(57)【要約】      （修正有）【課題】安定して端子を取ることが可能となる積層型圧電素子、力検出装置、及びロボットを提供する。【解決手段】積層型圧電素子１０は、複数の圧電体層を積層した積層型圧電素子であって、少なくとも同一方向の線膨張係数の異なる隣り合う一側の第４圧電体層１３３と他側の第５圧電体層１４１との間に緩和層８２、８４が設けられている。第１及び第２緩和層８２、８４の同一方向の線膨張係数は、第４圧電体層１３３と第５圧電体層１４１とのそれぞれの線膨張係数の中間値である。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧電体層を積層した積層型圧電素子であって、
少なくとも同一方向の線膨張係数の異なる隣り合う一側の前記圧電体層と他側の前記圧電体層との間に少なくとも一層の緩和層が設けられていることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項２】
請求項１に記載の積層型圧電素子において、
前記緩和層の前記同一方向の線膨張係数は、前記一側の圧電体層と前記他側の圧電体層とのそれぞれの線膨張係数の中間値であることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項３】
請求項１に記載の積層型圧電素子において、
前記一側の圧電体層と隣り合う一側の前記緩和層の前記同一方向の線膨張係数は、前記一側の圧電体層の前記線膨張係数に近い値であり、
前記他側の圧電体層と隣り合う他側の前記緩和層の前記同一方向の線膨張係数は、前記他側の圧電体層の前記線膨張係数に近い値であることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項４】
請求項３に記載の積層型圧電素子において、
前記一側の緩和層と前記一側の圧電体層とのそれぞれの線膨張係数は、同じ値であり、
前記他側の緩和層と前記他側の圧電体層とのそれぞれの線膨張係数は、同じ値であることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の積層型圧電素子において、
前記緩和層は、水晶であることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の積層型圧電素子を有することを特徴とする力検出装置。
【請求項７】
請求項６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、積層型圧電素子、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】
近年、生産効率向上を目的として、工場等の生産施設への産業用ロボットの導入が進められている。このような産業ロボットとしては、アルミニウム板等の母材に対して機械加工を施す工作機械が代表的である。工作機械には、機械加工を施す際に、母材に対する力を検出する力検出装置が内蔵されたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１には、内部電極を挟んで複数の圧電板を積層した積層体を形成し、この積層体の側面に外部電極を設けた積層型圧電素子の構造について記載されている。
【０００４】
このような力検出装置は、与圧プレートに外力が加わると、その外力が積層型圧電素子に伝達され、積層型圧電素子が外力に応じた電荷を出力し、この電荷に基づいて加えられた外力を検出することができる。
【０００５】
また、このような力測定装置では、セラミックパッケージ（ＰＫＧ）上にＡｇペーストを介して各端子を取り出しており、ＰＫＧを使って回路基板上に実装、配線を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２０１３／１４６９８４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ＰＫＧ上にチップを搭載する際、Ａｇペーストを使って側面電極とＰＫＧを位置決め、端子取り出しを行っており、Ａｇペーストを硬化するために熱をかける必要がある（約２００℃）。６軸の場合、水晶の軸関係上、水晶に異方性があるため線膨張係数が異なるウェハ同士を接着・積層させている。したがって、熱硬化を実施した時に線膨張係数が異なるウェハ間で微小の剥がれが発生してしまう。この剥がれにより、Ａｇペースト／側面電極間の端子取り出しが不安定となるおそれがあった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
［適用例１］本適用例に係る積層型圧電素子は、複数の圧電体層を積層した積層型圧電素子であって、少なくとも同一方向の線膨張係数の異なる隣り合う一側の前記圧電体層と他側の前記圧電体層との間に少なくとも一層の緩和層が設けられていることを特徴とする。
【００１０】
本適用例によれば、一側の圧電体層と他側の圧電体層とを直接形成する場合、熱の作用を利用することが多く、一側の圧電体層と他側の圧電体層との同一方向の線膨張係数の違いにより、剥離等が生じやすくなる。これに対し、一側及び他側の圧電体層の間に緩和層を設けることにより、熱が作用しても、一側及び他側の圧電体層の同一方向の線膨張係数の違いによる、境界面での残留応力や歪による位置ズレ等を緩和でき、一側の圧電体層は、緩和層を介して他側の圧電体層と密着性良く形成することが可能である。これにより、端子取り出し面の剥離等を抑制でき、安定して側面／Ａｇペーストの接触を行うことができる。その結果、安定して端子を取ることが可能となる。
【００１１】
［適用例２］上記適用例に記載の積層型圧電素子において、前記緩和層の前記同一方向の線膨張係数は、前記一側の圧電体層と前記他側の圧電体層とのそれぞれの線膨張係数の中間値であることが好ましい。
【００１２】
本適用例によれば、緩和層は、その線膨張係数が、一側及び他側の圧電体層のそれぞれの線膨張係数と比べて、小さい方の線膨張係数より大きな値であり、大きい方の線膨張係数より小さな値である中間値となっている。なお、この場合中間値が、一側及び他側の圧電体層の線膨張係数の間における中心値近傍の値であれば、一側の圧電体層と緩和層との線膨張係数の差と、緩和層と他側の圧電体層との線膨張係数の差と、がほぼ等しくなり、それぞれの境界面において、残留応力や歪等が緩和されてほぼ同等になり、密着性の観点においてはより好ましい。
【００１３】
［適用例３］上記適用例に記載の積層型圧電素子において、前記一側の圧電体層と隣り合う一側の前記緩和層の前記同一方向の線膨張係数は、前記一側の圧電体層の前記線膨張係数に近い値であり、前記他側の圧電体層と隣り合う他側の前記緩和層の前記同一方向の線膨張係数は、前記他側の圧電体層の前記線膨張係数に近い値であることが好ましい。
【００１４】
本適用例によれば、一側の緩和層は、その線膨張係数が、一側の圧電体層の線膨張係数と比べて近い値となっている。また、他側の緩和層は、その線膨張係数が、他側の圧電体層の線膨張係数と比べて近い値となっている。これにより、一側及び他側の圧電体層の間に一側及び他側の緩和層を設けることにより、熱が作用しても、一側及び他側の圧電体層の同一方向の線膨張係数の違いによる、境界面での残留応力や歪による位置ズレ等を緩和できる。
【００１５】
［適用例４］上記適用例に記載の積層型圧電素子において、前記一側の緩和層と前記一側の圧電体層とのそれぞれの線膨張係数は、同じ値であり、前記他側の緩和層と前記他側の圧電体層とのそれぞれの線膨張係数は、同じ値であることが好ましい。
【００１６】
本適用例によれば、一側の緩和層は、その線膨張係数が、一側の圧電体層の線膨張係数と同じ値となっている。また、他側の緩和層は、その線膨張係数が、他側の圧電体層の線膨張係数と同じ値となっている。これにより、一側及び他側の圧電体層の間に一側及び他側の緩和層を設けることにより、熱が作用しても、一側及び他側の圧電体層の同一方向の線膨張係数の違いによる、境界面での残留応力や歪による位置ズレ等を緩和できる。
【００１７】
［適用例５］上記適用例に記載の積層型圧電素子において、前記緩和層は、水晶であることが好ましい。
【００１８】
本適用例によれば、水晶は、圧電効果を有する単結晶材であり、それ自体が高周波の安定した振動に適した素材である。また、水晶は、緩和層、圧電体層や電極を形成するためのスパッタリング等の加工に対し、変質等の影響を受けない安定した素材でもある。このような水晶で形成された積層型圧電素子は、圧電体層の圧縮又は伸張に応じて敏感に反応し、一定の周波数で屈曲することが可能である。
【００１９】
［適用例６］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積層型圧電素子を有することを特徴とする。
【００２０】
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。
【００２１】
［適用例７］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。
【００２２】
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】
【００２３】
【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断面図。
【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に示す電荷出力素子を概略的に示す断面図。
【図５】本実施形態に係る電荷出力素子を説明する断面図。
【図６】本実施形態に係る電荷出力素子の水晶積層体の結晶軸方向の線膨張係数を説明する図。
【図７】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８】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９】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１０】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１１】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。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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。
【００２５】
１．力検出装置
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に示す力検出装置を概略的に示す回路図である。図４は、図１に示す力検出装置が備える電荷出力素子を概略的に示す断面図である。
【００２６】
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」と言う。
【００２７】
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及び図４には、上記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」、β（Ｂ）軸に平行な方向を「β（Ｂ）軸方向」、及びγ（Ｃ）軸に平行な方向を「γ（Ｃ）軸方向」という。また、α軸とβ軸とで規定される平面を「αβ平面」と言い、β軸とγ軸とで規定される平面を「βγ平面」と言い、及びα軸とγ軸とで規定される平面を「αγ平面」と言う。また、α方向、β方向、及びγ方向において、矢印先端側を「＋（正）側」及び矢印基端側を「−（負）側」とする。
【００２８】
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及びα、β、γ軸周りの回転力成分）を検出する機能を有する。
【００２９】
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（積層型圧電素子）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。
【００３０】
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。
【００３１】
第１基部２は、図１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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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）。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
また、第２基部３は、天板３２と、天板３２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３３とを有している。壁部３３の内壁面３３１は、天板３２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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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４３が例えば嵌合により固定されている。
【００４５】
また、センサーデバイス６Ａに接続されたアナログ回路基板４は、図３に示すように、センサーデバイス６Ａの電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｙ１を電圧Ｖｙ１に変換する変換出力回路９０ａと、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｚ１を電圧Ｖｚ１に変換する変換出力回路９０ｂと、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｘ１を電圧Ｖｘ１に変換する変換出力回路９０ｃとを備えている。
【００４６】
センサーデバイス６Ｂに接続されたアナログ回路基板４は、センサーデバイス６Ｂの電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｙ２を電圧Ｖｙ２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Ｑｚ２を電圧Ｖｚ２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Ｑｘ２を電圧Ｖｘ２に変換する変換出力回路９０ｃとを備えている。
【００４７】
センサーデバイス６Ｃに接続されたアナログ回路基板４は、センサーデバイス６Ｃの電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｙ３を電圧Ｖｙ３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Ｑｚ３を電圧Ｖｚ３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Ｑｘ３を電圧Ｖｘ３に変換する変換出力回路９０ｃとを備えている。
【００４８】
センサーデバイス６Ｄに接続されたアナログ回路基板４は、センサーデバイス６Ｄの電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｙ４を電圧Ｖｙ４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Ｑｚ４を電圧Ｖｚ４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Ｑｘ４を電圧Ｖｘ４に変換する変換出力回路９０ｃとを備えている。
【００４９】
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、第１基部２上のアナログ回路基板４が設けられている位置とは異なる位置に、アナログ回路基板４に接続された支持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、図３に示すように、変換出力回路９０ａ，９０ｂ，９０ｃに接続されたＡ／Ｄコンバーター４０１と、Ａ／Ｄコンバーター４０１に接続された演算部４０２とを有する外力検出回路４０を備えている。
【００５０】
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の各素子及び各配線以外の部位、デジタル回路基板５の各素子及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、各種樹脂材料及び各種金属材料等を用いることができる。
【００５１】
また、第１基部２及び第２基部３は、それぞれ、外形が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。
【００５２】
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］
センサーデバイス６Ａは、図１及び図２に示すように、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，６Ｂ６，６Ｃ，６Ｄの各電荷出力素子１０は、それぞれ、壁部２４と壁部３３とに結合されているともいうことができる。
【００５３】
以下では、各センサーデバイス６Ａ〜６Ｄが第１基部２及び第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。
【００５４】
なお、本実施形態に係るセンサーデバイス６は、図１に示すように、アナログ回路基板４の第２基部３（壁部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。
【００５５】
また、センサーデバイス６Ａ及びセンサーデバイス６Ｂと、センサーデバイス６Ｃ及びセンサーデバイス６Ｄとは、図２に示すように、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。
【００５６】
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。
【００５７】
また、本実施形態では、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄは、全て同じ方向を向いた状態に搭載されているが、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄの向きは、それぞれ、異なっていてもよい。
【００５８】
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。
【００５９】
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又は第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している。
【００６０】
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。なお、電荷出力素子１０を収容するパッケージについては後に詳述する。
【００６１】
［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又は第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。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。
【００６２】
センサーデバイス６が備える電荷出力素子１０は、図４に示すように、第１緩和層８２と．第２緩和層８４と、グランド電極層１１と、第１センサー１２と、第２センサー１３と、第３センサー１４とを有している。
【００６３】
第１及び第２緩和層８２，８４は、第２センサー１３と第３センサー１４との間に設けられている。第１及び第２緩和層８２，８４は、第４圧電体層（一側の圧電体層）１３３と第５圧電体層（他側の圧電体層）１４１との間に設けられている。第１及び第２緩和層８２，８４は、少なくとも同一方向の線膨張係数の異なる隣り合う第４圧電体層１３３と第５圧電体層１４１との間に設けられている。第４圧電体層１３３と第５圧電体層１４１とは線膨張係数の差を有している。第４圧電体層１３３と第５圧電体層１４１とが線膨張係数の差を緩和する第１及び第２緩和層８２，８４を挟持して積層されている。
【００６４】
第１及び第２緩和層８２，８４の同一方向の線膨張係数は、第４圧電体層１３３と第５圧電体層１４１とのそれぞれの線膨張係数の中間値である。これによれば、第１及び第２緩和層８２，８４は、その線膨張係数が、第４及び第５圧電体層１３３，１４１のそれぞれの線膨張係数と比べて、小さい方の線膨張係数より大きな値であり、大きい方の線膨張係数より小さな値である中間値となっている。なお、この場合中間値が、第４及び第５圧電体層１３３，１４１の線膨張係数の間における中心値近傍の値であれば、第４圧電体層１３３と第１緩和層８２との線膨張係数の差と、第２緩和層８４と第５圧電体層１４１との線膨張係数の差と、がほぼ等しくなり、それぞれの境界面において、残留応力や歪等が緩和されてほぼ同等になり、密着性の観点においてはより好ましい。第１及び第２緩和層８２，８４の線膨張係数は、第４圧電体層１３３の線膨張係数と第５圧電体層１４１の線膨張係数とを上限値又は下限値とする範囲に設定された値であってもよい。
【００６５】
第４圧電体層１３３と隣り合う第１緩和層８２の同一方向の線膨張係数は、第４圧電体層１３３の線膨張係数に近い値であってもよい。また、第５圧電体層１４１と隣り合う第２緩和層８４の同一方向の線膨張係数は、第５圧電体層１４１の線膨張係数に近い値であってもよい。これによれば、第１緩和層８２は、その線膨張係数が、第４圧電体層１３３の線膨張係数と比べて近い値となっている。また、第２緩和層８４は、その線膨張係数が、第５圧電体層１４１の線膨張係数と比べて近い値となっている。これにより、第４及び第５圧電体層１３３，１４１の間に第１及び第２の緩和層８２，８４を設けることにより、熱が作用しても、第４及び第５圧電体層１３３，１４１の同一方向の線膨張係数の違いによる、境界面での残留応力や歪による位置ズレ等を緩和できる。第４圧電体層１３３と隣り合う第１緩和層８２の線膨張係数は、第４圧電体層１３３の線膨張係数との差は小さく、第５圧電体層１４１と隣り合う第２緩和層８４の線膨張係数は、第５圧電体層１４１の線膨張係数との差は小さくてもよい。
【００６６】
第１緩和層８２と第４圧電体層１３３とのそれぞれの線膨張係数は、同じ値であってもよい。また、第２緩和層８４と第５圧電体層１４１とのそれぞれの線膨張係数は、同じ値であってもよい。これによれば、第１緩和層８２は、その線膨張係数が、第４圧電体層１３３の線膨張係数と同じ値となっている。また、第２緩和層８４は、その線膨張係数が、第５圧電体層１４１の線膨張係数と同じ値となっている。これにより、第４及び第５圧電体層１３３，１４１の間に第１及び第２緩和層８２，８４を設けることにより、熱が作用しても、第４及び第５圧電体層１３３，１４１の同一方向の線膨張係数の違いによる、境界面での残留応力や歪による位置ズレ等を緩和できる。第１緩和層８２の線膨張係数は第４圧電体層１３３の線膨張係数と同じであり、第２緩和層８４の線膨張係数は第５圧電体層１４１の線膨張係数と同じであってもよい。
【００６７】
第１及び第２緩和層８２，８４を構成する材料は、特に限定されないが、例えば、Ｙカット水晶板が好ましい。
【００６８】
第１及び第２緩和層８２，８４は、第１及び第２緩和層８２，８４内に生じた正電荷又は負電荷を電荷として出力する機能をもたなくてもよい。
【００６９】
なお、本実施形態では緩和層を第１及び第２緩和層８２，８４の二層設けたが、一層であってもよいし、三層以上であってもよい。
【００７０】
第１センサー１２は、外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｘ（電荷Ｑｘ１，Ｑｘ２，Ｑｘ３，Ｑｘ４のいずれか）を出力する機能を有する。第２センサー１３は、外力（圧縮／引張力）に応じて電荷Ｑｚ（電荷Ｑｚ１，Ｑｚ２，Ｑｚ３，Ｑｚ４）を出力する機能を有する。第３センサー１４は、外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｙ（電荷Ｑｙ１，Ｑｙ２，Ｑｙ３，Ｑｙ４）を出力する。
【００７１】
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（又は下面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。
【００７２】
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、各壁部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、及び楕円形等が挙げられる。
【００７３】
以下、グランド電極層１１、第１センサー１２、第２センサー１３、及び第３センサー１４について、説明する。
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、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。
【００７４】
第１センサー１２は、積層方向ＬＤ（第１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センサー１２は、外力に応じて正電荷又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圧電体層１２１及び第２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。
【００７５】
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と第２圧電体層１２３との間に設けられた出力電極層１２２とを有する。
【００７６】
第１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、及びｚ軸を有する。ｙ軸は、第１圧電体層１２１の厚さ方向に沿った軸であり、ｘ軸は、図４中の左右方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図４中の紙面奥行き方向に沿った軸である。
【００７７】
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」、及びｚ軸に平行な方向を「ｚ軸方向」という。なお、後述する第２圧電体層１２３、第３圧電体層１３１、第４圧電体層１３３、第５圧電体層１４１、及び第６圧電体層１４３についても同様である。
【００７８】
第２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、及びｚ軸を有する。ｙ軸は、第２圧電体層１２３の厚さ方向に沿った軸であり、ｘ軸は、図４中の左右方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図４中の紙面奥行き方向に沿った軸である。
【００７９】
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Ｑｘとして出力する機能を有する。
【００８０】
第２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圧電体層１３１及び第４圧電体層１３３におけるｘ軸方向が、前記検出する圧縮及び引張力の方向である。
【００８１】
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と第４圧電体層１３３との間に設けられた出力電極層１３２とを有する。
【００８２】
第３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、及びｚ軸を有する。ｘ軸は、第３圧電体層１３１の厚さ方向に沿った軸であり、ｙ軸は、図４中の左右方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図４中の紙面奥行き方向に沿った軸である。
【００８３】
第４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、及びｚ軸を有する。ｘ軸は、第４圧電体層１３３の厚さ方向に沿った軸であり、ｙ軸は、図４中の左右方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図４中の紙面奥行き方向に沿った軸である。
【００８４】
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。
【００８５】
第３センサー１４は、積層方向ＬＤ（第２挟持方向）と直交し、第１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センサー１４は、外力に応じて正電荷又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圧電体層１４１及び第６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。
【００８６】
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と第６圧電体層１４３との間に設けられた出力電極層１４２とを有する。
【００８７】
第５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、及びｚ軸を有する。ｙ軸は、第５圧電体層１４１の厚さ方向に沿った軸であり、ｘ軸は、図４中の紙面奥行き方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図４中の左右方向に沿った軸である。
【００８８】
第６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圧電体層１４３の厚さ方向に沿った軸であり、ｘ軸は、図４中の紙面奥行き方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図４中の左右方向に沿った軸である。
【００８９】
電荷出力素子１０では、積層方向ＬＤから見たとき、第１圧電体層１２１及び第２圧電体層１２３の各ｘ軸と、第５圧電体層１４１及び第６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圧電体層１２１及び第２圧電体層１２３の各ｚ軸と、第５圧電体層１４１及び第６圧電体層１４３の各ｚ軸とが交差している。
【００９０】
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Ｑｙとして出力する機能を有する。
【００９１】
このように、電荷出力素子１０では、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、ｘ軸、ｙ軸、及び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。
【００９２】
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。
【００９３】
なお、本実施形態では、前述した各緩和層（第１緩和層８２及び第２緩和層８４）及び各圧電体層（第１圧電体層１２１、第２圧電体層１２３、第３圧電体層１３１、第４圧電体層１３３、第５圧電体層１４１、及び第６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、及び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、及び高い対荷重性等の優れた特性を有するためである。これによれば、水晶は、圧電効果を有する単結晶材であり、それ自体が高周波の安定した振動に適した素材である。また、水晶は、緩和層、圧電体層や電極を形成するためのスパッタリング等の加工に対し、変質等の影響を受けない安定した素材でもある。このような水晶で形成された積層型圧電素子は、圧電体層の圧縮又は伸張に応じて敏感に反応し、一定の周波数で屈曲することが可能である。
【００９４】
また、本実施形態では、第１センサー１２、第２センサー１３、及び第３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。また、前述したように、第１基部２及び第２基部３とは、与圧ボルト７１によって固定されている。
【００９５】
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の壁部３３側から第１基部２の壁部２４に向かって差し込み、与圧ボルト７１の雄ネジ（図示せず）を壁部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、すなわち壁部２４と壁部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。
【００９６】
なお、各壁部２４と各壁部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。壁部２４と壁部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。
【００９７】
次に、各アナログ回路基板４が備える変換出力回路９０ａ、変換出力回路９０ｂ、及び変換出力回路９０ｃについて詳述する。
【００９８】
［変換出力回路］
各変換出力回路９０ｃが、図３に示すように、電荷Ｑｘ１〜Ｑｘ４のいずれか（電荷Ｑｘ）を電圧Ｖｘ１〜Ｖｘ４のいずれか（代表的に「電圧Ｖｘ」という）に変換し、各変換出力回路９０ｂが、電荷Ｑｚ１〜Ｑｚ４のいずれか（電荷Ｑｚ）を電圧Ｖｚ１〜Ｖｚ４のいずれか（代表的に「電圧Ｖｚｙ」という）に変換し、各変換出力回路９０ａが、電荷Ｑｙ１〜Ｑｙ４のいずれか（電荷Ｑｙ）を電圧Ｖｙ１〜Ｖｙ４のいずれか（代表的に「電圧Ｖｙ」という）に変換する。
【００９９】
以下に、変換出力回路９０ａ，９０ｂ，９０ｃの構成等について詳述するが、各変換出力回路９０ａ，９０ｂ，９０ｃは、同じ構成であるため、以下では、変換出力回路９０ｃについて代表的に説明する。
【０１００】
変換出力回路９０ｃは、図３に示すように、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９０ｃは、オペアンプ９１と、コンデンサー９２と、スイッチング素子９３とを有する。オペアンプ９１の第１の入力端子（マイナス入力）は、電荷出力素子１０の出力電極層１２２に接続され、オペアンプ９１の第２の入力端子（プラス入力）は、グランド（基準電位点）に接地されている。また、オペアンプ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の入力端子と出力端子との間に接続されている。スイッチング素子９３は、オペアンプ９１の第１の入力端子と出力端子との間に接続され、コンデンサー９２と並列接続されている。また、スイッチング素子９３は、駆動回路（図示せず）に接続されており、駆動回路からのオン／オフ信号に従い、スイッチング素子９３はスイッチング動作を実行する。
【０１０１】
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Ｖは、０ボルトとなる。スイッチング素子９３がオンとなることを、変換出力回路９０ｃをリセットするという。なお、理想的な変換出力回路９０ｃから出力される電圧Ｖｘは、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。
【０１０２】
スイッチング素子９３は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、その他、半導体スイッチ又はＭＥＭＳスイッチ等である。このようなスイッチは、機械式スイッチ（メカスイッチ）と比べて小型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。なお、図３に示すように、このようなスイッチは、変換出力回路９０ｃや、変換出力回路９０ａ，９０ｂに実装されているが、その他、Ａ／Ｄコンバーター４０１にも実装することができる。
【０１０３】
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の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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
次に、デジタル回路基板５が備える外力検出回路４０について詳述する。
［外力検出回路］
外力検出回路４０は、各変換出力回路９０ａから出力される電圧Ｖｙ１，Ｖｙ２，Ｖｙ３，Ｖｙ４と、各変換出力回路９０ｂから出力される電圧Ｖｚ１，Ｖｚ２，Ｖｚ３，Ｖｚ４と、各変換出力回路９０ｃから出力される電圧Ｖｘ１，Ｖｘ２，Ｖｘ３，Ｖｘ４とに基づき、加えられた外力を検出する機能を有する。
【０１０６】
この外力検出回路４０は、変換出力回路９０ａ，９０ｂ，９０ｃに接続されたＡ／Ｄコンバーター４０１と、Ａ／Ｄコンバーター４０１に接続された演算部４０２とを有する。
【０１０７】
Ａ／Ｄコンバーター４０１は、電圧Ｖｘ１，Ｖｙ１，Ｖｚ１，Ｖｘ２，Ｖｙ２，Ｖｚ２，Ｖｘ３，Ｖｙ３，Ｖｚ３，Ｖｘ４，Ｖｙ４，Ｖｚ４をアナログ信号からデジタル信号へ変換する機能を有する。Ａ／Ｄコンバーター４０１によってデジタル変換された電圧Ｖｘ１，Ｖｙ１，Ｖｚ１，Ｖｘ２，Ｖｙ２，Ｖｚ２，Ｖｘ３，Ｖｙ３，Ｖｚ３，Ｖｘ４，Ｖｙ４，Ｖｚ４は、演算部４０２に入力される。
【０１０８】
演算部４０２は、デジタル変換された電圧Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚに対して、例えば、各変換出力回路９０ａ，９０ｂ，９０ｃ間の感度の差をなくす補正等の各処理を行う。そして、演算部４０２は、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３つの信号を出力する。
【０１０９】
図５は、本実施形態に係る電荷出力素子１０を説明する断面図である。
本実施形態に係る電荷出力素子１０は、熱が作用しても、膨張差が発生する間に、上下と同じ線膨張係数の第１及び第２緩和層８２，８４を２枚入れることにより、拡大Ａに示すように、第１及び第２緩和層８２，８４間は、熱の作用による微小な空間が発生するが、拡大Ｂに示すように、第２緩和層８４と第５圧電体層１４１との間は、熱の作用による空間が発生しない。
【０１１０】
従来、Ｘ、Ｙ方向で線膨張係数が異なる水晶が存在することにより、実装工程の熱により剥がれ、Ｆｙ、Ｆｚ出力の端子がうまく取れない、及びＡｇ側面で微小空間が開く等の不具合が発生したが、本実施形態の力検出装置１の素子構造において、水晶積層時に起きる端子面の線膨張係数差界面で起きる剥がれを、緩和層導入により抑制する。これにより、端子を取り出す界面での熱による剥がれが発生しない。また、安定して端子を取り出すことができる。その結果、安定して端子を取ることが可能となる。
【０１１１】
図６は、本実施形態に係る電荷出力素子１０の水晶積層体の結晶軸方向の線膨張係数を説明する図である。
本実施形態に係る電荷出力素子１０は、図６に示すように、水晶積層体で線膨張係数の異なる第４及び第５圧電体層１３３，１４１間に、上下と同じ線膨張係数を有する第１及び第２緩和層８２，８４が挟み込まれている。具体的には、Ｆｚ／Ｆｙ界面にそれぞれと同じカット角の第１及び第２緩和層８２，８４が設けられている。
【０１１２】
本実施形態によれば、第４圧電体層１３３と第５圧電体層１４１とを直接形成する場合、熱の作用を利用することが多く、第４圧電体層１３３と第５圧電体層１４１との同一方向の線膨張係数の違いにより、剥離等が生じやすくなる。これに対し、第４及び第５圧電体層１３３，１４１の間に第１及び第２緩和層８２，８４を設けることにより、熱が作用しても、第４及び第５圧電体層１３３，１４１の同一方向の線膨張係数の違いによる、境界面での残留応力や歪による位置ズレ等を緩和でき、第４圧電体層１３３は、第１及び第２緩和層８２，８４を介して第５圧電体層１４１と密着性良く形成することが可能である。これにより、端子取り出し面の剥離等を抑制でき、安定して側面／Ａｇペーストの接触を行うことができる。その結果、安定して端子を取ることが可能となる。
【０１１３】
２．単腕ロボット
次に、図７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。
【０１１４】
図７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７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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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、及び第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又は屈曲することにより駆動する。
【０１１７】
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及び第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及び第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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
３．複腕ロボット
次に、図８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。
【０１２２】
図８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８に示すように、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との間及び第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。
【０１２３】
基台６１０は、第１のアーム６２０及び第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）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。
【０１２４】
第１のアーム６２０は、第１のアーム要素６２１及び第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及び第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及び第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又は屈曲することにより駆動する。
【０１２５】
第１及び第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及び第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及び第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及び第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及び第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。
【０１２６】
力検出装置１は第１及び第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及び第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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
４．電子部品検査装置及び電子部品搬送装置
次に、図９及び図１０に基づき、本実施形態に係る力検出装置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。
【０１２９】
図９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１０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。
【０１３０】
電子部品検査装置７００は、図９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。
【０１３１】
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。更に、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。
【０１３２】
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。
【０１３３】
図１０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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
５．部品加工装置
次に、図１１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。
【０１３７】
図１１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１１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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
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。
【０１４０】
以上、本発明の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、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。
【０１４１】
また、本発明の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。
【０１４２】
また、本発明の力検出装置では、電荷出力素子（積層型圧電素子）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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
また、本発明の緩和層は、接着層であってもよい。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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】
【０１４７】
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（積層型圧電素子）  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  ３２…天板  ３３…壁部  ４０…外力検出回路  ４１…孔  ４３…パイプ  ６０…パッケージ  ７１…与圧ボルト  ８２…第１緩和層（一側の緩和層）  ８４…第２緩和層（他側の緩和層）  ９０ａ，９０ｂ，９０ｃ…変換出力回路  ９１…オペアンプ  ９２…コンデンサー  ９３…スイッチング素子  １２１…第１圧電体層  １２２…出力電極層  １２３…第２圧電体層  １３１…第３圧電体層  １３２…出力電極層  １３３…第４圧電体層（一側の圧電体層）  １４１…第５圧電体層（他側の圧電体層）  １４２…出力電極層  １４３…第６圧電体層  ２２１…下面  ２３１…頂面  ２４１…雌ネジ  ２７１…中心軸  ２７２…中心  ３２１…上面  ３３１…内壁面  ４０１…Ａ／Ｄコンバーター  ４０２…演算部  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  ６４０ｂ…第２のエンドエフェクター  ６４１ａ…第１の指  ６４１ｂ…第１の指  ６４２ａ…第２の指  ６４２ｂ…第２の指  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  ＬＤ…積層方向  ＮＬ１，ＮＬ２…法線  Ｑｘ，Ｑｘ１，Ｑｘ２，Ｑｘ３，Ｑｘ４…電荷  Ｑｙ，Ｑｙ１，Ｑｙ２，Ｑｙ３，Ｑｙ４…電荷  Ｑｚ，Ｑｚ１，Ｑｚ２，Ｑｚ３，Ｑｚ４…電荷  ＳＤ…挟持方向。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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