(57)【要約】【課題】繰り返し外力が加わった場合でも、圧電素子を収容する収容部（パッケージ）が破損することを低減することができる力検出装置、およびロボットを提供することにある。【解決手段】力検出装置１は、第１基部２と、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、外力に応じて信号を出力する圧電素子１０を含む圧力検出部６と、を備え、圧力検出部６は、第１基部２と接する部分を有する第１部材６１と、第２基部３と接する部分を有する第２部材６２と、第１部材６１と第２部材６２とを連結する第３部材６７とを有し、第１部材６１の少なくとも一部の第１縦弾性係数が、第３部材６７の第３縦弾性係数よりも低く、第２部材６２の少なくとも一部の第２縦弾性係数が、第３部材６７の第３縦弾性係数よりも低いことを特徴とする。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１基部と、
第２基部と、
前記第１基部と前記第２基部との間に設けられ、外力に応じて信号を出力する圧電素子を含む圧力検出部と、を備え、
前記圧力検出部は、前記第１基部と接する部分を有する第１部材と、前記第２基部と接する部分を有する第２部材と、前記第１部材と前記第２部材とを連結する第３部材とを有し、
前記第１部材の少なくとも一部の第１縦弾性係数が、前記第３部材の第３縦弾性係数よりも低く、
前記第２部材の少なくとも一部の第２縦弾性係数が、前記第３部材の第３縦弾性係数よりも低いことを特徴とする力検出装置。
【請求項２】
前記第１縦弾性係数と前記第２縦弾性係数との差は、前記第１縦弾性係数の１０分の１以下である請求項１に記載の力検出装置。
【請求項３】
前記第１部材の構成材料と前記第２部材の構成材料とは、同一である請求項１または２に記載の力検出装置。
【請求項４】
前記第３部材の構成材料は、セラミックを含む請求項１ないし３のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項５】
前記第１部材の縦弾性係数は、前記第１縦弾性係数である請求項１ないし４のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項６】
前記第２部材の縦弾性係数は、前記第２縦弾性係数である請求項１ないし５のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項７】
前記圧電素子は、水晶を含む請求項１ないし６のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項８】
前記圧電素子は、前記圧力検出部の内部に位置する請求項１ないし７のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項９】
アームと、
前記アームに設けられたエンドエフェクターと、
前記アームと前記エンドエフェクターとの間に設けられ、前記エンドエフェクターに加えられる外力を検出する力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、第１基部と、第２基部と、前記第１基部と前記第２基部との間に設けられ、外力に応じて信号を出力する圧電素子を含む圧力検出部と、を備え、
前記収容部は、前記第１基部と接する部分を有する第１部材と、前記第２基部と接する部分を有する第２部材と、前記第１部材と前記第２部材とを連結する第３部材とを有し、
前記第１部材の少なくとも一部の第１縦弾性係数が、前記第３部材の第３縦弾性係数よりも低く、
前記第２部材の少なくとも一部の第２縦弾性係数が、前記第３部材の第３縦弾性係数よりも低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、力検出装置、およびロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、生産効率向上を目的として、工場等の生産施設への産業用ロボットの導入が進められている。このような産業ロボットとしては、アルミニウム板等の母材に対して機械加工を施す工作機械が代表的である。工作機械には、機械加工を施す際に、母材に対する力を検出する力検出装置が内蔵されたものがある（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１には、圧電素子と、圧電素子を収容する凹部を備えたセラミックパッケージと、セラミックパッケージの凹部内に圧電素子を収容した状態で、凹部の開口を塞ぐようにセラミックパッケージに接合されたリッドとを備えたセンサー素子が記載されている。また、センサー素子は、２つの与圧プレートで挟持されている。
【０００３】
このようなセンサー素子は、与圧プレートに外力が加わると、その外力がセラミックパッケージやリッドを介して圧電素子に伝達され、圧電素子が外力に応じた電荷を出力し、この電荷に基づいて加えられた外力を検出することができる。
また、このセンサー素子は、セラミックパッケージおよびリッドによって気密的に封止されており、外気から遮断されている。これにより、圧電素子から生じた電荷が水分等によって不本意に外部へ漏洩することが防止されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２０１３−１３０４３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の力検出装置では、与圧プレートに繰り返し外力が加わることで、セラミックパッケージに繰り返し応力が加わり、セラミックパッケージが破損してしまうという問題があった。そのため、長期にわたって安定して力検出装置を使用することが困難であった。
また、このような力検出装置では、製造時において、与圧プレートにてセンサー素子を挟持する際に、与圧プレートによる加圧の圧力によってセラミックパッケージが破損してしまうという問題もあった。
そこで、本発明の目的は、繰り返し外力が加わった場合でも、圧電素子を収容する収容部（パッケージ）が破損することを低減することができる力検出装置、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】
【０００６】
このような目的は、下記の本発明により達成される。
（適用例１）
本発明に係わる力検出装置は、第１基部と、
第２基部と、
前記第１基部と前記第２基部との間に設けられ、外力に応じて信号を出力する圧電素子を含む圧力検出部と、を備え、
前記圧力検出部は、前記第１基部と接する部分を有する第１部材と、前記第２基部と接する部分を有する第２部材と、前記第１部材と前記第２部材とを連結する第３部材とを有し、
前記第１部材の少なくとも一部の第１縦弾性係数が、前記第３部材の第３縦弾性係数よりも低く、
前記第２部材の少なくとも一部の第２縦弾性係数が、前記第３部材の第３縦弾性係数よりも低いことを特徴とする。
これにより、第１部材および第２部材は、第１基部や第２基部に繰り返して外力が加えられても、その外力に応じて変形することができる。このため、繰り返し外力が加わった場合でも、圧電素子を収容する収容部が破損することを低減することができる。
【０００７】
（適用例２）
本発明に係わる力検出装置では、前記第１縦弾性係数と前記第２縦弾性係数との差は、前記第１縦弾性係数の１０分の１以下であることが好ましい。
これにより、第１部材および第２部材のいずれか一方のみに応力が集中することを回避することができ、よって、圧電素子を収容する収容部が破損することをより確実に低減することができる。
【０００８】
（適用例３）
本発明に係わる力検出装置では、前記第１部材の構成材料と前記第２部材の構成材料とは、同一であることが好ましい。
これにより、加えられる外力が第１部材および第２部材のいずれか一方に集中することが回避され、よって、圧電素子を収容する収容部が不本意に変形や破損することを特に効果的に低減することができる。
【０００９】
（適用例４）
本発明に係わる力検出装置では、前記第３部材の構成材料は、セラミックを含むことが好ましい。
これにより、収容部全体としての機械的強度を十分に確保することができ、よって、繰り返し外力が加わっても、収容部の変形による損傷が生じにくくなり、内部に収容された圧電素子をより確実に保護することができる。
【００１０】
（適用例５）
本発明に係わる力検出装置では、前記第１部材の縦弾性係数は、前記第１縦弾性係数であることが好ましい。
これにより、第１部材を単一の部材および単一の材料で構成することができ、第１部材の全体にわたって縦弾性係数（ヤング率）および機械的強度の均一化を図ることができる。そのため、第１部材が、加えられた外力によって破損することがより確実に低減されるとともに、第１部材を介して圧電素子により正確に外力を伝達することもできる。
【００１１】
（適用例６）
本発明に係わる力検出装置では、前記第２部材の縦弾性係数は、前記第２縦弾性係数であることが好ましい。
これにより、第２部材を単一の部材および単一の材料で構成することができ、第２部材の全体にわたって縦弾性係数（ヤング率）および機械的強度の均一化を図ることができる。そのため、第２部材が、加えられた外力によって破損することがより確実に低減されるとともに、第２部材を介して圧電素子により正確に外力を伝達することもできる。
【００１２】
（適用例７）
本発明に係わる力検出装置では、前記圧電素子は、水晶を含むことが好ましい。
これにより、力検出装置は、温度の変動による影響を受けにくい装置となり、よって、外力を正確に検出することができる。
【００１３】
（適用例８）
本発明に係わる力検出装置では、前記圧電素子は、前記圧力検出部の内部に位置することが好ましい。
これにより、圧電素子が封止され、外気から遮断されることにより、出力された電荷が水分等によって不本意に漏洩されることを抑制することができる。
【００１４】
（適用例９）
本発明に係わるロボットは、アームと、
前記アームに設けられたエンドエフェクターと、
前記アームと前記エンドエフェクターとの間に設けられ、前記エンドエフェクターに加えられる外力を検出する力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、第１基部と、第２基部と、前記第１基部と前記第２基部との間に設けられ、外力に応じて信号を出力する圧電素子を含む圧力検出部と、を備え、
前記収容部は、前記第１基部と接する部分を有する第１部材と、前記第２基部と接する部分を有する第２部材と、前記第１部材と前記第２部材とを連結する第３部材とを有し、
前記第１部材の少なくとも一部の第１縦弾性係数が、前記第３部材の第３縦弾性係数よりも低く、
前記第２部材の少なくとも一部の第２縦弾性係数が、前記第３部材の第３縦弾性係数よりも低いことを特徴とする。
これにより、ロボットは、圧力検出部に繰り返し外力が加わった場合でも、圧電素子を収容する収容部が破損することを低減することができる。したがって、このようなロボットによれば、外力が正確に検出され、エンドエフェクターによる作業を適正に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る力検出装置の第１実施形態を示す断面図である。
【図２】図１に示す力検出装置の平面図である。
【図３】図１に示す力検出装置を概略的に示す回路図である。
【図４】図１に示す力検出装置が備える電荷出力素子を概略的に示す断面図である。
【図５】図１に示す力検出装置の電荷出力素子で検出される力の作用状態を示す概略図である。
【図６】図５中の矢印Ｄ方向から見た図ある。
【図７】図１に示す力検出装置の電荷出力素子付近の部分拡大詳細図である。
【図８】本発明に係る力検出装置を用いた単腕ロボットの１例を示す図である。
【図９】本発明に係る力検出装置を用いた複腕ロボットの１例を示す図である。
【図１０】本発明に係る力検出装置を用いた電子部品検査装置および部品搬送装置の１例を示す図である。
【図１１】本発明に係る力検出装置を用いた電子部品搬送装置の１例を示す図である。
【図１２】本発明に係る力検出装置を用いた部品加工装置の１例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
１．力検出装置
図１は、本発明に係る力検出装置の第１実施形態を示す断面図であり、図２は、図１に示す力検出装置の平面図であり、図３は、図１に示す力検出装置を概略的に示す回路図であり、図４は、図１に示す力検出装置が備える電荷出力素子を概略的に示す断面図であり、図５は、図１に示す力検出装置の電荷出力素子で検出される力の作用状態を示す概略図であり、図６は、図５中の矢印Ｄ方向から見た図あり、図７は、図１に示す力検出装置の電荷出力素子付近の部分拡大詳細図である。
【００１７】
なお、以下では、図１中の上側を「上」または「上方」、下側を「下」または「下方」と言う。
また、図２、図５には、互いに直交する３つの軸として、α軸、β軸およびγ軸が図示されている。また、図１、図４には、上記３つの軸のうち、γ軸のみを図示している。α（Ａ）軸に平行な方向を「α（Ａ）軸方向」、β（Ｂ）軸に平行な方向を「β（Ｂ）軸方向」、γ（Ｃ）軸に平行な方向を「γ（Ｃ）軸方向」という。また、α軸とβ軸で規定される平面を「αβ平面」と言い、β軸とγ軸で規定される平面を「βγ平面」と言い、α軸とγ軸で規定される平面を「αγ平面」と言う。また、αＡ軸に平行な方向を「α方向」と言い、β軸に平行な方向を「β方向」と言い、γ軸に平行な方向を「γ方向」と言う。また、α方向、β方向およびγ方向において、矢印先端側を「＋（正）側」、矢印基端側を「−（負）側」とする。
【００１８】
図１に示す力検出装置１は、力検出装置１に加えられた外力、すなわち、６軸力（α、β、γ軸方向の並進力成分およびα、β、γ軸周りの回転力成分）を検出する機能を有する。
この力検出装置１は、第１基部（基部）２と、第１基部２から所定の間隔を隔てて配置され、第１基部２に対向する第２基部（基部）３と、第１基部２と第２基部３との間に収納された（設けられた）アナログ回路基板４と、第１基部２と第２基部３との間に収納され（設けられ）、アナログ回路基板４と電気的に接続されたデジタル回路基板５と、アナログ回路基板４に搭載され、外力に応じて信号を出力する電荷出力素子（圧電素子）１０および電荷出力素子１０を収納するパッケージ（収容部）６０を有する４つのセンサーデバイス（圧力検出部）６と、８つの与圧ボルト（固定部材）７１と、を備えている。
【００１９】
以下に、力検出装置１の各部の構成について詳述する。
なお、以下の説明では、図２に示すように、４つのセンサーデバイス６のうち、図２中の右側に位置するセンサーデバイス６を「センサーデバイス６Ａ」といい、以降反時計回りに順に「センサーデバイス６Ｂ」、「センサーデバイス６Ｃ」、「センサーデバイス６Ｄ」という。
【００２０】
図１に示すように、第１基部（ベースプレート）２は、外形が板状をなし、その平面形状は、丸みを帯びた四角形をなす。なお、第１基部２の平面形状は、図示のものに限定されず、例えば円形や四角形外の多角形等であってもよい。
第１基部２の下面２２１は、力検出装置１が例えばロボットに固定されて使用されるときに、当該ロボット（測定対象）に対する取付面（第１取付面）として機能する。
この第１基部２は、底板２２と、底板２２から上方に向かって立設した壁部２４とを有している。
壁部２４は、「Ｌ」字状をなし、外方に臨む２つの面にそれぞれ凸部２３が突出形成されている。各凸部２３の頂面（第１面）２３１は、底板２２に対して垂直な平面である。また、凸部２３には、後述する与圧ボルト７１と螺合する雌ネジ２４１が設けられている（図２参照）。
【００２１】
図１に示すように、第１基部２に対し所定の間隔を隔てて対向するように、第２基部（カバープレート）３が配置されている。
第２基部３も、第１基部２と同様に、その外形が板状をなしている。また、第２基部３の平面形状は、第１基部２の平面形状に対応した形状であることが好ましく、本実施形態では、第２基部３の平面視形状は、第１基部２の平面視形状と同様に、角部が丸みを帯びた四角形をなしている。また、第２基部３は、第１基部２を包含する程度の大きさであるのが好ましい。
【００２２】
第２基部３の上面（第２面）３２１は、力検出装置１が例えばロボットに固定されて使用されるときに、当該ロボットに装着されるエンドエフェクター（測定対象）に対する取付面（第２取付面）として機能する。また、第２基部３の上面３２１と、前述した第１基部２の下面２２１とは、外力が付与していない自然状態では平行となっている。
また、第２基部３は、天板３２と、天板３２の縁部に形成され、当該縁部から下方に向かって突出した側壁３３とを有している。側壁３３の内壁面（第２面）３３１は、天板３２に対して垂直な平面である。そして、第１基部２の頂面２３１と第２基部３の内壁面３３１との間には、センサーデバイス６が設けられている。
【００２３】
また、第１基部２と第２基部３とは、与圧ボルト７１により、接続、固定されている。この与圧ボルト７１は、図２に示すように、８本（複数）あり、そのうちの２本ずつが各センサーデバイス６の両側に配置されている。なお、１つのセンサーデバイス６に対する与圧ボルト７１の数は、２つに限定されず、例えば、３つ以上であってもよい。
また、与圧ボルト７１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。
このように与圧ボルト７１によって接続された第１基部２と第２基部３とで、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄ、アナログ回路基板４、およびデジタル回路基板５を収納する収納空間を形成している。この収納空間は、円形または角丸正方形の断面形状を有する。
【００２４】
また、図１に示すように、第１基部２と第２基部３との間には、センサーデバイス６に接続されたアナログ回路基板４が設けられている。
アナログ回路基板４のセンサーデバイス６（具体的には、電荷出力素子１０）が配置されている部位には、第１基部２の各凸部２３が挿入される孔４１が形成されている。この孔４１は、アナログ回路基板４を貫通する貫通孔である。
【００２５】
また、図２に示すように、アナログ回路基板４には各与圧ボルト７１が貫通する貫通孔が設けらており、アナログ回路基板４の与圧ボルト７１が貫通する部分（貫通孔）には、樹脂材料等の絶縁材料で構成されたパイプ４３が例えば嵌合により固定されている。
また、図３に示すように、センサーデバイス６Ａに接続されたアナログ回路基板４は、センサーデバイス６Ａの電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｙ１を電圧Ｖｙ１に変換する変換出力回路９０ａと、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｚ１を電圧Ｖｚ１に変換する変換出力回路９０ｂと、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｘ１を電圧Ｖｘ１に変換する変換出力回路９０ｃとを備えている。
【００２６】
センサーデバイス６Ｂに接続されたアナログ回路基板４は、センサーデバイス６Ｂの電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｙ２を電圧Ｖｙ２に変換する変換出力回路９０ａと、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｚ２を電圧Ｖｚ２に変換する変換出力回路９０ｂと、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｘ２を電圧Ｖｘ２に変換する変換出力回路９０ｃとを備えている。
【００２７】
センサーデバイス６Ｃに接続されたアナログ回路基板４は、センサーデバイス６Ｃの電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｙ３を電圧Ｖｙ３に変換する変換出力回路９０ａと、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｚ３を電圧Ｖｚ３に変換する変換出力回路９０ｂと、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｘ３を電圧Ｖｘ３に変換する変換出力回路９０ｃとを備えている。
【００２８】
センサーデバイス６Ｄに接続されたアナログ回路基板４は、センサーデバイス６Ｄの電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｙ４を電圧Ｖｙ４に変換する変換出力回路９０ａと、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｚ４を電圧Ｖｚ４に変換する変換出力回路９０ｂと、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｘ４を電圧Ｖｘ４に変換する変換出力回路９０ｃとを備えている。
【００２９】
また、図１に示すように、第１基部２と第２基部３との間には、第１基部２上のアナログ回路基板４が設けられている位置とは異なる位置に、アナログ回路基板４に接続された支持されたデジタル回路基板５が設けられている。図３に示すように、デジタル回路基板５は、変換出力回路（変換回路）９０ａ、９０ｂ、９０ｃに接続されたＡＤコンバーター４０１と、ＡＤコンバーター４０１に接続された演算部（演算回路）４０２とを有する外力検出回路４０を備えている。
【００３０】
なお、上述した第１基部２、第２基部３、アナログ回路基板４の各素子および各配線以外の部位、デジタル回路基板５の各素子および各配線以外の部位の構成材料としては、それぞれ、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。
また、第１基部２、第２基部３は、それぞれ、外形が板状をなす部材で構成されているが、これに限定されず、例えば、一方の基部が板状をなす部材で構成され、他方の基部がブロック状をなす部材で構成されていてもよい。
【００３１】
次に、センサーデバイス６について、詳細に説明する。
［センサーデバイス］
図１、図２に示すように、センサーデバイス６Ａは、第１基部２の４つの凸部２３のうちの１つの凸部２３の頂面２３１と、この頂面２３１に対向する内壁面３３１とによって挟持されている。このセンサーデバイス６Ａと同様に、前記と異なる１つの凸部２３の頂面２３１と、この頂面２３１に対向する内壁面３３１とによって、センサーデバイス６Ｂが挟持されている。また、前記と異なる１つの凸部２３の頂面２３１と、この頂面２３１に対向する内壁面３３１とによって、センサーデバイス６Ｃが挟持されている。さらに、前記と異なる１つの凸部２３の頂面２３１と、この頂面２３１に対向する内壁面３３１によって、センサーデバイス６Ｄが挟持されている。
【００３２】
なお、以下では、各センサーデバイス６Ａ〜６Ｄが第１基部２および第２基部３によって挟持されている方向を「挟持方向ＳＤ」という。また、各センサーデバイス６Ａ〜６Ｄのうちセンサーデバイス６Ａが挟持されている方向を第１挟持方向、センサーデバイス６Ｂが挟持されている方向を第２挟持方向、センサーデバイス６Ｃが挟持されている方向を第３挟持方向、センサーデバイス６Ｄが挟持されている方向を第４挟持方向ということもある。
【００３３】
なお、本実施形態では、図１に示すように、センサーデバイス６は、アナログ回路基板４の第２基部３（側壁３３）側に設けられているが、センサーデバイス６は、アナログ回路基板４の第１基部２側に設けられていてもよい。
また、図２に示すように、センサーデバイス６Ａおよびセンサーデバイス６Ｂと、センサーデバイス６Ｃおよびセンサーデバイス６Ｄとは、第１基部２のβ軸に沿った中心軸２７１に関して対称的に配置されている。すなわち、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄは、第１基部２の中心２７２回りに等角度間隔に配置されている。このようにセンサーデバイス６Ａ〜６Ｄを配置することより、外力を偏りなく検出することができる。
【００３４】
なお、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄの配置は図示のものに限定されないが、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄは、第２基部３の上面３２１から見て、第２基部３の中心部（中心２７２）からできる限り離間した位置に配置されているのが好ましい。これにより、力検出装置１に加わる外力を安定して検出することができる。
また、本実施形態では、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄは、全て同じ方向を向いた状態に搭載されているが、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄの向きは、それぞれ、異なっていてもよい。
このように配置されたセンサーデバイス６は、図１に示すように、電荷出力素子１０と、電荷出力素子１０を収納するパッケージ６０とを有している。また、本実施形態では、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄは、同様の構成である。
【００３５】
以下に、このセンサーデバイス６が備える電荷出力素子１０について詳述する。なお、電荷出力素子１０を収容するパッケージについては後に詳述する。
［電荷出力素子］
電荷出力素子１０は、力検出装置１に加わった外力、すなわち第１基部２または第２基部３の少なくとも一方の基部に加えられた外力に応じて電荷を出力する機能を有する。
【００３６】
なお、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄが備える各電荷出力素子１０は、同じ構成であるため、１つの電荷出力素子１０について中心的に説明する。
図４に示すように、センサーデバイス６が備える電荷出力素子１０は、グランド電極層１１と、第１のセンサー１２と、第２のセンサー１３と、第３のセンサー１４とを有している。
【００３７】
第１のセンサー１２は、外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｘ（電荷Ｑｘ１、Ｑｘ２、Ｑｘ３、Ｑｘ４のいずれか）を出力する機能を有する。第２のセンサー１３は、外力（圧縮／引張力）に応じて電荷Ｑｚ（電荷Ｑｚ１、Ｑｚ２、Ｑｚ３、Ｑｚ４）を出力する機能を有する。第３のセンサー１４は、外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｙ（電荷Ｑｙ１、Ｑｙ２、Ｑｙ３、Ｑｙ４）を出力する。
【００３８】
また、センサーデバイス６が備える電荷出力素子１０は、グランド電極層１１と各センサー１２、１３、１４は交互に平行に積層されている。以下、この積層された方向を「積層方向ＬＤ」という。この積層方向ＬＤは、上面３２１の法線ＮＬ2（または下面２２１の法線ＮＬ1）と直交する方向となっている。また、積層方向ＬＤは、挟持方向ＳＤと平行となっている。
また、電荷出力素子１０の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、各側壁３３の内壁面３３１に対して垂直な方向から見て、四角形をなしている。なお、各電荷出力素子１０の他の外形形状としては、例えば、五角形等の他の多角形、円形、楕円形等が挙げられる。
【００３９】
以下、グランド電極層１１、第１のセンサー１２、第２のセンサー１３、および第３のセンサー１４について詳述する。
グランド電極層１１は、グランド（基準電位点）に接地された電極である。グランド電極層１１を構成する材料は、特に限定されないが、例えば、金、チタニウム、アルミニウム、銅、鉄またはこれらを含む合金が好ましい。これらの中でも特に、鉄合金であるステンレスを用いるのが好ましい。ステンレスにより構成されたグランド電極層１１は、優れた耐久性および耐食性を有する。
【００４０】
第１のセンサー１２は、積層方向ＬＤ（第１の挟持方向）と直交する、すなわち、法線ＮＬ2（法線ＮＬ1）の方向と同じ方向の第１検出方向の外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｘを出力する機能を有する。すなわち、第１のセンサー１２は、外力に応じて正電荷または負電荷を出力するよう構成されている。
第１のセンサー１２は、第１の圧電体層（第１検出板）１２１と、第１の圧電体層１２１と対向して設けられた第２の圧電体層（第１検出板）１２３と、第１の圧電体層１２１と第２の圧電体層１２３との間に設けられた出力電極層１２２を有する。
第１の圧電体層１２１は、Ｙカット水晶板で構成され、互いに直交する結晶軸であるｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を有する。ｙ軸は、第１の圧電体層１２１の厚さ方向に沿った軸であり、ｘ軸は、図４中の紙面奥行き方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図４中の上下方向に沿った軸である。
【００４１】
以下では、これら図示した各矢印の先端側を「＋（正）」、基端側を「−（負）」として説明する。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。なお、後述する第２の圧電体層１２３、第３の圧電体層１３１、第４の圧電体層１３３、第５の圧電体層１４１、および第６の圧電体層１４３についても同様である。
水晶により構成された第１の圧電体層１２１は、広いダイナミックレンジ、高い剛性、高い固有振動数、高い対荷重性等の優れた特性を有する。また、Ｙカット水晶板は、その面方向に沿った外力（せん断力）に対して電荷を生ずる。
【００４２】
そして、第１の圧電体層１２１の表面に対し、ｘ軸の正方向に沿った外（せん断力）力が加えられた場合、圧電効果により、第１の圧電体層１２１内に電荷が誘起される。その結果、第１の圧電体層１２１の出力電極層１２２側表面近傍には正電荷が集まり、第１の圧電体層１２１のグランド電極層１１側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第１の圧電体層１２１の表面に対し、ｘ軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、第１の圧電体層１２１の出力電極層１２２側表面近傍には負電荷が集まり、第１の圧電体層１２１のグランド電極層１１側表面近傍には正電荷が集まる。
【００４３】
第２の圧電体層１２３も、Ｙカット水晶板で構成され、互いに直交する結晶軸であるｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を有する。ｙ軸は、第２の圧電体層１２３の厚さ方向に沿った軸であり、ｘ軸は、図４中の紙面奥行き方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図４中の上下方向に沿った軸である。
水晶により構成された第２の圧電体層１２３も第１の圧電体層１２１と同様に、広いダイナミックレンジ、高い剛性、高い固有振動数、高い対荷重性等の優れた特性を有し、Ｙカット水晶板であることにより、その面方向に沿った外力（せん断力）に対して電荷を生ずる。
【００４４】
そして、第２の圧電体層１２３の表面に対し、ｘ軸の正方向に沿った外力（せん断力）が加えられた場合、圧電効果により、第２の圧電体層１２３内に電荷が誘起される。その結果、第２の圧電体層１２３の出力電極層１２２側表面近傍には正電荷が集まり、第２の圧電体層１２３のグランド電極層１１側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第２の圧電体層１２３の表面に対し、ｘ軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、第２の圧電体層１２３の出力電極層１２２側表面近傍には負電荷が集まり、第２の圧電体層１２３のグランド電極層１１側表面近傍には正電荷が集まる。
【００４５】
出力電極層１２２は、第１の圧電体層１２１内および第２の圧電体層１２３内に生じた正電荷または負電荷を電荷Ｑｘとして出力する機能を有する。前述のように、第１の圧電体層１２１の表面または第２の圧電体層１２３の表面にｘ軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、出力電極層１２２近傍には、正電荷が集まる。その結果、出力電極層１２２からは、正の電荷Ｑｘが出力される。一方、第１の圧電体層１２１の表面または第２の圧電体層１２３の表面にｘ軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、出力電極層１２２近傍には、負電荷が集まる。その結果、出力電極層１２２からは、負の電荷Ｑｘが出力される。
【００４６】
また、第１のセンサー１２が第１の圧電体層１２１と第２の圧電体層１２３とを有する構成となっていることは、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３のうちの一方のみと出力電極層１２２とで構成されている場合と比較して、出力電極層１２２近傍に集まる正電荷または負電荷を増加させることができる。その結果、出力電極層１２２から出力される電荷Ｑｘを増加させることができる。なお、後述する第２のセンサー１３、第３のセンサー１４についても同様である。
【００４７】
また、出力電極層１２２の大きさは、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３の大きさ以上であることが好ましい。出力電極層１２２が、第１の圧電体層１２１または第２の圧電体層１２３よりも小さい場合、第１の圧電体層１２１または第２の圧電体層１２３の一部は出力電極層１２２と接しない。そのため、第１の圧電体層１２１または第２の圧電体層１２３に生じた電荷の一部を出力電極層１２２から出力できない場合がある。その結果、出力電極層１２２から出力される電荷Ｑｘが減少してしまう。なお、後述する出力電極層１３２、１４２についても同様である。
【００４８】
第２のセンサー１３は、外力（圧縮／引張力）に応じて電荷Ｑｚを出力する機能を有する。すなわち、第２のセンサー１３は、圧縮力に応じて正電荷を出力し、引張力に応じて負電荷を出力するよう構成されている。
第２のセンサー１３は、第３の圧電体層（第３基板）１３１と、第３の圧電体層１３１と対向して設けられた第４の圧電体層（第３基板）１３３と、第３の圧電体層１３１と第４の圧電体層１３３との間に設けられた出力電極層１３２を有する。
【００４９】
第３の圧電体層１３１は、Ｘカット水晶板で構成され、互いに直交するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を有する。ｘ軸は、第３の圧電体層１３１の厚さ方向に沿った軸であり、ｙ軸は、図４中の上下方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図４中の紙面奥行き方向に沿った軸である。
そして、第３の圧電体層１３１の表面に対し、ｘ軸に平行な圧縮力が加えられた場合、圧電効果により、第３の圧電体層１３１内に電荷が誘起される。その結果、第３の圧電体層１３１の出力電極層１３２側表面近傍には正電荷が集まり、第３の圧電体層１３１のグランド電極層１１側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第３の圧電体層１３１の表面に対し、ｘ軸に平行な引張力が加えられた場合、第３の圧電体層１３１の出力電極層１３２側表面近傍には負電荷が集まり、第３の圧電体層１３１のグランド電極層１１側表面近傍には正電荷が集まる。
【００５０】
第４の圧電体層１３３も、Ｘカット水晶板で構成され、互いに直交するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を有する。ｘ軸は、第４の圧電体層１３３の厚さ方向に沿った軸であり、ｙ軸は、図４中の上下方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図４中の紙面奥行き方向に沿った軸である。
そして、第４の圧電体層１３３の表面に対し、ｘ軸に平行な圧縮力が加えられた場合、圧電効果により、第４の圧電体層１３３内に電荷が誘起される。その結果、第４の圧電体層１３３の出力電極層１３２側表面近傍には正電荷が集まり、第４の圧電体層１３３のグランド電極層１１側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第４の圧電体層１３３の表面に対し、ｘ軸に平行な引張力が加えられた場合、第４の圧電体層１３３の出力電極層１３２側表面近傍には負電荷が集まり、第４の圧電体層１３３のグランド電極層１１側表面近傍には正電荷が集まる。
【００５１】
出力電極層１３２は、第３の圧電体層１３１内および第４の圧電体層１３３内に生じた正電荷または負電荷を電荷Ｑｚとして出力する機能を有する。前述のように、第３の圧電体層１３１の表面または第４の圧電体層１３３の表面にｘ軸に平行な圧縮力が加えられた場合、出力電極層１３２近傍には、正電荷が集まる。その結果、出力電極層１３２からは、正の電荷Ｑｚが出力される。一方、第３の圧電体層１３１の表面または第４の圧電体層１３３の表面にｘ軸に平行な引張力が加えられた場合、出力電極層１３２近傍には、負電荷が集まる。その結果、出力電極層１３２からは、負の電荷Ｑｚが出力される。
【００５２】
第３のセンサー１４は、積層方向ＬＤ（第２の挟持方向）と直交し、第１のセンサー１２が電荷Ｑｘを出力する際に作用する外力の第１検出方向と交差する第２検出方向の外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｘを出力する機能を有する。すなわち、第３のセンサー１４は、外力に応じて正電荷または負電荷を出力するよう構成されている。
第３のセンサー１４は、第５の圧電体層（第２検出板）１４１と、第５の圧電体層１４１と対向して設けられた第６の圧電体層（第２検出板）１４３と、第５の圧電体層１４１と第６の圧電体層１４３との間に設けられた出力電極層１４２を有する。
【００５３】
第５の圧電体層１４１は、Ｙカット水晶板で構成され、互いに直交する結晶軸であるｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を有する。ｙ軸は、第５の圧電体層１４１の厚さ方向に沿った軸であり、ｘ軸は、図４中の上下方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図４中の紙面奥行き方向に沿った軸である。
水晶により構成された第５の圧電体層１４１は、広いダイナミックレンジ、高い剛性、高い固有振動数、高い対荷重性等の優れた特性を有する。また、Ｙカット水晶板は、その面方向に沿った外力（せん断力）に対して電荷を生ずる。
【００５４】
そして、第５の圧電体層１４１の表面に対し、ｘ軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、圧電効果により、第５の圧電体層１４１内に電荷が誘起される。その結果、第５の圧電体層１４１の出力電極層１４２側表面近傍には正電荷が集まり、第５の圧電体層１４１のグランド電極層１１側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第５の圧電体層１４１の表面に対し、ｘ軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、第５の圧電体層１４１の出力電極層１４２側表面近傍には負電荷が集まり、第５の圧電体層１４１のグランド電極層１１側表面近傍には正電荷が集まる。
【００５５】
第６の圧電体層１４３も、Ｙカット水晶板で構成され、互いに直交する結晶軸であるｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を有する。ｙ軸は、第２の圧電体層１２３の厚さ方向に沿った軸であり、ｘ軸は、図４中の上下方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図４中の紙面奥行き方向に沿った軸である。
水晶により構成された第６の圧電体層１４３も第５の圧電体層１４１と同様に、広いダイナミックレンジ、高い剛性、高い固有振動数、高い対荷重性等の優れた特性を有し、Ｙカット水晶板であることにより、その面方向に沿った外力（せん断力）に対して電荷を生ずる。
【００５６】
そして、第６の圧電体層１４３の表面に対し、ｘ軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、圧電効果により、第６の圧電体層１４３内に電荷が誘起される。その結果、第６の圧電体層１４３の出力電極層１４２側表面近傍には正電荷が集まり、第６の圧電体層１４３のグランド電極層１１側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第６の圧電体層１４３の表面に対し、ｘ軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、第６の圧電体層１４３の出力電極層１４２側表面近傍には負電荷が集まり、第６の圧電体層１４３のグランド電極層１１側表面近傍には正電荷が集まる。
【００５７】
電荷出力素子１０では、積層方向ＬＤから見たとき、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３の各ｘ軸と、第５の圧電体層１４１および第６の圧電体層１４３の各ｘ軸とが交差している。また、積層方向ＬＤから見たとき、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３の各ｚ軸と、第５の圧電体層１４１および第６の圧電体層１４３の各ｚ軸とが交差している。
【００５８】
出力電極層１４２は、第５の圧電体層１４１内および第６の圧電体層１４３内に生じた正電荷または負電荷を電荷Ｑｙとして出力する機能を有する。前述のように、第５の圧電体層１４１の表面または第６の圧電体層１４３の表面にｘ軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、出力電極層１４２近傍には、正電荷が集まる。その結果、出力電極層１４２からは、正の電荷Ｑｙが出力される。一方、第５の圧電体層１４１の表面または第６の圧電体層１４３の表面にｘ軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、出力電極層１４２近傍には、負電荷が集まる。その結果、出力電極層１４２からは、負の電荷Ｑｙが出力される。
【００５９】
このように、電荷出力素子１０では、第１のセンサー１２、第２のセンサー１３、および第３のセンサー１４は、各センサーの力検出方向が互いに直交するように積層されている。これにより、各センサーは、それぞれ、互いに直交する力成分に応じて電荷を誘起することができる。そのため、電荷出力素子１０は、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸に沿った各外力のそれぞれに応じて３つの電荷Ｑｘ、Ｑｙ、Ｑｚを出力することができる。
【００６０】
また、電荷出力素子１０は、上述したように、電荷Ｑｚを出力することができるが、力検出装置１では、各外力を求める際、電荷Ｑｚを用いないことが好ましい。すなわち、力検出装置１は、圧縮や引張力を検出せずに、せん断力を検出する装置として用いることが好ましい。これにより、力検出装置１の温度変化に起因するノイズ成分を低減することができる。
【００６１】
ここで、外力検出時に電荷Ｑｚを用いないことが好ましい理由として、力検出装置１を、エンドエフェクターが装着されたアームを有する産業用ロボットに用いた場合を例に挙げて説明する。この場合、アームやエンドエフェクターに設けられたモーター等の発熱源からの熱伝達により、第１基部２または第２基部３が加熱されて熱膨張し、変形する。この変形により、電荷出力素子１０に対する与圧が所定の値から変化してしまう。この電荷出力素子１０に対する与圧変化が、力検出装置１の温度変化に起因するノイズ成分として、電荷Ｑｚに著しい影響を及ぼす程度に含まれてしまうからである。
【００６２】
このようなことから、電荷出力素子１０は、圧縮や引張力が加えられることで生じる電荷Ｑｚを用いずに、せん断力が加えられることで生じる電荷Ｑｘ、Ｑｙのみを検出することで、温度の変動による影響をより受けにくくすることができる。
なお、出力された電荷Ｑｚは、例えば、与圧ボルト７１による与圧の調整に用いられる。
【００６３】
また、本実施形態では、前述した各圧電体層（第１の圧電体層１２１、第２の圧電体層１２３、第３の圧電体層１３１、第４の圧電体層１３３、第５の圧電体層１４１、および第６の圧電体層１４３）は、全て水晶を用いた構成としているが、各圧電体層は、水晶以外の圧電材料を用いた構成であったもよい。水晶以外の圧電材料としては、例えば、トパーズ、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、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等が挙げられる。しかしながら、各圧電体層は、水晶を用いた構成であることが好ましい。水晶により構成された圧電体層は、広いダイナミックレンジ、高い剛性、高い固有振動数、高い対荷重性等の優れた特性を有するためである。
また、前述したように、第１基部２、および第２基部３とは、与圧ボルト７１によって固定されている。
【００６４】
この与圧ボルト７１による固定は、頂面２３１と内壁面３３１との間に各センサーデバイス６を配置した状態で、与圧ボルト７１を第２基部３の側壁３３側から第１基部２の凸部２３に向かって差し込み、与圧ボルト７１の雄ネジ（図示せず）を第１基部２に形成された雌ネジ２４１に螺合する。このようにして、電荷出力素子１０は、当該電荷出力素子１０を収納するパッケージ６０ごと第１基部２と第２基部３とによって所定の大きさの圧力、すなわち、与圧が加えられる。
【００６５】
なお、第１基部２と、第２基部３とは、２つの与圧ボルト７１により、互いに所定量の変位（移動）が可能なように固定される。第１基部２と、第２基部３とが互いに所定量の変位が可能なように固定されることで、力検出装置１に外力（せん断力）が加わることで電荷出力素子１０にせん断力が作用したとき、電荷出力素子１０を構成する層同士の間での摩擦力が確実に生じ、よって、電荷を確実に検出することができる。また、各与圧ボルト７１による与圧方向は、積層方向ＬＤに平行な方向となっている。
【００６６】
図５に示すように、このような構成の電荷出力素子１０は、その積層方向ＬＤが、α軸に対して傾斜角度εで傾斜している。具体的には、第１のセンサー１２のｘ軸および第３のセンサー１４のｚ軸がα軸に対して傾斜角度εで傾斜している。したがって、本実施形態では、α軸は、センサーデバイス６Ａの電荷出力素子１０とセンサーデバイス６Ｂの電荷出力素子１０とのなす角を二等分する二等分線となっている。
【００６７】
また、図６に示すように、各電荷出力素子１０は、第１のセンサー１２のｘ軸と第１基部２の底板２２とのなす角度をηとしたとき、角度ηが０°≦η＜９０°を満足する程度まで傾くのが許容される。なお、図６は、図５中の矢印Ｄ方向から見た図であり、α軸（底板２２の下面２２１）に対して角度ηで傾斜した場合の電荷出力素子１０を仮想線（２点鎖線）で図示しいる。
【００６８】
次に、各アナログ回路基板４が備える変換出力回路９０ａ、変換出力回路９０ｂ、および変換出力回路９０ｃについて詳述する。
［変換出力回路］
図３に示すように、各変換出力回路９０ｃが、電荷Ｑｘ１〜Ｑｘ４のいずれか（電荷Ｑｘ）を電圧Ｖｘ１〜Ｖｘ４のいずれか（代表的に「電圧Ｖｘ」という）に変換し、各変換出力回路９０ｂが、電荷Ｑｚ１〜Ｑｚ４のいずれか（電荷Ｑｚ）を電圧Ｖｚ１〜Ｖｚ４のいずれか（代表的に「電圧Ｖｚｙ」という）に変換し、各変換出力回路９０ａが、電荷Ｑｙ１〜Ｑｙ４のいずれか（電荷Ｑｙ）を電圧Ｖｙ１〜Ｖｙ４のいずれか（代表的に「電圧Ｖｙ」という）に変換する。
【００６９】
以下に、変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃの構成等について詳述するが、各変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃは、同じ構成であるため、以下では、変換出力回路９０ｃについて代表的に説明する。
図３に示すように、変換出力回路９０ｃは、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｘを電圧Ｖｘに変換して電圧Ｖｘを出力する機能を有する。変換出力回路９０ｃは、オペアンプ９１と、コンデンサー９２と、スイッチング素子９３とを有する。オペアンプ９１の第１の入力端子（マイナス入力）は、電荷出力素子１０の出力電極層１２２に接続され、オペアンプ９１の第２の入力端子（プラス入力）は、グランド（基準電位点）に接地されている。また、オペアンプ９１の出力端子は、外力検出回路４０に接続されている。コンデンサー９２は、オペアンプ９１の第１の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９３は、オペアンプ９１の第１の入力端子と出力端子との間に接続され、コンデンサー９２と並列接続されている。また、スイッチング素子９３は、駆動回路（図示せず）に接続されており、駆動回路からのオン／オフ信号に従い、スイッチング素子９３はスイッチング動作を実行する。
【００７０】
スイッチング素子９３がオフの場合、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｘは、静電容量Ｃ１を有するコンデンサー９２に蓄えられ、電圧Ｖｘとして外力検出回路４０に出力される。次に、スイッチング素子９３がオンになった場合、コンデンサー９２の両端子間が短絡される。その結果、コンデンサー９２に蓄えられた電荷Ｑｘは、放電されて０クーロンとなり、外力検出回路４０に出力される電圧Ｖは、０ボルトとなる。スイッチング素子９３がオンとなることを、変換出力回路９０ｃをリセットするという。なお、理想的な変換出力回路９０ｃから出力される電圧Ｖｘは、電荷出力素子１０から出力される電荷Ｑｘの蓄積量に比例する。
【００７１】
スイッチング素子９３は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、その他、半導体スイッチまたはＭＥＭＳスイッチ等である。このようなスイッチは、機械式スイッチ（メカスイッチ）と比べて小型および軽量であるので、力検出装置１の小型化および軽量化に有利である。以下、代表例として、スイッチング素子９３としてＭＯＳＦＥＴを用いた場合を説明する。なお、図３に示すように、このようなスイッチは、変換出力回路９０ｃや、変換出力回路９０ａ、９０ｂに実装されているが、その他、ＡＤコンバーター４０１にも実装することができる。
【００７２】
スイッチング素子９３は、ドレイン電極、ソース電極、およびゲート電極を有している。スイッチング素子９３のドレイン電極またはソース電極の一方がオペアンプ９１の第１の入力端子に接続され、ドレイン電極またはソース電極の他方がオペアンプ９１の出力端子に接続されている。また、スイッチング素子９３のゲート電極は、駆動回路（図示せず）に接続されている。
【００７３】
各変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃのスイッチング素子９３には、同一の駆動回路が接続されていてもよいし、それぞれ異なる駆動回路が接続されていてもよい。各スイッチング素子９３には、駆動回路から、全て同期したオン／オフ信号が入力される。これにより、各変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃのスイッチング素子９３の動作が同期する。すなわち、各変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃのスイッチング素子９３のオン／オフタイミングは一致する。
【００７４】
次に、デジタル回路基板５が備える外力検出回路４０について詳述する。
［外力検出回路］
外力検出回路４０は、各変換出力回路９０ａから出力される電圧Ｖｙ１、Ｖｙ２、Ｖｙ３、Ｖｙ４と、各変換出力回路９０ｂから出力される電圧Ｖｚ１、Ｖｚ２、Ｖｚ３、Ｖｚ４と、各変換出力回路９０ｃから出力される電圧Ｖｘ１、Ｖｘ２、Ｖｘ３、Ｖｘ４とに基づき、加えられた外力を検出する機能を有する。
この外力検出回路４０は、変換出力回路（変換回路）９０ａ、９０ｂ、９０ｃに接続されたＡＤコンバーター４０１と、ＡＤコンバーター４０１に接続された演算部（演算回路）４０２とを有する。
【００７５】
ＡＤコンバーター４０１は、電圧Ｖｘ１、Ｖｙ１、Ｖｚ１、Ｖｘ２、Ｖｙ２、Ｖｚ２、Ｖｘ３、Ｖｙ３、Ｖｚ３、Ｖｘ４、Ｖｙ４、Ｖｚ４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。ＡＤコンバーター４０１によってデジタル変換された電圧Ｖｘ１、Ｖｙ１、Ｖｚ１、Ｖｘ２、Ｖｙ２、Ｖｚ２、Ｖｘ３、Ｖｙ３、Ｖｚ３、Ｖｘ４、Ｖｙ４、Ｖｚ４は、演算部４０２に入力される。
演算部４０２は、デジタル変換された電圧Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚに対して、例えば、各変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃ間の感度の差をなくす補正等の各処理を行なう。そして、演算部４０２は、電荷出力素子１０から出力される電荷Ｑｘ、Ｑｙ、Ｑｚの蓄積量に比例する３つの信号を出力する。
【００７６】
＜α軸、β軸およびγ軸方向の力検出（力検出方法）＞
前述したように、各電荷出力素子１０は、積層方向ＬＤと挟持方向ＳＤとが第１基部２（底板２２）に対して平行であり、かつ、上面３２１の法線ＮＬ2と直交するように設置された状態となっている（図１参照）。
そして、α軸方向の力ＦA、β軸方向の力ＦBおよびγ軸方向の力ＦCは、それぞれ、下記式（１）、（２）および（３）で表すことができる。式（１）〜（３）中の「ｆｘ1-1」は、センサーデバイス６Ａの第１のセンサー１２（第１検出板）のｘ軸方向に加わる力、すなわち、電荷Ｑｘ１（第１の出力）から求められた力であり、「ｆｘ1-2」は、第３のセンサー１４（第２検出板）のｘ軸方向に加わる力、すなわち、電荷Ｑｙ１（第２の出力）から求められた力である。また、「ｆｘ2-1」は、センサーデバイス６Ｂの第１のセンサー１２（第１検出板）のｘ軸方向に加わる力（第３の出力）、すなわち、電荷Ｑｘ２から求められた力であり、「ｆｘ2-2」は、第３のセンサー１４（第２検出板）のｘ軸方向に加わる力、すなわち、電荷Ｑｙ２（第４の出力）から求められた力である。
【００７７】
ＦA＝ｆｘ1-1・cosη・cosε−ｆｘ1-2・sinη・cosε
−ｆｘ2-1・cosη・cosε＋ｆｘ2-2・sinη・cosε・・・（１）
ＦB＝−ｆｘ1-1・cosη・sinε＋ｆｘ1-2・sinη・sinε
−ｆｘ2-1・cosη・sinε＋ｆｘ2-2・sinη・sinε・・・（２）
ＦC＝−ｆｘ1-1・sinη−ｆｘ1-2・cosη−ｆｘ2-1・sinη
−ｆｘ2-2・cosη・・・（３）
【００７８】
例えば、図１、図２に示す構成の力検出装置１の場合、εは４５°、ηは０°となる。式（１）〜（３）のεに４５°を代入し、ηに０°を代入すると、力ＦA〜ＦCは、それぞれ、
ＦA＝ｆｘ1-1／√２−ｆｘ2-1／√２
ＦB＝−ｆｘ1-1／√２−ｆｘ2-1／√２
ＦC＝−ｆｘ1-2−ｆｘ2-2
となる。
【００７９】
このように力検出装置１では、力ＦA〜ＦCを検出する際、温度の変動による影響を受け易い、すなわち、ノイズが乗り易い第２のセンサー１３（電荷Ｑｚ）を用いずに、その検出を行なうことができる。したがって、力検出装置１は、温度の変動による影響を受けにくく、例えば従来の力検出装置の１／２０以下に低減された装置となる。これにより、力検出装置１は、温度変化の激しい環境下でも、力ＦA〜Ｆを正確に安定して検出することができる。
なお、実施形態での力検出装置１全体の並進力ＦA〜ＦC、および回転力ＭA〜ＭCは、各電荷出力素子１０からの電荷に基づいて算出される。また、本実施形態では、電荷出力素子１０は４つ設けられているが、電荷出力素子１０は少なくとも３つ設けられていれば、回転力ＭA〜ＭCを算出することが可能である。
【００８０】
また、このような構成の力検出装置１は、総重量が１ｋｇよりも軽いものとなる。これにより、力検出装置１の重量を取り付けた手首にかかる負荷を低減させることができ、手首を駆動するアクチュエーターの容量を小さくできる為、手首を小型に設計することができる。さらに、この力検出装置１の重量は、ロボットアームが搬送できる最大能力の２０％よりも軽い。これにより、力検出装置１の重量を取り付けたロボットアームの制御を容易にすることができる。
【００８１】
また、本発明では、前述したような電荷出力素子１０を収容するパッケージ６０の構成に特徴を有している。以下に、このパッケージ６０について詳述する。
図７は、センサーデバイス６の拡大縦断面図である。なお、図７では、アナログ回路基板４の図示を省略している。また、説明の都合上、図７中、上側を「上」または「上方」と言い、下側を「下」または「下方」と言う。
【００８２】
［パッケージ］
図７に示すように、パッケージ６０は、底板部材（第１部材）６１と、底板部材６１に対向配置された蓋部材（第２部材）６２と、底板部材６１と蓋部材６２とを連結する側壁部材（第３部材）６７とを有している。このようなパッケージ６０によって、電荷出力素子１０は、気密的に封止され、外気から遮断されることにより、出力された電荷が水分等によって不本意に漏洩されることが防止されている。
底板部材６１は、平板状をなし、第１基部２の凸部２３の頂面２３１と接するように設けられている。この底板部材６１は、第１基部２に加えられた外力を電荷出力素子１０に伝達する機能を有している。
【００８３】
底板部材６１の平面視形状は、凸部２３の頂面２３１と対応する形状をなしており、その平面積が頂面２３１の面積より若干大きくなるように形成されている。したがって、センサーデバイス６を第１基部２と第２基部３との間に固定した状態で、底板部材６１の外縁部６１１は、凸部２３から側方に向かって突出している。
なお、底板部材６１の平面積は、図７に示すように、電荷出力素子１０を内包する程度の大きさであるのが好ましいが、電荷出力素子１０よりも小さくてもよく、同等の大きさであってもよい。
【００８４】
また、本実施形態では、底板部材６１の平面視形状は、四角形であるが、四角形以外の多角形、円形、楕円形等であってもよい。また、底板部材６１の角部は、丸みを帯びていてもよく、また、斜めに切り欠かれていてもよい。
このような底板部材６１の外縁部６１１には、四角形の筒状をなす側壁部材６７が接合されている。この側壁部材６７と底板部材６１とにより凹部６５が画成され、凹部６５内に電荷出力素子１０が、側壁部材６７の内壁面から離間するようにして配置されている。
【００８５】
側壁部材６７は、底板部材６１に接合される下側部６７１と、下側部６７１上に設けられ、下側部６７１の貫通孔の横断面積よりも横断面積が大きい貫通孔を有する上側部６７２とを有している。したがって、下側部６７１と上側部６７２とを接合した状態で、下側部６７１の上面の一部は、上側部６７２の貫通孔内に露出している。
下側部６７１の内壁面には、その高さ方向の途中で貫通孔の横断面積が増大することにより形成された段差部６７３が設けられている。この段差部６７３に、底板部材６１が、側壁部材６７（下側部６７１）の内壁面から離間するようにして接合されている。
【００８６】
また、下側部６７１の所定の箇所には、下側部６７１の上面、外壁面および下面にわたって、４つの端子６６が設けられている。この端子６６の上側部分６６２は、上側部６７２の貫通孔（凹部６５）内に露出しており、当該上側部分６６２において接続部６４と接合されている。これにより、端子６６は、この接続部６４を介して電荷出力素子１０に電気的に接続されている。また、端子６６の下側部分６６１は、側壁部材６７の下面から外部に露出しており、図示しない配線を介してアナログ回路基板４に接合されている。
【００８７】
なお、端子６６は、導電性を有していればよく、例えば、クロム、タングステンなどのメタライズ層（下地層）に、ニッケル、金、銀、銅などの各被膜を積層することにより構成することができる。また、接続部６４は、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で形成することができるが、入手が容易であり、取扱性にも優れているため、Ａｇペーストで形成することが好ましい。
【００８８】
このような側壁部材６７（上側部６７２）の上面には、例えば、金、チタニウム、アルミニウム、銅、鉄またはこれらを含む合金等で構成されるシーリング６３を介して、蓋部材６２が接合されている。
この蓋部材６２は、第２基部３に当接して設けられており、第２基部３に加えられた外力を電荷出力素子１０に伝達する機能を有している。
【００８９】
蓋部材６２は、平板状の部材を、その中央部分６２５が外周部分６２６より第２基部３に向かって突出するように屈曲（または湾曲）変形させることにより、全体として皿状をなすように形成されている。このような構成により、蓋部材６２の中央部分６２５は、第２基部３の内壁面３３１に当接している。なお、中央部分６２５の平面視形状は、特に限定されないが、本実施形態では、電荷出力素子１０の平面視形状に対応する形状、すなわち、四角形をなしている。
【００９０】
なお、底板部材６１および蓋部材６２の厚さは、それぞれ異なっていてもいし、同じであってもよい。
このような構成のパッケージ６０では、底板部材６１の少なくとも一部の縦弾性係数（第１縦弾性係数）および蓋部材６２の少なくとも一部の縦弾性係数（第２縦弾性係数）が、それぞれ、側壁部材６７の縦弾性係数（第３縦弾性係数）よりも低くなっている。
【００９１】
このため、底板部材６１および蓋部材６２は、側壁部材６７よりも、応力が加えられた際に弾性変形しやすい。そのため、底板部材６１および蓋部材６２は、第１基部２や第２基部３に繰り返して外力が加えられても、その外力に応じて変形することができる。したがって、底板部材６１および蓋部材６２が破損することを低減することができ、よって、力検出装置１は、長期にわたって信頼性に優れたものとなる。また、与圧ボルト７１でセンサーデバイス６を第１基部２と第２基部３との間に固定する際に、与圧ボルト７１の締め付けにより底板部材６１および蓋部材６２に必要以上に圧力が加わっても、底板部材６１および蓋部材６２が破損することを低減することができる。
【００９２】
また、前述したように、電荷出力素子１０および底板部材６１は、側壁部材６７の内壁面から離間して設けられている。このため、電荷出力素子１０および底板部材６１が変形した場合でも、側壁部材６７と接触することを回避することができる。これにより、電荷出力素子１０および底板部材６１が破損することも低減することができる。かかる観点からも、力検出装置１は、長期にわたって信頼性に優れたものとなる。
【００９３】
また、底板部材６１は、その一部のみ（特に、凸部２３と接触する部分のみ）が第１縦弾性係数を有していてもよいが、その全体にわたって第１縦弾性係数を有することが好ましい。これにより、底板部材６１を単一の部材および単一の材料で構成することができ、底板部材６１の全体にわたって縦弾性係数および機械的強度の均一化を図ることができる。このため、底板部材６１が、第１基部２に加えられた外力によって破損することがより確実に低減されるとともに、底板部材６１を介して電荷出力素子１０により正確に外力を伝達することもできる。
【００９４】
蓋部材６２も、その一部（特に、中央部分６２５のみ）が第２縦弾性係数を有していてもよいが、その全体にわたって第２縦弾性係数を有することが好ましい。これにより、蓋部材６２を単一の部材および単一の材料で構成することができ、蓋部材６２の全体にわたって縦弾性係数および機械的強度の均一化を図ることができる。特に、蓋部材６２は、中央部分６２５と外周部分６２６とを傾斜部分で接続したような形状（皿状）をなすため、単一の部材および単一の材料で構成すれば、各部分の接合部における機械的強度の急激な変化を低減することができる。このため、蓋部材６２が、第２基部３に加えられた外力によって破損することがより確実に低減されるとともに、蓋部材６２を介して電荷出力素子１０により正確に外力を伝達することもできる。
【００９５】
また、第１縦弾性係数と第２縦弾性係数との差は、第１縦弾性係数の１０分の１以下であることが好ましく、２０分の１以下であることがより好ましく、３０分の１以下であることがさらに好ましい。これにより、底板部材６１および蓋部材６２のいずれか一方のみに応力が集中することを回避することができる。そのため、第１基部２および第２基部３に加えられる外力が分散することによって、底板部材６１や蓋部材６２が破損することをより確実に低減することができる。
【００９６】
具体的には、第１縦弾性係数は、５０ＧＰａ以上３００ＧＰａ以下であることが好ましく、１００ＧＰａ以上２５０ＧＰａ以下であることがより好ましく、１２０ＧＰａ以上２００ＧＰａ以下であることがさらに好ましい。第１縦弾性係数が前記範囲内であれば、底板部材６１は、適度な剛性を有するとともに、効率よく弾性変形する。このため、底板部材６１は、第１基部２に繰り返して外力が加えられても、その外力に応じてより効的確に変形することができる。そのため、底板部材６１が、第１基部２に加えられた外力によって破損することをより確実に低減されるとともに、底板部材６１を介して電荷出力素子１０により正確に外力を伝達することができる。
【００９７】
また、第２縦弾性係数は、５０ＧＰａ以上３００ＧＰａ以下であることが好ましく、１００ＧＰａ以上２５０ＧＰａ以下であることがより好ましく、１２０ＧＰａ以上２００ＧＰａ以下であることがさらに好ましい。第２縦弾性係数が前記範囲内であれば、蓋部材６２は、適度な剛性を有するとともに、効率よく弾性変形する。このため、蓋部材６２は、第２基部３に繰り返して外力が加えられても、その外力に応じてより的確に変形することができる。そのため、蓋部材６２が、第２基部３に加えられた外力によって破損することがより確実に低減されるとともに、蓋部材６２を介して電荷出力素子１０により正確に外力を伝達することができる。
【００９８】
また、第３縦弾性係数は、２００ＧＰａ以上５００ＧＰａ以下であることが好ましく、２５０ＧＰａ以上４８０ＧＰａ以下であることがより好ましく、３００ＧＰａ以上４５０ＧＰａ以下であることがさらに好ましい。第３縦弾性係数が前記範囲内であれば、側壁部材６７は十分な剛性を備えるため、パッケージ６０全体としての機械的強度を十分に確保することができる。このため、繰り返し外力が加わっても、パッケージ６０の変形による損傷が生じにくくなり、内部に収容された電荷出力素子１０をより確実に保護することができる。
なお、第３縦弾性係数とは、複数の部材を含んでなる側壁部材６７全体における縦弾性係数をいう。
【００９９】
また、底板部材６１、蓋部材６２および側壁部材６７の熱膨張係数は、それぞれ、電荷出力素子１０が備える圧電体層１２１、１２３、１３１、１３３、１４１、１４３の熱膨張係数とできる限り近いことが好ましい。これにより、圧電体層１２１、１２３、１３１、１３３、１４１、１４３が温度変化によって膨張または収縮した場合であっても、底板部材６１、蓋部材６２および側壁部材６７が圧電体層と同程度で膨張または収縮することとなる。そのため、圧電体層１２１、１２３、１３１、１３３、１４１、１４３に、底板部材６１、蓋部材６２および側壁部材６７との熱変形の程度の差によって、圧縮応力または引張応力が生じることをより低減することができる。したがって、温度変化によって不要な電荷が出力されることをより低減することができ、よって、力検出装置１は、より精度の高い力検出を行うことができる。
【０１００】
本実施形態では、圧電体層１２１、１２３、１３１、１３３、１４１、１４３が水晶で構成されており、ｘ軸方向の２５℃から２００℃における熱膨張係数が１３．４×１０-6（１／Ｋ）、ｙ軸方向の２５℃から２００℃における熱膨張係数が１３．４×１０-6（１／Ｋ）、ｚ軸方向の２５℃から２００℃における熱膨張係数７．８×１０-6（１／Ｋ）となっている。
【０１０１】
したがって、圧電体層１２１、１２３、１３１、１３３、１４１、１４３を水晶で構成する場合には、底板部材６１、蓋部材６２および側壁部材６７の構成材料としては、それぞれ、２５℃から２００℃における熱膨張係数が、１×１０-6（１／Ｋ）以上１×１０-7（１／Ｋ）以下の材料であることが好ましく、３×１０-6（１／Ｋ）以上９×１０-6（１／Ｋ）以下の材料であることがより好ましい。これにより、各圧電体層１２１、１２３、１３１、１３３、１４１、１４３に、底板部材６１、蓋部材６２および側壁部材６７との熱変形の程度の差により、圧縮応力または引張応力が生じることをより低減することができる。
【０１０２】
また、底板部材６１の構成材料と蓋部材６２の構成材料とは、同一であってもよく、異なっていてもよいが、同一であることが好ましい。これにより、底板部材６１と蓋部材６２との縦弾性係数や熱膨張係数をほぼ等しくすることがきる。このため、加えられた外力によって底板部材６１および蓋部材６２が破損することをさらに効果的に低減することができる。また、底板部材６１および蓋部材６２との熱変形の程度の差によって、圧電体層１２１、１２３、１３１、１３３、１４１、１４３に圧縮応力または引張応力が生ることをより効果的に低減することもできる。また、底板部材６１の構成材料と蓋部材６２の構成材料とが同一であることで、例えば横弾性係数や硬さ等の材料特性についてもほぼ等しくすることができる。これにより、加えられる外力が底板部材６１および蓋部材６２のいずれか一方に集中することが回避され、これらが不本意に変形や破損することを特に効果的に低減することができる。
ここで、本明細書において、同一の構成材料とは、組成比が完全に一致している材料のみならず、組成比が若干異なっていても、特性（縦弾性係数や熱膨張係数）がほぼ等しい材料も含む。
【０１０３】
以上のような条件を満足する底板部材６１および蓋部材６２の構成材料としては、例えば、ステンレス鋼、コバール、銅、鉄、炭素鋼、チタン等の各種金属材料等が挙げられるが、中でも特に、コバールであることが好ましい。これにより、底板部材６１は、比較的高い剛性を有するとともに、応力が加えられたときに適度に弾性変形する。このため、底板部材６１は、第１基部２に加えられた外力を電荷出力素子１０に正確に伝達することができるとともに、その外力によって破損することをさらに低減することができる。また、コバールは、成形加工性に優れているという観点からも好ましい。
【０１０４】
また、コバールの２５℃から２００℃における熱膨張係数は、５．２×１０-6（１／Ｋ）であり、水晶の熱膨張係数に近い値である。そのため、本実施形態のように、電荷出力素子１０が備える圧電体層１２１、１２３、１３１、１３３、１４１、１４３が水晶で構成されている場合には、各圧電体層１２１、１２３、１３１、１３３、１４１、１４３に底板部材６１および蓋部材６２との熱変形の程度の差によって圧縮応力または引張応力が生じることを特に効果的に抑制することができる。
【０１０５】
一方、上記条件を満足する側壁部材６７の構成材料としては、特に限定されないが、絶縁性材料であることが好ましく、例えば、アルミナ、ジルコニア等の酸化物系のセラミックス、炭化ケイ素等の炭化物系のセラミックス、窒化ケイ素等の窒化物系のセラミックス等の各種セラミックスを含むことがより好ましく、各種セラミックスを主成分とすることがさらに好ましい。セラミックスは、適度な剛性を有するともに、絶縁性に優れている。そのため、パッケージ６０の変形による損傷が生じにくく、内部に収容された電荷出力素子１０をより確実に保護することができるとともに、端子６６同士が短絡することをより確実に回避することができる。また、側壁部材６７の加工精度をより高めることもできる。
また、側壁部材６７の構成材料としては、熱膨張係数が前記範囲内を満たすセラミックスを主成分とすることが好ましい。これにより、圧電体層１２１、１２３、１３１、１３３、１４１、１４３に、側壁部材６７との熱変形の程度の差によって、圧縮応力または引張応力が生じることをより低減することができる。
【０１０６】
なお、本実施形態では、収容部（パッケージ）の第１部材が底板部材であり、第２部材が蓋部材であり、第３部材が側壁部材であるとして説明したが、第１部材とは、圧電素子と第１基部との間で、かつ、力検出装置の厚さ方向から見て圧電素子と第１基部とが重なっている領域に位置する部材をいう。また、第２部材とは、圧電素子と第２基部との間で、かつ、力検出装置の厚さ方向から見て圧電素子と第２基部とが重なっている領域に位置する部材をいう。また、第３部材は、第１部材と第２部材を接続している部材をいい、好ましくは、圧電素子（電荷出力素子）、第１基部および第２基部に接触することなく設けられている部材をいう。
【０１０７】
２．単腕ロボット
次に、図８に基づき、本発明に係るロボットの実施形態である単腕ロボットを説明する。
図８は、本発明に係る力検出装置を用いた単腕ロボットの１例を示す図である。図８の単腕ロボット５００は、基台５１０と、アーム５２０と、アーム５２０の先端側に設けられたエンドエフェクター５３０と、アーム５２０とエンドエフェクター５３０との間に設けられた力検出装置１とを有する。なお、力検出装置１としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
基台５１０は、アーム５２０を回動させるための動力を発生させるアクチュエーター（図示せず）およびアクチュエーターを制御する制御部（図示せず）等を収納する機能を有する。また、基台５１０は、例えば、床、壁、天井、移動可能な台車上などに固定される。
【０１０８】
アーム５２０は、第１のアーム要素５２１、第２のアーム要素５２２、第３のアーム要素５２３、第４のアーム要素５２４および第５のアーム要素５２５を有しており、隣り合うアーム同士を回動自在に連結することにより構成されている。アーム５２０は、制御部の制御によって、各アーム要素の連結部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。
【０１０９】
エンドエフェクター５３０は、対象物を把持する機能を有する。エンドエフェクター５３０は、第１の指５３１および第２の指５３２を有している。アーム５２０の駆動によりエンドエフェクター５３０が所定の動作位置まで到達した後、第１の指５３１および第２の指５３２の離間距離を調整することにより、対象物を把持することができる。
なお、エンドエフェクター５３０は、ここでは、ハンドであるが、本発明では、これに限定されるものではない。エンドエフェクターの他の例としては、例えば、部品検査用器具、部品搬送用器具、部品加工用器具、部品組立用器具、測定器等が挙げられる。これは、他の実施形態におけるエンドエフェクターについても同様である。
【０１１０】
力検出装置１は、エンドエフェクター５３０に加えられる外力を検出する機能を有する。力検出装置１が検出する力を基台５１０の制御部にフィードバックすることにより、単腕ロボット５００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、単腕ロボット５００は、エンドエフェクター５３０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なうことができ、単腕ロボット５００は、より安全に作業を実行することができる。
なお、図示の構成では、アーム５２０は、合計５本のアーム要素によって構成されているが、本発明はこれに限られない。アーム５２０が、１本のアーム要素に構成されている場合、２〜４本のアーム要素によって構成されている場合、６本以上のアーム要素によって構成されている場合も本発明の範囲内である。
【０１１１】
３．複腕ロボット
次に、図９に基づき、本発明に係るロボットの実施形態である複腕ロボットを説明する。
図９は、本発明に係る力検出装置を用いた複腕ロボットの１例を示す図である。図９の複腕ロボット６００は、基台６１０と、第１のアーム６２０と、第２のアーム６３０と、第１のアーム６２０の先端側に設けられた第１のエンドエフェクター６４０ａと、第２のアーム６３０の先端側に設けられた第２のエンドエフェクター６４０ｂと、第１のアーム６２０と第１のエンドエフェクター６４０ａ間および第２のアーム６３０と第２のエンドエフェクター６４０ｂとの間に設けられた力検出装置１を有する。なお、力検出装置１としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
基台６１０は、第１のアーム６２０および第２のアーム６３０を回動させるための動力を発生させるアクチュエーター（図示せず）およびアクチュエーターを制御する制御部（図示せず）等を収納する機能を有する。また、基台６１０は、例えば、床、壁、天井、移動可能な台車上などに固定される。
【０１１２】
第１のアーム６２０は、第１のアーム要素６２１および第２のアーム要素６２２を回動自在に連結することにより構成されている。第２のアーム６３０は、第１のアーム要素６３１および第２のアーム要素６３２を回動自在に連結することにより構成されている。第１のアーム６２０および第２のアーム６３０は、制御部の制御によって、各アーム要素の連結部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。
【０１１３】
第１、第２のエンドエフェクター６４０ａ、６４０ｂは、対象物を把持する機能を有する。第１のエンドエフェクター６４０ａは、第１の指６４１ａおよび第２の指６４２ａを有している。第２のエンドエフェクター６４０ｂは、第１の指６４１ｂおよび第２の指６４２ｂを有している。第１のアーム６２０の駆動により第１のエンドエフェクター６４０ａが所定の動作位置まで到達した後、第１の指６４１ａおよび第２の指６４２ａの離間距離を調整することにより、対象物を把持することができる。同様に、第２のアーム６３０の駆動により第２のエンドエフェクター６４０ｂが所定の動作位置まで到達した後、第１の指６４１ｂおよび第２の指６４２ｂの離間距離を調整することにより、対象物を把持することができる。
【０１１４】
力検出装置１は第１、第２のエンドエフェクター６４０ａ、６４０ｂに加えられる外力を検出する機能を有する。力検出装置１が検出する力を基台６１０の制御部にフィードバックすることにより、複腕ロボット６００は、より精密に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、複腕ロボット６００は、第１、第２のエンドエフェクター６４０ａ、６４０ｂ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なうことができ、複腕ロボット６００は、より安全に作業を実行することができる。
なお、図示の構成では、アームは合計２本であるが、本発明はこれに限られない。複腕ロボット６００が３本以上のアームを有している場合も、本発明の範囲内である。
【０１１５】
４．電子部品検査装置および電子部品搬送装置
次に、図１０、図１１に基づき、本発明の力検出装置を備えた電子部品検査装置および電子部品搬送装置を説明する。
図１０は、本発明に係る力検出装置を用いた電子部品検査装置および部品搬送装置の１例を示す図である。図１１は、本発明に係る力検出装置を用いた電子部品搬送装置の１例を示す図である。
【０１１６】
図１０の電子部品検査装置７００は、基台７１０と、基台７１０の側面に立設された支持台７２０とを有する。基台７１０の上面には、検査対象の電子部品７１１が載置されて搬送される上流側ステージ７１２ｕと、検査済みの電子部品７１１が載置されて搬送される下流側ステージ７１２ｄとが設けられている。また、上流側ステージ７１２ｕと下流側ステージ７１２ｄとの間には、電子部品７１１の姿勢を確認するための撮像装置７１３と、電気的特性を検査するために電子部品７１１がセットされる検査台７１４とが設けられている。なお、電子部品７１１の例として、半導体、半導体ウェハー、ＣＬＤやＯＬＥＤ等の表示デバイス、水晶デバイス、各種センサー、インクジェットヘッド、各種ＭＥＭＳデバイス等などが挙げられる。
【０１１７】
また、支持台７２０には、基台７１０の上流側ステージ７１２ｕおよび下流側ステージ７１２ｄと平行な方向（Ｙ方向）に移動可能にＹステージ７３１が設けられており、Ｙステージ７３１からは、基台７１０に向かう方向（Ｘ方向）に腕部７３２が延設されている。また、腕部７３２の側面には、Ｘ方向に移動可能にＸステージ７３３が設けられている。また、Ｘステージ７３３には、撮像カメラ７３４と、上下方向（Ｚ方向）に移動可能なＺステージを内蔵した電子部品搬送装置７４０が設けられている。また、電子部品搬送装置７４０の先端側には、電子部品７１１を把持する把持部７４１が設けられている。また、電子部品搬送装置７４０の先端と、把持部７４１との間には、力検出装置１が設けられている。更に、基台７１０の前面側には、電子部品検査装置７００の全体の動作を制御する制御装置７５０が設けられている。なお、力検出装置１としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
【０１１８】
電子部品検査装置７００は、以下のようにして電子部品７１１の検査を行なう。最初に、検査対象の電子部品７１１は、上流側ステージ７１２ｕに載せられて、検査台７１４の近くまで移動する。次に、Ｙステージ７３１およびＸステージ７３３を動かして、上流側ステージ７１２ｕに載置された電子部品７１１の真上の位置まで電子部品搬送装置７４０を移動させる。このとき、撮像カメラ７３４を用いて電子部品７１１の位置を確認することができる。そして、電子部品搬送装置７４０内に内蔵されたＺステージを用いて電子部品搬送装置７４０を降下させ、把持部７４１で電子部品７１１を把持すると、そのまま電子部品搬送装置７４０を撮像装置７１３の上に移動させて、撮像装置７１３を用いて電子部品７１１の姿勢を確認する。次に、電子部品搬送装置７４０に内蔵されている微調整機構を用いて電子部品７１１の姿勢を調整する。そして、電子部品搬送装置７４０を検査台７１４の上まで移動させた後、電子部品搬送装置７４０に内蔵されたＺステージを動かして電子部品７１１を検査台７１４の上にセットする。電子部品搬送装置７４０内の微調整機構を用いて電子部品７１１の姿勢が調整されているので、検査台７１４の正しい位置に電子部品７１１をセットすることができる。次に、検査台７１４を用いて電子部品７１１の電気的特性検査が終了した後、今度は検査台７１４から電子部品７１１を取り上げ、Ｙステージ７３１およびＸステージ７３３を動かして、下流側ステージ７１２ｄ上まで電子部品搬送装置７４０を移動させ、下流側ステージ７１２ｄに電子部品７１１を置く。最後に、下流側ステージ７１２ｄを動かして、検査が終了した電子部品７１１を所定位置まで搬送する。
【０１１９】
図１１は、力検出装置１を含む電子部品搬送装置７４０を示す図である。電子部品搬送装置７４０は、把持部７４１と、把持部７４１に接続された６軸の力検出装置１と、６軸の力検出装置１を介して把持部７４１に接続された回転軸７４２と、回転軸７４２に回転可能に取り付けられた微調整プレート７４３を有する。また、微調整プレート７４３は、ガイド機構（図示せず）によってガイドされながら、Ｘ方向およびＹ方向に移動可能である。
【０１２０】
また、回転軸７４２の端面に向けて、回転方向用の圧電モーター７４４θが搭載されており、圧電モーター７４４θの駆動凸部（図示せず）が回転軸７４２の端面に押しつけられている。このため、圧電モーター７４４θを動作させることによって、回転軸７４２（および把持部７４１）をθ方向に任意の角度だけ回転させることが可能である。また、微調整プレート７４３に向けて、Ｘ方向用の圧電モーター７４４ｘと、Ｙ方向用の圧電モーター７４４ｙとが設けられており、それぞれの駆動凸部（図示せず）が微調整プレート７４３の表面に押しつけられている。このため、圧電モーター７４４ｘを動作させることによって、微調整プレート７４３（および把持部７４１）をＸ方向に任意の距離だけ移動させることができ、同様に、圧電モーター７４４ｙを動作させることによって、微調整プレート７４３（および把持部７４１）をＹ方向に任意の距離だけ移動させることが可能である。
【０１２１】
また、力検出装置１は、把持部７４１に加えられる外力を検出する機能を有する。力検出装置１が検出する力を制御装置７５０にフィードバックすることにより、電子部品搬送装置７４０および電子部品検査装置７００は、より精密に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、把持部７４１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なうことができ、電子部品搬送装置７４０および電子部品検査装置７００は、より安全な作業を実行可能である。
【０１２２】
５．部品加工装置の実施形態
次に、図１２に基づき、本発明の力検出装置を備えた部品加工装置の実施形態を説明する。
図１２は、本発明に係る力検出装置を用いた部品加工装置の１例を示す図である。図１２の部品加工装置８００は、基台８１０と、基台８１０の上面に起立形成された支柱８２０と、支柱８２０の側面に設けられた送り機構８３０と、送り機構８３０に昇降可能に取り付けられた工具変位部８４０と、工具変位部８４０に接続された力検出装置１と、力検出装置１を介して工具変位部８４０に装着された工具８５０を有する。なお、力検出装置１としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
【０１２３】
基台８１０は、被加工部品８６０を載置し、固定するための台である。支柱８２０は、送り機構８３０を固定するための柱である。送り機構８３０は、工具変位部８４０を昇降させる機能を有する。送り機構８３０は、送り用モーター８３１と、送り用モーター８３１からの出力に基づいて工具変位部８４０を昇降させるガイド８３２を有する。工具変位部８４０は、工具８５０に回転、振動等の変位を与える機能を有する。工具変位部８４０は、変位用モーター８４１と、変位用モーター８４１に連結された主軸（図示せず）の先端に設けられた工具取付け部８４３と、工具変位部８４０に取り付けられ主軸を保持する保持部８４２とを有する。工具８５０は、工具変位部８４０の工具取付け部８４３に、力検出装置１を介して取り付けられ、工具変位部８４０から与えられる変位に応じて被加工部品８６０を加工するために用いられる。工具８５０は、特に限定されないが、例えば、レンチ、プラスドライバー、マイナスドライバー、カッター、丸のこ、ニッパー、錐、ドリル、フライス等である。
【０１２４】
力検出装置１は、工具８５０に加えられる外力を検出する機能を有する。力検出装置１が検出する外力を送り用モーター８３１や変位用モーター８４１にフィードバックすることにより、部品加工装置８００は、より精密に部品加工作業を実行することができる。また、力検出装置１が検出する外力によって、工具８５０の障害物への接触等を検知することができる。そのため、工具８５０に障害物等が接触した場合に緊急停止することができ、部品加工装置８００は、より安全な部品加工作業を実行可能である。
以上、本発明の力検出装置、およびロボットを図示の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、力検出装置、およびロボットを構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができる。また、任意の構成物が付加されていてもよい。
【０１２５】
また、本発明の力検出装置、およびロボットは、前記各実施形態のうちの、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、本発明の力検出装置では、電荷出力素子は、４つ設けられていたが、電荷出力素子の数は、これに限定されない。例えば、電荷出力素子は、１つであっても、２つであっても、３つであってもよく、また、５つ以上であってもよい。
【０１２６】
また、本発明では、与圧ボルトに替えて、例えば、素子に与圧を加える機能を有してないものを用いてもよく、また、ボルト以外の固定方法を採用してもよい。
また、本発明のロボットは、アームを有していれば、アーム型ロボット（ロボットアーム）に限定されず、他の形式のロボット、例えば、スカラーロボット、脚式歩行（走行）ロボット等であってもよい。
【０１２７】
また、本発明の力検出装置は、ロボット、電子部品搬送装置、電子部品検査装置、および部品加工装置に限らず、他の装置、例えば、他の搬送装置、他の検査装置、自動車、バイク、飛行機、船、電車等の乗り物、２足歩行ロボット、車輪移動ロボット等の移動体、振動計、加速度計、重力計、動力計、地震計、傾斜計等の測定装置、入力装置等にも適用することができる。
【符号の説明】
【０１２８】
１…力検出装置  ２…第１基部  ２２…底板  ２３…凸部  ２２１…下面（第１面）  ２３１…頂面  ２４…壁部  ２４１…雌ネジ  ２７１…中心軸  ２７２…中心  ３…第２基部  ３２…天板  ３３…側壁  ３２１……上面（第２面）  ３３１…内壁面  ４…アナログ回路基板  ４０…外力検出回路  ４０１…ＡＤコンバーター  ４０２…演算部  ４１…孔  ４３…パイプ  ５…デジタル回路基板  ６、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ…センサーデバイス（圧力検出部）  ６０…パッケージ（収容部）  ６１…底板部材（第１部材）  ６１１…縁部  ６２…蓋部材（第２部材）  ６２５…中央部分  ６２６…外周部分  ６３…シーリング  ６４…接続部  ６５…凹部  ６６…端子  ６６１…下側部分  ６６２…上側部分  ６７…側壁部材（第３部材）  ６７１…下側部  ６７２…上側部  ６７３…段差部  ７１…与圧ボルト  ９０ａ、９０ｂ、９０ｃ…変換出力回路  ９１…オペアンプ  ９２…コンデンサー  ９３…スイッチング素子  １０…電荷出力素子（圧電素子）  １１…グランド電極層  １２…第１のセンサー  １２１…第１の圧電体層（圧電体層）  １２２…出力電極層  １２３…第２の圧電体層（圧電体層）  １３…第２のセンサー  １３１…第３の圧電体層（圧電体層）  １３２…出力電極層  １３３…第４の圧電体層（圧電体層）  １４…第３のセンサー  １４１…第５の圧電体層（圧電体層）  １４２…出力電極層  １４３…第６の圧電体層（圧電体層）  ５００…単腕ロボット  ５１０…基台  ５２０…アーム  ５２１…第１のアーム要素  ５２２…第２のアーム要素  ５２３…第３のアーム要素  ５２４…第４のアーム要素  ５２５…第５のアーム要素  ５３０…エンドエフェクター  ５３１…第１の指  ５３２…第２の指  ６００…複腕ロボット  ６１０…基台  ６２０…第１のアーム  ６２１…第１のアーム要素  ６２２…第２のアーム要素  ６３０…第２のアーム  ６３１…第１のアーム要素  ６３２…第２のアーム要素  ６４０ａ…第１のエンドエフェクター  ６４１ａ…第１の指  ６４２ａ…第２の指  ６４０ｂ…第２のエンドエフェクター  ６４１ｂ…第１の指  ６４２ｂ…第２の指  ７００…電子部品検査装置  ７１０…基台  ７１１…電子部品  ７１２ｕ…上流側ステージ  ７１２ｄ…下流側ステージ  ７１３…撮像装置  ７１４…検査台  ７２０…支持台  ７３１…Ｙステージ  ７３２…腕部  ７３３…Ｘステージ  ７３４…撮像カメラ  ７４０…電子部品搬送装置  ７４１…把持部  ７４２…回転軸  ７４３…微調整プレート  ７４４ｘ、７４４ｙ、７４４θ…圧電モーター  ７５０…制御装置  ８００…部品加工装置  ８１０…基台  ８２０…支柱  ８３０…送り機構  ８３１…送り用モーター  ８３２…ガイド  ８４０…工具変位部  ８４１…変位用モーター  ８４２…保持部  ８４３…工具取付け部  ８５０…工具  ８６０…被加工部品  ＬＤ…積層方向  ＳＤ…挟持方向  ＮＬ1、ＮＬ2…法線  Ｑｘ、Ｑｙ、Ｑｚ、Ｑｘ１、Ｑｙ１、Ｑｚ１、Ｑｘ２、Ｑｙ２、Ｑｚ２、Ｑｘ３、Ｑｙ３、Ｑｚ３、Ｑｘ４、Ｑｙ４、Ｑｚ４…電荷  Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ、Ｖｘ１、Ｖｙ１、Ｖｚ１、Ｖｘ２、Ｖｙ２、Ｖｚ２、Ｖｘ３、Ｖｙ３、Ｖｚ３、Ｖｘ４、Ｖｙ４、Ｖｚ４…電圧  θ…傾斜角度  ε…傾斜角度  η…角度
【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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【手続補正書】
【提出日】平成29年12月25日(2017.12.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１基部と、
第２基部と、
前記第１基部と前記第２基部との間に設けられているセンサーデバイスと、を備え、
前記センサーデバイスは、
端子を有する側壁部材と、
前記側壁部材に接続されている底板部材と、
前記側壁部材と前記底板部材とによって形成される凹部に配置され、外力に応じて信号を出力する圧電素子と、
導電性ペーストで形成され、前記端子と前記圧電素子を電気的に接続する接続部と、
前記側壁部材に接続され、前記凹部を封止する蓋部材と、を有し、
前記底板部材は、一方の面で前記第１基部と接し、他方の面で前記圧電素子と接しており、
前記蓋部材は、一方の面で前記第２基部と接し、他方の面で前記圧電素子と接しており、
前記底板部材の縦弾性係数は、前記側壁部材の縦弾性係数よりも低く、
前記圧電素子の構成材料は、水晶を含み、
前記底板部材の構成材料は、ステンレス鋼、コバール、銅、鉄、炭素鋼、チタンのいずれか１つを含む、ことを特徴とする力検出装置。
【請求項２】
前記蓋部材の縦弾性係数は、前記側壁部材の縦弾性係数よりも低く、
前記蓋部材の構成材料は、ステンレス鋼、コバール、銅、鉄、炭素鋼、チタンのいずれか１つを含む請求項１に記載の力検出装置。
【請求項３】
前記導電性ペーストは、Ａｇペーストを含む請求項１または２に記載の力検出装置。
【請求項４】
前記底板部材の縦弾性係数と前記蓋部材の縦弾性係数との差は、前記第１縦弾性係数の１０分の１以下である請求項２または３に記載の力検出装置。
【請求項５】
前記底板部材の構成材料と前記蓋部材の構成材料とは、同一である請求項２から４のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項６】
前記側壁部材の構成材料は、セラミックを含む請求項１から５のいずれか１項に記載の力件出装置。
【請求項７】
前記底板部材の構成材料は、コバールを含む請求項１から６に記載の力検出装置。
【請求項８】
前記蓋部材の構成材料は、コバールを含む請求項７に記載の力検出装置。
【請求項９】
アームを備え、
前記アームに設けられたエンドエフェクターと、
前記アームと前記エンドエフェクターとの間に設けられている請求項１から８のいずれか１項に記載の力検出装置と、が設けられていることを特徴とするロボット。