(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の側面、第２の側面、前記第１の側面と前記第２の側面とに交差する第３の側面及び前記第１の側面と前記第２の側面とに交差する第４の側面を有する第１部材と、
前記第１の側面に対向する第１の面、前記第２の側面に対向する第２の面、及び前記第１の側面に対向する第１の面と前記第２の側面に対向する第２の面とに交差し、前記第１部材の下面に対向する第３の面、を有する第２部材と、
前記第３の側面に対向する第１の面、前記第４の側面に対向する第２の面、及び前記第３の側面に対向する第１の面と前記第４の側面に対向する第２の面とに交差し、前記第１部材の上面に対向する第３の面、を有する第３部材と、
前記第１の側面と前記第２部材の第１の面とで挟まれている第１の圧電素子と、
前記第２の側面と前記第２部材の第２の面とで挟まれている第２の圧電素子と、
前記第３の側面と前記第３部材の第１の面とで挟まれている第３の圧電素子と、
前記第４の側面と前記第３部材の第２の面とで挟まれている第４の圧電素子と、を備えることを特徴とする力検出装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１の圧電素子は、前記第２部材の前記第１の面に取り付けられ、
前記第２の圧電素子は、前記第２部材の前記第２の面に取り付けられ、
前記第３の圧電素子は、前記第３部材の前記第１の面に取り付けられ、
前記第４の圧電素子は、前記第３部材の前記第２の面に取り付けられることを特徴とする力検出装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記第１の圧電素子は、前記第１部材の前記第１の側面に取り付けられ、
前記第２の圧電素子は、前記第１部材の前記第２の側面に取り付けられ、
前記第３の圧電素子は、前記第１部材の前記第３の側面に取り付けられ、
前記第４の圧電素子は、前記第１部材の前記第４の側面に取り付けられることを特徴とする力検出装置。
【請求項４】
請求項２又は３において、
前記第１の側面から前記第２の側面への方向を第１の方向とし、前記第３の側面から前記第４の側面への方向を第２の方向とした場合に、
前記第１の方向における外力を、前記第３の圧電素子及び前記第４の圧電素子によって検出される力に基づいて求める処理部を備えることを特徴とする力検出装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記処理部は、前記第２の方向における外力を、前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子によって検出される力に基づいて求めることを特徴とする力検出装置。
【請求項６】
請求項４又は５において、
前記第１の方向及び前記第２の方向に交差する方向を第３の方向とした場合に、
前記処理部は、前記第３の方向における外力を、前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子と前記３の圧電素子と第４の圧電素子とによって検出される力に基づいて求めることを特徴とする力検出装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の力検出装置を備えることを特徴とするロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力検出装置及びロボット等に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、生産効率向上を目的として、工場等の生産施設への産業用ロボットの導入が進め
られている。このような産業ロボットとしては、アルミニウム板等の母材に対して機械加
工を施す工作機械が代表的である。工作機械には、機械加工を施す際に、母材に対する力
を検出する力検出装置が内蔵されたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載の力測定装置は、圧電素子としての水晶を用いて、せん断、引張力、
圧縮力等を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−６８６６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、圧電素子として水晶を用いた力測定装置では、機械加工中に生じた熱に
より水晶が変形してしまい、その結果、圧電素子の出力における真値に対するノイズ成分
となってしまう。そして、特許文献１に記載の力測定装置では、このようなノイズ対策が
考慮されていない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様は、第１部材と、第２部材と、第３部材と、を含み、前記第２部材と前
記第１部材とで、複数の圧電素子を挟み、前記第３部材と前記第１部材とで、前記第２部
材と前記第１部材とで挟んだ前記複数の圧電素子とは異なる複数の圧電素子を挟む力検出
装置に関係する。
【０００７】
本発明の一態様では、第２部材と第１部材とで複数の圧電素子を挟み、第３部材と第１
部材とで他の複数の圧電素子を挟む。そのため、第２部材と第３部材の一方に力が加えら
れた場合に、当該力は圧電素子を介して第１部材に伝わり、さらに他の圧電素子を介して
第２部材と第３部材の他方の部材に伝わる。つまり、第２部材と第１部材とで挟まれる複
数の圧電素子で検出される力と、第３部材と第１部材とで挟まれる複数の圧電素子で検出
される力とが等しくなることが想定されるため、力検出装置に含まれる圧電素子のうち、
適切なものを選択して外力を演算することができ、高精度での外力の検出が可能になる。
【０００８】
また、本発明の一態様では、前記第２部材と前記第１部材とで挟む前記複数の圧電素子
である、第１の圧電素子及び第２の圧電素子と、前記第３部材と前記第１部材とで挟む前
記複数の圧電素子である、第３の圧電素子及び第４の圧電素子と、を含み、前記第１部材
は、第１、第２の側面と、前記第１、第２の側面に交差する第３、第４の側面を有し、前
記第２部材は、前記第１部材の前記第１の側面に対向する第１の面と、前記第１部材の前
記第２の側面に対向する第２の面を有し、前記第３部材は、前記第１部材の前記第３の側
面に対向する第１の面と、前記第１部材の前記第４の側面に対向する第２の面を有し、前
記第１の圧電素子は、前記第２部材の前記第１の面と、前記第１部材の前記第１の側面の
間に設けられ、前記第２の圧電素子は、前記第２部材の前記第２の面と、前記第１部材の
前記第２の側面の間に設けられ、前記第３の圧電素子は、前記第３部材の前記第１の面と
、前記第１部材の前記第３の側面の間に設けられ、前記第４の圧電素子は、前記第３部材
の前記第２の面と、前記第１部材の前記第４の側面の間に設けられてもよい。
【０００９】
これにより、具体的な構造（例えば自在継ぎ手型）により、本実施形態に係る力検出装
置を実現すること等が可能になる。
【００１０】
また、本発明の一態様では、前記第２部材は、前記第２部材の前記第１の面及び前記第
２の面に交差する第３の面を有し、前記第３部材は、前記第３部材の前記第１の面及び前
記第２の面に交差する第３の面を有し、前記第２部材の前記第３の面は、前記第１部材の
下面に対向し、前記第３部材の前記第３の面は、前記第１部材の上面に対向してもよい。
【００１１】
これにより、具体的な構造（例えば自在継ぎ手型）により、本実施形態に係る力検出装
置を実現すること等が可能になる。
【００１２】
また、本発明の一態様では、前記第１の圧電素子は、前記第２部材の前記第１の面に取
り付けられ、前記第２の圧電素子は、前記第２部材の前記第２の面に取り付けられ、前記
第３の圧電素子は、前記第３部材の前記第１の面に取り付けられ、前記第４の圧電素子は
、前記第３部材の前記第２の面に取り付けられてもよい。
【００１３】
これにより、力検出装置の適切な部分に圧電素子を取り付けることが可能になる。
【００１４】
また、本発明の一態様では、前記第１の圧電素子は、前記第１部材の前記第１の側面に
取り付けられ、前記第２の圧電素子は、前記第１部材の前記第２の側面に取り付けられ、
前記第３の圧電素子は、前記第１部材の前記第３の側面に取り付けられ、前記第４の圧電
素子は、前記第１部材の前記第４の側面に取り付けられてもよい。
【００１５】
これにより、力検出装置の適切な部分に圧電素子を取り付けることが可能になる。
【００１６】
また、本発明の一態様では、前記第１の側面から前記第２の側面への方向を第１の方向
とし、前記第３の側面から前記第４の側面への方向を第２の方向とした場合に、前記第１
の方向における外力を、前記第３の圧電素子及び前記第４の圧電素子によって検出される
力に基づいて求める処理部をさらに含んでもよい。
【００１７】
これにより、所与の方向の力を求める際に、誤差の小さい情報（せん断力）を用いるこ
と等が可能になる。
【００１８】
また、本発明の一態様では、前記第１の側面から前記第２の側面への方向を第１の方向
とし、前記第３の側面から前記第４の側面への方向を第２の方向とした場合に、前記第２
の方向における外力を、前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子によって検出される
力に基づいて求める処理部をさらに含んでもよい。
【００１９】
これにより、所与の方向の力を求める際に、誤差の小さい情報（せん断力）を用いるこ
と等が可能になる。
【００２０】
また、本発明の一態様では、前記第１の方向及び前記第２の方向に交差する方向を第３
の方向とした場合に、前記処理部は、前記第３の方向における外力を、前記第１〜第４の
圧電素子によって検出される力に基づいて求めてもよい。
【００２１】
これにより、所与の方向の力を求める際に、誤差の小さい情報（せん断力）を用いるこ
と等が可能になる。
【００２２】
また、本発明の他の態様は、上記の力検出装置を含むロボットに関係する。
【００２３】
本発明の他の態様では、ロボットに含まれる力検出装置において、第２部材と第１部材
とで複数の圧電素子を挟み、第３部材と第１部材とで他の複数の圧電素子を挟む。そのた
め、第２部材と第３部材の一方に力が加えられた場合に、当該力は圧電素子を介して第１
部材に伝わり、さらに他の圧電素子を介して第２部材と第３部材の他方の部材に伝わる。
つまり、第２部材と第１部材とで挟まれる複数の圧電素子で検出される力と、第３部材と
第１部材とで挟まれる複数の圧電素子で検出される力とが等しくなることが想定されるた
め、力検出装置に含まれる圧電素子のうち、適切なものを選択して外力を演算することが
でき、高精度での外力の検出、及びそれに基づく適切なロボット制御等が可能になる。
【００２４】
以上のように、本発明の幾つかの態様によれば、温度の変動等による影響を抑止して、
高精度で外力を検出する力検出装置及びロボット等を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１（Ａ）、図１（Ｂ）は従来手法における力検出装置の構成例。
【図２】図２（Ａ）、図２（Ｂ）は比較例における力検出装置の構成例。
【図３】図３（Ａ）〜図３（Ｃ）は比較例におけるＺ軸並進力、及びＸＹＺの各軸まわりのモーメントを求める手法の説明図。
【図４】比較例におけるＸ軸又はＹ軸並進力を求める手法の説明図。
【図５】図５（Ａ）〜図５（Ｃ）は比較例におけるＸ軸又はＹ軸並進力を求める手法の説明図。
【図６】図６（Ａ）〜図６（Ｃ）は本実施形態に係る力検出装置の概略構成例。
【図７】本実施形態におけるＸ軸又はＹ軸並進力を求める手法の説明図。
【図８】本実施形態に係る力検出装置の詳細な構成例。
【図９】図９（Ａ）、図９（Ｂ）は本実施形態に係る力検出装置の詳細な構成例。
【図１０】圧電素子の構成例。
【図１１】変換出力回路及び外力検出回路の構成例。
【図１２】図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）は本実施形態における並進力を求める手法の説明図。
【図１３】図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）は本実施形態におけるモーメントを求める手法の説明図。
【図１４】本実施形態に係るロボット（単腕ロボット）の構成例。
【図１５】本実施形態に係るロボット（双椀ロボット）の構成例。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本実施形態について説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の
範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明さ
れる構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００２７】
１．本実施形態の手法
まず本実施形態の手法について説明する。特許文献１に開示されているように、圧電素
子（例えば水晶を用いた素子）を用いて力検出装置を実現する手法が知られている。しか
し、このような圧電素子は、当該素子の面内での力（以下、せん断力と記載）と、素子の
法線方向での力（以下、圧縮／引張力と記載）とで特性に差（異方性）がある。
【００２８】
具体的には、せん断力は温度による特性変動が小さいのに対して、圧縮／引張力は温度
による特性変化が大きい。具体的には、物性の温度特性による要因と、熱による機械的な
形状変化による要因とが考えられる。
【００２９】
例えば、力検出装置を、エンドエフェクターが装着されたアームを有する産業用ロボッ
トに用いた場合を考える。この場合、アームやエンドエフェクターに設けられたモーター
等の発熱源からの熱伝達により、部材（例えば後述する第１部材１、第２部材２、第３部
材３）が加熱されて熱膨張し、変形する。この変形により、圧電素子に対する与圧が所定
の値から変化してしまう。この圧電素子に対する与圧変化が、力検出装置の温度変化に起
因するノイズ成分として、圧縮／引張力（具体的には圧縮／引張力に対応する電荷）に著
しい影響を及ぼす程度に含まれてしまうことになる。
【００３０】
圧電素子を用いた力検出装置の従来例としては図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示した構造が
考えられる。図１（Ａ）の例では、力検出装置ＦＤＡに設定される装置座標系のＸＹ平面
上に、４つの圧電素子１０−１〜１０−４（具体的には後述するセンサーデバイス６−１
〜６−４）が配置される。なお、従来例（図１（Ａ）等）、後述する比較例（図２（Ａ）
等）、及び後述する本実施形態の手法（図８等）では、圧電素子自体は共通のものを用い
てもよいため、本明細書及び図面では圧電素子の符号を共通化している。ただし本実施形
態に係る圧電素子が従来と同様の構造に限定されるものではなく、異なる構造を用いても
よい。
【００３１】
各圧電素子に対して設定される素子座標系のＸ軸Ｙ軸Ｚ軸の方向は、全て装置座標系の
Ｘ軸Ｙ軸Ｚ軸に一致するものとしている。図１（Ａ）の配置を上方から（装置座標系のＺ
軸正方向から）みたのが図１（Ｂ）となる。なお、各圧電素子の出力値は当該圧電素子に
設定された素子座標系のＸ軸Ｙ軸Ｚ軸における並進力となる。
【００３２】
図１（Ａ）のように装置座標系のＸＹ平面上に４つの圧電素子が配置され、装置座標系
の座標軸と素子座標系の座標軸とが一致する場合で、特に図１（Ｂ）に示したように、そ
れぞれのユニット座標系の原点が、センサー座標系において（ｒ，０，０）、（０，ｒ，
０）、（−ｒ，０，０）、（０，−ｒ，０）にある例を考える。
【００３３】
圧電素子１０−１の出力を（Ｆ１ｘ，Ｆ１ｙ，Ｆ１ｚ）、圧電素子１０−２の出力を（
Ｆ２ｘ，Ｆ２ｙ，Ｆ２ｚ）、圧電素子１０−３の出力を（Ｆ３ｘ，Ｆ３ｙ，Ｆ３ｚ）、圧
電素子１０−４の出力を（Ｆ４ｘ，Ｆ４ｙ，Ｆ４ｚ）とする。この場合、力検出装置全体
として装置座標系のＸＹＺ軸での並進力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと、各軸まわりのモーメントＭ
ｘ，Ｍｙ，Ｍｚを検出するものとすると、各値は下式（１）で求めることができる。
Ｆｘ＝Ｆ１ｘ＋Ｆ２ｘ＋Ｆ３ｘ＋Ｆ４ｘ
Ｆｙ＝Ｆ１ｙ＋Ｆ２ｙ＋Ｆ３ｙ＋Ｆ４ｙ
Ｆｚ＝Ｆ１ｚ＋Ｆ２ｚ＋Ｆ３ｚ＋Ｆ４ｚ
Ｍｘ＝ｒ（Ｆ４ｚ−Ｆ２ｚ）
Ｍｙ＝ｒ（Ｆ３ｚ−Ｆ１ｚ）
Ｍｚ＝ｒ（Ｆ１ｙ−Ｆ３ｙ＋Ｆ２ｘ−Ｆ４ｘ）  ・・・・・（１）
【００３４】
つまり、各圧電素子からの出力値に基づいて算出処理を行うことで、図１（Ａ）に示し
た力検出装置を６軸力センサーとして用いることが可能になる。
【００３５】
しかし、上述の例では、Ｆ１ｘ、Ｆ１ｙ、Ｆ２ｘ、Ｆ２ｙ、Ｆ３ｘ、Ｆ３ｙ、Ｆ４ｘ、
Ｆ４ｙについては圧電素子の面内での力、すなわちせん断力であるが、Ｆ１ｚ、Ｆ２ｚ、
Ｆ３ｚ、Ｆ４ｚは圧電素子の法線方向の力、すなわち圧縮／引張力である。つまり、上式
（１）で示したＺ軸方向の力（図１（Ｂ）における紙面を貫く方向の力）Ｆｚや、Ｘ軸及
びＹ軸まわりのモーメントは、圧縮／引張力を用いて演算することになるため、上述した
ように温度変化による誤差が生じるおそれがあり、外力の高精度での検出が難しいという
課題がある。
【００３６】
これに対して、力検出装置の出力の演算に当たり、圧縮／引張力（Ｆ１ｚ、Ｆ２ｚ、Ｆ
３ｚ、Ｆ４ｚ）を用いないものとできれば、外力を高精度で検出可能となる。図２（Ａ）
、図２（Ｂ）に本実施形態に対する比較例における力検出装置ＦＤＢの例を示す。
【００３７】
比較例の構造は、力検出装置下面から正方形状の柱を立て、その４つの側面に圧電素子
を配置し、それを図２（Ｂ）のように上面と接続することにより、上面に加わる外力を、
全て圧電素子のせん断力として検出しようとするものである。
【００３８】
このような構造は、例えば板面ＬＭ１及び正方形状の柱ＬＭ２とを有する下側部材ＬＭ
と、板面ＵＭ１及び４つの壁面ＵＭ２を有する上側部材ＵＭとを、図２（Ｂ）に示した関
係で配置することで実現可能である。この構造を上下方向から見ると図２（Ａ）のように
なり、４つの圧電素子１０−１〜１０−４は、柱ＬＭ２と、壁面ＵＭ２とに挟まれて配置
される。なお、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＣ−Ｃ’における断面図となる。
【００３９】
この構造において、例えば、Ｚ軸方向の並進力である上面からの圧縮／引張力は、図３
（Ａ）に示したように４つのセンサーのせん断力として検出可能である。同様に、Ｚ軸周
りのモーメントも、図３（Ｂ）に示したように４つのセンサーのせん断力として検出可能
である。また、Ｘ軸周りのモーメント、Ｙ軸周りのモーメントは、図３（Ｃ）に示したよ
うに４つのセンサーのうちの２つのセンサーのせん断力を組み合わせることにより検出可
能である。
【００４０】
一方、図４のように側面からの力を考えてみる。この場合、第１の圧電素子１０−１と
第２の圧電素子１０−２は外力をせん断力として受け取るが、第３の圧電素子１０−３と
第４の圧電素子１０−４は外力を圧縮力として受け取る。しかし、このセンサーの４回対
称性が十分に高精度であれば、第１〜第４の圧電素子が受け取る力は同等であり、それぞ
れ４分の１づつとなる。つまり、この場合は、第１の圧電素子１０−１と第２の圧電素子
１０−２の受け取る面内せん断力のみを考え、その和を２倍することにより、側面からの
力を検出することが可能である。
【００４１】
また、図４の場合は、ある特定の方向からの例であるが、構造の対称性を考えれば、図
５（Ａ）〜図５（Ｃ）のように任意の方向からの外力についても検出することが可能であ
る。この場合、４つの圧電素子の面内せん断力の和を２倍することになる。
【００４２】
この比較例の場合、力検出装置ＦＤＢの３軸の並進力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと、各軸まわり
のモーメントＭｘ，Ｍｙ、Ｍｚのすべてを、各圧電素子で検出されるせん断力を用いて（
圧縮／引張力を用いずに）演算する。そのため、外力を高精度で検出することが可能であ
るように考えられる。
【００４３】
しかしこの比較例においても問題は残る。なぜなら、上述の説明は、力検出装置が十分
な精度で４回対称性を持っていることが前提となっているためである。現実においては機
械的な加工誤差、組立誤差により、４回対称性が十分でない場合も十分考えられる。その
場合、各圧電素子が受け取る力が同等であるという仮定が成り立たない以上、せん断力の
和を２倍して求められる値は、外力の大きさを正確に表しているとは言えない。つまり比
較例の手法を用いるためには、機械的な加工、組み立てに非常に高い精度が求められる、
或いは、精度が十分でない場合には誤差を補正するための何らかの手法を併用する必要が
あるという課題がある。
【００４４】
そこで本出願人は、精度の高い対称性を前提とせずとも、外力を高精度で検出すること
が可能な力検出装置を提案する。具体的には、力検出装置ＦＤは、第１部材１と、第２部
材２と、第３部材３を含み、第２部材２と第１部材１とで、複数の圧電素子を挟み、第３
部材３と第１部材１とで、第２部材２と第１部材１とで挟んだ前記複数の圧電素子とは異
なる複数の圧電素子を挟む。具体的な構造例は図６（Ａ）、図６（Ｂ）であり、これは図
６（Ｃ）のような自在継ぎ手型の構造である。
【００４５】
このような構成とした場合、仮に第２部材２に対して外力が加えられた場合、当該外力
は第２部材２と第１部材１とで挟み込んだ複数の圧電素子（第１群の圧電素子）を介して
第１部材１に伝達され、伝達された力は第１部材１と第３部材３とで挟み込んだ複数の圧
電素子（第２群の圧電素子）を介して第３部材３に伝達される。つまり、第１群の圧電素
子にはたらく力と、第２群の圧電素子にはたらく力とが等しくなる。
【００４６】
そのため、外力が第１群の圧電素子に対して圧縮／引張力として作用するものであった
としても、当該外力と同じ大きさ力が第２群の圧電素子に作用するため、第１群の圧電素
子と第２群の圧電素子の面方向を異ならせておけば（狭義には直交させておけば）、上記
外力と同じ大きさの力が、第２群の圧電素子に対するせん断力として作用することになる
。
【００４７】
例えば図６（Ａ）、図６（Ｂ）に示した構造に対して、図７に示した外力Ｆがはたらい
た場合、当該外力Ｆは、第２部材２と第１部材１とに挟まれる第１の圧電素子１０−１の
圧縮力Ｆ１と第２の圧電素子１０−２の圧縮力Ｆ２の和であるとともに、第１部材１と第
３部材３とに挟まれる第３の圧電素子１０−３のせん断力Ｆ３と第４の圧電素子１０−４
のせん断力Ｆ４の和である。つまりこの場合の外力Ｆは、せん断力の和であるＦ３＋Ｆ４
により求めることができる。
【００４８】
ここでは第２部材２に対して外力が加えられた例を説明したが、第３部材３に外力が加
えられた場合も同様である。結局、第２部材２、第３部材３のいずれかに加えられた面の
法線方向の力成分（圧縮／引張力）は、他方の面内せん断方向の力と釣り合うことになる
。これは図１（Ａ）、図１（Ｂ）と同様の座標系を用いた場合、Ｆｘ及びＦｙがせん断力
から求められることを表している。
【００４９】
また、詳細については図１２（Ｂ）〜図１３（Ｂ）等を用いて後述するが、Ｚ軸方向の
並進力Ｆｚや、各軸まわりのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚについても圧縮／引張力を用い
ずに、せん断力から演算が可能である。そして、これは力の釣り合いから導き出せるもの
であり、比較例のように精度の高い対称性が要求されることもない。
【００５０】
以下、本実施形態に係る力検出装置ＦＤの具体的な構造について説明した後、力検出装
置ＦＤに含まれる圧電素子１０（及び圧電素子１０を含むセンサーデバイス）の構造を説
明する。さらに各センサーデバイスからの出力に基づいて外力を演算する処理部（外力出
力回路）について説明し、最後に本実施形態の力検出装置の適用例を説明する。
【００５１】
２．力検出装置の構成例
本実施形態に係る力検出装置ＦＤの概略的な構造は図６（Ａ）、図６（Ｂ）に示したと
おりである。図６（Ａ）、図６（Ｂ）の例からわかるように、本実施形態の力検出装置Ｆ
Ｄは第１〜第４の圧電素子１０−１〜１０−４の４つの圧電素子を含んでもよい。そして
、第１部材１は、第１、第２の側面ＳＤ１，ＳＤ２と、第１、第２の側面ＳＤ１，ＳＤ２
に交差する（狭義には直交する）第３、第４の側面ＳＤ３，ＳＤ４を有する。また、第２
部材２は、第１部材１の第１の側面ＳＤ１に対向する第１の面ＳＡ１と、第１部材１の第
２の側面ＳＤ２に対向する第２の面ＳＡ２を有し、第３部材３は、第１部材１の第３の側
面ＳＤ３に対向する第１の面ＳＢ１と、第１部材１の第４の側面ＳＤ４に対向する第２の
面ＳＢ２を有する。
【００５２】
この場合、第１の圧電素子１０−１は、図６（Ａ）に示したように第２部材２の第１の
面ＳＡ１と、第１部材１の第１の側面ＳＤ１の間に設けられてもよい。同様に、第２の圧
電素子１０−２は、第２部材２の第２の面ＳＡ２と、第１部材１の第２の側面ＳＤ２の間
に設けられ、第３の圧電素子１０−３は、第３部材３の第１の面ＳＢ１と、第１部材１の
第３の側面ＳＤ３の間に設けられ、第４の圧電素子１０−４は、第３部材３の第２の面Ｓ
Ｂ２と、第１部材１の第４の側面ＳＤ４の間に設けられる。
【００５３】
また、図６（Ｂ）に示したように第２部材２は、第２部材２の第１の面ＳＡ１及び第２
の面ＳＡ２に交差する第３の面ＳＡ３を有し、第２部材２の第３の面ＳＡ３は、第１部材
１の下面ＳＬに対向する。同様に、第３部材３は、第３部材３の第１の面ＳＢ１及び第２
の面ＳＢ２に交差する第３の面ＳＢ３を有し、第３部材３の第３の面ＳＢ３は、第１部材
１の上面ＳＵに対向する。
【００５４】
このような構造の力検出装置ＦＤであれば、上述したように第２部材２、第３部材３の
いずれかに加えられた面の法線方向の力成分（圧縮／引張力）は、他方の面内せん断方向
の力と釣り合うことになる。また、他の方向の外力を考慮しても、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍ
ｘ，Ｍｙ，Ｍｚを圧縮／引張力を用いずに、せん断力から演算することが可能である。
【００５５】
次に、図８〜図９（Ｂ）を用いて本実施形態に係る力検出装置ＦＤの詳細な構成例を説
明する。力検出装置ＦＤに対して設定される装置座標系のＸＹＺの各軸の方向を図８に示
した方向とした場合、図９（Ａ）はＸ軸に沿った断面（具体的にはＡ−Ａ’での断面）を
表す図であり、図９（Ｂ）はＹ軸に沿った断面（具体的にはＢ−Ｂ’での断面）を表す図
である。なお、力検出装置ＦＤの構造は図８等に限定されず、種々の変形実施が可能であ
る。
【００５６】
図８〜図９（Ｂ）の例では、力検出装置ＦＤは、ベースプレートとして機能する第２部
材２と、第２部材２から所定の間隔を隔てて配置され、第２部材２に対向するカバープレ
ートして機能する第３部材３と、第２部材２と第３部材３の間に配置され、フローティン
グブロックとして機能する第１部材１を含む。
【００５７】
また図８〜図９（Ｂ）の例では、力検出装置ＦＤは、４枚のアナログ回路基板４と、第
１部材１と第３部材３の間に収納され（設けられ）、当該アナログ回路基板４と電気的に
接続されたデジタル回路基板５を含む。また力検出装置ＦＤは、アナログ回路基板４に搭
載され、加えられた外力に応じて信号を出力する圧電素子１０を収納するパッケージ６０
を有する４つのセンサーデバイス６（６−１〜６−４）と、固定部材としての８本の与圧
ボルト（与圧ネジ）７１とを備えている。
【００５８】
第１部材１は、四角形状の柱をなし、例えば直方向や立方体により実現が可能である。
本実施形態では、第１部材を６面体とした場合の第２部材２側の面（Ｚ軸負方向側の面）
を下面ＳＬ、第３部材３側の面（Ｚ軸正方向側の面）を上面ＳＵとし、他の４面を第１〜
第４の側面ＳＤ１〜ＳＤ４とする。ただし、第１部材１は６面体に限定されるものではな
い。例えば、第１部材１の各側面は、外方に臨む面にそれぞれ凸部１６が突出形成されて
いてもよい。この凸部１６は、センサーデバイス６に対して与圧を効率的に加えるための
構造であり、各凸部１６の頂面１６１〜１６４は、下面ＳＬ及び上面ＳＵに対して垂直な
平面である。
【００５９】
第２部材２は、外形が板状をなし、その平面形状は、角部が丸みを帯びた四角形をなす
。この第２部材２は、底板２３（第３の面ＳＡ３に対応）と、底板２３から上方に向かっ
て立設した２つの壁面２４（第１の面ＳＡ１及び第２の面ＳＡ２に対応）とを有している
。２つの壁面２４は、「Ｌ」字状をなし、Ｘ軸方向に沿って配置され、各壁面２４の面は
Ｘ軸に交差する（狭義には直交する）面である。
【００６０】
同様に、第３部材３も、外形が板状をなし、その平面形状は、角部が丸みを帯びた四角
形をなす。この第３部材３は、天板３３（第３の面ＳＢ３に対応）と、天板３３から下方
に向かって立設した２つの壁面３４（第１の面ＳＢ１及び第２の面ＳＢ２に対応）とを有
している。２つの壁面３４が、Ｙ軸方向に沿って配置され、各壁面３４の面はＹ軸に交差
する（狭義には直交する）面である点を除き、第３部材３の構造は第２部材２と同様であ
る。
【００６１】
本実施形態では、底板２３の下面は、力検出装置ＦＤが例えばロボットに固定されて使
用されるときに、当該ロボット（測定対象）に対する取付面（第１取付面）２３１となる
。また、天板３３の上面は、力検出装置ＦＤが例えばロボットに固定されて使用されると
きに、当該ロボットに装着されるエンドエフェクター（測定対象）に対する取付面（第２
取付面）３２１となる。なお、この取付面３２１と第２部材２の取付面２３１とは、外力
が付与していない自然状態では平行となっている。
【００６２】
そして、第２部材２の第１の面ＳＡ１と、第１部材１の第１の側面ＳＤ１に設けられた
凸部１６の頂面１６１との間で、センサーデバイス６−１が挟持されている。すなわち、
センサーデバイス６−１の圧電素子１０−１は、パッケージ６０を介して、第２部材２の
第１の面ＳＡ１と第１部材１の第１の側面ＳＤ１の頂面１６１とで挟持され、与圧されて
いる。以下、この挟持されている方向を「挟持方向ＤＳ」と言う。
【００６３】
図８、図１０に示すように、このセンサーデバイス６−１の圧電素子１０−１の姿勢は
、当該圧電素子１０−１を構成する各層が底板２３（天板３３）に対して垂直である、す
なわち、当該圧電素子１０−１を構成する各層が積層された積層方向ＬＤと、挟持方向Ｄ
Ｓとが底板２３（天板３３）に対して平行となっている。
【００６４】
同様に、第２部材２の第２の面ＳＡ２と、第１部材１の第２の側面ＳＤ２に設けられた
凸部１６の頂面１６２との間で、センサーデバイス６−２が挟持され、第３部材３の第１
の面ＳＢ１と、第１部材１の第３の側面ＳＤ３に設けられた凸部１６の頂面１６３との間
で、センサーデバイス６−３が挟持され、第３部材３の第２の面ＳＢ２と、第１部材１の
第４の側面ＳＤ４に設けられた凸部１６の頂面１６４との間で、センサーデバイス６−４
が挟持される。
【００６５】
図１１に示すように、センサーデバイス６−１に接続されたアナログ回路基板４は、セ
ンサーデバイス６−１の圧電素子１０から出力された電荷Ｑｙ１を電圧Ｖｙ１に変換する
変換出力回路９０ａと、圧電素子１０から出力された電荷Ｑｚ１を電圧Ｖｚ１に変換する
変換出力回路９０ｂと、圧電素子１０から出力された電荷Ｑｘ１を電圧Ｖｘ１に変換する
変換出力回路９０ｃとを備えている。この点はセンサーデバイス６−２〜６−４でも同様
である。各圧電素子１０及び変換出力回路９０の詳細については、図１０及び図１１を用
いて後述する。
【００６６】
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。各アナログ回路基板４は、それぞれ、第１部材１の異なる側面に支持されており、第
１部材１と第２部材２との間、或いは第１部材１と第３部材３との間で保護されている。
【００６７】
なお、第１部材１、第２部材２、第３部材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。
【００６８】
また、第１の圧電素子１０−１（センサーデバイス６−１）は、第１部材１の第１の側
面ＳＤ１に取り付けられ、第２の圧電素子１０−２（センサーデバイス６−２）は、第１
部材１の第２の側面ＳＤ２に取り付けられ、第３の圧電素子１０−３（センサーデバイス
６−３）は、第１部材１の第３の側面ＳＤ３に取り付けられ、第４の圧電素子１０−１（
センサーデバイス６−４）は、第１部材１の第４の側面ＳＤ４に取り付けられてもよい。
【００６９】
この場合、第１，第２の圧電素子は第１部材１に固定された上で、第１部材１と第２部
材２を与圧ボルト７１で締めることで所与の与圧が加えられ、第３，第４の圧電素子は第
１部材１に固定された上で、第１部材１と第３部材３を与圧ボルト７１で締めることで所
与の与圧が加えられることになる。
【００７０】
ただし、各圧電素子には所定の与圧が加えられればよいため、取り付け箇所はこれに限
定されない。例えば、第１の圧電素子１０−１は、第２部材２の第１の面ＳＡ１に取り付
けられ、第２の圧電素子１０−２は、第２部材２の第２の面ＳＡ２に取り付けられてもよ
い。そして第３の圧電素子１０−３は、第３部材の第１の面ＳＢ１に取り付けられ、第４
の圧電素子１０−４は、第３部材３の第２の面ＳＢ２に取り付けられてもよい。
【００７１】
さらにいえば、各圧電素子は安定した状態で与圧が加えられればよいため、第１部材１
、第２部材２、第３部材３のいずれかに取り付けられなくてもよい。具体的には、特定の
部材に取り付けられることなく、第１部材１と第２部材２、或いは第１部材１と第３部材
３により挟み込まれることで安定的に保持されてもよい。
【００７２】
また、以上の説明では、与圧を効率的に加えるための凸部が第１部材１の側面ＳＤ１〜
ＳＤ４に設けられるものとしたがこれに限定されない。例えば、第２部材２の各壁面２４
は、第１部材１側の面にそれぞれ凸部２６が突出形成されていてもよい。各凸部２６の頂
面２６１、２６２は、底板２３に対して垂直な平面である。同様に、第３部材３の各壁面
３４は、第１部材１側の面にそれぞれ凸部３６が突出形成されていてもよい。各凸部３６
の頂面３６１、３６２は、天板３３に対して垂直な平面である。
【００７３】
この場合、第２部材２の２つの凸部２６のうちの一方の凸部２６の頂面２６１と第１部
材１の第１の側面ＳＤ１との間で、センサーデバイス６−１が挟持され、第２部材の２つ
の凸部２６のうちの他方の凸部２６の頂面２６２と第１部材１の第２の側面ＳＤ２との間
で、センサーデバイス６−２が挟持され、第３部材３の２つの凸部３６のうちの一方の凸
部３６の頂面３６１と第１部材１の第３の側面ＳＤ３との間で、センサーデバイス６−３
が挟持され、第３部材３の２つの凸部３６のうちの他方の凸部３６の頂面３６２と第１部
材１の第４の側面ＳＤ４との間で、センサーデバイス６−４が挟持される。
【００７４】
つまり本実施形態において、「第１の圧電素子１０−１が、第２部材２の第１の面ＳＡ
１と、第１部材１の第１の側面ＳＤ１の間に設けられる」とは、圧電素子１０−１がＳＡ
１とＳＤ１で直接的に挟まれる場合も含まれるし、ＳＡ１及びＳＤ１の少なくとも一方に
設けられた凸部を用いて挟まれる場合も含まれる。また、他の圧電素子を、他の側面と面
により挟む場合についても同様である。
【００７５】
３．圧電素子の構成例
次に、力検出装置ＦＤに含まれる複数の圧電素子１０の構造と、当該圧電素子１０を含
むセンサーデバイス６、及び各圧電素子１０に接続される変換出力回路９０について説明
する。
【００７６】
３．１  圧電素子
図１０に示すように、圧電素子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、外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｘを出力する第１のセンサー１２
と、外力（圧縮／引張力）に応じて電荷Ｑｚを出力する第２のセンサー１３と、外力（せ
ん断力）に応じて電荷Ｑｙを出力する第３のセンサー１４とを有し、グランド電極層１１
と各センサー１２、１３、１４は交互に平行に積層されている。この積層方向ＬＤは、取
付面３２１の法線ＮＬ２（または取付面２３１の法線ＮＬ１）と直交する方向となってい
る。
【００７７】
図示の構成では、図１０中の左側から、第１のセンサー１２、第２のセンサー１３、第
３のセンサー１４の順で積層されているが、これに限定されず、センサー１２、１３、１
４の積層順は任意である。
【００７８】
グランド電極層１１は、グランド（基準電位点）に接地された電極である。グランド電
極層１１を構成する材料は、特に限定されないが、例えば、金、チタニウム、アルミニウ
ム、銅、鉄またはこれらを含む合金が好ましい。これらの中でも特に、鉄合金であるステ
ンレスを用いるのが好ましい。ステンレスにより構成されたグランド電極層１１は、優れ
た耐久性および耐食性を有する。
【００７９】
第１のセンサー１２は、積層方向ＬＤ（第１の挟持方向）と直交する、すなわち、法線
ＮＬ２（法線ＮＬ１）の方向と同じ方向の第１検出方向の外力（せん断力）に応じて電荷
Ｑｘを出力する機能を有する。すなわち、第１のセンサー１２は、外力に応じて正電荷ま
たは負電荷を出力するよう構成されている。
【００８０】
第１のセンサー１２は、第１の圧電体層（第１検出板（第１基板））１２１と、第１の
圧電体層１２１と対向して設けられた第２の圧電体層（第１検出板（第１基板））１２３
と、第１の圧電体層１２１と第２の圧電体層１２３との間に設けられた出力電極層１２２
を有する。
【００８１】
第１の圧電体層１２１は、Ｙカット水晶板で構成され、互いに直交する結晶軸であるｘ
軸、ｙ軸、ｚ軸を有する。ｙ軸は、第１の圧電体層１２１の厚さ方向に沿った軸であり、
ｘ軸は、図１０中の紙面奥行き方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図１０中の上下方向に沿
った軸である。図１０に示す構成では、ｘ軸については、図１０中の紙面奥側を正方向と
し、その反対側を負方向として説明する。ｙ軸については、図１０中の左側を正方向とし
、その反対側を負方向として説明する。ｚ軸については、図１０中の上側を正方向とし、
その反対側を負方向として説明する。
【００８２】
水晶により構成された第１の圧電体層１２１は、広いダイナミックレンジ、高い剛性、
高い固有振動数、高い対荷重性等の優れた特性を有する。また、Ｙカット水晶板は、その
面方向に沿った外力（せん断力）に対して電荷を生ずる。
【００８３】
そして、第１の圧電体層１２１の表面に対し、ｘ軸の正方向に沿った外（せん断力）力
が加えられた場合、圧電効果により、第１の圧電体層１２１内に電荷が誘起される。その
結果、第１の圧電体層１２１の出力電極層１２２側表面近傍には正電荷が集まり、第１の
圧電体層１２１のグランド電極層１１側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第１の圧
電体層１２１の表面に対し、ｘ軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、第１の圧電体
層１２１の出力電極層１２２側表面近傍には負電荷が集まり、第１の圧電体層１２１のグ
ランド電極層１１側表面近傍には正電荷が集まる。
【００８４】
第２の圧電体層１２３も、Ｙカット水晶板で構成され、互いに直交する結晶軸であるｘ
軸、ｙ軸、ｚ軸を有する。ｙ軸は、第２の圧電体層１２３の厚さ方向に沿った軸であり、
ｘ軸は、図１０中の紙面奥行き方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図１０中の上下方向に沿
った軸である。図１０に示す構成では、ｘ軸については、図１０中の紙面手前側を正方向
とし、その反対側を負方向として説明する。ｙ軸については、図１０中の右側を正方向と
し、その反対側を負方向とする。ｚ軸については、図１０中の上側を正方向とし、その反
対側を負方向とする。
【００８５】
水晶により構成された第２の圧電体層１２３も第１の圧電体層１２１と同様に、広いダ
イナミックレンジ、高い剛性、高い固有振動数、高い対荷重性等の優れた特性を有し、Ｙ
カット水晶板であることにより、その面方向に沿った外力（せん断力）に対して電荷を生
ずる。
【００８６】
そして、第２の圧電体層１２３の表面に対し、ｘ軸の正方向に沿った外（せん断力）力
が加えられた場合、圧電効果により、第２の圧電体層１２３内に電荷が誘起される。その
結果、第２の圧電体層１２３の出力電極層１２２側表面近傍には正電荷が集まり、第２の
圧電体層１２３のグランド電極層１１側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第２の圧
電体層１２３の表面に対し、ｘ軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、第２の圧電体
層１２３の出力電極層１２２側表面近傍には負電荷が集まり、第２の圧電体層１２３のグ
ランド電極層１１側表面近傍には正電荷が集まる。
【００８７】
また、第１のセンサー１２が第１の圧電体層１２１と第２の圧電体層１２３とを有する
構成となっていることは、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３のうちの一
方のみと出力電極層１２２とで構成されている場合と比較して、出力電極層１２２近傍に
集まる正電荷または負電荷を増加させることができる。その結果、出力電極層１２２から
出力される電荷Ｑｘを増加させることができる。
【００８８】
出力電極層１２２は、第１の圧電体層１２１内および第２の圧電体層１２３内に生じた
正電荷または負電荷を電荷Ｑｘとして出力する機能を有する。前述のように、第１の圧電
体層１２１の表面または第２の圧電体層１２３の表面にｘ軸の正方向に沿った外力が加え
られた場合、出力電極層１２２近傍には、正電荷が集まる。その結果、出力電極層１２２
からは、正の電荷Ｑｘが出力される。一方、第１の圧電体層１２１の表面または第２の圧
電体層１２３の表面にｘ軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、出力電極層１２２近
傍には、負電荷が集まる。その結果、出力電極層１２２からは、負の電荷Ｑｘが出力され
る。
【００８９】
また、出力電極層１２２の大きさは、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２
３の大きさ以上であることが好ましい。出力電極層１２２が、第１の圧電体層１２１また
は第２の圧電体層１２３よりも小さい場合、第１の圧電体層１２１または第２の圧電体層
１２３の一部は出力電極層１２２と接しない。そのため、第１の圧電体層１２１または第
２の圧電体層１２３に生じた電荷の一部を出力電極層１２２から出力できない場合がある
。その結果、出力電極層１２２から出力される電荷Ｑｘが減少してしまう。なお、後述す
る出力電極層１３２、１４２についても同様である。
【００９０】
第２のセンサー１３は、外力（圧縮／引張力）に応じて電荷Ｑｚを出力する機能を有す
る。すなわち、第２のセンサー１３は、圧縮力に応じて正電荷を出力し、引張力に応じて
負電荷を出力するよう構成されている。
【００９１】
第２のセンサー１３は、第３の圧電体層（第３基板）１３１と、第３の圧電体層１３１
と対向して設けられた第４の圧電体層（第３基板）１３３と、第３の圧電体層１３１と第
４の圧電体層１３３との間に設けられた出力電極層１３２を有する。
【００９２】
第３の圧電体層１３１は、Ｘカット水晶板で構成され、互いに直交するｘ軸、ｙ軸、ｚ
軸を有する。ｘ軸は、第３の圧電体層１３１の厚さ方向に沿った軸であり、ｙ軸は、図１
０中の上下方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図１０中の紙面奥行き方向に沿った軸である
。
【００９３】
そして、第３の圧電体層１３１の表面に対し、ｘ軸に平行な圧縮力が加えられた場合、
圧電効果により、第３の圧電体層１３１内に電荷が誘起される。その結果、第３の圧電体
層１３１の出力電極層１３２側表面近傍には正電荷が集まり、第３の圧電体層１３１のグ
ランド電極層１１側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第３の圧電体層１３１の表面
に対し、ｘ軸に平行な引張力が加えられた場合、第３の圧電体層１３１の出力電極層１３
２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。
【００９４】
第４の圧電体層１３３も、Ｘカット水晶板で構成され、互いに直交するｘ軸、ｙ軸、ｚ
軸を有する。ｘ軸は、第４の圧電体層１３３の厚さ方向に沿った軸であり、ｙ軸は、図１
０中の上下方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図１０中の紙面奥行き方向に沿った軸である
。
【００９５】
そして、第４の圧電体層１３３の表面に対し、ｘ軸に平行な圧縮力が加えられた場合、
圧電効果により、第４の圧電体層１３３内に電荷が誘起される。その結果、第４の圧電体
層１３３の出力電極層１３２側表面近傍には正電荷が集まり、第４の圧電体層１３３のグ
ランド電極層１１側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第４の圧電体層１３３の表面
に対し、ｘ軸に平行な引張力が加えられた場合、第４の圧電体層１３３の出力電極層１３
２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。
【００９６】
出力電極層１３２は、第３の圧電体層１３１内および第４の圧電体層１３３内に生じた
正電荷または負電荷を電荷Ｑｚとして出力する機能を有する。前述のように、第３の圧電
体層１３１の表面または第４の圧電体層１３３の表面にｘ軸に平行な圧縮力が加えられた
場合、出力電極層１３２近傍には、正電荷が集まる。その結果、出力電極層１３２からは
、正の電荷Ｑｚが出力される。一方、第３の圧電体層１３１の表面または第４の圧電体層
１３３の表面にｘ軸に平行な引張力が加えられた場合、出力電極層１３２近傍には、負電
荷が集まる。その結果、出力電極層１３２からは、負の電荷Ｑｚが出力される。
【００９７】
第３のセンサー１４は、積層方向ＬＤ（第２の挟持方向）と直交し、第１のセンサー１
２が電荷Ｑｘを出力する際に作用する外力の第１検出方向と交差する第２検出方向の外力
（せん断力）に応じて電荷Ｑｘを出力する機能を有する。すなわち、第３のセンサー１４
は、外力に応じて正電荷または負電荷を出力するよう構成されている。
【００９８】
第３のセンサー１４は、第５の圧電体層（第２検出板（第２基板））１４１と、第５の
圧電体層１４１と対向して設けられた第６の圧電体層（第２検出板（第２基板））１４３
と、第５の圧電体層１４１と第６の圧電体層１４３との間に設けられた出力電極層１４２
を有する。
【００９９】
第５の圧電体層１４１は、Ｙカット水晶板で構成され、互いに直交する結晶軸であるｘ
軸、ｙ軸、ｚ軸を有する。ｙ軸は、第５の圧電体層１４１の厚さ方向に沿った軸であり、
ｘ軸は、図１０中の上下方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図１０中の紙面奥行き方向に沿
った軸である。図１０に示す構成では、ｘ軸については、図１０中の上側を正方向とし、
その反対側を負方向として説明する。ｙ軸については、図１０中の左側を正方向とし、そ
の反対側を負方向として説明する。ｚ軸については、図１０中の紙面手前側を正方向とし
、その反対側を負方向として説明する。
【０１００】
水晶により構成された第５の圧電体層１４１は、広いダイナミックレンジ、高い剛性、
高い固有振動数、高い対荷重性等の優れた特性を有する。また、Ｙカット水晶板は、その
面方向に沿った外力（せん断力）に対して電荷を生ずる。
【０１０１】
そして、第５の圧電体層１４１の表面に対し、ｘ軸の正方向に沿った外力が加えられた
場合、圧電効果により、第５の圧電体層１４１内に電荷が誘起される。その結果、第５の
圧電体層１４１の出力電極層１４２側表面近傍には正電荷が集まり、第５の圧電体層１４
１のグランド電極層１１側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第５の圧電体層１４１
の表面に対し、ｘ軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、第５の圧電体層１４１の出
力電極層１４２側表面近傍には負電荷が集まり、第５の圧電体層１４１のグランド電極層
１１側表面近傍には正電荷が集まる。
【０１０２】
第６の圧電体層１４３も、Ｙカット水晶板で構成され、互いに直交する結晶軸であるｘ
軸、ｙ軸、ｚ軸を有する。ｙ軸は、第２の圧電体層１２３の厚さ方向に沿った軸であり、
ｘ軸は、図１０中の上下方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図１０中の紙面奥行き方向に沿
った軸である。図１０に示す構成では、ｘ軸については、図１０中の下側を正方向とし、
その反対側を負方向として説明する。ｙ軸については、図１０中の右側を正方向とし、そ
の反対側を負方向として説明する。ｚ軸については、図１０中の紙面手前側を正方向とし
、その反対側を負方向として説明する。
【０１０３】
水晶により構成された第６の圧電体層１４３も第５の圧電体層１４１と同様に、広いダ
イナミックレンジ、高い剛性、高い固有振動数、高い対荷重性等の優れた特性を有し、Ｙ
カット水晶板であることにより、その面方向に沿った外力（せん断力）に対して電荷を生
ずる。
【０１０４】
そして、第６の圧電体層１４３の表面に対し、ｘ軸の正方向に沿った外力が加えられた
場合、圧電効果により、第６の圧電体層１４３内に電荷が誘起される。その結果、第６の
圧電体層１４３の出力電極層１４２側表面近傍には正電荷が集まり、第６の圧電体層１４
３のグランド電極層１１側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第６の圧電体層１４３
の表面に対し、ｘ軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、第６の圧電体層１４３の出
力電極層１４２側表面近傍には負電荷が集まり、第６の圧電体層１４３のグランド電極層
１１側表面近傍には正電荷が集まる。
【０１０５】
圧電素子１０では、積層方向ＬＤから見たとき、第１の圧電体層１２１および第２の圧
電体層１２３の各ｘ軸と、第５の圧電体層１４１および第６の圧電体層１４３の各ｘ軸と
が交差している。また、積層方向ＬＤから見たとき、第１の圧電体層１２１および第２の
圧電体層１２３の各ｚ軸と、第５の圧電体層１４１および第６の圧電体層１４３の各ｚ軸
とが交差している。
【０１０６】
出力電極層１４２は、第５の圧電体層１４１内および第６の圧電体層１４３内に生じた
正電荷または負電荷を電荷Ｑｙとして出力する機能を有する。前述のように、第５の圧電
体層１４１の表面または第６の圧電体層１４３の表面にｘ軸の正方向に沿った外力が加え
られた場合、出力電極層１４２近傍には、正電荷が集まる。その結果、出力電極層１４２
からは、正の電荷Ｑｙが出力される。一方、第５の圧電体層１４１の表面または第６の圧
電体層１４３の表面にｘ軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、出力電極層１４２近
傍には、負電荷が集まる。その結果、出力電極層１４２からは、負の電荷Ｑｙが出力され
る。
【０１０７】
このように、圧電素子１０では、第１のセンサー１２、第２のセンサー１３、および第
３のセンサー１４は、各センサーの力検出方向が互いに直交するように積層されている。
これにより、各センサーは、それぞれ、互いに直交する力成分に応じて電荷を誘起するこ
とができる。そのため、圧電素子１０は、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸に沿った各外力のそれぞ
れに応じて３つの電荷Ｑｘ、Ｑｙ、Ｑｚを出力することができる。
【０１０８】
また、図９（Ａ）、図９（Ｂ）に示すように、第１部材１と第２部材２、及び第１部材
１と第３部材３とは、与圧ボルト７１により、接続、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部材１と第２部材２、及び第１部材１と第３部材３とは、与圧ボルト７
１により、互いの所定量の移動が許容されつつ固定される。
【０１０９】
また、与圧ボルト７１は、８本（複数）あり、そのうちの２本がセンサーデバイス６−
１を介してその両側に配置される。すなわち、与圧ボルト７１のうちの一部（２本）は、
センサーデバイス６−１の周りに設けられて、当該センサーデバイス６−１に対して与圧
を付与している。その他のセンサーデバイス６−２〜６−４についても同様であり、本実
施形態では１つのセンサーデバイス６に対して２本の与圧ボルト７１が用いられる例を考
えている。なお、各与圧ボルト７１による与圧方向は、積層方向ＬＤに平行な方向となっ
ている。
【０１１０】
各与圧ボルト７１と螺合する雌ネジ２４１は、第１部材１の側面に設けられている。そ
して、第１部材１と第２部材２（或いは第３部材３）との間に各センサーデバイス６を挟
持した状態で、与圧ボルト７１を第２部材２（或いは第３部材３）側から第１部材１の与
圧ボルト７１に差し込むことができる。これにより、各圧電素子１０は、当該圧電素子１
０を収納するパッケージ６０ごと、第１部材１の側面と直交する方向に所定の大きさの圧
力、すなわち、与圧が加えられる。そして、圧電素子１０にせん断力が作用したとき、圧
電素子１０を構成する層同士の間での摩擦力が確実に生じ、よって、電荷を確実に検出す
ることができる。
【０１１１】
また、図８に示すように、各与圧ボルト７１は、アナログ回路基板４を貫通している。
アナログ回路基板４の与圧ボルト７１が貫通する部分には、樹脂材料等の絶縁材料で構成
されたパイプ４３が例えば嵌合により固定されている。なお、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。
【０１１２】
３．２  センサーデバイス
センサーデバイス６は、前記圧電素子１０と、圧電素子１０を収納するパッケージ６０
とを有している。
【０１１３】
図８に示すように、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。圧電素子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、
圧電素子１０を保護することができ、信頼性の高い力検出装置ＦＤを提供することができ
る。なお、圧電素子１０の頂面は、蓋体６２に接触している。また、パッケージ６０の蓋
体６２は、第２部材２（或いは第３部材３）側に配置され、基部６１は、第１部材１の側
面側に配置され、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、第１部材１の頂面１６１〜１６４と第２部材２の壁面２４（
或いは第３部材３の壁面３４）とで挟持方向ＤＳに挟持されて与圧され、さらに、その基
部６１と蓋体６２とにより、圧電素子１０も挟持方向ＤＳに挟持されて与圧される。
【０１１４】
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。
【０１１５】
また、パッケージ６０の平面形状は、特に限定されないが、本実施形態では、四角形を
なしている。なお、パッケージ６０の他の形状としては、例えば、五角形等の他の多角形
、円形、楕円形等が挙げられる。また、パッケージ６０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。
【０１１６】
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部材２の壁面２４、或いは第３部材３
の壁面３４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部材１の側面側からの平面視で、圧電素子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。
【０１１７】
また、パッケージ６０の基部６１の下面の端部には、圧電素子１０と電気的に接続され
た複数の端子（図示せず）が設けられている。当該各端子は、それぞれ、アナログ回路基
板４と電気的に接続されており、これにより、圧電素子１０とアナログ回路基板４とが電
気的に接続される。
【０１１８】
なお、また、アナログ回路基板４の圧電素子１０が配置されている部位には、凸部１６
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。
【０１１９】
３．３  変換出力回路
図１１に示すように、各圧電素子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、圧電素子１０から出力された電荷Ｑｙを電圧Ｖｙ
に変換する機能を有する。変換出力回路９０ｂは、圧電素子１０から出力された電荷Ｑｚ
を電圧Ｖｚに変換する機能を有する。変換出力回路９０ｃは、圧電素子１０から出力され
た電荷Ｑｘを電圧Ｖｘ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。
【０１２０】
変換出力回路９０ｃは、圧電素子１０から出力された電荷Ｑｘを電圧Ｖｘに変換して電
圧Ｖｘを出力する機能を有する。変換出力回路９０ｃは、オペアンプ９１と、コンデンサ
ー９２と、スイッチング素子９３とを有する。オペアンプ９１の第１の入力端子（マイナ
ス入力）は、圧電素子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９
１の出力端子は、外力検出回路４０に接続されている。コンデンサー９２は、オペアンプ
９１の第１の入力端子と出力端子との間に接続されている。スイッチング素子９３は、オ
ペアンプ９１の第１の入力端子と出力端子との間に接続され、コンデンサー９２と並列接
続されている。また、スイッチング素子９３は、駆動回路（図示せず）に接続されており
、駆動回路からのオン／オフ信号に従い、スイッチング素子９３はスイッチング動作を実
行する。
【０１２１】
スイッチング素子９３がオフの場合、圧電素子１０から出力された電荷Ｑｘは、静電容
量Ｃ１を有するコンデンサー９２に蓄えられ、電圧Ｖｘとして外力検出回路４０に出力さ
れる。次に、スイッチング素子９３がオンになった場合、コンデンサー９２の両端子間が
短絡される。その結果、コンデンサー９２に蓄えられた電荷Ｑｘは、放電されて０クーロ
ンとなり、外力検出回路４０に出力される電圧Ｖは、０ボルトとなる。スイッチング素子
９３がオンとなることを、変換出力回路９０ｃをリセットするという。なお、理想的な変
換出力回路９０ｃから出力される電圧Ｖｘは、圧電素子１０から出力される電荷Ｑｘの蓄
積量に比例する。
【０１２２】
スイッチング素子９３は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field 
Effect Transistor）、その他、半導体スイッチまたはＭＥＭＳスイッチ等である。この
ようなスイッチは、機械式スイッチ（メカスイッチ）と比べて小型および軽量であるので
、力検出装置ＦＤの小型化および軽量化に有利である。以下、代表例として、スイッチン
グ素子９３としてＭＯＳＦＥＴを用いた場合を説明する。なお、図３に示すように、この
ようなスイッチは、変換出力回路９０ｃや、変換出力回路９０ａ、９０ｂに実装されてい
るが、その他、ＡＤコンバーター４０１にも実装することができる。
【０１２３】
スイッチング素子９３は、ドレイン電極、ソース電極、およびゲート電極を有している
。スイッチング素子９３のドレイン電極またはソース電極の一方がオペアンプ９１の第１
の入力端子に接続され、ドレイン電極またはソース電極の他方がオペアンプ９１の出力端
子に接続されている。また、スイッチング素子９３のゲート電極は、駆動回路（図示せず
）に接続されている。
【０１２４】
各変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃのスイッチング素子９３には、同一の駆動回路
が接続されていてもよいし、それぞれ異なる駆動回路が接続されていてもよい。各スイッ
チング素子９３には、駆動回路から、全て同期したオン／オフ信号が入力される。これに
より、各変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃのスイッチング素子９３の動作が同期する
。すなわち、各変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃのスイッチング素子９３のオン／オ
フタイミングは一致する。
【０１２５】
４．外力検出回路及び処理部における外力検出処理
外力検出回路４０は、各変換出力回路９０ａから出力される電圧Ｖｙ１〜Ｖｙ４と、各
変換出力回路９０ｂから出力される電圧Ｖｚ１〜Ｖｚ４と、各変換出力回路９０ｃから出
力される電圧Ｖｘ１〜Ｖｘ４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（変換回路）９０ａ、９０ｂ、９０ｃに接続されたＡＤコ
ンバーター４０１と、ＡＤコンバーター４０１に接続された処理部（演算部、演算回路）
４０２とを有する。
【０１２６】
ＡＤコンバーター４０１は、電圧Ｖｘ１〜Ｖｘ４、Ｖｙ１〜Ｖｙ４、Ｖｚ１〜Ｖｚ４を
アナログ信号からデジタル信号へ変換する機能を有する。ＡＤコンバーター４０１によっ
てデジタル変換された電圧Ｖｘ１〜Ｖｘ４、Ｖｙ１〜Ｖｙ４、Ｖｚ１〜Ｖｚ４は、処理部
４０２に入力される。
【０１２７】
処理部４０２は、デジタル変換された電圧Ｖｘ１〜Ｖｘ４、Ｖｙ１〜Ｖｙ４、Ｖｚ１〜
Ｖｚ４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、処理部４０２は、圧電素子１０から出力される電荷Ｑｘ
１〜Ｑｘ４、Ｑｙ１〜Ｑｙ４、Ｑｚ１〜Ｑｚ４の蓄積量に基づいて、力検出装置ＦＤの出
力値を出力する。上述したように、力検出装置ＦＤが６軸力センサーとして用いられる場
合には、出力値とはＦｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ、Ｍｚの６つの値である。
【０１２８】
処理部４０２において外力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚを求める手法について
説明する。まず処理部４０２は、第１の側面ＳＤ１から第２の側面ＳＤ２への方向を第１
の方向ＤＲ１とし、第３の側面ＳＤ３から第４の側面ＳＤ４への方向を第２の方向ＤＲ２
とした場合に、第１の方向ＤＲ１における外力を、第３の圧電素子１０−３及び第４の圧
電素子１０−４によって検出される力に基づいて求める。
【０１２９】
図１２（Ａ）の例であれば、ＤＲ１は力検出装置ＦＤに設定された装置座標系のＸ軸正
方向に対応し、ＤＲ２はＹ軸負方向に対応するが、ＤＲ１，ＤＲ２と装置座標系の関係は
種々の変形実施が可能である。ここで重要となるのは、ＤＲ１での方向の外力は第１の圧
電素子１０−１及び第２の圧電素子１０−２にとっては圧縮／引張力となるが、同等の力
が第３の圧電素子１０−３及び第４の圧電素子１０−４にとってはせん断力としてはたら
く点である。
【０１３０】
ここでは、ＤＲ１における外力が力検出装置ＦＤの出力の１つであるＦｘと一致する例
を示しているため、Ｆｘの値は、第３の圧電素子１０−３の検出するせん断力Ｆ３ｘと、
第４の圧電素子１０−４の検出するせん断力Ｆ４ｘを用いて、下式（２）により求めるこ
とができる。ただし、Ｆ３ｘ等の方向は図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）に示した方向とする
。Ｆ１ｘ、Ｆ２ｘ、Ｆ３ｘ、Ｆ４ｘは各圧電素子のせん断力のうち、ＤＲ１，ＤＲ２によ
り決定される平面（装置座標系のＸＹ平面）に沿った方向の力であり、Ｆ１ｙ、Ｆ２ｙ、
Ｆ３ｙ、Ｆ４ｙは各圧電素子のせん断力のうち、上記平面に交差する（直交する）方向の
力である。
Ｆｘ＝Ｆ３ｘ−Ｆ４ｘ  ・・・・・（２）
【０１３１】
同様に、処理部４０２は、第２の方向ＤＲ２における外力を、第１の圧電素子１０−１
及び第２の圧電素子１０−２によって検出される力に基づいて求める。ここでは、ＤＲ２
と装置座標系のＹ軸負方向が一致する例であるため、力検出装置ＦＤの出力の１つである
Ｆｙは、下式（３）により求めることができる。なお、当然であるが本実施形態に係る力
検出装置ＦＤはＦｘとＦｙの一方のみを出力するものに限定されず、ＦｘとＦｙの両方を
出力してもよい。
Ｆｙ＝Ｆ１ｘ−Ｆ２ｘ  ・・・・・（３）
【０１３２】
また、第１の方向ＤＲ１及び第２の方向ＤＲ２に交差する方向を第３の方向ＤＲ３とし
た場合に、処理部４０２は、第３の方向ＤＲ３における外力を、第１〜第４の圧電素子に
よって検出される力に基づいて求める。
【０１３３】
図１２（Ｂ）の例ではＤＲ３は装置座標系のＺ軸と一致するが、この場合Ｚ軸の上面方
向からの圧縮力は、第３部材３を介し、第１部材１との間に挟みこまれた第３，第４の圧
電素子のせん断力と釣り合う。さらに、この力は第１部材１を介し第２部材２との間に挟
みこまれた第１，第２の圧電素子のせん断力と釣り合う。つまり、第１〜第４の圧電素子
のせん断力の和は、上からの圧縮力の２倍となる。そのため、第１〜第４の圧電素子のせ
ん断力のうち、装置座標系におけるＺ軸方向での成分（図１２（Ｂ）の配置例であれば各
素子座標系のＹ軸成分）Ｆ１ｙ、Ｆ２ｙ、Ｆ３ｙ、Ｆ４ｙの方向を図１２（Ｂ）のように
定義した場合、力検出装置ＦＤの出力の１つであるＦｚは、下式（４）により求めること
ができる。なお、下式（４）では、Ｆ１ｙ、Ｆ２ｙ、Ｆ３ｙ、Ｆ４ｙの全てを用いるもの
としたが、Ｆ１ｙ、Ｆ２ｙだけを用いる、或いはＦ３ｙ、Ｆ４ｙだけを用いるといった変
形実施が可能である。
Ｆｚ＝−０．５（Ｆ１ｙ＋Ｆ２ｙ＋Ｆ３ｙ＋Ｆ４ｙ）  ・・・・・（４）
【０１３４】
また、図１３（Ａ）に示したように、Ｘ軸まわりのモーメントは第３，第４の圧電素子
のせん断力Ｆ３ｙ、Ｆ４ｙを用いて表現でき、Ｙ軸まわりのモーメントは第１，第２の圧
電素子のせん断力Ｆ１ｙ、Ｆ２ｙを用いて表現できる。具体的には、処理部４０２は、Ｍ
ｘ，Ｍｙを下式（５）、（６）により求めればよい。ただし、下式（５）、（６）及び後
述する下式（７）では、装置座標系の原点から各圧電素子までの距離をｒとしている。
Ｍｘ＝ｒ（Ｆ３ｙ−Ｆ４ｙ）  ・・・・・（５）
Ｍｙ＝ｒ（Ｆ１ｙ−Ｆ２ｙ）  ・・・・・（６）
【０１３５】
また、Ｚ軸まわりのモーメントは、図１３（Ｂ）に示したように、第１，第２の圧電素
子のせん断力Ｆ１ｘ、Ｆ２ｘ、或いは第３，第４の圧電素子のせん断力Ｆ３ｘ、Ｆ４ｘ、
或いはその全てを用いて求めることができる。ここではＦｚと同様に、Ｆ１ｘ、Ｆ２ｘ、
Ｆ３ｘ、Ｆ４ｘの全ての和を求め、当該和の１／２の値をＭｚとする。具体的には、処理
部４０２は下式（７）を用いてＭｚを求めればよい。
Ｍｚ＝−０．５ｒ（Ｆ１ｘ＋Ｆ２ｘ＋Ｆ３ｘ＋Ｆ４ｘ）  ・・・・・（７）
【０１３６】
このように力検出装置ＦＤでは、外力を検出する際、温度の変動による影響を受け易い
、すなわち、ノイズが乗り易い第２のセンサー１３（電荷Ｑｚ）を用いずに、その検出を
行なうことができる。従って、力検出装置ＦＤは、温度の変動による影響を受けにくく、
例えば従来の力検出装置の１／２０以下に低減された装置となる。これにより、力検出装
置ＦＤは、温度変化の激しい環境下でも、外力を正確に安定して検出することができる。
【０１３７】
さらにこの際、比較例のように機器の対称性を前提とすることがないため、加工や組み
立てにおいて非常に高い精度を要求されないという利点もある。
【０１３８】
６．変形例
以上では本実施形態に係る力検出装置ＦＤが６軸力センサーとして用いられる例を説明
したが、これには限定されない。例えば、本実施形態に係る力検出装置ＦＤは、ＸＹＺの
各軸方向の並進力を出力する３軸力センサーであってもよい。
【０１３９】
力検出装置ＦＤが３軸力センサーである場合、当該力検出装置ＦＤに含まれる圧電素子
１０は４つよりも少なくてもよく、例えば力検出装置ＦＤは２つの圧電素子を含むもので
あってもよい。具体的には、本実施形態に係る力検出装置は、図８〜図９（Ｂ）を用いて
上述した構造から、第３の圧電素子１０−３、第４の圧電素子１０−４（及び必要に応じ
て第３，第４の圧電素子に関係する構造）を除いたものであってもよい。
【０１４０】
つまり本実施形態に係る力検出装置ＦＤは、第１部材１と、第２部材２と、第３部材３
を含み、第２部材２と第１部材１とで、１又は複数の圧電素子（本変形例であれば第１の
圧電素子１０−１）を挟み、第３部材３と第１部材１とで、第２部材２と第１部材１とで
挟んだ前記１又は複数の圧電素子とは異なる１又は複数の圧電素子（本変形例であれば第
２の圧電素子１０−２）を挟むものであってもよい。
【０１４１】
この場合、力検出装置ＦＤの出力であるＦｘ，Ｆｙ，Ｆｚのうち、Ｆｘは第２の圧電素
子１０−２のせん断力として求めることができ、Ｆｙは第１の圧電素子１０−１のせん断
力として求めることができる。また、Ｆｚは第１の圧電素子１０−１のせん断力又は第２
の圧電素子１０−２のせん断力（或いは上式（４）と同様に、２つのせん断力の和の１／
２）として求めることができる。
【０１４２】
本変形例においても、外力を各圧電素子のせん断力から求めることができるため、精度
を高くすることができ、且つ力検出装置ＦＤの構造に対称性が要求されない。
【０１４３】
７．本実施形態の力検出装置の適用例
また、本実施形態の手法は力検出装置ＦＤに限定されず、上記の力検出装置ＦＤを含む
ロボットに適用することができる。図１４、図１５を用いて、本発明に係るロボットの一
実施形態を説明する。
【０１４４】
図１４は、本発明に係る力検出装置ＦＤを用いた単腕ロボットの一例を示す図である。
図１４の単腕ロボット５００は、基台５１０と、アーム５２０と、アーム５２０の先端側
に設けられたエンドエフェクター５３０と、アーム５２０とエンドエフェクター５３０と
の間に設けられた力検出装置ＦＤとを有する。なお、力検出装置ＦＤとしては、前述した
ものを用いる。
【０１４５】
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
。
【０１４６】
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。
【０１４７】
エンドエフェクター５３０は、対象物を把持する機能を有する。エンドエフェクター５
３０は、第１の指５３１および第２の指５３２を有している。アーム５２０の駆動により
エンドエフェクター５３０が所定の動作位置まで到達した後、第１の指５３１および第２
の指５３２の離間距離を調整することにより、対象物を把持することができる。
【０１４８】
なお、エンドエフェクター５３０は、ここでは、ハンドであるが、本発明では、これに
限定されるものではない。エンドエフェクターの他の例としては、例えば、部品検査用器
具、部品搬送用器具、部品加工用器具、部品組立用器具、測定器等が挙げられる。
【０１４９】
力検出装置ＦＤは、エンドエフェクター５３０に加えられる外力を検出する機能を有す
る。力検出装置ＦＤ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Ｆ
Ｄが検出する力によって、単腕ロボット５００は、エンドエフェクター５３０の障害物へ
の接触等を検知することができる。そのため、従来の位置制御では困難だった障害物回避
動作、対象物損傷回避動作等を容易に行うことができ、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。
【０１５０】
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本のアーム要素によって構成され
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。
【０１５１】
図１５は、本発明に係る力検出装置ＦＤを用いた複腕ロボットの一例を示す図である。
図１５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６
３０と、第１のアーム６２０の先端側に設けられた第１のエンドエフェクター６４０ａと
、第２のアーム６３０の先端側に設けられた第２のエンドエフェクター６４０ｂと、第１
のアーム６２０と第１のエンドエフェクター６４０ａ間および第２のアーム６３０と第２
のエンドエフェクター６４０ｂとの間に設けられた力検出装置ＦＤを有する。
【０１５２】
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。
【０１５３】
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６
３１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。
【０１５４】
第１、第２のエンドエフェクター６４０ａ、６４０ｂは、対象物を把持する機能を有す
る。第１のエンドエフェクター６４０ａは、第１の指６４１ａおよび第２の指６４２ａを
有している。第２のエンドエフェクター６４０ｂは、第１の指６４１ｂおよび第２の指６
４２ｂを有している。第１のアーム６２０の駆動により第１のエンドエフェクター６４０
ａが所定の動作位置まで到達した後、第１の指６４１ａおよび第２の指６４２ａの離間距
離を調整することにより、対象物を把持することができる。同様に、第２のアーム６３０
の駆動により第２のエンドエフェクター６４０ｂが所定の動作位置まで到達した後、第１
の指６４１ｂおよび第２の指６４２ｂの離間距離を調整することにより、対象物を把持す
ることができる。
【０１５５】
力検出装置ＦＤは第１、第２のエンドエフェクター６４０ａ、６４０ｂに加えられる外
力を検出する機能を有する。力検出装置ＦＤ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ＦＤが検出する力によって、複腕ロボット６００は、第１、第２の
エンドエフェクター６４０ａ、６４０ｂの障害物への接触等を検知することができる。そ
のため、従来の位置制御では困難だった障害物回避動作、対象物損傷回避動作等を容易に
行うことができ、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。
【０１５６】
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。
【０１５７】
また、本発明の力検出装置は、ロボットに用いられるものに限定されず、電子部品搬送
装置、電子部品検査装置、部品加工装置、移動体、振動計、加速度計、重力計、動力計、
地震計、傾斜計等の測定装置、入力装置等にも適用することができる。
【０１５８】
また、力検出装置ＦＤでのセンサーデバイスの設置数は、４つである例を説明したが、
これに限定されず、例えば、変形例で上述したように２つであってもよいし、３つまたは
５つ以上であってもよい。
【０１５９】
なお、以上のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効
果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるで
あろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば
、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語と共に記
載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換え
ることができる。また力検出装置等の構成、動作も本実施形態で説明したものに限定され
ず、種々の変形実施が可能である。
【符号の説明】
【０１６０】
ＤＳ  挟持方向、ＦＤ  力検出装置、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ  並進力、
Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ  モーメント、ＬＭ  下側部材、ＳＡ１  第１の面、
ＳＡ２  第２の面、ＳＡ３  第３の面、ＳＢ１  第１の面、ＳＢ２  第２の面、
ＳＢ３  第３の面、ＳＤ１−ＳＤ４  側面、ＳＬ  下面、ＳＵ  上面、ＵＭ  上側部材、
１  第１部材、２  第２部材、３  第３部材、４  アナログ回路基板、
５  デジタル回路基板、６  センサーデバイス、１０  圧電素子、
１１  グランド電極層、１２  第１のセンサー、１３  第２のセンサー、
１４  第３のセンサー、１６  凸部、２３  底板、２４  壁面、２６  凸部、
３３  天板、３４  壁面、３６  凸部、４０  外力検出回路、４１  孔、４３  パイプ、
６０  パッケージ、６１  基部、６２  蓋体、７１  与圧ボルト、９０  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、
１２１，１２３，１３１，１３３，１４１，１４３  圧電体層、
１２２，１３２，１４２  出力電極層、
１６１−１６４，２６１，２６２，３６１，３６２  頂面、２３１  取付面、
２４１  雌ネジ、３２１  取付面、４０１  コンバーター、４０２  処理部、
５００  単腕ロボット、５１０  基台、５２０  アーム、５２１−５２５  アーム要素、
５３０  エンドエフェクター、５３１，５３２  指、６００  複腕ロボット、
６１０  基台、６１１  凹部、６２０，６３０  アーム、
６２１，６２２，６３１，６３２  アーム要素、６２５  中央部、６２６  外周部、
６４０  エンドエフェクター、６４１，６４２  指
【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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