(57)【要約】【課題】ガラス部材を介して力覚センサ用チップと減衰装置とを接合する際のガラス部材の位置合わせを容易にし、かつ、陽極接合する場合の接合強度の低下を防止する。【解決手段】作用部２１と、歪み抵抗素子が配設された連結部２３と、作用部２１と連結部２３とを支持する支持部２２と、を有する力覚センサ用チップ２と、外力が入力される入力部３０と、力覚センサ用チップ２を固定する固定部３２と、作用部２１に外力を減衰して伝達する伝達部３１と、を有する減衰装置３と、を備え、作用部２１と伝達部３１との間には第１のガラス部材１１が介在され、支持部２２と固定部３２との間には第２のガラス部材１２が介在されて、力覚センサ用チップ２と減衰装置３とが接合された力覚センサ１であって、第１のガラス部材１１と第２のガラス部材１２とを一体として結合するガラスビーム１３が設けられていることを特徴とする。【選択図】図１
2008051625.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外力が伝達される作用部と、この作用部に隣接して設けられ歪み抵抗素子が配設された連結部と、前記作用部と連結部とを支持する支持部と、を有し、前記外力を前記歪み抵抗素子で検出する力覚センサ用チップと、
前記外力が入力される入力部と、前記力覚センサ用チップを固定する固定部と、前記作用部に前記外力を減衰して伝達する伝達部と、を有する減衰装置と、を備え、
前記作用部と前記伝達部との間には第１のガラス部材が介在され、前記支持部と前記固定部との間には第２のガラス部材が介在されて、前記力覚センサ用チップと前記減衰装置とが接合された力覚センサであって、
前記第１のガラス部材と前記第２のガラス部材とを一体として結合する結合部材が設けられていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項２】
前記第１のガラス部材および第２のガラス部材は、前記力覚センサ用チップの同じ面側に設けられてい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】
前記第１のガラス部材および第２のガラス部材は、前記力覚センサ用チップおよび前記減衰装置と陽極接合により接合されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の力覚センサ。
【請求項４】
前記結合部材は、ガラス部材であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の力覚センサ。
【請求項５】
前記結合部材は、前記力覚センサ用チップおよび減衰装置とは接触しないように前記第１のガラス部材および第２のガラス部材に結合されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の力覚センサ。
【請求項６】
前記結合部材は、前記第１のガラス部材もしくは第２のガラス部材を中心として点対称位置、または円周方向に均等に分割された位置に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の力覚センサ。
【請求項７】
前記作用部は、前記力覚センサ用チップの中央部に設けられ、
前記支持部は、前記力覚センサ用チップの周縁部に設けられ、
前記連結部は、前記作用部と前記支持部の間に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の力覚センサ。
【請求項８】
前記結合部材には、前記結合を解除して前記第１ガラス部材と第２ガラス部材との間の前記外力の伝達を遮断する不連続部が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の力覚センサ。
【請求項９】
外力が伝達される作用部と、この作用部に隣接して設けられ歪み抵抗素子が配設された連結部と、前記作用部と連結部とを支持する支持部と、を有し、前記外力を前記歪み抵抗素子で検出する力覚センサ用チップと、
前記外力が入力される入力部と、前記力覚センサ用チップを固定する固定部と、前記作用部に前記外力を減衰して伝達する伝達部と、を有する減衰装置と、
前記作用部と前記伝達部との間に介在された第１のガラス部材と、前記支持部と前記固定部との間に介在された第２のガラス部材と、前記第１および第２のガラス部材とを一体として結合する結合部材と、を有するガラス部材と、を用いて力覚センサを製造する力覚センサの製造方法であって、
前記第１および第２のガラス部材と前記減衰装置の伝達部および固定部とをそれぞれ陽極接合により接合し、前記ガラス部材と前記減衰装置とを接合する第１接合工程と、
前記第１および第２のガラス部材と前記力覚センサの作用部および支持部とをそれぞれ陽極接合により接合し、前記ガラス部材と前記力覚センサとを接合する第２接合工程と、
を含むことを特徴とする力覚センサの製造方法。
【請求項１０】
外力が伝達される作用部と、この作用部に隣接して設けられ歪み抵抗素子が配設された連結部と、前記作用部と連結部とを支持する支持部と、を有し、前記外力を前記歪み抵抗素子で検出する力覚センサ用チップと、
前記外力が入力される入力部と、前記力覚センサ用チップを固定する固定部と、前記作用部に前記外力を減衰して伝達する伝達部と、を有する減衰装置と、
前記作用部と前記伝達部との間に介在された第１のガラス部材と、前記支持部と前記固定部との間に介在された第２のガラス部材と、前記第１および第２のガラス部材とを一体として結合する結合部材と、を有するガラス部材と、を用いて力覚センサを製造する力覚センサの製造方法であって、
前記第１および第２のガラス部材と前記力覚センサの作用部および支持部とをそれぞれ陽極接合により接合し、前記ガラス部材と前記力覚センサとを接合する第１接合工程と、
前記第１および第２のガラス部材と前記減衰装置の伝達部および固定部とをそれぞれ陽極接合により接合し、前記ガラス部材と前記減衰装置とをする第２接合工程と、
を含むことを特徴とする力覚センサの製造方法。
【請求項１１】
前記第２接合工程の後、前記結合部材に前記第１ガラス部材から第２ガラス部材への前記外力の伝達を遮断する不連続部を形成する工程を含むことを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の力覚センサの製造方法。
【請求項１２】
前記不連続部を形成する工程は、前記結合部をレーザビームで切断する工程であることを特徴とする請求項１１に記載の力覚センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力覚センサおよびその製造方法に係り、特に、ガラス部材を介して力覚センサ用チップと減衰装置とを接合する際のガラス部材の位置合わせを容易にし、かつ、陽極接合で接合する場合の接合強度の低下を防止することができる力覚センサおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、産業用ロボット等において、動作中に加えられる外力に対して適切かつ柔軟に対応できる制御を行なうため、加えられた外力の大きさや方向を正確に検知する多軸力覚センサが採用されている。
多軸力覚センサは、例えば、加えられた外力による微小な歪み（圧縮、引張り）で抵抗値が変化する歪み抵抗素子（ピエゾ抵抗素子）の性質を利用したものが知られている（例えば、特許文献１，２）。
【０００３】
これらの多軸力覚センサは、半導体製造プロセスによって半導体基板上に製作される力覚センサ用チップと、この力覚センサ用チップを固定して収容する金属部材で構成された減衰装置と、を備えている。
具体的には、力覚センサ用チップは、加えられた外力が伝達される作用部の周囲に歪み抵抗素子を適宜配置して、外力による歪み抵抗素子の抵抗値の変化を電気信号として検出することで、外力の大きさや方向を検知する。一方、加えられた外力をそのまま歪み抵抗素子に伝達すると、外力が大きすぎる場合には力覚センサ用チップの破損を招くおそれがある。このため、多様な外力に適切に対応するために、減衰装置を設けて、加えられた外力を適切な大きさに減衰して力覚センサ用チップに伝達している。
【０００４】
減衰装置は、種々の形態があるが一般的に、力覚センサ用チップを下側から固定部で保持した状態で、上側の伝達部から力覚センサ用チップに外力を伝達するため、下側の固定部と上側の伝達部との２箇所で力覚センサ用チップと接合されている。
このとき、半導体基板上に形成された力覚センサ用チップと金属部材で構成された減衰装置とを直接接合すると、電源リーク等の電気的な障害、および両部材の熱膨張係数の相違に基づく接合部の剥がれ、熱歪みなどの不具合が発生し検出精度に影響を及ぼすおそれがある。
【０００５】
このため、従来、力覚センサ用チップと減衰装置は、絶縁性および熱膨張係数を考慮して、半導体基板と同程度の厚さを有するバルク（塊）のガラス板を介在させて接合する場合がある。このときの接合方法として、ガラス板と力覚センサ用チップおよび減衰装置との接合面をエポキシ樹脂系の接着剤で接着して固定するか、陽極接合により化学的に結合する手法が採用されている。陽極接合とは、対象物を加熱しながら、ガラス板に負の電圧をかけ、相手側に正の電圧をかけて、ガラス中のＮａ＋等のアルカリイオンを移動させるものであり、通常、０．１〜数ｍｍ程度の厚さを有するガラス板と相手側を接合させる。
【０００６】
具体的に、従来の陽極接合方法について、図１９を参照しながら説明する。図１９は力覚センサ用チップと減衰装置との接合部にガラス板を介在させて陽極接合する様子を示す模式図であり、（ａ）はガラス板と減衰装置とを接合し、（ｂ）はガラス板が接合された減衰装置と力覚センサ用チップとを接合する様子を示し、（ｃ）と（ｄ）は具体的な減衰装置に適用した場合の断面図であり、（ｃ）はガラス板と減衰装置とを接合し、（ｄ）はガラス板が接合された減衰装置と力覚センサ用チップとを接合する様子を示す。
陽極接合では、前記のように、ガラス板に負の電圧をかけ、相手側に正の電圧をかけて行なわれる。したがって、最初に減衰装置とガラス板とを接合する場合には、図１９（ａ）に示すように、ガラス板１００には負の電圧をかけ、減衰装置３００には正の電圧をかけて陽極接合を行なう。そして、ガラス板１００が接合された減衰装置３００と力覚センサ用チップ２００とを接合する場合には、図１９（ｂ）に示すように、接合部６００のガラス板１００側に負の電圧をかけるため減衰装置３００には負の電圧をかけ、力覚センサ用チップ２００には正の電圧をかけて陽極接合を行なっていた。
【０００７】
また、具体的な力覚センサ１０００を例として説明すると、図１９（ｃ），（ｄ）に示すように、例えば、減衰装置３００と第１のガラス部材１１０および第２のガラス部材１２０とをそれぞれ接合部５１０，５２０で陽極接合した後（図１９（ｃ）参照）、第１のガラス部材１１０および第２のガラス部材１２０と力覚センサ用チップ２００とをそれぞれ接合部６１０，６２０で陽極接合する場合には、第２のガラス部材１２０に負の電圧をかけ、力覚センサ用チップ２００には正の電圧をかけて陽極接合を行なっていた（図１９（ｄ）参照）。
なお、この従来の陽極接合の場合には、まず減衰装置３００とガラス板１００とを接合して、その次にガラス板１００と力覚センサ用チップ２００とを接合する場合について説明したが、力覚センサ用チップ２００とガラス板１００とを接合してから、ガラス板１００と減衰装置３００とを接合することもある。
【特許文献１】特開２００３−２０７４０５号公報
【特許文献２】特開２００３−２５４８４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、減衰装置と力覚センサ用チップとの接合部をエポキシ樹脂系の接着剤で接着した場合には、接着剤の経年変化により、接着剤が劣化するという問題があった。そして、減衰装置には、外力が作用して、圧縮と引張りが繰り返されるため、接着面が変形したり、接着強度が低下したりして、外力の微小な変化が正確に伝達されないという問題があった。
【０００９】
また、減衰装置と力覚センサ用チップとを陽極接合する際、減衰装置の固定部および伝達部の２箇所で別々に接合しようとすると、ガラス部材の位置合わせおよび接合作業を固定部および伝達部でそれぞれ２回行なわなければならず、工数がかかるという問題点があった。特に、力覚センサ用チップの内側の作用部は正確に位置合わせを行なう必要があるが、位置合わせの対象（接合部およびガラス板）が非常に小さいので、位置合わせの作業に困難を伴う場合もあった。
【００１０】
さらに、陽極接合においては、減衰装置３００とガラス板１００とを接合するとき（図１９（ａ））と、ガラス板１００と力覚センサ用チップ２００とを接合するとき（図１９（ｂ））とでは、接合部５００に印加される電圧方向が逆となる。この結果、ガラス板１００中のＮａ＋等のアルカリイオンが起点となって接合界面が破壊されるなどして接合強度の低下、接合面の剥離等が生じるおそれがあった。
なお、このような現象は、力覚センサ用チップ２００とガラス板１００とを接合してから、ガラス板１００と減衰装置３００とを接合する場合においても同様である。
【００１１】
この陽極接合の問題点について、図１９（ｃ），（ｄ）に示すような具体的な力覚センサ１０００を例として説明する。
力覚センサ１０００において、図１９（ｃ）に示すように、まず、減衰装置３００に正の電圧をかけ、第１のガラス部材１１０および第２のガラス部材１２０に負の電圧をかけて、減衰装置３００と第１のガラス部材１１０との接合部５１０および減衰装置３００と第２のガラス部材１２０との接合部５２０を陽極接合により接合する。この陽極接合の場合には、第１のガラス部材１１０および第２のガラス部材１２０から減衰装置３００に向かう電子の流れが発生する。なお、接合部５１０、５２０は、図１９（ａ）における接合部５００に対応する。
【００１２】
続いて、図１９（ｄ）に示すように、第２のガラス部材１２０に負の電圧をかけ、力覚センサ用チップ２００には正の電圧をかけて、第１のガラス部材１１０における接合部６１０および第２のガラス部材１２０における接合部６２０を陽極接合により接合する。この陽極接合の場合には、接合部６２０では第２のガラス部材１２０から力覚センサ用チップ２００に向かう電子の流れが発生するが（順電圧）、接合部６１０では第２のガラス部材１２０から減衰装置３００を回り込んで接合部５１０を介して電子の流れｅが発生する。この電子の流れｅは、接合部５１０においては、減衰装置３００に負の電圧がかけられ、第１のガラス部材１１０に正の電圧がかけられているため、逆電圧が発生していることを意味する。この逆電圧印加に起因して、接合部５１０では、接合強度の低下、接合面の剥離などの不具合が生じてセンサ精度の悪化を招くおそれがあった。なお、接合部６１０、６２０は、図１９（ｂ）における接合部６００に対応する。
【００１３】
本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、第１に、ガラス部材を介して力覚センサ用チップと減衰装置とを接合する際のガラス部材の位置合わせを容易にした力覚センサを提供することを課題とする。
そして、本発明は、第２に、ガラス部材を介して力覚センサ用チップと減衰装置とを陽極接合で接合する場合の接合強度の低下を防止することの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】
【００１４】
前記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、外力が伝達される作用部と、この作用部に隣接して設けられ歪み抵抗素子が配設された連結部と、前記作用部と連結部とを支持する支持部と、を有し、前記外力を前記歪み抵抗素子で検出する力覚センサ用チップと、前記外力が入力される入力部と、前記力覚センサ用チップを固定する固定部と、前記作用部に前記外力を減衰して伝達する伝達部と、を有する減衰装置と、を備え、前記作用部と前記伝達部との間には第１のガラス部材が介在され、前記支持部と前記固定部との間には第２のガラス部材が介在されて、前記力覚センサ用チップと前記減衰装置とが接合された力覚センサであって、前記第１のガラス部材と前記第２のガラス部材とを一体として結合する結合部材が設けられていることを特徴とする。
【００１５】
請求項１に係る発明によれば、第１のガラス部材と第２のガラス部材とを一体として結合する結合部材を設けたことで、部品数を削減し、両方のガラス部材を１部品のガラス部材として扱うことができる。このため、第１のガラス部材もしくは第２のガラス部材、または結合部材の位置合わせを１回行なうだけで、第１のガラス部材と第２のガラス部材の位置合わせを同時に行なうことができるため、位置合わせを容易にすることができる。そして、接合作業も第１のガラス部材と第２のガラス部材とを１部品として行なえばよいため、接合を容易に行なうことができる。
【００１６】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明であって、前記第１のガラス部材および第２のガラス部材は、前記力覚センサ用チップの同じ面側に設けられていることを特徴とする。
請求項２に係る発明によれば、第１のガラス部材および第２のガラス部材を力覚センサ用チップの同じ面側に設けたことで、第１のガラス部材と第２のガラス部材とを簡単な構成で簡易に結合することができる。
【００１７】
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の力覚センサであって、前記第１のガラス部材および第２のガラス部材は、前記力覚センサ用チップおよび前記減衰装置と陽極接合により接合されていることを特徴とする。
このように、第１のガラス部材および第２のガラス部材を、力覚センサ用チップおよび減衰装置と陽極接合により接合した場合には、結合部材を経由して第１のガラス部材と第２のガラス部材に同じように電圧をかけることができるため、逆電圧の発生を防止して接合強度を高めることができる。
【００１８】
請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の力覚センサであって、前記結合部材は、ガラス部材であることを特徴とする。
このように、第１のガラス部材と第２のガラス部材とをガラス部材で結合することで、全体として均質な部材で構成することができるため、熱伝導係数や電気伝導度等の物理特性が一致し、熱歪み等による変形の際の内部応力を低減し、陽極接合をする場合にもイオンの流れを均一化して安定した接合強度を得ることができる。また、第１のガラス部材および第２のガラス部材、並びに結合部材を１つのガラス素材から削り出して加工することもできるため、部品点数を削減し加工工数も低減することが可能である。
【００１９】
請求項５に係る発明は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の力覚センサであって、前記結合部材は、前記力覚センサ用チップおよび減衰装置とは接触しないように前記第１のガラス部材および第２のガラス部材に結合されていることを特徴とする。
このように、結合部材を力覚センサ用チップおよび減衰装置とは接触しないように設けることで、第１のガラス部材と第２のガラス部材とを直接結合し、陽極接合する際の電流のリーク（回り込み）を防止して、逆電圧の発生を防止することができる。
【００２０】
請求項６に係る発明は、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の力覚センサであって、前記結合部材は、前記第１のガラス部材もしくは第２のガラス部材を中心として点対称位置、または円周方向に均等に分割された位置に設けられていることを特徴とする。
このように、結合部材を前記第１のガラス部材もしくは第２のガラス部材を中心として点対称位置、または円周方向に均等に分割された位置にバランスよく配置することで、熱歪み等による変形の際の内部応力を低減することができる。また、陽極接合を行なう際にも第１のガラス部材および第２のガラス部材にバランスよく電圧をかけることができるため、イオンの流れを均一化して安定した接合強度を得ることができる。
【００２１】
請求項７に係る発明は、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の力覚センサであって、前記作用部は、前記力覚センサ用チップの中央部に設けられ、前記支持部は、前記力覚センサ用チップの周縁部に設けられ、前記連結部は、前記作用部と前記支持部の間に設けられていることを特徴とする。
このように、力覚センサ用チップの中央部に作用部を設け、その外側に連結部を設け、支持部を力覚センサの周縁部に設けることで、減衰装置で安定して支持部を保持しながら、作用部まで外力を減衰して伝達することができる。
【００２２】
請求項８に係る発明は、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の力覚センサであって、前記結合部材には、前記結合を解除して前記第１ガラス部材と第２ガラス部材との間の前記外力の伝達を遮断する不連続部が形成されていることを特徴とする。
このように、第１ガラス部材と第２ガラス部材との間の外力の伝達を遮断する不連続部を形成することで、外力の伝達ルートが単純化され、外力は力覚センサ用チップに伝達される力と減衰装置の固定部から外部に伝達される力のみとなる。このため、ガラスビームに伝達される外力による応力集中を回避することで、第１および第２のガラス部材の損傷を防止することができる。
【００２３】
すなわち、前記結合部材は、第１のガラス部材と第２のガラス部材を結合することで、部品点数を削減し、第１および第２のガラス部材の位置合わせを容易にするメリットを有する。
しかし、減衰装置と力覚センサ用チップの間に介在するように接合され力覚センサが完成した後は、結合部材はその役割を終了し無用の存在となる。無用の存在であるだけではなく、減衰装置の固定部から第２のガラス部材を介してガラスビームに外力の一部が印加される場合があり、このような場合には、ガラスビームに集中応力がかかって、ガラスビームや第１、第２のガラス部材に損傷を与えるおそれがある。
そこで、本発明は、第１のガラス部材と第２のガラス部材との間の外力の伝達を遮断する不連続部を形成することで、応力集中の発生を防止するとともに内部応力を開放してガラス部材の損傷を回避している。
【００２４】
請求項９に係る発明は、外力が伝達される作用部と、この作用部に隣接して設けられ歪み抵抗素子が配設された連結部と、前記作用部と連結部とを支持する支持部と、を有し、前記外力を前記歪み抵抗素子で検出する力覚センサ用チップと、前記外力が入力される入力部と、前記力覚センサ用チップを固定する固定部と、前記作用部に前記外力を減衰して伝達する伝達部と、を有する減衰装置と、前記作用部と前記伝達部との間に介在された第１のガラス部材と、前記支持部と前記固定部との間に介在された第２のガラス部材と、前記第１および第２のガラス部材とを一体として結合する結合部材と、を有するガラス部材と、を用いて力覚センサを製造する力覚センサの製造方法であって、前記第１および第２のガラス部材と前記減衰装置の伝達部および固定部とをそれぞれ陽極接合により接合し、前記ガラス部材と前記減衰装置とを接合する第１接合工程と、前記第１および第２のガラス部材と前記力覚センサの作用部および支持部とをそれぞれ陽極接合により接合し、前記ガラス部材と前記力覚センサとを接合する第２接合工程と、を含むことを特徴とする。
【００２５】
請求項１０に係る発明は、外力が伝達される作用部と、この作用部に隣接して設けられ歪み抵抗素子が配設された連結部と、前記作用部と連結部とを支持する支持部と、を有し、前記外力を前記歪み抵抗素子で検出する力覚センサ用チップと、前記外力が入力される入力部と、前記力覚センサ用チップを固定する固定部と、前記作用部に前記外力を減衰して伝達する伝達部と、を有する減衰装置と、前記作用部と前記伝達部との間に介在された第１のガラス部材と、前記支持部と前記固定部との間に介在された第２のガラス部材と、前記第１および第２のガラス部材とを一体として結合する結合部材と、を有するガラス部材と、を用いて力覚センサを製造する力覚センサの製造方法であって、前記第１および第２のガラス部材と前記力覚センサの作用部および支持部とをそれぞれ陽極接合により接合し、前記ガラス部材と前記力覚センサとを接合する第１接合工程と、前記第１および第２のガラス部材と前記減衰装置の伝達部および固定部とをそれぞれ陽極接合により接合し、前記ガラス部材と前記減衰装置とをする第２接合工程と、を含むことを特徴とする。
【００２６】
請求項１１に係る発明は、請求項９または請求項１０に記載の力覚センサの製造方法であって、前記第２接合工程の後、前記結合部材に前記第１ガラス部材から第２ガラス部材への前記外力の伝達を遮断する不連続部を形成する工程を含むことを特徴とする。
このように、第２接合工程の後、第１ガラス部材から第２ガラス部材への外力の伝達を遮断する不連続部を形成し、ガラスビームに伝達される外力の一部による内部応力の蓄積を回避することで、第１および第２のガラス部材の損傷を防止することができる。
【００２７】
請求項１２に係る発明は、請求項１１に記載の力覚センサの製造方法であって、前記不連続部を形成する工程は、前記結合部をレーザビームで切断する工程であることを特徴とする。
このように、結合部をレーザビームで切断することで、切断時における第１および第２のガラス部材等の他の部材へのストレスをできるだけ低減することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明に係る力覚センサおよびその製造方法は、第１に、ガラス部材を介して力覚センサ用チップと減衰装置とを接合する際のガラス部材の位置合わせを容易にすることができる。
そして、本発明に係る力覚センサおよびその製造方法は、第２に、ガラス部材を介して力覚センサ用チップと減衰装置とを陽極接合で接合する場合の接合強度の低下を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明の第１実施形態に係る力覚センサの全体構成について、図１〜図４を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明に係る力覚センサの概略構成を説明するための斜視図であり、（ａ）は外観を示す斜視図、（ｂ）は断面を模式的に示した斜視図である。図２は、外力が減衰されて力覚センサ用チップに伝達される様子を模式的に示した断面斜視図である。図３は、本発明に係るガラス部材の接合の状態を模式的に示す断面図である。図４は、本発明に係る力覚センサを構成するガラス部材の形態を説明するための図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
なお、参照する図において、説明の便宜上、減衰装置やガラスビーム等は単純化して表わすため、形状や位置関係等は模式的に概念化して示す場合がある。また、歪みの程度等においても誇張して表わす場合がある。
【００３０】
本発明に係る力覚センサ１は、図１（ａ）に示すように、外観において入力部３０が突出した円盤状の形状に構成され、伝達された外力Ｆの６軸成分を検出する力覚センサ用チップ２と（図１（ｂ）参照）、力覚センサ用チップ２を固定するとともに外力Ｆを減衰して力覚センサ用チップ２に伝達する減衰装置３と、を備え、力覚センサ用チップ２と減衰装置３とは、ガラス部材１０（詳細は図４、図５を参照）を介して接合されている。
ここで、本発明に係る力覚センサ１は、外力Ｆを６軸成分について力およびモーメントを検出できる６軸の力覚センサ１を例として説明する。具体的には、力の成分は、直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向について、それぞれＦｘ，Ｆｙ，Ｆｚとする。そして、モーメントの成分は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の回りについて、それぞれＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚとする。
なお、本実施形態においては、６軸の力覚センサを例として説明するが、本発明は特に力覚センサの検出軸数や外力の大きさ等に制限されるものではない。
【００３１】
力覚センサ用チップ２は、図１（ｂ）に示すように、平面視で略正方形の形状に構成され（図７を併せて参照）、外力Ｆが減衰装置３の伝達部３１から減衰されて伝達される作用部２１と、作用部２１を支持する支持部２２と、作用部２１と支持部２２とを連結する連結部２３と、を備えている。
減衰装置３は、外力Ｆが入力される入力部３０と、入力部３０に加えられた外力Ｆを減衰して力覚センサ用チップ２の作用部２１に伝達する伝達部３１と、力覚センサ用チップ２を固定する固定部３２と、固定部３２と入力部３０とを連結している円板部３４と、を備えている。そして、円板部３４には、平面視で円弧状の長穴形状に形成された緩衝穴３３が設けられている。
ガラス部材１０は、減衰装置３の固定部３２の下面側および伝達部３１の下面に接合されている。そして、力覚センサ用チップ２は、ガラス部材１０を介して減衰装置３の下面に固定されている。
【００３２】
このように、本実施形態では、減衰装置３において、力覚センサ用チップ２の固定部３２と外力Ｆが伝達される伝達部３１とが力覚センサ用チップ２の同じ側（本図上の上側）で接合されている。かかる構成により、全体として薄型化を図ることができる。
なお、減衰装置３は、ステンレス鋼材で製造したが、アルミニウム、炭素鋼などの他の金属材料を用いてもよい。
【００３３】
また、固定部３２と入力部３０とを連結する円板部３４を設けたことで、入力部３０に加えられた外力Ｆは、図２に示すように、主として固定部３２で受け止められて外部へ伝達される。一方、円板部３４に緩衝穴３３を設けたことで、入力部３０が外力Ｆの作用する方向に変形し、外力Ｆは減衰されてその一部が入力部３０から伝達部３１を介して力覚センサ用チップ２の作用部２１（図３を併せて参照）に伝達される。
このように、緩衝穴３３の数や形状を適宜調整して減衰装置３を製造することで、力覚センサ用チップ２のチップ耐力を超える大きさの外力Ｆが印加された場合であっても、適宜減衰された力が力覚センサ用チップ２に印加されてバランス良く高精度に外力Ｆの検出ができるようになる。
【００３４】
力覚センサ用チップ２と減衰装置３とは、図３に示すように、ガラス部材１０を介在させて陽極接合されている。具体的には、ガラス部材１０の本図上上面では減衰装置３と陽極接合され、ガラス部材１０の下面では力覚センサ用チップ２と陽極接合されている。
ガラス部材１０は、図４（ａ）に示すように、全体として円板形状であり、中心部に配置された第１のガラス部材１１と、外縁部に配置された第２のガラス部材１２と、第１のガラス部材１１と第２のガラス部材１２とを一体として結合する結合部材であるガラスビーム１３と、を備えている。
そして、第１のガラス部材１１と第２のガラス部材１２とガラスビーム１３は、同じガラス部材からなる一つのガラス材料から機械加工で削り出して一体として製作されている。このため、全体として均一な材質で構成され、剛性も確保されている。また、第１のガラス部材１１および第２のガラス部材１２とガラスビーム１３との接合部にも接着剤等の他の部材が介在していないので、陽極接合の際にもＮａ＋等のアルカリイオンの流れを円滑にするとともに、異種材料の混合による熱歪み等の影響も排除することができる。
なお、ガラス部材１０は削り出しに限らず、他の工法で製造してもよい。
【００３５】
図４に示すように、第１のガラス部材１１は、ガラス部材１０の中心部分において、減衰装置３の伝達部３１（図３参照）と同等の平面形状を備えた円柱状に構成されている。第１のガラス部材１１の上面は、減衰装置３の伝達部３１と陽極接合され、下面は力覚センサ用チップ２の作用部２１（図３参照）と陽極接合される。なお、第１のガラス部材１１の平面積は、伝達部３１の平面積よりも若干大きくなるようにしてもよい。この場合、ガラス部材１０と減衰装置３に少しの位置ずれが生じても伝達部３１の端部全面で確実に陽極接合がされ得る。
【００３６】
なお、第１のガラス部材１１は円柱ではなく、テーパーが設けられた円錐形状、すなわち側面形状が台形となるようにしてもよい。円錐形状とされた第１のガラス部材が有する上下２つの接合面のうち、広い方の接合面を減衰装置３に接合すれば、接合面積が稼げてトータルの接合強度が向上する。
【００３７】
第２のガラス部材１２は、中央部に略正方形の貫通孔１４を有する円板形状で構成されている。貫通孔１４は、力覚センサ用チップ２の連結部２３（図１参照）に対応して形成されている。すなわち、貫通孔１４の外周側に設けられた第２のガラス部材１２の下面において、力覚センサ用チップ２の支持部２２（図３参照）との接合部が陽極接合される。また、第２のガラス部材１２の上面において、減衰装置３の固定部３２（図３参照）との接合部（図４（ａ）にてドットで示す領域Ｒ）が陽極接合される。固定部３２の平面積よりも、第２のガラス部材１２の平面積の方が若干大きく設けられているため、接合時に少しの位置ずれが生じても、固定部３２と第２のガラス部材１２とが確実に十分な接合領域で陽極接合され得る（図３参照）。
【００３８】
ガラスビーム１３は、図４に示すように、第１のガラス部材１１と第２のガラス部材１２とを一体として結合する梁の役割を果す部材である。
具体的には、第１のガラス部材１１の外周面１６と第２のガラス部材１２の内周面１５に連結されている。また、ガラスビーム１３は、平板状に形成され、その厚さが第１のガラス部材１１および第２のガラス部材１２の厚さよりも薄く形成されている。このようにして、ガラスビーム１３の上面および下面が、それぞれ第１のガラス部材１１および第２のガラス部材１２の上面および下面から突出しないように隙間１７，１８が設けられている。
【００３９】
なお、本実施形態においては、ガラスビーム１３を平板状に形成しているが、円柱状でもよく、格子状に形成してもよい。要するに、第１のガラス部材１１と第２のガラス部材１２とを一体として結合し、加工性等を考慮しながら剛性を確保できるような数や形状であればよい。
【００４０】
ここで、ガラス部材１０の他の形態について、図５を参照しながら説明する。図５は、ガラス部材の他の形態を説明するための図であり、（ａ−１）〜（ｃ−１）は平面図、（ａ−２）〜（ｃ−２）は断面図である。
これらのガラス部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、図５（ａ−１）〜（ｃ−１）に示すように、ガラス部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃをそれぞれ構成する第１のガラス部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、前述の第１のガラス部材１１と同様に円板形状である。一方、第２のガラス部材１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、内周形状が円形である点で第２のガラス部材１２と異なる。ガラス部材の形状は、確実に陽極接合がなされるように、減衰装置３や力覚センサ用チップ２との接合面などに応じて適宜選択すればよい。
【００４１】
また、ガラスビーム１３においても、種々の形態が適宜採用される。
具体的には、図５（ａ）に示すガラス部材１０ａでは、第１のガラス部材１１ａの周りに円周上で１２０度ごとに３等配でガラスビーム１３ａ，１３ａ，１３ａがバランスよく設けられている。
図５（ｂ）に示すガラス部材１０ｂでは、第１のガラス部材１１ｂの周りに円周上で９０度ごとに４等配でガラスビーム１３ｂ，１３ｂ，１３ｂ，１３ｂが設けられている。
図５（ｃ）に示すガラス部材１０ｃでは、第２のガラス部材１２ｃには、前記したガラス部材１０ａ，１０ｂにあるような貫通孔１４ａ，１４ｂが形成されておらず（図５（ａ）（ｂ）参照）、第１のガラス部材１１ｃと第２のガラス部材１２ｃとの間を隙間なく連続して埋め尽くすように円板形状のガラスビーム１３ｃが設けられている。
【００４２】
そして、これらのガラス部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃにおけるガラスビーム１３ａ，１３ｂ，１３ｃにおいても、前記実施形態におけるガラスビーム１３（図４参照）と同様に、ガラス部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃの上面および下面が、それぞれ第１のガラス部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃおよび第２のガラス部材１２ａ，１２ｂ，１２ｃの上面および下面から突出しないように隙間１７ａ，１７ｂ，１７ｃおよび隙間１８ａ，１８ｂ，１８ｃが設けられている。これによって、力覚センサ用チップ２や減衰装置３との陽極接合が阻害されないようになっている。
【００４３】
本実施形態に係る力覚センサ１において、前記のように第１のガラス部材１１と第２のガラス部材１２とを一体として結合するガラスビーム１３（ガラスビーム１３ａ，１３ｂ，１３ｃも含む。以下、同じ。）を設けたことで、以下のような作用効果を奏する。
ガラス部材１０（ガラス部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃも含む。以下、同じ。）において、ガラスビーム１３により、第１のガラス部材１１と第２のガラス部材１２とを一体として結合したことで、２部品のガラス部材１１，１２を１部品のガラス部材１０として扱うことができる。このため、第１のガラス部材１１もしくは第２のガラス部材１２、またはガラスビーム１３の位置合わせを１回行なうだけで、第１および第２のガラス部材１１，１２を同時に力覚センサ用チップ２または減衰装置３に接合することができる。すなわち、位置合わせ処理および接合処理の回数を低減することができる。特に、非常に小さな第１のガラス部材１１単独の位置合わせをする必要がないため、位置合わせの精度も向上する。
【００４４】
また、減衰装置３の伝達部３１および固定部３２が、力覚センサ用チップ２の同一面側に設けられているので、力覚センサ１の薄型化と組立工程の簡略化や精度向上が実現する。
【００４５】
本発明では、図１９を用いて説明した従来例と異なり、減衰装置の伝達部と第１のガラス部材との接合部に逆電圧が印加されることがない。この点について、図６を参照して説明する。
図６（ａ）は、減衰装置とガラス部材の陽極接合時における電圧印加の方向を示す断面図であり、図６（ｂ）は、ガラス部材と力覚センサ用チップの陽極接合時における電圧印加の方向を示す断面図である。
図６（ｂ）に示すように、ガラスビーム１３が設けられているため第１および第２のガラス部材１１，１２はほとんど等電位となって、接合部５２の電圧印加方向が図６（ａ）の処理時と逆になることはない。すなわち、図６（ａ）、（ｂ）とで接合部５２を電子ｅが逆方向に流れることがない。この結果、本発明による力覚センサ１では、逆電圧印加を起因とする接合部５２の接合強度の低下や剥離などの不具合が防止される。
【００４６】
なお、本実施形態においては、減衰装置３とガラス部材１０とを接合部５１，５２で陽極接合した後、ガラス部材１０と力覚センサ用チップ２とを接合部６１，６２で陽極接合しているが、これに限定されるものではなく、ガラス部材１０と力覚センサ用チップ２とを接合部６１，６２で陽極接合した後、減衰装置３とガラス部材１０とを接合部５１，５２で陽極接合しても同様に、接合部に対する逆電圧の印加を防止することができる。
【００４７】
さらに、第１のガラス部材１１と第２のガラス部材１２とガラスビーム１３とを同じガラス部材からなる一つのガラス材料から製作することで、全体として均質な部材で構成することができるため、熱伝導係数や電気伝導度等の物理特性が一致し、熱歪み等による変形の際の内部応力を低減し、陽極接合をする場合にもイオンの流れを均一化して安定した接合強度を得ることができる。また、第１のガラス部材１１、第２のガラス部材１２、およびガラスビーム１３を、一例としてガラス素材から削り出して加工することもできるため、加工工数も低減することが可能である。ただし、ガラス部材１０の製造方法として他の製法を採用してもよい。
【００４８】
続いて、力覚センサ用チップ２について、図７と図８を参照しながら説明する。図７は力覚センサ用チップの概略構成を説明するための平面図であり、図８は力覚センサ用チップの詳細を説明するための要部を示す平面図である。
力覚センサ用チップ２は、図７に示すように、平面視で略正方形の半導体基板２０の上に構成され、外力Ｆ（図１参照）が伝達される作用部２１と、作用部２１に隣接する所定の位置に歪み抵抗素子Ｓおよび温度補償用抵抗素子２４等の抵抗素子が配置された連結部２３と、作用部２１および連結部２３を支持する支持部２２と、を備えている。そして、歪み抵抗素子Ｓおよび温度補償用抵抗素子２４には、抵抗値の測定を行なう図示しない外部機器と接続するための配線２８が信号電極パッド２５およびＧＮＤ電極パッド２６まで接続されている。
【００４９】
作用部２１は、力覚センサ用チップ２の中央に設けられ、減衰装置３の伝達部３１が第１のガラス部材１１を介して接合されている（図１（ｂ）参照）。
連結部２３は、図８に示すように、作用部２１と支持部２２とを連結する領域である。また、細長いスリット状の貫通孔Ａ〜Ｄ，Ｋ〜Ｎが所定の箇所に形成されている。連結部２３には、両端が支持部２２に結合された梁状の弾性部２３ａ１，２３ｂ１，２３ｃ１，２３ｄ１と、この弾性部２３ａ１，２３ｂ１，２３ｃ１，２３ｄ１の中央付近にＴ字型に結合された橋梁部２３ａ２，２３ｂ２，２３ｃ２，２３ｄ２と、が設けられ、この橋梁部２３ａ２，２３ｂ２，２３ｃ２，２３ｄ２に、歪み抵抗素子Ｓ（Ｓｘａ１〜Ｓｘａ３，Ｓｘｂ１〜Ｓｘｂ３，Ｓｙａ１〜Ｓｙａ３，Ｓｙｂ１〜Ｓｙｂ３）が配置されている。そして、歪み抵抗素子Ｓおよび貫通孔Ａ〜Ｄ，Ｋ〜Ｎに対して所定の位置に、温度による歪み抵抗素子Ｓの歪みを補正する温度補償用抵抗素子２４と、温度補償用抵抗素子２４が正常に機能しているかどうかを監視するためのモニタ用抵抗素子２４ａと、が配置されている。
支持部２２は、力覚センサ用チップ２の周縁部に位置し、連結部２３に形成された直線状の貫通孔Ａ〜Ｄのさらに外側の部分であって、その全部または一部が減衰装置３の固定部３２と第２のガラス部材１２を介して接合されている（図１（ｂ）参照）。
【００５０】
歪み抵抗素子Ｓは、図８に示すように、半導体基板２０の表面（上層部）に形成された長方形の形状の活性層（拡散層）であり、図示は省略するが、その長手方向に外力が作用して変形すると抵抗が変化するように構成されている。
歪み抵抗素子Ｓは、作用部２１から等しい距離に設けられた橋梁部２３ａ２，２３ｂ２，２３ｃ２，２３ｄ２にそれぞれ３個ずつグループ化して４箇所に配置されている。具体的には，Ｘ軸方向の橋梁部２３ｂ２，２３ｄ２には、それぞれ歪み抵抗素子Ｓｘａ１〜Ｓｘａ３，Ｓｘｂ１〜Ｓｘｂ３が作用部２１を挟んで対象となる位置に配置されている。また、Ｙ軸方向の橋梁部２３ａ２，２３ｃ２には、それぞれ歪み抵抗素子Ｓｙａ１〜Ｓｙａ３，Ｓｙｂ１〜Ｓｙｂ３が作用部２１を挟んで対象となる位置に配置されている。
そして、各歪み抵抗素子Ｓｘａ１〜Ｓｘａ３，Ｓｘｂ１〜Ｓｘｂ３，Ｓｙａ１〜Ｓｙａ３，Ｓｙｂ１〜Ｓｙｂ３は、その長手方向が作用部２１に向かう方向（それぞれＸ軸方向またはＹ軸方向）に沿って配列されている。
【００５１】
貫通孔Ａ〜Ｄ，Ｋ〜Ｎは、直線状の貫通孔Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄと、鉤状に直角に曲がった貫通孔Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎとを組み合わせて構成されている。そして、全体として作用部２１の周りに略正方形の形状となるように、貫通孔Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎの直角の部分が正方形の四隅に形成されている。
具体的には、貫通孔Ｋは、歪み抵抗素子Ｓｘｂ１〜Ｓｘｂ３と歪み抵抗素子Ｓｙａ１〜Ｓｙａ３との間に形成されている。貫通孔Ｌは、歪み抵抗素子Ｓｙａ１〜Ｓｙａ３と歪み抵抗素子Ｓｘａ１〜Ｓｘａ３との間に形成されている。貫通孔Ｍは、歪み抵抗素子Ｓｘａ１〜Ｓｘａ３と歪み抵抗素子Ｓｙｂ１〜Ｓｙｂ３との間に形成されている。そして、貫通孔Ｎは、歪み抵抗素子Ｓｙｂ１〜Ｓｙｂ３と歪み抵抗素子Ｓｘｂ１〜Ｓｘｂ３との間に形成されている。一方、直線状の貫通孔Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、貫通孔Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎの外側に形成されている。このような貫通孔Ａ〜Ｄ，Ｋ〜Ｎによって、印加された外力Ｆ（図１参照）に応じた歪みが、歪み抵抗素子Ｓの配置位置において最も顕著に発生し、かつ、温度補償用抵抗素子２４，２４ａの配置位置においては生じないようになっている。
【００５２】
このように、貫通孔Ａ〜Ｄ，Ｋ〜Ｎを設けることで、貫通孔Ａ〜Ｄ，Ｋ〜Ｎに接する縁部は自由にストレスがなく移動することができるため、作用部２１に外力Ｆ（図１参照）が作用しても、外力Ｆによる引張力や圧縮力が作用しない自由端となっている。
これに対して、橋梁部２３ａ２〜２３ｄ２や弾性部２３ａ１〜２３ｄ１、特に、歪み抵抗素子Ｓの配置位置や支持部２２と弾性部２３ａ１〜２３ｄ１との接続部においては、引張力や圧縮力が所定の方向に作用する。
【００５３】
なお、本実施形態においては、直線状の貫通孔Ａ〜Ｄと鉤状の貫通孔Ｋ〜Ｎを略正方形の形状になるように形成し、この貫通孔Ａ〜Ｄ，Ｋ〜Ｎによって生じる歪みを考慮して歪み抵抗素子Ｓおよび温度補償用抵抗素子２４，２４ａを配置した。しかし、これに限定されるものではなく、検出される軸力およびモーメントを考慮して、例えば、貫通孔Ａ〜Ｄ，Ｋ〜Ｎを円形等他の形状に設けてもよい。
【００５４】
温度補償用抵抗素子２４は、歪み抵抗素子Ｓと同じ抵抗素子であって、それぞれ１２個の歪み抵抗素子Ｓｘａ１〜Ｓｘａ３，Ｓｘｂ１〜Ｓｘｂ３，Ｓｙａ１〜Ｓｙａ３，Ｓｙｂ１〜Ｓｙｂ３に対応させて、半導体基板２０上の所定の位置に１２個が配置されている。
温度補償用抵抗素子２４は、温度補償対象である歪み抵抗素子Ｓと温度条件が同じであって、印加される外力Ｆによる歪みの影響を受けない場所に配置されている。すなわち、温度補償用抵抗素子２４のそれぞれは、対応する歪み抵抗素子Ｓの近傍であって、自由端となっている貫通孔Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎの内側周縁部の近くに配置されている。
【００５５】
このように、力覚センサ用チップ２は、温度補償用抵抗素子２４を温度条件のみにより抵抗値が変化する位置に配置することで、歪み抵抗素子Ｓの抵抗値の変化から温度変化による抵抗値の変化をキャンセルして、周囲温度の影響を受けない状態で、抵抗値を検出するように構成されている。
具体的には、温度補償用抵抗素子２４と歪み抵抗素子Ｓとでブリッジ回路を構成し、歪み抵抗素子Ｓの温度変化および外力Ｆ（図１）による抵抗値の変化と、温度補償用抵抗素子２４の抵抗値の変化とを比較することで、歪み抵抗素子Ｓにおける外力Ｆによる抵抗値の変化のみを取り出して検出している。
なお、モニタ用抵抗素子２４ａ（歪み抵抗素子）は、応力が生じていないときのゼロ出力状態が常に確認できるように設けられている。
【００５６】
ここで、各歪み抵抗素子Ｓと、各歪み抵抗素子Ｓに対応するそれぞれの温度補償用抵抗素子２４との電気的接続関係について、図９を参照しながら説明する。図９の（ａ）は本発明に係る力覚センサ用チップにおける歪み抵抗素子と温度補償用抵抗素子との電気的接続関係を説明するためのハーフブリッジ回路を示す電気回路図であり、（ｂ）は本発明に係る力覚センサ用チップに外付け抵抗を付加したフルブリッジ回路を示す電気回路図である。
【００５７】
通常、フルブリッジ回路を力覚センサ用チップ内に構成するのが一般的であるが、ハーフブリッジ回路に外付け抵抗を付加して全体としてフルブリッジ回路としてもよい。本実施形態は、このような構成を採用したものである。
【００５８】
本発明に係る力覚センサ用チップ２（図７参照）における歪み抵抗素子Ｓと、その歪み抵抗素子Ｓに対応して温度補償を行なう温度補償用抵抗素子２４は、図９（ａ）に示すように、ブリッジ回路の下半分に対応するハーフブリッジ回路ＨＢを構成している。
具体的には、ハーフブリッジ回路ＨＢは、歪み抵抗素子Ｓと温度補償用抵抗素子２４の一端側（本図上の下側）が相互に連結されて、ＧＮＤ電極パッド（図７参照）を介してＧＮＤアース電位に接続されている。そして、歪み抵抗素子Ｓと温度補償用抵抗素子２４の他端側（本図上の上側）は、それぞれ信号電極パッド２５，２５に接続されている。
【００５９】
ハーフブリッジ回路ＨＢに対して、ブリッジ回路の上半分側を接続することでフルブリッジ回路を構成して、歪み抵抗素子Ｓにおける温度変化の影響をキャンセルした抵抗値を取り出すことができる。
具体的には、フルブリッジ回路は、図９（ｂ）に示すように、歪み抵抗素子Ｓおよび温度補償用抵抗素子２４の他端側（本図上の上側）に接続された信号電極パッド２５，２５にそれぞれ外付け抵抗Ｒ１，Ｒ２の一端側を接続して、外付け抵抗Ｒ１，Ｒ２の他端側は相互に連結して電源電圧ＶＥに接続されて構成されている。
このようなフルブリッジ回路を構成して、歪み抵抗素子Ｓ側の信号電極パッド２５と、温度補償用抵抗素子２４側の信号電極パッド２５との間の出力信号を検出することで、歪み抵抗素子Ｓの抵抗値の変化から温度変化による抵抗値の変化をキャンセルして、歪み抵抗素子Ｓにおける外力Ｆ（図１参照）による抵抗値の変化のみを取り出して検出している。
【００６０】
続いて、本発明の実施形態に係る力覚センサ１の動作について説明する。
本発明の実施形態に係る力覚センサ１に種々の軸成分を含んだ外力Ｆが入力されると、予め設計された割合で外力Ｆが減衰されて減衰後の力が力覚センサ用チップ２に伝達される。種々の軸成分の外力Ｆが入力された場合の減衰装置３の挙動について、図１０を参照しながら説明する。図１０は外力が加えられた場合の減衰装置の挙動を示す斜視図である。
例えば、図１０（ａ）に示すように、Ｘ軸方向の外力Ｆｘが入力部３０に入力された場合には、入力部３０が極めて微小ながらＸ軸方向に移動する。同様にして、Ｚ軸方向の外力Ｆｚが入力された場合には、図１０（ｂ）に示すように、入力部３０がＺ軸方向に移動する。そして、Ｙ軸回りのモーメントＭｙが入力された場合には、入力部３０がＹ軸回りに回転し、Ｚ軸回りのモーメントＭｚが入力された場合には入力部３０がＺ軸回りに回転する。なお、他の軸成分についても同様であるので、その説明は省略する。
【００６１】
図１１〜図１４を参照しながら、外力Ｆｘ，Ｆｚ，Ｍｙ，Ｍｚが印加された際の力覚センサ用チップ２に生じる歪みの状態について説明する。
【００６２】
図１１は、外力Ｆｘが作用部に伝達された場合の歪み抵抗素子の変形の様子を説明するための模式図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は歪み抵抗素子の変形の様子を示す平面図である。
図１１（ａ）に示すように、外力Ｆｘの印加により作用部２１がＸ方向に移動しようとし、これに伴って橋梁部２３ａ２，２３ｃ２においてたわみが顕著に生じる。このとき、図１１（ｂ）に示すように、たわみの外側の歪み抵抗素子Ｓｙａ１，Ｓｙｂ３には引張力が作用し、抵抗値が増加する。一方、たわみの内側の歪み抵抗素子Ｓｙａ３，Ｓｙｂ１には圧縮力が作用し、抵抗値が減少する。歪み抵抗素子Ｓｘａ１〜Ｓｘａ３，Ｓｘｂ１〜Ｓｘｂ３は、外力Ｆｘの影響を受けない。
【００６３】
図１２は、外力Ｆｚが作用部に伝達された場合の歪み抵抗素子の変形の様子を説明するための模式図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は歪み抵抗素子の変形の様子を示す断面図である。
図１２（ｂ）に示すように、外力Ｆｚの印加により作用部２１がＺ方向に移動しようとし、これに伴って橋梁部２３ａ２，２３ｂ２，２３ｃ２，２３ｄ２においてたわみが顕著に生じる。このとき、各歪み抵抗素子Ｓｘａ１〜Ｓｘａ３，Ｓｘｂ１〜Ｓｘｂ３，Ｓｙａ１〜Ｓｙａ３，Ｓｙｂ１〜Ｓｙｂ３は、半導体基板２０の表面（上層部）に形成されているから、すべての歪み抵抗素子Ｓｘａ１〜Ｓｘａ３，Ｓｘｂ１〜Ｓｘｂ３，Ｓｙａ１〜Ｓｙａ３，Ｓｙｂ１〜Ｓｙｂ３に引張力が作用し、抵抗値が増加する。
【００６４】
図１３は、外力Ｍｙが作用部に伝達された場合の歪み抵抗素子の変形の様子を説明するための模式図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は歪み抵抗素子の変形の様子を示す断面図である。
図１３（ｂ）に示すように、外力Ｍｙの印加によりＸ軸方向の橋梁部２３ｂ２，２３ｄ２には、それぞれモーメントＭｙによるたわみが生じ、歪み抵抗素子Ｓｘａ１〜Ｓｘａ３には圧縮力が作用し、抵抗値が減少する。一方、歪み抵抗素子Ｓｘｂ１〜Ｓｘｂ３には引張力が作用し、抵抗値が増加する。ただし、Ｙ軸方向の橋梁部２３ａ２，２３ｃ２では、ほとんど引張力も圧縮力も作用せず、抵抗値は変化しない。
【００６５】
図１４は、外力Ｍｚが作用部に伝達された場合の歪み抵抗素子の変形の様子を説明するための模式図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は歪み抵抗素子の変形の様子を示す平面図である。
図１４（ｂ）に示すように、外力Ｍｚの印加により各橋梁部２３ａ２，２３ｂ２，２３ｃ２，２３ｄ２には、それぞれモーメントＭｚによるたわみが生じ、たわみの外側に配置された歪み抵抗素子Ｓｙａ３，Ｓｘａ３，Ｓｙｂ３，Ｓｘｂ３には引張力が作用し、抵抗値が増加する。一方、たわみの内側に配置された歪み抵抗素子Ｓｙａ１，Ｓｘａ１，Ｓｙｂ１，Ｓｘｂ１には圧縮力が作用し、抵抗値が減少する。ただし、たわみの中心に位置する歪み抵抗素子Ｓｘａ２，Ｓｘｂ２，Ｓｙａ２，Ｓｙｂ２には、ほとんど引張力も圧縮力も作用しないため、抵抗値は変化しない。
【００６６】
以上、代表的な４つの軸力を例として、概念的に簡略化して外力Ｆに含まれる各成分（力またはモーメント）と歪み抵抗素子Ｓに作用する力との関係を説明した。そして、歪み抵抗素子Ｓに圧縮力または引張力が作用すると抵抗値が減少または増加するため、この抵抗値の変化率（抵抗変化率）をブリッジ回路（図６）により検出している。
この抵抗変化率に基づいて、６軸の力覚センサ１から最終的に出力される信号は、各単一の成分（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）に対応する演算抵抗変化率Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ６である。
【００６７】
すなわち、演算抵抗変化率Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ６は、できるだけ他軸干渉の影響を排除して、それぞれ外力に含まれる各成分（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）に対応させて、抵抗変化率から以下のように定められる。
Ｓｉｇ１＝（（Ｒ′Ｓｙａ１−Ｒ′Ｓｙａ３）＋（Ｒ′Ｓｙｂ３−Ｒ′Ｓｙｂ１））／４
Ｓｉｇ２＝（（Ｒ′Ｓｘａ３−Ｒ′Ｓｘａ１）＋（Ｒ′Ｓｘｂ１−Ｒ′Ｓｘｂ３））／４
Ｓｉｇ３＝（Ｒ′Ｓｘａ２＋Ｒ′Ｓｙａ２＋Ｒ′Ｓｘｂ２＋Ｒ′Ｓｙ２）／４
Ｓｉｇ４＝（Ｒ′Ｓｙａ２−Ｒ′Ｓｙｂ２）／２
Ｓｉｇ５＝（Ｒ′Ｓｂａ２−Ｒ′Ｓｘａ２）／２
Ｓｉｇ６＝（（Ｒ′Ｓｘａ３−Ｒ′Ｓｘａ１）＋（Ｒ′Ｓｙａ３−Ｒ′Ｓｙａ１）
＋（Ｒ′Ｓｘｂ３−Ｒ′Ｓｘｂ１）＋（Ｒ′Ｓｙｂ３−Ｒ′Ｓｙｂ１））／８
ここで、抵抗変化率は、例えば、Ｒ′Ｓｙａ１のように表すが、これはＳｙａ１の抵抗変化率を示すものである。なお、Ｒ′Ｓｘａ１〜Ｒ′Ｓｘａ３，Ｒ′Ｓｘｂ１〜Ｒ′Ｓｘｂ３，Ｒ′Ｓｙａ１〜Ｒ′Ｓｙａ３，Ｒ′Ｓｙｂ１〜Ｓｙｂ３は、各歪み抵抗素子の温度補償後の抵抗変化率を表す。
【００６８】
６軸成分（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）と演算抵抗変化率Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ６との関係について説明する。力覚センサ１の出力信号である演算抵抗変化率Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ６に基づいて印加外力Ｆの各成分を算出するためには、予め、単一成分の軸力を力覚センサ用チップ２に印加して、このときの出力信号Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ６を求めておく。これによって、６軸成分（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）と演算抵抗変化率Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ６との関係が把握される。
具体的には、例えば軸力Ｆｘを力覚センサ用チップ２に印加すると、実際上Ｍｙも印加されるが、力覚センサ用チップ２の形状や歪み抵抗素子Ｓ等の配置が４回対象に設けられているため、他軸干渉の影響はできるだけ排除され、Ｓｉｇ１は、ＦｘとＭｙとの一次式として表される。同様にして、Ｆｙを力覚センサ用チップ２に印加すると、Ｓｉｇ２は、ＦｙとＭｘとの一次式として表される。Ｓｉｇ３は、主としてＦｚの一次式で表すことができる（他の軸成分を無視できる程度まで抑えることも可能）。
軸モーメントについても同様に、Ｍｘを力覚センサ用チップ２に印加すると、Ｓｉｇ４は、ＭｘとＦｙとの一次式として表される。また、Ｍｙを力覚センサ用チップ２に印加すると、Ｓｉｇ５は、ＭｙとＦｘとの一次式として表される。Ｓｉｇ６は、Ｍｚの一次式で表すことができる（他の軸成分を無視できる程度まで抑えることが可能）。
なお、この点についての詳細は、本出願人による先の出願に係る特開２００３−２０７４０５号公報（図１３）を参照されたい。
【００６９】
以上のような実験により、演算抵抗変化率Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ６は、他軸干渉の影響をできるだけ排除して、６軸成分（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）の一次式で表すことができる。この一次式（行列式）から逆行列を求めることで、６軸成分（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）を演算抵抗変化率Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ６の一次式で表すことができる。このようにして、６軸成分（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）は、演算抵抗変化率Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ６から求めることができる（詳細については、特開２００３−２０７４０５号公報の段落００７０参照）。
【００７０】
続いて、本発明の第２実施形態に係る力覚センサ１′およびその製造方法について図１５と図１６を参照しながら説明する。図１５は本発明の第２実施形態に係る力覚センサのガラス部材の構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。図１６は本発明の第２実施形態に係る力覚センサの構成を示す断面図である。
本発明の第２実施形態に係るガラス部材においては、図１５に示すように、４本のガラスビーム１３には、第１のガラス部材１１と第２のガラス部材１２との間の外力Ｆの伝達を遮断する不連続部１９が形成されている。この不連続部１９は、ガラスビーム１３の途中をレーザビーム（レーザビーム切断法）で切断して形成されたものである。
【００７１】
具体的には、不連続部１９は、減衰装置３の緩衝穴３３（図１参照）を利用するか、図１６に示すように、円板部にレーザビーム切断用のアクセス用の小穴１９ａを設けて、ガラスビーム１３′を切断して形成することができる。
なお、不連続部１９の形成は、レーザビームによる切断に限られず、カッタで機械的に切断する方法やガラスビーム１３に荷重をかけてガラスビーム１３を折ることによっても形成することができる。この場合にも、減衰装置３の緩衝穴３３を利用するか、円板部に作業用のアクセス用の小穴１９ａを設けて作業を行なうことができる。
【００７２】
このように、ガラスビーム１３′に第１ガラス部材から第２ガラス部材への外力Ｆの伝達を遮断する不連続部を形成することで、外力Ｆの伝達ルートを単純化することができる。すなわち、外力Ｆは、力覚センサ用チップ２に伝達される力と減衰装置３の固定部３２から外部に伝達される力のみとなるので、外力Ｆの伝達ルートが単純化される。
このため、ガラスビーム１３′に伝達される外力Ｆによる応力集中を回避することで、第１および第２のガラス部材１１，１２の損傷を防止することができる。また、ガラスビーム１３′の応力集中を考慮することなく力覚センサ用チップ２や減衰装置３の仕様を設定することができ、設計の自由度が向上する。
【００７３】
続いて、本発明の第３実施形態に係る力覚センサ１″について、図１７と図１８を参照しながら説明する。図１７は、本発明の第２実施形態に係る力覚センサの構成を説明するための断面を表した斜視図である。図１６は、第２実施形態に係る力覚センサに使用される結合部材の構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図を示す。
以下の説明において、前記した第１実施形態に係る力覚センサ１と同一の構成については、同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００７４】
第３実施形態に係る力覚センサ１″は、図１７に示すように、前記した第１実施形態に係る力覚センサ１と減衰装置３″の構成が異なるため、ガラス部材１０″の形態が異なるものである。すなわち、前記した第１実施形態に係る力覚センサ１の減衰装置３は、伝達部３１と固定部３２とが力覚センサ用チップ２の同じ側にあるタイプであるのに対し、第３実施形態に係る力覚センサ１″は、力覚センサ用チップ２を固定する固定部３２″が本図上で力覚センサ用チップ２の下側と接合され、伝達部３１″は力覚センサ用チップ２の上側で接合されている点が異なる。
【００７５】
このため、ガラス部材１０″において、図１８に示すように、第１のガラス部材１１″が第２のガラス部材１２″の上方に配置され、第１のガラス部材１１″から第２のガラス部材１２″まで、断面視でコの字状に結合部材１３″が連結されている。
このように、減衰装置３が力覚センサ用チップ２を保持する形態は多様であるが、減衰装置３の形態に対応させて、適宜結合部材を構成することで、本発明を同様に適用することができる。
【００７６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更して実施することが可能である。
例えば、前記実施形態においては、第１のガラス部材１１と第２のガラス部材１２とガラスビーム１３は、同じガラス部材からなる一つのガラス材料から機械加工で削り出して製作されているが、これに限定されるものではなく、第１のガラス部材１１と第２のガラス部材１２とを別々に製作した後に、ガラス部材を使用して第１のガラス部材１１と第２のガラス部材１２とを一体として結合することもできる。
【００７７】
前記実施形態においては、ガラス部材１０と減衰装置３および力覚センサ用チップ２とを陽極接合により接合しているが、これに限定されるものではなく、接着して固定してもよい。
【００７８】
本実施形態においては、力覚センサ用チップ２において、中央部に作用部２１を設け、作用部２１の外側に連結部２３および支持部２２を設けているが、これに限定されるものではなく、中央部に支持部２２を設け、その外側に連結部２３を設け、さらにその外側に作用部２１を設ける構成とすることもできる。要するに、連結部２３は、作用部２１に隣接する位置で連結部２３に配置された歪み抵抗素子Ｓで作用部２１に伝達された外力Ｆを検出でき、支持部２２で連結部２３および作用部２１を支持できるような構成であればよい。
また、本実施形態においては、力覚センサ用チップ２を略正方形としているが、これに限定されるものではなく、矩形としてもよいし、円形としてもよい。また、減衰装置３も立方体や直方体の形状とすることもできる。本発明は、力覚センサ用チップ２の形状や減衰装置３の形状、およびこれらの組合せに関して、多様な形態を採用することができる。
【００７９】
本実施形態においては、歪み抵抗素子Ｓおよび温度補償用抵抗素子２４はそれぞれ１２個としたが、これに限定されるものではなく、チップの形状等によっては他の数であってもよい。また、歪み抵抗素子Ｓや温度補償用抵抗素子２４の配置場所は、本実施例と異なる位置であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明に係る力覚センサの概略構成を説明するための斜視図であり、（ａ）は外観を示す斜視図、（ｂ）は断面をとって内部構造を示した斜視図である。
【図２】外力が減衰されて力覚センサ用チップに伝達される様子を模式的に示した断面斜視図である。
【図３】本発明の実施形態に係るガラス部材の接合の状態を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係るガラス部材の形態を説明するための図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図５】本発明の実施形態に係るガラス部材の他の形態を説明するための図であり、（ａ１）〜（ｃ１）は平面図、（ａ２）〜（ｃ２）は断面図である。
【図６】（ａ）は本発明の実施形態に係る力覚センサの減衰装置とガラス部材の陽極接合時における電圧印加の方向を示す断面図であり、（ｂ）はガラス部材と力覚センサ用チップの陽極接合時における電圧印加の方向を示す断面図である。
【図７】本発明の実施形態に係る力覚センサ用チップの概略構成を説明するための平面図である。
【図８】本発明の実施形態に係る力覚センサ用チップの詳細を説明するための要部を示す平面図である。
【図９】（ａ）は本発明に係る力覚センサ用チップにおける歪み抵抗素子と温度補償用抵抗素子との電気的接続関係の一例を説明するためのハーフブリッジ回路を示す電気回路図であり、（ｂ）は本発明に係る力覚センサ用チップに外付け抵抗を付加したフルブリッジ回路を示す電気回路図である。
【図１０】外力が加えられた場合の減衰装置の挙動を示す斜視図である。
【図１１】Ｘ軸方向の外力Ｆｘが作用部に伝達された場合の歪み抵抗素子の変形の様子を説明するための模式図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は歪み抵抗素子の変形の様子を示す平面図である。
【図１２】Ｚ軸方向の外力Ｆｚが作用部に伝達された場合の歪み抵抗素子の変形の様子を説明するための模式図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は歪み抵抗素子の変形の様子を示す断面図である。
【図１３】Ｙ軸回りのモーメントＭｙが作用する場合の歪み抵抗素子の変形の様子を説明するための模式図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は歪み抵抗素子の変形の様子を示す断面図である。
【図１４】Ｚ軸回りのモーメントＭｚが作用する場合の歪み抵抗素子の変形の様子を説明するための模式図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は歪み抵抗素子の変形の様子を示す平面図である。
【図１５】本発明の第２実施形態に係る力覚センサのガラス部材の構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図１６】本発明の第２実施形態に係る力覚センサの構成を示す断面図である。
【図１７】本発明の実施形態に係る他の力覚センサの構成を説明するための断面を表した斜視図である。
【図１８】本発明の実施形態に係る他の力覚センサのガラス部材の構成を示す図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は断面図である。
【図１９】従来の陽極接合の手順を示す模式図であり、（ａ）はガラス板と減衰装置とを接合し、（ｂ）はガラス板が接合された減衰装置と力覚センサ用チップとを接合する様子を示し、（ｃ）と（ｄ）は具体的な減衰装置に適用した場合の断面図であり、（ｃ）はガラス板と減衰装置とを接合し、（ｄ）はガラス板が接合された減衰装置と力覚センサ用チップとを接合する様子を示す。
【符号の説明】
【００８１】
１，１′，１″    力覚センサ
２，２′    力覚センサ用チップ
３，３″    減衰装置
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０′    ガラス部材
１１，１１′    第１のガラス部材
１２，１２′    第２のガラス部材
１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，    ガラスビーム（結合部材）
１３″  ガラスビーム（結合部材）
１９    不連続部
２１    作用部
２２    支持部
２３    連結部
３０    入力部
３１    伝達部
３２    固定部
３３    緩衝穴
Ｓｘａ１〜Ｓｘａ３    歪み抵抗素子
Ｓｘｂ１〜Ｓｘｂ３    歪み抵抗素子
Ｓｙａ１〜Ｓｙａ３    歪み抵抗素子
Ｓｙｂ１〜Ｓｙｂ３    歪み抵抗素子
【図１】
2008051625.tif 000003
【図２】
2008051625.tif 000004
【図３】
2008051625.tif 000005
【図４】
2008051625.tif 000006
【図５】
2008051625.tif 000007
【図６】
2008051625.tif 000008
【図７】
2008051625.tif 000009
【図８】
2008051625.tif 000010
【図９】
2008051625.tif 000011
【図１０】
2008051625.tif 000012
【図１１】
2008051625.tif 000013
【図１２】
2008051625.tif 000014
【図１３】
2008051625.tif 000015
【図１４】
2008051625.tif 000016
【図１５】
2008051625.tif 000017
【図１６】
2008051625.tif 000018
【図１７】
2008051625.tif 000019
【図１８】
2008051625.tif 000020
【図１９】
2008051625.tif 000021