(57)【要約】【課題】力が加えられることで変位する圧電基板の電荷を取り出す配線の接続が容易な力検出素子と、力検出モジュール及びこれを搭載したロボットとを提供する。【解決手段】圧電基板と、圧電基板を挟んで設けられた第１電極部と第２電極部と、第１電極部と第２電極部とは、圧電基板と、第１電極部と第２電極部とが積層された方向より平面視した場合に、第１電極部と第２電極部との一部が重ならない位置に積層されていることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電基板と、
前記圧電基板を挟んで設けられた第１電極部と第２電極部と、
前記第１電極部と前記第２電極部とは、前記圧電基板と、前記第１電極部と前記第２電極部とが積層された方向より平面視した場合に、前記第１電極部と前記第２電極部との一部が重ならない位置に積層されていること、を特徴とする力検出素子。
【請求項２】
請求項１に記載の力検出素子において、
前記第１電極部または前記第２電極部のいずれか１つが、前記圧電基板に設けられていること、を特徴とする力検出素子。
【請求項３】
第１圧電基板と第２圧電基板と第３圧電基板と第４圧電基板と第５圧電基板と第６圧電基板と、
第１電極部と第２電極部と第３電極部と第４電極部と第５電極部と第６電極部と第７電極部と、を備え、
前記第１電極部には、前記第１圧電基板が積層され、
前記第１圧電基板の、前記第１電極部と対向する面と反対側には、前記第２電極部が積層され、
前記第２電極部には、前記第２圧電基板が積層され、
前記第２圧電基板の、前記第２電極部と対向する面と反対側には、前記第３電極部が積層され、
前記第３電極部には、前記第３圧電基板が積層され、
前記第３圧電基板の、前記第３電極部と対向する面と反対側には、前記第４電極部が積層され、
前記第４電極部には、前記第４圧電基板が積層され、
前記第４圧電基板の、前記第４電極部と対向する面と反対側には、前記第５電極部が積層され、
前記第５電極部には、前記第５圧電基板が積層され、
前記第５圧電基板の、前記第５電極部と対向する面と反対側には、前記第６電極部が積層され、
前記第６電極部には、前記第６圧電基板が積層され、
前記第６圧電基板の、前記第５電極部と対向する面と反対側には、前記第７電極部が積層され、
前記第１電極部乃至前記第７電極部は、前記積層方向より平面視した場合に、前記第１電極部乃至前記第７電極部の一部が重ならない位置に積層されていること、を特徴とする力検出素子。
【請求項４】
請求項３に記載の力検出素子において、
前記第１電極部には、前記積層方向と直交する第１方向に、前記第２電極部乃至前記第７電極部の一部が重ならない第１領域を有し
前記第１領域を有する方向を前記第１方向の正方向とし、
前記第２電極部には、前記第１方向の正方向の反対方向となる前記第１方向の負方向に、前記第７電極部の一部が重ならない第２領域を有し、
前記第３電極部には、前記積層方向と前記第１方向とに直交する第２方向に、前記第５電極部の一部が重ならない第３領域を有し、
前記第３領域を有する方向を前記第２方向の正方向とし、
前記第４電極部には、前記第２方向の正方向と反対方向となる前記第２方向の負方向に、前記第６電極部の一部が重ならない第４領域を有し、
前記第５電極部には、前記第２方向の正方向に、前記第３電極部の一部が重ならない第５領域を有し、
前記第６電極部には、前記第２方向の負方向に、前記第４電極部の一部が重ならない第６領域を有し、
前記第７電極部には、前記第１方向の負方向に、前記第２電極部の一部が重ならない第７領域を有し、
前記第１電極部乃至前記第７電極部は、前記積層方向より平面視した場合に、前記第１電極部乃至前記第７電極部に有する前記第１領域乃至前記第７領域の一部が重ならない位置に積層されていること、を特徴とする力検出素子。
【請求項５】
第１圧電基板と第２圧電基板と第３圧電基板と第４圧電基板と第５圧電基板と第６圧電基板と、
第１電極部と第２電極部と第３電極部と第４電極部と第５電極部と第６電極部と第７電極部と、を備え、
前記第１電極部には、前記第１前記圧電基板が積層され、
前記第１圧電基板の、前記第１電極部と対向する面と反対側には、前記第２電極部が設けられ、
前記第２電極部には、前記第２圧電基板が積層され、
前記第２圧電基板の、前記第２電極部と対向する面と反対側には、前記第３電極部が設けられ、
前記第３電極部には、前記第３圧電基板が積層され、
前記第３圧電基板の、前記第３電極部と対向する面と反対側には、前記第４電極部が設けられ、
前記第４電極部には、前記第４圧電基板が積層され、
前記第４圧電基板の、前記第４電極部と対向する面と反対側には、前記第５電極部が設けられ、
前記第５電極部には、前記第５圧電基板が積層され、
前記第５圧電基板の、前記第５電極部と対向する面と反対側には、前記第６電極部が設けられ、
前記第６電極部には、前記第６圧電基板が積層され、
前記第６圧電基板の、前記第６電極部と対向する面と反対側には、前記第７電極部が設けられ、
前記第１電極部乃至前記第７電極部は、前記積層方向より平面視した場合に、前記第１電極部乃至前記第７電極部の一部が重ならない位置に積層されていること、を特徴とする力検出素子。
【請求項６】
請求項５に記載の力検出素子において、
前記第１電極部には、前記積層方向と直交する第１方向に、前記第２電極部と前記第６電極部と一部が重ならない第１領域を有し、
前記第１領域を有する方向を前記第１方向の正方向とし、
前記第２電極部には、前記第１方向の正方向に、前記第１電極部と前記第６電極部との一部と重ならない第２領域を有し、
前記第３電極部には、前記第１方向の正方向と反対方向となる前記第１方向の負方向に、前記第７電極部の一部と重ならない第３領域を有し、
前記第４電極部には、前記積層方向と前記第１方向と直交する第２方向に、前記第２電極部の一部と重ならない第４領域を有し、
前記第４領域を有する方向を前記第２方向の負方向とし、
前記第５電極部には、前記第２方向の負方向と反対方向となる前記第２方向の正方向に前記第３電極部の一部と重ならない第５領域を有し、
前記第６電極部には、前記第１方向の正方向に、前記第１電極部と前記第２電極部との一部が重ならない第６領域を有し、前記第７電極部には、前記第１方向の負方向に、前記第３電極部の一部と重ならない第７領域を有し、
前記積層方向より平面視した場合に、前記第１電極部乃至前記第７電極部に有する前記第１領域乃至前記第７領域の一部が重ならない位置に積層されていること、を特徴とする力検出素子。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の力検出素子において、
前記圧電基板は、水晶であること、を特徴とする力検出素子。
【請求項８】
圧電基板と、
前記圧電基板を挟んで設けられた第１電極部と第２電極部と、
前記圧電基板と、前記第１電極部及び前記第２電極部とが収容されるパッケージと、を備え、
前記第１電極部と前記第２電極部とは、前記圧電基板と、前記第１電極部と前記第２電極部とが積層された方向より平面視した場合に、前記第１電極部と前記第２電極部との一部が重ならない位置に設けられていること、
を特徴とする力検出モジュール。
【請求項９】
請求項８に記載の力検出モジュールにおいて、
前記第１電極部または前記第２電極部のいずれか１つが、前記圧電基板に設けられていること、を特徴とする力検出モジュール。
【請求項１０】
圧電基板と、
前記圧電基板を挟んで設けられた第１電極部と第２電極部と、
前記圧電基板と、前記第１電極部と前記第２電極部とが収容されるパッケージと、
回動可能な関節を含むアーム部と、を備え、
前記第１電極部と前記第２電極部とは、前記圧電基板と、前記第１電極部と前記第２電極部とが積層された方向より平面視した場合に、前記第１電極部と前記第２電極部との一部が重ならない位置に設けられていること、
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、力検出素子、力検出モジュール及びロボットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電基板を用いた力検出素子として、加えられる力によって圧電基板の電荷の変位を電極部で捕捉し、電極部の端子に配線を接続して電荷を取り出す構造の力検出素子が知られている。
特許文献１には、圧電基板を電極部で挟持し、その電極部の端面である端子に外部端子を接合し、その外部端子に圧電基板の電荷の変位を取り出す配線が設けられた力検出素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１２１７９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、力検出素子を圧電基板と電極部とが挟持（積層）された方向より平面視した場合に、電極部を視認することが容易でないため力検出素子がパッケージに収容された場合に、電極部と、パッケージに設けられた配線電極部とを配線によって接続する器具、例えばワイヤーボンディングツール等を用いることが困難であった。また、圧電基板を挟持する電極部の端面に配線や端子を接続する場合には、力検出素子に加えられる力等による振動によって接続された配線が切断される虞れがあった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述した課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００６】
（適用例１）本適用例に係る力検出素子は、圧電基板と、圧電基板を挟んで設けられた第１電極部と第２電極部と、第１電極部と第２電極部とは、圧電基板と、第１電極部と第２電極部とが積層された方向より平面視した場合に、第１電極部と第２電極部との一部が重ならない位置に積層されていることを特徴とする。
【０００７】
このような力検出素子によれば、第１電極部と第２電極部は、圧電基板と第１電極部と第２電極部とが積層された方向より平面視した場合に、第１電極部と第２電極部との一部が重ならない位置に積層されている。これにより、圧電基板を挟んで設けられた第１電極部と、第２電極部との一部を視認することができる。従って、圧電基板と第１電極部及び第２電極部とが積層された方向より配線器具を挿入し、視認できる第１電極部及び第２電極部の一部の領域に配線を接続することができる。また、配線器具を挿入して配線を接続できるため、力検出素子に加えられる振動等によって接続部分が断線することを抑制することができる。
【０００８】
（適用例２）上記適用例に係る力検出素子において、第１電極部または第２電極部のいずれか１つが、圧電基板に設けられていることが好ましい。
【０００９】
このような力検出素子によれば、第１電極部または第２電極部のいずれか１つが圧電基板に設けられているため、複数の圧電基板と電極部とが積層される場合に、圧電基板と電極部とがずれることを抑制することができる。これにより、圧電基板で生じた電荷の検出誤差を抑制することができる。
【００１０】
（適用例３）本適用例に係る力検出素子は、第１圧電基板と第２圧電基板と第３圧電基板と第４圧電基板と第５圧電基板と第６圧電基板と、第１電極部と第２電極部と第３電極部と第４電極部と第５電極部と第６電極部と第７電極部と、を備え、第１電極部には第１圧電基板が積層され、第１圧電基板の前記第１電極部と対向する面と反対側には前記第２電極部が積層され、第２電極部には前記第２圧電基板が積層され、第２圧電基板の第２電極部と対向する面と反対側には第３電極部が積層され、第３電極部には第３圧電基板が積層され、第３圧電基板の第３電極部と対向する面と反対側には、第４電極部が積層され、第４電極部には第４圧電基板が積層され、第４圧電基板の第４電極部と対向する面と反対側には、第５電極部が積層され、第５電極部には第５圧電基板が積層され、第５圧電基板の第５電極部と対向する面と反対側には、第６電極部が積層され、第６電極部には第６圧電基板が積層され、第６圧電基板の第５電極部と対向する面と反対側には、第７電極部が積層され、第１電極部乃至第７電極部は、当該積層方向より平面視した場合に、第１電極部乃至第７電極部の一部が重ならない位置に積層されていることを特徴とする。
【００１１】
（適用例４）上記適用例に係る力検出素子において、前記積層方向と直交する第１方向に、第２電極部乃至第７電極部の一部が重ならない第１領域を有し、第１領域を有する方向を第１方向の正方向とし、第２電極部には、第１方向の正方向の反対方向となる第１方向の負方向に、第７電極部の一部が重ならない第２領域を有し、第３電極部には、当該積層方向と第１方向とに直交する第２方向に、第５電極部の一部が重ならない第３領域を有し、第３領域を有する方向を第２方向の正方向とし、第４電極部には、第２方向の正方向と反対方向となる第２方向の負方向に、第６電極部の一部が重ならない第４領域を有し、第５電極部には、第２方向の正方向に、第３電極部の一部が重ならない第５領域を有し、第６電極部には、第２方向の負方向に、第４電極部の一部が重ならない第６領域を有し、第７電極部には、第１方向の負方向に、第２電極部の一部が重ならない第７領域を有し、第１電極部乃至第７電極部は、当該積層方向から平面視した場合に、第１電極部乃至第７電極部に有する第１領域乃至第７領域の一部が重ならない位置に積層されていることが好ましい。
【００１２】
このような力検出素子によれば、第１電極部乃至第７電極部と、第１圧電基板乃至第６圧電基板とは、電極部と圧電基板とが交互に積層され、その積層方向より平面視した場合に、第１電極部乃至第７電極部の一部が重ならない位置に積層されている。このことで、当該積層方向より第１電極部乃至第７電極部を平面視した場合に、第１電極部乃至第７電極部の重ならない第１領域乃至第７領域を視認することができる。従って、第１電極部乃至第７電極部と、第１圧電基板乃至第６圧電基板とが積層される方向から配線器具を挿入し、第１電極部乃至第７電極部が重ならない第１領域乃至第７領域に配線を接続することができる。また、配線器具を挿入して配線を接続できるため、力検出素子に加えられる振動等によって接続部分が断線することを抑制することができる。
【００１３】
（適用例５）本適用例に係る力検出素子は、第１圧電基板と第２圧電基板と第３圧電基板と第４圧電基板と第５圧電基板と第６圧電基板と、第１電極部と第２電極部と第３電極部と第４電極部と第５電極部と第６電極部と第７電極部とを備え、第１電極部には第１前記圧電基板が積層され、第１圧電基板の第１電極部と対向する面と反対側には第２電極部が設けられ、第２電極部には第２圧電基板が積層され、第２圧電基板の第２電極部と対向する面と反対側には第３電極部が設けられ、第３電極部には第３圧電基板が積層され、第３圧電基板の第３電極部と対向する面と反対側には第４電極部が設けられ、第４電極部には第４圧電基板が積層され、第４圧電基板の第４電極部と対向する面と反対側には第５電極部が設けられ、第５電極部には第５圧電基板が積層され、第５圧電基板の第５電極部と対向する面と反対側には第６電極部が設けられ、第６電極部には第６圧電基板が積層され、第６圧電基板の第６電極部と対向する面と反対側には第７電極部が設けられ、第１電極部乃至第７電極部は、当該積層方向より平面視した場合に、第１電極部乃至第７電極部の一部が重ならない位置に積層されていることを特徴とする。
【００１４】
（適用例６）上記適用例に係る力検出素子において、第１電極部には、前記積層方向と直交する第１方向に、第２電極部と第６電極部と一部が重ならない第１領域を有し、第１領域を有する方向を第１方向の正方向とし、第２電極部には、第１方向の正方向に、第１電極部と第６電極部との一部と重ならない第２領域を有し、第３電極部には、第１方向の正方向と反対方向となる第１方向の負方向に第７電極部の一部と重ならない第３領域を有し、第４電極部には当該積層方向と前記第１方向と直交する第２方向に前記第２電極部の一部と重ならない第４領域を有し、第４領域を有する方向を前記第２方向の負方向とし、第５電極部には第２方向の負方向と反対方向となる第２方向の正方向に第３電極部の一部と重ならない第５領域を有し、第６電極部には、第１方向の正方向に、第１電極部と第２電極部との一部が重ならない第６領域を有し、第７電極部には、第１方向の負方向に、第３電極部の一部と重ならない第７領域を有し、第１電極部乃至第７電極部は、第１圧電基板乃至第６圧電基板と、第１電極部乃至第７電極部との当該積層方向より平面視した場合に、第１電極部乃至第７電極部に有する第１領域乃至第７領域の一部が重ならない位置に積層されていることが好ましい。
【００１５】
このような力検出素子によれば、第１圧電基板乃至第６圧電基板に対応して、第２電極部乃至第７電極部が第１圧電基板乃至第６圧電基板に設けられている。第１電極部と、第１圧電基板乃至第６圧電基板に設けられた第２電極部乃至第７電極部とは、その一部が重ならないように第１圧電基板乃至第６圧電基板が積層されている。これにより、第１圧電基板乃至第６圧電基板が積層された方向より第１電極部乃至第７電極部を平面視した場合に、第１電極部乃至第７電極部の重ならない第１領域乃至第７領域を視認することができる。従って、第１圧電基板乃至第６圧電基板が積層される方向から配線器具を挿入し、第１電極部乃至第７電極部が重ならない領域である第１領域乃至第７領域に配線を接続することができる。また、配線器具を挿入して配線を接続できるため、力検出素子に加えられる振動等によって接続部分が断線することを抑制することができる。
【００１６】
（適用例７）上記適用例に係る力検出素子において、圧電基板が水晶であることが好ましい。
【００１７】
このような力検出素子によれば、圧電基板には、結晶方位を有する水晶を用いている。また、圧電基板は、結晶方位の異なる水晶で構成されている。これにより、力検出素子に加えられる特定の方向の力に対して圧電基板は、その圧電基板を構成する水晶の結晶方位に応じた電荷が発生する。従って、このような力検出素子は、圧電基板を構成する水晶の結晶方位を異ならせることで、加えられる力の方向と、大きさとを結晶方位を異ならせた複数の圧電基板で検出することができる。
【００１８】
（適用例８）本適用例に係る力検出モジュールは、圧電基板と、圧電基板を挟んで設けられた第１電極部と第２電極部と、圧電基板と、第１電極部と第２電極部とが収容されるパッケージとを備え、第１電極部と第２電極部とは、圧電基板と、第１電極部と第２電極部とが積層された方向から平面視した場合に、第１電極部と第２電極部との一部が重ならない位置に設けられていることを特徴とする。
【００１９】
このような力検出モジュールによれば、パッケージに収容される圧電基板と、第１電極部と第２電極部とが積層された方向から平面視した場合に、第１電極部と第２電極部との一部が重ならない位置に積層されている。これにより、パッケージに収容された圧電基板を挟んで設けられた第１電極部の一部と、第２電極部との一部の領域を視認することができる。従って、このような力検出モジュールは、圧電基板と、第１電極部と第２電極部とが積層された後においても、パッケージと、圧電基板及び第１電極部と第２電極部との間に配線器具を挿入し、第１電極部と第２電極部との一部の領域に配線を容易に接続することができる。
【００２０】
（適用例９）上記適用例に係る力検出モジュールにおいて、第１電極部または第２電極部のいずれか１つが、圧電基板に設けられていることが好ましい。
【００２１】
このような力検出モジュールによれば、第１電極部または第２電極部のいずれか１つが圧電基板に設けられているため、複数の圧電基板と電極部とが積層される場合に、圧電基板と電極部とがずれることを抑制することができる。これにより、複数の圧電基板で生じた電荷の検出誤差を抑制することができる。
【００２２】
（適用例１０）本適用例に係るロボットは、圧電基板と、圧電基板を挟んで設けられた第１電極部と第２電極部と、圧電基板と、第１電極部及び第２電極部とが収容されるパッケージと、回動可能な関節を含むアーム部とを備え、第１電極部と第２電極部とは、圧電基板と、第１電極部と第２電極部とが積層された方向から平面視した場合に、第１電極部と第２電極部との一部が重ならない位置に設けられていることを特徴とする。
【００２３】
このようなロボットによれば、上述した力検出モジュールが搭載されることで、当該ロボットの動作に伴う振動等によって、各電極部とパッケージとを接続する配線が断線することを抑制し、安定してロボットに加えられる力の検出をすることができる。従って、ロボットは、障害物などとの接触を速やかに検出して障害物回避動作等を実行し、安全性を高めた動作をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１実施形態に係る力検出素子の概略構成を示す模式図。
【図２】第１実施形態に係る力検出素子の概略構成を示す斜視図。
【図３】第２実施形態に係る力検出素子の概略構成を示す模式図。
【図４】第２実施形態に係る力検出素子の概略構成を示す斜視図。
【図５】第２実施形態に係る力検出素子を構成する圧電基板を示す平面図。
【図６】第３実施形態に係る力検出モジュールの概略構成を示す模式図。
【図７】第４実施形態に係る力検出モジュールの概略構成を示す模式図。
【図８】第５実施形態に係るロボットの概略構成を示す模式図。
【図９】第５実施形態に係るロボットの概略構成を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明をする。なお、以下に示す各図においては、各構成要素を図面上で認識され得る程度の大きさとするため、各構成要素の寸法や比率を実際の構成要素とは適宜に異ならせて記載をしている。また、ＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照し、各部の位置関係について説明する。鉛直面内における所定方向をＸ軸方向、鉛直面内においてＸ軸方向と直交する方向をＹ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれに直交する方向をＺ軸方向とする。また、重力方向を基準として、重力方向を下方向、逆方向を上方向とする。
【００２６】
本願の力検出素子は、圧電基板に力を加えることで圧電基板に発生する電荷の変位を電極部で捕捉し、その力を検出するものである。以下、力検出素子、力検出モジュール及び力検出モジュールを搭載したロボットの実施形態について説明をする。
【００２７】
（第１実施形態）
本実施形態の力検出素子の概略構成を図１に示す。図１（ａ）は、力検出素子１を平面視（Ｚ方向）した場合の模式図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）で平面視した力検出素子を側面視した側面図（Ｙ方向）である。また、図１（ｃ）は、図１（ｂ）で側面視したＹ方向と直交するＸ方向より側面視した側面図である。また、図２は、図１（ｂ），（ｃ）で表された側面より力検出素子１を斜視した斜視図である。なお、図１及び図２において、説明の便宜のため電極部２０及び端子２０ｔには網点を付している。
【００２８】
（力検出素子の構成）
力検出素子１には、圧電基板１０と、電極部２０とが備えられている。
力検出素子１は、圧電基板１０に単結晶の水晶基材が用いられている。力検出素子１は、圧電基板１０を構成する水晶の結晶方位の異方性によって３方向に分けて加えられる力を検出する。そこで、力検出素子１は、力を検出する方向毎に１つの検出素子が構成され、その検出素子は、２つの圧電基板１０と、３つの電極部２０とを組み合わせて構成されている。一つの検出素子は、検出電極部となる一つの電極部２０の両面に対面させて接地電極部となる電極部２０をそれぞれ配置し、圧電基板１０が検出電極部と接地電極部とに挟持されている。すなわち、Ｚ軸上方向に向かってに、接地電極部（いずれかの電極部２０）、圧電基板１０、検出電極部（いずれかの電極部２０）、圧電基板１０、接地電極部（いずれかの電極部２０）の順に積層されて１つの検出素子が構成されている。
本実施形態の力検出素子１は、３つの検出素子を積層して構成されている。なお、力検出素子１において積層される検出素子は、３つに限定されることなく、力の検出を欲する方向に応じた数の検出素子を積層すれば良い。
【００２９】
力検出素子１は、後述する第１検出素子１１ｅ，第２検出素子１２ｅ，第３検出素子１３ｅで構成されている。特に説明が無い限り力検出素子１には、第１検出素子１１ｅ乃至第３検出素子１３ｅまでを含むものとし、検出素子として説明する場合もある。また、力検出素子１には、第１圧電基板乃至第６圧電基板としての圧電基板１１乃至圧電基板１６、及び第１電極部乃至第７電極部としての電極部２１乃至電極部２７が設けられている。特に説明が無い限り、圧電基板１０には、圧電基板１１乃至圧電基板１６までを含むものとして説明する。また、電極部２０には、電極部２１乃至電極部２７までを含むものとして説明する。また、電極部２０には端子２０ｔを有し、電極部２１乃至電極部２７が積層された際に、その積層された電極部２１の方向より視認できる領域を端子２０ｔとする。よって、電極部２０には電極部２１乃至電極部２７に対応して端子２１ｔ乃至端子２７ｔを有する。特に説明の無い限り端子２０ｔには、端子２１ｔ乃至２７ｔまでを含むものとして説明をする。
【００３０】
圧電基板１０には、３方晶系の単結晶の水晶基材が用いられている。３方晶系の単結晶とは、長さの等しい３本の対称軸が１２０°の角度で交わり、その交点に１本の垂直な軸が交わる結晶軸を持つものを言う。本実施形態では、力検出素子１に加えられる力によって、圧電基板１０に生じる僅かな歪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基材を用いることとして説明をする。力検出素子１は、水晶の結晶方位が異なる物を力の検出を欲する方向に応じて圧電基板１０に用いて構成されている。なお、本実施形態の圧電基板１０は水晶基材を用いているが、３方晶系の単結晶であれば水晶に限定されることはなく他の基材を用いても良い。
【００３１】
電極部２０には、耐食性や、力検出素子１に加えられる力に対する耐久性に優れるためステンレススチールを用いた。本実施形態では、電極部２０にはステンレススチールを用いたが、これに限定されることなく金、アルミニウム、銅、鉄などの導電性材料を用いることができる。
【００３２】
電極部２０は、積層される圧電基板１０と略等しい面積を有している。また、電極部２０には、端子２０ｔを有する。端子２０ｔは、電極部２０の外周縁から突出させて設けられている。なお、圧電基板１０と電極部２０とは、ほぼ等しい面積を有する矩形であるが、矩形に限定されることなく圧電基板１０と電極部２０とがほぼ等しい形状及び面積であれば、円形などの形状を有しても良い。
【００３３】
（圧電基板と電極部との配置）
図１及び図２を参照して、力検出素子１を構成する検出素子及び検出素子を構成する圧電基板１０と、電極部２０との配置について説明をする。
【００３４】
第１検出素子１１ｅは、検出電極部となる電極部２２の一方の面（下方向）に接地電極部となる電極部２１が対面して設けられている。第１検出素子１１ｅは、圧電基板１１を電極部２１と電極部２２との間に挟持されるように設けられている。また、第１検出素子１１ｅは、電極部２２の他方の面（上方向）に接地電極部となる電極部２３が対面して設けられ、圧電基板１２を電極部２１と電極部２３との間に挟持されるように設けられている。
【００３５】
第２検出素子１２ｅは、検出電極部となる電極部２４の一方の面（下方向）に接地電極部となる電極部２３が対面して設けられている。第２検出素子１２ｅは、圧電基板１３を電極部２３と電極部２４との間に挟持されるように設けられている。また、第２検出素子１２ｅは、電極部２４の他方の面（上方向）に接地電極部となる電極部２５が対面して設けられ、圧電基板１４を電極部２４と電極部２５との間に挟持される様に設けられている。なお、電極部２３は、第１検出素子１１ｅの接地電極部として共用される。また、電極部２５は、後述する第３検出素子１３ｅと接地電極部として共用される。
【００３６】
第３検出素子１３ｅは、検出電極部となる電極部２６の一方の面（下方向）に接地電極部となる電極部２５が対面して設けられている。第３検出素子１３ｅは、圧電基板１５を電極部２５と電極部２６との間に挟持されるように設けられている。また、第３検出素子１３ｅは、電極部２６の他方の面（上方向）に接地電極部となる電極部２７が対面して設けられ、圧電基板１６を電極部２６と電極部２７との間に挟持されるように設けられている。
【００３７】
力検出素子１は、第１検出素子１１ｅを構成する電極部２１を底として、第１検出素子１１ｅ、第２検出素子１２ｅ、第３検出素子１３ｅの順に配置（積層）される。
【００３８】
力検出素子１は図１（ａ）に示す力検出素子１を平面視した際に、端子２０ｔが視認できるように電極部２０に有している。電極部２０における端子２０ｔの配置は、図１（ａ）に示す電極部２０の頂点ａ乃至頂点ｄを結ぶ、電極部２０の外周縁となる辺ａｂ、辺ｂｄ、辺ｃｄ、辺ａｃに沿って成される。なお、圧電基板１０と電極部２０との積層方向と直交する第１方向の正方向を辺ｃｄとし、その反対となる第１方向の負方向を辺ａｂとする。また、当該積層方向と第１方向とに直交する第２方向の正方向を辺ａｃとし、その反対となる第２方向の負方向を辺ｂｄとして説明する。
【００３９】
図１に示す本実施形態の力検出素子１は、最下部（Ｚ軸方向）より順に電極部２１乃至電極部２７と、圧電基板１１乃至圧電基板１６とが交互に積層されている。
力検出素子１には、電極部２１の外周縁に沿って圧電基板１１が積層される。電極部２１に有する端子２１ｔは、辺ｃｄに沿って頂点ｄ付近に配置されている。
次に力検出素子１には、圧電基板１１の外周縁に沿って電極部２２が積層される。電極部２２に有する端子２２ｔは、図１（ａ）に示す辺ａｂに沿って頂点ａ付近に設けられている。
次に力検出素子１には、電極部２２の外周縁に沿って圧電基板１２と、圧電基板１２の外周縁に沿って電極部２３とが積層される。電極部２３に有する端子２３ｔは、図１（ａ）に示す辺ａｃに沿って頂点ｃ付近に配置されている。
次に力検出素子１には、電極部２３の外周縁に沿って圧電基板１３と、圧電基板１３の外周縁に沿って電極部２４とが積層される。電極部２４に有する端子２４ｔは、図１（ａ）に示す辺ａｃに沿って頂点ｂ付近に配置されている。
次に力検出素子１には、電極部２４の外周縁に沿って圧電基板１４と、圧電基板１４の外周縁に沿って電極部２５とが積層される。電極部２５に有する端子２５ｔは、図１（ａ）に示す辺ａｃに沿って頂点ａ付近に配置されている。
次に力検出素子１には、電極部２５の外周縁に沿って圧電基板１５と、圧電基板１５の外周縁に沿って電極部２６とが積層される。電極部２６に有する端子２６ｔは、図１（ａ）に示す辺ｂｄに沿って頂点ｄ付近に配置されている。
次に力検出素子１には、電極部２６の外周縁に沿って圧電基板１６と、圧電基板１６の外周縁に沿って電極部２７とが積層される。電極部２７に有する端子２７ｔは、図１（ａ）に示す辺ａｂに沿って頂点ｂ付近に配置されている。
【００４０】
力検出素子１は、上述した電極部２０と圧電基板１０との積層、及び端子２０ｔの配置によって、図１（ａ）に示すように力検出素子１を平面視した場合に、圧電基板１０と、電極部２０とが重なり、かつ端子２０ｔが視認できる、即ち、端子２０ｔ相互が重ならない配置構成となる。なお、本実施形態では、端子２０ｔ相互が重ならない実施例を説明したが、端子２０ｔに配線を接合できる程度に端子２０ｔ相互が重なっても良い。即ち、配線を接合できる程度に端子２０ｔが視認できれば良い。また、積層された圧電基板１０と電極部２０とは、側面が弾性を有する接着剤等で接着される。
【００４１】
（力検出素子の動作）
力検出素子１の動作について説明をする。
力検出素子１を構成する圧電基板１０は、力検出素子１に加えられる力などを受けることで歪みが生じ、電荷が発生する。接地電極部（電極部２０）と、検出電極部（電極部２０）とに挟持される圧電基板１０において電荷は、プラスの電荷が検出電極部側に、マイナスの電荷が接地電極部側に発生し、それぞれの電極部２０に捕捉される。
【００４２】
力検出素子１に対して特定の方向に加えられた力によって発生する電荷量は、圧電基板１０を形成する単結晶の結晶軸の角度（方位）によって異なる。本実施形態において圧電基板１０は、第１検出素子１１ｅ乃至第３検出素子１３ｅにおいて構成する圧電基板１０の結晶軸の角度が異ならせている。よって、特定の方向に力が加えられた時には、第１検出素子１１ｅ乃至第３検出素子１３ｅには、結晶軸の角度の違いに応じた電荷が発生する。
また、本実施形態において、例えば第１検出素子１１ｅは、力検出素子１に加えられた力に応じて検出電極部となる電極部２２と、接地電極部となる電極部２１及び電極部２３との間に挟持される圧電基板１１，１２が歪み、電荷が発生する。電荷は、プラスの電荷が電極部２２側に発生し、マイナスの電荷が電極部２１及び電極部２３に発生する。発生した電荷は、電極部２２（検出電極部）と、電極部２１及び電極部２３（接地電極部）とに捕捉され端子２１ｔ及び端子２３ｔへ伝達される。図１において図示しない配線が端子２１ｔ及び端子２３ｔに接合され、図示しない演算装置へ伝達され、得られた電荷量に応じて加えられた力が演算される。
【００４３】
力検出素子１は、積層された圧電基板１０と電極部２０とさせて突出して端子２０ｔを有することで、端子２０ｔに圧電基板１０で発生した電荷を取り出す配線を接合（接続）することが容易な構造となっている。
【００４４】
上述した第１実施形態によれば、以下の効果が得られる。
このような力検出素子１によれば、電極部２１乃至電極部２７は、圧電基板１１乃至圧電基板１６と、電極部２１乃至電極部２７との積層方向から平面視した場合に、電極部２１乃至電極部２７の一部が重ならない位置に積層されている。これにより、電極部２１乃至電極部２７に有する端子２１ｔ乃至端子２７ｔを視認することができる。従って、視認できる端子２１ｔ乃至端子２７ｔに、当該積層方向から配線器具を挿入して配線を接続することができる。また、配線器具を挿入して配線を接続できるため、配線の接続強度を高め、力検出素子１に加えられる振動等によって接続部が断線することを抑制することができる。
【００４５】
（第２実施形態）
第２実施形態にかかる力検出素子は、電極部と、端子とが圧電基板に形成されていることが、第１実施形態で説明をした力検出素子１とは異なる。
その他の構成は、第１実施形態と同様であるため、同様の構成には同様の符号を付して説明は簡略または省略として本実施形態の力検出素子２について説明をする。
【００４６】
本実施形態の力検出素子の概略構成を図３に示す。また、力検出素子の概略構成を示す斜視図を図４に示す。図３（ａ）は、力検出素子２を平面視（Ｚ方向）した場合の模式図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）で平面視した力検出素子の側面図（Ｙ方向）である。図３（ｃ）は、図３（ｂ）で側面視した側面（Ｙ方向）と直交する側面（Ｘ方向）を側面視した側面図である。また、図４は、図３（ｂ），（ｃ）で表された側面より力検出素子２を斜視した斜視図である。図５（ａ）乃至（ｆ）は、力検出素子２を構成する電極部１２０と端子１２０ｔとが形成された圧電基板１００を平面視した模式図である。なお、図４及び図５において、説明の便宜のため電極部１２０及び端子１２０ｔには網点を付している。以下、図３乃至図５を用いて力検出素子２について説明をする。
【００４７】
（力検出素子の構成）
力検出素子２には、圧電基板１１０と、圧電基板１００に電極部１２０が設けられている。また、電極部１２０には端子１２０ｔを有する。
力検出素子２は、第１実施形態で説明をした力検出素子１と同様に圧電基板１００に単結晶の水晶基材が用いられている。力検出素子２は、圧電基板１１０を構成する水晶の結晶方位の異方性によって３方向に分けて加えられる力を検出する。そこで、力検出素子２は、力を検出する方向毎に１つの検出素子が構成され、その検出素子Ｅは、２つの圧電基板１１０を組み合わせて構成されている。本実施形態の力検出素子２は、３つの検出素子Ｅが積層されて構成されている。なお、力検出素子２において積層される検出素子Ｅは、３つに限定されることなく、検出を欲する力の方向の数に応じた検出素子Ｅを積層すれば良い。
【００４８】
力検出素子２は、第１検出素子１１１ｅ，第２検出素子１１２ｅ，第３検出素子１１３ｅで構成されている。特に説明が無い限り力検出素子２には、第１検出素子１１１ｅ乃至第３検出素子１１３ｅまでを含むものとし、検出素子Ｅと説明する場合もある。また、力検出素子２には、第１圧電基板乃至第６圧電基板として圧電基板１１１乃至圧電基板１１６が設けられ、これに対応して第２電極部乃至第７電極部として電極部１２２乃至電極部１２７が圧電基板１１１乃至圧電基板１１６に設けられている。また、電極部１１２乃至電極部１１７には、端子１２１ｔ乃至端子１２７ｔとを有する。また第１電極部としての電極部１２１が設けられ、電極部１２１には端子１２１ｔを有する。特に説明が無い限り、圧電基板１１０には、圧電基板１１１乃至１１６までを含むものとして説明する。また、電極部１２０には、電極部１２２乃至１２７までを含むものとして説明する。また、端子１２０ｔには、端子１２１ｔ乃至端子１２７ｔまでを含むものとして説明をする。
【００４９】
圧電基板１１０には、その材料として第１実施形態の圧電基板１０と同様に３方晶系の単結晶を有する水晶基材を用いている。圧電基板１１０は、３方晶系の単結晶であれば水晶に限定されることなく他の基材を用いても良い。
【００５０】
電極部１２０は、圧電基板１１０の一方の表面に設けられている。本実施形態では、電極部１２０を形成する材料として金を用いた。また、電極部１２０の形成は、蒸着法によって金を圧電基板１１０に蒸着させて行った。電極部１２０、これらの材料及び方法に限定されることなく圧電基板１１０に電極部１２０を形成できれば、他の導電性材料を用いた他の方法によって形成しても良い。
【００５１】
電極部１２０は、積層される圧電基板１１０相互において略等しい面積を有している。また、電極部１２０には、端子１２０ｔを有している。端子１２０ｔは、電極部１２０の外周縁から突出させて圧電基板１１０に有している。圧電基板１１０に形成された電極部１２０は、矩形を有しているが矩形に限定されるものでなく円形等でも良い。電極部１２０は、圧電基板１１０が積層された際に、電極部１２０の外周縁が平面視して重なっていれば良い。また、電極部１２０に有する端子１２０ｔは、電極部１２０の形状に拘わらず電極部１２０の外周縁から突出して、圧電基板１００が積層される方向から視認できれば良い。
【００５２】
（圧電基板と電極部との配置）
図３及び図４を参照して、力検出素子２を構成する検出素子Ｅ及び検出素子Ｅを構成する圧電基板１００と、電極部１２０との配置について説明をする。
【００５３】
第１検出素子１１１ｅは、電極部１２２が設けられた圧電基板１１１と、圧電基板１１１に積層される電極部１２３が設けられた圧電基板１１２とで構成されている。第１検出素子１１１ｅは、電極部１２２を圧電基板１１１と圧電基板１１２とに生じるプラスの電荷が伝達される検出電極とする。また、圧電基板１１１に生じるマイナスの電荷は、第１電極部１２１と、電極部１２３とを圧電基板１１２に生じるマイナスの電荷が捕捉される接地電極とする。
【００５４】
第２検出素子１１２ｅは、第１検出素子１１１ｅを構成する圧電基板１１２に積層される電極部１２４及び端子１２４ｔが形成された圧電基板１１３と、圧電基板１１３に積層される電極部１２５及び端子１２５ｔが形成された圧電基板１１４とで構成されている。
第２検出素子１１２ｅは、電極部１２４を圧電基板１１３と圧電基板１１４とに生じるプラスの電荷が捕捉される検出電極とする。また、第２検出素子１１２ｅは、前述の第１検出素子１１１ｅを構成する圧電基板１１２に形成された電極部１２３を圧電基板１１３に生じるマイナスの電荷が捕捉される接地電極として共用される。また、第２検出素子１１２ｅは、電極部１２４を圧電基板１１４に生じるマイナスの電荷が捕捉される接地電極とする。
【００５５】
第３検出素子１１３ｅは、第２検出素子１１２ｅを構成する圧電基板１１４に積層される電極部１２６及び端子１２６ｔが形成された圧電基板１１５と、圧電基板１１５に積層される電極部１２７及び端子１２７ｔが形成された圧電基板１１６とで構成されている。
第３検出素子１１３ｅは、電極部１２６を圧電基板１１５と圧電基板１１６とに生じるプラスの電荷が捕捉される検出電極とする。また、第３検出素子１１３ｅは、前述の第２検出素子１１２ｅを構成する圧電基板１１４に形成された電極部１２５を圧電基板１１５に生じるマイナスの電荷が捕捉される接地電極として共用される。また、第３検出素子１１３ｅは、電極部１２７を圧電基板１１６に生じるマイナスの電荷が捕捉される接地電極とする。
【００５６】
力検出素子２は、第１検出素子１１１ｅを構成する圧電基板１１１の電極部１２２が設けられた面とは反対の面を底として、第１検出素子１１１ｅ、第２検出素子１１２ｅ、第３検出素子１１３ｅの順に配置（積層）される。
【００５７】
力検出素子２は、第１電極部１２１（図５において不図示）へ図５に示す圧電基板１１０に端子１２０ｔを有する電極部１２０が設けられた面を上方向に向けて圧電基板１１１より順番に積層される。積層される圧電基板１１０と、圧電基板１１０に設けられた電極部１２０相互の重なりについて説明をする。
なお、圧電基板１１０が積層される方向と直交する第１方向の正方向を辺ｃｄとし、その反対となる第１方向の負方向を辺ａｂとする。また、当該積層方向と第１方向とに直交する第２方向の正方向を辺ａｃとし、その反対となる第２方向の負方向を辺ｂｄとして説明する。
【００５８】
図５（ａ）に示す圧電基板１１１は、積層される圧電基板１１０の内、最も底部（下方向）に設けられる。圧電基板１１１の一方の面には、電極部１２２と、電極部１２２に有する端子１２２ｔが配置されている。端子１２２ｔは、電極部１２２の頂点ｄ付近の電極部１２２の外周縁から突出させて配置されている。
【００５９】
図５（ｂ）に示す圧電基板１１２は、圧電基板１１１において電極部１２２が設けられた面に積層される。圧電基板１１２の一方の面には、電極部１２３と、電極部１２３に有する端子１２３ｔが配置されている。圧電基板１１２は、電極部１２３の頂点ｄ，ｃ，ｂ，ａを、前述の電極部１２２の頂点ａ，ｂ，ｃ，ｄに対応させて、電極部１２２と電極部１２３との外周縁が重なる様に積層される。また、端子１２３ｔは、電極部１２３の頂点ｄ付近の電極部１２３の外周縁から突出させて配置されている。
なお、図５（ａ），（ｂ）に示す圧電基板１１１と圧電基板１１２とは、積層（配置）される方向が異なるだけで、略同一形状の圧電基板１１０に電極部１２０が設けられ端子１２０ｔを有している。
【００６０】
図５（ｃ）に示す圧電基板１１３は、圧電基板１１２において電極部１２３が設けられた面に積層される。圧電基板１１３の一方の面には、電極部１２４と、電極部１２４に有する端子１２４ｔが配置されている。圧電基板１１３は、電極部１２４の頂点ａ，ｂ，ｃ，ｄを、前述の電極部１２３の頂点ｄ，ｃ，ｂ，ａに対応させて、電極部１２３と電極部１２４との外周縁が重なる様に積層される。また、端子１２４ｔは、電極部１２４の外周縁を構成する辺ｂｄに沿って突出させて配置されている。
【００６１】
図５（ｄ）に示す圧電基板１１４は、圧電基板１１３において電極部１２４が設けられた面に積層される。圧電基板１１４の一方の面には、電極部１２５と、電極部１２５に有する端子１２５ｔが配置されている。圧電基板１１４は、電極部１２５の頂点ｄ，ｃ，ｂ，ａを、前述の電極部１２４の頂点ａ，ｂ，ｃ，ｄに対応させて、電極部１２４と電極部１２５との外周縁が重なる様に積層される。また、端子１２５ｔは、電極部１２５の外周縁を構成する辺ｂｄに沿って突出させて配置されている。
【００６２】
図５（ｅ）に示す圧電基板１１５は、圧電基板１１４において電極部１２５が設けられた面に積層される。圧電基板１１５の一方の面には、電極部１２６と、電極部１２６に有する端子１２６ｔが配置されている。圧電基板１１５は、電極部１２６の頂点ｃ，ａ，ｄ，ｂを、前述の電極部１２５の頂点ｄ，ｃ，ｂ，ａに対応させて、電極部１２５と電極部１２６との外周縁が重なる様に積層される。また、端子１２６ｔは、電極部１２６の外周縁を構成する辺ｂｄに沿って突出させて配置されている。
【００６３】
図５（ｆ）に示す圧電基板１１６は、圧電基板１１５において電極部１２６が設けられた面に積層される。圧電基板１１６の一方の面には、電極部１２７と、電極部１２７に有する端子１２７ｔが配置されている。圧電基板１１６は、電極部１２７の頂点ｂ，ｄ，ａ，ｃを、前述の電極部１２６の頂点ｃ，ａ，ｄ，ｂに対応させて、電極部１２６と電極部１２７との外周縁が重なる様に積層される。また、端子１２７ｔは、電極部１２７の外周縁を構成する辺ｂｄに沿って突出させて配置されている。
なお、図５（ｃ）乃至（ｆ）に示す圧電基板１１３乃至圧電基板１１６は、その積層（配置）される方向が異なるだけで、略同一形状の圧電基板１１０に電極部１２０が設けられ端子１２０ｔを有している。
【００６４】
力検出素子２は、上述した圧電基板１１０と、圧電基板１１０に形成された電極部１２０の積層によって、図３（ａ）に示すように力検出素子２を平面視した場合に、圧電基板１０と、電極部１２０とが重なり、かつ電極部１２０の一部を視認できる構成となる。即ち、端子１２０ｔを視認することができる配置構成となる。なお、本実施形態では、端子１２０ｔ相互が重ならない実施例を説明したが、端子１２０ｔに配線を接合できる程度に端子１２０ｔ相互が重なっても良い。即ち、配線を接合できる程度に端子１２０ｔが視認できれば良い。また、積層された圧電基板１１０相互は、側面が弾性を有する接着剤等で接着される。
【００６５】
（力検出素子の動作）
力検出素子２の動作について説明をする。
力検出素子２を構成する圧電基板１１０は、力検出素子１に加えられる力などを受けることで歪みが生じ、電荷が発生する。接地電極部（電極部１２０）と、検出電極部（電極部１２０）とに挟持される圧電基板１１０において電荷は、プラスの電荷が検出電極部側に、マイナスの電荷が接地電極部側に発生し、それぞれの電極部１２０に捕捉される。
【００６６】
力検出素子２に対して特定の方向に加えられた力によって発生する電荷量は、圧電基板１１０を形成する単結晶の結晶軸の角度（方位）によって異なる。本実施形態において圧電基板１１０は、第１検出素子１１１ｅ乃至第３検出素子１１３ｅにおいて構成する圧電基板１１０の結晶軸の角度が異ならせている。よって、特定の方向に力が加えられた時には、第１検出素子１１１ｅ乃至第３検出素子１１３ｅは、結晶軸の角度の違いに応じた電荷が発生する。
また、本実施形態において、例えば第３検出素子１１３ｅは、力検出素子２に加えられた力に応じて検出電極部となる電極部１２６と、接地電極部となる電極部１２５及び電極部１２７との間に挟持される圧電基板１１５、１１６が歪み、電荷が発生する。発生した電荷は、プラスの電荷が電極部１２６側に発生し、マイナスの電荷が電極部１２５及び電極部１２７に発生する。発生した電荷は、電極部１２６（検出電極部）と、電極部１２５及び電極部１２７（接地電極部）とに捕捉され端子１２５ｔ及び端子１２７ｔ（接地電極部）へ伝達される。図３及び図４において図示しない配線が端子１２５ｔ及び端子１２７ｔに接合され、図示しない演算装置へ伝達され、得られた電荷量に応じて加えられた力が演算される。
【００６７】
力検出素子２は、積層された圧電基板１１０と電極部１２０とより端子１２０ｔが突出して配置されていることで、端子１２０ｔに圧電基板１１０で発生した電荷を取り出す配線を接合（接続）することが容易な構造となっている。また、圧電基板１１０に電極部１２０と端子１２０ｔとが配置されているため、圧電基板１１０を積層する際の積層位置の調整が簡便な構造となっている。
【００６８】
上述した第２実施形態によれば、以下の効果が得られる。
このような力検出素子２によれば、圧電基板１１１乃至圧電基板１１６に対応して、電極部１２２乃至電極部１２７が圧電基板１１１乃至圧電基板１１６に設けられている。電極部１２１と、圧電基板１１１乃至圧電基板１１６に設けられた電極部１２２乃至電極部１２７とは、その一部が重ならないように圧電基板１１１乃至圧電基板１１６が積層されている。これにより、圧電基板１１１乃至圧電基板１１６が積層された方向より電極部１２１乃至電極部１２７を平面視した場合に、電極部１２１乃至電極部１２７の重ならない第１領域乃至第７領域としての端子１２１ｔ乃至端子１２７ｔを視認することができる。
従って、圧電基板１１１乃至圧電基板１１６が積層される方向から配線器具を挿入し、当該積層される方向から視認できる端子１２１ｔ乃至端子１２７ｔに配線を接続することができる。また、配線器具を挿入して配線を接続できるため、力検出素子２に加えられる振動等によって接続部分が断線することを抑制することができる。
【００６９】
また、このような力検出素子２は、端子１２０ｔを有する電極部１２０が圧電基板１１０に設けられていることで、圧電基板１１０と電極部１２０とがずれることを抑制することができる。これにより、力検出素子２は、積層された圧電基板１１０相互において、特定の方向に加えられた力によって生じる電荷を電極部１２０のズレによる検出誤差を抑制して電荷を捕捉することができる。従って、このような力検出素子２は、高精度な力検出を行うことができる。
【００７０】
（第３実施形態）
第３実施形態に係る力検出モジュールは、第１実施形態で説明した力検出素子１をパッケージに収容したものである。収容される力検出素子１の構成は、第１実施形態と同様であるため、同様の構成には同様の符号を付して説明は簡略又は省略として本実施形態の力検出モジュールについて説明する。
【００７１】
本実施形態の力検出モジュールの概略構成を図６に示す。
図６に示す力検出モジュール３は、力検出モジュール３を側面視（Ｙ方向）するものである。なお、図６においては、説明の便宜のためパッケージ４０の側面４１と、パッケージ４０の蓋部（受圧部）の図示を省略した状態を示している。
【００７２】
力検出モジュール３は、力検出素子１と、パッケージ４０とを備える。パッケージ４０は、力検出素子１が収容される空間４３を有する。また、パッケージ４０には、力検出素子１で生じる電荷をパッケージの外部へ伝達するため配線電極部２０ｐが設けられている。配線電極部２０ｐは、図示を省略するパッケージ外部端子とパッケージ内部配線で接続され導通されている。
【００７３】
力検出モジュール３は、空間４３に力検出素子１を収容し、力検出素子１を構成する電極部２１がパッケージ４０の底面４２に固着される。
【００７４】
図６において力検出素子１には、側面より視認ができる配線電極部２１ｐ，２２ｐ，２７ｐ及び配線２１ｗ，２２ｗ，２７ｗが示されているが、力検出素子１に備える端子２１ｔ乃至端子２７ｔに対応して、配線電極部２１ｐ乃至配線電極部２７ｐ及び配線２１ｗ乃至配線２７ｗがすべては図示されていないが備えられている。なお、本実施形態の説明において、配線電極部２０ｐには、特に説明の無い限り配線電極部２１ｐ乃至配線電極部２７ｐが含まれているものとして説明する。また、配線２０ｗには、特に説明の無い限り配線２１ｗ乃至配線２７ｗが含まれているものとして説明する。
【００７５】
力検出モジュール３は、そのパッケージ４０には、力検出素子１とパッケージ４０の側面４１との間に配線電極部２０ｐが配置されている。配線電極部２０ｐには、力検出素子１で検出した力によって生じる電荷の変化をパッケージ外部端子に伝達するため、端子２０ｔとの間を接続する配線２０ｗが接続されている。例えば、圧電基板１１に発生する電荷は、端子２１ｔと配線電極部２１ｐとの間を配線２１ｗ、及び端子２２ｔと配線電極部２２ｐとの間を配線２２ｗによって接続され、外部端子に伝達される。説明及び図示は省略するが、その他の端子２３ｔ乃至端子２７ｔと、配線電極部２３ｐ乃至配線電極部２７ｐとの間も配線２３ｗ乃至配線２７ｗで接続されている。
【００７６】
力検出モジュール３は、図６に示す方向より力Ｆが加えられ、加えられた力によって圧電基板１０が歪むことで電荷が発生し、その電荷の変位を電極部２０、端子２０ｔ、配線２０ｗ、配線電極部２０ｐ等を通じて取り出し力を検出することができる。また、端子２０ｔが積層された圧電基板１０と電極部２０とから突出させて配置されているため、配線電極部２０ｐとの配線２０ｗの接合をワイヤーボンディング法などを用いて容易にすることができる。
【００７７】
上述した第３実施形態によれば、以下の効果が得られる。
このような力検出モジュール３によれば、パッケージ４０に収容される電極部２０の一部が力検出モジュール３を平面視して重ならない様に圧電基板１０と電極部２０とが積層されている。よって、電極部２０が重ならない領域に有する端子２０ｔは、力検出モジュール３を平面視した場合に視認することができる。これにより、力検出モジュール３は、圧電基板１０と電極部２０とが積層された後においても、端子２０ｔとパッケージ４０に配置される配線電極部２０ｐとを接続する配線２０ｗの接合をする配線器具（例えば、ワイヤーボンディングツール等）の挿入が容易となり、配線２０ｗと、端子２０ｔ及び配線電極部２０ｐとの接合強度を高めることができる。
従って、このような力検出モジュール３は、加えられる力等による振動によって接合された配線２０ｗが切断されることを抑制することができる。
【００７８】
（第４実施形態）
第４実施形態に係る力検出モジュールは、第２実施形態で説明した力検出素子２をパッケージに収容したものである。収容される力検出素子２の構成は、第２実施形態と同様であるため、同様の構成には同様の符号を付して説明は簡略又は省略として本実施形態の力検出モジュールについて説明する。
【００７９】
本実施形態の力検出モジュール４の概略構成を図７に示す。
図７に示す力検出モジュール４は、力検出モジュール４を平面視（Ｚ方向）するものである。なお、図７においては、説明の便宜のためパッケージ１４０の蓋部（受圧部）の図示を省略した状態を示している。なお、図７において、説明の便宜のため電極部１２０及び端子１２０ｔには網点を付している。
【００８０】
（モジュールの構成）
力検出モジュール４は、力検出素子２と、パッケージ１４０とを備える。パッケージ１４０には、力検出素子２が収容される空間１４３を有する。また、パッケージ１４０には、力検出素子２で生じる電荷をパッケージの外部へ伝達するため配線電極部１２０ｐとが設けられている。配線電極部１２０ｐは、図示を省略するがパッケージ外部端子とパッケージ内部配線とで接続され、導通されている。
【００８１】
力検出モジュール４は、空間１４３に力検出素子２を収容し、力検出素子２を構成する圧電基板１１１がパッケージ１４０の底面１４２に配置された接地電極部と固着される。パッケージ１４０には、力検出素子２が収容された後に生じる位置ズレや、力検出素子２が収容される際の案内面を備える突起１４１ａ，１４１ｂが配置されている。力検出モジュール４は、力検出素子２が収容される際に圧電基板１１４と圧電基板１１５とが直交する角部を突起１４１ａに沿わせて収容される。また、力検出モジュール４は、力検出素子２が収容される際に圧電基板１１３と圧電基板１１６とが直交する角部を突起１４１ｂに沿わせて収容される。
【００８２】
力検出モジュール４は、力検出素子２に備える端子１２１ｔ乃至端子１２７ｔに対応して、配線電極部１２１ｐ乃至配線電極部１２７ｐ、及び配線１２１ｗ乃至配線１２７ｗが配置される。なお、本実施形態の説明において、配線電極部１２０ｐには、特に説明の無い限り配線電極部１２１ｐ乃至配線電極部１２７ｐが含まれているものとして説明する。また、配線１２０ｗには、特に説明の無い限り配線１２１ｗ乃至配線１２７ｗが含まれているものとして説明する。
【００８３】
力検出モジュール４は、力検出素子２で検出した力によって生じる電荷をパッケージ１４０の外部に伝達するため、力検出素子２と、パッケージ１４０の側面１４１との間に配線電極部１２０ｐが配置されている。配線電極部１２０ｐには、力検出素子２で検出した力によって生じる電荷の変化をパッケージ外部端子に伝達するため、端子１２０ｔとの間を接続する配線１２０ｗが接続されている。
【００８４】
力検出モジュール４は、力検出素子２で検出された圧電基板１１０の電荷が電極部１２０で捕捉され、端子１２０ｔと配線電極部１２０ｐとの間が配線１２０ｗで配線されている。
力検出モジュール４において圧電基板１１１の電荷の変化は、電極部１２１（不図示）と、圧電基板１１１に有する電極部１２２とによって捕捉され、接地電極部に接続されるパッケージ配線（不図示）と、電極部１２２の端子１２２ｔと配線電極部１２２ｐとの間に配線１２２ｗが接続されパッケージ１４０の外部に取り出される。
また、圧電基板１１２の電荷の変化は、圧電基板１１１に配置された端子１２２ｔ及び圧電基板１１２に有する端子１２３ｔと、配線電極部１２２ｐ及び１２３ｐとを対応させて配線１２２ｗ及び１２３ｗで接続し、パッケージ１４０の外部に取り出される。
また、圧電基板１１３の電荷の変化は、圧電基板１１２に配置された端子１２３ｔ及び圧電基板１１３に有する端子１２４ｔと、配線電極部１２３ｐ及び１２４ｐとを対応させて配線１２３ｗ及び１２４ｗで接続し、パッケージ１４０の外部に取り出される。
また、圧電基板１１４の電荷の変化は、圧電基板１１３に配置された端子１２４ｔ及び圧電基板１１４に有する端子１２５ｔと、配線電極部１２４ｐ及び１２５ｐとを対応させて配線１２４ｗ及び１２５ｗで接続し、パッケージ１４０の外部に取り出される。
また、圧電基板１１５の電荷の変化は、圧電基板１１４に配置された端子１２５ｔ及び圧電基板１１５に有する端子１２６ｔと、配線電極部１２５ｐ及び１２６ｐとを対応させて配線１２５ｗ及び１２６ｗで接続し、パッケージ１４０の外部に取り出される。
また、圧電基板１１６の電荷の変化は、圧電基板１１５に配置された端子１２６ｔ及び圧電基板１１６に有する端子１２７ｔと、配線電極部１２６ｐ及び１２７ｐとを対応させて配線１２６ｗ及び１２７ｗで接続し、パッケージ１４０の外部に取り出される。
【００８５】
力検出モジュール４は、図７におけるＺ方向より力が加えられ、加えられた力によって圧電基板１１０が歪むことで電荷が発生し、その電荷の変位を電極部１２０、端子１２０ｔ、配線１２０ｗ、配線電極部１２０ｐ等を通じて取り出し力を検出することができる。また、圧電基板１１０に電極部１２０及び端子１２０ｔが配置されているため、圧電基板１１０が積層された際に電極部１２０等がずれることを抑制し、圧電基板１１０の積層を容易にすることができる。
【００８６】
上述した第４実施形態によれば、以下の効果が得られる。
このような力検出モジュール４によれば、パッケージ１４０に収容される圧電基板１１１乃至圧電基板１１６に対応して電極部１２２乃至電極部１２７が圧電基板１１１乃至圧電基板１１６に設けられている。電極部１２１と、圧電基板１１１乃至圧電基板１１６に設けられた電極部１２２乃至電極部１２７とは、その一部が重ならないように圧電基板１１１乃至圧電基板１１６が積層されている。これにより、圧電基板１１１乃至圧電基板１１６が積層された方向より電極部１２１乃至電極部１２７を平面視した場合に、電極部１２１乃至電極部１２７の重ならない第１領域乃至第７領域としての端子１２１ｔ乃至端子１２７ｔを視認することができる。
従って、パッケージ１４０に収容された圧電基板１１１より圧電基板１１６の積層された方向から配線器具を挿入し、当該積層された方向から視認できる端子１２１ｔ乃至端子１２７ｔに配線１２０ｗを接続することができる。また、配線器具（例えば、ワイヤーボンディングツール等）を挿入して配線１２０ｗを接続できるため、力検出素子２に加えられる振動等によって接続部分が断線することを抑制することができる。
【００８７】
また、このような力検出モジュール４は、端子１２０ｔを有する電極部１２０が圧電基板１１０に設けられていることで、圧電基板１１０と電極部１２０とがずれることを抑制することができる。これにより、力検出モジュール４は、積層された圧電基板１１０相互において、特定の方向に加えられた力によって生じる電荷を電極部１２０がずれることによる誤差を抑制して捕捉することができる。従って、このような力検出モジュール４は、高精度な力検出を行うことができる。
【００８８】
（第５実施形態）
第５実施形態に係るロボット４００及び４０１は、上述した力検出モジュール３または４、もしくは力検出モジュール３および４が搭載されている。本実施形態にかかるロボット４００を図８に示す。また、本実施形態にかかるロボット４０１を図９に示す。
図８に示すロボット４００は、本体部４１０、演算制御部４１１、アーム部４２０、ロボットハンド部４３０などで構成されている。本体部４１０は、例えば床、壁、天井、移動可能な台車の上等に固定される。アーム部４２０は、本体部４１０に対して回動可能となるように設けられており、本体部４１０にはアーム部４２０を回転させるための動力を発生するアクチュエーター（不図示）や、アクチュエーターを制御する演算制御部４１１が設けられている。
【００８９】
アーム部４２０は、第１フレーム４２１、第２フレーム４２２、第３フレーム４２３、第４フレーム４２４、第５フレーム４２５で構成されている。第１フレーム４２１は、回転屈曲軸を介して、本体部４１０に回動可能または屈曲可能となるように接続されている。第２フレーム４２２は、回転屈曲軸を介して、第１フレーム４２１及び第３フレーム４２３に接続されている。第３フレーム４２３は、回転屈曲軸を介して、第２フレーム４２２及び第４フレーム４２４に接続されている。第４フレーム４２４は、回転屈曲軸を介して、第３フレーム４２３及び第５フレーム４２５に接続されている。第５フレーム４２５は、回転屈曲軸を介して、第４フレーム４２４に接続されている。アーム部４２０は、制御部の制御によって、各フレームが各回転屈曲軸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。
【００９０】
第５フレーム４２５の先端には、ロボットハンド部４３０が取り付けられており、当該ロボット４００で処理を行う対象物を把握することができるロボットハンド４３１が、回転動作させるモーター（不図示）を内蔵するロボットハンド接続部４３２を介して第５フレーム４２５に接続されている。
【００９１】
ロボットハンド接続部４３２には、モーターに加えて第２，第３実施形態で詳述した力検出モジュール３，４（図８では不図示）が内蔵されている。ロボット４００は、ロボットハンド部４３０が制御部の制御によって所定の動作位置まで移動したとき、障害物との接触、あるいは所定位置を越えての動作命令による対象物との接触、などを力検出モジュール３，４によって力として検出し、ロボット４００の演算制御部４１１へフィードバックし、回避動作を実行することができる。なお、上述したロボット４００に限定されず、アーム部４２０を複数備えるロボット４０１（双腕ロボット）にも適用することができる。
【００９２】
図９に示すロボット４０１は、本体部４１０、演算制御部４１１、胴体部４１２、頭部４１３、アーム部４２０ａ，４２０ｂ、ロボットハンド部４３０ａ、４３０ｂなどで構成されている。本体部４１０は、ロボット４０１を自在に走行させるため走行部４４０が設けられている。アーム部４２０ａ，４２０ｂは、胴体部４１２に対して回動可能となるように設けられており、胴体部４１２にはアーム部４２０ａ，４２０ｂを回転させるための動力を発生するアクチュエーター（不図示）や、アクチュエーターを制御する演算制御部４１１等が内蔵されている。
【００９３】
ロボット４０１の詳細について、アーム部４２０ａ及びロボットハンド部４３０ａを代表して説明する。
アーム部４２０ａは、第１フレーム４２１ａ、第２フレーム４２２ａで構成されている。第１フレーム４２１ａは、回転屈曲軸を介して、胴体部４１２に回転可能または屈曲可能となるように接続されている。第２フレーム４２２ａは、回転屈曲軸を介して、第１フレーム４２１ａ及びロボットハンド部４３０ａに接続されている。アーム部４２０ａは、制御部の制御によって、各フレームが各回転屈曲軸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。
【００９４】
第２フレーム４２２ａは、第１フレーム４２１ａと接続された反対側の先端に、ロボットハンド部４３０ａが取り付けられている。当該ロボット４０１で処理を行う対象物を把握することができるロボットハンド４３１ａは、回転動作させるモーター（不図示）を内蔵するロボットハンド接続部４３２ａを介して第２フレーム４２２ａに接続されている。
【００９５】
ロボットハンド接続部４３２ａには、モーターに加えて第２，第３実施形態で詳述した力検出モジュール３，４（図９では不図示）が内蔵されている。ロボット４０１は、ロボットハンド部４３０ａ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越えての動作命令による対象物との接触、などを力検出モジュール３，４によって力として検出し、ロボット４０１の演算制御部４１１へフィードバックし、回避動作を実行することができる。また、ロボット４０１には、頭部４１３にカメラ６００が備えられている。ロボット４０１は、例えばカメラ６００に撮像された障害物と、力検出モジュール３，４で検出された障害物に接触をしたときに受けた力とを演算制御部４１１で処理することで、障害物の大きさ、硬さ、位置等を推定し、予め衝突を回避する動作を行うことができる。
なお、アーム部４２０ｂ及びロボットハンド部４３０ｂの構成等は、上述したアーム部４２０ａ及びロボットハンド部４３０ａと同様である。
【００９６】
上述した第５実施形態によれば、以下の効果が得られる。
このようなロボット４００，４０１によれば、上述した力検出モジュールが搭載されることで、小さな力がロボットに加えられた場合も高精度にその力の検出をすることができる。ロボット４００，４０１は、小さな力を高精度に検出できることで障害物などとの接触を速やかに検出して従来の位置制御では対処することが困難であった、障害物回避動作、対象物損傷回避動作などを容易に行い、安全かつ細やかな作業を実現することができる。また、ロボット４０１は、複数の腕（アーム部及びロボットハンド部）を備えることで、一つの腕では困難であった大型の対象物を取り扱うことを実現することができる。
【符号の説明】
【００９７】
１，２…力検出素子、３，４…力検出モジュール、１０，１１０…圧電基板、１１ｅ，１１０ｅ…第１検出素子、１２ｅ，１２０ｅ…第２検出素子、１３ｅ，１３０ｅ…第３検出素子、２０，１２０…電極部、２０ｐ，１２０ｐ…配線電極部、２０ｔ，１２０ｔ…端子、２０ｗ，１２０ｗ…配線、４０，１４０…パッケージ、４１，１４１…側面、４２，１４２…底面、４３，１４３…空間、４００，４０１…ロボット、４１０…本体部、４１１…演算制御部、４１２…胴体部、４１３…頭部、４２０…アーム部、４２１…第１フレーム４２２…第２フレーム、４２３…第３フレーム、４２４…第４フレーム、４２５…第５フレーム、４３０…ハンド部、４４０…走行部、６００…カメラ。
【図１】
2013206914.tif 000003
【図２】
2013206914.tif 000004
【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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