(57)【特許請求の範囲】
【請求項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電極を有する力検出部と、
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に前記第１電極または前記第２電極に接続される回路部と、を備え、
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の少なくとも一部に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜を介して形成されたゲート電極を有するＭＯＳ型半導体素子と、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ている
ことを特徴とする力検出素子。
【請求項２】
請求項１に記載の力検出素子において、
前記力検出部は前記圧電基板の厚み方向の平面視において多角形に形成され、
前記力検出部の一辺から前記圧電基板が延在されて形成された前記回路部と、他の一辺から前記圧電基板が延在されて形成されたグランド接続部と、を有する
ことを特徴とする力検出素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の力検出素子において、
前記圧電基板は水晶基板である
ことを特徴とする力検出素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の力検出素子において、
前記ＭＯＳ型半導体素子はポリシリコンＴＦＴを有する
ことを特徴とする力検出素子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の力検出素子において、
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。
【請求項６】
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、および他方の表面に形成された第２電極を有する第１力検出部と、
前記第１力検出部から前記第１圧電基板が延在長され、延在された前記第１圧電基板に前記第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、
前記第１圧電基板の表面と直接もしくは絶縁層を介して接する第１バックゲート電極と、
前記第１バックゲート電極の少なくとも一部に形成された第１絶縁膜と、
前記第１絶縁膜を介して形成されたゲート電極を有するＭＯＳ型半導体素子と、が備えられ、
前記第１圧電基板の厚み方向の平面視において、前記第１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、および他方の表面に形成された第４電極を有する第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て、延在された前記第２圧電基板に前記第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、
前記第２圧電基板の表面と直接もしくは絶縁層を介して接する第２バックゲート電極と、
前記第２バックゲート電極の少なくとも一部に形成された第２絶縁膜と、
前記第２絶縁膜を介して形成されたゲート電極を有するＭＯＳ型半導体素子と、が備えられ、
前記第２圧電基板の厚み方向の平面視において、前記第２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、他方の表面に形成された第６電極を有する第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、
前記第３圧電基板の表面と直接もしくは絶縁層を介して接する第３バックゲート電極と、
前記第３バックゲート電極の少なくとも一部に形成された第３絶縁膜と、
前記第３絶縁膜を介して形成されたゲート電極を有するＭＯＳ型半導体素子と、が備えられ、
前記第３圧電基板の厚み方向の平面視において、前記第３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、
前記第１バックゲート電極、第２バックゲート電極および第３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モジュール。
【請求項７】
請求項６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。
【請求項８】
請求項６または７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。
【請求項９】
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、および他方の表面に形成された第２電極を有する第１力検出部と、
前記第１力検出部から前記第１圧電基板が延在長され、延在された前記第１圧電基板に前記第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、
前記第１圧電基板の表面と直接もしくは絶縁層を介して接する第１バックゲート電極と、
前記第１バックゲート電極の少なくとも一部に形成された第１絶縁膜と、
前記第１絶縁膜を介して形成されたゲート電極を有するＭＯＳ型半導体素子と、が備えられ、
前記第１圧電基板の厚み方向の平面視において、前記第１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、および他方の表面に形成された第４電極を有する第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て、延在された前記第２圧電基板に前記第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、
前記第２圧電基板の表面と直接もしくは絶縁層を介して接する第２バックゲート電極と、
前記第２バックゲート電極の少なくとも一部に形成された第２絶縁膜と、
前記第２絶縁膜を介して形成されたゲート電極を有するＭＯＳ型半導体素子と、が備えられ、
前記第２圧電基板の厚み方向の平面視において、前記第２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、他方の表面に形成された第６電極を有する第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、
前記第３圧電基板の表面と直接もしくは絶縁層を介して接する第３バックゲート電極と、
前記第３バックゲート電極の少なくとも一部に形成された第３絶縁膜と、
前記第３絶縁膜を介して形成されたゲート電極を有するＭＯＳ型半導体素子と、が備えられ、
前記第３圧電基板の厚み方向の平面視において、前記第３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、
前記第１バックゲート電極、第２バックゲート電極および第３バックゲート電極はグランドに接続される
ことを特徴とするロボット。
【請求項１０】
請求項９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。
【請求項１１】
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電極を有する力検出部と、
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に前記第１電極または前記第２電極に接続される回路部と、を備え、
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の少なくとも一部に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜を介して形成されたゲート電極を有するＭＯＳ型半導体素子と、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所定の電位に固定される
ことを特徴とする力検出素子。
【請求項１２】
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電極を有する力検出部と、
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の少なくとも一部に形成された絶縁膜と、を備え、
前記ＭＯＳ型半導体素子のゲート電極は前記絶縁膜を介して形成され、
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ている
ことを特徴とする力検出素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
圧電基板を用いて、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、電荷の変位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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平４−２３１８２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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、力を検出する圧電基板上に半導体素子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、圧電基板の表面に外力や内部応力により電荷が誘起されることで半導体素子の閾値電圧が変動する現象が生じる。このため、圧電基板上に半導体素子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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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。
【０００６】
［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電極を有する力検出部と、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に前記第１電極または前記第２電極に接続される回路部と、を備え、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の少なくとも一部に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜を介して形成されたゲート電極を有するＭＯＳ型半導体素子と、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ていることを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、圧電基板上に力検出部とＭＯＳ型半導体素子を有する回路部とが形成されている。そして、ＭＯＳ型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、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。
そして、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。
【０００８】
［適用例２］上記適用例にかかる力検出素子において、前記力検出部は前記圧電基板の厚み方向の平面視において多角形に形成され、前記力検出部の一辺から前記圧電基板が延在されて形成された前記回路部と、他の一辺から前記圧電基板が延在されて形成されたグランド接続部と、を有することが好ましい。
【０００９】
この構成によれば、力検出部は圧電基板が平面視で多角形に形成され、一つの辺から圧電基板が延在されて回路部と、他の一辺から圧電基板が延在されてグランド接続部が形成されている。
このように、多角形の各辺の方向に配線を取り出すことで、配線を取り出す方向を変えることができ、配線が交錯せずに容易に引き出すことができる。
【００１０】
［適用例３］上記適用例にかかる力検出素子において、前記圧電基板は水晶基板であることが好ましい。
【００１１】
この構成によれば、圧電基板が水晶基板で形成されている。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素子を構成できる。
【００１２】
［適用例４］上記適用例にかかる力検出素子において、前記ＭＯＳ型半導体素子はポリシリコンＴＦＴを有することが好ましい。
【００１３】
この構成によれば、ＭＯＳ型半導体素子がポリシリコン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圧電基板上に集積できる。
【００１４】
［適用例５］上記適用例にかかる力検出素子において、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。
【００１５】
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。
【００１６】
［適用例６］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、および他方の表面に形成された第２電極を有する第１力検出部と、前記第１力検出部から前記第１圧電基板が延在長され、延在された前記第１圧電基板に前記第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、前記第１圧電基板の表面と直接もしくは絶縁層を介して接する第１バックゲート電極と、前記第１バックゲート電極の少なくとも一部に形成された第１絶縁膜と、前記第１絶縁膜を介して形成されたゲート電極を有するＭＯＳ型半導体素子と、が備えられ、前記第１圧電基板の厚み方向の平面視において、前記第１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、および他方の表面に形成された第４電極を有する第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て、延在された前記第２圧電基板に前記第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、前記第２圧電基板の表面と直接もしくは絶縁層を介して接する第２バックゲート電極と、前記第２バックゲート電極の少なくとも一部に形成された第２絶縁膜と、前記第２絶縁膜を介して形成されたゲート電極を有するＭＯＳ型半導体素子と、が備えられ、前記第２圧電基板の厚み方向の平面視において、前記第２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、他方の表面に形成された第６電極を有する第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、前記第３圧電基板の表面と直接もしくは絶縁層を介して接する第３バックゲート電極と、前記第３バックゲート電極の少なくとも一部に形成された第３絶縁膜と、前記第３絶縁膜を介して形成されたゲート電極を有するＭＯＳ型半導体素子と、が備えられ、前記第３圧電基板の厚み方向の平面視において、前記第３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、前記第１バックゲート電極、第２バックゲート電極および第３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。
【００１７】
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、各力検出素子は、圧電基板上に力検出部とＭＯＳ型半導体素子を有する回路部とが形成され、ＭＯＳ型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、各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、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。
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。
【００１８】
［適用例７］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。
【００１９】
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軸および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。
【００２０】
［適用例８］本適用例にかかる力検出ユニットは、上記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。
【００２１】
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。
【００２２】
［適用例９］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、および他方の表面に形成された第２電極を有する第１力検出部と、前記第１力検出部から前記第１圧電基板が延在長され、延在された前記第１圧電基板に前記第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、前記第１圧電基板の表面と直接もしくは絶縁層を介して接する第１バックゲート電極と、前記第１バックゲート電極の少なくとも一部に形成された第１絶縁膜と、前記第１絶縁膜を介して形成されたゲート電極を有するＭＯＳ型半導体素子と、が備えられ、前記第１圧電基板の厚み方向の平面視において、前記第１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、および他方の表面に形成された第４電極を有する第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て、延在された前記第２圧電基板に前記第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、前記第２圧電基板の表面と直接もしくは絶縁層を介して接する第２バックゲート電極と、前記第２バックゲート電極の少なくとも一部に形成された第２絶縁膜と、前記第２絶縁膜を介して形成されたゲート電極を有するＭＯＳ型半導体素子と、が備えられ、前記第２圧電基板の厚み方向の平面視において、前記第２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、他方の表面に形成された第６電極を有する第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、前記第３圧電基板の表面と直接もしくは絶縁層を介して接する第３バックゲート電極と、前記第３バックゲート電極の少なくとも一部に形成された第３絶縁膜と、前記第３絶縁膜を介して形成されたゲート電極を有するＭＯＳ型半導体素子と、が備えられ、前記第３圧電基板の厚み方向の平面視において、前記第３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、前記第１バックゲート電極、第２バックゲート電極および第３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。
【００２３】
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、圧電基板上に力検出部とＭＯＳ型半導体素子を有する回路部とが形成され、ＭＯＳ型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、各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、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。
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。
【００２４】
［適用例１０］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。
【００２５】
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軸および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。
【００２６】
［適用例１１］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電極を有する力検出部と、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に前記第１電極または前記第２電極に接続される回路部と、を備え、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の少なくとも一部に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜を介して形成されたゲート電極を有するＭＯＳ型半導体素子と、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所定の電位に固定されることを特徴とする。
【００２７】
この構成によれば、圧電基板上に力検出部とＭＯＳ型半導体素子を有する回路部とが形成されている。そして、ＭＯＳ型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を有し、バックゲート電極は所定の電位に固定されている。
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、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。
そして、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。
【００２８】
［適用例１２］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電極を有する力検出部と、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の少なくとも一部に形成された絶縁膜と、を備え、前記ＭＯＳ型半導体素子は前記絶縁膜を介して形成され、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ていることを特徴とする。
【００２９】
この構成によれば、圧電基板上に力検出部とＭＯＳ型半導体素子とを有し、ＭＯＳ型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、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。
そして、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。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】第１実施形態の力検出素子の構成を示す概略斜視図。
【図２】第１実施形態における力検出素子を裏面から見た概略斜視図。
【図３】第１実施形態における回路部の概略部分断面図。
【図４】第１実施形態における力検出素子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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】第２実施形態における回路部の概略部分断面図。
【図１０】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。
【図１１】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。
【図１２】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。
【図１３】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。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
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）
【００３２】
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は本実施形態における力検出素子を裏面から見た概略斜視図である。図３は図１のＡ−Ａ断線に沿う概略部分断面図である。図４は力検出素子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である。
【００３３】
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、回路部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。
【００３４】
回路部２０は、水晶基板６の突出部６ｂに、突出部６ｂの一方の表面に形成され半導体素子を有する回路２１と、回路２１と接続される接続パッド２２とを備えている。
回路２１は接続配線２３により第１電極１１と接続され、また、外部との接続を果たすために突出部６ｂの端部に形成された接続パッド２２に接続されている。
【００３５】
回路２１には、図３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２１内には複数のＭＯＳ型半導体素子３０が形成されて回路２１が構成されている。
回路部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の表面と直接もしくは絶縁層を介して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２１内に集積できる。
【００３６】
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４は、水晶基板６の板厚方向から回路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３参照）。
【００３７】
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５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、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
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６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、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
この与圧を加える事で、圧縮方向に加えて引張り方向の外力を検知できるようになる。与圧により、力検出部１０の水晶基板６に電荷が誘起されるが、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できる。
ここで、力検出部に加えられた力や熱変形等の影響で、回路部２０の水晶基板６に応力が加わると、水晶基板６に電荷が誘起されるが、水晶基板６の表面に直接もしくは絶縁層を介して接するバックゲート電極２５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２５の上方に形成されたゲート電極３４に電界の影響を与えないことから、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。
よって、回路２１に出力された第１電極１１からの電荷（検出信号）は、回路２１内で検出信号が適正に処理され、力の大きさを正確に検知することができる。
【００４０】
以上、本実施形態の力検出素子１は、水晶基板６上に力検出部１０とＭＯＳ型半導体素子３０を有する回路部２０とが形成されている。そして、ＭＯＳ型半導体素子３０のゲート電極３４の下方には水晶基板６と接続されたバックゲート電極２５を有し、バックゲート電極２５はグランドに接続されている。
このため、水晶基板６に外力などが加わり水晶基板６の表面に電荷が誘起された場合でも、バックゲート電極２５において誘起電荷による電界を遮蔽でき、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。
また、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などの圧電基板上に力検出部１０と回路部２０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。
【００４１】
また、力検出部１０は水晶基板６が平面視で四角形（多角形）に形成され、一つの辺から水晶基板６が延在されて回路部２０と、他の一辺から水晶基板６が延在されてグランド接続部４０が形成されている。なお、多角形とは円形（無限多角形）も含まれる。
このように、四角形の各辺の方向に配線を取り出すことで、配線を取り出す方向を変えることができ、配線を交錯せずに容易に引き出すことができる。
【００４２】
なお、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、これに限らず、バックゲート電極２５を一定の電圧に固定する構成でも上記と同様の効果を得ることができる。
また、本実施形態ではＭＯＳ型半導体素子３０として、ポリシリコンＴＦＴとしたが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。酸化物半導体材料としては、酸化インジウム（Iｎ2Ｏ3）、酸化ガリウム（Ｇａ2Ｏ3）及び酸化亜鉛（ＺｎＯ）から成る複合酸化物半導体であるＩＧＺＯ（ＩｎＧａＺｎＯ）が、２００℃〜３２０℃程度のプロセス最高温度で優れた駆動安定性を実現でき、特に好ましい。
この構成によれば、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、水晶基板６への温度のダメージを抑制することができる。特に水晶基板を用いた場合、プロセス温度を４００℃以下とすることが望ましく、酸化物系半導体材料を用いることで、プロセス中の最高温度を少なくとも４００℃以下にすることができる。
【００４３】
そして、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。
（第２実施形態）
【００４４】
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。
【００４５】
図７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８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９は図８のＢ−Ｂ断線に沿う概略部分断面図である。図１０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。
【００４６】
図７、図８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。
【００４７】
図８に示すように、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回路６０ａを有する第１回路部５１ｂを備えている。
【００４８】
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回路部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回路部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回路６０ｂを有する第２回路部５２ｂとを備えている。
【００４９】
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回路部５１ｂを支持する積層支持部５３ｅと、第４水晶基板６４の第２回路部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回路部５１ｂを支持する積層支持部５３ｅと、第４水晶基板６４の第２回路部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回路６０ｃを有する第３回路部５３ｂとを備えている。
【００５０】
第１回路６０ａ、第２回路６０ｂ、第３回路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接続された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６０ａ、第２回路６０ｂ、第３回路６０ｃ共に同じ構成であり、ここでは、第１回路６０ａを例にとって説明する。
図９に示すように、第１回路６０ａには、ＭＯＳ型半導体素子７３を有している。第１回路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６０ａが構成されている。
第１回路部５１ｂを構成する第２水晶基板６２において、第２水晶基板６２の表面と接触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。
【００５１】
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７に示すように、第１回路部５１ｂ、第２回路部５２ｂ、第３回路部５３ｂが上面に露出するように配置される。そして、第１回路部５１ｂ、第２回路部５２ｂ、第３回路部５３ｂにはそれぞれ、第１回路６０ａ、第２回路６０ｂ、第３回路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回路部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回路部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回路部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回路部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。
【００５２】
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８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。
【００５３】
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１０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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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Ｘ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。
【００５７】
そして、この誘起された電荷は第１回路６０ａ、第２回路６０ｂ、第３回路６０ｃ（図８参照）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、力検出部に加えられた力や熱変形等の影響で、第１回路６０ａの第２水晶基板６２に応力が加わると、水晶基板に電荷が誘起されるが、第２水晶基板６２表面に直接もしくは間接的に接するバックゲート電極７０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。
また、第２回路６０ｂ、第３回路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、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６０ａ、第２回路６０ｂ、第３回路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。
【００５８】
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）
【００５９】
次に力検出モジュールを複数用いた６軸の力検出ユニットについて説明する。
図１１は本実施形態の力検出ユニットの構成を示し、（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ユニット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、各力検出モジュール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。
【００６０】
このような構成の力検出ユニット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１０参照）の検出軸をＦｘに平行な方向に向け、第２力検出素子５２（図１０参照）の検出軸をＦｚに平行な方向に向け、第３力検出素子５３（図１０参照）の検出軸をＦｙに平行な方向に向けた状態となっている。
【００６１】
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。
【００６２】
したがって、力検出ユニット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。
【００６３】
【数１】
0005942574.tif 000002
【００６４】
ここで、ａ、ｂは定数とする。よって本実施形態の力検出ユニット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ユニット８０となる。
（第４実施形態）
【００６５】
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１２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５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または力検出ユニット８０が搭載されている。
図１２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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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）
【００７０】
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１３は双腕ロボットの概略構成を示す模式図である。
図１３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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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または力検出ユニット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または力検出ユニット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または力検出ユニット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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【符号の説明】
【００７６】
１…力検出素子、６…水晶基板、１０…力検出部、１１…第１電極、１２…第２電極、２０…回路部、２１…回路、２５…バックゲート電極、２６…絶縁膜、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、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回路部、５２…第２力検出素子、５２ａ…第２力検出部、５２ｂ…第２回路部、５３…第３力検出素子、５３ａ…第３力検出部、５３ｂ…第３回路部、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、６０ａ…第１回路、６０ｂ…第２回路、６０ｃ…第３回路、６１…第１水晶基板、６２…第１圧電基板としての第２水晶基板、６３…第３水晶基板、６４…第２圧電基板としての第４水晶基板、６５…第５水晶基板、６６…第３圧電基板としての第６水晶基板、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、８０…力検出ユニット、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、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、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。
【図１】
0005942574.tif 000003
【図２】
0005942574.tif 000004
【図３】
0005942574.tif 000005
【図４】
0005942574.tif 000006
【図５】
0005942574.tif 000007
【図６】
0005942574.tif 000008
【図７】
0005942574.tif 000009
【図８】
0005942574.tif 000010
【図９】
0005942574.tif 000011
【図１０】
0005942574.tif 000012
【図１１】
0005942574.tif 000013
【図１２】
0005942574.tif 000014
【図１３】
0005942574.tif 000015