JP2003207405A - Hexaxial force sensor - Google Patents

Hexaxial force sensor

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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
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force
resistance element
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毅 大里
Yusuke Hirabayashi
祐輔 平林
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hexaxial force sensor of improved robustness and reproducibility, capable of accurately detecting the force and the moment in each axial direction by eliminating interference from other axes. <P>SOLUTION: The hexaxial force sensor 1 is a sensor chip which is formed on the surface of a semiconductor substrate 2 to provide a hexaxial force sensor function. It comprises; an action part 4 to which an external force is applied; a support part 3 secured to the outside; and connection parts 5A, 5B, 5C, and 5D which connect the action part 4 and the support part 3, composed of elastic parts 5Ab, 5Bb, 5Cb, and 5Db which are arranged, by four, around the action part 4 and connected to the support part 3 by two points, and bridge parts 5Aa, 5Ba, 5Ca, and 5Da connected to the action part 4. Resistance elements Sya1-Sya3, resistance elements Syb1-Syb3, resistance elements Sxa1-Sxa3, and resistance elements Sxb1-Sxb3 which, formed of an active layer S, detect an amount of distortion corresponding to the external force which by piezo-effect, are disposed on the surface of the action part 4 or the connection part 5A, 5B, 5C, and 5D. Each of the resistance elements is wired to a corresponding GND electrode 9 and a corresponding signal electrode 10 of the support part 3. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【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.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【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.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 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. 【請求項２】 前記連結部が前記作用部の周囲に等間隔
に各々配置されており、 前記剛性の低い領域が前記支持部に少なくとも２箇所で
接続される弾性部であり、 前記剛性の高い領域が前記作用部と接続される橋梁部で
あることを特徴とする請求項１記載の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. 【請求項３】 前記半導体抵抗素子が、前記橋梁部の表
面において、大きな歪みの発生する領域に配置されるこ
とを特徴とする請求項２記載の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. 【請求項４】 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. 【請求項５】 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. 【請求項６】 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. 【請求項７】 前記連結部及び前記作用部の接続部と、
該連結部及び前記支持部の接続部と、前記弾性部及び該
橋梁部の接続部とにおける内角部が各々円弧状に加工形
成されていることを特徴とする請求項２から請求項６の
いずれかに記載の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. 【請求項８】 温度補償用の半導体抵抗素子が支持部に
配置され、対応する電極に配線されていることを特徴と
する請求項１から請求項６のいずれかに記載の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. 【請求項９】 接地電位であるガード配線が、半導体抵
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. 【請求項１０】 前記半導体基板にバイアスを印加する
バイアス電極が形成されていることを特徴とする請求項
１から請求項９のいずれかに記載の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. 【請求項１１】 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.
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