(57)【要約】【課題】洗浄ムラによるフラックス残渣をなくし時間ドリフトを低減できる回路基板、力検出装置、及びロボットを提供する。【解決手段】回路基板は、基材９０と、基材９０に実装される第１回路部品９４と、基材９０に実装される第２回路部品９２（３２）と、を有し、基材９０と第１回路部品９４とで挟まれた空間の中心線９９は、基材９０と第２回路部品９２（３２）とで挟まれた空間を通過する。【選択図】図８
2017022338.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、
前記基材に実装される第１回路部品と、
前記基材に実装される第２回路部品と、
を有し、
前記基材と前記第１回路部品とで挟まれた空間の中心線は、前記基材と前記第２回路部品とで挟まれた空間を通過することを特徴とする回路基板。
【請求項２】
請求項１に記載の回路基板において、
前記中心線は、前記基材と前記第２回路部品とで挟まれた空間の中心を通過することを特徴とする回路基板。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の回路基板において、
前記第１回路部品は、配線電極を有し、
前記中心線は、前記配線電極の間に配置されることを特徴とする回路基板。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の回路基板において、
前記第１回路部品は、半導体部品であり、
前記第２回路部品は、コンデンサーであることを特徴とする回路基板。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の回路基板を有する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有す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、回路基板、力検出装置、及びロボットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、水晶圧電効果を使ったセンサーを構成する場合、増幅回路としてチャージアンプ（積分回路）が使用される。非常に小さな電荷を扱うため、基板表面のフラックスを除去しないと絶縁抵抗が下がり、ドリフトが大きくなったり電荷が抜けるパスが発生したりする。そのため、基板洗浄を行うのだが、洗浄残りによる不良が課題となっていた。
【０００３】
例えば、回路部品を搭載した回路基板において、基材と回路部品との間に空間が形成されている構造が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−３８１４４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、この回路部品に対して隣在する他の回路部品による課題については、記載及び示唆はなされていない。例えば、図１６に示す場合、斜線部分の洗浄液が流れにくく、斜線部分にフラックスが残るおそれがあった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］本適用例に係る回路基板は、基材と、前記基材に実装される第１回路部品と、前記基材に実装される第２回路部品と、を有し、前記基材と前記第１回路部品とで挟まれた空間の中心線は、前記基材と前記第２回路部品とで挟まれた空間を通過することを特徴とする。
【０００８】
本適用例によれば、基材と第１回路部品とで挟まれた空間の中心線が、基材と第２回路部品とで挟まれた空間を通過することができる。これにより、回路基板を洗浄する際に洗浄液が流れ易いように第１回路部品と第２回路部品とを配置することができ、流体効果により基板のフラックス洗浄の効果を高めることができる。その結果、洗浄ムラによるフラックス残渣をなくし時間ドリフトを低減できる。
【０００９】
［適用例２］上記適用例に記載の回路基板において、前記中心線は、前記基材と前記第２回路部品とで挟まれた空間の中心を通過することが好ましい。
【００１０】
本適用例によれば、さらに回路基板を洗浄する際に洗浄液が流れ易いように第１回路部品と第２回路部品とを配置することができる。
【００１１】
［適用例３］上記適用例に記載の回路基板において、前記第１回路部品は、配線電極を有し、前記中心線は、前記配線電極の間に配置されることが好ましい。
【００１２】
本適用例によれば、さらにフラックス洗浄の効果を高めることができる。
【００１３】
［適用例４］上記適用例に記載の回路基板において、前記第１回路部品は、半導体部品であり、前記第２回路部品は、コンデンサーであることが好ましい。
【００１４】
本適用例によれば、さらにフラックス洗浄の効果を高めることができる。
【００１５】
［適用例５］本適用例に係る力検出装置は、上記のいずれか一項に記載の回路基板を有することを特徴とする。
【００１６】
本適用例によれば、信頼性の高い力検出装置を提供できる。
【００１７】
［適用例６］本適用例に係るロボットは、上記に記載の力検出装置を有することを特徴とする。
【００１８】
本適用例によれば、信頼性の高いロボットを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態に係る力検出装置を示す断面図。
【図２】図１に示す力検出装置の平面図。
【図３】図１に示す力検出装置を概略的に示す回路図。
【図４】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。
【図５】図１に示すセンサーデバイスを概略的に示す断面図（（Ａ）断面図、（Ｂ）平面図）。
【図６】図１に示す電荷出力素子を概略的に示す断面図。
【図７】本実施形態に係るアナログ回路基板を示す平面図。
【図８】本実施形態に係るアナログ回路基板の部品配置を示す図。
【図９】本実施形態に係る部品配置を説明する図。
【図１０】回路のパスリークを説明する図、（Ａ）は回路を示し、（Ｂ）は出力変化を示している図。
【図１１】本実施形態に係る力検出装置を用いた単腕ロボットの１例を示す図。
【図１２】本実施形態に係る力検出装置を用いた複腕ロボットの１例を示す図。
【図１３】本実施形態に係る力検出装置を用いた電子部品検査装置及び部品搬送装置の１例を示す図。
【図１４】本実施形態に係る力検出装置を用いた電子部品搬送装置の１例を示す図。
【図１５】本実施形態に係る力検出装置を用いた部品加工装置の１例を示す図。
【図１６】従来の回路基板の部品配置を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。なお、使用する図面は、説明する部分が認識可能な状態となるように、適宜拡大又は縮小して表示している。
【００２１】
（力検出装置の実施形態）
図１は、本実施形態に係る力検出装置１を示す断面図であり、図２は、図１に示す力検出装置１の平面図である。なお、以下では、図１中の上側を「上」又は「上方」、下側を「下」又は「下方」という。
【００２２】
また、図２には、互いに直交する３つの軸として、α軸、β軸、及びγ軸が図示されている。また、図１には、３つの軸のうち、γ軸のみを図示している。
【００２３】
本実施形態に係る力検出装置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、及びγ軸方向の並進力成分及びα、β、及びγ軸周りの回転力成分）を検出する機能を有している。
【００２４】
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と第２基部３との間に収納された（設けられた）アナログ回路基板（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）、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、アナログ回路基板４に搭載され、外力に応じて信号を出力する電荷出力素子（圧電素子）１０及び電荷出力素子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と、８つの与圧ボルト７１と、を備えている。
【００２５】
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」、及び「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。
【００２６】
第１基部２は、図２に示すように、外形が板状をなし、その平面形状は、丸みを帯びた四角形をなす。なお、第１基部２の平面形状は、図示のものに限定されず、例えば円形や四角形外の多角形等であってもよい。
【００２７】
第１基部２の下面２２１は、力検出装置１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）に対する取付け面として機能する。
【００２８】
この第１基部２は、底板２２と、底板２２とから上方に向かって立設した壁部２４とを有している。
【００２９】
壁部２４は、「Ｌ」字状をなし、外方に臨む２つの面にそれぞれ凸部２３が突出形成されている。各凸部２３の頂面２３１は、底板２２に対して垂直な平面である。また、凸部２３には、後述する与圧ボルト７１と螺合する雌ネジ２４１が設けられている（図２参照）。
【００３０】
第２基部３は、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配置されている。
【００３１】
第２基部３も、第１基部２と同様に、その外形が板状をなしている。また、第２基部３の平面形状は、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２基部３の平面視形状は、第１基部２の平面視形状と同様に、角部が丸みを帯びた四角形をなしている。また、第２基部３は、第１基部２を包含する程度の大きさであるのが好ましい。
【００３２】
第２基部３の上面３２１は、力検出装置１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）に対する取付け面として機能する。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。
【００３３】
また、第２基部３は、天板３４と、天板３４の縁部に形成され、当該縁部から下方に向かって突出した壁部３５とを有している。壁部３５の内壁面３３１は、天板３４に対して垂直な平面である。そして、第１基部２の頂面２３１と第２基部３の内壁面３３１との間には、センサーデバイス６が設けられている。
【００３４】
また、第１基部２と第２基部３とは、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。
【００３５】
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。
【００３６】
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、及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、円形又は角丸正方形の断面形状を有する。
【００３７】
また、第１基部２と第２基部３との間には、図１に示すように、センサーデバイス６に接続されたアナログ回路基板４が設けられている。
【００３８】
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。
【００３９】
また、アナログ回路基板４には、図２に示すように、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が例えば嵌合により固定されていてもよい。
【００４０】
図３は、図１に示す力検出装置１を概略的に示す回路図ある。図４は、図１に示す力検出装置１の電荷出力素子１０を概略的に示す断面図である。
図３に示す力検出装置１は、互いに直交する３軸（α（Ｘ）軸、β（Ｙ）軸、γ（Ｚ）軸）に沿って加えられた外力を検出する機能を有する。力検出装置１は、互いに直交する３軸に沿って加えられた（受けた）外力のそれぞれに応じて３つの電荷Ｑｘ，Ｑｙ，Ｑｚを出力する電荷出力素子（素子）１０と、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｘを電圧Ｖｘに変換する変換出力回路９０ａと、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｚを電圧Ｖｚに変換する変換出力回路９０ｂと、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｙを電圧Ｖｙに変換する変換出力回路９０ｃと、補償用信号Ｖｏｆｆを出力する補償用信号出力回路３０と、加えられた外力を検出する外力検出回路４０とを備えている。
【００４１】
＜電荷出力素子（素子）＞
電荷出力素子１０は、互いに直交する３軸に沿って加えられた（受けた）外力のそれぞれに応じて３つの電荷Ｑｘ，Ｑｙ，Ｑｚを出力する機能を有する。図４に示すように、電荷出力素子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、β軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｙを出力する第１センサー１２と、γ軸に平行な外力（圧縮／引張力）に応じて電荷Ｑｚを出力する第２センサー１３と、α軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｘを出力する第３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は交互に積層されている。なお、図４において、グランド電極層１１及びセンサー１２，１３，１４の積層方向をγ軸方向とし、γ軸方向に直交しかつ互いに直交する方向をそれぞれα軸方向及びβ軸方向としている。
【００４２】
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、ニッケル、クロム又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、優れた耐久性及び耐食性を有する。
【００４３】
図示の構成では、図４中の下側から、第１センサー１２、第２センサー１３、及び第３センサー１４の順で積層されているが、本発明はこれに限られない。センサー１２，１３，１４の積層順は任意である。第１センサー１２は、β軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｙを出力する機能を有する。このセンサー１２は、β軸の正方向に沿って加えられた外力に応じて正電荷を出力し、β軸の負方向に沿って加えられた外力に応じて負電荷を出力するよう構成されている。第１センサー１２は、第１結晶軸ＣＡ１を有する第１圧電体層１２１と、第１圧電体層１２１と対向して設けられ、第２結晶軸ＣＡ２を有する第２圧電体層１２３と、第１圧電体層１２１と第２圧電体層１２３との間に設けられ、電荷Ｑを出力する出力電極層１２２を有する。
【００４４】
第１圧電体層１２１はβ軸の負方向に配向した第１結晶軸ＣＡ１を有する圧電体によって構成されている。第１圧電体層１２１の表面に対し、β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１圧電体層１２１内に電荷が誘起される。その結果、第１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圧電体層１２１の表面に対し、β軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、第１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。
【００４５】
第２圧電体層１２３は、β軸の正方向に配向した第２結晶軸ＣＡ２を有する圧電体によって構成されている。第２圧電体層１２３の表面に対し、β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２圧電体層１２３内に電荷が誘起される。その結果、第２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圧電体層１２３の表面に対し、β軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、第２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。
【００４６】
このように、第１圧電体層１２１の第１結晶軸ＣＡ１は、第２圧電体層１２３の第２結晶軸ＣＡ２の方向と反対方向を向いている。これにより、第１圧電体層１２１又は第２圧電体層１２３のいずれか一方のみと、出力電極層１２２によって第１センサー１２を構成する場合と比較して、出力電極層１２２近傍に集まる正電荷又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Ｑを増加させることができる。
【００４７】
なお、第１圧電体層１２１及び第２圧電体層１２３の構成材料としては、水晶、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。これらの中でも特に、水晶が好ましい。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。また、第１圧電体層１２１及び第２圧電体層１２３のように、層の面方向に沿った外力（せん断力）に対して電荷を生ずる圧電体層は、Ｙカット水晶により構成することができる。
【００４８】
出力電極層１２２は、第１圧電体層１２１内及び第２圧電体層１２３内に生じた正電荷又は負電荷を電荷Ｑｙとして出力する機能を有する。前述のように、第１圧電体層１２１の表面又は第２圧電体層１２３の表面にβ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Ｑｙが出力される。一方、第１圧電体層１２１の表面又は第２圧電体層１２３の表面にβ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Ｑｙが出力される。
【００４９】
また、出力電極層１２２の幅は、第１圧電体層１２１及び第２圧電体層１２３の幅以上であることが好ましい。出力電極層１２２の幅が、第１圧電体層１２１又は第２圧電体層１２３よりも狭い場合、第１圧電体層１２１又は第２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圧電体層１２１又は第２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Ｑｙが減少してしまう。このように、電荷出力素子１０は、上述したグランド電極層１１と、第１センサー１２を有することにより、図４中のβ軸に平行な外力に応じて電荷Ｑｙを出力することができる。
【００５０】
なお、電荷出力素子１０として、β軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｙを出力する機能を有する例を説明したが、本発明はこれに限られない。第１結晶軸ＣＡ１の配向方向が異なる第１圧電体層１２１及び第２結晶軸ＣＡ２の配向方向が異なる第２圧電体層１２３を用いることにより、α軸に平行な外力（せん断力）又はγ軸に平行な外力（圧縮／引張力）に応じて電荷Ｑｙを出力する電荷出力素子１０を構成することが可能である。このような場合も、本実施形態の範囲内である。
【００５１】
第２センサー１３は、γ軸に沿って加えられた（受けた）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２センサー１３は、γ軸に平行な圧縮力に応じて正電荷を出力し、γ軸に平行な引張力に応じて負電荷を出力するよう構成されている。第２センサー１３は、第３結晶軸ＣＡ３を有する第３圧電体層１３１と、第３圧電体層１３１と対向して設けられ、第４結晶軸ＣＡ４を有する第４圧電体層１３３と、第３圧電体層１３１と第４圧電体層１３３との間に設けられ、電荷Ｑｚを出力する出力電極層１３２を有する。
【００５２】
第３圧電体層１３１は、γ軸の正方向に配向した第３結晶軸ＣＡ３を有する圧電体によって構成されている。第３圧電体層１３１の表面に対し、γ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圧電体層１３１内に電荷が誘起される。その結果、第３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圧電体層１３１の表面に対し、γ軸に平行な引張力が加えられた場合、第３圧電体層１３１の出力電極層１３２側表面近傍には負電荷が集まり、第３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。
【００５３】
第４圧電体層１３３は、γ軸の負方向に配向した第４結晶軸ＣＡ４を有する圧電体によって構成されている。第４圧電体層１３３の表面に対し、γ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圧電体層１３３内に電荷が誘起される。その結果、第４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圧電体層１３３の表面に対し、γ軸に平行な引張力が加えられた場合、第４圧電体層１３３の出力電極層１３２側表面近傍には負電荷が集まり、第４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。
【００５４】
第３圧電体層１３１及び第４圧電体層１３３の構成材料としては、第１圧電体層１２１及び第２圧電体層１２３と同様の構成材料を用いることができる。また、第３圧電体層１３１及び第４圧電体層１３３のように、層の面方向に垂直な外力（圧縮／引張力）に対して電荷を生ずる圧電体層は、Ｘカット水晶により構成することができる。出力電極層１３２は、第３圧電体層１３１内及び第４圧電体層１３３内に生じた正電荷又は負電荷を電荷Ｑｚとして出力する機能を有する。前述のように、第３圧電体層１３１の表面又は第４圧電体層１３３の表面にγ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圧電体層１３１の表面又は第４圧電体層１３３の表面にγ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。
【００５５】
第３センサー１４は、α軸に沿って加えられた（受けた）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３センサー１４は、α軸の正方向に沿って加えられた外力に応じて正電荷を出力し、α軸の負方向に沿って加えられた外力に応じて負電荷を出力するよう構成されている。第３センサー１４は、第５結晶軸ＣＡ５を有する第５圧電体層１４１と、第５圧電体層１４１と対向して設けられ、第６結晶軸ＣＡ６を有する第６圧電体層１４３と、第５圧電体層１４１と第６圧電体層１４３との間に設けられ、電荷Ｑｘを出力する出力電極層１４２を有する。
【００５６】
第５圧電体層１４１は、α軸の負方向に配向した第５結晶軸ＣＡ５を有する圧電体によって構成されている。第５圧電体層１４１の表面に対し、α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圧電体層１４１内に電荷が誘起される。その結果、第５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圧電体層１４１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圧電体層１４１の表面に対し、α軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、第５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。
【００５７】
第６圧電体層１４３は、α軸の正方向に配向した第６結晶軸ＣＡ６を有する圧電体によって構成されている。第６圧電体層１４３の表面に対し、α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圧電体層１４３内に電荷が誘起される。その結果、第６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圧電体層１４３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圧電体層１４３の表面に対し、α軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、第６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。
【００５８】
第５圧電体層１４１及び第６圧電体層１４３の構成材料としては、第１圧電体層１２１及び第２圧電体層１２３と同様の構成材料を用いることができる。また、第５圧電体層１４１及び第６圧電体層１４３のように、層の面方向に沿った外力（せん断力）に対して電荷を生ずる圧電体層は、第１圧電体層１２１及び第２圧電体層１２３と同様に、Ｙカット水晶により構成することができる。
【００５９】
出力電極層１４２は、第５圧電体層１４１内及び第６圧電体層１４３内に生じた正電荷又は負電荷を電荷Ｑｘとして出力する機能を有する。前述のように、第５圧電体層１４１の表面又は第６圧電体層１４３の表面にα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Ｑｘが出力される。一方、第５圧電体層１４１の表面又は第６圧電体層１４３の表面にα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Ｑｘが出力される。
【００６０】
このように、第１センサー１２、第２センサー１３、及び第３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、３軸（α（Ｘ）軸、β（Ｙ）軸、及びγ（Ｚ）軸）に沿った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。
【００６１】
また、Ｙカット水晶によって構成される、第１センサー１２及び第３センサー１４の単位力当たりの電荷発生量は、例えば、８ｐＣ／Ｎである。Ｘカット水晶によって構成される、第２センサー１３の単位力当たりの電荷発生量は、例えば、４ｐＣ／Ｎである。したがって、通常、電荷出力素子１０のγ軸に平行な外力（圧縮／引張力）に対する感度は、電荷出力素子１０のα軸又はβ軸に平行な外力（せん断力）に対する感度よりも低い。そのため、通常、第２センサー１３から出力される電荷Ｑｚは、第１センサー１２から出力される電荷Ｑｙ及び第３センサー１４から出力される電荷Ｑｘよりも小さい。
【００６２】
＜変換出力回路＞
図３に示すように、電荷出力素子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、電荷出力素子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９０ｂは、電荷出力素子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、電荷出力素子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９０ａについて説明する。
【００６３】
変換出力回路９０ａは、電荷出力素子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９０ａ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入力端子（マイナス入力）は、電荷出力素子１０の出力電極層１４２に接続され、オペアンプ９１の第２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９１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。
【００６４】
スイッチング素子９３がオフの場合、電荷出力素子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Ｖｘ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９０ａをリセットするという。なお、理想的な変換出力回路９０ａから出力される電圧Ｖｘは、電荷出力素子１０から出力される電荷Ｑｘの蓄積量に比例する。
【００６５】
スイッチング素子９３は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等の半導体スイッチング素子である。半導体スイッチング素子は、機械式スイッチと比べて小型及び軽量であるので、力検出装置１の小型化及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。
【００６６】
スイッチング素子９３は、ドレイン電極、ソース電極、及びゲート電極を有している。スイッチング素子９３のドレイン電極又はソース電極の一方がオペアンプ９１の第１入力端子に接続され、ドレイン電極又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。
【００６７】
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。
【００６８】
＜補償用信号出力回路＞
補償用信号出力回路３０は、オペアンプ３１と、コンデンサー３２と、スイッチング素子３３とを有する。オペアンプ３１の第１入力端子（マイナス入力）は、コンデンサー３２及びスイッチング素子３３に接続され、オペアンプ３１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３１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３２は、オペアンプ３１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３３は、オペアンプ３１の第１入力端子と出力端子との間に接続され、コンデンサー３２と並列接続されている。また、スイッチング素子３３には、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３３はスイッチング動作を実行する。
【００６９】
スイッチング素子３３は、変換出力回路９０ａ，９０ｂ，９０ｃのスイッチング素子９３と同様の半導体スイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ）である。スイッチング素子３３は、ドレイン電極、ソース電極、及びゲート電極を有している。スイッチング素子３３のドレイン電極又はソース電極の一方がオペアンプ３１の第１入力端子に接続され、ドレイン電極又はソース電極の他方がオペアンプ３１の出力端子に接続されている。また、スイッチング素子３３のゲート電極は、駆動回路（図示せず）に接続されている。補償用信号出力回路３０は、変換出力回路９０ａから出力される電圧Ｖｘ、変換出力回路９０ｂから出力される電圧Ｖｚ、及び変換出力回路９０ｃから出力される電圧Ｖｙを補償するための補償用信号Ｖｏｆｆを出力する機能を有する。補償用信号出力回路３０は、図示のように、変換出力回路９０ａ，９０ｂ，９０ｃと独立して設けられていてもよい。
【００７０】
また、補償用信号出力回路３０のスイッチング素子３３は、各変換出力回路９０ａ，９０ｂ，９０ｃのスイッチング素子９３と同等の使用環境下に実装されている。これにより、スイッチング素子３３のリーク電流は、各スイッチング素子９３のリーク電流と連動する。したがって、補償用信号出力回路３０は、スイッチング素子３３のリーク電流を検出することにより、各スイッチング素子９３のリーク電流を間接的に取得することができる。補償用信号出力回路３０は、取得したスイッチング素子３３のリーク電流を補償用信号Ｖｏｆｆとして出力する。
【００７１】
このように、補償用信号出力回路３０は、スイッチング素子３３のリーク電流を検出することにより、各変換出力回路９０ａ，９０ｂ，９０ｃのスイッチング素子９３のリーク電流を間接的に取得することができる。したがって、本実施形態の力検出装置１は、各変換出力回路９０ａ，９０ｂ，９０ｃ用に３つのリーク電流検出回路を設ける必要がない。そのため、力検出装置１に必要な回路数を減らすことができ、力検出装置１を小型化及び軽量化することができる。
【００７２】
また、補償用信号出力回路３０のコンデンサー３２の静電容量Ｃ２は、第２センサー１３のコンデンサー９２の静電容量Ｃ３よりも小さいことが好ましい。すなわち、コンデンサー９２の静電容量Ｃ１，Ｃ３とコンデンサー３２の静電容量Ｃ２の大小関係は、Ｃ２＜Ｃ３＜Ｃ１であることが好ましい。これにより、電荷Ｑｘ，Ｑｙ，Ｑｚ及びスイッチング素子３３のリーク電流を正確に電圧に変換することができる。
【００７３】
＜外力検出回路＞
外力検出回路４０は、変換出力回路９０ａから出力される電圧Ｖｘと、変換出力回路９０ｂから出力される電圧Ｖｚと、変換出力回路９０ｃから出力される電圧Ｖｙと、補償用信号出力回路３０から出力される補償用信号Ｖｏｆｆ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９０ａ，９０ｂ，９０ｃ及び補償用信号出力回路３０に接続されたＡＤコンバーター４０１と、ＡＤコンバーター４０１に接続された演算回路４０２とを有する。
【００７４】
ＡＤコンバーター４０１は、電圧Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ及び補償用信号Ｖｏｆｆ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Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ及び補償用信号Ｖｏｆｆは、演算回路４０２に入力される。演算回路４０２は、デジタル変換された電圧Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ及び補償用信号Ｖｏｆｆにゲインを与えて補正を行うゲイン補正部（図示せず）と、ゲイン補正部によって補正された電圧Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ及び補償用信号Ｖｏｆｆに基づき、信号Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚを演算し、出力する演算部（図示せず）を有する。
【００７５】
ゲイン補正部は、電圧Ｖｘ，Ｖｙに対しゲインＧ＝ａを与え、電圧Ｖｚに対しゲインＧ＝ｃを与え、補償用信号Ｖｏｆｆに対しゲインＧ＝ｂを与えることにより、電圧Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ及び補償用信号Ｖｏｆｆの補正を行う機能を有する。ゲイン係数ａと、ゲイン係数ｂとは、ａ＝Ｃ１／Ｃ２×ｂの関係式を満足することが好ましい。ゲイン係数ｃと、ゲイン係数ｂとは、ｃ＝Ｃ３／Ｃ２×ｂの関係式を満足することが好ましい。
【００７６】
ここで、Ｃ１は変換出力回路９０ａ，９０ｃのコンデンサー９２の静電容量であり、Ｃ２は補償用信号出力回路３０のコンデンサー３２の静電容量であり、Ｃ３は変換出力回路９０ｂのコンデンサー９２の静電容量である。これにより、変換出力回路９０ａ，９０ｃのコンデンサー９２の静電容量Ｃ１とコンデンサー３２の静電容量Ｃ２との差に起因する、電圧Ｖｘ，Ｖｙと補償用信号Ｖｏｆｆとの感度差を補正することができる。同様に、変換出力回路９０ｂのコンデンサー９２の静電容量Ｃ３とコンデンサー３２の静電容量Ｃ２との差に起因する、電圧Ｖｚと補償用信号Ｖｏｆｆとの感度差を補正することができる。これにより、補正された電圧Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚに含まれ、リーク電流に起因する出力ドリフトＤ（すなわち、ａ×Ｄ又はｃ×Ｄ）と、補正された補償用信号Ｖｏｆｆ（すなわち、ｂ×Ｄ）とが実質的に等しくなる。なお、ａ＝１は、電圧Ｖｘ，Ｖｙを補正しないことを意味する。ｂ＝１は、補償用信号Ｖｏｆｆを補正しないことを意味する。同様に、ｃ＝１は、電圧Ｖｚを補正しないことを意味する。
【００７７】
演算部は、ゲイン補正部によって補正された電圧Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ及びゲイン補正部によって補正された補償用信号Ｖｏｆｆに基づき、信号Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚを演算し、出力する機能を有する。信号Ｆｘは、ゲイン補正部によって補正された電圧Ｖｘ（すなわち、ａ×Ｖｘ）と、ゲイン補正部によって補正された補償用信号Ｖｏｆｆ（ｂ×Ｖｏｆｆ）との差分を取ることにより演算される。したがって、出力される信号Ｆｘは、以下のようになる。
【００７８】
Ｆｘ＝ａ×Ｖｘ−ｂ×Ｖｏｆｆ
＝ａ×（Ｖｘｔ＋Ｄ）−ｂ×Ｖｏｆｆ
＝ａ×Ｖｘｔ＋ａ×Ｄ−ｂ×Ｖｏｆｆ
≒ａ×Ｖｘｔ
ここで、Ｖｘｔは、電圧Ｖｘに含まれ、電荷Ｑｘの蓄積量に比例する電圧成分（真の値）である。
【００７９】
同様に、信号Ｆｙは、ゲイン補正部によって補正された電圧Ｖｙ（すなわち、ａ×Ｖｙ）と、ゲイン補正部によって補正された補償用信号Ｖｏｆｆ（ｂ×Ｖｏｆｆ）の差分を取ることにより演算される。したがって、出力される信号Ｆｙは、以下のようになる。
Ｆｙ＝ａ×Ｖｙ−ｂ×Ｖｏｆｆ
＝ａ×（Ｖｙｔ＋Ｄ）−ｂ×Ｖｏｆｆ
＝ａ×Ｖｙｔ＋ａ×Ｄ−ｂ×Ｖｏｆｆ
≒ａ×Ｖｙｔ
ここで、Ｖｙｔは、電圧Ｖｙに含まれ、電荷Ｑｙの蓄積量に比例する電圧成分（真の値）である。
【００８０】
同様に、信号Ｆｚは、ゲイン補正部によって補正された電圧Ｖｚ（すなわち、ｃ×Ｖｚ）と、ゲイン補正部によって補正された補償用信号Ｖｏｆｆ（ｂ×Ｖｏｆｆ）の差分を取ることにより演算される。したがって、出力される信号Ｆｚは、以下のようになる。
Ｆｚ＝ｃ×Ｖｚ−ｂ×Ｖｏｆｆ
＝ｃ×（Ｖｚｔ＋Ｄ）−ｂ×Ｖｏｆｆ
＝ｃ×Ｖｚｔ＋ｃ×Ｄ−ｂ×Ｖｏｆｆ
≒ｃ×Ｖｚｔ
ここで、Ｖｚｔは、電圧Ｖｚに含まれ、電荷Ｑｚの蓄積量に比例する電圧成分（真の値）である。
【００８１】
上述のように、補正された電圧Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚに含まれ、リーク電流に起因する出力ドリフトＤ（すなわち、ａ×Ｄ又はｃ×Ｄ）と、補正された補償用信号Ｖｏｆｆ（ｂ×Ｖｏｆｆ）とは実質的に等しいので、補正された電圧Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚからリーク電流に起因する出力ドリフトＤを低減（除去）することができる。演算回路４０２は、このような構成を有することにより、電荷出力素子１０から出力される電荷Ｑｘ，Ｑｙ，Ｑｚの蓄積量に比例する信号Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚを出力することができる。この信号Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚは電荷出力素子１０に加えられた３軸力（せん断力及び圧縮／引張力）に対応するので、力検出装置１は、電荷出力素子１０に加えられた３軸力を検出することができる。
【００８２】
このように、本実施形態の力検出装置１は、補償用信号出力回路３０と、外力検出回路４０とを有することにより、変換出力回路９０ａ，９０ｂ，９０ｃのスイッチング素子９３のリーク電流に起因する出力ドリフトＤを低減することができる。その結果、力検出装置１の検出精度及び検出分解能を向上させることができる。また、上述した出力ドリフトＤの低減方法は、測定時間が長くなった場合であっても有効なので、力検出装置１の測定時間を長くすることができる。
【００８３】
＜電荷出力素子（センサー素子）＞
次に電荷出力素子１０について詳細に説明する。
図５は、図１に示すセンサーデバイス６を概略的に示す断面図（（Ａ）断面図、（Ｂ）平面図）である。図６は、図１に示す電荷出力素子１０を概略的に示す断面図である。電荷出力素子１０は、互いに直交する３軸（Ａ軸、Ｂ軸、Ｃ軸）に沿って加えられた（受けた）外力のそれぞれに応じて３つの電荷Ｑａ，Ｑｃ，Ｑｂを出力する機能を有する。電荷出力素子１０は、電荷Ｑａ，Ｑｃ，Ｑｂを出力する積層体１１０と、積層体１１０に電気的に接続された側面電極１７１，１７２，１７３，１７４と、側面電極１７１，１７２，１７３，１７４にそれぞれ電気的に接続された接続電極１８１，１８２，１８３，１８４とを有している。また、積層体１１０は、第１カバー基材１６１及び第２カバー基材１６２により挟持されている。
【００８４】
＜センサーデバイス＞
センサーデバイス６は、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。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。電荷出力素子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、電荷出力素子１０を保護することができ、信頼性の高い力検出装置１を提供することができる。なお、電荷出力素子１０の上面は、蓋体６２に接触している。また、パッケージ６０の蓋体６２は、上側、すなわち、第２基部３側に配置され、基部６１は、下側、すなわち、第１基部２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、凸部２３と壁部３５とで挟持されて与圧され、その基部６１と蓋体６２とにより、電荷出力素子１０が挟持されて与圧される。
【００８５】
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。また、パッケージ６０の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、図５に示すように、第１基部２の平面視で、四角形をなしている。なお、パッケージ６０の平面視での前記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の形状が多角形の場合、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。
【００８６】
また、蓋体６２は、本実施形態では、板状をなし、その中央部と外周部との間の部位が屈曲することで、中央部が第２基部３に向って突出している。中央部の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、第１基部２の平面視で、電荷出力素子１０と同じ形状、すなわち、四角形をなしている。なお、蓋体６２の中央部の上面及び下面は、いずれも平面である。また、図５に示すように、凹部６１１は、その深さ（Ａ軸方向の長さ）が段階的に変化した部分である段差部６１３を有している。段差部６１３には、４つの端子６３ａ，６３ｂ，６３ｃ，６３ｄが設けられている。
【００８７】
各端子６３ａ，６３ｂ，６３ｃ，６３ｇは、略同様の構成であるため、以下、端子６３ａについて代表的に説明する。端子６３ａは、図５（Ａ）に示すように、凹部６１１内に露出した部分６５と、基部６１埋設され、一部がパッケージ６０の外側に露出した部分６６とを有している。部分６５は、接続電極１８１により電荷出力素子１０と電気的に接続されている。一方、部分６６は、図示しない配線を介して、アナログ回路基板４と電気的に接続されている。これにより、電荷出力素子１０とアナログ回路基板４とが電気的に接続される。このようなパッケージ６０内には、電荷出力素子１０が収納されている。この電荷出力素子１０については後に詳述する。
【００８８】
［積層体］
図６に示すように、積層体１１０の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、第１基部２の平面視、すなわち、第１基部２に対して垂直な方向から見て、四角形をなしている。なお、積層体１１０の平面視における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。
【００８９】
図６に示すように、積層体１１０は、グランド（基準電位点）に接地された６つのグランド電極層１５１，１５２，１５３，１５４，１５５，１５６と、Ａ軸に平行な外力（圧縮／引張力）に応じて電荷Ｑａを出力する第１センサー１２と、Ｃ軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｃを出力する第２センサー１３と、Ｂ軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｂを出力する第３センサー１４とを有している。
【００９０】
図５及び図６に示すように、積層体１１０は、グランド電極層１５６、第３センサー１４、グランド電極層１５５，１５４、第２センサー１３、グランド電極層１５３，１５２、第１センサー１２、及びグランド電極層１５１の順に、Ａ軸方向負側から積層されている。なお、第１センサー１２、第２センサー１３、及び第３センサー１４の積層順は任意であり、本実施形態は、図５及び図６に示す第１センサー１２、第２センサー１３、及び第３センサー１４の積層順に限定されない。また、図５及び図６において、第１センサー１２、第２センサー１３、及び第３センサー１４の積層方向をＡ軸方向とし、Ａ軸方向に直交しかつ互いに直交する方向をそれぞれＢ軸方向、Ｃ軸方向としている。
【００９１】
（第１センサー）
図６に示すように、第１センサー１２は、Ａ軸に沿って加えられた（受けた）外力（圧縮／引張力）に応じて電荷Ｑａを出力する機能を有する。第１センサー１２は、Ａ軸に平行な圧縮力に応じて正電荷を出力し、Ａ軸に平行な引張力に応じて負電荷を出力するよう構成されている。
【００９２】
図６に示すように、第１センサー１２は、第１圧電体層１２１と、第１圧電体層１２１と対向して設けられた第２圧電体層１２３と、第１圧電体層１２１の下面に設けられた第１出力電極層１２４ｘと、第２圧電体層１２３の上面に設けられた第２出力電極層１２４ｙとを有している。また、第１出力電極層１２４ｘと第２出力電極層１２４ｙとは、接着層１２５により接合されている。
【００９３】
第１圧電体層１２１は、Ｘカット結晶板で構成されており、互いに直交する３つの結晶軸であるｘ軸（結晶軸ｘ）、ｙ軸（結晶軸ｙ）、及びｚ軸（結晶軸ｚ）を有している。
【００９４】
第２圧電体層１２３は、第１圧電体層１２１と同様に、Ｘカット結晶板で構成されており、第１圧電体層１２１をＢ軸回りに１８０°回転させた状態で配置されている。第１出力電極層１２４ｘは、第１圧電体層１２１内に生じた正電荷又は負電荷を電荷Ｑａｘとして出力する機能を有する。また、第２出力電極層１２４ｙは、第２圧電体層１２３内に生じた正電荷又は負電荷を電荷Ｑａｙとして出力する機能を有する。
【００９５】
また、第１出力電極層１２４ｘ及び第２出力電極層１２４ｙを構成する材料としては、特に限定されないが、第１出力電極層１２４ｘ及び第２出力電極層１２４ｙの熱膨張係数が、第１圧電体層１２１の結晶軸ｙ方向（Ｃ軸方向）及び第２圧電体層１２３の結晶軸ｙ方向（Ｃ軸方向）の熱膨張係数とできる限り近いことが好ましい。これにより、例えば力検出装置１の温度環境下の変化に起因して電荷出力素子１０が熱変形した場合であっても、第１出力電極層１２４ｘ及び第２出力電極層１２４ｙと、第１圧電体層１２１及び第２圧電体層１２３とが近似の収縮率又は伸長率で変形する。これにより、第１出力電極層１２４ｘ及び第２出力電極層１２４ｙが、力検出装置１の温度変化に起因する不要な信号（誤差成分）を出力することをより効果的に抑制又は防止することができる。
【００９６】
また、第１出力電極層１２４ｘ及び第２出力電極層１２４ｙの熱膨張係数は、第１圧電体層１２１及び第２圧電体層１２３のｙ軸方向に沿った熱膨張係数の１０％以下であるのが好ましく、８％以下であるのがより好ましく、５％以下であるのがさらに好ましい。これにより、不要な信号を出力することをより効果的に抑制又は防止することができる。
【００９７】
かかる条件を満足し得る第１出力電極層１２４ｘ及び第２出力電極層１２４ｙの構成材料としては、例えば、ニッケル、金、チタニウム、アルミニウム、銅、鉄、クロム等が挙げられ、これらのうちの１種又は２種以上を組み合わせて用いることができる。中でもと特に、第１出力電極層１２４ｘ及び第２出力電極層１２４ｙは、ニッケル（Ｎｉ）を含む材料で構成されていることが好ましい。ニッケルは、前述したような圧電体層１２１，１２３の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有することから好ましい。
【００９８】
また、接着層１２５は、第１出力電極層１２４ｘと第２出力電極層１２４ｙとの導通を遮断する機能を有する。接着層１２５を構成する材料としては、特に限定されず、例えば、例えば、シリコーン系、エポキシ系、アクリル系、シアノアクリレート系、ポリウレタン系等の接着剤等を好適に用いることができる。
【００９９】
そして、図６に示すように、第１出力電極層１２４ｘから出力された電荷Ｑａｘと、第２出力電極層１２４ｙから出力された電荷Ｑａｙとは、加算回路８４で加算されてＱａとなる。以上のようにして、力検出装置１にＡ軸に沿って外力が加えられると、第１センサー１２から電荷Ｑａが出力される。
【０１００】
（第２センサー）
第２センサー１３は、Ｃ軸に沿って加えられた（受けた）外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｃを出力する機能を有する。第２センサー１３は、Ｃ軸の負方向に沿って加えられた外力に応じて正電荷を出力し、Ｃ軸の正方向に沿って加えられた外力に応じて負電荷を出力するよう構成されている。
【０１０１】
図６に示すように、第２センサー１３は、第３圧電体層１３１と、第３圧電体層１３１と対向して設けられた第４圧電体層１３３と、第３圧電体層１３１の下面に設けられた第３出力電極層１３４ｘと、第４圧電体層１３３の上面に設けられた第４出力電極層１３４ｙとを有している。また、第３出力電極層１３４ｘと第４出力電極層１３４ｙとは、接着層１３５により接合されている。
【０１０２】
第３圧電体層１３１は、Ｙカット結晶板で構成されており、互いに直交する３つの結晶軸であるｘ軸（結晶軸ｘ）、ｙ軸（結晶軸ｙ）、及びｚ軸（結晶軸ｚ）を有している。第３圧電体層１３１では、ｙ軸方向とＡ軸方向とが一致しており、ｚ軸方向とＢ軸方向とが一致しており、ｘ軸方向とＣ軸方向とが一致している。第４圧電体層１３３は、第３圧電体層１３１と同様に、Ｙカット結晶板で構成されており、第３圧電体層１３１をＢ軸回りに１８０°回転させた状態で配置されている。
【０１０３】
第３出力電極層１３４ｘは、第３圧電体層１３１内に生じた正電荷又は負電荷を電荷Ｑｃｘとして出力する機能を有する。また、第４出力電極層１３４ｙは、第４圧電体層１３３内に生じた正電荷又は負電荷を電荷Ｑｃｙとして出力する機能を有する。第３出力電極層１３４ｘ及び第４出力電極層１３４ｙを構成する材料としては、特に限定されず、前述した第１出力電極層１２４ｘ及び第２出力電極層１２４ｙで述べた材料を用いることができる。また、第３出力電極層１３４ｘ及び第４出力電極層１３４ｙは、第１出力電極層１２４ｘ及び第２出力電極層１２４ｙで述べた材料を用いることにより、前述した効果と同様の効果が得られる。
【０１０４】
接着層１３５は、第３出力電極層１３４ｘと第４出力電極層１３４ｙとの導通を遮断する機能を有する。接着層１３５を構成する材料としては、特に限定されず、前述した接着層１２５で述べた材料を用いることができる。
【０１０５】
そして、図６に示すように、第３出力電極層１３４ｘから出力された電荷Ｑｃｘと、第４出力電極層１３４ｙから出力された電荷Ｑｃｙとは、加算回路８５で加算されてＱｃとなる。以上のようにして、力検出装置１にＣ軸に沿って外力が加えられると、第２センサー１３から電荷Ｑｃが出力される。
【０１０６】
（第３センサー）
第３センサー１４は、Ｂ軸に沿って加えられた（受けた）外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｂを出力する機能を有する。第３センサー１４は、Ｂ軸の正方向に沿って加えられた外力に応じて負電荷を出力し、Ｂ軸の負方向に沿って加えられた外力に応じて正電荷を出力するよう構成されている。
【０１０７】
図６に示すように、第３センサー１４は、第５圧電体層１４１と、第５圧電体層１４１と対向して設けられた第６圧電体層１４３と、第５圧電体層１４１の下面に設けられた第５出力電極層１４４ｘと、第６圧電体層１４３の上面に設けられた第６出力電極層１４４ｙとを有している。また、第５出力電極層１４４ｘと第６出力電極層１４４ｙとは、接着層１４５により接合されている。
【０１０８】
第５圧電体層１４１は、Ｙカット結晶板で構成されており、互いに直交する３つの結晶軸であるｘ軸（結晶軸ｘ）、ｙ軸（結晶軸ｙ）、及びｚ軸（結晶軸ｚ）を有している。第５圧電体層１４１では、ｙ軸方向とＡ軸方向とが一致しており、ｘ軸方向とＢ軸方向とが一致しており、ｚ軸方向とＣ軸方向とが一致している。第６圧電体層１４３は、第５圧電体層１４１と同様に、Ｙカット結晶板で構成されており、第５圧電体層１４１をＣ軸回りに１８０°回転させた状態で配置されている。
【０１０９】
第５出力電極層１４４ｘは、第５圧電体層１４１内に生じた正電荷又は負電荷を電荷Ｑｂｘとして出力する機能を有する。また、第６出力電極層１４４ｙは、第６圧電体層１４３内に生じた正電荷又は負電荷を電荷Ｑｂｙとして出力する機能を有する。第５出力電極層１４４ｘ及び第６出力電極層１４４ｙを構成する材料としては、特に限定されず、前述した第１出力電極層１２４ｘ及び第２出力電極層１２４ｙで述べた材料を用いることができる。また、第５出力電極層１４４ｘ及び第６出力電極層１４４ｙは、第１出力電極層１２４ｘ及び第２出力電極層１２４ｙで述べた材料を用いることにより、前述した効果と同様の効果が得られる。
【０１１０】
接着層１４５は、第５出力電極層１４４ｘと第６出力電極層１４４ｙとの導通を遮断する機能を有する。接着層１４５を構成する材料としては、特に限定されず、前述した接着層１２５で述べた材料を用いることができる。
【０１１１】
そして、図６に示すように、第５出力電極層１４４ｘから出力された電荷Ｑｂｘと、第６出力電極層１４４ｙから出力された電荷Ｑｂｙとは、加算回路８６で加算されてＱｂとなる。以上のようにして、力検出装置１にＢ軸に沿って外力が加えられると、第３センサー１４から電荷Ｑｂが出力される。
【０１１２】
［第１カバー基材及び第２カバー基材］
また、電荷出力素子１０は、積層体１１０を挟持するように設けられた第１カバー基材１６１及び第２カバー基材１６２を有している。第２カバー基材１６２、積層体１１０、及び第１カバー基材１６１は、この順にＡ軸方向負側から積層されている。
【０１１３】
第１カバー基材１６１及び第２カバー基材１６２は、それぞれ絶縁体で構成されており、パッケージ６０と積層体１１０との導通を遮断する機能を有している。第１カバー基材１６１及び第２カバー基材１６２の構成材料は、特に限定されないが、本実施形態では、第１カバー基材１６１及び第２カバー基材１６２は、Ｙカット結晶板で構成されている。第１カバー基材１６１及び第２カバー基材１６２では、ｙ軸方向とＡ軸方向とが一致しており、ｚ軸方向とＢ軸方向とが一致しており、ｘ軸方向とＣ軸方向とが一致している。
【０１１４】
［側面電極］
図５に示すように、電荷出力素子１０は、積層体１１０に電気的に接続された側面電極１７１，１７２，１７３，１７４を有している。また、前述した構成の積層体１１０は、４つの側面１１０ａ〜１１０ｄを備えている。これらの側面のうち、２つの側面１１０ａ、１１０ｃは、Ｃ軸（第１及び第２圧電体層１２１，１２３の結晶軸ｙ）を法線とする側面であり、２つの側面１１０ｂ，１１０ｄは、Ｂ軸（第１及び第２圧電体層１２１，１２３の結晶軸ｚ）を法線とする側面である。
【０１１５】
図５に示すように、本実施形態では、第１出力電極層１２４ｘ及び第２出力電極層１２４ｙに接続され、電荷Ｑａを取り出すための第１側面電極１７１が、第２側面１１０ｂに設けられている。また、第５出力電極層１４４ｘ及び第６出力電極層１４４ｙに接続され、電荷Ｑｂを取り出すための第３側面電極１７３が、第２側面１１０ｂに設けられている。また、第３出力電極層１３４ｘ及び第４出力電極層１３４ｙに接続され、電荷Ｑｃを取り出すための第２側面電極１７２が、第４側面１１０ｄに設けられている。また、グランド電極層１５１，１５２，１５３，１５４，１５５，１５６に接続され、積層体１１０を接地するための第４側面電極１７４が、第４側面１１０ｄに設けられている。また、各側面電極１７１〜１７４は、積層体１１０の厚さ方向に沿って長尺状（側面視で帯状）をなしており、パッケージ６０の基部６１に設けられた端子６３ａ〜６３ｄに電気的に接続されている。かかる構成とすることにより、各側面電極１７１〜１７４を容易に形成することができるとともに、各接続電極１８１〜１８４との導通も取り易い。なお、このような側面電極１７１〜７１４は、例えば、スパッタ法、メッキ法等により形成することができる。
【０１１６】
［グランド電極層］
各グランド電極層１５１〜１５６は、グランド（基準電位点）に接地された内部電極である。グランド電極層１５１〜１５６を構成する材料は、特に限定されないが、例えば、ニッケル、金、チタニウム、アルミニウム、銅、鉄、クロム又はこれらを含む合金が好ましい。中でも特に、各グランド電極層１５１〜１５６は、Ｎｉを含む材料で構成されていることが好ましい。これにより、各グランド電極層１５１〜１５６の熱膨張係数と、それに隣接する各圧電体層１２１，１２３，１３１，１３３，１４１，１４３の熱膨張力係数との差を、比較的小さくすることができる。そのため、電荷出力素子１０が熱変形する場合、各グランド電極層１５１〜１５６及び各圧電体層１２１，１２３，１３１，１３３，１４１，１４が熱変形したとしても、これら（各グランド電極層及び各圧電体層）の膨張率又は収縮率の差を小さくすることができる。したがって、これら（各グランド電極層及び各圧電体層）の膨張率又は収縮率の差に起因して、各圧電体層に圧縮応力や引張応力が発生することを特に効果的に防止又は抑制することができる。その結果、より高精度な電荷出力素子１０を得ることができる。
【０１１７】
また、各グランド電極層１５１〜１５６を構成する材料としては、特に限定されないが、各グランド電極層１５１〜１５６の熱膨張係数が、第１圧電体層１２１の結晶軸ｙ方向（Ｃ軸方向）及び第２圧電体層１２３の結晶軸ｙ方向（Ｃ軸方向）の熱膨張係数と、できる限り近いことが好ましい。これにより、例えば力検出装置１の温度環境下の変化に起因して電荷出力素子１０が熱変形した場合であっても、各グランド電極層１５１〜１５６と、第１圧電体層１２１及び第２圧電体層１２３とが近似の収縮率又は伸長率で変形する。これにより、第１出力電極層１２４ｘ及び第２出力電極層１２４ｙが、各グランド電極層１５１〜１５６の前記熱変形に起因する不要な信号（誤差成分）を出力することをより効果的に抑制又は防止することができる。
【０１１８】
また、各グランド電極層１５１〜１５６の熱膨張係数は、第１圧電体層１２１及び第２圧電体層１２３のｙ軸方向に沿った熱膨張係数の１０％以下であるのが好ましく、８％以下であるのがより好ましく、５％以下であるのがさらに好ましい。これにより、第１出力電極層１２４ｘ及び第２出力電極層１２４ｙが、前記不要な信号（誤差成分）を出力することをより効果的に抑制又は防止することができる。
【０１１９】
かかる条件を満足し得る各グランド電極層１５１〜１５６の構成材料としては、例えば、ニッケル、金、チタニウム、アルミニウム、銅、鉄等が挙げられ、これらのうちの１種又は２種以上を組み合わせて用いることができる。中でもと特に、各グランド電極層１５１〜１５６は、ニッケル（Ｎｉ）を含む材料で構成されていることが好ましい。ニッケルは、前述したような圧電体層１２１，１２３の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有することから好ましい。
【０１２０】
また、全てのグランド電極層１５１〜１５６は、同一の材料で構成されていることが好ましい。これにより、第１出力電極層１２４ｘ及び第２出力電極層１２４ｙが、前記不要な信号（誤差成分）を出力することをより一層効果的に防止することができる。また、接着層１２５は、第１出力電極層１２４ｘと第２出力電極層１２４ｙとの導通を遮断する機能を有する。接着層１２５を構成する材料としては、特に限定されず、例えば、例えば、シリコーン系、エポキシ系、アクリル系、シアノアクリレート系、ポリウレタン系等の接着剤等を好適に用いることができる。
【０１２１】
また、グランド電極層１５６と第２カバー基材１６２とは、接着層１０４を介して接合されている。グランド電極層１５５とグランド電極層１５４とは、接着層１０３を介して接合されている。グランド電極層１５３とグランド電極層１５２とは、接着層１０２を介して接合されている。グランド電極層１５１と第１カバー基材１６１とは、接着層１０１を介して接合されている。各接着層１０１〜１０４を構成する材料としては、特に限定されず、例えば、シリコーン系、エポキシ系、アクリル系、シアノアクリレート系、ポリウレタン系等の接着剤等を好適に用いることができる。
【０１２２】
［接続電極］
図５に示すように、電荷出力素子１０は、各側面電極１７１〜１７４に電気的に接続された各接続電極１８１〜１８４を有している。第１側面電極１７１には第１接続電極１８１が電気的に接続されている。また、第１接続電極１８１は、端子６３ａと電気的に接続されている。これにより、端子６３ａと第１出力電極層１２４ｘ及び第２出力電極層１２４ｙとが電気的に接続されている。
【０１２３】
また、第２側面電極１７２には第２接続電極１８２が電気的に接続されている。また、第２接続電極１８２は、端子６３ｂと電気的に接続されている。これにより、端子６３ｂと第３出力電極層１３４ｘ及び第４出力電極層１３４ｙとが電気的に接続されている。また、第３側面電極１７３には第３接続電極１８３が電気的に接続されている。また、第３接続電極１８３は、端子６３ｃと電気的に接続されている。これにより、端子６３ｃと第５出力電極層１４４ｘ及び第６出力電極層１４４ｙとが電気的に接続されている。
【０１２４】
また、第４側面電極１７４には第４接続電極１８４が電気的に接続されている。また、第４接続電極１８４は、端子６３ｄと電気的に接続されている。これにより、端子６３ｄと各グランド電極層１５１〜１５６とが電気的に接続されている。また、各接続電極１８１〜１８４は、例えば、Ａｇペースト、Ｃｕペースト、Ａｕペースト等で形成することができるが、特に、Ａｇペーストを用いるのが好ましい。Ａｇペーストは、入手が容易であり、取扱性にも優れる。
【０１２５】
また、各接続電極１８１〜１８４は、積層体１１０の第３センサー１４側に位置している。このため、各接続電極１８１〜１８４と第１センサー１２とは離間している。具体的には、第１センサー１２の下面に位置するグランド電極層１５２と、各接続電極１８１〜１８４とは、２００μｍ以上離間している。すなわち、図６中に示すように、グランド電極層１５２と接続電極１８４との離間距離ｈは、２００μｍ以上となっている。なお、全ての接続電極１８１〜１８４が、グランド電極層１５２と２００μｍ以上離間している。かかる構成により、第１センサー１２は、各接続電極１８１〜１８４の熱変形の影響を受けにくくなっている。すなわち、第１センサー１２と各接続電極１８１〜１８４とが２００μｍ以上離間するこことにより、各接続電極１８１〜１８４の熱変形に起因して第１センサー１２がＣ軸方向に熱変形することが防止又は抑制されている。
【０１２６】
図７は、本実施形態に係るアナログ回路基板４を示す平面図である。
本実施形態に係るアナログ回路基板４は、基材９０と、基材９０に実装される半導体部品としてのＩＣ（integrated circuit）（第１回路部品）９４と、基材９０に実装されるコンデンサー（第２回路部品）３２，９４と、を備えている。基材９０には４つのコンデンサー３２，９２が配置されている。４つのコンデンサー３２，９２はＩＣ９４の足の近傍に配置されている。
【０１２７】
図８は、本実施形態に係るアナログ回路基板４の部分拡大図である。
アナログ回路基板４は、基材９０とＩＣ９４とで挟まれた空間の中心線９９が、基材９０とコンデンサー９２（３２）とで挟まれた空間の中心を通過する。
【０１２８】
中心線９９は、基材９０とコンデンサー９２（３２）とで挟まれた空間の中心を通過することが好ましい。これによれば、さらにアナログ回路基板４を洗浄する際に洗浄液が流れ易いようにＩＣ９４とコンデンサー９２（３２）とを配置することができる。
【０１２９】
ＩＣ９４は、複数のリードフレーム（配線電極）９６を備えている。中心線９９は、隣り合うリードフレーム９６の間に配置されていることが好ましい。アナログ回路基板４は、基材９０とＩＣ９４の隣り合うリードフレーム９６間とで挟まれた空間の中心線９９が、基材９０とコンデンサー９２（３２）の電極９８間とで挟まれた空間の中心を通過する。これによれば、洗浄液が基材９０とコンデンサー９２（３２）との間に入りやすいので、基材９０とコンデンサー９２（３２）との間のフラックスが取れやすい。
【０１３０】
（回路のパスリーク）
図９は、本実施形態に係る部品配置を説明する図である。
本実施形態のアナログ回路基板４は、ＩＣ９４とコンデンサー９２（３２）とが接近している。これによれば、破線領域内はハイインピーダンスなので外部からの信号に弱いが、破線領域内のパターンを短くすることで外部からのノイズに強くなる。また、水晶・アンプ・コンデンサー９２（３２）の経路（網点領域）を守ることで水晶から出た微小な電荷を正確に取得でき精度が向上する。
【０１３１】
次に、コンデンサー裏汚染による絶縁抵抗の低下による出力変化を説明する。
図１０は、回路のパスリークを説明する図である。図１０（Ａ）は回路を示し、図１０（Ｂ）は出力変化を示している図である。なお、縦軸は出力電荷Ｑ（ｐＣ）、横軸は時間ｔ（Ｓ）である。
【０１３２】
図１０（Ａ）に示すように、コンデンサー裏汚染によりコンデンサーと並列する疑似抵抗が設けられたようになり、その疑似抵抗から電荷が抜ける。図１０（Ｂ）の線分ａは、本来（コンデンサー裏汚染なし）の出力変化を示している。曲線ｂは、電荷が抜けた出力変化を示している。
【０１３３】
電荷は一派的に次式で表せられる。
Ｑ＝Ｑ0ｅ-t/CR
なお、Ｑ：電荷、Ｑ0：直前の電荷、Ｔ：時間、Ｃ：コンデンサー値、Ｒ：抵抗値である。これによれば、電荷が多いほど大きく抜けることになる。
【０１３４】
回路のパスリークは回路に疑似抵抗が付いて電荷が抜ける。コンデンサーの絶縁抵抗が低下の原因である。
【０１３５】
本適用例によれば、基材９０とＩＣ９４とで挟まれた空間の中心線９９が、基材９０とコンデンサー９２（３２）とで挟まれた空間の中心を通過することができる。これにより、アナログ回路基板４を洗浄する際に洗浄液が流れ易いようにＩＣ９４とコンデンサー９２（３２）とを配置することができ、流体効果により基板のフラックス洗浄の効果を高めることができる。その結果、洗浄ムラによるフラックス残渣をなくし時間ドリフトを低減できる。
【０１３６】
また、基材９０にＩＣ９４とコンデンサー９２（３２）とを配置したアナログ回路基板４において、基材９０とＩＣ９４との間の空間を流動した洗浄液が、層流の状態のまま、基材９０とコンデンサー９２（３２）との間を流動できる。その結果、フラックスを効果的に洗浄できる効果を得ることができる。
【０１３７】
（単腕ロボット）
次に、図１１に基づき、本実施形態に係るロボットである単腕ロボットを説明する。
図１１は、本実施形態に係る力検出装置１を用いた単腕ロボットの１例を示す図である。
単腕ロボット５００は、図１１に示すように、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。
【０１３８】
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）及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、及び移動可能な台車上などに固定される。
【０１３９】
アーム５２０は、第１アーム要素５２１、第２アーム要素５２２、第３アーム要素５２３、第４アーム要素５２４、及び第５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又は屈曲することにより駆動する。
【０１４０】
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指５３１及び第２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指５３１及び第２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。
【０１４１】
なお、エンドエフェクター５３０は、ここでは、ハンドであるが、本実施形態では、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、及び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。
【０１４２】
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及び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。また、信頼性の高い単腕ロボット５００を提供できる。
【０１４３】
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、本実施形態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実施形態の範囲内である。
【０１４４】
（複腕ロボット）
次に、図１２に基づき、本実施形態に係るロボットである複腕ロボットを説明する。
図１２は、本実施形態に係る力検出装置１を用いた複腕ロボットの１例を示す図である。
複腕ロボット６００は、図１２に示すように、基台６１０と、第１アーム６２０と、第２アーム６３０と、第１アーム６２０の先端側に設けられた第１エンドエフェクター６４０ａと、第２アーム６３０の先端側に設けられた第２エンドエフェクター６４０ｂと、第１アーム６２０と第１エンドエフェクター６４０ａとの間及び第２アーム６３０と第２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。
【０１４５】
基台６１０は、第１アーム６２０及び第２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）及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、及び移動可能な台車上などに固定される。
【０１４６】
第１アーム６２０は、第１アーム要素６２１及び第２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アーム６３０は、第１アーム要素６３１及び第２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アーム６２０及び第２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又は屈曲することにより駆動する。
【０１４７】
第１及び第２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エンドエフェクター６４０ａは、第１指６４１ａ及び第２指６４２ａを有している。第２エンドエフェクター６４０ｂは、第１指６４１ｂ及び第２指６４２ｂを有している。第１アーム６２０の駆動により第１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指６４１ａ及び第２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アーム６３０の駆動により第２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指６４１ｂ及び第２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。
【０１４８】
力検出装置１は第１及び第２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及び第２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及び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。また、信頼性の高い複腕ロボット６００を提供できる。
【０１４９】
なお、図示の構成では、アームは合計２本であるが、本実施形態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、本実施形態の範囲内である。
【０１５０】
（電子部品検査装置及び電子部品搬送装置）
次に、図１３及び図１４に基づき、本実施形態に係る力検出装置１を備えた電子部品検査装置及び電子部品搬送装置を説明する。
図１３は、本実施形態に係る力検出装置１を用いた電子部品検査装置及び部品搬送装置の１例を示す図である。図１４は、本実施形態に係る力検出装置１を用いた電子部品搬送装置の１例を示す図である。
【０１５１】
電子部品検査装置７００は、図１３に示すように、基台７１０と、基台７１０の側面に立設された支持台７２０とを有する。基台７１０の上面には、検査対象の電子部品７１１が載置されて搬送される上流側ステージ７１２ｕと、検査済みの電子部品７１１が載置されて搬送される下流側ステージ７１２ｄとが設けられている。また、上流側ステージ７１２ｕと下流側ステージ７１２ｄとの間には、電子部品７１１の姿勢を確認するための撮像装置７１３と、電気的特性を検査するために電子部品７１１がセットされる検査台７１４とが設けられている。なお、電子部品７１１の例として、半導体、半導体ウェハ、ＣＬＤやＯＬＥＤ等の表示デバイス、水晶デバイス、各種センサー、インクジェットヘッド、及び各種ＭＥＭＳデバイス等などが挙げられる。
【０１５２】
また、支持台７２０には、基台７１０の上流側ステージ７１２ｕ及び下流側ステージ７１２ｄと平行な方向（Ｙ方向）に移動可能にＹステージ７３１が設けられており、Ｙステージ７３１からは、基台７１０に向かう方向（Ｘ方向）に腕部７３２が延設されている。また、腕部７３２の側面には、Ｘ方向に移動可能にＸステージ７３３が設けられている。また、Ｘステージ７３３には、撮像カメラ７３４と、上下方向（Ｚ方向）に移動可能なＺステージを内蔵した電子部品搬送装置７４０が設けられている。また、電子部品搬送装置７４０の先端側には、電子部品７１１を把持する把持部７４１が設けられている。また、電子部品搬送装置７４０の先端と、把持部７４１との間には、力検出装置１が設けられている。さらに、基台７１０の前面側には、電子部品検査装置７００の全体の動作を制御する制御装置７５０が設けられている。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。
【０１５３】
電子部品検査装置７００は、以下のようにして電子部品７１１の検査を行う。最初に、検査対象の電子部品７１１は、上流側ステージ７１２ｕに載せられて、検査台７１４の近くまで移動する。次に、Ｙステージ７３１及びＸステージ７３３を動かして、上流側ステージ７１２ｕに載置された電子部品７１１の真上の位置まで電子部品搬送装置７４０を移動させる。このとき、撮像カメラ７３４を用いて電子部品７１１の位置を確認することができる。そして、電子部品搬送装置７４０内に内蔵されたＺステージを用いて電子部品搬送装置７４０を降下させ、把持部７４１で電子部品７１１を把持すると、そのまま電子部品搬送装置７４０を撮像装置７１３の上に移動させて、撮像装置７１３を用いて電子部品７１１の姿勢を確認する。次に、電子部品搬送装置７４０に内蔵されている微調整機構を用いて電子部品７１１の姿勢を調整する。そして、電子部品搬送装置７４０を検査台７１４の上まで移動させた後、電子部品搬送装置７４０に内蔵されたＺステージを動かして電子部品７１１を検査台７１４の上にセットする。電子部品搬送装置７４０内の微調整機構を用いて電子部品７１１の姿勢が調整されているので、検査台７１４の正しい位置に電子部品７１１をセットすることができる。次に、検査台７１４を用いて電子部品７１１の電気的特性検査が終了した後、今度は検査台７１４から電子部品７１１を取上げ、Ｙステージ７３１及びＸステージ７３３を動かして、下流側ステージ７１２ｄ上まで電子部品搬送装置７４０を移動させ、下流側ステージ７１２ｄに電子部品７１１を置く。最後に、下流側ステージ７１２ｄを動かして、検査が終了した電子部品７１１を所定位置まで搬送する。
【０１５４】
図１４は、力検出装置１を含む電子部品搬送装置７４０を示す図である。電子部品搬送装置７４０は、把持部７４１と、把持部７４１に接続された６軸の力検出装置１と、６軸の力検出装置１を介して把持部７４１に接続された回転軸７４２と、回転軸７４２に回転可能に取り付けられた微調整プレート７４３を有する。また、微調整プレート７４３は、ガイド機構（図示せず）によってガイドされながら、Ｘ方向及びＹ方向に移動可能である。
【０１５５】
また、回転軸７４２の端面に向けて、回転方向用の圧電モーター７４４θが搭載されており、圧電モーター７４４θの駆動凸部（図示せず）が回転軸７４２の端面に押しつけられている。このため、圧電モーター７４４θを動作させることによって、回転軸７４２（及び把持部７４１）をθ方向に任意の角度だけ回転させることが可能である。また、微調整プレート７４３に向けて、Ｘ方向用の圧電モーター７４４ｘと、Ｙ方向用の圧電モーター７４４ｙとが設けられており、それぞれの駆動凸部（図示せず）が微調整プレート７４３の表面に押しつけられている。このため、圧電モーター７４４ｘを動作させることによって、微調整プレート７４３（及び把持部７４１）をＸ方向に任意の距離だけ移動させることができ、同様に、圧電モーター７４４ｙを動作させることによって、微調整プレート７４３（及び把持部７４１）をＹ方向に任意の距離だけ移動させることが可能である。
【０１５６】
また、力検出装置１は、把持部７４１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が検出する力を制御装置７５０にフィードバックすることにより、電子部品搬送装置７４０及び電子部品検査装置７００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、把持部７４１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及び対象物損傷回避動作等を容易に行うことができ、電子部品搬送装置７４０及び電子部品検査装置７００は、より安全な作業を実行可能である。また、信頼性の高い電子部品搬送装置７４０及び電子部品検査装置７００を提供できる。
【０１５７】
（部品加工装置）
次に、図１５に基づき、本実施形態に係る力検出装置１を備えた部品加工装置を説明する。
図１５は、本実施形態に係る力検出装置１を用いた部品加工装置の１例を示す図である。
部品加工装置８００は、図１５に示すように、基台８１０と、基台８１０の上面に起立形成された支柱８２０と、支柱８２０の側面に設けられた送り機構８３０と、送り機構８３０に昇降可能に取り付けられた工具変位部８４０と、工具変位部８４０に接続された力検出装置１と、力検出装置１を介して工具変位部８４０に装着された工具８５０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８１０は、被加工部品８６０を載置し、固定するための台である。支柱８２０は、送り機構８３０を固定するための柱である。送り機構８３０は、工具変位部８４０を昇降させる機能を有する。送り機構８３０は、送り用モーター８３１と、送り用モーター８３１からの出力に基づいて工具変位部８４０を昇降させるガイド８３２を有する。工具変位部８４０は、工具８５０に回転、振動等の変位を与える機能を有する。工具変位部８４０は、変位用モーター８４１と、変位用モーター８４１に連結された主軸（図示せず）の先端に設けられた工具取付け部８４３と、工具変位部８４０に取り付けられ主軸を保持する保持部８４２とを有する。工具８５０は、工具変位部８４０の工具取付け部８４３に、力検出装置１を介して取り付けられ、工具変位部８４０から与えられる変位に応じて被加工部品８６０を加工するために用いられる。工具８５０は、特に限定されないが、例えば、レンチ、プラスドライバー、マイナスドライバー、カッター、丸のこ、ニッパー、錐、ドリル、及びフライス等である。
【０１５９】
力検出装置１は、工具８５０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が検出する外力を送り用モーター８３１や変位用モーター８４１にフィードバックすることにより、部品加工装置８００は、より精密に部品加工作業を実行することができる。また、力検出装置１が検出する外力によって、工具８５０の障害物への接触等を検知することができる。そのため、工具８５０に障害物等が接触した場合に緊急停止することができ、部品加工装置８００は、より安全な部品加工作業を実行可能である。また、信頼性の高い部品加工装置８００を提供できる。
【０１６０】
以上、本発明の回路基板、力検出装置、及びロボットを図示の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、回路基板、力検出装置、及びロボットを構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができる。また、任意の構成物が付加されていてもよい。
【０１６１】
また、本発明の回路基板、力検出装置、及びロボットは、前記各実施形態のうちの、任意の２以上の構成（特徴）を組み合わせたものであってもよい。
【０１６２】
また、本発明の力検出装置では、電荷出力素子（圧電素子）は、４つ設けられていたが、電荷出力素子の数は、これに限定されない。例えば、電荷出力素子は、１つであっても、２つであっても、３つであってもよく、また、５つ以上であってもよい。
【０１６３】
また、本発明では、与圧ボルトに替えて、例えば、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。
【０１６４】
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。
【０１６５】
また、本発明の力検出装置は、ロボット、電子部品搬送装置、電子部品検査装置、及び部品加工装置に限らず、他の装置、例えば、他の搬送装置、他の検査装置、自動車、バイク、飛行機、船、電車等の乗り物、２足歩行ロボット、車輪移動ロボット等の移動体、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、及び入力装置等にも適用することができる。
【符号の説明】
【０１６６】
１…力検出装置  ２…第１基部  ３…第２基部  ４…アナログ回路基板  ５…デジタル回路基板  ６，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄ…センサーデバイス  １０…電荷出力素子（圧電素子）  １１…グランド電極層  １２…第１センサー  １３…第２センサー  １４…第３センサー  ２２…底板  ２３…凸部  ２４…壁部  ３０…補償用信号出力回路  ３１…オペアンプ  ３２…コンデンサー（第２回路部品）  ３３…スイッチング素子  ３４…天板  ３５…壁部  ４０…外力検出回路  ４１…孔  ６０…パッケージ  ６１…基部  ６２…蓋体  ６３ａ〜６３ｄ…端子  ６５，６６…部分  ７１…与圧ボルト  ８４〜８６…加算回路  ９０…基材  ９０ａ，９０ｂ，９０ｃ…変換出力回路  ９１…オペアンプ  ９２…コンデンサー（第２回路部品）  ９３…スイッチング素子  ９４…ＩＣ（第１回路部品）  ９６…リードフレーム  ９８…電極  ９９…中心線  １０１〜１０４…接着層  １１０…積層体  １１０ａ〜１１０ｄ…側面  １２１…第１圧電体層  １２２…出力電極層  １２３…第２圧電体層  １２４ｘ…第１出力電極層  １２４ｙ…第２出力電極層  １２５…接着層  １３１…第３圧電体層  １３２…出力電極層  １３３…第４圧電体層  １３４ｘ…第３出力電極層  １３４ｙ…第４出力電極層  １３５…接着層  １４１…第５圧電体層  １４２…出力電極層  １４３…第６圧電体層  １４４ｘ…第５出力電極層  １４４ｙ…第６出力電極層  １４５…接着層  １５１〜１５６…グランド電極層  １６１…第１カバー基材  １６２…第２カバー基材  １７１〜１７４…側面電極  １８１〜１８４…接続電極  ２２１…下面  ２３１…頂面  ２４１…雌ネジ  ３２１…上面  ３３１…内壁面  ４０１…ＡＤコンバーター  ４０２…演算回路  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  ６１３…段差部  ６２０…第１アーム  ６２１，６２２…アーム要素  ６３０…第２アーム  ６３１，６３２…アーム要素  ６４０ａ，６４０ｂ…エンドエフェクター  ６４１ａ，６４１ｂ…第１指  ６４２ａ，６４２ｂ…第２指  ７００…電子部品検査装置  ７１０…基台  ７１１…電子部品  ７１２ｄ…下流側ステージ  ７１２ｕ…上流側ステージ  ７１３…撮像装置  ７１４…検査台  ７２０…支持台  ７３１…Ｙステージ  ７３２…腕部  ７３３…Ｘステージ  ７３４…撮像カメラ  ７４０…電子部品搬送装置  ７４１…把持部  ７４２…回転軸  ７４３…微調整プレート  ７４４ｘ，７４４ｙ，７４４θ…圧電モーター  ７５０…制御装置  ８００…部品加工装置  ８１０…基台  ８２０…支柱  ８３０…送り機構  ８３１…送り用モーター  ８３２…ガイド  ８４０…工具変位部  ８４１…変位用モーター  ８４２…保持部  ８４３…工具取付け部  ８５０…工具  ８６０…被加工部品。
【図１】
2017022338.tif 000003
【図２】
2017022338.tif 000004
【図３】
2017022338.tif 000005
【図４】
2017022338.tif 000006
【図５】
2017022338.tif 000007
【図６】
2017022338.tif 000008
【図７】
2017022338.tif 000009
【図８】
2017022338.tif 000010
【図９】
2017022338.tif 000011
【図１０】
2017022338.tif 000012
【図１１】
2017022338.tif 000013
【図１２】
2017022338.tif 000014
【図１３】
2017022338.tif 000015
【図１４】
2017022338.tif 000016
【図１５】
2017022338.tif 000017
【図１６】
2017022338.tif 000018