(57)【要約】【課題】スイッチが不本意にオンすることや、スイッチが破損することを低減できる力検出装置およびロボットを提供すること。【解決手段】力検出装置は、受けた外力に応じて電荷を出力する素子と、スイッチおよびコンデンサーを有し、前記電荷を電圧に変換する変換回路と、を備え、前記スイッチの共振周波数が６０ｋＨｚ以上である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受けた外力に応じて電荷を出力する素子と、
スイッチおよびコンデンサーを有し、前記電荷を電圧に変換する変換回路と、を備え、
前記スイッチの共振周波数が６０ｋＨｚ以上であることを特徴とする力検出装置。
【請求項２】
前記スイッチがオフした場合に前記スイッチから出力される電荷量の絶対値は、０．０４ｐＣ以下である請求項１に記載の力検出装置。
【請求項３】
前記共振周波数は、１００ｋＨｚ以上である請求項１または２に記載の力検出装置。
【請求項４】
前記共振周波数は、５００ｋＨｚ以下である請求項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】
前記スイッチは、ＭＥＭＳスイッチである請求項１ないし４のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項６】
前記素子は、圧電素子である請求項１ないし５のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項７】
前記圧電素子は、水晶を有する請求項６に記載の力検出装置。
【請求項８】
前記変換出力回路は、オペアンプを有する請求項１ないし７のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項９】
前記スイッチと前記コンデンサーとは、並列に接続されている請求項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】
第１基部と、
第２基部と、を備え、
前記素子は、前記第１基部と前記第２基部との間に設けられている請求項１ないし９のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項１１】
アームと、
前記アームに設けられたエンドエフェクターと、
前記アームと前記エンドエフェクターとの間に設けられ、前記エンドエフェクターに加えられる外力を検出する力検出装置と、を備え、
前記力検出装置は、受けた外力に応じて電荷を出力する素子と、
スイッチおよびコンデンサーを有し、前記電荷を電圧に変換する変換回路と、を備え、
前記スイッチの共振周波数が６０ｋＨｚ以上であることを特徴とするロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力検出装置およびロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、生産効率向上を目的として、工場等の生産施設への産業用ロボットの導入が進められている。このような産業ロボットは、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ーとを備えており、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、アームとエンドエフェクターとの間に、力検出装置が設けられている。この力検出装置としては、例えば、受けた外力に応じて電荷を出力する電荷出力素子（圧電素子）と、電荷出力素子から出力された電荷を電圧に変換し、その電圧を出力する変換出力回路とを有している。変換出力回路は、例えば、電荷出力素子から出力された電荷を増幅する増幅器と、電荷出力素子から出力される電荷を電圧に変換するためのコンデンサーと、コンデンサーの端子間を短絡し、コンデンサーに蓄積された電荷を放電して変換出力回路をリセットするためのスイッチを有するリセット回路とを有している。このような構成を有することにより、前記力検出装置は、電荷出力素子に加えられた外力を検出することができる。
【０００４】
また、特許文献１には、電荷の漏洩による信号レベルのオフセットを自動的に補正し、信号処理に要する演算負荷を軽減することができる電荷信号変換アンプが開示されている。この電荷信号変換アンプでは、スイッチとしてメカニカルスイッチを用いてリセット回路を形成し、そのメカニカルスイッチを閉じる（オン）ことにより、コンデンサーに蓄積された電荷を放電する。なお、スイッチとして半導体スイッチング素子を用いることも可能である。
【０００５】
一般的なメカニカルスイッチは、半導体スイッチング素子に比べて大きく、重い等の欠点を有するものの、半導体スイッチング素子に比べて、そのスイッチにおけるリーク電流による出力ドリフト、スイッチが開いた（オフした）ときのチャージインジェクションによるゼロ点シフト等を低減することができ、これにより、検出精度を向上させることができる等の利点を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２８９２７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、メカニカルスイッチの共振周波数は一般的に数百Ｈｚ〜数ｋＨｚと低く、一方、力検出装置を例えばロボットに用いる場合、そのロボットにおいては、数百Ｈｚ〜数ｋＨｚの振動が生じるので、メカニカルスイッチが共振して大きな振動が生じる。これにより、力検出を行っている最中に不本意にメカニカルスイッチが閉じてコンデンサーに蓄積された電荷が放電され、力検出ができなくなったり、大きな振動によりメカニカルスイッチを含むリセット回路が破損するおそれがあった。
【０００８】
また、製造の際の半田付け時のフラックス等の原因による回路基板におけるリーク電流の発生を低減するため、基板に実装されたメカニカルスイッチを超音波洗浄したいという要望がある。
【０００９】
しかしながら、超音波洗浄の周波数は一般的に３０ｋＨｚ程度であるため、超音波洗浄により、メカニカルスイッチが共振して大きな振動が生じ、リセット回路が破損するおそれがあった。
【００１０】
本発明の目的は、スイッチが不本意にオンすることや、スイッチが破損することを低減できる力検出装置、ロボット、電子部品搬送装置および電子部品検査装置提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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。
【００１２】
（適用例１）
本発明に係わる力検出装置は、受けた外力に応じて電荷を出力する素子と、
スイッチおよびコンデンサーを有し、前記電荷を電圧に変換する変換回路と、を備え、
前記スイッチの共振周波数が６０ｋＨｚ以上であることを特徴とする。
【００１３】
前記の共振周波数を有するスイッチを用いることにより、力検出装置を例えばロボットに用いる場合、そのロボットが振動したり、衝撃を受けたとしても、スイッチの共振を抑制することができる。これにより、力検出を行っている最中に不本意にスイッチがオンしてしまうことを抑制することができる。
【００１４】
また、製造の際に超音波洗浄を行う場合、その超音波洗浄により、スイッチが共振してしまうことを抑制することができる。これにより、スイッチが破損することを低減することができる。
【００１５】
（適用例２）
本発明に係わる力検出装置では、前記スイッチがオフした場合に前記スイッチから出力される電荷量の絶対値は、０．０４ｐＣ以下であることが好ましい。
これにより、より確実に力検出の精度を向上させることができる。
【００１６】
（適用例３）
本発明に係わる力検出装置では、前記共振周波数は、１００ｋＨｚ以上であることが好ましい。
【００１７】
これにより、力検出を行っている最中に不本意にスイッチがオンしてしまうことを防止または抑制することができ、より確実に力検出を行うことができ、また、より確実にスイッチが破損することを低減することができる。
【００１８】
（適用例４）
本発明に係わる力検出装置では、前記共振周波数は、５００ｋＨｚ以下であることが好ましい。
【００１９】
共振周波数が高すぎるスイッチは製造が困難であるので、これにより、前記共振周波数を有するスイッチを確実に製造することができる。
【００２０】
（適用例５）
本発明に係わる力検出装置では、前記スイッチは、ＭＥＭＳスイッチであることが好ましい。
【００２１】
これにより、本発明の範囲内の共振周波数を有するスイッチを容易かつ確実に実現することができ、また、装置の小型化、軽量化を図ることができる。
【００２２】
（適用例６）
本発明に係わる力検出装置では、前記素子は、圧電素子であることが好ましい。
これにより、素子は、受けた外力に応じて電荷を出力することができる。
【００２３】
（適用例７）
本発明に係わる力検出装置では、前記圧電素子は、水晶を有することが好ましい。
【００２４】
これにより、素子は、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ものとなる。
【００２５】
（適用例８）
本発明に係わる力検出装置では、前記変換出力回路は、オペアンプを有することが好ましい。
これにより、変換出力回路を簡易な構成で形成することができる。
【００２６】
（適用例９）
本発明に係わる力検出装置では、前記スイッチと前記コンデンサーとは、並列に接続されていることが好ましい。
【００２７】
これにより、スイッチをオンすることで、コンデンサーに蓄積された電荷を確実に放電することができる。
【００２８】
（適用例１０）
本発明に係わる力検出装置では、第１基部と、
第２基部と、を備え、
前記素子は、前記第１基部と前記第２基部との間に設けられていることが好ましい。
【００２９】
これにより、第１基部または第２基部で外力を受けることができ、良好な力検出装置を提供することができる。
【００３０】
（適用例１１）
本発明に係わるロボットでは、アームと、
前記アームに設けられたエンドエフェクターと、
前記アームと前記エンドエフェクターとの間に設けられ、前記エンドエフェクターに加えられる外力を検出する力検出装置と、を備え、
前記力検出装置は、受けた外力に応じて電荷を出力する素子と、
スイッチおよびコンデンサーを有し、前記電荷を電圧に変換する変換回路と、を備え、
前記スイッチの共振周波数が６０ｋＨｚ以上であることを特徴とする。
【００３１】
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、エンドエフェクター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。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る力検出装置の第１実施形態を示す断面図である。
【図２】図１に示す力検出装置の平面図である。
【図３】図１に示す力検出装置を概略的に示す回路図である。
【図４】図１に示す力検出装置が備える電荷出力素子を概略的に示す断面図である。
【図５】図１に示す力検出装置の電荷出力素子で検出される力の作用状態を示す概略図である。
【図６】図５中の矢印Ｄ方向から見た図ある。
【図７】図１に示す力検出装置の１つの変換出力回路を概略的に示す回路図である。
【図８】図１に示す力検出装置のスイッチをＭＥＭＳスイッチで構成する場合のそのＭＥＭＳスイッチの一例を模式的に示す斜視図である。
【図９】図８に示すスイッチにおいて、可動導電素子を取り除いた状態を示す斜視図である。
【図１０】本発明に係る力検出装置を用いた単腕ロボットの１例を示す図である。
【図１１】本発明に係る力検出装置を用いた複腕ロボットの１例を示す図である。
【図１２】本発明に係る力検出装置を用いた電子部品検査装置および部品搬送装置の１例を示す図である。
【図１３】本発明に係る力検出装置を用いた電子部品搬送装置の１例を示す図である。
【図１４】本発明に係る力検出装置を用いた部品加工装置の１例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明の力検出装置、ロボット、電子部品搬送装置および電子部品検査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。
【００３４】
＜第１実施形態＞
１．力検出装置
図１は、本発明に係る力検出装置の第１実施形態を示す断面図であり、図２は、図１に示す力検出装置の平面図であり、図３は、図１に示す力検出装置を概略的に示す回路図であり、図４は、図１に示す力検出装置が備える電荷出力素子を概略的に示す断面図であり、図５は、図１に示す力検出装置の電荷出力素子で検出される力の作用状態を示す概略図であり、図６は、図５中の矢印Ｄ方向から見た図あり、図７は、図１に示す力検出装置の１つの変換出力回路を概略的に示す回路図であり、図８は、図１に示す力検出装置のスイッチをＭＥＭＳスイッチで構成する場合のそのＭＥＭＳスイッチの一例を模式的に示す斜視図である。図９は、図８に示すスイッチにおいて、可動導電素子を取り除いた状態を示す斜視図である。なお、図７では、電荷出力素子１０について、１つの変換出力回路９０に対応する部分のみを模式的に示している。
【００３５】
なお、以下では、図１中の上側を「上」または「上方」、下側を「下」または「下方」と言う。
【００３６】
また、図２、図５には、互いに直交する３つの軸として、α軸、β軸およびγ軸が図示されている。また、図１、図４には、前記３つの軸のうち、γ軸のみを図示している。α（Ａ）軸に平行な方向を「α（Ａ）軸方向」、β（Ｂ）軸に平行な方向を「β（Ｂ）軸方向」、γ（Ｃ）軸に平行な方向を「γ（Ｃ）軸方向」という。また、α軸とβ軸で規定される平面を「αβ平面」と言い、β軸とγ軸で規定される平面を「βγ平面」と言い、α軸とγ軸で規定される平面を「αγ平面」と言う。また、α軸に平行な方向を「α方向」と言い、β軸に平行な方向を「β方向」と言い、γ軸に平行な方向を「γ方向」と言う。また、α方向、β方向およびγ方向において、矢印先端側を「＋（正）側」、矢印基端側を「−（負）側」とする。
【００３７】
図１に示す力検出装置１は、力検出装置１に加えられた外力、すなわち、６軸力（α、β、γ軸方向の並進力成分およびα、β、γ軸周りの回転力成分）を検出する機能を有する。
【００３８】
この力検出装置１は、第１基部（基部）２と、第１基部２から所定の間隔を隔てて配置され、第１基部２に対向する第２基部（基部）３と、第１基部２と第２基部３との間に収納された（設けられた）アナログ回路基板４と、第１基部２と第２基部３との間に収納され（設けられ）、アナログ回路基板４と電気的に接続されたデジタル回路基板５と、アナログ回路基板４に搭載され、受けた外力に応じて信号（電荷）を出力する素子である電荷出力素子（圧電素子）１０および電荷出力素子１０を収納するパッケージ（収容部）６０を有する４つのセンサーデバイス（圧力検出部）６と、８つの与圧ボルト（固定部材）７１と、を備えている。
【００３９】
以下に、力検出装置１の各部の構成について詳述する。
なお、以下の説明では、図２に示すように、４つのセンサーデバイス６のうち、図２中の右側に位置するセンサーデバイス６を「センサーデバイス６Ａ」といい、以降反時計回りに順に「センサーデバイス６Ｂ」、「センサーデバイス６Ｃ」、「センサーデバイス６Ｄ」という。
【００４０】
図１に示すように、第１基部（ベースプレート）２は、外形が板状をなし、その平面形状は、丸みを帯びた四角形をなす。なお、第１基部２の平面形状は、図示のものに限定されず、例えば円形や四角形外の多角形等であってもよい。
【００４１】
第１基部２の下面２２１は、力検出装置１が例えばロボットに固定されて使用されるときに、当該ロボット（測定対象）に対する取付面（第１取付面）として機能する。
【００４２】
この第１基部２は、底板２２と、底板２２から上方に向かって立設した壁部２４とを有している。
【００４３】
壁部２４は、「Ｌ」字状をなし、外方に臨む２つの面にそれぞれ凸部２３が突出形成されている。各凸部２３の頂面（第１面）２３１は、底板２２に対して垂直な平面である。また、凸部２３には、後述する与圧ボルト７１と螺合する雌ネジ２４１が設けられている（図２参照）。
【００４４】
図１に示すように、第１基部２に対し所定の間隔を隔てて対向するように、第２基部（カバープレート）３が配置されている。
【００４５】
第２基部３も、第１基部２と同様に、その外形が板状をなしている。また、第２基部３の平面形状は、第１基部２の平面形状に対応した形状であることが好ましく、本実施形態では、第２基部３の平面視形状は、第１基部２の平面視形状と同様に、角部が丸みを帯びた四角形をなしている。また、第２基部３は、第１基部２を包含する程度の大きさであるのが好ましい。
【００４６】
第２基部３の上面（第２面）３２１は、力検出装置１が例えばロボットに固定されて使用されるときに、当該ロボットに装着されるエンドエフェクター（測定対象）に対する取付面（第２取付面）として機能する。また、第２基部３の上面３２１と、前述した第１基部２の下面２２１とは、外力が付与していない自然状態では平行となっている。
【００４７】
また、第２基部３は、天板３２と、天板３２の縁部に形成され、当該縁部から下方に向かって突出した側壁３３とを有している。側壁３３の内壁面（第２面）３３１は、天板３２に対して垂直な平面である。そして、第１基部２の頂面２３１と第２基部３の内壁面３３１との間には、センサーデバイス６が設けられている。
【００４８】
また、第１基部２と第２基部３とは、与圧ボルト７１により、接続、固定されている。この与圧ボルト７１は、図２に示すように、８本（複数）あり、そのうちの２本ずつが各センサーデバイス６の両側に配置されている。なお、１つのセンサーデバイス６に対する与圧ボルト７１の数は、２つに限定されず、例えば、３つ以上であってもよい。
【００４９】
また、与圧ボルト７１の構成材料としては、特に限定されず、例えば、各種樹脂材料、各種金属材料等を用いることができる。
【００５０】
このように与圧ボルト７１によって接続された第１基部２と第２基部３とで、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄ、アナログ回路基板４、およびデジタル回路基板５を収納する収納空間を形成している。この収納空間は、円形または角丸正方形の断面形状を有する。
【００５１】
また、図１に示すように、第１基部２と第２基部３との間には、センサーデバイス６に接続されたアナログ回路基板４が設けられている。
【００５２】
アナログ回路基板４のセンサーデバイス６（具体的には、電荷出力素子１０）が配置されている部位には、第１基部２の各凸部２３が挿入される孔４１が形成されている。この孔４１は、アナログ回路基板４を貫通する貫通孔である。
【００５３】
また、図２に示すように、アナログ回路基板４には各与圧ボルト７１が貫通する貫通孔が設けられており、アナログ回路基板４の与圧ボルト７１が貫通する部分（貫通孔）には、樹脂材料等の絶縁材料で構成されたパイプ４３が例えば嵌合により固定されている。
【００５４】
また、図３に示すように、センサーデバイス６Ａに接続されたアナログ回路基板４は、センサーデバイス６Ａの電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｙ１を電圧Ｖｙ１に変換する変換出力回路（変換回路）９０ａと、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｚ１を電圧Ｖｚ１に変換する変換出力回路（変換回路）９０ｂと、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｘ１を電圧Ｖｘ１に変換する変換出力回路（変換回路）９０ｃとを備えている。なお、本実施形態では、変換出力回路９０ａと、変換出力回路９０ｂと、変換出力回路９０ｃとを区別する場合は、「変換出力回路９０ａ」、「変換出力回路９０ｂ」、「変換出力回路９０ｃ」と表記し、区別しない場合は、「変換出力回路９０」と表記する。
【００５５】
センサーデバイス６Ｂに接続されたアナログ回路基板４は、センサーデバイス６Ｂの電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｙ２を電圧Ｖｙ２に変換する変換出力回路９０ａと、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｚ２を電圧Ｖｚ２に変換する変換出力回路９０ｂと、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｘ２を電圧Ｖｘ２に変換する変換出力回路９０ｃとを備えている。
【００５６】
センサーデバイス６Ｃに接続されたアナログ回路基板４は、センサーデバイス６Ｃの電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｙ３を電圧Ｖｙ３に変換する変換出力回路９０ａと、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｚ３を電圧Ｖｚ３に変換する変換出力回路９０ｂと、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｘ３を電圧Ｖｘ３に変換する変換出力回路９０ｃとを備えている。
【００５７】
センサーデバイス６Ｄに接続されたアナログ回路基板４は、センサーデバイス６Ｄの電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｙ４を電圧Ｖｙ４に変換する変換出力回路９０ａと、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｚ４を電圧Ｖｚ４に変換する変換出力回路９０ｂと、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｘ４を電圧Ｖｘ４に変換する変換出力回路９０ｃとを備えている。
【００５８】
また、図１に示すように、第１基部２と第２基部３との間には、第１基部２上のアナログ回路基板４が設けられている位置とは異なる位置に、アナログ回路基板４に接続された支持されたデジタル回路基板５が設けられている。図３に示すように、デジタル回路基板５は、変換出力回路（変換回路）９０ａ、９０ｂ、９０ｃに接続されたＡＤコンバーター４０１と、ＡＤコンバーター４０１に接続された演算部（演算回路）４０２とを有する外力検出回路４０を備えている。
【００５９】
なお、上述した第１基部２、第２基部３、アナログ回路基板４の各素子および各配線以外の部位、デジタル回路基板５の各素子および各配線以外の部位の構成材料としては、それぞれ、特に限定されず、例えば、各種樹脂材料、各種金属材料等を用いることができる。
【００６０】
また、第１基部２、第２基部３は、それぞれ、外形が板状をなす部材で構成されているが、これに限定されず、例えば、一方の基部が板状をなす部材で構成され、他方の基部がブロック状をなす部材で構成されていてもよい。
【００６１】
次に、センサーデバイス６について、詳細に説明する。
［センサーデバイス］
図１、図２に示すように、センサーデバイス６Ａは、第１基部２の４つの凸部２３のうちの１つの凸部２３の頂面２３１と、この頂面２３１に対向する内壁面３３１とによって挟持されている。このセンサーデバイス６Ａと同様に、前記と異なる１つの凸部２３の頂面２３１と、この頂面２３１に対向する内壁面３３１とによって、センサーデバイス６Ｂが挟持されている。また、前記と異なる１つの凸部２３の頂面２３１と、この頂面２３１に対向する内壁面３３１とによって、センサーデバイス６Ｃが挟持されている。さらに、前記と異なる１つの凸部２３の頂面２３１と、この頂面２３１に対向する内壁面３３１によって、センサーデバイス６Ｄが挟持されている。
【００６２】
なお、以下では、各センサーデバイス６Ａ〜６Ｄが第１基部２および第２基部３によって挟持されている方向を「挟持方向ＳＤ」という。また、各センサーデバイス６Ａ〜６Ｄのうちセンサーデバイス６Ａが挟持されている方向を第１挟持方向、センサーデバイス６Ｂが挟持されている方向を第２挟持方向、センサーデバイス６Ｃが挟持されている方向を第３挟持方向、センサーデバイス６Ｄが挟持されている方向を第４挟持方向ということもある。
【００６３】
なお、本実施形態では、図１に示すように、センサーデバイス６は、アナログ回路基板４の第２基部３（側壁３３）側に設けられているが、センサーデバイス６は、アナログ回路基板４の第１基部２側に設けられていてもよい。
【００６４】
また、図２に示すように、センサーデバイス６Ａおよびセンサーデバイス６Ｂと、センサーデバイス６Ｃおよびセンサーデバイス６Ｄとは、第１基部２のβ軸に沿った中心軸２７１に関して対称的に配置されている。すなわち、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄは、第１基部２の中心２７２回りに等角度間隔に配置されている。このようにセンサーデバイス６Ａ〜６Ｄを配置することより、外力を偏りなく検出することができる。
【００６５】
なお、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄの配置は図示のものに限定されないが、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄは、第２基部３の上面３２１から見て、第２基部３の中心部（中心２７２）からできる限り離間した位置に配置されているのが好ましい。これにより、力検出装置１に加わる外力を安定して検出することができる。
【００６６】
また、本実施形態では、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄは、全て同じ方向を向いた状態に搭載されているが、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄの向きは、それぞれ、異なっていてもよい。
【００６７】
このように配置されたセンサーデバイス６は、図１に示すように、電荷出力素子１０と、電荷出力素子１０を収納するパッケージ６０とを有している。また、本実施形態では、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄは、同様の構成である。なお、パッケージは、省略されていてもよい。
【００６８】
以下に、このセンサーデバイス６が備える電荷出力素子１０について詳述する。
［電荷出力素子］
電荷出力素子１０は、力検出装置１に加わった外力、すなわち第１基部２または第２基部３の少なくとも一方の基部に加えられた外力に応じて電荷を出力する機能を有する。
【００６９】
なお、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄが備える各電荷出力素子１０は、同じ構成であるため、１つの電荷出力素子１０について中心的に説明する。
【００７０】
図４に示すように、センサーデバイス６が備える電荷出力素子１０は、グランド電極層１１と、第１のセンサー１２と、第２のセンサー１３と、第３のセンサー１４とを有している。
【００７１】
第１のセンサー１２は、外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｘ（電荷Ｑｘ１、Ｑｘ２、Ｑｘ３、Ｑｘ４のいずれか）を出力する機能を有する。第２のセンサー１３は、外力（圧縮／引張力）に応じて電荷Ｑｚ（電荷Ｑｚ１、Ｑｚ２、Ｑｚ３、Ｑｚ４）を出力する機能を有する。第３のセンサー１４は、外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｙ（電荷Ｑｙ１、Ｑｙ２、Ｑｙ３、Ｑｙ４）を出力する。
【００７２】
また、センサーデバイス６が備える電荷出力素子１０は、グランド電極層１１と各センサー１２、１３、１４は交互に平行に積層されている。以下、この積層された方向を「積層方向ＬＤ」という。この積層方向ＬＤは、上面３２１の法線ＮＬ２（または下面２２１の法線ＮＬ１）と直交する方向となっている。また、積層方向ＬＤは、挟持方向ＳＤと平行となっている。
【００７３】
また、電荷出力素子１０の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、各側壁３３の内壁面３３１に対して垂直な方向から見て、四角形をなしている。なお、各電荷出力素子１０の他の外形形状としては、例えば、五角形等の他の多角形、円形、楕円形等が挙げられる。
【００７４】
以下、グランド電極層１１、第１のセンサー１２、第２のセンサー１３、および第３のセンサー１４について詳述する。
【００７５】
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。
【００７６】
第１のセンサー１２は、積層方向ＬＤ（第１の挟持方向）と直交する、すなわち、法線ＮＬ２（法線ＮＬ１）の方向と同じ方向の第１検出方向の外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｘを出力する機能を有する。すなわち、第１のセンサー１２は、外力に応じて正電荷または負電荷を出力するよう構成されている。
【００７７】
第１のセンサー１２は、第１の圧電体層（第１検出板）１２１と、第１の圧電体層１２１と対向して設けられた第２の圧電体層（第１検出板）１２３と、第１の圧電体層１２１と第２の圧電体層１２３との間に設けられた出力電極層１２２を有する。
【００７８】
第１の圧電体層１２１は、Ｙカット水晶板で構成され、互いに直交する結晶軸であるｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を有する。ｙ軸は、第１の圧電体層１２１の厚さ方向に沿った軸であり、ｘ軸は、図４中の紙面奥行き方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図４中の上下方向に沿った軸である。
【００７９】
以下では、これら図示した各矢印の先端側を「＋（正）」、基端側を「−（負）」として説明する。また、ｘ軸に平行な方向を「ｘ軸方向」、ｙ軸に平行な方向を「ｙ軸方向」、ｚ軸に平行な方向を「ｚ軸方向」という。なお、後述する第２の圧電体層１２３、第３の圧電体層１３１、第４の圧電体層１３３、第５の圧電体層１４１、および第６の圧電体層１４３についても同様である。
【００８０】
水晶により構成された第１の圧電体層１２１は、広いダイナミックレンジ、高い剛性、高い固有振動数、高い対荷重性等の優れた特性を有する。また、Ｙカット水晶板は、その面方向に沿った外力（せん断力）に対して電荷を生ずる。
【００８１】
そして、第１の圧電体層１２１の表面に対し、ｘ軸の正方向に沿った外（せん断力）力が加えられた場合、圧電効果により、第１の圧電体層１２１内に電荷が誘起される。その結果、第１の圧電体層１２１の出力電極層１２２側表面近傍には正電荷が集まり、第１の圧電体層１２１のグランド電極層１１側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第１の圧電体層１２１の表面に対し、ｘ軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、第１の圧電体層１２１の出力電極層１２２側表面近傍には負電荷が集まり、第１の圧電体層１２１のグランド電極層１１側表面近傍には正電荷が集まる。
【００８２】
第２の圧電体層１２３も、Ｙカット水晶板で構成され、互いに直交する結晶軸であるｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を有する。ｙ軸は、第２の圧電体層１２３の厚さ方向に沿った軸であり、ｘ軸は、図４中の紙面奥行き方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図４中の上下方向に沿った軸である。
【００８３】
水晶により構成された第２の圧電体層１２３も第１の圧電体層１２１と同様に、広いダイナミックレンジ、高い剛性、高い固有振動数、高い対荷重性等の優れた特性を有し、Ｙカット水晶板であることにより、その面方向に沿った外力（せん断力）に対して電荷を生ずる。
【００８４】
そして、第２の圧電体層１２３の表面に対し、ｘ軸の正方向に沿った外力（せん断力）が加えられた場合、圧電効果により、第２の圧電体層１２３内に電荷が誘起される。その結果、第２の圧電体層１２３の出力電極層１２２側表面近傍には正電荷が集まり、第２の圧電体層１２３のグランド電極層１１側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第２の圧電体層１２３の表面に対し、ｘ軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、第２の圧電体層１２３の出力電極層１２２側表面近傍には負電荷が集まり、第２の圧電体層１２３のグランド電極層１１側表面近傍には正電荷が集まる。
【００８５】
出力電極層１２２は、第１の圧電体層１２１内および第２の圧電体層１２３内に生じた正電荷または負電荷を電荷Ｑｘとして出力する機能を有する。前述のように、第１の圧電体層１２１の表面または第２の圧電体層１２３の表面にｘ軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、出力電極層１２２近傍には、正電荷が集まる。その結果、出力電極層１２２からは、正の電荷Ｑｘが出力される。一方、第１の圧電体層１２１の表面または第２の圧電体層１２３の表面にｘ軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、出力電極層１２２近傍には、負電荷が集まる。その結果、出力電極層１２２からは、負の電荷Ｑｘが出力される。
【００８６】
また、第１のセンサー１２が第１の圧電体層１２１と第２の圧電体層１２３とを有する構成となっていることは、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３のうちの一方のみと出力電極層１２２とで構成されている場合と比較して、出力電極層１２２近傍に集まる正電荷または負電荷を増加させることができる。その結果、出力電極層１２２から出力される電荷Ｑｘを増加させることができる。なお、後述する第２のセンサー１３、第３のセンサー１４についても同様である。
【００８７】
また、出力電極層１２２の大きさは、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３の大きさ以上であることが好ましい。出力電極層１２２が、第１の圧電体層１２１または第２の圧電体層１２３よりも小さい場合、第１の圧電体層１２１または第２の圧電体層１２３の一部は出力電極層１２２と接しない。そのため、第１の圧電体層１２１または第２の圧電体層１２３に生じた電荷の一部を出力電極層１２２から出力できない場合がある。その結果、出力電極層１２２から出力される電荷Ｑｘが減少してしまう。なお、後述する出力電極層１３２、１４２についても同様である。
【００８８】
第２のセンサー１３は、外力（圧縮／引張力）に応じて電荷Ｑｚを出力する機能を有する。すなわち、第２のセンサー１３は、圧縮力に応じて正電荷を出力し、引張力に応じて負電荷を出力するよう構成されている。
【００８９】
第２のセンサー１３は、第３の圧電体層（第３基板）１３１と、第３の圧電体層１３１と対向して設けられた第４の圧電体層（第３基板）１３３と、第３の圧電体層１３１と第４の圧電体層１３３との間に設けられた出力電極層１３２を有する
第３の圧電体層１３１は、Ｘカット水晶板で構成され、互いに直交するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を有する。ｘ軸は、第３の圧電体層１３１の厚さ方向に沿った軸であり、ｙ軸は、図４中の上下方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図４中の紙面奥行き方向に沿った軸である。
【００９０】
そして、第３の圧電体層１３１の表面に対し、ｘ軸に平行な圧縮力が加えられた場合、圧電効果により、第３の圧電体層１３１内に電荷が誘起される。その結果、第３の圧電体層１３１の出力電極層１３２側表面近傍には正電荷が集まり、第３の圧電体層１３１のグランド電極層１１側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第３の圧電体層１３１の表面に対し、ｘ軸に平行な引張力が加えられた場合、第３の圧電体層１３１の出力電極層１３２側表面近傍には負電荷が集まり、第３の圧電体層１３１のグランド電極層１１側表面近傍には正電荷が集まる。
【００９１】
第４の圧電体層１３３も、Ｘカット水晶板で構成され、互いに直交するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を有する。ｘ軸は、第４の圧電体層１３３の厚さ方向に沿った軸であり、ｙ軸は、図４中の上下方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図４中の紙面奥行き方向に沿った軸である。
【００９２】
そして、第４の圧電体層１３３の表面に対し、ｘ軸に平行な圧縮力が加えられた場合、圧電効果により、第４の圧電体層１３３内に電荷が誘起される。その結果、第４の圧電体層１３３の出力電極層１３２側表面近傍には正電荷が集まり、第４の圧電体層１３３のグランド電極層１１側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第４の圧電体層１３３の表面に対し、ｘ軸に平行な引張力が加えられた場合、第４の圧電体層１３３の出力電極層１３２側表面近傍には負電荷が集まり、第４の圧電体層１３３のグランド電極層１１側表面近傍には正電荷が集まる。
【００９３】
出力電極層１３２は、第３の圧電体層１３１内および第４の圧電体層１３３内に生じた正電荷または負電荷を電荷Ｑｚとして出力する機能を有する。前述のように、第３の圧電体層１３１の表面または第４の圧電体層１３３の表面にｘ軸に平行な圧縮力が加えられた場合、出力電極層１３２近傍には、正電荷が集まる。その結果、出力電極層１３２からは、正の電荷Ｑｚが出力される。一方、第３の圧電体層１３１の表面または第４の圧電体層１３３の表面にｘ軸に平行な引張力が加えられた場合、出力電極層１３２近傍には、負電荷が集まる。その結果、出力電極層１３２からは、負の電荷Ｑｚが出力される。
【００９４】
第３のセンサー１４は、積層方向ＬＤ（第２の挟持方向）と直交し、第１のセンサー１２が電荷Ｑｘを出力する際に作用する外力の第１検出方向と交差する第２検出方向の外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｘを出力する機能を有する。すなわち、第３のセンサー１４は、外力に応じて正電荷または負電荷を出力するよう構成されている。
【００９５】
第３のセンサー１４は、第５の圧電体層（第２検出板）１４１と、第５の圧電体層１４１と対向して設けられた第６の圧電体層（第２検出板）１４３と、第５の圧電体層１４１と第６の圧電体層１４３との間に設けられた出力電極層１４２を有する。
【００９６】
第５の圧電体層１４１は、Ｙカット水晶板で構成され、互いに直交する結晶軸であるｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を有する。ｙ軸は、第５の圧電体層１４１の厚さ方向に沿った軸であり、ｘ軸は、図４中の上下方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図４中の紙面奥行き方向に沿った軸である。
【００９７】
水晶により構成された第５の圧電体層１４１は、広いダイナミックレンジ、高い剛性、高い固有振動数、高い対荷重性等の優れた特性を有する。また、Ｙカット水晶板は、その面方向に沿った外力（せん断力）に対して電荷を生ずる。
【００９８】
そして、第５の圧電体層１４１の表面に対し、ｘ軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、圧電効果により、第５の圧電体層１４１内に電荷が誘起される。その結果、第５の圧電体層１４１の出力電極層１４２側表面近傍には正電荷が集まり、第５の圧電体層１４１のグランド電極層１１側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第５の圧電体層１４１の表面に対し、ｘ軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、第５の圧電体層１４１の出力電極層１４２側表面近傍には負電荷が集まり、第５の圧電体層１４１のグランド電極層１１側表面近傍には正電荷が集まる。
【００９９】
第６の圧電体層１４３も、Ｙカット水晶板で構成され、互いに直交する結晶軸であるｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を有する。ｙ軸は、第６の圧電体層１４３の厚さ方向に沿った軸であり、ｘ軸は、図４中の上下方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図４中の紙面奥行き方向に沿った軸である。
【０１００】
水晶により構成された第６の圧電体層１４３も第５の圧電体層１４１と同様に、広いダイナミックレンジ、高い剛性、高い固有振動数、高い対荷重性等の優れた特性を有し、Ｙカット水晶板であることにより、その面方向に沿った外力（せん断力）に対して電荷を生ずる。
【０１０１】
そして、第６の圧電体層１４３の表面に対し、ｘ軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、圧電効果により、第６の圧電体層１４３内に電荷が誘起される。その結果、第６の圧電体層１４３の出力電極層１４２側表面近傍には正電荷が集まり、第６の圧電体層１４３のグランド電極層１１側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第６の圧電体層１４３の表面に対し、ｘ軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、第６の圧電体層１４３の出力電極層１４２側表面近傍には負電荷が集まり、第６の圧電体層１４３のグランド電極層１１側表面近傍には正電荷が集まる。
【０１０２】
電荷出力素子１０では、積層方向ＬＤから見たとき、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３の各ｘ軸と、第５の圧電体層１４１および第６の圧電体層１４３の各ｘ軸とが交差している。また、積層方向ＬＤから見たとき、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３の各ｚ軸と、第５の圧電体層１４１および第６の圧電体層１４３の各ｚ軸とが交差している。
【０１０３】
出力電極層１４２は、第５の圧電体層１４１内および第６の圧電体層１４３内に生じた正電荷または負電荷を電荷Ｑｙとして出力する機能を有する。前述のように、第５の圧電体層１４１の表面または第６の圧電体層１４３の表面にｘ軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、出力電極層１４２近傍には、正電荷が集まる。その結果、出力電極層１４２からは、正の電荷Ｑｙが出力される。一方、第５の圧電体層１４１の表面または第６の圧電体層１４３の表面にｘ軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、出力電極層１４２近傍には、負電荷が集まる。その結果、出力電極層１４２からは、負の電荷Ｑｙが出力される。
【０１０４】
このように、電荷出力素子１０では、第１のセンサー１２、第２のセンサー１３、および第３のセンサー１４は、各センサーの力検出方向が互いに直交するように積層されている。これにより、各センサーは、それぞれ、互いに直交する力成分に応じて電荷を誘起することができる。そのため、電荷出力素子１０は、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸に沿った各外力のそれぞれに応じて３つの電荷Ｑｘ、Ｑｙ、Ｑｚを出力することができる。
【０１０５】
また、電荷出力素子１０は、上述したように、電荷Ｑｚを出力することができるが、力検出装置１では、各外力を求める際、電荷Ｑｚを用いないことが好ましい。すなわち、力検出装置１は、圧縮や引張力を検出せずに、せん断力を検出する装置として用いることが好ましい。これにより、力検出装置１の温度変化に起因するノイズ成分を低減することができる。
【０１０６】
ここで、外力検出時に電荷Ｑｚを用いないことが好ましい理由として、力検出装置１を、エンドエフェクターが装着されたアームを有する産業用ロボットに用いた場合を例に挙げて説明する。この場合、アームやエンドエフェクターに設けられたモーター等の発熱源からの熱伝達により、第１基部２または第２基部３が加熱されて熱膨張し、変形する。この変形により、電荷出力素子１０に対する与圧が所定の値から変化してしまう。この電荷出力素子１０に対する与圧変化が、力検出装置１の温度変化に起因するノイズ成分として、電荷Ｑｚに著しい影響を及ぼす程度に含まれてしまうからである。
【０１０７】
このようなことから、電荷出力素子１０は、圧縮や引張力が加えられることで生じる電荷Ｑｚを用いずに、せん断力が加えられることで生じる電荷Ｑｘ、Ｑｙのみを検出することで、温度の変動による影響をより受けにくくすることができる。
【０１０８】
なお、出力された電荷Ｑｚは、例えば、与圧ボルト７１による与圧の調整に用いられる。
【０１０９】
また、本実施形態では、前述した各圧電体層（第１の圧電体層１２１、第２の圧電体層１２３、第３の圧電体層１３１、第４の圧電体層１３３、第５の圧電体層１４１、および第６の圧電体層１４３）は、全て水晶を用いた構成としているが、各圧電体層は、水晶以外の圧電材料を用いた構成であったもよい。水晶以外の圧電材料としては、例えば、トパーズ、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等が挙げられる。しかしながら、各圧電体層は、水晶を用いた構成であることが好ましい。水晶により構成された圧電体層は、広いダイナミックレンジ、高い剛性、高い固有振動数、高い対荷重性等の優れた特性を有するためである。
【０１１０】
また、前述したように、第１基部２、および第２基部３とは、与圧ボルト７１によって固定されている。
【０１１１】
この与圧ボルト７１による固定は、頂面２３１と内壁面３３１との間に各センサーデバイス６を配置した状態で、与圧ボルト７１を第２基部３の側壁３３側から第１基部２の凸部２３に向かって差し込み、与圧ボルト７１の雄ネジ（図示せず）を第１基部２に形成された雌ネジ２４１に螺合する。このようにして、電荷出力素子１０は、当該電荷出力素子１０を収納するパッケージ６０ごと第１基部２と第２基部３とによって所定の大きさの圧力、すなわち、与圧が加えられる。
【０１１２】
なお、第１基部２と、第２基部３とは、１つのセンサーデバイス６について２つの与圧ボルト７１、すなわち合計で８つの与圧ボルト７１により、互いに所定量の変位（移動）が可能なように固定される。第１基部２と、第２基部３とが互いに所定量の変位が可能なように固定されることで、力検出装置１に外力（せん断力）が加わることで電荷出力素子１０にせん断力が作用したとき、電荷出力素子１０を構成する層同士の間での摩擦力が確実に生じ、よって、電荷を確実に検出することができる。また、各与圧ボルト７１による与圧方向は、積層方向ＬＤに平行な方向となっている。
【０１１３】
図５に示すように、このような構成の電荷出力素子１０は、その積層方向ＬＤが、α軸に対して傾斜角度εで傾斜している。具体的には、第１のセンサー１２のｘ軸および第３のセンサー１４のｚ軸がα軸に対して傾斜角度εで傾斜している。したがって、本実施形態では、α軸は、センサーデバイス６Ａの電荷出力素子１０とセンサーデバイス６Ｂの電荷出力素子１０とのなす角を二等分する二等分線となっている。
【０１１４】
また、図６に示すように、各電荷出力素子１０は、第１のセンサー１２のｘ軸と第１基部２の底板２２とのなす角度をηとしたとき、角度ηが０°≦η＜９０°を満足する程度まで傾くのが許容される。なお、図６は、図５中の矢印Ｄ方向から見た図であり、α軸（底板２２の下面２２１）に対して角度ηで傾斜した場合の電荷出力素子１０を仮想線（２点鎖線）で図示している。
【０１１５】
次に、各アナログ回路基板４が備える変換出力回路９０ａ、変換出力回路９０ｂ、および変換出力回路９０ｃについて詳述する。
【０１１６】
［変換出力回路］
図３に示すように、各変換出力回路９０ｃが、電荷Ｑｘ１〜Ｑｘ４のいずれか（電荷Ｑｘ）を電圧Ｖｘ１〜Ｖｘ４のいずれか（代表的に「電圧Ｖｘ」という）に変換し、各変換出力回路９０ｂが、電荷Ｑｚ１〜Ｑｚ４のいずれか（電荷Ｑｚ）を電圧Ｖｚ１〜Ｖｚ４のいずれか（代表的に「電圧Ｖｚｙ」という）に変換し、各変換出力回路９０ａが、電荷Ｑｙ１〜Ｑｙ４のいずれか（電荷Ｑｙ）を電圧Ｖｙ１〜Ｖｙ４のいずれか（代表的に「電圧Ｖｙ」という）に変換する。
【０１１７】
以下に、変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃの構成等について詳述するが、各変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃは、同じ構成であるため、以下では、変換出力回路９０ｃについて代表的に説明する。
【０１１８】
図３に示すように、変換出力回路９０ｃは、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｘを電圧Ｖｘに変換して電圧Ｖｘを出力する機能を有する。変換出力回路９０ｃは、オペアンプ（増幅器）９１と、コンデンサー９２と、スイッチ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９３は、駆動回路（図示せず）に接続されている。
【０１１９】
なお、スイッチ９３については、後で詳述するが、本実施形態では、スイッチ９３として、ＭＥＭＳスイッチを用いる。駆動回路からのスイッチ９３への駆動電圧（電圧）の印加、駆動電圧の印加の解除により、スイッチ９３はスイッチング動作を実行する。すなわち、スイッチ９３に駆動電圧を印加すると、スイッチ９３を構成する所定の部材同士が互いに接触してスイッチ９３がオンし、前記駆動電圧の印加を解除すると、前記所定の部材同士が互いに離間し、スイッチ９３がオフする。
【０１２０】
スイッチ９３がオフの場合、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｘは、静電容量Ｃ１を有するコンデンサー９２に蓄えられ、電圧Ｖｘとして外力検出回路４０に出力される。次に、スイッチ９３がオンになった場合、コンデンサー９２の両端子間が短絡される。その結果、コンデンサー９２に蓄えられた電荷Ｑｘは、放電されて０クーロンとなり、外力検出回路４０に出力される電圧Ｖは、０ボルトとなる。スイッチ９３がオンとなることを、変換出力回路９０ｃをリセットするという。なお、理想的な変換出力回路９０ｃから出力される電圧Ｖｘは、電荷出力素子１０から出力される電荷Ｑｘの蓄積量に比例する。また、スイッチは、変換出力回路９０ｃや、変換出力回路９０ａ、９０ｂに実装されているが、その他、ＡＤコンバーター４０１にも実装することができる。
【０１２１】
また、各変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃのスイッチ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９３には、駆動回路から、全て同期した駆動電圧が印加される。これにより、各変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃのスイッチ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９３のオン／オフタイミングは一致する。
【０１２２】
次に、デジタル回路基板５が備える外力検出回路４０について詳述する。
［外力検出回路］
外力検出回路４０は、各変換出力回路９０ａから出力される電圧Ｖｙ１、Ｖｙ２、Ｖｙ３、Ｖｙ４と、各変換出力回路９０ｂから出力される電圧Ｖｚ１、Ｖｚ２、Ｖｚ３、Ｖｚ４と、各変換出力回路９０ｃから出力される電圧Ｖｘ１、Ｖｘ２、Ｖｘ３、Ｖｘ４とに基づき、加えられた外力を検出する機能を有する。
【０１２３】
この外力検出回路４０は、変換出力回路（変換回路）９０ａ、９０ｂ、９０ｃに接続されたＡＤコンバーター４０１と、ＡＤコンバーター４０１に接続された演算部（演算回路）４０２とを有する。
【０１２４】
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。
【０１２５】
演算部４０２は、デジタル変換された電圧Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚに対して、例えば、各変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃ間の感度の差をなくす補正等の各処理を行なう。そして、演算部４０２は、電荷出力素子１０から出力される電荷Ｑｘ、Ｑｙ、Ｑｚの蓄積量に比例する３つの信号を出力する。
【０１２６】
＜α軸、β軸およびγ軸方向の力検出（力検出方法）＞
前述したように、各電荷出力素子１０は、積層方向ＬＤと挟持方向ＳＤとが第１基部２（底板２２）に対して平行であり、かつ、上面３２１の法線ＮＬ２と直交するように設置された状態となっている（図１参照）。
【０１２７】
そして、α軸方向の力ＦＡ、β軸方向の力ＦＢおよびγ軸方向の力ＦＣは、それぞれ、下記式（１）、（２）および（３）で表すことができる。式（１）〜（３）中の「ｆｘ１−１」は、センサーデバイス６Ａの第１のセンサー１２（第１検出板）のｘ軸方向に加わる力、すなわち、電荷Ｑｘ１（第１の出力）から求められた力であり、「ｆｘ１−２」は、第３のセンサー１４（第２検出板）のｘ軸方向に加わる力、すなわち、電荷Ｑｙ１（第２の出力）から求められた力である。また、「ｆｘ２−１」は、センサーデバイス６Ｂの第１のセンサー１２（第１検出板）のｘ軸方向に加わる力（第３の出力）、すなわち、電荷Ｑｘ２から求められた力であり、「ｆｘ２−２」は、第３のセンサー１４（第２検出板）のｘ軸方向に加わる力、すなわち、電荷Ｑｙ２（第４の出力）から求められた力である。
【０１２８】
ＦＡ＝ｆｘ１−１・cosη・cosε−ｆｘ１−２・sinη・cosε
−ｆｘ２−１・cosη・cosε＋ｆｘ２−２・sinη・cosε・・・（１）
ＦＢ＝−ｆｘ１−１・cosη・sinε＋ｆｘ１−２・sinη・sinε
−ｆｘ２−１・cosη・sinε＋ｆｘ２−２・sinη・sinε・・・（２）
ＦＣ＝−ｆｘ１−１・sinη−ｆｘ１−２・cosη−ｆｘ２−１・sinη
−ｆｘ２−２・cosη・・・（３）
【０１２９】
例えば、図１、図２に示す構成の力検出装置１の場合、εは４５°、ηは０°となる。式（１）〜（３）のεに４５°を代入し、ηに０°を代入すると、力ＦＡ〜ＦＣは、それぞれ、
ＦＡ＝ｆｘ１−１／√２−ｆｘ２−１／√２
ＦＢ＝−ｆｘ１−１／√２−ｆｘ２−１／√２
ＦＣ＝−ｆｘ１−２−ｆｘ２−２
となる。
【０１３０】
このように力検出装置１では、力ＦＡ〜ＦＣを検出する際、温度の変動による影響を受け易い、すなわち、ノイズが乗り易い第２のセンサー１３（電荷Ｑｚ）を用いずに、その検出を行なうことができる。したがって、力検出装置１は、温度の変動による影響を受けにくく、例えば従来の力検出装置の１／２０以下に低減された装置となる。これにより、力検出装置１は、温度変化の激しい環境下でも、力ＦＡ〜ＦＣを正確に安定して検出することができる。
【０１３１】
なお、実施形態での力検出装置１全体の並進力ＦＡ〜ＦＣ、および回転力ＭＡ〜ＭＣは、各電荷出力素子１０からの電荷に基づいて算出される。また、本実施形態では、電荷出力素子１０は４つ設けられているが、電荷出力素子１０は少なくとも３つ設けられていれば、回転力ＭＡ〜ＭＣを算出することが可能である。
【０１３２】
また、このような構成の力検出装置１は、総重量が１ｋｇよりも軽いものとなる。これにより、力検出装置１の重量を取り付けた手首にかかる負荷を低減させることができ、手首を駆動するアクチュエーターの容量を小さくできる為、手首を小型に設計することができる。さらに、この力検出装置１の重量は、ロボットアームが搬送できる最大能力の２０％よりも軽い。これにより、力検出装置１の重量を取り付けたロボットアームの制御を容易にすることができる。
【０１３３】
また、本発明では、図７に示す前述した変換出力回路９０におけるスイッチ９３の構成に特徴を有している。以下、このスイッチ９３について詳述するが、各変換出力回路９０のスイッチ９３は同様であるので、以下では、代表的に、そのうちの１つのスイッチ９３について説明する。
【０１３４】
まず、スイッチ９３としては、その共振周波数（固有周波数）が６０ｋＨｚ以上のものを用いる。
【０１３５】
スイッチ９３共振周波数が６０ｋＨｚよりも小さいと、スイッチ９３が共振する虞がある。したがって、スイッチ９３共振周波数が６０ｋＨｚ以上であると、スイッチ９３の共振を防止または抑制することができる。これにより、力検出を行っている最中に不本意にスイッチ９３がオンしてしまうことを防止または抑制することができ、確実に力検出を行うことができ、また、スイッチ９３が破損することを低減することができる。すなわち、スイッチ９３の共振周波数以上の周波数の振動が生じると、スイッチ９３が共振してしまうので、予想される振動の周波数よりも大きい共振周波数のスイッチ９３を用いることで、スイッチ９３の共振を防止または抑制することができる。なお、予想される振動の周波数の１例としては、超音波洗浄の周波数が３０ｋＨｚ程度であり、また、力検出装置１を搭載する対象物であるロボット、電子部品検査装置、電子部品搬送装置、部品加工装置における振動の周波数がそれぞれ数百Ｈｚ〜数ｋＨｚである。
【０１３６】
また、スイッチ９３の共振周波数は、１００ｋＨｚ以上であることが好ましく、１３０ｋＨｚ以上であることがより好ましい。
【０１３７】
スイッチ９３の共振周波数が前記下限値よりも小さいと、例えば、超音波洗浄の周波数が３０ｋＨｚの場合、２倍共振周波数６０ｋＨｚ、３倍共振周波数９０ｋＨｚ、４倍共振周波数１２０ｋＨｚの逓倍周波数成分を含むことがあり、条件によっては、スイッチ９３が共振する虞があるが、スイッチ９３の共振周波数がそれらの逓倍周波数より大きければ、より確実にスイッチ９３の共振を防止または抑制することができる。
【０１３８】
また、スイッチ９３の共振周波数の上限値は、特に限定されず、諸条件に応じて適宜設定されるものであるが、スイッチ９３の共振周波数は、５００ｋＨｚ以下であることが好ましく、４００ｋＨｚ以下であることがより好ましく、３００ｋＨｚ以下であることがさらに好ましい。
【０１３９】
共振周波数が高すぎるスイッチは製造が困難であるので、これにより、前記共振周波数を有するスイッチ９３を確実に製造することができる。
【０１４０】
また、スイッチ９３は、そのスイッチ９３がオフした場合にスイッチ９３から出力される電荷量の絶対値は、０．０４ｐＣ以下であることが好ましく、０．０２ｐＣ以下であることがより好ましい。
【０１４１】
スイッチ９３がオフした瞬間は、コンデンサー９２に蓄積されている電荷量は、ゼロであることが好ましい。しかし、一般的に、スイッチがオフすると、そのとき、スイッチから電荷が排出されたり、逆に、スイッチ９３に電荷が引き込まれたりし、これにより、コンデンサー９２に蓄積されている電荷量がゼロにならない。すなわち「ゼロ点シフト」が生じる。この力検出装置１では、スイッチ９３がオフしたときにスイッチ９３から出力される電荷量の絶対値が前記上限値以下になるように設定することにより、より確実に力検出の精度を向上させることができる。
【０１４２】
以下、前記電荷量の絶対値を０．０４ｐＣ以下とする理由を説明する。
まず、水晶を有する圧電素子で構成された電荷出力素子１０の感度は、４ｐＣ／Ｎ程度である。したがって、０．１Ｎ＝１ｇｆの精度を得るためには、前述したように、０．０４ｐＣ以下である必要がある。なお、壊れやすい対象物に対する作業（例えば、ガラス薄板を磨く作業等）をロボットの力制御で行う場合、１ｇｆ程度の力精度が必要となる。
【０１４３】
次に、前記０．０４ｐＣの電荷量となるときのスイッチ９３の電極面積を見積る。
まず、メカニカルスイッチの場合、その典型的な電極面積は１ｍｍ２＝１×１０−６ｍ２程度であるが、そのメカニカルスイッチがオフしたときにメカニカルスイッチから出力される電荷量は、１ｐＣ程度であった。
【０１４４】
一方、ＭＥＭＳスイッチの場合、その典型的な電極面積は、１００μｍ２＝１×１０−８ｍ２以下であり、そのＭＥＭＳスイッチがオフしたときにＭＥＭＳスイッチから出力される電荷量は、電極面積に比例し、０．０１ｐＣ程度となる。
【０１４５】
前記のような特性を有するスイッチとしては、例えば、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）スイッチ等が挙げられる。また、ＭＥＭＳスイッチのうちでもシリコンのＭＥＭＳスイッチが好ましい。また、「ＭＥＭＳ」は、マイクロマシン（Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅ）とも呼ばれる。このＭＥＭＳスイッチは、半導体等の基板を用い、半導体製造技術を用いて作成された微小な構造体で構成されるスイッチである。
【０１４６】
次に、スイッチ９３をＭＥＭＳスイッチで構成する場合のそのＭＥＭＳスイッチの１例について説明する。
【０１４７】
図８および図９に示すように、スイッチ９３は、導電性を有するアクチュエーター電極（固定電極）９３１と、導電性を有し、互いに離間して配置された１対のコンタクト電極９３２、９３３と、導電性を有する可動導電素子（可動電極）９３４とを備えている。これらのアクチュエーター電極９３１、各コンタクト電極９３２、９３３、可動導電素子（可動電極）９３４は、それぞれ、板状をなしている。
【０１４８】
また、コンタクト電極９３２とコンタクト電極９３３とは、同一面内で互いに所定距離離間するように配置されている。コンタクト電極９３２は、オペアンプ９１の第１の入力端子に接続され、コンタクト電極９３３は、オペアンプ９１の出力端子に接続されている（図７、図８参照）。このようにして、スイッチ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。
【０１４９】
また、可動導電素子９３４は、中央部に配置された本体部９３４１と、その本体部９３４１を支持する４つの梁部９３４２とを有している。各梁部９３４２は、弾性変形可能であり、各梁部９３４２が弾性変形することで、本体部９３４１は、図中の上下方向に移動することができる。
【０１５０】
また、アクチュエーター電極９３１と、各コンタクト電極９３２、９３３と、可動導電素子９３４とは、この順序で、図中の下側から上側に向って、互いに所定距離離間した状態で配置されている。
【０１５１】
また、アクチュエーター電極９３１、各コンタクト電極９３２、９３３、可動導電素子９３４の積層方向（厚み方向）から見たとき、アクチュエーター電極９３１と、各コンタクト電極９３２、９３３と、可動導電素子９３４の本体部９３４１とは、少なくとも一部が重なっている。
【０１５２】
また、スイッチ９３の駆動回路（図示せず）は、アクチュエーター電極９３１と可動導電素子９３４とにそれぞれ接続されている。
【０１５３】
なお、アクチュエーター電極９３１の構成材料は、特に限定されず、例えば、ポリシリコン等が挙げられる。また、各コンタクト電極９３２、９３３の構成材料は、特に限定されず、例えば、各種金属材料等が挙げられる。また、可動導電素子９３４の構成材料は、特に限定されず、例えば、各種金属材料等が挙げられる。
【０１５４】
駆動回路により、アクチュエーター電極９３１と可動導電素子９３４との間に所定の駆動電圧（電圧）を印加すると、静電力により、可動導電素子９３４がアクチュエーター電極９３１に向かって引き付けられ、可動導電素子９３４と、各コンタクト電極９３２、９３３とが接触する。これにより、コンタクト電極９３２と、コンタクト電極９３３とが導通し、スイッチ９３がオンする。
【０１５５】
また、駆動回路により、アクチュエーター電極９３１と可動導電素子９３４との間の駆動電圧の印加を解除すると、可動導電素子９３４は、各コンタクト電極９３２、９３３から離間する。これにより、コンタクト電極９３２と、コンタクト電極９３３とが非導通となり、スイッチ９３がオフする。
なお、スイッチ９３の構成は、前記のものに限定されないことは言うまでもない。
【０１５６】
以上説明したように、この力検出装置１によれば、高精度で高耐久性を有し、軽量、小型の力検出装置を提供することができる。
【０１５７】
すなわち、力検出装置１を装着した装置（例えば、ロボット等）が振動したり、衝撃を受けたとしても、スイッチ９３の共振を防止または抑制することができる。これにより、力検出を行っている最中に不本意にスイッチ９３がオンしてしまうことを防止または抑制することができ、確実に力検出を行うことができ、また、スイッチ９３が破損することを低減することができる。
【０１５８】
また、製造の際に超音波洗浄を行う場合、その超音波洗浄により、スイッチ９３が共振してしまうことを防止または抑制することができ、これにより、スイッチ９３が破損することを低減することができる。また、超音波洗浄を行うことで、フラックス等の原因によるスイッチ９３が搭載された回路基板におけるリーク電流の発生を低減することができる。
【０１５９】
また、前記の共振周波数を有するスイッチ９３は、小型、軽量であり、これにより、力検出装置の小型化、軽量化を図ることができる。
【０１６０】
また、スイッチ９３として半導体スイッチング素子を用いる場合に比べ、スイッチ９３におけるリーク電流による出力ドリフト、スイッチ９３がオフしたときのチャージインジェクションによるゼロ点シフト等を低減することができ、これにより、力検出の精度を向上させることができる。
【０１６１】
２．単腕ロボット
次に、図１０に基づき、本発明に係るロボットの実施形態である単腕ロボットを説明する。
【０１６２】
図１０は、本発明に係る力検出装置を用いた単腕ロボットの１例を示す図である。図１０の単腕ロボット５００は、基台５１０と、アーム５２０と、アーム５２０の先端側に設けられたエンドエフェクター５３０と、アーム５２０とエンドエフェクター５３０との間に設けられた力検出装置１とを有する。なお、力検出装置１としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
【０１６３】
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。
【０１６４】
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。
【０１６５】
エンドエフェクター５３０は、対象物を把持する機能を有する。エンドエフェクター５３０は、第１の指５３１および第２の指５３２を有している。アーム５２０の駆動によりエンドエフェクター５３０が所定の動作位置まで到達した後、第１の指５３１および第２の指５３２の離間距離を調整することにより、対象物を把持することができる。
【０１６６】
なお、エンドエフェクター５３０は、ここでは、ハンドであるが、本発明では、これに限定されるものではない。エンドエフェクターの他の例としては、例えば、部品検査用器具、部品搬送用器具、部品加工用器具、部品組立用器具、測定器等が挙げられる。これは、他の実施形態におけるエンドエフェクターについても同様である。
【０１６７】
力検出装置１は、エンドエフェクター５３０に加えられる外力を検出する機能を有する。力検出装置１が検出する力を基台５１０の制御部にフィードバックすることにより、単腕ロボット５００は、より精密な作業を実行することができる。また、力検出装置１が検出する力によって、単腕ロボット５００は、エンドエフェクター５３０の障害物への接触等を検知することができる。そのため、従来の位置制御では困難だった障害物回避動作、対象物損傷回避動作等を容易に行なうことができ、単腕ロボット５００は、より安全に作業を実行することができる。
【０１６８】
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。
【０１６９】
３．複腕ロボット
次に、図１１に基づき、本発明に係るロボットの実施形態である複腕ロボットを説明する。
【０１７０】
図１１は、本発明に係る力検出装置を用いた複腕ロボットの１例を示す図である。図１１の複腕ロボット６００は、基台６１０と、第１のアーム６２０と、第２のアーム６３０と、第１のアーム６２０の先端側に設けられた第１のエンドエフェクター６４０ａと、第２のアーム６３０の先端側に設けられた第２のエンドエフェクター６４０ｂと、第１のアーム６２０と第１のエンドエフェクター６４０ａ間および第２のアーム６３０と第２のエンドエフェクター６４０ｂとの間に設けられた力検出装置１を有する。なお、力検出装置１としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
【０１７１】
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。
【０１７２】
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。
【０１７３】
第１、第２のエンドエフェクター６４０ａ、６４０ｂは、対象物を把持する機能を有する。第１のエンドエフェクター６４０ａは、第１の指６４１ａおよび第２の指６４２ａを有している。第２のエンドエフェクター６４０ｂは、第１の指６４１ｂおよび第２の指６４２ｂを有している。第１のアーム６２０の駆動により第１のエンドエフェクター６４０ａが所定の動作位置まで到達した後、第１の指６４１ａおよび第２の指６４２ａの離間距離を調整することにより、対象物を把持することができる。同様に、第２のアーム６３０の駆動により第２のエンドエフェクター６４０ｂが所定の動作位置まで到達した後、第１の指６４１ｂおよび第２の指６４２ｂの離間距離を調整することにより、対象物を把持することができる。
【０１７４】
力検出装置１は第１、第２のエンドエフェクター６４０ａ、６４０ｂに加えられる外力を検出する機能を有する。力検出装置１が検出する力を基台６１０の制御部にフィードバックすることにより、複腕ロボット６００は、より精密に作業を実行することができる。また、力検出装置１が検出する力によって、複腕ロボット６００は、第１、第２のエンドエフェクター６４０ａ、６４０ｂの障害物への接触等を検知することができる。そのため、従来の位置制御では困難だった障害物回避動作、対象物損傷回避動作等を容易に行なうことができ、複腕ロボット６００は、より安全に作業を実行することができる。
【０１７５】
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。
【０１７６】
４．電子部品検査装置および電子部品搬送装置
次に、図１２、図１３に基づき、本発明の力検出装置を備えた電子部品検査装置および電子部品搬送装置を説明する。
【０１７７】
図１２は、本発明に係る力検出装置を用いた電子部品検査装置および部品搬送装置の１例を示す図である。図１３は、本発明に係る力検出装置を用いた電子部品搬送装置の１例を示す図である。
【０１７８】
図１２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。
【０１７９】
また、支持台７２０には、基台７１０の上流側ステージ７１２ｕおよび下流側ステージ７１２ｄと平行な方向（Ｙ方向）に移動可能にＹステージ７３１が設けられており、Ｙステージ７３１からは、基台７１０に向かう方向（Ｘ方向）に腕部７３２が延設されている。また、腕部７３２の側面には、Ｘ方向に移動可能にＸステージ７３３が設けられている。また、Ｘステージ７３３には、撮像カメラ７３４と、上下方向（Ｚ方向）に移動可能なＺステージを内蔵した電子部品搬送装置７４０が設けられている。また、電子部品搬送装置７４０の先端側には、電子部品７１１を把持する把持部７４１が設けられている。また、電子部品搬送装置７４０の先端と、把持部７４１との間には、力検出装置１が設けられている。更に、基台７１０の前面側には、電子部品検査装置７００の全体の動作を制御する制御装置７５０が設けられている。なお、力検出装置１としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
【０１８０】
電子部品検査装置７００は、以下のようにして電子部品７１１の検査を行なう。最初に、検査対象の電子部品７１１は、上流側ステージ７１２ｕに載せられて、検査台７１４の近くまで移動する。次に、Ｙステージ７３１およびＸステージ７３３を動かして、上流側ステージ７１２ｕに載置された電子部品７１１の真上の位置まで電子部品搬送装置７４０を移動させる。このとき、撮像カメラ７３４を用いて電子部品７１１の位置を確認することができる。そして、電子部品搬送装置７４０内に内蔵されたＺステージを用いて電子部品搬送装置７４０を降下させ、把持部７４１で電子部品７１１を把持すると、そのまま電子部品搬送装置７４０を撮像装置７１３の上に移動させて、撮像装置７１３を用いて電子部品７１１の姿勢を確認する。次に、電子部品搬送装置７４０に内蔵されている微調整機構を用いて電子部品７１１の姿勢を調整する。そして、電子部品搬送装置７４０を検査台７１４の上まで移動させた後、電子部品搬送装置７４０に内蔵されたＺステージを動かして電子部品７１１を検査台７１４の上にセットする。電子部品搬送装置７４０内の微調整機構を用いて電子部品７１１の姿勢が調整されているので、検査台７１４の正しい位置に電子部品７１１をセットすることができる。次に、検査台７１４を用いて電子部品７１１の電気的特性検査が終了した後、今度は検査台７１４から電子部品７１１を取り上げ、Ｙステージ７３１およびＸステージ７３３を動かして、下流側ステージ７１２ｄ上まで電子部品搬送装置７４０を移動させ、下流側ステージ７１２ｄに電子部品７１１を置く。最後に、下流側ステージ７１２ｄを動かして、検査が終了した電子部品７１１を所定位置まで搬送する。
【０１８１】
図１３は、力検出装置１を含む電子部品搬送装置７４０を示す図である。電子部品搬送装置７４０は、把持部７４１と、把持部７４１に接続された６軸の力検出装置１と、６軸の力検出装置１を介して把持部７４１に接続された回転軸７４２と、回転軸７４２に回転可能に取り付けられた微調整プレート７４３を有する。また、微調整プレート７４３は、ガイド機構（図示せず）によってガイドされながら、Ｘ方向およびＹ方向に移動可能である。
【０１８２】
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。
【０１８３】
また、力検出装置１は、把持部７４１に加えられる外力を検出する機能を有する。力検出装置１が検出する力を制御装置７５０にフィードバックすることにより、電子部品搬送装置７４０および電子部品検査装置７００は、より精密に作業を実行することができる。また、力検出装置１が検出する力によって、把持部７４１の障害物への接触等を検知することができる。そのため、従来の位置制御では困難だった障害物回避動作、対象物損傷回避動作等を容易に行なうことができ、電子部品搬送装置７４０および電子部品検査装置７００は、より安全な作業を実行可能である。
【０１８４】
５．部品加工装置の実施形態
次に、図１４に基づき、本発明の力検出装置を備えた部品加工装置の実施形態を説明する。
【０１８５】
図１４は、本発明に係る力検出装置を用いた部品加工装置の１例を示す図である。図１４の部品加工装置８００は、基台８１０と、基台８１０の上面に起立形成された支柱８２０と、支柱８２０の側面に設けられた送り機構８３０と、送り機構８３０に昇降可能に取り付けられた工具変位部８４０と、工具変位部８４０に接続された力検出装置１と、力検出装置１を介して工具変位部８４０に装着された工具８５０を有する。なお、力検出装置１としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
【０１８６】
基台８１０は、被加工部品８６０を載置し、固定するための台である。支柱８２０は、送り機構８３０を固定するための柱である。送り機構８３０は、工具変位部８４０を昇降させる機能を有する。送り機構８３０は、送り用モーター８３１と、送り用モーター８３１からの出力に基づいて工具変位部８４０を昇降させるガイド８３２を有する。工具変位部８４０は、工具８５０に回転、振動等の変位を与える機能を有する。工具変位部８４０は、変位用モーター８４１と、変位用モーター８４１に連結された主軸（図示せず）の先端に設けられた工具取付け部８４３と、工具変位部８４０に取り付けられ主軸を保持する保持部８４２とを有する。工具８５０は、工具変位部８４０の工具取付け部８４３に、力検出装置１を介して取り付けられ、工具変位部８４０から与えられる変位に応じて被加工部品８６０を加工するために用いられる。工具８５０は、特に限定されないが、例えば、レンチ、プラスドライバー、マイナスドライバー、カッター、丸のこ、ニッパー、錐、ドリル、フライス等である。
【０１８７】
力検出装置１は、工具８５０に加えられる外力を検出する機能を有する。力検出装置１が検出する外力を送り用モーター８３１や変位用モーター８４１にフィードバックすることにより、部品加工装置８００は、より精密に部品加工作業を実行することができる。また、力検出装置１が検出する外力によって、工具８５０の障害物への接触等を検知することができる。そのため、工具８５０に障害物等が接触した場合に緊急停止することができ、部品加工装置８００は、より安全な部品加工作業を実行可能である。
【０１８８】
以上、本発明の力検出装置およびロボットを、図示の実施形態に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。
【０１８９】
また、前記実施形態では、電荷出力素子（素子）は、４つ設けられていたが、本発明では、電荷出力素子の数は、これに限定されない。例えば、電荷出力素子は、１つであっても、２つであっても、３つであってもよく、また、５つ以上であってもよい。
【０１９０】
また、本発明では、与圧ボルトに替えて、例えば、素子に与圧を加える機能を有してないものを用いてもよい。また、ボルト以外の固定方法を採用してもよい。
【０１９１】
また、本発明のロボットは、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。
【０１９２】
また、本発明の力検出装置は、ロボット、電子部品搬送装置、電子部品検査装置、および部品加工装置に限らず、他の装置、例えば、他の搬送装置、他の検査装置、自動車、バイク、飛行機、船、電車等の乗り物、２足歩行ロボット、車輪移動ロボット等のロボット等の移動体、振動計、加速度計、重力計、動力計、地震計、傾斜計等の測定装置、入力装置等にも適用することができる。
【符号の説明】
【０１９３】
１…力検出装置
２…第１基部
２２…底板
２３…凸部
２２１…下面（第１面）
２３１…頂面
２４…壁部
２４１…雌ネジ
２７１…中心軸
２７２…中心
３…第２基部
３２…天板
３３…側壁
３２１……上面（第２面）
３３１…内壁面
４…アナログ回路基板
４０…外力検出回路
４０１…ＡＤコンバーター
４０２…演算部
４１…孔
４３…パイプ
５…デジタル回路基板
６、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ…センサーデバイス（圧力検出部）
６０…パッケージ（収容部）
７１…与圧ボルト
９０ａ、９０ｂ、９０ｃ…変換出力回路
９１…オペアンプ
９２…コンデンサー
９３…スイッチ
９３１…アクチュエーター電極
９３２、９３３…コンタクト電極
９３４…可動導電素子
９３４１…本体部
９３４２…梁部
１０…電荷出力素子（圧電素子）
１１…グランド電極層
１２…第１のセンサー
１２１…第１の圧電体層（圧電体層）
１２２…出力電極層
１２３…第２の圧電体層（圧電体層）
１３…第２のセンサー
１３１…第３の圧電体層（圧電体層）
１３２…出力電極層
１３３…第４の圧電体層（圧電体層）
１４…第３のセンサー
１４１…第５の圧電体層（圧電体層）
１４２…出力電極層
１４３…第６の圧電体層（圧電体層）
５００…単腕ロボット
５１０…基台
５２０…アーム
５２１…第１のアーム要素
５２２…第２のアーム要素
５２３…第３のアーム要素
５２４…第４のアーム要素
５２５…第５のアーム要素
５３０…エンドエフェクター
５３１…第１の指
５３２…第２の指
６００…複腕ロボット
６１０…基台
６２０…第１のアーム
６２１…第１のアーム要素
６２２…第２のアーム要素
６３０…第２のアーム
６３１…第１のアーム要素
６３２…第２のアーム要素
６４０ａ…第１のエンドエフェクター
６４１ａ…第１の指
６４２ａ…第２の指
６４０ｂ…第２のエンドエフェクター
６４１ｂ…第１の指
６４２ｂ…第２の指
７００…電子部品検査装置
７１０…基台
７１１…電子部品
７１２ｕ…上流側ステージ
７１２ｄ…下流側ステージ
７１３…撮像装置
７１４…検査台
７２０…支持台
７３１…Ｙステージ
７３２…腕部
７３３…Ｘステージ
７３４…撮像カメラ
７４０…電子部品搬送装置
７４１…把持部
７４２…回転軸
７４３…微調整プレート
７４４ｘ、７４４ｙ、７４４θ…圧電モーター
７５０…制御装置
８００…部品加工装置
８１０…基台
８２０…支柱
８３０…送り機構
８３１…送り用モーター
８３２…ガイド
８４０…工具変位部
８４１…変位用モーター
８４２…保持部
８４３…工具取付け部
８５０…工具
８６０…被加工部品
ＬＤ…積層方向
ＳＤ…挟持方向
ＮＬ１、ＮＬ２…法線
Ｑｘ、Ｑｙ、Ｑｚ、Ｑｘ１、Ｑｙ１、Ｑｚ１、Ｑｘ２、Ｑｙ２、Ｑｚ２、Ｑｘ３、Ｑｙ３、Ｑｚ３、Ｑｘ４、Ｑｙ４、Ｑｚ４…電荷
Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ、Ｖｘ１、Ｖｙ１、Ｖｚ１、Ｖｘ２、Ｖｙ２、Ｖｚ２、Ｖｘ３、Ｖｙ３、Ｖｚ３、Ｖｘ４、Ｖｙ４、Ｖｚ４…電圧
ε…傾斜角度
η…角度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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