(57)【要約】【課題】検出精度が高く小型化が可能な力検出装置および信頼性が高く小型化が可能なロボットを提供すること。【解決手段】互いに直交する第１軸および第２軸のうち、第１軸を力の検出軸とする力検出装置であって、第１電極、第１水晶板、第２電極、第２水晶板、第３電極、第３水晶板、第４電極、第４水晶板、および第５電極が、この順で積層されている積層体と、第２電極から出力される電荷と、第４電極から出力される電荷と、に基づき、第１軸の方向の力を検出する力検出回路と、を有し、第１水晶板の＋Ｘ方向と第２水晶板の＋Ｘ方向が逆方向を向き、第３水晶板の＋Ｘ方向と第４水晶板の＋Ｘ方向が逆方向を向いており、第２水晶板の＋Ｘ方向と第１軸とのなす角と、第４水晶板の＋Ｘ方向と第１軸とのなす角と、が異なり、第２水晶板の＋Ｘ方向と第２軸とのなす角と、第４水晶板の＋Ｘ方向と第２軸とのなす角と、が等しいことを特徴とする力検出装置。【選択図】図６
2020106326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直交する第１軸および第２軸のうち、前記第１軸を力の検出軸とする力検出装置であって、
第１電極、Ｙカット水晶板である第１水晶板、第２電極、Ｙカット水晶板である第２水晶板、第３電極、Ｙカット水晶板である第３水晶板、第４電極、Ｙカット水晶板である第４水晶板、および第５電極が、この順で積層されている積層体と、
前記第２電極から出力される電荷と、前記第４電極から出力される電荷と、に基づき、前記第１軸の方向の力を検出する力検出回路と、
を有し、
前記Ｙカット水晶板の電気軸をＸ軸としたとき、
前記第１水晶板の＋Ｘ方向と前記第２水晶板の＋Ｘ方向とが逆方向を向いており、
前記第３水晶板の＋Ｘ方向と前記第４水晶板の＋Ｘ方向とが逆方向を向いており、
前記第２水晶板の＋Ｘ方向と前記第１軸の一方向とのなす角と、前記第４水晶板の＋Ｘ方向と前記第１軸の一方向とのなす角と、が異なり、
前記第２水晶板の＋Ｘ方向と前記第２軸の一方向とのなす角と、前記第４水晶板の＋Ｘ方向と前記第２軸の一方向とのなす角と、が等しいことを特徴とする力検出装置。
【請求項２】
前記第２水晶板の＋Ｘ方向と前記第２軸の一方向とのなす角、および、前記第４水晶板の＋Ｘ方向と前記第２軸の一方向とのなす角が９０°である請求項１に記載の力検出装置。
【請求項３】
前記第２水晶板の＋Ｘ方向と前記第２軸の一方向とのなす角、および、前記第４水晶板の＋Ｘ方向と前記第２軸の一方向とのなす角が４５°である請求項１に記載の力検出装置。
【請求項４】
前記力検出回路は、前記第２電極から出力される電荷の時間変化および前記第４電極から出力される電荷の時間変化に基づき、前記力検出装置の異常の有無を判定する機能を有する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項５】
互いに直交する第１軸および第２軸のうち、前記第１軸を力の検出軸とする力検出装置を備えるロボットであって、
前記力検出装置は、
第１電極、Ｙカット水晶板である第１水晶板、第２電極、Ｙカット水晶板である第２水晶板、第３電極、Ｙカット水晶板である第３水晶板、第４電極、Ｙカット水晶板である第４水晶板、および第５電極が、この順で積層されている積層体と、
前記第２電極から出力される電荷と、前記第４電極から出力される電荷と、に基づき、前記第１軸の方向の力を検出する力検出回路と、
を有し、
前記Ｙカット水晶板の電気軸をＸ軸としたとき、
前記第１水晶板の＋Ｘ方向と前記第２水晶板の＋Ｘ方向とが逆方向を向いており、
前記第３水晶板の＋Ｘ方向と前記第４水晶板の＋Ｘ方向とが逆方向を向いており、
前記第２水晶板の＋Ｘ方向と前記第１軸の一方向とのなす角と、前記第４水晶板の＋Ｘ方向と前記第１軸の一方向とのなす角と、が異なり、
前記第２水晶板の＋Ｘ方向と前記第２軸の一方向とのなす角と、前記第４水晶板の＋Ｘ方向と前記第２軸の一方向とのなす角と、が等しいことを特徴とするロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力検出装置およびロボットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
受けた力を検出する力検出装置として、特許文献１に記載の力覚センサーが知られている。特許文献１に記載の力覚センサーは、センサー基部と、このセンサー基部と四角錐状の面を介して連結された先端部と、この先端部をあらかじめ一定の力でセンサー基部に押さえながら保持する保持部と、センサー基部と先端部の四角錐状の面との間に設けられた４つの接触圧センサーと、接触圧センサーからの信号を処理する演算処理部と、を備えている。このような力覚センサーでは、先端部にかかる垂直方向の力と水平方向の力の双方を検出することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６１−１２２５３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一方、特許文献１には、接触圧センサーの方式について特に記載されていないが、近年では、優れた特性を有することから、水晶圧電素子を用いた水晶式圧電センサーが用いられることがある。
【０００５】
ところが、水晶圧電素子では、水晶から出力される電荷が微弱であるため、電荷を電圧に変換する変換回路の漏れ電流に起因する出力ドリフトの影響を無視できない。この出力ドリフトを低減するため、例えば、水晶式圧電センサー同士で出力信号の差分を算出する構成が知られている。このような構成によれば、出力ドリフトを相殺することができるので、力覚センサーの検出精度を高めることができる。
【０００６】
しかしながら、複数の水晶式圧電センサーを設けた場合、力覚センサーの大型化が避けられないという課題がある。特に多軸での力検出が不要な場合には、低コスト化が可能な１軸の力覚センサーが望まれる。このような１軸の力覚センサーには、特に小型化への要請が強いが、複数の水晶式圧電センサーを備えている場合には、十分な小型化を図ることができない。したがって、検出精度が高く、かつ小型化が可能な力検出装置が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の適用例に係る力検出装置は、互いに直交する第１軸および第２軸のうち、前記第１軸を力の検出軸とする力検出装置であって、
第１電極、Ｙカット水晶板である第１水晶板、第２電極、Ｙカット水晶板である第２水晶板、第３電極、Ｙカット水晶板である第３水晶板、第４電極、Ｙカット水晶板である第４水晶板、および第５電極が、この順で積層されている積層体と、
前記第２電極から出力される電荷と、前記第４電極から出力される電荷と、に基づき、前記第１軸の方向の力を検出する力検出回路と、
を有し、
前記第１水晶板の＋Ｘ方向と前記第２水晶板の＋Ｘ方向とが逆方向を向いており、
前記第３水晶板の＋Ｘ方向と前記第４水晶板の＋Ｘ方向とが逆方向を向いており、
前記第２水晶板の＋Ｘ方向と前記第１軸の一方向とのなす角と、前記第４水晶板の＋Ｘ方向と前記第１軸の一方向とのなす角と、が異なり、
前記第２水晶板の＋Ｘ方向と前記第２軸の一方向とのなす角と、前記第４水晶板の＋Ｘ方向と前記第２軸の一方向とのなす角と、が等しい。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態に係る力検出装置を示す縦断面図である。
【図２】図１に示す力検出装置の側面図である。
【図３】図１に示す力検出装置が有する圧電センサー部を示す断面図である。
【図４】図３に示す圧電センサー部が有する圧電センサー素子を示す断面図である。
【図５】図４に示す圧電センサー素子の分解斜視図である。
【図６】図５に示す圧電センサー素子の模式図である。
【図７】図１に示す力検出装置の回路系を示す回路図である。
【図８】図７に示す力検出装置に所定の波形で変化する外力Ｆを加えたとき、第１センサーから出力される電荷Ｑ１の変化、変換出力回路における出力ドリフトｑｃ１の変化、および、変換出力回路から出力される電圧Ｖ１の変化、ならびに、第２センサーから出力される電荷Ｑ２の変化、変換出力回路における出力ドリフトｑｃ２の変化、および、変換出力回路から出力される電圧Ｖ２の変化を示す図である。
【図９】図７に示す演算部における演算例を説明するための図である。
【図１０】図７に示す演算部における演算例を説明するための図である。
【図１１】第２実施形態に係る力検出装置が有する圧電センサー素子を示す模式図である。
【図１２】図１１に示す圧電センサー素子の断面図である。
【図１３】図１１に示す圧電センサー素子に対してγ軸方向の外力Ｆが加わったとき、外力Ｆを第２水晶板の＋Ｘ方向の成分ｆ１に分解する様子を示す図である。
【図１４】図１１に示す圧電センサー素子に対してγ軸方向の外力Ｆが加わったとき、外力Ｆを第４水晶板の＋Ｘ方向の成分ｆ２に分解する様子を示す図である。
【図１５】第３実施形態に係るロボットを示す斜視図である。
【図１６】図１５に示すロボットの部分拡大断面図である。
【図１７】第４実施形態に係るロボットを示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の力検出装置およびロボットを添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００１０】
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る力検出装置を示す縦断面図である。図２は、図１に示す力検出装置の側面図である。図３は、図１に示す力検出装置が有する圧電センサー部を示す断面図である。図４は、図３に示す圧電センサー部が有する圧電センサー素子を示す断面図である。図５は、図４に示す圧電センサー素子の分解斜視図である。図６は、図５に示す圧電センサー素子の模式図である。図７は、図１に示す力検出装置の回路系を示す回路図である。なお、以下では、図１および図２中の上側を「上」ともいい、下側を「下」ともいう。また、図１、図２および図３に示すように、互いに直交する３軸をα軸、β軸およびγ軸とし、また、α軸に平行な方向を「α軸方向」、β軸に平行な方向を「β軸方向」、γ軸に平行な方向を「γ軸方向」ともいう。
【００１１】
図１に示す力検出装置１は、γ軸方向の並進力成分を検出することができる１軸の力検出装置である。
【００１２】
図１に示すように、力検出装置１は、ベースプレートとして機能する第１基部２と、第１基部２から所定間隔を隔てて配置され、第１基部２に対向するカバープレートとして機能する第２基部３と、第１基部２と第２基部３との間に配置されたアナログ回路基板４と、第１基部２と第２基部３との間に配置され、アナログ回路基板４と電気的に接続されたデジタル回路基板５と、アナログ回路基板４に搭載され、加えられた外力に応じて信号を出力する圧電センサー部６と、固定部材としての２本の予圧ボルト９と、を有している。
【００１３】
第１基部２は、板状の底板２３と、底板２３から上方、すなわち底板２３の法線方向に向けて立設した壁部２４と、を有している。底板２３の下面２３１は、後述するように、力検出装置１をロボット１００に固定して使用する際に、ロボット１００に対する取付面となる。また、底板２３の平面視形状は、特に限定されず、例えば、円形、四角形の他、四角形以外の多角形等であってもよい。
【００１４】
なお、以下では、下面２３１の中心を通り、下面２３１の法線と平行な軸を「第１軸Ｊ１」とする。この第１軸Ｊ１は、前述したγ軸とも平行である。また、本実施形態では、第１軸Ｊ１の延在方向を第１軸Ｊ１方向とし、図２の上方を第１軸Ｊ１の「＋Ｊ１方向」とし、図２の下方を第１軸Ｊ１の「−Ｊ１方向」とする。
【００１５】
壁部２４は、底板２３の縁部に配置され、当該縁部から上方に向けて突出するように配置されている。また、壁部２４は、α軸方向から見たとき、四角形の外形形状を有し、α軸を法線とする２つの主面を有する板状をなしている。そして、２つの主面のうち、第２基部３側に臨む内面２５には、その法線方向に突出する凸部２６が配置されている。凸部２６の頂面２６１は、底板２３の下面２３１に対して垂直な平面で構成されている。ただし、頂面２６１の向きは、特に限定されず、下面２３１に対して垂直な平面に対して傾斜していてもよい。
【００１６】
第２基部３は、板状の天板３３と、天板３３から下方、すなわち天板３３の法線方向に向けて立設した壁部３４と、を有している。天板３３の上面３３１は、後述するように、力検出装置１をロボット１００に固定して使用する際に、ロボット１００に対する取付面となる。また、天板３３の上面３３１は、外力が加わっていない自然状態において、底板２３の下面２３１と平行になっている。ただし、上面３３１と下面２３１とは、自然状態において非平行であってもよい。また、天板３３の平面視形状は、底板２３の平面視形状とほぼ同じとなっている。ただし、天板３３の平面視形状は、特に限定されず、例えば、円形、四角形の他、四角形以外の多角形等であってもよい。また、天板３３の平面視形状は、底板２３の平面視形状と異なっていてもよい。
【００１７】
壁部３４は、天板３３の縁部に配置され、当該縁部から下方に向けて突出するように配置されている。また、壁部３４は、凸部２６と対をなすように対向して配置されている。さらに、壁部３４は、α軸方向から見たとき、四角形の外形形状を有し、α軸を法線とする２つの主面を有する板状をなしている。そして、２つの主面のうち、第１基部２側に臨む内面３４１は、凸部２６の頂面２６１と平行となっている。そして、壁部３４の内面３４１と凸部２６の頂面２６１との間で圧電センサー部６を保持している。以下では、圧電センサー部６を保持している方向、つまり、内面３４１と頂面２６１とが並ぶ方向を「保持方向ＳＤ」とも言う。
【００１８】
また、α軸方向から見たとき、第１軸Ｊ１は、図２に示すように、圧電センサー部６の中心Ｏを通過している。さらに、内面３４１や頂面２６１と平行な面内において中心Ｏで第１軸Ｊ１と直交する軸を「第２軸Ｊ２」とする。この第２軸Ｊ２は、前述したβ軸と平行である。また、本実施形態では、第２軸Ｊ２の延在方向を第２軸Ｊ２方向とし、図２の右方を第２軸Ｊ２の「＋Ｊ２方向」とし、図２の左方を第２軸Ｊ２の「−Ｊ２方向」とする。
【００１９】
以上、第１基部２および第２基部３について説明したが、第１基部２および第２基部３の構成材料は、特に限定されないものの、硬質な材料であることが好ましい。このような材料としては、例えば、鉄、ニッケル、コバルト、金、白金、銀、銅、マンガン、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、鉛、錫、チタン、タングステン等の各種金属、またはこれらのうちの少なくとも１種を含む合金または金属間化合物、さらには、これらの金属の酸化物、窒化物、炭化物等が挙げられる。
【００２０】
次に、圧電センサー部６について説明する。圧電センサー部６は、第１軸Ｊ１、すなわちγ軸に沿って加えられた外力に応じて２つの電荷Ｑ１、Ｑ２を出力する機能を有している。図３に示すように、圧電センサー部６は、圧電センサー素子７と、圧電センサー素子７を収納するパッケージ８と、を有している。
【００２１】
図４に示すように、圧電センサー素子７は、グランドＧＮＤに接続された第１電極７０１、第３電極７０３および第５電極７０５と、γ軸に平行な外力、すなわちγ軸方向のせん断力に応じて電荷Ｑ１を出力する第１センサー７１と、同様にγ軸方向のせん断力に応じて電荷Ｑ２を出力する第２センサー７２と、を有している。そして、第１電極７０１、第１センサー７１、第３電極７０３、第２センサー７２、第５電極７０５が、積層方向ＬＤにおいてこの順で積層されている。
【００２２】
第１センサー７１は、γ軸方向の外力に応じて正電荷または負電荷を出力するように構成されている。具体的には、第１センサー７１は、第１水晶板７１１と、第１水晶板７１１と対向して配置された第２水晶板７１３と、第１水晶板７１１と第２水晶板７１３との間に設けられた第２電極７１２と、を有する。
【００２３】
第１水晶板７１１は、Ｙカット水晶板であり、互いに直交する結晶軸であるＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を有する。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、それぞれ水晶の電気軸、機械軸、光学軸である。このうち、Ｙ軸は、第１水晶板７１１の厚さ方向に沿った軸であり、Ｘ軸は、図４中の上下方向に沿った軸であり、Ｚ軸は、図４中の紙面奥行き方向に沿った軸である。また、図４に示す構成では、Ｘ軸については、図４中の下側を＋Ｘ方向とし、その反対側を−Ｘ方向とする。Ｙ軸については、図４中の右側を＋Ｙ方向とし、その反対側を−Ｙ方向とする。Ｚ軸については、図４中の紙面奥側を＋Ｚ方向とし、その反対側を−Ｚ方向とする。
【００２４】
水晶により構成された第１水晶板７１１は、広いダイナミックレンジ、高い剛性、高い固有振動数、高い耐荷重性等の優れた特性を有する。
【００２５】
なお、Ｙカット水晶板とは、ＪＩＳ  Ｃ  ６７０４：２００９に記載されているとおり、水晶のＹ軸（機械軸）に垂直な面を有する水晶板であり、Ｙ軸が厚さ方向となる。ただし、本実施形態に係る「Ｙカット水晶板」には、厚さ方向とＹ軸とが一致する場合の他にも、厚さ方向に対してＹ軸が若干、例えば１０°未満程度傾斜している場合も含まれる。また、本実施形態では、Ｙカット水晶板のＹカット面に電極が配置されている。
【００２６】
Ｙカット水晶板は、その面方向に沿った外力、すなわちせん断力に対して電荷を生じる。そして、第１水晶板７１１の表面に対し、＋Ｘ方向の外力が加えられた場合、圧電効果により、第１水晶板７１１内に電荷が誘起される。その結果、第１水晶板７１１の第２電極７１２側の表面近傍には正電荷が集まり、第１水晶板７１１の第１電極７０１側の表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第１水晶板７１１の表面に対し、−Ｘ方向の外力が加えられた場合、第１水晶板７１１の第２電極７１２側の表面近傍には負電荷が集まり、第１水晶板７１１の第１電極７０１側の表面近傍には正電荷が集まる。
【００２７】
第２水晶板７１３も、Ｙカット水晶板であり、互いに直交する結晶軸であるＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を有する。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、それぞれ水晶の電気軸、機械軸、光学軸である。このうち、Ｙ軸は、第２水晶板７１３の厚さ方向に沿った軸であり、Ｘ軸は、図４中の上下方向に沿った軸であり、Ｚ軸は、図４中の紙面奥行き方向に沿った軸である。また、図４に示す構成では、Ｘ軸については、図４中の上側を＋Ｘ方向とし、その反対側を−Ｘ方向とする。Ｙ軸については、図４中の左側を＋Ｙ方向とし、その反対側を−Ｙ方向とする。Ｚ軸については、図４中の紙面奥側を＋Ｚ方向とし、その反対側を−Ｚ方向とする。
【００２８】
水晶により構成された第２水晶板７１３も、広いダイナミックレンジ、高い剛性、高い固有振動数、高い耐荷重性等の優れた特性を有する。
【００２９】
第２水晶板７１３の表面に対し、＋Ｘ方向の外力が加えられた場合、圧電効果により、第２水晶板７１３内に電荷が誘起される。その結果、第２水晶板７１３の第２電極７１２側の表面近傍には正電荷が集まり、第２水晶板７１３の第３電極７０３側の表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第２水晶板７１３の表面に対し、−Ｘ方向の外力が加えられた場合、第２水晶板７１３の第２電極７１２側の表面近傍には負電荷が集まり、第２水晶板７１３の第３電極７０３側の表面近傍には正電荷が集まる。
【００３０】
また、第１センサー７１が第１水晶板７１１と第２水晶板７１３とを有する構成となっていることは、いずれか一方のみを有する構成と比較して、第２電極７１２近傍に集まる正電荷または負電荷を増加させることができる。その結果、第２電極７１２から出力される電荷Ｑ１を増加させることができる。
【００３１】
第２電極７１２は、第１水晶板７１１内および第２水晶板７１３内に生じた正電荷または負電荷を電荷Ｑ１として出力する機能を有する。前述したように、第１水晶板７１１の表面または第２水晶板７１３の表面に＋Ｘ方向の外力が加えられた場合、第２電極７１２近傍には、正電荷が集まる。その結果、第２電極７１２からは、正の電荷Ｑ１が出力される。一方、第１水晶板７１１の表面または第２水晶板７１３の表面に−Ｘ方向の外力が加えられた場合、第２電極７１２近傍には、負電荷が集まる。その結果、第２電極７１２からは、負の電荷Ｑ１が出力される。したがって、第１センサー７１は、第１軸Ｊ１の＋Ｊ１方向に力検出方向Ｄ１を有する。
【００３２】
また、第２センサー７２は、γ軸方向の外力に応じて正電荷または負電荷を出力するように構成されている。具体的には、第２センサー７２は、第３水晶板７２１と、第２水晶板７１３と対向して配置された第４水晶板７２３と、第３水晶板７２１と第４水晶板７２３との間に設けられた第４電極７２２と、を有する。
【００３３】
第３水晶板７２１は、Ｙカット水晶板であり、互いに直交する結晶軸であるＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を有する。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、それぞれ水晶の電気軸、機械軸、光学軸である。このうち、Ｙ軸は、第３水晶板７２１の厚さ方向に沿った軸であり、Ｘ軸は、図４中の上下方向に沿った軸であり、Ｚ軸は、図４中の紙面奥行き方向に沿った軸である。また、図４に示す構成では、Ｘ軸については、図４中の上側を＋Ｘ方向とし、その反対側を−Ｘ方向とする。Ｙ軸については、図４中の左側を＋Ｙ方向とし、その反対側を−Ｙ方向とする。Ｚ軸については、図４中の紙面奥側を＋Ｚ方向とし、その反対側を−Ｚ方向とする。
【００３４】
水晶により構成された第３水晶板７２１は、広いダイナミックレンジ、高い剛性、高い固有振動数、高い耐荷重性等の優れた特性を有する。
【００３５】
Ｙカット水晶板は、その面方向に沿った外力、すなわちせん断力に対して電荷を生じる。そして、第３水晶板７２１の表面に対し、＋Ｘ方向の外力が加えられた場合、圧電効果により、第３水晶板７２１内に電荷が誘起される。その結果、第３水晶板７２１の第４電極７２２側の表面近傍には負電荷が集まり、第３水晶板７２１の第３電極７０３側の表面近傍には正電荷が集まる。同様に、第３水晶板７２１の表面に対し、−Ｘ方向の外力が加えられた場合、第３水晶板７２１の第４電極７２２側の表面近傍には正電荷が集まり、第３水晶板７２１の第３電極７０３側の表面近傍には負電荷が集まる。
【００３６】
第４水晶板７２３も、Ｙカット水晶板であり、互いに直交する結晶軸であるＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を有する。このうち、Ｙ軸は、第４水晶板７２３の厚さ方向に沿った軸であり、Ｘ軸は、図４中の上下方向に沿った軸であり、Ｚ軸は、図４中の紙面奥行き方向に沿った軸である。また、図４に示す構成では、Ｘ軸については、図４中の下側を＋Ｘ方向とし、その反対側を−Ｘ方向とする。Ｙ軸については、図４中の右側を＋Ｙ方向とし、その反対側を−Ｙ方向とする。Ｚ軸については、図４中の紙面奥側を＋Ｚ方向とし、その反対側を−Ｚ方向とする。
【００３７】
水晶により構成された第４水晶板７２３も、広いダイナミックレンジ、高い剛性、高い固有振動数、高い耐荷重性等の優れた特性を有する。
【００３８】
第４水晶板７２３の表面に対し、＋Ｘ方向の外力が加えられた場合、圧電効果により、第４水晶板７２３内に電荷が誘起される。その結果、第４水晶板７２３の第４電極７２２側の表面近傍には負電荷が集まり、第４水晶板７２３の第５電極７０５側の表面近傍には正電荷が集まる。同様に、第４水晶板７２３の表面に対し、−Ｘ方向の外力が加えられた場合、第４水晶板７２３の第４電極７２２側の表面近傍には正電荷が集まり、第４水晶板７２３の第５電極７０５側の表面近傍には負電荷が集まる。
【００３９】
また、第２センサー７２が第３水晶板７２１と第４水晶板７２３とを有する構成となっていることは、いずれか一方のみを有する構成と比較して、第４電極７２２近傍に集まる正電荷または負電荷を増加させることができる。その結果、第４電極７２２から出力される電荷Ｑ２を増加させることができる。
【００４０】
第４電極７２２は、第３水晶板７２１内および第４水晶板７２３内に生じた正電荷または負電荷を電荷Ｑ２として出力する機能を有する。前述したように、第２水晶板７１３の表面または第４水晶板７２３の表面に＋Ｘ方向の外力が加えられた場合、第４電極７２２近傍には、負電荷が集まる。その結果、第４電極７２２からは、負の電荷Ｑ２が出力される。一方、第３水晶板７２１の表面または第４水晶板７２３の表面に−Ｘ方向の外力が加えられた場合、第４電極７２２近傍には、正電荷が集まる。その結果、第４電極７２２からは、正の電荷Ｑ２が出力される。したがって、第２センサー７２は、第１軸Ｊ１の−Ｊ１方向に力検出方向Ｄ２を有する。
【００４１】
力検出装置１では、圧電センサー素子７から出力された電荷Ｑ１、Ｑ２に基づいて、γ軸方向、すなわち第１軸Ｊ１方向の並進力成分を検出することができる。
【００４２】
パッケージ８は、図３に示すように、凹部８１１を有するベース８１と、凹部８１１の開口を覆うようにベース８１に接合されて蓋として機能するリッド８２と、を有している。また、パッケージ８の内側には気密な収納空間Ｓ１が形成されており、この収納空間Ｓ１に圧電センサー素子７が収納されている。収納空間Ｓ１の雰囲気としては、特に限定されず、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスを充填することができる。これにより、収納空間Ｓ１の雰囲気が安定し、電極の劣化、腐食等を抑制することができる。なお、収納空間Ｓ１は、例えば、真空状態、つまり大気圧より圧力が低い状態となっていてもよい。
【００４３】
ベース８１の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化ジルコニウム（ジルコニア）等の各種セラミックスを用いることができる。なお、例えば、ベース８１の底部、すなわち圧電センサー素子７が載置されている部分と、ベース８１の側壁部、すなわち底部の外縁部から立設された部分と、を異なる材料で構成してもよい。この場合、例えば、底部をステンレス鋼、コバール、銅、鉄、炭素鋼等の各種金属材料で構成し、側壁部を各種セラミックスで構成することができる。例えば、底部の構成材料としては、セラミックスと熱膨張係数の近いコバール等の合金とするのが好ましい。これにより、パッケージ８に熱歪みが発生し難くなり、圧電センサー素子７に不要な応力、すなわち予圧および検出すべき力以外の外力が加わることを低減することができる。
【００４４】
また、図３に示すように、ベース８１には、収納空間Ｓ１の内外を繋ぐ端子８１３が設けられている。そして、接続部８１４を介して端子８１３と圧電センサー素子７とが電気的に接続されている。なお、接続部８１４としては、特に限定されず、例えば、Ａｇペースト、Ｃｕペースト、Ａｕペースト等の導電性ペーストを用いることができる。
【００４５】
図３に示すように、リッド８２は、中央部に位置し、圧電センサー素子７と接している中央部８２１と、外縁部に位置し、ベース８１と接合している外縁部８２２と、中央部８２１と外縁部８２２との間に位置し、これらを接続するテーパー状の接続部８２３と、を有している。また、中央部８２１は、外縁部８２２から突出して設けられている。
【００４６】
リッド８２の構成材料としては、特に限定されないが、ベース８１の構成材料と線膨張係数が近似する部材であると良い。例えば、ベース８１の構成材料を前述のようなセラミックスとした場合には、リッド８２の構成材料を金属材料とするのが好ましい。これにより、パッケージ８に熱歪みが発生し難くなり、圧電センサー素子７に不要な応力、すなわち予圧および検出すべき力以外の外力が加わることを低減することができる。そのため、より力検出精度の高い力検出装置１となる。
【００４７】
以上、圧電センサー部６について説明したが、圧電センサー部６の構成は、特に限定されず、例えばパッケージ８が省略された構成であってもよい。
【００４８】
このような圧電センサー部６は、前述したように、対をなす壁部３４と凸部２６との間に配置されている。また、圧電センサー部６は、ベース８１の底面を凸部２６側に向けると共に、リッド８２を壁部３４側に向けて、壁部３４と凸部２６との間に挟み込まれるように配置されている。そのため、圧電センサー部６における第１センサー７１および第２センサー７２等の積層方向ＬＤは、保持方向ＳＤと平行である。ただし、積層方向ＬＤとしては、保持方向ＳＤに対して多少傾斜していてもよい。
【００４９】
また、図１に示すように、第１基部２と第２基部３とは、予圧ボルト９により接続、固定されている。また、この予圧ボルト９によって、圧電センサー素子７が保持方向ＳＤおよび積層方向ＬＤに圧縮されるように予圧されている。このように、圧電センサー素子７を予圧することで、外力が加わった際の出力が安定し、加わった外力を精度よく検出することができる。
【００５０】
具体的には、各予圧ボルト９は、棒状の本体部９０と、本体部９０の基端に配置されている頭部９２と、本体部９０に配置されているねじ部９１と、を有し、頭部９２が第２基部３の壁部３４と係合し、ねじ部９１が第１基部２の壁部２４と螺号している。そのため、予圧ボルト９を締め込むことで、壁部２４、３４の間に位置する圧電センサー素子７を圧縮するように予圧することができる。すなわち、ねじ部９１は壁部２４と壁部３４とを締結する締結部ともいえる。
【００５１】
なお、予圧ボルト９による「固定」は、２つの固定対象物の互いの所定量の移動を許容しつつ行われる。すなわち、予圧ボルト９により固定された状態で、第１基部２と第２基部３とは、少なくとも一方が他方に対して所定範囲内で変位することができる。これにより、受けた外力をより確実に圧電センサー素子７に伝達することができる。
【００５２】
また、図１に示す構成では、２本の予圧ボルト９で圧電センサー部６の予圧を担っている。また、２本の予圧ボルト９は、対応する圧電センサー部６が間に位置するように、圧電センサー部６の両側に配置されている。これにより、圧電センサー部６をγ軸方向の両側からバランスよく予圧することができる。
【００５３】
特に、本実施形態では、図２に示すように、圧電センサー部６に対応する２本の予圧ボルト９は、第１軸Ｊ１の方向に沿って並んで配置されている。これにより、力検出装置１の幅Ｗ、すなわち第２軸Ｊ２方向の長さが小さくなる。そのため、平面的な広がりが抑えられた小型な力検出装置１が得られる。なお、本実施形態では、圧電センサー部６に対応する２本の予圧ボルト９が第１軸Ｊ１の方向に沿って並んで配置されているが、これに限定されず、第１軸Ｊ１に対して交差する任意の方向に沿って並んで配置されていてもよい。
【００５４】
図１に示すように、第１基部２の壁部２４には、各予圧ボルト９のねじ部９１と螺合する雌ねじ部２４２が設けられている。そして、各予圧ボルト９は、第１基部２と第２基部３との間に圧電センサー部６を配置した状態で、第２基部３側から第１基部２に差し込まれている。また、各予圧ボルト９のねじ部９１は、雌ねじ部２４２に螺合しており、圧電センサー素子７に対して保持方向ＳＤに所定の大きさの圧力、すなわち予圧が加えられている。これにより、圧電センサー素子７にせん断力が作用したとき、圧電センサー素子７が有する圧電基板同士の間での摩擦力が生じ、より確実に、圧電センサー素子７から電荷が出力される。なお、予圧ボルト９の締め込み量を調整することで、予圧の大きさを調整することができる。予圧ボルト９の構成材料としては、特に限定されず、例えば、各種金属材料、各種樹脂材料等を用いることができる。
【００５５】
なお、本実施形態では、締結部としてねじ部９１の構成を示したが、締結部は、壁部２４と壁部３４との距離が小さくなるように力が加えられればよいので、ねじ部９１に限らず、リベット、クランプ、ばね、樹脂などの弾性体等であってもよい。
【００５６】
次に、アナログ回路基板４およびデジタル回路基板５について説明する。図１に示すように、アナログ回路基板４およびデジタル回路基板５は、それぞれ第１基部２と第２基部３との間に配置されている。具体的には、アナログ回路基板４は、圧電センサー部６のパッケージ８の底面に配置されている。また、アナログ回路基板４は、凸部２６とパッケージ８との接触や予圧ボルト９と雌ねじ部２４２との螺合を阻害しないように、貫通孔を形成するなどして、これらを避けて配置されている。また、デジタル回路基板５は、第１基部２の壁部２４と第２基部３の天板３３との間に配置されている。ただし、アナログ回路基板４およびデジタル回路基板５の配置としては、特に限定されず、第１基部２および第２基部３の外側に配置されていてもよい。また、アナログ回路基板４およびデジタル回路基板５は、省略されていてもよい。この場合は、例えば、力検出装置１が接続される外部装置が同様の機能を有する回路部を有していればよい。
【００５７】
図７に示すように、アナログ回路基板４は、圧電センサー素子７から出力された電荷Ｑ１を電圧Ｖ１に変換する変換出力回路４０１と、圧電センサー素子７から出力された電荷Ｑ２を電圧Ｖ２に変換する変換出力回路４０２と、を備えている。さらに、変換出力回路４０１、４０２は、それぞれ、オペアンプ４１と、コンデンサー４２と、スイッチング素子４３と、を有している。
【００５８】
また、デジタル回路基板５は、加えられた外力を検出する力検出回路５０を備えている。力検出回路５０は、変換出力回路４０１から出力される電圧Ｖ１と、変換出力回路４０２から出力される電圧Ｖ２と、に基づき、加えられた外力を検出する機能を有する。図７に示すように、このような力検出回路５０は、変換出力回路４０１、４０２に接続されたＡＤコンバーター５１と、ＡＤコンバーター５１に接続された演算部５２と、を有している。
【００５９】
ＡＤコンバーター５１は、電圧Ｖ１、Ｖ２をアナログ信号からデジタル信号へ変換する機能を有する。そして、ＡＤコンバーター５１によってデジタル変換された電圧Ｖ１、Ｖ２は、演算部５２に入力される。演算部５２は、デジタル変換された電圧Ｖ１、Ｖ２に基づいて、γ軸方向の並進力成分を検出する。
【００６０】
なお、予圧ボルト９の数は、特に限定されず、１つでも３つ以上であってもよい。３つ以上の場合の配置も、特に限定されないが、全ての予圧ボルト９が第１軸Ｊ１に沿って並んで配置されていることが好ましい。
【００６１】
また、本実施形態では、２本の予圧ボルト９を結ぶ線分上に圧電センサー部６の中心Ｏが位置しているが、圧電センサー部６の中心Ｏの位置は、これに限定されず、２本の予圧ボルト９を結ぶ線分からずれていてもよい。
【００６２】
ここで、理想的なアナログ回路基板４から出力される電圧Ｖ１、Ｖ２は、圧電センサー素子７から出力される電荷Ｑ１、Ｑ２の蓄積量に比例する。しかしながら、実際のアナログ回路基板４においては、例えばスイッチング素子４３からコンデンサー４２に流入するリーク電流が発生する。このようなリーク電流は電圧Ｖ１、Ｖ２に含まれる出力ドリフトとなる。出力ドリフトは、測定結果における誤差となるため、リーク電流によって力検出装置１の検出精度が低下してしまう原因となる。しかも、このリーク電流は、スイッチング素子の固有の値であり、温度や湿度等の使用環境によっても変化するため、事前の補償が困難である。
【００６３】
そこで、本実施形態に係る力検出装置１では、圧電センサー素子７から出力される電荷Ｑ１、Ｑ２に基づいて、リーク電流による影響、すなわち出力ドリフトの低減を図っている。
【００６４】
圧電センサー素子７では、前述したように、第１電極７０１、第１センサー７１、第３電極７０３、第２センサー７２、第５電極７０５が、保持方向ＳＤに沿ってこの順で積層されている。図５では、このような圧電センサー素子７が備える４枚の水晶板、すなわち第１水晶板７１１、第２水晶板７１３、第３水晶板７２１および第４水晶板７２３のみを図示している。併せて、各水晶板の＋Ｘ方向を矢印で図示している。なお、図５、図６、図１１、図１３および図１４においては、特に、第１水晶板７１１の＋Ｘ方向を「＋Ｘ（１）方向」とし、第２水晶板７１３の＋Ｘ方向を「＋Ｘ（２）方向」とし、第３水晶板７２１の＋Ｘ方向を「＋Ｘ（３）方向」とし、第４水晶板７２３の＋Ｘ方向を「＋Ｘ（４）方向」とする。
【００６５】
図５および図６に示すように、本実施形態に係る圧電センサー素子７では、第１水晶板７１１、第２水晶板７１３、第３水晶板７２１および第４水晶板７２３が、この順で積層されている。そして、前述したように、第１水晶板７１１の＋Ｘ（１）方向と、第２水晶板７１３の＋Ｘ（２）方向と、が互いに逆方向を向いている。また、前述したように、第３水晶板７２１の＋Ｘ（３）方向と、第４水晶板７２３の＋Ｘ（４）方向と、が互いに逆方向を向いている。なお、「互いに逆方向を向いている」とは、方向同士のなす角度が１８０°である状態をいう。ただし、この角度には多少の誤差が許容され、その誤差は例えば±５°程度とされる。
【００６６】
また、本実施形態に係る圧電センサー素子７では、第２水晶板７１３の＋Ｘ（２）方向と第１軸Ｊ１の＋Ｊ１方向とのなす角θ２１と、第４水晶板７２３の＋Ｘ（４）方向と第１軸Ｊ１の＋Ｊ１方向とのなす角θ４１と、が異なっている。すなわち、図６において、＋Ｘ（２）方向と＋Ｊ１方向とのなす角θ２１と、＋Ｘ（４）方向と＋Ｊ１方向とのなす角θ４１と、の間に、θ２１≠θ４１の関係が成り立っている。なお、図６では、図示の便宜上、第１軸Ｊ１と、＋Ｘ方向を表す矢印と、が重ならないようにずらして図示している。
【００６７】
さらに、本実施形態に係る圧電センサー素子７では、第２水晶板７１３の＋Ｘ（２）方向と第２軸Ｊ２の＋Ｊ２方向とのなす角θ２２と、第４水晶板７２３の＋Ｘ（４）方向と第２軸Ｊ２の＋Ｊ２方向とのなす角θ４２と、が等しくなっている。すなわち、図６において、＋Ｘ（２）方向と＋Ｊ２方向とのなす角θ２２と、＋Ｘ（４）方向と＋Ｊ２方向とのなす角θ４２と、の間に、θ２２＝θ４２の関係が成り立っている。
【００６８】
このような関係が成り立っている力検出装置１によれば、電荷Ｑ１を電圧Ｖ１に変換する変換出力回路４０１における変換感度と、電荷Ｑ２を電圧Ｖ２に変換する変換出力回路４０２における変換感度と、を等しくすることができる。これは、前述した第１センサー７１の力検出方向Ｄ１、および、前述した第２センサー７２の力検出方向Ｄ２が、いわゆる、第２軸Ｊ２を対称軸とする線対称の関係を満たしていることに起因する。このように変換感度が等しければ、電圧Ｖ１に重畳する出力ドリフト（零点ドリフト）と、電圧Ｖ２に重畳する出力ドリフト（零点ドリフト）と、が等しくなる。したがって、演算部５２において、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２の差を求めることにより、出力ドリフトを相殺することができる。つまり、力検出装置１は、出力ドリフトの補償機能を有する。その結果、出力ドリフトがキャンセルされた電圧信号に基づいて、γ軸方向の並進力成分を高い検出精度で検出することができる。
【００６９】
特に本実施形態では、θ２１＝０°およびθ４１＝１８０°である。このような圧電センサー素子７によれば、前述した第１センサー７１の力検出方向Ｄ１、および、前述した第２センサー７２の力検出方向Ｄ２が、第１軸Ｊ１上において互いに逆方向を向くことになる。このため、力検出装置１に対してγ軸方向の外力が加えられたとき、第１センサー７１から出力される電荷Ｑ１の符号と、第２センサー７２から出力される電荷Ｑ２の符号と、が異なる。その結果、アナログ回路基板４で変換された電圧Ｖ１、Ｖ２の符号も互いに異なる。したがって、演算部５２において、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２の差を求めることにより、電圧Ｖ１、Ｖ２の変化を増幅することができる。換言すれば、電圧Ｖ１および電圧Ｖ２は、互いに符号が異なるものの、波形はほぼ等しくなるため、差を求めることによって波形の増幅が可能になる。その結果、増幅された電圧信号に基づいて、γ軸方向の並進力成分を高い検出精度で検出することができる。
【００７０】
また、本実施形態では、θ２２＝θ４２＝９０°である。すなわち、第２水晶板７１３の＋Ｘ（２）方向と第２軸Ｊ２の＋Ｊ２方向とのなす角θ２２、および、第４水晶板７２３の＋Ｘ（４）方向と第２軸Ｊ２の＋Ｊ２方向とのなす角θ４２、がそれぞれ９０°である。このような圧電センサー素子７によれば、前述した第１センサー７１の力検出方向Ｄ１、および、前述した第２センサー７２の力検出方向Ｄ２が、いずれも第１軸Ｊ１と平行になっている。このため、第１軸Ｊ１に平行な方向の力を検出しようとするとき、その力を、力の方向とは異なる成分に分解することなく、第１センサー７１および第２センサー７２において検出することが可能である。したがって、分解に伴う検出精度の低下が生じないことから、より精度の高い力検出が可能になる。ただし、この角度には多少の誤差が許容され、その誤差は例えば±５°程度とされる。つまり、この誤差範囲内のずれを伴っている場合も、θ２２＝θ４２の概念の範囲内とすることができる。
【００７１】
また、力検出装置１では、前述したように、第１センサー７１と第２センサー７２とがα軸方向において積層されている。このため、第１センサー７１と第２センサー７２とが分離されている場合に比べて、圧電センサー素子７の小型化を図ることができ、ひいては力検出装置１の小型化を図ることができる。
【００７２】
また、第１センサー７１と第２センサー７２との間には物理的な距離がほとんどないため、第１センサー７１および第２センサー７２に生じるせん断力の大きさも互いにほぼ等しくなる。その結果、力検出装置１の検出精度をより高めることができる。
【００７３】
さらに、第１センサー７１と第２センサー７２との間の物理的な距離を縮めることにより、変換出力回路４０１および変換出力回路４０２を同一のＩＣ等の素子内に形成することができる。これにより、変換出力回路４０１の変換感度と変換出力回路４０２の変換感度とを、特に等しくすることができる。その結果、出力ドリフトをより正確に相殺することができる。
【００７４】
加えて、第１センサー７１と変換出力回路４０１との間の配線長および配線経路と、第２センサー７２と変換出力回路４０２との間の配線長および配線経路と、を互いに近づけることができる。これにより、各配線に重畳するノイズも互いに同程度となるため、演算部５２による演算によって、ノイズについても相殺しやすくなる。
【００７５】
また、力検出装置１では、圧電センサー素子７に対して保持方向ＳＤの予圧が加えられているが、第１センサー７１の力検出方向Ｄ１および第２センサー７２の力検出方向Ｄ２は、それぞれ保持方向ＳＤと直交している。このため、第１センサー７１から出力される電荷Ｑ１および第２センサー７２から出力される電荷Ｑ２には、例えば温度変化等に伴う予圧力の変化の影響が及ばない。したがって、力検出装置１は、環境変化の影響を受けにくいことから、高い検出精度を実現することができる。
【００７６】
以上のように、力検出装置１は、互いに直交する第１軸Ｊ１および第２軸Ｊ２のうち、第１軸Ｊ１を力の検出軸とする力検出装置であって、第１電極７０１、Ｙカット水晶板である第１水晶板７１１、第２電極７１２、Ｙカット水晶板である第２水晶板７１３、第３電極７０３、Ｙカット水晶板である第３水晶板７２１、第４電極７２２、Ｙカット水晶板である第４水晶板７２３、および第５電極７０５が、この順で積層されている積層体と、第２電極７１２から出力される電荷Ｑ１と、第４電極７２２から出力される電荷Ｑ２と、に基づき、第１軸Ｊ１の方向の力を検出する力検出回路５０と、を有している。そして、Ｙカット水晶板の電気軸をＸ軸としたとき、第１水晶板７１１の＋Ｘ（１）方向と第２水晶板７１３の＋Ｘ（２）方向とが逆方向を向いており、第３水晶板７２１の＋Ｘ（３）方向と第４水晶板７２３の＋Ｘ（４）方向とが逆方向を向いている。また、第２水晶板７１３の＋Ｘ（２）方向と第１軸Ｊ１の一方向である＋Ｊ１方向とのなす角θ２１と、第４水晶板７２３の＋Ｘ（４）方向と第１軸Ｊ１の一方向である＋Ｊ１方向とのなす角θ４１と、が異なっている。さらに、第２水晶板７１３の＋Ｘ（２）方向と第２軸Ｊ２の一方向である＋Ｊ２方向とのなす角θ２２と、第４水晶板７２３の＋Ｘ（４）方向と第２軸Ｊ２の一方向である＋Ｊ２方向とのなす角θ４２と、が等しくなっている。
【００７７】
このような力検出装置１によれば、出力ドリフトの補償機能により、高い検出精度を実現するとともに、小型化を容易に図ることができる。
【００７８】
なお、本明細書において「一方向」とは、互いに直交する第１軸Ｊ１および第２軸Ｊ２において、互いの交点から互いに逆方向に無限に延びる各軸のうち、いずれか一方の方向という意味である。したがって、上記説明では、＋Ｊ１方向や＋Ｊ２方向を各軸の「一方向」としているので、−Ｊ１方向や−Ｊ２方向が「−方向」ということになる。
【００７９】
ここで、図８および図９を参照しつつ、力検出装置１の出力ドリフトの補償機能について説明する。
【００８０】
図８は、図７に示す力検出装置１に所定の波形で変化する外力Ｆを加えたとき、第１センサー７１から出力される電荷Ｑ１の変化、変換出力回路４０１における出力ドリフトｑｃ１の変化、および、変換出力回路４０１から出力される電圧Ｖ１の変化、ならびに、第２センサー７２から出力される電荷Ｑ２の変化、変換出力回路４０２における出力ドリフトｑｃ２の変化、および、変換出力回路４０２から出力される電圧Ｖ２の変化を示す図である。
【００８１】
図８に示すように、時間ｔの経過に伴って矩形波状に変化する外力Ｆが力検出装置１に加わるものとする。
【００８２】
このとき、第１センサー７１からは、外力Ｆに応じて時間変化する矩形波状の波形の電荷Ｑ１が出力される。また、変換出力回路４０１では、時間経過とともに漸増する直線状の波形の出力ドリフトｑｃ１が発生する。その結果、変換出力回路４０１から出力される電圧Ｖ１の波形は、矩形波状の波形に直線状の波形が重畳した波形となる。
【００８３】
一方、第２センサー７２からは、外力Ｆに応じて時間変化する矩形波状の波形の電荷Ｑ２が出力される。また、変換出力回路４０２では、時間経過とともに漸増する直線状の波形の出力ドリフトｑｃ２が発生する。その結果、変換出力回路４０２から出力される電圧Ｖ２の波形も、矩形波状の波形に直線状の波形が重畳した波形となる。
【００８４】
図９および図１０は、それぞれ図７に示す演算部５２における演算例を説明するための図である。
【００８５】
前述したように、演算部５２では、変換出力回路４０１から出力される電圧Ｖ１と、変換出力回路４０２から出力される電圧Ｖ２と、の差を求める演算を行う。電圧Ｖ１および電圧Ｖ２は、互いに符号が異なるものの、波形はほぼ等しい。したがって、図９に示すように、演算部５２において電圧Ｖ１と電圧Ｖ２の差を求めることにより、波形の振幅の絶対値を増加させ、外力Ｆをより高精度に検出することができる。
【００８６】
また、図１０では、演算部５２において、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２の和を求める演算について図示している。前述したように、電圧Ｖ１および電圧Ｖ２は、互いに符号が異なるものの、波形はほぼ等しいことから、これらの和を求めることにより、電荷Ｑ１、Ｑ２に基づく成分を相殺することができる。その結果、電圧Ｖ１に重畳していた出力ドリフトｑｃ１に基づく成分と、電圧Ｖ２に重畳していた出力ドリフトｑｃ２に基づく成分と、の和ｅの時間変化が求められることとなる。この和ｅの時間変化の波形は、通常、図１０に示すように直線状の波形となる。したがって、このような波形は、力検出装置１が正常に機能していることを裏付けるものとなる。一方、和ｅの時間変化の波形が、直線状以外の波形であった場合、力検出装置１のいずれかの部位に異常が発生していることを示すことになる。したがって、演算部５２では、このような和ｅの時間変化の波形に基づき、力検出装置１に異常が発生している否かを判定する異常判定処理を行うこともできる。
【００８７】
すなわち、力検出回路５０は、第２電極７１２から出力される電荷Ｑ１の時間変化および第４電極７２２から出力される電荷Ｑ２の時間変化に基づき、力検出装置１の異常の有無を判定する機能を有している。これにより、例えば第１センサー７１または第２センサー７２のいずれかに異常が発生し、電荷Ｑ１または電荷Ｑ２のいずれかの値が本来の値から外れてしまった場合、図１０に示すような演算において和ｅを求めたとしても、電荷Ｑ１、Ｑ２に基づく成分を相殺することができなくなる。つまり、電荷Ｑ１に基づく電圧Ｖ１と、電荷Ｑ２に基づく電圧Ｖ２は、本来、絶対値はほぼ等しいはずであるが、何らかの異常が発生した場合には、絶対値にずれが生じるため、和ｅを求めた場合には、双方を相殺することができなくなる。したがって、和ｅが、前述したように、出力ドリフトｑｃ１に基づく成分と出力ドリフトｑｃ２に基づく成分の和のみであった場合、具体的には図１０に示すような直線状の波形であった場合には「正常」と判断されるが、それ以外の波形であった場合には、「異常」と判断することができる。
【００８８】
力検出回路５０がこのような機能を有することにより、例えば異常があった場合には力検出装置１の作動を停止させたり、使用者に異常を報知したりすることが可能になるため、力検出装置１の信頼性を高めることができる。
【００８９】
＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係る力検出装置について説明する。
【００９０】
図１１は、第２実施形態に係る力検出装置が有する圧電センサー素子を示す模式図である。図１２は、図１１に示す圧電センサー素子の断面図である。なお、図１２の断面図は、図１１に示す＋Ｘ（４）方向を法線方向とする平面で図１１に示す圧電センサー素子を切断したときの断面図である。
【００９１】
以下、第２実施形態に係る力検出装置１について、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。なお、前述した実施形態と同様の構成には同一符号を付してある。
【００９２】
本実施形態は、第１センサー７１と第２センサー７２の相互の配向が異なる以外、第１実施形態と同様である。具体的には、第１実施形態では、θ２１＝０°およびθ４１＝１８０°であったのに対し、本実施形態では、図１１に示すように、θ２１＝４５°およびθ４１＝１３５°であるから、θ２１≠θ４１の関係が成り立っている。そして、第１実施形態では、θ２２＝θ４２＝９０°であったのに対し、本実施形態では、θ２２＝θ４２＝４５°であるから、やはりθ２２＝θ４２の関係が成り立っている。
【００９３】
すなわち、本実施形態では、第２水晶板７１３の＋Ｘ（２）方向と第２軸Ｊ２の＋Ｊ２方向とのなす角θ２２、および、第４水晶板７２３の＋Ｘ（４）方向と第２軸Ｊ２の＋Ｊ２方向とのなす角θ４２、がそれぞれ４５°である。このような圧電センサー素子７によれば、例えば第１軸Ｊ１に平行な方向の力を検出しようとするとき、その力を、＋Ｘ（２）方向と＋Ｘ（４）方向とに分解することによって、第１センサー７１および第２センサー７２において検出することが可能である。ただし、この角度には多少の誤差が許容され、その誤差は例えば±５°程度とされる。
【００９４】
また、本実施形態においても、第１センサー７１の力検出方向Ｄ１および第２センサー７２の力検出方向Ｄ２が、第２軸Ｊ２を対称軸とする線対称の関係を満たしている。これにより、電荷Ｑ１を電圧Ｖ１に変換する変換出力回路４０１における変換感度と、電荷Ｑ２を電圧Ｖ２に変換する変換出力回路４０２における変換感度と、を等しくすることができる。このように変換感度が等しければ、電圧Ｖ１に重畳する出力ドリフト（零点ドリフト）と、電圧Ｖ２に重畳する出力ドリフト（零点ドリフト）と、が等しくなる。したがって、演算部５２において、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２の差を求めることにより、出力ドリフトを相殺することができる。その結果、出力ドリフトがキャンセルされた電圧信号に基づいて、γ軸方向の並進力成分を高い検出精度で検出することができる。
【００９５】
また、図１３は、図１１に示す圧電センサー素子に対してγ軸方向の外力Ｆが加わったとき、外力Ｆを＋Ｘ（２）方向の成分、すなわち力検出方向Ｄ１の成分ｆ１に分解する様子を示す図である。図１４は、図１１に示す圧電センサー素子にγ軸方向の外力Ｆが加わったとき、外力Ｆを＋Ｘ（４）方向、すなわち力検出方向Ｄ２の成分ｆ２に分解する様子を示す図である。
【００９６】
図１３および図１４に示すように、本実施形態では、外力Ｆが加わったとき、その外力Ｆを成分ｆ１および成分ｆ２に分解することができる。これにより、外力Ｆが加わったとき、外力Ｆの分力である成分ｆ１が加わった第１センサー７１からは、正の電荷Ｑ１が出力され、外力Ｆの分力である成分ｆ２が加わった第２センサー７２からは、負の電荷Ｑ２が出力される、その結果、アナログ回路基板４で変換される電圧Ｖ１、Ｖ２の符号も互いに異なる。したがって、演算部５２において、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２の差を求めることにより、電圧Ｖ１、Ｖ２の変化を増幅することができる。換言すれば、電圧Ｖ１および電圧Ｖ２は、互いに符号が異なるものの、波形はほぼ等しくなるため、差を求めることによって波形の増幅が可能になる。その結果、増幅された電圧信号に基づいて、γ軸方向の並進力成分を高い検出精度で検出することができる。
【００９７】
また、力検出装置１では、前述したように、第１センサー７１と第２センサー７２とがα軸方向において積層されている。このため、第１センサー７１と第２センサー７２とが分離されている場合に比べて、圧電センサー素子７の小型化を図ることができ、ひいては力検出装置１の小型化を図ることができる。
【００９８】
また、第１センサー７１と第２センサー７２との間には物理的な距離がほとんどないため、第１センサー７１および第２センサー７２に生じるせん断力の大きさも互いにほぼ等しくなる。その結果、力検出装置１の検出精度をより高めることができる。
【００９９】
さらに、第１センサー７１と第２センサー７２との間の物理的な距離を縮めることにより、変換出力回路４０１および変換出力回路４０２を同一のＩＣ等の素子内に形成することができる。これにより、変換出力回路４０１の変換感度と変換出力回路４０２の変換感度とを、特に等しくすることができる。その結果、出力ドリフトをより正確に相殺することができる。
【０１００】
加えて、第１センサー７１と変換出力回路４０１との間の配線長および配線経路と、第２センサー７２と変換出力回路４０２との間の配線長および配線経路と、を互いに近づけることができる。これにより、各配線に重畳するノイズも互いに同程度となるため、演算部５２による演算によって、ノイズについても相殺しやすくなる。
このような第２実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果が得られる。
【０１０１】
＜第３実施形態＞
図１５は、第３実施形態に係るロボットを示す斜視図である。図１６は、図１５に示すロボットの部分拡大断面図である。
【０１０２】
図１５に示すロボット１００は、例えば、精密機器等の工業製品を製造する製造工程で用いることのできるロボットである。同図に示すように、ロボット１００は、例えば床や天井に固定される基部としてのベース１１０と、ベース１１０に対して回動可能なアーム１２０と、アーム１２０の先端に設けられたエンドエフェクター１９０と、アーム１２０およびエンドエフェクター１９０の駆動を制御するロボット制御部１４０とを有している。
【０１０３】
また、アーム１２０は、ベース１１０に回動自在に連結された第１アーム１２１と、第１アーム１２１に回動自在に連結された第２アーム１２２と、第２アーム１２２に回動自在に連結された第３アーム１２３と、第３アーム１２３に回動自在に連結された第４アーム１２４と、第４アーム１２４に回動自在に連結された第５アーム１２５と、第５アーム１２５に回動自在に連結された第６アーム１２６と、を有している。そして、第６アーム１２６にはハンド接続部が設けられており、ハンド接続部にエンドエフェクター１９０が装着されている。
【０１０４】
また、このようなロボット１００には、エンドエフェクター１９０に加えられる外力を検出するセンサーとして前述した力検出装置１が設けられている。なお、力検出装置１には、例えば、前述した第１実施形態または第２実施形態のいずれかを用いることができる。
【０１０５】
具体的には、図１６に示すように、力検出装置１は、第１基部２がアーム１２０の基端側に位置し、第２基部３がアーム１２０の先端側に位置するようにアーム１２０に固定されている。本実施形態では、力検出装置１は、第５アーム１２５と第６アーム１２６との間に位置し、第１基部２が第５アーム１２５に接続され、第２基部３が第６アーム１２６に連結されている。
【０１０６】
ただし、力検出装置１の配置は、特に限定されない。例えば、力検出装置１は、第６アーム１２６とエンドエフェクター１９０との間に位置していてもよい。また、力検出装置１は、第１基部２がアーム１２０の先端側に位置し、第２基部３がアーム１２０の基端側に位置するように配置されていてもよい。
【０１０７】
力検出装置１が検出する力をロボット制御部１４０にフィードバックすることで、ロボット１００は、より精密な作業を実行することができる。また、力検出装置１が検出する力によって、ロボット１００は、エンドエフェクター１９０の作業対象物や障害物への接触等を検知することができる。そのため、エンドエフェクター１９０による作業対象物の把持や移動等の動作をより適正に行うことができ、また、従来の位置制御では困難だった障害物回避動作、対象物損傷回避動作等を容易に行うことができ、ロボット１００は、より適正かつ安全に作業を実行することができる。
【０１０８】
このように、ロボット１００は、力検出装置１を有している。
この力検出装置１は、前述したように、互いに直交する第１軸Ｊ１および第２軸Ｊ２のうち、第１軸Ｊ１を力の検出軸とする力検出装置であって、第１電極７０１、Ｙカット水晶板である第１水晶板７１１、第２電極７１２、Ｙカット水晶板である第２水晶板７１３、第３電極７０３、Ｙカット水晶板である第３水晶板７２１、第４電極７２２、Ｙカット水晶板である第４水晶板７２３、および第５電極７０５が、この順で積層されている積層体と、第２電極７１２から出力される電荷Ｑ１と、第４電極７２２から出力される電荷Ｑ２と、に基づき、第１軸Ｊ１の方向の力を検出する力検出回路５０と、を有している。そして、Ｙカット水晶板の電気軸をＸ軸としたとき、第１水晶板７１１の＋Ｘ（１）方向と第２水晶板７１３の＋Ｘ（２）方向とが逆方向を向いており、第３水晶板７２１の＋Ｘ（３）方向と第４水晶板７２３の＋Ｘ（４）方向とが逆方向を向いている。また、第２水晶板７１３の＋Ｘ（２）方向と第１軸Ｊ１の一方向である＋Ｊ１方向とのなす角θ２１と、第４水晶板７２３の＋Ｘ（４）方向と第１軸Ｊ１の一方向である＋Ｊ１方向とのなす角θ４１と、が異なっている。さらに、第２水晶板７１３の＋Ｘ（２）方向と第２軸Ｊ２の一方向である＋Ｊ２方向とのなす角θ２２と、第４水晶板７２３の＋Ｘ（４）方向と第２軸Ｊ２の一方向である＋Ｊ２方向とのなす角θ４２と、が等しくなっている。
【０１０９】
このような力検出装置１によれば、出力ドリフトの補償機能により、高い検出精度を実現するとともに、小型化を容易に図ることができる。その結果、ロボット１００は、力検出装置１の効果を享受できるため、優れた信頼性を有するとともに、小型化が容易に図られる。
【０１１０】
なお、ロボット１００の構成としては特に限定されず、例えば、アームの数が本実施形態と異なっていてもよい。
【０１１１】
＜第４実施形態＞
図１７は、第４実施形態に係るロボットを示す側面図である。
【０１１２】
図１７に示すロボット２００は、いわゆる水平多関節ロボット（スカラロボット）であり、例えば、精密機器等を製造する製造工程等で用いられ、精密機器や部品等の把持や搬送等を行うことができる。ロボット２００は、基台２１０と、第１アーム２２０と、第２アーム２３０と、作業ヘッド２４０と、配線引き回し部２５０と、ロボット制御部２６０と、を有している。
【０１１３】
基台２１０は、例えば、図示しない床面にボルト等によって固定されている。基台２１０の上端部には、第１アーム２２０が連結されている。第１アーム２２０は、基台２１０に対して鉛直方向に沿う軸Ａ１まわりに回動可能となっている。また、第１アーム２２０の先端部には、第２アーム２３０が連結されている。第２アーム２３０は、第１アーム２２０に対して鉛直方向に沿う軸Ａ２まわりに回動可能となっている。
【０１１４】
また、第２アーム２３０の先端部には、作業ヘッド２４０が配置されている。作業ヘッド２４０は、第２アーム２３０の先端部に同軸的に配置されたスプラインナットおよびボールねじナットに挿通されたスプラインシャフト２４１を有している。スプラインシャフト２４１は、第２アーム２３０に対して、鉛直方向に沿う軸Ａ３まわりに回転可能であり、かつ、上下方向に移動可能となっている。そして、スプラインシャフト２４１の先端部には、エンドエフェクター２９０が連結されている。
【０１１５】
また、ロボット２００には、エンドエフェクター２９０に加えられる外力を検出するセンサーとして前述した力検出装置１が設けられている。なお、力検出装置１としては、例えば、前述した第１実施形態または第２実施形態のいずれかを用いることができる。
【０１１６】
具体的には、力検出装置１は、スプラインシャフト２４１とエンドエフェクター２９０との間に設けられている。また、力検出装置１は、第１基部２がスプラインシャフト２４１側に位置し、第２基部３がエンドエフェクター２９０側に位置するように固定されている。ただし、力検出装置１の配置は、特に限定されない。例えば、力検出装置１は、第１基部２がエンドエフェクター２９０側に位置し、第２基部３がスプラインシャフト２４１側に位置するように配置されていてもよい。
【０１１７】
このように、ロボット２００は、力検出装置１を有している。
この力検出装置１は、前述したように、互いに直交する第１軸Ｊ１および第２軸Ｊ２のうち、第１軸Ｊ１を力の検出軸とする力検出装置であって、第１電極７０１、Ｙカット水晶板である第１水晶板７１１、第２電極７１２、Ｙカット水晶板である第２水晶板７１３、第３電極７０３、Ｙカット水晶板である第３水晶板７２１、第４電極７２２、Ｙカット水晶板である第４水晶板７２３、および第５電極７０５が、この順で積層されている積層体と、第２電極７１２から出力される電荷Ｑ１と、第４電極７２２から出力される電荷Ｑ２と、に基づき、第１軸Ｊ１の方向の力を検出する力検出回路５０と、を有している。そして、Ｙカット水晶板の電気軸をＸ軸としたとき、第１水晶板７１１の＋Ｘ（１）方向と第２水晶板７１３の＋Ｘ（２）方向とが互いに逆方向を向いており、第３水晶板７２１の＋Ｘ（３）方向と第４水晶板７２３の＋Ｘ（４）方向とが互いに逆方向を向いている。また、第２水晶板７１３の＋Ｘ（２）方向と第１軸Ｊ１の一方向である＋Ｊ１方向とのなす角θ２１と、第４水晶板７２３の＋Ｘ（４）方向と第１軸Ｊ１の一方向である＋Ｊ１方向とのなす角θ４１と、が異なっている。さらに、第２水晶板７１３の＋Ｘ（２）方向と第２軸Ｊ２の一方向である＋Ｊ２方向とのなす角θ２２と、第４水晶板７２３の＋Ｘ（４）方向と第２軸Ｊ２の一方向である＋Ｊ２方向とのなす角θ４２と、が等しくなっている。
【０１１８】
このような力検出装置１によれば、出力ドリフトの補償機能により、高い検出精度を実現するとともに、小型化を容易に図ることができる。その結果、ロボット２００は、力検出装置１の効果を享受できるため、優れた信頼性を有するとともに、小型化が容易に図られる。
【０１１９】
以上、本発明の力検出装置およびロボットについて、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【０１２０】
１…力検出装置、２…第１基部、３…第２基部、４…アナログ回路基板、５…デジタル回路基板、６…圧電センサー部、７…圧電センサー素子、８…パッケージ、９…予圧ボルト、２３…底板、２４…壁部、２５…内面、２６…凸部、３３…天板、３４…壁部、４１…オペアンプ、４２…コンデンサー、４３…スイッチング素子、５０…力検出回路、５１…ＡＤコンバーター、５２…演算部、７１…第１センサー、７２…第２センサー、８１…ベース、８２…リッド、９０…本体部、９１…ねじ部、９２…頭部、１００…ロボット、１１０…ベース、１２０…アーム、１２１…第１アーム、１２２…第２アーム、１２３…第３アーム、１２４…第４アーム、１２５…第５アーム、１２６…第６アーム、１４０…ロボット制御部、１９０…エンドエフェクター、２００…ロボット、２１０…基台、２２０…第１アーム、２３０…第２アーム、２３１…下面、２４０…作業ヘッド、２４１…スプラインシャフト、２４２…雌ねじ部、２５０…配線引き回し部、２６０…ロボット制御部、２６１…頂面、２９０…エンドエフェクター、３３１…上面、３４１…内面、４０１…変換出力回路、４０２…変換出力回路、７０１…第１電極、７０３…第３電極、７０５…第５電極、７１１…第１水晶板、７１２…第２電極、７１３…第２水晶板、７２１…第３水晶板、７２２…第４電極、７２３…第４水晶板、８１１…凹部、８１３…端子、８１４…接続部、８２１…中央部、８２２…外縁部、８２３…接続部、Ａ１…軸、Ａ２…軸、Ａ３…軸、Ｄ１…力検出方向、Ｄ２…力検出方向、Ｆ…外力、ＧＮＤ…グランド、Ｊ１…第１軸、Ｊ２…第２軸、ＬＤ…積層方向、Ｏ…中心、Ｑ１…電荷、Ｑ２…電荷、Ｓ１…収納空間、ＳＤ…保持方向、Ｖ１…電圧、Ｖ２…電圧、Ｗ…幅、ｆ１…成分、ｆ２…成分
【図１】
2020106326.tif 000003
【図２】
2020106326.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2020106326.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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