(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外力が作用する作用部と、前記作用部を支持する支持部と、前記作用部と前記支持部とを連結して前記作用部に作用した外力により歪む連結部とを含む基板と、
前記連結部上に配置される歪検出用抵抗素子を含む４つの抵抗素子から構成される複数のホイートストンブリッジ回路と、
を備える力覚センサであって、
前記ホイートストンブリッジ回路を構成する４つの抵抗素子が、
前記歪検出用抵抗素子と、
前記歪検出用抵抗素子とともに前記ホイートストンブリッジ回路の低電位側に配されるとともに、前記歪検出用抵抗素子と温度特性が同一であるモニタ用抵抗素子と、
前記ホイートストンブリッジ回路の高電位側に配されるとともに、前記歪検出用抵抗素子と前記温度特性が異なる二つのホイートストンブリッジ回路用抵抗素子と、から構成され、
前記モニタ用抵抗素子の出力値を検出して、前記モニタ用抵抗素子の温度状況をモニタリングすることを特徴とする力覚センサ。
【請求項２】
前記モニタ用抵抗素子が、前記歪検出用抵抗素子の近傍であって、前記連結部の歪みの影響を受けない位置に配置されることを特徴とする請求項１に記載の力覚センサ。
【請求項３】
前記力覚センサは、
前記ホイートストンブリッジ回路毎の前記歪検出用抵抗素子の出力値と前記モニタ用抵抗素子の出力値との差分値であるセンサ出力値を出力するセンサ出力部と、
前記作用部に外力が作用していない場合であって、かつ、温度が変化した場合の前記センサ出力値である補正用センサ出力値と前記モニタ用抵抗素子の出力値との相関関係を記録する記録部と、
前記モニタ用抵抗素子の出力値を検出するとともに、検出した前記モニタ用抵抗素子の出力値に対応する前記補正用センサ出力値を前記記録部から抽出する抽出部と、
前記センサ出力値と、前記抽出部から抽出された前記補正用センサ出力値との差分により、センサ出力補正値を算出するセンサ出力補正部とをさらに備え、
前記センサ出力補正値に基づいて前記作用部に作用した外力を算出することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の力覚センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力覚センサに関し、特に、力覚センサ用チップ内の温度分布を検出することができる力覚センサである。
【背景技術】
【０００２】
従来の力覚センサには、下記特許文献に開示されるように、外力が作用する基板上に設けられるとともに、その基板の変形に伴う圧縮または引張によって抵抗値が変化する歪検出用抵抗素子が用いられている。
また、歪検出用抵抗素子は、ホイートストンブリッジ回路を構成する一つの抵抗素子であって、力覚センサは、そのホイートストンブリッジ回路に所定電圧を印加して、歪検出用抵抗素子の出力値を検出している。
そして、力覚センサは、検出した歪検出用抵抗素子の出力値から、抵抗値の変化による歪検出用抵抗素子の出力値の変化量を算出し、その歪検出用抵抗素子の出力値の変化量を基に所定の演算をすることにより、基板に作用した外力を算出している。
【０００３】
また、歪検出用抵抗素子の抵抗値が変化する要因として、上記した基板に外力が作用して歪検出用抵抗素子が圧縮される、または、引っ張られる場合のほかに、歪検出用抵抗素子の温度状況が変化することが挙げられる。
例えば、温度の変化により抵抗値が変化するという歪検出用抵抗素子の温度特性による場合、及び、温度変化により歪検出用抵抗素子を支持する基板の形状が変化し、歪検出用抵抗素子が圧縮される、または引っ張られる場合である。
【０００４】
よって、従来の力覚センサにおいては、温度状況の変化により歪検出用抵抗素子の抵抗値が変化するという問題に着目し、基板内の温度状況をモニタリングすることが行われていた。
具体的には、基板内の温度状況をモニタリングするモニタ専用抵抗素子を基板上に一つ形成するとともに、モニタ専用抵抗素子の出力値とモニタ専用抵抗素子の温度との相関関係を記録する記録部を設けていた。
そして、モニタ専用抵抗素子の出力値を検出するとともに、モニタ専用抵抗素子の出力値に対応するモニタ専用抵抗素子の温度を記録部から抽出することにより、基板内の温度状況をモニタリングしていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１２５８７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来技術によれば、基板上に設けられるモニタ専用抵抗素子は一つであるため、場所ごとに異なる温度状況であること、つまり、基板内に温度分布があることをモニタリングすることができないという問題があった。
【０００７】
また、基板上にモニタ専用抵抗素子を形成すること自体、半導体チップの製造工程の複雑化を招くとともに、半導体チップが大型化するという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、前記問題に鑑みて創案された発明であって、基板上にモニタリング専用のモニタ専用抵抗素子を形成することなく、基板内の温度分布をモニタリングすることができる力覚センサを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、外力が作用する作用部と、前記作用部を支持する支持部と、前記作用部と前記支持部とを連結して前記作用部に作用した外力により歪む連結部とを含む基板と、前記連結部上に配置される抵抗歪検出用抵抗素子を含む４つの抵抗素子から構成される複数のホイートストンブリッジ回路と、を少なくとも備える力覚センサであって、前記ホイートストンブリッジ回路を構成する４つの抵抗素子が、前記歪検出用抵抗素子と、前記歪検出用抵抗素子とともに前記ホイートストンブリッジ回路の低電位側に配されるとともに、前記歪検出用抵抗素子と温度特性が同一であるモニタ用抵抗素子と、前記ホイートストンブリッジ回路の高電位側に配されるとともに、前記歪検出用抵抗素子と前記温度特性が異なる二つのホイートストンブリッジ回路用抵抗素子と、から構成され、前記モニタ用抵抗素子の出力値を検出して、前記モニタ用抵抗素子の温度状況をモニタリングすることを特徴とする。
【００１０】
前記する請求項１の力覚センサによれば、ホイートストンブリッジ回路の低電位側に配するモニタ用抵抗素子は、高電位側に配するホイートストンブリッジ回路用抵抗素子と直列に接続することとなる。また、ホイートストンブリッジ回路に電圧が印加された場合、モニタ用抵抗素子とホイートストンブリッジ回路用抵抗素子とは、それぞれ素子の抵抗値の比に比例した電圧が印加されることとなる。
そして、温度状況が変化し、モニタ用抵抗素子の抵抗値とホイートストンブリッジ回路用抵抗素子の抵抗値とが変化した場合、モニタ用抵抗素子とホイートストンブリッジ回路用抵抗素子とは温度特性が異なるため、それぞれの素子の抵抗値の変化量が異なることとなる。よって、モニタ用抵抗素子とホイートストンブリッジ回路用抵抗素子とにおける抵抗値の比が変化し、モニタ用抵抗素子に印加される電圧値も変化することとなる。
よって、モニタ用抵抗素子の電圧値を検出することにより、モニタ用抵抗素子が配置された箇所に温度変化があることをモニタリングすることができる。
また、力覚センサは、複数のホイートストンブリッジ回路を備えているため、その複数のホイートストンブリッジ回路を構成する各モニタ用抵抗素子の電圧値を検出することにより、モニタ用抵抗素子が配置された複数の箇所の温度変化をモニタリングすることができる。
そして、各モニタ用抵抗素子の電圧値同士を比較して、各モニタ用抵抗素子の電圧値が一致する場合には、各モニタ用抵抗素子が同じ温度状況にあることを確認できる。一方で、各モニタ用抵抗素子の電圧値が一致しない場合には、各モニタ用抵抗素子が異なる温度状況にあり、基板内に温度分布があることを検出することができる。
なお、ここでいう温度特性とは、温度変化に対する抵抗値の変化率を指す。
また、前記する請求項１の力覚センサは、作用部に作用した外力を検出するためのホイートストンブリッジ回路を構成する抵抗素子を、モニタ用抵抗素子として利用するものであるため、従来使用していたモニタ専用抵抗素子が不要となる。
【００１１】
また、請求項２に記載の力覚センサは、前記モニタ用抵抗素子が、前記歪検出用抵抗素子の近傍に配置されることを特徴とする。
【００１２】
前記する請求項２に記載の力覚センサによれば、モニタ用抵抗素子が歪検出用抵抗素子の近傍に配置されるため、モニタ用抵抗素子の温度状況は、歪検出用抵抗素子の温度状況に近似することとなる。よって、モニタ用抵抗素子の出力値を介して、歪検出用抵抗素子の温度状況を認識することができる。つまり、複数の歪検出用抵抗素子に温度分布があるか否かについて確認すること、又は、歪検出用抵抗素子毎の温度状況を認識することができる。
【００１３】
また、請求項３に記載の力覚センサは、前記ホイートストンブリッジ回路毎の前記歪検出用抵抗素子の出力値と前記モニタ用抵抗素子の出力値との差分値であるセンサ出力値を出力するセンサ出力部と、前記作用部に外力が作用していない場合であって、かつ、温度が変化した場合の前記センサ出力値である補正用センサ出力値と前記モニタ用抵抗素子の出力値との相関関係を記録する記録部と、前記モニタ用抵抗素子の出力値を検出するとともに、検出した前記モニタ用抵抗素子の出力値に対応する前記補正用センサ出力値を前記記録部から抽出する抽出部と、前記センサ出力値と、前記抽出部から抽出された前記補正用センサ出力値との差分により、センサ出力補正値を算出するセンサ出力補正部とをさらに備え、前記センサ出力補正値に基づいて前記作用部に作用した外力を算出することを特徴とする。
【００１４】
また、請求項３記載の力覚センサによれば、記録部には、温度作用部に外力が作用していない場合であって、かつ、温度が変化した場合のセンサ出力値、つまり、温度変化等の外乱が入力された場合における補正用センサ出力値が記録されている。
よって、センサ出力補正部が、センサ出力部から出力されるセンサ出力値から、補正用センサ出力値を引くことにより、外力が作用したことにより変化した出力値であるセンサ出力補正値を算出することができる。
よって、このセンサ出力補正値に基づいて、作用した外力を算出することにより、外力を正確に導出することが可能となる。
また、記録部に記録される補正用センサ出力値は、基板内の温度でなく、モニタ用抵抗素子の出力値に対応して、記録されている。
つまり、モニタ用抵抗素子の出力値から基板内の温度を算出し、その算出された基盤内の温度に基づいて補正用センサ出力値を抽出する工程に比べて、処理工程が少なくなるとともに、記録部に記録するデータ量も少なくすることができる。
【発明の効果】
【００１５】
以上、本発明によれば、モニタリング専用のモニタ専用抵抗素子が不要となるため、半導体チップの製造工程の簡易化と半導体チップの小型化を図ることができるとともに、基板内の温度分布を検出できる力覚センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る力覚センサの外観を示す外観図である。
【図２】図１に示す力覚センサをＢ−Ｂ線で切った場合における力覚センサの断面を示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る力覚センサ用チップの構成であって、配線部と因業電極パッドを省略した示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る力覚センサ用チップの構成を示す構成図である。
【図５】本発明の実施形態に係る力覚センサ用チップの一部を抜き出して拡大した拡大図である。
【図６】本発明の実施形態に係るホイートストンブリッジ回路を示す電気回路図である。
【図７】半導体プロセスにより力覚センサ用チップを製造する工程を示す図である。
【図８】本発明の実施形態に係る処理出力部の構成を示す構成図である。
【図９】本発明の実施形態に係るセンサ出力部の構成を示す構成図である。
【図１０】（ａ）は、記録部に記録された温度補償値の出力値とモニタ用抵抗素子の出力値との相関関係を示す図、（ｂ）は、記録部に記録された外力が入力されていない場合における歪検出用抵抗素子の出力値と歪検出用抵抗素子の温度との相関関係を示す図、（ｃ）は、記録部に記録されたモニタ用抵抗素子の出力値とモニタ用抵抗素子の温度との相関関係を示す図である。
【図１１】（ａ）は、ホイートストンブリッジ回路用抵抗素子の温度と電圧値との相関関係と示す図であって、（ｂ）は、モニタ用抵抗素子の温度と電圧値との相関関係と示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、実施形態に係る力覚センサについて、図面を適宜参照しながら説明する。まず、実施形態に係る力覚センサの全体構成について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１８】
（力覚センサ１）
力覚センサ１は、図１に示すように、外力Ｆが入力される入力部３ａを備え、その入力部３ａの中心軸である軸Ａに直交するＸ軸とＹ軸方向に加えられる力成分と、軸Ａに平行なＺ軸方向とに加えられる力成分と、そのＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を回転軸として加えられる力のモーメント（以下、「モーメント」という。）成分と、を併せた６方向の力成分を同時に検出する６軸力の力覚センサ１である。
なお、力の成分は、直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に加えられる力について、それぞれＦｘ，Ｆｙ，Ｆｚとし、また、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を回転軸として加えられるモーメントの成分は、それぞれＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚとする。なお、本発明は特に力覚センサ１の検出軸数や外力Ｆの大きさ等に制限されるものではない。
【００１９】
力覚センサ１は、図１及び図２に示すように、外力Ｆが入力される入力部３ａが形成された減衰部３と、その減衰部３を支持する台座部２と、減衰部３と台座部２が形成する内部空間に格納されるとともに、ガラス部材６と接着層７とを介して台座部２に支持される力覚センサ用チップ５と、力覚センサ用チップ５に所定電圧を印加する電源３１ａ（図６参照）と、減衰部３と力覚センサ用チップ５とを連結する連結ロッド４と、力覚センサ用チップ５から検出される電気信号を演算して外力Ｆを出力する出力処理部８（図８参照）を備えている。
【００２０】
（減衰部３）
減衰部３は、外力Ｆが入力されるとともに、外力Ｆを適切な大きさに減衰させるための部材であり、図１に示すように、外力Ｆが入力される入力部３ａと、力覚センサ用チップ５の外装として機能する円筒状の本体部３ｂと、本体部３ｂの側面を貫孔するとともに本体部３ｂの周方向に向かって長い緩衝孔３ｃとが設けられている。
これによれば、入力部３ａに外力Ｆが入力された場合、緩衝孔３ｃが設けられた本体部３ｂが変形し、入力部３ａが変位することが可能となる。また、この際、入力部３ａに入力された外力Ｆは、本体部３ｂの応力により外力Ｆが減衰することとなり、外力Ｆが繰り返し入力されること等による力覚センサ用チップ５の破損を防止することができる。
【００２１】
（台座部２）
台座部２は、ステンレス材（ＳＵＳ）で作られた支持台部分を形成しているが、本発明においては特に限定されるものではない。
【００２２】
（連結ロッド４）
連結ロッド４は、図２に示すように、減衰部３に入力された外力Ｆを力覚センサ用チップ５に伝達する部材である。連結ロッド４は、円筒状の部材であって、一端が接着層７を介して減衰部３の入力部３ａに形成された孔に固定されているとともに、他端側が接着層７を介して力覚センサ用チップ５の中央部に固定されている。
これにより、減衰部３の入力部３ａに外力Ｆが入力され、入力部３ａが変位した場合に、入力部３ａの変位に併せて連結ロッド４も変位し、力覚センサ用チップ５に外力Ｆが伝達することとなる。
【００２３】
（ガラス部材６と接着層７）
ガラス部材６は、図２に示すように、絶縁性が高い部材であって、接着層７を介して力覚センサ用チップ５と台座部２との間に設けられている。これにより、力覚センサ用チップ５と台座部２との絶縁性を確保することができ、電源リーク等の電気的な障害や、力覚センサ用チップ５と減衰部３の熱膨張係数の相違による接合部の剥がれ、熱歪み等を防止することが可能となる。
また、接着層７は、図２に示すように、力覚センサ１を構成する部材と接着固定するためのものであって、本発明においては特に限定されない。
【００２４】
（力覚センサ用チップ５）
力覚センサ用チップ５は、連結する連結ロッド４の変位により作用した力を電気出力信号に変換するためのチップである。
力覚センサ用チップ５は、図３及び図４に示すように、周辺部が台座部２に支持されるとともに、中央部が連結ロッド４に連結する基板１０と、基板１０上に配置されて、基板１０の歪みを検出するための回路部２０とを備えている。
【００２５】
（基板１０）
基板１０は、板材の厚み方向に貫通して形成された貫通孔１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｋ，１１Ｌ，１１Ｍ，１１Ｎが形成されており、接着層７を介して連結ロッド４が固定される作用部１２と、作用部１２の周囲を囲む略正方形リング形状の支持部１３と、作用部１２と支持部１３とを連結する連結部１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄと、作用部１２から延出する延出部１７を構成として備えている。
【００２６】
作用部１２は、図２及び図３に示すように、基板１０の中央部に位置する略正方形状の領域であり、中央部に接着層７を介して連結ロッド４に接続されて、連結ロッド４の変位に合わせて、変位する領域である。
【００２７】
支持部１３は、図２及び図３に示すように、作用部１２の外周側に位置するとともに、ガラス部材６と接着層７とを介して、台座部２に固定されている部分であり、連結ロッド４の変位に左右されず、変位しない領域である。なお、支持部１３の形状は、作用部１２を支持できる形状であれば四角枠状に限られず、例えば円形枠状とすることもできる。
【００２８】
連結部１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄは、図３に示すように、作用部１２と支持部１３とを連結するＴ字梁状の領域であり、連結ロッド４が変位した場合に歪みが生じする領域である。より具体的には、連結部１４Ａと１４Ｃは、連結ロッド４に連結する作用部１２の中心軸Ａ（図１参照）に対して、Ｙ軸方向に延出して連結する領域であり、連結部１４Ｂと１４Ｄは、Ｘ軸方向に延出して連結する領域である。
また、連結部１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄは、図３に示すように、作用部１２の中心に対して４回対称となるように形成されている。これによれば、４方向からバランス良く作用部１２を支持することができる。
【００２９】
連結部１４Ａは、図３に示すように、長さ方向の両端が支持部１３の内周側と接続する弾性部１５ａと、弾性部１５ａの中央部から作用部１２に向かって延出して作用部１２に接続する橋梁部１６ａとからなる。
また、弾性部１５ａは、剛性の低い物質で構成され、橋梁部１６ａで、剛性の高い物質で構成されている。これによれば、作用部１２に外力Ｆによる歪みが生じた場合に、弾性部１５ａが、橋梁部１６ａにかかる余分な歪みを吸収し、一方向への力またはモーメントの作用による力覚センサ用チップ５全体の歪みの発生を抑制することができ、特定の方向の力またはモーメントに対応する歪検出用抵抗素子Ｓに選択的に歪みを発生させることができ、他軸干渉を大幅に抑制することができる。なお、その他の連結部１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄも、連結部１４Ａと同等な構成を有しており、説明は省略する。
【００３０】
貫通孔１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄは、図３に示すように、基板１０の厚さ方向に貫通して形成された略直線状のスリット孔であり、支持部１３と連結部１４とを分離している。これにより、作用部１２に作用した外力Ｆを支持部１３等に分散させずに、後記する歪検出用抵抗素子Ｓに集中させることができ、作用部１２に作用した外力Ｆをより正確に検出することができる。
【００３１】
貫通孔１１Ｋ，１１Ｌ，１１Ｍ，１１Ｎは、図３に示すように、基板１０の厚さ方向に貫通して形成された鉤状のスリット孔である。貫通孔１１Ｋ，１１Ｌ，１１Ｍ，１１Ｎは、前記した剛性の低い領域とした弾性部１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄと、剛性の高い領域とした橋梁部１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄと、を機能的に分離する役割を果たしている。力覚センサ用チップ５は、このような貫通孔１１Ｋ，１１Ｌ，１１Ｍ，１１Ｎを有することにより、作用部１２に作用した外力Ｆを支持部１３等に分散させずに、後記する歪検出用抵抗素子Ｓに集中させることができ、作用部１２に作用した外力Ｆをより正確に検出することができる。
【００３２】
延出部１７は、図３に示すように、作用部１２の周縁から外向きに延出してなる領域であり、貫通孔１１Ｋ〜１１Ｎによって、連結部１４Ａ〜１４Ｄと縁切りされている。この延出部１７は、外力Ｆが加わり作用部１２が変位した場合において、連続する作用部１２とともに変位し、一方、支持部１３や連結部１４と連続していないため、歪みが生じることがない。
【００３３】
（回路部２０）
つぎに、基板１０上に形成された回路部２０について説明する。回路部２０は、図３及び図４に示すように、複数のホイートストンブリッジ回路Ｈ（図５及び図６参照）から構成されている。本実施形態においては、基板１０上にホイートストンブリッジ回路Ｈの１２個設けられており、それぞれのホイートストンブリッジ回路Ｈが、外力Ｆが作用したことによる連結部１４の歪みを電気的エネルギーに変換して外部への出力を行なう。
このホイートストンブリッジ回路Ｈは、図５に示すように、４つの抵抗素子と、信号電極パッド３２とＧＮＤ電極３３と配線部３４により構成されている。
ここで、４つの抵抗素子は、図５及び図６に示すように、連結部１４上に配置される歪検出用抵抗素子Ｓと、その歪検出用抵抗素子Ｓの近傍に配置されるモニタ用抵抗素子２２と、ホイートストンブリッジ回路用抵抗素子３１ｂ、３１ｂである。
以下において、まず、ホイートストンブリッジ回路Ｈの構成を説明した上で、ホイートストンブリッジ回路Ｈにおける４つの抵抗素子が基板１０上にどのように配置されているのかについて説明する。
【００３４】
まず、ホイートストンブリッジ回路Ｈを構成する４つの抵抗素子について説明する。
歪検出用抵抗素子Ｓは、図３に示すように、作用部１２に作用した外力Ｆにより歪みを検出するための抵抗素子である。
一方、モニタ用抵抗素子２２は、歪検出用抵抗素子Ｓと同じ温度特性を有し、図３に示すように、ホイートストンブリッジ回路Ｈを構成する歪検出用抵抗素子Ｓの近傍に配置され、歪検出用抵抗素子Ｓの温度を検出するための抵抗素子である。
その他、ホイートストンブリッジ回路用抵抗素子３１ｂは、歪検出用抵抗素子Ｓ及びモニタ用抵抗素子２２と異なる温度特性を有している抵抗素子である。
【００３５】
つぎに、信号電極パッド３２とＧＮＤ電極３３と配線部３４について説明する。
信号電極パッド３２は、図５に示すように、後記する電源３１ａに接続する１つの信号電極パッド３２ａと、歪検出用抵抗素子Ｓと一方のホイートストンブリッジ回路用抵抗素子３１ｂとを接続するための２つの信号電極パッド３２ｂと、モニタ用抵抗素子２２と他方のホイートストンブリッジ回路用抵抗素子３１ｂとを接続するための２つの信号電極パッド３２ｃとから構成されている。なお、２つの信号電極パッド３２ｂは、図示しない外部配線により接続しており、また、２つの信号電極パッド３２ｃも同様に図示しない外部配線により接続しているものとする。また、ＧＮＤ電極３３は、外部配線によりアース接続されている。
【００３６】
配線部３４は、図５に示すように、後記する電源３１ａに接続する信号電極パッド３２ａと、ホイートストンブリッジ回路用抵抗素子３１ｂ、３１ｂの一端側に接続している。
また、配線部３４は、信号電極パッド３２ｂ、３２ｃを介して、ホイートストンブリッジ回路用抵抗素子３１ｂ、３１ｂの他端側と、歪検出用抵抗素子Ｓ及びモニタ用抵抗素子２２の一端側とを接続している。
そして、配線部３４は、歪検出用抵抗素子Ｓ及びモニタ用抵抗素子２２の他端側とＧＮＤ電極３３とを接続している。
【００３７】
これによれば、図６に示すように、ホイートストンブリッジ回路用抵抗素子３１ｂ、３１ｂが高電位側である電源３１ａ側に配されるとともに、歪検出用抵抗素子Ｓ及びモニタ用抵抗素子２２が低電位側であるアース側に配されたホイートストンブリッジ回路Ｈが形成されることとなる。
なお、後記する出力処理部８が検出するホイートストンブリッジ回路Ｈの出力信号Ｖｓは、図６に示すように、ホイートストンブリッジ回路用抵抗素子３１ｂと歪検出用抵抗素子Ｓとの間にある信号電極パッド３２ｂにおける電圧値であり、一方、出力信号Ｖｍは、ホイートストンブリッジ回路用抵抗素子３１ｂとモニタ用抵抗素子２２との間にある信号電極パッド３２ｃにおける電圧値である。
【００３８】
また、電源３１ａは、図６に示すように、ホイートストンブリッジ回路用抵抗素子３１ｂに接続して、所定の電圧Ｖｅを印加する定電圧源であり、力覚センサ用チップ５に対して、一つ設けられている。そして、電源３１ａは、各ホイートストンブリッジ回路Ｈの信号電極パッド３２ａに接続されており、各ホイートストンブリッジ回路Ｈに印加される電圧が一定になるように印加されている。
なお、本発明において、電源３１ａが、一定の電流を流す定電流源であってもよい。ただし、各ホイートストンブリッジ回路Ｈ毎に定電流源を設ける必要があるため、実施形態に示す定電圧源の場合の方が、部品点数の低減及び小型化が図れるので望ましい。
【００３９】
つぎに、ホイートストンブリッジ回路Ｈを構成する４つの抵抗素子の配置について説明する。
歪検出用抵抗素子Ｓは、図３に示すように、作用部１２に作用した外力Ｆによる歪みが最も発生する作用部１２と橋梁部１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄとの接続部分近傍に配置されている。また、ホイートストンブリッジ回路Ｈは１２個設けられており、それぞれの歪検出用抵抗素子Ｓが、作用部１２と橋梁部１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄとの接続部分近傍に、それぞれ３個ずつ個配置されている。
なお、Ｘ軸方向に配置される橋梁部１６ｂ，１６ｄに設けられる歪検出用抵抗素子ＳをＳｘａ１〜Ｓｘａ３、Ｓｘｂ１〜Ｓｘｂ３と示し、Ｙ軸方向に配置される橋梁部１６ａ，１６ｃに設けられる歪検出用抵抗素子ＳをＳｙａ１〜Ｓｙａ３、Ｓｙｂ１〜Ｓｙｂ３と示す。また、歪検出用抵抗素子Ｓｘａ１〜Ｓｘａ３等のうちの一つと限定するものではないには、添え字を省略して歪検出用抵抗素子Ｓと示すこととする。
【００４０】
また、図３に示すように、作用部１２と橋梁部１６ｂとの接続部分近傍に配置される３つの歪検出用抵抗素子Ｓｘａ１〜Ｓｘａ３のうち、Ｓｘａ１とＳｘａ３とは、Ｘ線軸を中心に対称となるように配置され、Ｓｘａ２は、Ｓｘａ１とＳｘａ３の間であるものの、Ｘ線軸上でなく、Ｓｘａ３寄りに配置されている。
同様に、作用部１２と橋梁部１６ａ，１６ｃ，１６ｄとの接続部分近傍に配置されるＳｘｂ１とＳｘｂ３、Ｓｙａ１とＳｙａ３、Ｓｙｂ１とＳｙｂ３においても、Ｘ線軸またはＹ軸方向に対称となるように配置されている。また、Ｓｘｂ２はＳｘｂ３寄りに、Ｓｙａ２はＳｙａ３寄りに、Ｓｙｂ２はＳｙｂ３寄りに配置されている。なお、歪検出用抵抗素子Ｓは、引っ張られた場合には電気抵抗値が上がり、一方で、圧縮された場合には電気抵抗値が下がる。
【００４１】
モニタ用抵抗素子２２は、ホイートストンブリッジ回路Ｈは１２個設けられており、図３に示すように、モニタ用抵抗素子２２も１２個基板１０上に設けられている。そして、１２個あるモニタ用抵抗素子２２のそれぞれは、図３に示すように、延出部１７上であって、モニタ用抵抗素子２２とともに同じホイートストンブリッジ回路Ｈを構成する歪検出用抵抗素子Ｓの近傍に配置されている。
これによれば、延出部１７は歪まないため、モニタ用抵抗素子２２も歪むことがなく、外力Ｆによる電気抵抗値の変化がない。一方で、モニタ用抵抗素子２２は、歪検出用抵抗素子Ｓの近傍に配置されており、歪検出用抵抗素子Ｓと同じ温度状況下に置かれることとなる。よって、モニタ用抵抗素子２２の温度状況を検出することにより、歪検出用抵抗素子Ｓが置かれる温度状況をモニタリングすることが可能となる。また、モニタ用抵抗素子２２は、複数の歪検出用抵抗素子Ｓごとに形成されているため、歪検出用抵抗素子Ｓごとの温度状況を検出することができる。
なお、モニタ用抵抗素子２２において、歪検出用抵抗素子Ｓｘａ１〜Ｓｘａ３に対応するものをモニタ用抵抗素子２２ｘａ１〜２２ｘａ３と示し、歪検出用抵抗素子Ｓｘｂ１〜Ｓｘｂ３に対応するものをモニタ用抵抗素子２２ｘｂ１〜２２ｘｂ３と示し、歪検出用抵抗素子Ｓｙａ１〜Ｓｙａ３に対応するものをモニタ用抵抗素子２２ｙａ１〜２２ｙａ３と示し、歪検出用抵抗素子Ｓｙｂ１〜Ｓｙｂ３に対応するものをモニタ用抵抗素子２２ｘａ１〜２２ｘａ３と示す。
【００４２】
また、ホイートストンブリッジ回路用抵抗素子３１ｂは、歪検出用抵抗素子Ｓ及びモニタ用抵抗素子２２と異なる温度特性を有している。また、ホイートストンブリッジ回路用抵抗素子３１ｂは、一つのホイートストンブリッジ回路Ｈに対して２つ設けられており、また、本実施形態において、ホイートストンブリッジ回路Ｈは１２つ配置されている。よって、合計で、ホイートストンブリッジ回路用抵抗素子３１ｂは、図３に示すように、基板１０上に２４個設けられている。
そして、ホイートストンブリッジ回路用抵抗素子３１ｂは、図３に示すように、延出部１７上であって、同じホイートストンブリッジ回路Ｈに対応するモニタ用抵抗素子２２、モニタ用抵抗素子２２の近傍に配置されている。これによれば、延出部１７は歪まないため、モニタ用抵抗素子２２も歪むことがなく、外力Ｆによる電気抵抗値の変化がない。
【００４３】
以上、力覚センサ用チップ５の構成について説明した。また、力覚センサ用チップ５の製造に関し、特に限定されるものでないが、基板１０と基板１０上に形成された歪検出用抵抗素子Ｓとの歪みによる分離を回避するため、及び、力覚センサ用チップ５の小型化が図れるため、半導体プロセスにより一体的に形成されることが望ましい。以下、半導体プロセスによる力覚センサ用チップ５の製造方法の一例について、図７を用いて、簡単に説明する。
【００４４】
図７（ａ）に示すように、ｎ型シリコンである半導体基板Ｎ上に抵抗素子であるモニタ用抵抗素子２２等を形成するため、フォトリソグラフィにより形成した図示しないフォトレジストを行うとともに、ｐ型不純物であるボロンを半導体基板Ｎにイオン注入する。
ここで、ホイートストンブリッジ回路Ｈを構成する歪検出用抵抗素子Ｓとモニタ用抵抗素子２２を形成するためのボロンの不純物濃度は、例えば、１×１０１７（個／ｃｍ３）とする。これによれば、歪検出用抵抗素子Ｓとモニタ用抵抗素子２２とは、同じ温度特性を有することとなる。
なお、歪検出用抵抗素子Ｓとモニタ用抵抗素子２２とともにホイートストンブリッジ回路Ｈを構成して、基板１０上に形成されないホイートストンブリッジ回路用抵抗素子３１ｂ、３１ｂは、ボロンの不純物濃度を、例えば、例えば、１×１０１８（個／ｃｍ３）とする。
これによれば、ホイートストンブリッジ回路用抵抗素子３１ｂ、３１ｂの温度特性と、歪検出用抵抗素子Ｓとモニタ用抵抗素子２２の温度特性とが異ならせることができる。
そして、フォトレジストの除去後、ｐ−ＣＶＤ（プラズマ−化学的気相成長法）により、ＳｉＯ２（酸化シリコン膜）を層間絶縁膜として成長させる。また、半導体基板Ｎ上を加熱して、基板１０に注入したボロンを活性化処理し、活性層が形成されてモニタ用抵抗素子２２となる。
【００４５】
つぎに、コンタクトホールを形成するための図示しないフォトレジストを形成し、コンタクトホールの形成部の酸化シリコン膜を、ＢＨＦ（バッファド弗酸）により除去する。
そして、レジストパターンを除去して、図７（ｂ）に示すように、アルミニウムとシリコンとの合金を半導体基板の表面全体にスパッタリングし、オーミック接合形成のための熱処理を行い、モニタ用抵抗素子２２のコンタクト層を形成する。
【００４６】
次に、フォトリソグラフィにより、信号電極パッド（不図示）や配線部３４の領域を形成するためのフォトレジストを形成し、ウェットエッチングにより、コンタクト層の不要な金属部分を除去し、信号電極パッド（不図示）や配線部３４のパターンニングを行う。そして、レジストパターンを除去し、図７（ｃ）に示すように、ｐ−ＣＶＤにより、ＳｉＮ膜（窒化シリコン膜）をパッシベーション膜として形成する。
【００４７】
次に、図７（ｄ）に示すように、厚さ方向に貫通した貫通孔１１Ａ〜１１Ｎの形成と、チップ分割のためのレジストパターンを形成する。
【００４８】
次に、図７（ｅ）に示すように、ＲＩＥ（リアクティブ・イオン・エッチング）により、上記レジストパターンの開口部をエッチングで除去して、半導体基板Ｎに貫通領域、すなわち、貫通孔１１Ａ〜１１Ｍを形成するとともに、チップ分割（ウェハからの各チップの切り出し）を行う。そして、有機溶媒によりレジストパターンを除去し、最終的な洗浄を行い、力覚センサ用チップ５が完成する。
【００４９】
つぎに、力覚センサ用チップ５から検出される歪検出用抵抗素子Ｓの出力値Ｖｓと、モニタ用抵抗素子２２の出力値Ｖｍとから、力覚センサ１に入力された外力Ｆの６方向の力成分を出力する出力処理部８について説明する。なお、歪検出用抵抗素子Ｓの出力値Ｖｓとモニタ用抵抗素子２２の出力値Ｖｍは複数あるため、以後、歪検出用抵抗素子Ｓｘａ１の出力値Ｖｓを出力値Ｖｓｘａ１と示し、モニタ用抵抗素子２２ｘａ１の出力値Ｖｍを出力値Ｖｍｘａ１と示し、他の歪検出用抵抗素子Ｓの出力値Ｖｓとモニタ用抵抗素子２２の出力値Ｖｍも同様に示すものとする。
【００５０】
（出力処理部８）
出力処理部８は、図８に示すように、力覚センサ用チップ５の構成する複数の回路部２０から検出される出力信号Ｖｓと出力信号Ｖｍを処理するための構成であって、センサ出力部４０と、演算部７０とを備えている。
また、センサ出力部４０は、回路部２０を構成するホイートストンブリッジ回路Ｈ毎に検出される出力信号Ｖｓ（Ｖｓｘａ１〜Ｖｓｘａ３、Ｖｓｘｂ１〜Ｖｓｘｂ３、Ｖｓｙａ１〜Ｖｓｙａ３、Ｖｓｙｂ１〜Ｖｓｘｂ３）と出力信号Ｖｍ（Ｖｍｘａ１〜Ｖｍｘａ３、Ｖｍｘｂ１〜Ｖｍｘｂ３、Ｖｍｙａ１〜Ｖｍｙａ３、Ｖｍｙｂ１〜Ｖｍｘｂ３）のそれぞれを処理するため、１２個ずつ設けられている。
そのほか、演算部７０には、回路部２０を構成するホイートストンブリッジ回路Ｈ毎に検出される出力信号Ｖｍ（Ｖｍｘａ１〜Ｖｍｘａ３、Ｖｍｘｂ１〜Ｖｍｘｂ３、Ｖｍｙａ１〜Ｖｍｙａ３、Ｖｍｙｂ１〜Ｖｍｘｂ３）のそれぞれも入力される。
【００５１】
（センサ出力部４０）
センサ出力部４０の構成は、歪検出用抵抗素子Ｓが、外力Ｆが作用したことによる抵抗値の変化に伴う歪検出用抵抗素子Ｓの電圧値の変化量を検出するための構成であって、図９に示すように、フィルター部４１と、バッファ部４２と、作動増幅回路部４３と、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）コンバータ４４とを備えている。フィルター部４１は、出力値Ｖｓと出力値Ｖｍに入力されているノイズを除去するためのものである。作動増幅回路部４３は、出力値Ｖｓと出力値Ｖｍの入力信号の差分を算出するための回路である。これによれば、出力値Ｖｓと出力値Ｖｍの差分であるセンサ出力値Ｖ１ｓが算出される。また、ＡＤコンバータ４４は、センサ出力値Ｖ１ｓのアナログ電気信号をデジタル電気信号に変換するための装置である。なお、このセンサ出力部４０は、基板１０上に形成されたホイートストンブリッジ回路Ｈのそれぞれに対応して、1２個設けられている。
【００５２】
（演算部７０）
演算部７０は、センサ出力部４０から入力されるセンサ出力値Ｖ１ｓと、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）コンバータ５１を介して入力されるモニタ用抵抗素子２２の出力値Ｖｍとから、力覚センサ１に作用した外力Ｆの演算をおこなう。
また、演算部７０は、センサ出力部４０が出力したセンサ出力値Ｖ１ｓを補正するための補正用センサ出力値Ｖ１ｓ´が記録される記録部５２と、モニタ用抵抗素子２２の出力値Ｖｍに対応した補正用センサ出力値Ｖ１ｓ´を記録部５２から抽出する抽出部５３と、センサ出力値Ｖ１ｓから補正用センサ出力値Ｖ１ｓ´を除算し、センサ出力値を補正したセンサ出力補正値Ｖ２ｓを算出するセンサ出力補正部５４と、演算出力変化率算出部７２と、力成分・モーメント成分算出部７３と、演算出力変化率記録部７４とを備えている。演算部７０を構成する各機能は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read-Only Memory）、プログラム等によって実現される。
【００５３】
記録部５２は、図１０（ａ）に示すように、力覚センサ１に外力が作用していない場合であって、かつ、温度変化が変化した場合における、センサ出力部４０から出力されるセンサ出力値である補正用センサ出力値Ｖ１ｓ´が記録されている。
この補正用センサ出力値Ｖ１ｓ´は、図１０（ａ）に示すように、モニタ用抵抗素子２２の出力値Ｖｍ、つまり、基板１０内の温度変化に伴って変化する。つまり、補正用センサ出力値Ｖ１ｓ´は、温度変化により生ずる基板１０の歪み等の外乱要素が入力された値である。
また、この補正用センサ出力値Ｖ１ｓ´は、図１０（ａ）に示すように、モニタ用抵抗素子２２の出力値Ｖｍとの相関関係に関するデータが記録されている。なお、補正用センサ出力値Ｖ１ｓ´とモニタ用抵抗素子２２の出力値Ｖｍとの相関関係のデータは、次の工程により、導出することができる。
まず、図１０（ｂ）のように、外力が入力されていない場合であって、一定電圧を印加させて温度を変化させた場合におけるホイートストンブリッジ回路Ｈ毎のセンサ出力値Ｖ１ｓを算出する。つぎに、図１０（ｃ）のように、一定電圧を印加させて温度を変化させた場合のモニタ用抵抗素子２２の出力値Ｖｍを算出する。そして、共通する温度データから、図１０（ａ）のように、補正用センサ出力値Ｖ１ｓ´とモニタ用抵抗素子２２の出力値Ｖｍとの相関関係のデータを導出できる。
【００５４】
センサ出力補正部５４は、センサ出力部４０から出力されたセンサ出力値Ｖ１ｓから、抽出部５３により記録部５２から抽出された補正用センサ出力値Ｖ１ｓ´を除去し、センサ出力補正値Ｖ２ｓを算出する工程である。これによれば、センサ出力値Ｖ１ｓから温度変化により生ずる基板１０の歪み等の外乱要素をキャンセルしたセンサ出力補正値Ｖ２ｓを得ることができる。なお、センサ出力補正部５４は、ホイートストンブリッジ回路Ｈ毎にセンサ出力補正値Ｖ２ｓを算出している。
【００５５】
演算出力変化率算出部７２は、ホイートストンブリッジ回路Ｈ毎のセンサ出力補正部５４により出力されたセンサ出力補正値Ｖ２ｓを基に、下記数式１の式（１）〜（６）により、演算出力変化率（Sig１〜Sig6）の算出を行う。なお、Sig１〜Sig３は、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚの１Ｎあたりの演算出力変化率であり、Sig４〜Sig６は、Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚの１Ｎ・ｃｍあたりの演算出力変化率である。
【００５６】
【数１】
0005507325.tif 000002
【００５７】
演算出力変化率記録部７４は、力覚センサ１の入力部３ａに、１Ｎあたりの力を入力した場合における、Ｆｘ，Ｆｙ，ＦｚとＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚの演算出力変化率（マトリクス）が記録されている。
このマトリクスは、予め力覚センサ１の入力部３ａに、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚのそれぞれのベクトル方向に１Ｎの外力Ｆを入力して得られたデータである。
【００５８】
力成分・モーメント成分算出部７３は、演算出力変化率算出部７２で算出されたSig１〜Sig６と、演算出力変化率記録部７４に記録されたマトリクスにより、下記式Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚの各成分の算出をおこなう。なお、力成分・モーメント成分算出部７３の算出式の一例である下記数式２の式（７）を示す。下記数式２の式（７）に示す右辺におけるマトリクスは、演算出力変化率記録部７４に記録されたマトリクスを逆行列により導出したものである。
【００５９】
【数２】
0005507325.tif 000003
【００６０】
次に実施形態の力覚センサ１の温度補償について、図を用いて説明する。
図１１（ａ）は、ボロンの不純物濃度が１０１８／ｃｍ３であるホイートストンブリッジ回路用抵抗素子３１ｂ、３１ｂの温度特性を示す図であって、図１１（ｂ）は、ボロンの不純物濃度が１０１７／ｃｍ３である歪検出用抵抗素子Ｓとモニタ用抵抗素子２２の温度特性を示す図である。なお、印加した電圧値は５Ｖである。
ホイートストンブリッジ回路用抵抗素子３１ｂ、３１ｂの温度特性と、歪検出用抵抗素子Ｓとモニタ用抵抗素子２２の温度特性とを比較すると、温度が高くなると両者ともに抵抗値が高くなることがわかる。また、ホイートストンブリッジ回路用抵抗素子３１ｂ、３１ｂに比べ、歪検出用抵抗素子Ｓとモニタ用抵抗素子２２の方が、温度が変化した場合における抵抗値の変化量が大きい。
よって、温度が高くなると、直列に接続するモニタ用抵抗素子２２とホイートストンブリッジ回路用抵抗素子３１ｂと抵抗値の和において、モニタ用抵抗素子２２が占める抵抗値の割合が高くなるため、モニタ用抵抗素子２２の電圧値が高くなる。つまり、モニタ用抵抗素子２２の電圧値である出力信号Ｖｍの出力を検出することにより、モニタ用抵抗素子２２の温度状況をモニタリングすることができる。
【００６１】
また、出力信号Ｖｍが入力される演算部７０の記録部５２には、出力信号Ｖｍの出力に対応付けて補正用センサ出力値Ｖ１ｓ´が記録されているため、抽出部５３が、入力された出力信号Ｖｍの出力に対応した補正用センサ出力値Ｖ１ｓ´を抽出することができる。
そして、センサ出力補正部５４で、センサ出力値Ｖ１ｓから、補正用センサ出力値Ｖ１ｓ´を差し引くため、外力Ｆが基板１０に作用したことによる出力の変化量であるセンサ出力補正値Ｖ２ｓを算出することができる。
【００６２】
以上、実施形態の力覚センサ１について説明したが、実施形態の力覚センサ１によれば、モニタリング可能なモニタ用抵抗素子２２の温度を介して、近傍に配置される歪検出用抵抗素子Ｓの温度状況を把握することができる。
よって、基板１０内に温度分布がある場合でも、各モニタ用抵抗素子２２を用いて、対応する歪検出用抵抗素子Ｓ毎の温度状況をモニタリングすることが可能となる。
したがって、従来使用していたモニタリング専用のモニタ専用抵抗素子が不要となり、力覚センサ用チップ５の製造工程の簡易化、力覚センサ用チップ５の小型化を図ることができる。
【００６３】
また、演算部７０の記録部５２には、補正用センサ出力値Ｖ１ｓ´がモニタ用抵抗素子２２の出力値Ｖｍに対応付けられて記録されているため、モニタ用抵抗素子２２の出力値Ｖｍから基板１０の温度を算出し、その算出された温度に基づいて補正用センサ出力値Ｖ１ｓ´を抽出する工程に比べて、処理工程が少なくなるとともに、記録部５２に記録するデータ量も少なくすることができる。
【００６４】
以上、実施形態の力覚センサ１について説明したが、本発明は実施形態に係る力覚センサ１に限るものではない。
実施形態において、半導体プロセスに用いて不純物濃度が異なる活性層を形成することにより、歪検出用抵抗素子Ｓ及びモニタ用抵抗素子２２との温度特性と、ホイートストンブリッジ回路用抵抗素子３１ｂ、３１ｂの温度特性を異ならせたが、これに限定されない。例えば、本発明は、温度変化により、モニタ用抵抗素子２２の出力値Ｖｍが変化すればよく、温度特性が異なる金属物質等を用いることにより、歪検出用抵抗素子Ｓとモニタ用抵抗素子２２と、ホイートストンブリッジ回路用抵抗素子３１ｂ、３１ｂとが構成されてもよい。
【符号の説明】
【００６５】
１      力覚センサ
２      台座部
３      減衰部
３ａ    入力部
３ｂ    本体部
３ｃ    緩衝孔
４      連結ロッド
５      力覚センサ用チップ
６      ガラス部材
７      接着層
８      出力処理部
１０    基板
１１Ａ〜１１Ｋ  貫通孔
１２    作用部
１３    支持部
１４、１４Ａ〜１４Ｄ  連結部
１５ａ〜１５ｄ  弾性部
１６ａ〜１６ｄ  橋梁部
１７    延出部
２０    回路部
２２    モニタ用抵抗素子
２５    信号電極パット
３１ａ  電源
３１ｂ  ホイートストンブリッジ回路用抵抗素子
３２、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ  信号電極パッド
３３    ＧＮＤ電極
３４    配線部
４０    センサ出力部
４１    フィルター部
４２    バッファ部
４３    作動増幅回路部
４４    ＡＤコンバータ
５１    ＡＤコンバータ
５２    記録部
５３    抽出部
５４    センサ出力補正部
７０    演算部
７２    演算出力変化率算出部
７３    モーメント成分算出部
７４    演算出力変化率記録部
【図１】
0005507325.tif 000004
【図２】
0005507325.tif 000005
【図３】
0005507325.tif 000006
【図４】
0005507325.tif 000007
【図５】
0005507325.tif 000008
【図６】
0005507325.tif 000009
【図７】
0005507325.tif 000010
【図８】
0005507325.tif 000011
【図９】
0005507325.tif 000012
【図１０】
0005507325.tif 000013
【図１１】
0005507325.tif 000014