(57)【要約】【課題】ドリフトを低減し、高い力検出特性を有する力検出装置およびロボットを提供する。【解決手段】力検出装置は、力を受けて電荷を出力する圧電素子を有する力センサーと、前記力センサーを予圧している予圧部と、前記力センサーからの電荷を受けて電圧を出力する変換出力回路と、を有し、前記予圧部は、前記変換出力回路の第１グランドと短絡している。また、前記予圧部は、前記第１グランドと同電位である。また、前記力センサーおよび前記変換出力回路を収納するケーシングを有し、前記ケーシングは、第２グランドと短絡している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
力を受けて電荷を出力する圧電素子を有する力センサーと、
前記力センサーを予圧している予圧部と、
前記力センサーからの電荷を受けて電圧を出力する変換出力回路と、を有し、
前記予圧部は、前記変換出力回路の第１グランドと短絡していることを特徴とする力検出装置。
【請求項２】
前記予圧部は、前記第１グランドと同電位である請求項１に記載の力検出装置。
【請求項３】
前記力センサーおよび前記変換出力回路を収納するケーシングを有し、
前記ケーシングは、第２グランドと短絡している請求項１または２に記載の力検出装置。
【請求項４】
力を受けて電荷を出力する圧電素子を有する力センサーと、
前記力センサーを予圧している予圧部と、
前記力センサーからの電荷を受けて電圧を出力する変換出力回路と、
前記予圧部に電圧を印加する電圧生成回路と、を有していることを特徴とする力検出装置。
【請求項５】
前記電圧生成回路は、電圧源と、前記電圧源の電圧を降下させる減衰回路と、を有している請求項４に記載の力検出装置。
【請求項６】
前記変換出力回路は、電荷増幅部と、前記力センサーと前記電荷増幅部とを電気的に接続する配線と、を有し、
前記電圧生成回路は、前記配線の電圧と前記予圧部の電圧との差が小さくなるように前記予圧部に電圧を印加する請求項５に記載の力検出装置。
【請求項７】
前記変換出力回路は、電荷増幅部と、前記力センサーと前記電荷増幅部とを電気的に接続する配線と、を有し、
前記電圧生成回路は、前記予圧部に電圧を印加することで、前記変換出力回路内で発生するリーク電流を相殺するように、前記配線と前記予圧部との間にリーク電流を発生させる請求項５に記載の力検出装置。
【請求項８】
力を受けて電荷を出力する圧電素子を有する力センサーと、
前記力センサーを予圧している予圧部と、
前記力センサーからの電荷を受けて電圧を出力する変換出力回路と、
前記予圧部に電圧を印加する電圧生成回路と、を有し、
前記変換出力回路は、電荷増幅部と、前記力センサーと前記電荷増幅部とを電気的に接続する配線と、を有し、
前記電圧生成回路は、前記予圧部に電圧を印加することで、前記変換出力回路内で発生するリーク電流を相殺するように、前記配線と前記予圧部との間にリーク電流を発生させることを特徴とする力検出装置。
【請求項９】
前記予圧部は、前記力センサーを間に挟んで配置されている第１基部および第２基部を有している請求項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】
前記変換出力回路は、前記第１基部と前記第２基部との間に配置されている請求項９に記載の力検出装置。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれか１項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力検出装置およびロボットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、受けた力を検出する力検出装置として、特許文献１に記載の構成が知られている。特許文献１に記載の力検出装置は、第１基部と、第２基部と、第１基部と第２基部とに挟まれたセンサーデバイスと、第１基部と第２基部とを接続し、間にあるセンサーデバイスを予圧する予圧ボルトと、センサーデバイスと電気的に接続されている回路基板（チャージアンプ回路）と、を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１３８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
また、特許文献１に記載の力検出装置のような微小信号を扱う装置では、通常、回路の基準電位としてのシグナルＧＮＤと、外乱ノイズをシールドする目的として、第１基部および第２基部の基準電位としてのフレームＧＮＤと、を有する。また、シグナルＧＮＤとフレームＧＮＤとは、フレームＧＮＤに流入した外乱ノイズが直接シグナルＧＮＤに伝搬しないように、低インピーダンスのマスターＧＮＤを介して接続されている。
【０００５】
また、シグナルＧＮＤとマスターＧＮＤとの間に存在する配線抵抗やコネクタの接触抵抗に回路の動作電流が定常的に流れることにより、シグナルＧＮＤは、マスターＧＮＤに対して高電位（例えば、数ｍＶ〜数十ｍＶ程度）となる。一方、フレームＧＮＤとマスターＧＮＤとの間には外乱ノイズが流入した瞬間に微小な電流が流れるだけであり、定常電流は、ほぼ０（ゼロ）である。そのため、フレームＧＮＤは、マスターＧＮＤと同電位となる。このように、シグナルＧＮＤがフレームＧＮＤよりも高電位となることで、例えば、チャージアンプ回路の入力配線からフレームＧＮＤにリーク電流が定常的に流れ出してしまう。そして、流れ出たリーク電流は、チャージアンプ回路によって増幅されて出力されるため、チャージアンプ回路の出力電圧が実際に受けた力に対応する出力電圧からずれてしまう（ドリフトが生じてしまう）。そのため、特許文献１の力検出装置では、高い精度の力検出が困難である。
【０００６】
本発明の目的は、ドリフトを低減し、高い力検出特性を有する力検出装置および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】
このような目的は、下記の本発明により達成される。
【０００８】
本発明の力検出装置は、力を受けて電荷を出力する圧電素子を有する力センサーと、
前記力センサーを予圧している予圧部と、
前記力センサーからの電荷を受けて電圧を出力する変換出力回路と、を有し、
前記予圧部は、前記変換出力回路の第１グランドと短絡していることを特徴とする。
これにより、ドリフトを低減し、高い力検出特性を有する力検出装置が得られる。
【０００９】
本発明の力検出装置では、前記予圧部は、前記第１グランドと同電位であることが好ましい。
これにより、効果的にドリフトを低減し、高い力検出特性を発揮することができる。
【００１０】
本発明の力検出装置では、前記力センサーおよび前記変換出力回路を収納するケーシングを有し、
前記ケーシングは、第２グランドと短絡していることが好ましい。
これにより、外乱ノイズをシールドすることができ、より精度よく、受けた力を検出することができる力検出装置となる。
【００１１】
本発明の力検出装置は、力を受けて電荷を出力する圧電素子を有する力センサーと、
前記力センサーを予圧している予圧部と、
前記力センサーからの電荷を受けて電圧を出力する変換出力回路と、
前記予圧部に電圧を印加する電圧生成回路と、を有していることを特徴とする。
これにより、ドリフトを低減し、高い力検出特性を有する力検出装置が得られる。
【００１２】
本発明の力検出装置では、前記電圧生成回路は、電圧源と、前記電圧源の電圧を降下させる減衰回路と、を有していることが好ましい。
これにより、予圧部に微弱な電圧を印加し易くなる。
【００１３】
本発明の力検出装置では、前記変換出力回路は、電荷増幅部と、前記力センサーと前記電荷増幅部とを電気的に接続する配線と、を有し、
前記電圧生成回路は、前記配線の電圧と前記予圧部の電圧との差が小さくなるように前記予圧部に電圧を印加することが好ましい。
これにより、より確実に、ドリフトを低減することができる。
【００１４】
本発明の力検出装置では、前記変換出力回路は、電荷増幅部と、前記力センサーと前記電荷増幅部とを電気的に接続する配線と、を有し、
前記電圧生成回路は、前記予圧部に電圧を印加することで、前記変換出力回路内で発生するリーク電流を相殺するように、前記配線と前記予圧部との間にリーク電流を発生させることが好ましい。
これにより、より確実に、ドリフトを低減することができる。
【００１５】
本発明の力検出装置は、力を受けて電荷を出力する圧電素子を有する力センサーと、
前記力センサーを予圧している予圧部と、
前記力センサーからの電荷を受けて電圧を出力する変換出力回路と、
前記予圧部に電圧を印加する電圧生成回路と、を有し、
前記変換出力回路は、電荷増幅部と、前記力センサーと前記電荷増幅部とを電気的に接続する配線と、を有し、
前記電圧生成回路は、前記予圧部に電圧を印加することで、前記変換出力回路内で発生するリーク電流を相殺するように、前記配線と前記予圧部との間にリーク電流を発生させることを特徴とする。
これにより、ドリフトを低減し、高い力検出特性を有する力検出装置が得られる。
【００１６】
本発明の力検出装置では、前記予圧部は、前記力センサーを間に挟んで配置されている第１基部および第２基部を有していることが好ましい。
これにより、予圧部の構成が簡単なものとなる。
【００１７】
本発明の力検出装置では、前記変換出力回路は、前記第１基部と前記第２基部との間に配置されていることが好ましい。
これにより、予圧部によって変換出力回路を保護することができる。また、第１基部と第２基部との間のスペースを有効活用することができ、力検出装置の小型化を図ることができる。
【００１８】
本発明のロボットは、本発明の力検出装置を備えることを特徴とする。
これにより、本発明の力検出装置の効果を享受することができ、信頼性の高いロボットとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る力検出装置を示す断面図である。
【図２】図１に示す力検出装置が有する力センサーを示す拡大断面図である。
【図３】図２に示す力センサーが有する力センサー素子を示す断面図である。
【図４】図１に示す力検出装置の変形例を示す平面図である。
【図５】図１に示す力検出装置が有する回路系を示す回路図である。
【図６】従来の力検出装置が有する回路系を示す回路図である。
【図７】図１に示す力検出装置が有する回路系を示す回路図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る力検出装置を示す断面図である。
【図９】図８に示す力検出装置が有する回路系を示す回路図である。
【図１０】本発明の第３実施形態に係る力検出装置が有する回路系を示す回路図である。
【図１１】本発明の第４実施形態に係る力検出装置が有する回路系を示す回路図である。
【図１２】本発明の第５実施形態に係るロボットを示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の力検出装置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＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る力検出装置を示す断面図である。図２は、図１に示す力検出装置が有する力センサーを示す拡大断面図である。図３は、図２に示す力センサーが有する力センサー素子を示す断面図である。図４は、図１に示す力検出装置の変形例を示す平面図である。図５は、図１に示す力検出装置が有する回路系を示す回路図である。図６は、従来の力検出装置が有する回路系を示す回路図である。図７は、図１に示す力検出装置が有する回路系を示す回路図である。なお、以下では、説明の便宜上、図１および図２中の上側を「上」とも言い、下側を「下」とも言う。また、図１ないし図４に示すように、以下では、互いに直交する３軸をα軸、β軸およびγ軸とし、また、α軸に平行な方向を「α軸方向」、β軸に平行な方向を「β軸方向」、γ軸に平行な方向を「γ軸方向」ともいう。
【００２２】
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、具体的には互いに直交する３軸α軸、β軸およびγ軸に沿って加えられた外力を検出する機能を有している。このような力検出装置１は、第１基部２と、第１基部２と対向して配置された第２基部３と、第１基部２と第２基部３との間に設けられた力センサー６、アナログ回路基板４（回路基板）およびデジタル回路基板５と、第１基部２と第２基部３とを連結する予圧ボルト９と、を有している。このような力検出装置１では、第１基部２および第２基部３が力センサー６を挟み込んでおり、力センサー６を予圧する予圧部１０を構成している。
【００２３】
第１基部２は、板状の底板２１と、底板２１の中央部から上方（第２基部３側）に向けて突出した凸部２２と、を有している。底板２１の下面２１１は、後述する第５実施形態で説明するように、力検出装置１をロボット１０００に固定して使用する際に、ロボット１０００に対する取付面（第１取付面）となる。このような底板２１の平面視形状は、円形である。ただし、底板２１の平面視形状は、特に限定されず、例えば、三角形、四角形等の多角形であってもよい。また、多角形の場合には角部が丸みを帯びていてもよい。
【００２４】
また、凸部２２の頂面２２１は、下面２１１に対して平行な平面で構成されている。ただし、凸部２２の頂面２２１の向きは、特に限定されず、下面２１１と非平行であってもよい。
【００２５】
また、図１に示すように、第２基部３は、板状の天板３１と、天板３１の中央部から下方（第１基部２側）に向けて突出した凸部３２と、を有している。天板３１の上面３１１は、後述する第５実施形態で説明するように、力検出装置１をロボット１０００に固定して使用する際に、ロボット１０００に対する取付面（第２取付面）となる。また、天板３１の上面３１１は、外力が加わっていない自然状態において、底板２１の下面２１１と平行となっている。ただし、上面３１１と下面２１１とは、自然状態において非平行であってもよい。また、天板３１の平面視形状は、底板２１の平面視形状とほぼ同じとなっており、円形である。ただし、天板３１の平面視形状は、特に限定されず、例えば、三角形、四角形等の多角形であってもよい。また、天板３１の平面視形状は、底板２１の平面視形状と異なっていてもよい。
【００２６】
また、凸部３２の頂面３２１は、上面３１１に対して平行な平面で構成されている。ただし、凸部３２の頂面３２１の向きは、特に限定されず、上面３１１と非平行であってもよい。
【００２７】
以上、第１基部２および第２基部３について説明した。第１基部２および第２基部３の構成材料としては、導電性を有していれば、特に限定されないが、特に、硬質な金属材料であることが好ましい。このような材料としては、例えば、鉄、ニッケル、コバルト、金、白金、銀、銅、マンガン、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、鉛、錫、チタン、タングステン等の各種金属等が挙げられる。
【００２８】
次に、力センサー６について説明する。図１に示すように、力センサー６は、第１基部２の凸部２２と第２基部３の凸部３２との間に配置されている。力センサー６は、互いに直交する３軸（ａ軸、ｂ軸およびｃ軸）に沿って加えられた外力のそれぞれに応じて３つの電荷Ｑａ、Ｑｂ、Ｑｃを出力する機能を有している。図２に示すように、力センサー６は、力センサー素子７（圧電素子）と、力センサー素子７を収納するパッケージ８と、を有している。
【００２９】
図３に示すように、力センサー素子７は、シグナルグランドＳＧＮＤに接地された４つのグランド電極層７１と、ａ軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑａを出力する第１センサー７２と、ｃ軸に平行な外力（圧縮／引張力）に応じて電荷Ｑｃを出力する第２センサー７３と、ｂ軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｂを出力する第３センサー７４と、を有している。そして、グランド電極層７１と各センサー７２、７３、７４が交互に積層されている。
【００３０】
第１センサー７２は、ａ軸の負方向に配向した第１結晶軸ＣＡ１を有する第１圧電基板７２１と、ａ軸の正方向に配向した第２結晶軸ＣＡ２を有する第２圧電基板７２３と、第１圧電基板７２１と第２圧電基板７２３との間に設けられ、電荷Ｑａを出力する出力電極層７２２と、を有している。なお、第１圧電基板７２１および第２圧電基板７２３は、例えば、Ｙカット水晶板で構成することができる。
【００３１】
第２センサー７３は、ｃ軸の正方向に配向した第３結晶軸ＣＡ３を有する第３圧電基板７３１と、ｃ軸の負方向に配向した第４結晶軸ＣＡ４を有する第４圧電基板７３３と、第３圧電基板７３１と第４圧電基板７３３との間に設けられ、電荷Ｑｃを出力する出力電極層７３２と、を有している。なお、第３圧電基板７３１および第４圧電基板７３３は、例えば、Ｘカット水晶板で構成することができる。
【００３２】
第３センサー７４は、ｂ軸の正方向に配向した第５結晶軸ＣＡ５を有する第５圧電基板７４１と、ｂ軸の負方向に配向した第６結晶軸ＣＡ６を有する第６圧電基板７４３と、第５圧電基板７４１と第６圧電基板７４３との間に設けられ、電荷Ｑｂを出力する出力電極層７４２と、を有している。なお、第５圧電基板７４１および第６圧電基板７４３は、例えば、Ｙカット水晶板で構成することができる。なお、各センサー７２、７３、７４の積層方向から見たとき、第１圧電基板７２１および第２圧電基板７２３の各Ｘ軸（水晶の電気軸）と、第５圧電基板７４１および第６圧電基板７４３の各Ｘ軸（水晶の電気軸）と、が交差（本実施形態では直交）している。
【００３３】
力検出装置１では、力センサー素子７から出力された電荷Ｑａ、Ｑｂ、Ｑｃに基づいて、Ｘ軸方向の並進力成分、Ｙ軸方向の並進力成分、Ｚ軸方向の並進力成分、Ｘ軸まわりの回転力成分、Ｙ軸まわりの回転力成分、Ｚ軸まわりの回転力成分を検出することができる。
【００３４】
このように、力センサー素子７は、圧電基板７２１、７２３、７３１、７３３、７４１、７４３を有している。そのため、力センサー６は、精度よく、受けた力を検出することができる。特に、本実施形態では、各圧電基板７２１、７２３、７３１、７３３、７４１、７４３の構成材料が水晶である。これにより、力センサー６は、他の圧電体を用いた場合と比較して、良好な温度特性、高い機械的強度（剛性、耐荷重性）、高いダイナミックレンジを発揮することができる。そのため、受けた力をより広い範囲でかつより高精度に検出することができる。よって、より優れた検出特性を発揮することのできる力センサー６となる。
【００３５】
ただし、各圧電基板７２１、７２３、７３１、７３３、７４１、７４３の構成材料としては、水晶に限定されず、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、四ホウ酸リチウム（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）、リン酸ガリウム（ＧａＰＯ４）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ、Ｚｎ２Ｏ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸鉛（ＰｂＰＯ３）、ニオブ酸ナトリウムカリウム（（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３）、ビスマスフェライト（ＢｉＦｅＯ３）、ニオブ酸ナトリウム（ＮａＮｂＯ３）、チタン酸ビスマス（Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２）、チタン酸ビスマスナトリウム（Ｎａ０．５Ｂｉ０．５ＴｉＯ３）等の、水晶以外の圧電体を用いてもよい。
【００３６】
図２に示すように、パッケージ８は、凹部８１１を有するベース８１と、凹部８１１の開口を覆うようにベース８１に接合されたリッド８２と、を有している。また、パッケージ８の内側には気密な収納空間Ｓ１が形成されており、この収納空間Ｓ１に力センサー素子７が収納されている。なお、収納空間Ｓ１の雰囲気としては、特に限定されず、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム等の希ガスを充填することができる。これにより、収納空間Ｓ１の雰囲気が安定し、電極の劣化、腐食等を抑制することができる。なお、収納空間Ｓ１は、例えば、減圧（好ましくは真空）状態となっていてもよい。
【００３７】
ベース８１の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化ジルコニウム（ジルコニア）等の各種セラミックスを用いることができる。なお、例えば、ベース８１の底部（力センサー素子７が載置されている部分）と、ベース８１の側壁部（底部の外縁部から立設された部分）と、を異なる材料で構成してもよい。この場合、例えば、底部をステンレス鋼、コバール、銅、鉄、炭素鋼等の各種金属材料で構成し、側壁部を各種セラミックスで構成することができる。例えば、底部の構成材料としては、セラミックスと熱膨張係数の近いコバール等の合金とするのが好ましい。これにより、パッケージ８に熱歪みが発生し難くなり、力センサー素子７に不要な応力（予圧および検出すべき力以外の外力）が加わることを低減することができる。
【００３８】
また、図２に示すように、ベース８１には、収納空間Ｓ１の内外を繋ぐ端子８１３が設けられている。そして、接続部８１４を介して端子８１３と力センサー素子７とが電気的に接続されている。なお、接続部８１４としては、特に限定されず、例えば、Ａｇペースト、Ｃｕペースト、Ａｕペースト等の導電性ペーストを用いることができる。
【００３９】
また、リッド８２は、中央部に位置し、力センサー素子７と接している中央部８２１と、外縁部に位置し、ベース８１と接合している外縁部８２２と、中央部８２１と外縁部８２２との間に位置し、これらを接続するテーパー状の接続部８２３と、を有している。また、中央部８２１は、外縁部８２２から突出して設けられている。
【００４０】
リッド８２の構成材料としては、特に限定されないが、ベース８１の構成材料と線膨張係数が近似する部材であると良い。例えば、ベース８１の構成材料を前述のようなセラミックスとした場合には、リッド８２の構成材料を金属材料（例えばコバール等の合金）とするのが好ましい。これにより、パッケージ８に熱歪みが発生し難くなり、力センサー素子７に不要な応力（予圧および検出すべき力以外の外力）が加わることを低減することができる。そのため、より力検出精度の高い力検出装置１となる。
【００４１】
以上、力センサー６について説明した。なお、力センサー６の構成は、特に限定されず、例えば、パッケージ８を省略してもよい。また、力センサー素子７の構成としても、圧電素子を有する構成であれば、特に限定されない。例えば、力センサー素子７から第２センサー７３が省略されていてもよい。また、本実施形態では、力検出装置１が１つの力センサー６を有しているが、力検出装置１が有する力センサー６の数としては、特に限定されず、２つ以上であってもよい。具体的には、例えば、図４に示すように、γ軸方向から見た平面視で、４つの力センサー６が力検出装置の中心軸Ｊまわりに等間隔に配置された構成となっていてもよい。
【００４２】
このような力センサー６は、図１に示すように、第１基部２の凸部２２と第２基部３の凸部３２との間に配置されている。また、力センサー６は、ベース８１を凸部２２側に向けると共に、リッド８２を凸部３２側に向けて、凸部２２、３２の間に挟み込まれるようにして配置されている。また、センサー７２、７３、７４の積層方向を「積層方向ＬＤ」としたとき、積層方向ＬＤが力検出装置１の中心軸Ｊと一致している（平行である）。ただし、積層方向ＬＤとしては、特に限定されず、保持方向ＳＤに対して傾斜していてもよいし、保持方向ＳＤに対して直交していてもよい。
【００４３】
また、図１に示すように、第１基部２と第２基部３とは、予圧ボルト９により接続、固定されている。また、この予圧ボルト９によって、力センサー素子７が保持方向ＳＤ（積層方向ＬＤ）に圧縮されるように予圧されている。より具体的には、予圧ボルト９の頭部が第２基部３と係合し、予圧ボルト９のねじ部が第１基部２と螺号することで力センサー素子７が予圧されている。そのため、予圧ボルト９の締め込み量を調整することで、力センサー素子７に与える予圧の大きさを調整することができる。このように、力センサー素子７を予圧することで、外力が加わった際の出力が安定し、加わった外力を精度よく検出することができる。なお、予圧ボルト９により固定された状態で、第１基部２と第２基部３とは、少なくとも一方が他方に対して所定範囲内で変位することができる。これにより、受けた外力をより確実に力センサー素子７に伝達することができる。
【００４４】
また、予圧ボルト９は、２本あり、図１に示すように、力センサー６を間に挟んで、力センサー６の両側に配置されている。これにより、力センサー６を両側からバランスよく予圧することができる。
【００４５】
図１に示すように、第１基部２の底板２１には、各予圧ボルト９のねじ部９１と螺合する雌ねじ部２１２が設けられている。そして、各予圧ボルト９は、第２基部３側から第１基部２に差し込まれている。また、各予圧ボルト９のねじ部９１は、雌ねじ部２１２に螺合しており、力センサー素子７に対して保持方向ＳＤに所定の大きさの圧力、すなわち予圧が加えられている。これにより、力センサー素子７に剪断力が作用したとき、力センサー素子７が有する圧電基板同士の間での摩擦力が生じ、より確実に、力センサー素子７から電荷が出力される。なお、予圧ボルト９の締め込み量を調整することで、予圧の大きさを調整することができる。
【００４６】
予圧ボルト９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、各種金属材料等を用いることができる。なお、予圧ボルト９を金属材料で構成した場合、予圧ボルト９で第１基部２と第２基部３とが電気的に接続（短絡）され、これら全体の電位を等しくすることができる。
【００４７】
次に、アナログ回路基板４およびデジタル回路基板５について説明する。図１に示すように、アナログ回路基板４およびデジタル回路基板５は、第１基部２と第２基部３との間に配置されている。また、アナログ回路基板４およびデジタル回路基板５は、凸部２２および予圧ボルト９と干渉しないように、貫通孔を形成するなどしてこれらを避けて配置されている。ただし、各アナログ回路基板４およびデジタル回路基板５の配置としては、特に限定されない。
【００４８】
図５に示すように、アナログ回路基板４は、力センサー素子７から出力された電荷Ｑａを電圧Ｖａに変換する変換出力回路４０ａ（チャージアンプ）と、力センサー素子７から出力された電荷Ｑｂを電圧Ｖｂに変換する変換出力回路４０ｂ（チャージアンプ）と、力センサー素子７から出力された電荷Ｑｃを電圧Ｖｃに変換する変換出力回路４０ｃ（チャージアンプ）と、を備えている。さらに、変換出力回路４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、それぞれ、オペアンプ４１と、コンデンサー４２と、スイッチング素子４３と、を有している。
【００４９】
また、図５に示すように、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５０を備えている。外力検出回路５０は、変換出力回路４０ａから出力される電圧Ｖａと、変換出力回路４０ｂから出力される電圧Ｖｂと、変換出力回路４０ｃから出力される電圧Ｖｃと、に基づき、加えられた外力を検出する機能を有する。このような外力検出回路５０は、変換出力回路４０ａ、４０ｂ、４０ｃに接続されたＡＤコンバーター５１と、ＡＤコンバーター５１に接続された演算部５２（演算回路）と、を有している。
【００５０】
ＡＤコンバーター５１は、電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ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。そして、ＡＤコンバーター５１によってデジタル変換された電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃは、演算部５２に入力される。演算部５２は、デジタル変換された電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃに基づいて、α軸方向の並進力成分、β軸方向の並進力成分、γ軸方向の並進力成分、α軸まわりの回転力成分、β軸まわりの回転力成分、γ軸まわりの回転力成分をそれぞれ検出する。
【００５１】
次に、変換出力回路４０ａ、４０ｂ、４０ｃについて、詳細に説明するが、これらは互いに同様であるため、以下では、代表的に変換出力回路４０ａについて説明し、変換出力回路４０ｂ、４０ｃについては、その説明を省略する。
【００５２】
変換出力回路４０ａは、力センサー素子７から出力された電荷Ｑａを電圧Ｖａに変換して電圧Ｖａを出力する機能を有している。前述したように、変換出力回路４０ａは、オペアンプ４１と、コンデンサー４２と、スイッチング素子４３と、を有している。オペアンプ４１の反転入力端子（マイナス入力）は、入力配線４９を介して力センサー素子７の出力電極層７２２に接続され、力センサー６からの電荷Ｑａが反転入力端子に流れ込むようになっている。一方、非反転入力端子（プラス入力）は、変換出力回路４０ａの基準電位であるシグナルグランドＳＧＮＤ（第１グランド）に接続されている。また、オペアンプ４１の出力端子は、外力検出回路５０に接続されている。
【００５３】
コンデンサー４２は、オペアンプ４１の第１の反転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４３は、オペアンプ４１の反転入力端子と出力端子との間に接続され、コンデンサー４２と並列接続されている。また、スイッチング素子４３は、図示しない駆動回路に接続されており、駆動回路からのオン／オフ信号に従い作動する。スイッチング素子４３がオフの場合、力センサー素子７から出力された電荷Ｑａは、コンデンサー４２に蓄えられ、コンデンサー４２の電圧（すなわち電荷のコンデンサー４２の容量による商値）により求められた電圧Ｖａが外力検出回路５０に出力される。反対に、スイッチング素子４３がオンの場合、コンデンサー４２の両端子間が短絡されて、コンデンサー４２に蓄えられた電荷Ｑａは、放電されて０クーロンとなり、外力検出回路５０に出力される電圧Ｖａは、０ボルトとなる。このように、スイッチング素子４３をオンとすることで、変換出力回路４０ａをリセットすることができ、ドリフトによる影響を低減することができる。なお、変換出力回路４０ｃから出力される電圧Ｖａは、理想的には、力センサー素子７から出力される電荷Ｑａの蓄積量に比例する。
【００５４】
ここで、従来では、図６に示すように、外乱ノイズをシールドする目的として、予圧部１０（第１基部２および第２基部３）は、基準電位としてのフレームグランドＦＧＮＤ（第２グランド）に接続されている。また、シグナルグランドＳＧＮＤ（第１グランド）とフレームグランドＦＧＮＤとは、フレームグランドＦＧＮＤに流入した外乱ノイズが直接シグナルグランドＳＧＮＤに伝搬しないように、メイングランドＭＧＮＤ（第３グランド）を介して接続されている。
【００５５】
ここで、シグナルグランドＳＧＮＤとメイングランドＭＧＮＤとの間に存在する抵抗Ｒ１（配線抵抗やコネクタの接触抵抗）に、変換出力回路４０ａとは別の回路ＣＲ（例えば、前述したＡＤコンバーター５１）の動作電流Ｉが定常的に流れることにより、シグナルグランドＳＧＮＤは、メイングランドＭＧＮＤに対して高電位（例えば、数ｍＶ〜数十ｍＶ程度）となる。一方、フレームグランドＦＧＮＤとメイングランドＭＧＮＤとの間には外乱ノイズが流入した瞬間に微小な電流が流れるだけであり、定常電流は、ほぼ０（ゼロ）である。そのため、フレームグランドＦＧＮＤは、メイングランドＭＧＮＤと同電位となる。
【００５６】
また、入力配線４９と予圧部１０との間は、絶縁されているが、その絶縁抵抗は、無限大ではなく、環境温度によっても異なるが、通常、１０９Ω以上１０１２Ω以下程度となる。そのため、前述したように、シグナルグランドＳＧＮＤがフレームグランドＦＧＮＤよりも高電位となることで、例えば、入力配線４９からフレームグランドＦＧＮＤに１０−１２Ａ以上１０−１５Ａ以下程度のリーク電流Ｉ’が定常的に流れ出してしまう。
【００５７】
そして、流れ出たリーク電流Ｉ’は、変換出力回路４０ａによって増幅されて出力されるため、ドリフトが生じてしまい、受けた力を精度よく検知することが困難となる。また、環境温度によって入力配線４９と予圧部１０との間の絶縁抵抗が変化するため、環境温度によってドリフトの度合いが異なってしまい、優れた温度特性を発揮することができない。また、力の検出精度を高く保つためには、頻繁にスイッチング素子４３をオンにしてリセットすることが必要となり、力検出装置１を長時間連続して使用することができない。
【００５８】
このような問題に対して、本実施形態の力検出装置１では、図７に示すように、予圧部１０がシグナルグランドＳＧＮＤ（第１グランド）に接続されている。すなわち、予圧部１０とシグナルグランドＳＧＮＤとをショート（短絡）させている。これにより、予圧部１０は、それぞれ、シグナルグランドＳＧＮＤを基準に０Ｖとなる。そのため、入力配線４９と予圧部１０との電位差が実質的に０（ゼロ）となり、入力配線４９からフレームグランドＦＧＮＤへのリーク電流Ｉ’が低減され、上述した従来構成において生じていたドリフトが抑制される。したがって、受けた力を精度よく検出することができる力検出装置１となる。また、このような構成によれば、環境温度に影響を受けることなく、入力配線４９と予圧部１０との電位差を実質的に０（ゼロ）に保つことができるため、優れた温度特性を発揮することもできる。また、従来構成と比べてリセット間隔を長くすることができるため、力検出装置１の連続使用時間を長くすることができる。
【００５９】
なお、本実施形態では、予圧部１０を構成する第１基部２および第２基部３がそれぞれシグナルグランドＳＧＮＤと接続されているが、予圧部１０の少なくとも一部がシグナルグランドＳＧＮＤと接続されていればよく、例えば、第１基部２および第２基部３の一方がシグナルグランドＳＧＮＤと接続されていてもよい。
【００６０】
以上、本実施形態の力検出装置１について説明した。このような力検出装置１は、前述したように、力を受けて電荷を出力する力センサー素子７（圧電素子）を有する力センサー６と、力センサー６を予圧している予圧部１０と、力センサー６からの電荷Ｑａを受けて電圧Ｖａを出力する変換出力回路４０ａと、を有している。そして、予圧部１０の電位は、変換出力回路４０ａが短絡しているシグナルグランドＳＧＮＤ（第１グランド）と同電位となっている。すなわち、予圧部１０は、シグナルグランドＳＧＮＤ（第１グランド）と短絡している。これにより、力センサー６と変換出力回路４０ａとを接続する入力配線４９から予圧部１０にリーク電流Ｉ’が定常的に流れ出してしまうことを抑制することができる。そのため、ドリフトを低減することができ、受けた力を精度よく検出することができる力検出装置１となる。また、このような構成によれば、力検出装置１は、環境温度の影響を受け難くなるため、優れた温度特性を発揮することもできる。また、従来構成と比べてリセット間隔を長くすることができるため、力検出装置１の連続使用時間を長くすることができる。
【００６１】
また、前述したように、力検出装置１では、予圧部１０は、シグナルグランドＳＧＮＤ（第１グランド）と短絡している。これにより、簡単な構成で、シグナルグランドＳＧＮＤと予圧部１０とを同電位にすることができる。また、予圧部１０は、シグナルグランドＳＧＮＤと同電位である。これにより、より効果的にドリフトを低減することができ、受けた力を精度よく検出することができる力検出装置１となる。
【００６２】
また、前述したように、予圧部１０は、力センサー６を間に挟んで配置されている第１基部２および第２基部３を有している。これにより、比較的簡単な構成で、力センサー６を予圧することができる。
【００６３】
また、前述したように、アナログ回路基板４（変換出力回路４０ａ）およびデジタル回路基板５（外力検出回路５０）は、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、第１基部２および第２基部３によって、アナログ回路基板４およびデジタル回路基板５を保護することができる。また、第１基部２と第２基部３との間のスペースを有効活用することができ、力検出装置１の小型化を図ることができる。
【００６４】
＜第２実施形態＞
図８は、本発明の第２実施形態に係る力検出装置を示す断面図である。図９は、図８に示す力検出装置が有する回路系を示す回路図である。
【００６５】
本実施形態に係る力検出装置１は、ケーシング１００を有していること以外は、前述した第１実施形態の力検出装置と同様である。
【００６６】
なお、以下の説明では、第２実施形態の力検出装置に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。
【００６７】
図８に示すように、本実施形態の力検出装置１は、予圧部１０、力センサー６、アナログ回路基板４およびデジタル回路基板５を収納するケーシング１００を有している。ケーシング１００は、ベース１１０と、カバー１２０と、を有している。ここで、カバー１２０は、蓋体またはカバーとして機能する。また、ベース１１０は、絶縁された状態で（図示しない絶縁層を介して）第１基部２の下面２１１にねじで固定されており、カバー１２０は、絶縁された状態で（図示しない絶縁層を介して）第２基部３の上面３１１にねじで固定されている。すなわち、予圧部１０は、パッケージ１００に対して絶縁された状態でパッケージ１００内に収納されている。なお、ベース１１０およびカバー１２０は、力センサー６への外力の伝達を阻害しないように設けられている。このようなケーシング１００を設けることで、力センサー６、アナログ回路基板４およびデジタル回路基板５を保護することができる。
【００６８】
このようなベース１１０およびカバー１２０の構成材料としては、それぞれ、特に限定されないが、導電性を有する材料が好ましく、例えば、鉄、ニッケル、コバルト、金、白金、銀、銅、マンガン、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、鉛、錫、チタン、タングステン等の各種金属等が挙げられる。
【００６９】
なお、ケーシング１００の構成としては、特に限定されず、例えば、ベース１１０が第１基部２と一体的に設けられていてもよい。言い換えると、第１基部２がベース１１０を兼ねていてもよい。また、例えば、カバー１２０が第２基部３と一体的に設けられていてもよい。言い換えると、第２基部３がカバー１２０を兼ねていてもよい。
【００７０】
また、図９に示すように、ケーシング１００は、基準電位としてのフレームグランドＦＧＮＤ（第２グランド）に接続されている。これにより、ケーシング１００によって外乱ノイズを遮断（低減）することができる。そのため、より精度よく、受けた力を検出することのできる力検出装置１となる。また、シグナルグランドＳＧＮＤとフレームグランドＦＧＮＤとは、メイングランドＭＧＮＤを介して接続されている。そのため、フレームグランドＦＧＮＤに流入した外乱ノイズがシグナルグランドＳＧＮＤに伝搬されるのを抑制することができる。
【００７１】
以上、本実施形態の力検出装置１について説明した。このような力検出装置１は、前述したように、力センサー６および変換出力回路４０ａ、４０ｂ、４０ｃ（アナログ回路基板４）を収納するケーシング１００を有している。また、ケーシング１００は、フレームグランドＦＧＮＤ（第２グランド）と電気的に接続されている（短絡している）。フレームグランドＦＧＮＤは、シグナルグランドＳＧＮＤと異なるグランドであるため、ケーシング１００によって、予圧部１０に伝搬する可能性のある外乱ノイズを遮断（低減）することができ、より精度よく、受けた力を検出することのできる力検出装置１となる。
【００７２】
このような第２実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。
【００７３】
＜第３実施形態＞
図１０は、本発明の第３実施形態に係る力検出装置が有する回路系を示す回路図である。
【００７４】
本実施形態に係る力検出装置１は、入力配線４９と予圧部１０とを同電位とする方法が異なること以外は、前述した第１実施形態の力検出装置と同様である。
【００７５】
なお、以下の説明では、第３実施形態の力検出装置に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。
【００７６】
図１０に示すように、本実施形態の力検出装置１では、アナログ回路基板４に配置された電圧生成回路４８を有し、この電圧生成回路４８を介してシグナルグランドＳＧＮＤ（第１グランド）と予圧部１０とが電気的に接続されている。そのため、本実施形態の力検出装置１では、電圧生成回路４８で生成した任意の大きさの電圧が予圧部１０に印加されるようになっている。
【００７７】
電圧生成回路４８は、電圧源４８１と、電圧源４８１から供給される電圧を減衰させる減衰回路４８２と、を有している。電圧源４８１からは、正電圧が供給される。また、減衰回路４８２は、電圧を所定の減衰率で減衰させる回路であり、直列接続された２つの抵抗素子４８２ａ、４８２ｂを有し、一端が電圧源４８１に接続され、他端がシグナルグランドＳＧＮＤに接続されている。このような減衰回路４８２では、抵抗素子４８２ａの抵抗をＲａとし、抵抗素子４８２ｂの抵抗をＲｂとしたとき、Ｒｂ／（Ｒａ＋Ｒｂ）の減衰率で電圧を減衰させることができる。なお、本実施形態では、抵抗素子４８２ａとして抵抗値を変化させることのできる可変抵抗を用いている。そのため、抵抗素子４８２ａの抵抗値を調整することで、予圧部１０に印加する電圧の大きさを制御することができる。
【００７８】
前述した第１実施形態では、予圧部１０とシグナルグランドＳＧＮＤとをショート（短絡）させることで、入力配線４９と予圧部１０との電位差が実質的に０（ゼロ）となることを説明した。しかしながら、より詳細に説明すると、入力配線４９の電圧は、シグナルグランドＳＧＮＤと僅かに（例えば、±数百μＶ未満程度）ずれている場合がある。このずれは、例えば、オペアンプ４１の入力オフセット電圧、ゲインおよび出力電圧に依存するずれである。そのため、予圧部１０とシグナルグランドＳＧＮＤとをショートさせても、入力配線４９と予圧部１０との電位差が僅かにずれてしまう場合がある。
【００７９】
そこで、本実施形態では、入力配線４９と予圧部１０との電位差が無くなるように（より小さくなるように）、電圧生成回路４８を用いて、予圧部１０に所定の大きさの電圧を印加する構成としている。言い換えると、電圧生成回路４８を用いて、第１基部２および第２基部３に印加する電圧の大きさを補正する構成としている。これにより、入力配線４９と予圧部１０との電位差をより小さくすることができ、入力配線４９から予圧部１０に流れるリーク電流Ｉ’をより効果的に低減することができる。そのため、ドリフトをより効果的に抑制することができ、受けた力をより精度よく検出することができる力検出装置１となる。
【００８０】
なお、例えば、予め入力配線４９の電圧のシグナルグランドＳＧＮＤからのずれを測定しておき、測定したずれに基づいて、第１基部２および第２基部３に印加する電圧の大きさ（すなわち、抵抗素子４８２ａの抵抗値）を決定してもよいし、変換出力回路４０ａから出力される電圧Ｖａを測定しながら抵抗素子４８２ａの抵抗値を徐々に変化させ、ドリフトが小さくなる状態で抵抗素子４８２ａの抵抗値を固定してもよい。
【００８１】
なお、本実施形態では、電圧生成回路４８はアナログ基板４に配置されているが、こうすることにより、予圧部１０と変換出力回路４０ａ、４０ｂ、４０ｃのそれぞれ毎に電圧を調整できるため、各変換出力回路４０ａ、４０ｂ、４０ｃ毎にドリフトを抑制することが可能である。また、電圧生成回路４８はデジタル基板５に配置されていてもよく、複数の変換出力回路４０ａ、４０ｂ、４０ｃに対して、一つの電圧生成回路４８で対応することができるので、力検出装置１を小型化にすることができ、さらに電圧の調整も容易である。また、電圧生成回路４８はアナログ基板４およびデジタル基板５とは異なる場所に配置されていてもよく、この場合はメイングランドＭＧＮＤを基準にして、第１基部２および第２基部３に印加する電圧をすればよく、これにより外乱ノイズがシグナルグランドＳＧＮＤに流入することを抑制することができる。
【００８２】
以上、本実施形態の力検出装置１について説明した。このような力検出装置１は、前述したように、力を受けて電荷を出力する力センサー素子７（圧電素子）を有する力センサー６と、力センサー６を予圧している予圧部１０と、力センサー６からの電荷Ｑａを受けて電圧Ｖａを出力する変換出力回路４０ａと、予圧部１０に電圧を印加する電圧生成回路４８と、を有している。これにより、入力配線４９と予圧部１０との電位差をより小さくすることができ、入力配線４９から予圧部１０にリーク電流Ｉ’が定常的に流れ出してしまうことを抑制することができる。そのため、ドリフトを低減することができ、受けた力を精度よく検出することができる力検出装置１となる。また、このような構成によれば、力検出装置１は、環境温度の影響を受け難くなるため、優れた温度特性を発揮することもできる。また、従来構成と比べてリセット間隔を長くすることができるため、力検出装置１の連続使用時間を長くすることができる。
【００８３】
また、前述したように、電圧生成回路４８は、電圧源４８１と、電圧源４８１の電圧を降下（減衰）させる減衰回路４８２と、を有している。これにより、微弱な電圧を予圧部１０に印加し易くなる。そのため、精度よく、入力配線４９と予圧部１０との電位差をより小さくすることができる。
【００８４】
なお、本実施形態では、入力配線４９と予圧部１０との電位差が無くなるように、予圧部１０に所定の大きさの電圧を印加するために、電圧生成回路４８の減衰回路４８２を用いることとしたが、増幅回路を用いた降圧電源回路や、バンドギャップリファレンスやツェナーダイオードを用いた基準電圧生成回路や、独立した外部電源であってもよい。
【００８５】
また、前述したように、変換出力回路４０ａは、オペアンプ４１（電荷増幅部）と、力センサー６とオペアンプ４１とを電気的に接続する入力配線４９（配線）と、を有している。また、電圧生成回路４８は、入力配線４９の電圧と予圧部１０の電圧との差が小さくなるように予圧部１０に電圧を印加するようになっている。これにより、より確実に、入力配線４９と予圧部１０との電位差をより小さくすることができる。
【００８６】
このような第３実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。
【００８７】
＜第４実施形態＞
図１１は、本発明の第４実施形態に係る力検出装置が有する回路系を示す回路図である。
【００８８】
本実施形態に係る力検出装置１は、入力配線４９と予圧部１０とを同電位としないこと以外は、前述した第１実施形態の力検出装置と同様である。
【００８９】
なお、以下の説明では、第４実施形態の力検出装置に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。
【００９０】
図１１に示すように、本実施形態の力検出装置１は、電圧生成回路４８を有し、この電圧生成回路４８を介してシグナルグランドＳＧＮＤと予圧部１０とが電気的に接続されている。そのため、本実施形態の力検出装置１では、電圧生成回路４８で生成した任意の大きさの電圧が予圧部１０に印加されるようになっている。
【００９１】
電圧生成回路４８は、電圧源４８１と、電圧源４８１から供給される電圧を減衰させる減衰回路４８２と、を有している。減衰回路４８２は、電圧を所定の減衰率で減衰させる回路であり、直列接続された２つの抵抗素子４８２ａ、４８２ｂを有し、一端が電圧源４８１に接続され、他端がシグナルグランドＳＧＮＤに接続されている。なお、本実施形態では、前述した第３実施形態と異なり、抵抗素子４８２ａ、４８２ｂが共に固定抵抗であり、その代わりに、電圧源４８１から供給される電圧の大きさを制御（調整）することで、予圧部１０に印加する電圧の大きさを制御することができる。
【００９２】
前述した第１実施形態では、予圧部１０とシグナルグランドＳＧＮＤとをショート（短絡）させることで、入力配線４９からフレームグランドＦＧＮＤへのリーク電流Ｉ’を低減しているが、リーク電流Ｉ’は、この経路の他にも、変換出力回路４０ａ内においても発生する場合がある。このようなリーク電流Ｉ’としては、例えば、変換出力回路４０ａが有するオペアンプ４１やスイッチング素子４３の正電源、負電源に対する経路に流れるリーク電流が挙げられる。そのため、入力配線４９からフレームグランドＦＧＮＤへのリーク電流Ｉ’を低減しても、依然として、ドリフトを十分に抑えることができない場合がある。
【００９３】
そこで、本実施形態では、前述したような変換出力回路４０ａ内で生じるリーク電流を相殺するように、入力配線４９とフレームグランドＦＧＮＤとの間に電位差を与えて、これらの間にリーク電流Ｉ’を発生させる。すなわち、入力配線４９とフレームグランドＦＧＮＤとの間に、変換出力回路４０ａ内で生じるリーク電流Ｉ’と大きさが等しくかつ逆向きのリーク電流Ｉ’が流れるように、電圧生成回路４８を用いて、予圧部１０に所定の大きさの電圧を印加する構成としている。これにより、変換出力回路４０ａ内で生じるリーク電流Ｉ’と、入力配線４９とフレームグランドＦＧＮＤとの間に流れるリーク電流Ｉ’と、を相殺することができ、ドリフトをより効果的に抑制することができる。したがって、受けた力をより精度よく検出することができる力検出装置１となる。
【００９４】
なお、入力配線４９とフレームグランドＦＧＮＤとの間に発生させるリーク電流Ｉ’によって、変換出力回路４０ａ内で生じるリーク電流Ｉ’の８０％以上を相殺することが好ましく、９０％以上を相殺することがより好ましく、９５％以上を相殺することがさらに好ましく、１００％を相殺することが最も好ましい。これにより、十分に、ドリフトを低減することができる。
【００９５】
なお、本実施形態では、入力配線４９とフレームグランドＦＧＮＤとの間の絶縁抵抗の温度特性と、変換出力回路４０ａ内で生じるリーク電流の温度特性と、を予め計測しておき、環境温度に基づいて電圧源４８１から供給する電圧の大きさを制御することで、より精度よく、変換出力回路４０ａ内で生じるリーク電流Ｉ’を入力配線４９とフレームグランドＦＧＮＤとの間に流れるリーク電流Ｉ’によって相殺することができる。
【００９６】
以上、本実施形態の力検出装置１について説明した。このような力検出装置１は、前述したように、力を受けて電荷を出力する力センサー素子７（圧電素子）を有する力センサー６と、力センサー６を予圧している予圧部１０と、力センサー６からの電荷Ｑａを受けて電圧Ｖａを出力する変換出力回路４０ａと、予圧部１０に電圧を印加する電圧生成回路４８と、を有している。また、変換出力回路４０ａは、オペアンプ４１（電荷増幅部）と、力センサー６とオペアンプ４１とを電気的に接続する入力配線４９（配線）と、を有している。また、電圧生成回路４８は、予圧部１０に電圧を印加することで、変換出力回路４０ａ内で発生するリーク電流Ｉ’を相殺するように、入力配線４９と予圧部１０との間にリーク電流Ｉ’を発生させるようになっている。これにより、ドリフトをより効果的に抑制することができる。したがって、受けた力をより精度よく検出することができる力検出装置１となる。
【００９７】
＜第５実施形態＞
図１２は、本発明の第５実施形態に係るロボットを示す斜視図である。
【００９８】
図１２に示すロボット１０００は、例えば、精密機器等の工業製品を製造する製造工程で用いることのできるロボットである。ロボット１０００は、例えば床や天井に固定されるベース１１００と、ベース１１００に回動自在に連結されたアーム１２００と、アーム１２００に回動自在に連結されたアーム１３００と、アーム１３００に回動自在に連結されたアーム１４００と、アーム１４００に回動自在に連結されたアーム１５００と、アーム１５００に回動自在に連結されたアーム１６００と、アーム１６００に回動自在に連結されたアーム１７００と、これらアーム１２００、１３００、１４００、１５００、１６００、１７００の駆動を制御する制御部１８００と、を有している。また、アーム１７００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１９００が装着される。
【００９９】
このようなロボット１０００には、エンドエフェクター１９００に加えられる外力を検出する力検出装置１が設けられている。そして、力検出装置１が検出する力を制御部１８００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、力検出装置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１９００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、安全に作業を実行することができる。
【０１００】
また、力検出装置１は、アーム１６００とアーム１７００との間に配置されており、図示しないが、第１基部２の下面２１１がアーム１６００と接続され、第２基部３の上面３１１がアーム１７００と接続されている。ただし、力検出装置１の配置としては、特に限定されない。また、力検出装置１としては、例えば、前述した第１、第２、第３、第４実施形態のいずれかのものを用いることができる。
【０１０１】
このように、ロボット１０００は、力検出装置１を有している。そのため、ロボット１０００は、前述した力検出装置１の効果を享受することができ、優れた信頼性を発揮することができる。
【０１０２】
このような第５実施形態によっても、前述した第１実施形態の効果を発揮することができる。なお、ロボット１０００の構成としては、特に限定されず、例えば、アームの数が本実施形態と異なっていてもよい。また、ロボット１０００としては、特に限定されず、例えば、所謂、スカラロボットや双腕ロボットであってもよい。
【０１０３】
以上、本発明の力検出装置およびロボットについて、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、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【０１０４】
１…力検出装置、１０…予圧部、１００…ケーシング、１１０…ベース、１２０…カバー、２…第１基部、２１…底板、２１１…下面、２１２…雌ねじ部、２２…凸部、２２１…頂面、３…第２基部、３１…天板、３１１…上面、３２…凸部、３２１…頂面、４…アナログ回路基板、４０ａ、４０ｂ、４０ｃ…変換出力回路、４１…オペアンプ、４２…コンデンサー、４３…スイッチング素子、４８…電圧生成回路、４８１…電圧源、４８２…減衰回路、４８２ａ、４８２ｂ…抵抗素子、４９…入力配線、５…デジタル回路基板、５０…外力検出回路、５１…ＡＤコンバーター、５２…演算部、６…力センサー、７…力センサー素子、７１…グランド電極層、７２…第１センサー、７２１…第１圧電基板、７２２…出力電極層、７２３…第２圧電基板、７３…第２センサー、７３１…第３圧電基板、７３２…出力電極層、７３３…第４圧電基板、７４…第３センサー、７４１…第５圧電基板、７４２…出力電極層、７４３…第６圧電基板、８…パッケージ、８１…ベース、８１１…凹部、８１３…端子、８１４…接続部、８２…リッド、８２１…中央部、８２２…外縁部、８２３…接続部、９…予圧ボルト、９１…ねじ部、１０００…ロボット、１１００…ベース、１２００、１３００、１４００、１５００、１６００、１７００…アーム、１８００…制御部、１９００…エンドエフェクター、ａ、ｂ、ｃ…軸、ＣＡ１…第１結晶軸、ＣＡ２…第２結晶軸、ＣＡ３…第３結晶軸、ＣＡ４…第４結晶軸、ＣＡ５…第５結晶軸、ＣＡ６…第６結晶軸、ＣＲ…回路、ＦＧＮＤ…フレームグランド、Ｉ…動作電流、Ｉ’…リーク電流、Ｊ…中心軸、ＬＤ…積層方向、ＭＧＮＤ…メイングランド、Ｑａ、Ｑｂ、Ｑｃ…電荷、Ｒ１…抵抗、Ｓ１…収納空間、ＳＤ…保持方向、ＳＧＮＤ…シグナルグランド、Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ…電圧、α、β、γ…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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