(57)【要約】【課題】高い力検出特性を有する力検出センサー、力覚センサーおよびロボットを提供する。【解決手段】力検出センサーは、外部から力を受ける第１面と、前記第１面とは法線方向が異なる第２面と、を備える基体と、前記第２面上に配置されている櫛歯電極と、を有する。また、前記第２面は、前記第１面が前記力を受けることで変形する。また、前記第２面は、圧電体の表面で構成されている部分を有し、前記部分に前記櫛歯電極が形成されている。また、前記圧電体は、水晶である。また、前記第２面は、前記水晶の電気軸と平行である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から力を受ける第１面と、前記第１面とは法線方向が異なる第２面と、を備える基体と、
前記第２面上に配置されている櫛歯電極と、を有することを特徴とする力検出センサー。
【請求項２】
前記第２面は、前記第１面が前記力を受けることで変形する請求項１に記載の力検出センサー。
【請求項３】
前記第２面は、圧電体の表面で構成されている請求項１または２に記載の力検出センサー。
【請求項４】
前記圧電体は、構成材料が水晶である請求項３に記載の力検出センサー。
【請求項５】
前記第１面は、前記水晶の電気軸と交差している請求項４に記載の力検出センサー。
【請求項６】
前記基体は、第１基体と、前記第１基体に接続されている第２基体と、を有し、
前記第１基体が前記第１面を有し、
前記第２基体が前記第２面を有する請求項１ないし５のいずれか１項に記載の力検出センサー。
【請求項７】
前記基体は、予圧されている請求項１ないし６のいずれか１項に記載の力検出センサー。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の力検出センサーを有することを特徴とする力覚センサー。
【請求項９】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の力検出センサーを有す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、力検出センサー、力覚センサーおよびロボットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、力検出センサーとして、振動子を用いた構成が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１に記載の力検出センサーは、基板と、基板上に積層された第１振動子および第２振動子とを有している。そして、第１振動子を振動させた状態で、第２振動子が対象物に押圧されると、押圧された分だけ、第１振動子の振動が第２振動子に伝わり易くなり、第２振動子から第１振動子と同じ周波数の信号が押圧力に応じた振幅で出力される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３１５７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような力検出センサーでは、第２振動子から出力される信号に、押圧力の微小な変化に応じた微小な振幅の変化が表れ難く、高い力検出特性を発揮することが困難であった。
【０００５】
本発明の目的は、高い力検出特性を有する力検出センサー、力覚センサー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。
【０００７】
本発明の力検出センサーは、外部から力を受ける第１面と、前記第１面とは法線方向が異なる第２面と、を備える基体と、
前記第２面上に配置されている櫛歯電極と、を有することを特徴とする。
これにより、第１面が力を受けると、櫛歯電極の電極指のピッチが変化する。電極指のピッチが変化すると、櫛歯電極に通電することで基体の表面に励起される弾性表面波の周波数（ＳＡＷ共振器の共振周波数）も変化するため、この周波数変化に基づいて、受けた力を検出することができる。このように、周波数変化に基づいて受けた力を検出することで、微小な力（微小な力変化）も高い精度で検出することができ、高い力検出特性を発揮することのできる力検出センサーとなる。
【０００８】
本発明の力検出センサーでは、前記第２面は、前記第１面が前記力を受けることで変形することが好ましい。
これにより、より確実に、受けた力の大きさに応じて、櫛歯電極の電極指のピッチが変化する。
【０００９】
本発明の力検出センサーでは、前記第２面は、圧電体の表面で構成されていることが好ましい。
これにより、櫛歯電極に通電することで、より確実に、基体の表面に弾性表面波を励起することができる。
【００１０】
本発明の力検出センサーでは、前記圧電体は、構成材料が水晶であることが好ましい。
これにより、優れた温度特性、および、優れた機械的強度を発揮することができる。
【００１１】
本発明の力検出センサーでは、前記第１面は、前記水晶の電気軸と交差していることが好ましい。
これにより、より確実に、基体の表面に弾性表面波を励起することができる。
【００１２】
本発明の力検出センサーでは、前記基体は、第１基体と、前記第１基体に接続されている第２基体と、を有し、
前記第１基体が前記第１面を有し、
前記第２基体が前記第２面を有することが好ましい。
これにより、基体の設計の自由度が増す。
【００１３】
本発明の力検出センサーでは、前記基体は、予圧されていることが好ましい。
これにより、応答性が向上する。
【００１４】
本発明の力覚センサーは、本発明の力検出センサーを有することを特徴とする。
これにより、信頼性の高い力覚センサーが得られる。
【００１５】
本発明のロボットは、本発明の力検出センサーを有することを特徴とする。
これにより、信頼性の高いロボットが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る力覚センサーを示す断面図である。
【図２】図１に示す力覚センサーが有する力検出センサーの斜視図である。
【図３】図１に示す力覚センサーの平面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る力覚センサーを示す断面図である。
【図５】図４に示す力覚センサーが有する力検出センサーの斜視図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る力覚センサーが有する力検出センサーを示す斜視図である。
【図７】本発明の第４実施形態に係る力覚センサーが有する力検出センサーを示す斜視図である。
【図８】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】
【００１７】
以下、本発明の力検出センサー、力覚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。
【００１８】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る力覚センサーを示す断面図である。図２は、図１に示す力覚センサーが有する力検出センサーの斜視図である。図３は、図１に示す力覚センサーの平面図である。以下では、説明の便宜上、図１、図２中の上側および図３中の紙面手前側を「上」とも言い、図１、図２中の下側および図３中の紙面奥側を「下」とも言う。また、各図に示すように、以下では、互いに直交する３軸をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸とし、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」ともいう。
【００１９】
図１に示す力覚センサー１は、外部からの力であるＺ軸方向の力Ｆｚ（圧縮力Ｆｚ１、引張力Ｆｚ２）を検出することができる。このような力覚センサー１は、力検出センサー２と、力検出センサー２を収納するパッケージ３と、パッケージ３を厚さ方向に挟んで設けられた一対の基板４１、４２と、基板４１、４２を連結し、パッケージ３を介して力検出センサー２を予圧する予圧ボルト５と、を有している。以下、これら各部について順に説明する。
【００２０】
（力検出センサー素子）
図１および図２に示すように、力検出センサー２は、外部から力を受ける第１面としての受圧面２１１と、受圧面２１１とは法線方向が異なる第２面としての配置面２１３と、を備える基体２１と、配置面２１３上に配置されている櫛歯電極２２と、を有している。なお、前記「異なる」とは、同一平面を除く概念であり、互いの法線方向が異なっており、好ましくは、所定の角度（特に、９０°）をもって配置されていることを言う。
【００２１】
このような力検出センサー２は、基体２１の表面に弾性表面波を励起することのできるＳＡＷ共振子を構成している。圧縮力Ｆｚ１が加わると、基体２１がＺ軸方向に圧縮変形し、引張力Ｆｚ２が加わると、基体２１がＺ軸方向に引張変形する。そして、このような基体２１の変形に伴って櫛歯電極２２のピッチ（電極指の間隔）が変化する。櫛歯電極２２のピッチが変化すると、基体２１の表面に励起される弾性表面波の周波数ｆ（ＳＡＷ共振子の共振周波数）が変化する。これは、周波数ｆは、櫛歯電極２２のピッチに依存するためである。そのため、力検出センサー２は、周波数ｆに基づいて、力Ｆｚを検出できる。周波数ｆは、安定して高分解能に検出可能なため、力Ｆｚの絶対値およびその変化を高精度に検出することが可能となる。以下、このような力検出センサー２について詳細に説明する。
【００２２】
図２に示すように、力検出センサー２は、基体２１と、基体２１に設けられた櫛歯電極２２と、配置面２１３上に櫛歯電極２２を間に挟んで設けられた一対の反射器２３、２４と、を有している。
【００２３】
基体２１は、四角柱（本実施形態では立方体）である。また、基体２１は、上面および下面と、上面および下面を接続する４つの側面と、を有している。このうち、基体２１の上面は、Ｚ軸を法線とするＸＹ平面で構成され、力Ｆｚを受ける第１面としての受圧面２１１を構成している。また、４つの側面のうちの１つは、Ｙ軸を法線とするＸＺ平面で構成され、櫛歯電極２２および反射器２３、２４を配置する第２面としての配置面２１３を構成している。
【００２４】
配置面２１３は、受圧面２１１が力Ｆｚを受けることで変形する。このように、配置面２１３が変形することで、より確実に、櫛歯電極２２のピッチを変化させることができ、前述したような弾性表面波の周波数ｆを変化させることができる。なお、ここでの「変形」とは、例えば、実質的に変形していないが、内部に歪みが発生する場合等も含む広い概念である（以下、同様である）。
【００２５】
特に、本実施形態では、受圧面２１１と隣り合う面（すなわち、間に異なる面を介することなく接続されている面）を配置面２１３としている。そのため、受圧面２１１に加わった力Ｆｚが配置面２１３に伝わり易い。よって、より効果的に、かつ、より大きく、配置面２１３を変形させることができる。そのため、加わった力Ｆｚの大きさに対する周波数ｆの変化量をより大きくすることができる。その結果、力検出センサー２の分解能がより向上する。
【００２６】
なお、基体２１の形状としては、受圧面２１１（第１面）と、櫛歯電極２２が配置された配置面２１３（第２面）とを有していれば、特に限定されず、例えば、三角柱、五角柱、六角形以上の多角柱等であってもよい。また、受圧面２１１、配置面２１３を含む基体２１の各面は、平面に限定されず、面全体または面の一部が曲面であってもよい。
【００２７】
基体２１は、圧電体で構成されている。そのため、配置面２１３は、圧電体の表面で構成されている。これにより、より確実に、基体２１の表面（配置面２１３）に弾性表面波を励起することができる。なお、圧電体の構成材料としては、特に限定されず、例えば、水晶、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）等が挙げられる。
【００２８】
特に、本実施形態では、圧電体は、構成材料が水晶である。すなわち、基体２１は、水晶で構成されている。これにより、力検出センサー２は、他の圧電体を用いた場合と比較して、高い周波数安定度、良好な温度特性、高い機械的強度（剛性、耐荷重性）、高い固有振動数、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、力Ｆｚ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、検出特性に優れた力検出センサー２となる。
【００２９】
また、受圧面２１１は、前記圧電体の水晶の電気軸と交差している。特に、本実施形態では、受圧面２１１は、水晶の電気軸と直交している。すなわち、受圧面２１１は、水晶のＸカット面である。また、配置面２１３は、水晶の電気軸と平行である。このようなカット角の水晶を用いることで、より確実に、弾性表面波を励起することができる。このような基体２１を構成する水晶のカット角として、例えば、ＳＴカット、ＣＴカット、ＡＴカット、ＢＴカット等が挙げられ、これらの中でもＳＴカットを用いることが好ましい。このようなカット角を用いることで、レイリー波と呼ばれる弾性表面波を利用することができ、例えば、リーキー波と呼ばれる弾性表面波に比べて基体２１や櫛歯電極２２の加工精度に対する周波数や周波数温度特性のばらつきを極めて小さくすることができる。そのため、量産性に優れたものとなる。ただし、弾性表面波を励起することができれば、水晶のカット角は、特に限定されない。
【００３０】
また、櫛歯電極２２は、基体２１の配置面２１３のＺ軸方向の中央部に設けられている。また、櫛歯電極２２は、一対の電極２２１、２２２を有している。また、一対の電極２２１、２２２は、互いの電極指が噛み合うように配置されている。すなわち、電極２２１、２２２は、互いの電極指がＺ軸方向に沿って交互に被接触で並ぶように配置されている。そして、電極２２１、２２２間に駆動電圧を印加すると、圧電効果によって電極指間に周期的なひずみが生じ、Ｚ軸方向（電極指の並び方向）に沿って弾性表面波が励起される。その結果、一対の電極２２１、２２２の間にＳＡＷ共振子の共振周波数に伴った電圧変化が出力される。なお、本実施形態では、電極指の延在方向と、電極指の並び方向が直交しているが、弾性表面波を励起することができれば、直交していなくてもよい。
【００３１】
一対の反射器２３、２４は、櫛歯電極２２を挟んでその両側に配置されている。反射器２３、２４は、基体２１に伝搬する弾性表面波を反射して、弾性表面波を反射器２３と反射器２４との間に封じ込める機能を有する。なお、反射器２３、２４は、省略してもよい。
【００３２】
このような櫛歯電極２２、反射器２３、２４は、それぞれ、例えば、アルミニウム（Ａｉ）、アルミニウム合金等の導電性の優れた金属材料により形成することができる。アルミニウム（Ａｌ）およびアルミニウム合金は、例えば、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）のような他の金属材料と比較して比重が小さい材料であるため、櫛歯電極２２および反射器２３、２４の寸法バラつきが力検出センサー２の周波数温度特性に与える影響を小さく抑えることができる。
【００３３】
以上、力検出センサー２について説明した。なお、本実施形態では、力検出センサー２は、櫛歯電極２２が１つ設けられた所謂１ポート型のＳＡＷ共振子であるが、これに限定されず、櫛歯電極２２を弾性表面波の伝搬方向に沿って２つ設けられた所謂２ポート型のＳＡＷ共振子であってもよい。また、それ以外の構成であってもよい。
【００３４】
（パッケージ）
図１に示すように、パッケージ３は、上方に開口する凹部３１１を有するベース３１と、凹部３１１の開口を覆うようにベース３１の上面に接合されたキャップ状のリッド３２とを有している。また、パッケージ３の内側には気密な収納空間Ｓが形成されており、この収納空間Ｓに力検出センサー２が収納されている。収納空間Ｓの雰囲気としては、特に限定されないが、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム等の希ガスが充填されていることが好ましい。これにより、収納空間Ｓの雰囲気が安定する。また、櫛歯電極２２や反射器２３、２４の腐食等を抑制することができる。また、収納空間Ｓは、減圧（好ましくは真空）状態となっていてもよい。これにより、例えば、粘性抵抗が減って、力検出センサー２のＱ値が高まるため、弾性表面波を励起し易くなる。
【００３５】
また、凹部３１１（土台３１Ａの上面）に基体２１の下面２１２が接合され、リッド３２に基体２１の上面（受圧面２１１）が接合されている。ベース３１およびリッド３２と力検出センサー２との接合は、例えば、絶縁性の接着剤を用いて行われている。なお、ベース３１およびリッド３２と力検出センサー２との接合方法は、特に限定されない。また、例えば、収納空間Ｓ内で力検出センサー２を固定することができれば、力検出センサー２とパッケージ３とが接合されていなくてもよい。
【００３６】
また、図１に示すように、リッド３２は、中央部に位置し、力検出センサー２と接合する中央部３２１と、外縁部に位置し、ベース３１と接合する外縁部３２２と、中央部３２１と外縁部３２２との間に位置し、これらを接続するテーパー状の接続部３２３とを有している。また、中央部３２１は、外縁部３２２よりも上側（基板４１側）に位置している。また、中央部３２１のみが基板４１と接触し、外縁部３２２および接続部３２３は、基板４１と接触していない（離間している）。これにより、より確実かつ効率的に、力Ｆｚを受圧面２１１に伝えることができる。
【００３７】
なお、予圧ボルト５によってパッケージ３が予圧されていない状態では、力検出センサー２は、パッケージ３によってＺ軸方向に予圧されていてもよいし、予圧されていなくてもよいが、実質的に予圧されていないことが好ましい。これにより、例えば、パッケージ３によって予圧する場合と比較してパッケージ３の剛性が低くてもよいため、パッケージ３の小型化を図ることができる。なお、本実施形態では、収納空間Ｓの高さと、力検出センサー２の高さがほぼ等しく、パッケージ３に収納された状態では、力検出センサー２は、パッケージ３によって実質的に予圧されていない。
【００３８】
また、図１に示すように、本実施形態では、ベース３１は、ベース３１の底部中央部を構成する土台３１Ａと、土台３１Ａの周囲に設けられ、ベース３１の底部の外縁部および側壁を構成する枠部３１Ｂとを有している。そして、土台３１Ａの上面に、力検出センサー２が載置されている。このことから、土台３１Ａは、力検出センサー２を載置する載置台として機能するとも言える。
【００３９】
また、枠部３１Ｂには、収納空間Ｓ内に位置する２つの内部端子３３と、ベース３１の下面に位置し、図示しない内部配線によって内部端子３３と電気的に接続されている２つの外部端子３４とが設けられている。また、内部端子３３、３３は、ボンディングワイヤーＢＷを介して櫛歯電極２２の電極２２１、２２２と電気的に接続されている。このような構成とすることで、櫛歯電極２２をパッケージ３の外側へ電気的に引き出すことができ、外部装置との電気的接続をより容易に行うことができる。
【００４０】
枠部３１Ｂの構成材料としては、特に限定されないが、例えば、酸化アルミニウム等の各種セラミックスを用いることができる。また、土台３１Ａおよびリッド３２の構成材料としては、それぞれ、特に限定されないが、枠部３１Ｂ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、枠部３１Ｂ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、土台３１Ａおよびリッド３２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３に熱応力が発生し難くなり、力検出センサー２に不要な応力（予圧、力Ｆｚ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覚センサー１となる。
【００４１】
このように、土台３１Ａおよびリッド３２をそれぞれ金属材料で構成することで、土台３１Ａおよびリッド３２の強度および寸法精度が高くなり、十分な機械的強度を発揮しつつ、収納空間Ｓの高さを高精度に制御することができる。そのため、パッケージ３が破損し難くなり、また、収納空間Ｓに力検出センサー２を好適に収納することができる。一方、枠部３１Ｂをセラミックスで構成することで、枠部３１Ｂをより高強度とすることができ、パッケージ３全体の強度を高めることができる。また、枠部３１Ｂを絶縁性とすることができ、内部端子３３、外部端子３４の形成が容易となる。
【００４２】
（基板）
図１に示すように、一対の基板４１、４２は、パッケージ３を間に挟んでＺ軸方向に重なるようにして設けられている。また、パッケージ３は、Ｚ軸方向から見た平面視で、基板４１、４２の中央部に位置している。
【００４３】
基板４１は、パッケージ３の上側に位置し、板状をなしている。そして、基板４１の下面がリッド３２の中央部３２１と接触している。一方、基板４２は、パッケージ３の下側に位置し、板状のベース４２１と、ベース４２１の上面から突出した突出部４２２とを有している。そして、突出部４２２の上面がベース３１の下面と接触している。また、突出部４２２は、ベース３１の土台３１Ａの下面と接触し、枠部３１Ｂとは接触していない。これにより、より確実かつ効率的に、力Ｆｚを力検出センサー２に伝えることができる。そのため、より力検出精度の高い力覚センサー１となる。また、基板４２と外部端子３４との間に空隙が形成されるため、外部端子３４と外部装置との接続が容易となる。
【００４４】
このような基板４１、４２の構成材料としては、特に限定されず、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、またはこれらのうちの少なくとも１種を含む合金または金属間化合物、さらには、これらの金属の酸化物、窒化物、炭化物等が挙げられる。
【００４５】
（予圧ボルト）
図１および図３に示すように、基板４１、４２は、４つの予圧ボルト５で固定（連結）されている。４つの予圧ボルト５は、基板４１、４２の外縁部に周方向に沿って等間隔（すなわち、９０度間隔）に設けられている。また、各予圧ボルト５は、その頭部５１が基板４１側となるように配置され、各予圧ボルト５のネジ部５２が基板４２に螺合している。そして、各予圧ボルト５により、パッケージ３内の力検出センサー２に、受圧面２１１の法線方向に沿う圧力が加えられている。すなわち、基体２１は、予圧されている。このように、基体２１を予圧することで、例えば、予圧しない場合と比較して、力覚センサー１の応答性が向上する。また、圧縮力Ｆｚ１のみならず、引張力Ｆｚ２についてもより精度よく検出することができる。
【００４６】
このような予圧ボルト５によれば、予圧ボルト５の締め込み量によって予圧の大きさを調整することができる。そのため、予圧の調整が容易となる。予圧の大きさは、特に限定されず、力検出センサー２の強度等に応じて適宜設定することができる。なお、予圧ボルト５の数や配置は、力検出センサー２を予圧することができれば、特に限定されない。また、基体２１を予圧することができれば、その方法としては、予圧ボルト５を用いる方法に限定されない。
【００４７】
以上、力覚センサー１の構成について説明した。このような力覚センサー１は、Ｚ軸方向の力Ｆｚ（圧縮力Ｆｚ１、引張力Ｆｚ２）を検出することができる。以下、力覚センサー１の力検出方法について説明する。なお、以下では、力検出センサー２に実質的に予圧以外の外力が加わっていない状態を自然状態とも言う。また、以下では、基板４２が固定された状態で、力Ｆｚが基板４１を介して受圧面２１１に作用するものとする。
【００４８】
受圧面２１１に圧縮力Ｆｚ１が加わると、基体２１がＺ軸方向に圧縮変形し、櫛歯電極２２のピッチ（電極指の間隔）が自然状態よりも短くなる。そのため、力検出センサー２に励起される弾性表面波の周波数ｆ（ＳＡＷ共振子の共振周波数）が自然状態よりも高くなる。
【００４９】
また、受圧面２１１に引張力Ｆｚ２が加わると、基体２１がＺ軸方向に引張変形し、櫛歯電極２２のピッチが自然状態よりも長くなる。そのため、力検出センサー２に励起される弾性表面波の周波数ｆが自然状態よりも低くなる。
【００５０】
したがって、力覚センサー１は、周波数ｆの自然状態からの変化（変化量および変化方向）に基づいて、力Ｆｚ（圧縮力Ｆｚ１および引張力Ｆｚ２）を検出することができる。
【００５１】
以上、本実施形態の力覚センサー１について説明した。このような力覚センサー１は、力検出センサー２を有している。そのため、前述した力検出センサー２の効果を享受でき、優れた信頼性および検出特性を発揮することができる。
【００５２】
＜第２実施形態＞
図４は、本発明の第２実施形態に係る力覚センサーを示す断面図である。図５は、図４に示す力覚センサーが有する力検出センサーの斜視図である。
【００５３】
本実施形態に係る力覚センサーは、主に、力検出センサーの構成が異なること以外は、前述した第１実施形態の力覚センサーと同様である。
【００５４】
なお、以下の説明では、第２実施形態の力覚センサーに関し、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。また、図４および図５では前述した第１実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。
【００５５】
図４に示すように、本実施形態の力覚センサー１では、力検出センサー２が第１実施形態に対してＹ軸まわりに９０°回転した状態で配置されている。そのため、図５に示すように、基体２１を構成する水晶の電気軸がＸ軸方向（力覚センサー１の厚さ方向に直交する方向）に沿っている。また、櫛歯電極２２の両電極２２１、２２２の各電極指は、Ｘ軸方向に沿って並んで被接触で配置されている。
【００５６】
このような構成の力覚センサー１では、受圧面２１１に圧縮力Ｆｚ１が加わると、櫛歯電極２２のピッチが自然状態よりも長くなり、周波数ｆが自然状態よりも低くなる。また、受圧面２１１に引張力Ｆｚ２が加わると、櫛歯電極２２のピッチが自然状態よりも短くなり、周波数ｆが自然状態よりも高くなる。したがって、力覚センサー１は、周波数ｆの自然状態からの変化（変化量および変化方向）に基づいて、力Ｆｚ（圧縮力Ｆｚ１および引張力Ｆｚ２）を検出することができる。
【００５７】
以上のような第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。
【００５８】
＜第３実施形態＞
図６は、本発明の第３実施形態に係る力覚センサーが有する力検出センサーを示す斜視図である。
【００５９】
本実施形態に係る力覚センサーは、主に、力検出センサーの構成が異なること以外は、前述した第１実施形態の力覚センサーと同様である。
【００６０】
なお、以下の説明では、第３実施形態の力覚センサーに関し、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。また、図６では前述した第１実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。また、図６では、各電極２２１、２２２に接続されているボンディングワイヤーＢＷの記載は、省略している。
【００６１】
図６に示すように、本実施形態の力検出センサー２では、基体２１の２つの側面が配置面２１３、２１４となっており、配置面２１３、２１４のそれぞれに櫛歯電極２２および反射器２３、２４が配置されている。このように、配置面２１３、２１４を２つ設けることで、配置面２１３に設けられた櫛歯電極２２によって励振される弾性表面波の周波数変化と、配置面２１４に設けられた櫛歯電極２２によって励振される弾性表面波の周波数変化とを検出することができる。そのため、例えば、検出された２つの周波数変化の平均値に基づいて力Ｆｚを検出することができる。また、例えば、２つの周波数変化に大きく差が生じている場合には、力検出センサー２が故障していると判断することもできる。これにより、より信頼性の高い力覚センサー１となる。
【００６２】
なお、櫛歯電極２２および反射器２３、２４が配置されている配置面の数としては、特に限定されず、３つ以上であってもよい。また、本実施形態では、１つの配置面に１組の櫛歯電極２２および反射器２３、２４が配置されている構成であるが、これに限定されず、１つの配置面に２組以上の櫛歯電極２２および反射器２３、２４が配置されている構成であってもよい。また、そのうちの少なくとも１つの櫛歯電極２２を図５に示す配置とすることもできる。
【００６３】
以上のような第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。
【００６４】
＜第４実施形態＞
図７は、本発明の第４実施形態に係る力覚センサーが有する力検出センサーを示す斜視図である。
【００６５】
本実施形態に係る力覚センサーは、主に、力検出センサーの構成が異なること以外は、前述した第１実施形態の力覚センサーと同様である。
【００６６】
なお、以下の説明では、第４実施形態の力覚センサーに関し、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。また、図７では前述した第１実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。
【００６７】
図７に示すように、本実施形態の力検出センサー２では、基体２１は、第１基体２１Ａと、第１基体２１Ａに接続されている第２基体２１Ｂと、を有している。そして、第１基体２１Ａが第１面としての受圧面２１１を有し、第２基体２１Ｂが第２面としての配置面２１３を有している。すなわち、基体２１は、基板４１、４２に挟持されて予圧および力Ｆｚを受ける部分である第１基体２１Ａと、櫛歯電極２２および反射器２３、２４が配置されてＳＡＷ共振子として機能する部分である第２基体２１Ｂとを有し、これらが別体で構成されている。このように、基体２１を第１基体２１Ａと第２基体２１Ｂとで構成することで、第１基体２１Ａおよび第２基体２１Ｂの形状や構成材料を、それぞれ、適宜選択することができる。これにより、基体２１の設計の自由度が高まる。
【００６８】
なお、第１基体２１Ａの構成材料としては、特に限定されないが、比較的硬い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、またはこれらのうちの少なくとも１種を含む合金または金属間化合物、さらには、これらの金属の酸化物、窒化物、炭化物等が挙げられる。一方、第２基体２１Ｂの構成材料としては、弾性表面波を励起することができれば、特に限定されず、前述した第１実施形態で挙げたような各種圧電体を用いることができる。特に、本実施形態では、第２基体２１Ｂは、水晶で構成されている。
【００６９】
なお、本実施形態では、第１基体２１Ａと第２基体２１Ｂとは、接着剤２１Ｃを介して接続（接合）されている。ただし、第１基体２１Ａと第２基体２１Ｂとの接続方法としては、第１基体２１Ａが受けた力を第２基体２１Ｂに伝えることができれば、特に限定されず、例えば、凹凸嵌合、ネジを用いた螺号、溶着、融着、ろう接等であってもよい。
【００７０】
以上のような第４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。
【００７１】
＜第５実施形態＞
図８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。
【００７２】
図８に示すロボット９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。同図に示すように、ロボット９は、例えば床や天井に固定されるベース９１と、ベース９１に回動自在に連結されたアーム９２と、アーム９２に回動自在に連結されたアーム９３と、アーム９３に回動自在に連結されたアーム９４と、アーム９４に回動自在に連結されたアーム９５と、アーム９５に回動自在に連結されたアーム９６と、アーム９６に回動自在に連結されたアーム９７と、これらアーム９２、９３、９４、９５、９６、９７およびエンドエフェクター９９の駆動を制御するロボット制御部９８と、を有している。また、アーム９７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９に実行させる作業に応じたエンドエフェクター９９が装着される。
【００７３】
このようなロボット９には、エンドエフェクター９９に加えられる外力を検出するセンサーとして、前述した力検出センサー２を備える力覚センサー１が設けられている。そして、力覚センサー１が検出する力をロボット制御部９８にフィードバックすることにより、ロボット９は、より精密な作業を実行することができる。また、力覚センサー１が検出する力によって、ロボット９は、エンドエフェクター９９の作業対象物や障害物への接触等を検知することができる。そのため、エンドエフェクター９９による作業対象物の端や移動等の動作をより適正に行うことができ、また、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９は、より適正かつ安全に作業を実行することができる。
【００７４】
このように、ロボット９は、力覚センサー１（力検出センサー２）を有している。そのため、前述した力覚センサー１（力検出センサー２）の効果を享受でき、優れた信頼性を発揮することができる。
【００７５】
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、ロボットとしては、所謂、スカラロボットや双腕ロボットであってもよい。また、ロボット９における力覚センサー１の設置個所も、特に限定されない。
【００７６】
以上、本発明の力検出センサー、力覚センサー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。
【００７７】
また、前述した実施形態では、力検出センサーは、力検出センサー素子、パッケージ、一対の基板および予圧ボルトを有しているが、力検出センサーの構成としては、力検出センサー素子を有していれば、特に限定されない。例えば、パッケージを省略し、力検出センサー素子が一対の基板に直接挟まれていてもよい。また、一対の基板および予圧ボルトを省略してもよい。すなわち、圧力センサー素子は、予圧されていなくてもよい。
【符号の説明】
【００７８】
１…力覚センサー、２…力検出センサー、２１…基体、２１Ａ…第１基体、２１Ｂ…第２基体、２１Ｃ…接着剤、２１１…受圧面、２１２…下面、２１３、２１４…配置面、２２…櫛歯電極、２２１、２２２…電極、２３、２４…反射器、３…パッケージ、３１…ベース、３１Ａ…土台、３１Ｂ…枠部、３１１…凹部、３２…リッド、３２１…中央部、３２２…外縁部、３２３…接続部、３３…内部端子、３４…外部端子、４１、４２…基板、４２１…ベース、４２２…突出部、５…予圧ボルト、５１…頭部、５２…ネジ部、９…ロボット、９１…ベース、９２、９３、９４、９５、９６、９７…アーム、９８…ロボット制御部、９９…エンドエフェクター、ＢＷ…ボンディングワイヤー、Ｆｚ…力、Ｆｚ１…圧縮力、Ｆｚ２…引張力、Ｓ…収納空間
【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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