JP2002048661A - 力覚センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、把持部に加わる各応力成分を分離し
て検出できる力覚センサを提供する。 【解決手段】本発明の一態様によると、薄膜状半導体か
らなるセンサ基部と、上記センサ基部とほぼ同一の平面
上に設けられ、上記センサ基部に接続された薄膜状半導
体からなる起歪部と、上記起歪部とほぼ同一の平面上に
設けられ、上記起歪部に接続された薄膜状半導体からな
る把持部とを有し、上記起歪部には、上記把持部に加わ
る異なる方向の応力によって起歪部に発生する歪みを検
出する第１、第２および第３の歪み電気変換素子がそれ
ぞれ独立に設けられていることを特徴とする力覚センサ
が提供される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、力覚センサに係
り、特に、微小物体を把持するマイクロマニピュレータ
に適用することを目的とする薄板状の高感度力覚センサ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、マイクロマニピュレータで微小
物体を把持する場合、対象物をどのくらいの力で把持し
ているのかを知ることは非常に重要なことであり、これ
らの応力を検出する種々のセンサが提案されている。

【０００３】しかし、実際に対象物を把持した状態で作
業する場合、対象物を把持する力とともに、マニピュレ
ータの先端がどのような状態で対象物を把持しているの
かを知る必要がある。

【０００４】そのためには、把持部に加わる応力を各成
分に分離して検出する必要があり、このような力覚セン
サの例としては、例えば、特公平５−６４８６３号公報
に開示されている方法などがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】これまで述べてきたよ
うに、マイクロマニピュレータで微小物体を把持するよ
うな場合、対象物をどのくらいの力でどのような状態で
把持しているかを知る必要がある。

【０００６】これらの情報を得る場合、把持部に加わっ
ている応力成分を分離して検出する必要があるが、従来
の技術では、これらの応力成分を高感度に分離して検出
し、かつ温度ドリフトの影響が非常に小さいセンサはな
かった。

【０００７】また、対象物を把持した状態で作業する場
合、高速に制御する必要があり、これらの点からも何ら
演算を行わずに把持部に加わる応力成分を検出すること
が望ましい。

【０００８】本発明は上記の問題に鑑みてなされたもの
で、把持部に加わる各応力成分を分離して検出できる力
覚センサを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によると、上記課
題を解決するために、（１） 薄膜状半導体からなるセ
ンサ基部と、上記センサ基部とほぼ同一の平面上に設け
られ、上記センサ基部に接続された薄膜状半導体からな
る起歪部と、上記起歪部とほぼ同一の平面上に設けら
れ、上記起歪部に接続された薄膜状半導体からなる把持
部とを有し、上記起歪部には、上記把持部に加わる異な
る方向の応力によって起歪部に発生する歪みを検出する
第１、第２および第３の歪み電気変換素子がそれぞれ独
立に設けられていることを特徴とする力覚センサが提供
される。

【００１０】また、本発明によると、上記課題を解決す
るために、（２） 上記起歪部は上記センサ基部と上記
把持部を結んでおり、上記起歪部の上記力覚センサの短
手方向の幅は上記センサ基部および上記把持部の幅より
も短いことを特徴とする（１）に記載の力覚センサが提
供される。

【００１１】また、本発明によると、上記課題を解決す
るために、（３） 上記歪み電気変換素子は、把持部に
加わる鉛直方向、直角方向およびねじれの応力に起因し
た起歪部の歪みを検出することを特徴とする（１）に記
載の力覚センサが提供される。

【００１２】また、本発明によると、上記課題を解決す
るために、（４） 上記第１の歪み電気変換素子は上記
把持部に鉛直方向に加わる応力のみにより上記起歪部に
歪みが発生する部位の近傍に、上記第２の歪み電気変換
素子は上記把持部に鉛直方向と直角方向に加わる合成応
力のみにより歪みが発生する部位の近傍に、上記第３の
歪み電気変換素子は上記把持部に鉛直方向と直角方向と
ねじれ方向に加わる応力により発生する合成歪みが発生
する部位の近傍に、それぞれ設けられていることを特徴
とする（１）に記載の力覚センサが提供される。

【００１３】また、本発明によると、上記課題を解決す
るために、（５） 上記第１の歪み電気変換素子は上記
起歪部の把持部とセンサ基部を結ぶ軸のほぼ中央の部位
に、上記第２の歪み電気変換素子は上記起歪部の把持部
とセンサ基部を結ぶ軸のほぼ中央においてこの軸と直交
する軸上の部位に、上記第３の歪み電気変換索子は上記
起歪部のセンサ基部あるいは把持部との接続部近傍の部
位に、それぞれ設けられていることを特徴とする（４）
に記載の力覚センサが提供される。

【００１４】また、本発明によると、上記課題を解決す
るために、（６） 上記起歪部は、主面の面方位が＜１
００＞の単結晶シリコン薄板であり、上記第１乃至第３
の歪み電気変換素子はそれぞれ上記起歪部に形成された
Ｐ型拡散層で構成された第１、第２および第３の抵抗部
であり、上記第１乃至第３の抵抗部のうち少なくとも一
つの上記抵抗部の主な電流経路は面方位＜１１０＞の結
晶方位に沿っており、上記抵抗部の他の一つは面方位＜
１１０＞の結晶方位と直交した方向に形成されており、
上記第１乃至第３の抵抗部によりハーフブリッジ回路が
構成されているか、あるいは相補的な関係のフルブリッ
ジ回路が構成されていることを特徴とする（４）または
（５）に記載の力覚センサが提供される。

【００１５】また、本発明によると、上記課題を解決す
るために、（７） 上記第１乃至第３の抵抗部は、上記
把持部に加わる鉛直方向、直角方向およびねじれ方向の
応力成分のうち、いずれか２つの応力成分を相殺する関
係になるように２つ以上の抵抗素子を直列接続したブロ
ックを有しており、このブロックを複数接続してハーフ
ブリッジ回路を構成するかあるいは相補的な関係となる
ようにフルブリッジ回路を構成し、上記残った一つの応
力成分についてブリッジ回路の出力の依存度を高くした
ことを特徴とする（６）に記載の力覚センサが提供され
る。

【００１６】また、本発明によると、上記課題を解決す
るために、（８） 上記第１乃至第３の歪み電気変換素
子は、上記把持部に加わる鉛直方向、直角方向およびね
じれ方向の応力成分のうち、いずれか２つの応力成分を
相殺し残る一つの応力成分のみを検出するように電流経
路の方向および形成する部位を設定した２つ以上の抵抗
素子を直列接続したブロックを有しており、このブロッ
クを複数接続してハーフブリッジ回路を構成するかある
いは相補的な関係となるようにフルブリッジ回路を構成
し、上記残つた一つの応力成分についてのみブリッジ回
路の出力が依存することを特徴とする（５）に記載の力
覚センサが提供される。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態について説明する。

【００１８】図１は本発明の実施の形態の力覚センサの
構造を示している。

【００１９】力覚センサ１は、基部２と起歪部３と把持
部４からなり、これらの領域は主面の面方位が＜１００
＞の単結晶シリコンからなっており、表面の導電型はＮ
型である。

【００２０】また、起歪部３は均質・等厚であり、基部
２および把持部４に対してくびれた長方形をしている。

【００２１】（実施の形態１）本実施の形態１の構成を
説明する。

【００２２】図２は本実施の形態１に係る起歪部３の拡
大図であり、ここで破線Ｏ、Ｐはそれぞれ起歪部３にお
ける左右、上下の中心軸を表している。

【００２３】また、起歪部３の表面には通常の半導体プ
ロセスにより形成された３つのＰ型拡散層のピエゾ抵抗
群Ａ［Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ１ｃ，Ｒ１ｄ］、Ｂ［Ｒ２
ａ，Ｒ２ｂ，Ｒ２ｃ，Ｒ２ｄ］、Ｃ［Ｒ３ａ，Ｒ３ｂ，
Ｒ３ｃ，Ｒ３ｄ］が形成されており、ピエゾ抵抗群Ａは
破線Ｏ、Ｐの交点、ピエゾ抵抗群Ｂは破線Ｐ上の右端近
傍、ピエゾ抵抗群Ｃは起歪部３の左下端に構成されてい
る。

【００２４】また、全ての抵抗群において添え字ａ，ｃ
で表されているピエゾ抵抗素子は主面の面方位が＜１０
０＞の面上に形成され、その電流経路の方向が＜１１０
＞の結晶方位に沿ったものであり、添え字ｂ，ｄで表さ
れているピエゾ抵抗素子は上記添え字ａ，ｃで表されて
いるピエゾ抵抗素子と直角をなす方向に沿つたものであ
る。

【００２５】これらのピエゾ抵抗群は、図に示すように
３つのブリッジ回路Ａ、Ｂ、Ｃを構成しており、各端子
からアルミニウム配線Ｄを２層構造で延在することで基
部２に電源供給端子としてＶｃｃ，Ｖｅｅ、ブリッジ回
路Ａの出力端子としてＶ１ｅ，Ｖ１ｆ、ブリッジ回路Ｂ
の出力端子としてＶ２ｅ，Ｖ２ｆ、ブリッジ回路Ｃの出
力端子としてＶ３ｅ，Ｖ３ｆを形成している。

【００２６】次に、本実施の形態１の動作を説明する。

【００２７】力覚センサ１は、基部２を固定し、把持部
４に加わっている応力により生ずる歪みを起歪部３に集
中させて起こさせることで、起歪部３に形成されたピエ
ゾ抵抗素子の変化をブリッジ回路により検出して把持部
４に加わっている応力をもとめる。

【００２８】図２に示すように、把持部４に加わる応力
成分として、把持部４の面に対して鉛直方向に加わる応
力をＺ、把持部４の面に対して水平でセンサの長手方向
に対して直角な方向に加わる応力をＸ、中心軸Ｏに対し
てねじれの方向に加わる応力をＭとすると、起歪部３で
生じる歪みは破線Ｏ上ではＺ成分による歪み、破線Ｐ上
の両端ではＺ成分とＸ成分による合成歪み、起歪部３の
四隅ではＺ成分とＸ成分とＭ成分による合成歪みにな
る。

【００２９】また、主面の面方位が＜１００＞の結晶面
上に形成された電流経路の方向が＜１１０＞の結晶方位
に沿つたＰ型拡散層により形成されたピエゾ抵抗素子の
ピエゾ抵抗係数は最大値を示し、生じる歪みの方向に対
してその電流経路の方向が同一方向の場合と直角方向の
場合では正負の符号の異なる係数をもつので、それぞれ
のピエゾ抵抗群内でのピエゾ抵抗素子が十分に小さくお
互いに近接しているとすると、各ピエゾ抵抗素子のＺ，
Ｘ，Ｍによる抵抗変化は以下の式で近似することができ
る。

【００３０】［式１］ ΔＲ１ａ＝ΔＲ１ｃ＝一α１Ｚ， ΔＲ１ｂ＝ΔＲ１ｄ＝α２Ｚ， ΔＲ２ａ＝ΔＲ２ｃ＝−α３Ｚ−β３Ｘ， ΔＲ２ｂ＝ΔＲ２ｄ＝α４Ｚ＋β４Ｘ， ΔＲ３ａ＝ΔＲ３ｃ＝−α５Ｚ−β５Ｘ＋γ５Ｍ， ΔＲ３ｂ＝ΔＲ３ｄ＝α６Ｚ＋β６Ｘ−γ６Ｍ 尚、αｎ、βｎ、γｎ（ｎ＝１〜６）は正の定数で、
Ｚ，Ｘ，Ｍは図２に示す矢印の方向を正とした時の各応
力成分であり、正負の値を持つ。

【００３１】さらに、ピエゾ抵抗素子は温度変化により
抵抗値が変化するが、これらのピエゾ抵抗素子は半導体
プロセスにより形成され非常に近接して配置することが
できるので、それぞれのピエゾ抵抗素子間の温度差を非
常に小さくすることができることにより、温度ドリフト
をきわめて小さくすることができる。

【００３２】図３は、図２に示したピエゾ抵抗群の等価
回路図である。

【００３３】それぞれのブリッジ回路はフルブリッジ回
路になっており、歪みに対する抵抗値の変化により各出
力が相反する組み合わせになっているため、高い感度を
得ることができる。

【００３４】ブリッジ回路Ａの出力（Ｖ１ｅ，Ｖ１ｆの
電位差）より把持部４に加わる鉛直方向の応力Ｚを検出
することができる。

【００３５】また、求められたＺとブリッジ回路Ｂの出
力（Ｖ２ｅ，Ｖ２ｆの電位差）より把持部４に加わる直
角方向の応力Ｘを検出することができる。

【００３６】また、求められたＺおよびＸとブリッジ回
路ｃの出力（Ｖ３ｅ，Ｖ３ｆの電位差）より把持部４に
加わるねじれ方向の応力Ｍを検出することができる。

【００３７】結果として、把持部４に加わるＺ，Ｘ，Ｍ
の各応力成分を分離して高感度に求めることができる。

【００３８】（実施の形態２）本実施の形態２の構成を
説明する。

【００３９】図４は本実施の形態２に係る起歪部３の拡
大図であり、実施の形態１と同様に起歪部３にＰ型拡散
層により形成されたピエゾ抵抗群Ａ［Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ，
Ｒ１ｃ，Ｒ１ｄ］、Ｂ［Ｒ２ａ，Ｒ２ｂ，Ｒ２ｃ，Ｒ２
ｄ，Ｒ２ｅ，Ｒ２ｆ，Ｒ２ｇ，Ｒ２ｈ］、Ｃ［Ｒ３ａ，
Ｒ３ｂ，Ｒ３ｃ，Ｒ３ｄ，Ｒ３ｅ，Ｒ３ｆ，Ｒ３ｇ，Ｒ
３ｈ］が構成されており、ピエゾ抵抗群Ａは破線Ｏ、Ｐ
の交点、ピエゾ抵抗群Ｂは破線Ｐ上の両端、ピエゾ抵抗
群Ｃは起歪部３の四隅に構成されている。

【００４０】また、全ての抵抗群において添え字ａ，
ｃ，ｅ，ｇで表されているピエゾ抵抗素子はその電流経
路の方向が＜１１０＞の結晶方位に沿ったものであり、
添え字ｂ，ｄ，ｆ，ｈで表されているピエゾ抵抗素子は
上記添え字ａ，ｃ，ｅ，ｇで表されているピエゾ抵抗素
子と直角をなす方向に沿つたものである。

【００４１】尚、図４では図が煩雑になるのを避けるた
め配線パターンは省略してある。

【００４２】次に本実施の形態２の動作について説明す
る。

【００４３】把持部４に対して鉛直方向に加わる応力を
Ｚ、直角の方向に加わる応力をＸ、ねじれの方向に加わ
る応力をＭとし、それぞれのピエゾ抵抗群内でのピエゾ
抵抗素子が十分に小さく互いに近接しているとすると、
各ピエゾ素子のＺ，Ｘ，Ｍによる抵抗変化は以下の式で
近似することができる。

【００４４】［式２］ ΔＲ１ａ＝ΔＲ１ｃ＝−α１Ｚ， ΔＲ１ｂ＝ΔＲ１ｄ＝α２Ｚ， ΔＲ２ａ＝ΔＲ２ｃ＝一α３Ｚ＋β３Ｘ， ΔＲ２ｂ＝ΔＲ２ｄ＝α４Ｚ−β４Ｘ， ΔＲ２ｅ＝ΔＲ２ｇ＝−α５Ｚ−β５Ｘ， ΔＲ２ｆ＝ΔＲ２ｈ＝α６Ｚ＋β６Ｘ， ΔＲ３ａ＝−α７Ｚ＋β７Ｘ−γ７Ｍ， ΔＲ３ｂ＝α８Ｚ−β８Ｘ＋γ８Ｍ， ΔＲ３ｃ＝−α９Ｚ＋β９Ｘ＋γ９Ｍ， ΔＲ３ｄ＝α１０Ｚ−β１０Ｘ−γ１０Ｍ， ΔＲ３ｅ＝一α１１Ｚ−β１１Ｘ＋γ１１Ｍ， ΔＲ３ｆ＝α１２Ｚ＋β１２Ｘ−γ１２Ｍ， ΔＲ３ｇ＝−α１３Ｚ−β１３Ｘ−γ１３Ｍ， ΔＲ３ｈ＝α１４Ｚ＋β１４Ｘ＋γ１４Ｍ 尚、αｎ，βｎ、γｎ（ｎ＝１〜１４）は正の定数で、
Ｚ，Ｘ，Ｍは図２に示す矢印の方向を正とした時の各応
力成分であり、正負の値を持つ。

【００４５】図５は図４に示したピエゾ抵抗群の等価回
路図である。

【００４６】実施の形態１と同様にそれぞれのブリッジ
回路はフルブリッジ回路になっており、歪みに対する抵
抗値の変化により各出力が相反する組み合わせになって
いるため高い感度を得ることができる。

【００４７】ブリッジ回路Ａの出力（Ｖ１ｅ，Ｖ１ｆの
電位差）より把持部４に加わる鉛直方向の応力Ｚを検出
することができる。

【００４８】また、求められたＺとブリッジ回路Ｂの出
力（Ｖ２ｅ，Ｖ２ｆの電位差）より把持部４に加わる直
角方向の応力Ｘを検出することができる。

【００４９】さらに、ブリッジ回路ＢはＺ成分による項
が相殺される方向に働くので、Ｘ成分の依存度がより高
い出力になる。

【００５０】また、求められたＺおよびＸとブリッジ回
路ｃの出力（Ｖ３ｅ，Ｖ３ｆの電位差）より把持部４に
加わるねじれ方向の応力Ｍを検出することができる。

【００５１】さらに、ブリッジ回路ＣはＺ成分による項
およびＸ成分による項が相殺される方向に働くのでＭ成
分の依存度がより高い出力になる。

【００５２】このことにより、把持する対象物が比較的
小さいため把持部４に生ずるねじれ方向の応力Ｍがさほ
ど大きくないような用途において、これらの応力成分を
検出する場合などにおいて好適である。

【００５３】（実施の形態３）本実施の形態３は上述し
た実施の形態２に準ずるものである。

【００５４】ピエゾ抵抗素子のピエゾ抵抗係数は主面の
面方位が＜１００＞の結晶面上に形成された電流経路の
方向を＜１１０＞の結晶方位およびその直角方向に形成
したときに正負の最大値を持つため、電流経路の方向を
ずらして形成することで連続的に値を変化させることが
できる。

【００５５】また、各応力により起歪部４に生ずる歪み
は位置分布を持っている。

【００５６】これらの条件をもとに、図６に示すように
ピエゾ抵抗群Ｂを破線Ｐ上に、ピエゾ抵抗群Ｃは起歪部
３の四隅方向に形成しながら上述した実施の形態２の
［式２］において、以下の［式３］を満たすように、各
ピエゾ抵抗素子の電流経路の方向、および形成する位置
を設定する。

【００５７】［式３］ α４＝α５， α３＝α６， α７＝α１０， α８＝α９， α１１＝α１４， α１２＝α１３， β７＝β１０， β８＝β９， β１１＝β１４， β１２＝β１３ 以上の条件を満たした回路構成では、ブリッジ回路Ａの
出力（Ｖ１ｅ，Ｖ１ｆの電位差）より把持部４に加わる
鉛直方向の応力Ｚを検出することができる。

【００５８】また、ブリッジ回路ＢはＺ成分によるピエ
ゾ抵抗素子の変化を相殺するので出力（Ｖ２ｅ，Ｖ２ｆ
の電位差）より把持部４に加わる直角方向の応力Ｘを検
出することができる。

【００５９】さらに、ブリッジ回路ＣはＺ成分およびＸ
成分によるピエゾ抵抗素子の変化を相殺するので出力
（Ｖ３ｅ，Ｖ３ｆの電位差）より把持部４に加わるねじ
れ方向の応力Ｍを検出することができる。

【００６０】このことにより、把持部４に加わる応力成
分を何ら演算を行うことなく分離して検出することがで
きる。

【００６１】そして、上述したような実施の形態で示し
た本明細書には、特許請求の範囲に示した請求項１乃至
８以外にも、以下に付記１乃至付記５として示すような
発明が含まれている。

【００６２】（付記１） 薄板状の半導体に基部、起歪
部、把持部が形成されていて、起歪部が基部および把持
部に比べくびれているとともに、起歪部表面において把
持部に加わる鉛直、直角、ねじれの応力に起因した歪み
を検出する少なくとも３つの歪み−電気変換素子Ａ、
Ｂ．Ｃが離散的に形成されていることを特徴とする力覚
センサ。

【００６３】（対応する実施の形態）全ての実施の形態
が該当する。

【００６４】上記構成要素中の構成歪み−電気変換素子
は、実施の形態ではピエゾ抵抗素子が該当する。

【００６５】（手段）力覚センサ１の起歪部３におい
て、歪み−電気変換素子が少なくとも３個所に形成され
ている。

【００６６】（作用効果）各歪み−電気変換素子につい
て把持部４に加わる鉛直方向の応力Ｚ、直角方向の応力
Ｘ、ねじれ方向の応力Ｍに対する歪み−電気変換素子係
数をあらかじめ求めておくことで、各歪み−電気変換素
子の変化より把持部４加わっている応力成分を求めるこ
とができる。

【００６７】（付記２） 前記歪みを検出する歪み−電
気変換素子のうち把持部に加わる応力に起因した歪み成
分のうち前記Ａが把持部に鉛直方向に加わる応力に起因
する歪みのみを受ける部位、前記Ｂが把持部に鉛直方向
と直角方向に加わる応力に起因する合成歪みのみを受け
る部位、前記Ｃが把持部に鉛直方向と直角方向とねじれ
方向に加わる応力に起因する合成歪みを受ける部位近傍
にそれぞれ配置されたことを特徴とする付記１記載の力
覚センサ。

【００６８】（対応する実施の形態）全ての実施の形態
が該当する。

【００６９】（手段）力覚センサ１の起歪部３におい
て、歪み−電気変換素子が破線Ｏ，Ｐの交点および破線
Ｐ上の両端もしくはその一端および起歪部３の四隅また
は少なくともそのいずれかに形成されている。

【００７０】（作用効果）破線Ｏ，Ｐの交点上の歪み−
電気変換素子により把持部４に加わる鉛直方向の応力Ｚ
を検出することができる。

【００７１】また、求められたＺと破線Ｐ上の歪み−電
気変換素子により把持部４に加わる直角方向の応力Ｘを
検出することができる。

【００７２】また、求められたＺおよびＸと起歪部３の
四隅の歪み−電気変換素子により把持部４に加わるねじ
れ方向の応力Ｍを検出することができる。

【００７３】（付記３） 前記歪みを検出する歪み−電
気変換素子が、主面の面方位が＜１００＞の単結晶シリ
コン薄板に形成された複数のＰ型拡散層で構成された抵
抗素子であって、そのうち少なくとも１つの抵抗素子の
主な電流経路が、＜１１０＞の結晶方位に沿っており、
他の一つはこれに直交した方向に形成され、これらの抵
抗素子によりハーフブリッジ回路もしくは相補的な関係
になるようにフルブリッジ回路が構成されていることを
特徴とする付記２記載の力覚センサ。

【００７４】（対応する実施の形態）実施の形態１と、
実施の形態２とが該当する。

【００７５】（手段）各歪み−電気変換素子として半導
体プロセスにより形成された３つのＰ型拡散層のピエゾ
抵抗群Ａ．Ｂ．Ｃが形成されており、それぞれの抵抗群
において主面の面方位が＜１００＞の結晶面上に形成さ
れその電流経路の方向が＜１１０＞の結晶方位に沿った
ピエゾ抵抗素子と、それと直角をなす方向に沿ったピエ
ゾ抵抗素子との組み合わせによりブリッジ回路を構成し
ている。

【００７６】（作用効果）主面の面方位が＜１００＞の
結晶面上に形成された電流経路の方向が＜１１０＞の結
晶方位に沿ったＰ型拡散層により形成されたピエゾ抵抗
のピエゾ抵抗係数は最大値を示し、生じる歪みの方向に
対してその電流経路の方向が同一方向の場合と直角方向
の場合では正負の符号の異なる係数をもつので、それぞ
れのピエゾ抵抗群でブリッジ回路を組むことで、歪みに
対する抵抗値の変化により各出力が相反する組み合わせ
になり、高い感度を得ることができる。

【００７７】さらに、ピエゾ抵抗素子は温度変化により
抵抗値が変化するが、これらのピエゾ抵抗は半導体プロ
セスにより形成され非常に近接して配置することができ
るので、それぞれのピエゾ抵抗素子間の温度差を非常に
小さくできるため温度ドリフトをきわめて小さくするこ
とができる。

【００７８】（付記４） 前記歪みを検出する抵抗素子
が、把持部に加わる鉛直、直角、ねじれの応力成分のう
ちただ１つの応力成分を残して、その他の応力成分が相
殺する関係になるように２つ以上の抵抗素子を直列接続
したものを１つの要素とし、これらの要素についてハー
フブリッジ回路もしくは相補的な関係になるようにフル
ブリッジ回路を構成することで、ブリッジ回路の出力が
相殺されずに残るただ１つの応力成分について、ブリッ
ジ回路の出力の依存度を大きくさせたことを特徴とする
付記２または３記載の力覚センサ。

【００７９】（対応する実施の形態）実施の形態２が該
当する。

【００８０】（手段）各センサ素子として半導体プロセ
スにより形成された３つのＰ型拡散層により形成された
ピエゾ抵抗群Ａ［Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ１ｃ，Ｒ１ｄ］、
Ｂ［Ｒ２ａ，Ｒ２ｂ，Ｒ２ｃ，Ｒ２ｄ，Ｒ２ｅ，Ｒ２
ｆ，Ｒ２ｇ，Ｒ２ｈ］、Ｃ［Ｒ３ａ，Ｒ３ｂ，Ｒ３ｃ，
Ｒ３ｄ，Ｒ３ｅ，Ｒ３ｆ，Ｒ３ｇ，Ｒ３ｈ］が構成され
ており、ピエゾ抵抗群Ａは破線Ｏ、Ｐの交点、、ピエゾ
抵抗群Ｂは破線Ｐ上の両端、ピエゾ抵抗群Ｃは起歪部３
の四隅に構成されている。

【００８１】これら全ての抵抗群において添え字ａ，
ｃ，ｅ，ｇで表されているピエゾ抵抗素子はその電流経
路の方向が＜１１０＞の結晶方位に沿ったものであり、
添え字ｂ，ｄ，ｆ，ｈで表されているピエゾ抵抗素子は
添え字ａ，ｃ，ｅ，ｇで表されているピエゾ抵抗素子と
直角をなす方向に沿ったものである。

【００８２】また、これらのピエゾ抵抗素子により把持
部に加わる鉛直、直角、ねじれの応力成分のうちただ１
つの成分を残して、その他の成分が相殺する関係になる
ようにブリッジ回路Ａ、Ｂ、Ｃが構成されている。

【００８３】（作用効果）ブリッジ回路Ａの出力より把
持部４に加わる鉛直方向の応力Ｚを検出することができ
る。

【００８４】また、求められた応力Ｚとブリッジ回路Ｂ
の出力より把持部４に加わる直角方向の応力Ｘを検出す
ることができる。

【００８５】さらに、ブリッジ回路ＢはＺ成分による項
が相殺される方向に働くのでＸ成分の依存度がより高い
出力になる。

【００８６】また、求められたＺおよびＸとブリッジ回
路Ｃの出力より把持部４に加わるねじれ方向の応力Ｍを
検出することができる。

【００８７】さらに、ブリッジ回路Ｃはｚ成分による項
およびＸ成分による項が相殺される方向に働くのでＭ成
分の依存度がより高い出力になる。

【００８８】このことにより、把持する対象物が比較的
小さいため把持部４に生ずるねじれ方向の応力Ｍがさほ
ど大きくないような用途においてこれらの応力成分を検
出する場合などにおいて好適である。

【００８９】（付記５） 前記歪みを検出する抵抗素子
が、把持部に加わる鉛直、直角、ねじれの応力成分のう
ちただ１つの応力成分を残して、その他の応力成分が相
殺する関係になるように抵抗素子の電流経路の方向およ
び形成する部位を設定した２つ以上の抵抗素子を直列接
続したものを１つの要素とし、これらの要素についてハ
ーフブリッジ回路もしくは相補的な関係になるようにフ
ルブリッジ回路を構成することで、ブリッジ回路の出力
が相殺されずに残るただ１つの応力成分についてのみ依
存することを特徴とする付記２記載の力覚センサ。

【００９０】（対応する実施の形態）実施の形態３が該
当する。

【００９１】（手段）ピエゾ抵抗群Ｂを破線Ｐ上に、ピ
エゾ抵抗群Ｃは起歪部３の四隅方向に形成しながら相殺
する歪み成分の係数の絶対値が等しくなるように各ピエ
ゾ抵抗の電流経路の方向、および形成する部位を設定す
る。

【００９２】（作用効果）ブリッジ回路Ａの出力より把
持部４に加わる鉛直方向の応力Ｚを検出することができ
る。

【００９３】また、ブリッジ回路Ｂはｚ成分によるピエ
ゾ抵抗素子の変化を相殺するので出力より把持部４に加
わる直角方向の応力Ｘを検出することができる。

【００９４】さらに、ブリッジ回路ＣはＺ成分およびＸ
成分によるピエゾ抵抗素子の変化を相殺するので出力よ
り把持部４に加わるねじれ方向の応力Ｍを検出すること
ができる。

【００９５】このことにより，把持部４に加わる応力成
分を何ら演算を行うことなく分離して検出することがで
きる。

【００９６】

【発明の効果】従って、以上説明したように、本発明に
よれば、把持部に加わる各応力成分を分離して検出でき
る力覚センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の実施の形態の力覚センサの構
造を示す図である。

【図２】図２は、本発明の実施の形態１に係る起歪部３
の拡大図である。

【図３】図３は、図２に示したピエゾ抵抗群の等価回路
図である。

【図４】図４は、本発明の実施の形態２に係る起歪部３
の拡大図である。

【図５】図５は、図４に示したピエゾ抵抗群の等価回路
図である。

【図６】図６は、本発明の実施の形態３に係る起歪部３
の拡大図である。

【符号の説明】

１…力覚センサ、 ２…基部、 ３…起歪部、 ４…把持部、 Ａ，Ｂ，Ｃ…３つのＰ型拡散層のピエゾ抵抗群（３つの
ブリッジ回路）、 Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ１ｃ，Ｒ１ｄ…ピエゾ抵抗群Ａ、 Ｒ２ａ，Ｒ２ｂ，Ｒ２ｃ，Ｒ２ｄ…ピエゾ抵抗群Ｂ、 Ｒ３ａ，Ｒ３ｂ，Ｒ３ｃ，Ｒ３ｄ…ピエゾ抵抗群Ｃ、 Ｒ２ａ，Ｒ２ｂ，Ｒ２ｃ，Ｒ２ｄ，Ｒ２ｅ，Ｒ２ｆ，Ｒ
２ｇ，Ｒ２ｈ…ピエゾ抵抗群Ｂ、 Ｒ３ａ，Ｒ３ｂ，Ｒ３ｃ，Ｒ３ｄ，Ｒ３ｅ，Ｒ３ｆ，Ｒ
３ｇ，Ｒ３ｈ…ピエゾ抵抗群Ｃ。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 薄膜状半導体からなるセンサ基部と、 上記センサ基部とほぼ同一の平面上に設けられ、上記セ
   ンサ基部に接続された薄膜状半導体からなる起歪部と、 上記起歪部とほぼ同一の平面上に設けられ、上記起歪部
   に接続された薄膜状半導体からなる把持部とを有し、 上記起歪部には、上記把持部に加わる異なる方向の応力
   によって起歪部に発生する歪みを検出する第１、第２お
   よび第３の歪み電気変換素子がそれぞれ独立に設けられ
   ていることを特徴とする力覚センサ。
2. 【請求項２】 上記起歪部は上記センサ基部と上記把持
   部を結んでおり、上記起歪部の上記力覚センサの短手方
   向の幅は上記センサ基部および上記把持部の幅よりも短
   いことを特徴とする請求項１に記載の力覚センサ。
3. 【請求項３】 上記歪み電気変換素子は、把持部に加わ
   る鉛直方向、直角方向およびねじれの応力に起因した起
   歪部の歪みを検出することを特徴とする請求項１に記載
   の力覚センサ。
4. 【請求項４】 上記第１の歪み電気変換素子は上記把持
   部に鉛直方向に加わる応力のみにより上記起歪部に歪み
   が発生する部位の近傍に、 上記第２の歪み電気変換素子は上記把持部に鉛直方向と
   直角方向に加わる合成応力のみにより歪みが発生する部
   位の近傍に、 上記第３の歪み電気変換素子は上記把持部に鉛直方向と
   直角方向とねじれ方向に加わる応力により発生する合成
   歪みが発生する部位の近傍に、それぞれ設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の力覚センサ。
5. 【請求項５】 上記第１の歪み電気変換素子は上記起歪
   部の把持部とセンサ基部を結ぶ軸のほぼ中央の部位に、 上記第２の歪み電気変換素子は上記起歪部の把持部とセ
   ンサ基部を結ぶ軸のほぼ中央においてこの軸と直交する
   軸上の部位に、 上記第３の歪み電気変換索子は上記起歪部のセンサ基部
   あるいは把持部との接続部近傍の部位に、それぞれ設け
   られていることを特徴とする請求項４に記載の力覚セン
   サ。
6. 【請求項６】 上記起歪部は主面の面方位が＜１００＞
   の単結晶シリコン薄板であり、 上記第１乃至第３の歪み電気変換素子はそれぞれ上記起
   歪部に形成されたＰ型拡散層で構成された第１、第２お
   よび第３の抵抗部であり、 上記第１乃至第３の抵抗部のうち少なくとも一つの上記
   抵抗部の主な電流経路は面方位＜１１０＞の結晶方位に
   沿っており、 上記抵抗部の他の一つは面方位＜１１０＞の結晶方位と
   直交した方向に形成されており、 上記第１乃至第３の抵抗部によりハーフブリッジ回路が
   構成されているか、あるいは相補的な関係のフルブリッ
   ジ回路が構成されていることを特徴とする請求項４また
   は５に記載の力覚センサ。
7. 【請求項７】 上記第１乃至第３の抵抗部は、上記把持
   部に加わる鉛直方向、直角方向およびねじれ方向の応力
   成分のうち、いずれか２つの応力成分を相殺する関係に
   なるように２つ以上の抵抗素子を直列接続したブロック
   を有しており、このブロックを複数接続してハーフブリ
   ッジ回路を構成するかあるいは相補的な関係となるよう
   にフルブリッジ回路を構成し、上記残った一つの応力成
   分についてブリッジ回路の出力の依存度を高くしたこと
   を特徴とする請求項６に記載の力覚センサ。
8. 【請求項８】 上記第１乃至第３の歪み電気変換素子
   は、上記把持部に加わる鉛直方向、直角方向およびねじ
   れ方向の応力成分のうち、いずれか２つの応力成分を相
   殺し残る一つの応力成分のみを検出するように電流経路
   の方向および形成する部位を設定した２つ以上の抵抗素
   子を直列接続したブロックを有しており、このブロック
   を複数接続してハーフブリッジ回路を構成するかあるい
   は相補的な関係となるようにフルブリッジ回路を構成
   し、上記残つた一つの応力成分についてのみブリッジ回
   路の出力が依存することを特徴とする請求項５に記載の
   力覚センサ。