くてもよい。また、本発明の第２実施形態に係る３軸力覚センサの導電性部材４００および導電性部材４０２は同じ円周上に配置されるので、同じ円周上にある導電性部材４００および導電性部材４０２の長さ及び断面積をそれぞれ同じにするが、これに限られず、同じ電気抵抗値になるように断面積及び長さが調整されてもよい。

【0041】

また、各導電性部材４の断面積は各導電性部材４の電気抵抗値が同じになるように調整される。電気抵抗値は長さに比例し断面積に反比例するので、導電性部材４０１の断面積は導電性部材４０３の断面積よりも小さく、導電性部材４００の断面積は導電性部材４０２の断面積よりも大きいことが好ましいが、これに限らず、各導電性部材の長さに応じて調整される。

【0042】

続いて、電極パッド５が形成される。好ましい実施形態においては、ポジレジストを塗布し、パッド電極部を露光及び現像してレジストパターンが形成され、電極パッド５の材料となるＴｉ及びＡｕがスパッタによって連続成膜され、リフトオフ法により不要部が除去され、最終洗浄が行われる。このようにして、他面１１に、４個のフルブリッジ回路４０、４１、４２および４３のそれぞれが所定の位置に形成される。

【0043】

図１０は本発明のセンサヘッドを表す図である。本発明の３軸力覚センサは、基板１を固定するためのホルダ部７を有する。ホルダ部７は基板１の一面１０から固定するトップホルダ７０と他面１１から固定するボトムホルダ７１を有する。

【0044】

トップホルダ７０は略矩形板状であって、トップホルダ７０の一面７００から他面７０１へ貫通した孔７０４を備える。孔７０４の一面７００の上面からみた形状は円であるが、孔７０４の半径はトップホルダの一面７００から他面７０１に向かって断続的に増加する。この時、孔７０４は、トップホルダ７０の一面７００側に設けられ、半径が基板１の起歪部３の外径よりも長く、基板１の半径より短くなるように構成される貫通部７０５と、トップホルダ７０の他面７０１側に設けられ、半径が基板１の半径と略同一になるように構成されるザグリ部７０６とを有する。軸線方向について、ザグリ部７０６の深さの位置については、後述するボトムホルダ７１と組み合わせたときに、基板1の起歪部３の外側にある環状部分の一面１０と当接することを条件として、様々に変更されてもよい。また、貫通部７０５およびザグリ部７０６をトップホルダ７０の一面７００の上部からみた形状の中心は、起歪部３を基板１の一面１０の上部からみた形状の中心と一致するように設けられる。

【0045】

ボトムホルダ７１は略矩形状の板７１２と、板７１２の4つの隅角部から板７１２の他面７１１に突出するように形成される4本の突出部７１７とを有する。板７１２は、板７１２の一面７１０から他面７１１へ貫通する孔７１４を備える。孔７１４の一面７１０の上面からみた形状は円であるが、孔７１４の半径はボトムホルダ７１の一面７１０から他面７１１に向かって断続的に増加する。この時、孔７１４は、板７１２の他面７１１側に設けられ、半径が基板１の起歪部３の外径よりも長く、基板１の半径より短くなるように構成される貫通部７１５と、ボトムホルダ７１の一面７１０側に設けられ、半径が基板１の半径と略同一になるように構成されるザグリ部７１６とを有する。軸線方向について、ザグリ部７１６の深さの位置については、トップホルダ７０と組み合わせたときに、基板1の起歪部３の外側にある環状部分の他面１１と当接することを条件として、様々に変更されてもよい。また、貫通部７１５およびザグリ部７１６を板７１２の一面７００の上部からみた形状の中心は、起歪部３を基板１の一面１０の上部からみた形状の中心と一致するように設けられる。また、図１１Ａに示されているように、突出部７１７はボトムホルダ７１の中心に最も近い一の隅角部が外側にえぐれたような、略四角柱状である。

【0046】

基板1のフルブリッジ回路４０、４１、４２、４３のそれぞれが形成されている他面1１は、ボトムホルダ７１のザグリ部７１６に挿入され、同じく、ザグリ部７０６が形成されたトップホルダ７０を基板1の突起部２が形成されている一面１０から被せて、挟み込む。続いて、複数のネジによって、トップホルダ７０およびボトムホルダ７１を螺着する。当該構成によって、基板1の挿入位置の調整が容易になり、基板1のホルダ７内での回転および移動を抑制した構造にできる。また、当該構成によって、ホルダ部を機械的に固定されるので、基板1の一面１０および他面１１のうち、トップホルダ７０とボトムホルダ７１とが当接されている領域が固定境界条件になる。

【0047】

また、ボトムホルダ７１の板７１２は、基板１を保持する一面７１０とは別の他面７１１に開口した貫通部７１５が設けられ、貫通部７１５に各フルブリッジ回路４０～４３に電源や接地を提供するセンサ基板７２および各フルブリッジ回路４０～４３から得られた信号を増幅するアンプ基板７３と各フルブリッジ回路４０～４３を連結する接続線７５が設けられている。アンプ基板７３とセンサ基板７２のそれぞれは、図１１Ａに示されているように、4つの突出部７１７を避けるように略十字状に形成され、かつ、図１１Ｂに示されているように、当該4つの突出部７１７により水平な姿勢で支持されている。基板１の一面１０の向いている軸方向をZ軸とした場合、ホルダ部は、トップホルダ７０、基板１、ボトムホルダ７１の板７１２、センサ基板７２、アンプ基板７３の順で構成される。耐ノイズ性を高める為にセンサ基板７２直下にアンプ基板７３が配置されているが、これに限らず、センサ基板７２とアンプ基板７３の順番を逆にしてもよい。

【0048】

図１１は基板１の各フルブリッジ回路４０～４３とセンサ基板７２に接続する概要図を示す図である。接続するための接続線７５はＡｕ線をワイヤボンディングによって接続されることが好ましいが、この限りではなく、異方性導電材料（ＡＣＰ、ＡＣＦ等）を用いて接続してもよい。センサ基板７２は、円形の開口を有し、ワイヤボンディングのキャピラリーはその開口を往復して配線を接続する。接続線７５の配線作業終了後に、センサ基板７２のボンディング部にエポキシ樹脂によりポッティングを実施し、接続線７５の剥離を防止することが好ましい。

【0049】

センサ基板７２と基板の各フルブリッジ回路４０～４３の接続後、センサ基板７２上に接着層を設け、その後、アンプ基板７３が接着される。アンプ基板７３には略矩形状の増幅用のアンプＩＣが実装されている。センサ基板から出力される4個のブリッジ出力は、アンプＩＣの入力側に接続されており、所定の倍率で増幅される。アンプＩＣは増幅率を選択できるように設計される。アンプ基板７３は、外部に対して、出力線として増幅された４本のアナログ信号と、電源部及び接地部の合計６本の線が接続されていることが好ましい。この６本の線は、外部のデータ収集システムや制御装置に接続されて用いられる。尚、前記センサ基板及びアンプ基板は４層構造基板とし、２つの層を信号線層、残りを電源線層と接地層とすることが好ましい。

【0050】

また、ワイヤボンディングは通常、１つのフルブリッジ回路に対して、電源部６１は２個、接地部６２は２個、正のブリッジ出力部は２個、負のブリッジ出力部は２個であり、合計８個のボンディングをして接続され、ワイヤボンディングの数は合計３２個であるが、これに限らない。前述したリソグラフィによるパターン形成工程において、４個の導電性部材を所定の配置方法で接続する連結部６３も備えたフォトマスクを用いて製作することで、後工程のワイヤボンディングの数を削減してもよい。

【0051】

例えば、図１７Ａで示されているように、１つのフルブリッジ回路４０に対してワイヤボンディング数を６個にしたものが考えられる。ブリッジの正の出力同士、負の出力同士が連結部６３で接続されている。連結部６３の任意の位置でワイヤボンディングすれば良く、図１７Ａでは、ワイヤボンディング位置が連結部６３の中央に配置されている。この場合、４個のフルブリッジ回路４０、４１、４２、４３に対して、ワイヤボンディング数は２４個になる。

【0052】

また、例えば、図１８Ａで示されているように、１つのフルブリッジ回路に対してワイヤボンディング数を４個にしたものも考えられる。電源部６１を１個、接地部６２を１個、正のブリッジ出力部を１個、負のブリッジ出力部を１個にし、連結部６３を起歪部３だけでなく、起歪領域の外側に設けることで４個のフルブリッジ回路４０、４１、４２、４３に対してワイヤボンディング数は合計１６個になる。

【0053】

その他、例えば、前述のリソグラフィにおけるパターン形成工程において、連結部６３の他に、４個のフルブリッジ回路４０、４１、４２および４３のそれぞれに共通して接続される電源部６１と接地部６２を合わせて形成すると、ワイヤボンディングの数は更に削減できる。図１７Ｂは、ワイヤボンディング数を１８個とした場合である。図１７Ａの実施形態と比較して図１７Ｂの実施形態では、ワイヤボンディング数が２４個から１８個に削減している。導電性部材４００の外側に電源部６１を設け、基板１の中心領域に接地部６２が切り欠きを有する円環状に配置されている。ワイヤボンディングの内訳を詳細に説明すれば、１つのフルブリッジに対して電源部６１は１個、接地部６２は１個、正のブリッジ出力部は１個、負のブリッジ出力部は１個の合計４個で、４個のフルブリッジ回路４０、４１、４２、４３に対して合計１６個になり、更に共通パターンとなる電源部６１および接地部６２に各１個必要となり、前者と合わせて合計１８になる。なお、図示しないが、導電性部材４００と導電性部材４０２の間、もしくは導電性部材４０１と導電性部材４０３の間に、共通の電源部６１からの線を配置して、導電性部材４０１の片側の電極パッド５に接続した連結部６３を設けると、各フルブリッジ回路４０、４１、４２、４３に必要なワイヤボンディング数は、接地部６２を１個、正のブリッジ出力部を１個、負のブリッジ出力部を１個の合計３個となり、４個のブリッジで合計１２個となり、共通パターンとなる電源部６１と接地部６２の各１個と合わせて、合計１４個となる。

【0054】

さらに、例えば、図１８Ｂのように、図１８Ａに対して、共通となる電源部６１と接地部６２を前述と同様に配置することも考えられる。この場合、各フルブリッジ回路４０、４１、４２および４３のそれぞれにおけるワイヤボンディング数は、正のブリッジ出力部と負のブリッジ出力部の２個のみで、４個のフルブリッジ４０、４１、４２、４３に対しては合計８個となる。共通のパターンとなる電源部６１と接地部６２のパターンの各１個を加えて、ワイヤボンディング数は合計１０個にすることもできる。

【0055】

共通となる電源部６１と接地部６２は、その膜厚を厚くすることや、この共通パターンに接続するワイヤボンディング線の径を太くするなどの対策が合わせて実施されることが好ましいが、この限りではない。なお、電源部６１と接地部６２のパターンの配置は、接地部６２を外側にして、電源部６１を内側に配置することも可能であり、導電性部材４００、４０１、４０２および４０３のそれぞれの配置を妨げず、かつ、ホルダ部７との絶縁が成り立つ範囲で調整可能である。また、各電源部６１、接地部６２、正のブリッジ出力部、負のブリッジ出力部の領域は円環状に限らず、任意の形状に調整されてもよい。

【0056】

なお、本発明は上記実施形態に限らず、本発明の技術的思想内で当該分野の通常の知識を有する者によってその変形や改良が可能である。

【実施例0057】

（基板１の形成）
以下、本発明の実施例について説明する。実施例は第１実施形態に則された形で構成される。ＳＵＳ３１６Ｌを用いた直径５．４ｍｍ、平坦部の厚さ１．２ｍｍの円板状の基板１の一面１０に、外径２ｍｍ、中央部の高さ２．７ｍｍの突起部２を基板１の中央部に一体的に形成し、突起部２の基端の周囲を囲む、内径２ｍｍ、外径３ｍｍ、深さ０．９ｍｍの溝を設けることで、円環状の０．３ｍｍ薄の起歪部３を形成した。一方、基板１の他面１１は溝加工後に平坦度の修正と鏡面加工が施され、表面粗さは算術平均粗さＲａが１ｎｍ以下に仕上げられている。

【0058】

（フルブリッジ回路の形成）
基板１の他面１１には、４個のフルブリッジ回路４０～４３が基板１の中心を基準にして４回回転対称性を有するように配置される。フルブリッジ回路４０は４個の略９０度の弧線状に延在するように形成される導電性部材４００～４０３から構成される。同様に、フルブリッジ回路４１、４２及び４３のそれぞれも４個の略９０度の弧線状に延在するように形成される導電性部材４１０～４１３、４２０～４２３、及び４３０～４３３のそれぞれから構成される。

【0059】

以下、重複の観点から、フルブリッジ回路４０のみを説明するが、特に言及がない場合、他のフルブリッジ回路４１～４３も同様である。また、導電性部材４００、４０１、４０２及び４０３のそれぞれの説明も、特に言及がない場合導電性部材４１０、４１１、４１２及び４１３のそれぞれ、導電性部材４２０、４２１、４２２及び４２３のそれぞれ並びに導電性部材４３０、４３１、４３２及び４３３のそれぞれにも同様に適用される。導電性部材４０１及び導電性部材４０３は基板１の他面１１であって、起歪部３の内径の円周上に隣接して配置され、導電性部材４００及び導電性部材４０２は基板１の他面１１であって、起歪部３の外径の円周上に隣接して配置される。ここで、導電性部材４００及び導電性部材４０２で構成される一の組がフルブリッジ回路４０の対辺を構成し、導電性部材４０１及び導電性部材４０３で構成される他の組がフルブリッジ回路４０のもう一組の対辺を構成している。

【0060】

導電性部材４００、４０２、４０１及び４０３のそれぞれの幅の中心は、円板状の基板１の中心を基準にそれぞれ３．０ｍｍ（起歪部３の外径に一致）、２．８４ｍｍ、２．１６ｍｍ、２．０ｍｍ（起歪部３の内径に一致）径の円周上に配置される。導電性部材４００、４０２、４０１及び４０３の幅の設計値は、それぞれ異なり、およそ２７μｍから４６μｍの範囲とした。また、導電性部材４００、４０２、４０１及び４０３の長さの設計値は、それぞれ異なり１．２６ｍｍから２．１４ｍｍの範囲とした。このように調整した結果、設計段階における４個の金属導体の電気抵抗値は、４個とも等しく約１６０．５Ωとなっている。この電気抵抗値は産業上広く利用されるひずみゲージの標準的な電気抵抗値の１つである１２０Ωよりも高い値であり、小型化しつつ実用的な電気抵抗値となっている。

【0061】

導電性部材４０３は起歪部３の内径である基板１の中心を基準とした直径２．０ｍｍの円周上に配置されており、線幅は３０μｍ、弧長は１．４ｍｍである。直径２．０ｍｍの円の周長は６．２８ｍｍであり、その１／４の周長は１．５７ｍｍと計算されるが、導電性部材４０３の弧長は１．４０ｍｍであり、１／４の周長の８９％を利用している。このような長さが確保できるので、線幅を３０μｍに設定でき、製造が安定で再現性の良い弧線として構成される。

【0062】

隣接する導電性部材４０１は、導電性部材４０３と８０μｍ離されて配置されており、基板１の中心を基準とした直径２．１６ｍｍの円周上にある。そして導電性部材４０１の幅は、２７μｍ、長さは１．２６ｍｍに設定されている。力覚センサの感度としては、導電性部材４０１は導電性部材４０３と出来るだけ近接させるのが有利であるが、導電性部材４の両端に設ける電極パッド５の大きさを考量して、電極パッド５は隣接する導電性部材４に触れないように決める必要がある。本実施例では、電極パッド５が他の導電性部材４と２０μｍ以上離れて配置されるようになっている。

【0063】

起歪部３の起歪領域の外周縁部に配置される導電性部材４００と導電性部材４０２の関係も同様な手法で実施される。導電性部材４００は起歪部３の外径である基板１の中心を基準とした直径３．０ｍｍの円周上に配置されており、線幅は４６μｍ、長さは２．１４ｍｍである。導電性部材４０２は基板１の中心を基準とした直径２．８４ｍｍの円周上に配置されており、幅は３６μｍ、長さは１．６８ｍｍである。導電性部材４００及び導電性部材４０２は導電性部材４０１及び導電性部材４０３に比較して幅が広くなるので、より製造が安定で再現性の良い弧線として構成される。

【0064】

表１に上記に記載した方法で実施された各導電性部材４の電気抵抗値を示す。また、フルブリッジ回路４０、４１、４２および４３のそれぞれの平均値、標準偏差、レンジ（最大値－最小値の値）及び平均値の±２．５％に相当する値も示す。

【0065】

【表1】

【0066】

表１によれば、フルブリッジ回路４０、４１、４２および４３のそれぞれを構成する導電性部材４の電気抵抗値は標準偏差が小さく、レンジが平均値の±２．５％の幅の中に十分納まっている。表１の「全体」と記された欄の数値は、合計３２個の導電性部材４の電気抵抗値の平均値とその標準偏差である。導電性部材４Ｘ０、４Ｘ１、４Ｘ２および４Ｘ３のＸには、それぞれ０～３の整数が代入される。フルブリッジ回路４０に対しては、導電性部材４Ｘ０、４Ｘ１、４Ｘ２および４Ｘ３のＸには、０が代入され、導電性部材４Ｘ０、４Ｘ１、４Ｘ２および４Ｘ３のそれぞれは、導電性部材４００、４０１、４０２および４０３のそれぞれになる。同様に、フルブリッジ回路４１、４２および４３のそれぞれに対して、Ｘには１、２および３のそれぞれが代入される。各導電性部材４標準偏差は２．０９Ωになっており、フルブリッジ回路４０、４１、４２および４３のそれぞれの誤差は少ない。従って、本発明の実施例で示された導電性部材４は、細さによって、電気抵抗値が安定しない起歪領域の内周縁部に配置される導電性部材４Ｘ１及び導電性部材４Ｘ３であっても、電気抵抗値の大きさが維持されるので、小型であっても、力を高精度で計測するセンサが実現される。

【0067】

各導電性部材４００、４０１、４０２および４０３のそれぞれは両端に備わった電極パッド５にワイヤボンディングにより外部と接続される。１つのフルブリッジに対して、電源部６１は２個、接地部６２は２個、正のブリッジ出力部は２個、負のブリッジ出力部は２個であり、合計８個のボンディングをして接続される。これは、基板１に形成したフルブリッジ回路４０を構成する導電性部材４が弧線状に延在するように設けられていることによる。４個のフルブリッジ回路４０、４１、４２および４３に対して本発明は実施されるので、合計３２個のワイヤボンディングを形成する。電源部６１からは各フルブリッジ回路４０、４１、４２および４３のそれぞれに３．３Ｖの電圧を印可する。また、得られた出力はアンプ基板７３を利用することで５０倍の増幅率で出力された。

【0068】

（結果）
最初にシミュレーションの結果を示す。突起部２の頂点に４０Ｎの垂直荷重が印加された場合のひずみを有限要素法で計算した。得られたひずみの分布を図８に示す。ひずみは、基板１の中心に対して対称であるので片側のみを示す。〇は、周方向のひずみ、□は径方向のひずみを示す。ｒ＝－１．９ｍｍの外側は固定境界条件になっている。図には、導電性部材４００、導電性部材４０２、導電性部材４０１、導電性部材４０３のそれぞれの位置も示した。

【0069】

周方向ひずみは、全般にわたって正の値（引張）を示し、内径側が外径側より高い値を示す。一方、径方向ひずみは、内径付近で大きな正のひずみを持ち、この近傍では、周方向と径方向が同じ符号になって加算されるので、導電性部材４０１と導電性部材４０３の電気抵抗値変化は大きくなる。続いて径方向ひずみは、起歪部３の外側に向かうにつれて急激に減少をはじめ、起歪部３の起歪領域の内周縁部と外周縁部との間の中央付近で負（圧縮）に転じ、起歪部３の外径付近で圧縮の最大値を持つ。導電性部材４００と導電性部材４０２はこの近傍に配置されている。ここでは、周方向ひずみは正の値であるが、径方向ひずみが大きく上回る負の値であるので、加算された値は、大きな負の値を有する。

【0070】

このように、大きなひずみ量を示す位置に、フルブリッジの対辺をなす一の組の導電性部材４０１及び導電性部材４０３と、もう他の組の導電性部材４００及び導電性部材４０２が配置されている。そして、金属導体の材料は、径方向のひずみを感知する能力の高い、すなわち横感度の高いＣｒ－Ｎ薄膜を用いている。従って、高感度なブリッジを形成できる。

【0071】

従って、Ｚ方向の荷重は、４組のフルブリッジ回路４０、４１、４２、４３の出力の和を利用できる。すなわち、ブリッジの出力を、それぞれＥ_Ｚ４０、Ｅ_Ｚ４１、Ｅ_Ｚ４２、Ｅ_Ｚ４３とすると、Ｚ方向の荷重は、Ｅ_Ｚ４０、Ｅ_Ｚ４１、Ｅ_Ｚ４２、Ｅ_Ｚ４３の和に線形的に比例する。

【0072】

次に、突起部２に水平方向荷重を印加した場合のシミュレーション結果を示す。水平の一方向荷重（Ｘ方向荷重）の場合を例に説明する。５Ｎ、１０Ｎ、１５Ｎの水平の一方向荷重が、フルブリッジ回路４０、４１、４２および４３のフルブリッジ回路４０からフルブリッジ回路４３方向（＋Ｘ方向）に印加された場合のひずみ分布を図９に示す。〇は周方向ひずみ、□は径方向ひずみを示す。ひずみは基板１の中心に対して、両者とも２回対称の回転対象性を有する分布となる。同図の横軸は、中心からの距離であり、±１．９ｍｍから外側は固定境界条件となっている。

【0073】

周方向ひずみは、力を印加する側（フルブリッジ回路４０側）の起歪部３の内径位置で負の大きな値（圧縮）をとり、基板１の中心に向かって０に近づき、中心から正の値に転じ、反対側（フルブリッジ回路４３側）の起歪部３の内径位置で、大きな正の値（引張）をとる。ひずみ量の絶対値は、起歪部３の内径のやや外側で最大になっている。ひずみは起歪部３では単調減少し、外側の固定境界で０になっている。

【0074】

一方、径方向ひずみは、力を印加する側の内径近傍で周方向ひずみを大きく上回る負の値（圧縮）になり、基板１の中心に向かって、ひずみは急激に減少し、中心で０になる。反対側のフルブリッジ回路４３が位置する起歪部３の内径側に向かってひずみは増加し、反対側のフルブリッジ回路４３が位置する起歪部３の起歪領域の内周縁部で正の最大値をとる。

【0075】

径方向ひずみは、周方向ひずみが起歪部３で穏やかな変化を示すのとは異なり、起歪部３内部で急激に変化し、起歪部３の起歪領域の内側と外側で正負の最大値を示している。起歪部３の起歪領域の内周縁部と外周縁部との間の中央付近で径方向ひずみは０となる。

【0076】

周方向ひずみと径方向ひずみの合成は、起歪部３の起歪領域の内周縁部で、両者とも同じ符号を持つので、合成は加算となり大きな値となる。各フルブリッジの対辺をなす一の組の導電性部材４０１と導電性部材４０３はこの位置に配置されている。一方、起歪部３の起歪領域の外周縁部は、周方向ひずみと径方向ひずみは符号が異なるが、径方向ひずみの絶対値が大きく上回る。この近傍には他の組を構成する導電性部材４００と導電性部材４０２が配置されている。前述のように、導電性部材４の材料は、径方向ひずみを感知する能力の高い、すなわち横感度の高いＣｒ－Ｎ薄膜を用いている。従って、水平方向荷重の場合も、高感度なブリッジの形成が可能となる。なお、フルブリッジ回路４１および４２に発生するひずみは極めて小さいので、図示は省略する。

【0077】

Ｘ方向荷重は、フルブリッジ回路４０とフルブリッジ回路４３の出力の差で表される。すなわち、フルブリッジ回路４０とフルブリッジ回路４３のそれぞれのブリッジ出力をそれぞれ、Ｅ_Ｘ４０、Ｅ_Ｘ４３とすると、Ｘ方向荷重はＥ_Ｘ４０―Ｅ_Ｘ４３に線形的に比例する。

【0078】

Ｘ方向荷重と直角に交差する水平方向荷重（Ｙ方向荷重）の場合も同じ議論が成立し、フルブリッジ回路４１からフルブリッジ回路４２への方向（＋Ｙ方向）に印加された荷重は、フルブリッジ回路４１とフルブリッジ回路４２のブリッジ出力をそれぞれ、Ｅ_Ｙ４１、Ｅ_Ｙ４２とすると、Ｙ方向荷重はＥ_Ｙ４１―Ｅ_Ｙ４２に線形的に比例する。

【0079】

該シミュレーション結果から荷重と各フルブリッジ回路４０、４１、４２および４３のそれぞれの関係を計測した。基板１の突起部２の頂点にフォースセンサ（アイコーエンジニアリング社、ＲＺ５、５０Ｎレンジ）の先端を突き当てて垂直方向に荷重を印加して、各フルブリッジ回路４０、４１、４２および４３のそれぞれのブリッジ出力を得た。フォースセンサの先端には、ゲージアタッチメント（アイコーエンジニアリング社、０１２Ｂ）を取り付けた。

【0080】

図１２は、フルブリッジ回路４１とフルブリッジ回路４２のブリッジ出力と印可した垂直荷重の関係を示す図である。横軸は、フォースセンサの印加荷重値、縦軸はフルブリッジ回路４１とフルブリッジ回路４２のブリッジ出力である。なお、本図でのブリッジ出力は、アンプ基板７３を用いず、デジタルボルトメータ（キーサイト社、３４９７２Ａ）を用いた値のもので、ブリッジ出力そのものを示している。ブリッジ出力は、低荷重領域（５Ｎ以下）から４０Ｎ付近まで、良好な線形性が成立している。ブリッジ出力は、５Ｎで約－２．５ｍＶ、１０Ｎで約－５ｍＶ、２０Ｎで約－９．５ｍＶ、４０Ｎで約－１９ｍＶである。フルブリッジ回路４０とフルブリッジ回路４３も、図示しないが同様に線形性に良い応答を示した。

【0081】

また、基板１の突起部２にフォースセンサの先端をつき当ててフルブリッジ回路４３からフルブリッジ回路４０への方向の水平荷重を印加した（Ｘ方向荷重）。フォースセンサの先端には、ゲージアタッチメント（０１５Ｂ）を取り付けた。

【0082】

図１３Ａは各フルブリッジ回路４０、４１、４２および４３のそれぞれのブリッジ出力、図１３Ｂはブリッジ出力をアンプ基板７３で増幅した後のアンプ出力である。両グラフともに横軸は、印加水平荷重（―Ｘ方向荷重）で、約４Ｎ及び約８Ｎの２通りの場合がプロットされている。ブリッジ出力を見ると、フルブリッジ回路４０とフルブリッジ回路４３は、それぞれ符号が反対で近い値が示されている。この場合、フルブリッジ回路４３側からＸ軸方向荷重が印加されているので、フルブリッジ回路４３側が負（圧縮）で、反対側となるフルブリッジ回路４０は正（引張）となっている。一方、フルブリッジ回路４３及びフルブリッジ回路４０のそれぞれから９０°回転した位置に配置されるフルブリッジ回路４１とフルブリッジ回路４２の出力は、極めて小さい値に留まっている。従って、フルブリッジ回路４３及びフルブリッジ回路４０のそれぞれのブリッジ出力は、印可Ｘ方向荷重に対して良い線形関係を示す。

【0083】

アンプ基板７３の倍率は５０倍を選択した。印加Ｘ方向荷重が約８Ｎの場合は、フルブリッジ回路４３のブリッジ出力は、図１３Ａによれば－８．３ｍＶであり、これに対応するアンプ出力は、図１３Ｂが示すように、－４０７ｍＶである。倍率を算出すると、約４９倍であり、アンプＩＣは正常に機能している。同図が示すように、アンプ出力も良い線形性を示す。

【0084】

次に基板１の突起部２にフォースセンサの先端をつき当ててフルブリッジ回路４１からフルブリッジ回路４２への方向の水平荷重を印加した（Ｙ方向荷重）。フォースセンサの先端には、ゲージアタッチメント（０１５Ｂ）を取り付けた。

【0085】

図１４Ａは各フルブリッジ回路４０、４１、４２および４３のそれぞれのブリッジ出力、図１４Ｂはブリッジ出力をアンプ基板７３で増幅した後のアンプ出力である。両グラフともに横軸は、印加水平荷重（＋Ｙ方向荷重）で、約４Ｎ及び約８Ｎの２通りの場合がプロットされている。ブリッジ出力を見ると、フルブリッジ回路４１とフルブリッジ回路４２は、それぞれ符号が反対で近い値が示されている。この場合、フルブリッジ回路４１側からＹ軸方向荷重が印加されているので、フルブリッジ回路４１側が負（圧縮）で、反対側となるフルブリッジ回路４２は正（引張）となっている。一方、フルブリッジ回路４１及びフルブリッジ回路４２のそれぞれから９０°回転した位置に配置されるフルブリッジ回路４０とフルブリッジ回路４３の出力は、極めて小さい値に留まっている。従って、フルブリッジ回路４１及びフルブリッジ回路４２のそれぞれのブリッジ出力は、印可Ｙ方向荷重に対して良い線形関係を示す。

【0086】

アンプ基板７３の倍率はこの場合も同じく５０倍を選択した。印加Ｙ方向荷重が約８Ｎの場合は、フルブリッジ回路４１のブリッジ出力は、図１４Ａによれば－８．５ｍＶであり、これに対応するアンプ出力は、図１４Ｂが示すように、―４２０ｍＶである。倍率を算出すると、約４９．４倍であり、アンプＩＣは正常に機能している。同図が示すように、アンプ出力も良い線形性を示す。

【0087】

以上、実測データから、本発明の３軸力覚センサは、小型化を達成しながら、Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸に対する力センサとして正常な動作を果たしているといえる。

【0088】

図１５Ａは、フルブリッジ回路４１を構成する各導電性部材４１０、４１１、４１２および４１３のそれぞれの電気抵抗値と垂直荷重との関係を示す図である。ここで、電気抵抗値変化（ΔＲ）は、荷重印加後の電気抵抗値から、印加前の電気抵抗値を引いた値である。横軸は印加荷重である。５Ｎ以下の低荷重から、７通り行い、最大は約４０Ｎである。各荷重の印加時間は約２０秒とした。図１５Ａを参照すると、各導電性部材４１０、４１１、４１２および４１３のそれぞれは、印加荷重に対して良好な線形性を示した。印加荷重が約４０Ｎでは、導電性部材４１１の変化量（ΔＲ２）と導電性部材４１２の変化量（ΔＲ３）は負の値で、約－０．５Ω前後、一方、導電性部材４１０の変化量（ΔＲ１）と導電性部材４１３の変化量（ΔＲ４）は正となり、約１Ωを超す値になっている。これらの特徴は、図示しないが、他のフルブリッジ回路４０、４２および４３のそれぞれにも同様に認められた。

【0089】

このように、各フルブリッジ回路４０、４１、４２および４３をなす各導電性部材４の電気抵抗値変化は、荷重に対して良好な線形性を示しているので、この変化を基に生ずるブリッジ出力も良好な線形性を有していることが裏付けられる。

【0090】

表２は、図８に示した垂直荷重（４０Ｎ）が印加された場合のシミュレーションより求めたひずみ値である。ここではフルブリッジ回路４１を例にとり説明するが、フルブリッジ回路４０、４２、４３も同様である。各導電性部材４１０、４１１、４１２および４１３のそれぞれの電気抵抗値変化（ΔＲ１、ΔＲ２、ΔＲ３、ΔＲ４）と各導電性部材４１０、４１１、４１２および４１３のそれぞれの定常状態における電気抵抗値との比（電気抵抗値変化（ΔＲ）／定常状態における電気抵抗値）は、各導電性部材４１０、４１１、４１２および４１３のそれぞれの縦感度係数と周方向ひずみ量の積（（縦感度係数）×（周方向ひずみ量））と各導電性部材４１０、４１１、４１２および４１３のそれぞれの横感度係数と径方向ひずみ量の積（（横感度係数）×（径方向ひずみ量））の和で表現される。

【0091】

【表2】

【0092】

図１５Ｂは、表２に示すシミュレーションから得られるひずみ値を用いて、フルブリッジ回路４１の各導電性部材４１０、４１１、４１２および４１３の電気抵抗値変化を算出した図である。縦感度係数は別途の予備実験で求め、１５であった。横感度係数は、縦感度係数と同じ１５と仮定した。前述した実測値である図１５Ａと、計算値である図１５Ｂとは、垂直荷重４０Ｎにおいて、数値に若干の違いはあるものの概ね一致した。

【0093】

図１６は、各導電性部材４１０、４１１、４１２および４１３のそれぞれの電気抵抗値変化の感度係数依存性を示したものである。縦感度係数と横感度係数の数値（仮想値）を変化させて、フルブリッジ回路４１を構成する各導電性部材４１０、４１１、４１２および４１３のそれぞれの電気抵抗値変化を算出した。係数の組み合わせを表３に示す。

【0094】

【表3】

【0095】

表３のケース２が図１５Ｂの場合であり、ケース６は、横感度係数を０と仮定した場合である。これより、電気抵抗値変化は、感度係数に大きく依存することが明白であるが、まず、横感度係数の減少に伴ってΔＲは減少する。特に、導電性部材４１０のΔＲ及び導電性部材４１２のΔＲは横感度係数が５以下では負から０に極めて近づき、横感度係数が３程度で、導電性部材４１０のΔＲも０から正の値に転ずる。横感度係数が０の場合は、導電性部材４１０のΔＲ及び導電性部材４１２のΔＲは０．２Ωに近い正の値になる。これは、起歪部３付近に大きな径方向ひずみが生じても、横感度係数が低い場合には、このひずみを感知することができず、結果として高感度なひずみゲージになり得ないことを示している。横感度係数としては３以上の値が必要であり、実用的には５以上の値が望ましい。

【0096】

一方、ケース２とケース１の比較は、同じ横感度係数を持つ場合の縦感度係数の影響を示すものである。ケース１は、ケース２に対して縦感度係数が１５から２０に増加した場合を想定したものである。周方向ひずみと径方向ひずみの符号が同じ正である起歪部３の起歪領域の内周縁部においては、導電性部材４１１のΔＲ及び導電性部材４１３のΔＲは縦感度係数の増加に伴って、加算されて増加する。その一方、周方向ひずみが正で、径方向ひずみが負である起歪部３の起歪領域の外周縁部では、導電性部材４１０のΔＲと導電性部材４１２のΔＲは、縦感度係数の増加に伴って、周方向のひずみによる正の値が加算されるので、負の絶対値が減少することが示されている。

【0097】

上記の考察から、ΔＲの数値は感度係数に大きく依存しているので、感度係数の決定に用いるひずみゲージは、そのパターンが縦感度と横感度の切り分けができるようなものが望ましいことが示唆される。

【符号の説明】

【0098】

１‥基板、２‥突起部、３‥起歪部、４‥導電性部材、５‥電極パッド、７‥ホルダ部、１０‥一面、１１‥他面、４０～４３‥フルブリッジ回路、６１‥電源部、６２‥接地部、６３‥連結部、７０‥トップホルダ、７１‥ボトムホルダ、７２‥センサ基板、７３‥アンプ基板、７５‥接続線、４００～４０３、４１０～４１３、４２０～４２３、４３０～４３３‥導電性部材、７００‥一面（トップホルダ）、７０１‥他面（トップホルダ）、７０４‥孔（トップホルダ）、７０５‥貫通部（トップホルダ）、７０６‥ザグリ部（トップホルダ）、７１０‥一面（ボトムホルダ）、７１１‥他面（ボトムホルダ）、７１２‥板（ボトムホルダ）、７１４‥孔（ボトムホルダ）、７１５‥貫通部（ボトムホルダ）、７１６‥ザグリ部（ボトムホルダ）、７１７‥突出部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11A】

【図11B】

【図12】

【図13A】

【図13B】

【図14A】

【図14B】

【図15A】

【図15B】

【図16】

【図17A】

【図17B】

【図18A】

【図18B】