(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空貫通孔を有する環状の圧電体及び該圧電体の両面に取り付けられた一対の駆動電極を有し、前記一対の駆動電極に交流電圧を印加することにより前記圧電体の拡がり方向に振動する振動体と、
前記振動体の一方側の面に当接する基板と、
前記振動体の他方側の面に接触して配設された弾性部材と、
前記中空貫通孔よりも大きく形成され前記振動体の前記他方側の面に当接する当接部と、前記基板に係着され、前記振動体が半径方向に振動可能な状態で前記振動体の位置決めを行なうと共に、前記振動体が振動方向に移動することを規制する遊嵌部と、を有する保持部と、
前記一対の駆動電極に交流電圧を印加する一対の信号電極と、を備えた、
ことを特徴とする圧電振動型力センサ。
【請求項２】
前記当接部は、前記振動体の外周よりも小さい、
ことを特徴とする請求項１に記載の圧電振動型力センサ。
【請求項３】
前記遊嵌部は、前記振動体の振動方向と交差する方向に形成される第１貫通孔を有し、
前記基板は、前記第１貫通孔と同方向に形成される第２貫通孔を有し、
前記保持部は、前記第１貫通孔及び前記第２貫通孔を挿通すると共に、一端が前記当接部と連結され、他端部が前記基板と係着される軸部材を有する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の圧電振動型力センサ。
【請求項４】
前記軸部材の他端部は、前記基板の前記第２貫通孔を貫通させて折り曲げられることにより前記基板と係着される、
ことを特徴とする請求項３に記載の圧電振動型力センサ。
【請求項５】
前記第２貫通孔には前記軸部材の他端部と前記基板とを圧着させる圧入部材が配設されており、
前記軸部材の他端部は、前記圧入部材を介して前記基板と係着される、
ことを特徴とする請求項３に記載の圧電振動型力センサ。
【請求項６】
前記遊嵌部は絶縁材料により形成され、前記当接部及び前記軸部材は、導電性材料により形成されており、
前記一対の信号電極は、前記振動体の一方側の面が当接する前記基板の表面に取り付けられ前記振動体の一方側の面の駆動電極と接触する第１信号電極と、前記基板の裏面に取り付けられ前記軸部材の他端部と接触して、前記軸部材を介して前記振動体の他方側の面の駆動電極に通電する第２信号電極と、を有する、
ことを特徴とする請求項３記載の圧電振動型力センサ。
【請求項７】
前記基板は、前記第２貫通孔と並列に形成された第３貫通孔を有し、
導電性材料により形成され一端が前記第１信号電極に接続された引込軸と、前記基板の裏面で前記第２信号電極と並列配置され、前記第３貫通孔を貫通する前記引込軸に接触して前記第１信号電極に通電する第３信号電極と、を備えた、
ことを特徴とする請求項６に記載の圧電振動型力センサ。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の圧電振動型力センサを、ロボット指を備えたロボットハンドに設けた、
ことを特徴とするロボットハンド。
【請求項９】
請求項１から７のいずれか１項に記載の圧電振動型力センサを、アーム部を有するロボットアームに設けた、
ことを特徴とするロボットアーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力を検出する力センサに関し、特に、圧電体の共振現象を利用して圧電体に加えられた力を検出する圧電振動型力センサ及びこれを備えるロボットハンド並びにロボットアームに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、歪ゲージ、静電容量の変化、導電性ゴムなどを利用した様々な力センサが知られている。これらを利用した力センサは、いずれも力センサを構成する部材（例えば、歪みゲージにおいては、金属の抵抗体）の変形を利用しているため、測定の高感度化、高範囲化を実現するためには十分な部材の変形が必要となる。そのため、小型化した際に十分な変形を得ることができない場合があり、出力信号がノイズに埋もれてしまい精度が低下するおそれがあるという問題点があった。
【０００３】
これに対し、交流電圧を印加すると電圧の振幅の時間変動に伴って特定の方向に振動する性質を持つ圧電体の共振現象を利用した圧電振動型の力センサが開示されている（特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１に示すように、圧電振動型力センサは、圧電体にインピーダンス素子を直列に接続し、圧電体の共振周波数を超えない振動数の電圧を印加して圧電体を振動させる。この状態で振動数を固定し圧電体に外力を加えると、圧電体のインピーダンス素子が増加して共振周波数が高周波側に移動する。共振周波数が高周波側に移動した状態で圧電体に外力が加わると、外力が加わる前と比べて圧電体に加わる電圧の値が変化する。この電圧の値の変化から、圧電体に加わった外力が定量的に算出可能となる。圧電振動型の力センサは、低荷重時では電圧振幅変化が大きいので、検出感度が高いという利点を有している（後述の図４参照）。
【０００５】
ここで、圧電振動型力センサとは異なるが、参考として、圧電型の力センサにおける圧電体の実装方法について特許文献２を参照して説明する。特許文献２には、マトリクス状に配置された複数個の圧電体（圧電素子）により発生する各電圧で接触圧力分布を検出する圧電型の力センサの構造が開示されている。特許文献２に記載の圧電型力センサは、力が加わる側に力を検出する加圧板が設けられると共に、圧電体の上端に圧接し得るように圧電体の上方に加圧板が配置されている。そのため、例えば、複数個の圧電体の一部に不良が生じた場合には、加圧板を取り除くことによって、圧電体側へ容易にアプローチすることができるように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５２−７８４７３号公報
【特許文献２】特開平０１−２６０３３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、圧電振動型の力センサは、電圧を印加して圧電体を振動させた状態で使用するため、圧電体が振動し得る状態で圧電体に取り付けられた駆動電極に交流電圧を印加する実装構造が必要となる。例えば、圧電体に給電しながら振動する圧電体を所定の位置に保持する実装構造が必要となる。
【０００８】
これに対しては、例えば、特許文献２に示す圧電型力センサのように圧電体を固定金具や接着剤で固定することも考えられる。しかし、圧電振動型力センサは、圧電体に交流電圧を印加して振動させた状態で使用するため、圧電体の振動方向を高剛性のもので固定したり、圧電体の摩擦面を接着剤で固着すると圧電体の振動が抑制されてしまう。そのため、圧電体を固定して振動を抑制する実装形態では、振動幅が小さい変化に対する検出値が小さくなり感度が落ちてしまう。また、同じ交流電圧を印加して振動させても、金具や接着剤による固定具合によって振動の量が変わってしまうとセンサの値が一定とならない。
【０００９】
そこで、本発明は、検出感度を低下させることなく、容易に圧電体を実装可能な圧電振動型力センサ及びこれを備えたロボットハンド並びにロボットアーム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】
本発明は、中空貫通孔を有する環状の圧電体及び該圧電体の両面に取り付けられた一対の駆動電極を有し、前記一対の駆動電極に交流電圧を印加することにより前記圧電体の拡がり方向に振動する振動体と、前記振動体の一方側の面に当接する基板と、前記振動体の他方側の面に接触して配設された弾性部材と、前記中空貫通孔よりも大きく形成され前記振動体の前記他方側の面に当接する当接部と、前記基板に係着され、前記振動体が半径方向に振動可能な状態で前記振動体の位置決めを行なうと共に、前記振動体が振動方向に移動することを規制する遊嵌部と、を有する保持部と、前記一対の駆動電極に交流電圧を印加する一対の信号電極と、を備えた、ことを特徴とする圧電振動型力センサに関する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、検出感度を低下させることなく、容易に圧電体を実装可能な圧電振動型力センサ及びこれを備えたロボットハンド並びにロボットアームを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る力センサをロボット指に実装した状態を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す力センサのダンピング部材を取り外した状態を示す断面図である。
【図２】（ａ）は、第１実施形態に係る力センサの保持部材の他の形態を示す図であり、（ｂ）は、第１実施形態に係る力センサを模式的に示す分解斜視図であり、（ｃ）は、第１実施形態に係る振動体の他の形態を模式的に示す平面図である。
【図３】第１実施形態に係る力センサを用いた力センサ装置の回路ブロック図を模式的に示す図である。
【図４】第１実施形態に係る力センサに加えられる外力と出力電圧との関係を示す図である。
【図５】（ａ）は、第２実施形態に係る力センサをロボット指に実装した状態を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す力センサのダンピング部材を取り外した状態を模式的に示す断面図である。
【図６】（ａ）は、第３実施形態に係る力センサをロボット指に実装した状態を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す力センサのダンピング部材を取り外した状態を模式的に示す断面図である。
【図７】第４実施形態に係る力センサを模式的に示す断面図である。
【図８】図７に示す力センサの分解斜視図である。
【図９】第４実施形態に係る力センサの変形例を模式的に示す断面図である。
【図１０】第５実施形態に係る力センサ及びロボットハンドを模式的に示す図である。
【図１１】第６実施形態に係る力センサ及びロボットハンド並びにロボットアームを模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態に係る圧電振動型力センサ（以下、「力センサ」という）について、図面を参照しながら説明する。本実施形態に係る力センサは、交流電圧を印加することにより圧電体の半径方向に振動（拡がり振動）する圧電体の共振現象を利用した電圧振動型の力センサである。
【００１４】
＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係る力センサ１について、図１から図４を参照しながら説明する。図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る力センサ１をロボット指１０に実装した状態を模式的に示す断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す力センサ１のダンピング部材６を取り外した状態を示す断面図である。図２（ａ）は、第１実施形態に係る力センサ１の保持部材５の他の形態を示す図である。図２（ｂ）は、第１実施形態に係る力センサ１を模式的に示す分解斜視図である。図２（ｃ）は、第１実施形態に係る力センサ１の振動体３の他の形態を示す平面図である。図３は、第１実施形態に係る力センサ１を用いた力センサ装置の回路ブロック図を模式的に示す図である。図４は、第１実施形態に係る力センサ１に加えられる外力と出力電圧との関係を示す図である。
【００１５】
図１（ａ）から図２（ｂ）に示すように、力センサ１は、振動体３と、振動体３の一方側の面に当接する基板４と、振動体３の他方側の面に接触して配設される弾性部材としてのダンピング部材６と、保持部としての保持部材５と、信号電極７と、を備える。なお、振動体３、基板４、ダンピング部材６及び保持部材５は、圧電振動型力ユニット（以下、「力ユニット２」という）を構成している。
【００１６】
振動体３は、中空貫通孔３３を有する円板状（以下、「円環形状」という）に形成されており、円環形状に形成された圧電体３０と、円環形状に形成された一対の駆動電極としての第１駆動電極３１及び第２駆動電極３２と、を備える。なお、本実施形態においては、円環形状の振動体３を用いて説明するが、振動体３の形状は、円環形状以外の環状の形状であってもよい。
【００１７】
圧電体３０は、水晶、チタン酸バリウム、ポリフッ化ビニリデンなどの圧電素子から形成されており、圧電素子を分極して振動方向を決定した後、振動方向が半径方向（拡がり振動）になるように円環形状に切り出すことにより形成される。圧電体３０の振動方向は、圧電体３０の切り出し形状によって主要な振動方向が決まり、振動の１次モードの方向を決めることができる。
【００１８】
第１駆動電極３１及び第２駆動電極３２は、圧電体３０の両面に取り付けられている。具体的には、第１駆動電極３１は、圧電体３０（振動体３）の一方側の面に取り付けられ、第２駆動電極は、圧電体（振動体３）の他方側の面に取り付けられている。圧電体３０（振動体３）は、第１駆動電極３１及び第２駆動電極３２に交流電圧（時間的に変化する電圧）を印加することで振動し、圧電体３０が振動することで圧電体３０の両面に取り付けられた第１駆動電極３１及び第２駆動電極３２も振動する。つまり、振動体３が振動する。
【００１９】
基板４は、振動体３を配置するためのものである。また、基板４は、後述の連結軸５１が挿通可能な第２貫通孔４０を備える。第２貫通孔４０は、振動体３の振動方向と直交する方向（後述の第１貫通孔５３と同方向）に形成されており、連結軸５１を貫通させて振動体３の位置決めを行うためのものである。
【００２０】
ダンピング部材６は、例えば、シリコン、ウレタン等の弾性変形可能な弾性材料により形成されており、外部から加えられた力を弾性変形して振動体３に伝える。また、ダンピング部材６は、ロボット指１０に形成された被係合部１０ａに係合可能な係合部６ａを備える。ダンピング部材６は、ロボット指１０の被係合部１０ａに係合部６ａを係合させることにより、振動体３の他方側の面に接触した状態でロボット指１０に着脱自在となるように形成されている。そのため、例えば、ダンピング部材６が摩耗等した場合においても、力センサ１を交換するのではなく、第２信号電極７１を取り外したダンピング部材６のみを交換すればよく、交換も容易に行うことができる。
【００２１】
保持部材５は、振動体３の中空貫通孔３３よりも大径に形成され、振動体３の他方側の面に当接する当接部５０と、振動体３の中空貫通孔３３に遊嵌される遊嵌部５２と、当接部５０及び遊嵌部５２を基板４に係着させる軸部材としての連結軸５１と、を備える。第１実施形態においては、当接部５０、連結軸５１及び遊嵌部５２は、絶縁材料により形成されており、当接部５０は、ゴム等の弾性体により形成されている。
【００２２】
当接部５０は、振動体３が半径方向に振動自在となるように振動体３に当接して、振動体３の振動方向と直交する方向への移動を規制する。例えば、当接部５０は、図２（ａ）に示すように、Ｔ型、Ｕ型又は画鋲型としてもよく、１本の棒状の絶縁材料を加工して略同様の形状（略円形状）を形成すればコスト的にも利点が生じる。保持部材５の当接部５０は、振動体３の中空貫通孔３３よりも大きい形状であれば中空貫通孔３３から抜けることがなく、振動体３の外周円よりも小さい形状であれば、振動体３の円環外へはずれることがない。当接部５０をこのような形状とすれば、力センサ１は、保持部材５にて確実に振動体３を基板４に固定できる。
【００２３】
遊嵌部５２は、振動体３の中空貫通孔３３との間に所定の隙間が設けられるように円柱状に形成されている。遊嵌部５２は、振動体３が半径方向に振動可能な状態で振動体３の位置決めを行うと共に、振動体３が振動方向に移動することを規制する。また、遊嵌部５２は、連結軸５１が挿通可能な第１貫通孔５３を備える。第１貫通孔５３は、円柱状に形成された遊嵌部５２の中心軸上に形成されており、第２貫通孔４０と同軸上に位置するように形成されている。つまり、第１貫通孔５３は、振動体３の振動方向と直交する方向（第２貫通孔４０と同方向）に形成されている。なお、遊嵌部５２は、基板４がゴムのような弾性体であれば基板４と一体的に成形してもよい。
【００２４】
連結軸５１は、一端が当接部５０と連結されており、第１貫通孔５３及び第２貫通孔４０を貫通可能に形成されている。連結軸５１は、第１貫通孔５３及び第２貫通孔４０を貫通した後、他端部５１ａを折り曲げることにより、振動体３が振動可能な状態で当接部５０及び遊嵌部５２を基板４に係着させる。
【００２５】
信号電極７は、振動体３の一方の面が当接する基板４の表面に取り付けられ、第１駆動電極３１に接触する第１信号電極７０と、ダンピング部材６に取り付けられ、第２駆動電極３２に接触する第２信号電極７１とを備える。第１信号電極７０及び第２信号電極７１は、第１駆動電極３１及び第２駆動電極３２に交流電圧を印加する。
【００２６】
図３に示すように、このような構成を有する力センサ１に抵抗器等からなるインピーダンス１１を介して、可変周波数発信器１２から圧電体３０の共振周波数近傍の周波数を持つ電圧を、力センサ１に印加して振動体３を振動させる。この状態で、ダンピング部材６に力が加わると、ダンピング部材６によって振動体３の振動が規制されることになる。これにより、圧電体３０のインピーダンスが大きくなるので、インピーダンス１１の両端の電圧振幅が変化する。その結果、図４に示すような力と出力電圧の関係がプロットされ、この変化するインピーダンスから力が検知可能になる。図４に示すように、力センサ１は、低荷重時では電圧振幅変化が大きいので、検出感度が高いという利点を有している。
【００２７】
以上のような構成を有する第１実施形態に係る力センサ１は、振動体３の一方の面と保持部材５の当接部５０との接触面に生じる摩擦力、または振動体３の他方の面と信号電極７０との接触面に生じる摩擦力によって振動体３の振動を規制することができる。なお、当接部５０を振動体３の振動方向と交差しないように振動方向に対して略平行に配置すれば、振動体３の振動面に対する直接の干渉を抑えるため実装時に有利となる。
【００２８】
このように、従来の圧電振動型力センサでは、振動面に当接部を当接させて外力Ｆによって振動方向と直交する方向から振動体３の振動を直接規制していたが、力センサ１は、動摩擦係数をμとして、摩擦力μＦの力で振動体３の半径方向の振動を規制する。そのため、理論的にはμ＝０．５であれば、従来のように振動を直接規制する場合に比べて、２倍程度の大きさの力まで検知することが可能となる。また、μ＝０．１であれば１０倍程度の力の範囲まで検知することが可能となる。すなわち、力センサ１において、振動の規制に摩擦力を利用することで、静的な力を広い範囲にわたって検出することができる。
【００２９】
また、本発明の第１実施形態に係る力センサ１は、圧電体３０（振動体３）を円環形状としている。そのため、中空貫通孔３３を利用して振動体３の位置決めが容易となる。なお、圧電体３０（振動体３）の形状を円環形状として説明しているが、例えば、図２（ｃ）に示すように中空貫通孔を持つ形状であれば同様の効果が得られる。
【００３０】
また、基板４の材料は特に規定はないが、例えば、基板４をプリント基板とすれば振動体３との接触面となる基板４の表面に第１信号電極７０を作り、振動体３における第１駆動電極３１と接触させる。このような構成にすることにより、第１信号電極７０は、パターンにて生成可能となり、例えば、コネクタを実装してインピーダンス１１や不図示の駆動源までの接続が容易となる。また、基板４をゴムのような弾性体とすれば振動体３はダンピング部材６とで挟まれ、より力に対して振動が規制されるため検出感度を高くすることができる。
【００３１】
また、本発明の第１実施形態に係る力センサ１は、円環形状の振動体３の他方側の面に接触して配設される当接部５０と、中空貫通孔３３に遊嵌する遊嵌部５２と、当接部５０及び遊嵌部５２を基板４に係着させる連結軸５１と、を有する保持部材５を備える。力センサ１は、保持部材５を備えることで振動体３を所望の位置で保持することが容易となる。また、保持部材５が振動体３の振動を妨げない状態で振動体３を保持可能となるため、振動の妨げによる検出感度の低下を抑制することができる。
【００３２】
また、第１実施形態に係る力センサ１は、円環形状の振動体３が拡がり方向にて伸縮する作用を利用しているため、振動方向を考慮した保持方法が必要となる。しかし、力センサ１は、振動体３と第１信号電極７０及び第２信号電極７１との摩擦により検出値を変化させているため、振動体３と第１信号電極７０及び第２信号電極７１との接触面積が大きい程、検出レンジの設定を可変にすることが可能になる。
【００３３】
また、振動体３（圧電体３０）が円環形状の場合、円周長としては外周円部に比べ内周円部の方が短く、振動に対する影響は内周円部の方が小さい。そのため、第１実施形態に係る振動体３の実装方法では、振動体３の位置決めが容易となるだけでなく、振動体３の外周円部で振動体３を固定するよりも伸縮及び摩擦面へ与える影響を小さくすることができる。これにより、安定した検出を行うことができる。特に、力の分布を測定する力センサとして使用する場合には、分布状に配置した各々の振動体３（圧電体３０）の位置及び検出値が正確に得られるため有効となる。
【００３４】
このように、本発明の第１実施形態に係る力センサ１は、円環形状の振動体３（圧電体３０）を、保持部材５にて基板４に保持させることで、検出感度を低下させることなく、容易に圧電体を被実装体（例えば、ロボット指１０）実装することができる。また、第１実施形態に係る力センサ１は、振動体３（圧電体３０）の取り付け位置が正確になり安定したセンシングを行うことができる。また、磨耗したダンピング部材６を容易に交換することができる。これにより、メンテナンス性が向上する。つまり、実装が簡単で、静的な力を広い範囲にわたって検出可能な圧電振動型の力センサ１を提供することができる。
【００３５】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る力センサ１Ａについて、図５を参照しながら説明する。図５（ａ）は、第２実施形態に係る力センサ１Ａをロボット指１０に実装した状態を模式的に示す断面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す力センサ１Ａのダンピング部材６を取り外した状態を模式的に示す断面図である。
【００３６】
図５に示すように、第２実施形態に係る力センサ１Ａは、第２信号電極７０の配置が第１実施形態と相違する。そのため、第２実施形態においては、第１実施形態と相違する点、すなわち、第２信号電極７０の配置を中心に説明し、第１実施形態に係る力センサ１と同様の構成のものについては、同じ符号を付してその説明を省略する。なお、第２実施形態において、第１実施形態と同様の構成のものについては、第１実施形態と同様の効果を奏する。
【００３７】
第２実施形態に係る力センサ１Ａは、第２信号電極７０が基板４の裏面に取り付けられている。また、力センサ１Ａは、保持部材５Ａの当接部５０Ａ及び連結軸５１Ａが導電性材料により形成されると共に、連結軸５１Ａの他端部５１ａが第２信号電極７０に接触している。つまり、第２実施形態に係る力センサ１Ａは、第２信号電極７０が連結軸５１及び当接部５０を介して第２駆動電極３２に通電するように構成されている。
【００３８】
なお、当接部５０Ａ及び連結軸５１Ａは、導電性を有していれば良く、加工性やコストの面から金属が望ましい。また、当接部５０Ａは、振動体３が振動する方向に対して、厚みが厚すぎるとダンピング部材６との間に隙間が生じて摩擦を阻害するおそれが生じる。そのため、当接部５０Ａは、検出をする力や振動体３（圧電体３０）の大きさにより異なるが、例えば、０．０５〜５ｍｍの厚さであることが望ましい。
【００３９】
以上のような構成を有する第２実施形態に係る力センサ１Ａは、第２信号電極７０をダンピング部材６に配設する必要がなくなる。そのため、例えば、ダンピング部材６を交換する場合においても、ダンピング部材６のみの交換で足りることとなり、交換が容易となると共にメンテナンスコスト等を削減することができる。これにより、外力が加わることによりダンピング部材６の表面が摩耗したり、傷ついたりした場合においても、簡単かつ容易にダンピング部材６を交換することができる。
【００４０】
また、基板４をプリント基板とした場合においては、マトリクスとなる配線を積層基板等にて第２信号電極７０に容易にパターン接続することができる。
【００４１】
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態に係る力センサ１Ｂについて、図６を参照しながら説明する。図６（ａ）は、第３実施形態に係る力センサ１Ｂをロボット指１０に実装した状態を模式的に示す断面図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）に示す力センサ１Ｂのダンピング部材６を取り外した状態を模式的に示す断面図である。
【００４２】
図６に示すよう、第３実施形態に係る力センサ１Ｂは、保持部材５の基板４への係着方法が第２実施形態と相違する。そのため、第３実施形態においては、第２実施形態と相違する点、即ち、保持部材５の係着方法を中心に説明し、第１実施形態及び第２実施形態と同様の構成のものについては、同じ符号を付してその説明を省略する。なお、第３実施形態において、第１実施形態及び第２実施形態と同様の構成のものについては、第１実施形態及び第２実施形態と同様の効果を奏する。
【００４３】
第３実施形態に係る力センサ１Ｂは、基板４に形成された第２貫通孔４０に圧入部材としてのソケット４１が配設されており、ソケット４１に連結軸５１Ｂを圧着させて嵌挿させることにより当接部５０Ｂ及び遊嵌部５２が基板４に係着するように構成されている。また、第２信号電極７０は、基板４の裏面に配設されると共に、ソケット４１と接続されており、連結軸５１Ｂ及び当接部５０Ｂは、導電性材料により形成されている。つまり、ソケット４１に連結軸５１Ｂを嵌挿させることにより第２信号電極７１が連結軸５１Ｂ及び当接部５０Ｂを介して第２駆動電極３２に通電するように構成されている。
【００４４】
なお、当接部５０Ｂ及び連結軸５１Ｂは、導電性を有していれば良く、加工性やコストの面から金属が望ましい。また、当接部５０Ｂは、振動体３が振動する方向に対して、厚みが厚すぎるとダンピング部材６との間に隙間が生じて摩擦を阻害するおそれが生じる。そのため、当接部５０Ｂは、検出をする力や振動体３（圧電体３０）の大きさにより異なるが、例えば、０．０５〜５ｍｍの厚さであることが望ましい。
【００４５】
以上のような構成を有する第３実施形態に係る力センサ１Ｂは、第２信号電極７０をダンピング部材６に配設する必要がなくなる。そのため、例えば、ダンピング部材６を交換する場合においても、ダンピング部材６のみの交換で足りることとなり、交換が容易となると共にメンテナンスコスト等を削減することができる。これにより、外力が加わることによりダンピング部材６の表面が摩耗したり、傷ついたりした場合においても、簡単かつ容易にダンピング部材６を交換することができる。
【００４６】
また、基板４をプリント基板とした場合においては、例えば複数のセンサをマトリクスに接続する配線でも積層基板構造を用いることで容易にパターン接続することができる利点がある。
【００４７】
また、連結軸５１Ｂをソケット４１に嵌挿するだけで当接部５０Ｂ及び遊嵌部５２が基板４に係着可能となるため、保持部材５Ｂの着脱が容易となる。これにより、例えば、振動体３の交換も容易となる。
【００４８】
＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態に係る力センサ１Ｃについて、図７及び図８を参照しながら説明する。図７は、第４実施形態に係る力センサ１Ｃを模式的に示す断面図である。図８は、図７に示す力センサ１Ｃの分解斜視図である。
【００４９】
図７に示すように、第４実施形態に係る力センサ１Ｃは、第１信号電極７０及び第２信号電極７１を基板４の裏面に配置したことが第３実施形態と相違する。そのため、第４実施形態においては、第３実施形態と相違する点、すなわち、信号電極７の配置を中心に説明し、第１実施形態から第３実施形態と同様の構成のものについては、同じ符号を付してその説明を省略する。なお、第４実施形態において、第１実施形態から第３実施形態と同様の構成のものについては、第１実施形態から第３実施形態と同様の効果を奏する。
【００５０】
第４実施形態に係る力センサ１Ｃは、基板４に第２貫通孔４０と並列に第３貫通孔４３が形成されており、第３貫通孔４３における基板４の裏面側には、第３信号電極７３が第２信号電極７１と並列配置されている。また、第１信号電極７０Ｃからは、導電性の引込軸７２が延出しており、引込軸７２は、第３貫通孔を通って第３信号電極７３に接触している。つまり、第４実施形態に係る力センサ１Ｃは、第３信号電極７３が引込軸７２を介して第１駆動電極３１に通電するように構成されると共に、第１信号電極７０Ｃが連結軸５１Ｂ及び当接部５０Ｂを介して第２駆動電極３２と通電するように構成されている。
【００５１】
また、第４実施形態においては、基板４の裏面に接触するように外部基板４２が配置されており、外部基板４２上に第２信号電極７１及び第３信号電極７３が形成されている。なお、基板４と外部基板４２とは、接着剤やビス留め等、公知の方法で接続されている。
【００５２】
以上のような構成を有する第４実施形態に係る力センサ１Ｃは、第１信号電極７０Ｃをダンピング部材６に配設する必要がなくなる。そのため、例えば、ダンピング部材６を交換する場合においても、ダンピング部材６のみの交換で足りることとなり、交換が容易となると共にメンテナンスコスト等を削減することができる。これにより、外力が加わることによりダンピング部材６の表面が摩耗したり、傷ついたりした場合においても、簡単かつ容易にダンピング部材６を交換することができる。
【００５３】
また、第４実施形態に係る力センサ１Ｃは、基板４の材質をダンピング部材６と同じ材質にすれば、振動体３との接触面（一方側の面と他方側の面）における摩擦係数が同じとなるため、検出値の制御が容易となる。
【００５４】
また、信号電極７が共に基板４の裏面に並列配置されているため、基板４をプリント基板とした場合においては、容易にパターン接続することができる。また、配線も容易となる。
【００５５】
ここで、図９に第４実施形態に係る力センサ１Ｃの他の形態に係る力センサ１Ｄを示す。図９は、第４実施形態に係る力センサ１Ｃの変形例を模式的に示す断面図である。
【００５６】
図９に示すように、力センサ１Ｄは、第１基板４４と、第２基板４５とを有する。第１基板４４は、振動体３が実装される基板であり、上述の実施形態と同様に第２貫通孔４０及び第３貫通孔４３を有している。第２基板４５は、第１基板４４の一方側（振動体３が実装される側と反対側）に配置されており、第２貫通孔４０と連通する第４貫通孔４６と、第３貫通孔４３と連通する第５貫通孔４７を有している。第２基板４５は、プリント基板である。
【００５７】
第４貫通孔４６には、ソケット４８が配設されており、ソケット４８と接続するように第２信号電極７１が第２基板４４の裏面に配設されている。つまり、ソケット４８に連結軸５１Ｂを嵌挿させることにより第２信号電極７１が連結軸５１Ｂ及び当接部５０Ｂを介して第２駆動電極３２に通電するように構成されている。
【００５８】
第５貫通孔４７には、ソケット４９が配設されており、ソケット４９と接続するように第３信号電極７３が第２基板４４の裏面に配設されている。つまり、ソケット４９に引込軸７２を嵌挿させることにより第３信号電極７３が引込軸７２を介して第１駆動電極３１に通電するように構成されている。なお、ソケット４８，４９は、電気部品のＩＣ等を挿し込む汎用的な部品でよく、第２基板４５に実装して半田そうに流すことも可能である。
【００５９】
圧電体３０やダンピング部材６、基板４を組み合わせた状態で保持部材５の連結軸５１Ｂをソケット４８に差し込み、引込軸７２をソケット４９に差し込めば振動体３と第２基板４５上の第２信号電極７１及び第３信号電極７３とが電気的に各々接続される。なお、ソケット４８，４９は、取り外しも容易であるため、例えば、圧電体３０や保持部材５等に故障が発生した場合においては、第２基板４５から取り外して交換等を容易に行うことができる。
【００６０】
このような構成とすることで、確実に圧電体３０に通電させることができ力の検出が可能となる。また、力センサ１Ｄを用いて力分布検出が可能なセンサを作製した場合は、第２基板４５をプリント基板とすれば、マトリクスとなる配線を両面または積層基板等にて容易にパターン接続構成を実現できる。
【００６１】
＜第５実施形態＞
次に、本発明の第５実施形態に係る力センサ及びロボットハンドについて、図１０を参照しながら説明する。図１０は、第５実施形態に係る力センサ及びロボットハンド８０を模式的に示す図である。
【００６２】
第１から第４実施形態の力センサ１においては、ロボットハンド８０の指や掌に実装する際にも有用な効果が得られる。例えば、組立ロボットのロボットハンド８０に力センサ１を実装する場合、力センサ１による情報を用いてワーク８３の把持を行うことが考えられる。ロボットハンド８０内に力センサ１を備えることで、力センサ１からの信号によるワーク８３の有無の判別や、ワーク８３を所望の力にて把持する把持力を制御することが可能となる。
【００６３】
ロボットハンド８０は、一般的に、モータや減速ギアなどを用いてロボットハンド８０の指を開閉動作させるため、動作させる際には機械的な振動が生じる。この場合、前述した従来の圧電振動型力センサ（例えば、特許文献１）では、力ユニット２内において機械的な振動により振動体３の位置がずれてしまう場合がある。固定位置がずれてしまうと、同じ位置に同じ力を加えても規制される振動量が異なってしまうため、出力の再現性がなくなる。すなわち、力ユニット２内において振動体３をずれることなく同じ位置にて保持することが力センサ１としては必要である。本実施形態によれば、簡易な構成により機械的な振動による位置ずれを生じさせることなく振動体３を保持することが可能となる。
【００６４】
また、ワーク８３をロボットハンド８０にて把持する場合、ワーク８３の傷つけ防止として指表面に弾性体を取りつけることは一般的に行われている。本センサは、力センサ１を構成しているダンピング部材６がワーク８３の傷つき防止として作用すると共に、力による出力の変化を生む部材を兼ねることが可能となっている。
【００６５】
また、ダンピング部材６は常にワーク８３と接触するため、ダンピング部材６の表面に摩耗が生じる。また、工場等での長期間の使用を考えた場合には、経時変化によりダンピング部材６の硬度が変化してセンサの出力が変化してしまう問題がある。すなわち、摩耗や経時変化に伴って定期的なセンサ交換が必須となる。よって、第１から４実施形態で示したようにダンピング部材６のみを容易に交換可能な構成とすれば、ロボットハンド８０の定期的なメンテナンス時間を短縮することができる。また、ダンピング部材６のみの交換であれば力センサ１の全てを交換せずに済むため、作業時間が減りメンテナンス費用を低減することが可能となる。
【００６６】
＜第６実施形態＞
次に、本発明の第６実施形態に係る力センサ及びロボットハンド並びにアーム部としてのロボットアームについて、図１１を参照しながら説明する。図１１は、第６実施形態に係る力センサ及びロボットハンド８０並びにロボットアーム８１を模式的に示す図である。
【００６７】
第１から第５実施形態の力センサ１においては、ロボットアーム８１に実装することでも有用な効果が得られる。例えば、組立ロボットのロボットアーム８１にて力センサ１を使用する場合、力センサ１による情報を用いてロボットアーム８１を外部からの信号により直接動作させることが考えられる。この場合、力センサ１をロボットアーム８１の回転軸方向と同じとなるように取り付けることで、作業者が直感的にロボットアーム８１を動作させることができ教示が簡単に行える。つまり、ロボットアーム８１の動作と各力センサ１の関連付けを行えばよい。
【００６８】
ロボットアーム８１は、モータや減速ギアなどを多数組み合わせてロボットアーム８１を動作させるが、この場合、力センサ１には動作時の加速度や機械的な振動が生じる。そのため、力ユニット２内においてかかった加速度や機械的な振動により、振動体３がずれてしまう問題がある。固定位置がずれてしまうと、同じ位置に同じ力を加えても規制される振動量が異なってしまうため、出力の再現性がなくなる。すなわち、力ユニット２内において振動体３をずれることなく同じ位置にて保持することが力センサ１としては必要である。本実施形態においては、簡易な手段によりかかった加速度や機械的な振動によるずれを生じさせずに保持することが可能となる。
【００６９】
この場合もロボットハンド８０と同様であり、ダンピング部材６は常に作業者との接触があるためダンピング部材６表面の摩耗や経時変化の問題がある。よって、第１から第４実施形態で示したように、ダンピング部材６のみを容易に交換可能な構成であれば、ロボットアーム８１の定期的なメンテナンス時間が短縮できる。また、ダンピング部材６のみの交換であれば、力センサ１の全てを交換せずに済むため、メンテナンス費用を低減することが可能となる。
【００７０】
更に、例えば、非常時においては、表面をゴム等の弾性体で構成して衝撃力を和らげることが考えられる。本センサは、力センサ１を構成しているダンピング部材６がロボットアーム８１の衝撃力吸収部材として作用すると共に、力による出力の変化を生む部材を兼ねることが可能となる。
【００７１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施形態に記載されたものに限定されない。
【００７２】
例えば、第１実施形態においては、連結軸５１を用いて当接部５０及び遊嵌部５２を基板４に係着させたが、本発明においてはこれに限定されない。例えば、遊嵌部５２を当接部５０及び基板４に接着して当接部５０及び遊嵌部５２を基板４に係着させる構成であってもよい。この場合、連結軸５１は、省略することができる。
【００７３】
また、第１実施形態においては、連結軸５１の他端部５１ａを折り曲げて当接部５０及び遊嵌部５２を基板４に係着させたが本発明においてはこれに限定されない。例えば、第２実施形態及び第３実施形態に示すような方法で、当接部５０及び遊嵌部５２を基板４に係着させてもよい。
【符号の説明】
【００７４】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ    力センサ
２    圧電振動型力ユニット
３    振動体
４    基板
５    保持部材（保持部）
６    ダンピング部材（弾性部材）
７    信号電極
１０    ロボット指
１１    インピーダンス
１２    可変周波数発信器
３０    圧電体
３１    第１駆動電極（一対の駆動電極）
３２    第２駆動電極（一対の駆動電極）
５０    当接部
５１    連結軸（軸部材）
５２    遊嵌部
７０    第１信号電極
７１    第２信号電極
８０    ロボットハンド
８１    ロボットアーム（アーム部）
８３    ワーク
【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】
0005936374.tif 000008
【図８】
0005936374.tif 000009
【図９】
0005936374.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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