JP2019132613A - センサチップ及び力覚センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】センサチップの複合入力に対する軸分離性を向上させセンサ精度を改善すること。【解決手段】基板と、第１の支持部と、前記第１の支持部が周囲に配置され、前記基板の中央に配置された第２の支持部と、隣接する前記第１の支持部同士を連結する第１の検知用梁と、前記第１の検知用梁と前記第２の支持部との間に、前記第１の検知用梁に平行に設けられた第２の検知用梁と、前記第１の検知用梁に配置された、力が印加される力点と、前記第１の検知用梁及び前記第２の検知用梁の所定位置に配置された複数の歪検出素子と、を有し、前記複数の歪検出素子は、前記第１方向の力を検出可能な歪検出素子を有する第１検出部と、前記第１方向の力を検出可能であり、前記第１検出部に対して対称な位置に設けられた歪検出素子を有する第２検出部を含む。【選択図】図６

Description

本発明は、センサチップ及び力覚センサ装置に関する。

従来より、金属からなる起歪体に複数の歪ゲージを貼り付け、外力が印加された際の歪みを電気信号に変換することで多軸の力を検出する力覚センサ装置が知られている。しかし、この力覚センサ装置は、歪ゲージを１枚ずつ手作業によって貼り付ける必要から、精度や生産性に問題があり、構造上小型化することが困難であった。

一方、歪ゲージを歪み検出用のＭＥＭＳのセンサチップに置き換えることで、貼り合わせ精度の問題を解消し、かつ小型化を実現する力覚センサ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第４０１１３４５号

ところで、上記の従来のＭＥＭＳのセンサチップを用いた力覚センサ装置では、入力が単軸の場合（６つの軸［Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ］の内のいずれか１つの軸に沿った方向の場合）であれば、力覚センサは高い精度を得ることができる。

しかしながら、入力が複合入力の場合（６つの軸［Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ］の内のいずれか2つ以上の軸に沿った複合した入力の場合）は、軸分離性が不十分であるために力覚センサの誤差は大きくなり、精度が低下してしまっていた。特に、複合入力の場合は、精度の目標値に満たない複合入力の軸の組み合せが存在する。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、センサチップの複合入力に対する軸分離性を向上させセンサ精度を改善することを目的とする。

本センサチップ（１１０）は、基板と、第１の支持部（１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄ）と、前記第１の支持部が周囲に配置され、前記基板の中央に配置された第２の支持部（１１１ｅ）と、隣接する前記第１の支持部同士を連結する第１の検知用梁（１１３ａ、１１３ｄ、１１３ｇ、１１３ｊ）と、前記第１の検知用梁と前記第２の支持部との間に、前記第１の検知用梁に平行に設けられた第２の検知用梁（１１３ｂ、１１３ｅ、１１３ｈ、１１３ｋ）と、前記第１の検知用梁に配置された、力が印加される力点（１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄ）と、前記第１の検知用梁及び前記第２の検知用梁の所定位置に配置された複数の歪検出素子と、を有し、前記複数の歪検出素子は、前記第１方向の力を検出可能な歪検出素子を有する第１検出部と、前記第１方向の力を検出可能であり、前記第１検出部に対して対称な位置に設けられた歪検出素子を有する第２検出部を含むことを要件とする。

なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、図示の態様に限定されるものではない。

開示の技術によれば、センサチップの複合入力に対する軸分離性を向上させセンサ精度を改善することができる。

実施の形態に係る力覚センサ装置の一例を示す斜視図である。 実施の形態に係る力覚センサ装置のセンサチップ及び起歪体の一例を示す斜視図である。 実施の形態に係るセンサチップの一例のＺ軸方向上側から視た図である。 実施の形態に係るセンサチップの一例のＺ軸方向下側から視た図である。 実施の形態に係る各軸にかかる力及びモーメントを示す符号を説明する図である。 実施の形態に係るセンサチップの一例のピエゾ抵抗素子の配置を示す図である。 実施の形態に係る起歪体の一例を示す図（その１）である。 実施の形態に係る起歪体の一例を示す図（その２）である。 実施の形態に係る起歪体の一例を示す図（その３）である。 実施の形態に係る力覚センサ装置の製造工程の一例を示す図（その１）である。 実施の形態に係る力覚センサ装置の製造工程の一例を示す図（その２）である。 実施の形態に係る力覚センサ装置の製造工程の一例を示す図（その３）である。 実施の形態に係るセンサチップの他の一例のＦｚ方向の力を検知するピエゾ抵抗素子の配置を示す図である。 実施の形態に係るセンサチップのＦｚまたはＭｚ方向の力を検知するピエゾ抵抗素子によるブリッジ回路を示す図である。 参考例に係るセンサチップのＦｚ方向の力を検知するピエゾ抵抗素子によるブリッジ回路を示す図である。 参考例の構造に対する他軸成分のシミュレーションについて説明する図である。 実施例の構造に対する他軸成分のシミュレーションについて説明する図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

（力覚センサ装置１の概略構成）
図１は、第１の実施の形態に係る力覚センサ装置を例示する斜視図である。図２は、第１の実施の形態に係る力覚センサ装置のセンサチップ及び起歪体を例示する斜視図である。図１及び図２を参照するに、力覚センサ装置１は、センサチップ１１０と、起歪体２０と、入出力基板３０とを有している。力覚センサ装置１は、例えば、工作機械等に使用されるロボットの腕や指等に搭載される多軸の力覚センサ装置である。

センサチップ１１０は、所定の軸方向の変位を最大で６軸検知する機能を有している。起歪体２０は、印加された力をセンサチップ１１０に伝達する機能を有している。

センサチップ１１０は、起歪体２０の上面側に、起歪体２０から突出しないように接着されている。また、起歪体２０の上面及び各側面に、センサチップ１１０に対して信号の入出力を行う入出力基板３０の一端側が適宜屈曲された状態で接着されている。センサチップ１１０と入出力基板３０の各電極３１とは、ボンディングワイヤ等（図示せず）により、電気的に接続されている。

入出力基板３０において、起歪体２０の第１の側面に配置された領域には能動部品３２及び受動部品３９が実装されている。入出力基板３０において、起歪体２０の第２の側面に配置された領域には能動部品３３及び受動部品３９が実装されている。入出力基板３０において、起歪体２０の第３の側面に配置された領域には能動部品３４及び受動部品３９が実装されている。入出力基板３０において、起歪体２０の第４の側面に配置された領域には能動部品３５及び受動部品３９が実装されている。

能動部品３３は、例えば、センサチップ１１０から出力されるＸ軸方向の力Ｆｘを検出するブリッジ回路からのアナログの電気信号、及びセンサチップ１１０から出力されるＹ軸方向の力Ｆｙを検出するブリッジ回路からのアナログの電気信号をディジタルの電気信号に変換するＩＣ（ＡＤコンバータ）である。

能動部品３４は、例えば、センサチップ１１０から出力されるＺ軸方向の力Ｆｚを検出するブリッジ回路からのアナログの電気信号、及びセンサチップ１１０から出力されるＸ軸を軸として回転させるモーメントＭｘを検出するブリッジ回路からのアナログの電気信号をディジタルの電気信号に変換するＩＣ（ＡＤコンバータ）である。

能動部品３５は、例えば、センサチップ１１０から出力されるＹ軸を軸として回転させるモーメントＭｙを検出するブリッジ回路からのアナログの電気信号、及びセンサチップ１１０から出力されるＺ軸を軸として回転させるモーメントＭｚを検出するブリッジ回路からのアナログの電気信号をディジタルの電気信号に変換するＩＣ（ＡＤコンバータ）である。

能動部品３２は、例えば、能動部品３３、３４、及び３５から出力されるディジタルの電気信号に対して所定の演算を行い、力Ｆｘ、Ｆｙ、及びＦｚ、並びにモーメントＭｘ、Ｍｙ、及びＭｚを示す信号を生成し、外部に出力するＩＣである。受動部品３９は、能動部品３２〜３５に接続される抵抗やコンデンサ等である。

なお、能動部品３２〜３５の機能をいくつのＩＣで実現するかは任意に決定することができる。また、能動部品３２〜３５を入出力基板３０に実装せずに、入出力基板３０と接続される外部回路側に実装する構成とすることも可能である。この場合には、入出力基板３０からアナログの電気信号が出力される。

入出力基板３０は、起歪体２０の第１の側面の下方で外側に屈曲し、入出力基板３０の他端側が外部に引き出されている。入出力基板３０の他端側には、力覚センサ装置１と接続される外部回路（制御装置等）との電気的な入出力が可能な端子（図示せず）が配列されている。

なお、本実施の形態では、便宜上、力覚センサ装置１において、センサチップ１１０が設けられた側を上側または一方の側、その反対側を下側または他方の側とする。また、各部位のセンサチップ１１０が設けられた側の面を一方の面または上面、その反対側の面を他方の面または下面とする。但し、力覚センサ装置１は天地逆の状態で用いることができ、または任意の角度で配置することができる。また、平面視とは対象物をセンサチップ１１０の上面の法線方向（Ｚ軸方向）から視ることを指し、平面形状とは対象物をセンサチップ１１０の上面の法線方向（Ｚ軸方向）から視た形状を指すものとする。

（センサチップ１１０）
図３は、センサチップ１１０をＺ軸方向上側から視た図であり、図３（ａ）は斜視図、図３（ｂ）は平面図である。図４は、センサチップ１１０をＺ軸方向下側から視た図であり、図４（ａ）は斜視図、図４（ｂ）は底面図である。図４（ｂ）において、便宜上、同一高さの面を同一の梨地模様で示している。なお、センサチップ１１０の上面の一辺に平行な方向をＸ軸方向、垂直な方向をＹ軸方向、センサチップ１１０の厚さ方向（センサチップ１１０の上面の法線方向）をＺ軸方向としている。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向は、互いに直交している。

図３及び図４に示すセンサチップ１１０は、１チップで最大６軸を検知できるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）センサチップであり、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板等の半導体基板から形成されている。センサチップ１１０の平面形状は、例えば、３０００μｍ角程度の正方形とすることができる。

センサチップ１１０は、柱状の５つの支持部１１１ａ〜１１１ｅを備えている。支持部１１１ａ〜１１１ｅの平面形状は、例えば、５００μｍ角程度の正方形とすることができる。第１の支持部である支持部１１１ａ〜１１１ｄは、センサチップ１１０の四隅に配置されている。第２の支持部である支持部１１１ｅは、支持部１１１ａ〜１１１ｄの中央に配置されている。

支持部１１１ａ〜１１１ｅは、例えば、ＳＯＩ基板の活性層、ＢＯＸ層、及び支持層から形成することができ、それぞれの厚さは、例えば、５００μｍ程度とすることができる。

支持部１１１ａと支持部１１１ｂとの間には、支持部１１１ａと支持部１１１ｂとに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）、構造を補強するための補強用梁１１２ａが設けられている。支持部１１１ｂと支持部１１１ｃとの間には、支持部１１１ｂと支持部１１１ｃとに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）、構造を補強するための補強用梁１１２ｂが設けられている。

支持部１１１ｃと支持部１１１ｄとの間には、支持部１１１ｃと支持部１１１ｄとに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）、構造を補強するための補強用梁１１２ｃが設けられている。支持部１１１ｄと支持部１１１ａとの間には、支持部１１１ｄと支持部１１１ａとに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）、構造を補強するための補強用梁１１２ｄが設けられている。

言い換えれば、第１の補強用梁である４つの補強用梁１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、及び１１２ｄが枠状に形成され、各補強用梁の交点をなす角部が、支持部１１１ｂ、１1１ｃ、１１１ｄ、１１１ａとなる。

支持部１１１ａの内側の角部と、それに対向する支持部１１１ｅの角部とは、構造を補強するための補強用梁１１２ｅにより連結されている。支持部１１１ｂの内側の角部と、それに対向する支持部１１１ｅの角部とは、構造を補強するための補強用梁１１２ｆにより連結されている。

支持部１１１ｃの内側の角部と、それに対向する支持部１１１ｅの角部とは、構造を補強するための補強用梁１１２ｇにより連結されている。支持部１１１ｄの内側の角部と、それに対向する支持部１１１ｅの角部とは、構造を補強するための補強用梁１１２ｈにより連結されている。第２の補強用梁である補強用梁１１２ｅ〜１１２ｈは、Ｘ軸方向（Ｙ軸方向）に対して斜めに配置されている。つまり、補強用梁１１２ｅ〜１１２ｈは、補強用梁１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、及び１１２ｄと非平行に配置されている。

補強用梁１１２ａ〜１１２ｈは、例えば、ＳＯＩ基板の活性層、ＢＯＸ層、及び支持層から形成することができる。補強用梁１１２ａ〜１１２ｈの太さ（短手方向の幅）は、例えば、１４０μｍ程度とすることができる。補強用梁１１２ａ〜１１２ｈのそれぞれの上面は、支持部１１１ａ〜１１１ｅの上面と略面一である。

これに対して、補強用梁１１２ａ〜１１２ｈのそれぞれの下面は、支持部１１１ａ〜１１１ｅの下面及び力点１１４ａ〜１１４ｄの下面よりも数１０μｍ程度上面側に窪んでいる。これは、センサチップ１１０を起歪体２０に接着したときに、補強用梁１１２ａ〜１１２ｈの下面が起歪体２０の対向する面と接しないようにするためである。

このように、歪を検知するための検知用梁とは別に、検知用梁よりも厚く形成した剛性の強い補強用梁を配置することで、センサチップ１１０全体の剛性を高めることができる。これにより、入力に対して検知用梁以外が変形しづらくなるため、良好なセンサ特性を得ることができる。

支持部１１１ａと支持部１１１ｂとの間の補強用梁１１２ａの内側には、補強用梁１１２ａと所定間隔を空けて平行に、支持部１１１ａと支持部１１１ｂとに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）、歪を検知するための検知用梁１１３ａが設けられている。

検知用梁１１３ａと支持部１１１ｅとの間には、検知用梁１１３ａ及び支持部１１１ｅと所定間隔を空けて検知用梁１１３ａと平行に、検知用梁１１３ｂが設けられている。検知用梁１１３ｂは、補強用梁１１２ｅの支持部１１１ｅ側の端部と補強用梁１１２ｆの支持部１１１ｅ側の端部とを連結している。

検知用梁１１３ａの長手方向の略中央部と、それに対向する検知用梁１１３ｂの長手方向の略中央部とは、検知用梁１１３ａ及び検知用梁１１３ｂと直交するように配置された検知用梁１１３ｃにより連結されている。

支持部１１１ｂと支持部１１１ｃとの間の補強用梁１１２ｂの内側には、補強用梁１１２ｂと所定間隔を空けて平行に、支持部１１１ｂと支持部１１１ｃとに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）、歪を検知するための検知用梁１１３ｄが設けられている。

検知用梁１１３ｄと支持部１１１ｅとの間には、検知用梁１１３ｄ及び支持部１１１ｅと所定間隔を空けて検知用梁１１３ｄと平行に、検知用梁１１３ｅが設けられている。検知用梁１１３ｅは、補強用梁１１２ｆの支持部１１１ｅ側の端部と補強用梁１１２ｇの支持部１１１ｅ側の端部とを連結している。

検知用梁１１３ｄの長手方向の略中央部と、それに対向する検知用梁１１３ｅの長手方向の略中央部とは、検知用梁１１３ｄ及び検知用梁１１３ｅと直交するように配置された検知用梁１１３ｆにより連結されている。

支持部１１１ｃと支持部１１１ｄとの間の補強用梁１１２ｃの内側には、補強用梁１１２ｃと所定間隔を空けて平行に、支持部１１１ｃと支持部１１１ｄとに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）、歪を検知するための検知用梁１１３ｇが設けられている。

検知用梁１１３ｇと支持部１１１ｅとの間には、検知用梁１１３ｇ及び支持部１１１ｅと所定間隔を空けて検知用梁１１３ｇと平行に、検知用梁１１３ｈが設けられている。検知用梁１１３ｈは、補強用梁１１２ｇの支持部１１１ｅ側の端部と補強用梁１１２ｈの支持部１１１ｅ側の端部とを連結している。

検知用梁１１３ｇの長手方向の略中央部と、それに対向する検知用梁１１３ｈの長手方向の略中央部とは、検知用梁１１３ｇ及び検知用梁１１３ｈと直交するように配置された検知用梁１１３ｉにより連結されている。

支持部１１１ｄと支持部１１１ａとの間の補強用梁１１２ｄの内側には、補強用梁１１２ｄと所定間隔を空けて平行に、支持部１１１ｄと支持部１１１ａとに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）、歪を検知するための検知用梁１１３ｊが設けられている。

検知用梁１１３ｊと支持部１１１ｅとの間には、検知用梁１１３ｊ及び支持部１１１ｅと所定間隔を空けて検知用梁１１３ｊと平行に、検知用梁１１３ｋが設けられている。検知用梁１１３ｋは、補強用梁１１２ｈの支持部１１１ｅ側の端部と補強用梁１１２ｅの支持部１１１ｅ側の端部とを連結している。

検知用梁１１３ｊの長手方向の略中央部と、それに対向する検知用梁１１３ｋの長手方向の略中央部とは、検知用梁１１３ｊ及び検知用梁１１３ｋと直交するように配置された検知用梁１１３ｌにより連結されている。

検知用梁１１３ａ〜１１３ｌは、支持部１１１ａ〜１１１ｅの厚さ方向の上端側に設けられ、例えば、ＳＯＩ基板の活性層から形成することができる。検知用梁１１３ａ〜１１３ｌの太さ（短手方向の幅）は、例えば、７５μｍ程度とすることができる。検知用梁１１３ａ〜１１３ｌの太さ（短手方向の幅）は、位置により異なっていてもよい。検知用梁１１３ａ〜１１３ｌのそれぞれの上面は、支持部１１１ａ〜１１１ｅの上面と略面一である。検知用梁１１３ａ〜１１３ｌのそれぞれの厚さは、例えば、５０μｍ程度とすることができる。

検知用梁１１３ａの長手方向の中央部の下面側（検知用梁１１３ａと検知用梁１１３ｃとの交点）には、力点１１４ａが設けられている。検知用梁１１３ａ、１１３ｂ、及び１１３ｃと力点１１４ａとにより、１組の検知ブロックをなしている。

検知用梁１１３ｄの長手方向の中央部の下面側（検知用梁１１３ｄと検知用梁１１３ｆとの交点）には、力点１１４ｂが設けられている。検知用梁１１３ｄ、１１３ｅ、及び１１３ｆと力点１１４ｂとにより、１組の検知ブロックをなしている。

検知用梁１１３ｇの長手方向の中央部の下面側（検知用梁１１３ｇと検知用梁１１３ｉとの交点）には、力点１１４ｃが設けられている。検知用梁１１３ｇ、１１３ｈ、及び１１３ｉと力点１１４ｃとにより、１組の検知ブロックをなしている。

検知用梁１１３ｊの長手方向の中央部の下面側（検知用梁１１３ｊと検知用梁１１３ｌとの交点）には、力点１１４ｄが設けられている。検知用梁１１３ｊ、１１３ｋ、及び１１３ｌと力点１１４ｄとにより、１組の検知ブロックをなしている。

力点１１４ａ〜１１４ｄは、外力が印加される箇所であり、例えば、ＳＯＩ基板のＢＯＸ層及び支持層から形成することができる。力点１１４ａ〜１１４ｄのそれぞれの下面は、支持部１１１ａ〜１１１ｅの下面と略面一である。

このように、力または変位を４つの力点１１４ａ〜１１４ｄから取り入れることで、力の種類毎に異なる梁の変形が得られるため、６軸の分離性が良いセンサを実現することができる。

なお、センサチップ１１０において、応力集中を抑制する観点から、内角を形成する部分はＲ状とすることが好ましい。

図５は、各軸にかかる力及びモーメントを示す符号を説明する図である。図５に示すように、Ｘ軸方向の力をＦｘ、Ｙ軸方向の力をＦｙ、Ｚ軸方向の力をＦｚとする。また、Ｘ軸を軸として回転させるモーメントをＭｘ、Ｙ軸を軸として回転させるモーメントをＭｙ、Ｚ軸を軸として回転させるモーメントをＭｚとする。

図６は、センサチップ１１０のピエゾ抵抗素子の配置を例示する図である。４つ力点１１４ａ〜１１４ｄに対応する各検知ブロックの所定位置には、複数の歪検知素子であるピエゾ抵抗素子が配置されている。

具体的には、図３及び図６を参照すると、力点１１４ａに対応する検知ブロックにおいて、ピエゾ抵抗素子ＭｘＲ３及びＭｘＲ４は、検知用梁１１３ａを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁１１３ａの検知用梁１１３ｃに近い領域において検知用梁１１３ｃを長手方向（Ｙ方向）に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｙＲ３及びＦｙＲ４は、検知用梁１１３ａを長手方向に二等分する線よりも補強用梁１１２ａ側であって、かつ、検知用梁１１３ａの検知用梁１１３ｃから遠い領域において検知用梁１１３ｃを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ３'及びＭｚＲ４'は、検知用梁１１３ａを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁１１３ａの支持部１１１ａ、１１１ｂ側の端部と検知用梁１１３ｃとの接続部の中点に近い領域において検知用梁１１３ｃを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。

力点１１４ｂに対応する検知ブロックにおいて、ピエゾ抵抗素子ＭｙＲ３及びＭｙＲ４は、検知用梁１１３ｄを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁１１３ｄの検知用梁１１３ｆに近い領域において検知用梁１１３ｆを長手方向（Ｘ方向）に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｘＲ３及びＦｘＲ４は、検知用梁１１３ｄを長手方向に二等分する線よりも補強用梁１１２ｂ側であって、かつ、検知用梁１１３ｄの検知用梁１１３ｆから遠い領域において検知用梁１１３ｆを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ３及びＭｚＲ４は、検知用梁１１３ｄを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁１１３ｄの支持部１１１ｂ、１１１ｃ側の端部と検知用梁１１３ｆとの接続部の中点に近い領域において検知用梁１１３ｆを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。

ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ２及びＦｚＲ３は、検知用梁１１３ｅを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁１１３ｅの検知用梁１１３ｆに近い領域において検知用梁１１３ｆを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１'及びＦｚＲ４'は、検知用梁１１３ｅを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁１１３ｅの検知用梁１１３ｆから遠い領域において検知用梁１１３ｆを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。

力点１１４ｃに対応する検知ブロックにおいて、ピエゾ抵抗素子ＭｘＲ１及びＭｘＲ２は、検知用梁１１３ｇを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁１１３ｇの検知用梁１１３ｉに近い領域において検知用梁１１３ｉを長手方向（Ｙ方向）に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｙＲ１及びＦｙＲ２は、検知用梁１１３ｇを長手方向に二等分する線よりも補強用梁１１２ｃ側であって、かつ、検知用梁１１３ｇの検知用梁１１３ｉから遠い領域において検知用梁１１３ｉを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ１'及びＭＺＲ２'は、検知用梁１１３ｇを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁１１３ｇの支持部１１１ｃ、１１１ｄ側の端部と検知用梁１１３ｉとの接続部の中点に近い領域において検知用梁１１３ｉを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。

力点１１４ｄに対応する検知ブロックにおいて、ピエゾ抵抗素子ＭｙＲ１及びＭｙＲ２は、検知用梁１１３ｊを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁１１３ｊの検知用梁１１３ｌに近い領域において検知用梁１１３ｌを長手方向（Ｘ方向）に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｘＲ１及びＦｘＲ２は、検知用梁１１３ｊを長手方向に二等分する線よりも補強用梁１１２ｄ側であって、かつ、検知用梁１１３ｊの検知用梁１１３ｌから遠い領域において検知用梁１１３ｌを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ１及びＭｚＲ２は、検知用梁１１３ｊを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁１１３ｊの支持部１１１ｄ、１１１ａ側の端部と検知用梁１１３ｌとの接続部の中点に近い領域において検知用梁１１３ｌを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。

ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１及びＦｚＲ４は、検知用梁１１３ｋを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁１１３ｋの検知用梁１１３ｌから遠い領域において検知用梁１１３ｌを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ２'及びＦｚＲ３'は、検知用梁１１３ｋを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁１１３ｋの検知用梁１１３ｌに近い領域において検知用梁１１３ｌを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。

このように、センサチップ１１０では、各検知ブロックに複数のピエゾ抵抗素子を分けて配置している。これにより、力点１１４ａ〜１１４ｄに印加（伝達）された力の向き（軸方向）に応じた、所定の梁に配置された複数のピエゾ抵抗素子の出力の変化に基づいて、所定の軸方向の変位を最大で６軸検知することができる。

また、センサチップ１１０では、検知用梁１１３ｃ、１１３ｆ、１１３ｉ、及び１１３ｌをできるだけ短くして、検知用梁１１３ｂ、１１３ｅ、１１３ｈ、及び１１３ｋを検知用梁１１３ａ、１１３ｄ、１１３ｇ、及び１１３ｊに近づけ、検知用梁１１３ｂ、１１３ｅ、１１３ｈ、及び１１３ｋの長さをできるだけ確保する構造としている。この構造により、検知用梁１１３ｂ、１１３ｅ、１１３ｈ、及び１１３ｋが弓なりに撓みやすくなって応力集中を緩和でき、耐荷重を向上することができる。

また、センサチップ１１０では、検知用梁１１３ｃ、１１３ｆ、１１３ｉ、及び１１３ｌにはピエゾ抵抗素子を配置していない。その代り、検知用梁１１３ｃ、１１３ｆ、１１３ｉ、及び１１３ｌよりも細くて長く、弓なりに撓みやすい検知用梁１１３ａ、１１３ｄ、１１３ｇ、及び１１３ｊ、並びに検知用梁１１３ｂ、１１３ｅ、１１３ｈ、及び１１３ｋの応力が最大になる位置の近傍にピエゾ抵抗素子を配置している。その結果、センサチップ１１０では、効率よく応力を取り込むことが可能となり、感度（同じ応力に対するピエゾ抵抗素子の抵抗変化）を向上することができる。

なお、センサチップ１１０では、歪の検出に用いるピエゾ抵抗素子以外にも、ダミーのピエゾ抵抗素子が配置されている。ダミーのピエゾ抵抗素子は、歪の検出に用いるピエゾ抵抗素子も含めた全てのピエゾ抵抗素子が、支持部１１１ｅの中心に対して点対称となるように配置されている。

ここで、ピエゾ抵抗素子ＦｘＲ１〜ＦｘＲ４は力Ｆｘを検出し、ピエゾ抵抗素子ＦｙＲ１〜ＦｙＲ４は力Ｆｙを検出し、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１〜ＦｚＲ４、ＦｚＲ１'〜ＦｚＲ４'は力Ｆｚを検出する。ピエゾ抵抗素子ＭｘＲ１〜ＭｘＲ４はモーメントＭｘを検出し、ピエゾ抵抗素子ＭｙＲ１〜ＭｙＲ４はモーメントＭｙを検出し、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ１〜ＭｚＲ４、ＭｚＲ１'〜ＭｚＲ４'はモーメントＭｚを検出する。

このように、センサチップ１１０では、各検知ブロックに複数のピエゾ抵抗素子を分けて配置している。これにより、力点１１４ａ〜１１４ｄに印加（伝達）された力または変位の向き（軸方向）に応じた、所定の梁に配置された複数のピエゾ抵抗素子の出力の変化に基づいて、所定の軸方向の変位を最大で６軸検知することができる。

具体的には、センサチップ１１０において、Ｚ軸方向の変位（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｆｚ）は、所定の検知用梁の変形に基づいて検知することができる。すなわち、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のモーメント（Ｍｘ、Ｍｙ）は、第１の検知用梁である検知用梁１１３ａ、１１３ｄ、１１３ｇ、及び１１３ｊの変形に基づいて検知することができる。また、Ｚ軸方向の力（Ｆｚ）は、第２の検知用梁である検知用梁１１３ｅ及び１１３ｋの変形に基づいて検知することができる。

また、センサチップ１１０において、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の変位（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｍｚ）は、所定の検知用梁の変形に基づいて検知することができる。すなわち、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の力（Ｆｘ、Ｆｙ）は、第１の検知用梁である検知用梁１１３ａ、１１３ｄ、１１３ｇ、及び１１３ｊの変形に基づいて検知することができる。また、Ｚ軸方向のモーメント（Ｍｚ）は、第１の検知用梁である検知用梁１１３ａ、１１３ｄ、１１３ｇ、及び１１３ｊの変形に基づいて検知することができる。

上記の本実施の形態に係るセンサチップにおいて、複数の歪検出素子であるピエゾ抵抗素子は、Ｆｚ方向またはＭｚ方向である第１方向の力を検出可能な４個の歪検出素子を有する第１検出部（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）と、第１方向の力を検出可能であり、第１検出部に対して対称な位置に設けられた４個の歪検出素子を有する第２検出部（Ｒ１'、Ｒ２'、Ｒ３'、Ｒ４'）を含む。ここで、第１方向がＦｚ方向であるとき、第１検出部はＦｚＲ１〜ＦｚＲ４であり、第２検出部はＦｚＲ１'〜ＦｚＲ４'である。例えば、１つの第２の検知用梁１１３ｅに、第１検出部の一部であるＦｚＲ２、ＦｚＲ３と第２検出部の一部であるＦｚＲ１'、ＦｚＲ４'が形成されており、１つの第２の検知用梁１１３ｅに平行に設けられている他の第２の検知用梁１１３ｋに、第１検出部の残部であるＦｚＲ１、ＦｚＲ４と第２検出部の残部であるＦｚＲ２'、ＦｚＲ３'が形成されている。あるいは、ここで、第１方向がＭｚ方向であるとき、第１検出部はＭｚＲ１〜ＭｚＲ４であり、第２検出部はＭｚＲ１'〜ＭｚＲ４'である。例えば、互いに平行な１対の第１の検知用梁１１３ｄ及び１１３ｊに、第１検出部ＭｚＲ１〜ＭｒＲ４が形成されており、１対の第１の検知用梁と直交する他の１対の第１の検知用梁１１３ａ及び１１３ｇに、第２検出部ＭｚＲ１'〜ＭｚＲ４'が形成されている。また、上記の「対称」は、線対称または回転対称である。また、第１検出部と第２検出部の歪検出素子の数の和は、第１の方向とは異なる方向の力を検出する歪検出素子の数の倍数である。

より詳細には、上記の第１方向がＦｚ方向であり、第１検出部と第２検出部は、基板の中央を通りＹ軸と平行な線に対して線対称な位置に設けられている。即ち、図３及び６に示されるように、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１〜ＦｚＲ４とピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１'〜ＦｚＲ４'は基板の中央を通りＹ軸と平行な線に対して線対称な位置に設けられている。

または、上記の第１方向がＦｚ方向であり、第１検出部と第２検出部は、Ｚ軸周りの回転に対して１８０°回転対称な位置に設けられている。即ち、図３及び６に示されるように、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１〜ＦｚＲ４とピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１'〜ＦｚＲ４'は、Ｚ軸周りの回転に対して１８０°回転対称な位置に設けられている。

または、上記の第１方向がＭｚ方向であり、第１検出部と第２検出部は、Ｚ軸周りの回転に対して９０°回転対称な位置に設けられている。即ち、図３及び６に示されるように、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ１〜ＭｚＲ４とピエゾ抵抗素子ＭｚＲ１'〜ＭｚＲ４'は、Ｚ軸周りの回転に対して９０°回転対称な位置に設けられている。

本実施の形態のセンサチップにおいて、検出する軸１つに対して１つのブリッジ回路が設けられている。上記の第１方向がＦｚ方向で、第１検出部はＦｚＲ１〜ＦｚＲ４であり、第２検出部はＦｚＲ１'〜ＦｚＲ４'である場合、第１検出部の４個のピエゾ抵抗素子と第２検出部の４個のピエゾ抵抗素子の計８個のピエゾ抵抗素子から、Ｆｚに対応するブリッジ回路が構成される。詳細には、ＦｚＲ１とＦｚＲ１'を直列に接続して第１抵抗部とし、ＦｚＲ２とＦｚＲ２'を直列に接続して第２抵抗部とし、ＦｚＲ３とＦｚＲ３'を直列に接続して第３抵抗部とし、ＦｚＲ４とＦｚＲ４'を直列に接続して第４抵抗部とし、得られる第１抵抗部、第２抵抗部、第３抵抗部及び第４抵抗部からブリッジ回路が形成されている。

また、上記の第１方向がＭｚ方向で、第１検出部はＭｚＲ１〜ＭｚＲ４であり、第２検出部はＭｚＲ１'〜ＭｚＲ４'である場合、第１検出部の４個のピエゾ抵抗素子と第２検出部の４個のピエゾ抵抗素子の計８個のピエゾ抵抗素子から、Ｍｚに対応するブリッジ回路が構成される。詳細には、ＭｚＲ１とＭｚＲ１'を直列に接続して第１抵抗部とし、ＭｚＲ２とＭｚＲ２'を直列に接続して第２抵抗部とし、ＭｚＲ３とＭｚＲ３'を直列に接続して第３抵抗部とし、ＭｚＲ４とＭｚＲ４'を直列に接続して第４抵抗部とし、得られる第１抵抗部、第２抵抗部、第３抵抗部及び第４抵抗部からブリッジ回路が形成されている。

また、Ｆｚ方向である第１方向の力を検出可能な４個の歪検出素子を有する第１検出部（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）と、第１方向の力を検出可能であり、第１検出部に対して対称な位置に設けられた４個の歪検出素子を有する第２検出部（Ｒ１'、Ｒ２'、Ｒ３'、Ｒ４'）を含み、かつ、Ｍｚ方向である第２方向の力を検出可能な４個の歪検出素子を有する第３検出部（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）と、第２方向の力を検出可能であり、第３検出部に対して対称な位置に設けられた４個の歪検出素子を有する第４検出部（Ｒ１'、Ｒ２'、Ｒ３'、Ｒ４'）を含む構成とすることも可能である。

上記の本実施の形態のセンサチップによれば、ＦｚあるいはＭｚに対応するピエゾ抵抗素子の数が増加し、かつ、配置が対称となっている。ピエゾ抵抗素子の配置が対称でない場合、力覚センサ装置に複合入力したときの多軸の干渉が発生し、軸分離性が低下してしまう。本実施の形態では、ピエゾ抵抗素子の数が増加してセンサの精度が高められていることに加えて、ピエゾ抵抗素子の配置が対称的となっているので、軸分離性を向上させることができる。

例えば、上記の第１検出部と第２検出部の歪検出素子（ピエゾ抵抗素子）の抵抗値は、第１検出部と第２検出部以外の歪検出素子の抵抗値の半分である。上記のように第１検出部の１つのピエゾ抵抗素子と対応する第２検出部の１つのピエゾ抵抗素子とを直列に接続した合成抵抗をブリッジ回路の１つの抵抗素子とみなすことができる。これにより、第１検出部と第２検出部のそれぞれのピエゾ抵抗素子の抵抗値は、他のピエゾ抵抗素子の半分程度でよい。換言すれば、従来のＦｚあるいはＭｚに係るピエゾ抵抗素子の抵抗値を半分にして抵抗素子の数を倍に増加し（抵抗素子を分割し）、増加した分の抵抗素子を既存の抵抗素子に対して線対称あるいは回転対称となる位置に配置したものである。

各検知用梁の厚みと幅を可変することで、検出感度の均一化や、検出感度の向上等の調整を図ることができる。

但し、ピエゾ抵抗素子の数を減らし、５軸以下の所定の軸方向の変位を検知するセンサチップとすることも可能である。

上記の本実施の形態に係るセンサチップによれば、梁の形状に合わせて幾何対称となるようにピエゾ抵抗素子を配置することで、力とモーメントを複合で入力された場合でも精度よく６分力を検知することができる。また、ピエゾ抵抗素子の数を増加させて対称配置にする際、ピエゾ抵抗素子のサイズを変更するだけで、ブリッジ回路に適用される合成抵抗を制御できるため、抵抗値を容易に調整することができ、回路設計への負荷が少ない。また、ピエゾ抵抗素子の数を増加しても、フォトリソグラフィ工程を使用した半導体プロセスで製造できるため、工程数は増加せず、コスト増加につながらない。これに対して、ひずみゲージを起歪体に貼り付けて作成される力覚センサでは、ピエゾ抵抗素子の数を増やして対称に配置することはほぼ不可能であるが、ＭＥＭＳ型のセンサチップを用いた本実施の形態の力覚センサ装置では可能である。

（起歪体２０）
図７は、起歪体２０を例示する図（その１）であり、図７（ａ）は斜視図、図７（ｂ）は側面図である。図８は、起歪体２０を例示する図（その２）であり、図８（ａ）は平面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ−Ａ線に沿う縦断面斜視図である。図８（ａ）において、便宜上、同一高さの面を同一の梨地模様で示している。図９は、起歪体２０を例示する図（その３）であり、図９（ａ）は図８（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う縦断面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）のＣ−Ｃ線に沿う横断面図である。

図７〜図９に示すように、起歪体２０は、被固定部に直接取り付けられる土台２１と、センサチップ１１０を搭載するセンサチップ搭載部となる柱２８と、柱２８の周囲に離間して配置された柱２２ａ〜２２ｄとを備えている。

より詳しくは、起歪体２０において、略円形の土台２１の上面に、土台２１の中心に対して均等（点対称）となるように４本の柱２２ａ〜２２ｄが配置され、隣接する柱同士を連結する第１の梁である４本の梁２３ａ〜２３ｄが枠状に設けられている。そして、土台２１の上面中央の上方に、柱２８が配置されている。なお、土台２１の平面形状は円形には限定されず、多角形等（例えば、正方形等）としてもよい。

柱２８は、柱２２ａ〜２２ｄよりも太くて短く形成されている。なお、センサチップ１１０は、柱２２ａ〜２２ｄの上面から突出しないように、柱２８上に固定される。

柱２８は、土台２１の上面には直接固定されていなく、接続用梁２８ａ〜２８ｄを介して柱２２ａ〜２２ｄに固定されている。そのため、土台２１の上面と柱２８の下面との間には空間がある。柱２８の下面と、接続用梁２８ａ〜２８ｄの各々の下面とは、面一とすることができる。

柱２８の接続用梁２８ａ〜２８ｄが接続される部分の横断面形状は例えば矩形であり、矩形の四隅と矩形の四隅に対向する柱２２ａ〜２２ｄとが接続用梁２８ａ〜２８ｄを介して接続されている。接続用梁２８ａ〜２８ｄが、柱２２ａ〜２２ｄと接続される位置２２１〜２２４は、柱２２ａ〜２２ｄの高さ方向の中間よりも下側であることが好ましい。この理由については、後述する。なお、柱２８の接続用梁２８ａ〜２８ｄが接続される部分の横断面形状は矩形には限定されず、円形や多角形等（例えば、六角形等）としてもよい。

接続用梁２８ａ〜２８ｄは、土台２１の中心に対して均等（点対称）となるように、土台２１の上面と所定間隔を空けて土台２１の上面と略平行に配置されている。接続用梁２８ａ〜２８ｄの太さや厚み（剛性）は、起歪体２０の変形を妨げないようにするため、柱２２ａ〜２２ｄや梁２３ａ〜２３ｄよりも細く薄く形成することが好ましい。

このように、土台２１の上面と柱２８の下面とは所定の距離だけ離れている。所定の距離は、例えば、数ｍｍ程度とすることができる。

土台２１には、起歪体２０を被固定部にねじ等を用いて締結するための貫通孔２１ｘが設けられている。本実施の形態では、土台２１には４つの貫通孔２１ｘが設けられているが、貫通孔２１ｘの個数は任意に決定することができる。

土台２１を除く起歪体２０の概略形状は、例えば、縦５０００μｍ程度、横５０００μｍ程度、高さ７０００μｍ程度の直方体状とすることができる。柱２２ａ〜２２ｄの横断面形状は、例えば、１０００μｍ角程度の正方形とすることができる。柱２８の横断面形状は、例えば、２０００μｍ角程度の正方形とすることができる。

但し、起歪体２０において、応力集中を抑制する観点から、内角を形成する部分はＲ状とすることが好ましい。例えば、柱２２ａ〜２２ｄの土台２１の上面の中心側の面は、上下がＲ状に形成されていることが好ましい。同様に、梁２３ａ〜２３ｄの土台２１の上面と対向する面は、左右がＲ状に形成されていることが好ましい。

梁２３ａ〜２３ｄのそれぞれの上面の長手方向の中央部には、梁２３ａ〜２３ｄの長手方向の中央部から上方に突起する突起部が設けられ、突起部上に、例えば四角柱状の入力部２４ａ〜２４ｄが設けられている。入力部２４ａ〜２４ｄは外部から力が印加される部分であり、入力部２４ａ〜２４ｄに力が印加されると、それに応じて梁２３ａ〜２３ｄ及び柱２２ａ〜２２ｄが変形する。

このように、４つの入力部２４ａ〜２４ｄを設けることで、例えば１つの入力部の構造と比較して、梁２３ａ〜２３ｄの耐荷重を向上することができる。

柱２８の上面の四隅には４本の柱２５ａ〜２５ｄが配置され、柱２８の上面の中央部には第４の柱である柱２５ｅが配置されている。柱２５ａ〜２５ｅは、同一の高さに形成されている。

すなわち、柱２５ａ〜２５ｅのそれぞれの上面は、同一平面上に位置している。柱２５ａ〜２５ｅのそれぞれの上面は、センサチップ１１０の下面と接着される接合部となる。

梁２３ａ〜２３ｄのそれぞれの内側面の長手方向の中央部には、梁２３ａ〜２３ｄのそれぞれの内側面から水平方向内側に突出する梁２６ａ〜２６ｄが設けられている。梁２６ａ〜２６ｄは、梁２３ａ〜２３ｄや柱２２ａ〜２２ｄの変形をセンサチップ１１０に伝達する第２の梁である。また、梁２６ａ〜２６ｄのそれぞれの上面の先端側には、梁２６ａ〜２６ｄのそれぞれの上面の先端側から上方に突起する突起部２７ａ〜２７ｄが設けられている。

突起部２７ａ〜２７ｄは、同一の高さに形成されている。すなわち、突起部２７ａ〜２７ｄのそれぞれの上面は、同一平面上に位置している。突起部２７ａ〜２７ｄのそれぞれの上面は、センサチップ１１０の下面と接着される接合部となる。梁２６ａ〜２６ｄ及び突起部２７ａ〜２７ｄは、可動部となる梁２３ａ〜２３ｄと連結されているため、入力部２４ａ〜２４ｄに力が印加されると、それに応じて変形する。

なお、入力部２４ａ〜２４ｄに力が印加されていない状態では、柱２５ａ〜２５ｅのそれぞれの上面と、突起部２７ａ〜２７ｄのそれぞれの上面とは、同一平面上に位置している。

起歪体２０において、土台２１、柱２２ａ〜２２ｄ、柱２８、梁２３ａ〜２３ｄ、入力部２４ａ〜２４ｄ、柱２５ａ〜２５ｅ、梁２６ａ〜２６ｄ、及び突起部２７ａ〜２７ｄの各部位は、剛性を確保しかつ精度良く作製する観点から、一体に形成されていることが好ましい。起歪体２０の材料としては、例えば、ＳＵＳ（ステンレス鋼）等の硬質な金属材料を用いることができる。中でも、特に硬質で機械的強度の高いＳＵＳ６３０を用いることが好ましい。

このように、センサチップ１１０と同様に、起歪体２０も柱と梁とを備えた構造とすることで、印加される力によって６軸それぞれで異なる変形を示すため、６軸の分離性が良い変形をセンサチップ１１０に伝えることができる。

すなわち、起歪体２０の入力部２４ａ〜２４ｄに印加された力を、柱２２ａ〜２２ｄ、梁２３ａ〜２３ｄ、及び梁２６ａ〜２６ｄを介してセンサチップ１１０に伝達し、センサチップ１１０で変位を検知する。そして、センサチップ１１０において、１つの軸につき１個ずつ形成されたブリッジ回路から各軸の出力を得ることができる。

（力覚センサ装置１の製造工程）
図１０〜図１２は、力覚センサ装置１の製造工程を例示する図である。まず、図１０（ａ）に示すように、起歪体２０を作製する。起歪体２０は、例えば、成形や切削、ワイヤ放電等により一体に形成することができる。起歪体２０の材料としては、例えば、ＳＵＳ（ステンレス鋼）等の硬質な金属材料を用いることができる。中でも、特に硬質で機械的強度の高いＳＵＳ６３０を用いることが好ましい。起歪体２０を成形により作製する場合には、例えば、金属粒子とバインダーとなる樹脂とを金型に入れて成形し、その後、焼結して樹脂を蒸発させることで、金属からなる起歪体２０を作製できる。

次に、図１０（ｂ）に示す工程では、柱２５ａ〜２５ｅの上面、及び突起部２７ａ〜２７ｄの上面に接着剤４１を塗布する。接着剤４１としては、例えば、エポキシ系の接着剤等を用いることができる。外部から印加される力に対する耐力の点から、接着剤４１はヤング率１ＧＰａ以上で厚さ２０μｍ以下であることが好ましい。

次に、図１１（ａ）に示す工程では、センサチップ１１０を作製する。センサチップ１１０は、例えば、ＳＯＩ基板を準備し、準備した基板にエッチング加工（例えば、反応性イオンエッチング等）等を施す周知の方法により作製できる。また、電極や配線は、例えば、基板の表面にスパッタ法等によりアルミニウム等の金属膜を成膜後、金属膜をフォトリソグラフィによってパターニングすることにより作製できる。

次に、図１１（ｂ）に示す工程では、センサチップ１１０の下面が柱２５ａ〜２５ｅの上面、及び突起部２７ａ〜２７ｄの上面に塗布された接着剤４１と接するように、センサチップ１１０を起歪体２０内に加圧しながら配置する。そして、接着剤４１を所定温度に加熱して硬化させる。これにより、センサチップ１１０が起歪体２０内に固定される。具体的には、センサチップ１１０の支持部１１１ａ〜１１１ｄが各々柱２５ａ〜２５ｅ上に固定され、支持部１１１ｅが柱２５ｅ上に固定され、力点１１４ａ〜１１４ｄが各々突起部２７ａ〜２７ｄ上に固定される。

次に、図１２（ａ）に示す工程では、柱２２ａ〜２２ｄの上面に、接着剤４２を塗布する。接着剤４２としては、例えば、エポキシ系の接着剤等を用いることができる。なお、接着剤４２は、入出力基板３０を起歪体２０上に固定するためのものであり、外部から力が印加されないため、汎用の接着剤を用いることができる。

次に、図１２（ｂ）に示す工程では、能動部品３２〜３５及び受動部品３９が実装された入出力基板３０を準備し、入出力基板３０の下面が柱２２ａ〜２２ｄの上面に塗布された接着剤４２と接するように、入出力基板３０を起歪体２０上に配置する。そして、入出力基板３０を起歪体２０側に加圧しながら接着剤４２を所定温度に加熱して硬化させる。これにより、入出力基板３０が起歪体２０に固定される。

なお、入出力基板３０は、センサチップ１１０及び入力部２４ａ〜２４ｄを露出するように起歪体２０に固定される。入出力基板３０の各電極３１は、入力部２４ａ〜２４ｄに力が印加された際の歪みが最も少ない、起歪体２０の柱２２ａ〜２２ｄ上に配置することが好ましい。

その後、入出力基板３０の起歪体２０から水平方向にはみ出した部分（入力端子側を除く）を、起歪体２０の各側面側に折り曲げる。そして、入出力基板３０とセンサチップ１１０の対応する部分をボンディングワイヤ等（図示せず）により電気的に接続する。これにより、力覚センサ装置１が完成する。

このように、力覚センサ装置１は、センサチップ１１０、起歪体２０、及び入出力基板３０の３部品のみで作製できるため、組み立てが容易であり、かつ位置合わせ箇所も最低限で済むため、実装起因による精度の劣化を抑制できる。

また、起歪体２０において、センサチップ１１０との接続箇所（柱２５ａ〜２５ｅの上面、及び突起部２７ａ〜２７ｄの上面）は全て同一平面にあるため、起歪体２０に対するセンサチップ１１０の位置合わせが１回で済み、起歪体２０にセンサチップ１１０を実装することが容易である。

図１３は、本実施の形態に係るセンサチップの他の一例のＦｚ方向の力を検知するピエゾ抵抗素子の配置を示す図である。図３及び図６に示されるセンサチップに対して、検知用梁１１３ａ、１１３ｄ、１１３ｇ、１１３ｊと、検知用梁１１３ｂ、１１３ｅ、１１３ｈ、１１３ｋの形状に相違があるが、Ｆｚに係る８個のピエゾ抵抗素子が図３及び図６に示されるセンサチップと同様に設けられている。

図１３のセンサチップでは、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ２及びＦｚＲ３は、検知用梁１１３ｅを長手方向に二等分する線よりも支持部１１１ｅ側であって、かつ、検知用梁１１３ｅの検知用梁１１３ｆに近い領域において検知用梁１１３ｆを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１'及びＦｚＲ４'は、検知用梁１１３ｅを長手方向に二等分する線よりも支持部１１１ｅ側であって、かつ、検知用梁１１３ｅの検知用梁１１３ｆから遠い領域において検知用梁１１３ｆを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１及びＦｚＲ４は、検知用梁１１３ｋを長手方向に二等分する線よりも支持部１１１ｅ側であって、かつ、検知用梁１１３ｋの検知用梁１１３ｌから遠い領域において検知用梁１１３ｌを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ２'及びＦｚＲ３'は、検知用梁１１３ｋを長手方向に二等分する線よりも支持部１１１ｅ側であって、かつ、検知用梁１１３ｋの検知用梁１１３ｌに近い領域において検知用梁１１３ｌを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。

図１３のセンサチップでは、Ｆｚ方向である第１方向の力を検出可能な４個の歪検出素子を有する第１検出部（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）と、第１方向の力を検出可能であり、第１検出部に対して対称な位置に設けられた４個の歪検出素子を有する第２検出部（Ｒ１'、Ｒ２'、Ｒ３'、Ｒ４'）を含む。例えば、第１検出部（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）と第２検出部（Ｒ１'、Ｒ２'、Ｒ３'、Ｒ４'）は、基板の中央を通りＹ軸と平行な線に対して線対称な位置に設けられている。あるいは、第１検出部（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）と第２検出部（Ｒ１'、Ｒ２'、Ｒ３'、Ｒ４'）は、Ｚ軸周りの回転に対して１８０°回転対称な位置に設けられている。

上記のセンサチップでは、ピエゾ抵抗素子の数が増加してセンサの精度が高められていることに加えて、ピエゾ抵抗素子の配置が対称的となっているので、軸分離性を向上させることができる。

図１４は、実施の形態に係るセンサチップのＦｚまたはＭｚ方向の力を検知するピエゾ抵抗素子によるブリッジ回路を示す図である。第１検出部（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）と第２検出部（Ｒ１'、Ｒ２'、Ｒ３'、Ｒ４'）を有する場合、Ｒ１とＲ１'を直列に接続して第１抵抗部とし、Ｒ２とＲ２'を直列に接続して第２抵抗部とし、Ｒ３とＲ３'を直列に接続して第３抵抗部とし、Ｒ４とＲ４'を直列に接続して第４抵抗部とし、得られる第１抵抗部、第２抵抗部、第３抵抗部及び第４抵抗部からブリッジ回路が形成されている。

図１５は、参考例に係るセンサチップのＦｚまたはＭｚ方向の力を検知するピエゾ抵抗素子によるブリッジ回路を示す図である。第２検出部が設けられておらず、第１検出部（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）のみでブリッジ回路が形成されている。第１検出部（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）の配置は非対称であり、軸分離性が高くない。

図１６は図１３に示されるセンサチップにおいて第２検出部（Ｒ１'、Ｒ２'、Ｒ３'、Ｒ４'）を使用せず、第１検出部（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）のみを用いてＦｚ出力を算出した参考例に係る他軸成分のシミュレーションについて説明する図である。Ｘ軸座標が、−１５ｍｍ、０ｍｍ、＋１５ｍｍの三か所において、−１０Ｎの力をＺ軸方向に印加し、そのときのＦｚ出力をシミュレーションにより算出した。Ｘ軸座標が０ｍｍの位置ではＦｚ出力も−１０Ｎに近い値が出力されるが、Ｘ軸座標が−１５ｍｍ、＋１５ｍｍの位置では、Ｆｚ出力はそれぞれ−１２Ｎ、−８Ｎ程度であり、第１検出部（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）のみを用いる場合ではＦｚ方向の軸分離が不十分であることが確認された。

図１７は図１３に示されるセンサチップにおいて第１検出部（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）と第２検出部（Ｒ１'、Ｒ２'、Ｒ３'、Ｒ４'）を用いてＦｚ出力を算出した実施例に係る他軸成分のシミュレーションについて説明する図である。Ｘ軸座標が、−１５ｍｍ、０ｍｍ、＋１５ｍｍの三か所において、−１０Ｎの力をＺ軸方向に印加し、そのときのＦｚ出力をシミュレーションにより算出した。Ｘ軸座標が−１５ｍｍ、０ｍｍ、＋１５ｍｍの三か所のいずれの場所でも、Ｆｚ出力は−１０Ｎに近い値が出力された。第１検出部（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）と対称な配置である第２検出部（Ｒ１'、Ｒ２'、Ｒ３'、Ｒ４'）を用いることでＦｚ方向の軸分離が向上し、センサの精度を向上できることが確認された。

以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

１ 力覚センサ装置
２０ 起歪体
２１ 土台
２２ａ〜２２ｄ、２５ａ〜２５ｄ、２８ 柱
２３ａ〜２３ｄ、２６ａ〜２６ｄ 梁
２４ａ〜２４ｄ 入力部
２７ａ〜２７ｄ 突起部
３０ 入出力基板
３１ 電極
３２〜３５ 能動部品
３９ 受動部品
４０ 受力板
４０ｘ、４０ｚ 凹部
４０ｙ 貫通孔
４１、４２ 接着剤
１１０ センサチップ
１１１ａ〜１１１ｅ 支持部
１１２ａ〜１１２ｈ 補強用梁
１１３ａ〜１１３ｌ 検知用梁
１１４ａ〜１１４ｄ 力点
ＦｚＲ１〜ＦｚＲ４、ＦｚＲ１'〜ＦｚＲ４、ＭｚＲ１〜ＭｚＲ４、ＭｚＲ１'〜ＭｚＲ４'、ＦｘＲ１〜ＦｘＲ４、ＦｙＲ１〜ＦｙＲ４、ＭｘＲ１〜ＭｘＲ４、ＭｙＲ１〜ＭｙＲ４ ピエゾ抵抗素子

Claims (11)

1. 基板と、
   第１の支持部と、
   前記第１の支持部が周囲に配置され、前記基板の中央に配置された第２の支持部と、
   隣接する前記第１の支持部同士を連結する第１の検知用梁と、
   前記第１の検知用梁と前記第２の支持部との間に、前記第１の検知用梁に平行に設けられた第２の検知用梁と、
   前記第１の検知用梁に配置された、力が印加される力点と、
   前記第１の検知用梁及び前記第２の検知用梁の所定位置に配置された複数の歪検出素子と、を有し、
   前記複数の歪検出素子は、第１方向の力を検出可能な歪検出素子を有する第１検出部と、前記第１方向の力を検出可能であり、前記第１検出部に対して対称な位置に設けられた歪検出素子を有する第２検出部を含む
   センサチップ。
2. 平行に設けられた前記第１の検知用梁及び前記第２の検知用梁の組において、前記第１の検知用梁と前記第２の検知用梁とを連結する第３の検知用梁と、備え、
   前記力点は、前記第１の検知用梁と各々の前記第３の検知用梁との交点に配置されている
   請求項１に記載のセンサチップ。
3. １つの前記第２の検知用梁に、前記第１検出部の一部と前記第２検出部の一部が形成されており、
   前記１つの前記第２の検知用梁に平行に設けられている他の前記第２の検知用梁に、前記第１検出部の残部と前記第２検出部の残部が形成されている
   請求項１または２に記載のセンサチップ。
4. 前記基板の厚さ方向をＺ軸方向としたとき、
   前記第１方向がＺ軸方向であり、
   前記第１検出部と前記第２検出部は、前記基板の中央を通り前記Ｚ軸に直交する線に対して線対称な位置に設けられている
   請求項３に記載のセンサチップ。
5. 前記基板の厚さ方向をＺ軸方向としたとき、
   前記第１方向がＺ軸方向であり、
   前記第１検出部と前記第２検出部は、前記Ｚ軸周りの回転に対して１８０°回転対称な位置に設けられている
   請求項３に記載のセンサチップ。
6. 互いに平行な１対の前記第１の検知用梁に、前記第１検出部が形成されており、
   前記１対の前記第１の検知用梁と直交する他の１対の前記第１の検知用梁に、前記第２検出部が形成されている
   請求項１または２に記載のセンサチップ。
7. 前記基板の厚さ方向をＺ軸方向としたとき、
   前記第１方向がＺ軸周りに回転する方向であり、
   前記第１検出部と前記第２検出部は、前記Ｚ軸周りの回転に対して９０°回転対称な位置に設けられている
   請求項６に記載のセンサチップ。
8. 前記第１検出部と前記第２検出部の歪検出素子の抵抗値は、前記第１検出部と前記第２検出部以外の前記歪検出素子の抵抗値の半分である
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載のセンサチップ。
9. 前記第１検出部と前記第２検出部の歪検出素子の数の和は、前記第１方向とは異なる方向の力を検出する歪検出素子の数の倍数である
   請求項１乃至８のいずれか１項に記載のセンサチップ。
10. 前記第１の検知用梁の外側に前記第１の検知用梁と平行に設けられた、隣接する前記第１の支持部同士を連結する第１の補強用梁と、
    前記第１の支持部と前記第２の支持部とを連結する第２の補強用梁と、を有し、
    前記第２の補強用梁は、前記第１の補強用梁と非平行に配置され、
    前記第１の補強用梁及び前記第２の補強用梁は、前記第１の検知用梁及び前記第２の検知用梁よりも厚く形成され、
    前記第２の検知用梁は、隣接する前記第２の補強用梁の前記第２の支持部側の端部同士を連結している
    請求項１乃至９のいずれか１項に記載のセンサチップ。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のセンサチップと、
    印加された力を前記センサチップに伝達する起歪体と、を有する
    力覚センサ装置。