(57)【要約】【課題】素子に圧力を加える加圧部材の加圧が緩んでも、正逆両方向の力を精度良く検出することができる力検出装置、ロボットおよび部品加工装置を提供すること。【解決手段】本発明の力検出装置は、第１の基板と、第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられ、外力に応じて信号を出力する素子と、前記第２の基板に設けた貫通孔に挿入されて前記素子に圧力を加える加圧部材と、を備え、前記第２の基板は、前記第２の基板の厚み方向において薄肉である薄肉部と、を有し、前記加圧部材の一部が前記薄肉部の一部を加圧する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板と、
第２の基板と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられ、外力に応じて信号を出力する素子と、
前記第２の基板に設けた貫通孔に挿入されて前記素子に圧力を加える加圧部材と、を備え、
前記第２の基板は、前記第２の基板の厚み方向において薄肉である薄肉部と、を有し、
前記加圧部材の一部が前記薄肉部の一部を加圧することを特徴とする力検出装置。
【請求項２】
前記加圧部材は、前記第２の基板に設けた貫通孔に挿入された雄螺子と、前記第１の基板に前記雄螺子が適合するように形成された雌螺子孔と、を備える請求項１に記載の力検出装置。
【請求項３】
前記薄肉部は、弾性体であって、
前記雄螺子の一部は、前記薄肉部を前記第１の基板に向けて弾性変形させている請求項１または２に記載の力検出装置。
【請求項４】
前記貫通孔が、第１孔と、前記第１孔よりも広い孔面積である第２孔と、で形成され、
前記薄肉部の一部が前記第２孔の底の一部である請求項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】
前記薄肉部の許容曲げ応力は、１５０Ｎ／ｍｍ２以上、１０００Ｎ／ｍｍ２以下の範囲に設定される請求項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】
前記薄肉部の厚さは、一定である請求項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】
前記薄肉部は、前記第２の基板の厚さ方向の中央部に設けられている請求項１ないし６のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項８】
前記薄肉部は、環状をなしており、前記薄肉部の厚さが前記薄肉部の中心から外周に向って漸増する部位を有する請求項１ないし５のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項９】
前記第１の基板は、前記雄螺子が挿入される貫通孔を有し、
前記第１の基板は、前記貫通孔の部位に、薄肉部を有する請求項１ないし８のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項１０】
前記第１の基板の薄肉部は、弾性体であって、
前記雄螺子は、前記第１の基板の薄肉部を前記第２の基板に向けて弾性変形させている請求項９に記載の力検出装置。
【請求項１１】
前記加圧部材は、ボルトおよび前記ボルトに螺合するナットで構成されており、
前記ボルトの一部が前記第２の基板の薄肉部を加圧し、前記ナットが前記第１の基板の薄肉部を加圧している請求項９または１０に記載の力検出装置。
【請求項１２】
複数の前記素子を有し、
前記各素子は、前記第１の基板または前記第２の基板の周方向に沿って、等角度間隔に配置されている請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項１３】
アームと、
前記アームに設けられたエンドエフェクタと、
前記アームと前記エンドエフェクタの間に設けられ、前記エンドエフェクタ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の基板と、
貫通孔を有する第２の基板と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられ、外力に応じて信号を出力する素子と、
前記貫通孔に挿入され、前記素子に圧力を加える雄螺子と、を備え、
前記第２の基板は、前記貫通孔の部位に、薄肉部を有することを特徴とするロボット。
【請求項１４】
工具を装着し、前記工具を変位させる工具変位部と、
前記工具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の基板と、
貫通孔を有する第２の基板と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられ、外力に応じて信号を出力する素子と、
前記貫通孔に挿入され、前記素子に圧力を加える雄螺子と、を備え、
前記第２の基板は、前記貫通孔の部位に、薄肉部を有することを特徴とする部品加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力検出装置、ロボットおよび部品加工装置に関する。
【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導入が進められている。このような産業ロボットは、１軸または複数軸方向に対して駆動可能なアームと、アーム先端側に取り付けられる、ハンド、部品検査用器具または部品搬送用器具等のエンドエフェクタとを備えており、部品の組み付け作業、部品加工作業等の部品製造作業、部品搬送作業および部品検査作業等を実行することができる。
【０００３】
このような産業用ロボットにおいては、例えば、アームとエンドエフェクタとの間に、力検出装置が設けられている。産業用ロボットに用いられる力検出装置としては、例えば、特許文献１に開示されているような力検出装置が用いられる。特許文献１に記載の力検出装置は、１対の基板と、その１対の基板の間に設けられた、圧電石英ディスク等を有する力変換器とを備えている。また、力変換器には、与圧ボルトにより与圧が加えられる。前記基板に外力が加わると、１対の基板が相対的に変位し、力変換器により、１対の基板間に働く力が検出される。このような圧電石英ディスクを有する力変換器を用いた力検出装置では、外力による圧電石英ディスクの変形が電圧に変換され、出力される。なお、力変換器に与圧が加えられていることにより、力検出装置に、１対の基板が互いに接近する方向の外力が加わった場合のみならず、１対の基板が互いに離間する方向の外力が加わった場合でも、その力を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２−９５２２９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、従来の力検出装置では、力検出装置を使用していくと、与圧ボルトが経時的に緩むことがあり、また、衝撃等によっても与圧ボルトが緩むことがある。そして、与圧ボルトが緩むと、与圧が最初に設定した値よりも小さくなり、これにより、力検出を正確に行うことができなくなるという問題がある。そして、与圧ボルトの緩み量が大きいと、１対の基板が互いに離間する方向の力を検出することができなくなる場合がある。
【０００６】
本発明の目的は、素子に圧力を加える加圧部材の加圧が緩んでも、正逆両方向の力を精度良く検出することができる力検出装置、ロボットおよび部品加工装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
（適用例１）
本発明に係わる力検出装置は、第１の基板と、
第２の基板と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられ、外力に応じて信号を出力する素子と、
前記第２の基板に設けた貫通孔に挿入されて前記素子に圧力を加える加圧部材と、を備え、
前記第２の基板は、前記第２の基板の厚み方向において薄肉である薄肉部と、を有し、
前記加圧部材の一部が前記薄肉部の一部を加圧することを特徴とする。
これにより、加圧部材が素子に与圧を加えた状態で薄肉部が弾性変形し、加圧部材の加圧が緩んだ場合、前記段差の変形分で前記加圧部材の緩みを吸収し、前記与圧を一定に保持することができ、これによって、正逆両方向の力を精度良く検出することができる。
【０００８】
（適用例２）
本発明に係わる力検出装置では、前記加圧部材は、前記第２の基板に設けた貫通孔に挿入された雄螺子と、前記第１の基板に前記雄螺子が適合するように形成された雌螺子孔と、を備えることが好ましい。
これにより、簡易な構成で、素子に与圧を加えることができる。
【０００９】
（適用例３）
本発明に係わる力検出装置では、前記薄肉部は、弾性体であって、
前記雄螺子の一部は、前記薄肉部を前記第１の基板に向けて弾性変形させていることが好ましい。
これにより、雄螺子が緩んだ場合、薄肉部の弾性力により素子に対して与圧を加え、その与圧を一定に保持することができ、これによって、正逆両方向の力を精度良く検出することができる。
【００１０】
（適用例４）
本発明に係わる力検出装置では、前記貫通孔が、第１孔と、前記第１孔よりも広い孔面積である第２孔と、で形成され、
前記薄肉部の一部が前記第２孔の底の一部であることが好ましい。
（適用例５）
本発明に係わる力検出装置では、前記薄肉部の許容曲げ応力は、１５０Ｎ／ｍｍ２以上、１０００Ｎ／ｍｍ２以下の範囲に設定されることが好ましい。
これにより、コストを低減しつつ、薄肉部の厚さを適度な大きさにすることができる。
【００１１】
（適用例６）
本発明に係わる力検出装置では、前記薄肉部の厚さは、一定であることが好ましい。
これにより、薄肉部の構造を簡素化することができる。
（適用例７）
本発明に係わる力検出装置では、前記薄肉部は、前記第２の基板の厚さ方向の中央部に設けられていることが好ましい。
これにより、薄肉部が第１の基板に向って変形した場合に、薄肉部が第１の基板と第２の基板との間に配置されている各部や各部材に干渉してしまうことを防止することができる。
【００１２】
（適用例８）
本発明に係わる力検出装置では、前記薄肉部は、環状をなしており、前記薄肉部の厚さが前記薄肉部の中心から外周に向って漸増する部位を有することが好ましい。
これにより、力検出装置の組み立てにおいて、雄螺子を締め付ける際、その雄螺子が薄肉部の厚さが漸増する部位に当接することにより、第２の基板を容易かつ確実に位置決めすることができる。
【００１３】
（適用例９）
本発明に係わる力検出装置では、前記第１の基板は、前記雄螺子が挿入される貫通孔を有し、
前記第１の基板は、前記貫通孔の部位に、薄肉部を有することが好ましい。
これにより、雄螺子が素子に与圧を加えた状態で第１の基板の薄肉部が弾性変形し、雄螺子が緩んだ場合、第１の基板の薄肉部、第２の基板の薄肉部のそれぞれの変形分で、前記雄螺子の緩みを吸収することができ、これによって、雄螺子の緩み量がより大きい場合でも対応することができる。
【００１４】
（適用例１０）
本発明に係わる力検出装置では、前記第１の基板の薄肉部は、弾性体であって、
前記雄螺子は、前記第１の基板の薄肉部を前記第２の基板に向けて弾性変形させていることが好ましい。
これにより、雄螺子が緩んだ場合、第１の基板の薄肉部、第２の基板の薄肉部のそれぞれの弾性力により素子に対して与圧を加えることができ、これによって、ネジの緩み量がより大きい場合でも対応することができる。
【００１５】
（適用例１１）
本発明に係わる力検出装置では、前記加圧部材は、ボルトおよび前記ボルトに螺合するナットで構成されており、
前記ボルトの一部が前記第２の基板の薄肉部を加圧し、前記ナットが前記第１の基板の薄肉部を加圧していることが好ましい。
これにより、簡易な構成で、ボルトの緩み量がより大きい場合でも対応することができる。
【００１６】
（適用例１２）
本発明に係わる力検出装置では、複数の前記素子を有し、
前記各素子は、前記第１の基板または前記第２の基板の周方向に沿って、等角度間隔に配置されていることが好ましい。
これにより、偏りなく外力を検出することができ、より精度の高い力検出を行うことができる。そして、３つ以上の素子を有することにより、６軸力、すなわち、ｘ、ｙ、ｚ軸方向の並進力成分（せん断力）およびｘ、ｙ、ｚ軸周りの回転力成分（モーメント）を検出することができる。
【００１７】
（適用例１３）
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と、
前記アームと前記エンドエフェクタの間に設けられ、前記エンドエフェクタ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の基板と、
貫通孔を有する第２の基板と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられ、外力に応じて信号を出力する素子と、
前記貫通孔に挿入され、前記素子に圧力を加える雄螺子と、を備え、
前記第２の基板は、前記貫通孔の部位に、薄肉部を有することを特徴とする。
【００１８】
これにより、前記本発明の力検出装置と同様の効果が得られる。そして、力検出装置が検出した外力をフィードバックし、より精密に作業を実行することができる。また、力検出装置が検出した外力によって、エンドエフェクタの障害物への接触等を検知することができる。そのため、従来の位置制御では困難だった障害物回避動作、対象物損傷回避動作等を容易に行うことができ、より安全に作業を実行することができる。
【００１９】
（適用例１４）
本発明に係わる部品加工装置は、工具を装着し、前記工具を変位させる工具変位部と、
前記工具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の基板と、
貫通孔を有する第２の基板と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられ、外力に応じて信号を出力する素子と、
前記貫通孔に挿入され、前記素子に圧力を加える雄螺子と、を備え、
前記第２の基板は、前記貫通孔の部位に、薄肉部を有することを特徴とする。
【００２０】
これにより、前記本発明の力検出装置と同様の効果が得られる。そして、力検出装置が検出した外力をフィードバックすることにより、部品加工装置は、より精密に部品加工作業を実行することができる。また、力検出装置が検出する外力によって、工具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、部品加工装置は、より安全な部品加工作業を実行可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の力検出装置の第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に示す力検出装置の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第２の基板の孔の近傍を示す断面図である。
【図６】図１に示す力検出装置の第２の基板の孔の近傍および与圧ボルトを示す断面図である。
【図７】図１に示す力検出装置の補正後の出力値と、補正前の出力値と、補正値とを示す図である。
【図８】本発明の力検出装置の第２実施形態の第２の基板の孔の近傍を示す断面図である。
【図９】本発明の力検出装置の第３実施形態の第２の基板の孔の近傍を示す断面図である。
【図１０】本発明の力検出装置の第４実施形態の第１の基板の孔の近傍と、第２の基板の孔の近傍と、ボルトおよびナットとを示す断面図である。
【図１１】本発明の力検出装置の第５実施形態を示す平面図である。
【図１２】図１１中のＡ−Ａ線での断面図である。
【図１３】図１１に示す力検出装置を概略的に示す回路図である。
【図１４】本発明の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１５】本発明の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１６】本発明の力検出装置を用いた電子部品検査装置および電子部品搬送装置の１例を示す図である。
【図１７】本発明の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１８】本発明の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】
【００２２】
以下、本発明の力検出装置、ロボットおよび部品加工装置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。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の力検出装置の第１実施形態を示す断面図である。図２は、図１に示す力検出装置の平面図である。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る。図４は、図１に示す力検出装置の電荷出力素子を概略的に示す断面図である。図５は、図１に示す力検出装置の第２の基板の孔の近傍を示す断面図である。図６は、図１に示す力検出装置の第２の基板の孔の近傍および与圧ボルトを示す断面図である。図７は、図１に示す力検出装置の補正後の出力値と、補正前の出力値と、補正値とを示す図である。
【００２３】
なお、以下では、説明の都合上、図１、図５、図６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６では、発明の理解を容易にするため、孔３５におけるボルト７１と第２の基板３との間の隙間と、薄肉部３１の変形とを誇張して図示している。
図１および図２に示す力検出装置１は、外力（モーメントを含む）を検出する機能、すなわち、互いに直交する３軸（α（Ｘ）軸、β（Ｙ）軸、γ（Ｚ）軸）に沿って加えられた外力を検出する機能を有する。
【００２４】
力検出装置１は、第１の基板２と、第１の基板２から所定の間隔を隔てて配置され、第１の基板２に対向する第２の基板３と、第１の基板２と第２の基板３との間に設けられたアナログ回路基板（回路基板）４と、第１の基板２と第２の基板３との間に設けられ、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、アナログ回路基板に搭載され、加えられた外力に応じて信号を出力する電荷出力素子（素子）１０および電荷出力素子１０を収納するパッケージ６０を有するセンサーデバイス６と、２つの与圧ボルト（雄螺子）７１とを備えている。
【００２５】
図３に示すように、アナログ回路基板４は、搭載されたセンサーデバイス６の電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｘを電圧Ｖｘ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Ｑｚを電圧Ｖｚ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Ｑｙを電圧Ｖｙに変換する変換出力回路９０ｃとを備えている。また、デジタル回路基板５は、加えられた外力を検出する外力検出回路４０を備えている。このデジタル回路基板５は、アナログ回路基板４よりも第１の基板２側、すなわち、アナログ回路基板４と第１の基板との間に配置されている。
【００２６】
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の基板３側の面に配置され、第１の基板２に設けられた後述する凸部（第１の凸部）２１と第２の基板３とで挟持されている。すなわち、電荷出力素子１０は、パッケージ６０を介して凸部２１と第２の基板３とで挟持され、与圧されている。なお、第１の基板２と、第２の基板３とのいずれを力が加わる側の基板としてもよいが、本実施形態では、第２の基板３を力が加わる側の基板として説明する。また、電荷出力素子１０は、アナログ回路基板４の第１の基板２側の面に配置されていてもよい。
【００２７】
第１の基板２、第２の基板３、アナログ回路基板４、デジタル回路基板５の形状は、それぞれ、特に限定されないが、本実施形態では、第１の基板２、第２の基板３、アナログ回路基板４、デジタル回路基板５の平面視で、その外形形状は、円形をなしている。なお、第１の基板２、第２の基板３、アナログ回路基板４、デジタル回路基板５の平面視での前記の他の外形形状としては、例えば、四角形、五角形等の多角形、楕円形等が挙げられる。また、第１の基板２、第２の基板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、各種の樹脂材料、各種の金属材料等を用いることができる。
【００２８】
＜電荷出力素子（素子）＞
電荷出力素子１０は、互いに直交する３軸（α（Ｘ）軸、β（Ｙ）軸、γ（Ｚ）軸）に沿って加えられた（受けた）外力のそれぞれに応じて３つの電荷Ｑｘ、Ｑｙ、Ｑｚを出力する機能を有する。
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、第１の基板２の平面視、すなわち、第１の基板２に対して垂直な方向から見て、四角形をなしている。なお、電荷出力素子１０の平面視での前記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。
【００２９】
図４に示すように、電荷出力素子１０は、グランド（基準電位点）に接地された４つのグランド電極層１１と、β軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｙを出力する第１のセンサー１２と、γ軸に平行な外力（圧縮／引張力）に応じて電荷Ｑｚを出力する第２のセンサー１３と、α軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｘを出力する第３のセンサー１４とを有し、グランド電極層１１と各センサー１２、１３、１４は交互に積層されている。なお、図４において、グランド電極層１１およびセンサー１２、１３、１４の積層方向をγ軸方向とし、γ軸方向に直交し且つ互いに直交する方向をそれぞれα軸方向、β軸方向としている。
【００３０】
図示の構成では、図４中の下側から、第１のセンサー１２、第２のセンサー１３、第３のセンサー１４の順で積層されているが、本発明はこれに限られない。センサー１２、１３、１４の積層順は任意である。
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。
【００３１】
第１のセンサー１２は、β軸に沿って加えられた（受けた）外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｙを出力する機能を有する。第１のセンサー１２は、β軸の正方向に沿って加えられた外力に応じて正電荷を出力し、β軸の負方向に沿って加えられた外力に応じて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の結晶軸ＣＡ１を有する第１の圧電体層１２１と、第１の圧電体層１２１と対向して設けられ、第２の結晶軸ＣＡ２を有する第２の圧電体層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、電荷Ｑを出力する出力電極層１２２を有する。
【００３２】
第１の圧電体層１２１はβ軸の負方向に配向した第１の結晶軸ＣＡ１を有する圧電体によって構成されている。第１の圧電体層１２１の表面に対し、β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、β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。
【００３３】
第２の圧電体層１２３は、β軸の正方向に配向した第２の結晶軸ＣＡ２を有する圧電体によって構成されている。第２の圧電体層１２３の表面に対し、β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、β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。
【００３４】
このように、第１の圧電体層１２１の第１の結晶軸ＣＡ１は、第２の圧電体層１２３の第２の結晶軸ＣＡ２の方向と反対方向を向いている。これにより、第１の圧電体層１２１または第２の圧電体層１２３のいずれか一方のみと、出力電極層１２２によって第１のセンサー１２を構成する場合と比較して、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Ｑを増加させることができる。
【００３５】
なお、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３の構成材料としては、水晶、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。これらの中でも特に、水晶が好ましい。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、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３のように、層の面方向に沿った外力（せん断力）に対して電荷を生ずる圧電体層は、Ｙカット水晶により構成することができる。
【００３６】
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Ｑｙ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β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Ｑｙ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β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Ｑｙが出力される。
【００３７】
また、出力電極層１２２の幅は、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３の幅以上であることが好ましい。出力電極層１２２の幅が、第１の圧電体層１２１または第２の圧電体層１２３よりも狭い場合、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Ｑｙ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。
【００３８】
第２のセンサー１３は、γ軸に沿って加えられた（受けた）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。第２のセンサー１３は、γ軸に平行な圧縮力に応じて正電荷を出力し、γ軸に平行な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の結晶軸ＣＡ３を有する第３の圧電体層１３１と、第３の圧電体層１３１と対向して設けられ、第４の結晶軸ＣＡ４を有する第４の圧電体層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、電荷Ｑｚを出力する出力電極層１３２を有する。
【００３９】
第３の圧電体層１３１は、γ軸の正方向に配向した第３の結晶軸ＣＡ３を有する圧電体によって構成されている。第３の圧電体層１３１の表面に対し、γ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、γ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。
【００４０】
第４の圧電体層１３３は、γ軸の負方向に配向した第４の結晶軸ＣＡ４を有する圧電体によって構成されている。第４の圧電体層１３３の表面に対し、γ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、γ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。
【００４１】
第３の圧電体層１３１および第４の圧電体層１３３の構成材料としては、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３と同様の構成材料を用いることができる。また、第３の圧電体層１３１および第４の圧電体層１３３のように、層の面方向に垂直な外力（圧縮／引張力）に対して電荷を生ずる圧電体層は、Ｘカット水晶により構成することができる。
【００４２】
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γ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γ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。
【００４３】
第３のセンサー１４は、α軸に沿って加えられた（受けた）外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｘを出力する機能を有する。第３のセンサー１４は、α軸の正方向に沿って加えられた外力に応じて正電荷を出力し、α軸の負方向に沿って加えられた外力に応じて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の結晶軸ＣＡ５を有する第５の圧電体層１４１と、第５の圧電体層１４１と対向して設けられ、第６の結晶軸ＣＡ６を有する第６の圧電体層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、電荷Ｑｘを出力する出力電極層１４２を有する。
【００４４】
第５の圧電体層１４１は、α軸の負方向に配向した第５の結晶軸ＣＡ５を有する圧電体によって構成されている。第５の圧電体層１４１の表面に対し、α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、α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。
【００４５】
第６の圧電体層１４３は、α軸の正方向に配向した第６の結晶軸ＣＡ６を有する圧電体によって構成されている。第６の圧電体層１４３の表面に対し、α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、α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。
【００４６】
第５の圧電体層１４１および第６の圧電体層１４３の構成材料としては、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３と同様の構成材料を用いることができる。また、第５の圧電体層１４１および第６の圧電体層１４３のように、層の面方向に沿った外力（せん断力）に対して電荷を生ずる圧電体層は、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３と同様に、Ｙカット水晶により構成することができる。
【００４７】
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Ｑｘ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α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Ｑｘ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α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Ｑｘが出力される。
【００４８】
このように、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、３軸（α（Ｘ）軸、β（Ｙ）軸、γ（Ｚ）軸）に沿った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。
【００４９】
＜センサーデバイス＞
センサーデバイス６は、前記電荷出力素子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。
パッケージ６０は、凹部６１１を有する基部（第１の部材）６１と、その基部６１に接合された蓋体（第２の部材）６２とを有している。電荷出力素子１０は、基部６１の凹部６１１に設置されており、その基部６１の凹部６１１は、蓋体６２により封止されている。これにより、電荷出力素子１０を保護することができ、信頼性の高い力検出装置１を提供することができる。なお、電荷出力素子１０の上面は、蓋体６２に接触している。また、パッケージ６０の蓋体６２は、上側、すなわち、第２の基板３側に配置され、基部６１は、下側、すなわち、第１の基板２側に配置され、その基部６１がアナログ回路基板４に固定されている。この構成により、基部６１と蓋体６２とが、凸部２１と第２の基板３とで挟持されて与圧され、その基部６１と蓋体６２とにより、電荷出力素子１０が挟持されて与圧される。
【００５０】
また、基部６１の構成材料としては、特に限定されず、例えば、セラミックス等の絶縁性材料等を用いることができる。また、蓋体６２の構成材料としては、特に限定されず、例えば、ステンレス鋼等の各種の金属材料等を用いることができる。なお、基部６１の構成材料と蓋体６２の構成材料は、同一でもよく、また、異なっていてもよい。
また、パッケージ６０の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、第１の基板２の平面視で、四角形をなしている。なお、パッケージ６０の平面視での前記の他の形状としては、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。また、パッケージ６０の形状が多角形の場合、例えば、その角部が、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。
【００５１】
また、蓋体６２は、本実施形態では、板状をなし、その中央部６２５と外周部６２６との間の部位が屈曲することで、中央部６２５が第２の基板３に向って突出している。中央部６２５の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、第１の基板２の平面視で、電荷出力素子１０と同じ形状、すなわち、四角形をなしている。なお、蓋体６２の中央部６２５の上面および下面は、いずれも平面である。
【００５２】
また、パッケージ６０の基部６１の下面の端部には、電荷出力素子１０と電気的に接続された複数の端子６３が設けられている。各端子６３は、それぞれ、アナログ回路基板４と電気的に接続されており、これにより、電荷出力素子１０とアナログ回路基板４とが電気的に接続される。なお、端子６３の数は、特に限定されないが、本実施形態では、４つであり、すなわち、端子６３は、基部６１の４つの角部にそれぞれ設けられている。
【００５３】
＜変換出力回路＞
電荷出力素子１０には、変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃが接続されている。変換出力回路９０ａは、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｘを電圧Ｖｘに変換する機能を有する。変換出力回路９０ｂは、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｚを電圧Ｖｚに変換する機能を有する。変換出力回路９０ｃは、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｙを電圧Ｖｙに変換する機能を有する。変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃは、同様であるので、以下では、代表的に、変換出力回路９０ｃについて説明する。
【００５４】
変換出力回路９０ｃは、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｙを電圧Ｖｙに変換して電圧Ｖｙ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。
【００５５】
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Ｑｙは、静電容量Ｃ１を有するコンデンサー９２に蓄えられ、電圧Ｖｙ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Ｑｙ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Ｖｙは、電荷出力素子１０から出力される電荷Ｑｙの蓄積量に比例する。
【００５６】
スイッチング素子９３は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体スイッチング素子である。半導体スイッチング素子は、機械式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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
＜外力検出回路＞
外力検出回路４０は、変換出力回路９０ａから出力される電圧Ｖｘと、変換出力回路９０ｂから出力される電圧Ｖｚと、変換出力回路９０ｃから出力される電圧Ｖｙとに基づき、加えられた外力を検出する機能を有する。外力検出回路４０は、変換出力回路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４０２とを有する。
【００６０】
ＡＤコンバーター４０１は、電圧Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ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Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚは、演算部４０２に入力される。
すなわち、第１の基板２および第２の基板３の相対位置が互いにα（Ｘ）軸方向にずれる外力が加えられた場合、ＡＤコンバーター４０１は、電圧Ｖｘを出力する。同様に、第１の基板２および第２の基板３の相対位置が互いにβ（Ｙ）軸方向にずれる外力が加えられた場合、ＡＤコンバーター４０１は、電圧Ｖｙを出力する。また、第１の基板２および第２の基板３の相対位置が互いにγ（Ｚ）軸方向にずれる外力が加えられた場合、ＡＤコンバーター４０１は、電圧Ｖｚを出力する。
【００６１】
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。この３つの信号は、電荷出力素子１０に加えられた３軸力（せん断力および圧縮／引張力）に対応するので、力検出装置１は、電荷出力素子１０に加えられた３軸力を検出することができる。
【００６２】
図１および図２に示すように、この力検出装置１では、第１の基板２に、凸部２１が設けられている。この第１の基板２と第２の基板３とは、凸部２１が内側になり、第１の基板２の面と第２の基板３の面とが間隔を隔て対向している。なお、凸部２１の上面（第２の基板３と対向する面）２１１は、平面である。この凸部２１は、第１の基板２と一体的に形成されていてもよく、また、別部材で形成されていてもよい。なお、凸部２１の構成材料は、特に限定されず、例えば、第１の基板２と同様のものとすることができる。
【００６３】
また、凸部２１の位置は、特に限定されないが、本実施形態では、凸部２１は、第１の基板２の中央部に配置されている。
また、凸２１部の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、第１の基板２の平面視で、電荷出力素子１０と同じ形状、すなわち、四角形をなしている。なお、凸部２１の平面視での前記の他の形状としては、例えば、四角形、五角形等の多角形、楕円形等が挙げられる。
【００６４】
また、アナログ回路基板４の電荷出力素子１０が配置されている部位、すなわち、中央部には、凸部２１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。孔４１の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、第１の基板２の平面視で、凸部２１と同じ形状、すなわち、四角形をなしている。なお、アナログ回路基板４は、凸部２１に支持されている。
【００６５】
同様に、デジタル回路基板５の電荷出力素子１０が配置されている部位、すなわち、中央部には、凸部２１が挿入される孔５１が形成されている。孔５１の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、第１の基板２の平面視で、凸部２１と同じ形状、すなわち、四角形をなしている。なお、デジタル回路基板５は、凸部２１に支持されている。
なお、アナログ回路基板４には、２つの与圧ボルト７１が挿通する２つの孔４２が形成され、同様に、デジタル回路基板５には、２つの与圧ボルト７１が挿通する２つの孔５２が形成されている。
【００６６】
凸部２１は、アナログ回路基板４の孔４１およびデジタル回路基板５の孔５１に挿入され、電荷出力素子１０に向って突出している。そして、センサーデバイス６は、凸部２１と第２の基板３とで挟持され、これにより、電荷出力素子１０は、パッケージ６０を介して凸部２１と第２の基板３とで挟持されている。なお、第２の基板３の下面（第１の基板２と対向する面）３６は、平面であり、その下面３６がセンサーデバイス６の蓋体６２の中央部に当接し、凸部２１の上面２１１が基部６１に当接している。
【００６７】
また、凸部２１の寸法は、特に限定されないが、第１の基板２の平面視で、凸部２１の面積は、電荷出力素子１０の面積以上であることが好ましく、電荷出力素子１０の面積よりも大きいことがより好ましい。なお、図示の構成では、凸部２１の面積は、電荷出力素子１０の面積よりも大きい。そして、電荷出力素子１０は、第１の基板２の平面視で（第１の基板２に対して垂直な方向から見て）、凸部２１内に配置され、また、電荷出力素子１０の中心線と凸部２１の中心線とが一致している。この場合、電荷出力素子１０は、第１の基板２の平面視で、凸部２１からはみ出していないことが好ましい。これにより、電荷出力素子１０全体に与圧を加えることができ、また、力検出の際、電荷出力素子１０全体に外力が加わり、より精度の高い力検出を行うことができる。なお、凸部２１は、省略されていてもよい。
【００６８】
また、第１の基板２と、第２の基板３とは、２つの与圧ボルト７１により、固定されている。なお、与圧ボルト７１による「固定」は、２つの固定対象物の互いの所定量の移動を許容しつつ行われる。具体的には、第１の基板２と、第２の基板３とは、２つの与圧ボルト７１により、互いの所定量の第２の基板３の面方向の移動が許容されつつ固定される。なお、これは、他の実施形態においても同様である。
【００６９】
各与圧ボルト７１は、それぞれ、基端部に頭部７１５を有し、先端部の外周部に雄ネジ７１６を有している。そして、第２の基板３には、２つの与圧ボルト７１が挿入される２つの孔（貫通孔）３５が形成されている。また、第１の基板２には、２つの与圧ボルト７１が適合するように２つの雌ネジ（雌螺子孔）２５が形成されている、すなわち、第１の基板２には、２つの与圧ボルト７１の雄ネジ７１６と螺合する２つの雌ネジ２５が形成されている。また、第２の基板２の各孔３５の部位には、各与圧ボルト７１の頭部７１５を支持する座繰り３２が形成されている。なお、与圧ボルト７１および雌ネジ２５により、加圧部材が構成される。
【００７０】
各与圧ボルト７１は、それぞれ、その頭部７１５が第２の基板３側となるように配置され座繰り３２に支持され、第２の基板３に形成された孔３５から挿入され、アナログ回路基板４の孔４２、デジタル回路基板５の孔５２を挿通し、その雄ネジ７１６が第１の基板２に形成された雌ネジ２５に螺合している。そして、各与圧ボルト７１により、電荷出力素子１０に、所定の大きさのＺ軸方向（図４参照）の圧力、すなわち、与圧が加えられる。これにより、Ｚ軸方向の正逆両方向の力を検出することができる。また、各与圧ボルト７１により電荷出力素子１０に与圧が加えられた状態では、各座繰り３２は弾性変形している。なお、前記与圧の大きさは、特に限定されず、適宜設定される。また、第２の基板３の各孔３５の箇所と、各与圧ボルト７１との間には、例えば、グリス等の摺動剤が塗布されている。これにより、各与圧ボルト７１の雄ネジ７１６を第１の基板２の雌ネジ２５に螺合する際の第２の基板３の各孔３５の箇所と、各与圧ボルト７１との間の摩擦抵抗が低減され、これによって、与圧の調整を容易かつ正確に行うことができる。
【００７１】
また、各与圧ボルト７１の位置は、特に限定されないが、本実施形態では、各与圧ボルト７１は、第１の基板２、第２の基板３、アナログ回路基板４、デジタル回路基板５の周方向に沿って、等角度間隔（１８０°間隔）、すなわち、第２の基板３の平面視で、電荷出力素子１０を介して対向するように配置されている。これにより、第１の基板２と第２の基板３とをバランス良く固定することができ、また、各電荷出力素子１０にバランス良く与圧を加えることができる。なお、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。
【００７２】
各与圧ボルト７１の構成材料としては、特に限定されず、例えば、各種の樹脂材料、各種の金属材料等を用いることができる。
この力検出装置１では、前述したように、各与圧ボルト７１は、第２の基板３に形成された座繰り３２、すなわち、第２の基板３に形成された後述する薄肉部３１を第１の基板２に向けて弾性変形させた状態で、その座繰り３２、すなわち、薄肉部３１に支持されている。以下、この構成について詳細に説明するが、各座繰り３２、各薄肉部３１、各孔３５、各与圧ボルト７１は、それぞれ、同様であるので、以下では代表的に、その一方について説明する。
【００７３】
まず、図５に示すように、孔３５は、本実施形態では、筒状をなしている。この孔３５は、図５中上側に大径部（第１孔よりも広い孔面積である第２孔）３５１を有し、下側に、大径部３５１よりも小径の小径部（第１孔）３５２を有しており、これにより、第２の基板３の孔３５の位置（部位）には、円環状（環状）をなす弾性変形可能な（弾性体である）薄肉部３１が形成されている。この薄肉部３１は第２の基板３の厚み方向において薄肉であり、薄肉部３１の厚さＡは、一定に形成されている。また、薄肉部３１の一部が前記第２孔の底の一部である。なお、孔３５の大径部３５１および薄肉部３１の図５中の上側の部位により、座繰り３２が構成される。なお、孔３５、薄肉部３１の形状は、それぞれ、前記の形状に限定されないことは、言うまでもない。
【００７４】
図６（ａ）に示すように、与圧ボルト７１の頭部７１５は、孔３５の大径部３５１に配置され、薄肉部３１の上面に当接し、その薄肉部３１に支持されている。また、与圧ボルト７１（与圧ボルト７１の一部）は、薄肉部３１を第１の基板２に向けて弾性変形させた状態で、その頭部７１５が薄肉部３１に係合し、雄ネジ７１６が第１の基板２の雌ネジ２５に螺合している。すなわち、与圧ボルト７１の一部が薄肉部３１の一部を加圧している。
【００７５】
また、孔３５の大径部３５１の直径Ｂ（座繰り３２の径）（図５参照）は、与圧ボルト７１の頭部７１５の外径（径）よりも大きい。すなわち、第２の基板３の大径部３５１に臨む側面と、頭部７１５との間に、隙間が形成されている。これにより、与圧ボルト７１が電荷出力素子１０に与圧を加えた状態で、与圧ボルト７１の頭部７１５により薄肉部３１をより確実に弾性変形させることができる。
【００７６】
また、薄肉部３１の許容曲げ応力は、１５０Ｎ／ｍｍ２以上、１０００Ｎ／ｍｍ２以下の範囲に設定されることが好ましく、１７０Ｎ／ｍｍ２以上、９００Ｎ／ｍｍ２以下の範囲に設定されることがより好ましい。
薄肉部３１の許容曲げ応力が前記下限値よりも小さいと、薄肉部３１の厚さＡ（図５参照）が薄くなり、また、前記上限値よりも大きいと、コストが高くなる。
【００７７】
なお、前記許容曲げ応力は、（薄肉部３１の構成材料の引張り強さ）×１．５で計算した値である。
ここで、薄肉部３１が弾性変形しているので、与圧ボルト７１が緩んだとしても、薄肉部３１の弾性力により、第２の基板３と第１の基板２の凸部２１とを介して電荷出力素子１０に与圧が加えられる。これにより、第１の基板２と第２の基板３とが互いに接近する方向の外力が加わった場合はもちろんのこと、第１の基板２と第２の基板３とが互いに離間する方向の外力が加わった場合でもその力を確実に、精度良く検出することができる。すなわち、Ｚ軸方向の正逆両方向の力をそれぞれ精度良く検出することができる。
【００７８】
また、図６（ａ）に示すように、与圧ボルト７１により電荷出力素子１０に与圧が加えられており、力検出装置１に外力が作用していないときの薄肉部３１の変形量をａ、図６（ｂ）に示すように、力検出装置１に第２の基板３が第１の基板２から離間する方向の力が作用したときの薄肉部３１の変形量をｂ、薄肉部３１が塑性変形するときのその薄肉部３１の最小変形量をｃとしたとき、下記（１）式を満たすようにする。
【００７９】
ａ＋ｂ＜ｃ      ・・・（１）
上記（１）式を満たすようにするには、例えば、薄肉部３１（第２の基板３）の材質、薄肉部３１の厚さＡ（図５参照）、孔３５の大径部３５１の直径Ｂ（図５参照）等を調整する。
また、この力検出装置１では、外力検出回路４０の演算部４０２は、電圧Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ、すなわち、出力値に対して、薄肉部３１の弾性変形により生じる弾性力が電荷出力素子１０に加わることで生じる出力成分を用いて補正を行う。
【００８０】
すなわち、薄肉部３１が弾性変形しているので、その変形による弾性力が発生し、電荷出力素子１０に加わる。通常動作、例えば、第２の基板３が引っ張られるときに出力される荷重は、補正を行わないと、薄肉部３１の弾性変形により生じる弾性力の分が真の荷重から引かれたものとなってしまう。このため、予め、薄肉部３１の弾性変形により生じる弾性力に対応する荷重の分を補正値として、外力検出回路４０の図示しない記憶部に記憶しておき、実動作時に、その実動作時の出力（補正前の値）から補正値を足した値を最終出力値（補正後の値）とする（図７参照）。
【００８１】
次に、第２の基板３の孔３５、薄肉部３１の寸法の設定について、具体例を挙げて説明する。
ここでは、第２の基板３の材質として、炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）、ステンレス鋼（ＳＵ３０４）、アルミニウム合金（Ａ１１００Ｐ−Ｈ１４）の３つを用いる場合について説明する。なお、各材質の許容曲げ応力は、炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）が、８５５Ｎ／ｍｍ２、ステンレス鋼（ＳＵ３０４）が、７８０Ｎ／ｍｍ２、アルミニウム合金（Ａ１１００Ｐ−Ｈ１４）が、１８６Ｎ／ｍｍ２である。
【００８２】
各材質について、それぞれ、下記（２）式、（３）式を用いて、薄肉部３１の厚さＡを１ｍｍとした場合の孔３５の大径部３５１の直径Ｂの値と、孔３５の大径部３５１の直径Ｂを３０ｍｍとした場合の薄肉部３１の厚さＡとを求める。
Ｍ＝(Ｐ／１６)［（１＋ν）ａ２−（３＋ν）ｒ２］      ・・・（２）
σ＝６Ｍ／Ｈ２      ・・・（３）
但し、上記（２）式、（３）式におけるσ、Ｍ、Ｐ、ν、ａ、ｒ、Ｈは、それぞれ、下記の通りである。なお、σ、Ｍ、Ｐは、それぞれ、１箇所の孔３５における値である。
σ：薄肉部３１における応力
Ｍ：薄肉部３１におけるモーメント
Ｐ：荷重
ν：ポアソン比
ａ：大径部３５１の半径（Ｂ／２）
ｒ：与圧ボルト７１の頭部７１５の半径
Ｈ：薄肉部３１の厚さ（Ａ）
【００８３】
なお、荷重Ｐは、全体の与圧が３０００Ｎ、最大引っ張り力（第１の基板２と第２の基板３とが互いに離間する方向の力）が５００Ｎのときの１箇所当りの値が９．２Ｎ／ｍｍ２として計算した。
まず、薄肉部３１の厚さＡを１ｍｍとした場合の孔３５の大径部３５１の直径Ｂの上限値は、炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）が、２７．６ｍｍ、ステンレス鋼（ＳＵ３０４）が、２６．４ｍｍ、アルミニウム合金（Ａ１１００Ｐ−Ｈ１４）が、１２．７ｍｍである。
【００８４】
また、孔３５の大径部３５１の直径Ｂを３０ｍｍとした場合の薄肉部３１の厚さＡの下限値は、炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）が、１．０９ｍｍ、ステンレス鋼（ＳＵ３０４）が、１．１４ｍｍ、アルミニウム合金（Ａ１１００Ｐ−Ｈ１４）が、２．３７ｍｍである。
以上説明したように、この力検出装置１によれば、与圧ボルト７１が緩んでも、薄肉部３１の弾性力により電荷出力素子１０に対して与圧を加えることができる。これにより、Ｚ軸方向の正逆両方向の力を精度良く検出することができる。
【００８５】
＜第２実施形態＞
図８は、本発明の力検出装置の第２実施形態の第２の基板の孔の近傍を示す断面図である。
なお、以下では、説明の都合上、図８中の上側を「上」または「上方」、下側を「下」または「下方」と言う。
【００８６】
以下、第２実施形態について、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図８に示すように、第２実施形態の力検出装置１は、第２の基板３の各孔３５、各薄肉部３１の形状が、それぞれ、第１実施形態と異なっている以外は、第１実施形態と同様である。以下、各薄肉部３１、各孔３５について説明するが、各薄肉部３１、各孔３５は、それぞれ、同様であるので、以下では代表的に、その一方について説明する。
【００８７】
第２実施形態の力検出装置１では、第２の基板３の孔３５は、図８中上側に大径部３５１を有し、下側に大径部３５３を有し、大径部３５１と大径部３５３との間に、大径部３５１、３５３よりも小径の小径部３５２を有しており、これにより、第２の基板３の孔３５の位置、詳細には、小径部３５２には、円環状をなす弾性変形可能な薄肉部３１が形成されている。すなわち、薄肉部３１は、第２の基板３の厚さ方向の中央部に設けられている。また、薄肉部３１の厚さは、一定に形成されている。
【００８８】
この力検出装置１によれば、前述した第１実施形態と同様の効果が得られる。
そして、この力検出装置１では、薄肉部３１が第１の基板２に向って変形した場合に、孔３５の大径部３５３が逃げ部として機能し、薄肉部３１が第１の基板２と第２の基板３との間に配置されている各部や各部材に干渉してしまうことを防止することができる。
【００８９】
＜第３実施形態＞
図９は、本発明の力検出装置の第３実施形態の第２の基板の孔の近傍を示す断面図である。
なお、以下では、説明の都合上、図９中の上側を「上」または「上方」、下側を「下」または「下方」と言う。
【００９０】
以下、第３実施形態について、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図９に示すように、第３実施形態の力検出装置１は、第２の基板３の各孔３５、各薄肉部３１の形状が、それぞれ、第１実施形態と異なっている以外は、第１実施形態と同様である。以下、各薄肉部３１、各孔３５について説明するが、各薄肉部３１、各孔３５は、それぞれ、同様であるので、以下では代表的に、その一方について説明する。
【００９１】
第２実施形態の力検出装置１では、第２の基板３の孔３５は、図９中下側に小径部３５２を有し、上側にテーパー部３５４を有しており、これにより、第２の基板３の孔３５の位置には、テーパー面３１１を有し、円環状をなす弾性変形可能な薄肉部３１が形成されている。孔３５のテーパー部３５４の直径は、図９中下側から上側に向って漸増している。すなわち、薄肉部３１の厚さは、その中心から外周に向って漸増している。なお、本実施形態では、薄肉部３１の全体において、その厚さが薄肉部３１の中心から外周に向って漸増しているが、これに限らず、薄肉部３１の一部において、その厚さが薄肉部３１の中心から外周に向って漸増していてもよい。
【００９２】
この力検出装置１によれば、前述した第１実施形態と同様の効果が得られる。
そして、この力検出装置１では、力検出装置１の組み立てにおいて、与圧ボルト７１を締め付ける際、その頭部７１５が薄肉部３１のテーパー面３１１に当接することにより、第２の基板３を容易かつ確実に位置決めすることができる。
【００９３】
＜第４実施形態＞
図１０は、本発明の力検出装置の第４実施形態の第１の基板の孔の近傍と、第２の基板の孔の近傍と、ボルトおよびナットとを示す断面図である。
なお、以下では、説明の都合上、図１０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１０では、アナログ回路基板４およびデジタル回路基板５については、図示が省略されている。
以下、第４実施形態について、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図１０に示すように、第４実施形態の力検出装置１では、加圧部材として、与圧ボルト７１およびナット７２が用いられている。
【００９４】
まず、第２の基板３には、２つの与圧ボルト７１が挿入される２つの孔（貫通孔）３５が形成され、同様に、第１の基板２には、２つの与圧ボルト７１が挿入される２つの孔（貫通孔）２６が形成されている。
各孔２６は、それぞれ、本実施形態では、筒状をなしている。この各孔２６は、それぞれ、図１０中下側に大径部２６１を有し、上側に、大径部２６１よりも小径の小径部２６２を有しており、これにより、第１の基板２の各孔２６の位置には、それぞれ、円環状をなす弾性変形可能な（弾性体である）薄肉部２２が形成されている。なお、孔２６の大径部２６１および薄肉部２２の図１０中の下側の部位により、座繰り２３が構成される。なお、各孔２６、各薄肉部２２の形状は、それぞれ、前記の形状に限定されず、例えば、第２実施形態、第３実施形態の孔３５、薄肉部３１のような形状にしてもよい。
【００９５】
各与圧ボルト７１の頭部７１５は、それぞれ、孔３５の大径部３５１に配置され、薄肉部３１の上面に当接し、その薄肉部３１に支持され、また、各ナット７２は、それぞれ、孔２６の大径部２６１に配置され、薄肉部２２の下面に当接し、その薄肉部２２に支持されている。また、２組の与圧ボルト７１およびナット７２は、それぞれ、薄肉部３１を第１の基板２に向けて弾性変形させ、薄肉部２２を第２の基板３に向けて弾性変形させた状態で、頭部７１５が薄肉部３１に係合し、ナット７２が薄肉部２２に係合し、与圧ボルト７１の雄ネジ７１６がナット７２に螺合している。与圧ボルト７１の一部が薄肉部３１を加圧し、ナット７２が薄肉部２２を加圧している。
【００９６】
また、孔２６の大径部２６１の直径（座繰り２３の径）は、ナット７２の外径（径）よりも大きい。すなわち、第１の基板２の大径部２６１に臨む側面と、ナット７２との間に、隙間が形成されている。これにより、与圧ボルト７１およびナット７２が電荷出力素子１０に与圧を加えた状態で、ナット７２により薄肉部２２をより確実に弾性変形させることができる。
【００９７】
この力検出装置１によれば、前述した第１実施形態と同様の効果が得られる。
そして、この力検出装置１では、与圧ボルト７１が緩んだ場合、薄肉部３１、２２のそれぞれの弾性力により電荷出力素子１０に対して与圧を加えることができる。これにより、この力検出装置１では、与圧ボルト７１の緩み量がより大きい場合でも対応することができる。
【００９８】
なお、与圧ボルト７１およびナット７２の向きは、前記と逆であってもよい。すなわち、与圧ボルト７１の頭部７１５が、孔２６の大径部２６１に配置され、薄肉部２２の下面に当接してその薄肉部２２に支持され、また、ナット７２が、孔３５の大径部３５１に配置され、薄肉部３１の上面に当接してその薄肉部３１に支持されていてもよい。
【００９９】
＜第５実施形態＞
図１１は、本発明の力検出装置の第５実施形態を示す平面図である。図１２は、図１１中のＡ−Ａ線での断面図である。図１３は、図１１に示す力検出装置を概略的に示す回路図である。
以下、第５実施形態について、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図１１および図１２に示す第５実施形態の力検出装置１は、外力（モーメントを含む）を検出する機能、すなわち、６軸力（ｘ、ｙ、ｚ軸方向の並進力成分（せん断力）およびｘ、ｙ、ｚ軸周りの回転力成分（モーメント））を検出する機能を有する。
【０１００】
図１１および図１２に示すように、力検出装置１は、センサーデバイス６を４つ、与圧ボルト７１を４つ有している。各センサーデバイス６の位置は、特に限定されないが、本実施形態では、各センサーデバイス６、すなわち、各電荷出力素子１０は、第１の基板２、第２の基板３、アナログ回路基板４の周方向に沿って、等角度間隔（９０°間隔）に配置されている。これにより、偏りなく外力を検出することができる。そして、６軸力を検出することができる。また、本実施形態では、各電荷出力素子１０は、全て同じ方向を向いているが、これに限定されるものではない。
【０１０１】
また、第１の基板２には、各センサーデバイス６に対応するように、４つの凸部２１が設けられている。なお、この凸部２１については、第１実施形態で説明済みであるので、その説明は省略する。
なお、センサーデバイス６の数は、前記４つに限定されるものではなく、例えば、２つ、３つ、または５つ以上でもよい。但し、センサーデバイス６の数は、複数であることが好ましく、３つ以上であることがより好ましい。なお、力検出装置１は、少なくとも３つのセンサーデバイス６を有していれば、６軸力を検出可能である。センサーデバイス６が３つの場合、センサーデバイス６の数が少ないので、力検出装置１を軽量化することができる。また、センサーデバイス６が図示のように４つの場合、後述する非常に単純な演算によって６軸力を求めることができるので、演算部４０２を簡略化することができる。
【０１０２】
＜変換出力回路＞
図１３に示すように、各電荷出力素子１０には、それぞれ、変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃが接続されている。各変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃは、前述した第１、第２実施形態の変換出力回路９０と同様であるので、その説明は省略する。
＜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Ｖｘ１、Ｖｘ２、Ｖｘ３、Ｖｘ４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Ｖｙ１、Ｖｙ２、Ｖｙ３、Ｖｙ４とに基づき、加えられた外力を検出する機能を有する。なお、図１１中の上側の電荷出力素子１０に対応するのが電圧Ｖｘ１、Ｖｙ１およびＶｚ１、図１１中の右側の電荷出力素子１０に対応するのが電圧Ｖｘ２、Ｖｙ２およびＶｚ２、図１１中の下側の電荷出力素子１０に対応するのが電圧Ｖｘ３、Ｖｙ３およびＶｚ３、図１１中の左側の電荷出力素子１０に対応するのが電圧Ｖｘ４、Ｖｙ４およびＶｚ４とする。外力検出回路４０は、変換出力回路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４０２とを有する。
【０１０３】
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。
【０１０４】
すなわち、第１の基板２および第２の基板３の相対位置が互いにα（Ｘ）軸方向にずれる外力が加えられた場合、ＡＤコンバーター４０１は、電圧Ｖｘ１、Ｖｘ２、Ｖｘ３、Ｖｘ４を出力する。同様に、第１の基板２および第２の基板３の相対位置が互いにβ（Ｙ）軸方向にずれる外力が加えられた場合、ＡＤコンバーター４０１は、電圧Ｖｙ１、Ｖｙ２、Ｖｙ３、Ｖｙ４を出力する。また、第１の基板２および第２の基板３の相対位置が互いにγ（Ｚ）軸方向にずれる外力が加えられた場合、ＡＤコンバーター４０１は、電圧Ｖｚ１、Ｖｚ２、Ｖｚ３、Ｖｚ４を出力する。
【０１０５】
また、第１の基板２および第２の基板３は、互いにｘ軸周りに回転する相対変位、ｙ軸周りに回転する相対変位、およびｚ軸周りに回転する相対変位が可能であり、各回転に伴う外力を電荷出力素子１０に伝達することが可能である。
演算部４０２は、デジタル変換された電圧Ｖｘ１、Ｖｙ１、Ｖｚ１、Ｖｘ２、Ｖｙ２、Ｖｚ２、Ｖｘ３、Ｖｙ３、Ｖｚ３、Ｖｘ４、Ｖｙ４、Ｖｚ４に基づき、ｘ軸方向の並進力成分Ｆｘ、ｙ軸方向の並進力成分Ｆｙ、ｚ軸方向の並進力成分Ｆｚ、ｘ軸周りの回転力成分Ｍｘ、ｙ軸周りの回転力成分Ｍｙ、ｚ軸周りの回転力成分Ｍｚを演算する機能を有する。各力成分は、以下の式により求めることができる。
【０１０６】
Ｆｘ＝Ｖｘ１＋Ｖｘ２＋Ｖｘ３＋Ｖｘ４
Ｆｙ＝Ｖｙ１＋Ｖｙ２＋Ｖｙ３＋Ｖｙ４
Ｆｚ＝Ｖｚ１＋Ｖｚ２＋Ｖｚ３＋Ｖｚ４
Ｍｘ＝ｂ×（Ｖｚ４−Ｖｚ２）
Ｍｙ＝ａ×（Ｖｚ３−Ｖｚ１）
Ｍｚ＝ｂ×（Ｖｘ２−Ｖｘ４）＋ａ×（Ｖｙ１−Ｖｙ３）
ここで、ａ、ｂは定数である。
【０１０７】
このように、力検出装置１は、６軸力を検出することができる。
なお、演算部４０２は、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を行うようになっていてもよい。
また、図１１および図１２に示すように、第１の基板２と、第２の基板３とは、４つの与圧ボルト７１により、固定されている。なお、与圧ボルト７１の数は、４つに限定されず、例えば、２つ、３つ、または、５つ以上であってもよい。
【０１０８】
また、各与圧ボルト７１の位置は、特に限定されないが、本実施形態では、各与圧ボルト７１は、第１の基板２、第２の基板３、アナログ回路基板４、デジタル回路基板５の周方向に沿って、等角度間隔（９０°間隔）に配置されている。これにより、第１の基板２と第２の基板３とをバランス良く固定することができ、また、各電荷出力素子１０にバランス良く与圧を加えることができる。
この力検出装置１によれば、前述した第１実施形態と同様の効果が得られる。
なお、第５実施形態は、第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態にも適用することができる。
【０１０９】
＜単腕ロボットの実施形態＞
次に、図１４に基づき、本発明のロボットの実施形態である単腕ロボットを説明する。以下、本実施形態について、前述した各実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
【０１１０】
図１４は、本発明の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１４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５３０と、アーム５２０とエンドエフェクタ５３０との間に設けられた力検出装置１００とを有する。なお、力検出装置１００としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
【０１１１】
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。
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。
【０１１２】
エンドエフェクタ５３０は、対象物を把持する機能を有する。エンドエフェクタ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についても同様である。
【０１１３】
力検出装置１００は、エンドエフェクタ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１００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１００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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
＜複腕ロボットの実施形態＞
次に、図１５に基づき、本発明のロボットの実施形態である複腕ロボットを説明する。以下、本実施形態について、前述した各実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図１５は、本発明の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１５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６４０ｂと、第１のアーム６２０と第１のエンドエフェクタ６４０ａ間および第２のアーム６３０と第２のエンドエフェクタ６４０ｂとの間に設けられた力検出装置１００を有する。なお、力検出装置１００としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
【０１１６】
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。
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。
【０１１７】
第１、第２のエンドエフェクタ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。
【０１１８】
力検出装置１００は第１、第２のエンドエフェクタ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１００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１００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。
【０１１９】
＜電子部品検査装置および電子部品搬送装置の実施形態＞
次に、図１６、図１７に基づき、本発明の実施形態である電子部品検査装置および電子部品搬送装置を説明する。以下、本実施形態について、前述した各実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
【０１２０】
図１６は、本発明の力検出装置を用いた電子部品検査装置および電子部品搬送装置の１例を示す図である。図１７は、本発明の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１６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。
【０１２１】
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１００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１００としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
【０１２２】
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。
【０１２３】
図１７は、力検出装置１００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軸力検出装置１００と、６軸力検出装置１００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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
また、力検出装置１００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１００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１００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。
【０１２６】
＜部品加工装置の実施形態＞
次に、図１８に基づき、本発明の部品加工装置の実施形態を説明する。以下、本実施形態について、前述した各実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図１８は、本発明の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１８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１００と、力検出装置１００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１００としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
【０１２７】
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、錐、ドリル、フライス等である。
【０１２８】
力検出装置１００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１００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。
【０１２９】
以上、本発明の力検出装置、ロボットおよび部品加工装置を、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、本発明は、前記実施形態のうちの、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。
【０１３０】
また、前記実施形態では、ネジとして、ボルト（与圧ボルト）、ボルトおよびナットを用いたが、本発明では、これに限定されない。
また、本発明では、パッケージ、すなわち、第１の部材、第２の部材が省略されていてもよい。
また、前記実施形態では、外力に応じて信号を出力する素子として、圧電体を用いたものを使用しているが、本発明では、加えられる外力に応じて出力が変化するものであればこれに限定されず、その他、例えば、感圧導電体等を用いたものが挙げられる。
【０１３１】
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。
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、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、自動車等の移動体等にも適用することができる。
【符号の説明】
【０１３２】
１、１００…力検出装置  ２…第１の基板  ２１…凸部  ２１１…上面  ２２…薄肉部  ２３…座繰り  ２５…雌ネジ  ２６…孔  ２６１…大径部  ２６２…小径部  ３…第２の基板  ３１…薄肉部  ３１１…テーパー面  ３２…座繰り  ３５…孔  ３５１、３５３…大径部  ３５２…小径部  ３５４…テーパー部  ３６…下面  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、４２…孔  ５…デジタル回路基板  ５１、５２…孔  ６…センサーデバイス  ６０…パッケージ  ６１…基部  ６１１…凹部  ６２…蓋体  ６２５…中央部  ６２６…外周部  ６３…端子  ７１…与圧ボルト  ７１５…頭部  ７１６…雄ネジ  ７２…ナット  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（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  １２２…出力電極層  １２３…第２の圧電体層  １３…第２のセンサー  １３１…第３の圧電体層  １３２…出力電極層  １３３…第４の圧電体層  １４…第３のセンサー  １４１…第５の圧電体層  １４２…出力電極層  １４３…第６の圧電体層  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  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  ６４１ａ…第１の指  ６４２ａ…第２の指  ６４０ｂ…第２のエンドエフェクタ  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  ＣＡ１…第１の結晶軸  ＣＡ２…第２の結晶軸  ＣＡ３…第３の結晶軸  ＣＡ４…第４の結晶軸  ＣＡ５…第５の結晶軸  ＣＡ６…第６の結晶軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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