JP2013148575A - 力センサ、ロボットハンド、ロボットアーム及びロボット装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電体の振動特性が変動するのを抑制すると共に、安定して押圧力を検出することができる力センサを提供する。
【解決手段】力センサ１００は、外部から受ける押圧力に応じてインピーダンスが変化する平板状の圧電体３と、圧電体３の両面に成膜された一対の電極パターン４，５と、一対の電極パターンに接続された配線パターン６と、を備えている。また、力センサ１００は、一対の電極パターン４，５と非接触に設けられ、交流電源に接続される給電側コイル２を備えている。一対の電極パターン４，５のうち少なくとも一方の電極パターンの一部又は全部が、配線パターン６から渦巻状に延びて形成され、給電側コイル２と電磁結合するコイルパターンである。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電体に交流電圧を印加した状態で圧電体に作用する押圧力を検出する力センサ、力センサを備えたロボットハンド、ロボットアーム及びロボット装置に関する。

一般に、組立ロボットのエンドエフェクタ、例えば平行グリッパーや多点支持装置等のロボットハンドには、ワークの把持力を検出するために、力センサが設けられている。従来の力センサとして、歪ゲージ、静電容量式等が開発されているが、これらを利用した力センサはいずれも部材の変形を利用しているため、測定の高感度化、高範囲化を実現するためには十分な変形量が必要となる。そのため外形寸法を小型化した際には、十分な変形量が得ることができないため、出力信号振幅が低下し、外来雑音ノイズよりも信号振幅が低下する状況が生じてしまい精度が低いものであった。

そこで、圧電体を用いた力センサが知られている（特許文献１参照）。圧電体は、瞬間的な力に対しては電圧を発生させるが、定常的な力に対しては電圧が発生しない。従って、圧電体に交流電圧を印加して圧電体に振動を発生させ、外部から作用する押圧力により圧電体のインピーダンスが変化することに基づき、そのときの圧電体の両端の電圧振幅の変化量により力を検出している。

圧電体に設けた電極に対する給電構造としては、電極に電線などを半田や導電性接着剤等を用いて接続する構造が一般的である。しかし、力センサの電極に電線などを半田付けや導電性接着剤で接続する構造では、半田又は導電性接着剤の質量や接続される電線の質量に応じて圧電体の振動特性が変わるという問題があった。

そこで、電線をアルミ箔などで構成して圧電体に設けた電極に加圧接触させ、アルミ箔を介して一対の電極に給電することが考えられている（特許文献２参照）。これにより、半田や導電性接着剤等を用いずに電線を電極に電気的に接続することができ、圧電体の振動特性の変動を抑制し、導電部材と電極との接触状態が良好であれば、安定した検出結果を得ることができる。

特公昭５７−５１６１１号公報 特開２００９−１９８４９６号公報

しかしながら、電極と電線とを加圧接触させて給電する構造では、圧電体への加圧状態により、電線と電極との間の接触抵抗が変動することがある。このように電線と電極との接触抵抗が変動すると給電状態が変化し、検出結果が変動するという問題があった。

そこで、本発明は、圧電体の振動特性が変動するのを抑制すると共に、安定して押圧力を検出することができる力センサ、並びに力センサを備えたロボットハンド、ロボットアーム及びロボット装置を提供することを目的とするものである。

本発明の力センサは、外部から受ける押圧力に応じてインピーダンスが変化する平板状の圧電体と、前記圧電体の両面に成膜された一対の電極パターンと、前記一対の電極パターンと一体に成膜され、前記一対の電極パターンに接続された配線パターンと、前記一対の電極パターンと非接触に設けられ、交流電源に接続される給電側コイルと、を備え、前記一対の電極パターンのうち少なくとも一方の電極パターンの一部又は全部が、前記配線パターンから渦巻状に延びて形成され、前記給電側コイルと電磁結合するコイルパターンである、ことを特徴とする。

本発明によれば、給電側コイルと圧電体に成膜されたコイルパターンとが電磁結合することで、圧電体に外部からの電線を接続することなく、圧電体に成膜された一対の電極パターンに非接触で給電することができる。このように非接触で給電することにより接触状態の影響を受けることなく安定して一対の電極パターンに給電することができる。また、一対の電極パターン及び配線パターンは、成膜により一体に形成されるので、半田や導電性接着剤を用いる場合よりも質量のばらつきが小さい。したがって、圧電体の振動特性が変動するのを抑制することができ、精度よく押圧力を検出することができる。

本発明の第１実施形態に係る力センサの概略構成を示す断面図である。 圧電ユニットを示す説明図であり、（ａ）は圧電ユニットの正面図、（ｂ）は圧電ユニットの断面図、（ｃ）は圧電ユニットの底面図である。 基台を示す説明図であり、（ａ）は基台の平面図、（ｂ）は基台の断面図である。 力センサの回路構成を示す電気回路図である。（ａ）は検出部が給電側コイルの端子間電圧を検出する回路構成を示す電気回路図、（ｂ）は検出部がインピーダンス素子の端子間電圧を検出する回路構成を示す電気回路図、（ｃ）は検出部が給電側コイルに流れる電流を検出する回路構成を示す電気回路図である。 本発明の第２実施形態に係る力センサの概略構成を示す断面図である。 圧電ユニットを示す説明図であり、（ａ）は圧電ユニットの正面図、（ｂ）は圧電ユニットの断面図、（ｃ）は圧電ユニットの底面図である。 本発明の第３実施形態に係る力センサの概略構成を示す断面図である。 圧電ユニットを示す説明図であり、（ａ）は圧電ユニットの正面図、（ｂ）は圧電ユニットの断面図、（ｃ）は圧電ユニットの底面図である。 本発明の第４実施形態に係る力センサの概略構成を示す断面図である。 本発明の第５実施形態に係る力センサを組み込んだロボット装置の概略構成を示す模式図である。 本発明の第６実施形態に係る力センサを組み込んだロボット装置の概略構成を示す模式図である。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る力センサの概略構成を示す断面図である。図１に示すように、力センサ１００は、剛体である基台１と、基台１に固定された１次コイルである給電側コイル２と、平板状の圧電体（圧電振動子ともいう）３と、圧電体３の両面３ａ，３ｂに成膜された一対の電極パターン４，５と、を備えている。

また、力センサ１００は、圧電体３の側面、具体的には外側面３ｃの一部に形成され、一対の電極パターン４，５と一体に成膜され、一対の電極パターン４，５に電気的に接続される配線パターン６を備えている。これら圧電体３、一対の電極パターン４，５及び配線パターン６により圧電ユニット７が構成されている。

一対の電極パターン４，５及び配線パターン６は、例えばスクリーン印刷、物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）等により、マスクを用いて圧電体３に成膜される。あるいは、圧電体３に導電膜を成膜した後、マスクを用いてエッチングを施し、一対の電極パターン４，５及び配線パターン６を形成してもよい。

また、力センサ１００は、基台１と圧電体３（即ち圧電ユニット７）との間に介在され、基台１に対して圧電体３（即ち圧電ユニット７）を支持し、圧電体３が受ける押圧力Ｆにより弾性変形（圧縮変形）する弾性体で形成された支持部材８を備えている。この支持部材８は、例えばゴムやスポンジ等の弾性体である。

また、力センサ１００は、圧電体３の支持部材８と対向する平面３ｂとは反対の平面３ａに対向して設けられ、外部から作用する押圧力Ｆを圧電体３に均等に伝達する力伝達部材９を備えている。本第１実施形態では、力伝達部材９は、支持部材８と同じ弾性体で構成されている。

基台１は、例えばロボット装置のエンドエフェクタとしてのロボットハンドにおけるフィンガー本体やロボットハンド本体、ロボットアームのロボットアーム本体、あるいはこれら本体とは別体に構成され、本体に固定される固定体である。

基台１には、凹部１１が形成されている。凹部１１には、凹部１１の底面１１ａから開口端１１ｂに向かって、支持部材８、圧電ユニット７、力伝達部材９が順次積層して配置されている。支持部材８は、底面１１ａと圧電体３との間に介在するように、凹部１１の底面１１ａ上に設けられている。

なお、図１では、説明の都合上、支持部材８、圧電ユニット７、力伝達部材９が間隔をあけて図示されているが、実際には、これら支持部材８、圧電ユニット７、力伝達部材９の隣接するもの同士は互いに接触している。

基台１の表面には、凹部１１を覆うように、即ち力伝達部材９を覆うように、これら力伝達部材９、圧電ユニット７及び支持部材８を凹部１１に収容保持するカバー部材１２が固定して設けられている。このカバー部材１２によりこれら力伝達部材９、圧電ユニット７及び支持部材８が凹部１１から脱落しないように規制されている。このカバー部材１２は、ゴムやスポンジ等の弾性体で構成され、押圧力Ｆを力伝達部材９に伝達することができる。

図２は、圧電ユニット７を示す説明図であり、図２（ａ）は、圧電ユニット７の正面図、図２（ｂ）は、圧電ユニット７の断面図、図２（ｃ）は、圧電ユニット７の底面図である。

図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、一対の電極パターン４，５のうち一方の電極パターン（第１電極パターン）４の一部分は、配線パターン６から渦巻状に延びて形成された第１コイルパターン４１である。その残りの部分は、第１コイルパターン４１に接続された第１ベタパターン４２である。これら第１コイルパターン４１及び第１ベタパターン４２は、同一の平面３ａに一体に成膜されている。従って、第１コイルパターン４１と第１ベタパターン４２とを半田や導電性接着剤等で接続する必要がない。

また、図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示すように、一対の電極パターン４，５のうち他方の電極パターン（第２電極パターン）５の一部分は、配線パターン６から渦巻状に延びて形成された第２コイルパターン５１である。その残りの部分は、第２コイルパターン５１に接続された第２ベタパターン５２である。これら第２コイルパターン５１及び第２ベタパターン５２は、同一の平面３ｂに一体に成膜されている。従って、第２コイルパターン５１と第２ベタパターン５２とを半田や導電性接着剤等で接続する必要がない。

つまり、本第１実施形態では、一対の電極パターン４，５のうちの両方の電極パターンのそれぞれの一部が、コイルパターンである。

第１ベタパターン４２と第２ベタパターン５２とは、圧電体３を挟んで互いに正対している。第１コイルパターン４１の一端４１ａは配線パターン６に接続され、他端４１ｂは第１ベタパターン４２に接続されている。また、第２コイルパターン５１の一端５１ａは配線パターン６に接続され、他端５１ｂは第２ベタパターン５２に接続されている。

第１コイルパターン４１と第２コイルパターン５１とは、圧電体３を挟んで互いに正対している。つまり、これらコイルパターン４１，５１の一方を他方に投影した場合、それらが平面視重なるようになっている。

本第１実施形態では、第１コイルパターン４１は第１ベタパターン４２を囲むように第１ベタパターン４２の外側に配置され、第２コイルパターン５１は第２ベタパターン５２を囲むように第２ベタパターン５２の外側に配置されている。これらコイルパターン４１，５１は、配線パターン６で直列接続されている。これらコイルパターン４１，５１により給電側コイル２と電磁結合する２次コイルが構成される。

図３は、基台１を示す説明図であり、図３（ａ）は、基台１の平面図、図３（ｂ）は、基台１の断面図である。図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、凹部１１の底面１１ａには、給電側コイル２を収容するための環状の溝１１ｃが形成されており、給電側コイル２は、溝１１ｃに配置されている。また、図１に示すように、給電側コイル２は、支持部材８を介して電極パターン４，５のコイルパターン４１，５１と相対する位置に配置される。

給電側コイル２からコイルパターン４１，５１に給電されることにより、一対の電極パターン４，５には交流電圧が印加され、これらに挟まれる圧電体３には、一対の電極パターン４，５による電界が印加され、これにより圧電体３は物理的に振動する。

なお、本第１実施形態では、コイルパターン４１，５１よりもベタパターン４２，５２の面積が大きいので、圧電体３に印加される電界のほとんどはベタパターン４２，５２によるものであるが、コイルパターン４１，５１においても電界が印加される。つまり、一対のベタパターン４２，５２は、電極として機能し、一対のコイルパターン４１，５１は、二次コイルとして機能すると共に電極としても機能する。これら一対の電極パターン４，５により圧電体３には電界が印加され、これにより圧電体３は振動する。

この状態で外部からカバー部材１２及び力伝達部材９を介して圧電体３に押圧力Ｆが作用すると、圧電体３を介して押圧力Ｆが支持部材８に作用し、支持部材８が圧縮変形する。これにより、圧電体３の一方の面３ａには、力伝達部材９からの押圧力Ｆが作用すると共に、圧電体３の他方の面３ｂには、支持部材８からの反作用による押圧力Ｆが作用することとなり、圧電体３には両面３ａ，３ｂから均等に押圧力Ｆが作用することとなる。そして、この押圧力Ｆにより圧電体３の振動状態が変化し、圧電体３のインピーダンスが押圧力Ｆに応じて変化する。

その際、圧電体３は、支持部材８の弾性変形（圧縮変形）により基台１の凹部１１の底面１１ａに垂直な移動方向Ｘに移動するが、給電側コイル２は、支持部材８を介してコイルパターン４１，５１と相対している。従って、圧電体３の位置が変動しても、給電側コイル２とコイルパターン４１，５１との正対状態が保持される。

図４は、力センサの回路構成を示す電気回路図である。力センサ１００には、図４（ａ）に示すように、給電側コイル２に直列接続されたインピーダンス素子１４と、圧電体３に作用する押圧力Ｆとして、圧電体３のインピーダンスの変化を検出する検出部１５が電気的に接続されている。この検出部１５は、給電側コイル２の端子間に接続され、圧電体３のインピーダンスに応じて変化する給電側コイル２の端子間電圧を直接検出する電圧検出器である。つまり、検出部１５は、圧電体３のインピーダンスの変化として、給電側コイル２の端子間電圧を検出する。インピーダンス素子１４は、抵抗素子、コンデンサ素子、インダクタンス素子等の受動素子である。給電側コイル２は、インピーダンス素子１４を介して交流電源Ｅに接続される。交流電源Ｅは、一定周波数で一定交流電圧を出力する定電圧電源である。給電側コイル２は交流電源Ｅより供給される交流信号によって駆動される。

インピーダンス素子１４と給電側コイル２とで構成される直列回路には、交流電源Ｅの高周波の交流電圧が印加される。そして、１次コイルである給電側コイル２に印加された交流電圧により、２次コイルであるコイルパターン４１，５１には、交流電圧が誘起される。コイルパターン４１，５１と一対の電極パターン４，５で挟まれた圧電体３とにより電気共振回路が形成されており、一対の電極パターン４，５には、交流電圧が印加され、圧電体３には交番電界が印加される。これにより圧電体３は、振動することとなる。

圧電体３に押圧力Ｆが作用し、振動状態が変化すると、圧電体３のインピーダンスが変化し、この変化に応じて電気共振回路の共振状態が変化し、２次コイル側であるコイルパターン４１，５１側の電圧が変動する。これにより、１次コイル側である給電側コイル２の端子間電圧が変動する。つまり、給電側コイル２とコイルパターン４１，５１との間は電磁結合によって信号の授受がされるようになっている。検出部１５は、押圧力Ｆとして、圧電体３のインピーダンスに応じて変化する給電側コイル２の端子間電圧を検出することとなる。

なお、電圧検出器である検出部１５は、図４（ｂ）に示すように、インピーダンス素子１４の端子間に接続され、インピーダンス素子１４の端子間電圧を検出することで、給電側コイル２の端子間電圧を間接的に検出するようにしてもよい。交流電源Ｅが出力する交流電圧は一定であり、インピーダンス素子１４と給電側コイル２とに分圧されているので、インピーダンス素子１４の端子間電圧は、給電側コイル２の端子間電圧の変動に応じて変動する。いずれにしても、検出部１５により検出される電圧（電圧振幅）は圧電体３のインピーダンスに対応しており、検出部１５は、圧電体３のインピーダンス、つまりは圧電体３に作用する押圧力Ｆを示す信号を検出していることになる。

以上、本第１実施形態によれば、給電側コイル２と圧電体３に成膜されたコイルパターン４１，５１とが電磁結合することで、圧電体３に外部からの電線を接続することなく、圧電体３に成膜された一対の電極パターン４，５に非接触で給電することができる。このように非接触で給電することにより、接触状態の影響を受けることなく安定して一対の電極パターン４，５に給電することができる。また、一対の電極パターン４，５及び配線パターン６は、成膜により一体に形成されるので、半田や導電性接着剤を用いる場合よりも質量のばらつきが小さい。また、検出部１５は、押圧力Ｆとして、給電側コイル２に生じた電圧を検出するので、一対の電極パターン４，５に検出用の電線を接続する必要もない。したがって、圧電体３の振動特性が変動するのを抑制することができ、検出部１５による検出結果が安定し、精度よく押圧力Ｆを検出することができる。

また、給電側コイル２とコイルパターン４１，５１とが弾性体としての支持部材８を介して相対するので、給電側コイル２とコイルパターン４１，５１との電磁結合度が高くなり、押圧力Ｆの検出感度が向上する。

また、圧電体３（即ち圧電ユニット７）が弾性体である支持部材８及び力伝達部材９に挟まれているので、圧電体３には両面３ａ，３ｂから押圧力Ｆが均等に作用する。従って、圧電体３の各位置における振動状態のばらつきが低減され、その結果、押圧力Ｆの検出精度が向上する。

なお、検出部１５が給電側コイル２の電圧を検出する場合について説明したが、図４（ｃ）に示すように、検出部１５が給電側コイル２に流れる電流を検出する電流センサであってもよい。給電側コイル２を流れる電流は、電圧と同様、圧電体３のインピーダンスに応じて変化するので、検出部１５は、この給電側コイル２を流れる電流を検出することで、圧電体３に作用する押圧力Ｆを検出することになる。つまり、検出部１５は、１次コイルとなる給電側コイル２の電圧及び電流の少なくとも一方を検出すればよく、一対の電極パターン４，５に電線を接続する必要がないので、検出精度が向上するものである。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る力センサについて説明する。図５は、本発明の第２実施形態に係る力センサの概略構成を示す断面図であり、図６は、圧電ユニットを示す説明図である。図６（ａ）は、圧電ユニットの正面図、図６（ｂ）は、圧電ユニットの断面図、図６（ｃ）は、圧電ユニットの底面図である。本第２実施形態では、上記第１実施形態と圧電ユニットの構成が異なるものであり、それ以外の構成は、上記第１実施形態と同様であるので、同一符号を付して説明を省略する。

図５に示すように、本第２実施形態の力センサ１００Ａは、弾性体である支持部材８及び力伝達部材９に挟まれて配置された圧電ユニット７Ａを備えている。

圧電ユニット７Ａは、平板状の圧電体（圧電振動子ともいう）３Ａと、圧電体３Ａの両面３ａ，３ｂに成膜された一対の電極パターン４Ａ，５Ａと、を備えている。圧電体３Ａは、中央に貫通孔が形成されて、環状に形成されている。

また、圧電ユニット７Ａは、圧電体３Ａの側面、具体的には内側面３ｄの一部に形成され、一対の電極パターン４Ａ，５Ａと一体に成膜され、一対の電極パターン４Ａ，５Ａに電気的に接続される配線パターン６Ａを備えている。

図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、一対の電極パターン４Ａ，５Ａのうち一方の電極パターン（第１電極パターン）４Ａの一部分は、配線パターン６Ａから渦巻状に延びて形成された第１コイルパターン４１Ａである。その残りの部分は、第１コイルパターン４１Ａに接続された第１ベタパターン４２Ａである。これら第１コイルパターン４１Ａ及び第１ベタパターン４２Ａは、同一の平面３ａに一体に成膜されている。

また、図６（ｂ）及び図６（ｃ）に示すように、一対の電極パターン４Ａ，５Ａのうち他方の電極パターン（第２電極パターン）５Ａの一部分は、配線パターン６Ａから渦巻状に延びて形成された第２コイルパターン５１Ａである。その残りの部分は、第２コイルパターン５１Ａに接続された第２ベタパターン５２Ａである。これら第２コイルパターン５１Ａ及び第２ベタパターン５２Ａは、同一の平面３ｂに一体に成膜されている。

つまり、本第２実施形態では、一対の電極パターン４Ａ，５Ａのうちの両方の電極パターンのそれぞれの一部が、コイルパターンである。

第１ベタパターン４２Ａと第２ベタパターン５２Ａとは、圧電体３Ａを挟んで互いに正対している。第１コイルパターン４１Ａの一端４１ａは配線パターン６Ａに接続され、他端４１ｂは第１ベタパターン４２Ａに接続されている。また、第２コイルパターン５１Ａの一端５１ａは配線パターン６Ａに接続され、他端５１ｂは第２ベタパターン５２Ａに接続されている。

本第２実施形態では、第１ベタパターン４２Ａ及び第２ベタパターン５２Ａは、環状に形成されている。第１コイルパターン４１Ａは第１ベタパターン４２Ａの内側に配置され、第２コイルパターン５１Ａは第２ベタパターン５２Ａの内側に配置されている。これらコイルパターン４１Ａ，５１Ａは、配線パターン６Ａで直列接続されている。これらコイルパターン４１Ａ，５１Ａにより給電側コイル２と電磁結合する２次コイルが構成される。第１コイルパターン４１Ａと第２コイルパターン５１Ａとは、圧電体３Ａを挟んで互いに正対している。つまり、これらコイルパターン４１Ａ，５１Ａの一方を他方に投影した場合、それらが平面視重なるようになっている。

また、図５に示すように、１次コイルである給電側コイル２は、支持部材８を介してコイルパターン４１Ａ，５１Ａと相対する位置に配置される。より具体的には、給電側コイル２は、コイルパターン４１Ａ，５１Ａと相対するように凹部１１の底面１１ａに形成された溝１１ｃに配置されている。圧電体３Ａは、支持部材８の弾性変形（圧縮変形）により基台１の凹部１１の底面１１ａに垂直な移動方向Ｘに移動するが、給電側コイル２は、支持部材８を介してコイルパターン４１Ａ，５１Ａと相対している。従って、圧電体３Ａの位置が変動しても、給電側コイル２とコイルパターン４１Ａ，５１Ａとの正対状態が保持される。なお、検出部の構成は、上記第１実施形態と同様である。

一対の電極パターン４Ａ，５Ａに電圧が印加されると、圧電体３Ａには電界が印加される構造となっている。また、コイルパターン４１Ａ，５１Ａと電極パターン４Ａ，５Ａで挟まれた圧電体３Ａにより、電気共振回路を形成している。

この共振回路に給電するために、給電側コイル２が配置されており、給電側コイル２は上記第１実施形態と同様の交流電源により供給される信号によって駆動される。これによって給電側コイル２と圧電体３Ａ上のコイルパターン４１Ａ，５１Ａとの間は電磁結合によって信号の授受がされるようになっている。

図５に示すように、カバー部材１２に作用した押圧力Ｆは、力伝達部材９及び支持部材８を介して圧電体３Ａの両面３ａ，３ｂに均等に加えられる。圧電体３Ａの両面３ａ，３ｂに押圧力Ｆが作用して共振状態が変化することにより、検出部が、１次コイルとなる給電側コイル２の電圧及び電流の少なくとも一方を検出することで、印加された押圧力Ｆを検出する。

以上、本第２実施形態によれば、上記第１実施形態と同様、給電側コイル２と圧電体３Ａに成膜されたコイルパターン４１Ａ，５１Ａとが電磁結合する。これにより、圧電体３Ａに外部からの電線を接続することなく、圧電体３Ａに成膜された一対の電極パターン４Ａ，５Ａに非接触で給電することができる。このように非接触で給電することにより、接触状態の影響を受けることなく安定して一対の電極パターン４Ａ，５Ａに給電することができる。また、一対の電極パターン４Ａ，５Ａ及び配線パターン６Ａは、成膜により一体に形成されるので、半田や導電性接着剤を用いる場合よりも質量のばらつきが小さい。また、検出部は、押圧力Ｆとして、上記第１実施形態と同様に、給電側コイル２の電圧及び電流の少なくとも一方を検出するので、一対の電極パターン４Ａ，５Ａに検出用の電線を接続する必要もない。したがって、圧電体３Ａの振動特性が変動するのを抑制することができ、検出部による検出結果が安定し、精度よく押圧力Ｆを検出することができる。

また、給電側コイル２とコイルパターン４１Ａ，５１Ａとが弾性体としての支持部材８を介して相対するので、給電側コイル２とコイルパターン４１Ａ，５１Ａとの電磁結合度が高くなり、押圧力Ｆの検出感度が向上する。また圧電体３Ａ（即ち圧電ユニット７Ａ）が弾性体である支持部材８及び力伝達部材９に挟まれているので、圧電体３Ａには両面３ａ，３ｂから押圧力Ｆが均等に作用する。従って、圧電体３Ａの各位置における振動状態のばらつきが低減され、その結果、押圧力Ｆの検出精度が向上する。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係る力センサについて説明する。図７は、本発明の第３実施形態に係る力センサの概略構成を示す断面図であり、図８は、圧電ユニットを示す説明図である。図８（ａ）は、圧電ユニットの正面図、図８（ｂ）は、圧電ユニットの断面図、図８（ｃ）は、圧電ユニットの底面図である。本第３実施形態では、上記第１及び上記第２実施形態と圧電ユニットの構成が異なるものであり、それ以外の構成は、上記第１及び上記第２実施形態と同様であるので、同一符号を付して説明を省略する。

図７に示すように、本第３実施形態の力センサ１００Ｂは、弾性体である支持部材８及び力伝達部材９に挟まれて配置された圧電ユニット７Ｂを備えている。

圧電ユニット７Ｂは、平板状の圧電体（圧電振動子ともいう）３Ｂと、圧電体３Ｂの両面３ａ，３ｂに成膜された一対の電極パターン４Ｂ，５Ｂと、を備えている。圧電体３Ｂは、中央に貫通孔が形成されて、環状に形成されている。

また、圧電ユニット７Ｂは、圧電体３Ｂの側面、本第３実施形態では内側面３ｄの一部に形成され、一対の電極パターン４Ｂ，５Ｂと一体に成膜され、一対の電極パターン４Ｂ，５Ｂに電気的に接続される配線パターン６Ｂを備えている。

図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、一対の電極パターン４Ｂ，５Ｂのうち一方の電極パターン（第１電極パターン）４Ｂの全部は、配線パターン６Ｂから渦巻状に延びて形成された第１コイルパターン４１Ｂである。

また、図８（ｂ）及び図８（ｃ）に示すように、一対の電極パターン４Ｂ，５Ｂのうち他方の電極パターン（第２電極パターン）５Ｂの全部は、配線パターン６Ｂから渦巻状に延びて形成された第２コイルパターン５１Ｂである。

つまり、本第３実施形態では、一対の電極パターン４Ｂ，５Ｂのうちの両方の電極パターンのそれぞれの全部が、コイルパターンである。

第１コイルパターン４１Ｂと第２コイルパターン５１Ｂとは、圧電体３Ｂを挟んで互いに正対している。つまり、これらコイルパターン４１Ｂ，５１Ｂの一方を他方に投影した場合、それらが平面視重なるようになっている。第１コイルパターン４１Ｂの一端４１ａは配線パターン６Ｂに接続され、他端４１ｂは開放されている。また、第２コイルパターン５１Ｂの一端５１ａは配線パターン６Ｂに接続され、他端５１ｂは開放されている。

本第３実施形態では、これら電極パターン４Ｂ，５Ｂは、給電側コイル２と電磁結合する２次コイルとして機能すると共に、圧電体３Ｂに電界を印加する電極として機能する。

また、図７に示すように、１次コイルである給電側コイル２は、支持部材８を介してコイルパターン４１Ｂ，５１Ｂと相対する位置に配置される。より具体的には、給電側コイル２は、コイルパターン４１Ｂ，５１Ｂと相対するように凹部１１の底面１１ａに形成された溝１１ｃに配置されている。圧電体３Ｂは、支持部材８の弾性変形（圧縮変形）により基台１の凹部１１の底面１１ａに垂直な移動方向Ｘに移動するが、給電側コイル２は、支持部材８を介してコイルパターン４１Ｂ，５１Ｂと相対している。従って、圧電体３Ａの位置が変動しても、給電側コイル２とコイルパターン４１Ｂ，５１Ｂとの正対状態が保持される。なお、検出部の構成は、上記第１実施形態と同様である。

一対の電極パターン４Ｂ，５Ｂに電圧が印加されると、圧電体３Ｂには電界が印加される構造となっている。また、コイルパターン４１Ｂ，５１Ｂと電極パターン４Ｂ，５Ｂで挟まれた圧電体３Ｂにより、電気共振回路を形成している。

この共振回路に給電するために、給電側コイル２が配置されており、給電側コイル２は上記第１実施形態と同様の交流電源により供給される信号によって駆動される。これによって給電側コイル２と圧電体３Ｂ上のコイルパターン４１Ｂ，５１Ｂとの間は電磁結合によって信号の授受がされるようになっている。

図７に示すように、カバー部材１２に作用した押圧力Ｆは、力伝達部材９及び支持部材８を介して圧電体３Ｂの両面３ａ，３ｂに均等に加えられる。圧電体３Ｂの両面３ａ，３ｂに押圧力Ｆが作用して共振状態が変化することにより、検出部が、１次コイルとなる給電側コイル２の電圧及び電流の少なくとも一方を検出することで、印加された押圧力Ｆを検出する。

以上、本第３実施形態によれば、上記第１実施形態と同様、給電側コイル２と圧電体３Ｂに成膜されたコイルパターン４１Ｂ，５１Ｂとが電磁結合する。これにより、圧電体３Ｂに外部からの電線を接続することなく、圧電体３Ｂに成膜された一対の電極パターン４Ｂ，５Ｂに非接触で給電することができる。このように非接触で給電することにより、接触状態の影響を受けることなく安定して一対の電極パターン４Ｂ，５Ｂに給電することができる。また、一対の電極パターン４Ｂ，５Ｂ及び配線パターン６Ｂは、成膜により一体に形成されるので、半田や導電性接着剤を用いる場合よりも質量のばらつきが小さい。また、検出部は、押圧力Ｆとして、上記第１実施形態と同様に、給電側コイル２の電圧及び電流の少なくとも一方を検出するので、一対の電極パターン４Ｂ，５Ｂに検出用の電線を接続する必要もない。したがって、圧電体３Ｂの振動特性が変動するのを抑制することができ、検出部による検出結果が安定し、精度よく押圧力Ｆを検出することができる。

また、給電側コイル２とコイルパターン４１Ｂ，５１Ｂとが弾性体としての支持部材８を介して相対するので、給電側コイル２とコイルパターン４１Ｂ，５１Ｂとの電磁結合度が高くなり、押圧力Ｆの検出感度が向上する。また圧電体３Ｂ（即ち圧電ユニット７Ｂ）が弾性体である支持部材８及び力伝達部材９に挟まれているので、圧電体３Ｂには両面３ａ，３ｂから押圧力Ｆが均等に作用する。従って、圧電体３Ｂの各位置における振動状態のばらつきが低減され、その結果、押圧力Ｆの検出精度が向上する。

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態に係る力センサについて説明する。図９は、本発明の第４実施形態に係る力センサの概略構成を示す断面図である。本第４実施形態では、上記第２実施形態における力伝達部材及び圧電ユニットの固定構造が異なるものであり、それ以外の構成は、上記第２実施形態と同様であるので、同一符号を付して説明を省略する。

図９に示すように、本第４実施形態の力センサ１００Ｃは、基台１の凹部１１の底面１１ａと圧電体３Ａとの間に介在され、基台１に対して圧電体３Ａを支持し、圧電体３Ａが受ける押圧力Ｆにより弾性変形する弾性体で形成された支持部材８Ａを備えている。この支持部材８は、例えばゴムやスポンジ等の弾性体である。

また、力センサ１００Ｃは、圧電体３Ａの支持部材８Ａと対向する平面３ｂとは反対の平面３ａに対向して配置され、圧電体３に押圧力Ｆを伝達する力伝達部材９Ａを備えている。本第４実施形態では、力伝達部材９Ａは支持部材８Ａと同じ弾性体で形成されている。

更に、力センサ１００Ｃは、力伝達部材９Ａの圧電体３Ａと対向する平面９ｂとは反対の平面９ａに面接触して設けられた、剛体である板材１６と、軸部１７ａ及び軸部１７ａの基端に一体に形成された頭部１７ｂを有する固定具としてのねじ１７と、を備えている。

基台１の凹部１１には、底面１１ａから開口端１１ｂに向かって、支持部材８Ａ、圧電体３Ａ（圧電ユニット７Ａ）、力伝達部材９Ａ、及び板材１６が順次積層して配置されている。そして、基台１の表面には、凹部１１、即ち板材１６を覆うカバー部材１２が固定して設けられている。このカバー部材１２は、ゴムやスポンジ等の弾性体で構成され、押圧力Ｆを板材１６に伝達することができる。

板材１６は、作用した押圧力Ｆを力伝達部材９Ａに伝達すると共に、押圧力Ｆにより支持部材８Ａの弾性変形に基づく移動方向Ｘに移動するよう、ねじ１７に保持されている。本第４実施形態では、移動方向Ｘは、基台１の凹部１１の底面１１ａに垂直な方向である。なお、本第４実施形態では、力伝達部材９Ａも弾性変形するので、これら部材８Ａ，９Ａが圧縮変形することにより、板材１６及び圧電体３Ａが移動方向Ｘに移動する。

また、図９では、説明の都合上、支持部材８Ａ、圧電ユニット７Ａ、力伝達部材９Ａ、板材１６が間隔をあけて図示されているが、実際には、これら支持部材８Ａ、圧電ユニット７Ａ、力伝達部材９Ａ、板材１６の隣接するもの同士は互いに接触している。

ねじ１７の軸部１７ａは、支持部材８Ａ、圧電体３Ａ、力伝達部材９Ａ、板材１６を貫通し、先端が基台１の凹部１１の底面１１ａに形成したねじ穴に螺合して固定されている。つまり、支持部材８Ａ、圧電体３Ａ、力伝達部材９Ａ、板材１６には、軸部１７ａの断面積よりも広い貫通孔がそれぞれ形成されており、軸部１７ａがこれらの貫通孔に遊嵌している。貫通孔は、支持部材８Ａ、圧電体３Ａ、力伝達部材９Ａ、板材１６のそれぞれ中央部分に形成されている。これにより、部材８Ａ、３Ａ、９Ａ、１６は、軸部１７ａに沿って移動方向Ｘに移動することができる。なお、圧電体３Ａの貫通孔には、配線パターン６Ａが形成されている。

ねじ１７の頭部１７ｂは、押圧力Ｆが作用していない無負荷状態で板材１６と当接し、板材１６を抜け止め保持している。この頭部１７ｂは、板材１６の貫通孔よりも大きく形成され、板材１６の貫通孔の周囲に引っ掛かるようになっている。このように、支持部材８Ａ、圧電体３Ａ、力伝達部材９Ａ、板材１６は、ねじ１７によって凹部１１に保持されている。

以上、本第４実施形態では、圧電体３Ａにおいて、振動成分が発生しない中央部分に配線パターン６Ａを成膜する貫通孔を設けているので、圧力検出感度を犠牲にすることなく、この貫通孔を、圧電体３Ａを基台１に保持するのに使用できる。

そして、支持部材８Ａ、圧電体３Ａ、力伝達部材９Ａ、板材１６を基台１から脱落しないように、板材１６とねじ１７による簡単な構成で容易に基台１に保持することができる。

なお、本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。

上記第１実施形態では、一対の電極パターン４，５のうち両方の電極パターンの一部がコイルパターン４１，５１である場合について説明したが、少なくとも一方の電極パターンの一部がコイルパターンであってもよい。即ち電極パターン４の一部又は電極パターン５の一部がコイルパターンであってもよい。

また、上記第２実施形態では、一対の電極パターン４Ａ，５Ａのうち両方の電極パターンの一部がコイルパターン４１Ａ，５１Ａである場合について説明したが、少なくとも一方の電極パターンの一部がコイルパターンであってもよい。即ち電極パターン４Ａの一部又は電極パターン５Ａの一部がコイルパターンであってもよい。

また、上記第３実施形態では、一対の電極パターン４Ｂ，５Ｂのうち両方の電極パターンの全部がコイルパターン４１Ｂ，５１Ｂである場合について説明したが、少なくとも一方の電極パターンの全部がコイルパターンであってもよい。即ち電極パターン４Ｂの全部又は電極パターン５Ａの全部がコイルパターンであってもよい。

また、一対の電極パターンのうち、一方の電極パターンの一部がコイルパターンであり、他方の電極パターンの全部がコイルパターンであってもよい。

また、上記第３実施形態では、内側面３ｄに配線パターン６Ｂを成膜したが、外側面３ｃに配線パターン６Ｂを成膜してもよい。

また、上記第１〜第４実施形態では、力伝達部材９が弾性体である場合について説明したが、圧電体３の面３ａに均一に押圧力Ｆを作用することができれば、剛体であってもよい。

また、上記第４実施形態で説明した固定構造は、上記第３実施形態の力センサやその変形例においても適用可能である。

［第５実施形態］
図１０は、本発明の第５実施形態に係る力センサを組み込んだロボット装置の概略構成を示す模式図である。図１０に示すロボット装置５００は、ロボットアーム２００と、ロボットアーム２００に設けられたエンドエフェクタとしてのロボットハンド３００と、上記第１実施形態と同様の構成の検出部１５と、制御部としてのコントローラ４５０と、を備えている。

ロボットハンド３００は、ロボットハンド本体３０１と、ロボットハンド本体３０１に開閉可能に支持された複数（本第５実施形態では２つ）のフィンガー３０２，３０３を備えている。フィンガー３０３は、フィンガー本体３０３Ａと、フィンガー本体３０３Ａの外表面に形成された凹部に固定して配置された上記第１実施形態と同様の構成の力センサ１００と、を有している。なお、本第５実施形態の力センサ１００は、フィンガー本体３０３Ａに取り付けられるため、フィンガー本体３０３Ａの一部が基台１（図１参照）を兼ねるようにしてもよい。

ロボットアーム２００は、複数のリンクが関節Ｊ１〜Ｊ６で連結された、多関節（本実施形態では、６つの関節Ｊ１〜Ｊ６）のロボットアームであり、ロボットアーム２００の先端には、ロボットハンド３００が取り付けられている。検出部１５は、力センサ１００に接続されており、力センサ１００からの信号を検出する。コントローラ４５０は、検出部１５の検出結果に基づき、ロボットアーム２００及びロボットハンド３００の動作を制御する。

本第５実施形態では、力センサ１００は、フィンガー３０２に相対するフィンガー３０３に組み込まれている。つまり、フィンガー本体３０３Ａの保持部先端には、力センサ１００が直接取り付けられている。

以上の構成により、ロボットハンド３００によるワーク等の把持を検出することができる。

なお、本第５実施形態では、力センサが上記第１実施形態の力センサと同様の構成である場合について説明したが、上記第２〜第４実施形態の力センサと同様の構成であってもよい。

［第６実施形態］
次に、第６実施形態に係る力センサを組み込んだロボット装置について説明する。図１１は、第６実施形態に係る力センサを組み込んだロボット装置の概略構成を示す模式図である。

図１１に示すロボット装置９００は、多関節のロボットアーム６００と、ロボットアーム６００の先端に設けられたエンドエフェクタとしてのロボットハンド７００と、を備えている。

ロボットアーム６００は、複数のリンクが関節Ｊ１〜Ｊ６で連結された、多関節（本実施形態では６つの関節Ｊ１〜Ｊ６）のロボットアーム本体６００Ａを有している。また、ロボットアーム６００は、ロボットアーム本体６００Ａの先端（先端リンク６０６）、即ちロボットハンド７００との結合面に取り付けられた上記第３実施形態と同様の構成の力センサ１００Ｂを有している。本第６実施形態の力センサ１００Ｂは、先端リンク６０６の凹部に取り付けられている。なお、本第６実施形態の力センサ１００Ｂは、先端リンク６０６に取り付けられるため、先端リンク６０６の一部が基台１（図７参照）を兼ねるようにしてもよい。

ロボットハンド７００は、ロボットハンド本体７０１と、ロボットハンド本体７０１に開閉可能に支持された複数（本実施形態では２つ）のフィンガー７０２，７０３と、を備えている。本実施形態では、ロボットアーム６００の先端における力センサ１００Ｂにロボットハンド７００（ロボットハンド本体７０１）が取り付けられている。

また、ロボット装置９００は、力センサ１００Ｂに接続された検出部１５と、ロボットアーム６００の動作を制御するコントローラ８５０を備えている。

力センサ１００Ｂが検出する対象の力は、ロボットハンド７００に印加された力により、力伝達部材９及び支持部材８に挟まれた圧電体３Ｂに加えられる（図７参照）。支持部材８は先端リンク６０６上に配置されており、上方から加えられた力を受けて力センサ全体を支える構造となっている。力が印加されると圧電体３Ｂの両面に力が作用して共振状態が変化することにより、検出部１５は、駆動源である交流電源Ｅ（図４）の信号成分が変化するのを検出することで、印加された力の値を検出する。

この印加・検出された力の値をコントローラ８５０にて印加力に相当する制御信号を演算してロボットアーム６００（ロボットアーム本体６００Ａ）の各関節Ｊ１〜Ｊ６を駆動して、対象物への力を制御する。

なお、本第６実施形態では、力センサが上記第３実施形態の力センサと同様の構成である場合について説明したが、上記第１、第２又は第４実施形態の力センサと同様の構成であってもよい。また、本第６実施形態では、ロボットアームが力センサを有している場合について説明したが、ロボットハンドが力センサを有している場合であってもよく、この場合、力センサは、ロボットハンド本体に取り付けられていてもよい。そして、ロボットアームの先端に力センサを介してロボットハンド本体が取り付けられるようにしてもよい。

１…基台、２…給電側コイル、３…圧電体、４，５…電極パターン、６…配線パターン、８…支持部材、９…力伝達部材、１５…検出部、１６…板材、１７ａ…軸部、１７ｂ…頭部、４１，５１…コイルパターン、１００…力センサ

Claims (9)

1. 外部から受ける押圧力に応じてインピーダンスが変化する平板状の圧電体と、
   前記圧電体の両面に成膜された一対の電極パターンと、
   前記一対の電極パターンと一体に成膜され、前記一対の電極パターンに接続された配線パターンと、
   前記一対の電極パターンと非接触に設けられ、交流電源に接続される給電側コイルと、
   を備え、
   前記一対の電極パターンのうち少なくとも一方の電極パターンの一部又は全部が、前記配線パターンから渦巻状に延びて形成され、前記給電側コイルと電磁結合するコイルパターンである、
   ことを特徴とする力センサ。
2. 前記給電側コイルが固定される基台と、
   前記基台と前記圧電体との間に介在され、前記基台に対して前記圧電体を支持し、前記圧電体が受ける前記押圧力により弾性変形する弾性体で形成された支持部材と、
   前記圧電体の前記支持部材と対向する面とは反対の面に対向して配置され、前記圧電体に前記押圧力を伝達する力伝達部材と、を備えた、
   ことを特徴とする請求項１に記載の力センサ。
3. 前記給電側コイルは、前記支持部材を介して前記コイルパターンと相対する位置に配置される、
   ことを特徴とする請求項２に記載の力センサ。
4. 前記力伝達部材の前記圧電体と対向する面とは反対の面に面接触して前記押圧力を前記力伝達部材に伝達すると共に、前記押圧力により前記支持部材の弾性変形に基づく移動方向に移動する板材と、
   前記支持部材、前記圧電体、前記力伝達部材、前記板材を貫通して先端が前記基台に固定される軸部及び前記軸部の基端に一体に形成され、前記板材を抜け止め保持する頭部を有する固定具と、を備えた、
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載の力センサ。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の力センサを有するフィンガーを備えたロボットハンド。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の力センサを有するロボットハンド本体と、
   前記ロボットハンド本体に開閉可能に支持された複数のフィンガーと、を備えたロボットハンド。
7. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の力センサを備えたロボットアーム。
8. ロボットアームと、
   前記ロボットアームに取り付けられた請求項５又は６に記載のロボットハンドと、
   前記押圧力として、前記圧電体のインピーダンスに応じて変化する前記給電側コイルの電圧及び電流の少なくとも一方を検出する検出部と、を備えたロボット装置。
9. 請求項７に記載のロボットアームと、
   前記押圧力として、前記圧電体のインピーダンスに応じて変化する前記給電側コイルの電圧及び電流の少なくとも一方を検出する検出部と、を備えたロボット装置。

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