JP2008039646A - 力覚センサ用チップ - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズが発生したとしてもセンサ出力演算でキャンセルされ、ドリフトノイズを低減し、安定した力およびモーメント検出を行える力覚センサ用チップを提供する。
【解決手段】力覚センサ用チップ１は、外力作用領域部３ａを有する作用部３と、この作用部３を支持する支持部４と、作用部と支持部を連結する連結部５を備え、連結部５は、作用部の周囲に位置する少なくとも環状中間部（５Ａ，５Ｂ）と、作用部と環状中間部を連結する第１連結腕部５１と、支持部と環状中間部を連結する第２連結腕部５２とから成る半導体基板２と、連結部における第１連結腕部と第２連結腕部のそれぞれの変形発生部に設けられる歪み抵抗素子Ｓxa1〜Ｓxa3，Ｓya1〜Ｓya3，Ｓxb1〜Ｓxb3，Ｓyb1〜Ｓyb3とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は力覚センサ用チップに関し、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複数の歪み抵抗素子を有し、産業用ロボット等の力覚センサとして利用される６軸力センサ等に好適な力覚センサ用チップに関するものである。

工作機械やロボット等の自動作業機械では、その作業動作上で、作業対象物に対して力を加えたり、外界から力の作用を受けたりする。この場合、自動作業機械では、自身に加わる外部からの力やモーメントを検出し、当該力やモーメントに対応した制御を行うことが要求される。力やモーメントに対応する制御を高精度で行うためには、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。

そこで従来から、各種の力覚センサが提案されている。通常、力覚センサは、検出方式の観点で大別すると、弾性式力覚センサと平衡式力覚センサがある。弾性式力覚センサは外力に比例した変形量に基づき力を測定する。平衡式力覚センサは既知の力との釣り合わせによって力を測定する。

また力覚センサは、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ものが知られている。力覚センサの起歪体に外力が加わると、起歪体の変形度合い（応力）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に加わった２成分以上の力等を検出することができる。力覚センサで生じる応力の測定は、上記電気信号に基づいて算出される。

力覚センサの一種として６軸力センサが知られている。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。

本発明者らは先に新しい構成を有する６軸力センサを提案した（特許文献１）。この６軸力センサは、起歪体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「他軸干渉」の問題を解決できる。この６軸力センサは、半導体製造プロセスを利用して半導体基板上の起歪体の部分に複数の歪み抵抗素子を所定の配置パターンで一体的に組み付けている。当該６軸力センサは、ほぼ正方形の平面形状を有する板状の半導体基板から成り、周囲部分の支持部と、中央部分に位置する平面形状がほぼ正方形の作用部と、正方形の作用部の４つの辺の各々と支持部の対応部分との間を連結する連結部とから構成されている。歪み抵抗素子は、正方形作用部の各辺と連結部との間の境界部に設けられる。この６軸力センサによれば、起歪体の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して「他軸干渉」の問題を解決している。
特開２００３−２０７４０５号公報

しかし特許文献１に記載された６軸力センサによれば次の問題を提起する。特許文献１の例えば図４に示された６軸力センサの半導体基板において、Ｚ軸方向に力Ｆｚが印加するとき、当該外力（Ｆｚ）が加わる作用部がＺ軸方向に変位することになる。この場合に力Ｆｚのセンサ出力値を算出するための演算式（抵抗変化率）は、その構造上、特許文献１の９頁の（３）式に示されるような演算式になる。この（３）式によれば、力Ｆｚのセンサ出力値を求めるときに限り各項の式が同符号になり、同極性演算という特性を有することになる。この点を図８を参照して説明する。

図８は、特許文献１の６軸力センサに外力が印加された際の６軸力の大きさと方向の検知方法の一例を示す。説明の便宜上、図８に示す各変形パターン１３１はその変形状態を誇張して示している。外力として６つの軸力のいずれかまたは組み合せたものは力覚センサ用チップ１１１における作用部１２１に印加される。軸力が印加された作用部１２１は、チップ周囲部の支持部１２２およびそれらの間の４つの連結部によって支持されながら、その位置を変化させる。その結果、作用部１２１と支持部１２２を連結する４つの連結部で、印加された軸力に応じた固有の変形が生じる。４つの連結部で変形が生じると、その変形の仕方に応じて特有の検知信号が歪み抵抗素子Ｒ１１〜Ｒ４３を介して出力される。

図８では、作用部１２１に対する印加軸力が例えばＦｘ，Ｆｚ，Ｍｙ，Ｍｚであるとき（図８の（１））、力覚センサ用チップ１１１の変形パターン（図８の（２））とその印加軸力に特徴的な歪みを得るための演算式（図８の（３））を示している。力覚センサ用チップ１１１の変形パターンは、平面形状での変形パターン１３１と縦断面形状での変形パターン１３２とが示されている。この演算式は、「抵抗値増減の演算式」とも言い換えられる。

なおここで、図８（３）に示すような抵抗値増減の演算式で用いられている各抵抗変化量R11, R12, R13, R21, R22, R23, R31, R32, R33, R41, R42, R43はそれぞれに対応する１２個の歪み抵抗素子における抵抗変化量を意味する。

図８に示されるごとく、軸力Ｆｘが印加されるときには矢印１３３のごとく力が加わり、顕著な出力信号として（（Ｒ２１−Ｒ２３）＋（Ｒ４３−Ｒ４１））／４の演算式で決まる検知信号が得られる。軸力Ｆｚが印加されるときには矢印１３４のごとく力が加わり、顕著な出力信号として−（Ｒ１２＋Ｒ２２＋Ｒ３２＋Ｒ４２）／４の演算式で決まる検知信号が得られる。軸力Ｍｙが印加されるときには矢印１３５のごとく力が加わり、顕著な出力信号として（Ｒ１２−Ｒ３２）／２の演算式で決まる検知信号が得られる。軸力Ｍｚが印加されるときには矢印１３６のごとく力が加わり、顕著な出力信号として（（Ｒ１３−Ｒ１１）＋（Ｒ２３−Ｒ２１）＋（Ｒ３３−Ｒ３１）＋（Ｒ４３−Ｒ４１））／８の演算式で決まる検知信号が得られる。これらの信号を適切に演算して（周知の行列演算など）、力覚センサに印加される軸力を知ることができる。

上記のごとく、力Ｆｚのセンサ出力値を求めるときに限り各項の式が同符号になり、同極性演算という特性を有することが分かる。

上記のごとく特許文献１に記載された従来の力覚センサによれば、Ｆｚ印加の場合には素子出力変化が同じ極性になるので、センサ出力演算は足し算になる。その結果、ノイズが発生したときには当該ノイズがキャンセルされず、センサ出力信号でドリフトノイズ成分が発生する要因になる。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、ノイズが発生したとしてもセンサ出力演算でキャンセルされ、ドリフトノイズを低減し、安定した高精度な力およびモーメント検出を行うことができる力覚センサ用チップを提供することにある。

本発明に係る力覚センサ用チップは、上記目的を達成するために、外力が印加されるベース部材と、外力に応じた歪みによって抵抗値が変化する歪み抵抗素子とを備える力覚センサ用チップであって、ベース部材は、該ベース部材の中央部に設けられ外力作用領域部を有する作用部と、ベース部材の外周部に設けられ作用部を支持する支持部と、作用部の外周側から支持部の内周側に設けられた中間部と、作用部と中間部とを連結する第１連結腕部と、中間部と支持部とを連結する第２連結腕部とを有し、さらに歪み抵抗素子は、第１連結腕部と第２連結腕部がそれぞれ備える変形発生部に少なくとも１つ設けられている。

本発明によれば次の効果を奏する。第１に、本発明に係る力覚センサ用チップによれば、チップ中央部の作用部に直交するように印加される外力Ｆｚを含め、すべての軸力の検出を、極性の異なる素子出力（歪み抵抗素子の抵抗値変化）で演算することができるため、センサ出力信号でドリフトノイズを低減することができ、安定した高精度のセンサ出力信号を得ることができる。第２に、特徴のある新しい連結部の構造と歪み抵抗素子の配置パターンとを有するチップ基板において、その片面に歪み抵抗素子等を配置したため、半導体基板の製造プロセスが簡単になり、実装も容易である。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

図１〜図６を参照して本発明に係る力覚センサ用チップの実施形態を説明する。この実施形態では、力覚センサ用チップとして６軸力センサチップの例を説明する。なお本発明に係る力覚センサ用チップは６軸力センサチップには限定されない。

図１は、力覚センサ用チップの一方の面を示す平面図である。図１の力覚センサ用チップでは、すべての歪み抵抗素子および温度補償用抵抗素子と、複数の弧状の孔と、基本的な構成を成す電気配線パターンおよび電極パッドの一部を示している。

図１において、本実施形態に係る力覚センサ用チップ１は、平面形状が好ましくは正方形の半導体基板（ベース部材）２を利用して形成されている。ベース部材である基板２は、半導体基板には限定されない。力覚センサ用チップ１は全体として半導体基板２に基づく板状の形状を有する。

力覚センサ用チップ１は、基板上に半導体デバイスを形成する場合、好ましくは、一方の表面に半導体製造プロセス技術（フォトリソグラフィ等のエッチング処理、レジストパターン、イオン注入、Ｐ−ＣＶＤ、スパッタリング、ＲＩＥ等の成膜処理）を適用して、正方形の半導体基板２の平面形状や所要の孔の形成等それ自体に加工を施すと共に、半導体基板２の一方の表面の所定領域に成膜処理を行って製作される。

以上のごとく本実施形態に係る力覚センサ用チップ１は、半導体センサデバイスとして形成されている。

力覚センサ用チップ１において、６軸力センサとして６軸成分を検出する機能部分は、半導体基板２の一方の表面にイオン注入された活性層（または熱拡散層）より成る１２個の歪み抵抗素子（またはピエゾ抵抗素子。以下において「抵抗素子」と記し、歪み抵抗素子を意味するものとする。）Ｓxa1，Ｓxa2，Ｓxa3，Ｓxb1，Ｓxb2，Ｓxb3，Ｓya1，Ｓya2，Ｓya3，Ｓyb1，Ｓyb2，Ｓyb3によって形成される。総計１２個の抵抗素子は、３個ずつの組(Sxa1,Sxa2,Sxa3)，(Sxb1,Sxb2,Sxb3)，(Sya1,Sya2,Sya3)，(Syb1,Syb2,Syb3)で、後述される４つの連結領域に配置されている。

さらに力覚センサ用チップ１には、１２個の抵抗素子Ｓxa1〜Ｓxa3，Ｓxb1〜Ｓxb3，Ｓya1〜Ｓya3，Ｓyb1〜Ｓyb3のそれぞれに対応して、個別に、活性層（熱拡散層）より成る温度補償用抵抗素子１１が形成されている。これらの温度補償用抵抗素子１１は、それぞれ、後述する非変形領域部に配置されている。ここで、抵抗素子Ｓxa1〜Ｓxa3，Ｓxb1〜Ｓxb3，Ｓya1〜Ｓya3，Ｓyb1〜Ｓyb3および温度補償用抵抗素子１１は、共に歪み抵抗素子で形成されたものであるが、本発明では抵抗素子Ｓxa1〜Ｓxa3，Ｓxb1〜Ｓxb3，Ｓya1〜Ｓya3，Ｓyb1〜Ｓyb3が検知用素子として機能し、温度補償用抵抗素子１１が参照用素子として機能する。

図１に示されるように、半導体基板２は、板材の厚み方向に貫通して形成された１２個の例えば弧状の孔１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄが形成されている。力覚センサ用チップ１は、これらの孔１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄにより複数の領域に機能的に分離されている。

孔１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄのいずれも相対的に狭い幅を有するスリット状でかつ弧状の形状を有している。４つの同形の孔１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄは全体として最内周側のほぼ円形状の孔を形成する。４つの同形の孔３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄは全体として最外周のほぼ円形形状の孔を形成する。４つの同形の孔２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄは、最内周と最外周の円形孔の中間に位置するほぼ円形形状の孔を形成する。最内周の円形孔、中間の円形孔、最外周の円形孔は同心円的な位置関係で形成されている。最内周の孔１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄと最外周の孔３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄとはそれぞれ円周方向において同一の角度に対応する箇所に形成されている。中間の孔２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄは、最内周の孔１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄおよび最外周の孔３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄに対して円周方向に４５°ずれた箇所に形成されている。

上記のごとく孔１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄを形成したため、力覚センサ用チップ１を形成する半導体基板２は、中央部に位置するほぼ円形の平面形状を有した作用部３と、この作用部３を囲むような位置にある内周縁がほぼ円形のリング形状を有する支持部４と、作用部３と支持部４の間に位置して両者を連結する連結部５とから構成されている。

さらに連結部５は、前述の孔１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄによって、作用部３の周囲に位置にする第１環状中間部５Ａと、この第１環状中間部５Ａの周囲に位置する第２環状中間部５Ｂと、作用部３と第１環状中間部５Ａを連結する等間隔位置にある４つの第１連結腕部５１と、支持部４と第２環状中間部５Ｂを連結する等間隔位置にある４つの第２連結腕部５２と、第１環状中間部５Ａと第２環状中間部５Ｂを連結する等間隔位置にある４つの第３連結腕部５３とを備える。

上記の形態を有する半導体基板２に関して、周囲の支持部４は、６軸力センサのユニットに組み付けられるとき、例えば、下面から支持台座で支持される部分である。また作用部３は、外部から連結ロッド等を介して外力や荷重等（以下「外力」と記す）が伝達されるとき、当該外力の作用を直接に受ける部分である。作用部３は、通常、その中央部で外力を受けるように構成される。また連結部５の第１連結腕部５１と第２連結腕部５２は、作用部３が外力を受けて変形や位置の変化を生じたとき、これに連動して変形や位置変化を顕著に生じ、固定部、作用部、連結部等の中で最も応力が生じる変形発生部（起歪部）である。

上記作用部３は、外力が印加または入力される中央部（外力作用領域部）３ａと、中央部３ａの周囲に位置する４つの非変形領域部３ｂとから形成される。中央部３ａに外力等を伝達する連結ロッドが接続される。孔１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄは、両端に、内周側に切れ込んだ溝が形成されることにより非変形領域部３ｂが形成される。非変形領域部３ｂは作用部３の自由端として形成されている。４つの非変形領域部３ｂは、中央部３ａに外力が加わったときでも、その部分自体に変形を生じないようになっている。これらの４つの非変形領域部３ｂを利用して温度補償用抵抗素子１１が配置される。

作用部３の周囲の連結部５は、上記のごとく、第１環状中間部５Ａと、第２環状中間部５Ｂと、４つの第１連結腕部５１と、４つの第２連結腕部５２と、４つの第３連結腕部５３を備える。４つの第１連結腕部５１と４つの第２連結腕部５２は、円周方向において同一の角度位置に形成されている。４つの第３連結腕部５３は、４つの第１連結腕部５１と４つの第２連結腕部５２に対して、円周方向に４５°ずれた位置に形成されている。

支持部４の内周円の縁に沿って形成された４つの孔３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄは、両端のそれぞれに、外周側に切り込んだ２箇所の溝が形成されることにより、第２連結腕部５２の両側に非変形領域部４ａが形成される。これらの４つの非変形領域部４ａを利用して温度補償用抵抗素子１１が配置される。

図１において、例えば抵抗素子Ｓyb1，Ｓyb2，Ｓyb3とそれぞれに対応する３つの温度補償用抵抗素子１１は、半導体基板２の連結部５における右下の第１連結腕部５１と第２連結腕部５２を利用して設けられている。図１では、平面形状が正方形である半導体基板２の各頂点をＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４とすると、抵抗素子Ｓyb1，Ｓyb2，Ｓyb3等は、頂点Ｐ２に対応する角領域の第１連結腕部５１と第２連結腕部５２の各箇所に設けられる。

抵抗素子Ｓyb1，Ｓyb2，Ｓyb3とそれぞれに対応する３つの温度補償用抵抗素子１１の配置パターンは次の通りである。抵抗素子Ｓyb2は第１連結腕部５１の表面に形成され、２つの抵抗素子Ｓyb1，Ｓyb3は第２連結腕部５２の表面に形成される。抵抗素子Ｓyb1，Ｓyb2，Ｓyb3の各々はその長手方向を対角線方向に向けて配置されている。抵抗素子Ｓyb2に対応する温度補償用抵抗素子１１は隣接する近傍の非変形領域部３ｂに形成され、２つの抵抗素子Ｓyb1，Ｓyb3のそれぞれに対応する温度補償用抵抗素子１１はそれぞれに隣接する近傍の非変形領域部４ａに形成されている。

抵抗素子Ｓyb1，Ｓyb2，Ｓyb3とそれぞれに対応する３つの温度補償用抵抗素子１１の電気配線パターンは次の通りである。

２つの抵抗素子Ｓyb1，Ｓyb3とそれぞれに対応する温度補償用抵抗素子１１との電気配線パターンは、図２に示されるようなブリッジ回路の半回路（ハーフブリッジ）を成す配線構造を有している。通常、フルブリッジ回路を力覚センサ用チップ内に構成するのが一般的であるが、ハーフブリッジ回路に外付け抵抗を付加して全体としてフルブリッジ回路としてもよい。本実施形態は、このような構成を採用したものである。図２は抵抗素子Ｓyb3に関する電気配線パターンを拡大して示しており、図１に示された抵抗素子Ｓyb3の電気配線パターンとまったく同じである。図２において、抵抗素子Ｓyb3と温度補償用抵抗素子１１の接続点はＧＮＤ電極パッド１５に接続される。また抵抗素子Ｓyb3の他端および度補償用抵抗素子１１の他端はそれぞれの信号電極パッド１６に接続されている。図１に示されるごとく、１つのＧＮＤ電極パッド１５と２つの信号電極パッド１６は、半導体基板２の辺に沿って配置されている。さらに抵抗素子Ｓyb1の電気配線パターンも、抵抗素子Ｓyb3の電気配線パターンと基本的に同じである。ただし図１に示されるように、抵抗素子Ｓyb1の電気配線パターンは、半導体基板２の対角線Ｐ２−Ｐ４に関し、抵抗素子Ｓyb3の電気配線パターンに対して線対称のパターンとなっている。

さらに、抵抗素子Ｓyb2とこれに対応する温度補償用抵抗素子１１との電気配線パターンも、図１では複雑なパターンで描かれているが、実質的に、上記の抵抗素子Ｓyb1または抵抗素子Ｓyb3の各電気配線パターンと同じである。図３では、抵抗素子Ｓyb2とこれに対応する温度補償用抵抗素子１１とで構成される電気配線パターンを示す。この電気配線パターンは、図２に示した電気配線パターンと実質的に同一である。図３に示されるようなハーフブリッジ配線構造の場合にも、抵抗素子Ｓyb2と温度補償用抵抗素子１１の接続点はＧＮＤ電極パッド１５に接続され、さらに抵抗素子Ｓyb2の他端および温度補償用抵抗素子１１の他端はそれぞれの信号電極パッド１６に接続されている。抵抗素子Ｓyb2に関する１つのＧＮＤ電極パッド１５と２つの信号電極パッド１６は、実際には図１に示されるごとく半導体基板２の辺に沿って配置されている。

図４は、図３に示した電気配線パターンに対して、２つの信号電極パッド１６のそれぞれに外部配線１７を接続し、さらに各外部配線１７に例えばセラミック製の外付け抵抗１８を接続して構成されたフルブリッジの配線構造を示している。２つの外付け抵抗１８の他の端子１９には電源電圧Ｖsが印加されている。抵抗素子Ｓyb1，Ｓyb2，Ｓyb3の各々について図３に示すフルブリッジ配線構造を形成することによって、２つの外部配線１７の間の電圧を、温度補償された各抵抗素子の素子出力Ｖoutとして取り出すことができる。

上記した抵抗素子Ｓyb1，Ｓyb2，Ｓyb3とそれぞれに対応する３つの温度補償用抵抗素子１１についての配置パターンおよび電気配線パターンは、他の抵抗素子Ｓya1〜Ｓya3、抵抗素子Ｓxa1〜Ｓxa3、抵抗素子Ｓxb1〜Ｓxb3についても、配置される場所が異なるだけで、まったく同一である。

抵抗素子Ｓya1，Ｓya2，Ｓya3とそれぞれに対応する３つの温度補償用抵抗素子１１は、図１において、半導体基板２の頂点Ｐ４に対応する角領域の連結部５における第１連結腕部５１と第２連結腕部５２を利用して設けられている。抵抗素子Ｓya1，Ｓya2，Ｓya3とそれぞれに対応する３つの温度補償用抵抗素子１１についての配置パターンと電気配線パターンは、抵抗素子Ｓyb1，Ｓyb2，Ｓyb3とそれぞれに対応する３つの温度補償用抵抗素子１１についての配置パターンおよび電気配線パターン同じである。ただし図１では、図示を簡単化するため、電気配線パターン、ＧＮＤ電極パッドおよび信号電極パッドの図示は省略されている。

抵抗素子Ｓya1〜Ｓya3の組と抵抗素子Ｓyb1〜Ｓyb3の組は、半導体基板２の対角線Ｐ２−Ｐ４に沿って形成されている。

抵抗素子Ｓxa1，Ｓxa2，Ｓxa3とそれぞれに対応する３つの温度補償用抵抗素子１１は、図１において、半導体基板２の頂点Ｐ１に対応する角領域の連結部５における第１連結腕部５１と第２連結腕部５２を利用して設けられている。抵抗素子Ｓxa1，Ｓxa2，Ｓxa3とそれぞれに対応する３つの温度補償用抵抗素子１１についての配置パターンと電気配線パターンは、抵抗素子Ｓyb1，Ｓyb2，Ｓyb3とそれぞれに対応する３つの温度補償用抵抗素子１１についての配置パターンおよび電気配線パターン同じである。ただし図１では、図示を簡単化するため、電気配線パターン、ＧＮＤ電極パッドおよび信号電極パッドの図示は省略されている。

抵抗素子Ｓxb1，Ｓxb2，Ｓxb3とそれぞれに対応する３つの温度補償用抵抗素子１１は、図１において、半導体基板２の頂点Ｐ３に対応する角領域の連結部５における第１連結腕部５１と第２連結腕部５２を利用して設けられている。抵抗素子Ｓxb1，Ｓxb2，Ｓxb3とそれぞれに対応する３つの温度補償用抵抗素子１１についての配置パターンと電気配線パターンは、抵抗素子Ｓyb1，Ｓyb2，Ｓyb3とそれぞれに対応する３つの温度補償用抵抗素子１１についての配置パターンおよび電気配線パターン同じである。ただし図１では、図示を簡単化するため、電気配線パターン、ＧＮＤ電極パッドおよび信号電極パッドの図示は省略されている。

上記の抵抗素子Ｓxa1〜Ｓxa3の組と抵抗素子Ｓxb1〜Ｓxb3の組は、半導体基板２の対角線Ｐ１−Ｐ３に沿って形成されている。

上記のごとく、力覚センサ用チップ１の半導体基板２の表面には、１２個の抵抗素子Ｓxa1〜Ｓxa3，Ｓxb1〜Ｓxb3，Ｓya1〜Ｓya3，Ｓyb1〜Ｓyb3と１２個の温度補償用抵抗素子１１と総計３６個以上のパッドとが、所定の配置パターンおよび電気配線パターンで形成されている。半導体基板２において、対角線Ｐ１−Ｐ３はＸ軸方向として定義され、対角線Ｐ２−Ｐ４はＹ軸方向として定義される。また半導体基板２の表面に直交する方向がＺ軸方向になる。

また半導体基板２において、抵抗素子や温度補償用抵抗素子の配置は、半導体基板２の結晶方位を考慮して決定されている。すなわち、シリコンウェハの表面は（１００）の結晶方位を有するため、π係数（ピエゾ係数）が効果的に使われて温度補償用抵抗素子の歪み感度に比して抵抗素子の歪み感度が顕著に高くなるように、抵抗素子の長辺と温度補償用抵抗素子の長辺が４５°傾くようにしている。これは、一例として抵抗素子の長辺が＜１１０＞方向、温度補償用抵抗素子１１の長辺が＜１００＞方向となる方向である。図１において、＜１１０＞方向は半導体基板２における２つの対角線の各方向であり、＜１００＞方向は半導体基板２の４つの辺の各方向である。

図１に示すような素子配置にすることで、半導体装置２の構造や素子配置の工夫では回避困難な歪み要因があっても、高感度な力覚センサ用チップ１が実現する。ただし、本実施形態のような素子配置はあくまでも一例であり、温度補償用抵抗素子１１が歪みの抵抗を受けないような配置や半導体基板２の構造が採用された場合には、例えば、抵抗素子Ｓxa1〜Ｓxa3，Ｓxb1〜Ｓxb3，Ｓya1〜Ｓya3，Ｓyb1〜Ｓyb3および温度補償用抵抗素子１１の長辺を共に図１の＜１１０＞方向に向ける等の他の配置としてもよい。

本実施形態に係る力覚センサ用チップ１を形成する半導体基板２では、図１に示されるごとく正方形の形状を有し、抵抗素子が形成される４本の第１連結腕部５１および第２連結腕部５２を半導体基板２の対角線の上に位置させている。これにより、各抵抗素子の長手方向が対角線の方向、すなわちシリコンウェハの＜１１０＞方向に向けて配置され、高い感度で歪みを検出することが可能となっている。

次に、図５と図６を参照して、上記構成を有する力覚センサ用チップ１の動作特性を説明する。図５の（Ａ）〜（Ｄ）は力覚センサ用チップ１の平面図であり、その一例として４つの検知軸（Ｆｘ，Ｆｚ，Ｍｙ，Ｍｚ）と１２個の歪み抵抗素子を示し、図６は、図５の例えば（Ａ）に示された正方形の力覚センサ用チップ１の平面図においてＣ１−Ｃ１線で切った断面図を示しており、外力Ｆｚが印加されたときの変形態様を示している。

図５では（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）の４つの変形態様が示されている。図５の各図において力覚センサ用チップ１は、上記対角線Ｐ２−Ｐ４（Ｙ軸）を縦方向としてかつ対角線Ｐ１−Ｐ３（Ｘ軸）を横方向として描かれている。図５で（Ａ）はＦｘ印加の状態を示し、（Ｂ）はＦｚ印加の状態を示し、（Ｃ）はＭｙ印加の状態を示し、（Ｄ）はＭｚ印加の状態を示している。Ｆｘ，Ｆｚ，Ｍｙ，Ｍｚの印加軸力については図７で説明した印加軸力と同じである。

力覚センサ用チップ１の作用部３の中心点でＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸から成る３次元直交座標系３２を定義すると、当該直交座標系の３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）に関して、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸に対して回転方向に与えられるモーメントＭｘ、Ｙ軸に対して回転方向に与えられるモーメントＭｙ、Ｚ軸に対して回転方向に与えられるモーメントＭｚがそれぞれ定義される。上記構造の半導体基板２で形成される力覚センサ用チップ１によれば、作用部３に加えられる外力に起因して変形が生じたとしても、当該外力を、力Ｆｘ，Ｆｙ，ＦｚとモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚの各成分に分離でき、他軸干渉の影響を低下させることができる。すなわち、力覚センサ用チップ１では、他軸干渉を防止するため、特定軸以外の力またはモーメントでの抵抗変化率が各々打ち消す合うように、抵抗素子の配置を選択し、抵抗変化率の演算を行うように構成されている。

ここで、力覚センサ用チップ１に加わる力とモーメントの各成分を検出するセンサ特性を説明する。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］が単体の力覚センサ用チップ１に印加された場合に、これらの６軸成分と力覚センサ用チップ１に基づく検出信号との関係は次の通りである。なおＦｘ，Ｆｚ，Ｍｙ，Ｍｚについては図５の（Ａ）〜（Ｄ）に図示されている。

検出装置の構成としては、力覚センサ用チップ１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構成される。外部の測定機器の演算を経て力覚センサから最終的に出力される信号（演算抵抗変化率）は６つの信号Ｓig１，Ｓig２，Ｓig３，Ｓig４，Ｓig５，Ｓig６である。力覚センサ用チップ１における１２個の抵抗素子Ｓxa1〜Ｓxa3，Ｓya1〜Ｓya3，Ｓxb1〜Ｓxb3，Ｓyb1〜Ｓyb3のそれぞれから得られる抵抗変化率の値、すなわち図４で説明した素子出力Ｖoutを信号Ｓigｄとし、この信号Ｓigｄの信号変化率を、R'Sxa1，R'Sxa2，R'Sxa3，R'Sya1，R'Sya2，R'Sya3，R'Sxb1，R'Sxb2，R'Sxb3，R'Syb1，R'Syb2，R'Syb3と表現すると、上記の６つの信号Ｓig１〜Ｓig６は図５の（Ａ）〜（Ｄ）に関連して下記の式（１）〜（６）に基づいて決められる。

なお各抵抗素子の抵抗値は電流−電圧特性に基づいて測定され、外力に応じた各抵抗素子の抵抗値変化率が求められる。そして各抵抗素子の抵抗値は、半導体基板２の上で発生する歪みに応じて変化するという特性を有している。

図５の（Ａ）に示されるＦｘ印加の場合には、抵抗素子Ｓya1，Ｓya3，Ｓyb1，Ｓyb3が歪みを検知し、Ｓig１（≒Ｆｘ）＝((R'Sya1-R'Sya3)+(R'Syb3-R'Syb1))/4 …（１）として求められる。

なお、図５の（Ａ）において、２つの丸２１のそれぞれで囲まれた歪み抵抗素子は検知に関与する上記の抵抗素子Ｓya1，Ｓya3，Ｓyb1，Ｓyb3を指している。また図中、記号「＋」は外力の印加によって当該抵抗素子には抵抗が増す引張力が作用していることを意味し、記号「−」は外力の印加によって当該抵抗素子には抵抗が減る圧縮力が作用していることを意味する。このことは、図５の（Ｂ）〜（Ｄ）および図６でも同じである。

同様にしてＦｙ印加の場合（図示せず）には、抵抗素子Ｓxa1，Ｓxa3，Ｓxb1，Ｓxb3が歪みを検知し、Ｓig２（≒Ｆｙ）＝((R'Sxa1-R'Sxa3)+(R'Sxb3-R'Sxb1))/4 …（２）として求められる。

図５の（Ｂ）に示されるＦｚ印加の場合には、すべての抵抗素子Ｓxa1〜Ｓxa3，Ｓya1〜Ｓya3，Ｓxb1〜Ｓxb3，Ｓyb1〜Ｓyb3が歪みを検知し、 Ｓig３（≒Ｆｚ）＝((R'Sxa1-R'Sxa2)+(R'Sya1-R'Sya2)+(R'Sxb1-R'Sxb2)+(R'Syb1-R'Syb2))/8 …（３）として求められる。なおＦｚ印加による半導体基板２の変形状態の一例を図６に示す。

図５の（Ｃ）に示されるＭｙ印加の場合には、抵抗素子Ｓxa1，Ｓxa3，Ｓxb1，Ｓxb3が歪みを検知し、Ｓig４（≒Ｍｘ）＝((R'Sxa1+R'Sxa3)-(R'Sxb1+R'Sxb3))/4 …（４）として求められる。

同様にしてＭｘ印加の場合（図示せず）には、抵抗素子Ｓya1，Ｓya3，Ｓyb1，Ｓyb3が歪みを検知し、Ｓig５（≒Ｍｙ）＝((R'Sya1+R'Sya3)-(R'Syb1+R'Syb3))/4 …（５）として求められる。

図５の（Ｄ）に示されるＭｚ印加の場合には、抵抗素子Ｓxa1，Ｓxa3，Ｓxb1，Ｓxb3，Ｓya1，Ｓya3，Ｓyb1，Ｓyb3が歪みを検知し、Ｓig６（≒Ｍｚ）＝((R'Sxa3-R'Sxa1)+(R'Sya3-R'Sya1)+(R'Sxb3-R'Sxb1)+(R'Syb3-R'Syb1))/8 …（６）として求められる。

上記式（１）〜（６）に従って決まる６軸力センサの６つの出力信号Ｓig１〜Ｓig６と、力覚センサ用チップ１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予め実験的に求めると、特定の行列テーブルで関係付けられる。特定の行列テーブルとしては、例えば、本出願人が先に出願した特願２００２−５３３４号（特開平２００３−２０７４０５号）の図１３に示される行列テーブルである。

この行列テーブルでは、行列の非対角成分が「０」または対角成分に比較して小さな数値となるように抵抗素子が選択され、用いられている。すなわち、上記式（１）〜（６）は、各軸の力またはモーメントでの抵抗変化率が各々打ち消しあうように、抵抗素子を選択し、演算抵抗変化率の演算を行うように構成されている。

６軸力センサで得られた上記の出力信号Ｓig１〜Ｓig６に対して、上記の行列テーブルで与えられる行列を掛けることにより、６つの軸力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚを求めることができる。

上記のごとく本実施形態に係る力覚センサ用チップ１によれば、Ｆｚを含めすべての印加軸力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚの検知について、極性の異なる素子出力（抵抗変化値）から演算することができる。このため、ドリフトノイズを低減することができる。さらに、力覚センサ用チップ１の一方のチップ面に素子レイアウトがなされているので、力覚センサ用チップ１の半導体基板２の製造のプロセスが簡潔となり、実装も容易であるという利点を有する。

前述した実施形態において、次の要件を満たしていることを前提に、歪み抵抗素子の個数や配置位置、孔、作用部、連結部、支持部等の形状は任意に変更することができる。

その要件としては、６軸方向のすべての印加軸力は、極性の異なる素子出力（抵抗変化値）から演算することができるように、歪み抵抗素子の個数や配置位置、連結部の形状等が決定されていることである。

例えば、半導体基板２に形成される上記の孔１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄを直線的にし、かつその位置を変更することにより、作用部３、作用部３の周囲に位置にする第１環状中間部５Ａ、第１環状中間部５Ａの周囲に位置する第２環状中間部５Ｂのそれぞれ正方形や八角形等にすることもできる。

図７に、一例として、直線形状や正方形を基礎的な形状として利用して形成された力覚センサ用チップ１００の平面図を示す。図７において、図１に示された力覚センサ用チップ１について説明された要素と実質的に同一の要素は同一の符号を付し、その説明を省略する。この力覚センサ用チップ１００でも、半導体基板２に、直線部と角部で形成されるスリット状孔１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ、作用部３、支持部４、連結部５、第１環状中間部５Ａ、第２環状中間部５Ｂ、４つの第１連結腕部５１と、４つの第２連結腕部５２と、４つの第３連結腕部５３が形成されている。

以上の実施形態で説明された構成、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の組成（材質）については例示にすぎない。従って本発明は、説明された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。

本発明は、力覚センサ用チップにおけるセンサ構造と素子配置の工夫によって、ドリフトノイズが低減されるため、高精度の力およびモーメント検出に利用される。

本発明に係る力覚センサ用チップの実施形態を示し、電気配線パターンについては一部のみを示した平面図である。 外周側に位置する１つの歪み抵抗素子（Ｓyb3）とこれに対応する温度補償用抵抗素の電気配線パターンを示す電気回路図である。 図２で示した電気配線パターンを他の回路パターン表現で示した電気回路図である。 図３に示した電気配線パターンに外部回路を付加して構成されるフルブリッジの配線構造を示す電気回路図である。 本実施形態に係る力覚センサ用チップの検出動作の一例として４つの検知軸（Ｆｘ，Ｆｚ，Ｍｙ，Ｍｚ）と１２個の歪み抵抗素子を示す図である。 外力Ｆｚが印加されたときの力覚センサ用チップの変形態様を示す縦断面図である。断面図である。 本発明に係る力覚センサ用チップの他の実施形態を示し、図１と同様な平面図である。 従来の力覚センサ用チップの問題を説明する表形式の説明図である。

符号の説明

１ 力覚センサ用チップ
２ 半導体基板
３ 作用部
４ 支持部
５ 連結部
５Ａ 第１環状中間部
５Ｂ 第２環状中間部
１１ 温度補償用抵抗素子
５１ 第１連結腕部
５２ 第２連結腕部
５３ 第３連結腕部
Ｓxa1〜Ｓxa3 歪み抵抗素子
Ｓya1〜Ｓya3 歪み抵抗素子
Ｓxb1〜Ｓxb3 歪み抵抗素子
Ｓyb1〜Ｓyb3 歪み抵抗素子

Claims (6)

1. 外力が印加されるベース部材と、前記外力に応じた歪みによって抵抗値が変化する歪み抵抗素子とを備える力覚センサ用チップであって、
   前記ベース部材は、該ベース部材の中央部に設けられ外力作用領域部を有する作用部と、前記ベース部材の外周部に設けられ前記作用部を支持する支持部と、前記作用部の外周側から前記支持部の内周側に設けられた中間部と、前記作用部と前記中間部とを連結する第１連結腕部と、前記中間部と前記支持部とを連結する第２連結腕部とを有し、
   前記歪み抵抗素子は、前記第１連結腕部と前記第２連結腕部がそれぞれ備える変形発生部に少なくとも１つ設けられていることを特徴とする力覚センサ用チップ。
2. 前記中間部は、第３連結腕部によって連結された第１中間部および第２中間部を有し、前記第１中間部は前記第１連結腕部によって前記作用部に連結され、前記第２中間部は前記第２連結部によって前記支持部に連結されていることを特徴とする請求項１記載の力覚センサ用チップ。
3. 前記歪み抵抗素子、前記第１および第２の連結腕部、前記中間部は、前記ベース部材の中心に対して４回対称で形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の力覚センサ用チップ。
4. 前記作用部および前記支持部は、それぞれ非変形領域部を有し、各非変形領域部には近傍の歪み抵抗素子に対応して温度補償抵抗素子が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の力覚センサ用チップ。
5. ４本の前記第１連結腕部と４本の前記第２連結腕部は、前記ベース部材の対角線上に設けられている請求項１〜４のいずれか１項に記載の力覚センサ用チップ。
6. 前記ベース部材は半導体基板である請求項１〜５のいずれか１項に記載の力覚センサ用チップ。

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