JP2014115267A - 力学量センサ及び力学量センサシステム - Google Patents

Abstract

【課題】精度よく力学量を検出することが可能な力学量センサ及び力学量センサシステムを提供する。
【解決手段】力センサ１００は、Ｚ方向及びＸ方向の力を受ける受力部４０と、受力部４０が受けるＺ方向の力に応じて、第１回転方向へ回動し、受力部４０が受けるＸ方向の力学量に応じて、第１回転方向へ回動するシーソー部３０Ａと、受力部４０が受けるＺ方向の力学量に応じて、第２回転方向へ回動し、受力部４０が受けるＸの力学量に応じて、第２回転方向とは反対方向へ回動するシーソー部３０Ｃと、を備えるものである。
【選択図】図１Ｄ

Description

本発明は、力学量センサ及び力学量センサシステムに関し、特に、力学量に応じて可動する可動部を備える力学量センサ及び力学量センサシステムに関する。

従来から、力学量の一つである力を検出する力センサが、様々なシステムで利用されている。例えば、力センサを触覚センサとしてロボットなどの表面に用いることで、高度な処理が可能となる。ロボットの指先に適用すれば、物の形状を把握したり、物をつかんだりすることが可能となる。また、ロボットの身体表面全体に適用し、接触によって視聴覚だけでは把握しえない対象物や周囲の状況を把握することで、人と触れ合ったり、様々な障害物が複雑に配置された場所で自律的に移動したりすることが可能になる。そのためには、複数軸（多軸）の力やせん断力など接触面の状態を精度よく計測できることが重要である。

例えば、従来の力センサとして、特許文献１に記載のセンサが知られている。

特開２００４−６１２８０号公報

一般的に、半導体マイクロマシニング技術を用いて作製する従来の力センサは、物理量に応じて可動する可動電極（可動部）により、物理量の変化を静電容量の変化として捉えるものが多い。図２５に、このような従来の静電容量式力センサの検出方式の比較を示す。

方式１は、単純に可動電極と固定電極間の容量変化を検出する方式であり、方式２は、参照電極の容量を基準容量とし、可動電極の容量から基準容量を差し引く方式であり、方式３は、可動電極の両側の容量の差を求める方式（差動検知方式）である。前者になるにしたがって構造が簡便であるが、オフセットの影響を受けやいため良好な温度特性を確保しにくいことや、出力の直線性（線形性）が保たれにくいため、検出精度が低いという問題がある。

すなわち、図２５に示すように、方式１のように差動なしの方式では、オフセット容量が大きく、出力の直線性が悪いため、検出精度が最も低い。方式２のように参照電極を用いる方式では、オフセット容量が小さく、出力の直線性が方式１よりも良いため、方式１よりも検出精度が高い。方式３のように差動検知方式では、オフセット容量が小さいことや、方式２に比べ差動を行う電極同士が対称構造となるため良好な温度特性を確保できることや、出力の直線性が方式２よりも良いため、最も検出精度が高い。なお、方式１及び方式２では、電極となる導体層が２層必要であるのに対し、方式３では、導体層が一般的に３層必要である。

特許文献１に記載の従来のセンサでは、３軸方向の力（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ）を検出することが可能であるが、Ｚ方向（垂直方向）の力Ｆｚに関して、差動検知のような高精度な検出ができないため、Ｚ軸の検出精度が低いという問題がある。

したがって、従来の力学量センサでは、精度よく力学量を検出することが困難であるという問題がある。

本発明に係る力学量センサは、受力部と、前記受力部が受ける第１方向の力学量に応じて、第１回転軸まわりに第１回転方向へ回動し、前記受力部が受ける前記第１方向とは異なる第２方向の力学量に応じて、前記第１回転軸まわりに前記第１回転方向へ回動する第１可動部と、前記受力部が受ける前記第１方向の力学量に応じて、第２回転軸まわりに第２回転方向へ回動し、前記受力部が受ける前記第２方向の力学量に応じて、前記第２回転軸まわりに前記第２回転方向とは反対方向へ回動する第２可動部と、を備え、少なくとも前記第１方向の力学量及び前記第２方向の力学量を検出可能なものである。

本発明によれば、精度よく力学量を検出することが可能な力学量センサ及び力学量センサシステムを提供することができる。

実施の形態１に係る力センサの概略的な上面図である。 実施の形態１に係る力センサの概略的な下面透視図である。 実施の形態１に係る力センサの概略的な下面透視図及びその拡大図である。 実施の形態１に係る力センサの概略的な側面断面図である。 実施の形態１に係る力センサの動作原理を説明するための説明図である。 実施の形態１に係る力センサのシーソー部及び回転軸の配置位置を模式的に示す斜視図である。 実施の形態１に係る力センサのＺ軸方向の力印加状態を模式的に示す斜視図である。 実施の形態１に係る力センサのＺ軸方向の力印加状態を模式的に示す側面断面図である。 実施の形態１に係る力センサのＺ軸方向の力印加状態を模式的に示す側面断面図である。 実施の形態１に係る力センサのＸ軸またはＹ軸方向の力印加状態を模式的に示す斜視図である。 実施の形態１に係る力センサのＸ軸方向の力印加状態を模式的に示す側面断面図である。 実施の形態１に係る力センサのＹ軸方向の力印加状態を模式的に示す側面断面図である。 実施の形態２に係る力センサの概略的な上面図である。 実施の形態２に係る力センサの概略的な側面断面図である。 実施の形態２に係る力センサのＺ軸方向の力印加状態を模式的に示す側面断面図である。 実施の形態３に係る力センサの概略的な上面図である。 実施の形態３に係る力センサの概略的な側面断面図である。 実施の形態４に係る力センサの概略的な上面図である。 実施の形態４に係る力センサの概略的な側面断面図である。 実施の形態５に係る力センサの概略的な側面断面図である。 実施の形態５に係る力センサの概略的な側面断面図である。 実施の形態６に係る力センサの概略的な下面透視図である。 実施の形態６に係る力センサの概略的な側面断面図である。 実施の形態７に係る力センサの概略的な下面透視図である。 実施の形態７に係る力センサの概略的な下面透視図及びその拡大図である。 実施の形態７に係る力センサの概略的な側面断面図である。 実施の形態７に係る力センサの概略的な側面断面図である。 実施の形態７に係る力センサのＸ軸方向の力印加状態を模式的に示す側面断面図である。 実施の形態８に係る力センサの概略的な上面図である。 実施の形態８に係る力センサの概略的な側面断面図である。 実施の形態８に係る力センサの概略的な上面図である。 実施の形態９に係る力センサの概略的な上面図である。 実施の形態９に係る力センサの概略的な側面断面図である。 実施の形態９に係る力センサの概略的な側面断面図である。 実施の形態１０に係る力センサの概略的な上面図である。 実施の形態１０に係る力センサの概略的な側面断面図である。 実施の形態１１に係る加速度センサの概略的な上面図である。 実施の形態１１に係る加速度センサの概略的な側面断面図である。 実施の形態１１に係る加速度センサの概略的な上面図である。 実施の形態１１に係る加速度センサの概略的な側面断面図である。 実施の形態１２に係る検出回路の回路構成を示す回路図である。 実施の形態１２に係る力センサと検出回路の接続関係を示す側面断面図である。 実施の形態１２に係る力センサと検出回路の接続関係を示す側面断面図である。 実施の形態１２に係る検出回路の回路構成を示す回路図である。 実施の形態１２に係る力センサと検出回路の接続関係を示す側面断面図である。 実施の形態１２に係る力センサと検出回路の接続関係を示す側面断面図である。 従来の力センサの検出方式を比較する比較表である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以降説明する各実施の形態は、個々に独立したものではなく、適宜、組み合わせることが可能であり、かつ、その組み合わせの効果も主張可能なものとする。同一の要素には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

（実施の形態１）
以下、図面を参照して実施の形態１について説明する。本実施の形態は、多軸力学量センサとして、力学量の一つである力を３軸で検出する力センサの例である。３軸の力センサは、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の力を検出可能である。図１Ａは、本実施の形態に係る力センサ１００の上面図である。図１Ｂは、力センサ１００の封止基板を省略した下面透視図である。図１Ｃは、力センサ１００の封止基板及び固定電極を省略した下面透視図である。図１Ｄは、図１Ａにおける力センサ１００のＡ−Ｂ側面断面図である。

図１Ａ〜１Ｄに示すように、本実施の形態に係る力センサ１００は、可動支持部１０と封止部２０とを備え、可動支持部１０と封止部２０とが接合部２２により封止接合されている。可動支持部１０及び封止部２０は、上面視で略正方形状であり、略同じサイズである。

可動支持部１０は、主に、シーソー部（可動部）３０Ａ〜３０Ｄ（いずれかをシーソー部３０とも称する）、受力部４０、ダイアフラム６０、突起６１を備えている。封止部２０は、主に、封止基板２１、固定電極対（対向電極対）５０Ａ〜５０Ｄ（いずれかを固定電極対５０とも称する）を備えている。

なお、力センサの面方向が水平方向、Ｘ方向（Ｘ軸方向）もしくはＹ方向（Ｙ軸方向）であり、力センサの厚さ方向が垂直方向、もしくはＺ方向（Ｚ軸方向）である。Ｚ方向正側の面を上面、Ｚ方向負側の面を下面と称する場合があり、力を印加する側の面を力印加面、力印加面と対向する反対側の面を非力印加面と称する場合がある。本実施の形態では、上面が力印加面であり、下面が非力印加面である。また、可動支持部１０及び封止部２０の各基板（各層）において、可動電極もしくは固定電極が形成される側の面を主面（表面）、主面と対向する反対側の面を背面（裏面）とも称する。可動支持部１０及び封止部２０において、上面視または下面視で中央側を内側、外周端側を外側と称する。

可動支持部１０は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板で構成されている。ＳＯＩ基板は、３層構造の基板であり、上面側（力印加側）から順に、第１のシリコン層１１、ＳｉＯ_２の絶縁膜１２、第２のシリコン層１３が積層形成されている。

第１のシリコン層１１は、シーソー部３０を支持する支持基板でもある。また第１のシリコン層１１は、導電性を有するシリコン層である。

第１のシリコン層１１の背面中央部にダイアフラム６０が形成されており、さらにダイアフラム６０の内側の中央部に突起６１が形成されている。ダイアフラム６０及び突起６１は、第１のシリコン層１１の外形と同様に、上面視で略正方形状である。

ダイアフラム６０は、第１のシリコン層１１の周辺部１１ａよりも膜厚の薄い薄肉部であり、可撓性を有し、突起６１への力の印加に応じて弾性変形する。第１のシリコン層１１は所定の膜厚であり、突起６１部分を除く中央部を背面側からエッチングにより膜厚を薄くすることで、ダイアフラム６０が形成されている。

突起６１は、ダイアフラム６０よりも厚く、例えば、第１のシリコン層１１の周辺部１１ａと同じ厚さである。ダイアフラム６０よりも厚く突出しているため、力を受けやすくすることができ、力の印加点を特定できることから、力の検出精度が向上する。

第１のシリコン層１１の主面側（下面側）の第２のシリコン層１３では、中央部に受力部４０が形成され、受力部４０の周囲に４つのシーソー部３０Ａ〜３０Ｄが形成されている。受力部４０が、シーソー部３０Ａ〜３０Ｄに囲まれているとも言える。受力部４０のＸ方向両側にシーソー部３０Ａ及び３０Ｃが配置され、受力部４０のＹ方向両側にシーソー部３０Ｂ及び３０Ｄが配置されている。受力部４０とシーソー部３０Ａ〜３０Ｄは、それぞれヒンジビーム３３Ａ〜３３Ｄ（いずれかをヒンジビーム３３とも称する）により連結されている。

第２のシリコン層１３は所定の膜厚であり、主面側からエッチングすることにより、受力部４０、シーソー部３０Ａ〜３０Ｄ、ヒンジビーム３３Ａ〜３３Ｄ等が形成されている。このため、第２のシリコン層１３の受力部４０、シーソー部３０Ａ〜３０Ｄ、ヒンジビーム３３Ａ〜３３Ｄ等は、略同じ厚さである。第２のシリコン層１３は、第１のシリコン層１１と同様に、導電性を有するシリコン層であり、受力部４０、シーソー部３０Ａ〜３０Ｄ、ヒンジビーム３３Ａ〜３３Ｄ等の全体が導通し、電気的に接続されている。

受力部４０は、受力板４１及びストッパー４２を有している。受力板４１は、受力部４０の中央に略正方形状に形成されている。受力板４１（受力部４０）は、突起６１に対応する位置に形成されている。突起６１が受力板４１（受力部４０）に対応する位置に形成されているとも言える。突起６１上（主面側の上）に絶縁膜１２を介して受力板４１（受力部４０）が形成されており、受力板４１は絶縁膜１２を介して突起６１（第１のシリコン層１１）に固定支持されている。すなわち、突起６１に力が印加されると、印加された力が絶縁膜１２を介して受力板４１に伝達される。

ストッパー４２は、受力板４１の周囲の角部（四隅）のそれぞれに、受力板４１を拡張するように、略Ｌ字型に形成されている。ストッパー４２は、受力部４０の位置が傾いて変位した場合に、封止部２０側に接触する接触部である。ストッパー４２には、エッチングホール４３が形成されている。エッチングホール４３は、ストッパー４２を貫通する貫通孔であり、開口部が略正方形状である。エッチングホール４３は、ストッパー４２の形状に合わせて絶縁膜１２を犠牲層エッチング可能なように配置されている。主面側からエッチングホール４３を介して絶縁膜１２をエッチングすることにより、ストッパー４２の下の絶縁膜１２を除去する。これにより、ストッパー４２を第１のシリコン層１１から離間し、受力板４１に支持された構造となる。

受力板４１の各辺（端部）の中央部には、ストッパー４２は形成されておらず、各辺の中央部にヒンジビーム３３Ａ〜３３Ｄが結合されている。受力部４１の各辺（端部）に凹部が形成され、凹部の窪みにヒンジビーム３３Ａ〜３３Ｄが結合されているとも言える。

ヒンジビーム（連結部）３３Ａ〜３３Ｄは、断面が略四角形状であり、細長いビーム状に形成され、可撓性及び可捻性（可捩性）を有する結合支持部材である。ヒンジビーム３３Ａ〜３３Ｄは、受力部４０の変位に応じて撓み、シーソー部３０Ａ〜３０Ｄを回転変位させる。

シーソー部３０Ａ〜３０Ｄは、受力部４０の各辺（端部）と対向する位置に、それぞれ配置されている。シーソー部３０Ａ〜３０Ｄは、同じ構造であり、受力部４０を中心に対称構造の形状及び配置となっている。シーソー部３０Ａ〜３０Ｄは、可動電極３１Ａ〜３１Ｄ（いずれかを可動電極３１とも称する）を有し、可動電極３１Ａ〜３１Ｄが、トーションビーム３２Ａ〜３２Ｄ（いずれかをトーションビーム３２とも称する）に支持されている。シーソー部３０Ａ〜３０Ｄが、可動電極３１Ａ〜３１Ｄとトーションビーム３２Ａ〜３２Ｄを有しているとも言える。

可動電極３１Ａ〜３１Ｄは、上面視で四角形状であり、四角形の対向する２辺（端部）の中央に凹部を有している。可動電極３１Ａ〜３１Ｄは、略Ｈ字型に形成されているとも言える。可動電極３１Ａ〜３１Ｄの凹部の窪みにヒンジビーム３３Ａ〜３３Ｄが結合されている。可動電極３１Ａ〜３１Ｄは、凹部の無い２辺（端部）の中央で、トーションビーム３２Ａ〜３２Ｄにより固定部１５に結合支持されている。トーションビーム３２Ａ〜３２Ｄの形成箇所が、可動電極３１Ａ〜３１Ｄ（シーソー部３０Ａ〜３０Ｄ）が回転可動する回転軸３５Ａ〜３５Ｄ（いずれかを回転軸３５とも称する）となる。

可動電極３１Ａ〜３１Ｄには、エッチングホール３４が形成されている。エッチングホール３４は、受力部４０のエッチングホール４３と同様に形成される。すなわち、エッチングホール３４は、可動電極３１Ａ〜３１Ｄを貫通する貫通孔であり、開口部が略正方形状である。エッチングホール３４は、可動電極３１Ａ〜３１Ｄの形状に合わせて絶縁膜１２を犠牲層エッチング可能なように配置されている。主面側からエッチングホール３４を介して絶縁膜１２をエッチングすることにより、可動電極３１Ａ〜３１Ｄの下の絶縁膜１２を除去する。これにより、可動電極３１Ａ〜３１Ｄは、第１のシリコン層１１から離間し、トーションビーム３２Ａ〜３２Ｄにより固定部１５に支持された構造となる。

トーションビーム３２Ａ〜３２Ｄは、断面が略四角形状であり、細長いビーム状に形成され、可捻性（可捩性）を有する結合支持部材である。トーションビーム３２Ａ〜３２Ｄは、シーソー部３０Ａ〜３０Ｄを回転軸３５Ａ〜３５Ｄまわりに捻れるように支持している。すなわち、シーソー部３０Ａ〜３０Ｄは、回転軸３５Ａ〜３５Ｄを中心に回動可能となるように、トーションビーム３２Ａ〜３２Ｄを介して固定部１５に支持されている。

トーションビーム３２は、幅が細く、長さが短く、厚さが厚い形状であることが好ましい。すなわち、回動可能となるように細く、Ｚ方向に変位不可能となるように短く厚い。これにより、並進剛性を高く、回転剛性を低くできるため、シーソー部３０の並進変位を抑えることができ、シーソー部３０の回転による容量変化のみ検出できる。力センサ１００の検出原理については後述する。

また、ヒンジビーム３３の回転剛性は、トーションビームの回転剛性以下であることが好ましい。本実施の形態のように３軸にシーソー部３０を配置しても、シーソー部３０が回転しやすく、他軸に影響を及ぼしにくいので、力を精度良く検出することができる。

なお、弾性変位するダイアフラム６０、トーションビーム３２、ヒンジビーム３３のＺ方向のバネ剛性の関係は、トーションビーム３２及びヒンジビーム３３よりも、ダイアフラム６０の方が高い（ダイアフラム６０のＺ剛性＞＞トーションビーム３２及びヒンジビーム３３のＺ剛性）ことが好ましい。これにより、センサ感度をダイアフラム６０の寸法で規定することができる。

固定部１５は、第２のシリコン層１３の周辺部１３ａに任意の形状で形成される。この例では、固定部１５は、外周部からシーソー部３０Ａ〜３０Ｄの近傍まで連続して形成されている。固定部１５は、第１のシリコン層１１の周辺部１１ａの上（主面側の上）に絶縁膜１２を介して形成されている。固定部１５は、絶縁膜１２を介して第１のシリコン層１１に固定支持されることで、シーソー部３０Ａ〜３０Ｄを支持している。

シーソー部３０Ａ〜３０Ｄ、ヒンジビーム３３Ａ〜３３Ｄ、受力部４０は、同じ厚さであり、周辺部１３ａは、これらの各部と同じ厚さでも良いが、各部よりもわずかに（数μm）厚いほうが好ましい。周辺部１３ａを厚くすることにより、封止部２０により封止した場合に、固定電極などとの間にギャップを形成し易い。

第２のシリコン層１３のうち、シーソー部３０Ａ〜３０Ｄの外側の周辺部１３ａには、貫通電極１４が形成されている。貫通電極１４は、第２のシリコン層１３及び絶縁膜１２を貫通し、第１のシリコン層１１と第２のシリコン層１３及び接合部２２とを電気的に接続する。

接合部２２は、力センサ１００の周辺部において、シーソー部３０及び受力部４０を囲むように、可動支持部１０の第２のシリコン層１３と封止部２０の封止基板２１とを封止接合している。接合部２２は、導電性を有する金属拡散接合部材であり、例えば、Ｃｕ−Ｓｎ（銅−錫）合金等である。

封止基板２１は、シーソー部３０Ａ〜３０Ｄ、受力部４０を含む可動支持部１０の全体を封止する基板である。封止基板２１は、例えば、シリコン基板、ＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramic：低温同時焼成セラミックス）基板、ＬＳＩ（Large Scale Integration）などである。例えば、封止基板２１中には上面側の電極電位を下面側に引き出すビア（不図示）が配置され、封止基板２１の背面（下面側）にはこのビアにつながった外部端子（不図示）が配置され、外部の検出回路等が接続される。また、必要に応じて、封止基板２１の内部には、検出回路等の回路や配線が設けられる。封止基板２１は、ＬＳＩで構成することが好ましい。これにより、センサ構造に近い部分に処理回路を配置できるため、ノイズの影響を受けにくい。

封止基板２１の主面上（上面側）に、固定電極対５０Ａ〜５０Ｄが形成されている。固定電極対５０Ａ〜５０Ｄは、それぞれ固定電極５１Ａ及び５２Ａ、５１Ｂ及び５２Ｂ、５１Ｃ及び５２Ｃ、５１Ｄ及び５２Ｄ（いずれかを固定電極５１及び５２とも称する）を含んでいる。固定電極５１Ａ〜５１Ｄ、５２Ａ〜５２Ｄは、金属など導電性を有する導電膜であり、封止基板２１上にパターニングされて形成されている。

固定電極５１Ａ〜５１Ｄ、５２Ａ〜５２Ｄは、それぞれシーソー部３０Ａ〜３０Ｄの可動電極３１Ａ〜３１Ｄに対応する位置に配置され、可動電極３１Ａ〜３１Ｄとともに容量素子を構成する。シーソー部３０Ａ〜３０Ｄの回転軸３５Ａ〜３５Ｄに対し、外側に固定電極５１Ａ〜５１Ｄが配置され、内側に固定電極５２Ａ〜５２Ｄが配置されている。例えば、封止基板２１中に配置されたビア（不図示）を介し外部の検出回路等で、あるいは封止基板２１中に構成されたＬＳＩで、これら容量素子の静電容量を検出することができる。

次に、本実施の形態に係る力センサ１００の動作原理について説明する。図２は、力センサ１００における、可動電極の変位動作と静電容量の関係を示している。

シーソー部３０の可動電極３１のうち、回転軸３５に対して一端側（外側）の可動電極部３１１と固定電極５１とが対向しており、可動電極部３１１と固定電極５１とによって第１の容量素子５１１が構成される。可動電極３１のうち、回転軸３５に対して他端側（内側）の可動電極部３１２と固定電極５２とが対向しており、可動電極部３１２と固定電極５２とによって第２の容量素子５２１が構成される。本実施の形態では、シーソー部３０の全体に連続する１つの可動電極３１の例について説明するが、可動電極部３１１と可動電極部３１２とで別々に分離された電極であってもよい。例えば、シーソー部３０は、回転軸３５を挟んで第１の可動電極（可動電極部３１１）と第２の可動電極（可動電極部３１２）とを有し、第１の可動電極と固定電極５１が第１の容量素子５１１を構成し、第２の可動電極と固定電極５２が第２の容量素子５２１を構成するものとしてもよい。

可動電極３１は、印加された力に応じて回転軸３５を中心にα方向またはβ方向へ回転変位する。突起６１に力が印加されると、受力部４０が作用し、ヒンジビーム３３を介してシーソー部３０の内側端部（図２の右側）に、Ｚ軸の正側または負側に力が加わる。これにより、可動電極３１が回転軸３５を中心にして回転する。

図２は、可動電極３１が、初期状態からα方向に回転した例である。この場合、可動電極３１の可動電極部３１１と固定電極５１とが離れるため、可動電極部３１１と固定電極５１間の第１の容量素子５１１の静電容量が減少する（Ｃ−ΔＣ）。また、可動電極３１の可動電極部３１２と固定電極５２とが近づくため、可動電極部３１２と固定電極５２間の第２の容量素子５２１の静電容量が増大する（Ｃ＋ΔＣ）。

この第１の容量素子５１１と第２の容量素子５２１の容量差（Ｃｓ＝（Ｃ＋ΔＣ）−（Ｃ−ΔＣ）＝２ΔＣ）を求めることにより、差動検知方式で力の検出を行う。図２５のように一般的な差動検知方式では、導体層が３層必要であったのに対し、図２の方式では、２層の導体層により差動検知方式を実現できる。さらに、本実施の形態では、複数のシーソー部３０を用いて、シーソー構造の変形モード（シーソー部の回転方向）の違いを利用し、差動検知方式により３軸方向の力を検出する。

図３は、力センサ１００における、シーソー部３０と回転軸３５の配置イメージを示している。図３は、可動支持部１０のみを主面側（下面側）から見た斜視図である。

シーソー部３０Ａでは、回転軸３５ＡがＹ方向に延びている。このため、シーソー部３０Ａは、回転軸３５Ａを中心に、Ｘ方向及びＺ方向の力に応じて、αＡ方向またはβＡ方向に回転する。シーソー部３０Ａの回転軸３５Ａより外側の容量を容量Ａ_１とし、回転軸３５Ａより内側の容量を容量Ａ_２とする。シーソー部３０Ａは、αＡ方向に回転すると、容量Ａ_１が減少しつつ容量Ａ_２が増加し、また、βＡ方向に回転すると、容量Ａ_１が増加しつつ容量Ａ_２が減少する。

シーソー部３０Ａは、Ｚ軸の負方向に力が印加されると、αＡ方向に回転し、Ｚ軸の正方向に力が印加されると、βＡ方向に回転する。シーソー部３０Ａは、Ｘ軸の正方向に力が印加されると、βＡ方向に回転し、Ｘ軸の負方向に力が印加されると、αＡ方向に回転する。シーソー部３０Ａは、Ｙ軸方向の力に対してはヒンジビーム３３ＡがＸ軸周りに捩れることで変位しない。

シーソー部３０Ｃでは、回転軸３５ＣがＹ方向に延びている。このため、シーソー部３０Ｃは、回転軸３５Ｃを中心に、Ｘ方向及びＺ方向の力に応じて、αＣ方向またはβＣ方向に回転する。シーソー部３０Ｃの回転軸３５Ｃより外側の容量を容量Ｃ_１とし、回転軸３５Ｃより内側の容量を容量Ｃ_２とする。シーソー部３０Ｃは、αＣ方向に回転すると、容量Ｃ_１が増加しつつ容量Ｃ_２が減少し、また、βＣ方向に回転すると、容量Ｃ_１が減少しつつ容量Ｃ_２が増加する。

シーソー部３０Ｃは、Ｚ軸の負方向に力が印加されると、βＣ方向に回転し、Ｚ軸の正方向に力が印加されると、αＣ方向に回転する。シーソー部３０Ｃは、Ｘ軸の正方向に力が印加されると、βＣ方向に回転し、Ｘ軸の負方向に力が印加されると、αＣ方向に回転する。シーソー部３０Ｃは、Ｙ軸方向の力に対してはヒンジビーム３３ＣがＸ軸周りに捩れることで変位しない。

シーソー部３０Ｂでは、回転軸３５ＢがＸ方向に延びている。このため、シーソー部３０Ｂは、回転軸３５Ｂを中心に、Ｙ方向及びＺ方向の力に応じて、αＢ方向またはβＢ方向に回転する。シーソー部３０Ｂの回転軸３５Ｂより外側の容量を容量Ｂ_１とし、回転軸３５Ｂより内側の容量を容量Ｂ_２とする。シーソー部３０Ｂは、αＢ方向に回転すると、容量Ｂ_１が減少しつつ容量Ｂ_２が増加し、また、βＢ方向に回転すると、容量Ｂ_１が増加しつつ容量Ｂ_２が減少する。

シーソー部３０Ｂは、Ｚ軸の負方向に力が印加されると、αＢ方向に回転し、Ｚ軸の正方向に力が印加されると、βＢ方向に回転する。シーソー部３０Ｂは、Ｙ軸の正方向に力が印加されると、βＢ方向に回転し、Ｙ軸の負方向に力が印加されると、αＢ方向に回転する。シーソー部３０Ｂは、Ｘ軸方向の力に対してはヒンジビーム３３ＢがＹ軸周りに捩れることで変位しない。

シーソー部３０Ｄでは、回転軸３５ＤがＸ方向に延びている。このため、シーソー部３０Ｄは、回転軸３５Ｄを中心に、Ｙ方向及びＺ方向の力に応じて、αＤ方向またはβＤ方向に回転する。シーソー部３０Ｄの回転軸３５Ｄより外側の容量を容量Ｄ_１とし、回転軸３５Ｄより内側の容量を容量Ｄ_２とする。シーソー部３０Ｄは、αＤ方向に回転すると、容量Ｄ_１が増加しつつ容量Ｄ_２が減少し、また、βＤ方向に回転すると、容量Ｄ_１が減少しつつ容量Ｄ_２が増加する。

シーソー部３０Ｄは、Ｚ軸の負方向に力が印加されると、βＤ方向に回転し、Ｚ軸の正方向に力が印加されると、αＤ方向に回転する。シーソー部３０Ｄは、Ｙ軸の正方向に力が印加されると、βＤ方向に回転し、Ｙ軸の負方向に力が印加されると、αＤ方向に回転する。シーソー部３０Ｄは、Ｘ軸方向の力に対してはヒンジビーム３３ＤがＹ軸周りに捩れることで変位しない。

次に、本実施の形態に係る力センサ１００の具体的な動作例について説明する。図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃは、Ｚ軸の負方向に力Ｆｚが印加された場合の力センサ１００の状態を示している。図４Ａは、可動支持部１０のみを主面側（下面側）から見た斜視図であり、図４Ｂは、Ｙ方向から見た側面断面図であり、図４Ｃは、Ｘ方向から見た側面断面図である。例えば、力センサ１００をロボットの皮膚に触覚センサとして配置した場合に、力Ｆｚを圧覚力として検出することができる。

図４Ａ〜図４Ｃに示すように、力ＦｚがＺ軸の負方向に印加されると、突起６１の上面に力Ｆｚが作用するため、突起６１及び受力部４０が、ダイアフラム６０とともに、Ｚ軸の負方向に沈み込むように変位する。受力部４０の変位にしたがい、全てのヒンジビーム３３Ａ〜３３Ｄが撓みつつ、Ｚ軸の負方向に変位する。

そうすると、図４Ｂに示すように、シーソー部３０Ａは、ヒンジビーム３３Ａに引っ張られるため、内側端部がＺ軸の負方向に変位し、回転軸３５Ａを中心にαＡ方向へ回転変位する。このため、シーソー部３０Ａの内側端部が固定電極５２Ａに近づくことにより、容量Ａ_２が増加し、シーソー部３０Ａの外側端部が固定電極５１Ａから離れることにより、容量Ａ_１が減少する。また、シーソー部３０Ｃは、ヒンジビーム３３Ｃに引っ張られるため、内側端部がＺ軸の負方向に変位し、回転軸３５Ｃを中心にβＣ方向に回転変位する。このため、シーソー部３０Ｃの内側端部が固定電極５２Ｃに近づくため、容量Ｃ_２が増加し、シーソー部３０Ｃの外側端部が固定電極５１Ｃから離れるため、容量Ｃ_１が減少する。

さらに、図４Ｃに示すように、シーソー部３０Ｂは、ヒンジビーム３３Ｂに引っ張られるため、シーソー部３０Ｂの内側端部がＺ軸の負方向に変位し、回転軸３５Ｂを中心にαＢ方向に回転変位する。このため、シーソー部３０Ｂの内側端部が固定電極５２Ｂに近づくことにより、容量Ｂ_２が増加し、シーソー部３０Ｂの外側端部が固定電極５１Ｂから離れることにより、容量Ｂ_１が減少する。また、シーソー部３０Ｄは、ヒンジビーム３３Ｄに引っ張られるため、シーソー部３０Ｄの内側端部がＺ軸の負方向に変位し、回転軸３５Ｄを中心にβＤ方向に回転変位する。このため、シーソー部３０Ｄの内側端部が固定電極５２Ｄに近づくことにより、容量Ｄ_２が増加し、シーソー部３０Ｄの外側端部が固定電極５１Ｄから離れることにより、容量Ｄ_１が減少する。

このように、Ｚ方向に力Ｆｚが印加された場合（Ｆｚモード）、シーソー部３０Ｃ（第１の可動部）は第１の方向（例えばβＣ）に回転し、シーソー部３０Ａ（第２の可動部）は第１の方向と反対の第２の方向（例えばαＡ）に回転する。また、シーソー部３０Ｄは第３の方向（例えばβＤ）に回転し、シーソー部３０Ｂは第３の方向と反対の第４の方向（例えばαＢ）に回転する。すなわち、Ｘ方向で対向するシーソー部３０Ａ及び３０Ｃと、Ｙ方向で対向するシーソー部３０Ｂ及び３０Ｄは、それぞれ互いに逆方向に回転し、逆方向に傾く逆相傾斜となる。このため、Ｚ方向に印加される力Ｆｚは、次の（式１）のように各シーソー部３０の差動の合計となる。

図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃは、Ｘ軸またはＹ軸の正方向に力Ｆｘまたは力Ｆｙが印加された場合の力センサ１００の状態を示している。図５Ａは、力Ｆｘまたは力Ｆｙ印加時の可動支持部１０のみを主面側（下面側）から見た斜視図であり、図５Ｂは、力Ｆｘ印加時のＹ方向から見た側面断面図であり、図５Ｃは、力Ｆｙ印加時のＸ方向から見た側面断面図である。例えば、力センサ１００をロボットの皮膚に触覚センサとして配置した場合に、力Ｆｘまたは力Ｆｙをせん断力として検出することができる。

図５Ａ及び図５Ｂに示すように、力ＦｘがＸ軸の正方向に印加されると、突起６１に突起６１の高さと力Ｆｘに応じたＹ軸回りのモーメントが作用するため、突起６１及び受力部４０が、ダイアフラム６０とともに、Ｙ方向から見て斜めに傾くように変位する。受力部４０のＸ軸の負側が、Ｚ軸の正側に浮き上がり、受力部４０のＸ軸の正側が、Ｚ軸の負側に沈み込む。受力部４０の変位にしたがい、Ｘ軸負側のヒンジビーム３３Ａは撓みつつ、Ｚ軸の正方向に変位し、Ｘ軸正側のヒンジビーム３３Ｃは撓みつつ、Ｚ軸の負方向に変位する。

そうすると、図５Ｂに示すように、シーソー部３０Ａは、ヒンジビーム３３Ａに引っ張られるため、内側端部がＺ軸の正方向に変位し、回転軸３５Ａを中心にβＡ方向に回転変位する。このため、シーソー部３０Ａの内側端部が固定電極５２Ａから離れることにより、容量Ａ_２が減少し、シーソー部３０Ａの外側端部が固定電極５１Ａに近づくことにより、容量Ａ_１が増加する。また、シーソー部３０Ｃは、ヒンジビーム３３Ｃに引っ張られるため、内側端部がＺ軸の負方向に変位し、回転軸３５Ｃを中心にβＣ方向に回転変位する。このため、シーソー部３０Ｃの内側端部が固定電極５２Ｃに近づくため、容量Ｃ_２が増加し、シーソー部３０Ｃの外側端部が固定電極５１Ｃから離れるため、容量Ｃ_１が減少する。

このとき、受力部４０は、Ｙ方向に伸びるヒンジビーム３３Ｂ及び３３Ｄを軸として回転変位する。ヒンジビーム３３Ｂ及び３３ＤはＹ軸回りに容易に捩れることができるため受力部４０の回転を阻害しない。また、ヒンジビーム３３Ｂ及び３３Ｄが捩れることでシーソー部３０Ｂ及び３０Ｄは変位しない。このようにＸ軸方向の力Ｆｘを効果的に検知できるとともに、Ｙ軸方向へのクロストークを抑えることができる。

このように、Ｘ方向に力Ｆｘが印加された場合（Ｆｘモード）、シーソー部３０Ｃ（第１の可動部）は第１の方向（例えばβＣ）に回転し、シーソー部３０Ａ（第２の可動部）は第１の方向と同じ方向、もしくは第２の方向（例えばαＡ）と反対の方向（例えばβＡ）に回転する。すなわち、Ｘ方向で対向するシーソー部３０Ａ及び３０Ｃは、同じ方向に回転し、同じ方向に傾く同相傾斜となる。また、シーソー部３０Ｂ及び３０Ｄは変位しない。このため、力Ｆｘは、次の（式２）のようにシーソー部３０Ａ及び３０Ｃにおける差動の減算となる。

図５Ａ及び図５Ｃに示すように、力ＦｙがＹ軸の正方向に印加されると、突起６１に突起６１の高さと力Ｆｙに応じたＸ軸回りのモーメントが作用するため、突起６１及び受力部４０が、ダイアフラム６０とともに、Ｘ方向から見て斜めに傾くように変位する。受力部４０のＹ軸の負側が、Ｚ軸の正側に浮き上がり、受力部４０のＹ軸の正側が、Ｚ軸の負側に沈み込む。受力部４０の変位にしたがい、Ｙ軸負側のヒンジビーム３３Ｂは撓みつつ、Ｚ軸の正方向に変位し、Ｙ軸正側のヒンジビーム３３Ｄは撓みつつ、Ｚ軸の負方向に変位する。

そうすると、図５Ｃに示すように、シーソー部３０Ｂは、ヒンジビーム３３Ｂに引っ張られるため、内側端部がＺ軸の正方向に変位し、回転軸３５Ｂを中心にβＢ方向に回転変位する。このため、シーソー部３０Ｂの内側端部が固定電極５２Ｂから離れることにより、容量Ｂ_２が減少し、シーソー部３０Ｂの外側端部が固定電極５１Ｂに近づくことにより、容量Ｂ_１が増加する。また、シーソー部３０Ｄは、ヒンジビーム３３Ｄに引っ張られるため、内側端部がＺ軸の負方向に変位し、回転軸３５Ｄを中心にβＤ方向に回転変位する。このため、シーソー部３０Ｄの内側端部が固定電極５２Ｄに近づくことにより、容量Ｄ_２が増加し、シーソー部３０Ｄの外側端部が固定電極５１Ｄから離れることにより、容量Ｄ_１が減少する。

このとき、受力部４０は、Ｘ方向に伸びるヒンジビーム３３Ａ及び３３Ｃを軸として回転変位する。ヒンジビーム３３Ａ及び３３ＣはＸ軸回りに容易に捩れることができるため受力部４０の回転を阻害しない。また、ヒンジビーム３３Ａ及び３３Ｃが捩れることでシーソー部３０Ａ及び３０Ｃは変位しない。このようにＹ軸方向の力Ｆｙを効果的に検知できるとともに、Ｘ軸方向へのクロストークを抑えることができる。

このように、Ｙ方向に力Ｆｙが印加された場合（Ｆｙモード）、シーソー部３０Ｄは第３の方向（例えばβＤ）に回転し、シーソー部３０Ｂは第３の方向と同じ方向、もしくは第４の方向（例えばαＢ）と反対の方向（例えばβＢ）に回転する。すなわち、Ｙ方向で対向するシーソー部３０Ｂ及び３０Ｄは、同じ方向に回転し、同じ方向に傾く同相傾斜となる。また、シーソー部３０Ａ及び３０Ｃは変位しない。このため、力Ｆｙは、次の（式３）のようにシーソー部３０Ｂ及び３０Ｄにおける差動の減算となる。

（式１）〜（式３）より、本実施の形態では、次の（式４）のようにマトリックス演算を行い、各方向の力を求める。マトリックス演算は、アナログ回路やデジタル回路を含むハードウェアまたはソフトウェア、もしくはその両方によって実現可能である。例えば、マトリックス演算を行う演算回路を、封止基板２１に内蔵してもよいし、外部のマイクロコンピュータ等で実現してもよい。

（式４）のように、各容量の差動（容量差）に対し、変換マトリックスを乗算することで、各方向の力を得る。（式４）において、力Ｆｘ及び力Ｆｙの演算については、各差動の係数を２とし、力Ｆｚの演算については、各差動の係数を１としている。これは、力Ｆｚの場合、全ての方向のシーソー部が可動して全ての容量の差動値が変化するのに対し、力Ｆｘ及び力Ｆｙの場合、Ｘ方向またはＹ方向の２つのシーソー部のみが可動して２つの差動値のみが変化することから、力Ｆｚの検出感度が、力Ｆｘ及び力Ｆｙの検出感度の２倍となるためである。検出する力の方向の感度に応じて、変換マトリックスの係数を設定することで、精度よく力を検出することができる。

以上の構成における本実施の形態の効果について説明する。従来技術では、３軸の力検知が可能である構造が開発されているが、出力値の直線性やオフセットなどで精度に課題がある。また、可動部を持つＭＥＭＳセンサでは、センサの使用時に可動部を外気から保護するための封止構造が必須であるが、封止が困難な構造であった場合に、ロボットへ装着し稼動させたときに異物が可動体や感応部の電極に入ってしまい誤作動の原因となる問題が発生する。

例えば、特許文献１では、３軸（Ｆｘ,Ｆｙ,Ｆｚ）の力を検出可能であるが、Ｚ方向の力Ｆｚに関して差動検知ができないためＺ軸の精度に影響が出る。また、特許文献１では、両側貫通した構造のため、実装時に封止が困難な構造となっている。したがって、直接、物体と接触する力センサに用いたときに、異物が可動体に入る可能性を有している。

そこで、本実施の形態では、可動電極をシーソー構造のシーソー部とし、このシーソー部をＸ方向とＹ方向のそれぞれに２個配置し、シーソー部に対向する位置に固定電極を配置した。さらに、各シーソー部の差動容量をマトリックス演算し、３軸方向の力に分解することとした。これにより、静電容量方式を用いて、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向の３軸の力を検出でき、全軸で差動検知することができるため、３軸の全てにおいて精度良く力を検出することができる。

また、シーソー構造とするため、ダイアフラムを利用することにより、力センサを封止構造とすることが可能となる。さらに、櫛歯のような微細構造が不要であるため、壊れにくい構造となっている。さらに、受力部を備えることにより、力が作用する箇所を特定でき、検出精度が向上する。

（実施の形態２）
以下、図面を参照して実施の形態２について説明する。本実施の形態は、実施の形態１に対し、可動支持部のみで力センサを構成した例である。図６Ａは、本実施の形態に係る力センサ１００の上面図である。図６Ｂは、図６Ａにおける力センサ１００のＡ−Ｂ側面断面図である。

図６Ａ及び図６Ｂに示すように、本実施の形態に係る力センサ１００は、封止部を有さず、可動支持部１０のみを備えている。また、受力部及びシーソー部が配置される側（主面側）から力を印加するため、実施の形態１と比べて、力の印加方向（Ｚ方向の向き）が逆となっている。

可動支持部１０は、主に、シーソー部３０Ａ〜３０Ｄ、受力部４０、固定電極対５０Ａ〜５０Ｄを備えており、ダイアフラム及び突起は備えていない。実施の形態１と同様に、可動支持部１０は、第１のシリコン層１１、絶縁膜１２、第２のシリコン層１３を備えている。第２のシリコン層１３では、中央に受力部４０が形成され、受力部４０の周囲に４つのシーソー部３０Ａ〜３０Ｄが形成されている。受力部４０とシーソー部３０Ａ〜３０Ｄは、それぞれヒンジビーム３３Ａ〜３３Ｄにより連結されている。この例では、受力部４０は、ストッパー４２を有さず、受力板４１のみで構成されている。受力部４０は、第１のシリコン層１１に接合されていないため、ヒンジビーム３３Ａ〜３３Ｄによりシーソー部３０Ａ〜３０Ｄに支持された構造となる。

シーソー部３０Ａ〜３０Ｄの可動電極３１Ａ〜３１Ｄは、トーションビーム３２Ａ〜３２Ｄにより固定部１５に固定されている。本実施の形態では、固定部１５は、トーションビーム３２ごと（シーソー部ごと）に形成されている。固定部１５は、上面視で四角形状であり、第２のシリコン層１３をエッチングすることで形成されている。

また、本実施の形態では、第１のシリコン層１１の主面上に、固定電極対５０Ａ〜５０Ｄが形成されている。実施の形態１と同様に、固定電極対５０Ａ〜５０Ｄは、それぞれ固定電極５１Ａ及び５２Ａ、５１Ｂ及び５２Ｂ、５１Ｃ及び５２Ｃ、５１Ｄ及び５２Ｄを含み、それぞれシーソー部３０Ａ〜３０Ｄの可動電極３１Ａ〜３１Ｄに対応する位置に配置されている。固定電極５１Ａ〜５１Ｄ、５２Ａ〜５２Ｄは、例えば、上面視で略長方形状であり、インプラント等により形成されている。例えば、第２のシリコン層１３の周囲に外部接続端子を作製し、第１のシリコン層１１の厚み方向に固定電極５１及び固定電極５２に接続されたＴＳＶ（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｖｉａ）を作製し、外部の検出回路等に接続することで、可動電極３１と固定電極５１及び固定電極５２間の静電容量を検知することができる。

本実施の形態の動作原理は実施の形態１と同様である。例えば、Ｚ軸の負方向に力Ｆｚが印加された場合の状態、シーソー部３０Ａ及び３０Ｃは、図７のように動作する。力ＦｚがＺ軸の負方向に印加されると、印加された力に応じて受力部４０が、Ｚ軸の負方向に沈み込むように変位する。受力部４０の変位にしたがい、シーソー部３０Ａ〜３０Ｄの内側端部がＺ軸の負方向に変位し、シーソー部３０Ａ〜３０Ｄの外側端部がＺ軸の正方向に変位する。すなわち、Ｚ方向に力Ｆｚが印加された場合（Ｆｚモード）、シーソー部３０Ａ及び３０Ｃ、シーソー部３０Ｂ及び３０Ｄは、互いに逆方向に回転する。

また、Ｘ軸方向に力Ｆｘ、Ｙ軸方向に力Ｆｙが印加された場合も、実施の形態１と同様に、シーソー部３０Ａ及び３０Ｃ、または、シーソー部３０Ｂ及び３０Ｄが、同じ方向に回転する。したがって、本実施の形態においても、実施の形態１と同様の原理で、３軸の力を検出できる。

以上のように、本実施の形態では、封止部を有しない力センサにおいて、可動電極をシーソー構造のシーソー部とし、このシーソー部をＸ方向とＹ方向のそれぞれに２個配置し、シーソー部に対向する位置に固定電極対を配置した。また、４つのシーソー部と受力部がヒンジビームにより連結されている。これにより、実施の形態１と同様に、静電容量方式を用いて、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向の３軸の力を検出でき、全軸で差動検知することができるため、３軸の全てにおいて精度良く力を検出することができる。また、櫛歯のような微細構造が不要であるため、壊れにくい構造となっている。さらに、受力部により、力が作用する箇所を特定でき、検出精度が向上する。

また、受力部とシーソー部とを連結するヒンジビームは、しなり、捩れることのできるビーム構造となっており、トーションビームの回転軸に対し垂直に向かって伸びている。これにより、受力部の変位を正確にシーソー部に伝達できるとともに、力の印加による各部材の破壊を防ぐことができる。

また、受力部が、４つのシーソー部に囲まれて中心対称構造をとなっており、シーソー部が直交配置されている。これにより、力に応じて対称的な変形が可能であり、正確に力を検出することができる。

（実施の形態３）
以下、図面を参照して実施の形態３について説明する。本実施の形態は、実施の形態２に対し、３個のシーソー部で力センサを構成した例である。図８Ａは、本実施の形態に係る力センサ１００の上面図である。図８Ｂは、図８Ａにおける力センサ１００のＡ−Ｂ側面断面図である。

図８Ａ及び図８Ｂに示すように、本実施の形態に係る力センサ１００は、実施の形態２と同様に、可動支持部１０のみを備えている。可動支持部１０は、主に、シーソー部３０Ａ〜３０Ｃ、受力部４０、固定電極対５０Ａ〜５０Ｃを備えている。可動支持部１０は、第１のシリコン層１１、絶縁膜１２、第２のシリコン層１３を備えている。第２のシリコン層１３では、中央に受力部４０が形成され、受力部４０の周囲に３つのシーソー部３０Ａ〜３０Ｃが形成されている。受力部４０を中心に対称構造とするため、シーソー部３０Ａ〜３０Ｃは、受力部４０を中心として１２０°の間隔で配置されている。

受力部４０とシーソー部３０Ａ〜３０Ｃは、それぞれヒンジビーム３３Ａ〜３３Ｃにより連結されている。実施の形態２と同様に、受力部４０は、受力板４１のみで構成され、ヒンジビーム３３Ａ〜３３Ｃによりシーソー部３０Ａ〜３０Ｃに支持されている。受力部４０は、３つのシーソー部３０Ａ〜３０Ｃに均等に力を伝達するため、上面視で略三角形状に形成されており、三角形の各頂点部にヒンジビーム３３Ａ〜３３Ｃが結合されている。シーソー部３０Ａ〜３０Ｃの可動電極３１Ａ〜３１Ｃは、トーションビーム３２により固定部１５に固定されている。実施の形態２と同様に、固定部１５は、トーションビーム３２ごと（シーソー部ごと）に形成されている。

第１のシリコン層１１の主面上に、固定電極対５０Ａ〜５０Ｃが形成されている。固定電極対５０Ａ〜５０Ｃは、それぞれ固定電極５１Ａ及び５２Ａ、５１Ｂ及び５２Ｂ、５１Ｃ及び５２Ｃを含み、それぞれシーソー部３０Ａ〜３０Ｃの可動電極３１Ａ〜３１Ｃに対応する位置に配置されている。

本実施の形態の動作原理は実施の形態１及び２と同様である。例えば、力ＦｚがＺ軸の負方向に印加されると、受力部４０の変位に応じて、シーソー部３０Ａ〜３０Ｃの内側端部がＺ軸の負方向に変位し、シーソー部３０Ａ〜３０Ｃの外側端部がＺ軸の正方向に変位する。また、力ＦｘがＸ軸の正方向に印加されると、受力部４０の変位に応じて、シーソー部３０Ａの内側端部がＺ軸の正方向に変位し、シーソー部３０Ｃの内側端部がＺ軸の負方向に変位し、シーソー部３０Ｂは変位しない。また、力ＦｙがＹ軸の正方向に印加されると、受力部４０の変位に応じて、シーソー部３０Ａ及び３０Ｃの内側端部がＺ軸の正方向に変位し、シーソー部３０Ｂの内側端部がＺ軸の負方向に変位する。

このため、本実施の形態では、次の（式５）のようにマトリックス演算を行い、各方向の力を求める。

（式５）のように、３つの容量の差動（容量差）に対し、変換マトリックスを乗算することで、３つの方向の力を得る。演算に用いる係数は、シーソー部３０Ａ〜３０Ｃが配置される位置（角度）と、加わる力の向きに応じたシーソー部３０Ａ〜３０Ｃの動作によって決まる。

以上のように、少なくとも３個のシーソー部を備えた場合でも、実施の形態１及び２と同様に、３軸の力を検出でき、全軸で差動検知することができるため、精度良く力を検出することができる。また、櫛歯のような微細構造が不要であるため、壊れにくい構造となっている。さらに、受力部により、力が作用する箇所を特定でき、検出精度が向上する。

（実施の形態４）
以下、図面を参照して実施の形態４について説明する。本実施の形態は、実施の形態２の力センサに対し、支持基板にダイアフラムを形成した例である。図９Ａは、本実施の形態に係る力センサ１００の上面図である。図９Ｂは、図９Ａにおける力センサ１００のＡ−Ｂ側面断面図である。

図９Ａ及び図９Ｂに示すように、本実施の形態に係る力センサ１００は、可動支持部１０のみを備えている。第１のシリコン層側（背面側）から力を印加するため、実施の形態２と比べて、力の印加方向が逆となっている。

可動支持部１０は、主に、シーソー部３０Ａ〜３０Ｄ、受力部４０、固定電極対５０Ａ〜５０Ｄ、ダイアフラム６０を備えている。実施の形態１と同様に、第１のシリコン層１１の中央にダイアフラム６０が形成されている。このダイアフラム６０に対し力が印加される。

また、受力部４０は、絶縁膜１２を介して、ダイアフラム６０（第１のシリコン層１１）に接合されている。これにより、ダイアフラム６０に印加された力が、受力部４０に伝達される。

その他については、実施の形態２と同様である。また、ダイアフラム６０に対し力を印加するため、受力部及びシーソー部側の主面を封止部２０により封止してもよい。本実施の形態の動作原理は実施の形態１及び２と同様である。

以上のように、本実施の形態では、実施の形態２の構成の構成に対し、第１のシリコン層にダイアフラムを形成した。これにより、実施の形態２の効果に加えて、シーソー部作製面とは反対の面からの力印加が可能となる。したがって、力印加物がシーソー部など機械構造に接触する恐れが無く、また、封止するように実装しても、力を伝達することができる。

（実施の形態５）
以下、図面を参照して実施の形態５について説明する。本実施の形態は、実施の形態２及び４の力センサに対し、突起を形成した例である。

図１０は、本実施の形態に係る力センサ１００の側面断面図の一例である。図１０は、実施の形態２の図６Ｂの力センサに対し突起を追加した例である。図１０に示すように、本実施の形態では、受力部４０の力印加側（Ｚ軸の正側）に、突起６１を形成する。突起６１は、上面視で、受力部４０と同じ略正方形状である。突起６１の厚さ（高さ）は、第２のシリコン層１３よりも厚く、突出している。突起６１をより厚く形成することにより、力の検出感度を向上することができる。

図１１は、本実施の形態に係る力センサ１００の側面断面図の他の例である。図１１は、実施の形態４の図９Ｂの力センサに対し突起を追加した例である。図１１に示すように、実施の形態１と同様に、ダイアフラム６０の中央の力印加側（Ｚ軸の負側）に突起６１を形成する。突起６１は、下面視で、受力部４０と同じ略正方形状であり。突起６１の厚さ（高さ）は、第１のシリコン層１１と略同じである。ダイアフラム６０よりも厚く突出しているため、力の検出感度が向上する。突起６１をより厚くして、さらに、力の検出感度を向上させてもよい。

以上のように、本実施の形態では、実施の形態２及び４の構成に対し、受力部に接続する突起を形成した。これにより、実施の形態２及び４の効果に加えて、受力部の面の高さを稼ぐことができるため、力Ｆｘ及び力Ｆｙをうけたとき、モーメントが大きくなり、受力部の傾きが拡大することから、力の感度が向上する。また、突起により、力印加部が限定できるため、精度良く力を検出することができる。

（実施の形態６）
以下、図面を参照して実施の形態６について説明する。本実施の形態は、実施の形態５の図１１の力センサに対し、さらに封止部２０を備えた例である。図１２Ａは、本実施の形態に係る力センサ１００の封止基板を省略した下面透視図である。図１２Ｂは、図１２Ａにおける力センサ１００のＡ−Ｂ側面断面図である。

図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、本実施の形態に係る力センサ１００は、実施の形態１と同様に、可動支持部１０と封止部２０とを備え、可動支持部１０と封止部２０とが接合部２２により封止接合されている。

可動支持部１０は、主に、シーソー部３０Ａ〜３０Ｄ、受力部４０、ダイアフラム６０、突起６１を備えている。封止部２０は、主に、封止基板２１、固定電極対５０Ａ〜５０Ｄを備えている。実施の形態１と同様に、封止基板２１の主面上に、固定電極５１Ａ〜５１Ｄ、５２Ａ〜５２Ｄを含む固定電極対５０Ａ〜５０Ｄが形成されている。固定電極５１Ａ〜５１Ｄ、５２Ａ〜５２Ｄは、上面視で略長方形状である。また、実施の形態１と同様に、第２のシリコン層１３の周辺部１３ａには、貫通電極１４が形成されている。

以上のように、本実施の形態では、実施の形態４及び５の構成に対し、封止部２０を備え、封止部側に固定電極を形成した。これにより、実施の形態４及び５の効果に加えて、力センサを封止することができ、シーソー部などへのゴミの混入や破損を防ぐことができる。固定電極を封止基板上に作製することで、支持基板の変形による固定電極の変形を防ぐことができ、精度よく力を検出することができる。固定電極が封止基板上に作製されるため、支持基板側のダイアフラムを広く作製できる。

（実施の形態７）
以下、図面を参照して実施の形態７について説明する。本実施の形態は、実施の形態６の力センサに対し、受力部にストッパーを形成した例である。図１３Ａは、本実施の形態に係る力センサ１００の封止基板を省略した下面透視図であり、図１３Ｂは、その拡大図である。図１３Ｃは、図１３Ａにおける力センサ１００のＡ−Ｂ側面断面図である。

図１３Ａ〜図１３Ｃに示すように、本実施の形態に係る力センサ１００は、実施の形態１と同様に、可動支持部１０と封止部２０とを備え、可動支持部１０と封止部２０とが接合部２２により封止接合されている。可動支持部１０は、主に、シーソー部３０Ａ〜３０Ｄ、受力部４０、ダイアフラム６０、突起６１を備えている。

受力部４０は、実施の形態１と同様に、受力板４１、ストッパー４２を有している。ストッパー４２は、受力板４１の周囲の角部（四隅）のそれぞれに、受力板４１を拡張するように、略Ｌ字型に形成されている。ストッパー４２は、受力板４１の周囲に、耳状もしくは羽状に伸びているとも言える。ストッパー４２は、受力部４０の位置が傾いて変位した場合に、封止部２０側に接触し、シーソー部３０の変位を停止させる。

また、図１３Ｃの代わりに、図１３Ｄのように、封止基板２１の主面上の受力部４０と対向する位置にダミー電極５３を形成してもよい。ダミー電極５３は、ストッパー４２を含む受力部４０と略同じサイズであり、上面視で略正方形状に形成されている。ダミー電極５３は、受力部４０と同じ電位である。ダミー電極５３の厚さは、固定電極５１及び５２と略同じ厚さである。

力Ｆｘ（または力Ｆｙ）が印加された場合、シーソー部３０の先端が固定電極５１及び５２に接触し、電気的にショートする恐れがある。そこで、本実施の形態では、図１４に示すように、受力部４０にストッパー４２を形成しているため、過荷重印加時、シーソー部３０の先端が固定電極５１及び５２に接触する前に、ストッパー４２が封止基板２１（絶縁体）もしくはダミー電極５３（同電位電極）に接触する。これにより、シーソー部３０が固定電極５１及び５２に接触しないため、電気的なショートを防ぐことができる。ストッパー４２の封止部側の接触相手は、電位差がない、もしくは絶縁体が望ましい。これによりストッパー部のショートも防ぐことができる。

また、図１３Ｂの拡大図に示すように、シーソー部３０の可動電極３１は、内側端部が回転軸３５に向かって窪んだ凹部を有し、凹部の窪みに、ヒンジビーム３３が連結されている。可動電極３１は、回転軸３５を中心に対称構造となっており、外側にも同じ凹部を有している。さらに、固定電極５１，５２も可動電極３１と同じ形状であり、内側と外側に凹部を有している。これにより、外側の固定電極５１と内側の固定電極５２で容量が揃うため、同じ感度となり、差動検出の精度が向上する。

以上のように、本実施の形態では、実施の形態６の構成に加えて、受力部にストッパーを形成した。これにより、シーソー部と固定電極の接触が抑えられるため、電気的なショートを防ぐことができる。

また、シーソー部３０の可動電極が回転軸に向かって窪んでおり、この窪みにヒンジビームが接続されている。シーソー部の回転軸の近くにヒンジビームを接続することで、シーソー部の回転角度が大きくなるため、検出感度が向上する。

また、ヒンジビームを長く形成できるため、ヒンジビームの回転剛性が低くなり、受力部が回転しやすい。図５Ａに示したように、力Ｆｙを受けた際に、Ｘ軸方向に配置されたヒンジビームがＸ軸回りに捩れるため、受力部が回転しやすく感度が向上する。また同時にＸ軸方向に配置されたシーソー部は変位しないため、クロストークを抑えることができる。

また、ヒンジビームを長くすることにより、ヒンジビームが変形しやすくなる。したがって、ヒンジビームが変形する際の応力集中を防ぐことができ、ヒンジビームの破壊を防ぐことができる。

（実施の形態８）
以下、図面を参照して実施の形態８について説明する。本実施の形態は、実施の形態２に対し、２個のシーソー部で２軸の力を検出する力センサを構成した例である。２軸の力センサでは、例えば、Ｘ方向、Ｚ方向の力を検出可能である。図１５Ａは、本実施の形態に係る力センサ１００の上面図である。図１５Ｂは、図１５Ａにおける力センサ１００のＡ−Ｂ側面断面図である。

図１５Ａ及び図１５Ｂに示すように、本実施の形態に係る力センサ１００は、実施の形態２と同様に、可動支持部１０のみを備えている。可動支持部１０は、主に、シーソー部３０Ａ及び３０Ｂ、受力部４０、固定電極対５０Ａ及び５０Ｂを備えている。可動支持部１０は、第１のシリコン層１１、絶縁膜１２、第２のシリコン層１３を備えている。第２のシリコン層１３では、中央に受力部４０が形成され、受力部４０の周囲に２つのシーソー部３０Ａ及び３０Ｂが形成されている。この例では、Ｘ方向の両側にシーソー部３０Ａ及び３０Ｂが形成されている。

受力部４０とシーソー部３０Ａ及び３０Ｂは、それぞれヒンジビーム３３Ａ及び３３Ｂにより連結されている。実施の形態２と同様に、受力部４０は、受力板４１のみで構成され、ヒンジビーム３３Ａ及び３３Ｂによりシーソー部３０Ａ及び３０Ｂに支持されている。

シーソー部３０Ａ及び３０Ｂの可動電極３１Ａ及び３１Ｂは、トーションビーム３２Ａ及び３２Ｂにより固定部１５に固定されている。図１５Ａの例では、固定部１５は、トーションビーム３２ごと（シーソー部ごと）に形成されている。なお、図１６のように固定部１５を、トーションビーム３２Ａから３２Ｂまで連続して１つに形成してもよい。

また、第１のシリコン層１１の主面上に、固定電極対５０Ａ及び５０Ｂが形成されている。固定電極対５０Ａ及び５０Ｂは、それぞれ固定電極５１Ａ及び５２Ａ、５１Ｂ及び５２Ｂを含み、それぞれシーソー部３０Ａ及び３０Ｂの可動電極３１Ａ及び３１Ｂに対応する位置に配置されている。

本実施の形態の動作原理は実施の形態１及び２と同様である。実施の形態１及び２では、３軸の力を検出したのに対し、本実施の形態では、Ｚ方向とＸ方向の２軸の力を検出可能である。

例えば、力Ｆｚが、Ｚ軸の負方向に印加されると、受力部４０の変位に応じて、シーソー部３０Ａ及び３０Ｂの内側端部がＺ軸の負方向に変位し、シーソー部３０Ａ及び３０Ｂの外側端部がＺ軸の正方向に変位する。すなわち、Ｚ方向に力Ｆｚが印加された場合（Ｆｚモード）、シーソー部３０Ａ及びび３０Ｂは、逆方向に回転する。

また、Ｘ軸の正方向に力Ｆｘが印加されると、受力部４０の変位に応じて、シーソー部３０Ａの内側端部がＺ軸の正方向に変位し、シーソー部３０Ｂの内側端部がＺ軸の負方向に変位する。すなわち、Ｘ方向に力Ｆｘが印加された場合（Ｆｘモード）、シーソー部３０Ａ及び３０Ｂは、同じ方向に回転する。

このため、本実施の形態では、次の（式６）のようにマトリックス演算を行い、各方向の力を求める。

（式６）のように、２つの容量の差動（容量差）に対し、変換マトリックスを乗算することで、２つの方向の力を得る。力Ｆｚについても、力Ｆｘについても、２つのシーソー部で検出するため、同じ感度であることから、どちらの力も同じ係数となっている。

以上のように、少なくとも２個のシーソー部を備えた場合でも、２軸の力を検出でき、全軸で差動検知することができるため、精度良く力を検出することができる。また、櫛歯のような微細構造が不要であるため、壊れにくい構造となっている。さらに、受力部により、力が作用する箇所を特定でき、検出精度が向上する。

（実施の形態９）
以下、図面を参照して実施の形態９について説明する。本実施の形態は、実施の形態８に対し、光学方式で可動部の変位を検出する例である。図１７Ａは、本実施の形態に係る力センサ１００の上面図である。図１７Ｂは、図１７Ａにおける力センサ１００のＡ−Ｂ側面断面図である。

図１７Ａ及び図１７Ｂに示すように、本実施の形態に係る力センサ１００は、実施の形態８と同様に、可動支持部１０のみを備えている。可動支持部１０は、主に、シーソー部３０Ａ及び３０Ｂ、受力部４０を備えており、固定電極を備えていない。

本実施の形態では、固定電極の代わりに光学式距離測定装置７０ａ〜７０ｄを備えている。図１７Ｂの例では、シーソー部３０Ａ及び３０Ｂの上方に光学式距離測定装置７０ａ〜７０ｄを配置している。光学式距離測定装置７０ａ〜７０ｄは、固定電極と同様に、シーソー部３０ごとに２個ずつ配置されている。光学式距離測定装置７０ａ〜７０ｄは、レーザー変位計や干渉測定計等であり、シーソー部３０へ光を照射し、反射光を受光することで、シーソー部３０までの距離Ｌを測定する。

また、光学式で力を検出する他の例として、図１７Ｃのように構成してもよい。図１７Ｃでは、第１のシリコン層１１の主面上に、固定電極の代わりに、発光ダイオード７１ａ及び７１ｂ、フォトダイオード７２ａ〜７２ｄが配置されている。発光ダイオード７１ａ及び７１ｂは、シーソー部３０Ａ及び３０Ｂの回転軸３５Ａ及び３５Ｂに対向する位置に配置されている。フォトダイオード７２ａ〜７２ｄは、シーソー部３０Ａ及び３０Ｂの両端部に対向する位置に配置されている。

シーソー部３０Ａの両端部までの距離ＬをＡ_１、Ａ_２とし、シーソー部３０Ｂの両端部までの距離ＬをＢ_１、Ｂ_２とする。また、距離の変位がΔＬとする。フォトダイオード７２ａ〜７２ｄ（光学式距離測定装置７０ａ〜７０ｄ）の出力は、ΔＬ＝０の時にＡ_１＝Ａ_２、Ｂ_１＝Ｂ_２である。フォトダイオード７２ａ〜７２ｄは、距離Ｌ＋ΔＬの時に出力減少し、距離Ｌ−ΔＬの時に出力増加する光反射位置に配置されている。

本実施の形態は、静電容量の代わりに距離を測定する例であり、動作原理は他の実施の形態と同様である。すなわち、力の印加により、シーソー部３０が回転変位するため、シーソー部３０と光学式距離測定装置７０（フォトダイオード７２）との距離が変化する。

図１７Ｂの例では、光学式距離測定装置７０ａは、シーソー部３０Ａから反射光の戻ってくる時間が減少するため、距離（Ｌ−ΔＬ）を検出する。光学式距離測定装置７０ｂは、シーソー部３０Ａから反射光の戻ってくる時間が増加するため、距離（Ｌ＋ΔＬ）を検出する。光学式距離測定装置７０ｃは、シーソー部３０Ｂから反射光の戻ってくる時間が増加するため、距離（Ｌ＋ΔＬ）を検出する。光学式距離測定装置７０ｄは、シーソー部３０Ｂから反射光の戻ってくる時間が減少するため、距離（Ｌ−ΔＬ）を検出する。

また、図１７Ｃの例では、フォトダイオード７２ａは、シーソー部３０Ａからの反射光量が減少するため、距離（Ｌ＋ΔＬ）を検出する。フォトダイオード７２ｂは、シーソー部３０Ａからの反射光量が増加するため、距離（Ｌ−ΔＬ）を検出する。フォトダイオード７２ｃは、シーソー部３０Ｂからの反射光量が増加するため、距離（Ｌ−ΔＬ）を検出する。フォトダイオード７２ｄは、シーソー部３０Ｂからの反射光量が減少するため、距離（Ｌ＋ΔＬ）を検出する。

このため、静電容量と同様に、距離の差動２ΔＬ＝（Ｌ＋ΔＬ）−（Ｌ−ΔＬ）を演算し、力を検出する。光学式においても、２軸の場合（式６）のマトリックス演算を行い、３軸の場合（式４）や（式５）のマトリックス演算を行うことで、各軸の力を検出することができる。

以上のように、静電容量方式の代わりに光学方式の力センサとして構成することも可能である。この場合でも、実施の形態２や８等と同様に、複数軸で差動検知することができるため、精度良く力を検出することができる。また、シーソー部により、壊れにくい構造とすることができ、受力部により、検出精度を向上することができる。なお、光学式の他、磁気方式によりシーソー部の変位を検出してもよい。

（実施の形態１０）
以下、図面を参照して実施の形態１０について説明する。本実施の形態は、実施の形態２の力センサに対し、受力部を周辺部に配置した例である。図１８Ａは、本実施の形態に係る力センサ１００の上面図である。図１８Ｂは、図１８Ａにおける力センサ１００のＡ−Ｂ側面断面図である。

図１８Ａ及び図１８Ｂに示すように、本実施の形態に係る力センサ１００は、可動支持部１０のみを備えている。可動支持部１０は、主に、シーソー部３０Ａ〜３０Ｄ、受力部４０、固定電極対５０Ａ〜５０Ｄを備えている。

可動支持部１０は、第１のシリコン層１１、絶縁膜１２、第２のシリコン層１３を備えている。第２のシリコン層１３では、実施の形態２と同様に、４つのシーソー部３０Ａ〜３０Ｄが形成されている。シーソー部３０Ａ〜３０Ｄに囲まれた中央部には、受力部が形成されていない。

シーソー部３０Ａ〜３０Ｄの可動電極３１Ａ〜３１Ｄは、トーションビーム３２Ａ〜３２Ｄにより固定部１５に固定されている。本実施の形態では、固定部１５は、２つのトーションビーム３２（シーソー部）と連結するように形成されている。固定部１５は、上面視で略正方形状であり、正方形の第１の辺の中央部にトーションビーム３２が連結され、第１の辺に接する第２の辺の中央部に他のトーションビーム３２が連結されている。

第１のシリコン層１１の主面上に、固定電極対５０Ａ〜５０Ｄが形成されている。固定電極対５０Ａ〜５０Ｄは、それぞれ固定電極５１Ａ及び５２Ａ、５１Ｂ及び５２Ｂ、５１Ｃ及び５２Ｃ、５１Ｄ及び５２Ｄを含み、それぞれシーソー部３０Ａ〜３０Ｄの可動電極３１Ａ〜３１Ｄに対応する位置に配置されている。

本実施の形態では、受力部４０は、可動支持部１０の周辺部、すなわち、シーソー部３０Ａ〜３０Ｄの外側に、シーソー部３０Ａ〜３０Ｄを囲むように形成されている。受力部４０は、受力板４１で構成されており、４つの辺部からなる四角形状に形成されている。受力部４０の各辺部とシーソー部３０Ａ〜３０Ｄが、それぞれヒンジビーム３３Ａ〜３３Ｄにより連結されている。ヒンジビーム３３Ａ〜３３Ｄは、受力部４０の各辺部の略中央部に連結される。受力部４０は、第１のシリコン層１１に接合されていないため、ヒンジビーム３３Ａ〜３３Ｄによりシーソー部３０Ａ〜３０Ｄに支持されている。

本実施の形態の動作原理は実施の形態１及び２と同様である。例えば、力ＦｚがＺ軸の負方向に印加されると、受力部４０の変位に応じて、シーソー部３０Ａ〜３０Ｄの外側端部がＺ軸の負方向に変位し、シーソー部３０Ａ〜３０Ｄの内側端部がＺ軸の正方向に変位する。実施の形態１及び２とは、シーソー部３０Ａ〜３０Ｄの回転方向は逆となるものの、Ｚ方向に力Ｆｚが印加された場合（Ｆｚモード）、シーソー部３０Ａ及び３０Ｃ、シーソー部３０Ｂ及び３０Ｄは、互いに逆方向に回転する。

また、Ｘ軸の正方向に力Ｆｘが印加されると、ヒンジビーム３３Ｄ及び３３Ｂが捩れることで、効果的に受力部４０がヒンジビーム３３Ｄ及び３３Ｂを軸として回転変位する。この受力部４０の変位に応じて、シーソー部３０Ａの外側端部がＺ軸の正方向に変位し、シーソー部３０Ｃの外側の端部がＺ軸の負方向に変位する。この際、シーソー部３０Ｂと３０Ｄは実施の形態１及び２と同様に変位しない。実施の形態１及び２とは、シーソー部３０Ａ及び３０Ｃの回転方向は逆となるものの、Ｘ方向に力Ｆｘが印加された場合（Ｆｘモード）、シーソー部３０Ａ及び３０Ｃは、同じ方向に回転する。

さらに、Ｙ軸の正方向に力Ｆｙが印加されると、ヒンジビーム３３Ａ及び３３Ｃが捩れることで、効果的に受力部４０がヒンジビーム３３Ａ及び３３Ｃを軸として回転変位する。この受力部４０の変位に応じて、シーソー部３０Ｂの外側端部がＺ軸の正方向に変位し、シーソー部３０Ｄの外側端部がＺ軸の負方向に変位する。この際、シーソー部３０Ａと３０Ｃは実施の形態１及び２と同様に変位しない。実施の形態１及び２とは、シーソー部３０Ｂ及び３０Ｄの回転方向は逆となるものの、Ｙ方向に力Ｆｙが印加された場合（Ｆｘモード）、シーソー部３０Ｂ及び３０Ｄは、同じ方向に回転する。

本実施の形態では、実施の形態１及び２と比べて、力の印加に対してシーソー部３０の回転方向が逆となるため、（式１）のマトリックス演算において、符号を変更することで、実施の形態１及び２と同様に、各方向の力が得られる。

以上のように、実施の形態２の構成に対し、受力部を周辺部に形成するようにした。この場合でも、実施の形態２と同様に、３軸の力を検出でき、全軸で差動検知することができるため、精度良く力を検出することができる。また、櫛歯のような微細構造が不要であるため、壊れにくい構造となっている。

（実施の形態１１）
以下、図面を参照して実施の形態１１について説明する。本実施の形態は、実施の形態５及び６の構成を、力学量の一つである加速度を検出する加速度センサに適用した例である。

図１９Ａは、本実施の形態に係る加速度センサ１０１の上面図である。図１９Ｂは、図１９Ａにおける加速度センサ１０１のＡ−Ｂ側面断面図である。図１９Ｂは、実施の形態５の図１０の構成において、突起６１の代わりに質量体６２を備えた例である。

図１９Ａ及び図１９Ｂに示すように、受力部４０の力印加側（Ｚ軸の正側）に、質量体６２を形成する。質量体６２は、上面視で、受力部４０と同じ略正方形状である。質量体６２の厚さ（高さ）は、第２のシリコン層１３よりも厚く、突出している。質量体６２は、突起よりも質量が重い部材であり、例えば、金（Ａｕ）等で構成される。

図２０Ａは、本実施の形態に係る加速度センサ１０１の上面図である。図２０Ｂは、図２０Ａにおける加速度センサ１０１のＡ−Ｂ側面断面図である。図２０Ａ及び図２０Ｂは、実施の形態６の図１２Ａ及び図１２Ｂの構成において、突起６１の代わりに質量体６２を備えた例である。

図２０Ａ及び図２０Ｂに示すように、ダイアフラム６０の中央の力印加側（Ｚ軸の正側）に、質量体６２を形成する。質量体６２は、上面視で、受力部４０と同じ略正方形状であり。質量体６２の厚さ（高さ）は、第１のシリコン層１１と略同じである。

このように、力センサの突起を質量体（大きな質量体）とすることで、慣性力を受力部で受けることができ、加速度を検出する加速度センサを構成することができる。加速度Ａｚを受けたとき、質量体はＺ方向に並進する。加速度Ａｘ（Ａｙ）を受けたとき、慣性力により質量体に力が作用するため、この力を、他の実施の形態と同様の原理で検知する。これにより、３軸の加速度検知が可能である。

したがって、実施の形態５及び６と同様に、３軸の加速度を検出でき、全軸で差動検知することができるため、精度良く加速度を検出することができる。また、櫛歯のような微細構造が不要であるため、壊れにくい構造となっている。

（実施の形態１２）
以下、図面を参照して実施の形態１２について説明する。本実施の形態では、実施の形態１の力センサを用いて力を検出する力検出回路の例について説明する。

図２１、図２２Ａ及び図２２Ｂは、力検出回路及び力センサの接続の一例であり、チャージアンプ及び差分回路（差動回路）を用いた例である。この力検出回路は、実施の形態１の力センサ１００に接続され、差動演算回路２０１〜２０４、マトリックス演算回路３００を備える。力センサシステムが、力センサ１００、差動演算回路２０１〜２０４、マトリックス演算回路３００を備えるとも言える。この例は、電極間の容量変化を電圧出力として取出し、高精度に力を検出することができる。

なお、ここでは、シーソー部３０Ａの容量をＣ_Ａ１、Ｃ_Ａ２とし、シーソー部３０Ｂの容量をＣ_Ｂ１、Ｃ_Ｂ２とし、シーソー部３０Ｃの容量をＣ_Ｃ１、Ｃ_Ｃ２とし、シーソー部３０Ｄの容量をＣ_Ｄ１、Ｃ_Ｄ２とする。

差動演算回路２０１〜２０４は、シーソー部３０（固定電極対５０）ごとに設けられる。差動演算回路２０１は、容量Ｃ_Ａ１及びＣ_Ａ２に接続され、容量Ｃ_Ａ１及びＣ_Ａ２の容量の差を示す差動電圧Ｖ_Ａを出力する。差動演算回路２０２は、容量Ｃ_Ｂ１及びＣ_Ｂ２に接続され、容量Ｃ_Ｂ１及びＣ_Ｂ２の容量の差を示す差動電圧Ｖ_Ｂを出力する。差動演算回路２０３は、容量Ｃ_Ｃ１及びＣ_Ｃ２に接続され、容量Ｃ_Ｃ１及びＣ_Ｃ２の容量の差を示す差動電圧Ｖ_Ｃを出力する。差動演算回路２０４は、容量Ｃ_Ｄ１及びＣ_Ｄ２に接続され、容量Ｃ_Ｄ１及びＣ_Ｄ２の容量の差を示す差動電圧Ｖ_Ｄを出力する。

差動演算回路２０１〜２０４は、同じ回路構成であるため、差動演算回路２０１の構成についてのみ説明する。差動演算回路２０１は、チャージアンプ２１０ａ、２１０ｂ、差動アンプ２２０を備える。チャージアンプ２１０ａは、容量Ｃ_Ａ１の容量を電圧Ｖ_Ａ１に変換し出力する。チャージアンプ２１０ａは、オペアンプＯＰＡ_Ａ１、抵抗２１１ａ、コンデンサ２１２ａを備えている。

シーソー部３０Ａの可動電極３１Ａには、接合部２２の金属、第２のシリコン層１３を介して、交流電源２３０が接続され、固定電極５１Ａは、オペアンプＯＰＡ_Ａ１の反転入力端子に接続される。すなわち、シーソー部３０Ａの可動電極３１Ａと固定電極５１Ａ間の容量Ｃ_Ａ１は、一端が交流電源２３０に接続され、他端がオペアンプＯＰＡ_Ａ１の反転入力端子に接続される。オペアンプＯＰＡ_Ａ１の非反転入力端子（＋）はＧＮＤに接続されている。抵抗２１１ａ及びコンデンサ２１２ａは、オペアンプＯＰＡ_Ａ１の反転入力端子と出力端子の間に並列に接続される。

オペアンプＯＰＡ_Ａ１の入力電圧Ｖ_０、コンデンサ２１２ａの容量をＣ_ｆとすると、オペアンプＯＰＡ_Ａ１の出力電圧Ｖ_Ａ１は、次の（式７）となる。すなわち、容量Ｃ_Ａ１の容量に応じた電圧Ｖ_Ａ１が出力される。

チャージアンプ２１０ｂは、容量Ｃ_Ａ２の容量を電圧Ｖ_Ａ２に変換し出力する。チャージアンプ２１０ｂは、オペアンプＯＰＡ_Ａ２、抵抗２１１ｂ、コンデンサ２１２ｂを備えている。

シーソー部３０Ａの可動電極３１Ａには、接合部２２の金属、第２のシリコン層１３を介して、交流電源２３０が接続され、固定電極５２Ａは、オペアンプＯＰＡ_Ａ２の反転入力端子に接続される。すなわち、シーソー部３０Ａの可動電極３１Ａと固定電極５２Ａ間の容量Ｃ_Ａ２は、一端が交流電源２３０に接続され、他端がオペアンプＯＰＡ_Ａ２の反転入力端子に接続される。オペアンプＯＰＡ_Ａ２の非反転入力端子（＋）はＧＮＤに接続されている。抵抗２１１ｂ及びコンデンサ２１２ｂは、オペアンプＯＰＡ_Ａ２の反転入力端子と出力端子の間に並列に接続される。

差動アンプ２２０は、チャージアンプ２１０ａ、２１０ｂから出力された電圧Ｖ_Ａ１、Ｖ_Ａ２の差動電圧Ｖ_Ａを出力する。差動アンプ２２０は、オペアンプ２２１、抵抗２２２〜２２５を備える。

抵抗２２２は、オペアンプＯＰＡ_Ａ１の出力端子とオペアンプ２２１の反転入力端子の間に接続される。抵抗２２３は、オペアンプＯＰＡ_Ａ２の出力端子とオペアンプ２２１の非反転入力端子の間に接続される。さらに、オペアンプ２２１の非反転入力端子は、抵抗２２５を介してＧＮＤに接続される。抵抗２２４は、オペアンプ２２１の反転入力端子と出力端子の間に接続される。

オペアンプ２２１の出力電圧Ｖ_Ａは、次の式（８）となる。すなわち、抵抗Ｒ１及びＲ２の比に応じて、電圧Ｖ_Ａ１から電圧Ｖ_Ａ２を差し引いた差動電圧が出力される。

マトリックス演算回路３００は、ロジック回路等で構成され、差動演算回路２０１〜２０４が生成した差動電圧Ｖ_Ａ〜Ｖ_Ｄを用いて、マトリックス演算を行う。マトリックス演算回路３００は、次の（式９）の演算を行う。すなわち、差動電圧Ｖ_Ａ〜Ｖ_Ｄに、（式９）の変換マトリックスを乗算し、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚを求める。

図２３、図２４Ａ及び図２４Ｂは、力検出回路及び力センサの接続の一例であり、スイッチトキャパシタ方式の例である。この力検出回路は、実施の形態１の力センサ１００に接続され、差動演算回路４０１〜４０４、マトリックス演算回路３００を備える。力センサシステムが、力センサ１００、差動演算回路４０１〜４０４、マトリックス演算回路３００を備えるとも言える。この例は、検出回路をデジタル信号処理回路で構成できるためＩＣ化に向いており、封止基板２１のＬＳＩに内蔵する場合に適している。

差動演算回路４０１〜４０４は、シーソー部３０（固定電極対５０）ごとに設けられる。差動演算回路４０１は、容量Ｃ_Ａ１及びＣ_Ａ２に接続され、容量Ｃ_Ａ１及びＣ_Ａ２の容量の差を示す差動電圧Ｖ_Ａを出力する。差動演算回路４０２は、容量Ｃ_Ｂ１及びＣ_Ｂ２に接続され、容量Ｃ_Ｂ１及びＣ_Ｂ２の容量の差を示す差動電圧Ｖ_Ｂを出力する。差動演算回路４０３は、容量Ｃ_Ｃ１及びＣ_Ｃ２に接続され、容量Ｃ_Ｃ１及びＣ_Ｃ２の容量の差を示す差動電圧Ｖ_Ｃを出力する。差動演算回路４０４は、容量Ｃ_Ｄ１及びＣ_Ｄ２に接続され、容量Ｃ_Ｄ１及びＣ_Ｄ２の容量の差を示す差動電圧Ｖ_Ｄを出力する。

差動演算回路４０１〜４０４は、同じ回路構成であるため、差動演算回路４０１の構成についてのみ説明する。差動演算回路４０１は、スイッチング回路４１０、チャージアンプ４２０を備える。スイッチング回路４１０は、容量Ｃ_Ａ１及びＣ_Ａ２の充電／放電をスイッチングし、容量Ｃ_Ａ１及びＣ_Ａ２の容量差を出力する。

スイッチング回路４１０は、スイッチ４１１〜４１６を備える。スイッチ４１１及び４１２は、電源Ｖｄと電源−Ｖｄの間に直列に接続され、スイッチ４１３及び４１４も、電源Ｖｄと電源−Ｖｄの間に直列に接続されている。シーソー部３０Ａの可動電極３１Ａには、接合部２２の金属、第２のシリコン層１３を介して、ＧＮＤが接続され、固定電極５１Ａは、スイッチ４１１及び４１２の間のノード４１０ａに接続される。すなわち、シーソー部３０Ａの可動電極３１と固定電極５１Ａ間の容量Ｃ_Ａ１は、一端がＧＮＤに接続され、他端がノード４１０ａに接続される。

シーソー部３０Ａの可動電極３１Ａには、接合部２２の金属、第２のシリコン層１３を介して、ＧＮＤが接続され、固定電極５２Ａは、スイッチ４１３及び４１４の間のノード４１０ｂに接続される。すなわち、シーソー部３０Ａの可動電極３１と固定電極５１Ｂ間の容量Ｃ_Ａ２は、一端がＧＮＤに接続され、他端がノード４１０ｂに接続される。第１のシリコン層１１及び第２のシリコン層１３は貫通電極１４によって同電位、すなわちＧＮＤになっているため、外部からの外乱に影響されにくい。このためノイズが小さいセンサとすることができる。スイッチ４１５は、ノード４１０ａとノード４１０ｃの間に接続され、スイッチ４１６は、ノード４１０ｂとノード４１０ｃの間に接続される。

例えば、スイッチ４１１をオン、スイッチ４１２をオフして、電源Ｖｄを容量Ｃ_Ａ１に印加して充電する。スイッチ４１３をオフ、スイッチ４１４をオンして、電源−Ｖｄを容量Ｃ_Ａ２に印加して充電する。容量Ｃ_Ａ１及びＣ_Ａ２が充電された状態で、スイッチ４１５及び４１６をオンすると、容量Ｃ_Ａ１から容量Ｃ_Ａ２を差し引いた容量に相当するチャージがノード４１０ｃに出力される。

チャージアンプ４２０は、スイッチング回路４１０が生成した容量Ｃ_Ａ１及びＣ_Ａ２の容量差に応じたチャージを入力し、差動電圧Ｖ_Ａを出力する。チャージアンプ４２０は、オペアンプ４２１、抵抗４２２、コンデンサ４２３、スイッチ４２４を備える。抵抗４２２は、ノード４１０ｃとオペアンプ４２１の反転入力端子に接続される。コンデンサ４２３及びスイッチ４２４は、オペアンプ４２１の反転入力端子と出力端子の間に接続されている。オペアンプ４２１の非反転入力端子はＧＮＤに接続される。

マトリックス演算回路３００は、図２１と同様に、（式９）により、差動演算回路４０１〜４０４が生成した差動電圧Ｖ_Ａ〜Ｖ_Ｄを用いて、マトリックス演算を行い、各方向の力を求める。

以上のように、実施の形態１やその他の実施の形態において、本実施の形態のような検出回路を用いることで、力センサの差動検出結果に基づき、マトリックス演算を行い、精度よく力を検出することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１０ 可動支持部
１１ 第１のシリコン層
１１ａ 周辺部
１２ 絶縁膜
１３ 第２のシリコン層
１３ａ 周辺部
１４ 貫通電極
１５ 固定部
２０ 封止部
２１ 封止基板
２２ 接合部
３０Ａ〜３０Ｄ シーソー部
３１Ａ〜３１Ｄ 可動電極
３１１、３１２ 可動電極部
３２Ａ〜３２Ｄ トーションビーム
３３Ａ〜３３Ｄ ヒンジビーム
３４ エッチングホール
３５Ａ〜３５Ｄ 回転軸
４０ 受力部
４１ 受力板
４２ ストッパー
４３ エッチングホール
５０Ａ〜５０Ｄ 固定電極対
５１Ａ〜５１Ｄ、５２Ａ〜５２Ｄ 固定電極
５１１、５２１ 容量素子
５３ ダミー電極
６０ ダイアフラム
６１ 突起
６２ 質量体
７０ａ〜７０ｄ 光学式距離測定装置
７１ａ、７１ｂ 発光ダイオード
７２ａ〜７２ｄ フォトダイオード
１００ 力センサ
１０１ 加速度センサ
２０１〜２０４ 差動演算回路
２１０ａ、２１０ｂ チャージアンプ
２１１ａ、２１１ｂ 抵抗
２１２ａ、２１２ｂ コンデンサ
２２０ 差動アンプ
２２１ オペアンプ
２２２〜２２５ 抵抗
２３０ 交流電源
３００ マトリックス演算回路
４０１〜４０４ 差動演算回路
４１０ スイッチング回路
４１１〜４１６ スイッチ
４２０ チャージアンプ
４２１ オペアンプ
４２２ 抵抗
４２３ コンデンサ
４２４ スイッチ

Claims (26)

1. 受力部と、
   前記受力部が受ける第１方向の力学量に応じて、第１回転軸まわりに第１回転方向へ回動し、前記受力部が受ける前記第１方向とは異なる第２方向の力学量に応じて、前記第１回転軸まわりに前記第１回転方向へ回動する第１可動部と、
   前記受力部が受ける前記第１方向の力学量に応じて、第２回転軸まわりに第２回転方向へ回動し、前記受力部が受ける前記第２方向の力学量に応じて、前記第２回転軸まわりに前記第２回転方向とは反対方向へ回動する第２可動部と、
   を備え、
   少なくとも前記第１方向の力学量及び前記第２方向の力学量を検出可能な力学量センサ。
2. 前記受力部は、第１可動部と第２可動部との間に配置されている、
   請求項１に記載の力学量センサ。
3. 前記受力部は、第１可動部及び第２可動部を囲むように配置されている、
   請求項１に記載の力学量センサ。
4. 前記受力部と前記第１可動部を連結する第１連結部と、
   前記受力部と前記第２可動部を連結する第２連結部と、を備える、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の力学量センサ。
5. 前記第１連結部及び前記第２連結部は、撓み可能、かつ、捩れ可能なビーム状である、
   請求項４に記載の力学量センサ。
6. 前記第１連結部は、前記第１回転軸に沿う方向と交差する方向に伸びており、
   前記第２連結部は、前記第２回転軸に沿う方向と交差する方向に伸びている、
   請求項４または５に記載の力学量センサ。
7. 前記第１可動部は、一端部から前記第１回転軸に向かって窪んだ第１凹部を有し、当該第１凹部の窪みに前記第１連結部が連結されており、
   前記第２可動部は、一端部から前記第２回転軸に向かって窪んだ第２凹部を有し、当該第２凹部の窪みに前記第２連結部が連結されている、
   請求項４乃至６のいずれか一項に記載の力学量センサ。
8. 前記第１可動部及び前記第２可動部を前記第１回転軸及び前記第２回転軸まわりに回動可能に支持する支持部を備える、
   請求項１乃至７のいずれか一項に記載の力学量センサ。
9. 前記支持部は、前記第１可動部及び前記第２可動部が回動可能となるように、かつ、前記第１可動部及び前記第２可動部が前記第１可動部及び前記第２可動部の厚さ方向に変位不可能となるように、幅が細く、厚さが厚く、かつ、長さが短い、
   請求項８に記載の力学量センサ。
10. 前記第１可動部及び前記第２可動部を前記第１回転軸及び前記第２回転軸まわりに回動可能に支持する支持部を備え、
    前記第１連結部及び前記第２連結部の回転剛性は、前記支持部の回転剛性よりも低い、
    請求項４に記載の力学量センサ。
11. 前記第１可動部及び前記第２可動部を支持する支持基板と、
    前記支持基板に形成され、前記受力部に接続された撓み可能なダイアフラムと、を備える、
    請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の力学量センサ。
12. 前記第１可動部及び前記第２可動部を前記第１回転軸及び前記第２回転軸まわりに回動可能に支持する支持部と、
    前記支持部を介して、前記第１可動部及び前記第２可動部を支持する支持基板と、
    前記支持基板に形成され、前記受力部に接続された撓み可能なダイアフラムと、を備え、
    前記ダイアフラムの厚さ方向の剛性は、前記第１連結部、前記第２連結部及び前記支持部の厚さ方向の剛性よりも高い、
    請求項４に記載の力学量センサ。
13. 前記受力部と力学的に接続された突起部を備える、
    請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の力学量センサ。
14. 前記受力部と力学的に接続された、加速度に応じて変位可能な質量体を備える、
    請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の力学量センサ。
15. 前記受力部、前記第１可動部及び前記第２可動部を封止する封止基板を備える、
    請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の力学量センサ。
16. 前記第１可動部及び前記第２可動部を支持する支持基板と、
    前記支持基板に接合され、前記受力部、前記第１可動部及び前記第２可動部を封止する封止基板を備える、
    請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の力学量センサ。
17. 前記封止基板は、半導体集積回路基板を含む、
    請求項１５または１６に記載の力学量センサ。
18. 前記受力部は、当該受力部が変位したときに、前記第１可動部及び前記第２可動部よりも先に前記封止基板側に接する接触部を備え、
    前記受力部は、前記第１方向の力学量及び前記第２方向の力学量を受ける受力板を備え、
    前記接触部は、前記受力板の端部を拡張するように形成されている、
    請求項１５乃至１７のいずれか一項に記載の力学量センサ。
19. 前記接触部が接する前記封止基板側の接触部分は、前記受力部と同電位の電極、もしくは、絶縁体である、
    請求項１８に記載の力学量センサ。
20. 前記第１可動部は、前記第１回転軸を挟んで第１可動電極及び第２可動電極を有し、
    前記第２可動部は、前記第２回転軸を挟んで第３可動電極及び第４可動電極を有し、
    前記第１可動電極と第１静電容量を構成する第１固定電極と、
    前記第２可動電極と第２静電容量を構成する第２固定電極と、
    前記第３可動電極と第３静電容量を構成する第３固定電極と、
    前記第４可動電極と第４静電容量を構成する第４固定電極と、を備える、
    請求項１乃至１９のいずれか一項に記載の力学量センサ。
21. 前記受力部が力学量を受けていない状態では、前記第１静電容量と前記第２静電容量とは略等しい容量であり、かつ、前記第３静電容量と前記第４静電容量とは略等しい容量である、
    請求項２０に記載の力学量センサ。
22. 請求項２０または２１に記載の力学量センサと、
    前記第１静電容量と前記第２静電容量の差と、前記第３静電容量と前記第４静電容量の差とを求める差動演算回路と、を備える、
    力学量センサシステム。
23. 前記求めた静電容量の差に対して変換マトリックスを乗算し、前記第１方向及び前記第２方向の力学量を求めるマトリックス演算回路を備える、
    請求項２２に記載の力学量センサシステム。
24. 前記第１可動部のうち前記第１回転軸より一方の側部の第１位置を測定する第１測定部と、
    前記第１可動部のうち前記第１回転軸より他方の側部の第２位置を測定する第２測定部と、
    前記第２可動部のうち前記第２回転軸より一方の側部の第３位置を測定する第３測定部と、
    前記第２可動部のうち前記第２回転軸より他方の側部の第４位置を測定する第４測定部と、を備える、
    請求項１乃至１９のいずれか一項に記載の力学量センサ。
25. 前記第１測定部、第２測定部、第３測定部、及び第４測定部は、光学方式により、前記第１可動部及び前記第２可動部までの距離を測定する、
    請求項２４に記載の力学量センサ。
26. 請求項２４または２５に記載の力学量センサと、
    前記第１位置と前記第２位置の差と、前記第３位置と前記第４位置との差とを求める差動演算回路と、
    前記求めた位置の差に対して変換マトリックスを乗算し、前記第１方向及び前記第２方向の力学量を求めるマトリックス演算回路と、を備える、
    力学量センサシステム。

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