JP2003254843A - ６軸力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 他軸干渉の問題を抑制し、測定可能な軸力の
レベルを飛躍的に高め、応用範囲を拡大し、実用化に寄
与する６軸力センサを提供する。 【解決手段】 半導体基板を利用して形成され、かつ少
なくとも外力を受ける作用部２１およびこの作用部を支
持する支持部２２を有する６軸力センサチップ１１と、
当該６軸力センサチップの周囲に配置され、外力が加わ
る外力印加板３４、６軸力センサチップを支持する台座
部１２、外力印加板を台座部に固定する外力緩衝機構
（３１，３２，３３）、外力伝達機構である連結ロッド
１７から成る構造体を備える。外力印加板３４と作用部
２１が連結ロッド１７で連結されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は６軸力センサに関
し、特に、半導体製造プロセス技術を利用して基板上に
形成される所定配置パターンの複数の歪み抵抗素子を有
し、ロボット等の力覚センサとして利用可能な６軸力セ
ンサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、工作用作業機械や、ロボット等の
自動機械では、その作業上または動作上で、作業対象物
に対して力を加える作業を行ったり、外界から力の作用
を受けたりする状態が発生する。このような場合、作業
機械やロボット等では、自身に加わる外部からの力やモ
ーメントを検出して、当該力やモーメントに対応した制
御を行うことが必要となる。力やモーメントに対応する
制御を適切に行うためには、外部から加わる力とモーメ
ントを正確に検出することが必要となる。

【０００３】そこで従来から力覚センサやマンマシンイ
ンタフェースとして用いられる各種の多軸力センサが提
案されている。通常、力センサは、検出方式の観点で大
別すると、力に比例した変形量を検出する弾性式力セン
サと、既知の力との釣り合わせによって力を測定する力
平衡型力センサとに分けることができる。また力センサ
は、原理的な構造として、外力に応じて弾性変形する起
歪体の部分に複数の歪み抵抗素子を設けた構造を有す
る。この構造によれば、多軸力センサの起歪体部分に外
力が加わると、起歪体部分の変形の程度に応じた電気信
号が複数の歪み抵抗素子から出力される。これらの電気
信号に基づいて起歪体部分に加わった２成分以上の力等
を検出することができる。

【０００４】上記多軸力センサとしては６軸力センサが
代表的なものである。６軸力センサは上記弾性式力セン
サの一種であって、起歪体部分に複数の歪み抵抗素子を
備えている。６軸力センサは、外力を、直交座標系の３
軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の各軸方向の軸応力成分（力：
Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ）と、各軸方向のトルク成分（モーメ
ント：Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）に分け、６軸成分として検出
するものである。

【０００５】多軸力センサの第１の従来例として特公昭
６３−６１６０９号公報（平成６３年１１月２９日公
告）に開示される「多分力ロードセル」を挙げる。この
文献は６軸力センサを開示している。この６軸力センサ
は、三次元構造の起歪体に複数の歪みゲージを貼付した
構成を有している。歪みゲージを起歪体に貼付する構造
では、小型化が制限され、製作再現性が悪く、製品間に
バラツキが生じ、さらに繰返し衝撃のストレスおよび熱
ストレス等に起因して貼付層が剥がれる等の問題が生じ
る。

【０００６】多軸力センサの第２の従来例として、さら
に特許第２７４６２９８号公報（平成１０年５月６日発
行）に開示される「ニ成分以上の力検出装置」を挙げ
る。この文献に開示された多軸力センサでは、半導体製
造プロセスを利用して半導体基板の上に複数の歪み抵抗
素子を作り、起歪体部分に歪みゲージ要素を一体的に組
み付ける構成としている。これにより、上記第１の従来
の多軸力センサの問題を解消し、製作工程の精度を高
め、製作の再現性を良好にし、多軸力センサの小型化を
可能にしている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記第２の従来の多軸
力センサは、直交する３軸の各々について力またはモー
メントを検出しようとするとき、基板全体が等方的に歪
むという特性を構造的に有しており、さらに基板上にお
ける複数の歪み抵抗素子の配置が不適切であり、起歪体
部分に加わる外力の各成分を精度よく分離できないとい
う不具合を有していた。６軸力センサにおいて、例えば
Ｆｘの軸応力成分のみが生じるように外力が加えられた
ときに、Ｆｘ以外の本来的に０になる他の成分に関して
応力が発生する出力が生じると問題である。６軸力セン
サ等において、起歪体部分に加わる外力の各成分（力お
よびモーメント）を精度よく分離できないという問題は
「他軸干渉」の問題として問題視されている。他軸干渉
の問題は、６軸力センサの実用化の観点で無視すること
ができない問題である。

【０００８】ここで６軸力センサの他軸干渉の問題につ
いて説明を加える。６軸力センサでは、前述の通り、Ｘ
軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各について、力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚとモ
ーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚを検出する。６軸力センサ
は、起歪体部分に設けられた歪み抵抗素子の抵抗変化を
利用しかつ外部演算部に基づき６つの信号Ｓig１〜Ｓig
６を出力する。これらの６つの出力信号Ｓig１〜Ｓig６
は、６軸成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚと、
単一の軸成分のみを外力として与えた入力に対する各信
号の大きさを（電気的変化率）を予め求めることによっ
て得られる６×６の行列要素を用いて関係付けられる。
この行列要素を求めておけば、その逆行列を算出するこ
とにより、６軸成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍ
ｚを逆行列を用いて６つの出力信号Ｓig１〜Ｓig６で求
めることができる。６軸成分の各々は出力信号Ｓig１〜
Ｓig６の関数となる。６軸力センサで高精度の測定を行
うためには、６つの出力信号の各々が正確に検出される
ことが要求される。ノイズの重畳で１つの出力信号に変
動が生じると、相互関係に係る行列要素により基本的に
６軸成分のすべての測定に支障が生じる。例えば出力信
号Ｓig１のみにノイズが重畳した場合、それ以外の出力
信号にノイズが重畳されなくとも、６軸成分のすべてに
その影響が生じる。そこで、理想的に、出力信号Ｓig１
が軸成分Ｆｘのみに反映し、出力信号Ｓig２が軸成分Ｆ
ｙのみに反映するごとく、上記の６×６の行列要素の非
対角成分が０であることが望まれる。非対角成分が０で
あると、外乱ノイズに対して改善された６軸成分を測定
することが可能となる。

【０００９】そこで本発明者らは、上記の観点で従来の
上記多軸力センサの不具合を解決するために新しい構成
を有する６軸力センサを提案した（特願２００２−５３
３４号、平成１４年１月１１日出願）。この６軸力セン
サは、同様に半導体製造プロセスを利用して半導体基板
上に複数の歪み抵抗素子を作り、起歪体部分に歪みゲー
ジを一体的に組み付ける構成であって、さらに全体的な
形態はその平面形状がほぼ正方形である平板状部材で形
成される。この６軸力センサでは、周囲部分が支持部と
なり、中央部分に平面形状がほぼ正方形の作用部を有
し、正方形の作用部の４つの辺の各々と周囲部の対応部
分との間はＴ字型連結部で連結されている。そして、上
記構成を有する平板状の６軸力センサにおいて、正方形
の作用部の各辺と、対応するＴ字型連結部との間の境界
部に所定数の歪み抵抗素子を設けている。この６軸力セ
ンサでは、作用部の各辺とＴ字型連結部との間の境界部
が最も歪みが起きる箇所になっている。上記６軸力セン
サでは、起歪体部分の形態を改良し、複数の歪み抵抗素
子の配置パターンを最適化することにより「他軸干渉」
の問題を解決している。

【００１０】上記の本発明者らが提案した６軸力センサ
では、半導体基板自体が起歪体としての機能を有するの
で、半導体基板の本来的に有する強度によって測定可能
な力の範囲が制限される。実用化の観点では、かかる制
限が生じないように工夫し、その測定レンジを高めて使
用範囲を広げることが要望される。

【００１１】本発明の目的は、上記課題を解決するもの
であり、他軸干渉が抑制され、測定可能な力のレベルを
飛躍的に高め、応用範囲を拡大し、実用化に寄与する６
軸力センサを提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明に係る６軸力セン
サは、上記目的を達成するために、次の通り構成され
る。

【００１３】第１の本発明に係る６軸力センサ（請求項
１に対応）は、半導体基板を利用して形成され、かつ少
なくとも外力を受ける作用部およびこの作用部を支持す
る支持部を有する６軸力センサチップと、当該６軸力セ
ンサチップの周囲に配置され、外力が加わる外力印加
部、６軸力センサチップを支持する台座部、外力印加部
を台座部に固定する外力緩衝機構、外力伝達機構から成
る構造体を備えており、さらに、外力印加部と作用部が
外力伝達機構で連結されるように構成されている。

【００１４】第２の本発明に係る６軸力センサ（請求項
２に対応）は、上記の第１の構成において、好ましく
は、上記６軸力センサチップは、作用部と支持部を連結
する４本の連結部と、変形が起きる部分に半導体製造プ
ロセスで作られた複数の歪み抵抗素子とを備える。

【００１５】第３の本発明に係る６軸力センサ（請求項
３に対応）は、上記の各構成において、さらに好ましく
は、６軸力センサチップと台座部の間には絶縁部材が設
けられることで特徴づけられる。

【００１６】

【作用】本発明に係る６軸力センサによれば、先に本発
明者らが特願２００２−５３３４号によって提案した６
軸力センサに対して緩衝機能を有する構造体（筐体）を
付設することにより、外力を減衰させた状態でその作用
部に与えることが可能となる。その結果、半導体基板を
利用し半導体製造プロセス技術（または半導体成膜プロ
セス技術）を適用して作られた６軸力センサにおいて検
出できる力の範囲を大きくすることができ、ダイナミッ
クレンジの大きな６軸力センサを実現することができ
る。センサチップと構造体を組み合せても、本来センサ
チップの有している「他軸干渉」の少ないという特性は
保持され、さらに検出可能な力範囲が増大されるという
特性が付加される。また６軸力センサチップと台座部の
間に絶縁部材が設けられることにより、台座部からセン
サチップに対して電気的ノイズが与えられるのを防止す
ることが可能となる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の好適な実施形態
を添付図面に基づいて説明する。

【００１８】実施形態で説明される構成、形状、大きさ
および配置関係については本発明が理解・実施できる程
度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構
成要素の組成（材質）については例示にすぎない。従っ
て本発明は、以下に説明される実施形態に限定されるも
のではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範
囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができ
る。

【００１９】図１は本発明に係る６軸力センサを概念的
に示した側面図である。１１は６軸力センサ機能を有す
るセンサチップである。センサチップ１１は半導体基板
で形成されている。センサチップ１１は、後述するごと
く、外力を受ける中央部の作用部と、この作用部を支持
する支持部と、作用部と支持部を連結する連結部を有す
る。センサチップ１１は台座部１２の上に絶縁部材１３
を介して取り付けられる。センサチップ１１の支持部が
台座部１２に固定されている。台座部１２に対して複数
の緩衝支柱１４を介して外力印加部１５が取り付けられ
る。外力印加部１５は板状部材であり、センサチップ１
１の上側に配置される。複数の緩衝支柱１４は緩衝機構
としての機能を有する。外力印加部１５とセンサチップ
１１の作用部との間は絶縁部材１６を介して連結ロッド
１７で連結されている。なお、センサチップ１１のデバ
イスが形成された表面側は絶縁性の保護膜で覆われてい
るので、絶縁部材１６を省略することもできる。６軸力
センサ機能を有するセンサチップ１１に対して、上記の
台座部１２と複数の緩衝支柱１４と外力印加部１５から
成る構造体は筐体（ケース）を形成している。この筐体
は、その緩衝機構に基づいて、外力を減衰させてセンサ
チップ１１の作用部に与える機能を有している。

【００２０】上記の構成において、台座部１２と外力印
加部１５は高い強度を有する部材で作られている。未知
の外力（荷重）Ｆは外力印加部１５に加わる。外力Ｆを
受けた外力印加部１５は外力に応じてその位置や姿勢が
変化する。外力印加部１５の位置や姿勢の変化は、台座
部１２との間に設けられた緩衝支柱１４の緩衝作用で制
限を受けながら生じる。外力印加部１５にて生じた位置
や姿勢の変化は連結ロッド１６を経由してセンサチップ
１１の作用部に伝達される。センサチップ１１の作用部
には緩衝支柱１４で制限された力（モーメント）が加わ
る。外力印加部１５に外力が入力にされたときには、緩
衝支柱１４に基づく緩衝機構によって減衰された力がセ
ンサチップ１１の作用部に与えられる。従って、半導体
センサ素子として作られたセンサチップ１１に直接に入
力されるとセンサチップ１１が破壊するような外力の場
合でも、上記筐体に基づく緩衝機構により、センサチッ
プ１１の破壊を防ぐことができる。他方、センサチップ
単体では検出可能な力のレベルがその材質的な面から小
さい範囲に制限されていたものが、緩衝機構を備えた上
記筐体を付設することによって、検出可能な力の範囲を
大きくすることができる。

【００２１】６軸力センサ機能を有するセンサチップ１
１における起歪体部分の歪みの減衰率は、６軸成分のそ
れぞれで異なり、さらに筐体の緩衝機構の構造に依存す
る。従って、例えば６軸力センサであるセンサチップ１
１の感度をそれぞれの成分ごとに調整したいという場合
にも、筐体の構造を調整目的に一致するように最適化す
ることにより、センサチップ１１と緩衝機構を備えた筐
体とから成る６軸力センサを所望の特性に調整すること
ができる。

【００２２】また上記の絶縁部材１３，１６は、センサ
チップ１１からの出力される信号にノイズがのるを防止
するために設けられている。

【００２３】次に図２と図３を参照してセンサチップ１
１の具体的構造と検出原理について説明する。図２はセ
ンサチップ１１の斜視図を示し、図３はその平面図を示
す。センサチップ１１は、半導体基板を利用し、半導体
製造プロセス技術（フォトリソグラフィ、レジストパタ
ーン、イオン注入、Ｐ−ＣＶＤ、スパッタリング、ＲＩ
Ｅ等）を適用して形成される半導体センサ素子である。
センサチップ１１の平面形状は好ましくは正方形であ
り、平板状の形態を有している。センサチップ１１の平
面形状を示した図３において、センサチップ１１は、中
央部に位置するほぼ正方形の形状をした作用部２１と、
この作用部２１を囲むような位置にある正方形リング形
状の支持部２２と、作用部２１と支持部２２の間に位置
して四辺の各部分に対応して両者を連結するＴ字形状の
４つの連結部２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄとから構
成されている。４つの連結部２３Ａ〜２３Ｄの各々は、
Ｔ字梁となっており、橋梁部と弾性部を有する。上記の
ごとく、作用部２１は連結ロッド１７によって外力印加
部１５に連結され、支持部２２は台座部１２に固定され
ている。Ｔ字形状の４つの連結部２３Ａ〜２３Ｄの各々
は、作用部２１に接続される境界部における、好ましく
は、一方の面（表面２４）に３つの歪み抵抗素子(Sxa1,
Sxa2,Sxa3),(Sxb1,Sxb2,Sxb3),(Sya1,Sya2,Sya3),(Syb
1,Syb2,Syb3)が配置されている。

【００２４】図２と図３では、センサチップ１１に対し
て、図示される通り、直交されるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が示
されている。図２ではセンサチップ１１における上、
下、右、左が便宜的に定められている。図３では横軸が
Ｘ軸、縦軸がＹ軸として示されている。さらに図２で
は、各軸に係る力およびモーメントが矢印と符号で示さ
れている。直交座標系の３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）に関
して、Ｘ軸方向の力をＦｘとし、Ｙ軸方向の力をＦｙと
し、Ｚ軸方向の力をＦｚとし、またＸ軸に対して回転方
向に与えられるモーメントをＭｘとし、Ｙ軸に対して回
転方向に与えられるモーメントをＭｙとし、Ｙ軸に対し
て回転方向に与えられるモーメントをＭｚとする。

【００２５】上記の６軸成分（軸力）、すなわちＦｘ
［Ｎ］，Ｆｙ［Ｎ］，Ｆｚ［Ｎ］，Ｍｘ［Ｎ・ｃｍ］，
Ｍｙ［Ｎ・ｃｍ］，Ｍｚ［Ｎ・ｃｍ］が単体のセンサチ
ップ１１に印加された場合に、これらの６軸成分とセン
サチップ１１に基づく検出信号との関係は次の通りであ
る。

【００２６】６軸力センサは、実際の構成としては、上
記のセンサチップ１１と、センサチップ１１の１２個の
歪み抵抗素子のそれぞれから得られる抵抗変化率に係る
信号を演算する外部の測定機器とから成り、６軸力セン
サ装置として構成される。外部の測定機器の演算を経て
６軸力センサから最終的に出力される信号は６つの信号
Ｓig１，Ｓig２，Ｓig３，Ｓig４，Ｓig５，Ｓig６であ
る。センサチップ１１の１２個の歪み抵抗素子のそれぞ
れから得られる抵抗変化率の値を、R'Sxa1,R'Sxa2,R'Sx
a3,R'Sxb1,R'Sxb2,R'Sxb3,R'Sya1,R'Sya2,R'Sya3,R'Syb
1,R'Syb2,R'Syb3と表現すると、上記の６つの信号Ｓig
１，Ｓig２，Ｓig３，Ｓig４，Ｓig５，Ｓig６は下記の
式に基づいて決められる。

【００２７】

【数１】 Ｓig１＝((R'Sya1-R'Sya3)+(R'Syb3-R'Syb1))/4 Ｓig２＝((R'Sxa3-R'Sxa1)+(R'Sxb1-R'Sxb3))/4 Ｓig３＝(R'Sxa2+R'Sya2+R'Sxb2+R'Syb2)/4 Ｓig４＝(R'Sya2-R'Syb2)/2 Ｓig５＝(R'Sxb2-R'Sxa2)/2 Ｓig６＝((R'Sxa3-R'Sxa1)+(R'Sya3-R'Sya1)+(R'Sxb3-
R'Sxb1)+(R'Syb3-R'Syb1))/8

【００２８】１２個の歪み抵抗素子での各々の抵抗変化
率の変化の量に基づいて上記式に従って決まる６軸力セ
ンサの６つの出力信号Ｓig１，Ｓig２，Ｓig３，Ｓig
４，Ｓig５，Ｓig６と、センサチップ１１に印加される
６つの軸力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚとは、
特定成分の軸力に対する６軸力センサの出力信号を求め
て両者の関係を実験的に求めると、図４に示される行列
で関係付けられる。

【００２９】図４に示される行列に基づいて逆行列計算
を行って６つの軸成分を算出すると、次式のごとくな
る。

【００３０】

【数２】

【００３１】上記のごとく、６軸力センサの６つの出力
信号と検出される６軸成分との関係を行列要素としてと
らえたときに、対角要素が支配的となっており、他軸干
渉の問題が発生する可能性は抑えられていることがわか
る。

【００３２】ここで、図５〜図１０を参照してセンサチ
ップ１１の代表的な軸力（力、モーメント）と変形例に
ついて具体的に説明する。各図において（ａ）はセンサ
チップ１１の変形状態を示す表面側の平面図を示し、
（ｂ）はセンサチップ１１の作用部２１の変位または変
形の状態を示す縦断面図である。

【００３３】図５では、センサチップ１１の作用部２１
に−ＦｙがＹ軸に沿って図中上から下に向かって印加さ
れている。このため、連結部２３Ｂ，２３Ｄと作用部２
１との間の各接続部に歪みが生じ、また連結部２３Ａ，
２３Ｃと作用部２１との間の各接続部では各連結部の弾
性部に−Ｆｙが吸収され、歪みの発生が抑制される。こ
のとき、歪み抵抗素子に関して、Sxa3とSxb1では圧縮に
よる歪みが発生して抵抗値が減少し、Sxa1とSxb3では引
っ張りによる歪みが発生して抵抗値が増加し、Sya1〜Sy
a3とSyb1〜Syb3の抵抗値の変化は極めて小さい。

【００３４】図６では、センサチップ１１の作用部２１
にＦｘがＸ軸に沿って図中左から右に向かって印加され
ている。このため、連結部２３Ａ，２３Ｃと作用部２１
との間の各接続部に歪みが生じ、また連結部２３Ｂ，２
３Ｄと作用部２１との間の各接続部では各連結部の弾性
部にＦｘが吸収され、歪みの発生が抑制される。このと
き、歪み抵抗素子に関して、Sya3とSyb1では圧縮による
歪みが発生して抵抗値が減少し、Sya1とSyb3では引っ張
りによる歪みが発生して抵抗値が増加し、Sxa1〜Sxa3と
Sxb1〜Sxb3の抵抗値の変化は極めて小さい。

【００３５】図７では、センサチップ１１の作用部２１
に−ＦｚがＺ軸（紙面に垂直）に沿って印加されてい
る。このため、連結部２３Ａ〜２３Ｄと作用部２１との
間の各接続部に歪みが生じる。このとき、すべての歪み
抵抗素子において一様な圧縮による歪みが発生して抵抗
値が減少する。

【００３６】図８では、センサチップ１１の作用部２１
にＭｙがＹ軸の周りに矢印の向きに印加されている。こ
のため、連結部２３Ｂ，２３Ｄと作用部２１との間の各
接続部に歪みが生じ、また連結部２３Ａ，２３Ｃと作用
部２１との間の各接続部では各連結部の弾性部にＭｙが
吸収され、歪みの発生が抑制される。このとき、歪み抵
抗素子に関して、Sxa1〜Sxa3では圧縮による歪みが発生
して抵抗値が減少し、Sxb1〜Sxb3では引っ張りによる歪
みが発生して抵抗値が増加し、Sｙa1〜Sｙa3とSｙb1〜S
ｙb3の抵抗値の変化は極めて小さい。

【００３７】図９では、センサチップ１１の作用部２１
にＭｘがＸ軸の周りに矢印の向きに印加されている。こ
のため、連結部２３Ａ，２３Ｃと作用部２１との間の各
接続部に歪みが生じ、また連結部２３Ｂ，２３Ｄと作用
部２１との間の各接続部では各連結部の弾性部にＭｘが
吸収され、歪みの発生が抑制される。このとき、歪み抵
抗素子に関して、Syb1〜Syb3では圧縮による歪みが発生
して抵抗値が減少し、Sya1〜Sya3では引っ張りによる歪
みが発生して抵抗値が増加し、Sxa1〜Sxa3とSxb1〜Sxb3
の抵抗値の変化は極めて小さい。

【００３８】図１０では、センサチップ１１の作用部２
１にＭｚがＺ軸の周りに矢印（反時計）の向きに印加さ
れている。このため、連結部２３Ａ〜２３Ｄと作用部２
１との間の各接続部に歪みが生じる。このとき、歪み抵
抗素子に関して、Sya1,Sxb1,Syb1,Sxa1では圧縮による
歪みが発生して抵抗値が減少し、Sya3,Sxb3,Syb3,Sxa3
では引っ張りによる歪みが発生して抵抗値が増加する。

【００３９】上記のごとく６軸力センサ素子としてのセ
ンサチップ１１は、他軸干渉が抑制され、ノイズに強
く、かつ検出特性の再現性に優れている。他面におい
て、上記の６つの出力信号の各々は作用部２１に印加さ
れる外力に応じて歪みが大きくなると、当該歪みに比例
して大きくなり、それ或る限界値に至ると素子は破壊さ
れる。従ってセンサチップ１１の作用部２１に直接に外
力が印加する場合には、相対的に小さい外力でセンサチ
ップ１１が破壊されることになる。そこで、以上の検出
特性を有するセンサチップ１１に対して、図１に示した
前述の緩衝構造を有した筐体が付設される。センサチッ
プ１１と筐体から成る６軸力センサの強度が高められ、
６軸力センサの検出可能な外力の範囲が拡大される。

【００４０】次に、図１１〜図１３を参照して、本発明
に係る６軸力センサの第１実施形態を説明する。この実
施形態によって具体的構成が示される。図１１〜図１３
において図１で説明した要素と実質的に同じ要素には同
一の符号を付している。

【００４１】センサチップ１１は、台座部１２の上に、
その支持部２２が固定されることにより取り付けられて
いる。センサチップ１１は台座部１２の中央位置で所望
の高さに配置されている。台座部１２には、その四隅に
４本の支持ロッド３１が立てられ、４本の支持ロッド３
１に支持されて正方形リング形状の板状フレーム部材３
２が取り付けられる。各支持ロッド３１は正方形リング
形状の板状フレーム部材３２の４つの角部に固定され
る。板状フレーム部材３２は例えばアルミニウム板材で
形成されている。正方形リング形状の板状フレーム部材
３２の各辺に相当する部分の中間位置に中間支持ロッド
３３が立てられている。４本の中間支持ロッド３３によ
って外力印加板３４が支持される。外力印加板３４は例
えばアルミニムで形成された板材である。外力印加板３
４の中央位置とセンサチップ１１の作用部２１とが連結
ロッド１７で連結されている。外力印加板３４に加わっ
た外力は、連結ロッド１７を介してセンサチップ１１の
作用部２１に間接的に伝達される。また外力印加板３４
は、４本の支持ロッド３１と板状フレーム部材３２と４
本の中間支持ロッド３３で形成される緩衝機構で支持さ
れている。この緩衝機構によって連結ロッド１７を介し
てセンサチップ１１に伝達される外力が減衰される。

【００４２】図１２は、センサチップ１１と外力印加板
３４と緩衝機構の関係を下方から見た図である。図１２
では見やすくするため台座部の図示を省略している。図
１３は、センサチップ１１と緩衝機構の関係を上方から
見た図である。図１３では外力印加板３４の図示を省略
している。緩衝機構の支持ロッド３１や中間支持ロッド
３３は円柱状の部材である。また連結ロッド１７も円柱
状の部材であり、接着材によってセンサチップ１１の作
用部２１と結合されている。なおセンサチップ１１との
間の電気的分離を行うために、台座部１２との間には絶
縁部材が介設される。

【００４３】上記の構成を有する６軸力センサによれ
ば、緩衝機構を梁構造で作ったため、Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ
の検出感度を高くすることができる。

【００４４】図１１に示した緩衝機構を備えた６軸力セ
ンサについて、前述したセンサチップ１１の場合の手法
と同様な手法で、６つの軸成分に対する出力信号Ｓig１
〜Ｓig６の関係を求めたところ、次式のごとくなった。

【００４５】

【数３】

【００４６】センサチップ１１に対して図１１に示す筐
体（緩衝機構）を付設することによって、外力を減衰さ
せ、センサチップ１１に生じる歪み量を減少させること
ができる。従って、センサチップ単体の場合に比較して
係数が大きくなっている。数３に関して行列要素として
とらえたとき、センサチップ単体における行列と同じよ
うに、対角要素が大きく、非対角要素が対角要素より大
幅に小さいかあるいはゼロであること、他軸干渉を抑制
する効果が維持されている。さらに対角要素に着目する
と、ＦｘとＦｙについては係数が１０倍強に増加してお
り、検出可能な外力がほぼ１０倍程度に増加している。
さらにＭｘ，Ｍｙについては係数が１００強担っている
ので、検出可能な外力の範囲もほぼ１００倍程度に増加
している。なお緩衝機構の構造を最適化することによ
り、係数の大きさを制御できるので、所望の６軸力セン
サの特性（例えばＦｚに対する耐荷重を高める等）を実
現することができる。

【００４７】図１４は、第１実施形態に係る６軸力セン
サの測定特性例（ａ）とセンサチップ単独の測定特性例
（ｂ）の比較を示す。図１４で、各グラフの座標系の横
軸は印加荷重Ｆｚ［Ｎ］を示し、縦軸は抵抗変化率を示
す。図１４で明らかなように本実施形態に係る６軸力セ
ンサはセンサチップ単独の場合に比較して定格荷重が約
１０倍に増大している。従って６軸力センサとしての測
定範囲が約１０倍に高められ、耐荷重の性能が向上して
いる。

【００４８】次に図１５を参照して本発明に係る６軸力
センサの第２実施形態を説明する。図１５において前述
の第１実施形態で説明した要素と実質的に同一の要素に
は同一の符号を付している。この実施形態による６軸力
センサでは干渉機構として４つのコイルバネ４１が用い
られている。平面形状が正方形である外力印加板３４に
は下面の四隅にロッド４２が取り付けられ、これらのロ
ッド４２と台座部１２の四隅に取り付けたロッド３１と
の間にコイルバネ４１が固定されている。ロッド３１，
４２とコイルバネ４１で緩衝機構部の機能を有する支柱
が形成されている。その他の構成は第１実施形態と同じ
である。本実施形態による６軸力センサでも第１実施形
態と同様な作用・効果が発揮される。

【００４９】次に図１６を参照して本発明に係る６軸力
センサの第３実施形態を説明する。図１６において前述
の第１実施形態で説明した要素と実質的に同一の要素に
は同一の符号を付している。この実施形態による６軸力
センサでは、円板状の外力印加部５１がセンサチップ１
１の上方に配置され、この外力印加部５１を、４箇所
で、連結された垂直と水平の２本の棒状部材５２，５３
で支持する構造を有する。４箇所の棒状部材ユニットに
よって緩衝機構部が形成される。この構成によれば、外
力印加部５１が配置された同じ平面に水平の棒状部材５
３による梁が形成されるという特徴を有する。その他の
構成は第１実施形態の場合と同じである。本実施形態に
よる６軸力センサでも第１実施形態と同様な作用・効果
が発揮される。

【００５０】次に図１７を参照して本発明に係る６軸力
センサの第４実施形態を説明する。図１７において前述
の第実施形態で説明した要素と実質的に同一の要素には
同一の符号を付している。この実施形態による６軸力セ
ンサでは、円板状の外力印加部５１がセンサチップ１１
の上方に配置される。さらに平面形状が正方形の台座部
１２の四隅に柱６１が設けられ、４本の柱６１の間に支
持フレーム６２を掛け渡し、４つの支持フレーム６２と
外力印加部５１の間に４本の支持フレーム６３を設けて
外力印加部５１を支持するようにしている。支持フレー
ム６２，６３によって梁が形成され、緩衝機構部が形成
されている。その他の構成は第１実施形態と同じであ
る。この構成によれば、外力印加部５１が配置された同
じ平面に水平の支持フレーム６２，６３による梁が形成
されるという特徴を有する。本実施形態による６軸力セ
ンサでも第１実施形態と同様な作用・効果が発揮され
る。

【００５１】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、次のような効果を奏する。

【００５２】請求項１に係る本発明によれば、半導体基
板を利用して作られたセンサチップに対して外力印加部
と台座部と外力緩衝機構と外力伝達機構から成る構造体
を付設して外力が減衰されてセンサチップに加わるよう
に構成したため、６軸力センサにおいて他軸干渉の問題
を抑制しながら、耐荷重性能を高め、ダイナミックレン
ジを高め、測定可能な外力の範囲を拡大し、実用性を高
めることができる。さらに６軸力センサ用の緩衝機構と
して構造簡素なものが実現され、かつ当該構造を最適化
することで耐荷重性を調整することができる。さらに外
乱ノイズに強く、検出性能の再現性が高く、性能にバラ
ツキを生じることなく製作することができ、様々な力範
囲に対して最適な６軸力センサを製作することができる

【００５３】請求項２に係る本発明によれば、６軸力セ
ンサチップは、４本の連結部と所定の配置パターンの複
数の歪み抵抗素子とを備えるため、前述の他軸干渉を可
能な限り抑制できる検出性能を有する。

【００５４】請求項３に係る本発明によれば、６軸力セ
ンサチップと台座部の間に絶縁部材を介設するようにし
たため、緩衝機構を備えた構造体からセンサチップへ電
気的ノイズが与えられるのを防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る６軸力センサを概念的に示した側
面図である。

【図２】本実施形態に係るセンサチップの斜視図であ
る。

【図３】本実施形態に係るセンサチップの平面図であ
る。

【図４】出力信号Ｓig１〜Ｓig６と軸力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆ
ｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚとを関係付ける行列を示す図であ
る。

【図５】センサチップの作用部に−ＦｙがＹ軸に沿って
印加されたときの変形状態を示す図である。

【図６】センサチップの作用部にＦｘがＸ軸に沿って印
加されたときの変形状態を示す図である。

【図７】センサチップの作用部に−ＦｚがＺ軸に沿って
印加されたときの変形状態を示す図である。

【図８】センサチップの作用部にＭｙがＹ軸の周りに印
加されたときの変形状態を示す図である。

【図９】センサチップの作用部にＭｘがＸ軸の周りに印
加されたときの変形状態を示す図である。

【図１０】センサチップの作用部にＭｚがＺ軸の周りに
印加されたときの変形状態を示す図である。

【図１１】本発明に係る６軸力センサの第１実施形態を
示す斜視図である。

【図１２】第１実施形態に係る６軸力センサの板状フレ
ーム部材とセンサチップと外力印加部の位置関係を示す
下方斜視図である。

【図１３】第１実施形態に係る６軸力センサの板状フレ
ーム部材とセンサチップの位置関係を示す上方斜視図で
ある。

【図１４】第１実施形態に係る６軸力センサの測定特性
例（Ａ）とセンサチップ単独の測定特性例（Ｂ）の比較
を示すグラフである。

【図１５】本発明に係る６軸力センサの第２実施形態を
示す斜視図である。

【図１６】本発明に係る６軸力センサの第３実施形態を
示す斜視図である。

【図１７】本発明に係る６軸力センサの第４実施形態を
示す斜視図である。

【符号の説明】 １１ センサチップ １２ 台座部 １３，１６ 絶縁部材 １４ 緩衝支柱 １５ 外力印加部 １７ 連結ロッド ２１ 作用部 ２２ 支持部 ２３Ａ〜２４Ｄ 連結部 ３１ 支持ロッド ３２ 板状フレーム部材 ３３ 中間支持ロッド ３４ 外力印加板

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F051 AA10 AB09 BA07 DA03 DB03 3C007 KS33 KV00 KV06 KW03 KW05 4M112 AA04 BA01 CA21 CA22 CA24 CA27 DA03 DA06 DA09 DA10 DA15 FA01 FA07 FA20

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板で形成され、外力を受ける作
   用部とこの作用部を支持する支持部を少なくとも有する
   ６軸力センサチップと、 前記６軸力センサチップの周囲に配置され、前記外力が
   加わる外力印加部と、前記６軸力センサチップを支持す
   る台座部と、前記外力印加部を前記台座部に固定する外
   力緩衝機構と、外力伝達機構とから成る構造体を備え、 前記外力印加部と前記作用部が前記外力伝達機構で連結
   されていることを特徴とする６軸力センサ。
2. 【請求項２】 前記６軸力センサチップは、前記作用部
   と前記指示部を連結する４本の連結部と、変形が起きる
   部分に半導体製造プロセスで作られた複数の歪み抵抗素
   子とを備えることを特徴とする請求項１記載の６軸力セ
   ンサ。
3. 【請求項３】 前記６軸力センサチップと前記台座部の
   間には絶縁部材が設けられることを特徴とする請求項１
   または２記載の６軸力センサ。