(57)【要約】【課題】高い信頼性を確保しつつ、小型化およびコストダウンを図る。【解決手段】円盤状の起歪体１００の下方に円盤状の受力体３００を配置し、両者を円柱状の接続部材２００で接続した一体構造体を用意する。起歪体１００の上面の輪郭線ｆ１の内側には、検出用溝Ｇが掘られる。検出用溝Ｇの底面はダイアフラム部１１０を形成し、その上面にシリコンからなる正方形状の歪検出基板４００が接合される。ダイアフラム部１１０の下面とその周囲の側壁部１２０の下面とは同一平面をなす。歪検出基板４００の上面における接続部材２００の接合部分の外側直近には、Ｘ軸およびＹ軸に沿ってピエゾ抵抗素子Ａが形成される。回路基板５００上には、これらピエゾ抵抗素子Ａを利用したブリッジ回路が設けられ、Ｘ軸まわりのモーメント成分Ｍｘ，Ｙ軸まわりのモーメント成分Ｍｙ，Ｚ軸方向の力成分Ｆｚが、それぞれブリッジ電圧として出力される。【選択図】図７
2013124946.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＸＹＺ三次元直交座標系における所定軸方向の力成分もしくは所定軸まわりのモーメント成分を検出する力覚センサであって、
検出対象となる力を受ける受力体と、この受力体が受けた力に基づいて変形するダイアフラム部を有する起歪体と、前記受力体と前記ダイアフラム部とを接続する接続部材と、前記ＸＹＺ三次元直交座標系の原点Ｏの位置に配置され、前記ダイアフラム部に接合された歪検出基板と、検出対象となる力を電気信号として出力する検出回路と、
を備え、
前記起歪体は、ＸＹ平面に平行な上面および下面をもった板状部材によって構成され、前記起歪体の上面の中央部に定義された検出用領域には、下面側に向かって検出用溝が形成されており、この検出用溝の底部によって前記ダイアフラム部が形成され、この検出用溝の周囲には側壁部が形成され、前記ダイアフラム部の下面と前記側壁部の下面とは同一平面上に位置し、
前記受力体は、前記起歪体の下方に所定間隔をおいて配置され、
前記接続部材は、Ｚ軸上に配置された柱状部材によって構成され、その上端は前記ダイアフラム部の下面中央部に接続され、その下端は前記受力体の上面中央部に接続されており、
前記歪検出基板は、上面および下面がＸＹ平面に平行な面をなし、前記検出用溝の底面に前記ダイアフラム部の変形によって生じる応力が伝達されるように接合され、上面の所定箇所にはピエゾ抵抗素子が形成されており、
前記検出回路は、前記ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化に基づいて、前記受力体が受けた力を示す電気信号を出力することを特徴とする力覚センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の力覚センサにおいて、
受力体、接続部材、起歪体が同一材料からなる一体構造体によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の力覚センサにおいて、
受力体が、ＸＹ平面に平行な上面および下面をもった板状部材によって構成され、
起歪体の側壁部には、前記起歪体を外部の第１の物体に固定するためのネジ孔が形成されており、
受力体の外周部には、前記受力体を外部の第２の物体に固定するためのネジ孔と、前記起歪体のネジ孔に挿通されたネジを回転するための器具を挿入するための開口部と、が形成されており、
前記起歪体のネジ孔と前記受力体のネジ孔とは、ＸＹ平面上への正射影投影像が重ならない位置に形成されており、前記起歪体のネジ孔と前記受力体の開口部とは、ＸＹ平面上への正射影投影像が重なる位置に形成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項４】
請求項３に記載の力覚センサにおいて、
起歪体がＺ軸を中心軸とする円盤状の部材によって構成され、
歪検出基板がＺ軸を中心軸とする正方形状の基板によって構成され、
起歪体には、前記正方形状の基板を収容可能な検出用溝が形成されており、
前記正方形の一組の対辺の中点を結ぶ線上における当該対辺の各外側位置と、別な一組の対辺の中点を結ぶ線上における当該対辺の各外側位置と、にそれぞれ配置された合計４個のネジ孔が起歪体に形成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
起歪体の側壁部に、外部から検出用溝へ向かって貫通した挿入口が設けられており、検出回路が実装された回路基板が前記挿入口に挿入固定され、ピエゾ抵抗素子と前記回路基板上の前記検出回路との間に配線が施されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
接続部材の上端面を歪検出基板の上面に正射影投影して投影像を形成したときに、少なくとも一部のピエゾ抵抗素子が、前記投影像の外側直近部に配置された中央素子によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項７】
請求項６に記載の力覚センサにおいて、
中央素子が、所定の検出対象成分の作用により伸びる方向への応力が加わる位置に配置された第１グループの中央素子と、前記検出対象成分の作用により縮む方向への応力が加わる位置に配置された第２グループの中央素子と、を有し、
検出回路が、前記第１グループに所属する中央素子を第１の対辺に配置し、前記第２グループに所属する中央素子を第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いて前記検出対象成分の検出を行うことを特徴とする力覚センサ。
【請求項８】
請求項７に記載の力覚センサにおいて、
Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸正領域に沿って配置された第１の中央素子および第２の中央素子と、
Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸負領域に沿って配置された第３の中央素子および第４の中央素子と、
を有し、
前記第１〜第４の中央素子は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、
検出回路が、前記第１の中央素子と前記第２の中央素子とを第１の対辺に配置し、前記第３の中央素子と前記第４の中央素子とを第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙの検出を行うことを特徴とする力覚センサ。
【請求項９】
請求項８に記載の力覚センサにおいて、
Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸正領域に沿って配置された第５の中央素子および第６の中央素子と、
Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸負領域に沿って配置された第７の中央素子および第８の中央素子と、
を更に有し、
前記第５〜第８の中央素子は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、
検出回路が、Ｙ軸まわりのモーメント成分Ｍｙの検出に加えて、更に、前記第５の中央素子と前記第６の中央素子とを第１の対辺に配置し、前記第７の中央素子と前記第８の中央素子とを第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いて、Ｘ軸まわりのモーメント成分Ｍｘの検出を行うことを特徴とする力覚センサ。
【請求項１０】
請求項６に記載の力覚センサにおいて、
検出対象となる力の作用によりダイアフラム部に変形が生じた場合にも有意な応力変化が生じない位置に配置されたピエゾ抵抗素子からなる参照素子を更に有し、
検出回路が、中央素子を第１の対辺に配置し、前記参照素子を第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いて検出対象成分の検出を行うことを特徴とする力覚センサ。
【請求項１１】
請求項１０に記載の力覚センサにおいて、
Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸正領域に沿って配置された第１の中央素子と、
Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸負領域に沿って配置された第２の中央素子と、
Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸正領域に沿って配置された第３の中央素子と、
Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸負領域に沿って配置された第４の中央素子と、
歪検出基板の周囲近傍に配置された第１の参照素子および第２の参照素子と、
を有し、
前記第１〜第４の中央素子は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、前記第１〜第２の参照素子は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、検出対象となる力が作用していない状態において、前記第１〜第２の参照素子の抵抗値は前記第１〜第４の中央素子の抵抗値の２倍となるように設定され、
検出回路が、前記第１の中央素子と前記第２の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、前記第３の中央素子と前記第４の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、を第１の対辺に配置し、前記第１の参照素子と前記第２の参照素子とを第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてＺ軸方向の力成分Ｆｚの検出を行うことを特徴とする力覚センサ。
【請求項１２】
請求項６に記載の力覚センサにおいて、
Ｚ軸の位置を内側として各中央素子の外側位置に配置されたピエゾ抵抗素子からなる参照素子を更に有し、
検出回路が、中央素子を第１の対辺に配置し、前記参照素子を第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いて検出対象成分の検出を行うことを特徴とする力覚センサ。
【請求項１３】
請求項１２に記載の力覚センサにおいて、
Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸正領域に沿って配置された第１の中央素子と、
Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸負領域に沿って配置された第２の中央素子と、
Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸正領域に沿って配置された第３の中央素子と、
Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸負領域に沿って配置された第４の中央素子と、
Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸正領域に沿って、前記第１の中央素子の外側に配置された第１の参照素子と、
Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸負領域に沿って、前記第２の中央素子の外側に配置された第２の参照素子と、
Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸正領域に沿って、前記第３の中央素子の外側に配置された第３の参照素子と、
Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸負領域に沿って、前記第４の中央素子の外側に配置された第４の参照素子と、
を有し、
前記第１〜第４の中央素子および前記第１〜第４の参照素子は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、
検出回路が、前記第１の中央素子と前記第２の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、前記第３の中央素子と前記第４の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、を第１の対辺に配置し、前記第１の参照素子と前記第２の参照素子とを直列接続してなる抵抗素子と、前記第３の参照素子と前記第４の参照素子とを直列接続してなる抵抗素子と、を第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてＺ軸方向の力成分Ｆｚの検出を行うことを特徴とする力覚センサ。
【請求項１４】
請求項６に記載の力覚センサにおいて、
歪検出基板がシリコン単結晶基板によって構成され、このシリコン単結晶基板の（００１）面が前記歪検出基板の上面となり、
各中央素子が、前記（００１）面におけるピエゾ抵抗係数のピーク方向を向くように配置され、
前記ピーク方向に対して４５°をなす方向を向くように配置されたピエゾ抵抗素子からなる参照素子を更に有し、
検出回路が、前記中央素子を第１の対辺に配置し、前記参照素子を第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いて検出対象成分の検出を行うことを特徴とする力覚センサ。
【請求項１５】
請求項１４に記載の力覚センサにおいて、
ピエゾ抵抗係数のピーク方向がＸ軸もしくはＹ軸方向となるように歪検出基板が配置され、
Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸正領域に沿って配置された第１の中央素子と、
Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸負領域に沿って配置された第２の中央素子と、
Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸正領域に沿って配置された第３の中央素子と、
Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸負領域に沿って配置された第４の中央素子と、
Ｘ軸もしくはＹ軸に対して４５°をなす方向が長手方向となるように配置された第１〜第４の参照素子と、
を有し、
前記第１〜第４の中央素子および前記第１〜第４の参照素子は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、
検出回路が、前記第１の中央素子と前記第２の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、前記第３の中央素子と前記第４の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、を第１の対辺に配置し、前記第１の参照素子と前記第２の参照素子とを直列接続してなる抵抗素子と、前記第３の参照素子と前記第４の参照素子とを直列接続してなる抵抗素子と、を第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてＺ軸方向の力成分Ｆｚの検出を行うことを特徴とする力覚センサ。
【請求項１６】
請求項６に記載の力覚センサにおいて、
伸びる方向への応力が作用すると電気抵抗が増加し、縮む方向への応力が作用すると電気抵抗が減少するピエゾ抵抗素子からなる第１の極性をもった中央素子と、
伸びる方向への応力が作用すると電気抵抗が減少し、縮む方向への応力が作用すると電気抵抗が増加するピエゾ抵抗素子からなる第２の極性をもった中央素子と、
を有し、
検出回路が、前記第１の極性をもった中央素子を第１の対辺に配置し、前記第２の極性をもった中央素子を第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いて検出対象成分の検出を行うことを特徴とする力覚センサ。
【請求項１７】
請求項１６に記載の力覚センサにおいて、
Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸正領域に沿って配置された第１の中央素子および第２の中央素子と、
Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸負領域に沿って配置された第３の中央素子および第４の中央素子と、
Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸正領域に沿って配置された第５の中央素子および第６の中央素子と、
Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸負領域に沿って配置された第７の中央素子および第８の中央素子と、
を有し、
前記第１、第３、第５、第７の中央素子は、同一材料かつ同一サイズの第１の極性をもった中央素子であり、前記第２、第４、第６、第８の中央素子は、同一材料かつ同一サイズの第２の極性をもった中央素子であり、検出対象となる力が作用していない状態において、前記第１〜第８の中央素子の抵抗値は互いに等しくなるように設定され、
検出回路が、前記第１の中央素子と前記第３の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、前記第５の中央素子と前記第７の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、を第１の対辺に配置し、前記第２の中央素子と前記第４の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、前記第６の中央素子と前記第８の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、を第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてＺ軸方向の力成分Ｆｚの検出を行うことを特徴とする力覚センサ。
【請求項１８】
請求項６に記載の力覚センサにおいて、
歪検出基板がシリコン単結晶基板によって構成され、このシリコン単結晶基板の（００１）面が前記歪検出基板の上面となり、前記（００１）面におけるピエゾ抵抗係数のピーク方向が、Ｘ軸もしくはＹ軸方向となるように前記歪検出基板が配置され、
Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸正領域に沿って配置された第１の中央素子と、
Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸負領域に沿って配置された第２の中央素子と、
Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸正領域に沿って配置された第３の中央素子と、
Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸負領域に沿って配置された第４の中央素子と、
Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸正領域に沿って前記第１の中央素子の両脇に配置された第５および第６の中央素子と、
Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸負領域に沿って前記第２の中央素子の両脇に配置された第７および第８の中央素子と、
Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸正領域に沿って前記第３の中央素子の両脇に配置された第９および第１０の中央素子と、
Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸負領域に沿って前記第４の中央素子の両脇に配置された第１１および第１２の中央素子と、
Ｘ軸もしくはＹ軸に対して４５°をなす方向が長手方向となるように配置された第１〜第４の参照素子と、
を有し、
前記第１〜第１２の中央素子および前記第１〜第４の参照素子は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、
検出回路が、
前記第１の中央素子と前記第２の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、前記第３の中央素子と前記第４の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、を第１の対辺に配置し、前記第１の参照素子と前記第２の参照素子とを直列接続してなる抵抗素子と、前記第３の参照素子と前記第４の参照素子とを直列接続してなる抵抗素子と、を第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてＺ軸方向の力成分Ｆｚの検出を行い、
前記第５の中央素子と前記第６の中央素子とを第１の対辺に配置し、前記第７の中央素子と前記第８の中央素子とを第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙの検出を行い、
前記第９の中央素子と前記第１０の中央素子とを第１の対辺に配置し、前記第１１の中央素子と前記第１２の中央素子とを第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてＸ軸まわりのモーメント成分Ｍｘの検出を行うことを特徴とする力覚センサ。
【請求項１９】
請求項６〜１８のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
各中央素子の配置パターンが、ＸＺ平面およびＹＺ平面に関して対称形をなすことを特徴とする力覚センサ。
【請求項２０】
請求項２に記載の力覚センサに用いる一体構造体の製造方法において、
Ｚ軸が上方に向かう方向に定義されたＸＹＺ三次元直交座標系に、中心軸がＺ軸上にくるように材料棒を配置し、Ｚ座標値がαを越え、かつβ未満の範囲に入る部分を、前記中心軸の近傍部分のみが残るように側面から切削加工する側面加工段階と、
前記材料棒の上端面の中央部に検出用領域を定義し、この検出用領域を下方に切削加工して検出用溝を形成する上面加工段階と、
を有し、
Ｚ座標値がα以下の部分によって受力体を構成し、Ｚ座標値がαを越え、かつβ未満の範囲に入る部分によって接続部材を構成し、Ｚ座標値がβ以上の部分によって起歪体を構成することを特徴とする力覚センサに用いる一体構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力覚センサに関し、特に、ＸＹＺ三次元直交座標系における所定軸方向の力成分もしくは所定軸まわりのモーメント成分を検出する力覚センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットをはじめとする様々な産業機械では、アームの間節部分に作用する力を検出する力覚センサが利用されている。特に、コンピュータ制御で駆動させる産業機械の場合、各部に作用する力を、三次元座標系における所定軸方向の力成分と所定軸まわりのモーメント成分とに分けて検出することが重要になる。
【０００３】
このように三次元の各軸方向の力成分および各軸まわりのモーメント成分を独立して検出する機能をもつセンサとして、たとえば、下記の特許文献１には、半導体基板上に形成されたピエゾ抵抗素子を利用した力覚センサが開示されている。この力覚センサでは、検出対象となる力の作用により機械的な撓みが生じる起歪体に半導体基板を接合し、この半導体基板上に形成したピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化を検出することにより作用した力の検出が行われる。半導体基板上に形成するピエゾ抵抗素子の位置や向きを工夫することにより、特定の軸方向の力成分や特定の軸まわりのモーメント成分を独立して検出することができる。
【０００４】
一方、特許文献２には、２枚の平行基板の間に四本の支柱を渡した構造体を用い、各支柱の変位状態を容量素子を用いて検知することにより、三次元座標系の各座標軸方向の力成分と各座標軸まわりのモーメント成分をそれぞれ独立して検出可能な６軸型の力覚センサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６３−２６６３２５号公報
【特許文献２】特開２００４−３２５３６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年は、産業機械の微細化に伴い、力覚センサについても高い信頼性を確保しつつ、小型化を図ることが要求されている。また、商業的な見地からは、更なるコストダウンも望まれている。しかしながら、従来提案されているタイプの力覚センサでは、信頼性を確保しつつ更なる小型化やコストダウンを図ることは困難である。
【０００７】
そこで本発明は、高い信頼性を確保しつつ、小型化を図り、更に、コストダウンが可能な力覚センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
(1)   本発明の第１の態様は、ＸＹＺ三次元直交座標系における所定軸方向の力成分もしくは所定軸まわりのモーメント成分を検出する力覚センサにおいて、
検出対象となる力を受ける受力体と、この受力体が受けた力に基づいて変形するダイアフラム部を有する起歪体と、受力体とダイアフラム部とを接続する接続部材と、ＸＹＺ三次元直交座標系の原点Ｏの位置に配置され、ダイアフラム部に接合された歪検出基板と、検出対象となる力を電気信号として出力する検出回路と、
を設け、
起歪体は、ＸＹ平面に平行な上面および下面をもった板状部材によって構成され、起歪体の上面の中央部に定義された検出用領域には、下面側に向かって検出用溝が形成されており、この検出用溝の底部によってダイアフラム部が形成され、この検出用溝の周囲には側壁部が形成され、ダイアフラム部の下面と側壁部の下面とは同一平面上に位置し、
受力体は、起歪体の下方に所定間隔をおいて配置され、
接続部材は、Ｚ軸上に配置された柱状部材によって構成され、その上端はダイアフラム部の下面中央部に接続され、その下端は受力体の上面中央部に接続されており、
歪検出基板は、上面および下面がＸＹ平面に平行な面をなし、検出用溝の底面にダイアフラム部の変形によって生じる応力が伝達されるように接合され、上面の所定箇所にはピエゾ抵抗素子が形成されており、
検出回路は、ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化に基づいて、受力体が受けた力を示す電気信号を出力するようにしたものである。
【０００９】
(2)   本発明の第２の態様は、上述した第１の態様に係る力覚センサにおいて、
受力体、接続部材、起歪体を、同一材料からなる一体構造体によって構成するようにしたものである。
【００１０】
(3)   本発明の第３の態様は、上述した第１または第２の態様に係る力覚センサにおいて、
受力体が、ＸＹ平面に平行な上面および下面をもった板状部材によって構成され、
起歪体の側壁部には、起歪体を外部の第１の物体に固定するためのネジ孔が形成されており、
受力体の外周部には、受力体を外部の第２の物体に固定するためのネジ孔と、起歪体のネジ孔に挿通されたネジを回転するための器具を挿入するための開口部と、が形成されており、
起歪体のネジ孔と受力体のネジ孔とは、ＸＹ平面上への正射影投影像が重ならない位置に形成されており、起歪体のネジ孔と受力体の開口部とは、ＸＹ平面上への正射影投影像が重なる位置に形成されているようにしたものである。
【００１１】
(4)   本発明の第４の態様は、上述した第３の態様に係る力覚センサにおいて、
起歪体がＺ軸を中心軸とする円盤状の部材によって構成され、
歪検出基板がＺ軸を中心軸とする正方形状の基板によって構成され、
起歪体には、正方形状の基板を収容可能な検出用溝が形成されており、
上記正方形の一組の対辺の中点を結ぶ線上における当該対辺の各外側位置と、別な一組の対辺の中点を結ぶ線上における当該対辺の各外側位置と、にそれぞれ配置された合計４個のネジ孔が起歪体に形成されているようにしたものである。
【００１２】
(5)   本発明の第５の態様は、上述した第１〜第４の態様に係る力覚センサにおいて、
起歪体の側壁部に、外部から検出用溝へ向かって貫通した挿入口が設けられており、検出回路が実装された回路基板が挿入口に挿入固定され、ピエゾ抵抗素子と回路基板上の検出回路との間に配線が施されているようにしたものである。
【００１３】
(6)   本発明の第６の態様は、上述した第１〜第５の態様に係る力覚センサにおいて、
接続部材の上端面を歪検出基板の上面に正射影投影して投影像を形成したときに、少なくとも一部のピエゾ抵抗素子が、投影像の外側直近部に配置された中央素子によって構成されているようにしたものである。
【００１４】
(7)   本発明の第７の態様は、上述した第６の態様に係る力覚センサにおいて、
中央素子が、所定の検出対象成分の作用により伸びる方向への応力が加わる位置に配置された第１グループの中央素子と、当該検出対象成分の作用により縮む方向への応力が加わる位置に配置された第２グループの中央素子と、を有し、
検出回路が、第１グループに所属する中央素子を第１の対辺に配置し、第２グループに所属する中央素子を第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いて検出対象成分の検出を行うようにしたものである。
【００１５】
(8)   本発明の第８の態様は、上述した第７の態様に係る力覚センサにおいて、
Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸正領域に沿って配置された第１の中央素子および第２の中央素子と、
Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸負領域に沿って配置された第３の中央素子および第４の中央素子と、
を有し、
第１〜第４の中央素子は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、
検出回路が、第１の中央素子と第２の中央素子とを第１の対辺に配置し、第３の中央素子と第４の中央素子とを第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙの検出を行うようにしたものである。
【００１６】
(9)   本発明の第９の態様は、上述した第８の態様に係る力覚センサにおいて、
Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸正領域に沿って配置された第５の中央素子および第６の中央素子と、
Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸負領域に沿って配置された第７の中央素子および第８の中央素子と、
を更に有し、
第５〜第８の中央素子は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、
検出回路が、Ｙ軸まわりのモーメント成分Ｍｙの検出に加えて、更に、第５の中央素子と第６の中央素子とを第１の対辺に配置し、第７の中央素子と第８の中央素子とを第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いて、Ｘ軸まわりのモーメント成分Ｍｘの検出を行うようにしたものである。
【００１７】
(10)  本発明の第１０の態様は、上述した第６の態様に係る力覚センサにおいて、
検出対象となる力の作用によりダイアフラム部に変形が生じた場合にも有意な応力変化が生じない位置に配置されたピエゾ抵抗素子からなる参照素子を更に有し、
検出回路が、中央素子を第１の対辺に配置し、参照素子を第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いて検出対象成分の検出を行うようにしたものである。
【００１８】
(11)  本発明の第１１の態様は、上述した第１０の態様に係る力覚センサにおいて、
Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸正領域に沿って配置された第１の中央素子と、
Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸負領域に沿って配置された第２の中央素子と、
Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸正領域に沿って配置された第３の中央素子と、
Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸負領域に沿って配置された第４の中央素子と、
歪検出基板の周囲近傍に配置された第１の参照素子および第２の参照素子と、
を有し、
第１〜第４の中央素子は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、第１〜第２の参照素子は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、検出対象となる力が作用していない状態において、第１〜第２の参照素子の抵抗値は第１〜第４の中央素子の抵抗値の２倍となるように設定され、
検出回路が、第１の中央素子と第２の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、第３の中央素子と第４の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、を第１の対辺に配置し、第１の参照素子と第２の参照素子とを第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてＺ軸方向の力成分Ｆｚの検出を行うようにしたものである。
【００１９】
(12)  本発明の第１２の態様は、上述した第６の態様に係る力覚センサにおいて、
Ｚ軸の位置を内側として各中央素子の外側位置に配置されたピエゾ抵抗素子からなる参照素子を更に有し、
検出回路が、中央素子を第１の対辺に配置し、参照素子を第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いて検出対象成分の検出を行うようにしたものである。
【００２０】
(13)  本発明の第１３の態様は、上述した第１２の態様に係る力覚センサにおいて、
Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸正領域に沿って配置された第１の中央素子と、
Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸負領域に沿って配置された第２の中央素子と、
Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸正領域に沿って配置された第３の中央素子と、
Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸負領域に沿って配置された第４の中央素子と、
Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸正領域に沿って、第１の中央素子の外側に配置された第１の参照素子と、
Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸負領域に沿って、第２の中央素子の外側に配置された第２の参照素子と、
Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸正領域に沿って、第３の中央素子の外側に配置された第３の参照素子と、
Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸負領域に沿って、第４の中央素子の外側に配置された第４の参照素子と、
を有し、
第１〜第４の中央素子および第１〜第４の参照素子は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、
検出回路が、第１の中央素子と第２の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、第３の中央素子と第４の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、を第１の対辺に配置し、第１の参照素子と第２の参照素子とを直列接続してなる抵抗素子と、第３の参照素子と第４の参照素子とを直列接続してなる抵抗素子と、を第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてＺ軸方向の力成分Ｆｚの検出を行うようにしたものである。
【００２１】
(14)  本発明の第１４の態様は、上述した第６の態様に係る力覚センサにおいて、
歪検出基板がシリコン単結晶基板によって構成され、このシリコン単結晶基板の（００１）面が歪検出基板の上面となり、
各中央素子が、（００１）面におけるピエゾ抵抗係数のピーク方向を向くように配置され、
上記ピーク方向に対して４５°をなす方向を向くように配置されたピエゾ抵抗素子からなる参照素子を更に有し、
検出回路が、中央素子を第１の対辺に配置し、参照素子を第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いて検出対象成分の検出を行うようにしたものである。
【００２２】
(15)  本発明の第１５の態様は、上述した第１４の態様に係る力覚センサにおいて、
ピエゾ抵抗係数のピーク方向がＸ軸もしくはＹ軸方向となるように歪検出基板が配置され、
Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸正領域に沿って配置された第１の中央素子と、
Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸負領域に沿って配置された第２の中央素子と、
Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸正領域に沿って配置された第３の中央素子と、
Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸負領域に沿って配置された第４の中央素子と、
Ｘ軸もしくはＹ軸に対して４５°をなす方向が長手方向となるように配置された第１〜第４の参照素子と、
を有し、
第１〜第４の中央素子および第１〜第４の参照素子は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、
検出回路が、第１の中央素子と第２の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、第３の中央素子と第４の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、を第１の対辺に配置し、第１の参照素子と第２の参照素子とを直列接続してなる抵抗素子と、第３の参照素子と第４の参照素子とを直列接続してなる抵抗素子と、を第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてＺ軸方向の力成分Ｆｚの検出を行うようにしたものである。
【００２３】
(16)  本発明の第１６の態様は、上述した第６の態様に係る力覚センサにおいて、
伸びる方向への応力が作用すると電気抵抗が増加し、縮む方向への応力が作用すると電気抵抗が減少するピエゾ抵抗素子からなる第１の極性をもった中央素子と、
伸びる方向への応力が作用すると電気抵抗が減少し、縮む方向への応力が作用すると電気抵抗が増加するピエゾ抵抗素子からなる第２の極性をもった中央素子と、
を有し、
検出回路が、第１の極性をもった中央素子を第１の対辺に配置し、第２の極性をもった中央素子を第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いて検出対象成分の検出を行うようにしたものである。
【００２４】
(17)  本発明の第１７の態様は、上述した第１６の態様に係る力覚センサにおいて、
Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸正領域に沿って配置された第１の中央素子および第２の中央素子と、
Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸負領域に沿って配置された第３の中央素子および第４の中央素子と、
Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸正領域に沿って配置された第５の中央素子および第６の中央素子と、
Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸負領域に沿って配置された第７の中央素子および第８の中央素子と、
を有し、
第１、第３、第５、第７の中央素子は、同一材料かつ同一サイズの第１の極性をもった中央素子であり、第２、第４、第６、第８の中央素子は、同一材料かつ同一サイズの第２の極性をもった中央素子であり、検出対象となる力が作用していない状態において、第１〜第８の中央素子の抵抗値は互いに等しくなるように設定され、
検出回路が、第１の中央素子と第３の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、第５の中央素子と第７の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、を第１の対辺に配置し、第２の中央素子と第４の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、第６の中央素子と第８の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、を第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてＺ軸方向の力成分Ｆｚの検出を行うようにしたものである。
【００２５】
(18)  本発明の第１８の態様は、上述した第６の態様に係る力覚センサにおいて、
歪検出基板がシリコン単結晶基板によって構成され、このシリコン単結晶基板の（００１）面が歪検出基板の上面となり、（００１）面におけるピエゾ抵抗係数のピーク方向が、Ｘ軸もしくはＹ軸方向となるように歪検出基板が配置され、
Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸正領域に沿って配置された第１の中央素子と、
Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸負領域に沿って配置された第２の中央素子と、
Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸正領域に沿って配置された第３の中央素子と、
Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸負領域に沿って配置された第４の中央素子と、
Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸正領域に沿って第１の中央素子の両脇に配置された第５および第６の中央素子と、
Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸負領域に沿って第２の中央素子の両脇に配置された第７および第８の中央素子と、
Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸正領域に沿って第３の中央素子の両脇に配置された第９および第１０の中央素子と、
Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸負領域に沿って第４の中央素子の両脇に配置された第１１および第１２の中央素子と、
Ｘ軸もしくはＹ軸に対して４５°をなす方向が長手方向となるように配置された第１〜第４の参照素子と、
を有し、
第１〜第１２の中央素子および第１〜第４の参照素子は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、
検出回路が、
第１の中央素子と第２の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、第３の中央素子と第４の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、を第１の対辺に配置し、第１の参照素子と第２の参照素子とを直列接続してなる抵抗素子と、第３の参照素子と第４の参照素子とを直列接続してなる抵抗素子と、を第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてＺ軸方向の力成分Ｆｚの検出を行い、
第５の中央素子と第６の中央素子とを第１の対辺に配置し、第７の中央素子と第８の中央素子とを第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙの検出を行い、
第９の中央素子と第１０の中央素子とを第１の対辺に配置し、第１１の中央素子と第１２の中央素子とを第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてＸ軸まわりのモーメント成分Ｍｘの検出を行うようにしたものである。
【００２６】
(19)  本発明の第１９の態様は、上述した第６〜第１８の態様に係る力覚センサにおいて、
各中央素子の配置パターンが、ＸＺ平面およびＹＺ平面に関して対称形をなすようにしたものである。
【００２７】
(20)  本発明の第２０の態様は、上述した第２の態様に係る力覚センサに用いる一体構造体の製造方法において、
Ｚ軸が上方に向かう方向に定義されたＸＹＺ三次元直交座標系に、中心軸がＺ軸上にくるように材料棒を配置し、Ｚ座標値がαを越え、かつβ未満の範囲に入る部分を、中心軸の近傍部分のみが残るように側面から切削加工する側面加工段階と、
材料棒の上端面の中央部に検出用領域を定義し、この検出用領域を下方に切削加工して検出用溝を形成する上面加工段階と、
を行い、
Ｚ座標値がα以下の部分によって受力体を構成し、Ｚ座標値がαを越え、かつβ未満の範囲に入る部分によって接続部材を構成し、Ｚ座標値がβ以上の部分によって起歪体を構成するようにしたものである。
【発明の効果】
【００２８】
本発明に係る力覚センサは、受力体、接続部材、起歪体からなる基本構造体によって構成され、起歪体は、上面に検出用溝を形成した単純な構造によって実現できるため、高い信頼性を確保しつつ、従来装置に比べて小型化を図り、コストダウンを図ることができる。特に、この基本構造体を同一材料からなる一体構造体によって構成すれば、製造プロセスも容易になり、製造コストを大幅に低減することができ、また、各部の接続に関して信頼性の高い装置を実現することができる。しかも、検出用溝の底部によってダイアフラム部が形成され、その変形をピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化に基づいて電気的に検出することができるため、十分な検出精度を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】従来の力覚センサの一例を示す側断面図である。
【図２】図１に示す力覚センサの分解側面図である。
【図３】本発明に係る力覚センサの基本構造体の上面図（上図(a) ）および側面図（下図(b) ）である。
【図４】図３に示す基本構造体のカバー１８０を取り外した状態を示す上面図（上図(a) ）およびＸＺ平面で切断した側断面図（下図(b) ）である（カバー接着部１９０のハッチングは、断面を示すものではなく、領域を示すものである）。
【図５】図３に示す基本構造体の下面図である。
【図６】図５に示す基本構造体に４本のネジＮ１〜Ｎ４を挿通した状態を示す下面図である。
【図７】図３に示す基本構造体のカバー１８０を取り外した状態を示す上面図（上図(a) ）および切断線Ｗ−Ｗの位置で切断した側断面図（下図(b) ）である（カバー接着部１９０のハッチングは、断面を示すものではなく、領域を示すものである）。
【図８】図３に示す基本構造体にＹ軸まわりのモーメント成分＋Ｍｙが作用したときの変形状態を示すＸＺ平面での側断面図である。
【図９】図３に示す基本構造体にＺ軸方向の力成分＋Ｆｚが作用したときの変形状態を示すＸＺ平面での側断面図である。
【図１０】本発明に係る力覚センサにおけるピエゾ抵抗素子配置パターンの第１の実施例を示す上面図である（ハッチングは、ピエゾ抵抗素子の形成領域を示すものであり、断面を示すものではない）。
【図１１】図１０に示す第１の実施例における各ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化を示す表である。
【図１２】図１０に示す第１の実施例を用いてＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙを検出するための検出回路を示す回路図である。
【図１３】図１０に示す第１の実施例を用いてＸ軸まわりのモーメント成分Ｍｘを検出するための検出回路を示す回路図である。
【図１４】本発明に係る力覚センサにおけるピエゾ抵抗素子配置パターンの第２の実施例を示す上面図である（ハッチングは、ピエゾ抵抗素子の形成領域を示すものであり、断面を示すものではない）。
【図１５】図１４に示す第２の実施例における各ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化を示す表である。
【図１６】図１４に示す第２の実施例を用いてＺ軸方向の力成分Ｆｚを検出するための検出回路を示す回路図である。
【図１７】本発明に係る力覚センサにおけるピエゾ抵抗素子配置パターンの第３の実施例を示す上面図である（ハッチングは、ピエゾ抵抗素子の形成領域を示すものであり、断面を示すものではない）。
【図１８】図１７に示す第３の実施例における各ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化を示す表である。
【図１９】図１７に示す第３の実施例を用いてＺ軸方向の力成分Ｆｚを検出するための検出回路を示す回路図である。
【図２０】本発明に係る力覚センサにおけるピエゾ抵抗素子配置パターンの第４の実施例を示す上面図である（ハッチングは、ピエゾ抵抗素子の形成領域を示すものであり、断面を示すものではない）。
【図２１】図２０に示す第４の実施例における各ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化を示す表である。
【図２２】シリコン単結晶基板の各結晶面についてのピエゾ抵抗係数（応力歪みに対する電気抵抗変化感度）を示すグラフである。
【図２３】図２０に示す第４の実施例を用いてＺ軸方向の力成分Ｆｚを検出するための検出回路を示す回路図である。
【図２４】本発明に係る力覚センサにおけるピエゾ抵抗素子配置パターンの第５の実施例を示す上面図である（ハッチングは、ピエゾ抵抗素子の形成領域を示すものであり、断面を示すものではない）。
【図２５】図２４に示す第５の実施例における各ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化を示す表である。
【図２６】図２４に示す第５の実施例を用いてＺ軸方向の力成分Ｆｚを検出するための検出回路を示す回路図である。
【図２７】本発明に係る力覚センサにおけるピエゾ抵抗素子配置パターンの第６の実施例を示す上面図である（ハッチングは、ピエゾ抵抗素子の形成領域を示すものであり、断面を示すものではない）。
【図２８】図２７に示す第６の実施例を用いてＸ軸まわりのモーメント成分Ｍｘ，Ｙ軸まわりのモーメント成分Ｍｙ，Ｚ軸方向の力成分Ｆｚを検出するための検出回路を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。
【００３１】
＜＜＜  §１．  従来装置の構造およびその問題点  ＞＞＞
ここでは、まず、本発明に係る力覚センサに最も近い従来技術と思われる、前掲の特許文献１に開示されている力覚センサの構造および動作原理を説明する。図１は、この従来型の力覚センサの側断面図、図２は、その分解側面図である。
【００３２】
図１に示すとおり、この力覚センサの主たる構造体は、起歪体１０、受力体３０、歪検出基板４０、カバー５０である。起歪体１０および受力体３０は、いずれも円盤状の部材であり、図２の側面図では、これらを分離し、カバー５０を取り外した状態が示されている。
【００３３】
起歪体１０は、肉薄のワッシャ状の部分からなるダイアフラム部１１と、その周囲を取り囲む側壁部１２と、中心軸に沿って下方に伸びる支柱部１３と、によって構成されている。側壁部１２には、配線用の貫通孔Ｈ１，Ｈ２およびネジ止め用の貫通孔Ｈ３，Ｈ４が形成されている。一方、受力体３０には、中心および周囲にネジ止め用の貫通孔Ｈ５，Ｈ６，Ｈ７が形成されている。中心の貫通孔Ｈ５は、ネジＮを挿通するためのもので、ネジＮの先端部は支柱部１３の下方に形成された雌ネジに螺合する。結局、受力体３０は、ネジＮによって支柱部１３の下端に接合される。なお、図２の側面図では、各貫通孔Ｈ１〜Ｈ７やネジＮの図示は省略されている。
【００３４】
起歪体１０の上面には、浅くて広い溝Ｇ１が掘られており、この溝Ｇ１内には、歪検出基板４０が収容されている。また、溝Ｇ１の上方は、カバー５０によって覆われた状態になっている。一方、起歪体１０の下面には、円環状の溝Ｇ２が掘られており、この溝Ｇ２の上部が、ワッシャ状のダイアフラム部１１となっている。ダイアフラム部１１は、肉薄のために可撓性を有している。したがって、受力体３０に外力が作用すると、当該外力は支柱部１３を介してダイアフラム部１１へと伝達され、ダイアフラム部１１が変形を生じることになる。なお、受力体３０の下面に掘られた溝Ｇ３は、ネジＮの頭部を収容するためのものである。
【００３５】
歪検出基板４０は、シリコン基板によって構成され、溝Ｇ１の底面に貼り付けられている。したがって、ダイアフラム部１１に生じた機械的変形は、そのまま歪検出基板４０へ伝達される。歪検出基板４０の上面の所定箇所には、ピエゾ抵抗素子Ｋ１〜Ｋ４が形成されており、歪検出基板４０に機械的変形が生じると、各ピエゾ抵抗素子Ｋ１〜Ｋ４の電気抵抗に変化が生じる。貫通孔Ｈ１，Ｈ２に挿通した配線ピン６１，６２は、ボンディングワイヤ７１，７２を介して各ピエゾ抵抗素子Ｋ１〜Ｋ４に対して配線される。配線ピン６１，６２の下端は、図示されていない検出回路に接続され、この検出回路において、各ピエゾ抵抗素子Ｋ１〜Ｋ４の電気抵抗の変化が検知され、受力体３０に作用した外力の検出が行われる。
【００３６】
貫通孔Ｈ３，Ｈ４に挿通したネジによって、起歪体１０を図示されていない上部物体に固定し、貫通孔Ｈ６，Ｈ７に挿通したネジによって、受力体３０を図示されていない下部物体に固定すれば、この力覚センサは、上部物体に対して下部物体から加えられる外力を検出する機能を果たす。
【００３７】
この従来型の力覚センサの特徴は、外力が作用したときに、ダイアフラム部１１における図２の位置Ｌ１〜Ｌ４に応力（機械的な歪み）が集中する点にある。ここで、位置Ｌ１，Ｌ４は、ワッシャ状のダイアフラム部１１の外周縁であり、位置Ｌ２，Ｌ３は、ワッシャ状のダイアフラム部１１の内周縁である。要するに、受力体３０に作用した外力に基づいてダイアフラム部１１に生じる応力は、その端部に集中する。図１に示すピエゾ抵抗素子Ｋ１〜Ｋ４は、これらの位置Ｌ１〜Ｌ４に対応した位置に形成されている。このように、応力が集中する位置にピエゾ抵抗素子Ｋ１〜Ｋ４を配置することにより、高い検出感度が得られることになる。
【００３８】
ダイアフラム部１１の各位置Ｌ１〜Ｌ４に発生する応力の形態は、作用した外力の向きに応じて様々であるが、従来型の力覚センサでは、このようにワッシャ状のダイアフラム部１１の内側に配置したピエゾ抵抗素子Ｋ２，Ｋ３と、外側に配置したピエゾ抵抗素子Ｋ１，Ｋ４を用いたブリッジ回路により、受力体３０に作用した外力の各成分を検出することになる。
【００３９】
しかしながら、この従来型の力覚センサには、次のような問題がある。まず、第１に、ワッシャ状のダイアフラム部１１の外周縁（位置Ｌ１，Ｌ４）に生じる応力を検知できるようにするため、歪検出基板４０の外寸をダイアフラム部１１の外径よりも大きくせざるを得ない。これは、歪検出基板４０の位置Ｌ１，Ｌ４に十分な歪みを生じさせるためには、歪検出基板４０の外周が位置Ｌ１，Ｌ４の外側にまで広がっている必要があるためである。また、ピエゾ抵抗素子Ｋ１，Ｋ４の両端に対する配線を行うためにも、歪検出基板４０の外周部にある程度の余裕をもたせておく必要がある。その結果、歪検出基板４０のサイズは、ダイアフラム部１１のサイズに比べて、ある程度大きくせざるを得なくなり、装置全体の小型化を阻害することになる。
【００４０】
第２に、起歪体１０および受力体３０によって構成される基本構造体の形状が複雑になるため、製造プロセスが複雑になり、製造コストが高騰せざるを得ない。図示のとおり、起歪体１０については、上面に広くて浅い溝Ｇ１を形成する加工が必要であり、下面に円環状の溝Ｇ２を形成する加工が必要になる。特に、下面側に溝Ｇ２を形成する加工を行うには、受力体３０が邪魔になるので、受力体３０を起歪体１０とは別体として用意し、着脱自在な構造にする必要がある。すなわち、起歪体１０について、下面に溝Ｇ２を形成する加工を行った後に、受力体３０を起歪体１０の下方に取り付ける工程（図示の例の場合、ネジＮによって、受力体３０を支柱部１３の下面に取り付ける工程）を行わねばならない。このように加工工程や組立工程が複雑になればなるほど、製造コストは高騰する。
【００４１】
そして第３に、別体として用意された起歪体１０と受力体３０とを接続する必要があるため、この接続部に関しての信頼性が低下せざるを得ない。たとえば、図示の例のように、ネジＮによって両者を接続固定する形態を採った場合、ネジＮに弛みが生じると正しい検出を行うことができなくなり、場合によっては、受力体３０が起歪体１０から脱落してしまうおそれもある。したがって、実用上は、ネジＮによる固定に加えて、両者間に接着剤を充填して固着する必要があるが、接着剤を介挿した場合、接続部にヒステリシス特性が現れるという別な問題が生じることになる。特に、装置に過負荷が加わった場合、接着剤が部分的に剥離する可能性があり、接続部に無視できないヒステリシス特性が生じる。
【００４２】
本発明は、従来装置におけるこのような問題を解決するためのものであり、高い信頼性を確保しつつ、小型化およびコストダウンを図る技術を提供するものである。
【００４３】
＜＜＜  §２．  本発明に係る力覚センサの基本構造  ＞＞＞
続いて、本発明に係る力覚センサの基本構造を説明する。図３には、本発明に係る力覚センサを構成する基本構造体の上面図（上段の図(a) ）および側面図（下段の図(b) ）が示されている。下段の側面図に示されているように、この基本構造体の主たる構成要素は、起歪体１００、接続部材２００、受力体３００である。
【００４４】
起歪体１００の内部には、図に破線で示すように、検出用溝Ｇが設けられており、この検出用溝Ｇの底部によってダイアフラム部１１０が形成されている。一方、この検出用溝Ｇの周囲には側壁部１２０が形成されている。また、検出用溝Ｇの底面（ダイアフラム部１１０の上面）には、歪検出基板４００が配置されている。
【００４５】
ここでは、説明の便宜上、この歪検出基板４００の中心位置に原点Ｏをとり、図示の各方向にＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸をとることにより、ＸＹＺ三次元直交座標系を定義する。すなわち、上段の上面図では、右方向にＸ軸、上方向にＹ軸が定義され、Ｚ軸は紙面に垂直な方向を向く。また、下段の側面図では、右方向にＸ軸、上方向にＺ軸が定義され、Ｙ軸は紙面に垂直な方向を向く。
【００４６】
上段の上面図に示されているとおり、起歪体１００は、ＸＹ平面に平行な上面および下面をもった板状部材によって構成されている。一方、ここに示す例の場合、受力体３００も、ＸＹ平面に平行な上面および下面をもった板状部材によって構成されている。受力体３００は、必ずしも板状部材にする必要はないが、装置の小型化を図るため、実用上は、ＸＹ平面に平行な上面および下面をもった板状部材によって構成するのが好ましい。特に、図示する例の場合、起歪体１００および受力体３００は、同じ直径をもった円盤状の部材によって構成されており、Ｚ軸が中心軸となるように配置されているため、上面図において、受力体３００は起歪体１００に完全に重なった状態になっている。
【００４７】
受力体３００は、起歪体１００の下方に所定間隔をおいて配置され、両者間は接続部材２００によって接続される。接続部材２００は、Ｚ軸上に配置された柱状部材（この例の場合は、円柱状の部材）によって構成され、その上端はダイアフラム部１１０の下面中央部に接続され、その下端は受力体３００の上面中央部に接続されている。なお、ここに示す例の場合、起歪体１００、接続部材２００、受力体３００は、同一材料（たとえば、コバールや４２−アロイなどのシリコン基板と線膨張係数の近い金属、もしくはステンレスやアルミニウムなどの金属）からなる一体構造体によって構成されている。したがって、起歪体１００と接続部材２００との接続部および接続部材２００と受力体３００との接続部は、接着剤などによる接合ではなく、同一材料からなる連続構造体によって構成されている。
【００４８】
図３上段の上面図に描かれている花弁状のカバー１８０は、検出用溝Ｇの上部を覆う蓋として機能する。後述するように、検出用溝Ｇの平面形状は、このカバー１８０の輪郭形状よりもひとまわり小さい花弁状をしている。下段の側面図に破線で描かれている検出用溝Ｇは、起歪体１００をＸＺ平面で切断したときの検出用溝Ｇの輪郭位置を示すものである。図３上段に示すとおり、起歪体１００の側壁部１２０には、ネジ孔１５１，１５２，１５３，１５４が形成されている（下段の側面図では、これらのネジ孔は図示省略）。また、起歪体１００の側壁部１２０から外部へ突き出している回路基板５００は、検出回路を実装するための基板であり、その一端は検出用溝Ｇにまで達している。
【００４９】
この力覚センサの内部の基本構造は、図４を参照することにより更に明瞭になる。図４には、図３に示す基本構造体のカバー１８０を取り外した状態を示す上面図（上段の図(a) ）およびＸＺ平面で切断した側断面図（下段の図(b) ）が示されている。ここで、上段の上面図において、花弁状の輪郭ｆ１と輪郭ｆ２との間に挟まれたドットによるハッチングを施した部分は、カバー１８０の下面周辺部を接着するためのカバー接着部１９０の領域を示すものである（ハッチングは領域を示すためのものであり、断面を示すものではない）。
【００５０】
図４下段の側断面図に示されているとおり、カバー接着部１９０は、起歪体１００の上面から、カバー１８０の厚みに相当する寸法だけ下がった位置に形成された段差部である。また、図４上段に示す花弁状の輪郭ｆ２は、図３に示すカバー１８０の輪郭形状に一致する。したがって、図にハッチングを施して示したカバー接着部１９０の部分に接着剤を塗布し、上方からカバー１８０を段差部に嵌合すれば、カバー１８０の下面周囲部をカバー接着部１９０に接着固定することができる。
【００５１】
一方、カバー接着部１９０の内側の輪郭ｆ１は、検出用溝Ｇの輪郭を示すものである。すなわち、起歪体１００の上面の中央部には、花弁状の輪郭ｆ１の内部に相当する検出用領域が定義されており、この検出用領域には、起歪体１００の下面側に向かって均一の深さをもつ検出用溝Ｇが形成されている。図４下段の側断面図は、この基本構造体をＸＺ平面で切断した断面を示しているため、検出用溝Ｇの一部の縦断面しか現れていないが、図４上段の上面図に示すとおり、検出用溝Ｇは、花弁状の平面形状を有している。検出用溝Ｇの深さは均一であり、この検出用溝Ｇの底部には、均一の厚みをもった花弁状のダイアフラム部１１０が形成されている。ダイアフラム部１１０は、肉厚が薄いため、検出対象となる力の作用を受けると撓み（機械的変形）を生じる。図示のとおりダイアフラム部１１０の下面と側壁部１２０の下面とは同一平面上に位置する。
【００５２】
歪検出基板４００は、上面および下面がＸＹ平面に平行な面をなす正方形状の半導体基板であり、Ｚ軸が中心軸となるように配置される。図４上段の上面図に示すとおり、検出用溝Ｇの花弁状の平面形状は、この正方形状をした歪検出基板４００を収容するのに適した形状になっている。図４下段の側断面図に示すとおり、歪検出基板４００は、検出用溝Ｇの底面（すなわち、ダイアフラム部１１０の上面）にダイアフラム部１１０の変形によって生じる応力が伝達されるように接合される（具体的には、歪検出基板４００は、下面全面に接着剤を塗布して、ダイアフラム部１１０の上面に接着される）。
【００５３】
歪検出基板４００の上面の所定箇所にはピエゾ抵抗素子Ａが形成されている（下段の側断面図では図示省略）。ここに示す例の場合、歪検出基板４００はシリコン基板によって構成されており、ピエゾ抵抗素子Ａは、このシリコン基板の上面層にＰ型もしくはＮ型の不純物を注入した領域として構成できる。図示の例では、破線で示す接続部材２００の位置の外側直近部に８組のピエゾ抵抗素子Ａが配置されているが、ピエゾ抵抗素子の数や配置は、この例に限定されるものではない。ピエゾ抵抗素子の数や配置のバリエーションについては、§５でいくつかの実施例を述べることにする。
【００５４】
要するに、本発明に用いる歪検出基板４００は、上面および下面がＸＹ平面に平行な面をなし、検出用溝Ｇの底面にダイアフラム部１１０の変形によって生じる応力が伝達されるように接合され、上面の所定箇所にピエゾ抵抗素子が形成されたものであればよい。回路基板５００には、ピエゾ抵抗素子Ａの電気抵抗の変化に基づいて、受力体３００が受けた力を示す電気信号を出力する検出回路（図示省略）が実装されている。具体的な検出回路の構成については、§５でいくつかの実施例を述べる。
【００５５】
結局、本発明に係る力覚センサは、検出対象となる力を受ける受力体３００と、この受力体３００が受けた力に基づいて変形するダイアフラム部１１０を有する起歪体１００と、受力体３００とダイアフラム部１１０とを接続する接続部材２００と、ＸＹＺ三次元直交座標系の原点Ｏの位置に配置され、ダイアフラム部１１０に接合された歪検出基板４００と、検出対象となる力を電気信号として出力する検出回路（回路基板５００上に実装された回路）と、を備え、ＸＹＺ三次元直交座標系における所定軸方向の力成分もしくは所定軸まわりのモーメント成分を検出する力覚センサということになる。
【００５６】
起歪体１００の側壁部１２０に形成されたネジ孔１５１，１５２，１５３，１５４は、起歪体１００を外部の第１の物体に固定するための貫通孔（ネジは切られていない）である。図４下段の側断面図には、ネジ孔１５１，１５２に、それぞれネジＮ１，Ｎ２を挿通させた状態が描かれている。同様に、ネジ孔１５３，１５４には、それぞれネジＮ３，Ｎ４が挿通される。これら４本のネジＮ１〜Ｎ４は、起歪体１００の上方に配置された第１の物体（図示されていない）に形成されたネジ孔内の雌ネジもしくは当該ネジ孔の上部に配置されたナットに螺合する。したがって、起歪体１００は、４本のネジＮ１〜Ｎ４によって、上方に配置された第１の物体（図示されていない）にしっかりと固定されることになる。
【００５７】
なお、図４下段の側断面図に示すとおり、受力体３００の外周部には、開口部３２１，３２２が設けられている。ここで、開口部３２１はネジ孔１５１の真下の位置に形成され、開口部３２２はネジ孔１５２の真下の位置に形成されている。これらの開口部３２１，３２２は、ネジ孔１５１，１５２に挿通されたネジＮ１，Ｎ２を回転するための器具（ドライバー）を挿入するために利用される。同様に、ネジ孔１５３の真下の位置には、ネジＮ３を回転するための器具を挿入するための開口部３２３が形成され、ネジ孔１５４の真下の位置には、ネジＮ４を回転するための器具を挿入するための開口部３２４が形成されている。
【００５８】
図５は、図３に示す基本構造体の下面図であり、図６は、図５に示す基本構造体に４本のネジＮ１〜Ｎ４を挿通した状態を示す下面図である。上述したとおり、受力体３００の外周部には、起歪体１００のネジ孔１５１，１５２，１５３，１５４に挿通されたネジＮ１，Ｎ２，Ｎ３，Ｎ４を回転するための器具（ドライバー）を挿入するための開口部３２１，３２２，３２３，３２４（この例の場合、受力体３００の外周部から中心軸方向に向かって形成されたＵ字状の切り欠き部）が形成されている。
【００５９】
この力覚センサの利用者は、これら開口部３２１，３２２，３２３，３２４を利用して、受力体３００の下面側から４本のネジＮ１〜Ｎ４を起歪体１００のネジ孔１５１，１５２，１５３，１５４に挿通し、器具（ドライバー）で回転させることにより、４本のネジＮ１〜Ｎ４を第１の物体に固定することができる。図６は、こうして４本のネジＮ１〜Ｎ４による固定が完了した状態を示している。
【００６０】
開口部３２１，３２２，３２３，３２４が、それぞれＸ軸もしくはＹ軸方向の位置に形成されているのに対して、受力体３００の外周部における４５°ずれた位置には、受力体３００をその下方に配置されている第２の物体に固定するためのネジ孔３５１，３５２，３５３，３５４が形成されている。
【００６１】
図７は、図３に示す基本構造体のカバー１８０を取り外した状態を示す上面図（上段の図(a) ）およびその側断面図（下段の図(b) ）である。ここで、図７上段の上面図は、図４上段の上面図を時計まわりに４５°回転させたものに相当し、図７下段の側断面図は、図７上段に示す構造体を切断線Ｗ−Ｗの位置で切断した断面を示している。したがって、この側断面図には、ネジ孔３５１，３５２が現れている。受力体３００に形成されたネジ孔３５１，３５２，３５３，３５４の内部には、雌ネジが形成されており、下方に配置された第２の物体側から導出された４本のネジの先端部と螺合する。これにより、受力体３００を下方に配置された第２の物体（図示されていない）にしっかりと固定することができる。
【００６２】
なお、図７下段の側断面図に示された検出用溝Ｇの輪郭形状は、図４下段の側断面図に示された検出用溝Ｇの輪郭形状とは異なっているが、これは前者が切断線Ｗ−Ｗの位置における断面を示しているのに対して、後者はＸＺ平面による断面を示しているためである。図７下段の側断面図には、輪郭ｆ１，ｆ２の相違によって生じる段差構造により、カバー接着部１９０が形成される様子が明瞭に示されている。また、起歪体１００の側壁部１２０に、外部から検出用溝Ｇへ向かって貫通した挿入口が設けられ、検出回路が実装された回路基板５００が、この挿入口に挿入固定されている状態も明瞭に示されている。なお、歪検出基板４００の上面に設けられた各ピエゾ抵抗素子Ａ（下段の側断面図では図示省略）と、回路基板５００上に設けられた検出回路との間には、ボンディングワイヤ４７０を含む配線が施される（必要に応じて、歪検出基板４００の上面には、ボンディングパッドを設ければよい）。
【００６３】
図５に示すとおり、起歪体１００のネジ孔１５１，１５２，１５３，１５４のＸＹ平面上への正射影投影像はＸ軸もしくはＹ軸上に配置されているのに対して、受力体３００のネジ孔３５１，３５２，３５３，３５４のＸＹ平面上への正射影投影像はＸ軸もしくはＹ軸を４５°回転させた軸上に配置されており、前者と後者はＸＹ平面上で互いに重ならない位置に形成されている。このため、起歪体１００を第１の物体に固定するための４本のネジと、受力体３００を第２の物体に固定するための４本のネジとの干渉を防ぐことができる。
【００６４】
一方、起歪体１００のネジ孔１５１，１５２，１５３，１５４のＸＹ平面上への正射影投影像と、受力体３００に設けられた開口部３２１，３２２，３２３，３２４のＸＹ平面上への正射影投影像とは、互いに重なる位置に形成されている。そのため、各開口部を利用して、各ネジ孔にネジを挿通する作業や、各ネジを回転させる作業を行うことができる。
【００６５】
また、ここに示す例の場合、起歪体１００はＺ軸を中心軸とする円盤状の部材によって構成され、歪検出基板４００はＺ軸を中心軸とする正方形状の基板によって構成されている。そして、図４上段の上面図に示すとおり、起歪体１００には、正方形状の歪検出基板４００を収容できるように、花弁状の検出用溝Ｇが形成されている。起歪体１００のネジ孔１５１，１５２，１５３，１５４は、この花弁状の検出用溝Ｇの４枚の花弁位置を避ける位置に配置されており、円盤状の起歪体１００について、スペースを効率的に利用した配置が実現されている。
【００６６】
すなわち、歪検出基板４００を構成する正方形の一組の対辺の中点を結ぶ線（図示の例の場合はＸ軸）上における当該対辺の各外側位置にネジ孔１５１，１５２が配置され、別な一組の対辺の中点を結ぶ線（図示の例の場合はＹ軸）上における当該対辺の各外側位置にネジ孔１５３，１５４が配置されている。このような配置を採れば、円盤状の起歪体１００の内部に、正方形状の歪検出基板４００と合計４個のネジ孔とを効率的に配置することが可能になり、装置全体の小型化に寄与することができる。
【００６７】
＜＜＜  §３．  本発明に係る力覚センサのメリット  ＞＞＞
続いて、§１で述べた従来装置の構造と、§２で述べた本発明に係る装置の構造とを比較し、本発明に係る力覚センサのメリットを説明する。§１では、従来装置の問題として、小型化の阻害要因、製造コストの高騰要因、接続部に関しての信頼性の低下要因を挙げたが、本発明に係る力覚センサでは、これらの問題点が解消することになる。以下、順に説明する。
【００６８】
まず、第１に、従来型の力覚センサでは、ワッシャ状のダイアフラム部１１の外周縁（図２の位置Ｌ１，Ｌ４）に生じる応力を検知できるようにするため、歪検出基板４０の外寸をダイアフラム部１１の外径よりも大きくする必要があった。これは、装置全体の小型化を阻害する要因になる。別言すれば、従来装置では、図１に示すように、歪検出基板４０の内側にピエゾ抵抗素子Ｋ２，Ｋ３を配置するとともに、外側にもピエゾ抵抗素子Ｋ１，Ｋ４を配置するため、４組のピエゾ抵抗素子Ｋ１〜Ｋ４を並べて配置できるだけのサイズ（ダイアフラム部１１よりもひとまわり大きなサイズ）をもった歪検出基板４０を用意する必要があり、必然的に、起歪体１０のサイズも大きくならざるを得ない。
【００６９】
これに対して、本発明では、図３下段の側面図に示すように、位置Ｌ５〜Ｌ８を定義した場合、ダイアフラム部１１０の外周縁（位置Ｌ５，Ｌ８）に生じる応力の検知は基本的に行わず、内周縁（位置Ｌ６，Ｌ７）に生じる応力に基づいて作用した力の検出を行うという方法を採る。したがって、ピエゾ抵抗素子Ａは、図４上段の上面図に示されているとおり、歪検出基板４００の内側（図３下段における位置Ｌ６，Ｌ７）に配置すればよい（後述するように、いくつかの実施例では、別な位置に配置された参照素子を併用する）。
【００７０】
このように、本発明では、ダイアフラム部１１０の外周縁（位置Ｌ５，Ｌ８）に生じる応力検知を行わない方針を採用したため、歪検出基板４００のサイズをダイアフラム１１０のサイズよりも大きくする必要はない。図４下段の側断面図や図７下段の側断面図を見ればわかるとおり、歪検出基板４００は、検出用溝Ｇの内部に収容されており、ダイアフラム部１１０より若干小さなサイズの基板になっている。このため、従来装置に比べて、装置全体の小型化を図ることが可能になる。
【００７１】
実際、本願発明者が試作したサンプルでは、起歪体１００および受力体３００を、直径１０ｍｍ程度、厚み２〜３ｍｍ程度の円盤を用いて構成し、歪検出基板４００を、一辺５ｍｍ程度の正方形状のシリコン基板を用いて構成することができた。また、起歪体１００としてステンレスの円盤を用いた場合、ダイアフラム部１１０の厚みを１ｍｍ程度にすれば、一般的なロボットアームなどに利用する力覚センサとして十分な感度の機械的変形を生じさせることができた。なお、ダイアフラム部１１０に生じた機械的変形を歪検出基板４００に十分に伝達できるようにするため、歪検出基板４００の厚みは、ダイアフラム部１１０の厚みよりも小さく（たとえば、半分程度の厚み）に設定するのが好ましい。
【００７２】
従来型の力覚センサの第２の問題点は、基本構造体の形状が複雑になるため、製造プロセスが複雑になり、製造コストが高騰する点である。図２に示すように、起歪体１０については、上面に溝Ｇ１を形成する加工を行い、下面に溝Ｇ２を形成する加工が必要になる。すなわち、下面側に形成した溝Ｇ２によってダイアフラム部１１を形成し、このダイアフラム部１１よりもサイズの大きな歪検出基板４０を配置するために、上面側にも溝Ｇ１を形成する必要がある。結局、受力体３０を起歪体１０とは別体として用意し、起歪体１０の下面に対する加工を行った後に受力体３０を接続する組立工程が必要になる。
【００７３】
これに対して、本発明では、図３下段の側面図に示されているとおり、起歪体１００に対する加工は、上面から行うだけで済む。ダイアフラム部１１０の下面と側壁部１２０の下面とは同一平面上に位置するため、起歪体１００の下面は平坦面となり、下面に溝を掘る加工を行う必要はない。
【００７４】
実際、本発明に係る装置では、起歪体１００、接続部材２００、受力体３００からなる基本構造体を、同一材料からなる一体構造体によって構成することができ、製造コストを大幅に低減することができる。具体的には、この基本構造体は、次のような工程で生産することができる。
【００７５】
まず、コバール、４２−アロイ、ステンレス、アルミニウムなどの金属材料（可撓性をもったダイアフラム部１１０を構成することが可能な材料であれば、必ずしも金属である必要はない）からなる材料棒を用意する。図示の例の場合、金属の円柱棒を用意するのが好ましい。ここでは、説明の便宜上、図３下段の図に示すように、Ｚ軸が上方に向かう方向に定義されたＸＹＺ三次元直交座標系を考え、この座標系上に、中心軸がＺ軸上にくるように材料棒を配置したものとしよう。
【００７６】
はじめに、この材料棒のうち、Ｚ座標値がαを越え、かつβ未満の範囲に入る部分を、中心軸の近傍部分のみが残るように側面から切削加工する側面加工段階を行う。図３下段の側面図に示されているαおよびβは、このＺ座標値に応じた位置を示している。要するに、位置α〜βの間の区間に対して、側面からの切削加工を行うことにより、中心軸の近傍部分によって円柱状の接続部材２００を形成することになる。
【００７７】
続いて、この材料棒の上端面の中央部に検出用領域（図４上段の上面図に示されている輪郭ｆ１の内部の領域）を定義し、この検出用領域を下方に切削加工して検出用溝Ｇを形成する。そうすれば、この材料棒のＺ座標値がα以下の部分によって受力体３００を構成し、Ｚ座標値がαを越え、かつβ未満の範囲に入る部分によって接続部材２００を構成し、Ｚ座標値がβ以上の部分によって起歪体１００を構成することができ、これらは同一材料からなる一体構造体になる。
【００７８】
最後に、必要に応じて、上端面にカバー接着部１９０を形成する加工（図４上段の上面図に示されている輪郭ｆ１とｆ２との間の領域を浅く掘り下げる加工）や、ネジ孔１５１〜１５４，３２１〜３２４および開口部３５１〜３５４を形成する加工、回路基板５００を挿入するための挿入口を形成する加工を行えばよい。
【００７９】
このように、本発明に係る力覚センサでは、１本の材料棒に対する機械加工によって基本構造体を量産することができるため、製造工程は単純化され、製造コストを大幅に低減させることができる。
【００８０】
従来型の力覚センサの第３の問題点は、別体として用意された起歪体１０と受力体３０とを接続する必要があるため、この接続部に関しての信頼性が低下する点である。図１に示す例のようにネジＮによる接続を行えば、ネジＮの弛みによって接続部の信頼性は失われ、受力体３０が脱落するおそれもある。また、両者を接着剤で固定すると、検出に悪影響を与えるヒステリシス特性が生じる。
【００８１】
本発明に係る力覚センサでは、受力体１００、接続部材２００、起歪体３００からなる基本構造体を、同一材料からなる一体構造体によって構成することができる。このような一体構造体による構成にすれば、相互の接続部について十分な信頼性が得られることになり、耐久度の高い装置を実現できる。
【００８２】
＜＜＜  §４．  ピエゾ抵抗素子の配置  ＞＞＞
§２では、本発明に係る力覚センサの基本構造体の構成を説明したが、ここでは、歪検出基板４００上に設けられるピエゾ抵抗素子の配置に関する基本方針を述べよう。
【００８３】
はじめに、§２で説明した力覚センサに外力が作用したとき、ダイアフラム部１１０がどのように変形し、歪検出基板４００にどのような応力が作用するかを考えてみよう。図８は、図３に示す基本構造体にＹ軸まわりのモーメント成分＋Ｍｙが作用したときの変形状態を示すＸＺ平面での側断面図である。図において、Ｙ軸は、原点Ｏにおいて紙面に垂直奥方向を向いた軸である。
【００８４】
なお、本願では、特定の座標軸まわりのモーメント成分の符号は、当該特定の座標軸の正方向に右ネジを進めるための回転方向を正にとることにする。したがって、図示の例の場合、モーメント成分＋Ｍｙは、Ｙ軸を中心軸として、受力体３００を時計まわりに回転させる力になり、モーメント成分−Ｍｙは、Ｙ軸を中心軸として、受力体３００を反時計まわりに回転させる力になる。
【００８５】
起歪体１００を固定した状態において、受力体３００に対してモーメント成分＋Ｍｙが作用すると、ダイアフラム部１１０および歪検出基板４００には図示のような変形が生じることになる。その結果、歪検出基板４００の上面には、図に矢印で示すような応力が加わる。すなわち、歪検出基板４００の上面の中央付近（接続部材２００の接続領域の外側直近部）に着目すると、図の左側では伸びる方向への応力（引張り応力）が加わり、図の右側では縮む方向への応力（圧縮応力）が加わる。その結果、各位置に配置されたピエゾ抵抗素子の電気抵抗に変化が生じることになる。
【００８６】
たとえば、シリコン基板上に形成されたＰ型のピエゾ抵抗素子の場合、伸びる方向への応力が作用すると抵抗値は増加し、縮む方向への応力が作用すると抵抗値は減少する。Ｎ型のピエゾ抵抗素子の場合は、これと逆の結果が生じる。そこで、回路基板５００上に、このようなピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化を検知する検出回路を設けておけば、受力体３００に作用した外力成分を電気信号として検出することができる。
【００８７】
各ピエゾ抵抗素子に加わる応力は、受力体３００に作用した外力成分の種類によって異なる。たとえば、負のモーメント成分−Ｍｙが作用した場合、図８とは左右逆転した変形態様が得られることになる。図９は、図３に示す基本構造体にＺ軸方向の力成分＋Ｆｚが作用したときの変形状態を示すＸＺ平面での側断面図である。歪検出基板４００の中央部が上方（Ｚ軸正方向）に押し上げられ、歪検出基板４００の上面の中央付近に着目すると、左右いずれの位置においても伸びる方向への応力が加わる。負の力成分−Ｆｚ（図９の下方へ向かう力成分）が作用した場合は、これとは逆に、左右いずれの位置においても縮む方向への応力が加わることになる。
【００８８】
本願発明者が調べた結果、受力体３００に様々な外力成分が作用したときに歪検出基板４００の上面に発生する応力の強度は、接続部材２００の接続領域の外側直近部に集中することが判明した。すなわち、図７上段の上面図において、破線の円で示されている接続部材２００の領域の外側直近部に応力が集中することになる。図示の例において、８組のピエゾ抵抗素子Ａを、この外側直近部に配置してあるのは、応力が集中する箇所にピエゾ抵抗素子を配置して検出感度を高めるためである。
【００８９】
本願では、このように、歪検出基板４００の上面において、接続部材２００の接続領域の外側直近部に配置されたピエゾ抵抗素子（すなわち、接続部材２００の上端面を歪検出基板４００の上面に正射影投影して投影像を形成したときに、この投影像の外側直近部に配置されたピエゾ抵抗素子）を「中央素子」と呼ぶことにする。図７に示す８組のピエゾ抵抗素子Ａは、いずれも「中央素子」である。これら中央素子は、応力が集中する箇所に配置されているため、受力体３００に作用した外力成分に対して高い検出感度を有する。
【００９０】
本発明に係る力覚センサは、この中央素子を用いた検出を行うことを前提としており、歪検出基板４００上に形成されたピエゾ抵抗素子の少なくとも一部は、中央素子によって構成されている。なお、後述する実施例のいくつかは、中央素子以外のピエゾ抵抗素子（「参照素子」と呼んでいる）も利用する。本願図面では、「中央素子」を符号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを用いて表し、「参照素子」を符号Ｐ，Ｑ，Ｒ，Ｓを用いて表すことにより、両者を区別している。
【００９１】
また、実用上、これら各中央素子Ａ〜Ｄの配置パターンは、ＸＺ平面およびＹＺ平面に関して対称形をなすようにするのが好ましい。図７に示す例における８組のピエゾ抵抗素子Ａや、後述する各実施例における各中央素子Ａ〜Ｄは、いずれも同一サイズの抵抗素子になっており、しかもＸＺ平面およびＹＺ平面に関して対称形をなす配置パターンを有している。このような対称性を維持しておくと、後述するブリッジ回路から出力される各軸成分の検出値のオフセット電圧がゼロになるため調整を行いやすくなる。また、ブリッジの各辺が同一になるので温度特性も改善される。
【００９２】
ところで、ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化に基づいて、受力体が受けた力を電気信号として検出するには、後述するようなブリッジ回路を用いた差分検出を行うのが好ましい。これは、力覚センサの実使用環境（特に温度環境）が変化すると、ピエゾ抵抗素子の電気的特性も変化するため、各ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の絶対値をそのまま検出値として利用すると、温度環境などの影響がそのまま検出値にも現れ、正しい検出値を出力することができなくなるためである。２組のピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化の差分を検出値として出力可能なブリッジ回路を利用し、検出対象となる力が作用していない状態において、ブリッジが平衡を保つようにすれば、このような実使用環境の影響を排除した正確な検出が可能になる。
【００９３】
図１に示す従来装置の場合、ピエゾ抵抗素子Ｋ２，Ｋ３が本発明における中央素子に対応するものであるが、更にピエゾ抵抗素子Ｋ１，Ｋ４という外縁素子を併用することによって、差分検出を可能にしている。すなわち、従来装置では、歪検出基板４０の中央部と外縁部とで応力の発生態様に違いがあることを利用して、中央部と外縁部との双方にピエゾ抵抗素子を配置して差分検出を可能にしている。
【００９４】
これに対して、本発明に係る装置の場合、歪検出基板４００の中央部（接続部材２００の接続領域の外側直近部）には応力が集中して発生するものの、外縁部にはわずかな応力しか発生しない。すなわち、図２に示す従来装置の場合は、位置Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４のすべての地点において顕著な応力発生が見られるが、図３に示す本発明に係る装置の場合、位置Ｌ６，Ｌ７においては顕著な応力発生が見られるものの、歪検出基板４００の外縁部（位置Ｌ５，Ｌ８の近傍）においては有意な応力発生はみられない。これは、歪検出基板４００の外縁部が位置Ｌ５，Ｌ８を股ぐ位置まで延びていないためと考えられる。このため、本発明において差分検出を行うためには、若干の工夫が必要になる。以下、これらの工夫を、具体的な実施例に基づいて説明する。
【００９５】
＜＜＜  §５．  具体的な実施例の構成および検出動作  ＞＞＞
ここでは、歪検出基板４００上に設けられるピエゾ抵抗素子の具体的な配置例を個々の実施例として説明する。いずれの実施例も、少なくとも一部のピエゾ抵抗素子が中央素子（接続部材２００の上端面の投影像の外側直近部に配置されたピエゾ抵抗素子）によって構成されているという共通の特徴を有している。なお、以下の各実施例では、第５の実施例を除いて、Ｐ型のピエゾ抵抗素子を用いた例が示されている（もちろん、代わりにＮ型のピエゾ抵抗素子を用いてもよいし、両者を混合して用いてもかまわないが、その場合には、ブリッジ回路の構成に配慮する必要がある）。また、各ピエゾ抵抗素子は、その長手方向が電流が流れる方向となっており、各ピエゾ抵抗素子に対する配線は、長手方向の両端に対して行われるものとする。
【００９６】
＜５−１．  第１の実施例＞
図１０は、本発明に係る力覚センサにおけるピエゾ抵抗素子配置パターンの第１の実施例を示す上面図である。この配置パターンは、図４および図７に示す配置パターンと同じものであり、合計８組のピエゾ抵抗素子Ａ１〜Ａ８が、接続部材２００の上端面の投影像の外側直近部に中央素子として配置されている。なお、図１０におけるハッチングは、ピエゾ抵抗素子Ａ１〜Ａ８の形成領域を示すものであり、断面を示すものではない（以下の各歪検出基板４００の上面図においても同様）。
【００９７】
具体的には、この実施例の場合、歪検出基板４００の上面には、Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸正領域に沿って配置された第１の中央素子Ａ１および第２の中央素子Ａ２と、Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸負領域に沿って配置された第３の中央素子Ａ３および第４の中央素子Ａ４と、Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸正領域に沿って配置された第５の中央素子Ａ５および第６の中央素子Ａ６と、Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸負領域に沿って配置された第７の中央素子Ａ７および第８の中央素子Ａ８と、が設けられている。
【００９８】
ここで、第１〜第８の中央素子Ａ１〜Ａ８は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、その電気的特性は同一になる。したがって、各素子に同じ条件で応力が加われば、いずれも同じ抵抗値変化を生じることになる。また、各中央素子Ａ１〜Ａ８の配置パターンは、ＸＺ平面およびＹＺ平面に関して対称形をなすようになっており、図１０の上面図に示されている平面パターンは、Ｘ軸に関して線対称、Ｙ軸に関しても線対称の図形になっている。
【００９９】
図１１は、図１０に示す第１の実施例における各ピエゾ抵抗素子Ａ１〜Ａ８の抵抗値の変化を示す表である。図に「＋Ｍｘ」と標記された行の各欄は、受力体３００にＸ軸正まわりのモーメント成分＋Ｍｘが作用したときの抵抗値変化を示し、「＋Ｍｙ」と標記された行の各欄は、受力体３００にＹ軸正まわりのモーメント成分＋Ｍｙが作用したときの抵抗値変化を示し、「＋Ｆｚ」と標記された行の各欄は、受力体３００にＺ軸正方向の力成分＋Ｆｚが作用したときの抵抗値変化を示している。ここで、「＋」は抵抗値が増加することを示し、「−」は抵抗値が減少することを示し、「０」は抵抗値に変化が生じないことを示す（後述する各実施例についての表も同様である）。
【０１００】
図１１の表において、「＋Ｍｙ」の欄の結果がこのようになることは、図８の変形態様を見れば容易に理解できる。図８の変形態様を考慮すれば、図１０に示す上面図において、素子Ａ１，Ａ２には長手方向に縮む応力が作用して抵抗値は減少し、素子Ａ３，Ａ４には長手方向に伸びる応力が作用して抵抗値は増加することがわかる。これに対して、素子Ａ５〜Ａ８については、長手方向に関する伸縮応力は発生しないため、抵抗値に変化は生じない。「＋Ｍｘ」の欄の結果が得られる理由も同様である。
【０１０１】
一方、「＋Ｆｚ」の欄の結果がこのようになることは、図９の変形態様を見れば容易に理解できる。図９の変形態様を考慮すれば、図１０に示す上面図において、すべての中央素子Ａ１〜Ａ８には長手方向に伸びる応力が作用して抵抗値は増加することがわかる。なお、逆まわりのモーメント成分「−Ｍｘ」，「−Ｍｙ」や、逆方向の力成分「−Ｆｚ」が作用した場合は、図１１の表に示す各符号を逆転した結果が得られることになる。
【０１０２】
この図１０の表に示す結果を踏まえれば、図１２および図１３に示す検出回路により、Ｙ軸まわりのモーメント成分ＭｙおよびＸ軸まわりのモーメント成分Ｍｘの検出が可能になることがわかる。
【０１０３】
図１２に示す検出回路は、第１の中央素子Ａ１と第２の中央素子Ａ２とを第１の対辺に配置し、第３の中央素子Ａ３と第４の中央素子Ａ４とを第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙの検出を行う回路である。直流電源Ｅから所定の電源電圧を供給すると、ブリッジが平衡条件を維持している間は、両端子Ｔｙ１，Ｔｙ２は等電位を保つが、平衡状態が崩れると、両端子間に電位差Ｖｙが生じることになる。この電位差Ｖｙは、Ｙ軸まわりのモーメント成分Ｍｙの向きおよび大きさを示す電気信号になる。
【０１０４】
たとえば、モーメント成分＋Ｍｙが作用すると、図１１の表に示すとおり、中央素子Ａ１，Ａ２の抵抗値は減少し、中央素子Ａ３，Ａ４の抵抗値は増加するので、端子Ｔｙ１側が正、端子Ｔｙ２側が負となる電圧Ｖｙが発生する。逆まわりのモーメント成分−Ｍｙが作用した場合は、電圧Ｖｙの符号が逆転する。また、作用したモーメント成分が大きければ、電圧Ｖｙの絶対値も大きくなる。
【０１０５】
同様に、図１３に示す検出回路は、第５の中央素子Ａ５と第６の中央素子Ａ６とを第１の対辺に配置し、第７の中央素子Ａ７と第８の中央素子Ａ８とを第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてＸ軸まわりのモーメント成分Ｍｘの検出を行う回路である。直流電源Ｅから所定の電源電圧を供給すると、ブリッジが平衡条件を維持している間は、両端子Ｔｘ１，Ｔｘ２は等電位を保つが、平衡状態が崩れると、両端子間に電位差Ｖｘが生じることになる。この電位差Ｖｘは、Ｘ軸まわりのモーメント成分Ｍｘの向きおよび大きさを示す電気信号になる。
【０１０６】
なお、モーメント成分Ｍｘが作用した場合は、中央素子Ａ１〜Ａ４の抵抗値変化は生じないので、図１２に示す検出回路が、モーメント成分Ｍｘを誤検出することはない。また、力成分Ｆｚが作用した場合は、中央素子Ａ１〜Ａ８のすべての抵抗値が増加することになるので、図１２に示す検出回路は、ブリッジの平衡条件を維持し、力成分Ｆｚを誤検出することはない。同様に、図１３に示す検出回路は、モーメント成分Ｍｙや力成分Ｆｚを誤検出することはない。このように、図１２および図１３に示す検出回路は、他軸成分の干渉を排除した正確な検出値を得ることができる。
【０１０７】
また、図１２および図１３に示す検出回路は、いずれもホイートストンブリッジを用いた差分検出を行う回路になっているため、力覚センサの実使用環境（特に温度環境）の変化によって各ピエゾ抵抗素子の電気的特性に変化が生じても、その影響が検出値として出力されることはない。たとえば、温度変化によって、８組のピエゾ抵抗素子の電気抵抗が増減したとしても、これらの増減は８組のピエゾ抵抗素子すべてに対して生じる現象であるため、外力が作用していない状態では、ブリッジ回路の平衡条件はそのまま維持され、検出電圧が出力されることはない。このように、図１２および図１３に示す検出回路は、実使用環境の影響を排除した正確な検出を行うことが可能である。
【０１０８】
なお、図１２に示すモーメント成分Ｍｙの検出回路と図１３に示すモーメント成分Ｍｘの検出回路とは全く独立した回路であるので、いずれか一方のみの検出で十分な場合は、必要な中央素子および検出回路のみを用意すれば足りる。たとえば、モーメント成分Ｍｙの検出のみで十分な場合は、中央素子Ａ１〜Ａ４と図１２の検出回路を用意すれば足り、中央素子Ａ５〜Ａ８および図１３の検出回路を設ける必要はない。また、８組の中央素子Ａ１〜Ａ８を用いてモーメント成分Ｍｙ，Ｍｘの双方を検出する場合であっても、モーメント成分Ｍｙ検出用の中央素子Ａ１〜Ａ４を同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成し、モーメント成分Ｍｘ検出用の中央素子Ａ５〜Ａ８を同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成しておけば、必ずしも全中央素子Ａ１〜Ａ８を同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成しておく必要はない。
【０１０９】
結局、第１の実施例の基本概念は、中央素子を、所定の検出対象成分（たとえば、モーメント成分Ｍｙ）の作用により伸びる方向への応力が加わる位置に配置された第１グループの中央素子（たとえば、Ａ３，Ａ４）と、当該検出対象成分の作用により縮む方向への応力が加わる位置に配置された第２グループの中央素子（たとえば、Ａ１，Ａ２）と、によって構成し、検出回路が、第１グループに所属する中央素子を第１の対辺に配置し、第２グループに所属する中央素子を第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いて検出対象成分の検出を行うことにより、モーメント成分ＭｙもしくはＭｘの検出にあたり中央素子のみを用いた差分検出を可能にする、という点にある。
【０１１０】
＜５−２．  第２の実施例＞
図１４は、本発明に係る力覚センサにおけるピエゾ抵抗素子配置パターンの第２の実施例を示す上面図である。この配置パターンでは、４組の中央素子Ｂ１〜Ｂ４とともに、２組の参照素子Ｐ１，Ｐ２が用いられている。４組の中央素子Ｂ１〜Ｂ４が、接続部材２００の上端面の投影像の外側直近部に配置されたピエゾ抵抗素子であるのに対して、２組の参照素子Ｐ１，Ｐ２は、検出対象となる力の作用によりダイアフラム部１１０に変形が生じた場合にも有意な応力変化が生じない位置に配置されたピエゾ抵抗素子である。
【０１１１】
図示の例の場合、参照素子Ｐ１，Ｐ２は、歪検出基板４００の周囲近傍に配置されている。§２で述べた本発明に係る力覚センサの構造を採用した場合、前述したとおり、受力体３００に様々な外力成分が作用したとしても、歪検出基板４００に生じる応力は接続部材２００の接続部分の外側直近部に集中し、歪検出基板４００の周囲近傍には、有意な応力変化は生じない。したがって、歪検出基板４００の周囲近傍に配置された参照素子Ｐ１，Ｐ２の抵抗値は、外力の作用の影響をほとんど受けない。ここで述べる第２の実施例は、そのような参照素子Ｐ１，Ｐ２をブリッジ回路に組み込むことにより、差分検出を行うものである。
【０１１２】
具体的には、この実施例の場合、歪検出基板４００の上面には、Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸正領域に沿って配置された第１の中央素子Ｂ１と、Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸負領域に沿って配置された第２の中央素子Ｂ２と、Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸正領域に沿って配置された第３の中央素子Ｂ３と、Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸負領域に沿って配置された第４の中央素子Ｂ４と、歪検出基板４００の周囲近傍に配置された第１の参照素子Ｐ１および第２の参照素子Ｐ２と、が設けられている。
【０１１３】
ここで、第１〜第４の中央素子Ｂ１〜Ｂ４は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されている。一方、第１〜第２の参照素子Ｐ１，Ｐ２は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、検出対象となる力が作用していない状態において、第１〜第２の参照素子Ｐ１，Ｐ２の抵抗値が、第１〜第４の中央素子Ｂ１〜Ｂ４の抵抗値の２倍となるように設定されている。より具体的には、図示の例の場合、各参照素子Ｐ１，Ｐ２は、各中央素子Ｂ１〜Ｂ４と同じ太さで長さが２倍のピエゾ抵抗素子によって構成されている。もちろん、各参照素子Ｐ１，Ｐ２を、各中央素子Ｂ１〜Ｂ４と同じ長さで太さが１／２倍のピエゾ抵抗素子によって構成してもかまわない。あるいは、各中央素子Ｂ１〜Ｂ４と同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子を２本直列接続したものを、参照素子Ｐ１もしくはＰ２として利用してもよい。
【０１１４】
また、各中央素子Ｂ１〜Ｂ４の配置パターンは、ＸＺ平面およびＹＺ平面に関して対称形をなすようになっており、図１４の上面図に示されている各中央素子Ｂ１〜Ｂ４の平面パターンは、Ｘ軸に関して線対称、Ｙ軸に関しても線対称の図形になっている。
【０１１５】
図１５は、図１４に示す第２の実施例における各ピエゾ抵抗素子Ｂ１〜Ｂ４，Ｐ１，Ｐ２の抵抗値の変化を示す表である。この表において、「＋Ｍｙ」の欄の結果がこのようになることは、図８の変形態様を見れば容易に理解できる。図８の変形態様を考慮すれば、図１４に示す上面図において、素子Ｂ１には長手方向に縮む応力が作用して抵抗値は減少し、素子Ｂ２には長手方向に伸びる応力が作用して抵抗値は増加することがわかる。これに対して、素子Ｂ３，Ｂ４については、長手方向に関する伸縮応力は発生しないため、抵抗値に変化は生じない。また、素子Ｐ１，Ｐ２は、上述したとおり、外力の作用に起因して有意な抵抗値変化が生じることはない。「＋Ｍｘ」の欄の結果も同様である。
【０１１６】
一方、「＋Ｆｚ」の欄の結果がこのようになることは、図９の変形態様を見れば容易に理解できる。図９の変形態様を考慮すれば、図１４に示す上面図において、すべての中央素子Ｂ１〜Ｂ４には長手方向に伸びる応力が作用して抵抗値は増加することがわかる。素子Ｐ１，Ｐ２には、有意な抵抗値変化は生じない。なお、逆まわりのモーメント成分「−Ｍｘ」，「−Ｍｙ」や、逆方向の力成分「−Ｆｚ」が作用した場合は、図１５の表に示す各符号を逆転した結果が得られることになる。
【０１１７】
この図１５の表に示す結果を踏まえれば、図１６に示す検出回路により、Ｚ軸方向の力成分Ｆｚの検出が可能になることがわかる。この検出回路は、第１の中央素子Ｂ１と第２の中央素子Ｂ２とを直列接続してなる抵抗素子と、第３の中央素子Ｂ３と第４の中央素子Ｂ４とを直列接続してなる抵抗素子と、を第１の対辺に配置し、第１の参照素子Ｐ１と第２の参照素子Ｐ２とを第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてＺ軸方向の力成分Ｆｚの検出を行う回路である。直流電源Ｅから所定の電源電圧を供給すると、ブリッジが平衡条件を維持している間は、両端子Ｔｚ１，Ｔｚ２は等電位を保つが、平衡状態が崩れると、両端子間に電位差Ｖｚが生じることになる。この電位差Ｖｚは、Ｚ軸方向の力成分Ｆｚの向きおよび大きさを示す電気信号になる。
【０１１８】
上述したとおり、素子Ｐ１，Ｐ２の抵抗値は、素子Ｂ１〜Ｂ４の抵抗値の２倍になるように設定されているので、外力が作用していない状態において、ブリッジ回路は平衡状態を維持する。ところが、力成分＋Ｆｚが作用すると、図１５の表に示すとおり、中央素子Ｂ１〜Ｂ４の抵抗値は増加し、参照素子Ｐ１，Ｐ２の抵抗値は変化しないので、端子Ｔｚ１側が正、端子Ｔｚ２側が負となる電圧Ｖｚが発生する。逆向きの力成分−Ｆｚが作用した場合は、電圧Ｖｚの符号が逆転する。また、作用した力成分が大きければ、電圧Ｖｚの絶対値も大きくなる。
【０１１９】
なお、モーメント成分Ｍｘが作用した場合は、中央素子Ｂ３，Ｂ４を直列接続した抵抗素子の抵抗値変化は相殺され、モーメント成分Ｍｙが作用した場合は、中央素子Ｂ１，Ｂ２を直列接続した抵抗素子の抵抗値変化は相殺されるので、図１６に示す検出回路は、モーメント成分ＭｘやＭｙを誤検出することはない。このように、図１５に示す検出回路は、他軸成分の干渉を排除した正確な検出値を得ることができる。
【０１２０】
また、図１５に示す検出回路は、ホイートストンブリッジを用いた差分検出を行う回路になっているため、力覚センサの実使用環境（特に温度環境）の変化によって各ピエゾ抵抗素子の電気的特性に変化が生じても、その影響が検出値として出力されることはない。たとえば、温度変化によって、４組の中央素子Ｂ１〜Ｂ４の電気抵抗が増減したとしても、同じ条件で２組の参照素子Ｐ１，Ｐ２の電気抵抗も増減するため、外力が作用していない状態では、ブリッジ回路の平衡条件はそのまま維持され、検出電圧が出力されることはない。このように、図１６に示す検出回路は、実使用環境の影響を排除した正確な検出を行うことが可能である。
【０１２１】
結局、第２の実施例の基本概念は、中央素子Ｂ１〜Ｂ４の他に、検出対象となる力（この例では力成分Ｆｚ）の作用によりダイアフラム部１１０に変形が生じた場合にも有意な応力変化が生じない位置に配置されたピエゾ抵抗素子からなる参照素子Ｐ１，Ｐ２を更に設け、検出回路が、中央素子Ｂ１〜Ｂ４を第１の対辺に配置し、参照素子Ｐ１，Ｐ２を第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いて検出対象成分の検出を行うことにより、力成分Ｆｚの検出を行うにあたり差分検出を可能にする、という点にある。
【０１２２】
この基本概念によれば、中央素子は必ずしも中央素子Ｂ１〜Ｂ４の４組を用いる必要はなく、たとえば、Ｘ軸上に配置された中央素子Ｂ１，Ｂ２と参照素子Ｐ１，Ｐ２とによってブリッジ回路を構成することもできる。この場合は、Ｘ軸上に配置された中央素子Ｂ１，Ｂ２を第１の対辺に配置し、参照素子Ｐ１，Ｐ２を第２の対辺に配置すればよい（参照素子Ｐ１，Ｐ２の抵抗値は半分にする）。あるいは、Ｙ軸上に配置された中央素子Ｂ３，Ｂ４と参照素子Ｐ１，Ｐ２とによってブリッジ回路を構成することもできる。この場合は、Ｙ軸上に配置された中央素子Ｂ３，Ｂ４を第１の対辺に配置し、参照素子Ｐ１，Ｐ２を第２の対辺に配置すればよい（参照素子Ｐ１，Ｐ２の抵抗値は半分にする）。
【０１２３】
＜５−３．  第３の実施例＞
図１７は、本発明に係る力覚センサにおけるピエゾ抵抗素子配置パターンの第３の実施例を示す上面図である。この配置パターンでは、４組の中央素子Ｂ１〜Ｂ４とともに、４組の参照素子Ｑ１〜Ｑ４が用いられている。４組の中央素子Ｂ１〜Ｂ４は、第２の実施例で用いた中央素子Ｂ１〜Ｂ４と全く同じ素子であり、接続部材２００の上端面の投影像の外側直近部に配置されたピエゾ抵抗素子である。これに対して、４組の参照素子Ｑ１〜Ｑ４は、Ｚ軸の位置を内側としてそれぞれ中央素子Ｂ１〜Ｂ４の外側位置に配置されたピエゾ抵抗素子である。
【０１２４】
ここで、Ｍｘ，Ｍｙ，Ｆｚという力成分が作用した場合を考えると、外側位置に配置された参照素子の抵抗値変化の挙動は、内側位置に配置された中央素子の抵抗値変化と増減が逆転し、変化量の絶対値は小さくなる。前述したとおり、本発明に係る装置の基本構造では、歪検出基板４００の外周縁では有意な応力発生が見られないため、参照素子Ｑ１〜Ｑ４は、図１に示す従来装置におけるピエゾ抵抗素子Ｋ１，Ｋ４と同等の機能を果たすことはできないが、以下に述べるように、差分検出を行うための参照素子としての機能を果たすことはできる。ここで述べる第３の実施例は、内側位置に配置された中央素子Ｂ１〜Ｂ４に加えて、外側位置に配置された参照素子Ｑ１〜Ｑ４をブリッジ回路に組み込むことにより、差分検出を行うものである。
【０１２５】
具体的には、この実施例の場合、歪検出基板４００の上面には、Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸正領域に沿って配置された第１の中央素子Ｂ１と、Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸負領域に沿って配置された第２の中央素子Ｂ２と、Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸正領域に沿って配置された第３の中央素子Ｂ３と、Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸負領域に沿って配置された第４の中央素子Ｂ４と、Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸正領域に沿って、第１の中央素子Ｂ１の外側に配置された第１の参照素子Ｑ１と、Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸負領域に沿って、第２の中央素子Ｂ２の外側に配置された第２の参照素子Ｑ２と、Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸正領域に沿って、第３の中央素子Ｂ３の外側に配置された第３の参照素子Ｑ３と、Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸負領域に沿って、第４の中央素子Ｂ４の外側に配置された第４の参照素子Ｑ４と、が設けられている。
【０１２６】
ここで、第１〜第４の中央素子Ｂ１〜Ｂ４および第１〜第４の参照素子Ｑ１〜Ｑ４は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されている。また、各中央素子Ｂ１〜Ｂ４および各参照素子Ｑ１〜Ｑ４の配置パターンは、ＸＺ平面およびＹＺ平面に関して対称形をなすようになっており、図１７の上面図に示されている８組のピエゾ抵抗素子の平面パターンは、Ｘ軸に関して線対称、Ｙ軸に関しても線対称の図形になっている。
【０１２７】
図１８は、図１７に示す第３の実施例における各ピエゾ抵抗素子Ｂ１〜Ｂ４，Ｑ１〜Ｑ４の抵抗値の変化を示す表である。この表において、「＋」は抵抗値が増加することを示し、「−」は抵抗値が減少することを示し、「０」は抵抗値に変化が生じないことを示す点は既に述べたとおりであるが、「＋δ」は抵抗値が微増することを示し、「−δ」は抵抗値が微減することを示している。ここで、微増とは「＋」で示す増加量に比べて小さな増加量であることを意味し、微減とは「−」で示す減少量に比べて小さな減少量であることを意味している。
【０１２８】
前述したとおり、本発明に係る装置の基本構造では、歪検出基板４００に生じる応力は、接続部材２００の上端面の投影像の外側直近部（中央素子Ｂ１〜Ｂ４の配置部）に集中し、外側では応力の大きさは激減する。図１７に示す例の場合、参照素子Ｑ１〜Ｑ４の抵抗値変化の挙動は、それぞれ中央素子Ｂ１〜Ｂ４の抵抗値変化の挙動の増減を逆転させ、変化量の絶対値を小さくしたものになる。図１８に示す表は、そのような結果を示すものである。たとえば、「＋Ｍｘ」の欄を見ると、素子Ｂ３は「＋」，素子Ｂ４は「−」になっているのに対して、これらの外側に配置された素子Ｑ３は「−δ」、素子Ｑ４は「＋δ」になっている。
【０１２９】
この図１８の表に示す結果を踏まえれば、図１９に示す検出回路により、Ｚ軸方向の力成分Ｆｚの検出が可能になることがわかる。この検出回路は、第１の中央素子Ｂ１と第２の中央素子Ｂ２とを直列接続してなる抵抗素子と、第３の中央素子Ｂ３と第４の中央素子Ｂ４とを直列接続してなる抵抗素子と、を第１の対辺に配置し、第１の参照素子Ｑ１と第２の参照素子Ｑ２とを直列接続してなる抵抗素子と、第３の参照素子Ｑ３と第４の参照素子Ｑ４とを直列接続してなる抵抗素子と、を第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてＺ軸方向の力成分Ｆｚの検出を行う回路である。直流電源Ｅから所定の電源電圧を供給すると、ブリッジが平衡条件を維持している間は、両端子Ｔｚ３，Ｔｚ４は等電位を保つが、平衡状態が崩れると、両端子間に電位差Ｖｚが生じることになる。この電位差Ｖｚは、Ｚ軸方向の力成分Ｆｚの向きおよび大きさを示す電気信号になる。
【０１３０】
上述したとおり、８組の素子Ｂ１〜Ｂ４，Ｑ１〜Ｑ４は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されているため、外力が作用していない状態において、ブリッジ回路は平衡状態を維持する。ところが、力成分＋Ｆｚが作用すると、図１８の表に示すとおり、中央素子Ｂ１〜Ｂ４の抵抗値は大きく増加し、参照素子Ｑ１〜Ｑ４の抵抗値は小さく減少するので、端子Ｔｚ３側が正、端子Ｔｚ４側が負となる電圧Ｖｚが発生する。逆向きの力成分−Ｆｚが作用した場合は、電圧Ｖｚの符号が逆転する。また、作用した力成分が大きければ、電圧Ｖｚの絶対値も大きくなる。
【０１３１】
なお、モーメント成分Ｍｘが作用した場合は、中央素子Ｂ３，Ｂ４を直列接続した抵抗素子や参照素子Ｑ３，Ｑ４を直列接続した抵抗素子の抵抗値変化は相殺され、モーメント成分Ｍｙが作用した場合は、中央素子Ｂ１，Ｂ２を直列接続した抵抗素子や参照素子Ｑ１，Ｑ２を直列接続した抵抗素子の抵抗値変化は相殺されるので、図１９に示す検出回路は、モーメント成分ＭｘやＭｙを誤検出することはない。このように、図１９に示す検出回路は、他軸成分の干渉を排除した正確な検出値を得ることができる。
【０１３２】
また、図１９に示す検出回路は、ホイートストンブリッジを用いた差分検出を行う回路になっているため、力覚センサの実使用環境（特に温度環境）の変化によって各ピエゾ抵抗素子の電気的特性に変化が生じても、その影響が検出値として出力されることはない。たとえば、温度変化によって、４組の中央素子Ｂ１〜Ｂ４の電気抵抗が増減したとしても、同じ条件で４組の参照素子Ｑ１〜Ｑ４の電気抵抗も増減するため、外力が作用していない状態では、ブリッジ回路の平衡条件はそのまま維持され、検出電圧が出力されることはない。このように、図１９に示す検出回路は、実使用環境の影響を排除した正確な検出を行うことが可能である。
【０１３３】
結局、第３の実施例の基本概念は、Ｚ軸の位置を内側として各中央素子Ｂ１〜Ｂ４の外側位置に配置されたピエゾ抵抗素子からなる参照素子Ｑ１〜Ｑ４を更に設け、検出回路が、中央素子Ｂ１〜Ｂ４を第１の対辺に配置し、参照素子Ｑ１〜Ｑ４を第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いて検出対象成分の検出を行うことにより、力成分Ｆｚの検出を行うにあたり差分検出を可能にする、という点にある。
【０１３４】
この基本概念によれば、中央素子は必ずしも中央素子Ｂ１〜Ｂ４の４組を用いる必要はなく、たとえば、Ｘ軸上に配置された中央素子Ｂ１，Ｂ２と参照素子Ｑ１，Ｑ２によってブリッジ回路を構成することもできる。この場合は、Ｘ軸上に配置された中央素子Ｂ１，Ｂ２を第１の対辺に配置し、参照素子Ｑ１，Ｑ２を第２の対辺に配置すればよい。あるいは、Ｙ軸上に配置された中央素子Ｂ３，Ｂ４と参照素子Ｑ３，Ｑ４によってブリッジ回路を構成することもできる。この場合は、Ｙ軸上に配置された中央素子Ｂ３，Ｂ４を第１の対辺に配置し、参照素子Ｑ３，Ｑ４を第２の対辺に配置すればよい。
【０１３５】
なお、図１７に示すピエゾ抵抗素子の配置において、参照素子Ｑ１〜Ｑ４の位置を歪検出基板４００の外周縁に近づければ近づけるほど抵抗値の増減量は小さくなり、図１８の表における「＋δ」および「−δ」は「０」に近づくことになる。「＋δ」および「−δ」が「０」になると、結局、この第３の実施例は、前述した第２の実施例と同じ原理の実施例ということになる。また、逆に、参照素子Ｑ１〜Ｑ４の位置を歪検出基板４００の中心に近づけてゆくと、はじめは抵抗値の増減量は小さくなり、ある位置で増減量が「０」になった後、今度は増減の関係が逆転し、増減量が大きくなってゆく。別言すれば、図１８の表における「＋δ」および「−δ」が逆転し、中心に近づければ近づけるほど増減量は大きくなり、「＋」および「−」に近づくことになる。これは、参照素子Ｑ１〜Ｑ４を接続部材２００の外側直近部までもっていった形態が中央素子Ｂ１〜Ｂ４になることを考えれば当然である。
【０１３６】
図１９に示す検出回路は、このように、図１８の表における「＋δ」および「−δ」が逆転した場合にも支障なく検出機能を果たすことができる。たとえば、力成分＋Ｆｚが作用した場合、図１８の表によれば、中央素子Ｂ１〜Ｂ４の抵抗値は大きく増加し、参照素子Ｑ１〜Ｑ４の抵抗値は小さく減少するが、中央素子Ｂ１〜Ｂ４の抵抗値の増減量の方が参照素子Ｑ１〜Ｑ４の抵抗値の増減量よりも大きくなるので、図１８の表における「＋δ」および「−δ」の関係が逆転していたとしても、図１９に示す検出回路によって、力成分Ｆｚの正しい検出値が得られる。
【０１３７】
ただ、この場合、参照素子Ｑ１〜Ｑ４の抵抗値の増減量「δ」が大きくなればなるほど、図１９に示す検出回路による検出感度は低下することになるので、検出感度を向上させるためには、参照素子Ｑ１〜Ｑ４は、歪検出基板４００のできるだけ外側に配置した方が好ましい。一方、温度環境の変化による影響を排除した正確な検出を行う上では、参照素子Ｑ１〜Ｑ４は、できるだけ中央素子Ｂ１〜Ｂ４に近い温度環境におくことが好ましい。そのような観点からは、参照素子Ｑ１〜Ｑ４は、歪検出基板４００のできるだけ内側（中央素子Ｂ１〜Ｂ４に近い位置）に配置するのが好ましい。
【０１３８】
＜５−４．  第４の実施例＞
図２０は、本発明に係る力覚センサにおけるピエゾ抵抗素子配置パターンの第４の実施例を示す上面図である。この配置パターンでは、４組の中央素子Ｂ１〜Ｂ４とともに、４組の参照素子Ｒ１〜Ｒ４が用いられている。４組の中央素子Ｂ１〜Ｂ４は、第２の実施例で用いた中央素子Ｂ１〜Ｂ４と全く同じ素子であり、接続部材２００の上端面の投影像の外側直近部に配置されたピエゾ抵抗素子である。これに対して、４組の参照素子Ｒ１〜Ｒ４は、応力歪みに対する電気抵抗変化感度が小さい方向に配置されたピエゾ抵抗素子である。
【０１３９】
ここで述べる第４の実施例は、中央素子Ｂ１〜Ｂ４に加えて、応力歪みに対する電気抵抗変化感度が小さい方向に配置された参照素子Ｑ１〜Ｑ４をブリッジ回路に組み込むことにより、差分検出を行うものである。
【０１４０】
図２１は、図２０に示す第４の実施例における各ピエゾ抵抗素子Ｂ１〜Ｂ４，Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値の変化を示す表である。この表において、「＋」は抵抗値が増加することを示し、「−」は抵抗値が減少することを示し、「０」は抵抗値に変化が生じないこと（あるいは、「＋」もしくは「−」で示す抵抗値の変化量に対して無視しうる程度の抵抗値変化しか生じないこと）を示している。ここで、４組の参照素子Ｒ１〜Ｒ４の欄はいずれも「０」になっているが、これは参照素子Ｒ１〜Ｒ４の配置方向が、いずれも応力歪みに対する電気抵抗変化感度（ピエゾ抵抗係数）が小さい方向を向いているためである。
【０１４１】
実は、この第４の実施例を実施するためには、歪検出基板４００として、固有の特徴をもった基板を用いる必要がある。以下、この点について説明しよう。一般に、応力歪みに対する電気抵抗変化感度には、方向依存性があることが知られている。たとえば、歪検出基板４００として、シリコン単結晶基板を用いる場合を考えると、このシリコン単結晶基板を切出すときの面方位によって、電気抵抗変化感度の方向分布に大きな違いが生じる。
【０１４２】
図２２は、シリコン単結晶基板の各結晶面についてのピエゾ抵抗係数（応力歪みに対する電気抵抗変化感度）を示すグラフである。すなわち、シリコンの単結晶基板をある特定の結晶面で切出し、この切出し面内の各方向についてのピエゾ抵抗係数を原点Ｏからの距離に対応させてプロットしたものである。図の上は（００１）面についてのグラフ、図の左下は（１１０）面についてのグラフ、図の右下は（１１１）面についてのグラフを示している。
【０１４３】
たとえば、（００１）面については、０°，９０°，１８０°，２７０°の各方向において、ピエゾ抵抗係数がピーク値をとっている。したがって、（００１）面が上面となるように切り出したシリコン単結晶基板を用いて歪検出基板４００を構成し、たとえば、０°の方向（［０１０］方向）をＸ軸正方向とし、９０°の方向（［−１００］方向）をＹ軸正方向として（明細書中では、結晶方位を示すマイナス符号は、数字１の前に付すことにする）、図２０に示すような４組の中央素子Ｂ１〜Ｂ４を配置すれば、これら４組の中央素子Ｂ１〜Ｂ４の長手方向は、いずれもピエゾ抵抗係数のピーク方向を向くことになり、良好な感度をもって応力歪みの検出が可能になる。
【０１４４】
一方、この（００１）面では、４５°の方向（［−１１０］方向）や、１３５°の方向（［−１−１０］方向）といった、ピーク方向に対して４５°をなす方向についてのピエゾ抵抗係数は非常に小さくなっている。したがって、これらの方向が長手方向となるように配置されたピエゾ抵抗素子では、応力歪みに対する電気抵抗変化感度が非常に小さくなる。図２０に示す４組の参照素子Ｒ１〜Ｒ４は、このように、ピエゾ抵抗係数が非常に小さくなる方向（Ｘ軸もしくはＹ軸に対して４５°をなす方向）に配置されている。図２１に示す表において、４組の参照素子Ｒ１〜Ｒ４の欄がいずれも「０」になっているのは、参照素子Ｒ１〜Ｒ４が、このような特有の方向に配置されているためである。
【０１４５】
このように、シリコン単結晶基板の（００１）面は、本発明において歪検出基板４００として利用するのに非常に都合のよい特性を有している。すなわち、ピエゾ抵抗係数のピーク方向が互いに直交する２軸方向を向き、これら２軸に対して４５°をなす方向に関しては、ピエゾ抵抗係数が非常に小さい、という特性を有している。これに対して、（１１０）面の特性は、図２２の左下のグラフに示すように、ピエゾ抵抗係数のピーク方向を示す２軸Ｐ，Ｑは直交していないため、これらの２軸Ｐ，Ｑを、そのまま本発明におけるＸ軸，Ｙ軸として利用することはできない。また、（１１１）面の特性は、図２２の右下のグラフに示すとおり、方位依存性がなく、いずれの方向に関しても同じ感度が得られるため、この第４の実施例に利用することはできない。
【０１４６】
したがって、この第４の実施例では、歪検出基板４００を（００１）面で切り出したシリコン単結晶基板によって構成し、（００１）面が歪検出基板４００の上面となり、ピエゾ抵抗係数のピーク方向（［０１０］方向や［−１００］方向）がＸ軸もしくはＹ軸方向となるように配置する必要がある。
【０１４７】
そして、この第４の実施例では、図２０に示すように、歪検出基板４００の上面には、Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸正領域に沿って配置された第１の中央素子Ｂ１と、Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸負領域に沿って配置された第２の中央素子Ｂ２と、Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸正領域に沿って配置された第３の中央素子Ｂ３と、Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸負領域に沿って配置された第４の中央素子Ｂ４と、Ｘ軸もしくはＹ軸に対して４５°をなす方向が長手方向となるように配置された第１〜第４の参照素子Ｒ１〜Ｒ４と、が設けられている。
【０１４８】
ここで、第１〜第４の中央素子Ｂ１〜Ｂ４および第１〜第４の参照素子Ｒ１〜Ｒ４は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されている。また、各中央素子Ｂ１〜Ｂ４の配置パターンは、ＸＺ平面およびＹＺ平面に関して対称形をなすようになっており、図２０の上面図に示されている４組の中央素子Ｂ１〜Ｂ４の平面パターンは、Ｘ軸に関して線対称、Ｙ軸に関しても線対称の図形になっている。
【０１４９】
この図２１の表に示す結果を踏まえれば、図２３に示す検出回路により、Ｚ軸方向の力成分Ｆｚの検出が可能になることがわかる。この検出回路は、第１の中央素子Ｂ１と第２の中央素子Ｂ２とを直列接続してなる抵抗素子と、第３の中央素子Ｂ３と第４の中央素子Ｂ４とを直列接続してなる抵抗素子と、を第１の対辺に配置し、第１の参照素子Ｒ１と第２の参照素子Ｒ２とを直列接続してなる抵抗素子と、第３の参照素子Ｒ３と第４の参照素子Ｒ４とを直列接続してなる抵抗素子と、を第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてＺ軸方向の力成分Ｆｚの検出を行う回路である。直流電源Ｅから所定の電源電圧を供給すると、ブリッジが平衡条件を維持している間は、両端子Ｔｚ５，Ｔｚ６は等電位を保つが、平衡状態が崩れると、両端子間に電位差Ｖｚが生じることになる。この電位差Ｖｚは、Ｚ軸方向の力成分Ｆｚの向きおよび大きさを示す電気信号になる。
【０１５０】
上述したとおり、８組の素子Ｂ１〜Ｂ４，Ｒ１〜Ｒ４は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されているため、外力が作用していない状態において、ブリッジ回路は平衡状態を維持する。ところが、力成分＋Ｆｚが作用すると、図２１の表に示すとおり、中央素子Ｂ１〜Ｂ４の抵抗値は大きく増加し、参照素子Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値は有意な変化をしないので、端子Ｔｚ５側が正、端子Ｔｚ６側が負となる電圧Ｖｚが発生する。逆向きの力成分−Ｆｚが作用した場合は、電圧Ｖｚの符号が逆転する。また、作用した力成分が大きければ、電圧Ｖｚの絶対値も大きくなる。
【０１５１】
なお、モーメント成分Ｍｘが作用した場合は、中央素子Ｂ３，Ｂ４を直列接続した抵抗素子の抵抗値変化は相殺され、モーメント成分Ｍｙが作用した場合は、中央素子Ｂ１，Ｂ２を直列接続した抵抗素子の抵抗値変化は相殺されるので、図２３に示す検出回路は、モーメント成分ＭｘやＭｙを誤検出することはない。このように、図２３に示す検出回路は、他軸成分の干渉を排除した正確な検出値を得ることができる。
【０１５２】
また、図２３に示す検出回路は、ホイートストンブリッジを用いた差分検出を行う回路になっているため、力覚センサの実使用環境（特に温度環境）の変化によって各ピエゾ抵抗素子の電気的特性に変化が生じても、その影響が検出値として出力されることはない。たとえば、温度変化によって、４組の中央素子Ｂ１〜Ｂ４の電気抵抗が増減したとしても、同じ条件で４組の参照素子Ｒ１〜Ｒ４の電気抵抗も増減するため、外力が作用していない状態では、ブリッジ回路の平衡条件はそのまま維持され、検出電圧が出力されることはない。このように、図２３に示す検出回路は、実使用環境の影響を排除した正確な検出を行うことが可能である。
【０１５３】
なお、温度環境の変化による影響を排除した正確な検出を行う上では、参照素子Ｒ１〜Ｒ４は、できるだけ中央素子Ｂ１〜Ｂ４に近い温度環境におくことが好ましい。図２０に示す例において、参照素子Ｒ１〜Ｒ４が、それぞれ中央素子Ｂ１〜Ｂ４に接近して配置されているのはこのためである。もちろん、参照素子Ｒ１〜Ｒ４の位置は、Ｘ軸もしくはＹ軸に対して４５°をなす向きに配置できれば、その位置は、Ｘ軸上およびＹ軸上に限定されるものではない。
【０１５４】
結局、第４の実施例の基本概念は、歪検出基板４００を、シリコン単結晶基板によって構成し、このシリコン単結晶基板の（００１）面が歪検出基板４００の上面となるようにし、各中央素子Ｂ１〜Ｂ４を、この（００１）面におけるピエゾ抵抗係数のピーク方向を向くように配置し、ピーク方向に対して４５°をなす方向を向くように配置されたピエゾ抵抗素子からなる参照素子Ｒ１〜Ｒ４を更に設け、検出回路が、中央素子Ｂ１〜Ｂ４を第１の対辺に配置し、参照素子Ｒ１〜Ｒ４を第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いて検出対象成分の検出を行うことにより、力成分Ｆｚの検出を行うにあたり差分検出を可能にする、という点にある。
【０１５５】
この基本概念によれば、中央素子は必ずしも中央素子Ｂ１〜Ｂ４の４組を用いる必要はなく、たとえば、Ｘ軸上に配置された中央素子Ｂ１，Ｂ２と参照素子Ｒ１〜Ｒ４の中のいずれか２つとによってブリッジ回路を構成することもできる。この場合は、Ｘ軸上に配置された中央素子Ｂ１，Ｂ２を第１の対辺に配置し、任意の２つの参照素子を第２の対辺に配置すればよい。あるいは、Ｙ軸上に配置された中央素子Ｂ３，Ｂ４と参照素子Ｒ１〜Ｒ４の中のいずれか２つとによってブリッジ回路を構成することもできる。この場合は、Ｙ軸上に配置された中央素子Ｂ３，Ｂ４を第１の対辺に配置し、任意の２つの参照素子を第２の対辺に配置すればよい。
【０１５６】
なお、図２２の上のグラフに示すとおり、シリコン単結晶基板の（００１）面は、ピエゾ抵抗係数のピーク方向が互いに直交する２軸方向を向くという好都合な特性を有している。したがって、ここで述べた第４の実施例に限らず、本願の他の実施例においても、シリコン単結晶基板の（００１）面を上面とする歪検出基板４００を利用して、ピエゾ抵抗係数のピーク方向をＸ軸もしくはＹ軸とするのが好ましい。
【０１５７】
＜５−５．  第５の実施例＞
図２４は、本発明に係る力覚センサにおけるピエゾ抵抗素子配置パターンの第５の実施例を示す上面図である。この第５の実施例における配置パターン自身は、図１０に示す第１の実施例のパターンと同じである。すなわち、図２４に示す中央素子Ｃ１〜Ｃ８は、それぞれ図１０に示す中央素子Ａ１〜Ａ８と同じ形状の同じ位置に配置されたピエゾ抵抗素子である。
【０１５８】
ただ、奇数番号を付した中央素子Ｃ１，Ｃ３，Ｃ５，Ｃ７が第１の極性をもったピエゾ抵抗素子であるのに対して、偶数番号を付した中央素子Ｃ２，Ｃ４，Ｃ６，Ｃ８は、第１の極性とは逆の第２の極性をもったピエゾ抵抗素子になっている。図において、中央素子Ｃ１，Ｃ３，Ｃ５，Ｃ７のハッチングと中央素子Ｃ２，Ｃ４，Ｃ６，Ｃ８のハッチングを変えているのは、この極性の違いを示すためである。ここでは、中央素子Ｃ１，Ｃ３，Ｃ５，Ｃ７がＰ型のピエゾ抵抗素子（伸びる方向への応力が作用すると抵抗値は増加し、縮む方向への応力が作用すると抵抗値は減少する素子）によって構成され、中央素子Ｃ２，Ｃ４，Ｃ６，Ｃ８がＮ型のピエゾ抵抗素子（伸びる方向への応力が作用すると抵抗値は減少し、縮む方向への応力が作用すると抵抗値は増加する素子）によって構成されているものとしよう。ここで述べる第５の実施例は、このように互いに逆極性となる中央素子をブリッジ回路に組み込むことにより、差分検出を行うものである。
【０１５９】
具体的には、この実施例の場合、歪検出基板４００の上面には、Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸正領域に沿って配置された第１の中央素子Ｃ１および第２の中央素子Ｃ２と、Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸負領域に沿って配置された第３の中央素子Ｃ３および第４の中央素子Ｃ４と、Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸正領域に沿って配置された第５の中央素子Ｃ５および第６の中央素子Ｃ６と、Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸負領域に沿って配置された第７の中央素子Ｃ７および第８の中央素子Ｃ８と、が設けられている。
【０１６０】
ここで、第１、第３、第５、第７の中央素子Ｃ１，Ｃ３，Ｃ５，Ｃ７は、同一材料かつ同一サイズの第１の極性をもった中央素子であり、第２、第４、第６、第８の中央素子Ｃ２，Ｃ４，Ｃ６，Ｃ８は、同一材料かつ同一サイズの第２の極性をもった中央素子であり、検出対象となる力が作用していない状態において、第１〜第８の中央素子Ｃ１〜Ｃ８の抵抗値は互いに等しくなるように設定されている。
【０１６１】
また、各中央素子Ｃ１〜Ｃ８の配置パターンは、ＸＺ平面およびＹＺ平面に関して対称形をなすようになっており、図２４の上面図に示されている各中央素子Ｃ１〜Ｃ８の平面パターンは、Ｘ軸に関して線対称、Ｙ軸に関しても線対称の図形になっている。
【０１６２】
図２５は、図２４に示す第５の実施例における各ピエゾ抵抗素子Ｃ１〜Ｃ８の抵抗値の変化を示す表である。この図２５の表を図１１の表と比べると、図２５のＣ１，Ｃ３，Ｃ５，Ｃ７の各欄は、図１１のＡ１，Ａ３，Ａ５，Ａ７の対応欄の内容と同一であり、図２５のＣ２，Ｃ４，Ｃ６，Ｃ８の各欄は、図１１のＡ２，Ａ４，Ａ６，Ａ８の対応欄の符号を逆転させたものになっていることがわかる。これは、第１の極性をもった中央素子Ｃ１，Ｃ３，Ｃ５，Ｃ７は、中央素子Ａ１，Ａ３，Ａ５，Ａ７と全く同一の素子であり、第２の極性をもった中央素子Ｃ２，Ｃ４，Ｃ６，Ｃ８は、中央素子Ａ２，Ａ４，Ａ６，Ａ８に対して逆極性の素子である点を考慮すれば当然である。
【０１６３】
この図２５の表に示す結果を踏まえれば、図２６に示す検出回路により、Ｚ軸方向の力成分Ｆｚの検出が可能になることがわかる。この検出回路は、第１の中央素子Ｃ１と第３の中央素子Ｃ３とを直列接続してなる抵抗素子と、第５の中央素子Ｃ５と第７の中央素子Ｃ７とを直列接続してなる抵抗素子と、を第１の対辺に配置し、第２の中央素子Ｃ２と第４の中央素子Ｃ４とを直列接続してなる抵抗素子と、第６の中央素子Ｃ６と第８の中央素子Ｃ８とを直列接続してなる抵抗素子と、を第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてＺ軸方向の力成分Ｆｚの検出を行う回路である。直流電源Ｅから所定の電源電圧を供給すると、ブリッジが平衡条件を維持している間は、両端子Ｔｚ７，Ｔｚ８は等電位を保つが、平衡状態が崩れると、両端子間に電位差Ｖｚが生じることになる。この電位差Ｖｚは、Ｚ軸方向の力成分Ｆｚの向きおよび大きさを示す電気信号になる。
【０１６４】
上述したとおり、８組の素子Ｃ１〜Ｃ８は、同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、外力が作用していない状態において、抵抗値は互いに等しくなるように設定されているため、ブリッジ回路は平衡状態を維持する。ところが、力成分＋Ｆｚが作用すると、図２５の表に示すとおり、第１の極性をもった中央素子Ｃ１，Ｃ３，Ｃ５，Ｃ７の抵抗値は増加し、第２の極性をもった中央素子Ｃ２，Ｃ４，Ｃ６，Ｃ８の抵抗値は減少する。よって、端子Ｔｚ７側が正、端子Ｔｚ８側が負となる電圧Ｖｚが発生する。逆向きの力成分−Ｆｚが作用した場合は、電圧Ｖｚの符号が逆転する。また、作用した力成分が大きければ、電圧Ｖｚの絶対値も大きくなる。
【０１６５】
なお、モーメント成分Ｍｘが作用した場合は、中央素子Ｃ５，Ｃ７を直列接続した抵抗素子や中央素子Ｃ６，Ｃ８を直列接続した抵抗素子の抵抗値変化は相殺され、モーメント成分Ｍｙが作用した場合は、中央素子Ｃ１，Ｃ３を直列接続した抵抗素子や中央素子Ｃ２，Ｃ４を直列接続した抵抗素子の抵抗値変化は相殺されるので、図２６に示す検出回路は、モーメント成分ＭｘやＭｙを誤検出することはない。このように、図２６に示す検出回路は、他軸成分の干渉を排除した正確な検出値を得ることができる。
【０１６６】
結局、第５の実施例の基本概念は、伸びる方向への応力が作用すると電気抵抗が増加し、縮む方向への応力が作用すると電気抵抗が減少するピエゾ抵抗素子からなる第１の極性をもった中央素子Ｃ１，Ｃ３，Ｃ５，Ｃ７と、伸びる方向への応力が作用すると電気抵抗が減少し、縮む方向への応力が作用すると電気抵抗が増加するピエゾ抵抗素子Ｃ２，Ｃ４，Ｃ６，Ｃ８からなる第２の極性をもった中央素子と、を設け、検出回路が、第１の極性をもった中央素子を第１の対辺に配置し、第２の極性をもった中央素子を第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いて検出対象成分の検出を行うことにより、力成分Ｆｚの検出を行うにあたり差分検出を可能にする、という点にある。
【０１６７】
＜５−６．  第６の実施例＞
これまで、Ｘ軸まわりのモーメント成分ＭｘもしくはＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙ、またはその双方を検出することができるピエゾ抵抗素子の配置および検出回路を、第１の実施例として述べ、Ｚ軸方向の力成分Ｆｘを検出することができるピエゾ抵抗素子の配置および検出回路を、第２〜第５の実施例として述べた。もちろん、これらを組み合わせることにより、Ｍｘ，Ｍｙ，Ｆｚの任意の力成分を検出可能な力覚センサを構成することも可能である。
【０１６８】
ここでは、第６の実施例として、Ｍｘ，Ｍｙ，Ｆｚの３成分すべてを検出可能な力覚センサの例を１つだけ紹介しておく。ここに示す例は、第１の実施例と第４の実施例とを組み合わせた例である。第４の実施例を利用しているため、用いる歪検出基板４００は、（００１）面で切り出したシリコン単結晶基板によって構成され、（００１）面が上面となり、ピエゾ抵抗係数のピーク方向がＸ軸もしくはＹ軸方向となるように配置される。
【０１６９】
図２７は、この第６の実施例を示す上面図である。この配置パターンでは、１２組の中央素子Ｄ１〜Ｄ１２とともに、４組の参照素子Ｓ１〜Ｓ４が用いられている。ここで、中央素子Ｄ１〜Ｄ４および参照素子Ｓ１〜Ｓ４は、図２０に示す第４の実施例における中央素子Ｂ１〜Ｂ４および参照素子Ｒ１〜Ｒ４に対応するものである。一方、中央素子Ｄ５〜Ｄ１２は、図１０に示す第１の実施例における中央素子Ａ１〜Ａ８に対応するものである。
【０１７０】
この第６の実施例では、図２８に示す検出回路が用いられる。ここで、図２８(a) に示す検出回路は、図１３に示す検出回路に対応するものであり、端子Ｔ１，Ｔ２間に生じる電圧Ｖｘは、Ｘ軸まわりのモーメント成分Ｍｘの検出値になる。また、図２８(b) に示す検出回路は、図１２に示す検出回路に対応するものであり、端子Ｔ３，Ｔ４間に生じる電圧Ｖｙは、Ｙ軸まわりのモーメント成分Ｍｙの検出値になる。そして、図２８(c) に示す検出回路は、図２３に示す検出回路に対応するものであり、端子Ｔ５，Ｔ６間に生じる電圧Ｖｚは、Ｚ軸方向の力成分Ｆｚの検出値になる。
【０１７１】
個々の成分の具体的な検出原理については、既に各実施例として説明してあるため、ここでは詳しい説明は省略する。要するに、この第６の実施例では、歪検出基板４００がシリコン単結晶基板によって構成され、このシリコン単結晶基板の（００１）面が歪検出基板４００の上面となり、（００１）面におけるピエゾ抵抗係数のピーク方向が、Ｘ軸もしくはＹ軸方向となるように歪検出基板４００が配置される。
【０１７２】
そして、Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸正領域に沿って配置された第１の中央素子Ｄ１と、Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸負領域に沿って配置された第２の中央素子Ｄ２と、Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸正領域に沿って配置された第３の中央素子Ｄ３と、Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸負領域に沿って配置された第４の中央素子Ｄ４と、Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸正領域に沿って第１の中央素子Ｄ１の両脇に配置された第５および第６の中央素子Ｄ５，Ｄ６と、Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸負領域に沿って第２の中央素子Ｄ２の両脇に配置された第７および第８の中央素子Ｄ７，Ｄ８と、Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸正領域に沿って第３の中央素子Ｄ３の両脇に配置された第９および第１０の中央素子Ｄ９，Ｄ１０と、Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸負領域に沿って第４の中央素子Ｄ４の両脇に配置された第１１および第１２の中央素子Ｄ１１，Ｄ１２と、Ｘ軸もしくはＹ軸に対して４５°をなす方向が長手方向となるように配置された第１〜第４の参照素子Ｓ１〜Ｓ４と、が設けられる。ここで、第１〜第１２の中央素子Ｄ１〜Ｄ１２および第１〜第４の参照素子Ｓ１〜Ｓ４は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されている。
【０１７３】
一方、力成分Ｆｚ用の検出回路は、第１の中央素子Ｄ１と第２の中央素子Ｄ２とを直列接続してなる抵抗素子と、第３の中央素子Ｄ３と第４の中央素子Ｄ４とを直列接続してなる抵抗素子と、を第１の対辺に配置し、第１の参照素子Ｓ１と第２の参照素子Ｓ２とを直列接続してなる抵抗素子と、第３の参照素子Ｓ３と第４の参照素子Ｓ４とを直列接続してなる抵抗素子と、を第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてＺ軸方向の力成分Ｆｚの検出を行う。
【０１７４】
また、モーメント成分Ｍｙ用の検出回路は、第５の中央素子Ｄ５と第６の中央素子Ｄ６とを第１の対辺に配置し、第７の中央素子Ｄ７と第８の中央素子Ｄ８とを第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙの検出を行う。そして、モーメント成分Ｍｘ用の検出回路は、第９の中央素子Ｄ９と第１０の中央素子Ｄ１０とを第１の対辺に配置し、第１１の中央素子Ｄ１１と第１２の中央素子Ｄ１２とを第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてＸ軸まわりのモーメント成分Ｍｘの検出を行う。
【０１７５】
もちろん、ここで述べた第６の実施例は、第１の実施例〜第５の実施例の組み合わせの一例を示すものであり、実用上は、この他にも様々な組み合わせが可能である。たとえば、第１の実施例と第２の実施例の組み合わせ、第１の実施例と第３の実施例の組み合わせ、第１の実施例と第５の実施例の組み合わせ、によっても、Ｍｘ，Ｍｙ，Ｆｚの任意の力成分を検出可能な力覚センサを構成することができる。
【符号の説明】
【０１７６】
１０：起歪体
１１：ダイアフラム部
１２：側壁部
１３：支柱部
３０：受力体
４０：歪検出基板
５０：カバー
６１，６２：配線ピン
７１，７２：ボンディングワイヤ
１００：起歪体
１１０：ダイアフラム部
１２０：側壁部
１５１〜１５４：ネジ孔（ネジ挿通用貫通孔）
１８０：カバー
１９０：カバー接着部
２００：接続部材
３００：受力体
３２１〜３２４：開口部
３５１〜３５４：ネジ孔（雌ネジ形成孔）
４００：歪検出基板
４７０：ボンディングワイヤ
５００：回路基板
Ａ，Ａ１〜Ａ８：ピエゾ抵抗素子（中央素子）
Ｂ１〜Ｂ４：ピエゾ抵抗素子（中央素子）
Ｃ１〜Ｃ８：ピエゾ抵抗素子（中央素子）
Ｄ１〜Ｄ１２：ピエゾ抵抗素子（中央素子）
Ｅ：直流電源
Ｆｚ：Ｚ軸方向の力成分
ｆ１：検出用溝（検出用領域）の輪郭線
ｆ２：カバー接着部の外側輪郭線
Ｇ：検出用溝
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３：溝
Ｈ１〜Ｈ７：貫通孔
Ｋ１〜Ｋ４：ピエゾ抵抗素子
Ｌ１〜Ｌ８：位置
Ｍｘ：Ｘ軸まわりのモーメント成分
Ｍｙ：Ｙ軸まわりのモーメント成分
Ｎ，Ｎ１〜Ｎ４：ネジ
Ｏ：ＸＹＺ三次元直交座標系の原点
Ｐ１，Ｐ２：ピエゾ抵抗素子（参照素子）
Ｑ１〜Ｑ４：ピエゾ抵抗素子（参照素子）
Ｒ１〜Ｒ４：ピエゾ抵抗素子（参照素子）
Ｓ１〜Ｓ４：ピエゾ抵抗素子（参照素子）
Ｔ１〜Ｔ６：出力端子
Ｔｘ１，Ｔｘ２：モーメント成分Ｍｘの出力端子
Ｔｙ１，Ｔｙ２：モーメント成分Ｍｙの出力端子
Ｔｚ１〜Ｔｚ８：力成分Ｆｚの出力端子
Ｖｘ：モーメント成分Ｍｘに対応する出力電圧
Ｖｙ：モーメント成分Ｍｙに対応する出力電圧
Ｖｚ：力成分Ｆｚに対応する出力電圧
Ｗ：切断線
Ｘ：ＸＹＺ三次元直交座標系の座標軸
Ｙ：ＸＹＺ三次元直交座標系の座標軸
Ｚ：ＸＹＺ三次元直交座標系の座標軸
α：Ｚ軸方向に関する位置
β：Ｚ軸方向に関する位置
±δ：抵抗値の微小変動
【図１】
2013124946.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年4月5日(2012.4.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＸＹＺ三次元直交座標系における所定軸まわりのモーメント成分を検出する力覚センサであって、
検出対象となる力を受ける受力体と、この受力体が受けた力に基づいて変形するダイアフラム部を有する起歪体と、前記受力体と前記ダイアフラム部とを接続する接続部材と、前記ＸＹＺ三次元直交座標系の原点Ｏの位置に配置され、前記ダイアフラム部に接合された歪検出基板と、検出対象となる力を電気信号として出力する検出回路と、
を備え、
前記起歪体は、ＸＹ平面に平行な上面および下面をもった板状部材によって構成され、前記起歪体の上面の中央部に定義された検出用領域には、下面側に向かって検出用溝が形成されており、この検出用溝の底部によって前記ダイアフラム部が形成され、この検出用溝の周囲には側壁部が形成され、前記ダイアフラム部の下面と前記側壁部の下面とは同一平面上に位置し、
前記受力体は、前記起歪体の下方に所定間隔をおいて配置され、
前記接続部材は、Ｚ軸上に配置された柱状部材によって構成され、その上端は前記ダイアフラム部の下面中央部に接続され、その下端は前記受力体の上面中央部に接続されており、
前記歪検出基板は、上面および下面がＸＹ平面に平行な面をなし、前記検出用溝の底面に前記ダイアフラム部の変形によって生じる応力が伝達されるように接合され、上面の所定箇所にはピエゾ抵抗素子が形成されており、
前記ピエゾ抵抗素子は、前記接続部材の上端面を前記歪検出基板の上面に正射影投影して投影像を形成したときに、前記投影像の外側直近部に配置された中央素子を有し、
前記中央素子は、少なくとも、
Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸正領域に沿って配置された第１の中央素子および第２の中央素子と、
Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸負領域に沿って配置された第３の中央素子および第４の中央素子と、
を有し、
前記第１〜第４の中央素子は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、それぞれ長手方向の両端が素子の両端を構成し、前記第１の中央素子と前記第２の中央素子とが第１の対辺に配置され、前記第３の中央素子と前記第４の中央素子とが第２の対辺に配置されたホイートストンブリッジが形成されるように相互に接続されており、
前記検出回路が、前記ホイートストンブリッジのブリッジ電圧を、前記受力体が受けたＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙを示す電気信号として出力することを特徴とする力覚センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の力覚センサにおいて、
中央素子が、
Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸正領域に沿って配置された第５の中央素子および第６の中央素子と、
Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸負領域に沿って配置された第７の中央素子および第８の中央素子と、
を更に有し、
前記第５〜第８の中央素子は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、それぞれ長手方向の両端が素子の両端を構成し、前記第５の中央素子と前記第６の中央素子とが第１の対辺に配置され、前記第７の中央素子と前記第８の中央素子とが第２の対辺に配置されたホイートストンブリッジが形成されるように相互に接続されており、
検出回路が、第１〜第４の中央素子によって形成されたホイートストンブリッジのブリッジ電圧を、前記受力体が受けたＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙを示す電気信号として出力するとともに、第５〜第８の中央素子によって形成されたホイートストンブリッジのブリッジ電圧を、前記受力体が受けたＸ軸まわりのモーメント成分Ｍｘを示す電気信号として出力することを特徴とする力覚センサ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の力覚センサにおいて、
受力体、接続部材、起歪体が同一材料からなる一体構造体によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
受力体が、ＸＹ平面に平行な上面および下面をもった板状部材によって構成され、
起歪体の側壁部には、前記起歪体を外部の第１の物体に固定するためのネジ孔が形成されており、
受力体の外周部には、前記受力体を外部の第２の物体に固定するためのネジ孔と、前記起歪体のネジ孔に挿通されたネジを回転するための器具を挿入するための開口部と、が形成されており、
前記起歪体のネジ孔と前記受力体のネジ孔とは、ＸＹ平面上への正射影投影像が重ならない位置に形成されており、前記起歪体のネジ孔と前記受力体の開口部とは、ＸＹ平面上への正射影投影像が重なる位置に形成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項５】
請求項４に記載の力覚センサにおいて、
起歪体がＺ軸を中心軸とする円盤状の部材によって構成され、
歪検出基板がＺ軸を中心軸とする正方形状の基板によって構成され、
起歪体には、前記正方形状の基板を収容可能な検出用溝が形成されており、
前記正方形の一組の対辺の中点を結ぶ線上における当該対辺の各外側位置と、別な一組の対辺の中点を結ぶ線上における当該対辺の各外側位置と、にそれぞれ配置された合計４個のネジ孔が起歪体に形成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
起歪体の側壁部に、外部から検出用溝へ向かって貫通した挿入口が設けられており、検出回路が実装された回路基板が前記挿入口に挿入固定され、ピエゾ抵抗素子と前記回路基板上の前記検出回路との間に配線が施されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
各中央素子の配置パターンが、ＸＺ平面およびＹＺ平面に関して対称形をなすことを特徴とする力覚センサ。