(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹部を有する第１部材と、
前記凹部に配置され、圧電体を有するセンサー素子と、
前記第１部材に接合され、前記第１部材の凹部を封止する第２部材と、を備え、
前記第２部材には、
前記凹部深さ方向で見た平面視で前記凹部の開口部の縁より内側、且つ前記センサー素子より外側となる位置において、前記センサー素子の周囲を囲み、可撓性を有する可撓部を設け、
前記第１部材の前記平面視からの形状を矩形とし、前記可撓部の前記平面視からの形状は、円形形状、もしくは多角形形状であって角が円弧状である形状とし、
前記センサー素子の前記第２部材に接触する受力面と、前記第１部材と前記第２部材の接合面が同一平面ではないことを特徴とするセンサーデバイス。
【請求項２】
前記可撓部は、前記第２部材の他の部分より厚みが薄いことを特徴とする請求項１に記載のセンサーデバイス。
【請求項３】
前記可撓部は、蛇腹構造を有することを特徴とする請求項１または２に記載のセンサーデバイス。
【請求項４】
前記受力面の法線方向をＺ軸方向とし、前記Ｚ軸方向に直交し且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、
前記センサー素子は、
前記Ｘ軸方向の力を検出する第１センサー素子、前記Ｙ軸方向の力を検出する第２センサー素子、前記Ｚ軸方向の力を検出する第３センサー素子、のうち少なくともいずれか１つ以上を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセンサーデバイス。
【請求項５】
凹部を有する第１部材と、
前記凹部に配置され、圧電体を有するセンサー素子と、
前記第１部材に接合され、前記第１部材の凹部を封止する第２部材と、
前記第１部材と接触する第１プレートと、
前記第２部材と接触する第２プレートと、
前記第１プレート及び前記第２プレートを締結する締結部と、を備え、
前記第２部材は、
前記凹部深さ方向で見た平面視で前記凹部の開口部の縁より内側、且つ前記センサー素子より外側となる位置において、前記センサー素子の周囲を囲み、可撓性を有する可撓部を備え、
前記第１部材の前記平面視からの形状を矩形とし、前記可撓部の前記平面視からの形状は、円形形状、もしくは多角形形状であって角が円弧状である形状とし、
前記センサー素子の前記第２部材に接触する受力面と、前記第１部材と前記第２部材の接合面が同一平面ではなく、
前記締結部は、前記平面視で前記第１部材及び前記第２部材の外周側に設けられていることを特徴とするセンサーモジュール。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセンサーデバイスを備えることを特徴とする力検出装置。
【請求項７】
凹部を有する第１部材と、
前記凹部に配置され、圧電体を有するセンサー素子と、
前記第１部材に接合され、前記第１部材の凹部を封止する第２部材と、
前記センサー素子に電気的に接続する電子回路と、を備え、
前記第２部材には、
前記凹部深さ方向で見た平面視で前記凹部の開口部の縁より内側、且つ前記センサー素子より外側となる位置において、前記センサー素子の周囲を囲み、可撓性を有する可撓部を備え、
前記第１部材の前記平面視からの形状を矩形とし、前記可撓部の前記平面視からの形状は、円形形状、もしくは多角形形状であって角が円弧状である形状とし、
前記センサー素子の前記第２部材に接触する受力面と、前記第１部材と前記第２部材の接合面が同一平面ではないことを特徴とする力検出装置。
【請求項８】
請求項６に記載の力検出装置を備える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デバイスを有し、
前記センサーデバイスは、
凹部を有する第１部材と、
前記凹部に配置され、圧電体を有するセンサー素子と、
前記第１部材に接合され、前記第１部材の凹部を封止する第２部材と、を備え、
前記第２部材は、
前記凹部深さ方向で見た平面視で前記凹部の開口部の縁より内側、且つ前記センサー素子より外側となる位置において、前記センサー素子の周囲を囲み、可撓性を有する可撓部を備え、
前記第１部材の前記平面視からの形状を矩形とし、前記可撓部の前記平面視からの形状は、円形形状、もしくは多角形形状であって角が円弧状である形状とし、
前記センサー素子の前記第２部材に接触する受力面と、前記第１部材と前記第２部材の接合面が同一平面ではない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、センサーデバイス、センサーモジュール、力検出装置及びロボットに関するものである。
【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１４に、従来技術のセンサーデバイスを示す。図１４に示すように、センサーデバイス２００は、センサー素子２１４と、センサー素子２１４を収容する凹部を有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（接合面２２４）に接合するとともにセンサー素子２１４に接触する金属製の板状のリッド２０４と、により全体が構成されている。
【０００４】
センサー素子２１４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検出電極２１８を挟み込んだものとなっている。そして水晶板２１６の上面がセンサー素子２１４の受力面２２２となり、リッド２０４に接触している。
【０００５】
一方、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。ここで、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は検出電極２１８と電気的に接続している。
【０００６】
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、リッド２０４はセンサー素子２１４の受力面２２２に力（圧力）を伝達する。すると、水晶板２１６は、与圧に伴う圧電効果により検出電極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に印加される力（圧力）が変化する。よって、与圧のみの場合の信号の出力を基準として、この力（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。
【０００７】
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】
【０００８】
【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】
【０００９】
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浸入によって電荷が外部リークし安定した測定が困難となる虞があった。
【００１０】
また、図１４に示す従来技術のセンサーデバイスでは、パッケージ２０２に収容されたセンサー素子２１４の受力面２２２の高さと、パッケージ２０２の凹部の開口部２２０の外周となる接合面２２４の高さと、が互いに一致しない場合が発生する。
【００１１】
図１５に、従来技術のセンサーデバイス（受力面の高さ＜接合面の高さ）に力を印加した場合の模式図を示し、図１５（ａ）は、リッドに力を印加する前の模式図、図１５（ｂ）は、リッドに力を印加した後の模式図を示す。図１５（ａ）に示すように、センサー素子２１４の受力面２２２の高さが、接合面２２４の高さより低くなる場合において、リッド２０４をパッケージ２０２に接合する。すると、リッド２０４とセンサー素子２１４の受力面２２２とが接触せずに隙間２２６が形成される。
【００１２】
図１６に、従来技術のセンサーデバイス（受力面の高さ＞接合面の高さ）の模式図を示し、図１６（ａ）はリッドの接合前の模式図、図１６（ｂ）はリッドの接合後、且つリッドに力を印加する前の模式図、図１６（ｃ）は、リッドに力を印加した後の模式図を示す。
【００１３】
図１６（ａ）に示すように、センサー素子２１４の受力面２２２の高さが、パッケージ２０２の接合面２２４の高さより高くなる場合において、リッド２０４をパッケージ２０２に接合すると図１６（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の受力面２２２の周縁はリッド２０４に接触するものの、センサー素子２１４の受力面２２２の中央部とリッド２０４との間には隙間２２８が形成される。
【００１４】
いずれの場合においても、リッド２０４に力（上述の与圧を含む）が印加されると、上述の隙間２２６、２２８は消失する。しかし、図１５（ｂ）に示すように、パッケージ２０２の凹部深さ方向で見た平面視でリッド２０４のセンサー素子２１４より外側且つ開口部２２０の縁より内側となる領域は、リッド２０４の中心に向かう方向（矢印２３０の方向）に応力を受ける。また図１６（ｃ）に示すように、前記平面視でリッド２０４のセンサー素子２１４より外側且つ開口部２２０の縁より内側となる領域は、リッド２０４の中心から放射状に広がる方向（矢印２３２の方向）の応力を受ける。よっていずれの場合であっても、リッド２０４とパッケージ２０２とが接合される接合部（接合面２２４）の内側となるセンサー素子側内縁部には、せん断応力（矢印２３４の方向が応力の方向）が集中的に印加されることになる。さらに、力が繰り返し印加されるセンサーデバイス２００においては前記接合部のセンサー素子側内縁部に応力集中が進み、リッド２０４とパッケージ２０２との接合が劣化して気密封止が破壊される虞がある。
【００１５】
よって、本発明は上記問題点に着目し、パッケージの破損が起こりにくい構造とすることで、パッケージに収容されたセンサー素子の気密封止を長期に亘り安定的に実現するセンサーデバイス、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する。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
第１の形態のセンサーデバイスは、凹部を有する第１部材と、前記凹部に配置され、圧電体を有するセンサー素子と、前記第１部材に接合され、前記第１部材の凹部を封止する第２部材と、を備え、前記第２部材には、前記凹部深さ方向で見た平面視で前記凹部の開口部の縁より内側、且つ前記センサー素子より外側となる位置において、前記センサー素子の周囲を囲み、可撓性を有する可撓部を設け、前記第１部材の前記平面視からの形状を矩形とし、前記可撓部の前記平面視からの形状は、円形形状、もしくは多角形形状であって角が円弧状である形状とし、前記センサー素子の前記第２部材に接触する受力面と、前記第１部材と前記第２部材の接合面が同一平面ではないことを特徴とするセンサーデバイス。
第２の形態のセンサーデバイスは、前記可撓部は、前記第２部材の他の部分より厚みが薄いことを特徴とする第１の形態に記載のセンサーデバイス。
第３の形態のセンサーデバイスは、前記可撓部は、蛇腹構造を有することを特徴とする第１または第２の形態に記載のセンサーデバイス。
第４の形態のセンサーデバイスは、前記受力面の法線方向をＺ軸方向とし、前記Ｚ軸方向に直交し且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、前記センサー素子は、前記Ｘ軸方向の力を検出する第１センサー素子、前記Ｙ軸方向の力を検出する第２センサー素子、前記Ｚ軸方向の力を検出する第３センサー素子、のうち少なくともいずれか１つ以上を備えることを特徴とする第１乃至第３の形態のいずれか１形態に記載のセンサーデバイス。
第５の形態のセンサーモジュールは、凹部を有する第１部材と、前記凹部に配置され、圧電体を有するセンサー素子と、前記第１部材に接合され、前記第１部材の凹部を封止する第２部材と、前記第１部材と接触する第１プレートと、前記第２部材と接触する第２プレートと、前記第１プレート及び前記第２プレートを締結する締結部と、を備え、前記第２部材は、前記凹部深さ方向で見た平面視で前記凹部の開口部の縁より内側、且つ前記センサー素子より外側となる位置において、前記センサー素子の周囲を囲み、可撓性を有する可撓部を備え、前記第１部材の前記平面視からの形状を矩形とし、前記可撓部の前記平面視からの形状は、円形形状、もしくは多角形形状であって角が円弧状である形状とし、前記センサー素子の前記第２部材に接触する受力面と、前記第１部材と前記第２部材の接合面が同一平面ではなく、前記締結部は、前記平面視で前記第１部材及び前記第２部材の外周側に設けられていることを特徴とするセンサーモジュール。
第６の形態の力検出装置は、第１乃至第４の形態のいずれか１形態に記載のセンサーデバイスを備えることを特徴とする力検出装置。
第７の形態の力検出装置は、凹部を有する第１部材と、前記凹部に配置され、圧電体を有するセンサー素子と、前記第１部材に接合され、前記第１部材の凹部を封止する第２部材と、前記センサー素子に電気的に接続する電子回路と、を備え、前記第２部材には、前記凹部深さ方向で見た平面視で前記凹部の開口部の縁より内側、且つ前記センサー素子より外側となる位置において、前記センサー素子の周囲を囲み、可撓性を有する可撓部を備え、前記第１部材の前記平面視からの形状を矩形とし、前記可撓部の前記平面視からの形状は、円形形状、もしくは多角形形状であって角が円弧状である形状とし、前記センサー素子の前記第２部材に接触する受力面と、前記第１部材と前記第２部材の接合面が同一平面ではないことを特徴とする力検出装置。
第８の形態のロボットは、第６の形態に記載の力検出装置を備えることを特徴とするロボット。
第９の形態のロボットは、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デバイスを有し、前記センサーデバイスは、凹部を有する第１部材と、前記凹部に配置され、圧電体を有するセンサー素子と、前記第１部材に接合され、前記第１部材の凹部を封止する第２部材と、を備え、前記第２部材は、前記凹部深さ方向で見た平面視で前記凹部の開口部の縁より内側、且つ前記センサー素子より外側となる位置において、前記センサー素子の周囲を囲み、可撓性を有する可撓部を備え、前記第１部材の前記平面視からの形状を矩形とし、前記可撓部の前記平面視からの形状は、円形形状、もしくは多角形形状であって角が円弧状である形状とし、前記センサー素子の前記第２部材に接触する受力面と、前記第１部材と前記第２部材の接合面が同一平面ではないことを特徴とするロボット。
【００１７】
［適用例１］凹部を有する第１部材と、前記凹部に配置され、圧電体を有するセンサー素子と、前記第１部材に接合され、前記第１部材の凹部を封止する第２部材と、を備え、前記第２部材には、前記凹部深さ方向で見た平面視で前記凹部の開口部の縁より内側、且つ前記センサー素子より外側となる位置において、前記センサー素子の周囲を囲み、可撓性を有する可撓部があることを特徴とするセンサーデバイス。
【００１８】
上記構成において、センサー素子の第２部材に対向する受力面と、第１部材の第２部材と接合する接合面との間に高低差があっても、与圧により可撓部はその高低差に倣って変形するので、第２部材の可撓部より内側となる力伝達部を受力面に接触させるとともに力伝達部の変位に伴い第２部材内で発生する応力を可撓部の撓み変形により吸収させることができる。よって、可撓部よりも外側となる接合面への応力の伝達を抑制することができ、第１部材と第２部材との接合部に対する応力集中を抑制することができる。したがって、第１部材に収容されたセンサー素子の気密封止を長期に亘り安定的に実現するセンサーデバイスとなる。
【００１９】
［適用例２］前記可撓部は、前記第２部材の他の部分より厚みが薄いことを特徴とする適用例１に記載のセンサーデバイス。
上記構成により、簡易な構成で可撓部を形成することができる。
【００２０】
［適用例３］前記可撓部は、蛇腹構造を有することを特徴とする適用例１または２に記載のセンサーデバイス。
上記構成により、簡易な構成で可撓部を形成することができる。
【００２１】
［適用例４］前記可撓部は、前記平面視で、円形形状、もしくは多角形形状であって角が円弧状である形状であることを特徴とする適用例１乃至３のいずれか１例に記載のセンサーデバイス。
上記構成により、可撓部の特定の部位への応力の集中を回避して可撓部の耐久性を高めることができる。
【００２２】
［適用例５］前記センサー素子の前記第２部材に接触する受力面の法線方向をＺ軸方向とし、前記Ｚ軸方向に直交し且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、前記センサー素子は、前記Ｘ軸方向の力を検出する第１センサー素子、前記Ｙ軸方向の力を検出する第２センサー素子、前記Ｚ軸方向の力を検出する第３センサー素子、のうち少なくともいずれか１つ以上を備えることを特徴とする適用例１乃至４のいずれか１例に記載のセンサーデバイス。
上記構成により、使用目的に応じて任意の方向の力を検出することができる。
【００２３】
［適用例６］凹部を有する第１部材と、前記凹部に配置され、圧電体を有するセンサー素子と、前記第１部材に接合され、前記第１部材の凹部を封止する第２部材と、前記第１部材と接触する第１プレートと、前記第２部材と接触する第２プレートと、前記第１プレート及び前記第２プレートを締結する締結部と、を備え、前記第２部材は、前記凹部深さ方向で見た平面視で前記凹部の開口部の縁より内側、且つ前記センサー素子より外側となる位置において、前記センサー素子の周囲を囲み、可撓性を有する可撓部があることを特徴とするセンサーモジュール。
上記構成によれば、適用例１と同様の理由により、第１部材に収容されたセンサー素子の気密封止を長期に亘り安定的に実現するセンサーモジュールとなる。
【００２４】
［適用例７］適用例１乃至５のいずれか１例に記載のセンサーデバイスを備えることを特徴とする力検出装置。
上記構成によれば、適用例１と同様の理由により、第１部材に収容されたセンサー素子の気密封止を長期に亘り安定的に実現する力検出装置となる。
【００２５】
［適用例８］凹部を有する第１部材と、前記凹部に配置され、圧電体を有するセンサー素子と、前記第１部材に接合され、前記第１部材の凹部を封止する第２部材と、前記センサー素子に電気的に接続する電子回路と、を備え、前記第２部材には、前記凹部深さ方向で見た平面視で前記凹部の開口部の縁より内側、且つ前記センサー素子より外側となる位置において、前記センサー素子の周囲を囲み、可撓性を有する可撓部があることを特徴とする力検出装置。
上記構成によれば、適用例１と同様の理由により、第１部材に収容されたセンサー素子の気密封止を長期に亘り安定的に実現し、且つ独自に力を検出可能な力検出装置となる。
【００２６】
［適用例９］適用例７に記載の力検出装置を備えることを特徴とするロボット。
上記構成によれば、適用例１と同様の理由により、第１部材に収容されたセンサー素子の気密封止を長期に亘り安定的に実現するロボットとなる。
【００２７】
［適用例１０］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デバイスを有し、前記センサーデバイスは、凹部を有する第１部材と、前記凹部に配置され、圧電体を有するセンサー素子と、前記第１部材に接合され、前記第１部材の凹部を封止する第２部材と、を備え、前記第２部材は、前記凹部深さ方向で見た平面視で前記凹部の開口部の縁より内側、且つ前記センサー素子より外側となる位置において、前記センサー素子の周囲を囲み、可撓性を有する可撓部があることを特徴とするロボット。
上記構成によれば、適用例１と同様の理由により、第１部材に収容されたセンサー素子の気密封止を長期に亘り安定的に実現し、且つアーム部及びハンド部に印加される力を検知可能なロボットとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】第１実施形態のセンサーデバイスであって、リッドが凸型に変形している場合の模式図であり、図１（ａ）が平面図、図１（ｂ）が図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図２】第１実施形態のセンサーデバイスの製造工程の模式図であり、図２（ａ）はシーム溶接前の模式図、図２（ｂ）はシーム溶接後の模式図である。
【図３】第１実施形態のセンサーデバイスであって、リッドとセンサー素子との間に隙間が形成された場合の模式図であり、図３（ａ）は与圧印加前の模式図、図３（ｂ）は与圧印加後の模式図である。
【図４】第１実施形態のセンサーデバイスであって、リッドが平面を維持しつつセンサー素子の接触している場合の模式図である。
【図５】第１実施形態のセンサーデバイスにおいて、パッケージ及びリッドを絶縁体で形成した場合の断面図である。
【図６】本実施形態のリッドの変形例の模式図であり、図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図７】第２実施形態のセンサーデバイスの断面図である。
【図８】第２実施形態のセンサーデバイスの平面図（リッドを省略）である。
【図９】本実施形態のパッケージベースの平面図である。
【図１０】本実施形態のセンサー素子の模式図である。
【図１１】本実施形態のセンサーモジュールの断面図である。
【図１２】本実施形態の力検出装置の模式図である。
【図１３】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１４】従来技術のセンサーデバイスの模式図である。
【図１５】従来技術のセンサーデバイス（受力面の高さ＜接合面の高さ）に力を印加した場合の模式図であり、図１５（ａ）は、リッドに力を印加する前の模式図、図１５（ｂ）は、リッドに力を印加した後の模式図である。
【図１６】従来技術のセンサーデバイス（受力面の高さ＞接合面の高さ）の模式図であり、図１６（ａ）はリッドの接合前の模式図、図１６（ｂ）はリッドの接合後、且つリッドに力を印加する前の模式図、図１６（ｃ）は、リッドに力を印加した後の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００３０】
図１に第１実施形態のセンサーデバイスを示す。第１実施形態のセンサーデバイス１の基本構成は、従来技術のセンサーデバイス２００と共通するので、同一の構成要素には同一の番号を付し、必要な場合を除いてその説明を省略する。
まず本実施形態では、センサー素子２１４の受力面２２２（上面）が、凹部を有するパッケージ２０２（第１部材）のリッド２（第２部材）との接合面２２４（上面）より高くなっている場合を用いて説明する。
【００３１】
本実施形態のセンサーデバイス１は、主に凹部を有するパッケージ２０２、センサー素子２１４、板状のリッド２により構成されている。そして、本実施形態のセンサーデバイス１の基本形態は、センサー素子２１４がパッケージ２０２に収容され、パッケージ２０２の凹部の開口部２２０を覆うようにリッド２がパッケージ２０２の接合面２２４に接合されたものとなっている。なお、パッケージ２０２は凹部を有するパッケージ構造となっているが金属（または後述のようにセラミック）により形成されている。また、リッド２の力伝達部３と周縁部４との間に可撓部５が配置され、可撓部５はセンサー素子２１４の受力面２２２と接合面２２４との高低差に倣って撓み変形し、力伝達部３と周縁部４との間に段差が形成されている。この段差により、力伝達部３は受力面２２２に接触（面接触）した状態で、周縁部４が接合面２２４に接合している。また、本実施形態では力伝達部３が周縁部４に対して突出した形態を有している。
【００３２】
そして、本実施形態のセンサーデバイス１は、例えば後述の与圧プレート８２（図１１）、９２（図１２）によりセンサー素子２１４の受力面２２２の法線方向から挟み込まれ、与圧が印加される。
【００３３】
パッケージ２０２に接合されるリッド２は、ステンレスやコバール等の金属（または後述のようにセラミック）により形成され、力伝達部３、周縁部４、可撓部５から構成されている。力伝達部３は、リッド２の中央領域をなすものであり、外部から受けた力（与圧を含む）をセンサー素子２１４の受力面２２２に伝達するものである。ここで、力伝達部３は、少なくとも受力面２２２全体に接触する形状が必要となる。そこで、力伝達部３は、受力面２２２と同一形状、同一面積を有し、パッケージ２０２の凹部深さ方向で見た平面視で力伝達部３の周縁と受力面２２２の周縁とが互いに重なるように配置する構成が最低限必要となる。
【００３４】
しかし、図１に示すように、力伝達部３を、受力面２２２より大きな面積とし（この場合同一形状である必要はない）、前記平面視で力伝達部３の周縁が受力面２２２の周縁を囲むように配置してもよい。これにより、リッド２とパッケージ２０２との接合時のアライメント誤差があっても力伝達部３を受力面２２２全体に接触させることができる。
【００３５】
周縁部４は、リッド２の周縁となる位置に配置され、パッケージ２０２の接合面２２４と接合する。
可撓部５は、前記平面視で開口部２２０の縁より内側となる位置を外周とし、前記平面視でセンサー素子２１４の受力面２２２より外側となる位置を内周とする矩形（正方形、長方形）のリング状の領域である。また、可撓部５は、力伝達部３及び周縁部４より薄肉に形成され、リッド２の両面から（片面からでもよい）掘り込む態様で形成されている。この可撓部５は、プレス成型またはエッチングにより形成することができる。そして、可撓部５は、周縁部４側を固定端とし、力伝達部３側を自由端としてリッド２の厚み方向に撓み変形（伸長）する。
【００３６】
また、図１（ａ）に示すように、可撓部５は、多角形形状（図では矩形形状）であって角が円弧状である形状となっている。これにより、可撓部５の特定の部位（例えば角となる部分）への応力の集中を回避して可撓部５の耐久性を高めることができる。
【００３７】
次に、第１実施形態のセンサーデバイス１の製造工程について説明する。ここではパッケージ２０２にセンサー素子２１４を収容したのち、リッド２とパッケージ２０２とをシーム溶接により接合してセンサー素子２１４を気密封止する工程について説明する。
【００３８】
図２に、第１実施形態のセンサーデバイスの製造工程の模式図を示し、図２（ａ）はシーム溶接前の模式図、図２（ｂ）はシーム溶接後の模式図を示す。
まず、センサー素子２１４を収容したパッケージ２０２上に、予め可撓部５を形成したリッド２を載置する。このとき力伝達部３は受力面２２２に載置され、周縁部４と接合面２２４との間には隙間６が形成されている。
【００３９】
次に、図２（ｂ）に示すように、周縁部４にシーム溶接用のローラー電極７を押し付け、可撓部５を変形させることにより周縁部４を接合面２２４に当接させて隙間６を消失させる。そしてローラー電極７から電流を流すことにより周縁部４と接合面２２４とを接合する。そして、全ての周縁部４上にローラー電極７をなぞらせることによりセンサー素子２１４は気密封止され、センサーデバイス１が形成される。
【００４０】
図３に、第１実施形態のセンサーデバイスであって、リッドとセンサー素子との間に隙間が形成された場合の模式図を示し、図３（ａ）は与圧印加前の模式図、図３（ｂ）は与圧印加後の模式図を示す。また、図４に、第１実施形態のセンサーデバイスであって、リッドが平面を維持しつつセンサー素子の接触している場合の模式図を示す。この例の場合でも与圧を印加することにより、可撓部５を利用して力伝達部３を受力面２２２に接触させることができる。
【００４１】
本実施形態のセンサーデバイス１を量産する場合、センサー素子２１４の受力面２２２の高さとパッケージ２０２の接合面２２４の高低差にバラつきが生じる。
【００４２】
図１のように、受力面２２２の高さが接合面２２４の高さより高くなる場合は、周縁部４を接合面２２４に接合する際に、受力面２２２と接合面２２４の高低差に倣って可撓部５が変形（伸長）する。これにより、力伝達部３は受力面２２２に接触し、周縁部４は接合面２２４に接合する。
【００４３】
これに対し、図３、図４の場合のリッド２の接合方法は、図２と同様であるが、接合時に可撓部５は変形しない。すなわち、図３（ａ）のように、受力面２２２の高さが接合面２２４の高さより低くなる場合は、周縁部４を接合面２２４に接合しても、力伝達部３と受力面２２２との間に隙間８が形成される。
【００４４】
しかし、隙間８は、リッド２の厚みと比較して十分狭いものであり、使用に際して、後述の与圧プレート８２、９２（図３では不図示）により、センサーデバイス１の厚み方向（高さ方向）から与圧が印加される。
【００４５】
よって、図３（ｂ）に示すように、与圧プレート８２、９２（図３では不図示）により、力伝達部３は、受力面２２２側に変位し、隙間８を消失させて受力面２２２に接触する。このとき力伝達部３は、可撓部５を受力面２２２側に変形させる。そして可撓部５は、受力面２２２と接合面２２４との高低差に倣って変形し、周縁部４と力伝達部３との間に段差を形成する。
【００４６】
また、図４に示すように、受力面２２２の高さと接合面２２４の高さが一致する場合は、力伝達部３と受力面２２２とは接触している。したがって、図１、図３（ａ）、図４のいずれの場合であっても、与圧を印加して、力伝達部３を受力面２２２に接触させる際に、パッケージ２０２とリッド２の接合部（接合面２２４）への応力集中を大幅に軽減することができセンサーデバイス１の経年劣化を抑制することができる。
【００４７】
以上、本実施形態においては、リッド２の可撓部５が変形するためパッケージ２０２とリッド２との接合部に加わる応力が抑制される。そして、リッド２においては、可撓部５が変形するため、センサー素子２１４に印加される力の内で、パッケージ２０２とリッド２との接合部に対する応力としてロスする量が極めて少なくなり、センサー素子２１４に効率的に力が伝達される。その結果、高精度な力の検出が可能となる。
【００４８】
さらに、受力面２２２と接合面２２４との高低差に倣って可撓部５が変形することにより力伝達部３と周縁部４との間に段差が形成される。これにより、力伝達部３は力が印加されない状態であっても受力面２２２に接触しているため、接合面２２４に印加されるせん断応力や衝撃を低減して気密封止が破壊される虞を低減することができる。
【００４９】
以上述べたように、第１実施形態のセンサーデバイス１によれば、センサー素子２１４のリッド２に対向する受力面２２２と、パッケージ２０２のリッド２と接合する接合面２２４との間に高低差があっても、与圧により可撓部５はその高低差に倣って変形するので、リッド２の可撓部５より内側となる力伝達部３を受力面２２２に接触させるともに力伝達部３の変位に伴いリッド２内で発生する応力を可撓部５の撓み変形により吸収させることができる。よって、可撓部５よりも外側となる接合面２２４への応力の伝達を抑制することができ、パッケージ２０２とリッド２との接合部に対する応力集中を抑制することができる。したがって、パッケージ２０２に収容されたセンサー素子２１４の気密封止を長期に亘り安定的に実現するセンサーデバイス１となる。なお本実施形態では、力を検出するセンサー素子２１４は圧電効果を用いたものであるので、センサー素子２１４が力を検知するために必要とする力伝達部３の変位量は極僅かとすることができ、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センサーデバイス１となる。
【００５０】
図５に、第１実施形態のセンサーデバイスにおいて、パッケージ及びリッドを絶縁体で形成した場合の断面図を示す。パッケージ２０２及びリッド２をセラミック等の絶縁体で形成する場合は、パッケージ２０２の凹部の底面において、センサー素子２１４の下面全体と接触するように接地電極９ａを配置し、パッケージ２０２の外部の側面に側面電極９ｂを配置する。そして、側面電極９ｂからパッケージ２０２の凹部の壁面までを貫通する貫通電極９ｃを配置し、凹部の壁面に露出した貫通電極９ｃと接地電極９ａとを接続する接続電極９ｄをパッケージ２０２の凹部の底面に配置する。さらに、センサー素子２１４の上面にも上面全体を覆うように接地電極９ｅを配置し、接地電極９ｅと接続電極９ｄとをワイヤー９ｆにより電気的に接続する。この構成において、側面電極９ｂを接地することによりセンサー素子２１４の上面と下面が接地される。この場合、接地電極９ｅの上面がセンサー素子２１４の受力面２２２となる。
【００５１】
図６に、本実施形態のリッドの変形例の模式図を示し、図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＡ−Ａ線断面図を示す。図６に示すリッド２ａにおいて、可撓部５ａは、前記平面視で円形形状を有している。可撓部５ａをこのような構成とすることにより、リッド２ａに力（与圧を含む）を印加したときに、可撓部５ａの特定の部位（例えば角となる部分）に応力が集中することを回避して、可撓部５ａの耐久性を高めることができる。
【００５２】
また、図６（ｂ）に示すように、可撓部５ａは、力伝達部３及び周縁部４より薄肉に形成されているとともに、蛇腹構造を有している。これにより、可撓部５ａにおいて変形しやすくなり、力伝達部３がセンサー素子２１４の受力面２２２に力を伝達する際の力のロスを低減することができる。なお、可撓部５ａのように蛇腹構造を有する場合、可撓部５ａが力伝達部３及び周縁部４より優先的に変形する限り可撓部５ａを薄肉に形成する必要はなく、力伝達部３及び周縁部４と同一の厚みを有しても良い。なお変形例のリッド２ａも、プレス成型により形成しても良いし、エッチングにより形成してもよい。
【００５３】
図７に第２実施形態のセンサーデバイスの断面図を示し、図８に、第２実施形態のセンサーデバイスの平面図（リッドを省略）を示し、図９に、本実施形態のパッケージベースの平面図を示す。ここで、図７は、図８、図９のＡ−Ａ線断面図に対応する。また、第２実施形態のセンサーデバイス１０は、直交３軸方向の力を検出できるデバイスであるが、第１実施形態のセンサーデバイス１と共通の作用効果を有する。
【００５４】
本実施形態のセンサーデバイス１０は、主にパッケージ１２（第１部材）、センサー素子４２、リッド３４（第２部材）により構成されている。そして、センサーデバイス１０の基本形態は、センサー素子４２がパッケージ１２の凹部に収容され、パッケージ１２の凹部の開口部３０を覆うようにリッド３４がパッケージ１２の接合面３２に接合されたものとなっている。また、リッド３４の力伝達部３６と周縁部３８との間に可撓部４０が配置され、可撓部４０はセンサー素子４２の受力面４４と接合面３２との高低差に倣って撓み変形し、力伝達部３６と周縁部３８との間に段差が形成されている。この段差により、力伝達部３６が受力面４４に接触（面接触）した状態で、周縁部３８が接合面３２に接合している。
【００５５】
そして、本実施形態のセンサーデバイス１０は、後述の与圧プレート８２（図１１）、９２（図１２）によりセンサー素子４２の受力面４４の法線方向（図１０のγ軸方向）から挟み込まれ、与圧が印加される。
【００５６】
パッケージ１２は、セラミック等の絶縁性材料により形成されている。そして、パッケージ１２は、パッケージ１２の凹部深さ方向で見た平面視で矩形の平板形状（円形等他の形状でもよい）を有するとともにセンサー素子４２が配置されるパッケージベース１４を有する。またパッケージ１２は、前記平面視（図８）で外形がパッケージベース１４と同一の形状を有し、センサー素子４２の周囲を囲むようにパッケージベース上に配置されたリング状の側壁部材２４を有する。
【００５７】
図９に示すように、パッケージベース１４の上面の中央には、センサー素子４２に接続する接地電極１６が配置されている。また、パッケージベース１４の側面の角となる部分（４箇所）には側面電極２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄが配置されている。なお、側面電極２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄは、例えばセンサーデバイス１０の出力を検出する電子回路（不図示）にワイヤー等を介して接続される。
【００５８】
また、図８、図９に示すように、パッケージベース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、それぞれ側面電極２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄに接続するように配置され、一端がそれぞれパッケージベース１４上の角とな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。
【００５９】
図７、図８に示すように、側壁部材２４は、パッケージベース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。しかし、側壁部材２４は、矩形のリング状の部材であるため、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パッケージベース１４に積層される。そして、側壁部材２４は、パッケージ１２の凹部の開口部３０を形成する。
【００６０】
また、図７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、これがパッケージ１２とリッド３４との接合面３２（上面）となる。そして、図７、図８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。
【００６１】
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。
【００６２】
図７に示すように、リッド３４は、第１実施形態のリッド２と同様に力伝達部３６、周縁部３８、可撓部４０により構成されている。また本実施形態においては、第１実施形態と同様に、受力面４４がパッケージ１２の接合面３２より高くなっている。よって可撓部４０は、受力面４４と接合面３２との高低差に倣って変形し、力伝達部３６は受力面４４に接触し、周縁部３８は接合面３２（メタライズ２６）とシーム溶接により接合している。これにより、リッド３４は力伝達部３６が周縁部３８より突出した態様で段差を有している。もちろん、センサーデバイス１０を量産した場合には、第１実施形態と同様に受力面４４と接合面３２との高さにはバラつきが発生する。しかし第１実施形態と同様の手順でリッド３４をパッケージ１２に接合することができる。
【００６３】
図７に示すように、センサー素子４２は、上から第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の順に積層されたものである。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、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、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。
【００６４】
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の受力面４４となっており、リッド３４の力伝達部３６に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。
【００６５】
図８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、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、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、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。
【００６６】
上記接続により、側面電極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、側面電極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、側面電極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。
【００６７】
また、側面電極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。さらに側面電極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を介してリッド３４に電気的に接続される。
【００６８】
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。
【００６９】
図１０に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の受力面４４の法線方向（γ軸）に平行な方向の力のみならず、受力面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）の力を受力面４４に伝達可能である。そして、センサー素子４２（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）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。
【００７０】
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１０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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
図１０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、例えば、後述の与圧プレート８２（図１１）、９２（図１２）によりγ軸の方向から挟み込まれ与圧が与えられ、リッド３４（力伝達部３６）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を誘起し、第３検出電極６２に電荷（Ｆｚ信号）が出力される。
【００７４】
上記構成において、２つの与圧プレート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、力伝達部３６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。
【００７５】
また２つの与圧プレート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、力伝達部３６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。
【００７６】
さらに２つの与圧プレート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、力伝達部３６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。
【００７７】
よって、本実施形態のセンサーデバイス１０は、側面電極２０Ａを介して第１検出電極５０に出力される電荷（Ｆｘ信号）と、側面電極２０Ｂを介して第２検出電極５６に出力される電荷（Ｆｙ信号）と、側面電極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。また、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は必ずしも積層させる必要は無く、各センサー素子をパッケージ１２内に並列に収容し、各センサー素子の上面（受力面）が力伝達部３６に接触できるようにしてもよい。
【００７８】
図１１に本実施形態のセンサーモジュールの断面図を示す。本実施形態のセンサーモジュールは、第２実施形態のセンサーデバイス１０（第１実施形態のセンサーデバイス１でもよい）を与圧プレート８２により挟み込み、締結部により与圧プレート８２同士を締結させるとともにセンサーデバイス１０に与圧を印加する構成を有している。
【００７９】
与圧プレート８２は、パッケージ１２に接触する第１プレート８２ａと、リッド３４（力伝達部３６）に接触する第２プレート８２ｂから構成される。そして締結部は、締結ボルト８４ａと締結ナット８４ｂにより構成される。また、第１プレート８２ａ、第２プレート８２ｂには締結ボルト８４ａを挿通するボルト孔８６ａが形成され、締結ボルト８４ａの頭部及び締結ナット８４ｂを収容するザグリ８６ｂがボルト孔８６ａに連通して形成されている。
【００８０】
ここで、センサーデバイス１０を第１プレート８２ａ及び第２プレート８２ｂで挟み込んだ状態で、締結ボルト８４ａをボルト孔８６ａに挿通し締結ボルト８４ａと締結ナット８４ｂによりボルト締めする。すると、第１プレート８２ａと第２プレート８２ｂが互いに接近する方向の力を締結部より受けてセンサーデバイス１０は高さ方向から与圧を受け、これによりセンサーデバイス１０を構成するリッド３４（力伝達部３６）がセンサー素子４２の受力面４４に与圧を印加することになる。
【００８１】
そして、前述同様に側面電極２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄは、センサーデバイス１０からの信号を受信する電子回路（不図示）に接続されている。よって与圧プレート８２に外力が印加されると、その外力が力達部３６を介して受力面４４に伝達されて受力面４４が受ける力が変化し、これによりセンサーデバイス１０から出力される信号の出力が変化する。したがって、与圧のみの場合の信号の出力を基準として、その信号の出力の変化量をモニターすることにより、センサーモジュール８０に印加される力（その方向も含む）を検知することができる。なお、第１プレート８２ａのセンサーデバイス１０に対向する位置に電子回路（不図示）を埋め込み、センサーデバイス１０の側面電極２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄをパッケージ１２の下面にまで延出させ、電子回路（不図示）上の実装電極（不図示）と側面電極のパッケージ１２の下面に延出させた部分と、を半田付け等によりそれぞれ接続してもよい。
【００８２】
図１２に本実施形態の力検出装置を示す。本実施形態の力検出装置９０は、４つのセンサーデバイス１０を２つの与圧プレート９２により挟み込んだ構成を有している。与圧プレート９２のうち一方の与圧プレート９２には、センサーデバイス１０とワイヤー等を介して電気的に接続する電子回路（不図示）が配置されている。そして、力検出装置９０において、４つのセンサーデバイス１０が全て同じ方向に向いた状態で与圧プレート９２に挟み込まれ、与圧が印加される。例えば、センサーデバイス１０において、第１センサー素子４６（図１０）の検出軸をＦｘ（Ｘ軸）に平行な方向に向け、第２センサー素子５２（図１０）の検出軸をＦｙ（Ｙ軸）に平行な方向に向け、第３センサー素子５８（図１０）の検出軸をＦｚ（Ｚ軸）に平行な方向に向けた状態となっている。
【００８３】
ここで、与圧プレート９２の相対位置が互いにＦｘ方向にずれる力を受けた場合、センサーデバイス１０はそれぞれＦｘ１、Ｆｘ２、Ｆｘ３、Ｆｘ４の力を検出する。また、与圧プレート９２の相対位置が互いにＦｙ方向にずれる力を受けた場合、センサーデバイス１０はそれぞれＦｙ１、Ｆｙ２、Ｆｙ３、Ｆｙ４の力を検出する。さらに、与圧プレート９２の相対位置が互いにＦｚ方向にずれる力を受けた場合、センサーデバイス１０はそれぞれＦｚ１、Ｆｚ２、Ｆｚ３、Ｆｚ４の力を検出する。また与圧プレート９２は、互いにＸ軸回り（Ｍｘ）に回転する方向にずれる相対変位、互いにＹ軸回り（Ｍｙ）に回転する方向にずれる相対変位、互いにＺ軸回り（Ｍｚ）に回転する方向にずれる相対変位が可能であり、これに伴う力をセンサーデバイス１０に伝達することが可能である。
【００８４】
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。
【数１】
0005880934.tif 000002
【００８５】
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、パッケージ１２に収容されたセンサー素子４２の気密封止を長期に亘り安定的に実現可能な力検出装置９０となる。
【００８６】
図１３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１３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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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１２）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。
【００９０】
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】
【００９１】
１………センサーデバイス、２………リッド、２ａ………リッド、３………力伝達部、４………周縁部、５………可撓部、５ａ………可撓部、６………隙間、７………ローラー電極、８………隙間、９ａ………接地電極、９ｂ………側面電極、９ｃ………貫通電極、９ｄ………接続電極、９ｅ………接地電極、９ｆ………ワイヤー、１０………センサーデバイス、１２………パッケージ、１４………パッケージベース、１６………接地電極、１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ，１８Ｄ………接続電極、２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ………側面電極、２４………側壁部材、２６………メタライズ、２８………貫通電極、３０………開口部、３２………接合面、３４………リッド、３６………力伝達部、３８………周縁部、４０………可撓部、４２………センサー素子、４４………受力面、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、８０………センサーモジュール、８２………与圧プレート、８２ａ………第１プレート、８２ｂ………第２プレート、８４ａ………締結ボルト、８４ｂ………締結ナット、８６ａ………ボルト孔、８６ｂ………ザグリ、９０………力検出装置、９２………与圧プレート、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………検出電極、２２０………開口部、２２２………受力面、２２４………接合面、２２６，２２８………隙間。
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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