JP2008058110A - 力覚センサ用チップおよび力覚センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】複数の歪み抵抗素子の特性の均一性を向上させることが可能な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２は、減衰装置を介して外力が印加される作用部２１と、作用部２１を支持する支持部２２と、作用部２１と支持部２２とを連結し、印加された外力に応じてたわむ連結部２３と、を備えた半導体基板２０と、連結部２３に設けられ、連結部２３のたわみに基づいて印加された外力を検出する歪み抵抗素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８と、を備え、歪み抵抗素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８は、それらの長手方向がすべて同一方向に向けて設けられている。
【選択図】図３
【解決手段】力覚センサ用チップ２は、減衰装置を介して外力が印加される作用部２１と、作用部２１を支持する支持部２２と、作用部２１と支持部２２とを連結し、印加された外力に応じてたわむ連結部２３と、を備えた半導体基板２０と、連結部２３に設けられ、連結部２３のたわみに基づいて印加された外力を検出する歪み抵抗素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８と、を備え、歪み抵抗素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８は、それらの長手方向がすべて同一方向に向けて設けられている。
【選択図】図３
Description
本発明は、力覚センサ用チップおよび力覚センサに関し、特に複数の歪み抵抗素子を用いて印加された外力を検出する力覚センサ用チップおよび力覚センサに関する。
従来、産業用ロボット等において、動作中に加えられる外力に対して適切かつ柔軟に対応できる制御を行なうため、加えられた外力の大きさや方向を正確に検知する多軸力覚センサが採用されている。
多軸力覚センサは、例えば、加えられた外力による微小な歪み（圧縮、引張り）で抵抗値が変化する歪み抵抗素子（ピエゾ抵抗素子）の性質を利用したものが知られている（例えば、特許文献１，２）。
多軸力覚センサは、例えば、加えられた外力による微小な歪み（圧縮、引張り）で抵抗値が変化する歪み抵抗素子（ピエゾ抵抗素子）の性質を利用したものが知られている（例えば、特許文献１，２）。
これらの多軸力覚センサは、半導体製造プロセスによって半導体基板上に製作される力覚センサ用チップと、この力覚センサ用チップを固定して収容する金属部材で構成された減衰装置と、を備えている。
具体的には、力覚センサ用チップは、加えられた外力が伝達される作用部の周囲に複数の歪み抵抗素子を適宜配置して、外力による歪み抵抗素子の抵抗値の変化を電気信号として検出することで、外力の大きさや方向を検知する。一方、加えられた外力をそのまま歪み抵抗素子に伝達すると、外力が大きすぎる場合には力覚センサ用チップの破損を招くおそれがある。このため、多様な外力に適切に対応するために、減衰装置を設けて、加えられた外力を適切な大きさに減衰して力覚センサ用チップに伝達している。
特開２００３−２０７４０５号公報
特開２００３−２５４８４３号公報
具体的には、力覚センサ用チップは、加えられた外力が伝達される作用部の周囲に複数の歪み抵抗素子を適宜配置して、外力による歪み抵抗素子の抵抗値の変化を電気信号として検出することで、外力の大きさや方向を検知する。一方、加えられた外力をそのまま歪み抵抗素子に伝達すると、外力が大きすぎる場合には力覚センサ用チップの破損を招くおそれがある。このため、多様な外力に適切に対応するために、減衰装置を設けて、加えられた外力を適切な大きさに減衰して力覚センサ用チップに伝達している。
従来の力覚センサ用チップでは、複数の歪み抵抗素子は、半導体基板上に、それぞれ直交する二つの方向のいずれかに向けて設けられているものが多い。一方、半導体基板は、その表面が結晶方位面となるように製造されるが、製造上、その表面と結晶方位面との間に若干の傾きが生じてしまう。このような半導体基板上に複数の歪み抵抗素子を直交させて設けると、歪み抵抗素子の方向によってピエゾ抵抗係数（ミラー係数）等の物性値が異なってしまい、歪み抵抗素子の特性が不均一となる。このような力覚センサ用チップを多軸力覚センサに適用すると、歪み抵抗素子の特性の不均一により、検出値の不均一さを補正する必要が生じ、信号処理が複雑になってしまう。
本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、複数の歪み抵抗素子の特性の均一性を向上させることが可能な力覚センサ用チップおよび力覚センサを提供することを課題とする。
前記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、減衰装置を介して外力が印加される作用部と、当該作用部を支持する支持部と、前記作用部と前記支持部とを連結し、印加された前記外力に応じてたわむ連結部と、を備えたベース部材と、前記連結部に設けられ、当該連結部のたわみに基づいて印加された前記外力を検出する複数の歪み抵抗素子と、
を備えた力覚センサ用チップであって、前記複数の歪み抵抗素子は、それらの長手方向がすべて同一方向に向けて設けられていることを特徴とする。
を備えた力覚センサ用チップであって、前記複数の歪み抵抗素子は、それらの長手方向がすべて同一方向に向けて設けられていることを特徴とする。
かかる構成によると、ベース部材の表面と結晶方位面との間に傾きがある場合であっても、複数の歪み抵抗素子の方向がすべて同一方向に向いているので、複数の歪み抵抗素子のピエゾ抵抗係数（ミラー係数）等の物性値を同一とすることができ、歪み抵抗素子の特性の均一性を向上させることができる。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の力覚センサ用チップであって、表面が（１００）の結晶方位を有するシリコン基板から形成されていることを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の力覚センサ用チップであって、前記複数の歪み抵抗素子はｎ型半導体からなり、それらの長手方向がすべて＜１００＞方向に向けて設けられていることを特徴とする。
かかる構成によると、複数の歪み抵抗素子の検出値を大きくすることができる。
また、請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の力覚センサ用チップであって、前記複数の歪み抵抗素子はｐ型半導体からなり、それらの長手方向がすべて＜１１０＞方向に向けて設けられていることを特徴とする。
かかる構成によると、複数の歪み抵抗素子の検出値を大きくすることができる。
また、請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の力覚センサ用チップであって、前記ベース部材は、表面が（１１０）の結晶方位を有するシリコン基板から形成されていることを特徴とする。
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の力覚センサ用チップであって、前記複数の歪み抵抗素子はｎ型半導体からなり、それらの長手方向がすべて＜１００＞方向に向けて設けられていることを特徴とする。
かかる構成によると、複数の歪み抵抗素子の検出値を大きくすることができる。
また、請求項７に記載の発明は、請求項５に記載の力覚センサ用チップであって、前記複数の歪み抵抗素子はｐ型半導体からなり、それらの長手方向がすべて＜１１０＞方向に向けて設けられていることを特徴とする。
かかる構成によると、複数の歪み抵抗素子の検出値を大きくすることができる。
また、請求項８に記載の発明は、請求項５に記載の力覚センサ用チップであって、前記複数の歪み抵抗素子はｐ型半導体からなり、それらの長手方向がすべて＜１１１＞方向に向けて設けられていることを特徴とする。
かかる構成によると、複数の歪み抵抗素子の検出値を大きくすることができる。
また、請求項９に記載の発明は、請求項１に記載の力覚センサ用チップであって、前記ベース部材は、表面が（１１１）の結晶方位を有するシリコン基板から形成されていることを特徴とする。
また、請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の力覚センサ用チップであって、前記複数の歪み抵抗素子はｐ型半導体からなり、それらの長手方向がすべて＜１１０＞方向に向けて設けられていることを特徴とする。
かかる構成によると、複数の歪み抵抗素子の検出値を大きくすることができる。
また、請求項１１に記載の発明は、請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の力覚センサ用チップであって、前記複数の歪み抵抗素子は、８個の歪み抵抗素子であることを特徴とする。
かかる構成によると、出力特性が向上し、信号処理に要する計算量も低減する。
また、請求項１２に記載の発明は、請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の力覚センサ用チップであって、前記複数の歪み抵抗素子の温度変化に伴う抵抗変化を補償するための温度補償用抵抗素子をさらに備えていることを特徴とする。
かかる構成によると、力覚センサ用チップの温度補償を確実に行うことができる。
また、請求項１３に記載の発明である力覚センサは、請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の力覚センサ用チップと、前記支持部および前記作用部と連結されており、入力された外力を減衰して前記作用部に印加する減衰装置と、を備えていることを特徴とする。
かかる構成によると、力覚センサに印加される力を減衰することができるので、力覚センサ用チップの破損を抑制することができる。
本発明によれば、複数の歪み抵抗素子の特性の均一性を向上させることができる。
まず、本発明の実施形態に係る力覚センサの全体構成について、図１〜図３を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る力覚センサの概略構成を説明するための斜視図であり、（ａ）は外観を示す斜視図、（ｂ）は断面をとって内部構造を示した斜視図である。図２は、外力が減衰されて力覚センサ用チップに伝達される様子を模式的に示した断面斜視図である。図３は、力覚センサ用チップの詳細を説明するための要部を示す平面図である。
なお、図面上において、説明の便宜上、歪みの程度、接合部の様子等は誇張して表わす場合がある。
なお、図面上において、説明の便宜上、歪みの程度、接合部の様子等は誇張して表わす場合がある。
本発明に係る力覚センサ１は、図１に示すように、外観において入力部３０が突出した円盤状の形状に構成され（図１（ａ）参照）、伝達された外力Ｆの６軸成分を検出する力覚センサ用チップ２と（図１（ｂ）参照）、力覚センサ用チップ２を固定するとともに外力Ｆを減衰して力覚センサ用チップ２に伝達する減衰装置３と、を備えている。
ここで、本発明に係る力覚センサ１は、外力Ｆを６軸成分の力およびモーメントに分けて検出できる６軸の力覚センサ１を例として説明する。具体的には、力の成分は、直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向について、それぞれＦｘ，Ｆｙ，Ｆｚとする。そして、モーメントの成分は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸回りについて、それぞれＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚとする。
なお、本実施形態においては、６軸の力覚センサ１を例として説明するが、本発明は特に力覚センサの形状や検出軸力数、外力の大きさ等に制限されるものではなく、例えば、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚを検出する３軸の力覚センサにも適用可能である。
ここで、本発明に係る力覚センサ１は、外力Ｆを６軸成分の力およびモーメントに分けて検出できる６軸の力覚センサ１を例として説明する。具体的には、力の成分は、直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向について、それぞれＦｘ，Ｆｙ，Ｆｚとする。そして、モーメントの成分は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸回りについて、それぞれＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚとする。
なお、本実施形態においては、６軸の力覚センサ１を例として説明するが、本発明は特に力覚センサの形状や検出軸力数、外力の大きさ等に制限されるものではなく、例えば、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚを検出する３軸の力覚センサにも適用可能である。
力覚センサ用チップ２は、平面視で略正方形の形状に構成され（図３を併せて参照）、減衰装置を介して外力Ｆ（減衰された外力Ｆ１（図示せず））が伝達される作用部２１と、作用部２１を支持する支持部２２と、作用部２１と支持部２２とを連結し、印加された外力Ｆ１に応じてたわむ連結部２３と、を備えている。
減衰装置３は、外観が偏平な円盤状の形状に構成され、外力Ｆが入力される入力部３０と、入力部３０に加えられた外力Ｆを減衰して力覚センサ用チップ２の作用部２１に伝達する伝達部３１と、力覚センサ用チップ２を固定する固定部３２と、固定部３２と入力部３０とを連結している円板部３４と、を備えている。そして、円板部３４には、平面視で円弧状の長穴形状に形成された緩衝穴３３が設けられている。
減衰装置３は、外観が偏平な円盤状の形状に構成され、外力Ｆが入力される入力部３０と、入力部３０に加えられた外力Ｆを減衰して力覚センサ用チップ２の作用部２１に伝達する伝達部３１と、力覚センサ用チップ２を固定する固定部３２と、固定部３２と入力部３０とを連結している円板部３４と、を備えている。そして、円板部３４には、平面視で円弧状の長穴形状に形成された緩衝穴３３が設けられている。
このように、本実施形態では、減衰装置３において、力覚センサ用チップ２の固定部３２と外力Ｆが伝達される伝達部３１とが力覚センサ用チップ２の同じ側（本図上の上側）で接合されている。かかる構成により、全体として薄型化を図ることができる。
また、固定部３２と入力部３０とを連結する円板部３４を設けたことで、入力部３０に加えられた外力Ｆは、図２に示すように、主として固定部３２で受け止められて外部へ伝達される。一方、円板部３４に緩衝穴３３を設けたことで、入力部３０が外力Ｆの作用する方向に変形し、外力Ｆは減衰されてその一部が入力部３０から伝達部３１へと伝えられる。このようにして、外力Ｆの大きさに応じて作用部２１に伝達される力Ｆ１を適宜調整することで、多様な外力Ｆに対して適切に対応することができる。例えば、力覚センサ用チップ２の作用部２１に印加される力Ｆ１が外力Ｆの１／１０まで減衰されるように構成すれば、チップ体力の１０倍までの外力検出が可能となる。
ここで、力覚センサ用チップ２と減衰装置３とは、ガラス薄膜１０を介して陽極接合により接合されている。
接合部１１は、力覚センサ用チップ２の作用部２１と減衰装置３の伝達部３１との接合部であり、接合部１２は、力覚センサ用チップ２の支持部２２と減衰装置３における固定部３２との接合部である。
接合部１１は、力覚センサ用チップ２の作用部２１と減衰装置３の伝達部３１との接合部であり、接合部１２は、力覚センサ用チップ２の支持部２２と減衰装置３における固定部３２との接合部である。
なお、本実施形態においては、減衰装置３側のガラス薄膜１０は、取り付け部３２ｂの下面の全面に形成されているが、これに限定されるものではなく、少なくとも力覚センサ用チップ２と接合される接合部１１，１２に形成されていれば足りる。また、接合部１１，１２における接合処理は陽極接合に限定されず、周知のエポキシ系接着剤を使用した接着等他の方法を用いて接合部１１，１２を接合してもよい。
図３に示すように、歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８は、連結部２３上の所定位置に配置されており、８個の温度補償用抵抗素子２４は、それぞれ対応する歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８の近傍であって、支持部２２上または連結部２３上に配置されている。歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８および温度補償用抵抗素子２４と、信号電極パッド２５およびＧＮＤ電極パッドとの間は、後記するような配線で接続されている。
力覚センサ用チップ２には、１８個の信号電極パッド２５が設けられているが、１６個の信号電極パッド２５が８個の歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８および８個の温度補償用抵抗素子２４にそれぞれ対応しており、１個の信号電極パッド２５がモニタ用抵抗素子２４ａに対応しており、１個の信号電極パッド２５は予備用である。
力覚センサ用チップ２には、１８個の信号電極パッド２５が設けられているが、１６個の信号電極パッド２５が８個の歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８および８個の温度補償用抵抗素子２４にそれぞれ対応しており、１個の信号電極パッド２５がモニタ用抵抗素子２４ａに対応しており、１個の信号電極パッド２５は予備用である。
半導体基板２０（半導体基板２０が、特許請求の範囲における「ベース部材」の一例である。）には、貫通孔Ａ〜Ｄが形成されており、これらの貫通孔Ａ〜Ｄにより、半導体基板２０における作用部２１、支持部２２および連結部２３の機能が実現されている。すなわち、印加された力Ｆ１が作用部２１を支持部２２に対して相対移動させるような力として働くので、支持部２２における貫通孔Ａ〜Ｄに挟まれた部位、特に橋梁部２３ａ１，２３ａ２，２３ａ４，２３ｂ１，２３ｂ２，２３ｂ４に圧縮力・引張力が作用する。歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８は、連結部２３上であって、印加された力Ｆ１に起因する歪みの影響が顕著に生じる位置に配置されており、各位置における歪み（圧縮力・引張力）を検出する。また、８個の温度補償用素子２４は、それぞれ対応する歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８の近傍であって、印加された力Ｆ１による歪みの影響を受けない位置に配置されている。貫通孔Ａ〜Ｄ、歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８および温度補償用抵抗素子２４については、後に詳述する。
続いて、前記のように構成された本発明の実施形態に係る力覚センサ１の製造方法について、主として図４を参照しながら説明する。図４は本発明の実施形態に係る力覚センサの製造方法を説明するための図であり、（ａ）はガラス薄膜を成膜する様子を示す概念図であり、（ｂ）は陽極接合の様子を示す断面図である。
力覚センサ１の製造工程には、力覚センサ用チップ２を製作する工程と、減衰装置３を製作する工程と、力覚センサ用チップ２と減衰装置３を陽極接合する工程と、が含まれている。
力覚センサ用チップ２を製作する工程は、半導体基板（ウェハ）上に活性層を形成して各抵抗素子（歪み抵抗素子Ｓ、温度補償用抵抗素子２４等）を配置する工程と（図３参照）、コンタクトホール（不図示）を形成する工程と、配線や各電極の領域２５，２６（図３参照）および貫通孔Ａ〜Ｄ（図３参照）を形成する工程と、ウェハから半導体チップを切り出す工程と、を含んでいる。
半導体基板上に各抵抗素子を形成する工程では、半導体基板（ウェハ）に、歪み抵抗素子Ｓ、温度補償用抵抗素子２４、およびモニタ用抵抗素子２４ａ（図３参照）を所定の位置に形成する。例えば、ｎ型（１００）シリコンである半導体基板に、フォトリソグラフィーにより形成した抵抗素子を形成するためのレジストパターンをマスクとして、Ｐ型不純物であるボロンをイオン注入する。
力覚センサ１の製造工程には、力覚センサ用チップ２を製作する工程と、減衰装置３を製作する工程と、力覚センサ用チップ２と減衰装置３を陽極接合する工程と、が含まれている。
力覚センサ用チップ２を製作する工程は、半導体基板（ウェハ）上に活性層を形成して各抵抗素子（歪み抵抗素子Ｓ、温度補償用抵抗素子２４等）を配置する工程と（図３参照）、コンタクトホール（不図示）を形成する工程と、配線や各電極の領域２５，２６（図３参照）および貫通孔Ａ〜Ｄ（図３参照）を形成する工程と、ウェハから半導体チップを切り出す工程と、を含んでいる。
半導体基板上に各抵抗素子を形成する工程では、半導体基板（ウェハ）に、歪み抵抗素子Ｓ、温度補償用抵抗素子２４、およびモニタ用抵抗素子２４ａ（図３参照）を所定の位置に形成する。例えば、ｎ型（１００）シリコンである半導体基板に、フォトリソグラフィーにより形成した抵抗素子を形成するためのレジストパターンをマスクとして、Ｐ型不純物であるボロンをイオン注入する。
減衰装置３を製作する工程は、一例として、ステンレス鋼材から機械加工ないし放電加工等によって製作し、固定部３２および伝達部３１の下面には、一例として、蒸着法により、ガラス薄膜１０を成膜する工程を含んでいる。
減衰装置３と力覚センサ用チップ２とを接合する工程では、減衰装置３に周知の蒸着法等により成膜されたガラス薄膜１０と力覚センサ用チップ２とを陽極接合により接合する。
半導体基板２０と金属（例えば、ステンレス鋼）とでは熱膨張係数が大きく異なる。したがって、半導体基板２０をベースにした力覚センサ用チップ２と金属からなる減衰装置３とを直接接合すると、接合部位において熱膨張係数の差による剥がれ等の損傷が生じるおそれがある。そこで、本実施形態では、半導体基板２０と金属との中間の熱膨張係数を有するガラス薄膜１０を介した接合が用いられている。この結果、接合部１１，１２における接合が強化され、絶縁性も確保される。かかる絶縁性の確保により、力覚センサ用チップ２から減衰装置３へのリーク電流が防止される。
本実施形態においては、バルクのガラス板ではなく、蒸着法またはスパッタリング法により、減衰装置３にガラス薄膜１０を成膜（例えば、厚さ０．０５〜２０μｍ）し、このガラス薄膜１０を利用して、力覚センサ用チップ２側を陽極接合することで、減衰装置３とガラス薄膜１０との間に陽極接合による逆電圧が発生しても、減衰装置３とガラス薄膜１０との間に形成されたガラス薄膜１０の接合面が破壊されたり、接合強度が低下したりすることがなく、接合強度を維持することができる。
また、蒸着法またはスパッタリング法によりガラス薄膜１０を成膜（例えば、厚さ０．０５〜２０μｍ）することで、バルクのガラス板よりも、はるかに薄くガラス層を形成することができる。このため、外力によるガラス層のたわみを最小限に低減することができるので、ガラス層のたわみを無視することも可能となる。したがって、ガラス層のたわみを考慮して力覚センサ用チップの出力に対して複雑な補正をする必要がなく、簡易なデータ処理で正確な検出が可能となる。
また、蒸着法またはスパッタリング法によりガラス薄膜１０を成膜（例えば、厚さ０．０５〜２０μｍ）することで、バルクのガラス板よりも、はるかに薄くガラス層を形成することができる。このため、外力によるガラス層のたわみを最小限に低減することができるので、ガラス層のたわみを無視することも可能となる。したがって、ガラス層のたわみを考慮して力覚センサ用チップの出力に対して複雑な補正をする必要がなく、簡易なデータ処理で正確な検出が可能となる。
なお、ガラス薄膜１０の絶縁機能や接合機能の観点からは、ガラス薄膜１０は厚めに設けた方が望ましく、力覚センサ機能や熱膨張係数差の緩衝機能の観点からは、ガラス薄膜１０は薄めに設けた方が望ましい。そこで、様々な計測データ等を考慮した上で絶縁機能や確実な接合機能、力覚センサ機能および熱膨張差の緩衝機能等の諸機能を同時に実現するように、ガラス薄膜１０の厚みの適正値として０．０５〜２０μｍを決定した。
さらに、バルクのガラスを準備する必要がなく、切削加工等の機械加工を行なう必要がないので、部品点数を削減してコストを低減するとともに、マイクロクラックの発生を防止して、耐荷重性および耐久性、信頼性を向上させることができる。
さらに、バルクのガラスを準備する必要がなく、切削加工等の機械加工を行なう必要がないので、部品点数を削減してコストを低減するとともに、マイクロクラックの発生を防止して、耐荷重性および耐久性、信頼性を向上させることができる。
続いて、力覚センサ用チップ２の詳細な構成について、図３を参照しながら説明する。
力覚センサ用チップ２において、作用部２１は、力覚センサ用チップ２の中央に設けられ、減衰装置３の伝達部３１がガラス薄膜１０を介して接合されている（図１（ｂ）を併せて参照）。
連結部２３は、図３に示すように、作用部２１と支持部２２とを連結する領域である。また、細長いスリット状の貫通孔Ａ〜Ｄが所定の箇所に配置されている。連結部２３には、一端が支持部２２に結合されたＹ軸方向に延びる橋梁部２３ａ１，２３ａ２と、両端が橋梁部２３ａ１，２３ａ２の他端に結合されたＸ軸方向に延びる梁状の弾性部２３ａ３と、一端が弾性部２３ａ３の中央付近にＴ字型に結合されたＹ軸方向に延びる橋梁部２３ａ４と、が設けられている。また、連結部２３には、橋梁部２３ａ１，２３ａ２、弾性部２３ａ３及び橋梁部２３ａ４に対向して、一端が支持部２２に結合されたＹ軸方向に延びる橋梁部２３ｂ１，２３ｂ２と、両端が橋梁部２３ｂ１，２３ｂ２の他端に結合されたＸ軸方向に延びる梁状の弾性部２３ｂ３と、一端が弾性部２３ｂ３の中央付近にＴ字型に結合されたＹ軸方向に延びる橋梁部２３ｂ４と、が設けられている。橋梁部２３ａ１，２３ａ２にはそれぞれ歪み抵抗素子Ｓ１，Ｓ２が配置されており、橋梁部２３ａ４には歪み抵抗素子Ｓ３，Ｓ４が幅方向に並べて配置されている。また、橋梁部２３ｂ１，２３ｂ２にはそれぞれ歪み抵抗素子Ｓ５，Ｓ６が配置されており、橋梁部２３ｂ４には歪み抵抗素子Ｓ７，Ｓ８が幅方向に並べて配置されている。橋梁部２３ａ４，２３ｂ４は、作用部２１の中心を通りＹ軸方向に延びる直線上に設けられており、歪み抵抗素子Ｓ３，Ｓ４および歪み抵抗素子Ｓ７，Ｓ８は、前記直線を挟むように配置されている。そして、歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８および貫通孔Ａ〜Ｄに対して所定の位置に、温度による歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８の歪みを補正する温度補償用抵抗素子２４と、温度補償用抵抗素子２４が正常に機能しているかどうかを監視するためのモニタ用抵抗素子２４ａと、が配置されている。
支持部２２は、力覚センサ用チップ２の周縁部に位置し、連結部２３に形成された直線状の貫通孔Ａ〜Ｄのさらに外側の部分であって、その全部または一部が減衰装置３の固定部３２とガラス薄膜１０を介して接合されている（図１（ｂ）参照）。
力覚センサ用チップ２において、作用部２１は、力覚センサ用チップ２の中央に設けられ、減衰装置３の伝達部３１がガラス薄膜１０を介して接合されている（図１（ｂ）を併せて参照）。
連結部２３は、図３に示すように、作用部２１と支持部２２とを連結する領域である。また、細長いスリット状の貫通孔Ａ〜Ｄが所定の箇所に配置されている。連結部２３には、一端が支持部２２に結合されたＹ軸方向に延びる橋梁部２３ａ１，２３ａ２と、両端が橋梁部２３ａ１，２３ａ２の他端に結合されたＸ軸方向に延びる梁状の弾性部２３ａ３と、一端が弾性部２３ａ３の中央付近にＴ字型に結合されたＹ軸方向に延びる橋梁部２３ａ４と、が設けられている。また、連結部２３には、橋梁部２３ａ１，２３ａ２、弾性部２３ａ３及び橋梁部２３ａ４に対向して、一端が支持部２２に結合されたＹ軸方向に延びる橋梁部２３ｂ１，２３ｂ２と、両端が橋梁部２３ｂ１，２３ｂ２の他端に結合されたＸ軸方向に延びる梁状の弾性部２３ｂ３と、一端が弾性部２３ｂ３の中央付近にＴ字型に結合されたＹ軸方向に延びる橋梁部２３ｂ４と、が設けられている。橋梁部２３ａ１，２３ａ２にはそれぞれ歪み抵抗素子Ｓ１，Ｓ２が配置されており、橋梁部２３ａ４には歪み抵抗素子Ｓ３，Ｓ４が幅方向に並べて配置されている。また、橋梁部２３ｂ１，２３ｂ２にはそれぞれ歪み抵抗素子Ｓ５，Ｓ６が配置されており、橋梁部２３ｂ４には歪み抵抗素子Ｓ７，Ｓ８が幅方向に並べて配置されている。橋梁部２３ａ４，２３ｂ４は、作用部２１の中心を通りＹ軸方向に延びる直線上に設けられており、歪み抵抗素子Ｓ３，Ｓ４および歪み抵抗素子Ｓ７，Ｓ８は、前記直線を挟むように配置されている。そして、歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８および貫通孔Ａ〜Ｄに対して所定の位置に、温度による歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８の歪みを補正する温度補償用抵抗素子２４と、温度補償用抵抗素子２４が正常に機能しているかどうかを監視するためのモニタ用抵抗素子２４ａと、が配置されている。
支持部２２は、力覚センサ用チップ２の周縁部に位置し、連結部２３に形成された直線状の貫通孔Ａ〜Ｄのさらに外側の部分であって、その全部または一部が減衰装置３の固定部３２とガラス薄膜１０を介して接合されている（図１（ｂ）参照）。
歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８は、図３に示すように、半導体基板２０の表面（上層部）に形成された長方形の形状の活性層（拡散層）であり、図示は省略するが、その長手方向に外力が作用して変形すると抵抗が変化するように構成されている。
歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８は、連結部２３に設けられ、連結部２３のたわみに基づいて印加された外力を検出する素子であり、その長手方向がＹ軸方向に向けて平行に配列されている。
歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８は、連結部２３に設けられ、連結部２３のたわみに基づいて印加された外力を検出する素子であり、その長手方向がＹ軸方向に向けて平行に配列されている。
貫通孔Ａ〜Ｄは、橋梁部２３ａ１，２３ａ２、弾性部２３ａ３及び橋梁部２３ａ４並びに橋梁部２３ｂ１，２３ｂ２、弾性部２３ｂ３及び橋梁部２３ｂ４を区画するように形成されている。
橋梁部２３ａ１は貫通孔Ａ，Ｃにより区画され、橋梁部２３ａ２は貫通孔Ａ，Ｄにより区画され、弾性部２３ａ３は貫通孔Ａ，Ｃ，Ｄにより区画され、橋梁部２３ａ４は貫通孔Ｃ，Ｄにより区画されている。また、橋梁部２３ｂ１は貫通孔Ｂ，Ｃにより区画され、橋梁部２３ｂ２は貫通孔Ｂ，Ｄにより区画され、弾性部２３ｂ３は貫通孔Ｂ，Ｃ，Ｄにより区画され、橋梁部２３ｂ４は貫通孔Ｃ，Ｄにより区画されている。また、貫通孔Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、橋梁部２３ａ１，２３ａ２，２３ａ３，２３ｂ１，２３ｂ２，２３ｂ３に隣接して支持部に対する自由端（ヒンジ）を構成するように形成されている。このような貫通孔Ａ〜Ｄによって、印加された外力Ｆ（図１参照）に応じた歪みが、歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８の配置位置において最も顕著に発生し、かつ、温度補償用抵抗素子２４及びモニタ用抵抗素子２４ａの配置位置においては発生しないようになっている。
橋梁部２３ａ１は貫通孔Ａ，Ｃにより区画され、橋梁部２３ａ２は貫通孔Ａ，Ｄにより区画され、弾性部２３ａ３は貫通孔Ａ，Ｃ，Ｄにより区画され、橋梁部２３ａ４は貫通孔Ｃ，Ｄにより区画されている。また、橋梁部２３ｂ１は貫通孔Ｂ，Ｃにより区画され、橋梁部２３ｂ２は貫通孔Ｂ，Ｄにより区画され、弾性部２３ｂ３は貫通孔Ｂ，Ｃ，Ｄにより区画され、橋梁部２３ｂ４は貫通孔Ｃ，Ｄにより区画されている。また、貫通孔Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、橋梁部２３ａ１，２３ａ２，２３ａ３，２３ｂ１，２３ｂ２，２３ｂ３に隣接して支持部に対する自由端（ヒンジ）を構成するように形成されている。このような貫通孔Ａ〜Ｄによって、印加された外力Ｆ（図１参照）に応じた歪みが、歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８の配置位置において最も顕著に発生し、かつ、温度補償用抵抗素子２４及びモニタ用抵抗素子２４ａの配置位置においては発生しないようになっている。
このように、貫通孔Ａ〜Ｄを設けることで、貫通孔Ａ〜Ｄに接する縁部は自由にストレスがなく移動することができるため、作用部２１に外力Ｆ（図１参照）が作用しても、外力Ｆによる引張力や圧縮力が作用しない自由端となっている。これに対して、橋梁部２３ａ１，２３ａ２，２３ａ４，２３ｂ１，２３ｂ２，２３ｂ４、特に、歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８の配置位置においては、引張力や圧縮力が所定の方向に作用する。なお、貫通孔Ａ〜Ｄの形状は図示したものに限定されない。
温度補償用抵抗素子２４は、歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８と同じ抵抗素子であって、それぞれ８個の歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８に対応させて、半導体基板２０上の所定の位置に８個が配置されている。
かかる構成によると、対称性の優れた力覚センサ用チップ２を実現することができる。この結果、出力特性が向上し、信号処理に要する計算量も低減する。
かかる構成によると、対称性の優れた力覚センサ用チップ２を実現することができる。この結果、出力特性が向上し、信号処理に要する計算量も低減する。
温度補償用抵抗素子２４は、温度補償対象である歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８と温度条件が同じであって、印加される外力Ｆによる歪みの影響を受けない位置に配置されている。すなわち、温度補償用抵抗素子２４のそれぞれは、対応する歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８の近傍であって、自由端となっている貫通孔Ａ〜Ｄの内側周縁部の近くに配置されている。
このように、力覚センサ用チップ２は、温度補償用抵抗素子２４を温度条件のみにより抵抗値が変化する位置に配置することで、歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８の抵抗値の変化から温度変化による抵抗値の変化をキャンセルして、周囲温度の影響を受けない状態で、抵抗値を検出するように構成されている。
具体的には、温度補償用抵抗素子２４と歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８のいずれかとでブリッジ回路を構成し、歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８のいずれかの温度変化および外力Ｆ（図１）による抵抗値の変化と、温度補償用抵抗素子２４の抵抗値の変化とを比較することで、歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８における外力Ｆによる抵抗値の変化のみを取り出して検出している。
具体的には、温度補償用抵抗素子２４と歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８のいずれかとでブリッジ回路を構成し、歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８のいずれかの温度変化および外力Ｆ（図１）による抵抗値の変化と、温度補償用抵抗素子２４の抵抗値の変化とを比較することで、歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８における外力Ｆによる抵抗値の変化のみを取り出して検出している。
ここで、各歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８と、各歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８に対応するそれぞれの温度補償用抵抗素子２４との電気的接続関係について、図５を参照しながら説明する。図５の（ａ）は本発明に係る力覚センサ用チップにおける歪み抵抗素子と温度補償用抵抗素子との電気的接続関係を説明するためのハーフブリッジ回路を示す電気回路図であり、（ｂ）は本発明に係る力覚センサ用チップに外付け抵抗を付加したフルブリッジ回路を示す電気回路図である。通常、フルブリッジ回路を力覚センサ用チップ２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を構成することもできる。本実施形態は、このような構成を採用したものである。
図５（ａ）（ｂ）には、歪み抵抗素子Ｓ１とその近傍に設けられた温度補償用抵抗素子２４とを含む回路が記載されているが、歪み抵抗素子Ｓ２〜Ｓ８とそれらの近傍に設けられた温度補償用抵抗素子ともそれぞれ同様の回路を構成している。
図５（ａ）（ｂ）には、歪み抵抗素子Ｓ１とその近傍に設けられた温度補償用抵抗素子２４とを含む回路が記載されているが、歪み抵抗素子Ｓ２〜Ｓ８とそれらの近傍に設けられた温度補償用抵抗素子ともそれぞれ同様の回路を構成している。
本発明に係る力覚センサ用チップ２（図３参照）における歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８と、その歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８に対応して温度補償を行なう温度補償用抵抗素子２４は、図５（ａ）に示すように、ブリッジ回路の下半分に対応するハーフブリッジ回路ＨＢを構成している。
具体的には、ハーフブリッジ回路ＨＢは、歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８と温度補償用抵抗素子２４の一端側（本図上の下側）が相互に連結されて、ＧＮＤ電極パッド２６（図３参照）を介してＧＮＤアース電位に接続されている。そして、歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８と温度補償用抵抗素子２４の他端側（本図上の上側）は、それぞれ信号電極パッド２５，２５に接続されている。
具体的には、ハーフブリッジ回路ＨＢは、歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８と温度補償用抵抗素子２４の一端側（本図上の下側）が相互に連結されて、ＧＮＤ電極パッド２６（図３参照）を介してＧＮＤアース電位に接続されている。そして、歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８と温度補償用抵抗素子２４の他端側（本図上の上側）は、それぞれ信号電極パッド２５，２５に接続されている。
ハーフブリッジ回路ＨＢに対して、ブリッジ回路の上半分側を接続することでフルブリッジ回路を構成して、歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８における温度変化の影響をキャンセルした抵抗値を取り出すことができる。
具体的には、フルブリッジ回路は、図５（ｂ）に示すように、歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８および温度補償用抵抗素子２４の他端側（本図上の上側）に接続された信号電極パッド２５，２５にそれぞれ外付け抵抗Ｒ１，Ｒ２の一端側を接続して、外付け抵抗Ｒ１，Ｒ２の他端側は相互に連結して電源電圧ＶＥに接続されて構成されている。
このようなフルブリッジ回路を構成して、歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８側の信号電極パッド２５と、温度補償用抵抗素子２４側の信号電極パッド２５との間の出力信号を検出することで、歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８の抵抗値の変化から温度変化による抵抗値の変化をキャンセルして、歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８における外力Ｆ（図１参照）による抵抗値の変化のみを取り出して検出している。
具体的には、フルブリッジ回路は、図５（ｂ）に示すように、歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８および温度補償用抵抗素子２４の他端側（本図上の上側）に接続された信号電極パッド２５，２５にそれぞれ外付け抵抗Ｒ１，Ｒ２の一端側を接続して、外付け抵抗Ｒ１，Ｒ２の他端側は相互に連結して電源電圧ＶＥに接続されて構成されている。
このようなフルブリッジ回路を構成して、歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８側の信号電極パッド２５と、温度補償用抵抗素子２４側の信号電極パッド２５との間の出力信号を検出することで、歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８の抵抗値の変化から温度変化による抵抗値の変化をキャンセルして、歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８における外力Ｆ（図１参照）による抵抗値の変化のみを取り出して検出している。
なお、ハーフブリッジ回路ＨＢの実装例を図６に示す。図６には、歪み抵抗素子Ｓ５，Ｓ７を含むハーフブリッジ回路ＨＢが示されているが、他の歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８についても同様にハーフブリッジ回路ＨＢを組むことができる。
続いて、本発明の実施形態に係る力覚センサ１の動作について説明する。
本発明の実施形態に係る力覚センサ１に種々の軸成分を含んだ外力Ｆが入力されると、予め設計された割合で外力Ｆが減衰されて減衰後の力が力覚センサ用チップ２に伝達される。種々の軸成分の外力Ｆが入力された場合の減衰装置３の挙動について、図７を参照しながら説明する。図７は、外力が加えられた場合の減衰装置の挙動を示す斜視図である。
例えば、Ｘ軸方向の外力Ｆｘが入力部３０に入力された場合には、図７（ａ）に示すように、入力部３０が極めて微小ながらＸ軸方向に移動する。同様にして、Ｚ軸方向の外力Ｆｚが入力された場合には、図７（ｂ）に示すように、入力部３０がＺ軸方向に移動する。そして、Ｙ軸回りのモーメントＭｙが入力された場合には、図７（ｃ）に示すように、入力部３０がＹ軸回りに回転し、Ｚ軸回りのモーメントＭｚが入力された場合には、図７（ｄ）に示すように、入力部３０がＺ軸回りに回転する。なお、他の軸成分についても同様であるので、その説明は省略する。
本発明の実施形態に係る力覚センサ１に種々の軸成分を含んだ外力Ｆが入力されると、予め設計された割合で外力Ｆが減衰されて減衰後の力が力覚センサ用チップ２に伝達される。種々の軸成分の外力Ｆが入力された場合の減衰装置３の挙動について、図７を参照しながら説明する。図７は、外力が加えられた場合の減衰装置の挙動を示す斜視図である。
例えば、Ｘ軸方向の外力Ｆｘが入力部３０に入力された場合には、図７（ａ）に示すように、入力部３０が極めて微小ながらＸ軸方向に移動する。同様にして、Ｚ軸方向の外力Ｆｚが入力された場合には、図７（ｂ）に示すように、入力部３０がＺ軸方向に移動する。そして、Ｙ軸回りのモーメントＭｙが入力された場合には、図７（ｃ）に示すように、入力部３０がＹ軸回りに回転し、Ｚ軸回りのモーメントＭｚが入力された場合には、図７（ｄ）に示すように、入力部３０がＺ軸回りに回転する。なお、他の軸成分についても同様であるので、その説明は省略する。
図８〜図１１を参照しながら、外力Ｆ（Ｆｘ，Ｆｚ，Ｍｙ，Ｍｚ）が印加された際の力覚センサ用チップ２に生じる歪みの状態について説明する。
図８は、Ｘ軸方向の外力Ｆｘが作用部に伝達された場合の歪み抵抗素子の変形の様子を説明するための模式図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は歪み抵抗素子の変形の様子を示す平面図である。
図８（ａ）に示すように、外力Ｆｘの印加により作用部３２がＸ方向に移動しようとし、これに伴って橋梁部２３ａ１，２３ａ２，２３ａ４，２３ｂ１，２３ｂ２，２３ｂ４においてたわみが顕著に生じる。このとき、図８（ｂ）に示すように、たわみの外側の歪み抵抗素子Ｓ４，Ｓ８には引張力が作用し、抵抗値が増加する。一方、たわみの内側の歪み抵抗素子Ｓ３，Ｓ７には圧縮力が作用し、抵抗値が減少する。同様に、たわみの外側の歪み抵抗素子Ｓ１，Ｓ６には引張力が作用し、抵抗値が増加する。一方、たわみの内側の歪み抵抗素子Ｓ２，Ｓ５には圧縮力が作用し、抵抗値が減少する。
図８（ａ）に示すように、外力Ｆｘの印加により作用部３２がＸ方向に移動しようとし、これに伴って橋梁部２３ａ１，２３ａ２，２３ａ４，２３ｂ１，２３ｂ２，２３ｂ４においてたわみが顕著に生じる。このとき、図８（ｂ）に示すように、たわみの外側の歪み抵抗素子Ｓ４，Ｓ８には引張力が作用し、抵抗値が増加する。一方、たわみの内側の歪み抵抗素子Ｓ３，Ｓ７には圧縮力が作用し、抵抗値が減少する。同様に、たわみの外側の歪み抵抗素子Ｓ１，Ｓ６には引張力が作用し、抵抗値が増加する。一方、たわみの内側の歪み抵抗素子Ｓ２，Ｓ５には圧縮力が作用し、抵抗値が減少する。
図９は、Ｚ軸方向の外力Ｆｚが作用部に伝達された場合の歪み抵抗素子の変形の様子を説明するための模式図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は歪み抵抗素子の変形の様子を示す断面図である。
図９（ｂ）に示すように、外力Ｆｚの印加により作用部２１がＺ方向に移動しようとし、これに伴って橋梁部２３ａ１，２３ａ２，２３ａ４，２３ｂ１，２３ｂ２，２３ｂ４においてたわみが顕著に生じる。このとき、歪み抵抗素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ５，Ｓ６は、半導体基板２０の表面（上層部）に形成されているから、歪み抵抗素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ５，Ｓ６には引張力が作用し、抵抗値が増加する。同様に、歪み抵抗素子Ｓ３，Ｓ４，Ｓ７，Ｓ８には引張力が作用し、抵抗値が増加する。
図９（ｂ）に示すように、外力Ｆｚの印加により作用部２１がＺ方向に移動しようとし、これに伴って橋梁部２３ａ１，２３ａ２，２３ａ４，２３ｂ１，２３ｂ２，２３ｂ４においてたわみが顕著に生じる。このとき、歪み抵抗素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ５，Ｓ６は、半導体基板２０の表面（上層部）に形成されているから、歪み抵抗素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ５，Ｓ６には引張力が作用し、抵抗値が増加する。同様に、歪み抵抗素子Ｓ３，Ｓ４，Ｓ７，Ｓ８には引張力が作用し、抵抗値が増加する。
図１０は、Ｙ軸回りのモーメントＭｙが作用する場合の歪み抵抗素子の変形の様子を説明するための模式図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は歪み抵抗素子の変形の様子を示す断面図である。
図１０（ｂ）に示すように、外力Ｍｙの印加により橋梁部２３ａ１，２３ａ２，２３ａ４，２３ｂ１，２３ｂ２，２３ｂ４には、それぞれモーメントＭｙによるたわみが生じ、歪み抵抗素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ６，Ｓ７には引張力が作用し、抵抗値が増加する。また、歪み抵抗素子Ｓ１，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ８には圧縮力が作用し、抵抗値が減少する。
図１０（ｂ）に示すように、外力Ｍｙの印加により橋梁部２３ａ１，２３ａ２，２３ａ４，２３ｂ１，２３ｂ２，２３ｂ４には、それぞれモーメントＭｙによるたわみが生じ、歪み抵抗素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ６，Ｓ７には引張力が作用し、抵抗値が増加する。また、歪み抵抗素子Ｓ１，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ８には圧縮力が作用し、抵抗値が減少する。
図１１は、Ｚ軸回りのモーメントＭｚが作用する場合の歪み抵抗素子の変形の様子を説明するための模式図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は歪み抵抗素子の変形の様子を示す平面図である。
図１０（ｂ）に示すように、外力Ｍｚの印加により各橋梁部２３ａ１，２３ａ２，２３ａ４，２３ｂ１，２３ｂ２，２３ｂ４には、それぞれモーメントＭｙによるたわみが生じ、たわみの外側に配置された歪み抵抗素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ６，Ｓ８には引張力が作用し、抵抗値が増加する。一方、たわみの内側に配置された歪み抵抗素子Ｓ１，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ７には圧縮力が作用し、抵抗値が減少する。
図１０（ｂ）に示すように、外力Ｍｚの印加により各橋梁部２３ａ１，２３ａ２，２３ａ４，２３ｂ１，２３ｂ２，２３ｂ４には、それぞれモーメントＭｙによるたわみが生じ、たわみの外側に配置された歪み抵抗素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ６，Ｓ８には引張力が作用し、抵抗値が増加する。一方、たわみの内側に配置された歪み抵抗素子Ｓ１，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ７には圧縮力が作用し、抵抗値が減少する。
以上、代表的な４つの軸力を例として、概念的に簡略化して外力Ｆに含まれる各成分（力またはモーメント）と歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８に作用する力との関係を説明した。そして、歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８に圧縮力または引張力が作用すると抵抗値が減少または増加するため、この抵抗値の変化率（抵抗変化率）をブリッジ回路（図５）により検出している。
この抵抗変化率に基づいて、６軸の力覚センサ１から最終的に出力される信号は、各単一の成分（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）に対応する演算抵抗変化率Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ６である。
この抵抗変化率に基づいて、６軸の力覚センサ１から最終的に出力される信号は、各単一の成分（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）に対応する演算抵抗変化率Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ６である。
すなわち、演算抵抗変化率Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ６は、できるだけ他軸干渉の影響を排除して、それぞれ外力に含まれる各成分（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）に対応させて、抵抗変化率から以下のように定められる。
Ｓｉｇ１
＝（Ｒ’Ｓ１−Ｒ’Ｓ２−Ｒ’Ｓ３＋Ｒ’Ｓ４−Ｒ’Ｓ５＋Ｒ’Ｓ６−Ｒ’Ｓ７＋Ｒ’Ｓ８）／８
Ｓｉｇ２
＝（Ｒ’Ｓ１＋Ｒ’Ｓ２＋Ｒ’Ｓ３＋Ｒ’Ｓ４−Ｒ’Ｓ５−Ｒ’Ｓ６−Ｒ’Ｓ７−Ｒ’Ｓ８）／８
Ｓｉｇ３
＝（Ｒ’Ｓ１＋Ｒ’Ｓ２−Ｒ’Ｓ３−Ｒ’Ｓ４＋Ｒ’Ｓ５＋Ｒ’Ｓ６−Ｒ’Ｓ７−Ｒ’Ｓ８）／８
Ｓｉｇ４
＝（Ｒ’Ｓ１＋Ｒ’Ｓ２−Ｒ’Ｓ３−Ｒ’Ｓ４−Ｒ’Ｓ５−Ｒ’Ｓ６＋Ｒ’Ｓ７＋Ｒ’Ｓ８）／８
Ｓｉｇ５
＝（Ｒ’Ｓ１−Ｒ’Ｓ２−Ｒ’Ｓ３＋Ｒ’Ｓ４＋Ｒ’Ｓ５−Ｒ’Ｓ６−Ｒ’Ｓ７＋Ｒ’Ｓ８）／８
Ｓｉｇ６
＝（Ｒ’Ｓ１−Ｒ’Ｓ２−Ｒ’Ｓ３＋Ｒ’Ｓ４＋Ｒ’Ｓ５−Ｒ’Ｓ６＋Ｒ’Ｓ７−Ｒ’Ｓ８）／８
ここで、抵抗変化率は、例えば、Ｒ’Ｓ１のように表すが、これは歪み抵抗素子Ｓ１の抵抗変化率を示すものである。なお、Ｒ’Ｓ１〜Ｒ’Ｓ８は、各歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８の温度補償後の抵抗変化率を表す。
Ｓｉｇ１
＝（Ｒ’Ｓ１−Ｒ’Ｓ２−Ｒ’Ｓ３＋Ｒ’Ｓ４−Ｒ’Ｓ５＋Ｒ’Ｓ６−Ｒ’Ｓ７＋Ｒ’Ｓ８）／８
Ｓｉｇ２
＝（Ｒ’Ｓ１＋Ｒ’Ｓ２＋Ｒ’Ｓ３＋Ｒ’Ｓ４−Ｒ’Ｓ５−Ｒ’Ｓ６−Ｒ’Ｓ７−Ｒ’Ｓ８）／８
Ｓｉｇ３
＝（Ｒ’Ｓ１＋Ｒ’Ｓ２−Ｒ’Ｓ３−Ｒ’Ｓ４＋Ｒ’Ｓ５＋Ｒ’Ｓ６−Ｒ’Ｓ７−Ｒ’Ｓ８）／８
Ｓｉｇ４
＝（Ｒ’Ｓ１＋Ｒ’Ｓ２−Ｒ’Ｓ３−Ｒ’Ｓ４−Ｒ’Ｓ５−Ｒ’Ｓ６＋Ｒ’Ｓ７＋Ｒ’Ｓ８）／８
Ｓｉｇ５
＝（Ｒ’Ｓ１−Ｒ’Ｓ２−Ｒ’Ｓ３＋Ｒ’Ｓ４＋Ｒ’Ｓ５−Ｒ’Ｓ６−Ｒ’Ｓ７＋Ｒ’Ｓ８）／８
Ｓｉｇ６
＝（Ｒ’Ｓ１−Ｒ’Ｓ２−Ｒ’Ｓ３＋Ｒ’Ｓ４＋Ｒ’Ｓ５−Ｒ’Ｓ６＋Ｒ’Ｓ７−Ｒ’Ｓ８）／８
ここで、抵抗変化率は、例えば、Ｒ’Ｓ１のように表すが、これは歪み抵抗素子Ｓ１の抵抗変化率を示すものである。なお、Ｒ’Ｓ１〜Ｒ’Ｓ８は、各歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８の温度補償後の抵抗変化率を表す。
６軸成分（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）と演算抵抗変化率Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ６との関係について説明する。力覚センサ１の出力信号である演算抵抗変化率Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ６に基づいて印加外力Ｆの各成分を算出するためには、予め、単一成分の軸力を力覚センサ用チップ２に印加して、このときの出力信号Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ６を求めておく。これによって、６軸成分（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）と演算抵抗変化率Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ６との関係が把握される。
なお、この点については、本出願人による先の出願に係る特開２００３−２０７４０５号公報（図１３等）や特開２００６−１２５８７３号公報に開示された技術と同様の考え方に基づいて演算が実行される。
以上のような実験により、演算抵抗変化率Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ６は、他軸干渉の影響をできるだけ排除して、６軸成分（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）の一次式で表すことができる。この一次式（行列式）から逆行列を求めることで、６軸成分（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）を演算抵抗変化率Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ６の一次式で表すことができる。このようにして、６軸成分（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）は、演算抵抗変化率Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ６から求めることができる（詳細については、特開２００３−２０７４０５号公報の段落００７０参照）。
本実施形態に係る力覚センサ用チップ２は、歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８の長手方向がすべて同一方向に向けて設けられている。このようにすることで、製造上、半導体基板２０の表面と結晶方位面との間に若干の傾きが生じていても、歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８の特性の均一性を向上させることができる。したがって、検出値の不均一さを補正する必要がなく、信号処理が簡略化される。
ここで、半導体基板２０の種類と歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８の長手方向の向きとの関係について説明する。
表１は、半導体基板の材料と伝導型と歪み方向によるゲージ率との関係を示す。
表１は、半導体基板の材料と伝導型と歪み方向によるゲージ率との関係を示す。
表１に示すように、半導体基板２０の材料がＧｅ、Ｓｉのいずれであるか、伝導型がｎ型、ｐ型のいずれであるか、基板面における歪み方向が＜１００＞、＜１１０＞、＜１１１＞のいずれであるか、によってゲージ率が大きく異なる。
ここで、本発明の力覚センサ１の半導体基板２０をＳｉから作成する場合には、ゲージ率が大きい値を示す方向と歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８の長手方向とを一致させることが望ましい。
表２及び表３は、歪み抵抗素子の伝導型と長手方向の向きとの関係、及びＳｉ基板の表面の結晶方位の好ましい例を示す。
ここで、本発明の力覚センサ１の半導体基板２０をＳｉから作成する場合には、ゲージ率が大きい値を示す方向と歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８の長手方向とを一致させることが望ましい。
表２及び表３は、歪み抵抗素子の伝導型と長手方向の向きとの関係、及びＳｉ基板の表面の結晶方位の好ましい例を示す。
表２及び表３に示す組み合わせを選択することにより、ゲージ率が大きい方向と歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８の長手方向を一致させるようになるので、歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８の検出値を大きくすることができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更して実施することが可能である。
例えば、本実施形態においては、ガラス薄膜１０を蒸着法またはスパッタリング法で形成しているが、これに限定されるものではなく、イオンプレーティング（ＩＰ）法や気相成長法（ＣＶＤ）等の他の成膜技術を適用することもできる。ガラス薄膜を成膜する技術は、多種多様であり絶えず進歩しているが、力覚センサに求められる感度、耐久性等の性能やコスト、生産量等を考慮して適宜選択される。
例えば、本実施形態においては、ガラス薄膜１０を蒸着法またはスパッタリング法で形成しているが、これに限定されるものではなく、イオンプレーティング（ＩＰ）法や気相成長法（ＣＶＤ）等の他の成膜技術を適用することもできる。ガラス薄膜を成膜する技術は、多種多様であり絶えず進歩しているが、力覚センサに求められる感度、耐久性等の性能やコスト、生産量等を考慮して適宜選択される。
本実施形態においては、減衰装置３にガラス薄膜１０を成膜し、ガラス薄膜１０を介して減衰装置３と力覚センサ用チップ２とを接合しているが、これに限定されるものではなく、力覚センサ用チップ２側にガラス薄膜１０を成膜し、このガラス薄膜１０を介して力覚センサ用チップ２と減衰装置３とを陽極接合するようにしてもよい。また、チップに最初からガラス薄膜を成膜しておき、その後、チップと減衰装置とを陽極接合してもよい。
具体的には、力覚センサ用チップ２側に負電圧をかけ、減衰装置３側に正電圧をかけて、力覚センサ用チップ２に成膜されたガラス薄膜１０と減衰装置３とを陽極接合により接合する。
なお、力覚センサ用チップ２側にガラス薄膜を形成する場合においても、減衰装置３に形成する場合と同様に、蒸着法やスパッタリング法、その他の薄膜形成手法により、適宜ガラス薄膜を成膜することができる。
また、ガラス薄膜１０に代えてガラス板を用いても良い。
具体的には、力覚センサ用チップ２側に負電圧をかけ、減衰装置３側に正電圧をかけて、力覚センサ用チップ２に成膜されたガラス薄膜１０と減衰装置３とを陽極接合により接合する。
なお、力覚センサ用チップ２側にガラス薄膜を形成する場合においても、減衰装置３に形成する場合と同様に、蒸着法やスパッタリング法、その他の薄膜形成手法により、適宜ガラス薄膜を成膜することができる。
また、ガラス薄膜１０に代えてガラス板を用いても良い。
本実施形態においては、力覚センサ用チップ２において、中央部に作用部２１を設け、作用部２１の外側に連結部２３および支持部２２を設けているが、これに限定されるものではなく、中央部に支持部２２を設け、その外側に連結部２３を設け、さらにその外側に作用部２１を設ける構成とすることもできる。要するに、連結部２３は、作用部２１に隣接する位置で連結部２３に配置された歪み抵抗素子Ｓで作用部２１に伝達された外力Ｆを検出でき、支持部２２で連結部２３および作用部２１を支持できるような構成であればよい。
また、本実施形態においては、力覚センサ用チップ２を略正方形としているが、これに限定されるものではなく、矩形としてもよいし、円形としてもよい。また、減衰装置３も立方体や直方体の形状とすることもできる。本発明は、力覚センサ用チップ２の形状や減衰装置３の形状、およびこれらの組合せに関して、多様な形態を採用することができる。
また、歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８や温度補償用抵抗素子２４の配置場所は、本実施形態と異なる位置であってもよい。
また、本実施形態においては、力覚センサ用チップ２を略正方形としているが、これに限定されるものではなく、矩形としてもよいし、円形としてもよい。また、減衰装置３も立方体や直方体の形状とすることもできる。本発明は、力覚センサ用チップ２の形状や減衰装置３の形状、およびこれらの組合せに関して、多様な形態を採用することができる。
また、歪み抵抗素子Ｓ１〜Ｓ８や温度補償用抵抗素子２４の配置場所は、本実施形態と異なる位置であってもよい。
１ 力覚センサ
２ 力覚センサ用チップ
３ 減衰装置
１０ ガラス薄膜
１１，１２ 接合部
２１ 作用部
２２ 支持部
２３ 連結部
３０ 入力部
３１ 伝達部
３２ 固定部
３３ 緩衝穴
Ｓ１〜Ｓ８ 歪み抵抗素子
２ 力覚センサ用チップ
３ 減衰装置
１０ ガラス薄膜
１１，１２ 接合部
２１ 作用部
２２ 支持部
２３ 連結部
３０ 入力部
３１ 伝達部
３２ 固定部
３３ 緩衝穴
Ｓ１〜Ｓ８ 歪み抵抗素子
Claims (13)
- 減衰装置を介して外力が印加される作用部と、当該作用部を支持する支持部と、前記作用部と前記支持部とを連結し、印加された前記外力に応じてたわむ連結部と、を備えたベース部材と、
前記連結部に設けられ、当該連結部のたわみに基づいて印加された前記外力を検出する複数の歪み抵抗素子と、
を備えた力覚センサ用チップであって、
前記複数の歪み抵抗素子は、それらの長手方向がすべて同一方向に向けて設けられていることを特徴とする力覚センサ用チップ。 - 前記ベース部材は、表面が（１００）の結晶方位を有するシリコン基板から形成さ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用チップ。
- 前記複数の歪み抵抗素子はｎ型半導体からなり、それらの長手方向がすべて＜１００＞方向に向けて設けられていることを特徴とする請求項２に記載の力覚センサ用チップ。
- 前記複数の歪み抵抗素子はｐ型半導体からなり、それらの長手方向がすべて＜１１０＞方向に向けて設けられていることを特徴とする請求項２に記載の力覚センサ用チップ。
- 前記ベース部材は、表面が（１１０）の結晶方位を有するシリコン基板から形成さ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用チップ。
- 前記複数の歪み抵抗素子はｎ型半導体からなり、それらの長手方向がすべて＜１００＞方向に向けて設けられていることを特徴とする請求項５に記載の力覚センサ用チップ。
- 前記複数の歪み抵抗素子はｐ型半導体からなり、それらの長手方向がすべて＜１１０＞方向に向けて設けられていることを特徴とする請求項５に記載の力覚センサ用チップ。
- 前記複数の歪み抵抗素子はｐ型半導体からなり、それらの長手方向がすべて＜１１１＞方向に向けて設けられていることを特徴とする請求項５に記載の力覚センサ用チップ。
- 前記ベース部材は、表面が（１１１）の結晶方位を有するシリコン基板から形成さ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用チップ。
- 前記複数の歪み抵抗素子はｐ型半導体からなり、それらの長手方向がすべて＜１１０＞方向に向けて設けられていることを特徴とする請求項９に記載の力覚センサ用チップ。
- 前記複数の歪み抵抗素子は、８個の歪み抵抗素子であることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の力覚センサ用チップ。
- 前記複数の歪み抵抗素子の温度変化に伴う抵抗変化を補償するための温度補償用抵抗素子をさらに備えていることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の力覚センサ用チップ。
- 請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の力覚センサ用チップと、
前記支持部および前記作用部と連結されており、入力された外力を減衰して前記作用部に印加する減衰装置と、
を備えていることを特徴とする力覚センサ。
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