(57)【要約】【課題】温度変化による不具合を抑制または防止することができるセンサー素子、力検出装置、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を提供すること。【解決手段】本発明のセンサー素子（電荷出力素子１０）は、Ｘカット水晶板で構成され、Ａ軸方向の外力に応じて電荷を出力する２枚の第１の圧電板１２１、１２３とＹカット水晶板で構成され、Ｂ軸方向の外力に応じて電荷を出力する２枚の第２の圧電板１３１、１３３と、Ｙカット水晶板で構成され、Ｃ軸方向の外力に応じて電荷を出力する２枚の第３の圧電板１４１、１４３と、第１の圧電板１２３と第３の圧電板１４１との間に設けられた第２の電極層１５とを有し、第１の圧電板１２３のＢ軸方向の熱膨張係数と、第２の電極層１５のＢ軸方向の熱膨張係数との差は、第１の圧電板１２３のＢ軸方向の熱膨張係数の１０％以下である。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直交する３軸をＡ軸、Ｂ軸およびＣ軸としたとき、
Ｘカット水晶板で構成され、前記Ａ軸方向の外力に応じて電荷を出力する少なくとも１枚の第１の圧電板と、
Ｙカット水晶板で構成され、前記第１の圧電板と前記Ａ軸方向に積層され、前記Ｂ軸方向の外力に応じて電荷を出力する少なくとも１枚の第２の圧電板と、
Ｙカット水晶板で構成され、前記第２の圧電板を前記第１の圧電板との間に挟むように、且つ、前記Ａ軸回りに転回した配置で前記Ａ軸方向に積層され、前記Ｃ軸方向の外力に応じて電荷を出力する少なくとも１枚の第３の圧電板と、
前記第１の圧電板と前記第２の圧電板との間に設けられた第１の電極層と、
前記第１の圧電板と前記第３の圧電板との間に設けられた第２の電極層とを有し、
前記第１の圧電板の前記Ｂ軸方向の熱膨張係数と、前記第２の電極層の前記Ｂ軸方向の熱膨張係数との差は、前記第１の圧電板の前記Ｂ軸方向の熱膨張係数の１０％以下であることを特徴とするセンサー素子。
【請求項２】
前記第２の電極層は、Ｎｉ、ＣｏおよびＢｉからなる群より選択される少なくとも一種類の金属または該金属を含む合金を主とする材料で構成されるものである請求項１に記載のセンサー素子。
【請求項３】
前記第２の電極層では、前記Ａ軸方向の熱膨張係数、前記Ｂ軸方向の熱膨張係数および前記Ｃ軸方向の熱膨張係数が等しい請求項１または２に記載のセンサー素子。
【請求項４】
前記第１の圧電板、前記第２の圧電板および前記第３の圧電板は、それぞれ、結晶軸であるｚ軸と、前記ｚ軸に直交し、加重を加えると電荷が発生する方向に配向したｘ軸と、前記ｚ軸および前記ｘ軸に対して直交するｙ軸とを有しており、
前記第１の圧電板の前記ｙ軸方向は、前記Ｂ軸方向と一致している請求項１ないし３のいずれか１項に記載のセンサー素子。
【請求項５】
前記第１の圧電板、前記第２の圧電板および前記第３の圧電板では、それぞれ、ｚ軸方向の熱膨張係数がｘ軸方向およびｙ軸方向の熱膨張係数よりも小さい請求項４に記載のセンサー素子。
【請求項６】
前記第１の電極層は、前記第２の電極層と同じ材料で構成されている請求項１ないし５のいずれか１項に記載のセンサー素子。
【請求項７】
前記第１の圧電板、前記第２の圧電板および前記第３の圧電板は、それぞれ複数枚ずつ積層されている請求項１ないし５のいずれか１項に記載のセンサー素子。
【請求項８】
前記複数の第２の圧電板、前記複数の第１の圧電板および前記複数の第３の圧電板は、前記Ａ軸方向に順に積層され、
前記各第１の圧電板の間、前記各第２の圧電板および前記各第３の圧電板の間には、それぞれ、電極層が設けられている請求項７に記載のセンサー素子。
【請求項９】
互いに直交するｘ軸方向、ｙ軸方向およびｚ軸方向のうちの少なくとも１方向の熱膨張係数が異なっており、かつ、互いに異なる方向のひずみによりに電荷を出力する３枚の圧電板が積層されたセンサー素子であって、
互いに直交する３方向をＡ軸、Ｂ軸、Ｃ軸としたとき、前記３枚の圧電板は、前記Ａ軸方向に積層されており、
前記３枚の圧電板の間には、それぞれ、電極層が設けられており、
前記３枚の圧電板の前記Ｂ軸方向の熱膨張係数と、前記電極層の前記Ｂ軸方向の熱膨張係数との差は、前記第１の圧電板の前記Ｂ軸方向の熱膨張係数の１０％以下であることを特徴とするセンサー素子。
【請求項１０】
互いに直交する３軸をＡ軸、Ｂ軸およびＣ軸としたとき、
Ｘカット水晶板で構成され、前記Ａ軸方向に沿った外力に応じて電荷を出力する少なくとも１枚の第１の圧電板と、
Ｙカット水晶板で構成され、前記第１の圧電板と対向して配置され、前記Ｂ軸方向に沿った外力に応じて電荷を出力する少なくとも１枚の第２の圧電板と、
Ｙカット水晶板で構成され、前記２の圧電板に対して該第２の圧電板の厚さ方向の軸回りにずれた状態で、前記第１の圧電板の前記第２の圧電板と反対側に配置され、前記Ｃ軸方向に沿った外力に応じて電荷を出力する少なくとも１枚の第３の圧電板と、
前記第１の圧電板と前記第２の圧電板との間に設けられた第１の電極層と、
前記第１の圧電板と前記第３の圧電板との間に設けられた第２の電極層とを有し、
前記第１の圧電板の前記Ｂ軸方向の熱膨張係数と、前記第２の電極層の前記Ｂ軸方向の熱膨張係数との差は、前記第１の圧電板の前記Ｂ軸方向の熱膨張係数の１０％以下であるセンサー素子と、
前記センサー素子から出力された電圧に基づいて、前記外力を検出する外力検出回路とを備えていることを特徴とする力検出装置。
【請求項１１】
前記センサー素子は、４つ以上設けられている請求項１０に記載の力検出装置。
【請求項１２】
アームを複数有し、前記複数のアームの隣り合う前記アーム同士を回動自在に連結してなる少なくとも１つのアーム連結体と、
前記アーム連結体の先端側に設けられたエンドエフェクタと、
前記アーム連結体と前記エンドエフェクタとの間に設けられ、前記エンドエフェクタに加えられる外力を検出する請求項１０に記載の前記力検出装置とを備えていることを特徴とするロボット。
【請求項１３】
電子部品を把持する把持部と、
前記把持部に加えられる外力を検出する請求項１０に記載の前記力検出装置とを備えていることを特徴とする電子部品搬送装置。
【請求項１４】
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外力を検出する請求項１０に記載の前記力検出装置とを備えていることを特徴とする電子部品検査装置。
【請求項１５】
工具を装着し、前記工具を変位させる工具変位部と、
前記工具に加えられる外力を検出する請求項１０に記載の前記力検出装置とを備えていることを特徴とする部品加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサー素子、力検出装置、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関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、生産効率向上を目的として、工場等の生産施設への産業用ロボットの導入が進められている。このような産業ロボットは、１軸または複数軸方向に対して駆動可能なアームと、アームの先端に取り付けられるハンドと、部品検査用器具、部品搬送用器具、部品加工用工具等のエンドエフェクタとを備えており、部品の組み付け作業、部品加工作業、部品検査作業等の部品製造作業、および部品搬送作業等の様々な作業を実行することができる。
【０００３】
このような産業用ロボットにおいては、アームとエンドエフェクタとの間に、力検出装置が設けられている。この力検出装置は、加えられた外力に応じて電荷を出力する圧電素子（電荷出力素子）と、該圧電素子から出力された電荷を電圧に変換する変換回路（コンバーター）を備えており、圧電素子に加えられた外力を検出できる。産業用ロボットは、このような力検出装置を用いて、部品製造作業時または部品搬送作業時に発生する外力を検出し、検出結果に基づき、アームおよびエンドエフェクタを制御している。その結果、産業用ロボットは、部品製造作業または部品搬送作業等を正確に実行することができる。
このような力検出装置として、圧電素子として水晶を用いた水晶式圧電センサーが広く用いられている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載の水晶式圧電センサーは、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から、産業用ロボットに広く用いられている。
【０００４】
しかしながら、このような水晶式圧電素子においては、水晶から出力される電荷が微弱であるため、温度変化に起因する出力ドリフトの影響を無視できない。特に、前記外力が加わっていない場合でも、温度変化による熱膨張で水晶に応力が生じるおそれがある。この応力によって、水晶式圧電素子では、前記外力が加わっていない場合でも、電荷が検出されるおそれがある。
このように、従来の水晶式圧電素子では、温度変化の影響により検出精度が低下するという不具合が生じる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】特開平１０−６８６６５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、温度変化による不具合を抑制または防止することができるセンサー素子、力検出装置、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を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
［適用例１］
本発明のセンサー素子は、互いに直交する３軸をＡ軸、Ｂ軸およびＣ軸としたとき、
Ｘカット水晶板で構成され、前記Ａ軸方向に沿った外力に応じて電荷を出力する少なくとも１枚の第１の圧電板と、
Ｙカット水晶板で構成され、前記第１の圧電板と対向して配置され、前記Ｂ軸方向に沿った外力に応じて電荷を出力する少なくとも１枚の第２の圧電板と、
Ｙカット水晶板で構成され、前記２の圧電板に対して該第２の圧電板の厚さ方向の軸回りにずれた状態で、前記第１の圧電板の前記第２の圧電板と反対側に配置され、前記Ｃ軸方向に沿った外力に応じて電荷を出力する少なくとも１枚の第３の圧電板と、
前記第１の圧電板と前記第２の圧電板との間に設けられた第１の電極層と、
前記第１の圧電板と前記第３の圧電板との間に設けられた第２の電極層とを有し、
前記第１の圧電板の前記Ｂ軸方向の熱膨張係数と、前記第２の電極層の前記Ｂ軸方向の熱膨張係数との差は、前記第１の圧電板の前記Ｂ軸方向の熱膨張係数の１０％以下であることを特徴とする。
【０００８】
これにより、第１の圧電板のＢ軸方向の熱膨張係数と第２の電極層とのＢ軸方向の熱膨張係数との差をできるだけ小さくすることができる。よって、第１の圧電板および第２の電極層が温度変化によって膨張または収縮する際、同じだけ膨張または収縮することとなる。その結果、第１の圧電板および第２の電極層では、熱膨張によって、圧縮応力または引張応力が生じるのを抑制または防止することができる。したがって、温度変化によって電荷が出力されるのを抑制または防止することができる。
【０００９】
［適用例２］
本発明のセンサー素子では、前記第２の電極層は、Ｎｉ、ＣｏおよびＢｉからなる群より選択される少なくとも一種類の金属または該金属を含む合金を主とする材料で構成されるものであるのが好ましい。
これにより、第１の圧電板のＢ軸方向の熱膨張係数と第２の電極層のＢ軸方向の熱膨張係数との差をできるだけ小さくすることができる。
【００１０】
［適用例３］
本発明のセンサー素子では、前記第２の電極層では、前記Ａ軸方向の熱膨張係数、前記Ｂ軸方向の熱膨張係数および前記Ｃ軸方向の熱膨張係数が等しいのが好ましい。
これにより、第２の電極層を形成する際、その構成材料の結晶軸の向き等を考慮せず第２の電極層を形成することができる。よって、第２の電極層を比較的容易に形成することができる。
【００１１】
［適用例４］
本発明のセンサー素子では、前記第１の圧電板、前記第２の圧電板および前記第３の圧電板は、それぞれ、互いに直交する３つの結晶軸であるｘ軸、ｙ軸およびｚ軸を有しており、
前記第１の圧電板の前記ｙ軸方向は、前記Ｂ軸方向と一致しているのが好ましい。
これにより、第１の圧電板のＢ軸方向の熱膨張係数と、第２の電極層のＢ軸方向の熱膨張係数との差が、第１の圧電板のＢ軸方向の熱膨張係数の１０％以下となるよう配置することができる。
【００１２】
［適用例５］
本発明のセンサー素子では、前記第１の圧電板、前記第２の圧電板および前記第３の圧電板では、それぞれ、ｚ軸方向の熱膨張係数がｘ軸方向およびｙ軸方向の熱膨張係数よりも小さいのが好ましい。
これにより、第１の圧電板および第２の電極層の、Ｂ軸方向の熱膨張係数を確実に実用上一致させることができる。
【００１３】
［適用例６］
本発明のセンサー素子では、前記第１の電極層は、前記第２の電極層と同じ材料で構成されているのが好ましい。
これにより、第２の電極層を比較的容易に形成することができる。
［適用例７］
本発明のセンサー素子では、前記第１の圧電板、前記第２の圧電板および前記第３の圧電板は、それぞれ複数枚ずつ積層されているのが好ましい。
これにより、第１の圧電板、第２の圧電板および第３の圧電板は、それぞれ、複数枚ずつ積層されている分、出力される電荷を多くすることができる。よって、検出精度の向上を図ることができる。
【００１４】
［適用例８］
本発明のセンサー素子では、前記複数の第２の圧電板、前記複数の第１の圧電板および前記複数の第３の圧電板は、前記Ａ軸方向に順に積層され、
前記各第１の圧電板の間、前記各第２の圧電板および前記各第３の圧電板の間には、それぞれ、電極層が設けられているのが好ましい。
これにより、第１の圧電板、第２の圧電板および第３の圧電板は、それぞれ、複数枚ずつ積層されている分、出力される電荷を多くすることができる。よって、検出精度の向上を図ることができる。
【００１５】
［適用例９］
本発明のセンサー素子は、互いに直交するｘ軸方向、ｙ軸方向およびｚ軸方向のうちの少なくとも１方向の熱膨張係数が異なっており、かつ、互いに異なる方向のひずみによりに電荷を出力する３枚の圧電板が積層されたセンサー素子であって、
互いに直交する３方向をＡ軸、Ｂ軸、Ｃ軸としたとき、前記３枚の圧電板は、前記Ａ軸方向に積層されており、
前記３枚の圧電板の間には、それぞれ、電極層が設けられており、
前記３枚の圧電板の前記Ｂ軸方向の熱膨張係数と、前記電極層の前記Ｂ軸方向の熱膨張係数との差は、前記第１の圧電板の前記Ｂ軸方向の熱膨張係数の１０％以下であることを特徴とする。
【００１６】
これにより、３枚の圧電板のＢ軸方向の熱膨張係数と各電極層のＢ軸方向の熱膨張係数をとの差をできるだけ小さくすることができる。よって、３枚の圧電板と各電極層が温度変化によって膨張または収縮する際、同じだけ膨張または収縮することとなる。その結果、各圧電板および各電極層では、熱膨張によって、圧縮応力または引張応力が生じるのを抑制または防止することができる。したがって、温度変化によって電荷が出力されるのを抑制または防止することができる。
【００１７】
［適用例１０］
本発明の力検出装置は、互いに直交する３軸をＡ軸、Ｂ軸およびＣ軸としたとき、
Ｘカット水晶板で構成され、前記Ａ軸方向に沿った外力に応じて電荷を出力する少なくとも１枚の第１の圧電板と、
Ｙカット水晶板で構成され、前記第１の圧電板と対向して配置され、前記Ｂ軸方向に沿った外力に応じて電荷を出力する少なくとも１枚の第２の圧電板と、
Ｙカット水晶板で構成され、前記２の圧電板に対して該第２の圧電板の厚さ方向の軸回りにずれた状態で、前記第１の圧電板の前記第２の圧電板と反対側に配置され、前記Ｃ軸方向に沿った外力に応じて電荷を出力する少なくとも１枚の第３の圧電板と、
前記第１の圧電板と前記第２の圧電板との間に設けられた第１の電極層と、
前記第１の圧電板と前記第３の圧電板との間に設けられた第２の電極層とを有し、
前記第１の圧電板の前記Ｂ軸方向の熱膨張係数と、前記第２の電極層の前記Ｂ軸方向の熱膨張係数との差は、前記第１の圧電板の前記Ｂ軸方向の熱膨張係数の１０％以下であるセンサー素子と、
前記センサー素子から出力された電圧に基づいて、前記外力を検出する外力検出回路とを備えていることを特徴とする。
これにより、本発明のセンサー素子と同様の効果を得られるとともに、センサー素子から出力された電荷に基づいて外力を検出することができる。
【００１８】
［適用例１１］
本発明の力検出装置では、前記センサー素子は、４つ以上設けられているのが好ましい。
これにより、センサー素子が４つ以上設けられている分、力検出装置の検出精度の向上を図ることができる。
【００１９】
［適用例１２］
本発明のロボットは、アームを複数有し、前記複数のアームの隣り合う前記アーム同士を回動自在に連結してなる少なくとも１つのアーム連結体と、
前記アーム連結体の先端側に設けられたエンドエフェクタと、
前記アーム連結体と前記エンドエフェクタとの間に設けられ、前記エンドエフェクタに加えられる外力を検出する本発明の力検出装置とを備えていることを特徴とする。
【００２０】
これにより、前記本発明のセンサー素子と同様の効果が得られる。そして、力検出装置が検出した外力をフィードバックし、より精密に作業を実行することができる。また、力検出装置が検出した外力によって、エンドエフェクタの障害物への接触等を検知することができる。そのため、従来の位置制御では困難だった障害物回避動作、対象物損傷回避動作等を容易に行うことができ、より安全に作業を実行することができる。
【００２１】
［適用例１３］
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外力を検出する本発明の力検出装置とを備えていることを特徴とする。
これにより、前記本発明のセンサー素子と同様の効果が得られる。そして、力検出装置が検出した外力をフィードバックし、より精密に作業を実行することができる。また、力検出装置が検出した外力によって、把持部の障害物への接触等を検知することができる。そのため、従来の位置制御では困難だった障害物回避動作、対象物損傷回避動作等を容易に行うことができ、より安全に電子部品搬送作業を実行することができる。
【００２２】
［適用例１４］
本発明の電子部品検査装置は、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外力を検出する本発明の力検出装置とを備えていることを特徴とする。
【００２３】
これにより、前記本発明のセンサー素子と同様の効果が得られる。そして、力検出装置が検出した外力をフィードバックし、より精密に作業を実行することができる。また、力検出装置が検出した外力によって、把持部の障害物への接触等を検知することができる。そのため、従来の位置制御では困難だった障害物回避動作、対象物損傷回避動作等を容易に行うことができ、より安全に電子部品検査作業を実行することができる。
【００２４】
［適用例１５］
本発明の部品加工装置は、工具を装着し、前記工具を変位させる工具変位部と、
前記工具に加えられる外力を検出する本発明の力検出装置とを備えていることを特徴とする。
これにより、前記本発明のセンサー素子と同様の効果が得られる。そして、力検出装置が検出した外力をフィードバックすることにより、部品加工装置は、より精密に部品加工作業を実行することができる。また、力検出装置が検出する外力によって、工具の障害物への接触等を検知することができる。そのため、工具に障害物等が接触した場合に緊急停止することができ、部品加工装置は、より安全な部品加工作業を実行可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の力検出装置（センサー素子）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（センサー素子）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に示す電荷出力素子の熱膨張率および結晶軸を示す分解斜視図である。
【図６】図１に示す電荷出力素子の熱膨張率および結晶軸を示す拡大断面図である。
【図７】図１に示す電荷出力素子のＹカット水晶板を概略的に示す模式図であって、（ａ）は、自然状態を示す断面図、（ｂ）は、圧縮応力が生じた状態を示す図である。
【図８】本発明の力検出装置（センサー素子）の第２実施形態を示す平面図である。
【図９】図８中のＡ−Ａ線での断面図である。
【図１０】図８に示す力検出装置を概略的に示す回路図である。
【図１１】本発明の力検出装置（センサー素子）を用いた単腕ロボットの１例を示す図である。
【図１２】本発明の力検出装置（センサー素子）を用いた複腕ロボットの１例を示す図である。
【図１３】本発明の力検出装置（センサー素子）を用いた電子部品検査装置および電子部品搬送装置の１例を示す図である。
【図１４】本発明の力検出装置（センサー素子）を用いた電子部品搬送装置の１例を示す図である。
【図１５】本発明の力検出装置（センサー素子）を用いた部品加工装置の１例を示す図である。
【図１６】本発明の力検出装置（センサー素子）を用いた移動体の１例を示す図である。
【図１７】従来の電荷出力素子の熱膨張率および結晶軸を示す拡大断面図である。
【図１８】図１７に示す電荷出力素子のＸカット水晶板を概略的に示す模式図であって、（ａ）は、自然状態を示す断面図、（ｂ）は、圧縮応力が生じた状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明のセンサー素子、力検出装置、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を添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の力検出装置（センサー素子）の第１実施形態を示す断面図、図２は、図１に示す力検出装置（センサー素子）の平面図、図３は、図１に示す力検出装置を概略的に示す回路図、図４は、図１に示す電荷出力素子を概略的に示す断面図、図５は、図１に示す電荷出力素子の熱膨張率および結晶軸を示す分解斜視図、図６は、図１に示す電荷出力素子の熱膨張率および結晶軸を示す拡大断面図、図７は、図１に示す電荷出力素子のＹカット水晶板を概略的に示す模式図であって、（ａ）は、自然状態を示す断面図、（ｂ）は、圧縮応力が生じた状態を示す図である。なお、図１〜図４の上側を「上（上方）」、下側を「下（下方）」とも言う。
【００２７】
力検出装置１は、第１の基板２と、第１の基板２から所定の間隔を隔てて配置され、第１の基板２に対向する第２の基板３と、第１の基板２と第２の基板３との間に設けられたアナログ回路基板（回路基板）４と、第１の基板２と第２の基板３との間に設けられ、アナログ回路基板４と電気的に接続されたデジタル回路基板５と、アナログ回路基板に搭載され、加えられた外力に応じて信号を出力する電荷出力素子（センサー素子）１０および電荷出力素子１０を収納するパッケージ６０を有するセンサーデバイス６と、２つの与圧ボルト（固定部材）７１とを備えている。
【００２８】
図３に示すように、アナログ回路基板４は、搭載されたセンサーデバイス６の電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑａを電圧Ｖａ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Ｑｂを電圧Ｖｂ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Ｑｃを電圧Ｖｃに変換する変換出力回路９０ｃとを備えている。また、デジタル回路基板５は、加えられた外力を検出する外力検出回路４０を備えている。このデジタル回路基板５は、アナログ回路基板４よりも第１の基板２側、すなわち、アナログ回路基板４と第１の基板２との間に配置されている。
【００２９】
図１に示すように、センサーデバイス６は、アナログ回路基板４の第２の基板３側の面に配置され、第１の基板２に設けられた後述する凸部（第１の凸部）２１と第２の基板３とで挟持されている。すなわち、電荷出力素子１０は、パッケージ６０を介して凸部２１と第２の基板３とで挟持され、与圧されている。なお、第１の基板２と、第２の基板３とのいずれを力が加わる側の基板としてもよいが、本実施形態では、第２の基板３を力が加わる側の基板として説明する。また、電荷出力素子１０は、アナログ回路基板４の第１の基板２側の面に配置されていてもよい。
【００３０】
第１の基板２、第２の基板３、アナログ回路基板４、デジタル回路基板５の形状は、それぞれ、特に限定されないが、本実施形態では、第１の基板２、第２の基板３、アナログ回路基板４、デジタル回路基板５の平面視で、その外形形状は、円形をなしている。なお、第１の基板２、第２の基板３、アナログ回路基板４、デジタル回路基板５の平面視での前記の他の外形形状としては、例えば、四角形、五角形等の多角形、楕円形等が挙げられる。また、第１の基板２、第２の基板３、アナログ回路基板４の各素子および各配線以外の部位、デジタル回路基板５の各素子および各配線以外の部位の構成材料としては、それぞれ、特に限定されず、例えば、各種の樹脂材料、各種の金属材料等を用いることができる。
【００３１】
＜センサーデバイス＞
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。
パッケージ６０は、凹部６１１を有する基部（第１の部材）６１と、その基部６１に接合された蓋体（第２の部材）６２とを有している。電荷出力素子１０は、基部６１の凹部６１１に設置されており、その基部６１の凹部６１１は、蓋体６２により封止されている。これにより、電荷出力素子１０を保護することができ、信頼性の高い力検出装置１を提供することができる。なお、電荷出力素子１０の上面は、蓋体６２に接触している。また、パッケージ６０の蓋体６２は、上側、すなわち、第２の基板３側に配置され、基部６１は、下側、すなわち、第１の基板２側に配置され、その基部６１がアナログ回路基板４に固定されている。この構成により、基部６１と蓋体６２とが、凸部２１と第２の基板３とで挟持されて与圧され、その基部６１と蓋体６２とにより、電荷出力素子１０が挟持されて与圧される。
【００３２】
また、基部６１の構成材料としては、特に限定されず、例えば、セラミックス等の絶縁性材料等を用いることができる。また、蓋体６２の構成材料としては、特に限定されず、例えば、ステンレス鋼等の各種の金属材料等を用いることができる。なお、基部６１の構成材料と蓋体６２の構成材料は、同一でもよく、また、異なっていてもよい。
【００３３】
また、パッケージ６０の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、第１の基板２の平面視で、四角形をなしている。なお、パッケージ６０の平面視での前記の他の形状としては、例えば、五角形等の他の多角形、円形、楕円形等が挙げられる。また、パッケージ６０の形状が多角形の場合、例えば、その角部が、丸みを帯びていてもよく、また、斜めに切り欠かれていてもよい。
【００３４】
また、蓋体６２は、本実施形態では、板状をなし、その中央部６２５と外周部６２６との間の部位が屈曲することで、中央部６２５が第２の基板３に向って突出している。中央部６２５の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、第１の基板２の平面視で、電荷出力素子１０と同じ形状、すなわち、四角形をなしている。なお、蓋体６２の中央部６２５の上面および下面は、いずれも平面である。
【００３５】
また、パッケージ６０の基部６１の下面の端部には、電荷出力素子１０と電気的に接続された複数の端子６３が設けられている。各端子６３は、それぞれ、アナログ回路基板４と電気的に接続されており、これにより、電荷出力素子１０とアナログ回路基板４とが電気的に接続される。なお、端子６３の数は、特に限定されないが、本実施形態では、４つであり、すなわち、端子６３は、基部６１の４つの角部にそれぞれ設けられている。
このようなパッケージ６０内には、電荷出力素子１０が収納されている。この電荷出力素子１０については後に詳述する。
【００３６】
＜変換出力回路＞
電荷出力素子１０には、変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃが接続されている。変換出力回路９０ａは、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑａを電圧Ｖａに変換する機能を有する。変換出力回路９０ｂは、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｂを電圧Ｖｂに変換する機能を有する。変換出力回路９０ｃは、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｃを電圧Ｖｃに変換する機能を有する。変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃは、同様であるので、以下では、代表的に、変換出力回路９０ｃについて説明する。
【００３７】
変換出力回路９０ｃは、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｃを電圧Ｖｃに変換して電圧Ｖｃ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。
【００３８】
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Ｑｃは、静電容量Ｃ１を有するコンデンサー９２に蓄えられ、電圧Ｖｃ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Ｑｃ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Ｖｃは、電荷出力素子１０から出力される電荷Ｑｃの蓄積量に比例する。
【００３９】
スイッチング素子９３は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体スイッチング素子である。半導体スイッチング素子は、機械式スイッチと比べて小型および軽量であるので、力検出装置１の小型化および軽量化に有利である。以下、代表例として、スイッチング素子９３としてＭＯＳＦＥＴを用いた場合を説明する。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
＜外力検出回路＞
外力検出回路４０は、変換出力回路９０ａから出力される電圧Ｖａと、変換出力回路９０ｂから出力される電圧Ｖｂと、変換出力回路９０ｃから出力される電圧Ｖｃとに基づき、加えられた外力を検出する機能を有する。外力検出回路４０は、変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃに接続されたＡＤコンバーター４０１と、ＡＤコンバーター４０１に接続された演算部４０２とを有する。
ＡＤコンバーター４０１は、電圧Ｖａ、Ｖｃ、Ｖｂ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Ｖａ、Ｖｃ、Ｖｂは、演算部４０２に入力される。
【００４３】
すなわち、第１の基板２および第２の基板３の相対位置が互いにＡ軸方向にずれる外力が加えられた場合、ＡＤコンバーター４０１は、電圧Ｖａを出力する。同様に、第１の基板２および第２の基板３の相対位置が互いにＣ軸方向にずれる外力が加えられた場合、ＡＤコンバーター４０１は、電圧Ｖｃを出力する。また、第１の基板２および第２の基板３の相対位置が互いにＢ軸方向にずれる外力が加えられた場合、ＡＤコンバーター４０１は、電圧Ｖｂを出力する。
【００４４】
演算部４０２は、デジタル変換された電圧Ｖａ、Ｖｃ、Ｖｂに対して、例えば、各変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃ間の感度の差をなくす補正等の各処理を行う。そして、演算部４０２は、電荷出力素子１０から出力される電荷Ｑａ、Ｑｃ、Ｑｂの蓄積量に比例する３つの信号を出力する。この３つの信号は、電荷出力素子１０に加えられた３軸力（せん断力および圧縮／引張力）に対応するので、力検出装置１は、電荷出力素子１０に加えられた３軸力を検出することができる。
【００４５】
図１および図２に示すように、この力検出装置１では、第１の基板２に、凸部（第１の凸部）２１が設けられている。この第１の基板２と第２の基板３とは、凸部２１が内側になり、第１の基板２の面と第２の基板３の面とが間隔を隔て対向している。なお、凸部２１の上面（第２の基板３と対向する面）２１１は、平面である。この凸部２１は、第１の基板２と一体的に形成されていてもよく、また、別部材で形成されていてもよい。なお、凸部２１の構成材料は、特に限定されず、例えば、第１の基板２と同様のものとすることができる。
【００４６】
また、凸部２１の位置は、特に限定されないが、本実施形態では、凸部２１は、第１の基板２の中央部に配置されている。
また、凸部２１部の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、第１の基板２の平面視で、電荷出力素子１０と同じ形状、すなわち、四角形をなしている。なお、凸部２１の平面視での前記の他の形状としては、例えば、四角形、五角形等の多角形、楕円形等が挙げられる。
【００４７】
また、アナログ回路基板４の電荷出力素子１０が配置されている部位、すなわち、中央部には、凸部２１が挿入される孔４１が形成されている。この孔４１は、アナログ回路基板４を貫通する貫通孔である。孔４１の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、第１の基板２の平面視で、凸部２１と同じ形状、すなわち、四角形をなしている。なお、アナログ回路基板４は、凸部２１に支持されている。
【００４８】
同様に、デジタル回路基板５の電荷出力素子１０が配置されている部位、すなわち、中央部には、凸部２１が挿入される孔５１が形成されている。孔５１の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、第１の基板２の平面視で、凸部２１と同じ形状、すなわち、四角形をなしている。なお、デジタル回路基板５は、凸部２１に支持されている。
なお、アナログ回路基板４には、２つの与圧ボルト７１が挿通する２つの孔４２が形成され、同様に、デジタル回路基板５には、２つの与圧ボルト７１が挿通する２つの孔５２が形成されている。
【００４９】
凸部２１は、アナログ回路基板４の孔４１およびデジタル回路基板５の５１に挿入され、電荷出力素子１０に向って突出している。そして、センサーデバイス６は、凸部２１と第２の基板３とで挟持され、これにより、電荷出力素子１０は、パッケージ６０を介して凸部２１と第２の基板３とで挟持されている。なお、第２の基板３の下面（第１の基板２と対向する面）３６は、平面であり、その下面３６がセンサーデバイス６の蓋体６２の中央部に当接し、凸部２１の上面２１１が基部６１に当接している。
【００５０】
また、凸部２１の寸法は、特に限定されないが、第１の基板２の平面視で、凸部２１の面積は、電荷出力素子１０の面積以上であることが好ましく、電荷出力素子１０の面積よりも大きいことがより好ましい。なお、図示の構成では、凸部２１の面積は、電荷出力素子１０の面積よりも大きい。そして、電荷出力素子１０は、第１の基板２の平面視で（第１の基板２に対して垂直な方向から見て）、凸部２１内に配置され、また、電荷出力素子１０の中心線と凸部２１の中心線とが一致している。この場合、電荷出力素子１０は、第１の基板２の平面視で、凸部２１からはみ出していなければよい。これにより、電荷出力素子１０全体に与圧を加えることができ、また、力検出の際、電荷出力素子１０全体に外力が加わり、より精度の高い力検出を行うことができる。
【００５１】
また、第１の基板２と、第２の基板３とは、２つの与圧ボルト７１により、固定されている。なお、与圧ボルト７１による「固定」は、２つの固定対象物の互いの所定量の移動を許容しつつ行われる。具体的には、第１の基板２と、第２の基板３とは、２つの与圧ボルト７１により、互いの所定量の第２の基板３の面方向の移動が許容されつつ固定される。なお、これは、他の実施形態においても同様である。
【００５２】
各与圧ボルト７１は、それぞれ、その頭部７１５が第２の基板３側となるように配置され、第２の基板３に形成された孔３５から挿入され、アナログ回路基板４の孔４２、デジタル回路基板５の孔５２を挿通し、その雄ネジ７１６が第１の基板２に形成された雌ネジ２５に螺合している。そして、各与圧ボルト７１により、電荷出力素子１０に、所定の大きさのＡ軸方向（図４参照）の圧力、すなわち、与圧が加えられる。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。
【００５３】
また、各与圧ボルト７１の位置は、特に限定されないが、本実施形態では、各与圧ボルト７１は、第１の基板２、第２の基板３、アナログ回路基板４、デジタル回路基板５の周方向に沿って、等角度間隔（１８０°間隔）、すなわち、第２の基板３の平面視で、電荷出力素子１０を介して対向するように配置されている。これにより、第１の基板２と第２の基板３とをバランス良く固定することができ、また、各電荷出力素子１０にバランス良く与圧を加えることができる。なお、与圧ボルト７１の数は、２つに限定されず、例えば、３つ以上であってもよい。
なお、各与圧ボルト７１の構成材料としては、特に限定されず、例えば、各種の樹脂材料、各種の金属材料等を用いることができる。
【００５４】
以上説明したように、この力検出装置１によれば、アナログ回路基板４およびデジタル回路基板５が第１の基板２と第２の基板３との間に設けられているので、装置を小型化することができる。
また、凸部２１と第２の基板３とで、アナログ回路基板４およびデジタル回路基板５を介することなく、センサーデバイス６を挟持すること、すなわち、パッケージ６０を介して電荷出力素子１０を挟持することができる。これにより、電荷出力素子１０に対して十分に与圧を加えることができ、また、力検出の精度を向上させることができる。
【００５５】
また、パッケージ６０の蓋体６２の中央部６２５は、第２の基板３に向って突出しているので、第２の基板３の下面３６が平面であっても電荷出力素子１０に対して十分に与圧を加えることができ、また、力検出の際、外力が加わり難くなることを防止することができる。そして、第２の基板３の下面３６が平面であるので、製造時に第２の基板３と電荷出力素子１０との位置合わせが不要となり、容易に力検出装置１を製造することができる。
【００５６】
次に電荷出力素子１０について説明する。
電荷出力素子１０は、互いに直交する３軸（Ａ軸、Ｂ軸、Ｃ軸）に沿って加えられた（受けた）外力のそれぞれに応じて３つの電荷Ｑａ、Ｑｂ、Ｑｃを出力する機能を有する。
電荷出力素子１０の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、第１の基板２の平面視、すなわち、第１の基板２に対して垂直な方向から見て、四角形をなしている。なお、電荷出力素子１０の平面視での前記の他の外形形状としては、例えば、五角形等の他の多角形、円形、楕円形等が挙げられる。
【００５７】
図４に示すように、電荷出力素子１０は、グランド（基準電位点）に接地された４つのグランド電極層１１、１５、１６、１７と、Ａ軸に平行な外力（圧縮／引張力）に応じて電荷Ｑａを出力する第１のセンサー１２と、Ｂ軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｂを出力する第２のセンサー１３と、Ｃ軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｃを出力する第３のセンサー１４とを有している。また、電荷出力素子１０では、グランド電極層１１、第３のセンサー１４、グランド電極層（第２の電極層）１５、第１のセンサー１２、グランド電極層（第１の電極層）１６、第２のセンサー１３およびグランド電極層１７の順に、Ａ軸方向負側から積層されている。なお、図４において、センサー１２、１３、１４の積層方向をＡ軸方向とし、Ａ軸方向に直交し且つ互いに直交する方向をそれぞれＢ軸方向、Ｃ軸方向としている。
【００５８】
第１のセンサー１２は、Ａ軸に沿って加えられた（受けた）外力（圧縮／引張力）に応じて電荷Ｑａを出力する機能を有する。第１のセンサー１２は、Ａ軸に平行な圧縮力に応じて正電荷を出力し、Ａ軸に平行な引張力に応じて負電荷を出力するよう構成されている。
第１のセンサー１２は、第１の圧電体層（第１の圧電板）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の圧電板）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、電荷Ｑａを出力する出力電極層１２２を有する。
【００５９】
第１の圧電体層１２１は、互いに直交する３つの結晶軸であるｘ軸、ｙ軸およびｚ軸を有している。また、ｘ軸は、加重を加えると電荷が発生する方向に配向した軸である（以下、各圧電体層でも同様である）。第１の圧電体層１２１では、ｘ軸方向とＡ軸方向とが一致しており、ｙ軸方向とＢ軸方向とが一致しており、ｚ軸方向とＣ軸方向とが一致している。
【００６０】
第１の圧電体層１２１の表面に対し、Ａ軸に平行な圧縮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１６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、Ａ軸に平行な引張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１６側表面近傍には正電荷が集まる。
また、第２の圧電体層１２３は、第１の圧電体層１２１と同様の結晶軸を有しており、第１の圧電体層１２１をＣ軸回りに１８０°回転させた状態で配置されている。
【００６１】
第２の圧電体層１２３の表面に対し、Ａ軸に平行な圧縮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１５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、Ａ軸に平行な引張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１５側表面近傍には正電荷が集まる。
なお、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３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という観点から水晶で構成されている。
【００６２】
また、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３のように、層の面方向に垂直な外力（圧縮／引張力）に対して電荷を生ずる圧電体層は、本実施形態では、Ｘカット水晶板（Ｘ板）により構成されている。
また、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３は、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で構成されていてもよい。
【００６３】
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Ｑｂ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Ａ軸に平行な圧縮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Ｑｂ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Ａ軸に平行な引張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Ｑｂが出力される。
【００６４】
第２のセンサー１３は、Ｂ軸に沿って加えられた（受けた）外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｂを出力する機能を有する。第２のセンサー１３は、Ｂ軸の正方向に沿って加えられた外力に応じて正電荷を出力し、Ｂ軸の負方向に沿って加えられた外力に応じて負電荷を出力するよう構成されている。
第２のセンサー１３は、第１のセンサー１２のＡ軸正側に、第１のセンサー１２と対向して配置されている。この第２のセンサーは、第３の圧電体層（第２の圧電板）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２の圧電板）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、電荷Ｑｂを出力する出力電極層１３２を有する。
【００６５】
第３の圧電体層１３１は、互いに直交する３つの結晶軸であるｘ軸、ｙ軸およびｚ軸を有している。第３の圧電体層１３１では、ｘ軸方向とＢ軸方向とが一致しており、ｙ軸方向とＡ軸方向とが一致しており、ｚ軸方向とＣ軸方向とが一致している。
第３の圧電体層１３１の表面に対し、Ｂ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１７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、Ｂ軸の負方向に沿った外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１７側表面近傍には正電荷が集まる。
【００６６】
第４の圧電体層１３３は、第３の圧電体層１３１と同様の結晶軸を有しており、第３の圧電体層１３１をＣ軸回りに１８０°回転させた状態で配置されている。
第４の圧電体層１３３の表面に対し、Ｂ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１６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、Ｂ軸の負方向に沿った外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１６側表面近傍には正電荷が集まる。
【００６７】
第３の圧電体層１３１および第４の圧電体層１３３の構成材料としては、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３と同様の構成材料を用いることができる。また、第３の圧電体層１３１および第４の圧電体層１３３のように、層の面方向に沿った外力（せん断力）に対して電荷を生ずる圧電体層は、本実施形態では、Ｙカット水晶板（Ｙ板）により構成されている。
【００６８】
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Ｑａ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Ｂ軸の正方向に沿った外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Ｑａ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Ｂ軸の負方向に沿った外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Ｑａが出力される。
【００６９】
第３のセンサー１４は、Ｃ軸に沿って加えられた（受けた）外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｃを出力する機能を有する。第３のセンサー１４は、Ｃ軸の正方向に沿って加えられた外力に応じて正電荷を出力し、Ｃ軸の負方向に沿って加えられた外力に応じて負電荷を出力するよう構成されている。
第３のセンサー１４は、第１のセンサー１２と対向して、第１のセンサー１２の第２のセンサー１３と反対側、すなわち、Ａ軸負側に設けられている。この第３のセンサー１４は、第５の圧電体層（第３の圧電板）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３の圧電板）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、電荷Ｑを出力する出力電極層１４２を有する。
【００７０】
第５の圧電体層１４１は互いに直交する３つの結晶軸であるｘ軸、ｙ軸およびｚ軸を有している。第５の圧電体層１４１では、ｘ軸方向とＣ軸方向とが一致しており、ｙ軸方向とＡ軸方向とが一致しており、ｚ軸方向とＢ軸方向とが一致している。
第５の圧電体層１４１の表面に対し、Ｃ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１５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、Ｃ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１５側表面近傍には正電荷が集まる。
【００７１】
第６の圧電体層１４３は、第５の圧電体層１４１と同様の結晶軸を有しており、第５の圧電体層１４１をＢ軸回りに１８０°回転させた状態で配置されている。
第６の圧電体層１４３の表面に対し、Ｃ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、Ｃ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。
【００７２】
また、第５の圧電体層１４１および第６の圧電体層１４３のように、層の面方向に沿った外力（せん断力）に対して電荷を生ずる圧電体層は、本実施形態では、Ｙカット水晶により構成されている。なお、第５の圧電体層１４１は第３の圧電体層１３１をＡ軸回りに９０°回転させた（転回した）状態で配置されており、第６の圧電体層１４３は、第４の圧電体層１３３をＡ軸回りに９０°回転させた（転回した）状態で配置されている。
第５の圧電体層１４１は第３の圧電体層１３１をＡ軸回りに９０°回転させた（ずれた）状態で配置されており、第６の圧電体層１４３は、第４の圧電体層１３３をＡ軸回りに９０°回転させた（転回した）状態で配置されている。
【００７３】
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Ｑｃ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Ｃ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Ｑｃ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Ｃ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Ｑｃが出力される。
【００７４】
このように、第３のセンサー１４、第２のセンサー１３および第１のセンサー１２は、各センサーの力検出方向が互いに直交するように積層されている。これにより、各センサーは、それぞれ、互いに直交する力成分に応じて電荷を誘起することができる。そのため、電荷出力素子１０は、３軸（Ａ軸、Ｂ軸、Ｃ軸）に沿った外力（ひずみ）のそれぞれに応じて３つの電荷Ｑａ、Ｑｂ、Ｑｃを出力することができる。
【００７５】
また、各センサー１２、１３、１４では、圧電体層が２枚ずつ、互いにＢ軸またはＣ軸回りに１８０°回転させた状態で配置されている。これにより、２枚の圧電体層のいずれか一方のみと、出力電極層によって各センサーを構成する場合と比較して、出力電極層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、出力電極層から出力される電荷Ｑを増加させることができる。
【００７６】
さて、各圧電体層１２１、１２３、１３１、１３３、１４１、１４３では、ｘ軸方向、ｙ軸方向およびｚ軸方向の熱膨張係数が異なっている。各圧電体層１２１、１２３、１３１、１３３、１４１、１４３では、ｘ軸方向の熱膨張係数とｙ軸方向の熱膨張係数が同じであり、ｚ軸方向の熱膨張係数がｘ軸方向の熱膨張係数およびｙ軸方向の熱膨張係数よりも小さい。図５に示すように、各圧電体層１２１、１２３、１３１、１３３、１４１、１４３では、ｘ軸方向の熱膨張係数が１３．４×１０ー６（１／Ｋ）、ｙ軸方向の熱膨張係数が１３．４×１０ー６（１／Ｋ）、ｚ軸方向の熱膨張係数７．８×１０ー６（１／Ｋ）となっている。
【００７７】
ここで、一般的な電子デバイスでは、Ａｕ層を一対のＣｒ層で挟んだ３層構成の金属膜を電極として用いることが多い。かかる金属膜を、電極層１２２、１３２、１４２および各グランド電極層１１、１５、１６、１７として用いた場合、電荷出力素子が不要な応力を検出するという問題が生じることがある。本発明者らの検討によれば、次のようなことが原因であると考えられる。
Ｃｒ層は、Ａ軸方向、Ｂ軸方向およびＣ軸方向の熱膨張係数が同一であり、その熱膨張係数は、４．９×１０ー６（１／Ｋ）である。また、Ａｕ層は、Ａ軸方向、Ｂ軸方向およびＣ軸方向の熱膨張係数が同一であり、その熱膨張係数は、１４．２×１０ー６（１／Ｋ）である。
【００７８】
したがって、図１７に示すように、第２の圧電体層１２３と、第２の圧電体層１２３と隣接するグランド電極層（特に、Ｃｒ層）および出力電極層（特に、Ｃｒ層）とでは、Ｂ軸方向の熱膨張係数が大きく異なる。このため、例えば、外部環境の温度変化により、第２の圧電体層１２３の方がよりグランド電極層１５および出力電極層１２２よりも大きく熱膨張または熱収縮する。すなわち、外部環境の温度変化による膨張率または収縮率は、グランド電極層１５および出力電極層１２２の方が第２の圧電体層１２３より小さい。
【００７９】
前記熱膨張が生じた場合、第２の圧電体層１２３には、第２の圧電体層１２３と隣接するＣｒ層によって、その熱膨張を妨げる方向に力が作用する。その結果、第２の圧電体層１２３には、Ｂ軸方向の圧縮応力が生じる。一方、前記熱収縮が生じた場合、第２の圧電体層１２３には、第２の圧電体層１２３と隣接するＣｒ層によって、その熱収縮を妨げる方向に力が作用する。その結果、第２の圧電体層１２３には、Ｂ軸方向の引張応力が生じる。
【００８０】
なお、第２の圧電体層１２３は、前述したように、Ｘカット水晶板で構成されているため、Ｃ軸方向からみたとき、６つの頂点にＳｉ原子とＯ原子とが交互に配置されたような六角形の単位結晶構造を有している（図１８（ａ）参照）。この単位結晶構造は、第２の圧電体層１２３では、Ｓｉ原子とＯ原子とを結ぶ３つの対角線のうちの１つの対角線が第２の圧電体層１２３の厚さ方向とほほ平行となるような状態となっている。
【００８１】
このような第２の圧電体層１２３に、前述したＢ軸方向の圧縮応力が付与されると、図１８（ｂ）に示すように、の単位結晶構造がＡ軸方向に引き伸ばされる。このため、出力電極層１２２に近接するＯ原子が隣り合うＳｉ原子よりもさらに出力電極層１２２に近づいた状態となり、グランド電極層１５に近接するＳｉ原子が隣り合うＯ原子よりもさらにグランド電極層１５に近づいた状態となる。その結果、出力電極層１２２では、静電誘導により、第２の圧電体層１２３側に正電荷が集まり、第２の圧電体層１２３と反対側（第１の圧電体層１２１側）に負電荷が集まる。よって、出力電極層１２２からは、負電荷が検出されることとなる。
【００８２】
一方、第２の圧電体層１２３に、前述したＢ軸方向の引張応力が付与されると、前記とは逆に、単位結晶構造がＡ軸方向に押しつぶされる（図示せず）。これにより、出力電極層１２２に近接するＯ原子が隣り合うＳｉ原子よりも出力電極層１２２から離れた状態となり、グランド電極層１５に近接するＳｉ原子は、隣り合うＯ原子よりもグランド電極層１１から離れた状態となる。その結果、出力電極層１２２では、静電誘導により、第２の圧電体層１２３側に負電荷が集まり、第２の圧電体層１２３と反対側（第１の圧電体層１２１側）に正電荷が集まる。よって、出力電極層１２２からは、正電荷が検出されることとなる。
【００８３】
このように、Ａｕ層を一対のＣｒ層で挟んだ３層構成の金属膜を、電極層１２２、１３２、１４２および各グランド電極層１１、１５、１６、１７に用いた場合、グランド電極層１２１および出力電極層１２２と第２の圧電体層１２３との間における熱膨張係数の違いから、外部環境の温度変化により、不本意にも、出力電極層１２２から正電荷または負電荷が検出してしまうことがある。
【００８４】
このような不具合を解消するためには、各圧電体層の熱膨張係数と各電極の熱膨張係数とをできる限り近づけることが有効である。そこで、本発明では、各圧電体層（特に、第２の圧電体層１２３）と、各電極（特に、第２の圧電体層１２３と隣接するグランド電極層１５）との熱膨張係数の差が、各圧電体層（特に、第２の圧電体層１２３）の熱膨張係数の１０％以下なるように設定した。これにより、外部環境の温度が変化しても、第２の圧電体層１２３とグランド電極層１５とが、ほぼ等しい膨張率および収縮率で、伸縮するため、電荷出力素子１０において、外部環境の温度変化による不要な応力検出を抑制または防止することができる。
なお、前記熱膨張係数の差は、圧電体層の熱膨張係数の１０％以下であればよいが、８％以下であるのが好ましく、５％以下であるのがより好ましい。これにより、電荷出力素子１０において、外部環境の温度変化による不要な応力検出をより確実に抑制または防止することができる。
【００８５】
このような条件を満足し得る出力電極層１２２、１３２、１４２および各グランド電極層１１、１５、１６、１７の構成材料としては、例えば、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｂｉ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。これらの材料は、前述したような圧電材料（特に、ＳｉＯ２）の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有することから好ましい。具体的には、Ｎｉ、ＣｏおよびＢｉは、それぞれ、Ａ軸方向、Ｂ軸方向およびＣ軸方向の熱膨張係数が同一であり、Ｎｉの熱膨張係数は、１３．４×１０ー６（１／Ｋ）、Ｃｏの熱膨張係数は、１３．０×１０ー６（１／Ｋ）であり、Ｂｉの熱膨張係数は、１３．３×１０ー６（１／Ｋ）である。
【００８６】
これらの中でも、特に、出力電極層１２２、１３２、１４２および各グランド電極層１１、１５、１６、１７は、Ｎｉで構成されているのがより好ましい。これにより、第２の圧電体層１２３のｙ軸方向の熱膨張係数と、グランド電極層１５の熱膨張係数とが一致する。すなわち、第２の圧電体層１２３とグランド電極層１５とのＢ軸方向の熱膨張係数が実用上一致する。よって、電荷出力素子１０では、温度変化により、膨張または収縮した際、第２の圧電体層１２３とグランド電極層１５とは、Ｂ軸方向の膨張率または収縮率が実用上一致する。よって、第２の圧電体層１２３およびグランド電極層１５は、温度変化によって同じだけ膨張または収縮する。その結果、第２の圧電体層１２３に圧縮応力または引張応力が発生するのを防止または抑制することができる。したがって、温度変化によって出力電極層１２２から電荷Ｑａが出力されるのを抑制または防止することができる。
【００８７】
なお、本明細書中では、「実用上一致」とは、第２の圧電体層１２３のｙ軸方向の熱膨張係数と、グランド電極層１５の熱膨張係数との差が、第２の圧電体層１２３の熱膨張係数１％以下であることを言う。また、以下では、電極層１２２、１３２、１４２および各グランド電極層１１、１５、１６、１７は、Ｎｉで構成されている場合について説明する。
【００８８】
図５に示すように、グランド電極層１５の熱膨張係数は１３．４×１０ー６（１／Ｋ）であり、第５の圧電体層１４１のｚ軸方向の熱膨張係数は７．８×１０ー６（１／Ｋ）である。すなわち、第２の圧電体層１２３と隣接するグランド電極層１５と第５の圧電体層１４１とは、Ｂ軸方向の熱膨張係数が異なっている。このため、温度変化によって、グランド電極層１５および第５の圧電体層１４１には、Ｂ軸方向の圧縮応力または引張応力が生じることとなる。
【００８９】
しかしながら、第５の圧電体層１４１は、Ｙカット水晶板で構成されている。Ｙカット水晶板の結晶構造は、Ｏ原子およびＳｉ原子がｚ軸（Ｂ軸）に螺旋状に巻回された単位結晶構造を有している（図示せず）。このため、Ｂ軸方向の圧縮応力が生じた場合、螺旋状の単位結晶構造はＢ軸方向に押しつぶされる。このとき、螺旋状の単位結晶構造はＢ軸方向に押しつぶされるだけで、Ｓｉ原子およびＯ原子は、実質的にＡ軸方向に移動しない。その結果、第５の圧電体層１４１では、圧電効果が生じず、出力電極層１４２からは電荷が生じない。
【００９０】
また、第５の圧電体層１４１では、Ｂ軸方向の引張応力が生じた場合、螺旋状の単位結晶構造はＢ軸方向に引き伸ばされる。このとき、螺旋状の単位結晶構造はＢ軸方向に引き伸ばされるだけで、Ｓｉ原子およびＯ原子は、実質的にＡ軸方向に移動しない。その結果、第５の圧電体層１４１では、圧電効果が生じず、出力電極層１４２からは電荷が生じない。
【００９１】
以上説明したように、本発明のセンサー素子は、Ｘカット水晶板で構成された第１の圧電板と、Ｙカット水晶板で構成され、第１の圧電板とＡ軸方向に積層され、Ｂ軸方向の外力に応じて電荷を出力する第２の圧電板と、Ｙカット水晶板で構成され、第２の圧電板を第１の圧電板との間に挟むように、且つ、前記Ａ軸回りに転回した配置で前記Ａ軸方向に積層された第３の圧電板とを有している。また、第１の圧電板のＢ軸方向の熱膨張係数と、第２の電極層のＢ軸方向の熱膨張係数との差は、第１の圧電板のＢ軸方向の熱膨張係数の１０％以下である。これらのことから、第１の圧電板および第２の電極層に温度変化による熱膨張または熱収縮が生じた場合であっても、電荷が出力されるのを抑制または防止することができる。その結果、信頼性の高い電荷出力素子を得ることができる。
【００９２】
また、本発明によれば、電荷出力素子は、外力を検出する際にも、同様の原理で温度変化による電荷が出力されるのを抑制または防止することができる。このため、電荷出力素子の検出精度をより高めることができる。
また、電極層１２２、１３２、１４２およびグランド電極層１１、１５、１６、１７が、同じ材料で構成されていることで、電荷出力素子１０の製造工程で、異なる材料を用意する手間を省くことができる。よって、電荷出力素子１０を比較的容易に形成することができる。
また、電極層１２２、１３２、１４２およびグランド電極層１１、１５、１６、１７のうちの、少なくともグランド電極層１５および出力電極層１２２が、Ｎｉ、ＣｏおよびＢｉからなる群より選択される少なくとも一種類の金属または該金属を含む合金を主とする材料で構成されていればよい。
【００９３】
＜第２実施形態＞
図８は、本発明の力検出装置（センサー素子）の第２実施形態を示す平面図、図９は、図８中のＡ−Ａ線での断面図、図１０は、図８に示す力検出装置を概略的に示す回路図である。
以下、第２実施形態について、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
【００９４】
図８および図９に示す第２実施形態の力検出装置１は、外力（モーメントを含む）を検出する機能、すなわち、６軸力（Ａ、Ｂ、Ｃ軸方向の並進力成分（せん断力）およびＡ、Ｂ、Ｃ軸周りの回転力成分（モーメント））を検出する機能を有する。
図８および図９に示すように、力検出装置１は、センサーデバイス６を４つ、与圧ボルト７１を４つ有している。各センサーデバイス６の位置は、特に限定されないが、本実施形態では、各センサーデバイス６、すなわち、各電荷出力素子１０は、第１の基板２、第２の基板３、アナログ回路基板４の周方向に沿って、等角度間隔（９０°間隔）に配置されている。これにより、偏りなく外力を検出することができる。そして、６軸力を検出することができる。また、本実施形態では、各電荷出力素子１０は、全て同じ方向を向いているが、これに限定されるものではない。
【００９５】
また、第１の基板２には、各センサーデバイス６に対応するように、４つの凸部２１が設けられている。なお、この凸部２１については、第１実施形態で説明済みであるので、その説明は省略する。
なお、センサーデバイス６の数は、前記４つに限定されるものではなく、例えば、２つ、３つ、または５つ以上でもよい。但し、センサーデバイス６の数は、複数であることが好ましく、３つ以上であることがより好ましい。なお、力検出装置１は、少なくとも３つのセンサーデバイス６を有していれば、６軸力を検出可能である。センサーデバイス６が３つの場合、センサーデバイス６の数が少ないので、力検出装置１を軽量化することができる。また、センサーデバイス６が図示のように４つの場合、後述する非常に単純な演算によって６軸力を求めることができるので、演算部４０２を簡略化することができる。
【００９６】
＜変換出力回路＞
図１０に示すように、各電荷出力素子１０には、それぞれ、変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃが接続されている。各変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃは、前述した第１実施形態の変換出力回路９０と同様であるので、その説明は省略する。
【００９７】
＜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Ｖａ１、Ｖａ２、Ｖａ３、Ｖａ４と、各変換出力回路９０ｂから出力される電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２、Ｖｂ３、Ｖｂ４と、各変換出力回路９０ｃから出力される電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２、Ｖｃ３、Ｖｃ４とに基づき、加えられた外力を検出する機能を有する。外力検出回路４０は、変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃに接続されたＡＤコンバーター４０１と、ＡＤコンバーター４０１に接続された演算部４０２とを有する。
【００９８】
ＡＤコンバーター４０１は、電圧Ｖａ１、Ｖｃ１、Ｖｂ１、Ｖａ２、Ｖｃ２、Ｖｂ２、Ｖａ３、Ｖｃ３、Ｖｂ３、Ｖａ４、Ｖｃ４、Ｖｂ４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Ｖａ１、Ｖｃ１、Ｖｂ１、Ｖａ２、Ｖｃ２、Ｖｂ２、Ｖａ３、Ｖｃ３、Ｖｂ３、Ｖａ４、Ｖｃ４、Ｖｂ４は、演算部４０２に入力される。
【００９９】
すなわち、第１の基板２および第２の基板３の相対位置が互いにＡ軸方向にずれる外力が加えられた場合、ＡＤコンバーター４０１は、電圧Ｖａ１、Ｖａ２、Ｖａ３、Ｖａ４を出力する。同様に、第１の基板２および第２の基板３の相対位置が互いにＣ軸方向にずれる外力が加えられた場合、ＡＤコンバーター４０１は、電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２、Ｖｃ３、Ｖｃ４を出力する。また、第１の基板２および第２の基板３の相対位置が互いにＢ軸方向にずれる外力が加えられた場合、ＡＤコンバーター４０１は、電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２、Ｖｂ３、Ｖｂ４を出力する。
また、第１の基板２および第２の基板３は、互いにＡ軸周りに回転する相対変位、Ｂ軸周りに回転する相対変位、およびＣ軸周りに回転する相対変位が可能であり、各回転に伴う外力を電荷出力素子１０に伝達することが可能である。
【０１００】
演算部４０２は、デジタル変換された電圧Ｖａ１、Ｖｃ１、Ｖｂ１、Ｖａ２、Ｖｃ２、Ｖｂ２、Ｖａ３、Ｖｃ３、Ｖｂ３、Ｖａ４、Ｖｃ４、Ｖｂ４に基づき、Ａ軸方向の並進力成分Ｆａ、Ｃ軸方向の並進力成分Ｆｃ、Ｂ軸方向の並進力成分Ｆｂ、Ａ軸周りの回転力成分Ｍａ、Ｃ軸周りの回転力成分Ｍｃ、Ｂ軸周りの回転力成分Ｍｂを演算する機能を有する。各力成分は、以下の式により求めることができる。
【０１０１】
Ｆａ＝Ｖａ１＋Ｖａ２＋Ｖａ３＋Ｖａ４
Ｆｃ＝Ｖｃ１＋Ｖｃ２＋Ｖｃ３＋Ｖｃ４
Ｆｂ＝Ｖｂ１＋Ｖｂ２＋Ｖｂ３＋Ｖｂ４
Ｍａ＝ｋ×（Ｖｂ４−Ｖｂ２）
Ｍｃ＝ｊ×（Ｖｂ３−Ｖｂ１）
Ｍｂ＝ｋ×（Ｖａ２−Ｖａ４）＋ａ×（Ｖｃ１−Ｖｃ３）
ここで、ｊ、ｋは定数である。
【０１０２】
このように、力検出装置１は、６軸力を検出することができる。
なお、演算部４０２は、例えば、各変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃ間の感度の差をなくす補正等を行うようになっていてもよい。
また、図８および図９に示すように、第１の基板２と、第２の基板３とは、４つの与圧ボルト７１により、固定されている。なお、与圧ボルト７１の数は、４つに限定されず、例えば、２つ、３つ、または、５つ以上であってもよい。
【０１０３】
また、各与圧ボルト７１の位置は、特に限定されないが、本実施形態では、各与圧ボルト７１は、第１の基板２、第２の基板３、アナログ回路基板４、デジタル回路基板５の周方向に沿って、等角度間隔（９０°間隔）に配置されている。これにより、第１の基板２と第２の基板３とをバランス良く固定することができ、また、各電荷出力素子１０にバランス良く与圧を加えることができる。
この力検出装置１によれば、前述した第１実施形態と同様の効果が得られる。
【０１０４】
＜単腕ロボットの実施形態＞
次に、図１１に基づき、本発明のロボットの実施形態である単腕ロボットを説明する。以下、本実施形態について、前述した第１、第２実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図１１は、本発明の力検出装置（センサー素子）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５３０と、アーム５２０とエンドエフェクタ５３０との間に設けられた力検出装置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。
【０１０５】
基台５１０は、アーム５２０を回動させるための動力を発生させるアクチュエーター（図示せず）およびアクチュエーターを制御する制御部（図示せず）等を収納する機能を有する。また、基台５１０は、例えば、床、壁、天井、移動可能な台車上などに固定される。
アーム５２０は、第１のアーム要素５２１、第２のアーム要素５２２、第３のアーム要素５２３、第４のアーム要素５２４および第５のアーム要素５２５を有しており、隣り合うアーム同士を回動自在に連結することにより構成されている。アーム５２０は、制御部の制御によって、各アーム要素の連結部を中心に複合的に回転または屈曲することにより駆動する。
【０１０６】
エンドエフェクタ５３０は、対象物を把持する機能を有する。エンドエフェクタ５３０は、第１の指５３１および第２の指５３２を有している。アーム５２０の駆動によりエンドエフェクタ５３０が所定の動作位置まで到達した後、第１の指５３１および第２の指５３２の離間距離を調整することにより、対象物を把持することができる。
なお、エンドエフェクタ５３０は、ここでは、ハンドであるが、本発明では、これに限定されるものではない。エンドエフェクタの他の例としては、例えば、部品検査用器具、部品搬送用器具、部品加工用器具、部品組立用器具、測定器等が挙げられる。これは、他の実施形態におけるエンドエフェクタについても同様である。
【０１０７】
力検出装置１は、エンドエフェクタ５３０に加えられる外力を検出する機能を有する。力検出装置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５３０の障害物への接触等を検知することができる。そのため、従来の位置制御では困難だった障害物回避動作、対象物損傷回避動作等を容易に行うことができ、単腕ロボット５００は、より安全に作業を実行することができる。
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。
【０１０８】
＜複腕ロボットの実施形態＞
次に、図１２に基づき、本発明のロボットの実施形態である複腕ロボットを説明する。以下、本実施形態について、前述した第１、第２、第３および第４実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図１２は、本発明の力検出装置（センサー素子）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６４０ａと、第２のアーム６３０の先端側に設けられた第２のエンドエフェクタ６４０ｂと、第１のアーム６２０と第１のエンドエフェクタ６４０ａ間および第２のアーム６３０と第２のエンドエフェクタ６４０ｂとの間に設けられた力検出装置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。
【０１０９】
基台６１０は、第１のアーム６２０および第２のアーム６３０を回動させるための動力を発生させるアクチュエーター（図示せず）およびアクチュエーターを制御する制御部（図示せず）等を収納する機能を有する。また、基台６１０は、例えば、床、壁、天井、移動可能な台車上などに固定される。
第１のアーム６２０は、第１のアーム要素６２１および第２のアーム要素６２２を回動自在に連結することにより構成されている。第２のアーム６３０は、第１のアーム要素６３１および第２のアーム要素６３２を回動自在に連結することにより構成されている。第１のアーム６２０および第２のアーム６３０は、制御部の制御によって、各アーム要素の連結部を中心に複合的に回転または屈曲することにより駆動する。
【０１１０】
第１、第２のエンドエフェクタ６４０ａ、６４０ｂは、対象物を把持する機能を有する。第１のエンドエフェクタ６４０ａは、第１の指６４１ａおよび第２の指６４２ａを有している。第２のエンドエフェクタ６４０ｂは、第１の指６４１ｂおよび第２の指６４２ｂを有している。第１のアーム６２０の駆動により第１のエンドエフェクタ６４０ａが所定の動作位置まで到達した後、第１の指６４１ａおよび第２の指６４２ａの離間距離を調整することにより、対象物を把持することができる。同様に、第２のアーム６３０の駆動により第２のエンドエフェクタ６４０ｂが所定の動作位置まで到達した後、第１の指６４１ｂおよび第２の指６４２ｂの離間距離を調整することにより、対象物を把持することができる。
【０１１１】
力検出装置１は第１、第２のエンドエフェクタ６４０ａ、６４０ｂに加えられる外力を検出する機能を有する。力検出装置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６４０ａ、６４０ｂの障害物への接触等を検知することができる。そのため、従来の位置制御では困難だった障害物回避動作、対象物損傷回避動作等を容易に行うことができ、複腕ロボット６００は、より安全に作業を実行することができる。
なお、図示の構成では、アームは合計２本であるが、本発明はこれに限られない。複腕ロボット６００が３本以上のアームを有している場合も、本発明の範囲内である。
【０１１２】
＜電子部品検査装置および電子部品搬送装置の実施形態＞
次に、図１３、図１４に基づき、本発明の実施形態である電子部品検査装置および電子部品搬送装置を説明する。以下、本実施形態について、前述した第１、第２実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図１３は、本発明の力検出装置（センサー素子）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、本発明の力検出装置（センサー素子）を用いた電子部品搬送装置の１例を示す図である。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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（Ｂ）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（Ｃ）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（Ａ）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。
【０１１５】
電子部品検査装置７００は、以下のようにして電子部品７１１の検査を行う。最初に、検査対象の電子部品７１１は、上流側ステージ７１２ｕに載せられて、検査台７１４の近くまで移動する。次に、Ｙステージ７３１およびＸステージ７３３を動かして、上流側ステージ７１２ｕに載置された電子部品７１１の真上の位置まで電子部品搬送装置７４０を移動させる。このとき、撮像カメラ７３４を用いて電子部品７１１の位置を確認することができる。そして、電子部品搬送装置７４０内に内蔵されたＺステージを用いて電子部品搬送装置７４０を降下させ、把持部７４１で電子部品７１１を把持すると、そのまま電子部品搬送装置７４０を撮像装置７１３の上に移動させて、撮像装置７１３を用いて電子部品７１１の姿勢を確認する。次に、電子部品搬送装置７４０に内蔵されている微調整機構を用いて電子部品７１１の姿勢を調整する。そして、電子部品搬送装置７４０を検査台７１４の上まで移動させた後、電子部品搬送装置７４０に内蔵されたＺステージを動かして電子部品７１１を検査台７１４の上にセットする。電子部品搬送装置７４０内の微調整機構を用いて電子部品７１１の姿勢が調整されているので、検査台７１４の正しい位置に電子部品７１１をセットすることができる。次に、検査台７１４を用いて電子部品７１１の電気的特性検査が終了した後、今度は検査台７１４から電子部品７１１を取り上げ、Ｙステージ７３１およびＸステージ７３３を動かして、下流側ステージ７１２ｄ上まで電子部品搬送装置７４０を移動させ、下流側ステージ７１２ｄに電子部品７１１を置く。最後に、下流側ステージ７１２ｄを動かして、検査が終了した電子部品７１１を所定位置まで搬送する。
【０１１６】
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軸力検出装置１と、６軸力検出装置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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
＜部品加工装置の実施形態＞
次に、図１５に基づき、本発明の部品加工装置の実施形態を説明する。以下、本実施形態について、前述した第１、第２実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図１５は、本発明の力検出装置を用いた部品加工装置の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。
【０１２０】
基台８１０は、被加工部品８６０を載置し、固定するための台である。支柱８２０は、送り機構８３０を固定するための柱である。送り機構８３０は、工具変位部８４０を昇降させる機能を有する。送り機構８３０は、送り用モーター８３１と、送り用モーター８３１からの出力に基づいて工具変位部８４０を昇降させるガイド８３２を有する。工具変位部８４０は、工具８５０に回転、振動等の変位を与える機能を有する。工具変位部８４０は、変位用モーター８４１と、変位用モーター８４１に連結された主軸（図示せず）の先端に設けられた工具取付け部８４３と、工具変位部８４０に取り付けられ主軸を保持する保持部８４２とを有する。工具８５０は、工具変位部８４０の工具取付け部８４３に、力検出装置１を介して取り付けられ、工具変位部８４０から与えられる変位に応じて被加工部品８６０を加工するために用いられる。工具８５０は、特に限定されないが、例えば、レンチ、プラスドライバー、マイナスドライバー、カッター、丸のこ、ニッパ、錐、ドリル、フライス等である。
【０１２１】
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。
【０１２２】
＜移動体の実施形態＞
次に、図１６に基づき、本発明の移動体の実施形態を説明する。以下、本実施形態について、前述した第１、第２および第３実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図１６は、本発明の力検出装置を用いた移動体の１例を示す図である。図１６の移動体９００は、与えられた動力により移動することができる。移動体９００は、特に限定されないが、例えば、自動車、バイク、飛行機、船、電車等の乗り物、２足歩行ロボット、車輪移動ロボット等のロボット等である。
【０１２３】
移動体９００は、本体９１０（例えば、乗り物の筐体、ロボットのメインボデー等）と、本体９１０を移動させるための動力を供給する動力部９２０と、本体９１０の移動により発生する外力を検出する本発明の力検出装置１と、制御部９３０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。
動力部９２０から供給された動力によって本体９１０が移動すると、移動に伴い振動や加速度等が生じる。力検出装置１は、移動に伴い生じた振動や加速度等による外力を検出する。力検出装置１によって検出された外力は、制御部９３０に伝達される。制御部９３０は、力検出装置１から伝達された外力に応じて動力部９２０等を制御することにより、姿勢制御、振動制御および加速制御等の制御を実行することができる。
【０１２４】
以上、本発明のセンサー素子、力検出装置、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を、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。
また、本発明は、前記実施形態のうちの、任意の２以上の構成（特徴）を組み合わせたものであってもよい。
【０１２５】
また、本発明では、パッケージが省略されていてもよい。
また、本発明では、素子は、第１の基板の平面視で、第１の凸部からはみ出していてもよい。
また、本発明では、素子は、第１の基板の平面視で、第２の凸部からはみ出していてもよい。
【０１２６】
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。
また、本発明のロボットは、アームを有していれば、アーム型ロボット（ロボットアーム）に限定されず、他の形式のロボット、例えば、スカラーロボット、脚式歩行（走行）ロボット等であってもよい。
また、本発明の力検出装置（センサー素子）は、ロボット、電子部品搬送装置、電子部品検査装置および部品加工装置に限らず、他の装置、例えば、他の搬送装置、他の検査装置、振動計、加速度計、重力計、動力計、地震計、傾斜計等の測定装置、入力装置等にも適用することができる。
【符号の説明】
【０１２７】
１…力検出装置  ２…第１の基板  ２１…凸部  ２１１…上面  ２５…雌ネジ  ３…第２の基板    ３５…孔  ３６…下面  ４…アナログ回路基板  ４０…外力検出回路  ４０１…ＡＤコンバーター  ４０２…演算部  ４１、４２…孔  ５…デジタル回路基板  ５１、５２…孔  ６…センサーデバイス  ６０…パッケージ  ６１…基部  ６１１…凹部  ６２…蓋体  ６２５…中央部  ６２６…外周部  ６３…端子  ７１…与圧ボルト  ７１５…頭部  ７１６…雄ネジ  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  １１、１５、１６、１７…グランド電極層  １２…第１のセンサー  １２１…第１の圧電体層  １２２…出力電極層  １２３…第２の圧電体層  １３…第２のセンサー  １３１…第３の圧電体層  １３２…出力電極層  １３３…第４の圧電体層  １４…第３のセンサー  １４１…第５の圧電体層  １４２…出力電極層  １４３…第６の圧電体層  ５００…単腕ロボット  ５１０…基台  ５２０…アーム  ５２１…第１のアーム要素  ５２２…第２のアーム要素  ５２３…第３のアーム要素  ５２４…第４のアーム要素  ５２５…第５のアーム要素  ５３０…エンドエフェクタ  ５３１…第１の指  ５３２…第２の指  ６００…複腕ロボット  ６１０…基台  ６２０…第１のアーム  ６２１…第１のアーム要素  ６２２…第２のアーム要素  ６３０…第２のアーム  ６３１…第１のアーム要素  ６３２…第２のアーム要素  ６４０ａ…第１のエンドエフェクタ  ６４１ａ…第１の指  ６４２ａ…第２の指  ６４０ｂ…第２のエンドエフェクタ  ６４１ｂ…第１の指  ６４２ｂ…第２の指  ７００…電子部品検査装置  ７１０…基台  ７１１…電子部品  ７１２ｕ…上流側ステージ  ７１２ｄ…下流側ステージ  ７１３…撮像装置  ７１４…検査台  ７２０…支持台  ７３１…Ｙステージ  ７３２…腕部  ７３３…Ｘステージ  ７３４…撮像カメラ  ７４０…電子部品搬送装置  ７４１…把持部  ７４２…回転軸  ７４３…微調整プレート  ７４４ｘ、７４４ｙ、７４４θ…圧電モーター  ７５０…制御装置  ８００…部品加工装置  ８１０…基台  ８２０…支柱  ８３０…送り機構  ８３１…送り用モーター  ８３２…ガイド  ８４０…工具変位部  ８４１…変位用モーター  ８４２…保持部  ８４３…工具取付け部  ８５０…工具  ８６０…被加工部品  ９００…移動体  ９１０…本体  ９２０…動力部  ９３０…制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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