JP2017138224A - 荷重センサ - Google Patents

Abstract

【課題】荷重の検出範囲を広げることが可能な荷重センサを提供する。【解決手段】基板１と、基板１に形成されたリブ２１、および、リブ２１の表面に形成されたトランジスタ２２を有するセンサ素子２と、を備え、リブ２１は、荷重が加えられることにより変形し、トランジスタ２２は、リブ２１の側面に形成されたゲート電極２３と、ゲート電極２３の表面に形成されたゲート絶縁膜２４と、ゲート絶縁膜２４を挟んでゲート電極２３と対向するように形成された半導体層２５と、基板１のうちリブ２１が形成されていない部分の底面において半導体層２５と接するように形成された底部電極層２６と、リブ２１の上部において半導体層２５と接するように形成された頂部電極層２７と、を有する縦型トランジスタであり、センサ素子２は、２つ備えられており、一方のセンサ素子２が有するリブ２１と、他方のセンサ素子２が有するリブ２１とは、互いに高さが異なる。【選択図】図２

Description

本発明は、縦型トランジスタを用いた荷重センサに関するものである。

近年、人間のように、様々な対象物に対し、より高度で複雑な作業を行うことができるようなロボットアームの開発が期待されている。そして、ロボットが柔軟物や複雑な形状の物体などを壊したり、滑って落としたりせずに的確に把持できるように、荷重センサや触覚センサを用いて接触面にかかる荷重の大きさや方向を検出できるようにする研究が盛んに行われている。

従来、荷重の大きさと作用する方向を３次元的に検出するために、弾性を有し、凸形状をした弾性体の側面部にセンサを取り付けたものが知られている。このセンサでは、荷重がかかった際に、その弾性体の凸部に生じた歪をセンサで検出することにより、荷重の大きさと方向を検出することが可能となっている。

また、例えば特許文献１では、リブの側面に薄膜状の有機縦型トランジスタが形成されており、荷重印加時のドレイン・ソース間の距離の変化に基づいて荷重の測定を行う荷重センサが提案されている。

特開２０１５−４０７７８号公報

接触面にかかる荷重の大きさは、使用シーンにより異なる。そのため、広い範囲の荷重を検出できる荷重センサが求められている。例えば、荷重センサを介護ロボットに用いる場合、人間に触れる際にかかる１ｍＮ程度の荷重から、人間を持ち上げる際にかかる１０００Ｎ程度の荷重までを検出できる荷重センサが求められる。

特許文献１に記載の荷重センサでは、荷重の検出範囲はリブを構成する材料、リブの形状、寸法等によって定まる。そのため、特許文献１に記載の荷重センサにおいて、１つのリブを用いて荷重センサを構成した場合や、同じ材料で構成された同じ形状および寸法のリブを複数用いて荷重センサを構成した場合には、荷重の検出範囲が限られるという問題があった。

本発明は上記点に鑑みて、荷重の検出範囲を広げることが可能な荷重センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、表層が絶縁体で構成された基板（１）と、基板に形成されたリブ（２１、２１ａ、２１ｂ）、および、リブの表面に形成されたトランジスタ（２２、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ）を有するセンサ素子（２、２ａ、２ｂ）と、を備え、リブは、上面、および、上面を基板に連結する側面を有し、表面が絶縁体で構成されており、荷重が加えられることにより変形し、トランジスタは、リブの側面に形成されたゲート電極（２３）と、ゲート電極の表面に形成されたゲート絶縁膜（２４）と、ゲート絶縁膜を挟んでゲート電極と対向するように形成された半導体層（２５）と、基板のうちリブが形成されていない部分の底面において半導体層と接するように形成された底部電極層（２６）と、リブの上部において半導体層と接するように形成された頂部電極層（２７）と、を有する縦型トランジスタであり、ゲート電極に対してゲート電圧が印加されることで、半導体層にチャネル領域が形成されて底部電極層と頂部電極層との間に電流が流れ、センサ素子は、２つ備えられており、一方のセンサ素子が有するリブと、他方のセンサ素子が有するリブとは、互いに高さが異なる。

一方のセンサ素子が備えるリブの高さと、他方のセンサ素子が備えるリブの高さとが互いに異なる構成により、各センサ素子における荷重の検出範囲に差が生じる。したがって、荷重の検出範囲を広げることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態にかかる荷重センサの平面図である。 図１のII−II断面図である。 荷重の大きさと出力電圧との関係を示すグラフである。 第２実施形態にかかる荷重センサの平面図である。 第３実施形態にかかる荷重センサの平面図である。 第４実施形態にかかる荷重センサの断面図である。 第４実施形態の変形例の断面図である。 第５実施形態にかかる荷重センサの断面図である。 センサ素子群が基板の上に配置された様子を示す斜視図である。 第５実施形態の変形例の斜視図である。 第５実施形態の変形例の断面図である。 第６実施形態にかかる荷重センサの断面図である。 荷重の大きさとリブの変形量との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１、図２を用いて説明する。なお、図１は断面図ではないが、各構成要素を見やすくするためにハッチングを付してある。

図１および図２に示すように、本実施形態にかかる荷重センサは、基板１と、基板１上に形成されたセンサ素子２と、基板１およびセンサ素子２を覆う保護膜３とを備える。基板１は、ガラスやプラスチックフィルム等のように少なくとも表層が絶縁体で構成された絶縁性基板である。

本実施形態では、センサ素子２は２つ備えられており、２つのセンサ素子２は、それぞれ、基板１に形成されたリブ２１と、リブ２１の表面に形成された２つのトランジスタ２２とを備えている。一方のセンサ素子２が備えるリブ２１と、他方のセンサ素子２が備えるリブ２１とは、互いに高さ（厚み方向寸法）が異なるものとされている。

２つのセンサ素子を、それぞれ、センサ素子２ａ、２ｂとし、センサ素子２ａ、２ｂが備えるリブ２１を、それぞれ、リブ２１ａ、リブ２１ｂとすると、図２に示すように、リブ２１ａは、リブ２１ｂよりも高くなるように形成されている。リブ２１ａ、リブ２１ｂの高さをそれぞれＨ_１、Ｈ_２とすると、本実施形態では、Ｈ_１＝２Ｈ_２とされている。

リブ２１は、表面が絶縁体で構成されており、また、荷重が加えられることにより変形する。本実施形態では、リブ２１は、弾性体で構成されている。具体的には、リブ２１は、フォトレジストとして用いられるＳＵ−８（マイクロケム製）、ＷＬ−５１５０（東レ・ダウコーニング製）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ＰＭＭＡ（メタクリル樹脂）等の有機材料、樹脂材料で構成されている。

リブ２１は、上面と、上面を基板１に連結する側面とを有している。本実施形態では、リブ２１は図１に示すように上面形状が四角形とされていると共に、図２に示すように断面形状も四角形とされている。具体的には、リブ２１は上面形状が５ｍｍ×５ｍｍ□とされている。また、リブ２１の高さは１μｍ以上とされており、本実施形態では、リブ２１ａの高さＨ_１は２０μｍ、リブ２１ｂの高さＨ_２は１０μｍとされている。

トランジスタ２２は、リブ２１の一方向の両側に配置されている。具体的には、トランジスタ２２は、四角形状のリブ２１の各側面のうち、図１の紙面左右方向が法線方向となる両側面に形成されている。リブ２１の各側面のうち、図１の紙面右側、左側に形成されたトランジスタ２２を、それぞれ、第１トランジスタ２２ａ、第２トランジスタ２２ｂとする。

第１、第２トランジスタ２２ａ、２２ｂは、それぞれ、ゲート電極２３、ゲート絶縁膜２４、半導体層２５、底部電極層２６、頂部電極層２７を備える縦型トランジスタである。

リブ２１の側面には、ゲート電極２３が形成されている。ゲート電極２３は、荷重が印加された際にリブ２１の変形を妨げることを抑制するために、可能な限り薄くすることが好ましい。ゲート電極２３は、例えば、Ｃｒを３ｎｍ、Ａｕを６０ｎｍの厚みで順に成膜することで形成された導電層により構成される。

基板１、リブ２１、ゲート電極２３の表面には、ゲート絶縁膜２４が形成されている。ゲート絶縁膜２４は、例えばパリレン（登録商標）、ＳｉＯ_２、アルミナもしくは有機材料などの絶縁材料によって構成されている。本実施形態の場合、ゲート絶縁膜２４をパリレンにより４５０ｎｍの厚みで形成している。

また、リブ２１の側面において、ゲート絶縁膜２４を挟んでゲート電極２３と対向するように半導体層２５が形成されている。基板１の表面の法線方向における半導体層２５の両端部のうち、一方はリブ２１の上面に、他方は基板１のうちリブ２１が形成されていない部分の底面に、それぞれ延出されている。第１、第２トランジスタ２２ａ、２２ｂの半導体層２５は、図１に示すように互いに離された状態で配置されることで、互いに電気的に絶縁されている。半導体層２５は、例えば高分子有機材料や低分子有機材料もしくはそれらの積層構造などからなる有機半導体材料にて構成されている。本実施形態ではジナフトチオチエノフェン（ＤＮＴＴ）を厚さ１２０ｎｍで形成することで、半導体層２５を構成している。

後述するように、荷重センサの動作時には、半導体層２５にチャネル領域が形成される。半導体層２５のうち荷重センサの動作時にチャネル領域が形成される部分、つまり、半導体層２５のうち底部電極層２６および頂部電極層２７の間に位置する部分をチャネル部２５ａとする。

基板１のうちリブ２１が形成されていない部分の底面において半導体層２５と接するように、底部電極層２６が形成されている。また、リブ２１の上面において半導体層２５と接するように、頂部電極層２７が形成されている。第１、第２トランジスタ２２ａ、２２ｂそれぞれにおいて、底部電極層２６および頂部電極層２７は、互いに離された状態で配置されることで、電気的に分離されている。底部電極層２６および頂部電極層２７は、例えば２０ｎｍの厚みで形成されたＡｕ等の電極材料により構成される。

荷重センサの動作時には、底部電極層２６と頂部電極層２７のうちの一方がドレイン電極を構成し、他方がソース電極を構成する。本実施形態の場合、底部電極層２６をドレイン、頂部電極層２７をソースとして適用する場合を想定しているが、これらが逆であってもよい。

なお、ゲート電極２３、底部電極層２６、頂部電極層２７は、図１に示すように、基板１上においてリブ２１が形成されていない部分に引き出された引出部２３ａ、２６ａ、２７ａを通じて、外部との電気的接続が可能となっている。保護膜３は、引出部２３ａ、２６ａ、２７ａが露出するように、基板１およびセンサ素子２を覆っている。

図２の紙面下向きの荷重が印加されたときの荷重センサの動作について説明する。第１、第２トランジスタ２２ａ、２２ｂは、ゲート電極２３に対して所定のゲート電圧が印加されると、半導体層２５のうち、ドレイン電極とソース電極の間に位置する部分においてチャネル領域を形成する。これにより、チャネル領域を通じてドレイン・ソース間、つまり底部電極層２６と頂部電極層２７との間に電流が流れるようになる。本実施形態では、底部電極層２６と頂部電極層２７との間に流れる電流Ｉ_ＤＳを一定として荷重センサを動作させる。

このとき、荷重センサに対して荷重が印加されると、荷重に応じてリブ２１が変形し、リブ２１の表面に形成された第１、第２トランジスタ２２ａ、２２ｂのチャネル部２５ａが変形する。チャネル部２５ａが変形すると、チャネル部２５ａの抵抗Ｒが変化する。

抵抗Ｒが変化するとドレイン・ソース間の電位差Ｖ_ＤＳが変化し、ΔＶ_ＤＳ＝Ｉ_ＤＳ・ΔＲとなる。したがって、電位差Ｖ_ＤＳの変化量ΔＶ_ＤＳに基づいて荷重測定を行うことが可能である。

なお、ΔＶ_ＤＳは、電位差Ｖ_ＤＳと、荷重が印加されていないときのドレイン・ソース間の電位差Ｖ_ＤＳ０との差であり、ΔＶ_ＤＳ＝Ｖ_ＤＳ−Ｖ_ＤＳ０である。また、ΔＲは、抵抗Ｒと、荷重が印加されていないときのチャネル部２５ａの抵抗Ｒ_０との差であり、ΔＲ＝Ｒ−Ｒ_０である。

チャネル部２５ａの移動度をμ、移動度μにより定まるチャネル部２５ａの抵抗率をρ（μ）、チャネル長をＬ、チャネル幅をＷとすると、Ｒ＝ρ（μ）・Ｌ／Ｗである。

また、初期チャネル長をＬ_０、図２の下向きにかかる荷重の大きさをＦ、受圧面積をＳ、リブ２１を構成する材料のヤング率をＥとすると、チャネル長Ｌは、Ｌ＝Ｌ_０−Ｌ_０・Ｆ／（Ｓ・Ｅ）となる。つまり、図２の下向きの荷重の印加によりチャネル長Ｌが短くなり、これにより、抵抗Ｒが減少する。

また、荷重によりチャネル部２５ａが圧縮されると、有機半導体を構成する分子間の距離が短くなることで、隣り合う分子の電子軌道が近くなる。そして、トランスファー積分が増加することで、有機半導体の移動度が増加する。初期移動度をμ_０、移動度の応力変化の係数をａとすると、移動度μは、μ＝μ_０・（１＋ａ・Ｆ／Ｓ）となる。なお、係数ａは、半導体層２５を構成する材料によって定まり、本実施形態でリブ２１ａ、２１ｂを構成するＤＮＴＴでは、ａ＝１．００４である。

これらの関係により、抵抗Ｒは、荷重の大きさＦにほぼ比例して変化し、Ｆ＝０のときΔＲ＝０、ΔＶ_ＤＳ＝０である。また、本実施形態では、受圧面積Ｓ、ヤング率Ｅ、初期移動度μ_０、係数ａは、センサ素子２ａとセンサ素子２ｂとで等しい。また、初期チャネル長Ｌ_０はＦ＝０のときのリブ２１の高さとほぼ等しく、センサ素子２ａのリブ２１ａはセンサ素子２ｂのリブ２１ｂよりも高くなるように形成されているので、初期チャネル長Ｌ_０はセンサ素子２ａの方がセンサ素子２ｂよりも大きい。

したがって、図３に示すように、センサ素子２ａにおける変化量ΔＶ_ＤＳは、センサ素子２ｂにおける変化量ΔＶ_ＤＳよりも大きい。すなわち、センサ素子２ａはセンサ素子２ｂよりも荷重の検出感度が高い。なお、図３において、実線はセンサ素子２ａにおける変化量ΔＶ_ＤＳを示し、破線はセンサ素子２ｂにおける変化量ΔＶ_ＤＳを示す。

荷重センサの出力信号は、外部の装置に入力され、この装置が入力信号に基づいて荷重の大きさの計算等を行う。このような装置は、通常、入力信号がある程度大きい場合にのみ、信号を精度よく読み取ることができる。そのため、変化量ΔＶ_ＤＳがある程度大きい場合にのみ、荷重の検出を行うことが好ましい。本実施形態では、変化量ΔＶ_ＤＳが検出限界値Ｖ_ｍｉｎ以上であるときに、荷重センサによる荷重の検出を行う。

センサ素子２ａ、２ｂにおいてΔＶ_ＤＳ＝Ｖ_ｍｉｎとなるときの荷重の大きさを、それぞれ、Ｆ_ａ１、Ｆ_ｂ１とする。上述したように、センサ素子２ａにおける変化量ΔＶ_ＤＳは、センサ素子２ｂにおける変化量ΔＶ_ＤＳよりも大きいので、Ｆ_ａ１＜Ｆ_ｂ１となる。

また、荷重の大きさＦがある程度大きい場合には、荷重の大きさＦを変化させても、リブ２１の高さがほとんど変化しない。例えば、Ｆ_ａ２＜Ｆの範囲においては、荷重の大きさＦを変化させても、センサ素子２ａのリブ２１ａの高さがほとんど変化しない。同様に、Ｆ_ｂ２＜Ｆの範囲においては、荷重の大きさＦを変化させても、センサ素子２ｂのリブ２１ｂの高さがほとんど変化しない。

そのため、図３に示すように、センサ素子２ａでは、０≦Ｆ≦Ｆ_ａ２のとき変化量ΔＶ_ＤＳは荷重の大きさＦに比例し、Ｆ_ａ２＜Ｆのとき変化量ΔＶ_ＤＳはほぼ一定の値となる。同様に、センサ素子２ｂでは、０≦Ｆ≦Ｆ_ｂ２のとき変化量ΔＶ_ＤＳは荷重の大きさＦに比例し、Ｆ_ｂ２＜Ｆのとき変化量ΔＶ_ＤＳはほぼ一定の値となる。

すなわち、センサ素子２ａではＦ_ａ２＜Ｆのとき荷重の検出感度が低く、センサ素子２ｂではＦ_ｂ２＜Ｆのとき荷重の検出感度が低い。したがって、本実施形態では、Ｆ≦Ｆ_ａ２であるときにセンサ素子２ａによる荷重の検出を行い、Ｆ≦Ｆ_ｂ２であるときにセンサ素子２ｂによる荷重の検出を行う。

なお、荷重の大きさＦを０から大きくしていくと、センサ素子２ａのリブ２１ａは、センサ素子２ｂのリブ２１ｂよりも先に高さがほとんど変化しなくなる。すなわち、Ｆ_ａ２＜Ｆ_ｂ２である。

以上説明したように、ΔＶ_ＤＳが検出限界値Ｖ_ｍｉｎ以上であり、かつ、ΔＶ_ＤＳが荷重の大きさＦにほぼ比例して変化する範囲において荷重の検出を行うことで、荷重を高精度に検出することができる。すなわち、図３に示すように、センサ素子２ａによる荷重の検出範囲をＦ_ａ１≦Ｆ≦Ｆ_ａ２とし、センサ素子２ｂによる荷重の検出範囲をＦ_ｂ１≦Ｆ≦Ｆ_ｂ２とすることで、荷重を高精度に検出することができる。

本実施形態では、２つのセンサ素子２の検出範囲を合わせた範囲が荷重センサ全体での荷重の検出範囲となる。そして、上述したように、Ｆ_ａ１＜Ｆ_ｂ１、Ｆ_ａ２＜Ｆ_ｂ２であるので、荷重センサ全体での荷重の検出範囲は、センサ素子２ａでの荷重の検出範囲よりも広く、センサ素子２ｂでの荷重の検出範囲よりも広い。したがって、本実施形態では、荷重センサがセンサ素子２ａまたはセンサ素子２ｂのいずれか一方のみを備える場合に比べて、荷重の検出範囲を広くすることが可能である。

なお、図２の紙面左右方向の荷重が印加されると、第１トランジスタ２２ａと第２トランジスタ２２ｂのチャネル部２５ａの変形に差が生じる。例えば、図２の紙面右向きの荷重が印加されると、第１トランジスタ２２ａのチャネル部２５ａは圧縮方向に変形し、第２トランジスタ２２ｂのチャネル部２５ａは引張方向に変形する。そして、図２の紙面左向きの荷重が印加されると、第１トランジスタ２２ａのチャネル部２５ａは引張方向に変形し、第２トランジスタ２２ｂのチャネル部２５ａは圧縮方向に変形する。

したがって、図２の紙面左右方向の荷重が印加されると、第１トランジスタ２２ａと第２トランジスタ２２ｂの抵抗Ｒの変化率に差が生じ、第１トランジスタ２２ａの出力信号と、第２トランジスタ２２ｂの出力信号とが異なった値となる。

このことから、本実施形態の荷重センサでは、図２の紙面上下方向の荷重だけでなく、水平方向荷重も検出可能となる。具体的には、図２の紙面左右方向の荷重に対して、第１、第２トランジスタ２２ａ、２２ｂの出力電圧の増減が逆になることから、第１、第２トランジスタ２２ａ、２２ｂの出力の差分を取ることで、図２の紙面左右方向の荷重の大きさと方向を精度よく検知することができる。また、図２の紙面上下方向の荷重（押し荷重）に対しては第１、第２トランジスタ２２ａ、２２ｂの出力電圧の変化方向が増加方向となるため、水平方向荷重と分離して検知することができる。

本実施形態では、図２の紙面上下方向の荷重の検出だけでなく、図２の紙面左右方向の荷重の検出においても、センサ素子２ａ、２ｂの検出範囲に差が生じるため、荷重の検出範囲を広げることができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について図４を用いて説明する。なお、図４は断面図ではないが、各構成要素を見やすくするためにハッチングを付してある。本実施形態は、第１実施形態に対して、リブ２１の上面の形状を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

第１実施形態では、リブ２１ａは、リブ２１ｂよりも高くなるように形成されており、これにより、リブ２１ａとリブ２１ｂは互いに体積が異なるものとされている。具体的には、第１実施形態では、リブ２１ａはリブ２１ｂよりも体積が大きくされている。

このような構成の第１実施形態とは異なり、本実施形態では、リブ２１ａの体積がリブ２１ｂの体積よりも小さくされている。具体的には、図４に示すように、図４の紙面左右方向において、リブ２１ａの上面の幅はリブ２１ｂの上面の幅と等しく、図４の紙面上下方向において、リブ２１ｂの上面の幅はリブ２１ａの上面の幅よりも大きくされている。これにより、リブ２１ａの上面の面積Ｓ_１がリブ２１ｂの上面の面積Ｓ_２よりも小さくされている。本実施形態では、さらに、Ｓ_１＜Ｓ_２・Ｈ_２／Ｈ_１とされており、これにより、リブ２１ａの体積がリブ２１ｂの体積よりも小さくされている。

面積Ｓ_１を小さくすることで、荷重の大きさＦに対するリブ２１ａの高さの変化が大きくなり、Ｆ_ａ１、Ｆ_ａ２が小さくなる。また、面積Ｓ_２を大きくすることで、荷重の大きさＦに対するリブ２１ｂの高さの変化が小さくなり、Ｆ_ｂ１、Ｆ_ｂ２が大きくなる。

したがって、センサ素子２ａでの荷重の検出範囲と、センサ素子２ｂでの荷重の検出範囲との差が大きくなり、荷重センサ全体での荷重の検出範囲をさらに広げることができる。特に、Ｓ_１とＳ_２との差を大きくして、Ｓ_１＜Ｓ_２・Ｈ_２／Ｈ_１とすることにより、荷重センサ全体での荷重の検出範囲をさらに広げることができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について図５を用いて説明する。なお、図５は断面図ではないが、各構成要素を見やすくするためにハッチングを付してある。本実施形態は、第１実施形態に対して、トランジスタ２２の数を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図５に示すように、本実施形態では、リブ２１の側面に４つのトランジスタ２２が形成されている。１つのリブ２１に形成された４つのトランジスタ２２のうち、第１、第２トランジスタ２２ａ、２２ｂ以外の２つのトランジスタ２２を、第３トランジスタ２２ｃ、第４トランジスタ２２ｄとする。

第３、第４トランジスタ２２ｃ、２２ｄは第１、第２トランジスタ２２ａ、２２ｂと同様に１対のトランジスタを構成するものであり、第３、第４トランジスタ２２ｃ、２２ｄは第１、第２トランジスタ２２ａ、２２ｂと同様の構成を備えている。

第１、第２トランジスタ２２ａ、２２ｂは、第１実施形態と同様に、リブ２１の一方向の両側に配置されており、第３、第４トランジスタ２２ｃ、２２ｄは、リブ２１の一方向に対して傾斜した他方向の両側に配置されている。ここでは、第３、第４トランジスタ２２ｃ、２２ｄは、リブ２１の一方向に垂直な方向の両側に配置されており、リブ２１の側面のうち、第１、第２トランジスタ２２ａ、２２ｂが形成されていない対向する２つの側面にそれぞれ形成されている。

リブ２１の４つの側面に第１、第２、第３、第４トランジスタ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄのチャネル部２５ａが形成された本実施形態では、各トランジスタの出力を用いて、図５の紙面垂直方向、左右方向だけでなく、紙面上下方向の荷重も分離して検出することができる。

なお、本実施形態では第１実施形態に対して第３、第４トランジスタ２２ｃ、２２ｄを追加したが、第２実施形態に対して第３、第４トランジスタ２２ｃ、２２ｄを追加してもよい。これにより、３方向の荷重を高精度に分離して検出することができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について図６を用いて説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して、基板１およびリブ２１の構成を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

本実施形態では、基板１は、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）等のフィルム材料で構成されている。そして、図６に示すように、基板１の裏面は、一部が凹んだ形状とされており、基板１の表面は、基板１の裏面の形状に対応して一部が突出した形状とされている。例えばプレス加工等によって、このような基板１を形成することができる。

図６に示すように、リブ２１は、基板１のうち表面が突出した部分により構成されており、基板１と一体化されている。なお、荷重感度を大きくして荷重の検出を容易にするために、リブ２１の高さ、つまり基板１の表面の突出高さを基板１の厚み以上とすることが望ましい。

また、本実施形態では、リブ２１の側面が基板１の表面の法線方向に対して傾斜することにより、リブ２１が先細り形状となっている。

このような構成では、基板１を構成する材料を選定することにより、荷重の感度を調整することができるので、荷重の感度の調整が容易である。また、リブ２１の高さ、形状等の調整が容易になる。また、例えば蒸着や印刷によってリブ２１の表面にトランジスタ２２を形成する場合、リブ２１を上記のような形状とすることにより、トランジスタ２２の形成が容易になる。

なお、図７に示すように、基板１の裏面にフィルム基板４を貼り付けてもよい。これにより、荷重センサの強度を高めることができる。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態について図８を用いて説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して、センサ素子２の数を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図８に示すように、本実施形態の荷重センサは、センサ素子２ａ、２ｂを含む複数のセンサ素子２を備えている。そして、複数のセンサ素子２は、マトリクス状に並んでいる。

本実施形態では、７×７のマトリクス状に並ぶセンサ素子２の集合であるセンサ素子群５が、４×４のマトリクス状に並んでいる。

複数のセンサ素子２は、１つのセンサ素子群５に含まれる複数のセンサ素子２の上部を通る曲面が図９に示すような半球面状となるように、センサ素子群５の中央部に位置するリブ２１が最も高く、最も外側に位置するリブ２１が最も低くなるように形成されている。

複数のセンサ素子２をこのように形成した本実施形態では、センサ素子群５の内周部では小さな荷重を検出し、外周部では大きな荷重を検出することができる。また、本実施形態のようにセンサ素子２を３つ以上備える構成では、複数のセンサ素子２における荷重の検出範囲に差が生じるように複数のリブ２１の高さを定めることにより、荷重の検出範囲をさらに広くすることができる。

なお、複数のリブ２１を本実施形態とは異なる高さに形成してもよい。複数のセンサ素子２をマトリクス状に並べ、リブ２１の高さを場所により変化させることで、場所によって所望の範囲の荷重を検出することができる。

例えば、１つのセンサ素子群５において、複数のセンサ素子２の上部を通る曲面が基板１側に凹んだ半球面状となるように、センサ素子群５の中央部に位置するリブ２１が最も低く、最も外側に位置するリブ２１が最も高くなるように、複数のセンサ素子２を形成してもよい。このような構成では、センサ素子群５の内周部では大きな荷重を検出し、外周部では小さな荷重を検出することができる。

また、図１０に示すように、複数のセンサ素子２の上部を通る曲面が半円筒状となるように複数のセンサ素子２を形成してもよい。また、図１１に示すように、複数のセンサ素子２の上部を通る曲面がセンサ素子群５の中央部を通り基板１の表面に垂直な直線に対して非対称となるようにセンサ素子２が配置されていてもよい。また、複数のセンサ素子２のリブ２１の高さが不規則に設定されていてもよい。

（第６実施形態）
本発明の第６実施形態について図１２を用いて説明する。本実施形態は、第５実施形態に対して、ガラス板６を追加したものであり、その他については第５実施形態と同様であるため、第５実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

本実施形態では、図１２に示すように、センサ素子２の上部にガラス板６が配置されており、ガラス板６を通して、各センサ素子２に荷重が印加される。荷重が印加されていない状態では、ガラス板６はリブ２１が高く形成されたセンサ素子２にのみ接触している。そして、荷重が印加されると、ガラス板６を支えるセンサ素子２のリブ２１が圧縮され、このセンサ素子２よりリブ２１が低く形成されたセンサ素子２もガラス板６に接触するようになる。

これにより、荷重センサ全体に印加される荷重が大きくなるにつれて、ガラス板６に接触して荷重が印加されるセンサ素子２の数が増加する。例えば、図１３において、０≦Ｆ＜Ｆ_１のとき、Ｆ_１≦Ｆ＜Ｆ_２のとき、Ｆ_２≦Ｆ＜Ｆ_３のとき、Ｆ_３≦Ｆのときの、ガラス板６に接触しているセンサ素子２の数をそれぞれＮ_１、Ｎ_２、Ｎ_３、Ｎ_４とすると、Ｎ_１＜Ｎ_２＜Ｎ_３＜Ｎ_４である。

ガラス板６に接触するセンサ素子２の数が増加すると、荷重センサ全体に印加される荷重が、より多くのセンサ素子２に分割されて印加される。つまり、荷重センサ全体に印加される荷重のうち、ガラス板６に接触している１つのセンサ素子２に印加される荷重の占める割合が減少する。

そのため、ガラス板６に接触するセンサ素子２の数が増加すると、荷重センサ全体に印加される荷重が増加したときの、ガラス板６に接触している１つのセンサ素子２に印加される荷重の増加量が小さくなる。したがって、図１３に示すように、荷重センサ全体に印加される荷重が大きくなるにつれて、リブ２１の変形量が増加しにくくなる。

このように、本実施形態では、荷重の大きさに応じて荷重センサの感度を変化させることができる。例えば、荷重が小さいときには感度を高くすることで検出精度を向上させ、荷重が大きいときには感度を低くしてノイズの影響を低減することができる。

また、複数のセンサ素子２の上部にガラス板６を配置し、ガラス板６を通して各センサ素子２に荷重を印加することにより、一部のセンサ素子２に集中して荷重が印加されることを抑制することができる。

（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、リブ２１に第１、第２トランジスタ２２ａ、２２ｂのうち一方のみが形成されていてもよい。また、リブ２１の上面形状が四角形状でなくてもよい。例えば、リブ２１の上面形状が円形状であってもよい。

また、リブ２１を弾性体で構成する場合において、上記第４実施形態のように、リブ２１の側面を基板１の表面の法線方向に対して傾斜させて、リブ２１を先細り形状としてもよい。

１ 基板
２ センサ素子
２１ リブ
２２ トランジスタ
２３ ゲート電極
２４ ゲート絶縁膜
２５ 半導体層
２６ 底部電極層
２７ 頂部電極層

Claims (8)

1. 表層が絶縁体で構成された基板（１）と、
   前記基板に形成されたリブ（２１、２１ａ、２１ｂ）、および、前記リブの表面に形成されたトランジスタ（２２、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ）を有するセンサ素子（２、２ａ、２ｂ）と、を備え、
   前記リブは、上面、および、前記上面を前記基板に連結する側面を有し、表面が絶縁体で構成されており、荷重が加えられることにより変形し、
   前記トランジスタは、前記リブの前記側面に形成されたゲート電極（２３）と、前記ゲート電極の表面に形成されたゲート絶縁膜（２４）と、前記ゲート絶縁膜を挟んで前記ゲート電極と対向するように形成された半導体層（２５）と、前記基板のうち前記リブが形成されていない部分の底面において前記半導体層と接するように形成された底部電極層（２６）と、前記リブの上面において前記半導体層と接するように形成された頂部電極層（２７）と、を有する縦型トランジスタであり、
   前記ゲート電極に対してゲート電圧が印加されることで、前記半導体層にチャネル領域が形成されて前記底部電極層と前記頂部電極層との間に電流が流れ、
   前記センサ素子は、２つ備えられており、
   一方の前記センサ素子が有する前記リブと、他方の前記センサ素子が有する前記リブとは、互いに高さが異なる荷重センサ。
2. 前記リブは、弾性体で構成されている請求項１に記載の荷重センサ。
3. 前記基板の裏面は、一部が凹んだ形状であり、
   前記基板の表面は、前記基板の裏面の形状に対応して一部が突出した形状であり、
   前記リブは、前記基板のうち表面が突出した部分により構成されている請求項１に記載の荷重センサ。
4. 前記基板の表面の突出高さは、前記基板の厚み以上である請求項３に記載の荷重センサ。
5. 前記リブの前記側面が前記基板の表面の法線方向に対して傾斜することにより、前記リブが先細り形状となっている請求項１ないし４のいずれか１つに記載の荷重センサ。
6. 前記トランジスタは、１つの前記リブに４つ形成されており、
   １つの前記リブに形成された４つの前記トランジスタのうち、２つの前記トランジスタは、該リブの一方向の両側に配置されており、他の前記トランジスタは、該リブの前記一方向に対して傾斜した他方向の両側に配置されている請求項１ないし５のいずれか１つに記載の荷重センサ。
7. 一方の前記センサ素子が有する前記リブは、他方の前記センサ素子が有する前記リブよりも、高さが大きく、かつ、体積が小さい請求項１ないし６のいずれか１つに記載の荷重センサ。
8. 前記リブの高さが互いに異なる２つの前記センサ素子を含む複数の前記センサ素子を備え、
   複数の前記センサ素子は、マトリクス状に並んでいる請求項１ないし７のいずれか１つに記載の荷重センサ。

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