JP2013160669A - センサーデバイス、センサーモジュール、力検出装置及びロボット - Google Patents

Abstract

【課題】センサー素子を外部環境から遮断し、センサー素子の安定性を高めて高信頼性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及びこれを用いた力検出装置、ロボットを提供する。
【解決手段】水晶板と電極とを積層したセンサー素子４２と、センサー素子４２が配置される第１部材１２と、センサー素子４２の第１部材１２と接する第１面とは反対の第２面に接し、側面部にセンサー素子４２と接触する面から対面方向へ減少するテーパーを持つ第２部材３４と、センサー素子４２の第１および第２面と異なる側面を覆う被覆部４０と、を備える。また被覆部４０は、第１部材１２の一部及び第２部材３４の側面の一部を覆うように形成する。
【選択図】図１

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。

従来、圧電材料を用いたセンサーデバイスとして、例えば特許文献１に開示された力センサーが知られていた。特許文献１の力センサーは、信号電極を圧電材料である結晶円板により挟持し、さらに金属カバー円板によって挟持された測定素子を金属環内に溶接で封止している。

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、を備えている。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。

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、与圧プレートに加えられる外力に応じて水晶板２１６に加わる圧力が変化する。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に加わった外力を検出することができる。

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内部を乾燥した気体で満たした状態で、リッド２０４によりセンサー素子２１４を封止している。

特開平４−２３１８２７号公報

図１０で示す従来のセンサーデバイスのように、リッド２０４をパッケージ２０２に溶接する際に、パッケージ２０２およびセンサー素子２１４の寸法のばらつきにより、センサー素子２１４の上面が溶接面の高さより上下することがある。特に、溶接面よりセンサー素子２１４の上面が上に出てしまった場合には、溶接面に隙間ができ、溶接が不十分になりリークする虞がある。また、溶接時には溶接の熱がセンサー素子に伝わり、センサー素子の信頼性を低下させる虞がある。
このように、従来のセンサーモジュールは部品の寸法精度を必要とする構造であり、信頼性を確保するのが難しいという課題がある。

本発明は、上記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、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例にかかるセンサーデバイスは、圧電体と電極とを積層したセンサー素子と、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部材と接する第１面とは反対の第２面に接する第２部材と、前記センサー素子の前記圧電体と前記電極とが積層される積層方向に沿って露出した側面部を覆う被覆部と、を備え、前記第２部材は前記センサー素子と接する面とは反対の面の面積が、前記センサー素子と接する面の面積に比べて小さく形成されるテーパー形状であることを特徴とする。
上記構成により、簡単かつ安価な構成で前記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。また外部環境に起因する電極の経年劣化の虞がない。
このように、簡単な構成で信頼性を確保でき、安定した検出データを得ることができるセンサーデバイスを提供できる。

［適用例２］上記適用例にかかるセンサーデバイスにおいて、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が好ましい。
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。さらに第２部材側面がテーパー形状を有することによって第２部材と前記被覆部との間にアンカー効果が発生し、第２部材が被覆部から抜けるのを防止し、センサー素子を完全に被覆部で覆るので高い遮断性を維持することができる。

［適用例３］上記適用例にかかるセンサーデバイスにおいて、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周縁を囲む位置に配置されていることが好ましい。
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部を覆った後に、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部を覆った後、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。

［適用例４］上記適用例にかかるセンサーデバイスにおいて、前記第１部材は、前記センサー素子及び前記第２部材が配置されている凹部を有することが好ましい。
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。

［適用例５］上記適用例にかかるセンサーデバイスにおいて、前記被覆部はエポキシ樹脂からなることが好ましい。
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、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。

［適用例６］上記適用例にかかるセンサーデバイスにおいて、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が好ましい。
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。

［適用例７］上記適用例にかかるセンサーデバイスにおいて、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が好ましい。
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。

［適用例８］上記適用例にかかるセンサーデバイスにおいて、前記第１部材の材質がセラミックであることが好ましい。
上記構成により、所定の剛性を備えることができる。

［適用例９］上記適用例にかかるセンサーデバイスにおいて、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、前記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、を備えることが好ましい。
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の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として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。

［適用例１０］本適用例にかかるセンサーモジュールは、圧電体と電極とを積層したセンサー素子と、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面に接する第２部材と、前記センサー素子の前記圧電体と前記電極とが積層される積層方向に沿って露出した側面部を覆う被覆部と、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、前記第２部材は前記センサー素子と接する面とは反対の面の面積が、前記センサー素子と接する面の面積に比べて小さく形成されるテーパー形状であることを特徴とする。
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加えることができる。

［適用例１１］本適用例にかかる力検出装置は、圧電体と電極とを積層したセンサー素子と、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部材と接する第１面とは反対の第２面に接する第２部材と、前記センサー素子の前記圧電体と前記電極とが積層される積層方向に沿って露出した側面部を覆う被覆部と、前記センサー素子と電気的に接続する電子回路と、を備え、前記第２部材は前記センサー素子と接する面とは反対の面の面積が、前記センサー素子と接する面の面積に比べて小さく形成されるテーパー形状であることを特徴とする。
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。

［適用例１２］本適用例にかかるロボットは、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、圧電体と電極とを積層したセンサー素子と、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部材と接する第１面とは反対の第２面に接する第２部材と、前記センサー素子の前記圧電体と前記電極とが積層される積層方向に沿って露出した側面部を覆う被覆部と、を備え、前記第２部材は前記センサー素子と接する面とは反対の面の面積が、前記センサー素子と接する面の面積に比べて小さく形成されるテーパー形状であることを特徴とする。
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。

第１実施形態に係るセンサーデバイスの断面図である。 本実施形態のセンサーデバイス素子積層方向からの平面図である。 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。 本実施形態のセンサー素子の模式図である。 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３実施形態に係るセンサーデバイスの断面図である。 本実施形態のセンサーモジュールの断面図である。 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を搭載したロボットの模式図である。 従来技術のセンサーデバイスの模式図である。

（第１実施形態）
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素子積層方向からの平面図を示す。なお、図２では便宜上、被覆部を除いた図である。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。

第１実施形態に係るセンサーデバイス１０は、圧電体と電極を積層したセンサー素子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の側面部を覆う被覆部４０を主な基本構成としている。

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、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。

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。

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。

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。

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）Ｏ₃）、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。

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となっており、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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加えられる。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。

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加えられると、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加えられる。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。

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加えられると、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加えられる。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。

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加えられると、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加えられる。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。

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。

第２部材３４は、セラミック、金属材料、水晶、ガラスのいずれかで、側面視が台形形状（平面視で台形底部はセンサー素子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により与圧が加えら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。

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の側面部の全領域と、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の側面部は、被覆部４０によって全領域が覆われている。ここで、センサー素子４２の側面部とは、水晶板と電極とが積層される積層方向に沿って露出した部分をいう。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付加で与圧が被覆部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。

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。

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、側面部の全領域が被覆部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。

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、側面部の全領域が被覆部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。

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、第２部材３４を介して与圧プレートから加えられた与圧を、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。

さらに、第２部材３４は、側面部にテーパーが付いている。つまり、第２部材３４は、センサー素子４２と接する面とは反対の面の面積が、センサー素子４２と接する面の面積と比べて小さく形成されるテーパー形状である。そして、テーパーの一部まで被覆部４０が満たされることによって確実にセンサー素子４２を被覆している。また、テーパーと被覆部にはアンカー効果が発生して第２部材３４が抜けることを防止し、外部環境から確実にセンサー素子４２を遮断できる。

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。

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。

（第２実施形態）
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。

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により与圧が加えら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。

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の側面部を覆った後に、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の開口面積がセンサー素子４２の側面部と、第２部材３４Ａ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の側面部を覆った後、第２部材３４Ａ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。

（第３実施形態）
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。

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。

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。
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。

（第４実施形態）
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。
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。

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。

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。

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）が加えられるように締結部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加えることができる。

（第５実施形態）
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１１を第１与圧プレート７０Ａ及び第２与圧プレート８０Ａにより挟み込んだ構成である。第１与圧プレート７０Ａ及び第２与圧プレート８０Ａ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８０Ａは、センサーデバイス１１を配置する箇所に電子回路基板７２が４つ形成されている。

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）が加えられるようにする。

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、与圧が加えられる。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。

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。

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、そして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。

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。

（第６実施形態）
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ー（不図示）や、アクチュエーターを制御する制御部等（不図示）が内蔵されている。

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。

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。

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。

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。

１０，１０Ａ，１０Ｂ…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、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。

Claims (12)

1. 圧電体と電極とを積層したセンサー素子と、
   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部材と接する第１面とは反対の第２面に接する第２部材と、
   前記センサー素子の前記圧電体と前記電極とが積層される積層方向に沿って露出した側面部を覆う被覆部と、を備え、
   前記第２部材は前記センサー素子と接する面とは反対の面の面積が、前記センサー素子と接する面の面積に比べて小さく形成されるテーパー形状である
   ことを特徴とするセンサーデバイス。
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請求項１に記載のセンサーデバイス。
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。
4. 前記第１部材は、前記センサー素子及び前記第２部材が配置されている凹部を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のセンサーデバイス。
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請求項１ないし４のいずれか一項に記載のセンサーデバイス。
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請求項１ないし５のいずれか一項に記載のセンサーデバイス。
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のいずれか一項に記載のセンサーデバイス。
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請求項１ないし７のいずれか一項に記載のセンサーデバイス。
9. 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、前記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センサー素子を、を備えることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一項に記載のセンサーデバイス。
10. 圧電体と電極とを積層したセンサー素子と、
    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部材と接する第１面とは反対の第２面に接する第２部材と、
    前記センサー素子の前記圧電体と前記電極とが積層される積層方向に沿って露出した側面部を覆う被覆部と、
    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、
    前記第２部材は前記センサー素子と接する面とは反対の面の面積が、前記センサー素子と接する面の面積に比べて小さく形成されるテーパー形状である
    ことを特徴とするセンサーモジュール。
11. 圧電体と電極とを積層したセンサー素子と、
    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部材と接する第１面とは反対の第２面に接する第２部材と、
    前記センサー素子の前記圧電体と前記電極とが積層される積層方向に沿って露出した側面部を覆う被覆部と、
    前記センサー素子と電気的に接続する電子回路と、を備え、
    前記第２部材は前記センサー素子と接する面とは反対の面の面積が、前記センサー素子と接する面の面積に比べて小さく形成されるテーパー形状である
    ことを特徴とする力検出装置。
12. 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、
    圧電体と電極とを積層したセンサー素子と、
    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部材と接する第１面とは反対の第２面に接する第２部材と、
    前記センサー素子の前記圧電体と前記電極とが積層される積層方向に沿って露出した側面部を覆う被覆部と、を備え、
    前記第２部材は前記センサー素子と接する面とは反対の面の面積が、前記センサー素子と接する面の面積に比べて小さく形成されるテーパー形状である
    ことを特徴とするロボット。

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