(57)【要約】【課題】熱伝導を低減することにより、温度ドリフトの発生を効果的に低減することができる力検出装置、ロボット、電子部品搬送装置および電子部品検出装置を提供することにある。【解決手段】力検出装置１は、第１基部２と、第１基部２に対向配置された第２基部３と、第１基部２と第２基部３との間に設けられ、外力に応じて信号を出力する電荷出力素子（圧電素子）１０と、第１基部２と第２基部３との間に設けられ、電荷出力素子１０から出力される信号が入力されるアナログ回路基板４と、第１基部２と第２基部３とを固定し、雄ネジ（柱状部分）７２を有する与圧ボルト（第１部材）７１と、雄ネジ７２の外側に設けられ、与圧ボルト７１よりも熱伝導率の低い断熱部材（第２部材）８と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１基部と、
第２基部と、
前記第１基部と前記第２基部との間に設けられ、力に応じて信号を出力する圧電素子と、
前記第１基部と前記第２基部との間に設けられ、前記信号が入力される回路基板と、
前記第１基部と前記第２基部とを固定し、柱状部分を有する第１部材と、
前記柱状部分の外側に設けられ、前記第１部材よりも熱伝導率の低い第２部材と、を備えることを特徴とする力検出装置。
【請求項２】
前記柱状部分と前記第２部材とが離間して設けられている請求項１に記載の力検出装置。
【請求項３】
前記第２部材は、前記柱状部分と前記第２部材との間の空間を封止している請求項１または２に記載の力検出装置。
【請求項４】
前記第２部材は、筒状をなしている請求項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】
前記回路基板は、電源回路を有する請求項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】
前記圧電素子は、水晶を含む請求項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】
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の間に設けられた力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、第１基部と、第２基部と、前記第１基部と前記第２基部との間に設けられ、圧力に応じて信号を出力する圧電素子と、前記第１基部と前記第２基部との間に設けられ、前記圧電素子から出力される前記信号が入力される回路基板と、前記第１基部と前記第２基部とを固定し、柱状部分を有する第１部材と、前記柱状部分の外側に設けられ、前記第１部材よりも熱伝導率の低い第２部材と、を備えることを特徴とするロボット。
【請求項８】
電子部品を把持する把持部と、
前記把持部に加えられる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基部と、第２基部と、前記第１基部と前記第２基部との間に設けられ、力に応じて信号を出力する圧電素子と、前記第１基部と前記第２基部との間に設けられ、前記圧電素子から出力される前記信号が入力される回路基板と、前記第１基部と前記第２基部とを固定し、柱状部分を有する第１部材と、前記柱状部分の外側に設けられ、前記第１部材よりも熱伝導率の低い第２部材と、を備えることを特徴とする電子部品搬送装置。
【請求項９】
電子部品を把持する把持部と、
前記電子部品を検査する検査部と、
前記把持部に加えられる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基部と、第２基部と、前記第１基部と前記第２基部との間に設けられ、力に応じて信号を出力する圧電素子と、前記第１基部と前記第２基部との間に設けられ、前記圧電素子から出力される前記信号が入力される回路基板と、前記第１基部と前記第２基部とを固定し、柱状部分を有する第１部材と、前記柱状部分の外側に設けられ、前記第１部材よりも熱伝導率の低い第２部材と、を備えることを特徴とする電子部品検出装置。
【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、電子部品搬送装置および電子部品検出装置に関する。
【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の導入が進められている。このような産業ロボットとしては、アルミニウム板等の母材に対して機械加工を施す工作機械が代表的である。工作機械には、機械加工を施す際に、母材に対する力を検出する力検出装置が内蔵されたものがある。
【０００３】
この検出精度では、各部を構成する部材へ熱の伝わる程度の差や、時間の差により、部材同士間での熱膨張の程度に差が生じ、温度ドリフトが生じるという問題がある。そこで、力検出装置の内部に配置される回路基板に温度センサーを設け、この温度センサーにより温度補正を行うことが提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、力検出装置の温度変化は、非常に微小であるため、温度センサーの設置位置や感度によっては、温度変化を十分に検出できない場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２０１１−２５７２６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、熱伝導を低減することにより、温度ドリフトの発生を効果的に低減することができる力検出装置、ロボット、電子部品搬送装置および電子部品検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような目的は、下記の本発明により達成される。
（適用例１）
本発明の力検出装置は、第１基部と、
第２基部と、
前記第１基部と前記第２基部との間に設けられ、力に応じて信号を出力する圧電素子と、
前記第１基部と前記第２基部との間に設けられ、前記信号が入力される回路基板と、
前記第１基部と前記第２基部とを固定し、柱状部分を有する第１部材と、
前記柱状部分の外側に設けられ、前記第１部材よりも熱伝導率の低い第２部材と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
これにより、力検出装置において発生した熱が、第１部材に直接作用するのを低減することができる。その結果、第１部材が熱膨張するのを抑制し、力検出装置に熱ドリフトが発生するのを好適に低減することができる。
【０００８】
（適用例２）
本発明の力検出装置では、前記柱状部分と前記第２部材とが離間して設けられていることが好ましい。
【０００９】
これにより、第１部材と第２部材との間には空気層が形成され、第２部材による第１部材に対する熱遮断効果がより高まる。
【００１０】
（適用例３）
本発明の力検出装置では、前記第２部材は、前記柱状部分と前記第２部材との間の空間を封止していることが好ましい。
これにより、第２部材による第１部材に対する熱遮断効果がさらに高まる。
【００１１】
（適用例４）
本発明の力検出装置では、前記第２部材は、筒状をなしていることが好ましい。
【００１２】
第２部材を筒状とし、第１部材の全周を覆う構成とすることにより、第２部材による断熱効果が特に顕著となる。
【００１３】
（適用例５）
本発明の力検出装置では、前記回路基板は、電源回路を有することが好ましい。
【００１４】
かかる構成の力検出装置に、本発明を適用することにより、その効果が好適に発揮される。
【００１５】
（適用例６）
本発明の力検出装置では、前記圧電素子は、水晶を含むことが好ましい。
【００１６】
これにより、圧電素子は、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ことができる。
【００１７】
（適用例７）
本発明のロボットは、アームと、
前記アームに設けられたエンドエフェクターと、
前記アームと前記エンドエフェクターの間に設けられた力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、第１基部と、第２基部と、前記第１基部と前記第２基部との間に設けられ、圧力に応じて信号を出力する圧電素子と、前記第１基部と前記第２基部との間に設けられ、前記圧電素子から出力される前記信号が入力される回路基板と、前記第１基部と前記第２基部とを固定し、柱状部分を有する第１部材と、前記柱状部分の外側に設けられ、前記第１部材よりも熱伝導率の低い第２部材と、を備えることを特徴とする。
【００１８】
これにより、力検出装置に熱ドリフトが発生するのを好適に低減することができる。したがって、このようなロボットによれば、外力が正確に検出され、エンドエフェクターによる作業を適正に行なうことができる。
【００１９】
（適用例８）
本発明の電子部品搬送装置は、電子部品を把持する把持部と、
前記把持部に加えられる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基部と、第２基部と、前記第１基部と前記第２基部との間に設けられ、力に応じて信号を出力する圧電素子と、前記第１基部と前記第２基部との間に設けられ、前記圧電素子から出力される前記信号が入力される回路基板と、前記第１基部と前記第２基部とを固定し、柱状部分を有する第１部材と、前記柱状部分の外側に設けられ、前記第１部材よりも熱伝導率の低い第２部材と、を備えることを特徴とする。
【００２０】
これにより、力検出装置に熱ドリフトが発生するのを好適に低減することができる。したがって、このような電子部品搬送装置によれば、外力が正確に検出され、把持部による作業を適正に行なうことができる。
【００２１】
（適用例９）
本発明の電子部品検出装置は、電子部品を把持する把持部と、
前記電子部品を検査する検査部と、
前記把持部に加えられる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基部と、第２基部と、前記第１基部と前記第２基部との間に設けられ、力に応じて信号を出力する圧電素子と、前記第１基部と前記第２基部との間に設けられ、前記圧電素子から出力される前記信号が入力される回路基板と、前記第１基部と前記第２基部とを固定し、柱状部分を有する第１部材と、前記柱状部分の外側に設けられ、前記第１部材よりも熱伝導率の低い第２部材と、を備えることを特徴とする。
【００２２】
これにより、力検出装置に熱ドリフトが発生するのを好適に低減することができる。したがって、このような電子部品検出装置によれば、外力が正確に検出され、把持部による作業を適正に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る力検出装置を示す縦断面図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】センサーデバイス付近を示す図２の部分拡大図である。
【図４】図１に示す力検出装置を概略的に示す回路図である。
【図５】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６】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７】図６中の矢印Ｄ方向から見た図である。
【図８】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。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
１．力検出装置
図１は、本発明に係る力検出装置を示す縦断面図であり、図２は、図１中のＡ−Ａ線断面図であり、図３は、センサーデバイス付近を示す図２の部分拡大図であり、図４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５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６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７は、図６中の矢印Ｄ方向から見た図である。
【００２５】
なお、以下では、図１および図３中の上側を「上」または「上方」、下側を「下」または「下方」と言うが、図１および図３において、それらの上下方向は一致していない。また、図３では、アナログ回路基板４の図示を省略している。
【００２６】
また、図２および図６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および図５には、上記３つの軸のうち、γ軸のみを図示している。
【００２７】
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。
【００２８】
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、外力に応じて信号を出力する電荷出力素子（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。
【００２９】
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。
【００３０】
図１および図２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。
【００３１】
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。
【００３２】
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、これらが、例えば、接着剤による接着、融着等により接合（固定）されている。なお、本実施形態では、底板２２と壁部２４とは、別体として形成されているが、これらは、一体的に形成されていてもよい。
【００３３】
壁部２４は、外方に臨む面に凸部２３が突出形成されている。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の雄ネジ７２と螺合する雌ネジ２４１が設けられている（図２および図３参照）。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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、これらが、例えば、接着剤による接着、融着等により接合（固定）されている。なお、本実施形態では、天板３２と側壁３３とは、別体として形成されているが、これらは、一体的に形成されていてもよい。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。
【００３８】
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。
【００３９】
与圧ボルト７１は、雄ネジ（柱状部分）７２と、その一端に、雄ネジ７２と一体的に形成されたネジ頭７３とを有している。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、各種金属材料等を用いることができる。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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（第１部材）７１の雄ネジ７２および後述する断熱部材（第２部材）８が挿通される貫通孔が設けられている。
【００４４】
また、図４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９０ｃとを備えている。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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（壁部２４）に支持され、アナログ回路基板４に電気的に接続されたデジタル回路基板５が設けられている。したがって、アナログ回路基板４とデジタル回路基板５とにより、一体的に機能する１つの回路基板が構成されている。図４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。また、図１に示すように、デジタル回路基板５は、力検出装置１の各部に電力を供給する電源回路５０も備えている。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
また、本実施形態では、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、搭載されている。
【００５７】
このように配置されたセンサーデバイス６は、図１、図２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。
【００５８】
［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。
【００５９】
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。
【００６０】
図５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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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５中の紙面奥行き方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図５中の上下方向に沿った軸である。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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５中の紙面奥行き方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図５中の上下方向に沿った軸である。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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５中の上下方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図５中の紙面奥行き方向に沿った軸である。
【００８０】
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。
【００８１】
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５中の上下方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図５中の紙面奥行き方向に沿った軸である。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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５中の上下方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図５中の紙面奥行き方向に沿った軸である。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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２の圧電体層１２３の厚さ方向に沿った軸であり、ｘ軸は、図５中の上下方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図５中の紙面奥行き方向に沿った軸である。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。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。
このような電荷出力素子１０がパッケージ６０内に収容されている。
【０１００】
［パッケージ］
図３に示すように、パッケージ６０は、パッケージ本体６１と、パッケージ本体６１に接合された蓋体６２とを有している。なお、図１、図２では、蓋体６２が省略して描かれている。
【０１０１】
パッケージ本体６１は、図３に示すように、平板状をなす底部６１１と、底部６１１から立設する壁部６１２とを備えている。底部６１１と壁部６１２とにより凹部６５が画成され、この凹部６５内に電荷出力素子１０が収容されている。
【０１０２】
底部６１１は、第１基部２の凸部２３の頂面２３１と接するように設けられ、第１基部２に加えられた外力を電荷出力素子１０に伝達する。
【０１０３】
本実施形態では、底部６１１の平面視形状は、電荷出力素子１０の平面視形状に対応して四角形であるが、四角形以外の多角形、円形、楕円形等であってもよい。また、底部６１１の角部は、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。
【０１０４】
底部６１１の外周部に沿って、四角形の筒状をなす壁部６１２が底部６１１と一体的に形成されている．壁部６１２は、外側の外壁部６１３と、外壁部６１３の内側に位置し、外壁部６１３より高さの低い内壁部６１４とで構成されている。このような構成により、パッケージ本体６１は、その縦断面において階段状をなしている。
【０１０５】
パッケージ本体６１には、図示しない複数の配線が形成（引き回）されている。各配線の一端部は、内壁部６１４の上面において凹部６５内に露出し、当該部分において接続部６４を介して電荷出力素子１０に電気的に接続されている。一方、各配線の他端部は、底部６１１の下面においてパッケージ本体６１の外部に露出し、当該部分において接続部（図示せず）を介してアナログ回路基板４に電気的に接続されている。
【０１０６】
なお、配線は、導電性を有していればよく、例えば、クロム、タングステンなどのメタライズ層（下地層）に、ニッケル、金、銀、銅などの各被膜を積層することにより構成することができる。また、接続部は、例えば、Ａｇペースト、Ｃｕペースト、Ａｕペースト等の導電性ペーストで形成することができるが、入手が容易であり、取扱性にも優れているため、Ａｇペーストで形成することが好ましい。
【０１０７】
パッケージ本体６１（外壁部６１３）には、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等で構成されるシーリング６３を介して、蓋体６２が接合されている。これにより、電荷出力素子１０は、パッケージ６０によって気密的に封止され、外気から遮断されることにより、出力された電荷が水分等によって不本意に漏洩されることが防止されている。
【０１０８】
この蓋体６２は、第２基部３に当接して設けられており、第２基部３に加えられた外力を電荷出力素子１０に伝達する。
【０１０９】
蓋体６２は、平板状の部材を、その中央部分６２５が外周部分６２６より第２基部３に向かって突出するように屈曲（または湾曲）変形させたような形状（全体として皿状）をなしている。
【０１１０】
このような構成により、蓋体６２の中央部分６２５は、第２基部３の内壁面３３１に当接している。なお、中央部分６２５の平面視形状は、特に限定されないが、本実施形態では、電荷出力素子１０の平面視形状に対応する形状、すなわち、四角形をなしている。
【０１１１】
パッケージ６０（パッケージ本体６１および蓋体６２）は、絶縁性材料で構成されているのが好ましく、この絶縁性材料としては、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材料、各種硬質樹脂材料、または、これらの組み合わせ等が挙げられる。
【０１１２】
なお、パッケージ６０は、セラミックスを主成分する材料で構成することが好ましい。セラミックスは、適度な剛性を有するともに、絶縁性に優れている。そのため、パッケージ６０の変形による損傷が生じにくく、内部に収容された電荷出力素子１０をより確実に保護することができる。
【０１１３】
また、前述したように、第１基部２と第２基部３とは、与圧ボルト７１によって固定されている。
【０１１４】
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７２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。
【０１１５】
なお、第１基部２と、第２基部３とは、２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。
【０１１６】
図６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。
【０１１７】
また、図７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７は、図６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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
［変換出力回路］
図４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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
図４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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
スイッチング素子９３は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、その他、半導体スイッチまたはＭＥＭＳスイッチ等である。このようなスイッチは、機械式スイッチ（メカスイッチ）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。なお、図４に示すように、このようなスイッチは、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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
＜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）。
【０１３１】
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。
【０１３２】
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）
【０１３３】
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。
【０１３４】
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〜Ｆを正確に安定して検出することができる。
【０１３５】
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。
【０１３６】
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。
【０１３７】
このような構成の力検出装置１において、与圧ボルト（第１部材）７１の雄ネジ（柱状部分）７２の外側には、雄ネジ７２を囲むように、与圧ボルト７１よりも熱伝導率の低い断熱部材（第２部材）８が設けられている。本実施形態において、断熱部材８は、円筒状をなしており、図２に示すように、その内腔部に雄ネジ７２が挿通され、一端部が壁部２４に形成された円環状の凹部２４２に挿入され、他端部が側壁３３に形成された円環状の凹部３３２に挿入されている。
【０１３８】
かかる構成により、与圧ボルト７１の雄ネジ７２は、断熱部材８により第１基部２と第２基部３とで画成される収納空間内に露出することが阻止される。本発明者らの検討によれば、力検出装置１の熱ドリフトの発生は、収納空間内に露出する与圧ボルト７１の雄ネジ７２に伝わる熱に大きく影響を受けることが判ってきた。すなわち、アナログ回路基板４やデジタル回路基板５、特に、デジタル回路基板５で発生した熱が、雄ネジ７２に直接作用して与圧ボルト７１が熱膨張することにより、例えば、第１基部２と第２基部３との位置ズレが生じることで熱ドリフトが発生する。
【０１３９】
そこで、本発明では、雄ネジ７２を断熱部材８で覆い、収納空間内に露出することを阻止することにより、熱が与圧ボルト７１に直接作用するのを回避するように構成した。その結果、与圧ボルト７１が熱膨張するのを抑制し、力検出装置１に熱ドリフトが発生するのを好適に低減することができる。
【０１４０】
また、断熱部材８、凹部２４２および凹部３３２の内径は、与圧ボルト７１の雄ネジ７２の外径（直径）より大きく設定されている。これにより、雄ネジ７２と断熱部材８とは離間して、これらの間には、空間８１が形成されている。これにより、雄ネジ７２と断熱部材との間には空気層が形成され、断熱部材８による与圧ボルト７１に対する熱遮断効果がより高まる。
【０１４１】
この場合、凹部２４２および凹部３３２と、与圧ボルト７１の雄ネジ７２との離間距離は、特に限定されないが、０．０１〜１ｍｍ程度であるのが好ましく、０．０５〜０．５ｍｍ程度であるのがより好ましい。
【０１４２】
特に、凹部２４２および凹部３３２の外径と内径との差が、断熱部材８の内径と外径の差（肉厚）より若干小さく設定されている。これにより、断熱部材８の両端部は、それぞれ、凹部２４２と凹部３３２とに嵌合する。このため、空間８１は、断熱部材８により気密的に封止される。これにより、断熱部材８による与圧ボルト７１に対する熱遮断効果がさらに高まる。この場合、空間８１内を減圧したり、空間８１内に不活性ガス（アルゴンガス、炭酸ガス等）を充填するようにしてもよい。
【０１４３】
特に、本実施形態では、デジタル回路基板５には、電源回路５０が設けられている。電源回路５０は、オンにすると発熱し、この発熱による熱で力検出装置１に温度ドリフトが生じ易くなる傾向がある、したがって、デジタル回路基板５に電源回路５０が設けられた構成の力検出装置１に、本発明を適用することにより、その効果が好適に発揮される。なお、電源回路５０は、アナログ回路基板４に設けるようにしてもよく、デジタル回路基板５およびアナログ回路基板４の双方（これらを総称して「回路基板」とも言う。）に設けるようにしてもよい。このように、回路基板に電源回路を設けることにより、力検出装置１の小型化および構成の簡略化を図ることもできる。
【０１４４】
断熱部材８の熱伝導率は、与圧ボルト７１の熱伝導率より低ければよく、その具体的な値は、特に限定されないが、０．０５〜１Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１程度であるのが好ましく、０．１〜０．５Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１程度であるのがより好ましい。これにより、与圧ボルト７１に熱が伝わるのをより確実に低減することができる。
【０１４５】
かかる熱伝導率を有する材料（すなわち、断熱部材８の構成材料）としては、例えば、ポリオレフィン、エポキシ樹脂のような各種樹脂材料、シリコーンゴムのような各種ゴム材料、木材等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。
【０１４６】
なお、本実施形態では、断熱部材８は、円筒状であるが、これに限定されず、例えば、四角形の筒状、六角形の筒状等の多角形の筒状であってもよい。また、断熱部材８は、筒状（円筒状）をなし、与圧ボルト７１の雄ネジ７２の全周を覆う構成であるが、複数の棒状の断熱部材を雄ネジ７２の外周に沿って間欠的に配置するようにしてもよい。
【０１４７】
２．単腕ロボット
次に、図８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。
【０１４８】
図８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８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。
【０１４９】
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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
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。
【０１５２】
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。
【０１５３】
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。
【０１５４】
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。
【０１５５】
３．複腕ロボット
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。
【０１５６】
この複腕ロボットは、２本のアームと、各アームとエンドエフェクターとの間に力検出装置を有している。なお、力検出装置としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
【０１５７】
また、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。
【０１５８】
４．電子部品検査装置および電子部品搬送装置
本発明の力検出装置を備えた電子部品検査装置（電子部品検出装置）および電子部品搬送装置を説明する。
【０１５９】
電子部品搬送装置は、電子部品を把持する把持部と、把持部に加えられる力を検出する力検出装置とを備えている。なお、力検出装置としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
【０１６０】
そして、電子部品検査装置は、電子部品搬送装置を内蔵しており、電子部品搬送装置で搬送された電子部品を検査する検査部を備えている。
【０１６１】
５．部品加工装置の実施形態
部品加工装置の実施形態を説明する。
【０１６２】
部品加工装置は、工具を変位させる工具変位部と、工具変位部に接続された力検出装置１とを備えている。なお、力検出装置としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
【０１６３】
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ついて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、力検出装置、およびロボットを構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができる。また、任意の構成物が付加されていてもよい。
【０１６４】
また、本発明の力検出装置、およびロボットは、前記各実施形態のうちの、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。
【０１６５】
また、本発明の力検出装置では、電荷出力素子は、４つ設けられていたが、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。
【０１６６】
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く、また、ボルト以外の固定方法を採用してもよい。
【０１６７】
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。
【０１６８】
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、部品加工装置および移動体に限らず、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、入力装置等にも適用することができる。
【符号の説明】
【０１６９】
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
２４２…凹部
２７１…中心軸
２７２…中心
３…第２基部
３２…天板
３２１…上面（第２面）
３３…側壁
３３１…内壁面
３３２…凹部
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）
６１…パッケージ本体
６１１…底部
６１２…壁部
６１３…外壁部
６１４…内壁部
６２…蓋体
６２５…中央部分
６２６…外周部分
６３…シーリング
６４…接続部
６５…凹部
６６…端子
７１…与圧ボルト（第１部材）
７２…雄ネジ
７３…ネジ頭
８…断熱部材（第２部材）
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（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
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
θ…傾斜角度
ε…傾斜角度
η…角度
【図１】
2015184007.tif 000003
【図２】
2015184007.tif 000004
【図３】
2015184007.tif 000005
【図４】
2015184007.tif 000006
【図５】
2015184007.tif 000007
【図６】
2015184007.tif 000008
【図７】
2015184007.tif 000009
【図８】
2015184007.tif 000010