【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】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】  半導体基板で形成され、外力を受ける作用部とこの作用部を支持する支持部を少なくとも有する６軸力センサチップと、
前記６軸力センサチップの周囲に配置され、前記外力が加わる外力印加部と、前記６軸力センサチップを支持する台座部と、前記外力印加部を前記台座部に固定する外力緩衝機構と、外力伝達機構とから成る構造体を備え、
前記外力印加部と前記作用部が前記外力伝達機構で連結されていることを特徴とする６軸力センサ。
【請求項２】  前記６軸力センサチップは、前記作用部と前記支持部を連結する４本の連結部と、変形が起きる部分に半導体製造プロセスで作られた複数の歪み抵抗素子とを備えることを特徴とする請求項１記載の６軸力センサ。
【請求項３】  前記６軸力センサチップと前記台座部の間には絶縁部材が設けられることを特徴とする請求項１または２記載の６軸力センサ。
【請求項４】  前記構造体の前記外力印加部と前記台座部との間で、前記外力緩衝機構は、前記６軸センサチップに対して力の伝達方向の観点で並列的な位置関係で配置され、前記構造体の前記外力印加部に加わる前記外力の全体は、前記外力伝達機構を経由して前記６軸センサチップの前記作用部に加わる力の部分と、前記構造体の前記外力緩衝機構に加わる力の部分とに分かれることを特徴とする請求項１記載の６軸力センサ。
【請求項５】  前記外力緩衝機構は、前記外力印加部と前記台座部の間に取り付けられる複数の緩衝支柱で構成されることを特徴とする請求項４記載の６軸力センサ。
【請求項６】  前記構造体は、前記外力印加部と前記台座部との間に配置された板状フレーム部材を有し、前記外力緩衝機構は、前記外力印加部と前記板状フレーム部材の間に取り付けられた複数の中間支持ロッドと、前記板状フレーム部材と前記台座部の間に取り付けられた複数の支持ロッドとによって構成されることを特徴とする請求項４記載の６軸力センサ。
【請求項７】  前記外力緩衝機構は、前記外力印加部と前記台座部の間に取り付けられた複数の緩衝支柱用コイルバネで構成されることを特徴とする請求項４記載の６軸力センサ。
【請求項８】  前記外力印加部は中央部に位置する円板状外力印加部であり、この円板状外力印加部は複数の棒状の梁部材のそれぞれで前記複数の緩衝支柱と連結されていることを特徴とする請求項５記載の６軸力センサ。
【請求項９】  前記台座部上の四隅に柱を設け、これらの柱の間に支持フレームを設け、前記外力印加部は中央部に位置する円板状外力印加部であり、この円板状外力印加部は同じ平面上で前記支持フレームに連結され、前記外力緩衝機構は前記支持フレームによって構成されることを特徴とする請求項４記載の６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】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
ここで６軸力センサの他軸干渉の問題について説明を加える。６軸力センサでは、前述の通り、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各々について、力Ｆｘ，Ｆｙ，ＦｚとモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚを検出する。６軸力センサは、起歪体部分に設けられた歪み抵抗素子の抵抗変化を利用しかつ外部演算部に基づき６つの信号Ｓig１〜Ｓig６を出力する。これらの６つの出力信号Ｓig１〜Ｓig６は、６軸成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚと、単一の軸成分のみを外力として与えた入力に対する各信号の大きさを（電気的変化率）を予め求めることによって得られる６×６の行列要素を用いて関係付けられる。この行列要素を求めておけば、その逆行列を算出することにより、６軸成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚを逆行列を用いて６つの出力信号Ｓig１〜Ｓig６で求めることができる。６軸成分の各々は出力信号Ｓig１〜Ｓig６の関数となる。６軸力センサで高精度の測定を行うためには、６つの出力信号の各々が正確に検出されることが要求される。ノイズの重畳で１つの出力信号に変動が生じると、相互関係に係る行列要素により基本的に６軸成分のすべての測定に支障が生じる。例えば出力信号Ｓig１のみにノイズが重畳した場合、それ以外の出力信号にノイズが重畳されなくとも、６軸成分のすべてにその影響が生じる。そこで、理想的に、出力信号Ｓig１が軸成分Ｆｘのみに反映し、出力信号Ｓig２が軸成分Ｆｙのみに反映するごとく、上記の６×６の行列要素の非対角成分が０であることが望まれる。非対角成分が０であると、外乱ノイズに対して改善された６軸成分を測定することが可能となる。
【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】
第３の本発明に係る６軸力センサ（請求項３に対応）は、上記の各構成において、さらに好ましくは、６軸力センサチップと台座部の間には絶縁部材が設けられることで特徴づけられる。
第４の本発明に係る６軸力センサ（請求項４に対応）は、上記の各構成において、好ましくは、構造体の外力印加部と台座部との間で、外力緩衝機構は、６軸センサチップに対して力の伝達方向の観点で並列的な位置関係で配置され、構造体の外力印加部に加わる外力の全体は、外力伝達機構を経由して６軸センサチップの作用部に加わる力の部分と、構造体の外力緩衝機構に加わる力の部分とに分かれることを特徴とする。
第５の本発明に係る６軸力センサ（請求項５に対応）は、上記の各構成において、好ましくは、外力緩衝機構は、外力印加部と台座部の間に取り付けられる複数の緩衝支柱で構成されることを特徴とする。
第６の本発明に係る６軸力センサ（請求項６に対応）は、上記の各構成において、好ましくは、構造体は、外力印加部と台座部との間に配置された板状フレーム部材を有し、外力緩衝機構は、外力印加部と板状フレーム部材の間に取り付けられた複数の中間支持ロッドと、板状フレーム部材と台座部の間に取り付けられた複数の支持ロッドとによって構成されることを特徴とする。
第７の本発明に係る６軸力センサ（請求項７に対応）は、上記の各構成において、好ましくは、外力緩衝機構は、外力印加部と台座部の間に取り付けられた複数の緩衝支柱用コイルバネで構成されることを特徴とする。
第８の本発明に係る６軸力センサ（請求項８に対応）は、上記の各構成において、好ましくは、外力印加部は中央部に位置する円板状外力印加部であり、この円板状外力印加部は複数の棒状の梁部材のそれぞれで複数の緩衝支柱と連結されていることを特徴とする。
第９の本発明に係る６軸力センサ（請求項９に対応）は、上記の各構成において、好ましくは、台座部上の四隅に柱を設け、これらの柱の間に支持フレームを設け、外力印加部は中央部に位置する円板状外力印加部であり、この円板状外力印加部は同じ平面上で支持フレームに連結され、外力緩衝機構は当該支持フレームによって構成されることを特徴とする。
【手続補正４】
【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】
図２と図３では、センサチップ１１に対して、図示される通り、直交されるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が示されている。図２ではセンサチップ１１における上、下、右、左が便宜的に定められている。図３では横軸がＸ軸、縦軸がＹ軸として示されている。さらに図２では、各軸に係る力およびモーメントが矢印と符号で示されている。直交座標系の３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）に関して、Ｘ軸方向の力をＦｘとし、Ｙ軸方向の力をＦｙとし、Ｚ軸方向の力をＦｚとし、またＸ軸に対して回転方向に与えられるモーメントをＭｘとし、Ｙ軸に対して回転方向に与えられるモーメントをＭｙとし、Ｚ軸に対して回転方向に与えられるモーメントをＭｚとする。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４６】
センサチップ１１に対して図１１に示す筐体（緩衝機構）を付設することによって、外力を減衰させ、センサチップ１１に生じる歪み量を減少させることができる。従って、センサチップ単体の場合に比較して係数が大きくなっている。数３に関して行列要素としてとらえたとき、センサチップ単体における行列と同じように、対角要素が大きく、非対角要素が対角要素より大幅に小さいかあるいはゼロであること、他軸干渉を抑制する効果が維持されている。さらに対角要素に着目すると、ＦｘとＦｙについては係数が１０倍強に増加しており、検出可能な外力がほぼ１０倍程度に増加している。さらにＭｘ，Ｍｙについては係数が１００倍強になっているので、検出可能な外力の範囲もほぼ１００倍程度に増加している。なお緩衝機構の構造を最適化することにより、係数の大きさを制御できるので、所望の６軸力センサの特性（例えばＦｚに対する耐荷重を高める等）を実現することができる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５０】
次に図１７を参照して本発明に係る６軸力センサの第４実施形態を説明する。図１７において前述の第１実施形態で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付している。この実施形態による６軸力センサでは、円板状の外力印加部５１がセンサチップ１１の上方に配置される。さらに平面形状が正方形の台座部１２の四隅に柱６１が設けられ、４本の柱６１の間に支持フレーム６２を掛け渡し、４つの支持フレーム６２と外力印加部５１の間に４本の支持フレーム６３を設けて外力印加部５１を支持するようにしている。支持フレーム６２，６３によって梁が形成され、緩衝機構部が形成されている。その他の構成は第１実施形態と同じである。この構成によれば、外力印加部５１が配置された同じ平面に水平の支持フレーム６２，６３による梁が形成されるという特徴を有する。本実施形態による６軸力センサでも第１実施形態と同様な作用・効果が発揮される。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５２】
請求項１に係る本発明によれば、半導体基板を利用して作られたセンサチップに対して外力印加部と台座部と外力緩衝機構と外力伝達機構から成る構造体を付設して外力が減衰されてセンサチップに加わるように構成したため、６軸力センサにおいて他軸干渉の問題を抑制しながら、耐荷重性能を高め、ダイナミックレンジを高め、測定可能な外力の範囲を拡大し、実用性を高めることができる。さらに６軸力センサ用の緩衝機構として構造簡素なものが実現され、かつ当該構造を最適化することで耐荷重性を調整することができる。さらに外乱ノイズに強く、検出性能の再現性が高く、性能にバラツキを生じることなく製作することができ、様々な力範囲に対して最適な６軸力センサを製作することができる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１７】
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