CN105865670B - 力检测装置以及机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明提供力检测装置以及机器人。为了提供轻型并且具有优异的检测精度的力检测装置以及机器人，本发明的力检测装置具有：第一部件；第二部件，其与上述第一部件结合；以及压电元件，其与上述第二部件结合，构成上述第一部件的材料与构成上述第二部件的材料不同。另外，优选第一部件呈板状，上述压电元件以及上述第二部件配置于上述第一部件的端部，在上述第一部件的中央部形成有贯通孔。

Description

力检测装置以及机器人
技术领域
本发明涉及力检测装置以及机器人。
背景技术
近年来，以提高生产效率为目的，工业用机器人逐渐导入工厂等生产设施。这种工业机器人具备：臂，其能够相对于1轴或者多个轴向驱动；以及安装于臂末端侧的手、部件检查用器具或者部件搬运用器具等末端执行器，从而能够执行部件的组装作业、部件加工作业等部件制造作业、部件搬运作业以及部件检查作业等。
在这种工业用机器人中，在臂与末端执行器之间设置有力检测装置(力觉传感器)。由于力检测装置设置于臂的末端部，所以该力检测装置的重量占据机器人能够搬运的重量(可搬重量)中的一部分。因此，优选力检测装置是轻型的。
在专利文献1中记载有如下力检测装置，该力检测装置具备：第一板；第二板，其从第一板隔开规定的间隔配置，并且与第一板对置；以及传感器元件(压电元件)，其配置于第一板与第二板之间。第一板在其中央部具有朝向第二板突出的第一按压部，第二板在其中央部具有朝向第一板突出的第二按压部，传感器元件由第一按压部与第二按压部夹持。若对第一板与第二板这两者中的至少一方施加外力，则传感器元件输出与该外力对应的电荷，由此能够检测出上述外力。另外，具有第一按压部的第一板以及具有第二按压部的第二板分别由线膨胀系数比较小的不锈钢等一体地形成。因此，能够减小第一板以及第二板热膨胀时的影响，从而能够提高力检测装置的检测精度。
另外，在现有的力觉传感器中，从力觉传感器的外周部引出布线(例如参照专利文献2)。
而且，在现有的力觉传感器中，为了力觉传感器与机器人的臂的通信、从臂向力觉传感器的电力供给，将从力觉传感器的外周部引出的布线与臂连接。
专利文献1：日本特开2013－130433号公报
专利文献2：日本特开平10－68665号公报
然而，在专利文献1所记载的力检测装置中，第一板以及第二板其整体分别由不锈钢构成，由于不锈钢的线膨胀系数小，相反密度比较大，所以存在重量大这一问题。
此外，由于必须维持力检测装置的检测精度高，所以为了轻型化，作为构成第一板的材料以及构成第二板的材料，无法单单选择密度小的材料。
另外，在专利文献2所记载的力觉传感器中，由于从力觉传感器的外周部引出布线，所以在臂动作时，在布线产生拽拉、挠曲、扭曲等，从而对力觉传感器施加多余的力。其结果是，存在相对于本来想要检测的力产生误差从而检测精度降低这一问题。
发明内容
本发明是为了解决上述课题的至少一部分完成的，能够作为以下的方式或者应用例来实现。
[应用例1]本发明的力检测装置的特征在于，具有：第一部件；第二部件，其与上述第一部件结合；以及压电元件，其与上述第二部件结合，构成上述第一部件的材料与构成上述第二部件的材料不同。
由此，作为构成第一部件的材料，能够自由地选择与构成第二部件的材料不同的材料，同样地，作为构成第二部件的材料，能够自由地选择与构成第一部件的材料不同的材料。
而且，例如，通过使构成第一部件的材料为密度比构成第二部件的材料小的材料，能够实现力检测装置的轻型化。
另外，由于第二部件的热膨胀与第一部件的热膨胀相比，对力检测装置的检测精度的恶化的影响大，所以通过使构成第二部件的材料的线膨胀系数比构成第一部件的材料小，能够在力检测装置被加热的情况下，缩小第二部件的由热膨胀引起的变形量，从而能够抑制不需要的力施加于压电元件。由此，能够提高力检测装置的检测精度。
另外，通过使构成第二部件的材料的耐力比构成第一部件的材料大，能够提高第二部件的强度，从而在通过加压螺栓经由第二部件赋予压电元件压力的情况下，能够抑制第二部件的变形。由此，能够提高力检测装置的检测精度。
[应用例2]优选在本发明的力检测装置中，上述第一部件呈板状，上述压电元件以及上述第二部件配置于上述第一部件的端部，在上述第一部件的中央部形成有贯通孔。
若力检测装置被加热，则第一部件热膨胀，其中央部以突出的方式变形，但能够通过贯通孔的部分缩小第一部件的变形量，从而能够抑制不需要的力施加于压电元件。由此，能够提高力检测装置的检测精度。
[应用例3]优选在本发明的力检测装置中，具有：第三部件；以及第四部件，其与上述第三部件结合，并且由该第四部件与上述第二部件夹持上述压电元件，构成上述第三部件的材料与构成上述第四部件的材料不同。
由此，作为构成第三部件的材料，能够自由地选择与构成第四部件的材料不同的材料，同样地，作为构成第四部件的材料，能够自由地选择与构成第三部件的材料不同的材料。
而且，例如，通过使构成第三部件的材料为密度比构成第四部件的材料小的材料，能够实现力检测装置的轻型化。
另外，由于第四部件的热膨胀与第三部件的热膨胀相比，对力检测装置的检测精度的恶化的影响大，所以通过使构成第四部件的材料的线膨胀系数比构成第三部件的材料小，能够在力检测装置被加热的情况下，缩小第四部件的由热膨胀引起的变形量，从而能够抑制不需要的力施加于压电元件。由此，能够提高力检测装置的检测精度。
另外，通过使构成第四部件的材料的耐力比构成第三部件的材料大，能够提高第四部件的强度，在通过加压螺栓经由第四部件赋予压电元件压力的情况下，能够抑制第四部件的变形。由此，能够提高力检测装置的检测精度。
[应用例4]优选在本发明的力检测装置中，上述第三部件呈板状，上述压电元件以及上述第四部件配置于上述第三部件的端部，在上述第三部件的中央部形成有贯通孔。
若力检测装置被加热，则第三部件热膨胀，其中央部以突出的方式变形，但能够通过贯通孔的部分缩小第三部件的变形量，从而能够抑制不需要的力施加于压电元件。由此，能够提高力检测装置的检测精度。
[应用例5]优选在本发明的力检测装置中，构成上述第二部件的材料与构成上述第四部件的材料相同。
由此，能够缩小第二部件与第四部件的热膨胀之差，从而能够抑制不需要的力施加于压电元件。
[应用例6]优选在本发明的力检测装置中，构成上述第一部件的材料与构成上述第三部件的材料相同。
由此，能够缩小第一部件与第三部件的热膨胀之差，从而能够抑制不需要的力施加于压电元件。
[应用例7]优选在本发明的力检测装置中，构成上述第三部件的材料的密度比构成上述第四部件的材料的密度小。
由此，能够实现力检测装置的轻型化。
[应用例8]优选在本发明的力检测装置中，构成上述第四部件的材料的耐力比构成上述第三部件的材料的耐力大。
由此，能够提高第四部件的强度，从而在通过加压螺栓经由第四部件赋予压电元件压力的情况下，能够抑制第四部件的变形。由此，能够提高力检测装置的检测精度。
[应用例9]优选在本发明的力检测装置中，构成上述第四部件的材料的线膨胀系数比构成上述第三部件的材料的线膨胀系数小。
由此，在力检测装置被加热的情况下，能够缩小第四部件的由热膨胀引起的变形量，从而能够抑制不需要的力施加于压电元件。由此，能够提高力检测装置的检测精度。
[应用例10]优选在本发明的力检测装置中，构成上述第一部件的材料的密度比构成上述第二部件的材料的密度小。
由此，能够实现力检测装置的轻型化。
[应用例11]优选在本发明的力检测装置中，构成上述第二部件的材料的耐力比构成上述第一部件的材料的耐力大。
由此，能够提高第二部件的强度，从而在通过加压螺栓经由第二部件赋予压电元件压力的情况下，能够抑制第二部件的变形。由此，能够提高力检测装置的检测精度。
[应用例12]优选在本发明的力检测装置中，构成上述第二部件的材料的线膨胀系数比构成上述第一部件的材料的线膨胀系数小。
由此，在力检测装置被加热的情况下，能够缩小第二部件的由热膨胀引起的变形量，从而能够抑制不需要的力施加于压电元件。由此，能够提高力检测装置的检测精度。
[应用例13]本发明的机器人的特征在于，具备：臂；末端执行器，其设置于上述臂；以及力检测装置，其设置于上述臂与上述末端执行器之间，检测施加于上述末端执行器的外力，上述力检测装置具有：第一部件；第二部件，其与上述第一部件结合；以及压电元件，其与上述第二部件结合，构成上述第一部件的材料与构成上述第二部件的材料不同。
由此，作为构成第一部件的材料，能够自由地选择与构成第二部件的材料不同的材料，同样地，作为构成第二部件的材料，能够自由地选择与构成第一部件的材料不同的材料。
而且，例如，通过使构成第一部件的材料为密度比构成第二部件的材料小的材料，能够实现力检测装置的轻型化。
另外，由于第二部件的热膨胀与第一部件的热膨胀相比，对力检测装置的检测精度的恶化的影响大，所以通过使构成第二部件的材料的线膨胀系数比构成第一部件的材料小，能够在力检测装置被加热的情况下，缩小第二部件的由热膨胀引起的变形量，从而能够抑制不需要的力施加于压电元件。由此，能够提高力检测装置的检测精度。
另外，通过使构成第二部件的材料的耐力比构成第一部件的材料大，能够提高第二部件的强度，从而在通过加压螺栓经由第二部件赋予压电元件压力的情况下，能够抑制第二部件的变形。由此，能够提高力检测装置的检测精度。
[应用例14]本发明的力检测装置的特征在于，具备：第一基部，其具备第一开口部；第二基部，其具备第二开口部；多个力检测元件，它们配置于上述第一基部与上述第二基部之间；内腔部，其在上述第一开口部与上述第二开口部之间形成内腔；以及线条体，其配置于上述内腔部。
由此，对于力检测装置而言，在成为检测对象的对象物动作时，能够抑制在线条体产生拽拉、挠曲、扭曲等，从而能够抑制多余的力施加于力检测装置。由此，能够提高力检测装置的检测精度。
[应用例15]优选在本发明的力检测装置中，具备：内腔壁，其形成上述内腔部；以及贯通孔，其贯通上述内腔壁从而供上述线条体的一部分通过。
由此，线条体能够插通贯通孔并且通过内腔壁，因此，能够不向力检测装置的外部露出地，仅在该力检测装置的内部将线条体的一部分拽拉卷绕，因此能够抑制在配置于力检测元件等的线条体产生拽拉、挠曲、扭曲等，从而能够抑制多余的力施加于力检测装置。由此，能够提高力检测装置的检测精度。
[应用例16]优选在本发明的力检测装置中，上述线条体可动地配置于上述内腔部。
由此，对于力检测装置而言，在成为检测对象的对象物动作时，能够减少在上述线条体产生的拽拉、挠曲、扭曲等，从而能够抑制多余的力施加于力检测装置，能够提高力检测装置的检测精度。
[应用例17]优选在本发明的力检测装置中，线条体为供电力或者信号流动的电线以及供气体流动的配管中的至少一个。
由此，能够抑制在供电力或者信号流动的电线、或者供气体流动的配管中产生拽拉、挠曲、扭曲等，从而能够抑制多余的力施加于力检测装置。由此，能够提高力检测装置的检测精度。
[应用例18]优选在本发明的力检测装置中，上述第一开口部配置于上述第一基部的第一安装面的中央，上述第二开口部配置于第二基部的第二安装面的中央。
由此，对于力检测装置而言，在成为检测对象的对象物动作时，能够进一步减少在线条体产生拽拉、挠曲、扭曲等。第一基部的第一安装面以及第二基部的第二安装面是指在将该力检测装置安装于外部机器或者外部装置的一部分的情况下所使用的面。若在这些面的中央设置开口部，则能够减小由力检测装置与外部机器或者外部装置的一部分的位置关系引起的对线条体的拽拉、挠曲、扭曲等的影响。
[应用例19]本发明的机器人的特征在于，具备：臂；末端执行器，其设置于上述臂；力检测装置，其设置于上述臂与上述末端执行器之间；以及线条体，其从上述臂向上述力检测装置配设，上述力检测装置具备：第一基部，其具备第一开口部；第二基部，其具备第二开口部；多个力检测元件，其配置于上述第一基部与上述第二基部之间；内腔部，其在上述第一开口部与上述第二开口部之间形成内腔；以及上述线条体，其配置于上述内腔部。
由此，在机器人的臂动作时，能够抑制在线条体产生拽拉、挠曲、扭曲等，从而能够抑制多余的力施加于力检测装置。由此，能够提高力检测装置的检测精度，能够以更高的精度控制机器人。
[应用例20]优选在本发明的机器人中，具备：内腔壁，其形成上述内腔部；以及贯通孔，其贯通上述内腔壁从而供上述线条体的一部分通过。
由此，线条体能够插通贯通孔并且通过内腔壁，由此，能够不向力检测装置的外部露出地，仅在该力检测装置的内部中将线条体的一部分拽拉卷绕，因此在机器人的臂的动作时，能够抑制在配置于力检测元件等的线条体产生拽拉、挠曲、扭曲等，从而能够抑制多余的力施加于检测装置。由此，能够提高力检测装置的检测精度，能够以更高的精度控制机器人。
[应用例21]优选在本发明的机器人中，上述线条体可动地配置于上述内腔部。
由此，在机器人的臂动作时，能够减小在上述线条体产生的拽拉、挠曲、扭曲等，从而能够抑制多余的力施加于力检测装置，能够提高力检测装置的检测精度，能够以更高的精度控制机器人。
[应用例22]优选在本发明的机器人中，上述线条体是供电力或者信号流动的电线以及供气体流动的配管中的至少一个。
由此，能够抑制在供电力或者信号流动的电线、或者供气体流动的配管中产生拽拉、挠曲、扭曲等，从而能够抑制多余的力施加于力检测装置。由此，能够提高力检测装置的检测精度，能够以更高的精度控制机器人。
附图说明
图1是表示第一实施方式的力检测装置的剖视图。
图2是图1所示的力检测装置的剖视图。
图3是简要表示图1所示的力检测装置的电荷输出元件的剖视图。
图4是示意表示图1所示的力检测装置被加热的状态的图。
图5是示意表示图1所示的力检测装置中的在第一基部的第一部件以及第二基部的第三部件未形成有贯通孔的部件被加热的状态的图。
图6是表示第二实施方式的力检测装置的剖视图(图7中的B－B线剖视图)。
图7是图6所示的力检测装置的剖视图(图6中的A－A线剖视图)。
图8是示意表示将图6所示的力检测装置应用为机器人的力检测装置的情况的图。
图9是示意表示将图6所示的力检测装置应用为机器人的力检测装置的情况的图。
图10是示意表示将现有的力检测装置应用为机器人的力检测装置的情况的图。
图11是表示图9所示的力检测装置的电荷输出元件的输出的图表。
图12是表示图10所示的现有的力检测装置的电荷输出元件的输出的图表。
图13是表示使用本发明的力检测装置的单臂机器人的1例的图。
图14是表示使用本发明的力检测装置的多臂机器人的1例的图。
具体实施方式
以下，基于附图所示的优选实施方式对本发明的力检测装置以及机器人详细地进行说明。
(第一实施方式)
＜力检测装置的实施方式＞
图1是表示本实施方式的力检测装置的剖视图。图2是图1所示的力检测装置的剖视图。图3是简要表示图1所示的力检测装置的电荷输出元件的剖视图。图4是示意表示图1所示的力检测装置被加热的状态的图。图5是示意表示图1所示的力检测装置中的在第一基部的第一部件以及第二基部的第三部件未形成有贯通孔的部件被加热的状态的图。
此外，以下，将图1中的上侧称为“上”或者“上方”，将下侧称为“下”或者“下方”。
另外，在图2中，作为相互正交的3个轴，图示出α轴、β轴以及γ轴。另外，在图1、图3中，在上述3个轴中，仅图示出γ轴。将与α(A)轴平行的方向称为“α(A)轴方向”或者“α方向”，将与β(B)轴平行的方向称为“β(B)轴方向”或者“β方向”，将与γ(C)轴平行的方向称为“γ(C)轴方向”或者“γ方向”。另外，将由α轴与β轴规定的平面称为“αβ平面”，将由β轴与γ轴规定的平面称为“βγ平面”，将由α轴与γ轴规定的平面称为“αγ平面”。另外，在α方向、β方向以及γ方向中，将箭头末端侧设为“+(正)侧”，将箭头基端侧设为“－(负)侧”。
图1所示的力检测装置1具有检测施加于力检测装置1的外力即6轴力(α、β、γ轴方向的平移力成分以及绕α、β、γ轴的旋转力成分)的功能。
该力检测装置1具备：第一基部2；第二基部3，其从第一基部2隔开规定的间隔配置，并且与第一基部2对置；侧壁部16，其设置于第一基部2以及第二基部3的外周部；4个模拟电路基板4，它们收纳于(设置于)第一基部2与第二基部3之间；数字电路基板5，其收纳于(设置于)第一基部2与第二基部3之间，并且与各模拟电路基板4电连接；4个传感器器件(压力检测部)6，它们一个个地搭载于各模拟电路基板4，并且具有根据承受的外力输出信号(电荷)的元件亦即电荷输出元件(压电元件)10以及收纳电荷输出元件10的封装体(收容部)60；以及8个加压螺栓(固定部件)71。
以下，对力检测装置1的各部分结构进行详细叙述。
此外，在以下的说明中，如图2所示，在4个传感器器件6中，将位于图2中的右侧的传感器器件6称为“传感器器件6A”，之后绕逆时针按顺序地称为“传感器器件6B”、“传感器器件6C”、“传感器器件6D”。另外，在不对各传感器器件6A、6B、6C、6D进行区别的情况下，将它们称为“传感器器件6”。
如图1所示，第一基部(基板)2具有：第一部件(底板)22，其呈板状；以及4个第二部件(壁部)24，它们设置于第一部件22的端部的上表面，并且从该上表面朝向上方突出。第一部件22(第一基部2)的平面形状(从厚度方向观察的形状)呈圆形。此外，第一部件22的平面形状并不限定于图示的形状，例举有正方形、长方形等四边形、五边形以及六边形等多边形、椭圆形等。
若以如下情况为例进行举例，即，将力检测装置1设置于机器人的臂与末端执行器之间从而作为检测施加于末端执行器的外力的力觉传感器来使用，则第一基部2的下表面221作为对该机器人的臂(对象物)安装的安装面(第一安装面)发挥功能。
另外，各第二部件24分别固定(结合)于第一部件22。虽然该固定方法并不特别限定，但在图示的结构中，各第二部件24分别通过多个螺钉172固定于第一部件22。
另外，在各第二部件24的与外侧临近的面分别突出地形成有凸部23。壁部24呈“L”字状，并且在与外侧临近的2个面分别突出地形成有凸部23。各凸部23的顶面(第一面)231分别为相对于第一部件22垂直的平面。另外，在各第二部件24分别设置有与后述的加压螺栓71旋合的2个内螺纹241。在凸部23设置有与后述的加压螺栓71旋合的内螺纹241(参照图2)。
如图1所示，相对于第一基部2隔开规定的间隔对置地配置有第二基部(盖板)3。
第二基部3与第一部件2相同也呈板状。第二基部3具有：第三部件(顶板)32，其呈板状；以及4个第四部件(壁部)33，它们设置于第三部件32的端部的下表面，并且从该下表面朝向下方突出。虽然第三部件32(第二基部3)的平面形状并不特别限定，但优选为与第一部件22(第一基部2)的平面形状对应的形状，在本实施方式中，第三部件32的平面形状与第一部件22的平面形状相同呈圆形。另外，优选第三部件32为与第一部件22相同的大小或者为包含第一部件22的程度的大小。
若以将力检测装置1作为上述机器人的力觉传感器来使用的情况为例进行举例，则第二基部3的上表面(第二面)321作为对在该机器人的臂安装的末端执行器(对象物)安装的安装面(第二安装面)发挥功能。另外，第二基部3的上表面321与上述第一基部2的下表面221在未施加有外力的自然状态下平行。
另外，各第四部件33分别固定(结合)于第三部件32。虽然该固定方法并不特别限定，但在图示的结构中，各第四部件33分别通过多个螺钉173固定于第三部件32。
各第四部件33的内壁面(第二面)331分别是相对于第三部件32垂直的平面。而且，在各第二部件24的顶面231与各第四部件33的内壁面331之间分别设置有传感器器件6。
另外，第一基部2与第二基部3通过8个加压螺栓71连接并固定。即，各第二部件24与各第四部件33分别通过2个加压螺栓71连接并固定。该加压螺栓71如图2所示为8个(多个)，其中按照2个分别配置于各传感器器件6的两侧。此外，相对于1个传感器器件6的加压螺栓71的数量并不限定于2个，例如也可以为3个以上。
另外，作为加压螺栓71的构成材料，并不特别限定，例如能够使用各种树脂材料、各种金属材料等。
由这样利用加压螺栓71连接的第一基部2与第二基部3形成有收纳传感器器件6A～6D、模拟电路基板4以及数字电路基板5的收纳空间。该收纳空间例如具有圆形或者圆角正方形的剖面形状。
另外，如图1以及图2所示，在第一基部2以及第二基部3的外周部设置有侧壁部16。由此，能够在第一基部2以及第二基部3的外周部密封第一基部2与第二基部3之间的空间，从而能够抑制灰尘、污垢等侵入该第一基部2与第二基部3之间的空间。
侧壁部16具有：筒状部161，其呈筒状；以及凸缘162，其形成于筒状部161的基端部(下端部)的内周侧的侧面。筒状部161的从第一基部2以及第二基部3的厚度方向观察的情况下的内部形状以及外部形状，分别是与第一基部2以及第二基部3的平面形状对应的形状，在图示的结构中，呈圆形。
侧壁部16的基端部即凸缘162固定于第一基部2。虽然该固定方法并不特别限定，但在图示的结构中，凸缘162通过多个螺钉171固定于第一基部2的第一部件22。
另外，如图1所示，在第一基部2与第二基部3之间设置有与传感器器件6电连接的模拟电路基板4。
在模拟电路基板4的配置有传感器器件6(具体而言为电荷输出元件10)的部位，形成有供第一基部2的各凸部23插入的孔41。该孔41是贯通模拟电路基板4的贯通孔。
另外，如图2所示，在模拟电路基板4设置有供各加压螺栓71贯通的贯通孔，在模拟电路基板4的供加压螺栓71贯通的部分(贯通孔)例如通过嵌合固定有由树脂材料等绝缘材料构成的管43。
另外，如图1所示，在第一基部2与第二基部3之间，且在第一基部2上的与设置有各模拟电路基板4的位置不同的位置，设置有与各模拟电路基板4电连接的数字电路基板5。数字电路基板5配置成与第一基部2的第一部件22以及第二基部3的第三部件32平行。此外，数字电路基板5的在第一基部2以及第二基部3的厚度方向上的位置，只要位于第一基部2与第二基部3之间，并不特别限定，例如可以如图1所示那样位于第一基部2的附近，另外，也可以位于第二基部3的附近，另外，还可以位于第一基部2与第二基部3的中间位置(中央部)。另外，数字电路基板5固定于第一部件22。虽然该固定方法并不特别限定，但在图示的结构中，数字电路基板5通过多个螺钉174固定于第一部件22。
此外，作为上述第一基部2、第二基部3、模拟电路基板4的除各元件以及各布线以外的部位、数字电路基板5的除各元件以及各布线以外的部位的构成材料，均不特别限定，例如能够使用各种树脂材料、各种金属材料等。
这里，如上述那样，在第一基部2中，第一部件22与第二部件24由不同的部件构成，同样地，在第二基部3中，第三部件32与第四部件33由不同的部件构成。另外，构成第一部件22的材料与构成第二部件24的材料不同，同样地，构成第三部件32的材料与构成第四部件33的材料不同。
以下，对第一部件22、第三部件32、第二部件24以及第四部件33的密度、耐力以及线膨胀系数进行说明。
构成第二部件24以及第四部件33的材料的耐力分别是越大越优选，具体而言，优选为800Mpa以上，更加优选为900Mpa以上，进一步优选为900Mpa以上、且2000Mpa以下。该耐力是以“JISZ2241(金属材料拉伸试验方法)”为基准来测定的。
通过将上述耐力设定得大，能够提高第二部件24以及第四部件33的强度，在通过加压螺栓71连接并固定第二部件24与第四部件33从而赋予电荷输出元件10压力的情况下，能够抑制第二部件24以及第四部件33的变形。由此，能够提高力检测装置1的检测精度。
但是，若上述耐力比上述下限值小，则存在因其他条件而使第二部件24以及第四部件33的强度不够的担忧。
另外，构成第二部件24以及第四部件33的材料的密度分别是越小越优选，但若考虑将耐力设定为上述优选的范围内的值，则优选为10g/cm3以下，更加优选为8g/cm3以下，进一步优选为5g/cm3以上且8g/cm3以下。
由于第二部件24以及第四部件33的体积比第一部件22以及第三部件32小，所以即便其材料的密度比较大，对实现轻型化也几乎没有影响，但若上述密度比上述上限值大，则存在因其他条件而使轻型化难以实现的担忧。
另外，虽然构成第二部件24以及第四部件33的材料的线膨胀系数分别是越小越优选，但若考虑将耐力设定为上述优选的范围内的值，则优选为20×10－6/K以下，更加优选为15×10－6/K以下，进一步优选为5×10－6/K以上且15×10－6/K以下。
通过将上述线膨胀系数设定得小，能够在力检测装置1被加热的情况下，缩小由第二部件24以及第四部件33的热膨胀引起的变形量，从而能够抑制不需要的力施加于电荷输出元件10。由此，能够提高力检测装置1的检测精度。
但是，若上述线膨胀系数比上述上限值大，则存在因其他条件而使力检测装置1的检测精度降低的担忧。
另外，构成第一部件22以及第三部件32的材料的密度分别是越小越优选，具体而言，优选为6g/cm3以下，更加优选为4g/cm3以下，进一步优选为0.5g/cm3以上且4g/cm3以下。
通过将上述密度设定得小，能够实现轻型化。另外，由于第一部件22以及第三部件32的体积比第二部件24以及第四部件33大，所以能够大幅度地实现轻型化。
但是，若上述密度比上述上限值大，则存在因其他条件而使轻型化难以实现的担忧。
另外，虽然构成第一部件22以及第三部件32的材料的耐力分别是越大越优选，但若考虑将密度设定为上述优选的范围内的值，则优选为200Mpa以上，更加优选为400Mpa以上，进一步优选为400Mpa以上且900Mpa以下。
由于第一部件22以及第三部件32不是通过加压螺栓71固定的部位，所以即便其材料的耐力比较小，也几乎不存在问题，但若上述耐力比上述下限值小，则存在因其他条件而使强度不够的担忧。
另外，虽然构成第一部件22以及第三部件32的材料的线膨胀系数分别是越小越优选，但若考虑将密度设定为上述优选的范围内的值，则优选为30×10－6/K以下，更加优选为26×10－6/K以下，进一步优选为15×10－6/K以上且26×10－6/K以下。
由于第一部件22以及第三部件32与传感器器件6不接触，所以与第二部件24以及第四部件33相比，由热膨胀引起的影响小，但是若上述线膨胀系数比上述上限值大，则存在因其他条件而使力检测装置1的检测精度降低的担忧。
另外，优选构成第二部件24以及第四部件33的材料的耐力分别比构成第一部件22以及第三部件32的材料的耐力大。
另外，在将构成第一部件22以及第三部件32的材料的耐力设为A1并且将构成第二部件24以及第四部件33的材料的耐力设为A2时，优选A2与A1之比A2/A1为1.2以上，更加优选为1.2以上且10以下，进一步优选为1.8以上且5以下。
由此，能够使第二部件24以及第四部件33的强度比第一部件22以及第三部件32高，在通过加压螺栓71连接并固定第二部件24与第四部件33从而赋予电荷输出元件10压力的情况下，能够抑制第二部件24以及第四部件33的变形。由此，能够提高力检测装置1的检测精度。
但是，若A2/A1小于上述下限值，则存在因其他条件而使第二部件24以及第四部件33的强度不够的担忧。
另外，优选构成第一部件22以及第三部件32的材料的密度分别比构成第二部件24以及第四部件33的材料的密度小。
另外，在将构成第一部件22以及第三部件32的材料的密度设为B1并且将构成第二部件24以及第四部件33的材料的密度设为B2时，优选B1与B2之比B1/B2为0.7以下，更加优选为0.1以上且0.7以下，进一步优选为0.1以上且0.4以下。
由于第一部件22以及第三部件32的体积比第二部件24以及第四部件33大，由此能够实现轻型化。
但是，若B1/B2大于上述上限值，则存在因其他条件而使轻型化难以实现的担忧。
另外，优选构成第二部件24以及第四部件33的材料的线膨胀系数分别比构成第一部件22以及第三部件32的材料的线膨胀系数小。
具体而言，在将构成第一部件22以及第三部件32的材料的线膨胀系数设为C1并且将构成第二部件24以及第四部件33的材料的线膨胀系数设为C2时，优选C2与C1之比C2/C1为0.6以下，更加优选为0.1以上且0.6以下，进一步优选为0.1以上且0.5以下。
由此，在力检测装置1被加热的情况下，能够缩小与传感器器件6接触的部件亦即第二部件24以及第四部件33的热膨胀引起的变形量，从而能够抑制不需要的力施加于电荷输出元件10。由此，能够提高力检测装置1的检测精度。
但是，若C2/C1大于上述上限值，则存在因其他条件而使力检测装置1的检测精度降低的担忧。
另外，作为构成第一部件22以及第三部件32的材料，分别优选具有上述那样特性的材料，例举有A7075－T6(东邦非铁金属株式会社制)、A7075－T651(东邦非铁金属株式会社制)等的铝合金、DAT51(大同特殊钢株式会社制)等的钛合金、AZ91(住友电气工业株式会社制)等的镁合金等。另外，在它们中，例如优选A7075－T6、A7075－T651等的铝合金。
此外，A7075－T6、A7075－T651的密度为2.7g/cm3，耐力为505Mpa，线膨胀系数为24×10－6/K。另外，DAT51的密度为4.69g/cm3，耐力为825Mpa，线膨胀系数为8×10－6/K。另外，AZ91的密度为1.8g/cm3，耐力为280Mpa，线膨胀系数为27.2×10－6/K。
另外，作为构成第二部件24以及第四部件33的材料，分别优选具有上述那样特性的材料，例举有NAK55(大同特殊钢株式会社制)等的合金钢等。
此外，NAK55的密度为7.8g/cm3，耐力为1000Mpa，线膨胀系数为11.3×10－6/K。
另外，构成第一部件22的材料与构成第三部件32的材料可以相同也可以不同，但优选为相同。通过使材料相同，能够缩小第一部件22与第三部件32的热膨胀之差，从而能够抑制不需要的力施加于电荷输出元件10。
同样地，构成第二部件24的材料与构成第四部件33的材料可以相同也可以不同，但优选为相同。通过使材料相同，能够缩小第二部件24与第四部件33的热膨胀之差，从而能够抑制不需要的力施加于电荷输出元件10。
另外，在第一基部2的第一部件22的中央部形成有贯通孔20，同样地，在第二基部3的第三部件32的中央部形成有贯通孔30，同样地，在数字电路基板5的中央部形成有贯通孔50。
如图5所示，在第一基部2的第一部件22以及第二基部3的第三部件32未形成有贯通孔20、30的情况下，若加热力检测装置1，则第一部件22以及第三部件32热膨胀，而以彼此的中央部分离的方式弯曲。这是因为在第一部件22以及第三部件32的端部设置有第二部件24以及第四部件33，因此中央部的强度比端部低。
与此相对，如图4所示，若在第一基部2的第一部件22以及第二基部3的第三部件32形成有贯通孔20、30，则在第一部件22以及第三部件32热膨胀从而弯曲的情况下，能够通过贯通孔20的部分缩小第一部件22的变形量，同样地，能够通过贯通孔30的部分缩小第三部件32的变形量。另外，通过贯通孔20使第一部件22的弯曲变小，同样地，通过贯通孔30使第三部件32的弯曲变小。由此，能够抑制不需要的力施加于电荷输出元件10，从而能够提高力检测装置1的检测精度。
另外，从第一部件22、第三部件32以及数字电路基板5的厚度方向观察，各贯通孔20、30、50配置于彼此相同的位置。此外，各贯通孔20、30、50的位置并不限定于此，也可以配置于不同位置。
另外，各贯通孔20、30、50的平面形状(从厚度方向观察的形状)分别呈四边形。此外，各贯通孔20、30、50的平面形状并不限定于图示的形状，例举有五边形以及六边形等其他多边形、圆形、椭圆形等。
另外，各贯通孔20、30、50的平面形状可以相同也可以不同。
此外，虽然第一基部2、第二基部3分别由呈板状的部件构成，但并不限定于此，例如也可以为一方的基部由呈板状的部件构成，另一方的基部由呈块状的部件构成。
接下来，对传感器器件6进行说明。
[传感器器件]
如图1、图2所示，传感器器件6A由第一基部2的4个凸部23中的一个凸部23的顶面231、和与该顶面231对置的内壁面331夹持。与该传感器器件6A相同，传感器器件6B由与上述不同的1个凸部23的顶面231、和与该顶面231对置的内壁面331夹持。另外，传感器器件6C由与上述不同的1个凸部23的顶面231、和与该顶面231对置的内壁面331夹持。并且，传感器器件6D由与上述不同的1个凸部23的顶面231、和与该顶面231对置的内壁面331夹持。此外，也能够说成是传感器器件6A、6B、6C、6D的各电荷输出元件10分别和第二部件24与第四部件33结合。
以下，将各传感器器件6A～6D被第一基部2以及第二基部3夹持的方向称为“夹持方向SD”。另外，有时将夹持有各传感器器件6A～6D中的传感器器件6A的方向称为第一夹持方向，将夹持有传感器器件6B的方向称为第二夹持方向，将夹持有传感器器件6C的方向称为第三夹持方向，将夹持有传感器器件6D的方向称为第四夹持方向。
此外，在本实施方式中，如图1所示，虽然传感器器件6设置于模拟电路基板4的第二基部3(第四部件33)侧，但传感器器件6也可以设置于模拟电路基板4的第一基部2侧。
另外，如图2所示，传感器器件6A以及传感器器件6B与传感器器件6C以及传感器器件6D关于第一基部2的沿着β轴的中心轴271对称地配置。即，传感器器件6A～6D绕第一基部2的中心272等角度间隔地配置。通过这样配置传感器器件6A～6D，能够无偏倚地检测外力。
此外，虽然传感器器件6A～6D的配置并不限定于图示的配置，但优选从第二基部3的上表面321观察，传感器器件6A～6D配置于从第二基部3的中心部(中心272)尽可能分离的位置。由此，能够稳定地检测施加于力检测装置1的外力。
另外，在本实施方式中，虽然传感器器件6A～6D搭载为全部朝向相同的方向的状态，但传感器器件6A～6D的朝向也可以分别不同。
如图1所示，这样配置的传感器器件6具有电荷输出元件10与收纳电荷输出元件10的封装体60。另外，在本实施方式中，传感器器件6A～6D是相同的结构。此外，封装体也可以省略。
以下，对该传感器器件6所具备的电荷输出元件10进行说明。
[电荷输出元件]
电荷输出元件10具有根据施加于力检测装置1的外力即施加于第一基部2或者第二基部3的至少一方的基部的外力输出电荷的功能。
此外，由于传感器器件6A～6D所具备的各电荷输出元件10是相同的结构，所以以1个电荷输出元件10为中心进行说明。
如图3所示，传感器器件6所具备的电荷输出元件10具有接地电极层11、第一传感器12、第二传感器13以及第三传感器14。
第一传感器12具有根据外力(剪切力)输出电荷Qx的功能。第二传感器13具有根据外力(压缩力/拉力)输出电荷Qz的功能。第三传感器14根据外力(剪切力)输出电荷Qy。
另外，对于传感器器件6所具备的电荷输出元件10而言，接地电极层11与各传感器12、13、14交互平行地层叠。以下，将该层叠的方向称为“层叠方向LD”。该层叠方向LD成为与上表面321的法线NL2(或者下表面221的法线NL1)正交的方向。另外，层叠方向LD与夹持方向SD平行。
另外，虽然电荷输出元件10的形状并不特别限定，但在本实施方式中，从相对于各第四部件33的内壁面331垂直的方向观察，呈四边形。此外，作为各电荷输出元件10的其他外部形状，例举有五边形等其他多边形、圆形、椭圆形等。
以下，对接地电极层11、第一传感器12、第二传感器13以及第三传感器14进行说明。
接地电极层11是与地线(基准电位点)连接的电极。虽然构成接地电极层11的材料并不特别限定，但例如优选为金、钛、铝、铜、铁或者含有它们的合金。在它们中，特别优选使用铁合金亦即不锈钢。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。
第一传感器12具有根据与层叠方向LD(第一夹持方向)正交的、即与法线NL2(法线NL1)的方向相同的方向的第一检测方向的外力(剪切力)输出电荷Qx的功能。即，第一传感器12构成为根据外力输出正电荷或者负电荷。此外，后述的第一压电体层121以及第二压电体层123的x轴方向是上述第一检测方向。
第一传感器12具有：第一压电体层(第一检测板(第一基板))121；第二压电体层(第一检测板(第一基板))123，其设置为与第一压电体层121对置；以及输出电极层122，其设置于第一压电体层121与第二压电体层123之间。
第一压电体层121由Y切石英板构成，并且具有相互正交的结晶轴亦即x轴、y轴、z轴。y轴是沿着第一压电体层121的厚度方向的轴，x轴是沿着图3中的纸面进深方向的轴，z轴是沿着图3中的上下方向的轴。
以下，将上述图示的各箭头的末端侧作为“+(正)”，将基端侧作为“－(负)”进行说明。另外，将与x轴平行的方向称为“x轴方向”，将与y轴平行的方向称为“y轴方向”，将与z轴平行的方向称为“z轴方向”。此外，后述的第二压电体层123、第三压电体层131、第四压电体层133、第五压电体层141以及第六压电体层143也相同。
第二压电体层123也由Y切石英板构成，并且具有相互正交的结晶轴亦即x轴、y轴、z轴。y轴是沿着第二压电体层123的厚度方向的轴，x轴是沿着图3中的纸面进深方向的轴，z轴是沿着图3中的上下方向的轴。
输出电极层122具有将在第一压电体层121内以及第二压电体层123内产生的正电荷或者负电荷作为电荷Qx输出的功能。
第二传感器13具有根据外力(压缩力/拉力)输出电荷Qz的功能。即，第二传感器13构成为，根据压缩力输出正电荷，根据拉力输出负电荷。此外，后述的第三压电体层131以及第四压电体层133的x轴方向是上述进行检测的压缩力以及拉力的方向。
第二传感器13具有：第三压电体层(第三基板)131；第四压电体层(第三基板)133，其设置为与第三压电体层131对置；以及输出电极层132，其设置于第三压电体层131与第四压电体层133之间。
第三压电体层131由X切石英板构成，并且具有相互正交的x轴、y轴、z轴。x轴是沿着第三压电体层131的厚度方向的轴，y轴是沿着图3中的上下方向的轴，z轴是沿着图3中的纸面进深方向的轴。
第四压电体层133也由X切石英板构成，并且具有相互正交的x轴、y轴、z轴。x轴是沿着第四压电体层133的厚度方向的轴，y轴是沿着图3中的上下方向的轴，z轴是沿着图3中的纸面进深方向的轴。
输出电极层132具有将在第三压电体层131内以及第四压电体层133内产生的正电荷或者负电荷作为电荷Qz输出的功能。
第三传感器14具有根据第二检测方向的外力(剪切力)输出电荷Qx的功能，上述第二检测方向与层叠方向LD(第二夹持方向)正交，并且与在第一传感器12输出电荷Qx时作用的外力的第一检测方向交叉。即，第三传感器14构成为根据外力输出正电荷或者负电荷。此外，后述的第五压电体层141以及第六压电体层143的x轴方向是上述第二检测方向。
第三传感器14具有：第五压电体层(第二检测板(第二基板))141；第六压电体层(第二检测板(第二基板))143，其设置为与第五压电体层141对置；以及输出电极层142，其设置于第五压电体层141与第六压电体层143之间。
第五压电体层141由Y切石英板构成，并且具有相互正交的结晶轴亦即x轴、y轴、z轴。y轴是沿着第五压电体层141的厚度方向的轴，x轴是沿着图3中的上下方向的轴，z轴是沿着图3中的纸面进深方向的轴。
第六压电体层143也由Y切石英板构成，并且具有相互正交的结晶轴亦即x轴、y轴、z轴。y轴是沿着第六压电体层143的厚度方向的轴，x轴是沿着图3中的上下方向的轴，z轴是沿着图3中的纸面进深方向的轴。
在电荷输出元件10中，在从层叠方向LD观察时，第一压电体层121以及第二压电体层123的各x轴与第五压电体层141以及第六压电体层143的各x轴交叉。另外，在从层叠方向LD观察时，第一压电体层121以及第二压电体层123的各z轴与第五压电体层141以及第六压电体层143的各z轴交叉。
输出电极层142具有将在第五压电体层141内以及第六压电体层143内产生的正电荷或者负电荷作为电荷Qy输出的功能。
这样，在电荷输出元件10中，第一传感器12、第二传感器13以及第三传感器14以各传感器的力检测方向相互正交的方式层叠。由此，各传感器能够分别根据相互正交的力成分引起电荷。因此，电荷输出元件10能够根据沿着x轴、y轴以及z轴的各外力分别输出3种电荷Qx、Qy、Qz。
另外，虽然电荷输出元件10能够如上述那样输出电荷Qz，但在力检测装置1中，在求各外力时，优选不使用电荷Qz。即，优选力检测装置1作为不检测压缩力、拉力而是检测剪切力的装置来使用。由此，能够减少力检测装置1的温度变化引起的噪声成分。此外，电荷Qz即便是在求各外力时不使用的情况，例如也能够用于由加压螺栓71产生的加压的调整。
此外，在本实施方式中，虽然上述的各压电体层(第一压电体层121、第二压电体层123、第三压电体层131、第四压电体层133、第五压电体层141以及第六压电体层143)构成为全部使用石英，但各压电体层也可以构成为使用除石英以外的压电材料。作为除石英以外的压电材料，例举有黄玉、钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅(PZT：Pb(Zr、Ti)O3)、铌酸锂、钽酸锂等。然而，优选各压电体层是使用石英的结构。这是因为由石英构成的压电体层具有宽的动态范围、高的刚性、高的固有频率、高的承重性等优异的特性。
另外，在本实施方式中，虽然第一传感器12、第二传感器13以及第三传感器14的压电体层的数量为2个，但并不限定于此，例如也可以为1个。
另外，如上述所述，第一基部2以及第二基部3通过加压螺栓71固定。
基于该加压螺栓71的固定以在顶面231与内壁面331之间配置各传感器器件6的状态，将加压螺栓71从第二基部3的第四部件33侧朝向第一基部2的第二部件24插入，并且将加压螺栓71的外螺纹(未图示)与在第二部件24形成的内螺纹241旋合。这样，电荷输出元件10与收纳该电荷输出元件10的封装体60一起，通过第一基部2与第二基部3即第二部件24与第四部件33施加规定大小的压力即加压。
此外，各第二部件24与各第四部件33分别通过2个加压螺栓71固定为相互能够进行规定量的位移(移动)。通过第二部件24与第四部件33固定为相互能够进行规定量的位移，从而在对力检测装置1施加外力(剪切力)而使剪切力作用于电荷输出元件10时，构成电荷输出元件10的层彼此之间的摩擦力可靠地产生，因此，能够可靠地检测出电荷。另外，基于各加压螺栓71的加压方向为与层叠方向LD平行的方向。
此外，力检测装置1整体的α轴方向的力FA、β轴方向的力FB、γ轴方向的力FC、绕α轴的旋转力MA、绕β轴的旋转力MB以及绕γ轴的旋转力MC基于与来自各电荷输出元件10的电荷的积蓄量成比例的信号计算。另外，在本实施方式中，虽然电荷输出元件10设置为4个，但只要电荷输出元件10至少设置有3个，就能够计算出旋转力MA、MB、MC。
如以上说明那样，根据该力检测装置1，通过将第一部件22以及第三部件32由上述的密度小的材料构成，能够实现力检测装置1的轻型化。
另外，通过将第二部件24以及第四部件33由上述的耐力大的材料构成，能够提高第二部件24以及第四部件33的强度，在通过加压螺栓71连接并固定第二部件24与第四部件33从而对电荷输出元件10赋予压力的情况下，能够抑制第二部件24以及第四部件33的变形。由此，能够提高力检测装置1的检测精度。
另外，通过将第二部件24以及第四部件33由上述的线膨胀系数小的材料构成，在力检测装置1被加热的情况下，能够缩小第二部件24以及第四部件33的热膨胀引起的变形量，从而能够抑制不需要的力施加于电荷输出元件10。由此，能够提高力检测装置1的检测精度。
另外，在第一部件22以及第三部件32热膨胀从而弯曲的情况下，能够通过贯通孔20的部分缩小第一部件22的变形量，同样地，能够通过贯通孔30的部分缩小第三部件32的变形量。另外，通过贯通孔20使第一部件22的弯曲变小，同样地，通过贯通孔30使第三部件32的弯曲变小。由此，能够抑制不需要的力施加于电荷输出元件10，从而能够提高力检测装置1的检测精度。
(第二实施方式)
＜力检测装置的实施方式＞
图6是表示本实施方式的力检测装置的剖视图(图7中的B－B线剖视图)。图7是图6所示的力检测装置的剖视图(图6中的A－A线剖视图)。图8是示意表示将图6所示的力检测装置应用为机器人的力检测装置的情况的图。图9是示意表示将图6所示的力检测装置应用为机器人的力检测装置的情况的图。图10是示意表示将现有的力检测装置应用为机器人的力检测装置的情况的图。图11是表示图9所示的力检测装置的电荷输出元件的输出的图表。图12是表示图10所示的现有的力检测装置的电荷输出元件的输出的图表。
另外，在图7中，作为相互正交的3个轴，图示出α轴、β轴以及γ轴。另外，在图6中，在上述3个轴中，仅图示出γ轴。将与α(A)轴平行的方向称为“α(A)轴方向”，将与β(B)轴平行的方向称为“β(B)轴方向”，将与γ(C)轴平行的方向称为“γ(C)轴方向”。另外，将由α轴与β轴规定的平面称为“αβ平面”，将由β轴与γ轴规定的平面称为“βγ平面”，将由α轴与γ轴规定的平面称为“αγ平面”。另外，将与α轴平行的方向称为“α方向”，将与β轴平行的方向称为“β方向”，将与γ轴平行的方向称为“γ方向”。另外，在α方向、β方向以及γ方向中，将箭头末端侧设为“+(正)侧”，将箭头基端侧设为“－(负)侧”。
图6所示的力检测装置1具有检测施加于力检测装置1的外力即6轴力(α、β、γ轴方向的平移力成分以及绕α、β、γ轴的旋转力成分)的功能。
在将力检测装置1设置于机器人19(参照图8)的情况下布线151、152、153(参照图8)配置为通过力检测装置1的中央部的内腔壁81的内部的方面，本实施方式的力检测装置1与第一实施方式不同。以下，对于与第一实施方式相同的构成部件，标注相同的附图标记，并且这里将它们的说明省略或者简化。
该力检测装置1具备：第一基部2；第二基部3，其从第一基部2隔开规定的间隔配置，并且与第一基部2对置；第一开口部20与第二开口部30，它们设置于第一基部2以及第二基部3的中央部；内腔部8；侧壁部16，其设置于第一基部2以及第二基部3的外周部；4个模拟电路基板4，它们收纳于(设置于)第一基部2与第二基部3之间；数字电路基板5，其收纳于(设置于)第一基部2与第二基部3之间，并且与各模拟电路基板4电连接；4个传感器器件(压力检测部)6，它们一个一个地搭载于各模拟电路基板4，并且具有根据承受的外力输出信号(电荷)的元件亦即电荷输出元件(力检测元件)10以及收纳电荷输出元件10的封装体(收容部)60；以及8个加压螺栓71。此外，作为力检测元件，例示电荷输出元件(压电元件)，但作为其他力检测元件，例如能够对电容元件、应变检测元件等应用本发明。
另外，在数字电路基板5电连接有(以下，也简单地称为“连接”)布线(电线)151。即，也能够说成是布线151经由模拟电路基板4以及数字电路基板5与电荷输出元件10电连接。该布线151例如用于与力检测装置1的通信(例如，来自力检测装置1的输出信号的发送等)、向力检测装置1的电力供给等。即，在布线151例如流过电力或者各种信号等。此外，该布线151与后述的布线152以及153分别是线条体的1例。
另外，在第一基部2的底板22的中央部形成有第一开口部20，同样地，在第二基部3的顶板32的中央部形成有第二开口部30，同样地，在数字电路基板5的中央部形成有第三开口部50。即，第一开口部20配置于第一安装面221的中央，第二开口部30配置于第二安装面321的中央。第一开口部20、第二开口部30以及第三开口部50从彼此的厚度方向观察呈与后述的内腔部8的内腔壁81的外部形状相同的形状，并且配置于相互相同的位置。
如图6以及图7所示，内腔部8具有呈筒状的内腔壁81，并且插入第一基部2的第一开口部20、第二基部3的第二开口部30以及数字电路基板5的第三开口部50。即，内腔部8在力检测装置1的中央部(第一基部2的底板22的中央部以及第二基部3的顶板32的中央部)以跨越第一基部2与第二基部3的方式配置。由此，在力检测装置1的中央部形成有向第一基部2的底板22的第一安装面221(与第二基部3相反一侧的面)以及第二基部3的顶板32的第二安装面321(与第一基部2相反一侧的面)分别开放并且构成内腔部8的内腔的内腔壁81。由该内腔壁81形成的内腔从第一基部2的底板22的中央部以及第二基部3的顶板32的中央部分别向力检测装置1的外部的大气开放。
另外，虽然内腔壁81的从中心轴811的方向(第一基部2、第二基部3的厚度方向)观察时的形状(俯视观察的形状)并不特别限定，但在图示的结构中，从内腔壁81的中心轴811的方向观察，内腔壁81的外部形状以及内部形状分别呈长方形。此外，上述长方形的各角部可以可以带有圆角，也可以为尖的角部。此外，作为内腔壁81的从中心轴811的方向观察时的上述其他形状，例举有正方形等其他四边形、五边形以及六边形等其他多边形、圆形、椭圆形等。
另外，在内腔壁81的侧面形成有贯通内腔壁81的贯通孔85。贯通孔85的孔径的大小比内腔部8小。通过缩小贯通孔85的孔径，能够抑制灰尘、污垢等侵入力检测装置1的内部。另外，贯通孔85的数量并不特别限定，可以为1个，也可以为多个，但在图示的结构中，为1个。另外，贯通孔85的形状并不特别限定，例举有正方形、长方形等其他四边形、五边形以及六边形等多边形、圆形、椭圆形等。
第一开口部20具有作为供布线151等的规定的布线通过的通路的功能，布线151通过第一开口部20，被导向力检测装置1的外部。即，布线151插通贯通孔85通过内腔部8，从第一基部2的第一开口部20向力检测装置1的外部突出。
此外，作为除布线151以外的布线的具体例，如图8所示，若以将力检测装置1设置于机器人19的臂191与末端执行器192之间的情况为例进行举例，则例举有手等末端执行器192的布线152、设置于末端执行器192的电子照相机193的布线153等。
通过这样在力检测装置1设置有内腔部8，能够获得以下的效果。此外，以下，以将力检测装置1作为上述机器人的力觉传感器来使用的情况为例进行说明。
首先，布线151通过贯通孔85以及内腔部8，被导向机器人19的臂191的内部。另外，末端执行器192的布线152以及电子照相机193的布线153分别通过内腔部8，被导向机器人19的臂191的内部。
由此，在机器人19的臂191动作时，能够抑制在布线151、152、153产生拽拉、挠曲、扭曲等，从而能够抑制多余的力施加于力检测装置1。由此，能够提高力检测装置1的检测精度。
这里，虽然贯通孔85的位置只要位于第一基部2与第二基部3之间，并不特别限定，但在图示的结构中，贯通孔85从内腔壁81的中心轴811的方向观察，配置于上述长方形(内腔壁81)的短边813。通过预先决定将贯通孔85配置于短边813，即便看不到贯通孔85，也能够容易地把握贯通孔85的位置。此外，贯通孔85也可以从内腔壁81的中心轴811的方向观察配置于上述长方形的长边812。在该情况下，通过预先决定将贯通孔85配置于长边812，即便看不到贯通孔85，也能够容易地把握贯通孔85的位置。
另外，内腔部8从内腔壁81的中心轴811的方向观察配置为，将以经由第一基部2的中心(力检测装置1的中心)272对置的方式配置的2个传感器器件6A、6C的电荷输出元件10连接起来的直线181的方向与上述长方形的长边812的方向一致。此外，理所当然内腔部8的姿势并不限定于此。
另外，虽然内腔壁81的内腔的尺寸并不特别限定，根据各种条件适当地设定，但优选内腔壁81的与中心轴811垂直的剖面中的剖面积为100mm2以上，更加优选为150mm2以上、且100cm2以下，进一步优选为200mm2以上、20cm2以下。
若内腔壁81的内腔的剖面积比上述下限值小，则虽然也依赖于其他条件，但存在难以使布线151通过的担忧。另外，若上述剖面积比上述上限值大，则虽然也依赖于其他条件，但存在力检测装置1的刚性降低的担忧。
另外，优选内腔壁81的长边方向的长度L1为12mm以上，更加优选为16mm以上、且500mm以下，进一步优选为20mm以上、且100mm以下。
若内腔壁81的长边方向的长度L1比上述下限值小，则虽然也依赖于其他条件，但存在难以使布线151通过的担忧。另外，若上述长度L1比上述上限值大，则虽然也依赖于其他条件，但存在力检测装置1的刚性降低的担忧。
另外，优选内腔壁81的短边方向的长度L2为6mm以上，更加优选为8mm以上、且250mm以下，进一步优选为10mm以上、且50mm以下。
若内腔壁81的短边方向的长度L2比上述下限值小，则虽然也依赖于其他条件，但存在难以使布线151通过的担忧。另外，若上述长度L2比上述上限值大，则虽然也依赖于其他条件，但存在力检测装置1的刚性降低的担忧。
另外，在内腔壁81的第一基部2的附近的侧面形成有凸缘82，内腔部8的凸缘82固定于第一基部2。虽然该固定方法并不特别限定，但在图示的结构中，凸缘82由多个螺钉172固定于第一基部2的底板22。另一方面，仅将内腔壁81的第二基部3的附近插入第二基部3的第二开口部30，不进行螺旋夹等的固定。此外，也可以不是将内腔部8的第一基部2的附近，而是将第二部件的附近固定于第二基部3。
此外，作为上述的第一基部2、第二基部3、内腔部8、模拟电路基板4的除各元件以及各布线以外的部位、数字电路基板5的除各元件以及各布线以外的部位的构成材料彼此并不特别限定，例如能够使用各种树脂材料、各种金属材料等。
另外，虽然第一基部2、第二基部3分别由大体呈板状的部件构成，但并不限定于此，例如也可以为，一方的部件由大体板状构成，另一方的部件由块状构成。
以下，对该传感器器件6所具备的电荷输出元件10进行说明。
[电荷输出元件]
电荷输出元件10具有根据施加于力检测装置1的外力即施加于第一基部2或者第二基部3的至少一方的部件的外力输出电荷的功能。
此外，由于传感器器件6A～6D所具备的各电荷输出元件10是相同的结构，所以以1个电荷输出元件10为中心进行说明。
此外，力检测装置1整体的α轴方向的力FA、β轴方向的力FB、γ轴方向的力FC、绕α轴的旋转力MA、绕β轴的旋转力MB以及绕γ轴的旋转力MC，基于与来自各电荷输出元件10的电荷的积蓄量成比例的信号计算出。另外，在本实施方式中，虽然电荷输出元件10设置有4个，但只要电荷输出元件10至少设置有3个，就能够计算出旋转力MA、MB、MC。
这里，针对本实施方式的力检测装置1与现有的力检测装置1A，分别进行了下述实验。
首先，如图9以及图10所示，将力检测装置1、1A分别安装于机器人19的臂191与末端执行器192之间。
如图9所示，在为力检测装置1的情况下，将布线151从内腔部8(参照图8)向外部引出，并且配设于臂191的内部。
另外，如图10所示，在为力检测装置1A的情况下，布线151的一方的端部与设置于力检测装置1A的外周面的端子连接，并且将该布线151配设于臂191的外部。
而且，在对末端执行器192未施加外力的状态下，使机器人19工作，并且对力检测装置1、1A的电荷输出元件10的输出分别进行了测定。其结果如图11以及图12的图表所示。
此外，在图11以及图12的图表中，针对力检测装置1、1A的电荷输出元件10，设定相互正交的x轴、y轴以及z轴，将在沿电荷输出元件10的x轴方向施加有力的情况下输出的电荷设为Qx，将在沿y轴方向施加有力的情况下输出的电荷设为Qy，将在沿z轴方向施加有力的情况下输出的电荷设为Qz。另外，x轴方向以及y轴方向是针对电荷输出元件10的相互正交的剪切力的方向，z轴方向是电荷输出元件10的压缩力/拉力的方向。另外，由于该测定是在对末端执行器192未施加有外力的状态下进行的，所以这些电荷Qx、Qy、Qz本来应该为“0”。
在现有的力检测装置1A中，如图12所示可知，在臂191的运转期间，本来应该为“0”的力检测装置1A的电荷输出元件10的输出向负侧或者正侧振动。这是因为在臂191动作时在布线151产生拽拉、挠曲、扭曲等从而对力检测装置1A施加多余的力导致的。
与此相对，在本实施方式的力检测装置1中，如图11所示可知，在臂191的运转期间以及非运转期间的任一期间，均是本来应该为“0”的力检测装置1的电荷输出元件10的输出大致为“0”。
如以上说明那样，根据该力检测装置1，在将力检测装置1设置于机器人19的情况下，布线151、152、153以通过力检测装置1的中央部的内腔壁81的内部的方式配置，因此能够抑制在臂191动作时在布线151、152、153产生拽拉、挠曲、扭曲等，从而能够抑制对力检测装置1施加多余的力。由此，能够提高力检测装置1的检测精度。
另外，由于在力检测装置1的中央部不是直接形成开口部，而是设置内腔壁81，利用其内腔形成内腔部8，因此能够抑制灰尘、污垢等侵入力检测装置1的内部。
＜单臂机器人的实施方式＞
接下来，基于图13对本发明的机器人的实施方式亦即单臂机器人进行说明。以下，针对本实施方式，以与上述实施方式的不同点为中心进行说明，针对相同的事项，省略其说明。
图13是表示使用本发明的力检测装置的单臂机器人的1例的图。图13的单臂机器人500具有基台510、臂520、设置于臂520的末端侧的末端执行器530以及设置于臂520与末端执行器530之间的力检测装置1。此外，作为力检测装置1，使用与上述各实施方式相同的力检测装置。
基台510具有收纳产生用于使臂520转动的动力的促动器(未图示)以及控制促动器的控制部(未图示)等的功能。另外，基台510例如固定于地板、墙壁、天花板、能够移动的台车上等。
臂520构成为，具有第一臂要素521、第二臂要素522、第三臂要素523、第四臂要素524以及第五臂要素525，并且将相邻的臂彼此连结为能够转动。臂520通过控制部的控制，以各臂要素的连结部为中心复合地旋转或者弯曲从而驱动。
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。在末端执行器530通过臂520的驱动到达规定的动作位置之后，通过调整第一指531与第二指532的分离距离，能够把持对象物。
此外，虽然末端执行器530在这里是手，但在本发明中，并不限定于此。作为末端执行器的其他例子，例举有部件检查用器具、部件搬运用器具、部件加工用器具、部件组装用器具、测定器等。这针对其他实施方式中的末端执行器也相同。
力检测装置1具有检测施加于末端执行器530的外力的功能。通过将力检测装置1所检测的力向基台510的控制部反馈，单臂机器人500能够执行更加精密的作业。另外，利用力检测装置1所检测出的力，单臂机器人500能够检测末端执行器530对障碍物的接触等。因此，能够容易进行在现有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，从而单臂机器人500能够更加安全地执行作业。
此外，在图示的结构中，虽然臂520由合计5个臂要素构成，但本发明并不限定于此。臂520由1个臂要素构成的情况、由2～4个臂要素构成的情况、由6个以上的臂要素构成的情况也在本发明的范围内。
＜多臂机器人的实施方式＞
接下来，基于图14对本发明的机器人的实施方式亦即多臂机器人进行说明。以下，针对本实施方式，以与上述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14是表示使用本发明的力检测装置的多臂机器人的1例的图。图14的多臂机器人600具有基台610、第一臂620、第二臂630、设置于第一臂620的末端侧的第一末端执行器640a、设置于第二臂630的末端侧的第二末端执行器640b、以及设置于第一臂620与第一末端执行器640a之间以及第二臂630与第二末端执行器640b之间的力检测装置1。此外，作为力检测装置1，使用与上述各实施方式相同的力检测装置。
基台610具有收纳产生用于使第一臂620以及第二臂630转动的动力的促动器(未图示)以及控制促动器的控制部(未图示)等的功能。另外，基台610例如固定于地板、墙壁、天花板、能够移动的台车上等。
第一臂620通过将第一臂要素621以及第二臂要素622连结为能够转动而构成。第二臂630通过将第一臂要素631以及第二臂要素632连结为能够转动而构成。第一臂620以及第二臂630通过控制部的控制，以各臂要素的连结部为中心复合地旋转或者弯曲从而驱动。
第一、第二末端执行器640a、640b具有把持对象物的功能。第一末端执行器640a具有第一指641a以及第二指642a。第二末端执行器640b具有第一指641b以及第二指642b。在第一末端执行器640a通过第一臂620的驱动到达规定的动作位置之后，通过调整第一指641a与第二指642a的分离距离，能够把持对象物。同样地，在第二末端执行器640b通过第二臂630的驱动到达规定的动作位置之后，通过调整第一指641b与第二指642b的分离距离，能够把持对象物。
力检测装置1具有检测施加于第一、第二末端执行器640a、640b的外力的功能。通过将力检测装置1所检测出的力向基台610的控制部反馈，多臂机器人600能够更加精密地执行作业。另外，利用力检测装置1所检测出的力，多臂机器人600能够检测第一、第二末端执行器640a、640b对障碍物的接触等。因此，能够容易进行在现有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，从而多臂机器人600能够更加安全地执行作业。
此外，在图示的结构中，虽然臂合计为2个，但本发明并不限定于此。多臂机器人600具有3个以上的臂的情况也在本发明的范围内。
以上，虽然基于图示的实施方式对本发明的力检测装置以及机器人进行了说明，但本发明并不限定于此，各部分结构能够置换为具有相同功能的任意结构。另外，也可以对本发明附加其他任意的构成物。
另外，在本发明中，也可以取代加压螺栓，例如使用不具有对电荷输出元件(压电元件)赋予压力的功能的螺栓，另外，也可以采用除螺栓以外的固定方法。
另外，在本实施方式中，虽然电荷输出元件的数量为4个，但在本发明中，电荷输出元件的数量也可以为1个、2个、3个或者5个以上。
另外，本发明也可以为组合有上述实施方式中的任意2个以上的结构(特征)的发明。另外，在本发明中，第一开口部与第二开口部中的一方也可以关闭。
另外，在本实施方式中，虽然将压电元件作为力检测元件进行了例示，但例如电容元件、应变检测元件也能够应用本发明，虽然力检测元件的数量为4个，但力检测元件的数量也可以为2个、3个或者5个以上。
另外，在本实施方式中，虽然将布线(电线)作为线条体进行了例示，但作为其他线条体，例举有供气体流动的配管等。
另外，本发明的机器人具有臂，但并不限定于臂型机器人(机器人臂)，也可以是其他形式的机器人，例如是平面关节型机器人、足式步行(行驶)机器人等。
另外，对于本发明的力检测装置而言，并不限定于机器人，也能够应用于其他装置，例如电子部件搬运装置等搬运装置、电子部件检查装置等检查装置、部件加工装置、移动体、振动计、加速度计、重力计、动力计、地震计、倾斜计等测定装置、输入装置等。
附图标记说明：
1、1A…力检测装置；2…第一基部；3…第二基部；4…模拟电路基板；5…数字电路基板；6、6A、6B、6C、6D…传感器器件(压力检测部)；8…内腔部；10…电荷输出元件(压电元件)；11…接地电极层；12…第一传感器；13…第二传感器；14…第三传感器；16…侧壁部；19…机器人；20…贯通孔(第一开口部)；22…第一部件(底板)；23…凸部；24…第二部件(壁部)；30…贯通孔(第二开口部)；32…第三部件(顶板)；33…第四部件(侧壁)；41…孔；43…管；50…贯通孔(第三开口部)；60…封装体(收容部)；71…加压螺栓；81…内腔壁；82…凸缘；85…贯通孔；121…第一压电体层；122…输出电极层；123…第二压电体层；131…第三压电体层；132…输出电极层；133…第四压电体层；141…第五压电体层；142…输出电极层；143…第六压电体层；151、152、153…布线；161…筒状部；162…凸缘；171、172、173、174…螺钉；181…直线；191…臂；192…末端执行器；193…电子照相机；221…下表面(第一面)(第一安装面)；231…顶面；241…内螺纹；271…中心轴；272…中心；321…上表面(第二面)(第二安装面)；331…内壁面；500…单臂机器人；510…基台；520…臂；521…第一臂要素；522…第二臂要素；523…第三臂要素；524…第四臂要素；525…第五臂要素；530…末端执行器；531…第一指；532…第二指；600…多臂机器人；610…基台；620…第一臂；621…第一臂要素；622…第二臂要素；630…第二臂；631…第一臂要素；632…第二臂要素；640a…第一末端执行器；641a…第一指；642a…第二指；640b…第二末端执行器；641b…第一指；642b…第二指；811…中心轴；812…长边；813…短边；L1、L2…长度；LD…层叠方向；SD…夹持方向；NL1、NL2…法线；Qx、Qy、Qz…电荷。

Claims (9)

1.一种力检测装置，其特征在于，
具有：
第一部件；
第二部件，其固定于所述第一部件；
第三部件；
第四部件，其固定于所述第三部件；以及
压电元件，其被所述第二部件与所述第四部件夹持，
构成所述第一部件的材料的密度比构成所述第二部件的材料的密度小，
所述第一部件呈板状，
所述压电元件以及所述第二部件配置于所述第一部件的端部，
在所述第一部件的中央部形成有贯通孔，
所述第三部件呈板状，
所述压电元件以及所述第四部件配置于所述第三部件的端部，
在所述第三部件的中央部形成有贯通孔。
2.根据权利要求1所述的力检测装置，其中，
构成所述第二部件的材料的线膨胀系数比构成所述第一部件的材料的线膨胀系数小。
3.根据权利要求2所述的力检测装置，其中，
构成所述第三部件的材料的密度比构成所述第四部件的材料的密度小。
4.根据权利要求3所述的力检测装置，其中，
构成所述第四部件的材料的线膨胀系数比构成所述第三部件的材料的线膨胀系数小。
5.根据权利要求1所述的力检测装置，其中，
构成所述第一部件的材料与构成所述第三部件的材料相同。
6.根据权利要求5所述的力检测装置，其中，
构成所述第二部件的材料与构成所述第四部件的材料相同。
7.根据权利要求1所述的力检测装置，其中，
构成所述第二部件的材料的耐力比构成所述第一部件的材料的耐力大。
8.根据权利要求7所述的力检测装置，其中，
构成所述第四部件的材料的耐力比构成所述第三部件的材料的耐力大。
9.一种机器人，其特征在于，
具备：
臂；
末端执行器，其设置于所述臂；以及
力检测装置，其设置于所述臂与所述末端执行器之间，检测施加于所述末端执行器的外力，
所述力检测装置具有：
第一部件；
第二部件，其固定于所述第一部件；
第三部件；
第四部件，其固定于所述第三部件；以及
压电元件，其被所述第二部件与所述第四部件夹持，
构成所述第一部件的材料的密度比构成所述第二部件的材料的密度小，
所述第一部件呈板状，
所述压电元件以及所述第二部件配置于所述第一部件的端部，
在所述第一部件的中央部形成有贯通孔，
所述第三部件呈板状，
所述压电元件以及所述第四部件配置于所述第三部件的端部，
在所述第三部件的中央部形成有贯通孔。
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