(57)【要約】【課題】安定した検出特性を発揮することのできるセンサーデバイス、力検出装置およびロボットを提供する。【解決手段】センサーデバイスは、第１部材と、第２部材と、前記第１部材と前記第２部材との間に配置されている圧電素子と、前記第１部材と前記圧電素子との間に配置されている第１中間基板と、前記第２部材と前記圧電素子との間に配置されている第２中間基板と、前記第１部材と前記第１中間基板との間に配置されている第１樹脂層と、前記第２部材と前記第２中間基板との間に配置されている第２樹脂層と、を有する。また、前記第１樹脂層のヤング率は、前記第１部材のヤング率および前記第１中間基板のヤング率より小さく、前記第２樹脂層のヤング率は、前記第２部材のヤング率および前記第２中間基板のヤング率より小さい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１部材と、
第２部材と、
前記第１部材と前記第２部材との間に配置されている圧電素子と、
前記第１部材と前記圧電素子との間に配置されている第１中間基板と、
前記第２部材と前記圧電素子との間に配置されている第２中間基板と、
前記第１部材と前記第１中間基板との間に配置されている第１樹脂層と、
前記第２部材と前記第２中間基板との間に配置されている第２樹脂層と、を有し、
前記第１樹脂層のヤング率は、前記第１部材のヤング率および前記第１中間基板のヤング率より小さく、
前記第２樹脂層のヤング率は、前記第２部材のヤング率および前記第２中間基板のヤング率より小さいことを特徴とするセンサーデバイス。
【請求項２】
前記第１樹脂層の厚さと、前記第２樹脂層の厚さと、が等しい請求項１に記載のセンサーデバイス。
【請求項３】
前記第１樹脂層の材料と、前記第２樹脂層の材料と、が同じである請求項１または２に記載のセンサーデバイス。
【請求項４】
前記第１樹脂層および前記第２樹脂層は、それぞれ、フィラーを含んでいる請求項１ないし３のいずれか１項に記載のセンサーデバイス。
【請求項５】
前記フィラーは、第１の最大径を有する第１フィラーと、前記第１の最大径より小さい第２の最大径を有する第２フィラーと、を含み、
前記第１フィラーのヤング率は、前記第２フィラーのヤング率より大きい請求項４に記載のセンサーデバイス。
【請求項６】
前記第１部材と前記第２部材とに接続される枠状部材を備え、
前記枠状部材は、前記圧電素子を囲む枠形状を有する請求項１ないし５のいずれか１項に記載のセンサーデバイス。
【請求項７】
前記第１部材および前記第２部材は、金属材料からなる請求項１ないし６のいずれか１項に記載のセンサーデバイス。
【請求項８】
前記第１樹脂層および前記第２樹脂層は、それぞれ、絶縁性を有する請求項１ないし７のいずれか１項に記載のセンサーデバイス。
【請求項９】
前記第１部材と前記第１中間基板とは、前記第１樹脂層を介して接着されており、
前記第２部材と前記第２中間基板とは、前記第２樹脂層を介して接着されている請求項１ないし８のいずれか１項に記載のセンサーデバイス。
【請求項１０】
前記第１部材と前記第２部材とが並ぶ方向を第１方向とし、前記第１方向に直交する方向を第２方向としたとき、
前記圧電素子と前記第２方向に並んで配置され、前記圧電素子と接触している導電性部材を有し、
前記第１方向からの平面視で、前記導電性部材は、前記第２樹脂層と重なっている請求項１ないし９のいずれか１項に記載のセンサーデバイス。
【請求項１１】
前記第１中間基板および前記第２中間基板は、それぞれ、水晶で構成されている請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のセンサーデバイス。
【請求項１２】
前記第１部材と前記第２部材とが並ぶ方向を第１方向としたとき、
前記圧電素子は、前記第１方向に並んで配置されている水晶からなる複数の圧電体層を有し、
前記複数の圧電体層のうちの最も前記第１中間基板側にある圧電体層の結晶軸と、前記第１中間基板の結晶軸と、が一致し、
前記複数の圧電体層のうちの最も前記第２中間基板側にある圧電体層の結晶軸と、前記第２中間基板の結晶軸と、が一致している請求項１１に記載のセンサーデバイス。
【請求項１３】
前記第１中間基板は、前記複数の圧電体層のうちの最も前記第１中間基板側にある前記圧電体層の厚さより大きい厚さを有し、
前記第２中間基板は、前記複数の圧電体層のうちの最も前記第２中間基板側にある前記圧電体層の厚さより大きい厚さを有している請求項１２に記載のセンサーデバイス。
【請求項１４】
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る請求項１ないし１３のいずれか１項に記載のセンサーデバイスと、を備えることを特徴とする力検出装置。
【請求項１５】
基台と、
前記基台に接続されるアームと、
請求項１４に記載の力検出装置と、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、センサーデバイス、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】
特許文献１に記載されたセンサーデバイスである変動荷重検出パッドは、圧電板と、圧電板を挟む一対の電極板と、一対の電極板を挟む一対の絶縁板と、電極板と絶縁板との間に位置し、これらを接着する接着部材と、を有する。このようなセンサーデバイスでは、厚さ方向の圧縮荷重を受けると、受けた荷重の大きさに基づいた電荷が一対の電極板から出力される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−４３４４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、上述のようなセンサーデバイスの感度を向上させるために、一対の押圧部材でセンサーデバイスを挟み、センサーデバイスを厚さ方向に与圧した状態で用いられる場合がある。その際、与圧がセンサーデバイスの面内に均一にかからないと、出力が不安定になるおそれがある。
【０００５】
本発明の目的は、安定した検出特性を発揮することのできるセンサーデバイス、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】
本発明の一態様は、第１部材と、
第２部材と、
前記第１部材と前記第２部材との間に配置されている圧電素子と、
前記第１部材と前記圧電素子との間に配置されている第１中間基板と、
前記第２部材と前記圧電素子との間に配置されている第２中間基板と、
前記第１部材と前記第１中間基板との間に配置されている第１樹脂層と、
前記第２部材と前記第２中間基板との間に配置されている第２樹脂層と、を有し、
前記第１樹脂層のヤング率は、前記第１部材のヤング率および前記第１中間基板のヤング率より小さく、
前記第２樹脂層のヤング率は、前記第２部材のヤング率および前記第２中間基板のヤング率より小さいセンサーデバイスである。
このように、第１部材と第１中間基板との間に第１樹脂層を設け、第２部材と第２中間基板との間に第２樹脂層を設けることにより、圧電素子に加えられる与圧の均一度が高められ、圧電素子からの出力値が安定する。そのため、センサーデバイスは、安定した検出特性を発揮することができ、受けた外力をより精度よく検出することができる。
【０００７】
本発明の一態様では、前記第１樹脂層の厚さと、前記第２樹脂層の厚さと、が等しいことが好ましい。
これにより、力検出素子の両側からバランスよく外力が伝達されるため、力検出素子からの出力値が安定する。そのため、センサーデバイスは、安定した検出特性を発揮することができ、受けた外力をより精度よく検出することができる。
【０００８】
本発明の一態様では、前記第１樹脂層の材料と、前記第２樹脂層の材料と、が同じであることが好ましい。
これにより、力検出素子の両側からバランスよく外力が伝達されるため、力検出素子からの出力値が安定する。そのため、センサーデバイスは、安定した検出特性を発揮することができ、受けた外力をより精度よく検出することができる。
【０００９】
本発明の一態様では、前記第１樹脂層および前記第２樹脂層は、それぞれ、フィラーを含んでいることが好ましい。
これにより、第１、第２樹脂層の厚さを制御したり、第１、第２樹脂層の特性（樹脂粘度、熱膨張率等）を制御したりすることが容易となる。
【００１０】
本発明の一態様では、前記フィラーは、第１の最大径を有する第１フィラーと、前記第１の最大径より小さい第２の最大径を有する第２フィラーと、を含み、
前記第１フィラーのヤング率は、前記第２フィラーのヤング率より大きいことが好ましい。
これにより、第１フィラーがギャップ材として機能し、第２フィラーが与圧を受けた時に第１フィラーが変形するより先に変形するため、ギャップ変化（面間平行度ずれ）が抑制される。
【００１１】
本発明の一態様では、前記第１部材と前記第２部材とに接続される枠状部材を備え、
前記枠状部材は、前記圧電素子を囲む枠形状を有することが好ましい。
これにより、より圧力（与圧）がかかった時に外部から圧力変動要因が加わり難くなる。
【００１２】
本発明の一態様では、前記第１部材および前記第２部材は、金属材料からなることが好ましい。
これにより、比較的高い剛性を有すると共に、応力が加えられたときに適度に弾性変形する第１部材および第２部材となる。そのため、第１部材および第２部材を介して外力を圧電素子に的確に伝達することができると共に、その外力による第１部材および第２部材の破損のおそれを低減することができる。
【００１３】
本発明の一態様では、前記第１樹脂層および前記第２樹脂層は、それぞれ、絶縁性を有することが好ましい。
これにより、第１樹脂層を介して力検出素子と第１部材とが導通し、第２樹脂層を介して力検出素子と第２樹脂層とが導通することを抑制することができる。そのため、意図しない電気経路の形成が抑制され、力検出素子からの出力値が安定する。したがって、センサーデバイスは、安定した検出特性を発揮することができ、受けた外力をより精度よく検出することができる。
【００１４】
本発明の一態様では、前記第１部材と前記第１中間基板とは、前記第１樹脂層を介して接着されており、
前記第２部材と前記第２中間基板とは、前記第２樹脂層を介して接着されていることが好ましい。
これにより、第１部材と第２部材との間での力検出素子の姿勢が安定するため、第１部材および第２部材を介して、外力を力検出素子に的確に伝達することができる。また、力検出素子に与圧が均一に加わるようになり、力検出素子からの出力値が安定する。そのため、センサーデバイスは、安定した検出特性を発揮することができ、受けた外力をより精度よく検出することができる。
【００１５】
本発明の一態様では、前記第１部材と前記第２部材とが並ぶ方向を第１方向とし、前記第１方向に直交する方向を第２方向としたとき、
前記圧電素子と前記第２方向に並んで配置され、前記圧電素子と接触している導電性部材を有し、
前記第１方向からの平面視で、前記導電性部材は、前記第２樹脂層と重なっていることが好ましい。
これにより、第２部材と接続部材との導通を抑制することができ、信頼性の高いセンサーデバイスとなる。
【００１６】
本発明の一態様では、前記第１中間基板および前記第２中間基板は、それぞれ、水晶で構成されていることが好ましい。
これにより、高い機械的強度を有する第１、第２中間基板となり、外力を力検出素子に的確に伝達することができる。
【００１７】
本発明の一態様では、前記第１部材と前記第２部材とが並ぶ方向を第１方向としたとき、
前記圧電素子は、前記第１方向に並んで配置されている水晶からなる複数の圧電体層を有し、
前記複数の圧電体層のうちの最も前記第１中間基板側にある圧電体層の結晶軸と、前記第１中間基板の結晶軸と、が一致し、
前記複数の圧電体層のうちの最も前記第２中間基板側にある圧電体層の結晶軸と、前記第２中間基板の結晶軸と、が一致していることが好ましい。
このように、第１中間基板の結晶軸を隣接する圧電体層の結晶軸と一致させ、第２中間基板の結晶軸を隣接する圧電体層の結晶軸と一致させることにより、これらの熱膨張係数を揃えることができ、熱膨張に起因する出力ドリフトを効果的に低減することができる。
【００１８】
本発明の一態様では、前記第１中間基板は、前記複数の圧電体層のうちの最も前記第１中間基板側にある前記圧電体層の厚さより大きい厚さを有し、
前記第２中間基板は、前記複数の圧電体層のうちの最も前記第２中間基板側にある前記圧電体層の厚さより大きい厚さを有していることが好ましい。
これにより、圧電体層により均一な圧力（与圧）をかけることができ、また、耐衝撃性も向上する。
【００１９】
本発明の一態様は、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る本発明の一態様のセンサーデバイスと、を備える力検出装置である。
このような力検出装置によれば、本発明の一態様のセンサーデバイスを備えているため、より精度よく外力を検出することができる。
【００２０】
本発明の一態様は、基台と、
前記基台に接続されるアームと、
本発明の一態様の力検出装置と、を備えるロボットである。
このようなロボットによれば、本発明の一態様の力検出装置を備えているため、より精密な作業を実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施形態に係るセンサーデバイスの平面図である。
【図２】図１に示すセンサーデバイスの断面図である。
【図３】図１に示すセンサーデバイスが有する力検出素子の断面図である。
【図４】図３に示す力検出素子の斜視図である。
【図５】図１に示すセンサーデバイスが有する第１樹脂層および第２樹脂層の断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る力検出装置の斜視図である。
【図７】図６に示す力検出装置の縦断面図である。
【図８】図６に示す力検出装置の横断面図である。
【図９】力検出装置に配置されたセンサーデバイスの断面図である。
【図１０】本発明の第３実施形態に係るロボットの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明のセンサーデバイス、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。
【００２３】
＜第１実施形態＞
まず、本発明の第１実施形態に係るセンサーデバイスについて説明する。
【００２４】
図１は、本発明の第１実施形態に係るセンサーデバイスの平面図である。図２は、図１に示すセンサーデバイスの断面図である。図３は、図１に示すセンサーデバイスが有する力検出素子の断面図である。図４は、図３に示す力検出素子の斜視図である。図５は、図１に示すセンサーデバイスが有する第１樹脂層および第２樹脂層の断面図である。
【００２５】
なお、以下では、説明の便宜上、互いに直交する３つの軸をＡ軸、Ｂ軸およびＣ軸とし、さらに、各軸を示す矢印の先端側を「プラス側」とし、基端側を「マイナス側」とする。また、Ａ軸に平行な方向を「Ａ軸方向（第１方向）」、Ｂ軸に平行な方向を「Ｂ軸方向（第２方向）」、Ｃ軸に平行な方向を「Ｃ軸方向」という。また、Ｃ軸方向プラス側を「上」、Ｃ軸方向マイナス側を「下」ともいう。また、Ｃ軸方向から見たもの（基体２１の平面視）を「平面視」ともいう。
【００２６】
図１に示すセンサーデバイス１は、パッケージ２と、パッケージ２に収納された力検出素子３（力検出部）と、を有する。センサーデバイス１は、例えば、後述する力検出装置１００のように、Ｃ軸方向から挟まれて、力検出素子３が与圧された状態で使用される（図９参照）。そして、センサーデバイス１に加わる外力（Ａ軸方向のせん断力およびＢ軸方向のせん断力）がパッケージ２を介して力検出素子３に伝わり、受けた外力に基づく信号（電荷）が力検出素子３から出力される。
【００２７】
図１に示すように、パッケージ２は、平面視で、略正方形となっている。ただし、パッケージ２の平面視形状は、特に限定されず、例えば、円形、楕円形、三角形、正方形以外の四角形（長方形、平行四辺形、台形）、五角形以上の多角形、異形等、いかなる形状であってもよい。
【００２８】
また、図２に示すように、パッケージ２は、基体２１と、基体２１に接合された蓋体２４（第１部材）と、を有する。パッケージ２の内側には気密な収納空間Ｓが形成され、収納空間Ｓに力検出素子３が収納されている。パッケージ２に力検出素子３を収納することにより、力検出素子３を外界から保護（防塵、防水）することができる。収納空間Ｓの雰囲気としては、特に限定されないが、真空状態またはそれに近い状態（減圧状態）であることが好ましい。具体的には、収納空間Ｓは、０．０１Ｐａ以上１０００Ｐａ以下であることが好ましい。ただし、これに限定されず、収納空間Ｓは、真空状態の他、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスで置換されていてもよい。
【００２９】
また、図２に示すように、基体２１は、基部２２（枠状部材）と、底部材２３（第２部材）と、を有する。基部２２は、上面に開口する凹部２２１と、下面に開口する凹部２２２と、凹部２２１、２２２の底面の中央部同士を貫通する貫通孔２２３と、を有する。そのため、基部２２は、枠状をなしている。また、底部材２３は、板状をなし、貫通孔２２３の下側開口を塞ぐようにして凹部２２２の底面に接合されている。そのため、貫通孔２２３と底部材２３とによって、凹部２２１の底面の中央部に開口する凹部２２４が形成される。そして、凹部２２４内に挿入されるようにして力検出素子３が配置されている。
【００３０】
また、図２に示すように、凹部２２１の底面には複数の内部端子２７が設けられており、基体２１の下面には内部端子２７と電気的に接続された複数の外部端子２８が設けられている。
【００３１】
基部２２の構成材料としては、絶縁性を有する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主成分とすることが好ましい。これにより、適度な剛性を有すると共に、絶縁性に優れる基部２２となる。そのため、パッケージ２の変形による損傷が生じ難く、内部に収容された力検出素子３をとり確実に保護することができる。
【００３２】
また、底部材２３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、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、比較的高い剛性を有すると共に、応力が加えられたときに適度に弾性変形する底部材２３となる。そのため、底部材２３を介して外力を力検出素子３に的確に伝達することができると共に、その外力による底部材２３の破損のおそれを低減することができる。また、コバールは、基部２２の構成材料であるセラミックスと比較的近い熱膨張係数を有するため、基体２１に熱応力（基部２２と底部材２３との熱膨張係数の差に起因する撓み）が生じ難く、熱応力に起因した出力ドリフトを効果的に抑制することができる。また、低コストで平坦面に加工し易いというメリットもある。
【００３３】
図２に示すように、蓋体２４は、板状をなし、凹部２２１のＣ軸方向プラス側に形成された開口を塞ぐようにしてシール部材２０（接合部材）を介して基部２２の上面に接合されている。シール部材２０としては、基体２１と蓋体２４とを接合することができれば、特に限定されず、例えば、金、銀、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することができる。
【００３４】
蓋体２４は、中央部２４１と、中央部２４１を囲み、外縁に沿った枠状をなす外縁部２４２と、中央部２４１と外縁部２４２との間に位置し、これらを接続する接続部２４３と、を有する。そして、蓋体２４は、外縁部２４２においてシール部材２０を介して基部２２の上面に接合されている。また、中央部２４１は、外縁部２４２に対し底部材２３とは反対側（Ｃ軸方向プラス側）にずれて位置している。そして、接続部２４３は、外縁部２４２と中央部２４１とを接続するために傾斜し、Ｃ軸方向プラス側に向けて幅が小さくなるテーパー状となっている。ただし、蓋体２４の形状としては、特に限定されず、例えば、接続部２４３は、Ｃ軸方向に沿って幅が一定のストレート状となっていてもよい。また、蓋体２４は、平板状であってもよいし、本実施形態とは逆に、中央部２４１が凹んでいてもよい。
【００３５】
このような蓋体２４の構成材料としては、特に限定されず、前述した底部材２３と同様、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、底部材２３と同様に、外力を力検出素子３により正確に伝達することができると共に、その外力によって蓋体２４が破損することを低減することができる。なお、蓋体２４の構成材料は、底部材２３の構成材料と同じであっても異なっていてもよいが、同じであることが好ましい。これにより、パッケージ２に加えられた外力を力検出素子３により正確に伝達することができる。
【００３６】
力検出素子３は、力検出素子３に加えられた外力のＡ軸方向の成分に応じた電荷Ｑａ（第１電荷）およびＢ軸方向の成分に応じた電荷Ｑｂ（第２電荷）を出力する機能を有する。力検出素子３は、図３に示すように、圧電素子３０と、圧電素子３０をＣ軸方向から挟む一対の中間基板３３、３４（第１、第２中間基板）と、を有する。また、圧電素子３０は、Ａ軸方向の外力（せん断力）に応じて電荷Ｑａを出力する第１圧電素子３１と、Ｂ軸方向の外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｂを出力する第２圧電素子３２と、を有する。
【００３７】
第１圧電素子３１は、下側（Ｃ軸方向マイナス側）から、グランド電極層３１１、圧電体層３１２、出力電極層３１３、圧電体層３１４、グランド電極層３１５、圧電体層３１６、出力電極層３１７、圧電体層３１８、グランド電極層３１９が順に積層した構成となっている。また、第２圧電素子３２は、第１圧電素子３１上に積層されており、下側（Ｃ軸方向マイナス側）から、グランド電極層３２１、圧電体層３２２、出力電極層３２３、圧電体層３２４、グランド電極層３２５、圧電体層３２６、出力電極層３２７、圧電体層３２８、グランド電極層３２９が順に積層した構成となっている。なお、本実施形態では、グランド電極層３１９、３２１が一体化（共通化）されている。
【００３８】
また、圧電体層３１２、３１４、３１６、３１８、３２２、３２４、３２６、３２８は、それぞれ、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検出素子３となる。圧電体層３１２、３１６では、水晶の結晶軸であるＸ軸（電気軸）が図３中の右側（Ａ軸方向プラス側）を向き、圧電体層３１４、３１８では、水晶のＸ軸が図３中の左側（Ａ軸方向マイナス側）を向いている。また、圧電体層３２２、３２６では、水晶のＸ軸が図３中の紙面奥側（Ｂ軸方向プラス側）を向き、圧電体層３２４、３２８では、水晶のＸ軸が図３中の紙面手前側（Ｂ軸方向マイナス側）を向いている。これら各圧電体層３１２、３１４、３１６、３１８、３２２、３２４、３２６、３２８は、それぞれ、Ｙカット水晶板（水晶のＹ軸（機械軸）を厚さ方向とする水晶板）で構成されている。
【００３９】
ただし、圧電体層３１２、３１４、３１６、３１８、３２２、３２４、３２６、３２８は、水晶以外の圧電材料を用いた構成であってもよい。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。
【００４０】
また、グランド電極層３１１、３１５、３１９（３２１）、３２５、３２９は、それぞれ、基準電位（例えばグランド電位ＧＮＤ）に電気的に接続されている。そして、出力電極層３１３、３１７からＡ軸方向の成分に応じた電荷Ｑａが出力され、出力電極層３２３、３２７からＢ軸方向の成分に応じた電荷Ｑｂが出力される。これらグランド電極層３１１、３１５、３１９（３２１）、３２５、３２９および出力電極層３１３、３１７、３２３、３２７の構成材料としては、特に限定されず、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等が挙げられ、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。
【００４１】
一対の中間基板３３、３４は、圧電素子３０を上下から挟み込むように配置されている。具体的には、圧電素子３０の上面に中間基板３３が配置され、下面に中間基板３４が配置されている。これにより、中間基板３３、３４によってグランド電極層３１１、３２９を覆うことができ、グランド電極層３１１、３２９を保護することができると共に、グランド電極層３１１、３２９がパッケージ２と接触して意図しない導通が生じることを抑制することができる。また、Ｃ軸方向の与圧を圧電素子３０の全域に均一に伝えることができる。なお、中間基板３３、３４は、それぞれ、図示しない接着剤等を介して圧電素子３０に接着（接合）されている。
【００４２】
中間基板３３、３４は、水晶で構成されている。これにより、高い機械的強度を有する中間基板３３、３４となり、外力を力検出素子３に的確に伝達することができる。さらに、中間基板３３は、隣接する圧電体層３２８と同じ構成となっている。すなわち、中間基板３３は、圧電体層３２８と同様に、Ｙカット水晶板から形成されており、水晶のＸ軸が図４中の紙面手前側（Ｂ軸方向マイナス側）を向いている。同様に、中間基板３４は、隣接する圧電体層３１２と同じ構成となっている。すなわち、中間基板３４は、圧電体層３１２と同様に、Ｙカット水晶板から形成されており、水晶のＸ軸が図４中の右側（Ａ軸方向プラス側）を向いている。このように、中間基板３３の結晶軸を隣接する圧電体層３２８の結晶軸と一致させ、中間基板３４の結晶軸を隣接する圧電体層３１２の結晶軸と一致させることにより、これらの熱膨張係数を揃えることができ、熱膨張に起因する出力ドリフトを効果的に低減することができる。
【００４３】
なお、中間基板３３の結晶軸と圧電体層３２８の結晶軸とが一致しているとは、中間基板３３の結晶軸と圧電体層３２８の結晶軸とが完全に一致している場合の他、中間基板３３の結晶軸と圧電体層３２８の結晶軸とが僅かに（例えば、５°以内程度）ずれている場合（例えば、製造上生じ得る誤差が生じている場合）も含む意味である。また、中間基板３３の結晶軸は、圧電体層３２８の結晶軸と一致しなくてもよいし、中間基板３４の結晶軸は、圧電体層３１２の結晶軸と一致しなくてもよい。また、中間基板３３、３４は、それぞれ、水晶以外の圧電体から構成されていてもよいし、圧電体以外の導電性を有さない材料を用いた構成であってもよい。
【００４４】
また、中間基板３３は、直下にある圧電体層３２８の厚さより大きい厚さを有し、中間基板３４は、直上にある中間基板３４側にある圧電体層３１２の厚さより大きい厚さを有している。そのため、圧電素子３０により均一な圧力（与圧）をかけることができ、また、耐衝撃性も向上する。
【００４５】
また、図４に示すように、力検出素子３の全体形状は、直方体である。すなわち、力検出素子３は、中間基板３３の上面である上面３ａと、中間基板３４の下面である下面３ｂと、これら上面３ａと下面３ｂとを接続する４つの側面３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆと、を有する。ただし、力検出素子３の形状としては、特に限定されず、例えば、円柱形、三角柱形、正方形以外の四角柱形（長方形、台形、平行四辺形等）、五角柱形以上の多角柱形等、いかなる形状であってもよい。
【００４６】
そして、Ａ軸方向プラス側を向く側面３ｃには、各グランド電極層３１１、３１５、３１９（３２１）、３２５、３２９と電気的に接続された接続電極３９１と、各出力電極層３２３、３２７と電気的に接続された接続電極３９２と、が幅方向（Ｂ軸方向）に並んで設けられている。また、側面３ｃと対向し、Ａ軸方向マイナス側を向く側面３ｅには、各グランド電極層３１１、３１５、３１９（３２１）、３２５、３２９と電気的に接続された接続電極３９３と、各出力電極層３１３、３１７と電気的に接続された接続電極３９４と、が幅方向（Ｂ軸方向）に並んで設けられている。
【００４７】
そして、接続電極３９１は、接続部材２６１を介して内部端子２７と電気的に接続され、接続電極３９２は、接続部材２６２を介して内部端子２７と電気的に接続され、接続電極３９３は、接続部材２６３を介して内部端子２７と電気的に接続され、接続電極３９４は、接続部材２６４を介して内部端子２７と電気的に接続されている。これら接続部材２６１、２６２、２６３、２６４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ペースト等の各種金属ペーストを用いることができる。
【００４８】
ただし、接続電極３９１、３９２、３９３、３９４の配置としては、特に限定されない。例えば、接続電極３９１、３９２、３９３、３９４は、それぞれ、力検出素子３の異なる側面に別れて配置されていてもよいし、力検出素子３の１つの側面にまとめて配置されていてもよい。また、接続電極３９１、３９２、３９３、３９４は、力検出素子３の上面３ａや下面３ｂに配置されていてもよい。
【００４９】
以上、力検出素子３について説明した。図２に示すように、このような力検出素子３は、底部材２３と蓋体２４の中央部２４１との間に位置しており、その下端部が凹部２２４内に挿入されている。そして、力検出素子３と蓋体２４との間には第１樹脂層４１が設けられており、力検出素子３と底部材２３との間には第２樹脂層４２が設けられている。以下、これら第１、第２樹脂層４１、４２について詳細に説明する。
【００５０】
図２に示すように、第１樹脂層４１は、力検出素子３の上面３ａ（中間基板３３の上面）と蓋体２４の中央部２４１との間に位置している。このような第１樹脂層４１は、接着剤として機能し、力検出素子３の上面３ａと蓋体２４の内面２４０とが第１樹脂層４１を介して接着（接合）されている。一方、第２樹脂層４２は、力検出素子３の下面３ｂ（中間基板３４の下面）と底部材２３との間に位置している。このような第２樹脂層４２は、接着剤として機能し、力検出素子３の下面３ｂと底部材２３の上面２３１とが第２樹脂層４２を介して接着（接合）されている。
【００５１】
このように、力検出素子３と蓋体２４とを第１樹脂層４１を用いて接着し、力検出素子３と底部材２３とを第２樹脂層４２を用いて接着することにより、パッケージ２内での力検出素子３の姿勢が安定し、パッケージ２（底部材２３および蓋体２４）を介して外力を力検出素子３に的確に伝達することができる。また、力検出素子３に与圧が均一に加わるようになり、力検出素子３からの出力値が安定する。そのため、センサーデバイス１は、受けた外力をより精度よく検出することができる。ただし、第１樹脂層４１は、接着性を有さず、力検出素子３と蓋体２４との間にこれらと接着されずに配置されているだけでもよい。同様に、第２樹脂層４２は、接着性を有さず、力検出素子３と底部材２３との間にこれらと接着されずに配置されているだけでもよい。
【００５２】
また、第１樹脂層４１は、平面視で、上面３ａの全域を内包するように配置されている。すなわち、第１樹脂層４１は、上面３ａの全域と接着している。同様に、第２樹脂層４２は、平面視で、下面３ｂの全域を内包するように配置されている。すなわち、第２樹脂層４２は、下面３ｂの全域と接着している。これにより、より確実に、応力の局所的な集中を低減（好ましくは防止）することができ、力検出素子３に与圧が均一に加わるようになる。したがって、力検出素子３からの出力値が安定し、センサーデバイス１は、受けた外力をより精度よく検出することができる。ただし、第１樹脂層４１は、上面３ａの全域と接着していなくてもよいし、第２樹脂層４２は、下面３ｂの全域と接着していなくてもよい。
【００５３】
また、第１樹脂層４１は、力検出素子３の側面３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆに回り込み、側面３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆに接着されたフィレット部４１１を有している。同様に、第２樹脂層４２は、力検出素子３の側面３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆに回り込んでおり、側面３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆに接着されたフィレット部４２１を有している。これにより、力検出素子３と蓋体２４および底部材２３とをより強固に接着することができる。ただし、第１樹脂層４１は、フィレット部４１１を有していなくてもよいし、第２樹脂層４２は、フィレット部４２１を有していなくてもよい。
【００５４】
このような第１、第２樹脂層４１、４２は、それぞれ、絶縁性を有している。すなわち、第１、第２樹脂層４１、４２は、それぞれ、十分に高い電気抵抗値（例えば、１００ＭΩ以上）を有している。これにより、第１樹脂層４１を介して力検出素子３と蓋体２４とが導通し、第２樹脂層４２を介して力検出素子３と底部材２３とが導通することを抑制することができる。そのため、意図しない電気経路の形成が抑制され、力検出素子３からの出力値が安定する。したがって、センサーデバイス１は、受けた外力をより精度よく検出することができる。
【００５５】
また、図１および図２に示すように、第２樹脂層４２は、接続部材２６１、２６２、２６３、２６４と底部材２３との間に位置し、さらには、平面視で、接続部材２６１、２６２、２６３、２６４と重なっている。そのため、仮に、接続部材２６１、２６２、２６３、２６４が凹部２２４内を流動して凹部２２４の底面に到達したとしても、第２樹脂層４２によって、接続部材２６１、２６２、２６３、２６４と底部材２３との接触が抑制される。そのため、底部材２３を介して、接続部材２６１、２６２、２６３、２６４が電気的に接続されてしまうことを効果的に抑制することができ、信頼性の高いセンサーデバイス１となる。特に、本実施形態では、凹部２２４の底面の全域を覆うように第２樹脂層４２が設けられているため、底部材２３が凹部２２４内に露出せず、上述した効果をより顕著に発揮することができる。ただし、第２樹脂層４２は、平面視で、接続部材２６１、２６２、２６３、２６４と重なっていなくてもよい。
【００５６】
また、第１、第２樹脂層４１、４２は、同じ材料で構成されていてもよいし、異なる材料で構成されていてもよいが、本実施形態では、同じ材料で構成されている。第１、第２樹脂層４１、４２を同じ材料で構成することにより、力検出素子３の両側からバランスよく外力が伝達されるため、力検出素子３からの出力値が安定する。そのため、センサーデバイス１は、受けた外力をより精度よく検出することができる。ここで、第１、第２樹脂層４１、４２は、後述するように、樹脂材料と、この樹脂材料中に分散されたフィラーＦと、を有しているが、第１、第２樹脂層４１、４２が同じ材料で構成されているとは、少なくとも両者が同じ樹脂材料を用いていることを言い、好ましくは、両者がさらに同じフィラーＦを用い、その含有率も同じことを言う。
【００５７】
また、第１樹脂層４１の厚さＤ１および第２樹脂層４２の厚さＤ２としては、それぞれ、特に限定されないが、例えば、１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以上９０μｍ以下であることがより好ましい。このような厚さＤ１、Ｄ２とすることにより、第１、第２樹脂層４１、４２の機械的強度を十分に確保しつつ、第１、第２樹脂層４１、４２を設けることによる力検出素子３への外力の伝達損失を低減することができる。そのため、外力を効率的に力検出素子３に伝達することができる。なお、第１樹脂層４１の厚さＤ１と第２樹脂層４２の厚さＤ２とは、等しくてもよいし、異なっていてもよいが、本実施形態では、等しくなっている。すなわち、本実施形態では、Ｄ１＝Ｄ２の関係を満足している。このように、Ｄ１＝Ｄ２の関係を満足することにより、力検出素子３の両側からバランスよく外力が伝達されるため、力検出素子３からの出力値が安定する。そのため、センサーデバイス１は、受けた外力をより精度よく検出することができる。
【００５８】
なお、厚さＤ１と厚さＤ２とが等しいとは、これらが一致している場合の他、例えば、技術的に生じ得る誤差や製造上不可避な誤差（例えば、±５％以下程度の誤差）を含む意味である。また、厚さＤ１とは、第１樹脂層４１の力検出素子３の上面３ａと蓋体２４の内面２４０とに挟まれた部分の平均厚さを意味する。同様に、厚さＤ２とは、第２樹脂層４２の力検出素子３の下面３ｂと底部材２３の上面２３１とに挟まれた部分の平均厚さを意味する。
【００５９】
また、第１樹脂層４１のヤング率は、蓋体２４（金属材料）のヤング率および中間基板３３（水晶）のヤング率より小さい。また、第２樹脂層４２のヤング率は、底部材２３（金属材料）のヤング率および中間基板３４（水晶）のヤング率より小さい。このような第１、第２樹脂層４１、４２のヤング率としては、上記関係を満足していれば、特に限定されず、与圧の大きさ等によっても異なるが、例えば、与圧が３００ｋｇ程度の場合には、１ＧＰａ以上１０ＧＰａ以下であることが好ましく、４ＧＰａ以上６ＧＰａ以下であることがより好ましい。このようなヤング率とすることにより、より効率的に、外力を力検出素子３に伝達することができる。また、外力によって力検出素子３や基部２２が破損することを抑制することができる。
【００６０】
図５に示すように、第１、第２樹脂層４１、４２は、それぞれ、樹脂材料と、樹脂材料中に分散されたフィラーＦと、を有する。また、フィラーＦは、第１フィラーＦ１と、第２フィラーＦ２と、を有する。なお、第１、第２樹脂層４１、４２は、それぞれ、適宜、水、溶剤、可塑剤、硬化剤および帯電防止剤等を含んでいてもよい。
【００６１】
なお、樹脂材料としては、硬化反応し得る材料が用いられる。このような樹脂材料としては、例えば、熱可塑性樹脂や光可塑性樹脂等の可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂および電子線硬化性樹脂等の硬化性樹脂を用いることができ、中でも、硬化性樹脂を用いることが好ましく、熱硬化性樹脂を用いることがより好ましい。熱硬化性樹脂としては、例えば、アクリル系樹脂、フェノール系樹脂、シリコーン系樹脂、エポキシ系樹脂等が挙げられ、中でも、エポキシ系樹脂を用いることが好ましい。エポキシ系樹脂を用いることにより、優れた引張せん断接着強さを有する第１、第２樹脂層４１、４２が得られる。
【００６２】
第１、第２フィラーＦ１、Ｆ２は、径が互いに異なっており、第１フィラーＦ１の最大径（最大幅。第１の最大径）が第２フィラーＦ２の最大径（最大幅、第２の最大径）よりも大きい。そのため、第１フィラーＦ１は、第１、第２樹脂層４１、４２の厚さＤ１、Ｄ２を制御するギャップ材として機能する。一方、第２フィラーＦ２は、第１、第２樹脂層４１、４２の厚さＤ１、Ｄ２ではなく、樹脂材料の特性（弾性、樹脂粘度、熱膨張率等）を制御する機能を有する。
【００６３】
また、第１フィラーＦ１のヤング率は、第２フィラーＦ２のヤング率より大きい。これにより、第２フィラーＦ２が与圧を受けた時に第１フィラーＦ１が変形するより先に変形するため、ギャップ変化（面間平行度ずれ）が抑制される。
【００６４】
第１、第２フィラーＦ１、Ｆ２の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、シリカ（ＳｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等の無機酸化物やセラミック、ガラス等の無機物を含む無機フィラーを用いることが好ましく、これらのうちの１種または２種以上を併用することができる。中でも特に、第１、第２フィラーＦ１、Ｆ２の構成材料としては、シリカ、アルミナ、中空ガラスビーズを用いることが好ましい。これにより、第１、第２樹脂層４１、４２の機械的な強度や耐熱性を高めることができる。また、第１、第２フィラーＦ１、Ｆ２は、導電性を有さない（絶縁性）であるものが好ましい。特に、第２フィラーＦ２としては。中空ガラスビーズを用いることが好ましい。これにより、第１、第２樹脂層４１、４２の弾性率の増加を抑制しつつ、第１、第２樹脂層４１、４２の熱膨張率を低減することができる。また、第１、第２樹脂層４１、４２の残留応力を低減することもできる。
【００６５】
第１、第２フィラーＦ１、Ｆ２の形状としては、特に限定されないが、球状であることが好ましい。第１、第２フィラーＦ１、Ｆ２を球形にすることにより、第１、第２フィラーＦ１、Ｆ２をそれぞれ分級して径の大きさを均一にすることが容易となる。そのため、第１、第２樹脂層４１、４２の厚さＤ１、Ｄ２をより精度よく制御することができると共に、第１、第２樹脂層４１、４２の特性をより精度よく制御することができる。ただし、第１、第２フィラーＦ１、Ｆ２の形状は、球状に限定されず、例えば、方形状、板状、針状、葉状等のものを用いることもできる。また、第１、第２フィラーＦ１、Ｆ２は、緻密質体であってもよいし、多孔質体であってもよい。
【００６６】
以上、センサーデバイス１について説明した。このようなセンサーデバイス１は、前述したように、蓋体２４（第１部材）と、底部材２３（第２部材）と、蓋体２４と底部材２３との間に配置されている圧電素子３０と、蓋体２４と圧電素子３０との間に配置されている中間基板３３（第１中間基板）と、底部材２３と圧電素子３０との間に配置されている中間基板３４（第２中間基板）と、蓋体２４と中間基板３３との間に配置されている第１樹脂層４１と、底部材２３と中間基板３４との間に配置されている第２樹脂層４２と、を有する。また、第１樹脂層４１のヤング率は、蓋体２４のヤング率および中間基板３３のヤング率より小さく、第２樹脂層４２のヤング率は、底部材２３のヤング率および中間基板３４のヤング率より小さい。このように、蓋体２４と中間基板３３との間に第１樹脂層４１を設け、底部材２３と中間基板３４との間に第２樹脂層４２を設けることにより、圧電素子３０に加えられる与圧の均一度が増して、与圧が均一に加わるようになり、圧電素子３０からの出力値が安定する。そのため、センサーデバイス１は、安定した検出特性を発揮することができ、受けた外力をより精度よく検出することができる。
【００６７】
また、前述したように、センサーデバイス１では、第１樹脂層４１の厚さＤ１と、第２樹脂層４２の厚さＤ２と、が等しい。このように、Ｄ１＝Ｄ２の関係を満足することにより、力検出素子３の両側からバランスよく外力が伝達されるため、力検出素子３からの出力値が安定する。そのため、センサーデバイス１は、安定した検出特性を発揮することができ、受けた外力をより精度よく検出することができる。
【００６８】
また、前述したように、センサーデバイス１では、第１樹脂層４１の材料と、第２樹脂層４２の材料と、が同じである。このように、第１樹脂層４１および第２樹脂層４２を同じ材料で構成することにより、力検出素子３の両側からバランスよく外力が伝達されるため、力検出素子３からの出力値が安定する。そのため、センサーデバイス１は、安定した検出特性を発揮することができ、受けた外力をより精度よく検出することができる。
【００６９】
また、前述したように、第１樹脂層４１および第２樹脂層４２は、それぞれ、フィラーＦを含んでいる。これにより、第１、第２樹脂層４１、４２の厚さＤ１、Ｄ２を制御したり、第１、第２樹脂層４１、４２の特性（樹脂粘度、熱膨張率等）を制御したりすることが容易となる。
【００７０】
また、前述したように、フィラーＦは、第１の最大径を有する第１フィラーＦ１と、第１の最大径より小さい第２の最大径を有する第２フィラーＲＦ２と、を含み、第１フィラーＦ１のヤング率は、第２フィラーＦ２のヤング率より大きい。これにより、第１フィラーＦ１がギャップ材として機能し、第２フィラーＦ２が与圧を受けた時に第１フィラーＦ１が変形するより先に変形するため、ギャップ変化（面間平行度ずれ）が抑制される。
【００７１】
また、前述したように、センサーデバイス１は、蓋体２４と底部材２３とに接続される基部２２（枠状部材）を備え、基部２２は、圧電素子３０を囲む枠形状を有する。これにより、より圧力（与圧）がかかった時に外部から圧力変動要因が加わり難くなる。
【００７２】
また、前述したように、蓋体２４および底部材２３は、金属材料からなる。これにより、比較的高い剛性を有すると共に、応力が加えられたときに適度に弾性変形する蓋体２４および底部材２３となる。そのため、蓋体２４および底部材２３を介して外力を力検出素子３に的確に伝達することができると共に、その外力による蓋体２３および底部材２３の破損のおそれを低減することができる。
【００７３】
また、前述したように、第１樹脂層４１および第２樹脂層４２は、それぞれ、絶縁性を有する。これにより、第１樹脂層４１を介して力検出素子３と蓋体２４とが導通し、第２樹脂層４２を介して力検出素子３と底部材２３とが導通することを抑制することができる。そのため、意図しない電気経路の形成が抑制され、力検出素子３からの出力値が安定する。したがって、センサーデバイス１は、安定した検出特性を発揮することができ、受けた外力をより精度よく検出することができる。
【００７４】
また、前述したように、蓋体２４と中間基板３３とは、第１樹脂層４１を介して接着されており、底部材２３と中間基板３４とは、第２樹脂層４２を介して接着されている。これにより、パッケージ２内での力検出素子３の姿勢が安定するため、パッケージ２（底部材２３および蓋体２４）を介して、外力を力検出素子３に的確に伝達することができる。また、力検出素子３に与圧が均一に加わるようになり、力検出素子３からの出力値が安定する。そのため、センサーデバイス１は、安定した検出特性を発揮することができ、受けた外力をより精度よく検出することができる。
【００７５】
また、前述したように、蓋体２４と底部材２３とが並ぶ方向をＣ軸方向（第１方向）とし、Ｃ軸方向に直交する方向をＡ軸方向（第２方向）としたとき、センサーデバイス１は、圧電素子３０とＡ軸方向に並んで配置され、圧電素子３０と接触している接続部材２６１、２６２、２６３、２６４（導電性部材）を有している。そして、Ｃ軸方向からの平面視で、接続部材２６１、２６２、２６３、２６４は、それぞれ、第２樹脂層４２と重なっている。そのため、仮に、接続部材２６１、２６２、２６３、２６４が底部材２３側に流動して底部材２３に到達したとしても、第２樹脂層４２によって、接続部材２６１、２６２、２６３、２６４と底部材２３との接触を抑制することができる。そのため、底部材２３を介して、接続部材２６１、２６２、２６３、２６４が電気的に接続されてしまうことを効果的に抑制することができ、信頼性の高いセンサーデバイス１となる。
【００７６】
また、前述したように、中間基板３３および中間基板３４は、それぞれ、水晶で構成されている。これにより、高い機械的強度を有する中間基板３３、３４となり、外力を力検出素子３に的確に伝達することができる。
【００７７】
また、前述したように、蓋体２４と底部材２３とが並ぶ方向をＣ軸方向（第１方向）としたとき、圧電素子３０は、Ｃ軸方向に並んで配置されている水晶からなる複数の圧電体層３１２、３１４、３１６、３１８、３２２、３２４、３２６、３２８を有している。そして、複数の圧電体層３１２、３１４、３１６、３１８、３２２、３２４、３２６、３２８のうちの最も中間基板３３側にある圧電体層３２８の結晶軸と、中間基板３３の結晶軸と、が一致し、複数の圧電体層３１２、３１４、３１６、３１８、３２２、３２４、３２６、３２８のうちの最も中間基板３４側にある圧電体層３１２の結晶軸と、中間基板３４の結晶軸と、が一致している。このように、中間基板３３の結晶軸を隣接する圧電体層３２８の結晶軸と一致させ、中間基板３４の結晶軸を隣接する圧電体層３１２の結晶軸と一致させることにより、これらの熱膨張係数を揃えることができ、熱膨張に起因する出力ドリフトを効果的に低減することができる。
【００７８】
また、前述したように、中間基板３３は、複数の圧電体層３１２、３１４、３１６、３１８、３２２、３２４、３２６、３２８のうちの最も中間基板３３側にある圧電体層３２８の厚さより大きい厚さを有し、中間基板３４は、複数の圧電体層３１２、３１４、３１６、３１８、３２２、３２４、３２６、３２８のうちの最も中間基板３４側にある圧電体層３１２の厚さより大きい厚さを有している。そのため、圧電体層３１２、３１４、３１６、３１８、３２２、３２４、３２６、３２８により均一な圧力（与圧）をかけることができ、また、耐衝撃性も向上する。
【００７９】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る力検出装置について説明する。
【００８０】
図６は、本発明の第２実施形態に係る力検出装置の斜視図である。図７は、図６に示す力検出装置の縦断面図である。図８は、図６に示す力検出装置の横断面図である。図９は、力検出装置に配置されたセンサーデバイスの断面図である。
【００８１】
また、以下では、説明の便宜上、互いに直交する３つの軸をα軸、β軸およびγ軸とし、各軸を示す矢印の先端側を「プラス側」、基端側を「マイナス側」とする。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」という。また、γ軸方向プラス側を「上」、γ軸方向マイナス側を「下」ともいう。また、γ軸方向から見たものを「平面視」という。
【００８２】
図６に示す力検出装置１００は、力検出装置１００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。なお、６軸成分は、互いに直交する３つの軸（図示ではα軸、β軸およびγ軸）のそれぞれの方向の並進力（せん断力）成分と、これら３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。
【００８３】
力検出装置１００は、その中心軸Ａ１（γ軸）まわりに等間隔（９０°間隔）に配置された複数（本実施形態では４つ）のセンサーデバイス１と、これらセンサーデバイス１を収納しているケース５と、を有する。力検出装置１００では、各センサーデバイス１が受けた外力に応じた検出信号を出力し、それらの検出信号を処理することにより、力検出装置１００に加えられた外力の６軸成分を検出することができる。以下、力検出装置１００が備える各部について説明する。
【００８４】
［ケース］
図６に示すように、ケース５は、第１ケース部材６と、第１ケース部材６に対して間隔を隔てて配置されている第２ケース部材７と、第１ケース部材６および第２ケース部材７の外周部に設けられた側壁部８と、を有する。
【００８５】
また、図７に示すように、第１ケース部材６は、天板６１（第１基部）と、天板６１の下面に設けられ、中心軸Ａ１まわりに等間隔（９０°間隔）に配置された４つの壁部６２（第１与圧部）と、を有する。また、天板６１には、その中央部に中心軸Ａ１に沿った貫通孔６１１が形成されている。また、図８に示すように、各壁部６２には、後述する与圧ボルト５０が挿通される複数の貫通孔６２１が形成されている。また、各壁部６２の内壁面６２０（内側の面）は、天板６１に対して垂直な平面となっている。
【００８６】
また、図７に示すように、第２ケース部材７は、底板７１（第２基部）と、底板７１の上面に設けられ、前述した４つの壁部６２と対向するように中心軸Ａ１まわりに等間隔（９０°間隔）に配置された４つの壁部７２（第２与圧部）と、を有する。また、底板７１には、その中央部に中心軸Ａ１に沿った貫通孔７１１が形成されている。また、各壁部７２は、対向する壁部６２側に向けて突出した突出部７３を有し、この突出部７３の頂面７３０は、内壁面６２０と平行であり、内壁面６２０に対し、所定距離（センサーデバイス１を挿入可能な距離）を隔てて対面している。また、図８に示すように、各壁部７２には、与圧ボルト５０の先端部が螺合する雌ネジ孔７２１が複数形成されている。
【００８７】
また、側壁部８は、円筒状をなし、その上端部および下端部がそれぞれ第１ケース部材６および第２ケース部材７に対して例えばネジ止め、嵌合等によって固定されている。また、側壁部８と前述した第１ケース部材６の天板６１と第２ケース部材７の底板７１とで囲まれた空間Ｓ１（力検出装置１００の内部空間）には４つのセンサーデバイス１が収納されている。
【００８８】
以上のようなケース５では、第１ケース部材６の上面６０が、例えば、後述するロボット１０００が備えるエンドエフェクター１７００（被取付部材）に取り付ける取付面として機能し、第２ケース部材７の下面７０が、例えば、後述するロボット１０００が備えるロボットアーム１２００に取り付けるアーム用取付面として機能する。
【００８９】
なお、ケース５の平面視での外形は、それぞれ、円形であるが、これに限定されず、例えば、三角形、四角形、五角形等の多角形、楕円形、異形等、いかなる形状であってもよい。また、本実施形態では、各壁部６２は、天板６１と別部材で形成され、天板６１に対し固定されているが、これに限定されず、天板６１と一体で形成されていてもよい。同様に、本実施形態では、各壁部７２は、底板７１と別部材で形成され、底板７１に対し固定されているが、これに限定されず、底板７１と一体で形成されていてもよい。
【００９０】
また、第１ケース部材６、第２ケース部材７および側壁部８の構成材料としては、それぞれ、特に限定されず、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属材料、セラミックス等を用いることができる。なお、第１ケース部材６、第２ケース部材７および側壁部８の構成材料は、互いに同じであってもよいし、異なっていてもよい。
【００９１】
図８に示すように、４つのセンサーデバイス１は、平面視で、中心軸Ａ１を通りβ軸に平行な線分ＣＬに対して対称となるように配置されている。また、図７に示すように、各センサーデバイス１は、天板６１と底板７１との間に位置している。また、各センサーデバイス１は、壁部６２と壁部７２（突出部７３）との間に位置し、壁部６２と壁部７２（突出部７３）とによって挟持されている。具体的には、各センサーデバイス１は、図９に示すように、パッケージ２の基体２１を壁部７２側に向け、蓋体２４を壁部６２側へ向けた状態で、壁部６２、７２の間に配置されている。さらに、基体２１の底部材２３が突出部７３の頂面７３０と当接し、蓋体２４の中央部２４１が壁部６２の内壁面６２０と接触している。
【００９２】
図８に示すように、与圧ボルト５０は、壁部６２と壁部７２とを連結しており、これにより、第１ケース部材６と第２ケース部材７とが固定されている。また、与圧ボルト５０が締め込まれることにより、壁部６２と壁部７２との間に位置するセンサーデバイス１（力検出素子３）が与圧されている。すなわち、自然状態において、力検出素子３には図９中の矢印Ｐで示す方向の圧縮力が加わっている。このように、自然状態において力検出素子３を与圧しておくことにより、力検出装置１００に加えられた外力の６軸成分を精度よく検出することができる。なお、与圧ボルト５０の締結力を適宜調整することにより、力検出素子３に加わる与圧を調整することができる。
【００９３】
与圧ボルト５０は、各センサーデバイス１に対して一対設けられており、一対の与圧ボルト５０がセンサーデバイス１の両側に位置している。ただし、与圧ボルト５０の配置としては、特に限定されない。また、与圧ボルト５０は、必要に応じて設ければよく、不要な場合には、省略してもよい。
【００９４】
このような力検出装置１００は、図示しない外力検出回路を有し、この外力検出回路は、各センサーデバイス１から出力される信号（電荷Ｑａ、Ｑｂ）に基づいて、α軸方向の並進力成分Ｆα、β軸方向の並進力成分Ｆβ、γ軸方向の並進力成分Ｆγ、α軸周りの回転力成分Ｍα、β軸周りの回転力成分Ｍβ、γ軸周りの回転力成分Ｍγを検出（演算）することができる。外力検出回路は、例えば、電荷Ｑａ、Ｑｂを電圧に変換する電荷／電圧変換回路を備えたアナログ回路と、このアナログ回路からの出力をデジタル信号に変換するＡＤコンバーターおよびＡＤコンバーターに接続されたＣＰＵ等の演算回路を備えたデジタル回路と、を有する構成とすることができる。
【００９５】
以上、力検出装置１００について説明した。このような力検出装置１００は、前述したように、天板６１（第１基部）と、底板７１（第２基部）と、天板６１と底板７１との間に設けられるセンサーデバイス１（本発明のセンサーデバイス）と、を備えている。このような力検出装置１００によれば、センサーデバイス１を備えているため、外力をより高精度に検出することができる。
【００９６】
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態に係るロボットについて説明する。
【００９７】
図１０は、本発明の第３実施形態に係るロボットの斜視図である。
【００９８】
図１０に示すロボット１０００は、精密機器やこれを構成する部品等の対象物の給材、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、単腕ロボットであり、所謂６軸垂直多関節ロボットである。ロボット１０００は、基台１１００と、基台１１００に回動自在に連結されたロボットアーム１２００と、力検出装置１００と、エンドエフェクター１７００とを有する。
【００９９】
基台１１００は、例えば、床、壁、天井および移動可能な台車上等に固定される部分である。ロボットアーム１２００は、アーム１２１０（第１アーム）、アーム１２２０（第２アーム）、アーム１２３０（第３アーム）、アーム１２４０（第４アーム）、アーム１２５０（第５アーム）、アーム１２６０（第６アーム）を有する。これらアーム１２１０〜１２６０は、基端側から先端側に向かってこの順に連結されている。各アーム１２１０〜１２６０は、隣り合うアームまたは基台１１００に対して回動可能になっている。
【０１００】
アーム１２６０の先端には、力検出装置１００が接続されている。力検出装置１００は、力検出装置１００の先端に取り付けられたエンドエフェクター１７００に加わる力（モーメントを含む）を検出する。エンドエフェクター１７００は、ロボット１０００の作業対象である対象物に対して作業を行う器具であり、対象物を把持する機能を有するハンドで構成されている。なお、エンドエフェクター１７００としては、ロボット１０００の作業内容等に応じた器具を用いればよく、ハンドに限定されず、例えば、ネジ締めを行うネジ締め器具や嵌合を行う嵌合器具等であってもよい。
【０１０１】
また、図示しないが、ロボット１０００は、一方のアームを他方のアーム（または基台１１００）に対して回動させるモーター等を備える駆動部を有する。また、ロボット１０００は、図示はしないが、モーターの回転軸の回転角度を検出する角度センサーを有する。
【０１０２】
以上、ロボット１０００について説明した。このようなロボット１０００は、前述したように、基台１１００と、基台１１００に接続されるロボットアーム１２００（アーム）と、力検出装置１００（本発明の力検出装置）を有する。このようなロボット１０００によれば、力検出装置１００を備えているため、例えば、力検出装置１００が検出した外力を、ロボット１０００を制御する機能を有する制御部（図示せず）にフィードバックすることにより、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１００が検出した外力によって、ロボット１０００は、エンドエフェクター１７００の障害物への接触等を検知することができる。そのため、障害物回避動作および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。
【０１０３】
なお、力検出装置１００は、隣り合うアームとアームとの間（例えば、アーム１２４０、１２５０の間）に設けられていてもよい。また、ロボット１０００は、例えば、スカラーロボット、双腕ロボット等の他のロボットであってもよい。また、ロボット１０００が有するアームの数は、本実施形態では６本であるが、これに限定されず、１〜５本または７本以上であってもよい。
【０１０４】
以上、本発明のセンサーデバイス、力検出装置およびロボットを、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。また、本発明のセンサーデバイスおよび力検出装置は、ロボット以外の機器に組み込むことも可能であり、例えば、自動車等の移動体に搭載してもよい。
【符号の説明】
【０１０５】
１…センサーデバイス、２…パッケージ、２０…シール部材、２１…基体、２２…基部、２２１、２２２、２２４…凹部、２２３…貫通孔、２３…底部材、２３１…上面、２４…蓋体、２４０…内面、２４１…中央部、２４２…外縁部、２４３…接続部、２６１、２６２、２６３、２６４…接続部材、２７…内部端子、２８…外部端子、３…力検出素子、３ａ…上面、３ｂ…下面、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ…側面、３０…圧電素子、３１…第１圧電素子、３１１、３１５、３１９…グランド電極層、３１２、３１４、３１６、３１８…圧電体層、３１３、３１７…出力電極層、３２…第２圧電素子、３２１、３２５、３２９…グランド電極層、３２２、３２４、３２６、３２８…圧電体層、３２３、３２７…出力電極層、３３、３４…中間基板、３９１、３９２、３９３、３９４…接続電極、４１…第１樹脂層、４１１…フィレット部、４２…第２樹脂層、４２１…フィレット部、５…ケース、５０…与圧ボルト、６…第１ケース部材、６０…上面、６１…天板、６１１…貫通孔、６２…壁部、６２０…内壁面、６２１…貫通孔、７…第２ケース部材、７０…下面、７１…底板、７１１…貫通孔、７２…壁部、７２１…雌ネジ孔、７３…突出部、７３０…頂面、８…側壁部、１００…力検出装置、１０００…ロボット、１１００…基台、１２００…ロボットアーム、１２１０、１２２０、１２３０、１２４０、１２５０、１２６０…アーム、１７００…エンドエフェクター、Ａ１…中心軸、ＣＬ…線分、Ｄ１、Ｄ２…厚さ、Ｆ…フィラー、Ｆ１…第１フィラー、Ｆ２…第２フィラー、ＧＮＤ…グランド電位、Ｐ…矢印、Ｑａ、Ｑｂ…電荷、Ｓ…収納空間、Ｓ１…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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【図９】
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【図１０】
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