WO2020158189A1 - 力覚センサ装置 - Google Patents

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WO2020158189A1
WO2020158189A1 PCT/JP2019/047845 JP2019047845W WO2020158189A1 WO 2020158189 A1 WO2020158189 A1 WO 2020158189A1 JP 2019047845 W JP2019047845 W JP 2019047845W WO 2020158189 A1 WO2020158189 A1 WO 2020158189A1
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WO
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force
sensor chip
sensor device
beams
detection
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Application number
PCT/JP2019/047845
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English (en)
French (fr)
Inventor
智仁 瀧
Original Assignee
ミネベアミツミ株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/26—Auxiliary measures taken, or devices used, in connection with the measurement of force, e.g. for preventing influence of transverse components of force, for preventing overload
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a force sensor device.
  • a force sensor device that detects a multiaxial force by attaching a sensor element to a strain-generating body made of metal and detecting elastic deformation of the strain-generating body caused by application of an external force with the sensor element.
  • a force sensor device for example, an electric signal corresponding to strain is output from a sensor element to an active component such as an IC prepared separately, and predetermined signal processing is performed in the active component (for example, Patent Document 1). 1 to 3).
  • Patent No. 4011345 Patent No. 3970640 JP, 2018-185296, A
  • the electrical signal may fluctuate due to expansion and contraction of the strain element due to changes in the outside air temperature and the temperature characteristics of the sensor element. If the temperature distribution in the force sensor device is uniform, the temperature can be corrected by the active component etc. by providing the temperature sensor for temperature correction.
  • Such a rapid temperature change is caused by, for example, that the active component self-heats when the force sensor device is activated, or that the strain element made of metal and having high thermal conductivity is easily affected by heat from the outside. Can occur.
  • the disclosed technology has been made in view of the above points, and its purpose is to suppress the influence of temperature change.
  • the disclosed technique includes a sensor element that detects a force applied in a predetermined axial direction or around an axis, an active component electrically connected to the sensor element, the sensor element and the active component, and the application Strain element that transmits the generated force to the sensor element, a cover attached so as to cover the sensor element and the active component, and a medium that is injected into the cover and has a higher thermal conductivity than air. And a force sensor device having.
  • FIG. 11B is a vertical cross-sectional perspective view taken along the line AA of FIG. 11A.
  • FIG. 11B is a vertical sectional view taken along the line BB of FIG. 11A.
  • FIG. 12B is a transverse sectional view taken along the line CC of FIG. 12A.
  • It is a figure (the 1) which illustrates the manufacturing process of a force sensor device.
  • the 2 which illustrates the manufacturing process of a force sensor device.
  • It is a figure (3) which illustrates the manufacturing process of a force sensor device.
  • FIG. (5) which illustrates the manufacturing process of a force sensor device.
  • FIG. (6) which illustrates the manufacturing process of a force sensor device.
  • FIG. (7) which illustrates the manufacturing process of a force sensor device.
  • FIG. (8) which illustrates the manufacturing process of a force sensor device. It is a figure which illustrates the manufacturing process of a force sensor apparatus (the 9). It is FIG. (10) which illustrates the manufacturing process of a force sensor device. It is FIG. (11) which illustrates the manufacturing process of a force sensor device. It is FIG. (12) which illustrates the manufacturing process of a force sensor device. It is a longitudinal cross-sectional view of the force sensor device after completion. It is a figure which shows the 1st modification of a force sensor apparatus. It is a figure which shows the 2nd modification of a force sensor apparatus.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the outer appearance of the force sensor device according to the first embodiment.
  • 2A and 2B are perspective views of the force sensor device in a state in which the substrate is attached to the flexure element.
  • FIG. 3A is a plan view of the force sensor device in a state where the substrate is attached to the flexure element.
  • FIG. 3B is a side view of the force sensor device in the state where the substrate is attached to the flexure element.
  • the force sensor device 1 includes a sensor chip 110, a strain generating body 20, a substrate 30, a force receiving plate 40, and a cover 50.
  • the force sensor device 1 is, for example, a multi-axis force sensor device mounted on an arm or a finger of a robot used for a machine tool or the like.
  • a substrate 30 is attached to the strain body 20 (see FIGS. 2A and 2B), and a cover 50 is attached so as to cover the sensor chip 110 and the upper side of the base 21 of the strain body 20 to which the substrate 30 is attached. (See FIG. 1).
  • the cover 50 is made of, for example, a metal material whose surface is plated with nickel or the like.
  • the cover 50 is provided with an opening that exposes the input parts 24a to 24d of the flexure element 20, and the force receiving plate 40 is provided on the input parts 24a to 24d.
  • the inside of the cover 50 refers to an internal space formed between the cover 50 and the base 21 of the flexure element 20. More specifically, the inside of the cover 50 is between the flexure element 20 and the cover 50, and the space (outer peripheral portion) where the sensor chip 110 and the active components 32 to 35 exist and the inside of the flexure element 20. And the space (hollow portion) where the pillar 28 as the sensor chip mounting portion exists.
  • the sensor chip 110 has a function of detecting displacements in a predetermined axial direction at a maximum of 6 axes.
  • the strain element 20 has a function of transmitting the applied force to the sensor chip 110.
  • the sensor chip 110 detects 6 axes will be described as an example, but the present invention is not limited to this.
  • the sensor chip 110 may detect 3 axes.
  • the sensor chip 110 is bonded to the upper surface side of the flexure element 20 so as not to project from the flexure element 20. Further, one end side of the substrate 30 for inputting/outputting a signal to/from the sensor chip 110 is adhered to the upper surface and each side surface of the flexure element 20 while being appropriately bent. The sensor chip 110 and each electrode 31 of the substrate 30 are electrically connected by a bonding wire or the like (not shown).
  • Active components 32 to 35 are arranged on the side surface of the strain generating body 20. Specifically, the active components 32 to 35 are mounted on one surface of the substrate 30 (for example, a flexible printed circuit board), and the other surface of the substrate 30 is fixed to the side surface of the flexure element 20. The active components 32 to 35 are electrically connected to the corresponding electrodes 31 via wiring patterns (not shown) formed on the substrate 30.
  • the substrate 30 for example, a flexible printed circuit board
  • the active component 32 is mounted in the region arranged on the first side surface of the flexure element 20.
  • the active component 33 and the passive component 39 are mounted in the region arranged on the second side surface of the strain body 20.
  • the active component 34 and the passive component 39 are mounted in the region arranged on the third side surface of the flexure element 20.
  • the active component 35 and the passive component 39 are mounted in the region arranged on the fourth side surface of the flexure element 20.
  • the active component 33 is, for example, an analog electric signal from a bridge circuit that detects the force Fx in the X-axis direction output from the sensor chip 110, and a bridge that detects the force Fy in the Y-axis direction output from the sensor chip 110. It is an IC (AD converter) that converts an analog electric signal from a circuit into a digital electric signal.
  • IC AD converter
  • the active component 34 outputs, for example, an analog electric 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 about the X-axis output from the sensor chip 110. It is an IC (AD converter) that converts an analog electric signal from a bridge circuit for detection into a digital electric signal.
  • IC AD converter
  • the active component 35 rotates, for example, an analog electric signal from a bridge circuit that detects a moment My that rotates about the Y axis output from the sensor chip 110 and the Z axis output from the sensor chip 110. It is an IC (AD converter) that converts an analog electric signal from a bridge circuit that detects a moment Mz into a digital electric signal.
  • IC AD converter
  • the active component 32 for example, performs a predetermined operation on digital electric signals output from the active components 33, 34, and 35 and indicates forces Fx, Fy, and Fz, and moments Mx, My, and Mz.
  • An IC that generates a signal and outputs it to the outside.
  • the passive component 39 is a resistor or a capacitor connected to the active components 32 to 35.
  • the number of ICs that implement 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 substrate 30 without being mounted on the substrate 30.
  • the board 30 outputs an analog electric signal.
  • the board 30 is bent outward below the first side surface of the flexure element 20, and the other end of the board 30 is drawn to the outside.
  • terminals (not shown) capable of electrically inputting/outputting with an external circuit (control device or the like) connected to the force sensor device 1 are arranged.
  • the side provided with the sensor chip 110 is the upper side or one side, and the opposite side is the lower side or the other side.
  • the surface of each part on which the sensor chip 110 is provided is one surface or the upper surface, and the surface on the opposite side is the other surface or the lower surface.
  • the force sensor device 1 can be used upside down, or can be arranged at an arbitrary angle.
  • the plan view means that the object is viewed from the normal direction (Z-axis direction) of the upper surface of the sensor chip 110
  • the planar shape means that the object is the normal direction of the upper surface of the sensor chip 110 (Z-axis direction). ) From the view point.
  • the planar shape of the force receiving plate 40 is, for example, a circle.
  • four concave portions 40x having a rectangular planar shape and four through holes 40y having a circular planar shape are provided on the upper surface side of the force receiving plate 40. Further, in the central portion on the upper surface side of the force receiving plate 40, one concave portion 40z having a circular planar shape is provided.
  • the four recesses 40x are arranged so as to respectively cover the input portions 24a to 24d of the flexure element 20, and the bottom surface of each of the recesses 40x projects toward the flexure element 20 side so that the input portions 24a to 24d of the flexure element 20 are connected. It is in contact with the top surface.
  • the planar shapes of the recess 40x, the through hole 40y, and the recess 40z can be arbitrarily determined.
  • a projection (or a projection receiving portion) is formed on the upper surfaces of the input portions 24a to 24d, and a projection receiving portion (or a projection) is formed on the bottom surface of the concave portion 40x protruding on the strain-flexing body 20 side.
  • the force receiving plate 40 and the flexure element 20 may be positioned by fitting the projections (or the projection receiving portions) on the upper surfaces of the portions 24a to 24d and the projection receiving portions (or the projections) on the bottom surface of the recess 40x. ..
  • the recesses 40x and the recesses 40z can be used for positioning when the force sensor device 1 is attached to the fixed portion, if necessary.
  • the through hole 40y is a screw hole for fastening the force sensor device 1 to the fixed portion using a screw or the like.
  • the material of the force receiving plate 40 for example, SUS (stainless steel) 630 or the like can be used.
  • the force receiving plate 40 can be fixed to the flexure element 20 by welding, for example.
  • FIG. 4A is a perspective view of the sensor chip 110 viewed from the Z-axis direction upper side
  • FIG. 4B is a plan view of the sensor chip 110 viewed from the Z-axis direction upper side
  • 5A is a perspective view of the sensor chip 110 as viewed from the lower side in the Z-axis direction
  • FIG. 5B is a bottom view of the sensor chip as viewed from the lower side in the Z-axis direction.
  • 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 each other.
  • the sensor chip 110 shown in FIGS. 4A to 5B is a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sensor chip capable of detecting up to 6 axes with one chip, and is formed from a semiconductor substrate such as an SOI (Silicon On Insulator) substrate.
  • the planar shape of the sensor chip 110 may be, for example, a square of about 3000 ⁇ m square.
  • the sensor chip 110 includes five columnar supporting 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 parts 111 a to 111 d, which are the first support parts, are arranged at the four corners of the sensor chip 110.
  • the support portion 111e, which is the second support portion, is arranged at the center of the support portions 111a to 111d.
  • the supporting portions 111a to 111e can be formed of, for example, the active layer of the SOI substrate, the BOX layer, and the supporting layer, and the thickness of each can be, for example, about 500 ⁇ m.
  • Reinforcing beams 112a for reinforcing the structure are provided between the support portions 111a and 111b, both ends of which are fixed to the support portions 111a and 111b (adjacent support portions are connected to each other).
  • Reinforcing beams 112b for reinforcing the structure are provided between the support portions 111b and 111c, both ends of which are fixed to the support portions 111b and 111c (connect adjacent support portions).
  • Reinforcing beams 112c for reinforcing the structure are provided between the supporting portions 111c and 111d, both ends of which are fixed to the supporting portions 111c and 111d (connecting adjacent supporting portions).
  • Reinforcing beams 112d for reinforcing the structure are provided between the supporting portion 111d and the supporting portion 111a, both ends of which are fixed to the supporting portion 111d and the supporting portion 111a (connect adjacent supporting portions).
  • 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 that form the intersections of the reinforcing beams are the supporting portions 111b, 111c, and 111d. , 111a.
  • the inner corner of the support 111a and the corner of the support 111e facing it are connected by a reinforcing beam 112e for reinforcing the structure.
  • the inner corner of the support portion 111b and the corner of the support portion 111e facing it are connected by a reinforcing beam 112f for reinforcing the structure.
  • the inside corner of the support portion 111c and the corner portion of the support portion 111e facing the support portion 111c are connected by a reinforcing beam 112g for reinforcing the structure.
  • the inner corner of the support 111d and the opposite corner of the support 111e are connected by a reinforcing beam 112h for reinforcing the structure.
  • the reinforcing beams 112e to 112h which are the second reinforcing beams, are arranged obliquely with respect to the X-axis direction (Y-axis direction). That is, the reinforcing beams 112e to 112h are arranged non-parallel to the reinforcing beams 112a, 112b, 112c, and 112d.
  • the reinforcing beams 112a to 112h can be formed from, for example, the active layer of the SOI substrate, the BOX layer, and the support layer.
  • the thickness (width in the lateral direction) of the reinforcing beams 112a to 112h can be set to about 140 ⁇ m, for example.
  • 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 ⁇ m from the lower surface of the supporting portions 111a to 111e and the lower surfaces of the force points 114a to 114d. This is to prevent the lower surfaces of the reinforcing beams 112a to 112h from contacting the opposing surfaces of the strain generating body 20 when the sensor chip 110 is bonded to the strain generating body 20.
  • the rigidity of the entire sensor chip 110 can be increased by disposing the reinforcing beam, which is formed to be thicker than the detecting beam and has a high rigidity, in addition to the detecting beam for detecting the strain. As a result, it becomes difficult for the parts other than the detection beam to be deformed with respect to the input, so that good sensor characteristics can be obtained.
  • both ends are fixed (adjacent to the supporting portion 111a and the supporting portion 111b in parallel with the reinforcing beam 112a with a predetermined space therebetween). (Supporting portions are connected to each other), and a detection beam 113a for detecting strain is provided.
  • a detection beam 113b is provided between the detection beam 113a and the support portion 111e in parallel with the detection beam 113a and the support portion 111e at a predetermined distance.
  • the detection beam 113b connects the end portion of the reinforcing beam 112e on the support portion 111e side and the end portion of the reinforcing 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 facing the detection beam 113a are arranged so as to be orthogonal to the detection beam 113a and the detection beam 113b. They are connected by 113c.
  • both ends are fixed (adjacent to the supporting portion 111b and the supporting portion 111c in parallel with the reinforcing beam 112b with a predetermined space therebetween). (Supporting portions are connected to each other), and a detection beam 113d for detecting strain is provided.
  • a detection beam 113e is provided between the detection beam 113d and the support portion 111e in parallel with the detection beam 113d and the support portion 111e at a predetermined distance.
  • the detection beam 113e connects the end of the reinforcing beam 112f on the side of the supporting portion 111e and the end of the reinforcing beam 112g on the side of the supporting portion 111e.
  • the detection beam 113d and the detection beam 113e are disposed so as to be orthogonal to the detection beam 113d and the detection beam 113e. They are connected by 113f.
  • both ends are fixed (adjacent to the supporting portion 111c and the supporting portion 111d in parallel with the reinforcing beam 112c at a predetermined interval).
  • Supporting portions are connected to each other), and a detection beam 113g for detecting strain is provided.
  • a detection beam 113h is provided between the detection beam 113g and the support portion 111e in parallel with the detection beam 113g and the support portion 111e at a predetermined distance.
  • the detection beam 113h connects the end of the reinforcing beam 112g on the side of the support portion 111e and the end of the reinforcing beam 112h on the side of the support portion 111e.
  • the detection beam 113g is arranged so as to be orthogonal to the detection beam 113g and the detection beam 113h. They are connected by 113i.
  • both ends are fixed (adjacent to the supporting part 111d and the supporting part 111a in parallel with the reinforcing beam 112d at a predetermined interval). (Supporting portions are connected to each other), and a detection beam 113j for detecting strain is provided.
  • a detection beam 113k is provided between the detection beam 113j and the support portion 111e in parallel with the detection beam 113j and the support portion 111e at a predetermined distance from the detection beam 113j.
  • the detection beam 113k connects the end portion of the reinforcing beam 112h on the side of the supporting portion 111e and the end portion of the reinforcing beam 112e on the side of the supporting portion 111e.
  • the detection beam 113j and the detection beam 113k are arranged so as to be orthogonal to the detection beam 113j and the detection beam 113k. It is connected by 113 l.
  • the detection beams 113a to 113l are provided on the upper end side in the thickness direction of the support parts 111a to 111e, and can be formed from, for example, the active layer of the SOI substrate.
  • the thickness (width in the lateral direction) of the detection beams 113a to 113l can be set to about 75 ⁇ m, for example.
  • 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 may be, for example, about 50 ⁇ m.
  • a force point 114a is provided on the lower surface side (intersection point between the detection beam 113a and the detection beam 113c) of the central portion in the longitudinal direction of the detection beam 113a.
  • the detection beams 113a, 113b, and 113c and the force points 114a form one set of detection blocks.
  • a force point 114b is provided on the lower surface side (intersection point between the detection beam 113d and the detection beam 113f) of the central portion in the longitudinal direction of the detection beam 113d.
  • the detection beams 113d, 113e, and 113f and the force point 114b form one set of detection blocks.
  • a force point 114c is provided on the lower surface side (intersection point between the detection beam 113g and the detection beam 113i) of the longitudinal center portion of the detection beam 113g.
  • the detection beams 113g, 113h, and 113i and the force points 114c form one set of detection blocks.
  • a force point 114d is provided on the lower surface side (intersection point between the detection beam 113j and the detection beam 113l) of the central portion in the longitudinal direction of the detection beam 113j.
  • the detection beams 113j, 113k, and 113l and the force point 114d form one set of detection blocks.
  • the force points 114a to 114d are locations to which an external force is applied, and can be formed from, for example, the BOX layer and the support layer of the SOI substrate.
  • the lower surface of each of the force points 114a to 114d is substantially flush with the lower surface of the support portions 111a to 111e.
  • the portion forming the interior angle be R-shaped.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining signs indicating forces and moments applied to each axis.
  • 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.
  • a moment for rotating about the X axis as an axis is Mx
  • a moment for rotating about the Y axis as My is Mz.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating the arrangement of piezoresistive elements of the sensor chip 110.
  • a piezoresistive element is arranged at a predetermined position of each detection block corresponding to the four force points 114a to 114d.
  • the piezoresistive elements MxR3 and MxR4 are on the line that bisects the detection beam 113a in the longitudinal direction, and In a region of the detection beam 113a close to the detection beam 113c, the detection beam 113c is arranged symmetrically with respect to a line that bisects the detection beam 113c in the longitudinal direction (Y direction).
  • the piezoresistive elements FyR3 and FyR4 are detected in a region on the reinforcing beam 112a side of a line that bisects the detection beam 113a in the longitudinal direction and far from the detection beam 113c of the detection beam 113a.
  • the beams 113c are arranged at positions symmetrical with respect to a line that bisects the beam 113c in the longitudinal direction.
  • the piezoresistive elements MyR3 and MyR4 are on the line that bisects the detection beam 113d in the longitudinal direction and is close to the detection beam 113f of the detection beam 113d.
  • the detection beam 113f is arranged at a position symmetrical with respect to a line that bisects the detection beam 113f in the longitudinal direction (X direction).
  • the piezoresistive elements FxR3 and FxR4 are detected in a region on the reinforcing beam 112b side of a line that bisects the detection beam 113d in the longitudinal direction and far from the detection beam 113f of the detection beam 113d.
  • the beam 113f is arranged at a position symmetrical with respect to a line that bisects the beam 113f in the longitudinal direction.
  • the piezoresistive elements MzR3 and MzR4 are detected in a region closer to the detection beam 113f than the line bisecting the detection beam 113d in the longitudinal direction and closer to the detection beam 113f of the detection beam 113d.
  • the beam 113f is arranged at a position symmetrical with respect to a line that bisects the beam 113f in the longitudinal direction.
  • the piezoresistive elements FzR2 and FzR3 are located on the support portion 111e side of a line bisecting the detection beam 113e in the longitudinal direction, and in the region of the detection beam 113e near the detection beam 113f, the detection beam 113f. Are arranged symmetrically with respect to a line bisecting in the longitudinal direction.
  • the piezoresistive elements MxR1 and MxR2 are on the line that bisects the detection beam 113g in the longitudinal direction, and is close to the detection beam 113i of the detection beam 113g.
  • the detection beams 113i are arranged at positions symmetrical with respect to a line that bisects the detection beam 113i in the longitudinal direction (Y direction).
  • the piezoresistive elements FyR1 and FyR2 are detected in a region on the reinforcing beam 112c side of a line that bisects the detection beam 113g in the longitudinal direction and far from the detection beam 113i of the detection beam 113g.
  • the beams 113i are arranged at positions symmetrical with respect to a line that bisects the beam 113i in the longitudinal direction.
  • the piezoresistive elements MyR1 and MyR2 are on the line that bisects the detection beam 113j in the longitudinal direction, and is close to the detection beam 113l of the detection beam 113j.
  • the detection beam 113l is arranged at a position symmetrical with respect to a line that bisects the detection beam 113l in the longitudinal direction (X direction).
  • the piezoresistive elements FxR1 and FxR2 are detected in a region on the reinforcing beam 112d side of a line that bisects the detection beam 113j in the longitudinal direction and far from the detection beam 113l of the detection beam 113j.
  • the beams 113l are arranged at positions symmetrical with respect to a line that bisects the beam 113l in the longitudinal direction.
  • the piezoresistive elements MzR1 and MzR2 are detected in a region closer to the detection beam 113k than a line that bisects the detection beam 113j in the longitudinal direction and closer to the detection beam 113l of the detection beam 113j.
  • the beams 113l are arranged at positions symmetrical with respect to a line that bisects the beam 113l in the longitudinal direction.
  • the piezoresistive elements FzR1 and FzR4 are on the support portion 111e side of a line bisecting the detection beam 113k in the longitudinal direction, and in the region of the detection beam 113k far from the detection beam 113l, the detection beam 113l. Are arranged symmetrically with respect to a line bisecting in the longitudinal direction.
  • a plurality of piezoresistive elements are separately arranged in each detection block.
  • the displacement can be detected on up to 6 axes.
  • the detection beams 113c, 113f, 113i, and 113l are made as short as possible to bring the detection beams 113b, 113e, 113h, and 113k close to the detection beams 113a, 113d, 113g, and 113j.
  • the lengths of the detection beams 113b, 113e, 113h, and 113k are ensured as much as possible.
  • the detection beams 113b, 113e, 113h, and 113k are easily bent in an arched shape, stress concentration can be relaxed, and load resistance is improved.
  • the sensor chip 110 no piezoresistive element is arranged on the detection beams 113c, 113f, 113i, and 113l whose deformation due to stress is reduced by shortening. 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 which tend to bend in an arch, and the detection beams 113b, 113e, 113h, and 113k.
  • the piezoresistive element is arranged in the vicinity of the position where the maximum. As a result, the sensor chip 110 can efficiently take in stress, and the sensitivity (change in resistance of the piezoresistive element with respect to the same stress) is improved.
  • a dummy piezoresistive element is arranged in addition to the piezoresistive element used for detecting strain.
  • the dummy piezoresistive elements are arranged so that all the piezoresistive elements including the piezoresistive elements used for detecting the strain are point-symmetrical with respect to the center of the support portion 111e.
  • 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 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 detect the moment Mz.
  • a plurality of piezoresistive elements are separately arranged in each detection block.
  • the change in the output of the plurality of piezoresistive elements arranged on the predetermined beam according to the direction of the force (displacement) applied (transmitted) or the displacement (axial direction) to the force points 114a to 114d It is possible to detect displacements in any direction up to 6 axes.
  • 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 that are the first detection beams.
  • the force (Fz) in the Z-axis direction can be detected based on the deformation of the detection beams 113e and 113k that are the second detection beams.
  • the displacement (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 that are the first detection beams. The moment (Mz) in the Z-axis direction can be detected based on the deformation of the detection beams 113d and 113j that are the first detection beams.
  • each detection beam By varying the thickness and width of each detection beam, it is possible to make uniform detection sensitivity and make adjustments such as improvement in detection sensitivity.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an electrode arrangement and wiring in the sensor chip 110, and is a plan view of the sensor chip 110 viewed from the upper side in the Z-axis direction.
  • the sensor chip 110 has a plurality of electrodes 15 for extracting electric signals.
  • Each electrode 15 is arranged on the upper surface of the support portions 111a to 111d of the sensor chip 110, which has the least distortion when a force is applied to the force points 114a to 114d.
  • the wiring 16 from each piezoresistive element to the electrode 15 can be appropriately routed over each reinforcing beam and each detecting beam.
  • each reinforcing beam can be used as a bypass when pulling out the wiring as needed, so that the reinforcing beam can be arranged separately from the detection beam to improve the flexibility of wiring design. be able to.
  • each piezoresistive element can be arranged at a more ideal position.
  • FIG. 9 is an enlarged plan view illustrating a temperature sensor of the sensor chip 110.
  • the sensor chip 110 includes a temperature sensor 17 for performing temperature correction on the piezoresistive element used for strain detection.
  • the temperature sensor 17 has a configuration in which four piezoresistive elements TR1, TR2, TR3, and TR4 are bridge-connected.
  • the two facing each other have the same characteristics as the piezoresistive element MxR1 and the like used for distortion detection. Further, of the piezoresistive elements TR1, TR2, TR3, and TR4, the other two facing each other have different characteristics from those of the piezoresistive element MxR1 by changing the impurity concentration by the impurity semiconductor. As a result, the balance of the bridge is lost due to the temperature change, so that the temperature can be detected.
  • the piezoresistive elements (MxR1 etc.) used for strain detection are all arranged horizontally or vertically with respect to the crystal orientation of the semiconductor substrate (silicon etc.) that constitutes the sensor chip 110. This makes it possible to obtain a larger change in resistance with respect to the same strain, and improve the accuracy of measuring the applied force and moment.
  • the piezoresistive elements TR1, TR2, TR3, and TR4 forming the temperature sensor 17 are arranged at an angle of 45 degrees with respect to the crystal orientation of the semiconductor substrate (silicon or the like) forming the sensor chip 110. .. As a result, the change in resistance to stress can be reduced, and thus only the change in temperature can be accurately detected.
  • the temperature sensor 17 is arranged on the upper surface of the support portion 111a of the sensor chip 110, which has the least distortion when a force is applied to the force points 114a to 114d. This makes it possible to further reduce the change in resistance to stress.
  • FIG. 10A is a perspective view illustrating the flexure element 20, and FIG. 10B is a side view illustrating the flexure element 20.
  • 11A is a plan view illustrating the flexure element 20, and FIG. 11B is a vertical cross-sectional perspective view taken along the line AA of FIG. 11A.
  • 12A is a vertical sectional view taken along the line BB of FIG. 11A, and
  • FIG. 12B is a lateral sectional view taken along the line CC of FIG. 12A.
  • the flexure element 20 includes a base 21 directly attached to the fixed portion, a pillar 28 serving as a sensor chip mounting portion on which the sensor chip 110 is mounted, and a space around the pillar 28. Pillars 22a to 22d that are arranged in parallel.
  • the flexure element 20 four pillars 22a to 22d are arranged on the upper surface of the substantially circular base 21 so as to be even (point-symmetrical) with respect to the center of the base 21, and adjacent pillars 22a to 22d are arranged. Beams 23a to 23d connecting the opposite sides of the base 21 are provided in a frame shape. The pillar 28 is arranged above the center of the upper surface of the base 21.
  • the planar shape of the base 21 is not limited to a circular shape, and may be a polygonal shape (for example, a square shape).
  • the pillar 28 is thicker and shorter than the pillars 22a to 22d.
  • the sensor chip 110 is fixed on the pillar 28 so as not to project from the upper surfaces of the pillars 22a to 22d.
  • the pillar 28 is not directly fixed to the upper surface of the base 21, but is fixed to the pillars 22a to 22d via the connecting beams 28a to 28d. Therefore, there is a space between the upper surface of the base 21 and the lower surface of the pillar 28.
  • the lower surface of the pillar 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 of the pillar 28 to which the connecting beams 28a to 28d are connected is, for example, a rectangle, and the four corners of the rectangle and the pillars 22a to 22d facing the four corners of the rectangle are connected via the connecting beams 28a to 28d.
  • the positions 221 to 224 where the connecting beams 28a to 28d are connected to the columns 22a to 22d are preferably below the middle of the columns 22a to 22d in the height direction. The reason for this will be described later.
  • the cross-sectional shape of the portion of the pillar 28 to which the connecting beams 28a to 28d 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 arranged substantially parallel to the upper surface of the base 21 with a predetermined distance from the upper surface of the base 21 so as to be even (point-symmetrical) with respect to the center of the base 21.
  • the thickness and the rigidity (rigidity) of the connecting beams 28a to 28d are preferably thinner and thinner than those of the columns 22a to 22d and the beams 23a to 23d in order not to prevent the deformation of the flexure element 20.
  • the upper surface of the base 21 and the lower surface of the pillar 28 are separated by a predetermined distance.
  • the predetermined distance can be, for example, about several mm.
  • the pillar 28 is not directly fixed to the upper surface of the base 21, but the pillar 28 is fixed to the pillars 22a to 22d through the connecting beams 28a to 28d, so that the moment when the moment (Mx, My) is input is obtained. Separability of the component (Mx, My) and the force component (Fx, Fy) in the translational direction can be improved.
  • the base 21 is provided with a through hole 21x for fastening the flexure element 20 to the fixed portion with a screw or the like.
  • the base 21 is provided with four through holes 21x, but the number of through holes 21x can be arbitrarily determined.
  • one through hole 21a is provided in the center of the base 21.
  • the through hole 21a communicates with the internal space formed by the cover 50 and the flexure element 20 and is used for injecting the above-mentioned medium.
  • the schematic shape of the flexure element 20 excluding the base 21 can be, for example, a rectangular parallelepiped shape 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 pillars 22a to 22d can be, for example, a square of about 1000 ⁇ m square.
  • the cross-sectional shape of the pillar 28 can be, for example, a square of about 2000 ⁇ m square.
  • the portion forming the internal angle be R-shaped.
  • the surfaces of the pillars 22a to 22d on the center side of the upper surface of the base 21 are formed in an R shape at the top and bottom.
  • the surfaces of the beams 23a to 23d that face the upper surface of the base 21 are formed in an R shape on the left and right.
  • the part is thicker than both ends.
  • the central portions of the beams 23a to 23d in the longitudinal direction are provided with projecting portions projecting inward and outward from the side surfaces of the columns 22a to 22d.
  • the cross-sectional area of the central portions of the beams 23a to 23d in the longitudinal direction becomes large, and therefore, when the force sensor device 1 is applied with Mx, My, and Mz, the beams 23a to 23d that were originally stress-concentrated. It is possible to reduce the stress generated at the central portion in the longitudinal direction of the. That is, it is possible to relieve the stress concentration on the central portions of the beams 23a to 23d in the longitudinal direction.
  • each of the active components 32 to 35 can be allowed to enter the surplus space, and can be efficiently arranged on the side surface of the flexure element 20 (FIGS. 2A and 2B, FIG. 3A and FIG. 3A). 3B etc.).
  • the active components 32 to 35 can be arranged, for example, on the side surface of the flexure element 20 on the base 21 side of the beams 23a to 23d so that at least a part thereof overlaps with the projecting portion in a plan view (FIG. 3A, See FIG. 3B etc.).
  • a protrusion projecting upward from the center of the beams 23a to 23d in the longitudinal direction is provided in the center of the upper surface of each of the beams 23a to 23d. .About.24d are provided.
  • the input portions 24a to 24d are portions to which a force is applied from the outside, and when the force is applied to the input portions 24a to 24d, the beams 23a to 23d and the columns 22a to 22d are deformed accordingly.
  • the withstand load of the beams 23a to 23d can be improved as compared with, for example, the structure of one input part.
  • the four pillars 25a to 25d are arranged at the four corners of the upper surface of the pillar 28, and the pillar 25e, which is the fourth pillar, is arranged at the center of the upper surface of the pillar 28.
  • the pillars 25a to 25e are formed at the same height.
  • the upper surfaces of the pillars 25a to 25e are located on the same plane.
  • the upper surface of each of the columns 25a to 25e serves as a bonding portion that is bonded to the lower surface of the sensor chip 110.
  • Beams 26a to 26d projecting inward in the horizontal direction from the inner surfaces of the beams 23a to 23d are provided at the central portions in the longitudinal direction of the inner surfaces of the beams 23a to 23d.
  • the beams 26a to 26d are beams that transmit 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 to project upward from the tip ends of the upper surfaces 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 serves as a bonding portion that is bonded to the lower surface of the sensor chip 110. Since the beams 26a to 26d and the protrusions 27a to 27d are connected to the beams 23a to 23d which are movable parts, when a force is applied to the input parts 24a to 24d, they are deformed accordingly.
  • the base 21, columns 22a to 22d, columns 28, beams 23a to 23d, input portions 24a to 24d, columns 25a to 25e, beams 26a to 26d, and protrusions 27a to 27d are rigid. From the viewpoint of ensuring the above and manufacturing with high accuracy, it is preferable that they are integrally formed.
  • a material of the flexure element 20 for example, a hard metal material such as SUS (stainless steel) can be used. Above all, it is preferable to use SUS630 which is particularly hard and has high mechanical strength.
  • the force applied to the input portions 24a to 24d of the flexure element 20 is transmitted to the sensor chip 110 via the columns 22a to 22d, the beams 23a to 23d, and the beams 26a to 26d, and the displacement at the sensor chip 110 is transmitted. Detect. Then, in the sensor chip 110, the output of each axis can be obtained from the bridge circuit formed one for each axis.
  • the strain body 20 can be integrally formed by, for example, molding, cutting, wire discharge, or the like.
  • a material of the flexure element 20 for example, a hard metal material such as SUS (stainless steel) can be used. Above all, it is preferable to use SUS630 which is particularly hard and has high mechanical strength.
  • 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.
  • the adhesive 41 for example, an epoxy adhesive or the like can be used. From the viewpoint of proof stress against the force applied from the outside, the adhesive 41 preferably has a Young's modulus of 1 GPa or more and a thickness of 20 ⁇ m or less.
  • the sensor chip 110 is manufactured.
  • the sensor chip 110 can be manufactured, for example, by a known method in which an SOI substrate is prepared and etching processing (for example, reactive ion etching) is performed on the prepared substrate.
  • etching processing for example, reactive ion etching
  • the electrodes and wirings can be produced, for example, by forming a metal film of aluminum or the like on the surface of the substrate by a sputtering method or the like and then patterning the metal film by photolithography.
  • the sensor chip 110 is strained so that the lower surface of the sensor chip 110 contacts the upper surfaces of the columns 25a to 25e and the adhesive 41 applied to the upper surfaces of the protrusions 27a to 27d. 20 is placed under pressure. Then, the adhesive 41 is heated to a predetermined temperature and cured. As a result, the sensor chip 110 is fixed inside the flexure element 20. Specifically, the support portions 111a to 111d of the sensor chip 110 are fixed to the columns 25a to 25e, the support portion 111e is fixed to the column 25e, and the force points 114a to 114d are fixed to the protrusions 27a to 27d, respectively. To be done.
  • the board 30 on which the active components 32 to 35 and the passive component 39 are mounted is prepared.
  • the substrate 30 includes end face fixing portions 30a fixed to the upper surfaces (end faces) of the pillars 22a to 22d in the process of FIG. 16A.
  • the area where the crosses cross is the end surface fixing portion 30a.
  • Electrodes 31 are provided at the four corners of the end surface fixing portion 30a.
  • the substrate 30 is provided with side surface fixing portions 30b to 30e which extend in four directions from the end surface fixing portion 30a, are bent with respect to the end surface fixing portion 30a and are fixed to the side surfaces of the columns 22a to 22d in the process of FIG. 17A. ..
  • the active component 32 is mounted on the side surface fixing portion 30b
  • the active component 33 and the passive component 39 are mounted on the side surface fixing portion 30c
  • the active component 34 and the passive component 39 are mounted on the side surface fixing portion 30d
  • the active component 35 and the passive component 39 are mounted on the side surface fixing portion 30e.
  • the substrate 30 includes an extension portion 30f extending from the side surface fixing portion 30b.
  • An input/output terminal (not shown) capable of electrically inputting/outputting with an external circuit (control device or the like) connected to the force sensor device 1 is arranged at an end of the extending portion 30f.
  • the end face fixing portion 30a includes an opening 30x that exposes the sensor chip 110 and the input portions 24a to 24d when being fixed to the upper surfaces (end faces) of the columns 22a to 22d in the process of FIG. 16A.
  • the opening 30x extends from the end surface fixing portion 30a to a part of each of the side surface fixing portions 30b to 30e.
  • the board 30 can have a cross-shaped outer shape, for example, because the opening 30x is provided, the wiring can be easily routed, and the active components 32 to 35 are mounted.
  • the adhesive 42 is applied to the upper surfaces of the columns 22a to 22d.
  • the adhesive 42 for example, an epoxy adhesive or the like can be used.
  • the adhesive 42 is used to fix the substrate 30 on the flexure element 20. Since no external force is applied, a general-purpose adhesive can be used.
  • the substrate 30 is placed on the flexure element 20 so that the lower surfaces of the four corners of the end face fixing portion 30a of the substrate 30 come into contact with the adhesive 42 applied to the upper surfaces of the columns 22a to 22d. Deploy. At this time, the side surface fixing portions 30b to 30e are not bent with respect to the end surface fixing portion 30a.
  • the adhesive 43 (for example, two locations in the vertical direction) is applied to the two side surfaces of each of the columns 22a to 22d facing outward. However, in a region where the active component 32 is mounted and which is bonded to the back surface of the substrate 30, the adhesive 43 is applied so as to extend from the lower side surfaces of the columns 22a and 22d to the outer peripheral portion of the upper surface of the base 21.
  • the adhesive 43 for example, an epoxy adhesive or the like can be used.
  • the adhesive 43 is used to fix the substrate 30 onto the flexure element 20. Since no external force is applied, a general-purpose adhesive can be used.
  • the same adhesive as the adhesive 42 may be used as the adhesive 43.
  • a relatively hard (high Young's modulus) adhesive containing a filler is used to ensure wire bondability, and as the adhesive 43, flexibility that follows the deformation of the strain body 20 is secured.
  • a relatively soft (low Young's modulus) adhesive may be used.
  • the adhesive 43 may be applied together with the adhesive 42 in the step of FIG. 15B.
  • the side surface fixing portions 30b to 30e protruding in the horizontal direction from the end surface fixing portion 30a arranged on the flexure element 20 are bent to the respective side surfaces of the flexure element 20.
  • the adhesives 42 and 43 are heated to a predetermined temperature and cured while the substrate 30 is pressed against the strain body 20 side.
  • the substrate 30 is fixed to the flexure element 20. Since the substrate 30 is a flexible substrate and is sufficiently soft with respect to the strain generating body 20, and the substrate 30 and the strain generating body 20 are partially bonded, the substrate 30 is deformed. Does not hinder.
  • the electrode 31 of the substrate 30 and the corresponding electrode 15 of the sensor chip 110 are electrically connected by a bonding wire (metal wire such as gold wire or copper wire) or the like (not shown).
  • the electrodes 31 are formed in the four corner regions of the end face fixing portion 30a that overlap with the upper surfaces (end surfaces) of the columns 22a to 22d in plan view.
  • the upper surfaces (end faces) of the columns 22a to 22d are This is a region in which distortion is minimal when a force is applied to the input parts 24a to 24d. Therefore, it is easy to apply ultrasonic pressure to this area, and wire bonding can be performed stably.
  • the force sensor device 1 is completed through the above steps.
  • the force sensor device 1 can be manufactured with only three parts, that is, the sensor chip 110, the flexure element 20, and the substrate 30, it is easy to assemble and the position for alignment is minimized. It is possible to suppress deterioration in accuracy due to the cause.
  • connection points with the sensor chip 110 are all on the same plane, the position of the sensor chip 110 with respect to the flexure element 20. The adjustment is performed only once, and it is easy to mount the sensor chip 110 on the flexure element 20.
  • a step of further adhering the cover may be provided.
  • a cover 50 having an opening for exposing the input portions 24a to 24d is adhered to the outer peripheral portion of the base 21 so as to cover the sensor chip 110 and the upper side of the base 21 of the flexure element 20. ..
  • a material in which the surface of a metal material is plated with nickel or the like can be used.
  • a through hole 50a is provided in the center of the upper surface of the cover 50. The through hole 21a communicates with the space inside the cover 50.
  • the board 30 is adhered to the flexure element 20, and the portion of the board 30 on which the active components 32 to 35 are mounted is within the size in the height direction of the flexure element 20 when the board 30 is bent. It is settled. Therefore, the substrate 30 does not hinder the attachment of the cover 50.
  • the cover 50 By providing the cover 50, dust protection and electric noise countermeasures are possible.
  • noise resistance signal stability
  • the substrate 30 is provided with a GND terminal different in series from the sensor chip 110 and the active components 32 to 35, and the GND terminal is electrically connected to the flexure element 20 and the cover 50.
  • the thermal conductivity is higher than that of air and flows into the cover 50 from the through hole 50a provided in the cover 50.
  • a medium having heat resistance and thermosetting property is injected.
  • a needle type dispenser is used to inject this medium.
  • the needle 60 of the dispenser is inserted into the through hole 50a to inject the medium.
  • a medium having heat resistance and thermosetting property is injected. Similar to the manufacturing process shown in FIG. 18A, the medium is injected by inserting the needle 60 of the dispenser into the through hole 21a. The medium may be injected from a through hole 21x provided in the base 21 as a screw hole.
  • the medium injected into the cover 50 is, for example, silicone gel.
  • the thermal conductivity of silicone gel is about 0.2 W/(m ⁇ K), which is about 5 times the thermal conductivity of air, about 0.041 W/(m ⁇ K). Therefore, by filling the inside of the cover 50 with a medium such as silicone gel, even if a temperature distribution occurs in the cover 50, the temperature distribution becomes uniform in a short time due to high thermal conductivity, and a temperature equilibrium state is achieved. Become.
  • a heat transfer filler for example, boron nitride having a heat transfer coefficient of about 100 W/(m ⁇ K) and having an insulating property and not corrosive is used.
  • the thermal conductivity of the medium can be set to about 1 W/(m ⁇ K).
  • FIG. 19 is a vertical cross-sectional view of the force sensor device 1 after completion.
  • FIG. 19 shows the same cross section as FIG. 12A.
  • the medium 70 injected in the manufacturing process of FIGS. 18A and 18B is a space between the cover 50 and the strain-flexing body 20 and in which the sensor chip 110 and the active components 32 to 35 exist. It is filled in the (outer peripheral part) and the space (hollow part) in the flexure element 20 in which the column 28 as the sensor chip mounting part exists.
  • the thermal conductivity of the internal space is increased, and the responsiveness to heat is improved, so that the temperature distribution becomes uniform. To do.
  • the strain element 20 thermally expands or contracts, or the characteristics of the sensor chip 110 or the active components 32 to 35 change, which causes a detection error. It can happen.
  • the temperature distribution of the internal space of the force sensor device 1 is, for example, that the active components 32 to 35 self-heat when the force sensor device 1 is started, and that the strain element 20 and the force receiving plate 40 having high thermal conductivity are used. It is caused by the influence of external heat. Further, since the active components 32 to 35 are fixed to the side surface of the strain-generating body 20 via the substrate 30, the temperature change with respect to the external temperature change is delayed.
  • the medium 70 having high thermal conductivity is filled in the internal space of the force sensor device 1, so that the temperature distribution becomes uniform, and the temperature difference between the sensor chip 110 and the active components 32 to 35 is reduced.
  • the temperature difference between the flexure element 20 and the active components 32 to 35 is reduced, and the detection error due to the temperature change is reduced.
  • an IC having a function of correcting the output from the sensor chip 110 is provided in the force sensor device 1, the temperature correction error is reduced.
  • the sensor chip 110 by covering the sensor chip 110 with the medium 70, adhesion of dust or foreign matter to the sensor chip 110 is suppressed, occurrence of failure or abnormality is prevented, and reliability is improved.
  • the medium 70 preferably has a thermal conductivity higher than that of air, and also has a rigidity that does not hinder the deformation of the strain generating element 20 and the sensor chip 110. Further, the medium 70 is preferably insulative and non-corrosive since it contacts the bonding wires and pads of the sensor chip 110. Therefore, the medium 70 is preferably a gel (silicone gel or the like), rubber, or liquid (silicone oil or the like) which is a substance having high thermal conductivity, low rigidity and low Young's modulus. The thermal conductivity can be improved by mixing the heat transfer filler with the medium 70 as described above.
  • the medium 70 is injected into the outer peripheral portion between the flexure element 20 and the cover 50 and the hollow portion in the flexure element 20, but the medium 70 is injected into only one of them. May be.
  • FIG. 20 is a vertical cross-sectional view showing an example in which the medium 70 is filled in the outer peripheral portion between the flexure element 20 and the cover 50.
  • the medium 70 may be injected from the through hole 50a provided in the cover 50.
  • the temperature change of the outside air propagating through the cover 50 can be transmitted by filling the medium 70 only in the outer peripheral portion.
  • FIG. 21 is a vertical cross-sectional view showing an example in which the medium 70 is filled in the hollow portion inside the flexure element 20.
  • the medium 70 may be injected from the through hole 21a and/or the through hole 21x provided in the flexure element 20.
  • the force receiving plate is connected to the flexure element, but the force receiving plate is not essential for the force sensor device and may be omitted.
  • the force sensor device is one in which a MEMS sensor chip is mounted as a sensor element on a flexure element.
  • the present invention is a force sensor in which a strain gauge is attached as a sensor element to the flexure element. It can also be applied to a sensor device.
  • the sensor element only needs to detect at least one of the force applied in the axial direction and the force (moment) applied around the axis.

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Abstract

所定の軸方向または軸回りに印加された力を検知するセンサ素子と、前記センサ素子と電気的に接続された能動部品と、前記センサ素子及び前記能動部品が取り付けられ、印加された前記力を前記センサ素子に伝達する起歪体と、前記センサ素子及び前記能動部品を覆うように取り付けられたカバーと、前記カバー内に注入され、空気よりも高い熱伝導率を有する媒体と、を有する力覚センサ装置。

Description

力覚センサ装置
　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センサ素子を取り付け、外力が印加されることにより生じる起歪体の弾性変形をセンサ素子で検出することで、多軸の力を検出する力覚センサ装置が知られている。このような力覚センサ装置では、例えば、歪みに対応する電気信号をセンサ素子から、別途用意されたＩＣ等の能動部品に出力し、能動部品において所定の信号処理が行われる（例えば、特許文献１～３参照）。
特許第４０１１３４５号 特許第３９７０６４０号 特開２０１８－１８５２９６号公報
　上記の力覚センサ装置では、外気温の変化等によって起歪体に膨張や収縮が生じることや、センサ素子が温度特性を有することにより、電気信号が変動することがある。力覚センサ装置内の温度分布が均一であれば、温度補正用の温度センサを設けることにより、能動部品等で温度補正が可能である。
　しかしながら、力覚センサ装置内では、主に熱伝導率が低い空気を介して熱伝導が行われ、温度分布が生じやすいので、温度センサを設けたとしてもセンサ素子や起歪体の温度を正確に捉えて補正を行うことは容易でない。
　特に、空気の熱伝導性が低いことから、急激な温度変化に対応した温度補正は困難である。このような急激な温度変化は、例えば、力覚センサ装置の起動時に能動部品が自己発熱することや、金属製で熱伝導率が高い起歪体が外部から熱の影響を受けやすいことが起因して生じ得る。
　開示の技術は、上記の点に鑑みてなされたものであって、温度変化による影響を抑制することを目的とする。
　開示の技術は、所定の軸方向または軸回りに印加された力を検知するセンサ素子と、前記センサ素子と電気的に接続された能動部品と、前記センサ素子及び前記能動部品が取り付けられ、印加された前記力を前記センサ素子に伝達する起歪体と、前記センサ素子及び前記能動部品を覆うように取り付けられたカバーと、前記カバー内に注入され、空気よりも高い熱伝導率を有する媒体と、を有する力覚センサ装置である。
　開示の技術によれば、温度変化による影響を抑制することができる。
第１実施形態に係る力覚センサ装置の外観を示す斜視図である。 起歪体に基板が取り付けられた状態における力覚センサ装置の斜視図（その１）である。 起歪体に基板が取り付けられた状態における力覚センサ装置の斜視図（その２）である。 起歪体に基板が取り付けられた状態における力覚センサ装置の平面図である。 起歪体に基板が取り付けられた状態における力覚センサ装置の側面図である。 センサチップをＺ軸方向上側から視た斜視図である。 センサチップをＺ軸方向上側から視た平面図である。 センサチップをＺ軸方向下側から視た斜視図である。 センサチップをＺ軸方向下側から視た底面図である。 各軸にかかる力及びモーメントを示す符号を説明する図である。 センサチップ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を例示する斜視図である。 起歪体２０を例示する側面図である。 起歪体２０を例示する平面図である。 図１１ＡのＡ－Ａ線に沿う縦断面斜視図である。 図１１ＡのＢ－Ｂ線に沿う縦断面図である。 図１２ＡのＣ－Ｃ線に沿う横断面図である。 力覚センサ装置の製造工程を例示する図（その１）である。 力覚センサ装置の製造工程を例示する図（その２）である。 力覚センサ装置の製造工程を例示する図（その３）である。 力覚センサ装置の製造工程を例示する図（その４）である。 力覚センサ装置の製造工程を例示する図（その５）である。 力覚センサ装置の製造工程を例示する図（その６）である。 力覚センサ装置の製造工程を例示する図（その７）である。 力覚センサ装置の製造工程を例示する図（その８）である。 力覚センサ装置の製造工程を例示する図（その９）である。 力覚センサ装置の製造工程を例示する図（その１０）である。 力覚センサ装置の製造工程を例示する図（その１１）である。 力覚センサ装置の製造工程を例示する図（その１２）である。 完成後における力覚センサ装置の縦断面図である。 力覚センサ装置の第１変形例を示す図である。 力覚センサ装置の第２変形例を示す図である。
　以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
　＜第１実施形態＞
　（概略構成）
　図１は、第１実施形態に係る力覚センサ装置の外観を示す斜視図である。図２Ａ及び図２Ｂは、起歪体に基板が取り付けられた状態における力覚センサ装置の斜視図である。図３Ａは、起歪体に基板が取り付けられた状態における力覚センサ装置の平面図である。図３Ｂは、起歪体に基板が取り付けられた状態における力覚センサ装置の側面図である。
　図１～図３Ｂにおいて、力覚センサ装置１は、センサチップ１１０と、起歪体２０と、基板３０と、受力板４０と、カバー５０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。
　起歪体２０には基板３０が取り付けられており（図２Ａ及び図２Ｂ参照）、基板３０が取り付けられた起歪体２０の土台２１より上側及びセンサチップ１１０を覆うように、カバー５０が取り付けられている（図１参照）。カバー５０は、例えば、金属材の表面にニッケルめっき等を施した材料で形成されている。カバー５０には、起歪体２０の入力部２４ａ～２４ｄを露出させる開口部が設けられており、入力部２４ａ～２４ｄ上に受力板４０が設けられている。
　なお、詳しくは後述するが、カバー５０内には、空気よりも熱伝導率の高いゲル、ゴム、液体等からなる媒体が注入されている。なお、カバー５０内とは、カバー５０と起歪体２０の土台２１との間に形成される内部空間を指す。より具体的には、カバー５０内とは、起歪体２０とカバー５０との間であって、センサチップ１１０及び能動部品３２～３５が存在する空間（外周部）と、起歪体２０内であって、センサチップ搭載部としての柱２８が存在する空間（中空部）とを指す。
　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。以降の実施形態では、一例として、センサチップ１１０が６軸を検知する場合について説明するが、これには限定されず、例えば、センサチップ１１０は３軸を検知するものであってもよい。
　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。
　（能動部品）
　起歪体２０の側面には、能動部品３２～３５が配置されている。具体的には、能動部品３２～３５は、基板３０（例えば、フレキシブルプリント基板）の一方の面に実装され、基板３０の他方の面は、起歪体２０の側面に固定されている。能動部品３２～３５は、基板３０に形成された配線パターン（図示せず）を介して、対応する電極３１と電気的に接続されている。
　より詳しくは、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が実装されている。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。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。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を基板３０に実装せずに、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、基板３０からアナログの電気信号が出力される。
　基板３０は、起歪体２０の第１の側面の下方で外側に屈曲し、基板３０の他端側が外部に引き出されている。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。
　（受力板）
　受力板４０の平面形状は、例えば、円形である。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。また、受力板４０の上面側の中心部には、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。
　図示はしないが、入力部２４ａ～２４ｄの上面に突起（または突起受部）を形成し、起歪体２０側に突起した凹部４０ｘの底面に突起受部（または突起）を形成して、入力部２４ａ～２４ｄの上面の突起（または突起受部）と凹部４０ｘの底面の突起受部（または突起）を嵌め合わせることで受力板４０と起歪体２０とを位置決めするようにしてもよい。
　凹部４０ｘ及び凹部４０ｚは、必要に応じて、力覚センサ装置１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。また、貫通孔４０ｙは、力覚センサ装置１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、溶接により起歪体２０に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。
　（センサチップ）
　図４Ａは、センサチップ１１０をＺ軸方向上側から視た斜視図であり、図４Ｂは、センサチップをＺ軸方向上側から視た平面図である。図５Ａは、センサチップ１１０をＺ軸方向下側から視た斜視図であり、図５Ｂは、センサチップをＺ軸方向下側から視た底面図である。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４Ａ～図５Ｂ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６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６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７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４Ｂ及び図７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。また、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。
　また、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。また、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。
　また、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。
　また、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。また、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。
　また、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。また、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。
　また、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。
　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、耐荷重が向上する。
　また、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）が向上する。
　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。また、ピエゾ抵抗素子ＭｘＲ１～ＭｘＲ４はモーメントＭｘを検出し、ピエゾ抵抗素子ＭｙＲ１～ＭｙＲ４はモーメントＭｙを検出し、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ１～ＭｚＲ４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８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８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９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８及び図９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。また、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）の結晶方位に水平また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。
　また、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することができる。
　（起歪体）
　図１０Ａは、起歪体２０を例示する斜視図であり、図１０Ｂは、起歪体２０を例示する側面図である。図１１Ａは、起歪体２０を例示する平面図であり、図１１Ｂは、図１１ＡのＡ－Ａ線に沿う縦断面斜視図である。図１２Ａは、図１１ＡのＢ－Ｂ線に沿う縦断面図であり、図１２Ｂは、図１２ＡのＣ－Ｃ線に沿う横断面図である。
　図１０Ａ～図１２Ｂ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、隣接する柱の土台２１とは反対側同士を連結する梁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。
　また、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。
　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。
　また、土台２１の中心部には、１つの貫通孔２１ａが設けられている。貫通孔２１ａは、カバー５０と起歪体２０とで形成される内部空間に連通上述の媒体を注入するために用いられる。
　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。
　なお、Ｒ状の部分の曲率半径が大きいほど、応力集中を抑制する効果が大きくなる。しかし、Ｒ状の部分の曲率半径を大きくし過ぎると、起歪体２０が大型化し、結果として力覚センサ装置１も大型化するため、Ｒ状の部分の曲率半径を大きくすることには限界がある。
　そこで、本実施の形態では、図１１Ａに示したように、力覚センサ装置１にＭｘ、Ｍｙ、及びＭｚが印加された際に過大な応力集中が発生する梁２３ａ～２３ｄの長手方向の中央部を両端部よりも太くしている。そして、梁２３ａ～２３ｄの長手方向の中央部は、柱２２ａ～２２ｄの側面よりも内側及び外側に張り出した張り出し部を備えている。
　これにより、梁２３ａ～２３ｄの長手方向の中央部の断面積が大きくなるため、力覚センサ装置１にＭｘ、Ｍｙ、及びＭｚが印加された際に、元々応力集中していた梁２３ａ～２３ｄの長手方向の中央部に発生する応力を低減することができる。すなわち、梁２３ａ～２３ｄの長手方向の中央部への応力集中を緩和することができる。
　また、梁２３ａ～２３ｄの長手方向の中央部の側面を柱２２ａ～２２ｄの側面よりも外側に張り出させて張り出し部を設けたことにより、起歪体２０の４つの側面に余剰空間が生じたため、能動部品３２～３５の各々の少なくても一部分を余剰空間に入り込ませることができ、起歪体２０の側面に効率的に配置することができる（図２Ａ及び図２Ｂ、図３Ａ及び図３Ｂ等参照）。
　能動部品３２～３５は、例えば、梁２３ａ～２３ｄよりも土台２１側の起歪体２０の側面において、平面視で張り出し部と少なくとも一部が重複するように配置することができる（図３Ａ、図３Ｂ等参照）。
　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。
　（力覚センサ装置の製造工程）
　図１３Ａ～図１８Ｂ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１３Ａ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１３Ｂ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１４Ａ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１４Ｂ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１５Ａに示す工程では、能動部品３２～３５及び受動部品３９が実装された基板３０を準備する。
　基板３０は、図１６Ａの工程で柱２２ａ～２２ｄの上面（端面）に固定される端面固定部３０ａを備えている。図１５Ａにおいて、十字がクロスする領域が端面固定部３０ａである。端面固定部３０ａの４隅には、電極３１（ボンディングパッド）が設けられている。
　基板３０は、端面固定部３０ａから４方向に延伸し、図１７Ａの工程で端面固定部３０ａに対して屈曲して柱２２ａ～２２ｄの側面に固定される側面固定部３０ｂ～３０ｅを備えている。
　本実施の形態では、側面固定部３０ｂには能動部品３２が実装され、側面固定部３０ｃには能動部品３３及び受動部品３９が実装され、側面固定部３０ｄには能動部品３４及び受動部品３９が実装され、側面固定部３０ｅには能動部品３５及び受動部品３９が実装されている。但し、側面固定部３０ｂ～３０ｅの全てに能動部品が実装される必要はなく、側面固定部３０ｂ～３０ｅうちの少なくとも１つに能動部品が実装されていればよい。
　基板３０は、側面固定部３０ｂから延伸する延伸部３０ｆを備えている。延伸部３０ｆの端部には、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入出力端子（図示せず）が配列されている。
　端面固定部３０ａは、図１６Ａの工程で柱２２ａ～２２ｄの上面（端面）に固定される際にセンサチップ１１０及び入力部２４ａ～２４ｄを露出する開口部３０ｘを備えている。開口部３０ｘは、端面固定部３０ａから側面固定部３０ｂ～３０ｅの各々の一部に延伸している。
　このように、基板３０は、開口部３０ｘが設けられていること、配線の引き回しの容易性、及び能動部品３２～３５が実装されることから、例えば、十字形状の外形とすることができる。
　次に、図１５Ｂ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、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１６Ａに示す工程では、基板３０の端面固定部３０ａの４隅の下面が柱２２ａ～２２ｄの上面に塗布された接着剤４２と接するように、基板３０を起歪体２０上に配置する。この時点では、側面固定部３０ｂ～３０ｅは、端面固定部３０ａに対して屈曲していない。
　次に、図１６Ｂに示す工程では、柱２２ａ～２２ｄの各々の外側を向く２側面に接着剤４３を（例えば、上下方向に２カ所ずつ）塗布する。但し、能動部品３２が実装された部分の基板３０の裏面と接着される領域では、柱２２ａ及び２２ｄの側面下方から土台２１の上面外周部に延伸するように接着剤４３を塗布する。
　接着剤４３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４３は、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。接着剤４３として、接着剤４２と同じ接着剤を用いてもよい。或いは、接着剤４２としてはワイヤボンディング性を確保するためにフィラー入りの比較的硬い（ヤング率の高い）接着剤を用い、接着剤４３としては起歪体２０の変形に追従する柔軟性を確保するために比較的柔らかい（ヤング率の低い）接着剤を用いてもよい。また、接着剤４３は、図１５Ｂの工程で接着剤４２と共に塗布してもよい。
　次に、図１７Ａに示す工程では、起歪体２０上に配された端面固定部３０ａから水平方向にはみ出した側面固定部３０ｂ～３０ｅを、起歪体２０の各側面側に折り曲げる。そして、基板３０を起歪体２０側に加圧しながら接着剤４２及び４３を所定温度に加熱して硬化させる。これにより、基板３０が起歪体２０に固定される。なお、基板３０はフレキシブル基板であり、起歪体２０に対して十分に柔らかいことや、基板３０と起歪体２０とが部分的な接着であることから、基板３０は起歪体２０の変形を阻害しない。
　次に、基板３０の電極３１とセンサチップ１１０の対応する電極１５とをボンディングワイヤ（金線や銅線等の金属線）等（図示せず）により電気的に接続する。基板３０において、端面固定部３０ａの、柱２２ａ～２２ｄの上面（端面）と平面視で重複する４隅の領域に電極３１が形成されているが、柱２２ａ～２２ｄの上面（端面）は、入力部２４ａ～２４ｄに力が印加された際の歪みが最も少ない領域である。そのため、この領域は、超音波で加圧することが容易であり、ワイヤボンディングを安定して行うことができる。以上の工程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。
　なお、図１７Ｂに示すように、更にカバーを接着する工程を設けてもよい。図１７Ｂに示す工程では、起歪体２０の土台２１より上側及びセンサチップ１１０を覆うように、入力部２４ａ～２４ｄを露出する開口部が設けられたカバー５０を土台２１の外周部に接着する。カバー５０としては、例えば、金属材の表面にニッケルめっき等を施した材料を用いることができる。カバー５０の上面の中心部には、貫通孔５０ａが設けられている。貫通孔２１ａは、カバー５０内の空間に連通している。
　基板３０は起歪体２０に接着されており、かつ、基板３０の能動部品３２～３５が実装された部分は、基板３０を折り曲げた際に、起歪体２０の高さ方向のサイズ以内に収まっている。そのため、基板３０は、カバー５０の取り付けを阻害しない。
　カバー５０を設けることにより、防塵及び電気ノイズ対策が可能となる。特に、金属製の起歪体２０及びカバー５０を、銀ペースト等を用いて、基板３０のＧＮＤと電気的に接続することにより、ノイズ耐性（信号安定性）を高めることができる。この場合、基板３０に、センサチップ１１０及び能動部品３２～３５とは系列の異なるＧＮＤ端子を設け、このＧＮＤ端子と起歪体２０及びカバー５０とを電気的に接続することが好ましい。
　次に、図１８Ａに示す製造工程では、起歪体２０の土台２１を下方に向けた状態において、カバー５０に設けられた貫通孔５０ａからカバー５０内に、空気より熱導電性が高く、流動性及び熱硬化性を有する媒体を注入する。この媒体の注入には、例えば、ニードル式のディスペンサを用いる。図１８Ａに示すように、ディスペンサのニードル６０を貫通孔５０ａに挿入することにより媒体の注入を行う。
　次に、図１８Ｂに示す製造工程では、起歪体２０の土台２１を上方に向けた状態において、土台２１に設けられた貫通孔２１ａからカバー５０内に、空気より熱導電性が高く、流動性及び熱硬化性を有する媒体を注入する。図１８Ａに示す製造工程と同様に、ディスペンサのニードル６０を貫通孔２１ａに挿入することにより媒体の注入を行う。なお、ねじ穴として土台２１に設けられた貫通孔２１ｘから媒体を注入してもよい。
　カバー５０内に注入する媒体は、例えばシリコーンゲルである。シリコーンゲルの熱伝導率が約０．２Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、空気の熱伝導率である約０．０４１Ｗ／（ｍ・Ｋ）の約５倍である。このため、カバー５０内をシリコーンゲル等の媒体で満たすことにより、カバー５０内に温度分布が生じた場合であっても、高い熱伝導性により短時間で温度分布が均一化して温度平衡状態となる。
　なお、カバー５０内に注入する媒体の熱伝導率をさらに上げるために、媒体に熱伝達フィラーを混合することも好ましい。熱伝達フィラーとして、例えば熱伝達率が約１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり絶縁性を有し腐食性が無い、窒化ホウ素が用いられる。媒体に熱伝達フィラーを混合することで、媒体の熱伝導率を約１Ｗ／（ｍ・Ｋ）とすることができる。
　なお、必ずしも、図１８Ａに示す製造工程と図１８Ｂに示す製造工程との両方を行う必要はなく、いずれか一方の製造工程によってカバー５０内に媒体を注入してもよい。
　この後、ベーキング処理を行うことにより、カバー５０内に注入された媒体を硬化させる。そして、起歪体２０の入力部２４ａ～２４ｄの上面に、受力板４０の下面を当接させ、溶接等により起歪体２０と受力板４０とを接合することにより、図１に示した力覚センサ装置１が完成する。
　図１９は、完成後における力覚センサ装置１の縦断面図である。図１９は、図１２Ａと同じ断面を示している。図１９に示すように、図１８Ａ及び図１８Ｂの製造工程で注入された媒体７０は、カバー５０と起歪体２０との間であって、センサチップ１１０及び能動部品３２～３５が存在する空間（外周部）と、起歪体２０内であって、センサチップ搭載部としての柱２８が存在する空間（中空部）とに充填されている。
　このように、力覚センサ装置１の内部空間に熱伝導性の高い媒体７０を充填することにより、当該内部空間の熱伝導性が高まり、熱に対する応答性が向上することで温度分布が均一化する。
　力覚センサ装置１の温度が何らかの影響により変化した場合には、起歪体２０が熱膨張または収縮することや、センサチップ１１０や能動部品３２～３５の特性が変化することにより、検出誤差が生じる可能性がある。力覚センサ装置１の内部空間の温度分布は、例えば、力覚センサ装置１の起動時に能動部品３２～３５が自己発熱することや、熱伝導率が高い起歪体２０や受力板４０が外部の熱の影響を受けることにより生じる。また、能動部品３２～３５は、基板３０を介して起歪体２０の側面に固定されているので、外部の温度変化に対する温度変化が遅延する。
　本実施形態では、力覚センサ装置１の内部空間に熱伝導性の高い媒体７０を充填しているの、温度分布が均一化、センサチップ１１０と能動部品３２～３５との間の温度差や、起歪体２０と能動部品３２～３５との間の温度差が低減され、温度変化による検出誤差が低減する。また、力覚センサ装置１内に、センサチップ１１０からの出力を温度補正する機能を有するＩＣを設けた場合に、温度補正誤差が低減する。
　また、センサチップ１１０を媒体７０で覆うことにより、センサチップ１１０へのゴミや異物の付着が抑制され、故障や異常の発生が防止され、信頼性が向上するといった効果も得られる。
　媒体７０は、空気より熱伝導率が高いことの他に、起歪体２０やセンサチップ１１０の変形を阻害しない程度の剛性であることが好ましい。また、媒体７０は、センサチップ１１０のボンディングワイヤやパッドに接触することから、絶縁性であって、腐食性がないことが好ましい。したがって、媒体７０は、高熱伝導性、低剛性及び低ヤング率の物質である、ゲル（シリコーンゲル等）、ゴム、液体（シリコーンオイル等）であることが好ましい。上述のように媒体７０に熱伝達フィラーを混合することで熱伝導性を向上させることができる。
　＜変形例＞
　次に、第１実施形態の変形例について説明する。第１実施形態では、起歪体２０とカバー５０との間の外周部と、起歪体２０内の中空部とに媒体７０を注入しているが、いずれか一方にのみ媒体７０を注入してもよい。
　図２０は、起歪体２０とカバー５０との間の外周部に媒体７０を充填した例を示す縦断面図である。このように外周部にのみ媒体７０を充填するには、カバー５０に設けられた貫通孔５０ａから媒体７０を注入すればよい。
　外周部にのみ媒体７０を充填することで、カバー５０を通して伝搬する外気の温度変化を伝達することができる。
　図２１は、起歪体２０内の中空部に媒体７０を充填した例を示す縦断面図である。このように中空部にのみ媒体７０を充填するには、起歪体２０に設けられた貫通孔２１ａ及び／又は貫通孔２１ｘから媒体７０を注入すればよい。
　なお、第１実施形態は、起歪体に受力板を接続しているが、力覚センサ装置には受力板は必須ではなく、省略してもよい。
　また、第１実施形態に係る力覚センサ装置は、センサ素子としてＭＥＭＳセンサチップを起歪体に搭載したものであるが、本発明は、センサ素子として歪みゲージを起歪体に張り付けた力覚センサ装置にも適用可能である。
　なお、センサ素子は、軸方向に印加された力と、軸回りに印加された力（モーメント）のうち、少なくとも一方を検知するものであればよい。
　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。
　本国際出願は２０１９年１月３１日に出願した日本国特許出願２０１９－０１６３１３号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願２０１９－０１６３１３号の全内容を本国際出願に援用する。
　１　力覚センサ装置、１７　温度センサ、２０　起歪体、２１　土台、２１ａ　貫通孔、２１ｘ　貫通孔、２２ａ～２２ｄ　柱、２４ａ～２４ｄ　入力部、２５ａ～２５ｅ　柱、２８　柱（搭載部）、３０　基板、３２～３５　能動部品、３９　受動部品、４０　受力板、５０　カバー、５０ａ　貫通孔、６０　ニードル、７０　媒体、１１０　センサチップ（センサ素子）

Claims (8)

  1. 　所定の軸方向または軸回りに印加された力を検知するセンサ素子と、
    　前記センサ素子と電気的に接続された能動部品と、
    　前記センサ素子及び前記能動部品が取り付けられ、印加された前記力を前記センサ素子に伝達する起歪体と、
    　前記センサ素子及び前記能動部品を覆うように取り付けられたカバーと、
    　前記カバー内に注入され、空気よりも高い熱伝導率を有する媒体と、
    　を有する力覚センサ装置。
  2. 　前記媒体は、シリコーンゲルである請求項１に記載の力覚センサ装置。
  3. 　前記媒体には、熱伝達フィラーが混合されている請求項１に記載の力覚センサ装置。
  4. 　前記熱伝達フィラーは、窒化ホウ素である請求項３に記載の力覚センサ装置。
  5. 　前記能動部品は、基板の一方の面に実装され、
    　前記基板の他方の面は、前記起歪体の側面に固定されている請求項１に記載の力覚センサ装置。
  6. 　前記起歪体は、
    　前記センサ素子を搭載する搭載部と、
    　前記搭載部の周囲に離間して配置された複数の柱と、を備え、
    　前記基板の他方の面は、隣接する前記柱の側面に固定されている請求項５に記載の力覚センサ装置。
  7. 　前記媒体は、前記起歪体と前記カバーとの間であって、前記センサ素子及び前記能動部品が存在する外周部と、前記起歪体内であって、前記搭載部が存在する中空部とに充填されている請求項６に記載の力覚センサ装置。
  8. 　前記センサ素子は、ＭＥＭＳセンサチップである請求項７に記載の力覚センサ装置。
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