JP2022101139A - センサチップ、力覚センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】様々な方向の変位に対する梁の破壊耐性を向上したセンサチップを提供する。【解決手段】本センサチップは、複数の検知ブロックを有し、各々の前記検知ブロックは、歪検出素子が配置されたＴ字型梁構造を２組以上備え、各々の前記Ｔ字型梁構造は、第１検知用梁と、前記第１検知用梁から前記第１検知用梁と直交する方向に伸びる第２検知用梁と、を含み、各々の前記検知ブロックにおいて、各々の前記Ｔ字型梁構造の前記第２検知用梁の端部同士が接続して接続部を形成し、前記接続部には力点が設けられ、前記力点に印加された入力に応じた前記歪検出素子の出力の変化に基づいて、所定の軸方向の力又はモーメントを最大で６軸検知する。【選択図】図５

Description

本発明は、センサチップ、力覚センサ装置に関する。

従来より、所定の軸方向の変位を検知する力覚センサ装置が知られている。一例として、センサチップと、センサチップの周囲に配置され、外力が加わる外力印加板、センサチップを支持する台座部、外力印加板を台座部に固定する外力緩衝機構、外力伝達機構である連結ロッドから成る構造体を備え、外力印加板と作用部が連結ロッドで連結されている力覚センサ装置が挙げられる。

センサチップは、中央部に位置するほぼ正方形の形状をした作用部と、この作用部を囲むような位置にある正方形リング形状の支持部と、作用部と支持部の間に位置して四辺の各部分に対応して両者を連結するＴ字形状の４つの連結部とから構成されている。４つの連結部の各々はＴ字梁となっており、橋梁部と弾性部を有する（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３－２５４８４３号公報

近年、定格の大きな力覚センサ装置の要求があるが、定格の大きな力覚センサ装置を構成する起歪体の変位は小型のものに比べ大きい。そのため、上記のセンサチップの構造では、起歪体から入力される特定の方向の変位に対して大きく変形できない梁が存在し、その梁が破壊してしまうおそれがある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、様々な方向の変位に対する梁の破壊耐性を向上したセンサチップの提供を目的とする。

本センサチップ（１００）は、複数の検知ブロック（Ｂ_１～Ｂ_４）を有し、各々の前記検知ブロック（Ｂ_１～Ｂ_４）は、歪検出素子（ＦｘＲ１等）が配置されたＴ字型梁構造（１３１Ｔ_１等）を２組以上備え、各々の前記Ｔ字型梁構造（１３１Ｔ_１等）は、第１検知用梁（１３１ａ等）と、前記第１検知用梁（１３１ａ等）から前記第１検知用梁（１３１ａ等）と直交する方向に伸びる第２検知用梁（１３１ｂ等）と、を含み、各々の前記検知ブロック（Ｂ_１～Ｂ_４）において、各々の前記Ｔ字型梁構造（１３１Ｔ_１等）の前記第２検知用梁（１３１ｂ等）の端部同士が接続して接続部（１４１等）を形成し、前記接続部（１４１等）には力点（１５１等）が設けられ、前記力点（１５１等）に印加された入力に応じた前記歪検出素子（ＦｘＲ１等）の出力の変化に基づいて、所定の軸方向の力又はモーメントを最大で６軸検知する。

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、様々な方向の変位に対する梁の破壊耐性を向上したセンサチップを提供できる。

第１実施形態に係る力覚センサ装置を例示する斜視図である。 第１実施形態に係る力覚センサ装置を例示する断面斜視図である。 入力伝達部にセンサチップが取り付けられた状態を示す上面側斜視図である。 入力伝達部にセンサチップが取り付けられた状態を示す下面側斜視図である。 センサチップ１００をＺ軸方向上側から視た斜視図である。 センサチップ１００をＺ軸方向上側から視た平面図である。 センサチップ１００をＺ軸方向下側から視た斜視図である。 センサチップ１００をＺ軸方向下側から視た底面図である。 各軸にかかる力及びモーメントを示す符号を説明する図である。 センサチップ１００のピエゾ抵抗素子の配置を例示する図である。 図１０に示すセンサチップの１組の検知ブロックの部分拡大図である。 各ピエゾ抵抗素子を用いた検出回路の一例を示す図（その１）である。 各ピエゾ抵抗素子を用いた検出回路の一例を示す図（その２）である。 Ｆｘ入力について説明する図である。 Ｆｙ入力について説明する図である。 センサチップにＦｘ入力があった場合のシミュレーション結果である。 センサチップにＭｚ入力があった場合のシミュレーション結果である。 センサチップにＦｚ入力があった場合のシミュレーション結果である。 図１８に対応する部分斜視図である。 起歪体を構成する受力板を例示する斜視図である。 起歪体を構成する起歪部を例示する斜視図である。 起歪体を構成する入力伝達部を例示する上面側の斜視図である。 起歪体を構成する入力伝達部を例示する下面側の斜視図である。 起歪体を構成する入力伝達部を例示する側面図である。 起歪体を構成する蓋板を例示する斜視図である。 起歪部にＦｘ入力があった場合のシミュレーション結果である。 起歪部にＭｚ入力があった場合のシミュレーション結果である。 センサチップ１００ＡをＺ軸方向上側から視た平面図である。 センサチップ１００ＢをＺ軸方向上側から視た部分平面図である。 センサチップ１００ＣをＺ軸方向上側から視た部分平面図である。 起歪体２００Ａの斜視図である。 起歪体２００Ａの断面斜視図である。 起歪体を構成する入力伝達部を例示する斜視図である。 起歪体を構成する蓋板を例示する斜視図である。 起歪体２００Ｂの側面図である。 起歪体を構成する起歪部を例示する下面側の斜視図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

〈第１実施形態〉
（力覚センサ装置１の概略構成）
図１は、第１実施形態に係る力覚センサ装置を例示する斜視図である。図２は、第１実施形態に係る力覚センサ装置を例示する断面斜視図である。図１及び図２を参照すると、力覚センサ装置１は、センサチップ１００と、起歪体２００とを有している。力覚センサ装置１は、例えば、工作機械等に使用されるロボットの腕や指等に搭載される多軸の力覚センサ装置である。

センサチップ１００は、所定の軸方向の変位を最大で６軸検知する機能を有している。起歪体２００は、印加された力及び／又はモーメントをセンサチップ１００に伝達する機能を有している。以降の実施形態では、一例として、センサチップ１００が６軸を検知する場合について説明するが、これには限定されず、例えば、センサチップ１００は３軸を検知する場合等にも用いることができる。

起歪体２００は、受力板２１０と、起歪部２２０と、入力伝達部２３０と、蓋板２４０とを有している。受力板２１０上に起歪部２２０が積層され、起歪部２２０上に入力伝達部２３０が積層され、入力伝達部２３０上に蓋板２４０が積層され、全体として略円筒状の起歪体２００を形成している。なお、起歪体２００としての機能は主に起歪部２２０及び入力伝達部２３０が担っているため、受力板２１０及び蓋板２４０は必要に応じて設けられる。

なお、本実施形態では、便宜上、力覚センサ装置１において、蓋板２４０側を上側又は一方の側、受力板２１０側を下側又は他方の側とする。また、各部位の蓋板２４０側の面を一方の面又は上面、受力板２１０側の面を他方の面又は下面とする。但し、力覚センサ装置１は天地逆の状態で用いることができ、又は任意の角度で配置することができる。また、平面視とは対象物を蓋板２４０の上面の法線方向（Ｚ軸方向）から視ることを指し、平面形状とは対象物を蓋板２４０の上面の法線方向（Ｚ軸方向）から視た形状を指すものとする。

図３は、入力伝達部にセンサチップが取り付けられた状態を示す上面側斜視図である。図４は、入力伝達部にセンサチップが取り付けられた状態を示す下面側斜視図である。図３及び図４に示すように、入力伝達部２３０には、入力伝達部２３０の下面から起歪部２２０側に突出する収容部２３５が設けられている。そして、収容部２３５の蓋板２４０側に、センサチップ１００が固定されている。

具体的には、後述のように、収容部２３５には、蓋板２４０側に突起する４つの第２接続部２３５ｃ（後述の図２２～図２４等参照）が配置されている。そして、各々の第２接続部２３５ｃは、センサチップ１００の力点１５１～１５４（後述の図５～図８等参照）の下面と接続されている。

また、収容部２３５は起歪部２２０側に入り込んでいる。そして、後述のように、起歪部２２０には、入力伝達部２３０側に突起する５本の柱状の第１接続部２２４（後述の図２１等参照）が配置されている。そして、各々の第１接続部２２４は、センサチップ１００の支持部１０１～１０５（後述の図５～図８等参照）の下面と接続されている。

以下、センサチップ１００及び起歪体２００について詳説する。なお、以下の説明において、『平行』とは、２つの直線や辺等が０°±１０°の範囲にある場合を含むものとする。また、『垂直』又は『直交』とは、２つの直線や辺等が９０°±１０°の範囲にある場合を含むものとする。ただし、個別に特別な説明がある場合は、この限りではない。また、『中心』や『中央』は、対象物のおおよその中心や中央を示すものであり、厳密な中心や中央を示すものではない。すなわち、製造誤差程度のばらつきは、許容されるものとする。点対称や線対称についても同様である。

（センサチップ１００）
図５は、センサチップ１００をＺ軸方向上側から視た斜視図である。図６は、センサチップ１００をＺ軸方向上側から視た平面図である。図７は、センサチップ１００をＺ軸方向下側から視た斜視図である。図８は、センサチップ１００をＺ軸方向下側から視た底面図である。なお、図８において、便宜上、同一高さの面を同一の梨地模様で示している。なお、ここでは、センサチップ１００の上面の一辺に平行な方向をＸ軸方向、垂直な方向をＹ軸方向、センサチップ１００の厚さ方向（センサチップ１００の上面の法線方向）をＺ軸方向としている。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向は、互いに直交している。

図５～図８に示すセンサチップ１００は、１チップで最大６軸を検知できるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）センサチップであり、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板等の半導体基板から形成されている。センサチップ１００の平面形状は、例えば、７０００μｍ角程度の矩形（正方形又は長方形）とすることができる。

センサチップ１００は、柱状の５つの支持部１０１～１０５を備えている。支持部１０１～１０５の平面形状は、例えば、２０００μｍ角程度の正方形とすることができる。支持部１０１～１０４は、矩形のセンサチップ１００の四隅に配置されている。支持部１０５は、矩形のセンサチップ１００の中央に配置されている。なお、支持部１０１～１０４は本発明に係る第１支持部の代表的な一例であり、支持部１０５は本発明に係る第２支持部の代表的な一例である。

支持部１０１と支持部１０２との間には、支持部１０１と支持部１０２とに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）枠部１１２が設けられている。支持部１０２と支持部１０３との間には、支持部１０２と支持部１０３とに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）枠部１１３が設けられている。

支持部１０３と支持部１０４との間には、支持部１０３と支持部１０４とに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）枠部１１４が設けられている。支持部１０４と支持部１０１との間には、支持部１０４と支持部１０１とに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）枠部１１１が設けられている。

言い換えれば、４つの枠部１１１、１１２、１１３、及び１１４が枠状に形成され、各枠部の交点をなす角部が、支持部１０１、１０２、１０３、及び１０４となる。

支持部１０１の内側の角部と、それに対向する支持部１０５の角部とは、連結部１２１により連結されている。支持部１０２の内側の角部と、それに対向する支持部１０５の角部とは、連結部１２２により連結されている。

支持部１０３の内側の角部と、それに対向する支持部１０５の角部とは、連結部１２３により連結されている。支持部１０４の内側の角部と、それに対向する支持部１０５の角部とは、連結部１２４により連結されている。

すなわち、センサチップ１００は、支持部１０５と支持部１０１～１０４とを連結する連結部１２１～１２４を有している。連結部１２１～１２４は、Ｘ軸方向（Ｙ軸方向）に対して斜めに配置されている。つまり、連結部１２１～１２４は、枠部１１１、１１２、１１３、及び１１４と非平行に配置されている。

支持部１０１～１０５、枠部１１１～１１４、及び連結部１２１～１２４は、例えば、ＳＯＩ基板の活性層、ＢＯＸ層、及び支持層から形成することができ、それぞれの厚さは、例えば、４００μｍ～６００μｍ程度とすることができる。

センサチップ１００は、４つの検知ブロックＢ_１～Ｂ_４を有している。また、各々の検知ブロックは、歪検出素子であるピエゾ抵抗素子が配置されたＴ字型梁構造を３組備えている。ここで、Ｔ字型梁構造とは、第１検知用梁と、第１検知用梁の中央部から第１検知用梁と直交する方向に伸びる第２検知用梁とを含む構造を指す。

具体的には、検知ブロックＢ_１は、Ｔ字型梁構造１３１Ｔ_１、１３１Ｔ_２、及び１３１Ｔ_３を備えている。また、検知ブロックＢ_２は、Ｔ字型梁構造１３２Ｔ_１、１３２Ｔ_２、及び１３２Ｔ_３を備えている。また、検知ブロックＢ_３は、Ｔ字型梁構造１３３Ｔ_１、１３３Ｔ_２、及び１３３Ｔ_３を備えている。また、検知ブロックＢ_４は、Ｔ字型梁構造１３４Ｔ_１、１３４Ｔ_２、及び１３４Ｔ_３を備えている。以下に、より詳しい梁構造の説明を行う。

検知ブロックＢ_１には、平面視において、枠部１１１の支持部１０１に近い側と、連結部１２１の支持部１０５に近い側とを橋渡しするように、所定間隔を空けて支持部１０１の支持部１０４側の辺と平行に第１検知用梁１３１ａが設けられている。また、第１検知用梁１３１ａの長手方向の中央部に一端が接続され、支持部１０４側に向かって第１検知用梁１３１ａの長手方向と垂直方向に伸びる第２検知用梁１３１ｂが設けられている。第１検知用梁１３１ａと第２検知用梁１３１ｂとは、Ｔ字型梁構造１３１Ｔ_１を形成している。

平面視において、枠部１１１の支持部１０４に近い側と、連結部１２４の支持部１０５に近い側とを橋渡しするように、所定間隔を空けて支持部１０４の支持部１０１側の辺と平行に第１検知用梁１３１ｃが設けられている。また、第１検知用梁１３１ｃの長手方向の中央部に一端が接続され、支持部１０１側に向かって第１検知用梁１３１ｃの長手方向と垂直方向に伸びる第２検知用梁１３１ｄが設けられている。第１検知用梁１３１ｃと第２検知用梁１３１ｄとは、Ｔ字型梁構造１３１Ｔ_２を形成している。

平面視において、連結部１２１の支持部１０５に近い側と、連結部１２４の支持部１０５に近い側とを橋渡しするように、所定間隔を空けて支持部１０５の枠部１１１側の辺と平行に第１検知用梁１３１ｅが設けられている。また、第１検知用梁１３１ｅの長手方向の中央部に一端が接続され、枠部１１１側に向かって第１検知用梁１３１ｅの長手方向と垂直方向に伸びる第２検知用梁１３１ｆが設けられている。第１検知用梁１３１ｅと第２検知用梁１３１ｆとは、Ｔ字型梁構造１３１Ｔ_３を形成している。

第２検知用梁１３１ｂと第２検知用梁１３１ｄと第２検知用梁１３１ｆの他端側同士が接続して接続部１４１を形成し、接続部１４１の下面側に力点１５１が設けられている。力点１５１は、例えば、四角柱状である。Ｔ字型梁構造１３１Ｔ_１、１３１Ｔ_２、及び１３１Ｔ_３と接続部１４１及び力点１５１とにより、検知ブロックＢ_１を構成している。

検知ブロックＢ_１において、第１検知用梁１３１ａと第１検知用梁１３１ｃと第２検知用梁１３１ｆとは平行であり、第２検知用梁１３１ｂ及び１３１ｄと第１検知用梁１３１ｅとは平行である。検知ブロックＢ_１の各々の検知用梁の厚さは、例えば、３０μｍ～５０μｍ程度とすることができる。

検知ブロックＢ_２には、平面視において、枠部１１２の支持部１０２に近い側と、連結部１２２の支持部１０５に近い側とを橋渡しするように、所定間隔を空けて支持部１０２の支持部１０１側の辺と平行に第１検知用梁１３２ａが設けられている。また、第１検知用梁１３２ａの長手方向の中央部に一端が接続され、支持部１０１側に向かって第１検知用梁１３２ａの長手方向と垂直方向に伸びる第２検知用梁１３２ｂが設けられている。第１検知用梁１３２ａと第２検知用梁１３２ｂとは、Ｔ字型梁構造１３２Ｔ_１を形成している。

平面視において、枠部１１２の支持部１０１に近い側と、連結部１２１の支持部１０５に近い側とを橋渡しするように、所定間隔を空けて支持部１０１の支持部１０２側の辺と平行に第１検知用梁１３２ｃが設けられている。また、第１検知用梁１３２ｃの長手方向の中央部に一端が接続され、支持部１０２側に向かって第１検知用梁１３２ｃの長手方向と垂直方向に伸びる第２検知用梁１３２ｄが設けられている。第１検知用梁１３２ｃと第２検知用梁１３２ｄとは、Ｔ字型梁構造１３２Ｔ_２を形成している。

平面視において、連結部１２２の支持部１０５に近い側と、連結部１２１の支持部１０５に近い側とを橋渡しするように、所定間隔を空けて支持部１０５の枠部１１２側の辺と平行に第１検知用梁１３２ｅが設けられている。また、第１検知用梁１３２ｅの長手方向の中央部に一端が接続され、枠部１１２側に向かって第１検知用梁１３２ｅの長手方向と垂直方向に伸びる第２検知用梁１３２ｆが設けられている。第１検知用梁１３２ｅと第２検知用梁１３２ｆとは、Ｔ字型梁構造１３２Ｔ_３を形成している。

第２検知用梁１３２ｂと第２検知用梁１３２ｄと第２検知用梁１３２ｆの他端側同士が接続して接続部１４２を形成し、接続部１４２の下面側に力点１５２が設けられている。力点１５２は、例えば、四角柱状である。Ｔ字型梁構造１３２Ｔ_１、１３２Ｔ_２、及び１３２Ｔ_３と接続部１４２及び力点１５２とにより、検知ブロックＢ_２を構成している。

検知ブロックＢ_２において、第１検知用梁１３２ａと第１検知用梁１３２ｃと第２検知用梁１３２ｆとは平行であり、第２検知用梁１３２ｂ及び１３２ｄと第１検知用梁１３２ｅとは平行である。検知ブロックＢ_２の各々の検知用梁の厚さは、例えば、３０μｍ～５０μｍ程度とすることができる。

検知ブロックＢ_３には、平面視において、枠部１１３の支持部１０３に近い側と、連結部１２３の支持部１０５に近い側とを橋渡しするように、所定間隔を空けて支持部１０３の支持部１０２側の辺と平行に第１検知用梁１３３ａが設けられている。また、第１検知用梁１３３ａの長手方向の中央部に一端が接続され、支持部１０２側に向かって第１検知用梁１３３ａの長手方向と垂直方向に伸びる第２検知用梁１３３ｂが設けられている。第１検知用梁１３３ａと第２検知用梁１３３ｂとは、Ｔ字型梁構造１３３Ｔ_１を形成している。

平面視において、枠部１１３の支持部１０２に近い側と、連結部１２２の支持部１０５に近い側とを橋渡しするように、所定間隔を空けて支持部１０２の支持部１０３側の辺と平行に第１検知用梁１３３ｃが設けられている。また、第１検知用梁１３３ｃの長手方向の中央部に一端が接続され、支持部１０３側に向かって第１検知用梁１３３ｃの長手方向と垂直方向に伸びる第２検知用梁１３３ｄが設けられている。第１検知用梁１３３ｃと第２検知用梁１３３ｄとは、Ｔ字型梁構造１３３Ｔ_２を形成している。

平面視において、連結部１２３の支持部１０５に近い側と、連結部１２２の支持部１０５に近い側とを橋渡しするように、所定間隔を空けて支持部１０５の枠部１１３側の辺と平行に第１検知用梁１３３ｅが設けられている。また、第１検知用梁１３３ｅの長手方向の中央部に一端が接続され、枠部１１３側に向かって第１検知用梁１３３ｅの長手方向と垂直方向に伸びる第２検知用梁１３３ｆが設けられている。第１検知用梁１３３ｅと第２検知用梁１３３ｆとは、Ｔ字型梁構造１３３Ｔ_３を形成している。

第２検知用梁１３３ｂと第２検知用梁１３３ｄと第２検知用梁１３３ｆの他端側同士が接続して接続部１４３を形成し、接続部１４３の下面側に力点１５３が設けられている。力点１５３は、例えば、四角柱状である。Ｔ字型梁構造１３３Ｔ_１、１３３Ｔ_２、及び１３３Ｔ_３と接続部１４３及び力点１５３とにより、検知ブロックＢ_３を構成している。

検知ブロックＢ_３において、第１検知用梁１３３ａと第１検知用梁１３３ｃと第２検知用梁１３３ｆとは平行であり、第２検知用梁１３３ｂ及び１３３ｄと第１検知用梁１３３ｅとは平行である。検知ブロックＢ_３の各々の検知用梁の厚さは、例えば、３０μｍ～５０μｍ程度とすることができる。

検知ブロックＢ_４には、平面視において、枠部１１４の支持部１０４に近い側と、連結部１２４の支持部１０５に近い側とを橋渡しするように、所定間隔を空けて支持部１０４の支持部１０３側の辺と平行に第１検知用梁１３４ａが設けられている。また、第１検知用梁１３４ａの長手方向の中央部に一端が接続され、支持部１０３側に向かって第１検知用梁１３４ａの長手方向と垂直方向に伸びる第２検知用梁１３４ｂが設けられている。第１検知用梁１３４ａと第２検知用梁１３４ｂとは、Ｔ字型梁構造１３４Ｔ_１を形成している。

平面視において、枠部１１４の支持部１０３に近い側と、連結部１２３の支持部１０５に近い側とを橋渡しするように、所定間隔を空けて支持部１０３の支持部１０４側の辺と平行に第１検知用梁１３４ｃが設けられている。また、第１検知用梁１３４ｃの長手方向の中央部に一端が接続され、支持部１０４側に向かって第１検知用梁１３４ｃの長手方向と垂直方向に伸びる第２検知用梁１３４ｄが設けられている。第１検知用梁１３４ｃと第２検知用梁１３４ｄとは、Ｔ字型梁構造１３４Ｔ_２を形成している。

平面視において、連結部１２４の支持部１０５に近い側と、連結部１２３の支持部１０５に近い側とを橋渡しするように、所定間隔を空けて支持部１０５の枠部１１４側の辺と平行に第１検知用梁１３４ｅが設けられている。また、第１検知用梁１３４ｅの長手方向の中央部に一端が接続され、枠部１１４側に向かって第１検知用梁１３４ｅの長手方向と垂直方向に伸びる第２検知用梁１３４ｆが設けられている。第１検知用梁１３４ｅと第２検知用梁１３４ｆとは、Ｔ字型梁構造１３４Ｔ_３を形成している。

第２検知用梁１３４ｂと第２検知用梁１３４ｄと第２検知用梁１３４ｆの他端側同士が接続して接続部１４４を形成し、接続部１４４の下面側に力点１５４が設けられている。力点１５４は、例えば、四角柱状である。Ｔ字型梁構造１３４Ｔ_１、１３４Ｔ_２、及び１３４Ｔ_３と接続部１４４及び力点１５４とにより、検知ブロックＢ_４を構成している。

検知ブロックＢ_４において、第１検知用梁１３４ａと第１検知用梁１３４ｃと第２検知用梁１３４ｆとは平行であり、第２検知用梁１３４ｂ及び１３４ｄと第１検知用梁１３４ｅとは平行である。検知ブロックＢ_４の各々の検知用梁の厚さは、例えば、３０μｍ～５０μｍ程度とすることができる。

このように、センサチップ１００は、４つの検知ブロック（検知ブロックＢ_１～Ｂ_４）を有している。そして、各々の検知ブロックは、支持部１０１～１０４のうちの隣接する支持部と、隣接する支持部に連結する枠部及び連結部と、支持部１０５と、に囲まれた領域に配置されている。平面視で、各々の検知ブロックは、例えば、センサチップの中心に対して点対称に配置することができる。

また、各々の検知ブロックは、Ｔ字型梁構造を３組備えている。各々の検知ブロックにおいて、３組のＴ字型梁構造は、平面視で、接続部を挟んで第１検知用梁が平行に配置された２組のＴ字型梁構造と、２組のＴ字型梁構造の第２検知用梁と平行に配置された第１検知用梁を備えた１組のＴ字型梁構造とを含む。そして、１組のＴ字型梁構造の第１検知用梁は、接続部と支持部１０５との間に配置されている。

例えば、検知ブロックＢ_１では、３組のＴ字型梁構造は、平面視で、接続部１４１を挟んで第１検知用梁１３１ａと第１検知用梁１３１ｃとが平行に配置されたＴ字型梁構造１３１Ｔ_１及び１３１Ｔ_２と、Ｔ字型梁構造１３１Ｔ_１及び１３１Ｔ_２の第２検知用梁１３１ｂ及び１３１ｄと平行に配置された第１検知用梁１３１ｅを備えたＴ字型梁構造１３１Ｔ_３とを含む。そして、Ｔ字型梁構造１３１Ｔ_３の第１検知用梁１３１ｅは、接続部１４１と支持部１０５との間に配置されている。検知ブロックＢ_２～Ｂ_４も同様の構造である。

力点１５１～１５４は、外力が印加される箇所であり、例えば、ＳＯＩ基板のＢＯＸ層及び支持層から形成することができる。力点１５１～１５４のそれぞれの下面は、支持部１０１～１０５の下面と略面一である。

このように、力又は変位を４つの力点１５１～１５４から取り入れることで、力の種類毎に異なる梁の変形が得られるため、６軸の分離性が良いセンサを実現することができる。力点の数は組み合わされる起歪体の変位入力箇所と同数である。

なお、センサチップ１００において、応力集中を抑制する観点から、内角を形成する部分はＲ状とすることが好ましい。

センサチップ１００の支持部１０１～１０５は起歪体２００の非可動部に接続され、力点１５１～１５４は起歪体２００の可動部に接続される。ただし、可動と非可動との関係が逆であっても力覚センサ装置として機能する。すなわち、センサチップ１００の支持部１０１～１０５は起歪体２００の可動部に接続され、力点１５１～１５４は起歪体２００の非可動部に接続されてもよい。

図９は、各軸にかかる力及びモーメントを示す符号を説明する図である。図９に示すように、Ｘ軸方向の力をＦｘ、Ｙ軸方向の力をＦｙ、Ｚ軸方向の力をＦｚとする。また、Ｘ軸を軸として回転させるモーメントをＭｘ、Ｙ軸を軸として回転させるモーメントをＭｙ、Ｚ軸を軸として回転させるモーメントをＭｚとする。

図１０は、センサチップ１００のピエゾ抵抗素子の配置を例示する図である。図１１は、図１０に示すセンサチップの１組の検知ブロックの部分拡大図である。図１０及び図１１に示すように、４つ力点１５１～１５４に対応する各検知ブロックの所定位置には、ピエゾ抵抗素子が配置されている。なお、図１０に示す他の検知ブロックにおけるピエゾ抵抗素子の配置は、図１１に示す一の検知ブロックにおけるピエゾ抵抗素子の配置と同様である。

図５～図８、図１０、及び図１１を参照すると、接続部１４１及び力点１５１を有する検知ブロックＢ_１において、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ１'は、第１検知用梁１３１ａにおいて、第２検知用梁１３１ｂと第１検知用梁１３１ｅとの間に位置する部分の第２検知用梁１３１ｂに近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｘＲ３は、第１検知用梁１３１ａにおいて、第２検知用梁１３１ｂと第１検知用梁１３１ｅとの間に位置する部分の第１検知用梁１３１ｅに近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＭｘＲ１は、第２検知用梁１３１ｂにおいて、接続部１４１に近い側に配置されている。

また、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ２'は、第１検知用梁１３１ｃにおいて、第２検知用梁１３１ｄと第１検知用梁１３１ｅとの間に位置する部分の第２検知用梁１３１ｄに近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｘＲ１は、第１検知用梁１３１ｃにおいて、第２検知用梁１３１ｄと第１検知用梁１３１ｅとの間に位置する部分の第１検知用梁１３１ｅに近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＭｘＲ２は、第２検知用梁１３１ｄにおいて、接続部１４１に近い側に配置されている。

また、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１'は、第２検知用梁１３１ｆにおいて、接続部１４１に近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ２'は、第２検知用梁１３１ｆにおいて、第１検知用梁１３１ｅに近い側に配置されている。なお、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ１'、ＦｘＲ３、ＭｘＲ１、ＭｚＲ２'、ＦｘＲ１、及びＭｘＲ２は、各々の検知用梁の長手方向の中心からオフセットした位置に配置されている。

接続部１４２及び力点１５２を有する検知ブロックＢ_２において、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ４は、第１検知用梁１３２ａにおいて、第２検知用梁１３２ｂと第１検知用梁１３２ｅとの間に位置する部分の第２検知用梁１３２ｂに近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｙＲ３は、第１検知用梁１３２ａにおいて、第２検知用梁１３２ｂと第１検知用梁１３２ｅとの間に位置する部分の第１検知用梁１３２ｅに近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＭｙＲ４は、第２検知用梁１３２ｂにおいて、接続部１４２に近い側に配置されている。

また、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ３は、第１検知用梁１３２ｃにおいて、第２検知用梁１３２ｄと第１検知用梁１３２ｅとの間に位置する部分の第２検知用梁１３２ｄに近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｙＲ１は、第１検知用梁１３２ｃにおいて、第２検知用梁１３２ｄと第１検知用梁１３２ｅとの間に位置する部分の第１検知用梁１３２ｅに近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＭｙＲ３は、第２検知用梁１３２ｄにおいて、接続部１４２に近い側に配置されている。

また、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ４は、第２検知用梁１３２ｆにおいて、接続部１４２に近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ３は、第２検知用梁１３２ｆにおいて、第１検知用梁１３２ｅに近い側に配置されている。なお、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ４、ＦｙＲ３、ＭｙＲ４、ＭｚＲ３、ＦｙＲ１、及びＭｙＲ３は、各々の検知用梁の長手方向の中心からオフセットした位置に配置されている。

接続部１４３及び力点１５３を有する検知ブロックＢ_３において、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ４'は、第１検知用梁１３３ａにおいて、第２検知用梁１３３ｂと第１検知用梁１３３ｅとの間に位置する部分の第２検知用梁１３３ｂに近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｘＲ２は、第１検知用梁１３３ａにおいて、第２検知用梁１３３ｂと第１検知用梁１３３ｅとの間に位置する部分の第１検知用梁１３３ｅに近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＭｘＲ４は、第２検知用梁１３３ｂにおいて、接続部１４３に近い側に配置されている。

また、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ３'は、第１検知用梁１３３ｃにおいて、第２検知用梁１３３ｄと第１検知用梁１３３ｅとの間に位置する部分の第２検知用梁１３３ｄに近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｘＲ４は、第１検知用梁１３３ｃにおいて、第２検知用梁１３３ｄと第１検知用梁１３３ｅとの間に位置する部分の第１検知用梁１３３ｅに近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＭｘＲ３は、第２検知用梁１３３ｄにおいて、接続部１４３に近い側に配置されている。

また、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ４'は、第２検知用梁１３３ｆにおいて、接続部１４３に近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ３'は、第２検知用梁１３３ｆにおいて、第１検知用梁１３３ｅに近い側に配置されている。なお、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ４'、ＦｘＲ２、ＭｘＲ４、ＭｚＲ３'、ＦｘＲ４、及びＭｘＲ３は、各々の検知用梁の長手方向の中心からオフセットした位置に配置されている。

接続部１４４及び力点１５４を有する検知ブロックＢ_４において、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ１は、第１検知用梁１３４ａにおいて、第２検知用梁１３４ｂと第１検知用梁１３４ｅとの間に位置する部分の第２検知用梁１３４ｂに近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｙＲ２は、第１検知用梁１３４ａにおいて、第２検知用梁１３４ｂと第１検知用梁１３４ｅとの間に位置する部分の第１検知用梁１３４ｅに近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＭｙＲ１は、第２検知用梁１３４ｂにおいて、接続部１４４に近い側に配置されている。

また、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ２は、第１検知用梁１３４ｃにおいて、第２検知用梁１３４ｄと第１検知用梁１３４ｅとの間に位置する部分の第２検知用梁１３４ｄに近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｙＲ４は、第１検知用梁１３４ｃにおいて、第２検知用梁１３４ｄと第１検知用梁１３４ｅとの間に位置する部分の第１検知用梁１３４ｅに近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＭｙＲ２は、第２検知用梁１３４ｄにおいて、接続部１４４に近い側に配置されている。

また、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１は、第２検知用梁１３４ｆにおいて、接続部１４４に近い側に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ２は、第２検知用梁１３４ｆにおいて、第１検知用梁１３４ｅに近い側に配置されている。なお、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ１、ＦｙＲ２、ＭｙＲ１、ＭｚＲ２、ＦｙＲ４、及びＭｙＲ２は、各々の検知用梁の長手方向の中心からオフセットした位置に配置されている。

このように、センサチップ１００では、各検知ブロックに複数のピエゾ抵抗素子を分けて配置している。これにより、力点１５１～１５４に印加された入力に応じた所定の梁に配置された複数のピエゾ抵抗素子の出力の変化に基づいて、所定の軸方向の力又はモーメントを最大で６軸検知できる。

なお、センサチップ１００において、歪の検出に用いるピエゾ抵抗素子以外に、ダミーのピエゾ抵抗素子が配置されてもよい。ダミーのピエゾ抵抗素子は、検知用梁にかかる応力やブリッジ回路の抵抗のバランスを調整するために用いられ、例えば、歪の検出に用いるピエゾ抵抗素子も含めた全てのピエゾ抵抗素子が、支持部１０５の中心に対して点対称となるように配置される。

センサチップ１００では、Ｔ字型梁構造を構成する第１検知用梁に、Ｘ軸方向の変位及びＹ軸方向の変位を検知する複数のピエゾ抵抗素子を配置している。また、Ｔ字型梁構造を構成する第２検知用梁に、Ｚ軸方向の変位を検知する複数のピエゾ抵抗素子を配置している。また、Ｔ字型梁構造を構成する第１検知用梁に、Ｚ軸方向のモーメントを検知する複数のピエゾ抵抗素子を配置している。また、Ｔ字型梁構造を構成する第２検知用梁に、Ｘ軸方向のモーメント及びＹ軸方向のモーメントを検知する複数のピエゾ抵抗素子を配置している。

ここで、ピエゾ抵抗素子ＦｘＲ１～ＦｘＲ４は力Ｆｘを検出し、ピエゾ抵抗素子ＦｙＲ１～ＦｙＲ４は力Ｆｙを検出し、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１～ＦｚＲ４及びＦｚＲ１'～ＦｚＲ４'は力Ｆｚを検出する。また、ピエゾ抵抗素子ＭｘＲ１～ＭｘＲ４はモーメントＭｘを検出し、ピエゾ抵抗素子ＭｙＲ１～ＭｙＲ４はモーメントＭｙを検出し、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ１～ＭｚＲ４及びＭｚＲ１'～ＭｚＲ４'はモーメントＭｚを検出する。

このように、センサチップ１００では、各検知ブロックに複数のピエゾ抵抗素子を分けて配置している。これにより、力点１５１～１５４に印加（伝達）された力又は変位の向き（軸方向）に応じた、所定の梁に配置された複数のピエゾ抵抗素子の出力の変化に基づいて、所定の軸方向の変位を最大で６軸検知することができる。また、各検知用梁の厚みと幅を可変することで、検出感度の均一化や、検出感度の向上等の調整を図ることができる。

なお、ピエゾ抵抗素子の数を減らし、５軸以下の所定の軸方向の変位を検知するセンサチップとすることも可能である。

センサチップ１００において、力及びモーメントは、例えば、以下に説明する検出回路を用いて検出できる。図１２及び図１３に各ピエゾ抵抗素子を用いた検出回路の一例を示す。図１２及び図１３において、四角で囲まれた数字は外部出力端子を示している。例えば、Ｎｏ１はＦｘ軸Ｆｙ軸Ｆｚ軸の電源端子、Ｎｏ２はＦｘ軸出力マイナス端子、Ｎｏ３はＦｘ軸のＧＮＤ端子、Ｎｏ４はＦｘ軸出力プラス端子である。Ｎｏ１９はＦｙ軸出力マイナス端子、Ｎｏ２０はＦｙ軸のＧＮＤ端子、Ｎｏ２１はＦｙ軸出力プラス端子である。Ｎｏ２２はＦｚ軸出力マイナス端子、Ｎｏ２３はＦｚ軸のＧＮＤ端子、Ｎｏ２４はＦｚ軸出力プラス端子である。

また、Ｎｏ９はＭｘ軸出力マイナス端子、Ｎｏ１０はＭｘ軸のＧＮＤ端子、Ｎｏ１１はＭｘ軸出力プラス端子である。Ｎｏ１２はＭｘ軸Ｍｙ軸Ｍｚ軸の電源端子である。Ｎｏ１３はＭｙ軸出力マイナス端子、Ｎｏ１４はＭｙ軸のＧＮＤ端子、Ｎｏ１５はＭｙ軸出力プラス端子である。Ｎｏ１６はＭｚ軸出力マイナス端子、Ｎｏ１７はＭｚ軸のＧＮＤ端子、Ｎｏ１８はＭｚ軸出力プラス端子である。

次に、検知用梁の変形について説明する。図１４は、Ｆｘ入力について説明する図である。図１５は、Ｆｙ入力について説明する図である。図１４に示すように、センサチップ１００が搭載される起歪体２００からの入力がＦｘである場合、４つの力点１５１～１５４の全てが同じ方向（図１４の例では右方向）に移動しようとする。同様に、図１５に示すように、センサチップ１００が搭載される起歪体２００からの入力がＦｙである場合、４つの力点１５１～１５４の全てが同じ方向（図１５の例では上方向）に移動しようとする。すなわち、センサチップ１００では、４つの検知ブロックが存在するが、いずれの検知ブロックにおいても、Ｘ軸方向の変位及びＹ軸方向の変位に対して、すべての力点が同じ方向に移動する。

図１６は、センサチップにＦｘ入力があった場合のシミュレーション結果である。図１４の矢印に示すようなＦｘ入力があった場合、図１６に示すように各検知用梁が変形する。特に、各検知ブロックにおいてＴ字型梁構造の第１検知用梁（Ｔ字の横線をなす梁）が大きく変形していることがわかる。

センサチップ１００では、Ｔ字型梁構造の第１検知用梁の中に、入力の変位方向に対して直交する第１検知用梁を１つ以上有し、入力の変位方向に対して直交する第１検知用梁が図１６に示すように大きな変形に対応できる。なお、図１６において、入力の変位方向に対して直交する第１検知用梁は、図６等に示す第１検知用梁１３１ａ、１３１ｃ、１３２ｅ、１３３ａ、１３３ｃ、及び１３４ｅである。

Ｆｘ入力の検知に使用する梁は、第１検知用梁１３１ａ、１３１ｃ、１３３ａ、及び１３３ｃであり、いずれも力点から一定距離離れたＴ字型梁構造の第１検知用梁である。また、Ｆｙ入力の検知に使用する梁は、第１検知用梁１３２ａ、１３２ｃ、１３４ａ、及び１３４ｃであり、いずれも力点から一定距離離れたＴ字型梁構造の第１検知用梁である。

Ｆｘ入力及びＦｙ入力において、ピエゾ抵抗素子が配置されたＴ字型梁構造の第１検知用梁が大きく変形することで、入力される力を効果的に検知できる。また、入力の検知に使用しない梁もＦｘ入力及びＦｙ入力の変位に追従して大きく変形可能に設計されているため、大きなＦｘ入力及び／又はＦｙ入力があっても検知用梁が破壊されることがない。

なお、従来のセンサチップでは、Ｆｘ入力及び／又はＦｙ入力に対して大きく変形できない梁が存在していたため、大きなＦｘ入力及び／又はＦｙ入力があった場合には、変形できない検知用梁が破壊されるおそれがあった。センサチップ１００では、このような問題を抑制できる。すなわち、センサチップ１００では、様々な方向の変位に対する梁の破壊耐性を向上できる。

このように、センサチップ１００は、入力の変位方向に対して直交する第１検知用梁を１つ以上有し、入力の変位方向に対して直交する第１検知用梁が大きく変形できる。そのため、Ｆｘ入力及びＦｙ入力を効果的に検知できると共に、大きなＦｘ入力及び／又はＦｙ入力があっても検知用梁が破壊されることがない。その結果、センサチップ１００は、大きな定格にも対応でき、測定範囲や耐荷重の向上が可能となる。例えば、センサチップ１００では、定格を従来の１０倍程度である５００Ｎとすることも可能である。

また、各検知ブロックにおいて力点から３方向へ繋がるＴ字型梁構造が入力によって異なる変形をするため、多軸の力を分離性良く検出できる。

また、梁がＴ字型であるため、梁から枠部や連結部へ至る経路が多いため、配線をセンサチップの外周部へ引き回すことが容易となり、レイアウト自由度を向上できる。

図１７は、センサチップにＭｚ入力があった場合のシミュレーション結果である。図１７に示すように、Ｚ軸方向のモーメントに対しては、各力点を挟んで対向して配置された第１検知用梁１３１ａ、１３１ｃ、１３２ａ、１３２ｃ、１３３ａ、１３３ｃ、１３４ａ、及び１３４ｃが大きく変形する。従って、これらの第１検知用梁の一部又は全部にピエゾ抵抗素子を配置できる。

図１８は、センサチップにＦｚ入力があった場合のシミュレーション結果である。図１９は、図１８に対応する部分斜視図である。図１８及び図１９に示すように、Ｚ軸方向の変位に対しては、主に、各力点に直接繋がる第２検知用梁１３１ｂ、１３１ｄ、１３１ｆ、１３２ｂ、１３２ｄ、１３２ｆ、１３３ｂ、１３３ｄ、１３３ｆ、１３４ｂ、１３４ｄ、及び１３４ｆが大きく変形する。従って、これらの第２検知用梁の一部又は全部にピエゾ抵抗素子を配置できる。

（起歪体２００）
図１及び図２に示したように、起歪体２００は、受力板２１０と、起歪部２２０と、入力伝達部２３０と、蓋板２４０とを有している。ここでは、起歪体２００の各構成部について説明する。

図２０は、起歪体を構成する受力板を例示する斜視図である。図２０に示すように、受力板２１０は、全体的には略円盤状の部材であり、被測定物から力やモーメントが入力される部材である。受力板２１０は、平面視で略リング状の外枠部２１１と、外枠部２１１と離隔して外枠部２１１の内側に配置された平面視で略円形状の中央部２１２と、外枠部２１１と中央部２１２とを橋渡しする複数の梁構造２１３とを有している。梁構造２１３によって受力板２１０の強度を増加させて被測定物から力やモーメントが入力された場合にも、受力板２１０自体はほとんど変形せずに中央部２１２で接続される起歪部２２０へと変形（変位）が損失することなく伝わる。外枠部２１１の内側から梁構造２１３側に突起する部分には、貫通孔２１８が設けられている。貫通孔２１８は、例えば、受力板２１０を被測定物にねじで締結する際に使用できる。

図２１は、起歪体を構成する起歪部を例示する斜視図である。図２１に示すように、起歪部２２０は、全体的には略円盤状の部材であり、受力板２１０から力を受けて変形する部分である。

起歪部２２０は、平面視で略リング状の外枠部２２１と、外枠部２２１と離隔して外枠部２２１の内側に配置された平面視で略円形状の中央部２２２と、外枠部２２１と中央部２２２とを橋渡しする複数の梁構造２２３とを有している。複数の梁構造２２３は、例えば、起歪部２２０の中心に対して点対称に配置される。梁構造２２３は、例えば、４つである。各々の梁構造２２３は、例えば、第１梁と、第１梁の中央部から第１梁と直交する方向に伸びる第２梁とを含むＴ字型であり、第１梁の両端が外枠部２２１と連結し、第２梁の端部が中央部２２２と連結する。

中央部２２２は外枠部２２１よりも薄く形成されており、梁構造２２３は中央部２２２よりもさらに薄く形成されている。中央部２２２の上面及び梁構造２２３の上面は略面一であり、外枠部２２１の上面よりも低い位置にある。中央部２２２の下面は、外枠部２２１の下面よりも僅かに突出している。梁構造２２３の下面は、外枠部２２１の下面及び中央部２２２の下面よりも高い位置にある。受力板２１０から力を受けて変形するのは梁構造２２３及び中央部２２２のみであり、外枠部２２１は変形しない。ただし、中央部２２２は梁構造２２３の変形に追従して動くだけで、中央部２２２自体は変形しない。

中央部２２２の入力伝達部２３０側の面には、溝２２０ｘが形成されている。溝２２０ｘは、平面視で正方形の溝と、正方形の一辺よりも長い細長状の２本の溝が直交した十字形の溝とが、中心を合わせた状態で重なった形状である。平面視で正方形の溝と、平面視で十字形の溝とは、同じ深さである。

十字形の溝の外側で正方形の溝の四隅の部分と、正方形の溝の中心の部分には、入力伝達部２３０側に突起する５本の柱状の第１接続部２２４が、溝２２０ｘの内壁と接しないように配置されている。第１接続部２２４は、センサチップ１００の支持部１０１～１０５と接続される部分である。各々の第１接続部２２４の上面は略面一であり、中央部２２２の上面及び梁構造２２３の上面よりも低い位置にある。外枠部２２１には、貫通孔２２８が設けられている。貫通孔２２８は、例えば、起歪部２２０、入力伝達部２３０、及び蓋板２４０を固定側（ロボット等の側）にねじで締結する際に使用できる。

なお、中央部２２２の上面側には空間が設けられているため、中央部２２２の上面側に、例えば、外枠部２２１の上面から突出しないように、コネクタや半導体素子等の電子部品が実装された回路基板等を配置してもよい。

図２２は、起歪体を構成する入力伝達部を例示する上面側の斜視図である。図２３は、起歪体を構成する入力伝達部を例示する下面側の斜視図である。図２４は、起歪体を構成する入力伝達部を例示する側面図である。図２２～図２４に示すように、入力伝達部２３０は、全体的には略円盤状の部材であり、起歪部２２０の変形（入力）をセンサチップ１００に伝達する部分である。

入力伝達部２３０は、平面視で略リング状の外枠部２３１と、外枠部２３１と離隔して外枠部２３１の内側に配置された中央部２３２と、外枠部２３１と中央部２３２とを橋渡しする複数の梁構造２３３とを有している。複数の梁構造２３３は、例えば、入力伝達部２３０の中心に対して点対称に配置される。梁構造２３３は、例えば、４つである。各々の梁構造２３３は、例えば、Ｉ字型である。

中央部２３２は、梁構造２３３と接続する平面視で略リング状の内枠部２３４と、内枠部２３４の下面から起歪部２２０側に伸びる略十字状の収容部２３５とを有している。収容部２３５は、内枠部２３４の下面から起歪部２２０側に垂直に伸びる４本の垂直支持部２３５ａと、垂直支持部２３５ａの下端から水平方向に伸びて内枠部２３４の中央で交わる４本の水平支持部２３５ｂとを有している。

梁構造２３３及び内枠部２３４は外枠部２３１よりも薄く形成されている。梁構造２３３及び内枠部２３４の上面は、外枠部２３１の上面よりも低い位置にある。外枠部２３１の下面と梁構造２３３の下面と内枠部２３４の下面とは略面一である。入力伝達部２３０は、いずれの部分も受ける力やモーメントで変形しない。

平面視において、４本の垂直支持部２３５ａ及び４本の水平支持部２３５ｂは、入力伝達部２３０の中心に対して点対称に配置されている。平面視において、各々の水平支持部２３５ｂの長手方向と、各々の梁構造２３３の長手方向は一致していない。例えば、平面視において、各々の水平支持部２３５ｂの長手方向と、各々の梁構造２３３の長手方向は４５度ずれている。

略十字状の収容部２３５の中心付近には溝２３５ｘが設けられ、溝２３５ｘの底面には蓋板２４０側に突起する４つの第２接続部２３５ｃが、溝２３５ｘの内壁と接しないように配置されている。各々の第２接続部２３５ｃは、各々の水平支持部２３５ｂを長手方向に２分する線上に、おおよそ位置している。第２接続部２３５ｃは、センサチップ１００の力点１５１～１５４と接続される部分である。外枠部２３１には、貫通孔２３８が設けられている。貫通孔２３８は、例えば、起歪部２２０、入力伝達部２３０、及び蓋板２４０を固定側（ロボット等の側）にねじで締結する際に使用できる。

なお、梁構造２３３の上面側には空間が設けられているため、梁構造２３３の上面側に、例えば、外枠部２３１の上面から突出しないように、コネクタや半導体素子等の電子部品が実装された回路基板等を配置してもよい。

図２５は、起歪体を構成する蓋板を例示する斜視図である。図２５に示すように、蓋板２４０は、全体的には略円盤状の部材であり、内部部品（センサチップ１００等）を保護する部材である。蓋板２４０は、受力板２１０、起歪部２２０、及び入力伝達部２３０よりも薄く形成されている。蓋板２４０には、貫通孔２４８が設けられている。貫通孔２４８は、例えば、起歪部２２０、入力伝達部２３０、及び蓋板２４０を固定側（ロボット等の側）にねじで締結する際に使用できる。

受力板２１０、起歪部２２０、入力伝達部２３０、及び蓋板２４０の材料としては、例えば、ＳＵＳ（ステンレス鋼）等の硬質な金属材料を用いることができる。中でも、特に硬質で機械的強度の高いＳＵＳ６３０を用いることが好ましい。起歪体２００を構成する部材のうち、特に受力板２１０と起歪部２２０と入力伝達部２３０とは強固に接続されているか、もしくは一体構造であることが望ましい。受力板２１０と起歪部２２０と入力伝達部２３０との接続方法としては、ねじでの締結、溶接等が考えられるが、いずれの方法でも起歪体２００に入力される力やモーメントに十分耐えられる必要がある。

本実施形態では、一例として、受力板２１０と起歪部２２０と入力伝達部２３０とを金属粉末射出成型で作製し、それらを合わせて再度焼結を行うことで拡散接合させている。拡散接合された受力板２１０と起歪部２２０と入力伝達部２３０とは必要十分な接合強度を得ることができる。蓋板２４０は、センサチップ１００や他の内部部品を実装後、例えば、ねじで入力伝達部２３０に締結すればよい。

起歪体２００において、受力板２１０に力やモーメントが印加されると、力やモーメントは受力板２１０と接続された起歪部２２０の中央部２２２へ伝達し、４つの梁構造２２３で入力に応じた変形が生じる。このとき、起歪部２２０の外枠部２２１と入力伝達部２３０は変形しない。

すなわち、起歪体２００において、受力板２１０と起歪部２２０の中央部２２２及び梁構造２２３とは、所定の軸方向の力又はモーメントを受けて変形する可動部であり、起歪部２２０の外枠部２２１は力又はモーメントを受けて変形しない非可動部である。また、非可動部である起歪部２２０の外枠部２２１と接合される入力伝達部２３０は、力又はモーメントを受けて変形しない非可動部であり、入力伝達部２３０と接合される蓋板２４０も力又はモーメントを受けて変形しない非可動部である。

起歪体２００が力覚センサ装置１に用いられる場合、可動部である中央部２２２に設けられた第１接続部２２４に、センサチップ１００の支持部１０１～１０５が接続される。また、非可動部である収容部２３５に設けられた第２接続部２３５ｃに、センサチップ１００の力点１５１～１５４が接続される。そのため、センサチップ１００は、力点１５１～１５４が動かずに、支持部１０１～１０５を通じて各検知用梁が変形する動作となる。

ただし、可動部である中央部２２２に設けられた第１接続部２２４にセンサチップ１００の力点１５１～１５４が接続され、非可動部である収容部２３５に設けられた第２接続部２３５ｃにセンサチップ１００の支持部１０１～１０５が接続された構成としてもよい。

すなわち、収容部２３５に収容可能なセンサチップ１００は、力又はモーメントを受けて互いの相対位置が変化する支持部１０１～１０５及び力点１５１～１５４を有している。そして、起歪体２００において、可動部である中央部２２２は、入力伝達部２３０側に延伸して支持部１０１～１０５及び力点１５１～１５４の一方と接続される第１接続部２２４を備えている。また、収容部２３５は、支持部１０１～１０５及び力点１５１～１５４の他方と接続される第２接続部２３５ｃを備えている。

図２６は、起歪部にＦｘ入力があった場合のシミュレーション結果である。図２７は、起歪部にＭｚ入力があった場合のシミュレーション結果である。図２６及び図２７に示すように、いずれの場合も起歪部２２０の外枠部２２１は変形せずに、４つのＴ字型の梁構造２２３が変形していることが確認できる。他の入力の場合も同様である。

このように、起歪体２００は、入力された力やモーメントを変位に変換し、搭載されるセンサチップ１００に伝達する。従来、同様の機能を目的とした起歪体では、力やモーメントを受ける構造と変位を伝える構造が一体もしくは密接な構成であった。そのため、変位と耐荷重とのトレードオフの関係が強く、特に耐荷重を大きくとることが困難であった。

起歪体２００では、力やモーメントを受ける起歪部２２０と、変位をセンサチップ１００に伝達する入力伝達部２３０とを別々の構造体としているため、高い耐荷重と変位を両立することが可能となる。

〈第１実施形態の変形例１〉
第１実施形態の変形例１では、第１実施形態とは構造の異なるセンサチップの例を示す。なお、第１実施形態の変形例１において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図２８は、センサチップ１００ＡをＺ軸方向上側から視た平面図である。図２８に示すように、センサチップ１００Ａは、検知用梁の構造はセンサチップ１００（図６等参照）と同様である。ただし、検知用梁の周囲の空間の形状がセンサチップ１００と相違する。すなわち、センサチップ１００Ａでは、各々の検知用梁の両側において、平面視における空間の開口幅が均一である。

一般に、センサチップの梁構造は、シリコンウエハから半導体プロセスによって形成するが、その際、ドライエッチングによる深掘りが用いられる。センサチップ１００の形状のように、検知用梁によって区切られたエッチング領域の開口幅が大きくかつ均一でない場合、加工難度が上がり加工品質が悪くなる懸念がある。

センサチップ１００Ａでは、各々の検知用梁の両側において、均一の開口幅で細いスリット状にエッチング領域を形成している。これにより、ドライエッチングで深掘りする際の加工難度が下がり加工品質を向上できる。なお、図２８における４か所の円形開口部分は、センサチップ１００Ａを起歪体２００に搭載する際に、起歪体２００と接しないようにする逃げ部である。そのため、ドライエッチングの効率のみを考える場合には、４か所の円形開口部分は設けなくてもよい。

図２９は、センサチップ１００ＢをＺ軸方向上側から視た部分平面図である。図２９に示すように、センサチップ１００Ｂは、検知ブロックＢ_１において２つのＴ字型梁構造の第２検知用梁の端部同士が接続している点が、３つのＴ字型梁構造の第２検知用梁の端部同士が接続しているセンサチップ１００（図６等参照）と相違する。センサチップ１００Ｂは、センサチップ１００とは異なり、第１検知用梁１３１ｅ、１３２ｅ、１３３ｅ、及び１３４ｅ、並びに、第２検知用梁１３１ｆ、１３２ｆ、１３３ｆ、及び１３４ｆを有していない。検知ブロックＢ_２～Ｂ_４についても、検知ブロックＢ_１と同様の構造である。

図３０は、センサチップ１００ＣをＺ軸方向上側から視た部分平面図である。図３０に示すように、センサチップ１００Ｃは、検知ブロックＢ_１において４つのＴ字型梁構造の第２検知用梁の端部同士が接続している点が、３つのＴ字型梁構造の第２検知用梁の端部同士が接続しているセンサチップ１００（図６等参照）と相違する。センサチップ１００Ｃは、センサチップ１００とは異なり、第１検知用梁１３１ｇ及び第２検知用梁１３１ｈを含むＴ字型梁構造１３１Ｔ_４をさらに有している。Ｔ字型梁構造１３１Ｔ_４は、接続部１４１を挟んで、Ｔ字型梁構造１３１Ｔ_３と対向するように配置されている。検知ブロックＢ_２～Ｂ_４についても、検知ブロックＢ_１と同様の構造である。

このように、センサチップにおいてＴ字型梁構造は３つには限定されず、センサチップ１００Ｂのように２つにしてもよいし、センサチップ１００Ｃのように４つにしてもよい。いずれの場合も、各々の検知ブロックがＴ字型梁構造を２組以上備えることで、Ｔ字型梁構造を構成する第１検知用梁又は第２検知用梁が大きく変形できる。そのため、Ｆｘ入力及びＦｙ入力を効果的に検知できると共に、大きなＦｘ入力及び／又はＦｙ入力があっても検知用梁が破壊されることがない。すなわち、いずれのセンサチップでも、様々な方向の変位に対する梁の破壊耐性を向上できる。その結果、大きな定格にも対応でき、測定範囲や耐荷重の向上が可能なセンサチップを実現できる。

ただし、Ｔ字型梁構造が２つの場合には６軸方向の変位を検知することは困難である。また、Ｔ字型梁構造が多い方が多軸の力に対して分離しやすい点で有利であるが、チップサイズが大きくなりやすい点では不利である。このような点を考慮すると、６軸方向の変位を検知する場合には、Ｔ字型梁構造は３つにすることが好ましいといえる。

〈第１実施形態の変形例２〉
第１実施形態の変形例２では、第１実施形態とは構造の異なる起歪体の例を示す。なお、第１実施形態の変形例２において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図３１は、起歪体２００Ａの斜視図である。図３２は、起歪体２００Ａの断面斜視図である。図３１及び図３２を参照すると、起歪体２００Ａは、受力板２１０と、起歪部２２０と、入力伝達部２３０Ａと、蓋板２４０Ａとを有している。受力板２１０上に起歪部２２０が積層され、起歪部２２０上に入力伝達部２３０Ａが積層され、入力伝達部２３０Ａ上に蓋板２４０Ａが積層され、全体として略円筒状の起歪体２００Ａを形成している。蓋板２４０Ａの中央部は、内側蓋部２４１により開閉可能である。なお、受力板２１０及び起歪部２２０については、起歪体２００の場合と同様である。

図３３は、起歪体を構成する入力伝達部を例示する上面側の斜視図である。図３３に示すように、入力伝達部２３０Ａは、基本構造は入力伝達部２３０と同様である。ただし、入力伝達部２３０Ａは、入力伝達部２３０よりも薄型に形成されている。

図３４は、起歪体を構成する蓋板を例示する斜視図である。図３４に示すように、蓋板２４０Ａは、全体的には略円盤状の部材であり、内部部品（センサチップ１００等）を保護する部材である。蓋板２４０Ａは、例えば、受力板２１０、起歪部２２０、及び入力伝達部２３０Ａよりも厚く形成されており、入力伝達部２３０Ａ側に広い内部空間を有している。蓋板２４０Ａには、貫通孔２４８及び２４９が設けられている。貫通孔２４９は、内側蓋部２４１（図３１参照）により閉じられる。

このように、起歪体を構成する各部品の分割位置は、起歪体に設ける内部空間、組み立て性等を考慮して変更できる。図３１～図３４に示した例では、入力伝達部と蓋板との分割位置を図１等に比べて変更しているが、この場合、蓋板２４０Ａ側に広い内部空間を持たせることが可能となるため、より多くの部品を組み込むことができる。

〈第１実施形態の変形例３〉
第１実施形態の変形例３では、第１実施形態とは構造の異なる起歪体の他の例を示す。なお、第１実施形態の変形例３において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図３５は、起歪体２００Ｂの側面図である。図３５を参照すると、起歪体２００Ｂは、受力板２１０と、起歪部２２０Ｂと、入力伝達部２３０と、蓋板２４０とを有している。受力板２１０上に起歪部２２０Ｂが積層され、起歪部２２０Ｂ上に入力伝達部２３０が積層され、入力伝達部２３０上に蓋板２４０が積層され、全体として略円筒状の起歪体２００Ｂを形成している。なお、受力板２１０、入力伝達部２３０、及び蓋板２４０については、起歪体２００の場合と同様である。

図３６は、起歪体を構成する起歪部を例示する下面側の斜視図である。つまり、図３６において起歪部２２０Ｂは、図３５とは上下が反転している。図３５及び図３６に示すように、起歪部２２０Ｂは、受力板２１０側に突出する突出部２２５を有している。突出部２２５は、平面視で略円形状であり、受力板２１０の中央部２１２と接触可能な形状とされている。起歪部２２０Ｂの下面からの突出部２２５の突出量は、例えば、０．５ｍｍ程度である。突出部２２５は、例えば、受力板２１０の中央部２１２と拡散接合により接合されるが、ねじ締結や溶接で接合されてもよい。なお、突出部２２５の高さが、起歪部２２０Ｂと受力板２１０とを接合した後に、起歪部２２０Ｂと受力板２１０との間に形成される隙間となる。

受力板２１０が力を受けて変位するためには起歪部２２０Ｂとの間に隙間が必要である。起歪体２００Ｂでは、起歪部２２０Ｂに突出部２２５を設けることで、受力板２１０と起歪部２２０Ｂとの間に容易に隙間を設けることができる。すなわち、起歪部２２０Ｂに突出部２２５を設け、突出部２２５の高さを制御することで、起歪部２２０Ｂと受力板２１０との隙間の制御が可能である。例えば、起歪部２２０Ｂと受力板２１０との接合前に突出部２２５の高さを研磨等で精密に制御することで、接合後の隙間を任意に制御できる。また、起歪部２２０Ｂに突出部２２５を設ける方法では、接合やワイヤーカット等の機械加工では難しい狭い隙間も形成できる。また、起歪部２２０Ｂと受力板２１０とを拡散接合により接合する場合には、材料強度と同等の接合強度が得られる。

なお、突出部は受力板２１０側に設けてもよく、起歪部２２０Ｂと受力板２１０の双方に設けてもよい。いずれの場合も、突出部は、起歪部２２０Ｂと受力板２１０との間に設けられ、起歪部２２０Ｂと受力板２１０との隙間を規定する隙間規定部として機能する。

以上、好ましい実施形態について詳説したが、上述した実施形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

１ 力覚センサ装置、１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ センサチップ、１０１～１０５ 支持部、１１１～１１４ 枠部、１２１～１２４ 連結部、１３１ａ、１３１ｃ、１３１ｅ、１３１ｇ、１３２ａ、１３２ｃ、１３２ｅ、１３３ａ、１３３ｃ、１３３ｅ、１３４ａ、１３４ｃ、１３４ｅ 第１検知用梁、１３１ｂ、１３１ｄ、１３１ｆ、１３１ｈ、１３２ｂ、１３２ｄ、１３２ｆ、１３３ｂ、１３３ｄ、１３３ｆ、１３４ｂ、１３４ｄ、１３４ｆ 第２検知用梁、１３１Ｔ_１、１３１Ｔ_２、１３１Ｔ_３、１３１Ｔ_４、１３２Ｔ_１、１３２Ｔ_２、１３２Ｔ_３、１３３Ｔ_１、１３３Ｔ_２、１３３Ｔ_３、１３４Ｔ_１、１３４Ｔ_２、１３４Ｔ_３ Ｔ字型梁構造、１４１～１４４ 接続部、１５１～１５４ 力点、２００、２００Ａ、２００Ｂ 起歪体、２１０ 受力板、２１１、２２１、２３１ 外枠部、２１２、２２２、２３２ 中央部、２１３、２２３、２３３ 梁構造、２１８、２２８、２３８、２４８ 貫通孔、２２０、２２０Ｂ 起歪部、２２０ｘ、２３５ｘ 溝、２２４ 第１接続部、２２５ 突出部、２３０、２３０Ａ 入力伝達部、２３４ 内枠部、２３５ 収容部、２３５ａ 垂直支持部、２３５ｂ 水平支持部、２３５ｃ 第２接続部、２４０、２４０Ａ 蓋板、２４１ 内側蓋部

Claims (11)

1. 複数の検知ブロックを有し、
   各々の前記検知ブロックは、歪検出素子が配置されたＴ字型梁構造を２組以上備え、
   各々の前記Ｔ字型梁構造は、第１検知用梁と、前記第１検知用梁から前記第１検知用梁と直交する方向に伸びる第２検知用梁と、を含み、
   各々の前記検知ブロックにおいて、各々の前記Ｔ字型梁構造の前記第２検知用梁の端部同士が接続して接続部を形成し、
   前記接続部には力点が設けられ、
   前記力点に印加された入力に応じた前記歪検出素子の出力の変化に基づいて、所定の軸方向の力又はモーメントを最大で６軸検知する、センサチップ。
2. 前記入力の変位方向に対して直交する前記第１検知用梁を１つ以上有する、請求項１に記載のセンサチップ。
3. 平面視で、各々の前記検知ブロックは、前記センサチップの中心に対して点対称に配置されている、請求項１又は２に記載のセンサチップ。
4. 前記検知ブロックを４つ有する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のセンサチップ。
5. 平面形状が矩形であり、
   前記矩形の四隅に配置された第１支持部と、
   前記矩形の中央に配置された第２支持部と、
   隣接する前記第１支持部同士を連結する枠部と、
   前記第２支持部と各々の前記第１支持部とを連結する連結部と、を有し、
   各々の前記検知ブロックは、隣接する前記第１支持部と、該第１支持部に連結する前記枠部及び前記連結部と、前記第２支持部と、に囲まれた領域に配置される、請求項４に記載のセンサチップ。
6. 各々の前記検知ブロックは、前記Ｔ字型梁構造を３組備える、請求項５に記載のセンサチップ。
7. ３組の前記Ｔ字型梁構造は、平面視で、前記接続部を挟んで前記第１検知用梁が平行に配置された２組のＴ字型梁構造と、２組の前記Ｔ字型梁構造の前記第２検知用梁と平行に配置された前記第１検知用梁を備えた１組のＴ字型梁構造と、を含み、
   １組の前記Ｔ字型梁構造の前記第１検知用梁は、前記接続部と前記第２支持部との間に配置されている、請求項６に記載のセンサチップ。
8. 前記６軸は、前記Ｔ字型梁構造の厚さ方向であるＺ軸、前記Ｚ軸に直交するＸ軸及びＹ軸を含み、
   前記第１検知用梁に、前記Ｘ軸方向の変位及び前記Ｙ軸方向の変位を検知する複数の前記歪検出素子を配置し、
   前記第２検知用梁に、前記Ｚ軸方向の変位を検知する複数の前記歪検出素子を配置した、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のセンサチップ。
9. 前記Ｘ軸方向の変位及び前記Ｙ軸方向の変位に対して、すべての前記力点が同じ方向に移動する、請求項８に記載のセンサチップ。
10. 前記第１検知用梁に、前記Ｚ軸方向のモーメントを検知する複数の前記歪検出素子を配置し、
    前記第２検知用梁に、前記Ｘ軸方向のモーメント及び前記Ｙ軸方向のモーメントを検知する複数の前記歪検出素子を配置した、請求項８又は９に記載のセンサチップ。
11. 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のセンサチップと、印加された力及び／又はモーメントを前記センサチップに伝達する起歪体と、を有する力覚センサ装置。

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