JP5942590B2 - 力検出素子、力検出モジュール、力検出ユニットおよびロボット - Google Patents

Description

本発明は、力検出素子、力検出モジュール、力検出ユニットおよびロボットに関する。

外力の付加により圧電基板の表面に誘起される電荷を捉え、電荷の変化から加わった外力を検出する力センサー（力検出素子）が知られている（例えば、特許文献１参照）。
このような力検出素子において、力検出素子から検出された信号は配線を介して、別体の検出回路部に接続され、力の大きさを検知している。

特開平４−２３１８２７号公報

近年、力検出素子においても小型化が要望されている。配線や検出回路を含む力検出素子の小型化を図るために、力を検出する力検出部に加えて、圧電基板上に半導体素子で回路部を構成させる提案がある。しかしながら、圧電基板上に半導体素子を構成した場合、力検出部に加わる力が回路部を変形させ、半導体素子のチャネル領域を変形させる。そして、このチャネル領域の変形により半導体素子の閾値電圧が変動することがある。このため、圧電基板上に力検出部と半導体素子とを形成して力検出素子の小型化を図ることは、実用化が難しいという課題がある。

本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例にかかる力検出素子は、圧電基板と、前記圧電基板の一方の表面に形成された第１電極、および他方の表面に形成された第２電極を有し外力が加わる力検出部と、前記力検出部から前記圧電基板が延在され、延在された前記圧電基板上に前記第１電極または前記第２電極に接続される半導体素子が設けられた回路部と、前記圧電基板の前記力検出部と前記回路部との間に、前記力検出部が形成された前記圧電基板の剛性とは異なる剛性に調整された剛性調整部と、を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、圧電基板に形成される力検出部と回路部との間に、力検出部の圧電基板の剛性とは異なる剛性に調整された剛性調整部が設けられている。剛性調整部としては、力検出部の圧電基板より剛性が低い剛性調整部、または剛性が高い剛性調整部が設けられる。
力検出部に加わった外力は圧電基板に応力を与え、この応力は力検出部の圧電基板から回路部にも伝わる。このとき、剛性調整部の剛性が力検出部の圧電基板より低い場合には、この剛性調整部にて圧電基板が変形して応力を緩和する。このため、回路部にはこの応力が伝わらず、回路部に形成された半導体素子のチャネル領域を変形させることがなく、チャネル領域の変形に起因する閾値電圧の変動を抑えることができる。
また、剛性調整部の剛性が力検出部の圧電基板より高い場合には、この剛性調整部にて圧電基板を変形させようとする応力を規制でき、回路部の圧電基板の変形を抑制する。このため、回路部にはこの応力が伝わらず、回路部に形成された半導体素子のチャネル領域を変形させることがなく、チャネル領域の変形に起因する閾値電圧の変動を抑えることができる。
このように、本適用例の力検出素子は、半導体素子の閾値電圧の変動を抑制することができることから、従来、実用化が難しかった圧電基板上に力検出部と回路部とを一体に形成することができ、力検出素子の小型を図ることが可能となる。

［適用例２］上記適用例にかかる力検出素子において、前記圧電基板の厚み方向の平面視において、前記剛性調整部の前記力検出部と対向する長さは、前記回路部の前記力検出部と対向する長さよりも長く形成されることが好ましい。

この構成によれば、剛性調整部が力検出部と対向し、また回路部と対向している。そして、回路部は、回路部の力検出部と対向する全体の長さが剛性調整部と対向するように配置されている。つまり、回路部の力検出部と対向する長さをカバーして剛性調整部が力検出部との間に形成されている。
このことから、力検出部から伝わる応力は剛性調整部で緩和あるいは規制されて、回路部に伝わらない。

［適用例３］上記適用例にかかる力検出素子において、前記剛性調整部として前記圧電基板に凹部を形成したことが好ましい。

この構成によれば、剛性が低い剛性調整部を圧電基板に凹部を作ることで形成することができる。また、凹部の形成は圧電基板にエッチングなどを施して容易に形成することができる。

［適用例４］上記適用例にかかる力検出素子において、前記剛性調整部として前記圧電基板を貫通する穴部を形成したことが好ましい。

この構成によれば、剛性が低い剛性調整部を圧電基板に穴部を作ることで形成することができる。また、穴部の形成は圧電基板にエッチングなどを施して容易に形成することができる。

［適用例５］上記適用例にかかる力検出素子において、前記剛性調整部として前記圧電基板に形成された凹部と、前記凹部に埋め込まれた前記圧電基板よりも剛性の低い軟質部材と、を有することが好ましい。

この構成によれば、剛性調整部として凹部を形成し、その凹部に軟質部材を埋め込んでいる。このように、凹部を形成することにより剛性を低くする一方で、圧電基板の強度が低下することになるが、軟質部材をその凹部に付加することで圧電基板の強度を確保し、剛性の調整をすることができる。

［適用例６］上記適用例にかかる力検出素子において、前記剛性調整部として前記圧電基板に形成された穴部と、前記穴部に埋め込まれた前記圧電基板よりも剛性の低い軟質部材と、を有することが好ましい。

この構成によれば、剛性調整部として穴部を形成し、その穴部に軟質部材を埋め込んでいる。このように、穴部を形成することにより剛性を低くする一方で、圧電基板の強度が低下することになるが、軟質部材をその穴部に付加することで圧電基板の強度を確保し、剛性の調整をすることができる。

［適用例７］上記適用例にかかる力検出素子において、前記剛性調整部として前記圧電基板に前記圧電基板に厚みを付加する付加部材が設けられたことが好ましい。

この構成によれば、剛性調整部として圧電基板に厚みを付加する付加部材が設けられる。このように圧電基板よりも基板の厚みが厚くなることで、剛性調整部の剛性が増す。
このことから、この剛性調整部にて圧電基板を変形させようとする応力を規制でき、回路部の圧電基板の変形を抑制する。

［適用例８］上記適用例にかかる力検出素子において、前記半導体素子がＭＯＳ型半導体素子であり、ポリシリコンＴＦＴを有することが好ましい。

この構成によれば、半導体素子がＭＯＳ型半導体素子であり、ポリシリコンＴＦＴを有することから、アンプ、ＡＤコンバーターなどのアナログ回路や信号処理回路などのデジタル回路を圧電基板上に集積できる。

［適用例９］上記適用例にかかる力検出素子において、前記半導体素子がＭＯＳ型半導体素子であり、前記ＭＯＳ型半導体素子は酸化物系半導体材料で構成されていることが好ましい。

この構成によれば、ＭＯＳ型半導体素子が酸化物系半導体材料で構成されていることから、製造プロセスにおけるプロセス温度の低温化が可能となり、圧電基板へのダメージを抑制することができる。

［適用例１０］上記適用例にかかる力検出素子において、前記回路部には、前記圧電基板の表面と直接もしくは絶縁層を介して接するバックゲート電極と、前記バックゲート電極を覆う絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成されたゲート電極を有する前記半導体素子と、が備えられ、前記圧電基板の厚み方向の平面視において、前記バックゲート電極は前記ゲート電極を含んで重なる位置に設けられ、前記バックゲート電極はグランドに接続されることが好ましい。

この構成によれば、回路部の半導体素子のゲート電極の下方には圧電基板と直接もしくは絶縁層を介して接するバックゲート電極が設けられ、平面視において、バックゲート電極はゲート電極を含んで重なる位置に設けられ、バックゲート電極はグランドに接続される。
このため、圧電基板に外力などが加わり圧電基板の表面に電荷が誘起された場合でも、バックゲート電極において誘起電荷による電界を遮蔽でき、半導体素子の閾値電圧の変動を抑制することができる。

［適用例１１］上記適用例にかかる力検出素子において、前記回路部には、前記圧電基板の表面と接続するバックゲート電極と、前記バックゲート電極を覆う絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成されたゲート電極を有する前記半導体素子と、が備えられ、前記圧電基板の厚み方向の平面視において、前記バックゲート電極は前記ゲート電極を含んで重なる位置に設けられ、前記バックゲート電極は一定の電位に固定されることが好ましい。

この構成によれば、回路部の半導体素子のゲート電極の下方には圧電基板と接続されたバックゲート電極が設けられ、平面視において、バックゲート電極はゲート電極を含んで重なる位置に設けられ、バックゲート電極は一定の電位に固定される。
このため、圧電基板に外力などが加わり圧電基板の表面に電荷が誘起された場合でも、バックゲート電極において誘起電荷による電界を遮蔽でき、半導体素子の閾値電圧の変動を抑制することができる。

［適用例１２］本適用例にかかる力検出モジュールは、圧電基板を複数積層させた力検出モジュールであって、前記圧電基板の積層方向をｚ軸方向としたとき、前記ｚ軸方向に直交する方向をｘ軸方向、ｚ軸方向およびｘ軸方向に直交する方向をｙ軸方向とした場合、前記ｘ軸方向の力を検出する第１力検出素子と、前記ｚ軸方向の力を検出する第２力検出素子と、前記ｙ軸方向の力を検出する第３力検出素子と、を備え、前記第１力検出素子は、第１圧電基板と、前記第１圧電基板の一方の表面に形成された第１電極と他方の表面に形成された第２電極とを有する第１力検出部と、前記第１力検出部から前記第１圧電基板が延在され、延在された前記第１圧電基板上に前記第１電極または前記第２電極に接続される半導体素子が設けられた第１回路部と、前記第１圧電基板の前記第１力検出部と前記第１回路部との間に、前記第１力検出部が形成された前記第１圧電基板の剛性とは異なる剛性に調整された第１剛性調整部と、が設けられ、前記第２力検出素子は、第２圧電基板と、前記第２圧電基板の一方の表面に形成された第３電極と他方の表面に形成された第４電極とを有する第２力検出部と、前記第２力検出部から前記第２圧電基板が延在され、延在された前記第２圧電基板上に前記第３電極または前記第４電極に接続される半導体素子が設けられた第２回路部と、前記第２圧電基板の前記第２力検出部と前記第２回路部との間に、前記第２力検出部が形成された前記第２圧電基板の剛性とは異なる剛性に調整された第２剛性調整部と、が設けられ、前記第３力検出素子は、第３圧電基板と、前記第３圧電基板の一方の表面に形成された第５電極と他方の表面に形成された第６電極とを有する第３力検出部と、前記第３力検出部から前記第３圧電基板が延在され、延在された前記第３圧電基板上に前記第５電極または前記第６電極に接続される半導体素子が設けられた第３回路部と、前記第３圧電基板の前記第３力検出部と前記第３回路部との間に、前記第３力検出部が形成された前記第３圧電基板の剛性とは異なる剛性に調整された第３剛性調整部と、が設けられたことを特徴とする。

この構成によれば、力検出モジュールには、直交する３軸方向の力を検出する第１力検出素子、第２力検出素子、第３力検出素子を備えている。そして、各力検出素子の圧電基板の力検出部と回路部との間に、力検出部が形成された圧電基板の剛性とは異なる剛性に調整された剛性調整部が設けられている。剛性調整部としては、力検出部の圧電基板より剛性が低い剛性調整部、または剛性が高い剛性調整部が設けられる。
力検出部に加わった外力は圧電基板に応力を与え、この応力は力検出部の圧電基板から回路部にも伝わる。このとき、剛性調整部の剛性が圧電基板より低い場合には、この剛性調整部にて圧電基板が変形して応力を緩和する。このため、回路部にはこの応力が伝わらず、回路部に形成された半導体素子のチャネル領域を変形させることがなく、チャネル領域の変形に起因する閾値電圧の変動を抑えることができる。
また、剛性調整部の剛性が圧電基板より高い場合には、この剛性調整部にて圧電基板を変形させようとする応力を規制でき、回路部の圧電基板の変形を抑制する。このため、回路部にはこの応力が伝わらず、回路部に形成された半導体素子のチャネル領域を変形させることがなく、チャネル領域の変形に起因する閾値電圧の変動を抑えることができる。
このように、本適用例の力検出モジュールは、半導体素子の閾値電圧の変動を抑制することができることから、従来、実用化が難しかった圧電基板上に力検出部と回路部とを一体に形成することができ、力検出モジュールの小型を図ることが可能となる。

［適用例１３］上記適用例にかかる力検出モジュールにおいて、前記第１圧電基板、前記第２圧電基板および前記第３圧電基板は水晶基板で形成され、前記第１圧電基板および前記第３圧電基板はＹカット水晶基板であり、前記第２圧電基板はＸカット水晶基板であることが好ましい。

この構成によれば、第１、第２、第３圧電基板として水晶基板が用いられ、第１圧電基板および第３圧電基板はＹカット水晶基板であり、ｘ軸またはｙ軸方向の力に対して検出可能である。そして、第２圧電基板はＸカット水晶基板であり、ｚ軸方向の力に対して検出可能である。水晶は長期的に安定した材料であり精度および信頼性に優れた力検出モジュールを構成できる。
このように、水晶基板として、水晶の切断方位を選ぶことにより直交する３軸に対応する力の検出を可能とする。

［適用例１４］本適用例にかかる力検出ユニットは、上記の力検出モジュールを４つ用いた力検出ユニットであって、第１与圧プレートと第２与圧プレートの間に４つの前記力検出モジュールが与圧を加えられて挟み込まれ、前記力検出モジュールは、前記第１与圧プレートまたは前記第２与圧プレートの中心を通り互いに直交する線上に配置されることを特徴とする。

この構成によれば、三次元のあらゆる方向からの力（６軸方向の力）を検知することができる。特に、高剛性であるという特徴を有する水晶材料を検出部に用いる事で、少ない変位量であっても高精度な力の検出を安定的に行うことが可能な力検出ユニットを提供できる。

［適用例１５］本適用例にかかるロボットは、本体部と、前記本体部に接続するアーム部と、前記アーム部に接続するハンド部と、を備えるロボットであって、前記アーム部と前記ハンド部との接続部に力検出モジュールを有し、前記力検出モジュールは、圧電基板を積層させた力検出モジュールであって、前記圧電基板の積層方向をｚ軸方向としたとき、前記ｚ軸方向に直交する方向をｘ軸方向、ｚ軸方向およびｘ軸方向に直交する方向をｙ軸方向とした場合、前記ｘ軸方向の力を検出する第１力検出素子と、前記ｚ軸方向の力を検出する第２力検出素子と、前記ｙ軸方向の力を検出する第３力検出素子と、を備え、前記第１力検出素子は、第１圧電基板と、前記第１圧電基板の一方の表面に形成された第１電極と他方の表面に形成された第２電極とを有する第１力検出部と、前記第１力検出部から前記第１圧電基板が延在され、延在された前記第１圧電基板上に前記第１電極または前記第２電極に接続される第１回路部と、を備え、前記第１回路部には、ゲート電極を有する半導体素子が設けられ、前記第１圧電基板の前記第１力検出部と前記第１回路部との間に、前記第１力検出部が形成された前記第１圧電基板の剛性とは異なる剛性に調整された第１剛性調整部が設けられ、前記第２力検出素子は、第２圧電基板と、前記第２圧電基板の一方の表面に形成された第３電極と他方の表面に形成された第４電極とを有する第２力検出部と、前記第２力検出部から前記第２圧電基板が延在され、延在された前記第２圧電基板上に前記第３電極または前記第４電極に接続される第２回路部と、を備え、前記第２回路部には、ゲート電極を有する半導体素子が設けられ、前記第２圧電基板の前記第２力検出部と前記第２回路部との間に、前記第２力検出部が形成された前記第２圧電基板の剛性とは異なる剛性に調整された第２剛性調整部が設けられ、前記第３力検出素子は、第３圧電基板と、前記第３圧電基板の一方の表面に形成された第５電極と他方の表面に形成された第６電極とを有する第３力検出部と、前記第３力検出部から前記第３圧電基板が延在され、延在された前記第３圧電基板上に前記第５電極または前記第６電極に接続される第３回路部と、を備え、前記第３回路部には、ゲート電極を有する半導体素子が設けられ、前記第３圧電基板の前記第３力検出部と前記第３回路部との間に、前記第３力検出部が形成された前記第３圧電基板の剛性とは異なる剛性に調整された第３剛性調整部が設けられたことを特徴とする。

この構成によれば、アーム部とハンド部の接続部に力検出モジュールを有している。力検出モジュールには、直交する３軸方向の力を検出する第１力検出素子、第２力検出素子、第３力検出素子を備えている。各力検出素子は、各力検出素子の圧電基板の力検出部と回路部との間に、力検出部が形成された圧電基板の剛性とは異なる剛性に調整された剛性調整部が設けられている。剛性調整部としては、力検出部の圧電基板より剛性が低い剛性調整部、または剛性が高い剛性調整部が設けられている。
力検出部に加わった外力は圧電基板に応力を与え、この応力は力検出部の圧電基板から回路部にも伝わる。このとき、剛性調整部の剛性が圧電基板より低い場合には、この剛性調整部にて圧電基板が変形して応力を緩和する。このため、回路部にはこの応力が伝わらず、回路部に形成された半導体素子のチャネル領域を変形させることがなく、チャネル領域の変形に起因する閾値電圧の変動を抑えることができる。
また、剛性調整部の剛性が圧電基板より高い場合には、この剛性調整部にて圧電基板を変形させようとする応力を規制でき、回路部の圧電基板の変形を抑制する。このため、回路部にはこの応力が伝わらず、回路部に形成された半導体素子のチャネル領域を変形させることがなく、チャネル領域の変形に起因する閾値電圧の変動を抑えることができる。
そして、半導体素子の閾値電圧の変動を抑制することができることから、従来、実用化が難しかった圧電基板上に力検出部と回路部とを一体に形成することができ、力検出モジュールの小型を図ることが可能となる。
このように、力検出モジュールは小型化されており、アーム部とハンド部の接続部に容易に搭載することができ、作動するアーム部あるいはハンド部に対して、所定動作中に起こる障害物との接触の検出、対象物との接触力の検出などを高精度に検出することができる。そして、この検出データを利用して安全で細かな作業を行うロボットを提供できる。

［適用例１６］上記適用例にかかるロボットにおいて、前記第１圧電基板、前記第２圧電基板および前記第３圧電基板は水晶基板で形成され、前記第１圧電基板および前記第３圧電基板はＹカット水晶基板であり、前記第２圧電基板はＸカット水晶基板であることが好ましい。

この構成によれば、第１、第２、第３圧電基板として水晶基板が用いられ、第１圧電基板および第３圧電基板はＹカット水晶基板であり、ｘ軸またはｙ軸方向の力に対して検出可能である。そして、第２圧電基板はＸカット水晶基板であり、ｚ軸方向の力に対して検出可能である。水晶は長期的に安定した材料であり精度および信頼性に優れた力検出モジュールを構成できる。
このことから、作動するアーム部あるいはハンド部に対して、所定動作中に起こる障害物との接触の検出、対象物との接触力の検出などを精度良く検出でき、信頼性に優れたロボットを提供できる。

［適用例１７］本適用例にかかる力検出素子は、圧電基板と、前記圧電基板の一方の表面に形成された第１電極、および他方の表面に形成された第２電極を有し外力が加わる力検出部と、前記力検出部から前記圧電基板が延在され、延在された前記圧電基板上に前記第１電極または前記第２電極に接続されるＭＯＳ型半導体素子と、前記圧電基板の前記力検出部と前記ＭＯＳ型半導体素子との間に、前記力検出部が形成された前記圧電基板の剛性とは異なる剛性に調整された剛性調整部と、を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、圧電基板に形成される力検出部とＭＯＳ型半導体素子との間に、力検出部の圧電基板の剛性とは異なる剛性に調整された剛性調整部が設けられている。剛性調整部としては、力検出部の圧電基板より剛性が低い剛性調整部、または剛性が高い剛性調整部が設けられる。
力検出部に加わった外力は圧電基板に応力を与え、この応力は力検出部の圧電基板から回路部にも伝わる。このとき、剛性調整部の剛性が力検出部の圧電基板より低い場合には、この剛性調整部にて圧電基板が変形して応力を緩和する。このため、ＭＯＳ型半導体素子にはこの応力が伝わらず、ＭＯＳ型半導体素子に形成されたチャネル領域を変形させることがなく、チャネル領域の変形に起因する閾値電圧の変動を抑えることができる。
また、剛性調整部の剛性が力検出部の圧電基板より高い場合には、この剛性調整部にて圧電基板を変形させようとする応力を規制でき、ＭＯＳ型半導体素子の形成された圧電基板の変形を抑制する。このため、ＭＯＳ型半導体素子にはこの応力が伝わらず、ＭＯＳ型半導体素子に形成されたチャネル領域を変形させることがなく、チャネル領域の変形に起因する閾値電圧の変動を抑えることができる。
このように、本適用例の力検出素子は、半導体素子の閾値電圧の変動を抑制することができることから、従来、実用化が難しかった圧電基板上に力検出部とＭＯＳ型半導体素子とを一体に形成することができ、力検出素子の小型を図ることが可能となる。

第１実施形態の力検出素子の構成を示す概略斜視図。 第１実施形態の力検出素子の構成を示し、図１を裏面から見た概略斜視図。 第１実施形態における信号引き出し部の構成を示す概略平面図。 第１実施形態における信号引き出し部の構成を示す概略部分断面図。 第１実施形態における回路部のゲート電極とバックゲート電極の位置関係を説明する模式平面図。 第１実施形態における回路部の他の構造を示す略部分断面図。 第１実施形態における回路部の他の構造を示す略部分断面図。 第１実施形態における変形例を示し、剛性調整部の配置を示す概略平面図。 第１実施形態における変形例を示し、剛性調整部の配置を示す概略平面図。 第１実施形態における変形例を示し、剛性調整部の断面形状を示す概略断面図。 第１実施形態における変形例を示し、剛性調整部の断面形状を示す概略断面図。 第１実施形態における変形例を示し、剛性調整部の断面形状を示す概略断面図。 第１実施形態における変形例を示す概略平面図。 第２実施形態における力検出モジュールの概略構成を示す斜視図。 第２実施形態における力検出モジュールの構成を示す分解斜視図。 第２実施形態における回路部と剛性調整部の構成を示す概略部分断面図。 第２実施形態における力検出モジュールの各水晶基板の結晶方位を説明する断面図。 第３実施形態における力検出モジュールの構成を示し、（ａ）は概念斜視図、（ｂ）は概略平面図。 第４実施形態におけるにおけるロボットの概略構成を示す斜視図。 第５実施形態における双腕ロボットの概略構成を示す模式図。

以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の寸法の割合を適宜変更している。
（第１実施形態）

図１は本実施形態の力検出素子の構成を示す概略斜視図であり、図２は図１の力検出素子を裏面から見た概略斜視図である。図３は力検出素子の信号引き出し部を示す概略平面図である。図４は図３のＡ−Ａ断線に沿う概略部分断面図である。
図１、図２に示すように、力検出素子１は、圧電基板として長期的に安定した水晶基板６が用いられ、力検出部１０、信号引き出し部２０、グランド接続部４０を備えている。
水晶基板６は、正方形状部６ａと正方形の４辺のうちの２つの辺から延在されて突出した突出部６ｂ，６ｃを備え、これらが一体に形成されている。
力検出部１０は、水晶基板６の正方形状部６ａと、正方形状部６ａの一方の表面に形成された第１電極１１と、正方形状部６ａの他方の表面に形成された第２電極１２と、を有する。そして、第１電極１１と第２電極１２とは水晶基板６を挟んで対向配置されている。
なお、水晶基板６は本実施形態ではＸカット水晶基板が用いられ、水晶基板６の平面（表面）に対して垂直方向の力を検出できるように構成されている。

信号引き出し部２０の一方の表面には、図３、図４に示すように、剛性調整部としての溝部２７ａと回路部２１とを備えている。
溝部２７ａは、水晶基板６の厚み方向の平面視において、力検出部１０と回路部２１との間に設けられ、正方形状部６ａの一辺と平行となるように配置されている。そして、溝部２７ａは、水晶基板６の一方の表面からエッチングされて形成され、溝部２７ａの板厚ｔが水晶基板の厚みＴよりも薄く形成されている。このように溝部２７ａを形成することで、力検出部が形成された水晶基板６の剛性よりも剛性の低い剛性調整部を形成することができる。

回路部２１の入力側は力検出部１０の第１電極１１と接続配線２３により接続され、出力側は外部との接続を果たす接続パッド２２に接続されている。
回路部２１には、図４に示すように、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）型半導体素子３０を有している。回路部２１内には複数のＭＯＳ型半導体素子３０が形成されて回路部２１が構成されている。
信号引き出し部２０を構成する水晶基板６の突出部６ｂにおいて、水晶基板６の表面と接するバックゲート電極２５が形成されている。そして、バックゲート電極２５の上に絶縁膜２６が設けられている。
絶縁膜２６の上には、ＭＯＳ型半導体素子３０としてポリシリコンＴＦＴ（Thin Film Transistor）が形成されている。ＭＯＳ型半導体素子３０には、ゲート電極３４、ソース電極３５、ドレイン電極３６を有し、これらの電極は絶縁層３７内で配線により所望の配線がなされている。このように、ＭＯＳ型半導体素子３０がポリシリコンＴＦＴを有することから、アンプ、ＡＤコンバーターなどのアナログ回路や信号処理回路などのデジタル回路を回路部２１内に集積できる。
なお、ＭＯＳ型半導体素子３０として、酸化物系半導体材料でＭＯＳ型半導体素子を構成しても良い。

また、図３に示すように、溝部２７ａの力検出部１０と対向する長さをＬ１、回路部２１の力検出部１０と対向する長さをＬ２とすると、Ｌ１＞Ｌ２、となる関係に設定されている。そして、回路部２１の力検出部１０と対向する長さＬ２全体が、溝部の長さＬ１に対向している。
さらに、溝部２７ａの板厚ｔは、水晶基板の厚みをＴとすると、およそｔ＝Ｔ／２なる関係である。また、溝部２７ａの幅Ｗは、Ｗ＝Ｌ１／１０程度である。

次に、ゲート電極３４とバックゲート電極２５の位置関係について説明する。
図５は、水晶基板６の板厚方向から回路部２１のＭＯＳ型半導体素子３０を見た平面視での状態を模式的に表している。
バックゲート電極２５は平面視でゲート電極３４を含んで重なる位置に形成されている。本実施形態では、バックゲート電極２５はゲート電極３４、ソース電極３５、ドレイン電極３６を含んで重なる位置に形成されているが、少なくともゲート電極３４が重なるように形成されていれば良い。
そして、バックゲート電極２５は配線３８によりグランドに接続されている（図４参照）。

なお、本実施形態では水晶基板６とバックゲート電極２５を直接に接触する構造であるが、図６に示すように、水晶基板６とバックゲート電極２５との間に絶縁層２７を介する構造であってもよい。
さらに、本実施形態ではバックゲート電極２５をグランドに接続したが、図７に示すように、バックゲート電極２５を定電圧電源２８に接続して一定の電圧を保持する構成であってもよい。

図２に戻り、水晶基板６の他方の表面において、水晶基板６の突出部６ｃには、第２電極１２から延在されたグランド電極４１が形成され、グランド接続部４０が構成されている。そして、グランド電極４１はグランドに接続される。
なお、前述からの各種電極の材料としては、金、クロム、チタニウム、アルミニウム、銅などの単体もしくは、これらの材料を主成分とする合金を用いることができる。

上記のような構成の力検出素子１を用いて外力などの力の検出を行う場合、力検出部１０に水晶基板６の板厚方向に与圧（１０ｋＮ程度）がかけられる。
この与圧により、力検出部１０の水晶基板６に電荷が誘起する。そして外力が水晶基板６の板厚方向に加わるとさらに電荷が誘起されるため、その変化を捉えることで外力を検出することが可能である。
ここで、力検出部１０に外力が加わると、水晶基板６に応力がかかり、突出部６ｂにもその応力が伝播し突出部６ｂを変形させる力が働く。このとき、突出部６ｂに伝播する応力は剛性が低い溝部２７ａにおいて変形して伝播する応力が緩和され、この応力は溝部２７ａから突出部６ｂの先端方向には伝わらない。このため、回路部２１に応力が伝わらず回路部２１を変形させることがないことから、回路部２１に形成された半導体素子のチャネル領域を変形させることがなく、チャネル領域の変形に起因する閾値電圧の変動を抑えることができる。

さらに、力検出素子部の圧電基板に外力などが加わった場合、前記外力に起因する応力の大半は、本発明の剛性調整部で緩和されるものの一部は回路部の圧電基板に加わる場合もある。その際、高感度で微小な応力を検知する圧電変換素子でもある圧電基板の表面に電荷が誘起される場合もあるが、バックゲート電極において誘起電荷による電界を遮蔽でき、半導体素子の閾値電圧の変動を抑制することができる。尚、この場合、圧電基板とともに半導体素子のチャンネル領域がごく僅か変形する場合もあるが、その結果生じる閾値電圧の変化は、ほぼ無視できるので、本発明の剛性調整部とバックゲート電極により半導体素子の閾値電圧の変動を抑制する事ができる。

以上、本実施形態の力検出素子１は、水晶基板６の力検出部１０と回路部２１との間に、力検出部１０が形成された水晶基板６の剛性と比べて剛性の低い溝部２７ａが設けられている。
力検出部１０に加わった外力は応力として突出部６ｂに伝播するが、溝部２７ａにて水晶基板６が変形して応力を緩和する。このため、回路部２１にはこの応力が伝わらず、回路部２１に形成されたＭＯＳ型半導体素子３０のチャネル領域を変形させることがなく、チャネル領域の変形に起因する閾値電圧の変動を抑えることができる。
そして、ＭＯＳ型半導体素子３０の閾値電圧の変動を抑制することができることから、従来、実用化が難しかった水晶基板６上に力検出部１０と回路部２１とを一体に形成することができ、力検出素子１の小型を図ることが可能となる。
また、溝部２７ａが力検出部１０と対向し、また回路部２１と対向している。そして、回路部２１は、回路部２１の力検出部１０と対向する全体の長さが溝部２７ａと対向するように配置されている。つまり、回路部２１の力検出部１０と対向する長さをカバーして溝部２７ａが力検出部１０との間に形成されている。
このことから、力検出部１０から伝わる応力は溝部２７ａで緩和あるいは規制でき、応力は回路部２１に伝わらない。

なお、本実施形態の力検出素子は外力を検知することができることから、圧力センサー、エンジン圧力計、重量計などに利用することも可能である。
（変形例）

次に、第１実施形態における剛性調整部としての溝部の形状、配置などの変形例について説明する。以下、主に溝部について説明を加え、第１実施形態と同様な構成については詳細な説明を省略する。
図８、９は第１実施形態における変形例を示し、剛性調整部の配置を示す概略平面図である。
図８（ａ）は、第１実施形態での溝部を中央部で２分割した変形例である。このようにすれば、力検出部１０の第１電極１１と回路部２１とを接続する接続配線２３を、２つの溝部２７ａの間を配線でき、しかも最短距離で結線することができる。このことから、接続配線２３にのるノイズの低減を図ることができる。このとき、溝部２７ａの力検出部１０と対向する長さＬ１は２つの溝部２７ａにおける外側の間の長さである。
図８（ｂ）は、分割された３つの溝部２７ａを備え、中央の溝部において力検出部１０と対向する長さＬ３は、回路部２１が力検出部１０と対向する長さＬ２より長く形成されている。そして、その両側に溝部２７ａが突出部６ｂの側端まで形成されている。このとき、溝部２７ａの力検出部１０と対向する長さＬ１は３つの溝部２７ａにおける外側の間の長さであり、突出部６ｂの幅と同じである。このようにすれば、中央の溝部で回路部２１の長さＬ２をカバーし、両側の溝部を形成することでさらに剛性を小さくすることができ、力検出部１０からの応力を緩和することができる。
図８（ｃ）は、溝部２７ａの配置は図８（ｂ）と同じであるが、接続配線２３が溝部２７ａの間を経て力検出部１０の第１電極と２箇所で接続している。このようにすれば、接続配線における導通抵抗を低くすることができる。

図９（ａ）は、溝部２７ａを複数の正方形の溝部で分割形成している。このようにすれば、接続配線２３をいろいろの場所から引き出すことが可能となり、設計の自由度が向上する。
図９（ｂ）は、突出部６ｂの端部に向かって溝部２７ａ，２７ｂが２重に配置された変形例である。図８（ａ）での溝部２７ａの配置に加え、中央部にもう一つの溝部２７ｂを設けている。このようにすれば、接続配線２３を通すための中央部からの応力の伝播をもう一つの溝部２７ｂで緩和することができる。

図１０は第１実施形態における他の変形例を示し、剛性調整部の断面形状を示す概略断面図である。
図１０（ａ）は、溝部２７ａが水晶基板６の両面から形成されている。第１実施形態では、溝部２７ａを水晶基板の片面に形成したが、このように両面から溝部２７ａを形成しても良い。
図１０（ｂ）は、溝部２７ａを水晶基板６の両面から形成し、さらに溝部２７ａの底面を段つきに形成した変形例である。
図１０（ｃ）は、溝部２７ａのエッチングなどの加工を進めて、穴部２７ｃを形成した変形例である。

図１１は第１実施形態における他の変形例を示し、剛性調整部の断面形状を示す概略断面図である。この変形例は、水晶基板に溝部や穴部を形成することで剛性が低くなり、他方で強度が低下するという、相反する課題に対応する変形例である。
図１１（ａ）は、水晶基板６の片面から形成された溝部２７ａに、軟質部材２７ｄが埋め込まれ剛性調整部２７を構成している。軟質部材２７ｄはシリコーンなどの水晶よりも剛性の低い材料が用いられている。
図１１（ｂ）は、水晶基板６の両面から形成された溝部２７ａに、軟質部材２７ｄが埋め込まれて剛性調整部２７が構成されている。軟質部材２７ｄは上記と同様にシリコーンなどの水晶よりも剛性の低い材料が用いられている。
図１１（ｃ）は、水晶基板６に形成された穴部２７ｃに軟質部材２７ｄが埋め込まれて剛性調整部２７が構成されている。軟質部材２７ｄは上記と同様にシリコーンなどの水晶よりも剛性の低い材料が用いられている。

このように、剛性を低くするために形成された溝部２７ａ、穴部２７ｃに水晶よりも剛性の低い軟質部材２７ｄにて補強することで、強度を確保して剛性の大きさを微細に調整することができる。この補強する材料は軟質材料であるため、埋め込む量に対して剛性が増すのが緩慢であり、剛性の調整が容易である。

図１２は第１実施形態における他の変形例を示し、剛性調整部の断面形状を示す概略断面図である。
本変形例では、剛性調整部として剛性を高めて、水晶基板を変形させようとする応力を規制する形態である。
図１２に示すように、水晶基板６に厚みを付加する付加部材２７ｅが両面に固定されて剛性調整部２７が構成されている。付加部材２７ｅの材料としては水晶基板６の剛性より高い材料が好ましいが、これに限らず、ポリエチレン樹脂、ポリイミド樹脂などの樹脂であっても良い。
このように、剛性調整部２７の剛性が水晶基板６より高い場合には、この剛性調整部２７にて水晶基板６を変形させようとする応力を規制でき、回路部の水晶基板６の変形を抑制する。このため、回路部にはこの応力が伝わらず、回路部に形成されたＭＯＳ型半導体素子のチャネル領域を変形させることがないため、チャネル領域の変形に起因する閾値電圧の変動を抑えることができる。

また、次のような変形例も実施が可能である。
図１３は力検出素子の変形例を示す概略平面図である。
本変形例では水晶基板の形状が第１実施形態の力検出素子と異なる。
力検出素子２は、水晶基板６を有し、力検出部１０と信号引き出し部２０とを備えている。水晶基板６は力検出部１０と同じ幅で延在され、矩形状に形成されている。
力検出部１０は、水晶基板６の一方の表面に形成された正方形状の第１電極１１と、他方の表面に形成された第２電極１２と、を有する。そして、第１電極１１と第２電極１２とは水晶基板６を挟んで対向配置されている。
なお、水晶基板６はＸカット水晶基板が用いられ、水晶基板６の平面（表面）に対して垂直方向の力を検出できるように構成されている。

信号引き出し部２０の一方の表面には、剛性調整部としての溝部２７ａと回路部２１とを備えている。
溝部２７ａは、水晶基板６の厚み方向の平面視において、力検出部１０と回路部２１との間に設けられ、第１電極１１の一辺と平行となるように配置されている。そして、溝部２７ａは、水晶基板６の一方の表面からエッチングされて形成されている。

回路部２１の入力側は力検出部１０の第１電極１１と接続配線２３により接続され、出力側は外部との接続を果たす接続パッド２２に接続されている。
回路部２１には、第１実施形態と同様に、ＭＯＳ型半導体素子を有している。
このように、必要とされる力検出部１０の大きさにより、水晶基板６の形状を適宜変更することは可能である。
本変形例では力検出部１０の力を検出する第１電極１１、第２電極１２の大きさが小さい場合であり、このような構造により力検出素子２の小型化を図ることができる。
（第２実施形態）

次に、力検出素子を複数個用いて複数の方向の力を検出できる力検出モジュールについて説明する。
本実施形態の力検出モジュールは第１実施形態で説明した力検出素子を積層した形態である。

図１４は本実施形態の力検出モジュールの概略構成を示す斜視図である。図１５は本実施形態の力検出モジュールの構成を示す分解斜視図である。図１６は図１５のＢ−Ｂ断線に沿う概略部分断面図である。図１７は本実施形態における力検出モジュールの各水晶基板の結晶方位を説明する断面図である。

図１４、図１５に示すように、力検出モジュール５０は、第１力検出素子５１、第２力検出素子５２、第３力検出素子５３が積層されて形成されている。
ここで、説明の便宜上、直交座標軸（ｘ、ｙ、ｚ軸）を定義する。各検出素子の積層方向をｚ軸方向としたとき、ｚ軸方向に直交する方向をｘ軸方向、ｘ軸方向およびｚ軸方向に直交する方向をｙ軸方向とする。
第１力検出素子５１はｘ軸方向の力を検出し、第２力検出素子５２はｚ軸方向の力を検出し、第３力検出素子５３はｙ軸方向の力を検出する。

第１力検出素子５１は、積層された上方から下方に向かって順に、第１グランド電極５７ａ、第１水晶基板６１、第１検出電極５４、第２水晶基板６２、第２グランド電極５７ｂを有している。
第１水晶基板６１は、第１力検出部５１ａの一辺から突出する第１グランド接続部５１ｄを備えている。
また、第２水晶基板６２は第１力検出部５１ａの一辺から突出する第１グランド接続部５１ｃと他の一辺から突出する第１信号引き出し部５１ｂとを備えている。そして、第１信号引き出し部５１ｂには第１回路部６０ａと、第１力検出部５１ａと第１回路部６０ａの間に形成された剛性調整部としての第１溝部７８ａと、が設けられている。

第２力検出素子５２は、積層された上方から下方に向かって順に、第１力検出素子５１と共用される第２グランド電極５７ｂ、第３水晶基板６３、第２検出電極５５、第４水晶基板６４、第３グランド電極５７ｃを有している。
第３水晶基板６３は、第２力検出部５２ａの一辺から突出する第２グランド接続部５２ｄと、第２水晶基板６２の第１信号引き出し部５１ｂを支持する積層支持部５２ｅを備えている。
第４水晶基板６４は、第２力検出部５２ａの一辺から突出する第２グランド接続部５２ｃと、第２水晶基板６２の第１信号引き出し部５１ｂを支持する積層支持部５２ｅと、第２グランド接続部５２ｃと対向する辺から突出する第２信号引き出し部５２ｂとを備えている。そして、第２信号引き出し部５２ｂには第２回路部６０ｂと、第２力検出部５２ａと第２回路部６０ｂの間に形成された剛性調整部としての第２溝部７８ｂと、が設けられている。

第３力検出素子５３は、積層された上方から下方に向かって順に、第２力検出素子５２と共用される第３グランド電極５７ｃ、第５水晶基板６５、第３検出電極５６、第６水晶基板６６、第４グランド電極５７ｄを有している。
第５水晶基板６５は、第３力検出部５３ａの一辺から突出する第３グランド接続部５３ｄと、第２水晶基板６２の第１信号引き出し部５１ｂを支持する積層支持部５３ｅと、第４水晶基板６４の第２信号引き出し部５２ｂを支持する積層支持部５３ｆと、を備えている。
第６水晶基板６６は、第３力検出部５３ａの一辺から突出する第３グランド接続部５３ｃと、第２水晶基板６２の第１信号引き出し部５１ｂを支持する積層支持部５３ｅと、第４水晶基板６４の第２信号引き出し部５２ｂを支持する積層支持部５３ｆと、積層支持部５３ｅと対向する辺から突出する第３信号引き出し部５３ｂとを備えている。そして、第３信号引き出し部５３ｂには第３回路部６０ｃと、第３力検出部５３ａと第３回路部６０ｃの間に形成された剛性調整部としての第３溝部７８ｃと、が設けられている。

第１回路部６０ａ、第２回路部６０ｂ、第３回路部６０ｃ、には第１実施形態と同様にＭＯＳ型半導体素子を有し、ＭＯＳ型半導体素子のゲート電極の下方には水晶基板と直接もしくは絶縁層を介して接するバックゲート電極を有し、バックゲート電極はグランドに接続されている。
これらの構成については、第１回路部６０ａ、第２回路部６０ｂ、第３回路部６０ｃ共に同じ構成であり、ここでは、第１回路部６０ａを例にとって説明する。
図１６に示すように、第１回路部６０ａには、ＭＯＳ型半導体素子７３を有している。第１回路部６０ａ内には複数のＭＯＳ型半導体素子７３が形成されて第１回路部６０ａが構成されている。
第１信号引き出し部５１ｂを構成する第２水晶基板６２において、第２水晶基板６２の表面と直接もしくは絶縁層を介して接するバックゲート電極７０が形成されている。そして、バックゲート電極７０の上に絶縁膜７１が設けられている。
絶縁膜７１の上には、ＭＯＳ型半導体素子７３としてポリシリコンＴＦＴが形成されている。ＭＯＳ型半導体素子７３には、ゲート電極７４、ソース電極７５、ドレイン電極７６を有し、これらの電極は絶縁層７２内で配線により所望の配線がなされている。このように、ＭＯＳ型半導体素子７３がポリシリコンＴＦＴを有することから、アンプ、ＡＤコンバーターなどのアナログ回路や信号処理回路などのデジタル回路を第１回路部６０ａ内に集積できる。
そして、バックゲート電極７０は、図示しないが、第１実施形態と同様に平面視でゲート電極７４を含んで重なる位置に形成され、グランドに接続されている。

このように、力検出モジュール５０は各構成要素が積層された状態では、図１２に示すように、第１信号引き出し部５１ｂ、第２信号引き出し部５２ｂ、第３信号引き出し部５３ｂが上面に露出するように配置される。そして、第１信号引き出し部５１ｂ、第２信号引き出し部５２ｂ、第３信号引き出し部５３ｂにはそれぞれ、第１回路部６０ａ、第２回路部６０ｂ、第３回路部６０ｃと第１接続パッド５９ａ、第２接続パッド５９ｂ、第３接続パッド５９ｃが設けられている。
また、第１信号引き出し部５１ｂの下方に位置する第３水晶基板６３から第６水晶基板６６には第１信号引き出し部５１ｂを支持する支持部が形成され、力検出モジュール５０の底面まで一体となるように形成されている。同様に第２信号引き出し部５２ｂの下方に位置する第５水晶基板６５、第６水晶基板６６には第２信号引き出し部５２ｂを支持する支持部が形成され、力検出モジュール５０の底面まで一体となるように形成されている。

また、第１グランド接続部５１ｃ，５１ｄ、第２グランド接続部５２ｃ，５２ｄ、第３グランド接続部５３ｃ，５３ｄは力検出モジュール５０の上面から底面まで一体となるように形成され、その側面にグランド接続電極５８が形成され、各グランド電極間の導通が図られている。
なお、図１３では、説明の便宜上、第１検出電極５４、第２検出電極５５、第３検出電極５６、第１グランド電極５７ａ、第２グランド電極５７ｂ、第３グランド電極５７ｃ、第４グランド電極５７ｄ、は各水晶基板に対して分離して表現したが、実際は各水晶基板と接するどちらかの水晶基板上に蒸着またはスパッタリングなどの手法により形成される。このため、片方の水晶基板に電極を形成すれば良く、両方の基板に電極を形成しなくても良い。

次に、各水晶基板における結晶方位の組み合わせについて説明する。
図１７は本実施形態の力検出モジュールの各水晶基板の結晶方位を説明する断面図である。
第１力検出素子５１において、第１水晶基板６１、第２水晶基板６２はＹカット水晶基板で形成され、圧電現象を発生させる結晶方位であるＸ方向が第１水晶基板６１、第２水晶基板６２の法線に垂直となる結晶方位を有している。そして、第１水晶基板６１と第２水晶基板６２とはＸ方向が互いに逆方向となるように配置されている。

第２力検出素子５２において、第３水晶基板６３、第４水晶基板６４はＸカット水晶基板で形成され、Ｘ方向が第３水晶基板６３、第４水晶基板６４の法線と平行な方向となる結晶方位を有している。そして、第３水晶基板６３と第４水晶基板６４とはＸ方向が互いに逆方向となるように配置されている。

第３力検出素子５３において、第５水晶基板６５、第６水晶基板６６はＹカット水晶基板で形成され、Ｘ方向が第５水晶基板６５、第６水晶基板６６の法線に垂直となる結晶方位を有している。そして、第５水晶基板６５と第６水晶基板６６とはＸ方向が互いに逆方向となるように配置されている。また、第１力検出素子５１における第１水晶基板６１、第２水晶基板６２とはＸ方向が直交する方向に配置されている。

上記の力検出モジュール５０を用いて外力などの力の検出を行う場合、力検出モジュール５０の各力検出素子の積層方向に押圧部材６８を用いて与圧（１０ｋＮ程度）がかけられる。
ｚ軸に平行な方向に圧縮力もしくは引張り力を加えると、第２力検出素子５２の第３水晶基板６３、第４水晶基板６４は水晶のｚ方向から圧縮力もしくは引張り力を受けるので圧電現象により与圧印加状態からの差分として電荷が誘起され、第２検出電極５５に電荷（Ｆｚ信号）が出力される。
また、ｘ軸に平行な方向にずれる力が加わる場合、第１力検出素子５１の第１水晶基板６１、第２水晶基板６２は水晶のＸ方向からの力（せん断力）を受け圧電現象により電荷が誘起され、第１検出電極５４に電荷（Ｆｘ信号）が出力される。
ｙ軸に平行な方向にずれる力が加わる場合、第３力検出素子５３の第５水晶基板６５、第６水晶基板６６は水晶のＸ方向からの力（せん断力）を受け圧電現象により電荷が誘起され、第３検出電極５６に電荷（Ｆｙ信号）が出力される。
さらに、ｚ軸に平行な方向にずれる力が加わる場合、第２力検出素子５２の第３水晶基板６３、第４水晶基板６４は水晶のＸ方向から圧縮力を受けるので圧電現象により電荷が変化し、第２検出電極５５に出力される電荷（Ｆｚ信号）の大きさが変化する。
そして、この誘起された電荷は第１回路部６０ａ、第２回路部６０ｂ、第３回路部６０ｃ（図１３参照）で積分され、電圧に変換された後、ＡＤコンバーター、演算回路等により所望の信号として出力される。

ここで、各力検出素子５１，５２，５３に力が加わることで各水晶基板６１〜６６に応力が発生し、直接力を受けない各信号引き出し部５１ｂ，５２ｂ，５３ｂにも応力が伝播する。この応力により各信号引き出し部５１ｂ，５２ｂ，５３ｂを変形させる力が働く。このとき、各信号引き出し部５１ｂ，５２ｂ，５３ｂに伝播する応力は剛性が低い各溝部７８ａ，７８ｂ，７８ｃにおいて変形して伝播する応力が緩和される。このため、応力は各溝部７８ａ，７８ｂ，７８ｃから各信号引き出し部５１ｂ，５２ｂ，５３ｂの先端方向には伝わらない。このため、各回路部６０ａ，６０ｂ，６０ｃに応力が伝わらず各回路部６０ａ，６０ｂ，６０ｃを変形させることがない。そして、各回路部６０ａ，６０ｂ，６０ｃに形成された半導体素子のチャネル領域を変形させることがなく、チャネル領域の変形に起因する閾値電圧の変動を抑えることができる。

さらに、力検出素子部の圧電基板に外力などが加わった場合、前記外力に起因する応力の大半は、本発明の剛性調整部で緩和されるものの一部は第１回路部６０ａの圧電基板に加わる場合もある。その際、高感度で微小な応力を検知する圧電変換素子でもある圧電基板の表面に電荷が誘起される場合もあるが、バックゲート電極において誘起電荷による電界を遮蔽でき、半導体素子の閾値電圧の変動を抑制することができる。尚、この場合、圧電基板とともに半導体素子のチャンネル領域がごく僅か変形する場合もあるが、その結果生じる閾値電圧の変化は、ほぼ無視できるので、本発明の剛性調整部とバックゲート電極により半導体素子の閾値電圧の変動をより完全に抑制する事ができる。
また、第２回路部６０ｂ、第３回路部６０ｃでも同様に、バックゲート電極がグランドに接続されているため、誘起電荷の電界を遮蔽することができる。このため、バックゲート電極の上方に形成されたＭＯＳ型半導体素子のゲート電極に電界の影響を与えないことから、水晶基板に誘起される電荷に起因するＭＯＳ型半導体素子の閾値電圧の変動を抑制することができる。
よって、本実施形態の力検出モジュール５０は、第１検出電極５４、第２検出電極５５、第３検出電極５６からの電荷（検出信号）はそれぞれ第１回路部６０ａ、第２回路部６０ｂ、第３回路部６０ｃに出力され、各回路内で検出信号が適正に処理され各方向における力の大きさを正確に検知することができる。
また、ＭＯＳ型半導体素子の閾値電圧の変動を抑制することができることから、従来、実用化が難しかった水晶基板上に力検出部と回路部とを一体に形成することができ、力検出モジュールの小型を図ることが可能となる。

なお、第１実施形態の力検出素子、第２実施形態の力検出モジュールにおいて圧電基板として水晶基板を用いたが、他にチタン酸系セラミックスであるチタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ₃）や、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）などを材料とする圧電基板を用いても実施することができ、第１、第２実施形態と同様な効果を得ることができる。
（第３実施形態）

次に力検出モジュールを複数用いた６軸の力検出モジュールについて説明する。
図１８は本実施形態の力検出モジュールの構成を示し、（ａ）は概念斜視図であり、（ｂ）は平面図である。
本実施形態の力検出モジュール８０は、第２実施形態で説明した力検出モジュール５０を４つ用いて、第１与圧プレート８１及び第２与圧プレート８２により挟み込んだ構成である。各力検出モジュール５０は第１与圧プレート８１と第２与圧プレート８２とを締結する締結手段（図示せず）により締め込み量を調整して、力検出モジュール５０に所定の与圧（例えば１０ｋＮ程度）が加えられている。
なお、第１与圧プレート８１及び第２与圧プレート８２は、いずれも平面視で円板状に形成され、中心Ｏを通り互いに直交する線上に４つの力検出モジュール５０を配置している。

このような構成の力検出モジュール８０は、４つの前述した力検出モジュール５０が全て同じ方向に向いた状態で第１与圧プレート８１及び第２与圧プレート８２に挟み込まれ、与圧が加えられる。例えば、力検出モジュール５０において、第１力検出素子５１（図１５参照）の検出軸をＦｘに平行な方向に向け、第２力検出素子５２（図１５参照）の検出軸をＦｚに平行な方向に向け、第３力検出素子５３（図１５参照）の検出軸をＦｙに平行な方向に向けた状態となっている。

ここで、第１与圧プレート８１及び第２与圧プレート８２の相対位置が互いにＦｘ方向にずれる力を受けた場合、力検出モジュール５０はそれぞれＦｘ１、Ｆｘ２、Ｆｘ３、Ｆｘ４の力を検出する。また、第１与圧プレート８１及び第２与圧プレート８２の相対位置が互いにＦｙ方向にずれる力を受けた場合、力検出モジュール５０はそれぞれＦｙ１、Ｆｙ２、Ｆｙ３、Ｆｙ４の力を検出する。さらに、第１与圧プレート８１及び第２与圧プレート８２の相対位置が互いにＦｚ方向にずれる力を受けた場合、力検出モジュール５０はそれぞれＦｚ１、Ｆｚ２、Ｆｚ３、Ｆｚ４の力を検出する。

したがって、力検出モジュール８０において、互いに直交する力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ、そしてＦｘに平行な方向を回転軸とする回転力Ｍｘ、Ｆｙに平行な方向を回転軸とする回転力Ｍｙ、Ｆｚに平行な方向を回転軸とする回転力Ｍｚは、以下のように求めることができる。

ここで、ａ、ｂは定数とする。よって本実施形態の力検出モジュール８０は、三次元のあらゆる方向からの力（６軸方向の力）を検知することができる。特に、高剛性であるという特徴を有する水晶材料を検出部に用いる事で、少ない変位量であっても高精度な力の検出を安定的に行うことが可能な力検出モジュール８０となる。
（第４実施形態）

つぎに、力検出モジュールを搭載したロボットについて説明する。
図１９は第４実施形態におけるにおけるロボットの概略構成を示す斜視図である。
第４実施形態に係るロボット１００は、上述した力検出モジュール５０または力検出モジュール８０が搭載されている。
図１９に示すロボット１００は、本体部１０１、演算制御部１０２、アーム部１１０、ロボットハンド部１２０などで構成されている。本体部１０１は、例えば床、壁、天井、移動可能な台車の上等に固定される。アーム部１１０は、本体部１０１に対して回動可能となるように設けられており、本体部１０１にはアーム部１１０を回転させるための動力を発生するアクチュエーター（図示せず）や、アクチュエーターを制御する演算制御部１０２が設けられている。

アーム部１１０は、第１フレーム１１１、第２フレーム１１２、第３フレーム１１３、第４フレーム１１４、第５フレーム１１５で構成されている。第１フレーム１１１は、回転屈曲軸を介して、本体部１０１に回動可能または屈曲可能となるように接続されている。第２フレーム１１２は、回転屈曲軸を介して、第１フレーム１１１及び第３フレーム１１３に接続されている。第３フレーム１１３は、回転屈曲軸を介して、第２フレーム１１２及び第４フレーム１１４に接続されている。第４フレーム１１４は、回転屈曲軸を介して、第３フレーム１１３及び第５フレーム１１５に接続されている。第５フレーム１１５は、回転屈曲軸を介して、第４フレーム１１４に接続されている。アーム部１１０は、制御部の制御によって、各フレームが各回転屈曲軸を中心に複合的に回転または屈曲することにより駆動する。

第５フレーム１１５の先端には、ロボットハンド部１２０が取り付けられており、ロボット１００で処理を行う対象物を把握することができるロボットハンド１２１が、回転動作させるモーター（図示せず）を内蔵するロボットハンド接続部１２２を介して第５フレーム１１５に接続されている。

ロボットハンド接続部１２２には、モーターに加えて第２，第３実施形態で詳述した力検出モジュール５０，８０（図示せず）が内蔵されている。ロボット１００は、ロボットハンド部１２０が制御部の制御によって所定の動作位置まで移動したとき、障害物との接触、あるいは所定位置を越えての動作命令による対象物との接触、などを力検出モジュール５０，８０によって力として検出し、ロボット１００の演算制御部１０２へフィードバックし、回避動作を実行することができる。

このようなロボット１００に上述した小型化された力検出モジュールが搭載されることで、小さな力がロボット１００に加えられた場合も高精度にその力の検出をすることができる。ロボット１００は、小さな力を高精度に検出できることで障害物などとの接触を速やかに検出して従来の位置制御では対処することが困難であった、障害物回避動作、対象物損傷回避動作などを容易に行い、安全かつ細やかな作業を実現することができる。
なお、上述したロボット１００に限定されず、アーム部１１０を複数備えるロボット（双腕ロボット）にも適用することができる。
（第５実施形態）

次に、第５実施形態として力検出モジュールを搭載した双腕ロボットについて説明する。
図２０は双腕ロボットの概略構成を示す模式図である。
図２０に示すロボット２００は、本体部２０１、演算制御部２０２、胴体部２０３、頭部２０４、アーム部２１０ａ，２１０ｂ、ロボットハンド部２２０ａ，２２０ｂなどで構成されている。本体部２０１は、ロボット２００を自在に走行させるため走行部２０６およびアクチュエーターを制御する演算制御部２０２等が内蔵されている。アーム部２１０ａ，２１０ｂは、胴体部２０３に対して回動可能となるように設けられており、胴体部２０３にはアーム部２１０ａ，２１０ｂを回転させるための動力を発生するアクチュエーター（図示せず）が内蔵されている。

アーム部２１０ａ，２１０ｂおよびロボットハンド部２２０ａ、２２０ｂについては、同じ構成を有するため、片側のアーム部２１０ａ及びロボットハンド部２２０ａを代表して説明する。
アーム部２１０ａは、第１フレーム２１１ａ、第２フレーム２１２ａで構成されている。第１フレーム２１１ａは、回転屈曲軸を介して、胴体部２０３に回転可能または屈曲可能となるように接続されている。第２フレーム２１２ａは、回転屈曲軸を介して、第１フレーム２１１ａ及びロボットハンド部２２０ａに接続されている。アーム部２１０ａは、制御部の制御によって、各フレームが各回転屈曲軸を中心に複合的に回転または屈曲することにより駆動する。

第２フレーム２１２ａは、第１フレーム２１１ａと接続された反対側の先端に、ロボットハンド部２２０ａが取り付けられている。ロボット２００で処理を行う対象物を把握することができるロボットハンド２２１ａは、回転動作させるモーター（図示せず）を内蔵するロボットハンド接続部２２２ａを介して第２フレーム２１２ａに接続されている。

ロボットハンド接続部２２２ａには、モーターに加えて第２，第３実施形態で詳述した力検出モジュール５０，８０（図示せず）が内蔵されている。ロボット２００は、ロボットハンド部２２０ａが制御部の制御によって所定の動作位置まで移動させたとき、障害物への接触、あるいは所定位置を越えての動作命令による対象物との接触、などを力検出モジュール５０，８０によって力として検出し、ロボット２００の演算制御部２０２へフィードバックし、回避動作を実行することができる。また、ロボット２００には、頭部２０４にカメラ２０５が備えられている。ロボット２００は、例えばカメラ２０５に撮像された障害物と、力検出モジュール５０，８０で検出された障害物に接触をしたときに受けた力とを演算制御部２０２で処理することで、障害物の大きさ、硬さ、位置等を推定し、予め衝突を回避する動作を行うことができる。
なお、アーム部２１０ｂ及びロボットハンド部２２０ｂの構成等は、上述したアーム部２１０ａ及びロボットハンド部２２０ａと同様である。

このようなロボット２００に上述した小型化された力検出モジュールが搭載されることで、小さな力がロボット２００に加えられた場合も高精度にその力の検出をすることができる。ロボット２００は、小さな力を高精度に検出できることで障害物などとの接触を速やかに検出して従来の位置制御では対処することが困難であった、障害物回避動作、対象物損傷回避動作などを容易に行い、安全かつ細やかな作業を実現することができる。また、ロボット２００は、複数の腕（アーム部及びロボットハンド部）を備えることで、一つの腕では困難であった大型の対象物を取り扱うことを実現することができる。

本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の実施の際の具体的な構造および手順は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造などに適宜変更することができる。そして、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有するものにより可能である。

１，２…力検出素子、６…水晶基板、６ａ…正方形状部、６ｂ…突出部、６ｃ…突出部、１０…力検出部、１１…第１電極、１２…第２電極、２０…信号引き出し部、２１…回路部、２２…接続パッド、２３…接続配線、２５…バックゲート電極、２６…絶縁膜、２７…剛性調整部、２７ａ，２７ｂ…剛性調整部としての溝部、２７ｃ…剛性調整部としての穴部、２７ｄ…軟質部材、２７ｅ…剛性調整部としての付加部材、３０…ＭＯＳ型半導体素子、３４…ゲート電極、３５…ソース電極、３６…ドレイン電極、３７…絶縁層、３８…配線、４０…グランド接続部、４１…グランド電極、５０…力検出モジュール、５１…第１力検出素子、５１ａ…第１力検出部、５１ｂ…第１信号引き出し部、５１ｃ…第１グランド接続部、５１ｄ…第１グランド接続部、５２…第２力検出素子、５２ａ…第２力検出部、５２ｂ…第２信号引き出し部、５２ｃ…第２グランド接続部、５２ｄ…第２グランド接続部、５２ｅ…積層支持部、５３…第３力検出素子、５３ａ…第３力検出部、５３ｂ…第３信号引き出し部、５３ｃ…第３グランド接続部、５３ｄ…第３グランド接続部、５３ｅ…積層支持部、５３ｆ…積層支持部、５４…第１検出電極、５５…第２検出電極、５６…第３検出電極、５７ａ…第１グランド電極、５７ｂ…第２グランド電極、５７ｃ…第３グランド電極、５７ｄ…第４グランド電極、５８…グランド接続電極、５９ａ…第１接続パッド、５９ｂ…第２接続パッド、５９ｃ…第３接続パッド、６０ａ…第１回路部、６０ｂ…第２回路部、６０ｃ…第３回路部、６１…第１水晶基板、６２…第２水晶基板、６３…第３水晶基板、６４…第４水晶基板、６５…第５水晶基板、６６…第６水晶基板、６８…押圧部材、７０…バックゲート電極、７１…絶縁膜、７２…絶縁層、７３…ＭＯＳ型半導体素子、７４…ゲート電極、７５…ソース電極、７６…ドレイン電極、７８ａ…剛性調整部としての第１溝部、７８ｂ…剛性調整部としての第２溝部、７８ｃ…剛性調整部としての第３溝部、８０…力検出モジュール、８１…第１与圧プレート、８２…第２与圧プレート、１００…ロボット、１０１…本体部、１０２…演算制御部、１１０…アーム部、１２０…ロボットハンド部、１２１…ロボットハンド、１２２…ロボットハンド接続部、２００…ロボット、２０１…本体部、２０２…演算制御部、２１０ａ，２１０ｂ…アーム部、２２０ａ，２２０ｂ…ロボットハンド部、２２１ａ，２２１ｂ…ロボットハンド、２２２ａ，２２２ｂ…ロボットハンド接続部、Ｌ１，Ｌ３…溝部長さ、Ｌ２…回路部長さ、Ｗ…溝幅、Ｔ…水晶基板厚み、ｔ…溝部厚み。

Claims (17)

1. 圧電基板と、
   前記圧電基板の一方の表面に形成された第１電極、および他方の表面に形成された第２電極を有し外力が加わる力検出部と、
   前記力検出部から前記圧電基板が延在され、延在された前記圧電基板上に前記第１電極または前記第２電極に接続される半導体素子が設けられた回路部と、
   前記圧電基板の前記力検出部と前記回路部との間に、前記力検出部が形成された前記圧電基板の剛性とは異なる剛性に調整された剛性調整部と、を備えた
   ことを特徴とする力検出素子。
2. 請求項１に記載の力検出素子において、
   前記圧電基板の厚み方向の平面視において、前記剛性調整部の前記力検出部と対向する長さは、前記回路部の前記力検出部と対向する長さよりも長く形成される
   ことを特徴とする力検出素子。
3. 請求項１または２に記載の力検出素子において、
   前記剛性調整部として前記圧電基板に凹部を形成した
   ことを特徴とする力検出素子。
4. 請求項１または２に記載の力検出素子において、
   前記剛性調整部として前記圧電基板を貫通する穴部を形成した
   ことを特徴とする力検出素子。
5. 請求項１または２に記載の力検出素子において、
   前記剛性調整部として前記圧電基板に形成された凹部と、前記凹部に埋め込まれた前記圧電基板よりも剛性の低い軟質部材と、を有する
   ことを特徴とする力検出素子。
6. 請求項１または２に記載の力検出素子において、
   前記剛性調整部として前記圧電基板に形成された穴部と、前記穴部に埋め込まれた前記圧電基板よりも剛性の低い軟質部材と、を有する
   ことを特徴とする力検出素子。
7. 請求項１または２に記載の力検出素子において、
   前記剛性調整部として前記圧電基板に前記圧電基板に厚みを付加する付加部材が設けられた
   ことを特徴とする力検出素子。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の力検出素子において、
   前記半導体素子がＭＯＳ型半導体素子であり、ポリシリコンＴＦＴを有する
   ことを特徴とする力検出素子。
9. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の力検出素子において、
   前記半導体素子がＭＯＳ型半導体素子であり、
   前記ＭＯＳ型半導体素子は酸化物系半導体材料で構成されている
   ことを特徴とする力検出素子。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の力検出素子において、
    前記回路部には、
    前記圧電基板の表面と直接もしくは絶縁層を介して接するバックゲート電極と、
    前記バックゲート電極を覆う絶縁膜と、
    前記絶縁膜上に形成されたゲート電極を有する前記半導体素子と、が備えられ、
    前記圧電基板の厚み方向の平面視において、前記バックゲート電極は前記ゲート電極を含んで重なる位置に設けられ、
    前記バックゲート電極はグランドに接続される
    ことを特徴とする力検出素子。
11. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の力検出素子において、
    前記回路部には、
    前記圧電基板の表面と直接もしくは絶縁層を介して接するバックゲート電極と、
    前記バックゲート電極を覆う絶縁膜と、
    前記絶縁膜上に形成されたゲート電極を有する前記半導体素子と、が備えられ、
    前記圧電基板の厚み方向の平面視において、前記バックゲート電極は前記ゲート電極を含んで重なる位置に設けられ、
    前記バックゲート電極は一定の電位に固定される
    ことを特徴とする力検出素子。
12. 圧電基板を複数積層させた力検出モジュールであって、
    前記圧電基板の積層方向をｚ軸方向としたとき、前記ｚ軸方向に直交する方向をｘ軸方向、ｚ軸方向およびｘ軸方向に直交する方向をｙ軸方向とした場合、
    前記ｘ軸方向の力を検出する第１力検出素子と、
    前記ｚ軸方向の力を検出する第２力検出素子と、
    前記ｙ軸方向の力を検出する第３力検出素子と、を備え、
    前記第１力検出素子は、
    第１圧電基板と、
    前記第１圧電基板の一方の表面に形成された第１電極と他方の表面に形成された第２電極とを有する第１力検出部と、
    前記第１力検出部から前記第１圧電基板が延在され、延在された前記第１圧電基板上に前記第１電極または前記第２電極に接続される半導体素子が設けられた第１回路部と、
    前記第１圧電基板の前記第１力検出部と前記第１回路部との間に、前記第１力検出部が形成された前記第１圧電基板の剛性とは異なる剛性に調整された第１剛性調整部と、が設けられ、
    前記第２力検出素子は、
    第２圧電基板と、
    前記第２圧電基板の一方の表面に形成された第３電極と他方の表面に形成された第４電極とを有する第２力検出部と、
    前記第２力検出部から前記第２圧電基板が延在され、延在された前記第２圧電基板上に前記第３電極または前記第４電極に接続される半導体素子が設けられた第２回路部と、
    前記第２圧電基板の前記第２力検出部と前記第２回路部との間に、前記第２力検出部が形成された前記第２圧電基板の剛性とは異なる剛性に調整された第２剛性調整部と、が設けられ、
    前記第３力検出素子は、
    第３圧電基板と、
    前記第３圧電基板の一方の表面に形成された第５電極と他方の表面に形成された第６電極とを有する第３力検出部と、
    前記第３力検出部から前記第３圧電基板が延在され、延在された前記第３圧電基板上に前記第５電極または前記第６電極に接続される半導体素子が設けられた第３回路部と、
    前記第３圧電基板の前記第３力検出部と前記第３回路部との間に、前記第３力検出部が形成された前記第３圧電基板の剛性とは異なる剛性に調整された第３剛性調整部と、が設けられた
    ことを特徴とする力検出モジュール。
13. 請求項１２に記載の力検出モジュールにおいて、
    前記第１圧電基板、前記第２圧電基板および前記第３圧電基板は水晶基板で形成され、
    前記第１圧電基板および前記第３圧電基板はＹカット水晶基板であり、前記第２圧電基板はＸカット水晶基板である
    ことを特徴とする力検出モジュール。
14. 請求項１２または１３に記載の力検出モジュールを４つ用いた力検出ユニットであって、
    第１与圧プレートと第２与圧プレートの間に４つの前記力検出モジュールが与圧を加えられて挟み込まれ、
    前記力検出モジュールは、前記第１与圧プレートまたは前記第２与圧プレートの中心を通り互いに直交する線上に配置される
    ことを特徴とする力検出ユニット。
15. 本体部と、
    前記本体部に接続するアーム部と、
    前記アーム部に接続するハンド部と、を備えるロボットであって、
    前記アーム部と前記ハンド部との接続部に力検出モジュールを有し、
    前記力検出モジュールは、圧電基板を積層させた力検出モジュールであって、
    前記圧電基板の積層方向をｚ軸方向としたとき、前記ｚ軸方向に直交する方向をｘ軸方向、ｚ軸方向およびｘ軸方向に直交する方向をｙ軸方向とした場合、
    前記ｘ軸方向の力を検出する第１力検出素子と、
    前記ｚ軸方向の力を検出する第２力検出素子と、
    前記ｙ軸方向の力を検出する第３力検出素子と、を備え、
    前記第１力検出素子は、
    第１圧電基板と、
    前記第１圧電基板の一方の表面に形成された第１電極と他方の表面に形成された第２電極とを有する第１力検出部と、
    前記第１力検出部から前記第１圧電基板が延在され、延在された前記第１圧電基板上に前記第１電極または前記第２電極に接続される第１回路部と、を備え、
    前記第１回路部には、ゲート電極を有する半導体素子が設けられ、
    前記第１圧電基板の前記第１力検出部と前記第１回路部との間に、前記第１力検出部が形成された前記第１圧電基板の剛性とは異なる剛性に調整された第１剛性調整部が設けられ、
    前記第２力検出素子は、
    第２圧電基板と、
    前記第２圧電基板の一方の表面に形成された第３電極と他方の表面に形成された第４電極とを有する第２力検出部と、
    前記第２力検出部から前記第２圧電基板が延在され、延在された前記第２圧電基板上に前記第３電極または前記第４電極に接続される第２回路部と、を備え、
    前記第２回路部には、ゲート電極を有する半導体素子が設けられ、
    前記第２圧電基板の前記第２力検出部と前記第２回路部との間に、前記第２力検出部が形成された前記第２圧電基板の剛性とは異なる剛性に調整された第２剛性調整部が設けられ、
    前記第３力検出素子は、
    第３圧電基板と、
    前記第３圧電基板の一方の表面に形成された第５電極と他方の表面に形成された第６電極とを有する第３力検出部と、
    前記第３力検出部から前記第３圧電基板が延在され、延在された前記第３圧電基板上に前記第５電極または前記第６電極に接続される第３回路部と、を備え、
    前記第３回路部には、ゲート電極を有する半導体素子が設けられ、
    前記第３圧電基板の前記第３力検出部と前記第３回路部との間に、前記第３力検出部が形成された前記第３圧電基板の剛性とは異なる剛性に調整された第３剛性調整部が設けられた
    ことを特徴とするロボット。
16. 請求項１５に記載のロボットにおいて、
    前記第１圧電基板、前記第２圧電基板および前記第３圧電基板は水晶基板で形成され、
    前記第１圧電基板および前記第３圧電基板はＹカット水晶基板であり、前記第２圧電基板はＸカット水晶基板である
    ことを特徴とするロボット。
17. 圧電基板と、
    前記圧電基板の一方の表面に形成された第１電極、および他方の表面に形成された第２電極を有し外力が加わる力検出部と、
    前記力検出部から前記圧電基板が延在され、延在された前記圧電基板上に前記第１電極または前記第２電極に接続されるＭＯＳ型半導体素子と、
    前記圧電基板の前記力検出部と前記ＭＯＳ型半導体素子との間に、前記力検出部が形成された前記圧電基板の剛性とは異なる剛性に調整された剛性調整部と、を備えた
    ことを特徴とする力検出素子。

Images