JP6940037B2 - 力覚センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、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枚づ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、力覚センサ装置は、例えばねじ等を用いて起歪体を筐体等の被固定部に取り付けて使用される場合があるが、センサチップを起歪体に固定する構造によっては、ねじ等の締結時に生じる応力により起歪体が変形し、その変形がセンサチップに伝達されて、センサチップの出力に変動（オフセット）が生じる場合があった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、力覚センサ装置を被固定部に取り付ける際に生じる応力に起因するセンサチップの出力の変動を低減することを目的とする。

本力覚センサ装置（１）は、複数の所定の軸方向の変位を検知するセンサチップ（１１０）と、印加された力を前記センサチップ（１１０）に伝達する起歪体（２０）と、を有する力覚センサ装置（１）であって、前記起歪体（２０）は、前記センサチップ（１１０）を搭載するセンサチップ搭載部（２８）と、前記センサチップ搭載部（２８）の周囲に離間して配置された複数の柱（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ）と、被固定部に取り付けられる土台（２１）と、を備え、各々の前記柱（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ）は、前記土台（２１）の上面に配置され、前記土台（２１）の上面と前記センサチップ搭載部（２８）の下面との間に空間があり、前記センサチップ搭載部（２８）は、接続用梁（２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄ）を介して、各々の前記柱（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ）に固定されていることを要件とする。

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、力覚センサ装置を被固定部に取り付ける際に生じる応力に起因するセンサチップの出力の変動を低減することができる。

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。 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。 センサチップ１１０をＺ軸方向上側から視た図である。 センサチップ１１０をＺ軸方向下側から視た図である。 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１１０のピエゾ抵抗素子の配置を例示する図である。 センサチップ１１０における電極配置と配線を例示する図である。 センサチップ１１０の温度センサを例示する拡大平面図である。 起歪体２０を例示する図（その１）である。 起歪体２０を例示する図（その２）である。 起歪体２０を例示する図（その３）である。 力覚センサ装置１の製造工程を例示する図（その１）である。 力覚センサ装置１の製造工程を例示する図（その２）である。 力覚センサ装置１の製造工程を例示する図（その３）である。 第１の実施の形態の変形例１に係る力覚センサ装置を例示する斜視図である。 第１の実施の形態の変形例１に係る力覚センサ装置を例示する図である。 起歪体を被固定部に固定したときにセンサチップのＦｚ出力に発生するオフセットについて説明する図（その１）である。 起歪体を被固定部に固定したときにセンサチップのＦｚ出力に発生するオフセットについて説明する図（その２）である。 図１８（ｂ）〜図１８（ｄ）の状態におけるセンサチップのＦｚ出力（オフセット）をシミュレーションで求めた結果である。 比較例、実施例１、及び実施例２の各構造の、センサチップの出力についてのシミュレーション結果である。 比較例及び実施例２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（その１）である。 比較例及び実施例２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（その２）である。 起歪体を被固定部に固定したときにセンサチップのＦｚ出力に発生するオフセットについて説明する図である。 図２３（ａ）及び図２３（ｂ）に示すモデルにおけるセンサチップ１１０のＦｚ出力（オフセット）をシミュレーションで求めた結果である。 図２４の結果について説明する図である。 力覚センサ装置を約５０℃のペルチェ素子表面に載せて、センサチップの出力の温度追従性を評価した結果である。 Ｆｚのオフセット温度ドリフトの解析結果（その１）である。 Ｆｚのオフセット温度ドリフトの解析結果（その２）である。 Ｆｚのオフセット温度ドリフトの解析結果（その３）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の実施の形態〉
（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。又、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。又、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又は一方の側、その反対側を下側又は他方の側とする。又、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又は上面、その反対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。又、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、力又は変位を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。又、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、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。又、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。

又、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。又、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。

又、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よりも検知用梁１１３ｆ側であって、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。

又、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。又、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。

又、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。又、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。

又、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よりも検知用梁１１３ｋ側であって、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。

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。

又、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に近つけ、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。

又、センサチップ１１０では、短くしたことで応力に対する変形が小さくなった検知用梁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は力Ｆｚを検出する。又、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。

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。又、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。

又、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。又、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１１３ｄ及び１１３ｊの変形に基づいて検知することができる。

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。

図７は、センサチップ１１０における電極配置と配線を例示する図であり、センサチップ１１０をＺ軸方向上側から視た平面図である。図７に示すように、センサチップ１１０は、電気信号を取り出すための複数の電極１５を有している。各電極１５は、力点１１４ａ〜１１４ｄに力が印加された際の歪みが最も少ない、センサチップ１１０の支持部１１１ａ〜１１１ｄの上面に配置されている。各ピエゾ抵抗素子から電極１５までの配線１６は、各補強用梁上及び各検知用梁上を適宜引き回すことができる。

このように、各補強用梁は、必要に応じて配線を引き出す際の迂回路としても利用できるため、検知用梁とは別に補強用梁を配置することで、配線設計の自由度を向上することができる。これにより、各ピエゾ抵抗素子を、より理想的な位置に配置することが可能となる。

図８は、センサチップ１１０の温度センサを例示する拡大平面図である。図７及び図８に示すように、センサチップ１１０は、歪み検出用に用いるピエゾ抵抗素子に温度補正を行うための温度センサ１７を備えている。温度センサ１７は、４つのピエゾ抵抗素子ＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３、及びＴＲ４がブリッジ接続された構成である。

ピエゾ抵抗素子ＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３、及びＴＲ４のうち、対向する２つは歪み検出用に用いるピエゾ抵抗素子ＭｘＲ１等と同一特性とされている。又、ピエゾ抵抗素子ＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３、及びＴＲ４のうち、対向する他の２つは、不純物半導体により不純物濃度を変えることで、ピエゾ抵抗素子ＭｘＲ１等と異なる特性とされている。これにより、温度変化によりブリッジのバランスが崩れるため、温度検出が可能となる。

なお、歪み検出用に用いるピエゾ抵抗素子（ＭｘＲ１等）は、全て、センサチップ１１０を構成する半導体基板（シリコン等）の結晶方位に水平又は垂直に配置されている。これにより、同じ歪みに対して、より大きな抵抗の変化を得ることができ、印加される力及びモーメントの測定精度を向上させることが可能となる。

これに対して、温度センサ１７を構成するピエゾ抵抗素子ＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３、及びＴＲ４は、センサチップ１１０を構成する半導体基板（シリコン等）の結晶方位に対して４５度傾けて配置されている。これにより、応力に対する抵抗変化を低減できるため、温度変化のみを精度よく検知できる。

又、温度センサ１７は、力点１１４ａ〜１１４ｄに力が印加された際の歪みが最も少ない、センサチップ１１０の支持部１１１ａの上面に配置されている。これにより、応力に対する抵抗変化をいっそう低減できる。

なお、ピエゾ抵抗素子は、本発明にかかる歪検出素子の代表的な一例である。

（起歪体２０）
図９は、起歪体２０を例示する図（その１）であり、図９（ａ）は斜視図、図９（ｂ）は側面図である。図１０は、起歪体２０を例示する図（その２）であり、図１０（ａ）は平面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＡ−Ａ線に沿う縦断面斜視図である。図１０（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１１は、起歪体２０を例示する図（その３）であり、図１１（ａ）は図１０（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う縦断面図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＣ−Ｃ線に沿う横断面図である。

図９〜図１１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。柱２８を土台２１の上面に直接固定せずに、土台２１の上面と柱２８の下面とを所定の距離だけ離すことの技術的意義については図１７〜図２２を参照しながら後述する。

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。又、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１２〜図１４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１２（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１２（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１３（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。又、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１３（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１４（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１４（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。

又、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。

〈第１の実施の形態の変形例１〉
第１の実施の形態の変形例１では、受力板を備えた力覚センサ装置の例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例１において、既に説明した実施の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。

図１５は、第１の実施の形態の変形例１に係る力覚センサ装置を例示する斜視図である。図１６は、第１の実施の形態の変形例１に係る力覚センサ装置を例示する図であり、図１６（ａ）は平面図、図１６（ｂ）は図１６（ａ）のＤ−Ｄ線に沿う縦断面図である。図１５及び図１６を参照するに、力覚センサ装置１Ａは、起歪体２０の入力部２４ａ〜２４ｄ上に受力板４０を設けた点が力覚センサ装置１と相違する。

受力板４０の平面形状は、例えば、円形とすることができるが、矩形等としてもよい。受力板４０の上面側には平面形状が矩形の４つの凹部４０ｘと、平面形状が円形の４つの貫通孔４０ｙが設けられている。又、受力板４０の上面側の中心には、平面形状が円形の１つの凹部４０ｚが設けられている。

４つの凹部４０ｘは各々起歪体２０の入力部２４ａ〜２４ｄを覆うように配置され、各々の凹部４０ｘの底面は起歪体２０側に突起して起歪体２０の入力部２４ａ〜２４ｄの上面と接している。但し、凹部４０ｘ、貫通孔４０ｙ、及び凹部４０ｚの平面形状は、任意に決定することができる。

このような構造により、受力板４０と起歪体２０とを位置決めすることができる。又、凹部４０ｘ及び凹部４０ｚは、必要に応じて、力覚センサ装置１Ａを被固定部に取り付ける際の位置決めに用いることができる。又、貫通孔４０ｙは、力覚センサ装置１Ａを被固定部にねじ等を用いて締結するためのねじ孔である。

受力板４０の材料としては、例えば、ＳＵＳ（ステンレス鋼）６３０等を用いることができる。受力板４０は、例えば、起歪体２０に溶接、接着、ねじ止め等により固定することができる。

このように、受力板４０を設けることで、受力板４０を介して起歪体２０の入力部２４ａ〜２４ｄに外部から力を入力することができる。

〈シミュレーション１〉
図１７〜図１８は、起歪体を被固定部に固定したときにセンサチップのＦｚ出力に発生するオフセットについて説明する図である。

図１７（ａ）〜図１７（ｃ）に示すように、土台２１の上面と柱２８の下面との距離が異なる起歪体を備えた３種類の力覚センサ装置を準備した。

図１７（ａ）では、土台２１の上面と柱２８の下面との距離Ｌ_１＝１．３５ｍｍとしている（実施例１とする）。図１７（ａ）では、土台２１の上面と柱２８の下面との距離Ｌ_１は、柱２２ａ〜２２ｄの高さＬ_０の略半分の値となっている。つまり、柱２８を接続する位置は、柱２２ａ〜２２ｄの略中間である。なお、ここでは、柱２２ａ〜２２ｄの高さＬ_０を、土台２１の最も高い位置から、それに対向する梁の下面までの距離と定義する。

図１７（ｂ）では、土台２１の上面と柱２８の下面との距離Ｌ_２＝０．５ｍｍとしている（実施例２とする）。図１７（ｂ）では、土台２１の上面と柱２８の下面との距離Ｌ_２は、柱２２ａ〜２２ｄの高さＬ_０の半分の値よりも小さくなっている。つまり、柱２８を接続する位置は、柱２２ａ〜２２ｄの中間よりも下側である。

図１７（ｃ）では、土台２１の上面に柱２８が直接形成されており、土台２１の上面と柱２８の下面との距離はゼロである（比較例とする）。

図１８（ａ）に示すように、図１７（ａ）〜図１７（ｃ）の各々を、金属からなる被固定部５００に、ねじ５２０を４本用いて締結した。図１８（ｂ）〜図１８（ｄ）は、図１７（ａ）〜図１７（ｃ）の各々を図１８（ａ）のように固定した場合の起歪体２０の変形のシミュレーション結果である。

図１８（ｂ）に示すように、比較例（図１７（ｃ））の構造では、ねじ締結時の変形が柱２８まで及んでいる。一方、図１８（ｃ）に示すように、実施例１（図１７（ａ））の構造では、ねじ締結時の柱２８の変形は、図１８（ａ）に比べて大幅に低減されている。又、図１８（ｄ）に示すように、実施例２（図１７（ｂ））の構造では、ねじ締結時の柱２８の変形は、図１８（ｂ）に比べて大幅に低減されているが、図１８（ｃ）に示す実施例１よりは柱２８の変形が大きい。

図１９は、図１８（ｂ）〜図１８（ｄ）の状態におけるセンサチップ１１０のＦｚ出力（オフセット）をシミュレーションで求めた結果であり、比較例を１００％として示している。図１９に示すように、実施例１の構造では比較例の構造に比べてＦｚ出力（オフセット）が８％に低減され、実施例２の構造では比較例の構造に比べてＦｚ出力（オフセット）が２７％に低減されている。

このように、土台２１の上面と柱２８の下面との距離を長くするほど、ねじ締結時の柱２８の変形が低減され、結果としてセンサチップ１１０のＦｚ出力（オフセット）が低減されることが確認された。

図２０は、比較例、実施例１、及び実施例２の各構造の、センサチップ１１０の出力についてのシミュレーション結果であり、各方向に同一の力又はモーメントを印加したときの出力レベルを比較例の構造を１００％として示している。図２０（ａ）はシミュレーション結果をグラフ化したものであり、図２０（ｂ）は図２０（ａ）の結果を数値化してまとめたものである。

図２０に示すように、比較例と実施例１とを比較すると、実施例１では、Ｍｘ（Ｍｙ）の出力は比較例と同等であるが、Ｆｘ（Ｆｙ）、Ｆｚ、及びＭｚの出力が比較例に対して６０〜８０％程度に低下している。

又、比較例と実施例２とを比較すると、実施例２では、Ｆｘ（Ｆｙ）、Ｆｚ、及びＭｚの出力が比較例に対して±５％程度の範囲内に収まっており、これは比較例と同程度の出力と考えて差し支えない。一方、実施例２のＭｘ（Ｍｙ）の出力は、比較例に対して１０％以上向上しており、これは明らかな差異であると考えられる。

実施例２のＭｘ（Ｍｙ）の出力が比較例に対して向上した件に関し、比較例の構造と実施例２の構造に各々モーメントＭｙを印加したときの他軸成分についてシミュレーションで求めた。

図２１（ａ）は比較例の構造に対するシミュレーション結果であり、図２１（ｂ）は図２１（ａ）の破線部を拡大したものである。図２１（ａ）及び図２１（ｂ）に示すように、比較例の構造では、土台２１の上面に柱２８が直接形成されているため、モーメントＭｙを印加したときに柱２８はほとんど傾かず梁２６ｄのみが傾いている（梁２６ａ〜２６ｃについても同様である）。柱２８に対する梁２６ｄの傾きがＦｘ成分となる。

一方、図２１（ｃ）は実施例２の構造に対するシミュレーション結果であり、図２１（ｄ）は図２１（ｃ）の破線部を拡大したものである。図２１（ｃ）及び図２１（ｄ）に示すように、実施例２の構造では、土台２１の上面と柱２８の下面とが離れており柱２８が土台２１の上面に固定されていないため、モーメントＭｙを印加したときに柱２８と梁２６ｄが同方向に傾いている（梁２６ａ〜２６ｃについても同様である）。

その結果、図２２（ａ）に示すように、比較例の構造ではモーメントＭｙを印加したときにＦｘ成分が現れるが、図２２（ｂ）に示すように、実施例２の構造ではモーメントＭｙを印加したときにＦｘ成分が現れない。又、実施例２では、Ｆｘ成分が現れない分がＭｙの出力にプラスされるため、Ｍｙの出力が比較例に対して１０％以上向上したものと考えられる。

以上をまとめると、柱２８を土台２１の上面には直接固定せず、柱２８を接続用梁２８ａ〜２８ｄを介して柱２２ａ〜２２ｄに固定する構造とした場合、土台２１の上面と柱２８の下面との距離を長くするほど、ねじ締結時の柱２８の変形が低減され、結果としてセンサチップ１１０のＦｚ出力（オフセット）が低減される。一方、土台２１の上面と柱２８の下面との距離を長くするほど、センサチップ１１０の出力が低下する（感度が低下する）。

すなわち、柱２８は、柱２２ａ〜２２ｄの中間よりも下側に接続することが好ましい。これにより、センサチップ１１０の感度を確保しながら、ねじ締結時のセンサチップ１１０のＦｚ出力（オフセット）を低減することができる。

ねじ締結時のセンサチップ１１０のＦｚ出力（オフセット）の低減を土台２１の剛性を上げることで達成しようとした場合、土台２１の厚みを厚くする必要があり、力覚センサ装置全体のサイズが大きくなってしまう。柱２８を土台２１の上面には直接固定せず、柱２８を接続用梁２８ａ〜２８ｄを介して柱２２ａ〜２２ｄに固定する構造することにより、力覚センサ装置全体のサイズが大きくなることなく、ねじ締結時のセンサチップ１１０のＦｚ出力（オフセット）を低減することができる。

又、柱２８を土台２１の上面には直接固定せず、柱２８を接続用梁２８ａ〜２８ｄを介して柱２２ａ〜２２ｄに固定する構造することにより、モーメント（Ｍｘ、Ｍｙ）入力時のモーメント成分（Ｍｘ、Ｍｙ）と並進方向の力成分（Ｆｘ、Ｆｙ）の分離性を向上することができる。

〈シミュレーション２〉
シミュレーション１では、土台２１の上面と柱２８の下面との距離を長くするほど、ねじ締結時の柱２８の変形が低減され、結果としてセンサチップ１１０のＦｚ出力（オフセット）が低減されることを示した。

しかし、ねじ締結時の締結力等の条件によっては、土台２１の上面と柱２８の下面との距離を長くし過ぎると、反対極性のオフセットが生じる場合がある。シミュレーション２では、この問題を改善する方法について説明する。

図２３は、起歪体を被固定部に固定したときにセンサチップのＦｚ出力に発生するオフセットについて説明する図である。

図２３（ａ）及び図２３（ｂ）に示すように、２種類の力覚センサ装置を準備した。図２３（ａ）は図１７（ａ）で示したものと同一のモデルである（但し、受力板４０は設けられていない）。図２３（ｂ）は、図２３（ａ）の柱２８の下面に接続用梁２８ａ〜２８ｄの下面よりも下側（土台２１側）に突出した突出部２８ｚを追加したモデルである。図２３（ｂ）において、接続用梁２８ａ〜２８ｄと突出部２８ｚとの接続部分がＲ状とされている。

図２４は、図２３（ａ）及び図２３（ｂ）に示すモデルにおけるセンサチップ１１０のＦｚ出力（オフセット）をシミュレーションで求めた結果である。図２４に示すように、図２３（ａ）に示す突出部２８ｚを有していないモデルでは、距離Ｌ_１が１ｍｍ程度よりも長くなるとマイナス側のオフセットが発生していることがわかる。これに対して、図２３（ｂ）に示す突出部２８ｚを有しているモデルでは、距離Ｌ_１が１ｍｍ程度よりも長くなってもマイナス側のオフセットが発生していないことがわかる。

図２５に示すように、突出部２８ｚを有していないモデルでは、距離Ｌ_１が所定値（例えば、１ｍｍ）よりも長くなると、柱２２ａ〜２２ｄの上部が矢印Ａに示すように外側へ引っ張られることで、柱２８が上側（矢印Ｂ側）へ押し上げられるために、図２４のような結果になったと考えられる。一方、突出部２８ｚを有しているモデルでは、突出部２８ｚが柱２８が上側（矢印Ｂ側）へ押し上げられること（湾曲すること）を抑制するため、図２４のような結果になったと考えられる。

このように、接続用梁２８ａ〜２８ｄの下面よりも下側に突出した突出部２８ｚを設けることにより、距離Ｌ_１を長くした際に、センサチップ１１０のＦｚ出力にマイナス側のオフセットが発生することを抑制できることが確認された。

なお、接続用梁２８ａ〜２８ｄの下面と突出部２８ｚとの接続部分をＲ状とすることにより、接続部分の応力集中を緩和できるため、外力に対する接続部分の強度を向上することができる。

〈シミュレーション３〉
シミュレーション３では、センサチップのオフセットの温度特性の動的評価を行った。図２６は、力覚センサ装置を約５０℃のペルチェ素子表面に載せて、センサチップの出力の温度追従性を評価した結果である。図２６の破線長丸で囲んだように、６軸のうちＦｚ軸についてのみ、他の軸とは異なる特異の出力変動（オフセット温度ドリフト）が発生することがわかった。なお、図２６の評価に用いた力覚センサ装置は、図１８（ｂ）に示した比較例に係る起歪体を搭載している。

図２７は、Ｆｚのオフセット温度ドリフトの解析結果（その１）であり、起歪体の温度を２５℃〜５５℃に変化させたときの温度印加から１秒後の起歪体の温度分布とＺ変位（変位は５００倍表示）とを示している。なお、比較例３は図１８（ｂ）に示した比較例と同じ起歪体であり、実施例３は図１８（ｃ）に示した実施例１と同じ起歪体である。

図２７に示すように、比較例３では、図１０に示す柱２５ａ〜２５ｄの上面と、突起部２７ａ〜２７ｄの上面とのＺ軸変位差が大きく、０．６μｍ程度の段差が発生した。これに対して、実施例３では、図１０に示す柱２５ａ〜２５ｄの上面と、突起部２７ａ〜２７ｄの上面とのＺ軸変位差が小さく、段差は０．１３μｍ程度であった。比較例３において、大きな段差の発生がＦｚ軸のオフセット温度ドリフトの一因となっている可能性があり、そうであれば、実施例３ではＦｚ軸のオフセット温度ドリフトが低減されていることが予想される。これについて、以下に検討を行った。

図２８は、Ｆｚのオフセット温度ドリフトの解析結果（その２）であり、比較例３及び実施例３の起歪体における、温度印加から４０秒後までの過渡伝熱解析結果である。比較例３及び実施例３のモデルについては前述の通りである。図２８の比較例３及び実施例３の各々において、丸は図１０に示す柱２５ａ〜２５ｄの上面の温度の平均値、四角は図１０に示す突起部２７ａ〜２７ｄの上面の温度の平均値を示している。図２８に示すように、比較例３では温度印加から３０秒程度の間、柱２５ａ〜２５ｄの上面の温度の平均値と突起部２７ａ〜２７ｄの上面の温度の平均値が不一致であるが、実施例３では両者はほぼ一致している。

図２９は、Ｆｚのオフセット温度ドリフトの解析結果（その３）であり、比較例３の起歪体にセンサチップを搭載したモデル（比較例４とする）及び実施例３の起歪体にセンサチップを搭載したモデル（実施例４とする）について、センサ出力の推移を試算したものである。なお、温度は、土台２１の下面側に印加した。

図２９に示すように、比較例４及び実施例４の何れにおいても、Ｆｚ以外の出力についてはオフセットはほぼゼロである。一方、Ｆｚについては、比較例４では温度印加から３０秒程度の間に大きなオフセット温度ドリフトが存在しているが、実施例４ではオフセット温度ドリフトが大幅に低減されている。

以上のように、動的オフセット温特評価で見られたＦｚの特異な挙動についてシミュレーション解析を実施したところ、起歪体の過渡的な熱分布に伴う変位によってＦｚ出力が変動することが確認できた。

すなわち、Ｆｚの特異な挙動は起歪体の構造が主な要因であり、比較例４のように土台２１の上面と柱２８の下面とが連続する構造では、図２８に示したように、温度印加から３０秒程度の間、土台２１の下面から柱２５ａ〜２５ｄの上面と、突起部２７ａ〜２７ｄの上面に温度が伝達される時間が異なる。そのため、柱２５ａ〜２５ｄの上面と突起部２７ａ〜２７ｄの上面との間に大きな段差（図２７参照）が生じ、図２９示すようにＦｚのオフセット温度ドリフトが発生する。

これに対して、実施例４のように土台２１の上面と柱２８の下面とを所定の距離だけ離す構造では、図２８に示したように、土台２１の下面から柱２５ａ〜２５ｄの上面と、突起部２７ａ〜２７ｄの上面に温度が伝達される時間がほぼ同等になる。そのため、柱２５ａ〜２５ｄの上面と突起部２７ａ〜２７ｄの上面との間の段差が低減され、図２９示すようにＦｚのオフセット温度ドリフトが大きく改善される。

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、１Ａ 力覚センサ装置
１５ 電極
１６ 配線
１７ 温度センサ
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

Claims (11)

1. 複数の所定の軸方向の変位を検知するセンサチップと、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であって、
   前記起歪体は、
   前記センサチップを搭載するセンサチップ搭載部と、
   前記センサチップ搭載部の周囲に離間して配置された複数の柱と、
   被固定部に取り付けられる土台と、を備え、
   各々の前記柱は、前記土台の上面に配置され、
   前記土台の上面と前記センサチップ搭載部の下面との間に空間があり、
   前記センサチップ搭載部は、接続用梁を介して、各々の前記柱に固定されていることを特徴とする力覚センサ装置。
2. 各々の前記接続用梁は、各々の前記柱よりも細いことを特徴とする請求項１に記載の力覚センサ装置。
3. 各々の前記接続用梁が、各々の前記柱と接続される位置は、各々の前記柱の高さ方向の中間よりも下側であることを特徴とする請求項１又は２に記載の力覚センサ装置。
4. 前記土台の上面に、４本の前記柱が前記土台の中心に対して均等に配置され、
   前記センサチップ搭載部の前記接続用梁が接続される部分の横断面形状は矩形であり、
   前記矩形の四隅と前記矩形の四隅に対向する前記柱とが前記接続用梁を介して接続されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の力覚センサ装置。
5. 前記起歪体は、
   隣接する前記柱の前記土台とは反対側同士を連結する、印加された力により変形する４つの第１の梁と、
   各々の前記第１の梁の内側面から水平方向内側に突出する、前記柱及び前記第１の梁の変形を前記センサチップに伝達する第２の梁と、
   各々の前記第１の梁の長手方向の中央部から上方に突起する、力が印加される４つの入力部と、を有することを特徴とする請求項４に記載の力覚センサ装置。
6. 各々の前記第２の梁の先端側に、上方に突起して前記センサチップと接する突起部が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装置。
7. 前記センサチップは、
   基板と、
   前記基板の四隅に配置された第１の支持部と、
   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、
   各々の前記第１の検知用梁と前記第２の支持部との間に、各々の前記第１の検知用梁に平行に設けられた第２の検知用梁と、
   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、
   各々の前記第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、
   前記基板の厚さ方向であるＺ軸方向の変位は、前記第１の検知用梁又は前記第２の検知用梁の変形に基づいて検知し、
   前記Ｚ軸方向に直交するＸ軸方向及びＹ軸方向の変位は、前記第１の検知用梁の変形に基づいて検知することを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の力覚センサ装置。
8. 前記センサチップは、
   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、前記第２の検知用梁、及び前記第３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ことを特徴とする請求項７に記載の力覚センサ装置。
9. 前記第１の検知用梁、前記第２の検知用梁、及び前記第３の検知用梁は、前記第１の支持部及び前記第２の支持部の厚さ方向の上端側に設けられ、
   前記第１の支持部及び前記第２の支持部の厚さ方向の下端側において、前記第１の支持部の下面、前記第２の支持部の下面、及び前記力点の下面は面一であり、
   前記下端側において、前記第１の補強用梁の下面及び前記第２の補強用梁の下面は、前記第１の支持部の下面、前記第２の支持部の下面、及び前記力点の下面よりも前記上端側に窪んでいることを特徴とする請求項８に記載の力覚センサ装置。
10. 前記センサチップ搭載部の下面に、前記接続用梁の下面よりも下側に突出した突出部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の力覚センサ装置。
11. 前記接続用梁と前記突出部との接続部分がＲ状であることを特徴とする請求項１０に記載の力覚センサ装置。

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