CN109211441A - 力检测装置及机器人 - Google Patents

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CN109211441A CN201810688391.9A CN201810688391A CN109211441A CN 109211441 A CN109211441 A CN 109211441A CN 201810688391 A CN201810688391 A CN 201810688391A CN 109211441 A CN109211441 A CN 109211441A
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永松昌一
加藤达
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Abstract

一种力检测装置及机器人，能够实现力检测装置的外力检测的高精度化。所述力检测装置具备：第一部件；第二部件，与第一部件对置地配置；传感器器件，配置于第一部件与第二部件之间，并具备力检测元件，力检测元件具有对应于外力输出信号的至少一个压电元件；以及多个施压部件，在从第一部件与第二部件重叠的方向观察的俯视观察下，设置于传感器器件的外周部，对传感器器件施压，第一部件具有：第一部分，与传感器器件接触；以及第二部分，在俯视下位于第一部分的外周部，并包括调整第一部分对传感器器件的接触压力的调整部，调整部在施压部件的施压方向上的长度比第一部分在施压方向上的长度短。

Description

力检测装置及机器人
技术领域
本发明涉及力检测装置及机器人。
背景技术
以往以来，在具有安装有末端执行器的机器人臂的工业用机器人中，检测对末端执行器施加的力的力检测装置被使用。作为这样的力检测装置的一个例子，已知例如具有多个压电体且利用该压电体的压电效应的装置。
例如，在专利文献1中公开了一种力检测装置，具有：传感器器件，具备具有多个压电体和多个电极的传感器元件；夹持传感器器件的板状的第一基台及第二基台；以及多个螺栓，将第一基台与第二基台连接。在该力检测装置中，在从第一基台与第二基台重叠的方向观察的俯视观察下，多个螺栓配置于传感器器件的外周部。并且，通过适当地调整这些螺栓的紧固，向传感器器件施加预定的施压。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012-220462号公报
但是，在专利文献1的力检测装置中，存在因为第一部件或第二部件的挠曲的影响而很难使第一部件或第二部件对传感器器件的接触状态变得均匀的问题。因此，很难提高力检测装置的检测精度。另外，由于第一部件或第二部件对传感器器件的接触状态不均匀，因此存在传感器器件所具备的多个压电体容易破损的问题。
发明内容
本发明是为了解决上述课题的至少一部分而作成的，能够作为以下的实施例或方式而实现。
本实施例的力检测装置具备：第一部件；第二部件，与所述第一部件对置地配置；传感器器件，配置于所述第一部件与所述第二部件之间，并具备力检测元件，所述力检测元件具有对应于外力输出信号的至少一个压电元件；以及多个施压部件，在从所述第一部件与所述第二部件重叠的方向观察的俯视观察下，设置于所述传感器器件的外周部，对所述传感器器件施压，所述第一部件具有：第一部分，与所述传感器器件接触；以及第二部分，在所述俯视观察下位于所述第一部分的所述外周部，包括调整所述第一部分对所述传感器器件的接触压力的调整部，所述调整部在所述施压部件的施压方向上的长度比所述第一部分在所述施压方向上的长度短。
根据这样的力检测装置，通过具备调整部，能够使第一部分对传感器器件的接触压力(接触状态)为均匀或接近均匀的状态。因此，能够实现力检测装置的外力检测的高精度化。另外，能够提高力检测元件的耐久性。
在本实施例的力检测装置中，优选的是，在所述俯视观察下，所述调整部设置于所述施压部件与所述传感器器件之间。
由此，能够更适当地调整第一部分对传感器器件的接触压力。
在本实施例的力检测装置中，优选的是，在所述第二部分设置有凹部，所述调整部构成为包括所述凹部的底部。
由此，能够更适当地调整第一部分对传感器器件的接触压力。另外，能够利用设置凹部这样的较简单的结构来构成调整部。
在本实施例的力检测装置中，优选的是，所述第一部分具有凸部，在多个所述施压部件没有对所述传感器器件施压的状态下，所述凸部朝向所述传感器器件而呈凸状。
由此，能够使第一部分对传感器器件的接触压力更均匀。
在本实施例的力检测装置中，优选的是，所述凸部的厚度朝向所述传感器器件的中央逐渐增加。
由此，能够更简单地使第一部分对传感器器件的接触压力均匀。
在本实施例的力检测装置中，优选的是，所述力检测元件在与所述施压方向正交的方向上的长度比所述力检测元件在所述施压方向上的长度短。
由此，能够进一步减小力检测元件的中央部与外周部之间的接触压力差，能够使第一部分对传感器器件的接触压力更均匀。
在本实施例的力检测装置中，优选的是，所述压电元件具有：压电体层，利用压电效应产生电荷；以及电极，设置于所述压电体层，输出与所述电荷对应的信号，所述电极的所述俯视观察下的外形比所述压电体层的所述俯视观察下的外形小。
由此，能够进一步减小因力检测元件的中央部与外周部之间的接触压力差导致的外力检测的精度下降。
在本实施例的力检测装置中，优选的是，所述力检测装置还具备中央部用施压部件，在所述俯视观察下，所述中央部用施压部件设置于所述传感器器件的中央部。
由此，能够使第一部分对传感器器件的接触压力更均匀。
在本实施例的力检测装置中，优选的是，所述力检测元件的所述俯视观察下的外形是圆形。
由此，能够抑制外周部的应力集中。因此，能够使第一部分对传感器器件的接触压力更均匀。
在本实施例的力检测装置中，优选的是，所述力检测元件的所述俯视观察下的外形具有角部，所述角部是钝角形状和带圆角的形状中的至少一种形状。
由此，能够抑制外周部的应力集中。因此，能够使第一部分对传感器器件的接触压力更均匀。
本实施例的机器人的特征在于，具备：基台；臂，与所述基台连接；以及本实施例中的力检测装置，与所述臂连接。
根据这样的机器人，由于具备本实施例的力检测装置，因此能够执行更精密的作业。
附图说明
图1是示出机器人的一个例子的立体图。
图2是第一实施方式的力检测装置的立体图。
图3是图2所示的力检测装置的纵向剖视图。
图4是示出图2所示的力检测装置的内部的俯视图。
图5是示出图2所示的力检测装置所具有的传感器器件的剖视图。
图6是示出图5所示的传感器器件所具有的力检测元件的剖视图。
图7是示意地示出图5所示的结构体的剖视图。
图8是从箭头X1方向观察图7所示的结构体的图。
图9是示出不具有调整部的结构体的剖视图。
图10是从箭头X2方向观察图6所示的力检测元件的图。
图11是示出图8所示的调整部的变形例的图。
图12是示出图8所示的调整部的变形例的图。
图13是第二实施方式的力检测装置所具有的结构体的横向剖视图(解除了施压的状态)。
图14是图13所示的结构体的横向剖视图(施加了施压的状态)。
图15是第三实施方式的力检测装置所具有的结构体的横向剖视图。
图16是图15所示的结构体的俯视图。
图17是示出图16所示的力检测元件的立体图。
附图标记说明：
1…力检测装置；2…壳体；4…传感器器件；4B…传感器器件；8…力检测元件；8B…力检测元件；10…机器人臂；11…臂；12…臂；13…臂；14…臂；15…臂；16…臂；17…末端执行器；20…结构体；20A…结构体；20B…结构体；20X…结构体；21…第一壳体部件；22…第二壳体部件；23…侧壁部；24…第一固定部；24A…第一固定部；24B…第一固定部；24X…第一固定部；25…第二固定部；25A…第二固定部；25B…第二固定部；25X…第二固定部；26…基板收容部件；27…连接部件；40…封装；41…基部；41B…基部；42…盖体；42B…盖体；43…密封件；44…内部端子；45…导电性连接部；46…侧面电极；47…粘接部件；49…贯通孔；61…模拟电路基板；62…数字电路基板；63…中继基板；70…施压螺栓；71…施压螺栓；81…压电元件；83…压电元件；85…压电元件；88…连接部；100…机器人；110…基台；201…安装面；202…安装面；211…第一板；221…第二板；222…贯通孔；240…内壁面；241…贯通孔；242…凹部；242a…凹部；242b…凹部；243…第一部分；243A…第一部分；244…第二部分；244A…第二部分；245…调整部；245A…调整部；245a…调整部；245b…调整部；246…凸部；249…贯通孔；250…顶面；251…突出部；252…内螺纹孔；253…薄壁部；251A…第一部分；253A…第二部分；255A…调整部；256…凸部；259…内螺纹孔；261…孔；411…底部件；412…侧壁部件；620…固定部件；630…固定部件；811…压电体层；812…输出电极层；813…接地电极层；831…压电体层；832…输出电极层；833…接地电极层；851…压电体层；852…输出电极层；853…接地电极层；870…支承基板；A1…中心轴；CL…线段；P1…箭头；P2…箭头；Qα…电荷；Qβ…电荷；Qγ…电荷；S1…内部空间；S2…内部空间；d1…厚度；d2…厚度；d3…厚度；d4…厚度；L1…长度；L2…长度；GND…接地電位。
具体实施方式
以下，基于附图对力检测装置及机器人的优选实施方式进行详细说明。需要说明的是，各图中还有以使说明的部分成为能够识别的状态的方式适当地放大或缩小来表示的部位、进行省略来示的部位。另外，在本说明书中，“连接”包含直接连接的情况以及经由任意部件而间接地连接的情况。
1.机器人
首先，对本应用例的机器人的一个例子进行说明。
图1是示出第一实施方式的机器人的立体图。需要说明的是，将图1中的基台110一侧称为“基端”，将其相反侧(末端执行器17一侧)称为“前端”。
图1所示的机器人100能够进行精密设备、构成精密设备的构件等对象物的供给、移除、输送及组装等的作业。该机器人100是所谓的单臂六轴垂直多关节机器人。
机器人100具有基台110以及转动自如地连结于基台110的机器人臂10。另外，在机器人臂10上连接有力检测装置1，在力检测装置1上连接有末端执行器17。
基台110是固定于例如地板、壁、天花板及能够移动的转向架上等的部分。其中，基台110可以连接机器人臂10，基台110自身也可以移动。机器人臂10具有臂11(第一臂)、臂12(第二臂)、臂13(第三臂)、臂14(第四臂)、臂15(第五臂)、臂16(第六臂)。这些臂11～16从基端侧朝向前端侧按照该顺序连结。各臂11～16能够相对于相邻的臂或基台110转动。
在臂16与末端执行器17之间设置有力检测装置1。该力检测装置1检测施加于末端执行器17的力(包括转矩)。需要说明的是，关于力检测装置1在后文进行详细说明。
另外，虽未图示，但臂16及末端执行器17具有用于安装力检测装置1的安装部件。该安装部件的结构不作特别限定，例如，是具有为了利用螺纹拧紧、螺栓拧紧等在臂16或末端执行器17安装力检测装置1而使用的贯通孔(内螺纹孔)的结构，或者能够构成为具有挂钩、L形槽的卡合部。由此，能够简单地将力检测装置1安装于适当的位置。因此，能够更加提高力检测装置1的外力的检测精度。
末端执行器17是对作为机器人100的作业对象的对象物进行作业的仪器，由具有把持对象物的功能的手构成。需要说明的是，作为末端执行器17，可以使用与机器人100的作业内容等对应的仪器，不限于手。末端执行器17可以是例如进行螺纹拧紧的螺纹拧紧仪器等。
另外，虽未图示，但机器人100具有驱动部，该驱动部具备使一个臂相对于另一个臂(或基台110)转动的马达等。另外，虽未图示，但机器人100具有检测马达的旋转轴的旋转角度的角度传感器。驱动部及角度传感器设置于例如各臂11～16中。
这样的机器人100具备基台110、连接于基台110的臂16(机器人臂10)、以及连接于臂16的力检测装置1。根据这样的机器人100，利用力检测装置1检测末端执行器17受到的外力，基于该检测结果进行反馈控制，从而能够执行更精密的作业。另外，基于力检测装置1的检测结果，机器人100能够检测末端执行器17与障碍物的接触等。因此，能够容易地进行障碍物回避动作即对象物损伤回避动作等，机器人100能够更安全地执行作业。
2.力检测装置
接着，对本应用例的力检测装置的一个例子进行说明。
<第一实施方式>
图2是第一实施方式的力检测装置的立体图。图3是图2所示的力检测装置的纵剖视图。图4是示出图2所示的力检测装置的内部的俯视图。图5是示出图2所示的力检测装置所具有的传感器器件的剖视图。图6是示出图5所示的传感器器件所具有的力检测元件的剖视图。需要说明的是，在图4中，省略了数字电路基板62的图示。另外，在图2～图4中，为了便于说明，作为相互正交的三轴，图示出x轴、y轴及z轴，将表示各轴的箭头的前端侧设为“+”，将基端侧设为“-”。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”。另外，以下将+z轴方向侧称为“上”，将-z轴方向侧称为“下”。
图2所示的力检测装置1是能够检测施加于力检测装置1的外力的六轴成分的六轴力感觉传感器。在此，六轴成分是相互正交的三轴(在图示中为x轴、y轴及z轴)各自的方向的平移力(剪切力)成分、以及绕该三轴各自的轴的旋转力(转矩)成分。
力检测装置1具有：壳体2、与壳体2连接的基板收容部件26、与基板收容部件26连接的连接部件27、收容于壳体2内的多个传感器器件4、多个模拟电路基板61以及一个数字电路基板62、收容于基板收容部件26的中继基板63。需要说明的是，力检测装置1的从z轴方向观察的外形如图2所示是圆形，但不限于此，也可以是例如四边形、五边形等多边形、椭圆形等。
在该力检测装置1中，输出与各传感器器件4受到的外力对应的信号(检测结果)，利用模拟电路基板61及数字电路基板62处理该信号。由此，检测施加于力检测装置1的外力的六轴成分。另外，由数字电路基板62处理过的信号经由与数字电路基板62电连接的中继基板63输出到外部。
以下，对力检测装置1所具备的各部分进行说明。
[壳体]
如图3所示，壳体2具有：第一壳体部件21、相对于第一壳体部件21隔开间隔地配置的第二壳体部件22、以及设置于第一壳体部件21及第二壳体部件22的外周部的侧壁部23(第三壳体部件)。
〈第一壳体部件〉
第一壳体部件21具有：呈圆形的平板状的第一板211、以及立设于第一板211的下表面的外周部的多个(在本实施方式中为四个)第一固定部24(第一部件)(参照图3及图4)。需要说明的是，在图示中，第一固定部24和第一板211由不同的部件构成，但也可以是一体的。另外，第一壳体部件21的上表面构成安装末端执行器17的安装面201(参照图1及图3)。
如图3所示，各第一固定部24与第一板211和传感器器件4连接，具有将施加于力检测装置1的外力传递给传感器器件4的功能。这些多个第一固定部24在以力检测装置1的中心轴A1为中心的同一圆周上彼此隔开等角度(90°)的间隔而排列(参照图4)。需要说明的是，如图3所示，多个第一固定部24具有位于中心轴A1侧的内壁面240，内壁面240与传感器器件4接触。另外，在各第一固定部24形成有能够插入后述的施压螺栓70的多个贯通孔241。
〈第二壳体部件〉
第二壳体部件22具有：与第一板211对置地配置的呈圆形的平板状的第二板221、立设于第二板221的上表面的外周部的多个(在本实施方式中为四个)第二固定部25(第二部件)(参照图3及图4)。需要说明的是，在图示中，第二固定部25和第二板221由不同的部件构成，但是也可以是一体的。
如图3所示，各第二固定部25与第二板221和传感器器件4连接，具有将施加于力检测装置1的外力传递给传感器器件4的功能。这些多个第二固定部25在以中心轴A1为中心的同一圆周上彼此隔开等角度(90°)的间隔而排列(参照图4)。各第二固定部25相对于上述第一固定部24配置在中心轴A1侧，与第一固定部24相对。另外，如图3所示，在第二固定部25的第一固定部24侧具有朝向第一固定部24侧突出的突出部251。该突出部251的顶面250相对于上述第一固定部24的内壁面240隔开能够插入传感器器件4的距离而相对。另外，在各第二固定部25形成有能够与施压螺栓70的前端部螺合的多个内螺纹孔252。
在此，多个施压螺栓70(施压部件)插入上述第一固定部24的贯通孔241及第二固定部25的内螺纹孔252，设置于传感器器件4的周围。特别是，在本实施方式中，如图4所示，在俯视观察下，相对于一个传感器器件4在其两侧设置有两个施压螺栓70。由此，传感器器件4在被第一固定部24和第二固定部25夹持而施压的状态下进行夹持。另外，通过适当地调整施压螺栓70的紧固力，能够对传感器器件4施加预定的大小的压力作为施压。需要说明的是，作为各施压螺栓70的构成材料，不作特别限定，例如可列举各种金属材料等。
另外，如图3所示，在第二板221设置有贯穿其厚度方向的贯通孔222。虽未图示，但在贯通孔222中插入有将后述的数字电路基板62与中继基板63电连接的布线等。
〈侧壁部〉
如图4所示，侧壁部23(第三壳体部件)呈圆筒状。该侧壁部23的上端部经由由例如O形环构成的未图示的密封部件与第一板211嵌合(参照图3)。另外，同样地，侧壁部23的下端部经由未图示的密封部件与第二板221嵌合。由此，通过第一壳体部件21、第二壳体部件22以及侧壁部23，形成收容多个传感器器件4的气密的内部空间S1。
[基板收容部件]
如图3所示，基板收容部件26设置于壳体2与连接部件27之间，基板收容部件26的上表面与第二壳体部件22连接，基板收容部件26的下表面与后述的连接部件27连接。该基板收容部件26呈在中央部具有贯通的孔261的圆筒状。在孔261内收容有后述的中继基板63。该孔261的开口面积只要是能够收容中继基板63的形状即可，不作特别限定。
[连接部件]
图2所示的连接部件27呈圆形的平板状，连接部件27的上表面与基板收容部件26连接。由此，如图3所示，封闭上述基板收容部件26所具有的孔261的下表面侧开口，形成收容配置于孔261的中继基板63的内部空间S2。另外，连接部件27的下表面构成安装臂16的安装面202(参照图1及图3)。
作为以上说明的第一壳体部件21、第二壳体部件22、侧壁部23、基板收容部件26及连接部件27的各构成材料，不作特别限定，列举例如铝、不锈钢等金属材料、陶瓷等。另外，它们可以全部由同一或同种材料构成，也可以彼此由不同的材料构成。
[模拟电路基板]
如图4所示，在壳体2内设置有多个(在本实施方式中为四个)模拟电路基板61。在本实施方式中，针对一个传感器器件4设置一个模拟电路基板61，一个传感器器件4和与其对应的一个模拟电路基板61电连接。模拟电路基板61配置在第一固定部24与第二固定部25之间，在被突出部251插穿的状态下，相对于传感器器件4配置在中心轴A1侧(参照图3及图4)。
虽未图示，但这样的模拟电路基板61具备将从后述的传感器器件4输出的电荷Q(Qα、Qβ、Qγ)分别转换为电压V(Vα、Vβ、Vγ)的电荷放大器(转换输出电路)。该电荷放大器能够构成为具有例如运算放大器、电容器及开关元件。
[数字电路基板]
如图3所示，在壳体2内设置有数字电路基板62。在本实施方式中，数字电路基板62利用由例如螺栓等构成的固定部件620固定于第二壳体部件22的上方。该数字电路基板62与各模拟电路基板61电连接。
虽未图示，但这样的数字电路基板62具备基于来自模拟电路基板61的电压V来检测(运算)外力的外力检测电路。外力检测电路运算x轴方向的平移力成分Fx、y轴方向的平移力成分Fy、z轴方向的平移力成分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。该外力检测电路能够构成为具有例如AD逆变器、与该AD逆变器连接的CPU等运算电路。
[中继基板]
如图3所示，在基板收容部件26内配置有中继基板63。中继基板63利用由例如螺栓等构成的固定部件630固定于第二壳体部件22。该中继基板63利用由例如柔性基板构成的布线(未图示)与数字电路基板62电连接。
利用这样的中继基板63，力检测装置1能够具备：进行基于来自控制机器人100的机器人臂10的驱动的机器人控制器(未图示)和力检测装置1的检测结果的反馈控制的路径、以及校正参数的输入路径。需要说明的是，虽未图示，但中继基板63与设置于力检测装置1的外部的外部布线连接，该外部布线与机器人控制器(未图示)连接。
[传感器器件]
如图4所示，四个传感器器件4被配置为，在从z轴方向观察时，相对于通过中心轴A1并与y轴平行的线段CL对称。四个传感器器件4除了在壳体2内的配置不同以外，其余都是相同的结构。各传感器器件4具有检测沿相互正交的α轴、β轴及γ轴这三轴施加的外力(具体而言，是剪切力、压缩或拉伸力)的功能。
如图5所示，各传感器器件4具有力检测元件8、收容力检测元件8的封装40。需要说明的是，传感器器件4安装于上述模拟电路基板61。
〈封装〉
如图5所示，封装40具有：基部41，具有设置有力检测元件8的凹部；以及盖体42，以封闭凹部的开口的方式经由密封件43与基部41接合。
基部41具有平板状的底部件411、以及呈与底部件411接合(固定)的四边形的框状的侧壁部件412。底部件411在从γ轴方向观察时包括突出部251的顶面250。另外，底部件411经由例如由具有绝缘性的粘接剂等构成的粘接部件47与力检测元件8连接。另外，盖体42呈板状，并设置为其边缘部侧朝向基部41侧折曲而覆盖力检测元件8。另外，盖体42的中央部是平坦的，与第一固定部24及力检测元件8抵接。
作为这样的基部41及盖体42的具体的构成材料，例如能够使用不锈钢、科伐铁镍钴合金等各种金属材料、各种陶瓷等。
〈力检测元件〉
图6所示的力检测元件8(层积体)具有：对应于平行于α轴的外力(剪切力)而输出电荷Qα的两个压电元件81、对应于平行于γ轴的外力(压缩/拉伸力)而输出电荷Qγ的两个压电元件83、对应于平行于β轴的外力(剪切力)而输出电荷Qβ的两个压电元件85、两个支承基板870以及多个连接部88，这些部件按照图示的顺序层积。
(压电元件)
如图6所示，两个压电元件81分别具有：与基准电位(例如接地電位GND)电连接的接地电极层813、压电体层811以及输出电极层812。另外，两个压电元件81配置为，各输出电极层812彼此经由连接部88连接。同样地，两个压电元件83分别具有接地电极层833、压电体层831以及输出电极层832。另外，两个压电元件83配置为，各输出电极层832彼此经由连接部88连接。同样地，两个压电元件85分别具有接地电极层853、压电体层851以及输出电极层852。另外，两个压电元件85配置为，各输出电极层852彼此经由连接部88连接。
各压电体层811、831、851由水晶构成。由此，能够实现具有高灵敏度、宽动态范围、高刚性等优良的特性的力检测装置1。另外，如图8所示，压电体层811、831、851配置为，使作为水晶的结晶轴的X轴的方向彼此不同。具体而言，各压电体层811配置为，由Y切割水晶板构成，X轴的朝向彼此相差180°。同样地，各压电体层85被配置为，由Y切割水晶板构成，X轴的朝向彼此相差180°。另外，压电体层811和压电体层851配置为，X轴的朝向彼此相差90°。另外，各压电体层831配置为，由X切割水晶板构成，X轴的朝向彼此相差180°。
需要说明的是，在本实施方式中，各压电体层811、831、851由水晶构成，但是它们也可以使用除水晶以外的压电材料构成。作为除水晶以外的压电材料，可列举例如黄玉、钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅(PZT：Pb(Zr，Ti)O3)、铌酸锂、钽酸锂等。
各压电体层811、831、851的厚度都不作特别限定，例如约为0.1～3000μm。
另外，各输出电极层812、832、852及各接地电极层813、833、853与设置于力检测元件8的侧面的侧面电极46电连接。并且，这些输出电极层812、832、852经由与侧面电极46连接的例如由Ag膏等构成的导电性连接部45、设置于封装40的多个内部端子44、形成于未图示的基部41的内部布线而与模拟电路基板61电连接。
构成各输出电极层812、832、852及各接地电极层813、833、853的材料分别只要是能够作为电极而起作用的材料即可，不作特别限定，可列举例如镍、金、钛、铝、铜、铁、铬或包含它们的合金等，并能够组合它们中的一种或两种以上(例如层积)而使用。
各输出电极层812、832、852及各接地电极层813、833、853的厚度都不作特别限定，例如约为0.05～100μm。
(支承基板)
各支承基板870具有支承压电元件81、83、85的功能。这些支承基板870的厚度都比各压电体层811、831、851的厚度厚。由此，能够将力检测元件8稳定连接于后述的封装40。
另外，各支承基板870由水晶构成。另外，一个支承基板870由与相邻的压电元件81所具有的压电体层811相同的结构的水晶板(Y切割水晶板)构成，X轴的朝向也与该压电体层811相同。另外，另一个支承基板870由与相邻的压电元件85所具有的压电体层851相同的结构的水晶板(Y切割水晶板)构成，X轴的朝向也与该压电体层851相同。在此，由于水晶具有各向异性，因此在作为其结晶轴的X轴、Y轴及Z轴方向上热膨胀系数不同。因此，为了抑制热膨胀所导致的力，各支承基板870优选是与相邻的压电体层811、851相同的结构和配置(X轴的朝向)。
需要说明的是，与各压电体层811、831、851同样地，各支承基板870也可以分别由除水晶以外的材料构成。
另外，各支承基板870的厚度不作特别限定，例如约为0.1～5000μm。
(连接部)
连接部88由绝缘性材料构成，具有切断各压电元件81、83、85之间的导通的功能。作为各连接部88，能够使用例如硅系、环氧系、丙烯系、氰基丙烯酸酯系、聚氨酯系等的粘接剂等。
以上，对力检测元件8进行了说明。如上所述，力检测元件8具有压电元件83(第一压电元件)，该压电元件83在将相互正交的三轴设为α轴、β轴及γ轴时，具备由X切割水晶板构成的压电体层831，并对应于沿着γ轴方向的外力而输出电荷Qγ。此外，力检测元件8具有压电元件81(第二压电元件)，该压电元件81具备由Y切割水晶板构成的压电体层811，并对应于α轴方向的外力而输出电荷Qα。并且，力检测元件8具有压电元件85(第三压电元件)，该压电元件85具备由Y切割水晶板构成的压电体层851，配置为在其与压电元件81之间夹着压电元件83，并对应于β轴方向的外力而输出电荷Qβ。由此，由于水晶的结晶方向的压电效果的各向异性，因此能够分解所施加的外力而进行检测。即，能够独立地检测相互正交的三轴的平移力成分。
这样，力检测元件8具备多个(两个以上)的压电元件81、83、85，从而能够实现检测轴的多轴化。另外，力检测元件8只要具有分别至少一个的压电元件81、83、85(第一压电元件～第三压电元件)，则能够独立地检测相互正交的三轴的平移力成分，但如本实施方式那样，具有分别两个的压电元件81、83、85(第一压电元件～第三压电元件)，从而能够提高输出灵敏度。
需要说明的是，各压电元件81、83、85的层积顺序不限于图示的情况。另外，构成力检测元件8的压电元件的数量不限于上述数量。例如，压电元件的数量可以是1～5个，也可以是7个以上。
以上，对力检测装置1的基本结构进行了说明。
在此，由上述的第一固定部24、第二固定部25、施压螺栓70、传感器器件4、模拟电路基板61构成“结构体20”(参照图5)。在这样的结构体20中，为了使第一固定部24及第二固定部25对传感器器件4的接触压力(接触状态)为均匀或者接近均匀的状态，想了各种办法。以下，对该方面进行详细说明。
图7是示意地示出图5所示的结构体的剖视图。图8是从箭头X1方向观察图7所示的结构体的图。图9是示出不具有调整部的结构体的剖视图。图10是从箭头X2方向观察图6所示的力检测元件的图。另外，以下将+γ轴方向侧称为“上”，将-γ轴方向侧称为“下”。
[结构体]
如图7及图8所示，第一固定部24是呈平板状的部件，在从第一固定部24与第二固定部25重叠的方向观察的俯视观察下(以下，仅称为“俯视”)，第一固定部24具有与传感器器件4接触的第一部分243以及位于第一部分243的外周部的第二部分244。
第一部分243的传感器器件4一侧的表面(内壁面240的一部分)是与传感器器件4的上部对应的平坦面，与传感器器件4抵接。
在第二部分244设置有供上述施压螺栓70插入的贯通孔241。另外，在第二部分244的传感器器件4一侧的表面形成有两个凹部242(槽)。
凹部242在俯视下设置于贯通孔241与传感器器件4之间。该凹部242呈沿β轴方向延伸为直线状的长条形状。通过具有这样的凹部242，从而第一固定部24的处于凹部242的正上方的部分的厚度d1比第一部分243的厚度d2薄。处于该凹部242的正上方的部分构成调整部245，调整部245以使第一部分243对传感器器件4的接触压力为均匀或接近均匀的状态的方式进行调整。由于该调整部245的厚度d1比第一部分243的厚度d2薄，因此调整部245相比于第一部分243更易变形。因此，在通过施压螺栓70的紧固而向第一固定部24施加箭头P1方向的力时，调整部245相比于第一部分243更优先变形，因此能够减小第一部分243的变形。由此，能够使第一部分243对传感器器件4的接触状态为均匀或接近均匀的状态。
另外，第二固定部25具有朝向第一固定部24侧突出的突出部251、以及在俯视下位于突出部251的外周部的薄壁部253。如上所述，突出部251与传感器器件4接触。另外，薄壁部253的厚度d3比突出部251的厚度d4薄。因此，薄壁部253相比于突出部251更易变形。因此，在利用施压螺栓70的紧固而向第二固定部25施加箭头P2方向的力时，薄壁部253比突出部251更大程度地变形。特别是，通过薄壁部253与突出部251之间的刚性差，向薄壁部253的突出部251一侧的区域施加大的力。由此，薄壁部253发挥与上述调整部245相同的功能。因此，能够使突出部251对传感器器件4的接触状态为均匀或接近均匀的状态。
这样，力检测装置1具备：第一固定部24(第一部件)；第二固定部25(第二部件)，与第一固定部24对置配置；传感器器件4，配置在第一固定部24与第二固定部25之间，并具备力检测元件8，该力检测元件8具有对应于外力而输出信号的至少一个(在本实施方式中为六个)压电元件81、83、85；以及多个施压螺栓70(施压部件)，在从第一固定部24与第二固定部25重叠的方向观察的俯视下设置于传感器器件4的外周部，对传感器器件4进行施压(参照图4及图7)。并且，如上所述，第一固定部24具有与传感器器件4接触的第一部分243以及在俯视下位于第一部分243的外周部的第二部分244，第二部分244包括调整第一部分243对传感器器件4的接触压力的调整部245，调整部245的厚度d1(施压螺栓70在施压方向上的长度)比第一部分243的厚度d2(施压方向上的长度)薄(短)。
根据这样的力检测装置1，通过具备调整部245，能够使第一部分243对传感器器件4的接触压力(接触状态)为均匀或接近均匀的状态。因此，能够实现力检测装置1的外力检测的高精度化。
进一步地，如上所述，第二固定部25具有：与传感器器件4相接的突出部251；薄壁部253，其在俯视下位于突出部251的外周部，具有调整突出部251对传感器器件4的接触压力的功能。由此，第二固定部25也与第一固定部24同样地，能够使突出部251对传感器器件4的接触压力(接触状态)为均匀或接近均匀的状态。由此，由于第一固定部24和第二固定部25两者具有作为“调整部”而起作用的部分(调整部245、薄壁部253)，所以能够更加提高外力的检测精度。
需要说明的是，在本实施方式中，虽然第二固定部25构成为具有突出部251和薄壁部253，但是例如，第二固定部25也可以是与第一固定部24相同的结构。即，第二固定部25可以构成为具有呈平板状的第一部分以及位于第一部分的外周且具有凹部(调整部)的第二部分。另外，相反地，第一固定部24也可以是与第二固定部25相同的结构。
在此，如图9所示的结构体20X那样，如果利用不具有调整部245的仅平板状的第一固定部24X对传感器器件4施加施压，则第一固定部24X的俯视下与传感器器件4重叠的部分挠曲，第一固定部24X不能与传感器器件4均匀地接触。需要说明的是，在使用平板状的第二固定部25X的情况下，也是同样的情况。
与此相对，如上所述，本实施方式中的第一固定部24具有调整部245，因此能够减小第一部分243的变形，由此能够实现外力检测的高精度化。另外，在图9所示的结构体20X中，在施加施压时，力检测元件8在俯视下的外周部的施加于第一固定部24X的力大于中央部的施加于第一固定部24X的力。因此，在图9所示的结构体20X中，收容于传感器器件4内的力检测元件8的角部破损等的可能性高。与此相对，在本实施方式中，由于具有调整部245，因此能够提高收容于传感器器件4内的力检测元件8的耐久性。
另外，厚度d1相对于厚度d2的比率(d1/d2)没有特别限定，优选为0.5≤d1/d2≤0.98，更优选为0.7≤d1/d2≤0.9。由此，能够确保第一固定部24所需的机械强度，并且特别适合发挥调整第一部分243的接触压力的功能。需要说明的是，厚度d1没有特别限定，但是从结构体20的小型化及第一固定部24的机械强度的观点来看，例如能够设为0.5cm以上且3.0cm以下。另外，厚度d2没有特别限定，但是能够设为0.25cm以上且2.5cm以下。另外，凹部242的宽度没有特别限定，但是优选设定为保证第一固定部24的机械强度并且能够发挥调整第一部分243的接触压力的功能。
另外，如上所述，调整部245在俯视下设置于贯通孔241与传感器器件4之间、即施压螺栓70(施压部件)与传感器器件4之间(参照图7及图8)。由此，能够更适当地调整第一部分243对传感器器件4的接触压力。
另外，在本实施方式中，调整部245在俯视下设置于贯通孔241与力检测元件8之间的中央部，但是调整部245也可以在俯视下设置于靠贯通孔241处，还可以设置于靠传感器器件4处。
另外，如上所述，调整部245由凹部242的正上方的部分构成。换句话说，在第二部分244设置有凹部242，也可以说调整部245构成为包括凹部242的底部。由此，如上所述，能够更适当地调整第一部分243对传感器器件4的接触压力。另外，通过在第一固定部24形成凹部242，能够较简单地设置调整部245。
另外，本实施方式中的第二部分244具有：具有厚度d1的调整部245；以及具有厚度d2的部分。这样，与使整个第二部分244变薄相比，通过使第二部分244的一部分变薄，能够提高第二部分244的机械强度，由此能够更稳定地支承传感器器件4。
另外，凹部242沿着与施压方向(γ轴方向)及与连结贯通孔241彼此的线段平行的方向(α轴方向)这两者正交的方向(β轴方向)延伸。由此，容易使第一部分243对上述的传感器器件4的接触压力为均匀或接近均匀的状态。需要说明的是，凹部242在俯视下可以相对于例如β轴方向倾斜。
另外，在本实施方式中，凹部242在β方向上的长度比传感器器件4在俯视下β方向上的长度形成得长(参照图8)。由此，能够使第一部分243对上述传感器器件4的接触压力更加均匀，能够使第一部分243对传感器器件4的接触状态更加均匀。
另外，在本实施方式中，凹部242延伸为直线状。由此，能够将调整部245较简单地设置于所希望的位置。需要说明的是，凹部242在俯视下可以呈弯曲状。
另外，在本实施方式中，为了实现力检测装置1的外力检测的高精度化，在上述的力检测元件8的结构上想办法。具体而言，上述的压电元件81具有：压电体层811，利用压电效应产生电荷Qα；以及输出电极层812(电极)，设置于压电体层811，并输出与电荷Qα对应的电压Vα(信号)，输出电极层812(电极)在俯视下的外形比压电体层811在俯视下的外形小(参照图6及图10)。通过以这种方式设置输出电极层812(虽然未图示，但是除去用于与图4所示的侧面电极46连接的布线)，能够进一步降低力检测元件8在俯视下的中央部与外周部之间的接触压力差所导致的外力检测精度的下降。需要说明的是，关于接地电极层813也是同样的。另外，关于压电元件83、85也是同样的。
另外，如上所述，力检测元件8在作为与γ轴方向(施压方向)垂直的方向的α轴方向上的长度L1(以及β轴方向上的长度)比力检测元件8在γ轴方向上的长度L2短(参照图6)。由此，能够进一步减小力检测元件8在俯视下的中央部与外周部之间的接触压力差，能够谋求对传感器器件4的接触压力的更加均匀化。
图11是示出图8所示的调整部的变形例的图。
如图11所示，调整部245a(凹部242a)可以在施压螺栓70与传感器器件4之间的区域具有多个。在图11中，两个调整部245a沿α轴方向并列地设置。由此，能够使第一部分243对传感器器件4的接触压力更均匀，能够使第一部分243对传感器器件4的接触状态更均匀。需要说明的是，多个调整部245a例如可以沿β轴方向并列地设置
图12是示出图8所示的调整部的变形例的图。
如图12所示，调整部245b(凹部242b)可以设置为在俯视下包围传感器器件4。在本实施方式中，调整部245b(凹部242b)在俯视下呈四边形的框状。由此，能够使第一部分243对传感器器件4的接触压力更均匀，能够使第一部分243对传感器器件4的接触状态更均匀。另外，在组装结构体20时，也能够优选使用确定传感器器件4相对于调整部245b的位置的定位部。
如以上所说明的那样，根据本实施方式的力检测装置1，能够实现外力检测的高精度化，另外，能够提高力检测元件8的耐久性。
另外，在本实施方式中，以对于一个传感器器件4设置两个施压螺栓70(施压部件)的情况为例进行说明，但是“施压部件”的数量可以是一个也可以是三个以上。在该情况下，通过在俯视下在施压螺栓70与传感器器件4之间设置凹部242(调整部245)，能够使第一部分243对传感器器件4的接触压力为均匀或接近均匀的状态。因此，能够实现力检测装置1的外力检测的高精度化。
＜第二实施方式＞
接着，对第二实施方式进行说明。
图13是第二实施方式的力检测装置所具有的结构体的横向剖视图(解除了施压的状态)。图14是图13所示的结构体的横向剖视图(施加了施压的状态)。
本实施方式除了第一固定部及第二固定部的结构不同以外，与上述的实施方式相同。需要说明的是，在以下说明中，关于第二实施方式，以与上述的实施方式的不同点为中心进行说明，对于相同的事项则省略其说明。
图13所示的结构体20A所具有的第一固定部24A的第一部分243A具有朝向传感器器件4一侧突出的凸部246。
如图13所示，在解除了施压的状态下，凸部246的厚度从俯视下的传感器器件4的外周朝向中心逐渐增加。在具有这样的凸部246的第一固定部24A中，第二部分244A的厚度d1比第一部分243A的厚度d2薄。即，第二部分244A构成调整部245A。根据这样的第一固定部24A，如图14所示，通过施加施压，凸部246的表面仿形平坦的传感器器件4的上表面而接触。
同样地，第二固定部25A也是与第一固定部24A相同的结构。即，第二固定部25A具有凸部256，第二部分253A的厚度d1比第一部分251A的厚度d2薄。并且，第二部分253A构成调整部255A。
这样，在本实施方式中，第一部分243A具有凸部246，该凸部246在多个施压螺栓70(施压部件)没有对传感器器件4施压的状态下朝向传感器器件4而呈凸状。由此，第二部分244A的厚度d1比第一部分243A的厚度d2薄，因此第二部分244A(特别是第二部分244A的靠近第一部分243A的部分)比第一部分243A更优先变形，除此以外，第一部分243A具有凸部246，因此能够使第一部分243A的接触压力为更加均匀或接近均匀的状态。
另外，凸部246的厚度朝向传感器器件4的中央而逐渐增加。由此，如上所述，通过施加施压，能够使凸部246的表面仿形平坦的传感器器件4的上表面而接触，因此能够更简单地使第一部分243A对传感器器件4的接触压力均匀。
需要说明的是，虽然凸部246的厚度逐渐增加，但是“凸部”也可以是朝向传感器器件4的中央而厚度阶梯状地增大的结构。
根据以上说明的第二实施方式，也能够获得与上述的实施方式相同的效果。
＜第三实施方式＞
接着，对第三实施方式进行说明。
图15是第三实施方式的力检测装置所具有的结构体的横向剖视图。
图16是图15所示的结构体的俯视图。图17是示出图16所示的力检测元件的立体图。
本实施方式除了结构体的结构不同以外，其他与上述实施方式相同。需要说明的是，在以下说明中，关于第三实施方式，以与上述实施方式的不同点为中心进行说明，对于相同的事项则省略其说明。
如图15及图16所示，结构体20B具有在俯视下设置于传感器器件4B的中央部的施压螺栓71(中央部施压部件)。
在第一固定部24B形成有能够供施压螺栓71插穿的贯通孔249。另外，在第二固定部25B形成有能够与施压螺栓71的前端部螺合的内螺纹孔259。另外，在传感器器件4B设置有贯通孔49，该贯通孔49与贯通孔249及内螺纹孔259连通，并能够供施压螺栓71插穿。需要说明的是，虽然没有详细的图示，但是在基部41B的俯视下的中央部形成有贯通孔，在盖体42B的俯视下的中央部形成有贯通孔。另外，如图17所示，力检测元件8B呈圆筒状，并构成为能够插入施压螺栓71。由该力检测元件8B的圆筒内的空间、基部41B及盖体42B的各贯通孔构成贯通孔49。
这样，在本实施方式中，结构体20B具备在俯视下设置于传感器器件4B(力检测元件8B)的中央部的施压螺栓71(中央部用施压部件)。由此，能够使第一固定部24B的第一部分243对传感器器件4B的接触压力更均匀。
另外，力检测元件8B呈圆筒状。由此，能够抑制力检测元件8B的外周部的应力集中。从该观点来看，力检测元件8B在俯视下的外形优选如本实施方式那样为圆形。在此，如果“力检测元件”为例如棱柱形，则容易在外周部(角部)集中力。与此相对，通过将力检测元件8B在俯视下的外形设为上述结构，能够抑制力检测元件8B的外周部的应力集中。因此，能够使第一部分243对传感器器件4B的接触压力更均匀。另外，虽然未图示，但即使力检测元件在俯视下的外形具有角部，且角部是钝角形状及带圆角的形状中的至少一个形状，也能够发挥与上述相同的效果，因此优选。
另外，通过如力检测元件8B那样地设为在俯视下的中央部具有贯通孔的结构，能够进一步减小力检测元件8B在俯视下的中央部与外周部之间的接触压力差，能够实现对传感器器件4B的接触压力的更均匀化。
以上，基于图示的实施方式对本发明的力检测装置及机器人进行了说明，但是本发明并不限定于此，各部分的结构能够置换为具有相同的功能的任意的结构。另外，在本发明中，可以追加其他任意的结构物。另外，也可以适当地组合各实施方式。
另外，在上述的说明中，作为施压部件及中央部施压部件，以使用施压螺栓为例进行了说明，但是只要能够施压即可，不限于施压螺栓，可以是其他方式。
另外，在上述的说明中，虽然传感器器件具备封装，但是只要具备至少一个压电元件即可，也可以不具备封装。另外，传感器器件例如可以不具备封装所具有的盖体。另外，传感器器件可以不具备密封部件，基部与盖体可以直接接合，也可以通过嵌合等而连接。
另外，在上述的说明中，第一固定部(第一部分)及第二固定部(第二部分)与第一板及第二板正交地设置，但是也可以与第一板及第二板平行地设置，还可以与第一板及第二板倾斜地设置。另外，可以省略第一固定部及第二固定部。即，传感器器件4可以被第一板和第二板夹持并被施压。在该情况下，可以将第一板看成第一部件，将第二板看成第二部件。
另外，本发明的机器人不限于六轴垂直多关节机器人。例如，本发明的机器人可以是水平多关节机器人，也可以是并联机器人。另外，本发明的机器人不限于单臂机器人，也可以是双臂机器人。
另外，本发明的机器人的一个机器人臂所具有的臂的数量可以是1～5个，也可以是7个以上。
另外，本发明的力检测装置也能够组装到除机器人以外的设备，例如，可以搭载于车辆等移动体。

Claims (11)

1.一种力检测装置，其特征在于，具备：
第一部件；
第二部件，与所述第一部件对置地配置；
传感器器件，配置于所述第一部件与所述第二部件之间，并具备力检测元件，所述力检测元件具有对应于外力输出信号的至少一个压电元件；以及
多个施压部件，在从所述第一部件与所述第二部件重叠的方向观察的俯视观察下，设置于所述传感器器件的外周部，对所述传感器器件施压，
所述第一部件具有：第一部分，与所述传感器器件接触；以及第二部分，在所述俯视观察下位于所述第一部分的外周部，并包括调整所述第一部分对所述传感器器件的接触压力的调整部，
所述调整部在所述施压部件的施压方向上的长度比所述第一部分在所述施压方向上的长度短。
2.根据权利要求1所述的力检测装置，其中，
在所述俯视观察下，所述调整部设置于所述施压部件与所述传感器器件之间。
3.根据权利要求1或2所述的力检测装置，其中，
在所述第二部分设置有凹部，
所述调整部构成为包括所述凹部的底部。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的力检测装置，其中，
所述第一部分具有凸部，在多个所述施压部件没有对所述传感器器件施压的状态下，所述凸部朝向所述传感器器件呈凸状。
5.根据权利要求4所述的力检测装置，其中，
所述凸部的厚度朝向所述传感器器件的中央逐渐增加。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的力检测装置，其中，
所述力检测元件在与所述施压方向正交的方向上的长度比所述力检测元件在所述施压方向上的长度短。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的力检测装置，其中，
所述压电元件具有：压电体层，利用压电效应产生电荷；以及电极，设置于所述压电体层，输出与所述电荷对应的信号，
所述电极在所述俯视观察下的外形比所述压电体层在所述俯视观察下的外形小。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的力检测装置，其中，
所述力检测装置还具备中央部用施压部件，在所述俯视观察下，所述中央部用施压部件设置于所述传感器器件的中央部。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的力检测装置，其中，
所述力检测元件在所述俯视观察下的外形是圆形。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的力检测装置，其中，
所述力检测元件在所述俯视观察下的外形具有角部，所述角部是钝角形状和带圆角的形状中的至少一种形状。
11.一种机器人，其特征在于，具备：
基台；
臂，与所述基台连接；以及
权利要求1至10中任一项所述的力检测装置，与所述臂连接。
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