JP2013072837A - センサー素子、センサーデバイス、力検出装置およびロボット - Google Patents

Abstract

【課題】３軸方向の力に対する検出能力に大きな差が出ない力検出装置と、その力検出装置を実現するセンサー素子を提供する。
【解決手段】非圧電性および非導電性を有する基板の少なくとも一方の面に圧電性被膜が形成された圧電体と、導電性を有する電極基板と、を有し、前記基板と前記電極基板との間に前記圧電性被膜が配置されるセンサー素子。
【選択図】図１

Description

本発明は、センサー素子、センサーデバイス、力検出装置およびロボットに関する。

従来、圧電材料を用いた力センサーとしては特許文献１のものが知られていた。すなわち、特許文献１の図１５に示されている、信号電極１５を圧電材料である結晶円板１６により挟持し、さらに金属カバー円板１７によって挟持された測定素子を、複数配置した力センサーが開示されている。なお、特許文献１に開示されている、圧電材料である結晶円板１６は、水晶円板を示している。

特開平４−２３１８２７号公報

しかし、上述の特許文献１において開示されている、圧電材料として水晶を用いたセンサーの場合、薄板状に形成された円板では水晶結晶の異方性から、円板面方向に掛かる力による発生する電荷量に対して、円板面に交差する方向に掛かる力による発生する電荷量は極めて少なくなる。この発生する電荷量である検出値の差に対しては、センサーの検出値から力を演算する演算手段に、電荷量の差分を増幅する回路部を備えることで補正している。しかし、センサーの検出値が小さいことにより、増幅回路を用いることで検出誤差までも増幅されることとなり、正確な力検出が困難である、という課題があった。

そこで、３軸方向の力に対する検出能力に大きな差を出さず、検出誤差の増幅が抑制される力検出装置と、その力検出装置を実現するセンサー素子を提供する。

本発明は、少なくとも上述の課題の一つを解決するように、下記の形態または適用例として実現され得る。

〔適用例１〕本適用例のセンサー素子は、非圧電性および非導電性を有する基板の少なくとも一方の面に圧電性被膜が形成された圧電体と、導電性を有する電極基板と、を有し、前記基板と前記電極基板との間に前記圧電性被膜が配置されることを特徴とする。

本適用例のセンサー素子によれば、電極基板と基板の間に圧電体を配置させることにより、圧電体を圧縮させる方向に掛かる力によって圧電性被膜に容易に電荷を発生させることができる。この電荷量を検出し力として測定する際に、多くの電荷を発生させることができることで、力に演算するための演算手段において検出信号の増幅割合を小さくすることができるため、センサー素子の検出値の誤差の増幅も小さくすることができ、ノイズの少ない、より正確な力検出を可能とするセンサー素子を得ることができる。

〔適用例２〕上述の適用例において、前記基板は水晶から形成され、前記圧電性被膜が形成される前記基板の被膜形成面が、前記水晶の電気軸（Ｘ軸）と機械軸（Ｙ軸）とを含むことを特徴とする。

上述の適用例によれば、高い剛性を備える水晶により基板を形成することによって、検出すべき力を基板で緩衝させること無く、圧電性被膜に検出すべき力が付加され、より正確な力の検出ができるセンサー素子を得ることができる。

〔適用例３〕上述の適用例において、前記圧電性被膜がチタン酸ジルコン酸鉛である、ことを特徴とする。

上述の適用例によれば、チタン酸ジルコン酸鉛いわゆるＰＺＴによって圧電性被膜を形成することで、付加される力に対して多くの電荷を発生させることができるため、正確な力を検出することができるセンサー素子を得ることができる。

〔適用例４〕本適用例のセンサーデバイスは、上述のセンサー素子と、前記電極基板に誘起される電荷量を検出し、前記センサー素子に掛かる力を演算する演算手段と、を含むことを特徴とする。

上述の適用例によれば、電極基板と基板の間に圧電体を配置させることにより、圧電体を圧縮させる方向に掛かる力によって圧電性被膜に容易に電荷を発生させることができる。この電荷量を検出し力として測定する際に、多くの電荷を発生させることができることで、力に演算するための演算手段において検出信号の増幅割合を大きくする必要が無いため、センサー素子の検出値の誤差の増幅も小さくすることができるので、正確な力検出を可能とするセンサーデバイスを得ることができる。

〔適用例５〕本適用例力検出装置は、上述のセンサー素子と、前記電極基板に誘起される電荷量を検出し、前記センサー素子に掛かる力を演算する演算手段と、を含むことを特徴とする。

上述の適用例によれば、多くの電荷量を発生させることができる上述の適用例によるセンサーデバイスでは、電荷量を検出し力として測定する際に、力に演算するための演算手段において検出信号の増幅割合を大きくする必要が無く、センサー素子の検出値の誤差の増幅も小さくすることができる。このセンサーデバイスを力検出装置のデバイスの一つとして用いることで、上述の適用例におけるセンサーデバイスが検出する力と異なる方向の力を検出するセンサーデバイスと組合せた場合であっても、様々な力の方向に対して正確な力の検出を可能とする力検出装置を得ることができる。

〔適用例６〕本適用例のロボットは、上述のセンサー素子と、前記電極基板に誘起される電荷量を検出し、前記センサー素子に掛かる力を演算する演算手段と、を備えることを特徴とする。

上述の適用例によれば、作動するロボットアームあるいはロボットハンドに対して、所定動作中に起こる障害物への接触の検出、対象物への接触力を、力検出装置により確実に検出し、ロボット制御装置へデータをフィードバックすることで、安全で細かな作業が可能なロボットを得ることができる。

第１実施形態に係るセンサー素子を示し、（ａ）は構成要素の配置を示す斜視図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は基板結晶軸の説明図。 第１実施形態に係る圧電体のその他の形態を示す断面図。 第２実施形態に係るセンサーデバイスを示す概略断面図。 第３実施形態に係る力検出装置を模式図的に示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は各センサー素子の機能説明図。 第３実施形態に係る力検出装置を用いた６軸力検出装置を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ´部の断面図。 第４実施形態に係るロボットの構成を示す外観図。 実施例を示す，（ａ）は電荷量のグラフ、（ｂ）は比較例のセンサーデバイスを示す断面図。

以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。なお、本明細書において圧電性とは、力が加えられと力に応じた表面電荷が現れる性質、すなわち圧電効果を言い、非圧電性とは、力が加えられても表面電荷が現れない、すなわち圧電効果を有しないことを言う。

（第１実施形態）
図１は第１実施形態に係るセンサー素子を示す、（ａ）は構成要素の配置を示す斜視図、（ｂ）は組立断面図、（ｃ）は基板結晶軸の説明図である。図１（ａ），（ｂ）に示すセンサー素子１０は、基板１と、被膜形成面としての基板１の一方の面１ａ上に形成された圧電性被膜２と、を有する圧電体３と、電極基板４と、が電極基板４を介して基板１の一方の面１ａ上に形成された圧電性被膜２を対向させて積層配置されている。基板１は、非圧電性と非導電性とを有する材料より形成され、圧電性被膜２は、例えば酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミ（ＡｌＮ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などを、基板１の一方の面１ａ上に成膜される。成膜方法としては、ＣＤＶ法、スパッタリング法、ゾルゲル法などが好適に用いられる。

図１（ｂ）に示すように、センサー素子１０は、圧電体３の圧電性被膜２が電極基板４の基板面側となるように配置し、圧電体３によって電極基板４を挟持する。このように配置、構成されたセンサー素子１０に図示方向の圧縮する力Ｆが付加されると、圧電性被膜２は基板１と電極基板４とによって圧縮される。圧縮によって圧電性被膜２には歪が生じ、この歪によって電荷が発生する。発生した電荷とは逆電位の電荷が電極基板４に励起される。電極基板４に励起された電荷を検出し、後述するが、図示しない回路装置によって圧縮力Ｆが演算され、計測することができる。

従って、圧電性被膜２は図１（ｂ）に示すＦ方向、すなわち圧縮方向の力による歪によって電荷を発生させる圧電性を備えるものであり、配向性を持たせることができるチタン酸ジルコン酸鉛（以下、ＰＺＴという）をゾルゲル法により形成することが好ましい。ＰＺＴを圧電性被膜２として基板１に形成することにより、付加される力Ｆに対して多くの電荷を発生させることができ、正確な力の検出をすることができる。

また、基板１は、上述したとおり非圧電性、非導電性を有する材料から形成され、例えば、ガラス、セラミックスなどを用いることができる。本実施形態では圧電性を有する水晶基板を用いこともできる。水晶は所定の結晶軸に合わせて切り出した場合に、図１（ｂ）に示すＦ方向の力に対して圧電性を有しない、すなわち非圧電性材料と同等の性能を持たせることができ、高い硬さ、剛性も有することから、本実施形態に係るセンサー素子１０の基板１として好適に使用できる。図１（ｃ）に基づき、本実施形態に係る基板１に水晶基板を用いた場合の結晶軸の態様について説明する。

水晶を基板１の材料とする場合には、図１（ｃ）に示すように、圧電性被膜２を形成する基板１の一方の面１ａが、水晶の結晶軸である互いに直交するＸ軸（電気軸）、Ｙ軸（機械軸）と、Ｘ，Ｙ軸双方に直交するＺ軸（主軸もしくは光軸）のうち、Ｘ軸とＹ軸によって定義できる平面に沿った平面で構成される、すなわちＺカット板といわれる水晶板を用いる。このようにＺカット板の水晶板から形成される基板１では、図１（ｂ）に示すＦ方向の力に対しては非圧電性の性質を有しており、実質的に圧電材料である水晶を用いても非圧電性を有する基板１を得ることができる。もちろん、水晶は非導電性も備えている。また、電極基板４は導電性を備えれば、特に限定はされない。例えばＣｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、ステンレスなどの金属が好適に用いられる。

本実施形態に係るセンサー素子１０は、図１（ａ），（ｂ）に示すように電極基板４を２枚の圧電体３によって挟持する形態に限定されない。図２に示す形態であっても良い。図２（ａ）は、電極基板４の一方の面側に圧電体３が配置されたセンサー素子１１を示す断面図、図２（ｂ）は基板１の両面に圧電性被膜２が形成されている圧電体３Ａを備えるセンサー素子１２を示す断面図である。図２（ａ）に示すセンサー素子１１は、電極基板４の一方の面側に圧電体３が配置されている。圧電体３の配置は、センサー素子１０と同様に、電極基板４と基板１との間に圧電性被膜２が配置されるように、電極基板４の一方の面側に配置される。このように圧電体３が配置されたセンサー素子１１であっても、図示方向の圧縮する力Ｆが付加されることにより圧電性被膜２に電荷が発生し、発生した圧電性被膜２の電荷によって電極基板４には励起された電荷を発生する。

また図２（ｂ）に示すセンサー素子１２は、基板１の一方の面１ａおよび他方の面１ｂの両面に圧電性被膜２が形成されている圧電体３Ａによって、電極基板４を挟持する形態である。このような圧電体３Ａでは、一方の面１ａだけに圧電性被膜２が形成される圧電体３において必要となる、他方の面１ｂに圧電性被膜２が形成されないように、例えばマスキング（遮蔽手段）を施したり、他方の面１ｂに形成された圧電性被膜２を除去したり、という工程、を必要とせず、製造コスト低減を図ることができる。また、圧電体３Ａの場合、電極基板４に圧電性被膜２部位を対向させる際の表裏判別が不要となり、コスト低減を図ることができる。なお、図２（ｂ）に示すセンサー素子１２は、電極基板４の両面に圧電体３Ａを配置したが、これに限定されない。例えば、電極基板４の両面側に配置した圧電体３Ａのどちらか一方を、基板１の一方の面１ａ側に圧電性被膜２が形成された圧電体３（図１参照）としても良い。また図２（ａ）に示すセンサー素子１１に圧電体３Ａを用いても良い。

第１実施形態に係るセンサー素子１０によれば、圧電体３と電極基板４の積層方向に付加される力に対して、圧電性被膜２に多くの電荷を発生させることができるため、力の検出能力、すなわち弱い力から強い力まで幅広い力の領域を検出することが可能となる。また、多くの電荷量を発生させることができることで、検出値を力に演算するための演算手段において検出信号の増幅割合を大きくする必要が無いため、センサー素子１０の検出値の誤差の増幅も小さくすることができるので、正確な力検出を可能とするセンサー素子１０を得ることができる。

（第２実施形態）
図３は、第２実施形態に係るセンサーデバイスを示す概略断面図である。図３に示すように、センサーデバイス１００は、センサー素子１０が筒状容器３０に収納され、基台２１，２２によって押圧固定され、電極基板４が演算装置４０に接続されている。演算装置４０には図示しない電極基板４の電荷を変換するＱＶアンプを備え、接地（グランド：ＧＮＤ）に接続されている。

このような構成によってセンサーデバイス１００を形成することによって、圧電体３の圧電性被膜２に発生する電荷を検出することができ、電極基板４の両面側に圧電体３を配置することで検出感度を高めることができるため、微小外力に対して高感度で力検出ができるセンサーデバイス１００を実現することができる。

（第３実施形態）
図４は、第３実施形態に係る力検出装置を模式図的に示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は各センサー素子の機能説明図である。図４（ａ）に示す力検出装置１０００は、第１実施形態に係るセンサー素子１０に加えてセンサー素子１０の力検出方向と異なる方向の力を検出するセンサー素子１０Ａ，１０Ｂを積層して形成される。なお、図４（ａ）において、センサー素子１０Ａ，１０Ｂ，１０が積層される方向（図示上方向）をγ（＋）方向とし、γ方向に直交し図示右方向をα（＋）方向、図示面に向かう方向をβ（＋）方向とする。

図４（ａ）に示す力検出装置１０００は、基台２１０，２２０の間に筒状容器３００の内部にセンサー素子１０Ａ，１０Ｂ，１０が積層されている。センサー素子１０Ａは、圧電体としての水晶のＹ軸（機械軸）に直交する面で切り出した、いわゆるＹカット板の水晶基板１Ａ，１Ｂにより電極基板４Ｂを挟持している。積層された水晶基板１Ａ、電極基板４Ｂ、水晶基板１Ｂを挟持するように電極基板４Ａ，４Ｃが配置されている。電極基板４Ｂは力が掛り、水晶基板１Ａ，１Ｂに生じる歪により発生する電荷によって励起される電荷を検出する検出電極であり、電極基板４Ａ，４Ｃはその電位差を検出するためのグランド電極（以下、ＧＮＤ電極という）である。

同様に、センサー素子１０Ｂは、圧電体としてＹカット板の水晶基板１Ｃ，１Ｄにより電極基板４Ｄを挟持している。積層された水晶基板１Ｃ、電極基板４Ｄ、水晶基板１Ｄを挟持するように電極基板４Ｃ，４Ｅが配置されている。電極基板４Ｄは検出電極、電極基板４Ｃ，４ＥはＧＮＤ電極である。そして、第１実施形態に掛かるセンサー素子１０を備える。なお、電極基板４Ｃはセンサー素子１０Ａ，１０ＢのＧＮＤ電極として共用される。

センサー素子１０Ａ，１０Ｂにおける圧電体としての水晶基板１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄの配置について、図４（ｂ）を用いて説明する。上述した通りセンサー素子１０Ａ，１０Ｂに備える圧電体はＹカットの水晶基板１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄである。水晶基板１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄの結晶軸方向は図４（ｂ）に示すように配置され、Ｘ軸（電気軸）方向の力により生じる結晶の歪によって電荷を生じる。また、センサー素子１０Ａとセンサー素子１０Ｂは、同じ構成のセンサー素子であって、力検出装置１０００を構成させる際に、センサー素子１０Ａ，１０Ｂを相対的にγ軸周りに９０度の回転させた方向で組み込まれている。

センサー素子１０Ａは、図示するように力検出装置１０００に対してα方向に付加される力を検出する。この力がかかるα方向に、図示するように水晶基板１Ａ，１ＢのＸ軸方向を合わせて配置することにより、水晶基板１Ａ，１Ｂにはα方向の力により生じる基板内の歪によって電荷が発生する。また、センサー素子１０Ｂは、β方向の力を検出する。力がかかるβ方向に、図示するように水晶基板１Ｃ，１ＤのＸ軸方向を合わせて配置することにより、水晶基板１Ｃ，１Ｄにはα方向の力により生じる基板内の歪によって電荷が発生する。そして、第１実施形態に係るセンサー素子１０は、上述した通りγ方向の力を検出する。

基台２１０，２２０を介して力検出装置１０００に外力が加わり、各センサー素子１０Ａ，１０Ｂ，１０それぞれに生じた電荷は電極基板４Ｂ，４Ｄ，４に電荷を励起し、演算装置４００に備えるセンサー素子１０Ａの電荷からα方向の力を演算するα方向演算装置４１０、センサー素子１０Ｂの電荷からβ方向の力を演算するβ方向演算装置４２０、センサー素子１０の電荷からγ方向の力を演算する第２実施形態に係るセンサーデバイス１００に備える演算装置４０（図３参照）であるγ方向演算装置４０によって得られるα，β，γ方向の力成分から、外力のベクトルデータを図示しない制御装置に出力する。なお、ＧＮＤ電極４Ａ，４Ｃ，４Ｅ、およびγ方向演算装置は演算装置４００に備えるＧＮＤ（接地）に接続される。

上述した通り、本実施形態に係る力検出装置１０００は、一方向に圧電体としての水晶基板を備えるセンサー素子１０Ａ，１０Ｂと、第１実施形態に係るセンサー素子１０と、を積層させることにより、小型の力検出装置を得ることができ、ロボットなどの取り付けスペースが狭小な装置であっても容易に設置が可能となる。

図５は、第３実施形態に係る力検出装置１０００を用い、トルク検出を可能とする６軸力検出装置２０００の概略を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ´部の断面図である。図５（ａ），（ｂ）に示すように６軸力検出装置２０００は基台２１１，２２１によって、力検出装置１０００を４個固定した構成となっている。この６軸力検出装置２０００の形態とすることによって、配置された４個の力検出装置１０００の装置間の距離と、各力検出装置１０００によって得られる力と、によりα軸、β軸、およびγ軸の各軸回りのトルクを求めることが可能となる。

（第４実施形態）
図６は、第３実施形態に係る力検出装置１０００、もしくは６軸力検出装置２０００を用いたロボット３０００の構成を示す外観図である。ロボット３０００は、本体部３１００、アーム部３２００およびロボットハンド部３３００などから構成されている。本体部３１００は、例えば床、壁、天井、移動可能な台車の上、などに固定される。アーム部３２００は、本体部３１００に対して可動の設けられており、本体部３１００にはアーム部３２００を回転させるための動力を発生させる図示しないアクチュエーターや、アクチュエーターを制御する制御部などが内蔵されている。

アーム部３２００は、第１フレーム３２１０、第２フレーム３２２０、第３フレーム３２３０、第４フレーム３２４０および第５フレーム３２５０から構成されている。第１フレーム３２１０は、回転屈曲軸を介して本体部３１００に回転可能または屈曲可能に接続されている。第２フレーム３２２０は、回転屈曲軸を介して第１フレーム３２１０および第３フレーム３２３０に接続されている。第３フレーム３２３０は、回転屈曲軸を介して第２フレーム３２２０および第４フレーム３２４０に接続されている。第４フレーム３２４０は、回転屈曲軸を介して第３フレーム３２３０および第５フレーム３２５０に接続されている。第５フレーム３２５０は、回転屈曲軸を介して第４フレーム３２４０に接続されている。アーム部３２００は、制御部の制御によって、各フレーム３２１０〜３２５０が各回転屈曲軸を中心に複合的に回転または屈曲し、動作する。

アーム部３２００の第５フレーム３２５０のうち、第４フレーム３２４０との接続部の他方の側には、ロボットハンド部３３００が取り付けられている。ロボットハンド部３３００は、対象物を把持することが可能なロボットハンド３３１０と、ロボットハンド３３１０を回転動作させるモーターを内蔵するロボットハンド接続部３３２０と、を備え、ロボットハンド接続部３３２０によって第５フレーム３２５０に接続されている。

ロボットハンド接続部３３２０には、モーターに加えて第３実施形態に掛かる力検出装置１０００または６軸力検出装置２０００が内蔵されており、ロボットハンド部３３００が制御部の制御によって所定の動作位置まで移動させたとき、障害物への接触、あるいは所定位置を超えての動作命令による対象物との接触、などを力検出装置１０００または６軸力検出装置２０００によって力として検出し、ロボット３０００の制御部へフィードバックして、回避行動を実行させることができる。

このようなロボット３０００を用いることにより、従来からの位置制御では対処できなかった障害物回避動作、対処物損傷回避動作などを容易に行える、安全で細かな作業が可能なロボットを得ることができる。なお、本実施形態に限定されず、例えば双腕ロボットにも適用することができる。

実施例としての実施形態１に係るセンサー素子１０における圧電性被膜２の材料種別による電荷量と、比較例としての第１実施形態にかかるセンサー素子１０の力方向Ｆに対して圧電性を有するＸカットの水晶によって圧電体３を形成した場合の電荷量と、を図７（ａ）に示す。このときの圧電体３の大きさは、５ｍｍ角の正方形を成し、圧電性被膜の厚みは１μｍである。なお、図７（ｂ）は比較例としてのＸカットの水晶を圧電体とした場合のセンサー素子１０Ａを用いたセンサーデバイス１００Ａを示す概略断面図であり、圧電体１Ａ，１ＢはＸカットの水晶板より形成され、ＧＮＤ電極４Ａ，４Ｃが電極基板４Ｂを挟持する圧電体１Ａ，１Ｂを挟持するように配置されている。

図７（ａ）に示すように、圧電性被膜２を形成した第１実施形態に係るセンサー素子１０の場合が、何れの材料を用いても、Ｘカットの水晶を圧電体として用いる場合に比較して高い電荷量を発生させることができる。Ｘカットの水晶板を圧電体として用いた場合の力に対する感度を１．０とした場合、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＰＺＴそれぞれの感度の比は、
ＡｌＮ：２．５
ＺｎＯ：４．６
ＰＺＴ：９９．５
と、高い感度を有し、特に、ＰＺＴにより圧電性被膜２を形成することで高い電荷量を得ることができる。

１…基板、２…圧電性被膜、３…圧電体、４…電極基板、１０…センサー素子。

Claims (6)

1. 非圧電性および非導電性を有する基板の少なくとも一方の面に圧電性被膜が形成された圧電体と、
   導電性を有する電極基板と、を有し、
   前記基板と前記電極基板との間に前記圧電性被膜が配置される、
   ことを特徴とするセンサー素子。
2. 前記基板は水晶から形成され、前記圧電性被膜が形成される前記基板の被膜形成面が、前記水晶の電気軸（Ｘ軸）と機械軸（Ｙ軸）とを含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載のセンサー素子。
3. 前記圧電性被膜がＰＺＴである、ことを特徴とする請求項１または２に記載のセンサー素子。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のセンサー素子と、
   前記電極基板に誘起される電荷量を検出し、前記センサー素子に掛かる力を演算する演算手段と、を含む、
   ことを特徴とするセンサーデバイス。
5. 請求項１から３のいずれか一項に記載のセンサー素子と、
   前記電極基板に誘起される電荷量を検出し、前記センサー素子に掛かる力を演算する演算手段と、を含む、
   ことを特徴とする力検出装置。
6. 請求項１から３のいずれか一項に記載のセンサー素子と、
   前記電極基板に誘起される電荷量を検出し、前記センサー素子に掛かる力を演算する演算手段と、を含む、
   ことを特徴とするロボット。

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