(57)【要約】【課題】正確な力を測定することができるセンサー素子と、そのセンサー素子を用いたセンサーデバイスを提供する。【解決手段】対向配置される第１電極と、前記第１電極に挟持される２以上の圧電体と、前記圧電体の各々に挟持され、積層される第２電極と、を備えるセンサー素子であって、前記圧電体は、前記第２電極に対向する面に、第１溝部を有し、前記第２電極は、前記圧電体の前記第１溝部に嵌合する第１凸部を有し、前記第１凸部表面は、電気的な絶縁性を備えているセンサー素子。【選択図】図１
2012173079.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向配置される第１電極と、
前記第１電極に挟持される２以上の圧電体と、
前記圧電体の各々に挟持され、積層される第２電極と、を備えるセンサー素子であって、
前記圧電体は、前記第２電極に対向する面に、第１溝部を有し、
前記第２電極は、前記圧電体の前記第１溝部に嵌合する第１凸部を有し、
前記第１凸部表面は、電気的な絶縁性を備えている、
ことを特徴とするセンサー素子。
【請求項２】
前記第１電極と隣り合う前記圧電体における前記第１電極と対向する面に、第２溝部を有し、
前記第１電極は、前記圧電体の前記第２溝部に嵌合する第２凸部を有し、
前記第２凸部は、電気的な絶縁性を備えている、
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】
前記圧電体は、Ｙカット水晶板であって、
前記第１溝部および／または前記第２溝部は、結晶軸のＺ軸方向に延在し、結晶軸のＸ軸に直交し、
前記第２電極を介して対向配置される前記水晶板の各々のＺ軸方向が同一方向である、
ことを特徴とする請求項１または２に記載のセンサー素子。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載のセンサー素子と、
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かかる力を演算する演算手段と、を含む、
ことを特徴とするセンサーデバイス。
【請求項５】
前記圧電体または前記水晶板と、前記第１電極と、前記第２電極と、の積層方向をγ、γと直交し互いに直交する方向をα、βとした場合、
請求項４に記載のセンサーデバイスを３以上γ方向に積層し、
積層された前記センサーデバイスは、少なくともα方向の力を検出する前記センサーデバイスと、β方向の力を検出する前記センサーデバイスと、γ方向の力を検出する前記センサーデバイスと、を含む、
ことを特徴とする力検出装置。
【請求項６】
請求項５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、センサー素子、センサーデバイス、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】
しかし、上述の特許文献１の測定素子では、力を検出する方向に対して信号電極をはさむ２枚の結晶円板が、結晶の方向を正確に揃えて測定素子を形成する点の開示が無い。力センサーとして精度の高い出力信号を得るために、結晶円板の結晶方向を精度高くそろえてセンサー素子を形成することが困難であった。
【０００５】
そこで、力検出装置を構成するセンサー素子において、圧電体の結晶方向を高い精度でアライメントして組み立て、結晶円板の結晶方向を精度高くそろえることができるセンサー素子と、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〕本適用例によるセンサー素子は、対向配置される第１電極と、前記第１電極に挟持される２以上の圧電体と、前記圧電体の各々に挟持され、積層される第２電極と、を備えるセンサー素子であって、前記圧電体は、前記第２電極に対向する面に、第１溝部を有し、前記第２電極は、前記圧電体の前記第１溝部に嵌合する第１凸部を有し、前記第１凸部表面は、電気的な絶縁性を備えていることを特徴とする。
【０００８】
上述の適用例によれば、第１電極、圧電体、第２電極の積層方向に交わる方向からの力を検出するセンサー素子に用いられる場合、圧電体の溝と第２電極の凸部とを嵌合させることにより、第１電極、圧電体、第２電極の各々の間におけるすべりによる位置ずれを規制することができ、正確な検出データを得ることができる。また、第２電極をはさんで配置される圧電体の結晶方向（検出方向）を正確にアライメントでき、その組み立て状態を維持することができる。さらに、電極の凸部に電気的な絶縁性を備えさせることにより、電極に備える凸部によって圧電体の溝壁に掛かる力から発生する、誤差となる励起電荷が電極に生じなくなり、誤差の無い検出データを出力する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、前記第１電極と隣り合う前記圧電体における前記第１電極と対向する面に、第２溝部を有し、前記第１電極は、前記圧電体の前記第２溝部に嵌合する第２凸部を有し、前記第２凸部は、電気的な絶縁性を備えていることを特徴とする。
【００１０】
上述の適用例によれば、被検出物（被検出装置）と直接的もしくは間接的に固定される第１電極に対して、第１電極間に挟持される圧電体および第２電極の位置ずれを規制することができ、正確な検出データを得ることができる。
【００１１】
〔適用例３〕上述の適用例において、前記圧電体は、Ｙカット水晶板であって、前記第１溝部および／または前記第２溝部は、結晶軸のＺ軸方向に延在し、結晶軸のＸ軸に直交し、前記第２電極を介して対向配置される前記水晶板の各々のＺ軸方向が同一方向であることを特徴とする。
【００１２】
上述の適用例によれば、圧電体として水晶を用いることにより、わずかなひずみであっても電荷量を多く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。また、水晶結晶のカット方向によって、様々な方向のひずみを検出する圧電体を容易に得ることができる。
【００１３】
〔適用例４〕本適用例のセンサーデバイスは、上述のセンサー素子と、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かかる力を演算する演算手段と、を含むことを特徴とする。
【００１４】
上述の適用例によれば、電荷量および電荷の正負によって、容易に外力負荷を演算計測することができる。
【００１５】
〔適用例５〕本適用例の力検出装置は、前記圧電体または前記水晶板と、前記第１電極と、前記第２電極と、の積層方向をγ、γと直交し互いに直交する方向をα、βとした場合、上記適用例のセンサーデバイスを３以上γ方向に積層し、積層された前記センサーデバイスは、少なくともα方向の力を検出する前記センサーデバイスと、β方向の力を検出する前記センサーデバイスと、γ方向の力を検出する前記センサーデバイスと、を含むことを特徴とする。
【００１６】
上述の適用例によれば、簡単な構成によって３軸力検出センサーを得ることができる。また、本適用例の力検出装置を複数用いることで、たとえばトルク計測も含む６軸力検出装置などを容易に得ることができる。
【００１７】
〔適用例６〕上述の適用例の力検出装置を備えるロボット。
【００１８】
上述の適用例によれば、作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し、（ａ）は概略概観斜視図、（ｂ）は分解斜視図、（ｃ）は平面図。
【図２】第１実施形態に係るセンサー素子の動作の概要を説明する断面図。
【図３】第１実施形態に係るセンサー素子の溝部と凸部の嵌合部分拡大図。
【図４】第２実施形態に係るセンサーデバイスを示す概略断面図。
【図５】第３実施形態に係る力検出装置を模式図的に示す、（ａ）は断面図、（ｂ）は水晶板の結晶方向を示す概念図。
【図６】第３実施形態に係るその他の力検出装置を示す、（ａ）平面図、（ｂ）断面図。
【図７】第３実施形態に係る力検出装置における回転トルクを説明する模式図。
【図８】第４実施形態に係るロボットの外観図。
【図９】その他の実施形態を示す斜視図。
【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は本実施形態に係るセンサー素子を示し、（ａ）は概略外観斜視図、（ｂ）は分解斜視図である。図１（ａ）に示すようにセンサー素子１００は、図示における上下端に第１電極１０としての第１接地電極１１と第２接地電極１２を備えている。第１接地電極１１と第２接地電極１２との間には、圧電体３０としての第１水晶板３１と第２水晶板３２と、第１水晶板３１と第２水晶板３２とによって挟持される第２電極２０と、が挟持され、図示下方より第２接地電極１２、第２水晶板３２、第２電極２０、第１水晶板３１、第１接地電極１１の順に積層させ、センサー素子１００を形成している。以下の実施例では、圧電材料として、水晶を例として示すが、本発明はこれに限定されるものではない。圧電材料としては、水晶のほかにチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3）などのチタン酸系セラミックス、およびニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などが好適に用いられる。
【００２２】
ここで、水晶板３１，３２について説明する。なお、本願明細書において、水晶の結晶軸の方向を表す場合にはＸ，Ｙ，Ｚを用い、単なる座標、方向を表す場合にはα，β，γを用い区別する。本実施形態に用いる水晶板３１，３２は、いわゆるＹカット板と呼ばれる水晶の機械軸（Ｙ軸）に直交する面で切り出される水晶板である。
【００２３】
図１（ｂ）に示すように、第１接地電極１１と対向する第１水晶板３１の面３１ａには第２溝部としての溝３１ｃ，３１ｄが設けられている。また、第２電極２０と対向する面３１ｂには第１溝部としての溝３１ｅが設けられている。第１水晶板３１の面３１ａに備える溝３１ｃは、第１水晶板３１の平面を示す図１（ｃ）の通り、Ｚ軸方向すなわちＸ軸方向に直交するように形成されている。同様に溝３１ｄもＸ軸に直交するように形成されている。また、第１水晶板３１の中心から溝３１ｃとの距離と、第１水晶板３１の中心から溝３１ｄとの距離は、明確な差をもって形成されている。本例では、第１水晶板３１の中心から溝３１ｃとの距離ｓ１と、中心から溝３１ｄとの距離ｓ２では、ｓ１＞ｓ２であり、その差は目視、もしくは計測機器による計測可能な差を備えていれば良い。さらに溝３１ｃの位置は第１水晶板３１のＸ（＋）方向に第１水晶板３１の中心から離れたｓ１の距離に形成することにより、Ｙカットの第１水晶板３１のＸ（＋）方向を溝３１ｃの配置位置によって認識させることができる。
【００２４】
面３１ｂにおいても溝３１ｅは、第１水晶板３１の中心より離れたｓ３の距離に形成し、面３１ｂ側からでもＹカットの第１水晶板３１のＸ（＋）方向を溝３１ｅの配置位置によって認識させることができる。なお、溝３１ｃと溝３１ｅは平面視において重ならないようにすることが好ましい。すなわち、溝３１ｃと溝３１ｅが平面視において重ねて配置することにより溝間の残肉が少なくなり、第１水晶板３１の強度低下をまねいてしまう虞がある。従って、ｓ１≠ｓ３とすることにより薄肉部を回避することができる。なお、ｓ１＜ｓ３でもｓ１＞ｓ３であっても良い。ただし、ｓ３＞ｓ２である。
【００２５】
溝３１ｄによって、第１水晶板３１の表裏、すなわちＹ軸の正負を識別することができる。本例では、面３１ａ側方向がＹ（＋）であることを認識させるため溝３１ｄが面３１ａに形成されている。そして、面３１ｂ側には溝３１ｄに相当する溝は形成しない。これにより、面３１ａには２本の溝、面３１ｂには１本の溝、が形成された形態となり、目視により十分に識別可能である。
【００２６】
第１水晶板３１の溝３１ｃ，３１ｄに嵌合させるように、第１接地電極１１の第１水晶板３１に対向する面１１ａには第２凸部としての凸部１１ｂ，１１ｃが形成されている。また、第１水晶板３１の溝３１ｅに嵌合させるように第２電極２０の第１水晶板３１に対向する面２０ａには第１凸部としての凸部２０ｃが形成されている。
【００２７】
第２水晶板３２は、第１水晶板３１をＹ軸中心に角度１８０度回転させて配置したものである。すなわち、第２水晶板３２の第２電極２０に対向する面３２ａには、Ｘ（＋）方向が識別できる溝３２ｃと、Ｙ（＋）方向が識別できる溝３２ｄが形成されており、第２水晶板３２の第２接地電極１２に対向する面３２ｂには、Ｘ（＋）方向が識別できる溝３２ｅが形成されている。これら第２水晶板３２の溝と、第１水晶板３１の溝との関係は、溝３２ｃは溝３１ｃに相当し、溝３２ｄは溝３１ｄに相当し、溝３２ｅは溝３１ｅに相当する。尚、第２水晶板３２は、第１水晶板３１をＹ軸中心に角度１８０度回転させた後、水晶板の中心を通るＸ軸を回転軸として、角度１８０度回転させて配置しても良い。
【００２８】
第２水晶板３２の面３２ａに対向する第２電極２０の面２０ｂには、溝３２ｃに嵌合される第１凸部としての凸部２０ｄと、溝３２ｄに嵌合される凸部２０ｅと、が形成されている。また、第２水晶板３２の面３２ｂに対向する第２接地電極１２の面１２ａには、溝３２ｅに嵌合される第２凸部としての凸部１２ｂが形成されている。
【００２９】
第１電極１０（第１接地電極１１、第２接地電極１２）および第２電極２０は、導電性を備える金属、例えば金、チタニウム、アルミニウム、銅、鉄などの単体もしくは合金を用いることができる。例えば、鉄合金としてステンレススチールを用いることも可能であり、耐久性、耐食性が優れることから好適に用いられる。
【００３０】
次に、図２を用いて本実施形態に係るセンサー素子１００の動作の概要を説明する。図２（ａ）に示すように、本実施形態に係るセンサー素子１００は、筒状容器３００の内部に収納されて、基台２０１，２０２に押圧され固定されている。なお、図２（ａ）は水晶板３１，３２のＸ軸方向の断面図であり、図示上下方向がＹ軸方向になる。図２（ａ）の形態におけるセンサー素子１００に対して基台２０１，２０２を介してＸ軸方向に外力Ｆが加わることにより、図２（ｂ）に示すように、水晶板３１，３２には、Ｘ軸方向に、いわゆる剪断力が付加され、水晶板３１，３２の内部に歪が発生する。
【００３１】
水晶板３１，３２に発生した歪により、圧電体である水晶板３１，３２には図２（ｂ）に示すように、電荷が発生する。第１水晶板３１の場合には、図示右方向がＸ軸の（＋）方向となっており、第１接地電極１１に対向する面３１ａ側にプラス（＋）、第２電極２０に対向する面３１ｂ側にマイナス（−）の電荷が生じる。これにより、第１接地電極１１にはマイナス（−）の電荷が励起され、第２電極２０にはプラス（＋）の電荷が励起される。
【００３２】
第２水晶板３２の場合には、図示左方向がＸ軸の（＋）方向となっており、第２電極２０に対向する面３２ａ側にマイナス（−）、第２接地電極１２に対向する面３２ｂ側にプラス（＋）の電荷が生じる。これにより、第２電極２０にはプラス（＋）の電荷が励起され、第２接地電極１２にはマイナス（−）の電荷が励起される。このときの、第２電極２０の電荷量から、センサー素子１００に掛かる水晶板３１，３２のＸ軸方向の外力Ｆを測定することができる。
【００３３】
また、図２（ｂ）で示す外力Ｆが逆方向の外力Ｆ´の場合を図２（ｃ）に示す。図２（ｃ）の場合には、第２電極２０には上述した図２（ｂ）とは逆電位の電荷が発生する。このように、第２電極２０との電荷の正負によって外力ＦおよびＦ´のＸ軸に対する方向を測定することができる。
【００３４】
図２（ｂ）、あるいは図２（ｃ）に示すように外力Ｆあるいは外力Ｆ´が図示矢印方向に付加される場合、センサー素子１００は基台２０１，２０２によって押圧されていることにより、第１接地電極１１と第１水晶板３１、第１水晶板３１と第２電極２０、第２電極２０と第２水晶板３２、第２水晶板３２と第２接地電極１２、との各々の摩擦力によって、外力Ｆにより生じるせん断力に抗して各々が滑らずに保持されている。そのため、せん断力が摩擦力を上回ると、第１接地電極１１と第１水晶板３１、第１水晶板３１と第２電極２０、第２電極２０と第２水晶板３２、第２水晶板３２と第２接地電極１２、との間にすべりが生じて相対的な位置ずれが発生する恐れがある。しかし、このずれを水晶板３１，３２に設けた溝と第１接地電極１１、第２接地電極１２、第２電極２０に設けた凸部とを嵌合させることにより、センサー素子１００に備える第１電極１０、第２電極２０、圧電体３０、それぞれの間における物理的にずれを防止することができる。
【００３５】
また、本例で説明したＸ軸方向の力である外力Ｆあるいは外力Ｆ´に加えて、Ｘ軸方向以外の外力が加わることにより、第１水晶板３１と第２水晶板３２が相対的に回転ずれを起こさせる力となる。この回転ずれに対しても、第２電極２０を介して溝と凸部の嵌合によって、ずれ防止を図ることができる。さらにセンサー素子１００が基台２０１，２０２に対しても、同様に外力Ｆ方向および回転方向のずれを防止することができる。
【００３６】
図２（ｂ）に示すＭ部の拡大図を図３に示す。図２（ｂ）に示すようにセンサー素子１００に外力Ｆが加わると、図３に示すように、第２電極２０の凸部２０ｄと第２水晶板３２の溝３２ｃとの嵌合、第２接地電極１２の凸部１２ｂと第２水晶板３２の溝３２ｅとの嵌合によって物理的なずれ防止が働く。すなわち、第２水晶板３２の溝３２ｃの溝壁３２ｆに対して第２電極２０の凸部２０ｄによってＦ´の力が加わる。同様に、溝３２ｅの溝壁３２ｇに対して第２接地電極１２の凸部１２ｂによってＦ´´の力が加わる。このＦ´，Ｆ´´によって溝壁３２ｆ，３２ｇ近傍の領域Ｓ１，Ｓ２においてはＸ軸方向の圧縮力が生じ、上述の剪断力により発生する電荷とは異なる電荷が発生し、測定ノイズ（誤差）として検出されてしまう。
【００３７】
この、測定ノイズ（誤差）となる電荷を拾わないよう、凸部２０ｄ，１２ｂを覆うように電気的な絶縁層２０ｆ，１２ｃを形成する。なお、本例では凸部を絶縁層で覆う形態を説明したが、絶縁材料で電極表面に凸部を形成しても良い。絶縁層もしくは絶縁体としては、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、ＳＯＧ（スピンオングラス）等が好適に用いられ、プラズマＣＶＤ法、スピンコート法で成膜後、所望の形状に加工される。特に、成膜後に異方性ドライエッチングにより、電極の凸部の側壁に上記絶縁体を残す製造方法が、本発明では特に有効である。
【００３８】
（第２実施形態）
図４は、第２実施形態に係るセンサーデバイスを示す概略断面図である。図４に示すように、センサーデバイス１０００は、センサー素子１００が筒状容器３００に収納され、基台２０１，２０２によって押圧固定され、第１接地電極１１、第２電極２０、第２接地電極１２が演算手段としての演算装置４００に電気的に接続されている。演算装置４００には図示しない、第２電極２０の電荷を変換するＱＶアンプを備え、第１接地電極１１と第２接地電極１２が接続される接地（グランド：ＧＮＤ）を備えている。
【００３９】
このような構成の形態とすることによって、第２電極２０には水晶板３１，３２の２個の圧電体の電荷量を検出することができるため、微小な外力に対しても高感度の力検出が可能なセンサーデバイスを得ることができる。
【００４０】
（第３実施形態）
図５は、第３実施形態に係る力検出装置を模式図的に示す断面図である。図５（ａ）において電極、水晶板の積層方向（図示上方向）をγ（＋）方向とし、γ方向に直交し図示右方向をα（＋）方向、図示面に向かう方向をβ（＋）方向とする。図５（ａ）に示す力検出装置２０００は基台２１０と基台２２０の間に、筒状容器３１０の内部に電極と水晶板を交互に積層し、基台２１０と基台２２０によって押圧されて固定されている。
【００４１】
電極および水晶板は次のように積層されている。基台２１０側から、第１接地電極１０Ａ、水晶板３０Ａ、第２電極２０Ａ、水晶板３０Ｂ、第２接地電極１０Ｂの順に積層されている。この積層された形態は第１実施形態に係る溝を備える水晶板３１，３２と、凸部を備える電極１０，２０とを積層させたセンサー素子１００に相当する、第１センサー素子１０１を構成する。
【００４２】
次に第２接地電極１０Ｂ、水晶板３０Ｃ、第２電極２０Ｂ、水晶板３０Ｄ、第２接地電極１０Ｃの順に積層され第２センサー素子１０２を構成する。ここで、第１センサー素子１０１の第２接地電極１０Ｂは、第２センサー素子１０２の第１接地電極として共用される。次に、第２接地電極１０Ｃ、水晶板３０Ｅ、第２電極２０Ｃ、水晶板３０Ｆ、第２接地電極１０Ｄの順に積層され第３センサー素子１０３を構成し、第２センサー素子１０２の第２接地電極１０Ｃは、第３センサー素子１０３の第１接地電極として共用される。
【００４３】
図５（ｂ）に各水晶板の配置方向を模式図として示す。図５（ｂ）に示すように、第１センサー素子１０１を構成する水晶板３０Ａ，３０ＢはＹカット板を用い、水晶板３０Ａはα（＋）方向にＸ（＋）となるよう、水晶板３０Ｂはα（−）方向にＸ（＋）となるように配置する。これにより、力検出方向としてα軸方向の力成分を検出することができる。第２センサー素子１０２を構成する水晶板３０Ｃ，３０ＤもＹカット板を用い、水晶板３０Ｃはβ（＋）方向にＸ（＋）となるよう、水晶板３０Ｄはβ（−）方向にＸ（＋）となるように配置する。これにより、力検出方向としてβ軸方向の力成分を検出することができる。尚、図１で説明した様に、上記水晶板の配置方向は、一例であり、これに限られたものではない。
【００４４】
すなわち、第２センサー素子１０２の水晶板３０Ｃ，３０Ｄの配置は、第１センサー素子１０１の水晶板３０Ａ，３０Ｂをγ軸中心に角度９０度回転させた配置であり、水晶板３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄは同じ水晶板を用いることが可能である。
【００４５】
第３センサー素子１０３を構成する水晶板３０Ｅ，３０ＦはＸカット板を用い、水晶板３０Ｅはγ（＋）方向にＸ（−）となるように、水晶板３０Ｆはγ（＋）方向にＸ（＋）となるように配置し、力検出方向としてγ軸方向の力成分を検出することができる。このように、第１センサー素子１０１、第２センサー素子１０２、第３センサー素子１０３を構成した力検出装置２０００によって基台２１０，２２０に掛かる外力を、α，β，γの３方向、いわゆる３軸力センサーを得ることができる。
【００４６】
図２（ａ）によって説明したように、外力が基台２１０，２２０に付加されたときに各センサー素子１０１，１０２，１０３に生じる電荷は、演算手段としての演算装置５００に備える第１センサー素子１０１の電荷から演算するα方向演算装置４１０、第２センサー素子１０２の電荷から演算するβ方向演算装置４２０、第３センサー素子１０３の電荷から演算するγ方向演算装置４３０によって得られるα，β，γ方向の力成分から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、接地電極１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄは、演算装置５００に備える接地（ＧＮＤ）に接続される。
【００４７】
上述したとおり、本実施形態に係る力検出装置２０００は、一方向に電極と水晶板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、ロボットなど取り付けスペースが狭小な装置にも容易に設置が可能となる。また、本実施形態は、単純な電極と水晶板を積層により形成できるため、低コストの検出装置を得ることができる。
【００４８】
図６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）のＡ−Ａ´部の断面図である。図６（ａ），（ｂ）に示すように６軸力検出装置３０００は、基台２１０Ａ，２２０Ａ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。この形態の構成とすることにより、配置された４個の力検出装置２０００の装置間の距離から、基台２１０Ａと基台２２０Ａとの間に加わる回転トルクＴｘ，Ｔｙ，Ｔｚは、図７に示す模式図および以下の計算式に基づいて求めることが可能となる。
【００４９】
【数１】
2012173079.tif 000003
【００５０】
（第４実施形態）
図８は、上述の実施形態に係る力検出装置２０００、および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、たとえば床、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等が内蔵されている。
【００５１】
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く。
【００５２】
アーム部４２００の第５フレーム４２５０のうち、第４フレーム４２４０の接続部とは他方の側には、ロボットハンド部４３００が取り付けられており、対象物を把握することができるロボットハンド４３１０が、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によって第５フレーム４２５０に接続されている。
【００５３】
ロボットハンド接続部４３２０には、モーターに加えて第３実施形態に係る力検出装置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、回避動作を実行させることができる。
【００５４】
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、対象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。また、本例に限定されず双腕ロボットにも適用することができる。
【００５５】
（その他の実施形態）
図９は、第１実施形態に係るセンサー素子１００を構成する水晶板３１，３２に形成される溝の、その他の形態を示す平面図である。図９に示すように、第１水晶板３１にはＺ軸に略平行にＸ軸に直交するように面３１ａ側には溝３１ｃが、面３１ｂ側には溝３１ｅが第１水晶板３１の中心よりＸ（＋）方向に偏らせて形成されている。第１実施形態においては、第１水晶板３１の表裏、すなわちＹ（＋）を認識させるために、面３１ａ側に溝３１ｄが所定に位置に溝３１ｃと略平行に形成されている（図１参照）。しかし、表裏の認識のためには、この溝３１ｄで示す形態には限定されず、図９に示すように溝３１ｃに交わるように溝３１ｆを形成しても良い。
【００５６】
また、上述のように溝３１ｆを形成することにより、面３１ｂ側には溝３１ｅと略平行な溝３１ｇを形成しても、表裏、すなわち面３１ａと面３１ｂとの識別は可能となる。これにより、溝３１ｇによる第１水晶板３１と第２電極２０とのすべり防止はより確実になる。なお、溝３１ｇは形成しなくても良い。
【００５７】
また、図９に示すように、溝３１ｃと溝３１ｆとを互いに直交するように配置することにより、第１水晶板３１と第１接地電極１１との相対的な回転方向のずれは確実に規制することができる。
【００５８】
以上のように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、明細書または図面において、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、明細書また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、センサー素子、センサーデバイスおよび力検出装置の構成、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】
【００５９】
１０…第１電極（１１…第１接地電極、１２…第２接地電極）、２０…第２電極、３０…圧電体（３１…第１水晶板、３２…第２水晶板）、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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