【手続補正書】
【提出日】平成19年2月2日(2007.2.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の名称
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】多軸力センサ
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】 半導体基板からなる多軸力センサ機能を有するセンサチップであり、該センサチップが、外力が印加される作用部と、外部構造体に固定される支持部と、前記作用部と前記支持部とを連結する、各々が剛性の高い領域と剛性の低い領域とからなる平面形状を有する少なくとも４本以上からなる連結部とから構成され、前記連結部の表面に形成された歪み検出素子が配置され、各々の歪み検出素子が前記支持部に配置された対応する電極に配線されていることを特徴とする多軸力センサ。
【請求項２】 前記連結部が前記作用部の周囲に等間隔に各々配置されており、前記剛性の低い領域が前記支持部に少なくとも２箇所で接続される弾性部であり、前記剛性の高い領域が前記作用部と接続される橋梁部であることを特徴とする請求項１記載の多軸力センサ。
【請求項３】 前記歪み検出素子が、前記橋梁部の表面において、大きな歪みの発生する領域に配置されることを特徴とする請求項２記載の多軸力センサ。
【請求項４】 前記歪み検出素子が前記作用部と前記橋梁部との接続部近傍の表面に配置されることを特徴とする請求項２に記載の多軸力センサ。
【請求項５】 前記歪み検出素子が、前記橋梁部に形成されたくびれ部に配置されることを特徴とする請求項２に記載の多軸力センサ。
【請求項６】 前記歪み検出素子が、前記橋梁部毎に、その長軸方向に対して平行に複数配置されていることを特徴とする請求項３から請求項５のいずれかに記載の多軸力センサ。
【請求項７】 前記連結部及び前記作用部の接続部と、該連結部及び前記支持部の接続部と、前記弾性部及び該橋梁部の接続部とにおける内角部が各々円弧状に加工形成されていることを特徴とする請求項２から請求項６のいずれかに記載の多軸力センサ。
【請求項８】 温度補償用の半導体抵抗素子が支持部に配置され、対応する電極に配線されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の多軸力センサ。
【請求項９】 接地電位であるガード配線が、歪み検出素子の接地電位ではない配線を、包囲するように配置されることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の多軸力センサ。
【請求項１０】 前記半導体基板にバイアスを印加するバイアス電極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９のいずれかに記載の多軸力センサ。
【請求項１１】 前記半導体基板において、前記橋梁部の前記歪み検出素子が配置される領域に相対する裏面の領域に、少なくとも１個以上の歪み検出素子が、前記橋梁部の長軸方向に対して平行に形成され、配線により電極に接続されていることを特徴とする請求項２から請求項１０のいずれかに記載の多軸力センサ。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の多軸力センサ（例えば、一実施形態における６軸力センサ１）は、半導体基板（例えば、一実施形態における半導体基板２）からなる多軸力センサ機能を有するセンサチップであり、該センサチップが、外力が印加される作用部（例えば、一実施形態における作用部４）と、外部構造体に固定される支持部（例えば、一実施形態における支持部３）と、前記作用部と前記支持部とを連結する、各々が剛性の高い領域と剛性の低い領域とからなる平面形状を有する少なくとも４本以上からなる連結部（例えば、Ｔ字ビーム形状の一実施形態における５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ）とから構成され、前記連結部の表面に形成された歪み検出素子（例えば、一実施形態における抵抗素子Ｓya1〜Ｓya3，抵抗素子Ｓyb1〜Ｓyb3，抵抗素子Ｓxa1〜Ｓxa3，抵抗素子Ｓxb1〜Ｓxb3）が配置され、各々の歪み検出素子が前記支持部の対応する電極に配線されている構成のため、上記剛性の低い領域が上記連結部にかかる余分な歪みを吸収し、半導体基板全体の歪みの発生を抑制する機能が有り、特定の軸成分の力又はモーメントが対応する歪み検出素子に選択的に歪みを発生させるので、各歪み検出素子による測定結果の組み合わせにより、印加される外力を効果的に力、モーメントの６成分に分離できるため、測定結果の他軸干渉を大幅に抑制できる。これにより、本発明の多軸力センサは、作用部に印加される外力の力，モーメントの６成分を各連結部に配置した各歪み検出素子に発生する歪みに基づき、再現性良く測定することが可能となる。本発明の多軸力センサ素子は、前記連結部が前記作用部の周囲に等間隔に各々配置されており、前記剛性の低い領域が前記支持部に少なくとも２箇所で接続される弾性部（例えば、一実施形態における弾性部５Ａb，５Ｂb，５Ｃb，５Ｄb）であり、前記剛性の高い領域が前記作用部と接続される橋梁部（例えば、一実施形態における橋梁部５Ａa，５Ｂa，５Ｃa，５Ｄa）である構成のため、弾性部が橋梁部にかかる余分な歪みを吸収し、一方向への力又はモーメントの印加による半導体基板全体の歪みの発生を抑制する機能が有り、特定の方向の力又はモーメントに対応する歪み検出素子に選択的に歪みを発生させるので、他軸干渉を大幅に抑制できる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
本発明の多軸力センサ素子は、前記橋梁部の表面において、作用部に外力が印加された場合に、前記作用部または前記連結部の他の領域に比較して、大きな歪みの発生する領域に歪み検出素子を配置することにより、歪み検出素子が所望の成分の力又はモーメントを選択的に検知出来るとともに、外力に対する歪み検出素子の感度（歪み検出素子が半導体抵抗素子である場合は抵抗値の変化量）を大きくすることができ、作用部に印加される外力の力及びモーメントの測定感度を向上させ、測定結果におけるロバスト性及び安定性を得ることが可能となる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
本発明の多軸力センサ素子は、前記歪み検出素子が前記作用部と前記橋梁部との接続部近傍の表面に配置されることにより、外力により発生する歪みが最も集中する領域に配置されることととなり、外力に対する歪み検出素子の抵抗値の変化量を大きくすることができ、効果的に作用部に印加される外力の力及びモーメントの測定感度を向上させ、測定結果におけるロバスト性及び安定性を得ることが可能となる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
本発明の多軸力センサ素子は、前記歪み検出素子が、前記橋梁部に形成されたくびれ部に配置されることにより、作用部に印加された外力の力またはモーメントの各成分に対応する連結部において、くびれ部に発生する応力が最も大きくなるため、このくびれ部に最も歪みが集中することとなり、外力に対する歪み検出素子の抵抗変化を大きくすることができ、効果的に作用部に印加される外力の力及びモーメントの測定感度を向上させ、測定結果におけるロバスト性及び安定性を得ることが可能となる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
本発明の多軸力センサ素子は、前記歪み検出素子が、前記橋梁部毎に、その長軸方向に対して平行に複数配置されていることにより、複数の歪み検出素子から得られる抵抗変化率を組み合わせて電気信号を取り出すことが可能となり、他軸干渉を防止するように、すなわち、特定の方向の力又はモーメント以外に対する抵抗変化率が打ち消し合うように、歪み検出素子を選択し、かつこれらの歪み検出素子の抵抗変化率から、力及びモーメントの６成分を求めるのに適した式を構成することができ、この式に基づいて力及びモーメントと抵抗変化率との関係を示す行列における非対角要素を、「０」または十分に小さくすることが可能である。これにより、本発明の多軸力センサは、他軸干渉を抑制することができ、印加される外力の力及びモーメントの多成分の測定精度を向上させ、力及びモーメントの測定結果におけるロバスト性を向上させることが可能となる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
本発明の多軸力センサ素子は、前記連結部及び前記作用部の接続部と、該連結部及び前記支持部の接続部と、前記弾性部及び該橋梁部の接続部とにおける内角部が各々円弧状（例えば、一実施形態における、穴の領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎの内周におけるＲ加工された内角部）に加工形成されていることにより、各接続部における応力を分散させ、作用部に印加される外力に対して、内角部に対する応力集中を抑制し、構造的な強度を向上させるため、印加される外力の測定範囲を広げることが可能となる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
本発明の多軸力センサ素子は、温度補償用の半導体抵抗素子（例えば、一実施形態における抵抗素子１３）が支持部に配置され、対応する電極（例えば、一実施形態における電極１４）に配線されていることにより、設けられている周囲の温度による抵抗変化を検知することができ、歪み検出素子の温度特性に対応して、抵抗変化の測定結果を補正することで、周囲温度に影響されない力及びモーメントの測定を行うことが可能である。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
本発明の多軸力センサ素子は、接地電位であるガード配線（例えば、一実施形態におけるＧＮＤ配線７）が、歪み検出素子の接地電位ではない配線（例えば、一実施形態における信号配線８）を、包囲するように配置されることにより、歪み検出素子からの電流を検出する場合、環境中の高周波ノイズによる外乱を押さえ、かつ前記ガード配線が他の歪み検出素子の配線からのクロストークノイズをシールドするため、歪み検出素子の抵抗変化における電流測定のＳ／Ｎ比を向上させることができ、印加される外力の力及びモーメントの測定精度を向上させ、測定結果におけるロバスト性及び安定性を得ることが可能となる。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
本発明の多軸力センサ素子は、前記半導体基板にバイアスを印加するバイアス電極（例えば、一実施形態におけるバイアス電極１２）が形成されていることにより、この印加されるバイアスにより、前記歪み検出素子を形成する半導体抵抗素子の活性層界面に空乏層が成長し、活性層と半導体基板との間，及び隣接する活性層間の絶縁を行うことができるため、リーク電流が減少し、電流ノイズの影響を低減することができる。さらに、電気的に基板を一定電位に固定することにより、電位のふらつき防止やノイズ耐性を向上させることができ、半導体抵抗素子の抵抗変化量を高い精度で測定することができるので、印加される外力の力及びモーメントの測定精度を向上させ、測定結果におけるロバスト性及び安定性を得ることが可能となる。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
本発明の多軸力センサ素子は、前記半導体基板において、前記橋梁部の前記歪み検出素子が配置される領域に相対する裏面の領域に、少なくとも１個以上の歪み検出素子（例えば、一実施形態における抵抗素子Ｓya1u〜Ｓya3u，Ｓxa1u〜Ｓxa3u，抵抗素子Ｓyb1u〜Ｓyb1u，Ｓｘb1u〜Ｓｘb3u）が、前記橋梁部の長軸方向に対して平行に形成され、配線により電極に接続されていることにより、表面及び裏面に形成された各々の歪み検出素子の抵抗変化に基づき、作用部に印加される外力の力及びモーメントを、表面のみに歪み検出素子を設けた場合に比較して、より特定成分毎に分離して高い精度で測定することができ、測定結果におけるロバスト性及び安定性を得ることが可能となる。