JP2003207405A - Hexaxial force sensor - Google Patents
Hexaxial force sensorInfo
- Publication number
- JP2003207405A JP2003207405A JP2002005334A JP2002005334A JP2003207405A JP 2003207405 A JP2003207405 A JP 2003207405A JP 2002005334 A JP2002005334 A JP 2002005334A JP 2002005334 A JP2002005334 A JP 2002005334A JP 2003207405 A JP2003207405 A JP 2003207405A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- resistance
- force sensor
- axis
- force
- resistance element
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Landscapes
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体抵抗素子を
用いた力覚センサに係わり、力とモーメントの6成分の
検知が可能な、小型・高精度な力覚センサに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a force sensor using a semiconductor resistance element, and relates to a compact and highly accurate force sensor capable of detecting six components of force and moment.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、工作機械などで、ロボットやマニ
ピュレータが多用されるようになり、かつ対象物の小型
化に対応するため、これらロボット用力覚センサやマン
マシンインターフェイスとして用いる、高精度な多軸力
センサの必要性が高まっている。多軸力センサは、外力
が印加されることによって弾性変形する起歪体に、機械
的変形により電気抵抗が変化する歪み抵抗素子を配置
し、これらの抵抗素子の抵抗変化を電気信号として取り
出して、この電気信号に基づいて、上記起歪体にかか
る、2成分以上(例えば、X軸方向とY軸方向)の力の
強さを検出する。2. Description of the Related Art In recent years, robots and manipulators have been frequently used in machine tools, etc., and in order to cope with miniaturization of objects, high precision multi-purpose sensors used as force sensors for robots or man-machine interfaces. The need for axial force sensors is increasing. A multi-axis force sensor has strain resistance elements whose electrical resistance changes due to mechanical deformation placed on a strain element that elastically deforms when an external force is applied, and extracts the resistance changes of these resistance elements as electric signals. Based on this electric signal, the strength of two or more component forces (for example, the X-axis direction and the Y-axis direction) applied to the strain generating element is detected.
【0003】しかしながら、上記従来例においては、複
数個の歪みゲージ(上記歪み抵抗素子等)を、上記起歪
体に対して個々に独立して貼付するため、その取り付け
の位置精度により、設計通りの、すなわち、各々の歪み
ゲージから、歪みの程度に対して想定した電圧レベルの
電気信号を得ることが困難である。このため、上記従来
例は、取り付け位置の精度に起因して、検出精度を確保
することが難しく、さらに同一特性の多軸力センサを再
現性良く生産することが困難である。However, in the above-mentioned conventional example, a plurality of strain gauges (such as the above strain resistance element) are individually attached to the above strain generating bodies, so that the design accuracy depends on the mounting position accuracy. That is, it is difficult to obtain an electric signal of an expected voltage level with respect to the degree of strain from each strain gauge. Therefore, in the above-mentioned conventional example, it is difficult to secure the detection accuracy due to the accuracy of the mounting position, and it is also difficult to produce the multiaxial force sensor having the same characteristics with good reproducibility.
【0004】さらに、上記従来例には、複数の歪みゲー
ジを高い位置精度で貼付する必要があるため、貼付工程
に手間がかかり、生産性を向上させることができず、か
つ小型化も困難となるという欠点がある。Further, in the above-mentioned conventional example, it is necessary to attach a plurality of strain gauges with high positional accuracy, so that the attaching process is troublesome, the productivity cannot be improved, and the miniaturization is difficult. There is a drawback that
【0005】加えて、上記従来例には、繰り返しの衝撃
荷重の印加により、あるいは貼付された歪みゲージと起
歪体との熱膨張率が大きく異なる場合、温度ストレスに
より、経時的に起歪体からの歪みゲージの剥がれが発生
して、歪みゲージに対して起歪体の歪みが十分に伝達さ
れずに、歪みゲージから正確な電気信号が出力されなく
なり、正確な測定できなくなるという問題がある。In addition, in the above-mentioned conventional example, when the thermal expansion coefficient of the strain gauge adhered and the strain-flexing body is greatly different by the repeated application of the impact load, the strain-induced strain is generated with time due to temperature stress. There is a problem that the strain gauge peels off from the strain gauge, the strain of the flexure element is not sufficiently transmitted to the strain gauge, and an accurate electrical signal is not output from the strain gauge, which makes accurate measurement impossible. .
【0006】上述した従来例の問題を解決する多軸力セ
ンサとして、半導体プロセスを利用して、半導体単結晶
基板に複数の半導体抵抗素子を作成して、起歪体に対す
る歪みゲージの貼付の必要性を排除することで、起歪体
に半導体抵抗素子を貼付する工程の精度の問題を解決
し、小型化を可能にする構成が提案されている(特許第
2746298号,特公平7−93445)。As a multi-axis force sensor that solves the above-mentioned problems of the conventional example, it is necessary to form a plurality of semiconductor resistance elements on a semiconductor single crystal substrate using a semiconductor process and to attach a strain gauge to a strain body. The structure which solves the problem of the accuracy of the process of sticking a semiconductor resistive element to a strain generating body, and enables miniaturization is proposed by eliminating the property (patent No. 2746298, Japanese Patent Publication No. 7-93445). .
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た半導体プロセスを利用した多軸力センサにおいては、
各軸方向の力又はモーメントの印加に対して基板全体が
等方的に歪む構造であり、かつ各半導体抵抗素子の配置
が適切でないため、未知方向から印加される外力を各成
分に精度良く分離することが困難である。すなわち、各
成分に対応する抵抗素子から検出される電気信号成分
に、他軸の成分が重畳してしまい、力又はモーメントの
各成分の測定感度が低下してしまう。However, in the above-mentioned multi-axis force sensor utilizing the semiconductor process,
The structure is such that the entire substrate is isotropically distorted when a force or moment is applied in each axial direction, and the placement of each semiconductor resistance element is not appropriate, so an external force applied from an unknown direction is accurately separated into each component. Difficult to do. That is, the component of the other axis is superimposed on the electric signal component detected from the resistance element corresponding to each component, and the measurement sensitivity of each component of force or moment is reduced.
【0008】一般に、多軸力センサの場合、各成分を求
めるために、各成分の力又はモーメントと抵抗変化率と
の関係を示すマトリクスが必要となる。6軸力センサの
場合を例にとり、さらに詳しく説明する。6軸力センサ
では、直行するx軸,y軸及びz軸方向それぞれの力F
x,Fy,Fzと、x軸,y軸及びz軸におけるそれぞれ
のモーメントMx,My,Mzとを求めることができる。
これらを各々力F1,F2,F3,F4,F5,F6とする。
また、6軸力センサに配置された各半導体抵抗素子の抵
抗変化率から求めた演算抵抗変化率をS1,S2,S3,
S4,S5,S6とする。In general, in the case of a multi-axis force sensor, in order to obtain each component, a matrix showing the relationship between the force or moment of each component and the resistance change rate is required. A six-axis force sensor will be taken as an example for further explanation. In the 6-axis force sensor, the forces F in the orthogonal x-axis, y-axis, and z-axis directions
The x, Fy, Fz and the respective moments Mx, My, Mz on the x-axis, the y-axis and the z-axis can be obtained.
These are forces F1, F2, F3, F4, F5 and F6, respectively.
Further, the calculated resistance change rates obtained from the resistance change rates of the respective semiconductor resistance elements arranged in the 6-axis force sensor are S1, S2, S3,
Let S4, S5 and S6.
【0009】そして、上記演算抵抗変化率Siと力Fiと
の間には(iは1〜6の整数)、行列で表すと、
(Si)=(mij)×(Fi) (j
は1〜6の整数)
の関係、すなわち、
S1=m11・F1+m12・F2+m13・F3+m14・F4+m15・F5+m16・F6
S2=m21・F1+m22・F2+m23・F3+m24・F4+m25・F5+m26・F6
……
S6=m61・F1+m62・F2+m63・F3+m64・F4+m65・F5+m66・F6
の関係がある。ここで、(Si),(Fi)はi行の行列
であり、(mij)はi行j列の行列である。Further, between the calculated resistance change rate Si and the force Fi (i is an integer of 1 to 6), when expressed by a matrix, (Si) = (mij) × (Fi) (j
Is an integer of 1 to 6), that is, S1 = m11 ・ F1 + m12 ・ F2 + m13 ・ F3 + m14 ・ F4 + m15 ・ F5 + m16 ・ F6 S2 = m21 ・ F1 + m22 ・ F2 + m23 ・ F3 + m24 ・ F4 + m25 ・ F5 + m26 ・ F6 ・ ・ S6 + ・ 6 There is a relationship of F2 + m63 / F3 + m64 / F4 + m65 / F5 + m66 / F6. Here, (Si) and (Fi) are i-row matrices, and (mij) is an i-row and j-column matrix.
【0010】あらかじめ、単一成分のみの入力に対する
上記各演算抵抗変化率を求めることにより、行列(mi
j)の各行列要素mijを求めることができる。そして、
この行列(mij)の逆行列(m'ij)を求めることによ
り、
(Fi)=(m'ij)×(Si)
の行列計算、すなわち、
F1=m'11・S1+m'12・S2+m'13・S3+m'14・S4+m'15・S5
+m'16・S6
F2=m'21・S1+m'22・S2+m'23・S3+m'24・S4+m'25・S5
+m'26・S6
……
F6=m'61・S1+m'62・S2+m'63・S3+m'64・S4+m'65・S5
+m'66・S6
の関係として、各半導体抵抗素子の抵抗変化率から得ら
れる演算抵抗変化率に基づき、各軸方向の力及びモーメ
ントを求めることができる。上記各式においては、行列
要素mijの数値が各々大きいものであると、例えば、ノ
イズの重量で抵抗変化率Siが変動するとF1〜F6の
測定値にその影響が現れる。By previously obtaining the above-mentioned arithmetic resistance change rates for inputs of only a single component, the matrix (mi
Each matrix element mij of j) can be obtained. And
By obtaining the inverse matrix (m'ij) of this matrix (mij), the matrix calculation of (Fi) = (m'ij) × (Si), that is, F1 = m'11.S1 + m'12.S2 + m'13・ S3 + m'14 ・ S4 + m'15 ・ S5 + m'16 ・ S6 F2 = m'21 ・ S1 + m'22 ・ S2 + m'23 ・ S3 + m'24 ・ S4 + m'25 ・ S5 + m'26 ・ S6 …… F6 = m'61・ S1 + m'62 ・ S2 + m'63 ・ S3 + m'64 ・ S4 + m'65 ・ S5 + m'66 ・ S6 The force in each axial direction based on the calculated resistance change rate obtained from the resistance change rate of each semiconductor resistance element. And the moment can be obtained. In the above equations, if the matrix elements mij have large numerical values, for example, if the resistance change rate Si fluctuates due to the weight of noise, the measured values of F1 to F6 are affected.
【0011】すなわち、外力として単一成分のみの入力
があったときにその他の成分の入力が「0」であるにも
かかわらず、ノイズ等の外乱により測定結果が「0」に
ならないという現象が起きる可能性が高くなる。以下、
上述したように、求める成分の力又はモーメントの測定
値が他軸の力又はモーメントによって変動することを、
他軸干渉が起こると定義する。理想的には、行列(m'i
j)において、対角要素m'11,m'22,m'33,m'44,
m'55,m'66以外の非対角要素を「0」とし、この行列
(m'ij)を対角行列とし、力又はモーメントの各成分
と演算抵抗変化率との関係を、
F1=m'11・S1
F2=m'22・S2
……
F6=m'66・S6
のような関数にできれば、計算も簡易となり、他軸干渉
も防止することが可能である。That is, there is a phenomenon in which the measurement result does not become "0" due to disturbance such as noise when the input of only a single component is input as the external force, although the input of the other components is "0". More likely to happen. Less than,
As described above, the fact that the measured value of the force or moment of the component to be calculated fluctuates due to the force or moment of the other axis,
It is defined as cross-axis interference. Ideally, the matrix (m'i
In j), diagonal elements m'11, m'22, m'33, m'44,
The non-diagonal elements other than m'55 and m'66 are "0", this matrix (m'ij) is a diagonal matrix, and the relationship between each component of force or moment and the calculated resistance change rate is F1 = If a function such as m'11 · S1 F2 = m'22 · S2 ... F6 = m'66 · S6 can be realized, the calculation becomes simple and it is possible to prevent other axis interference.
【0012】実際には、非対角要素を「0」とできなく
とも、対角要素に比較して非対角要素の値を非常に小さ
くすることにより、他軸干渉の影響を低減できることに
なる。しかしながら、従来例のような、基板全体が歪
み、かつ半導体抵抗素子の配置の考慮がされていない構
造の多軸力センサにおいては、行列(m'ij)の非対角
要素を「0」、または対角要素に比較して小さくするこ
とができず、他軸干渉が起こる可能性が高くなると考え
られる。すなわち、上記従来の多軸力センサは、他軸干
渉が起こり易いことにより、半導体抵抗素子からの電気
信号に、予期しない外乱等によるノイズが重畳すること
により、他軸干渉により、測定結果が大きく変動してし
まう可能性が大きい。したがって、上記多軸力センサを
ロボット等に使用した場合においても、その設置状況に
よって、他軸干渉により測定値が変動することになり、
汎用部品とした場合に、再現性やロバスト性に問題があ
る。In practice, even if the non-diagonal element cannot be set to "0", the influence of the other axis interference can be reduced by making the value of the non-diagonal element extremely smaller than that of the diagonal element. Become. However, in a multi-axis force sensor having a structure in which the entire substrate is distorted and the arrangement of semiconductor resistance elements is not taken into consideration as in the conventional example, the non-diagonal elements of the matrix (m′ij) are set to “0”, Or it cannot be made smaller than the diagonal element, and it is considered that there is a high possibility that other-axis interference will occur. That is, in the conventional multi-axis force sensor, since other-axis interference is likely to occur, noise due to unexpected disturbance or the like is superposed on the electric signal from the semiconductor resistance element, and the other-axis interference causes a large measurement result. There is a high possibility that it will fluctuate. Therefore, even when the above-mentioned multi-axis force sensor is used in a robot, etc., the measurement value will fluctuate due to the interference of other axes depending on the installation situation,
There is a problem in reproducibility and robustness when used as a general-purpose component.
【0013】上述した半導体プロセスを用いた多軸力セ
ンサの欠点を解決するため、軸毎に歪みの成分を分離す
る構造が提案されている(特開平11−33376
5)。この多軸力センサは、すでに述べたセンサに対し
て改善されてはいるが、3軸(x軸,y軸,z軸)方向
の力の検出を行うための構成であり、6軸力センサとし
て使用する場合に、各成分の分離機能が不十分であり、
他軸干渉の問題を改善している訳ではない。In order to solve the above-mentioned drawbacks of the multi-axis force sensor using the semiconductor process, a structure has been proposed in which the strain component is separated for each axis (Japanese Patent Laid-Open No. 11-33376).
5). Although this multi-axis force sensor is an improvement over the above-mentioned sensor, it has a configuration for detecting forces in the directions of three axes (x-axis, y-axis, z-axis), and is a six-axis force sensor. When used as, the separation function of each component is insufficient,
It does not mean that the problem of multi-axis interference is not improved.
【0014】本発明はこのような背景の下になされたも
ので、その目的は印加される外力の検出において、他軸
干渉を抑制し、各軸成分の力又はモーメントを検出でき
る、ロバスト性及び再現性が向上された6軸力センサを
提供する事にある。The present invention has been made under such a background, and its purpose is to detect external force applied thereto by suppressing interference with other axes and detecting forces or moments of respective axis components. It is to provide a 6-axis force sensor with improved reproducibility.
【0015】[0015]
【課題を解決するための手段】本発明の6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6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4本の連結
部(例えば、T字ビーム形状の一実施形態における5
A,5B,5C,5D)とから構成され、前記連結部の
表面に、活性層で形成された半導体抵抗素子(例えば、
一実施形態における抵抗素子Sya1〜Sya3,抵抗素子S
yb1〜Syb3,抵抗素子Sxa1〜Sxa3,抵抗素子Sxb1〜
Sxb3)が配置され、各々の半導体抵抗素子が前記支持
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半導体
抵抗素子に選択的に歪みを発生させるので、各半導体抵
抗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6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半導
体抵抗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6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
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
形態における弾性部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半導体抵抗素子に選択
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。A six-axis force sensor of the present invention (for example, a six-axis force sensor 1 in one embodiment) is a semiconductor substrate (for example, a semiconductor substrate 2 in one embodiment).
A sensor chip having a 6-axis force sensor function, the sensor chip including an action part to which an external force is applied (eg, action part 4 in one embodiment) and a support part fixed to an external structure (eg, action part 4). , A support portion 3) according to one embodiment, and four connecting portions (for example, a T-shaped beam shape) each including a region having high rigidity and a region having low rigidity, which connect the action portion and the support portion. 5 in one embodiment
A, 5B, 5C, 5D), and a semiconductor resistance element (for example,
Resistance elements Sya1 to Sya3 and resistance element S in one embodiment
yb1 to Syb3, resistance elements Sxa1 to Sxa3, resistance elements Sxb1 to
Sxb3) is arranged and each semiconductor resistance element is wired to the corresponding electrode of the supporting portion, the low rigidity region absorbs the extra strain applied to the connecting portion, and It has a function to suppress the generation of strain, and because the force or moment of a specific axial component selectively generates strain in the corresponding semiconductor resistance element, the applied external force can be changed by combining the measurement results of each semiconductor resistance element. Since the force and moment can be effectively separated into six components, it is possible to significantly suppress the interference of the other axis of the measurement result. As a result, the six-axis force sensor of the present invention can measure the six components of the force and moment of the external force applied to the acting portion with good reproducibility based on the strain generated in each semiconductor resistance element arranged in each connecting portion. Is possible. In the 6-axis force sensor element of the present invention, the connecting portions are arranged at equal intervals around the action portion, and the low rigidity region is at least 2 in the support portion.
A bridge portion (for example, the elastic portion 5Aa in one embodiment, which is an elastic portion connected at a location (for example, 5Ab, 5Bb, 5Cb, 5Db in one embodiment), and the highly rigid region is connected to the action portion. , 5Ba, 5Ca, 5Da), the elastic portion has a function of absorbing the extra strain applied to the bridge portion and suppressing the strain of the entire semiconductor substrate due to the application of force or moment in one direction. Since the semiconductor resistance element corresponding to the force or moment in the specific direction is selectively distorted, the other axis interference can be significantly suppressed.
【0016】本発明の6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半導体抵抗素子を配置すること
により、半導体抵抗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、外力に対する半導体
抵抗素子の抵抗変化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。In the 6-axis force sensor element of the present invention, when an external force is applied to the acting portion on the surface of the bridge portion, a large strain is generated as compared with other regions of the acting portion or the connecting portion. By arranging the semiconductor resistance element in the generation area, the semiconductor resistance element can selectively detect the force or moment of the desired component, and the resistance change of the semiconductor resistance element with respect to an external force can be increased, and It is possible to improve the measurement sensitivity of the force and moment of the applied external force, and obtain the robustness and stability of the measurement result.
【0017】本発明の6軸力センサ素子は、前記半導体
抵抗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
する半導体抵抗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。In the six-axis force sensor element of the present invention, the semiconductor resistance element is arranged on the surface in the vicinity of the connecting portion between the acting portion and the bridge portion, so that the strain generated by the external force is most concentrated in the region. Since it is arranged, it is possible to increase the amount of change in the resistance value of the semiconductor resistance element with respect to an external force, effectively improve the measurement sensitivity of the force and moment of the external force applied to the acting portion, and increase the robustness in the measurement result. It is possible to obtain stability and stability.
【0018】本発明の6軸力センサ素子は、前記半導体
抵抗素子が、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、外力に対する半導体抵
抗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。In the six-axis force sensor element of the present invention, the semiconductor resistance element is arranged in the constricted portion formed in the bridge portion, so that each component of the force or moment of the external force applied to the acting portion is detected. At the corresponding connecting part, the stress generated in the constricted part becomes the largest, so that the strain is concentrated most in this constricted part, and it is possible to increase the resistance change of the semiconductor resistance element with respect to external force, and the effective part It is possible to improve the measurement sensitivity of the force and moment of the external force applied to the, and to obtain the robustness and stability of the measurement result.
【0019】本発明の6軸力センサ素子は、前記半導体
抵抗素子が、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、複数の半導体抵抗
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、半導体素子を選
択し、かつこれらの半導体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6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6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。The six-axis force sensor element of the present invention is obtained from a plurality of semiconductor resistance elements by arranging a plurality of the semiconductor resistance elements for each of the bridge portions in parallel to the long axis direction thereof. It becomes possible to take out an electric signal by combining the resistance change rates, so as to prevent other axis interference, that is, to select the semiconductor elements so that the resistance change rates other than the force or moment in a specific direction cancel each other out, Further, from the resistance change rates of these semiconductor elements, an equation suitable for obtaining the six components of the force and the moment can be constructed, and based on this equation, in the matrix showing the relationship between the force and the moment and the resistance change rate. Off-diagonal elements,
It can be "0" or sufficiently small. As a result, the 6-axis force sensor of the present invention can suppress the interference of other axes, improve the measurement accuracy of the 6 components of the force and moment of the applied external force, and increase the robustness of the force and moment measurement results. It is possible to improve.
【0020】本発明の6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。According to the six-axis force sensor element of the present invention, an internal angle between the connecting portion of the connecting portion and the acting portion, the connecting portion of the connecting portion and the supporting portion, and the connecting portion of the elastic portion and the bridge portion is increased. The parts are each formed into an arc shape (for example, the R-processed inner corner part in the inner periphery of the hole regions A, B, C, D, K, L, M, N in one embodiment). , Disperses the stress in each connection part and suppresses the stress concentration on the inner corner part against the external force applied to the action part,
Since the structural strength is improved, it is possible to widen the measurement range of the applied external force.
【0021】本発明の6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、半導体抵抗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。In the 6-axis force sensor element of the present invention, a semiconductor resistance element for temperature compensation (for example, the resistance element 13 in one embodiment) is arranged on the supporting portion, and a corresponding electrode (for example,
By being wired to the electrode 14) in one embodiment, it is possible to detect a resistance change due to the surrounding temperature provided and correct the measurement result of the resistance change in accordance with the temperature characteristic of the semiconductor resistance element. By doing so, it is possible to measure forces and moments that are not affected by ambient temperature.
【0022】本発明の6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、半導体抵抗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、半導体抵抗素子からの電流
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半導体抵抗素子の配線
からのクロストークノイズをシールドするため、半導体
抵抗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。In the 6-axis force sensor element of the present invention, the guard wiring (eg, the GND wiring 7 in one embodiment) that is at ground potential is not the ground potential of the semiconductor resistance element (for example, signal wiring in one embodiment). When the current from the semiconductor resistance element is detected by surrounding 8), disturbance due to high frequency noise in the environment is suppressed, and the guard wiring is a cross from the wiring of another semiconductor resistance element. Since the talk noise is shielded, the S / N ratio of the current measurement in the resistance change of the semiconductor resistance element can be improved, the accuracy of the force and moment of the applied external force can be improved, and the robustness and stability of the measurement result can be improved. It becomes possible to obtain the sex.
【0023】本発明の6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。In the 6-axis force sensor element of the present invention, a bias electrode (for example, the bias electrode 12 in one embodiment) for applying a bias is formed on the semiconductor substrate. Since the depletion layer grows at the interface of the active layer and insulation between the active layer and the semiconductor substrate and between adjacent active layers can be performed, the leak current can be reduced and the influence of current noise can be reduced. Furthermore, by electrically fixing the substrate to a constant potential, it is possible to prevent potential fluctuations and improve noise resistance, and it is possible to measure the resistance change amount of the semiconductor resistance element with high accuracy. It is possible to improve the measurement accuracy of the force and moment of the external force and obtain robustness and stability in the measurement result.
【0024】本発明の6軸力センサ素子は、前記半導体
基板において、前記橋梁部の前記半導体素子が配置され
る領域に相対する裏面の領域に、少なくとも1個以上の
半導体抵抗素子(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〜S
yb1u,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半導体
抵抗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、表面のみに半導体抵抗素子を設
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。In the six-axis force sensor element of the present invention, in the semiconductor substrate, at least one semiconductor resistance element (for example, one or more semiconductor resistance elements is provided in a region of a back surface of the bridge portion opposite to a region where the semiconductor element is arranged). The resistance elements Sya1u to Sya3u, Sxa1u to Sxa3u, and the resistance elements Syb1u to S in the embodiment.
yb1u, Sxb1u to Sxb3u) are formed in parallel with the long axis direction of the bridge portion and connected to the electrodes by wiring, so that resistance change of each semiconductor resistance element formed on the front surface and the back surface can be prevented. Based on this, the force and moment of the external force applied to the acting portion can be measured more accurately by separating each specific component compared to the case where the semiconductor resistance element is provided only on the surface. It is possible to obtain robustness and stability.
【0025】[0025]
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態について説明する。
<6軸力センサの構造及び機能>図1は本発明の一実施
形態による6軸力センサの構造例を示す上面からみた平
面図である。この図において、6軸力センサ1は、半導
体基板2上面に形成された活性層(拡散層)よりなるな
る抵抗素子(ピエゾ抵抗素子)Sxa1〜Sxa3,Sxb1〜
Sxb3,Sya1〜Sya3,Syb1〜Syb3から構成されてい
る(半導体製造技術を用いた1チップ構成)。半導体基
板2は、厚さ方向に貫通した穴の領域A,B,C,D,
K,L,M,Nにより、以下に示すセンサ構造を有して
いる。ここで、穴の領域A,B,C,D,K,L,M,
Nの内周における内角部は、円弧状に加工、望ましくは
R加工されている。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. <Structure and Function of Six-Axis Force Sensor> FIG. 1 is a plan view showing an example of the structure of the six-axis force sensor according to an embodiment of the present invention, as seen from the above. In this figure, a 6-axis force sensor 1 includes resistance elements (piezoresistive elements) Sxa1 to Sxa3, Sxb1 to Sxa1 to Sxa1 which are made of an active layer (diffusion layer) formed on the upper surface of a semiconductor substrate 2.
It is composed of Sxb3, Sya1 to Sya3, and Syb1 to Syb3 (one-chip structure using semiconductor manufacturing technology). The semiconductor substrate 2 has regions A, B, C, D, of holes penetrating in the thickness direction.
The K, L, M, and N have the following sensor structures. Here, the hole regions A, B, C, D, K, L, M,
The inner corner portion of the inner circumference of N is processed into an arc shape, preferably R processing.
【0026】すなわち、6軸力センサ1は、上記領域
A,B,C,D,K,L,M,Nにより複数の領域に機
能的に分離されており、半導体基板2の外周部分を支持
部3とし、半導体基板2の中央の島状の領域を、外力の
印加される作用部4として構成されている。この作用部
4は、支持部3に対して4本の連結部5A,5B,5C,
5Dで連結された構成となっている。連結部5A,5B,
5C,5Dは、各々橋梁部5Aa及び弾性部5Ab,橋梁部5
Ba及び弾性部5Bb,橋梁部5Ca及び弾性部5Cb,橋梁部
5Da及び弾性部5Dbにより構成されている。That is, the 6-axis force sensor 1 is functionally separated into a plurality of regions by the regions A, B, C, D, K, L, M, N, and supports the outer peripheral portion of the semiconductor substrate 2. The central region of the semiconductor substrate 2 is formed as the portion 3 and the acting portion 4 to which an external force is applied is formed. The acting portion 4 is connected to the support portion 3 by four connecting portions 5A, 5B, 5C,
It is connected by 5D. Connection parts 5A, 5B,
5C and 5D are the bridge portion 5Aa, the elastic portion 5Ab, and the bridge portion 5, respectively.
It is composed of Ba and elastic portion 5Bb, bridge portion 5Ca and elastic portion 5Cb, bridge portion 5Da and elastic portion 5Db.
【0027】弾性部5Ab,5Bb,5Cb,5Dbは、それぞ
れ領域A,B,C,D各々の周囲において、支持部3に
対して、長軸方向における両端部2箇所で各々接続され
るよう形成されている。そして、橋梁部5Aa,5Ba,5
Ca,5Daは、長軸方向における一方の端部が作用部4に
接続され、また、他方の端部が対応する弾性部に対して
1点で接続されている。ここで、橋梁部5Aa,5Ba,5
Ca,5Daと、弾性部5Ab,5Bb,5Cb,5Db及び作用部
4の各接続部は、印加される外力による応力を分散さ
せ、印加される外力に対する強度を持たせるため、円弧
状に加工、望ましくは各々R加工されている(例えば、
内角90°の角度を有する部分は、例えばR0.1(半
径0.1mm)にR加工されている。また、この図1の
構造例においては、半導体基板2において、領域A,
B,C,D,K,L,M,Nにより、連結部5が「T
字」状(T字ビーム)に形成されているが、弾性機能が
満足されれば「Y字」状などとして形状を問わない。The elastic portions 5Ab, 5Bb, 5Cb and 5Db are formed so as to be connected to the supporting portion 3 at two end portions in the longitudinal direction around the regions A, B, C and D, respectively. Has been done. And the bridge parts 5Aa, 5Ba, 5
One end of Ca and 5 Da in the long axis direction is connected to the acting portion 4, and the other end is connected to the corresponding elastic portion at one point. Here, the bridge parts 5Aa, 5Ba, 5
Ca, 5Da, and each of the connecting portions of the elastic portions 5Ab, 5Bb, 5Cb, 5Db and the action portion 4 disperse the stress due to the applied external force, and have a strength against the applied external force. Desirably each is R processed (for example,
A portion having an internal angle of 90 ° is rounded to, for example, R0.1 (radius 0.1 mm). Further, in the structure example of FIG. 1, in the semiconductor substrate 2, the regions A,
B, C, D, K, L, M, N, the connecting portion 5 is "T
Although it is formed in a "shape" (T-shaped beam), the shape is not limited to a "Y" shape as long as the elastic function is satisfied.
【0028】抵抗素子Sya1,Sya2,Sya3は、連結部
5Aにおいて、支持部4と橋梁部5Aaとの接続部近傍、
すなわち作用部4に印加される外力による歪みが最も発
生する部分に配置するように形成されている。また、抵
抗素子Sya1,Sya2,Sya3は、橋梁部5Aaの長軸方向
に対して、各々が平行となるように形成されている。他
の抵抗素子Syb1〜Syb3,抵抗素子Sxa1〜Sxa3,抵抗
素子Sxb1〜Sxb3も、上述した抵抗素子Sya1〜Sya3と
同様に、それぞれ支持部4及び橋梁部5Ba,支持部4及
び橋梁部5Ca,支持部4及び橋梁部5Daの接続部近傍に
配置するよう形成されている。The resistance elements Sya1, Sya2, Sya3 are connected to the connecting portion 5A in the vicinity of the connecting portion between the supporting portion 4 and the bridge portion 5Aa.
That is, it is formed so as to be arranged at the portion where the distortion due to the external force applied to the acting portion 4 occurs most. The resistance elements Sya1, Sya2, Sya3 are formed so as to be parallel to the long axis direction of the bridge portion 5Aa. The other resistance elements Syb1 to Syb3, the resistance elements Sxa1 to Sxa3, and the resistance elements Sxb1 to Sxb3 are the same as the above-described resistance elements Sya1 to Sya3, respectively. It is formed so as to be arranged in the vicinity of the connecting portion of the portion 4 and the bridge portion 5Da.
【0029】すなわち、図2(図1の連結部5C周辺の
拡大図)において、連結部5Cと作用部4との接続部の
近傍には、橋梁部5Caの長軸方向の活性層Sからなる抵
抗素子Syb1〜Syb3が形成されている。これら抵抗素子
Syb1〜Syb3の位置関係は、抵抗素子Syb2が橋梁部5C
aの中央(作用部4の中心線)に配置されており、抵抗
素子Syb1,Syb3が橋梁部5Caにおいて抵抗素子Syb2
の両側に対称な位置で配置されている。ここで、各活性
層Sは、抵抗素子をコンパクトに形成するため、複数回
折り返して全体長が長くなるように形成されているが、
この形状に限定されるものではない。また、図2の点線
で示された部分を除去するようにくびれ部6Cを形成
し、すなわち、外力の印加による歪みを、より集中して
発生させるため、橋梁部5Ca(5Aa,5Ba,5Daも同
様)に、それぞれ、くびれ部6D(6A,6B,6C)を形
成してもよい。That is, in FIG. 2 (enlarged view around the connecting portion 5C in FIG. 1), an active layer S in the long axis direction of the bridge portion 5Ca is formed in the vicinity of the connecting portion between the connecting portion 5C and the action portion 4. Resistor elements Syb1 to Syb3 are formed. The positional relationship among these resistance elements Syb1 to Syb3 is that the resistance element Syb2 is the bridge portion 5C.
The resistance elements Syb1 and Syb3 are arranged at the center of a (the center line of the acting portion 4), and the resistance elements Syb1 and Syb3 are arranged in the bridge portion 5Ca.
Are arranged symmetrically on both sides of. Here, each active layer S is formed so that the resistance element is compactly formed, so that the active layer S is folded back a plurality of times to increase the overall length.
The shape is not limited to this. Further, the constricted portion 6C is formed so as to remove the portion indicated by the dotted line in FIG. 2, that is, the strain due to the application of the external force is generated more concentratedly, so that the bridge portion 5Ca (5Aa, 5Ba, 5Da is also Similarly, the constricted portions 6D (6A, 6B, 6C) may be formed.
【0030】このくびれ部6Cは、橋梁部5Caのいずれ
の部分に形成しても良いが、橋梁部5Caの支持部4との
接続部分に形成されるのが望ましい。このくびれ部6C
を形成した場合、抵抗素子Syb1〜Syb3は、このくびれ
部6Cに挟まれる位置に活性層Sを形成して配置する。
また、くびれ部6Cを形成するか否かによらず、活性層
Sは、抵抗素子として、一端がコンタクトCN1により
QND配線7に接続され、他端がコンタクトCN2によ
り信号配線8に接続される。The constricted portion 6C may be formed on any portion of the bridge portion 5Ca, but is preferably formed on a portion of the bridge portion 5Ca connected to the support portion 4. This constriction 6C
In the case of forming, the resistance elements Syb1 to Syb3 are arranged by forming the active layer S at a position sandwiched by the constricted portions 6C.
In addition, regardless of whether or not the constricted portion 6C is formed, one end of the active layer S is connected to the QND wiring 7 by the contact CN1 and the other end is connected to the signal wiring 8 by the contact CN2 as a resistance element.
【0031】ここで、GND配線7は、抵抗素子Syb
1,Syb2,Syb3各々からの信号配線8との間に配置す
るように形成されるとともに、抵抗素子Syb1,Syb2,
Syb3各々の活性層Sとを囲むように配置される。した
がって、各抵抗素子及び各信号配線8をGND配線7に
より分離することで、各抵抗素子からの電流を検出する
場合、GND配線7が環境中の高周波ノイズによる外乱
を防止し、かつ他の抵抗素子及びその信号配線からのク
ロストークノイズ等をシールドするため、各抵抗素子の
ピエゾ効果による抵抗変化の電流測定のS/N比を向上
させることができる。また、本実施形態では、抵抗素子
の一方を接地電位に接続しているが、測定方法によって
は、接地電位に接続させない場合もある。この接続させ
ない場合には、各抵抗素子の各々の信号配線と別途にガ
ード専用の他のGND配線を設け、この他のGND配線
を接地電位に独立して接続する必要がある。Here, the GND wiring 7 is connected to the resistance element Syb.
The resistor elements Syb1, Syb2, Syb2, Syb3,
It is arranged so as to surround each active layer S of Syb3. Therefore, when each resistance element and each signal wiring 8 are separated by the GND wiring 7 to detect the current from each resistance element, the GND wiring 7 prevents disturbance due to high frequency noise in the environment, and prevents the other resistances from being disturbed. Since crosstalk noise and the like from the element and its signal wiring are shielded, it is possible to improve the S / N ratio of the current measurement of the resistance change due to the piezo effect of each resistance element. Further, in the present embodiment, one of the resistance elements is connected to the ground potential, but it may not be connected to the ground potential depending on the measuring method. When this connection is not made, it is necessary to provide another GND wiring dedicated to the guard separately from each signal wiring of each resistance element, and to independently connect the other GND wiring to the ground potential.
【0032】図1に戻り、GND配線7は、各々、支持
部3の領域に形成されたGND電極9へ接続される。G
ND電極9各々は、支持部3の外周領域の表面に形成さ
れたGND配線11にそれぞれ接続されている。上述し
たGND電極9及びGND配線11は、図示しない外部
電源からGND(接地)電位が印加される。また、信号
配線8各々は、支持部3の外周領域の表面に形成された
信号電極10にそれぞれ接続されている。これら信号電
極10は、各抵抗素子の抵抗値の測定を行う電極であ
り、図示しない外部の測定器または印加される外力の解
析装置などに接続される。これらの測定器または解析装
置により、電流−電圧特性から抵抗値が測定され、印加
される外力に基づく、各抵抗素子の抵抗変化率が求めら
れる。Returning to FIG. 1, the GND wiring 7 is connected to the GND electrode 9 formed in the region of the supporting portion 3, respectively. G
Each of the ND electrodes 9 is connected to a GND wiring 11 formed on the surface of the outer peripheral region of the support portion 3, respectively. A GND (ground) potential is applied to the GND electrode 9 and the GND wiring 11 described above from an external power source (not shown). Further, each of the signal wirings 8 is connected to each of the signal electrodes 10 formed on the surface of the outer peripheral region of the supporting portion 3. These signal electrodes 10 are electrodes for measuring the resistance value of each resistance element, and are connected to an external measuring device (not shown) or an analyzer for the applied external force. The resistance value is measured from the current-voltage characteristics by these measuring devices or analyzers, and the resistance change rate of each resistance element based on the applied external force is obtained.
【0033】バイアス電極12は、半導体基板2に対し
て、バイアス電圧を印加するための電極であり、所定の
電位を外部電源から与えられる。このバイアス電極を介
して印加されるバイアス電圧により、活性層S(図2参
照)の界面に空乏層が成長し、活性層Sと半導体基板2
との間,及び隣接する活性層S間の絶縁を行うことがで
きるため、各間のリーク電流を防止し、電流ノイズの影
響を低減することができ、かつ、電気的に半導体基板2
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、各橋梁部5Aa,
5Ba,5Ca,5Da各々に形成された抵抗素子の歪みに対
応したピエゾ効果に基づく抵抗変化量を、高い精度で測
定することができる。The bias electrode 12 is an electrode for applying a bias voltage to the semiconductor substrate 2, and is supplied with a predetermined potential from an external power source. A bias voltage applied through this bias electrode causes a depletion layer to grow at the interface of the active layer S (see FIG. 2), and the active layer S and the semiconductor substrate 2
Since it is possible to perform insulation between the active layers S and between adjacent active layers S, it is possible to prevent a leak current between the respective active layers S, reduce the influence of current noise, and electrically connect the semiconductor substrate 2 to each other.
By fixing the voltage to a constant potential, it is possible to prevent potential fluctuations and improve noise resistance.
The amount of resistance change based on the piezo effect corresponding to the strain of the resistance element formed in each of 5Ba, 5Ca, and 5Da can be measured with high accuracy.
【0034】抵抗素子13は、温度補償を行うために設
けられており、一端が配線によりGND配線11に接続
され、他端が配線により電極14へ接続されている。電
極14へ所定の電圧を印加し、このとき流れる電流量に
基づき抵抗素子13の抵抗値と、室温のときの抵抗値と
の比を求め、この抵抗比により周囲温度に基づき、各橋
梁部5Aa,5Ba,5Ca,5Da各々に形成された抵抗素子
の抵抗値の補償を行う。すなわち、外力の影響を受けな
い上記抵抗素子13の抵抗変化をもとに、外力測定用の
抵抗素子の抵抗変化の測定結果を常に補正することで、
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
ことが可能となる。The resistance element 13 is provided for temperature compensation, one end of which is connected to the GND wiring 11 by wiring, and the other end of which is connected to the electrode 14 by wiring. A predetermined voltage is applied to the electrode 14, the ratio of the resistance value of the resistance element 13 to the resistance value at room temperature is obtained based on the amount of current flowing at this time, and based on this resistance ratio, each bridge portion 5Aa , 5Ba, 5Ca, 5Da, respectively, the resistance value of the resistance element is compensated. That is, by constantly correcting the measurement result of the resistance change of the resistance element for external force measurement based on the resistance change of the resistance element 13 that is not affected by the external force,
It is possible to measure forces and moments that are not affected by ambient temperature.
【0035】上述してきたように、本発明の6軸力セン
サ1は、外力が印加される作用部4と、外部に固定され
る支持部3と、作用部4の外周に配置されている4本の
連結部、すなわちT字形状に形成された連結部5A,5
B,5C,5Dとを基本構成とした構造となっている。こ
こで、連結部5A,5B,5C,5Dは、各々、支持部3に
2箇所で各々接続される弾性部5Ab,5Bb,5Cb,5Db
と、作用部4に接続される橋梁部5Aa,5Ba,5Ca,5
Daとから構成されている。As described above, the 6-axis force sensor 1 of the present invention has the acting portion 4 to which an external force is applied, the supporting portion 3 fixed to the outside, and the outer circumference 4 of the acting portion 4. Book connecting parts, that is, connecting parts 5A, 5 formed in a T shape
The structure is based on B, 5C and 5D. Here, the connecting portions 5A, 5B, 5C and 5D are elastic portions 5Ab, 5Bb, 5Cb and 5Db respectively connected to the supporting portion 3 at two points.
And the bridge parts 5Aa, 5Ba, 5Ca, 5 connected to the action part 4.
It consists of Da and.
【0036】このため、本願発明の6軸力センサ1は、
作用部4に印加される外力により、橋梁部5Aa,5Ba,
5Ca,5Daに形成された抵抗素子各々に歪みが発生する
場合、弾性部5Ab,5Bb,5Cb,5Dbが、作用部5と各
橋梁部5Aa,5Ba,5Ca,5Daとの間にかかる外力にお
いて、印加された外力による半導体基板2全体での歪み
の発生を防止するため、特定の方向の力又はモーメント
に対する選択的な歪みを各抵抗素子に発生させることが
でき、作用部4に加えられる外力を、力及びモーメント
の各成分に分離して得ることができる。Therefore, the 6-axis force sensor 1 of the present invention is
The bridge parts 5Aa, 5Ba,
When strain is generated in each of the resistance elements formed in 5Ca and 5Da, the elastic portions 5Ab, 5Bb, 5Cb, and 5Db exert an external force between the acting portion 5 and the bridge portions 5Aa, 5Ba, 5Ca, and 5Da, In order to prevent the generation of distortion in the entire semiconductor substrate 2 due to the applied external force, it is possible to generate a selective distortion in each resistance element with respect to a force or moment in a specific direction, so that the external force applied to the action portion 4 can be reduced. , Force and moment components can be obtained separately.
【0037】<6軸力センサの製造方法>次に、図3に
より6軸力センサ1の製造方法の一例を説明する。図3
は、6軸力センサ1の製造プロセスを説明する、所定の
プロセス単位ごとの断面図である。図3(a)におい
て、n型(100)シリコンである半導体基板2に、フ
ォトリソグラフィにより形成した、抵抗素子を形成する
ためのレジストパターン(図示しない)をマスクとし、
p型不純物であるボロンを、イオン注入する。上記抵抗
素子は、抵抗素子Sya1〜Sya3,Syb1〜Syb3,Sxa1
〜Sxa3,Sxb1〜Sxb3,13である。<Method of Manufacturing Six-Axis Force Sensor> Next, an example of a method of manufacturing the six-axis force sensor 1 will be described with reference to FIG. Figure 3
[Fig. 3] is a sectional view for explaining a manufacturing process of the 6-axis force sensor 1 for each predetermined process unit. In FIG. 3A, a resist pattern (not shown) for forming a resistance element formed by photolithography on a semiconductor substrate 2 made of n-type (100) silicon is used as a mask,
Boron, which is a p-type impurity, is ion-implanted. The resistance elements are resistance elements Sya1 to Sya3, Syb1 to Syb3, Sxa1.
To Sxa3, Sxb1 to Sxb3, 13.
【0038】次に、上記レジストパターンを除去し、p
−CVD(プラズマ−化学的気相成長法)により、酸化
シリコン膜を層間絶縁膜20として成長させる。そし
て、半導体基板2を加熱することにより、注入したボロ
ンの活性化処理を行い、活性層Sを形成する。ここで、
半導体基板2の厚さは525μmであり、層間絶縁膜2
0の厚さは300nmである。また、形成された上記抵
抗素子の抵抗値は、53kΩである。Next, the resist pattern is removed and p
A silicon oxide film is grown as the interlayer insulating film 20 by -CVD (plasma-chemical vapor deposition method). Then, by heating the semiconductor substrate 2, the implanted boron is activated to form the active layer S. here,
The semiconductor substrate 2 has a thickness of 525 μm, and the interlayer insulating film 2
The thickness of 0 is 300 nm. The resistance value of the formed resistance element is 53 kΩ.
【0039】次に、図3(b)において、コンタクトホ
ールを形成するためのレジストパターン(図示しない)
を形成し、このレジストパターンをマスクとし、コンタ
クトホールの形成部の層間絶縁膜2を、BHF(バッフ
ァド弗酸)により除去する。そして、上記レジストパタ
ーンを除去し、Al−Si(アルミニウムとシリコンと
の合金)を半導体基板2の表面全体に、約1μの厚さで
スパッタリングし、オーミック接合形成のための熱処理
を行う。これにより、基板バイアス用の電極12と半導
体基板2とのコンタクトCN,及び活性層Sのコンタク
トCN2(及び図2のコンタクトCN1)が形成され
る。Next, in FIG. 3B, a resist pattern (not shown) for forming a contact hole.
Then, using this resist pattern as a mask, the interlayer insulating film 2 in the contact hole forming portion is removed by BHF (buffered hydrofluoric acid). Then, the resist pattern is removed, Al—Si (alloy of aluminum and silicon) is sputtered on the entire surface of the semiconductor substrate 2 to a thickness of about 1 μm, and heat treatment for forming an ohmic junction is performed. As a result, the contact CN between the substrate bias electrode 12 and the semiconductor substrate 2 and the contact CN2 of the active layer S (and the contact CN1 of FIG. 2) are formed.
【0040】次に、図3(c)において、フォトリソグ
ラフィにより、GND配線7,11、信号配線8、他の
配線、各電極9,10,12,14の領域を形成するた
めのレジストパターン(図示しない)を形成し、ウェッ
トエッチングにより、不要な金属部分を除去し、各配線
及び電極のパターンニングを行う。さらに、上記レジス
トパターンを除去し、p−CVD(プラズマ化学気相成
長法)により、SiN膜(窒化シリコン膜)をパッシベ
ーション膜として形成する。Next, as shown in FIG. 3C, a resist pattern for forming the regions of the GND wirings 7 and 11, the signal wirings 8 and other wirings and the electrodes 9, 10, 12 and 14 by photolithography ( (Not shown) is formed, unnecessary metal portions are removed by wet etching, and each wiring and electrode are patterned. Further, the resist pattern is removed, and a SiN film (silicon nitride film) is formed as a passivation film by p-CVD (plasma chemical vapor deposition method).
【0041】そして、ボンディングパッド形成のための
レジストパターン(図示しない)を形成し、電極9,1
0,12,14の開口部となる領域のSiN膜を除去す
る。次に、図3(d)において、図1における厚さ方向
に貫通した穴の領域A,B,C,D,K,L,M,Nの
形成と、チップ分割のためのレジストパターンを形成す
る。そして、ワックスを用いて、半導体基板2をダミー
ウェハ21に貼付する。Then, a resist pattern (not shown) for forming a bonding pad is formed, and electrodes 9 and 1 are formed.
The SiN film in the regions that will become openings 0, 12, and 14 is removed. Next, in FIG. 3D, formation of regions A, B, C, D, K, L, M, and N of holes penetrating in the thickness direction in FIG. 1 and a resist pattern for chip division are formed. To do. Then, the semiconductor substrate 2 is attached to the dummy wafer 21 using wax.
【0042】次に、図3(e)において、RIE(リア
クティブ・イオン・エッチング)により、上記レジスト
パターンの開口部をエッチングで除去して、半導体基板
3に貫通領域、すなわち、領域A,B,C,D,K,
L,M,Nの穴の領域を形成するとともに、チップ分割
(ウェハからの各チップの切り出し)を行う。そして、
有機溶媒により上記レジストパターンを除去するととも
に、上記ワックスを溶かし、半導体基板2からダミーウ
ェハ21から分離させる。さらに、最終的な洗浄を行
い、6軸力センサ1が完成する。Next, in FIG. 3 (e), the opening of the resist pattern is removed by etching by RIE (reactive ion etching), so that the semiconductor substrate 3 is penetrated through, that is, regions A and B. , C, D, K,
The L, M, and N hole regions are formed and chip division (cutting of each chip from the wafer) is performed. And
The resist pattern is removed with an organic solvent, the wax is melted, and the semiconductor substrate 2 is separated from the dummy wafer 21. Further, final cleaning is performed to complete the 6-axis force sensor 1.
【0043】なお、上記工程ではイオン注入法により不
純物を半導体基板2に導入したが、熱拡散により不純物
を導入する方法を用いてもよい。また、金属膜の堆積方
法としては、スパッタリング法を採用したが、リフトオ
フを想定した蒸着法でもよい。Although the impurities are introduced into the semiconductor substrate 2 by the ion implantation method in the above step, a method of introducing the impurities by thermal diffusion may be used. Although the sputtering method is adopted as the method of depositing the metal film, an evaporation method assuming lift-off may be used.
【0044】上述したように、本願発明の6軸力センサ
は、半導体基板表面に、フォトリソグラフィのプロセス
を用いて、歪みを検出するための半導体抵抗素子を形成
するため、所望の位置に素子を正確に配置することがで
きるので、設計通りの性能の素子を、再現性良く製造す
ることが容易にでき、生産性も向上する。したがって、
本願発明は、貼付け工程を伴うプロセスにより製造され
る従来の多軸センサと比較して、小型化が容易であり、
再現性及び生産性にも優れている。As described above, in the 6-axis force sensor of the present invention, since the semiconductor resistance element for detecting the strain is formed on the surface of the semiconductor substrate by using the photolithography process, the element is placed at a desired position. Since the elements can be accurately arranged, it is possible to easily manufacture the element having the performance as designed with good reproducibility and improve the productivity. Therefore,
The present invention is easy to miniaturize as compared with a conventional multi-axis sensor manufactured by a process involving a pasting step,
Excellent reproducibility and productivity.
【0045】さらに、本願発明の6軸力センサは、半導
体基板2上に抵抗素子を形成する構成のため、小型化及
び薄型化が可能である。加えて、本願発明の6軸力セン
サの製造方法は、各抵抗素子がフォトリソグラフィで解
像可能なサイズまで小型化が可能である。したがって、
本願発明は、小型化及び薄型化が可能であり、他軸干渉
の影響を低下させた6軸力センサを提供することが可能
である。Further, the 6-axis force sensor of the present invention has a structure in which the resistance element is formed on the semiconductor substrate 2, so that it can be made compact and thin. In addition, the method of manufacturing the 6-axis force sensor of the present invention can reduce the size of each resistance element to a size that can be resolved by photolithography. Therefore,
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can provide a 6-axis force sensor that can be reduced in size and thickness and in which the influence of interference from other axes is reduced.
【0046】<6軸力センサの動作>次に、この6軸力
センサ1を用い、印加された外力の力及びモーメントの
6成分の測定原理について、図を用いて説明する。図5
は、連結部5A〜5D表面に形成された抵抗の位置関係
を示しており、横軸をX軸とし、縦軸をY軸とし、X軸
及びY軸と垂直方向(図面に垂直に、図面の裏面から表
面に向かう方向)をZ軸として、以降用いる方向を定義
する。次に、図4は、各軸にかかる力及びモーメントを
示す符号を説明している。ここで、X軸方向の力を力F
xとし、Y方向の力をFyとし、Z方向の力をFzとす
る。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。<Operation of Six-Axis Force Sensor> Next, the principle of measuring the six components of the force and moment of the applied external force using the six-axis force sensor 1 will be described with reference to the drawings. Figure 5
Shows the positional relationship of the resistances formed on the surfaces of the connecting portions 5A to 5D, where the horizontal axis is the X-axis, the vertical axis is the Y-axis, and the direction perpendicular to the X-axis and the Y-axis (vertical to the drawing, Direction from the back surface to the front surface) is defined as a Z axis, and a direction to be used hereinafter is defined. Next, FIG. 4 illustrates reference numerals indicating forces and moments applied to the respective axes. Here, the force in the X-axis direction is the force F
Let x be the force in the Y direction be Fy and the force in the Z direction be Fz. Further, a moment given to the X axis in the rotation direction is Mx, a moment given to the Y axis in the rotation direction is My, and a moment given to the Z axis in the rotation direction is Mz.
【0047】そして、図6〜図11は、6軸力センサ1
が、上述した各々の力及びモーメントが与えられること
による変形を示している。図6(a)は上方向から見た
平面図であり、図6(b)は横方向から見た側面図であ
る。ここで、図6(a)は、力「−Fy」がY軸に沿っ
て、図の上方向から下方向に向かって印加されているこ
とを示している。6 to 11 show a six-axis force sensor 1
Shows deformation caused by application of each force and moment described above. FIG. 6A is a plan view seen from the above, and FIG. 6B is a side view seen from the side. Here, FIG. 6A shows that the force “−Fy” is applied along the Y-axis from the upper side to the lower side of the figure.
【0048】力「−Fy」がY軸方向に印加されている
ため、連結部5B及び連結部5Dと作用部4との各々の
接続部の部分に歪みが生じる。このとき、抵抗素子Sxa
3及びSxb1には、圧縮による歪みが発生して抵抗値が減
少する。また、抵抗素子Sxa1及びSxb3には、引っ張り
による歪みが発生して抵抗値が増加する。Since the force "-Fy" is applied in the Y-axis direction, distortion occurs in the connecting portions of the connecting portion 5B and the connecting portion 5D and the acting portion 4. At this time, the resistance element Sxa
In 3 and Sxb1, distortion due to compression occurs and the resistance value decreases. Further, the resistance elements Sxa1 and Sxb3 are distorted by the tensile force, and the resistance value increases.
【0049】一方、連結部5A及び連結部5Cと作用部
4との接合部には、弾性部5Ab及び弾性部5Cbに、力
「−Fy」が吸収されることにより、歪みの発生が抑え
られる。これにより、連結部5A表面の抵抗素子Sya1
〜Sya3,及び連結部5C表面の抵抗素子Syb1〜Syb3
は抵抗の変化は極めて小さい。図7(a)は上方向から
見た平面図であり、図7(b)は横方向から見た側面図
である。ここで、図7(a)は、力「Fx」がX軸に沿
って、図の左方向から右方向に向かって印加されている
ことを示している。力「Fx」がX軸方向に印加されて
いるため、連結部5A及び連結部5Cと作用部4との各
々の接続部の部分に歪みが生じる。On the other hand, at the joint portion between the connecting portion 5A and the connecting portion 5C and the acting portion 4, the force "-Fy" is absorbed by the elastic portion 5Ab and the elastic portion 5Cb, so that the occurrence of strain is suppressed. . Thereby, the resistance element Sya1 on the surface of the connecting portion 5A
To Sya3 and resistance elements Syb1 to Syb3 on the surface of the connecting portion 5C
Has very little change in resistance. FIG. 7A is a plan view seen from above, and FIG. 7B is a side view seen from sideways. Here, FIG. 7A shows that the force “Fx” is applied along the X axis from the left direction to the right direction in the figure. Since the force “Fx” is applied in the X-axis direction, distortion occurs in the connecting portions of the connecting portion 5A and the connecting portion 5C and the action portion 4.
【0050】このとき、抵抗素子Sya3及びSyb1には、
圧縮による歪みが発生して抵抗値が減少する。また、抵
抗素子Sya1及びSyb3には、引っ張りによる歪みが発生
して抵抗値が増加する。一方、連結部5B及び連結部5
Dと作用部4との接合部には、弾性部5Bb及び弾性部
5Dbに、力「Fx」が吸収されることにより、歪みの発
生が抑えられる。これにより、連結部5B表面の抵抗素
子Sxa1〜Sxa3,及び連結部5D表面の抵抗素子Sxb1
〜Sxb3は抵抗の変化は極めて小さい。At this time, the resistance elements Sya3 and Syb1 are
Distortion due to compression occurs and the resistance value decreases. In addition, the resistance elements Sya1 and Syb3 are distorted due to tension, and the resistance value increases. On the other hand, the connecting portion 5B and the connecting portion 5
At the joint between D and the action portion 4, the elastic portion 5Bb and the elastic portion 5Db absorb the force "Fx", so that the occurrence of strain is suppressed. Thereby, the resistance elements Sxa1 to Sxa3 on the surface of the connecting portion 5B and the resistance element Sxb1 on the surface of the connecting portion 5D.
The change in resistance of Sxb3 is extremely small.
【0051】また、図8(a)は上方向から見た平面図
であり、図8(b)は横方向から見た側面図である。こ
こで、図8(b)は、力「−Fz」がZ軸(図の平面に
垂直)に沿って、図の上面方向から下面方向に向かって
印加されていることを示している。力FzがZ軸方向に
印加されているため、連結部5A〜連結部5Dと作用部
4との各々の接続部の部分に歪みが生じる。このとき、
抵抗素子Sxa1〜Sxa3,Sya1〜Sya3,Sxb1〜Sxb3,
Syb1〜Syb3には、一様に圧縮による歪みが発生して抵
抗値が減少する。Further, FIG. 8A is a plan view seen from the above, and FIG. 8B is a side view seen from the side. Here, FIG. 8B shows that the force “−Fz” is applied along the Z axis (perpendicular to the plane of the drawing) from the upper surface direction to the lower surface direction in the drawing. Since the force Fz is applied in the Z-axis direction, distortion occurs in the respective connecting portions of the connecting portions 5A to 5D and the action portion 4. At this time,
Resistance elements Sxa1 to Sxa3, Sya1 to Sya3, Sxb1 to Sxb3,
In Syb1 to Syb3, distortion due to compression occurs uniformly and the resistance value decreases.
【0052】また、図9(a)は上方向から見た平面図
であり、図9(b)は横方向から見た側面図である。こ
こで、図9(b)は、モーメントMyがY軸を回転軸と
して、矢印の方向へ印加されていることを示している。
モーメントMyがY軸を回転軸とした回転方向に印加さ
れているため、連結部5B及び連結部5Dと作用部4と
の各々の接続部の部分に歪みが生じる。このとき、抵抗
素子Sxa1〜Sxa3には、圧縮による歪みが発生して抵抗
値が減少する。また、抵抗素子Sxb1〜Sxb3には、引っ
張りによる歪みが発生して抵抗値が増加する。FIG. 9 (a) is a plan view seen from above, and FIG. 9 (b) is a side view seen from the side. Here, FIG. 9B shows that the moment My is applied in the direction of the arrow with the Y axis as the rotation axis.
Since the moment My is applied in the rotation direction with the Y axis as the rotation axis, distortion occurs at the connecting portions of the connecting portion 5B and the connecting portion 5D and the acting portion 4. At this time, the resistance elements Sxa1 to Sxa3 are distorted due to compression, and the resistance value decreases. In addition, the resistance elements Sxb1 to Sxb3 are distorted due to tension, and the resistance value increases.
【0053】一方、連結部5A及び連結部5Cと作用部
4との接合部には、弾性部5Ab及び弾性部5Cbに、モ
ーメントMyが吸収されることにより、歪みの発生が抑
えられる。これにより、連結部5A表面の抵抗素子Sya
1〜Sya3,及び連結部5C表面の抵抗素子Syb1〜Syb3
は抵抗の変化は極めて小さい。また、図10(a)は上
方向から見た平面図であり、図10(b)は横方向から
見た側面図である。ここで、図10(b)は、モーメン
トMxがX軸を回転軸として、矢印の方向へ印加されて
いることを示している。モーメントMxがX軸を回転軸
とした回転方向に印加されているため、連結部5A及び
連結部5Cと作用部4との各々の接続部の部分に歪みが
生じる。On the other hand, in the joint portion between the connecting portion 5A and the connecting portion 5C and the acting portion 4, the elastic member 5Ab and the elastic portion 5Cb absorb the moment My, so that the occurrence of strain is suppressed. Thereby, the resistance element Sya on the surface of the connecting portion 5A
1 to Sya3 and resistance elements Syb1 to Syb3 on the surface of the connecting portion 5C
Has very little change in resistance. 10A is a plan view seen from above, and FIG. 10B is a side view seen from the side. Here, FIG. 10B shows that the moment Mx is applied in the direction of the arrow with the X axis as the rotation axis. Since the moment Mx is applied in the rotation direction with the X axis as the rotation axis, distortion occurs in the connecting portions of the connecting portion 5A and the connecting portion 5C and the action portion 4.
【0054】このとき、抵抗素子Syb1〜Syb3には、圧
縮による歪みが発生して抵抗値が減少する。また、抵抗
素子Sya1〜Sya3には、引っ張りによる歪みが発生して
抵抗値が増加する。一方、連結部5B及び連結部5Dと
作用部4との接合部には、弾性部5Bb及び弾性部5D
bに、モーメントMxが吸収されることにより、歪みの
発生が抑えられる。これにより、連結部5B表面の抵抗
素子Sxa1〜Sxa3,及び連結部5D表面の抵抗素子Sxb
1〜Sxb3は抵抗の変化は極めて小さい。At this time, the resistance elements Syb1 to Syb3 are distorted due to compression, and the resistance value decreases. Further, the resistance elements Sya1 to Sya3 are distorted due to tension, and the resistance value increases. On the other hand, the elastic portion 5Bb and the elastic portion 5D are provided at the joint portion between the coupling portion 5B and the coupling portion 5D and the action portion 4.
Absorption of the moment Mx in b suppresses the occurrence of distortion. Thereby, the resistance elements Sxa1 to Sxa3 on the surface of the connecting portion 5B and the resistance elements Sxb on the surface of the connecting portion 5D.
In 1 to Sxb3, the resistance change is extremely small.
【0055】さらに、図11(a)は上方向から見た平
面図であり、図11(b)は横方向から見た側面図であ
る。ここで、図11(a)は、モーメントMzがZ軸を
回転軸として、反時計回りの方向へ印加されていること
を示している。モーメントMzがZ軸を回転軸として回
転方向に印加されているため、連結部5A〜連結部5D
と作用部4との各々の接続部の部分に歪みが生じる。こ
のとき、抵抗素子Sya1,Sxb1,Syb1,Sxa1には、圧
縮による歪みが発生して抵抗値が減少する。また、抵抗
素子Sya3,Sxb3,Syb3,Sxa3には、引っ張りによる
歪みが発生して抵抗値が増加する。Further, FIG. 11 (a) is a plan view seen from above, and FIG. 11 (b) is a side view seen from the side. Here, FIG. 11A shows that the moment Mz is applied in the counterclockwise direction with the Z axis as the rotation axis. Since the moment Mz is applied in the rotation direction with the Z axis as the rotation axis, the connecting portions 5A to 5D are connected.
Distortion occurs in the respective connecting portions between the working portion 4 and the working portion 4. At this time, the resistance elements Sya1, Sxb1, Syb1, Sxa1 are distorted due to compression, and the resistance value decreases. In addition, the resistance elements Sya3, Sxb3, Syb3, and Sxa3 are distorted due to tension, and the resistance value increases.
【0056】<試作した6軸力センサによる6軸力の測
定>次に、実際に作成した6軸力センサ1の概要を説明
する。以下に、試作した6軸力センサ1のプロセスパラ
メータを以下に示す。半導体基板2は、P(燐)ドープ
のn型シリコン基板であり、抵抗率が1Ωcmである。そ
して、半導体基板2は、n型(100)シリコン基板で
あり、各抵抗素子を構成するp型の活性層Sの長軸方向
は<011>方向または<0−11>方向のいずれかに
平行に形成されている。なお、イオン注入により形成し
た活性層Sのシート抵抗(ρ□)は500[Ω/□]で
あり、上記試作した6軸力センサ1の各抵抗素子Sxa1
〜Sxa3,Sya1〜Sya3,Sxb1〜Sxb3,Syb1〜Syb3
は、53kΩの抵抗値として形成された。<Measurement of 6-axis Force by Prototype 6-axis Force Sensor> Next, an outline of the actually produced 6-axis force sensor 1 will be described. The process parameters of the prototype 6-axis force sensor 1 are shown below. The semiconductor substrate 2 is a P (phosphorus) -doped n-type silicon substrate and has a resistivity of 1 Ωcm. The semiconductor substrate 2 is an n-type (100) silicon substrate, and the major axis direction of the p-type active layer S forming each resistance element is parallel to either the <011> direction or the <0-11> direction. Is formed in. The sheet resistance (ρ □) of the active layer S formed by ion implantation is 500 [Ω / □], and each resistance element Sxa1 of the 6-axis force sensor 1 prototyped as described above.
~ Sxa3, Sya1 ~ Sya3, Sxb1 ~ Sxb3, Syb1 ~ Syb3
Was formed as a resistance value of 53 kΩ.
【0057】次に、図12は、一例として試作した6軸
力センサ1の各部の形状及び寸法を示している。ここ
で、図12(a)〜(c)に示されている寸法は、全て
mm単位である。図12(a)は、上方から見た平面図
であり、各部の寸法が示されている。半導体基板2、す
なわち6軸力センサ1のチップ寸法は10mm×10m
mであり、作用部4の大きさは3mm×3mmである。
作用部4の各辺の中央から対向する支持部3の方向に、
幅0.4mmで長さ1.325mmの橋梁部5Aa,5B
a,5Ca,5Daが形成されている。Next, FIG. 12 shows the shape and size of each part of the 6-axis force sensor 1 which was experimentally manufactured as an example. Here, all the dimensions shown in FIGS. 12A to 12C are in mm. FIG. 12A is a plan view seen from above, and shows the dimensions of each part. The chip size of the semiconductor substrate 2, that is, the 6-axis force sensor 1 is 10 mm × 10 m
m, and the size of the action portion 4 is 3 mm × 3 mm.
From the center of each side of the action portion 4 toward the opposing support portion 3,
Bridges 5Aa and 5B with a width of 0.4 mm and a length of 1.325 mm
a, 5Ca, and 5Da are formed.
【0058】穴の領域A,B,C,Dは、幅0.2mm
で長さ5.25mmの寸法において貫通して形成されて
いる。弾性部5Ab,5Bb,5Cb,5Dbは、幅0.2
mmで長さ5.25mmの寸法において形成されてお
り、各中央部分に、垂直にそれぞれ橋梁部5Aa,5B
a,5Ca,5Daの一端が接続されている。The areas A, B, C and D of the holes have a width of 0.2 mm.
And has a length of 5.25 mm. The elastic portions 5Ab, 5Bb, 5Cb, 5Db have a width of 0.2.
The length of the bridge is 5 mm and the length is 5.25 mm.
One ends of a, 5Ca and 5Da are connected.
【0059】また、図12(b)は、抵抗素子Sxa1〜
Sxa3,Sya1〜Sya3,Sxb1〜Sxb3,Syb1〜Syb3の
形成される位置関係を示している。例えば、橋梁部5A
aと作用部4との接続部に形成される抵抗素子Sya1〜S
ya3を例として説明する。他の橋梁部と作用部4との接
続部に形成される抵抗素子についても以下の説明と同様
である。抵抗素子Sya1〜Sya3は、幅0.07mm,ピ
ッチ0.07mmにおいて、橋梁部5Aaと作用部4との
接続部近傍に配置されている。そして、各抵抗素子は、
図12(c)に示すように、0.07mmの幅の領域
に、0.01mmの幅の活性層Sが0.3mmの長さで、
0.01mmのピッチで4本形成された構造となってい
る。Further, FIG. 12B shows that the resistance elements Sxa1 ...
The positional relationship in which Sxa3, Sya1 to Sya3, Sxb1 to Sxb3, and Syb1 to Syb3 are formed is shown. For example, the bridge section 5A
Resistance elements Sya1 to S formed at the connection portion between a and the action portion 4
Take ya3 as an example. The same applies to the resistance element formed in the connection portion between the other bridge portion and the action portion 4 as well. The resistance elements Sya1 to Sya3 are arranged in the vicinity of the connecting portion between the bridge portion 5Aa and the acting portion 4 with a width of 0.07 mm and a pitch of 0.07 mm. And each resistance element is
As shown in FIG. 12C, the active layer S having a width of 0.01 mm has a length of 0.3 mm in a region having a width of 0.07 mm.
It has a structure in which four pieces are formed at a pitch of 0.01 mm.
【0060】図12(b)に戻り、抵抗素子Sya1〜Sy
a3は、橋梁部5Aaと作用部4との接続部において、橋
梁部5Aaの長軸方向に活性層Sの長軸方向が平行とな
るように配置される。また、抵抗素子Sya1〜Sya3は、
各々の長軸方向の中央が作用部4の辺に対応する位置に
配置されている(上記辺の上下0.15mmずつ形成さ
れている)。そして、抵抗素子Sya2は橋梁部5Aの短
軸方向の中央部に配置されていて、抵抗素子Sya1,Sy
a3は抵抗素子Sya2の端部に対向していない外側の端部
が、橋梁部5Aの短軸方法の各端部から0.025m離
れる位置に形成されている。Returning to FIG. 12 (b), the resistance elements Sya1 to Sy.
a3 is arranged so that the major axis direction of the active layer S is parallel to the major axis direction of the bridge portion 5Aa at the connecting portion between the bridge portion 5Aa and the action portion 4. The resistance elements Sya1 to Sya3 are
The center of each major axis direction is arranged at a position corresponding to the side of the action portion 4 (formed above and below the side by 0.15 mm). The resistance element Sya2 is arranged at the center of the bridge portion 5A in the short axis direction, and the resistance elements Sya1 and Sy are
The outer end of a3 that does not face the end of the resistance element Sya2 is formed at a position 0.025 m away from each end of the bridge portion 5A in the short axis method.
【0061】次に、すでに述べたプロセスパラメータ
と、図12に示した形状とにおいて試作された6軸力セ
ンサ1の印加される力とモーメントの各成分を検出する
センサ特性を示す。図13には、作用部4に対して、印
加される力及びモーメントと、単位(力またはモーメン
ト)当たりの演算抵抗変化率との関係を示したテーブル
が示されている。左側の領域100には、作用部4に外
力が印加された場合に得られる、力及びモーメントの6
成分に対応した各抵抗値の抵抗変化率から、演算抵抗変
化率を求める式が示されている。Next, the sensor characteristics for detecting each component of the applied force and moment of the 6-axis force sensor 1 prototyped with the process parameters already described and the shape shown in FIG. 12 will be shown. FIG. 13 shows a table showing the relationship between the force and moment applied to the action portion 4 and the calculated resistance change rate per unit (force or moment). The area 100 on the left side has a force and a moment 6 obtained when an external force is applied to the acting portion 4.
An equation for calculating the calculated resistance change rate from the resistance change rate of each resistance value corresponding to the component is shown.
【0062】例えば、以下に示す(1)式によりX軸方
向に印加される力Fxを算出するための演算抵抗変化率
を求める。
Sig1 = ((R'Sya1-R'Sya3)+(R'Syb3-R'Syb1))/4 …(1)
同様に、以下に示す(2)〜(6)式により力Fy,F
z及びモーメントMx,My,Mzの各々を算出するた
めの演算抵抗変化率を求める。
Sig2 = ((R'Sxa3-R'Sxa1)+(R'Sxb1-R'Sxb3))/4 …(2)
Sig3 = (R'Sxa2+R'Sya2+R'Sxb2+R'Syb2)/4 …(3)
Sig4 = (R'Sya2-R'Syb2)/2 …(4)
Sig5 = (R'Sxb2-R'Sxa2)/2 …(5)
Sig6 = ((R'Sxa3-R'Sxa1)+(R'Sya3-R'Sya1)+(R'Sxb3-R'Sxb1)
+(R'Syb3-R'Syb1))/8 …(6)
上記各式は、外力が印加されて、各々の橋梁部と作用部
との接続部に発生する歪みにより、延ばされる(引張り
を受ける)抵抗素子と圧縮される抵抗素子との抵抗変化
率から構成されている。例えば、R'Sya1は、抵抗素子S
ya1の抵抗変化率である。For example, the calculation resistance change rate for calculating the force Fx applied in the X-axis direction is calculated by the following equation (1). Sig1 = ((R'Sya1-R'Sya3) + (R'Syb3-R'Syb1)) / 4 (1) Similarly, the forces Fy and F are calculated by the following equations (2) to (6).
A calculation resistance change rate for calculating each of z and the moments Mx, My, Mz is obtained. Sig2 = ((R'Sxa3-R'Sxa1) + (R'Sxb1-R'Sxb3)) / 4 (2) Sig3 = (R'Sxa2 + R'Sya2 + R'Sxb2 + R'Syb2) / 4 … (3) Sig4 = (R'Sya2-R'Syb2) / 2… (4) Sig5 = (R'Sxb2-R'Sxa2) / 2… (5) Sig6 = ((R'Sxa3-R'Sxa1) + (R'Sya3-R'Sya1) + (R'Sxb3-R'Sxb1) + (R'Syb3-R'Syb1)) / 8 (6) Each of the above formulas is applied with an external force, It is composed of the rate of change in resistance between a resistance element that is extended (subjected to pulling) and a resistance element that is compressed by the strain generated at the connection between the bridge portion and the action portion. For example, R'Sya1 is a resistive element S
The rate of resistance change of ya1.
【0063】ここで、図13のテーブルをみて判るよう
に、各式は、テーブルの非対角成分が「0」、または対
角成分200に比較して小さな数値となるように抵抗素
子が選択されて用いられている。すなわち、上記(1)
式〜(6)式は、各軸の力又はモーメントを測定すると
き、他軸干渉を防止するため、特定軸以外の力又はモー
メントでの抵抗変化率が各々打ち消しあうように、抵抗
素子を選択し、演算抵抗変化率の演算を行うように構成
されている。力Fxの印加に対応した(1)式に注目す
ると、Fxが与えられたとき、抵抗素子Sya1とSya3とに
引張応力、抵抗素子Sya3とSya1に圧縮応力が印加される
ので演算抵抗変化率は単位Fx当り0.00431(1/N)であ
る。Here, as can be seen from the table of FIG. 13, in each equation, the resistance element is selected so that the off-diagonal component of the table is “0” or a numerical value smaller than the diagonal component 200. Has been used. That is, the above (1)
In formulas (6), when measuring the force or moment of each axis, in order to prevent interference with other axes, select the resistance element so that the rate of change in resistance with forces or moments other than the specific axis cancel each other out. However, the calculation of the calculated resistance change rate is performed. Focusing on the equation (1) corresponding to the application of the force Fx, when Fx is applied, tensile stress is applied to the resistance elements Sya1 and Sya3 and compressive stress is applied to the resistance elements Sya3 and Sya1. It is 0.00431 (1 / N) per unit Fx.
【0064】また、力Fxの印加に対応した(1)式に
注目すると、Fyが与えられたとき、抵抗素子Sya1と抵
抗素子Sya3とは双方ともに引張応力が印加され、抵抗
素子Syb3と抵抗素子Syb1とは双方ともに圧縮応力が印
加されることとなり、抵抗変化率R'Sya1とR'Sya3と、
及び抵抗変化率R'Syb3とR'Syb1とが互いに相殺しあう
(キャンセルしあう)こととなる。したがって、Fyが
与えられたとき、演算抵抗変化率Sig1は、(1)式に
おいて理論的に「0」として求められる。また、(1)
式において、Fzが印加されたとき、抵抗素子Sya1,
Sya3,Syb3,Syb1のすべてに、引張応力が印加され
ることになり、やはり、抵抗変化率Sig1は、(1)式
において理論的に「0」として求められる。Also, paying attention to the equation (1) corresponding to the application of the force Fx, when Fy is given, tensile stress is applied to both the resistance element Sya1 and the resistance element Sya3, and the resistance element Syb3 and the resistance element Syb3 are applied. Since compressive stress is applied to both Syb1 and RySya1 and R'Sya3,
And the resistance change rates R'Syb3 and R'Syb1 cancel each other out. Therefore, when Fy is given, the calculated resistance change rate Sig1 is theoretically obtained as "0" in the equation (1). Also, (1)
In the equation, when Fz is applied, the resistance element Sya1,
Tensile stress is applied to all of Sya3, Syb3, and Syb1, and the resistance change rate Sig1 is theoretically obtained as “0” in the equation (1).
【0065】さらに、(1)式において、Mxが印加さ
れたとき、抵抗素子Sya1と抵抗素子Sya3とは双方とも
に引張応力が印加され、抵抗素子Syb3と抵抗素子Syb1
とは双方ともに圧縮応力が印加されることになり、演算
抵抗変化率Sig1は、(1)式において理論的に「0」
として求められる。また、(1)式において、Myが印
加されたとき、抵抗素子Sya1とSya3に圧縮応力、Sya3と
Sya1に引張応力がかかるため、演算抵抗変化率Sig1
は、(1)式において理論的に「0」とならない。しか
しながら、弾性部5Ab,5Cbが歪みをある程度吸収す
るため、Fxの入力時の演算抵抗変化率の値と比較して
小さな数値となる。Further, in the equation (1), when Mx is applied, tensile stress is applied to both the resistance element Sya1 and the resistance element Sya3, and the resistance element Syb3 and the resistance element Syb1 are applied.
Therefore, compressive stress is applied to both, and the calculated resistance change rate Sig1 is theoretically “0” in the equation (1).
Is required as. Further, in the equation (1), when My is applied, compressive stress is applied to the resistance elements Sya1 and Sya3, and Sya3
Since tensile stress is applied to Sya1, the calculated resistance change rate Sig1
Does not theoretically become "0" in the equation (1). However, since the elastic portions 5Ab and 5Cb absorb the strain to some extent, the values are smaller than the value of the calculated resistance change rate when Fx is input.
【0066】さらに、(1)式において、Mzが印加さ
れたとき、抵抗素子Sya1と抵抗素子Syb1とは双方とも
に引張応力が印加され、抵抗素子Sya3と抵抗素子Syb3
とは双方ともに圧縮応力が印加されることになり、これ
らの抵抗素子の抵抗変化率が(R'Sya1-R'Sya3)と(R'S
yb3-R'Syb1)としてキャンセルし合うこととなり、演算
抵抗変化率Sig1は、(1)式において理論的に「0」
として求められる。この結果から、逆行列を求めFxと
演算抵抗変化の関係を求めると、上述したように、力F
xが、ほぼ「Fx=Sig1・[対角要素]11(従来例で示し
たm'11に対応)」の関係となる。Further, in the equation (1), when Mz is applied, tensile stress is applied to both the resistance element Sya1 and the resistance element Syb1, and the resistance element Sya3 and the resistance element Syb3 are applied.
Means that compressive stress is applied to both, and the resistance change rates of these resistance elements are (R'Sya1-R'Sya3) and (R'Sya3).
yb3-R'Syb1) and the calculated resistance change rate Sig1 is theoretically "0" in the equation (1).
Is required as. From this result, when the inverse matrix is calculated and the relationship between Fx and the calculated resistance change is calculated, the force F is calculated as described above.
x has a relationship of “Fx = Sig1 · [diagonal element] 11 (corresponding to m′11 shown in the conventional example)”.
【0067】このように、非対角要素の数値が「0」、
または対角要素に比較して非常に小さな数値となるよう
に、抵抗素子を選択し、これら抵抗素子の抵抗変化率か
ら演算抵抗変化率Sig1を求める式とを形成しているの
で、他軸干渉の発生する可能性を大幅に低減できる。他
の(2)式〜(6)式も同様に、非対角要素が、「0」
となるか、もしくは対角要素に対して小さな値となるよ
うに、測定に用いられる抵抗素子が選択されている。上
記各抵抗素子は、各橋梁部において、中央に配置された
抵抗素子と、この抵抗素子の両側の対称的な位置に配置
されているので、上述のような抵抗変化率のキャンセル
が可能となっている。ここで、各式において、式で使用
した抵抗の数で除算しているのは、1本の抵抗の抵抗変
化率として規格化するためである。As described above, the numerical value of the non-diagonal element is "0",
Or, the resistance elements are selected so that the numerical value becomes very small compared to the diagonal element, and the equation for calculating the calculated resistance change rate Sig1 from the resistance change rates of these resistance elements is formed. It is possible to significantly reduce the possibility of occurrence of. Similarly in the other expressions (2) to (6), the non-diagonal element is “0”.
Or the resistance element used for the measurement is selected so that the value becomes smaller than the diagonal element. Since each resistance element is arranged symmetrically on both sides of the resistance element arranged at the center in each bridge portion, it is possible to cancel the resistance change rate as described above. ing. Here, in each equation, division by the number of resistors used in the equation is for standardization as the resistance change rate of one resistor.
【0068】上述した処理と同様に、(2)式〜(6)
式により、各成分の力またはモーメントの印加に対する
演算抵抗変化率を求めた結果が図13のテーブルであ
る。上述した(1)式〜(6)式において、抵抗変化率
Sig1,2,3については1Nあたりの演算抵抗変化率とし
て求め、演算抵抗変化率Sig4〜Sig6については1N・cm
あたりの抵抗変化率として求める。Similar to the above-mentioned processing, the expressions (2) to (6) are used.
The table of FIG. 13 shows the result of calculating the calculated resistance change rate with respect to the application of the force or moment of each component by the formula. In the above equations (1) to (6), the rate of resistance change
Sig1, 2, and 3 are calculated as the calculated resistance change rate per 1N, and the calculated resistance change rates Sig4 to Sig6 are 1Ncm.
It is calculated as the rate of change in resistance.
【0069】ここで、各抵抗素子単体での抵抗変化率の
求め方の説明を行う。例えば、抵抗素子Sxa1の抵抗値
をRsxa1(応力のかかった状態)として、その抵抗変化
率をR'sxa1とし、補償抵抗である抵抗素子13の抵抗
値をRcompとすると、真の抵抗素子Sxa1の抵抗値は、
「Rsxa1・Rcomp(0)/Rcomp」である。ここで、Rcom
p(0)が室温での抵抗値であり、Rcompがそのときの周囲
の温度に基づく抵抗値である。そして、抵抗変化率R's
xa1は、以下に示す式により求められる。
R'sxa1=((Rsxa1・Rcomp(0)/Rcomp)−Sxa1(0))/
Sxa1(0)
ここで、抵抗値Sxa1(0)は、抵抗素子Sxa1に対して応
力がかかっていない状態の、抵抗素子Sxa1の抵抗値を
示している。他の抵抗素子Sxa2,3,Sxb1〜Sxb3,S
ya1〜Sya3,Syb1〜Syb3の抵抗変化率R'Sxa2,3,
R'Sxb1〜R'Sxb3,R'Sya1〜R'Sya3,R'Syb1〜R'Sy
b3も、上述した抵抗素子Sxa1の抵抗変化率R'sxa1と同
様に求める。また、上記各抵抗値は、信号電極10で測
定される電流−電圧特性により求められる。Here, the method of obtaining the resistance change rate of each resistance element alone will be described. For example, assuming that the resistance value of the resistance element Sxa1 is Rsxa1 (stressed state), the resistance change rate is R'sxa1, and the resistance value of the resistance element 13 that is the compensation resistance is Rcomp, the true resistance element Sxa1 is The resistance value is
“Rsxa1 · Rcomp (0) / Rcomp”. Where Rcom
p (0) is the resistance value at room temperature, and Rcomp is the resistance value based on the ambient temperature at that time. And the resistance change rate R's
xa1 is calculated by the following equation. R'sxa1 = ((Rsxa1.Rcomp (0) / Rcomp) -Sxa1 (0)) /
Sxa1 (0) Here, the resistance value Sxa1 (0) indicates the resistance value of the resistance element Sxa1 in a state where no stress is applied to the resistance element Sxa1. Other resistance elements Sxa2, 3, Sxb1 to Sxb3, S
Resistance change rate R'Sxa2,3 of ya1 to Sya3, Syb1 to Syb3,
R'Sxb1 to R'Sxb3, R'Sya1 to R'Sya3, R'Syb1 to R'Sy
b3 is also obtained in the same manner as the resistance change rate R'sxa1 of the resistance element Sxa1 described above. The resistance values are obtained from the current-voltage characteristics measured by the signal electrode 10.
【0070】次に、測定から得られた、力又はモーメン
トの単位あたりの演算抵抗変化率を示す図13のテーブ
ルに基づいて、本発明の6軸力センサ1で測定される演
算抵抗変化率から印加された外力の力及びモーメントを
求める、以下に示す(7)式を作成する。Next, based on the table of FIG. 13 showing the calculated resistance change rate per unit of force or moment obtained from the measurement, from the calculated resistance change rate measured by the 6-axis force sensor 1 of the present invention, Formula (7) shown below for obtaining the force and moment of the applied external force is created.
【数1】
この(7)式における右辺における左項のマトリクス
は、図13のテーブルにおける要素をマトリクス(行
列)として、この逆行列として求められたものである。
すなわち、上記逆行列が各軸毎に演算抵抗変化率と力又
はモーメントとの関係を求めるマトリクスとなり、
(7)式に演算抵抗変化率を与えることで、力及びモー
メントの成分が求められる。[Equation 1] The matrix of the left term on the right side of the equation (7) is obtained as an inverse matrix of the elements in the table of FIG. 13 as a matrix.
That is, the above inverse matrix is a matrix for obtaining the relationship between the calculated resistance change rate and the force or moment for each axis,
By giving the calculated resistance change rate to the equation (7), the force and moment components can be obtained.
【0071】ここで、(7)式の右辺のマトリクスにお
ける非対角要素は、対角要素の数値に比較して小さい
値、または「0」であるため、各軸の他軸干渉を抑制す
ることが可能となる。すなわち、力Fxを与えた場合
(他の力及びモーメントも同様である)に、力Fxの数
値のみが(1)式の演算結果として得られるように、他
軸干渉を抑制する抵抗変化率−力及びモーメントの関係
を示すマトリクスを構成することができる。上述したよ
うに、他軸干渉により測定値の再現性に問題が生じやす
い従来例と比較して、本発明の6軸力センサは、非対角
成分を「0」もしくは対角成分に比較して非常に小さな
数値とする演算抵抗変化率−力及びモーメントの関係を
示すマトリクスを得ることができ、他軸干渉を抑制する
こととなり、測定値の再現性及びロバスト性を向上する
ことが可能となる。Here, the non-diagonal elements in the matrix on the right side of the equation (7) are smaller than the numerical values of the diagonal elements or "0", so that the other axis interference of each axis is suppressed. It becomes possible. That is, when the force Fx is applied (the same applies to other forces and moments), the rate of change in resistance that suppresses other-axis interference-is obtained so that only the numerical value of the force Fx is obtained as the calculation result of equation (1). A matrix can be constructed showing the relationship between forces and moments. As described above, the 6-axis force sensor of the present invention compares the non-diagonal component with “0” or the diagonal component as compared with the conventional example in which the reproducibility of the measurement value is likely to be caused by the interference of the other axis. It is possible to obtain a matrix showing the relationship between the calculated resistance change rate and force and moment, which is a very small numerical value, and it is possible to suppress the interference with other axes and improve the reproducibility and robustness of measured values. Become.
【0072】次に、上述してきたように半導体基板2の
表面だけでなく裏面にも、抵抗素子を形成した場合の測
定について、試作した6軸力センサを用いて、以下に説
明する。図14に裏面に作成した各抵抗素子の位置関係
を示す。図14は、半導体基板2の上面(すでに説明し
た半導体素子の形成された表面)から、下部を透視した
図であり、例えば、抵抗素子Sya1の裏側には抵抗素子
Sya1uが形成されており、抵抗素子Syb1の裏側には抵
抗素子Syb1uが形成されている。これらの、製造方法は
すでに述べた表面における各抵抗素子の製造方法と同様
である。すなわち、表面の各抵抗素子を作成した後、表
面を何らかの材料により覆って保護した後、裏面に対し
て表面と同様なプロセスにより各半導体素子を形成し
て、表面の保護に用いた材料を除去して作成する。Next, the measurement when the resistance element is formed not only on the front surface of the semiconductor substrate 2 but also on the back surface thereof as described above will be described below using a prototype 6-axis force sensor. FIG. 14 shows the positional relationship of the resistance elements formed on the back surface. FIG. 14 is a diagram of a lower part seen through from the upper surface of the semiconductor substrate 2 (the surface on which the semiconductor elements described above have been formed). For example, the resistor element Sya1u is formed on the back side of the resistor element Sya1 and the resistor element Sya1u is formed. A resistor element Syb1u is formed on the back side of the element Syb1. The manufacturing method of these is similar to the manufacturing method of each resistance element on the surface described above. That is, after creating each resistance element on the front surface, covering the front surface with some material to protect it, forming each semiconductor element on the back surface by the same process as the front surface, and removing the material used for the front surface protection. To create.
【0073】A.裏面の4個の抵抗素子を用いた場合
図13のテーブルで説明した方法と同様に、図15のテ
ーブルの対角要素210の各対角要素を、以下に示す
(8)式〜(13)式(図16の領域110に記載され
る)に基づき求める。この図15のテーブル作成におい
ては、表面の抵抗素子全てと、連結部5Aの抵抗素子S
ya2u,連結部5Bの抵抗素子Sxa2u,連結部5Cの抵抗
素子Syb2u,連結部5Dの抵抗素子Sxb2uを用いてい
る。A. When four resistance elements on the back surface are used, each diagonal element of the diagonal element 210 of the table of FIG. 15 is expressed by the following equations (8) to (13) in the same manner as the method described in the table of FIG. It is calculated based on the formula (described in the area 110 of FIG. 16). In creating the table of FIG. 15, all the resistance elements on the surface and the resistance elements S of the connecting portion 5A are used.
The ya2u, the resistance element Sxa2u of the connecting portion 5B, the resistance element Syb2u of the connecting portion 5C, and the resistance element Sxb2u of the connecting portion 5D are used.
【0074】このとき、図14には12本の抵抗素子が
示されているが、図15のテーブル作成においては、6
軸力センサにおいて抵抗素子Sya2u,Sxa2u,Syb2u,
Sxb2uのみを図14に記載した位置に配置する構造とな
る。
Sig1 = ((R'Sxb2+R'Sxb2u)-(R'Sxa2+R'Sxa2u))/4 …(8)
Sig2 = ((R'Syb2+R'Syb2u)-(R'Sya2-R'Sya2y))/4 …(9)
Sig3 = ((R'Sxa2-R'Sxa2u)+(R'Sya2-R'Sya2u)+(R'Sxb2-R'Sxb2u)
+(R'Syb2-R'Syb2u))/8 …(10)
Sig4 = ((R'Sya2-R'Sya2u)-(R'Syb2-R'Syb2u))/4 …(11)
Sig5 = ((R'Sxb2-R'Sxb2u)-(R'Sxa2-R'Sxa2u))/4 …(12)
Sig6 = ((R'Sxa3-R'Sxa1)+(R'Sya3-R'Sya1)+(R'Sxb3-R'Sxb1)
+(R'Syb3-R'Syb1))/8 …(13)
ここで、力及びモーメントの各成分あたりの演算抵抗変
化率Sig1〜Sig6を求める場合に、(1)式〜(6)式の
場合と同様に、上記(8)式〜(13)式において、他
軸干渉が起こらない抵抗素子の組み合わせを行う。抵抗
素子を6軸力センサ1の表面に配置したのみでは、図1
3のテーブルで見られるように、非対角要素をすべて
「0」とすることができなかったが、裏面に配置した抵
抗素子を用いることにより、図15に示すように、非対
角要素をすべて「0」とするような(8)式〜(13)
式を構成する抵抗素子の組み合わせが可能となる。At this time, although 12 resistance elements are shown in FIG. 14, in the table preparation of FIG.
In the axial force sensor, resistance elements Sya2u, Sxa2u, Syb2u,
In this structure, only Sxb2u is arranged at the position shown in FIG. Sig1 = ((R'Sxb2 + R'Sxb2u)-(R'Sxa2 + R'Sxa2u)) / 4 (8) Sig2 = ((R'Syb2 + R'Syb2u)-(R'Sya2-R'Sya2y) )) / 4 (9) Sig3 = ((R'Sxa2-R'Sxa2u) + (R'Sya2-R'Sya2u) + (R'Sxb2-R'Sxb2u) + (R'Syb2-R'Syb2u) ) / 8 ... (10) Sig4 = ((R'Sya2-R'Sya2u)-(R'Syb2-R'Syb2u)) / 4 ... (11) Sig5 = ((R'Sxb2-R'Sxb2u)-( R'Sxa2-R'Sxa2u)) / 4 (12) Sig6 = ((R'Sxa3-R'Sxa1) + (R'Sya3-R'Sya1) + (R'Sxb3-R'Sxb1) + (R 'Syb3-R'Syb1)) / 8 (13) Here, when calculating the calculated resistance change rates Sig1 to Sig6 for each component of force and moment, the same as in the case of formulas (1) to (6) In addition, in the above formulas (8) to (13), resistance elements that do not cause other axis interference are combined. If only the resistive element is arranged on the surface of the 6-axis force sensor 1,
As can be seen from the table of No. 3, it was not possible to set all the non-diagonal elements to "0", but by using the resistance elements arranged on the back surface, as shown in FIG. Expressions (8) to (13) that are all “0”
It is possible to combine the resistance elements forming the formula.
【0075】例えば、作用部4に力Fxを印加した場
合、演算抵抗変化率Sig1を求める(8)式は、表面及
び裏面で対向する抵抗素子Sxb2及びSxa2と、抵抗素子
Sxb2u及びSxa2uとの組み合わせで、抵抗素子1個あた
りの演算抵抗変化率を求めている。作用部4に対して、
力Fxが印加されることにより、抵抗素子Sxb2,Sxb2
uにはわずかであるが引っ張りの力がかかり、抵抗素子
Sxa2,Sxa2uにはわずかであるが圧縮の力がかかる。For example, when a force Fx is applied to the acting portion 4, the equation (8) for obtaining the calculated resistance change rate Sig1 is obtained by combining the resistance elements Sxb2 and Sxa2 and the resistance elements Sxb2u and Sxa2u facing each other on the front surface and the back surface. Then, the calculated resistance change rate per resistance element is obtained. For the action part 4,
When the force Fx is applied, the resistance elements Sxb2, Sxb2
A slight pulling force is applied to u, and a slight compressive force is applied to the resistance elements Sxa2 and Sxa2u.
【0076】例えば、力Myが印加されたとき、表面の
抵抗素子だけの場合には、図13のようにFxを検知さ
せたい演算抵抗変化率Sig1に、非常に小さい値ながら他
軸干渉としての数値が現れる。しかしながら、裏面に抵
抗素子を配置して、適切な抵抗素子を選択して、この抵
抗素子の抵抗変化率に基づく(8)式を用いて演算抵抗
変化率Sig1を演算するならば、力Myのときに、抵抗変
化率R'Sxb2とR'Sxb2uとがキャンセルしあい、かつ抵
抗変化率R'Sxa2とR'Sxa2uとがキャンセルしあうこと
となる。したがって、モーメントMyに対して、非対角
要素となる演算抵抗変化率Sig1の数値は「0」とな
る。For example, when the force My is applied and only the resistance element on the surface is used, the calculated resistance change rate Sig1 for which Fx is desired to be detected as shown in FIG. The numerical value appears. However, if a resistance element is arranged on the back surface, an appropriate resistance element is selected, and the calculated resistance change rate Sig1 is calculated using the equation (8) based on the resistance change rate of this resistance element, the force My At this time, the resistance change rates R'Sxb2 and R'Sxb2u cancel each other, and the resistance change rates R'Sxa2 and R'Sxa2u cancel each other. Therefore, the numerical value of the calculated resistance change rate Sig1 which is an off-diagonal element with respect to the moment My is “0”.
【0077】そして、(7)式を求めたときと同様に、
図15のテーブルを行列として、この逆行列を求めるこ
とで、演算抵抗変化率−力及びモーメントの関係を示す
マトリクスを求める。そして、この演算抵抗変化率−力
及びモーメントの関係のマトリクスに基づき、以下に示
す演算抵抗変化率−力及びモーメントの関係式である
(14)式を作成する。Then, as in the case of obtaining the equation (7),
The matrix showing the relationship of the calculated resistance change rate-force and moment is obtained by obtaining the inverse matrix using the table of FIG. 15 as a matrix. Then, based on the matrix of the relationship between the calculated resistance change rate and the force and the moment, the following expression (14), which is a relational expression between the calculated resistance change rate and the force and the moment, is created.
【数2】
以上により、(14)式において、測定された抵抗変化
率を用いて、上述した(8)式から(13)式により求
めた演算抵抗変化率の行列に、演算抵抗変化率−力及び
モーメントの関係の上記マトリクスを乗ずることによ
り、印加された外力を力及びモーメントの6成分に分離
して求めることができる。[Equation 2] As described above, in the equation (14), using the measured resistance change rate, the matrix of the calculated resistance change rate obtained from the above equations (8) to (13) is added to the calculated resistance change rate-force and moment. By multiplying by the above matrix of the relationship, the applied external force can be obtained by separating it into six components of force and moment.
【0078】(14)式の右辺の抵抗変化率−力及びモ
ーメントの関係のマトリクスをみて判るように、非対角
要素がすべて「0」となっており、計算が簡単になると
ともに、他軸干渉が大幅に抑制することができ、測定値
の再現性及びロバスト性が向上するとともに、測定感度
及び測定精度が向上する。ここで、(7)式のマトリク
スに比較して、(14)式の対角要素の数値の大きさが
異なるが、実験上での数値であり、本発明の6軸力セン
サは、基板の厚さ,橋梁部の太さ,抵抗の配置の調整に
より、いかようにも数値の調整が可能であり、測定感度
の調整は用途によって、かつ軸方向によっても適時変更
することが可能である。As can be seen from the matrix of the relationship between the rate of change in resistance-force and moment on the right side of the equation (14), all the non-diagonal elements are "0", which simplifies the calculation and simplifies the calculation of other axes. Interference can be significantly suppressed, the reproducibility and robustness of the measured value are improved, and the measurement sensitivity and measurement accuracy are improved. Here, the magnitude of the numerical values of the diagonal elements in the expression (14) is different from the matrix in the expression (7), but the values are experimental values, and the 6-axis force sensor of the present invention is Numerical values can be adjusted by adjusting the thickness, the thickness of the bridge, and the arrangement of resistors, and the measurement sensitivity can be adjusted according to the application and the axial direction.
【0079】B.裏面の12個の抵抗素子を用いた場合
図13のテーブルで説明した方法と同様に、図16のテ
ーブルの対角要素220の各対角要素を、以下に示す
(15)式〜(20)式(図16の領域120に記載さ
れる)に基づき求める。この図16のテーブル作成にお
いては、表面の抵抗素子全てと、図13に示す裏面の連
結部5Aの抵抗素子Sya1u〜Sya3u,連結部5Bの抵抗
素子Sxa1u〜Sxa3u,連結部5Cの抵抗素子Syb1u〜S
yb1u,連結部5Bの抵抗素子Sxb1u〜Sxb3uの12個
全てとを用いている。
Sig1 = ((R'Sya1-R'Sya3)+(R'Syb3-R'Syb1)+(R'Sya1u-R'Sya3u)
+(R'Syb3u-R'Syb1u))/8 …(15)
Sig2 = ((R'Sxa3-R'Sxa1)+(R'Sxb1-R'Sxb3)+(R'Sxa3u-R'Sxa1u)
+(R'Sxb1u-R'Sxb3u))/8 …(16)
Sig3 = ((R'Sxa2-R'Sxa2u)+(R'Sya2-R'Sya2u)+(R'Sxb2-R'Sxb2u)
+(R'Syb2-R'Syb2u))/8 …(17
Sig4 = ((R'Sya2-R'Sya2u)-(R'Syb2-R'Syb2u))/4 …(18)
Sig5 = ((R'Sxb2-R'Sxb2u)-(R'Sxa2-R'Sxa2u))/4 …(19)
Sig6 = ((R'Sxa3-R'Sxa1)+(R'Sya3-R'Sya1)+(R'Sxb3-R'Sxb1)
+(R'Syb3-R'Syb1)+(R'Sxa3u-R'Sxa1u)+(R'Sya3u-R'Sya1u)
+(R'Sxb3u-R'Sxb1u)+(R'Syb3u-R'Syb1u))/16 …(20)
ここで、力及びモーメントの各成分あたりの演算抵抗変
化率Sig1〜Sig6を求める場合に、(1)式〜(6)式,
及び(8)式〜(13)の場合と同様に、上記(15)
式〜(20)式において、他軸干渉が起こらない抵抗素
子の組み合わせを行う。B. When twelve resistive elements on the back surface are used, each diagonal element of the diagonal element 220 of the table of FIG. 16 is expressed by the following equations (15) to (20), as in the method described in the table of FIG. It is calculated based on the formula (described in the area 120 of FIG. 16). In the table creation of FIG. 16, all the resistance elements on the front surface, the resistance elements Sya1u to Sya3u of the connecting portion 5A on the back surface shown in FIG. 13, the resistance elements Sxa1u to Sxa3u of the connecting portion 5B, and the resistance elements Syb1u to the connecting portion 5C are shown. S
yb1u and all 12 resistance elements Sxb1u to Sxb3u of the connecting portion 5B are used. Sig1 = ((R'Sya1-R'Sya3) + (R'Syb3-R'Syb1) + (R'Sya1u-R'Sya3u) + (R'Syb3u-R'Syb1u)) / 8 (15) Sig2 = ((R'Sxa3-R'Sxa1) + (R'Sxb1-R'Sxb3) + (R'Sxa3u-R'Sxa1u) + (R'Sxb1u-R'Sxb3u)) / 8 ... (16) Sig3 = ((R'Sxa2-R'Sxa2u) + (R'Sya2-R'Sya2u) + (R'Sxb2-R'Sxb2u) + (R'Syb2-R'Syb2u)) / 8 ... (17 Sig4 = (( R'Sya2-R'Sya2u)-(R'Syb2-R'Syb2u)) / 4 (18) Sig5 = ((R'Sxb2-R'Sxb2u)-(R'Sxa2-R'Sxa2u)) / 4 (19) Sig6 = ((R'Sxa3-R'Sxa1) + (R'Sya3-R'Sya1) + (R'Sxb3-R'Sxb1) + (R'Syb3-R'Syb1) + (R 'Sxa3u-R'Sxa1u) + (R'Sya3u-R'Sya1u) + (R'Sxb3u-R'Sxb1u) + (R'Syb3u-R'Syb1u)) / 16 (20) where the force and moment When calculating the calculated resistance change rates Sig1 to Sig6 for each component, equations (1) to (6),
And in the same manner as in the case of the expressions (8) to (13), the above (15)
In Expressions (20) to (20), resistance elements that do not cause other axis interference are combined.
【0080】抵抗素子を6軸力センサ1の表面に配置し
たのみでは、図13のテーブルで見られるように、非対
角要素をすべて「0」とすることができなかったが、図
16に示すように、図15と同様に非対角要素をすべて
「0」とするような(15)式〜(20)式を構成する
抵抗素子の組み合わせが可能となる。そして、対角要素
220における抵抗素子Sya1,Sya2に対応する値を図1
5のテーブルに比較して、大きくすることができ、力F
x,Fy検出感度を向上させることが可能となる。By only disposing the resistance elements on the surface of the 6-axis force sensor 1, it was not possible to set all the non-diagonal elements to "0" as shown in the table of FIG. As shown in FIG. 15, it is possible to combine the resistance elements forming the equations (15) to (20) such that all the non-diagonal elements are “0” as in the case of FIG. The values corresponding to the resistance elements Sya1 and Sya2 in the diagonal element 220 are shown in FIG.
Compared to the table of No. 5, it can be increased and the force F
It is possible to improve x, Fy detection sensitivity.
【0081】例えば、作用部4に力Fxを印加した場
合、変化量Sig1を求める(15)式は、表面及び裏面
で対向する抵抗素子Sya1,Sya3,Syb1及びSyb3と、
抵抗素子Sya1u,Sya3u,Syb1u及びSyb3uとの組み合
わせで、抵抗素子1本あたりの演算抵抗変化率を求めて
いる。作用部4に対して、力Fxが印加されることによ
り、抵抗素子Sya1,Syb3,Sya1u,Syb3uには引っ張
りの力がかかり、抵抗素子Sya3,Syb1,Sya3u,Syb
1uには圧縮の力がかかる。For example, when the force Fx is applied to the acting portion 4, the equation (15) for obtaining the change amount Sig1 is expressed by the resistance elements Sya1, Sya3, Syb1 and Syb3 facing each other on the front surface and the back surface.
The combination of the resistance elements Sya1u, Sya3u, Syb1u and Syb3u is used to obtain the calculated resistance change rate per resistance element. When the force Fx is applied to the action portion 4, a tensile force is applied to the resistance elements Sya1, Syb3, Sya1u, Syb3u, and the resistance elements Sya3, Syb1, Sya3u, Syb.
The compression force is applied to 1u.
【0082】このとき、(8)及び(9)式の様に、弾
性部により、力Fxが吸収されてしまう部分の抵抗素子
を使用していないため、測定感度を低下させることな
く、印加される外力を力及びモーメントの成分に分離す
ることが可能であり、印加される外力の測定精度及び測
定感度を向上させることが可能である。そして、(7)
式を求めたときと同様に、図16のテーブルを行列とし
て、この逆行列を求めることで、抵抗変化率−力及びモ
ーメントの関係を示すマトリクスを求める。そして、こ
の抵抗変化率−力及びモーメントの関係のマトリクスに
基づき、以下に示す抵抗変化率−力及びモーメントの関
係式である(21)式を作成する。At this time, as in the equations (8) and (9), since the resistance element of the portion where the force Fx is absorbed by the elastic portion is not used, the measurement sensitivity is applied without being lowered. The external force to be applied can be separated into force and moment components, and it is possible to improve the measurement accuracy and measurement sensitivity of the applied external force. And (7)
Similar to the case of obtaining the formula, the table of FIG. 16 is used as a matrix and the inverse matrix is obtained to obtain the matrix showing the relationship between the resistance change rate and the force and the moment. Then, based on the matrix of the relationship of resistance change rate-force and moment, the following expression (21), which is a relational expression of resistance change rate-force and moment, is created.
【数3】
以上により、(21)式において、測定された演算抵抗
変化率の行列に、演算抵抗変化率−力及びモーメントの
関係の上記マトリクスを乗ずることにより、印加された
外力を力及びモーメントの6成分に分離して求めること
ができる。[Equation 3] As described above, in the equation (21), the matrix of the measured resistance change rate is multiplied by the above matrix of the relationship of the calculated resistance change-force and moment, whereby the applied external force is divided into six components of force and moment. Can be obtained separately.
【0083】(21)式の右辺の演算抵抗変化率−力及
びモーメントの関係のマトリクスをみて判るように、非
対角要素がすべて「0」となっており、他軸干渉が大幅
に抑制されるため、測定値の再現性及びロバスト性が向
上し、かつ(14)式に比較して対角要素の数値が同様
となるため、測定感度及び測定精度がさらに向上する。
また、本発明の6軸力センサは、基板の厚さ,橋梁部の
太さ,抵抗の配置の調整により、いかようにも数値の調
整が可能であり、測定感度の調整は用途によって、かつ
軸方向によっても適時変更することが可能である。As can be seen from the matrix of the relationship between the calculated resistance change rate and the force and the moment on the right side of the equation (21), all the non-diagonal elements are "0", and the interference with other axes is significantly suppressed. Therefore, the reproducibility and robustness of the measured value are improved, and the numerical values of the diagonal elements are similar to those in the expression (14), so that the measurement sensitivity and the measurement accuracy are further improved.
In addition, the 6-axis force sensor of the present invention can adjust numerical values in any way by adjusting the thickness of the substrate, the thickness of the bridge portion, and the arrangement of the resistors. It can be changed at any time depending on the axial direction.
【0084】プロセスパラメータ及び6軸力センサの形
状及び各部の寸法は、使用用途などにより適時最適化さ
れるものであり、上述してきた各種数値は一例を示した
ものに過ぎない。The process parameters, the shape of the 6-axis force sensor, and the dimensions of each part are optimized in a timely manner depending on the intended use. The various numerical values described above are merely examples.
【0085】以上、本発明の一実施形態を図面を参照し
て詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限ら
れるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設
計変更等があっても本発明に含まれる。上述の一実施形
態において、各半導体抵抗の配置については、一例を示
したに過ぎず、他軸干渉を防止するため、演算抵抗変化
率−力及びモーメントの関係を示すマトリクスにおい
て、非対角成分を、キャンセルできる抵抗素子の組み合
わせと、(1)〜(6),(8)〜(13),(15)
〜(20)式等のように、力及びモーメントの成分に対
応する演算抵抗変化率の演算式が求められれば、同様の
効果を得ることが可能である。Although one embodiment of the present invention has been described in detail above with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to this embodiment, and design changes and the like within the scope not departing from the gist of the present invention. Even so, it is included in the present invention. In the above-described one embodiment, the arrangement of each semiconductor resistor is merely an example, and in order to prevent the interference of the other axis, the non-diagonal component in the matrix showing the relationship of the calculated resistance change rate-force and moment. And a combination of resistance elements capable of canceling, and (1) to (6), (8) to (13), (15)
The same effect can be obtained if the calculation formula of the calculation resistance change rate corresponding to the components of the force and the moment is obtained as in the formula (20).
【0086】また、一実施形態では、6軸力センサは、
n型の半導体基板2が結晶方向(100)面であり、p
型の活性層Sよりなる各半導体抵抗素子の電流軸が<0
11>または<0−11>方向で配置した構造で説明し
た。しかし、本発明の6軸力センサは、結晶方向が(1
10)面の半導体基板2を用い、p型の活性層Sよりな
る各半導体抵抗素子を電流軸が<1−10>または<0
0−1>方向となるように配置してもよい。また、本発
明の6軸力センサは、結晶方向が(110)面の半導体
基板2を用い、p型の活性層Sよりなる各半導体抵抗素
子の電流軸が<1−1−1>または<−11−2>方向
となるように配置してもよい上述した結晶方向及び電流
軸の組み合わせにより、同様な歪みに対して、より大き
な抵抗変化を得ることができ、印加される外力の力及び
モーメントの成分の測定精度を向上させることが可能と
なる。Also, in one embodiment, the 6-axis force sensor is
The n-type semiconductor substrate 2 has a crystal direction (100) plane, and p
Current axis of each semiconductor resistance element composed of the active layer S of the
In the above description, the structure is arranged in the 11> or <0-11> direction. However, in the 6-axis force sensor of the present invention, the crystal orientation is (1
Using the semiconductor substrate 2 of the 10) plane, each semiconductor resistance element made of the p-type active layer S has a current axis of <1-10> or <0.
You may arrange | position so that it may become 0-1> direction. Further, the 6-axis force sensor of the present invention uses the semiconductor substrate 2 having a crystal direction of (110) plane, and the current axis of each semiconductor resistance element made of the p-type active layer S is <1-1-1> or <1-1. The combination of the above-described crystal direction and current axis, which may be arranged so as to be in the -11-2> direction, makes it possible to obtain a larger resistance change with respect to the same strain, and to apply the force of the applied external force and It is possible to improve the measurement accuracy of the moment component.
【0087】さらに、本発明の他の実施形態として、図
17に示す構造の6軸力センサにおいても、一実施形態
と同様の効果を得ることが可能である。図17は、他の
実施形態による6軸力センサ300の構造を示した上面
から見た平面図である。この6軸センサ300は、穴の
領域301〜304,支持部305,作用部306,弾
性部307,308,309,310,橋梁部311,
312,313,314から構成されている。Further, as another embodiment of the present invention, also in the 6-axis force sensor having the structure shown in FIG. 17, it is possible to obtain the same effect as that of the embodiment. FIG. 17 is a plan view showing the structure of a 6-axis force sensor 300 according to another embodiment, as viewed from above. The 6-axis sensor 300 includes hole regions 301 to 304, a support portion 305, an acting portion 306, elastic portions 307, 308, 309, 310, a bridge portion 311, and the like.
It is composed of 312, 313, and 314.
【0088】抵抗素子の配置形状及び数は一実施形態と
同様であり、演算抵抗変化率と力及びモーメントの各成
分との求め方も一実施形態と同様である。一実施形態と
異なっている点は、穴の領域K,L,M,Nに対応する
構成が無く、弾性部307,308,309,310の
部分の剛性が低くなるように薄く形成されている点であ
り、他の構成は同様である。そして、支持部305の部
分において、支持台に固定した場合、弾性部307,3
08,309,310が、一実施形態の弾性部5Ab,
5Bb,5Cb,5Dbと同様に弾性体として働くことに
なる。The arrangement shape and the number of resistance elements are the same as in the first embodiment, and the method of obtaining the calculated resistance change rate and each component of force and moment is also the same as in the first embodiment. The difference from the first embodiment is that there is no structure corresponding to the hole regions K, L, M, and N, and the elastic portions 307, 308, 309, and 310 are thinly formed so as to have low rigidity. The other configurations are the same. When the support portion 305 is fixed to the support base, the elastic portions 307, 3
08, 309 and 310 are elastic portions 5Ab,
Like 5Bb, 5Cb and 5Db, it will act as an elastic body.
【0089】[0089]
【発明の効果】本発明の6軸力センサによれば、半導体
基板からなる6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、
外部構造体に固定する支持部と、前記作用部と前記支持
部とを連結する、剛性の高い領域と剛性の低い領域とか
らなる連結部とから構成され、前記連結部の表面に、活
性層で形成された半導体抵抗素子が配置され、各々の半
導体抵抗素子が支持部の各辺に対向する電極に配線され
ている構成であるため、剛性の低い領域が連結部にかか
る余分な歪みを吸収する機能を有し、センサチップ全体
の歪みを抑制し、各々の半導体抵抗素子に対して選択的
に、印加される力及びモーメント成分による歪みを発生
させることができ、他軸干渉が抑制されるように、各軸
にかかる力またはモーメントの測定値を求めるために使
用する半導体抵抗素子の組み合わせを選択し、演算抵抗
変化率を求める式を効果的に構成することが可能となる
ため、作用部に加えられる外力を力及びモーメントの6
成分に分離でき、力及びモーメントの測定の再現性及び
ロバスト性を向上させることができる。これにより、本
発明の6軸力センサは、各連結部毎の各半導体抵抗素子
の抵抗変化から求められる電気信号に、予期しない外乱
などによるノイズが重畳したとしても、上述したよう
に、測定に用いる半導体抵抗素子の組み合わせにより、
他軸の干渉を受けずに、作用部に印加される外力を、力
及びモーメント成分に分離して測定することが可能なた
め、測定精度及び測定感度を向上させることが可能とな
る。According to the 6-axis force sensor of the present invention, it is a sensor chip having a 6-axis force sensor function made of a semiconductor substrate, and the sensor chip has an action portion to which an external force is applied.
An active layer is formed on a surface of the connecting portion, the supporting portion being fixed to the external structure, and the connecting portion connecting the acting portion and the supporting portion, the connecting portion including a region of high rigidity and a region of low rigidity. Since the semiconductor resistance elements formed in 1 are arranged and each semiconductor resistance element is wired to the electrodes facing each side of the support part, the low rigidity region absorbs the extra strain applied to the connection part. Has the function of suppressing distortion of the entire sensor chip, and can selectively generate distortion due to the force and moment components applied to each semiconductor resistance element, and suppress other-axis interference. As described above, it is possible to effectively select the combination of semiconductor resistance elements used to obtain the measured value of the force or moment applied to each axis and effectively form the equation for obtaining the calculated resistance change rate. In addition to 6 an external force to be of force and moment
The components can be separated and the reproducibility and robustness of force and moment measurements can be improved. As a result, the six-axis force sensor of the present invention, even if noise due to an unexpected disturbance or the like is superposed on the electric signal obtained from the resistance change of each semiconductor resistance element for each connecting portion, does not affect the measurement as described above. Depending on the combination of semiconductor resistance elements used,
Since the external force applied to the acting portion can be separated into force and moment components and measured without receiving interference from other axes, it is possible to improve measurement accuracy and measurement sensitivity.
【図1】 本発明の一実施形態による6軸力センサ1の
構造を示した上面から見た平面図である。FIG. 1 is a plan view from above showing a structure of a 6-axis force sensor 1 according to an embodiment of the present invention.
【図2】 図1の連結部5C周辺の拡大図である。FIG. 2 is an enlarged view around a connecting portion 5C in FIG.
【図3】 図1に示す6軸力センサ1の製造プロセスを
プロセス単位ごとの断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of a process unit for manufacturing the 6-axis force sensor 1 shown in FIG.
【図4】 作用部4に対して、各軸方向の力及びモーメ
ントを示す符号の説明を行う概念図である。FIG. 4 is a conceptual diagram for explaining signs of acting force and moment in each axial direction with respect to the acting portion 4;
【図5】 図1における連結部5A〜5C表面に形成さ
れた抵抗の位置関係を示す表面配置図である。5 is a surface layout diagram showing the positional relationship of resistors formed on the surfaces of the connecting portions 5A to 5C in FIG. 1. FIG.
【図6】 6軸力センサ1が、作用部4に対して各軸の
力又はモーメントが与えられることによる変形を示す概
念図である。FIG. 6 is a conceptual diagram showing the deformation of the six-axis force sensor 1 when a force or moment of each axis is applied to the acting portion 4.
【図7】 6軸力センサ1が、作用部4に対して各軸の
力又はモーメントが与えられることによる変形を示す概
念図である。FIG. 7 is a conceptual diagram showing the deformation of the 6-axis force sensor 1 when a force or moment of each axis is applied to the acting portion 4.
【図8】 6軸力センサ1が、作用部4に対して各軸の
力又はモーメントが与えられることによる変形を示す概
念図である。FIG. 8 is a conceptual diagram showing the deformation of the 6-axis force sensor 1 when a force or moment of each axis is applied to the acting portion 4.
【図9】 6軸力センサ1が、作用部4に対して各軸の
力又はモーメントが与えられることによる変形を示す概
念図である。FIG. 9 is a conceptual diagram showing deformation of the six-axis force sensor 1 when a force or moment of each axis is applied to the acting portion 4.
【図10】 6軸力センサ1が、作用部4に対して各軸
の力又はモーメントが与えられることによる変形を示す
概念図である。FIG. 10 is a conceptual diagram showing the deformation of the 6-axis force sensor 1 when a force or moment of each axis is applied to the acting portion 4.
【図11】 6軸力センサ1が、作用部4に対して各軸
の力又はモーメントが与えられることによる変形を示す
概念図である。FIG. 11 is a conceptual diagram showing the deformation of the six-axis force sensor 1 when a force or moment of each axis is applied to the acting portion 4.
【図12】 一例として試作した6軸力センサ1の各部
の形状及び寸法を示す寸法図である。FIG. 12 is a dimensional diagram showing the shape and dimensions of each part of a 6-axis force sensor 1 that was experimentally manufactured as an example.
【図13】 作用部4に対して、各軸方向に印加される
力及びモーメントと、単位当たりの演算抵抗変化率との
関係を示したテーブルが示されている。FIG. 13 is a table showing a relationship between a force and a moment applied to each acting portion in each axial direction and a calculated resistance change rate per unit.
【図14】 半導体基板2の裏面に形成された抵抗素子
の配置関係を示す透視図である。FIG. 14 is a perspective view showing an arrangement relationship of resistance elements formed on the back surface of the semiconductor substrate 2.
【図15】 作用部4に対して、各軸方向に印加される
力及びモーメントと、単位当たりの抵抗の変化量との関
係を示したテーブルが示されている。FIG. 15 is a table showing a relationship between a force and a moment applied to each acting portion in each axial direction and an amount of change in resistance per unit.
【図16】 作用部4に対して、各軸方向に印加される
力及びモーメントと、単位当たりの抵抗の変化量との関
係を示したテーブルが示されている。FIG. 16 is a table showing a relationship between a force and a moment applied to the acting portion in each axial direction and an amount of change in resistance per unit.
【図17】 本発明の他の実施形態による6軸力センサ
300の構造を示した上面から見た平面図である。FIG. 17 is a plan view showing the structure of a 6-axis force sensor 300 according to another embodiment of the present invention, as seen from above.
1,300 6軸力センサ
2 半導体基板
3,305 支持部
4,306 作用部
5A,5B,5C,5D 連結部
5Aa,5Ba,5Ca,5Da 橋梁部
5Ab,5Bb,5Cb,5Db 弾性部
307,308,309,310 弾性部
311,312,313,314 橋梁部
7 GND配線
8 信号配線
9 信号電極
10 信号電極
11 GND電極
12 バイアス電極
13 抵抗素子
301,302,303,304 穴の領域
A,B,C,D,K,L,M,N 穴の領域
Sxa1,Sxa2,Sxa3,Sya1,Sya2,Sya3 抵抗素子
Sxb1,Sxb2,Sxb3,Syb1,Syb2,Syb3 抵抗素子
Sxa1u,Sxa2u,Sxa3u,Sya1u,Sya2u,Sya3u 抵
抗素子
Sxb1u,Sxb2u,Sxb3u,Syb1u,Syb2u,Syb3u 抵
抗素子1,300 6-axis force sensor 2 Semiconductor substrate 3,305 Support part 4,306 Working part 5A, 5B, 5C, 5D Connecting part 5Aa, 5Ba, 5Ca, 5Da Bridge part 5Ab, 5Bb, 5Cb, 5Db Elastic part 307, 308 , 309, 310 Elastic parts 311, 312, 313, 314 Bridge part 7 GND wiring 8 Signal wiring 9 Signal electrode 10 Signal electrode 11 GND electrode 12 Bias electrode 13 Resistance element 301, 302, 303, 304 Hole regions A, B, C, D, K, L, M, N Hole regions Sxa1, Sxa2, Sxa3, Sya1, Sya2, Sya3 Resistance elements Sxb1, Sxb2, Sxb3, Syb1, Syb2, Syb3 resistance elements Sxa1u, Sxa2u, Sxa3Su, Sya1u, Sya1u, Sya1u Sya3u resistance element Sxb1u, Sxb2u, Sxb3u, Syb1u, Syb2u, Syb3u resistance element
Claims (11)
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4本の連結部とから
構成され、 前記連結部の表面に、活性層で形成された半導体抵抗素
子が配置され、各々の半導体抵抗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6軸力センサ。1. A sensor chip having a 6-axis force sensor function made of a semiconductor substrate, wherein the sensor chip has an action portion to which an external force is applied, a support portion fixed to an external structure, and the action portion. The support portion is formed of four connecting portions each including a high-rigidity region and a low-rigidity region, and a semiconductor resistance element formed of an active layer is disposed on a surface of the connection portion. And each semiconductor resistance element is wired to a corresponding electrode arranged on the support portion.
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6軸力センサ。2. The connection parts are arranged at equal intervals around the action part, and the low-rigidity region is an elastic part connected to the support part at at least two points, and the high-rigidity region is high. The 6-axis force sensor according to claim 1, wherein the region is a bridge portion connected to the acting portion.
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6軸力センサ。3. The six-axis force sensor according to claim 2, wherein the semiconductor resistance element is arranged in a region where a large strain is generated on the surface of the bridge portion.
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6軸力センサ。4. The six-axis force sensor according to claim 2, wherein the semiconductor resistance element is arranged on a surface near a connecting portion between the acting portion and the bridge portion.
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6軸力センサ。5. The six-axis force sensor according to claim 2, wherein the semiconductor resistance element is arranged in a constricted portion formed in the bridge portion.
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6軸力センサ。6. The semiconductor resistance element according to claim 3, wherein a plurality of the semiconductor resistance elements are arranged in parallel with respect to the major axis direction of each of the bridge portions. Axial force sensor.
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6軸力センサ。7. A connecting portion between the connecting portion and the acting portion,
An inner corner portion of each of the connecting portion of the connecting portion and the supporting portion and the connecting portion of the elastic portion and the bridge portion is formed into an arc shape, and any one of claims 2 to 6 is characterized. A 6-axis force sensor described in Crab.
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6軸力セ
ンサ。8. The six-axis force sensor according to claim 1, wherein a semiconductor resistance element for temperature compensation is arranged on the support portion and is wired to the corresponding electrode.
抗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6軸力センサ。9. The guard wiring, which is at ground potential, is arranged so as to surround the wiring, which is not at ground potential, of the semiconductor resistance element, as described in any one of claims 1 to 8. Axial force sensor.
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6軸力センサ。10. The 6-axis force sensor according to claim 1, wherein a bias electrode for applying a bias is formed on the semiconductor substrate.
の前記半導体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個以上の半導体抵抗素子が、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6軸力センサ。11. In the semiconductor substrate, at least one semiconductor resistance element is provided in a region of a back surface of the bridge portion opposite to a region in which the semiconductor element is arranged, with respect to a longitudinal direction of the bridge portion. The 6-axis force sensor according to any one of claims 2 to 10, wherein the 6-axis force sensor is formed in parallel and is connected to the electrodes by wiring.
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002005334A JP4011345B2 (en) | 2002-01-11 | 2002-01-11 | Multi-axis force sensor chip |
US10/339,496 US6823744B2 (en) | 2002-01-11 | 2003-01-10 | Six-axis force sensor |
EP03000457.6A EP1327870B1 (en) | 2002-01-11 | 2003-01-10 | Six-axis force sensor |
US10/972,354 US6951142B2 (en) | 2002-01-11 | 2004-10-26 | Six-axis force sensor chip and six-axis force sensor using the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002005334A JP4011345B2 (en) | 2002-01-11 | 2002-01-11 | Multi-axis force sensor chip |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2003207405A true JP2003207405A (en) | 2003-07-25 |
JP2003207405A5 JP2003207405A5 (en) | 2007-03-22 |
JP4011345B2 JP4011345B2 (en) | 2007-11-21 |
Family
ID=27644409
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002005334A Expired - Fee Related JP4011345B2 (en) | 2002-01-11 | 2002-01-11 | Multi-axis force sensor chip |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4011345B2 (en) |
Cited By (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100760123B1 (en) * | 2006-11-01 | 2007-09-18 | 경상대학교산학협력단 | 6-axis force/moment for intelligent robot's ankle |
JP2007298471A (en) * | 2006-05-02 | 2007-11-15 | Honda Motor Co Ltd | Chip for force/torque sensor |
US7458281B2 (en) | 2004-10-26 | 2008-12-02 | Honda Motor Co., Ltd. | Multi-axis force sensor chip and multi-axis force sensor using same |
US7490524B2 (en) | 2006-08-08 | 2009-02-17 | Honda Motor Co., Ltd. | Force sensor chip |
US7536922B2 (en) | 2006-08-30 | 2009-05-26 | Honda Motor Co., Ltd. | Force sensor chip |
US7703340B2 (en) | 2006-08-30 | 2010-04-27 | Honda Motor Co., Ltd. | Chip for force sensor and force sensor |
US8033009B2 (en) | 2006-08-24 | 2011-10-11 | Honda Motor Co., Ltd | Method for producing a force sensor |
US8113065B2 (en) | 2006-08-24 | 2012-02-14 | Honda Motor Co., Ltd. | Force sensor |
US9381647B2 (en) | 2013-02-19 | 2016-07-05 | Seiko Epson Corporation | Force detection device, robot, and moving object |
JP2018185296A (en) * | 2017-04-26 | 2018-11-22 | ミツミ電機株式会社 | Force sensor device |
US10634695B2 (en) | 2017-04-26 | 2020-04-28 | Minebea Mitsumi Inc. | Force sensor |
US10801904B2 (en) | 2016-10-07 | 2020-10-13 | Minebea Mitsumi Inc. | Sensor chip, flexure element, and force sensor device |
EP4060305A1 (en) | 2021-03-16 | 2022-09-21 | Minebea Mitsumi Inc. | Sensor chip and force sensor apparatus |
EP4060303A1 (en) | 2021-03-16 | 2022-09-21 | Minebea Mitsumi Inc. | Sensor chip and force sensor apparatus |
US11473987B2 (en) | 2018-01-29 | 2022-10-18 | Minebea Mitsumi Inc. | Sensor chip and force sensor device |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2018066557A1 (en) | 2016-10-07 | 2018-04-12 | ミツミ電機株式会社 | Sensor chip, strain inducing body, and force sensor device |
EP3457103B1 (en) | 2017-09-19 | 2021-08-04 | Minebea Mitsumi Inc. | Force sensor device |
JP6957367B2 (en) | 2018-01-18 | 2021-11-02 | 株式会社東芝 | Semiconductor chip inspection equipment, semiconductor chip inspection system, intelligent power module, semiconductor chip inspection method and program |
JP7298092B2 (en) | 2019-01-30 | 2023-06-27 | ミネベアミツミ株式会社 | sensor device |
JP2021071305A (en) | 2019-10-29 | 2021-05-06 | ミネベアミツミ株式会社 | Force sensor device |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS59151032A (en) * | 1983-02-18 | 1984-08-29 | Hitachi Ltd | Evaluating and calibrating jig of force sensor |
JPS6361609B2 (en) * | 1981-04-13 | 1988-11-29 | ||
JPH02205077A (en) * | 1989-02-02 | 1990-08-14 | Ricoh Co Ltd | Power sensor |
JPH0640039B2 (en) * | 1985-09-10 | 1994-05-25 | オムロン株式会社 | Force detector |
JPH09257612A (en) * | 1996-03-22 | 1997-10-03 | Olympus Optical Co Ltd | Force sensor |
JP2767766B2 (en) * | 1991-11-26 | 1998-06-18 | 川崎重工業株式会社 | 6-axis force sensor |
JP2001264198A (en) * | 2000-03-16 | 2001-09-26 | Olympus Optical Co Ltd | Method for manufacturing multiaxial tactile sensor and tactile sensor |
-
2002
- 2002-01-11 JP JP2002005334A patent/JP4011345B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6361609B2 (en) * | 1981-04-13 | 1988-11-29 | ||
JPS59151032A (en) * | 1983-02-18 | 1984-08-29 | Hitachi Ltd | Evaluating and calibrating jig of force sensor |
JPH0640039B2 (en) * | 1985-09-10 | 1994-05-25 | オムロン株式会社 | Force detector |
JPH02205077A (en) * | 1989-02-02 | 1990-08-14 | Ricoh Co Ltd | Power sensor |
JP2767766B2 (en) * | 1991-11-26 | 1998-06-18 | 川崎重工業株式会社 | 6-axis force sensor |
JPH09257612A (en) * | 1996-03-22 | 1997-10-03 | Olympus Optical Co Ltd | Force sensor |
JP2001264198A (en) * | 2000-03-16 | 2001-09-26 | Olympus Optical Co Ltd | Method for manufacturing multiaxial tactile sensor and tactile sensor |
Cited By (17)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7458281B2 (en) | 2004-10-26 | 2008-12-02 | Honda Motor Co., Ltd. | Multi-axis force sensor chip and multi-axis force sensor using same |
JP2007298471A (en) * | 2006-05-02 | 2007-11-15 | Honda Motor Co Ltd | Chip for force/torque sensor |
US7536923B2 (en) | 2006-05-02 | 2009-05-26 | Honda Motor Co., Ltd. | Force sensor chip |
US7490524B2 (en) | 2006-08-08 | 2009-02-17 | Honda Motor Co., Ltd. | Force sensor chip |
US8033009B2 (en) | 2006-08-24 | 2011-10-11 | Honda Motor Co., Ltd | Method for producing a force sensor |
US8113065B2 (en) | 2006-08-24 | 2012-02-14 | Honda Motor Co., Ltd. | Force sensor |
US7536922B2 (en) | 2006-08-30 | 2009-05-26 | Honda Motor Co., Ltd. | Force sensor chip |
US7703340B2 (en) | 2006-08-30 | 2010-04-27 | Honda Motor Co., Ltd. | Chip for force sensor and force sensor |
KR100760123B1 (en) * | 2006-11-01 | 2007-09-18 | 경상대학교산학협력단 | 6-axis force/moment for intelligent robot's ankle |
US9381647B2 (en) | 2013-02-19 | 2016-07-05 | Seiko Epson Corporation | Force detection device, robot, and moving object |
US9873201B2 (en) | 2013-02-19 | 2018-01-23 | Seiko Epson Corporation | Force detection device, robot, and moving object |
US10801904B2 (en) | 2016-10-07 | 2020-10-13 | Minebea Mitsumi Inc. | Sensor chip, flexure element, and force sensor device |
JP2018185296A (en) * | 2017-04-26 | 2018-11-22 | ミツミ電機株式会社 | Force sensor device |
US10634695B2 (en) | 2017-04-26 | 2020-04-28 | Minebea Mitsumi Inc. | Force sensor |
US11473987B2 (en) | 2018-01-29 | 2022-10-18 | Minebea Mitsumi Inc. | Sensor chip and force sensor device |
EP4060305A1 (en) | 2021-03-16 | 2022-09-21 | Minebea Mitsumi Inc. | Sensor chip and force sensor apparatus |
EP4060303A1 (en) | 2021-03-16 | 2022-09-21 | Minebea Mitsumi Inc. | Sensor chip and force sensor apparatus |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP4011345B2 (en) | 2007-11-21 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4011345B2 (en) | Multi-axis force sensor chip | |
US6823744B2 (en) | Six-axis force sensor | |
JP4680566B2 (en) | Multi-axis force sensor chip and multi-axis force sensor using the same | |
US7490524B2 (en) | Force sensor chip | |
US7500406B2 (en) | Multiaxial sensor | |
US7121147B2 (en) | Force detection device | |
Mei et al. | An integrated MEMS three-dimensional tactile sensor with large force range | |
US6512364B1 (en) | Testing sensor | |
US7536922B2 (en) | Force sensor chip | |
US6864677B1 (en) | Method of testing a sensor | |
JP5174343B2 (en) | Force sensor chip | |
JP2004045044A (en) | 6-axis inner force sense sensor | |
Dao et al. | Micro force-moment sensor with six-degree of freedom | |
JPH04279867A (en) | Three-dimensional acceleration sensor | |
JPS6321531A (en) | Force detector | |
JPS63153441A (en) | Force detector | |
JP2005300465A (en) | Multiaxial sensor | |
JP2587255B2 (en) | Force detection device | |
JP5507325B2 (en) | Force sensor | |
JPS6375533A (en) | Force detector | |
JPH0446462B2 (en) |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20041129 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070202 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070313 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070514 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070619 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070803 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20070828 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20070905 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 4011345 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100914 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100914 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110914 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110914 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120914 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120914 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130914 Year of fee payment: 6 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140914 Year of fee payment: 7 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |