JP2002022563A - 微小力測定方法及び微小力測定器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】測定精度を維持した状態でレンジ範囲以外の大
きな測定力が加わっても歪センサ等の損壊を防止できる
微小力測定器を提供する。 【解決手段】単結晶シリコン（Ｓｉ）を用いて歪センサ
を起歪体と一体に形成する微小力測定器であって、この
歪センサに印加される測定レンジ以上の測定力を別構造
体により受けるようにして過大変位が歪センサに発生し
ないようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、微小力測定方法及
び微小力測定器に関するものであり、詳しくは歪センサ
に測定レンジ以上の測定力が印加されても歪センサが損
壊しないような微小力測定方法及び微小力測定器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来技術における微小力測定器は、図１
０及び図１１に示すように、起歪体である片持ち梁形状
の直方体形状に作成された測定本体部１０と、この測定
本体部１０と連設し該測定本体部１０に対して幅狭に形
成した測定先端部２０とから構成され、測定本体部１０
の一端部側を固定台３０に接合し、他端部側である測定
先端部２０側をマイクロアクチュエータ４０からの測定
力Ｆを受けるようにした構造となっている。

【０００３】測定本体部１０は、所定の厚みを持って略
長方体形状に形成され、短手方向の一端部側に固定台３
０と接合する固定位置側の接合部１１と、その略中央位
置に歪センサ１２を面一にして一体成形した構造となっ
ている。又、この歪センサ１２の反対側の面には、歪セ
ンサ１２と対向する位置であって短手方向に肉厚を一番
薄く且つ所定幅有する応力集中底部１３を設け、この応
力集中底部１３を境にして幅広になる、いわゆる断面が
三角形状になるように切り欠いた応力集中部１４を設け
た構造となっている。歪センサ１２にはセンサの物理力
変化により発生する電気信号（歪信号）を取り出す信号
取出し線１５を備えた構造となっている。この歪センサ
１２は、単結晶シリコン（Ｓｉ）より形成される片持ち
梁形状の測定本体部１０を作成する半導体プロセスによ
る同一製造プロセスにて作成された半導体歪センサであ
る。即ち、シリコンウェハに多数の歪センサ１２と応力
集中部１４を作成するようにすれば一度に多数の微小力
測定器を作成することができるのである。

【０００４】測定先端部２０は、応力集中部１４の終端
位置から所定同一幅の長さに設定し、この所定同一幅の
長さの終端位置から略５分の１の幅狭の角部２１を形成
し、その幅狭の部位を所定長さに形成し、その先端を肉
薄のテーパ状に形成した測定力の測定位置である測定爪
部２２を設けた構造となっている。

【０００５】このような構造からなる微小力測定器は、
図１１に示すように、先ず、ガラス材からなる固定台３
０の場合には接合部１１が陽極接合により接合される。
そして、測定位置である測定爪部２２にマイクロアクチ
ュエータ４０の測定力Ｆを加えることにより、その印加
された力により肉薄の応力集中部１４が応力変形するこ
とにより起歪が発生し、歪センサ１２に物理的な歪を発
生させ電気信号（歪信号）を発生させる。

【０００６】このように、基本的に機械的強度が均一で
且つ理想的な弾性体である単結晶シリコン（Ｓｉ）を、
高感度歪センサ構成要素（基板）兼起歪体として用いる
ことにより、微小な力を高感度且つ高精度に測定するこ
とができるのである。歪センサ１２の測定精度を高める
ためにはプローブ（微小力測定器）全体の剛性を高める
のが効果的で、対象となる力発生体よりも高剛性とする
ことが必要である。この条件では、力測定時の変位ひい
ては歪は小さくなるので、図１０及び図１１のように歪
センサ１２部分に応力が集中する構造にすると共に、微
小歪でも測定可能な高感度センサを用いる必要がある。
この用途に用いることが可能な歪センサ１２には、振動
式圧力センサに用いる振動式歪センサ、又は測定レンジ
幅を特に必要としなければ高感度型の半導体剪断歪セン
サ（ピエゾ抵抗型）が利用可能である。このようにして
マイクロアクチュエータの発生力と拮抗させることによ
り１ｍＮ以下の微小力を最小１μＮの分解能で測定する
ことが可能となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来技術における微小力測定器においては、測定前後
の通常の組み立て、調整操作において、測定力（数ｋｇ
ｆ＝数１０Ｎ）がプローブに印加される場合は測定力に
応じて変形することができるが、微小力に対する感度を
保つために、プローブ自体はそれ相応に軟弱とする必要
があり、例えば、調整組み立ての際にレンジ幅の数１０
０倍の測定力がかかってしまう場合には、プローブの歪
センサ部分が容易に破損してしまうという問題がある。

【０００８】従って、実際のマイクロアクチュエータに
よる測定に際しては、特に測定前後の通常の組立て、調
整操作において頻繁に発生する力（数ｋｇｆ＝数１０
Ｎ）までは実用上測定できる構造にすると共に組立て及
び調整の際には測定力以上のレンジ範囲以外の力が印加
されてもプローブ、特に及び歪センサ部分が損壊しない
ような測定方法及び測定器に解決しなければならない課
題を有する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明に係る微小力測定方法及び微小力測定器は次
に示す構成にすることである。

【００１０】（１）単結晶シリコン（Ｓｉ）を用いて歪
センサを起歪体と一体に形成し、該歪センサに印加され
る測定レンジ以上の測定力を別構造体により受けるよう
にして過大変位が前記歪センサに発生しないようにする
ことを特徴とする微小力測定方法。 （２）前記歪センサには、測定レンジ範囲内において該
歪センサが所定の変形を許容するための空間を設けたこ
とを特徴とする（１）に記載の微小力測定方法。

【００１１】（３）片持ち梁形状に形成した起歪体と、
該起歪体の固定位置と測定力を印加する測定位置との間
に該起歪体と一体成形に形成すると共に該起歪体の歪に
より歪信号を生成する歪センサとを備えた微小力測定器
であって、前記歪センサには、測定レンジ以上の測定力
が印加されたときにその測定力を受けるための別構造体
を設けたことを特徴とする微小力測定器。 （４）前記起歪体は、単結晶シリコン（Ｓｉ）で形成し
たことを特徴とする（３）に記載の微小力測定器。 （５）前記歪センサと前記別構造体との間には、測定レ
ンジ範囲内において該歪センサが所定の変形を許容する
ための空間を設けたことを特徴とする（３）に記載の微
小力測定器。

【００１２】このように、単結晶シリコン（Ｓｉ）で形
成されている起歪体に測定力がレンジ範囲以外の大きな
力が印加された場合には、その力を受け止めるような別
構造体を設けたことにより、レンジ範囲内の測定力に対
しては通常の高精度な測定がなされ、レンジ範囲以外の
力が印加された場合にはその力を抑止するように機能す
るため、プローブ及び歪センサの損壊を防止できるよう
になる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る微小力測定方
法及び微小力測定器に関する各種の実施の形態を図面を
参照して説明する。

【００１４】第１の実施の形態の微小力測定方法を具現
化する微小力測定器は、単結晶シリコン（Ｓｉ）により
生成され、起歪体である片持ち梁形状の直方体形状に形
成した測定基部１００と、この測定基部１００と連設し
て略立方体形状に形成した測定先端部２００と、測定先
端部２００側に一体成形により形成した微小レンジ用歪
センサ３００とから構成され、測定基部１００の一端部
側を固定台４００に接合して固定位置とし、他端部側で
ある測定先端部２００側をマイクロアクチュエータから
の測定力Ｗを受ける測定位置になるようにした構造とな
っている。

【００１５】測定基部１００は、所定の厚みを持って略
長方体形状に形成され、長手方向の一端部側に固定台４
００と接合する接合部１１０を設けた構造となってい
る。

【００１６】測定先端部２００は、この測定基部１００
と連設して、その端部側の中央位置に設け、その先細が
三角形状に形成された測定舌部２１０と、この三角形状
の測定舌部２１０を挟むようにして且つ一段低く形成し
た四角柱状の過大力保護部２２０、２３０と、測定舌部
２１０の基部位置に一体成形により形成した微小レンジ
用歪センサ３００とからなる。この過大力保護部２２
０、２３０がいわゆる別構造体を構成し、その両端の表
面に図示しない測定力Ｗを印加する部材の端部を押し当
てるようにして微小レンジ用歪センサ３００への過大力
を抑止する構造となっている。

【００１７】次に、このような構造及び機能を有する微
小力測定器において、実際の測定力Ｗがかかった場合に
測定舌部２１０が変形する状態を図１を参照して図２の
模式図に基づいて説明する。

【００１８】先ず、測定舌部２１０を跨いで過大力保護
部２２０、２３０の両端の上面に係合する長さを有する
測定対象物５００により測定舌部２１０に測定力を印加
するようにする。図２は測定力が印加されるときの様子
を示したもので、この状態では微小レンジ用歪センサ３
００は起歪が発生しないため、電気信号は発生しない。

【００１９】次に、更に測定力が印加されると、図３に
示すように、過大力保護部２２０，２３０の両端の上面
が測定舌部２１０よりも一段低く形成してある空間内に
おいて、測定舌部２１０が下部方向に押されることによ
り起歪が発生し電気信号（歪信号）が発生する。この空
間内は、測定レンジ範囲内であるために微小レンジ用歪
センサ３００の起歪は高精度に電気信号に変換されるこ
とになる。

【００２０】更に、測定対象物５００により測定舌部２
１０が押されると、図４に示すように、過大力保護部２
２０、２３０の上端面に測定対象物５００が当接した状
態となり、それ以上押されても、測定舌部２１０が過大
力保護部２２０，２３０により抑止されるため、測定舌
部２１０の変形は発生せず、従ってこれ以上の起歪も発
生しないことになる。力を受ける測定位置部分の下側
は、少なくとも微小レンジ用歪センサ３００の最大レン
ジ（例えばシリコンの場合で数１００με）を受けるま
では先端が接触しないだけの変形のための空間が確保さ
れており、又、起歪体部分が破壊するほどの力（数１０
００με）がかかった際の変形量に達する前に、より頑
丈な別構造体（過大力保護部２２０、２３０）で力を受
けて起歪体部（測定舌部２１０）に力がかからなくなる
オフセットするように一段低く設定した過大力保護部２
２０、２３０に当接させて起歪体である測定舌部２１０
の破壊を防止することが可能となる。尚、外力が微小レ
ンジ用歪センサ３００のレンジ範囲内に緩和されれば元
通りの測定力Ｗに応じた測定をすることが可能になる。

【００２１】このようにして、所定の測定力以上、即
ち、所定レンジ範囲内の測定力であれば測定舌部２１０
の変形により起歪が発生して高精度な微小力を電気信号
に変換することが可能であるが、所定の測定力以上にな
ると過大力保護部２２０、２３０により測定舌部２１０
の変形を押さえることになり、レンジ範囲外の測定はで
きないと共に、微小レンジ用歪センサ２１０の損壊も防
止することができるのである。

【００２２】次に、第２の実施の形態の微小力測定器に
ついて、図５を参照して以下説明する。

【００２３】第２の実施の形態の微小力測定器は、単結
晶シリコン（Ｓｉ）により生成され、起歪体である片持
ち梁形状の直方体形状に形成した測定基部１００Ａと、
この測定基部１００Ａと連設して略三角柱形状に形成し
た測定先端部２００Ａと、測定先端部２００Ａ側に一体
成形により形成した微小レンジ用歪センサ３００Ａと、
微小レンジ用歪センサ３００Ａの反対側の裏面側に設け
た応力が集中するような構造とした応力集中部７００
と、レンジ範囲内での測定を可能にする過大力保護部２
２０Ａとから構成されている。このような構成におい
て、測定基部１００Ａの一端部側の固定位置を固定台４
００Ａに接合し、他端部側の固定位置である測定先端部
２００Ａ側をマイクロアクチュエータからの測定力Ｗを
受けるようにした構造となっている。

【００２４】測定基部１００Ａは、所定の厚みを持って
略長方体形状に形成され、長手方向の一端部側に固定台
４００Ａと接合する接合部１１０Ａを設けた構造となっ
ている。

【００２５】応力集中部７００は、測定基部１００Ａと
測定先端部２００Ａとの接合部分であって、測定基部１
００Ａの表面に一体に設けた微小レンジ用歪センサ２０
０Ａに対向する反対側に頂点が微小レンジ用歪センサ３
００Ａに最接近するようにした断面が三角形状に切欠い
た三角柱形状に形成した構造となっている。

【００２６】測定先端部２００Ａは、断面を三角形状に
切り欠いた応力集中部７００の終端位置を境に同一形状
の所定肉厚を持った先細の三角形形状に形成し、その先
端部分が測定力を受ける測定位置となっている。

【００２７】過大力保護部２２０Ａは、台座である固定
台４００Ａと同一材料で形成され、断面を三角形形状に
切り欠いた応力集中部７００の終端位置を一段低くした
段差を持って形成すると共に測定先端部２００Ａと同一
形状に形成されている。この一段低くした段差による切
欠空間部６００が測定力のレンジ範囲内において起歪を
発生させるための空間である。

【００２８】このような構成の微小力測定器は、測定先
端部２００Ａの先端過重は相対的に重くなるが最大抑制
変位量の設計自由度が高くなるというメリットがある。
このような特徴を有する微小力測定器において、レンジ
範囲以内の測定力Ｗが測定先端部２００Ａに印加される
と切欠空間部６００の空間内において起歪が発生し、微
小レンジ用歪センサ３００Ａにより電気信号（歪信号）
を発生させることができる。又、レンジ範囲以外の大き
な測定力Ｗが印加されると測定先端部２００Ａの先端が
過大力保護部２２０Ａに当接して測定飽和状態となる
が、測定先端部２００Ａはそれ以上の屈曲は防止され
る。従って、過大力が加わっても測定先端部２００Ａ及
び微小レンジ用歪センサ３００Ａの破損等は防止される
ことになる。

【００２９】次に、第３の実施の形態の微小力測定器に
ついて、図６を参照して以下説明する。

【００３０】第３の実施の形態の微小力測定器は、単結
晶シリコン（Ｓｉ）により生成され、起歪体である片持
ち梁形状の直方体形状に形成した測定基部１００Ｂと、
この測定基部１００Ｂと連設して略三角柱形状に形成し
た測定先端部２００Ｂと、測定先端部２００Ｂの表面先
端部に一体成形により形成した微小レンジ用歪センサ３
００Ｂと、微小レンジ用歪センサ３００Ｂを境にして下
部側を切り欠いて形成した空間である切欠空間部６００
Ａを設けた測定舌部２１０Ａと、測定舌部２１０Ａの下
部側であってレンジ範囲内での測定を可能にする過大力
保護部２２０Ｂとから構成されている。このような構成
において、測定基部１００Ｂの一端部側を台座である固
定台４００Ｂに接合し、他端部側である測定先端部２０
０Ｂの測定舌部２１０Ａをマイクロアクチュエータから
の測定力Ｗを受けるようにした構造となっている。

【００３１】測定基部１００Ｂは、所定の厚みを持って
略長方体形状に形成され、長手方向の一端部側に固定台
４００Ｂと接合する接合部１１０Ｂを設けた構造となっ
ている。

【００３２】測定先端部２００Ｂは、測定基部１００Ｂ
と連設して所定肉厚を持った三角形形状に形成した構造
となっている。

【００３３】この測定先端部２００Ｂの測定舌部２１０
Ａ、切欠空間部６００Ａ、過大力保護部２２０Ｂは、Ｓ
ＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板や埋め込
み酸化膜層などの犠牲層技術を用いて、シリコン単結晶
内部に応力集中できる構造と過大力をバックアップでき
る構造とを作り込むことで、先端変位量は製法により異
なり、１〜１００μｍ程度に限定されるが、寸法安定
性、特性再現性の高い力センサを実現することができる
のである。

【００３４】このような構成の微小力測定器において、
レンジ範囲以内の測定力が測定舌部２１０Ａに印加され
ると切欠空間部６００Ａの空間内において起歪が発生
し、微小レンジ用歪センサ３００Ｂにより電気信号（歪
信号）を得ることができる。又、レンジ範囲以外の大き
な測定力Ｗが印加されると測定舌部２１０Ａの先端が過
大力保護部２２０Ｂに当接して測定飽和状態となるが、
測定舌部２１０Ａはそれ以上の屈曲は防止される。従っ
て、過大力が加わっても測定先端部２００Ｂ及び微小レ
ンジ用歪センサ３００Ｂの破損等は防止されることにな
る。

【００３５】この点につき、図７〜図９の模式図に基づ
いて説明する。先ず、図７に示すように、測定力Ｗが測
定舌部２１０Ａに印加されると、測定舌部２１０Ａが押
され起歪が発生し、微小レンジ用歪センサ３００Ｂから
電気信号を得ることができる。図８は、切欠空間部６０
０Ａ内での測定力Ｗの印加状態、即ち、レンジ範囲内で
の測定力Ｗの場合には、測定力Ｗに応じて起歪が発生
し、微小レンジ用歪センサ３００Ｂの起歪に応じた電気
信号を高精度に得ることができる。この測定力Ｗがレン
ジ範囲以外の大きな測定力Ｗとなると、図９に示すよう
に、測定舌部２１０Ａが過大力保護部２２０Ｂに測定舌
部２１０Ａが当接した状態となり、測定が飽和状態とな
って、それ以上の測定力Ｗが加わっても測定舌部２１０
Ａが過大力保護部２２０Ｂに当接した状態を保持する。
従って、過大力が加わっても微小レンジ用歪センサ３０
０Ｂ及び測定舌部２１０Ａの損壊は防止されるのであ
る。

【００３６】

【発明の効果】上記説明したように、本発明の微小力測
定方法及び微小力測定器は、測定力が印加される測定先
端部側に、測定範囲以外の力が加わっても測定先端部側
の起歪を防止する別構造体を設けたことにより歪センサ
や測定先端部の損壊を防止することができるという効果
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１の実施の形態の微小力測定器
の全体構成図である。

【図２】同測定力による微小レンジ用歪センサの起歪状
態を示したものであり、測定力が印加されたときの状態
を示したものである。

【図３】同測定力による微小レンジ用歪センサの起歪状
態を示したものであり、測定力がレンジ範囲内のときの
起歪状態を示したものである。

【図４】同測定力による微小レンジ用歪センサの起歪状
態を示したものであり、測定力がレンジ範囲以外の大き
な測定力が印加されたときの起歪状態を示したものであ
る。

【図５】本発明に係る第２の実施の形態の微小力測定器
の全体構成図である。

【図６】本発明に係る第３の実施の形態の微小力測定器
の全体構成図である。

【図７】第３の実施の形態の微小力測定器において、測
定力による微小レンジ用歪センサの起歪状態を示したも
のであり、測定力が印加されたときの状態を示したもの
である。

【図８】第３の実施の形態の微小力測定器において、測
定力による微小レンジ用歪センサの起歪状態を示したも
のであり、測定力がレンジ範囲内のときの起歪状態を示
したものである。

【図９】第３の実施の形態の微小力測定器において、測
定力による微小レンジ用歪センサの起歪状態を示したも
のであり、測定力がレンジ範囲以外の大きな測定力が印
加されたときの起歪状態を示したものである。

【図１０】従来技術における微小力測定器を示したもの
であり（Ａ）は側面図、（Ｂ）は正面図である。

【図１１】従来技術における微小力測定器を固定台に取
り付けたときの状態を示した説明図である。

【符号の説明】

１００ 測定基部 １００Ａ 測定基部 １１０ 接合部 １１０Ａ 接合部 １１０Ｂ 接合部 ２００ 測定先端部 ２００Ａ 測定先端部 ２２０ 過大力保護部 ２２０Ａ 過大力保護部 ２２０Ｂ 過大力保護部 ２３０ 過大力保護部 ３００ 微小レンジ用歪センサ ３００Ａ 微小レンジ用歪センサ ３００Ｂ 微小レンジ用歪センサ ４００ 固定台 ４００Ａ 固定台 ４００Ｂ 固定台 ５００ 測定対象物 ６００ 切欠空間部 ６００Ａ 切欠空間部 ７００ 応力集中部

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】単結晶シリコン（Ｓｉ）を用いて歪センサ
   を起歪体と一体に形成し、該歪センサに印加される測定
   レンジ以上の測定力を別構造体により受けるようにして
   過大変位が前記歪センサに発生しないようにすることを
   特徴とする微小力測定方法。
2. 【請求項２】前記歪センサには、測定レンジ範囲内にお
   いて該歪センサが所定の変形を許容するための空間を設
   けたことを特徴とする請求項１に記載の微小力測定方
   法。
3. 【請求項３】片持ち梁形状に形成した起歪体と、該起歪
   体の固定位置と測定力を印加する測定位置との間に該起
   歪体と一体成形に形成すると共に該起歪体の歪により歪
   信号を生成する歪センサとを備えた微小力測定器であっ
   て、前記歪センサには、測定レンジ以上の測定力が印加
   されたときにその測定力を受けるための別構造体を設け
   たことを特徴とする微小力測定器。
4. 【請求項４】前記起歪体は、単結晶シリコン（Ｓｉ）で
   形成したことを特徴とする請求項３に記載の微小力測定
   器。
5. 【請求項５】前記歪センサと前記別構造体との間には、
   測定レンジ範囲内において該歪センサが所定の変形を許
   容するための空間を設けたことを特徴とする請求項３に
   記載の微小力測定器。