(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶基板と、前記水晶基板の一方の基板面に配置される第１電極と、他方の基板面に配置される第２電極と、を備えるセンサー素子であって、
前記水晶基板の前記基板面は、結晶軸のＸ軸（電気軸）を含み、
前記基板面と、前記結晶軸の前記Ｘ軸（電気軸）とＺ軸（光軸）とを含む面と、により成す角度θが、
０°＜θ＜２０°
である、
ことを特徴とするセンサー素子。
【請求項２】
前記水晶基板の前記基板面と交差する外形面の一部に、前記Ｘ軸方向に延在する平面を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサー素子。
【請求項３】
水晶基板と、前記水晶基板の一方の基板面に配置される第１電極と、他方の基板面に配置される第２電極と、を備えるセンサー素子であって、
前記水晶基板の前記基板面は、結晶軸のＹ軸（機械軸）とＺ軸（光軸）と、を含み、
前記基板面と交差する外形面の一部に平面を含み、
前記外形面の前記平面は、前記結晶軸のＸ軸と前記Ｚ軸とを含む面と成す角度λが、
２５°≦λ≦８５°
の範囲で形成されている、
ことを特徴とするセンサー素子。
【請求項４】
請求項１から３の少なくともいずれか一項に記載のセンサー素子と、
前記第１電極もしくは前記第２電極に誘起される電荷量を検出し、前記センサー素子に掛かる力を演算する演算手段と、を備える、
ことを特徴とする力検出装置。
【請求項５】
請求項１から４の少なくともいずれか一項に記載のセンサー素子と、
前記第１電極もしくは前記第２電極に誘起される電荷量を検出し、前記センサー素子に掛かる力を演算する演算手段と、を備える
ことを特徴とするロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサー素子、力検出装置およびロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電材料を用いた力センサーとしては特許文献１のものが知られていた。すなわち、特許文献１の図１５に示されている、信号電極１５を圧電材料である結晶円板１６により挟持し、さらに金属カバー円板１７によって挟持された測定素子を、複数配置した力センサーが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平４−２３１８２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の特許文献１には圧電材料として水晶を示唆する石英を用いることが開示され、石英の結晶のカットに応じて圧縮、せん断の双方の応力を受け、多重成分動力測定用の最適な材料である、としている。しかし、具体的な結晶方向に対する圧電材料の切り出しに関する記載は無い。
【０００５】
そこで、外力に対してより多くの電荷を発生させることができる圧電材料の使用条件を求め、高い感度の力検出を可能とするセンサー素子と、そのセンサー素子を用いたセンサーデバイスおよび力検出装置と、その力検出装置を備える高い信頼性と安全性を有するロボットを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、少なくとも上述の課題の一つを解決するように、下記の形態または適用例として実現され得る。
【０００７】
〔適用例１〕本適用例のセンサー素子は、三方晶系の単結晶より形成された圧電基板と、前記圧電基板の一方の基板面に配置される第１電極と、他方の基板面に配置される第２電極と、を備えるセンサー素子であって、前記圧電基板の前記基板面は、結晶軸のＸ軸（電気軸）を含み、前記基板面と、前記結晶軸の前記Ｘ軸（電気軸）とＺ軸（光軸）とを含む面と、により成す角度θが、
０°＜θ＜２０°
であることを特徴とする。
【０００８】
本適用例のセンサー素子によれば、θ＝０°のいわゆるＹカット板をセンサー素子の圧電基板として用いた場合に比べ、圧電基板に対して付加される剪断力によって生じる電荷の発生量をより多くすることができ、検出力の高いセンサー素子を得ることができる。
【０００９】
〔適用例２〕上述の適用例において、前記圧電基板の前記基板面と交差する外形面の一部に、前記Ｘ軸方向に延在する平面を含むことを特徴とする。
【００１０】
上述の適用例によれば、圧電基板に付加される剪断力によって発生するひずみの大きい部位平面を剪断力方向に延在させることによって、なお電荷の発生が多くなる圧電基板の部位を形成させることができ、検出力の高いセンサー素子を得ることができる。
【００１１】
〔適用例３〕本適用例のセンサー素子は、三方晶系の単結晶より形成された圧電基板と、前記圧電基板の一方の基板面に配置される第１電極と、他方の基板面に配置される第２電極と、を備えるセンサー素子であって、前記圧電基板の前記基板面は、結晶軸のＹ軸（機械軸）とＺ軸（光軸）と、を含み、前記基板面と交差する外形面の一部に平面を含み、前記外形面の前記平面は、前記結晶軸のＸ軸と前記Ｚ軸とを含む面と成す角度λが、
２５°≦λ≦８５°
の範囲で形成されていることを特徴とする。
【００１２】
本適用例のセンサー素子よれば、λ＝０°のＸカット板をセンサー素子の圧電基板として用いた場合に比べ、圧電基板に対して付加される圧縮力によって生じるひずみの大きい部位を圧電基板の外形部に延在させることによって、ひずみが大きくなることで多く発生する電荷の発生部位領域をより広くすることで、検出力の高いセンサー素子を得ることができる。
【００１３】
〔適用例４〕上述の適用例において、前記単結晶が水晶である、ことを特徴とする。
【００１４】
上述の適用例によれば、圧電基板として水晶基板を用いることにより、わずかなひずみであっても多くの電荷を発生させることができ、高い検出能力のセンサー素子を得ることができる。さらに、容易に単結晶が得られ、加工性、品質安定性に優れた圧電基板が形成でき、安定した力検出のできるセンサー素子を得ることができる。
【００１５】
〔適用例５〕本適用例の力検出装置は、上述のセンサー素子と、前記第１電極もしくは前記第２電極に誘起される電荷量を検出し、前記センサー素子に掛かる力を演算する演算手段と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
本適用例の力検出装置よれば、簡単な構成によって３軸力検出装置を得ることができる。また、得られる３軸力検出装置を複数用いることにより、例えばトルク計測も含む６軸力検出装置を容易に得ることができる。
【００１７】
〔適用例６〕本適用例のロボットは、上述のセンサー素子と、前記第１電極もしくは前記第２電極に誘起される電荷量を検出し、前記センサー素子に掛かる力を演算する演算手段と、を備えることを特徴とする。
【００１８】
本適用例のロボットよれば、差動するロボットアームあるいはロボットハンドに対して、所定動作中に起こる障害物への接触の検出、対象物への接触力、を力検出装置により確実に検出し、ロボット制御装置へデータをフィードバックすることで、安全で細かな作業が可能なロボットを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１実施形態に係るセンサー素子を示す、（ａ）は断面図、（ｂ）は分解斜視図、（ｃ）は（ｂ）に示すＡ方向矢視図。
【図２】第１実施形態に係る水晶基板の結晶軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対する形成方法を示す模式図。
【図３】第２実施形態に係るセンサー素子を示す、（ａ）は断面図、（ｂ）は分解斜視図、（ｃ）は（ｂ）に示すＢ方向矢視図。
【図４】第２実施形態に係る水晶基板の結晶軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対する形成方法を示す模式図。
【図５】第２実施形態に係る水晶基板のその他の形態を示す平面図。
【図６】第３実施形態に係るセンサーデバイスを示す断面図。
【図７】第３実施形態におけるその他の実施形態としてのセンサーデバイスを示し、（ａ）は断面図、（ｂ），（ｃ）は分解斜視図。
【図８】第４実施形態に係る力検出装置を示す、（ａ）は断面図、（ｂ）はセンサーデバイスの配置を示す概念図。
【図９】第４実施形態に係るその他の力検出装置を示す、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＣ−Ｃ´部の断面図。
【図１０】第３実施形態に係るロボットの構成を示す外観図。
【図１１】実施例を示すグラフであり、（ａ）は第１実施形態に係るセンサー素子の実施例、（ｂ）は第２実施形態に係るセンサー素子の実施例。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。
【００２１】
（第１実施形態）
図１は第１実施形態に係るセンサー素子を示す、（ａ）は断面図、（ｂ）は分解斜視図、（ｃ）は（ｂ）に示すＡ方向矢視図である。図１に示すセンサー素子１００は、圧電基板としての水晶基板１０と、第１電極として検出電極２０と、第２電極としての接地電極（以下、ＧＮＤ電極という）３０と、を備えている。圧電基板の材料としては、三方晶系の単結晶であれば水晶に限定されない。三方晶系の単結晶とは、長さの等しい三本の対称軸が互いに１２０°の角度で交わり、その交点に一本の垂直な軸が交わる結晶軸を持つものをいう。三方晶系の単結晶としては水晶の他には、ランガサイト（Ｌａ3Ｇａ5ＳｉＯ14）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）単結晶、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）単結晶、リン酸ガリウム（ＧａＰＯ4）単結晶、ホウ酸リチウム（Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7）単結晶などが挙げられる。本実施形態では、わずかなひずみであっても多くの電荷を発生させることができ、さらに容易に単結晶が得られ、加工性、品質安定性に優れる水晶を用いる実施形態として説明する。
【００２２】
図１（ａ）に示すセンサー素子１００は、水晶基板１０の一方の基板面１０ａには検出電極２０が配置され、他方の基板面１０ｂにはＧＮＤ電極３０が配置され、検出電極２０とＧＮＤ電極３０によって水晶基板１０が挟持されている。すなわち、図示する座標軸α，β，γにおいて、γ方向に検出電極２０、水晶基板１０、ＧＮＤ電極３０の順に積層されてセンサー素子１００が構成されている。このセンサー素子１００に対して図示するα軸方向に沿った剪断方向の力Ｆαが付加されると、水晶基板１０は変位後の水晶基板１０´のように変形させられる。この変形のひずみによって水晶基板１０には電荷が発生する。
【００２３】
ここで、水晶基板１０が結晶軸の機械軸であるＹ軸に交差し、電気軸のＸ軸を含む平面を主面とする、いわゆるＹカット板から形成される場合、図１（ａ）に示す変形、すなわち水晶基板１０´となるようなひずみを生じさせると、検出電極２０が配置される水晶基板１０の一方の基板面１０ａ側の水晶基板１０の内部には＋（プラス）の電荷が発生し、他方のＧＮＤ電極３０が配置される他方の基板面１０ｂ側の水晶基板１０の内部には−（マイナス）の電荷が発生する。他方の基板面１０ｂ側の−電荷はＧＮＤ電極３０により図示しない接地（ＧＮＤ）へ放出され、一方の基板面１０ａ側の＋電荷は検出電極２０より図示しない演算装置へ検出値として送出され、得られた電荷量によってα方向の力Ｆαが演算される。
【００２４】
圧電体として三方晶系の単結晶である水晶より形成された水晶基板１０は、内部に生じるひずみによって上述した通り電荷を発生する。この電荷量は、結晶軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対する水晶基板１０の基板面１０ａ，１０ｂの角度によって増減し、中でも以下で説明する基板面１０ａ，１０ｂの形成条件によってより多くの電荷を得ることができる。
【００２５】
水晶基板１０をα軸に沿った図１（ｂ）に示すＡ方向の矢視図を図１（ｃ）に示す。図１（ｃ）に示すように、水晶基板１０の基板面１０ａ，１０ｂは結晶軸Ｘ，Ｙ，Ｚにより定義すると、水晶基板１０の一方の基板面１０ａと、Ｚ軸とＸ軸によって定義される平面と、によりなす角度θを有して水晶基板１０が切り出されて形成される。
【００２６】
図２に、結晶軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対する水晶基板１０の形成方法を模式化して示す。図２に示すように、水晶基板１０は、結晶軸Ｘ，Ｙ，Ｚで切り出された水晶結晶体１の、Ｘ軸とＺ軸とを含みＹ軸に直交する面１ａに対して、Ｙ軸とＺ軸とによって定義される面内において面１ａと基板面１０ａ，１０ｂがなす角度を角度θとなるように形成される。角度θは、
０°＜θ＜２０°
の範囲で形成されることが好ましい。このように水晶基板１０を形成することにより、力Ｆαによって生じる電荷の発生量をより多くすることができ、検出力の高いセンサー素子を得ることができる。
【００２７】
（第２実施形態）
図３は第２実施形態に係るセンサー素子を示す、（ａ）は断面図、（ｂ）は分解斜視図、（ｃ）は（ｂ）に示すＢ方向矢視図である。なお第２実施形態に係るセンサー素子２００は第１実施形態に係るセンサー素子１００に対して水晶基板１０の形態が異なり、その他の構成は同じであるので、同じ構成には同じ符号を付し、説明は省略する。図３に示すように、第２実施形態に係るセンサー素子２００は、水晶基板４０を圧縮する方向、すなわちγ方向の力Ｆγを検出するセンサー素子２００である。センサー素子２００は、第１電極としての検出電極２０と、圧電基板としての水晶基板４０と、第２電極としてのＧＮＤ電極３０とをγ方向に積層した構成となっている。圧電基板の材料としては、第１実施形態に係るセンサー素子１００と同様、三方晶系の単結晶であれば水晶に限定されないが、本実施形態においても圧電材料として水晶を用いた形態にて説明する。
【００２８】
センサー素子２００は、図３に示すように水晶基板４０にγ方向に圧縮させる力Ｆγが掛かると、圧縮変形して水晶基板４０´のように変形する。この変形のひずみによって水晶基板１０には電荷が発生する。ここで水晶基板４０は結晶軸の電気軸であるＸ軸に交差し、機械軸のＹ軸と光軸のＺ軸とを含む平面を主面とする、いわゆるＸカット板から形成され、図３（ａ）に示す変形、すなわちひずみを生じさせると、検出電極２０が配置される水晶基板４０の一方の基板面４０ａ側の水晶基板４０の内部には＋（プラス）の電荷が発生し、ＧＮＤ電極３０が配置される他方の基板面４０ｂ側の水晶基板４０の内部には−（マイナス）の電荷が発生する。他方の基板面４０ｂ側の−電荷はＧＮＤ電極３０により図示しない接地（ＧＮＤ）へ放出され、一方の基板面４０ａ側の＋電荷は検出電極２０より図示しない演算装置へ検出値として送出され、得られた電荷量によってγ方向の力Ｆγが演算される。
【００２９】
圧電体として三方晶系の単結晶である水晶より形成された水晶基板４０は、内部に生じるひずみによって上述した通り電荷を発生する。この電荷量は、水晶基板４０の基板面４０ａ，４０ｂに交差する外形面の一部を構成する平面４０ｃ，４０ｄと、Ｘ軸とＺ軸とのより定義される面と、により成す角度によって増減し、中でも以下で説明する平面４０ｃ，４０ｄの形成条件によってより多くの電荷を得ることができる。
【００３０】
図３（ｂ）に示すＢ方向の矢視図を図３（ｃ）に示す。図３（ｃ）に示すように、水晶基板４０の外形を形成する外形面は、少なくとも１つの平面を有し、本実施形態では外形面に平面４０ｃ，４０ｄを有している。この平面４０ｄが、結晶軸のＸ軸とＺ軸によって定義される平面と角度λを有して水晶基板４０が切り出されて形成される。本実施形態では矩形の水晶基板４０であり、外形面の平面４０ｃと平面４０ｄとはほぼ平行であるので、平面４０ｃにおいても結晶軸のＸ軸とＺ軸によって定義される平面と角度λを有して水晶基板４０が切り出されて形成される。
【００３１】
図４に、結晶軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対する水晶基板４０の形成方法を模式化して示す。図４に示すように、水晶基板４０は、結晶軸Ｘ，Ｙ，Ｚで切り出された水晶結晶体２のＸ軸とＺ軸によって定義される面２ａと、外形面の平面４０ｄとがなす角度が角度λとなるように形成される。平面４０ｃは平面４０ｄとほぼ平行な面であることから平面４０ｃも、面２ａと外形面の平面４０ｄとがなす角度が角度λとなるように形成される。角度λは、
２５°≦λ≦８５°
の範囲で形成されることが好ましい。このように水晶基板４０を形成することにより、力Ｆγによって生じる電荷の発生量をより多くすることができ、検出力の高いセンサー素子を得ることができる。
【００３２】
図５は、水晶基板４０のその他の形態を示す斜視図である。第２実施形態に係る水晶基板４０は上述した通り、Ｘ軸とＺ軸によって定義される面２ａ（図４参照）に対して外形面の平面４０ｃもしくは平面４０ｄが角度λで交差することで、多くの電荷の発生が得られる。従って、平面４０ｃ，４０ｄを除く外形面は平面に限定されない。すなわち図５（ａ）に示す水晶基板４１のように、Ｘ軸とＺ軸によって定義される面２ａ（図４参照）に対して角度λで交差する平面４１ｃもしくは平面４１ｄ以外が円形状の面４１ａ，４１ｂであっても良い。また、図５（ｂ）に示す水晶基板４２のように、Ｘ軸とＺ軸によって定義される面２ａ（図４参照）に対して角度λで交差する面が平面４２ｂの１面で、その他の面は円形などの面４２ａであっても良い。
【００３３】
（第３実施形態）
図６は、第３実施形態に係るセンサーデバイスを示す断面図であり、図６に示すように、センサーデバイス１０００は、水晶基板１０を備えるセンサー素子１００、あるいは水晶基板４０を備えるセンサー素子２００が筒状容器４００に収納され、基台３０１，３０２によって押圧固定され、検出電極２０とＧＮＤ電極３０とは演算装置５００に電気的に接続されている。演算装置５００には、図示しない検出電極２０で得られた電荷を変換するＱＶアンプを備え、ＧＮＤ電極３０が接続されるＧＮＤ（接地）を備えている。このような構成の形態とすることで、基台３０１と基台３０２との間に掛かる力を容易に検出することが可能なセンサーデバイス１０００を得ることができる。
【００３４】
図７には、第３実施形態におけるその他の実施形態としてのセンサーデバイス１１００，１２００を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）はセンサーデバイス１１００の分解斜視図、（ｃ）はセンサーデバイス１２００の分解斜視図、である。図７に示すセンサーデバイス１１００，１２００は、上述のセンサーデバイス１０００に対して圧電基板としての水晶基板１０あるいは水晶基板４０を、検出電極２０の両側に配置した構成である。すなわち、検出電極２０を共有してセンサー素子１００あるいはセンサー素子２００を２個積層した構成である。図７（ａ）に示すように、センサーデバイス１１００は、検出電極２０を共有するようにセンサー素子１０１とセンサー素子１０２と、が配置され、センサーデバイス１２００は、検出電極２０を共有するようにセンサー素子２０１とセンサー素子２０２と、が配置されている。
【００３５】
このように配置された２つのセンサー素子１０１，１０２もしくはセンサー素子２０１，２０２が筒状容器４１０に収納され、基台３０１，３０２によって押圧固定され、検出電極２０とＧＮＤ電極３０とは演算装置５１０に電気的に接続されている。演算装置５１０には、図示しない検出電極２０で得られた電荷を変換するＱＶアンプを備え、ＧＮＤ電極３０が接続されるＧＮＤ（接地）を備えている。
【００３６】
図７（ｂ）にセンサーデバイス１１００におけるセンサー素子１０１，１０２の配置を示す。図７（ｂ）に示すように、センサー素子１０１とセンサー素子１０２とは、図示する積層方向Ｎに沿って、第１実施形態に係るセンサー素子１００のようにγ方向を合わせて積層される。ここで、センサーデバイス１１００は図示Ｌ方向に沿った力が検出され、その場合、検出電極２０に接する図示Ｎ方向上側の水晶基板１０の面１０ａと、図示Ｎ方向下側の水晶基板１０の面１０ｂと、には同じ極性の電荷を発生させるように、α方向およびγ方向が互いに逆向きとなるように配置される。
【００３７】
図７（ｃ）にはセンサーデバイス１２００におけるセンサー素子２０１，２０２の配置を示す。図７（ｃ）に示すように、センサー素子２０１とセンサー素子２０２とは、互いに表裏を逆にした、すなわち検出電極２０に水晶基板４０の一方の基板面４０ａが接するように配置され、Ｎ方向に沿った力、すなわち圧縮方向に力が掛かった場合に、検出電極２０に接する２つの水晶基板４０の一方の基板面４０ａに同じ極性の電荷を発生させることができる。
【００３８】
このような構成の形態とすることで、基台３０１と基台３０２との間に掛かる力によって２枚の水晶基板１０もしくは水晶基板４０に電荷を発生させることができ、上述のセンサーデバイス１０００と比べほぼ２倍の電荷を得ることができる。従って、微小な力であっても容易にその力を検出することが可能なセンサーデバイス１１００，１２００を得ることができる。
【００３９】
（第４実施形態）
図８は、第４実施形態に係る力検出装置を示す、（ａ）は断面図、（ｂ）はセンサーデバイスの配置を示す概念図、である。図８（ａ）において、電極、水晶基板の積層方向（図示上方向）をＶ（＋）方向とし、Ｖ方向に直交し図示右方向をＨｘ（＋）方向、図示面に向かう方向をＨｙ（＋）方向とする。図８（ａ）に示す、力検出装置２０００は基台３１１と基台３１２の間に、筒状容器４２０の内部に電極と水晶基板を交互に積層し、基台３１１と基台３１２によって押圧されて固定されている。
【００４０】
筒状容器４２０の内部に収容される電極、水晶基板は次のように積層されている。基台３１１の側から、第３実施形態のその他の形態に係るセンサーデバイス１１００と同じ構成でセンサー素子１０１，１０２が積層されたセンサーデバイス１１０１と、センサーデバイス１１００と同じ構成でセンサー素子１０１，１０２が積層されたセンサーデバイス１１０２と、センサー素子２０１，２０２が積層されたセンサーデバイス１２００と、が積層されている。このように積層されるセンサーデバイス１１０１，１１０２，１２００において基台３１１，３１２に接するＧＮＤ電極３０を除くＧＮＤ電極３０は、センサーデバイス１１０１，１１０２，１２００において共用されるＧＮＤ電極３０となっている。
【００４１】
また図８（ｂ）に示すように、センサーデバイス１１０２の配置は、センサーデバイス１１０１を、Ｖ軸を中心として角度９０°回転させた配置方向となっている。すなわち、Ｌ軸に沿った力を検出するセンサーデバイス１１０１のＬ軸とＨｘ軸と合わせ、Ｌ軸をＶ軸中心に角度９０°回転させてＨｙ軸に合わせてセンサーデバイス１１０２を配置することにより、Ｈｘ軸およびＨｙ軸に沿った方向の力を検出することができる。さらに、Ｎ軸方向の力を検出するセンサーデバイス１２００を、Ｖ軸にＮ軸を合わせて配置することによって、Ｖ軸に沿った力を検出することができる。このようにセンサーデバイス１１０１，１１０２，１２００が組み込まれた力検出装置２０００はＨｘ，Ｈｙ，Ｖ方向、すなわち３軸方向の力を検出することができる。
【００４２】
このように構成された力検出装置２０００の基台３１１，３１２に力が付加されると、センサーデバイス１１０１，１１０２，１２００に生じた電荷は、演算手段としての演算装置６００に備えるセンサーデバイス１１０１の電荷からＨｘ方向演算装置６１０、センサーデバイス１１０２の電荷からＨｙ方向演算装置６２０、センサーデバイス１２００の電荷からＶ方向演算装置６３０、によって得られるＨｘ，Ｈｙ，Ｖ方向の力成分から付加された外力のベクトルデータを図示しない制御装置に出力する。なお、ＧＮＤ電極３０に励起される電荷は演算装置６００に備えるＧＮＤ６４０によって接地、放電される。
【００４３】
上述した通り、本実施形態に係る力検出装置２０００は、一方向に電極と、圧電基板としての水晶基板とを積層させることにより、小型の力検出装置を得ることができ、ロボットなどの取り付け部が狭小な装置にも容易に設置が可能となる。また、本実施形態の力検出装置は単純な形状の電極と水晶基板の積層により形成することができるため、低コストの力検出装置を得ることができる。
【００４４】
図９は、上述の実施形態に係る力検出装置２０００を用い、トルク検出を可能とする６軸力検出装置３０００の概略を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＣ−Ｃ´部の断面図である。図９（ａ），（ｂ）に示すように６軸力検出装置３０００は基台３２１，３２２によって、力検出装置２０００を４個固定した構成となっている。この６軸力検出装置３０００の形態とすることによって、配置された４個の力検出装置２０００の装置間の距離と、各力検出装置２０００によって得られる力と、によりＨｘ軸、Ｈｙ軸、およびＶ軸の各軸回りのトルクを求めることが可能となる。
【００４５】
（第５実施形態）
図１０は、第３実施形態に係る力検出装置２０００、もしくは６軸力検出装置３０００を用いたロボット４０００の構成を示す外観図である。ロボット４０００は、本体部４１００、アーム部４２００およびロボットハンド部４３００などから構成されている。本体部４１００は、例えば床、壁、天井、移動可能な台車の上、などに固定される。アーム部４２００は、本体部４１００に対して可動に設けられており、本体部４１００にはアーム部４２００を回転させるための動力を発生させる図示しないアクチュエーターや、アクチュエーターを制御する制御部などが内蔵されている。
【００４６】
アーム部４２００は、第１フレーム４２１０、第２フレーム４２２０、第３フレーム４２３０、第４フレーム４２４０および第５フレーム４２５０から構成されている。第１フレーム４２１０は、回転屈曲軸を介して本体部４１００に回転可能または屈曲可能に接続されている。第２フレーム４２２０は、回転屈曲軸を介して第１フレーム４２１０および第３フレーム４２３０に接続されている。第３フレーム４２３０は、回転屈曲軸を介して第２フレーム４２２０および第４フレーム４２４０に接続されている。第４フレーム４２４０は、回転屈曲軸を介して第３フレーム４２３０および第５フレーム４２５０に接続されている。第５フレーム４２５０は、回転屈曲軸を介して第４フレーム４２４０に接続されている。アーム部４２００は、制御部の制御によって、各フレーム４２１０〜４２５０が各回転屈曲軸を中心に複合的に回転または屈曲し、動作する。
【００４７】
アーム部４２００の第５フレーム４２５０のうち、第４フレーム４２４０との接続部の他方の側には、ロボットハンド部４３００が取り付けられている。ロボットハンド部４３００は、対象物を把持することが可能なロボットハンド４３１０と、ロボットハンド４３１０を回転動作させるモーターを内蔵するロボットハンド接続部４３２０と、を備え、ロボットハンド接続部４３２０によって第５フレーム４２５０に接続されている。
【００４８】
ロボットハンド接続部４３２０には、モーターに加えて第３実施形態に掛かる力検出装置２０００または６軸力検出装置３０００が内蔵されており、ロボットハンド部４３００が制御部の制御によって所定の動作位置まで移動させたとき、障害物への接触、あるいは所定位置を超えての動作命令による対象物との接触、などを力検出装置２０００または６軸力検出装置３０００によって力として検出し、ロボット４０００の制御部へフィードバックして、回避行動を実行させることができる。
【００４９】
このようなロボット４０００を用いることにより、従来からの位置制御では対処できなかった障害物回避動作、対処物損傷回避動作などを容易に行える、安全で細かな作業が可能なロボットを得ることができる。なお、本実施形態に限定されず、例えば双腕ロボットにも適用することができる。
【実施例】
【００５０】
図１１は第１実施形態に係るセンサー素子１００および第２実施形態に係るセンサー素子２００において、力を掛けた場合に発生する電荷量を示すグラフであり、センサー素子１００の場合には角度θに対して計算した結果を図１１（ａ）に、センサー素子２００の場合には角度λに対して計算した結果を図１１（ｂ）に、示す。なお圧電基板は平面サイズが５ｍｍ×５ｍｍ、厚さ２００μｍの水晶であり、図示する方向にＦα＝５００Ｎ、Ｆγ＝５００Ｎを付加する条件である。
【００５１】
図１１（ａ）に示すように、第１実施形態に係るセンサー素子１００の形態の場合、θ＝０°の場合である一般的なＹカット板に対して、θを大きくすると
０°＜θ＜２０°
の範囲においてθ＝０°の場合の電荷量を上回る電荷を得ることができる。
【００５２】
図１１（ｂ）に示すように、第２実施形態に係るセンサー素子２００の形態の場合、λ＝０°の場合である一般的なＸカット板に対して、λは
２５°≦λ≦８５°
の範囲においてλ＝０°の場合の電荷量を上回る電荷を得ることができる。
【符号の説明】
【００５３】
１０…圧電基板（水晶基板）、２０…検出電極、３０…接地電極（ＧＮＤ電極）、１００…センサー素子。
【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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