JP2003302295A - 力検知素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ゲージ部の抵抗値の変化量が大きな、検知感
度の高い力検知素子を実現すること。 【解決手段】 力検知素子４０１は、力検知ブロック
と、力伝達ブロックを備えている。力検知ブロックは突
出部４２２ｂを有する。その突出部４２２ｂは力伝達ブ
ロックに陽極接合された接合面Ｍを有する。力伝達ブロ
ックは外力作用面を有する。その外力作用面に外力が作
用すると、その外力に起因する圧縮応力が突出部１２２
ｂに作用する。突出部１２２ｂには、その両側部に、作
用する応力に応じて抵抗値が変化するゲージ部１２４ｂ
−１、１２４ｂ−２が局部的に形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は、力検知素子に関
する。

【０００２】

【従来の技術】 図１に示す力検知素子１は、第１ブロ
ック２０と、第２ブロック２８を備えている。第１ブロ
ック２０は、その主面２１から突出する突出部２２ａ〜
２２ｄと、電極２６ａ〜２６ｄを有する。突出部２２ａ
〜２２ｄの頂面２３ａ〜２３ｄは、第２ブロック２８の
底面２８ｂと接合され、接合面（接触面の一例）Ｍとな
っている。また、第２ブロック２８は、その接合面Ｍに
垂直な方向からみたときに、接合面Ｍと重複する位置に
ある重複領域３０と、接合面Ｍと重複しない位置にある
非重複領域３２、３４を有する。重複領域３０と非重複
領域３２、３４にはそれぞれ、接合面Ｍに垂直な方向の
外力が作用する外力作用面３０ａ、３２ａ、３４ａが形
成されている。これらの外力作用面３０ａ、３２ａ、３
４ａは第２ブロック２８の頂面２８ａである。

【０００３】第１ブロック２０の突出部２２ｂには、図
１の部位Ａの拡大図である図２に示すように、突出部２
２ｂの頂部全体に亘ってゲージ部２４ｂが形成されてい
る。ゲージ部２４ｂは、元々はｎ型の半導体層２７ｂの
頂部にｐ型不純物を添加することで形成されている。ｐ
型拡散領域であるゲージ部２４ｂとｎ型半導体層２７ｂ
は、ｐｎ接合分離構造によって絶縁されている。突出部
２２ａ、２２ｃ、２２ｄについても図示は省略するが同
様にゲージ部２４ａ、２４ｃ、２４ｄが形成されてい
る。このうちゲージ部２４ｂ、２４ｄは、ピエゾ抵抗効
果によって、作用する応力に応じて抵抗値が変化するゲ
ージ抵抗として機能する。一方、ゲージ部２４ａ、２４
ｃは、応力が作用しても抵抗値がほとんど変化しない基
準抵抗として機能する。

【０００４】第２ブロック２８の頂面２８ａ（外力作用
面３０ａ、３２ａ、３４ａ）に垂直な方向に外力が作用
して、その外力が第２ブロック２８を介して突出部２２
ａ〜２２ｄに伝達されると、その外力は突出部２２ａ〜
２２ｄに圧縮応力として作用する。この結果、ゲージ部
２４ｂ、２４ｄの抵抗値が変化する。その抵抗値の変化
量から、第２ブロック２８の頂面２８ａに作用した外力
の大きさを検知できる。特許文献１には、この力検知素
子１に関連する構造が開示されている。

【０００５】

【特許文献１】特開平８−２７１３６３号公報

【０００６】この力検知素子１の構造によると、突出部
２２ａ〜２２ｄの接合面Ｍ（頂面２３ａ〜２３ｄ）に
は、重複領域３０の外力作用面３０ａに作用する外力の
みならず、非重複領域３２、３４の外力作用面３２ａ、
３４ａに作用する外力による圧縮応力も作用する。即
ち、この力検知素子１のように、第１ブロック２０に突
出部２２ａ〜２２ｄを設けた構造によると、第２ブロッ
ク２８の頂面２８ａに作用した外力に起因する応力を突
出部２２ａ〜２２ｄに集中させることができる。このた
め、突出部２２ａ〜２２ｄ（ゲージ部２４ａ〜２４ｄ）
に作用する応力を大きくできる。従って、突出部２２ａ
〜２２ｄを設けない場合に比較して、所定の大きさの外
力が作用したときのゲージ部２４ｂ、２４ｄの抵抗値の
変化量を大きくできる。即ち、高感度化を実現できる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】 仮に第２ブロック２
８の頂面２８ａの面積を一定とし、その頂面２８ａに作
用する外力を一定とした場合、接合面Ｍの面積を小さく
すればするほど、接合面Ｍの単位面積に作用する力、即
ち、圧縮応力を大きくできる。このため、ゲージ部２４
ｂ、２４ｄに作用する圧縮応力を大きくできる。従っ
て、ゲージ部２４ｂ、２４ｄの抵抗値の変化量を大きく
でき、高感度化を実現できる。

【０００８】しかしながら、突出部２２ａ〜２２ｄの接
合面Ｍの面積を小さくすると、作用する圧縮応力によっ
て突出部２２ａ〜２２ｄが損傷する可能性も生じ得る。
このため、突出部２２ａ〜２２ｄの接合面Ｍの面積を小
さくすることには限界がある。

【０００９】また、力検知素子では、複数の力検知素子
間で、所定の大きさの力が作用したときのゲージ部の抵
抗値の変化量（検知感度）のばらつきを小さくすること
も重要な課題である。

【００１０】本発明は、ゲージ部の抵抗値の変化量が大
きな、検知感度の高い力検知素子を実現することを第１
の目的とする。本発明はまた、複数の力検知素子間での
ゲージ部の抵抗値の変化量（検知感度）のばらつきを小
さくすることを第２の目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段および作用と効果】 第１
ブロックが突出部を有する構造において、従来は、その
突出部に作用する応力の分布については、確かな知見は
得られていなかった。従来は、突出部に作用する応力の
分布は一様であろうという仮定の元に、前記したように
第１ブロックの突出部の頂部全体に亘ってゲージ部を形
成していた。なお、上記したように、ゲージ部は、作用
する応力に応じて抵抗値が変化し、作用する応力が大き
いほど抵抗値の変化量が大きい。このゲージ部の抵抗値
の変化量は、ゲージ部が形成された領域の全体に作用す
る応力の平均値に基づいて求める。

【００１２】これに対し、本発明者らは、力検知素子に
ついて鋭意研究を進めた結果、突出部に作用する応力の
分布は一様でないという知見を新たに得た。この知見に
基づいて、本発明者らは種々の態様に具現化された発明
を創作し、その発明によって、力検知素子の特性のさら
なる向上を実現した。

【００１３】本発明を具現化した第１の態様の力検知素
子は、第１ブロックと、第２ブロックを備えている。第
１ブロックは突出部を有し、第２ブロックは前記突出部
の頂面に接触している。そして、前記突出部の所定高さ
の部位のうち、第２ブロックに作用した外力に起因して
前記所定高さの部位全体に作用する応力の平均値よりも
作用する応力の平均値が大きな領域に、作用する応力に
応じて抵抗値が変化する部位を含むゲージ部が局部的に
形成されている。

【００１４】本発明者らは、第１ブロックの突出部の所
定高さの部位に作用する応力の分布は一様ではないこと
を見出した。この知見に基づいてなされた上記第１の態
様によると、所定高さの部位全体にゲージ部を形成する
場合に比べて、ゲージ部の抵抗値の変化量の大きな、検
知感度の高い力検知素子を実現できる。このように本発
明者らは、突出部の接触面（典型的には頂面全体）の面
積を小さくせずに、さらなる高感度化の実現に成功した
のである。

【００１５】本発明を具現化した第２の態様の力検知素
子は、第１ブロックと、第２ブロックを備えている。第
１ブロックは突出部を有する。第２ブロックは前記突出
部の頂面に接触している。そして、前記突出部の所定高
さの部位のうち、第２ブロックに作用した外力に起因し
て前記所定高さの部位に作用する応力の分布が概ね平坦
な領域に、作用する応力に応じて抵抗値が変化する部位
を含むゲージ部が局部的に形成されている。ここで、
「作用する応力の分布が概ね平坦な領域」は、その領域
全体に作用する応力の平均値に対して、作用する応力の
変動率が±２０％以内、より好適には±１０％以内の領
域であることが好ましい。

【００１６】本発明者らはまた、第１ブロックの突出部
の所定高さの部位に作用する応力の分布は一様でないに
しても、応力の分布が概ね平坦な領域が局部的に存在し
得るということを見出した。この知見に基づいてなされ
た上記第２の態様によると、上記ゲージ部を形成した複
数の力検知素子間でのゲージ部の抵抗値の変化量（検知
感度）のばらつきを小さくできる。

【００１７】本発明を具現化した第３の態様の力検知素
子は、第１ブロックと、第２ブロックを備えている。第
１ブロックは突出部を有し、その突出部の頂面には第２
ブロックの底面に接触する接触面が形成されている。第
２ブロックは、その頂面に形成された外力作用面と、接
触面垂直方向からみたときに接触面と重複しない位置に
ある非重複領域を有し、その非重複領域の頂面は外力作
用面の少なくとも一部を構成する。そして、前記突出部
のうち、接触面垂直方向からみたときに接触面と重複す
る領域であって、かつ、その重複領域の幅方向の非重複
領域側の側部又は幅方向の中間部に、作用する応力に応
じて抵抗値が変化する部位を含むゲージ部が局部的に形
成されている。

【００１８】また、本発明者らは、第２ブロックが上記
したような非重複領域を有する構造では、第１ブロック
の突出部のうち、接触面垂直方向からみたときに接触面
と重複する領域であって、かつ、その重複領域の非重複
領域側の側部には、重複領域の中間部に比べて、大きな
応力が作用することを見出した。これは、第２ブロック
の上記非重複領域の頂面に作用した外力に起因する応力
は、第１ブロックの突出部の上記重複領域の中でも、非
重複領域に近い領域ほど大きく作用するためと考えられ
る。この知見に基づいてなされた上記第３の態様による
と、ゲージ部の抵抗値の変化量の大きな、検知感度の高
い力検知素子を実現できる。

【００１９】本発明者らはまた、上記重複領域の幅方向
の中間部は、非重複領域側の側部に比べて作用する応力
は小さいものの、複数の力検知素子間での作用する応力
のばらつきが小さいことを見出した。この知見に基づい
てなされた上記第３の態様によると、上記ゲージ部を形
成した複数の力検知素子間でのゲージ部の抵抗値の変化
量（検知感度）のばらつきを小さくできる。

【００２０】本発明を具現化した第４の態様の力検知素
子は、第１ブロックと、第２ブロックを備えている。第
１ブロックは突出部を有する。第２ブロックは前記突出
部の頂面に取付けられている。そして、前記突出部の高
さ方向の中間部に、作用する応力に応じて抵抗値が変化
する部位を含むゲージ部が局部的に形成されている。

【００２１】本発明者らはまた、第２ブロックが第１ブ
ロックの突出部に単に接触しているのみならず、取付け
られている構造では、その突出部の高さ方向の中間部の
方が、その突出部の頂部又は底部に比べて、第２ブロッ
クに作用した外力に起因して作用する応力が大きくなる
ことを見出した。この知見に基づいてなされた上記第４
の態様によると、突出部の頂部にゲージ部を形成する場
合に比べて、ゲージ部に作用する応力を大きくできる。
従って、ゲージ部の抵抗値の変化量の大きな、検知感度
の高い力検知素子を実現できる。

【００２２】上記第１〜第３の態様の力検知素子におい
ては、第２ブロックは、前記突出部の頂面に取付けられ
ており、ゲージ部は、前記突出部の高さ方向の中間部に
局部的に形成されていることが好ましい。これらの態様
によると、検知感度のより高い力検知素子を実現でき
る。

【００２３】上記各態様の力検知素子においては、前記
突出部は細長状であり、複数本設けられていることが好
ましい。ここで、「細長状」の突出部とは、平面視した
ときに長手方向と短手方向の長さの比が４以上、より好
適には８以上の突出部であることが好ましい。細長状の
突出部は、湾曲していてもよい。この態様によると、第
２ブロックと突出部群の接触面の面積を小さくして検知
感度を高くしながらも、複数本の突出部群によって第２
ブロックが安定的に支持された構造の実現が容易とな
る。

【００２４】

【発明の実施の形態】 後記する本発明の実施例から把
握される、特許請求の範囲に記載した発明以外の技術的
思想を記載する。 （形態１） 第１ブロックの（１１０）面に突出部が形
成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか
に記載の力検知素子。この態様によると、、他の結晶面
に突出部を形成する場合に比較して、作用した応力に対
するゲージ部の抵抗値の変化量を大きくできる。即ち、
高感度化を実現できる。 （形態２） 第１ブロックの（１００）面に突出部が形
成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか
に記載の力検知素子。この態様によると、ある程度高感
度化を実現でき、しかも、集積化が容易であるという効
果も得られる。

【００２５】

【実施例】（第１実施例） 図３に第１実施例の力検知
素子４０１の斜視図を示す。この力検知素子４０１は、
力検知ブロック（半導体ブロック、第１ブロックに相
当）４２０と、力伝達ブロック（第２ブロックに相当）
４２８を備えている。力検知ブロック４２０は、ｎ型の
シリコン単結晶ブロック等によって形成されている。力
検知ブロック４２０は、平面視したときに正方形状の直
方体であり、幅は約１．４ｍｍ、高さは約０．５ｍｍで
ある。なお、力検知ブロック４２０はガリウムヒ素等で
構成してもよい。力検知ブロック４２０は、その主面４
２１から突出する突出部４２２ａ〜４２２ｄを有する。
突出部４２２ａ〜４２２ｄは、図４によく示すように、
頂面が平坦なメサ状である。また、突出部４２２ａ〜４
２２ｄは細長状であり、厚さは比較的薄く形成されてい
る。４本の突出部４２２ａ〜４２２ｄは長さが等しく、
ロの字状に配置されている。そのロの字状の突出部４２
２ａ〜４２２ｄの４隅付近にはそれぞれ、電極４２６ａ
〜４２６ｄが形成されている。電極４２６ａ〜４２６ｄ
は、対角方向に形成された１組の入力電極４２６ａ、４
２６ｃと、１組の出力電極４２６ｂ、４２６ｄによって
構成されている。これらの電極４２６ａ〜４２６ｄは、
後述するゲージ部４２４（図４参照）の端部に電気的に
接続されている。なお、以下では、複数の突出部のう
ち、１つの突出部を例示して説明する箇所があるが、そ
の説明は他の突出部についても当てはまる。

【００２６】力伝達ブロック４２８は、絶縁性材料で構
成され、平面視したときに正方形状の直方体であり、幅
は約１．０ｍｍ、高さは約０．５ｍｍである。絶縁性材
料としては、硼珪酸ガラス、結晶化ガラス等の可動イオ
ンを含むガラス類や、表面に絶縁膜を形成したシリコン
基板等を用いることができる。上記したロの字状の突出
部４２２ａ〜４２２ｄの頂面４２３ａ〜４２３ｄは、こ
の力伝達ブロック４２８の底面４２８ｂの一部（後述す
る重複領域４３０の底面４３０ｂ）に、陽極接合で強固
に取付けられている。突出部４２２の頂面４２３の全体
が接合面（接触面の一例）Ｍとなっている。なお、これ
らのブロック４２０、４２８は、陽極接合で接合するこ
とが好ましいが、陽極接合以外の手段では、半田接合や
希フッ酸接合（希フッ酸で溶かした表面の酸化膜をボン
ドとして接合する手段）などで取付けることが有効であ
る。また、これらのブロック４２０、４２８は、単に接
触している状態であってもよい。

【００２７】力伝達ブロック４２８は、その接合面Ｍに
垂直な方向（図示上下方向）からみたときに接合面Ｍ
（突出部４２２の頂面４２３）と重複する領域にある重
複領域４３０と、重複しない領域にある非重複領域４３
２、４３４を有する。非重複領域４３２は、接合面Ｍに
垂直な方向からみたときに各突出部４２２ａ〜４２２ｄ
の接合面Ｍの一方の側にあり、非重複領域４３４は他方
の側にある。即ち、非重複領域４３２、４３４は、各突
出部４２２ａ〜４２２ｄの接合面Ｍの両側にある。重複
領域４３０と非重複領域４３２、４３４にはそれぞれ、
接合面Ｍに平行な方向に伸びる外力作用面４３０ａ、４
３２ａ、４３４ａが形成されている。これらの外力作用
面４３０ａ、４３２ａ、４３４ａは、力伝達ブロック４
２８の頂面４２８ａである。力伝達ブロック４２８の底
面４２８ｂは全体が平面状である。その底面４２８ｂ
は、重複領域４３０の底面４３０ｂと非重複領域４３
２、４３４の底面４３２ｂ、４３４ｂによって構成され
ている。

【００２８】力検知ブロック４２０の突出部４２２の半
導体部分はｎ型シリコンブロックの一部であるため、元
々はｎ型半導体層である。図４の突出部４２２ｂに例示
されるように、突出部４２２ｂを構成するｎ型半導体層
４２７ｂのうち、頂部の両側部にゲージ部４２４ｂ−
１、４２４ｂ−２が局部的に形成されている。このゲー
ジ部４２４ｂ−１、４２４ｂ−２は、ｎ型半導体層４２
７にｐ型不純物を添加することで形成されたｐ型拡散領
域である。ｐ型のゲージ部４２４ｂとｎ型の半導体層４
２７ｂは、ｐｎ接合分離構造によって絶縁されている。

【００２９】ゲージ部４２４のｐ型不純物濃度は１×１
０^１８／cm^３のオーダー又は１×１０^２０／cm^３のオー
ダーである。抵抗率は０．００１Ω・ｃｍである。ゲー
ジ部４２４の不純物濃度は十分に高いために、特開平８
−２７１３６３号公報の段落００５８〜００６２に記載
の温度補償作用が得られる。ゲージ部４２４ｂ、４２４
ｄは高濃度であるものの、細長く、薄いために抵抗値が
高い。このため、抵抗値の変化量が大きい。

【００３０】図３に示す力検知ブロック４２０の主面４
２１は（１１０）面である。突出部４２２ｂ、４２２ｄ
（ゲージ部４２４ｂ、４２４ｄ）は、長手方向が＜１１
０＞方向に伸びている。一方、突出部４２２ａ、４２２
ｃ（ゲージ部４２４ａ、４２４ｃ）は、長手方向が＜１
００＞方向に伸びている。このように突出部４２２ａ〜
４２２ｄを配置することで、各ゲージ部４２４ａ〜４２
４ｄは、ピエゾ抵抗係数がπ_１３に従って変化する。こ
れらの４本のゲージ部４２４ａ〜４２４ｄによってホイ
ートストンブリッジが構成されている。

【００３１】ピエゾ抵抗係数がπ_１３の場合、（１１
０）面の＜１１０＞方向で抵抗値の変化量（感度）が最
大であり、＜１００＞方向では抵抗値の変化量（感度）
はゼロである。従って、長手方向が＜１１０＞方向に伸
びるゲージ部４２４ｂ、４２４ｄに（１１０）面から圧
縮応力が作用すると、ピエゾ抵抗効果によってその応力
に応じて抵抗値が変化（増加）する。即ち、ゲージ部４
２４ｂ、４２４ｄはゲージ抵抗として機能する。一方、
長手方向が＜１００＞方向に伸びるゲージ部４２４ａ、
４２４ｃは、（１１０）面から圧縮応力が作用しても抵
抗値がほとんど変化しない。即ち、ゲージ部４２４ａ、
４２４ｃは基準抵抗として機能する。

【００３２】図４の圧縮応力の分布に示すように、突出
部４２２ｂの両側部には、中間部に比べて大きな圧縮応
力が作用する。第１実施例の力検知素子４０１は、図４
の突出部４２２ｂ（ゲージ部４２４ｂ）に例示されるよ
うに、突出部４２２の頂部のうち、頂部全体に作用する
応力の平均値よりも、作用する応力の平均値が大きな頂
部の両側部に、ゲージ部４２４ａ〜４２４ｄを局部的に
形成している。

【００３３】なお、力検知ブロック４２０の主面４２１
と突出部４２２は、図示は省略するが、実際にはシリコ
ン酸化膜（絶縁膜）で覆われている。絶縁膜で覆うこと
で、突出部４２２に形成されたゲージ部４２４を流れる
電流がリークすることを防止している。

【００３４】第１実施例の力検知素子４０１の動作を説
明する。対角方向に形成された１組の入力電極４２６
ａ、４２６ｃについて、例えば電極４２６ａ側に正電圧
を印加して電極４２６ｃ側を接地する。この状態で力伝
達ブロック４２８の頂面４２８ａに垂直方向に外力が作
用すると、その外力が力伝達ブロック４２８を介して突
出部４２２に伝達される。その外力は圧縮応力として突
出部４２２ａ〜４２２ｄに作用する。この結果、その圧
縮応力の大きさに応じてゲージ部４２４ｂ、４２４ｄの
抵抗値が変化（増加）する。上記したように、ゲージ部
４２４ｂ、４２４ｄは、大きな圧縮応力が作用する領域
に局部的に形成されているので、ゲージ部４２４ｂ、４
２４ｄの抵抗値の変化量は大きい。一方、ゲージ部４２
４ａ、４２４ｃの抵抗値はほとんど変化しない。

【００３５】この結果、出力電極４２６ｂに現れる電圧
値はゲージ部４２４ｂ、４２４ｃの分圧値となるので所
定値だけ減少する。一方、出力電極４２６ｄに現れる電
圧値は前記所定値と同じ値だけ増加する。従って、出力
電極４２６ｂと４２６ｄに現れた電圧値の差（差動の出
力電圧値）から力伝達ブロック４２８の頂面４２８ａに
作用した外力の大きさを検知できる。第１実施例による
と、高感度のゲージ部４２４ｂ、４２４ｄに基づく電圧
値を、差動出力によってさらに２倍にすることができ
る。また、差動出力によってノイズの影響を相殺するこ
とができる。

【００３６】第１実施例のように、力検知ブロック４２
０の突出部４２２の頂部のうち、その頂部全体に作用す
る応力の平均値よりも、作用する応力の平均値が大きな
頂部の両側部にゲージ部４２４を局部的に形成すること
で、図２に示す従来の力検知素子１のように突出部の頂
部全体にゲージ部を形成する場合に比べて、ゲージ部４
２４の抵抗値の変化量の大きな、検知感度の高い力検知
素子４０１を実現できる。第１実施例によると、突出部
４２２の接合面Ｍの面積を小さくせずに、高感度化を実
現し得る

【００３７】第１実施例の力検知素子４０１によると、
細長状の突出部４２２ａ〜４２２ｄの幅をある程度広く
しつつも、高感度化を実現できる。幅をある程度広くす
ることができるので、作用する圧縮応力によって突出部
４２２ａ〜４２２ｄが損傷する可能性を非常に低くでき
る。また、その突出部４２２ａ〜４２２ｄによって、力
伝達ブロック４２８を安定的に支持できる。また、ゲー
ジ部４２４を突出部４２２の頂部の両側部に形成するこ
とで、一方の側部のみに形成するよりも安定した感度が
得られる。

【００３８】ゲージ部４２４ｂを形成する領域は、図４
に示した領域の他、例えば以下のような領域であっても
よい。ゲージ部４２４ｂを形成する領域の幅は、図４に
示す領域よりも狭くしてもよいし、広くしてもよい。但
し、狭くする場合は、大きな圧縮応力が作用する範囲Ａ
の領域（突出部４２２ｂの縁部周辺）にゲージ部４２４
ｂを局部的に形成することが好ましい。この構成による
と、抵抗値の変化量をより大きくできる。即ち、より高
感度化を実現できる。一方、広くする場合は、高感度化
を実現するためには、突出部４２２ｂの頂部全体にゲー
ジ部４２４ｂを形成した場合よりも、ゲージ部４２４ｂ
の抵抗値の変化量が小さくならない領域に形成する必要
がある。

【００３９】また、例えば、範囲Ｃの領域にゲージ部４
２４ｂを局部的に形成したときに、突出部４２２ｂの頂
部全体にゲージ部４２４ｂを形成した場合に比べてゲー
ジ部４２２ｂの抵抗値の変化量が大きい場合は、範囲Ｃ
の領域にゲージ部４２４を局部的に形成し、非重複領域
４３２により近い範囲Ａの領域にゲージ部を形成しない
という構成も可能である。

【００４０】（第２実施例） 図５に第２実施例の力検
知素子５０１の突出部５２２ｂの拡大斜視図を示す。以
下では、第１実施例に比較して第２実施例に固有の特徴
点を中心に説明する。以下の実施例も同様である。図５
の拡大図は、図４に示した第１実施例の力検知素子４０
１の突出部４２２ｂの拡大図に対応するものである。図
５の突出部５２２ｂに例示されるように、第２実施例で
は、突出部５２２ｂを構成するｎ型半導体層５２７ｂの
うち、頂部の中間部にｐ型拡散領域であるゲージ部５２
４ｂが局部的に形成されている。

【００４１】図５の圧縮応力の分布に示すように、突出
部５２２ｂの中間部は、突出部５２２ｂの側部に比べて
作用する圧縮応力は小さい。しかし、突出部５２２ｂの
中間部は、突出部５２２ｂの側部に比べて、点線で示さ
れるような複数の力検知素子間での圧縮応力のばらつき
が小さい。従って、第２実施例のように、突出部５２２
の幅方向の中間部にゲージ部５２４を局部的に形成する
ことで、そのゲージ部５２４を形成した複数の力検知素
子間でのゲージ部５２４の抵抗値の変化量（検知感度）
のばらつきを小さくできる。

【００４２】ゲージ抵抗５２４ｂを形成する領域は、図
５に示した領域の他、例えば以下のような領域であって
もよい。ゲージ抵抗５２４ｂを形成する領域の幅は、図
５に示す領域よりも狭くしてもよいし、広くしてもよ
い。但し、狭くする場合は、作用する圧縮応力がより平
坦に分布する範囲Ｅの領域（突出部５２２ｂの中央周
辺）にゲージ抵抗５２４ｂを局部的に形成することが好
ましい。この構成によると、複数の力検知素子間での抵
抗値の変化量のばらつきをより小さくできる。また、例
えば、範囲Ｇの領域にゲージ部５２４ｂを局部的に形成
して、範囲Ｅの領域（突出部５２２ｂの中央周辺）ゲー
ジ部を形成しないという構成も可能である。この構成に
よっても、複数の力検知素子間でのゲージ部５２４ｂの
抵抗値の変化量５２２ｂのばらつきを小さくできる。

【００４３】（第３実施例） 図６に第３実施例の力検
知素子６０１の断面図を示す。図６の断面図は、図３の
第１実施例の力検知素子４０１の突出部４２２ｂ、４２
２ｄを有する部位での断面図に対応する。但し、突出部
６２２ｂ、６２２ｄ等を局部的に強調して拡大した断面
図として示している。図６の力検知素子６０１の力伝達
ブロック６２８は、図３の力検知素子４０１を構成する
力伝達ブロック４２８の外側の非重複領域４３４に相当
する領域を有しない。即ち、接合面Ｍに垂直な方向から
みたときに、接合面Ｍの片側のみに非重複領域６３２が
ある。また、力伝達ブロック６２８の底面は平面状では
なく段差が形成されている。力伝達ブロック６２８の重
複領域６３０には、非重複領域６３２の底面６３２ｂに
対して力検知ブロック６２０側に突出した突出部６３０
ｃが形成されている。

【００４４】図６に示すように、力検知ブロック６２０
の突出部６２２ｂ、６２２ｄの全領域は、接合面Ｍに垂
直な方向からみたときに接合面Ｍと重複している。図６
の突出部６２２ｂ、６２２ｄに例示されるように、力検
知ブロック６２０の突出部６２２ｂ、６２２ｄの非重複
領域６３２側（内側）の側部のみにゲージ部６２４ｂ、
６２４ｄが形成されている。他の見方をすると、ゲージ
部６２４ｂ、６２４ｄの形成された領域の中央Ｙが、突
出部６２２ｂ、６２２ｄの中央Ｘよりも非重複領域６３
２と近い位置にある。ゲージ部６２４ｂ、６２４ｄは、
必ずしも突出部６２２ｂ、６２２ｄの内側半分の領域の
みに形成されている必要はなく、突出部６２２ｂ、６２
２ｄの中央Ｘを超えて外側に伸びていてもよい。

【００４５】第３実施例の力検知素子６０１では、第１
実施例の力検知素子４０１と異なり、力伝達ブロック６
２８の非重複領域６３２の底面６３２ｂが、接合面Ｍ
（重複領域６３０の底面６３０ｂ）に対し窪んだ位置に
ある。このため、非重複領域６３２の外力作用面６３２
ａに作用した外力に起因する圧縮応力は、非重複領域６
３２に近い領域の中でも広い領域に分散して作用する。
よって、圧縮応力の分布は緩やかになる。この結果、突
出部６２２ｂ、６２２ｄの内側の領域には、比較的大き
な圧縮応力が作用する。一方、突出部６２２ｂ、６２２
ｄの外側の領域には、比較的小さな圧縮応力が作用す
る。このように、第３実施例の力検知素子６０１は、突
出部６２２ｂ、６２２ｄのうち、比較的大きな圧縮応力
が作用する領域にゲージ部６２４ｂ、６２４ｄを局部的
に形成したものである。

【００４６】また、非重複領域６３２の底面６３２ｂ
は、重複領域６３０の底面６３０ｂに対して窪んでい
る。このため、力伝達ブロック６２８の頂面に大きな外
力が作用して非重複領域６３２の底面６３２ｂが力検知
ブロック６２０側にたわんだときでも、その非重複領域
６３２の底面６３２ｂが力検知ブロック６２０の主面６
２１に接触することを防止できる。

【００４７】（第４実施例） 図７に第４実施例の力検
知素子７０１の断面図を示す。図７の断面図は、図３の
第１実施例の力検知素子４０１の突出部４２２ｂ、４２
２ｄを有する部位での断面図に対応する。図７の力検知
素子７０１では、力伝達ブロック７２８の底面の全体は
平面状ではなく、段差が形成されている。力伝達ブロッ
ク７２８の重複領域７３０には、非重複領域７３２、７
３４に対して力検知ブロック７２０側に突出した突出部
７３０ｃが形成されている。また、突出部７２２ｂ、７
２２ｄの頂面７２３ｂ、７２３ｄの面積は、重複領域７
３０の底面７３０ｂの面積よりも大きい。即ち、突出部
７２２ｂ、７２２ｄの頂面７２３ｂ、７２３ｄの面積
は、接合面Ｍの面積よりも大きい。

【００４８】図７の突出部７２２ｂ、７２２ｄに例示さ
れるように、突出部７２２ｂ、７２２ｄのうち、接合面
Ｍに垂直な方向からみたときに接合面Ｍと重複する領域
内であって、かつ、その重複領域の両側部にゲージ部７
２４ｂ−１、７２４ｂ−２、７２４ｄ−１、７２４ｄ−
２が局部的に形成されている。

【００４９】第４実施例の力検知素子７０１について
も、第３実施例と同様に、圧縮応力の分布は緩やかにな
る。この結果、突出部７２２ｂ、７２２ｄのうち、接合
面Ｍに垂直な方向からみたときに接合面Ｍと重複する領
域であり、かつ、その重複領域の両側部には、比較的大
きな圧縮応力が作用する。一方、その重複領域の中央部
には、比較的小さな圧縮応力が作用する。このように、
第４実施例の力検知素子７０１は、突出部７２２ｂ、７
２２ｄのうち、比較的大きな圧縮応力が作用する領域に
ゲージ部７２４ｂ、７２４ｄを局部的に形成したもので
ある。

【００５０】また、力検知素子７０１によると、力検知
ブロック７２０の突出部７２２ｂ、７２２ｄの幅（ある
いは頂面７２３ｂ、７２３ｄの面積）が、力伝達ブロッ
ク７２８の重複領域７３０の突出部７３０ｃの幅（ある
いは底面７３０ｂの面積）よりも広い。このため、力伝
達ブロック７２８に突出部７３０ｃが形成されている場
合でも、力検知ブロック７２０の突出部７２２によっ
て、力伝達ブロック７２８は安定的に支持される。

【００５１】（第５実施例） 図８に第５実施例の力検
知素子８０１の斜視図を示す。第５実施例の力検知素子
８０１では、力検知ブロック８２０は主面８２１から突
出する４つの突出部８２２ａ〜８２２ｄを有する。各突
出部８２２ａ〜８２２ｄは、平面視すると長方形状に形
成されている。突出部（８２２ａ、８２２ｃ）と（８２
２ｂ、８２２ｄ）はそれぞれ長手方向に向かい合った位
置に配置され、全体としては中央に空間が形成された十
字状に配置されている。力伝達ブロック８２８の底面８
２８ｂの一部（後述する重複領域８３０の底面８３０ｂ
等）は、突出部８２２ａ〜８２２ｄの頂面８２３ａ〜８
２３ｄに陽極接合等の技術で強固に接合され、その頂面
８２３ａ〜８２３ｄの全体が接合面Ｍとなっている。

【００５２】力伝達ブロック８２８は、接合面Ｍに垂直
な方向からみたときに接合面Ｍと重複する位置にある重
複領域８３０と、重複しない位置にある第１〜第３の非
重複領域８３２、８３４、８３６を有する。なお、図８
では図示の明瞭化のため、力伝達ブロック８２８には、
突出部８２２ｂとの重複領域８３０のみ示しているが、
実際には、突出部８２２ａ、８２２ｃ、８２２ｄとの重
複領域も存在する。重複領域８３０と第１〜第３の非重
複領域８３２、８３４、８３６にはそれぞれ、接合面Ｍ
に平行な外力作用面８３０ａ、８３２ａ、８３４ａ、８
３６ａが形成されている。これらの外力作用面８３０
ａ、８３２ａ、８３４ａ、８３６ａは力伝達ブロック８
２８の頂面８２８ａである。力伝達ブロック８２８の底
面８２８ｂは全体が平面状である。その底面８２８ｂ
は、重複領域８３０の底面８３０ｂと、第１〜第３の非
重複領域８３２、８３４、８３６の底面８３２ｂ、８３
４ｂ、８３６ｂによって構成されている。

【００５３】図８に示すように、例えば突出部８２２ｂ
については、接合面Ｍに垂直な方向からみると、突出部
８２２ｂの短手方向の両側に非重複領域８３２、８３６
がある。突出部８２２ｂの長手方向の片側に非重複領域
８３４がある。そして、非重複領域８３２、８３６に対
応して突出部８２２ｂの側部にゲージ部８２４ｂ−１、
８２４ｂ−３が形成され、非重複領域８３４に対応して
突出部８２２ｂの側部にゲージ部８２４ｂ−２が形成さ
れている。ゲージ部８２４ｂ−１〜８２４ｂ−３は全体
としては、接合面Ｍに垂直な方向からみるとコの字状の
領域に形成されている。この意味では、第５実施例は、
第１実施例と第３実施例を組合せたような構造となって
いる。

【００５４】図８の圧縮応力の分布に示すように、突出
部８２２ｂの第１〜第３の側部８２４ｂ−１〜８２４ｂ
−３には、中間部８２５ｂに比べて、大きな圧縮応力が
作用する。第５実施例は、突出部８２２ａ〜８２２ｄの
うち、大きな圧縮応力が作用する、接合面Ｍに垂直な方
向からみるとコの字状の領域にゲージ部８２４ａ〜８２
４ｄを局部的に形成したものである。

【００５５】半導体ブロック８２０の主面８２１は（１
１０）面であり、突出部８２２ｂ、８２２ｄ（ゲージ部
８２４ｂ、８２４ｄ）は、長手方向が＜１１０＞方向に
伸びている。一方、突出部８２２ａ、８２２ｃ（ゲージ
部８２４ａ、８２４ｃ）は、長手方向が＜１００＞方向
に伸びている。このように突出部８２２ａ〜８２２ｄ
（ゲージ部８２４ａ〜８２４ｄ）を配置することで、各
ゲージ部８２４ａ〜８２４ｄは、ピエゾ抵抗係数がπ
_１３に従って変化する。これらの４本のゲージ部８２４
ａ〜８２４ｄによってホイートストンブリッジが構成さ
れている。

【００５６】上記第４及び第５実施例の変形例として、
突出部の重複領域の幅方向の中間部（第４実施例では符
号７２５の部位（図７参照）、第５実施例では符号８２
５の部位（図８参照））にゲージ部を局部的に形成する
ことで、第２実施例と同様に、そのゲージ部を形成した
複数の力検知素子間での、ゲージ部の抵抗値の変化量
（検知感度）のばらつきを小さくすることができる。

【００５７】（第６実施例） 図９に第６実施例の力検
知素子９０１の断面図を示す。図９の断面図は、図３の
第１実施例の力検知素子４０１の突出部４２２ｂ、４２
２ｄを有する部位での断面図に対応する。図９に示すよ
うに、第６実施例の力検知素子９０１では、力検知ブロ
ック９２０の突出部９２２ｂ、９２２ｄのうち、高さ方
向の中間部にゲージ部９２４ｂ、９２４ｄが局部的に形
成されている。力伝達ブロック９２８の底面の一部は、
力検知ブロック９２０の突出部９２２の頂面に陽極接合
等に技術で強固に取付けられ、その頂面の全体が接合面
Ｍとなっている。

【００５８】力伝達ブロック９２８が力検知ブロック９
２０の突出部９２２に取付けられている構造では、その
突出部９２２の高さ方向の中間部の方が、頂部又は底部
に比べて、作用する圧縮応力が大きくなる（図９の圧縮
応力分布を参照）。よって、力伝達ブロック９２８が力
検知ブロック９２０の突出部９２２に取付けられている
構造では、第６実施例のように、突出部９２２の高さ方
向の中間部にゲージ部９２４を局部的に形成すること
で、突出部の頂部にゲージ部を形成する場合に比べて、
ゲージ部９２４に作用する圧縮応力を大きくできる。従
って、ゲージ部９２４の抵抗値の変化量の大きな、検知
感度の高い力検知素子９０１を実現できる。

【００５９】第６実施例の力検知素子９０１の第１の製
造方法について説明する。まず、図１０に示すように、
ｎ型シリコン基板９５２の表面にイオン注入法等によっ
てｐ型不純物を添加してゲージ部となるｐ型高濃度拡散
層９５４を形成する。次に、図１１に示すように、ｐ型
拡散層９５４上に、エピタキシャル成長法によってシリ
コン薄膜であるエピタキシャル層９５６を形成する。次
に、図１２に示すように、突出部９２２ｂ、９２２ｄ等
として残す部分をマスクした状態で、図１１のエピタキ
シャル層９５６と、ｐ型拡散層９５４と、ｐ型拡散層９
５４よりも深い位置のシリコン基板９５２の頂部をＲＩ
Ｅ（Reactive Ion Etching）等によりエッチングする。
この結果、高さ方向の中間部にゲージ部９２４ｂ、９２
４ｄが形成された突出部９２２ｂ、９２２ｄ等が形成さ
れる。次に、図９に示すように、力検知ブロック９２０
の突出部９２２の頂面と力伝達ブロック９２８の底面を
陽極接合する。この結果、力検知素子９０１が製造され
る。

【００６０】第６実施例の力検知素子９０１の第２の製
造方法について説明する。まず、図１３に示すように、
第１のｎ型シリコン基板９７２の表面に、第１の製造方
法と同様にして、ｐ型高濃度拡散層９５４を形成する。
次に、図１４に示すように、第１のｎ型シリコン基板９
７２に、第２のｎ型シリコン基板９７６を接合する。次
に、図１５に示すように、第２のｎ型シリコン基板９７
６を薄板状になるまで、上側から研削する。この状態で
は、第１の製造方法の図１１の状態と類似した構造とな
る。その後は、上記した第１の製造方法の同様の製造工
程を経ることで（図１２、図９参照）、力検知素子９０
１を製造できる。

【００６１】第６実施例の力検知素子９０１の第３の製
造方法として、イオン注入法等によって、ｎ型シリコン
基板の表面からやや深い位置のみに局部的にｐ型不純物
を添加することで、図１１に示すような状態を形成して
もよい。この場合も、上記した第１の製造方法の同様の
製造工程を経ることで（図１２、図９参照）、力検知素
子９０１を製造できる。

【００６２】（第７実施例） 図１６に第７実施例の力
検知素子１００１の突出部１０２２の斜視図を示す。図
１６は、図４に示した第１実施例の力検知素子４０１の
突出部４２２ｂの拡大斜視図に対応するものである。第
７実施例の力検知素子１００１は、第１実施例と第６実
施例を組合せたような構造となっている。突出部１０２
２を構成するｎ型半導体層１０２７には、その高さ方向
の中間部であって、かつ、その両側部にｐ型拡散領域で
あるゲージ部１０２４が局部的に形成されている。第１
実施例の力伝達ブロック４２８と同様の力伝達ブロック
の底面（図示省略）と、力検知ブロック１０２０の突出
部１０２２の頂面１０２３は、陽極接合等の技術で強固
に取付けられ、その頂面１０２３の全体が接合面Ｍとな
っている。

【００６３】第７実施例の構造では、第１実施例で説明
したように、突出部１０２２の中間部に比べて、突出部
１０２２の側部に大きな圧縮応力が作用する。また、第
７実施例のように、力伝達ブロックと、力検知ブロック
１０２０の突出部１０２２の頂面１０２３が陽極接合等
で取付けられた構造では、第６実施例で説明したよう
に、突出部１０２２の頂部又は底部に比べて、突出部１
０２２の高さ方向の中間部に大きな圧縮応力が作用す
る。従って、第７実施例のように、突出部１０２２の高
さ方向の中間部であって、かつ、その両側部にゲージ部
１０２４を局部的に形成することで、そのゲージ部１０
２４にさらに大きな圧縮応力を作用させることができ
る。よって、ゲージ部１０２４の抵抗値の変化量のより
大きな、より検知感度の高い力検知素子１００１を実現
できる。

【００６４】以上、本発明の具体例を詳細に説明した
が、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定する
ものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上
に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれ
る。

【００６５】本発明の適用範囲は、上記した結晶面、結
晶方向、ブリッジ構成に限定されない。即ち、上記した
（１１０）面、＜１１０＞方向、＜１００＞方向に代え
て、他の結晶面または結晶方向を用いてもよい。例え
ば、結晶面としては（１００）面を用いてもよい。（１
００）面を用いると、ゲージ部の抵抗値の変化量を比較
的大きくすることができ、しかも、集積化が容易であ
る。また、特にホイートストンブリッジを構成せずに、
単ゲージ構造等を採用してもよい。上記した（１１０）
面、＜１１０＞方向、＜１００＞方向を用いる場合は、
これらと等価な結晶面または結晶方向を採用してもよ
い。これらと等価な結晶面または結晶方向は、特開２０
０１−３０４９９７公報の表１〜表３に示されている。

【００６６】上記した実施例で説明した突出部の形状に
特に限定はない。例えば突出部の頂面は、力検知ブロッ
クの主面に対して傾斜していてもよい。また、突出部の
頂面は湾曲していてもよい。また、突出部の側面は、例
えばテーパ状の末広がりの形状になっていてもよい。ま
た、上記実施例では、凸状の突出部を例として説明して
いるが、突出部は例えば段差状に突出していてもよい。
また、突出部を配置する形態についても特に限定はな
い。例えば図４に示す第１実施例の力検知素子４０１で
は、４本の突出部４２２ａ〜４２２ｄがロの字状に配置
されているが、ひし形状に配置してもよいし、あるいは
湾曲して伸びる突出部を円形状に配置してもよい。ま
た、例えば細長状の突出部を２本以上配置することで、
力伝達ブロックを安定的に支持するようにしてもよい。

【００６７】また、本発明の適用範囲は、力検知ブロッ
クの突出部と力伝達ブロックの接触面と、力伝達ブロッ
クの外力作用面が平行な場合に限られない。例えば、接
触面と外力作用面が垂直になっており、その外力作用面
に作用した外力によって曲げモーメントが働き、その曲
げモーメントによって接触面に圧縮応力が作用するとい
う態様であってもよい。また、突出部の接触面に作用す
る応力が圧縮応力の場合だけでなく、引張り応力の場
合、あるいは圧縮応力と引張り応力の両方が作用する場
合にも適用できる。

【００６８】また、本明細書または図面に説明した技術
要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有
用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せ
に限定されるものではない。また、本明細書または図面
に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであ
り、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的
有用性を持つものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来の力検知素子の斜視図を示す。

【図２】 従来の力検知素子の突出部の拡大斜視図を示
す。

【図３】 第１実施例の力検知素子の斜視図を示す。

【図４】 第１実施例の力検知素子の突出部の拡大斜視
図を示す。

【図５】 第２実施例の力検知素子の突出部の拡大斜視
図を示す。

【図６】 第３実施例の力検知素子の断面図を示す。

【図７】 第４実施例の力検知素子の断面図を示す。

【図８】 第５実施例の力検知素子の斜視図を示す。

【図９】 第６実施例の力検知素子の断面図を示す。

【図１０】 第６実施例の力検知素子の第１の製造方法
の説明図を示す（１）。

【図１１】 第６実施例の力検知素子の第１の製造方法
の説明図を示す（２）。

【図１２】 第６実施例の力検知素子の第１の製造方法
の説明図を示す（３）。

【図１３】 第６実施例の力検知素子の第２の製造方法
の説明図を示す（１）。

【図１４】 第６実施例の力検知素子の第２の製造方法
の説明図を示す（２）。

【図１５】 第６実施例の力検知素子の第２の製造方法
の説明図を示す（３）。

【図１６】 第７実施例の力検知素子の突出部の斜視図
を示す。

【符号の説明】

４０１：力検知素子 ４２０：力検知ブロック ４２２：突出部 ４２４：ゲージ部 ４２６：電極 ４２８：力伝達ブロック

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 塚田 厚志 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 坂田 二郎 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１ブロックと、第２ブロックを備え、 第１ブロックは突出部を有し、 第２ブロックは前記突出部の頂面に接触しており、 前記突出部の所定高さの部位のうち、第２ブロックに作
   用した外力に起因して前記所定高さの部位全体に作用す
   る応力の平均値よりも作用する応力の平均値が大きな領
   域に、作用する応力に応じて抵抗値が変化する部位を含
   むゲージ部が局部的に形成されていることを特徴とする
   力検知素子。
2. 【請求項２】 第１ブロックと、第２ブロックを備え、 第１ブロックは突出部を有し、 第２ブロックは前記突出部の頂面に接触しており、 前記突出部の所定高さの部位のうち、第２ブロックに作
   用した外力に起因して前記所定高さの部位に作用する応
   力の分布が概ね平坦な領域に、作用する応力に応じて抵
   抗値が変化する部位を含むゲージ部が局部的に形成され
   ていることを特徴とする力検知素子。
3. 【請求項３】 第１ブロックと、第２ブロックを備え、 第１ブロックは突出部を有し、その突出部の頂面には第
   ２ブロックの底面に接触する接触面が形成され、 第２ブロックは、その頂面に形成された外力作用面と、
   接触面垂直方向からみたときに接触面と重複しない位置
   にある非重複領域を有し、その非重複領域の頂面は外力
   作用面の少なくとも一部を構成し、 前記突出部のうち、接触面垂直方向からみたときに接触
   面と重複する領域であって、かつ、その重複領域の幅方
   向の非重複領域側の側部又は幅方向の中間部に、作用す
   る応力に応じて抵抗値が変化する部位を含むゲージ部が
   局部的に形成されていることを特徴とする力検知素子。
4. 【請求項４】 第２ブロックは、前記突出部の頂面に取
   付けられており、 ゲージ部は、前記突出部の高さ方向の中間部に局部的に
   形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれ
   かに記載の力検知素子。
5. 【請求項５】 第１ブロックと、第２ブロックを備え、 第１ブロックは突出部を有し、 第２ブロックは前記突出部の頂面に取付けられており、 前記突出部の高さ方向の中間部に、作用する応力に応じ
   て抵抗値が変化する部位を含むゲージ部が局部的に形成
   されていることを特徴とする力検知素子。
6. 【請求項６】 前記突出部は細長状であり、複数本設け
   られていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに
   記載の力検知素子。