(57)【要約】【課題】優れた力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、凹部を有する基体と、前記凹部の開口を塞ぎ、前記凹部を密閉する蓋体と、前記凹部内に配置され、第１方向の外力に応じて第１信号を出力する第１素子および前記第１方向とは異なる第２方向の外力に応じて第２信号を出力する第２素子を備え、前記凹部内に配置され、前記第１信号を処理する第１回路と、前記凹部内に配置され、前記第２信号を処理する第２回路と、を有し、前記基体の平面視で、前記第１素子の一方側であり、且つ、前記第１素子の前記一方側と同じ側である前記第２素子の一方側に、前記第１回路が位置し、前記第１素子の他方側であり、且つ、前記第１素子の前記他方側と同じ側である前記第２素子の他方側に前記第２回路が位置している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹部を有する基体と、
前記凹部の開口を塞ぎ、前記凹部を密閉する蓋体と、
前記凹部内に配置され、第１方向の外力に応じて第１信号を出力する第１素子および前記第１方向とは異なる第２方向の外力に応じて第２信号を出力する第２素子を備え、
前記凹部内に配置され、前記第１信号を処理する第１回路と、
前記凹部内に配置され、前記第２信号を処理する第２回路と、を有し、
前記基体の平面視で、
前記第１素子の一方側であり、且つ、前記第１素子の前記一方側と同じ側である前記第２素子の一方側に、前記第１回路が位置し、
前記第１素子の他方側であり、且つ、前記第１素子の前記他方側と同じ側である前記第２素子の他方側に前記第２回路が位置していることを特徴とするセンサーデバイス。
【請求項２】
前記第１回路の配線と前記第１素子とを電気的に接続する第１接続部材と、
前記第２回路の配線と前記第２素子とを電気的に接続する第２接続部材と、を有し、
前記基体の平面視で、前記第１回路および前記第２回路が並ぶ方向を第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、
前記第１接続部材および前記第２接続部材が前記第２方向に並んで配置されている請求項１に記載のセンサーデバイス。
【請求項３】
前記第１回路の配線と前記第１素子とを電気的に接続する第１接続部材と、
前記第２回路の配線と前記第２素子とを電気的に接続する第２接続部材と、を有し、
前記第１素子は、第１圧電素子であり、
前記第２素子は、第２圧電素子であり、
前記第１圧電素子と前記第２圧電素子が積層されて、力検出素子を構成し、
前記基体の平面視で、前記第１回路および前記第２回路は、前記力検出素子の中心を通る直線に対して線対称の位置に配置されており、
前記第１接続部材および前記第２接続部材は、前記力検出素子の、前記第２方向に並ぶ辺の、同じ辺側に位置している請求項１に記載のセンサーデバイス。
【請求項４】
前記第１回路の配線と前記第１素子とを電気的に接続する第１接続部材と、
前記第２回路の配線と前記第２素子とを電気的に接続する第２接続部材と、を有し、
前記第１素子は、第１圧電素子であり、
前記第２素子は、第２圧電素子であり、
前記第１圧電素子と前記第２圧電素子が積層されて、力検出素子を構成し、
前記基体の平面視で、前記第１回路および前記第２回路は、前記力検出素子の中心に対して、点対称の位置に配置されており、
前記第１接続部材は、前記力検出素子の、前記第２方向に並ぶ辺の一方側に位置し、
前記第２接続部材は、前記力検出素子の、前記第２方向に並ぶ辺の他方側に位置している請求項１に記載のセンサーデバイス。
【請求項５】
前記第１素子は、前記第１信号として第１電荷を出力し、
前記第２素子は、前記第２信号として第２電荷を出力し、
前記第１回路は、前記第１電荷を電圧に変換する回路であり、
前記第２回路は、前記第２電荷を電圧に変換する回路である請求項３または４に記載のセンサーデバイス。
【請求項６】
前記第１回路は、前記第１電荷が入力される抵抗、前記第１電荷を蓄積する蓄電部および前記第１電荷による電圧を増幅する増幅器の少なくとも１つを含み、
前記第２回路は、前記第２電荷が入力される抵抗、前記第２電荷を蓄積する蓄電部および前記第２電荷による電圧を増幅する増幅器の少なくとも１つを含む請求項５に記載のセンサーデバイス。
【請求項７】
前記第１圧電素子および前記第２圧電素子は、それぞれ、水晶を含む請求項３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】
第１基板と、
第２基板と、
前記第１基板と前記第２基板との間に設けられる請求項１ないし８のいずれか１項に記載のセンサーデバイスと、を備えることを特徴とする力検出装置。
【請求項９】
基台と、
前記基台に接続されるアームと、
請求項８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は、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の加速度をそれぞれ独立して検出できる加速度センサーであり、センサー基台と、センサー基台に取り付けられた回路基板と、回路基板に取り付けられた積層圧電素子および積層圧電素子からの信号を処理する処理回路と、を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３１４７４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような加速度センサーでは、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の加速度をそれぞれ独立して検出するために、処理回路として、積層圧電素子からの信号に基づいてＸ軸方向の加速度を検出するＸ軸処理回路と、積層圧電素子からの信号に基づいてＹ軸方向の加速度を検出するＹ軸処理回路と、積層圧電素子からの信号に基づいてＺ軸方向の加速度を検出するＺ軸処理回路と、が必要となる。
【０００５】
しかしながら、特許文献１では図５を参照すれば、多軸検出用に複数の圧電素子が基板上に配置され、これら圧電素子の信号処理回路が、圧電素子が配置される基板に対して２階建てとなる別な基板上に配置されている。
【０００６】
このように、複数の圧電素子の信号処理回路が２階建てとなる別な基板上に配置されていると、複数軸の各圧電素子の信号処理回路が近接して配置されてしまうことになり、積層圧電素子から出力される各軸の信号同士が互いに干渉してノイズとなるおそれが増す。そのため、特許文献１の加速度センサーでは、優れた加速度検出特性を発揮することができないという課題があった。
【０００７】
本発明の目的は、多軸検出における信号干渉を低減する優れ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】
【０００８】
本発明の一態様であるセンサーデバイスは、凹部を有する基体と、
前記凹部の開口を塞ぎ、前記凹部を密閉する蓋体と、
前記凹部内に配置され、第１方向の外力に応じて第１信号を出力する第１素子および前記第１方向とは異なる第２方向の外力に応じて第２信号を出力する第２素子を備え、
前記凹部内に配置され、前記第１信号を処理する第１回路と、
前記凹部内に配置され、前記第２信号を処理する第２回路と、を有し、
前記基体の平面視で、
前記第１素子の一方側であり、且つ、前記第１素子の前記一方側と同じ側である前記第２素子の一方側に、前記第１回路が位置し、
前記第１素子の他方側であり、且つ、前記第１素子の前記他方側と同じ側である前記第２素子の他方側に前記第２回路が位置していることを特徴とする。
【０００９】
これにより、第１回路と第２回路とを凹部内でなるべく離間して配置することができる。そのため、第１回路と第２回路との干渉が低減され、第１信号に第２回路からのノイズが乗ったり、反対に、第２信号に第１回路からのノイズが乗ったりすることを効果的に抑制することができる。そのため、第１回路によって第１信号を精度よく処理することができ、第２回路によって第２信号を精度よく処理することができる。その結果、受けた外力を精度よく検出することができ、優れた力検出特性を発揮することのできるセンサーデバイスが得られる。
【００１０】
本発明の一態様であるセンサーデバイスでは、前記第１回路の配線と前記第１素子とを電気的に接続する第１接続部材と、
前記第２回路の配線と前記第２素子とを電気的に接続する第２接続部材と、を有し、
前記基体の平面視で、前記第１回路および前記第２回路が並ぶ方向を第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、
前記第１接続部材および前記第２接続部材が前記第２方向に並んで配置されていることが好ましい。
【００１１】
これにより、基体の第１方向の長さを抑えることができるため、基体の平面視形状を正方形に近づけることができる（好ましくは正方形にすることができる）。その結果、力検出素子が第１方向の外力と第２方向の外力とをより均等に受けることができ、これら２つの外力をより精度よく検出することができる。
【００１２】
本発明の一態様であるセンサーデバイスでは、前記第１回路の配線と前記第１素子とを電気的に接続する第１接続部材と、
前記第２回路の配線と前記第２素子とを電気的に接続する第２接続部材と、を有し、
前記第１素子は、第１圧電素子であり、
前記第２素子は、第２圧電素子であり、
前記第１圧電素子と前記第２圧電素子が積層されて、力検出素子を構成し、
前記基体の平面視で、前記第１回路および前記第２回路は、前記力検出素子の中心を通る直線に対して線対称の位置に配置されており、
前記第１接続部材および前記第２接続部材は、前記力検出素子の、前記第２方向に並ぶ辺の、同じ辺側に位置していることが好ましい。
【００１３】
これにより、第１回路および第２回路を力検出素子に対して線対称に配置し易くなる。
【００１４】
本発明の一態様であるセンサーデバイスでは、前記第１回路の配線と前記第１素子とを電気的に接続する第１接続部材と、
前記第２回路の配線と前記第２素子とを電気的に接続する第２接続部材と、を有し、
前記第１素子は、第１圧電素子であり、
前記第２素子は、第２圧電素子であり、
前記第１圧電素子と前記第２圧電素子が積層されて、力検出素子を構成し、
前記基体の平面視で、前記第１回路および前記第２回路は、前記力検出素子の中心に対して、点対称の位置に配置されており、
前記第１接続部材は、前記力検出素子の、前記第２方向に並ぶ辺の一方側に位置し、
前記第２接続部材は、前記力検出素子の、前記第２方向に並ぶ辺の他方側に位置していることが好ましい。
【００１５】
これにより、第１回路および第２回路を力検出素子に対して点対称に配置し易くなる。
【００１６】
本発明の一態様であるセンサーデバイスでは、前記第１素子は、前記第１信号として第１電荷を出力し、
前記第２素子は、前記第２信号として第２電荷を出力し、
前記第１回路は、前記第１電荷を電圧に変換する回路であり、
前記第２回路は、前記第２電荷を電圧に変換する回路であることが好ましい。
【００１７】
これにより、第１方向の外力および第２方向の外力を容易に検出することができる。
【００１８】
本発明の一態様であるセンサーデバイスでは、前記第１回路は、前記第１電荷が入力される抵抗、前記第１電荷を蓄積する蓄電部および前記第１電荷による電圧を増幅する増幅器の少なくとも１つを含み、
前記第２回路は、前記第２電荷が入力される抵抗、前記第２電荷を蓄積する蓄電部および前記第２電荷による電圧を増幅する増幅器の少なくとも１つを含むことが好ましい。
【００１９】
これにより、各回路要素が水分（湿気）から保護され、湿度に起因した第１回路および第２回路の回路特性の劣化、変動を抑制することができ、受けた外力を精度よく検出することのできるセンサーデバイスとなる。
【００２０】
本発明の一態様であるセンサーデバイスでは、前記第１圧電素子および前記第２圧電素子は、それぞれ、水晶を含むことが好ましい。
【００２１】
これにより、第１、第２圧電素子の構成が簡単なものとなると共に、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となる。
【００２２】
本発明の一態様である力検出装置は、第１基板と、
第２基板と、
前記第１基板と前記第２基板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、を備えることを特徴とする。
【００２３】
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。
【００２４】
本発明の一態様であるロボットは、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、を備えることを特徴とする。
【００２５】
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】
【００２６】
【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中のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図１中のＢ−Ｂ線断面図である。
【図４】図１に示すセンサーデバイスの平面図である。
【図５】図１に示すセンサーデバイスの製造方法を示す側面図である。
【図６】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７】図６に示す力検出素子の斜視図である。
【図８】図１に示すセンサーデバイスの平面図である。
【図９】図１に示すセンサーデバイスが有する第１回路の回路図である。
【図１０】図１に示すセンサーデバイスが有する第２回路の回路図である。
【図１１】本発明の第２実施形態に係るセンサーデバイスの平面図である。
【図１２】本発明の第３実施形態に係るセンサーデバイスの平面図である。
【図１３】本発明の第４実施形態に係る力検出装置の斜視図である。
【図１４】図１３に示す力検出装置の縦断面図である。
【図１５】図１３に示す力検出装置の横断面図である。
【図１６】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１７】本発明の第５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】
【００２７】
以下、本発明の一態様であるセンサーデバイス、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。
【００２８】
＜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。
【００２９】
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中のＡ−Ａ線断面図である。図３は、図１中のＢ−Ｂ線断面図である。図４は、図１に示すセンサーデバイスの平面図である。図５は、図１に示すセンサーデバイスの製造方法を示す側面図である。図６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７は、図６に示す力検出素子の斜視図である。図８は、図１に示すセンサーデバイスの平面図である。図９は、図１に示すセンサーデバイスが有する第１回路の回路図である。図１０は、図１に示すセンサーデバイスが有する第２回路の回路図である。
【００３０】
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（第３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。
【００３１】
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、第１回路４Ａおよび第２回路４Ｂと、を有する。このようなセンサーデバイス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。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が力検出素子３から出力され、出力された信号が第１回路４Ａおよび第２回路４Ｂで処理される。
【００３２】
なお、本実施形態では、力検出素子３として、後述する圧電素子３１（第１圧電素子）と圧電素子３２（第２圧電素子）が積層されてなる構成を例示しているが、これに限らず、外力により電荷を出力する第１素子と第２素子が、各々独立して配置されたセンサーデバイスであってもよい。
【００３３】
平面視で、パッケージ２は、Ａ軸方向を長軸としＢ軸方向を短軸とする略長方形となっている。パッケージ２は、基体２１と、基体２１に接合された蓋体２４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、第１回路４Ａおよび第２回路４Ｂがそれぞれ収納されている。このように、パッケージ２に力検出素子３、第１回路４Ａおよび第２回路４Ｂを収納することにより、これら各部を外界から保護（防塵、防水）することができる。特に、第１、第２回路４Ａ、４Ｂを水分（湿気）から保護することにより、水分に起因した第１、第２回路４Ａ、４Ｂの特性の劣化、変動を抑制することができる。
【００３４】
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。これにより、第１、第２回路４Ａ、４Ｂの特性の劣化、変動を効果的に抑制することができる。ただし、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。
【００３５】
また、図２および図３に示すように、基体２１は、基部２２と、底部材２３と、を有する。また、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。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、力検出素子３の下面３ｂが接着剤２９を介して底部材２３の上面に接合されている。
【００３６】
また、図２に示すように、基部２２は、凹部２２４のＡ軸方向マイナス側に位置し、凹部２２１の底面に開口する凹部２２５を有する。凹部２２５には第１回路４Ａが有する回路素子４５Ａが配置されている。また、図３に示すように、基部２２は、凹部２２４のＡ軸方向プラス側に位置し、凹部２２１の底面に開口する凹部２２６を有する。凹部２２６には第２回路４Ｂが有する回路素子４５Ｂが配置されている。後述するが、回路素子４５Ａ、４５Ｂは、第１、第２回路４Ａ、４Ｂが有する他の回路要素に比べて高背なため（厚いため）、基体２１に凹部２２５、２２６を形成し、その中に回路素子４５Ａ、４５Ｂを配置することにより、パッケージ２の低背化を図ることができる。
【００３７】
また、図１に示すように、基部２２には、第１回路４Ａが有する配線４６Ａと、第２回路４Ｂが有する配線４６Ｂと、が設けられている。配線４６Ａ、４６Ｂは、それぞれ、少なくともその一部が凹部２２１の底面に配置されている。また、図２および図３に示すように、基部２２の下面にはパッケージ２の外部に露出し、第１回路４Ａおよび第２回路４Ｂ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。
【００３８】
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にくく、内部に収容された力検出素子３および第１、第２回路４Ａ、４Ｂをより確実に保護することができる。
【００３９】
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。
【００４０】
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を介して基部２２の上面に接合されている。図２、図３および図４に示すように、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。このような蓋体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、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、テーパー状となっている。
【００４１】
このように、蓋体２４をハット状とすることにより、パッケージ２の外周部が低背化され、その分、パッケージ２の小型化を図ることができる。また、中央部２４１、接続部２４３、外縁部２４２の境界部分が撓むことにより、蓋体２４に加わる応力を緩和、吸収することができる。そのため、蓋体２４の剥離を抑制することができる。特に、図５に示すように、蓋体２４は、シーム溶接を用いて基部２２の上面に接合されるが、ローラー電極ＲＥを外縁部２４２に押し付けることにより生じる応力およびローラー電極ＲＥによって蓋体２４が加熱されることにより生じる熱応力を前述した変形によって効果的に緩和、吸収することができる。そのため、蓋体２４の破損を効果的に抑制することができ、さらには、収納空間Ｓをより確実に気密封止することができる。ただし、蓋体２４の形状としては、特に限定されず、例えば、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。
【００４２】
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。
【００４３】
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信号としての第１電荷）および力検出素子３に加えられた外力のＢ軸方向の成分に応じた電荷Ｑｂ（第２信号としての第２電荷）を出力する機能を有する。この力検出素子３は、図６に示すように、Ａ軸方向の外力（せん断力）に応じて電荷Ｑａを出力する圧電素子３１（第１圧電素子）と、Ｂ軸方向の外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｂを出力する圧電素子３２（第２圧電素子）と、一対の支持基板３３、３４と、を有する。
【００４４】
また、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、圧電素子３２は、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）されているが、これに限定されない。また、圧電素子３１、３２のＣ軸方向の積層の順序は、逆であってもよく、また、圧電素子３１、３２は、積層されておらず、横に並んで配置されていてもよい。
【００４５】
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６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６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６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６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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。また、出力電極層３１３、３１７は、それぞれ、第１回路４Ａに電気的に接続され、出力電極層３２３、３２７は、それぞれ、第２回路４Ｂに電気的に接続されている。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。
【００４８】
一対の支持基板３３、３４は、圧電素子３１、３２の積層体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３１、３２の積層体の上面に支持基板３３が配置され、下面に支持基板３４が配置されている。これにより、支持基板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。
【００４９】
支持基板３３、３４は、水晶で構成されている。支持基板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、支持基板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６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、支持基板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、支持基板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６中の右側（Ａ軸方向プラス側）を向いている。このように、支持基板３３を隣接する圧電体層３２８と同じ構成とし、支持基板３４を隣接する圧電体層３１２と同じ構成とすることにより、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。
【００５０】
なお、支持基板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、支持基板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、支持基板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。また、支持基板３３、３４は、省略してもよい。
【００５１】
また、図７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、支持基板３３の上面である上面３ａと、支持基板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。そして、Ｂ軸方向マイナス側を向く側面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（Ａ軸方向）に離間して設けられている。なお、本実施形態では、接続電極３９１がＡ軸方向マイナス側に位置し、接続電極３９２がＸ軸方向プラス側に位置している。
【００５２】
また、側面３ｃと対向し、Ｂ軸方向プラス側を向く側面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（Ａ軸方向）に離間して設けられている。なお、本実施形態では、接続電極３９４がＡ軸方向マイナス側に位置し、接続電極３９３がＡ軸方向プラス側に位置している。
【００５３】
このように、側面３ｃ、３ｅに接続電極３９１、３９２、３９３、３９４を設けることにより、力検出素子３と第１、第２回路４Ａ、４Ｂとの電気的な接続を容易に行うことができる。
【００５４】
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。また、力検出素子３の形状としては、特に限定されず、例えば、平面視で、円形、楕円形、三角形、正方形以外の四角形（長方形、台形、平行四辺形等）、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。
【００５５】
以上、力検出素子３について説明した。このような力検出素子３は、図２および図３に示すように、その下面３ｂがパッケージ２の凹部２２４の底面に（底部材２３の上面）に絶縁性の接着剤２９を介して接合されている。接着剤２９としては、特に限定されず、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、エポキシ系樹脂等を用いることができる。
【００５６】
また、図２および図３に示すように、自然状態では、力検出素子３の上面３ａは、蓋体２４の中央部２４１と間隔（ギャップＧ）を隔てて対向配置されている。これにより、底部材２３と蓋体２４とに挟まれることによって力検出素子３に意図しない応力（検出対象以外の応力）が加わってしまい、出力のドリフトが生じることを効果的に抑制することができる。ただし、これに限定されず、力検出素子３の上面３ａは、蓋体２４の中央部２４１と接触していてもよい。また、力検出素子３の上面３ａと蓋体２４の中央部２４１との間に接着剤（例えば接着剤２９と同様の接着剤）を設け、この接着剤を介して力検出素子３と蓋体２４とが接合されていてもよい。
【００５７】
第１回路４Ａおよび第２回路４Ｂは、それぞれ、パッケージ２の収納空間Ｓに収納されている。図８に示すように、平面視で、第１回路４Ａは、力検出素子３に対して一方側（Ａ軸方向マイナス側）に位置し、第２回路４Ｂは、力検出素子３に対して他方側（Ａ軸方向プラス側）に位置している。第１回路４Ａは、力検出素子３から出力された電荷Ｑａを処理する回路であり、第２回路４Ｂは、力検出素子３から出力された電荷Ｑｂを処理する回路である。このように、第１回路４Ａと第２回路４Ｂとを力検出素子３を介して互いに反対側に設けることにより、これらをなるべく離間して配置することができる。そのため、第１回路４Ａと第２回路４Ｂとの干渉が低減され、電荷Ｑａに第２回路４Ｂからのノイズが乗ったり、反対に、電荷Ｑｂに第１回路４Ａからのノイズが乗ったりすることを効果的に抑制することができる。そのため、耐ノイズ性が向上し、第１回路４Ａによって電荷Ｑａを精度よく処理することができ、第２回路４Ｂによって電荷Ｑｂを精度よく処理することができる。
【００５８】
第１回路４Ａは、電荷Ｑａを電圧Ｖａに変換する回路（電荷／電圧変換回路）であり、図９に示すように、電荷Ｑａが入力される抵抗４１Ａと、電荷Ｑａをチャージするコンデンサー４３Ａ（蓄電部）と、電荷Ｑａによる電圧を増幅するオペアンプ４２Ａ（増幅器）と、スイッチング素子４４Ａと、配線４６Ａと、を有する。
【００５９】
これら回路要素のうち、抵抗４１Ａおよびコンデンサー４３Ａは、それぞれ、凹部２２１の底面に設けられ、オペアンプ４２Ａおよびスイッチング素子４４Ａは、回路素子４５Ａとして一体化された上で凹部２２５の底面に設けられている。また、これら抵抗４１Ａ、コンデンサー４３Ａおよび回路素子４５Ａは、配線４６Ａを介して電気的に接続されている。配線４６Ａは、導電性の接続部材２６１、２６４（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）を介して力検出素子３の接続電極３９１、３９４と電気的に接続されている。これにより、図９に示す回路が実現される。
【００６０】
なお、本実施形態では、抵抗４１Ａおよびコンデンサー４３Ａは、金（Ａｕ）バンプ等の導電性バンプを用いたフリップチップ実装によって配線４６Ａと電気的に接続されており、回路素子４５Ａは、ボンディングワイヤーＢＷを介して配線４６Ａと電気的に接続されている。ただし、抵抗４１Ａ、コンデンサー４３Ａおよび回路素子４５Ａと配線４６Ａとの電気的な接続方法は、特に限定されない。また、オペアンプ４２Ａおよびスイッチング素子４４Ａは、別体として形成されていてもよい。
【００６１】
第２回路４Ｂは、電荷Ｑｂを電圧Ｖｂに変換する回路（電荷／電圧変換回路）であり、前述した第１回路４Ａと同様の構成となっている。すなわち、第２回路４Ｂは、図１０に示すように、電荷Ｑｂが入力される抵抗４１Ｂと、電荷Ｑｂをチャージするコンデンサー４３Ｂ（蓄電部）と、電荷Ｑｂによる電圧を増幅するオペアンプ４２Ｂ（増幅器）と、スイッチング素子４４Ｂと、配線４６Ｂと、を有する。
【００６２】
これら回路要素のうち、抵抗４１Ｂおよびコンデンサー４３Ｂは、それぞれ、凹部２２１の底面に設けられ、オペアンプ４２Ｂおよびスイッチング素子４４Ｂは、回路素子４５Ｂとして一体化された上で凹部２２６の底面に設けられている。また、これら抵抗４１Ｂ、コンデンサー４３Ｂおよび回路素子４５Ｂは、配線４６Ｂを介して電気的に接続されている。また、配線４６Ｂは、導電性の接続部材２６２、２６３（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）を介して力検出素子３の接続電極３９２、３９３と電気的に接続されている。これにより、図１０に示す回路が実現される。
【００６３】
なお、本実施形態では、抵抗４１Ｂおよびコンデンサー４３Ｂは、金（Ａｕ）バンプ等の導電性バンプを用いたフリップチップ実装によって配線４６Ｂと電気的に接続されており、回路素子４５Ｂは、ボンディングワイヤーＢＷを介して配線４６Ｂと電気的に接続されている。ただし、抵抗４１Ｂ、コンデンサー４３Ｂおよび回路素子４５Ｂと配線４６Ｂとの電気的な接続方法は、特に限定されない。また、オペアンプ４２Ｂおよびスイッチング素子４４Ｂは、別体として形成されていてもよい。
【００６４】
第１回路４Ａでは、回路素子４５Ａが他の回路要素すなわち抵抗４１Ａおよびコンデンサー４３Ａよりも厚い。そのため、本実施形態では、凹部２２１の底面に凹部２２５を形成し、この凹部２２５の底面に回路素子４５Ａを設けている。これにより、回路素子４５Ａの高さを抑えることができるため、パッケージ２の高背化を抑制することができ、また、回路素子４５Ａ上にボンディングワイヤーＢＷの配置スペースを確保し易くなる。
【００６５】
同様に、第２回路４Ｂでは、回路素子４５Ｂが他の回路要素すなわち抵抗４１Ｂおよびコンデンサー４３Ｂよりも厚い。そのため、本実施形態では、凹部２２１の底面に凹部２２６を形成し、この凹部２２６の底面に回路素子４５Ｂを設けている。これにより、回路素子４５Ｂの高さを抑えることができるため、パッケージ２の高背化を抑制することができ、また、回路素子４５Ｂ上にボンディングワイヤーＢＷの配置スペースを確保し易くなる。ただし、凹部２２５、２２６を省略して、凹部２２１の底面に回路素子４５Ａ、４５Ｂを配置してもよい。
【００６６】
また、図４に示すように、第１回路４Ａでは、平面視で、抵抗４１Ａ、コンデンサー４３Ａおよび回路素子４５Ａの全てが蓋体２４の中央部２４１と重なって配置されている。前述したように、蓋体２４の中央部２４１は、他の部分（外縁部２４２）よりも上側にオフセットしている。そのため、抵抗４１Ａ、コンデンサー４３Ａおよび回路素子４５Ａと蓋体２４との接触を抑制することができ、第１回路４Ａの破損や誤作動を抑制することができる。
【００６７】
同様に、第２回路４Ｂでは、平面視で、抵抗４１Ｂ、コンデンサー４３Ｂおよび回路素子４５Ｂの全てが蓋体２４の中央部２４１と重なって配置されている。そのため、抵抗４１Ｂ、コンデンサー４３Ｂおよび回路素子４５Ｂと蓋体２４との接触を抑制することができ、第２回路４Ｂの破損や誤作動を抑制することができる。ただし、これに限定されず、例えば、抵抗４１Ａ、４１Ｂ、コンデンサー４３Ａ、４３Ｂ、回路素子４５Ａ、４５Ｂの少なくとも１つが、平面視で、中央部２４１と重ならない位置に配置されていてもよい。
【００６８】
このような第１回路４Ａおよび第２回路４Ｂをパッケージ２に収納することにより、これら第１、第２回路４Ａ、４Ｂを保護し、防塵性および防水性を高めることができる。特に、第１、第２回路４Ａ、４Ｂを水分（湿気）から保護することにより、これらの特性の劣化を効果的に抑制することができる。例えば、コンデンサー４３Ａ、４３Ｂは、力検出素子３からの電荷Ｑａ、Ｑｂをチャージする部分であるが、湿度によるリーク電流の影響を受け易い。また、オペアンプ４２Ａ、４２Ｂは、湿度に起因して入力側のオフセット電圧が変動してしまう。このように、第１、第２回路４Ａ、４Ｂは、水分（湿度）に影響を受け易い回路要素を含んでいるため、これら第１、第２回路４Ａ、４Ｂをパッケージ２に収納し、防水することにより、回路特性の劣化や変動を効果的に抑制することができ、より精度よく、電荷Ｑａ、Ｑｂを電圧Ｖａ、Ｖｂに変換することができる。そのため、センサーデバイス１によれば、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、第１、第２回路４Ａ、４Ｂをパッケージ２に収納することにより、例えば、第１、第２回路４Ａ、４Ｂがパッケージ２の外側に配置されている場合と比較して、配線４６Ａ、４６Ｂの長さを短くすることができる。そのため、第１、第２回路４Ａ、４Ｂの耐ノイズ性が向上する。
【００７０】
また、第１、第２回路４Ａ、４Ｂは、平面視で、力検出素子３に対して対称的に配置されている。具体的には、本実施形態では、第１回路４Ａおよび第２回路４Ｂは、力検出素子３の中心Ｏに対して点対称（１８０°回転対称）となるように配置されている。これにより、第１、第２回路４Ａ、４Ｂの回路特性（配線長、周囲からの影響等）、すなわち電荷／電圧変換特性を互いにほぼ等しくすることができる。そのため、Ａ軸方向の外力（せん断力）に応じた信号とＢ軸方向の外力（せん断力）に応じた信号とをバランスよく取り出すことができ、受けた外力をより精度よく検出することができる。なお、中心Ｏは、広義には力検出素子３の平面視の幾何中心であってもよいし、狭義には上面３ａの幾何中心であってもよい。
【００７１】
なお、第１回路４Ａおよび第２回路４Ｂが中心Ｏに対して点対称に配置されているとは、少なくとも各回路要素（抵抗４１Ａ、４１Ｂ、コンデンサー４３Ａ、４３Ｂおよび回路素子４５Ａ、４５Ｂ）が中心Ｏに対して点対称に配置されていることを意味し、好ましくは、さらに配線４６Ａ、４６Ｂについても中心Ｏに対して点対称に配置されていることを意味する。また、第１回路４Ａおよび第２回路４Ｂが中心Ｏに対して点対称に配置されているとは、例えば、設計上または製造上生じ得る誤差を含む意味であり、必ずしも、完全な点対称に限られるものではない。また、平面視で、第１回路４Ａおよび第２回路４Ｂの対称点が中心Ｏと一致している場合の他、力検出素子３と重なる範囲において、対称点が中心Ｏからずれていている場合も含む意味である。
【００７２】
第１回路４Ａおよび第２回路４Ｂが中心Ｏに対して点対称となっているため、それに応じて、力検出素子３では、Ｂ軸方向プラス側を向く側面３ｅに電荷Ｑａが出力される接続電極３９４を配置し、Ｂ軸方向マイナス側を向く側面３ｃに電荷Ｑｂが出力される接続電極３９２を配置している。さらには、力検出素子３に対してＢ軸方向プラス側に、第１回路４Ａと接続電極３９４とを接続する接続部材２６４が配置され、力検出素子３に対してＢ軸方向マイナス側に、第２回路４Ｂと接続電極３９２とを接続する接続部材２６２が配置されている。このような配置とすることにより、比較的簡単な配置で、第１回路４Ａおよび第２回路４Ｂを力検出素子３の中心Ｏに対して点対称に配置することができる。特に、本実施形態では、接続電極３９４が側面３ｅの第１回路４Ａ側（Ａ軸方向マイナス側）に偏って配置されているため、接続電極３９４と抵抗４１Ａとを結ぶ配線長を短くすることができる。同様に、接続電極３９２が側面３ｃの第２回路４Ｂ側（Ａ軸方向プラス側）に偏って配置されているため、接続電極３９２と抵抗４１Ｂとを結ぶ配線長を短くすることができる。
【００７３】
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、凹部２２１を有する基体２１と、凹部２２１の開口を塞ぎ、凹部２２１を密閉する蓋体２４と、凹部２２１内に配置され、Ａ軸方向（第１方向）の外力に応じて電荷Ｑａ（第１信号としての第１電荷）を出力する圧電素子３１（第１圧電素子）およびＢ軸方向（第１方向とは異なる第２方向）の外力に応じて電荷Ｑｂ（第２信号としての第２電荷）を出力する圧電素子３２（第２圧電素子）を備える力検出素子３と、凹部２２１内に配置され、電荷Ｑａを処理する第１回路４Ａと、凹部２２１内に配置され、電荷Ｑｂを処理する第２回路４Ｂと、を有する。そして、平面視（基体２１の平面視）で、力検出素子３の一方側（Ａ軸方向マイナス側）に第１回路４Ａが位置し、他方側（Ａ軸方向プラス側）に第２回路４Ｂが位置している。このように、第１回路４Ａと第２回路４Ｂとを力検出素子３に対して反対側に設けることにより、これらをなるべく離間して配置することができる。そのため、第１回路４Ａと第２回路４Ｂとの干渉が低減され、電荷Ｑａに第２回路４Ｂからのノイズが乗ったり、反対に、電荷Ｑｂに第１回路４Ａからのノイズが乗ったりすることを効果的に抑制することができる。そのため、第１回路４Ａによって電荷Ｑａを精度よく処理することができ、第２回路４Ｂによって電荷Ｑｂを精度よく処理することができる。その結果、受けた外力を精度よく検出することができるセンサーデバイス１となる。
【００７４】
前述したとおり、圧電素子３１と圧電素子３２がそれぞれ第１素子と第２素子として独立して配置されてもよい。その場合に、第１回路４Ａは、第１素子の一方側であり、且つ、第１素子の一方側と同じ側である第２素子の一方側に配置され、第２回路４Ｂは、第１素子の他方側であり、且つ、第１素子の他方側と同じ側である第２素子の他方側に配置される。なお、力検出素子３の一方側をＡ軸方向マイナス側とし、他方側をＡ軸方向プラス側としても良いが、その他に、平面視でＡ軸に対して所定の角度傾斜した軸を境界としたとき、当該境界の一方側を力検出素子３の一方側とし、他方側を力検出素子３の他方側としてもよい。
【００７５】
さらに述べると、特許文献１の図５のように、多軸検出用に複数の圧電素子が基板上に配置され、これら圧電素子の信号処理回路が、圧電素子が配置される基板に対して２階建てとなる別な基板上に配置されている構成では、複数の圧電素子の信号処理回路が２階建てとなる別な基板上に配置されており、複数軸の各圧電素子の信号処理回路が近接して配置されてしまうことになり、積層圧電素子から出力される各軸の信号同士が互いに干渉してノイズとなるおそれが増す。これに対して、本発明の第１実施形態に係るセンサーデバイスでは、信号回路処理回路（本発明の第１回路４Ａ、第２回路４Ｂ）が近接することがなく、圧電素子から出力される各軸の信号同士が互いに干渉してノイズとなるおそれが低減し、受けた外力を精度よく検出することができる。
【００７６】
なお、力検出素子３の一方側に第１回路４Ａが位置し、他方側に第２回路４Ｂが位置するとは、少なくとも、第１回路４Ａが有する各回路要素（抵抗４１Ａ、コンデンサー４３Ａおよび回路素子４５Ａ）が力検出素子３の一方側（図８中の仮想線分Ｌ１よりもＡ軸方向マイナス側）に位置し、第２回路４Ｂが有する各回路要素（抵抗４１Ｂ、コンデンサー４３Ｂおよび回路素子４５Ｂ）が力検出素子３の他方側（図８中の仮想線分Ｌ２よりもＡ軸方向プラス側）に位置することを意味する。そのため、例えば、配線４６Ａについては、その一部が仮想線分Ｌ１よりもＡ軸方向プラス側に位置していてもよいし、配線４６Ｂについては、その一部が仮想線分Ｌ２よりもＡ軸方向マイナス側に位置していてもよい。また、仮想線分Ｌ１、Ｌ２は、共に力検出素子３の中心Ｏを通る線分であってもよい。
【００７７】
また、前述したように、平面視で、第１回路４Ａおよび第２回路４Ｂは、力検出素子３に対して対称的に配置されている。これにより、第１、第２回路４Ａ、４Ｂの回路特性（本実施形態では電荷／電圧変換特性）を互いにほぼ等しくすることができる。そのため、Ａ軸方向の外力（せん断力）に応じた信号とＢ軸方向の外力（せん断力）に応じた信号とをバランスよく取り出すことができ、受けた外力をより精度よく検出することができるセンサーデバイス１となる。
【００７８】
また、前述したように、センサーデバイス１は、第１回路４Ａの配線４６Ａと圧電素子３１とを電気的に接続する接続部材２６４（第１接続部材）と、第２回路４Ｂの配線４６Ｂと圧電素子３２とを電気的に接続する接続部材２６２（第２接続部材）と、を有する。そして、基体２１の平面視で、第１回路４Ａおよび第２回路４Ｂが並ぶ方向をＡ軸方向（第１方向）とし、Ａ軸方向に交差する方向をＢ軸方向（第２方向）としたとき、接続部材２６４および接続部材２６２がＢ軸方向に並んで配置されている。これにより、例えば、後述する第３実施形態のように、接続部材２６２、２６４がそれぞれ力検出素子３とＡ軸方向に並んで配置されている場合と比較して、パッケージ２の長軸方向（Ａ軸方向）の長さを抑えることができるため、パッケージ２の平面視形状を正方形に近づけることができる（好ましくは正方形にすることができる）。その結果、パッケージ２がＡ軸方向の外力とＢ軸方向の外力とをより均等に受けることができ、より具体的には、Ａ軸方向の外力の力検出素子３への伝わり方と、Ｂ軸方向の外力の力検出素子３への伝わり方と、をほぼ同じにすることができ、これら２つの外力をより精度よく検出することができる。
【００７９】
また、前述したように、基体２１の平面視で、第１回路４Ａおよび第２回路４Ｂは、力検出素子３の中心に対して点対称（１８０°回転対称）の位置に配置されている。そして、接続部材２６４は、力検出素子３の、Ｂ軸方向に並ぶ辺の一方側（プラス側）に位置し、接続部材２６２は、力検出素子３の、Ｂ軸方向に並ぶ辺の他方側（マイナス側）に位置している。すなわち、接続部材２６４は、力検出素子３に対してＢ軸方向の一方側（プラス側）に位置し、接続部材２６２は、力検出素子３に対してＢ軸方向の他方側（マイナス側）に位置している。このように、接続部材２６２、２６４を力検出素子３に対して反対側に配置することにより、第１回路４Ａおよび第２回路４Ｂを力検出素子３の中心に対して点対称の位置に配置し易くなる。
【００８０】
また、前述したように、第１圧電素子３１（第１素子）は、第１信号としての電荷Ｑａ（第１電荷）を出力し、第２圧電素子３２（第１素子）は、第２信号としての電荷Ｑｂ（第２電荷）を出力する。そして、第１回路４Ａは、電荷Ｑａを電圧Ｖａに変換する回路であり、第２回路４Ｂは、電荷Ｑｂを電圧Ｖｂに変換する回路である。これにより、センサーデバイス１が受けた外力を容易に検出することができる。
【００８１】
また、前述したように、第１回路４Ａは、電荷Ｑａが入力される抵抗４１Ａ、電荷Ｑａを蓄積するコンデンサー４３Ａ（蓄電部）および電荷Ｑａによる電圧を増幅するオペアンプ４２Ａ（増幅器）の少なくとも１つを含んでいる。また、第２回路４Ｂは、電荷Ｑｂが入力される抵抗４１Ｂ、電荷Ｑｂを蓄積するコンデンサー４３Ｂ（蓄電部）および電荷Ｑｂによる電圧を増幅するオペアンプ４２Ｂ（増幅器）の少なくとも１つを含んでいる。そのため、これら各回路要素が水分（湿気）から保護され、湿度に起因した第１回路４Ａおよび第２回路４Ｂの回路特性の劣化、変動を抑制することができ、受けた外力を精度よく検出することのできるセンサーデバイス１となる。特に、本実施形態では、第１回路４Ａが抵抗４１Ａ、コンデンサー４３Ａおよびオペアンプ４２Ａの全てを含み、第２回路４Ｂが抵抗４１Ｂ、コンデンサー４３Ｂおよびオペアンプ４２Ｂの全てを含んでいるため、上述した効果をより顕著に発揮することができる。なお、これに限定されず、第１回路４Ａから抵抗４１Ａ、コンデンサー４３Ａおよびオペアンプ４２Ａのうちの１つまたは２つを省略してもよいし、第２回路４Ｂから抵抗４１Ｂ、コンデンサー４３Ｂおよびオペアンプ４２Ｂのうちの１つまたは２つを省略してもよい。
【００８２】
また、前述したように、圧電素子３１および圧電素子３２は、それぞれ、水晶を含んでいる。これにより、圧電素子３１、３２の構成が簡単なものとなると共に、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。
【００８３】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係るセンサーデバイスについて説明する。
【００８４】
図１１は、本発明の第２実施形態に係るセンサーデバイスの平面図である。
【００８５】
本実施形態に係るセンサーデバイス１は、主に、第１回路４Ａと第２回路４Ｂの配置が異なること以外は、前述した第１実施形態のセンサーデバイス１と同様である。なお、以下の説明では、第２実施形態のセンサーデバイス１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１１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。
【００８６】
図１１に示すように、本実施形態では、第１、第２回路４Ａ、４Ｂは、平面視で、力検出素子３に対して対称的に配置されている。具体的には、第１回路４Ａおよび第２回路４Ｂは、平面視で、力検出素子３の中心Ｏと交わり、Ｂ軸方向に延在する軸Ｊに対して線対称となる位置に配置されている。これにより、前述した第１実施形態と同様、第１、第２回路４Ａ、４Ｂの回路特性（配線長、周囲からの影響等）、すなわち電荷／電圧変換特性を互いにほぼ等しくすることができる。そのため、Ａ軸方向の外力（せん断力）に応じた信号とＢ軸方向の外力（せん断力）に応じた信号とをバランスよく取り出すことができ、受けた外力をより精度よく検出することができるセンサーデバイス１となる。
【００８７】
なお、第１回路４Ａおよび第２回路４Ｂが軸Ｊに対して線対称の位置に配置されているとは、少なくとも各回路要素（抵抗４１Ａ、４１Ｂ、コンデンサー４３Ａ、４３Ｂおよび回路素子４５Ａ、４５Ｂ）が軸Ｊに対して線対称の位置に配置されていることを意味し、好ましくは、さらに配線４６Ａ、４６Ｂについても軸Ｊに対して線対称の位置に配置されていることを意味する。また、第１回路４Ａおよび第２回路４Ｂが軸Ｊに対して線対称の位置に配置されているとは、例えば、設計上または製造上生じ得る誤差を含む意味であり、必ずしも、完全な線対称に限られるものではない。また、平面視で、第１回路４Ａおよび第２回路４Ｂの対称線である軸Ｊが中心Ｏと一致している場合の他、力検出素子３と重なる範囲において、軸Ｊが中心Ｏからずれていている場合も含む意味である。
【００８８】
第１回路４Ａおよび第２回路４Ｂが軸Ｊに対して線対称となっているため、それに応じて、力検出素子３では、Ｂ軸方向プラス側を向く側面３ｅに電荷Ｑａが出力される接続電極３９４と電荷Ｑｂが出力される接続電極３９２とが配置され、Ｂ軸方向マイナス側を向く側面３ｃに接続電極３９１、３９３が配置されている。さらには、力検出素子３に対してＢ軸方向プラス側に、第１回路４Ａと接続電極３９４とを接続する接続部材２６４と、第２回路４Ｂと接続電極３９２とを接続する接続部材２６２と、が配置されている。このような配置とすることにより、比較的簡単な配置で、第１回路４Ａおよび第２回路４Ｂを軸Ｊに対して線対称に配置することができる。
【００８９】
以上、本実施形態のセンサーデバイス１について説明した。このようなセンサーデバイス１では、前述したように、基体２１の平面視で、第１回路４Ａおよび第２回路４Ｂは、力検出素子３の中心を通る直線に対して線対称の位置に配置されている。そして、接続部材２６４および接続部材２６２は、力検出素子３に対してＢ軸方向の同じ側（本実施形態ではプラス側）に位置している。このように、接続部材２６２、２６４を力検出素子３に対してＢ軸方向の同じ側に配置することにより、第１回路４Ａおよび第２回路４Ｂを力検出素子３に対して線対称に配置し易くなる。ここで、力検出素子３がＢ軸方向に対向する２辺を有し、接続部材２６２、２６４はＢ軸方向において、対抗する２辺の同じ辺に配置されていてもよい。
【００９０】
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。
【００９１】
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態に係るセンサーデバイスについて説明する。
【００９２】
図１２は、本発明の第３実施形態に係るセンサーデバイスの平面図である。
【００９３】
本実施形態に係るセンサーデバイス１は、主に、力検出素子３の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態のセンサーデバイス１と同様である。なお、以下の説明では、第３実施形態のセンサーデバイス１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１２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。
【００９４】
図１２に示すように、本実施形態のセンサーデバイス１の力検出素子３では、Ａ軸方向マイナス側を向く側面３ｆに接続電極３９１、３９４が設けられており、Ａ軸方向プラス側を向く側面３ｄに接続電極３９２、３９３が設けられている。そして、力検出素子３に対してＡ軸方向マイナス側であって、力検出素子３と第１回路４Ａとの間に位置するように接続部材２６１、２６４が配置されており、力検出素子３に対してＡ軸方向プラス側であって、力検出素子３と第２回路４Ｂとの間に位置するように接続部材２６２、２６３が配置されている。このような構成においても、前述した第１実施形態と同様に、第１回路４Ａと第２回路４Ｂとが中心Ｏに対して点対称の位置に配置されている。
【００９５】
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。
【００９６】
＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態に係る力検出装置について説明する。
【００９７】
図１３は、本発明の第４実施形態に係る力検出装置の斜視図である。図１４は、図１３に示す力検出装置の縦断面図である。図１５は、図１３に示す力検出装置の横断面図である。図１６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。
【００９８】
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。
【００９９】
図１３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。
【０１００】
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。
【０１０１】
［ケース］
図１３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。
【０１０２】
また、図１４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１５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。
【０１０３】
また、図１４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１５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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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が備えるアーム１２００に取り付けるアーム用取付面として機能する。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
図１５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１４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１６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。
【０１０９】
図１５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１６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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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から出力される電圧Ｖａ、Ｖｂ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、ＡＤコンバーターと、このＡＤコンバーターに接続されたＣＰＵ等の演算回路と、を有して構成することができる。
【０１１２】
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基板）と、底板７１（第２基板）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。
【０１１３】
＜第５実施形態＞
次に、本発明の第５実施形態に係るロボットについて説明する。
【０１１４】
図１７は、本発明の第５実施形態に係るロボットの斜視図である。
【０１１５】
図１７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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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】
【０１２２】
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、２２５、２２６…凹部、２２３…貫通孔、２３…底部材、２４…蓋体、２４１…中央部、２４２…外縁部、２４３…接続部、２６１、２６２、２６３、２６４…接続部材、２８…外部端子、２９…接着剤、３…力検出素子、３ａ…上面、３ｂ…下面、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ…側面、３１、３２…圧電素子、３１１、３１５、３１９、３２１、３２５、３２９…グランド電極層、３１２、３１４、３１６、３１８、３２２、３２４、３２６、３２８…圧電体層、３１３、３１７、３２３、３２７…出力電極層、３３、３４…支持基板、３９１、３９２、３９３、３９４…接続電極、４Ａ…第１回路、４Ｂ…第２回路、４１Ａ、４１Ｂ…抵抗、４２Ａ、４２Ｂ…オペアンプ、４３Ａ、４３Ｂ…コンデンサー、４４Ａ、４４Ｂ…スイッチング素子、４５Ａ、４５Ｂ…回路素子、４６Ａ、４６Ｂ…配線、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、ＢＷ…ボンディングワイヤー、ＣＬ…線分、Ｇ…ギャップ、Ｊ…軸、Ｌ１、Ｌ２…仮想線分、Ｏ…中心、Ｐ…矢印、Ｑａ、Ｑｂ…電荷、ＲＥ…ローラー電極、Ｓ…収納空間、Ｓ１…空間
【図１】
2019152458.tif 000003
【図２】
2019152458.tif 000004
【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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【図１３】
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【図１４】
2019152458.tif 000016
【図１５】
2019152458.tif 000017
【図１６】
2019152458.tif 000018
【図１７】
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