(57)【要約】【課題】接続不良の発生を低減することができる力検出装置、およびロボットを提供することにある。【解決手段】力検出装置１は、導電性を有する基部３と、外力に応じて電荷を出力する圧電素子１０と、圧電素子１０と基部３との間に位置し、導電性を有する導電部６２と、圧電素子１０に設けられた接地電極１５ｇと、接地電極１５ｇと導電部６２とを電気的に接続する配線部９５とを備え、基部３を圧電素子１０と反対側から見たとき、配線部９５が基部３に包含されるように配置されていることを特徴とする。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性を有する第１基部と、
外力に応じて電荷を出力する圧電素子と、
前記圧電素子と前記第１基部との間に位置し、導電性を有する導電部と、
前記圧電素子に設けられた接地電極と、
前記接地電極と前記導電部とを電気的に接続する配線部と、を備えることを特徴とする力検出装置。
【請求項２】
前記配線部は、前記圧電素子と前記導電部との間に設けられた部分を有する請求項１に記載の力検出装置。
【請求項３】
第２基部、を備え、
前記圧電素子は、前記第１基部と前記第２基部との間に位置し、
前記圧電素子を加圧するように前記第１基部と前記第２基部とを固定する導電性を有する加圧部材、を備える請求項１または２に記載の力検出装置。
【請求項４】
前記第２基部は、導電性を有している請求項３に記載の力検出装置。
【請求項５】
前記圧電素子は、水晶を含む請求項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】
前記圧電素子が配置される凹部を有する支持部を備え、
前記支持部に、前記凹部を封止するように前記導電部が接合されている請求項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】
前記配線部は、前記支持部に設けられている部分を有する請求項６に記載の力検出装置。
【請求項８】
接地配線を有する配線基板を備え、
前記配線部は、前記接地配線に電気的に接続されている請求項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】
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、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、
導電性を有する第１基部と、
外力に応じて電荷を出力する圧電素子と、
前記圧電素子と前記第１基部との間に位置し、導電性を有する導電部と、
前記圧電素子に設けられた接地電極と、
前記接地電極と前記導電部とを電気的に接続する配線部と、を備えることを特徴とするロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１には、圧電素子と、この圧電素子を収容する筐体とを備える、圧電素子が、筐体が備える２つの与圧プレートで挟持されている構成の力検出装置について記載されている。
【０００４】
このような力検出装置は、与圧プレートに外力が加わると、その外力が圧電素子に伝達され、圧電素子が外力に応じた電荷を出力し、この電荷に基づいて加えられた外力を検出することができる。
【０００５】
また、このような力測定装置では、一般的に、銅線等を用いたワイヤーボンディングにより、圧電素子と筐体とを接続して、圧電素子を接地していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平２０１３−２５７２６７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、ワイヤーボンディングによる接続では、特に、銅線等を半田付けして接合している場合、力検出装置に外力が加わることによる振動等によって、銅線が破断（断線）してしまい、接続不良を生じることがあった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、接続不良の発生を低減し安定して圧電素子を接地することができる力検出装置、およびロボットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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）
本発明に係わる力検出装置は、導電性を有する第１基部と、
外力に応じて電荷を出力する圧電素子と、
前記圧電素子と前記第１基部との間に位置し、導電性を有する導電部と、
前記圧電素子に設けられた接地電極と、
前記接地電極と前記導電部とを電気的に接続する配線部と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
これにより、例えば圧電素子が変形（変動）しても、配線部が破断（断線）することを好適に防止または抑制し、接続不良の発生を低減することができる。
【００１１】
（適用例２）
本発明に係わる力検出装置では、前記配線部は、前記圧電素子と前記導電部との間に設けられた部分を有することが好ましい。
【００１２】
これにより、圧電素子が変形しても、配線部が破断することを好適に防止または抑制し、接続不良の発生を特に低減することができる。
【００１３】
（適用例３）
本発明に係わる力検出装置では、第２基部、を備え、
前記圧電素子は、前記第１基部と前記第２基部との間に位置し、
前記圧電素子を加圧するように前記第１基部と前記第２基部とを固定する導電性を有する加圧部材、を備えることが好ましい。
【００１４】
これにより、圧電素子をより確実に保護することができるとともに、例えば圧電素子が変形しても、配線部が破断することを好適に防止または抑制し、接続不良が生じることをより低減することができる。
【００１５】
（適用例４）
本発明に係わる力検出装置では、前記第２基部は、導電性を有していることが好ましい。
【００１６】
これにより、他の基部（第１基部）の電位を、圧電素子の基準電位とすることができる。
【００１７】
（適用例５）
本発明に係わる力検出装置では、前記圧電素子は、水晶を含むことが好ましい。
【００１８】
これにより、力検出装置は、温度の変動による影響を受けにくく長期的に安定な装置となり、よって、外力を正確に検出することができる。
【００１９】
（適用例６）
本発明に係わる力検出装置は、前記圧電素子が配置される凹部を有する支持部を備え、
前記支持部に、前記凹部を封止するように前記導電部が接合されていることを特徴とする。
【００２０】
これにより、圧電素子をより確実に保護することができるとともに、圧電素子が変形しても、配線部が破断することを好適に防止または抑制し、接続不良が生じることをより低減することができる。
【００２１】
（適用例７）
本発明に係わる力検出装置では、前記配線部は、前記支持部に設けられている部分を有することが好ましい。
【００２２】
これにより、例えば圧電素子が変形しても、配線部が破断することを好適に防止または抑制することができ、接続不良が生じることをより低減することができる。
【００２３】
（適用例８）
本発明に係わる力検出装置では、接地配線を有する配線基板を備え、
前記配線部は、前記接地配線に電気的に接続されている。
【００２４】
これにより、圧電素子および配線基板の双方を１つの経路で接地することができ、構造の簡素化を図ることができる。
【００２５】
（適用例９）
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、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、
導電性を有する第１基部と、
外力に応じて電荷を出力する圧電素子と、
前記圧電素子と前記第１基部との間に位置し、導電性を有する導電部と、
前記圧電素子に設けられた接地電極と、
前記接地電極と前記導電部とを電気的に接続する配線部と、を備えることを特徴とする。
【００２６】
これにより、接続不良の発生のおそれが低減されたロボットを提供することができる。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。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【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電荷出力素子付近の部分拡大詳細図である。
【図８】図７に示す電荷出力素子の平面図である。
【図９】本発明に係る力検出装置の第２実施形態を示す断面図である。
【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】
【００２８】
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
≪第１実施形態≫
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電荷出力素子付近の部分拡大詳細図であり、図８は、図７に示す電荷出力素子の平面図である。
【００２９】
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。
【００３０】
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、上記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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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）。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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Ａ／Ｄコンバーター４０１と、Ａ／Ｄ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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。なお、電荷出力素子１０を収容するパッケージについては後に詳述する。
【００６３】
［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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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、ニッケル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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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、高い耐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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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、高い耐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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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、高い耐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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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、高い耐荷重性等の優れた特性を有するためである。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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）で図示しいる。
【０１１０】
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。
【０１１１】
［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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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３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、Ａ／Ｄコンバーター４０１にも実装することができる。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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Ａ／Ｄコンバーター４０１と、Ａ／Ｄ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。
【０１２０】
Ａ／Ｄ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。Ａ／Ｄ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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
＜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）。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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）
【０１２５】
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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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ため、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。
【０１２９】
次に、電荷出力素子１０を収容しているパッケージ６０について詳述する。
図７は、センサーデバイス６（電荷出力素子１０）の拡大縦断面図であり、図８は、図７に示すセンサーデバイス６（電荷出力素子１０）の平面図である。なお、説明の都合上、図７中、上側を「上」または「上方」と言い、下側を「下」または「下方」と言う。また、図８では、第２基部３の図示を省略している。
【０１３０】
［パッケージ］
図７に示すように、パッケージ６０は、凹部６５を有する支持部材（支持部）６１と、その支持部材６１に接合された蓋部材（導電部）６２とを有している。このようなパッケージ６０によって、電荷出力素子１０は、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。
【０１３１】
図７に示すように、支持部材６１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ている。この支持部材６１は、第１基部２に加えられた外力を電荷出力素子１０に伝達する機能を有している。
【０１３２】
また、本実施形態では、支持部材６１の平面視形状は、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、支持部材６１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。
【０１３３】
また、支持部材６１は、凸部２３に接触し、平板状をなす底部６１１と、底部６１１から立設し、四角形の筒状をなす側壁部６１３とを有する。そして、この側壁部６１３の内壁面と離間するように、電荷出力素子１０が凹部６５内に設けられている。
【０１３４】
側壁部６１３は、底部６１１の外周に沿って設けられた外壁部６１７と、外壁部６１７の内側に位置し、外壁部６１７より高さ（β軸方向の長さ）が低い内壁部６１５とが一体的に形成された構成である。
【０１３５】
また、外壁部６１７の上面（支持部材６１の上面）６１２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たシーリング６３を介して、蓋部材６２が接合されている。
【０１３６】
この蓋部材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に伝達する機能を有している。なお、蓋部材６２は、電荷出力素子１０の上面に接触している。
【０１３７】
蓋部材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）変形させることにより、全体として皿状をなすように形成されている。このような構成により、蓋部材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。
【０１３８】
このような支持部材６１と蓋部材６２とは、第１基部２および第２基部３が与圧ボルト７１により固定されることで、凸部２３の頂面２３１と側壁３３の内壁面３３１とで挟持方向ＳＤに挟持されて与圧される。さらに、その支持部材６１と蓋部材６２とにより、電荷出力素子１０も挟持方向ＳＤに挟持されて与圧される（図１、図７参照）。
【０１３９】
このようなパッケージ６０には、電荷出力素子１０から出力された３つの電荷Ｑｘ、Ｑｙ、Ｑｚをアナログ回路基板４にそれぞれ伝達する第１〜第３出力配線部９１ａ、９１ｂ、９１ｃと、電荷出力素子１０を第２基部３にグランド（接地）するグランド配線部９５とが設けられている。
【０１４０】
前述した電荷出力素子１０の４つの側面には、それぞれ、図８に示すように、電荷Ｑｘを取り出すための側面電極１５ａと、電荷Ｑｙを取り出すための側面電極１５ｂと、電荷Ｑｚを取り出すための側面電極１５ｃと、電荷出力素子１０を基準電位に接続（グランド）するための側面電極（接地電極）１５ｇとが設けられている。なお、各側面電極は、例えば、スパッタ法、メッキ法、塗布法等により、電荷出力素子１０の側面に形成されている。
【０１４１】
そして、側面電極１５ａは、電気接続部５５ａを介して第１出力配線部９１ａに電気的に接続され、側面電極１５ｂは、電気接続部５５ｂを介して第２出力配線部９１ｂに電気的に接続され、側面電極１５ｃは、電気接続部５５ｂを介して第３出力配線部９１ｃに電気的に接続され、側面電極１５ｇは、電気接続部５５ｇを介してグランド配線部９５に電気的に接続されている。なお、各電気接続部５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｇ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。
【０１４２】
また、各電気接続部５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｇは、それぞれ、パッケージ６０の凹部６５の底面６５１と非接触で設けられており、電荷出力素子１０とパッケージ６０との間に架設されている（図７参照）。これにより、各電気接続部５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｇは、α軸方向、β軸方向およびγ軸方向に変形することができる。このため、電荷出力素子１０が変形した場合であっても、各電気接続部５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｇにクラック等が発生することを回避することができる。
【０１４３】
一方、前述したアナログ回路基板４には、図７に示すように、変換出力回路９０ａに接続された信号配線４１ａと、変換出力回路９０ｂに接続された信号配線４１ｂと、変換出力回路９０ｃに接続された信号配線４１ｃと、変換出力回路９０ａ〜９０ｃに接続されたグランド配線４１ｇとが設けられている。
【０１４４】
そして、信号配線４１ａは、電気接続部４２ａを介して第１出力配線部９１ａに電気的に接続され、信号配線４１ｂは、電気接続部４２ｂを介して第２出力配線部９１ｂに電気的に接続され、信号配線４１ｃは、電気接続部４２ｂを介して第３出力配線部９１ｃに電気的に接続され、グランド配線４１ｇは、電気接続部４２ｇを介してグランド配線部９５に電気的に接続されている。なお、各電気接続部４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｇ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。
【０１４５】
以下、第１〜第３出力配線部９１ａ〜９１ｃと、グランド配線部９５とについて順次説明する。なお、第１〜第３出力配線部９１ａ〜９１ｃの構成は同様であるため、第１出力配線部９１ａについて代表して説明する。
【０１４６】
図７に示すように、第１出力配線部９１ａは、支持部材６１の内壁部６１５の厚さ方向に貫通する貫通孔内に設けられた導体ポスト９４０ａと、導体ポスト９４０ａの上端に接続され、内壁部６１５の上面に埋設された上側電極板９４１ａと、導体ポスト９４０ａの下端に接続され、内壁部６１５の下面に埋設された下側電極板９４２ａとを備えている。かかる構成により、第１出力配線部９１ａは、その縦断面形状がＳ字（Ｌ字）のような形状をなしている。
【０１４７】
また、上側電極板９４１ａは、内壁部６１５の上面から凹部６５内に露出しており、この上側電極板９４１ａに電気接続部５５ａが接続されている。一方、下側電極板９４２ａは、パッケージ６０の下面から外部に露出しており、この下側電極板９４２ａに電気接続部４２ａが接続されている。
【０１４８】
なお、第１出力配線部９１ａ（導体ポスト９４０ａ、上側電極板９４１ａおよび下側電極板９４２ａ）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。
【０１４９】
第２出力配線部９１ｂも、第１出力配線部９１ａと同様の構成を有し、導体ポスト９４０ｂと、上側電極板９４１ｂと、下側電極板９４２ｂとを有している。
【０１５０】
上側電極板９４１ｂは、内壁部６１５の上面から凹部６５内に露出しており、この上側電極板９４１ｂに電気接続部５５ｂが接続されている。一方、下側電極板９４２ｂは、パッケージ６０の下面から外部に露出しており、この下側電極板９４２ｂに電気接続部４２ｂが接続されている。
【０１５１】
第３出力配線部９１ｃも、第１出力配線部９１ａと同様の構成を有し、導体ポスト９４０ｃと、上側電極板９４１ｃと、下側電極板９４２ｃとを有している。
【０１５２】
上側電極板９４１ｃは、内壁部６１５の上面から凹部６５内に露出しており、この上側電極板９４１ｃに電気接続部５５ｃが接続されている。一方、下側電極板９４２ｃは、パッケージ６０の下面から外部に露出しており、この下側電極板９４２ｃに電気接続部４２ｃが接続されている。
【０１５３】
グランド配線部９５は、支持部材６１の内壁部６１５の厚さ方向に貫通する貫通孔内に設けられた導体ポスト９４０ｇと、導体ポスト９４０ｇの上端に接続され、内壁部６１５の上面に埋設された上側電極板９４１ｇと、導体ポスト９４０ｇの下端に接続され、内壁部６１５の下面に埋設された下側電極板９４２ｇと、下側電極板９４２ｇに接続され、支持部材６１の外壁部６１７の厚さ方向に貫通する貫通孔内に設けられた導体ポスト９４３ｇとを備えている。かかる構成により、グランド配線部９５は、その縦断面形状がＵ字のような形状をなしている。
【０１５４】
上側電極板９４１ｇは、内壁部６１５の上面から凹部６５内に露出しており、この上側電極板９４１ｇに電気接続部５５ｇが接続されている。一方、下側電極板９４２ｇは、パッケージ６０の下面から外部に露出しており、この下側電極板９４２ｇに電気接続部４２ｇが接続されている。
【０１５５】
グランド配線部９５（導体ポスト９４０ｇ、上側電極板９４１ｇ、下側電極板９４２ｇおよび導体ポスト９４３ｇ）も、導電性を有していればよく、第１出力配線部９１ａと同様に、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。
【０１５６】
なお、前述したように、シーリング６３も金属材料で構成され、導電性を有している。また、電気接続部５５ｇおよび電気接続部４２ｇも導電性ペーストで構成され、導電性を有している。したがって、このシーリング６３、電気接続部５５ｇおよび電気接続部４２ｇも、グランド配線部９５の一部を構成しているとも言える。
【０１５７】
このような構成のグランド配線部９５および蓋部材６２を介して、電荷出力素子１０およびアナログ回路基板４は、第２基部３に電気的に接続（接地）されている。この場合、第２基部３の電位を、電荷出力素子１０の基準電位とすることができる。このように、電荷出力素子１０およびアナログ回路基板４の双方を１つの経路で接地することにより、構造の簡素化を図ることができる。なお、アナログ回路基板４を電荷出力素子１０とは別経路で接地できることは言うまでもない。
【０１５８】
また、前述したように、第２基部３は与圧ボルト７１によって第１基部２に固定されている。したがって、与圧ボルト７１および第２基部３を導電性を有する材料で構成した場合には、電荷出力素子１０およびアナログ回路基板４は、第１基部２に電気的に接続（接地）される。この場合、第１基部２の電位を、電荷出力素子１０の基準電位とすることができる。
【０１５９】
以上のように、グランド配線部（配線部）９５は、パッケージ６０（支持部材６１）に設けられるため、第２基部（基部）３を電荷出力素子１０と反対側から見たとき、第２基部３に包含されるように配置されている。すなわち、グランド配線部（配線部）９５は、力検出装置１の内部において、パッケージ６０（支持部材６１）に支持されるように設けられている。このような構成により、例えば電荷出力素子１０が変形（変動）しても、グランド配線部９５が破断（断線）することを好適に防止または抑制し、接続不良が生じることを低減することができる。特に、グランド配線部９５を構成する各部（部材）が、直径百マイクロメートル未満の銅線等の線状をなす部材ではないため、断線が生じることをより確実に回避することができる。
【０１６０】
また、グランド配線部９５が第１基部２および第２基部３（力検出装置１）の外部に露出しないため、力検出装置１をロボット（工作機械）に組み込む際に、他の部材と干渉し、グランド配線部９５が破断してしまうという不都合も生じ得ない。
【０１６１】
≪第２実施形態≫
図９は、本発明に係る力検出装置の第２実施形態を示す断面図である。なお、図９は、第２実施形態の力検出装置が備える電荷出力素子付近の部分拡大詳細図を示している。
【０１６２】
以下、これらの図を参照して本発明の第２実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。
【０１６３】
本実施形態では、グランド配線部の構成が異なること以外は、前記第１実施形態と同様である。
【０１６４】
すなわち、図９に示すグランド配線部９５は、導体ポスト９４３ｇの代わりに、電荷出力素子１０と蓋部材６２との間に、これらに接触するとともに、側面電極１５ｇに接続された導電層９７を有している。
【０１６５】
導電層９７は、シート状をなし、電荷出力素子１０の側面１１１から上面１１２にわたって電荷出力素子１０に設けられ、その横断面形状がＬ字状をなしている。
【０１６６】
この導電層９７は、側面１１１に設けられた側面側部分９７１において、側面電極１５ｇと接触しており、電荷出力素子１０の上面１１２上に設けられた上面側部分９７２において、蓋部材６２に接触している。
【０１６７】
このような構成により、電荷出力素子１０は、導電層９７および蓋部材６２を介して、第２基部３に電気的に接続（設置）されている。
【０１６８】
また、アナログ回路基板４は、電気接続部４２ｇ、下側電極板９４２ｇ、導体ポスト９４０ｇ、上側電極板９４１ｇ、電気接続部５５ｇ、側面電極１５ｇ、導電層９７および蓋部材６２を介して、第２基部３に電気的に接続（設置）されている。
【０１６９】
以上のような構成の第２実施形態の力検出装置１においても、前記第２実施形態の力検出装置１と同様の作用・効果を生じる。
【０１７０】
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。
【０１７１】
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。
【０１７２】
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。
【０１７３】
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。
【０１７４】
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。
【０１７５】
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。
【０１７６】
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。
【０１７７】
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。
【０１７８】
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。
【０１７９】
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。
【０１８０】
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。
【０１８１】
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。
【０１８２】
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。
【０１８３】
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。
【０１８４】
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。
【０１８５】
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。
【０１８６】
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。
【０１８７】
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。
【０１８８】
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。
【０１８９】
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。
【０１９０】
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。
【０１９１】
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。
【０１９２】
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。
【０１９３】
５．部品加工装置
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。
【０１９４】
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。
【０１９５】
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。
【０１９６】
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。
【０１９７】
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。
【０１９８】
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。
【０１９９】
また、本発明の力検出装置では、電荷出力素子（圧電素子）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。
【０２００】
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。
【０２０１】
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。
【０２０２】
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】
【０２０３】
１…力検出装置
２…第１基部（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（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
４１ａ、４１ｂ、４１ｃ…信号配線
４１ｇ…グランド配線
４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｇ…電気接続部
４０１…Ａ／Ｄ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…支持部材（支持部）
６１１…底部
６１３…側壁部
６１５…内壁部
６１７…外壁部
６２…蓋部材（導電部）
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
６６１…下側部分
６６２…上側部分
６７…側壁部材（第３部材）
６７１…下側部
６７２…上側部
６７３…段差部
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…スイッチング素子
９１ａ…第１出力配線部
９１ｂ…第２出力配線部
９１ｃ…第３出力配線部
９５…グランド配線部（配線部）
９７…導電層
９７１…側面側部分
９７２…上面側部分
９４０ａ、９４０ｂ、９４０ｃ、９４０ｇ、９４３ｇ…導体ポスト
９４１ａ、９４１ｂ、９４１ｃ、９４１ｇ…上側電極板
９４２ａ、９４２ｂ、９４２ｃ、９４２ｇ…下側電極板
５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｇ…電気接続部
１０…電荷出力素子（圧電素子）
１１１…側面
１１２…上面
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）
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｇ…側面電極
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
６５１…底面
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
θ…傾斜角度
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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