(57)【要約】【課題】  温度の変動による影響を受けにくい力検出装置、ロボットおよび電子部品搬送装置を提供すること。【解決手段】  力検出装置１では、第１面２２１と、第１面２２１に対して傾斜した第１傾斜面２３１とを有する第１基部２と、第１傾斜面２３１に対向し、かつ第１面２２１に対して傾斜した第２傾斜面３３１を有する第２基部３と、第１傾斜面２３１と第２傾斜面３３１との間に設けられ、外力に応じて信号を出力する圧電素子１０と、第１基部２と第２基部３とが接近することにより圧電素子１０を加圧した加圧状態で、第１基部２と第２基部３とを固定する固定部材７１と、を備え、加圧状態とする前の非加圧状態における第２傾斜面３３１の第１面２２１に対する傾斜角度をθ１［°］とし、加圧状態における第２傾斜面３３１の第１面２２１に対する傾斜角度をθ１’［°］としたとき、θ１とθ１’とは、θ１’＜θ１の関係を満足する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面と、前記第１面に対して傾斜した第１傾斜面とを有する第１基部と、
前記第１傾斜面に対向し、かつ前記第１面に対して傾斜した第２傾斜面を有する第２基部と、
前記第１傾斜面と前記第２傾斜面との間に設けられ、外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基部とを接近させることにより前記圧電素子を加圧した加圧状態で、前記第１基部と前記第２基部とを固定する固定部材と、を備え、
前記加圧状態とする前の非加圧状態における前記第２傾斜面の前記第１面に対する傾斜角度をθ１［°］とし、
前記加圧状態における前記第２傾斜面の前記第１面に対する傾斜角度をθ１’［°］としたとき、
前記θ１と前記θ１’とは、θ１＜θ１’の関係を満足することを特徴とする力検出装置。
【請求項２】
前記非加圧状態における前記第１傾斜面の前記第１面に対する傾斜角度をθ２［°］とし、
前記加圧状態における前記第１傾斜面の前記第１面に対する傾斜角度をθ２’［°］としたとき、下記式（１）を満足する請求項１に記載の力検出装置。
θ１＜θ２・・・（１）
【請求項３】
下記式（２）を満足する請求項２に記載の力検出装置。
０°≦｜θ２’−θ１’｜＜｜θ２−θ１｜・・・（２）
【請求項４】
前記θ１は、３０°以上６０°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θ１と前記θ２とは、θ２−θ１＜３°の関係を満足する請求項２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、水晶で構成された圧電体層を備えている請求項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】
前記圧電素子は、前記第１基部および前記第２基部の面内の直交する２方向の外力を検出する請求項１ないし６のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項８】
第１面と、前記第１面に対して傾斜した第１傾斜面とを有する第１基部と、
前記第１傾斜面に対向し、かつ前記第１面に対して傾斜した第２傾斜面を有する第２基部と、
前記第１傾斜面と前記第２傾斜面との間に設けられ、外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基部とを接近させることにより前記圧電素子を加圧した加圧状態で、前記第１基部と前記第２基部とを固定する固定部材と、を備え、
前記加圧状態とする前の非加圧状態における前記第２傾斜面の前記第１面に対する傾斜角度をθ１［°］とし、
前記加圧状態における前記第２傾斜面の前記第１面に対する傾斜角度をθ１’［°］としたとき、
前記θ１と前記θ１’とは、θ１＝θ１’の関係を満足することを特徴とする力検出装置。
【請求項９】
前記非加圧状態における前記第１傾斜面の前記第１面に対する傾斜角度をθ２［°］とし、
前記加圧状態における前記第１傾斜面の前記第１面に対する傾斜角度をθ２’［°］としたとき、下記式（３）および式（４）を満足する請求項８に記載の力検出装置。
θ１＝θ２・・・（３）
θ１’＝θ２’・・・（４）
【請求項１０】
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、
前記力検出装置は、第１面と、前記第１面に対して傾斜した第１傾斜面とを有する第１基部と、前記第１傾斜面に対向し、かつ前記第１面に対して傾斜した第２傾斜面を有する第２基部と、前記第１傾斜面と前記第２傾斜面との間に設けられ、外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基部とを接近させることにより前記圧電素子を加圧した加圧状態で、前記第１基部と前記第２基部とを固定する固定部材と、を備え、
前記加圧状態とする前の非加圧状態における前記第２傾斜面の前記第１面に対する傾斜角度をθ１［°］とし、
前記加圧状態における前記第２傾斜面の前記第１面に対する傾斜角度をθ１’［°］としたとき、
前記θ１と前記θ１’とは、θ１＜θ１’の関係を満足することを特徴とするロボット。
【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、第１面と、前記第１面に対して傾斜した第１傾斜面とを有する第１基部と、前記第１傾斜面に対向し、かつ前記第１面に対して傾斜した第２傾斜面を有する第２基部と、前記第１傾斜面と前記第２傾斜面との間に設けられ、外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基部とを接近させることにより前記圧電素子を加圧した加圧状態で、前記第１基部と前記第２基部とを固定する固定部材と、を備え、
前記加圧状態とする前の非加圧状態における前記第２傾斜面の前記第１面に対する傾斜角度をθ１［°］とし、
前記加圧状態における前記第２傾斜面の前記第１面に対する傾斜角度をθ１’［°］としたとき、
前記θ１と前記θ１’とは、θ１＝θ１’の関係を満足す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に記載の力測定装置は、圧電素子としての水晶を用いて、せん断、引張力、圧縮力等を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−６８６６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の力測定装置では、機械加工中に生じた熱により圧電素子が変形してしまい、その結果、圧電素子の出力における真値に対するノイズ成分となってしまう。そして、特許文献１に記載の力測定装置では、このようなノイズ対策が考慮されていない。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、温度の変動による影響を受けにくい力検出装置、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】
【０００７】
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、第１面と、前記第１面に対して傾斜した第１傾斜面とを有する第１基部と、
前記第１傾斜面に対向し、かつ前記第１面に対して傾斜した第２傾斜面を有する第２基部と、
前記第１傾斜面と前記第２傾斜面との間に設けられ、外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基部とを接近させることにより前記圧電素子を加圧した加圧状態で、前記第１基部と前記第２基部とを固定する固定部材と、を備え、
前記加圧状態とする前の非加圧状態における前記第２傾斜面の前記第１面に対する傾斜角度をθ１［°］とし、
前記加圧状態における前記第２傾斜面の前記第１面に対する傾斜角度をθ１’［°］としたとき、
前記θ１と前記θ１’とは、θ１＜θ１’の関係を満足することを特徴とする。
【０００８】
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い装置となり、よって、外力を正確に検出することができる。また、第１基部および第２基部によって圧電素子を均一に挟持することができ、よって、外力を偏りなく圧電素子に伝達することできる。その結果、外力を正確に検出することができる。
【０００９】
（適用例２）
本発明に係わる力検出装置では、前記非加圧状態における前記第１傾斜面の前記第１面に対する傾斜角度をθ２［°］とし、
前記加圧状態における前記第１傾斜面の前記第１面に対する傾斜角度をθ２’［°］としたとき、下記式（１）を満足することが好ましい。
θ１＜θ２・・・（１）
【００１０】
これにより、第１基部および第２基部によって圧電素子をより均一に挟持することができ、よって、外力をより偏りなく圧電素子に伝達することができる。その結果、外力をより正確に検出することができる。
【００１１】
（適用例３）
本発明に係わる力検出装置では、下記式（２）を満足することが好ましい。
０°≦｜θ２’−θ１’｜＜｜θ２−θ１｜・・・（２）
【００１２】
これにより、第１基部および第２基部によって圧電素子をさらに均一に挟持することができ、よって、外力をより偏りなく圧電素子に伝達することができる。その結果、外力をさらに正確に検出することができる。
【００１３】
（適用例４）
本発明に係わる力検出装置では、前記θ１は、３０°以上６０°以下であることが好ましい。
【００１４】
これにより、第１基部および第２基部によって圧電素子をより均一に挟持することができ、よって、外力をより偏りなく圧電素子に伝達することができる。また、力検出装置は、温度の変動による影響を受けにくい装置となる。
【００１５】
（適用例５）
本発明に係わる力検出装置では、前記θ１と前記θ２とは、θ２−θ１＜３°の関係を満足することが好ましい。
【００１６】
これにより、第１傾斜面および第２傾斜面の面精度（製造精度）によらず、第２傾斜面をセンサーデバイスの上面の全体により均一に当接させることができる。そのため、外力をより偏りなく圧電素子に伝達することができる。
【００１７】
（適用例６）
本発明に係わる力検出装置では、前記圧電体素子は、水晶で構成された圧電体層を備えていることが好ましい。
【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い装置となり、よって、外力を正確に検出することができる。
【００１９】
（適用例７）
本発明に係わる力検出装置では、前記圧電素子は、前記第１基部および前記第２基部の面内の直交する２方向の外力を検出することが好ましい。
【００２０】
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い装置となり、よって、外力を正確に検出することができる。
【００２１】
（適用例８）
本発明に係わる力検出装置は、第１面と、前記第１面に対して傾斜した第１傾斜面とを有する第１基部と、
前記第１傾斜面に対向し、かつ前記第１面に対して傾斜した第２傾斜面を有する第２基部と、
前記第１傾斜面と前記第２傾斜面との間に設けられ、外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基部とを接近させることにより前記圧電素子を加圧した加圧状態で、前記第１基部と前記第２基部とを固定する固定部材と、を備え、
前記加圧状態とする前の非加圧状態における前記第２傾斜面の前記第１面に対する傾斜角度をθ１［°］とし、
前記加圧状態における前記第２傾斜面の前記第１面に対する傾斜角度をθ１’［°］としたとき、
前記θ１と前記θ１’とは、θ１＝θ１’の関係を満足することを特徴とする。
【００２２】
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い装置となり、よって、外力を正確に検出することができる。また、第１基部および第２基部によって圧電素子を均一に挟持することができ、よって、外力を偏りなく圧電素子に伝達することできる。その結果、外力を正確に検出することができる。
【００２３】
（適用例９）
本発明に係わる力検出装置では、前記非加圧状態における前記第１傾斜面の前記第１面に対する傾斜角度をθ２［°］とし、
前記加圧状態における前記第１傾斜面の前記第１面に対する傾斜角度をθ２’［°］としたとき、下記式（３）および式（４）を満足することが好ましい。
θ１＝θ２・・・（３）
θ１’＝θ２’・・・（４）
【００２４】
これにより、第１基部および第２基部によって圧電素子をより均一に挟持することができ、よって、外力をより偏りなく圧電素子に伝達することできる。その結果、外力をより正確に検出することができる。
【００２５】
（適用例１０）
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、
前記力検出装置は、第１面と、前記第１面に対して傾斜した第１傾斜面とを有する第１基部と、前記第１傾斜面に対向し、かつ前記第１面に対して傾斜した第２傾斜面を有する第２基部と、前記第１傾斜面と前記第２傾斜面との間に設けられ、外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基部とを接近させることにより前記圧電素子を加圧した加圧状態で、前記第１基部と前記第２基部とを固定する固定部材と、を備え、
前記加圧状態とする前の非加圧状態における前記第２傾斜面の前記第１面に対する傾斜角度をθ１［°］とし、
前記加圧状態における前記第２傾斜面の前記第１面に対する傾斜角度をθ１’［°］としたとき、
前記θ１と前記θ１’とは、θ１＜θ１’の関係を満足することを特徴とする。
【００２６】
これにより、ロボットは、温度の変動による影響を受けにくいロボットとなり、よって、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。
【００２７】
（適用例１１）
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、
前記力検出装置は、第１面と、前記第１面に対して傾斜した第１傾斜面とを有する第１基部と、前記第１傾斜面に対向し、かつ前記第１面に対して傾斜した第２傾斜面を有する第２基部と、前記第１傾斜面と前記第２傾斜面との間に設けられ、外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基部とを接近させることにより前記圧電素子を加圧した加圧状態で、前記第１基部と前記第２基部とを固定する固定部材と、を備え、
前記加圧状態とする前の非加圧状態における前記第２傾斜面の前記第１面に対する傾斜角度をθ１［°］とし、
前記加圧状態における前記第２傾斜面の前記第１面に対する傾斜角度をθ１’［°］としたとき、
前記θ１と前記θ１’とは、θ１＝θ１’の関係を満足することを特徴とする。
【００２８】
これにより、ロボットは、温度の変動による影響を受けにくいロボットとなり、よって、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】
【００２９】
【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Ａ方向から見た図である。
【図７】図１に示す力検出装置の第１基部と第２基部とを固定する前の状態を示す断面図である。
【図８】図１に示す力検出装置の第１基部と第２基部とを固定した状態を示す断面図である。
【図９】第２実施形態の力検出装置の第１基部と第２基部とを固定する前の状態を示す断面図である。
【図１０】第２実施形態の力検出装置の第１基部と第２基部とを固定した状態を示す断面図である。
【図１１】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１２】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１３】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１４】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１５】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】
【００３０】
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
【００３１】
≪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方向から見た図であり、図７は、図１に示す力検出装置の第１基部と第２基部とを固定する前の状態を示す断面図であり、図８は、図１に示す力検出装置の第１基部と第２基部とを固定した状態を示す断面図である。
【００３２】
なお、以下では、図１、図４〜図８中の上側を「上」または「上方」、下側を「下」または「下方」と言う。
【００３３】
また、図１、図２、図４〜図８には、互いに直交する３つの軸として、α（Ａ）軸、β（Ｂ）軸およびγ（Ｃ）軸が図示されている。α軸に平行な方向を「α軸方向」、β軸に平行な方向を「β軸方向」、γ軸に平行な方向を「γ軸方向」という。また、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。
【００３４】
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。
【００３５】
この力検出装置１は、第１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６０を有する４つのセンサーデバイス６と、固定部材としての８つの与圧ボルト（固定部材）７１と、を備えている。
【００３６】
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」ということもある。
【００３７】
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、円形をなしている。なお、第１基部２の平面形状は、図示のものに限定されず、例えば楕円形や四角形等の多角形等であってもよい。
【００３８】
第１基部２の下面（第１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。
【００３９】
また、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４つの凸部２３とを有している。
【００４０】
各凸部２３には、第１基部２の下面（第１面）２２１に対して傾斜角度θで傾斜した４つの第１傾斜面２３１が形成されている（図５参照）。この４つの第１傾斜面２３１は、平坦な面であり、その傾斜角度θは、０°＜θ＜９０°を満足する。また、本実施形態では、４つの第１傾斜面２３１は、ともに、第１基部２の下面（第１面）２２１に対して同じ角度で傾斜している。なお、図１、図５に示すように、この第１傾斜面２３１は、α軸と平行である。また、各凸部２３には、後述する与圧ボルト７１と螺合する雌ネジ２５が２つずつ設けられている。
【００４１】
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。
【００４２】
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、円形をなしている（図２参照）。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。
【００４３】
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。なお、この第２基部３の上面３２１と、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。
【００４４】
また、第２基部３は、天板３２と、天板３２の縁部に沿って形成され、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。
【００４５】
側壁３３には、第１基部２の４つの第２傾斜面３３１と対向する部分に、それぞれ、各第１基部２の第１傾斜面２３１と平行な、すなわち、傾斜角度θで傾斜した４つの第２傾斜面３３１が形成されている（図５参照）。そして、第１基部２の第１傾斜面２３１と第２基部３の第２傾斜面３３１との間には、各センサーデバイス６（センサーデバイス６Ａ〜６Ｄ）が設けられている。
【００４６】
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。
【００４７】
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、各種の樹脂材料、各種の金属材料等を用いることができる。
【００４８】
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、各センサーデバイス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。
【００４９】
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、各センサーデバイス６に接続されたアナログ回路基板４が設けられている。
【００５０】
各アナログ回路基板４の各センサーデバイス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。また、各アナログ回路基板４には、与圧ボルト７１が挿通する孔（図示せず）が形成されている。各アナログ回路基板４は、与圧ボルト７１により、第１基部２の各凸部２３に固定される。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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、各種の樹脂材料、各種の金属材料等を用いることができる。
【００５７】
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。
【００５８】
次に、各センサーデバイス６について、詳述する。
［センサーデバイス］
図１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の第１傾斜面２３１と、第２基部３の４つの側壁３３のうちの１つの側壁３３の第２傾斜面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の第１傾斜面２３１と前記と異なる側壁３３の第２傾斜面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の第１傾斜面２３１と前記と異なる側壁３３の第２傾斜面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の第１傾斜面２３１と前記と異なる側壁３３の第２傾斜面３３１とによってセンサーデバイス６Ｄが挟持されている。
【００５９】
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。
【００６０】
なお、本実施形態では、図１に示すように、各センサーデバイス６は、アナログ回路基板４の第２基部３側に設けられているが、各センサーデバイス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。
【００６１】
また、図２に示すように、センサーデバイス６Ａとセンサーデバイス６Ｃとは、平面形状が円形をなす第２基部３（一方の基部）の中心軸６４１に関して対称的に配置され、センサーデバイス６Ｂとセンサーデバイス６Ｄとは、中心軸６４１に対し９０度ずれた中心軸６４２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２基部３の中心６４３回りに等角度間隔（９０°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、外力をより偏りなく検出することができる。また、応力を均一に分散できるので、第１基部２や第２基部３の厚みを薄くすることができる。
【００６２】
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６４３）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。
【００６３】
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。
【００６４】
図１に示すように、センサーデバイス６は、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。
【００６５】
＜パッケージ＞
図２に示すように、パッケージ６０の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、平面形状で四角形をなしている。なお、パッケージ６０の他の形状としては、例えば、五角形等の他の多角形、円形、楕円形等が挙げられる。また、パッケージ６０の形状が多角形の場合、例えば、その角部が、丸みを帯びていてもよく、また、斜めに切り欠かれていてもよい。
【００６６】
また、図１に示すように、パッケージ６０は、凹部を有する凹部部材（第１の部材）６１と、その凹部部材６１に接合された蓋体（第２の部材）６２とを有している。
【００６７】
凹部部材６１の凹部には、電荷出力素子１０が設置されており、その凹部部材６１の凹部は、蓋体６２により封止されている。これにより、凹部部材６１と蓋体６２とで電荷出力素子１０を保護することができ、信頼性の高い力検出装置１を提供することができる。なお、電荷出力素子１０の上面は、蓋体６２に接触している。
【００６８】
また、凹部部材６１は、下側、すなわち、第１基部２側に配置されており、蓋体６２は、上側、すなわち、第２基部３側に配置されている。そして、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、凹部部材６１と蓋体６２とは、第１基部２の第１傾斜面２３１と第２基部３の第２傾斜面３３１とで挟持方向ＳＤに挟持されて与圧される。さらに、凹部部材６１と蓋体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。すなわち、電荷出力素子１０は、パッケージ６０を介して、１つの凸部２３の第１傾斜面２３１と第２基部３の第２傾斜面３３１との間で挟持され、与圧されている。
【００６９】
また、凹部部材６１は、その底面が平坦な面であり、第１基部２の第１傾斜面２３１に載置されるとともに、アナログ回路基板４に固定されている。また、凹部部材６１の底面の端部には、電荷出力素子１０と電気的に接続された複数の端子（図示せず）が設けられている。当該各端子は、それぞれ、アナログ回路基板４と電気的に接続されており、これにより、電荷出力素子１０とアナログ回路基板４とが電気的に接続される。
【００７０】
また、蓋体６２は、本実施形態では、板状をなし、その中央部６２５と外周部６２６との間の部位が屈曲することで、中央部６２５が第２基部３に向かって突出している。この中央部６２５は第２基部３の第２傾斜面３３１に当接している。また、中央部６２５の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、電荷出力素子１０と同じ形状、すなわち、四角形をなしている。なお、各センサーデバイス６の上面６５および下面は、いずれも平坦な面である。
【００７１】
なお、凹部部材６１の構成材料としては、特に限定されず、例えば、セラミックス等の絶縁性材料等を用いることができる。また、蓋体６２の構成材料としては、特に限定されず、例えば、ステンレス鋼等の各種の金属材料等を用いることができる。なお、凹部部材６１の構成材料と蓋体６２の構成材料は、同一でもよく、また、異なっていてもよい。
【００７２】
＜電荷出力素子＞
図１に示すように、前述したようなパッケージ６０により電荷出力素子１０が保護されている。この電荷出力素子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のいずれか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。なお、第１基部２または第２基部３のいずれかの基部を外力が加わる基部としてもよいが、本実施形態では、第２基部３を外力が加わる基部として説明する。
【００７３】
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。
【００７４】
第１のセンサー１２は、外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｘ１（電荷Ｑｘ１〜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Ｑｚ１（電荷Ｑｚ１〜Ｑｚ４のいずれか）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Ｑｙ１（電荷Ｑｙ１〜Ｑｙ４のいずれか）を出力する。
【００７５】
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。
【００７６】
センサーデバイス６Ａが備える電荷出力素子１０の積層方向ＬＤ（第１積層方向）は、センサーデバイス６Ａが載置された凸部２３の第１傾斜面２３１の法線と同じ方向となっている。また、図１に示すように、積層方向ＬＤ（第１積層方向）は、第１基部２の下面２２１の法線ＮＬ１と異なっている。
【００７７】
また、センサーデバイス６Ｂが備える電荷出力素子１０の積層方向ＬＤ（第２積層方向）も、センサーデバイス６Ｂが載置された凸部２３の第１傾斜面２３１の法線と同じ方向であり、第１基部２の下面２２１の法線ＮＬ１と異なっている。また、第２積層方向は、第２基部３の中心６４３に関して第１積層方向と対称的な方向である。
【００７８】
また、センサーデバイス６Ｃが備える電荷出力素子１０の積層方向ＬＤ（第３積層方向）も、センサーデバイス６Ｃが載置された凸部２３の第１傾斜面２３１の法線と同じ方向であり、第１基部２の下面２２１の法線ＮＬ１と異なっている。
【００７９】
また、センサーデバイス６Ｄが備える電荷出力素子１０の積層方向ＬＤ（第４積層方向）も、センサーデバイス６Ｄが載置された凸部２３の第１傾斜面２３１の法線と同じ方向であり、第１基部２の下面２２１の法線ＮＬ１と異なっている。また、第４積層方向は、第２基部３の中心６４３に関して第３積層方向と対称的な方向である。
【００８０】
また、図６に示すように、各センサーデバイス６が備える電荷出力素子１０は、第１のセンサー１２のｘ軸と第１基部２の第１傾斜面２３１（α軸）とのなす角度をφとしたとき、角度φが０°≦φ＜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、第１傾斜面２３１に対して角度φ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。
【００８１】
なお、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、各第１傾斜面２３１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。
【００８２】
（グランド電極層）
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。
【００８３】
（第１のセンサー）
第１のセンサー１２は、積層方向ＬＤと直交する方向、すなわち、法線ＮＬ２（法線ＮＬ１）の方向に対して傾斜した方向の第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。換言すると、第１のセンサー１２は、外力（せん断力）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。
【００８４】
第１のセンサー１２は、第１圧電体層（第１検出板）１２１と、第１圧電体層１２１と対向して設けられた第２圧電体層（第１検出板）１２３と、第１圧電体層１２１と第２圧電体層１２３との間に設けられた出力電極層１２２を有する。
【００８５】
第１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中の斜め方向に沿った軸である。
【００８６】
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圧電体層１２３、第３圧電体層１３１、第４圧電体層１３３、第５圧電体層１４１、および第６圧電体層１４３についても同様である。
【００８７】
第１圧電体層１２１として水晶を用いることで、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発揮することができる。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１圧電体層１２１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１圧電体層１２１内に電荷が誘起される。その結果、第１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圧電体層１２１の表面に対し、ｘ軸の負方向に沿った外力（せん断力）が加えられた場合、第１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。
【００８９】
第２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中の斜め方向に沿った軸である。
【００９０】
第２圧電体層１２３として同様に水晶を用いることで、第１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発揮することができる。また、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２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圧電体層１２３内に電荷が誘起される。その結果、第２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圧電体層１２３の表面に対し、ｘ軸の負方向に沿った外力（せん断力）が加えられた場合、第２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。
【００９２】
出力電極層１２２は、第１圧電体層１２１内および第２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圧電体層１２１の表面または第２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圧電体層１２１の表面または第２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。
【００９３】
また、第１のセンサー１２が第１圧電体層１２１と第２圧電体層１２３とを有する構成となっていることは、第１圧電体層１２１および第２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。このため、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、第の３センサー１４についても同様である。
【００９４】
また、出力電極層１２２の平面視での大きさは、第１圧電体層１２１および第２圧電体層１２３の平面視で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圧電体層１２１または第２圧電体層１２３よりも小さい場合、第１圧電体層１２１または第２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圧電体層１２１または第２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。
【００９５】
（第２のセンサー）
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。
【００９６】
第２のセンサー１３は、第３圧電体層１３１と、第３圧電体層１３１と対向して設けられた第４圧電体層１３３と、第３圧電体層１３１と第４圧電体層１３３との間に設けられた出力電極層１３２を有する。
【００９７】
第３圧電体層１３１は、Ｘカット水晶板で構成され、互いに直交する結晶軸であるｘ
軸、ｙ軸、ｚ軸を有する。ｘ軸は、第３圧電体層１３１の厚さ方向に沿った軸であり、ｙ軸は、図３中の斜め方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図３中の紙面奥行き方向に沿った軸である。
【００９８】
そして、第３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圧電体層１３１内に電荷が誘起される。その結果、第３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。
【００９９】
第４圧電体層１３３も、Ｘカット水晶板で構成され、互いに直交する結晶軸であるｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を有する。ｘ軸は、第４圧電体層１３３の厚さ方向に沿った軸であり、ｙ軸は、図３中の斜め方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図３中の紙面奥行き方向に沿った軸である。
【０１００】
そして、第４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圧電体層１３３内に電荷が誘起される。その結果、第４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。
【０１０１】
出力電極層１３２は、第３圧電体層１３１内および第４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圧電体層１３１の表面または第４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圧電体層１３１の表面または第４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。
【０１０２】
（第３のセンサー）
第３のセンサー１４は、積層方向ＬＤ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第１検出方向の外力と交差する第２検出方向の外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｙ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（せん断力）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。
【０１０３】
第３のセンサー１４は、第５圧電体層（第２検出板）１４１と、第５圧電体層１４１と対向して設けられた第６圧電体層（第２検出板）１４３と、第５圧電体層１４１と第６圧電体層１４３との間に設けられた出力電極層１４２を有する。
【０１０４】
第５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ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を有する。ｙ軸は、第５圧電体層１４１の厚さ方向に沿った軸であり、ｘ軸は、図４の斜め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。  第５圧電体層１４１として水晶を用いることで、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。
【０１０５】
そして、第５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圧電体層１４１内に電荷が誘起される。その結果、第５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。
【０１０６】
第６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ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を有する。ｙ軸は、第６圧電体層１４３の厚さ方向に沿った軸であり、ｘ軸は、図４中の斜め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。
【０１０７】
第６圧電体層１４３として同様に水晶を用いることで、第５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。
【０１０８】
そして、第６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圧電体層１４３内に電荷が誘起される。その結果、第６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。
【０１０９】
また、第５圧電体層１４１および第６圧電体層１４３の各ｘ軸とは、積層方向ＬＤからの平面視で、第１圧電体層１２１および第２圧電体層１２３の各ｘ軸と、交差している。また、第５圧電体層１４１および第６圧電体層１４３の各ｚ軸とは、積層方向ＬＤからの平面視で、第１圧電体層１２１および第２圧電体層１２３の各ｚ軸と、交差している。
【０１１０】
出力電極層１４２は、第５圧電体層１４１内および第６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圧電体層１４１の表面または第６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圧電体層１４１の表面または第６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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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（第１基部２および第２基部３の厚さ方向であるγ方向に沿った力）を検出せずに、せん断力（第１基部２および第２基部３の面内の直交する２方向であるα方向およびβ方向に沿った外力）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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
また、本実施形態では、前述した各圧電体層（第１圧電体層１２１、第２圧電体層１２３、第３圧電体層１３１、第４圧電体層１３３、第５圧電体層１４１、および第６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。水晶で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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
［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Ｖｚ」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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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、ＡＤコンバーター４０１にも実装することができる。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
＜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、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に対して傾斜角度θで傾斜するように設置された状態となっている（図１、図５参照）。すなわち、第１のセンサー１２が電荷Ｑｘを出力する際に作用する第１検出方向の外力、および第２のセンサー１３が電荷Ｑｚ出力する際に作用する第２検出方向の外力を含む平面と、α軸とβ軸を含む平面とのなす角度が傾斜角度θとなっている。
【０１３０】
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（６）、（７）および（８）で表すことができる。なお、式（６）〜（８）中の「ｆｘ１」は、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Ｑｘ（第１の出力）から求められた力であり、「ｆｘ２」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Ｑｙ（第２の出力）から求められた力である。
【０１３１】
ＦＡ＝ｆｘ１・cosφ−ｆｘ２・sinφ・・・（６）
ＦＢ＝ｆｘ１・sinφ・sinθ＋ｆｘ２・cosφ・sinθ・・・（７）
ＦＣ＝−ｆｘ１・sinφ・cosθ−ｆｘ２・cosφ・cosθ・・・（８）
【０１３２】
例えば、図１に示す構成の力検出装置１において、θは４５°、φは０°としたとき、式（６）〜（８）のθに４５°を代入し、φに０°を代入すると、力ＦＡ〜ＦＣは、それぞれ、下記式（９）、（１０）、および（１１）で表される。
【０１３３】
ＦＡ＝ｆｘ１・・・（９）
ＦＢ＝ｆｘ２／√２・・・（１０）
ＦＣ＝−ｆｘ２／√２・・・（１１）
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〜ＦＣ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】
このように、電荷出力素子１０が第１基部２の下面２２１に対して傾斜または垂直な状態で配置された場合（０°＜θ＜９０°、および、θ＝９０°の場合）には、第２のセンサー１３（電荷Ｑｚ）を用いずに６軸力を検出することができる。特に、電荷出力素子１０は、第１基部２の下面２２１に対して０°＜θ＜９０°の関係を満足していることが好ましく、３０°＜θ＜６０°の関係を満足していることが好ましく、４５°であることがさらに好ましい。これにより、温度の変動による影響を受け易い第２のセンサー１３（電荷Ｑｚ）を用いずに６軸力を検出することができるとともに、力検出装置１の低背化を図ることができる。
【０１３７】
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。
【０１３８】
また、このような力検出装置１では、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（固定部材）７１によって固定されている。
【０１３９】
この与圧ボルト７１による固定は、第１基部２と第２基部３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側から第１基部２に形成された雌ネジ２５に差し込むことで行なう。具体的には、与圧ボルト７１の頭部７１５が第２基部３側となるように、与圧ボルト７１を第２基部３に形成された孔（図示せず）に挿入し、アナログ回路基板４の孔（図示せず）を挿通し、各与圧ボルト７１の雄ネジ７１６を第１基部２に形成された雌ネジ２５に螺合する。
【０１４０】
このようにして、第１基部２および第２基部３は、与圧ボルト７１により互いに接近するように固定される。これにより、各電荷出力素子１０は、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の第１傾斜面２３１と第２基部３の第２傾斜面３３１とで挟持され、各電荷出力素子１０には、所定の大きさの圧力、すなわち、与圧が加えられる。ここで、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。なお、各与圧ボルト７１による与圧方向は、積層方向ＬＤにほぼ平行な方向となっている。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）が加わり、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。なお、前記与圧の大きさは、特に限定されず、適宜設定される。
【０１４１】
このような力検出装置１は、第１基部２と第２基部３とが与圧ボルト７１より固定される前の状態における第２傾斜面３３１の下面２２１に対する傾斜角度θ１と、第１基部２と第２基部３とが与圧ボルト７１より固定された状態における第２傾斜面３３１の下面２２１に対する傾斜角度θ１’とが異なっている。この点について以下に詳述する。
【０１４２】
なお、以下では、与圧ボルト７１により第１基部２と第２基部３とが固定される前の状態、すなわち電荷出力素子１０が第１基部２と第２基部３とによって加圧される前の状態を非加圧状態という。また、以下では、与圧ボルト７１により第１基部２と第２基部３とが固定された状態、すなわち、電荷出力素子１０が第１基部２と第２基部３とによって加圧された状態を加圧状態という。
【０１４３】
図７は、非加圧状態における電荷出力素子１０付近の拡大断面図であり、図８は、加圧状態における電荷出力素子１０付近の拡大断面図である。
【０１４４】
図７に示す非加圧状態では、第１基部２の下面２２１に対する第１傾斜面２３１の傾斜角度をθ２［°］（以下、単に「傾斜角度θ２」と言う。）とし、第１基部２の下面２２１に対する第２傾斜面３３１の傾斜角度をθ１［°］（以下、単に「傾斜角度θ１」と言う。）としたとき、傾斜角度θ１と傾斜角度θ２とは、θ１＜θ２の関係を満足している。
【０１４５】
この状態から、与圧ボルト７１の雄ネジ７１６を第１基部２に形成された雌ネジ２５に螺合させ、与圧ボルト７１を締め付けると、側壁３３（第２基部３）が第１基部２に接近するように徐々に変形する。この際、傾斜角度θ１は、徐々に大きくなる。与圧ボルト７１をさらに締め付けると、第２傾斜面３３１がセンサーデバイス６（電荷出力素子１０）に当接する。その後、与圧ボルト７１を十分に締め付けると、センサーデバイス６が第１基部２と第２基部３とにより加圧（与圧）されるとともに、第１基部２と第２基部３とが与圧ボルト７１により固定された状態（加圧状態）となる。したがって、この状態において、第１基部２の下面２２１に対する第２傾斜面３３１の傾斜角度をθ１’［°］（以下、単に「傾斜角度θ１’」と言う。）とすれば、この傾斜角度θ１’は、傾斜角度θ１より大きくなり、θ１＜θ１’の関係を満足する。
【０１４６】
ここで、側壁３３は、図７および図８に示すように、外壁面３３４に対する内壁面３３５の距離（側壁３３のβ軸方向の長さ）ｔがほぼ一定な定常部３３２と、定常部３３２の下側に位置し、内壁面３３５が外壁面３３４に対して接近するように距離ｔが下方に向かって漸減する漸減部３３３とを有している。したがって、漸減部３３３の内壁面３３５が、第２傾斜面３３１を構成している。
【０１４７】
このような構成により、漸減部３３３の剛性は、その下端方向に向かって徐々に減少している。そのため、漸減部３３３は、その下側部が、上側部よりも外部からの圧力によって変形しやすい。したがって、与圧方向（第１基部２と第２基部３とが接近する方向）に力が加えられると、漸減部３３３は、その下側部が上側部よりも第１傾斜面２３１に向かって大きく変形する。
【０１４８】
このようなことから、傾斜角度θ１と傾斜角度θ１’とが、θ１＜θ１’の関係を満足するように、与圧ボルト７１によって第１基部２と第２基部３とを固定すれば、漸減部３３３の下側部の変形量（変形代）を見込んで、第１基部２と第２基部３とによりセンサーデバイス６を押圧することができる。このため、第２基部３の第２傾斜面３３１をセンサーデバイス６の上面６５の全体にわたって均一に当接させることができるので、パッケージ６０を介して電荷出力素子１０に加わる圧力の差（第２基部３を第１基部２に固定することによる圧力の差）を極めて小さくすることができる。これにより、力検出装置１（本実施形態では第１基部２）に外力が加わった際に、その外力を、パッケージ６０を介して電荷出力素子１０に、偏りなく均一に伝えることできる。その結果、力検出装置１に加わった外力を正確に検出することができ、測定精度を向上させることができる。
【０１４９】
また、このような関係を満足していれば、第１基部２と第２基部３との製造精度により、各センサーデバイス６に対応する第２傾斜面３３１の部分に微細な傾斜角度の差がある場合であっても、与圧ボルト７１を締める量を調整することで、第２傾斜面３３１を各センサーデバイス６の上面６５の全体にわたって均一に当接させることができる。これにより、センサーデバイス６間での検出精度のバラつきが生じるのを好適に防止することができる。また、与圧ボルト７１の締め量を調整するという簡単な操作で、センサーデバイス６の検出精度を調整することができるため、歩留まりも向上する。
【０１５０】
これに対して、傾斜角度θ１と傾斜角度θ１’とが、θ１’＜θ１の関係をなす場合には、漸減部３３３の下側部が不必要に変形してしまい、第２傾斜面３３１の下側部と上側部とが、センサーデバイス６の上面６５に不均一に当接するようになる。したがって、傾斜角度θ１と傾斜角度θ１’とがθ１’ ＜θ１の関係をなす場合には、第２基部３の第２傾斜面３３１をセンサーデバイス６の上面６５の全体にわたって均一に当接させることが極めて困難である。
【０１５１】
そして、加圧状態において、第１基部２の下面２２１に対する第１傾斜面２３１の傾斜角度をθ２’［°］（以下、単に「傾斜角度θ２’」と言う。）とすると、この傾斜角度θ２’と傾斜角度θ１’とが、０°≦｜θ２’―θ１’｜＜｜θ２―θ１｜の関係を満足するようにするのが好ましい。これにより、第１基部２と第２基部３とがより接近することになるので、センサ-デバイス６の上面６５の全体にわたって、十分かつより均一に第２傾斜面３３１を当接させることができる。これにより、力検出装置１の測定精度をより向上させることができる。
【０１５２】
特に、傾斜角度θ２’と傾斜角度θ１’とが、θ２’＝θ１’の関係を満足していると、第２傾斜面３３１を各センサーデバイス６の上面６５の全体により均一に当接させることができるため、力検出装置１に外力が加わったとき、パッケージ６０を介して電荷出力素子１０に加わる圧力の差をより小さくすることができる。これにより、力検出装置１に加わった外力を特に正確に検出することができる。
【０１５３】
なお、傾斜角度θ１’の上限値は、特に限定されないが、θ１’≦１．１５×θ２’であることが好ましく、θ１’≦１．１×θ２’であることがより好ましい。これにより、第２傾斜面３３１の下側部と上側部とが、センサーデバイス６の上面６５に不均一に当接することをより効果的に防ぐことができる。
【０１５４】
また、傾斜角度θ２と傾斜角度とθ１は、その差（θ２−θ１）が、３°未満であることが好ましく、２°未満であることがより好ましい。これにより、第１傾斜面２３１および第２傾斜面３３１の面精度（製造精度）によらず、与圧ボルト７１の締め量を調整することで、第２基部３の第２傾斜面３３１をセンサーデバイス６の上面６５の全体にわたって均一に当接させることができる。
【０１５５】
また、傾斜角度θ１は、３０°以上６０°以下であることが好ましく、４２°以上４５°以下であることがより好ましい。また、傾斜角度θ２は、３０°以上６０°以下であることが好ましく、４５°以上４８°以下であることがより好ましい。
【０１５６】
傾斜角度θ１と傾斜角度θ２とが、θ１＜θ２の関係を満足しつつ、上記範囲内の角度であることにより、第２傾斜面３１をセンサーデバイス６の上面６５全体にわたってより確実に当接させることができることのみならず、温度の変動による影響を受け易い第２のセンサー１３（電荷Ｑｚ）を用いずに外力の検出を行なうことができる。このため、力検出装置１に加わった外力を特に正確に検出することができる。
【０１５７】
なお、第２基部３の第２傾斜面３３１が各センサーデバイス６の上面６５の全面に均一に当接している状態であるかは、圧縮／引張力に応じて電荷出力素子１０から出力される電荷Ｑｚを検出することにより確認することができる。
【０１５８】
≪第２実施形態≫
図９は、第２実施形態の力検出装置の第１基部と第２基部とを固定する前の状態を示す断面図であり、図１０は、第２実施形態の力検出装置の第１基部と第２基部とを固定した状態を示す断面図である。
【０１５９】
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。
【０１６０】
本実施形態では、第１傾斜面と第２傾斜面の傾斜角度同士の関係が異なり、それ以外は、第１実施形態と同様である。
【０１６１】
本実施形態では、図９および図１０に示すように、傾斜角度θ１と傾斜角度θ１’とが、θ１＝θ１’の関係を満足するよう、与圧ボルト７１により第１基部２と第２基部３とを固定する。
【０１６２】
また、図９に示すように、傾斜角度θ１と傾斜角度をθ２とが、θ１＝θ２の関係を満足していること、すなわち、非加圧状態において、第１傾斜面２３１と第２傾斜面３３１とが、ほぼ平行になっていることが好ましい。
【０１６３】
還元すれば、図１０に示すように、傾斜角度θ１’と傾斜角度θ２’とが、θ２’＝θ１’の関係を満足していること、すなわち、加圧状態においても、第１傾斜面２３１と第２傾斜面３３１とが、ほぼ平行になっていることが好ましい。
【０１６４】
このような構成により、例えば、漸減部３３３の下側部の変形量が比較的小さい（漸減部３３３の剛性が比較的高い、漸減部３３３の距離ｔが比較的短い等）場合には、上述のような関係を満足するだけで、第２基部３の第２傾斜面３３１をセンサーデバイス６の上面６５の全体にわたって均一に当接させることができる。その結果、力検出装置１に加わった外力を正確に検出することができ、測定精度を向上させることができる。
【０１６５】
２．単腕ロボット
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単腕ロボットを説明する。
【０１６６】
図１１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１１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。
【０１６７】
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（図示せず）およびアクチュエータを制御する制御部（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。
【０１６８】
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。
【０１６９】
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。
【０１７０】
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。
【０１７１】
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。
【０１７２】
なお、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。
【０１７３】
３．複腕ロボット
次に、図１２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。
【０１７４】
図１２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１２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。
【０１７５】
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（図示せず）およびアクチュエータを制御する制御部（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。
【０１７６】
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。
【０１７７】
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。
【０１７８】
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。
【０１７９】
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。
【０１８０】
４．電子部品検査装置および電子部品搬送装置
次に、図１３、図１４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。
【０１８１】
図１３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１４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。
【０１８２】
図１３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。
【０１８３】
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。
【０１８４】
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。
【０１８５】
図１４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。
【０１８６】
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。
【０１８７】
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。
【０１８８】
５．部品加工装置の実施形態
次に、図１５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。
【０１８９】
図１５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１５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。
【０１９０】
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。
【０１９１】
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。
【０１９２】
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。
【０１９３】
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。
【０１９４】
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。
【０１９５】
また、本発明では、パッケージ、すなわち、基部および蓋体が省略されていてもよい。
また、本発明では、固定部材として与圧ボルトを用いたが、固定部材としてはこれに限定されない。
【０１９６】
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。
【０１９７】
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】
【０１９８】
１…力検出装置
２…第１基部
２２…凸部
２２１…下面（第１面）
２３…底板
２３１…第１傾斜面
２５…雌ネジ
３…第２基部
３２…天板
３３…側壁
３２１……上面（第２面）
３３１…第２傾斜面
３３２…定常部
３３３…漸減部
３３４…内壁面
３３５…外壁面
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
５…デジタル回路基板
６、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ…センサーデバイス
６０…パッケージ
６１…凹部部材
６２…蓋体
６２５…中央部
６２６…外周部
６４１、６４２…中心軸
６４３…中心
６５…上面
７１…与圧ボルト（固定部材）
７１５…頭部
７１６…雄ネジ
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圧電体層（圧電体層）
１２２…出力電極層
１２３…第２圧電体層（圧電体層）
１３…第２のセンサー
１３１…第３圧電体層（圧電体層）
１３２…出力電極層
１３３…第４圧電体層（圧電体層）
１４…第３のセンサー
１４１…第５圧電体層（圧電体層）
１４２…出力電極層
１４３…第６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
９００…移動体
９１０…本体
９２０…動力部
９３０…制御部
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、θ１、θ２、θ１’、θ２’…傾斜角度
φ…角度
ε…傾斜角度
η…角度
【図１】
2015175754.tif 000003
【図２】
2015175754.tif 000004
【図３】
2015175754.tif 000005
【図４】
2015175754.tif 000006
【図５】
2015175754.tif 000007
【図６】
2015175754.tif 000008
【図７】
2015175754.tif 000009
【図８】
2015175754.tif 000010
【図９】
2015175754.tif 000011
【図１０】
2015175754.tif 000012
【図１１】
2015175754.tif 000013
【図１２】
2015175754.tif 000014
【図１３】
2015175754.tif 000015
【図１４】
2015175754.tif 000016
【図１５】
2015175754.tif 000017