WO2019146695A1 - センサチップ及び力覚センサ装置 - Google Patents

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WO2019146695A1
WO2019146695A1 PCT/JP2019/002259 JP2019002259W WO2019146695A1 WO 2019146695 A1 WO2019146695 A1 WO 2019146695A1 JP 2019002259 W JP2019002259 W JP 2019002259W WO 2019146695 A1 WO2019146695 A1 WO 2019146695A1
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detection
sensor chip
force
detection unit
detection beam
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PCT/JP2019/002259
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真也 山口
Original Assignee
ミネベアミツミ株式会社
真也 山口
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    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material
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    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2287—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges
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    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • G01L5/161—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance
    • G01L5/162—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance of piezoresistors

Definitions

  • the present invention relates to a sensor chip and a force sensor device.
  • the force sensor when the input is a single axis (one of the six axes [Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz] (In the case of the direction along (1)), the force sensor can obtain high accuracy.
  • the input is a complex input (a complex input along any two or more of six axes [Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz])
  • the axis separation is Because of the insufficient force, the error of the force sensor is increased, and the accuracy is reduced.
  • complex inputs there are combinations of axes of complex inputs that do not meet the target value of accuracy.
  • the present invention has been made in view of the above-described points, and an object thereof is to improve axial separation of a sensor chip with respect to complex inputs and improve sensor accuracy.
  • the present sensor chip (110) includes a substrate, a first support (111a, 111b, 111c, 111d), and a second support disposed at the center of the substrate, the first support being disposed around the periphery.
  • the first detection beam (113a, 113d, 113g, 113j) for connecting the support portion (111e) and the adjacent first support portions, the first detection beam, and the second support portion Between the second detection beam (113b, 113e, 113h, 113k) provided parallel to the first detection beam, and a force applied to the first detection beam
  • the plurality of strain detection elements disposed at predetermined positions of the first detection beam and the second detection beam, and the plurality of force points (114a, 114b, 114c, 114d)
  • the strain detecting element is a strain detecting device capable of detecting the force in the first direction.
  • a requirement is to include a first detection unit having an element, and a second detection unit capable of detecting a force in the first direction and having
  • the 2 which shows an example of the strain generating body which concerns on embodiment.
  • the 3) which shows an example of the strain generating body which concerns on embodiment.
  • It is a figure (the 2) showing an example of a manufacturing process of a force sensor device concerning an embodiment.
  • It is a figure (the 3) which shows an example of the manufacturing process of the force sensor apparatus which concerns on embodiment.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating a force sensor device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating a sensor chip and a strain generating body of the force sensor device according to the first embodiment.
  • the force sensor device 1 includes a sensor chip 110, a strain generating body 20, and an input / output substrate 30.
  • the force sensor device 1 is, for example, a multi-axis force sensor device mounted on an arm, a finger or the like of a robot used for a machine tool or the like.
  • the sensor chip 110 has a function of detecting a maximum of six axial displacements in a predetermined axial direction.
  • the strain generating body 20 has a function of transmitting the applied force to the sensor chip 110.
  • the sensor chip 110 is bonded to the upper surface side of the strain generating body 20 so as not to protrude from the strain generating body 20.
  • one end side of an input / output substrate 30 for inputting / outputting a signal to / from the sensor chip 110 is bonded to the upper surface and each side surface of the strain generating body 20 in a properly bent state.
  • the sensor chip 110 and each electrode 31 of the input / output substrate 30 are electrically connected by a bonding wire or the like (not shown).
  • an active component 32 and a passive component 39 are mounted in a region disposed on the first side surface of the strain generating body 20.
  • an active component 33 and a passive component 39 are mounted in a region disposed on the second side surface of the strain generating body 20.
  • An active component 34 and a passive component 39 are mounted on a region of the input / output substrate 30 disposed on the third side surface of the strain generating body 20.
  • an active component 35 and a passive component 39 are mounted in a region disposed on the fourth side surface of the strain generating body 20.
  • the active component 33 detects, for example, an analog electrical signal from a bridge circuit that detects a force Fx in the X-axis direction output from the sensor chip 110 and a bridge that detects a force Fy in the Y-axis direction output from the sensor chip 110 It is an IC (AD converter) that converts an analog electrical signal from a circuit into a digital electrical signal.
  • a bridge circuit that detects a force Fx in the X-axis direction output from the sensor chip 110 and a bridge that detects a force Fy in the Y-axis direction output from the sensor chip 110
  • IC AD converter
  • the active component 34 has, for example, an analog electrical signal from a bridge circuit that detects the force Fz in the Z-axis direction output from the sensor chip 110, and a moment Mx that rotates around the X axis output from the sensor chip 110. It is an IC (AD converter) that converts an analog electrical signal from a bridge circuit to be detected into a digital electrical signal.
  • IC AD converter
  • the active component 35 rotates, for example, an analog electrical signal from a bridge circuit that detects a moment My rotating about the Y axis output from the sensor chip 110 and a Z axis output from the sensor chip 110 as an axis It is an IC (AD converter) that converts an analog electrical signal from a bridge circuit that detects a moment Mz into a digital electrical signal.
  • IC AD converter
  • Active component 32 performs predetermined operations on digital electrical signals output from active components 33, 34 and 35, for example, and indicates forces Fx, Fy and Fz, and moments Mx, My and Mz. It is an IC that generates a signal and outputs it to the outside.
  • the passive component 39 is, for example, a resistor or a capacitor connected to the active components 32 to 35.
  • the number of ICs to realize the functions of the active components 32 to 35 can be arbitrarily determined.
  • the active components 32 to 35 may be mounted on the external circuit side connected to the input / output substrate 30 without being mounted on the input / output substrate 30. In this case, an analog electrical signal is output from the input / output board 30.
  • the input / output substrate 30 is bent outward below the first side surface of the strain generating body 20, and the other end side of the input / output substrate 30 is drawn out.
  • terminals (not shown) capable of electrically inputting / outputting to / from an external circuit (control device etc.) connected to the force sensor device 1 are arranged.
  • the side provided with the sensor chip 110 is referred to as the upper side or one side, and the opposite side is referred to as the lower side or the other side.
  • the surface on the side where the sensor chip 110 is provided in each part is referred to as one surface or the upper surface, and the opposite surface is referred to as the other surface or the lower surface.
  • the force sensor device 1 can be used in the upside-down state or can be disposed at an arbitrary angle.
  • planar view refers to viewing the object from the normal direction (Z-axis direction) of the upper surface of the sensor chip 110
  • planar shape refers to the normal direction of the upper surface of the sensor chip 110 (Z-axis direction It refers to the shape viewed from).
  • FIG. 3 is a view of the sensor chip 110 viewed from the upper side in the Z-axis direction
  • FIG. 3 (a) is a perspective view
  • FIG. 3 (b) is a plan view
  • FIG. 4 is a view of the sensor chip 110 viewed from the lower side in the Z-axis direction
  • FIG. 4 (a) is a perspective view
  • FIG. 4 (b) is a bottom view.
  • surfaces of the same height are shown in the same textured pattern.
  • the direction parallel to one side of the upper surface of the sensor chip 110 is the X-axis direction
  • the vertical direction is the Y-axis direction
  • the thickness direction of the sensor chip 110 (the normal direction of the upper surface of the sensor chip 110) is the Z-axis direction.
  • the X axis direction, the Y axis direction, and the Z axis direction are orthogonal to one another.
  • the sensor chip 110 shown in FIGS. 3 and 4 is a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sensor chip that can detect up to six axes with one chip, and is formed of a semiconductor substrate such as an SOI (Silicon On Insulator) substrate.
  • the planar shape of the sensor chip 110 can be, for example, a square of about 3000 ⁇ m square.
  • the sensor chip 110 includes five columnar support portions 111a to 111e.
  • the planar shape of the support portions 111a to 111e can be, for example, a square of about 500 ⁇ m square.
  • the support portions 111a to 111d, which are the first support portions, are disposed at the four corners of the sensor chip 110.
  • the second support portion 111e is disposed at the center of the support portions 111a to 111d.
  • the support portions 111a to 111e can be formed of, for example, an active layer, a BOX layer, and a support layer of an SOI substrate, and the thickness thereof can be, for example, about 500 ⁇ m.
  • a reinforcement beam 112a for reinforcing the structure is provided, the ends of which are fixed to the support portion 111a and the support portion 111b (the adjacent support portions are connected). It is done.
  • reinforcement beams 112b for reinforcing the structure are provided, the ends of which are fixed to the support portion 111b and the support portion 111c (connect adjacent support portions). It is done.
  • reinforcement beams 112c for reinforcing the structure, both ends of which are fixed to the support portion 111c and the support portion 111d (connect adjacent support portions). It is done.
  • a reinforcement beam 112d for reinforcing the structure is provided, the ends of which are fixed to the support portion 111d and the support portion 111a (the adjacent support portions are connected). It is done.
  • the four reinforcing beams 112a, 112b, 112c, and 112d which are the first reinforcing beams, are formed in a frame shape, and the corner portions forming the intersections of the respective reinforcing beams are the support portions 111b, 111c, and 111d. , 111a.
  • the inner corner portion of the support portion 111a and the corner portion of the support portion 111e opposed thereto are connected by a reinforcing beam 112e for reinforcing the structure.
  • the inner corner portion of the support portion 111b and the corner portion of the support portion 111e opposed thereto are connected by a reinforcing beam 112f for reinforcing the structure.
  • the inner corner portion of the support portion 111c and the corner portion of the support portion 111e opposed thereto are connected by a reinforcing beam 112g for reinforcing the structure.
  • the inner corner portion of the support portion 111d and the corner portion of the support portion 111e opposed thereto are connected by a reinforcing beam 112h for reinforcing the structure.
  • the reinforcing beams 112e to 112h which are the second reinforcing beams, are disposed obliquely with respect to the X-axis direction (Y-axis direction). That is, the reinforcing beams 112e to 112h are disposed nonparallel to the reinforcing beams 112a, 112b, 112c, and 112d.
  • the reinforcing beams 112a to 112h can be formed, for example, from the active layer, the BOX layer, and the support layer of the SOI substrate.
  • the thickness (the width in the short direction) of the reinforcing beams 112a to 112h can be, for example, about 140 ⁇ m.
  • the upper surfaces of the reinforcing beams 112a to 112h are substantially flush with the upper surfaces of the support portions 111a to 111e.
  • each of the reinforcing beams 112a to 112h is recessed to the upper surface side by about several tens of micrometers than the lower surfaces of the support portions 111a to 111e and the lower surfaces of the power points 114a to 114d. This is to prevent the lower surfaces of the reinforcing beams 112a to 112h from coming into contact with the opposing surfaces of the straining body 20 when the sensor chip 110 is bonded to the straining body 20.
  • the rigidity of the entire sensor chip 110 can be enhanced by arranging a reinforcing beam having a high rigidity and formed thicker than the detection beam separately from the detection beam for detecting the strain. As a result, it becomes difficult to deform other than the detection beam with respect to the input, so that good sensor characteristics can be obtained.
  • Both ends of the reinforcing beam 112a between the supporting portion 111a and the supporting portion 111b are fixed to the supporting portion 111a and the supporting portion 111b in parallel with a predetermined distance therebetween (adjacent to each other) Support beams are connected to each other), and detection beams 113a for detecting distortion are provided.
  • a detection beam 113b is provided between the detection beam 113a and the support portion 111e at a predetermined distance from the detection beam 113a and the support portion 111e and in parallel with the detection beam 113a.
  • the detection beam 113b connects the end of the reinforcement beam 112e on the support portion 111e side and the end of the reinforcement beam 112f on the support portion 111e side.
  • a substantially central portion in the longitudinal direction of the detection beam 113a and a substantially central portion in the longitudinal direction of the detection beam 113b opposed thereto are the detection beam arranged to be orthogonal to the detection beam 113a and the detection beam 113b. It is connected by 113c.
  • Both ends of the reinforcing beam 112b between the supporting portion 111b and the supporting portion 111c are fixed to the supporting portion 111b and the supporting portion 111c in parallel with a predetermined distance therebetween (adjacent to each other) Support beams are connected to each other), and detection beams 113d for detecting distortion are provided.
  • a detection beam 113e is provided in parallel with the detection beam 113d at a predetermined distance from the detection beam 113d and the support portion 111e.
  • the detection beam 113e connects the end of the reinforcement beam 112f on the support portion 111e side and the end of the reinforcement beam 112g on the support portion 111e side.
  • Both ends of the reinforcing beam 112c between the supporting portion 111c and the supporting portion 111d are fixed to the supporting portion 111c and the supporting portion 111d in parallel with a predetermined distance therebetween (adjacent to each other) Support portions are connected with each other, and a detection beam 113g for detecting strain is provided.
  • a detection beam 113h is provided in parallel with the detection beam 113g with a predetermined interval between the detection beam 113g and the support portion 111e.
  • the detection beam 113h connects the end of the reinforcement beam 112g on the support 111e side and the end of the reinforcement beam 112h on the support 111e.
  • Both ends of the reinforcing beam 112d between the supporting portion 111d and the supporting portion 111a are fixed to the supporting portion 111d and the supporting portion 111a in parallel with a predetermined distance therebetween (adjacent to each other) Support beams are connected to each other), and detection beams 113 j for detecting distortion are provided.
  • a detection beam 113k is provided in parallel with the detection beam 113j at a predetermined interval from the detection beam 113j and the support portion 111e.
  • the detection beam 113k couples the end of the reinforcement beam 112h on the support portion 111e side and the end of the reinforcement beam 112e on the support portion 111e side.
  • the detection beams 113a to 113l are provided on the upper end side in the thickness direction of the support portions 111a to 111e, and can be formed of, for example, an active layer of an SOI substrate.
  • the thickness (width in the short direction) of the detection beams 113a to 113l can be, for example, about 75 ⁇ m.
  • the thickness (the width in the short direction) of the detection beams 113a to 113l may be different depending on the position.
  • the upper surfaces of the detection beams 113a to 113l are substantially flush with the upper surfaces of the support portions 111a to 111e.
  • the thickness of each of the detection beams 113a to 113l can be, for example, about 50 ⁇ m.
  • a force point 114a is provided on the lower surface side of the central portion in the longitudinal direction of the detection beam 113a (the intersection of the detection beam 113a and the detection beam 113c).
  • the detection beams 113a, 113b, and 113c and the force point 114a constitute a set of detection blocks.
  • a force point 114b is provided on the lower surface side of the central portion in the longitudinal direction of the detection beam 113d (the intersection point of the detection beam 113d and the detection beam 113f).
  • the detection beams 113d, 113e, and 113f and the force point 114b constitute a set of detection blocks.
  • a force point 114c is provided on the lower surface side of the central portion in the longitudinal direction of the detection beam 113g (the intersection point of the detection beam 113g and the detection beam 113i).
  • the detection beams 113g, 113h, and 113i and the force point 114c constitute a set of detection blocks.
  • a force point 114d is provided on the lower surface side of the central portion in the longitudinal direction of the detection beam 113j (the intersection of the detection beam 113j and the detection beam 113l).
  • the detection beams 113j, 113k, and 113l and the force point 114d constitute a set of detection blocks.
  • the force points 114a to 114d are places to which an external force is applied, and can be formed, for example, from the BOX layer and the support layer of the SOI substrate.
  • the lower surfaces of the power points 114a to 114d are substantially flush with the lower surfaces of the support portions 111a to 111e.
  • the portion forming the inner angle is preferably R-shaped.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining reference numerals indicating forces and moments applied to the respective axes.
  • the force in the X-axis direction is Fx
  • the force in the Y-axis direction is Fy
  • the force in the Z-axis direction is Fz.
  • Mx be a moment for rotating about the X axis
  • My be a moment for rotating the Y axis
  • Mz be a moment for rotating the Z axis.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the arrangement of the piezoresistive elements of the sensor chip 110. As shown in FIG. Piezoresistive elements, which are a plurality of strain detection elements, are disposed at predetermined positions of the detection blocks corresponding to the four force points 114a to 114d.
  • the piezoresistive elements MxR3 and MxR4 are on the line bisecting the detection beam 113a in the longitudinal direction, and In a region near the detection beam 113c of the detection beam 113a, the detection beam 113c is disposed at a symmetrical position with respect to a line bisecting in the longitudinal direction (Y direction).
  • the piezoresistive elements FyR3 and FyR4 are located on the reinforcing beam 112a side of a line bisecting the detecting beam 113a in the longitudinal direction and in a region farther from the detection beam 113c of the detection beam 113a.
  • the piezoresistive elements MzR3 ′ and MzR4 ′ are on a line bisecting the detection beam 113a in the longitudinal direction and between the end portion of the detection beam 113a on the side of the support portions 111a and 111b and the detection beam 113c. In a region near the middle point of the connection portion, the detection beam 113c is disposed at a symmetrical position with respect to a line bisecting the detection beam 113c in the longitudinal direction.
  • the piezoresistive elements MyR3 and MyR4 are detected on a line bisecting the detection beam 113d in the longitudinal direction and in a region near the detection beam 113f of the detection beam 113d.
  • the beam 113 f is disposed at symmetrical positions with respect to a line bisecting the beam 113 f in the longitudinal direction (X direction).
  • the piezoresistive elements FxR3 and FxR4 are located on the reinforcing beam 112b side of a line bisecting the detecting beam 113d in the longitudinal direction and in a region far from the detection beam 113f of the detection beam 113d.
  • the piezoresistive elements MzR3 and MzR4 are on the line bisecting the detection beam 113d in the longitudinal direction, and the connection between the end of the detection beam 113d on the side of the support portions 111b and 111c and the detection beam 113f
  • the detection beam 113f is disposed at a symmetrical position with respect to a line which bisects the detection beam 113f in the longitudinal direction in a region near the middle point of.
  • the piezoresistive elements FzR2 and FzR3 are on the line bisecting the detection beam 113e in the longitudinal direction, and in the region near the detection beam 113f of the detection beam 113e, the detection beam 113f is formed in the longitudinal direction. It is placed at a symmetrical position with respect to the dividing line.
  • the piezoresistive elements FzR1 ′ and FzR4 ′ are on the line bisecting the detection beam 113e in the longitudinal direction and in the region far from the detection beam 113f of the detection beam 113e in the longitudinal direction It is disposed at a symmetrical position with respect to the bisecting line.
  • the piezoresistive elements MxR1 and MxR2 are detected on a line bisecting the detection beam 113g in the longitudinal direction and in a region near the detection beam 113i of the detection beam 113g.
  • the beam 113i is disposed at symmetrical positions with respect to a line bisecting in the longitudinal direction (Y direction).
  • the piezoresistive elements FyR1 and FyR2 are located on the reinforcing beam 112c side of a line bisecting the detecting beam 113g in the longitudinal direction and in a region far from the detection beam 113i of the detection beam 113g.
  • the piezoresistive elements MzR1 ′ and MZR2 ′ are on a line bisecting the detection beam 113g in the longitudinal direction and between the end portion of the detection beam 113g on the support portions 111c and 111d side and the detection beam 113i. In a region near the middle point of the connection portion, the detection beam 113i is disposed at a symmetrical position with respect to a line bisecting the detection beam 113i in the longitudinal direction.
  • the piezoresistive elements MyR1 and MyR2 are detected on a line bisecting the detection beam 113j in the longitudinal direction and in a region close to the detection beam 113l of the detection beam 113j.
  • the beam 113 l is disposed at a symmetrical position with respect to a line bisecting the longitudinal direction (X direction).
  • the piezoresistive elements FxR1 and FxR2 are located on the reinforcing beam 112d side of a line bisecting the detecting beam 113j in the longitudinal direction and in a region far from the detection beam 113l of the detection beam 113j.
  • the piezoresistive elements MzR1 and MzR2 are on the line bisecting the detection beam 113j in the longitudinal direction, and the connection portion between the end of the detection beam 113j on the side of the support portions 111d and 111a and the detection beam 113l.
  • the detection beam 113l is disposed at a symmetrical position with respect to a line bisecting the detection beam 113l in the longitudinal direction in a region near the middle point of.
  • the piezoresistive elements FzR1 and FzR4 are on the line bisecting the detection beam 113k in the longitudinal direction and in the region far from the detection beam 113l of the detection beam 113k in the longitudinal direction. It is placed at a symmetrical position with respect to the dividing line.
  • the piezoresistive elements FzR2 'and FzR3' are on the line bisecting the detection beam 113k in the longitudinal direction, and in the region near the detection beam 113l of the detection beam 113k in the longitudinal direction It is disposed at a symmetrical position with respect to the bisecting line.
  • a plurality of piezoresistive elements are separately disposed in each detection block.
  • the predetermined axial direction Up to six axes of displacement can be detected.
  • the detection beams 113c, 113f, 113i, and 113l are as short as possible to bring the detection beams 113b, 113e, 113h, and 113k closer to the detection beams 113a, 113d, 113g, and 113j.
  • the length of the detection beams 113b, 113e, 113h and 113k is secured as much as possible.
  • the detection beams 113b, 113e, 113h, and 113k can be easily bent in a bow shape, stress concentration can be relaxed, and load resistance can be improved.
  • the sensor chip 110 no piezoresistive element is disposed on the detection beams 113c, 113f, 113i, and 113l. Instead, the stresses of the detection beams 113a, 113d, 113g and 113j, which are thinner and longer than the detection beams 113c, 113f, 113i and 113l and are easily bent in a bow, and the stresses of the detection beams 113b, 113e, 113h and 113k The piezoresistive elements are arranged in the vicinity of the position where is the largest. As a result, in the sensor chip 110, it is possible to take in stress efficiently, and sensitivity (change in resistance of the piezoresistive element to the same stress) can be improved.
  • dummy piezoresistive elements are disposed in addition to the piezoresistive elements used to detect distortion.
  • all the piezoresistive elements including the piezoresistive element used for detection of strain are arranged so as to be point-symmetrical with respect to the center of the support portion 111 e.
  • the piezoresistive elements FxR1 to FxR4 detect the force Fx
  • the piezoresistive elements FyR1 to FyR4 detect the force Fy
  • the piezoresistive elements FzR1 to FzR4 and the FzR1 'to FzR4' detect the force Fz.
  • the piezoresistive elements MxR1 to MxR4 detect the moment Mx
  • the piezoresistive elements MyR1 to MyR4 detect the moment My
  • the piezoresistive elements MzR1 to MzR4 and MzR1 'to MzR4' detect the moment Mz.
  • a plurality of piezoresistive elements are separately disposed in each detection block.
  • the predetermined axis It is possible to detect up to 6 axes of displacement in the direction.
  • the displacement (Mx, My, Fz) in the Z-axis direction can be detected based on the deformation of a predetermined detection beam. That is, the moments (Mx, My) in the X-axis direction and the Y-axis direction can be detected based on the deformation of the detection beams 113a, 113d, 113g, and 113j, which are the first detection beams. Further, the force (Fz) in the Z-axis direction can be detected based on the deformation of the detection beams 113e and 113k, which are the second detection beams.
  • displacements (Fx, Fy, Mz) in the X-axis direction and the Y-axis direction can be detected based on the deformation of a predetermined detection beam. That is, the forces (Fx, Fy) in the X-axis direction and the Y-axis direction can be detected based on the deformation of the detection beams 113a, 113d, 113g, and 113j, which are the first detection beams. Further, the moment (Mz) in the Z-axis direction can be detected based on the deformation of the detection beams 113a, 113d, 113g and 113j, which are the first detection beams.
  • the plurality of strain sensing elements have four strain sensing elements capable of detecting force in the first direction, which is the Fz direction or the Mz direction.
  • a second detection unit having detection units (R1, R2, R3, and R4) and four strain detection elements that can detect a force in the first direction and are provided at symmetrical positions with respect to the first detection unit. (R1 ′, R2 ′, R3 ′, R4 ′) is included.
  • the first detection units are FzR1 to FzR4
  • the second detection units are FzR1 'to FzR4'.
  • FzR2 and FzR3 which are a part of the first detection unit and FzR1 'and FzR4' which is a part of the second detection unit are formed, and one second detection beam is formed.
  • the other second detection beams 113k provided parallel to the detection beam 113e are formed with FzR1 and FzR4 which are the remaining portions of the first detection portion and FzR2 'and FzR3' which are the remaining portions of the second detection portion It is done.
  • the first direction is the Mz direction
  • the first detection units are MzR1 to MzR4 and the second detection units are MzR1 'to MzR4'.
  • the first detection portions MzR1 to MrR4 are formed in the pair of first detection beams 113d and 113j parallel to each other, and the other pair of first detection beams is orthogonal to the pair of first detection beams.
  • Second detection portions MzR1 'to MzR4' are formed on the first detection beams 113a and 113g.
  • the above-mentioned "symmetry" is line symmetry or rotational symmetry.
  • the sum of the number of strain detection elements in the first detection unit and the second detection unit is a multiple of the number of strain detection elements that detect a force in a direction different from the first direction.
  • the first direction described above is the Fz direction
  • the first detection unit and the second detection unit are provided at positions symmetrical with respect to a line passing through the center of the substrate and parallel to the Y axis.
  • the piezoresistive elements FzR1 to FzR4 and the piezoresistive elements FzR1 'to FzR4' are provided at symmetrical positions with respect to a line parallel to the Y axis passing through the center of the substrate.
  • the first direction is the Fz direction
  • the first detection unit and the second detection unit are provided at 180 ° rotational symmetry with respect to the rotation around the Z axis. That is, as shown in FIGS. 3 and 6, the piezoresistive elements FzR1 to FzR4 and the piezoresistive elements FzR1 'to FzR4' are provided at 180 ° rotational symmetry with respect to the rotation around the Z axis.
  • the first direction is the Mz direction
  • the first detection unit and the second detection unit are provided at 90 ° rotational symmetry with respect to the rotation around the Z axis. That is, as shown in FIGS. 3 and 6, the piezoresistive elements MzR1 to MzR4 and the piezoresistive elements MzR1 'to MzR4' are provided at 90 ° rotational symmetry with respect to the rotation around the Z axis.
  • one bridge circuit is provided for one axis to be detected.
  • the first detection unit is FzR1 to FzR4
  • the second detection unit is FzR1 ′ to FzR4 ′
  • the four piezoresistive elements of the first detection unit and the second detection A bridge circuit corresponding to Fz is constituted by a total of eight piezoresistive elements of four piezoresistive elements of each part.
  • FzR1 and FzR1 ′ are connected in series to form a first resistance unit
  • FzR2 and FzR2 ′ are connected in series to form a second resistance unit
  • FzR3 and FzR3 ′ are connected in series to form a third resistance unit
  • FzR4 and FzR4 ' are connected in series to form a fourth resistance portion
  • a bridge circuit is formed from the obtained first resistance portion, second resistance portion, third resistance portion, and fourth resistance portion.
  • the first detection unit is MzR1 to MzR4, and the second detection unit is MzR1 ′ to MzR4 ′, the four piezoresistive elements of the first detection unit and the A bridge circuit corresponding to Mz is configured by a total of eight piezoresistive elements of four piezoresistive elements of the two detection units.
  • MzR1 and MzR1 ′ are connected in series to form a first resistance unit
  • MzR2 and MzR2 ′ are connected in series to form a second resistance unit
  • MzR3 and MzR3 ′ are connected in series to form a third resistance unit
  • MzR4 and MzR4 ' are connected in series to form a fourth resistance portion, and a bridge circuit is formed from the obtained first resistance portion, second resistance portion, third resistance portion, and fourth resistance portion.
  • a first detection unit having four strain detection elements capable of detecting a force in the first direction, which is the Fz direction, and a force in the first direction can be detected.
  • a second direction including a second detection unit (R1 ′, R2 ′, R3 ′, R4 ′) having four strain detection elements provided at symmetrical positions with respect to one detection unit, and a Mz direction
  • a third detection unit having four strain detection elements capable of detecting the force of the second force and a symmetrical position with respect to the third detection unit It is also possible to adopt a configuration including a fourth detection unit (R1 ′, R2 ′, R3 ′, R4 ′) having four strain detection elements provided in the above.
  • the number of piezoresistive elements corresponding to Fz or Mz is increased, and the arrangement is symmetrical. If the arrangement of the piezoresistive elements is not symmetrical, multi-axis interference will occur when multiple inputs are made to the force sensor device, and the axis separation will deteriorate.
  • the arrangement of the piezoresistive elements is symmetrical, so that the axial separation can be improved. it can.
  • the resistance value of the strain detection element (piezoresistive element) of the first detection unit and the second detection unit is half the resistance value of the strain detection element other than the first detection unit and the second detection unit.
  • a combined resistance in which one piezoresistive element of the first detection unit and one piezoresistive element of the corresponding second detection unit are connected in series can be regarded as one resistive element of the bridge circuit.
  • the resistance value of each of the piezoresistive elements of the first detection unit and the second detection unit may be about half that of the other piezoresistive elements.
  • the resistance value of the conventional piezoresistive element according to Fz or Mz is halved to increase the number of resistive elements by two (dividing the resistive elements), and the increased amount of resistive elements becomes the existing resistive element. It is disposed at a position that is line symmetrical or rotationally symmetrical.
  • each detection beam By varying the thickness and width of each detection beam, it is possible to make adjustments such as uniform detection sensitivity and improvement of detection sensitivity.
  • the piezoresistive elements are arranged so as to be geometrically symmetrical in accordance with the shape of the beam, so that even when force and moment are input in a complex manner, 6 minutes accurately Force can be detected.
  • the symmetrical arrangement by increasing the number of piezoresistive elements, it is possible to control the combined resistance applied to the bridge circuit simply by changing the size of the piezoresistive elements, so the resistance value can be easily adjusted. Yes, there is less load on the circuit design.
  • the manufacturing process can be performed by a semiconductor process using a photolithography process, so the number of processes does not increase, which does not lead to an increase in cost.
  • the force sensor created by sticking a strain gauge to a strain generating body, it is almost impossible to arrange symmetrically by increasing the number of piezoresistive elements, but MEMS sensor chips The force sensor device of this embodiment used is possible.
  • FIG. 7 is a diagram (part 1) illustrating the strain generating body 20, FIG. 7 (a) is a perspective view, and FIG. 7 (b) is a side view.
  • FIG. 8 is a diagram (part 2) illustrating the strain generating body 20, and FIG. 8 (a) is a plan view, and FIG. 8 (b) is a longitudinal sectional perspective view taken along line AA of FIG. 8 (a). It is. In FIG. 8A, for the sake of convenience, surfaces having the same height are shown in the same textured pattern.
  • FIG. 9 is a diagram (part 3) illustrating the strain generating body 20, and FIG. 9 (a) is a longitudinal sectional view taken along the line BB of FIG. 8 (a), and FIG. 9 (b) is a diagram Fig. 9 is a cross-sectional view taken along the line C-C of 9 (a).
  • the strain-generating body 20 is separated from the base 21 directly attached to the fixed portion, the pillar 28 serving as a sensor chip mounting portion for mounting the sensor chip 110, and the periphery of the pillar 28. And columns 22a-22d.
  • the strain generating body 20 four columns 22a to 22d are arranged on the upper surface of the substantially circular base 21 so as to be uniform (point-symmetrical) with respect to the center of the base 21.
  • the four beams 23a to 23d which are the first beams connecting the two, are provided in a frame shape.
  • a pillar 28 is disposed above the center of the top surface of the base 21.
  • the planar shape of the base 21 is not limited to a circle, and may be a polygon or the like (for example, a square or the like).
  • the column 28 is formed thicker and shorter than the columns 22a to 22d.
  • the sensor chip 110 is fixed on the column 28 so as not to protrude from the top surfaces of the columns 22a to 22d.
  • the pillars 28 are not directly fixed to the upper surface of the base 21, but are fixed to the pillars 22a to 22d via connecting beams 28a to 28d. Therefore, there is a space between the upper surface of the base 21 and the lower surface of the column 28.
  • the lower surface of the column 28 and the lower surface of each of the connecting beams 28a to 28d can be flush with each other.
  • the cross-sectional shape of the portion to which the connection beams 28a to 28d of the column 28 are connected is, for example, a rectangle, and the four corners of the rectangle and the columns 22a to 22d opposed to the four corners of the rectangle are connected via the connection beams 28a to 28d. It is done.
  • the positions 221 to 224 where the connecting beams 28a to 28d are connected to the columns 22a to 22d are preferably lower than the middle in the height direction of the columns 22a to 22d. The reason will be described later.
  • the cross-sectional shape of the portion to which the connection beams 28a to 28d of the column 28 are connected is not limited to a rectangle, and may be a circle, a polygon or the like (for example, a hexagon or the like).
  • connection beams 28a to 28d are disposed substantially parallel to the upper surface of the base 21 at a predetermined distance from the upper surface of the base 21 so as to be uniform (point-symmetrical) with respect to the center of the base 21.
  • the thickness and thickness (rigidity) of the connecting beams 28a to 28d are preferably thinner than the columns 22a to 22d and the beams 23a to 23d so as not to prevent the deformation of the strain generating body 20.
  • the upper surface of the base 21 and the lower surface of the column 28 are separated by a predetermined distance.
  • the predetermined distance can be, for example, about several millimeters.
  • the base 21 is provided with a through hole 21x for fastening the strain-generating body 20 to a portion to be fixed using a screw or the like.
  • a through hole 21x for fastening the strain-generating body 20 to a portion to be fixed using a screw or the like.
  • four through holes 21 x are provided in the base 21, but the number of through holes 21 x can be arbitrarily determined.
  • the schematic shape of the strain generating body 20 excluding the base 21 can be, for example, a rectangular solid having a length of about 5000 ⁇ m, a width of about 5000 ⁇ m, and a height of about 7000 ⁇ m.
  • the cross-sectional shape of the columns 22a to 22d can be, for example, a square of about 1000 ⁇ m square.
  • the cross-sectional shape of the column 28 can be, for example, a square of about 2000 ⁇ m square.
  • the portion forming the inner angle be R-shaped.
  • the center side surface of the upper surface of the base 21 of the columns 22a to 22d be formed in an R-shape at the top and bottom.
  • the surface of the beams 23a to 23d facing the upper surface of the base 21 is preferably formed in an R shape on the left and right.
  • a projecting portion projecting upward from the central portion in the longitudinal direction of the beams 23a to 23d is provided.
  • To 24 d are provided.
  • the input portions 24a to 24d are portions to which a force is applied from the outside, and when a force is applied to the input portions 24a to 24d, the beams 23a to 23d and the columns 22a to 22d are deformed accordingly.
  • pillars 25a to 25d are disposed at four corners of the top surface of the pillar 28, and a pillar 25e which is a fourth pillar is disposed at the center of the top surface of the pillar 28.
  • the columns 25a to 25e are formed at the same height.
  • the upper surfaces of the columns 25a to 25e are located on the same plane.
  • the upper surface of each of the pillars 25a to 25e is a joint bonded to the lower surface of the sensor chip 110.
  • beams 26a to 26d are provided which project inward in the horizontal direction from the inner surface of each of the beams 23a to 23d.
  • the beams 26a to 26d are second beams for transmitting the deformation of the beams 23a to 23d and the columns 22a to 22d to the sensor chip 110.
  • protrusions 27a to 27d are provided which project upward from the tip end side of the upper surface of each of the beams 26a to 26d.
  • the protrusions 27a to 27d are formed at the same height. That is, the upper surfaces of the protrusions 27a to 27d are located on the same plane. The upper surface of each of the protrusions 27a to 27d is a bonding portion bonded to the lower surface of the sensor chip 110.
  • the beams 26a to 26d and the protrusions 27a to 27d are connected to the beams 23a to 23d serving as movable parts, and therefore deform when the force is applied to the input units 24a to 24d.
  • the upper surfaces of the columns 25a to 25e and the upper surfaces of the protrusions 27a to 27d are located on the same plane.
  • each portion of the base 21, the columns 22a to 22d, the columns 28, the beams 23a to 23d, the input parts 24a to 24d, the columns 25a to 25e, the beams 26a to 26d, and the protrusions 27a to 27d have rigidity Preferably, they are integrally formed from the viewpoint of securing and manufacturing with high accuracy.
  • a hard metal material such as SUS (stainless steel) can be used.
  • SUS630 which is particularly hard and has high mechanical strength.
  • the strain-generating body 20 when the strain-generating body 20 also has a column and a beam, the six-axis separability can be obtained because each of the six axes exhibits different deformation depending on the applied force. Good deformation can be transmitted to the sensor chip 110.
  • the force applied to the input portions 24a to 24d of the strain generating body 20 is transmitted to the sensor chip 110 through the columns 22a to 22d, the beams 23a to 23d, and the beams 26a to 26d, and the displacement is detected by the sensor chip 110. Detect Then, in the sensor chip 110, the output of each axis can be obtained from a bridge circuit formed one for each axis.
  • the strain generating body 20 can be integrally formed, for example, by molding, cutting, wire discharge, or the like.
  • a material of the strain generating body 20 for example, a hard metal material such as SUS (stainless steel) can be used. Among them, it is preferable to use SUS630 which is particularly hard and has high mechanical strength.
  • SUS630 which is particularly hard and has high mechanical strength.
  • a metal particle and a resin to be a binder are put in a mold and formed, and thereafter, the strain is formed by sintering by evaporating the resin.
  • the body 20 can be made.
  • the adhesive 41 is applied to the upper surfaces of the pillars 25a to 25e and the upper surfaces of the protrusions 27a to 27d.
  • an epoxy-based adhesive can be used as the adhesive 41.
  • the adhesive 41 preferably has a Young's modulus of 1 GPa or more and a thickness of 20 ⁇ m or less from the viewpoint of resistance to a force applied from the outside.
  • the sensor chip 110 is manufactured.
  • the sensor chip 110 can be manufactured by, for example, a known method in which an SOI substrate is prepared and the prepared substrate is subjected to etching (for example, reactive ion etching).
  • the electrodes and the wirings can be produced, for example, by forming a metal film such as aluminum on the surface of the substrate by sputtering or the like and then patterning the metal film by photolithography.
  • the sensor chip 110 is in contact with the adhesive 41 applied to the upper surfaces of the pillars 25a to 25e and the upper surfaces of the protrusions 27a to 27d in the lower surface of the sensor chip 110.
  • the pressure is placed in the strain generating body 20 while being arranged.
  • the adhesive 41 is heated to a predetermined temperature to be cured.
  • the sensor chip 110 is fixed in the strain generating body 20.
  • the support portions 111a to 111d of the sensor chip 110 are fixed on the pillars 25a to 25e
  • the support portion 111e is fixed on the pillar 25e
  • the force points 114a to 114d are fixed on the protrusions 27a to 27d, respectively. Be done.
  • the adhesive 42 is applied to the top surfaces of the columns 22a to 22d.
  • an epoxy-based adhesive can be used as the adhesive 42.
  • the adhesive 42 is for fixing the input / output substrate 30 on the strain-generating body 20, and a general-purpose adhesive can be used because a force is not applied from the outside.
  • the input / output substrate 30 on which the active components 32 to 35 and the passive components 39 are mounted is prepared, and the lower surface of the input / output substrate 30 is applied to the upper surfaces of the columns 22a to 22d.
  • the input / output substrate 30 is disposed on the strain generating body 20 so as to be in contact with the adhesive 42.
  • the adhesive 42 is heated to a predetermined temperature and cured while pressing the input / output substrate 30 to the strain generating body 20 side. Thereby, the input / output substrate 30 is fixed to the strain generating body 20.
  • the input / output board 30 is fixed to the strain generating body 20 so as to expose the sensor chip 110 and the input parts 24a to 24d.
  • the electrodes 31 of the input / output substrate 30 are preferably disposed on the columns 22a to 22d of the strain generating body 20 with the least distortion when a force is applied to the input portions 24a to 24d.
  • the portions (except the input terminal side) of the input / output substrate 30 protruding in the horizontal direction from the strain generating body 20 are bent to the side surfaces of the strain generating body 20. Then, corresponding portions of the input / output substrate 30 and the sensor chip 110 are electrically connected by bonding wires or the like (not shown). Thus, the force sensor device 1 is completed.
  • the force sensor device 1 can be manufactured using only the three components of the sensor chip 110, the strain generating body 20, and the input / output substrate 30, assembly is easy and the position alignment position can be minimized. And deterioration in accuracy due to mounting can be suppressed.
  • the strain generating body 20 since all the connection points with the sensor chip 110 (the upper surfaces of the columns 25a to 25e and the upper surfaces of the protrusions 27a to 27d) are on the same plane, the position of the sensor chip 110 with respect to the strain generating body 20. The alignment can be performed once, and it is easy to mount the sensor chip 110 on the strain generating body 20.
  • FIG. 13 is a view showing the arrangement of piezoresistive elements for detecting the force in the Fz direction of another example of the sensor chip according to the present embodiment.
  • the detection beams 113a, 113d, 113g and 113j and the detection beams 113b, 113e, 113h and 113k are provided similar to the sensor chip shown in FIGS.
  • the piezoresistive elements FzR2 and FzR3 are located on the support portion 111e side of the line bisecting the detection beam 113e in the longitudinal direction and on the detection beam 113f of the detection beam 113e. In the near region, the detection beam 113f is disposed at symmetrical positions with respect to a line bisecting the detection beam 113f in the longitudinal direction.
  • the piezoresistive elements FzR1 ′ and FzR4 ′ are for detection in a region farther from the detection beam 113f of the detection beam 113e than the line bisecting the detection beam 113e in the longitudinal direction and far from the detection beam 113f of the detection beam 113e.
  • the beams 113f are disposed at symmetrical positions with respect to a line bisecting the beams 113f in the longitudinal direction.
  • the piezoresistive elements FzR1 and FzR4 are closer to the support portion 111e than a line bisecting the detection beam 113k in the longitudinal direction and are further away from the detection beam 113l of the detection beam 113k.
  • the piezoresistive elements FzR2 ′ and FzR3 ′ are for detection in a region closer to the support portion 111e than a line bisecting the detection beam 113k and in a region near the detection beam 113l of the detection beam 113k.
  • the beams 113l are disposed at symmetrical positions with respect to a line bisecting the beams 113l in the longitudinal direction.
  • a first detection unit (R1, R2, R3, R4) having four strain detection elements capable of detecting a force in the first direction, which is the Fz direction, and a force in the first direction are detected.
  • a second detection unit (R1 ′, R2 ′, R3 ′, R4 ′) having four strain detection elements provided at symmetrical positions with respect to the first detection unit.
  • the first detection unit (R1, R2, R3, R4) and the second detection unit (R1 ', R2', R3 ', R4') pass through the center of the substrate and a line relative to a line parallel to the Y axis It is provided in a symmetrical position.
  • the first detection unit (R1, R2, R3, R4) and the second detection unit (R1 ', R2', R3 ', R4') are located at 180 ° rotational symmetry with respect to the rotation around the Z axis. It is provided.
  • the arrangement of the piezoresistive elements is symmetrical, so that the axial separation can be improved. it can.
  • FIG. 14 is a view showing a bridge circuit by piezoresistive elements for detecting a force in the Fz or Mz direction of the sensor chip according to the embodiment.
  • R3 and R3' are connected in series to form a third resistor portion
  • a bridge circuit is formed from the first resistor portion, the second resistor portion, the third resistor portion, and the fourth resistor portion.
  • FIG. 15 is a view showing a bridge circuit by piezoresistive elements for detecting force in the Fz or Mz direction of the sensor chip according to the reference example.
  • the second detection unit is not provided, and a bridge circuit is formed only by the first detection units (R1, R2, R3, and R4).
  • the arrangement of the first detection units (R1, R2, R3, and R4) is asymmetrical, and axial separation is not high.
  • the Fz output also has a value close to -10 N when the X-axis coordinate is 0 mm, the Fz output is about -12 N, -8 N when the X-axis coordinate is -15 mm and +15 mm, respectively. It was confirmed that the axial separation in the Fz direction is insufficient when only the part (R1, R2, R3, R4) is used.
  • FIG. 17 shows the Fz output calculated using the first detection unit (R1, R2, R3, R4) and the second detection units (R1 ′, R2 ′, R3 ′, R4 ′) in the sensor chip shown in FIG. It is a figure explaining simulation of the other axis ingredient concerning an example.
  • a force of -10 N was applied in the Z-axis direction at three points of -15 mm, 0 mm and +15 mm in the X-axis coordinate, and the Fz output at that time was calculated by simulation.
  • the Fz output was a value close to -10 N at any of three places of the X axis coordinate of -15 mm, 0 mm and +15 mm.

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Abstract

本センサチップは、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、を有する。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。

Description

センサチップ及び力覚センサ装置
　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、複数の歪検出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。
　本願は、日本特許庁に２０１８年１月２９日に出願された基礎出願2018-012923号の優先権を主張するものであり、その全内容を参照によりここに援用する。
　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に記載のセンサチップ。
  11. 　請求項１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。
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