CN103994845A - 力检测装置、机械手、以及移动体 - Google Patents

Abstract

本发明提供小型且降低了输出漂移的力检测装置、使用了该力检测装置的机械手以及移动体。力检测装置（1a）具备根据接受的外力来输出电荷Q的电荷输出元件（10a）；具有第一开关元件（23）和第一电容器（22），且将电荷Q转换为电压V并输出上述电压的转换输出电路（20）；具有第二开关元件（33）和第二电容器（32），并输出补偿用信号Voff的补偿用信号输出电路（30）；以及基于从转换输出电路（20）输出的电压V和从补偿用信号输出电路（30）输出的补偿用信号Voff，来检测外力的外力检测电路（40a）。第二电容器（32）的静电容量比第一电容器（22）的静电容量小。

Description

力检测装置、机械手、以及移动体

技术领域

本发明涉及力检测装置、机械手、以及移动体。

背景技术

近年来，以提高生产效率为目的，推进对工厂等的生产施设导入工业用机械手。这样的工业机械手具备能够对一轴或者多轴方向进行驱动的臂、和安装于臂前端侧的手部、部件检查用器具或者部件输送用器具等末端执行器，能够执行部件的组装作业、部件加工作业等部件制造作业，部件输送作业以及部件检查作业等。

在这样的工业用机械手中，在臂与末端执行器之间设置有力检测装置。作为工业用机械手所使用的力检测装置，例如使用如专利文献1所公开的力检测装置。专利文献1的力检测装置由根据接受的外力来输出电荷的电荷输出元件、对从电荷输出元件输出的电荷进行放大的放大器、用于将从电荷输出元件输出的电荷转换为电压的电容器、以及使电容器的端子间短路，并具有用于使电容器中积蓄的电荷复位的机械式继电器的复位电路构成。通过具有这样的构成，专利文献1的力检测装置能够检测沿着任意的一个轴对电荷输出元件施加的外力。

然而，为了控制工业用机械手的末端执行器，有时需要检测6轴力（x、y、z轴方向的平移力成分以及x、y、z轴周围的旋转力成分）。在这样的情况下，需要至少组合三个如专利文献1公开的那样的力检测装置来构成能够检测出3轴力（x、y、z轴方向的平移力）的3轴力检测装置，并将该3轴力检测装置搭载于至少三个工业用机械手的肘节。

若搭载于这样的工业用机械手的肘节的力检测装置的尺寸较大，则存在肘节的工作区域变得狭窄的情况。另外，若力检测装置的尺寸较厚，则存在由于从工业用机械手的关节部分到末端执行器的末端的距离变长，所以工业用机械手的可搬重量减少的情况。因此，优选力检测装置小型以及轻型。

为了解决这样的课题，提出各种方法。例如，在专利文献2中，公开有使用了半导体开关元件作为复位电路的力检测装置。与机械式继电器相比较，半导体开关元件是小型以及轻型，所以通过使用半导体开关元件作为复位电路，能够使装置整体小型以及轻型化。

然而，若使用半导体开关元件作为复位电路，则产生由半导体开关元件的漏电流引起的输出漂移。这样的输出漂移使力检测装置的检测分辨率以及检测精度降低所以不优选。并且，输出漂移与力检测装置的测定（工作）时间成比例地积蓄，所以存在不能够延长力检测装置的能够测定的时间的问题。

另外，作为力检测装置，广泛采用使用水晶作为电荷输出元件的水晶式压电传感器。水晶式压电传感器具有较宽的动态范围、较高的刚性、较高的固有振动频率、较高的耐负荷性等优异的特性，所以被广泛应用于工业用机械手。

然而，在这样的水晶式压电传感器中，从水晶输出的电荷微弱，所以不能够忽略由转换输出电路的漏电流所引起的输出漂移的影响。正在研究用于降低该输出漂移的各种方法。例如，在专利文献3中，公开有具备反向偏置电路的水晶式压电传感器，该反向偏置电路使用具有与转换输出电路的漏电流的特性相似的电流特性的二极管。专利文献3的水晶式压电传感器通过从二极管供给与转换输出电路的漏电流大致相同的大小、流动方向相反的校正电流，来降低输出漂移。

然而，如专利文献3的水晶式压电传感器那样，在使用反向偏置电路的情况下，需要二极管等的追加部件，安装面积扩大，所以难以小型化。另外，存在需要进行用于供给所希望的校正电流的部件精度管理的问题。

专利文献1：日本特开平5－95237号公报

专利文献2：日本特开平11－148878号公报

专利文献3：日本特开平9－72757号公报

发明内容

本发明是鉴于上述情况而完成的，目的在于提供小型且降低输出漂移的力检测装置、使用该力检测装置的机械手、以及移动体。

这样的目的通过下述的发明来实现。

本发明的力检测装置的特征在于，具备：电荷输出元件，其根据外力来输出电荷；转换输出电路，其具有第一电容器，将上述电荷转换为电压并输出上述电压；补偿用信号输出电路，其具有第二电容器，并输出补偿用信号；以及外力检测电路，其基于从上述转换输出电路输出的上述电压、和从上述补偿用信号输出电路输出的上述补偿用信号，来检测上述外力，上述第二电容器的静电容量比上述第一电容器的静电容量小。

由此，能够使用补偿用信号输出电路输出的补偿用信号，来补偿从转换输出电路输出的电压。结果能够进行精度更高的检测。另外，第二电容器的静电容量比第一电容器的静电容量小，所以补偿用信号输出电路能够更准确地从第二开关元件获取补偿用信号。结果能够更准确地对从转换输出电路输出的电压进行补偿。

在本发明的力检测装置中，优选在将上述第一电容器的上述静电容量设为C1、将上述第二电容器的上述静电容量设为C2时，C2／C1是0.1～0.8。

若静电容量比C2／C1低于上述下限值，则存在第二电容器饱和的情况。另一方面，若静电容量比C2／C1高于上述上限值，则存在不能够从第二开关元件准确地获取补偿用信号的情况。

在本发明的力检测装置中，优选上述外力检测电路具有增益校正部，其对从上述转换输出电路输出了的上述电压、和从上述补偿用信号输出电路输出了的上述补偿用信号的至少一方赋予增益来进行校正，上述外力检测电路基于通过上述增益校正部校正后的上述电压和上述补偿用信号，来检测上述外力。

由此，能够校正由第一电容器的静电容量C1与第二电容器的静电容量C2之差所引起的、电压与补偿用信号的灵敏度差。

本发明的力检测装置的特征在于，具备：第一元件以及第二元件，其根据外力来输出电压；和外力检测电路，其基于从上述第一元件以及上述第二元件输出的上述电压，来检测上述外力，上述第一元件以及上述第二元件具备具有电轴，并根据沿着上述电轴的上述外力来输出电荷的压电体、和将从上述压电体输出的上述电荷转换为上述电压的转换输出电路，上述第一元件以及上述第二元件被配置成上述第一元件的上述压电体具有的上述电轴的方向与上述第二元件的上述压电体所具有的上述电轴的方向朝向相互相反的方向。

由此，虽然从第一元件输出的电压所包含的输出漂移的符号与从第二元件输出的电压所包含的输出漂移的符号一致，但是能够使包含于从第一元件输出的电压且与根据外力从压电体输出的电荷的积蓄量成比例的电压成分（真实值）的符号同包含于从第二元件输出的电压且与根据外力从压电体输出的电压的积蓄量成比例的电压成分（真实值）的符号相反。因此，通过使用从第一元件输出的电压和从第二元件输出的电压来计算外力，能够降低从第一元件以及第二元件输出的电压所包含的输出漂移，并且能够检测外力。结果能够提高力检测装置的检测精度以及检测分辨率。并且，无需像反向偏置电路那样的用于减少输出漂移的电路，所以能够使力检测装置小型化。

在本发明的力检测装置中，优选对于上述第一元件以及上述第二元件而言，上述第一压电体的上述电轴的方向与上述第二压电体的上述电轴的方向在同一轴上相互对置。

由此，能够进一步减少输出漂移，并且检测外力。

在本发明的力检测装置中，优选上述各压电体分别具有第一压电板，其具有第一晶轴；第二压电板，其与上述第一压电板对置地设置，并具有第二晶轴；以及内部电极，其设置在上述第一压电板与上述第二压电板之间，上述第一压电板的上述第一晶轴与上述第二压电板的上述第二晶轴极性不同。

由此，能够使在内部电极附近聚集的正电荷或者负电荷增加。

在本发明的力检测装置中，优选上述外力检测部通过获取由从上述第一元件以及上述第二元件输出的上述电荷转换出的上述电压的差量，来检测对上述力检测装置施加的上述外力。

由此，能够减少由输出漂移所引起的检测误差。

在本发明的力检测装置中，优选在将上述压电体的层叠方向设为γ轴方向、将与上述γ轴方向正交且相互正交的方向分别设为α轴方向、β轴方向的情况下，上述压电体之一是根据沿着上述α轴方向的上述外力输出上述电荷的α轴用压电体，上述压电体之一是根据沿着上述β轴方向的上述外力输出上述电荷的β轴用压电体，上述压电体之一是根据沿着上述γ轴方向的上述外力输出上述电荷的γ轴用压电体。

由此，压电体能够根据3轴力（x、y、z轴方向的平移力成分）输出电荷。

优选本发明的力检测装置具有两个上述第一元件和两个上述第二元件，一个上述第一元件以及一个上述第二元件的上述α轴用压电体的上述电轴的方向朝向与另一个上述第一元件以及另一个上述第二元件的上述α轴用压电体的上述电轴的方向相反的方向，上述一个第一元件以及上述一个第二元件的上述γ轴用压电体的上述电轴的方向朝向与上述另一个第一元件以及上述另一方的第二元件的上述γ轴用压电体的上述电轴的方向相反的方向。

由此，基于从第一元件以及第二元件输出的电压，能够减少输出漂移，并且检测6轴力。

在本发明的力检测装置中，优选具备赋予上述外力的、底板和与上述底板分离地设置的盖板，上述各元件设置在上述底板与上述盖板之间。

由此，能够检测对底板或者盖板施加的外力。

在本发明的力检测装置中，优选上述各元件沿着上述底板或者上述盖板的周向以等角度间隔配置。

由此，能够均匀地检测外力。

本发明的机械手的特征在于，具备：至少一个臂连结体，其具有多个臂，且使上述多个臂的相邻的上述臂彼此自由转动地连结；末端执行器，其被设置在上述臂连结体的前端侧；以及上述中的任意一个例子的力检测装置，其设置在上述臂连结体与上述末端执行器之间，检测对上述末端执行器施加的外力。

另外，本发明的机械手的特征在于，具备：至少一个臂连结体，其具有多个臂，且使上述多个臂的相邻的上述臂彼此自由转动地连结；末端执行器，其被设置在上述臂连结体的前端侧；以及上述中的任意一个例子的力检测装置，其设置在上述臂连结体与上述末端执行器之间，检测对上述末端执行器施加的外力。

在这些机械手中，能够反馈力检测装置所检测出的外力，而更加精密地执行作业。另外，根据力检测装置所检测出的外力，能够检测末端执行器与障碍物的接触等。因此，能够容易地进行在以往的位置控制中困难的障碍物回避动作、对象物损伤回避动作等，且能够更加安全地执行作业。

本发明的移动体的特征在于，具备：动力部，其供给用于移动的动力；和上述中的任意一个例子的力检测装置，其检测由于上述移动而产生的外力。

另外，本发明的移动体的特征在于，具备：动力部，其供给用于移动的动力；和上述中的任意一个例子的力检测装置，其检测由于上述移动而产生的外力。

在这些力检测装置中，能够检测由伴随移动产生的振动、加速度等所引起的外力，移动体能够执行姿势控制、振动控制以及加速控制等控制。并且，无需像反向偏置电路那样的用于减少输出漂移的电路，所以能够使力检测装置小型化。因此，能够使移动体小型化。

附图说明

图1是示意性地表示本发明的力检测装置的第一实施方式的电路图。

图2是示意性地表示图1所示的力检测装置的电荷输出元件的剖视图。

图3是表示图1所示的力检测装置的电容器的安装例的俯视图以及剖视图。

图4是示意性地表示本发明的力检测装置的第二实施方式的电路图。

图5是示意性地表示图4所示的力检测装置的电荷输出元件的剖视图。

图6是示意性地表示本发明的力检测装置的第三实施方式的立体图。

图7是示意性地表示本发明的力检测装置的第四实施方式的立体图以及俯视图。

图8是示意性地表示图7所示的力检测装置的电路图。

图9是示意性地表示图7所示的力检测装置的电荷输出元件的剖视图。

图10是示意性地表示本发明的力检测装置的第五实施方式的立体图以及俯视图。

图11是示意性地表示图10所示的力检测装置的电路图。

图12是示意性地表示图10所示的力检测装置的电荷输出元件的剖视图。

图13是表示使用了本发明的力检测装置的单臂机械手的一个例子的图。

图14是表示使用了本发明的力检测装置的移动体的一个例子的图。

具体实施方式

以下，基于附图所示的优选的实施方式对本发明的力检测装置进行详细说明。

第一实施方式

图1是示意性地表示本发明的力检测装置的第一实施方式的电路图。图2是示意性地表示图1所示的力检测装置的电荷输出元件的剖视图。图3表示图1所示的力检测装置的电容器的安装例，图1（a）是俯视图，图1（b）是剖视图。

图1所示的力检测装置1a具有检测沿着任意的一个轴（x轴、y轴或者z轴）施加的外力的功能。力检测装置1a具备：电荷输出元件10a，其根据沿着任意的一个轴施加的（接受的）外力来输出电荷Q；转换输出电路20，其将从电荷输出元件10a输出的电荷Q转换为电压V，并输出电压V；补偿用信号输出电路30，其输出补偿用信号Voff；以及外力检测电路40a，其基于从转换输出电路20输出的电压V、和从补偿用信号输出电路30输出的补偿用信号Voff来检测施加的外力。

电荷输出元件

图2所示的电荷输出元件10a具有根据沿着图2中的β轴施加的（接受的）外力（剪切力）来输出电荷Q的功能。电荷输出元件10a具有两个接地电极层11、和设置在两个接地电极层11之间的压电体12。此外，在图2中，将接地电极层11以及压电体12的层叠方向设为γ轴方向、将与γ轴方向正交且相互正交的方向分别设为α轴方向、β轴方向。

在图示的构成中，接地电极层11与压电体12全部具有相等的宽度（图中的左右方向的长度），但本发明并不限于此。例如，接地电极层11的宽度也可以比压电体12的宽度宽，也可以反之。

接地电极层11是与地线（基准电位点）GND连接的电极。构成接地电极层11的材料并未特别限定，例如，优选金、钛、铝、铜、铁或者包含它们的合金。这些之中特别优选使用铁合金即不锈钢。由不锈钢构成的接地电极层11具有优异的耐久性以及耐腐蚀性。

压电体12具有根据沿着β轴施加的（接受的）外力（剪切力）来输出电荷Q的功能。该压电体12构成为根据沿着β轴的正方向施加的外力来输出正电荷，根据沿着β轴的负方向施加的外力来输出负电荷。

压电体12具有第一压电板121，其具有第一晶轴CA1；第二压电板123，其与第一压电板121对置地设置，并具有第二晶轴CA2；以及内部电极122，其设置于第一压电板121与第二压电板123之间，输出电荷Q。

第一压电板121由具有在β轴的负方向取向的第一晶轴CA1的压电体构成。在对第一压电板121的表面施加了沿着β轴的正方向的外力的情况下，由于压电效应，在第一压电板121内感应出电荷。结果在第一压电板121的内部电极122侧表面附近聚集正电荷，在第一压电板121的接地电极层11侧表面附近聚集负电荷。同样，在对第一压电板121的表面施加了沿着β轴的负方向的外力的情况下，在第一压电板121的内部电极122侧表面附近聚集负电荷，在第一压电板121的接地电极层11侧表面附近聚集正电荷。

第二压电板123由具有在β轴的正方向取向的第二晶轴CA2的压电体构成。在对第二压电板123的表面施加了沿着β轴的正方向的外力的情况下，由于压电效应，在第二压电板123内感应出电荷。结果在第二压电板123的内部电极122侧表面附近聚集正电荷，在第二压电板123的接地电极层11侧表面附近聚集负电荷。同样，在对第二压电板123的表面施加了沿着β轴的负方向的外力的情况下，在第二压电板123的内部电极122侧表面附近聚集负电荷，在第二压电板123的接地电极层11侧表面附近聚集正电荷。

这样，第一压电板121的第一晶轴CA1的方向朝向与第二压电板123的第二晶轴CA2的方向相反的方向。由此，与由仅第一压电板121或者第二压电板123的任意一方和内部电极122构成压电体12的情况进行比较，能够增加聚集在内部电极122附近的正电荷或者负电荷。结果能够使从内部电极122输出的电荷Q增加。

此外，作为第一压电板121以及第二压电板123的构成材料，列举出水晶、黄玉、钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅（PZT：Pb（Zr，Ti）O₃）、铌酸锂、钽酸锂等。在这些之中特别优选水晶。由于由水晶构成的压电板具有较宽的动态范围、较高的刚性、较高的固有振动频率、较高的耐负荷性等优异的特性。另外，如第一压电板121以及第二压电板123那样，对沿着层的面方向施加的外力（剪切力）而产生电荷的压电板能够由Y切割（cut）水晶构成。

内部电极122具有将在第一压电板121内以及第二压电板123内产生的正电荷或者负电荷作为电荷Q输出的功能。如上所述，在对第一压电板121的表面或者第二压电板123的表面施加了沿着β轴的正方向的外力的情况下，在内部电极122附近聚集正电荷。结果从内部电极122输出正的电荷Q。另一方面，在对第一压电板121的表面或者第二压电板123的表面施加了沿着β轴的负方向的外力的情况下，在内部电极122附近聚集负电荷。结果从内部电极122输出负的电荷Q。

另外，优选内部电极122的宽度为第一压电板121以及第二压电板123的宽度以上。在内部电极122的宽度比第一压电板121或者第二压电板123窄的情况下，第一压电板121或者第二压电板123的一部分不与内部电极122相接。因此，存在不能够将在第一压电板121或者第二压电板123中产生的电荷的一部分从内部电极122输出的情况。结果从内部电极122输出的电荷Q减少。

这样，由于电荷输出元件10a具有上述的接地电极层11、和压电体12，所以能够根据与图2中的β轴平行或者大致平行的外力来输出电荷Q。

此外，对作为电荷输出元件10a，具有根据与β轴平行或者大致平行的外力（剪切力）输出电荷Q的功能的例子进行了说明，但本发明并不限于此。通过使用第一晶轴CA1的取向方向与β轴方向不同的第一压电板121、以及第二晶轴CA2的取向方向与β轴方向不同的第二压电板123，能够构成根据与α轴平行或者大致平行的外力（剪切力）或者与γ轴平行或者大致平行的外力（压缩／拉伸力）来输出电荷Q的电荷输出元件10a。这样的情况也在本发明的范围内。

转换输出电路

转换输出电路20具有将从电荷输出元件10a输出的电荷Q转换为电压V并输出电压V的功能。转换输出电路20具有运算放大器21、作为第一电容器的电容器22、以及开关元件23。运算放大器21的第一输入端子（负输入）与电荷输出元件10a的内部电极122连接，运算放大器21的第二输入端子（正输入）与地线（基准电位点）连接。另外，运算放大器21的输出端子与外力检测电路40a连接。电容器22连接在运算放大器21的第一输入端子与输出端子之间。开关元件23连接在运算放大器21的第一输入端子和输出端子之间，并与电容器22并联连接。另外，开关元件23与驱动电路（未图示）连接，开关元件23根据来自驱动电路的接通/断开信号，执行开关动作。

在开关元件23断开（off）的情况下，从电荷输出元件10a输出的电荷Q被储存到具有静电容量C1的电容器22，并作为电压V输出至外力检测电路40a。接下来，在开关元件23接通（on）的情况下，电容器22的两端子间被短路。结果储存在电容器22的电荷Q被放电而成为0库仑，输出至外力检测电路40a的电压V成为0伏特。将开关元件23接通称为对转换输出电路20进行复位。

开关元件23是MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor：金属氧化物半导体场效应晶体管）等半导体开关元件。半导体开关元件与机械式开关相比，小型以及轻型，所以有利于力检测装置1a的小型化以及轻型化。以下，作为代表例，对使用MOSFET作为开关元件23的情况进行说明。

开关元件23具有漏极电极、源极电极、以及栅极电极。开关元件23的漏极电极或者源极电极的一方与运算放大器21的第一输入端子连接，漏极电极或者源极电极的另一方与运算放大器21的输出端子连接。另外，开关元件23的栅极电极与驱动电路（未图示）连接。

从理想的转换输出电路20输出的电压V与从电荷输出元件10a输出的电荷Q的积蓄量成比例。然而，在实际的转换输出电路20中，产生从开关元件23流入电容器22的漏电流。这样的漏电流成为电压V所包含的输出漂移D。因此，若将与电荷Q的积蓄量成比例的电压成分（真实值）设为Vt，则输出的电压V为V＝Vt＋D。

输出漂移D成为相对于测定结果的误差，所以存在力检测装置1a的检测精度以及检测分辨率降低的问题。另外，漏电流与测定（驱动）时间成比例地累积，所以存在不能够延长力检测装置1a的测定时间的问题。

这样的漏电流起因于栅极绝缘膜的绝缘性的不足、工序规则的微细化、半导体中的杂质浓度的偏差等半导体构造以及温度、湿度等使用环境。由半导体构造引起的漏电流在每个开关元件为固有的值，所以通过预先测定由半导体构造引起的漏电流，能够比较容易地进行补偿。然而，由使用环境引起的漏电流根据使用环境（状况）而变动，所以难以进行补偿。本实施方式的力检测装置1a使用从以下说明的补偿用信号输出电路30输出的补偿用信号Voff，能够降低（补偿）由半导体构造引起的漏电流以及由使用环境引起的漏电流的影响。

补偿用信号输出电路

补偿用信号输出电路30具有输出用于补偿从转换输出电路20输出的电压V的补偿用信号Voff的功能。如图所示，补偿用信号输出电路30也可以与转换输出电路20独立地设置。这里所说的“独立设置”是指，补偿用信号输出电路30的构成要素（后述的运算放大器31、作为第二电容器的电容器32以及开关元件33）与转换输出电路20的构成要素（即，运算放大器21、电容器22以及开关元件23）是不同的要素（部件）。即，补偿用信号输出电路30与转换输出电路20分开设置，不共享其构成要素。

补偿用信号输出电路30具有运算放大器31、作为第二电容器的电容器32、以及开关元件33。运算放大器31的第一输入端子（负输入）与电容器32以及开关元件33连接，运算放大器31的输入端子（正输入）与地线（基准电位点）连接。另外，运算放大器31的输出端子与外力检测电路40a连接。电容器32连接在运算放大器31的输入端子与输出端子之间。开关元件33连接在运算放大器31的第一输入端子与输出端子之间，并与电容器32并联连接。另外，在开关元件33连接有驱动电路（未图示），根据来自驱动电路的接通/断开信号，开关元件33执行开关动作。

开关元件33是与转换输出电路20的开关元件23相同的半导体开关元件（MOSFET）。开关元件33具有漏极电极、源极电极、以及栅极电极。开关元件33的漏极电极或者源极电极的一方与运算放大器31的第一输入端子连接，漏极电极或者源极电极的另一方与运算放大器31的输出端子连接。另外，开关元件33的栅极电极与驱动电路（未图示）连接。

与开关元件33连接的驱动电路可以是同与转换输出电路20的开关元件23连接的驱动电路相同的驱动电路，也可以是不同的驱动电路。在与开关元件33连接的驱动电路、和与开关元件23连接的驱动电路是不同的驱动电路的情况下，与开关元件33连接的驱动电路输出同与开关元件23连接的驱动电路同步的接通/断开信号。由此，开关元件33的开关动作与开关元件23的开关动作同步。即，开关元件33与开关元件23的接通/断开定时一致。

开关元件33是与转换输出电路20的开关元件23相同的半导体开关元件。因此，由开关元件33的半导体构造所引起的漏电流与由开关元件23的半导体构造所引起的漏电流实际上相等。这里所说的“实际上相等”意味着由开关元件33的半导体构造所引起的漏电流与由开关元件23的半导体构造所引起的漏电流的差同由开关元件23、33的半导体构造所引起的漏电流相比较，充分小到能够忽略的程度。

另外，开关元件33被安装在与转换输出电路20的开关元件23同等的使用环境下。这里所说的“使用环境”表示温度以及湿度。由此，能够使由开关元件33的使用环境所引起的漏电流与由开关元件23的使用环境所引起的漏电流实际上相等。这里所说的“实际上相等”意味着由开关元件33的使用环境所引起的漏电流与由开关元件23的使用环境所引起的漏电流之差同由开关元件23、33的使用环境所引起的漏电流相比较，充分小到能够忽略的程度。

结果开关元件33的漏电流与开关元件23的漏电流联动。即，在开关元件23的漏电流增大时，开关元件33的漏电流也同样增大，在开关元件23的漏电流减少时，开关元件33的漏电流也同样减少。由此，补偿用信号输出电路30通过检测开关元件33的漏电流，能够间接地获取开关元件23的漏电流。

上述“同等的使用环境下”例如列举，在开关元件23的附近安装有开关元件33的情况、开关元件23与开关元件33被安装在同一个壳体内的情况、开关元件23与开关元件33被安装在同一个半导体基板上的情况等。

其中，优选开关元件23与开关元件33被安装在同一个半导体基板上。通过将开关元件23与开关元件33安装在同一个半导体基板上，能够容易地使开关元件23周边的温度以及湿度与开关元件33周边的温度以及湿度实际上相等。这里所说的“实际上相等”意味着开关元件33周边的温度以及湿度与开关元件23的温度以及湿度之差充分小到能够忽略的程度。

另外，在将开关元件23与开关元件33安装在同一个半导体基板上的情况下，能够利用同一工序来形成开关元件23和开关元件33，有利于缩短作业工序。另外，由于能够利用同一工序来形成开关元件23和开关元件33，所以能够抑制开关元件23和开关元件33的特性的偏差。因此，能够以更高的精度使由开关元件23的半导体构造所引起的漏电流与由开关元件33的半导体构造所引起的漏电流相等。

在开关元件33断开的情况下，在开关元件33中产生的漏电流流入具有静电容量C2的电容器32，电荷被积蓄，从而作为补偿用信号Voff被输出至外力检测电路40a。接下来，若接通开关元件33，则电容器32的两端子间被短路。结果积蓄在电容器32中的电荷Q被放电而成为0库仑，且输出至外力检测电路40a的补偿用信号Voff成为0伏特。

在具有如转换输出电路20、补偿用信号输出电路30那样的电压转换功能的电路中，若减小电容器的静电容量，则电压转换灵敏度提高，但饱和电荷量变小。通常，像开关元件23、33这样的半导体开关元件的漏电流比从电荷输出元件10a输入的电荷Q小。因此，优选电容器32的静电容量C2比电容器22的静电容量C1小。由此，能够更准确地对在开关元件33中产生的漏电流进行电压转换。

另外，电容器22的静电容量C1与电容器32的静电容量C2的静电容量比C2／C1优选是0.1～0.8，更优选是0.3～0.6。若静电容量比C2／C1低于上述下限值，则存在电容器32因在开关元件33中产生的漏电流而饱和的情况。另一方面，若静电容量比C2／C1高于上述上限值，则存在不能够得到针对在开关元件33中产生的漏电流的足够的灵敏度的情况。

图3是表示将静电容量不同的两个电容器22以及电容器32安装在同一半导体基板上的电路的一个例子的图。图3（a）是具有电容器22以及电容器32的电路的俯视图。此外，在图3（a）中，为了说明，一部分构成要素为透明的状态。图3（b）是图3（a）中的A－A线剖视图。图3的电路具有半导体基板50、设置在半导体基板50上的层间绝缘层60、70、设置在层间绝缘层60上的电容器22、32、配电层80a、80b、以及设置在层间绝缘层70内的贯通孔71。

电容器22经由配电层80a以及贯通孔71与在图3中未图示的运算放大器21以及开关元件23电连接。同样，电容器32经由配电层80b以及贯通孔71与在图3中未图示的运算放大器31以及开关元件33电连接。

具有静电容量C1的电容器22具有电容器下部电极层221、与电容器下部电极层221对置的两个电容器上部电极层223、以及设置在电容器下部电极层221与电容器上部电极层223之间的电容器绝缘层222。

具有静电容量C2的电容器32具有电容器下部电极层421、与电容器下部电极层421对置的电容器上部电极层423、以及设置在电容器下部电极层421与电容器上部电极层423之间的电容器绝缘层422。

具有如电容器22以及电容器32那样的构造的电容器的静电容量与电容器上部电极层的面积成比例。在图示的构成中，电容器32的电容器上部电极层423的面积比电容器22的电容器上部电极层223的面积小。通过具有这样的构成，能够在同一半导体基板50上安装静电容量不同的两个电容器22、32。

使用图3，对静电容量不同的两个电容器22、32的安装例进行了说明，但本发明并不限于此。例如，补偿用信号输出电路30也可以具有串联连接的多个电容器。由此，能够减小补偿用信号输出电路30的电容器的静电容量，并能够使补偿用信号输出电路30的电容器的静电容量比转换输出电路20的电容器的静电容量小。另外，转换输出电路20也可以具有并联连接的多个电容器。由此，能够增大转换输出电路20的电容器的静电容量，并能够使补偿用信号输出电路30的电容器的静电容量比转换输出电路20的电容器的静电容量小。这样的情况也在本发明的范围内。

外力检测电路

外力检测电路40a具有基于从转换输出电路20输出的电压V和从补偿用信号输出电路30输出的补偿用信号Voff来检测施加的外力的功能。外力检测电路40a具有与转换输出电路20连接的放大器41a、与补偿用信号输出电路30连接的放大器42a、以及与放大器41a、42a连接的差分放大器43a。

放大器41a的输入端子与转换输出电路20的运算放大器21的输出端子连接，放大器41a的输出端子与差分放大器43a的第一输入端子（负输入）连接。放大器42a的输入端子与补偿用信号输出电路30的运算放大器31的输出端子连接，放大器42a的输出端子与差分放大器43a的第二输入端子（正输入）连接。

放大器41a具有对从转换输出电路20输出的电压V赋予增益G＝a，并进行校正的功能。放大器42a具有对从补偿用信号输出电路30输出的补偿用信号Voff赋予增益G＝b，并进行校正的功能。

优选放大器41a的增益系数a与放大器42a的增益系数b满足a＝C1／C2×b的关系式。这里，C1是转换输出电路20的电容器22的静电容量，C2是补偿用信号输出电路30的电容器32的静电容量。由此，能够对由电容器22的静电容量C1与电容器32的静电容量C2之差所引起的、电压V和补偿用信号Voff的灵敏度差进行校正。结果校正后的输出漂移D（即，a×D）与校正后的补偿用信号Voff（即，b×D）的值实际上相等。这里所谓的“实际上相等”意味着校正后的输出漂移D（即，a×D）与校正后的补偿用信号Voff（即，b×D）之差充分小到能够忽略的程度。此外，a＝1意味着不对电压V进行校正。同样，b＝1也意味着不对补偿用信号Voff进行校正。

差分放大器43a具有获取被放大器41a校正后的电压V与被放大器42a校正后的补偿用信号Voff的差量，并输出信号F的功能。如上述那样，包含于校正后的电压V、由漏电流所引起的输出漂移D与校正后的补偿用信号Voff的值几乎相等。因此，从差分放大器43a的输出端子输出的信号F如以下所示。

F＝a×V－b×Voff＝a×（Vt＋D）－b×Voff＝a×Vt＋a×D－b×Voff≈a×Vt

这样，通过获取校正后的电压V与校正后的补偿用信号Voff的差量，能够从校正后的电压V中减少（除去）由漏电流所引起的输出漂移D。外力检测电路40a通过具有这样的构成，能够输出与从电荷输出元件10a输出的电荷Q的积蓄量成比例的信号F。由于该信号F与对电荷输出元件10a施加的外力对应，所以力检测装置1a能够检测对电荷输出元件10a施加的外力。

这样，本实施方式的力检测装置1a通过具有补偿用信号输出电路30和外力检测电路40a，能够减少由转换输出电路20的开关元件23的漏电流所引起的输出漂移D。结果能够提高力检测装置1a的检测精度以及检测分辨率。另外，上述的减少输出漂移D的方法即使在测定时间延长的情况下也有效，所以能够延长力检测装置1a的测定时间。

第二实施方式

接下来基于图4以及图5对本发明的第二实施方式进行说明。以下，对于第二实施方式，以与上述的第一实施方式的不同点为中心来进行说明，对于相同的事项，省略其说明。

图4是示意性地表示本发明的力检测装置的第二实施方式的电路图。图5是示意性地表示图4所示的力检测装置的电荷输出元件的剖视图。

图4所示的力检测装置1b具有检测沿着相互正交的三个轴（α（X）轴、β（Y）轴、γ（Z）轴）施加的外力的功能。力检测装置1b具备电荷输出元件10b，其分别根据沿着相互正交的三个轴施加的（接受的）外力来输出三种电荷Qx、Qy、Qz；转换输出电路20a，其将从电荷输出元件10b输出的电荷Qx转换为电压Vx；转换输出电路20b，其将从电荷输出元件10b输出的电荷Qz转换为电压Vz；转换输出电路20c，其将从电荷输出元件10b输出的电荷Qy转换为电压Vy；补偿用信号输出电路30，其输出补偿用信号Voff；以及外力检测电路40b，其检测施加的外力。

电荷输出元件

电荷输出元件10b具有分别根据沿着相互正交的三个轴施加的（接受的）外力来输出三种电荷Qx、Qy、Qz的功能。如图5所示，电荷输出元件10b具有四个接地电极层11，其与地线（基准电位点）GND连接；作为压电体的第一压电体12，其根据与β轴平行或者大致平行的外力（剪切力）输出电荷Qy；第二压电体13，其根据与γ轴平行或者大致平行的外力（压缩／拉伸力）来输出电荷Qz；以及第三压电体14，其根据与α轴平行或者大致平行的外力（剪切力）来输出电荷Qx，交替地层叠接地电极层11与各压电体12、13、14。此外，在图5中，将接地电极层11以及压电体12、13、14的层叠方向设为γ轴方向，将与γ轴方向正交且相互正交的方向分别设为α轴方向、β轴方向。

在图示的构成中，从图5中的下侧开始，按照如下的顺序层叠有第一压电体12、第二压电体13、第三压电体14，但本发明并不限于此。压电体12、13、14的层叠顺序是任意的。

第一压电体12具有根据与β轴平行或者大致平行的外力（剪切力）来输出电荷Qy的功能。第一压电体12具有与上述的第一实施方式的压电体12相同的构造以及功能。

第二压电体13具有根据沿着γ轴施加的（接受的）外力（压缩／拉伸力）来输出电荷Qz的功能。第二压电体13构成为根据与γ轴平行或者大致平行的压缩力来输出正电荷，根据与γ轴平行或者大致平行的拉伸力来输出负电荷。

第二压电体13具备具有第三晶轴CA3的第三压电板231、与第三压电板231对置地设置，具有第四晶轴CA4的第四压电板233、设置在第三压电板231与第四压电板233之间，并输出电荷Qz的内部电极232。

第三压电板231由具有在γ轴的正方向取向的第三晶轴CA3的压电体构成。在对第三压电板231的表面施加了与γ轴平行或者大致平行的压缩力的情况下，由于压电效应，在第三压电板231内感应出电荷。结果在第三压电板231的内部电极232侧表面附近聚集正电荷，在第三压电板231的接地电极层11侧表面附近聚集负电荷。同样，在对第三压电板231的表面施加了γ轴的方向的拉伸力的情况下，在第三压电板231的内部电极232侧表面附近聚集负电荷，在第三压电板231的接地电极层11侧表面附近聚集正电荷。

第四压电板233由具有在γ轴的负方向取向的第四晶轴CA4的压电体构成。在对第四压电板233的表面施加了与γ轴平行或者大致平行的压缩力的情况下，由于压电效应，在第四压电板233内感应出电荷。结果在第四压电板233的内部电极232侧表面附近聚集正电荷，在第四压电板233的接地电极层11侧表面附近聚集负电荷。同样，在对第四压电板233的表面施加了与γ轴平行或者大致平行的拉伸力的情况下，在第四压电板233的内部电极232侧表面附近聚集负电荷，在第四压电板233的接地电极层11侧表面附近聚集正电荷。

作为第三压电板231以及第四压电板233的构成材料，能够使用与第一压电板121以及第二压电板123相同的构成材料。另外，如第三压电板231以及第四压电板233那样，针对与层的面方向垂直的外力（压缩／拉伸力）而产生电荷的压电板能够由X切割水晶构成。

内部电极232具有将在第三压电板231内以及第四压电板233内产生的正电荷或者负电荷作为电荷Qz输出的功能。如上所述，在对第三压电板231的表面或者第四压电板233的表面施加了与γ轴平行或者大致平行的压缩力的情况下，在内部电极232附近聚集正电荷。结果从内部电极232输出正的电荷Qz。另一方面，在对第三压电板231的表面或者第四压电板233的表面施加了与γ轴平行或者大致平行的拉伸力的情况下，在内部电极232附近聚集负电荷。结果从内部电极232输出负的电荷Qz。

第三压电体14具有根据沿着α轴施加的（接受的）外力（剪切力）来输出电荷Qx的功能。第三压电体14构成为根据沿着α轴的正方向施加的外力来输出正电荷，根据沿着α轴的负方向施加的外力输出负电荷。

第三压电体14具备具有第五晶轴CA5的第五压电板241、与第五压电板241对置地设置，并具有第六晶轴CA6的第六压电板243、以及设置在第五压电板241与第六压电板243之间，并输出电荷Qx的内部电极242。

第五压电板241由具有在α轴的负方向取向的第五晶轴CA5的压电体构成。在对第五压电板241的表面施加了沿着α轴的正方向的外力的情况下，由于压电效应，在第五压电板241内感应出电荷。结果在第五压电板241的内部电极242侧表面附近聚集正电荷，在第五压电板241的接地电极层11侧表面附近聚集负电荷。同样，在对第五压电板241的表面施加了沿着α轴的负方向的外力的情况下，在第五压电板241的内部电极242侧表面附近聚集负电荷，在第五压电板241的接地电极层11侧表面附近聚集正电荷。

第六压电板243由具有在α轴的正方向取向的第六晶轴CA6的压电体构成。在对第六压电板243的表面施加了沿着α轴的正方向的外力的情况下，由于压电效应，在第六压电板243内感应出电荷。结果在第六压电板243的内部电极242侧表面附近聚集正电荷，在第六压电板243的接地电极层11侧表面附近聚集负电荷。同样，在对第六压电板243的表面施加了沿着α轴的负方向的外力的情况下，在第六压电板243的内部电极242侧表面附近聚集负电荷，在第六压电板243的接地电极层11侧表面附近聚集正电荷。

作为第五压电板241以及第六压电板243的构成材料，能够使用与第一压电板121以及第二压电板123相同的构成材料。另外，如第五压电板241以及第六压电板243那样，针对沿着层的面方向施加的外力（剪切力）而产生电荷的压电板与第一压电板121以及第二压电板123同样能够由Y切割水晶构成。

内部电极242具有将在第五压电板241内以及第六压电板243内产生的正电荷或者负电荷作为电荷Qx输出的功能。如上所述，在对第五压电板241的表面或者第六压电板243的表面施加了沿着α轴的正方向的外力的情况下，在内部电极242附近聚集正电荷。结果从内部电极242输出正的电荷Qx。另一方面，在对第五压电板241的表面或者第六压电板243的表面施加了沿着α轴的负方向的外力的情况下，在内部电极242附近聚集负电荷。结果从内部电极242输出负的电荷Qx。

这样，第一压电体12、第二压电体13、以及第三压电体14以各压电体的力检测方向相互正交的方式层叠。由此，各压电体12、13、14能够分别根据相互正交的力成分而感应出电荷。因此，电荷输出元件10b能够根据分别沿着三个轴（α（X）轴、β（Y）轴、γ（Z）轴）施加的外力来输出三个电荷Qx、Qy、Qz。

另外，由Y切割水晶构成的第一压电体12以及第三压电体14的每单位力的电荷产生量例如是8pC／N。由X切割水晶构成的第二压电体13的每单位力的电荷产生量例如是4pC／N。因此，通常，电荷输出元件10b对与γ轴平行或者大致平行的外力（压缩／拉伸力）的灵敏度比电荷输出元件10b对与α轴或者β轴平行或者大致平行的外力（剪切力）的灵敏度低。因此，通常，从第二压电体13输出的电荷Qz比从第一压电体12输出的电荷Qy以及从第三压电体14输出的电荷Qx小。

转换输出电路

转换输出电路20a、20c具有与第一实施方式的转换输出电路20相同的构成。转换输出电路20b除了电容器22的静电容量C3之外，具有与第一实施方式的转换输出电路20相同的构成。转换输出电路20a具有将从电荷输出元件10b输出的电荷Qx转换为电压Vx的功能。转换输出电路20b具有将从电荷输出元件10b输出的电荷Qz转换为电压Vz的功能。转换输出电路20c具有将从电荷输出元件10b输出的电荷Qy转换为电压Vy的功能。

也可以在各转换输出电路20a、20b、20c的开关元件23上连接同一个驱动电路，也可以连接分别不同的驱动电路。从驱动电路向各开关元件23输入完全同步的接通/断开信号。由此，各转换输出电路20a、20b、20c的开关元件23的动作同步。即，各转换输出电路20a、20b、20c的开关元件23的接通/断开定时一致。

如上述那样，通常，从第二压电体13输出的电荷Qz比从第一压电体12输出的电荷Qy以及从第三压电体14输出的电荷Qx小。因此，优选转换输出电路20b的电容器22的静电容量C3比转换输出电路20a、20c的电容器22的静电容量C1小。由此，能够将电荷Qz准确地转换为电压。

另外，优选静电容量C1与静电容量C3的静电容量比C3／C1为0.3～0.8，更优选是0.45～0.6。若静电容量比C3／C1低于上述下限值，则存在因电荷Qz而电容器22饱和的情况。另一方面，若静电容量比C3／C1高于上述上限值，则存在不能够得到对电荷Qz的足够的灵敏度的情况。

另外，各转换输出电路20a、20b、20c的开关元件23是相同的半导体开关元件，并且，被安装在同等的使用环境下，所以各开关元件23的漏电流实际上相等。因此，各开关元件23的输出漂移D实际上也相等。

上述所说的“同等的使用环境下”例如列举，各开关元件23被安装在彼此的附近的情况、各开关元件23被安装在同一壳体内的情况、各开关元件23被安装在同一半导体基板上的情况等。

其中，优选各开关元件23被安装在同一半导体基板上。通过将各开关元件23安装在同一半导体基板上，能够使各开关元件23周边的温度以及湿度实际上相等。另外，在将各开关元件23安装在同一半导体基板上的情况下，能够利用同一工序来形成各开关元件23，有利于缩短作业工序。另外，由于能够利用同一工序来形成各开关元件23，所以能够抑制各开关元件23的特性偏差。因此，能够以更高的精度使由各开关元件23的半导体构造所引起的漏电流相等。

补偿用信号输出电路

补偿用信号输出电路30具有与第一实施方式的补偿用信号输出电路30相同的构成。补偿用信号输出电路30具有输出用于补偿从转换输出电路20a输出的电压Vx、从转换输出电路20b输出的电压Vz、以及从转换输出电路20c输出的电压Vy的补偿用信号Voff的功能。如图所示，补偿用信号输出电路30也可以与转换输出电路20a、20b、20c独立地设置。

另外，补偿用信号输出电路30的开关元件33被安装在与各转换输出电路20a、20b、20c的开关元件23同等的使用环境下。由此，开关元件33的漏电流与各开关元件23的漏电流联动。因此，补偿用信号输出电路30通过检测开关元件33的漏电流，能够间接地获取各开关元件23的漏电流。补偿用信号输出电路30将获取的开关元件33的漏电流作为补偿用信号Voff来输出。

这样，补偿用信号输出电路30通过检测开关元件33的漏电流，能够间接地获取各转换输出电路20a、20b、20c的开关元件23的漏电流。因此，本实施方式的力检测装置1b无需设置各转换输出电路20a、20b、20c所使用的三个漏电流检测电路。因此，能够减少力检测装置1b所需的电路数量，能够使力检测装置1b小型化以及轻型化。

另外，优选补偿用信号输出电路30的电容器32的静电容量C2比转换输出电路20b的电容器22的静电容量C3小。即，优选设置在各转换输出电路20a、20b、20c的电容器22的静电容量C1、C3与电容器32的静电容量C2的大小关系是C2＜C3＜C1。由此，能够准确地将电荷Qx、Qy、Qz以及开关元件33的漏电流转换为电压。

外力检测电路

外力检测电路40b具有基于从转换输出电路20a输出的电压Vx、从转换输出电路20b输出的电压Vz、从转换输出电路20c输出的电压Vy以及从补偿用信号输出电路30输出的补偿用信号Voff，来检测施加的外力的功能。外力检测电路40b具有与转换输出电路20a、20b、20c以及补偿用信号输出电路30连接的AD转换器41b、和与AD转换器41b连接的运算电路42b。

AD转换器41b具有将电压Vx、Vy、Vz以及补偿用信号Voff从模拟信号转换为数字信号的功能。通过AD转换器41b进行数字转换后的电压Vx、Vy、Vz以及补偿用信号Voff被输入至运算电路42b。

运算电路42b具有增益校正部（未图示），其对数字转换后的电压Vx、Vy、Vz以及补偿用信号Voff赋予增益并进行校正；和运算部（未图示），其基于通过增益校正部校正后的电压Vx、Vy、Vz以及补偿用信号Voff来运算信号Fx、Fy、Fz，并输出。

增益校正部具有通过对电压Vx、Vy赋予增益G＝a、对电压Vz赋予增益G＝c、对补偿用信号Voff赋予增益G＝b，进行电压Vx、Vy、Vz以及补偿用信号Voff的校正的功能。优选增益系数a与增益系数b满足a＝C1／C2×b的关系式。优选增益系数c与增益系数b满足c＝C3／C2×b的关系式。

这里，C1是转换输出电路20a、20c的电容器22的静电容量，C2是补偿用信号输出电路30的电容器32的静电容量，C3是转换输出电路20b的电容器22的静电容量。由此，能够对由转换输出电路20a、20c的电容器22的静电容量C1与电容器32的静电容量C2之差所引起的、电压Vx、Vy与补偿用信号Voff的灵敏度差进行校正。同样，能够对由转换输出电路20b的电容器22的静电容量C3与电容器32的静电容量C2之差所引起的、电压Vz与补偿用信号Voff的灵敏度差进行校正。由此，包含于校正后的电压Vx、Vy、Vz、且由漏电流所引起的输出漂移D（即，a×D或者c×D）与校正后的补偿用信号Voff（即，b×D）实际上相等。此外，a＝1意味着不对电压Vx、Vy进行校正。b＝1意味着不对补偿用信号Voff进行校正。同样，c＝1意味着不对电压Vz进行校正。

运算部具有基于通过增益校正部校正后的电压Vx、Vy、Vz以及通过增益校正部校正后的补偿用信号Voff，来运算信号Fx、Fy、Fz，并输出的功能。通过获取被增益校正部校正后的电压Vx（即，a×Vx）、和被增益校正部校正后的补偿用信号Voff（b×Voff）的差量来运算信号Fx。因此，输出的信号Fx如以下所示。

Fx＝a×Vx－b×Voff＝a×（Vxt＋D）－b×Voff＝a×Vxt＋a×D－b×Voff

≈a×Vxt这里，Vxt是包含于电压Vx、且与电荷Qx的积蓄量成比例的电压成分（真实值）。

同样，通过获取被增益校正部校正后的电压Vy（即，a×Vy）与被增益校正部校正后的补偿用信号Voff（b×Voff）的差量来运算信号Fy。因此，输出的信号Fy如以下所示。

Fy＝a×Vy－b×Voff＝a×（Vyt＋D）－b×Voff＝a×Vyt＋a×D－b×Voff

≈a×Vyt这里，Vyt是包含于电压Vy、且与电荷Qy的积蓄量成比例的电压成分（真实值）。

同样，通过获取被增益校正部校正后的电压Vz（即，c×Vz）与被增益校正部校正后的补偿用信号Voff（b×Voff）的差量来运算信号Fz。因此，输出的信号Fz如以下所示。

Fz＝c×Vz－b×Voff＝c×（Vzt＋D）－b×Voff＝c×Vzt＋c×D－b×Voff

≈c×Vzt这里，Vzt是包含于电压Vz、且与电荷Qz的积蓄量成比例的电压成分（真实值）。

如上述那样，包含于校正后的电压Vx、Vy、Vz、且由漏电流所引起的输出漂移D（即，a×D或者c×D）与校正后的补偿用信号Voff（b×Voff）实际上相等，所以能够从校正后的电压Vx、Vy、Vz中减少（除去）由漏电流所引起的输出漂移D。

运算电路42b通过具有这样的构成，能够输出与从电荷输出元件10b输出的电荷Qx、Qy、Qz的积蓄量成比例的信号Fx、Fy、Fz。该信号Fx、Fy、Fz与对电荷输出元件10b施加的3轴力（剪切力以及压缩／拉伸力）对应，所以力检测装置1b能够检测对电荷输出元件10a施加的3轴力。

这样，本实施方式的力检测装置1b通过具有补偿用信号输出电路30、和外力检测电路40b，能够减少由转换输出电路20a、20b、20c的开关元件23的漏电流所引起的输出漂移D。结果能够提高力检测装置1b的检测精度以及检测分辨率。另外，上述的减少输出漂移D的方法在测定时间延长的情况下也有效，所以能够延长力检测装置1b的测定时间。

第三实施方式

接下来，基于图6，对本发明的第三实施方式的6轴力检测装置（力检测装置）进行说明。以下，对于第三实施方式，以与上述的第一以及第二实施方式的不同点为中心进行说明，对于相同的事项省略其说明。

图6是示意性地表示本发明的力检测装置的第三实施方式的立体图。图6的6轴力检测装置（力检测装置）100具有检测6轴力（x、y、z轴方向的平移力成分以及绕x、y、z轴的旋转力成分）的功能。6轴力检测装置100具有第一基板101、与第一基板101对置的第二基板102、夹持（设置）在第一基板101与第二基板102之间的四个力检测装置1b、以及与四个力检测装置1b连接的运算部（未图示）。此外，为了便于说明，第二基板102以透明的状态示出于图6。

如上述那样，力检测装置1b具有检测沿着相互正交的三个轴（α（X）轴、β（Y）轴、γ（Z）轴）施加的外力的功能。另外，力检测装置1b以朝向完全相同的方向的状态被夹持（设置）在第一基板101与第二基板102之间。如图所示，优选力检测装置1b沿着第一基板101或者第二基板102的周向以等角度间隔的方式配置，更优选以等间隔配置成以第一基板101或者第二基板102的中心点为中心的同心圆状。这样，通过配置力检测装置1b，能够均匀地检测外力。

在施加了第一基板101以及第二基板102的相对位置在Fx0方向上相互错开的外力的情况下，各力检测装置1b分别输出信号Fx1、Fx2、Fx3、Fx4。同样，在施加了第一基板101以及第二基板102的相对位置在Fy0方向相互错开的外力的情况下，各力检测装置1b分别输出信号Fy1、Fy2、Fy3、Fy4。另外，在施加了第一基板101以及第二基板102的相对位置在Fz0方向相互错开的外力的情况下，各力检测装置1b分别输出信号Fz1、Fz2、Fz3、Fz4。

另外，第一基板101以及第二基板102能够将相互绕x轴旋转的相对位移、绕y轴旋转的相对位移、以及绕z轴旋转的相对位移、伴随各旋转的外力传递到力检测装置1b。

运算部具有基于从各力检测装置1b输出的信号来运算x轴方向的平移力成分Fx0、y轴方向的平移力成分Fy0、z轴方向的平移力成分Fz0、绕x轴的旋转力成分Mx、绕y轴的旋转力成分My、绕z轴的旋转力成分Mz的功能。各力成分能够通过以下的式子求出。

Fx0＝Fx1＋Fx2＋Fx3＋Fx4

Fy0＝Fy1＋Fy2＋Fy3＋Fy4

Fz0＝Fz1＋Fz2＋Fz3＋Fz4

Mx＝b×（Fz4－Fz2）

My＝a×（Fz3－Fz1）

Mz＝b×（Fx2－Fx4）＋a×（Fy1－Fy3）

这里，a、b是常量。

这样，6轴力检测装置100通过具有第一基板101、第二基板102、多个力检测装置1b以及运算部，能够检测出6轴力。

此外，在图示的构成中，力检测装置1b的数量是四个，但本发明并不限于此。6轴力检测装置100只要具有至少三个力检测装置1b，就能够检测6轴力。在力检测装置1b为三个的情况下，力检测装置1b的数量较少，所以能够使6轴力检测装置100轻型化。在力检测装置1b如图示那样为四个的情况下，如上述那样能够通过非常简单的运算求出6轴力，所以能够使运算部简单化。另外，在力检测装置1b为六个的情况下，能够以更高的精度检测6轴力。

第四实施方式

图7（a）是示意性地表示本发明的力检测装置的第四实施方式的立体图。图7（b）是示意性地表示本发明的力检测装置的第四实施方式的俯视图。此外，在图7（a）中，为了说明，一部分构成要素以透明的状态来表示，在图7（b）中，为了说明，省略一部分构成要素。图8是示意性地表示图7所示的力检测装置的电路图。图9是示意性地表示图7所示的力检测装置的电荷输出元件的剖视图。

图7所示的力检测装置101a具有检测剪切力（沿着图7中的x轴、y轴施加的外力）的功能。力检测装置101a具有底板2、以与底板2对置的方式分离地设置的盖板4、被夹持（设置）在底板2与盖板4之间，并根据外力来输出电压的力检测元件103a、103b、以及基于分别从力检测元件103a、103b输出的电压来检测外力的外力检测电路105（在图7中未图示，参照图8）。这里，力检测元件103a相当于第一元件，力检测元件103b相当于第二元件。

力检测元件

图7所示的力检测元件103a、103b具有根据施加的剪切力（沿着图7中的x轴、y轴施加的外力）来输出电压V的功能。

如图8所示，力检测元件103a、103b具有根据施加的剪切力来输出电荷Q的电荷输出元件131、和将从电荷输出元件131输出的电荷Q转换为电压V的转换输出电路132。若详细叙述，力检测元件103a具有输出电荷Q1的电荷输出元件131、和将电荷Q1转换为电压V1并输出的转换输出电路132。另外，力检测元件103b具有输出电荷Q2的电荷输出元件131、和将电荷Q2转换为电压V2并输出的转换输出电路132。

电荷输出元件

图9所示的电荷输出元件131具有根据图9中的与β轴平行或者大致平行的外力（剪切力）来输出电荷Q的功能。电荷输出元件131具有两个接地电极层310、和设置在两个接地电极层310之间的β轴用压电体320。此外，在图9中，将接地电极层310以及β轴用压电体320的层叠方向设为γ轴方向，将与γ轴方向正交且相互正交的方向分别设为α轴方向、β轴方向。

在图示的构成中，接地电极层310、和β轴用压电体320具有完全相等的宽度（图中的左右方向的长度），但本发明并不限于此。例如，接地电极层310的宽度也可以比β轴用压电体320的宽度宽，也可以相反。

接地电极层310是与地线（基准电位点）GND连接的电极。构成接地电极层310的材料并不特别限定，优选例如，金、铬、钛、铝、铜、铁或者包含它们的合金。

β轴用压电体320具有根据与β轴平行或者大致平行的外力（剪切力）来输出电荷Q的功能。该β轴用压电体320构成为根据沿着β轴的正方向施加的外力来输出正电荷，根据沿着β轴的负方向施加的外力来输出负电荷。即，β轴用压电体320具有朝向β轴的正方向的电轴Pβ。

β轴用压电体320具有第一压电板321，其具有第一晶轴CA1；第二压电板323，其与第一压电板321对置地设置，并具有第二晶轴CA2；以及内部电极322，其设置在第一压电板321与第二压电板323之间，并输出电荷Q。另外，构成β轴用压电体320的各层的层叠顺序为从图9中的下侧开始，第一压电板321、内部电极322、第二压电板323的顺序。

第一压电板321由具有在β轴的负方向取向的第一晶轴CA1的压电体构成。在对第一压电板321的表面施加了沿着β轴的正方向的外力的情况下，由于压电效应，在第一压电板321内感应出电荷。结果在第一压电板321的内部电极322侧表面附近聚集正电荷，在第一压电板321的接地电极层310侧表面附近聚集负电荷。同样，在对第一压电板321的表面施加了β轴的负方向的外力的情况下，在第一压电板321的内部电极322侧表面附近聚集负电荷，在第一压电板321的接地电极层310侧表面附近聚集正电荷。

第二压电板323由具有在β轴的正方向取向的第二晶轴CA2的压电体构成。在对第二压电板323的表面施加了沿着β轴的正方向的外力的情况下，由于压电效应，在第二压电板323内感应出电荷。结果在第二压电板323的内部电极322侧表面附近聚集正电荷，在第二压电板323的接地电极层310侧表面附近聚集负电荷。同样，在对第二压电板323的表面施加了沿着β轴的负方向的外力的情况下，在第二压电板323的内部电极322侧表面附近聚集负电荷，在第二压电板323的接地电极层310侧表面附近聚集正电荷。

这样，第一压电板321的第一晶轴CA1的方向朝向与第二压电板323的第二晶轴CA2的方向相反的方向。由此，与由仅第一压电板321或者第二压电板323的某一方和内部电极322构成β轴用压电体320的情况进行比较，能够使在内部电极322附近聚集的正电荷或者负电荷增加。结果能够使从内部电极322输出的电荷Q增加。

此外，作为第一压电板321以及第二压电板323的构成材料，列举水晶、黄玉、钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅（PZT：Pb（Zr，Ti）O₃）、铌酸锂、钽酸锂等。其中特别优选水晶。因为由水晶构成的压电板具有较宽的动态范围、较高的刚性、较高的固有振动频率、较高的耐负荷性等优异的特性。另外，如第一压电板321以及第二压电板323那样，针对沿着层的面方向施加的外力（剪切力）而产生电荷的压电板能够由Y切割水晶构成。

内部电极322具有将在第一压电板321内以及第二压电板323内产生的正电荷或者负电荷作为电荷Q输出的功能。如上所述，在对第一压电板321的表面或者第二压电板323的表面施加了沿着β轴的正方向的外力的情况下，在内部电极322附近聚集正电荷。结果从内部电极322输出正的电荷Q。另一方面，在对第一压电板321的表面或者第二压电板323的表面施加了沿着β轴的负方向的外力的情况下，在内部电极322附近聚集负电荷。结果从内部电极322输出负的电荷Q。

这样，电荷输出元件131通过具有上述的接地电极层310、和β轴用压电体320，能够根据与图9中的β轴平行或者大致平行的外力（剪切力）来输出电荷Q。

此外，作为电荷输出元件131，对具有根据与β轴平行或者大致平行的外力（剪切力）来输出电荷Q的功能的例子进行了说明，但本发明并不限于此。通过使用第一晶轴CA1的取向方向为与β轴方向不同的α轴方向的第一压电板321、以及第二晶轴CA2的取向方向为与β轴方向不同的α轴方向的第二压电板323，能够构成根据与α轴平行或者大致平行的外力（剪切力）来输出电荷Q的电荷输出元件131。这样的情况也在本发明的范围内。

转换输出电路

转换输出电路132具有将从电荷输出元件131输出的电荷Q（Q1、Q2）转换成电压V（V1、V2）的功能。转换输出电路132具有运算放大器133、电容器134、以及开关元件135。运算放大器133的第一输入端子（负输入）与电荷输出元件131的内部电极322连接，运算放大器133的第二输入端子（正输入）与地线（基准电位点）连接。另外，运算放大器133的输出端子与外力检测电路105连接。电容器134连接在运算放大器133的第一输入端子与输出端子之间。开关元件135连接在运算放大器133的第一输入端子与输出端子之间，并与电容器134并联连接。另外，开关元件135与驱动电路（未图示）连接，根据来自驱动电路的接通/断开信号，执行开关动作。

在开关元件135断开的情况下，从电荷输出元件131输出的电荷Q被储存于具有静电容量C1的电容器134，并作为电压V输出至外力检测电路105。接下来，在开关元件135接通的情况下，电容器134的两端子间被短路。结果储存在电容器134中的电荷Q被放电而成为0库仑，输出至外力检测电路105的电压V成为0伏特。将开关元件135接合称为对转换输出电路132进行复位。

开关元件135是MOSFET（Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor）等半导体开关元件。半导体开关元件与机械式开关相比是小型以及轻型的，所以有利于力检测装置101a的小型化以及轻型化。以下，作为代表例，对使用MOSFET作为开关元件135的情况进行说明。

开关元件135具有漏极电极、源极电极、以及栅极电极。开关元件135的漏极电极或者源极电极的一方与运算放大器133的第一输入端子连接，漏极电极或者源极电极的另一方与运算放大器133的输出端子连接。另外，开关元件135的栅极电极与驱动电路（未图示）连接。

从理想的转换输出电路132输出的电压V与从电荷输出元件131输出的电荷Q的积蓄量成比例。然而，在实际的转换输出电路132中，产生从开关元件135流入电容器134的漏电流。这样的漏电流成为电压V所包含的输出漂移D。因此，若将与电荷Q的积蓄量成比例的电压成分（真实值）设为Vt，则输出的电压V为V＝Vt＋D。

输出漂移D为相对于测定结果的误差，所以存在因漏电流（输出漂移D），而力检测元件103a、103b的检测精度以及检测分辨率降低的问题。另外，漏电流与测定（驱动）时间成比例地累积，所以存在不能够延长力检测装置101a的测定时间的问题。

这样的漏电流起因于栅极绝缘膜的绝缘性的不足、工序规则的微细化、半导体中的杂质浓度的偏差等半导体构造以及温度、湿度等使用环境。由于由半导体构造所引起的漏电流为每个开关元件固有的值，所以通过预先测定由半导体构造所引起的漏电流，能够比较容易地进行补偿。然而，由使用环境所引起的漏电流根据使用环境（状况）而变动，所以难以进行补偿。本实施方式的力检测装置101a使用形成元件对的力检测元件103a、103b、和基于分别从力检测元件103a、103b输出的电压V1、V2来检测外力的外力检测电路105，能够减少由漏电流带来的影响（输出漂移D）。

接下来，参照图7，对形成元件对的力检测元件103a、103b的位置关系进行详细叙述。此外，在图7（b）中，为了说明，省略盖板4。另外，在图7（b）中，将左右方向设为x轴方向，将与x轴方向正交的方向，即上下方向设为y轴方向。

力检测元件103a具有沿着上述的β轴的电轴Pβ1，并根据沿着β轴施加的外力（剪切力）来输出电压V1。同样，力检测元件103b具有沿着上述的β轴的电轴Pβ2，并根据沿着β轴施加的外力（剪切力）来输出电压V2。

力检测元件103a、103b设置（夹持）在底板2与盖板4之间。力检测元件103a的电轴Pβ1具有角度θ1。同样，力检测元件103b的电轴Pβ2具有角度θ2。此外，角度θ1、θ2是与图7（b）的基准坐标系（x轴、y轴）的x轴呈的角度。

如图7（b）所示，力检测元件103a、103b的力检测元件103a的电轴Pβ1的方向和力检测元件103b的电轴Pβ2的方向朝向相互不同的方向，在本实施方式中以朝向相互相反方向的方式配置。这里所说的“朝向相互相反方向”并不限于如图7（b）所示，电轴Pβ1的方向与电轴Pβ2的方向对置的情况，即，角度θ1、θ2满足θ1＝θ2的关系的情况。至少，在分别将电轴Pβ1以及电轴Pβ2分解为正交的x轴方向的向量成分以及y轴方向的向量成分时，电轴Pβ1的x轴方向的向量成分与电轴Pβ2的x轴方向的向量成分是相反方向，或者，电轴Pβ1的y轴方向的向量成分与电轴Pβ2的y轴方向的向量成分是相反方向即可。

另外，优选力检测元件103a、103b以电轴Pβ1的x轴方向的向量成分与电轴Pβ2的x轴方向的向量成分是相反方向、以及电轴Pβ1的y轴方向的向量成分与电轴Pβ2的y轴方向的向量成分是相反方向的方式，即，以满足｜θ1－θ2｜＜π／2的关系的方式配置。由此，能够检测后述的剪切力Fx、Fy。在以下的说明中，作为代表，对力检测元件103a、103b以满足｜θ1－θ2｜＜π／2的关系的方式配置的情况进行说明。

另外，更优选力检测元件103a、103b以电轴Pβ1的方向与电轴Pβ2的方向对置的方式，即，以满足θ1＝θ2的关系的方式配置。由此，后述的外力检测电路105能够进一步减少输出漂移D，并且检测剪切力Fx、Fy。

另外，只要力检测元件103a的电轴Pβ1的方向与力检测元件103b的电轴Pβ2的方向以朝向相互相反方向的方式配置，则力检测元件103a、103b的配置并特别限定，但优选如图7（b）所示，力检测元件103a与力检测元件103b配置在同一轴上。由此，能够均匀地检测对底板2或者盖板4施加的剪切力（沿着图中的x轴、y轴施加的外力）。

另外，图7（b）的力检测元件103a的电轴Pβ1以及力检测元件103b的电轴Pβ2朝向底板2的外侧（离心方向），但本发明并不限于此。即，只要配置成力检测元件103a的电轴Pβ1的方向与力检测元件103b的电轴Pβ2的方向朝向相互相反方向，则力检测元件103a的电轴Pβ1以及力检测元件103b的电轴Pβ2也可以朝向底板2的中心方向（向心方向）。

若将与从力检测元件103a的电荷输出元件131输出的电荷Q1的积蓄量成比例的电压成分（真实值）设为Vt1，将与从力检测元件103b的电荷输出元件131输出的电荷Q2的积蓄量成比例的电压成分（真实值）设为Vt2，则从力检测元件103a输出的电压V1以及从力检测元件103b输出的电压V2如以下所示。

公式1

V1＝Vt1+D

V2＝Vt2+D

此外，力检测元件103a的开关元件135与力检测元件103b的开关元件135是相同的半导体开关元件，其漏电流实际上相等。因此，电压V1所包含的输出漂移D与电压V2所包含的输出漂移D实际上相等。这里所说的“实际上相等”是指在获取到比较的两个值的差量时，该差量与原来的值相比较小到能够忽略的程度。

另外，力检测元件103a、103b被配置成力检测元件103a的电轴Pβ1的方向与力检测元件103b的电轴Pβ2的方向朝向相互相反方向，所以电压V1所包含的电压成分Vt1与电压V2所包含的电压成分Vt2的符号不一致。例如，若电压成分Vt1的符号是正，则电压成分Vt2的符号为负。同样，若电压成分Vt1的符号是负，则电压成分Vt2的符号为正。因此，在获取到从力检测元件103a输出的电压V1与从力检测元件103b输出的电压V2的差量的情况下，电压成分Vt1与电压成分Vt2的差量的绝对值不会减少。

另一方面，电压V1所包含的输出漂移D和电压V2所包含的输出漂移D并不取决于电轴Pβ1、Pβ2的方向，所以电压V1所包含的输出漂移D的符号和电压V2所包含的输出漂移D的符号一致。因此，在获取到从力检测元件103a输出的电压V1与从力检测元件103b输出的电压V2的差量的情况下，电压V1所包含的输出漂移D与从电压V2所包含的输出漂移D的差量的绝对值减少。

外力检测电路

外力检测电路105具有通过获取从力检测元件103a输出的电压V1与从力检测元件103b输出的电压V2的差量，检测对力检测装置101a施加的剪切力（沿着图中的x轴、y轴施加的外力）的功能。

外力检测电路105能够通过如以下那样获取电压V1、V2的差量，来检测对力检测装置101a施加的剪切力Fx、Fy。

公式2

Fx＝V1cos(θ1)-V2cos(θ2)＝Vt1cos(θ1)-Vt2cos(θ2)+D{cos(θ1)-cos(θ2)}

Fy＝V1sin(θ1)-V2sin(θ2)＝Vt1sin(θ1)-Vt2sin(θ2)+D{sin(θ1)-sin(θ2)}

这样，在获取了从力检测元件103a输出的电压V1与从力检测元件103b输出的电压V2的差量的情况下，不会使电压成分Vt1与电压成分Vt2的差量的绝对值减少，而输出漂移D的绝对值减少。因此，能够减少输出漂移D。结果能够使由漏电流（输出漂移D）所引起的检测误差相对减小，提高力检测装置101a的检测精度以及检测分辨率。另外，上述的减少输出漂移D方法在测定时间延长了的情况下也有效，所以能够延长力检测装置101a的测定时间。

并且，在角度θ1、θ2满足θ1＝θ2的情况下，即，力检测元件103a、103b被配置成电轴Pβ1的方向与电轴Pβ2的方向对置的情况下，上述Fx、Fy的计算式被简单化，如以下所示。

公式3

Fx＝(Vt1-Vt2)cos(θ1)

Fy＝(Vt1-Vt2)sin(θ1)

在该情况下，能够除去（进一步减少）输出漂移D。结果能够进一步提高力检测装置101a的检测精度以及检测分辨率。另外，能够进一步延长力检测装置101a的测定时间。

这样，由于本实施方式的力检测装置101a具有配置成力检测元件103a的电轴Pβ1的方向和力检测元件103b的电轴Pβ2的方向朝向相互相反方向的力检测元件103a、103b、和通过获取从力检测元件103a输出的电压V1与从力检测元件103b输出的电压V2的差量来检测对力检测装置101a施加的剪切力的外力检测电路105，所以能够减少由转换输出电路132的开关元件135的漏电流所引起的输出漂移D。结果能够提高力检测装置101a的检测精度以及检测分辨率。另外，上述的减少输出漂移D的方法在测定时间延长了的情况下也有效，所以能够延长力检测装置101a的测定时间。并且，在本实施方式的力检测装置101a中，无需如反向偏置电路那样的用于减少输出漂移D的电路，所以能够使力检测装置101a小型化。

此外，本实施方式的力检测装置101a具有一对力检测元件103a、103b，但本发明并不限于此。力检测装置101a也可以具有多对力检测元件103a、103b，那样的情况还是在本发明的范围内。

第五实施方式

接下来基于图10、图11以及图12对本发明的第五实施方式进行说明。以下，对于第五实施方式，以与上述的第四实施方式的不同点为中心进行说明，对于相同的事项省略其说明。

图10（a）是示意性地表示本发明的力检测装置的第五实施方式的立体图。图10（b）是示意性地表示本发明的力检测装置的第五实施方式的俯视图。图11是示意性地表示图10所示的力检测装置的电路图。图12（a）是示意性地表示图10所示的第一力检测装置的电荷输出元件的剖视图。图12（b）是示意性地表示图10所示的第二力检测装置的电荷输出元件的剖视图。此外，在图10（a）中，为了说明，一部分构成要素以透明的状态示出，在图10（b）中，为了说明，省略一部分构成要素。

图10所示的力检测装置101b具有检测6轴力（x、y、z轴方向的平移力成分以及围绕x、y、z轴的旋转力成分）的功能。力检测装置101b具有底板2、以与底板2对置的方式分离设置的盖板4、设置（夹持）在底板2与盖板4之间，并根据外力来输出电压Vα、Vβ、Vγ的力检测元件30a、30b、30c、30d、以及基于分别从力检测元件30a、30b、30c、30d输出的电压Vα、Vβ、Vγ来检测6轴力的外力检测电路50（在图10中未图示，参照图11）。

力检测元件

力检测元件30a、30b、30c、30d具有根据分别沿着相互正交的三个轴（α轴、β轴、γ轴）施加的外力来输出电压Vα、Vβ、Vγ的功能。另外，力检测元件30a、30c构成第一元件对，力检测元件30b、30d构成第二元件对。属于第一元件对的力检测元件30a、30c具有相互相同的构成。属于第二元件对的力检测元件30b、30d具有相互相同的构成。

如图11所示，属于第一元件对的力检测元件30a、30c具有第一电荷输出元件301a，其根据沿着相互正交的三个轴（α轴、β轴、γ轴）施加的外力来输出电荷Qα、Qβ、Qγ；转换输出电路132a，其将从第一电荷输出元件301a输出的电荷Qα转换为电压Vα；转换输出电路132b，其将从第一电荷输出元件301a输出的电荷Qγ转换为电压Vγ；以及转换输出电路132c，其将从第一电荷输出元件301a输出的电荷Qβ转换为电压Vβ。属于第二元件对的力检测元件30b、30d除了具有与第一电荷输出元件301a构造不同的第二电荷输出元件301b这一点之外，具有与属于第一元件对的力检测元件30a、30c相同的构成。

电荷输出元件

图12（a）所示的第一电荷输出元件301a具有根据分别沿着图12中的相互正交的三个轴（α轴、β轴、γ轴）施加的外力来输出电荷Qα、Qβ、Qγ的功能。如图12（a）所示，第一电荷输出元件301a具有与地线（基准电位点）GND连接的四个接地电极层310、根据与β轴平行或者大致平行的外力（剪切力）来输出电荷Qβ的β轴用压电体320、根据与γ轴平行或者大致平行的外力（压缩／拉伸力）来输出电荷Qγ的第一γ轴用压电体330、根据与α轴平行或者大致平行的外力（剪切力）来输出电荷Qα的第一α轴用压电体340，且接地电极层310与各压电体320、330、340交替层叠。此外，在图12中，将接地电极层310以及各压电体320、330、340的层叠方向设为γ轴方向，将与γ轴方向正交并且相互正交的方向分别设为α轴方向、β轴方向。

在图示的构成中，从图12中的下侧开始，依次层叠有β轴用压电体320、第一γ轴用压电体330、第一α轴用压电体340，但本发明并不限于此。各压电体320、330、340的层叠顺序是任意的。

β轴用压电体320具有根据与β轴平行或者大致平行的外力（剪切力）来输出电荷Qβ的功能。β轴用压电体320具有与上述的第四实施方式的β轴用压电体320相同的构造以及功能。

第一γ轴用压电体330具有根据与γ轴平行或者大致平行的外力（压缩／拉伸力）来输出电荷Qγ的功能。第一γ轴用压电体330构成为根据沿着γ轴的正方向施加的外力来输出正电荷，根据沿着γ轴的负方向施加的外力来输出负电荷。即，第一γ轴用压电体330具有朝向图12中的γ轴的正方向的电轴Pγ。

第一γ轴用压电体330具有第三压电板331，其具有第三晶轴CA3；第四压电板333，其与第三压电板331对置地设置，且具有第四晶轴CA4；以及内部电极332，其设置在第三压电板331与第四压电板333之间，并输出电荷Qγ。另外，构成第一γ轴用压电体330的各层的层叠顺序是从图12中的下侧开始，第三压电板331、内部电极332、第四压电板333的顺序。

第三压电板331由具有在γ轴的正方向取向的第三晶轴CA3的压电体构成。在对第三压电板331的表面施加了沿着γ轴的正方向的外力的情况下，由于压电效应，在第三压电板331内感应出电荷。结果在第三压电板331的内部电极332侧表面附近聚集正电荷，在第三压电板331的接地电极层310侧表面附近聚集负电荷。同样，在第三压电板331的表面施加了沿着γ轴的负方向的外力的情况下，在第三压电板331的内部电极332侧表面附近聚集负电荷，在第三压电板331的接地电极层310侧表面附近聚集正电荷。

第四压电板333由具有在γ轴的负方向取向的第四晶轴CA4的压电体构成。在对第四压电板333的表面施加了沿着γ轴的正方向的外力的情况下，由于压电效应，在第四压电板333内感应出电荷。结果在第四压电板333的内部电极332侧表面附近聚集正电荷，在第四压电板333的接地电极层310侧表面附近聚集负电荷。同样，在对第四压电板333的表面施加了沿着γ轴的负方向的外力的情况下，在第四压电板333的内部电极332侧表面附近聚集负电荷，在第四压电板333的接地电极层310侧表面附近聚集正电荷。

作为第三压电板331以及第四压电板333的构成材料能够使用与第一压电板321以及第二压电板323相同的构成材料。另外，如第三压电板331以及第四压电板333那样，针对与层的面方向垂直的外力（压缩／拉伸力）而产生电荷的压电板能够由X切割水晶构成。

内部电极332具有将在第三压电板331内以及第四压电板333内产生的正电荷或者负电荷作为电荷Qγ输出的功能。如上所述，在对第三压电板331的表面或者第四压电板333的表面施加了沿着γ轴的正方向的外力的情况下，在内部电极332附近聚集正电荷。结果从内部电极332输出正的电荷Qγ。另一方面，在对第三压电板331的表面或者第四压电板333的表面施加了沿着γ轴的负方向的外力的情况下，在内部电极332附近聚集负电荷。结果从内部电极332输出负的电荷Qγ。

第一α轴用压电体340具有根据与α轴平行或者大致平行的外力（剪切力）来输出电荷Qα的功能。第一α轴用压电体340构成为根据沿着α轴的正方向施加的外力来输出正电荷，根据沿着α轴的负方向施加的外力来输出负电荷。即，第一α轴用压电体340具有朝向图12中的α轴的正方向的电轴Pα。

第一α轴用压电体340具有第五压电板341，其具有第五晶轴CA5；第六压电板343，其与第五压电板341对置地设置，且具有第六晶轴CA6；以及内部电极342，其设置在第五压电板341与第六压电板343之间，并输出电荷Qα。另外，构成第一α轴用压电体340的各层的层叠顺序是从图12中的下侧开始，第五压电板341、内部电极342、第六压电板343的顺序。

第五压电板341由具有在α轴的负方向取向的第五晶轴CA5的压电体构成。在对第五压电板341的表面施加了沿着α轴的正方向的外力的情况下，由于压电效应，在第五压电板341内感应出电荷。结果在第五压电板341的内部电极342侧表面附近聚集正电荷，在第五压电板341的接地电极层310侧表面附近聚集负电荷。同样，在对第五压电板341的表面施加了沿着α轴的负方向的外力的情况下，在第五压电板341的内部电极342侧表面附近聚集负电荷，在第五压电板341的接地电极层310侧表面附近聚集正电荷。

第六压电板343由具有在α轴的正方向取向的第六晶轴CA6的压电体构成。在对第六压电板343的表面施加了沿着α轴的正方向的外力的情况下，由于压电效应，在第六压电板343内感应出电荷。结果在第六压电板343的内部电极342侧表面附近聚集正电荷，在第六压电板343的接地电极层310侧表面附近聚集负电荷。同样，在对第六压电板343的表面施加了沿着α轴的负方向的外力的情况下，在第六压电板343的内部电极342侧表面附近聚集负电荷，在第六压电板343的接地电极层310侧表面附近聚集正电荷。

作为第五压电板341以及第六压电板343的构成材料能够使用与第一压电板321以及第二压电板323相同的构成材料。另外，如第五压电板341以及第六压电板343那样，针对沿着层的面方向施加的外力（剪切力）而产生电荷的压电板与第一压电板321以及第二压电板323相同，能够由Y切割水晶构成。

内部电极342具有将在第五压电板341内以及第六压电板343内产生的正电荷或者负电荷作为电荷Qα输出的功能。如上所述，在对第五压电板341的表面或者第六压电板343的表面施加了沿着α轴的正方向的外力的情况下，在内部电极342附近聚集正电荷。结果从内部电极342输出正的电荷Qα。另一方面，在对第五压电板341的表面或者第六压电板343的表面施加了沿着α轴的负方向的外力的情况下，在内部电极342附近聚集负电荷。结果从内部电极342输出负的电荷Qα。

β轴用压电体320、第一γ轴用压电体330、以及第一α轴用压电体340以β轴用压电体320的电轴Pβ的方向、第一γ轴用压电体330的电轴Pγ的方向以及第一α轴用压电体340的电轴Pα的方向相互正交的方式层叠。由此，第一电荷输出元件301a能够具有三个电轴Pα、Pβ、Pγ，且能够根据分别沿着三个轴（α轴、β轴、γ轴）施加的外力来输出三个电荷Qα、Qβ、Qγ。

接下来，参照图12（b），对属于第二元件对的力检测元件30b、30d所具有的第二电荷输出元件301b进行详细叙述。图12（b）所示的第二电荷输出元件301b具有根据分别沿着图12中的相互正交的三个轴（α轴、β轴、γ轴）的外力来输出电荷Qα、Qβ、Qγ的功能。如图12（b）所示，第二电荷输出元件301b具有与地线（基准电位点）GND连接的四个接地电极层310、根据与β轴平行或者大致平行的外力（剪切力）来输出电荷Qβ的β轴用压电体320、根据与γ轴平行或者大致平行的外力（压缩／拉伸力）来输出电荷Qγ的第二γ轴用压电体350、以及根据与α轴平行或者大致平行的外力（剪切力）来输出电荷Qα的第二α轴用压电体360，接地电极层310与各压电体320、350、360交替层叠。因此，第二电荷输出元件301b除了具有与第一γ轴用压电体330构造不同的第二γ轴用压电体350和与第一α轴用压电体340构造不同的第二α轴用压电体360这一点之外，具有与第一电荷输出元件301a相同的构造。此外，在图12中，将接地电极层310以及各压电体320、350、360的层叠方向设为γ轴方向，将与γ轴方向正交并且相互正交的方向分别设为α轴方向、β轴方向。

在图示的构成中，从图12中的下侧开始，依次层叠有β轴用压电体320、第二γ轴用压电体350、第二α轴用压电体360，但本发明并不限于此。各压电体320、350、360的层叠顺序是任意的。

第二γ轴用压电体350具有根据与γ轴平行或者大致平行的外力（压缩／拉伸力）来输出电荷Qγ的功能。第二γ轴用压电体350构成为根据沿着γ轴的正方向施加的外力来输出负电荷，根据沿着γ轴的负方向施加的外力来输出正电荷。即，第二γ轴用压电体350具有朝向图12中的γ轴的负方向的电轴Pγ。因此，第二γ轴用压电体350的电轴Pγ的方向朝向与第一γ轴用压电体330的电轴Pγ的方向相反的方向。

第二γ轴用压电体350具有第四压电板333，其具有第四晶轴CA4；第三压电板331，其与第四压电板333对置地设置，且具有第三晶轴CA3；以及内部电极332，其设置在第四压电板333与第三压电板331之间，并输出电荷Qγ。另外，构成第二γ轴用压电体350的各层的层叠顺序是从图12中的下侧开始，第四压电板333、内部电极332、第三压电板331的顺序。因此，第二γ轴用压电体350除了第四压电板333、内部电极332、第三压电板331的层叠顺序之外，具有与第一γ轴用压电体330相同的构造。

在对第四压电板333的表面施加了沿着γ轴的正方向施加的外力的情况下，由于压电效应，在第四压电板333内感应出电荷。结果在第四压电板333的内部电极332侧表面附近聚集负电荷，在第四压电板333的接地电极层310侧表面附近聚集正电荷。同样，在对第四压电板333的表面施加了沿着γ轴的负方向的外力的情况下，在第四压电板333的内部电极332侧表面附近聚集正电荷，在第四压电板333的接地电极层310侧表面附近聚集负电荷。

在对第三压电板331的表面施加了沿着γ轴的正方向的外力的情况下，由于压电效应，在第三压电板331内感应出电荷。结果在第三压电板331的内部电极332侧表面附近聚集负电荷，在第三压电板331的接地电极层310侧表面附近聚集正电荷。同样，在对第三压电板331的表面施加了沿着γ轴的负方向的外力的情况下，在第三压电板331的内部电极332侧表面附近聚集正电荷，在第三压电板331的接地电极层310侧表面附近聚集负电荷。

这样，在对第三压电板331的表面或者第四压电板333的表面施加了沿着γ轴的正方向的外力的情况下，在内部电极332附近聚集负电荷。结果从内部电极332输出负的电荷Qγ。另一方面，在对第三压电板331的表面或者第四压电板333的表面施加了沿着γ轴的负方向的外力的情况下，在内部电极332附近聚集正电荷。结果从内部电极332输出正的电荷Qγ。

第二α轴用压电体360具有根据与α轴平行或者大致平行的外力（剪切力）来输出电荷Qα的功能。第二α轴用压电体360构成为根据沿着α轴的正方向的外力来输出负电荷，根据沿着α轴的负方向施加的外力来输出正电荷。即，第二α轴用压电体360具有朝向图12中的α轴的负方向的电轴Pα。因此，第二α轴用压电体360的电轴Pα的方向朝向与第一α轴用压电体340的电轴Pα的方向相反的方向。

第二α轴用压电体360具有第六压电板343，其具有第六晶轴CA6；第五压电板341，其与第六压电板343对置地设置，且具有第五晶轴CA5；以及内部电极342，其设置在第六压电板343与第五压电板341之间，并输出电荷Qα。另外，构成第二α轴用压电体360的各层的层叠顺序是从图12中的下侧开始，第六压电板343、内部电极342、第五压电板341的顺序。因此，第二α轴用压电体360除了第六压电板343、内部电极342、第五压电板341的层叠顺序之外，具有与第一α轴用压电体340相同的构造。

在对第六压电板343的表面施加了沿着α轴的正方向的外力的情况下，由于压电效应，在第六压电板343内感应出电荷。结果在第六压电板343的内部电极342侧表面附近聚集负电荷，在第六压电板343的接地电极层310侧表面附近聚集正电荷。同样，在对第六压电板343的表面施加了沿着α轴的负方向的外力的情况下，在第六压电板343的内部电极342侧表面附近聚集正电荷，在第六压电板343的接地电极层310侧表面附近聚集负电荷。

在对第五压电板341的表面施加了沿着α轴的正方向的外力的情况下，由于压电效应，在第五压电板341内感应出电荷。结果在第五压电板341的内部电极342侧表面附近聚集负电荷，在第五压电板341的接地电极层310侧表面附近聚集正电荷。同样，在对第五压电板341的表面施加了沿着α轴的负方向的外力的情况下，在第五压电板341的内部电极342侧表面附近聚集正电荷，在第五压电板341的接地电极层310侧表面附近聚集负电荷。

这样，在对第五压电板341的表面或者第六压电板343的表面施加了沿着α轴的正方向的外力的情况下，在内部电极342附近聚集负电荷。结果从内部电极342输出负的电荷Qα。另一方面，在对第五压电板341的表面或者第六压电板343的表面施加了沿着α轴的负方向的外力的情况下，在内部电极342附近聚集正电荷。结果从内部电极322输出正的电荷Qα。

β轴用压电体320、第二γ轴用压电体350、以及第二α轴用压电体360以β轴用压电体320的电轴Pβ的方向、第二γ轴用压电体350的电轴Pγ的方向、以及第二α轴用压电体360的电轴Pα的方向相互正交的方式层叠。另外，第二γ轴用压电体350的电轴Pγ的方向朝向与第一γ轴用压电体330的电轴Pγ的方向相反的方向。同样，第二α轴用压电体360的电轴Pα的方向朝向与第一α轴用压电体340的电轴Pα的方向相反的方向。

另外，由Y切割水晶构成的β轴用压电体320、第一α轴用压电体340以及第二α轴用压电体360的每单位力的电荷产生量例如是8pC／N。另一方面，由X切割水晶构成的第一γ轴用压电体330以及第二γ轴用压电体350的每单位力的电荷产生量例如是4pC／N。这样，第一电荷输出元件301a以及第二电荷输出元件301b对与γ轴平行或者大致平行的外力（压缩／拉伸力）的灵敏度为第一电荷输出元件301a以及第二电荷输出元件301b对与α轴或者β轴平行或者大致平行的外力（剪切力）的灵敏度以下。因此，从第一电荷输出元件301a以及第二电荷输出元件301b输出的电荷Qγ为从第一电荷输出元件301a以及第二电荷输出元件301b输出的电荷Qα以及电荷Qβ以下。

转换输出电路

转换输出电路132a、132c具有与第四实施方式的转换输出电路132相同的构成。转换输出电路132b除了电容器134的静电容量之外，还具有与第四实施方式的转换输出电路132相同的构成。转换输出电路132a具有将从第一电荷输出元件301a或者第二电荷输出元件301b输出的电荷Qα转换为电压Vα的功能。转换输出电路132b具有将从第一电荷输出元件301a或者第二电荷输出元件301b输出的电荷Qγ转换为电压Vγ的功能。转换输出电路132c具有将从第一电荷输出元件301a或者第二电荷输出元件301b输出的电荷Qβ转换为电压Vβ的功能。

可以在各转换输出电路132a、132b、132c的开关元件135连接同一个驱动电路，也可以连接不同的驱动电路。从驱动电路向各开关元件135输入完全同步的接通/断开信号。由此，各转换输出电路132a、132b、132c的开关元件135的动作同步。即，各转换输出电路132a、132b、132c的开关元件135的接通/断开定时一致。

另外，在具有如转换输出电路132a、132b、132c那样的电压转换功能的电路中，若减小电容器134的静电容量，则电压转换灵敏度提高，但饱和电荷量变小。如上述那样，通常，从第一电荷输出元件301a以及第二电荷输出元件301b输出的电荷Qγ是从第一电荷输出元件301a以及第二电荷输出元件301b输出的电荷Qα以及电荷Qβ以下。因此，从对电荷Qγ的灵敏度的观点来看，优选转换输出电路132b的电容器134的静电容量C2是转换输出电路132a、132c的电容器134的静电容量C1以下。由此，能够将电荷Qγ准确地转换为电压Vγ。

另外，各转换输出电路132a、132b、132c的开关元件135是相互相同的半导体开关元件，各开关元件135的漏电流实际上相等。因此，各开关元件135的输出漂移D实际上也相等。

接下来，参照图10（b），对形成第一元件对的力检测元件30a、30c以及形成第二元件对的力检测元件30b、30d的位置关系进行详细叙述。此外，在图10（b）中，为了说明，省略盖板4。另外，在图10（b）中，将左右方向设为x轴方向，将与x轴方向正交的方向，即上下方向设为y轴方向，将与x轴方向以及y轴方向正交的方向设为z轴方向。

力检测元件30a具有电轴Pα1、Pβ1、Pγ1，根据分别沿着α轴、β轴、γ轴施加的外力来输出电压Vα1、Vβ1、Vγ1。力检测元件30b具有电轴Pα2、Pβ2、Pγ2，根据分别沿着α轴、β轴、γ轴施加的外力来输出电压Vα2、Vβ2、Vγ2。力检测元件30c具有电轴Pα3、Pβ3、Pγ3，根据分别沿着α轴、β轴、γ轴施加的外力来输出电压Vα3、Vβ3、Vγ3。同样，力检测元件30d具有电轴Pα4、Pβ4、Pγ4，根据分别沿着α轴、β轴、γ轴施加的外力来输出电压Vα4、Vβ4、Vγ4。另外，在各力检测元件30a、30b、30c、30d输出的各电压Vα、Vβ、Vγ中分别包含与电容器134所积蓄的电荷量成比例的电压成分（真实值）Vαt、Vβt、Vγt、以及由开关元件135的漏电流所引起的输出漂移D。

力检测元件30a、30b、30c、30d被设置（夹持）在底板2和与底板2分离地设置的盖板4之间。力检测元件30a的电轴Pβ1具有角度θ1。力检测元件30b的电轴Pβ2具有角度θ2。力检测元件30c的电轴Pβ3具有角度θ3。力检测元件30d的电轴Pβ4具有角度θ4。此外，角度θ1、θ2、θ3、θ4是与图10（b）的基准坐标系（x轴、y轴、z轴）的x轴呈的角度。

如图10（b）所示，形成第一元件对的力检测元件30a、30c被配置成力检测元件30a的电轴Pα1、Pβ1的方向、和力检测元件30c的电轴Pα3、Pβ3的方向分别朝向相互相反的方向。同样，形成第二元件对的力检测元件30b、30d被配置成力检测元件30b的电轴Pα2、Pβ2的方向、和力检测元件30d的电轴Pα4、Pβ4的方向分别朝向相互相反的方向。另外，形成第一元件对的力检测元件30a、30c的电轴Pγ1、Pγ3的方向、和形成第二元件对的力检测元件30b、30d的电轴Pγ2、Pγ4的方向朝向相互相反的方向。

由于力检测元件30a、30c被配置成力检测元件30a的电轴Pβ1的方向和力检测元件30c的电轴Pβ2的方向朝向相互相反的方向，所以电压Vβ1所包含的电压成分Vβt1与电压Vβ3所包含的电压成分Vβt3的符号不一致。因此，在获取到从力检测元件30a输出的电压Vβ1与从力检测元件30c输出的电压Vβ3的差量的情况下，电压成分Vβt1与电压成分Vβt3的差量的绝对值不会减少。同样，由于力检测元件30a、30c被配置成力检测元件30a的电轴Pα1的方向与力检测元件30c的电轴Pα2的方向朝向相互相反的方向，所以电压Vα1所包含的电压成分Vαt1与电压Vα3所包含的的电压成分Vαt3的符号不一致。因此，在获取到从力检测元件30a输出的电压Vα1与从力检测元件30c输出的电压Vα3的差量的情况下，电压成分Vαt1与电压成分Vαt3的差量的绝对值不会减少。

另外，由于力检测元件30b、30d被配置成力检测元件30b的电轴Pβ2的方向和力检测元件30d的电轴Pβ4的方向朝向相互相反的方向，所以电压Vβ2所包含的电压成分Vβt2与电压Vβ4所包含的电压成分Vβt4的符号不一致。因此，在获取到从力检测元件30b输出的电压Vβ2与从力检测元件30d输出的电压Vβ4的差量的情况下，电压成分Vβt2与电压成分Vβt4的差量的绝对值不会减少。同样，由于力检测元件30b、30d被配置成力检测元件30b的电轴Pα2的方向和力检测元件30d的电轴Pα4的方向朝向相互相反的方向，所以电压Vα2所包含的电压成分Vαt2与电压Vα4所包含的电压成分Vαt4的符号不一致。因此，在获取到从力检测元件30b输出的电压Vα2与从力检测元件30d输出的电压Vα4的差量的情况下，电压成分Vαt2与电压成分Vαt4的差量的绝对值不会减少。

另外，如上述那样，由于力检测元件30a、30c、30b、30d构成为力检测元件30a、30c的电轴Pγ1、Pγ3的方向与力检测元件30b、30d的电轴Pγ2、Pγ4的方向朝向相互相反的方向，所以电压Vγ1、Vγ3所包含的电压成分Vγt1、Vγt3与电压Vγ2、Vγ4所包含的电压成分Vγt2、Vγt4的符号不一致。因此，在获取到从力检测元件30a、30c输出的电压Vγ1、Vγ3与从力检测元件30b、30d输出的电压Vγ2、Vγ4的差量的情况下，它们的差量的绝对值不会减少。

另一方面，从各力检测元件30a、30b、30c、30d输出的电压Vα、Vβ、Vγ所包含的输出漂移D不取决于电轴Pα、Pβ、Pγ的方向，所以各电压Vα、Vβ、Vγ所包含的输出漂移D的符号一致。因此，在获取了各输出漂移D的差量的情况下，其差量的绝对值减少。

另外，优选构成第一元件对的力检测元件30a、30c以电轴Pβ1的方向与电轴Pβ3的方向对置的方式，即，以满足θ1＝θ3的关系的方式配置。同样，优选构成第二元件对的力检测元件30b、30d以电轴Pβ2的方向与电轴Pβ4的方向对置的方式，即，以满足θ2＝θ4的关系的方式配置。由此，后述的外力检测电路150能够减少输出漂移D，并且检测出6轴力。

另外，更优选力检测元件30a、30b、30c、30d以构成第一元件对的力检测元件30a、30c的电轴Pβ1、Pβ3的方向与构成第二元件对的力检测元件30b、30d的电轴Pβ2、Pβ4的方向正交的方式配置。由此，后述的外力检测电路150能够进一步减少输出漂移D，并且检测出6轴力。

另外，只要以力检测元件30a的电轴Pβ1的方向与力检测元件30c的电轴Pβ3的方向朝向相互相反的方向的方式配置，则形成第一元件对的力检测元件30a、30c的配置并不特别限定，但优选如图10（b）所示，力检测元件30a与力检测元件30c配置在同一轴A1上。同样，只要以力检测元件30b的电轴Pβ2的方向与力检测元件30d的电轴Pβ4的方向朝向相互相反的方向的方式配置，则形成第二元件对的力检测元件30b、30d的配置并不特别限定，但优选如图10（b）所示，力检测元件30b与力检测元件30d配置在同一轴A2上。由此，能够均匀地检测对底板2或者盖板4施加的6轴力。

另外，第一元件对与第二元件对的位置关系并不特别限定，但优选如图10（b）所示，以连结属于第一元件对的力检测元件30a的中心与力检测元件30c的中心的轴A1同连结属于第二元件对的力检测元件30b的中心与力检测元件30d的中心的轴A2正交的方式配置第一元件对与第二元件对。由此，能够均匀地检测对底板2或者盖板4施加的外力（沿着图中的x轴、y轴、z轴施加的外力）。

另外，优选力检测元件30a、30b、30c、30d沿着底板2或者盖板4的周向以等角度间隔配置，更优选以等间隔配置成以底板2或者盖板4的中心点为中心的同心圆状。由此，能够均匀地检测对底板2或者盖板4施加的外力（沿着图中的x轴、y轴、z轴施加的外力）。

另外，在图10（b）的构成中，力检测元件30a、30b、30c、30d的电轴Pβ1、Pβ2、Pβ3、Pβ4朝向底板2的外侧（离心方向），但本发明并不限于此。即，只要以力检测元件30a的电轴Pβ1的方向与力检测元件30c的电轴Pβ3的方向朝向相互相反的方向、且力检测元件30b的电轴Pβ2的方向、与力检测元件30d的电轴Pβ4的方向朝向相互相反的方向的方式配置，力检测元件30a、30b、30c、30d的电轴Pβ1、Pβ2、Pβ3、Pβ4也可以朝向底板2的中心方向（向心方向）。由此，力检测元件30a、30b、30c、30d的电轴Pα1、Pα2、Pα3、Pα4朝向以底板2的中心点为中心的圆的切线方向。因此，后述的外力检测电路50能够容易地检测绕z轴的旋转力成分Mz。

外力检测电路

外力检测电路50具有通过获取分别从力检测元件30a、30b、30c、30d输出的电压Vα、Vβ、Vγ的差量，来运算x轴方向的平移力成分（剪切力）Fx、y轴方向的平移力成分（剪切力）Fy、z轴方向的平移力成分（压缩／拉伸力）Fz、绕x轴的旋转力成分Mx、绕y轴的旋转力成分My、绕z轴的旋转力成分Mz的6轴力的功能。各力成分能够利用以下的式子求出。此外，为了式子的简单化，如图10（b）所示，力检测元件30a、30b、30c、30d配置成以底板2或者盖板4的中心点为中心的半径L的同心圆状，但本发明并不限于此。

公式4

Fx={Vβ3cos(θ3)-Vβ1cos(θ1)}+{Vβ2cos(θ2)-Vβ4cos(θ4)}+{Vα1cos(π/2-θ1)-Vα3cos(π/2-θ3)}+{Vα4cos(π/2-θ4)-Vα2cos(π/2-θ2)}＝(Vβt3cos(θ3)-Vβt1cos(θ1)}+{Vβt2cos(θ2)-Vβt4cos(θ4)}+(Vαt1cos(π/2-θ1)-Vαt3cos(π/2-θ3)}+{Vαt4cos(π/2-θ4)-Vαt2cos(π/2-θ2)}+D{cos(θ3)-cos(θ1)+cos(θ2)-cos(θ4)}+D{cos(π/2-θ1)-cos(π/2-θ3)+cos(π/2-θ4)-cos(π/2-θ2)}

Fy＝{Vβ1sin(θ1)-Vβ3sin(θ3)}+{Vβ2sin(θ2)-Vβ4sin(θ4)}+{Vα1sin(π/2-θ1)-Vα3sin(π/2-θ3)}+{Vα2sin(π/2-θ2)-Vα4sin(π/2-θ4)}＝{Vβt1sin(θ1)-Vβt3sin(θ3)}+{Vβt2sin(θ2)-Vβt4sin(θ4)}+{Vαt1sin(π/2-θ1)-Vαt3sin(π/2-θ3)}+{Vαt2sin(π/2-θ2)-Vαt4sin(π/2-θ4)}+D{sin(V1)-sin(θ3)+sin(θ2)-sin(θ4)}+D{sin(π/2-θ1)-sin(π/2-θ3)+sin(π/2-θ2)-sin(π/2-θ4)}

Fz＝Vγ1-Vγ2+Vγ3-Vγ4＝(Vγt1+D)-(Vγt2+D)+(Vγt3+D)-(Vγt4+D)＝Vγt1-Vγt2+Vγt3-Vγt4

Mx＝L×{-Vγ1cos(θ1+3π/2)+Vγ2cos(θ2+π/2)+Vγ3cos(θ3+3π/2)-Vγ4cos(θ4+π/2)}＝L×{-Vγt1cos(θ1+3π/2)+Vγt2cos(θ2+π/2)+Vγt3cos(θ3+3π/2)-Vγt4cos(θ4+π/2)}+L×D{-cos(θ1+3π/2)+cos(θ2+π/2)+cos(θ3+3π/2)-cos(θ4+π/2)}

My＝L×{Vγ1sin(θ1+π/2)+Vγ2sin(θ2+π/2)-Vγ3sin(θ3+π/2)-Vγ4sin(θ4+π/2)}＝L×{Vγt1sin(θ1+π/2)+Vγt2sin(θ2+π/2)-Vγt3sin(θ3+π/2)-Vγt4sin(θ4+π/2)}+L×D{sin(θ1+π/2)+sin(θ2+π/2)-sin(θ3+π/2)-sin(θ4+π/2)}

Mz＝L×{Vα1-Vα2+Vα3-Vα4}＝L×{(Vαt1+D)-(Vαt2+D)+(Vαt3+D)-(Vαt4+D)}＝L×(Vαt1-Vαt2+Vαt3-Vαt4)

这里，L是常量。

这样，通过获取从各力检测元件30a、30b、30c、30d输出的各电压Vα、Vβ、Vγ的差量，能够使与电容器134所积蓄的电荷量成比例的电压成分（真实值）Vαt、Vβt、Vγt的差量的绝对值不减少，而使输出漂移D的绝对值减少。结果能够减少输出漂移D，并能够提高力检测装置101b的检测精度以及检测分辨率。另外，上述的减少输出漂移D的方法在延长了测定时间的情况下也是有效的，所以能够延长力检测装置101b的测定时间。

并且，在角度θ1、θ2、θ3、θ4满足θ1＝θ3、θ2＝θ4的情况下，上述计算式被简单化，如以下所示。

公式5

Fx＝{Vβt3cos(θ3)-Vβt1cos(θ1)}+{Vβt2cos(θ2)-Vβt4cos(θ4)}+{Vαt1cos(π/2-θ1)-Vαt3cos(π/1-θ3)}+{Vαt4cos(π/2-θ4)-Vαt2cos(π/2-θ2)}

Fy＝{Vβt1sin(θ1)-Vβt3sin(θ3)}+{Vβt2sin(θ2)-Vβt4sin(θ4)}+{Vαt1sin(π/2-θ1)-Vαt3sin(π/2-θ3)}+{Vαt2sin(π/2-θ2)-Vαt4sin(π/2-θ4)}

Fz＝Vγt1-Vγt2+Vγt3-Vγt4

Mx＝L×{-Vγt1cos(θ1+3π/2)+Vγt2cos(θ2+π/2)+Vγt3cos(θ3+3π/2)-Vγt4cos(θ4+π/2)}

My＝L×{Vγt1sin(θ1+π/2)+Vγt2sin(θ2+π/2)-Vγt3sin(θ3+π/2)-Vγtsin(θ4+π/2)}

Mz＝L×(Vαt1-Vαt2+Vαt3-Vαt4)

在该情况下，能够除去输出漂移D。结果能够进一步提高力检测装置101b的检测精度以及检测分辨率。另外，能够进一步延长力检测装置101b的测定时间。

并且，在角度θ1、θ2、θ3、θ4满足θ1＝θ3＝π／2、θ2＝θ4＝0的情况下，上述计算式被进一步简单化，如以下所示。

公式6

Fx＝Vβt2-Vβt4+Vαt1-Vαt3

Fy＝Vβt1-Vβt3+Vαt2-Vαt4

Fz＝Vγt1-Vγt2+Vγt3-Vγt4

Mx＝L×（-Vγt1+Vγt3)

My＝L×(Vγt2-Vγt4)

Mz＝L×(Vαt1-Vαt2+Vαt3-Vαt4)

这样，外力检测电路150通过获取从各力检测元件30a、30b、30c、30d输出的各电压Vα、Vβ、Vγ的差量，能够减少由转换输出电路132a、32b、32c的开关元件135的漏电流所引起的输出漂移D，并检测出6轴力。结果由漏电流（输出漂移D）所引起的检测误差相对地减小，且能够提高力检测装置101b的检测精度以及检测分辨率。另外，上述的减少输出漂移D的方法在延长了测定时间的情况下也是有效的，所以能够延长力检测装置101b的测定时间。并且，在本实施方式的力检测装置101b中，无需如反向偏置电路那样的用于减少输出漂移的电路，所以能够使力检测装置101b小型化。

此外，本实施方式的力检测装置101b具有形成第一元件对的力检测元件30a、30c以及形成第二元件对的力检测元件30c、30d这两对元件对，但本发明并不限于此。在力检测装置101b如图10（b）所示具有第一元件对以及第二元件对这两对元件对的情况下，能够如上述那样通过非常简单的运算求出6轴力，所以能够使外力检测电路50简单化。另外，在力检测装置101b具有三对以上的元件对的情况下，能够以更高的精度检测6轴力。

第六实施方式

接下来，基于图13，对本发明的第六实施方式的单臂机械手进行说明。以下，对于第六实施方式，以与上述的实施方式的不同点为中心进行说明，对于相同的事项，省略其说明。

图13是表示使用了本发明的力检测装置1（1a、1b、101a或者101b）的单臂机械手的一个例子的图。图13的单臂机械手500具有基台510、臂连结体520、设置在臂连结体520的前端侧的末端执行器530、以及设置在臂连结体520与末端执行器530之间的力检测装置1（1a、1b、101a或者101b）。

基台510具有收纳产生用于使臂连结体520转动的动力的致动器（未图示）以及控制致动器的控制部（未图示）等的功能。另外，基台510被固定在例如，地板、墙壁、天棚、可移动的台车上等。

臂连结体520通过具有第一臂521、第二臂522、第三臂523、第四臂524以及第五臂525，并使相邻的臂彼此自由转动地连结而构成。臂连结体520通过根据控制部的控制，以各臂的连结部为中心以复合的方式进行旋转或者弯曲来驱动。

末端执行器530具有把持对象物的功能。末端执行器530具有第一指531以及第二指532。在通过臂连结体520的驱动，而末端执行器530到达规定的动作位置后，调整第一指531以及第二指532的分开距离，从而能够把持对象物。

力检测装置1具有使用上述的实施方式的力检测装置1a、1b、101a、101b的某一个，来检测对末端执行器530施加的外力的功能。通过将力检测装置1检测的外力反馈给基台510的控制部，能够使单臂机械手500执行更加精密的作业。另外，根据力检测装置1检测出的6轴力，单臂机械手500能够检测出末端执行器530与障碍物的接触等。因此，能够容易地进行在以往的位置控制中困难的障碍物回避动作、对象物损伤回避动作等，单臂机械手500能够更加安全地执行作业。并且，在本实施方式的力检测装置1中，无需像反向偏置电路那样的用于减少输出漂移的电路，所以能够使力检测装置1小型化。因此，能够使单臂机械手500小型化。

此外，在图示的构成中，臂连结体520由共计5根臂构成，但本发明并不限于此。臂连结体520由一根臂构成的情况、由2～4根臂构成的情况、由6根以上的臂构成的情况都在本发明的范围内。

第七实施方式

接下来，基于图14，对作为本发明的第七实施方式的移动体进行说明。以下，对于第七实施方式，以与上述的实施方式不同的点为中心进行说明，对于相同的事项，省略其说明。

图14是表示使用了上述的力检测装置1（1a、1b、101a或者101b）的移动体的一个例子的图。图14的移动体900能够通过被赋予的动力来移动。移动体900并不特别限定，例如，是汽车、摩托车、飞机、船、电车等交通工具，双足行走机器人、车轮移动机器人等机器人等。

移动体900具有主体910（例如，交通工具的壳体、机械手的主体等）、供给用于使主体910移动的动力的动力部920、检测因主体910的移动而产生的外力的力检测装置1（1a、1b、101a或者101b）、以及控制部930。

若主体910通过从动力部920供给的动力而移动，则伴随移动而产生振动、加速度等。力检测装置1检测由伴随移动而产生的振动、加速度等所引起的外力。将由力检测装置1检测出的外力传递至控制部930。控制部930通过根据从力检测装置1传递出的外力来控制动力部920等，能够执行姿势控制、振动控制以及加速控制等控制。并且，在力检测装置1中，无需像反向偏置电路那样的用于减少输出漂移的电路，所以能够使力检测装置1小型化。因此，能够使移动体900小型化。

另外，力检测装置1（1a、1b、101a、101b）也能够应用于振动计、加速度计、重力计、动力计、地震计或者倾斜计等各种测定设备，使用力检测装置1的各种测定设备也在本发明的范围内。

以上，基于图示的实施方式，对本发明的力检测装置、及使用该力检测装置的机械手、以及移动体进行了说明，但本发明并不限于此，各部的构成也能够置换为具有相同的功能的任意的构成。另外，也可以对本发明附加其他的任意的构成物。另外，本发明也可以是组合了上述实施方式中的任意两个以上的构成（特征）而成的装置。

附图标记说明

1、1a、1b、101a、101b…力检测装置；2…底板；4…盖板；10a、10b、131…电荷输出元件、11…接地电极层、12…（第一）压电体、13…第二压电体、20、20a、20b、20c…转换输出电路；21…运算放大器；22…电容器；23…开关元件；30…补偿用信号输出电路；30a、30b、30c、30d…力检测元件；40a、40b…外力检测电路；41a、42a…放大器；41b…AD转换器；42b…运算电路；43a…差分放大器；50…半导体基板；60、70…层间绝缘层；71…贯通孔；80a、80b…配电层；100…6轴力检测装置（力检测装置）；101…第一基板；102…第二基板；103a、103b…力检测元件；105…外力检测电路；121…第一压电板；122…内部电极；123…第二压电板；132、132a、132b、132c…转换输出电路；133…运算放大器；134…电容器；135…开关元件；221、421…电容器下部电极层；222、422…电容器绝缘层；223、423…电容器上部电极层；231…第三压电板；232…内部电极；233…第四压电板；241…第五压电板；242…内部电极；243…第六压电板；301a…第一电荷输出元件；301b…第二电荷输出元件；310…接地电极层；320…β轴用压电体；321…第一压电板；322…内部电极；323…第二压电板；330…第一γ轴用压电体；331…第三压电板；332…内部电极；333…第四压电板；340…第一α轴用压电体；341…第五压电板；342…内部电极；343…第六压电板；350…第二γ轴用压电体；360…第二α轴用压电体；500…单臂机械手；900…移动体。

Claims (15)

1.一种力检测装置，其特征在于，具备：

电荷输出元件，其根据外力来输出电荷；

转换输出电路，其具有第一电容器，且将所述电荷转换为电压并输出所述电压；

补偿用信号输出电路，其具有第二电容器，并输出补偿用信号；以及

外力检测电路，其基于从所述转换输出电路输出的所述电压、和从所述补偿用信号输出电路输出的所述补偿用信号，来检测所述外力，

其中，所述第二电容器的静电容量比所述第一电容器的静电容量小。

2.根据权利要求1所述的力检测装置，其特征在于，

在将所述第一电容器的所述静电容量设为C1、将所述第二电容器的所述静电容量设为C2时，C2／C1为0.1～0.8。

3.根据权利要求1或者2所述的力检测装置，其特征在于，

所述外力检测电路具有增益校正部，该增益校正部对从所述转换输出电路输出了的所述电压、和从所述补偿用信号输出电路输出了的所述补偿用信号的至少一方赋予增益来进行校正，

所述外力检测电路基于通过所述增益校正部校正后的所述电压和所述补偿用信号，来检测所述外力。

4.一种力检测装置，其特征在于，具备：

第一元件以及第二元件，其根据外力来输出电压；和

外力检测电路，其基于从所述第一元件以及所述第二元件输出了的所述电压，来检测所述外力，

所述第一元件以及所述第二元件具有：

压电体，其具有电轴，根据沿着所述电轴的所述外力来输出电荷；和

转换输出电路，其将从所述压电体输出了的所述电荷转换为所述电压，

其中，所述第一元件以及所述第二元件被配置成所述第一元件的所述压电体具有的所述电轴的方向与所述第二元件的所述压电体所具有的所述电轴的方向朝向相互相反的方向。

5.根据权利要求4所述的力检测装置，其特征在于，

对于所述第一元件以及所述第二元件而言，所述第一元件的所述压电体的所述电轴的方向与所述第二元件的所述压电体的所述电轴的方向在同一轴上相互对置。

6.根据权利要求4或者5所述的力检测装置，其特征在于，

所述各压电体分别具有：

第一压电板，其具有第一晶轴；

第二压电板，其与所述第一压电板对置地设置，并具有第二晶轴；以及

内部电极，其设置在所述第一压电板与所述第二压电板之间，

其中，所述第一压电板的所述第一晶轴与所述第二压电板的所述第二晶轴极性不同。

7.根据权利要求4～6中的任意一项所述的力检测装置，其特征在于，

所述外力检测部通过获取从所述第一元件以及所述第二元件输出了的所述电压的差量，来检测对所述力检测装置施加的所述外力。

8.根据权利要求4～7中的任意一项所述的力检测装置，其特征在于，

在将所述压电体的层叠方向设为γ轴方向、将与所述γ轴方向正交且相互正交的方向分别设为α轴方向、β轴方向的情况下，

所述压电体之一是根据沿着所述α轴方向的所述外力来输出所述电荷的α轴用压电体，

所述压电体之一是根据沿着所述β轴方向的所述外力来输出所述电荷的β轴用压电体，

所述压电体之一是根据沿着所述γ轴方向的所述外力来输出所述电荷的γ轴用压电体。

9.根据权利要求8所述的力检测装置，其特征在于，

所述力检测装置具有两个所述第一元件、和两个所述第二元件，

一个所述第一元件以及一个所述第二元件的所述α轴用压电体的所述电轴的方向朝向与另一个所述第一元件以及另一个所述第二元件的所述α轴用压电体的所述电轴的方向相反的方向，

所述一个第一元件以及所述一个第二元件的所述γ轴用压电体的所述电轴的方向朝向与所述另一个第一元件以及所述另一个第二元件的所述γ轴用压电体的所述电轴的方向相反的方向。

10.根据权利要求1～9中的任意一项所述的力检测装置，其特征在于，

所述力检测装置具备赋予所述外力的、底板和与所述底板分离地设置的盖板，

所述各元件设置在所述底板与所述盖板之间。

11.根据权利要求9所述的力检测装置，其特征在于，

所述各元件沿着所述底板或者所述盖板的周向以等角度间隔配置。

12.一种机械手，其特征在于，具备：

至少一个臂连结体，其具有多个臂，并使所述多个臂的相邻的所述臂彼此自由转动地连结；

末端执行器，其被设置在所述臂连结体的前端侧；以及

权利要求1～3中的任意一项所述的力检测装置，其设置在所述臂连结体与所述末端执行器之间，并检测对所述末端执行器施加的外力。

13.一种机械手，其特征在于，具备：

至少一个臂连结体，其具有多个臂，并使所述多个臂的相邻的所述臂彼此自由转动地连结；

末端执行器，其被设置在所述臂连结体的前端侧；以及

权利要求4～11中的任意一项所述的力检测装置，其设置在所述臂连结体与所述末端执行器之间，并检测对所述末端执行器施加的外力。

14.一种移动体，其特征在于，具备：

动力部，其供给用于移动的动力；和

权利要求1～3中的任意一项所述的力检测装置，其检测由于所述移动而产生的外力。

15.一种移动体，其特征在于，具备：

动力部，其供给用于移动的动力；和

权利要求4～11中的任意一项所述的力检测装置，其检测由于所述移动而产生的外力。