JP4958501B2 - 力覚センサ用チップ及び外力伝達機構 - Google Patents

Description

本発明は力覚センサ用チップ及び外力伝達機構に関し、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、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、及びこの力覚センサ用チップに対して外力を印加する外力伝達機構に関する。

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。

一般的に多軸力センサにおいて、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問題は「他軸干渉」の問題として知られている。他軸干渉の問題は、多軸力センサの実用化の観点で無視することができない問題である。

上記の他軸干渉の問題を解決する技術として、本発明者らは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、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。

さらに特許文献１に記載された６軸力センサに対して、外力緩衝機能を有する構造体を付設することにより、外力を減衰させて作用部に印加させるようにした６軸力センサも提案されている（特許文献２）。これにより、６軸力センサの検出できる外力の範囲を大きくすることができる。
特開２００３−２０７４０５号公報 特開２００３−２５４８４３号公報

特許文献１，２に記載された上記６軸力センサのセンサチップ（半導体基板）では、作用部が中央部に配置されているため、軸力印加による曲げや捻りに対して応力集中しやすい。特に、作用部の面積を小さくすると、作用部に応力集中しやすい。反対に作用部の面積を大きくすると、耐荷重性能は向上する。しかしながら、このことは、小型化できるという利点とトレードオフになる。この結果、作用部が中央に配置された６軸力センサによれば、作用部に発生する応力の状態に依存して力覚センサとしての設計の自由度が限られるという問題がある。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、印加される外力が分散されるようにし、チップ基板での曲げや捻り対する発生応力を分散し、センサチップとしての設計の自由度を向上することができる力覚センサ用チップ及び外力伝達機構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、外力作用領域部と非変形領域部を有する複数の作用部と、この作用部を支持する支持部と、作用部と支持部を連結する複数の連結部とを備えるベース部材と、連結部の変形発生部に設けられる歪み抵抗素子とを備え、さらに、作用部と支持部と連結部は孔により機能的に分離され、連結部は弾性部と作用部につながる連結腕部とを有し、この連結腕部の両側に孔を挟んで作用部の外力作用領域部が配置されている。

上記の力覚センサ用チップでは、外部から与えられる外力を受ける場所を複数設け、これらの複数の作用部で外力を分散させて受けることにより、集中応力の発生を防ぐようにする。

本発明によれば、力覚センサ用チップのベース部材における外力を受ける作用部を複数箇所設け、印加される外力が分散されるようにしたため、センサチップのベース部材での曲げや捻り対する発生応力を分散し、集中応力の発生を防止することができる。さらに力覚センサ用チップのベース部材における作用部の作り方を、ベース部材に形成される孔を変更することにより任意に設定するようにしたため、センサチップとしての設計の自由度を向上することができる。

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１０を参照して、本発明に係る力覚センサ用チップの第１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表面の平面図を示し、図２は図１における特徴的部分を拡大して示している。図１と図２では、歪み抵抗素子や配線パターン等の図示は省略し、力覚センサ用チップの基板（ベース部材）の平面形状のみを示している。図３は、力覚センサ用チップの基板上に設けられた１２個の歪み抵抗素子と一部の配線パターンおよび電極パッドとが示される。図４は、図３の要部を拡大して歪み抵抗素子等の配置箇所の一例を示し、図２と同様な図である。図５と図６は回路構成を示し、図７〜図１０は加わる外力の方向とその際の演算式を説明するための図を示している。

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。基板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、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、半導体基板２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施して製作される。

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。）によって形成される。

上記１２個の抵抗素子の配置状態を図３に示し、その一部の拡大図を図４に示す。図３において、１２個の抵抗素子は、Ｓxa1，Ｓxa2，Ｓxa3，Ｓxb1，Ｓxb2，Ｓxb3，Ｓya1，Ｓya2，Ｓya3，Ｓyb1，Ｓyb2，Ｓyb3と表記されている。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)に基づいて、後述されるＴ字形状の４つの連結部５Ａ〜５Ｄの各々の変形発生部に設けられる。４つの連結部５Ａ〜５Ｄの各々の変形発生部は、連結部５Ａ〜５Ｄの各々と、各々に対応する作用部４との間の例えば境界縁近傍の領域である。なお４つの連結部５Ａ〜５Ｄの各々は、橋梁部が弾性部の中央部につながった形状を有し、これによりＴ字形状になるように形成されている。

具体的に、抵抗素子の組(Sxa1,Sxa2,Sxa3)は連結部５Ｂの変形発生部に設けられ、抵抗素子の組(Sxb1,Sxb2,Sxb3)は連結部５Ｄの変形発生部に設けられ、抵抗素子の組（Sya1,Sya2,Sya3)は連結部５Ａの変形発生部に設けられ、抵抗素子の組(Syb1,Syb2,Syb3)は連結部５Ｃの変形発生部に設けられる。

なお図１において、説明の便宜上、１２個の抵抗素子の図示は省略されている。また図４では、一例として、一組の抵抗素子Ｓxa1，Ｓxa2，Ｓxa3の配置パターンが拡大して図示されている。

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（図３と図４に示すパターン１３）が形成されている。温度補償用抵抗素子は、４つの作用部４のそれぞれの非変形領域部に配置されている。

図１に明確に示されるように、半導体基板２は、板材の厚み方向に貫通して形成された８つの孔Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎを有している。力覚センサ用チップ１は、８つの孔Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎにより複数の領域に機能的に分離されている。

孔Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎのいずれも相対的に狭い幅を有するスリット状の形状を有している。図１に示した半導体基板２の上で、内側に位置する４つの孔（第１の孔Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）はほぼ直線状スリットの形状を有し、外側に位置する４つの孔（第２の孔Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎ）は４つの作用部４の各々を形成するスリット形状を有している。

力覚センサ用チップ１を形成する半導体基板２は、４つの直線状スリットの孔Ａ〜Ｄで形成される正方形の形状を有する中央領域２Ａと、この中央領域２Ａの各辺に対応して４つの孔Ｋ〜Ｎによって形成される４つの作用部４と、中央領域２Ａと４つの作用部４を囲むように外側位置に存するほぼ正方形リング形状の支持部３と、作用部４と支持部３の間に位置しかつ中央領域２Ａの各辺の部分に対応して両者を連結するＴ字形状の４つの連結部５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄとから構成されている。４つの作用部４の各々は孔Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎを半導体基板２に穿設することによって形成される。Ｔ字形状の４つの連結部５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄは、孔Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄと孔Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎとの間に形成される。４つの連結部５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄの各々は、後述するように、弾性部と橋梁部（連結腕部）とを備えている。

上記の形態を有する半導体基板２に関して、当該基板の周縁部分を形作る支持部３は、例えば６軸力センサのユニットに組み付けられるとき、下面から支持台座で支持される部分である。

また４つの作用部４の各々は、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。４つの作用部４の各々は、例えば２箇所の外力作用領域部４Ａと、それ以外の部分の非変形領域部４Ｂを備えている。外側から与えられる外力は、４つの作用部４の各々に対して、さらに各作用部４で２箇所の外力作用領域部４Ａに対して、分散させた状態で印加される。従って力覚センサ用チップ１の半導体基板２では、８箇所の外力作用領域部４Ａで、印加された外力を受けることになる。

また連結部５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄは、４つの作用部４の各々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、支持部３、作用部４、連結部５Ａ〜５Ｄ等の中で最も応力が生じる部分（起歪部）である。

４つの作用部４の各々では、２箇所の外力作用領域部４Ａが、外力が印加または入力される部分である。作用部４の内側に位置する４つの連結部５Ａ〜５Ｄは、図１に示すごとく、それぞれ、ほぼＴ字梁となっており、橋梁部５Aaおよび弾性部５Ab、橋梁部５Baおよび弾性部５Bb、橋梁部５Caおよび弾性部５Cb、橋梁部５Daおよび弾性部５Dbを備えている。橋梁部５Aa，５Ba，５Ca，５Daの各々は、各連結部５Ａ〜５Ｄで、作用部４につながる連結腕部として機能する。また連結部５Ａ〜５Ｄの弾性部５Ab，５Bb，５Cb，５Dbは、それぞれ、孔Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの外側領域に位置し、当該外側領域において、支持部３に対して、その長手方向における両端部で接続されている。さらに連結部５Ａ〜５Ｄの橋梁部５Aa，５Ba，５Ca，５Daは、それぞれ、長手方向における一方の端部（外側端部）が、作用部４の中間部に相当する部分に接続され、また他方の端部（内側端部）が対応する弾性部の中間部に接続されている。橋梁部と弾性部から成る連結部、連結部と作用部との間の接続部分、連結部と支持部との間の接続部分は、半導体基板２として一体的に形成されている。

図２に示すごとく、たとえば連結部５Ｂに関して、領域１１が上記弾性部５Bbであり、領域１２が橋梁部５Baすなわち連結腕部５Baである。

橋梁部５Aa，５Ba，５Ca，５Daと、弾性部５Ab，５Bb，５Cb，５Dbおよび作用部４との各接続部は、４つの作用部４の各々の２箇所の外力作用領域部４Ａに印加される外力による応力を分散させ、印加される外力に対する強度を持たせるため、円弧状に加工されている。

なお上記の孔Ａ〜Ｄ，Ｋ〜Ｎの形状は本実施形態のものに限定されない。１２個の歪み抵抗素子Ｓxa1〜Ｓxa3，Ｓxb1〜Ｓxb3，Ｓya1〜Ｓya3，Ｓyb1〜Ｓyb3の部分が最も歪みが顕著に生じ、かつ、温度補償用抵抗素子１１の位置で歪みが生ぜず、温度条件が１２個の歪み抵抗素子と同等になるように、力覚センサ用チップ１のサイズ、歪み抵抗素子の数、検出可能な応力範囲等を考慮して孔Ａ〜Ｄ，Ｋ〜Ｎは形成される。

なお、半導体基板２における孔Ａ〜Ｄを作ることによって形成される上記の中央領域２Ａはあってもなくてもよい。すなわち、中央領域２Ａは存在しなくても、力覚センサ用チップ１において機能的な問題は生じない。ただし、開口部にするとプロセス処理時等にゴミが排出される不具合があるので、開口部にしない方が好ましい。

また、４つの作用部４の外力作用領域部４Ａの位置は、正方形の平面形状を有する半導体基板２の中心から等距離の場所にある。また、作用部４の形成位置は、当該中心の周りの円周方向において等間隔の位置に設定されている。

１２個の抵抗素子Ｓxa1，Ｓxa2，Ｓxa3，Ｓxb1，Ｓxb2，Ｓxb3，Ｓya1，Ｓya2，Ｓya3，Ｓyb1，Ｓyb2，Ｓyb3の詳しい配置状態は次の通りである。

例えば抵抗素子Ｓxa1，Ｓxa2，Ｓxa3は、図３および拡大図の図４に示すごとく、連結部５Ｂにおいて、作用部４と橋梁部５Baとの接続部近傍に形成されている。すなわち連結部５Ｂの表面において、作用部４の２箇所の外力作用領域部４Ａに印加される外力に対応して応力が生じ、それにより歪みが最も顕著に発生する部分（起歪部または変形発生部）に配置するように形成されている。さらに抵抗素子Ｓxa1，Ｓxa2，Ｓxa3は、橋梁部５Baの幅方向に並び、かつそれらの長手方向が橋梁部5Baの長軸方向に対して等間隔で平行となるように形成されている。中央の抵抗素子Ｓxa2は橋梁部５Baの長手方向中心線上に配置されている。

他の抵抗素子Ｓya1〜Ｓya3、抵抗素子Ｓyb1〜Ｓyb3、抵抗素子Ｓxb1〜Ｓxb3についても、図３に示すごとく、上述した抵抗素子Ｓxa1〜Ｓxa3と同様に、それぞれ、作用部４および橋梁部５Aaの接続部近傍、作用部４および橋梁部５Caの接続部近傍、作用部４および橋梁部５Daの接続部近傍に配置するよう形成されている。

また図４に示すごとく、抵抗素子Ｓxa1〜Ｓxa3のそれぞれに対応して個別に設けられた３個の温度補償用抵抗素子１３は、作用部４の非変形領域部４Ｂに配置される。３つの抵抗素子Ｓxa1〜Ｓxa3と３つの温度補償用抵抗素子１３とは一対一の対応関係で関係付けられている。３個の温度補償用抵抗素子１３のそれぞれは、対応する抵抗素子に対して温度条件がほぼ等しい状態にあり、かつ作用部４が外力を受けても変形状態が生じない非変形領域部４Ｂの表面に形成される。外力の影響を受けない温度補償用抵抗素子１３の抵抗変化に基づいて、外力測定用抵抗素子の抵抗変化の測定結果を常に補正することにより、周囲温度に影響されない力およびモーメントの測定を行うようにしている。

上記において、図４に示した距離Ｌ１と距離Ｌ２は等しくなるように設定されている。

他の抵抗素子Ｓya1〜Ｓya3、抵抗素子Ｓyb1〜Ｓyb3、抵抗素子Ｓxb1〜Ｓxb3についても、上述した抵抗素子Ｓxa1〜Ｓxa3における場合と同様な配置パターンで、温度補償用抵抗素子１３が、それぞれの作用部４の非変形領域部４Ｂに配置するよう形成されている。

次に、１２個の抵抗素子Ｓxa1，Ｓxa2，Ｓxa3，Ｓxb1，Ｓxb2，Ｓxb3，Ｓya1，Ｓya2，Ｓya3，Ｓyb1，Ｓyb2，Ｓyb3の各々と、対応する１つの温度補償用抵抗素子１３との電気配線パターンを説明する。このため、一例として抵抗素子Ｓxa1，Ｓxa2，Ｓxa3と温度補償用抵抗素子１３との電気配線パターンを図５と図６を参照して説明する。

３つの抵抗素子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１３との電気配線パターンは次の通りである。抵抗素子Ｓxa1，Ｓxa2，Ｓxa3と温度補償用抵抗素子１３の電気配線パターンは同じであるので、一例として抵抗素子Ｓxa1について説明する。図４〜図６では抵抗素子Ｓxa1と、これに対応する温度補償用抵抗素子１３の電気配線パターンのみを示している。なお図４では、残りの２つの抵抗素子Ｓxa2，Ｓxa3の信号電極パッド１６とＧＮＤ電極パッド１５等の配置パターンを示している。

抵抗素子Ｓxa1と、対応する温度補償用抵抗素子１３との電気配線パターンとは、図５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５において、抵抗素子Ｓxa1と温度補償用抵抗素子１３の接続点はＧＮＤ電極パッド１５に接続される。また抵抗素子Ｓxa1の他端および度補償用抵抗素子１３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６は、図５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Ｓxa1について図６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１３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Ｓyb1〜Ｓyb3、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。

次に、 図７〜図１０を参照して、力覚センサ用チップ１に加わる外力の方向とその際の演算式を説明する。

力覚センサ用チップ１に加わる力とモーメントは、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］である。以下の説明では、代表的な例としてＦｘ，Ｆｚ，Ｍｙ，Ｍｚについて説明する。

図７〜図１０のそれぞれでは、力覚センサ用チップ１において、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸から成る３次元直交座標系２１が定義されている。

図７は、外力Ｆｘが力覚センサ用チップ１に作用するときの動作例を示す。外力Ｆｘは、座標系２１においてＸ軸方向のみに向く力である。図７において、特に、抵抗素子の組(Sya1,Sya2,Sya3)，(Syb1,Syb2,Syb3)について２種類の記号「＋」と「−」が表示されている。外力Ｆｘが力覚センサ用チップ１に加わったときに、記号「＋」はこの記号に対応する箇所に存する抵抗素子の抵抗値が増加することを意味し、記号「−」はこの記号に対応する箇所に存する抵抗素子の抵抗値が減少することを意味している。残りのその他の抵抗素子においては、抵抗値の変化は生じない。

なお、力覚センサ用チップ１からの信号を検出す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（≒Ｆｘ），Ｓig２（≒Ｆｙ），Ｓig３（≒Ｆｚ），Ｓig４（≒Ｍｘ），Ｓig５（≒Ｍｙ），Ｓig６（≒Ｍｚ）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６で示した素子出力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、上記の図７に示した場合の信号Ｓig１は下記の式に基づいて決められる。なお本発明における演算抵抗変化率の算出方法は、本出願人が先に出願した特許出願の公報（特開２００３−２０７４０５号公報や特開２００６−１２５８７３号公報）に記載された算出方法と同様なものである。

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７に示された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 として求められる。

前述の通り、図７中、記号「＋」は外力Ｆｘ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Ｆｘ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８〜図１０でも同じである。

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

図８は外力Ｆｚが力覚センサ用チップ１に作用するときの動作例を示す。Ｆｚ印加の場合には、４つの抵抗素子Ｓxa2，Ｓya2，Ｓxb2，Ｓyb2が歪みを検知し、 Ｓig３（≒Ｆｚ）＝‐(R'Sxa2+R'Sya2+R'Sxb2+R'Syb2))/4 として求められる。

図９はモーメントＭｘが力覚センサ用チップ１に作用するときの動作例を示す。Ｍｘ印加の場合には、抵抗素子Ｓya2の抵抗値が減少しかつ抵抗素子Ｓyb2の抵抗値が増加するように歪みを検知し、Ｓig４（≒Ｍｘ）＝(R'Syb2-R'Sya2)/2として求められる。同様に、モーメントＭｙ（図示せず）が印加された場合、Ｓｉｇ５（≒Ｍｙ）＝(R'Sxa2-R'Sxb2)/2として求められる。

図１０はモーメントＭｚが力覚センサ用チップ１に作用するときの動作例を示す。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として求められる。

なお、例えば図４で説明した抵抗素子Ｓxa1〜Ｓxa3と温度補償用抵抗素子１３の配置位置は、図３に示された位置には限定されない。例えば抵抗素子Ｓxa1〜Ｓxa3を連結部５Ｂの弾性部５Bbの両端と支持部３との接続箇所Ｐ１に設け、また温度補償用抵抗素子１３を図３に示す作用部４の箇所Ｐ２に設けるようにすることもできる。このことは、他の抵抗素子Ｓya1〜Ｓya3、抵抗素子Ｓyb1〜Ｓyb3、抵抗素子Ｓxb1〜Ｓxb3についても同様である。

次に、図１１を参照して、本発明に係る力覚センサ用チップの第２の実施形態を説明する。この第２実施形態では、半導体基板２の形状および構造は同じであり、歪み抵抗素子の個数と配置パターン、および温度補償用抵抗素子の個数と配置パターンが異ならせている。図１１は、前述した図４と同様な図である。

第２実施形態の力覚センサ用チップ２では、１６個の抵抗素子Ｓxa1〜Ｓxa4，Ｓxb1〜Ｓxb4，Ｓya1〜Ｓya4，Ｓyb1〜Ｓyb4と、各抵抗素子に対応する全部で１６個の温度補償用抵抗素子とが用いられる。半導体基板２における抵抗素子と温度補償用抵抗素子の配置パターンは、抵抗素子Ｓxa1〜Ｓxa4，Ｓxb1〜Ｓxb4，Ｓya1〜Ｓya4，Ｓyb1〜Ｓyb4の４つの組でそれぞれで同じであるので、抵抗素子Ｓxa1〜Ｓxa4の組についてのみ説明する。

図１１において、４つの抵抗素子Ｓxa1〜Ｓxa4は連結部５Ｂの弾性部５Bbの両端と支持部３との２つの接続箇所Ｐ１の各々に（Ｓxa1，Ｓxa2）、（Ｓxa3，Ｓxa4）として設けられる。さらに４つの温度補償用抵抗素子１３は作用部４の２つの箇所Ｐ２に２つずつの組で設けられている。残りの抵抗素子Ｓxb1〜Ｓxb4，Ｓya1〜Ｓya4，Ｓyb1〜Ｓyb4の各々の組の配置パターンについても、抵抗素子Ｓxa1〜Ｓxa4等と同じである。その他の構成は、前述した第１実施形態の構成と実質的に同じである。次に、図１２〜図１５を参照して力覚センサ用チップに加わる外力の方向とその際の演算式を説明する。

なお上記の図１１〜図１５において第１実施形態で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付している。

図１２〜図１５では力覚センサ用チップ１において３次元直交座標系２１が定義されている。また記号「＋」と記号「−」の意味は前述の通りである。さらに加えて、抵抗値が増減する抵抗素子には太線の○が付されている。

図１２は外力Ｆｘが力覚センサ用チップ１に作用するときの動作例を示す。Ｆｘ印加の場合には、抵抗素子Ｓxa1〜Ｓxa4，Ｓxb1〜Ｓxb4が歪みを検知し、Ｓig１（≒Ｆｘ）＝((R'Sxa2-R'Sxa1)+(R'Sxa4-R'Sxa3)+(R'Sxb1-R'Sxb2)+(R'Sxb3-R'Sxb4))/8として求められる。

図１３は外力Ｆｚが力覚センサ用チップ１に作用するときの動作例を示す。Ｆｚ印加の場合には、抵抗素子Ｓxa1〜Ｓxa4，Ｓxb1〜Ｓxb4，Ｓya1〜Ｓya4，Ｓyb1〜Ｓyb4が歪みを検知し、 例えばＳig３（≒Ｆｚ）＝(R'Sxa1+R'xa2+・・・+R'Syb4)/16 として求められる。また他の演算式として、Ｓig３（≒Ｆｚ）＝(R'Sxa1+R'xa3+R'xa5+・・・+R'Syb15)/8 またはＳig３（≒Ｆｚ）＝(R'Sxa2+R'xa4+R'xa6+・・・+R'Syb16)/8 を用いることもできる。

図１４はモーメントＭｙが力覚センサ用チップ１に作用するときの動作例を示す。Ｍｙ印加の場合には、抵抗素子Ｓxa1〜Ｓxa4，Ｓxb1〜Ｓxb4が歪みを検知し、Ｓig５（≒Ｍｙ）＝((R'Sxa1+R'Sxa2)-(R'Sxa3+R'Sxa4)+(R'Sxb3+R'Sxb4)-(R'Sxb1+R'Sxb2))/8として求められる。

図１５はモーメントＭｚが力覚センサ用チップ１に作用するときの動作例を示す。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として求められる。

次に、図１６を参照して、例えば第１実施形態に係る力覚センサ用チップ１に対して外力を印加する外力伝達部の一例を説明する。上記のごとく本実施形態の力覚センサ用チップ１の半導体基板２では、４箇所の作用部４を備え、さらに各作用部４は２箇所の外力作用領域部４Ａを有するので、全部で８箇所の外力作用領域部４Ａを有していることになる。通常、外部から与えられる外力Ｆは、図示しない緩衝機構（外力減衰機構）で当該外力を減衰させて半導体基板２の８箇所の外力作用領域４Ａに伝達されるようにする。これは、力覚センサ用チップ１の半導体基板２に対して、設計された外力以上の過大な外力がかかり、力覚センサ用チップ１が破損されるのを防ぐためである。そのため、外部から与えられる外力は、外力伝達部を介して、その一部が、半導体基板２の作用部４の外力作用領域部４Ａに作用するに構成される。図４に示した外力伝達部はその一例であって、外力伝達機構２１として構成されている。

外力伝達機構２１は、上側に位置する１つの外力印加部２２と、下側に位置する４つの脚部２３とから構成される。

外力印加部２２は、プレート部２２ａとその上に形成された外力作用部２２ｂとから形成される。外力作用部２２ｂに対して外力Ｆが印加されることになる。プレート部２２ａは、その平面形状は例えば正方形の形状を有している。

また４つの脚部２３の各々は、例えば逆Ｙ字型に類似した形状を有し、１つの上端部と２つの下端部２３ａを備えている。脚部２３の上端部は外力印加部２２のプレート部２２ａの下面の対応する箇所に結合される。脚部２３の２つの下端部２３ａは、それぞれ、力覚センサ用チップ１の半導体基板２における対応する作用部４の２つの外力作用領域部４Ａに結合される。

上記の構造を有する外力伝達機構２１によって、外力印加部２２の外力作用部２２ｂに印加された外力Ｆは、８箇所に分散された形で、半導体基板２の作用部４の外力作用領域部４Ａに伝達される。これにより、外力作用部２２ｂに印加された外力Ｆは分散され、力覚センサ用チップ１の半導体基板２における作用部への応力集中を防止することができる。

上記の実施形態において、力覚センサ用チップ１の半導体基板２における孔Ａ〜Ｄ，Ｋ〜Ｎの位置、個数、形状を任意に変更することにより、作用部４の位置、個数、形状を任意に変更することができる。これにより、力覚センサ用チップ１の半導体基板２すなわちべーす部材の設計の自由度を高めることができる。

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、外力や荷重が加わった時に複数の作用部に外力を分散させて印加させ、集中応力を防止することが可能な力覚センサ用チップを実現するのに利用される。

本発明に係る力覚センサ用チップの第１実施形態を示す平面図である。 図１に示した力覚センサ用チップの要部を拡大して示した部分拡大平面図である。 力覚センサ用チップの表面における抵抗素子の配置パターンと配線パターを示す平面図である。 第１実施形態に係る力覚センサ用チップの抵抗素子の配置パターンを示した部分拡大平面図である。 １つのひずみ抵抗素子とこれに対応する温度補償用抵抗素子の電気配線パターンを示す電気回路図である。 図５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。 第１実施形態でＦｘが力覚センサ用チップに作用するときの動作例を説明するための平面図である。 第１実施形態でＦｚが力覚センサ用チップに作用するときの動作例を説明するための平面図である。 第１実施形態でモーメントＭｙが力覚センサ用チップに作用するときの動作例を説明するための平面図である。 第１実施形態でモーメントＭｚが力覚センサ用チップに作用するときの動作例を説明するための平面図である。 本発明の第２実施形態に係る力覚センサ用チップの抵抗素子の配置パターンを示した部分拡大平面図である。 第２実施形態でＦｘが力覚センサ用チップに作用するときの動作例を説明するための平面図である。 第２実施形態でＦｚが力覚センサ用チップに作用するときの動作例を説明するための平面図である。 第２実施形態でモーメントＭｙが力覚センサ用チップに作用するときの動作例を説明するための平面図である。 第２実施形態でモーメントＭｚが力覚センサ用チップに作用するときの動作例を説明するための平面図である。 外力伝達部の一例を示す外観図である。

符号の説明

１ 力覚センサ用チップ
２ 半導体基板
３ 支持部
４ 作用部
４Ａ 外力作用領域部
４Ｂ 非変形領域部
１３ 温度補償用抵抗素子
２１ 外力伝達機構
２２ 外力印加部
２３ 脚部
Ａ〜Ｄ 孔
Ｋ〜Ｎ 孔

Claims (13)

1. 外力作用領域部と非変形領域部を有する複数の作用部と、この作用部を支持する支持部と、前記作用部と前記支持部を連結する複数の連結部とを備えるベース部材と、
   前記連結部の変形発生部に設けられる歪み抵抗素子とを備え、
   前記作用部と前記支持部と前記連結部は前記ベース部材の孔により機能的に分離され、
   前記連結部は弾性部と前記作用部につながる連結腕部とを有し、この連結腕部の両側に前記孔を挟んで前記作用部の前記外力作用領域部が配置され、
   前記連結腕部が前記弾性部の中央部につながった形状を有し、前記連結部がＴ字形状になるように形成されていることを特徴とする力覚センサ用チップ。
2. 複数の前記作用部のそれぞれは、前記ベース部材の中心から等距離の位置に配置され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. 前記ベース部材は半導体基板であり、この半導体基板に所定の孔を形成することにより、複数の前記作用部と、前記支持部と、複数の前記連結部を形成することを特徴とする請求項１又は２記載の力覚センサ用チップ。
4. 外力作用領域部と非変形領域部を有する複数の作用部と、この作用部を支持する支持部と、前記作用部と前記支持部を連結する複数の連結部とを備えるベース部材と、
   前記連結部の変形発生部に設けられる歪み抵抗素子とを備え、
   前記作用部と前記支持部と前記連結部は孔により機能的に分離され、
   前記連結部は弾性部と前記作用部につながる連結腕部とを有し、この連結腕部の両側に前記孔を挟んで前記作用部の前記外力作用領域部が配置され、
   前記孔は第１の孔と第２の孔を含み、
   前記ベース部材は４つの直線状の前記第１の孔で形成される正方形の形状を有する中央領域と、この中央領域の各辺に対応して前記作用部が形成されていることを特徴とする力覚センサ用チップ。
5. 前記孔は第１の孔と第２の孔を含み、
   前記作用部はその周辺が前記第２の孔で囲わ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。
6. 前記弾性部は前記第１の孔の外側領域に配置され、この弾性部の長手方向における両端部は前記支持部と接続されていることを特徴とする請求項４記載の力覚センサ用チップ。
7. 外力作用領域部と非変形領域部を有する複数の作用部と、この作用部を支持する支持部と、前記作用部と前記支持部を連結する複数の連結部とを備えるベース部材と、
   前記連結部の変形発生部に設けられる歪み抵抗素子とを備え、
   前記作用部と前記支持部と前記連結部は孔により機能的に分離され、
   前記連結部は弾性部と前記作用部につながる連結腕部とを有し、この連結腕部の両側に前記孔を挟んで前記作用部の前記外力作用領域部が配置され、
   前記連結腕部は長手方向における一方の端部が前記作用部の中間部に相当する部分に接続され、他方の端部が前記弾性部の中間部に接続されていることを特徴とする力覚センサ用チップ。
8. 前記連結腕部は長手方向における一方の端部が前記作用部の中間部に相当する部分に接続され、前記歪み抵抗素子は前記連結腕部と前記作用部との境界近傍の領域に形成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。
9. 外力作用領域部と非変形領域部を有する複数の作用部と、この作用部を支持する支持部と、前記作用部と前記支持部を連結する複数の連結部とを備えるベース部材と、
   前記連結部の変形発生部に設けられる歪み抵抗素子とを備え、
   前記作用部と前記支持部と前記連結部は孔により機能的に分離され、
   前記連結部は弾性部と前記作用部につながる連結腕部とを有し、この連結腕部の両側に前記孔を挟んで前記作用部の前記外力作用領域部が配置され、
   前記弾性部は長手方向における両端部が前記支持部と接続され、前記歪み抵抗素子は前記連結腕部と前記作用部との接続箇所に形成されていることを特徴とする力覚センサ用チップ。
10. 前記作用部の前記非変形領域部に温度補償用抵抗素子が配置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。
11. 前記外力作用領域部は外力の作用を直接に受ける部分であり、前記非変形領域部は前記外力の作用を直接に受けない部分であることを特徴とする請求項１、請求項４、請求項７、又は請求項９の何れか１項に記載の力覚センサ用チップ。
12. 前記弾性部の長辺と前記作用部との間、および前記連結腕部の長辺と前記作用部との間に、前記孔が形成されていることを特徴とする請求項１、請求項４、請求項７、又は請求項９の何れか１項に記載の力覚センサ用チップ。
13. 請求項１乃至１２の何れか１項に記載の力覚センサチップへ外力を印加する外力伝達機構であって、
    前記外力伝達機構は、
    プレート部とこのプレート部の上に形成された外力作用部とからなる外力印加部と、
    前記プレート部の下の対応する箇所に結合され、１つの上端部と２つの下端部を有する脚部と、
    を備えることを特徴とする外力伝達機構。

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