JP2013130432A - Sensor device, sensor module, force detection device and robot - Google Patents

Sensor device, sensor module, force detection device and robot Download PDF

Info

Publication number
JP2013130432A
JP2013130432A JP2011278970A JP2011278970A JP2013130432A JP 2013130432 A JP2013130432 A JP 2013130432A JP 2011278970 A JP2011278970 A JP 2011278970A JP 2011278970 A JP2011278970 A JP 2011278970A JP 2013130432 A JP2013130432 A JP 2013130432A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
sensor element
sensor
sensor device
force
electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2011278970A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP5880936B2 (en
Inventor
Takanobu Matsumoto
隆伸 松本
Hideaki Oka
秀明 岡
Hiroki Kawai
宏紀 河合
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Seiko Epson Corp filed Critical Seiko Epson Corp
Priority to JP2011278970A priority Critical patent/JP5880936B2/en
Publication of JP2013130432A publication Critical patent/JP2013130432A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5880936B2 publication Critical patent/JP5880936B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sensor device, a sensor module, a force detection device and a robot, capable of cutting off a sensor element from external environment and increasing pressure sensitivity of the sensor element so that a force can be detected with high accuracy.SOLUTION: A sensor device 10 includes: a sensor element 42 having a piezoelectric body; a first member 12 at which the sensor element 42 is arranged; a second member 34 abutting on a second face opposite to a first face of the sensor element 42 on which the first member 12 abuts; and a coating part 40 that coats a side face different from the first and second faces of the sensor element 42. The coating part 40 coats part of the first member 12 and part of the side face of the second member 34.

Description

本発明は、センサーデバイス、センサーモジュール、力検出装置、ロボットに関する。   The present invention relates to a sensor device, a sensor module, a force detection device, and a robot.

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。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特許文献1の図4に示すように金属環14内に溶接で複数配置した力センサーが開示されている。   Conventionally, the thing of patent document 1 was known as a force sensor using a piezoelectric material. As shown in FIG. 4 of Patent Document 1, the signal electrode 15 shown in FIG. 15 of Patent Document 1 is sandwiched by a crystal disk 16 that is a piezoelectric material, and is further sandwiched by a metal cover disk 17. A plurality of force sensors arranged by welding in the metal ring 14 is disclosed.

また図10に、従来技術のセンサーデバイスを示す。図10に示すように、センサーデバイス200は、同一のカット面を有する2つの水晶板216を互いに対向させた状態で電極板218を挟み込んだセンサー素子214と、センサー素子214を収容する金属製のパッケージ202と、パッケージ202の凹部の開口部220の外周となる上面224に接合するとともに水晶板216に当接する金属製のリッド204と、により全体が構成されている。そしてパッケージ202の側面には同軸コネクター206が取り付けられている。同軸コネクター206は、外周部208と中心導体210を有し、両者の間には絶縁性樹脂212が充填され、外周部208と中心導体210は電気的に絶縁している。そして外周部208は、パッケージ202及びリッド204と短絡し、中心導体210は電極板218と電気的に接続している。   FIG. 10 shows a conventional sensor device. As shown in FIG. 10, the sensor device 200 includes a sensor element 214 that sandwiches the electrode plate 218 with two crystal plates 216 having the same cut surface facing each other, and a metal device that houses the sensor element 214. The package 202 and the metal lid 204 that is bonded to the upper surface 224 that is the outer periphery of the opening 220 in the concave portion of the package 202 and that abuts on the crystal plate 216 constitute the whole. A coaxial connector 206 is attached to the side surface of the package 202. The coaxial connector 206 has an outer peripheral portion 208 and a center conductor 210, and an insulating resin 212 is filled between them, so that the outer peripheral portion 208 and the central conductor 210 are electrically insulated. The outer peripheral portion 208 is short-circuited with the package 202 and the lid 204, and the central conductor 210 is electrically connected to the electrode plate 218.

このセンサーデバイス200は、与圧プレート(不図示)に挟み込まれて与圧が与えられ、水晶板216は与圧に伴う圧電効果により電極板218に電荷を出力(誘起)する。そして、与圧プレートに印加される外力に応じて水晶板216に印加される圧力が変化する。よって、この圧力の変化による出力電荷の変化量を、同軸コネクター206を通じてモニターすることにより、センサーデバイス200に印加された外力を検出することができる。   The sensor device 200 is sandwiched between pressurization plates (not shown) and given pressurization, and the crystal plate 216 outputs (induces) electric charges to the electrode plate 218 due to the piezoelectric effect accompanying the pressurization. Then, the pressure applied to the crystal plate 216 changes according to the external force applied to the pressurizing plate. Therefore, the external force applied to the sensor device 200 can be detected by monitoring the change amount of the output charge due to the change in pressure through the coaxial connector 206.

ここで、センサーデバイス200においては、水晶板216から誘起された電荷が水分等で外部に漏洩しないように、パッケージ202内部を乾燥空気で満たした状態で、リッド204によりセンサー素子214を封止している。   Here, in the sensor device 200, the sensor element 214 is sealed by the lid 204 in a state where the inside of the package 202 is filled with dry air so that the charge induced from the crystal plate 216 does not leak to the outside due to moisture or the like. ing.

特開平4−231827号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. Hei 4-231827

特許文献1に開示の力センサーは、信号電極を結晶円板で挟持し、この結晶円板を金属カバー円板で挟持する構造である。これを溶接で金属環に取り付けた場合、信号電極などの個々のパーツには寸法誤差があり、これが溶接箇所の凹凸となり、溶接に隙間が生じる虞があった。よって湿度が高いなどの外部環境が劣悪な状況では、センサー素子への水分の侵入によって電荷が外部へリークし安定した測定が困難となる虞があった。また測定素子をレーザー溶接等でシールする方法は、煩雑な工程であり、量産化に適用し難いという問題があった。   The force sensor disclosed in Patent Document 1 has a structure in which a signal electrode is sandwiched between crystal disks and this crystal disk is sandwiched between metal cover disks. When this is attached to the metal ring by welding, there is a dimensional error in individual parts such as signal electrodes, which becomes unevenness in the welded portion, and there is a possibility that a gap is generated in the welding. Therefore, in a situation where the external environment is inferior, such as high humidity, there is a possibility that the charge leaks to the outside due to the intrusion of moisture into the sensor element, making stable measurement difficult. Further, the method of sealing the measuring element by laser welding or the like is a complicated process and has a problem that it is difficult to apply to mass production.

また、図10に示す従来技術のセンサーデバイスでは、センサー素子をパッケージに収容する場合、次のような問題があった。パッケージ及びセンサー素子の製造過程において、パッケージは数十μmの寸法誤差があり、センサー素子は数μmの寸法誤差があり、このような寸法誤差に基づく製造ばらつきが生じていた。そのため、パッケージの内部高さ(パッケージの底面からリッドまでの高さ)とセンサー素子の高さを正確に等しく調整することが困難となっていた。   Further, the conventional sensor device shown in FIG. 10 has the following problems when the sensor element is accommodated in the package. In the manufacturing process of the package and the sensor element, the package has a dimensional error of several tens of μm, and the sensor element has a dimensional error of several μm, resulting in manufacturing variations based on such a dimensional error. For this reason, it has been difficult to adjust the internal height of the package (the height from the bottom surface of the package to the lid) and the height of the sensor element to be exactly equal.

図11は従来の製造ばらつきが生じたセンサーデバイスの説明図であり、(a)はセンサー素子の上面がパッケージの凹部の開口部の外周となる位置より低くなる場合を示し、(b)はセンサー素子の上面がパッケージの凹部の開口部の外周となる位置より高くなる場合を示している。   11A and 11B are explanatory views of a conventional sensor device in which manufacturing variations have occurred. FIG. 11A shows a case where the upper surface of the sensor element is lower than the position of the outer periphery of the opening of the recess of the package, and FIG. The case where the upper surface of an element becomes higher than the position used as the outer periphery of the opening part of the recessed part of a package is shown.

図11(a)に示すように、センサー素子214の上面222の高さが、上面224の高さより低くなる場合、リッド204をパッケージ202に接合すると、リッド204とセンサー素子214の上面222とが接触せずに隙間226が形成される。また図11(b)に示すように、センサー素子214の上面222の高さが、パッケージ202の凹部の開口部220の外周となる上面224の高さより高くなる場合、リッド204をパッケージ202に接合すると図11(b)のようになる。すなわち、リッド204の中央部が盛り上がった状態となり、センサー素子214の上面222の周縁はリッド204に接触するものの、センサー素子214の上面222の中央部とリッド204との間には隙間228が形成される。   As shown in FIG. 11A, when the height of the upper surface 222 of the sensor element 214 is lower than the height of the upper surface 224, when the lid 204 is joined to the package 202, the lid 204 and the upper surface 222 of the sensor element 214 are aligned. A gap 226 is formed without contact. 11B, when the height of the upper surface 222 of the sensor element 214 is higher than the height of the upper surface 224 that is the outer periphery of the opening 220 of the recess of the package 202, the lid 204 is bonded to the package 202. Then, as shown in FIG. That is, the center portion of the lid 204 is raised, and the periphery of the upper surface 222 of the sensor element 214 contacts the lid 204, but a gap 228 is formed between the center portion of the upper surface 222 of the sensor element 214 and the lid 204. Is done.

このようにセンサー素子の上面がパッケージの凹部の開口部の外周となる位置より低くなる場合、センサー素子の上面がパッケージの凹部の開口部の外周となる位置より高くなる場合、センサー素子の上面とパッケージの凹部の開口部の外周となる位置と一致する場合のいずれかのセンサーデバイスを複数用いて与圧を印加させようとすると、均等に印加させることが難しかった。   Thus, when the upper surface of the sensor element is lower than the position that is the outer periphery of the opening of the recess of the package, the upper surface of the sensor element is higher than the position that is the outer periphery of the opening of the recess of the package. When applying a pressurizing pressure using a plurality of any one of the sensor devices that coincides with the position of the outer periphery of the opening of the concave portion of the package, it is difficult to apply the pressure evenly.

またリッドとパッケージの封止は、密着性の高い溶接が用いられている。センサー素子は、リッドと密着した状態でパッケージ内に収容されている。このため、溶接時に発生した熱がリッドからセンサー素子に極めて伝わりやすい構造である。よって、溶接時の発熱によってセンサー素子の感度特性に悪影響を与える虞があった。   For sealing the lid and the package, welding with high adhesion is used. The sensor element is housed in the package in close contact with the lid. For this reason, the heat generated during welding is very easily transmitted from the lid to the sensor element. Therefore, there is a possibility that the sensitivity characteristics of the sensor element are adversely affected by heat generated during welding.

そこで上記従来技術の問題点を解決するため、本発明は、センサー素子を外部環境から遮断し、かつセンサー素子の受圧感度を高めて高精度な力検出を行うことができるセンサーデバイス、センサーモジュール、力検出装置、ロボットを提供することを目的としている。   Therefore, in order to solve the above-described problems of the prior art, the present invention provides a sensor device, a sensor module, and a sensor device, which can perform high-precision force detection by blocking the sensor element from the external environment and increasing the pressure receiving sensitivity of the sensor element. The purpose is to provide a force detection device and a robot.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。
[適用例1]本適用例のセンサーデバイスは、圧電体を有するセンサー素子と、前記センサー素子が配置される第1部材と、前記センサー素子の前記第1部材が接する第1面とは反対の第2面に接触する第2部材と、前記センサー素子の前記第1および第2面と異なる側面を覆う被覆部と、を備えることを特徴としている。
上記構成により、容易かつ安価な構成でセンサー素子を外部環境から遮断することができる。従って、水分等による測定誤差の虞がない信頼性の高い安定した検出データを得ることができる。また外部環境に起因する電極の経年劣化の虞がない。また、センサー素子の一方の主面を覆う第2部材は、被覆部から露出しているため、印加された与圧が第2部材を介して直にセンサー素子の受圧面へ伝達することができる。
SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following application examples.
Application Example 1 A sensor device of this application example is opposite to a sensor element having a piezoelectric body, a first member on which the sensor element is disposed, and a first surface on which the first member of the sensor element is in contact. A second member that contacts the second surface and a covering portion that covers a side surface different from the first and second surfaces of the sensor element are provided.
With the above configuration, the sensor element can be cut off from the external environment with an easy and inexpensive configuration. Accordingly, it is possible to obtain highly reliable and stable detection data that is free from measurement error due to moisture or the like. In addition, there is no risk of aging deterioration of the electrode due to the external environment. Moreover, since the 2nd member which covers one main surface of a sensor element is exposed from the coating | coated part, the applied pressurization can be directly transmitted to the pressure receiving surface of a sensor element via a 2nd member. .

[適用例2]前記被覆部は、前記第1部材の一部及び前記第2部材の側面の一部を覆うことを特徴とする適用例1に記載のセンサーデバイス。
上記構成により、第1部材上のセンサー素子及び第2部材を支持して、センサー素子を外部環境から遮断することができる。
Application Example 2 The sensor device according to Application Example 1, wherein the covering portion covers a part of the first member and a part of a side surface of the second member.
With the above configuration, the sensor element and the second member on the first member can be supported and the sensor element can be blocked from the external environment.

[適用例3]前記第2部材は、前記センサー素子と前記第2部材の接触面の法線方向からの平面視で、前記第2部材の周縁が前記センサー素子の上面の周縁を囲む位置に配置されていることを特徴とする適用例1又は2に記載のセンサーデバイス。
上記構成により、被覆部の充填の際、第1部材の底面から層が形成されるが、センサー素子の側面を覆った後に、平面視でセンサー素子よりも第2部材の周縁部の側面に被覆部が到達したときに被覆部の充填速度が変化する状態を、容器の開口側から容易に確認することができる。従って、被覆部がセンサー素子の側面を覆った後、第2部材の一部を覆うまで、十分に充填されているかの確認が容易にでき、被覆部の充填不足によって、センサー素子が外部環境に露出して、水分等による測定誤差の虞がなく、信頼性の高い安定した検出データを得ることができる。
Application Example 3 In the planar view from the normal direction of the contact surface between the sensor element and the second member, the second member is positioned so that the periphery of the second member surrounds the periphery of the upper surface of the sensor element. The sensor device according to Application Example 1 or 2, wherein the sensor device is arranged.
With the above configuration, when the covering portion is filled, a layer is formed from the bottom surface of the first member. After covering the side surface of the sensor element, the side surface of the peripheral portion of the second member is covered more than the sensor element in plan view. The state in which the filling speed of the covering portion changes when the portion reaches can be easily confirmed from the opening side of the container. Therefore, after the covering portion covers the side surface of the sensor element, it can be easily confirmed whether it is sufficiently filled until it covers a part of the second member. There is no risk of measurement errors due to moisture and the like, and stable detection data with high reliability can be obtained.

[適用例4]前記第1部材は、前記センサー素子及び前記第2部材が配置される凹部を有することを特徴とする適用例1ないし3のいずれか1例に記載のセンサーデバイス。
上記構成により、第1部材の剛性を高めながら、センサー素子が外部環境に曝され難い構成にすることができる。
Application Example 4 The sensor device according to any one of Application Examples 1 to 3, wherein the first member has a recess in which the sensor element and the second member are disposed.
With the above configuration, it is possible to make the sensor element difficult to be exposed to the external environment while increasing the rigidity of the first member.

[適用例5]前記被覆部はエポキシ樹脂からなることを特徴とする適用例1ないし4のいずれか1例に記載のセンサーデバイス。
上記構成により、絶縁性と、センサー素子の圧電効果を阻害することがない所定の柔軟性と、圧電体を含むセンサー素子を側面から支持する所定の剛性とを備えることができる。
Application Example 5 The sensor device according to any one of Application Examples 1 to 4, wherein the covering portion is made of an epoxy resin.
With the above configuration, it is possible to provide insulation, predetermined flexibility that does not hinder the piezoelectric effect of the sensor element, and predetermined rigidity that supports the sensor element including the piezoelectric body from the side surface.

[適用例6]前記被覆部は、前記第1部材の接続電極と前記センサー素子の電極を接続する配線を内部に封入したことを特徴とする適用例1ないし5のいずれか1例に記載のセンサーデバイス。
これにより、接続電極と電極を電気的に接続する配線を外部環境から保護することができる。また、配線同士が接触することを防止できる。
Application Example 6 According to any one of Application Examples 1 to 5, wherein the covering portion encloses therein a wiring that connects the connection electrode of the first member and the electrode of the sensor element. Sensor device.
Thereby, the wiring which electrically connects the connection electrode and the electrode can be protected from the external environment. Moreover, it can prevent that wiring contacts.

[適用例7]前記第2部材の材質がセラミック、金属材料、水晶、ガラスのいずれかであることを特徴とする適用例1ないし6のいずれか1例に記載のセンサーデバイス。
上記構成により、所定の剛性を備えて、センサー素子の受圧面に与圧を十分に伝達することができる。
Application Example 7 The sensor device according to any one of Application Examples 1 to 6, wherein a material of the second member is any one of ceramic, metal material, crystal, and glass.
With the above-described configuration, the pressurization can be sufficiently transmitted to the pressure receiving surface of the sensor element with a predetermined rigidity.

[適用例8]前記第1部材の材質がセラミックであることを特徴とする適用例1ないし7のいずれか1例に記載のセンサーデバイス。
上記構成により、所定の剛性を備えることができる。
Application Example 8 The sensor device according to any one of Application Examples 1 to 7, wherein the material of the first member is ceramic.
With the above configuration, predetermined rigidity can be provided.

[適用例9]前記圧電体を複数積層した前記センサー素子の積層方向をZ軸方向とし、当該Z軸方向に直交しかつ互いに直交する方向をそれぞれX軸方向、Y軸方向とした場合、少なくとも前記X軸方向の力を検出する第1センサー素子と、前記Y軸方向の力を検出する第2センサー素子と、前記Z軸方向の力を検出する第3センサー素子と、を備えることを特徴とする適用例1ないし8のいずれか1例に記載のセンサーデバイス。
上記構成により、X方向、Y方向、Z方向、いわゆる3軸方向の力を検出するセンサー素子を相互の位置ずれが制御されることにより、3軸方向の力を検出するセンサーデバイスであっても高い検出精度を損なうことなく、安定して維持させることができる。
Application Example 9 When a stacking direction of the sensor elements in which a plurality of the piezoelectric bodies are stacked is a Z-axis direction, and directions orthogonal to the Z-axis direction and orthogonal to each other are an X-axis direction and a Y-axis direction, at least A first sensor element that detects a force in the X-axis direction, a second sensor element that detects a force in the Y-axis direction, and a third sensor element that detects a force in the Z-axis direction. The sensor device according to any one of Application Examples 1 to 8.
Even if it is a sensor device which detects the force of a triaxial direction by controlling the mutual position shift of the sensor element which detects the force of X direction, Y direction, Z direction, and what is called a triaxial direction by the above-mentioned composition. It can be stably maintained without impairing high detection accuracy.

[適用例10]圧電体を有するセンサー素子と、前記センサー素子が配置される第1部材と、前記センサー素子の前記第1部材が接する第1面とは反対の第2面に接触する第2部材と、前記センサー素子の前記第1及び第2面と異なる側面を覆う被覆部と、前記第2部材と接触する第1プレートと、前記第1部材と接触する第2プレートと、前記第1プレート及び前記第2プレートを締結する締結部と、を備えることを特徴とするセンサーモジュール。
上記構成により、センサーデバイスに対して所定の与圧を印加することができる。
Application Example 10 A sensor element having a piezoelectric body, a first member on which the sensor element is disposed, and a second surface that is in contact with a second surface opposite to the first surface on which the first member of the sensor element is in contact. A member, a covering portion that covers a side surface different from the first and second surfaces of the sensor element, a first plate that contacts the second member, a second plate that contacts the first member, and the first A sensor module comprising: a plate and a fastening portion that fastens the second plate.
With the above configuration, a predetermined pressurizing pressure can be applied to the sensor device.

[適用例11]適用例1ないし9のいずれか1例に記載のセンサーデバイスを備えたことを特徴とする力検出装置。
上記構成により、電荷量および電荷の正負によって、容易に外力負荷を演算計測することができる。また、簡単な構成によって3軸力検出センサーを得ることができ、さらに、上述の適用例のセンサーデバイスを複数用いることで、たとえばトルク計測も含む6軸力検出装置などを容易に得ることができる。
Application Example 11 A force detection apparatus comprising the sensor device according to any one of Application Examples 1 to 9.
With the above configuration, the external force load can be easily calculated and measured based on the amount of charge and the sign of the charge. In addition, a triaxial force detection sensor can be obtained with a simple configuration. Furthermore, by using a plurality of sensor devices according to the application examples described above, for example, a six axis force detection device including torque measurement can be easily obtained. .

[適用例12]圧電体を有するセンサー素子と、前記センサー素子が配置される第1部材と、前記センサー素子の前記第1部材が接する第1面とは反対の第2面に接触する第2部材と、前記センサー素子の前記第1及び第2面と異なる側面を覆う被覆部と、前記センサー素子に電気的に接続する電子回路と、を備えることを特徴とする力検出装置。
上記構成により、電荷量および電荷の正負によって、容易に外力負荷を演算計測することができる。
Application Example 12 A sensor element having a piezoelectric body, a first member on which the sensor element is disposed, and a second surface that is in contact with a second surface opposite to the first surface on which the first member of the sensor element is in contact. A force detection device comprising: a member; a covering portion that covers a side surface different from the first and second surfaces of the sensor element; and an electronic circuit that is electrically connected to the sensor element.
With the above configuration, the external force load can be easily calculated and measured based on the amount of charge and the sign of the charge.

[適用例13]適用例11に記載の力検出装置を備えたことを特徴とするロボット。
上記構成により、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、安全で細かな作業を行うことができる。
Application Example 13 A robot provided with the force detection device according to Application Example 11.
With the above configuration, the detection of contact with obstacles and the contact force with the object that occur during a specified operation for the robot arm or robot hand that operates is detected reliably by the force detection device, and data is sent to the robot control device. By feeding back, safe and detailed work can be performed.

[適用例14]本体部と、前記本体部に接続するアーム部と、前記アーム部に接続するハンド部と、を備えるロボットであって、前記アーム部と前記ハンド部との接続部にセンサーデバイスを有し、前記センサーデバイスは、前記センサー素子が配置される第1部材と、前記センサー素子の前記第1部材が接する第1面とは反対の第2面に接触する第2部材と、前記センサー素子の前記第1及び第2面と異なる側面を覆う被覆部と、を備えることを特徴とするロボット。
上記構成により、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、安全で細かな作業を行うことができる。また少ない変位量であっても高精度な力の検出を安定的に行うことが可能なロボットとなる。
Application Example 14 A robot including a main body portion, an arm portion connected to the main body portion, and a hand portion connected to the arm portion, wherein a sensor device is connected to a connection portion between the arm portion and the hand portion. The sensor device includes: a first member on which the sensor element is disposed; a second member in contact with a second surface opposite to the first surface with which the first member of the sensor element contacts; And a covering portion that covers a side surface different from the first and second surfaces of the sensor element.
With the above configuration, the detection of contact with obstacles and the contact force with the object that occur during a specified operation for the robot arm or robot hand that operates is detected reliably by the force detection device, and data is sent to the robot control device. By feeding back, safe and detailed work can be performed. In addition, the robot can stably detect a highly accurate force even with a small amount of displacement.

第1実施形態に係るセンサーデバイスの断面図である。It is sectional drawing of the sensor device which concerns on 1st Embodiment. 本実施形態のセンサーデバイスの素子積層方向からの平面図である。It is a top view from the element lamination direction of the sensor device of this embodiment. 本実施形態のベース部材の素子積層方向からの平面図である。It is a top view from the element lamination direction of the base member of this embodiment. 本実施形態のセンサー素子の模式図である。It is a schematic diagram of the sensor element of this embodiment. 第2実施形態に係るセンサーデバイスの断面図である。It is sectional drawing of the sensor device which concerns on 2nd Embodiment. 第3実施形態に係るセンサーデバイスの断面図である。It is sectional drawing of the sensor device which concerns on 3rd Embodiment. 本実施形態のセンサーモジュールの断面図である。It is sectional drawing of the sensor module of this embodiment. 本実施形態の力検出装置を示し、(a)は模式図を示し、(b)は平面図を示す。The force detection apparatus of this embodiment is shown, (a) shows a schematic diagram, (b) shows a top view. 本実施形態の力検出装置を搭載したロボットの模式図である。It is a schematic diagram of the robot carrying the force detection apparatus of this embodiment. 従来技術のセンサーデバイスの模式図である。It is a schematic diagram of the sensor device of a prior art. 従来の製造ばらつきが生じたセンサーデバイスの説明図であり、(a)はセンサー素子の上面がパッケージの凹部の開口部の外周となる位置より低くなる場合を示し、(b)はセンサー素子の上面がパッケージの凹部の開口部の外周となる位置より高くなる場合を示している。It is explanatory drawing of the sensor device which the conventional manufacture dispersion | variation produced, (a) shows the case where the upper surface of a sensor element becomes lower than the position used as the outer periphery of the opening part of the recessed part of a package, (b) is an upper surface of a sensor element. Is higher than the position of the outer periphery of the opening of the recess of the package.

本発明のセンサーデバイス、力検出装置、及びロボットの実施形態を添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。
図1は第1実施形態に係るセンサーデバイスの断面図を示す。図2は本実施形態のセンサーデバイスの素子積層方向からの平面図を示す。図3は本実施形態のベース部材の素子積層方向からの平面図を示す。
Embodiments of a sensor device, a force detection apparatus, and a robot of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a sectional view of a sensor device according to the first embodiment. FIG. 2 is a plan view from the element stacking direction of the sensor device of the present embodiment. FIG. 3 is a plan view of the base member of this embodiment from the element stacking direction.

第1実施形態に係るセンサーデバイス10は、圧電体を含むセンサー素子42と、センサー素子42の一方の主面全体を支持する第1部材12と、センサー素子42の他方の主面全体を覆い、外部からの力をセンサー素子42に伝達する第2部材34と、センサー素子42の側面を覆う被覆部40を主な基本構成としている。   The sensor device 10 according to the first embodiment covers a sensor element 42 including a piezoelectric body, a first member 12 that supports the entire one main surface of the sensor element 42, and the other main surface of the other sensor element 42. The second basic member 34 that transmits external force to the sensor element 42 and the covering portion 40 that covers the side surface of the sensor element 42 are the main basic components.

第1部材12は、センサー素子42の下面を支持する部材である。本実施形態の第1部材12の形状は容器型であり、凹部となるベース部材14と側壁部材24から構成されている。ベース部材14と側壁部材24は、いずれもセラミック等の絶縁性材料により形成されている。ベース部材14は、平面視矩形の平板形状であり上面にセンサー素子42が配置される。側壁部材24は、平面視(図2)で外形がベース部材14と同一の形状であり、センサー素子42の周囲を囲むよう(リング状)にベース部材14上に配置される。   The first member 12 is a member that supports the lower surface of the sensor element 42. The shape of the 1st member 12 of this embodiment is a container type, and comprises base member 14 and side wall member 24 used as a crevice. Both the base member 14 and the side wall member 24 are formed of an insulating material such as ceramic. The base member 14 is a flat plate having a rectangular shape in plan view, and the sensor element 42 is disposed on the upper surface. The side wall member 24 has the same outer shape as the base member 14 in plan view (FIG. 2), and is disposed on the base member 14 so as to surround the sensor element 42 (ring shape).

図3に示すように、ベース部材14の上面の中央には、センサー素子の下面に接続する接地電極16が配置されている。また、ベース部材14の側面の四隅には側部電極20A,20B,20C,20Dが配置されている。側部電極20A,20B,20C,20Dは、それぞれ電子回路(不図示)上の実装電極と電気的に接続されている。   As shown in FIG. 3, a ground electrode 16 connected to the lower surface of the sensor element is disposed at the center of the upper surface of the base member 14. Further, side electrodes 20A, 20B, 20C, and 20D are disposed at the four corners of the side surface of the base member 14. The side electrodes 20A, 20B, 20C, and 20D are electrically connected to mounting electrodes on an electronic circuit (not shown), respectively.

また、図1、図2、図3に示すように、ベース部材14の上面には接続電極18A,18B,18C,18Dが配置されている。接続電極18A,18B,18C,18Dは、それぞれ側部電極20A,20B,20C,20Dに対応して配置されている。一方、接続電極18A、18B、18Cの他端は、接地電極16の近傍となる位置に配置されている。そして接続電極18Dの他端は、接地電極16に接続されている。   As shown in FIGS. 1, 2, and 3, connection electrodes 18 </ b> A, 18 </ b> B, 18 </ b> C, and 18 </ b> D are disposed on the upper surface of the base member 14. The connection electrodes 18A, 18B, 18C, 18D are arranged corresponding to the side electrodes 20A, 20B, 20C, 20D, respectively. On the other hand, the other ends of the connection electrodes 18A, 18B, and 18C are arranged at positions near the ground electrode 16. The other end of the connection electrode 18D is connected to the ground electrode 16.

図2に示すように、側壁部材24は、ベース部材14上の周縁となる位置に積層される。側壁部材24は、接続電極18A、18B、18C、18Dを覆うように配置されるが、側壁部材24の内側に接続電極18A、18B、18C、18Dの他端側を露出させ、接地電極16も露出させた状態でベース部材14に積層される。
なお、接地電極16及び接続電極18A,18B,18C,18Dは、導電性を備える金属で形成することができる。
As shown in FIG. 2, the side wall member 24 is laminated at a position on the base member 14. The side wall member 24 is disposed so as to cover the connection electrodes 18A, 18B, 18C, and 18D, but the other end side of the connection electrodes 18A, 18B, 18C, and 18D is exposed inside the side wall member 24, and the ground electrode 16 is also formed. The base member 14 is laminated in an exposed state.
The ground electrode 16 and the connection electrodes 18A, 18B, 18C, and 18D can be formed of a metal having conductivity.

図1に示すように、センサー素子42は、圧電性を有する、例えば水晶、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT:Pb(Zr,Ti)O)、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムなどから形成される板状基板であり、本実施形態では圧電体として水晶板を用いている。そして、センサー素子42は、上から順に第1センサー素子46、第3センサー素子58、第2センサー素子52を積層し形成されたものである。第1センサー素子46は、第1水晶板48A、48Bが第1検出電極50を挟むように形成されている。第2センサー素子52は、第2水晶板54A、54Bが第2検出電極56を挟むように形成されている。第3センサー素子58は、第3水晶板60A,60Bが第3検出電極62を挟むように形成されている。 As shown in FIG. 1, the sensor element 42 is formed of, for example, quartz, lead zirconate titanate (PZT: Pb (Zr, Ti) O 3 ), lithium niobate, lithium tantalate or the like having piezoelectricity. In this embodiment, a quartz plate is used as the piezoelectric body. The sensor element 42 is formed by laminating a first sensor element 46, a third sensor element 58, and a second sensor element 52 in order from the top. The first sensor element 46 is formed such that the first quartz plates 48A and 48B sandwich the first detection electrode 50. The second sensor element 52 is formed such that the second crystal plates 54 </ b> A and 54 </ b> B sandwich the second detection electrode 56. The third sensor element 58 is formed so that the third crystal plates 60 </ b> A and 60 </ b> B sandwich the third detection electrode 62.

そして、第1センサー素子46(第1水晶板48B)と第3センサー素子58(第3水晶板60A)との間には電極となる第1接地電極64が配置され、第3センサー素子58(第3水晶板60B)と第2センサー素子52(第2水晶板54A)との間には第2接地電極66が配置されている。さらに、第1センサー素子46(第1水晶板48A)の上面はセンサー素子42の上面44となっている。導電性の材質を用いた第2部材34に面接触して接地されている。なお絶縁性の第2部材34を用いた場合には、第2部材34とセンサー素子42の上面との間に接置電極が配置されて接地される。また、第2センサー素子52(第2水晶板54B)の下面は、接地電極16に接続されることにより接地される。   A first ground electrode 64 serving as an electrode is disposed between the first sensor element 46 (first crystal plate 48B) and the third sensor element 58 (third crystal plate 60A), and the third sensor element 58 ( A second ground electrode 66 is disposed between the third crystal plate 60B) and the second sensor element 52 (second crystal plate 54A). Further, the upper surface of the first sensor element 46 (first crystal plate 48A) is the upper surface 44 of the sensor element 42. The second member 34 made of a conductive material is grounded in surface contact. When the insulating second member 34 is used, a contact electrode is disposed between the second member 34 and the upper surface of the sensor element 42 and grounded. The lower surface of the second sensor element 52 (second crystal plate 54B) is grounded by being connected to the ground electrode 16.

図2に示すように、第1検出電極50、第2検出電極56、第3検出電極62、第1接地電極64、第2接地電極66は、積層した第1乃至第3水晶板からその一部がはみ出るようにそれぞれ配置されている。そして第1検出電極50は、導電性のワイヤー68Aにより接続電極18Aの露出部分(他端側)に接続され、第2検出電極56は、ワイヤー68Bにより接続電極18Bの露出部分(他端側)に接続され、第3検出電極62は、ワイヤー68Cにより接続電極18Cの露出部分(他端側)に接続される。また、第1接地電極64、及び第2接地電極66、第2部材34は、それぞれワイヤー68D、68E、68Fにより接続電極18Dの露出部分(他端側)に接続されている。   As shown in FIG. 2, the first detection electrode 50, the second detection electrode 56, the third detection electrode 62, the first ground electrode 64, and the second ground electrode 66 are formed from stacked first to third crystal plates. Each part is arranged so that it protrudes. The first detection electrode 50 is connected to the exposed portion (the other end side) of the connection electrode 18A by the conductive wire 68A, and the second detection electrode 56 is connected to the exposed portion (the other end side) of the connection electrode 18B by the wire 68B. The third detection electrode 62 is connected to the exposed portion (the other end side) of the connection electrode 18C by a wire 68C. The first ground electrode 64, the second ground electrode 66, and the second member 34 are connected to the exposed portion (the other end side) of the connection electrode 18D by wires 68D, 68E, and 68F, respectively.

上記接続により、側部電極20Aは、接続電極18A、ワイヤー68Aを介して第1検出電極50に電気的に接続される。また、側部電極20Bは、接続電極18B、ワイヤー68Bを介して第2検出電極56に電気的に接続される。そして、側部電極20Cは、接続電極18C、ワイヤー68Cを介して第3検出電極62に電気的に接続される。   By the above connection, the side electrode 20A is electrically connected to the first detection electrode 50 via the connection electrode 18A and the wire 68A. The side electrode 20B is electrically connected to the second detection electrode 56 through the connection electrode 18B and the wire 68B. The side electrode 20C is electrically connected to the third detection electrode 62 through the connection electrode 18C and the wire 68C.

また、側部電極20Dは、接続電極18Dを介して接地電極16に電気的に接続される。さらに側部電極20Dは、接続電極18Dに接続したワイヤー68Dを介して第1接地電極64に電気的に接続され、接続電極18Dに接続したワイヤー68Eを介して第2接地電極66に電気的に接続され、接続電極18Dに接続したワイヤー68Fを介して第2部材34に電気的に接続される。   Further, the side electrode 20D is electrically connected to the ground electrode 16 through the connection electrode 18D. Further, the side electrode 20D is electrically connected to the first ground electrode 64 via a wire 68D connected to the connection electrode 18D, and is electrically connected to the second ground electrode 66 via a wire 68E connected to the connection electrode 18D. It is connected and electrically connected to the second member 34 via a wire 68F connected to the connection electrode 18D.

前述の各種電極の材料としては、金、チタニウム、アルミニウム、銅、鉄などの単体もしくは合金を用いることができる。例えば、鉄合金としてステンレススチールを用いることも可能であり、耐久性、耐食性が優れることから好適に用いられる。   As the materials for the various electrodes described above, a simple substance or an alloy such as gold, titanium, aluminum, copper, or iron can be used. For example, stainless steel can be used as the iron alloy, and it is preferably used because of its excellent durability and corrosion resistance.

図4は本実施形態のセンサー素子の模式図を示す。本実施形態において、第2部材34はセンサー素子42の上面44の法線方向(γ軸)に平行な方向の力のみならず、上面44の面方向の力、すなわち、γ軸にそれぞれ直交し、かつ互いに直交する2つの方向(α軸、β軸)の力を上面44に伝達可能である。そして、センサー素子42は後述のようにα軸、β軸、γ軸にそれぞれ平行な力を検出することができる。   FIG. 4 is a schematic diagram of the sensor element of the present embodiment. In the present embodiment, the second member 34 is orthogonal to not only the force in the direction parallel to the normal direction (γ axis) of the upper surface 44 of the sensor element 42 but also the force in the surface direction of the upper surface 44, that is, the γ axis. In addition, forces in two directions (α axis and β axis) orthogonal to each other can be transmitted to the upper surface 44. The sensor element 42 can detect forces parallel to the α-axis, β-axis, and γ-axis, as will be described later.

第1センサー素子46において、第1水晶板48A,48Bは、Yカット水晶板により形成され、圧電効果を発生させる結晶方位であるX方向が第1水晶板48A,48Bの法線(図4のγ軸に平行な方向)に垂直な方向となる結晶方位を有している。そして、第1水晶板48A,48Bは、X方向が互いに逆方向となるように配置されている。さらに、第1水晶板48A,48Bは、X方向が空間直交座標のα軸と平行となるように配置されている。   In the first sensor element 46, the first crystal plates 48A and 48B are formed of Y-cut crystal plates, and the X direction, which is the crystal orientation for generating the piezoelectric effect, is normal to the first crystal plates 48A and 48B (FIG. 4). The crystal orientation is perpendicular to the direction parallel to the γ-axis. The first crystal plates 48A and 48B are arranged so that the X directions are opposite to each other. Furthermore, the first crystal plates 48A and 48B are arranged so that the X direction is parallel to the α axis of the space orthogonal coordinates.

第2センサー素子52において、第2水晶板54A,54Bは、Yカット水晶板により形成され、X方向が第2水晶板54A,54Bの法線(γ軸に平行な方向)に垂直な方向となる結晶方位を有している。そして、第2水晶板54A,54Bは、X方向が互いに逆方向となるように配置されている。さらに、第2水晶板54A,54Bは、X方向が空間直交座標のβ軸と平行となるように配置されている。   In the second sensor element 52, the second crystal plates 54A and 54B are formed of Y-cut crystal plates, and the X direction is perpendicular to the normal line (the direction parallel to the γ axis) of the second crystal plates 54A and 54B. The crystal orientation is as follows. The second crystal plates 54A and 54B are arranged so that the X directions are opposite to each other. Further, the second crystal plates 54A and 54B are arranged so that the X direction is parallel to the β-axis of the space orthogonal coordinates.

第3センサー素子58において、第3水晶板60A,60Bは、Xカット水晶板により形成され、X方向が第3水晶板60A,60Bの法線(γ軸に平行な方向)と平行な方向となる結晶方位を有している。そして、第3水晶板60A,60Bは、X方向が互いに逆方向となるように配置されている。さらに、第3水晶板60A,60Bは、X方向が空間直交座標のγ軸と平行となるように配置されている。   In the third sensor element 58, the third crystal plates 60A and 60B are formed by X-cut crystal plates, and the X direction is parallel to the normal line (the direction parallel to the γ axis) of the third crystal plates 60A and 60B. The crystal orientation is as follows. The third crystal plates 60A and 60B are arranged so that the X directions are opposite to each other. Furthermore, the third crystal plates 60A and 60B are arranged so that the X direction is parallel to the γ-axis of the space orthogonal coordinates.

図4に示すように、本実施形態のセンサーデバイス10は、空間直交座標のγ軸に平行な方向をセンサーデバイス10の高さ方向としている。そして、後述する第1与圧プレート70及び第2与圧プレート80によりγ軸の方向から挟み込まれ与圧が与えられ、第2部材34を介してセンサー素子42にγ軸に平行な方向から与圧が印加される。これにより、第3水晶板60A,60BはX方向から与圧(圧縮力)を受けることになるので圧電効果により電荷が誘起し、第3検出電極62に電荷(Fz信号)が出力される。   As shown in FIG. 4, the sensor device 10 according to the present embodiment uses the direction parallel to the γ-axis of the space orthogonal coordinates as the height direction of the sensor device 10. Then, the first pressurizing plate 70 and the second pressurizing plate 80 which will be described later are sandwiched from the direction of the γ-axis and applied with the pressure, and the sensor element 42 is applied via the second member 34 from the direction parallel to the γ-axis. Pressure is applied. As a result, the third crystal plates 60A and 60B receive pressure (compression force) from the X direction, so that charge is induced by the piezoelectric effect, and charge (Fz signal) is output to the third detection electrode 62.

上記構成において、第1与圧プレート70及び第2与圧プレート80の相対位置が互いにα軸に平行な方向にずれる外力が印加されると、第2部材34を介してセンサー素子42には、α軸に平行な方向の外力が印加される。すると、第1水晶板48A,48Bは、X方向から外力(せん断力)を受けることになるので圧電効果により電荷を誘起し、第1検出電極50に電荷(Fx信号)が出力される。   In the above configuration, when an external force in which the relative positions of the first pressurizing plate 70 and the second pressurizing plate 80 are shifted in a direction parallel to the α axis is applied to the sensor element 42 via the second member 34, An external force in a direction parallel to the α axis is applied. Then, since the first quartz plates 48A and 48B receive external force (shearing force) from the X direction, charges are induced by the piezoelectric effect, and charges (Fx signal) are output to the first detection electrode 50.

また第1与圧プレート70及び第2与圧プレート80の相対位置が互いにβ軸に平行な方向にずれる外力が印加されると、第2部材34を介してセンサー素子42には、β軸に平行な方向の外力が印加される。すると第2水晶板54A,54BはX方向から外力(せん断力)を受けることになるので圧電効果により電荷を誘起し、第2検出電極56に電荷(Fy信号)が出力される。   Further, when an external force is applied in which the relative positions of the first pressurizing plate 70 and the second pressurizing plate 80 are shifted in the direction parallel to the β axis, the sensor element 42 is moved to the β axis via the second member 34. An external force in a parallel direction is applied. Then, since the second crystal plates 54A and 54B receive external force (shearing force) from the X direction, electric charges are induced by the piezoelectric effect, and electric charges (Fy signals) are output to the second detection electrodes 56.

さらに第1与圧プレート70及び第2与圧プレート80の相対位置が互いにγ軸に平行な方向にずれる外力が印加されると、第2部材34を介してセンサー素子42には、γ軸に平行な方向の外力が印加される。すると、第3水晶板60A,60BはX方向から外力(圧縮力または引張力)を受けることになるので圧電効果により誘起される電荷量が変化し、第3検出電極62に出力される電荷(Fz信号)の大きさが変化する。   Further, when an external force is applied so that the relative positions of the first pressurizing plate 70 and the second pressurizing plate 80 are shifted in a direction parallel to the γ axis, the sensor element 42 is moved to the γ axis via the second member 34. An external force in a parallel direction is applied. Then, since the third crystal plates 60A and 60B receive an external force (compression force or tensile force) from the X direction, the amount of charge induced by the piezoelectric effect changes, and the charge output to the third detection electrode 62 ( The magnitude of the (Fz signal) changes.

よって、本実施形態のセンサーデバイス10は、側部電極20Aを介して第1検出電極50に出力される電荷(Fx信号)と、側部電極20Bを介して第2検出電極56に出力される電荷(Fy信号)と、側部電極20Cを介して第3検出電極62に出力される電荷(Fz信号)と、をそれぞれモニターすることができ、互いに直交するα軸(後述のX軸)、β軸(後述のY軸)、γ軸(後述のZ軸)に平行な方向の外力(Fx、Fy、Fz)を検知することができる。なお、センサー素子42は、第1センサー素子46、第2センサー素子52、第3センサー素子58の積層構造となっているが、少なくともいずれか1つ以上を用いる構成としてもよい。   Therefore, the sensor device 10 of the present embodiment outputs the charge (Fx signal) output to the first detection electrode 50 via the side electrode 20A and the second detection electrode 56 via the side electrode 20B. The charge (Fy signal) and the charge (Fz signal) output to the third detection electrode 62 via the side electrode 20C can be monitored, respectively, an α axis (X-axis described later) orthogonal to each other, External forces (Fx, Fy, Fz) in a direction parallel to the β axis (Y-axis described later) and the γ-axis (Z axis described later) can be detected. The sensor element 42 has a laminated structure of the first sensor element 46, the second sensor element 52, and the third sensor element 58, but may be configured to use at least one of them.

第2部材34は、セラミック、金属材料、水晶、ガラスにより略矩形形状(平面視でセンサー素子42の上面(受圧面)と同一又はそれよりも大きい形状)に形成されている。第2部材34はセンサー素子42の上面の全領域を覆うように載置している。また、第2部材34は第1部材12の凹部の開口部30から露出した状態となる。第2部材34の厚みは、第1部材12に配置したセンサー素子42の上面に第2部材34を載置した状態で、第2部材34の上面が側壁部材24の上面と同じ高さか、又は第2部材34の上面の高さが側壁部材24の上面よりも僅かに高くなるように形成している。このような構成の第2部材34は、後述の第1与圧プレート70により与圧が印加された状態でセンサー素子42の受圧面となる上面44の全面に面接触している。   The second member 34 is formed in a substantially rectangular shape (a shape that is the same as or larger than the upper surface (pressure receiving surface) of the sensor element 42 in plan view) of ceramic, metal material, crystal, or glass. The second member 34 is placed so as to cover the entire area of the upper surface of the sensor element 42. Further, the second member 34 is exposed from the opening 30 of the concave portion of the first member 12. The thickness of the second member 34 is such that the upper surface of the second member 34 is the same height as the upper surface of the side wall member 24 in a state where the second member 34 is placed on the upper surface of the sensor element 42 disposed on the first member 12. The upper surface of the second member 34 is formed so as to be slightly higher than the upper surface of the side wall member 24. The second member 34 having such a configuration is in surface contact with the entire upper surface 44 serving as a pressure receiving surface of the sensor element 42 in a state where a pressure is applied by a first pressure plate 70 described later.

被覆部40は、第1部材12とセンサー素子42と第2部材34に接着する被覆である。被覆部40は、絶縁性と、センサー素子42の圧電効果を阻害することがない所定の柔軟性と、圧電体を含むセンサー素子42を側面から支持する所定の剛性とを備えていることが望ましい。このような特性を備えるため本実施形態では、被覆部40の材質に一例として紫外線硬化型又は熱硬化性のエポキシ樹脂を用いている。本実施形態の被覆部40は、第1部材12のベース部材14上に充填されている。このとき被覆部40は、第1部材12の一部と、センサー素子42の側面の全領域と、第2部材34の一部と接着するように形成されている。このような形態により、センサー素子42は、下面(一方の主面)の全領域が第1部材12によって覆われて、上面(他方の主面)の全領域が第2部材34によって覆われている。またセンサー素子42の側面は、被覆部40によって全領域が覆われている。よって、センサー素子42は外部環境から遮断されて、湿度などに起因する測定誤差の虞がない。また外部環境に起因する電極の経年劣化の虞がない。本実施形態の被覆部40は、センサー素子42の上面に接着しないように構成している。センサー素子42の上面に被覆部40が形成されると後述の与圧プレートによる与圧の印加で与圧が被覆部40に一部吸収されてしまい感度に影響を及ぼすためである。また樹脂は、荷重の方向が同じで大きさが時間によって変化する荷重、すなわち繰り返し荷重に弱く、圧電効果を利用した検出素子の受圧面に形成することは好ましくないからである。   The covering portion 40 is a covering that adheres to the first member 12, the sensor element 42, and the second member 34. The covering portion 40 preferably has insulating properties, predetermined flexibility that does not hinder the piezoelectric effect of the sensor element 42, and predetermined rigidity that supports the sensor element 42 including the piezoelectric body from the side surface. . In order to have such characteristics, in this embodiment, an ultraviolet curable or thermosetting epoxy resin is used as an example of the material of the covering portion 40. The covering portion 40 of this embodiment is filled on the base member 14 of the first member 12. At this time, the covering portion 40 is formed so as to adhere to a part of the first member 12, the entire region of the side surface of the sensor element 42, and a part of the second member 34. With this configuration, the sensor element 42 has the entire lower surface (one main surface) covered with the first member 12 and the upper surface (the other main surface) covered with the second member 34. Yes. Further, the entire side surface of the sensor element 42 is covered by the covering portion 40. Therefore, the sensor element 42 is cut off from the external environment, and there is no risk of measurement error due to humidity or the like. In addition, there is no risk of aging deterioration of the electrode due to the external environment. The covering portion 40 of this embodiment is configured not to adhere to the upper surface of the sensor element 42. This is because when the covering portion 40 is formed on the upper surface of the sensor element 42, the pressure is partially absorbed by the covering portion 40 due to the application of the pressurizing plate described later and affects the sensitivity. In addition, the resin is not susceptible to a load having the same load direction and a magnitude that changes with time, that is, a repeated load, and is not preferably formed on the pressure receiving surface of the detection element using the piezoelectric effect.

このようなセンサーデバイス10の製造方法は以下のように行う。まずセンサー素子42を第1部材12のベース部材14上に載置して、導電性のワイヤー68Aにより接続電極18Aの露出部分(他端側)と第1検出電極50を接続する。ワイヤー68Bにより接続電極18Bの露出部分(他端側)と第2検出電極56を接続する。ワイヤー68Cにより接続電極18Cの露出部分(他端側)と第3検出電極62を接続する。また、第1接地電極64と、第2接地電極66と、第2部材34を、それぞれワイヤー68D、68E、68Fにより接続電極18Dの露出部分(他端側)に接続する。   The manufacturing method of such a sensor device 10 is performed as follows. First, the sensor element 42 is placed on the base member 14 of the first member 12, and the exposed portion (the other end side) of the connection electrode 18A and the first detection electrode 50 are connected by the conductive wire 68A. The exposed portion (the other end side) of the connection electrode 18B and the second detection electrode 56 are connected by the wire 68B. The exposed portion (the other end side) of the connection electrode 18C and the third detection electrode 62 are connected by the wire 68C. The first ground electrode 64, the second ground electrode 66, and the second member 34 are connected to the exposed portion (the other end side) of the connection electrode 18D by wires 68D, 68E, and 68F, respectively.

次に、第1部材12の内部に被覆部40を形成する。被覆部40は、図1に示すように、第1部材12の凹部の開口部30から樹脂を、第2部材34の一部、すなわち第2部材34の側面の一部が覆われるまで供給して形成している。このときワイヤー68A,68B,68C,68D,68E,68Fは被覆部40内に埋め込まれた状態となる。そして、被覆部40が硬化すると、センサー素子42は、上面の全領域が第2部材34で覆われ、下面の全領域が第1部材12で覆われ、側面の全領域が被覆部40によって覆われる。また第2部材34の上面は、第1部材12の凹部の開口部30から露出した状態となる。被覆部40の接着力によって、第1部材12上の第2部材34とセンサー素子42の積層構造が維持される。また被覆部40により、第1部材12の接続電極18とセンサー素子42の電極を接続するワイヤーが内部に封入された状態となる。   Next, the covering portion 40 is formed inside the first member 12. As shown in FIG. 1, the covering portion 40 supplies resin from the opening 30 of the concave portion of the first member 12 until a part of the second member 34, that is, a part of the side surface of the second member 34 is covered. Formed. At this time, the wires 68A, 68B, 68C, 68D, 68E, and 68F are embedded in the covering portion 40. When the covering portion 40 is cured, the entire area of the upper surface of the sensor element 42 is covered with the second member 34, the entire area of the lower surface is covered with the first member 12, and the entire area of the side surface is covered with the covering portion 40. Is called. Further, the upper surface of the second member 34 is exposed from the opening 30 of the concave portion of the first member 12. The laminated structure of the second member 34 on the first member 12 and the sensor element 42 is maintained by the adhesive force of the covering portion 40. In addition, the wire that connects the connection electrode 18 of the first member 12 and the electrode of the sensor element 42 is sealed inside by the covering portion 40.

このような構成のセンサーデバイス10によれば、センサー素子42が上面の全領域を第2部材34によって覆われ、下面の全領域が第1部材12によって覆われ、側面の全領域が被覆部40によって覆われた構成となり、容易かつ安価な構成でセンサー素子42を外部環境から遮断することができる。従って、水分等による測定誤差の虞がない信頼性の高い安定した検出データを得ることができる。また外部環境に起因する電極の経年劣化の虞がない。   According to the sensor device 10 having such a configuration, the sensor element 42 is covered by the second member 34 in the entire area of the upper surface, the entire area of the lower surface is covered by the first member 12, and the entire area of the side surface is covered 40. The sensor element 42 can be shut off from the external environment with an easy and inexpensive configuration. Accordingly, it is possible to obtain highly reliable and stable detection data that is free from measurement error due to moisture or the like. In addition, there is no risk of aging deterioration of the electrode due to the external environment.

また、センサー素子42の上面を覆う第2部材34は、被覆部40から露出している。このため、与圧プレートから印加された与圧が第2部材34を介して直接センサー素子に伝達することができる。従って被覆部40を介したときに生じる与圧の感度低下や、充填が一部不十分な被覆部40による厚みのばらつきによって生じる感度低下を防止することができる。   Further, the second member 34 that covers the upper surface of the sensor element 42 is exposed from the covering portion 40. For this reason, the pressurization applied from the pressurization plate can be directly transmitted to the sensor element via the second member 34. Accordingly, it is possible to prevent a decrease in the sensitivity of the pressurization that occurs when the coating portion 40 is passed through, and a decrease in the sensitivity that occurs due to a variation in thickness due to the coating portion 40 that is partially insufficiently filled.

さらにセンサー素子の外部環境との遮断にリッドを用いたパッケージの封止を用いていないため、寸法誤差に起因するパッケージの製造ばらつきの影響を受けることがない。また、溶接を用いたパッケージの封止時の発熱によってセンサー素子が影響を受ける問題も生じない。   Furthermore, since the sealing of the package using the lid is not used to cut off the sensor element from the external environment, the sensor element is not affected by the manufacturing variation of the package due to the dimensional error. In addition, there is no problem that the sensor element is affected by heat generated during sealing of the package using welding.

被覆部40は、第1部材12の接続電極とセンサー素子の電極を接続するワイヤーを内部に封入している。これにより、接続電極と電極を電気的に接続する配線を外部環境から保護することができる。また、配線同士が接触することを防止できる。   The covering portion 40 encloses a wire connecting the connection electrode of the first member 12 and the electrode of the sensor element. Thereby, the wiring which electrically connects the connection electrode and the electrode can be protected from the external environment. Moreover, it can prevent that wiring contacts.

図5は第2実施形態に係るセンサーデバイスの断面図である。第2実施形態に係るセンサーデバイス10Aは、第1実施形態の第2部材34よりも平面視で大きい第2部材34Aを用いている。その他の構成は第1実施形態のセンサーデバイス10と同一の構成であり、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。   FIG. 5 is a cross-sectional view of a sensor device according to the second embodiment. The sensor device 10A according to the second embodiment uses a second member 34A that is larger in plan view than the second member 34 of the first embodiment. Other configurations are the same as those of the sensor device 10 of the first embodiment, and the same reference numerals are given and detailed description thereof is omitted.

第2実施形態の第2部材34Aは、第2部材34と同様の材質を用い、平面視でセンサー素子42の上面の周縁を囲むように周縁部35が形成されている。第2部材34Aは、センサー素子42の上面(受圧面)の全領域を覆うように載置されると、周縁部35が平面視でセンサー素子42の上面から水平方向、換言すれば側壁部材24へ向けて突出している。周縁部35の下面にはワイヤー68Fが接続している。また、第2部材34Aは第1部材12の凹部の開口部30から露出した状態となる。第2部材34Aの厚みは、第1部材12に配置したセンサー素子42の上面に第2部材34Aを載置した状態で、第2部材34Aの上面が側壁部材24の上面と同じ高さか、又は第2部材34Aの上面の高さが側壁部材24の上面よりも僅かに高くなるように形成している。このような構成の第2部材34Aは、後述の第1与圧プレート70により与圧が印加された状態でセンサー素子42の受圧面となる上面44の全面に面接触している。   The second member 34A of the second embodiment is made of the same material as that of the second member 34, and has a peripheral portion 35 so as to surround the peripheral edge of the upper surface of the sensor element 42 in plan view. When the second member 34A is placed so as to cover the entire area of the upper surface (pressure receiving surface) of the sensor element 42, the peripheral edge 35 is horizontal from the upper surface of the sensor element 42 in plan view, in other words, the side wall member 24. Protrudes toward. A wire 68 </ b> F is connected to the lower surface of the peripheral portion 35. Further, the second member 34 </ b> A is exposed from the opening 30 of the concave portion of the first member 12. The thickness of the second member 34A is such that the upper surface of the second member 34A is the same height as the upper surface of the side wall member 24 in a state where the second member 34A is placed on the upper surface of the sensor element 42 disposed on the first member 12. The upper surface of the second member 34 </ b> A is formed to be slightly higher than the upper surface of the side wall member 24. The second member 34 </ b> A having such a configuration is in surface contact with the entire upper surface 44 serving as a pressure receiving surface of the sensor element 42 in a state where a pressure is applied by a first pressure plate 70 described later.

第2実施形態の被覆部40は、第1実施形態と同様に、第2部材34Aの側面の一部と接着するように形成されている。
このような構成の第2実施形態に係るセンサーデバイス10Aによれば、被覆部40の充填の際、第1部材12の底面から層が形成されるが、センサー素子42の側面を覆った後に、平面視でセンサー素子42よりも第2部材34Aの周縁部35の側面に樹脂が到達したときに被覆部の充填速度が変化する状態、換言すれば第1部材12の凹部の開口面積がセンサー素子42の側面と、第2部材34の側面とでは異なり、開口面積が小さい方の充填速度が速くなる状態を、容器12の開口側から容易に確認することができる。従って、被覆部40がセンサー素子42の側面を覆った後、第2部材34の一部を覆うまで、十分に充填されているかの確認が容易にでき、被覆部40の充填不足によって、センサー素子が外部環境に露出して、水分等による測定誤差の虞がない信頼性の高い安定した検出データを得ることができる。また第2実施形態に係るセンサーデバイス10Aについても、第1実施形態に係るセンサーデバイスと同様の効果が得られる。
The covering portion 40 of the second embodiment is formed so as to adhere to a part of the side surface of the second member 34A, as in the first embodiment.
According to the sensor device 10A according to the second embodiment having such a configuration, a layer is formed from the bottom surface of the first member 12 when the covering portion 40 is filled, but after covering the side surface of the sensor element 42, The state in which the filling speed of the covering portion changes when the resin reaches the side surface of the peripheral edge portion 35 of the second member 34A rather than the sensor element 42 in plan view, in other words, the opening area of the recess of the first member 12 is the sensor element. Unlike the side surface of 42 and the side surface of the second member 34, it is possible to easily confirm from the opening side of the container 12 that the filling speed of the smaller opening area is increased. Therefore, after the covering portion 40 covers the side surface of the sensor element 42, it can be easily confirmed whether it is sufficiently filled until a portion of the second member 34 is covered. Therefore, it is possible to obtain highly reliable and stable detection data that is exposed to the external environment and does not cause a measurement error due to moisture or the like. Also, the sensor device 10A according to the second embodiment can achieve the same effects as the sensor device according to the first embodiment.

図6は第3実施形態に係るセンサーデバイスの断面図である。第3実施形態に係るセンサーデバイス10Bは、第1部材12がベース部材14のみの構成であり、側壁部材(不図示)がベース部材14から着脱可能に構成している。その他の構成は第1実施形態のセンサーデバイス10と同一の構成であり、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。   FIG. 6 is a cross-sectional view of a sensor device according to the third embodiment. In the sensor device 10 </ b> B according to the third embodiment, the first member 12 is configured only by the base member 14, and the side wall member (not illustrated) is configured to be detachable from the base member 14. Other configurations are the same as those of the sensor device 10 of the first embodiment, and the same reference numerals are given and detailed description thereof is omitted.

本実施形態のセンサーデバイス10Bは、第1部材12のリング状の側壁部材(不図示)がベース部材14から着脱可能に形成されている。着脱手段としては、側壁部材及びベース部材14の接触面に形成された凹部及び凸部の嵌め合わせ構造や、着脱可能な接着手段等を用いることができる。そして、第1実施形態に係るセンサーデバイス10と同様に第1部材12上にセンサー素子42と被覆部40を形成した後、側壁部材を取り外している。   In the sensor device 10 </ b> B of the present embodiment, a ring-shaped side wall member (not shown) of the first member 12 is formed so as to be detachable from the base member 14. As the attaching / detaching means, a fitting structure of recesses and protrusions formed on the contact surfaces of the side wall member and the base member 14, an attaching / detaching means, and the like can be used. And after forming the sensor element 42 and the coating | coated part 40 on the 1st member 12 similarly to the sensor device 10 which concerns on 1st Embodiment, the side wall member is removed.

このような構成の第3実施形態に係るセンサーデバイス10Bによれば、第1実施形態に係るセンサーデバイス10と同様の作用効果が得られる。そして、第1部材の構成が簡略化されて、デバイス全体の小型化を図ることができる。また、側壁部材を再利用することにより、製造コストの低減化を図ることができる。   According to the sensor device 10B according to the third embodiment having such a configuration, the same operational effects as those of the sensor device 10 according to the first embodiment can be obtained. And the structure of the 1st member is simplified and size reduction of the whole device can be achieved. In addition, the manufacturing cost can be reduced by reusing the side wall member.

なお第2実施形態に係る第2部材34Aを第3実施形態に係るセンサーデバイス10Bの構成に適用しても良く、第2実施形態に係るセンサーデバイスと同様の作用効果が得られる。   Note that the second member 34A according to the second embodiment may be applied to the configuration of the sensor device 10B according to the third embodiment, and the same operational effects as the sensor device according to the second embodiment are obtained.

図7は本実施形態のセンサーモジュールの断面図である。図示のように本実施形態のセンサーモジュール88は、第1実施形態のセンサーデバイスと、第1プレートと、第2プレートと締結部86を主な基本構成としている。   FIG. 7 is a cross-sectional view of the sensor module of the present embodiment. As shown in the figure, the sensor module 88 of the present embodiment has the sensor device of the first embodiment, the first plate, the second plate, and the fastening portion 86 as the main basic configuration.

本実施形態の第1プレートとなる第1与圧プレート70Aは、平面視で第1部材12よりも大きい略矩形のプレート板である。第1与圧プレート70Aは材質にステンレス等の金属材料を用いており、所定の強度を備えて加工容易に形成することができる。また第1与圧プレート70Aは、後述する締結部86が挿入される貫通孔74が形成されている。貫通孔74は、締結部86のヘッドが挿入される第1孔74Aと、シャフトが挿入される第2孔74Bとから構成されている。   70 A of 1st pressurization plates used as the 1st plate of this embodiment are substantially rectangular plate plates larger than the 1st member 12 by planar view. The first pressurizing plate 70A is made of a metal material such as stainless steel, and has a predetermined strength and can be easily formed. Further, the first pressurizing plate 70A is formed with a through hole 74 into which a fastening portion 86 described later is inserted. The through hole 74 includes a first hole 74A into which the head of the fastening portion 86 is inserted, and a second hole 74B into which the shaft is inserted.

第2プレートとなる第2与圧プレート80Aは、平面視で第1部材12よりも大きく、第1与圧プレート70Aと略同一形状のプレート板である。第2与圧プレート80Aは、後述する締結部86の雄ねじが螺合するねじ穴82が形成されている。第2与圧プレート80Aは材質にステンレス等の金属材料を用いており、所定の強度を備えて加工容易に形成することができる。なお、第1与圧プレート70A及び第2与圧プレート80Aは、平面視で矩形形状のほか円板、楕円、多角形に形成しても良い。   The second pressurizing plate 80A serving as the second plate is a plate plate that is larger than the first member 12 in plan view and has substantially the same shape as the first pressurizing plate 70A. The second pressurizing plate 80A is formed with a screw hole 82 into which a male screw of a fastening portion 86 described later is screwed. The second pressurizing plate 80A is made of a metal material such as stainless steel, and has a predetermined strength and can be easily formed. Note that the first pressurizing plate 70A and the second pressurizing plate 80A may be formed in a disc, an ellipse, or a polygon in addition to a rectangular shape in plan view.

締結部86は、第1与圧プレート70A及び第2与圧プレート80A間でセンサーデバイス10を挟持した状態で第1与圧プレート70A及び第2与圧プレート80Aを締結する部材である。本実施形態の締結部86は締結ボルトである。締結ボルトはヘッドとシャフトから構成されている。シャフトの先端は、ねじ切り加工が施された雄ねじが形成されて、第2与圧プレート80Aのねじ穴82へ螺合させることができる。このような締結部86は、第1与圧プレート70A及び第2与圧プレート80A間にセンサーデバイス10を加圧しながら固定できれば良く、本実施形態では、一例としてセンサーデバイス10を間に挟むように2箇所に設置している。   The fastening portion 86 is a member that fastens the first pressurizing plate 70A and the second pressurizing plate 80A in a state where the sensor device 10 is sandwiched between the first pressurizing plate 70A and the second pressurizing plate 80A. The fastening part 86 of this embodiment is a fastening bolt. The fastening bolt is composed of a head and a shaft. The end of the shaft is formed with a threaded male screw and can be screwed into the screw hole 82 of the second pressurizing plate 80A. Such a fastening portion 86 only needs to be able to fix the sensor device 10 while pressurizing it between the first pressurizing plate 70A and the second pressurizing plate 80A. In the present embodiment, as an example, the sensor device 10 is sandwiched therebetween. Installed in two places.

このようなセンサーモジュール88の組み立ては、まず第2与圧プレート80Aの実装面にセンサーデバイス10を載置する。そして第1与圧プレート70Aをセンサーデバイス10上に配置する。次に締結部86となる締結ボルトを第1与圧プレート70Aの貫通孔74から挿入し、第2与圧プレート80Aのねじ穴82に螺合させる。このとき所定の与圧(例えば10kN程度)が印加されるように締結部86の締め込み量を調整することができる。
このような構成のセンサーモジュール88によれば、センサーデバイス10に対して所定の与圧を印加することができる。
In assembling such a sensor module 88, first, the sensor device 10 is placed on the mounting surface of the second pressurizing plate 80A. Then, the first pressurizing plate 70 </ b> A is disposed on the sensor device 10. Next, a fastening bolt serving as a fastening portion 86 is inserted from the through hole 74 of the first pressurizing plate 70A and screwed into the screw hole 82 of the second pressurizing plate 80A. At this time, the tightening amount of the fastening portion 86 can be adjusted so that a predetermined pressurizing pressure (for example, about 10 kN) is applied.
According to the sensor module 88 having such a configuration, a predetermined pressure can be applied to the sensor device 10.

図8に本実施形態の力検出装置を示し、(a)は模式図を示し、(b)は平面図を示す。本実施形態の力検出装置90は、4つのセンサーデバイス10を第1与圧プレート70及び第2与圧プレート80により挟み込んだ構成である。第1与圧プレート70及び第2与圧プレート80は、いずれも平面視で円板状に形成され、中心を通り互いに直交する線上に4つのセンサーデバイス10を配置している。第2与圧プレート80は、センサーデバイス10を配置する箇所に電子回路基板(不図示)が4つ形成されている。   FIG. 8 shows a force detection device according to the present embodiment, where (a) shows a schematic view and (b) shows a plan view. The force detection device 90 of this embodiment has a configuration in which four sensor devices 10 are sandwiched between a first pressurizing plate 70 and a second pressurizing plate 80. The first pressurizing plate 70 and the second pressurizing plate 80 are both formed in a disc shape in plan view, and the four sensor devices 10 are arranged on lines that pass through the center and are orthogonal to each other. In the second pressurizing plate 80, four electronic circuit boards (not shown) are formed at locations where the sensor device 10 is disposed.

このような力検出装置90の組み立ては、まず第2与圧プレート80にセンサーデバイス10を載置し、側部電極20A,20B,20C,20Dと電子回路基板(不図示)の実装電極を電気的に接続させる。そして第1与圧プレート70をセンサーデバイス10上に配置する。次に、第1与圧プレート70と第2与圧プレート80のプレート間でセンサーデバイスを挟んだ状態で締結手段(不図示)の締め込み量を調整して、センサーデバイス10に所定の与圧(例えば10kN程度)が印加されるようにする。   In assembling such a force detection device 90, first, the sensor device 10 is placed on the second pressurizing plate 80, and the side electrodes 20A, 20B, 20C, 20D and the mounting electrodes of the electronic circuit board (not shown) are electrically connected. Connect. Then, the first pressurizing plate 70 is disposed on the sensor device 10. Next, the tightening amount of the fastening means (not shown) is adjusted in a state where the sensor device is sandwiched between the first pressurizing plate 70 and the second pressurizing plate 80, and a predetermined pressurizing force is applied to the sensor device 10. (For example, about 10 kN) is applied.

このような構成の力検出装置90は、4つのセンサーデバイス10が全て同じ方向に向いた状態で第1与圧プレート70及び第2与圧プレート80に挟み込まれ、与圧が印加される。例えば、センサーデバイス10において、第1センサー素子46(図1、図4)の検出軸をFxに平行な方向に向け、第2センサー素子52(図1、図4)の検出軸をFyに平行な方向に向け、第3センサー素子58(図1、図4)の検出軸をFzに平行な方向に向けた状態となっている。   The force detection device 90 having such a configuration is sandwiched between the first pressurizing plate 70 and the second pressurizing plate 80 in a state where all the four sensor devices 10 face in the same direction, and the pressurizing force is applied. For example, in the sensor device 10, the detection axis of the first sensor element 46 (FIGS. 1 and 4) is oriented in a direction parallel to Fx, and the detection axis of the second sensor element 52 (FIGS. 1 and 4) is parallel to Fy. In this direction, the detection axis of the third sensor element 58 (FIGS. 1 and 4) is oriented in a direction parallel to Fz.

ここで、第1与圧プレート70及び第2与圧プレート80の相対位置が互いにFx方向にずれる力を受けた場合、センサーデバイス10はそれぞれFx1、Fx2、Fx3、Fx4の力を検出する。また、第1与圧プレート70及び第2与圧プレート80の相対位置が互いにFy方向にずれる力を受けた場合、センサーデバイス10はそれぞれFy1、Fy2、Fy3、Fy4の力を検出する。さらに、第1与圧プレート70及び第2与圧プレート80の相対位置が互いにFz方向にずれる力を受けた場合、センサーデバイス10はそれぞれFz1、Fz2、Fz3、Fz4の力を検出する。   Here, when the relative position of the first pressurizing plate 70 and the second pressurizing plate 80 receives a force that shifts in the Fx direction, the sensor device 10 detects the forces of Fx1, Fx2, Fx3, and Fx4, respectively. When the relative position of the first pressurizing plate 70 and the second pressurizing plate 80 receives a force that is shifted in the Fy direction, the sensor device 10 detects the forces of Fy1, Fy2, Fy3, and Fy4, respectively. Furthermore, when the relative position of the first pressurizing plate 70 and the second pressurizing plate 80 receives a force that shifts in the Fz direction, the sensor device 10 detects the forces of Fz1, Fz2, Fz3, and Fz4, respectively.

したがって、力検出装置90において、互いに直交する力Fx、Fy、Fz、Fxに平行な方向を回転軸とする回転力Mx、Fyに平行な方向を回転軸とする回転力My、Fzに平行な方向を回転軸とする回転力Mzは、以下のように求めることができる。   Therefore, in the force detection device 90, the rotational force Mx is set to a direction parallel to the forces Fx, Fy, Fz, and Fx orthogonal to each other, and the rotational force My and Fz is set to be parallel to the direction parallel to Fy. The rotational force Mz whose direction is the rotation axis can be obtained as follows.

ここで、a、bは定数とする。よって本実施形態の力検出装置90は、三次元のあらゆる方向からの力(6軸方向の力)を検知することができ、少ない変位量であっても高精度な力の検出を安定的に行うことが可能な力検出装置90となる。   Here, a and b are constants. Therefore, the force detection device 90 according to the present embodiment can detect forces from all three dimensions (forces in six axes) and stably detect highly accurate forces even with a small amount of displacement. The force detection device 90 can be performed.

図9に、本実施形態の力検出装置を搭載したロボットを示す。図9に示すように、ロボット100は、本体部102、アーム部104、ロボットハンド部116などから構成されている。本体部102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104は、本体部102に対して可動となるように設けられており、本体部102にはアーム部104を回転させるための動力を発生するアクチュエータ(不図示)や、アクチュエータを制御する制御部等(不図示)が内蔵されている。   FIG. 9 shows a robot equipped with the force detection device of this embodiment. As shown in FIG. 9, the robot 100 includes a main body 102, an arm 104, a robot hand 116, and the like. The main body 102 is fixed on, for example, a floor, a wall, a ceiling, or a movable carriage. The arm unit 104 is provided so as to be movable with respect to the main body unit 102. The main body unit 102 includes an actuator (not shown) that generates power for rotating the arm unit 104, and a control for controlling the actuator. Etc. (not shown) are incorporated.

アーム部104は、第1フレーム106、第2フレーム108、第3フレーム110、第4フレーム112、第5フレーム114から構成されている。第1フレーム106は、回転屈曲軸を介して、本体部102に回転可能または屈曲可能となるように接続されている。第2フレーム108は、回転屈曲軸を介して、第1フレーム106及び第3フレーム110に接続されている。第3フレーム110は、回転屈曲軸を介して、第2フレーム108及び第4フレーム112に接続されている。第4フレーム112は、回転屈曲軸を介して、第3フレーム110及び第5フレーム114に接続されている。第5フレーム114は、回転屈曲軸を介して、第4フレーム112に接続されている。アーム部104は、制御部の制御によって、各フレームが各回転屈曲軸を中心に複合的に回転または屈曲することにより駆動する。   The arm unit 104 includes a first frame 106, a second frame 108, a third frame 110, a fourth frame 112, and a fifth frame 114. The first frame 106 is connected to the main body 102 so as to be rotatable or bendable via a rotating and bending shaft. The second frame 108 is connected to the first frame 106 and the third frame 110 via a rotating and bending shaft. The third frame 110 is connected to the second frame 108 and the fourth frame 112 via a rotating and bending shaft. The fourth frame 112 is connected to the third frame 110 and the fifth frame 114 via a rotating and bending shaft. The fifth frame 114 is connected to the fourth frame 112 via a rotating and bending shaft. The arm unit 104 is driven by each frame being rotated or bent in a compound manner around each rotation / bending axis under the control of the control unit.

第5フレーム114の先端には、ロボットハンド部116が取り付けられており、対象物を把握することができるロボットハンド120が、回転動作させるモーター(不図示)を内蔵するロボットハンド接続部118を介して第5フレーム114に接続されている。   A robot hand unit 116 is attached to the tip of the fifth frame 114, and the robot hand 120 capable of grasping an object is connected via a robot hand connection unit 118 having a built-in motor (not shown) that rotates. Connected to the fifth frame 114.

ロボットハンド接続部118には、モーターに加えて前述の力検出装置90(図9では不図示)が内蔵されており、ロボットハンド部116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越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90によって力として検出し、ロボット100の制御部へフィードバックし、回避動作を実行することができる。   The robot hand connection unit 118 incorporates the above-described force detection device 90 (not shown in FIG. 9) in addition to the motor, and when the robot hand unit 116 is moved to a predetermined operation position under the control of the control unit. , Contact with an obstacle or contact with an object by an operation command beyond a predetermined position is detected as a force by the force detection device 90 and fed back to the control unit of the robot 100 to execute an avoidance operation. Can do.

このようなロボット100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、対象物損傷回避動作などを容易に行い、安全で細やかな作業が可能なロボット100を得ることができる。さらに、少ない変位量であっても高精度な力の検出を安定的に行うことが可能なロボット100となる。また本実施形態に限定されず、双腕ロボットにも適用することができる。   By using such a robot 100, it is possible to easily perform an obstacle avoidance operation, an object damage avoidance operation, etc., which cannot be dealt with by conventional position control, and obtain a robot 100 capable of safe and detailed work. Can do. Furthermore, the robot 100 can stably detect a highly accurate force even with a small amount of displacement. Further, the present invention is not limited to this embodiment, and can be applied to a double-arm robot.

10,10A,10B,10C………センサーデバイス、12………第1部材、14………ベース部材、16………接地電極、18A,18B,18C,18D………接続電極、20A,20B,20C,20D………側部電極、24………側壁部材、30………開口部、34,34A………第2部材、35………周縁部、40………被覆部、42………センサー素子、44………上面、46………第1センサー素子、48A,48B………第1水晶板、50………第1検出電極、52………第2センサー素子、54A,54B………第2水晶板、56………第2検出電極、58………第3センサー素子、60A,60B………第3水晶板、62………第3検出電極、64………第1接地電極、66………第2接地電極、68A,68B,68C,68D,68E,68F………ワイヤー、70,70A………第1与圧プレート、80,80A………第2与圧プレート、88………センサーモジュール、90………力検出装置、96………実装電極、100………ロボット、102………本体部、104………アーム部、106………第1フレーム、108………第2フレーム、110………第3フレーム、112………第4フレーム、114………第5フレーム、116………ロボットハンド部、118………ロボットハンド接続部、120………ロボットハンド、200………センサーデバイス、202………パッケージ、204………リッド、206………同軸コネクター、208………外周部、210………中心導体、212………絶縁性樹脂、214………センサー素子、216………水晶板、218………電極板、220………開口部、222………上面、224………上面、226………隙間、228………隙間。 10, 10A, 10B, 10C ......... sensor device, 12 ......... first member, 14 ......... base member, 16 ......... ground electrode, 18A, 18B, 18C, 18D ......... connection electrode, 20A, 20B, 20C, 20D ......... side electrode, 24 ......... side wall member, 30 ......... opening, 34, 34A ......... second member, 35 ......... peripheral portion, 40 ......... covering portion, 42... Sensor element 44 44 Upper surface 46 First sensor element 48A, 48B First crystal plate 50 First sensor electrode 52 Second sensor element 54A, 54B ......... Second crystal plate, 56 ......... Second detection electrode, 58 ......... Third sensor element, 60A, 60B ......... Third crystal plate, 62 ......... Third detection electrode, 64... First ground electrode 66 66 Second ground electrode 68A, 68B, 6 C, 68D, 68E, 68F ......... Wire, 70, 70A ......... First pressurizing plate, 80,80A ......... Second pressurizing plate, 88 ......... Sensor module, 90 ......... Force detector 96 ......... Mounting electrode, 100 ......... Robot, 102 ......... Main body, 104 ......... Arm, 106 ......... First frame, 108 ......... Second frame, 110 ......... Third Frame, 112 ......... Fourth frame, 114 ......... Fifth frame, 116 ......... Robot hand section, 118 ......... Robot hand connection section, 120 ......... Robot hand, 200 ......... Sensor device, 202 ......... Package, 204 ...... Lid, 206 ......... Coaxial connector, 208 ......... Outer peripheral part, 210 ......... Center conductor, 212 ......... Insulating resin, 214 ...... Sensor element 216 ......... quartz plate, 218 ......... electrode plate, 220 ......... opening 222 ......... top, 224 ......... top, 226 ......... gap, 228 ......... gap.

Claims (14)

圧電体を有するセンサー素子と、
前記センサー素子が配置される第1部材と、
前記センサー素子の前記第1部材が接する第1面とは反対の第2面に接触する第2部材と、
前記センサー素子の前記第1および第2面と異なる側面を覆う被覆部と、を備えることを特徴とするセンサーデバイス。
A sensor element having a piezoelectric body;
A first member on which the sensor element is disposed;
A second member in contact with a second surface opposite to the first surface with which the first member of the sensor element contacts;
A sensor device comprising: a covering portion that covers a side surface different from the first and second surfaces of the sensor element.
前記被覆部は、前記第1部材の一部及び前記第2部材の側面の一部を覆うことを特徴とする請求項1に記載のセンサーデバイス。   The sensor device according to claim 1, wherein the covering portion covers a part of the first member and a part of a side surface of the second member. 前記第2部材は、前記センサー素子と前記第2部材の接触面の法線方向からの平面視で、前記第2部材の周縁が前記センサー素子の上面の周縁を囲む位置に配置されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のセンサーデバイス。   The second member is disposed at a position in which the periphery of the second member surrounds the periphery of the upper surface of the sensor element in a plan view from the normal direction of the contact surface between the sensor element and the second member. The sensor device according to claim 1 or 2. 前記第1部材は、前記センサー素子及び前記第2部材が配置される凹部を有することを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載のセンサーデバイス。   The sensor device according to any one of claims 1 to 3, wherein the first member has a recess in which the sensor element and the second member are disposed. 前記被覆部はエポキシ樹脂からなることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載のセンサーデバイス。   The sensor device according to claim 1, wherein the covering portion is made of an epoxy resin. 前記被覆部は、前記第1部材の接続電極と前記センサー素子の電極を接続する配線を内部に封入したことを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載のセンサーデバイス。   6. The sensor device according to claim 1, wherein the covering portion encloses therein a wiring that connects the connection electrode of the first member and the electrode of the sensor element. 7. 前記第2部材の材質がセラミック、金属材料、水晶、ガラスのいずれかであることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載のセンサーデバイス。   The sensor device according to claim 1, wherein a material of the second member is any one of ceramic, metal material, crystal, and glass. 前記第1部材の材質がセラミックであることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項に記載のセンサーデバイス。   The sensor device according to claim 1, wherein a material of the first member is ceramic. 前記圧電体を複数積層させた前記センサー素子の積層方向をZ軸方向とし、当該Z軸方向に直交しかつ互いに直交する方向をそれぞれX軸方向、Y軸方向とした場合、少なくとも前記X軸方向の力を検出する第1センサー素子と、前記Y軸方向の力を検出する第2センサー素子と、前記Z軸方向の力を検出する第3センサー素子と、を備えることを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1項に記載のセンサーデバイス。   When the stacking direction of the sensor elements in which a plurality of the piezoelectric bodies are stacked is the Z-axis direction and the directions orthogonal to the Z-axis direction and orthogonal to each other are the X-axis direction and the Y-axis direction, respectively, at least the X-axis direction A first sensor element for detecting the force in the Y-axis direction, a second sensor element for detecting the force in the Y-axis direction, and a third sensor element for detecting the force in the Z-axis direction. The sensor device according to any one of 1 to 8. 圧電体を有するセンサー素子と、
前記センサー素子が配置される第1部材と、
前記センサー素子の前記第1部材が接する第1面とは反対の第2面に接触する第2部材と、
前記センサー素子の前記第1及び第2面と異なる側面を覆う被覆部と、
前記第2部材と接触する第1プレートと、
前記第1部材と接触する第2プレートと、
前記第1プレート及び前記第2プレートを締結する締結部と、を備えることを特徴とするセンサーモジュール。
A sensor element having a piezoelectric body;
A first member on which the sensor element is disposed;
A second member in contact with a second surface opposite to the first surface with which the first member of the sensor element contacts;
A covering portion covering a side surface different from the first and second surfaces of the sensor element;
A first plate in contact with the second member;
A second plate in contact with the first member;
A sensor module comprising: a fastening portion that fastens the first plate and the second plate.
請求項1ないし9のいずれか1項に記載のセンサーデバイスを備えたことを特徴とする力検出装置。   A force detection apparatus comprising the sensor device according to claim 1. 圧電体を有するセンサー素子と、
前記センサー素子が配置される第1部材と、
前記センサー素子の前記第1部材が接する第1面とは反対の第2面に接触する第2部材と、
前記センサー素子の前記第1及び第2面と異なる側面を覆う被覆部と、
前記センサー素子に電気的に接続する電子回路と、を備えることを特徴とする力検出装置。
A sensor element having a piezoelectric body;
A first member on which the sensor element is disposed;
A second member in contact with a second surface opposite to the first surface with which the first member of the sensor element contacts;
A covering portion covering a side surface different from the first and second surfaces of the sensor element;
An electronic circuit electrically connected to the sensor element.
請求項11に記載の力検出装置を備えたことを特徴とするロボット。   A robot comprising the force detection device according to claim 11. 本体部と、
前記本体部に接続するアーム部と、
前記アーム部に接続するハンド部と、を備えるロボットであって、
前記アーム部と前記ハンド部との接続部にセンサーデバイスを有し、
前記センサーデバイスは、
前記センサー素子が配置される第1部材と、
前記センサー素子の前記第1部材が接する第1面とは反対の第2面に接触する第2部材と、
前記センサー素子の前記第1及び第2面と異なる側面を覆う被覆部と、を備えることを特徴とするロボット。
The main body,
An arm portion connected to the main body portion;
A hand unit connected to the arm unit,
It has a sensor device in the connection part between the arm part and the hand part,
The sensor device is
A first member on which the sensor element is disposed;
A second member in contact with a second surface opposite to the first surface with which the first member of the sensor element contacts;
And a covering portion covering a side surface different from the first and second surfaces of the sensor element.
JP2011278970A 2011-12-20 2011-12-20 Sensor device, sensor module, force detection device, and robot Active JP5880936B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011278970A JP5880936B2 (en) 2011-12-20 2011-12-20 Sensor device, sensor module, force detection device, and robot

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011278970A JP5880936B2 (en) 2011-12-20 2011-12-20 Sensor device, sensor module, force detection device, and robot

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2013130432A true JP2013130432A (en) 2013-07-04
JP5880936B2 JP5880936B2 (en) 2016-03-09

Family

ID=48908106

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011278970A Active JP5880936B2 (en) 2011-12-20 2011-12-20 Sensor device, sensor module, force detection device, and robot

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5880936B2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120260745A1 (en) * 2011-04-14 2012-10-18 Seiko Epson Corporation Sensor device, force detection device, and robot

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3566163A (en) * 1967-09-05 1971-02-23 Kistler Instrumente Ag Multiple-component piezomeasuring cells
JPS6435331A (en) * 1987-07-31 1989-02-06 Omron Tateisi Electronics Co Force sensor
JPH11230836A (en) * 1998-02-10 1999-08-27 Ngk Spark Plug Co Ltd Load sensor
JP2003069104A (en) * 2001-07-27 2003-03-07 Holmberg Gmbh & Co Kg Piezoelectric element and oscillation transducer capable of utilizing it

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3566163A (en) * 1967-09-05 1971-02-23 Kistler Instrumente Ag Multiple-component piezomeasuring cells
JPS6435331A (en) * 1987-07-31 1989-02-06 Omron Tateisi Electronics Co Force sensor
JPH11230836A (en) * 1998-02-10 1999-08-27 Ngk Spark Plug Co Ltd Load sensor
JP4011177B2 (en) * 1998-02-10 2007-11-21 日本特殊陶業株式会社 Load sensor
JP2003069104A (en) * 2001-07-27 2003-03-07 Holmberg Gmbh & Co Kg Piezoelectric element and oscillation transducer capable of utilizing it
JP4318433B2 (en) * 2001-07-27 2009-08-26 ホルムベルク ゲーエムベーハー ウント コンパニー カーゲー Piezoelectric element and vibration transducer using the piezoelectric element

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120260745A1 (en) * 2011-04-14 2012-10-18 Seiko Epson Corporation Sensor device, force detection device, and robot
US8869632B2 (en) * 2011-04-14 2014-10-28 Seiko Epson Corporation Sensor device, force detection device, and robot

Also Published As

Publication number Publication date
JP5880936B2 (en) 2016-03-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5895615B2 (en) Sensor module, force detection device and robot
JP5887911B2 (en) Sensor module, force detection device, robot
JP5880935B2 (en) Sensor device, sensor module, robot, and manufacturing method of sensor device
JP6051678B2 (en) Sensor device, sensor module, force detection device and robot
US10201902B2 (en) Force detector and robot
JP5880934B2 (en) Sensor device, sensor module, force detection device, robot
US10215649B2 (en) Force detector, robot, electronic component carrying apparatus, electronic component testing apparatus, part processing apparatus, and moving object
US9705069B2 (en) Sensor device, force detecting device, robot, electronic component conveying apparatus, electronic component inspecting apparatus, and component machining apparatus
JP2013101020A (en) Sensor element, force detection device and robot
JP2018173344A (en) Sensor device, force detection device, and robot
JP2013160669A (en) Sensor device, sensor module, force detector, and robot
JP5880936B2 (en) Sensor device, sensor module, force detection device, and robot
JP2017167164A (en) Force detection device and robot
JP6274296B2 (en) Force detection device and robot
JP2018077248A (en) Sensor device, sensor module, force detection device, and robot
JP2013257267A (en) Force detection module, force detection device and robot
JP2015175811A (en) Force detection device and robot
JP2014190794A (en) Force detection device, robot, electronic equipment conveyance device, electronic component inspection device

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20141212

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20150115

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20151015

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20151020

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20151215

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20160107

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20160120

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5880936

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350