【手続補正書】
【提出日】平成20年9月11日(2008.9.11)
【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】
外力作用領域部と非変形領域部を有する作用部と、この作用部を支持する支持部と、前記作用部と前記支持部を連結する連結部とを備えるベース部材と、
前記連結部の変形発生部に設けられる歪み抵抗素子と、
前記作用部の前記非変形領域部上に設けられる温度補償用抵抗素子と、
を備えることを特徴とする多軸力センサチップ。
【請求項２】
前記ベース部材は半導体基板であることを特徴とする請求項１記載の多軸力センサチップ。
【請求項３】
前記温度補償用抵抗素子は、前記非変形領域部で、前記連結部の前記変形発生部と同等の温度条件を有する箇所に設けられることを特徴とする請求項１または２記載の多軸力センサチップ。
【請求項４】
前記作用部は正方形に類似した平面形状を有し、前記歪み抵抗素子と前記温度補償用抵抗素子から成る抵抗素子群は４組設けられ、これらの４組の抵抗素子群の各々は前記作用部の４つの辺部の各々に対応して配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の多軸力センサチップ。
【請求項５】
前記４組の歪み抵抗素子は、前記作用部の中心を基準にして点対称の位置関係であって、かつ前記中心から実質的に同一の距離に設けられていることを特徴とする請求項４記載の多軸力センサチップ。
【請求項６】
前記歪み抵抗素子と前記温度補償用抵抗素子から成る前記４組の抵抗素子群は、前記作用部の中心を基準にして点対称の位置関係であって、かつ前記中心から実質的に同一の距離に設けられていることを特徴とする請求項４記載の多軸力センサチップ。
【請求項７】
各組の前記抵抗素子群は、同一の少なくとも２つの前記歪み抵抗素子と、この歪み抵抗素子の個数の個数に対応して設けられた前記温度補償用抵抗素子とから成ることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の多軸力センサチップ。
【請求項８】
各組の前記抵抗素子群は、同一の３つの前記歪み抵抗素子と、同一の３つの前記温度補償用抵抗素子とから成ることを特徴とする請求項７記載の多軸力センサチップ。
【請求項９】
前記温度補償用抵抗素子は、ベース部材の中心線に対して４５°の傾きで配置されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の多軸力センサチップ。
【請求項１０】
前記歪み抵抗素子とこれに対応する前記温度補償用抵抗素子とはブリッジ回路の半回路または全回路を形成するように接続されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の多軸力センサチップ。
【請求項１１】
前記ブリッジ回路が出力する、前記歪み抵抗素子からの出力信号と前記温度補償用抵抗素子からの出力信号との差信号を増幅する差動増幅部をさらに有する請求項１０記載の多軸力センサチップ。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載された多軸力センサチップと、
前記支持部を支持することにより、前記多軸力センサチップを支持する支持台座と、
外力が入力される入力軸と、
円筒形または直方体形状からなる外力を減衰させる減衰機構と、
外力を前記作用部の前記外力作用領域部に印加させる伝達手段と、
を備え、
前記多軸力センサチップは前記減衰機構の内部に配置されていることを特徴とする多軸力センサ。
【請求項１３】
前記減衰機構は、その中心軸の周りに回転対称の形状を有することを特徴とする請求項１２記載の多軸力センサ。
【請求項１４】
前記減衰機構は円筒形状を有することを特徴とする請求項１３記載の多軸力センサ。
【請求項１５】
前記減衰機構は複数の穴を設けることで形成されることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の多軸力センサ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の名称
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】多軸力センサチップとこれを用いた多軸力センサ
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、多軸力センサチップとこれを用いた多軸力センサに関し、特に、半導体製造プロセス技術を利用して基板上に形成される複数の歪み抵抗素子を有し、ロボット等の力覚センサとして利用される６軸力センサ等に好適な多軸力センサチップとこれを用いた多軸力センサに関するものである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
本発明の目的は、上記の問題に鑑み、歪み抵抗素子と同等の熱影響を受ける位置であって、かつ応力の影響を受けない位置に温度補償用抵抗素子を設けることができ、さらに高精度な応力検出を行うことができる多軸力センサチップを提供することにある。
【手続補正５】
【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】
本発明の他の目的は、応力の影響を受けない温度補償用抵抗素子を利用して高精度な応力検出を行える多軸力センサチップを利用して構成される多軸力センサを提供することにある。
【手続補正６】
【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】
本発明に係る多軸力センサチップと多軸力センサは、上記目的を達成するために、次のように構成される。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
第１の多軸力センサチップ（請求項１に対応）は、外力作用領域部と非変形領域部を有する作用部と、この作用部を支持する支持部と、作用部と支持部を連結する連結部とを備えるベース部材と、連結部の変形発生部に設けられる歪み抵抗素子と、作用部の非変形領域部上に設けられる温度補償用抵抗素子とを備えるように構成される。
【手続補正８】
【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】
上記の多軸力センサチップは、応力検出用の歪み抵抗素子の温度補償を行うための温度補償用抵抗素子を、外力を受ける作用部の非変形領域部に設けることにより、外力に起因して生じる応力の影響を受けずかつ温度の影響のみでその抵抗値が変化するようになり、その結果、各歪み抵抗素子の温度補償を高い精度で行い、高精度の応力検出を行うことが可能となる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
第２の本発明に係る多軸力センサチップ（請求項２に対応）は、上記構成において、好ましくは、ベース部材は半導体基板であることで特徴づけられる。半導体基板を用いることにより、半導体製造プロセスを利用してセンサチップを作製することができ、製作プロセスを簡易化し、再現性よく同一性能のセンサチップを量産することが可能となる。
【手続補正１０】
【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】
第３の本発明に係る多軸力センサチップ（請求項３に対応）は、上記構成において、好ましくは、温度補償用抵抗素子は、非変形領域部で、連結部の変形発生部と同等の温度条件を有する箇所に設けられることで特徴づけられる。この構成によれば、温度補償用抵抗素子は、温度補償をしようとする歪み抵抗素子と同じ温度条件のみでその抵抗値を変化するので、精度の高い温度補償を行うことが可能となる。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
第４の本発明に係る多軸力センサチップ（請求項４に対応）は、上記構成において、好ましくは、作用部は正方形に類似した平面形状を有し、歪み抵抗素子と温度補償用抵抗素子から成る抵抗素子群は４組設けられ、これらの４組の抵抗素子群の各々は作用部の４つの辺部の各々に対応して配置されることで特徴づけられる。歪み抵抗素子の素子群は正方形の半導体基板の上で点対称な位置に配置され、これによりノイズのキャンセルや計算負荷を低減することができる。
【手続補正１２】
【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】
第５の本発明に係る多軸力センサチップ（請求項５に対応）は、上記構成において、好ましくは、４組の歪み抵抗素子は、作用部の中心を基準にして点対称の位置関係であって、かつ中心から実質的に同一の距離に設けられていることを特徴とする。
第６の本発明に係る多軸力センサチップ（請求項６に対応）は、上記構成において、好ましくは、歪み抵抗素子と温度補償用抵抗素子から成る４組の抵抗素子群は、作用部の中心を基準にして点対称の位置関係であって、かつ中心から実質的に同一の距離に設けられていることを特徴とする。
上記の各構成によれば、各抵抗素子群の各歪み抵抗素子から検出される応力成分の信号に基づいて後段の信号処理部で印加外力等を演算するとき、行列式の演算を簡易に行うことができる。
【手続補正１３】
【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】
第７の本発明に係る多軸力センサチップ（請求項７に対応）は、上記構成において、好ましくは、各組の抵抗素子群は、少なくとも２つの同一の歪み抵抗素子と、この歪み抵抗素子の個数に対応して設けられた温度補償用抵抗素子とから成ることを特徴とする。この構成によれば、すべての歪み抵抗素子に対して温度補償を行うことが可能となり、高い精度の応力検出、外力測定を行うことが可能となる。
【手続補正１４】
【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】
第８の本発明に係る多軸力センサチップ（請求項８に対応）は、上記構成において、好ましくは、各組の抵抗素子群は、同一の３つの歪み抵抗素子と、同一の３つの温度補償用抵抗素子とから成ることで特徴づけられる。この構成によれば、上述の多分力ロードセルの方法よりも、小型化を図りつつ、簡易は製造や演算および高精度の応力検出が可能となる。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
第９の本発明に係る多軸力センサチップ（請求項９に対応）は、上記構成において、好ましくは、温度補償用抵抗素子は、ベース部材の中心線に対して４５°の傾きで配置されることを特徴とする。この構成によれば、半導体基板とピエゾ抵抗素子の結晶方位を考慮して、温度補償用抵抗素子のピエゾ係数を著しく低くし、応力感度を低下させることができる。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
第１０の本発明に係る多軸力センサチップ（請求項１０に対応）は、上記構成において、好ましくは、歪み抵抗素子とこれに対応する温度補償用抵抗素子とはブリッジ回路の半回路または全回路を形成するように接続されることで特徴づけられる。歪み抵抗素子とこれの温度補償を行う温度補償用抵抗素子はブリッジ回路を組むことで温度補償を成す電気回路を構成し、かつ多軸力センサチップではセンサチップ内に設けられる電気回路で既にブリッジ回路の半回路を形成するようにしたため、外付けの測定用電気回路の構成を簡単にすることが可能となる。ブリッジ回路の全回路を形成した場合は、さらに外付け構成を簡単にすることができる。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
第１１の本発明に係る多軸力センサチップ（請求項１１に対応）は、上記構成において、好ましくは、ブリッジ回路が出力する、歪み抵抗素子からの出力信号と温度補償用抵抗素子からの出力信号との差信号を増幅する差動増幅部をさらに有することで特徴づけられる。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
本発明に係る多軸力センサ（請求項１２に対応）は、上記の第１〜第１１のいずれかの多軸力センサチップと、支持部を支持することにより、多軸力センサチップを支持する支持台座と、外力が入力される入力軸と、円筒形または直方体形状からなる外力を減衰させる減衰機構と、外力を作用部の外力作用領域部に印加させる伝達部と、を備え、多軸力センサチップは減衰機構の内部に配置されるように構成される。
【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
上記の多軸力センサによれば、前述した高精度の応力検出性能を有する多軸力センサチップを用いてセンサ装置を構成したため、高い検出性能を有する多軸力センサを実現することができる。またチップおよび減衰機構をそれぞれ構成する部材間に発生する残留応力が低減するため、センサの出力再現性が向上し、より高精度な応力検出を行うことができる。
【手続補正２０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
他の本発明に係る多軸力センサ（請求項１３に対応）は、上記構成において、好ましくは、減衰機構は、その中心軸の周りに回転対称の形状を有することを特徴とする。センサチップと減衰機構との間には組合せの相性があるため、減衰機構は、センサチップの回転対称性に見合った回転対称性を持つように構成することが望ましい。
【手続補正２１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
他の本発明に係る多軸力センサ（請求項１４に対応）は、上記構成において、好ましくは、減衰機構は円筒形状を有することで特徴づけられる。この構成によれば、耐荷重性能を向上することができる。減衰機構を円筒形状にすることで内部スペースが効率的に利用することができ、センサチップに対する減衰機構のサイズの小型化が図られる。また、点対称形状なので、軸力感度が等方的であり、信号処理が容易になる。なお減衰機構は円筒形状に限らず、減衰機構の中心軸から回転対称であるならば、他の任意の形状を採用することができる。
他の本発明に係る多軸力センサ（請求項１５に対応）は、上記構成において、好ましくは、減衰機構は複数の穴を設けることで形成されることを特徴とする。
【手続補正２２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
本発明によれば次の効果を奏する。第１に、本発明に係る多軸力センサチップによれば、温度補償用抵抗素子を作用部の非変形領域部に設けるようにしたため、温度補償用抵抗素子を連結部の起歪部に接近させながら外力に起因する応力で変形せず、かつ半導体基板や配線からの熱の影響（温度状態）を歪み抵抗素子と同等に受け、温度補償を行うことにより歪み抵抗素子は応力のみに応じて検出値を出力することができる。これによって本発明の多軸力センサチップでは高精度の応力検出を行うことができる。第２に、本発明に係る多軸力センサによれば、精度の高い温度補償を行って高精度の応力検出性能を有する多軸力センサチップを用いてセンサ装置を構成したため、高い応力検出性能を有する多軸力センサを実現することができる。
【手続補正２３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
図１〜図４を参照して本発明に係る多軸力センサチップ（または多軸力センサ用チップ）の代表的な実施形態を説明する。この実施形態では多軸力センサチップとして６軸力センサチップの例を説明する。なお本発明に係る多軸力センサチップは６軸力センサチップには限定されない。図１は６軸力センサチップの一面を示す平面図を示し、図２は、６軸力センサチップで配線パターンを省略して歪み抵抗素子と電極パッドと孔のみを示した図１と同様な平面図を示し、図３は正方形の６軸力センサチップの１つの辺の周辺部の拡大図を示し、図４は１組の抵抗素子群およびその周辺部の構造の拡大図を示す。