(57)【要約】【課題】装置を小型化しつつ、力検出の精度を向上させることができる力検出装置、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。【解決手段】力検出装置１は、第１基部２と、外力に応じて信号を出力する素子１０（６）と、第１基部２との間に素子１０（６）を設ける第２基部３と、第１基部２に設けられ、第１基部２の温度Ｔｂを検出する第１の温度センサー７ａと、第２基部３に設けられ、第２基部３の温度Ｔｃを検出する第２の温度センサー７ｂと、素子１０（６）から出力される信号と、第１の温度センサー７ａの出力と、第２の温度センサー７ｂの出力とに基づき、外力を検出する外力検出回路４０とを備える。【選択図】図１
2015087281.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１基部と、
外力に応じて信号を出力する素子と、
前記第１基部との間に前記素子を設ける第２基部と、
前記第１基部に設けられ、前記第１基部の温度を検出する第１の温度センサーと、
前記第２基部に設けられ、前記第２基部の温度を検出する第２の温度センサーと、
前記素子から出力される前記信号と、前記第１の温度センサーの出力と、前記第２の温度センサーの出力とに基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備えることを特徴とする力検出装置。
【請求項２】
前記外力検出回路は、前記第１の温度センサーの前記出力と、前記第２の温度センサーの前記出力との差分を算出し、前記差分に基づき前記素子から出力される前記信号を補正することにより前記外力を検出する請求項１に記載の力検出装置。
【請求項３】
複数の前記素子を有し、
前記各素子は、前記第１基部または前記第２基部の周方向に、当角度間隔に配置されている請求項１または２に記載の力検出装置。
【請求項４】
複数の前記素子の数と等しい数の前記第１の温度センサーと、複数の前記素子の前記数と等しい数の前記第２の温度センサーとを有する請求項３に記載の力検出装置。
【請求項５】
前記素子は、積層された３つの外力センサーを有しており、
前記外力センサーの積層方向をγ軸方向とし、前記γ軸方向に直交し且つ互いに直交する方向をそれぞれα軸方向、β軸方向とした場合、
前記外力センサーの１つは、前記α軸方向への前記外力に応じて前記信号を出力し、
前記外力センサーの１つは、前記β軸方向への前記外力に応じて前記信号を出力し、
前記外力センサーの１つは、前記γ軸方向への前記外力に応じて前記信号を出力する請求項１ないし４のいずれかに記載の力検出装置。
【請求項６】
少なくとも４つの前記素子を有し、
前記外力検出回路は、前記各素子から出力される前記信号と、前記第１の温度センサーの出力と、前記第２の温度センサーの出力とに基づき、６軸力を検出する請求項５に記載の力検出装置。
【請求項７】
前記素子は、前記第１基部に対して垂直な状態で、前記第１基部と前記第２基部との間に設けられている請求項１または６のいずれかに記載の力検出装置。
【請求項８】
アームと、
前記アームに設けられたエンドエフェクタと、
前記アームと前記エンドエフェクタの間に設けられ、前記エンドエフェクタに加えられる外力を検出する力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、
第１基部と、
外力に応じて信号を出力する素子と、
前記第１基部との間に前記素子を設ける第２基部と、
前記第１基部に設けられ、前記第１基部の温度を検出する第１の温度センサーと、
前記第２基部に設けられ、前記第２基部の温度を検出する第２の温度センサーと、
前記素子から出力される前記信号と、前記第１の温度センサーの出力と、前記第２の温度センサーの出力とに基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備えることを特徴とするロボット。
【請求項９】
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力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、
第１基部と、
外力に応じて信号を出力する素子と、
前記第１基部との間に前記素子を設ける第２基部と、
前記第１基部に設けられ、前記第１基部の温度を検出する第１の温度センサーと、
前記第２基部に設けられ、前記第２基部の温度を検出する第２の温度センサーと、
前記素子から出力される前記信号と、前記第１の温度センサーの出力と、前記第２の温度センサーの出力とに基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備えることを特徴とする電子部品搬送装置。
【請求項１０】
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力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、
第１基部と、
外力に応じて信号を出力する素子と、
前記第１基部との間に前記素子を設ける第２基部と、
前記第１基部に設けられ、前記第１基部の温度を検出する第１の温度センサーと、
前記第２基部に設けられ、前記第２基部の温度を検出する第２の温度センサーと、
前記素子から出力される前記信号と、前記第１の温度センサーの出力と、前記第２の温度センサーの出力とに基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備えることを特徴とする電子部品検査装置。
【請求項１１】
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力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、
第１基部と、
外力に応じて信号を出力する素子と、
前記第１基部との間に前記素子を設ける第２基部と、
前記第１基部に設けられ、前記第１基部の温度を検出する第１の温度センサーと、
前記第２基部に設けられ、前記第２基部の温度を検出する第２の温度センサーと、
前記素子から出力される前記信号と、前記第１の温度センサーの出力と、前記第２の温度センサーの出力とに基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備え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、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導入が進められている。このような産業ロボットは、１軸または複数軸方向に対して駆動可能なアームと、アーム先端側に取り付けられる、ハンド、部品検査用器具または部品搬送用器具等のエンドエフェクタとを備えており、部品の組み付け作業、部品加工作業等の部品製造作業、部品搬送作業および部品検査作業等を実行することができる。
【０００３】
このような産業用ロボットにおいては、例えば、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。産業用ロボットに用いられる力検出装置としては、例えば、特許文献１に開示されているような力検出装置が用いられる。特許文献１に記載の力検出装置は、１対の基部（ベースプレートおよびカバープレート）と、その１対の基部の間に設けられた複数の圧電素子とを備えている。前記基部に外力が加わると、１対の基部が相対的に変位することにより圧電素子に外力が加わる。該圧電素子からの出力を用いることによって、１対の基部間の外力を検出することができる。このような圧電素子を用いた力検出装置では、外力による圧電素子の変形が信号に変換され、出力される。また、１対の基部間は、与圧ボルトによって固定されており、圧電素子に与圧が加えられている。
【０００４】
このような力検出装置を産業用ロボットに用いた場合、アームやエンドエフェクタに設けられたモーター等の発熱源からの熱伝達により、一方の基部が加熱されると、その基部は熱膨張し、次に、与圧ボルト等を介し、または輻射熱により、他方の基部が加熱され、熱膨張する。これにより、一対の基部の間に設けられた圧電素子に対する与圧が変化してしまう。このような与圧変化は、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。
【０００５】
このような温度変化に起因するノイズ成分を除去または減少可能な力検出装置としては、例えば、特許文献２は、外力検出用のメイン圧電素子と、温度補償用のサブ圧電素子とを備える力検出装置を開示している。特許文献２に開示の力検出装置では、サブ圧電素子は、外力による与圧変化が発生せず、力検出装置の温度変化によってのみ与圧変化が発生するよう配置されている。そのため、サブ圧電素子からは、外力が作用したことによる出力変化は検出されず、力検出装置の温度変化に応じた出力変化、すなわち温度変化に起因するノイズ成分のみが検出される。このようなサブ圧電素子からの出力を用いて、メイン圧電素子の出力を補正（補償）することにより、特許文献２に記載の力検出装置は、力検出装置の温度変化に起因するノイズ成分を除去または減少している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−８０５８６号公報
【特許文献２】特開２０１０−２５７３５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、特許文献２に記載の力検出装置では、別途、温度補償用のサブ圧電素子を力検出装置内部に設ける必要がある。そのため、サブ圧電素子を設けるためのスペースを確保する必要があり、力検出装置の小型化が困難である。また、温度補償用のサブ圧電素子の出力特性と、外力検出用のメイン圧電素子の出力特性とを一致させるための部品精度管理が必要となるという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明者らは、温度変化に起因する圧電素子の出力変動は、主として、一対の基部の熱膨張の差、すなわち、一対の基部の温度差に依存することに着目し、温度補償用のサブ圧電素子を用いずに、力検出装置の温度変化に起因する圧電素子の出力変動を補償可能な力検出装置を発明するに至った。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、装置を小型化しつつ、力検出の精度を向上させることができる力検出装置、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を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような目的は、下記の発明により達成される。
＜適用例１＞
本発明に係る力検出装置は、第１基部と、
外力に応じて信号を出力する素子と、
前記第１基部との間に前記素子を設ける第２基部と、
前記第１基部に設けられ、前記第１基部の温度を検出する第１の温度センサーと、
前記第２基部に設けられ、前記第２基部の温度を検出する第２の温度センサーと、
前記素子から出力される前記信号と、前記第１の温度センサーの出力と、前記第２の温度センサーの出力とに基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備えることを特徴とする。
【００１０】
これにより、第１基部と第２基部の温度差を、第１の温度センサーおよび第２の温度センサーを用いて検出することができる。力検出装置の温度変化に起因する素子のノイズ成分は、主として、第１基部と第２基部との熱膨張の差、すなわち、第１基部と第２基部の温度差に依存することから、外力検出回路は、第１基部と第２基部の温度差を用いて、素子の出力から温度変化に起因するノイズ成分を除去または減少させることができる。そのため、力検出装置の測定精度を向上させることができる。さらに、本発明に係る力検出装置では、力検出装置の温度変化に起因する圧電素子の出力変動を補償するための温度補償用のサブ素子が不要である。そのため、サブ圧電素子を設けるためのスペースを確保する必要がなくなり、力検出装置を小型化することができる。また、温度補償用のサブ圧電素子の出力特性と、外力検出用のメイン圧電素子の出力特性とを一致させるための部品精度管理も不要となるため、部品の製造・管理コストを減少させることができる。
【００１１】
＜適用例２＞
本発明に係る力検出装置では、前記外力検出回路は、前記第１の温度センサーの前記出力と、前記第２の温度センサーの前記出力との差分を算出し、前記差分に基づき前記素子から出力される前記信号を補正することにより前記外力を検出することが好ましい。
これにより、温度補償用のサブ素子等を用いない簡易な構成で、素子の出力から温度変化に起因するノイズ成分を除去または減少させることができ、より精度の高い力検出を行うことができる。
【００１２】
＜適用例３＞
本発明に係る力検出装置は、複数の前記素子を有し、前記各素子は、前記第１基部または前記第２基部の周方向に、当角度間隔に配置されていることが好ましい。
これにより、力検出装置に加えられた外力を偏りなく検出することができる。
＜適用例４＞
本発明に係る力検出装置は、複数の前記素子の数と等しい数の前記第１の温度センサーと、複数の前記素子の前記数と等しい数の前記第２の温度センサーとを有することが好ましい。
これにより、各素子近傍における第１基部および第２基部の温度を検出することができ、より正確に各素子から出力される信号を補償することができる。
【００１３】
＜適用例５＞
本発明に係る力検出装置では、前記素子は、積層された３つの外力センサーを有しており、
前記外力センサーの積層方向をγ軸方向とし、前記γ軸方向に直交し且つ互いに直交する方向をそれぞれα軸方向、β軸方向とした場合、
前記外力センサーの１つは、前記α軸方向への前記外力に応じて前記信号を出力し、前記外力センサーの１つは、前記β軸方向への前記外力に応じて前記信号を出力し、前記外力センサーの１つは、前記γ軸方向への前記外力に応じて前記信号を出力することが好ましい。
これにより、素子は３軸力（ｘ、ｙ、ｚ軸方向の並進力成分）に応じて電荷を出力することができる。
【００１４】
＜適用例６＞
本発明に係る力検出装置は、少なくとも４つの前記素子を有し、前記外力検出回路は、前記各素子から出力される前記信号と、前記第１の温度センサーの出力と、前記第２の温度センサーの出力とに基づき、６軸力を検出することが好ましい。
４つの素子（２対の素子）からの出力を用いることにより、６軸力、すなわち、ｘ、ｙ、ｚ軸方向の並進力成分（せん断力および圧縮／引張力）およびｘ、ｙ、ｚ軸周りの回転力成分（モーメント））を検出することができる。
【００１５】
＜適用例７＞
本発明に係る力検出装置では、前記素子は、前記第１基部に対して垂直な状態で、前記第１基部と前記第２基部との間に設けられていることが好ましい。
これにより、素子からの出力の内、力検出装置の温度変化の影響が小さい、せん断力（ｘ、ｙ軸方向の並進力成分）に応じた出力のみを用いて６軸力を検出することができる。そのため、素子の出力から温度変化に起因するノイズ成分を、さらに除去または減少させることができる。
【００１６】
＜適用例８＞
本発明に係るロボットは、アームと、
前記アームに設けられたエンドエフェクタと、
前記アームと前記エンドエフェクタの間に設けられ、前記エンドエフェクタに加えられる外力を検出する力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、
第１基部と、
外力に応じて信号を出力する素子と、
前記第１基部との間に前記素子を設ける第２基部と、
前記第１基部に設けられ、前記第１基部の温度を検出する第１の温度センサーと、
前記第２基部に設けられ、前記第２基部の温度を検出する第２の温度センサーと、
前記素子から出力される前記信号と、前記第１の温度センサーの出力と、前記第２の温度センサーの出力とに基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備えることを特徴とする。
【００１７】
これにより、前記本発明に係る力検出装置と同様の効果が得られる。そして、力検出装置が検出した外力をフィードバックし、より精密に作業を実行することができる。また、力検出装置が検出した外力によって、エンドエフェクタ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。さらに、温度補償用のサブ素子が不要なので、力検出装置を小型化できる。そのため、ロボットを小型化することができる。
【００１８】
＜適用例９＞
本発明に係る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力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、
第１基部と、
外力に応じて信号を出力する素子と、
前記第１基部との間に前記素子を設ける第２基部と、
前記第１基部に設けられ、前記第１基部の温度を検出する第１の温度センサーと、
前記第２基部に設けられ、前記第２基部の温度を検出する第２の温度センサーと、
前記素子から出力される前記信号と、前記第１の温度センサーの出力と、前記第２の温度センサーの出力とに基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備えることを特徴とする。
【００１９】
これにより、前記本発明に係る力検出装置と同様の効果が得られる。そして、力検出装置が検出した外力をフィードバックし、より精密に作業を実行することができる。また、力検出装置が検出した外力によって、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。さらに、温度補償用のサブ素子が不要なので、電子部品搬送装置を小型化できる。そのため、ロボットを小型化することができる。
【００２０】
＜適用例１０＞
本発明に係る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力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、
第１基部と、
外力に応じて信号を出力する素子と、
前記第１基部との間に前記素子を設ける第２基部と、
前記第１基部に設けられ、前記第１基部の温度を検出する第１の温度センサーと、
前記第２基部に設けられ、前記第２基部の温度を検出する第２の温度センサーと、
前記素子から出力される前記信号と、前記第１の温度センサーの出力と、前記第２の温度センサーの出力とに基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備えることを特徴とする。
【００２１】
これにより、前記本発明に係る力検出装置と同様の効果が得られる。そして、力検出装置が検出した外力をフィードバックし、より精密に作業を実行することができる。また、力検出装置が検出した外力によって、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。さらに、温度補償用のサブ素子が不要なので、力検出装置を小型化できる。そのため、電子部品検査装置を小型化することができる。
【００２２】
＜適用例１１＞
本発明に係る部品加工装置は、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力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、
第１基部と、
外力に応じて信号を出力する素子と、
前記第１基部との間に前記素子を設ける第２基部と、
前記第１基部に設けられ、前記第１基部の温度を検出する第１の温度センサーと、
前記第２基部に設けられ、前記第２基部の温度を検出する第２の温度センサーと、
前記素子から出力される前記信号と、前記第１の温度センサーの出力と、前記第２の温度センサーの出力とに基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備えることを特徴とする。
【００２３】
これにより、前記本発明に係る力検出装置と同様の効果が得られる。そして、力検出装置が検出した外力をフィードバックすることにより、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。さらに、温度補償用のサブ素子が不要なので、力検出装置を小型化できる。そのため、部品加工装置を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【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に示す力検出装置の電荷出力素子を概略的に示す断面図である。
【図５】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６】図５に示す力検出装置の平面図および各センサーデバイスの検出方向を示す概念図である。
【図７】図５に示す力検出装置を概略的に示す回路図である。
【図８】本発明に係る力検出装置の第３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】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電子部品搬送装置の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。
【図１５】本発明に係る力検出装置を用いた移動体の１例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明に係る力検出装置、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は、図１に示す力検出装置の平面図である。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る。図４は、図１に示す力検出装置の電荷出力素子を概略的に示す断面図である。なお、以下では、説明の都合上、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。なお、図１は、図２に示すＡ−Ａ線断面図である。
図１、図２および図３に示す力検出装置１は、互いに直交する３軸（α（Ｘ）軸、β（Ｙ）軸、γ（Ｚ）軸）に沿って加えられた外力（せん断力および圧縮／引張力）を検出する機能を有する。
【００２６】
力検出装置１は、第１基部（ベースプレート）２と、外力に応じて信号を出力する電荷出力素子（素子）１０と、第１基部２との間に素子１０を設ける第２基部（カバープレート）３と、第１基部２と第２基部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基部２と第２基部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４に接続され、加えられた外力に応じて信号を出力する電荷出力素子（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、第１基部２に設けられ、第１基部２の温度Ｔｂを検出する第１の温度センサー７ａと、第２基部３に設けられ、第２基部３の温度Ｔｃを検出する第２の温度センサー７ｂと、２つの与圧ボルト（固定部材）８１とを備えている。
【００２７】
＜第１基部および第２基部＞
図１および図２に示すように、第２基部（カバープレート）３は、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に対向している。また、第１基部２は、第１基部２の第２基部３と対向する面上に設けられた第１の凸部２１を有している。第１基部２は、第１の凸部２１を介して、第２基部３に対して所定の間隔を隔てて対向するよう配置されている。なお、第１の凸部２１の第２基部３と対向する面は、平面である。また、デジタル回路基板５は、アナログ回路基板４よりも第１基部２側、すなわち、アナログ回路基板４と第１基部２との間に配置されている。なお、第１基部２と、第２基部３とのいずれを外力が加わるプレートとしてもよいが、本実施形態では、第２基部３を外力が加わるプレートとして説明する。
【００２８】
図１および図２に示すように、第１基部２と、第２基部３とは、２つの与圧ボルト８１により、所定の間隔を隔てて対向するよう固定されている。第１基部２と、第２基部３とは、２つの与圧ボルト８１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。すなわち、第１基部２および第２基部３は、所定量だけ、互いにｘ軸周りに回転する相対変位、ｙ軸周りに回転する相対変位、およびｚ軸周りに回転する相対変位が可能に固定される。そのため、第２基部３に外力が加えられた場合、第２基部３が第１基部２に対して変位し、センサーデバイス６に対する与圧が変化する。なお、与圧ボルト８１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。
【００２９】
アナログ回路基板４には、２つの与圧ボルト８１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８１が挿通する２つの孔５２が形成されている。各与圧ボルト８１は、それぞれ、その頭部８１５が第２基部３側となるように配置され、第２基部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８１６が第１基部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８１により、電荷出力素子１０に、所定の大きさのＺ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。
【００３０】
第１基部２、第２基部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基部２、第２基部３、アナログ回路基板４、デジタル回路基板５の平面視での外形形状は、略円形をなしている。なお、第１基部２、第２基部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。
【００３１】
第１基部２上に設けられた第１の凸部２１の位置は、特に限定されないが、本実施形態では、第１の凸部２１は、第１基部２の中央部に配置されている。凸２１部の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、第１基部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、第１の凸部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。この第１の凸部２１は、第１基部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、第１の凸部２１の構成材料は、特に限定されず、例えば、第１基部２と同様のものとすることができる。
【００３２】
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、第１の凸部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基部２の平面視で、第１の凸部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、第１の凸部２１に支持されている。
【００３３】
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、第１の凸部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基部２の平面視で、第１の凸部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、第１の凸部２１に支持されている。
【００３４】
第１の凸部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、第２基部３に向かって突出している。また、センサーデバイス６は、第１の凸部２１上に配置されている。このような配置により、パッケージ６０を介して第１の凸部２１と第２基部３との間で、電荷出力素子１０を挟持することができる。なお、第２基部３の第１基部２と対向する面は、平面であり、その面がセンサーデバイス６の蓋体６２の中央部に当接し、第１の凸部２１が基部６１に当接している。
【００３５】
また、第１の凸部２１の寸法は、特に限定されないが、第１基部２の平面視で、第１の凸部２１の面積は、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。そして、電荷出力素子１０は、第１基部２の平面視で（第１基部２に対して垂直な方向から見て）、第１の凸部２１内に配置され、また、電荷出力素子１０の中心線と第１の凸部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基部２の平面視で、第１の凸部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。
【００３６】
＜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。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側に配置され、第１基部２に設けられた第１の凸部２１と第２基部３との間で挟持されている。すなわち、電荷出力素子１０は、パッケージ６０を介して第１の凸部２１と第２基部３との間で挟持され、与圧されている。
【００３７】
パッケージ６０は、凹部６１１を有する基部６１と、その基部６１に接合された蓋体６２とを有している。電荷出力素子１０は、基部６１の凹部６１１内に設置されており、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基部３側に配置され、基部６１は、下側、すなわち、第１基部２側に配置され、その基部６１が第１の凸部２１に当接されている。この構成により、基部６１と蓋体６２とが、第１の凸部２１と第２基部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。
【００３８】
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。
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基部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。
【００３９】
また、蓋体６２は、本実施形態では、板状をなし、その中央部と、基部６１に接する外周部との間の部位が屈曲することで、中央部が第２基部３に向って突出している。中央部の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、第１基部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の中央部の上面および下面は、いずれも平面である。
【００４０】
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。
【００４１】
＜電荷出力素子（素子）＞
センサーデバイス６の電荷出力素子１０は、互いに直交する３軸（α（Ｘ）軸、β（Ｙ）軸、γ（Ｚ）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Ｑα、Ｑβ、Ｑγ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基部２の平面視、すなわち、第１基部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。
【００４２】
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と、β軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑβを出力するβ軸用外力センサー１２と、γ軸に平行な外力（圧縮／引張力）に応じて電荷Ｑγを出力するγ軸用外力センサー１３と、α軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑαを出力するα軸用外力センサー１４とを有し、グランド電極層１１と各外力センサー１２、１３、１４は交互に積層されている。なお、図４において、グランド電極層１１および各外力センサー１２、１３、１４の積層方向をγ軸方向とし、γ軸方向に直交し且つ互いに直交する方向をそれぞれα軸方向、β軸方向としている。
【００４３】
図示の構成では、図４中の下側から、β軸用外力センサー１２、γ軸用外力センサー１３、α軸用外力センサー１４の順で積層されているが、本発明はこれに限られない。各外力センサー１２、１３、１４の積層順は任意である。
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、クロム、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。
【００４４】
β軸用外力センサー１２は、β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Ｑβを出力する機能を有する。β軸用外力センサー１２は、β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、β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。
β軸用外力センサー１２は、第１の結晶軸ＣＡ１を有する第１の圧電体層１２１と、第１の圧電体層１２１と対向して設けられ、第２の結晶軸ＣＡ２を有する第２の圧電体層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Ｑを出力する出力電極層１２２を有する。
【００４５】
第１の圧電体層１２１はβ軸の負方向に配向した第１の結晶軸ＣＡ１を有する圧電体によって構成されている。第１の圧電体層１２１の表面に対し、β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、β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。
【００４６】
第２の圧電体層１２３は、β軸の正方向に配向した第２の結晶軸ＣＡ２を有する圧電体によって構成されている。第２の圧電体層１２３の表面に対し、β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、β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。
【００４７】
このように、第１の圧電体層１２１の第１の結晶軸ＣＡ１は、第２の圧電体層１２３の第２の結晶軸ＣＡ２の方向と反対方向を向いている。これにより、第１の圧電体層１２１または第２の圧電体層１２３のいずれか一方のみと、出力電極層１２２によってβ軸用外力センサー１２を構成する場合と比較して、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Ｑを増加させることができる。
【００４８】
なお、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３の構成材料としては、水晶、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。これらの中でも特に、水晶が好ましい。水晶により構成された圧電体層は、広いダイナミックレンジ、高い剛性、高い固有振動数、高い対荷重性等の優れた特性を有するためである。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、層の面方向に沿った外力（せん断力）に対して電荷を生ずる圧電体層は、Ｙカット水晶により構成することができる。
【００４９】
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Ｑβ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β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Ｑβ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β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Ｑβが出力される。
【００５０】
また、図示の構成では、出力電極層１２２、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３は、全て等しい幅（図中の左右方向の長さ）を有しているが、本発明はこれに限られない。例えば、出力電極層１２２の幅が、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３の幅よりも広くてもよいし、その逆であってもよい。なお、後述する出力電極層１３２、１４２についても同様である。
【００５１】
γ軸用外力センサー１３は、γ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Ｑγを出力する機能を有する。γ軸用外力センサー１３は、γ軸に平行な圧縮力に応じて正電荷を出力し、γ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。
γ軸用外力センサー１３は、第３の結晶軸ＣＡ３を有する第３の圧電体層１３１と、第３の圧電体層１３１と対向して設けられ、第４の結晶軸ＣＡ４を有する第４の圧電体層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Ｑγを出力する出力電極層１３２を有する。
【００５２】
第３の圧電体層１３１は、γ軸の正方向に配向した第３の結晶軸ＣＡ３を有する圧電体によって構成されている。第３の圧電体層１３１の表面に対し、γ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、γ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。
【００５３】
第４の圧電体層１３３は、γ軸の負方向に配向した第４の結晶軸ＣＡ４を有する圧電体によって構成されている。第４の圧電体層１３３の表面に対し、γ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、γ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。
【００５４】
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、Ｘカット水晶により構成することができる。
【００５５】
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Ｑγ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γ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Ｑγ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γ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Ｑγが出力される。
【００５６】
α軸用外力センサー１４は、α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Ｑαを出力する機能を有する。α軸用外力センサー１４は、α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、α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。
α軸用外力センサー１４は、第５の結晶軸ＣＡ５を有する第５の圧電体層１４１と、第５の圧電体層１４１と対向して設けられ、第６の結晶軸ＣＡ６を有する第６の圧電体層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Ｑαを出力する出力電極層１４２を有する。
【００５７】
第５の圧電体層１４１は、α軸の負方向に配向した第５の結晶軸ＣＡ５を有する圧電体によって構成されている。第５の圧電体層１４１の表面に対し、α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、α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。
【００５８】
第６の圧電体層１４３は、α軸の正方向に配向した第６の結晶軸ＣＡ６を有する圧電体によって構成されている。第６の圧電体層１４３の表面に対し、α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、α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。
【００５９】
第５の圧電体層１４１および第６の圧電体層１４３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、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３と同様に、Ｙカット水晶により構成することができる。
【００６０】
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Ｑα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α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Ｑα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α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Ｑαが出力される。
【００６１】
β軸用外力センサー１２、γ軸用外力センサー１３、およびα軸用外力センサー１４は、各外力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、各外力センサーは、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（α（Ｘ）軸、β（Ｙ）軸、γ（Ｚ）軸）に沿った外力のそれぞれに応じて３つの電荷Ｑα、Ｑβ、Ｑγを出力することができる。
【００６２】
また、Ｙカット水晶によって構成されるβ軸用外力センサー１２、α軸用外力センサー１４の単位力当たりの電荷発生量は、例えば、８ｐＣ／Ｎである。一方、Ｘカット水晶によって構成されるγ軸用外力センサー１３の単位力当たりの電荷発生量は、例えば、４ｐＣ／Ｎである。このように、通常、電荷出力素子１０のγ軸に平行な外力（圧縮／引張力）に対する感度は、α軸またはβ軸に平行な外力（せん断力）に対する感度以下となる。そのため、通常、電荷出力素子１０から出力される電荷Ｑγは、電荷Ｑαおよび電荷Ｑβ以下となる。
【００６３】
また、β軸用外力センサー１２、γ軸用外力センサー１３、およびα軸用外力センサー１４からそれぞれ出力される電荷Ｑα、Ｑβ、Ｑγには、力検出装置１の温度変化に起因するノイズ成分が含まれる。このようなノイズ成分は、主として、外部の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、第１基部２の温度Ｔｂと第２基部３の温度Ｔｃとの間に温度差ΔＴが発生することにより発生する。
【００６４】
第１基部２の温度Ｔｂと第２基部３の温度Ｔｃとの間に温度差ΔＴがある場合、第１基部２の熱膨張と第２基部３の熱膨張とに差が生じる。この熱膨張の差によって、電荷出力素子１０に対する与圧が変化する。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Ｑα、Ｑβ、Ｑγに含まれてしまう。また、上述のように、通常、電荷出力素子１０から出力される電荷Ｑγは、電荷Ｑα、Ｑβと比較して小さいので、電荷Ｑγに対する力検出装置１の温度変化に起因するノイズ成分の影響は大きい。
【００６５】
＜変換出力回路＞
図３に示すように、電荷出力素子１０には、アナログ回路基板４に実装された変換出力回路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Ｑαを電圧Ｖα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Ｑγを電圧Ｖγ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Ｑβを電圧Ｖβに変換する機能を有する。変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃからそれぞれ出力される電圧Ｖα、Ｖβ、Ｖγは、信号として、デジタル回路基板５に実装された外力検出回路４０のＡＤコンバーター４０１に入力される。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。
【００６６】
変換出力回路９０ｃは、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑβを電圧Ｖβに変換して電圧Ｖβ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。
【００６７】
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Ｑβは、静電容量Ｃ１を有するコンデンサー９２に蓄えられ、電圧Ｖβ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Ｑβ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Ｖβは、電荷出力素子１０から出力される電荷Ｑβの蓄積量に比例する。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
また、変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃのような電圧変換機能を有する回路において、コンデンサー９２の静電容量を小さくすると、電圧変換感度が向上するが、飽和電荷量が小さくなる。上述のように、通常、γ軸用外力センサー１３から出力される電荷Ｑγは、β軸用外力センサー１２およびα軸用外力センサー１４から出力される電荷Ｑαおよび電荷Ｑβ以下である。したがって、電荷Ｑγに対する感度の観点からは、変換出力回路９０ｂのコンデンサー９２の静電容量Ｃ２は、変換出力回路９０ａ、９０ｃのコンデンサー９２の静電容量Ｃ１以下であることが好ましい。これにより、電荷Ｑγを正確に電圧Ｖγに変換することができる。
【００７２】
なお、上述のように、電荷出力素子１０から出力される電荷Ｑα、Ｑβ、Ｑγには、力検出装置１の温度変化に起因するノイズ成分が含まれているので、電荷Ｑα、Ｑβ、Ｑγをそれぞれ変換して得られた電圧Ｖα、Ｖβ、Ｖγにも、力検出装置１の温度変化に起因するノイズ成分が含まれることとなる。
【００７３】
＜温度センサー＞
第１の温度センサー７ａは、第１基部２に設けられ、第１基部２の温度Ｔｂを検出し、外力検出回路４０に第１基部２の温度Ｔｂを、信号として伝達する機能を有する。第２の温度センサー７ｂは、第２基部３に設けられ、第２基部３の温度Ｔｃを検出し、外力検出回路４０に第１基部２の温度Ｔｂを、信号として伝達する機能を有する。
図３に示すように、第１の温度センサー７ａから出力される第１基部２の温度Ｔｂおよび第２の温度センサー７ｂから出力される第２基部３の温度Ｔｃは、デジタル回路基板５に実装された外力検出回路４０のＡＤコンバーター４０１に入力される。
第１の温度センサー７ａおよび第２の温度センサー７ｂは、それぞれ、第１基部２および第２基部３の温度を検出可能なセンサーであれば特に限定されない。例えば、第１の温度センサー７ａおよび第２の温度センサー７ｂとして、熱電対、測温抵抗体やサーミスタ等を用いることができる。
【００７４】
図１および図２の構成では、第１の温度センサー７ａは、第１基部２の第２基部３と対向する側の面上に設けられているが、本発明はこれに限られない。第１の温度センサー７ａは、第１基部２の温度Ｔｂを検出できるのであれば、第１基部２のもう一方の面上、第１基部２の側面上、第１の凸部２１の側面上、第１の基部２の内部等に設けられていてもよい。このように、第１の温度センサー７ａは、第１基部２の如何なる場所に設けられていてもよいが、第１の温度センサー７ａは、センサーデバイス６の近傍に設けられていることが好ましい。ここでいう「近傍」とは、第１の温度センサー７ａが設けられている領域（第１基部２の表面）の温度と、センサーデバイス６に接している領域（センサーデバイス６と接している第１の凸部２１の表面）の温度との差が実質的に無視できる程度になる範囲のことをいう。これにより、センサーデバイス６の出力に影響を与える第１基部２の温度Ｔｂの変化をより正確に検出することができる。
【００７５】
同様に、第２の温度センサー７ｂは、第２基部３の第１基部２と対向する側の面上に設けられているが、本発明はこれに限られない。第２の温度センサー７ｂは、第２基部３の温度Ｔｃを検出できるのであれば、第２基部３のもう一方の面上、第２基部３の側面上、第２基部３の内部等に設けられていてもよい。このように、第２の温度センサー７ｂは、第２基部３の如何なる場所に設けられていてもよいが、第２の温度センサー７ｂは、センサーデバイス６の近傍に設けられていることが好ましい。ここでいう「近傍」とは、第２の温度センサー７ｂが設けられている領域（第２基部３の表面）の温度と、センサーデバイス６に接している領域（センサーデバイス６と接している第２基部３の表面）の温度との差が実質的に無視できる程度になる範囲のことをいう。これにより、センサーデバイス６の出力に影響を与える第２基部３の温度Ｔｃの変化をより正確に検出することができる。
【００７６】
＜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Ｖαと、変換出力回路９０ｂから出力される電圧Ｖγと、変換出力回路９０ｃから出力される電圧Ｖβと、第１の温度センサー７ａから出力される温度Ｔｂと、第２の温度センサー７ｂから出力される温度Ｔｃ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と、第１の温度センサー７ａと、第２の温度センサー７ｂ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、演算部４０２に接続された補正値記憶部４０３を有する。
【００７７】
ＡＤコンバーター４０１は、電圧Ｖα、Ｖβ、Ｖγおよび温度Ｔｂ、Ｔｃ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Ｖα、Ｖβ、Ｖγおよび温度Ｔｂ、Ｔｃは、演算部４０２に入力される。演算部４０２は、デジタル変換された電圧Ｖα、Ｖβ、Ｖγおよび温度Ｔｂ、Ｔｃに基づき、電荷出力素子１０に加えられた３軸力（せん断力Ｆｘ、Ｆｙおよび圧縮／引張力Ｆｚ）を算出する。
【００７８】
第１基部２の温度Ｔｂと、第２基部３の温度Ｔｃとの間に温度差ΔＴが存在する場合の、電圧Ｖα、Ｖβ、Ｖγに含まれる温度変化に起因する素子のノイズ成分は、予め測定されており、補正値Ｇα、Ｇβ、Ｇαとして温度差ΔＴを関連付けられた状態で、補正値記憶部４０３内に保存されている。温度差ΔＴと補正値Ｇα、Ｇβ、Ｇγの関係は、補正値記憶部４０３内に、例えば、ルックアップテーブル等の形式で記憶されている。演算部４０２は、第１基部２の温度Ｔｂと第２基部３の温度Ｔｃとに基づき、温度差ΔＴを算出した後、補正値記憶部４０３を参照することで、適切な補正値Ｇα、Ｇβ、Ｇγを得ることができる。
演算部４０２は、電圧Ｖα、Ｖβ、Ｖγおよび補正値Ｇα、Ｇβ、Ｇγに基づき、３軸力、すなわち、ｘ軸方向の並進力成分Ｆｘ、ｙ軸方向の並進力成分Ｆｙ、ｚ軸方向の並進力成分Ｆｚを以下の式により算出する。
Ｆｘ＝Ｖα−Ｇα
Ｆｙ＝Ｖβ−Ｇβ
Ｆｚ＝Ｖγ−Ｇγ
【００７９】
このように、電圧Ｖα、Ｖβ、Ｖγを補正値Ｇα、Ｇβ、Ｇγを用いて補正することにより、力検出装置１の温度変化に起因するノイズ成分を除去または減少させることができる。そのため、力検出装置１の測定精度を向上させることができる。さらに、本発明に係る力検出装置１では、力検出装置１の温度変化に起因する電圧Ｖα、Ｖβ、Ｖγのノイズ成分を除去または減少するための補正値Ｇα、Ｇβ、Ｇγを求めるためのサブセンサーデバイスが不要である。そのため、サブセンサーデバイスを設けるためのスペースを確保する必要がなくなり、力検出装置１を小型化することができる。また、補正値Ｇα、Ｇβ、Ｇγを求めるためのサブセンサーの出力特性と、外力検出用のセンサーデバイス６の出力特性とを一致させるための部品精度管理も不要となるため、部品の製造・管理コストを減少させることができる。
【００８０】
＜第２実施形態＞
図５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。図６（ａ）は、図５に示す力検出装置の平面図である。図６（ｂ）は、各センサーデバイス６の電圧Ｖα、Ｖβ、Ｖγの検出方向を示す概念図である。図７は、図５に示す力検出装置を概略的に示す回路図である。なお、以下では、説明の都合上、図５、６中の上側を「上」または「上方」、下側を「下」または「下方」、左側を「左」または「左方」と言う。なお、図５は、図６（ａ）に示すＡ−Ａ線断面図である。また、図６（ａ）では、説明のため、第２基部３が省略されている。図６（ｂ）では、説明のため、第１基部２の角筒状部２２およびセンサーデバイス６を除く構成要素が省略されている。
【００８１】
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。
図５、図６および図７に示す、本実施形態の力検出装置１は、６軸力（ｘ、ｙ、ｚ軸方向の並進力成分およびｘ、ｙ、ｚ軸周りの回転力成分）を検出する機能を有する。本実施形態の力検出装置１は、第１基部２と、第２基部３との間に、第１基部２に対して垂直な状態（第１基部２の第２基部３に対向する面に対して垂直な状態）で設けられた４つのセンサーデバイス６と、各センサーデバイス６の近傍に設けられた４つの第１の温度センサー７ａと、４つの第２の温度センサー７ｂとを有している。
【００８２】
＜第１基部および第２基部＞
図６（ａ）に示すように、第１基部２は、平面視において、角が切欠けされた（Ｒ付された）略四角形の形状を有している。また、図６では省略されているが、第２基部３も同様の形状を有している。第１基部２は、第１基部２の第２基部３と対向する面上に設けられた角筒状部２２と、角筒状部２２の外周面上に設けられた４つの第１の凸部２１とを有している。
【００８３】
角筒状部２２は、平面視において中央部分が空洞の略矩形状の形状を有する部材である。角筒状部２２は、第１基部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。角筒状部２２の外周面上には、４つの第１の凸部２１が第１基部２の第２基部３と対向する面に対して平行に突出するように設けられている。第１の凸部２１は、角筒状部２２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。角筒状部２２の外周面上に設けられた４つの第１の凸部２１は、それぞれ、図６（ａ）において、角筒状部２２の上下左右の外周面（４辺外側）における中央部に設けられている。
【００８４】
図５および図６（ａ）に示すように、第２基部３は、第１基部２と対向する面上に設けられた４つの第２の凸部３１を有している。４つの第２の凸部３１のそれぞれは、第１基部２と第２基部３とを対向するよう配置したとき、第１基部２の角筒状部２２の外周面の４辺に対して対向するよう形成されている。また、図５に示すように、第２基部３の第１基部２と対向する面側には、デジタル回路基板５が設けられている。
【００８５】
また、角筒状部２２の外周面に設けられた４つの第１の凸部２１上には、それぞれ、センサーデバイス６が配置されている。そのため、本実施形態では、４つのセンサーデバイス６は、第１基部２の第２基部３に対向する面に対して垂直な状態で、配置されている。第２基部３の第２の凸部３１のそれぞれと、第１基部２の角筒状部２２の外周面の４辺のそれぞれとは、２つの与圧ボルト８１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。このため、各センサーデバイス６を、第２基部３の第２の凸部３１と第１基部２の第１の凸部２１との間で挟持することができる。また、各センサーデバイス６の電圧Ｖα、Ｖβ、Ｖγの検出方向は、図６（ｂ）に示すような配置になっている。
【００８６】
また、角筒状部２２の内周面上であって、第１の凸部２１が形成されている箇所に対応する箇所（角筒状部２２を介して第１の凸部２１と対向する箇所）のそれぞれには、第１の温度センサー７ａが配置されている。さらに、第２の凸部３１の第１基部２の角筒状部２２に対向する面の反対側の面上であって、センサーデバイス６に対応する箇所（第２の凸部３１を介してセンサーデバイス６と対向する箇所）のそれぞれには、第２の温度センサー７ｂが配置されている。
このように、センサーデバイス６の数と等しい数（本実施形態では４つ）の第１の温度センサー７ａおよび第２の温度センサー７ｂを、各センサーデバイス６の近傍に設けることにより、各センサーデバイス６に影響を与える第１基部２の温度Ｔｂおよび第２基部３の温度Ｔｃより正確に検出することができる。
【００８７】
なお、角筒状部２２の外周面に設けられた４つの第１の凸部２１の位置、すなわち、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基部２、第２基部３の周方向に、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。
【００８８】
また、第２基部３の第２の凸部３１のそれぞれと、第１基部２の角筒状部２２の外周面との間には、与圧ボルト８１によって、アナログ回路基板４が固定されている。アナログ回路基板４と各センサーデバイス６とは、端子６３によって電気的に接続されている。また、各アナログ回路基板４、第１の温度センサー７ａおよび第２の温度センサー７ｂとデジタル回路基板５とは図示しない配線によって電気的に接続されている。
【００８９】
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４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。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。
【００９０】
＜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Ｖα１、Ｖα２、Ｖα３、Ｖα４と、各変換出力回路９０ｂから出力される電圧Ｖγ１、Ｖγ２、Ｖγ３、Ｖγ４と、各変換出力回路９０ｃから出力される電圧Ｖβ１、Ｖβ２、Ｖβ３、Ｖβ４と、第１の温度センサー７ａのそれぞれから出力された第１基部２の温度Ｔｂ１、Ｔｂ２、Ｔｂ３、Ｔｂ４と、第２の温度センサー７ｂのそれぞれから出力された第２基部３の温度Ｔｃ１、Ｔｃ２、Ｔｃ３、Ｔｃ４とに基づき、６軸力（ｘ、ｙ、ｚ軸方向の並進力成分およびｘ、ｙ、ｚ軸周りの回転力成分）を検出する機能を有する。図７に示すように、外力検出回路４０は、変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃと、第１の温度センサー７ａと、第２の温度センサー７ｂとに接続された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、演算部４０２に接続された補正値記憶部４０３とを有する。
【００９１】
ＡＤコンバーター４０１は、電圧Ｖα１、Ｖβ１、Ｖγ１、Ｖα２、Ｖβ２、Ｖγ２、Ｖα３、Ｖβ３、Ｖγ３、Ｖα４、Ｖβ４、Ｖγ４と、温度Ｔｂ１、Ｔｂ２、Ｔｂ３、Ｔｂ４、Ｔｃ１、Ｔｃ２、Ｔｃ３、Ｔｃ４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Ｖα１、Ｖβ１、Ｖγ１、Ｖα２、Ｖβ２、Ｖγ２、Ｖα３、Ｖβ３、Ｖγ３、Ｖα４、Ｖβ４、Ｖγ４および温度Ｔｂ１、Ｔｂ２、Ｔｂ３、Ｔｂ４、Ｔｃ１、Ｔｃ２、Ｔｃ３、Ｔｃ４は、演算部４０２に入力される。
【００９２】
演算部４０２は、デジタル変換された電圧Ｖα１、Ｖβ１、Ｖγ１、Ｖα２、Ｖβ２、Ｖγ２、Ｖα３、Ｖβ３、Ｖγ３、Ｖα４、Ｖβ４、Ｖγ４および温度Ｔｂ１、Ｔｂ２、Ｔｂ３、Ｔｂ４、Ｔｃ１、Ｔｃ２、Ｔｃ３、Ｔｃ４に基づき、電荷出力素子１０に加えられた６軸力を算出する。
演算部４０２は、最初に、温度Ｔｂ１、Ｔｂ２、Ｔｂ３、Ｔｂ４、Ｔｃ１、Ｔｃ２、Ｔｃ３、Ｔｃ４から、温度差ΔＴ１＝Ｔｂ１−Ｔｃ１、ΔＴ２＝Ｔｂ２−Ｔｃ２、ΔＴ３＝Ｔｂ３−Ｔｃ３、およびΔＴ４＝Ｔｂ４−Ｔｃ４を算出する。次に、演算部４０２は、補正値記憶部４０３を参照することで、温度差ΔＴ１に対応した補正値Ｇα１、Ｇβ１、Ｇγ１、温度差ΔＴ２に対応した補正値Ｇα２、Ｇβ２、Ｇγ２、温度差ΔＴ３に対応した補正値Ｇα３、Ｇβ３、Ｇγ３、および温度差ΔＴ４に対応した補正値Ｇα４、Ｇβ４、Ｇγ４を得ることができる。
【００９３】
次に、演算部４０２は、得られた補正値Ｇα１、Ｇβ１、Ｇγ１を用いて、電圧Ｖα１、Ｖβ１、Ｖγ１を、以下のように補正し、補正された電圧Ｖαｔ１、Ｖβｔ１、Ｖγｔ１を得る。同様に、演算部４０２は、補正された電圧Ｖαｔ２、Ｖβｔ２、Ｖγｔ２、補正された電圧Ｖαｔ３、Ｖβｔ３、Ｖγｔ３、および電圧Ｖα４、Ｖβ４、Ｖγ４から補正された電圧Ｖαｔ４、Ｖβｔ４、Ｖγｔ４を得る。
【００９４】
Ｖαｔ１＝Ｖα１−Ｇα１
Ｖβｔ１＝Ｖβ１−Ｇβ１
Ｖγｔ１＝Ｖγ１−Ｇγ１
Ｖαｔ２＝Ｖα２−Ｇα２
Ｖβｔ２＝Ｖβ２−Ｇβ２
Ｖγｔ２＝Ｖγ２−Ｇγ２
Ｖαｔ３＝Ｖα３−Ｇα３
Ｖβｔ３＝Ｖβ３−Ｇβ３
Ｖγｔ３＝Ｖγ３−Ｇγ３
Ｖαｔ４＝Ｖα４−Ｇα４
Ｖβｔ４＝Ｖβ４−Ｇβ４
Ｖγｔ４＝Ｖγ４−Ｇγ４
このように、補正された電圧Ｖαｔ１、Ｖβｔ１、Ｖγｔ１、Ｖα２、Ｖβ２、Ｖγ２、Ｖαｔ３、Ｖβｔ３、Ｖγｔ３、Ｖαｔ４、Ｖβｔ４、Ｖγｔ４を得ることにより、力検出装置１の温度変化に起因するノイズ成分を除去または減少させることができる。
【００９５】
次に、演算部４０２は、補正された電圧Ｖαｔ１、Ｖβｔ１、Ｖγｔ１、Ｖα２、Ｖβ２、Ｖγ２、Ｖαｔ３、Ｖβｔ３、Ｖγｔ３、Ｖαｔ４、Ｖβｔ４、Ｖγｔ４に基づき、ｘ軸方向の並進力成分Ｆｘ、ｙ軸方向の並進力成分Ｆｙ、ｚ軸方向の並進力成分Ｆｚ、ｘ軸周りの回転力成分Ｍｘ、ｙ軸周りの回転力成分Ｍｙ、ｚ軸周りの回転力成分Ｍｚを演算する。各力成分は、以下の式により求めることができる。
【００９６】
Ｆｘ＝Ｖγｔ１−Ｖβｔ２−Ｖγｔ３＋Ｖβｔ４
Ｆｙ＝Ｖβｔ１＋Ｖγｔ２−Ｖβｔ３−Ｖγｔ４
Ｆｚ＝Ｖαｔ１＋Ｖαｔ２＋Ｖαｔ３＋Ｖαｔ４
Ｍｘ＝ａ×（Ｖαｔ４−Ｖαｔ２）
Ｍｙ＝ｂ×（Ｖαｔ３−Ｖαｔ１）
Ｍｚ＝ａ×（Ｖβｔ４＋Ｖβｔ２）＋ｂ×（Ｖβｔ３＋Ｖβｔ１）
ここで、ａ、ｂは定数である。
【００９７】
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。また、上記式からわかるように、補正された電圧Ｖγｔ１、Ｖγｔ２、Ｖγｔ３、Ｖγｔ４が全て０である場合であっても、６軸力（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）を算出することができる。すなわち、補正された電圧Ｖαｔ１、Ｖαｔ２、Ｖαｔ３、Ｖαｔ４、Ｖβｔ１、Ｖβｔ２、Ｖβｔ３、Ｖβｔ４のみを用いて、６軸力を算出することができる。
【００９８】
上述のように補正された電圧Ｖαｔ１、Ｖαｔ２、Ｖαｔ３、Ｖαｔ４、Ｖβｔ１、Ｖβｔ２、Ｖβｔ３、Ｖβｔ４に対する温度変化に起因するノイズ成分の影響は、補正された電圧Ｖγｔ１、Ｖγｔ２、Ｖγｔ３、Ｖγｔ４に対する温度変化に起因するノイズ成分の影響よりも小さい。そのため、補正された電圧Ｖαｔ１、Ｖαｔ２、Ｖαｔ３、Ｖαｔ４、Ｖβｔ１、Ｖβｔ２、Ｖβｔ３、Ｖβｔ４のみを用いて、６軸力を検出することにより、第１基部２および第２基部３の温度変化等に起因する変形による各力検出装置に対する与圧変化の影響をさらに低減しつつ、６軸力を検出することができる。
【００９９】
＜第３実施形態＞
図８は、本発明に係る力検出装置の第３実施形態を示す平面図である。図９は、図８中のＡ−Ａ線での断面図である。以下、第３実施形態について、前述した第１実施形態および第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。
【０１００】
図８および図９に示す、本実施形態の力検出装置１は、６軸力（ｘ、ｙ、ｚ軸方向の並進力成分およびｘ、ｙ、ｚ軸周りの回転力成分）を検出する機能を有する。本実施形態の力検出装置１は、第１基部２と、第２基部３との間に、第１基部２に対して平行な状態（第１基部２の第２基部３に対向する面に対して平行な状態）で設けられた４つのセンサーデバイス６と、各センサーデバイス６の近傍に設けられた４つの第１の温度センサー７ａと、４つの第２の温度センサー７ｂとを有している。各センサーデバイス６の電圧Ｖα、Ｖβ、Ｖγの検出方向は、図８に示すような配置になっている。
【０１０１】
このように、センサーデバイス６を第１基部２に対して平行な状態で配置することにより、力検出装置１の高さを低減することができる。また、この場合、演算部４０２は、補正された電圧Ｖαｔ１、Ｖβｔ１、Ｖγｔ１、Ｖα２、Ｖβ２、Ｖγ２、Ｖαｔ３、Ｖβｔ３、Ｖγｔ３、Ｖαｔ４、Ｖβｔ４、Ｖγｔ４に基づき、ｘ軸方向の並進力成分Ｆｘ、ｙ軸方向の並進力成分Ｆｙ、ｚ軸方向の並進力成分Ｆｚ、ｘ軸周りの回転力成分Ｍｘ、ｙ軸周りの回転力成分Ｍｙ、ｚ軸周りの回転力成分Ｍｚを演算する。各力成分は、以下の式により求めることができる。
【０１０２】
Ｆｘ＝Ｖαｔ１＋Ｖβｔ２−Ｖαｔ３−Ｖβｔ４
Ｆｙ＝Ｖβｔ１−Ｖαｔ２−Ｖβｔ３＋Ｖαｔ４
Ｆｚ＝Ｖγｔ１＋Ｖγｔ２＋Ｖγｔ３＋Ｖγｔ４
Ｍｘ＝ｂ×（Ｖγｔ４−Ｖγｔ２）
Ｍｙ＝ａ×（Ｖγｔ３−Ｖγｔ１）
Ｍｚ＝ｂ×（Ｖβｔ２＋Ｖβｔ４）＋ａ×（Ｖβｔ１＋Ｖβｔ３）
ここで、ａ、ｂは定数である。
【０１０３】
＜単腕ロボットの実施形態＞
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。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１００とを有する。なお、力検出装置１００としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
力検出装置１００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１００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１００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。さらに、本発明に係る力検出装置１００では、温度補償のためのサブセンサーデバイスが不要なので、力検出装置１００を小型化できる。そのため、単腕ロボット５００を小型化することができる。
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。
【０１０７】
＜複腕ロボットの実施形態＞
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。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１００を有する。なお、力検出装置１００としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
力検出装置１００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１００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１００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。さらに、本発明に係る力検出装置１００では、温度補償のためのサブセンサーデバイスが不要なので、力検出装置１００を小型化できる。そのため、複腕ロボット６００を小型化することができる。
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。
【０１１１】
＜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１２、図１３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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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１００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１００としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
【０１１４】
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。
【０１１５】
図１３は、力検出装置１００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１００と、６軸力検出装置１００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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
また、検出装置１００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１００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１００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。
【０１１８】
＜部品加工装置の実施形態＞
次に、図１４に基づき、本発明に係る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１００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１００としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
【０１１９】
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。
【０１２０】
力検出装置１００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１００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１００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。
【０１２１】
＜移動体の実施形態＞
次に、図１５に基づき、本発明に係る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１５は、本発明に係る力検出装置を用いた移動体の１例を示す図である。図１５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。
【０１２２】
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ィー等）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に係る力検出装置１００と、制御部９３０を有する。なお、力検出装置１００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１００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１００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１００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。さらに、本発明の力検出装置１００では、温度補償のためのサブセンサーデバイスが不要なので、力検出装置１００を小型化できる。そのため、移動体９００を小型化することができる。
【０１２３】
また、本発明に係る力検出装置では、最大検出荷重は２５０Ｎ、最大検出モーメントは１８０Ｎｍ、最小検出モーメントは０．０００１６Ｎｍ、破壊荷重は１０００Ｎ以上、ヒステリシス特性は２％以下である高性能を有する。
以上、本発明に係る力検出装置、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、部品加工装置および移動体を、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。
【０１２４】
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。
また、前記実施形態では、外力に応じて信号を出力する素子として、水晶圧電体を用いたものを使用しているが、本発明では、加えられる外力に応じて出力が変化するものであればこれに限定されず、その他、例えば、感圧導電体等を用いたものが挙げられる。
【０１２５】
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、本発明に係るロボットは、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、本発明に係る力検出装置は、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】
【０１２６】
１、１００…力検出装置  ２…第１基部  ２１…第１の凸部  ２２…角筒状部  ２５…雌ネジ  ３…第２基部  ３１…第２の凸部  ３５…孔  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  ４０３…補正値記憶部  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  ６２…蓋体  ６３…端子  ７ａ…第１の温度センサー  ７ｂ…第２の温度センサー  ８１…与圧ボルト  ８１５…頭部  ８１６…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（素子）  １１…グランド電極層  １２…β軸用外力センサー  １２１…第１の圧電体層  １２２…出力電極層  １２３…第２の圧電体層  １３…γ軸用外力センサー  １３１…第３の圧電体層  １３２…出力電極層  １３３…第４の圧電体層  １４…α軸用外力センサー  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  ＣＡ１…第１の結晶軸  ＣＡ２…第２の結晶軸  ＣＡ３…第３の結晶軸  ＣＡ４…第４の結晶軸  ＣＡ５…第５の結晶軸  ＣＡ６…第６の結晶軸
【図１】
2015087281.tif 000003
【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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