(57)【要約】【課題】素子が設けられた第１の回路基板の変形や応力を低減し、素子や第１の回路基板の破損を防止し、また、力検出の精度を向上させることができる力検出装置、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。【解決手段】本発明の力検出装置は、第１の基板と、前記第１の基板と対向配置された第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられ、外力に応じて信号を出力する素子が設けられた複数の第１の回路基板とを備える。前記各第１の回路基板は、前記第１の回路基板の面方向に沿って配置されている。前記各第１の回路基板は、前記第１の回路基板の平面視で、同一の形状をなしている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板と、
前記第１の基板と対向配置された第２の基板と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられ、外力に応じて信号を出力する素子が設けられた複数の第１の回路基板とを備えることを特徴とする力検出装置。
【請求項２】
前記各第１の回路基板は、前記第１の回路基板の平面視で、同一の形状をなしている請求項１に記載の力検出装置。
【請求項３】
前記各第１の回路基板は、前記第１の回路基板の面方向に沿って配置されている請求項１または２に記載の力検出装置。
【請求項４】
可撓性を有し、前記各第１の回路基板の隣り合う２つの前記第１の回路基板同士を電気的に接続する配線を備える請求項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】
可撓性を有し、前記各第１の回路基板の隣り合う２つの前記第１の回路基板同士を連結する連結部材を備える請求項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】
前記素子は、外力に応じて電荷を出力するものであり、
前記第１の回路基板には、前記電荷を電圧に変換する電荷／電圧変換部が設けられている請求項１ないし５のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項７】
前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられ、前記各第１の回路基板と対向配置され、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換部が設けられた第２の回路基板を有する請求項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】
前記各素子は、前記第１の基板と前記第２の基板とで挟持されている請求項１ないし７のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項９】
各第１の回路基板に穴が形成されている請求項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、前記第１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１ないし９のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項１１】
アームと、
前記アーム設けられたエンドエフェクタと、
前記アーム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、第１の基板と、
前記第１の基板と対向配置された第２の基板と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられ、外力に応じて信号を出力する素子が設けられた複数の第１の回路基板とを備える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、第１の基板と、
前記第１の基板と対向配置された第２の基板と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられ、外力に応じて信号を出力する素子が設けられた複数の第１の回路基板とを備える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、第１の基板と、
前記第１の基板と対向配置された第２の基板と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられ、外力に応じて信号を出力する素子が設けられた複数の第１の回路基板とを備え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、第１の基板と、
前記第１の基板と対向配置された第２の基板と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられ、外力に応じて信号を出力する素子が設けられた複数の第１の回路基板とを備え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、第１の基板と、
前記第１の基板と対向配置された第２の基板と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられ、外力に応じて信号を出力する素子が設けられた複数の第１の回路基板とを備え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、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、例えば、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に記載の力検出装置は、１対の押圧板と、その１対の押圧板の間に設けられた複数の水晶圧電素子とを備えている。前記押圧板に外力が加わると、１対の押圧板が相対的に変位し、水晶圧電素子により、１対の押圧板間の力が検出される。このような水晶圧電素子を用いた力検出装置では、外力による水晶圧電素子の変形が電圧に変換され、出力される。また、水晶圧電素子に与圧を加える与圧ボルトにより、１対の押圧板が固定される。
【０００４】
また、従来の力検出装置では、水晶圧電素子から出力される電荷を電圧に変換する回路等を含む回路基板は、１対の押圧板の間ではなく、１対の押圧板の外側に設けられており、このため、装置全体が大型化するという問題がある。
また、装置全体の小型化を図るため、回路基板を１対の押圧板の間に設け、その回路基板に複数の水晶圧電素子を搭載してなる力検出装置も知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−８０５８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の力検出装置では、１つの共通の回路基板に、複数の水晶圧電素子が搭載されているので、回路基板の寸法を比較的大きく、すなわち押圧板の寸法と同じ程度にする必要があり、このため、回路基板の熱膨張による変形や応力、押圧板に外力が加わったときの回路基板の変形や応力が比較的大きい。また、複数の水晶圧電素子は、回路基板に対して互いに異なる角度で傾斜していることがあり、この場合は、回路基板を組み付ける際、回路基板が湾曲または屈曲してしまう。
【０００７】
このため、前記回路基板の変形や応力により、水晶圧電素子を固定している半田等が破損または剥離したり、水晶圧電素子や回路基板が破損したりし、また、水晶圧電素子に不要な力が加わり、力検出の精度が低下することがある。特に、各水晶圧電素子の高さにバラツキがある場合は、前記不具合がより生じ易い。そして、１つの共通の回路基板に、複数の水晶圧電素子が搭載されているので、１つの水晶圧電素子が破損した場や、回路基板の一部が破損した場合でも回路基板全体を交換する必要がある。
本発明の目的は、素子が設けられた第１の回路基板の変形や応力を低減し、素子や第１の回路基板の破損を防止し、また、力検出の精度を向上させることができる力検出装置、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にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の力検出装置は、第１の基板と、
前記第１の基板と対向配置された第２の基板と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられ、外力に応じて信号を出力する素子が設けられた複数の第１の回路基板とを備えることを特徴とする。
【０００９】
これにより、各第１の回路基板は、他の第１の回路基板から影響を受けることを防止することができ、また、独立してその交換やメンテナンス等を行うことができる。
すなわち、１つの第１の回路基板が熱膨張した場合や、力検出装置に外力が加わり、１つの第１の回路基板が変形した場合に、それによる応力等が他の第１の回路基板に伝わることを防止することができる。これにより、第１の回路基板の変形や応力を低減することができ、これによって、素子を固定している半田等の破損、剥離を防止することができ、また、素子や第１の回路基板が破損することを防止することができる。また、素子に不要な力が加わることを抑制することができ、力検出の精度を向上させることができる。
【００１０】
また、１つの素子が破損した場や、複数の第１の回路基板の一部が破損した場合は、対応する第１の回路基板のみを交換すればよく、その交換作業を容易かつ迅速に行うことができ、また、コストを低減することができる。
また、３つ以上の素子（回路基板）を有することにより、６軸力、すなわち、ｘ、ｙ、ｚ軸方向の並進力成分（せん断力）およびｘ、ｙ、ｚ軸周りの回転力成分（モーメント））を検出することができる。
【００１１】
本発明の力検出装置では、前記各第１の回路基板は、前記第１の回路基板の平面視で、同一の形状をなしていることが好ましい。
これにより、各第１の回路基板について、１種類の回路基板を用いることができ、コストを低減することができる。
本発明の力検出装置では、前記各第１の回路基板は、前記第１の回路基板の面方向に沿って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。
【００１２】
本発明の力検出装置では、可撓性を有し、前記各第１の回路基板の隣り合う２つの前記第１の回路基板同士を電気的に接続する配線を備えることが好ましい。
これにより、例えば、各第１の回路基板に電気的に接続される第２の回路基板を設ける場合、各第１の回路基板の出力端子をいずれか１つの第１の回路基板に集中させることができ、これによって、１箇所に、各第１の回路基板と第２の回路基板とを電気的に接続する接続部を設けることができる。
【００１３】
本発明の力検出装置では、可撓性を有し、前記各第１の回路基板の隣り合う２つの前記第１の回路基板同士を連結する連結部材を備えることが好ましい。
これにより、第１の回路基板を持ち上げれば、全部の第１の回路基板が持ち上がるので、各第１の回路基板の組み付け等において、各第１の回路基板を容易に取り扱うことができる。
【００１４】
本発明の力検出装置では、前記素子は、外力に応じて電荷を出力するものであり、
前記第１の回路基板には、前記電荷を電圧に変換する電荷／電圧変換部が設けられていることが好ましい。
これにより、より精度の高い力検出を行うことができる。
本発明の力検出装置では、前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられ、前記各第１の回路基板と対向配置され、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換部が設けられた第２の回路基板を有することが好ましい。
これにより、第２の回路基板を外部に設ける場合に比べ、装置の小型化を図ることができる。
【００１５】
本発明の力検出装置では、前記各素子は、前記第１の基板と前記第２の基板とで挟持されていることが好ましい。
これにより、より精度の高い力検出を行うことができる。
本発明の力検出装置では、各第１の回路基板に穴が形成されていることが好ましい。
これにより、前記穴を、例えば、位置決め用の穴、固定用の穴やネジ穴等に用いることができる。
本発明の力検出装置では、前記各素子は、前記第１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。
【００１６】
本発明のロボットは、アームと、
前記アーム設けられたエンドエフェクタと、
前記アーム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、第１の基板と、
前記第１の基板と対向配置された第２の基板と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられ、外力に応じて信号を出力する素子が設けられた複数の第１の回路基板とを備えることを特徴とする。
【００１７】
これにより、前記本発明の力検出装置と同様の効果が得られる。そして、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。
【００１８】
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、第１の基板と、
前記第１の基板と対向配置された第２の基板と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられ、外力に応じて信号を出力する素子が設けられた複数の第１の回路基板とを備えることを特徴とする。
【００１９】
これにより、前記本発明の力検出装置と同様の効果が得られる。そして、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。
【００２０】
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、第１の基板と、
前記第１の基板と対向配置された第２の基板と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられ、外力に応じて信号を出力する素子が設けられた複数の第１の回路基板とを備えることを特徴とする。
【００２１】
これにより、前記本発明の力検出装置と同様の効果が得られる。そして、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。
【００２２】
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、第１の基板と、
前記第１の基板と対向配置された第２の基板と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられ、外力に応じて信号を出力する素子が設けられた複数の第１の回路基板とを備えることを特徴とする。
【００２３】
これにより、前記本発明の力検出装置と同様の効果が得られる。そして、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。
【００２４】
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、第１の基板と、
前記第１の基板と対向配置された第２の基板と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられ、外力に応じて信号を出力する素子が設けられた複数の第１の回路基板とを備えることを特徴とする。
これにより、前記本発明の力検出装置と同様の効果が得られる。そして、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。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の力検出装置の第１実施形態を示す平面図（第２の基板は図示せず）である。
【図２】図１中のＡ−Ａ線での断面図である。
【図３】図１に示す力検出装置を概略的に示す回路図である。
【図４】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５】本発明の力検出装置の第２実施形態を示す平面図（第２の基板は図示せず）である。
【図６】図５中のＢ−Ｂ線での断面図である。
【図７】本発明の力検出装置の第３実施形態を示す平面図（第２の基板は図示せず）である。
【図８】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９】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１０】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１１】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１２】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１３】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】
【００２６】
以下、本発明の力検出装置、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実施形態を示す平面図（第２の基板は図示せず）である。図２は、図１中のＡ−Ａ線での断面図である。図３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４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。
なお、以下では、説明の都合上、図１中の上側を「上」または「上方」、下側を「下」または「下方」と言う。
【００２７】
図１に示す力検出装置１は、外力（モーメントを含む）を検出する機能、すなわち、６軸力（ｘ、ｙ、ｚ軸方向の並進力成分（せん断力）およびｘ、ｙ、ｚ軸周りの回転力成分（モーメント））を検出する機能を有する。
力検出装置１は、第１の基板（第１の部材）２と、第１の基板２から所定の間隔を隔てて配置され、第１の基板２に対向する第２の基板（第２の部材）３と、第１の基板２と第２の基板３との間に設けられ、加えられた外力に応じて信号を出力する電荷出力素子（素子）１０が搭載された４つのアナログ回路基板（第１の回路基板）４と、第１の基板２と第２の基板３との間に設けられ、各アナログ回路基板４と電気的に接続されたデジタル回路基板（第２の回路基板）５と、第１の基板２と第２の基板３とを固定する８つの与圧ボルト（固定部材）７１とを備えている。
【００２８】
各電荷出力素子１０は、外力の検出に用いられる電荷（信号）を取得するための素子である。
各電荷出力素子１０は、アナログ回路基板４の第２の基板３側の面に配置され、それぞれ、アナログ回路基板４ごと、第１の基板２と第２の基板３とで挟持されている。なお、第１の基板２と、第２の基板３とのいずれを力が加わる側の基板としてもよいが、本実施形態では、第２の基板３を力が加わる側の基板として説明する。また、各電荷出力素子１０は、アナログ回路基板４の第１の基板２側の面に配置されていてもよい。なお、アナログ回路基板４については後で詳述する。
【００２９】
また、電荷出力素子１０（アナログ回路基板４）の数は、前記４つに限定されるものではなく、例えば、２つ、３つ、または５つ以上でもよい。但し、電荷出力素子１０の数は、３つ以上であることが好ましく、力検出装置１は、少なくとも３つの電荷出力素子１０を有していれば、６軸力を検出可能である。電荷出力素子１０が３つの場合、電荷出力素子１０の数が少ないので、力検出装置１を軽量化することができる。また、電荷出力素子１０が図示のように４つの場合、後述する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４０２を簡略化することができる。
【００３０】
第１の基板２、第２の基板３、デジタル回路基板５の形状は、それぞれ、特に限定されないが、本実施形態では、第１の基板２、第２の基板３、デジタル回路基板５の平面視で、その外形形状は、円形をなしている。なお、第１の基板２、第２の基板３、デジタル回路基板５の平面視での前記の他の外形形状としては、例えば、四角形、五角形等の多角形、楕円形等が挙げられる。
【００３１】
また、第１の基板２、第２の基板３、アナログ回路基板４の各素子および各配線以外の部位、デジタル回路基板５の各素子および各配線以外の部位の構成材料としては、それぞれ、特に限定されず、例えば、各種の樹脂材料、各種の金属材料等を用いることができる。
また、各電荷出力素子１０の位置は、特に限定されないが、本実施形態では、各電荷出力素子１０は、第１の基板２、第２の基板３の周方向に沿って、等角度間隔（９０°間隔）に配置されている。これにより、偏りなく外力を検出することができる。そして、６軸力を検出することができる。なお、本実施形態では、各電荷出力素子１０は、全て同じ方向を向いた状態でアナログ回路基板４に搭載されているが、これに限定されるものではない。
【００３２】
図３に示すように、各アナログ回路基板４は、搭載された電荷出力素子１０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９０ａと、電荷Ｑｚを電圧Ｖｚに変換する変換出力回路９０ｂと、電荷Ｑｙを電圧Ｖｙに変換する変換出力回路９０ｃとを備えている。また、デジタル回路基板５は、加えられた外力を検出する外力検出回路４０を備えている。このデジタル回路基板５は、アナログ回路基板４よりも第１の基板２側、すなわち、各アナログ回路基板４と第１の基板との間に配置されている。
【００３３】
そして、図２に示すように、各アナログ回路基板４の出力端子と、デジタル回路基板５の入力端子とは、４つのコネクター８１により電気的に接続されている。なお、各アナログ回路基板４の出力端子とデジタル回路基板５の入力端子とを電気的に接続する接続部材としては、コネクターに限らず、この他、例えば、配線が設けられ、可撓性を有するフレキシブル基板等が挙げられる。
【００３４】
また、各アナログ回路基板４は、本実施形態では、アナログ回路基板４の平面視で、扇形の中心側が円弧状となるように、扇形の中心側を除去してなる形状をなしている。そして、各アナログ回路基板４は、その平面視での形状を含め、同様の構成をなしている。なお、アナログ回路基板４の形状は、これに限定されるものではなく、この他、例えば、例えば、三角形、四角形、五角形等の多角形、円形、楕円形等が挙げられる。また、各アナログ回路基板４が同様の構成をなしてなくてもよいことは、言うまでもない。
また、各アナログ回路基板４は、第１の基板２、第２の基板３の平面視で、その扇形の中心が第１の基板２、第２の基板３の中心に位置し、アナログ回路基板４の面方向に沿って配置されている。この場合、各アナログ回路基板４は、第１の基板２、第２の基板３の周方向に沿って、所定の間隔を隔てて、等角度間隔（９０°間隔）に配置されている。
【００３５】
すなわち、各アナログ回路基板４は、隣り合うアナログ回路基板４から離間している。これにより、各アナログ回路基板４は、他のアナログ回路基板４から影響を受けることを防止することができる。なお、本実施形態では、アナログ回路基板４の外周全体が、隣り合うアナログ回路基板４から離間しているが、本発明では、これに限らず、アナログ回路基板４の一部が、隣り合うアナログ回路基板４に接触していてもよい。
なお、各アナログ回路基板４には、２つの与圧ボルト７１が挿通する２つの穴４１が形成されている。
【００３６】
第１の基板２と、第２の基板３とは、８つの与圧ボルト７１により、固定されている。各与圧ボルト７１は、その頭部が第２の基板３側に配置され、第１の基板２に螺合している。なお、与圧ボルト７１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。具体的には、第１の基板２と、第２の基板３とは、８つの与圧ボルト７１により、互いの所定量の第１の基板２、第２の基板３の面方向の移動が許容されつつ固定される。
そして、この与圧ボルト７１により、各電荷出力素子１０に、所定の大きさのＺ軸方向の圧力、すなわち、与圧が加えられる。なお、前記与圧の大きさは、特に限定されず、適宜設定される。また、与圧ボルト７１の数は、８つに限定されず、例えば、２つ、３つ、４つ、５つ、６つ、７つまたは、９つ以上であってもよい。
【００３７】
また、各与圧ボルト７１の位置は、特に限定されないが、本実施形態では、各与圧ボルト７１は、第１の基板２、第２の基板３の周方向に沿って配置されている。また、各与圧ボルト７１は、各電荷出力素子１０に対して、それぞれ、１対の与圧ボルト７１が電荷出力素子１０を挟んで電荷出力素子１０の両側に配置されている。これにより、第１の基板２と第２の基板３とをバランス良く固定することができ、また、各電荷出力素子１０にバランス良く与圧を加えることができる。
【００３８】
＜電荷出力素子（素子）＞
各電荷出力素子１０は、それぞれ、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（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。なお、各電荷出力素子１０は、構造、寸法、構成材料等すべての構成が同様である。このため、以下では、代用的に、１つの電荷出力素子１０について説明する。
電荷出力素子１０の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、第１の基板２の平面視で、四角形をなしている。なお、電荷出力素子１０の平面視での前記の他の外形形状としては、例えば、五角形等の他の多角形、円形、楕円形等が挙げられる。
【００３９】
図４に示すように、電荷出力素子１０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４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。
【００４０】
図示の構成では、図４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。
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。
【００４１】
第１のセンサ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Ｑｙを出力する機能を有する。第１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。
第１のセンサ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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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Ｑｙ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Ｑｙ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Ｑｙが出力される。
【００４７】
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Ｑｙが減少してしまう。なお、後述する出力電極層１３２、１４２についても同様である。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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１０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。
【００５９】
＜変換出力回路＞
各電荷出力素子１０には、それぞれ、変換出力回路（電荷／電圧変換部）９０ａ、９０ｂ、９０ｃが接続されている。各電荷出力素子１０に接続されたそれぞれの変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃは、同様であるので、以下では、代表的に、１つの電荷出力素子１０に接続された変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃについて説明する。
【００６０】
変換出力回路９０ａは、電荷出力素子１０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９０ｂは、電荷出力素子１０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９０ｃは、電荷出力素子１０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。変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃは、同様であるので、以下では、代表的に、変換出力回路９０ｃについて説明する。
【００６１】
変換出力回路９０ｃは、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｙを電圧Ｖｙに変換して電圧Ｖｙを出力する機能を有する。変換出力回路９０ｃは、オペアンプ９１と、コンデンサー９２と、スイッチング素子９３とを有する。オペアンプ９１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９１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９１の出力端子は、外力検出回路４０に接続されている。コンデンサー９２は、オペアンプ９１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９３は、オペアンプ９１の第１の入力端子と出力端子との間に接続され、コンデンサー９２と並列接続されている。また、スイッチング素子９３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９３はスイッチング動作を実行する。
【００６２】
スイッチング素子９３がオフの場合、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｙは、静電容量Ｃ１を有するコンデンサー９２に蓄えられ、電圧Ｖｙとして外力検出回路４０に出力される。次に、スイッチン素子９３がオンになった場合、コンデンサー９２の両端子間が短絡される。その結果、コンデンサー９２に蓄えられた電荷Ｑｙは、放電されて０クーロンとなり、外力検出回路４０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９３がオンとなることを、変換出力回路９０ｃをリセットするという。なお、理想的な変換出力回路９０ｃから出力される電圧Ｖｙは、電荷出力素子１０から出力される電荷Ｑｙの蓄積量に比例する。
【００６３】
スイッチング素子９３は、例えば、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９３としてＭＯＳＦＥＴを用いた場合を説明する。
【００６４】
スイッチング素子９３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９３のドレイン電極またはソース電極の一方がオペアンプ９１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９１の出力端子に接続されている。また、スイッチング素子９３のゲート電極は、駆動回路（図示せず）に接続されている。
【００６５】
各変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃのスイッチング素子９３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９３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、各変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃのスイッチング素子９３の動作が同期する。すなわち、各変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃのスイッチング素子９３のオン／オフタイミングは一致する。
【００６６】
＜外力検出回路＞
外力検出回路４０は、各変換出力回路９０ａから出力される電圧Ｖｘ１、Ｖｘ２、Ｖｘ３、Ｖｘ４と、各変換出力回路９０ｂから出力される電圧Ｖｚ１、Ｖｚ２、Ｖｚ３、Ｖｚ４と、変換出力回路９０ｃから出力される電圧Ｖｙ１、Ｖｙ２、Ｖｙ３、Ｖｙ４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４０は、変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃに接続されたＡＤコンバーター（ＡＤ変換部）４０１と、ＡＤコンバーター４０１に接続された演算部４０２とを有する。
【００６７】
ＡＤコンバーター４０１は、電圧Ｖｘ１、Ｖｙ１、Ｖｚ１、Ｖｘ２、Ｖｙ２、Ｖｚ２、Ｖｘ３、Ｖｙ３、Ｖｚ３、Ｖｘ４、Ｖｙ４、Ｖｚ４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４０１によってデジタル変換された電圧Ｖｘ１、Ｖｙ１、Ｖｚ１、Ｖｘ２、Ｖｙ２、Ｖｚ２、Ｖｘ３、Ｖｙ３、Ｖｚ３、Ｖｘ４、Ｖｙ４、Ｖｚ４は、演算部４０２に入力される。
【００６８】
すなわち、第１の基板２および第２の基板３の相対位置が互いにα（Ｘ）軸方向にずれる外力が加えられた場合、ＡＤコンバーター４０１は、電圧Ｖｘ１、Ｖｘ２、Ｖｘ３、Ｖｘ４を出力する。同様に、第１の基板２および第２の基板３の相対位置が互いにβ（Ｙ）軸方向にずれる外力が加えられた場合、ＡＤコンバーター４０１は、電圧Ｖｙ１、Ｖｙ２、Ｖｙ３、Ｖｙ４を出力する。また、第１の基板２および第２の基板３の相対位置が互いにγ（Ｚ）軸方向にずれる外力が加えられた場合、ＡＤコンバーター４０１は、電圧Ｖｚ１、Ｖｚ２、Ｖｚ３、Ｖｚ４を出力する。
また、第１の基板２および第２の基板３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電荷出力素子１０に伝達することが可能である。
【００６９】
演算部４０２は、デジタル変換された電圧Ｖｘ１、Ｖｙ１、Ｖｚ１、Ｖｘ２、Ｖｙ２、Ｖｚ２、Ｖｘ３、Ｖｙ３、Ｖｚ３、Ｖｘ４、Ｖｙ４、Ｖｚ４に基づき、ｘ軸方向の並進力成分Ｆｘ、ｙ軸方向の並進力成分Ｆｙ、ｚ軸方向の並進力成分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。
【００７０】
Ｆｘ＝Ｖｘ１＋Ｖｘ２＋Ｖｘ３＋Ｖｘ４
Ｆｙ＝Ｖｙ１＋Ｖｙ２＋Ｖｙ３＋Ｖｙ４
Ｆｚ＝Ｖｚ１＋Ｖｚ２＋Ｖｚ３＋Ｖｚ４
Ｍｘ＝ｂ×（Ｖｚ４−Ｖｚ２）
Ｍｙ＝ａ×（Ｖｚ３−Ｖｚ１）
Ｍｚ＝ｂ×（Ｖｘ２−Ｖｘ４）＋ａ×（Ｖｙ１−Ｖｙ３）
ここで、ａ、ｂは定数である。
このように、力検出装置１は、６軸力を検出することができる。
【００７１】
以上説明したように、この力検出装置１によれば、各アナログ回路基板４は、他のアナログ回路基板４から影響を受けることを防止することができ、また、独立してそのアナログ回路基板４の交換やメンテナンス等を行うことができる。
すなわち、１つのアナログ回路基板４が熱膨張した場合や、力検出装置１に外力が加わり、１つのアナログ回路基板４が変形した場合に、それによる応力等が他のアナログ回路基板４に伝わることを防止することができる。これにより、アナログ回路基板４の変形や応力を低減することができ、これによって、電荷出力素子１０を固定している半田等の破損、剥離を防止することができ、また、電荷出力素子１０やアナログ回路基板４が破損することを防止することができる。また、電荷出力素子１０に不要な力が加わることを抑制することができ、力検出の精度を向上させることができる。
【００７２】
また、各アナログ回路基板４を設置する際、各アナログ回路基板４をどのような姿勢に設置しても他のアナログ回路基板４に影響を与えることがないので、各アナログ回路基板４を最適な姿勢に設置することができる。
また、１つの電荷出力素子１０が破損した場や、複数のアナログ回路基板４の一部が破損した場合は、対応するアナログ回路基板４のみを交換すればよく、その交換作業を容易かつ迅速に行うことができ、また、コストを低減することができる。
【００７３】
また、アナログ回路基板４について、１種類の回路基板を用いることができ、これにより、コストを低減することができる。
また、アナログ回路基板４と、デジタル回路基板５とが分離しているので、デジタル回路基板から発生する熱がアナログ回路基板４に伝達されることを抑制することができる。これにより、アナログ回路基板４におけるリーク電流を抑制することができ、出力ドリフトを抑制することができ、これによって、より精度の高い力検出を行うことができる。
【００７４】
＜第２実施形態＞
図５は、本発明の力検出装置の第２実施形態を示す平面図（第２の基板は図示せず）である。図６は、図５中のＢ−Ｂ線での断面図である。
なお、以下では、説明の都合上、図５中の上側を「上」または「上方」、下側を「下」または「下方」と言う。
【００７５】
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５および図６に示すように、第２実施形態の力検出装置１は、各アナログ回路基板４の隣り合う２つのアナログ回路基板４同士を電気的に接続する配線が設けられ、可撓性を有する４つのフレキシブル基板（接続部材）８２を備えている。各フレキシブル基板８２の一端部は、隣り合う２つのアナログ回路基板４の一方に電気的に接続され、他端部は、他方のアナログ回路基板４に電気的に接続されている。
この場合、各アナログ回路基板４の出力ラインは、対応するフレキシブル基板８２および他のアナログ回路基板４に設けられた配線に接続されており、これにより、各アナログ回路基板４の出力端子は、１つのアナログ回路基板４の１箇所に集中している。
【００７６】
一方、デジタル回路基板５においては、各アナログ回路基板４の出力端子に電気的に接続される入力端子が１箇所、すなわち、各アナログ回路基板４の出力端子が集中している箇所に対向する位置に集中している。
そして、各アナログ回路基板４の出力端子と、デジタル回路基板５の入力端子とは、単一のコネクター８３により電気的に接続されている。なお、各アナログ回路基板４の出力端子とデジタル回路基板５の入力端子とを電気的に接続する接続部材としては、コネクターに限らず、この他、例えば、配線が設けられ、可撓性を有するフレキシブル基板等が挙げられる。
この力検出装置１によれば、前述した第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００７７】
そして、この力検出装置１では、各アナログ回路基板４とデジタル回路基板５とを単一のコネクター８３で電気的に接続することができるので、部品点数を削減することができ、また、前記接続の作業を容易かつ迅速に行うことができる。
また、各アナログ回路基板４の出力がデジタル回路基板５の１箇所に集中するので、デジタル回路基板５での各処理を効率良く行うことができる。
【００７８】
＜第３実施形態＞
図７は、本発明の力検出装置の第３実施形態を示す平面図（第２の基板は図示せず）である。
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。
【００７９】
図７に示すように、第３実施形態の力検出装置１は、各アナログ回路基板４の隣り合う２つのアナログ回路基板４同士を連結し、可撓性を有する連結部材８４を備えている。
各連結部材８４は、同一の形状をなしている。また、各連結部材８４の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、帯状をなしている。
そして、各連結部材８４の短辺方向の一端部は、隣り合う２つのアナログ回路基板４の一方に固着し、他端部は、他方のアナログ回路基板４に固着している。この連結部材８４の固着方法は、特に限定されず、例えば、接着剤等により接着、融着等が挙げられる。なお、本実施形態では、各アナログ回路基板４および各連結部材８４全体で、円環状をなしている。
【００８０】
また、連結部材８４の構成材料としては、特に限定されず、例えば、各種樹脂材料やゴム材料等が挙げられる。
この力検出装置１によれば、前述した第１実施形態と同様の効果が得られる。
そして、この力検出装置１では、各アナログ回路基板４が対応する連結部材８４で連結されているので、各アナログ回路基板４の組み付け等において、各アナログ回路基板４を容易に取り扱うことができる。
なお、各連結部材８４の形状は、本実施形態では、同一であるが、異なっていてもよい。
この第３実施形態は、第２実施形態にも適用することができる。すなわち、力検出装置１は、フレキシブル基板（接続部材）８２および連結部材８４を有していてもよい。
【００８１】
＜単腕ロボットの実施形態＞
次に、図８に基づき、本発明のロボットの実施形態である単腕ロボットを説明する。以下、本実施形態について、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を用いた単腕ロボットの１例を示す図である。図８の単腕ロボット５００は、基台５１０と、アーム５２０と、アーム５２０の先端側に設けられたエンドエフェクタ５３０と、アーム５２０とエンドエフェクタ５３０との間に設けられた力検出装置１００とを有する。なお、力検出装置１００としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
基台５１０は、アーム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。
【００８２】
アーム５２０は、第１のアーム要素５２１、第２のアーム要素５２２、第３のアーム要素５２３、第４のアーム要素５２４および第５のアーム要素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５２０は、制御部の制御によって、各アーム要素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。
【００８３】
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。力検出装置１００が検出する力を基台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１００が検出する力によって、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５２０は、合計５本のアーム要素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５２０が、１本のアーム要素に構成されている場合、２〜４本のアーム要素によって構成されている場合、６本以上のアーム要素によって構成されている場合も本発明の範囲内である。
【００８４】
＜複腕ロボットの実施形態＞
次に、図９に基づき、本発明のロボットの実施形態である複腕ロボットを説明する。以下、本実施形態について、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９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９の複腕ロボット６００は、基台６１０と、第１のアーム６２０と、第２のアーム６３０と、第１のアーム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６２０と第１のエンドエフェクタ６４０ａ間および第２のアーム６３０と第２のエンドエフェクタ６４０ｂとの間に設けられた力検出装置１００を有する。なお、力検出装置１００としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
【００８５】
基台６１０は、第１のアーム６２０および第２のアーム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６２０は、第１のアーム要素６２１および第２のアーム要素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６３０は、第１のアーム要素６３１および第２のアーム要素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６２０および第２のアーム６３０は、制御部の制御によって、各アーム要素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。
【００８６】
第１、第２のエンドエフェクタ６４０ａ、６４０ｂは、対象物を把持する機能を有する。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。
【００８７】
力検出装置１００は第１、第２のエンドエフェクタ６４０ａ、６４０ｂに加えられる外力を検出する機能を有する。力検出装置１００が検出する力を基台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１００が検出する力によって、複腕ロボット６００は、第１、第２のエンドエフェクタ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本以上のアームを有している場合も、本発明の範囲内である。
【００８８】
＜電子部品検査装置および電子部品搬送装置の実施形態＞
次に、図１０、図１１に基づき、本発明の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、本実施形態について、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１０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１１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。
【００８９】
図１０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。
【００９０】
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、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。なお、力検出装置１００としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
【００９１】
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。
【００９２】
図１１は、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。
【００９３】
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。
【００９４】
また、検出装置１００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１００が検出する力を制御装置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１００が検出する力によって、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。
【００９５】
＜部品加工装置の実施形態＞
次に、図１２に基づき、本発明の部品加工装置の実施形態を説明する。以下、本実施形態について、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１２は、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に接続された力検出装置１００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。なお、力検出装置１００としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
【００９６】
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。
【００９７】
力検出装置１００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１００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。
【００９８】
＜移動体の実施形態＞
次に、図１３に基づき、本発明の移動体の実施形態を説明する。以下、本実施形態について、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１３は、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。図１３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。
【００９９】
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１００と、制御部９３０を有する。なお、力検出装置１００としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
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１００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１００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１００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。
【０１００】
以上、本発明の力検出装置、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。
【０１０１】
また、前記実施形態では、外力に応じて信号を出力する素子として、圧電体を用いたものを使用しているが、本発明では、加えられる外力に応じて出力が変化するものであればこれに限定されず、その他、例えば、感圧導電体等を用いたものが挙げられる。
また、本発明では、固定部材として、与圧ボルトに替えて、例えば、素子に与圧を加える機能を有していないものを用いてもよい。
【０１０２】
また、本発明では、アナログ回路基板と、デジタル回路基板とを１つの回路基板で構成してもよい。
また、本発明では、デジタル回路基板を外部に設けてもよく、また、デジタル回路基板を省略してもよい。
また、本発明では、回路基板の機能の一部、例えば、デジタル回路基板のＡＤコンバーター、演算部等を外部に設けてもよく。また、それを省略してもよい。
【０１０３】
また、本発明のロボットは、アーム型ロボット（ロボットアーム）に限定されず、他の形式のロボット、例えば、スカラーロボット、脚式歩行（走行）ロボット等であってもよい。
また、本発明の力検出装置は、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限らず、他の装置、例えば、他の搬送装置、他の検査装置、振動計、加速度計、重力計、動力計、地震計、傾斜計等の測定装置、入力装置等にも適用することができる。
【符号の説明】
【０１０４】
１…力検出装置  ２…第１の基板  ３…第２の基板  ４…アナログ回路基板  ４１…穴  ４０…外力検出回路  ４０１…ＡＤコンバーター  ４０２…演算部  ５…デジタル回路基板  ７１…与圧ボルト  ８１、８３…コネクター  ８２…フレキシブル基板  ８４…連結部材  ９０ａ、９０ｂ、９０ｃ…変換出力回路  ９１…オペアンプ  ９２…コンデンサー  ９３…スイッチング素子  １０…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  ５００…単腕ロボット  ５１０…基台  ５２０…アーム  ５２１…第１のアーム要素  ５２２…第２のアーム要素  ５２３…第３のアーム要素  ５２４…第４のアーム要素  ５２５…第５のアーム要素  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  ６２１…第１のアーム要素  ６２２…第２のアーム要素  ６３０…第２のアーム  ６３１…第１のアーム要素  ６３２…第２のアーム要素  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  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
【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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【図１３】
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