(57)【要約】【課題】出力ドリフトが低減され、かつ小型化された力検出装置、および該力検出装置を用いたロボット、電子部品運搬装置、電子部品検査装置、部品加工装置および移動体を提供する。【解決手段】力検出装置１ａは、外力に応じて電圧を出力する第１の素子３ａおよび第２の素子３ｂと、第１の素子３ａおよび第２の素子３ｂから出力された電圧に基づき、外力を検出する外力検出回路とを備える。第１の素子３ａおよび第２の素子３ｂは、分極軸Ｐβ１、Ｐβ２を有し、分極軸Ｐβ１、Ｐβ２に沿った外力に応じて電荷を出力するセンサと、センサから出力された電荷を電圧に変換する変換回路とを有する。第１の素子３ａおよび第２の素子３ｂは、第１の素子３ａの前記センサが有する分極軸Ｐβ１の方向と、第２の素子３ｂのセンサが有する分極軸Ｐβ２の方向とが互いに反対方向を向くよう配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外力に応じて電圧を出力する第１の素子および第２の素子と、
前記第１の素子および前記第２の素子から出力された前記電圧に基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備え、
前記第１の素子および前記第２の素子は、
分極軸を有し、前記分極軸に沿った前記外力に応じて電荷を出力するセンサと、
前記センサから出力された前記電荷を前記電圧に変換する変換回路とを有し、
前記第１の素子および前記第２の素子は、前記第１の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向と、前記第２の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向とが互いに反対方向を向くよう配置されていることを特徴とする力検出装置。
【請求項２】
前記外力検出部は、前記第１の素子および前記第２の素子から出力された前記電圧の差分を取ることにより、前記力検出装置に加えられた前記外力を検出する請求項１に記載の力検出装置。
【請求項３】
前記第１の素子および前記第２の素子は、前記第１の素子の前記センサの前記分極軸の方向と、前記第２の素子の前記センサの前記分極軸の方向とが、同一軸上に互いに対向する請求項１または２に記載の力検出装置。
【請求項４】
前記第１の素子および前記第２の素子は、
グランドに接地された複数のグランド電極層と、３つの前記センサとを積層することにより構成され、
前記各センサの前記分極軸は、互いに直交している請求項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】
前記センサの積層方向をγ軸方向とし、前記γ軸方向に直交し且つ互いに直交する方向をそれぞれα軸方向、β軸方向とした場合、
前記センサの１つは、前記α軸方向に沿った前記外力に応じて前記電荷を出力するα軸用センサであり、
前記センサの１つは、前記β軸方向に沿った前記外力に応じて前記電荷を出力するβ軸用センサであり、
前記センサの１つは、前記γ軸方向に沿った前記外力に応じて前記電荷を出力するγ軸用センサである請求項４に記載の力検出装置。
【請求項６】
前記力検出装置は、２つの前記第１の素子と、２つの前記第２の素子を有し、
一方の前記第１の素子および一方の前記第２の素子の前記α軸用センサの前記分極軸の方向が、他方の前記第１の素子および他方の前記第２の素子の前記α軸用センサの前記分極軸の方向と反対方向を向き、
前記一方の第１の素子および前記一方の第２の素子の前記γ軸用センサの前記分極軸の方向が、前記他方の第１の素子および前記他方の第２の素子の前記γ軸用センサの前記分極軸の方向と反対方向を向いている請求項５に記載の力検出装置。
【請求項７】
前記センサは、
第１の結晶軸を有する第１の圧電体層と、
前記第１の圧電体層に対向して設けられ、第２の結晶軸を有する第２の圧電体層と、
前記第１の圧電体層と前記第２の圧電体層との間に設けられた出力電極層とを有し、
前記第１の圧電体層の前記第１の結晶軸の方向は、前記第２の圧電体層の前記第２の結晶軸の方向と反対方向を向いている請求項１ないし６のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項８】
前記第１の圧電体層および前記第２の圧電体層は、水晶で構成されている請求項７に記載の力検出装置。
【請求項９】
前記力検出装置は、ベースプレートと、前記ベースプレートと対向するカバープレートとをさらに備え、
前記各素子は、前記ベースプレートと前記カバープレートとの間に設けられている請求項１ないし８のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項１０】
前記各素子は、前記ベースプレートまたは前記カバープレートの周方向に沿って、等角度間隔に配置されている請求項９に記載の力検出装置。
【請求項１１】
アームを複数有し、前記複数のアームの隣り合う前記アーム同士を回動自在に連結してなる少なくとも１つのアーム連結体と、
前記アーム連結体の先端側に設けられたエンドエフェクタと、
前記アーム連結体と前記エンドエフェクタの間に設けられ、前記エンドエフェクタに加えられる外力を検出する力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、
前記外力に応じて電圧を出力する第１の素子および第２の素子と、
前記第１の素子および前記第２の素子から出力された前記電圧に基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備え、
前記第１の素子および前記第２の素子は、
分極軸を有し、前記分極軸に沿った前記外力に応じて電荷を出力するセンサと、
前記センサから出力された前記電荷を前記電圧に変換する変換回路とを有し、
前記第１の素子および前記第２の素子は、前記第１の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向と、前記第２の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向とが互いに反対方向を向くよう配置されていることを特徴とするロボット。
【請求項１２】
電子部品を把持する把持部と、
前記把持部に加えられる外力を検出する力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、
前記外力に応じて電圧を出力する第１の素子および第２の素子と、
前記第１の素子および前記第２の素子から出力された前記電圧に基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備え、
前記第１の素子および前記第２の素子は、
分極軸を有し、前記分極軸に沿った前記外力に応じて電荷を出力するセンサと、
前記センサから出力された前記電荷を前記電圧に変換する変換回路とを有し、
前記第１の素子および前記第２の素子は、前記第１の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向と、前記第２の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向とが互いに反対方向を向くよう配置されていることを特徴とする電子部品搬送装置。
【請求項１３】
電子部品を把持する把持部と、
前記電子部品を検査する検査部と、
前記把持部に加えられる外力を検出する力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、
前記外力に応じて電圧を出力する第１の素子および第２の素子と、
前記第１の素子および前記第２の素子から出力された前記電圧に基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備え、
前記第１の素子および前記第２の素子は、
分極軸を有し、前記分極軸に沿った前記外力に応じて電荷を出力するセンサと、
前記センサから出力された前記電荷を前記電圧に変換する変換回路とを有し、
前記第１の素子および前記第２の素子は、前記第１の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向と、前記第２の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向とが互いに反対方向を向くよう配置されていることを特徴とする電子部品検査装置。
【請求項１４】
工具を装着し、前記工具を変位させる工具変位部と、
前記工具に加えられる外力を検出する力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、
前記外力に応じて電圧を出力する第１の素子および第２の素子と、
前記第１の素子および前記第２の素子から出力された前記電圧に基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備え、
前記第１の素子および前記第２の素子は、
分極軸を有し、前記分極軸に沿った前記外力に応じて電荷を出力するセンサと、
前記センサから出力された前記電荷を前記電圧に変換する変換回路とを有し、
前記第１の素子および前記第２の素子は、前記第１の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向と、前記第２の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向とが互いに反対方向を向くよう配置されていることを特徴とする部品加工装置。
【請求項１５】
移動のための動力を供給する動力部と、
前記移動により発生する外力を検出する力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、
前記外力に応じて電圧を出力する第１の素子および第２の素子と、
前記第１の素子および前記第２の素子から出力された前記電圧に基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備え、
前記第１の素子および前記第２の素子は、
分極軸を有し、前記分極軸に沿った前記外力に応じて電荷を出力するセンサと、
前記センサから出力された前記電荷を前記電圧に変換する変換回路とを有し、
前記第１の素子および前記第２の素子は、前記第１の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向と、前記第２の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向とが互いに反対方向を向くよう配置されていることを特徴とする移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力検出装置、並びに該力検出装置を用いたロボット、電子部品搬送装置、電子部品検査装置、部品加工装置および移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、生産効率向上を目的として、工場等の生産施設への産業用ロボットの導入が進められている。このような産業ロボットは、１軸または複数軸方向に対して駆動可能なアームと、アームの先端に取り付けられるハンドと、部品検査用器具、部品搬送用器具、部品加工用工具等のエンドエフェクタとを備えており、部品の組み付け作業、部品加工作業、部品検査作業等の部品製造作業、および部品搬送作業等の様々な作業を実行することができる。
【０００３】
このような産業用ロボットにおいては、アームとエンドエフェクタとの間に、力検出装置が設けられている。この力検出装置は、加えられた外力に応じて電荷を出力する圧電素子（電荷出力素子）と、該圧電素子から出力された電荷を電圧に変換する変換回路（コンバーター）を備えており、圧電素子に加えられた外力を検出できる。産業用ロボットは、このような力検出装置を用いて、部品製造作業時または部品搬送作業時に発生する外力を検出し、検出結果に基づき、アームおよびエンドエフェクタを制御している。その結果、産業用ロボットは、部品製造作業または部品搬送作業等を正確に実行することができる。
このような力検出装置として、圧電素子として水晶を用いた水晶式圧電センサが広く用いられている。水晶式圧電センサは、広いダイナミックレンジ、高い剛性、高い固有振動数、高い対荷重性等の優れた特性を有することから、産業用ロボットに広く用いられている。
【０００４】
しかしながら、このような水晶式圧電素子においては、水晶から出力される電荷が微弱であるため、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の様々な方法が検討されている。例えば、特許文献１には、変換回路の漏れ電流の特性と似た電流特性を有するダイオードを用いた逆バイアス回路を備える水晶式圧電センサが開示されている。特許文献１の水晶式圧電センサは、変換回路の漏れ電流と略同じ大きさで、流れる方向が反対の補正電流をダイオードから供給することによって、出力ドリフトを低減させている。
しかしながら、特許文献１の水晶式圧電センサのように、逆バイアス回路を用いる場合、ダイオード等の追加部品が必要になり、実装面積が拡大するので、小型化が困難である。また、所望の補正電流を供給するための部品精度管理が必要となるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−７２７５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、変換回路の漏れ電流に起因する出力ドリフトが低減され、かつ小型化された力検出装置、並びに該力検出装置を用いたロボット、電子部品搬送装置、電子部品検査装置、部品加工装置および移動体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このような目的は、下記の発明により達成される。
本発明の力検出装置は、外力に応じて電圧を出力する第１の素子および第２の素子と、前記第１の素子および前記第２の素子から出力された前記電圧に基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備え、
前記第１の素子および前記第２の素子は、
分極軸を有し、前記分極軸に沿った前記外力に応じて電荷を出力するセンサと、前記センサから出力された前記電荷を前記電圧に変換する変換回路とを有し、
前記第１の素子および前記第２の素子は、前記第１の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向と、前記第２の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向とが互いに反対方向を向くよう配置されていることを特徴とする。
【０００８】
これにより、第１の素子から出力された電圧に含まれる出力ドリフトの符号と、第２の素子から出力された電圧に含まれる出力ドリフトの符号が一致するものの、第１の素子から出力された電圧に含まれ、外力に応じてセンサから出力される電荷の蓄積量に比例する電圧成分（真の値）の符号と、第２の素子から出力された電圧に含まれ、外力に応じてセンサから出力される電圧の蓄積量に比例する電圧成分（真の値）の符号とを逆にすることができる。そのため、第１の素子から出力される電圧と、第２の素子から出力される電圧とを用いて外力を算出することにより、第１の素子および第２の素子から出力された電圧に含まれる出力ドリフトを低減しつつ、外力を検出することができる。その結果、力検出装置の検出精度および検出分解能を向上させることができる。さらに、逆バイアス回路のような出力ドリフトを低減するための回路が不要なので、力検出装置を小型化できる。
【０００９】
本発明の力検出装置では、前記外力検出部は、前記第１の素子および前記第２の素子から出力された前記電圧の差分を取ることにより、前記力検出装置に加えられた前記外力を検出することが好ましい。
これにより、出力ドリフトに起因する検出誤差を低減することができる。
本発明の力検出装置では、前記第１の素子および前記第２の素子は、前記第１の素子の前記センサの前記分極軸の方向と、前記第２の素子の前記センサの前記分極軸の方向とが、同一軸上に互いに対向することが好ましい。
これにより、出力ドリフトをさらに低減しつつ、外力を検出することができる。
【００１０】
本発明の力検出装置では、前記第１の素子および前記第２の素子は、
グランドに接地された複数のグランド電極層と、３つの前記センサとを積層することにより構成され、前記各センサの前記分極軸は、互いに直交していることが好ましい。
これにより、力検出装置は、６軸力（ｘ、ｙ、ｚ軸方向の並進力成分およびｘ、ｙ、ｚ軸周りの回転力成分）を検出することができる。
【００１１】
本発明の力検出装置では、前記センサの積層方向をγ軸方向とし、前記γ軸方向に直交し且つ互いに直交する方向をそれぞれα軸方向、β軸方向とした場合、
前記センサの１つは、前記α軸方向に沿った前記外力に応じて前記電荷を出力するα軸用センサであり、
前記センサの１つは、前記β軸方向に沿った前記外力に応じて前記電荷を出力するβ軸用センサであり、
前記センサの１つは、前記γ軸方向に沿った前記外力に応じて前記電荷を出力するγ軸用センサであることが好ましい。
これにより、センサは３軸力（ｘ、ｙ、ｚ軸方向の並進力成分）に応じて電荷を出力することができる。
【００１２】
本発明の力検出装置は、２つの前記第１の素子と、２つの前記第２の素子を有し、
一方の前記第１の素子および一方の前記第２の素子の前記α軸用センサの前記分極軸の方向が、他方の前記第１の素子および他方の前記第２の素子の前記α軸用センサの前記分極軸の方向と反対方向を向き、
前記一方の第１の素子および前記一方の第２の素子の前記γ軸用センサの前記分極軸の方向が、前記他方の第１の素子および前記他方の第２の素子の前記γ軸用センサの前記分極軸の方向と反対方向を向いていることが好ましい。
これにより、第１の素子および第２の素子から出力された電圧に基づき、出力ドリフトを低減しつつ、６軸力を検出することができる。
【００１３】
本発明の力検出装置では、前記センサは、第１の結晶軸を有する第１の圧電体層と、前記第１の圧電体層に対向して設けられ、第２の結晶軸を有する第２の圧電体層と、前記第１の圧電体層と前記第２の圧電体層との間に設けられた出力電極層とを有し、
前記第１の圧電体層の前記第１の結晶軸の方向は、前記第２の圧電体層の前記第２の結晶軸の方向と反対方向を向いていることが好ましい。
これにより、出力電極層から出力される電荷を増加させることができる。
本発明の力検出装置では、前記第１の圧電体層および前記第２の圧電体層は、水晶で構成されていることが好ましい。
これにより、広いダイナミックレンジ、高い剛性、高い固有振動数、高い対荷重性等の優れた特性を有する圧電体層を構成することができる。
【００１４】
本発明の力検出装置では、ベースプレートと、前記ベースプレートと対向するカバープレートとをさらに備え、前記各素子は、前記ベースプレートと前記カバープレートとの間に設けられていることが好ましい。
これにより、ベースプレートまたはカバープレートに加えられる外力を検出することができる。
本発明の力検出装置では、前記各素子は、前記ベースプレートまたは前記カバープレートの周方向に沿って、等角度間隔に配置されていることが好ましい。
これにより、偏りなく外力を検出することができる。
【００１５】
本発明のロボットは、アームを複数有し、前記複数のアームの隣り合う前記アーム同士を回動自在に連結してなる少なくとも１つのアーム連結体と、前記アーム連結体の先端側に設けられたエンドエフェクタと、前記アーム連結体と前記エンドエフェクタの間に設けられ、前記エンドエフェクタに加えられる外力を検出する力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、前記外力に応じて電圧を出力する第１の素子および第２の素子と、前記第１の素子および前記第２の素子から出力された前記電圧に基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備え、
前記第１の素子および前記第２の素子は、
分極軸を有し、前記分極軸に沿った前記外力に応じて電荷を出力するセンサと、前記センサから出力された前記電荷を前記電圧に変換する変換回路とを有し、
前記第１の素子および前記第２の素子は、前記第１の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向と、前記第２の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向とが互いに反対方向を向くよう配置されていることを特徴とする。
【００１６】
これにより、力検出装置が検出した外力をフィードバックし、より精密に作業を実行することができる。また、力検出装置が検出した外力によって、エンドエフェクタの障害物への接触等を検知することができる。そのため、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、より安全に作業を実行することができる。さらに、逆バイアス回路のような出力ドリフトを低減するための回路が不要なので、力検出装置を小型化できる。そのため、ロボットを小型化することができる。
【００１７】
本発明の電子部品搬送装置は、電子部品を把持する把持部と、前記把持部に加えられる外力を検出する力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、前記外力に応じて電圧を出力する第１の素子および第２の素子と、前記第１の素子および前記第２の素子から出力された前記電圧に基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備え、
前記第１の素子および前記第２の素子は、
分極軸を有し、前記分極軸に沿った前記外力に応じて電荷を出力するセンサと、前記センサから出力された前記電荷を前記電圧に変換する変換回路とを有し、
前記第１の素子および前記第２の素子は、前記第１の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向と、前記第２の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向とが互いに反対方向を向くよう配置されていることを特徴とする。
【００１８】
これにより、力検出装置が検出した外力をフィードバックし、より精密に作業を実行することができる。また、力検出装置が検出した外力によって、把持部の障害物への接触等を検知することができる。そのため、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、より安全に電子部品搬送作業を実行することができる。さらに、逆バイアス回路のような出力ドリフトを低減するための回路が不要なので、力検出装置を小型化できる。そのため、電子部品搬送装置を小型化することができる。
【００１９】
本発明の電子部品検査装置は、電子部品を把持する把持部と、前記電子部品を検査する検査部と、前記把持部に加えられる外力を検出する力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、前記外力に応じて電圧を出力する第１の素子および第２の素子と、前記第１の素子および前記第２の素子から出力された前記電圧に基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備え、
前記第１の素子および前記第２の素子は、
分極軸を有し、前記分極軸に沿った前記外力に応じて電荷を出力するセンサと、前記センサから出力された前記電荷を前記電圧に変換する変換回路とを有し、
前記第１の素子および前記第２の素子は、前記第１の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向と、前記第２の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向とが互いに反対方向を向くよう配置されていることを特徴とする。
【００２０】
これにより、力検出装置が検出した外力をフィードバックし、より精密に作業を実行することができる。また、力検出装置が検出した外力によって、把持部の障害物への接触等を検知することができる。そのため、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、より安全に電子部品検査作業を実行することができる。さらに、逆バイアス回路のような出力ドリフトを低減するための回路が不要なので、力検出装置を小型化できる。そのため、電子部品検査装置を小型化することができる。
【００２１】
本発明の部品加工装置は、工具を装着し、前記工具を変位させる工具変位部と、前記工具に加えられる外力を検出する力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、前記外力に応じて電圧を出力する第１の素子および第２の素子と、前記第１の素子および前記第２の素子から出力された前記電圧に基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備え、
前記第１の素子および前記第２の素子は、
分極軸を有し、前記分極軸に沿った前記外力に応じて電荷を出力するセンサと、前記センサから出力された前記電荷を前記電圧に変換する変換回路とを有し、
前記第１の素子および前記第２の素子は、前記第１の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向と、前記第２の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向とが互いに反対方向を向くよう配置されていることを特徴とする。
【００２２】
これにより、力検出装置が検出した外力をフィードバックすることにより、部品加工装置は、より精密に部品加工作業を実行することができる。また、力検出装置が検出する外力によって、工具の障害物への接触等を検知することができる。そのため、工具に障害物等が接触した場合に緊急停止することができ、部品加工装置は、より安全な部品加工作業を実行可能である。さらに、逆バイアス回路のような出力ドリフトを低減するための回路が不要なので、力検出装置を小型化できる。そのため、部品加工装置を小型化することができる。
【００２３】
本発明の移動体は、移動のための動力を供給する動力部と、前記移動により発生する外力を検出する力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、前記外力に応じて電圧を出力する第１の素子および第２の素子と、前記第１の素子および前記第２の素子から出力された前記電圧に基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備え、
前記第１の素子および前記第２の素子は、
分極軸を有し、前記分極軸に沿った前記外力に応じて電荷を出力するセンサと、前記センサから出力された前記電荷を前記電圧に変換する変換回路とを有し、
前記第１の素子および前記第２の素子は、前記第１の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向と、前記第２の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向とが互いに反対方向を向くよう配置されていることを特徴とする。
これにより、力検出装置は、移動に伴い生じた振動や加速度等による外力を検出でき、移動体は、姿勢制御、振動制御および加速制御等の制御を実行することができる。さらに、逆バイアス回路のような出力ドリフトを低減するための回路が不要なので、力検出装置を小型化できる。そのため、移動体を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の力検出装置の第１実施形態を概略的に示す斜視図および平面図である。
【図２】図１に示す力検出装置を概略的に示す回路図である。
【図３】図１に示す力検出装置の電荷出力素子を概略的に示す断面図である。
【図４】本発明の力検出装置の第２実施形態を概略的に示す斜視図および平面図である。
【図５】図４に示す力検出装置を概略的に示す回路図である。
【図６】図４に示す力検出装置の電荷出力素子を概略的に示す断面図である。
【図７】本発明の力検出装置を用いた単腕ロボットの１例を示す図である。
【図８】本発明の力検出装置を用いた複腕ロボットの１例を示す図である。
【図９】本発明の力検出装置を用いた電子部品検査装置および電子部品搬送装置の１例を示す図である。
【図１０】本発明の力検出装置を用いた電子部品搬送装置の１例を示す図である。
【図１１】本発明の力検出装置を用いた部品加工装置の１例を示す図である。
【図１２】本発明の力検出装置を用いた移動体の１例を示す図である
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の力検出装置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。
＜第１実施形態＞
図１（ａ）は、本発明の力検出装置の第１実施形態を概略的に示す斜視図である。図１（ｂ）は、本発明の力検出装置の第１実施形態を概略的に示す平面図である。なお、図１（ｂ）においては、説明のため一部構成要素が省略されている。図２は、図１に示す力検出装置を概略的に示す回路図である。図３は、図１に示す力検出装置の電荷出力素子を概略的に示す断面図である。
【００２６】
図１に示す力検出装置１ａは、せん断力（図１中のｘ軸、ｙ軸に沿った外力）を検出する機能を有する。力検出装置１ａは、ベースプレート２と、ベースプレート２に対向するカバープレート４と、ベースプレート２とカバープレート４との間に挟持され（設けられ）、外力に応じて電圧を出力する力検出素子（素子）３ａ、３ｂと、力検出素子３ａ、３ｂのそれぞれから出力された電圧に基づき、外力を検出する外力検出回路５（図１中では図示せず、図２参照）とを有している。
【００２７】
＜力検出素子（素子）＞
図１に示す力検出素子３ａ、３ｂは、加えられたせん断力（図１中のｘ軸、ｙ軸に沿った外力）に応じて電圧Ｖを出力する機能を有する。
図２に示すように、力検出素子３ａ、３ｂは、加えられたせん断力に応じて電荷Ｑを出力する電荷出力素子３１と、電荷出力素子３１から出力された電荷Ｑを電圧Ｖに変換する変換回路３２とを有する。
【００２８】
＜電荷出力素子＞
図３に示す電荷出力素子３１は、図３中のβ軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑを出力する機能を有する。電荷出力素子３１は、２つのグランド電極層３１０と、２つのグランド電極層３１０との間に設けられたβ軸用センサ３２０を有する。なお、図３において、グランド電極層３１０およびβ軸用センサ３２０の積層方向をγ軸方向とし、γ軸方向に直交し且つ互いに直交する方向をそれぞれα軸方向、β軸方向としている。
【００２９】
図示の構成では、グランド電極層３１０と、β軸用センサ３２０は、全て等しい幅（図中の左右方向の長さ）を有しているが、本発明はこれに限られない。例えば、グランド電極層３１０の幅が、β軸用センサ３２０の幅よりも広くてもよいし、その逆であってもよい。
グランド電極層３１０は、グランド（基準電位点）に接地された電極である。グランド電極層３１０を構成する材料は、特に限定されないが、例えば、金、クロム、チタニウム、アルミニウム、銅、鉄またはこれらを含む合金が好ましい。
【００３０】
β軸用センサ３２０は、β軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑを出力する機能を有する。このβ軸用センサ３２０は、β軸の正方向に沿った外力に応じて正電荷を出力し、β軸の負方向に沿って加えられた外力に応じて負電荷を出力するよう構成されている。すなわち、β軸用センサ３２０は、β軸の正方向を向いた分極軸Ｐβを有する。
β軸用センサ３２０は、第１の結晶軸ＣＡ１を有する第１の圧電体層３２１と、第１の圧電体層３２１と対向して設けられ、第２の結晶軸ＣＡ２を有する第２の圧電体層３２３と、第１の圧電体層３２１と第２の圧電体層３２３との間に設けられ、電荷Ｑを出力する出力電極層３２２を有する。また、β軸用センサ３２０を構成する各層の積層順は、図３中の下側から、第１の圧電体層３２１、出力電極層３２２、第２の圧電体層３２３の順である。
【００３１】
第１の圧電体層３２１はβ軸の負方向に配向した第１の結晶軸ＣＡ１を有する圧電体によって構成されている。第１の圧電体層３２１の表面に対し、β軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、圧電効果により、第１の圧電体層３２１内に電荷が誘起される。その結果、第１の圧電体層３２１の出力電極層３２２側表面近傍には正電荷が集まり、第１の圧電体層３２１のグランド電極層３１０側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第１の圧電体層３２１の表面に対し、β軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、第１の圧電体層３２１の出力電極層３２２側表面近傍には負電荷が集まり、第１の圧電体層３２１のグランド電極層３１０側表面近傍には正電荷が集まる。
【００３２】
第２の圧電体層３２３は、β軸の正方向に配向した第２の結晶軸ＣＡ２を有する圧電体によって構成されている。第２の圧電体層３２３の表面に対し、β軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、圧電効果により、第２の圧電体層３２３内に電荷が誘起される。その結果、第２の圧電体層３２３の出力電極層３２２側表面近傍には正電荷が集まり、第２の圧電体層３２３のグランド電極層３１０側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第２の圧電体層３２３の表面に対し、β軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、第２の圧電体層３２３の出力電極層３２２側表面近傍には負電荷が集まり、第２の圧電体層３２３のグランド電極層３１０側表面近傍には正電荷が集まる。
【００３３】
このように、第１の圧電体層３２１の第１の結晶軸ＣＡ１の方向は、第２の圧電体層３２３の第２の結晶軸ＣＡ２の方向と反対方向を向いている。これにより、第１の圧電体層３２１または第２の圧電体層３２３のいずれか一方のみと、出力電極層３２２によってβ軸用センサ３２０を構成する場合と比較して、出力電極層３２２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、出力電極層３２２から出力される電荷Ｑを増加させることができる。
【００３４】
なお、第１の圧電体層３２１および第２の圧電体層３２３の構成材料としては、水晶、トパーズ、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等が挙げられる。これらの中でも特に、水晶が好ましい。水晶により構成された圧電体層は、広いダイナミックレンジ、高い剛性、高い固有振動数、高い対荷重性等の優れた特性を有するためである。また、第１の圧電体層３２１および第２の圧電体層３２３のように、層の面方向に沿った外力（せん断力）に対して電荷を生ずる圧電体層は、Ｙカット水晶により構成することができる。
【００３５】
出力電極層３２２は、第１の圧電体層３２１内および第２の圧電体層３２３内に生じた正電荷または負電荷を電荷Ｑとして出力する機能を有する。前述のように、第１の圧電体層３２１の表面または第２の圧電体層３２３の表面にβ軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、出力電極層３２２近傍には、正電荷が集まる。その結果、出力電極層３２２からは、正の電荷Ｑが出力される。一方、第１の圧電体層３２１の表面または第２の圧電体層３２３の表面にβ軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、出力電極層３２２近傍には、負電荷が集まる。その結果、出力電極層３２２からは、負の電荷Ｑが出力される。
このように、電荷出力素子３１は、上述したグランド電極層３１０と、β軸用センサ３２０を有することにより、図３中のβ軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑを出力することができる。
【００３６】
なお、電荷出力素子３１として、β軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑを出力する機能を有する例を説明したが、本発明はこれに限られない。第１の結晶軸ＣＡ１の配向方向が異なる第１の圧電体層３２１および第２の結晶軸ＣＡ２の配向方向が異なる第２の圧電体層３２３を用いることにより、α軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑを出力する電荷出力素子３１を構成することが可能である。このような場合も、本発明の範囲内である。
【００３７】
＜変換回路＞
変換回路３２は、電荷出力素子３１から出力された電荷Ｑを電圧Ｖに変換する機能を有する。変換回路３２は、オペアンプ３３と、コンデンサ３４と、スイッチング素子３５とを有する。オペアンプ３３の第１の入力端子（マイナス入力）は、電荷出力素子３１の出力電極層３２２に接続され、オペアンプ３３の第２の入力端子（プラス入力）は、グランド（基準電位点）に接地されている。また、オペアンプ３３の出力端子は、外力検出回路５に接続されている。コンデンサ３４は、オペアンプ３３の第１の入力端子と出力端子との間に接続されている。スイッチング素子３５は、オペアンプ３３の第１の入力端子と出力端子との間に接続され、コンデンサ３４と並列接続されている。また、スイッチング素子３５は、駆動回路（図示せず）に接続されており、駆動回路からのオン／オフ信号に従い、スイッチング動作を実行する。
【００３８】
スイッチング素子３５がオフの場合、電荷出力素子３１から出力された電荷Ｑは、静電容量Ｃ１を有するコンデンサ３４に蓄えられ、電圧Ｖとして外力検出回路５に出力される。次に、スイッチング素子３５がオンになった場合、コンデンサ３４の両端子間が短絡される。その結果、コンデンサ３４に蓄えられた電荷Ｑは、放電されて０クーロンとなり、外力検出回路５に出力される電圧Ｖは、０ボルトとなる。スイッチング素子３５がオンとなることを、変換回路３２をリセットするという。
【００３９】
スイッチング素子３５は、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体スイッチング素子である。半導体スイッチング素子は、機械式スイッチと比べて小型および軽量であるので、力検出装置１ａの小型化および軽量化に有利である。以下、代表例として、スイッチング素子３５としてＭＯＳＦＥＴを用いた場合を説明する。
【００４０】
スイッチング素子３５は、ドレイン電極、ソース電極、およびゲート電極を有している。スイッチング素子３５のドレイン電極またはソース電極の一方がオペアンプ３３の第１の入力端子に接続され、ドレイン電極またはソース電極の他方がオペアンプ３３の出力端子に接続されている。また、スイッチング素子３５のゲート電極は、駆動回路（図示せず）に接続されている。
【００４１】
理想的な変換回路３２から出力される電圧Ｖは、電荷出力素子３１から出力される電荷Ｑの蓄積量に比例する。しかしながら、実際の変換回路３２においては、スイッチング素子３５からコンデンサ３４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Ｖに含まれる出力ドリフトＤとなる。したがって、電荷Ｑの蓄積量に比例する電圧成分（真の値）をＶｔとすると、出力される電圧Ｖは、Ｖ＝Ｖｔ＋Ｄとなる。
【００４２】
出力ドリフトＤは、測定結果に対する誤差となるので、リーク電流（出力ドリフトＤ）によって、力検出素子３ａ、３ｂの検出精度および検出分解能が低下してしまうという問題があった。また、リーク電流は、測定（駆動）時間に比例して累積されるので、力検出装置１ａの測定時間を長くすることができないという問題があった。
このようなリーク電流は、ゲート絶縁膜の絶縁性の不足、プロセスルールの微細化、半導体中の不純物濃度のバラツキ等の半導体構造および温度、湿度等の使用環境に起因する。半導体構造起因のリーク電流は、スイッチング素子毎に固有の値となるので、予め半導体構造起因のリーク電流を測定しておくことにより、比較的容易に補償できる。しかしながら、使用環境起因のリーク電流は、使用環境（状況）に応じて変動するので、補償が困難である。本発明の力検出装置１ａは、素子対をなす力検出素子（素子）３ａ、３ｂと、力検出素子３ａ、３ｂのそれぞれから出力された電圧Ｖ１、Ｖ２に基づき、外力を検出する外力検出回路５を用いて、リーク電流による影響（出力ドリフトＤ）を低減させることができる。
【００４３】
次に、図１を参照して、素子対をなす力検出素子３ａ、３ｂの位置関係を詳述する。なお、図１（ｂ）においては、説明のためカバープレート４が省略されている。また、図１（ｂ）において、左右方向をｘ軸方向、ｘ軸方向と直交する方向、すなわち上下方向をｙ軸方向としている。
力検出素子３ａは、上述したβ軸に沿った分極軸Ｐβ１を有し、β軸に沿った外力（せん断力）に応じて電圧Ｖ１を出力する。同様に、力検出素子３ｂは、上述したβ軸に沿った分極軸Ｐβ２を有し、β軸に沿った外力（せん断力）に応じて電圧Ｖ２を出力する。
力検出素子３ａ、３ｂは、ベースプレート２とカバープレート４との間に設けられ（挟持され）ている。力検出素子３ａの分極軸Ｐβ１は、角度θ１を有している。同様に、力検出素子３ｂの分極軸Ｐβ２は、角度θ２を有している。なお、角度θ１、θ２は、図１（ｂ）の基準座標系（ｘ軸、ｙ軸）のｘ軸からの角度である。
【００４４】
図１（ｂ）に示すように、力検出素子３ａ、３ｂは、力検出素子３ａの分極軸Ｐβ１の方向と、力検出素子３ｂの分極軸Ｐβ２の方向とが互いに反対方向を向くように配置されている。ここでいう「互いに反対方向を向く」とは、図１（ｂ）のように、分極軸Ｐβ１の方向と分極軸Ｐβ２の方向が対向する場合、すなわち、角度θ１、θ２がθ１＝θ２の関係を満たす場合に限られない。少なくとも、分極軸Ｐβ１および分極軸Ｐβ２のそれぞれを、直交するｘ軸方向のベクトル成分およびｙ軸方向のベクトル成分に分解したとき、分極軸Ｐβ１のｘ軸方向のベクトル成分と分極軸Ｐβ２のｘ軸方向のベクトル成分が逆方向である、または、分極軸Ｐβ１のｙ軸方向のベクトル成分と分極軸Ｐβ２のｙ軸方向のベクトル成分が逆方向であればよい。
【００４５】
また、力検出素子３ａ、３ｂは、分極軸Ｐβ１のｘ軸方向のベクトル成分と分極軸Ｐβ２のｘ軸方向のベクトル成分が逆方向、および、分極軸Ｐβ１のｙ軸方向のベクトル成分と分極軸Ｐβ２のｙ軸方向のベクトル成分が逆方向となるよう、すなわち、｜θ１−θ２｜＜π／２の関係を満たすよう配置されることが好ましい。これにより、後述するせん断力Ｆｘ、Ｆｙを検出することができる。以下の説明では、代表して、力検出素子３ａ、３ｂが、｜θ１−θ２｜＜π／２の関係を満たすよう配置されている場合を説明する。
【００４６】
また、力検出素子３ａ、３ｂは、分極軸Ｐβ１の方向と分極軸Ｐβ２の方向が対向するよう、すなわち、θ１＝θ２の関係を満たすよう配置されることがさらに好ましい。これにより、後述する外力検出回路５は、出力ドリフトＤをさらに低減しつつ、せん断力Ｆｘ、Ｆｙを検出することができる。
また、力検出素子３ａの分極軸Ｐβ１の方向と、力検出素子３ｂの分極軸Ｐβ２の方向とが互いに反対方向を向くよう配置されていれば、力検出素子３ａ、３ｂの配置は特に限定されないが、図１（ｂ）に示すように、力検出素子３ａと、力検出素子３ｂが同一軸上に配置されていることが好ましい。これにより、ベースプレート２またはカバープレート４に加えられたせん断力（図中のｘ軸、ｙ軸に沿った外力）を偏りなく検出することができる。
【００４７】
また、図１（ｂ）の力検出素子３ａの分極軸Ｐβ１および力検出素子３ｂの分極軸Ｐβ２は、ベースプレート２の外側（遠心方向）を向いているが、本発明はこれに限られない。すなわち、力検出素子３ａの分極軸Ｐβ１の方向と、力検出素子３ｂの分極軸Ｐβ２の方向とが互いに反対方向を向くよう配置されていれば、力検出素子３ａの分極軸Ｐβ１および力検出素子３ｂの分極軸Ｐβ２は、ベースプレート２の中心方向（向心方向）を向いていてもよい。
力検出素子３ａの電荷出力素子３１から出力される電荷Ｑ１の蓄積量に比例する電圧成分（真の値）をＶｔ１とし、力検出素子３ｂの電荷出力素子３１から出力される電荷Ｑ２の蓄積量に比例する電圧成分（真の値）をＶｔ２とすると、力検出素子３ａから出力される電圧Ｖ１および力検出素子３ｂから出力される電圧Ｖ２は、以下のようになる。
【００４８】
【数１】
2014163870.tif 000003
【００４９】
なお、力検出素子３ａのスイッチング素子３５と、力検出素子３ｂのスイッチング素子３５は、同等の半導体スイッチング素子であり、そのリーク電流は実質的に等しい。したがって、電圧Ｖ１に含まれる出力ドリフトＤと、電圧Ｖ２に含まれる出力ドリフトＤは、実質的に等しい。こでいう「実質的に等しい」とは、比較する２つの値の差分を取ったときに、その差分が、元の値と比較して無視できるほど小さいことをいう。
【００５０】
また、力検出素子３ａ、３ｂは、力検出素子３ａの分極軸Ｐβ１の方向と、力検出素子３ｂの分極軸Ｐβ２の方向とが互いに反対方向を向くように配置されているので、電圧Ｖ１に含まれる電圧成分Ｖｔ１と、電圧Ｖ２に含まれる電圧成分Ｖｔ２の符号は一致しない。例えば、電圧成分Ｖｔ１の符号がプラスであれば、電圧成分Ｖｔ２の符号はマイナスとなる。同様に、電圧成分Ｖｔ１の符号がマイナスであれば、電圧成分Ｖｔ２の符号はプラスとなる。したがって、力検出素子３ａから出力される電圧Ｖ１と、力検出素子３ｂから出力される電圧Ｖ２の差分を取った場合、電圧成分Ｖｔ１と電圧成分Ｖｔ２の差分の絶対値は、減少しない。
【００５１】
一方、電圧Ｖ１に含まれる出力ドリフトＤと、電圧Ｖ２に含まれる出力ドリフトＤは、分極軸Ｐβ１、Ｐβ２の方向に依存しないので、電圧Ｖ１に含まれる出力ドリフトＤの符号と、電圧Ｖ２に含まれる出力ドリフトＤの符号は、一致する。したがって、力検出素子３ａから出力される電圧Ｖ１と、力検出素子３ｂから出力される電圧Ｖ２の差分を取った場合、電圧Ｖ１に含まれる出力ドリフトＤと、電圧Ｖ２に含まれる出力ドリフトＤとの差分の絶対値は、減少する。
【００５２】
＜外力検出回路＞
外力検出回路５は、力検出素子３ａから出力される電圧Ｖ１と、力検出素子３ｂから出力される電圧Ｖ２の差分を取ることにより、力検出装置１ａに加えられたせん断力（図中のｘ軸、ｙ軸に沿った外力）を検出する機能を有する。
外力検出回路５は、以下のように電圧Ｖ１、Ｖ２の差分を取ることにより、力検出装置１ａに加えられたせん断力Ｆｘ、Ｆｙを検出することができる。
【００５３】
【数２】
2014163870.tif 000004
【００５４】
このように、力検出素子３ａから出力される電圧Ｖ１と、力検出素子３ｂから出力される電圧Ｖ２の差分を取った場合、電圧成分Ｖｔ１と電圧成分Ｖｔ２の差分の絶対値は減少せず、出力ドリフトＤの絶対値は減少する。そのため、出力ドリフトＤを低減することができる。その結果、リーク電流（出力ドリフトＤ）に起因する検出誤差が相対的に小さくなり、力検出装置１ａの検出精度および検出分解能を向上させることができる。また、上述した出力ドリフトＤの低減方法は、測定時間が長くなった場合であっても有効なので、力検出装置１ａの測定時間を長くすることができる。
さらに、角度θ１、θ２がθ１＝θ２を満たす場合、すなわち、力検出素子３ａ、３ｂが、分極軸Ｐβ１の方向と分極軸Ｐβ２の方向が対向するように配置されている場合は、上記Ｆｘ、Ｆｙの算出式は単純化され、以下のようになる。
【００５５】
【数３】
2014163870.tif 000005
【００５６】
この場合、出力ドリフトＤを除去（さらに低減）することができる。その結果、力検出装置１ａの検出精度および検出分解能をさらに向上させることができる。また、力検出装置１ａの測定時間をさらに長くすることができる。
このように、本発明の力検出装置１ａは、力検出素子３ａの分極軸Ｐβ１の方向と、力検出素子３ｂの分極軸Ｐβ２の方向とが互いに反対方向を向くように配置された力検出素子３ａ、３ｂと、力検出素子３ａから出力される電圧Ｖ１と、力検出素子３ｂから出力される電圧Ｖ２の差分を取ることにより、力検出装置１ａに加えられたせん断力を検出する外力検出回路５を有しているので、変換回路３２のスイッチング素子３５のリーク電流に起因する出力ドリフトＤを低減することができる。その結果、力検出装置１ａの検出精度および検出分解能を向上させることができる。また、上述した出力ドリフトＤの低減方法は、測定時間が長くなった場合であっても有効なので、力検出装置１ａの測定時間を長くすることができる。さらに、本発明の力検出装置１ａでは、逆バイアス回路のような出力ドリフトＤを低減するための回路が不要なので、力検出装置１ａを小型化できる。
なお、本実施形態の力検出装置１ａは、１対の力検出素子３ａ、３ｂを有しているが、本発明はこれに限られない。力検出装置１ａは、複数対の力検出素子３ａ、３ｂを有していてもよく、そのような場合もまた本発明の範囲内である。
【００５７】
＜第２実施形態＞
次に図４、図５および図６に基づき本発明の第２実施形態を説明する。以下、第２実施形態について、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。
図４（ａ）は、本発明の力検出装置の第２実施形態を概略的に示す斜視図である。図４（ｂ）は、本発明の力検出装置の第２実施形態を概略的に示す平面図である。図５は、図４に示す力検出装置を概略的に示す回路図である。図６（ａ）は、図４に示す第１の力検出装置の電荷出力素子を概略的に示す断面図である。図６（ｂ）は、図４に示す第２の力検出装置の電荷出力素子を概略的に示す断面図である。
【００５８】
図４に示す力検出装置１ｂは、６軸力（ｘ、ｙ、ｚ軸方向の並進力成分およびｘ、ｙ、ｚ軸周りの回転力成分）を検出する機能を有する。力検出装置１ｂは、ベースプレート２と、ベースプレート２に対向するカバープレート４と、ベースプレート２とカバープレート４との間に設けられ（挟持され）、外力に応じて電圧Ｖα、Ｖβ、Ｖγを出力する力検出素子（素子）３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄと、力検出素子３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄのそれぞれから出力された電圧Ｖα、Ｖβ、Ｖγに基づき、６軸力を検出する外力検出回路５０（図４中では図示せず、図５参照）とを有している。
【００５９】
＜力検出素子（素子）＞
力検出素子３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄは、互いに直交する３軸（α軸、β軸、γ軸）に沿った外力のそれぞれに応じて電圧Ｖα、Ｖβ、Ｖγを出力する機能を有する。また、力検出素子３０ａ、３０ｃは、第１の素子対を構成し、力検出素子３０ｂ、３０ｄは、第２の素子対を構成する。第１の素子対に属する力検出素子３０ａ、３０ｃは、互いに同様の構成を有する。第２の素子対に属する力検出素子３０ｂ、３０ｄは、互いに同様の構成を有する。
【００６０】
図５に示すように、第１の素子対に属する力検出素子３０ａ、３０ｃは、互いに直交する３軸（α軸、β軸、γ軸）に沿って加えられた外力に応じて、電荷Ｑα、Ｑβ、Ｑγを出力する第１の電荷出力素子３０１ａと、第１の電荷出力素子３０１ａから出力された電荷Ｑαを電圧Ｖαに変換する変換回路３２ａと、第１の電荷出力素子３０１ａから出力された電荷Ｑγを電圧Ｖγに変換する変換回路３２ｂと、第１の電荷出力素子３０１ａから出力された電荷Ｑβを電圧Ｖβに変換する変換回路３２ｃとを有する。第２の素子対に属する力検出素子３０ｂ、３０ｄは、第１の電荷出力素子３０１ａと構造の異なる第２の電荷出力素子３０１ｂを有する点を除き、第１の素子対に属する力検出素子３０ａ、３０ｃと同様の構成を有する。
【００６１】
＜電荷出力素子＞
図６（ａ）に示す第１の電荷出力素子３０１ａは、図６中の互いに直交する３軸（α軸、β軸、γ軸）に沿った外力のそれぞれに応じて電荷Ｑα、Ｑβ、Ｑγを出力する機能を有する。図６（ａ）に示すように、第１の電荷出力素子３０１ａは、グランド（基準電位点）に接地された４つのグランド電極層３１０と、β軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑβを出力するβ軸用センサ３２０と、γ軸に平行な外力（圧縮／引張力）に応じて電荷Ｑγを出力する第１のγ軸用センサ３３０と、α軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑαを出力する第１のα軸用センサ３４０とを有し、グランド電極層３１０と各センサ３２０、３３０、３４０は交互に積層されている。なお、図６において、グランド電極層３１０および各センサ３２０、３３０、３４０の積層方向をγ軸方向とし、γ軸方向に直交し且つ互いに直交する方向をそれぞれα軸方向、β軸方向としている。
【００６２】
図示の構成では、図６中の下側から、β軸用センサ３２０、第１のγ軸用センサ３３０、第１のα軸用センサ３４０の順で積層されているが、本発明はこれに限られない。各センサ３２０、３３０、３４０の積層順は任意である。
β軸用センサ３２０は、β軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑβを出力する機能を有する。β軸用センサ３２０は、上述した第１実施形態のβ軸用センサ３２０と同様の構造および機能を有している。
【００６３】
第１のγ軸用センサ３３０は、γ軸に平行な外力（圧縮／引張力）に応じて電荷Ｑγを出力する機能を有する。第１のγ軸用センサ３３０は、γ軸の正方向に沿った外力に応じて正電荷を出力し、γ軸の負方向に沿って加えられた外力に応じて負電荷を出力するよう構成されている。すなわち、第１のγ軸用センサ３３０は、図６中のγ軸の正方向を向いた分極軸Ｐγを有する。
【００６４】
第１のγ軸用センサ３３０は、第３の結晶軸ＣＡ３を有する第３の圧電体層３３１と、第３の圧電体層３３１と対向して設けられ、第４の結晶軸ＣＡ４を有する第４の圧電体層３３３と、第３の圧電体層３３１と第４の圧電体層３３３との間に設けられ、電荷Ｑγを出力する出力電極層３３２を有する。また、第１のγ軸用センサ３３０を構成する各層の積層順は、図６中の下側から、第３の圧電体層３３１、出力電極層３３２、第４の圧電体層３３３の順である。
【００６５】
第３の圧電体層３３１は、γ軸の正方向に配向した第３の結晶軸ＣＡ３を有する圧電体によって構成されている。第３の圧電体層３３１の表面に対し、γ軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、圧電効果により、第３の圧電体層３３１内に電荷が誘起される。その結果、第３の圧電体層３３１の出力電極層３３２側表面近傍には正電荷が集まり、第３の圧電体層３３１のグランド電極層３１０側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第３の圧電体層３３１の表面に対し、γ軸の負方向に沿って加えられた外力が加えられた場合、第３の圧電体層３３１の出力電極層３３２側表面近傍には負電荷が集まり、第３の圧電体層３３１のグランド電極層３１０側表面近傍には正電荷が集まる。
【００６６】
第４の圧電体層３３３は、γ軸の負方向に配向した第４の結晶軸ＣＡ４を有する圧電体によって構成されている。第４の圧電体層３３３の表面に対し、γ軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、圧電効果により、第４の圧電体層３３３内に電荷が誘起される。その結果、第４の圧電体層３３３の出力電極層３３２側表面近傍には正電荷が集まり、第４の圧電体層３３３のグランド電極層３１０側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第４の圧電体層３３３の表面に対し、γ軸の負方向に沿って加えられた外力が加えられた場合、第４の圧電体層３３３の出力電極層３３２側表面近傍には負電荷が集まり、第４の圧電体層３３３のグランド電極層３１０側表面近傍には正電荷が集まる。
【００６７】
第３の圧電体層３３１および第４の圧電体層３３３の構成材料としては、第１の圧電体層３２１および第２の圧電体層３２３と同様の構成材料を用いることができる。また、第３の圧電体層３３１および第４の圧電体層３３３のように、層の面方向に垂直な外力（圧縮／引張力）に対して電荷を生ずる圧電体層は、Ｘカット水晶により構成することができる。
【００６８】
出力電極層３３２は、第３の圧電体層３３１内および第４の圧電体層３３３内に生じた正電荷または負電荷を電荷Ｑγとして出力する機能を有する。前述のように、第３の圧電体層３３１の表面または第４の圧電体層３３３の表面にγ軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、出力電極層３３２近傍には、正電荷が集まる。その結果、出力電極層３３２からは、正の電荷Ｑγが出力される。一方、第３の圧電体層３３１の表面または第４の圧電体層３３３の表面にγ軸の負方向に沿って加えられた外力が加えられた場合、出力電極層３３２近傍には、負電荷が集まる。その結果、出力電極層３３２からは、負の電荷Ｑγが出力される。
【００６９】
第１のα軸用センサ３４０は、α軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑαを出力する機能を有する。第１のα軸用センサ３４０は、α軸の正方向に沿った外力に応じて正電荷を出力し、α軸の負方向に沿って加えられた外力に応じて負電荷を出力するよう構成されている。すなわち、第１のα軸用センサ３４０は、図６中のα軸の正方向を向いた分極軸Ｐαを有する。
【００７０】
第１のα軸用センサ３４０は、第５の結晶軸ＣＡ５を有する第５の圧電体層３４１と、第５の圧電体層３４１と対向して設けられ、第６の結晶軸ＣＡ６を有する第６の圧電体層３４３と、第５の圧電体層３４１と第６の圧電体層３４３との間に設けられ、電荷Ｑαを出力する出力電極層３４２を有する。また、第１のα軸用センサ３４０を構成する各層の積層順は、図６中の下側から、第５の圧電体層３４１、出力電極層３４２、第６の圧電体層３４３の順である。
【００７１】
第５の圧電体層３４１は、α軸の負方向に配向した第５の結晶軸ＣＡ５を有する圧電体によって構成されている。第５の圧電体層３４１の表面に対し、α軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、圧電効果により、第５の圧電体層３４１内に電荷が誘起される。その結果、第５の圧電体層３４１の出力電極層３４２側表面近傍には正電荷が集まり、第５の圧電体層３４１のグランド電極層３１０側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第５の圧電体層３４１の表面に対し、α軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、第５の圧電体層３４１の出力電極層３４２側表面近傍には負電荷が集まり、第５の圧電体層３４１のグランド電極層３１０側表面近傍には正電荷が集まる。
【００７２】
第６の圧電体層３４３は、α軸の正方向に配向した第６の結晶軸ＣＡ６を有する圧電体によって構成されている。第６の圧電体層３４３の表面に対し、α軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、圧電効果により、第６の圧電体層３４３内に電荷が誘起される。その結果、第６の圧電体層３４３の出力電極層３４２側表面近傍には正電荷が集まり、第６の圧電体層３４３のグランド電極層３１０側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第６の圧電体層３４３の表面に対し、α軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、第６の圧電体層３４３の出力電極層３４２側表面近傍には負電荷が集まり、第６の圧電体層３４３のグランド電極層３１０側表面近傍には正電荷が集まる。
【００７３】
第５の圧電体層３４１および第６の圧電体層３４３の構成材料としては、第１の圧電体層３２１および第２の圧電体層３２３と同様の構成材料を用いることができる。また、第５の圧電体層３４１および第６の圧電体層３４３のように、層の面方向に沿った外力（せん断力）に対して電荷を生ずる圧電体層は、第１の圧電体層３２１および第２の圧電体層３２３と同様に、Ｙカット水晶により構成することができる。
【００７４】
出力電極層３４２は、第５の圧電体層３４１内および第６の圧電体層３４３内に生じた正電荷または負電荷を電荷Ｑαとして出力する機能を有する。前述のように、第５の圧電体層３４１の表面または第６の圧電体層３４３の表面にα軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、出力電極層３４２近傍には、正電荷が集まる。その結果、出力電極層３４２からは、正の電荷Ｑαが出力される。一方、第５の圧電体層３４１の表面または第６の圧電体層３４３の表面にα軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、出力電極層３４２近傍には、負電荷が集まる。その結果、出力電極層３４２からは、負の電荷Ｑαが出力される。
【００７５】
β軸用センサ３２０、第１のγ軸用センサ３３０、および第１のα軸用センサ３４０は、β軸用センサ３２０の分極軸Ｐβの方向と、第１のγ軸用センサ３３０の分極軸Ｐγの方向と、第１のα軸用センサ３４０の分極軸Ｐαの方向とが互いに直交するように積層されている。これにより、第１の電荷出力素子３０１ａは、３つの分極軸Ｐα、Ｐβ、Ｐγを有することができ、３軸（α軸、β軸、γ軸）に沿った外力のそれぞれに応じて３つの電荷Ｑα、Ｑβ、Ｑγを出力することができる。
【００７６】
次に、図６（ｂ）を参照し、第２の素子対に属する力検出素子３０ｂ、３０ｄが有する第２の電荷出力素子３０１ｂについて詳述する。図６（ｂ）に示す第２の電荷出力素子３０１ｂは、図６中の互いに直交する３軸（α軸、β軸、γ軸）に沿った外力のそれぞれに応じて電荷Ｑα、Ｑβ、Ｑγを出力する機能を有する。図６（ｂ）に示すように、第２の電荷出力素子３０１ｂは、グランド（基準電位点）に接地された４つのグランド電極層３１０と、β軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑβを出力するβ軸用センサ３２０と、γ軸に平行な外力（圧縮／引張力）に応じて電荷Ｑγを出力する第２のγ軸用センサ３５０と、α軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑαを出力する第２のα軸用センサ３６０とを有し、グランド電極層３１０と各センサ３２０、３５０、３６０は交互に積層されている。したがって、第２の電荷出力素子３０１ｂは、第１のγ軸用センサ３３０と構造の異なる第２のγ軸用センサ３５０と、第１のα軸用センサ３４０と構造の異なる第２のα軸用センサ３６０を有する点を除き、第１の電荷出力素子３０１ａと同様の構造を有する。なお、図６において、グランド電極層３１０および各センサ３２０、３５０、３６０の積層方向をγ軸方向とし、γ軸方向に直交し且つ互いに直交する方向をそれぞれα軸方向、β軸方向としている。
図示の構成では、図６中の下側から、β軸用センサ３２０、第２のγ軸用センサ３５０、第２のα軸用センサ３６０の順で積層されているが、本発明はこれに限られない。各センサ３２０、３５０、３６０の積層順は任意である。
【００７７】
第２のγ軸用センサ３５０は、γ軸に平行な外力（圧縮／引張力）に応じて電荷Ｑγを出力する機能を有する。第２のγ軸用センサ３５０は、γ軸の正方向に沿った外力に応じて負電荷を出力し、γ軸の負方向に沿って加えられた外力に応じて正電荷を出力するよう構成されている。すなわち、第２のγ軸用センサ３５０は、図６中のγ軸の負方向を向いた分極軸Ｐγを有する。したがって、第２のγ軸用センサ３５０の分極軸Ｐγの方向は、第１のγ軸用センサ３３０の分極軸Ｐγの方向と反対方向を向いている。
【００７８】
第２のγ軸用センサ３５０は、第４の結晶軸ＣＡ４を有する第４の圧電体層３３３と、第４の圧電体層３３３と対向して設けられ、第３の結晶軸ＣＡ３を有する第３の圧電体層３３１と、第４の圧電体層３３３と第３の圧電体層３３１との間に設けられ、電荷Ｑγを出力する出力電極層３３２を有する。また、第２のγ軸用センサ３５０を構成する各層の積層順は、図６中の下側から、第４の圧電体層３３３、出力電極層３３２、第３の圧電体層３３１の順である。したがって、第２のγ軸用センサ３５０は、第４の圧電体層３３３、出力電極層３３２、第３の圧電体層３３１の積層順を除き、第１のγ軸用センサ３３０と同様の構造を有する。
【００７９】
第４の圧電体層３３３の表面に対し、γ軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、圧電効果により、第４の圧電体層３３３内に電荷が誘起される。その結果、第４の圧電体層３３３の出力電極層３３２側表面近傍には負電荷が集まり、第４の圧電体層３３３のグランド電極層３１０側表面近傍には正電荷が集まる。同様に、第４の圧電体層３３３の表面に対し、γ軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、第４の圧電体層３３３の出力電極層３３２側表面近傍には正電荷が集まり、第４の圧電体層３３３のグランド電極層３１０側表面近傍には負電荷が集まる。
【００８０】
第３の圧電体層３３１の表面に対し、γ軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、圧電効果により、第３の圧電体層３３１内に電荷が誘起される。その結果、第３の圧電体層３３１の出力電極層３３２側表面近傍には負電荷が集まり、第３の圧電体層３３１のグランド電極層３１０側表面近傍には正電荷が集まる。同様に、第３の圧電体層３３１の表面に対し、γ軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、第３の圧電体層３３１の出力電極層３３２側表面近傍には正電荷が集まり、第３の圧電体層３３１のグランド電極層３１０側表面近傍には負電荷が集まる。
【００８１】
このように、第３の圧電体層３３１の表面または第４の圧電体層３３３の表面にγ軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、出力電極層３３２近傍には、負電荷が集まる。その結果、出力電極層３３２からは、負の電荷Ｑγが出力される。一方、第３の圧電体層３３１の表面または第４の圧電体層３３３の表面にγ軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、出力電極層３３２近傍には、正電荷が集まる。その結果、出力電極層３３２からは、正の電荷Ｑγが出力される。
【００８２】
第２のα軸用センサ３６０は、α軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑαを出力する機能を有する。第２のα軸用センサ３６０は、α軸の正方向に沿った外力に応じて負電荷を出力し、α軸の負方向に沿って加えられた外力に応じて正電荷を出力するよう構成されている。すなわち、第２のα軸用センサ３６０は、図６中のα軸の負方向を向いた分極軸Ｐαを有する。したがって、第２のα軸用センサ３６０の分極軸Ｐαの方向は、第１のα軸用センサ３４０の分極軸Ｐαの方向と反対方向を向いている。
【００８３】
第２のα軸用センサ３６０は、第６の結晶軸ＣＡ６を有する第６の圧電体層３４３と、第６の圧電体層３４３と対向して設けられ、第５の結晶軸ＣＡ５を有する第５の圧電体層３４１と、第６の圧電体層３４３と第５の圧電体層３４１との間に設けられ、電荷Ｑαを出力する出力電極層３４２を有する。また、第２のα軸用センサ３６０を構成する各層の積層順は、図６中の下側から、第６の圧電体層３４３、出力電極層３４２、第５の圧電体層３４１の順である。したがって、第２のα軸用センサ３６０は、第６の圧電体層３４３、出力電極層３４２、第５の圧電体層３４１の積層順を除き、第１のα軸用センサ３４０と同様の構造を有する。
【００８４】
第６の圧電体層３４３の表面に対し、α軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、圧電効果により、第６の圧電体層３４３内に電荷が誘起される。その結果、第６の圧電体層３４３の出力電極層３４２側表面近傍には負電荷が集まり、第６の圧電体層３４３のグランド電極層３１０側表面近傍には正電荷が集まる。同様に、第６の圧電体層３４３の表面に対し、α軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、第６の圧電体層３４３の出力電極層３４２側表面近傍には正電荷が集まり、第６の圧電体層３４３のグランド電極層３１０側表面近傍には負電荷が集まる。
【００８５】
第５の圧電体層３４１の表面に対し、α軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、圧電効果により、第５の圧電体層３４１内に電荷が誘起される。その結果、第５の圧電体層３４１の出力電極層３４２側表面近傍には負電荷が集まり、第５の圧電体層３４１のグランド電極層３１０側表面近傍には正電荷が集まる。同様に、第５の圧電体層３４１の表面に対し、α軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、第５の圧電体層３４１の出力電極層３４２側表面近傍には正電荷が集まり、第５の圧電体層３４１のグランド電極層３１０側表面近傍には負電荷が集まる。
【００８６】
このように、第５の圧電体層３４１の表面または第６の圧電体層３４３の表面にα軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、出力電極層３４２近傍には、負電荷が集まる。その結果、出力電極層３４２からは、負の電荷Ｑαが出力される。一方、第５の圧電体層３４１の表面または第６の圧電体層３４３の表面にα軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、出力電極層３４２近傍には、正電荷が集まる。その結果、出力電極層３２２からは、正の電荷Ｑαが出力される。
【００８７】
β軸用センサ３２０、第２のγ軸用センサ３５０、および第２のα軸用センサ３６０は、β軸用センサ３２０の分極軸Ｐβの方向と、第２のγ軸用センサ３５０の分極軸Ｐγの方向と、第２のα軸用センサ３６０の分極軸Ｐαの方向とが互いに直交するように積層されている。また、第２のγ軸用センサ３５０の分極軸Ｐγの方向は、第１のγ軸用センサ３３０の分極軸Ｐγの方向と反対方向を向いている。同様に、第２のα軸用センサ３６０の分極軸Ｐαの方向は、第１のα軸用センサ３４０の分極軸Ｐαの方向と反対方向を向いている。
【００８８】
また、Ｙカット水晶によって構成されるβ軸用センサ３２０、第１のα軸用センサ３４０および第２のα軸用センサ３６０の単位力当たりの電荷発生量は、例えば、８ｐＣ／Ｎである。一方、Ｘカット水晶によって構成される第１のγ軸用センサ３３０および第２のγ軸用センサ３５０の単位力当たりの電荷発生量は、例えば、４ｐＣ／Ｎである。このように、通常、第１の電荷出力素子３０１ａおよび第２の電荷出力素子３０１ｂのγ軸に平行な外力（圧縮／引張力）に対する感度は、第１の電荷出力素子３０１ａおよび第２の電荷出力素子３０１ｂのα軸またはβ軸に平行な外力（せん断力）に対する感度以下となる。そのため、通常、第１の電荷出力素子３０１ａおよび第２の電荷出力素子３０１ｂから出力される電荷Ｑγは、第１の電荷出力素子３０１ａおよび第２の電荷出力素子３０１ｂから出力される電荷Ｑαおよび電荷Ｑβ以下となる。
【００８９】
＜変換回路＞
変換回路３２ａ、３２ｃは、第１実施形態の変換回路３２と同様の構成を有している。変換回路３２ｂは、コンデンサ３４の静電容量を除き、第１実施形態の変換回路３２と同様の構成を有している。変換回路３２ａは、第１の電荷出力素子３０１ａまたは第２の電荷出力素子３０１ｂから出力された電荷Ｑαを電圧Ｖαに変換する機能を有する。変換回路３２ｂは、第１の電荷出力素子３０１ａまたは第２の電荷出力素子３０１ｂから出力された電荷Ｑγを電圧Ｖγに変換する機能を有する。変換回路３２ｃは、第１の電荷出力素子３０１ａまたは第２の電荷出力素子３０１ｂから出力された電荷Ｑβを電圧Ｖβに変換する機能を有する。
【００９０】
各変換回路３２ａ、３２ｂ、３２ｃのスイッチング素子３５には、同一の駆動回路が接続されていてもよいし、それぞれ異なる駆動回路が接続されていてもよい。各スイッチング素子３５には、駆動回路から、全て同期したオン／オフ信号が入力される。これにより、各変換回路３２ａ、３２ｂ、３２ｃのスイッチング素子３５の動作が同期する。すなわち、各変換回路３２ａ、３２ｂ、３２ｃのスイッチング素子３５のオン／オフタイミングは一致する。
【００９１】
また、変換回路３２ａ、３２ｂ、３２ｃのような電圧変換機能を有する回路において、コンデンサ３４の静電容量を小さくすると、電圧変換感度が向上するが、飽和電荷量が小さくなる。上述のように、通常、第１の電荷出力素子３０１ａおよび第２の電荷出力素子３０１ｂから出力される電荷Ｑγは、第１の電荷出力素子３０１ａおよび第２の電荷出力素子３０１ｂから出力される電荷Ｑαおよび電荷Ｑβ以下である。したがって、電荷Ｑγに対する感度の観点からは、変換回路３２ｂのコンデンサ３４の静電容量Ｃ２は、変換回路３２ａ、ｃのコンデンサ３４の静電容量Ｃ１以下であることが好ましい。これにより、電荷Ｑγを正確に電圧Ｖγに変換することができる。
また、各変換回路３２ａ、３２ｂ、３２ｃのスイッチング素子３５は互いに同等の半導体スイッチング素子であり、各スイッチング素子３５のリーク電流は実質的に等しい。したがって、各スイッチング素子３５の出力ドリフトＤも実質的に等しい。
【００９２】
次に、図４（ｂ）を参照して、第１の素子対をなす力検出素子３０ａ、３０ｃおよび第２の素子対をなす力検出素子３０ｂ、３０ｄの位置関係を詳述する。なお、図４（ｂ）においては、説明のためカバープレート４が省略されている。また、図４（ｂ）において、左右方向をｘ軸方向、ｘ軸方向と直交する方向、すなわち上下方向をｙ軸方向、ｘ軸方向およびｙ軸方向に直交する方向をｚ軸方向としている。
【００９３】
力検出素子３０ａは、分極軸Ｐα１、Ｐβ１、Ｐγ１を有し、α軸、β軸、γ軸のそれぞれに沿った外力に応じて電圧Ｖα１、Ｖβ１、Ｖγ１を出力する。力検出素子３０ｂは、分極軸Ｐα２、Ｐβ２、Ｐγ２を有し、α軸、β軸、γ軸のそれぞれに沿った外力に応じて電圧Ｖα２、Ｖβ２、Ｖγ２を出力する。力検出素子３０ｃは、分極軸Ｐα３、Ｐβ３、Ｐγ３を有し、α軸、β軸、γ軸のそれぞれに沿った外力に応じて電圧Ｖα３、Ｖβ３、Ｖγ３を出力する。同様に、力検出素子３０ｄは、分極軸Ｐα４、Ｐβ４、Ｐγ４を有し、α軸、β軸、γ軸のそれぞれに沿った外力に応じて電圧Ｖα４、Ｖβ４、Ｖγ４を出力する。また、各力検出素子３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄが出力する各電圧Ｖα、Ｖβ、Ｖγには、それぞれ、コンデンサ３４に蓄積される電荷量に比例する電圧成分（真の値）Ｖαｔ、Ｖβｔ、Ｖγｔ、およびスイッチング素子３５のリーク電流に起因する出力ドリフトＤが含まれる。
【００９４】
力検出素子３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄは、ベースプレート２とカバープレート４との間に設けられ（挟持され）ている。力検出素子３０ａの分極軸Ｐβ１は、角度θ１を有している。力検出素子３０ｂの分極軸Ｐβ２は、角度θ２を有している。力検出素子３０ｃの分極軸Ｐβ３は、角度θ３を有している。力検出素子３０ｄの分極軸Ｐβ４は、角度θ４を有している。なお、角度θ１、θ２、θ３、θ４は、図４（ｂ）の基準座標系（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）のｘ軸からの角度である。
【００９５】
図４（ｂ）に示すように、第１の素子対をなす力検出素子３０ａ、３０ｃは、力検出素子３０ａの分極軸Ｐα１、Ｐβ１の方向と、力検出素子３０ｃの分極軸Ｐα３、Ｐβ３の方向とが、それぞれ互いに反対方向を向くように配置されている。同様に、第２の素子対をなす力検出素子３０ｂ、３０ｄは、力検出素子３０ｂの分極軸Ｐα２、Ｐβ２の方向と、力検出素子３０ｄの分極軸Ｐα４、Ｐβ４の方向とが、それぞれ互いに反対方向を向くように配置されている。また、第１の素子対をなす力検出素子３０ａ、３０ｃの分極軸Ｐγ１、Ｐγ３の方向と、第２の素子対をなす力検出素子３０ｂ、３０ｄの分極軸Ｐγ２、Ｐγ４の方向とが、互いに反対方向を向いている。
【００９６】
力検出素子３０ａ、３０ｃは、力検出素子３０ａの分極軸Ｐβ１の方向と、力検出素子３０ｃの分極軸Ｐβ２の方向とが互いに反対方向を向くように配置されているので、電圧Ｖβ１に含まれる電圧成分Ｖβｔ１と、電圧Ｖβ３に含まれる電圧成分Ｖβｔ３の符号は一致しない。したがって、力検出素子３０ａから出力される電圧Ｖβ１と、力検出素子３０ｃから出力される電圧Ｖβ３の差分を取った場合、電圧成分Ｖβｔ１と電圧成分Ｖβｔ３の差分の絶対値は、減少しない。同様に、力検出素子３０ａ、３０ｃは、力検出素子３０ａの分極軸Ｐα１の方向と、力検出素子３０ｃの分極軸Ｐα２の方向とが互いに反対方向を向くように配置されているので、電圧Ｖα１に含まれる電圧成分Ｖαｔ１と、電圧Ｖα３に含まれる電圧成分Ｖαｔ３の符号は一致しない。したがって、力検出素子３０ａから出力される電圧Ｖα１と、力検出素子３０ｃから出力される電圧Ｖα３の差分を取った場合、電圧成分Ｖαｔ１と電圧成分Ｖαｔ３の差分の絶対値は、減少しない。
【００９７】
また、力検出素子３０ｂ、３０ｄは、力検出素子３０ｂの分極軸Ｐβ２の方向と、力検出素子３０ｄの分極軸Ｐβ４の方向とが互いに反対方向を向くように配置されているので、電圧Ｖβ２に含まれる電圧成分Ｖβｔ２と、電圧Ｖβ４に含まれる電圧成分Ｖβｔ４の符号は一致しない。したがって、力検出素子３０ｂから出力される電圧Ｖβ２と、力検出素子３０ｄから出力される電圧Ｖβ４の差分を取った場合、電圧成分Ｖβｔ２と電圧成分Ｖβｔ４の差分の絶対値は、減少しない。同様に、力検出素子３０ｂ、３０ｄは、力検出素子３０ｂの分極軸Ｐα２の方向と、力検出素子３０ｄの分極軸Ｐα４の方向とが互いに反対方向を向くように配置されているので、電圧Ｖα２に含まれる電圧成分Ｖαｔ２と、電圧Ｖα４に含まれる電圧成分Ｖαｔ４の符号は一致しない。したがって、力検出素子３０ｂから出力される電圧Ｖα２と、力検出素子３０ｄから出力される電圧Ｖα４の差分を取った場合、電圧成分Ｖαｔ２と電圧成分Ｖαｔ４の差分の絶対値は、減少しない。
【００９８】
また、上述のように力検出素子３０ａ、３０ｃ、３０ｂ、３０ｄは、力検出素子３０ａ、３０ｃの分極軸Ｐγ１、Ｐγ３の方向と、力検出素子３０ｂ、３０ｄの分極軸Ｐγ２、Ｐγ４の方向とが互いに反対方向を向くように構成されているので、電圧Ｖγ１、Ｖγ３に含まれる電圧成分Ｖγｔ１、Ｖγｔ３と、電圧Ｖγ２、Ｖγ４に含まれる電圧成分Ｖγｔ２、Ｖγｔ４の符号は一致しない。したがって、力検出素子３０ａ、３０ｃから出力される電圧Ｖγ１、Ｖγ３と、力検出素子３０ｂ、３０ｄから出力される電圧Ｖγ２、Ｖγ４の差分を取った場合、それらの差分の絶対値は、減少しない。
【００９９】
一方、各力検出素子３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄから出力される電圧Ｖα、Ｖβ、Ｖγに含まれる出力ドリフトＤは、分極軸Ｐα、Ｐβ、Ｐγの方向に依存しないので、各電圧Ｖα、Ｖβ、Ｖγに含まれる出力ドリフトＤの符号は、一致する。したがって、各出力ドリフトＤの差分を取った場合、その差分の絶対値は、減少する。
また、第１の素子対を構成する力検出素子３０ａ、３０ｃは、分極軸Ｐβ１の方向と分極軸Ｐβ３の方向が対向するよう、すなわち、θ１＝θ３の関係を満たすよう配置されることが好ましい。同様に、第２の素子対を構成する力検出素子３０ｂ、３０ｄは、分極軸Ｐβ２の方向と分極軸Ｐβ４の方向が対向するよう、すなわち、θ２＝θ４の関係を満たすよう配置されることが好ましい。これにより、後述する外力検出回路５０は、出力ドリフトＤを低減しつつ、６軸力を検出することができる。
【０１００】
また、力検出素子３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄは、第１の素子対を構成する力検出素子３０ａ、３０ｃの分極軸Ｐβ１、Ｐβ３の方向と、第２の素子対を構成する力検出素子３０ｂ、３０ｄの分極軸Ｐβ２、Ｐβ４の方向とが直交するよう配置されることがさらに好ましい。これにより、後述する外力検出回路５０は、出力ドリフトＤをさらに低減しつつ、６軸力を検出することができる。
【０１０１】
また、力検出素子３０ａの分極軸Ｐβ１の方向と、力検出素子３０ｃの分極軸Ｐβ３の方向とが互いに反対方向を向くよう配置されていれば、第１の素子対をなす力検出素子３０ａ、３０ｃの配置は特に限定されないが、図４（ｂ）に示すように、力検出素子３０ａと、力検出素子３０ｃが同一軸Ａ１上に配置されていることが好ましい。同様に、力検出素子３０ｂの分極軸Ｐβ２の方向と、力検出素子３０ｄの分極軸Ｐβ４の方向とが互いに反対方向を向くよう配置されていれば、第２の素子対をなす力検出素子３０ｂ、３０ｄの配置は特に限定されないが、図４（ｂ）に示すように、力検出素子３０ｂと、力検出素子３０ｄが同一軸Ａ２上に配置されていることが好ましい。これにより、ベースプレート２またはカバープレート４に加えられた６軸力を偏りなく検出することができる。
【０１０２】
また、第１の素子対と第２の素子対の位置関係は、特に限定されないが、図４（ｂ）に示すように、第１の素子対に属する力検出素子３０ａの中心と力検出素子３０ｃの中心とを結ぶ軸Ａ１と、第２の素子対に属する力検出素子３０ｂの中心と力検出素子３０ｄの中心とを結ぶ軸Ａ２とが、直交するよう第１の素子対と第２の素子対を配置することが好ましい。これにより、ベースプレート２またはカバープレート４に加えられた外力（図中のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に沿った外力）を偏りなく検出することができる。
【０１０３】
また、力検出素子３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄは、ベースプレート２またはカバープレート４の周方向に沿って、等角度間隔に配置されていることが好ましく、ベースプレート２またはカバープレート４の中心点を中心とした同心円状に、等間隔に配置されていることがさらに好ましい。これにより、ベースプレート２またはカバープレート４に加えられた外力（図中のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に沿った外力）を偏りなく検出することができる。
【０１０４】
また、図４（ｂ）の構成では、力検出素子３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの分極軸Ｐβ１、Ｐβ２、Ｐβ３、Ｐβ４は、ベースプレート２の外側（遠心方向）を向いているが、本発明はこれに限られない。すなわち、力検出素子３０ａの分極軸Ｐβ１の方向と、力検出素子３０ｃの分極軸Ｐβ３の方向とが互いに反対方向を向き、かつ、力検出素子３０ｂの分極軸Ｐβ２の方向と、力検出素子３０ｄの分極軸Ｐβ４の方向とが互いに反対方向を向くよう配置されていれば、力検出素子３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの分極軸Ｐβ１、Ｐβ２、Ｐβ３、Ｐβ４は、ベースプレート２の中心方向（向心方向）を向いていてもよい。これにより、力検出素子３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの分極軸Ｐα１、Ｐα２、Ｐα３、Ｐα４が、ベースプレート２の中心点を中心とした円の接線方向を向くこととなる。そのため、後述する外力検出回路５０は、容易にｚ軸周りの回転力成分Ｍｚを検出することができる。
【０１０５】
＜外力検出回路＞
外力検出回路５０は、力検出素子３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄのそれぞれから出力された電圧Ｖα、Ｖβ、Ｖγの差分を取ることにより、ｘ軸方向の並進力成分（せん断力）Ｆｘ、ｙ軸方向の並進力成分（せん断力）Ｆｙ、ｚ軸方向の並進力成分（圧縮／引張力）Ｆｚ、ｘ軸周りの回転力成分Ｍｘ、ｙ軸周りの回転力成分Ｍｙ、ｚ軸周りの回転力成分Ｍｚの６軸力を演算する機能を有する。各力成分は、以下の式により求めることができる。なお、式の単純化のため、力検出素子３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄは、図４（ｂ）に示すように、ベースプレート２またはカバープレート４の中心点を中心とした半径Ｌの同心円状に配置されているものとするが、本発明はこれに限られない。
【０１０６】
【数４】
2014163870.tif 000006
【０１０７】
ここでＬは、定数である。
このように、各力検出素子３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄから出力された各電圧Ｖα、Ｖβ、Ｖγの差分を取ることにより、コンデンサ３４に蓄積される電荷量に比例する電圧成分（真の値）Ｖαｔ、Ｖβｔ、Ｖγｔの差分の絶対値は減少させず、出力ドリフトＤの絶対値は減少させることができる。その結果、出力ドリフトＤを低減することができ、力検出装置１ｂの検出精度および検出分解能を向上させることができる。また、上述した出力ドリフトＤの低減方法は、測定時間が長くなった場合であっても有効なので、力検出装置１ｂの測定時間を長くすることができる。
さらに、角度θ１、θ２、θ３、θ４がθ１＝θ３、θ２＝θ４を満たす場合、上記算出式は単純化され、以下のようになる。
【０１０８】
【数５】
2014163870.tif 000007
【０１０９】
この場合、出力ドリフトＤを除去することができる。その結果、力検出装置１ｂの検出精度および検出分解能をさらに向上させることができる。また、力検出装置１ｂの測定時間をさらに長くすることができる。
さらに、角度θ１、θ２、θ３、θ４がθ１＝θ３＝π／２、θ２＝θ４＝０を満たす場合、上記算出式はさらに単純化され、以下のようになる。
【０１１０】
【数６】
2014163870.tif 000008
【０１１１】
このように、外力検出回路５０は、各力検出素子３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄから出力された各電圧Ｖα、Ｖβ、Ｖγの差分を取ることにより、変換回路３２ａ、３２ｂ、３２ｃのスイッチング素子３５のリーク電流に起因する出力ドリフトＤを低減しつつ、６軸力を検出することができる。その結果、リーク電流（出力ドリフトＤ）に起因する検出誤差が相対的に小さくなり、力検出装置１ｂの検出精度および検出分解能を向上させることができる。また、上述した出力ドリフトＤの低減方法は、測定時間が長くなった場合であっても有効なので、力検出装置１ｂの測定時間を長くすることができる。さらに、本発明の力検出装置１ｂでは、逆バイアス回路のような出力ドリフトを低減するための回路が不要なので、力検出装置１ｂを小型化できる。
【０１１２】
なお、本実施形態の力検出装置１ｂは、第１の素子対をなす力検出素子３０ａ、３０ｃおよび第２の素子対をなす力検出素子３０ｃ、３０ｄの２対の素子対を有しているが、本発明はこれに限られない。力検出装置１ｂが図４（ｂ）のように第１の素子対および第２の素子対の２対の素子対の２対の素子対を有する場合、上述のように非常に単純な演算によって６軸力を求めることができるので、外力検出回路５０を簡略化することができる。また、力検出装置１ｂが３対以上の素子対を有する場合、より高い精度で６軸力を検出することができる。
【０１１３】
＜第３実施形態＞
次に、次に、図７に基づき、本発明の第３実施形態である単腕ロボットを説明する。以下、第３実施形態について、前述した第１および第２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。
図７は、本発明の力検出装置１（１ａまたは１ｂ）を用いた単腕ロボットの１例を示す図である。図７の単腕ロボット５００は、基台５１０と、アーム連結体５２０と、アーム連結体５２０の先端側に設けられたエンドエフェクタ５３０と、アーム連結体５２０とエンドエフェクタ５３０との間に設けられた本発明の力検出装置１（１ａまたは１ｂ）とを有する。
【０１１４】
基台５１０は、アーム連結体５２０を回動させるための動力を発生させるアクチュエーター（図示せず）およびアクチュエーターを制御する制御部（図示せず）等を収納する機能を有する。また、基台５１０は、例えば、床、壁、天井、移動可能な台車上などに固定される。
アーム連結体５２０は、第１のアーム５２１、第２のアーム５２２、第３のアーム５２３、第４のアーム５２４および第５のアーム５２５を有しており、隣り合うアーム同士を回動自在に連結することにより構成されている。アーム連結体５２０は、制御部の制御によって、各アームの連結部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。
エンドエフェクタ５３０は、対象物を把持する機能を有する。エンドエフェクタ５３０は、第１の指５３１および第２の指５３２を有している。アーム連結体５２０の駆動によりエンドエフェクタ５３０が所定の動作位置まで到達した後、第１の指５３１および第２の指５３２の離間距離を調整することにより、対象物を把持することができる。
【０１１５】
力検出装置１は、エンドエフェクタ５３０に加えられる外力を検出する機能を有する。力検出装置１が検出する外力を基台５１０の制御部にフィードバックすることにより、単腕ロボット５００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６軸力によって、単腕ロボット５００は、エンドエフェクタ５３０の障害物への接触等を検知することができる。そのため、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、単腕ロボット５００は、より安全に作業を実行することができる。さらに、本発明の力検出装置１では、逆バイアス回路のような出力ドリフトを低減するための回路が不要なので、力検出装置１を小型化できる。そのため、単腕ロボット５００を小型化することができる。
なお、図示の構成では、アーム連結体５２０は、合計５本のアームによって構成されているが、本発明はこれに限られない。アーム連結体５２０が、１本のアームに構成されている場合、２〜４本のアームによって構成されている場合、６本以上のアームによって構成されている場合も本発明の範囲内である。
【０１１６】
＜第４実施形態＞
次に、図８に基づき、本発明の第４実施形態である複腕ロボットを説明する。以下、第５実施形態について、前述した第１、第２および第３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。
図８は、本発明の力検出装置１（１ａまたは１ｂ）を用いた複腕ロボットの１例を示す図である。図８の複腕ロボット６００は、基台６１０と、第１のアーム連結体６２０と、第２のアーム連結体６３０と、第１のアーム連結体６２０の先端側に設けられた第１のエンドエフェクタ６４０ａと、第２のアーム連結体６３０の先端側に設けられた第２のエンドエフェクタ６４０ｂと、第１のアーム連結体６２０と第１のエンドエフェクタ６４０ａ間および第２のアーム連結体６３０と第２のエンドエフェクタ６４０ｂとの間に設けられた本発明の力検出装置１（１ａまたは１ｂ）を有する。
【０１１７】
基台６１０は、第１のアーム連結体６２０および第２のアーム連結体６３０を回動させるための動力を発生させるアクチュエーター（図示せず）およびアクチュエーターを制御する制御部（図示せず）等を収納する機能を有する。また、基台６１０は、例えば、床、壁、天井、移動可能な台車上などに固定される。
第１のアーム連結体６２０は、第１のアーム６２１および第２のアーム６２２を回動自在に連結することにより構成されている。第２のアーム連結体６３０は、第１のアーム６３１および第２のアーム６３２を回動自在に連結することにより構成されている。第１のアーム連結体６２０および第２のアーム連結体６３０は、制御部の制御によって、各アームの連結部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。
【０１１８】
第１のエンドエフェクタ６４０ａおよび第２のエンドエフェクタ６４０ｂは、対象物を把持する機能を有する。第１のエンドエフェクタ６４０ａは、第１の指６４１ａおよび第２の指６４２ａを有している。第２のエンドエフェクタ６４０ｂは、第１の指６４１ｂおよび第２の指６４２ｂを有している。第１のアーム連結体６２０の駆動により第１のエンドエフェクタ６４０ａが所定の動作位置まで到達した後、第１の指６４１ａおよび第２の指６４２ａの離間距離を調整することにより、対象物を把持することができる。同様に、第２のアーム連結体６３０の駆動により第２のエンドエフェクタ６４０ｂが所定の動作位置まで到達した後、第１の指６４１ｂおよび第２の指６４２ｂの離間距離を調整することにより、対象物を把持することができる。
【０１１９】
力検出装置１は、第１のエンドエフェクタ６４０ａまたは第２のエンドエフェクタ６４０ｂに加えられる外力を検出する機能を有する。力検出装置１が検出する外力を基台６１０の制御部にフィードバックすることにより、複腕ロボット６００は、より精密に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６軸力によって、複腕ロボット６００は、第１のエンドエフェクタ６４０ａまたは第２のエンドエフェクタ６４０ｂの障害物への接触等を検知することができる。そのため、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、複腕ロボット６００は、より安全に作業を実行することができる。さらに、本発明の力検出装置１では、逆バイアス回路のような出力ドリフトを低減するための回路が不要なので、力検出装置１を小型化できる。そのため、複腕ロボット６００を小型化することができる。
なお、図示の構成では、アーム連結体は合計２本であるが、本発明はこれに限られない。複腕ロボット６００が３本以上のアーム連結体を有している場合も、本発明の範囲内である。
【０１２０】
＜第５実施形態＞
次に、図９、１０に基づき、本発明の第５実施形態である電子部品検査装置および電子部品搬送装置を説明する。以下、第５実施形態について、前述した第１、第２、第３および第４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。
図９は、本発明の力検出装置１（１ａまたは１ｂ）を用いた電子部品検査装置および電子部品搬送装置の１例を示す図である。図１０は、本発明の力検出装置を用いた電子部品搬送装置の１例を示す図である。
【０１２１】
図９の電子部品検査装置７００は、基台７１０と、基台７１０の側面に立設された支持台７２０とを有する。基台７１０の上面には、検査対象の電子部品７１１が載置されて搬送される上流側ステージ７１２ｕと、検査済みの電子部品７１１が載置されて搬送される下流側ステージ７１２ｄとが設けられている。また、上流側ステージ７１２ｕと下流側ステージ７１２ｄとの間には、電子部品７１１の姿勢を確認するための撮像装置７１３と、電気的特性を検査するために電子部品７１１がセットされる検査台７１４とが設けられている。なお、電子部品７１１の例として、半導体、半導体ウェハー、ＣＬＤやＯＬＥＤ等の表示デバイス、水晶デバイス、各種センサ、インクジェットヘッド、各種ＭＥＭＳデバイス等などが挙げられる。
【０１２２】
また、支持台７２０には、基台７１０の上流側ステージ７１２ｕおよび下流側ステージ７１２ｄと平行な方向（Ｙ方向）に移動可能にＹステージ７３１が設けられており、Ｙステージ７３１からは、基台７１０に向かう方向（Ｘ方向）に腕部７３２が延設されている。また、腕部７３２の側面には、Ｘ方向に移動可能にＸステージ７３３が設けられている。また、Ｘステージ７３３には、撮像カメラ７３４と、上下方向（Ｚ方向）に移動可能なＺステージを内蔵した電子部品搬送装置７４０が設けられている。また、電子部品搬送装置７４０の先端側には、電子部品７１１を把持する把持部７４１が設けられている。また、電子部品搬送装置７４０の先端と、把持部７４１との間には、本発明の力検出装置１（１ａまたは１ｂ）が設けられている。更に、基台７１０の前面側には、電子部品検査装置７００の全体の動作を制御する制御装置７５０が設けられている。
【０１２３】
電子部品検査装置７００は、以下のようにして電子部品７１１の検査を行う。最初に、検査対象の電子部品７１１は、上流側ステージ７１２ｕに載せられて、検査台７１４の近くまで移動する。次に、Ｙステージ７３１およびＸステージ７３３を動かして、上流側ステージ７１２ｕに載置された電子部品７１１の真上の位置まで電子部品搬送装置７４０を移動させる。このとき、撮像カメラ７３４を用いて電子部品７１１の位置を確認することができる。そして、電子部品搬送装置７４０内に内蔵されたＺステージを用いて電子部品搬送装置７４０を降下させ、把持部７４１で電子部品７１１を把持すると、そのまま電子部品搬送装置７４０を撮像装置７１３の上に移動させて、撮像装置７１３を用いて電子部品７１１の姿勢を確認する。次に、電子部品搬送装置７４０に内蔵されている微調整機構を用いて電子部品７１１の姿勢を調整する。そして、電子部品搬送装置７４０を検査台７１４の上まで移動させた後、電子部品搬送装置７４０に内蔵されたＺステージを動かして電子部品７１１を検査台７１４の上にセットする。電子部品搬送装置７４０内の微調整機構を用いて電子部品７１１の姿勢が調整されているので、検査台７１４の正しい位置に電子部品７１１をセットすることができる。次に、検査台７１４を用いて電子部品７１１の電気的特性検査が終了した後、今度は検査台７１４から電子部品７１１を取り上げ、Ｙステージ７３１およびＸステージ７３３を動かして、下流側ステージ７１２ｄ上まで電子部品搬送装置７４０を移動させ、下流側ステージ７１２ｄに電子部品７１１を置く。最後に、下流側ステージ７１２ｄを動かして、検査が終了した電子部品７１１を所定位置まで搬送する。
【０１２４】
図１０は、本発明の力検出装置１（１ａまたは１ｂ）を含む電子部品搬送装置７４０を示す図である。電子部品搬送装置７４０は、把持部７４１と、把持部７４１に接続された力検出装置１と、力検出装置１を介して把持部７４１に接続された回転軸７４２と、回転軸７４２に回転可能に取り付けられた微調整プレート７４３を有する。また、微調整プレート７４３は、ガイド機構（図示せず）によってガイドされながら、Ｘ方向およびＹ方向に移動可能である。
【０１２５】
また、回転軸７４２の端面に向けて、回転方向用の圧電モーター７４４θが搭載されており、圧電モーター７４４θの駆動凸部（図示せず）が回転軸７４２の端面に押しつけられている。このため、圧電モーター７４４θを動作させることによって、回転軸７４２（および把持部７４１）をθ方向に任意の角度だけ回転させることが可能である。また、微調整プレート７４３に向けて、Ｘ方向用の圧電モーター７４４ｘと、Ｙ方向用の圧電モーター７４４ｙとが設けられており、それぞれの駆動凸部（図示せず）が微調整プレート７４３の表面に押しつけられている。このため、圧電モーター７４４ｘを動作させることによって、微調整プレート７４３（および把持部７４１）をＸ方向に任意の距離だけ移動させることができ、同様に、圧電モーター７４４ｙを動作させることによって、微調整プレート７４３（および把持部７４１）をＹ方向に任意の距離だけ移動させることが可能である。
【０１２６】
また、力検出装置１は、把持部７４１に加えられる外力を検出する機能を有する。力検出装置１が検出する外力を制御装置７５０にフィードバックすることにより、電子部品搬送装置７４０および電子部品検査装置７００は、より精密に作業を実行することができる。また、力検出装置１が検出する外力によって、把持部７４１の障害物への接触等を検知することができる。そのため、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、電子部品搬送装置７４０および電子部品検査装置７００は、より安全な作業を実行可能である。さらに、本発明の力検出装置１では、逆バイアス回路のような出力ドリフトを低減するための回路が不要なので、力検出装置１を小型化できる。そのため、電子部品搬送装置７４０および電子部品検査装置７００を小型化することができる。
【０１２７】
＜第６実施形態＞
次に、図１１に基づき、本発明の第６実施形態である部品加工装置を説明する。以下、第６実施形態について、前述した第１、第２、第３、第４および第５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。
図１１は、本発明の力検出装置１（１ａまたは１ｂ）を用いた部品加工装置の１例を示す図である。図１１の部品加工装置８００は、基台８１０と、基台８１０の上面に起立形成された支柱８２０と、支柱８２０の側面に設けられた送り機構８３０と、送り機構８３０に昇降可能に取り付けられた工具変位部８４０と、工具変位部８４０に接続された本発明の力検出装置１（１ａまたは１ｂ）と、力検出装置１を介して工具変位部８４０に装着された工具８５０を有する。
【０１２８】
基台８１０は、被加工部品８６０を載置し、固定するための台である。支柱８２０は、送り機構８３０を固定するための柱である。送り機構８３０は、工具変位部８４０を昇降させる機能を有する。送り機構８３０は、送り用モーター８３１と、送り用モーター８３１からの出力に基づいて工具変位部８４０を昇降させるガイド８３２を有する。工具変位部８４０は、工具８５０に回転、振動等の変位を与える機能を有する。工具変位部８４０は、変位用モーター８４１と、変位用モーター８４１に連結された主軸（図示せず）の先端に設けられた工具取付け部８４３と、工具変位部８４０に取り付けられ主軸を保持する保持部８４２とを有する。工具８５０は、工具変位部８４０の工具取付け部８４３に、力検出装置１を介して取り付けられ、工具変位部８４０から与えられる変位に応じて被加工部品８６０を加工するために用いられる。工具８５０は、特に限定されないが、例えば、レンチ、プラスドライバー、マイナスドライバー、カッター、丸のこ、ニッパ、錐、ドリル、フライス等である。
【０１２９】
力検出装置１は、工具８５０に加えられる外力を検出する機能を有する。力検出装置１が検出する外力を送り用モーター８３１や変位用モーター８４１にフィードバックすることにより、部品加工装置８００は、より精密に部品加工作業を実行することができる。また、力検出装置１が検出する外力によって、工具８５０の障害物への接触等を検知することができる。そのため、工具８５０に障害物等が接触した場合に緊急停止することができ、部品加工装置８００は、より安全な部品加工作業を実行可能である。さらに、本発明の力検出装置１では、逆バイアス回路のような出力ドリフトを低減するための回路が不要なので、力検出装置１を小型化できる。そのため、部品加工装置８００を小型化することができる。
【０１３０】
＜第７実施形態＞
次に、図１２に基づき、本発明の第７実施形態である移動体を説明する。以下、第７実施形態について、前述した第１、第２、第３、第４、第５および第６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。
図１２は、本発明の力検出装置１（１ａまたは１ｂ）を用いた移動体の１例を示す図である。図１２の移動体９００は、与えられた動力により移動することができる。移動体９００は、特に限定されないが、例えば、自動車、バイク、飛行機、船、電車等の乗り物、２足歩行ロボット、車輪移動ロボット等のロボット等である。
【０１３１】
移動体９００は、本体９１０（例えば、乗り物の筐体、ロボットのメインボディ等）と、本体９１０を移動させるための動力を供給する動力部９２０と、本体９１０の移動により発生する外力を検出する本発明の力検出装置１（１ａまたは１ｂ）と、制御部９３０を有する。
動力部９２０から供給された動力によって本体９１０が移動すると、移動に伴い振動や加速度等が生じる。力検出装置１は、移動に伴い生じた振動や加速度等による外力を検出する。力検出装置１によって検出された外力は、制御部９３０に伝達される。制御部９３０は、力検出装置１から伝達された外力に応じて動力部９２０等を制御することにより、姿勢制御、振動制御および加速制御等の制御を実行することができる。さらに、本発明の力検出装置１では、逆バイアス回路のような出力ドリフトを低減するための回路が不要なので、力検出装置１を小型化できる。そのため、移動体９００を小型化することができる。
また、本発明の力検出装置１（１ａ、１ｂ）は、振動計、加速度計、重力計、動力計、地震計または傾斜計等の各種測定機器にも適用可能であり、本発明の力検出装置１を用いた各種測定機器も本発明の範囲内である。
【０１３２】
以上、本発明の力検出装置、並びに該力検出装置を用いたロボット、電子部品搬送装置、電子部品検査装置、部品加工装置および移動体を、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、本発明は、前記実施形態のうちの、任意の２以上の構成（特徴）を組み合わせたものであってもよい。
【符号の説明】
【０１３３】
１、１ａ、１ｂ…力検出装置  ２…ベースプレート  ３ａ、３ｂ…力検出素子  ４…カバープレート  ５…外力検出回路  ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ…力検出素子  ３１…電荷出力素子  ３２、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ…変換回路  ３３…オペアンプ  ３４…コンデンサ  ３５…スイッチング素子  ３０１ａ…第１の電荷出力素子  ３０１ｂ…第２の電荷出力素子  ３１０…グランド電極層  ３２０…β軸用センサ  ３２１…第１の圧電体層  ３２２…出力電極層  ３２３…第２の圧電体層  ３３０…第１のγ軸用センサ  ３３１…第３の圧電体層  ３３２…出力電極層  ３３３…第４の圧電体層  ３４０…第１のα軸用センサ  ３４１…第５の圧電体層  ３４２…出力電極層  ３４３…第６の圧電体層  ３５０…第２のγ軸用センサ  ３６０…第２のα軸用センサ  ５０…外力検出回路  ５００…単腕ロボット  ５１０…基台  ５２０…アーム連結体  ５２１…第１のアーム  ５２２…第２のアーム  ５２３…第３のアーム  ５２４…第４のアーム  ５２５…第５のアーム  ５３０…エンドエフェクタ  ５３１…第１の指  ５３２…第２の指  ６００…複腕ロボット  ６１０…基台  ６２０…第１のアーム連結体  ６２１…第１のアーム  ６２２…第２のアーム  ６３０…第２のアーム連結体  ６３１…第１のアーム  ６３２…第２のアーム  ６４０ａ…第１のエンドエフェクタ  ６４１ａ…第１の指  ６４２ａ…第２の指  ６４０ｂ…第２のエンドエフェクタ  ６４１ｂ…第１の指  ６４２ｂ…第２の指  ７００…電子部品検査装置  ７１０…基台  ７１１…電子部品  ７１２ｕ…上流側ステージ  ７１２ｄ…下流側ステージ  ７１３…撮像装置  ７１４…検査台  ７２０…支持台  ７３１…Ｙステージ  ７３２…腕部  ７３３…Ｘステージ  ７３４…撮像カメラ  ７４０…電子部品搬送装置  ７４１…把持部  ７４２…回転軸  ７４３…微調整プレート  ７４４ｘ、７４４ｙ、７４４θ…圧電モーター  ７５０…制御装置  ８００…部品加工装置  ８１０…基台  ８２０…支柱  ８３０…送り機構  ８３１…送り用モーター  ８３２…ガイド  ８４０…工具変位部  ８４１…変位用モーター  ８４２…保持部  ８４３…工具取付け部  ８５０…工具  ８６０…被加工部品  ９００…移動体  ９１０…本体  ９２０…動力部  ９３０…制御部  Ａ１、Ａ２…軸  ＣＡ１…第１の結晶軸  ＣＡ２…第２の結晶軸  ＣＡ３…第３の結晶軸  ＣＡ４…第４の結晶軸  ＣＡ５…第５の結晶軸  ＣＡ６…第６の結晶軸  Ｐα、Ｐα１、Ｐα２、Ｐα３、Ｐα４…分極軸  Ｐβ、Ｐβ１、Ｐβ２、Ｐβ３、Ｐβ４…分極軸  Ｐγ、Ｐγ１、Ｐγ２、Ｐγ３、Ｐγ４…分極軸  Ｑ、Ｑ１、Ｑ２、Ｑα、Ｑβ、Ｑγ…電荷  Ｖ１、Ｖ２、Ｖα、Ｖβ、Ｖγ…電圧  θ１、θ２、θ３、θ４…角度
【図１】
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【図２】
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【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】
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【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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