特許 7302780 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】

(24)【登録日】2023-06-26

(45)【発行日】2023-07-04

(54)【発明の名称】力覚センサ装置

(51)【国際特許分類】

   G01L 5/16 20200101AFI20230627BHJP

   G01L 1/26 20060101ALI20230627BHJP

【ＦＩ】

G01L5/16

G01L1/26 Z

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2019016313

(22)【出願日】2019-01-31

(65)【公開番号】P2020122768

(43)【公開日】2020-08-13

【審査請求日】2021-12-16

(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】瀧 智仁

【審査官】岡田 卓弥

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１８５２９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１６１３２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１８４００７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１２５５８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平８－８６７００（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第４５４９４３９（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｌ ５／１６

Ｇ０１Ｌ １／２６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定の軸方向または軸回りに印加された力を検知するセンサ素子と、
前記センサ素子と電気的に接続された能動部品と、
前記センサ素子及び前記能動部品が取り付けられ、印加された前記力を前記センサ素子に伝達する起歪体と、
前記センサ素子及び前記能動部品を覆うように取り付けられたカバーと、
前記カバー内に注入され、空気よりも高い熱伝導率を有する媒体と、
を有し、
前記媒体には、熱伝達フィラーが混合されている力覚センサ装置。

【請求項2】

所定の軸方向または軸回りに印加された力を検知するセンサ素子と、
前記センサ素子と電気的に接続された能動部品と、
前記センサ素子及び前記能動部品が取り付けられ、印加された前記力を前記センサ素子に伝達する起歪体と、
前記センサ素子及び前記能動部品を覆うように取り付けられたカバーと、
前記カバー内に注入され、空気よりも高い熱伝導率を有する媒体と、
を有し、
前記能動部品は、基板の一方の面に実装され、
前記基板の他方の面は、前記起歪体の側面に固定され、
前記起歪体は、
前記センサ素子を搭載する搭載部と、
前記搭載部の周囲に離間して配置された複数の柱と、を備え、
前記基板の他方の面は、隣接する前記柱の側面に固定され、
前記媒体は、前記起歪体と前記カバーとの間であって、前記センサ素子及び前記能動部品が存在する外周部と、前記起歪体内であって、前記搭載部が存在する中空部とに充填されている力覚センサ装置。

【請求項3】

前記媒体は、シリコーンゲルである請求項１又は２に記載の力覚センサ装置。

【請求項4】

前記熱伝達フィラーは、窒化ホウ素である請求項１に記載の力覚センサ装置。

【請求項5】

前記センサ素子は、ＭＥＭＳセンサチップである請求項２又は３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、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センサ素子を取り付け、外力が印加されることにより生じる起歪体の弾性変形をセンサ素子で検出することで、多軸の力を検出する力覚センサ装置が知られている。このような力覚センサ装置では、例えば、歪みに対応する電気信号をセンサ素子から、別途用意されたＩＣ等の能動部品に出力し、能動部品において所定の信号処理が行われる（例えば、特許文献１～３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第４０１１３４５号

【文献】特許第３９７０６４０号

【文献】特開２０１８－１８５２９６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記の力覚センサ装置では、外気温の変化等によって起歪体に膨張や収縮が生じることや、センサ素子が温度特性を有することにより、電気信号が変動することがある。力覚センサ装置内の温度分布が均一であれば、温度補正用の温度センサを設けることにより、能動部品等で温度補正が可能である。

【0005】

しかしながら、力覚センサ装置内では、主に熱伝導率が低い空気を介して熱伝導が行われ、温度分布が生じやすいので、温度センサを設けたとしてもセンサ素子や起歪体の温度を正確に捉えて補正を行うことは容易でない。

【0006】

特に、空気の熱伝導性が低いことから、急激な温度変化に対応した温度補正は困難である。このような急激な温度変化は、例えば、力覚センサ装置の起動時に能動部品が自己発熱することや、金属製で熱伝導率が高い起歪体が外部から熱の影響を受けやすいことが起因して生じ得る。

【0007】

開示の技術は、上記の点に鑑みてなされたものであって、温度変化による影響を抑制することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

開示の技術は、所定の軸方向または軸回りに印加された力を検知するセンサ素子と、前記センサ素子と電気的に接続された能動部品と、前記センサ素子及び前記能動部品が取り付けられ、印加された前記力を前記センサ素子に伝達する起歪体と、前記センサ素子及び前記能動部品を覆うように取り付けられたカバーと、前記カバー内に注入され、空気よりも高い熱伝導率を有する媒体と、を有し、前記媒体には、熱伝達フィラーが混合されている力覚センサ装置である。

【発明の効果】

【0009】

開示の技術によれば、温度変化による影響を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１実施形態に係る力覚センサ装置の外観を示す斜視図である。

【図2】起歪体に基板が取り付けられた状態における力覚センサ装置の斜視図である。

【図3】起歪体に基板が取り付けられた状態における力覚センサ装置の平面図及び側面図である。

【図4】センサチップをＺ軸方向上側から視た図である。

【図5】センサチップをＺ軸方向下側から視た図である。

【図6】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7】センサチップのピエゾ抵抗素子の配置を例示する図である。

【図8】センサチップにおける電極配置と配線を例示する図である。

【図9】センサチップの温度センサを例示する拡大平面図である。

【図10】起歪体を例示する図（その１）である。

【図11】起歪体を例示する図（その２）である。

【図12】起歪体を例示する図（その３）である。

【図13】力覚センサ装置の製造工程を例示する図（その１）である。

【図14】力覚センサ装置の製造工程を例示する図（その２）である。

【図15】力覚センサ装置の製造工程を例示する図（その３）である。

【図16】力覚センサ装置の製造工程を例示する図（その４）である。

【図17】力覚センサ装置の製造工程を例示する図（その５）である。

【図18】力覚センサ装置の製造工程を例示する図（その６）である。

【図19】完成後における力覚センサ装置の縦断面図である。

【図20】力覚センサ装置の第１変形例を示す図である。

【図21】力覚センサ装置の第２変形例を示す図である。

【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実施形態＞
（概略構成）
図１は、第１実施形態に係る力覚センサ装置の外観を示す斜視図である。図２は、起歪体に基板が取り付けられた状態における力覚センサ装置の斜視図である。図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は側面図である。図４は、センサチップ及び起歪体を例示する斜視図である。

【0013】

図１～図３において、力覚センサ装置１は、センサチップ１１０と、起歪体２０と、基板３０と、受力板４０と、カバー５０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。

【0014】

起歪体２０には基板３０が取り付けられており（図２参照）、基板３０が取り付けられた起歪体２０の土台２１より上側及びセンサチップ１１０を覆うように、カバー５０が取り付けられている（図１参照）。カバー５０は、例えば、金属材の表面にニッケルめっき等を施した材料で形成されている。カバー５０には、起歪体２０の入力部２４ａ～２４ｄを露出させる開口部が設けられており、入力部２４ａ～２４ｄ上に受力板４０が設けられている。

【0015】

なお、詳しくは後述するが、カバー５０内には、空気よりも熱伝導率の高いゲル、ゴム、液体等からなる媒体が注入されている。なお、カバー５０内とは、カバー５０と起歪体２０の土台２１との間に形成される内部空間を指す。より具体的には、カバー５０内とは、起歪体２０とカバー５０との間であって、センサチップ１１０及び能動部品３２～３５が存在する空間（外周部）と、起歪体２０内であって、センサチップ搭載部としての柱２８が存在する空間（中空部）とを指す。

【0016】

センサチップ１１０は、所定の軸方向の変位を最大で６軸検知する機能を有している。起歪体２０は、印加された力をセンサチップ１１０に伝達する機能を有している。以降の実施形態では、一例として、センサチップ１１０が６軸を検知する場合について説明するが、これには限定されず、例えば、センサチップ１１０は３軸を検知するものであってもよい。

【0017】

センサチップ１１０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。また、起歪体２０の上面及び各側面に、センサチップ１１０に対して信号の入出力を行う基板３０の一端側が適宜屈曲された状態で接着されている。センサチップ１１０と基板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。

【0018】

（能動部品）
起歪体２０の側面には、能動部品３２～３５が配置されている。具体的には、能動部品３２～３５は、基板３０（例えば、フレキシブルプリント基板）の一方の面に実装され、基板３０の他方の面は、起歪体２０の側面に固定されている。能動部品３２～３５は、基板３０に形成された配線パターン（図示せず）を介して、対応する電極３１と電気的に接続されている。

【0019】

より詳しくは、基板３０において、起歪体２０の第１の側面に配置された領域には能動部品３２が実装されている。基板３０において、起歪体２０の第２の側面に配置された領域には能動部品３３及び受動部品３９が実装されている。基板３０において、起歪体２０の第３の側面に配置された領域には能動部品３４及び受動部品３９が実装されている。基板３０において、起歪体２０の第４の側面に配置された領域には能動部品３５及び受動部品３９が実装されている。

【0020】

能動部品３３は、例えば、センサチップ１１０から出力されるＸ軸方向の力Ｆｘを検出するブリッジ回路からのアナログの電気信号、及びセンサチップ１１０から出力されるＹ軸方向の力Ｆｙを検出するブリッジ回路からのアナログの電気信号をディジタルの電気信号に変換するＩＣ（ＡＤコンバータ）である。

【0021】

能動部品３４は、例えば、センサチップ１１０から出力されるＺ軸方向の力Ｆｚを検出するブリッジ回路からのアナログの電気信号、及びセンサチップ１１０から出力されるＸ軸を軸として回転させるモーメントＭｘを検出するブリッジ回路からのアナログの電気信号をディジタルの電気信号に変換するＩＣ（ＡＤコンバータ）である。

【0022】

能動部品３５は、例えば、センサチップ１１０から出力されるＹ軸を軸として回転させるモーメントＭｙを検出するブリッジ回路からのアナログの電気信号、及びセンサチップ１１０から出力されるＺ軸を軸として回転させるモーメントＭｚを検出するブリッジ回路からのアナログの電気信号をディジタルの電気信号に変換するＩＣ（ＡＤコンバータ）である。

【0023】

能動部品３２は、例えば、能動部品３３、３４、及び３５から出力されるディジタルの電気信号に対して所定の演算を行い、力Ｆｘ、Ｆｙ、及びＦｚ、並びにモーメントＭｘ、Ｍｙ、及びＭｚを示す信号を生成し、外部に出力するＩＣである。受動部品３９は、能動部品３２～３５に接続される抵抗やコンデンサ等である。

【0024】

なお、能動部品３２～３５の機能をいくつのＩＣで実現するかは任意に決定することができる。また、能動部品３２～３５を基板３０に実装せずに、基板３０と接続される外部回路側に実装する構成とすることも可能である。この場合には、基板３０からアナログの電気信号が出力される。

【0025】

基板３０は、起歪体２０の第１の側面の下方で外側に屈曲し、基板３０の他端側が外部に引き出されている。基板３０の他端側には、力覚センサ装置１と接続される外部回路（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。

【0026】

なお、本実施形態では、便宜上、力覚センサ装置１において、センサチップ１１０が設けられた側を上側または一方の側、その反対側を下側または他方の側とする。また、各部位のセンサチップ１１０が設けられた側の面を一方の面または上面、その反対側の面を他方の面または下面とする。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、または任意の角度で配置することができる。また、平面視とは対象物をセンサチップ１１０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１１０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。

【0027】

（受力板）
受力板４０の平面形状は、例えば、円形である。受力板４０の上面側には平面形状が矩形の４つの凹部４０ｘと、平面形状が円形の４つの貫通孔４０ｙが設けられている。また、受力板４０の上面側の中心部には、平面形状が円形の１つの凹部４０ｚが設けられている。

【0028】

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の底面は起歪体２０側に突起して起歪体２０の入力部２４ａ～２４ｄの上面と接している。但し、凹部４０ｘ、貫通孔４０ｙ、及び凹部４０ｚの平面形状は、任意に決定することができる。

【0029】

図示はしないが、入力部２４ａ～２４ｄの上面に突起（または突起受部）を形成し、起歪体２０側に突起した凹部４０ｘの底面に突起受部（または突起）を形成して、入力部２４ａ～２４ｄの上面の突起（または突起受部）と凹部４０ｘの底面の突起受部（または突起）を嵌め合わせることで受力板４０と起歪体２０とを位置決めするようにしてもよい。

【0030】

凹部４０ｘ及び凹部４０ｚは、必要に応じて、力覚センサ装置１を被固定部に取り付ける際の位置決めに用いることができる。また、貫通孔４０ｙは、力覚センサ装置１を被固定部にねじ等を用いて締結するためのねじ孔である。

【0031】

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、溶接により起歪体２０に固定することができる。

【0032】

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。

【0033】

（センサチップ）
図４は、センサチップ１１０をＺ軸方向上側から視た図であり、図４（ａ）は斜視図、図４（ｂ）は平面図である。図５は、センサチップ１１０をＺ軸方向下側から視た図であり、図５（ａ）は斜視図、図５（ｂ）は底面図である。なお、センサチップ１１０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１１０の厚さ方向（センサチップ１１０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。

【0034】

図４及び図５に示すセンサチップ１１０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。

【0035】

センサチップ１１０は、柱状の５つの支持部１１１ａ～１１１ｅを備えている。支持部１１１ａ～１１１ｅ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１１１ａ～１１１ｄは、センサチップ１１０の四隅に配置されている。第２の支持部である支持部１１１ｅは、支持部１１１ａ～１１１ｄの中央に配置されている。

【0036】

支持部１１１ａ～１１１ｅ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。

【0037】

支持部１１１ａと支持部１１１ｂとの間には、支持部１１１ａと支持部１１１ｂ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１１２ａが設けられている。支持部１１１ｂと支持部１１１ｃとの間には、支持部１１１ｂと支持部１１１ｃ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１１２ｂが設けられている。

【0038】

支持部１１１ｃと支持部１１１ｄとの間には、支持部１１１ｃと支持部１１１ｄ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１１２ｃが設けられている。支持部１１１ｄと支持部１１１ａとの間には、支持部１１１ｄと支持部１１１ａ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１１２ｄが設けられている。

【0039】

言い換えれば、第１の補強用梁である４つの補強用梁１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、及び１１２ｄ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１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄ、１１１ａとなる。

【0040】

支持部１１１ａの内側の角部と、それに対向する支持部１１１ｅの角部とは、構造を補強するための補強用梁１１２ｅにより連結されている。支持部１１１ｂの内側の角部と、それに対向する支持部１１１ｅの角部とは、構造を補強するための補強用梁１１２ｆにより連結されている。

【0041】

支持部１１１ｃの内側の角部と、それに対向する支持部１１１ｅの角部とは、構造を補強するための補強用梁１１２ｇにより連結されている。支持部１１１ｄの内側の角部と、それに対向する支持部１１１ｅの角部とは、構造を補強するための補強用梁１１２ｈにより連結されている。第２の補強用梁である補強用梁１１２ｅ～１１２ｈ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１１２ｅ～１１２ｈは、補強用梁１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、及び１１２ｄと非平行に配置されている。

【0042】

補強用梁１１２ａ～１１２ｈ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１１２ａ～１１２ｈ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１１２ａ～１１２ｈのそれぞれの上面は、支持部１１１ａ～１１１ｅの上面と略面一である。

【0043】

これに対して、補強用梁１１２ａ～１１２ｈのそれぞれの下面は、支持部１１１ａ～１１１ｅの下面及び力点１１４ａ～１１４ｄ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１１０を起歪体２０に接着したときに、補強用梁１１２ａ～１１２ｈ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。

【0044】

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１１０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。

【0045】

支持部１１１ａと支持部１１１ｂとの間の補強用梁１１２ａの内側には、補強用梁１１２ａと所定間隔を空けて平行に、支持部１１１ａと支持部１１１ｂ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１１３ａが設けられている。

【0046】

検知用梁１１３ａと支持部１１１ｅとの間には、検知用梁１１３ａ及び支持部１１１ｅと所定間隔を空けて検知用梁１１３ａと平行に、検知用梁１１３ｂが設けられている。検知用梁１１３ｂは、補強用梁１１２ｅの支持部１１１ｅ側の端部と補強用梁１１２ｆの支持部１１１ｅ側の端部とを連結している。

【0047】

検知用梁１１３ａの長手方向の略中央部と、それに対向する検知用梁１１３ｂの長手方向の略中央部とは、検知用梁１１３ａ及び検知用梁１１３ｂと直交するように配置された検知用梁１１３ｃにより連結されている。

【0048】

支持部１１１ｂと支持部１１１ｃとの間の補強用梁１１２ｂの内側には、補強用梁１１２ｂと所定間隔を空けて平行に、支持部１１１ｂと支持部１１１ｃ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１１３ｄが設けられている。

【0049】

検知用梁１１３ｄと支持部１１１ｅとの間には、検知用梁１１３ｄ及び支持部１１１ｅと所定間隔を空けて検知用梁１１３ｄと平行に、検知用梁１１３ｅが設けられている。検知用梁１１３ｅは、補強用梁１１２ｆの支持部１１１ｅ側の端部と補強用梁１１２ｇの支持部１１１ｅ側の端部とを連結している。

【0050】

検知用梁１１３ｄの長手方向の略中央部と、それに対向する検知用梁１１３ｅの長手方向の略中央部とは、検知用梁１１３ｄ及び検知用梁１１３ｅと直交するように配置された検知用梁１１３ｆにより連結されている。

【0051】

支持部１１１ｃと支持部１１１ｄとの間の補強用梁１１２ｃの内側には、補強用梁１１２ｃと所定間隔を空けて平行に、支持部１１１ｃと支持部１１１ｄ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１１３ｇが設けられている。

【0052】

検知用梁１１３ｇと支持部１１１ｅとの間には、検知用梁１１３ｇ及び支持部１１１ｅと所定間隔を空けて検知用梁１１３ｇと平行に、検知用梁１１３ｈが設けられている。検知用梁１１３ｈは、補強用梁１１２ｇの支持部１１１ｅ側の端部と補強用梁１１２ｈの支持部１１１ｅ側の端部とを連結している。

【0053】

検知用梁１１３ｇの長手方向の略中央部と、それに対向する検知用梁１１３ｈの長手方向の略中央部とは、検知用梁１１３ｇ及び検知用梁１１３ｈと直交するように配置された検知用梁１１３ｉにより連結されている。

【0054】

支持部１１１ｄと支持部１１１ａとの間の補強用梁１１２ｄの内側には、補強用梁１１２ｄと所定間隔を空けて平行に、支持部１１１ｄと支持部１１１ａ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１１３ｊが設けられている。

【0055】

検知用梁１１３ｊと支持部１１１ｅとの間には、検知用梁１１３ｊ及び支持部１１１ｅと所定間隔を空けて検知用梁１１３ｊと平行に、検知用梁１１３ｋが設けられている。検知用梁１１３ｋは、補強用梁１１２ｈの支持部１１１ｅ側の端部と補強用梁１１２ｅの支持部１１１ｅ側の端部とを連結している。

【0056】

検知用梁１１３ｊの長手方向の略中央部と、それに対向する検知用梁１１３ｋの長手方向の略中央部とは、検知用梁１１３ｊ及び検知用梁１１３ｋと直交するように配置された検知用梁１１３ｌにより連結されている。

【0057】

検知用梁１１３ａ～１１３ｌは、支持部１１１ａ～１１１ｅ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１１３ａ～１１３ｌ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１１３ａ～１１３ｌのそれぞれの上面は、支持部１１１ａ～１１１ｅの上面と略面一である。検知用梁１１３ａ～１１３ｌのそれぞれの厚さは、例えば、５０μｍ程度とすることができる。

【0058】

検知用梁１１３ａの長手方向の中央部の下面側（検知用梁１１３ａと検知用梁１１３ｃとの交点）には、力点１１４ａが設けられている。検知用梁１１３ａ、１１３ｂ、及び１１３ｃと力点１１４ａとにより、１組の検知ブロックをなしている。

【0059】

検知用梁１１３ｄの長手方向の中央部の下面側（検知用梁１１３ｄと検知用梁１１３ｆとの交点）には、力点１１４ｂが設けられている。検知用梁１１３ｄ、１１３ｅ、及び１１３ｆと力点１１４ｂとにより、１組の検知ブロックをなしている。

【0060】

検知用梁１１３ｇの長手方向の中央部の下面側（検知用梁１１３ｇと検知用梁１１３ｉとの交点）には、力点１１４ｃが設けられている。検知用梁１１３ｇ、１１３ｈ、及び１１３ｉと力点１１４ｃとにより、１組の検知ブロックをなしている。

【0061】

検知用梁１１３ｊの長手方向の中央部の下面側（検知用梁１１３ｊと検知用梁１１３ｌとの交点）には、力点１１４ｄが設けられている。検知用梁１１３ｊ、１１３ｋ、及び１１３ｌと力点１１４ｄとにより、１組の検知ブロックをなしている。

【0062】

力点１１４ａ～１１４ｄ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１１４ａ～１１４ｄのそれぞれの下面は、支持部１１１ａ～１１１ｅの下面と略面一である。

【0063】

このように、力または変位を４つの力点１１４ａ～１１４ｄ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。

【0064】

なお、センサチップ１１０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。

【0065】

図６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６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。また、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。

【0066】

図７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。４つ力点１１４ａ～１１４ｄ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。

【0067】

具体的には、図４及び図７を参照すると、力点１１４ａ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。また、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。

【0068】

また、力点１１４ｂ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。また、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。

【0069】

また、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。

【0070】

また、力点１１４ｃ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。また、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。

【0071】

また、力点１１４ｄ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。また、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。

【0072】

また、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。

【0073】

このように、センサチップ１１０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。

【0074】

また、センサチップ１１０では、検知用梁１１３ｃ、１１３ｆ、１１３ｉ、及び１１３ｌをできるだけ短くして、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、検知用梁１１３ｂ、１１３ｅ、１１３ｈ、及び１１３ｋの長さをできるだけ確保する構造としている。この構造により、検知用梁１１３ｂ、１１３ｅ、１１３ｈ、及び１１３ｋが弓なりに撓みやすくなって応力集中を緩和でき、耐荷重が向上する。

【0075】

また、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）が向上する。

【0076】

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。

【0077】

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。また、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。

【0078】

このように、センサチップ１１０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１１４ａ～１１４ｄ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。

【0079】

具体的には、センサチップ１１０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１１３ａ、１１３ｄ、１１３ｇ、及び１１３ｊの変形に基づいて検知することができる。また、Ｚ軸方向の力（Ｆｚ）は、第２の検知用梁である検知用梁１１３ｅ及び１１３ｋの変形に基づいて検知することができる。

【0080】

また、センサチップ１１０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１の検知用梁である検知用梁１１３ａ、１１３ｄ、１１３ｇ、及び１１３ｊの変形に基づいて検知することができる。また、Ｚ軸方向のモーメント（Ｍｚ）は、第１の検知用梁である検知用梁１１３ｄ及び１１３ｊの変形に基づいて検知することができる。

【0081】

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。

【0082】

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。

【0083】

図８は、センサチップ１１０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１１０をＺ軸方向上側から視た平面図である。図８に示すように、センサチップ１１０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１１４ａ～１１４ｄに力が印加された際の歪みが最も少ない、センサチップ１１０の支持部１１１ａ～１１１ｄ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。

【0084】

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。

【0085】

図９は、センサチップ１１０の温度センサを例示する拡大平面図である。図８及び図９に示すように、センサチップ１１０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。

【0086】

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。また、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。

【0087】

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１１０を構成する半導体基板（シリコン等）の結晶方位に水平また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。

【0088】

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１１０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。

【0089】

また、温度センサ１７は、力点１１４ａ～１１４ｄに力が印加された際の歪みが最も少ない、センサチップ１１０の支持部１１１ａ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することができる。

【0090】

（起歪体）
図１０は、起歪体２０を例示する図（その１）であり、図１０（ａ）は斜視図、図１０（ｂ）は側面図である。図１１は、起歪体２０を例示する図（その２）であり、図１１（ａ）は平面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＡ－Ａ線に沿う縦断面斜視図である。図１２は、起歪体２０を例示する図（その３）であり、図１２（ａ）は図１１（ａ）のＢ－Ｂ線に沿う縦断面図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＣ－Ｃ線に沿う横断面図である。

【0091】

図１０～図１２に示すように、起歪体２０は、被固定部に直接取り付けられる土台２１と、センサチップ１１０を搭載するセンサチップ搭載部となる柱２８と、柱２８の周囲に離間して配置された柱２２ａ～２２ｄとを備えている。

【0092】

より詳しくは、起歪体２０において、略円形の土台２１の上面に、土台２１の中心に対して均等（点対称）となるように４本の柱２２ａ～２２ｄが配置され、隣接する柱の土台２１とは反対側同士を連結する梁２３ａ～２３ｄが枠状に設けられている。そして、土台２１の上面中央の上方に、柱２８が配置されている。なお、土台２１の平面形状は円形には限定されず、多角形等（例えば、正方形等）としてもよい。

【0093】

柱２８は、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１１０は、柱２２ａ～２２ｄの上面から突出しないように、柱２８上に固定される。

【0094】

柱２８は、土台２１の上面には直接固定されていなく、接続用梁２８ａ～２８ｄを介して柱２２ａ～２２ｄに固定されている。そのため、土台２１の上面と柱２８の下面との間には空間がある。柱２８の下面と、接続用梁２８ａ～２８ｄの各々の下面とは、面一とすることができる。

【0095】

柱２８の接続用梁２８ａ～２８ｄが接続される部分の横断面形状は例えば矩形であり、矩形の四隅と矩形の四隅に対向する柱２２ａ～２２ｄとが接続用梁２８ａ～２８ｄを介して接続されている。接続用梁２８ａ～２８ｄが、柱２２ａ～２２ｄと接続される位置２２１～２２４は、柱２２ａ～２２ｄの高さ方向の中間よりも下側であることが好ましい。この理由については、後述する。なお、柱２８の接続用梁２８ａ～２８ｄが接続される部分の横断面形状は矩形には限定されず、円形や多角形等（例えば、六角形等）としてもよい。

【0096】

接続用梁２８ａ～２８ｄは、土台２１の中心に対して均等（点対称）となるように、土台２１の上面と所定間隔を空けて土台２１の上面と略平行に配置されている。接続用梁２８ａ～２８ｄの太さや厚み（剛性）は、起歪体２０の変形を妨げないようにするため、柱２２ａ～２２ｄや梁２３ａ～２３ｄよりも細く薄く形成することが好ましい。

【0097】

このように、土台２１の上面と柱２８の下面とは所定の距離だけ離れている。所定の距離は、例えば、数ｍｍ程度とすることができる。柱２８を土台２１の上面には直接固定せず、柱２８を接続用梁２８ａ～２８ｄを介して柱２２ａ～２２ｄに固定する構造とした場合、土台２１の上面と柱２８の下面との距離を長くするほど、ねじ締結時の柱２８の変形が低減され、結果としてセンサチップ１１０のＦｚ出力（オフセット）が低減される。一方、土台２１の上面と柱２８の下面との距離を長くするほど、センサチップ１１０の出力が低下する（感度が低下する）。

【0098】

すなわち、柱２８は、柱２２ａ～２２ｄの中間よりも下側に接続することが好ましい。これにより、センサチップ１１０の感度を確保しながら、ねじ締結時のセンサチップ１１０のＦｚ出力（オフセット）を低減することができる。

【0099】

ねじ締結時のセンサチップ１１０のＦｚ出力（オフセット）の低減を土台２１の剛性を上げることで達成しようとした場合、土台２１の厚みを厚くする必要があり、力覚センサ装置全体のサイズが大きくなってしまう。柱２８を土台２１の上面には直接固定せず、柱２８を接続用梁２８ａ～２８ｄを介して柱２２ａ～２２ｄに固定する構造することにより、力覚センサ装置全体のサイズが大きくなることなく、ねじ締結時のセンサチップ１１０のＦｚ出力（オフセット）を低減することができる。

【0100】

また、柱２８を土台２１の上面には直接固定せず、柱２８を接続用梁２８ａ～２８ｄを介して柱２２ａ～２２ｄに固定する構造することにより、モーメント（Ｍｘ、Ｍｙ）入力時のモーメント成分（Ｍｘ、Ｍｙ）と並進方向の力成分（Ｆｘ、Ｆｙ）の分離性を向上することができる。

【0101】

土台２１には、起歪体２０を被固定部にねじ等を用いて締結するための貫通孔２１ｘが設けられている。本実施の形態では、土台２１には４つの貫通孔２１ｘが設けられているが、貫通孔２１ｘの個数は任意に決定することができる。

【0102】

また、土台２１の中心部には、１つの貫通孔２１ａが設けられている。貫通孔２１ａは、カバー５０と起歪体２０とで形成される内部空間に連通上述の媒体を注入するために用いられる。

【0103】

土台２１を除く起歪体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２８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。

【0104】

但し、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。例えば、柱２２ａ～２２ｄの土台２１の上面の中心側の面は、上下がＲ状に形成されていることが好ましい。同様に、梁２３ａ～２３ｄの土台２１の上面と対向する面は、左右がＲ状に形成されていることが好ましい。

【0105】

なお、Ｒ状の部分の曲率半径が大きいほど、応力集中を抑制する効果が大きくなる。しかし、Ｒ状の部分の曲率半径を大きくし過ぎると、起歪体２０が大型化し、結果として力覚センサ装置１も大型化するため、Ｒ状の部分の曲率半径を大きくすることには限界がある。

【0106】

そこで、本実施の形態では、図１１（ａ）に示したように、力覚センサ装置１にＭｘ、Ｍｙ、及びＭｚが印加された際に過大な応力集中が発生する梁２３ａ～２３ｄの長手方向の中央部を両端部よりも太くしている。そして、梁２３ａ～２３ｄの長手方向の中央部は、柱２２ａ～２２ｄの側面よりも内側及び外側に張り出した張り出し部を備えている。

【0107】

これにより、梁２３ａ～２３ｄの長手方向の中央部の断面積が大きくなるため、力覚センサ装置１にＭｘ、Ｍｙ、及びＭｚが印加された際に、元々応力集中していた梁２３ａ～２３ｄの長手方向の中央部に発生する応力を低減することができる。すなわち、梁２３ａ～２３ｄの長手方向の中央部への応力集中を緩和することができる。

【0108】

また、梁２３ａ～２３ｄの長手方向の中央部の側面を柱２２ａ～２２ｄの側面よりも外側に張り出させて張り出し部を設けたことにより、起歪体２０の４つの側面に余剰空間が生じたため、能動部品３２～３５の各々の少なくても一部分を余剰空間に入り込ませることができ、起歪体２０の側面に効率的に配置することができる（図２、図３等参照）。

【0109】

能動部品３２～３５は、例えば、梁２３ａ～２３ｄよりも土台２１側の起歪体２０の側面において、平面視で張り出し部と少なくとも一部が重複するように配置することができる（図３（ａ）、図３（ｂ）等参照）。

【0110】

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、例えば四角柱状の入力部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。

【0111】

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。

【0112】

柱２８の上面の四隅には４本の柱２５ａ～２５ｄが配置され、柱２８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。

【0113】

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１１０の下面と接着される接合部となる。

【0114】

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１１０に伝達する梁である。また、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。

【0115】

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１１０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。

【0116】

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。

【0117】

起歪体２０において、土台２１、柱２２ａ～２２ｄ、柱２８、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。

【0118】

このように、センサチップ１１０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１１０に伝えることができる。

【0119】

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１１０に伝達し、センサチップ１１０で変位を検知する。そして、センサチップ１１０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。

【0120】

（力覚センサ装置の製造工程）
図１３～図１８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１３（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。

【0121】

次に、図１３（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。

【0122】

次に、図１４（ａ）に示す工程では、センサチップ１１０を作製する。センサチップ１１０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。また、電極や配線は、例えば、基板の表面にスパッタ法等によりアルミニウム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。

【0123】

次に、図１４（ｂ）に示す工程では、センサチップ１１０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１１０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１１０が起歪体２０内に固定される。具体的には、センサチップ１１０の支持部１１１ａ～１１１ｄが各々柱２５ａ～２５ｅ上に固定され、支持部１１１ｅが柱２５ｅ上に固定され、力点１１４ａ～１１４ｄが各々突起部２７ａ～２７ｄ上に固定される。

【0124】

次に、図１５（ａ）に示す工程では、能動部品３２～３５及び受動部品３９が実装された基板３０を準備する。

【0125】

基板３０は、図１６（ａ）の工程で柱２２ａ～２２ｄの上面（端面）に固定される端面固定部３０ａを備えている。図１５（ａ）において、十字がクロスする領域が端面固定部３０ａである。端面固定部３０ａの４隅には、電極３１（ボンディングパッド）が設けられている。

【0126】

基板３０は、端面固定部３０ａから４方向に延伸し、図１７（ａ）の工程で端面固定部３０ａに対して屈曲して柱２２ａ～２２ｄの側面に固定される側面固定部３０ｂ～３０ｅを備えている。

【0127】

本実施の形態では、側面固定部３０ｂには能動部品３２が実装され、側面固定部３０ｃには能動部品３３及び受動部品３９が実装され、側面固定部３０ｄには能動部品３４及び受動部品３９が実装され、側面固定部３０ｅには能動部品３５及び受動部品３９が実装されている。但し、側面固定部３０ｂ～３０ｅの全てに能動部品が実装される必要はなく、側面固定部３０ｂ～３０ｅうちの少なくとも１つに能動部品が実装されていればよい。

【0128】

基板３０は、側面固定部３０ｂから延伸する延伸部３０ｆを備えている。延伸部３０ｆの端部には、力覚センサ装置１と接続される外部回路（制御装置等）との電気的な入出力が可能な入出力端子（図示せず）が配列されている。

【0129】

端面固定部３０ａは、図１６（ａ）の工程で柱２２ａ～２２ｄの上面（端面）に固定される際にセンサチップ１１０及び入力部２４ａ～２４ｄを露出する開口部３０ｘを備えている。開口部３０ｘは、端面固定部３０ａから側面固定部３０ｂ～３０ｅの各々の一部に延伸している。

【0130】

このように、基板３０は、開口部３０ｘが設けられていること、配線の引き回しの容易性、及び能動部品３２～３５が実装されることから、例えば、十字形状の外形とすることができる。

【0131】

次に、図１５（ｂ）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、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。

【0132】

次に、図１６（ａ）に示す工程では、基板３０の端面固定部３０ａの４隅の下面が柱２２ａ～２２ｄの上面に塗布された接着剤４２と接するように、基板３０を起歪体２０上に配置する。この時点では、側面固定部３０ｂ～３０ｅは、端面固定部３０ａに対して屈曲していない。

【0133】

次に、図１６（ｂ）に示す工程では、柱２２ａ～２２ｄの各々の外側を向く２側面に接着剤４３を（例えば、上下方向に２カ所ずつ）塗布する。但し、能動部品３２が実装された部分の基板３０の裏面と接着される領域では、柱２２ａ及び２２ｄの側面下方から土台２１の上面外周部に延伸するように接着剤４３を塗布する。

【0134】

接着剤４３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４３は、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。接着剤４３として、接着剤４２と同じ接着剤を用いてもよい。或いは、接着剤４２としてはワイヤボンディング性を確保するためにフィラー入りの比較的硬い（ヤング率の高い）接着剤を用い、接着剤４３としては起歪体２０の変形に追従する柔軟性を確保するために比較的柔らかい（ヤング率の低い）接着剤を用いてもよい。また、接着剤４３は、図１５（ｂ）の工程で接着剤４２と共に塗布してもよい。

【0135】

次に、図１７（ａ）に示す工程では、起歪体２０上に配された端面固定部３０ａから水平方向にはみ出した側面固定部３０ｂ～３０ｅを、起歪体２０の各側面側に折り曲げる。そして、基板３０を起歪体２０側に加圧しながら接着剤４２及び４３を所定温度に加熱して硬化させる。これにより、基板３０が起歪体２０に固定される。なお、基板３０はフレキシブル基板であり、起歪体２０に対して十分に柔らかいことや、基板３０と起歪体２０とが部分的な接着であることから、基板３０は起歪体２０の変形を阻害しない。

【0136】

次に、基板３０の電極３１とセンサチップ１１０の対応する電極１５とをボンディングワイヤ（金線や銅線等の金属線）等（図示せず）により電気的に接続する。基板３０において、端面固定部３０ａの、柱２２ａ～２２ｄの上面（端面）と平面視で重複する４隅の領域に電極３１が形成されているが、柱２２ａ～２２ｄの上面（端面）は、入力部２４ａ～２４ｄに力が印加された際の歪みが最も少ない領域である。そのため、この領域は、超音波で加圧することが容易であり、ワイヤボンディングを安定して行うことができる。以上の工程により力覚センサ装置１が完成する。

【0137】

このように、力覚センサ装置１は、センサチップ１１０、起歪体２０、及び基板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。

【0138】

また、起歪体２０において、センサチップ１１０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１１０の位置合わせが１回で済み、起歪体２０にセンサチップ１１０を実装することが容易である。

【0139】

なお、図１７（ｂ）に示すように、更にカバーを接着する工程を設けてもよい。図１７（ｂ）に示す工程では、起歪体２０の土台２１より上側及びセンサチップ１１０を覆うように、入力部２４ａ～２４ｄを露出する開口部が設けられたカバー５０を土台２１の外周部に接着する。カバー５０としては、例えば、金属材の表面にニッケルめっき等を施した材料を用いることができる。カバー５０の上面の中心部には、貫通孔５０ａが設けられている。貫通孔２１ａは、カバー５０内の空間に連通している。

【0140】

基板３０は起歪体２０に接着されており、かつ、基板３０の能動部品３２～３５が実装された部分は、基板３０を折り曲げた際に、起歪体２０の高さ方向のサイズ以内に収まっている。そのため、基板３０は、カバー５０の取り付けを阻害しない。

【0141】

カバー５０を設けることにより、防塵及び電気ノイズ対策が可能となる。特に、金属製の起歪体２０及びカバー５０を、銀ペースト等を用いて、基板３０のＧＮＤと電気的に接続することにより、ノイズ耐性（信号安定性）を高めることができる。この場合、基板３０に、センサチップ１１０及び能動部品３２～３５とは系列の異なるＧＮＤ端子を設け、このＧＮＤ端子と起歪体２０及びカバー５０とを電気的に接続することが好ましい。

【0142】

次に、図１８（ａ）に示す製造工程では、起歪体２０の土台２１を下方に向けた状態において、カバー５０に設けられた貫通孔５０ａからカバー５０内に、空気より熱導電性が高く、流動性及び熱硬化性を有する媒体を注入する。この媒体の注入には、例えば、ニードル式のディスペンサを用いる。図１８（ａ）に示すように、ディスペンサのニードル６０を貫通孔５０ａに挿入することにより媒体の注入を行う。

【0143】

次に、図１８（ｂ）に示す製造工程では、起歪体２０の土台２１を上方に向けた状態において、土台２１に設けられた貫通孔２１ａからカバー５０内に、空気より熱導電性が高く、流動性及び熱硬化性を有する媒体を注入する。図１８（ａ）に示す製造工程と同様に、ディスペンサのニードル６０を貫通孔２１ａに挿入することにより媒体の注入を行う。なお、ねじ穴として土台２１に設けられた貫通孔２１ｘから媒体を注入してもよい。

【0144】

カバー５０内に注入する媒体は、例えばシリコーンゲルである。シリコーンゲルの熱伝導率が約０．２Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、空気の熱伝導率である約０．０４１Ｗ／（ｍ・Ｋ）の約５倍である。このため、カバー５０内をシリコーンゲル等の媒体で満たすことにより、カバー５０内に温度分布が生じた場合であっても、高い熱伝導性により短時間で温度分布が均一化して温度平衡状態となる。

【0145】

なお、カバー５０内に注入する媒体の熱伝導率をさらに上げるために、媒体に熱伝達フィラーを混合することも好ましい。熱伝達フィラーとして、例えば熱伝達率が約１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり絶縁性を有し腐食性が無い、窒化ホウ素が用いられる。媒体に熱伝達フィラーを混合することで、媒体の熱伝導率を約１Ｗ／（ｍ・Ｋ）とすることができる。

【0146】

なお、必ずしも、図１８（ａ）に示す製造工程と図１８（ｂ）に示す製造工程との両方を行う必要はなく、いずれか一方の製造工程によってカバー５０内に媒体を注入してもよい。

【0147】

この後、ベーキング処理を行うことにより、カバー５０内に注入された媒体を硬化させる。そして、起歪体２０の入力部２４ａ～２４ｄの上面に、受力板４０の下面を当接させ、溶接等により起歪体２０と受力板４０とを接合することにより、図１に示した力覚センサ装置１が完成する。

【0148】

図１９は、完成後における力覚センサ装置１の縦断面図である。図１９は、図１２（ａ）と同じ断面を示している。図１９に示すように、図１８（ａ）及び図１８（ｂ）の製造工程で注入された媒体７０は、カバー５０と起歪体２０との間であって、センサチップ１１０及び能動部品３２～３５が存在する空間（外周部）と、起歪体２０内であって、センサチップ搭載部としての柱２８が存在する空間（中空部）とに充填されている。

【0149】

このように、力覚センサ装置１の内部空間に熱伝導性の高い媒体７０を充填することにより、当該内部空間の熱伝導性が高まり、熱に対する応答性が向上することで温度分布が均一化する。

【0150】

力覚センサ装置１の温度が何らかの影響により変化した場合には、起歪体２０が熱膨張または収縮することや、センサチップ１１０や能動部品３２～３５の特性が変化することにより、検出誤差が生じる可能性がある。力覚センサ装置１の内部空間の温度分布は、例えば、力覚センサ装置１の起動時に能動部品３２～３５が自己発熱することや、熱伝導率が高い起歪体２０や受力板４０が外部の熱の影響を受けることにより生じる。また、能動部品３２～３５は、基板３０を介して起歪体２０の側面に固定されているので、外部の温度変化に対する温度変化が遅延する。

【0151】

本実施形態では、力覚センサ装置１の内部空間に熱伝導性の高い媒体７０を充填しているの、温度分布が均一化、センサチップ１１０と能動部品３２～３５との間の温度差や、起歪体２０と能動部品３２～３５との間の温度差が低減され、温度変化による検出誤差が低減する。また、力覚センサ装置１内に、センサチップ１１０からの出力を温度補正する機能を有するＩＣを設けた場合に、温度補正誤差が低減する。

【0152】

また、センサチップ１１０を媒体７０で覆うことにより、センサチップ１１０へのゴミや異物の付着が抑制され、故障や異常の発生が防止され、信頼性が向上するといった効果も得られる。

【0153】

媒体７０は、空気より熱伝導率が高いことの他に、起歪体２０やセンサチップ１１０の変形を阻害しない程度の剛性であることが好ましい。また、媒体７０は、センサチップ１１０のボンディングワイヤやパッドに接触することから、絶縁性であって、腐食性がないことが好ましい。したがって、媒体７０は、高熱伝導性、低剛性及び低ヤング率の物質である、ゲル（シリコーンゲル等）、ゴム、液体（シリコーンオイル等）であることが好ましい。上述のように媒体７０に熱伝達フィラーを混合することで熱伝導性を向上させることができる。

【0154】

＜変形例＞
次に、第１実施形態の変形例について説明する。第１実施形態では、起歪体２０とカバー５０との間の外周部と、起歪体２０内の中空部とに媒体７０を注入しているが、いずれか一方にのみ媒体７０を注入してもよい。

【0155】

図２０は、起歪体２０とカバー５０との間の外周部に媒体７０を充填した例を示す縦断面図である。このように外周部にのみ媒体７０を充填するには、カバー５０に設けられた貫通孔５０ａから媒体７０を注入すればよい。

【0156】

外周部にのみ媒体７０を充填することで、カバー５０を通して伝搬する外気の温度変化を伝達することができる。

【0157】

図２１は、起歪体２０内の中空部に媒体７０を充填した例を示す縦断面図である。このように中空部にのみ媒体７０を充填するには、起歪体２０に設けられた貫通孔２１ａ及び／又は貫通孔２１ｘから媒体７０を注入すればよい。

【0158】

なお、第１実施形態は、起歪体に受力板を接続しているが、力覚センサ装置には受力板は必須ではなく、省略してもよい。

【0159】

また、第１実施形態に係る力覚センサ装置は、センサ素子としてＭＥＭＳセンサチップを起歪体に搭載したものであるが、本発明は、センサ素子として歪みゲージを起歪体に張り付けた力覚センサ装置にも適用可能である。

【0160】

なお、センサ素子は、軸方向に印加された力と、軸回りに印加された力（モーメント）のうち、少なくとも一方を検知するものであればよい。

【0161】

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】

【0162】

１ 力覚センサ装置、１７ 温度センサ、２０ 起歪体、２１ 土台、２１ａ 貫通孔、２１ｘ 貫通孔、２２ａ～２２ｄ 柱、２４ａ～２４ｄ 入力部、２５ａ～２５ｅ 柱、２８ 柱（搭載部）、３０ 基板、３２～３５ 能動部品、３９ 受動部品、４０ 受力板、５０ カバー、５０ａ 貫通孔、６０ ニードル、７０ 媒体、１１０ センサチップ（センサ素子）

【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】