(57)【要約】【課題】軽量で、かつ、優れた検出精度を有する力検出装置およびロボットを提供すること。【解決手段】本発明の力検出装置は、第１部材と、前記第１部材に結合する第２部材と、前記第２部材に結合する圧電素子と、を有し、前記第１部材を構成する材料は、前記第２部材を構成する材料とは異なる。また、第１部材は、板状をなし、前記圧電素子および前記第２部材は、前記第１部材の端部に配置され、前記第１部材の中央部に、貫通孔が形成されていることが好ましい。また、力検出装置は、第３部材と、前記第３部材に結合し、前記第２部材とで前記圧電素子を挟持する第４部材と、を有し、前記第３部材を構成する材料は、前記第４部材を構成する材料とは異なることが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１部材と、
前記第１部材に結合する第２部材と、
前記第２部材に結合する圧電素子と、を有し、
前記第１部材を構成する材料は、前記第２部材を構成する材料とは異なることを特徴とする力検出装置。
【請求項２】
前記第１部材は、板状をなし、
前記圧電素子および前記第２部材は、前記第１部材の端部に配置され、
前記第１部材の中央部に、貫通孔が形成されている請求項１に記載の力検出装置。
【請求項３】
第３部材と、
前記第３部材に結合し、前記第２部材とで前記圧電素子を挟持する第４部材と、を有し、
前記第３部材を構成する材料は、前記第４部材を構成する材料とは異なる請求項１または２に記載の力検出装置。
【請求項４】
前記第３部材は、板状をなし、
前記圧電素子および前記第４部材は、前記第３部材の端部に配置され、
前記第３部材の中央部に、貫通孔が形成されている請求項３に記載の力検出装置。
【請求項５】
前記第２部材を構成する材料は、前記第４部材を構成する材料とは同一である請求項３または４に記載の力検出装置。
【請求項６】
前記第１部材を構成する材料は、前記第３部材を構成する材料とは同一である請求項３ないし５のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項７】
前記第３部材を構成する材料の密度は、前記第４部材を構成する材料の密度よりも小さい請求項３ないし６のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項８】
前記第４部材を構成する材料の耐力は、前記第３部材を構成する材料の耐力よりも大きい請求項３ないし７のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項９】
前記第４部材を構成する材料の線膨張係数は、前記第３部材を構成する材料の線膨張係数よりも小さい請求項３ないし８のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項１０】
前記第１部材を構成する材料の密度は、前記第２部材を構成する材料の密度よりも小さい請求項１ないし９のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項１１】
前記第２部材を構成する材料の耐力は、前記第１部材を構成する材料の耐力よりも大きい請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項１２】
前記第２部材を構成する材料の線膨張係数は、前記第１部材を構成する材料の線膨張係数よりも小さい請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項１３】
アームと、
前記アームに設けられたエンドエフェクターと、
前記アームと前記エンドエフェクターの間に設けられ、前記エンドエフェクター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部材と、
前記第１部材に結合する第２部材と、
前記第２部材に結合する圧電素子と、を有し、
前記第１部材を構成する材料は、前記第２部材を構成する材料とは異な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、力検出装置およびロボットに関する。
【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ーとを備えており、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、アームとエンドエフェクターとの間に、力検出装置が設けられている。力検出装置は、アームの先端部に設けられるので、ロボットが搬送可能な重量（可搬重量）のうちの一部をその力検出装置の重量が占めてしまう。このため、力検出装置は、軽量であることが好ましい。
【０００４】
特許文献１には、第１プレートと、第１プレートから所定の間隔を隔てて配置され、第１プレートに対向する第２プレートと、第１プレートと第２プレートとの間に配置されたセンサー素子（圧電素子）とを備える力検出装置が記載されている。第１プレートは、その中央部に、第２プレートに向って突出した第１押圧部を有し、第２プレートは、その中央部に、第１プレートに向って突出した第２押圧部を有しており、センサー素子は、第１押圧部と第２押圧部とで挟持されている。第１プレートと第２プレートとの少なくとも一方に外力が加わると、センサー素子は、その外力に応じた電荷を出力し、これにより、前記外力を検出することができる。また、第１押圧部を有する第１プレートおよび第２押圧部を有する第２プレートは、それぞれ、線膨張係数が比較的小さいステンレス鋼等で一体的に形成されている。このため、第１プレートおよび第２プレートが熱膨張した場合の影響を少なくすることができ、力検出装置の検出精度を高くすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１３０４３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の力検出装置では、第１プレートおよび第２プレートは、それぞれ、その全体が、ステンレス鋼で構成されており、ステンレス鋼は、線膨張係数が小さい反面、密度が比較的大きいので、重量が大きいという問題がある。
【０００７】
なお、力検出装置の検出精度は高く維持しなれければならないので、軽量化のために、第１プレートを構成する材料および第２プレートを構成する材料として、単に密度の小さい材料を選択することはできない。
【０００８】
本発明の目的は、軽量で、かつ、優れた検出精度を有する力検出装置およびロボットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上述の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。
【００１０】
［適用例１］
本発明に係わる力検出装置は、第１部材と、
前記第１部材に結合する第２部材と、
前記第２部材に結合する圧電素子と、を有し、
前記第１部材を構成する材料は、前記第２部材を構成する材料とは異なることを特徴とする。
【００１１】
これにより、第１部材を構成する材料として、第２部材を構成する材料と異なる材料を自在に選択することができ、同様に、第２部材を構成する材料として、第１部材を構成する材料と異なる材料を自在に選択することができる。
【００１２】
そして、例えば、第１部材を構成する材料を第２部材を構成する材料よりも密度が小さい材料とすることにより、力検出装置の軽量化を図ることができる。
【００１３】
また、第２部材の熱膨張は、第１部材の熱膨張よりも力検出装置の検出精度の悪化への影響が大きいので、第２部材を構成する材料を第１部材を構成する材料よりも線膨張係数が小さいものとすることにより、力検出装置が加熱された場合、第２部材の熱膨張による変形量を小さくすることができ、圧電素子に不要な力が加わることを抑制することができる。これにより、力検出装置の検出精度を向上させることができる。
【００１４】
また、第２部材を構成する材料を第１部材を構成する材料よりも耐力が大きいものとすることにより、第２部材の強度を高くすることができ、与圧ボルトにより第２部材を介して圧電素子に与圧を与える場合、第２部材の変形を抑制することができる。これにより、力検出装置の検出精度を向上させることができる。
【００１５】
［適用例２］
本発明に係わる力検出装置では、前記第１部材は、板状をなし、
前記圧電素子および前記第２部材は、前記第１部材の端部に配置され、
前記第１部材の中央部に、貫通孔が形成されていることが好ましい。
【００１６】
力検出装置が加熱されると、第１部材は、熱膨張し、その中央部が突出するように変形するが、貫通孔の部分において第１部材の変形量を小さくすることができ、圧電素子に不要な力が加わることを抑制することができる。これにより、力検出装置の検出精度を向上させることができる。
【００１７】
［適用例３］
本発明に係わる力検出装置では、第３部材と、
前記第３部材に結合し、前記第２部材とで前記圧電素子を挟持する第４部材と、を有し、
前記第３部材を構成する材料は、前記第４部材を構成する材料とは異なることが好ましい。
【００１８】
これにより、第３部材を構成する材料として、第４部材を構成する材料と異なる材料を自在に選択することができ、同様に、第４部材を構成する材料として、第３部材を構成する材料と異なる材料を自在に選択することができる。
【００１９】
そして、例えば、第３部材を構成する材料を第４部材を構成する材料よりも密度が小さい材料とすることにより、力検出装置の軽量化を図ることができる。
【００２０】
また、第４部材の熱膨張は、第３部材の熱膨張よりも力検出装置の検出精度の悪化への影響が大きいので、第４部材を構成する材料を第３部材を構成する材料よりも線膨張係数が小さいものとすることにより、力検出装置が加熱された場合、第４部材の熱膨張による変形量を小さくすることができ、圧電素子に不要な力が加わることを抑制することができる。これにより、力検出装置の検出精度を向上させることができる。
【００２１】
また、第４部材を構成する材料を第３部材を構成する材料よりも耐力が大きいものとすることにより、第４部材の強度を高くすることができ、与圧ボルトにより第４部材を介して圧電素子に与圧を与える場合、第４部材の変形を抑制することができる。これにより、力検出装置の検出精度を向上させることができる。
【００２２】
［適用例４］
本発明に係わる力検出装置では、前記第３部材は、板状をなし、
前記圧電素子および前記第４部材は、前記第３部材の端部に配置され、
前記第３部材の中央部に、貫通孔が形成されていることが好ましい。
【００２３】
力検出装置が加熱されると、第３部材は、熱膨張し、その中央部が突出するように変形するが、貫通孔の部分において第３部材の変形量を小さくすることができ、圧電素子に不要な力が加わることを抑制することができる。これにより、力検出装置の検出精度を向上させることができる。
【００２４】
［適用例５］
本発明に係わる力検出装置では、前記第２部材を構成する材料は、前記第４部材を構成する材料とは同一であることが好ましい。
【００２５】
これにより、第２部材と第４部材との熱膨張の差を小さくすることができ、圧電素子に不要な力が加わることを抑制することができる。
【００２６】
［適用例６］
本発明に係わる力検出装置では、前記第１部材を構成する材料は、前記第３部材を構成する材料とは同一であることが好ましい。
【００２７】
これにより、第１部材と第３部材との熱膨張の差を小さくすることができ、圧電素子に不要な力が加わることを抑制することができる。
【００２８】
［適用例７］
本発明に係わる力検出装置では、前記第３部材を構成する材料の密度は、前記第４部材を構成する材料の密度よりも小さいことが好ましい。
これにより、力検出装置の軽量化を図ることができる。
【００２９】
［適用例８］
本発明に係わる力検出装置では、前記第４部材を構成する材料の耐力は、前記第３部材を構成する材料の耐力よりも大きいことが好ましい。
【００３０】
これにより、第４部材の強度を高くすることができ、与圧ボルトにより第４部材を介して圧電素子に与圧を与える場合、第４部材の変形を抑制することができる。これにより、力検出装置の検出精度を向上させることができる。
【００３１】
［適用例９］
本発明に係わる力検出装置では、前記第４部材を構成する材料の線膨張係数は、前記第３部材を構成する材料の線膨張係数よりも小さいことが好ましい。
【００３２】
これにより、力検出装置が加熱された場合、第４部材の熱膨張による変形量を小さくすることができ、圧電素子に不要な力が加わることを抑制することができる。これにより、力検出装置の検出精度を向上させることができる。
【００３３】
［適用例１０］
本発明に係わる力検出装置では、前記第１部材を構成する材料の密度は、前記第２部材を構成する材料の密度よりも小さいことが好ましい。
これにより、力検出装置の軽量化を図ることができる。
【００３４】
［適用例１１］
本発明に係わる力検出装置では、前記第２部材を構成する材料の耐力は、前記第１部材を構成する材料の耐力よりも大きいことが好ましい。
【００３５】
これにより、第２部材の強度を高くすることができ、与圧ボルトにより第２部材を介して圧電素子に与圧を与える場合、第２部材の変形を抑制することができる。これにより、力検出装置の検出精度を向上させることができる。
【００３６】
［適用例１２］
本発明に係わる力検出装置では、前記第２部材を構成する材料の線膨張係数は、前記第１部材を構成する材料の線膨張係数よりも小さいことが好ましい。
【００３７】
これにより、力検出装置が加熱された場合、第２部材の熱膨張による変形量を小さくすることができ、圧電素子に不要な力が加わることを抑制することができる。これにより、力検出装置の検出精度を向上させることができる。
【００３８】
［適用例１３］
本発明に係わるロボットは、アームと、
前記アームに設けられたエンドエフェクターと、
前記アームと前記エンドエフェクターの間に設けられ、前記エンドエフェクター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部材と、
前記第１部材に結合する第２部材と、
前記第２部材に結合する圧電素子と、を有し、
前記第１部材を構成する材料は、前記第２部材を構成する材料とは異なることを特徴とする。
【００３９】
これにより、第１部材を構成する材料として、第２部材を構成する材料と異なる材料を自在に選択することができ、同様に、第２部材を構成する材料として、第１部材を構成する材料と異なる材料を自在に選択することができる。
【００４０】
そして、例えば、第１部材を構成する材料を第２部材を構成する材料よりも密度が小さい材料とすることにより、力検出装置の軽量化を図ることができる。
【００４１】
また、第２部材の熱膨張は、第１部材の熱膨張よりも力検出装置の検出精度の悪化への影響が大きいので、第２部材を構成する材料を第１部材を構成する材料よりも線膨張係数が小さいものとすることにより、力検出装置が加熱された場合、第２部材の熱膨張による変形量を小さくすることができ、圧電素子に不要な力が加わることを抑制することができる。これにより、力検出装置の検出精度を向上させることができる。
【００４２】
また、第２部材を構成する材料を第１部材を構成する材料よりも耐力が大きいものとすることにより、第２部材の強度を高くすることができ、与圧ボルトにより第２部材を介して圧電素子に与圧を与える場合、第２部材の変形を抑制することができる。これにより、力検出装置の検出精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の力検出装置の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断面図である。
【図３】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４】図１に示す力検出装置が加熱された状態を模式的に示す図である。
【図５】図１に示す力検出装置において、第１基部の第１部材および第２基部の第３部材に貫通孔が形成されてないものが加熱された状態を模式的に示す図である。
【図６】本発明の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７】本発明の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。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
以下、本発明の力検出装置およびロボット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。
【００４５】
＜力検出装置の実施形態＞
図１は、本発明の力検出装置の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断面図である。図３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。図４は、図１に示す力検出装置が加熱された状態を模式的に示す図である。図５は、図１に示す力検出装置において、第１基部の第１部材および第２基部の第３部材に貫通孔が形成されてないものが加熱された状態を模式的に示す図である。
【００４６】
なお、以下では、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。
【００４７】
また、図２には、互いに直交する３つの軸として、α軸、β軸およびγ軸が図示されている。また、図１、図３には、前記３つの軸のうち、γ軸のみを図示している。α（Ａ）軸に平行な方向を「α（Ａ）軸方向」または「α方向」、β（Ｂ）軸に平行な方向を「β（Ｂ）軸方向」または「β方向」、γ（Ｃ）軸に平行な方向を「γ（Ｃ）軸方向」または「γ方向」という。また、α軸とβ軸で規定される平面を「αβ平面」と言い、β軸とγ軸で規定される平面を「βγ平面」と言い、α軸とγ軸で規定される平面を「αγ平面」と言う。また、α方向、β方向およびγ方向において、矢印先端側を「＋（正）側」、矢印基端側を「−（負）側」とする。
【００４８】
図１に示す力検出装置１は、力検出装置１に加えられた外力、すなわち、６軸力（α、β、γ軸方向の並進力成分およびα、β、γ軸周りの回転力成分）を検出する機能を有する。
【００４９】
この力検出装置１は、第１基部２と、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に対向する第２基部３と、第１基部２および第２基部３の外周部に設けられた側壁部１６と、第１基部２と第２基部３との間に収納された（設けられた）４つのアナログ回路基板４と、第１基部２と第２基部３との間に収納され（設けられ）、各アナログ回路基板４と電気的に接続されたデジタル回路基板５と、各アナログ回路基板４に１つずつ搭載され、受けた外力に応じて信号（電荷）を出力する素子である電荷出力素子（圧電素子）１０および電荷出力素子１０を収納するパッケージ（収容部）６０を有する４つのセンサーデバイス（圧力検出部）６と、８つの与圧ボルト（固定部材）７１と、を備えている。
【００５０】
以下に、力検出装置１の各部の構成について詳述する。
なお、以下の説明では、図２に示すように、４つのセンサーデバイス６のうち、図２中の右側に位置するセンサーデバイス６を「センサーデバイス６Ａ」といい、以降反時計回りに順に「センサーデバイス６Ｂ」、「センサーデバイス６Ｃ」、「センサーデバイス６Ｄ」という。また、各センサーデバイス６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄを区別しない場合は、それらを「センサーデバイス６」という。
【００５１】
図１に示すように、第１基部（ベースプレート）２は、板状をなす第１部材（底板）２２と、第１部材２２の端部の上面に設けられ、その上面から上方に向かって突出する４つの第２部材（壁部）２４とを有している。第１部材２２（第１基部２）の平面形状（厚さ方向から見た形状）は、円形をなしている。なお、第１部材２２の平面形状は、図示のものに限定されず、例えば、正方形、長方形等の四角形、五角形および六角形等の多角形、楕円形等が挙げられる。
【００５２】
力検出装置１を、ロボットのアームとエンドエフェクターの間に設け、エンドエフェクターに加えられる外力を検出する力覚センサーとして用いる場合を例に挙げると、第１基部２の下面２２１は、当該ロボットのアーム（対象物）に対する取付面（第１取付面）として機能する。
【００５３】
また、各第２部材２４は、それぞれ、第１部材２２に固定（結合）されている。この固定方法は、特に限定されないが、図示の構成では、各第２部材２４は、それぞれ、複数のネジ１７２で第１部材２２に固定されている。
【００５４】
また、各第２部材２４の外方に臨む面には、それぞれ、凸部２３が突出形成されている。各凸部２３の頂面（第１面）２３１は、それぞれ、第１部材２２に対して垂直な平面である。また、各第２部材２４には、それぞれ、後述する与圧ボルト７１と螺合する２つの雌ネジ２４１が設けられている（図２参照）。
【００５５】
図１に示すように、第１基部２に対し所定の間隔を隔てて対向するように、第２基部（カバープレート）３が配置されている。
【００５６】
第２基部３は、板状をなす第３部材（天板）３２と、第３部材３２の端部の下面に設けられ、その下面から下方に向かって突出する４つの第４部材（壁部）３３とを有している。第３部材３２（第２基部３）の平面形状は、特に限定されないが、第１部材２２（第１基部２）の平面形状に対応した形状であることが好ましく、本実施形態では、第３部材３２の平面形状は、第１部材２２の平面形状と同様に、円形をなしている。また、第３部材３２は、第１部材２２と同じ大きさ、または、第１部材２２を包含する程度の大きさであることが好ましい。
【００５７】
力検出装置１を前記ロボットの力覚センサーとして用いる場合を例に挙げると、第２基部３の上面（第２面）３２１は、当該ロボットのアームに装着されるエンドエフェクター（対象物）に対する取付面（第２取付面）として機能する。また、第２基部３の上面３２１と、前述した第１基部２の下面２２１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。
【００５８】
また、各第４部材３３は、それぞれ、第３部材３２に固定（結合）されている。この固定方法は、特に限定されないが、図示の構成では、各第４部材３３は、それぞれ、複数のネジ１７３で第３部材３２に固定されている。
【００５９】
各第４部材３３の内壁面（第２面）３３１は、それぞれ、第３部材３２に対して垂直な平面である。そして、各第２部材２４の頂面２３１と各第４部材３３の内壁面３３１との間には、それぞれ、センサーデバイス６が設けられている。
【００６０】
また、第１基部２と第２基部３とは、８つの与圧ボルト７１により、接続、固定されている。すなわち、各第２部材２４と各第４部材３３とは、それぞれ、２つの与圧ボルト７１により、接続、固定されている。この与圧ボルト７１は、図２に示すように、８本（複数）あり、そのうちの２本ずつが各センサーデバイス６の両側に配置されている。なお、１つのセンサーデバイス６に対する与圧ボルト７１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。
【００６１】
また、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、各種樹脂材料、各種金属材料等を用いることができる。
【００６２】
このように与圧ボルト７１によって接続された第１基部２と第２基部３とで、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄ、アナログ回路基板４、およびデジタル回路基板５を収納する収納空間を形成している。この収納空間は、例えば、円形または角丸正方形の断面形状を有する。
【００６３】
また、図１および図２に示すように、第１基部２および第２基部３の外周部には、側壁部１６が設けられている。これにより、第１基部２および第２基部３の外周部において、第１基部２と第２基部３との間の空間を封止することができ、その第１基部２と第２基部３との間の空間に、塵や埃等が侵入することを抑制することができる。
【００６４】
側壁部１６は、筒状をなす筒状部１６１と、筒状部１６１の基端部（下端部）の内周側の側面に形成されたフランジ１６２とを有している。筒状部１６１の第１基部２および第２基部３の厚さ方向から見た場合の内形形状および外形形状は、それぞれ、第１基部２および第２基部３の平面形状に対応した形状であり、図示の構成では、円形をなしている。
【００６５】
側壁部１６は、その基端部、すなわちフランジ１６２が、第１基部２に固定されている。この固定方法は、特に限定されないが、図示の構成では、フランジ１６２は、複数のネジ１７１で第１基部２の第１部材２２に固定されている。
【００６６】
また、図１に示すように、第１基部２と第２基部３との間には、センサーデバイス６に電気的に接続されたアナログ回路基板４が設けられている。
【００６７】
アナログ回路基板４のセンサーデバイス６（具体的には、電荷出力素子１０）が配置されている部位には、第１基部２の各凸部２３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。
【００６８】
また、図２に示すように、アナログ回路基板４には各与圧ボルト７１が貫通する貫通孔が設けられており、アナログ回路基板４の与圧ボルト７１が貫通する部分（貫通孔）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。
【００６９】
また、図１に示すように、第１基部２と第２基部３との間には、第１基部２上の各アナログ回路基板４が設けられている位置とは異なる位置に、各アナログ回路基板４に電気的に接続されたデジタル回路基板５が設けられている。デジタル回路基板５は、第１基部２の第１部材２２および第２基部３の第３部材３２と平行になるように配置されている。なお、デジタル回路基板５の第１基部２および第２基部３の厚さ方向の位置は、第１基部２と第２基部３との間であれば特に限定されず、例えば、図１に示すように第１基部２の近傍でもよく、また、第２基部３の近傍でもよく、また、第１基部２と第２基部３との中間の位置（中央部）でもよい。また、デジタル回路基板５は、第１部材２２に固定されている。この固定方法は、特に限定されないが、図示の構成では、デジタル回路基板５は、複数のネジ１７４で第１部材２２に固定されている。
【００７０】
なお、上述した第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、各種樹脂材料、各種金属材料等を用いることができる。
【００７１】
ここで、前述したように、第１基部２において、第１部材２２と第２部材２４とは、別部材で構成され、同様に、第２基部３において、第３部材３２と第４部材３３とは、別部材で構成されている。また、第１部材２２を構成する材料と、第２部材２４を構成する材料とは、異なっており、同様に、第３部材３２を構成する材料と、第４部材３３を構成する材料とは、異なっている。
【００７２】
以下、第１部材２２、第３部材３２、第２部材２４および第４部材３３の密度、耐力および線膨張係数について説明する。
【００７３】
第２部材２４および第４部材３３を構成する材料の耐力は、それぞれ、大きいほど好ましく、具体的には、８００Ｍｐａ以上であることが好ましく、９００Ｍｐａ以上であることがより好ましく、９００Ｍｐａ以上、２０００Ｍｐａ以下であることがさらに好ましい。この耐力は、「ＪＩＳＺ２２４１（金属材料引張試験方法）」に準拠して測定されるものである。
【００７４】
前記耐力を大きく設定することにより、第２部材２４および第４部材３３の強度を高くすることができ、与圧ボルト７１により第２部材２４と第４部材３３とを接続、固定して電荷出力素子１０に与圧を与えた場合、第２部材２４および第４部材３３の変形を抑制することができる。これにより、力検出装置１の検出精度を向上させることができる。
【００７５】
しかし、前記耐力が前記下限値よりも小さいと、他の条件によっては、第２部材２４および第４部材３３の強度が不十分になる虞がある。
【００７６】
また、第２部材２４および第４部材３３を構成する材料の密度は、それぞれ、小さいほど好ましいが、耐力を前記好適な範囲内の値に設定することを考慮すると、１０ｇ／ｃｍ３以下であることが好ましく、８ｇ／ｃｍ３以下であることがより好ましく、５ｇ／ｃｍ３以上、８ｇ／ｃｍ３以下であることがさらに好ましい。
【００７７】
第２部材２４および第４部材３３の体積は、第１部材２２および第３部材３２よりも小さいので、その材料の密度が比較的大きくても軽量化を図るうえでほとんど影響がないが、前記密度が前記上限値よりも大きいと、他の条件によっては、軽量化が図れない虞がある。
【００７８】
また、第２部材２４および第４部材３３を構成する材料の線膨張係数は、それぞれ、小さいほど好ましいが、耐力を前記好適な範囲内の値に設定することを考慮すると、２０×１０−６／Ｋ以下であることが好ましく、１５×１０−６／Ｋ以下であることがより好ましく、５×１０−６／Ｋ以上、１５×１０−６／Ｋ以下であることがさらに好ましい。
【００７９】
前記線膨張係数を小さく設定することにより、力検出装置１が加熱された場合、第２部材２４および第４部材３３の熱膨張による変形量を小さくすることができ、電荷出力素子１０に不要な力が加わることを抑制することができる。これにより、力検出装置１の検出精度を向上させることができる。
【００８０】
しかし、前記線膨張係数が前記上限値よりも大きいと、他の条件によっては、力検出装置１の検出精度が低下する虞がある。
【００８１】
また、第１部材２２および第３部材３２を構成する材料の密度は、それぞれ、小さいほど好ましく、具体的には、６ｇ／ｃｍ３以下であることが好ましく、４ｇ／ｃｍ３以下であることがより好ましく、０．５ｇ／ｃｍ３以上、４ｇ／ｃｍ３以下であることがさらに好ましい。
【００８２】
前記密度を小さく設定することにより、軽量化を図ることができる。また、第１部材２２および第３部材３２の体積は、第２部材２４および第４部材３３よりも大きいので、大幅に軽量化を図ることができる。
【００８３】
しかし、前記密度が前記上限値よりも大きいと、他の条件によっては、軽量化が図れない虞がある。
【００８４】
また、第１部材２２および第３部材３２を構成する材料の耐力は、それぞれ、大きいほど好ましいが、密度を前記好適な範囲内の値に設定することを考慮すると、２００Ｍｐａ以上であることが好ましく、４００Ｍｐａ以上であることがより好ましく、４００Ｍｐａ以上、９００Ｍｐａ以下であることがさらに好ましい。
【００８５】
第１部材２２および第３部材３２は、与圧ボルト７１により固定される部位ではないので、その材料の耐力が比較的小さくてもほとんど問題がないが、前記耐力が前記下限値よりも小さいと、他の条件によっては、強度が不十分になる虞がある。
【００８６】
また、第１部材２２および第３部材３２を構成する材料の線膨張係数は、それぞれ、小さいほど好ましいが、密度を前記好適な範囲内の値に設定することを考慮すると、３０×１０−６／Ｋ以下であることが好ましく、２６×１０−６／Ｋ以下であることがより好ましく、１５×１０−６／Ｋ以上、２６×１０−６／Ｋ以下であることがさらに好ましい。
【００８７】
第１部材２２および第３部材３２は、センサーデバイス６に接触していないので、熱膨張による影響は第２部材２４および第４部材３３に比べて少ないものの、前記線膨張係数が前記上限値よりも大きいと、他の条件によっては、力検出装置１の検出精度が低下する虞がある。
【００８８】
また、第２部材２４および第４部材３３を構成する材料の耐力は、それぞれ、第１部材２２および第３部材３２を構成する材料の耐力よりも大きいことが好ましい。
【００８９】
また、第１部材２２および第３部材３２を構成する材料の耐力をＡ１、第２部材２４および第４部材３３を構成する材料の耐力をＡ２としたとき、Ａ２とＡ１との比Ａ２／Ａ１は、１．２以上であることが好ましく、１．２以上、１０以下であることがより好ましく、１．８以上、５以下であることがさらに好ましい。
【００９０】
これにより、第２部材２４および第４部材３３の強度を第１部材２２および第３部材３２よりも高くすることができ、与圧ボルト７１により第２部材２４と第４部材３３とを接続、固定して電荷出力素子１０に与圧を与えた場合、第２部材２４および第４部材３３の変形を抑制することができる。これにより、力検出装置１の検出精度を向上させることができる。
【００９１】
しかし、Ａ２／Ａ１が前記下限値よりも小さいと、他の条件によっては、第２部材２４および第４部材３３の強度が不十分となる虞がある。
【００９２】
また、第１部材２２および第３部材３２を構成する材料の密度は、それぞれ、第２部材２４および第４部材３３を構成する材料の密度よりも小さいことが好ましい。
【００９３】
また、第１部材２２および第３部材３２を構成する材料の密度をＢ１、第２部材２４および第４部材３３を構成する材料の密度をＢ２としたとき、Ｂ１とＢ２との比Ｂ１／Ｂ２は、０．７以下であることが好ましく、０．１以上、０．７以下であることがより好ましく、０．１以上、０．４以下であることがさらに好ましい。
【００９４】
第１部材２２および第３部材３２の体積は、第２部材２４および第４部材３３よりも大きいので、これにより、軽量化を図ることができる。
【００９５】
しかし、Ｂ１／Ｂ２が前記上限値よりも大きいと、他の条件によっては、軽量化が図れない虞がある。
【００９６】
また、第２部材２４および第４部材３３を構成する材料の線膨張係数は、それぞれ、第１部材２２および第３部材３２を構成する材料の線膨張係数よりも小さいことが好ましい。
【００９７】
具体的には、第１部材２２および第３部材３２を構成する材料の線膨張係数をＣ１、第２部材２４および第４部材３３を構成する材料の線膨張係数をＣ２としたとき、Ｃ２とＣ１との比Ｃ２／Ｃ１は、０．６以下であることが好ましく、０．１以上、０．６以下であることがより好ましく、０．１以上、０．５以下であることがさらに好ましい。
【００９８】
これにより、力検出装置１が加熱された場合、センサーデバイス６に接触している部材である第２部材２４および第４部材３３の熱膨張による変形量を小さくすることができ、電荷出力素子１０に不要な力が加わることを抑制することができる。これにより、力検出装置１の検出精度を向上させることができる。
【００９９】
しかし、Ｃ２／Ｃ１が前記上限値よりも大きいと、他の条件によっては、力検出装置１の検出精度が低下する虞がある。
【０１００】
また、第１部材２２および第３部材３２を構成する材料としては、それぞれ、前記のような特性を有するものが好ましく、例えば、Ａ７０７５−Ｔ６（東邦非鉄金属株式会社製）、Ａ７０７５−Ｔ６５１（東邦非鉄金属株式会社製）等のアルミニウム合金、ＤＡＴ５１（大同特殊鋼株式会社製）等のチタン合金、ＡＺ９１（住友電気工業株式会社製）等のマグネシウム合金等が挙げられる。また、これらのうちでは、例えば、Ａ７０７５−Ｔ６、Ａ７０７５−Ｔ６５１等のアルミニウム合金が好ましい。
【０１０１】
なお、Ａ７０７５−Ｔ６、Ａ７０７５−Ｔ６５１の密度は、２．７ｇ／ｃｍ３、耐力は、５０５Ｍｐａ、線膨張係数は、２４×１０−６／Ｋである。また、ＤＡＴ５１の密度は、４．６９ｇ／ｃｍ３、耐力は、８２５Ｍｐａ、線膨張係数は、８×１０−６／Ｋである。また、ＡＺ９１の密度は、１．８ｇ／ｃｍ３、耐力は、２８０Ｍｐａ、線膨張係数は、２７．２×１０−６／Ｋである。
【０１０２】
また、第２部材２４および第４部材３３を構成する材料としては、それぞれ、前記のような特性を有するものが好ましく、例えば、ＮＡＫ５５（大同特殊鋼株式会社製）等の合金鋼等が挙げられる。
【０１０３】
なお、ＮＡＫ５５の密度は、７．８ｇ／ｃｍ３、耐力は、１０００Ｍｐａ、線膨張係数は、１１．３×１０−６／Ｋである。
【０１０４】
また、第１部材２２を構成する材料と、第３部材３２を構成する材料とは、同一でもよく、また、異なっていてもよいが、同一であることが好ましい。材料を同一にすることで、第１部材２２と第３部材３２との熱膨張の差を小さくすることができ、電荷出力素子１０に不要な力が加わることを抑制することができる。
【０１０５】
同様に、第２部材２４を構成する材料と、第４部材３３を構成する材料とは、同一でもよく、また、異なっていてもよいが、同一であることが好ましい。材料を同一にすることで、第２部材２４と第４部材３３との熱膨張の差を小さくすることができ、電荷出力素子１０に不要な力が加わることを抑制することができる。
【０１０６】
また、第１基部２の第１部材２２の中央部には、貫通孔２０が形成されており、同様に、第２基部３の第３部材３２の中央部には、貫通孔３０が形成されており、同様に、デジタル回路基板５の中央部には、貫通孔５０が形成されている。
【０１０７】
図５に示すように、第１基部２の第１部材２２および第２基部３の第３部材３２に貫通孔２０および３０が形成されていない場合、力検出装置１が加熱されると、第１部材２２および第３部材３２が熱膨張し、互いの中央部が離間するように反ってしまう。これは、第１部材２２および第３部材３２の端部には、第２部材２４および第４部材３３が設けられているので、強度は、端部よりも中央部の方が低くなっているためである。
【０１０８】
これに対し、図４に示すように、第１基部２の第１部材２２および第２基部３の第３部材３２に貫通孔２０および３０が形成されていると、第１部材２２および第３部材３２が熱膨張して反った場合、貫通孔２０の部分において第１部材２２の変形量を小さくすることができ、同様に、貫通孔３０の部分において第３部材３２の変形量を小さくすることができる。また、貫通孔２０により第１部材２２の反りが小さくなり、同様に、貫通孔３０により第３部材３２の反りが小さくなる。これにより、電荷出力素子１０に不要な力が加わることを抑制することができ、力検出装置１の検出精度を向上させることができる。
【０１０９】
また、各貫通孔２０、３０および５０は、第１部材２２、第３部材３２およびデジタル回路基板５の厚さ方向から見て、互いに同じ位置に配置されている。なお、各貫通孔２０、３０および５０の位置は、これに限らず、異なる位置に配置されていてもよい。
【０１１０】
また、各貫通孔２０、３０および５０の平面形状（厚さ方向から見た形状）は、それぞれ、四角形をなしている。なお、各貫通孔２０、３０および５０の平面形状は、図示のものに限定されず、例えば、五角形および六角形等の他の多角形、円形、楕円形等が挙げられる。
【０１１１】
また、各貫通孔２０、３０および５０の平面形状は、同一であってもよく、また、異なっていてもよい。
【０１１２】
なお、第１基部２、第２基部３は、それぞれ、板状をなす部材で構成されているが、これに限定されず、例えば、一方の基部が板状をなす部材で構成され、他方の基部がブロック状をなす部材で構成されていてもよい。
【０１１３】
次に、センサーデバイス６について、説明する。
［センサーデバイス］
図１、図２に示すように、センサーデバイス６Ａは、第１基部２の４つの凸部２３のうちの１つの凸部２３の頂面２３１と、この頂面２３１に対向する内壁面３３１とによって挟持されている。このセンサーデバイス６Ａと同様に、前記と異なる１つの凸部２３の頂面２３１と、この頂面２３１に対向する内壁面３３１とによって、センサーデバイス６Ｂが挟持されている。また、前記と異なる１つの凸部２３の頂面２３１と、この頂面２３１に対向する内壁面３３１とによって、センサーデバイス６Ｃが挟持されている。さらに、前記と異なる１つの凸部２３の頂面２３１と、この頂面２３１に対向する内壁面３３１によって、センサーデバイス６Ｄが挟持されている。なお、センサーデバイス６Ａ、６Ｂ、６Ｃおよび６Ｄの各電荷出力素子１０は、それぞれ、第２部材２４と第４部材３３とに結合されているともいうことができる。
【０１１４】
以下では、各センサーデバイス６Ａ〜６Ｄが第１基部２および第２基部３によって挟持されている方向を「挟持方向ＳＤ」という。また、各センサーデバイス６Ａ〜６Ｄのうちセンサーデバイス６Ａが挟持されている方向を第１挟持方向、センサーデバイス６Ｂが挟持されている方向を第２挟持方向、センサーデバイス６Ｃが挟持されている方向を第３挟持方向、センサーデバイス６Ｄが挟持されている方向を第４挟持方向ということもある。
【０１１５】
なお、本実施形態では、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（第４部材３３）側に設けられているが、センサーデバイス６は、アナログ回路基板４の第１基部２側に設けられていてもよい。
【０１１６】
また、図２に示すように、センサーデバイス６Ａおよびセンサーデバイス６Ｂと、センサーデバイス６Ｃおよびセンサーデバイス６Ｄとは、第１基部２のβ軸に沿った中心軸２７１に関して対称的に配置されている。すなわち、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄは、第１基部２の中心２７２回りに等角度間隔に配置されている。このようにセンサーデバイス６Ａ〜６Ｄを配置することより、外力を偏りなく検出することができる。
【０１１７】
なお、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄの配置は図示のものに限定されないが、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄは、第２基部３の上面３２１から見て、第２基部３の中心部（中心２７２）からできる限り離間した位置に配置されているのが好ましい。これにより、力検出装置１に加わる外力を安定して検出することができる。
【０１１８】
このように配置されたセンサーデバイス６は、図１に示すように、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。また、本実施形態では、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄは、同様の構成である。なお、パッケージは、省略されていてもよい。
【０１１９】
以下に、このセンサーデバイス６が備える電荷出力素子１０について、説明する。
［電荷出力素子］
電荷出力素子１０は、力検出装置１に加わった外力、すなわち第１基部２または第２基部３の少なくとも一方の基部に加えられた外力に応じて電荷を出力する機能を有する。
【０１２０】
なお、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄが備える各電荷出力素子１０は、同じ構成であるため、１つの電荷出力素子１０について中心的に説明する。
【０１２１】
図３に示すように、センサーデバイス６が備える電荷出力素子１０は、グランド電極層１１と、第１のセンサー１２と、第２のセンサー１３と、第３のセンサー１４とを有している。
【０１２２】
第１のセンサー１２は、外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｘを出力する機能を有する。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。第３のセンサー１４は、外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｙを出力する。
【０１２３】
また、センサーデバイス６が備える電荷出力素子１０は、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。以下、この積層された方向を「積層方向ＬＤ」という。この積層方向ＬＤは、上面３２１の法線ＮＬ２（または下面２２１の法線ＮＬ１）と直交する方向となっている。また、積層方向ＬＤは、挟持方向ＳＤと平行となっている。
【０１２４】
また、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、各第４部材３３の内壁面３３１に対して垂直な方向から見て、四角形をなしている。なお、各電荷出力素子１０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。
【０１２５】
以下、グランド電極層１１、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について、説明する。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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。なお、後述する第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３におけるｘ軸方向が、前記第１検出方向である。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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３中の紙面奥行き方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図３中の上下方向に沿った軸である。
【０１３０】
以下では、これら図示した各矢印の先端側を「＋（正）」、基端側を「−（負）」として説明する。また、ｘ軸に平行な方向を「ｘ軸方向」、ｙ軸に平行な方向を「ｙ軸方向」、ｚ軸に平行な方向を「ｚ軸方向」という。なお、後述する第２の圧電体層１２３、第３の圧電体層１３１、第４の圧電体層１３３、第５の圧電体層１４１、および第６の圧電体層１４３についても同様である。
【０１３１】
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３中の紙面奥行き方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図３中の上下方向に沿った軸である。
【０１３２】
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。
【０１３３】
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。なお、後述する第３の圧電体層１３１および第４の圧電体層１３３におけるｘ軸方向が、前記検出する圧縮および引張力の方向である。
【０１３４】
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。
【０１３５】
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３中の上下方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図３中の紙面奥行き方向に沿った軸である。
【０１３６】
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３中の上下方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図３中の紙面奥行き方向に沿った軸である。
【０１３７】
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。
【０１３８】
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１２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。なお、後述する第５の圧電体層１４１および第６の圧電体層１４３におけるｘ軸方向が、前記第２検出方向である。
【０１３９】
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。
【０１４０】
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３中の上下方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図３中の紙面奥行き方向に沿った軸である。
【０１４１】
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６の圧電体層１４３の厚さ方向に沿った軸であり、ｘ軸は、図３中の上下方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図３中の紙面奥行き方向に沿った軸である。
【０１４２】
電荷出力素子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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
このように、電荷出力素子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、電荷出力素子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。
【０１４５】
また、電荷出力素子１０は、上述したように、電荷Ｑｚを出力することができるが、力検出装置１では、各外力を求める際、電荷Ｑｚを用いないことが好ましい。すなわち、力検出装置１は、圧縮や引張力を検出せずに、せん断力を検出する装置として用いることが好ましい。これにより、力検出装置１の温度変化に起因するノイズ成分を低減することができる。なお、電荷Ｑｚは、各外力を求める際に用いない場合でも、例えば、与圧ボルト７１による与圧の調整に用いられる。
【０１４６】
なお、本実施形態では、前述した各圧電体層（第１の圧電体層１２１、第２の圧電体層１２３、第３の圧電体層１３１、第４の圧電体層１３３、第５の圧電体層１４１、および第６の圧電体層１４３）は、全て水晶を用いた構成としているが、各圧電体層は、水晶以外の圧電材料を用いた構成であってもよい。水晶以外の圧電材料としては、例えば、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。しかしながら、各圧電体層は、水晶を用いた構成であることが好ましい。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。
【０１４７】
また、本実施形態では、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の圧電体層の数は、２つであるが、これに限らず、例えば、１つであってもよい。
【０１４８】
また、前述したように、第１基部２、および第２基部３とは、与圧ボルト７１によって固定されている。
【０１４９】
この与圧ボルト７１による固定は、頂面２３１と内壁面３３１との間に各センサーデバイス６を配置した状態で、与圧ボルト７１を第２基部３の第４部材３３側から第１基部２の第２部材２４に向かって差し込み、与圧ボルト７１の雄ネジ（図示せず）を第２部材２４に形成された雌ネジ２４１に螺合する。このようにして、電荷出力素子１０は、当該電荷出力素子１０を収納するパッケージ６０ごと第１基部２と第２基部３、すなわち第２部材２４と第４部材３３とによって所定の大きさの圧力、すなわち、与圧が加えられる。
【０１５０】
なお、各第２部材２４と各第４部材３３とは、それぞれ、２つの与圧ボルト７１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。第２部材２４と第４部材３３とが互いに所定量の変位が可能なように固定されることで、力検出装置１に外力（せん断力）が加わることで電荷出力素子１０にせん断力が作用したとき、電荷出力素子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。また、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。
【０１５１】
なお、力検出装置１全体のα軸方向の力ＦＡ、β軸方向の力ＦＢ、γ軸方向の力ＦＣ、α軸周りの回転力ＭＡ、β軸周りの回転力ＭＢおよびγ軸周りの回転力ＭＣは、各電荷出力素子１０からの電荷の蓄積量に比例する信号に基づいて算出される。また、本実施形態では、電荷出力素子１０は４つ設けられているが、電荷出力素子１０は少なくとも３つ設けられていれば、回転力ＭＡ、ＭＢおよびＭＣを算出することが可能である。
【０１５２】
以上説明したように、この力検出装置１によれば、第１部材２２および第３部材３２を前述した密度の小さい材料で構成することにより、力検出装置１の軽量化を図ることができる。
【０１５３】
また、第２部材２４および第４部材３３を前述した耐力の大きい材料で構成することにより、第２部材２４および第４部材３３の強度を高くすることができ、与圧ボルト７１により第２部材２４と第４部材３３とを接続、固定して電荷出力素子１０に与圧を与えた場合、第２部材２４および第４部材３３の変形を抑制することができる。これにより、力検出装置１の検出精度を向上させることができる。
【０１５４】
また、第２部材２４および第４部材３３を前述した線膨張係数の小さい材料で構成することにより、力検出装置１が加熱された場合、第２部材２４および第４部材３３の熱膨張による変形量を小さくすることができ、電荷出力素子１０に不要な力が加わることを抑制することができる。これにより、力検出装置１の検出精度を向上させることができる。
【０１５５】
また、第１部材２２および第３部材３２が熱膨張して反った場合、貫通孔２０の部分において第１部材２２の変形量を小さくすることができ、同様に、貫通孔３０の部分において第３部材３２の変形量を小さくすることができる。また、貫通孔２０により第１部材２２の反りが小さくなり、同様に、貫通孔３０により第３部材３２の反りが小さくなる。これにより、電荷出力素子１０に不要な力が加わることを抑制することができ、力検出装置１の検出精度を向上させることができる。
【０１５６】
＜単腕ロボットの実施形態＞
次に、図６に基づき、本発明の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。
【０１５７】
図６は、本発明の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６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１とを有する。なお、力検出装置１としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
【０１５８】
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。
【０１５９】
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。
【０１６０】
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。
【０１６１】
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。これは、他の実施形態におけるエンドエフェクターについても同様である。
【０１６２】
力検出装置１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１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１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。
【０１６３】
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。
【０１６４】
＜複腕ロボットの実施形態＞
次に、図７に基づき、本発明の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。
【０１６５】
図７は、本発明の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７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１を有する。なお、力検出装置１としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
【０１６６】
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。
【０１６７】
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。
【０１６８】
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ー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。
【０１６９】
力検出装置１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１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１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。
【０１７０】
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。
【０１７１】
以上、本発明の力検出装置およびロボットを、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。
【０１７２】
また、本発明では、与圧ボルトに替えて、例えば、電荷出力素子（圧電素子）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。
【０１７３】
また、本実施形態では、電荷出力素子の数は、４つであるが、本発明では、電荷出力素子の数は、１つ、２つ、３つ、または、５つ以上でもよい。
【０１７４】
また、本発明のロボットは、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。
【０１７５】
また、本発明の力検出装置は、ロボットに限らず、他の装置、例えば、電子部品搬送装置等の搬送装置、電子部品検査装置等の検査装置、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。
【符号の説明】
【０１７６】
１…力検出装置
２…第１基部
２０…貫通孔
２２…第１部材
２３…凸部
２２１…下面（第１面）
２３１…頂面
２４…第２部材
２４１…雌ネジ
２７１…中心軸
２７２…中心
３…第２基部
３０…貫通孔
３２…第３部材
３３…第４部材
３２１……上面（第２面）
３３１…内壁面
４…アナログ回路基板
４１…孔
４３…パイプ
５…デジタル回路基板
５０…貫通孔
６、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ…センサーデバイス（圧力検出部）
６０…パッケージ（収容部）
７１…与圧ボルト
１０…電荷出力素子（圧電素子）
１１…グランド電極層
１２…第１のセンサー
１２１…第１の圧電体層
１２２…出力電極層
１２３…第２の圧電体層
１３…第２のセンサー
１３１…第３の圧電体層
１３２…出力電極層
１３３…第４の圧電体層
１４…第３のセンサー
１４１…第５の圧電体層
１４２…出力電極層
１４３…第６の圧電体層
１５１、１５２、１５３…配線
１６…側壁部
１６１…筒状部
１６２…フランジ
１７１、１７２、１７３、１７４…ネジ
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…エンドエフェクター
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ー
６４１ａ…第１の指
６４２ａ…第２の指
６４０ｂ…第２のエンドエフェクター
６４１ｂ…第１の指
６４２ｂ…第２の指
ＬＤ…積層方向
ＳＤ…挟持方向
ＮＬ１、ＮＬ２…法線
Ｑｘ、Ｑｙ、Ｑｚ…電荷
【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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