JP3970640B2

JP3970640B2 - ６軸力センサ

Info

Publication number: JP3970640B2
Application number: JP2002059447A
Authority: JP
Inventors: 祐輔平林; 毅大里
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-03-05
Filing date: 2002-03-05
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2022-03-05
Also published as: JP2003254843A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は６軸力センサに関し、特に、半導体製造プロセス技術を利用して基板上に形成される所定配置パターンの複数の歪み抵抗素子を有し、ロボット等の力覚センサとして利用可能な６軸力センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、工作用作業機械や、ロボット等の自動機械では、その作業上または動作上で、作業対象物に対して力を加える作業を行ったり、外界から力の作用を受けたりする状態が発生する。このような場合、作業機械やロボット等では、自身に加わる外部からの力やモーメントを検出して、当該力やモーメントに対応した制御を行うことが必要となる。力やモーメントに対応する制御を適切に行うためには、外部から加わる力とモーメントを正確に検出することが必要となる。
【０００３】
そこで従来から力覚センサやマンマシンインタフェースとして用いられる各種の多軸力センサが提案されている。通常、力センサは、検出方式の観点で大別すると、力に比例した変形量を検出する弾性式力センサと、既知の力との釣り合わせによって力を測定する力平衡型力センサとに分けることができる。また力センサは、原理的な構造として、外力に応じて弾性変形する起歪体の部分に複数の歪み抵抗素子を設けた構造を有する。この構造によれば、多軸力センサの起歪体部分に外力が加わると、起歪体部分の変形の程度に応じた電気信号が複数の歪み抵抗素子から出力される。これらの電気信号に基づいて起歪体部分に加わった２成分以上の力等を検出することができる。
【０００４】
上記多軸力センサとしては６軸力センサが代表的なものである。６軸力センサは上記弾性式力センサの一種であって、起歪体部分に複数の歪み抵抗素子を備えている。６軸力センサは、外力を、直交座標系の３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の各軸方向の軸応力成分（力：Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ）と、各軸方向のトルク成分（モーメント：Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）に分け、６軸成分として検出するものである。
【０００５】
多軸力センサの第１の従来例として特公昭６３−６１６０９号公報（平成６３年１１月２９日公告）に開示される「多分力ロードセル」を挙げる。この文献は６軸力センサを開示している。この６軸力センサは、三次元構造の起歪体に複数の歪みゲージを貼付した構成を有している。歪みゲージを起歪体に貼付する構造では、小型化が制限され、製作再現性が悪く、製品間にバラツキが生じ、さらに繰返し衝撃のストレスおよび熱ストレス等に起因して貼付層が剥がれる等の問題が生じる。
【０００６】
多軸力センサの第２の従来例として、さらに特許第２７４６２９８号公報（平成１０年５月６日発行）に開示される「ニ成分以上の力検出装置」を挙げる。この文献に開示された多軸力センサでは、半導体製造プロセスを利用して半導体基板の上に複数の歪み抵抗素子を作り、起歪体部分に歪みゲージ要素を一体的に組み付ける構成としている。これにより、上記第１の従来の多軸力センサの問題を解消し、製作工程の精度を高め、製作の再現性を良好にし、多軸力センサの小型化を可能にしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記第２の従来の多軸力センサは、直交する３軸の各々について力またはモーメントを検出しようとするとき、基板全体が等方的に歪むという特性を構造的に有しており、さらに基板上における複数の歪み抵抗素子の配置が不適切であり、起歪体部分に加わる外力の各成分を精度よく分離できないという不具合を有していた。６軸力センサにおいて、例えばＦｘの軸応力成分のみが生じるように外力が加えられたときに、Ｆｘ以外の本来的に０になる他の成分に関して応力が発生する出力が生じると問題である。６軸力センサ等において、起歪体部分に加わる外力の各成分（力およびモーメント）を精度よく分離できないという問題は「他軸干渉」の問題として問題視されている。他軸干渉の問題は、６軸力センサの実用化の観点で無視することができない問題である。
【０００８】
ここで６軸力センサの他軸干渉の問題について説明を加える。６軸力センサでは、前述の通り、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各々について、力Ｆｘ，Ｆｙ，ＦｚとモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚを検出する。６軸力センサは、起歪体部分に設けられた歪み抵抗素子の抵抗変化を利用しかつ外部演算部に基づき６つの信号Ｓig１〜Ｓig６を出力する。これらの６つの出力信号Ｓig１〜Ｓig６は、６軸成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚと、単一の軸成分のみを外力として与えた入力に対する各信号の大きさを（電気的変化率）を予め求めることによって得られる６×６の行列要素を用いて関係付けられる。この行列要素を求めておけば、その逆行列を算出することにより、６軸成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚを逆行列を用いて６つの出力信号Ｓig１〜Ｓig６で求めることができる。６軸成分の各々は出力信号Ｓig１〜Ｓig６の関数となる。６軸力センサで高精度の測定を行うためには、６つの出力信号の各々が正確に検出されることが要求される。ノイズの重畳で１つの出力信号に変動が生じると、相互関係に係る行列要素により基本的に６軸成分のすべての測定に支障が生じる。例えば出力信号Ｓig１のみにノイズが重畳した場合、それ以外の出力信号にノイズが重畳されなくとも、６軸成分のすべてにその影響が生じる。そこで、理想的に、出力信号Ｓig１が軸成分Ｆｘのみに反映し、出力信号Ｓig２が軸成分Ｆｙのみに反映するごとく、上記の６×６の行列要素の非対角成分が０であることが望まれる。非対角成分が０であると、外乱ノイズに対して改善された６軸成分を測定することが可能となる。
【０００９】
そこで本発明者らは、上記の観点で従来の上記多軸力センサの不具合を解決するために新しい構成を有する６軸力センサを提案した（特願２００２−５３３４号、平成１４年１月１１日出願）。この６軸力センサは、同様に半導体製造プロセスを利用して半導体基板上に複数の歪み抵抗素子を作り、起歪体部分に歪みゲージを一体的に組み付ける構成であって、さらに全体的な形態はその平面形状がほぼ正方形である平板状部材で形成される。この６軸力センサでは、周囲部分が支持部となり、中央部分に平面形状がほぼ正方形の作用部を有し、正方形の作用部の４つの辺の各々と周囲部の対応部分との間はＴ字型連結部で連結されている。そして、上記構成を有する平板状の６軸力センサにおいて、正方形の作用部の各辺と、対応するＴ字型連結部との間の境界部に所定数の歪み抵抗素子を設けている。この６軸力センサでは、作用部の各辺とＴ字型連結部との間の境界部が最も歪みが起きる箇所になっている。上記６軸力センサでは、起歪体部分の形態を改良し、複数の歪み抵抗素子の配置パターンを最適化することにより「他軸干渉」の問題を解決している。
【００１０】
上記の本発明者らが提案した６軸力センサでは、半導体基板自体が起歪体としての機能を有するので、半導体基板の本来的に有する強度によって測定可能な力の範囲が制限される。実用化の観点では、かかる制限が生じないように工夫し、その測定レンジを高めて使用範囲を広げることが要望される。
【００１１】
本発明の目的は、上記課題を解決するものであり、他軸干渉が抑制され、測定可能な力のレベルを飛躍的に高め、応用範囲を拡大し、実用化に寄与する６軸力センサを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る６軸力センサは、上記目的を達成するために、次の通り構成される。
【００１３】
第１の本発明に係る６軸力センサ（請求項１に対応）は、半導体基板を利用して形成され、かつ外力を受ける作用部とこの作用部を支持する支持部と作用部および支持部を連結する連結部とを少なくとも有し、連結部は橋梁部と弾性部を備える６軸力センサチップと、当該６軸力センサチップの周囲に配置され、外力が加わる外力印加部、６軸力センサチップを支持する台座部、外力印加部を台座部に固定する外力緩衝機構、外力伝達機構から成る構造体を備えており、さらに、外力緩衝機構は梁構造で形成され、外力伝達機構により外力印加部と作用部が結合されているように構成されている。
【００１４】
第２の本発明に係る６軸力センサ（請求項２に対応）は、上記の第１の構成において、好ましくは、上記６軸力センサチップは、作用部と支持部を連結する４本の連結部と、変形が起きる部分に半導体製造プロセスで作られた複数の歪み抵抗素子とを備える。
【００１５】
第３の本発明に係る６軸力センサ（請求項３に対応）は、上記の各構成において、さらに好ましくは、６軸力センサチップと台座部の間には絶縁部材が設けられることで特徴づけられる。
第４の本発明に係る６軸力センサ（請求項４に対応）は、上記の各構成において、好ましくは、構造体の外力印加部と台座部との間で、外力緩衝機構は、外力伝達機構と平行なまたは直交する位置関係に梁構造を備えることを特徴とする。
第５の本発明に係る６軸力センサ（請求項５に対応）は、上記の各構成において、好ましくは、外力緩衝機構は、外力印加部と台座部の間に取り付けられる複数の緩衝支柱で構成されることを特徴とする。
第６の本発明に係る６軸力センサ（請求項６に対応）は、上記の各構成において、好ましくは、構造体は、外力印加部と台座部との間に配置された板状フレーム部材を有し、外力緩衝機構は、外力印加部と板状フレーム部材の間に取り付けられた複数の中間支持ロッドと、板状フレーム部材と台座部の間に取り付けられた複数の支持ロッドとによって構成されることを特徴とする。
第７の本発明に係る６軸力センサ（請求項７に対応）は、上記の各構成において、好ましくは、外力緩衝機構は、外力印加部と台座部の間に取り付けられた複数の緩衝支柱用コイルバネで構成されることを特徴とする。
第８の本発明に係る６軸力センサ（請求項８に対応）は、上記の各構成において、好ましくは、外力印加部は中央部に位置する円板状外力印加部であり、この円板状外力印加部は複数の棒状の梁部材のそれぞれで複数の緩衝支柱と連結されていることを特徴とする。
第９の本発明に係る６軸力センサ（請求項９に対応）は、上記の各構成において、好ましくは、台座部上の四隅に柱を設け、これらの柱の間に支持フレームを設け、外力印加部は中央部に位置する円板状外力印加部であり、この円板状外力印加部は同じ平面上で支持フレームに連結され、外力緩衝機構は当該支持フレームによって構成されることを特徴とする。
【００１６】
【作用】
本発明に係る６軸力センサによれば、先に本発明者らが特願２００２−５３３４号によって提案した６軸力センサに対して緩衝機能を有する構造体（筐体）を付設することにより、外力を減衰させた状態でその作用部に与えることが可能となる。その結果、半導体基板を利用し半導体製造プロセス技術（または半導体成膜プロセス技術）を適用して作られた６軸力センサにおいて検出できる力の範囲を大きくすることができ、ダイナミックレンジの大きな６軸力センサを実現することができる。センサチップと構造体を組み合せても、本来センサチップの有している「他軸干渉」の少ないという特性は保持され、さらに検出可能な力範囲が増大されるという特性が付加される。また６軸力センサチップと台座部の間に絶縁部材が設けられることにより、台座部からセンサチップに対して電気的ノイズが与えられるのを防止することが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１８】
実施形態で説明される構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成要素の組成（材質）については例示にすぎない。従って本発明は、以下に説明される実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。
【００１９】
図１は本発明に係る６軸力センサを概念的に示した側面図である。１１は６軸力センサ機能を有するセンサチップである。センサチップ１１は半導体基板で形成されている。センサチップ１１は、後述するごとく、外力を受ける中央部の作用部と、この作用部を支持する支持部と、作用部と支持部を連結する連結部を有する。センサチップ１１は台座部１２の上に絶縁部材１３を介して取り付けられる。センサチップ１１の支持部が台座部１２に固定されている。台座部１２に対して複数の緩衝支柱１４を介して外力印加部１５が取り付けられる。外力印加部１５は板状部材であり、センサチップ１１の上側に配置される。複数の緩衝支柱１４は緩衝機構としての機能を有する。外力印加部１５とセンサチップ１１の作用部との間は絶縁部材１６を介して連結ロッド１７で連結されている。なお、センサチップ１１のデバイスが形成された表面側は絶縁性の保護膜で覆われているので、絶縁部材１６を省略することもできる。６軸力センサ機能を有するセンサチップ１１に対して、上記の台座部１２と複数の緩衝支柱１４と外力印加部１５から成る構造体は筐体（ケース）を形成している。この筐体は、その緩衝機構に基づいて、外力を減衰させてセンサチップ１１の作用部に与える機能を有している。
【００２０】
上記の構成において、台座部１２と外力印加部１５は高い強度を有する部材で作られている。未知の外力（荷重）Ｆは外力印加部１５に加わる。外力Ｆを受けた外力印加部１５は外力に応じてその位置や姿勢が変化する。外力印加部１５の位置や姿勢の変化は、台座部１２との間に設けられた緩衝支柱１４の緩衝作用で制限を受けながら生じる。外力印加部１５にて生じた位置や姿勢の変化は連結ロッド１６を経由してセンサチップ１１の作用部に伝達される。センサチップ１１の作用部には緩衝支柱１４で制限された力（モーメント）が加わる。外力印加部１５に外力が入力にされたときには、緩衝支柱１４に基づく緩衝機構によって減衰された力がセンサチップ１１の作用部に与えられる。従って、半導体センサ素子として作られたセンサチップ１１に直接に入力されるとセンサチップ１１が破壊するような外力の場合でも、上記筐体に基づく緩衝機構により、センサチップ１１の破壊を防ぐことができる。他方、センサチップ単体では検出可能な力のレベルがその材質的な面から小さい範囲に制限されていたものが、緩衝機構を備えた上記筐体を付設することによって、検出可能な力の範囲を大きくすることができる。
【００２１】
６軸力センサ機能を有するセンサチップ１１における起歪体部分の歪みの減衰率は、６軸成分のそれぞれで異なり、さらに筐体の緩衝機構の構造に依存する。従って、例えば６軸力センサであるセンサチップ１１の感度をそれぞれの成分ごとに調整したいという場合にも、筐体の構造を調整目的に一致するように最適化することにより、センサチップ１１と緩衝機構を備えた筐体とから成る６軸力センサを所望の特性に調整することができる。
【００２２】
また上記の絶縁部材１３，１６は、センサチップ１１からの出力される信号にノイズがのるを防止するために設けられている。
【００２３】
次に図２と図３を参照してセンサチップ１１の具体的構造と検出原理について説明する。図２はセンサチップ１１の斜視図を示し、図３はその平面図を示す。センサチップ１１は、半導体基板を利用し、半導体製造プロセス技術（フォトリソグラフィ、レジストパターン、イオン注入、Ｐ−ＣＶＤ、スパッタリング、ＲＩＥ等）を適用して形成される半導体センサ素子である。センサチップ１１の平面形状は好ましくは正方形であり、平板状の形態を有している。センサチップ１１の平面形状を示した図３において、センサチップ１１は、中央部に位置するほぼ正方形の形状をした作用部２１と、この作用部２１を囲むような位置にある正方形リング形状の支持部２２と、作用部２１と支持部２２の間に位置して四辺の各部分に対応して両者を連結するＴ字形状の４つの連結部２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄとから構成されている。４つの連結部２３Ａ〜２３Ｄの各々は、Ｔ字梁となっており、橋梁部と弾性部を有する。上記のごとく、作用部２１は連結ロッド１７によって外力印加部１５に連結され、支持部２２は台座部１２に固定されている。Ｔ字形状の４つの連結部２３Ａ〜２３Ｄの各々は、作用部２１に接続される境界部における、好ましくは、一方の面（表面２４）に３つの歪み抵抗素子(Sxa1,Sxa2,Sxa3),(Sxb1,Sxb2,Sxb3),(Sya1,Sya2,Sya3),(Syb1,Syb2,Syb3)が配置されている。
【００２４】
図２と図３では、センサチップ１１に対して、図示される通り、直交されるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が示されている。図２ではセンサチップ１１における上、下、右、左が便宜的に定められている。図３では横軸がＸ軸、縦軸がＹ軸として示されている。さらに図２では、各軸に係る力およびモーメントが矢印と符号で示されている。直交座標系の３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）に関して、Ｘ軸方向の力をＦｘとし、Ｙ軸方向の力をＦｙとし、Ｚ軸方向の力をＦｚとし、またＸ軸に対して回転方向に与えられるモーメントをＭｘとし、Ｙ軸に対して回転方向に与えられるモーメントをＭｙとし、Ｚ軸に対して回転方向に与えられるモーメントをＭｚとする。
【００２５】
上記の６軸成分（軸力）、すなわちＦｘ［Ｎ］，Ｆｙ［Ｎ］，Ｆｚ［Ｎ］，Ｍｘ［Ｎ・ｃｍ］，Ｍｙ［Ｎ・ｃｍ］，Ｍｚ［Ｎ・ｃｍ］が単体のセンサチップ１１に印加された場合に、これらの６軸成分とセンサチップ１１に基づく検出信号との関係は次の通りである。
【００２６】
６軸力センサは、実際の構成としては、上記のセンサチップ１１と、センサチップ１１の１２個の歪み抵抗素子のそれぞれから得られる抵抗変化率に係る信号を演算する外部の測定機器とから成り、６軸力センサ装置として構成される。外部の測定機器の演算を経て６軸力センサから最終的に出力される信号は６つの信号Ｓig１，Ｓig２，Ｓig３，Ｓig４，Ｓig５，Ｓig６である。センサチップ１１の１２個の歪み抵抗素子のそれぞれから得られる抵抗変化率の値を、R'Sxa1,R'Sxa2,R'Sxa3,R'Sxb1,R'Sxb2,R'Sxb3,R'Sya1,R'Sya2,R'Sya3,R'Syb1,R'Syb2,R'Syb3と表現すると、上記の６つの信号Ｓig１，Ｓig２，Ｓig３，Ｓig４，Ｓig５，Ｓig６は下記の式に基づいて決められる。
【００２７】
【数１】

【００２８】
１２個の歪み抵抗素子での各々の抵抗変化率の変化の量に基づいて上記式に従って決まる６軸力センサの６つの出力信号Ｓig１，Ｓig２，Ｓig３，Ｓig４，Ｓig５，Ｓig６と、センサチップ１１に印加される６つの軸力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚとは、特定成分の軸力に対する６軸力センサの出力信号を求めて両者の関係を実験的に求めると、図４に示される行列で関係付けられる。
【００２９】
図４に示される行列に基づいて逆行列計算を行って６つの軸成分を算出すると、次式のごとくなる。
【００３０】
【数２】

【００３１】
上記のごとく、６軸力センサの６つの出力信号と検出される６軸成分との関係を行列要素としてとらえたときに、対角要素が支配的となっており、他軸干渉の問題が発生する可能性は抑えられていることがわかる。
【００３２】
ここで、図５〜図１０を参照してセンサチップ１１の代表的な軸力（力、モーメント）と変形例について具体的に説明する。各図において（ａ）はセンサチップ１１の変形状態を示す表面側の平面図を示し、（ｂ）はセンサチップ１１の作用部２１の変位または変形の状態を示す縦断面図である。
【００３３】
図５では、センサチップ１１の作用部２１に−ＦｙがＹ軸に沿って図中上から下に向かって印加されている。このため、連結部２３Ｂ，２３Ｄと作用部２１との間の各接続部に歪みが生じ、また連結部２３Ａ，２３Ｃと作用部２１との間の各接続部では各連結部の弾性部に−Ｆｙが吸収され、歪みの発生が抑制される。このとき、歪み抵抗素子に関して、Sxa3とSxb1では圧縮による歪みが発生して抵抗値が減少し、Sxa1とSxb3では引っ張りによる歪みが発生して抵抗値が増加し、Sya1〜Sya3とSyb1〜Syb3の抵抗値の変化は極めて小さい。
【００３４】
図６では、センサチップ１１の作用部２１にＦｘがＸ軸に沿って図中左から右に向かって印加されている。このため、連結部２３Ａ，２３Ｃと作用部２１との間の各接続部に歪みが生じ、また連結部２３Ｂ，２３Ｄと作用部２１との間の各接続部では各連結部の弾性部にＦｘが吸収され、歪みの発生が抑制される。このとき、歪み抵抗素子に関して、Sya3とSyb1では圧縮による歪みが発生して抵抗値が減少し、Sya1とSyb3では引っ張りによる歪みが発生して抵抗値が増加し、Sxa1〜Sxa3とSxb1〜Sxb3の抵抗値の変化は極めて小さい。
【００３５】
図７では、センサチップ１１の作用部２１に−ＦｚがＺ軸（紙面に垂直）に沿って印加されている。このため、連結部２３Ａ〜２３Ｄと作用部２１との間の各接続部に歪みが生じる。このとき、すべての歪み抵抗素子において一様な圧縮による歪みが発生して抵抗値が減少する。
【００３６】
図８では、センサチップ１１の作用部２１にＭｙがＹ軸の周りに矢印の向きに印加されている。このため、連結部２３Ｂ，２３Ｄと作用部２１との間の各接続部に歪みが生じ、また連結部２３Ａ，２３Ｃと作用部２１との間の各接続部では各連結部の弾性部にＭｙが吸収され、歪みの発生が抑制される。このとき、歪み抵抗素子に関して、Sxa1〜Sxa3では圧縮による歪みが発生して抵抗値が減少し、Sxb1〜Sxb3では引っ張りによる歪みが発生して抵抗値が増加し、Sｙa1〜Sｙa3とSｙb1〜Sｙb3の抵抗値の変化は極めて小さい。
【００３７】
図９では、センサチップ１１の作用部２１にＭｘがＸ軸の周りに矢印の向きに印加されている。このため、連結部２３Ａ，２３Ｃと作用部２１との間の各接続部に歪みが生じ、また連結部２３Ｂ，２３Ｄと作用部２１との間の各接続部では各連結部の弾性部にＭｘが吸収され、歪みの発生が抑制される。このとき、歪み抵抗素子に関して、Syb1〜Syb3では圧縮による歪みが発生して抵抗値が減少し、Sya1〜Sya3では引っ張りによる歪みが発生して抵抗値が増加し、Sxa1〜Sxa3とSxb1〜Sxb3の抵抗値の変化は極めて小さい。
【００３８】
図１０では、センサチップ１１の作用部２１にＭｚがＺ軸の周りに矢印（反時計）の向きに印加されている。このため、連結部２３Ａ〜２３Ｄと作用部２１との間の各接続部に歪みが生じる。このとき、歪み抵抗素子に関して、Sya1,Sxb1,Syb1,Sxa1では圧縮による歪みが発生して抵抗値が減少し、Sya3,Sxb3,Syb3,Sxa3では引っ張りによる歪みが発生して抵抗値が増加する。
【００３９】
上記のごとく６軸力センサ素子としてのセンサチップ１１は、他軸干渉が抑制され、ノイズに強く、かつ検出特性の再現性に優れている。他面において、上記の６つの出力信号の各々は作用部２１に印加される外力に応じて歪みが大きくなると、当該歪みに比例して大きくなり、それ或る限界値に至ると素子は破壊される。従ってセンサチップ１１の作用部２１に直接に外力が印加する場合には、相対的に小さい外力でセンサチップ１１が破壊されることになる。そこで、以上の検出特性を有するセンサチップ１１に対して、図１に示した前述の緩衝構造を有した筐体が付設される。センサチップ１１と筐体から成る６軸力センサの強度が高められ、６軸力センサの検出可能な外力の範囲が拡大される。
【００４０】
次に、図１１〜図１３を参照して、本発明に係る６軸力センサの第１実施形態を説明する。この実施形態によって具体的構成が示される。図１１〜図１３において図１で説明した要素と実質的に同じ要素には同一の符号を付している。
【００４１】
センサチップ１１は、台座部１２の上に、その支持部２２が固定されることにより取り付けられている。センサチップ１１は台座部１２の中央位置で所望の高さに配置されている。台座部１２には、その四隅に４本の支持ロッド３１が立てられ、４本の支持ロッド３１に支持されて正方形リング形状の板状フレーム部材３２が取り付けられる。各支持ロッド３１は正方形リング形状の板状フレーム部材３２の４つの角部に固定される。板状フレーム部材３２は例えばアルミニウム板材で形成されている。正方形リング形状の板状フレーム部材３２の各辺に相当する部分の中間位置に中間支持ロッド３３が立てられている。４本の中間支持ロッド３３によって外力印加板３４が支持される。外力印加板３４は例えばアルミニムで形成された板材である。外力印加板３４の中央位置とセンサチップ１１の作用部２１とが連結ロッド１７で連結されている。外力印加板３４に加わった外力は、連結ロッド１７を介してセンサチップ１１の作用部２１に間接的に伝達される。また外力印加板３４は、４本の支持ロッド３１と板状フレーム部材３２と４本の中間支持ロッド３３で形成される緩衝機構で支持されている。この緩衝機構によって連結ロッド１７を介してセンサチップ１１に伝達される外力が減衰される。
【００４２】
図１２は、センサチップ１１と外力印加板３４と緩衝機構の関係を下方から見た図である。図１２では見やすくするため台座部の図示を省略している。図１３は、センサチップ１１と緩衝機構の関係を上方から見た図である。図１３では外力印加板３４の図示を省略している。緩衝機構の支持ロッド３１や中間支持ロッド３３は円柱状の部材である。また連結ロッド１７も円柱状の部材であり、接着材によってセンサチップ１１の作用部２１と結合されている。なおセンサチップ１１との間の電気的分離を行うために、台座部１２との間には絶縁部材が介設される。
【００４３】
上記の構成を有する６軸力センサによれば、緩衝機構を梁構造で作ったため、Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙの検出感度を高くすることができる。
【００４４】
図１１に示した緩衝機構を備えた６軸力センサについて、前述したセンサチップ１１の場合の手法と同様な手法で、６つの軸成分に対する出力信号Ｓig１〜Ｓig６の関係を求めたところ、次式のごとくなった。
【００４５】
【数３】

【００４６】
センサチップ１１に対して図１１に示す筐体（緩衝機構）を付設することによって、外力を減衰させ、センサチップ１１に生じる歪み量を減少させることができる。従って、センサチップ単体の場合に比較して係数が大きくなっている。数３に関して行列要素としてとらえたとき、センサチップ単体における行列と同じように、対角要素が大きく、非対角要素が対角要素より大幅に小さいかあるいはゼロであること、他軸干渉を抑制する効果が維持されている。さらに対角要素に着目すると、ＦｘとＦｙについては係数が１０倍強に増加しており、検出可能な外力がほぼ１０倍程度に増加している。さらにＭｘ，Ｍｙについては係数が１００倍強になっているので、検出可能な外力の範囲もほぼ１００倍程度に増加している。なお緩衝機構の構造を最適化することにより、係数の大きさを制御できるので、所望の６軸力センサの特性（例えばＦｚに対する耐荷重を高める等）を実現することができる。
【００４７】
図１４は、第１実施形態に係る６軸力センサの測定特性例（ａ）とセンサチップ単独の測定特性例（ｂ）の比較を示す。図１４で、各グラフの座標系の横軸は印加荷重Ｆｚ［Ｎ］を示し、縦軸は抵抗変化率を示す。図１４で明らかなように本実施形態に係る６軸力センサはセンサチップ単独の場合に比較して定格荷重が約１０倍に増大している。従って６軸力センサとしての測定範囲が約１０倍に高められ、耐荷重の性能が向上している。
【００４８】
次に図１５を参照して本発明に係る６軸力センサの第２実施形態を説明する。図１５において前述の第１実施形態で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付している。この実施形態による６軸力センサでは干渉機構として４つのコイルバネ４１が用いられている。平面形状が正方形である外力印加板３４には下面の四隅にロッド４２が取り付けられ、これらのロッド４２と台座部１２の四隅に取り付けたロッド３１との間にコイルバネ４１が固定されている。ロッド３１，４２とコイルバネ４１で緩衝機構部の機能を有する支柱が形成されている。その他の構成は第１実施形態と同じである。本実施形態による６軸力センサでも第１実施形態と同様な作用・効果が発揮される。
【００４９】
次に図１６を参照して本発明に係る６軸力センサの第３実施形態を説明する。図１６において前述の第１実施形態で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付している。この実施形態による６軸力センサでは、円板状の外力印加部５１がセンサチップ１１の上方に配置され、この外力印加部５１を、４箇所で、連結された垂直と水平の２本の棒状部材５２，５３で支持する構造を有する。４箇所の棒状部材ユニットによって緩衝機構部が形成される。この構成によれば、外力印加部５１が配置された同じ平面に水平の棒状部材５３による梁が形成されるという特徴を有する。その他の構成は第１実施形態の場合と同じである。本実施形態による６軸力センサでも第１実施形態と同様な作用・効果が発揮される。
【００５０】
次に図１７を参照して本発明に係る６軸力センサの第４実施形態を説明する。図１７において前述の第１実施形態で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付している。この実施形態による６軸力センサでは、円板状の外力印加部５１がセンサチップ１１の上方に配置される。さらに平面形状が正方形の台座部１２の四隅に柱６１が設けられ、４本の柱６１の間に支持フレーム６２を掛け渡し、４つの支持フレーム６２と外力印加部５１の間に４本の支持フレーム６３を設けて外力印加部５１を支持するようにしている。支持フレーム６２，６３によって梁が形成され、緩衝機構部が形成されている。その他の構成は第１実施形態と同じである。この構成によれば、外力印加部５１が配置された同じ平面に水平の支持フレーム６２，６３による梁が形成されるという特徴を有する。本実施形態による６軸力センサでも第１実施形態と同様な作用・効果が発揮される。
【００５１】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、次のような効果を奏する。
【００５２】
請求項１に係る本発明によれば、半導体基板を利用して作られたセンサチップに対して外力印加部と台座部と外力緩衝機構と外力伝達機構から成る構造体を付設して外力が減衰されてセンサチップに加わるように構成したため、６軸力センサにおいて他軸干渉の問題を抑制しながら、耐荷重性能を高め、ダイナミックレンジを高め、測定可能な外力の範囲を拡大し、実用性を高めることができる。さらに６軸力センサ用の緩衝機構として構造簡素なものが実現され、かつ当該構造を最適化することで耐荷重性を調整することができる。さらに外乱ノイズに強く、検出性能の再現性が高く、性能にバラツキを生じることなく製作することができ、様々な力範囲に対して最適な６軸力センサを製作することができる。
【００５３】
請求項２に係る本発明によれば、６軸力センサチップは、４本の連結部と所定の配置パターンの複数の歪み抵抗素子とを備えるため、前述の他軸干渉を可能な限り抑制できる検出性能を有する。
【００５４】
請求項３に係る本発明によれば、６軸力センサチップと台座部の間に絶縁部材を介設するようにしたため、緩衝機構を備えた構造体からセンサチップへ電気的ノイズが与えられるのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る６軸力センサを概念的に示した側面図である。
【図２】本実施形態に係るセンサチップの斜視図である。
【図３】本実施形態に係るセンサチップの平面図である。
【図４】出力信号Ｓig１〜Ｓig６と軸力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚとを関係付ける行列を示す図である。
【図５】センサチップの作用部に−ＦｙがＹ軸に沿って印加されたときの変形状態を示す図である。
【図６】センサチップの作用部にＦｘがＸ軸に沿って印加されたときの変形状態を示す図である。
【図７】センサチップの作用部に−ＦｚがＺ軸に沿って印加されたときの変形状態を示す図である。
【図８】センサチップの作用部にＭｙがＹ軸の周りに印加されたときの変形状態を示す図である。
【図９】センサチップの作用部にＭｘがＸ軸の周りに印加されたときの変形状態を示す図である。
【図１０】センサチップの作用部にＭｚがＺ軸の周りに印加されたときの変形状態を示す図である。
【図１１】本発明に係る６軸力センサの第１実施形態を示す斜視図である。
【図１２】第１実施形態に係る６軸力センサの板状フレーム部材とセンサチップと外力印加部の位置関係を示す下方斜視図である。
【図１３】第１実施形態に係る６軸力センサの板状フレーム部材とセンサチップの位置関係を示す上方斜視図である。
【図１４】第１実施形態に係る６軸力センサの測定特性例（Ａ）とセンサチップ単独の測定特性例（Ｂ）の比較を示すグラフである。
【図１５】本発明に係る６軸力センサの第２実施形態を示す斜視図である。
【図１６】本発明に係る６軸力センサの第３実施形態を示す斜視図である。
【図１７】本発明に係る６軸力センサの第４実施形態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１１センサチップ
１２台座部
１３，１６絶縁部材
１４緩衝支柱
１５外力印加部
１７連結ロッド
２１作用部
２２支持部
２３Ａ〜２４Ｄ連結部
３１支持ロッド
３２板状フレーム部材
３３中間支持ロッド
３４外力印加板

Claims

半導体基板で形成され、外力を受ける作用部とこの作用部を支持する支持部と前記作用部および前記支持部を連結する連結部とを少なくとも有し、前記連結部は橋梁部と弾性部を備える６軸力センサチップと、
前記６軸力センサチップの周囲に配置され、前記外力が加わる外力印加部と、前記６軸力センサチップを支持する台座部と、前記外力印加部を前記台座部に固定する外力緩衝機構と、外力伝達機構とから成る構造体を備え、
前記外力緩衝機構は梁構造で形成され、前記外力伝達機構により前記外力印加部と前記作用部が結合されていることを特徴とする６軸力センサ。
前記６軸力センサチップは、前記作用部と前記支持部を連結する４本の連結部と、変形が起きる部分に半導体製造プロセスで作られた複数の歪み抵抗素子とを備えることを特徴とする請求項１記載の６軸力センサ。
前記６軸力センサチップと前記台座部の間には絶縁部材が設けられることを特徴とする請求項１または２記載の６軸力センサ。
前記構造体の前記外力印加部と前記台座部との間で、前記外力緩衝機構は、前記外力伝達機構と平行なまたは直交する位置関係に前記梁構造を備えることを特徴とする請求項１記載の６軸力センサ。
前記外力緩衝機構は、前記外力印加部と前記台座部の間に取り付けられる複数の緩衝支柱で構成されることを特徴とする請求項４記載の６軸力センサ。
前記構造体は、前記外力印加部と前記台座部との間に配置された板状フレーム部材を有し、前記外力緩衝機構は、前記外力印加部と前記板状フレーム部材の間に取り付けられた複数の中間支持ロッドと、前記板状フレーム部材と前記台座部の間に取り付けられた複数の支持ロッドとによって構成されることを特徴とする請求項４記載の６軸力センサ。
前記外力緩衝機構は、前記外力印加部と前記台座部の間に取り付けられた複数の緩衝支柱用コイルバネで構成されることを特徴とする請求項４記載の６軸力センサ。
前記外力印加部は中央部に位置する円板状外力印加部であり、この円板状外力印加部は複数の棒状の梁部材のそれぞれで前記複数の緩衝支柱と連結されていることを特徴とする請求項５記載の６軸力センサ。
前記台座部上の四隅に柱を設け、これらの柱の間に支持フレームを設け、前記外力印加部は中央部に位置する円板状外力印加部であり、この円板状外力印加部は同じ平面上で前記支持フレームに連結され、前記外力緩衝機構は前記支持フレームによって構成されることを特徴とする請求項４記載の６軸力センサ。