(57)【要約】【課題】小型かつ出力ドリフトが低減された力検出装置、並びに該力検出装置を用いたロボット、電子部品搬送装置および電子部品検査装置を提供する。【解決手段】力検出装置１ａは、受けた外力に応じて電荷Ｑを出力する素子１０ａと、第１のスイッチング素子２３と、第１のコンデンサ２２とを有し、電荷Ｑを電圧Ｖに変換して前記電圧を出力する変換出力回路２０と、第２のスイッチング素子３３と、第２のコンデンサ３２とを有し、補償用信号Ｖｏｆｆを出力する補償用信号出力回路３０と、変換出力回路２０から出力される電圧Ｖと、補償用信号出力回路３０から出力される補償用信号Ｖｏｆｆとに基づき、外力を検出する外力検出回路４０ａとを備える。第２のコンデンサ３２の静電容量は、第１のコンデンサ２２の静電容量より小さい。【選択図】図１
2014159967.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受けた外力に応じて電荷を出力する素子と、
第１のスイッチング素子と、第１のコンデンサとを有し、前記電荷を電圧に変換して前記電圧を出力する変換出力回路と、
第２のスイッチング素子と、第２のコンデンサとを有し、補償用信号を出力する補償用信号出力回路と、
前記変換出力回路から出力される前記電圧と、前記補償用信号出力回路から出力される前記補償用信号とに基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備え、
前記第２のコンデンサの静電容量は、前記第１のコンデンサの静電容量より小さいことを特徴とする力検出装置。
【請求項２】
前記第１のコンデンサの前記静電容量をＣ１、前記第２のコンデンサの前記静電容量をＣ２としたとき、Ｃ２／Ｃ１が０．１〜０．８である請求項１に記載の力検出装置。
【請求項３】
前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子は、リーク電流が生じる半導体スイッチング素子であり、
前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子は、前記第１のスイッチング素子の前記リーク電流と前記第２のスイッチング素子の前記リーク電流が連動するよう、同一の半導体基板上に実装されており、
前記補償信号出力回路は、前記第２のスイッチング素子の前記リーク電流を検出し、検出した前記リーク電流を前記補償用信号として出力する請求項１または２に記載の力検出装置。
【請求項４】
前記外力検出回路は、前記変換出力回路から出力された前記電圧と、前記補償用信号出力回路から出力された前記補償用信号との少なくとも一方にゲインを与えて補正を行うゲイン補正部を有し、
前記外力検出回路は、前記ゲイン補正部によって補正された前記電圧と、前記補償用信号との差分を取ることにより、前記外力を検出する請求項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】
前記素子は、グランドに接地された複数のグランド電極層と、少なくとも３つのセンサとを積層することにより構成され、
前記各センサの力検出方向は、互いに直交している請求項１ないし４のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項６】
前記センサの少なくとも１つは、Ｘカット水晶を含み、
前記センサの少なくとも２つは、Ｙカット水晶を含んでいる請求項５に記載の力検出装置。
【請求項７】
前記各センサはそれぞれ、
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５または６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、第１の基板と、前記第１の基板と対向する第２の基板とをさらに備え、
前記素子は、前記第１の基板と前記第２の基板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】
前記力検出装置は、複数の前記素子を有し、
前記各素子は、前記第１の基板または前記第２の基板の周方向に沿って、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荷を出力する素子と、
第１のスイッチング素子と、第１のコンデンサとを有し、前記電荷を電圧に変換して前記電圧を出力する変換出力回路と、
第２のスイッチング素子と、第２のコンデンサとを有し、補償用信号を出力する補償用信号出力回路と、
前記変換出力回路から出力される前記電圧と、前記補償用信号出力回路から出力される前記補償用信号とに基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備え、
前記第２のコンデンサの静電容量は、前記第１のコンデンサの静電容量より小さいことを特徴とするロボット。
【請求項１２】
モーターと、
前記モーターにより駆動され、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荷を出力する素子と、
第１のスイッチング素子と、第１のコンデンサとを有し、前記電荷を電圧に変換して前記電圧を出力する変換出力回路と、
第２のスイッチング素子と、第２のコンデンサとを有し、補償用信号を出力する補償用信号出力回路と、
前記変換出力回路から出力される前記電圧と、前記補償用信号出力回路から出力される前記補償用信号とに基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備え、
前記第２のコンデンサの静電容量は、前記第１のコンデンサの静電容量より小さいことを特徴とする電子部品搬送装置。
【請求項１３】
モーターと、
前記モーターにより駆動され、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荷を出力する素子と、
第１のスイッチング素子と、第１のコンデンサとを有し、前記電荷を電圧に変換して前記電圧を出力する変換出力回路と、
第２のスイッチング素子と、第２のコンデンサとを有し、補償用信号を出力する補償用信号出力回路と、
前記変換出力回路から出力される前記電圧と、前記補償用信号出力回路から出力される前記補償用信号とに基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備え、
前記第２のコンデンサの静電容量は、前記第１のコンデンサの静電容量より小さいことを特徴とする電子部品検査装置。
【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、電子部品搬送装置および電子部品検査装置に関する。
【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、アーム先端側に取り付けられる、ハンド、部品検査用器具または部品搬送用器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、部品加工作業等の部品製造作業、部品搬送作業および部品検査作業等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。産業用ロボットに用いられる力検出装置としては、例えば、特許文献１に開示されているような力検出装置が用いられる。特許文献１の力検出装置は、受けた外力に応じて電荷を出力する電荷出力素子（圧電素子）と、電荷出力素子から出力された電荷を増幅する増幅器と、電荷出力素子から出力される電荷を電圧に変換するためのコンデンサと、コンデンサの端子間を短絡し、コンデンサに蓄積された電荷をリセットするための機械式リレーを有するリセット回路とから構成されている。このような構成を有することにより、特許文献１の力検出装置は、電荷出力素子に任意の１軸に沿って加えられた外力を検出することができる。
【０００４】
しかしながら、産業用ロボットのエンドエフェクタを制御するためには、６軸力（すなわち、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）の検出が必要な場合がある。このような場合、特許文献１が開示するような力検出装置を少なくとも３つ組み合わせて３軸力（ｘ、ｙ、ｚ軸方向の並進力）を検出可能とした３軸力検出装置を構成し、該３軸力検出装置を少なくとも３つ産業用ロボットのリストに搭載する必要がある。
【０００５】
このような産業用ロボットのリストに搭載される力検出装置のサイズが大きいと、リストの稼働領域が狭まってしまう場合がある。また、力検出装置のサイズが厚いと、産業用ロボットの関節部分からエンドエフェクタの末端までの距離が長くなるため、産業用ロボットの可搬重量が少なくなる場合がある。したがって、力検出装置は小型および軽量であることが好ましい。
【０００６】
このような課題を解決するために、様々な方法が提案されている。例えば、特許文献２には、リセット回路として半導体スイッチング素子を用いた力検出装置が開示されている。機械式リレーと比較して、半導体スイッチング素子は小型および軽量であるので、リセット回路として半導体スイッチング素子を用いることにより、装置全体を小型および軽量化することができる。
【０００７】
しかしながら、リセット回路として半導体スイッチング素子を使用すると、半導体スイッチング素子のリーク電流による出力ドリフトが発生してしまう。このような出力ドリフトは、力検出装置の検出分解能および検出精度を低下させることから好ましくない。さらに、出力ドリフトは、力検出装置の測定（稼働）時間に比例して蓄積されるので、力検出装置の測定可能時間を長くすることができないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平５−９５２３７号公報
【特許文献２】特開平１１−１４８８７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、小型かつ出力ドリフトが低減された力検出装置、並びに該力検出装置を用いたロボット、電子部品搬送装置および電子部品検査装置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】
【００１０】
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、受けた外力に応じて電荷を出力する素子と、第１のスイッチング素子と、第１のコンデンサとを有し、前記電荷を電圧に変換して前記電圧を出力する変換出力回路と、第２のスイッチング素子と、第２のコンデンサとを有し、補償用信号を出力する補償用信号出力回路と、前記変換出力回路から出力される前記電圧と、前記補償用信号出力回路から出力される前記補償用信号とに基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備え、
前記第２のコンデンサの静電容量は、前記第１のコンデンサの静電容量より小さいことを特徴とする。
【００１１】
これにより、補償用信号出力回路が出力した補償用信号を用いて、変換出力回路から出力される電圧を補償することができる。その結果、より精度の高い力検出を行うことができる。また、第２のコンデンサの静電容量は、第１のコンデンサの静電容量より小さいので、補償用信号出力回路は、より正確に第２のスイッチング素子から補償用信号を取得することができる。その結果、より正確に変換出力回路から出力される電圧を補償することができる。
【００１２】
本発明の力検出装置では、前記第１のコンデンサの前記静電容量をＣ１、前記第２のコンデンサの前記静電容量をＣ２としたとき、Ｃ２／Ｃ１が０．１〜０．８であることが好ましい。
静電容量比Ｃ２／Ｃ１が上記下限値を下回ると、第２のコンデンサが飽和する場合がある。一方、静電容量比Ｃ２／Ｃ１が上記上限値を上回ると、第２のスイッチング素子から補償用信号を正確に取得できない場合がある。
【００１３】
本発明の力検出装置では、前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子は、リーク電流が生じる半導体スイッチング素子であり、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子は、前記第１のスイッチング素子の前記リーク電流と前記第２のスイッチング素子の前記リーク電流が連動するよう、同一の半導体基板上に実装されており、前記補償信号出力回路は、前記第２のスイッチング素子の前記リーク電流を検出し、検出した前記リーク電流を前記補償用信号として出力することが好ましい。
これにより、補償用信号出力回路は、第２のスイッチング素子のリーク電流を検出することにより、第１のスイッチング素子のリーク電流を間接的に取得することができる。
【００１４】
本発明の力検出装置では、前記外力検出回路は、前記変換出力回路から出力された前記電圧と、前記補償用信号出力回路から出力された前記補償用信号との少なくとも一方にゲインを与えて補正を行うゲイン補正部を有し、前記外力検出回路は、前記ゲイン補正部によって補正された前記電圧と、前記補償用信号との差分を取ることにより、前記外力を検出することが好ましい。
これにより、第１のコンデンサの静電容量Ｃ１と第２のコンデンサの静電容量Ｃ２の差に起因する、電圧と補償用信号の感度差を補正することができる。
【００１５】
本発明の力検出装置では、前記素子は、グランドに接地された複数のグランド電極層と、少なくとも３つのセンサとを積層することにより構成され、前記各センサの力検出方向は、互いに直交していることが好ましい。
これにより、素子は、互いに直交する３軸に沿った外力のそれぞれに応じて電荷を出力することができる。
【００１６】
本発明の力検出装置では、前記センサの少なくとも１つは、Ｘカット水晶を含み、前記センサの少なくとも２つは、Ｙカット水晶を含んでいることが好ましい。
これにより、素子は、せん断力と圧縮力のそれぞれに応じた電荷を出力することができる。
本発明の力検出装置では、前記各センサはそれぞれ、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。
【００１７】
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。
本発明の力検出装置は、第１の基板と、前記第１の基板と対向する第２の基板とをさらに備え、前記素子は、前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられていることが好ましい。
これにより、第１の基板または第２の基板に加えられる外力を検出することができる。
【００１８】
本発明の力検出装置は、複数の前記素子を有し、
前記各素子は、前記第１の基板または前記第２の基板の周方向に沿って、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。
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荷を出力する素子と、第１のスイッチング素子と、第１のコンデンサとを有し、前記電荷を電圧に変換して前記電圧を出力する変換出力回路と、第２のスイッチング素子と、第２のコンデンサとを有し、補償用信号を出力する補償用信号出力回路と、前記変換出力回路から出力される前記電圧と、前記補償用信号出力回路から出力される前記補償用信号とに基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備え、
前記第２のコンデンサの静電容量は、前記第１のコンデンサの静電容量より小さいことを特徴とする。
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。
【００１９】
本発明の電子部品搬送装置は、モーターと、前記モーターにより駆動され、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荷を出力する素子と、第１のスイッチング素子と、第１のコンデンサとを有し、前記電荷を電圧に変換して前記電圧を出力する変換出力回路と、第２のスイッチング素子と、第２のコンデンサとを有し、補償用信号を出力する補償用信号出力回路と、前記変換出力回路から出力される前記電圧と、前記補償用信号出力回路から出力される前記補償用信号とに基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備え、
前記第１のコンデンサの静電容量は、前記第２のコンデンサの静電容量より大きいことを特徴とする。
【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搬送作業を実行することができる。
【００２１】
本発明の電子部品検査装置は、モーターと、前記モーターにより駆動され、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荷を出力する素子と、第１のスイッチング素子と、第１のコンデンサとを有し、前記電荷を電圧に変換して前記電圧を出力する変換出力回路と、第２のスイッチング素子と、第２のコンデンサとを有し、補償用信号を出力する補償用信号出力回路と、前記変換出力回路から出力される前記電圧と、前記補償用信号出力回路から出力される前記補償用信号とに基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備え、
前記第１のコンデンサの静電容量は、前記第２のコンデンサの静電容量より大きいことを特徴とする。
【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。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【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回路図である。
【図２】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３】図１に示す力検出装置のコンデンサの実装例を示す断面図および平面図である。
【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回路図である。
【図５】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６】本発明の力検出装置の第３実施形態を概略的に示す斜視図である。
【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。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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は、本発明の力検出装置の第１実施形態を概略的に示す回路図である。図２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。図３は、図１に示す力検出装置のコンデンサの実装例を示す断面図および平面図である。
【００２５】
図１に示す力検出装置１ａは、任意の１軸（ｘ軸、ｙ軸またはｚ軸）に沿って加えられた外力を検出する機能を有する。力検出装置１ａは、任意の１軸に沿って加えられた（受けた）外力に応じて電荷Ｑを出力する電荷出力素子（素子）１０ａと、電荷出力素子１０ａから出力された電荷Ｑを電圧Ｖに変換し、電圧Ｖを出力する変換出力回路２０と、補償用信号Ｖｏｆｆを出力する補償用信号出力回路３０と、変換出力回路２０から出力される電圧Ｖと、補償用信号出力回路３０から出力される補償用信号Ｖｏｆｆとに基づき、加えられた外力を検出する外力検出回路４０ａとを備えている。
【００２６】
＜電荷出力素子（素子）＞
図２に示す電荷出力素子１０ａは、図２中のβ軸に沿って加えられた（受けた）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１０ａは、２つのグランド電極層１１と、２つのグランド電極層１１の間に設けられたセンサ１２を有する。なお、図２において、グランド電極層１１およびセンサ１２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、グランド電極層１１と、センサ１２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１１の幅が、センサ１２の幅よりも広くてもよいし、その逆であってもよい。
【００２７】
グランド電極層１１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１１を構成する材料は、特に限定されないが、例えば、金、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。これらの中でも特に、鉄合金であるステンレスを用いるのが好ましい。ステンレスにより構成されたグランド電極層１１は、優れた耐久性および耐食性を有する。
【００２８】
センサ１２は、β軸に沿って加えられた（受けた）外力（せん断力）に応じて電荷Ｑを出力する機能を有する。このセンサ１２は、β軸の正方向に沿って加えられ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。
センサ１２は、第１の結晶軸ＣＡ１を有する第１の圧電体層１２１と、第１の圧電体層１２１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１２３と、第１の圧電体層１２１と第２の圧電体層１２３との間に設けられ、電荷Ｑを出力する出力電極層１２２を有する。
【００２９】
第１の圧電体層１２１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１２１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１２１内に電荷が誘起される。その結果、第１の圧電体層１２１の出力電極層１２２側表面近傍には正電荷が集まり、第１の圧電体層１２１のグランド電極層１１側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第１の圧電体層１２１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１２１の出力電極層１２２側表面近傍には負電荷が集まり、第１の圧電体層１２１のグランド電極層１１側表面近傍には正電荷が集まる。
【００３０】
第２の圧電体層１２３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１２３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１２３内に電荷が誘起される。その結果、第２の圧電体層１２３の出力電極層１２２側表面近傍には正電荷が集まり、第２の圧電体層１２３のグランド電極層１１側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第２の圧電体層１２３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１２３の出力電極層１２２側表面近傍には負電荷が集まり、第２の圧電体層１２３のグランド電極層１１側表面近傍には正電荷が集まる。
【００３１】
このように、第１の圧電体層１２１の第１の結晶軸ＣＡ１は、第２の圧電体層１２３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１２１または第２の圧電体層１２３のいずれか一方のみと、出力電極層１２２によってセンサ１２を構成する場合と比較して、出力電極層１２２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１２２から出力される電荷Ｑを増加させることができる。
【００３２】
なお、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３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１２１および第２の圧電体層１２３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。
【００３３】
出力電極層１２２は、第１の圧電体層１２１内および第２の圧電体層１２３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１２１の表面または第２の圧電体層１２３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１２２近傍には、正電荷が集まる。その結果、出力電極層１２２からは、正の電荷Ｑが出力される。一方、第１の圧電体層１２１の表面または第２の圧電体層１２３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１２２近傍には、負電荷が集まる。その結果、出力電極層１２２からは、負の電荷Ｑが出力される。
【００３４】
また、出力電極層１２２の幅は、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３の幅以上であることが好ましい。出力電極層１２２の幅が、第１の圧電体層１２１または第２の圧電体層１２３よりも狭い場合、第１の圧電体層１２１または第２の圧電体層１２３の一部は出力電極層１２２と接しない。そのため、第１の圧電体層１２１または第２の圧電体層１２３に生じた電荷の一部を出力電極層１２２から出力できない場合がある。その結果、出力電極層１２２から出力される電荷Ｑが減少してしまう。
このように、電荷出力素子１０ａは、上述したグランド電極層１１と、センサ１２を有することにより、図２中のβ軸に平行な外力に応じて電荷Ｑを出力することができる。
【００３５】
なお、電荷出力素子１０ａ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１２１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１２３を用いることにより、α軸に平行な外力（せん断力）またはγ軸に平行な外力（圧縮／引張力）に応じて電荷Ｑを出力する電荷出力素子１０ａ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。
【００３６】
＜変換出力回路＞
変換出力回路２０は、電荷出力素子１０ａから出力された電荷Ｑを電圧Ｖに変換して電圧Ｖを出力する機能を有する。変換出力回路２０は、オペアンプ２１と、コンデンサ２２と、スイッチング素子２３とを有する。オペアンプ２１の第１の入力端子（マイナス入力）は、電荷出力素子１０ａの出力電極層１２２に接続され、オペアンプ２１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２１の出力端子は、外力検出回路４０ａに接続されている。コンデンサ２２は、オペアンプ２１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２３は、オペアンプ２１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２２と並列接続されている。また、スイッチング素子２３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、スイッチング素子２３はスイッチング動作を実行する。
【００３７】
スイッチング素子２３がオフの場合、電荷出力素子１０ａ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２２に蓄えられ、電圧Ｖとして外力検出回路４０ａに出力される。次に、スイッチン素子２３がオンになった場合、コンデンサ２２の両端子間が短絡される。その結果、コンデンサ２２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４０ａ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２３がオンとなることを、変換出力回路２０をリセットするという。
【００３８】
スイッチング素子２３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２３としてＭＯＳＦＥＴを用いた場合を説明する。
【００３９】
スイッチング素子２３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２３のドレイン電極またはソース電極の一方がオペアンプ２１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２１の出力端子に接続されている。また、スイッチング素子２３のゲート電極は、駆動回路（図示せず）に接続されている。
【００４０】
理想的な変換出力回路２０から出力される電圧Ｖは、電荷出力素子１０ａ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、実際の変換出力回路２０においては、スイッチング素子２３からコンデンサ２２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。
出力ドリフトＤは、測定結果に対する誤差となるので、力検出装置１ａ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。
【００４１】
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、次に説明する補償用信号出力回路３０から出力される補償用信号Ｖｏｆｆを用いて、半導体構造起因のリーク電流および使用環境起因のリーク電流による影響を低減（補償）することができる。
【００４２】
＜補償用信号出力回路＞
補償用信号出力回路３０は、変換出力回路２０から出力される電圧Ｖを補償するための補償用信号Ｖｏｆｆを出力する機能を有する。補償用信号出力回路３０は、図示のように、変換出力回路２０と独立して設けられていてもよい。ここでいう「独立して設けられ」とは、補償用信号出力回路３０の構成要素（後述するオペアンプ３１、コンデンサ３２およびスイッチング素子３３）と、変換出力回路２０の構成要素（すなわち、オペアンプ２１、コンデンサ２２およびスイッチング素子２３）が異なる要素（部品）であることをいう。すなわち、補償用信号出力回路３０は、変換出力回路２０と別途設けられ、その構成要素を共有しない。
【００４３】
補償用信号出力回路３０は、オペアンプ３１と、コンデンサ３２と、スイッチング素子３３とを有する。オペアンプ３１の第１の入力端子（マイナス入力）は、コンデンサ３２およびスイッチング素子３３に接続され、オペアンプ３１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３１の出力端子は、外力検出回路４０ａに接続されている。コンデンサ３２は、オペアンプ３１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３３は、オペアンプ３１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３２と並列接続されている。また、スイッチング素子３３には、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、スイッチング素子３３はスイッチング動作を実行する。
【００４４】
スイッチング素子３３は、変換出力回路２０のスイッチング素子２３と同様の半導体スイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ）である。スイッチング素子３３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３３のドレイン電極またはソース電極の一方がオペアンプ３１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３１の出力端子に接続されている。また、スイッチング素子３３のゲート電極は、駆動回路（図示せず）に接続されている。
【００４５】
スイッチング素子３３に接続された駆動回路は、変換出力回路２０のスイッチング素子２３に接続された駆動回路と同一の駆動回路であってもよいし、異なる駆動回路であってもよい。スイッチング素子３３に接続された駆動回路と、スイッチング素子２３に接続された駆動回路とが異なる駆動回路である場合、スイッチング素子３３に接続された駆動回路は、スイッチング素子２３に接続された駆動回路と同期したオン／オフ信号を出力する。これにより、スイッチング素子３３のスイッチング動作と、スイッチング素子２３のスイッチング動作とが同期する。すなわち、スイッチング素子３３とスイッチング素子２３のオン／オフタイミングは一致する。
【００４６】
スイッチング素子３３は、変換出力回路２０のスイッチング素子２３と同様の半導体スイッチング素子である。したがって、スイッチング素子３３の半導体構造に起因するリーク電流は、スイッチング素子２３の半導体構造に起因するリーク電流と実質的に等しい。ここでいう「実質的に等しい」とは、スイッチング素子３３の半導体構造に起因するリーク電流と、スイッチング素子２３の半導体構造に起因するリーク電流との差が、スイッチング素子２３、３３の半導体構造に起因するリーク電流と比較して無視できる程度に十分に小さいことを意味する。
【００４７】
また、スイッチング素子３３は、変換出力回路２０のスイッチング素子２３と同等の使用環境下に実装されている。ここでいう「使用環境」とは、温度および湿度のことを示す。これにより、スイッチング素子３３の使用環境に起因するリーク電流と、スイッチング素子２３の使用環境に起因するリーク電流とを実質的に等しくすることができる。ここでいう「実質的に等しい」とは、スイッチング素子３３の使用環境に起因するリーク電流と、スイッチング素子２３の使用環境に起因するリーク電流との差が、スイッチング素子２３、３３の使用環境に起因するリーク電流と比較して無視できる程度に十分に小さいことを意味する。
【００４８】
この結果、スイッチング素子３３のリーク電流は、スイッチング素子２３のリーク電流と連動する。すなわち、スイッチング素子２３のリーク電流が増大したときは、スイッチング素子３３のリーク電流も同様に増大し、スイッチング素子２３のリーク電流が減少したときは、スイッチング素子３３のリーク電流も同様に減少する。これにより、補償用信号出力回路３０は、スイッチング素子３３のリーク電流を検出することにより、スイッチング素子２３のリーク電流を間接的に取得することができる。
上述の「同等の使用環境下」とは、例えば、スイッチング素子２３の近傍にスイッチング素子３３が実装されている場合、スイッチング素子２３とスイッチング素子３３が同一筐体内に実装されている場合、スイッチング素子２３とスイッチング素子３３が同一の半導体基板上に実装されている場合等が挙げられる。
【００４９】
これらの中でも、スイッチング素子２３とスイッチング素子３３が同一の半導体基板上に実装されていることが好ましい。スイッチング素子２３とスイッチング素子３３とを同一の半導体基板上に実装することにより、スイッチング素子２３周辺の温度および湿度と、スイッチング素子３３周辺の温度および湿度を容易に実質的に等しくすることができる。ここでいう「実質的に等しい」とは、スイッチング素子３３周辺の温度および湿度と、スイッチング素子２３の温度および湿度との差が、無視できる程度に十分に小さいことを意味する。
【００５０】
また、スイッチング素子２３とスイッチング素子３３が同一の半導体基板上に実装されている場合、スイッチング素子２３とスイッチング素子３３とを同一プロセスで形成することができ、作業工程の短縮に有利である。また、スイッチング素子２３とスイッチング素子３３とを同一プロセスで形成できるため、スイッチング素子２３とスイッチング素子３３の特性のバラツキを抑制することができる。そのため、スイッチング素子２３の半導体構造に起因するリーク電流と、スイッチング素子３３の半導体構造に起因するリーク電流とをより高い精度で等しくすることができる。
スイッチング素子３３がオフの場合、スイッチング素子３３で発生するリーク電流が、静電容量Ｃ２を有するコンデンサ３２に流入し、電荷が蓄積されることで、補償用信号Ｖｏｆｆとして外力検出回路４０ａに出力される。次に、スイッチング素子３３をオンにすると、コンデンサ３２の両端子間が短絡される。その結果、コンデンサ３２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４０ａに出力される補償用信号Ｖｏｆｆは、０ボルトとなる。
【００５１】
変換出力回路２０や補償用信号出力回路３０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。通常、スイッチング素子２３、３３のような半導体スイッチング素子のリーク電流は、電荷出力素子１０ａから入力される電荷Ｑよりも小さい。したがって、コンデンサ３２の静電容量Ｃ２は、コンデンサ２２の静電容量Ｃ１よりも小さいことが好ましい。これにより、スイッチング素子３３で発生するリーク電流をより正確に電圧変換することができる。
【００５２】
また、コンデンサ２２の静電容量Ｃ１とコンデンサ３２の静電容量Ｃ２の静電容量比Ｃ２／Ｃ１は、０．１〜０．８であるのが好ましく、０．３〜０．６であるのがさらに好ましい。静電容量比Ｃ２／Ｃ１が上記下限値を下回ると、コンデンサ３２がスイッチング素子３３で発生するリーク電流により飽和する場合がある。一方、静電容量比Ｃ２／Ｃ１が上記上限値を上回ると、スイッチング素子３３で発生するリーク電流に対する十分な感度が得られない場合がある。
【００５３】
図３は、静電容量が異なる２つのコンデンサ２２およびコンデンサ３２を同一半導体基板上に実装した回路の１例を示すものである。図３（ａ）は、コンデンサ２２およびコンデンサ３２を有する回路の平面図である。なお、図３（ａ）においては、説明のため、一部構成要素が透過した状態になっている。図３（ｂ）は、図３（ａ）中のＡ−Ａ線断面図である。
図３の回路は、半導体基板５０と、半導体基板５０上に設けられた層間絶縁層６０、７０と、層間絶縁層６０上に設けられたコンデンサ２２、３２と、配電層８０ａ、８０ｂと、層間絶縁層７０内に設けられたスルーホール７１とを有している。
【００５４】
コンデンサ２２は、配電層８０ａおよびスルーホール７１を介して、図３中では図示しないオペアンプ２１およびスイッチング素子２３と電気的に接続されている。同様に、コンデンサ３２は、配電層８０ｂおよびスルーホール７１を介して、図３中では図示しないオペアンプ３１およびスイッチング素子３３と電気的に接続されている。
静電容量Ｃ１を有するコンデンサ２２は、コンデンサ下部電極層２２１と、コンデンサ下部電極層２２１と対向した２つのコンデンサ上部電極層２２３と、コンデンサ下部電極層２２１とコンデンサ上部電極層２２３との間に設けられたコンデンサ絶縁層２２２とを有する。
【００５５】
静電容量Ｃ２を有するコンデンサ３２は、コンデンサ下部電極層３２１と、コンデンサ下部電極層３２１と対向したコンデンサ上部電極層３２３と、コンデンサ下部電極層３２１とコンデンサ上部電極層３２３との間に設けられたコンデンサ絶縁層３２２とを有する。
コンデンサ２２およびコンデンサ３２のような構造を有するコンデンサの静電容量は、コンデンサ上部電極層の面積に比例する。図示の構成においては、コンデンサ３２のコンデンサ上部電極層３２３の面積は、コンデンサ２２のコンデンサ上部電極層２２３の面積よりも小さい。このような構成を有することにより、同一の半導体基板５０上に、静電容量の異なる２つのコンデンサ２２、２３を実装することができる。
【００５６】
図３を用いて、静電容量の異なる２つのコンデンサ２２、２３の実装例を説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、補償用信号出力回路３０は、直列に接続された複数のコンデンサを有していてもよい。これにより、補償用信号出力回路３０のコンデンサの静電容量を小さくすることができ、補償用信号出力回路３０のコンデンサの静電容量を変換出力回路２０のコンデンサの静電容量よりも小さくすることができる。また、変換出力回路２０は、並列に接続された複数のコンデンサを有していてもよい。これにより、変換出力回路２０のコンデンサの静電容量を大きくすることができ、補償用信号出力回路３０のコンデンサの静電容量を変換出力回路２０のコンデンサの静電容量よりも小さくすることができる。このような場合も、本発明の範囲内である。
【００５７】
＜外力検出回路＞
外力検出回路４０ａは、変換出力回路２０から出力される電圧Ｖと、補償用信号出力回路３０から出力される補償用信号Ｖｏｆｆとに基づき、加えられた外力を検出する機能を有する。外力検出回路４０ａは、変換出力回路２０に接続された増幅器４１ａと、補償用信号出力回路３０に接続された増幅器４２ａと、増幅器４１ａ、４２ａに接続された差動アンプ４３ａを有する。
【００５８】
増幅器４１ａの入力端子は、変換出力回路２０のオペアンプ２１の出力端子に接続されており、増幅器４１ａの出力端子は、差動アンプ４３ａの第１の入力端子（マイナス入力）に接続されている。増幅器４２ａの入力端子は、補償用信号出力回路３０のオペアンプ３１の出力端子に接続されており、増幅器４２ａの出力端子は、差動アンプ４３ａの第２の入力端子（プラス入力）に接続されている。
【００５９】
増幅器４１ａは、変換出力回路２０から出力される電圧ＶにゲインＧ＝ａを与え、補正する機能を有する。増幅器４２ａは、補償用信号出力回路３０から出力される補償用信号ＶｏｆｆにゲインＧ＝ｂを与え、補正する機能を有する。
増幅器４１ａのゲイン係数ａと、増幅器４２ａのゲイン係数ｂは、ａ＝Ｃ１／Ｃ２×ｂの関係式を満足することが好ましい。ここで、Ｃ１は変換出力回路２０のコンデンサ２２の静電容量であり、Ｃ２は補償用信号出力回路３０のコンデンサ３２の静電容量である。これにより、コンデンサ２２の静電容量Ｃ１とコンデンサ３２の静電容量Ｃ２の差に起因する、電圧Ｖと補償用信号Ｖｏｆｆの感度差を補正することができる。その結果、補正された出力ドリフトＤ（すなわち、ａ×Ｄ）と、補正された補償用信号Ｖｏｆｆ（すなわち、ｂ×Ｄ）との値が実質的に等しくなる。ここでいう「実質的に等しい」とは、補正された出力ドリフトＤ（すなわち、ａ×Ｄ）と補正された補償用信号Ｖｏｆｆ（すなわち、ｂ×Ｄ）との差が、無視できる程度に十分に小さいことを意味する。なお、ａ＝１は、電圧Ｖを補正しないことを意味する。同様に、ｂ＝１は、補償用信号Ｖｏｆｆを補正しないことを意味する。
【００６０】
差動アンプ４３ａは、増幅器４１ａによって補正された電圧Ｖと、増幅器４２ａによって補正された補償用信号Ｖｏｆｆとの差分を取り、信号Ｆを出力する機能を有する。上述のように、補正された電圧Ｖに含まれ、リーク電流に起因する出力ドリフトと、補正された補償用信号Ｖｏｆｆとの値とは略等しい。したがって、差動アンプ４３ａの出力端子から出力される信号Ｆは、以下のようになる。
Ｆ＝ａ×Ｖ−ｂ×Ｖｏｆｆ
＝ａ×（Ｖｔ＋Ｄ）−ｂ×Ｖｏｆｆ
＝ａ×Ｖｔ＋ａ×Ｄ−ｂ×Ｖｏｆｆ
≒ａ×Ｖｔ
【００６１】
このように、補正された電圧Ｖと補正された補償用信号Ｖｏｆｆとの差分を取ることにより、補正された電圧Ｖからリーク電流に起因する出力ドリフトＤを低減（除去）することができる。外力検出回路４０ａは、このような構成を有することにより、電荷出力素子１０ａから出力される電荷Ｑの蓄積量に比例する信号Ｆを出力することができる。この信号Ｆは電荷出力素子１０ａに加えられた外力に対応するので、力検出装置１ａは、電荷出力素子１０ａに加えられた外力を検出することができる。
【００６２】
このように、本発明の力検出装置１ａは、補償用信号出力回路３０と、外力検出回路４０ａとを有することにより、変換出力回路２０のスイッチング素子２３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することができる。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。
【００６３】
＜第２実施形態＞
次に図４および図５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は、本発明の力検出装置の第２実施形態を概略的に示す回路図である。図５は、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。
【００６４】
図４に示す力検出装置１ｂは、互いに直交する３軸（α（Ｘ）軸、β（Ｙ）軸、γ（Ｚ）軸）に沿って加えられた外力を検出する機能を有する。力検出装置１ｂは、互いに直交する３軸に沿って加えられた（受けた）外力のそれぞれに応じて３つの電荷Ｑｘ、Ｑｙ、Ｑｚを出力する電荷出力素子（素子）１０ｂと、電荷出力素子１０ｂから出力された電荷Ｑｘを電圧Ｖｘに変換する変換出力回路２０ａと、電荷出力素子１０ｂから出力された電荷Ｑｚを電圧Ｖｚに変換する変換出力回路２０ｂと、電荷出力素子１０ｂから出力された電荷Ｑｙを電圧Ｖｙに変換する変換出力回路２０ｃと、補償用信号Ｖｏｆｆを出力する補償用信号出力回路３０と、加えられた外力を検出する外力検出回路４０ｂとを備えている。
【００６５】
＜電荷出力素子（素子）＞
電荷出力素子１０ｂは、互いに直交する３軸に沿って加えられた（受けた）外力のそれぞれに応じて３つの電荷Ｑｘ、Ｑｙ、Ｑｚを出力する機能を有する。図５に示すように、電荷出力素子１０ｂ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１１と、β軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｙを出力する第１のセンサ１２と、γ軸に平行な外力（圧縮／引張力）に応じて電荷Ｑｚを出力する第２のセンサ１３と、α軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｘを出力する第３のセンサ１４とを有し、グランド電極層１１と各センサ１２、１３、１４は交互に積層されている。なお、図５において、グランド電極層１１およびセンサ１２、１３、１４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。
【００６６】
図示の構成では、図５中の下側から、第１のセンサ１２、第２のセンサ１３、第３のセンサ１４の順で積層されているが、本発明はこれに限られない。センサ１２、１３、１４の積層順は任意である。
第１のセンサ１２は、β軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｙを出力する機能を有する。第１のセンサ１２は、上述した第１実施形態のセンサ１２と同様の構造および機能を有している。
【００６７】
第２のセンサ１３は、γ軸に沿って加えられた（受けた）外力（圧縮／引張力）に応じて電荷Ｑｚを出力する機能を有する。第２のセンサ１３は、γ軸に平行な圧縮力に応じて正電荷を出力し、γ軸に平行な引張力に応じて負電荷を出力するよう構成されている。
第２のセンサ１３は、第３の結晶軸ＣＡ３を有する第３の圧電体層１３１と、第３の圧電体層１３１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１３３と、第３の圧電体層１３１と第４の圧電体層１３３との間に設けられ、電荷Ｑｚを出力する出力電極層１３２を有する。
【００６８】
第３の圧電体層１３１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１３１の表面に対し、γ軸に平行な圧縮力が加えられた場合、圧電効果により、第３の圧電体層１３１内に電荷が誘起される。その結果、第３の圧電体層１３１の出力電極層１３２側表面近傍には正電荷が集まり、第３の圧電体層１３１のグランド電極層１１側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第３の圧電体層１３１の表面に対し、γ軸に平行な引張力が加えられた場合、第３の圧電体層１３１の出力電極層１３２側表面近傍には負電荷が集まり、第３の圧電体層１３１のグランド電極層１１側表面近傍には正電荷が集まる。
【００６９】
第４の圧電体層１３３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１３３の表面に対し、γ軸に平行な圧縮力が加えられた場合、圧電効果により、第４の圧電体層１３３内に電荷が誘起される。その結果、第４の圧電体層１３３の出力電極層１３２側表面近傍には正電荷が集まり、第４の圧電体層１３３のグランド電極層１１側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第４の圧電体層１３３の表面に対し、γ軸に平行な引張力が加えられた場合、第４の圧電体層１３３の出力電極層１３２側表面近傍には負電荷が集まり、第４の圧電体層１３３のグランド電極層１１側表面近傍には正電荷が集まる。
【００７０】
第３の圧電体層１３１および第４の圧電体層１３３の構成材料としては、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３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１３１および第４の圧電体層１３３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。
出力電極層１３２は、第３の圧電体層１３１内および第４の圧電体層１３３内に生じた正電荷または負電荷を電荷Ｑｚ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１３１の表面または第４の圧電体層１３３の表面にγ軸に平行な圧縮力が加えられた場合、出力電極層１３２近傍には、正電荷が集まる。その結果、出力電極層１３２からは、正の電荷Ｑｚが出力される。一方、第３の圧電体層１３１の表面または第４の圧電体層１３３の表面にγ軸に平行な引張力が加えられた場合、出力電極層１３２近傍には、負電荷が集まる。その結果、出力電極層１３２からは、負の電荷Ｑｚが出力される。
【００７１】
第３のセンサ１４は、α軸に沿って加えられた（受けた）外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｘを出力する機能を有する。第３のセンサ１４は、α軸の正方向に沿って加えられ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。
第３のセンサ１４は、第５の結晶軸ＣＡ５を有する第５の圧電体層１４１と、第５の圧電体層１４１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１４３と、第５の圧電体層１４１と第６の圧電体層１４３との間に設けられ、電荷Ｑｘを出力する出力電極層１４２を有する。
【００７２】
第５の圧電体層１４１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１４１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１４１内に電荷が誘起される。その結果、第５の圧電体層１４１の出力電極層１４２側表面近傍には正電荷が集まり、第５の圧電体層１４１のグランド電極層１１側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第５の圧電体層１４１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１４１の出力電極層１４２側表面近傍には負電荷が集まり、第５の圧電体層１４１のグランド電極層１１側表面近傍には正電荷が集まる。
【００７３】
第６の圧電体層１４３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１４３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１４３内に電荷が誘起される。その結果、第６の圧電体層１４３の出力電極層１４２側表面近傍には正電荷が集まり、第６の圧電体層１４３のグランド電極層１１側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第６の圧電体層１４３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１４３の出力電極層１４２側表面近傍には負電荷が集まり、第６の圧電体層１４３のグランド電極層１１側表面近傍には正電荷が集まる。
【００７４】
第５の圧電体層１４１および第６の圧電体層１４３の構成材料としては、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３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１４１および第６の圧電体層１４３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１２１および第２の圧電体層１２３と同様に、Ｙカット水晶により構成することができる。
【００７５】
出力電極層１４２は、第５の圧電体層１４１内および第６の圧電体層１４３内に生じた正電荷または負電荷を電荷Ｑｘ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１４１の表面または第６の圧電体層１４３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１４２近傍には、正電荷が集まる。その結果、出力電極層１４２からは、正の電荷Ｑｘが出力される。一方、第５の圧電体層１４１の表面または第６の圧電体層１４３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１４２近傍には、負電荷が集まる。その結果、出力電極層１４２からは、負の電荷Ｑｘが出力される。
【００７６】
このように、第１のセンサ１２、第２のセンサ１３、および第３のセンサ１４は、各センサの力検出方向が互いに直交するように積層されている。これにより、各センサは、それぞれ、互いに直交する力成分に応じて電荷を誘起することができる。そのため、電荷出力素子１０ｂは、３軸（α（Ｘ）軸、β（Ｙ）軸、γ（Ｚ）軸）に沿った外力のそれぞれに応じて３つの電荷Ｑｘ、Ｑｙ、Ｑｚを出力することができる。
【００７７】
また、Ｙカット水晶によって構成される、第１のセンサ１２および第３のセンサ１４の単位力当たりの電荷発生量は、例えば、８ｐＣ／Ｎである。Ｘカット水晶によって構成される、第２のセンサ１３の単位力当たりの電荷発生量は、例えば、４ｐＣ／Ｎである。したがって、通常、電荷出力素子１０ｂのγ軸に平行な外力（圧縮／引張力）に対する感度は、電荷出力素子１０ｂのα軸またはβ軸に平行な外力（せん断力）に対する感度よりも低い。そのため、通常、第２のセンサ１３から出力される電荷Ｑｚは、第１のセンサ１２から出力される電荷Ｑｙおよび第３のセンサ１４から出力される電荷Ｑｘよりも小さい。
【００７８】
＜変換出力回路＞
変換出力回路２０ａ、２０ｃは、第１実施形態の変換出力回路２０と同様の構成を有している。変換出力回路２０ｂは、コンデンサ２２の静電容量Ｃ３を除き、第１実施形態の変換出力回路２０と同様の構成を有している。変換出力回路２０ａは、電荷出力素子１０ｂから出力された電荷Ｑｘを電圧Ｖｘに変換する機能を有する。変換出力回路２０ｂは、電荷出力素子１０ｂから出力された電荷Ｑｚを電圧Ｖｚに変換する機能を有する。変換出力回路２０ｃは、電荷出力素子１０ｂから出力された電荷Ｑｙを電圧Ｖｙに変換する機能を有する。
【００７９】
各変換出力回路２０ａ、２０ｂ、２０ｃのスイッチング素子２３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２３には、駆動回路から、全て同期したオン／オフ信号入力される。これにより、各変換出力回路２０ａ、２０ｂ、２０ｃのスイッチング素子２３の動作が同期する。すなわち、各変換出力回路２０ａ、２０ｂ、２０ｃのスイッチング素子２３のオン／オフタイミングは一致する。
【００８０】
上述のように、通常、第２のセンサ１３から出力される電荷Ｑｚは、第１のセンサ１２から出力される電荷Ｑｙおよび第３のセンサ１４から出力される電荷Ｑｘよりも小さい。したがって、変換出力回路２０ｂのコンデンサ２２の静電容量Ｃ３は、変換出力回路２０ａ、２０ｃのコンデンサ２２の静電容量Ｃ１よりも小さいことが好ましい。これにより、電荷Ｑｚを正確に電圧に変換することができる。
【００８１】
また、静電容量Ｃ１と静電容量Ｃ３の静電容量比Ｃ３／Ｃ１は、０．３〜０．８であるのが好ましく、０．４５〜０．６であるのがより好ましい。静電容量比Ｃ３／Ｃ１が上記下限値を下回ると、電荷Ｑｚによってコンデンサ２２が飽和する場合がある。一方、静電容量比Ｃ３／Ｃ１が上記上限値を上回ると、電荷Ｑｚに対する十分な感度が得られない場合がある。
【００８２】
また、各変換出力回路２０ａ、２０ｂ、２０ｃのスイッチング素子２３は同等の半導体スイッチング素子であり、さらに、同等の使用環境下に実装されているので、各スイッチング素子２３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２３の出力ドリフトＤも実質的に等しい。
上述の「同等の使用環境下」とは、例えば、各スイッチング素子２３が互いの近傍に実装されている場合、各スイッチング素子２３が同一筐体内に実装されている場合、各スイッチング素子２３が同一の半導体基板上に実装されている場合等が挙げられる。
【００８３】
これらの中でも、各スイッチング素子２３が同一の半導体基板上に実装されていることが好ましい。各スイッチング素子２３を同一の半導体基板上に実装することにより、各スイッチング素子２３周辺の温度および湿度を実質的に等しくすることができる。また、各スイッチング素子２３が同一の半導体基板上に実装されている場合、各スイッチング素子２３を同一プロセスで形成することができ、作業工程の短縮に有利である。また、各スイッチング素子２３を同一プロセスで形成できるため、各スイッチング素子２３の特性バラツキを抑制することができる。そのため、各スイッチング素子２３の半導体構造に起因するリーク電流をより高い精度で等しくすることができる。
【００８４】
＜補償用信号出力回路＞
補償用信号出力回路３０は、第１実施形態の補償用信号出力回路３０と同様の構成を有している。補償用信号出力回路３０は、変換出力回路２０ａから出力される電圧Ｖｘ、変換出力回路２０ｂから出力される電圧Ｖｚおよび変換出力回路２０ｃから出力される電圧Ｖｙを補償するための補償用信号Ｖｏｆｆを出力する機能を有する。補償用信号出力回路３０は、図示のように、変換出力回路２０ａ、２０ｂ、２０ｃと独立して設けられていてもよい。
【００８５】
また、補償用信号出力回路３０のスイッチング素子３３は、各変換出力回路２０ａ、２０ｂ、２０ｃのスイッチング素子２３と同等の使用環境下に実装されている。これにより、スイッチング素子３３のリーク電流は、各スイッチング素子２３のリーク電流と連動する。したがって、補償用信号出力回路３０は、スイッチング素子３３のリーク電流を検出することにより、各スイッチング素子２３のリーク電流を間接的に取得することができる。補償用信号出力回路３０は、取得したスイッチング素子３３のリーク電流を補償用信号Ｖｏｆｆとして出力する。
【００８６】
このように、補償用信号出力回路３０は、スイッチング素子３３のリーク電流を検出することにより、各変換出力回路２０ａ、２０ｂ、２０ｃのスイッチング素子２３のリーク電流を間接的に取得することができる。したがって、本発明の力検出装置１ｂは、各変換出力回路２０ａ、２０ｂ、２０ｃ用に３つのリーク電流検出回路を設ける必要がない。そのため、力検出装置１ｂに必要な回路数を減らすことができ、力検出装置１ｂを小型化および軽量化することができる。
【００８７】
また、補償用信号出力回路３０のコンデンサ３２の静電容量Ｃ２は、第２のセンサ１３のコンデンサ２２の静電容量Ｃ３よりも小さいことが好ましい。すなわち、コンデンサ２２の静電容量Ｃ１、Ｃ３とコンデンサ３２の静電容量Ｃ２の大小関係は、Ｃ２＜Ｃ３＜Ｃ１であることが好ましい。これにより、電荷Ｑｘ、Ｑｙ、Ｑｚおよびスイッチング素子３３のリーク電流を正確に電圧に変換することができる。
【００８８】
＜外力検出回路＞
外力検出回路４０ｂは、変換出力回路２０ａから出力される電圧Ｖｘと、変換出力回路２０ｂから出力される電圧Ｖｚと、変換出力回路２０ｃから出力される電圧Ｖｙと、補償用信号出力回路３０から出力される補償用信号Ｖｏｆｆとに基づき、加えられた外力を検出する機能を有する。外力検出回路４０ｂは、変換出力回路２０ａ、２０ｂ、２０ｃおよび補償用信号出力回路３０に接続されたＡＤコンバーター４１ｂと、ＡＤコンバーター４１ｂに接続された演算回路４２ｂとを有する。
【００８９】
ＡＤコンバーター４１ｂは、電圧Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚおよび補償用信号Ｖｏｆｆ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。ＡＤコンバーター４１ｂによってデジタル変換された電圧Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚおよび補償用信号Ｖｏｆｆは、演算回路４２ｂに入力される。
演算回路４２ｂは、デジタル変換された電圧Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚおよび補償用信号Ｖｏｆｆにゲインを与えて補正を行うゲイン補正部（図示せず）と、ゲイン補正部によって補正された電圧Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚおよび補償用信号Ｖｏｆｆに基づき、信号Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚを演算し、出力する演算部（図示せず）を有する。
【００９０】
ゲイン補正部は、電圧Ｖｘ、Ｖｙに対しゲインＧ＝ａを与え、電圧Ｖｚに対しゲインＧ＝ｃを与え、補償用信号Ｖｏｆｆに対しゲインＧ＝ｂを与えることにより、電圧Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚおよび補償用信号Ｖｏｆｆの補正を行う機能を有する。ゲイン係数ａと、ゲイン係数ｂは、ａ＝Ｃ１／Ｃ２×ｂの関係式を満足することが好ましい。ゲイン係数ｃと、ゲイン係数ｂは、ｃ＝Ｃ３／Ｃ２×ｂの関係式を満足することが好ましい。
【００９１】
ここで、Ｃ１は変換出力回路２０ａ、２０ｃのコンデンサ２２の静電容量であり、Ｃ２は補償用信号出力回路３０のコンデンサ３２の静電容量であり、Ｃ３は変換出力回路２０ｂのコンデンサ２２の静電容量である。これにより、変換出力回路２０ａ、２０ｃのコンデンサ２２の静電容量Ｃ１とコンデンサ３２の静電容量Ｃ２の差に起因する、電圧Ｖｘ、Ｖｙと補償用信号Ｖｏｆｆの感度差を補正することができる。同様に、変換出力回路２０ｂのコンデンサ２２の静電容量Ｃ３とコンデンサ３２の静電容量Ｃ２の差に起因する、電圧Ｖｚと補償用信号Ｖｏｆｆの感度差を補正することができる。これにより、補正された電圧Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚに含まれ、リーク電流に起因する出力ドリフトＤ（すなわち、ａ×Ｄまたはｃ×Ｄ）と、補正された補償用信号Ｖｏｆｆ（すなわち、ｂ×Ｄ）とが実質的に等しくなる。なお、ａ＝１は、電圧Ｖｘ、Ｖｙを補正しないことを意味する。ｂ＝１は、補償用信号Ｖｏｆｆを補正しないことを意味する。同様に、ｃ＝１は、電圧Ｖｚを補正しないことを意味する。
【００９２】
演算部は、ゲイン補正部によって補正された電圧Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚおよびゲイン補正部によって補正された補償用信号Ｖｏｆｆに基づき、信号Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚを演算し、出力する機能を有する。信号Ｆｘは、ゲイン補正部によって補正された電圧Ｖｘ（すなわち、ａ×Ｖｘ）と、ゲイン補正部によって補正された補償用信号Ｖｏｆｆ（ｂ×Ｖｏｆｆ）との差分を取ることにより演算される。したがって、出力される信号Ｆｘは、以下のようになる。
【００９３】
Ｆｘ＝ａ×Ｖｘ−ｂ×Ｖｏｆｆ
＝ａ×（Ｖｘｔ＋Ｄ）−ｂ×Ｖｏｆｆ
＝ａ×Ｖｘｔ＋ａ×Ｄ−ｂ×Ｖｏｆｆ
≒ａ×Ｖｘｔ
ここで、Ｖｘｔは、電圧Ｖｘに含まれ、電荷Ｑｘの蓄積量に比例する電圧成分（真の値）である。
【００９４】
同様に、信号Ｆｙは、ゲイン補正部によって補正された電圧Ｖｙ（すなわち、ａ×Ｖｙ）と、ゲイン補正部によって補正された補償用信号Ｖｏｆｆ（ｂ×Ｖｏｆｆ）の差分を取ることにより演算される。したがって、出力される信号Ｆｙは、以下のようになる。
Ｆｙ＝ａ×Ｖｙ−ｂ×Ｖｏｆｆ
＝ａ×（Ｖｙｔ＋Ｄ）−ｂ×Ｖｏｆｆ
＝ａ×Ｖｙｔ＋ａ×Ｄ−ｂ×Ｖｏｆｆ
≒ａ×Ｖｙｔ
ここで、Ｖｙｔは、電圧Ｖｙに含まれ、電荷Ｑｙの蓄積量に比例する電圧成分（真の値）である。
【００９５】
同様に、信号Ｆｚは、ゲイン補正部によって補正された電圧Ｖｚ（すなわち、ｃ×Ｖｚ）と、ゲイン補正部によって補正された補償用信号Ｖｏｆｆ（ｂ×Ｖｏｆｆ）の差分を取ることにより演算される。したがって、出力される信号Ｆｚは、以下のようになる。
Ｆｚ＝ｃ×Ｖｚ−ｂ×Ｖｏｆｆ
＝ｃ×（Ｖｚｔ＋Ｄ）−ｂ×Ｖｏｆｆ
＝ｃ×Ｖｚｔ＋ｃ×Ｄ−ｂ×Ｖｏｆｆ
≒ｃ×Ｖｚｔ
ここで、Ｖｚｔは、電圧Ｖｚに含まれ、電荷Ｑｚの蓄積量に比例する電圧成分（真の値）である。
【００９６】
上述のように、補正された電圧Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚに含まれ、リーク電流に起因する出力ドリフトＤ（すなわち、ａ×Ｄまたはｃ×Ｄ）と、補正された補償用信号Ｖｏｆｆ（ｂ×Ｖｏｆｆ）とは実質的に等しいので、補正された電圧Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚからリーク電流に起因する出力ドリフトＤを低減（除去）することができる。演算回路４２ｂは、このような構成を有することにより、電荷出力素子１０ｂから出力される電荷Ｑｘ、Ｑｙ、Ｑｚの蓄積量に比例する信号Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚを出力することができる。この信号Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚは電荷出力素子１０ｂに加えられた３軸力（せん断力および圧縮／引張力）に対応するので、力検出装置１ｂは、電荷出力素子１０ａに加えられた３軸力を検出することができる。
【００９７】
このように、本発明の力検出装置１ｂは、補償用信号出力回路３０と、外力検出回路４０ｂとを有することにより、変換出力回路２０ａ、２０ｂ、２０ｃのスイッチング素子２３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。
【００９８】
＜第３実施形態＞
次に、図６に基づき、本発明の第３実施形態である６軸力検出装置（力検出装置）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６は、本発明の力検出装置の第３実施形態を概略的に示す斜視図である。図６の６軸力検出装置（力検出装置）１００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。６軸力検出装置１００は、第１の基板１０１と、第１の基板１０１に対向する第２の基板１０２と、第１の基板１０１と第２の基板１０２との間に挟持された（設けられた）４つの力検出装置１ｂと、４つの力検出装置１ｂに接続された演算部（図示せず）とを有している。
【００９９】
上述のように、力検出装置１ｂは、互いに直交する３軸（α（Ｘ）軸、β（Ｙ）軸、γ（Ｚ）軸）に沿った外力を検出する機能を有する。また、力検出装置１ｂは、全て同じ方向を向いた状態で第１の基板１０１と第２の基板１０２との間に挟持されて（設けられて）いる。図示のように、力検出装置１ｂは、第１の基板１０１または第２の基板１０２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、第１の基板１０１または第２の基板１０２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。このように、力検出装置１ｂを配置することにより、偏りなく外力を検出することができる。
【０１００】
第１の基板１０１および第２の基板１０２の相対位置が互いにＦｘ０方向にずれる外力が加えられた場合、各力検出装置１ｂは、それぞれ信号Ｆｘ１、Ｆｘ２、Ｆｘ３、Ｆｘ４を出力する。同様に、第１の基板１０１および第２の基板１０２の相対位置が互いにＦｙ０方向にずれる外力が加えられた場合、各力検出装置１ｂは、それぞれ信号Ｆｙ１、Ｆｙ２、Ｆｙ３、Ｆｙ４を出力する。また、第１の基板１０１および第２の基板１０２の相対位置が互いにＦｚ０方向にずれる外力が加えられた場合、各力検出装置１ｂは、それぞれ信号Ｆｚ１、Ｆｚ２、Ｆｚ３、Ｆｚ４を出力する。
【０１０１】
また、第１の基板１０１および第２の基板１０２は、互いにｘ軸周りに回転する相対変位、ｙ軸周りに回転する相対変位、およびｚ軸周りに回転する相対変位が可能であり、各回転に伴う外力を力検出装置１ｂに伝達することが可能である。
演算部は、各力検出装置１ｂから出力された信号に基づき、ｘ軸方向の並進力成分Ｆｘ０、ｙ軸方向の並進力成分Ｆｙ０、ｚ軸方向の並進力成分Ｆｚ０、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。
【０１０２】
Ｆｘ０＝Ｆｘ１＋Ｆｘ２＋Ｆｘ３＋Ｆｘ４
Ｆｙ０＝Ｆｙ１＋Ｆｙ２＋Ｆｙ３＋Ｆｙ４
Ｆｚ０＝Ｆｚ１＋Ｆｚ２＋Ｆｚ３＋Ｆｚ４
Ｍｘ＝ｂ×（Ｆｚ４−Ｆｚ２）
Ｍｙ＝ａ×（Ｆｚ３−Ｆｚ１）
Ｍｚ＝ｂ×（Ｆｘ２−Ｆｘ４）＋ａ×（Ｆｙ１−Ｆｙ３）
ここで、ａ、ｂは定数である。
【０１０３】
このように、６軸力検出装置１００は、第１の基板１０１、第２の基板１０２、複数の力検出装置１ｂおよび演算部を有することにより、６軸力を検出することができる。
なお、図示の構成では、力検出装置１ｂの数は４であるが、本発明はこれに限られない。６軸力検出装置１００は、少なくとも３つの力検出装置１ｂを有していれば、６軸力を検出可能である。力検出装置１ｂが３つの場合、力検出装置１ｂの数が少ないので、６軸力検出装置１００を軽量化することができる。力検出装置１ｂが図示のように４つの場合、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、演算部を簡略化することができる。また、力検出装置１ｂが６つの場合、より高い精度で６軸力を検出することができる。
【０１０４】
＜第４実施形態＞
次に、図７に基づき、本発明の第４実施形態である単腕ロボットを説明する。以下、第４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７は、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６軸力検出装置（力検出装置）１００とを有する。
【０１０５】
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。
【０１０６】
６軸力検出装置１００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。６軸力検出装置１００が検出する６軸力を基台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、６軸力検出装置１００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。
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。
【０１０７】
＜第５実施形態＞
次に、図８に基づき、本発明の第５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、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８は、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エンドエフェクタ６４０ｂと、第１のアーム連結体６２０とエンドエフェクタ６４０ａ間および第２のアーム連結体６３０とエンドエフェクタ６４０ｂとの間に設けられた本発明の６軸力検出装置（力検出装置）１００を有する。
【０１０８】
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。
【０１０９】
エンドエフェクタ６４０ａ、６４０ｂは、対象物を把持する機能を有する。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。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。
【０１１０】
６軸力検出装置１００は、エンドエフェクタ６４０ａ、６４０ｂに加えられる外力を検出する機能を有する。６軸力検出装置１００が検出する６軸力を基台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、６軸力検出装置１００が検出する６軸力によって、複腕ロボット６００は、エンドエフェクタ６４０ａ、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。
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。
【０１１１】
＜第６実施形態＞
次に、図９、１０に基づき、本発明の第６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。
【０１１２】
図９は、本発明の力検出装置を用いた電子部品検査装置および部品搬送装置の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。
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。
【０１１３】
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６軸力検出装置（力検出装置）１００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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
図１０は、本発明の６軸力検出装置（力検出装置）１００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６軸力検出装置１００と、６軸力検出装置１００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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
また、６軸力検出装置１００は、把持部７４１に加えられる６軸力を検出する機能を有する。６軸力検出装置１００が検出する６軸力を制御装置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、６軸力検出装置１００が検出する６軸力によって、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。
また、本発明の力検出装置１ａ、１ｂおよび６軸力検出装置１００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１ａ、１ｂおよび６軸力検出装置１００を用いた各種測定機器も本発明の範囲内である。
【０１１８】
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、電子部品搬送装置および電子部品検査装置を、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】
【０１１９】
１ａ、１ｂ…力検出装置  １０ａ、１０ｂ…電荷出力素子（素子）  １１…グランド電極層  １２…（第１の）センサ  １２１…第１の圧電体層  １２２…出力電極層  １２３…第２の圧電体層  １３…第２のセンサ  １３１…第３の圧電体層  １３２…出力電極層  １３３…第４の圧電体層  １４…第３のセンサ  １４１…第５の圧電体層  １４２…出力電極層  １４３…第６の圧電体層  ２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ…変換出力回路  ２１…オペアンプ  ２２…コンデンサ  ２３…スイッチング素子  ３０…補償用信号出力回路  ３１…オペアンプ  ３２…コンデンサ  ３３…スイッチング素子  ４０ａ、４０ｂ…外力検出回路  ４１ａ、４２ａ…増幅器  ４１ｂ…ＡＤコンバーター  ４２ｂ…演算回路
４３ａ…差動アンプ  ５０…半導体基板  ６０、７０…層間絶縁層  ７１…スルーホール  ８０ａ、８０ｂ…配電層  １００…６軸力検出装置（力検出装置）  １０１…第１の基板  １０２…第２の基板  ２２１、３２１…コンデンサ下部電極層  ２２２、３２２…コンデンサ絶縁層  ２２３、３２３…コンデンサ上部電極層  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  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  Ｆｘ０、Ｆｙ０、Ｆｚ０…並進力成分  Ｆｘ１、Ｆｘ２、Ｆｘ３、Ｆｘ４、Ｆｙ１、Ｆｙ２、Ｆｙ３、Ｆｙ４、Ｆｚ１、Ｆｚ２、Ｆｚ３、Ｆｚ４…信号    Ｑ、Ｑｘ、Ｑｙ、Ｑｚ…電荷  Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ…回転力成分  Ｖ、Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ…電圧  Ｖｏｆｆ…補償用信号
【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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