(57)【要約】【課題】Ｓ／Ｎ比を向上させることができる力センサーを提供すること、また、この力センサーを備えるロボットを提供すること。【解決手段】２つの電極、および前記２つの電極間に配置されている圧電体を有し、前記２つの電極が並ぶ方向から見た平面視で互いに重ならないで配置され、かつ、電気的に直列に接続され、外力を受けて電荷を出力する複数の圧電素子を備えることを特徴とする力センサー。前記複数の圧電素子が有する前記圧電体は、一体である。【選択図】図３
2018087781.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外力を受けて電荷を出力する複数の圧電素子を備え、
前記複数の圧電素子は、
それぞれ、２つの電極と、前記２つの電極間に配置されている圧電体と、を有し、
前記２つの電極が並ぶ方向から見た平面視で互いに重ならないで配置され、かつ、電気的に直列に接続されていることを特徴とする力センサー。
【請求項２】
前記複数の圧電素子が有する前記圧電体は、一体である請求項１に記載の力センサー。
【請求項３】
前記２つの電極が並ぶ方向に積層されている複数の前記圧電素子を備える請求項１または２に記載の力センサー。
【請求項４】
前記圧電体は、水晶で構成されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の力センサー。
【請求項５】
前記電荷が入力されるチャージアンプを備える請求項１ないし４のいずれか１項に記載の力センサー。
【請求項６】
設置面を有する基部と、
前記設置面に沿った方向に並んで配置され、かつ、電気的に直列に接続され、外力を受けて電荷を出力する複数の圧電素子と、を備えることを特徴とする力センサー。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の力センサーを備え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、力センサーおよびロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
力を検出する力センサーは、例えば、少なくとも１つのアームを含んで構成されたロボットアームを備えるロボットにおいて、ロボットアームの関節部等に設けられ、ロボットアームに加わる力を検出する。
【０００３】
このような力センサーの一例として、例えば、特許文献１に記載の触覚センサーは、圧電素子を備え、この圧電素子からの出力に基づいて力を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−０３１５７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載の触覚センサーでは、圧電素子からの出力を大きくしようとすると、ノイズも大きくなってしまい、Ｓ／Ｎ比を大きくすることができないという問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる力センサーを提供すること、また、この力センサーを備えるロボットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の力センサーは、外力を受けて電荷を出力する複数の圧電素子を備え、
前記複数の圧電素子は、
それぞれ、２つの電極と、前記２つの電極間に配置されている圧電体と、を有し、
前記２つの電極が並ぶ方向から見た平面視で互いに重ならないで配置され、かつ、電気的に直列に接続されていることを特徴とする。
【０００８】
このような特徴を有する力センサーによれば、平面視で互いに重ならないで配置されている複数の圧電素子が電気的に直列に接続されているため、同一配置面積（同一平面視面積）の１つの圧電素子を用いる場合に比べて、ノイズを低減することができ、その結果、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
【０００９】
本発明の力センサーでは、前記複数の圧電素子が有する前記圧電体は、一体であることが好ましい。
【００１０】
これにより、圧電体の加工が容易となり、その結果、複数の圧電素子の製造も容易となる。
【００１１】
本発明の力センサーでは、前記２つの電極が並ぶ方向に積層されている複数の前記圧電素子を備えることが好ましい。
【００１２】
これにより、力センサーの高感度化を図ったり検出軸の多軸化を図ったりすることができる。
【００１３】
本発明の力センサーでは、前記圧電体は、水晶で構成されていることが好ましい。
これにより、高感度、広いダイナミックレンジ、高い剛性等の優れた特性を有する力センサーを実現することができる。
【００１４】
本発明の力センサーでは、前記電荷が入力されるチャージアンプを備えることが好ましい。
【００１５】
これにより、複数の圧電素子から出力される電荷（電荷信号）を電圧（電圧信号）に変換することができる。そして、チャージアンプからの電圧信号に基づいて、複数の圧電素子に加わった外力を容易かつ高精度に演算することができる。
【００１６】
本発明の力センサーは、設置面を有する基部と、
前記設置面に沿った方向に並んで配置され、かつ、電気的に直列に接続され、外力を受けて電荷を出力する複数の圧電素子と、を備えることを特徴とする。
【００１７】
このような特徴を有する力センサーによれば、設置面に沿って並んで配置されている複数の圧電素子が電気的に直列に接続されているため、同一配置面積（同一平面視面積）の１つの圧電素子を用いる場合に比べて、ノイズを低減することができ、その結果、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
【００１８】
本発明のロボットは、本発明の力センサーを備えることを特徴とする。
このような特徴を有するロボットによれば、力センサーのＳ／Ｎ比を向上させることができ、例えば、このような力センサーの検出結果を用いることで、ロボットの高精度な動作制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る力センサーを示す平面図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図１および図２に示す力センサーが備える電荷出力素子（圧電素子）の断面図である。
【図４】図１および図２に示す力センサーが備える電荷出力素子（圧電素子）の平面図である。
【図５】図１および図２に示す力センサーの回路図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る力センサーが備える電荷出力素子（圧電素子）の断面図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る力センサーが備える圧電素子の断面図である。
【図８】本発明の第４実施形態に係る力センサーが備える圧電素子の断面図である。
【図９】本発明のロボットの一例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の力センサーおよびロボット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。
【００２１】
＜第１実施形態＞
（力センサー）
図１は、本発明の第１実施形態に係る力センサーを示す平面図である。図２は、図１中のＡ−Ａ線断面図である。図３は、図１および図２に示す力センサーが備える電荷出力素子（圧電素子）の断面図である。図４は、図１および図２に示す力センサーが備える電荷出力素子（圧電素子）の平面図である。図５は、図１および図２に示す力センサーの回路図である。なお、図１、図３および図４には、それぞれ、説明の便宜上、互いに直交する３つの軸としてｘ軸、ｙ軸およびｚ軸が図示されており、各軸を示す矢印の先端側を「＋」、基端側を「−」とする。また、ｘ軸に平行な方向を「ｘ軸方向」、ｙ軸に平行な方向を「ｙ軸方向」、ｚ軸に平行な方向を「ｚ軸方向」という。また、＋ｚ軸方向側を「上」、−ｚ軸方向側を「下」ともいう。また、ｚ軸方向から見たものを「平面視」という。
【００２２】
図１に示す力センサー１は、力センサー１に加えられた外力の６軸成分を検出可能な６軸力覚センサーである。ここで、６軸成分は、互いに直交する３つの軸（図示ではｘ軸、ｙ軸およびｚ軸）のそれぞれの方向の並進力（せん断力）成分と、当該３つの軸のそれぞれの軸まわりの回転力（モーメント）成分と、からなる。
【００２３】
この力センサー１は、図２に示すように、第１基部２と、第１基部２に対して間隔を隔てて配置されている第２基部３と、第１基部２と第２基部３との間に配置されている複数（本実施形態では４つ）のセンサーデバイス４、アナログ回路基板７およびデジタル回路基板８と、第１基部２および第２基部３を互いに固定している複数（本実施形態では４つ）の与圧ボルト６と、を備えている。
【００２４】
この力センサー１では、各センサーデバイス４が受けた外力に応じた信号を出力し、それらの信号をアナログ回路基板７およびデジタル回路基板８で処理することで、力センサー１に加えられた外力の６軸成分を検出する。
【００２５】
［第１基部］
図２に示すように、第１基部２は、略板状の全体形状を有する。この第１基部２の平面視での外形は、図示では、円形であるが、これに限定されず、例えば、四角形、五角形等の多角形、楕円形等であってもよい。また、第１基部２の一方（図２中の上側）の面、より具体的には、第１基部２の第２基部３側の面には、軸線ｚ１から離れた位置に複数の凸部２１が設けられている。この複数の凸部２１は、図１に示すように、軸線ｚ１を中心とする同一円周上に沿って互いに等間隔に並んでいる。また、図２に示すように、各凸部２１の頂面２１１（端面）は、平面である。この頂面２１１の形状は、図示では、四角形であるが、これに限定されず、例えば、四角形、五角形等の多角形、楕円形等であってもよい。また、第１基部２には、軸線ｚ１から離れた位置に、与圧ボルト６に螺合している複数の雌ネジ２２が設けられている。この複数の雌ネジ２２は、軸線ｚ１を中心とする同一円周上に沿って互いに等間隔に並んでいる。
【００２６】
このような第１基部２の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、ステンレス等の金属材料、セラミックス等が挙げられる。なお、図示では、凸部２１は、第１基部２が有する板状の部分と一体で形成されているが、当該板状の部分と別部材で形成されていてもよい。この場合、凸部２１および当該板状の部分の構成材料は、互いに同じであっても異なっていてもよい。
【００２７】
［第２基部］
図２に示すように、第２基部３は、略板状の全体形状を有する。この第２基部３の平面視での外形は、図示では、円形であるが、これに限定されず、例えば、四角形、五角形等の多角形、楕円形等であってもよい。また、第２基部３には、前述した第１基部２の複数の雌ネジ２２に対応して、軸線ｚ１から離れた位置に、与圧ボルト６が挿通している複数の貫通孔３２が設けられている。各貫通孔３２の上部には、与圧ボルト６の頭部６１と係合している段差部（拡径部）が形成されている。
【００２８】
このような第２基部３の構成材料としては、特に限定されないが、前述した第１基部２と同様、例えば、ステンレス等の金属材料、セラミックス等が挙げられる。なお、第２基部３の構成材料は、第１基部２の構成材料と同じであっても異なっていてもよい。
【００２９】
［センサーデバイス］
各センサーデバイス４は、図２に示すように、力検出素子４１と、力検出素子４１を収納するパッケージ４２と、を有している。
【００３０】
パッケージ４２は、力検出素子４１が設置されている設置面４２３を底面とする凹部を有する基部４２１と、その基部４２１に接合されている蓋体４２２と、を有し、基部４２１の凹部が蓋体４２２により封止されている。これにより、力検出素子４１を保護することができる。ここで、基部４２１は、前述した第１基部２の凸部２１の頂面２１１上に設置されている。また、基部４２１の下面には、アナログ回路基板７に電気的に接続されている複数の端子４３が設けられている。この複数の端子４３は、基部４２１を貫通する貫通電極（図示せず）を介して力検出素子４１に電気的に接続されている。また、蓋体４２２は、板状をなし、その基部４２１側の面が力検出素子４１に接触し、一方、基部４２１とは反対側の面が第２基部３に接触している。
【００３１】
このようなパッケージ４２の基部４２１の構成材料としては、特に限定されず、例えば、セラミックス等の絶縁性材料等を用いることができる。また、蓋体４２２の構成材料としては、特に限定されず、例えば、ステンレス鋼等の各種の金属材料等を用いることができる。なお、基部４２１の構成材料と蓋体４２２の構成材料は、同一でもよく、また、異なっていてもよい。また、パッケージ４２の平面視での形状は、図示では、四角形をなしているが、これに限定されず、例えば、五角形等の他の多角形、円形、楕円形等であってもよい。なお、力検出素子４１の平面視形状は、図示では、四角形であるが、これに限定されず、例えば、五角形等の他の多角形、円形、楕円形等であってもよい。
【００３２】
力検出素子４１は、力検出素子４１に加えられた外力のｘ軸方向の成分に応じた電荷Ｑｘ、力検出素子４１に加えられた外力のｙ軸方向の成分に応じた電荷Ｑｙ、および、力検出素子４１に加えられた外力のｚ軸方向の成分に応じた電荷Ｑｚを出力する機能を有する。この力検出素子４１は、図３に示すように、ｙ軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｙを出力する圧電素子５ａと、ｚ軸に平行な外力（圧縮／引張力）に応じて電荷Ｑｚを出力する圧電素子５ｂと、ｘ軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｘを出力する圧電素子５ｃと、を有する。ここで、圧電素子５ａ、圧電素子５ｂ、圧電素子５ｃの順でこれらが積層されている。また、圧電素子５ａ、５ｂ間および圧電素子５ｂ、５ｃ間には、それぞれ、絶縁性の接着剤５６が介在しており、これらが接合されている。なお、以下では、圧電素子５ａ、５ｂ、５ｃをそれぞれ「圧電素子５」ともいう。
【００３３】
圧電素子５ａ、５ｂ、５ｃは、それぞれ、２つの電極５１と、圧電体５２と、２つの電極５３と、圧電体５４と、２つの電極５５と、を有し、これらがこの順で積層されている。
【００３４】
圧電体５２、５４は、それぞれ、板状またはシート状をなし、水晶で構成されている。ただし、図３中の矢印で示すように、圧電体５２、５４を構成する水晶の結晶軸であるＸ軸（電気軸）の方向は、それぞれ、圧電素子５ａ、５ｂ、５ｃごとに、互いに異なっている。
【００３５】
ここで、圧電素子５ａが有する圧電体５２である圧電体５２ａのＸ軸は、図３中右側を向いている。圧電素子５ａが有する圧電体５４である圧電体５４ａのＸ軸は、図３中左側を向いている。圧電素子５ｂが有する圧電体５２である圧電体５２ｂのＸ軸は、図３中上側を向いている。圧電素子５ｂが有する圧電体５４である圧電体５４ｂのＸ軸は、図３中下側を向いている。圧電素子５ｃが有する圧電体５２である圧電体５２ｃのＸ軸は、図３中紙面手前側を向いている。圧電素子５ｃが有する圧電体５４である圧電体５４ｃのＸ軸は、図３中紙面奥側を向いている。このような圧電体５２ａ、５４ａ、５２ｃ、５４ｃ、は、それぞれＹカット水晶板で構成され、Ｘ軸の向きが５２ａ、５２ｃ、５４ａ、５４ｃの順で９０°ずつ異なっている。また、圧電体５２ｂ、５４ｂは、それぞれＸカット水晶板で構成され、Ｘ軸の向きが互いに１８０°異なる。
【００３６】
２つの電極５１は、図３中の左右に分割して設けられ、ｙ軸方向に並んでいる。同様に、２つの電極５３および２つの電極５５も、図３中の左右に分割して設けられ、ｙ軸方向に並んでいる。そして、ｙ軸方向での一方側にある電極５１、５３、５５は、ｚ軸方向に互いに重なって配置されている。同様に、ｙ軸方向での他方側にある電極５１、５３、５５も、ｚ軸方向に互いに重なって配置されている。
【００３７】
そして、図４に示すように、ｙ軸方向での一方側（図中左側）にある電極５１、５３とこれらの間にある圧電体５２とを有して「圧電素子５０ａ」が構成されている。同様に、ｙ軸方向での他方側（図中右側）にある電極５１、５３とこれらの間にある圧電体５２とを有して「圧電素子５０ｂ」が構成されている。また、ｙ軸方向での一方側（図中左側）にある電極５３、５５とこれらの間にある圧電体５４とを有して「圧電素子５０ｃ」が構成されている。同様に、ｙ軸方向での他方側（図中右側）にある電極５３、５５とこれらの間にある圧電体５４とを有して「圧電素子５０ｄ」が構成されている。なお、以下では、圧電素子５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄをそれぞれ「圧電素子５０」ともいう。
【００３８】
このように、圧電素子５０ａ、５０ｂは、同一平面に沿って並んで配置されている。したがって、圧電素子５０ａ、５０ｂは、平面視で、互いに重ならないで配置されている。同様に、圧電素子５０ｃ、５０ｄも、平面視で、互いに重ならないで配置されている。
【００３９】
また、２つの電極５１のうちｙ軸方向での一方側（図中右側）にある電極５１と、２つの電極５３のうちｙ軸方向での他方側（図中左側）にある電極５３とは、配線５７を介して電気的に接続されている。これにより、圧電素子５０ａ、５０ｂが電気的に直列に接続されている。同様に、２つの電極５３のうちｙ軸方向での一方側（図中左側）にある電極５３と、２つの電極５５のうちｙ軸方向での他方側（図中右側）にある電極５５とは、配線５８を介して電気的に接続されている。これにより、圧電素子５０ｃ、５０ｄが電気的に直列に接続されている。
【００４０】
このように、平面視で互いに重ならないで配置されている圧電素子５０ａ、５０ｂを電気的に直列に接続するとともに、平面視で互いに重ならないで配置されている圧電素子５０ｃ、５０ｄを電気的に直列に接続することで、圧電素子５の増大、耐荷重の低下および応答性の低下を招くことなく、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。なお、この点については、後に詳述する。
【００４１】
電極５１、５３、５５を構成する材料としては、それぞれ、電極として機能し得る材料であれば特に限定されないが、例えば、ニッケル、金、チタニウム、アルミニウム、銅、鉄、クロムまたはこれらを含む合金が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて（例えば積層して）用いることができる。
【００４２】
以上、力検出素子４１について説明したが、力検出素子４１を構成する圧電素子および圧電体層の数は、前述した数に限定されない。例えば、各圧電素子５が備える圧電体層の数が１つまたは３つ以上であってもよいし、力検出素子４１が有する圧電素子５の数が２つまたは４つ以上であってもよい。
【００４３】
［与圧ボルト（固定部材）］
図２に示すように、複数の与圧ボルト６は、第１基部２と第２基部３とでセンサーデバイス４（より具体的には圧電素子５）を挟んで与圧した状態で第１基部２および第２基部３を互いに固定している。ここで、各与圧ボルト６の一端部には頭部６１、他端部には雄ネジ６２が設けられており、各与圧ボルト６は、前述した第２基部３の貫通孔３２に第１基部２とは反対側から挿通されている。そして、頭部６１が貫通孔３２の段差部に係合するとともに、雄ネジ６２が前述した第１基部２の雌ネジ２２に螺合している。このような複数の与圧ボルト６により、第１基部２の凸部２１の頂面２１１と第２基部３の下面３１とでセンサーデバイス４のパッケージ４２を介して力検出素子４１を挟んで与圧することができる。また、各与圧ボルト６の締結力を適宜調整することで、力検出素子４１に対して、所定の大きさのｚ軸方向の圧力を与圧として加えることができる。このような各与圧ボルト６の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、各種金属材料等が挙げられる。
【００４４】
なお、各与圧ボルト６の位置および数は、それぞれ、図示の位置および数に限定されない。例えば、複数の与圧ボルト６のうちの少なくとも２つは、軸線ｚ１との間の距離が互いに異なっていてもよい。また、与圧ボルト６の数は、例えば、３つ以下または５つ以上であってもよい。
【００４５】
［アナログ回路基板］
アナログ回路基板７は、前述した第１基部２と第２基部３との間に配置されている。これにより、センサーデバイス４からの配線長さを短くすることができ、構造の簡素化に寄与するという利点がある。このアナログ回路基板７には、第１基部２の各凸部２１が挿通されている貫通孔７１と、各与圧ボルト６が挿通されている貫通孔７２と、が形成されている。そして、アナログ回路基板７は、センサーデバイス４に対して端子４３を介して固定され支持されている。
【００４６】
アナログ回路基板７は、前述したセンサーデバイス４が有する複数の端子４３に電気的に接続されている。アナログ回路基板７は、図５に示すように、センサーデバイス４の力検出素子４１から出力された電荷Ｑ（Ｑｘ、Ｑｙ、Ｑｚ）をそれぞれ電圧Ｖ（Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ）に変換するチャージアンプ９（変換出力回路）を備えている。
【００４７】
チャージアンプ９は、演算増幅器９１（オペアンプ）と、キャパシタ９２（積分コンデンサ）と、を有する。演算増幅器９１は、反転入力端、非反転入力端および出力端を有し、反転入力端と非反転入力端との間の電位差を増幅し、その増幅した電圧を出力端から出力する。演算増幅器９１の反転入力端は、直列接続された複数の圧電素子５０からなる圧電素子５に電気的に接続されている。一方、演算増幅器９１の非反転入力端は、グランド電位に電気的に接続されている。また、演算増幅器９１の反転入力端と出力端との間にはキャパシタ９２が電気的に並列に接続されている。
【００４８】
このようなチャージアンプ９では、圧電素子５から出力される電荷（電荷信号）がキャパシタ９２に充電され、キャパシタ９２の電圧（すなわち電荷のキャパシタ９２による商値）により求められた電圧（電圧信号）が演算増幅器９１の出力端から出力される。また、図示しないが、演算増幅器９１の反転入力端と出力端との間にはキャパシタ９２と同様にスイッチング素子が並列接続されている。このスイッチング素子により、キャパシタ９２に充電された電荷をゼロ（０）にリセットすることができる。
【００４９】
［デジタル回路基板］
デジタル回路基板８は、前述した第１基部２と第２基部３との間（より具体的には第１基部２とアナログ回路基板７との間）に配置されている。これにより、アナログ回路基板７からの配線長さを短くすることができ、構造の簡素化に寄与するという利点がある。このデジタル回路基板８には、前述したアナログ回路基板７と同様、第１基部２の各凸部２１が挿通されている貫通孔８１と、各与圧ボルト６が挿通されている貫通孔８２と、が形成されている。そして、デジタル回路基板８は、凸部２１に対して嵌合または接着剤等により固定され支持されている。
【００５０】
また、デジタル回路基板８は、前述したアナログ回路基板７に電気的に接続されている。デジタル回路基板８は、図示しないが、アナログ回路基板７からの電圧Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚに基づいて、外力を検出（演算）する外力検出回路を備えている。この外力検出回路は、例えば、ＡＤコンバーターと、このＡＤコンバーターに接続されたＣＰＵ等の演算回路と、を有して構成することができる。
【００５１】
ここで、デジタル回路基板８は、アナログ回路基板７から出力される電圧Ｖｘａ、Ｖｙａ、Ｖｚａ、Ｖｘｂ、Ｖｙｂ、Ｖｚｂ、Ｖｘｃ、Ｖｙｃ、Ｖｚｃ、Ｖｘｄ、Ｖｙｄ、Ｖｚｄ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。各力成分は、以下の式により求めることができる。
【００５２】
Ｆｘ＝Ｒ１×（Ｖｘａ＋Ｖｘｂ＋Ｖｘｃ＋Ｖｘｄ）／４
Ｆｙ＝Ｒ１×（Ｖｙａ＋Ｖｙｂ＋Ｖｙｃ＋Ｖｙｄ）／４
Ｆｚ＝Ｒ２×（Ｖｚａ＋Ｖｚｂ＋Ｖｚｃ＋Ｖｚｄ）／４
Ｍｘ＝Ｒ２×（Ｖｚｄ−Ｖｚｂ）／２
Ｍｙ＝Ｒ２×（Ｖｚｃ−Ｖｚａ）／２
Ｍｚ＝Ｒ１×（Ｖｘｂ−Ｖｘｄ＋Ｖｙａ−Ｖｙｃ）／４
【００５３】
ここで、Ｒ１、Ｒ２はそれぞれ電圧を力に変換する単位変換定数である。また、「電圧Ｖｘａ、Ｖｙａ、Ｖｚａ」、「電圧Ｖｘｂ、Ｖｙｂ、Ｖｚｂ」、「電圧Ｖｘｃ、Ｖｙｃ、Ｖｚｃ」、「電圧Ｖｘｄ、Ｖｙｄ、Ｖｚｄ」は、４つのセンサーデバイス４（図１に示すセンサーデバイス４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）に対応した電圧Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚである。
【００５４】
このように、力センサー１は、並進力成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚおよび回転力成分Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを検出することができる。なお、デジタル回路基板８は、前述した演算に加えて、例えば、各変換出力回路間の感度の差をなくす補正等を行ってもよい。
【００５５】
以上説明した構成の力センサー１は、前述したように、設置面４２３を有する基部４２１と、設置面４２３に沿った方向に並んで配置され、かつ、電気的に直列に接続され、外力を受けて電荷を出力する複数の圧電素子５０（より具体的には、圧電素子５０ａ、５０ｂまたは圧電素子５０ｃ、５０ｄ）と、を備える。ここで、各圧電素子５０ａ、５０ｂは、２つの電極５１、５３と、２つの電極５１、５３間に配置されている圧電体５２を有し、２つの電極５１、５３が並ぶ方向（ｚ軸方向）から見た平面視（以下、単に「平面視」ともいう）で互いに重ならないで配置されている。同様に、各圧電素子５０ｃ、５０ｄは、２つの電極５３、５５と、２つの電極５３、５５間に配置されている圧電体５４を有し、２つの電極５３、５５が並ぶ方向から見た平面視で互いに重ならないで配置されている。なお、２つの電極５１、５３または２つの電極５３、５５が並ぶ方向は、圧電素子５０が検出すべき外力を受ける方向であるとも言えるし、各圧電素子５０の厚さ方向であるとも言えるし、設置面４２３の法線方向であるとも言える。
【００５６】
このような力センサー１によれば、設置面４２３に沿って並んで配置されている複数の圧電素子５０（別の言い方をすれば、平面視で互いに重ならないで配置されている複数の圧電素子５０）が電気的に直列に接続されているため、同一配置面積（同一平面視面積）の１つの圧電素子を用いる場合に比べて、ノイズを低減することができ、その結果、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。このようなＳ／Ｎ比の向上は、以下の理由による。なお、以下では、圧電素子５０ａ、５０ｂについて説明するが、圧電素子５０ｃ、５０ｄについても同様である。
【００５７】
圧電素子５０ａ、５０ｂをこれらの平面視面積の合計と等しい平面視面積の圧電素子（以下、「非分割の圧電素子」という）をｎ（本実施形態では２）分割したものと捉えた場合、各圧電素子５０ａ、５０ｂの単位面積あたりにかかる力の大きさは、非分割の圧電素子の単位面積あたりにかかる力の大きさと同じである。ここで、力を受けて圧電素子から出力される電荷量は圧電素子の平面視面積に比例するため、非分割の圧電素子から出力される電荷量をＱとしたとき、直列接続された圧電素子５０ａ、５０ｂから出力される電荷量は、Ｑ／ｎとなる。
【００５８】
また、圧電素子５０ａ、５０ｂの素子ノイズ（熱雑音電流）は、圧電素子５０ａ、５０ｂのリーク抵抗のルートに逆比例する。また、圧電素子５０ａ、５０ｂのそれぞれのリーク抵抗は、非分割の圧電素子のリーク抵抗に対してｎ倍となり、直列接続された圧電素子５０ａと５０ｂとの合成されたリーク抵抗は、非分割の圧電素子のリーク抵抗に対してｎ２倍となる。したがって、直列接続された圧電素子５０ａと５０ｂとの合成された素子ノイズは、非分割の圧電素子の素子ノイズに対して√（ｎ２）分の１となるため、非分割の圧電素子の素子ノイズをＩＮＤとしたとき、ＩＮＤ／ｎとなる。
【００５９】
一方、前述したように、力センサー１は、直列接続された圧電素子５０ａ、５０ｂからの電荷が入力されるチャージアンプ９を備える。チャージアンプ９の回路ノイズ（演算増幅器９１初段のトランジスタのノイズ）は、演算増幅器９１の入力側に接続されている容量に比例して増幅される。当該容量として圧電素子の素子容量が支配的となるように設計した場合、圧電素子５０ａ、５０ｂのそれぞれの素子容量は、非分割の圧電素子の素子容量に対してｎ分の１となり、直列接続された圧電素子５０ａと５０ｂとの合成された素子容量は、非分割の圧電素子のリーク抵抗に対してｎ２分の１となるため、非分割の圧電素子を用いた場合の回路ノイズをＶＮＣとしたとき、直列接続された圧電素子５０ａ、５０ｂを用いた場合の回路ノイズは、ＶＮＣ／ｎ２となる。
【００６０】
また、圧電素子５０ａ、５０ｂの素子ノイズは、圧電素子５０ａ、５０ｂ自身が有するローパスフィルターにより、極低周波の時定数でカットオフされ、極低周波の成分しか演算増幅器９１に伝達されないため、回路ノイズがノイズとして支配的となる。
【００６１】
したがって、Ｓ／Ｎ∝Ｑ／ｎ／（ＶＮＣ／ｎ２）＝（Ｑ／ＶＮＣ）×ｎなる関係を満たす。すなわち、Ｓ／Ｎ比は、分割数ｎに比例して大きくなる。
【００６２】
以上のようにして、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。なお、直列接続を行わない場合は、Ｓ／Ｎ∝Ｑ／ＶＮＣとなり、直列接続の方がＳ／Ｎ比が大きいことが分かる。
【００６３】
また、前述したように、力センサー１は、電荷が入力されるチャージアンプ９を備える。これにより、複数の圧電素子５０から出力される電荷（電荷信号）を電圧（電圧信号）に変換することができる。そして、チャージアンプ９からの電圧信号に基づいて、複数の圧電素子５０に加わった外力を容易かつ高精度に演算することができる。また、微小電荷でも圧電素子５０近傍で増幅することができ、その結果、外乱に強いという利点がある。さらに、圧電素子５０からの電荷をキャパシタ９２（タンク容量）に転送して保持し、圧電素子５０の電極間に電圧がかからないため、素子リークにより圧電素子５０の電極から電荷が放電されず、長時間動作に向くという利点もある。
【００６４】
本実施形態では、複数の圧電素子５０が有する圧電体５２または圧電体５４は、圧電素子５０ごとに分割されておらず、一体である。すなわち、圧電体５２または圧電体５４は、複数の圧電素子５０に共通して設けられている。これにより、圧電体５２、５４の加工が容易となり、その結果、複数の圧電素子５０の製造も容易となる。
【００６５】
また、前述したように、圧電体５２、５４は、水晶で構成されている。これにより、高感度、広いダイナミックレンジ、高い剛性等の優れた特性を有する力センサー１を実現することができる。
【００６６】
また、前述したように、圧電素子５０は、２つの電極５１、５３または２つの電極５３、５５が並ぶ方向に複数積層されている。このような複数の圧電素子５０を力センサー１が備えることにより、力センサー１の高感度化を図ったり検出軸の多軸化を図ったりすることができる。
【００６７】
＜第２実施形態＞
図６は、本発明の第２実施形態に係る力センサーが備える電荷出力素子（圧電素子）の断面図である。
【００６８】
以下、第２実施形態について、前述した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。なお、図６において、前述した実施形態と同様の構成に関しては、同一符号を付している。
【００６９】
図６に示す電荷出力素子４１Ａは、積層された複数の圧電素子５Ａ（５ａＡ、５ｂＡ、５ｃＡ）を有する。各圧電素子５Ａは、２つの電極５１と、２つの圧電体５２Ａと、１つの電極５３Ａと、２つの圧電体５４Ａと、２つの電極５５と、を有し、これらがこの順で積層されている。そして、各圧電素子５Ａは、電極５１、５３Ａおよびこれらの間に配置されている圧電体５２Ａを有して構成されている２つの圧電素子５０ａＡ（５０Ａ）、５０ｂＡ（５０Ａ）と、電極５３Ａ、５５Ａおよびこれらの間に配置されている圧電体５４Ａを有して構成されている２つの圧電素子５０ｃＡ（５０Ａ）、５０ｄＡ（５０Ａ）と、を有する。
【００７０】
ここで、圧電素子５０ａＡが有する圧電体５２Ａと、圧電素子５０ｂＡが有する圧電体５２Ａとは、互いに分離しており、水晶のＸ軸の向きが互いに１８０°異なっている。同様に、圧電素子５０ｃＡが有する圧電体５４Ａと、圧電素子５０ｄＡが有する圧電体５４Ａとは、互いに分離しており、水晶のＸ軸の向きが互いに１８０°異なっている。
【００７１】
そして、圧電素子５０ａＡ、５０ｂＡが電気的に直列に接続されている。同様に、圧電素子５０ｃＡ、５０ｄＡが電気的に直列に接続されている。
【００７２】
このような電荷出力素子４１Ａにおいても、平面視で互いに重ならないで配置されている複数の圧電素子５０Ａ（圧電素子５０ａＡ、５０ｂＡまたは複数の圧電素子５０ｃＡ、５０ｄＡ）が電気的に直列に接続されているため、同一配置面積（同一平面視面積）の１つの圧電素子を用いる場合に比べて、ノイズを低減することができ、その結果、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
【００７３】
＜第３実施形態＞
図７は、本発明の第３実施形態に係る力センサーが備える圧電素子の断面図である。
【００７４】
以下、第３実施形態について、前述した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。なお、図７において、前述した実施形態と同様の構成に関しては、同一符号を付している。
【００７５】
図７に示す圧電素子５Ｂは、３つの電極５１Ｂと、１つの圧電体５２と、３つの電極５３Ｂと、１つの圧電体５４と、３つの電極５５Ｂと、を有し、これらがこの順で積層されている。そして、圧電素子５Ｂは、電極５１Ｂ、５３Ｂおよびこれらの間に配置されている圧電体５２を有して構成されている３つの圧電素子５０Ｂを有し、これらが電気的に直列に接続されている。同様に、圧電素子５Ｂは、電極５３Ｂ、５５Ｂおよびこれらの間に配置されている圧電体５４を有して構成されている３つの圧電素子５０Ｂを有し、これらが電気的に直列に接続されている。
【００７６】
このような圧電体５２または圧電体５４を含む３つの圧電素子５０Ｂは、平面視で互いに重ならないで配置され、かつ、電気的に直列に接続されているため、同一配置面積（同一平面視面積）の１つの圧電素子を用いる場合に比べて、ノイズを低減することができ、その結果、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。なお、このような圧電素子５０Ｂを有する圧電素子５Ｂは、前述した実施形態の圧電素子５のように積層することで、３軸の力を検出可能な電荷出力素子を構成することができる。
【００７７】
＜第４実施形態＞
図８は、本発明の第４実施形態に係る力センサーが備える圧電素子の断面図である。
【００７８】
以下、第３実施形態について、前述した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。なお、図８において、前述した実施形態と同様の構成に関しては、同一符号を付している。
【００７９】
図８に示す圧電素子５Ｃは、２つの電極５１Ｂ、５１Ｃと、３つの圧電体５２Ｃと、２つの電極５３Ｂ、５３Ｃと、３つの圧電体５４Ｃと、２つの電極５５Ｂ、５５Ｃと、を有し、これらがこの順で積層されている。そして、圧電素子５Ｃは、電極５１Ｂ、５３Ｃおよびこれらの間に配置されている圧電体５２Ｃを有して構成されている圧電素子５０Ｃと、電極５１Ｃ、５３Ｃおよびこれらの間に配置されている圧電体５２Ｃを有して構成されている圧電素子５０Ｃと、電極５１Ｃ、５３Ｂおよびこれらの間に配置されている圧電体５２Ｃを有して構成されている圧電素子５０Ｃと、を有し、これらが電気的に直列に接続されている。同様に、圧電素子５Ｃは、電極５３Ｃ、５５Ｂおよびこれらの間に配置されている圧電体５４Ｃを有して構成されている圧電素子５０Ｃと、電極５３Ｃ、５５Ｃおよびこれらの間に配置されている圧電体５４Ｃを有して構成されている圧電素子５０Ｃと、電極５３Ｂ、５５Ｃおよびこれらの間に配置されている圧電体５４Ｃを有して構成されている圧電素子５０Ｃと、を有し、これらが電気的に直列に接続されている。
【００８０】
このような圧電体５２Ｃまたは圧電体５４Ｃを含む３つの圧電素子５０Ｃは、平面視で互いに重ならないで配置され、かつ、電気的に直列に接続されているため、同一配置面積（同一平面視面積）の１つの圧電素子を用いる場合に比べて、ノイズを低減することができ、その結果、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。なお、このような圧電素子５０Ｃを有する圧電素子５Ｃは、前述した実施形態の圧電素子５のように積層することで、３軸の力を検出可能な電荷出力素子を構成することができる。
【００８１】
（ロボット）
以下、本発明のロボットについて単腕ロボットを例に説明する。
【００８２】
図９は、本発明のロボットの一例を示す斜視図である。
図９に示すロボット１０００は、精密機器やこれを構成する部品（対象物）の給材、除材、搬送および組立等の作業を行うことができる。このロボット１０００は、６軸ロボットであり、床や天井に固定されるベース１０１０と、ベース１０１０に回動自在に連結されたアーム１０２０と、アーム１０２０に回動自在に連結されたアーム１０３０と、アーム１０３０に回動自在に連結されたアーム１０４０と、アーム１０４０に回動自在に連結されたアーム１０５０と、アーム１０５０に回動自在に連結されたアーム１０６０と、アーム１０６０に回動自在に連結されたアーム１０７０と、これらアーム１０２０、１０３０、１０４０、１０５０、１０６０、１０７０の駆動を制御する制御部１０８０と、を有している。また、アーム１０７０にはハンド接続部が設けられており、ハンド接続部にはロボット１０００に実行させる作業に応じたエンドエフェクター１０９０が装着されている。
【００８３】
このようなロボット１０００には、エンドエフェクター１０９０に加えられる外力を検出する力センサー１がエンドエフェクター１０９０近傍に設けられている。そして、力センサー１が検出する力を制御部１０８０にフィードバックすることにより、ロボット１０００は、より精密な作業を実行することができる。また、力センサー１が検出する力によって、ロボット１０００は、エンドエフェクター１０９０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、ロボット１０００は、より安全に作業を実行することができる。なお、この他にも、例えば、トルクセンサーとしての力センサー１を各アーム１０２０、１０３０、１０４０、１０５０、１０６０、１０７０の関節部に配置してもよい。
【００８４】
以上のようなロボット１０００は、前述したように、力センサー１を備える。これにより、力センサー１のＳ／Ｎ比を向上させることができ、例えば、このような力センサー１の検出結果を用いることで、ロボット１０００の高精度な動作制御が可能となる。
【００８５】
なお、ロボット１０００が有するアームの数は、図示では５本であるが、これに限定されず、１〜４本または６本以上であってもよい。
【００８６】
以上、本発明の力センサーおよびロボットを、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。
【００８７】
また、本発明は、前述した実施形態のうちの、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。
また、センサーデバイスが有するパッケージが省略されていてもよい。
【００８８】
また、圧電素子に与圧を与える固定部材は、第１基部と第２基部とで圧電素子を挟んで与圧した状態で第１基部および第２基部を互いに固定することができれば、前述した与圧ボルトのような形態に限定されない。また、与圧ボルトは、必要に応じて設ければよく、省略してもよいし、圧電素子に与圧を与えないようにして第１基部および第２基部を互いに固定してもよい。
【００８９】
また、本発明のロボットは、アームを有していれば、単腕ロボットに限定されず、例えば、双腕ロボット、スカラーロボット等の他のロボットであってもよい。
【００９０】
また、本発明の力センサーは、ロボット以外の機器に組み込んでもよく、例えば、自動車等の移動体に搭載してもよい。
【００９１】
また、前述した実施形態では、圧電素子が有する圧電体に水晶を用いた場合を例に説明したが、かかる圧電体は、圧電性を有する材料であればこれに限定されず、例えば、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ジルコニウム酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ），ＴｉＯ３）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ３）、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３）等であってもよい。
【符号の説明】
【００９２】
１…力センサー、２…第１基部、３…第２基部、４…センサーデバイス、５…圧電素子、５Ａ…圧電素子、５Ｂ…圧電素子、５Ｃ…圧電素子、５ａ…圧電素子、５ｂ…圧電素子、５ｃ…圧電素子、５ａＡ…圧電素子、５ｂＡ…圧電素子、５ｃＡ…圧電素子、６…与圧ボルト、７…アナログ回路基板、８…デジタル回路基板、９…チャージアンプ、２１…凸部、２２…雌ネジ、３１…下面、３２…貫通孔、４１…力検出素子、４１Ａ…電荷出力素子、４２…パッケージ、４３…端子、５０…圧電素子、５０Ａ…圧電素子、５０Ｂ…圧電素子、５０Ｃ…圧電素子、５０ａ…圧電素子、５０ａＡ…圧電素子、５０ｂ…圧電素子、５０ｂＡ…圧電素子、５０ｃ…圧電素子、５０ｃＡ…圧電素子、５０ｄ…圧電素子、５０ｄＡ…圧電素子、５１…電極、５１Ｂ…電極、５１Ｃ…電極、５２…圧電体、５２Ａ…圧電体、５２Ｃ…圧電体、５２ａ…圧電体、５２ｂ…圧電体、５２ｃ…圧電体、５３…電極、５３Ａ…電極、５３Ｂ…電極、５３Ｃ…電極、５４…圧電体、５４Ａ…圧電体、５４Ｃ…圧電体、５４ａ…圧電体、５４ｂ…圧電体、５４ｃ…圧電体、５５…電極、５５Ａ…電極、５５Ｂ…電極、５５Ｃ…電極、５６…接着剤、５７…配線、５８…配線、６１…頭部、６２…雄ネジ、７１…貫通孔、７２…貫通孔、８１…貫通孔、８２…貫通孔、９１…演算増幅器、９２…キャパシタ、２１１…頂面、４２１…基部、４２２…蓋体、４２３…設置面、１０００…ロボット、１０１０…ベース、１０２０…アーム、１０３０…アーム、１０４０…アーム、１０５０…アーム、１０６０…アーム、１０７０…アーム、１０８０…制御部、１０９０…エンドエフェクター、Ｑｘ…電荷、Ｑｙ…電荷、Ｑｚ…電荷、ｚ１…軸線
【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】
2018087781.tif 000009
【図８】
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【図９】
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