JP2004085253A - 力検知装置とそれに使用され得る半導体ブロックの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】作用した力を広い範囲で精度良く検知できる力検知装置を提供すること
【解決手段】本発明に係る力検知装置１０は、抵抗部４０が突出して設けられている力検知ブロック２２と、力伝達ブロック３０とを備え、力伝達ブロック３０に作用した力を抵抗部４０の抵抗値変化から検知する。この力検知装置１０には、抵抗部４０より低い突出部５０が設けられている。そして、その突出部５０が、力伝達ブロック３０に作用する力がゼロからＷ_１までの間は力伝達ブロック３０と突出部５０との接触面積がゼロとなり、力伝達ブロック３０に作用する力がＷ_１からＷ_２までの間は力伝達ブロック３０と突出部５０との接触面積がＳ_１となり、力伝達ブロック３０に作用する力がＷ_２以上では力伝達ブロック３０と突出部５０との接触面積がＳ_１より大きいＳ_２となるように、複数設けられている。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、力検知装置に関する。また、力検知装置に使用される半導体ブロックの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】力検知装置の中には、ピエゾ抵抗効果を有する抵抗部が所定面から突出して設けられている第１ブロックと、その所定面との間に間隔をもってかつ抵抗部と接触して配置されている第２ブロックとを備えるものがある。この装置は、第２ブロックに作用した力を抵抗部の抵抗値変化から検知する。この力検知装置のように抵抗部を突出させることによって、第２ブロックに作用した力が抵抗部にそのまま伝わる。このため、抵抗部の抵抗値変化を感度良く測定できる。しかしながら、その反面、第２ブロックに大きな力が作用した場合に抵抗部が破損してしまうといった問題がある。この点に鑑みて、上記した所定面の抵抗部と干渉しない位置に抵抗部より低い突出部が設けられる場合がある（特許文献１参照）。この構成の場合、大きな力が作用して第２ブロックが撓むと、第２ブロックと突出部が接触する。このため、過大な力が抵抗部に作用することが抑制され、抵抗部の破壊が防止される。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−２７１３６３号公報（第７図、第８図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特許文献１の力検知装置では、より大きい力が作用して、突出部と接触した後もなお第２ブロックが撓むと、第２ブロックと上記の所定面が接触する場合がある（このとき第２ブロックに作用する力をＷｐとする）。この場合、作用する力が大きくなるに従って第２ブロックと上記の所定面との接触面積が徐々に大きくなる。このとき、抵抗部に作用する力は第２ブロックに作用する力に比例しない。第２ブロックと上記の所定面の接触面積が徐々に大きくなるために、その接触面積の変化が抵抗部に作用する力に影響するからである。抵抗部に作用する力が第２ブロックに作用する力に比例しない範囲では、力を精度良く検知することができない。従って上記の力検知装置では、Ｗｐより大きい力を精度良く検知できない。このため、Ｗｐより大きい力は力検知装置の検知範囲外となる。力を精度良く検知できる範囲は広い方が良い。
突出部の頂面を大きく設定することで、第２ブロックと上記の所定面が接触するために必要な力を大きくできる（即ちＷｐを大きくできる）。従って、突出部の頂面を大きく設定することで力の検知範囲を広くできるように思われる。しかしながら突出部の頂面を単に大きくしても、作用する力が大きくなるに従って第２ブロックと突出部との接触面積が徐々に大きくなる範囲ができる。即ち突出部の頂面を単に大きく設定すると、Ｗｐを大きくすることはできるが、Ｗｐ以下の範囲において検知精度の低い範囲が生じてしまう。
【０００５】
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたものであり、作用した力を広い範囲で精度良く検知できる力検知装置を提供することを目的とする。
また、上記構成の力検知装置に使用され得る半導体ブロックを簡単に製造できる方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段と作用と効果】上記課題を解決するために創作された請求項１に記載の発明は、ピエゾ抵抗効果を有する抵抗部が所定面から突出して設けられている第１ブロックと、上記の所定面との間に間隔をもってかつ抵抗部と接触して配置されている第２ブロックとを備え、第２ブロックに作用した力を抵抗部の抵抗値変化から検知する装置である。この力検知装置には、上記の所定面の抵抗部と干渉しない位置に抵抗部より低い突出部が設けられている。そして、第２ブロックに作用する力がゼロから第１所定量（Ｗ_１）までの間は第２ブロックと突出部との接触面積がゼロとなり、第２ブロックに作用する力が第１所定量（Ｗ_１）から第２所定量（Ｗ_２）までの間は第２ブロックと突出部との接触面積が第１所定値（Ｓ_１）となり、第２ブロックに作用する力が第２所定量（Ｗ_２）以上では第２ブロックと突出部との接触面積が第１所定値（Ｓ_１）より大きい第２所定値（Ｓ_２）となるように、突出部が複数設けられている。
この力検知装置には、突出部が複数設けられている。ここでいう「複数」とは、突出部のピークが複数あることを意味している。例えば、突出部自体は一つの物体で形成されているとしても、その突出部に２つ以上のピークがあれば、ここでいう「複数」に該当する。
また突出部は、第１ブロックに外付けされたものでも良いし、第１ブロックの所定部分が突出したものでも良い。
【０００７】
本発明者らは、上記のような複数の突出部を力検知装置に設け、第２ブロックと突出部の接触面積を段階的に増加させ、第２ブロックと突出部の接触面積が徐々に大きくなる範囲ができないようにすることで、Ｗｐ（第２ブロックが第１ブロックの上記所定面に接触し始める時に第２ブロックに作用する力）を大きくしても、そのＷｐ以下の範囲において力を精度良く検知できるようにすることに成功した。
本発明によると、作用した力を広い範囲で精度良く検知できる力検知装置を実現し得る。
【０００８】
また上記の力検知装置において、第２ブロックに作用する力が第２所定量（Ｗ_２）から第３所定量（Ｗ_３）までの間は第２ブロックと突出部との接触面積が第２所定値（Ｓ_２）となり、第２ブロックに作用する力が第３所定量（Ｗ_３）以上では第２ブロックと突出部との接触面積が第２所定値（Ｓ_２）より大きい第３所定値（Ｓ_３）となるように、突出部がさらに設けられていても良い（請求項２）。
このような構成にすると、Ｗｐをより大きくしても、そのＷｐ以下の範囲において力を精度良く検知し得る。従って、作用した力をより広い範囲で精度良く検知し得る。
【０００９】
また本発明の技術は、別の表現で定義できる（請求項３）。即ち、請求項３に記載の発明は、ピエゾ抵抗効果を有する抵抗部が所定面から突出して設けられている第１ブロックと、上記の所定面との間に間隔をもってかつ抵抗部と接触して配置されている第２ブロックとを備え、第２ブロックに作用した力を抵抗部の抵抗値変化から検知する装置である。この力検知装置には、上記の所定面の抵抗部と干渉しない位置に抵抗部より低い突出部が設けられている。そして、第２ブロックに作用する力を横軸にとり抵抗部の抵抗値変化を縦軸にとった場合に以下の３本の直線、即ち、
直線１；第１所定値（ａ_１）を傾きとする直線（第２ブロックに作用する力がゼロから第１所定量（Ｗ_１）までの間）、
直線２；第１所定値（ａ_１）より小さい第２所定値（ａ_２）を傾きとする直線（第２ブロックに作用する力が第１所定量（Ｗ_１）から第２所定量（Ｗ_２）までの間）、
直線３；第２所定値（ａ_２）より小さい第３所定値（ａ_３）を傾きとする直線（第２ブロックに作用する力が第２所定量（Ｗ_２）から第３所定量（Ｗｐ）までの間、但し第３所定値（ａ_３）＞０）、
からなる折れ線を含むグラフになるように、突出部が複数設けられている。
【００１０】
作用する力が大きくなるに従って第２ブロックと突出部の接触面積が徐々に大きくなる範囲では、抵抗値変化を示すグラフが曲線になる。一方、第２ブロックと突出部の接触面積が一定の範囲では、抵抗値変化を示すグラフが直線になる。この直線の傾きは、第２ブロックと突出部の接触面積が大きくなると小さくなる。請求項３の力検知装置では、段階的に傾きが小さくなる折れ線（３つの直線）を含むグラフになる。これは、作用する力が大きくなるに従って第２ブロックと突出部の接触面積が段階的に増加する（接触面積が徐々に大きくならない）ことを意味する。よって、Ｗｐ（第２ブロックが第１ブロックの上記所定面に接触し始める時に第２ブロックに作用する力）を大きくしても、そのＷｐ以下の範囲において力を精度良く検知できる。
本発明によると、作用した力を広い範囲で精度良く検知できる力検知装置を実現し得る。
【００１１】
また上記の力検知装置において、ｎを４以上の自然数としたときに、以下のｎ本の直線、即ち、
直線１；第１所定値（ａ_１）を傾きとする直線（第２ブロックに作用する力がゼロから第１所定量（Ｗ_１）までの間）、
直線２；第１所定値（ａ_１）より小さい第２所定値（ａ_２）を傾きとする直線（第２ブロックに作用する力が第１所定量（Ｗ_１）から第２所定量（Ｗ_２）までの間）、…、
直線ｎ−１；第ｎ−２所定値（ａ_ｎ−２）より小さい第ｎ−１所定値（ａ_ｎ−１）を傾きとする直線（第２ブロックに作用する力が第ｎ−２所定量（Ｗ_ｎ−２）から第ｎ−１所定量（Ｗ_ｎ−１）までの間）、
直線ｎ；第ｎ−１所定値（ａ_ｎ−１）より小さい第ｎ所定値（ａ_ｎ）を傾きとする直線（第２ブロックに作用する力が第ｎ−１所定量（Ｗ_ｎ−１）から第ｎ所定量（Ｗｐ）までの間、但し第ｎ所定値（ａ_ｎ）＞０）、
からなる折れ線を含むグラフになるように、突出部がさらに設けられていても良い（請求項４）。
このような構成にすると、Ｗｐをより大きくしても、そのＷｐ以下の範囲において力を精度良く検知し得る。従って、作用した力をより広い範囲で精度良く検知し得る。
【００１２】
また本発明者らは、上記した力検知装置に使用され得る半導体ブロックの製造方法を創作した（請求項５）。この製造方法は、半導体ブロックの所定面における不純物添加部分の所定位置と不純物添加部分以外の部分の所定位置とに、その所定面からほぼ同じ高さ突出する突出部（ここでは説明の便宜のために、前者を突出部Ａといい後者を突出部Ｂという）をそれぞれ形成する工程と、各突出部の表面を熱酸化する工程とを順に実施する。
半導体の不純物添加部分は、不純物添加部分以外の部分よりも熱酸化膜が厚く形成される。従って、上記した突出部Ａには厚い酸化膜が形成され、それより薄い酸化膜が突出部Ｂに形成される。従って突出部Ａは突出部Ｂよりも高くなる。突出部Ａは、半導体に不純物が添加された部分を含むために、ピエゾ抵抗効果を有する抵抗部として機能する。本製造方法によると、抵抗部（Ａ）より低い突出部（Ｂ）が設けられた半導体ブロックを簡単に製造することができる。
【００１３】
上記の突出部形成工程は、半導体ブロックの所定面における不純物添加部分の所定位置と不純物添加部分以外の部分の所定位置とにそれぞれレジストを塗布する工程と、上記の所定面をエッチングする工程と、レジストを取り除く工程とを順に実施しても良い（請求項６）。
エッチングすることによって、レジストが塗布された部分以外は削られ、レジストが塗布された部分が突出する。この突出部は、不純物添加部分に少なくとも一つ形成され、不純物添加部分以外の部分に少なくとも一つ形成される。レジストを取り除くと、不純物添加部分と不純物添加部分以外の部分にそれぞれ突出部ができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】上記した各請求項に記載の発明は、以下に示す形態で好適に実施することができる。
（形態１）各請求項に記載の抵抗部は、４つの抵抗が連結されて構成される。これにより、ホイートストンブリッジが構成される。４つの抵抗部の全てに接触するように第２ブロックが配置される。
（形態２）形態１の場合、抵抗部で囲まれた四角形の範囲の中心に第１突出部が設けられ、その第１突出部を囲むようにして第２突出部が設けられる。
（形態３）形態２の第１突出部の形状は、平面視すると円形状、四角形状等を採用できる。この場合、第２突出部の形状は、平面視すると中央に開孔を有する円形状、四角形状等を採用できる。
（形態４）各請求項に記載の複数の突出部（突出部のピーク）は、それぞれ同じ高さでも良いし、それぞれ異なる高さでも良い。
（形態５）請求項１から４のいずれかに記載の第１ブロックは、半導体材料（典型的にはシリコン）によって構成される。
【００１５】
【実施例】図面を参照して、本発明に係る力検知装置の実施例を説明する。
（第１実施例）図１に、力検知装置１０の斜視図を示す。力検知装置１０は、力検知ブロック２２と力伝達ブロック３０等から構成されている。
力検知ブロック２２は、その大部分が半導体（典型的にはシリコン）によって構成されている。力検知ブロック２２は略直方体形状である。力検知ブロック２２には、その上面２４から突出して、４つの抵抗部４０ａ〜４０ｄと４つの電極部４２ａ〜４２ｄとストッパ部５０が設けられている。対向して配置されている一組の抵抗部４０ａ，４０ｃは、それぞれ長さが等しい。もう一組の抵抗部４０ｂ，４０ｄは、それぞれ長さが等しい。抵抗部４０ａは、その一端に抵抗部４０ｂが連結されている。他端には、抵抗部４０ｄが連結されている。抵抗部４０ａと抵抗部４０ｂは直角を成しており、抵抗部４０ａと抵抗部４０ｄも直角を成している。他の抵抗部４０ｂ〜４０ｄも、それぞれ両端に抵抗部が直角を成して連結されている。４つの抵抗部４０ａ〜４０ｄによってホイートストンブリッジが構成されている。抵抗部４０ａ〜４０ｄの幅は、全て等しく約１０μｍに設定されている。
抵抗部４０ａと４０ｂとの間に電極部４２ａが接続されている。抵抗部４０ｂと４０ｃとの間には電極部４２ｂが接続されている。抵抗部４０ｃと４０ｄとの間には電極部４２ｃが接続されている。抵抗部４０ｄと４０ａとの間には電極部４２ｄが接続されている。
【００１６】
図２は、図１の力検知ブロック２２の平面図である。図２を見ると、抵抗部４０ａ〜４０ｄと電極部４２ａ〜４２ｄの配置の様子が良くわかる。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。図３に良く示されるように、抵抗部４０ａと４０ｃは同じ高さである。抵抗部４０ｂと抵抗部４０ｄも、抵抗部４０ａや４０ｃと同じ高さである。即ち４つの抵抗部４０ａ〜４０ｄは、全て同じ高さである。４つの抵抗部４０ａ〜４０ｄは、力検知ブロック２２の上面２４に対して垂直に設けられている。
図１や図３に示されるように、抵抗部４０ａ〜４０ｄの頂面と接触するように、力伝達ブロック３０が配置される。この力伝達ブロック３０は、抵抗部４０ａ〜４０ｄに固定される。図１には、固定される前の力伝達ブロック３０が示されている。図３には、固定された後の力伝達ブロック３０が示されている。力伝達ブロック３０には、図３の矢印方向に力Ｗが作用する。力伝達ブロック３０は、作用した力Ｗを抵抗部４０ａ〜４０ｄに均等に伝達する役割を果たす。
【００１７】
４つの抵抗部４０ａ〜４０ｄは、ピエゾ抵抗効果を有する。この抵抗部４０ａ〜４０ｄのピエゾ抵抗係数は、いわゆるπ１３’である。抵抗部４０ａと４０ｃは、図３の上下方向の力Ｗに対して最大の感度を有する。従って、抵抗部４０ａと４０ｃは、力伝達ブロック３０に力Ｗが作用すると、ピエゾ抵抗効果によって力Ｗの大きさに比例して抵抗値が変化する。一方、抵抗部４０ｂと４０ｄは、図３の上下方向の力Ｗに対して感度ゼロである。抵抗部４０ｂと４０ｄは、力Ｗが加えられても抵抗値が変化しないので、基準抵抗として機能する。
【００１８】
４つの電極部４２ａ〜４２ｄは、その役割から入力電極部４２ａ，４２ｃと出力電極部４２ｂ，４２ｄとに分けられる。入力電極部４２ａと４２ｃの間には、電極４２ａが高電位、電極４２ｃが接地電位となるように電圧がかけられる。そして、出力電極部４２ｂ，４２ｄに現われる電圧が測定される。力伝達ブロック３０に力Ｗが加えられると、その力Ｗが抵抗部４０ａ〜４０ｄに伝達される。先に述べたように、力Ｗが抵抗部４０ａ〜４０ｄに伝達されると、抵抗部４０ａと４０ｃのみがピエゾ抵抗効果を奏し（抵抗値が増加する）、抵抗部４０ｂと４０ｄの抵抗値は変化しない。出力電極部４２ｂに現われる電圧は、抵抗部４０ｂと４０ｃの分圧値となる。このため、抵抗部４０ｃの抵抗値が増加すると、出力電極部４２ｂに現われる電圧は増加する。また、出力電極部４２ｄに現われる電圧は、抵抗部４０ａと４０ｄの分圧値となる。このため、抵抗値４０ａの抵抗値が増加すると、出力電極部４２ｄに現われる電圧は減少する。本実施例では、抵抗部４０ａと４０ｃには同じ大きさの力がかかるようになっている。このため、出力電極部４２ｂの増加電圧と出力電極部４２ｄの減少電圧は等しくなる。出力電極部４２ｂ，４２ｄの出力電圧の差をとることによって、抵抗部４０ａと４０ｃの抵抗値変化を求めることができる。この抵抗値変化から力Ｗの大きさを求めることができる。
【００１９】
ストッパ部５０は、力検知ブロック２２の上面２４に対して垂直に設けられている。ストッパ部５０は、第１ストッパ５１と第２ストッパ５２とから構成されている。第１ストッパ５１の上面と下面は、一辺約１０μｍの正方形である。第１ストッパ５１は、直方体形状を有している。第２ストッパ５２は、第１ストッパ５１を囲んで配置されている。第２ストッパ５２は、平面視すると中央に孔が設けられた直方体形状を有している。第２ストッパ５２の各辺の幅は、それぞれ約１０μｍである。
図２に良く示されるように第１ストッパ５１は、４つの抵抗部４０ａ〜４０ｄによって囲まれた長方形状の範囲の中心に配置されている。そして、その中心から等距離のところに第２ストッパ５２の各頂点が位置している。図３に良く示されるように、第１ストッパ５１と第２ストッパ５２は同じ高さに設定されている。その高さは各抵抗部４０ａ〜４０ｄの高さより低く設定されている。
【００２０】
上記した抵抗部４０ａ〜４０ｄやストッパ部５０は、力検知ブロック２２の材料であるシリコンに酸化膜が被覆することによって形成されたものである。これらのより詳しい構成については以下の第７実施例で詳述するために、ここでの説明は省略する。
【００２１】
次に図４を参照して、上記構成を有する力検知装置１０において、力伝達ブロック３０に力が作用した場合の現象について説明する。
力伝達ブロック３０に力Ｗが作用すると、図４（Ａ）に示されるように中央付近が撓む。力伝達ブロック３０は、大きく撓むと第１ストッパ５１に接触する（この状態が図４（Ａ）に示されている；このとき力伝達ブロック３０は第２ストッパ５２に接触していない）。力伝達ブロック３０が第１ストッパ５１と接触したときに力伝達ブロック３０に作用する力をＷ１とする。なお第１ストッパ５１の頂面は小さく、力Ｗ１が作用すると第１ストッパ５１の頂面は力伝達ブロック３０に完全に覆われるものとみなせる。
【００２２】
上記のＷ１よりも大きい力が作用すると、力伝達ブロック３０の中央部はさらに大きく撓み、力伝達ブロック３０が第２ストッパ５２に接触する（この状態が図４（Ｂ）に示されている）。力伝達ブロック３０が第２ストッパ５２と接触したときに力伝達ブロック３０に作用する力をＷ２とする。なお、第２ストッパ５２の頂面は小さく（各辺が細く）設定されているために、力Ｗ２が作用すると第２ストッパ５２の頂面は力伝達ブロック３０によって完全に覆われるものとみなせる。
【００２３】
上記のＷ２よりも大きい力が作用すると、力伝達ブロック３０はさらに大きく撓む。そして、ついには力伝達ブロック３０が力検知ブロック２２の上面２４と接触する。力伝達ブロック３０が上面２４と接触する瞬間に力伝達ブロック３０に作用する力をＷｐとする。このＷｐよりも大きい力が作用すると、力伝達ブロック３０と力検知ブロック２２の上面２４との接触面積が徐々に大きくなる。
【００２４】
図５には、力伝達ブロック３０に作用した力（荷重）Ｗを横軸とし、出力電極部４２ｂ，４２ｄの出力電圧の差（これは抵抗部４０ａ，４０ｃの抵抗値変化に比例する）を縦軸としたグラフ（出力特性を示すグラフ）が示されている。図５に良く示されるように、力ＷがゼロからＷ１までの間は出力電圧が比例している。この間は、力Ｗに対して出力電圧が感度良く測定されている（高感度領域）。即ち、力Ｗが抵抗部４０ａ〜４０ｄにのみ伝わるために（ストッパ部５０には伝わらないために）、力Ｗの増加量に対する抵抗値変化が大きくなる（グラフの直線の傾きが大きい）。
【００２５】
力伝達ブロック３０に作用した力ＷがＷ１からＷ２までの間も出力電圧が比例している。この間は、高感度領域ほどではないが、力Ｗに対して出力電圧が感度良く測定されている（中感度領域）。この領域における直線の傾きは、高感度領域における直線の傾きよりも小さい。これは、力Ｗが第１ストッパ５１に伝達されるために、力Ｗの増加量に対する抵抗値変化が小さくなるからである。
【００２６】
力伝達ブロック３０に作用した力ＷがＷ２からＷｐまでの間も出力電圧が比例している。この間は、力Ｗに対して出力電圧の感度が悪い（低感度領域）。この領域における直線の傾きは、中感度領域における直線の傾きより小さい。これは、力Ｗが第２ストッパ５２にも伝達されるために、力Ｗの増加量に対する抵抗値変化がかなり小さくなるからである。
【００２７】
力伝達ブロック３０に作用する力ＷがＷｐより大きくなると、出力電圧が比例して現われない。先に述べたように、この間は力伝達ブロック３０に作用する力が大きくなるに従って、力伝達ブロック３０と力検知ブロック２２の上面２４との接触面積が徐々に増加する。ここで、力伝達ブロック３０と、抵抗部４０ａ〜４０ｄやストッパ部５０や力検知ブロック２２の上面２４との接触総面積をＳとする。この接触総面積Ｓは、力ＷがゼロからＷ１までの間は抵抗部４０ａ〜４０ｄの各頂面の総面積（Ｓ１）である。力ＷがＷ１からＷ２までの間はＳ１に第１ストッパ５１の頂面の面積を加えたもの（Ｓ２）である。力ＷがＷ２からＷｐまでの間はＳ２に第２ストッパ５２の頂面の面積を加えたもの（Ｓ３）である。従って、力ＷがゼロからＷｐまでの間は、図６に示すように接触総面積Ｓが段階的に増加する。それに対してＷｐを超えると、接触総面積Ｓは徐々に増加していく（図６では比例して増加しているように見えるが、実際にはこのような単純増加はしない）。
微視的にみると、Ｓ１からＳ２への変化やＳ２からＳ３への変化も一点鎖線で示されるように徐々に増加するものである。しかしながら、力伝達ブロック３０と第１ストッパ５１や第２ストッパ５２との接触が速やかに飽和するので、Ｓ１からＳ２への変化やＳ２からＳ３もほぼ段階的な変化をするとみなせる。
作用する力がＷｐを越えた範囲では、接触総面積Ｓが変化するために、出力電圧が比例して現われない。このため、抵抗部４０ａ，４０ｃの抵抗値変化を精度良く特定できない。従って、作用する力ＷがＷｐを越えた範囲は、力検知装置１０の測定対象外となる。
【００２８】
図１７には、従来の力検知装置における出力特性のグラフが示されている。従来の力検知装置は、Ｗｐ’を越えた範囲では出力電圧が比例して現われない。このＷｐ’は、従来の力検知装置において力伝達ブロックと力検知ブロックの上面が接触するときに力伝達ブロックに作用する力である。従って、Ｗｐ’を越えた範囲では力伝達ブロックに作用する力を精度良く検知できない。
本実施例の力検知装置１０は、ストッパ部５０と力伝達ブロック３０の接触面積が徐々に大きくなる範囲ができないように工夫してストッパ５１，５２を設けている。本実施例の力検知装置１０におけるＷｐは、従来の力検知装置におけるＷｐ’より大きいが（図１７に良く示されている）、ストッパ部５０と力伝達ブロック３０の接触面積が徐々に大きくなる範囲が存在しないために、Ｗｐ以下の力を精度良く検知できる。本実施例の力検知装置１０は、作用した力を精度良く検知できる範囲が従来より広い。
【００２９】
（第２実施例）この第２実施例以下では、第１実施例と同じ部分の説明を省略し、第１実施例と異なる部分を説明する。
図７に、本実施例の力検知ブロック２２の平面図が示されている。図７に良く示されるように、第１実施例とはストッパ部１００の形状が異なる。ストッパ部１００は、第１ストッパ１０２と第２ストッパ１０４と第３ストッパ１０６から構成される（図７や以下の図では、明確にするためにストッパ部に斜線を付している）。第１ストッパ１０２は、円柱形状を有する。第２ストッパ１０４は、第１ストッパ１０２を囲んで配置されており、円筒形状を有する。第３ストッパ１０６は、第２ストッパ１０４を囲んで配置されており、円筒形状を有する。
ストッパ部を本実施例のような構成にしても、第１実施例の場合と同様の効果が得られる。特に、３つのストッパ１０２，１０４，１０６から構成されることから、４つの感度領域（高感度領域、中感度領域、低感度領域１、低感度領域２）が得られる。即ち、この力検知装置の出力特性は、作用する力が大きくなるに従って、ａ１，ａ２，ａ３，ａ４（ａ１＞ａ２＞ａ３＞ａ４＞０）と傾きが小さくなる４つの直線からなる折れ線を含むグラフになる。この力検知装置は、ストッパと力伝達ブロックの接触面積が徐々に大きくなる範囲がないよう工夫してストッパを複数設けている。このため、力を精度良く検知できる範囲が広い。
【００３０】
（第３実施例）図８に、第２実施例と同様に３つのストッパ１４２，１４４，１４６を有する力検知ブロック２２の平面図が示されている。但し、ストッパ１４２，１４４，１４６が四角形状である点が第２実施例と異なる。このような構成にすると、図９に示されるような４つの感度領域が得られる。本実施例の力検知装置は、ストッパと力伝達ブロックの接触面積が徐々に大きくなる範囲ができないように工夫してストッパを複数設けている。このため、力を精度良く検知できる範囲が広い。
【００３１】
（第４実施例）図１０に、本実施例に係る力検知ブロック２２の平面図が示されている。このように、一つのストッパ１２２を中心に配置し、その外側に４つのストッパ１２４（図１０では一つのストッパにのみ符合を付している）を配置しても良い。この場合、第２ブロック３０に力が作用すると、第２ブロック３０はストッパ１２２にまず接触し、さらに大きい力が作用すると、第２ブロック３０は４つのストッパ１２４に同時に接触する。従って本実施例では、第１実施例と同様に３つの感度領域が得られる。
【００３２】
（第５実施例）図１１に、本実施例に係る力検知ブロック２２の平面図が示されている。本実施例の場合、４つの抵抗部４０ａ〜４０ｄによって形成される長方形状の中心にストッパが配置されていない。即ち、中心から同距離のところに、２つのストッパ１５２，１５４がそれぞれ配置されている。そして、それぞれのストッパ１５２，１５４の外側にストッパ１５０，１５６が配置されている。このような構成にしても、第１実施例のように３つの感度領域が得られる。
【００３３】
（第６実施例）図１２に、本実施例に係る力検知装置３００の平面図が示されている。この力検知装置３００は、単ゲージ構造である点が上記各実施例と異なる。具体的には、本実施例では力検知ブロック３１０の抵抗部３０２が１本の抵抗で構成されている。
この力検知装置３００のように単ゲージ構造とすると、ブリッジ構造に比べて、所定の力が加わったときの出力値の変化を大きくすることができる。従って、加わった力を感度良く検知することができる。また、ブリッジ構造に比べて、シンプルな構造の力検知装置を実現し易い。よって、製造工程も簡素化し易い。具体的には、単ゲージ構造では外部端子と接続する電極部を２つ（図１２では３０４，３０６）にすることが容易である。電極部を２つにできると、電極部と外部端子をワイヤを介さずに接続することも容易となる。ワイヤを介さずに接続できると、電極部と外部端子をワイヤで接続することに起因して生じる問題の発生を回避できる。また、２つの電極部と外部端子をワイヤで接続する場合でも、４つの電極部と外部端子をワイヤで接続する場合に比べれば、ワイヤ接続のデメリットを低減できる。
この力検知装置３００は例えば、電極部３０４に電流源を接続し、電極部３０６を接地して、抵抗部３０２に電流を流した状態で用いられる。この状態で電極部３０４に現れる出力電圧を測定することで抵抗部３０２の抵抗値変化がわかる。よって、その抵抗値変化から力伝達ブロック３０８に作用した力を検知できる。
力検知ブロック３１０には、４つのストッパ３２０，３２２，３２４，３２６が設けられている。ストッパ３２０，３２２，３２４，３２６は、それぞれ直方体形状を有する。各ストッパ３２０，３２２，３２４，３２６は、抵抗部３０２に平行となるように配置されている。ストッパ３２２と３２４は、抵抗部３０２から等距離の位置にある。ストッパ３２０と３２６は、抵抗部３０２から等距離の位置にある。
なお、単ゲージ構造は抵抗部が１本の抵抗のみで構成されている構造に限られない。複数本の抵抗がある場合でも、これらの抵抗群の各々の一端が１つの電極に共通に接続され、抵抗群の各々の他端が他の１つの電極に共通に接続されている構造（複数本の抵抗が並列接続されている構造）は、等価的に単ゲージ構造といえる。
【００３４】
図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面図が図１３に示されている。図１３に良く示されるように、ストッパ３２０，３２２，３２４，３２６よりも抵抗部３０２が高く設定されている。力Ｗが作用すると力伝達ブロック３０８の周辺部が撓む（この様子は図１４に良く示されている）。力Ｗ１が作用すると、力伝達ブロック３０８の周辺部がストッパ３２０，３２６に同時に接触する。そして、さらに大きな力Ｗ２が作用すると、力伝達ブロック３０８はストッパ３２２，３２４に同時に接触する。
図１５に、本実施例の力検知装置３００における出力特性を示すグラフが示されている。ストッパが複数設けられたために３つの感度領域が得られている。
【００３５】
（第７実施例）　次に、第１実施例で使用される力検知ブロック２２の製造方法について説明する。図１６に、力検知ブロックの製造方法を工程別に示している。力検知ブロック２２は、半導体ブロック２００を加工して製造される。半導体ブロック２００はシリコンである。
（レジスト膜パターニング工程；図１６（Ａ））
直方体形状を有する半導体ブロック２００の上面２０２に、レジスト膜２０４，２０６を塗布する。レジスト膜２０６は、平面視すると長方形状を有する。レジスト膜２０４は、レジスト膜２０６を囲むように配置されている。即ち、レジスト膜２０４は、平面視すると中央部分に孔が設けられた長方形状を有する。
（不純物添加工程；図１６（Ｂ））
半導体ブロック２００の上面２０２にイオンを注入する。この工程では、イオン注入機を用いる。イオン注入機は、ボロン、リン、ヒ素等のガスをアーク放電によりイオン化する。そしてイオンを上面２０２にビーム照射する。これにより、レジスト膜２０４，２０６が塗布されていない部分には、イオン注入層２１０が形成される。イオン注入層２１０の深さｔ１は、約０．５μｍである。
不純物添加工程は、上記したイオン注入法に換えて、熱拡散法によって行なっても良い。
【００３６】
（レジスト除去工程；図１６（Ｃ））
半導体ブロック２００の上面２０２に塗布されたレジスト膜２０４，２０６を除去する。
（レジスト膜パターニング工程；図１６（Ｄ））
イオン注入層２１０の一部にレジスト膜２１２を塗布する。図１６（Ｄ）では、レジスト膜２１２が２箇所に塗布されているように見えるが、その２つに見えるレジスト膜２１２は同一物である。即ちレジスト膜２１２は、平面視すると中央部分に孔が設けられた長方形状である。
また、イオン注入層２１０以外の部分にもレジスト膜２１４，２１６を塗布する。レジスト膜２１６は、平面視すると正方形状を有している。図１６（Ｄ）では２つあるように見えるレジスト膜２１４は同一物である。即ち、レジスト膜２１４は、平面視すると中央部分に孔が形成された長方形状を有している。レジスト膜２１４は、レジスト膜２１６を囲むように配置されている。
【００３７】
（エッチング工程；図１６（Ｅ））
次に、半導体ブロック２００の上面２０２をＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）法でドライエッチングする。この工程は、ウェットエッチング等の他のエッチング方法によって実施されても良い。
この工程が実施されることによって、レジスト膜２１２，２１４，２１６が塗布されていない部分が削られる。削られなかった部分２１０，２２０，２２２は、半導体ブロック２００の上面２０２から突出する。ドライエッチングによって削られる深さｔ２は約３μｍである。
（レジスト除去工程；図１６（Ｆ））
レジスト膜２１２，２１４，２１６を除去する。イオン注入層２１０の幅ｔ３は約１０μｍであり、半導体ブロック２００の中央から突出している部分２２０の幅ｔ４も約１０μｍである。
（熱酸化工程；図１６（Ｇ））
半導体ブロック２００を熱酸化させる。これにより、イオン注入層２１０の上部にはシリコン酸化膜２２６が厚めにできる。これは、イオン注入層２１０では熱酸化反応が活性化されるためである。これに対し、中央の突出部２２０，２２２では、イオン注入層２１０と比べて反応が活性化せず、シリコン酸化膜２２８，２３０が薄くできる。このように、イオン注入層２１０とそれ以外の部分でのシリコン酸化膜の厚さが異なるために、イオン注入層２１０部分と中央突出部２２０，２２２とでは高さに差ｔ５ができる。本実施例における差ｔ５は、約０．２μｍである。
【００３８】
上記の方法で製造された力検知ブロックは、イオン注入層２１０部分が各抵抗部４０ａ〜４０ｄとなり、中央突出部分２２０，２２２が各抵抗部４０ａ〜４０ｄより低いストッパ部５０となる。上記製造方法を実施することにより、力検知ブロック２２を簡単に製造することができる。
なお、イオン注入濃度を変えることにより、ストッパ部と抵抗部の高さを自由に設定することができる。
【００３９】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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。
【００４０】
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み合わ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み合わ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するものであり、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】第１実施例の力検知装置の斜視図である。
【図２】図１の力検知ブロックの平面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】力が作用して力伝達ブロックが撓む様子を三段階に亘って示す。
【図５】第１実施例の力検知装置の出力特性を示す。
【図６】第１実施例の力検知装置において、力伝達ブロックに作用する力を横軸とし、力伝達ブロックと力検知ブロックとの接触総面積を縦軸とした場合のグラフを示す。
【図７】第２実施例の力検知ブロックの平面図である。
【図８】第３実施例の力検知ブロックの平面図である。
【図９】第３実施例の力検知装置の出力特性を示す。
【図１０】第４実施例の力検知ブロックの平面図である。
【図１１】第５実施例の力検知ブロックの平面図である。
【図１２】第６実施例の力検知装置の平面図である。
【図１３】図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面図である。
【図１４】力が作用して力伝達ブロックが撓む様子を示す（第６実施例）。
【図１５】第６実施例の力検知装置の出力特性を示す。
【図１６】第１実施例の力検知ブロックの製造方法を工程別に示す（第７実施例）。
【図１７】従来の力検知装置の出力特性を示す。
【符号の説明】
１０・・力検知装置
２２・・力検知ブロック
２４・・力検知ブロックの上面
３０・・力伝達ブロック
４０・・抵抗部
４２・・電極部
５０・・ストッパ部
５１・・第１ストッパ
５２・・第２ストッパ

Claims (6)

1. ピエゾ抵抗効果を有する抵抗部が所定面から突出して設けられている第１ブロックと、前記所定面との間に間隔をもってかつ抵抗部と接触して配置されている第２ブロックとを備え、第２ブロックに作用した力を抵抗部の抵抗値変化から検知する装置であり、
   前記所定面の抵抗部と干渉しない位置に抵抗部より低い突出部が設けられており、
   第２ブロックに作用する力がゼロから第１所定量までの間は第２ブロックと突出部との接触面積がゼロとなり、第２ブロックに作用する力が第１所定量から第２所定量までの間は第２ブロックと突出部との接触面積が第１所定値となり、第２ブロックに作用する力が第２所定量以上では第２ブロックと突出部との接触面積が第１所定値より大きい第２所定値となるように、前記突出部が複数設けられていることを特徴とする力検知装置。
2. 第２ブロックに作用する力が第２所定量から第３所定量までの間は第２ブロックと突出部との接触面積が第２所定値となり、第２ブロックに作用する力が第３所定量以上では第２ブロックと突出部との接触面積が第２所定値より大きい第３所定値となるように、突出部がさらに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の力検知装置。
3. ピエゾ抵抗効果を有する抵抗部が所定面から突出して設けられている第１ブロックと、前記所定面との間に間隔をもってかつ抵抗部と接触して配置されている第２ブロックとを備え、第２ブロックに作用した力を抵抗部の抵抗値変化から検知する装置であり、
   前記所定面の抵抗部と干渉しない位置に抵抗部より低い突出部が設けられており、
   第２ブロックに作用する力を横軸にとり抵抗部の抵抗値変化を縦軸にとった場合に以下の３本の直線、即ち、
   直線１；第１所定値を傾きとする直線（第２ブロックに作用する力がゼロから第１所定量までの間）、
   直線２；第１所定値より小さい第２所定値を傾きとする直線（第２ブロックに作用する力が第１所定量から第２所定量までの間）、
   直線３；第２所定値より小さい第３所定値を傾きとする直線（第２ブロックに作用する力が第２所定量から第３所定量までの間、但し第３所定値＞０）、
   からなる折れ線を含むグラフになるように、前記突出部が複数設けられていることを特徴とする力検知装置。
4. ｎを４以上の自然数としたときに、以下のｎ本の直線、即ち、
   直線１；第１所定値を傾きとする直線（第２ブロックに作用する力がゼロから第１所定量までの間）、
   直線２；第１所定値より小さい第２所定値を傾きとする直線（第２ブロックに作用する力が第１所定量から第２所定量までの間）、…、
   直線ｎ−１；第ｎ−２所定値より小さい第ｎ−１所定値を傾きとする直線（第２ブロックに作用する力が第ｎ−２所定量から第ｎ−１所定量までの間）、
   直線ｎ；第ｎ−１所定値より小さい第ｎ所定値を傾きとする直線（第２ブロックに作用する力が第ｎ−１所定量から第ｎ所定量までの間、但し第ｎ所定値＞０）、
   からなる折れ線を含むグラフになるように、突出部がさらに設けられていることを特徴とする請求項３に記載の力検知装置。
5. 半導体ブロックの所定面における不純物添加部分の所定位置と不純物添加部分以外の部分の所定位置とに、その所定面からほぼ同じ高さ突出する突出部をそれぞれ形成する工程と、
   各突出部の表面を熱酸化する工程とを順に実施する半導体ブロックの製造方法。
6. 前記突出部形成工程は、
   半導体ブロックの所定面における不純物添加部分の所定位置と不純物添加部分以外の部分の所定位置とにそれぞれレジストを塗布する工程と、前記所定面をエッチングする工程と、レジストを取り除く工程とを順に実施する請求項５に記載の製造方法。

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