(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体を有するセンサー素子と、前記センサー素子が配置される第１部材と、前記第１部材に接合し前記第１部材を封止する第２部材と、を含むセンサーデバイスと、
前記センサーデバイスをプレート間で支持する第１プレート及び第２プレートと、
前記第１プレート及び第２プレートの間に前記センサーデバイスが把持されるとともに、前記センサーデバイスが間に位置するように締結する複数の締結部と、
を備え、
前記第１プレートには前記第１部材側の面に前記第２部材に向けて突出する第１押圧部が形成されて、
前記第２部材は前記第１押圧部と前記センサー素子の受圧面によって挟持されていることを特徴とするセンサーモジュール。
【請求項２】
前記第１押圧部は、平面視でセンサー素子の受圧面の全領域と重なる面を有し、かつ平面視で前記第１部材の内周縁の領域の内部に位置し、前記締結部は前記第１プレート及び第２プレート間の前記第１部材を加圧しながら固定することを特徴とする請求項１に記載のセンサーモジュール。
【請求項３】
前記第２プレートは、前記第１部材側の面に第２押圧部が前記第１押圧部と対向するように形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサーモジュール。
【請求項４】
前記第１部材の実装面に、前記第２押圧部と接触する凹部を形成したことを特徴とする請求項３に記載のセンサーモジュール。
【請求項５】
前記第２部材は、平面視でセンサー素子の受圧面よりも外側で、かつ平面視で前記第１部材の内周縁の領域の内部に環状の可撓部を形成したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のセンサーモジュール。
【請求項６】
前記圧電体を複数積層させた前記センサー素子の積層方向をＺ軸方向とした場合、前記Ｚ軸方向に直交しかつ互いに直交する方向をそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向とした場合、少なくとも前記Ｘ軸方向の力を検出する第１センサー素子と、前記Ｙ軸方向の力を検出する第２センサー素子と、前記Ｚ軸方向の力を検出する第３センサー素子と、を備えることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のセンサーモジュール。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載のセンサーモジュールを備えたことを特徴とする力検出装置。
【請求項８】
請求項７に記載の力検出装置を備えたことを特徴とするロボット。
【請求項９】
本体部と、
前記本体部に接続するアーム部と、
前記アーム部に接続するハンド部と、を備えるロボットであって、
前記アーム部と前記ハンド部との接続部にセンサーモジュールを有し、
前記センサーモジュールは、
圧電体を有するセンサー素子と、前記センサー素子が配置される第１部材と、前記第１部材の側壁の端面に接合し前記第１部材を封止する第２部材と、を含むセンサーデバイスと、
前記センサーデバイスをプレート間で支持する第１プレート及び第２プレートと、
前記第１プレート及び第２プレートの間に前記センサーデバイスが把持されるとともに、前記センサーデバイスが間に位置するように締結する複数の締結部と、
を備え、
前記第１プレートには前記第１部材側の面に前記第２部材に向けて突出する第１押圧部が形成されて、
前記第２部材は前記第１押圧部と前記センサー素子の受圧面によって挟持されていることを特徴とするロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサーモジュール、力検出装置、ロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電材料を用いた力センサーとしては特許文献１のものが知られていた。特許文献１の図１５に示されている信号電極１５を圧電材料である結晶円板１６により挟持し、さらに金属カバー円板１７によって挟持された測定素子を特許文献１の図４に示すように金属環１４内に溶接で複数配置した力センサーが開示されている。
【０００３】
また、図１２に、従来技術のセンサーデバイスを示す。図１２に示すように、センサーデバイス２００は、同一のカット面を有する２つの水晶板２１６を互いに対向させた状態で電極板２１８を挟み込んだセンサー素子２１４と、センサー素子２１４を収容する金属製のパッケージ２０２と、パッケージ２０２の凹部の開口部２２０の外周となる上面２２４に接合するとともに水晶板２１６に当接する金属製のリッド２０４と、により全体が構成されている。そしてパッケージ２０２の側面には同軸コネクター２０６が取り付けられている。同軸コネクター２０６は、外周部２０８と中心導体２１０を有し、両者の間には絶縁性樹脂２１２が充填され、外周部２０８と中心導体２１０は電気的に絶縁している。そして外周部２０８は、パッケージ２０２及びリッド２０４と短絡し、中心導体２１０は電極板２１８と電気的に接続している。
【０００４】
このセンサーデバイス２００は、与圧プレート（不図示）に挟み込まれて与圧が与えられ、水晶板２１６は与圧に伴う圧電効果により電極板２１８に電荷を出力（誘起）する。そして、与圧プレートに印加される外力に応じて水晶板２１６に印加される圧力が変化する。よって、この圧力の変化による出力電荷の変化量を、同軸コネクター２０６を通じてモニターすることにより、センサーデバイス２００に印加された外力を検出することができる。
【０００５】
ここで、センサーデバイス２００においては、水晶板２１６から誘起された電荷が水分等で外部に漏洩しないように、パッケージ２０２内部を乾燥空気で満たした状態あるいは真空を保持した状態で、リッド２０４によりセンサー素子２１４を封止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平４−２３１８２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に開示の力センサーは、信号電極を結晶円板で挟持し、この結晶円板を金属カバー円板で挟持する構造である。これを溶接で金属環に取り付けた場合、信号電極などの個々のパーツには寸法誤差があり、これが溶接箇所の凹凸となり、溶接に隙間が生じる虞があった。よって湿度が高いなどの外部環境が劣悪な状況では、センサー素子への水分の侵入によって電荷が外部へリークし安定した測定が困難となる虞があった。また測定素子をレーザー溶接等でシールする方法は、煩雑な工程であり、量産化に適用し難いという問題があった。
【０００８】
また、図１２に示す従来技術のセンサーデバイスでは、センサー素子をパッケージに収容する場合、次のような問題があった。パッケージ及びセンサー素子の製造過程において、パッケージは数十μｍの寸法誤差があり、センサー素子は数μｍの寸法誤差があり、このような寸法誤差に基づく製造ばらつきが生じていた。そのため、パッケージの内部高さ（パッケージの実装面からリッドまでの高さ）とセンサー素子の高さを正確に等しく調整することが困難となっていた。
【０００９】
図１３は従来の製造ばらつきが生じたセンサーデバイスの説明図であり、（ａ）はセンサー素子の上面がパッケージの凹部の開口部の外周となる位置より低くなる場合を示し、（ｂ）はセンサー素子の上面がパッケージの凹部の開口部の外周となる位置より高くなる場合を示している。
【００１０】
図１３（ａ）に示すように、センサー素子２１４の上面２２２の高さが、上面２２４の高さより低くなる場合、リッド２０４をパッケージ２０２に接合すると、リッド２０４とセンサー素子２１４の上面２２２とが接触せずに隙間２２６が形成される。また図１３（ｂ）に示すように、センサー素子２１４の上面２２２の高さが、パッケージ２０２の凹部の開口部２２０の外周となる上面２２４の高さより高くなる場合、リッド２０４をパッケージ２０２に接合すると図１３（ｂ）のようになる。すなわち、リッド２０４の中央部が盛り上がった状態となり、センサー素子２１４の上面２２２の周縁はリッド２０４に接触するものの、センサー素子２１４の上面２２２の中央部とリッド２０４との間には隙間２２８が形成される。
【００１１】
このようにセンサー素子の上面がパッケージの凹部の開口部の外周となる位置より低くなる場合、センサー素子の上面がパッケージの凹部の開口部の外周となる位置より高くなる場合、センサー素子の上面とパッケージの凹部の開口部の外周となる位置と一致する場合のいずれかのセンサーデバイスを複数用いて与圧を印加させようとすると、均等に印加させることが難しかった。
【００１２】
また、センサー素子は、予め与圧（通常、１０ｋＮ程度）を印加する必要がある。しかし、従来技術のセンサーデバイスでは、パッケージの封止技術によっては十分な与圧を印加させることが困難であった。
【００１３】
そこで、上記従来技術の問題点を解決するため、本発明は、パッケージに収容されたセンサー素子の気密性を確保しつつ、センサー素子に均等に予圧をかけて高精度な力検出を行うことができるセンサーモジュール、力検出装置、ロボットを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。
【００１５】
［適用例１］本適用例のセンサーモジュールは、圧電体を有するセンサー素子と、前記センサー素子が配置される第１部材と、前記第１部材に接合し前記第１部材を封止する第２部材と、前記第１部材及び前記第２部材をプレート間で支持する第１プレート及び第２プレートと、前記第１プレート及び第２プレート間の前記第１部材を固定する締結部と、を備え、前記第１プレートには前記第１部材側の面に前記第２部材に向けて突出する第１押圧部が形成されて、前記第２部材は前記第１押圧部と前記センサー素子の受圧面によって挟持されていることを特徴としている。
上記構成により、センサー素子が第１部材内に封止されたセンサーデバイスに対して、第１部材の外側から第２部材を介してセンサー素子へ与圧を印加することができる。また、センサーデバイスの寸法誤差により、例えば第１部材内に収容されたセンサー素子が第２部材と接触していなくても、第１押圧部によって、センサー素子へ与圧を十分に印加することができる。このためセンサーデバイスの製造ばらつきに係らずセンサー素子に常に一定の与圧を印加することができ、測定誤差のない正確な検出データを得ることができる。よってセンサーモジュールの歩留りが良くなる。
【００１６】
［適用例２］前記第１押圧部は、平面視でセンサー素子の受圧面の全領域と重なる面を有し、かつ平面視で前記第１部材の内周縁の領域の内部に位置し、前記締結部は前記第１プレート及び第２プレート間の前記第１部材を加圧しながら固定することを特徴とする適用例１に記載のセンサーモジュール。
上記構成により、第１押圧部で、センサー素子の上面の全領域を常に均一に与圧を印加することができる。よって測定誤差のない正確な検出データが得られる。
【００１７】
［適用例３］前記第２プレートは、前記第１部材側の面に第２押圧部が前記第１押圧部と対向するように形成されていることを特徴とする適用例１又は２に記載のセンサーモジュール。
上記構成により、第１部材の実装面の外部端子から接続配線を引き出すことができる。またセンサー素子の上下面から効率的に与圧を印加することができる。さらに第１プレートと第２プレートの間の隙間を広げることができ、配線や制御回路（ＩＣ）などを設置するスペースを確保することができる。
【００１８】
［適用例４］前記第１部材の実装面に、前記第２押圧部と嵌合する凹部を形成したことを特徴とする適用例３に記載のセンサーモジュール。
これにより、第１部材と第２プレートの位置合わせを容易かつ確実に行なうことができる。
【００１９】
［適用例５］前記第２部材は、平面視でセンサー素子の受圧面よりも外側で、かつ平面視で前記第１部材の内周縁の領域の内部に環状の可撓部を形成したことを特徴とする適用例１ないし４のいずれか１例に記載のセンサーモジュール。
上記構成により、第１部材とセンサー素子の高さが一致しないときでも、第１押圧部による与圧で第２部材の可撓部が変形することにより、第２部材にストレスが掛からず、第１部材と第２部材の接合状態を維持して気密に保つことができる。
【００２０】
［適用例６］前記圧電体を複数積層させた前記センサー素子の積層方向をＺ軸方向とした場合、前記Ｚ軸方向に直交しかつ互いに直交する方向をそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向とした場合、少なくとも前記Ｘ軸方向の力を検出する第１センサー素子と、前記Ｙ軸方向の力を検出する第２センサー素子と、前記Ｚ軸方向の力を検出する第３センサー素子と、を備えることを特徴とする適用例１ないし５のいずれか１例に記載のセンサーモジュール。
上記構成により、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向、いわゆる３軸方向の力を検出するセンサー素子を相互の位置ずれが制御されることにより、３軸方向の力を検出するセンサーデバイスであっても高い検出精度を損なうことなく、安定して維持させることができる。
【００２１】
［適用例７］適用例１ないし６のいずれか１例に記載のセンサーモジュールを備えたことを特徴とする力検出装置。
上記構成により、電荷量および電荷の正負によって、容易に外力負荷を演算計測することができる。また、簡単な構成によって３軸力検出センサーを得ることができ、さらに、上述の適用例のセンサーモジュールを複数用いることで、たとえばトルク計測も含む６軸力検出装置などを容易に得ることができる。
【００２２】
［適用例８］適用例７に記載の力検出装置を備えたことを特徴とするロボット。
上記構成により、作動するロボットアームあるいはロボットハンドに対して、所定動作中に起こる障害物への接触の検出、対象物への接触力を、力検出装置により確実に検出し、ロボット制御装置へデータをフィードバックすることで、安全で細かな作業を行うことができる。
【００２３】
［適用例９］本体部と、前記本体部に接続するアームと、前記アーム部に接続するハンド部と、を備えるロボットであって、前記アーム部と前記ハンド部との接続部にセンサーモジュールを有し、前記センサーモジュールは、圧電体を有するセンサー素子と、前記センサー素子が配置される第１部材と、前記第１部材の側壁の端面に接合し前記第１部材を封止する第２部材と、前記第１部材及び前記第２部材をプレート間で支持する第１プレート及び第２プレートと、前記第１プレート及び第２プレート間の前記第１部材を固定する締結部と、を備え、前記第１プレートには前記第１部材側の面に前記第２部材に向けて突出する第１押圧部が形成されて、前記第２部材は前記第１押圧部と前記センサー素子の受圧面によって挟持されていることを特徴とするロボット。
上記構成により、作動するロボットアームあるいはロボットハンドに対して、所定作動中に起こる障害物への接触の検出、対象物への接触力を、力検出装置により確実に検出し、ロボット制御装置へデータをフィードバックすることで、安全で細かな作業を行うことができる。また少ない変化量であっても高精度な力の検出を安定的に行うことが可能なロボットとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１実施形態に係るセンサーモジュールの断面図である。
【図２】本実施形態のセンサーデバイス（第２部材を省略）の素子積層方向からの平面図である。
【図３】本実施形態のベース部材の素子積層方向からの平面図である。
【図４】本実施形態の第２部材の平面図である。
【図５】本実施形態のセンサー素子の模式図である。
【図６】センサー素子と第２部材の間に隙間が生じたセンサーデバイスの説明図であり、（ａ）はセンサーデバイスの断面図、（ｂ）は与圧を印加したセンサーデバイスの断面図である。
【図７】第２実施形態に係るセンサーモジュールの断面図である。
【図８】第３実施形態に係るセンサーモジュールの断面図である。
【図９】第４実施形態に係るセンサーモジュールの断面図である。
【図１０】本実施形態の力検出装置を示し、（ａ）は模式図を示し、（ｂ）は平面図を示す。
【図１１】本実施形態の力検出装置を搭載したロボットの模式図である。
【図１２】従来技術のセンサーデバイスの模式図である。
【図１３】従来の製造ばらつきが生じたセンサーデバイスの説明図であり、（ａ）はセンサー素子の上面が第１部材の凹部の開口部の外周となる位置より低くなる場合を示し、（ｂ）はセンサー素子の上面が第１部材の凹部の開口部の外周となる位置より高くなる場合を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明のセンサーモジュール、力検出装置、及びロボットの実施形態を添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。
図１は第１実施形態に係るセンサーモジュールの断面図を示す。図２は本実施形態のセンサーデバイス（第２部材を省略）の素子積層方向からの平面図を示す。図３は本実施形態のベース部材の素子積層方向からの平面図を示す。
【００２６】
第１実施形態に係るセンサーモジュール１０は、力成分を検出可能なセンサー素子を第１部材内に封止したセンサーデバイス１１と、センサーデバイス１１をプレート間で挟むように支持する第１プレート７０及び第２プレート８０と、第１プレートと第２プレート間のセンサーデバイスを加圧しながら固定する締結部８６を主な基本構成としている。まず本実施形態のセンサーデバイス１１は、第１部材１２と、第２部材３４と、センサー素子４２を主な基本構成としている。
【００２７】
第１部材１２は、ベース部材１４と側壁部材２４からなり、いずれもセラミック等の絶縁性材料により形成されている。尚、本実施形態では、ベース部材１４及び側壁部材２４に、いずれもセラミックス等を用いたが、絶縁性を持つ材料であれば材質には特に制約はなく、ベース部材１４と側壁部材２４はそれぞれ異なる材料でも良い。ベース部材１４は、平面視矩形の平板形状であり上面にセンサー素子４２が配置される。側壁部材２４は、平面視（図２）で外形がベース部材１４と同一の形状であり、センサー素子４２の周囲を囲むよう（リング状）にベース部材１４上に配置される。
【００２８】
図３に示すように、ベース部材１４の上面の中央には、センサー素子の下面に接続する接地電極１６が配置されている。また、ベース部材１４の下面の四隅には側部電極２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄが配置されている。側部電極２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄは、それぞれ電子回路基板（不図示）上の実装電極と電気的に接続されている。
【００２９】
また、図１、図２、図３に示すように、ベース部材１４の上面には接続電極１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄが配置されている。接続電極１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄは、それぞれ側部電極２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄに対応して配置され、一端がそれぞれ平面視で側部電極２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄに対向する位置に配置されている。一方、接続電極１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃの他端は、接地電極１６の近傍となる位置に配置されている。そして接続電極１８Ｄの他端は、接地電極１６に接続されている。
【００３０】
図２に示すように、側壁部材２４は、ベース部材１４上の周縁となる位置に積層される。側壁部材２４は、接続電極１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄを覆うように配置されるが、側壁部材２４の内側に接続電極１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄの他端側を露出させ、接地電極１６も露出させた状態でベース部材１４に積層される。また、図１に示すように、側壁部材２４の上面にはメタライズ２６が配置され、これが第１部材１２の端面３２となる。そして、図１、図２に示すように、側壁部材２４の接続電極１８Ｄに対向する位置には、側壁部材２４を高さ方向に貫通する貫通電極２８が配置され、メタライズ２６と接続電極１８Ｄとが貫通電極２８を介して電気的に接続されている。
【００３１】
よって図１、図２に示すように、第１部材１２においては、側壁部材２４により第１部材１２の凹部の開口部３０が形成され、メタライズ２６が配置された側壁部材２４の端面３２により開口部３０の外周となる外周面が形成される。なお、接地電極１６及び接続電極１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ，１８Ｄは、導電性を備える金属で形成され、メタライズ２６も接地電極１６等と同一材料で形成することができる。
【００３２】
図４は本実施形態の第２部材の平面図を示す。図１、図４に示すように、第２部材３４は、ステンレスやコバール等の金属により略矩形形状（平面視で側壁部材２４と同一となる形状）に形成されている。そして、第２部材３４の平面視で側壁部材２４と重なる位置が矩形のリング状の周縁部３８となり、周縁部３８の内側が力伝達部３６となっている。本実施形態の第２部材３４は、プレス成型やエッチングにより形成することができる。力伝達部３６は、後述の第１プレート７０により与圧が印加された状態でセンサー素子４２の受力面４４の全面に面接触している。
【００３３】
周縁部３８は、図１に示すように、シーム溶接により側壁部材２４の端面３２を形成するメタライズ２６と接合している。このシーム溶接は、乾燥雰囲気下もしくは真空雰囲気下で行なわれ、第２部材３４とメタライズ２６とのシーム溶接により、センサー素子４２を第１部材１２内で気密封止している。ここで、第２部材３４は、メタライズ２６、貫通電極２８を介して接続電極１８Ｄに電気的に接続されている。
【００３４】
図１に示すように、センサー素子４２は、圧電性を有する、例えば水晶、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などから形成される板状基板であり、本実施形態では圧電体として水晶板を用いている。そして、センサー素子４２は、上から順に第１センサー素子４６、第３センサー素子５８、第２センサー素子５２を積層し形成されたものである。第１センサー素子４６は、第１水晶板４８Ａ、４８Ｂが第１検出電極５０を挟むように形成されている。第２センサー素子５２は、第２水晶板５４Ａ、５４Ｂが第２検出電極５６を挟むように形成されている。第３センサー素子５８は、第３水晶板６０Ａ，６０Ｂが第３検出電極６２を挟むように形成されている。
【００３５】
そして、第１センサー素子４６（第１水晶板４８Ｂ）と第３センサー素子５８（第３水晶板６０Ａ）との間には電極となる第１接地電極６４が配置され、第３センサー素子５８（第３水晶板６０Ｂ）と第２センサー素子５２（第２水晶板５４Ａ）との間には第２接地電極６６が配置されている。さらに、第１センサー素子４６（第１水晶板４８Ａ）の上面はセンサー素子４２の受圧面４４となっており、第２部材３４の力伝達部３６に面接触して接地されている。また、第２センサー素子５２（第２水晶板５４Ｂ）の下面は、接地電極１６に接続されることにより接地される。
【００３６】
図２に示すように、第１検出電極５０、第２検出電極５６、第３検出電極６２、第１接地電極６４、第２接地電極６６は、積層した第１乃至第３水晶板からその一部がはみ出るようにそれぞれ配置されている。そして第１検出電極５０は、導電性のワイヤー６８Ａにより接続電極１８Ａの露出部分（他端側）に接続される。第２検出電極５６は、ワイヤー６８Ｂにより接続電極１８Ｂの露出部分（他端側）に接続される。第３検出電極６２は、ワイヤー６８Ｃにより接続電極１８Ｃの露出部分（他端側）に接続される。また、第１接地電極６４、及び第２接地電極６６は、それぞれワイヤー６８Ｄ、６８Ｅにより接続電極１８Ｄの露出部分（他端側）に接続されている。
【００３７】
上記接続により、側部電極２０Ａは、接続電極１８Ａ、ワイヤー６８Ａを介して第１検出電極５０に電気的に接続される。また、側部電極２０Ｂは、接続電極１８Ｂ、ワイヤー６８Ｂを介して第２検出電極５６に電気的に接続される。そして、側部電極２０Ｃは、接続電極１８Ｃ、ワイヤー６８Ｃを介して第３検出電極６２に電気的に接続される。
【００３８】
また、側部電極２０Ｄは、接続電極１８Ｄを介して接地電極１６に電気的に接続される。さらに側部電極２０Ｄは、接続電極１８Ｄに接続したワイヤー６８Ｄを介して第１接地電極６４に電気的に接続され、接続電極１８Ｄに接続したワイヤー６８Ｅを介して第２接地電極６６に電気的に接続され、接続電極１８Ｄに接続した貫通電極２８及びメタライズ２６を介して第２部材３４に電気的に接続される。
【００３９】
前述の各種電極の材料としては、金、チタニウム、アルミニウム、銅、鉄などの単体もしくは合金を用いることができる。例えば、鉄合金としてステンレススチールを用いることも可能であり、耐久性、耐食性が優れることから好適に用いられる。
【００４０】
図５は本実施形態のセンサー素子の模式図を示す。本実施形態において、力伝達部３６はセンサー素子４２の受圧面４４の法線方向（γ軸）に平行な方向の力のみならず、受圧面４４の面方向の力、すなわち、γ軸にそれぞれ直交し、かつ互いに直交する２つの方向（α軸、β軸）の力を受圧面４４に伝達可能である。そして、センサー素子４２は後述のようにα軸、β軸、γ軸にそれぞれ平行な力を検出することができる。
【００４１】
第１センサー素子４６において、第１水晶板４８Ａ，４８Ｂは、Ｙカット水晶板により形成され、圧電効果を発生させる結晶方位であるＸ方向が第１水晶板４８Ａ，４８Ｂの法線（図５のγ軸に平行な方向）に垂直な方向となる結晶方位を有している。そして、第１水晶板４８Ａ，４８Ｂは、Ｘ方向が互いに逆方向となるように配置されている。さらに、第１水晶板４８Ａ，４８Ｂは、Ｘ方向が空間直交座標のα軸と平行となるように配置されている。
【００４２】
第２センサー素子５２において、第２水晶板５４Ａ，５４Ｂは、Ｙカット水晶板により形成され、Ｘ方向が第２水晶板５４Ａ，５４Ｂの法線（γ軸に平行な方向）に垂直な方向となる結晶方位を有している。そして、第２水晶板５４Ａ，５４Ｂは、Ｘ方向が互いに逆方向となるように配置されている。さらに、第２水晶板５４Ａ，５４Ｂは、Ｘ方向が空間直交座標のβ軸と平行となるように配置されている。
【００４３】
第３センサー素子５８において、第３水晶板６０Ａ，６０Ｂは、Ｘカット水晶板により形成され、Ｘ方向が第３水晶板６０Ａ，６０Ｂの法線（γ軸に平行な方向）と平行な方向となる結晶方位を有している。そして、第３水晶板６０Ａ，６０Ｂは、Ｘ方向が互いに逆方向となるように配置されている。さらに、第３水晶板６０Ａ，６０Ｂは、Ｘ方向が空間直交座標のγ軸と平行となるように配置されている。
【００４４】
図５に示すように、本実施形態のセンサー素子４２は、空間直交座標のγ軸に平行な方向をセンサー素子４２の高さ方向としている。そして、後述する第１プレート７０及び第２プレート８０によりγ軸の方向から挟み込まれ与圧が与えられ、第１押圧部７２を介してセンサー素子４２にγ軸に平行な方向から与圧が印加される。これにより、第３水晶板６０Ａ，６０ＢはＸ方向から与圧（圧縮力）を受けることになるので圧電効果により電荷が誘起し、第３検出電極６２に電荷（Ｆｚ信号）が出力される。
【００４５】
上記構成において、第１プレート及び第２プレート（図１０参照）の相対位置が互いにα軸に平行な方向にずれる外力が印加されると、第１押圧部７２を介してセンサー素子４２には、α軸に平行な方向の外力が印加される。すると、第１水晶板４８Ａ，４８Ｂは、Ｘ方向から外力（せん断力）を受けることになるので圧電効果により電荷を誘起し、第１検出電極５０に電荷（Ｆｘ信号）が出力される。
【００４６】
また第１プレート及び第２プレート（図１０参照）の相対位置が互いにβ軸に平行な方向にずれる外力が印加されると、第１押圧部７２を介してセンサー素子４２には、β軸に平行な方向の外力が印加される。すると第２水晶板５４Ａ，５４ＢはＸ方向から外力（せん断力）を受けることになるので圧電効果により電荷を誘起し、第２検出電極５６に電荷（Ｆｙ信号）が出力される。
【００４７】
さらに第１プレート及び第２プレート（図１０参照）の相対位置が互いにγ軸に平行な方向にずれる外力が印加されると、第１押圧部７２を介してセンサー素子４２には、γ軸に平行な方向の外力が印加される。すると、第３水晶板６０Ａ，６０ＢはＸ方向から外力（圧縮力または引張力）を受けることになるので圧電効果により誘起される電荷量が変化し、第３検出電極６２に出力される電荷（Ｆｚ信号）の大きさが変化する。
【００４８】
よって、本実施形態のセンサーデバイス１１は、側部電極２０Ａを介して第１検出電極５０に出力される電荷（Ｆｘ信号）と、側部電極２０Ｂを介して第２検出電極５６に出力される電荷（Ｆｙ信号）と、側部電極２０Ｃを介して第３検出電極６２に出力される電荷（Ｆｚ信号）と、をそれぞれモニターすることができ、互いに直交するα軸（後述のＸ軸）、β軸（後述のＹ軸）、γ軸（後述のＺ軸）に平行な方向の外力（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ）を検知することができる。なお、センサー素子４２は、第１センサー素子４６、第２センサー素子５２、第３センサー素子５８の積層構造となっているが、少なくともいずれか１つ以上を用いる構成としてもよい。
【００４９】
このようなセンサーデバイス１１の製造方法は、まずセンサー素子４２をベース部材１４上に載置し、ついで第２部材３４の周縁部３８が第１部材１２の側壁部材２４の端面３２と一致するように配置する。そして、第２部材３４の中央に錘を配置して第２部材３４に荷重を掛ける。そして、ローラー電極を第２部材３４のメタライズ２６（側壁部材２４）との接続位置に押し付けて、ローラー電極７４に電流を印加して第２部材３４と、メタライズ２６と、をシーム溶接により接合する。
【００５０】
本実施形態の第１プレート７０は、平面視で第１部材１２よりも大きい略矩形のプレート板である。第１プレート７０は材質にステンレス等の金属材料を用いており、所定の強度を備えて加工容易に形成することができる。第１プレート７０は、第１部材１２側の面に、第２部材３４に向けて突出した凸状の第１押圧部７２を形成している。第１押圧部７２は、平面視でセンサー素子４２の受圧面４４の全領域と重なり、かつ、第１部材１２の内周縁の領域の内部に納まる押圧面７３を備えている。換言すれば押圧面７３の面積は、センサー素子４２の上面の面積以上で、かつ第１部材の内周縁の領域よりも小さく形成している。第１押圧部７２は、プレス加工又はエッチング等により形成することができる。第１プレート７０は、後述する締結部８６が挿入される貫通孔７４が形成されている。貫通孔７４は、締結部８６のヘッドが挿入される第１孔７４Ａと、シャフトが挿入される第２孔７４Ｂとから構成されている。
【００５１】
第２プレート８０は、平面視で第１部材１２よりも大きく、第１プレート７０と略同一形状のプレート板である。第２プレート８０は、後述する締結部８６の雄ねじが螺合するネジ穴８２が形成されている。第２プレート８０は材質にステンレス等の金属材料を用いており、所定の強度を備えて加工容易に形成することができる。なお、第１プレート７０及び第２プレート８０は、平面視で矩形形状のほか円板、楕円、多角形に形成しても良い。
【００５２】
締結部８６は、第１プレート７０及び第２プレート８０間でセンサーデバイス１１を挟持した状態で第１プレート７０及び第２プレート８０を締結する部材である。本実施形態の締結部８６は締結ボルトである。締結ボルトはヘッドとシャフトから構成されている。シャフトの先端は、ねじ切り加工が施された雄ねじが形成されて、第２プレート８０のネジ穴８２へ螺合させることができる。このような締結部８６は、第１プレート７０及び第２プレート８０間にセンサーデバイス１１を加圧しながら固定できれば良く、本実施形態では、一例としてセンサーデバイス１１を間に挟むように２箇所に設置している。
【００５３】
このようなセンサーモジュール１０の組み立ては、まず第２プレート８０上にセンサーデバイス１１を載置する。そして第１プレート７０を、第１押圧部７２とセンサーデバイス１１のセンサー素子４２上面が平面視で重なるようにセンサーデバイス１１上に配置する。次に締結部８６となる締結ボルトを第１プレート７０の貫通孔７４から挿入し、第２プレート８０のネジ穴８２に螺合させる。このとき所定の与圧（例えば１０ｋＮ程度）が印加されるように締結部８６の締め込み量を調整することができる。
【００５４】
このような構成のセンサーモジュールによれば、センサー素子４２が第１部材１２内に封止されたセンサーデバイス１１に対して、第１部材１２の外側から第１押圧部７２を介してセンサー素子４２へ所定の与圧を印加することができる。
【００５５】
図６はセンサー素子と第２部材の間に隙間が生じたセンサーデバイスの説明図であり、（ａ）はセンサーデバイスの断面図、（ｂ）は与圧を印加したセンサーデバイスの断面図である。図６（ａ）に示すようにセンサー素子４２又は第１部材１２の寸法誤差に基づく製造ばらつきによって、センサー素子４２の受圧面４４と第２部材３４の間に隙間が生じたセンサーデバイス１１が製造される場合がある。このようなセンサーデバイスであっても、図６（ｂ）に示すように本実施形態の第１プレート７０の第１押圧部７２によって、第１部材１２の外部からセンサー素子４２の受圧面４４を所定の与圧で容易に印加することができる。
【００５６】
このように、本実施形態のセンサーモジュールは、センサー素子の上面が第１部材の凹部の開口部の外周となる位置より低くなる場合、センサー素子の上面が第１部材の凹部の開口部の外周となる位置より高くなる場合、センサー素子の上面と第１部材の凹部の開口部の外周となる位置と一致する場合のような製造ばらつきが生じたいずれのセンサーデバイスに対しても、センサー素子に常に一定の与圧を印加することができ、測定誤差のない正確な検出データを得ることができる。よってセンサーモジュールの歩留りが良くなる。さらに、例えば潤滑油、水や薬品などの液体などに曝された環境下での使用であっても第１部材内部のセンサー素子を保護することができるため、信頼性の高いセンサーモジュールを得ることができる。
【００５７】
図７は第２実施形態に係るセンサーモジュールの断面図である。第２実施形態に係るセンサーモジュール１０Ａは外部電極２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄと、貫通電極２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄと、第２押圧部８４を設けている。その他の構成は第１実施形態のセンサーモジュール１０と同一の構成であり、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。ベース基板１４の下面の四隅には外部電極２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄが配置されている。外部電極２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄは、それぞれ接続電極１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ，１８Ｄと対応して配置され、ベース基板を貫通する貫通電極２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄを介して電気的に接続されている。
【００５８】
第２プレート８０Ａは、センサーデバイス１１を実装する実装面に第１押圧部７２と略同一形状の第２押圧部８４が形成されている。第２押圧部８４は、平面視で第１部材１２の実装面よりも小さく、センサー素子４２の下面の面積と同等又はこれよりも大きい面積の押圧面８５を備えている。
【００５９】
このような構成の第２実施形態に係るセンサーモジュール１０Ａによれば、センサーデバイス１１のセンサー素子４２を上下面から均等かつ効果的に与圧を印加させることができる。また、センサーデバイス１１の実装面に形成された外部電極２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄと第２プレート８０Ａの間に隙間が形成されるため、金属配線を引き出し易くすることができ、外部の電子回路基板と電気的に容易に接続させることができる。
【００６０】
図８は第３実施形態に係るセンサーモジュールの断面図である。第３実施形態に係るセンサーモジュール１０Ｂは、第１部材１２の下面に第２押圧部８４が嵌合する凹部１５を形成している。その他の構成は第２実施形態のセンサーモジュール１０Ａと同一の構成であり、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００６１】
本実施形態の凹部１５は、第１部材１２のベース部材１４の実装面であって、センサー素子４２の下面と対向する位置に形成されている。凹部１５は第２押圧部８４が嵌合する下向きの凹状となるように、エッチング等を用いて形成することができる。
【００６２】
このような構成の第３実施形態に係るセンサーモジュール１０Ｂによれば、平面視でベース部材１４に載置されたセンサー素子４２の中心と、第２プレート８０Ａの第２押圧部８４の中心が同一直線上となるように容易に位置決めすることができる。よって、センサー素子４２に均等に与圧を印加させることができる。
【００６３】
図９は第４実施形態に係るセンサーモジュールの断面図である。第４実施形態のセンサーモジュール１０Ｃは第２部材３４Ａに可撓部４０を形成している、その他の構成は第１実施形態のセンサーモジュール１０と同一の構成であり、その詳細な説明を省略する。
【００６４】
可撓部４０は、平面視で第２部材３４Ａの周縁部３８と力伝達部３６の間にリング状に形成されている。可撓部４０は、その内周に平面視でセンサー素子４２の受圧面４４の周縁が収まるように配置されている。可撓部４０は第２部材３４Ａの両面あるいは片面のみから掘り込んだ状態でその厚みが力伝達部３６及び周縁部３８よりも薄肉となるように形成されている。可撓部４０は、プレス成形やエッチングにより形成することができる。
【００６５】
このような構成の第４実施形態に係るセンサーモジュール１０Ｃは、第１部材１２とセンサー素子４２の高さが寸法誤差に基づく製造ばらつきにより一致しないときでも、第１押圧部７２による与圧で第２部材３４Ａの可撓部４０が変形することにより、第２部材３４Ａにストレスが掛からず、第１部材１２と第２部材３４Ａの接合が破壊されることがなく、第１部材１２内部を気密に保つことができる。
なお、可撓部４０は第２及び第３実施形態に係るセンサーモジュールの第２部材に適用しても良い。
【００６６】
図１０に本実施形態の力検出装置を示し、（ａ）は模式図を示し、（ｂ）は平面図を示す。本実施形態の力検出装置９０は、４つのセンサーデバイス１１を第１プレート７０Ａ及び第２プレート８０Ａにより挟み込んだ構成である。第１プレート７０Ａ及び第２プレート８０Ａは、いずれも平面視で円板状に形成され、中心を通り互いに直交する線上に４つのセンサーデバイス１１を配置している。第１プレート７０Ａは、センサーデバイス１１のセンサー素子４２の上面と対向する箇所に第１押圧部７２が４つ形成されている。
【００６７】
このような構成の力検出装置９０は、４つのセンサーデバイス１１が全て同じ方向に向いた状態で第１プレート７０Ａ及び第２プレート８０Ａに挟み込まれ、与圧が印加される。例えば、センサーモジュール１０において、第１センサー素子４６（図１、図５）の検出軸をＦｘに平行な方向に向け、第２センサー素子５２（図１、図５）の検出軸をＦｙに平行な方向に向け、第３センサー素子５８（図１、図５）の検出軸をＦｚに平行な方向に向けた状態となっている。なお各センサーモジュール１０のセンサー素子の高さを予め測定しておき、この測定値に基づいて第１押圧部７２の突出量を研磨等によって調整することにより、各センサーデバイス１１の製造ばらつきが生じた場合でも、第１プレート７０Ａ及び第２プレート８０Ａの間の平行度を保ちながら均等に与圧を印加することができる。
【００６８】
ここで、第１プレート７０Ａ及び第２プレート８０Ａの相対位置が互いにＦｘ方向にずれる力を受けた場合、センサーモジュール１０はそれぞれＦｘ１、Ｆｘ２、Ｆｘ３、Ｆｘ４の力を検出する。また、第１プレート７０Ａ及び第２プレート８０Ａの相対位置が互いにＦｙ方向にずれる力を受けた場合、センサーモジュール１０はそれぞれＦｙ１、Ｆｙ２、Ｆｙ３、Ｆｙ４の力を検出する。さらに、第１プレート７０Ａ及び第２プレート８０Ａの相対位置が互いにＦｚ方向にずれる力を受けた場合、センサーモジュール１０はそれぞれＦｚ１、Ｆｚ２、Ｆｚ３、Ｆｚ４の力を検出する。
【００６９】
したがって、力検出装置９０において、互いに直交する力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｆｘに平行な方向を回転軸とする回転力Ｍｘ、Ｆｙに平行な方向を回転軸とする回転力Ｍｙ、Ｆｚに平行な方向を回転軸とする回転力Ｍｚは、以下のように求めることができる。
【００７０】
【数１】
0005887911.tif 000002
【００７１】
ここで、ａ、ｂは定数とする。よって本実施形態の力検出装置９０は、三次元のあらゆる方向からの力（６軸方向の力）を検知することができ、少ない変位量であっても高精度な力の検出を安定的に行うことが可能な力検出装置９０となる。
【００７２】
図１１に、本実施形態の力検出装置を搭載したロボットを示す。図１１に示すように、ロボット１００は、本体部１０２、アーム部１０４、ロボットハンド部１１６などから構成されている。本体部１０２は、例えば床、壁、天井、移動可能な台車の上などに固定される。アーム部１０４は、本体部１０２に対して可動となるように設けられており、本体部１０２にはアーム部１０４を回転させるための動力を発生するアクチュエータ（不図示）や、アクチュエータを制御する制御部等（不図示）が内蔵されている。
【００７３】
アーム部１０４は、第１フレーム１０６、第２フレーム１０８、第３フレーム１１０、第４フレーム１１２、第５フレーム１１４から構成されている。第１フレーム１０６は、回転屈曲軸を介して、本体部１０２に回転可能または屈曲可能となるように接続されている。第２フレーム１０８は、回転屈曲軸を介して、第１フレーム１０６及び第３フレーム１１０に接続されている。第３フレーム１１０は、回転屈曲軸を介して、第２フレーム１０８及び第４フレーム１１２に接続されている。第４フレーム１１２は、回転屈曲軸を介して、第３フレーム１１０及び第５フレーム１１４に接続されている。第５フレーム１１４は、回転屈曲軸を介して、第４フレーム１１２に接続されている。アーム部１０４は、制御部の制御によって、各フレームが各回転屈曲軸を中心に複合的に回転または屈曲することにより駆動する。
【００７４】
第５フレーム１１４の先端には、ロボットハンド部１１６が取り付けられており、対象物を把握することができるロボットハンド１２０が、回転動作させるモーター（不図示）を内蔵するロボットハンド接続部１１８を介して第５フレーム１１４に接続されている。
【００７５】
ロボットハンド接続部１１８には、モーターに加えて前述の力検出装置９０（図１１では不図示）が内蔵されており、ロボットハンド部１１６が制御部の制御によって所定の動作位置まで移動させたとき、障害物への接触、あるいは所定位置を越えての動作命令による対象物との接触、などを力検出装置９０によって力として検出し、ロボット１００の制御部へフィードバックし、回避動作を実行することができる。
【００７６】
このようなロボット１００を用いることにより、従来からの位置制御では対処できなかった、障害物回避動作、対象物損傷回避動作などを容易に行い、安全で細やかな作業が可能なロボット１００を得ることができる。さらに、少ない変位量であっても高精度な力の検出を安定的に行うことが可能なロボット１００となる。また本実施形態に限定されず、双腕ロボットにも適用することができる。
【符号の説明】
【００７７】
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ………センサーモジュール、１１………センサーデバイス、１２………第１部材、１４………ベース部材、１５………凹部、１６………接地電極、１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ，１８Ｄ………接続電極、２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ………側部電極、２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄ………外部電極、２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ………貫通電極、２４………側壁部材、２６………メタライズ、２８………貫通電極、３０………開口部、３２………端面（外周面）、３４，３４Ａ………第２部材、３６………力伝達部、３８………周縁部、４０………可撓部、４２………センサー素子、４４………受圧面、４６………第１センサー素子、４８Ａ，４８Ｂ………第１水晶板、５０………第１検出電極、５２………第２センサー素子、５４Ａ，５４Ｂ………第２水晶板、５６………第２検出電極、５８………第３センサー素子、６０Ａ，６０Ｂ………第３水晶板、６２………第３検出電極、６４………第１接地電極、６６………第２接地電極、６８Ａ，６８Ｂ，６８Ｃ，６８Ｄ，６８Ｅ………ワイヤー、７０………第１プレート、７２………第１押圧部、７３………押圧面、７４………貫通孔、８０，８０Ａ………第２プレート、８２………ネジ穴、８４………第２押圧部、８６………締結部、９０………力検出装置、９６………実装電極、１００………ロボット、１０２………本体部、１０４………アーム部、１０６………第１フレーム、１０８………第２フレーム、１１０………第３フレーム、１１２………第４フレーム、１１４………第５フレーム、１１６………ロボットハンド部、１１８………ロボットハンド接続部、１２０………ロボットハンド、２００………センサーデバイス、２０２………パッケージ、２０４………リッド、２０６………同軸コネクター、２０８………外周部、２１０………中心導体、２１２………絶縁性樹脂、２１４………センサー素子、２１６………水晶板、２１８………電極板、２２０………開口部、２２２………上面、２２４………上面、２２６………隙間、２２８………隙間。
【図２】
0005887911.tif 000003
【図３】
0005887911.tif 000004
【図４】
0005887911.tif 000005
【図５】
0005887911.tif 000006
【図１０】
0005887911.tif 000007
【図１１】
0005887911.tif 000008
【図１】
0005887911.tif 000009
【図６】
0005887911.tif 000010
【図７】
0005887911.tif 000011
【図８】
0005887911.tif 000012
【図９】
0005887911.tif 000013
【図１２】
0005887911.tif 000014
【図１３】
0005887911.tif 000015