JP2022142118A - センサチップ、力覚センサ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】耐荷重と感度を両立したセンサチップを提供する。【解決手段】本センサチップは、歪検出素子の出力の変化に基づいて、所定の軸方向の力又はモーメントを多軸検知するセンサチップであって、複数の第１支持部を有し、各軸の前記歪検出素子の出力を増幅する複数の増幅器が、前記第１支持部に配置されて前記第１支持部と一体的に形成されている。【選択図】図２２

Description

本発明は、センサチップ、力覚センサ装置に関する。
従来、所定の軸方向の変位を検知する力覚センサ装置が知られている。一例として、センサチップと、センサチップの周囲に配置され、外力が加わる外力印加板、センサチップを支持する台座部、外力印加板を台座部に固定する外力緩衝機構、外力伝達機構である連結ロッドから成る構造体を備え、外力印加板と作用部が連結ロッドで連結されている力覚センサ装置が挙げられる。
センサチップは、例えば、外力が印加される作用部と、外部に固定する支持部と、作用部及び支持部を連結する連結部とで形成されており、作用部又は連結部の表面に、印加される外力に相当する歪み量をピエゾ効果により検出する抵抗素子が配置されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３－２０７４０５号公報
力覚センサ装置に用いるセンサチップでは、一般に、耐荷重を向上させると感度（出力）が低下するというトレードオフの関係がある。したがって、耐荷重と感度を両立したセンサチップを実現することは困難である。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、耐荷重と感度を両立したセンサチップの提供を目的とする。
本センサチップ（１００）は、歪検出素子（ＦｘＲ１等）の出力の変化に基づいて、所定の軸方向の力又はモーメントを多軸検知するセンサチップ（１００）であって、複数の第１支持部（１０１～１０４）を有し、各軸の前記歪検出素子（ＦｘＲ１等）の出力を増幅する複数の増幅器（Ｆｘ_ＡＭＰ等）が、前記第１支持部（１０１～１０４）に配置されて前記第１支持部（１０１～１０４）と一体的に形成されている。
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、耐荷重と感度を両立したセンサチップを提供できる。
第１実施形態に係る力覚センサ装置を例示する斜視図である。 第１実施形態に係る力覚センサ装置を例示する断面斜視図である。 入力伝達部にセンサチップが取り付けられた状態を示す上面側斜視図である。 入力伝達部にセンサチップが取り付けられた状態を示す下面側斜視図である。 センサチップ１００をＺ軸方向上側から視た斜視図である。 センサチップ１００をＺ軸方向上側から視た平面図である。 センサチップ１００をＺ軸方向下側から視た斜視図である。 センサチップ１００をＺ軸方向下側から視た底面図である。 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。 センサチップ１００のピエゾ抵抗素子の配置を例示する図である。 図１０に示すセンサチップの１組の検知ブロックの部分拡大図である。 各ピエゾ抵抗素子を用いた検出回路の一例を示す図（その１）である。 各ピエゾ抵抗素子を用いた検出回路の一例を示す図（その２）である。 Ｆｘ入力について説明する図である。 Ｆｙ入力について説明する図である。 起歪体２００を構成する受力板を例示する斜視図である。 起歪体２００を構成する起歪部を例示する斜視図である。 起歪体２００を構成する入力伝達部を例示する上面側の斜視図である。 起歪体２００を構成する入力伝達部を例示する下面側の斜視図である。 起歪体２００を構成する入力伝達部を例示する側面図である。 起歪体２００を構成する蓋板を例示する斜視図である。 センサチップ１００におけるＡＭＰの配置について説明する平面図である。 ピエゾ抵抗素子及びＡＭＰに接続される配線を模式的に示した平面図である。 各ＡＭＰの接続を示す図である。 各ＡＭＰを構成するトランジスタを例示する断面図である。 センサチップ１００ＡにおけるＡＭＰ及びＡＤＣの配置について説明する平面図である。
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。
〈第１実施形態〉
（力覚センサ装置１の概略構成）
図１は、第１実施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実施形態に係る力覚センサ装置を例示する断面斜視図である。図１及び図２を参照すると、力覚センサ装置１は、センサチップ１００と、起歪体２００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１００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２００は、印加された力及び／又はモーメントをセンサチップ１００に伝達する機能を有している。以降の実施形態では、一例として、センサチップ１００が６軸を検知する場合について説明するが、これには限定されず、例えば、センサチップ１００は３軸を検知する場合等にも用いることができる。
起歪体２００は、受力板２１０と、起歪部２２０と、入力伝達部２３０と、蓋板２４０とを有している。受力板２１０上に起歪部２２０が積層され、起歪部２２０上に入力伝達部２３０が積層され、入力伝達部２３０上に蓋板２４０が積層され、全体として略円筒状の起歪体２００を形成している。なお、起歪体２００としての機能は主に起歪部２２０及び入力伝達部２３０が担っているため、受力板２１０及び蓋板２４０は必要に応じて設けられる。
なお、本実施形態では、便宜上、力覚センサ装置１において、蓋板２４０側を上側又は一方の側、受力板２１０側を下側又は他方の側とする。また、各部位の蓋板２４０側の面を一方の面又は上面、受力板２１０側の面を他方の面又は下面とする。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、又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蓋板２４０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蓋板２４０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。
図３は、入力伝達部にセンサチップが取り付けられた状態を示す上面側斜視図である。図４は、入力伝達部にセンサチップが取り付けられた状態を示す下面側斜視図である。図３及び図４に示すように、入力伝達部２３０には、入力伝達部２３０の下面から起歪部２２０側に突出する収容部２３５が設けられている。そして、収容部２３５の蓋板２４０側に、センサチップ１００が固定されている。
具体的には、後述のように、収容部２３５の起歪部２２０側には、４つのセンサ接続部２３５ｃ（後述の図１８～図２０等参照）が配置されている。そして、各々のセンサ接続部２３５ｃは、センサチップ１００の力点１５１～１５４（後述の図５～図８等参照）の下面と接続されている。
また、収容部２３５は起歪部２２０側に入り込んでいる。そして、後述のように、起歪部２２０には、入力伝達部２３０側に突起する５本の柱状の第１接続部２２４ａ及び第２接続部２２４ｂ（後述の図１７等参照）が配置されている。そして、第１接続部２２４ａは、センサチップ１００の支持部１０１～１０４と接続されており、第２接続部２２４ｂは、センサチップ１００の支持部１０５と接続されている。
以下、センサチップ１００及び起歪体２００について詳説する。なお、以下の説明において、『平行』とは、２つの直線や辺等が０°±１０°の範囲にある場合を含むものとする。また、『垂直』又は『直交』とは、２つの直線や辺等が９０°±１０°の範囲にある場合を含むものとする。ただし、個別に特別な説明がある場合は、この限りではない。また、『中心』や『中央』は、対象物のおおよその中心や中央を示すものであり、厳密な中心や中央を示すものではない。すなわち、製造誤差程度のばらつきは、許容されるものとする。点対称や線対称等についても同様である。
（センサチップ１００）
図５は、センサチップ１００をＺ軸方向上側から視た斜視図である。図６は、センサチップ１００をＺ軸方向上側から視た平面図である。図７は、センサチップ１００をＺ軸方向下側から視た斜視図である。図８は、センサチップ１００をＺ軸方向下側から視た底面図である。なお、図８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、ここでは、センサチップ１００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１００の厚さ方向（センサチップ１００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５～図８に示すセンサチップ１００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１００の平面形状は、例えば、７０００μｍ角程度の矩形（正方形又は長方形）とすることができる。
センサチップ１００は、柱状の５つの支持部１０１～１０５を備えている。支持部１０１～１０５の平面形状は、例えば、２０００μｍ角程度の正方形とすることができる。支持部１０１～１０４は、矩形のセンサチップ１００の四隅に配置されている。支持部１０５は、矩形のセンサチップ１００の中央に配置されている。なお、支持部１０１～１０４は本発明に係る第１支持部の代表的な一例であり、支持部１０５は本発明に係る第２支持部の代表的な一例である。
支持部１０１と支持部１０２との間には、支持部１０１と支持部１０２とに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）枠部１１２が設けられている。支持部１０２と支持部１０３との間には、支持部１０２と支持部１０３とに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）枠部１１３が設けられている。
支持部１０３と支持部１０４との間には、支持部１０３と支持部１０４とに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）枠部１１４が設けられている。支持部１０４と支持部１０１との間には、支持部１０４と支持部１０１とに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）枠部１１１が設けられている。
言い換えれば、４つの枠部１１１、１１２、１１３、及び１１４が枠状に形成され、各枠部の交点をなす角部が、支持部１０１、１０２、１０３、及び１０４となる。
支持部１０１の内側の角部と、それに対向する支持部１０５の角部とは、連結部１２１により連結されている。支持部１０２の内側の角部と、それに対向する支持部１０５の角部とは、連結部１２２により連結されている。
支持部１０３の内側の角部と、それに対向する支持部１０５の角部とは、連結部１２３により連結されている。支持部１０４の内側の角部と、それに対向する支持部１０５の角部とは、連結部１２４により連結されている。
すなわち、センサチップ１００は、支持部１０５と支持部１０１～１０４とを連結する連結部１２１～１２４を有している。連結部１２１～１２４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、連結部１２１～１２４は、枠部１１１、１１２、１１３、及び１１４と非平行に配置されている。
支持部１０１～１０５、枠部１１１～１１４、及び連結部１２１～１２４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、４００μｍ～６００μｍ程度とすることができる。
センサチップ１００は、４つの検知ブロックＢ１～Ｂ４を有している。また、各々の検知ブロックは、歪検出素子であるピエゾ抵抗素子が配置されたＴ字型梁構造を３組備えている。ここで、Ｔ字型梁構造とは、第１検知用梁と、第１検知用梁の中央部から第１検知用梁と直交する方向に伸びて力点と接続する第２検知用梁とを含む構造を指す。
なお、検知用梁とは、ピエゾ抵抗素子を配置可能な梁を指すが、必ずしもピエゾ抵抗素子を配置しなくてもよい。つまり、検知用梁は、ピエゾ抵抗素子を配置することで力やモーメントの検出が可能であるが、センサチップ１００は、ピエゾ抵抗素子を配置せず、力やモーメントの検出に用いない検知用梁を有してもよい。
具体的には、検知ブロックＢ１は、Ｔ字型梁構造１３１Ｔ１、１３１Ｔ２、及び１３１Ｔ３を備えている。また、検知ブロックＢ２は、Ｔ字型梁構造１３２Ｔ１、１３２Ｔ２、及び１３２Ｔ３を備えている。また、検知ブロックＢ３は、Ｔ字型梁構造１３３Ｔ１、１３３Ｔ２、及び１３３Ｔ３を備えている。また、検知ブロックＢ４は、Ｔ字型梁構造１３４Ｔ１、１３４Ｔ２、及び１３４Ｔ３を備えている。以下に、より詳しい梁構造の説明を行う。
検知ブロックＢ１には、平面視において、枠部１１１の支持部１０１に近い側と、連結部１２１の支持部１０５に近い側とを橋渡しするように、所定間隔を空けて支持部１０１の支持部１０４側の辺と平行に第１検知用梁１３１ａが設けられている。また、第１検知用梁１３１ａの長手方向の中央部に一端が接続され、支持部１０４側に向かって第１検知用梁１３１ａの長手方向と垂直方向に伸びる第２検知用梁１３１ｂが設けられている。第１検知用梁１３１ａと第２検知用梁１３１ｂとは、Ｔ字型梁構造１３１Ｔ１を形成している。
平面視において、枠部１１１の支持部１０４に近い側と、連結部１２４の支持部１０５に近い側とを橋渡しするように、所定間隔を空けて支持部１０４の支持部１０１側の辺と平行に第１検知用梁１３１ｃが設けられている。また、第１検知用梁１３１ｃの長手方向の中央部に一端が接続され、支持部１０１側に向かって第１検知用梁１３１ｃの長手方向と垂直方向に伸びる第２検知用梁１３１ｄが設けられている。第１検知用梁１３１ｃと第２検知用梁１３１ｄとは、Ｔ字型梁構造１３１Ｔ２を形成している。
平面視において、連結部１２１の支持部１０５に近い側と、連結部１２４の支持部１０５に近い側とを橋渡しするように、所定間隔を空けて支持部１０５の枠部１１１側の辺と平行に第１検知用梁１３１ｅが設けられている。また、第１検知用梁１３１ｅの長手方向の中央部に一端が接続され、枠部１１１側に向かって第１検知用梁１３１ｅの長手方向と垂直方向に伸びる第２検知用梁１３１ｆが設けられている。第１検知用梁１３１ｅと第２検知用梁１３１ｆとは、Ｔ字型梁構造１３１Ｔ３を形成している。
第２検知用梁１３１ｂと第２検知用梁１３１ｄと第２検知用梁１３１ｆの他端側同士が接続して接続部１４１を形成し、接続部１４１の下面側に力点１５１が設けられている。力点１５１は、例えば、四角柱状である。Ｔ字型梁構造１３１Ｔ１、１３１Ｔ２、及び１３１Ｔ３と接続部１４１及び力点１５１とにより、検知ブロックＢ１を構成している。
検知ブロックＢ１において、第１検知用梁１３１ａと第１検知用梁１３１ｃと第２検知用梁１３１ｆとは平行であり、第２検知用梁１３１ｂ及び１３１ｄと第１検知用梁１３１ｅとは平行である。検知ブロックＢ１の各々の検知用梁の厚さは、例えば、３０μｍ～５０μｍ程度とすることができる。
検知ブロックＢ２には、平面視において、枠部１１２の支持部１０２に近い側と、連結部１２２の支持部１０５に近い側とを橋渡しするように、所定間隔を空けて支持部１０２の支持部１０１側の辺と平行に第１検知用梁１３２ａが設けられている。また、第１検知用梁１３２ａの長手方向の中央部に一端が接続され、支持部１０１側に向かって第１検知用梁１３２ａの長手方向と垂直方向に伸びる第２検知用梁１３２ｂが設けられている。第１検知用梁１３２ａと第２検知用梁１３２ｂとは、Ｔ字型梁構造１３２Ｔ１を形成している。
平面視において、枠部１１２の支持部１０１に近い側と、連結部１２１の支持部１０５に近い側とを橋渡しするように、所定間隔を空けて支持部１０１の支持部１０２側の辺と平行に第１検知用梁１３２ｃが設けられている。また、第１検知用梁１３２ｃの長手方向の中央部に一端が接続され、支持部１０２側に向かって第１検知用梁１３２ｃの長手方向と垂直方向に伸びる第２検知用梁１３２ｄが設けられている。第１検知用梁１３２ｃと第２検知用梁１３２ｄとは、Ｔ字型梁構造１３２Ｔ２を形成している。
平面視において、連結部１２２の支持部１０５に近い側と、連結部１２１の支持部１０５に近い側とを橋渡しするように、所定間隔を空けて支持部１０５の枠部１１２側の辺と平行に第１検知用梁１３２ｅが設けられている。また、第１検知用梁１３２ｅの長手方向の中央部に一端が接続され、枠部１１２側に向かって第１検知用梁１３２ｅの長手方向と垂直方向に伸びる第２検知用梁１３２ｆが設けられている。第１検知用梁１３２ｅと第２検知用梁１３２ｆとは、Ｔ字型梁構造１３２Ｔ３を形成している。
第２検知用梁１３２ｂと第２検知用梁１３２ｄと第２検知用梁１３２ｆの他端側同士が接続して接続部１４２を形成し、接続部１４２の下面側に力点１５２が設けられている。力点１５２は、例えば、四角柱状である。Ｔ字型梁構造１３２Ｔ１、１３２Ｔ２、及び１３２Ｔ３と接続部１４２及び力点１５２とにより、検知ブロックＢ２を構成している。
検知ブロックＢ２において、第１検知用梁１３２ａと第１検知用梁１３２ｃと第２検知用梁１３２ｆとは平行であり、第２検知用梁１３２ｂ及び１３２ｄと第１検知用梁１３２ｅとは平行である。検知ブロックＢ２の各々の検知用梁の厚さは、例えば、３０μｍ～５０μｍ程度とすることができる。
検知ブロックＢ３には、平面視において、枠部１１３の支持部１０３に近い側と、連結部１２３の支持部１０５に近い側とを橋渡しするように、所定間隔を空けて支持部１０３の支持部１０２側の辺と平行に第１検知用梁１３３ａが設けられている。また、第１検知用梁１３３ａの長手方向の中央部に一端が接続され、支持部１０２側に向かって第１検知用梁１３３ａの長手方向と垂直方向に伸びる第２検知用梁１３３ｂが設けられている。第１検知用梁１３３ａと第２検知用梁１３３ｂとは、Ｔ字型梁構造１３３Ｔ１を形成している。
平面視において、枠部１１３の支持部１０２に近い側と、連結部１２２の支持部１０５に近い側とを橋渡しするように、所定間隔を空けて支持部１０２の支持部１０３側の辺と平行に第１検知用梁１３３ｃが設けられている。また、第１検知用梁１３３ｃの長手方向の中央部に一端が接続され、支持部１０３側に向かって第１検知用梁１３３ｃの長手方向と垂直方向に伸びる第２検知用梁１３３ｄが設けられている。第１検知用梁１３３ｃと第２検知用梁１３３ｄとは、Ｔ字型梁構造１３３Ｔ２を形成している。
平面視において、連結部１２３の支持部１０５に近い側と、連結部１２２の支持部１０５に近い側とを橋渡しするように、所定間隔を空けて支持部１０５の枠部１１３側の辺と平行に第１検知用梁１３３ｅが設けられている。また、第１検知用梁１３３ｅの長手方向の中央部に一端が接続され、枠部１１３側に向かって第１検知用梁１３３ｅの長手方向と垂直方向に伸びる第２検知用梁１３３ｆが設けられている。第１検知用梁１３３ｅと第２検知用梁１３３ｆとは、Ｔ字型梁構造１３３Ｔ３を形成している。
第２検知用梁１３３ｂと第２検知用梁１３３ｄと第２検知用梁１３３ｆの他端側同士が接続して接続部１４３を形成し、接続部１４３の下面側に力点１５３が設けられている。力点１５３は、例えば、四角柱状である。Ｔ字型梁構造１３３Ｔ１、１３３Ｔ２、及び１３３Ｔ３と接続部１４３及び力点１５３とにより、検知ブロックＢ３を構成している。
検知ブロックＢ３において、第１検知用梁１３３ａと第１検知用梁１３３ｃと第２検知用梁１３３ｆとは平行であり、第２検知用梁１３３ｂ及び１３３ｄと第１検知用梁１３３ｅとは平行である。検知ブロックＢ３の各々の検知用梁の厚さは、例えば、３０μｍ～５０μｍ程度とすることができる。
検知ブロックＢ４には、平面視において、枠部１１４の支持部１０４に近い側と、連結部１２４の支持部１０５に近い側とを橋渡しするように、所定間隔を空けて支持部１０４の支持部１０３側の辺と平行に第１検知用梁１３４ａが設けられている。また、第１検知用梁１３４ａの長手方向の中央部に一端が接続され、支持部１０３側に向かって第１検知用梁１３４ａの長手方向と垂直方向に伸びる第２検知用梁１３４ｂが設けられている。第１検知用梁１３４ａと第２検知用梁１３４ｂとは、Ｔ字型梁構造１３４Ｔ１を形成している。
平面視において、枠部１１４の支持部１０３に近い側と、連結部１２３の支持部１０５に近い側とを橋渡しするように、所定間隔を空けて支持部１０３の支持部１０４側の辺と平行に第１検知用梁１３４ｃが設けられている。また、第１検知用梁１３４ｃの長手方向の中央部に一端が接続され、支持部１０４側に向かって第１検知用梁１３４ｃの長手方向と垂直方向に伸びる第２検知用梁１３４ｄが設けられている。第１検知用梁１３４ｃと第２検知用梁１３４ｄとは、Ｔ字型梁構造１３４Ｔ２を形成している。
平面視において、連結部１２４の支持部１０５に近い側と、連結部１２３の支持部１０５に近い側とを橋渡しするように、所定間隔を空けて支持部１０５の枠部１１４側の辺と平行に第１検知用梁１３４ｅが設けられている。また、第１検知用梁１３４ｅの長手方向の中央部に一端が接続され、枠部１１４側に向かって第１検知用梁１３４ｅの長手方向と垂直方向に伸びる第２検知用梁１３４ｆが設けられている。第１検知用梁１３４ｅと第２検知用梁１３４ｆとは、Ｔ字型梁構造１３４Ｔ３を形成している。
第２検知用梁１３４ｂと第２検知用梁１３４ｄと第２検知用梁１３４ｆの他端側同士が接続して接続部１４４を形成し、接続部１４４の下面側に力点１５４が設けられている。力点１５４は、例えば、四角柱状である。Ｔ字型梁構造１３４Ｔ１、１３４Ｔ２、及び１３４Ｔ３と接続部１４４及び力点１５４とにより、検知ブロックＢ４を構成している。
検知ブロックＢ４において、第１検知用梁１３４ａと第１検知用梁１３４ｃと第２検知用梁１３４ｆとは平行であり、第２検知用梁１３４ｂ及び１３４ｄと第１検知用梁１３４ｅとは平行である。検知ブロックＢ４の各々の検知用梁の厚さは、例えば、３０μｍ～５０μｍ程度とすることができる。
このように、センサチップ１００は、４つの検知ブロック（検知ブロックＢ１～Ｂ４）を有している。そして、各々の検知ブロックは、支持部１０１～１０４のうちの隣接する支持部と、隣接する支持部に連結する枠部及び連結部と、支持部１０５と、に囲まれた領域に配置されている。平面視で、各々の検知ブロックは、例えば、センサチップの中心に対して点対称に配置することができる。
また、各々の検知ブロックは、Ｔ字型梁構造を３組備えている。各々の検知ブロックにおいて、３組のＴ字型梁構造は、平面視で、接続部を挟んで第１検知用梁が平行に配置された２組のＴ字型梁構造と、２組のＴ字型梁構造の第２検知用梁と平行に配置された第１検知用梁を備えた１組のＴ字型梁構造とを含む。そして、１組のＴ字型梁構造の第１検知用梁は、接続部と支持部１０５との間に配置されている。
例えば、検知ブロックＢ１では、３組のＴ字型梁構造は、平面視で、接続部１４１を挟んで第１検知用梁１３１ａと第１検知用梁１３１ｃとが平行に配置されたＴ字型梁構造１３１Ｔ１及び１３１Ｔ２と、Ｔ字型梁構造１３１Ｔ１及び１３１Ｔ２の第２検知用梁１３１ｂ及び１３１ｄと平行に配置された第１検知用梁１３１ｅを備えたＴ字型梁構造１３１Ｔ３とを含む。そして、Ｔ字型梁構造１３１Ｔ３の第１検知用梁１３１ｅは、接続部１４１と支持部１０５との間に配置されている。検知ブロックＢ２～Ｂ４も同様の構造である。
力点１５１～１５４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１５１～１５４のそれぞれの下面は、支持部１０１～１０５の下面と略面一である。
このように、力又は変位を４つの力点１５１～１５４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。力点の数は組み合わされる起歪体の変位入力箇所と同数である。
なお、センサチップ１００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。
センサチップ１００の支持部１０１～１０５は起歪体２００の非可動部に接続され、力点１５１～１５４は起歪体２００の可動部に接続される。ただし、可動と非可動との関係が逆であっても力覚センサ装置として機能する。すなわち、センサチップ１００の支持部１０１～１０５は起歪体２００の可動部に接続され、力点１５１～１５４は起歪体２００の非可動部に接続されてもよい。
図９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９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１０は、センサチップ１００のピエゾ抵抗素子の配置を例示する図である。図１１は、図１０に示すセンサチップの１組の検知ブロックの部分拡大図である。図１０及び図１１に示すように、４つ力点１５１～１５４に対応する各検知ブロックの所定位置には、ピエゾ抵抗素子が配置されている。なお、図１０に示す他の検知ブロックにおけるピエゾ抵抗素子の配置は、図１１に示す一の検知ブロックにおけるピエゾ抵抗素子の配置と同様である。
図５～図８、図１０、及び図１１を参照すると、接続部１４１及び力点１５１を有する検知ブロックＢ１において、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ１'は、第１検知用梁１３１ａにおいて、第２検知用梁１３１ｂと第１検知用梁１３１ｅとの間に位置する部分の第２検知用梁１３１ｂに近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｘＲ３は、第１検知用梁１３１ａにおいて、第２検知用梁１３１ｂと第１検知用梁１３１ｅとの間に位置する部分の第１検知用梁１３１ｅに近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＭｘＲ１は、第２検知用梁１３１ｂにおいて、接続部１４１に近い側に配置されている。
また、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ２'は、第１検知用梁１３１ｃにおいて、第２検知用梁１３１ｄと第１検知用梁１３１ｅとの間に位置する部分の第２検知用梁１３１ｄに近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｘＲ１は、第１検知用梁１３１ｃにおいて、第２検知用梁１３１ｄと第１検知用梁１３１ｅとの間に位置する部分の第１検知用梁１３１ｅに近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＭｘＲ２は、第２検知用梁１３１ｄにおいて、接続部１４１に近い側に配置されている。
また、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１'は、第２検知用梁１３１ｆにおいて、接続部１４１に近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ２'は、第２検知用梁１３１ｆにおいて、第１検知用梁１３１ｅに近い側に配置されている。なお、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ１'、ＦｘＲ３、ＭｘＲ１、ＭｚＲ２'、ＦｘＲ１、及びＭｘＲ２は、各々の検知用梁の長手方向の中心からオフセットした位置に配置されている。
接続部１４２及び力点１５２を有する検知ブロックＢ２において、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ４は、第１検知用梁１３２ａにおいて、第２検知用梁１３２ｂと第１検知用梁１３２ｅとの間に位置する部分の第２検知用梁１３２ｂに近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｙＲ３は、第１検知用梁１３２ａにおいて、第２検知用梁１３２ｂと第１検知用梁１３２ｅとの間に位置する部分の第１検知用梁１３２ｅに近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＭｙＲ４は、第２検知用梁１３２ｂにおいて、接続部１４２に近い側に配置されている。
また、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ３は、第１検知用梁１３２ｃにおいて、第２検知用梁１３２ｄと第１検知用梁１３２ｅとの間に位置する部分の第２検知用梁１３２ｄに近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｙＲ１は、第１検知用梁１３２ｃにおいて、第２検知用梁１３２ｄと第１検知用梁１３２ｅとの間に位置する部分の第１検知用梁１３２ｅに近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＭｙＲ３は、第２検知用梁１３２ｄにおいて、接続部１４２に近い側に配置されている。
また、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ４は、第２検知用梁１３２ｆにおいて、接続部１４２に近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ３は、第２検知用梁１３２ｆにおいて、第１検知用梁１３２ｅに近い側に配置されている。なお、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ４、ＦｙＲ３、ＭｙＲ４、ＭｚＲ３、ＦｙＲ１、及びＭｙＲ３は、各々の検知用梁の長手方向の中心からオフセットした位置に配置されている。
接続部１４３及び力点１５３を有する検知ブロックＢ３において、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ４'は、第１検知用梁１３３ａにおいて、第２検知用梁１３３ｂと第１検知用梁１３３ｅとの間に位置する部分の第２検知用梁１３３ｂに近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｘＲ２は、第１検知用梁１３３ａにおいて、第２検知用梁１３３ｂと第１検知用梁１３３ｅとの間に位置する部分の第１検知用梁１３３ｅに近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＭｘＲ４は、第２検知用梁１３３ｂにおいて、接続部１４３に近い側に配置されている。
また、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ３'は、第１検知用梁１３３ｃにおいて、第２検知用梁１３３ｄと第１検知用梁１３３ｅとの間に位置する部分の第２検知用梁１３３ｄに近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｘＲ４は、第１検知用梁１３３ｃにおいて、第２検知用梁１３３ｄと第１検知用梁１３３ｅとの間に位置する部分の第１検知用梁１３３ｅに近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＭｘＲ３は、第２検知用梁１３３ｄにおいて、接続部１４３に近い側に配置されている。
また、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ４'は、第２検知用梁１３３ｆにおいて、接続部１４３に近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ３'は、第２検知用梁１３３ｆにおいて、第１検知用梁１３３ｅに近い側に配置されている。なお、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ４'、ＦｘＲ２、ＭｘＲ４、ＭｚＲ３'、ＦｘＲ４、及びＭｘＲ３は、各々の検知用梁の長手方向の中心からオフセットした位置に配置されている。
接続部１４４及び力点１５４を有する検知ブロックＢ４において、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ１は、第１検知用梁１３４ａにおいて、第２検知用梁１３４ｂと第１検知用梁１３４ｅとの間に位置する部分の第２検知用梁１３４ｂに近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｙＲ２は、第１検知用梁１３４ａにおいて、第２検知用梁１３４ｂと第１検知用梁１３４ｅとの間に位置する部分の第１検知用梁１３４ｅに近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＭｙＲ１は、第２検知用梁１３４ｂにおいて、接続部１４４に近い側に配置されている。
また、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ２は、第１検知用梁１３４ｃにおいて、第２検知用梁１３４ｄと第１検知用梁１３４ｅとの間に位置する部分の第２検知用梁１３４ｄに近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｙＲ４は、第１検知用梁１３４ｃにおいて、第２検知用梁１３４ｄと第１検知用梁１３４ｅとの間に位置する部分の第１検知用梁１３４ｅに近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＭｙＲ２は、第２検知用梁１３４ｄにおいて、接続部１４４に近い側に配置されている。
また、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１は、第２検知用梁１３４ｆにおいて、接続部１４４に近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ２は、第２検知用梁１３４ｆにおいて、第１検知用梁１３４ｅに近い側に配置されている。なお、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ１、ＦｙＲ２、ＭｙＲ１、ＭｚＲ２、ＦｙＲ４、及びＭｙＲ２は、各々の検知用梁の長手方向の中心からオフセットした位置に配置されている。
このように、センサチップ１００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１５１～１５４に印加された入力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、所定の軸方向の力又はモーメントを最大で６軸検知できる。
なお、センサチップ１００において、歪の検出に用いるピエゾ抵抗素子以外に、ダミーのピエゾ抵抗素子が配置されてもよい。ダミーのピエゾ抵抗素子は、検知用梁にかかる応力やブリッジ回路の抵抗のバランスを調整するために用いられ、例えば、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１０５の中心に対して点対称となるように配置される。
センサチップ１００では、Ｔ字型梁構造を構成する第１検知用梁に、Ｘ軸方向の変位及びＹ軸方向の変位を検知する複数のピエゾ抵抗素子を配置している。また、Ｔ字型梁構造を構成する第２検知用梁に、Ｚ軸方向の変位を検知する複数のピエゾ抵抗素子を配置している。また、Ｔ字型梁構造を構成する第１検知用梁に、Ｚ軸方向のモーメントを検知する複数のピエゾ抵抗素子を配置している。また、Ｔ字型梁構造を構成する第２検知用梁に、Ｘ軸方向のモーメント及びＹ軸方向のモーメントを検知する複数のピエゾ抵抗素子を配置している。
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及びＦｚＲ１'～ＦｚＲ４'は力Ｆｚを検出する。また、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及び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１００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１５１～１５４に印加（伝達）された力又は変位の向き（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。また、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。
なお、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。
センサチップ１００において、力及びモーメントは、例えば、以下に説明する検出回路を用いて検出できる。図１２及び図１３に各ピエゾ抵抗素子を用いた検出回路の一例を示す。図１２及び図１３において、四角で囲まれた数字は外部出力端子を示している。例えば、Ｎｏ１はＦｘ軸Ｆｙ軸Ｆｚ軸の電源端子、Ｎｏ２はＦｘ軸出力マイナス端子、Ｎｏ３はＦｘ軸のＧＮＤ端子、Ｎｏ４はＦｘ軸出力プラス端子である。Ｎｏ１９はＦｙ軸出力マイナス端子、Ｎｏ２０はＦｙ軸のＧＮＤ端子、Ｎｏ２１はＦｙ軸出力プラス端子である。Ｎｏ２２はＦｚ軸出力マイナス端子、Ｎｏ２３はＦｚ軸のＧＮＤ端子、Ｎｏ２４はＦｚ軸出力プラス端子である。
また、Ｎｏ９はＭｘ軸出力マイナス端子、Ｎｏ１０はＭｘ軸のＧＮＤ端子、Ｎｏ１１はＭｘ軸出力プラス端子である。Ｎｏ１２はＭｘ軸Ｍｙ軸Ｍｚ軸の電源端子である。Ｎｏ１３はＭｙ軸出力マイナス端子、Ｎｏ１４はＭｙ軸のＧＮＤ端子、Ｎｏ１５はＭｙ軸出力プラス端子である。Ｎｏ１６はＭｚ軸出力マイナス端子、Ｎｏ１７はＭｚ軸のＧＮＤ端子、Ｎｏ１８はＭｚ軸出力プラス端子である。
次に、検知用梁の変形について説明する。図１４は、Ｆｘ入力について説明する図である。図１５は、Ｆｙ入力について説明する図である。図１４に示すように、センサチップ１００が搭載される起歪体２００からの入力がＦｘである場合、４つの力点１５１～１５４の全てが同じ方向（図１４の例では右方向）に移動しようとする。同様に、図１５に示すように、センサチップ１００が搭載される起歪体２００からの入力がＦｙである場合、４つの力点１５１～１５４の全てが同じ方向（図１５の例では上方向）に移動しようとする。すなわち、センサチップ１００では、４つの検知ブロックが存在するが、いずれの検知ブロックにおいても、Ｘ軸方向の変位及びＹ軸方向の変位に対して、すべての力点が同じ方向に移動する。
センサチップ１００では、Ｔ字型梁構造の第１検知用梁の中に、入力の変位方向に対して直交する第１検知用梁を１つ以上有し、入力の変位方向に対して直交する第１検知用梁が大きな変形に対応できる。
Ｆｘ入力の検知に使用する梁は、第１検知用梁１３１ａ、１３１ｃ、１３３ａ、及び１３３ｃであり、いずれも力点から一定距離離れたＴ字型梁構造の第１検知用梁である。また、Ｆｙ入力の検知に使用する梁は、第１検知用梁１３２ａ、１３２ｃ、１３４ａ、及び１３４ｃであり、いずれも力点から一定距離離れたＴ字型梁構造の第１検知用梁である。
Ｆｘ入力及びＦｙ入力において、ピエゾ抵抗素子が配置されたＴ字型梁構造の第１検知用梁が大きく変形することで、入力される力を効果的に検知できる。また、入力の検知に使用しない梁もＦｘ入力及びＦｙ入力の変位に追従して大きく変形可能に設計されているため、大きなＦｘ入力及び／又はＦｙ入力があっても検知用梁が破壊されることがない。
なお、従来のセンサチップでは、Ｆｘ入力及び／又はＦｙ入力に対して大きく変形できない梁が存在していたため、大きなＦｘ入力及び／又はＦｙ入力があった場合には、変形できない検知用梁が破壊されるおそれがあった。センサチップ１００では、このような問題を抑制できる。すなわち、センサチップ１００では、様々な方向の変位に対する梁の破壊耐性を向上できる。
このように、センサチップ１００は、入力の変位方向に対して直交する第１検知用梁を１つ以上有し、入力の変位方向に対して直交する第１検知用梁が大きく変形できる。そのため、Ｆｘ入力及びＦｙ入力を効果的に検知できると共に、大きなＦｘ入力及び／又はＦｙ入力があっても検知用梁が破壊されることがない。その結果、センサチップ１００は、大きな定格にも対応でき、測定範囲や耐荷重の向上が可能となる。例えば、センサチップ１００では、定格を従来の１０倍程度である５００Ｎとすることも可能である。
また、各検知ブロックにおいて力点から３方向へ繋がるＴ字型梁構造が入力によって異なる変形をするため、多軸の力を分離性良く検出できる。
また、梁がＴ字型であるため、梁から枠部や連結部へ至る経路が多いため、配線をセンサチップの外周部へ引き回すことが容易となり、レイアウト自由度を向上できる。
センサチップ１００では、Ｚ軸方向のモーメントに対しては、各力点を挟んで対向して配置された第１検知用梁１３１ａ、１３１ｃ、１３２ａ、１３２ｃ、１３３ａ、１３３ｃ、１３４ａ、及び１３４ｃが大きく変形する。従って、これらの第１検知用梁の一部又は全部にピエゾ抵抗素子を配置できる。
また、Ｚ軸方向の変位に対しては、主に、各力点に直接繋がる第２検知用梁１３１ｂ、１３１ｄ、１３１ｆ、１３２ｂ、１３２ｄ、１３２ｆ、１３３ｂ、１３３ｄ、１３３ｆ、１３４ｂ、１３４ｄ、及び１３４ｆが大きく変形する。従って、これらの第２検知用梁の一部又は全部にピエゾ抵抗素子を配置できる。
（起歪体２００）
図１及び図２に示したように、起歪体２００は、受力板２１０と、起歪部２２０と、入力伝達部２３０と、蓋板２４０とを有している。ここでは、起歪体２００の各構成部について説明する。
図１６は、起歪体２００を構成する受力板を例示する斜視図である。図１６に示すように、受力板２１０は、略円盤状の部材であり、被測定物から力やモーメントが入力される部材である。被測定物から力やモーメントが入力された場合にも、受力板２１０自体はほとんど変形しないため、受力板２１０に接続される起歪部２２０へ変形（変位）が損失なく伝わる。受力板２１０には、貫通孔２１１が設けられている。貫通孔２１１は、例えば、受力板２１０を被測定物にねじで締結する際に使用できる。
図１７は、起歪体２００を構成する起歪部を例示する斜視図である。図１７に示すように、起歪部２２０は、全体的には略円盤状の部材であり、受力板２１０から力を受けて変形する部分である。
起歪部２２０は、平面視で略リング状の外枠部２２１と、外枠部２２１と離隔して外枠部２２１の内側に配置された平面視で略矩形状の中央部２２２と、外枠部２２１と中央部２２２とを橋渡しする複数の梁構造２２３とを有している。中央部２２２の矩形の四隅には、受力板２１０との接続を補強する補強部２２２ａが設けられている。外枠部２２１の外径は、例えば、５０ｍｍ程度である。梁構造２２３の厚さは、例えば、１０ｍｍ～１５ｍｍ程度である。
複数の梁構造２２３は、例えば、起歪部２２０の中心に対して点対称に配置される。梁構造２２３は、例えば、４つである。各々の梁構造２２３は、例えば、第１梁と、第１梁の中央部から第１梁と直交する方向に伸びる第２梁とを含むＴ字型であり、第１梁の両端が外枠部２２１と連結し、第２梁の端部が中央部２２２と連結する。例えば、平面視で、起歪部２２０は、外枠部２２１の中心に対して４回対称である。
中央部２２２は外枠部２２１よりも薄く形成されており、梁構造２２３は中央部２２２よりもさらに薄く形成されている。中央部２２２の上面及び梁構造２２３の上面は略面一であり、外枠部２２１の上面よりも低い位置にある。中央部２２２の下面は、外枠部２２１の下面よりも僅かに突出している。梁構造２２３の下面は、外枠部２２１の下面及び中央部２２２の下面よりも高い位置にある。受力板２１０から力を受けて変形するのは梁構造２２３及び中央部２２２のみであり、外枠部２２１は変形しない。ただし、中央部２２２は梁構造２２３の変形に追従して動くだけで、中央部２２２自体は変形しない。
中央部２２２の入力伝達部２３０側の面の中心付近には、入力伝達部２３０側に開口する（受力板２１０側に窪む）平面視で略矩形状の溝２２０ｘが形成されている。溝２２０ｘの内側には、溝２２０ｘの底面からさらに受力板２１０側に窪む溝２２０ｙが形成されている。溝２２０ｙは、平面視で正方形の溝と、正方形の一辺よりも長い細長状の２本の溝が直交した十字形の溝とが、中心を合わせた状態で重なった形状である。平面視で正方形の溝と、平面視で十字形の溝とは、同じ深さである。
十字形の溝の外側で正方形の溝の四隅の部分には、入力伝達部２３０側に突起する４本の略円柱状の第１接続部２２４ａが、溝２２０ｙの内壁と接しないように配置されている。正方形の溝の中心の部分には、入力伝達部２３０側に突起する１本の略四角柱状の第２接続部２２４ｂが配置されている。
第１接続部２２４ａは、センサチップ１００の支持部１０１～１０４と接続される部分である。第２接続部２２４ｂは、センサチップ１００の支持部１０５と接続される部分である。各々の第１接続部２２４ａと第２接続部２２４ｂの上面は略面一であり、中央部２２２の上面及び梁構造２２３の上面よりも低い位置にある。
なお、中央部２２２の上面側には空間が設けられているため、中央部２２２の上面側に、例えば、外枠部２２１の上面から突出しないように、コネクタや半導体素子等の電子部品が実装された回路基板等を配置してもよい。
図１８は、起歪体２００を構成する入力伝達部を例示する上面側の斜視図である。図１９は、起歪体２００を構成する入力伝達部を例示する下面側の斜視図である。図２０は、起歪体２００を構成する入力伝達部を例示する側面図である。図１８～図２０に示すように、入力伝達部２３０は、全体的には略円盤状の部材であり、起歪部２２０の変形（入力）をセンサチップ１００に伝達する部分である。入力伝達部２３０は、いずれの部分も受ける力やモーメントで変形しない。
入力伝達部２３０は、平面視で略リング状の外枠部２３１と、外枠部２３１の内周に隣接する平面視で略リング状の内枠部２３２と、内枠部２３２の内側に設けられた収容部２３５とを有している。外枠部２３１の外径は、例えば、５０ｍｍ程度である。平面視で、入力伝達部２３０は、外枠部２３１の中心に対して４回対称である。
内枠部２３２は、外枠部２３１よりも薄く形成されている。内枠部２３２の上面は、外枠部２３１の上面よりも低い位置にある。内枠部２３２の下面は、外枠部２３１の下面よりも高い位置にある。
収容部２３５は、４本の水平支持部２３５ａと、４本の垂直支持部２３５ｂと、４本のセンサ接続部２３５ｃとを有し、センサチップ１００を収容可能である。１本の水平支持部２３５ａと、１本の垂直支持部２３５ｂと、１本のセンサ接続部２３５ｃとは、屈曲する１つの梁構造を構成している。つまり、収容部２３５は、４つの梁構造を含む。
各々の水平支持部２３５ａは、平面視で内枠部２３２の内側面に等間隔に配置され、内枠部２３２の内側面から水平方向に伸びる。各々の水平支持部２３５ａの厚さは、内枠部２３２の厚さと略同一である。
各々の垂直支持部２３５ｂは、各々の水平支持部２３５ａの内周端から起歪部２２０側に垂直に伸びる。各々の垂直支持部２３５ｂの上面及び下面は、いずれも外枠部２３１の下面よりも低い位置にある。各々の垂直支持部２３５ｂは、厚さ及び幅が略一定である。
各々のセンサ接続部２３５ｃは、垂直支持部２３５ｂの下端から内枠部２３２の中心側に水平方向に伸びる。平面視において、各々のセンサ接続部２３５ｃの長手方向と、各々の水平支持部２３５ａの長手方向は一致する。各々の水平支持部２３５ａ及び各々のセンサ接続部２３５ｃは、平面視で内枠部２３２の中心側に行くほど幅が漸減する。
各々のセンサ接続部２３５ｃは、平面視で略十字状に配置されるが、互いに交わることなく、各々のセンサ接続部２３５ｃの内周端は互いに離隔している。平面視で、各々のセンサ接続部２３５ｃを内枠部２３２の中心側に伸ばす仮想的な延長線を考えると、この延長線は内枠部２３２の中心で交わる。各々のセンサ接続部２３５ｃの上面の内周端側は、センサチップ１００の力点１５１～１５４と接続される部分である。
なお、図１９に示す水平支持部２３５ａの上面からセンサ接続部２３５ｃの上面までの垂直方向の距離を、収容部２３５の深さＤと称する。収容部２３５の深さＤは、例えば、２ｍｍ～１０ｍｍ程度である。
図２１は、起歪体を構成する蓋板を例示する斜視図である。図２１に示すように、蓋板２４０は、全体的には略円盤状の部材であり、内部部品（センサチップ１００等）を保護する部材である。蓋板２４０は、受力板２１０、起歪部２２０、及び入力伝達部２３０よりも薄く形成されている。
受力板２１０、起歪部２２０、入力伝達部２３０、及び蓋板２４０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２００を構成する部材のうち、特に受力板２１０と起歪部２２０と入力伝達部２３０とは強固に接続されているか、もしくは一体構造であることが望ましい。受力板２１０と起歪部２２０と入力伝達部２３０との接続方法としては、ねじでの締結、溶接等が考えられるが、いずれの方法でも起歪体２００に入力される力やモーメントに十分耐えられる必要がある。
本実施形態では、一例として、受力板２１０と起歪部２２０と入力伝達部２３０とを金属粉末射出成型で作製し、それらを合わせて再度焼結を行うことで拡散接合させている。拡散接合された受力板２１０と起歪部２２０と入力伝達部２３０とは必要十分な接合強度を得ることができる。蓋板２４０は、センサチップ１００や他の内部部品を実装後、例えば、ねじで入力伝達部２３０に締結してもよい。
起歪体２００において、受力板２１０に力やモーメントが印加されると、力やモーメントは受力板２１０と接続された起歪部２２０の中央部２２２へ伝達し、４つの梁構造２２３で入力に応じた変形が生じる。このとき、起歪部２２０の外枠部２２１と入力伝達部２３０は変形しない。
すなわち、起歪体２００において、受力板２１０と起歪部２２０の中央部２２２及び梁構造２２３とは、所定の軸方向の力又はモーメントを受けて変形する可動部であり、起歪部２２０の外枠部２２１は力又はモーメントを受けて変形しない非可動部である。また、非可動部である起歪部２２０の外枠部２２１と接合される入力伝達部２３０は、力又はモーメントを受けて変形しない非可動部であり、入力伝達部２３０と接合される蓋板２４０も力又はモーメントを受けて変形しない非可動部である。
起歪体２００が力覚センサ装置１に用いられる場合、可動部である中央部２２２に設けられた第１接続部２２４ａにセンサチップ１００の支持部１０１～１０４が接続され、第２接続部２２４ｂにセンサチップ１００の支持部１０５が接続される。また、非可動部である収容部２３５に設けられたセンサ接続部２３５ｃの上面の内周端側に、センサチップ１００の力点１５１～１５４が接続される。そのため、センサチップ１００は、力点１５１～１５４が動かずに、支持部１０１～１０５を通じて各検知用梁が変形する動作となる。
ただし、可動部である中央部２２２に設けられた第１接続部２２４ａにセンサチップ１００の力点１５１～１５４が接続され、非可動部である収容部２３５に設けられたセンサ接続部２３５ｃの上面の内周端側に、支持部１０１～１０５が接続された構成としてもよい。
すなわち、収容部２３５に収容可能なセンサチップ１００は、力又はモーメントを受けて互いの相対位置が変化する支持部１０１～１０５及び力点１５１～１５４を有している。そして、起歪体２００において、可動部である中央部２２２は、入力伝達部２３０側に延伸して支持部１０１～１０５及び力点１５１～１５４の一方と接続される第１接続部２２４ａ及び第２接続部２２４ｂを備えている。また、収容部２３５は、支持部１０１～１０５及び力点１５１～１５４の他方と接続されるセンサ接続部２３５ｃを備えている。
このように、起歪体２００は、入力された力やモーメントを変位に変換し、搭載されるセンサチップ１００に伝達する。従来、同様の機能を目的とした起歪体では、力やモーメントを受ける構造と変位を伝える構造が一体もしくは密接な構成であった。そのため、変位と耐荷重とのトレードオフの関係が強く、特に耐荷重を大きくとることが困難であった。
起歪体２００では、力やモーメントを受ける起歪部２２０と、変位をセンサチップ１００に伝達する入力伝達部２３０とを別々の構造体としているため、高い耐荷重と変位を両立することが可能となる。
（増幅器）
センサチップ１００は、耐荷重の高い（例えば、５００Ｎ程度）設計になっているため、ある程度の大きさを有している。前述のように、センサチップ１００の平面形状は、例えば、７０００μｍ角程度の正方形である。このように、センサチップ１００の大きさがある程度大きくなると、余剰領域も大きくなる。
ここで、余剰領域とは、ピエゾ抵抗素子が配置される領域とは異なる位置に配置された領域、すなわち検知ブロック以外の領域である。センサチップ１００では、上面の面積の約５０％が余剰領域である。そのため、余剰領域を有効に利用することが好ましい。そこで、センサチップ１００では、各軸のピエゾ抵抗素子の出力を増幅する複数の増幅器（ＡＭＰと称する場合もある）を余剰領域に配置している。つまり、センサチップ１００では、力やモーメントを検出するための検知ブロックが配置される領域と、ＡＭＰが配置される領域は完全に分離されている。
センサチップ１００では、支持部１０１から１０５が余剰領域である。支持部１０１から１０５の５箇所の余剰領域の上面の面積は略同一である。前述のように、支持部１０１～１０５の平面形状は、例えば、２０００μｍ角程度の正方形である。また、前述のように、支持部１０１～１０５、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、４００μｍ～６００μｍ程度である。
このように、支持部１０１から１０５は上面の面積が比較的大きく剛性も高い。そして、支持部１０１～１０５は起歪体２００の非可動部に接続されるため、力覚センサ装置１に力やモーメントが入力されても発生する応力が極めて低い。増幅器の特性への影響を考慮すると、増幅器は発生する応力が低い領域に配置することが好ましいため、支持部１０１～１０５は増幅器を配置する領域として適している。
センサチップ１００では、余剰領域に６軸のピエゾ抵抗素子の出力を増幅する６つの増幅器を配置している。例えば、６つの増幅器のうちの３つは、支持部１０１～１０４のうちの１つに配置され、６つの増幅器のうちの他の３つは、他の３つの支持部のうちの１つに配置されている。
ただし、センサチップ１００としては、所定の軸方向の力又はモーメントを多軸検知する（２軸以上検知する）ものを使用してもよい。つまり、センサチップ１００は、２軸検知用のセンサチップや３軸検知用のセンサチップであってもよい。この場合、センサチップ１００は、多軸のピエゾ抵抗素子の出力を増幅する多軸分の増幅器を配置可能である。多軸分の複数の増幅器のうちの少なくとも１つは、支持部１０１～１０４のうちの１つに配置され、多軸分の複数の増幅器のうちの他の少なくとも１つは、他の３つの支持部のうちの１つに配置される。以降は、センサチップ１００に、６軸のピエゾ抵抗素子の出力を増幅する６つの増幅器を配置する場合について説明する。
図２２に示すように、センサチップ１００では、支持部１０４に、Ｆｘ信号用の増幅器であるＦｘ_ＡＭＰ、Ｆｙ信号用の増幅器であるＦｙ_ＡＭＰ、及びＦｚ信号用の増幅器であるＦｚ_ＡＭＰを配置している。また、支持部１０２に、Ｍｘ信号用の増幅器であるＭｘ_ＡＭＰ、Ｍｙ信号用の増幅器であるＭｙ_ＡＭＰ、及びＭｚ信号用の増幅器であるＭｚ_ＡＭＰを配置している。Ｆｘ_ＡＭＰ、Ｆｙ_ＡＭＰ、Ｆｚ_ＡＭＰ、Ｍｘ_ＡＭＰ、Ｍｙ_ＡＭＰ、及びＭｚ_ＡＭＰは、既成のＩＣを各支持部上に実装したものではなく、半導体プロセスにより各支持部と一体的に形成したものである。
図２３は、ピエゾ抵抗素子及びＡＭＰに接続される配線を模式的に示した平面図である。図２３に示すように、ピエゾ抵抗素子及びＡＭＰに接続される配線は、各支持部、枠部、連結部、及び検知用梁に配置されている、各ＡＭＰを配置する余剰領域は、配線の引き回し、ワイヤボンディングの容易性等を考慮して自由に決定できる。図２２では、支持部１０２及び１０４に各ＡＭＰを配置したが、例えば、支持部１０２及び１０３に各ＡＭＰを配置してもよい。
図２４は、各ＡＭＰの接続を示す図である。図２４に示すように、図１２及び図１３に示した各ブリッジ回路のプラス端子及びマイナス端子が各々のＡＭＰに入力され、各々のＡＭＰで増幅されて出力される。例えば、図１２に示すブリッジ回路のＦｘ軸出力プラス端子（４）はＦｘ_ＡＭＰ（＋）に入力され、Ｆｘ_ＡＭＰ（＋）で増幅されてＦＸＯＰ（Ｏ）として出力される。図１２に示すブリッジ回路のＦｘ軸出力マイナス端子（２）はＦｘ_ＡＭＰ（－）に入力され、Ｆｘ_ＡＭＰ（－）で増幅されてＦＸＯＭ（Ｏ）として出力される。ＦＸＯＰ（Ｏ）及びＦＸＯＭ（Ｏ）は、ＡＭＰで増幅されたＦｘ軸の差動出力となる。Ｆｙ軸、Ｆｚ軸、Ｍｘ軸、Ｍｙ軸、及びＭｚ軸についても、同様に図１２及び図１３に示した各ブリッジ回路のプラス端子及びマイナス端子が各々のＡＭＰに入力され、各々のＡＭＰで増幅されて差動出力される。
各ＡＭＰは、例えば、複数のバイポーラトランジスタが隣接して配置された半導体素子である。図２５は、各ＡＭＰを構成するトランジスタを例示する断面図であり、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタの例を示している。図２５において、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタは、Ｎ＋層１８６、Ｐ層１８５及びＮ＋層１８７により構成されている。１８１はＮ+の埋め込み層、１８２及び１８３はアイソレーション、１８４はＮ型エピタキシャル層である。また、Ｅ、Ｂ、Ｃは、それぞれ、エミッタ端子、ベース端子、コレクタ端子である。
このように、センサチップ１００の余剰領域にピエゾ抵抗素子の出力を増幅する増幅器を半導体プロセスにより形成することで、センサチップ１００の出力を大きくできるため、感度の向上が可能となる。すなわち、半導体プロセスのみで形成した１チップで、耐荷重と感度を両立したセンサチップ１００を実現できる。
また、センサチップ１００の余剰領域に増幅器を形成するため、センサチップ１００のサイズを大きくすることなく、増幅器を搭載しない場合と同じチップサイズで増幅器を搭載可能である。
また、多軸検出のセンサチップ１００では、軸数分（例えば、６軸分）の増幅器が必要であるが、１チップに集積化することで、部品点数及び組み立て費の増加を抑制できるため、低価格化が可能である。すなわち、増幅器を外付けで用意することも可能ではあるが、部品点数や組み立て費の増加により価格が上昇しやすい。センサチップ１００のように、増幅器を集積化することで、価格上昇を抑制できる。
また、増幅器をセンサチップと集積化することで、増幅器の端子にダイオード等のＥＳＤ（Electro-Static Discharge：静電気放電）用の保護素子を入れられるため、チップ耐圧を上げることができる。
なお、センサチップ１００は、高い耐荷重（例えば、５００Ｎ程度）を実現するためにチップサイズが大きいため、余剰領域も大きくなり、ＡＭＰの集積化に適している。また、センサチップ１００は、高い耐荷重（例えば、５００Ｎ程度）を実現するために、耐荷重とトレードオフの関係にある感度が下がる傾向があるため、ＡＭＰの集積化による感度向上は極めて有効である。
〈第１実施形態の変形例１〉
第１実施形態の変形例１では、余剰領域に増幅器に加えて増幅器以外も配置する例を示す。なお、第１実施形態の変形例１において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
前述のように、センサチップ１００では、支持部１０１から１０５が余剰領域である。第１実施形態のように、支持部１０４にＦ系の信号用の３つの増幅器を配置し、支持部１０２にＭ系の信号用の３つの増幅器を配置しても、支持部１０１、１０３、及び１０５には他の機能を有する半導体素子を配置可能である。
センサチップ１００Ａでは、支持部１０１から１０４において、増幅器が配置されていない２つの支持部のうちの１つに、３つの増幅器が増幅したアナログ信号をディジタル信号に変換する３つのＡＤ変換器が配置されて支持部と一体的に形成されている。また、増幅器が配置されていない２つの支持部のうちの他の１つに、他の３つの増幅器が増幅したアナログ信号をディジタル信号に変換する他の３つのＡＤ変換器が配置されて支持部と一体的に形成されている。
具体的には、図２６に示すように、センサチップ１００Ａでは、支持部１０４にＦ系の信号用の３つの増幅器を配置し、支持部１０２にＭ系の信号用の３つの増幅器を配置し、さらに支持部１０１にＦ系の信号用の３つのＡＤ変換器を配置し、支持部１０３にＭ系の信号用の３つのＡＤ変換器を配置している。なお、ＡＤ変換器は、ＡＭＰの出力側に接続され、ＡＭＰで増幅したアナログ出力をディジタル出力に変換する半導体素子である。
センサチップ１００Ａでは、支持部１０１に、Ｆｘ信号用のＡＤ変換器であるＦｘ_ＡＤＣ、Ｆｙ信号用のＡＤ変換器であるＦｙ_ＡＤＣ、及びＦｚ信号用のＡＤ変換器であるＦｚ_ＡＤＣを配置している。また、支持部１０３に、Ｍｘ信号用のＡＤ変換器であるＭｘ_ＡＤＣ、Ｍｙ信号用のＡＤ変換器であるＭｙ_ＡＤＣ、及びＭｚ信号用のＡＤ変換器であるＭｚ_ＡＤＣを配置している。Ｆｘ_ＡＤＣ、Ｆｙ_ＡＤＣ、Ｆｚ_ＡＤＣ、Ｍｘ_ＡＤＣ、Ｍｙ_ＡＤＣ、及びＭｚ_ＡＤＣは、既成のＩＣを各支持部上に実装したものではなく、半導体プロセスにより各支持部と一体的に形成したものである。
このように、センサチップ１００Ａの５箇所の余剰領域の一部又は全部に、ＡＭＰだけではなくＡＤＣも集積化することでディジタル出力に対応可能となる。つまり、ブリッジ回路の出力をＡＭＰで増幅し、さらにＡＭＰのアナログ出力をＡＤＣでディジタル出力に変換してセンサチップ１００Ａの外部に出力可能となる。なお、各ＡＭＰ及び各ＡＤＣを配置する余剰領域は、配線の引き回し、ワイヤボンディングの容易性等を考慮して自由に決定できる。
以上、好ましい実施形態について詳説したが、上述した実施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、１００、１００Ａ センサチップ、１０１～１０５ 支持部、１１１～１１４ 枠部、１２１～１２４ 連結部、１３１ａ、１３１ｃ、１３１ｅ、１３１ｇ、１３２ａ、１３２ｃ、１３２ｅ、１３３ａ、１３３ｃ、１３３ｅ、１３４ａ、１３４ｃ、１３４ｅ 第１検知用梁、１３１ｂ、１３１ｄ、１３１ｆ、１３１ｈ、１３２ｂ、１３２ｄ、１３２ｆ、１３３ｂ、１３３ｄ、１３３ｆ、１３４ｂ、１３４ｄ、１３４ｆ 第２検知用梁、１３１Ｔ１、１３１Ｔ２、１３１Ｔ３、１３１Ｔ４、１３２Ｔ１、１３２Ｔ２、１３２Ｔ３、１３３Ｔ１、１３３Ｔ２、１３３Ｔ３、１３４Ｔ１、１３４Ｔ２、１３４Ｔ３ Ｔ字型梁構造、１４１～１４４ 接続部、１５１～１５４ 力点、２００ 起歪体、２１０ 受力板、２１１ 貫通孔、２２０ 起歪部、２２０ｘ、２２０ｙ 溝、２２１、２３１ 外枠部、２２２ 中央部、２２３、２３３ 梁構造、２２４ａ 第１接続部、２２４ｂ 第２接続部、２３０ 入力伝達部、２３２ 内枠部、２３５ 収容部、２３５ａ 水平支持部、２３５ｂ 垂直支持部、２３５ｃ センサ接続部、２４０ 蓋板

Claims (10)

  1. 歪検出素子の出力の変化に基づいて、所定の軸方向の力又はモーメントを多軸検知するセンサチップであって、
    複数の第１支持部を有し、
    各軸の前記歪検出素子の出力を増幅する複数の増幅器が、前記第１支持部に配置されて前記第１支持部と一体的に形成されている、センサチップ。
  2. 平面形状が矩形であり、
    前記第１支持部は、前記矩形の四隅に配置され、
    複数の前記増幅器は、多軸の前記歪検出素子の出力を増幅する多軸分の増幅器を含み、
    複数の前記増幅器のうちの少なくとも１つは、４つの前記第１支持部のうちの１つに配置され、
    複数の前記増幅器のうちの他の少なくとも１つは、他の３つの前記第１支持部のうちの１つに配置されている、請求項１に記載のセンサチップ。
  3. 平面形状が矩形であり、
    前記第１支持部は、前記矩形の四隅に配置され、
    複数の前記増幅器は、６軸の前記歪検出素子の出力を増幅する６つの増幅器を含み、
    ６つの前記増幅器のうちの３つは、４つの前記第１支持部のうちの１つに配置され、
    ６つの前記増幅器のうちの他の３つは、他の３つの前記第１支持部のうちの１つに配置されている、請求項１に記載のセンサチップ。
  4. 前記増幅器が配置されていない２つの前記第１支持部のうちの１つに、３つの前記増幅器が増幅したアナログ信号をディジタル信号に変換する３つのＡＤ変換器が配置されて前記第１支持部と一体的に形成され、
    前記増幅器が配置されていない２つの前記第１支持部のうちの他の１つに、他の３つの前記増幅器が増幅したアナログ信号をディジタル信号に変換する他の３つのＡＤ変換器が配置されて前記第１支持部と一体的に形成されている、請求項３に記載のセンサチップ。
  5. 前記第１支持部は、前記歪検出素子が配置される領域とは異なる位置に配置された余剰領域である、請求項２乃至４のいずれか一項に記載のセンサチップ。
  6. 前記矩形の中央に配置された第２支持部を有し、前記第２支持部は、前記歪検出素子が配置される領域とは異なる位置に配置された余剰領域である、請求項５に記載のセンサチップ。
  7. 隣接する前記第１支持部同士を連結する枠部と、
    前記第２支持部と各々の前記第１支持部とを連結する連結部と、
    隣接する前記第１支持部と、該第１支持部に連結する前記枠部及び前記連結部と、前記第２支持部と、に囲まれた領域に位置する、前記歪検出素子が配置された梁と、を有し、
    前記歪検出素子及び前記増幅器と接続される配線は、前記第１支持部、前記第２支持部、前記枠部、前記連結部、及び前記梁に配置されている、請求項６に記載のセンサチップ。
  8. 前記歪検出素子が配置された前記梁は、Ｔ字型梁構造を有する、請求項７に記載のセンサチップ。
  9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載のセンサチップと、印加された力及び／又はモーメント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。
  10. 前記第１支持部は、前記起歪体の非可動部に接続される、請求項９に記載の力覚センサ装置。
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