CN109318245B - 力检测装置及机器人 - Google Patents

Abstract

本申请提供可以降低外力的检测精度的下降并实现小型化的力检测装置及机器人。力检测装置具备：第一板；第二板，与第一板相对；第一部件，从第一板向第二板突出；第二部件，与第一部件相对配置，并从第二板向第一板突出；第三部件，在不同于第二部件的位置上与第一部件相对配置，并从第二板向第一板突出；第一传感器器件，设置于第一部件与第二部件之间，并具有根据外力输出信号的压电元件；以及第二传感器器件，设置于第一部件与第三部件之间，并具有根据外力输出信号的压电元件，第一部件在同第一传感器器件接触的部分与同第二传感器器件接触的部分之间具有狭缝或多个贯通孔。

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

现有技术中，在具有安装有末端执行器的机械手的工业用机器人中，采用了检测施加于末端执行器的力的力检测装置。作为这样的力检测装置的一个例子，例如已知有利用压电效果来检测外力的力检测装置(例如，参照专利文献1)。

专利文献1记载的力检测装置具有：第一基部；与第一基部相对配置的第二基部；以及配置于第一基部与第二基部之间并利用压电效果来检测外力的四个传感器器件。具体而言，第一基部具有顶板、以及通过螺丝固定于顶板的四个壁部，第二基部具有底板、以及通过螺丝固定于底板的四个凸部。四个传感器器件分别被一个壁部和一个凸部单独地支承，各传感器器件检测经由对应的壁部及凸部而传递的力。于是，基于四个传感器器件分别受到的力，该力检测装置检测外力。

专利文献1：日本专利特开2016-223827号公报

此外，近年来，一直期待力检测装置的小型化、轻量化。例如在专利文献1记载的力检测装置中，通过将四个凸部一体化，可以减小四个凸部一体化而成的结构体的设置空间，此外，可以减少用于固定凸部的螺丝的数量，因此，认为能够实现力检测装置的小型化、轻量化。

但是，在这种情况下，相对于壁部，该结构体的刚性高，因此，传感器器件中的应力分布出现偏颇。因此，其它轴输出(other axis output)(未施加力的轴方向的输出)变大，从而存在与现有技术相比外力的检测精度降低的问题。而且，难以维持外力的检测精度并实现小型化。

发明内容

本发明是为了解决上述问题的至少一部分而做出的，可以作为以下的适用例或方式来实现。

本适用例的力检测装置其特征在于，具备：第一板；第二板，与所述第一板相对；第一部件，从所述第一板向所述第二板突出；第二部件，与所述第一部件相对配置，并从所述第二板向所述第一板突出；第三部件，在不同于所述第二部件的位置上与所述第一部件相对配置，并从所述第二板向所述第一板突出；第一传感器器件，设置于所述第一部件与所述第二部件之间，并具有根据外力输出信号的压电元件；以及第二传感器器件，设置于所述第一部件与所述第三部件之间，并具有根据外力输出信号的压电元件，所述第一部件在同所述第一传感器器件接触的部分与同所述第二传感器器件接触的部分之间具有狭缝或多个贯通孔。

根据这样的力检测装置，由于具有第一部件，从而可以实现力检测装置的小型化。此外，通过降低第一传感器器件中的应力分布的偏颇以及第二传感器器件中的应力分布的偏颇，可以降低其它轴输出或使其它轴输出为零。因此，可以降低外力的检测精度的下降。

优选地，在本适用例的力检测装置中，所述第一部件为框状。

由此，可以特别有效地实现力检测装置的小型化。

优选地，在本适用例的力检测装置中，同所述第一传感器器件接触的部分以及同所述第二传感器器件接触的部分分别配置于所述第一部件的外周。

由此，可以高效地配置第一传感器器件、第二传感器器件及其它各种零部件(例如电路基板等)，因此，可以更加有效地实现力检测装置的小型化。

优选地，在本适用例的力检测装置中，所述狭缝或所述多个贯通孔在第一方向上设置于所述第一部件的所述第二板一侧，所述第一方向是所述第一板与所述第二板重叠的方向。

由此，可以更加有效地降低第一传感器器件中的应力分布的偏颇以及第二传感器器件中的应力分布的偏颇，因此，可以进一步降低外力的检测精度的下降。

优选地，在本适用例的力检测装置中，在第一方向上，同所述第一传感器器件接触的部分的在所述第一板一侧的端及同所述第二传感器器件接触的部分的在所述第一板一侧的端分别位于比所述狭缝或所述多个贯通孔的在所述第一板一侧的端更靠所述第一板一侧，所述第一方向是所述第一板与所述第二板重叠的方向。

由此，可以更加有效地降低第一传感器器件中的应力分布的偏颇以及第二传感器器件中的应力分布的偏颇。需要说明的是，多个贯通孔的在第一板一侧的端是指最位于第一板一侧的贯通孔的第一板一侧的端。

优选地，在本适用例的力检测装置中，在所述狭缝或所述多个贯通孔设置有调整所述狭缝或所述多个贯通孔的大小的调整部。

由此，可以调整狭缝或多个贯通孔的大小，因此，可以使其它轴输出更加接近零。

优选地，在本适用例的力检测装置中，所述调整部构成为能够连接驱动源，所述驱动源产生使所述调整部移动的动力，以调整所述狭缝或所述多个贯通孔的大小。

由此，通过驱动例如电机等动力源，从而可以自动调整狭缝或多个贯通孔的大小。

优选地，在本适用例的力检测装置中，所述第一部件和所述第一板一体地构成。

由此，可以省略用于将第一部件固定于第一板的螺丝等固定部件，可以实现力检测装置的轻量化。

本适用例的机器人其特征在于，具备：基台；连接于所述基台的臂；以及连接于所述臂的本适用例的力检测装置。

根据这样的机器人，由于具备本适用例的力检测装置，因此，可以执行更加精密的作业。

优选地，在本适用例的机器人中，在所述力检测装置上安装有末端执行器，所述末端执行器具有能够保持对象物的保持部，所述保持部设置在与所述力检测装置的中心轴偏离的位置上。

这样，即便在采用了具有外力施加于与力检测装置的中心轴偏离的位置的构成的末端执行器的情况下，机器人也可以执行更加精密的作业。

附图说明

图1是示出机器人的一个例子的立体图。

图2是第一实施方式所涉及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截面图。

图4是示出图2所示的力检测装置的内部的平面图。

图5是示出图2所示的力检测装置具有的传感器器件的截面图。

图6是示出图5所示的传感器器件具有的力检测元件的截面图。

图7是示出图3所示的第一壳体部件的立体图。

图8是示出图7所示的第一壳体部件的一部分的图。

图9是示意性地示出末端执行器安装于力检测装置的状态的侧视图。

图10是示出狭缝的深度与其它轴输出的关系的图表。

图11是示出第一部件的变形例的图。

图12是示意性地示出第二实施方式所涉及的力检测装置具有的第一部件的一部分的图。

图13是示意性地示出调整部的其它例子的图。

图14是示意性地示出第一部件的变形例的图。

附图标记说明

1力检测装置；2壳体；4传感器器件；4a第一传感器器件；4b第二传感器器件；4c第三传感器器件；4d第四传感器器件；8力检测元件；10机械手；11臂；12臂；13臂；14臂；15臂；16臂；17末端执行器；21第一壳体部件；22第二壳体部件；23侧壁部；24支承部件；24a支承部件；24b支承部件；24c支承部件；24d支承部件；25第一部件；25A第一部件；25B第一部件；25C第一部件；26连接部件；40封装；41基部；42盖体；43密封件；44内部端子；45导电性连接部；46侧面电极；47粘结部件；61模拟电路基板；62数字电路基板；63中继基板；64外部配线；70加压螺栓；71螺丝；81压电元件；83压电元件；85压电元件；88连接部；90调整部；91调整用部件；92螺丝；93驱动源；94控制器；100机器人；110基台；171保持部；201安装面；202安装面；211第一板；221第二板；240内壁面；241贯通孔；250顶面；250a顶面；250b顶面；250c顶面；250d顶面；251突出部；251a突出部；251b突出部；251c突出部；251d突出部；252内螺纹孔；253圆筒部；254框部；255狭缝；255B狭缝；256贯通孔；257狭缝；261部件；262部件；263孔；411底部件；412侧壁部件；630螺栓；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；900部件；2211基部；2212凸部；2541壁部；A1中心轴；A10箭头；C1箭头；CL线段；F外力；Fx平移力分量；Fy平移力分量；Fz平移力分量；GND接地电位；O6转动轴；P作业部位；Qα电荷；Qβ电荷；Qγ电荷；S1内部空间；L1高度；L2直径；L3直径；L4宽度；L5宽度；d高度；d1长度；d2长度；d3长度；W2宽度。

具体实施方式

下面，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，在各图中，为了说明的部分成为能够识别的状态，有适当放大或缩小来显示的地方、也有进行了省略显示的地方。此外，在本说明书中，“连接”包括直接连接的情况、以及经由任意的部件间接连接的情况。

1.机器人

首先，对本适用例的机器人的一个例子进行说明。

图1是示出机器人的一个例子的立体图。需要说明的是，将图1中的基台110侧称为“基端”、将其相反侧(末端执行器17侧)称为“前端”。此外，在图1中，作为彼此正交的三个轴，图示出了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“-”。此外，将平行于x轴的方向称为“x轴方向”、将平行于y轴的方向称为“y轴方向”、将平行于z轴的方向称为“z轴方向”。

图1所示的机器人100可以进行精密设备、构成该精密设备的零部件等对象物的供件、除件、传送及组装等操作。该机器人100是所谓的单臂的六轴垂直多关节机器人。此外，虽然没有图示，但机器人100通过具备处理器的机器人控制器(控制装置)来控制其驱动。需要说明的是，机器人100只要是能够与机器人控制器通信的构成即可，既可以与机器人控制器分体，也可以是内置有机器人控制器的构成。

机器人100具有基台110、以及转动自由地连结于基台110的机械手10。此外，力检测装置1连接于机械手10，末端执行器17连接于力检测装置1。

基台110例如是固定于地板、墙壁、天花板以及可移动的平台上等的部分。不过，基台110连接有机械手10即可，此外，基台110自身也可以能够移动。机械手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从基端侧往前端侧依次连结。各臂11～16可以相对于相邻的臂或基台110进行转动。需要说明的是，如图1所示，臂16呈圆盘状，可以相对于臂15绕转动轴O6转动。

在臂16与末端执行器17之间，以相对于它们能够安装拆卸的方式设置有力检测装置1。力检测装置1检测施加于末端执行器17的力(包括力矩)。需要说明的是，关于力检测装置1将在后面进行详细描述。

末端执行器17是对作为机器人100的作业对象的对象物(未图示)进行作业的器具，具有保持对象物的保持部171。此外，末端执行器17相对于臂16及力检测装置1偏心。具体而言，末端执行器17的作业位置P、即对对象物等直接进行作业的位置相对于臂16的转动轴O6及与其一致的力检测装置1的中心轴A1偏离。

此外，在臂16和末端执行器17各自上设置有用于可安装拆卸地安装力检测装置1的安装部件(未图示)。作为该安装部件的构成，并没有特别的限定，例如，采用具有用于通过螺纹固定、螺栓固定等将力检测装置1安装于臂16或末端执行器17的内螺纹或外螺纹的构成、或者具有钩部、L字槽这样的卡合部的构成。由此，可以简单地将力检测装置1安装于适当的位置。因此，可以进一步提高力检测装置1对外力的检测精度。

此外，虽然没有图示，但机器人100具有驱动部，该驱动部具备使一方的臂相对于另一方的臂(或者基台110)转动的电机等。此外，虽然没有图示，但机器人100具有检测电机的旋转轴的旋转角度的角度传感器。驱动部及角度传感器例如设置于各臂11～16。此外，驱动部及角度传感器可以与机器人控制器(未图示)进行通信。

这样的机器人100具备基台110、连接于基台110的臂16(机械手10)以及连接于臂16的力检测装置1。根据这样的机器人100，通过基于力检测装置1所检测到的外力(检测结果)来进行反馈控制，从而可以执行更加精密的作业。此外，基于力检测装置1的检测结果，机器人100可以检测末端执行器17与障碍物的接触等。因此，可以容易地进行障碍物回避动作及对象物损伤回避动作等，机器人100可以更加安全地执行作业。

此外，如前所述，具有能够保持对象物的保持部171的末端执行器17安装于力检测装置1，保持部171设置在与力检测装置1的中心轴A1偏离的位置上。

这样，即便是采用了具有外力施加于与力检测装置1的中心轴A1偏离的位置的构成的末端执行器17时，由于力检测装置1可以发挥后述那样的效果，因此，机器人100可以执行更加精密的作业。

以上，对机器人100进行了说明。需要说明的是，在图示中，作为“末端执行器”，只要是可以保持(包括把持或吸附)对象物的构成，则也可以是任何构成，并不限定于图示的构成。此外，作为“末端执行器”，也可以相对于力检测装置1并不偏心。

2.力检测装置

下面，对本适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是第一实施方式所涉及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截面图。图4是示出图2所示的力检测装置的内部的平面图。图5是示出图2所示的力检测装置具有的传感器器件的截面图。图6是示出图5所示的传感器器件具有的力检测元件的截面图。需要说明的是，在图4中，省略了数字电路基板62的图示。

图2～图4所示的力检测装置1是可以检测施加于力检测装置1的外力的六轴分量的六轴力觉传感器。这里，六轴分量是彼此正交的三个轴(在图示中为x轴、y轴及z轴)各自的方向的平移力(剪切力)分量、以及绕该三个轴各个轴的旋转力(力矩)分量。

力检测装置1具有壳体2、连接于壳体2的连接部件26、收纳于壳体2内的多个传感器器件4、多个模拟电路基板61和一个数字电路基板62、以及收纳于连接部件26的中继基板63。需要说明的是，力检测装置1从z轴方向观察到的外形如图2所示，是圆形，但并不限定于此，例如也可以是四边形、五边形等多边形、椭圆形等。

在力检测装置1中，输出与各传感器器件4受到的外力相应的信号(检测结果)，通过模拟电路基板61及数字电路基板62对该信号进行处理。由此，检测施加于力检测装置1的外力的六轴分量。此外，经数字电路基板62处理后的信号经由电连接于数字电路基板62的中继基板63向外部输出。

下面，对力检测装置1具备的各部进行说明。

[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)。需要说明的是，第二壳体部件22的+z轴侧的面构成了安装末端执行器17的安装面201(参照图及图2)。

<第一壳体部件>

图3所示的第一壳体部件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+z轴侧的面的外周部的第一部件25。

如图4所示，第一部件25具有呈大致四边形的框状的框部254、以及设置于该框部254的角部的多个圆筒状的圆筒部253。

在框部254的外周面具有的四个外表面上分别设置有向外侧突出的突出部251。突出部251的顶面250与传感器器件4接触。需要说明的是，在以下的说明中，将四个突出部251中位于图4中右上侧的突出部251称为“突出部251a”，之后按顺时针方向依次称为“突出部251b”、“突出部251c”以及“突出部251d”。此外，在不区分各突出部251a、251b、251c、251d的情况下，将它们称为“突出部251”。同样地，将四个顶面250中位于图4中右上侧的顶面250称为“顶面250a”，之后按顺时针方向依次称为“顶面250b”、“顶面250c”及“顶面250d”。此外，在不区分各顶面250a、250b、250c、250d的情况下，将它们称为“顶面250”。

此外，在框部254上，于各突出部251的周围形成有可与加压螺栓70的前端部螺合的多个内螺纹孔252(参照图3～图5)。在本实施方式中，对一个突出部251形成有两个内螺纹孔252。

此外，虽然没有详细的图示，但在圆筒部253的内壁面上形成有供螺丝插入通过的内螺纹，该螺丝用于将第一壳体部件21固定于后述的连接部件26(参照图3及图4)。

需要说明的是，关于第一壳体部件21、特别是第一部件25将在后面进行详细描述。

<第二壳体部件>

第二壳体部件22具有与第一板211相对配置的板状的第二板221、以及立设于第二板221的-z轴侧的面的外周部的多个(在本实施方式中为四个)支承部件24(参照图3及图4)。各支承部件24通过螺丝71固定于第二板221。需要说明的是，在下面的说明中，将四个支承部件24中位于图4中右上侧的支承部件24称为“支承部件24a(第二部件)”，之后按顺时针方向依次称为“支承部件24b(第三部件)”、“支承部件24c(第四部件)”及“支承部件24d(第五部件)”。此外，在不区分各支承部件24a、24b、24c、24d的情况下，将它们称为“支承部件24”。

如图3所示，第二板221具有平板状的基部2211、以及设置于基部的+z轴侧的中央部的凸部2212，它们一体地构成。需要说明的是，也可以省略凸部2212。此外，如图4所示，四个的多个支承部件24沿着以力检测装置1的中心轴A1为中心的同一圆周上彼此以等角度(90°)间隔排列。各支承部件24配置于前述的第一部件25具有的框部254的外周侧，配置为与框部254的各外表面相对。各支承部件24具有位于框部254侧的内壁面240，各内壁面240与前述的顶面250隔开可以插入传感器器件4的距离而相面对。

此外，可供加压螺栓70插入通过的多个贯通孔241形成于各支承部件24(参照图3～图5)。各贯通孔241与前述的内螺纹孔252对应地设置，在一个传感器器件4的两侧设置有两个加压螺栓70。由此，传感器器件4与支承部件24和第一部件25分别接触，以被支承部件24和第一部件25夹着加压的状态而被夹持。此外，通过适当调整加压螺栓70的紧固力，可以对传感器器件4施加规定大小的压力作为加压。需要说明的是，作为各加压螺栓70的构成材料，并没有特别的限定，但例如可以列举各种金属材料等。

<侧壁部>

侧壁部23呈圆筒状，分别与第一板211及第二板221嵌合(参照图3及图4)。由此，由第一壳体部件21、第二壳体部件22和侧壁部23形成了收纳有多个传感器器件4的气密的内部空间S1。

[连接部件]

图3所示的连接部件26由具有在中央部贯通的孔263的圆筒状的部件261与连接于部件261的呈圆形的平板状的部件262构成。部件261的+z轴侧的面连接于第一板211，在孔263中配置有中继基板63。此外，连接部件26的-z轴侧的面构成安装臂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及连接部件26的各构成材料，并没有特别的限定，但例如可以列举出铝、不锈钢等金属材料、陶瓷等。此外，它们既可以全部由同一或同种的材料构成，也可以由彼此不同的材料构成。

[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设置有一个模拟电路基板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配置于支承部件24与第一部件25之间，在插入通过突出部251的状态下相对于传感器器件4配置于中心轴A1侧(参照图3及图4)。

虽然没有图示，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)。该电荷放大器例如可以具有运算放大器、电容器和开关元件而构成。

[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配置于第一板211的上方。数字电路基板62与各模拟电路基板61电连接。

虽然没有图示，但这样的数字电路基板62具备外力检测电路，该外力检测电路基于来自于模拟电路基板61的电压V，检测(运算)外力。外力检测电路运算x轴方向的平移力分量Fx、y轴方向的平移力分量Fy、z轴方向的平移力分量Fz、绕x轴的旋转力分量Mx、绕y轴的旋转力分量My、绕z轴的旋转力分量Mz。该外力检测电路例如可以具有AD转换器、以及连接于该AD转换器的CPU等运算电路而构成。

[中继基板]

如图3所示，配置于连接部件26内的中继基板63例如通过螺栓630固定于第一壳体部件21。该中继基板63例如通过由柔性基板构成的配线(未图示)而电连接于数字电路基板62。此外，中继基板63与设置于力检测装置1的外部的外部配线64(参照图2)连接，该外部配线64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以从z轴方向观察时相对于通过中心轴A1且平行于y轴的线段CL对称的方式而配置。四个传感器器件4除了在壳体2内的配置不同之外，为相同的构成，各传感器器件4具有检测沿着彼此正交的α轴、β轴及γ轴这三个轴所施加的外力的功能。需要说明的是，在以下的说明中，将四个传感器器件4中位于图4中右上侧的传感器器件4称为“第一传感器器件4a”、之后按顺时针方向依次称为“第二传感器器件4b”、“第三传感器器件4c”及“第四传感器器件4d”。此外，在不区分第一传感器器件4a、第二传感器器件4b、第三传感器器件4c、第四传感器器件4d时，将它们称为“传感器器件4”。

如图5所示，各传感器器件4具有力检测元件8、以及收纳力检测元件8的封装40。需要说明的是，传感器器件4安装于前述的模拟电路基板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，以堵塞凹部的开口的方式经由填料(sealing)43接合于基部41。

基部41具有平板状的底部件411和接合(固定)于底部件411的呈四边形的框状的侧壁部件412。力检测元件8例如经由由具有绝缘性的粘合剂等构成的粘合部件47而连接于底部件411。另外，盖体42直接抵接于力检测元件8。需要说明的是，作为基部41及盖体42的具体的构成材料，例如可以采用不锈钢、可伐等各种金属材料、各种陶瓷等。

<力检测元件>

图6所示的力检测元件8(层压体)具有：两个压电元件81，根据平行于α轴的外力(剪切力)输出电荷Qα；两个压电元件83，根据平行于γ轴的外力(压缩/拉伸力)输出电荷Qγ；两个压电元件85，根据平行于β轴的外力(剪切力)输出电荷Qβ；两个支承基板870；以及多个连接部88，它们如图示那样层叠。

(压电元件)

如图6所示，两个压电元件81分别具有电连接于基准电位(例如接地电位GND)的接地电极层813、压电体层811、以及输出电极层812。两个压电元件81配置为各输出电极层812通过连接部88而彼此连接。此外，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。两个压电元件83配置为各输出电极层832通过连接部88而彼此连接。此外，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。此外，两个压电元件85配置为各输出电极层852通过连接部88而彼此连接。

各压电体层811、831、851由水晶构成。由此，可以实现具有高灵敏度、广动态范围、高刚性等优异特性的力检测装置1。此外，如图6所示，压电体层811、831、851被配置为作为水晶的晶轴的X轴的方向彼此不同。具体而言，各压电体层811由Y切割水晶板构成，配置为X轴的朝向彼此相差180°。同样地，各压电体层851由Y切割水晶板构成，配置为X轴的朝向彼此相差180°。此外，压电体层811和压电体层851配置为X轴的朝向彼此相差90°。此外，各压电体层831由X切割水晶板构成，配置为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，但它们也可以是采用水晶之外的压电材料的构成。作为水晶之外的压电材料，例如可以列举出黄玉、钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅(PZT：Pb(Zr,Ti)O₃)、铌酸锂、钽酸锂等。

此外，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(参照图5及图6)。而且，这些输出电极层812、832、852经由连接于侧面电极46的例如由Ag浆料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、以及形成于未图示的基部41的内部配线与模拟电路基板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的材料只要分别是可以作为电极发挥功能的材料，则没有特别的限定，例如可以列举出镍、金、钛、铝、铜、铁、铬或包含它们的合金等，可以采用它们中的一种或组合(例如层压)采用两种以上。

(支承基板)

各支承基板870支承压电元件81、83、85，各支承基板870的厚度比各压电体层811、831、851的厚度厚。此外，各支承基板870由水晶构成。此外，一方的支承基板870通过与相邻的压电元件81具有的压电元件811同样构成的水晶板(Y切割水晶板)构成，X轴的朝向也与该压电体层811相同。此外，另一方的支承基板870通过与相邻的压电元件85具有的压电元件851同样构成的水晶板(Y切割水晶板)构成，X轴的朝向也与该压电体层851相同。这里，由于水晶具有各向异性，因此在作为其晶轴的X轴、Y轴及Z轴方向上热膨胀系数不同。因此，如图所示，为了抑制由热膨胀所引起的力，各支承基板870优选的是与相邻的压电体层811、851同样的构成以及配置(X轴的朝向)。需要说明的是，各支承基板870也可以分别与各压电体层811、831、851同样地由水晶之外的材料构成。

(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间的导通的功能。作为各连接部88，例如可以采用硅酮类、环氧类、丙烯酸类、氰基丙烯酸酯类、聚氨酯类等的粘结剂等。

以上，对力检测元件8进行了说明。如前所述，在将彼此正交的三个轴设为α轴、β轴及γ轴时，力检测元件8具有压电元件83(第一压电元件)，压电元件83具备由X切割水晶板构成的压电体层831，根据沿着γ轴方向的外力输出电荷Qγ。进而，力检测元件8具有压电元件81(第二压电元件)，压电元件81具备由Y切割水晶板构成的压电体层811，根据α轴方向的外力输出电荷Qα。而且，力检测元件8具有压电元件85(第三压电元件)，压电元件85具备由Y切割水晶板构成的压电体层851，配置为将压电元件83夹在其与压电元件81之间，并根据β轴方向的外力输出电荷Qβ。由此，通过基于水晶的结晶方位的压电效果的各向异性，能够将施加的外力分解来进行检测。即、能够独立地检测相互正交的三轴的平移力分量。

这样，力检测元件8通过具备多个(两个以上)的压电元件81、83、85，从而可以实现检测轴的多轴化。此外，力检测元件8如果将压电元件81、83、85(第一～第三压电元件)各具有至少一个的话则可独立地检测彼此正交的三轴的平移力分量，但如本实施方式所示，通过将压电元件81、83、85(第一～第三压电元件)分别具有两个，可以提高输出灵敏度。

需要说明的是，各压电元件81、83、85的层压顺序并不限定于图示的顺序。此外，构成力检测元件8的压电元件的数量并不限定于前述的数量。例如，压电元件的数量既可以是1～5个，也可以是7个以上。

以上，对力检测装置1的基本构成进行了说明。下面，对前述的第一壳体部件21进行详细描述。

(第一壳体部件)

图7是示出图3所示的第一壳体部件的立体图。图8是示出图7所示的第一壳体部件的一部分的图。图9是示意性地示出末端执行器安装于力检测装置的状态的侧视图。

如前所述，第一壳体部件21具有第一板211和第一部件25(参照图4及图7)。此外，在本实施方式中，第一部件25和第一板211一体地构成。

第一部件25具有呈框状的框部254以及四个圆筒部253。框部254从z轴方向观察呈大致正方形，由四个壁部2541构成。此外，框部254具有四个突出部251、以及对应于各突出部251而设置的两个内螺纹孔252。对应一个壁部2541设置有一个突出部251。此外，突出部251位于壁部2541的外表面的中央部且靠+z轴。

这样，通过采用具有使四个壁部2541一体化那样的框部254的第一部件25，从而与四个壁部2541单独设置的情况、即如现有技术那样为单独地支承传感器器件4的构成的情况相比，可以缩小第一部件25的设置空间，因此，可以实现力检测装置1的小型化。

此外，框部254在其各角部、即框部254的与圆筒部253的边界部具有多个(在本实施方式中为八个)狭缝255。对应一个壁部2541设置有两个狭缝255。从沿着突出部251的顶面250的垂线的方向观察时，狭缝255位于内螺纹孔252的与传感器器件4相反的一侧(外侧)。此外，狭缝255在壁部2541的与第一板211相反一侧的面(+z轴侧的面)以及壁部2541的外表面和内表面开放。此外，如图8所示，狭缝255的沿着z轴方向的长度d2比突出部251的沿着z轴方向的长度d1短。此外，狭缝255的宽度W2(壁部2541的长边方向的长度)只要是在由于外力F的作用而使框部254变形时狭缝255的内表面彼此不会接触的程度即可。

这样的狭缝255发挥降低力检测装置1的其它轴输出(实际上未施加力的轴方向的输出)的功能。即、狭缝255作为其它轴输出降低部发挥功能。这里，如图9所示，例如在对象物与末端执行器17接触而对作业部位P施加了箭头C1方向的外力F时，力检测装置1与平移力分量Fz一起还检测旋转力分量Mx、My(Mxy)。此时，如前所述，力检测装置1的第一部件25为将四个壁部2541一体化那样的构成，因此，相对于支承部件24，第一部件25的刚性高，导致各传感器器件4受到的力产生偏颇。即、各传感器器件4中的应力分布产生偏颇。因此，假设仅是使四个壁部2541一体化的话，则会导致将原本未施加于各传感器器件4的平移力分量Fx、Fy(Fxy)作为其它轴输出而检测出，其结果是，外力的检测精度降低。于是，在本实施方式中，如前所述，在第一部件25上设置了作为其它轴输出降低部而发挥功能的多个狭缝255。需要说明的是，虽然也考虑通过将支承部件24增大、增重来使支承部件24的刚性与第一部件25同等的方法，但通过该方法，无法实现力检测装置1的小型化、轻量化。

下面，对狭缝的深度与其它轴输出的关系进行说明。

图10是示出狭缝的深度与其它轴输出的关系的图表。

图10所示的图表示出了如图9所示对作业部位P施加了箭头C1方向的外力F时作为其它轴输出的平移力分量Fx、Fy。需要说明的是，图10所示的图表示出了采用如下尺寸的力检测装置1时的模拟结果。即、力检测装置1的高度L1为29mm，基部2211的直径L2为59.8mm，凸部2212的直径L3为34mm，除去突出部251的框部254的从z轴方向观察到的外侧的宽度L4为30.8mm，框部254的从z轴方向观察到的内侧的宽度L5为22.8mm，框部254的高度d为11.25mm，突出部251的厚度为1mm(参照图3及图7)。此外，图10的图表示出了将+z轴侧的面作为起始点(零)在0～12mm的范围内变更了图8所示的第一部件25中的各狭缝255沿z轴方向的长度d2(深度[mm])时的平移力分量Fx、Fy(载荷[N])。

如图10所示，可知如果变更狭缝255的长度d2，则平移力分量Fx、Fy产生变化。而且，可知通过设置狭缝255，与不设置狭缝255时相比，可以减小平移力分量Fx、Fy、即其它轴输出。因此，通过设置狭缝255，可以降低外力的检测精度的下降。

此外，在图10所示的图表中，随着长度d2接近大约5mm左右，平移力分量Fx、Fy变小。由此也可知，狭缝255的长度d2与框部254的高度d的关系没有特别的限定，但优选0.2≤d2/d≤0.8，更优选0.3≤d2/d≤0.7。由此，可以进一步减小其它轴输出，可以进一步降低外力的检测精度的下降(参照图8)。此外，狭缝255的长度d2与突出部251的长度d3(从顶面250的垂线方向观察到的长度)的关系没有特别的限定，但优选0.3≤d2/d3≤0.7，更优选0.4≤d2/d3≤0.6。由此，可以进一步减小其它轴输出。

如以上说明的，力检测装置1如前所述具有第一板211、以及与第一板211相对的第二板221。此外，力检测装置1具有：第一部件25，从第一板211向第二板221侧突出；支承部件24a(第二部件)，与第一部件25相对配置，从第二板221向第一板211侧突出；以及支承部件24b(第三部件)，在不同于支承部件24a的位置与第一部件25相对配置，并从第二板221向第一板211侧突出。此外，具备：第一传感器器件4a，设置于第一部件25与支承部件24a之间，具有根据外力输出信号的、在本实施方式中为六个的压电元件81、83、85；以及第二传感器器件4b，设置于第一部件25与支承部件24b之间，具有根据外力输出信号的、在本实施方式中为六个的压电元件81、83、85。而且，第一部件25在突出部251a(顶面250a)与突出部251b(顶面250b)之间具有狭缝255，该突出部251a是与第一传感器器件4a接触的部分，该突出部251b是与第二传感器器件4b接触的部分。此外，在各突出部251彼此之间设置有狭缝255。

根据这样的力检测装置1，通过具有使四个壁部2541一体化那样的第一部件25，从而可以缩小第一部件25的设置空间，因此，可以实现力检测装置1的小型化。此外，如前所述，由于具有狭缝255，从而可以减少如前所述在各传感器器件4中的应力分布的偏颇。因此，可以降低其它轴输出或使其它轴输出为零，因此，可以降低外力的检测精度的下降。

需要说明的是，与各传感器器件4接触的部分在本实施方式中为突出部251(更具体地说是作为壁部2541的突出的面的顶面250)，但与各传感器器件4接触的部分也可以不从壁部2541突出，例如也可以是平坦面(例如不具有突出部分的壁部2541)。

此外，如前所述，第一部件25是框状。特别是，在本实施方式中，第一部件25呈四边形的框状。

由此，可以简单地缩小第一部件25的设置空间，可以特别有效地实现力检测装置1整体的小型化。此外，第一部件25具有框部254，该框部254具备与传感器器件4的数量相同数量的壁部2541。因此，容易进行各传感器器件4的配置。

进而，如前所述，突出部251a(顶面250a)和突出部251b(顶面250b)分别配置于第一部件25的外周，其中，该突出部251a是与第一传感器器件4a接触的部分，该突出部251b是与第二传感器器件4b接触的部分。此外，突出部251c(顶面250c)和突出部251d(顶面250d)分别配置于第一部件25的外周，其中，该突出部251c是与第三传感器器件4c接触的部分，该突出部251d是与第四传感器器件4d接触的部分。因此，各传感器器件4分别配置于第一部件25的外周。

由此，可以高效地配置各传感器器件4及其它各种零部件(例如数字电路基板62等)，因此，可以更加有效地实现力检测装置1的小型化。

此外，如图所示，狭缝255在第一方向上设置于第一部件25的第二板221侧，其中，该第一方向为第一板211与第二板221重叠的方向。

由此，与狭缝255设置于第一部件25的第一板211侧时相比，可以更加有效地降低各传感器器件4中的应力分布的偏颇。因此，可以降低其它轴输出或使其它轴输出为零，因此，可以更加降低外力的检测精度的下降。

此外，在所述第一方向上，突出部251a(顶面250a)的第一板211侧的端和突出部251b(顶面250b)的第一板211侧的端分别位于比狭缝255的第一板211侧的端更靠第一板211侧，其中，该突出部251a(顶面250a)是与第一传感器器件4a接触的部分，该突出部251b(顶面250b)是与第二传感器器件4b接触的部分。此外，在所述第一方向上，突出部251c(顶面250c)的第一板211侧的端和突出部251d(顶面250d)的第一板211侧的端分别位于比狭缝255的第一板211侧的端更靠第一板211侧，其中，该突出部251c(顶面250c)是与第三传感器器件4c接触的部分，该突出部251d(顶面250d)是与第四传感器器件4d接触的部分。

由此，可以更加有效地降低各传感器器件4中的应力分布的偏颇，可以使其它轴输出接近零。

此外，如前所述，第一部件25和第一板211一体构成。

由此，可以省略用于将第一部件25固定于第一板211的螺丝等固定部件。因此，可以实现力检测装置1的轻量化。

需要说明的是，第一部件25和第一板211也可以是分体地形成并通过粘结剂等彼此接合的构成。

(变形例)

图11是示出第一部件的变形例的图。

如图11所示，第一部件25A具有多个贯通孔256来取代狭缝255。多个贯通孔256设置在与设置狭缝255的位置同样的位置，和狭缝255同样地作为其它轴输出降低部发挥功能。需要说明的是，贯通孔256的形状、数量及配置并不限定于图示的情况，而是任意的。

通过这样的第一部件25A也发挥和第一部件25同样的效果。即、第一部件25A在突出部251a(顶面250a)与突出部251b(顶面250b)之间具有多个贯通孔256，其中，该突出部251a是与第一传感器器件4a接触的部分，该突出部251b是与第二传感器器件4b接触的部分(参照图7、图8及图11)。此外，在各突出部251(各顶面250)彼此之间设置有多个(在本实施方式中是在z轴方向上排列为一列的多个)贯通孔256。通过具有这样的第一部件25A的力检测装置1也可以降低各传感器器件4中的应力分布的偏颇。因此，可以降低其它轴输出或使其它轴输出为零，因此，可以降低外力的检测精度的下降。

此外，多个贯通孔256在第一方向上设置于第一部件25A的第二板221侧(+z轴侧)，该第一方向为第一板211和第二板221重叠的方向。由此，与多个贯通孔256设置于第一部件25的第一板211侧时相比，可以更加有效地降低各传感器器件4中的应力分布的偏颇。因此，可以降低其它轴输出或使其它轴输出为零，因此，可以更加降低外力的检测精度的下降。

此外，在所述第一方向上，突出部251a(顶面250a)的第一板211侧的端和突出部251b(顶面250b)的第一板211侧的端分别位于比多个贯通孔256的第一板211侧的端更靠第一板211侧，其中，该突出部251a(顶面250a)是与第一传感器器件4a接触的部分，该突出部251b(顶面250b)是与第二传感器器件4b接触的部分。此外，在所述第一方向上，突出部251c(顶面250c)的第一板211侧的端和突出部251d(顶面250d)的第一板211侧的端分别位于比多个贯通孔256的第一板211侧的端更靠第一板211侧，其中，该突出部251c(顶面250c)是与第三传感器器件4c接触的部分，该突出部251d(顶面250d)是与第四传感器器件4d接触的部分。由此，与具有前述的狭缝255的第一部件25同样地可以更加有效地降低各传感器器件4中的应力分布的偏颇，可以使其它轴输出接近零。需要说明的是，多个贯通孔256的第一板211侧的端是指最位于第一板211侧的贯通孔256的第一板211侧的端。

需要说明的是，贯通孔256的形成数量、形状、大小、配置模式等并没有特别的限定。

<第二实施方式>

下面，对第二实施方式进行说明。

图12是示意性地示出第二实施方式所涉及的力检测装置具有的第一部件的一部分的图。图13是示意性地示出调整部的其它例子的图。图14是示意性地示出第一部件的变形例的图。

本实施方式除了第一部件的构成不同之外，均与前述的实施方式同样。需要说明的是，在以下的说明中，关于第二实施方式，围绕与前述的实施方式的不同点进行说明，关于相同的事项则省略其说明。

图12所示的第一部件25B具有的狭缝255B是通过调整比狭缝255B的长度d2(深度)长的狭缝257的长度d3(深度)而形成的。因此，狭缝255B的长度可变。

在狭缝257上设置有：螺丝92，能够在箭头A10方向上移动；以及调整用部件91，连接于螺丝92的+z轴侧，并伴随着螺丝92的移动而移动。调整用部件91例如是板状的部件，以能够在箭头A10方向上滑动的方式嵌合于狭缝257的内壁部。

这样的螺丝92和调整用部件91作为调整狭缝255B的长度d2(大小)的调整部90而发挥功能。即、调整狭缝255B的长度d2(大小)的调整部90设置于狭缝255B。

由此，由于可以调整狭缝255B的长度d2，因此，通过根据检测到的其它轴输出的大小来调整狭缝255B的长度d2，从而可以使其它轴输出更加接近零。因此，可以进一步提高力检测装置1的检测精度。此外，也可以降低力检测装置1的其它轴输出的个体差。

此外，调整部90也可以用于前述那样的多个贯通孔256。即、可以将调整多个贯通孔256的大小(合计的大小)的调整部90设置于多个贯通孔256。例如，作为调整部90，可以采用具有能够相对于壁部2541的内表面及外表面滑动的平板状的部件900的构成(参照图13)。由此，通过移动部件900，可以用部件900堵住贯通孔256。因此，可以调整多个贯通孔256的合计的大小，因此，可以容易且高精度地降低其它轴输出。需要说明的是，只要能够调整多个贯通孔256的合计的大小即可，并不限定于图示的构成。

(变形例)

在图14所示的第一部件25C中，驱动源93连接于调整部90具有的螺丝92，该驱动源93产生使螺丝92移动的驱动力，例如由电机等构成。而且，控制驱动源93的驱动力的控制器94电连接于驱动源93。控制器94例如具有处理器和存储器而构成。需要说明的是，控制器94与机器人控制器(未图示)既可以是一体的，也可以是分体的。

例如，控制器94存储有与前述的图10所示那样的力检测装置1的其它轴输出和狭缝255B的长度d2的关系相关的数据。于是，控制器94基于该数据和力检测装置1所检测到的其它轴输出来控制对于驱动源93的驱动力。由此，可以自动地调整狭缝255B的长度d2，以使其它轴输出为零或接近零。

这样，在图14所示的第一部件25C中，调整部90(具体而言为螺丝92)构成为能够连接驱动源93，该驱动源93产生使调整部90(具体而言为螺丝92)移动的动力，以调整狭缝255B的长度d2(大小)。

由此，如前所述，可以自动调整狭缝255B的深度d2(大小)。

此外，虽然未详细图示，但关于图13所示那样的部件900也是同样。即、部件900构成为可以连接驱动源93，该驱动源93产生使部件900移动的动力，以调整多个贯通孔256的大小(合计的大小)。由此，可以自动调整多个贯通孔256的大小。

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，但本发明并不限定于此，各部的构成可以替换为具有同样功能的任意的构成。此外，也可以在本发明中增加其它任意的构成物。此外，还可以适当地组合各实施方式。

此外，在前述的说明中，如果通过第一部件和支承部件能够夹持传感器器件，则也可以省略加压螺栓。

此外，在前述的说明中，传感器器件具备封装，但只要具备至少一个压电元件即可，也可以不具备封装。此外，传感器器件例如也可以不具备封装具有的盖体。

此外，在前述的说明中，第一部件和支承部件(第二部件、第三部件、第四部件、第五部件)设置为与第一板及第二板正交，但既可以设置为与第一板及第二板平行，也可以设置为相对于第一板及第二板倾斜。

此外，本发明的机器人并不限定于六轴的垂直多关节机器人。例如，本发明的机器人既可以是水平多关节机器人，也可以是并联连杆机器人。此外，本发明的机器人并不限定于单臂机器人，也可以是双臂机器人。

此外，本发明的机器人的一个机械手具有的臂的数量既可以是1～5个，也可以是7个以上。

此外，本发明的力检测装置也可以组装入机器人之外的设备，例如，也可以搭载于汽车等移动体上。

Claims (9)

1.一种力检测装置，其特征在于，具备：

第一板；

第二板，与所述第一板相对；

第一部件，从所述第一板向所述第二板突出；

第二部件，与所述第一部件相对配置，并从所述第二板向所述第一板突出；

第三部件，在不同于所述第二部件的位置上与所述第一部件相对配置，并从所述第二板向所述第一板突出；

第一传感器器件，设置于所述第一部件与所述第二部件之间，并具有根据外力输出信号的压电元件；以及

第二传感器器件，设置于所述第一部件与所述第三部件之间，并具有根据外力输出信号的压电元件，

所述第一部件在同所述第一传感器器件接触的部分与同所述第二传感器器件接触的部分之间具有狭缝或多个贯通孔，

所述狭缝或所述多个贯通孔在第一方向上设置于所述第一部件的所述第二板一侧，所述第一方向是所述第一板与所述第二板重叠的方向。

2.根据权利要求1所述的力检测装置，其特征在于，

所述第一部件是框状。

3.根据权利要求2所述的力检测装置，其特征在于，

同所述第一传感器器件接触的部分以及同所述第二传感器器件接触的部分分别配置于所述第一部件的外周。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的力检测装置，其特征在于，

在第一方向上，同所述第一传感器器件接触的部分的在所述第一板一侧的端以及同所述第二传感器器件接触的部分的在所述第一板一侧的端分别位于比所述狭缝或所述多个贯通孔的在所述第一板一侧的端更靠所述第一板一侧，所述第一方向是所述第一板与所述第二板重叠的方向。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的力检测装置，其特征在于，

在所述狭缝或所述多个贯通孔设置有调整所述狭缝或所述多个贯通孔的大小的调整部。

6.根据权利要求5所述的力检测装置，其特征在于，

所述调整部构成为能够连接驱动源，所述驱动源产生使所述调整部移动的动力，以调整所述狭缝或所述多个贯通孔的大小。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的力检测装置，其特征在于，

所述第一部件和所述第一板一体地构成。

8.一种机器人，其特征在于，具备：

基台；

臂，连接于所述基台；以及

权利要求1至7中任一项所述的力检测装置，连接于所述臂。

9.根据权利要求8所述的机器人，其特征在于，

在所述力检测装置上安装有末端执行器，所述末端执行器具有能够保持对象物的保持部，

所述保持部设置在与所述力检测装置的中心轴偏离的位置上。

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