JP2013186030A - センサーモジュール、力検出装置及びロボット - Google Patents
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Abstract
【解決手段】センサーモジュール10は、圧電体を有するセンサー素子42と、センサー素子42が配置される第1凹部30を有する第1部材12と、第1部材12に接合され第1部材12の第1凹部30を封止する第2部材34と、第2部材34と接触する第1プレート70と、第1部材12と接触する第2プレート80と、第1プレート70及び第2プレート80を締結する締結部86と、を備え、第1プレート70は第2部材34に向けて突出する第1凸部72が形成され、第1部材12の第1凹部30の内部高さがセンサー素子42よりも高く、センサー素子42は第2部材34と接触しており、センサー素子42が第1プレート70と第2プレート80の間に狭持されている。
【選択図】図1
Description
本実施形態のセンサーモジュールについて図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は第1実施形態に係るセンサーモジュールの断面図を示す。図2は本実施形態のセンサーデバイス(第2部材を省略)の平面図を示す。図3は本実施形態のベース部材の平面図を示す。
第1実施形態に係るセンサーモジュール10は、力成分を検出可能なセンサー素子を第1部材12内に封入したセンサーデバイス11と、センサーデバイス11をプレート間で挟むように支持する第1プレート70及び第2プレート80と、第1プレート70と第2プレート80間のセンサーデバイス11を加圧しながら固定する締結部86を主な基本構成としている。本実施形態のセンサーデバイス11は、第1部材12と、第2部材34と、センサー素子42を主な基本構成としている。
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42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の下面の四隅には外部電極20A、20B、20C、20Dが配置されている。図1に示すように、外部電極20A、20B、20C、20Dは、それぞれ電子回路基板94上の実装電極96に接続される。
図4は本実施形態のセンサーモジュールの第1プレートを透視してセンサーデバイスを上面から見た平面図を示す。図1、図4に示すように、第2部材34は、ステンレスやコバール等の金属により略矩形形状に形成されている。そして、第2部材34の平面視で側壁部材24と重なる位置が矩形のリング状の周縁部38となり、周縁部38の内側が力伝達部36となっている。この力伝達部36は、第2部材34の平面視で後述のセンサー素子42の受力面となる上面44よりも大きく、周縁部38よりも小さい。さらに、第2部材34の断面視で周縁部38と力伝達部36の間は、凹部が形成されている。本実施形態の第2部材34は、プレス成型やエッチングにより形成することができる。力伝達部36は、後述の第1プレート70により与圧が付加された状態でセンサー素子42の受力面となる上面44の全面に面接触している。
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を有し、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。
このようなセンサーデバイス11の製造方法は、図6に示すように、まずセンサー素子42をベース部材14上に載置し、ついで第2部材34の周縁部38が第1部材12の側壁部材24の上面と一致するように配置する。そして、第2部材34の中央に錘を配置して第2部材34に荷重を掛ける。そして、ローラー電極を第2部材34のメタライズ26(側壁部材24)との接続位置に押し付けて、ローラー電極に電流を印加して第2部材34と、メタライズ26と、をシーム溶接により接合する。
このように、センサーデバイス11は、センサー素子42と第2部材34の間に隙間が生じた状態にある。
本実施形態の第1プレート70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プレート70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。第1プレート70は、第1部材12側の主面に、第2部材34に向けて突出した凸状の第1凸部72を形成している。第1凸部72は、平面視でセンサー素子42の上面44の全領域と重なり、かつ、第1部材12の内周縁の領域の内部に納まる押圧面73を備えている。換言すれば押圧面73の面積は、センサー素子42の上面の面積以上で、かつ第1部材12の内周縁の領域よりも小さく形成している(第2部材34の力伝達部36よりも小さく形成している)。第1凸部72は、プレス加工又はエッチング等により形成することができる。第1プレート70は、後述するボルトなどの締結部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。
このようなセンサーモジュール10の組み立ては、まず第2プレート80の実装面に形成された電子回路基板94上にセンサーデバイス11を載置し、外部電極20A,20B,20C,20Dと実装電極96を電気的に接続させる。そして第1プレート70を、第1凸部72とセンサーデバイス11のセンサー素子42上面が平面視で重なるようにセンサーデバイス11上に配置する。次に締結部86となる締結ボルトを第1プレート70の貫通孔74から挿入し、第2プレート80のネジ穴82に螺合させる。このとき所定の与圧(例えば10kN程度)が付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によれば、センサー素子42が第1部材12内に封止されたセンサーデバイス11に対して、第2部材34の外側から第1凸部72を介してセンサー素子42へ所定の与圧を付加することができる。
図7は第2実施形態に係るセンサーモジュールの断面図である。第2実施形態に係るセンサーモジュール10Aは、第1実施形態の第2プレート80の電子回路基板94に代えて第2凸部84を設けている。その他の構成は第1実施形態のセンサーモジュール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。
図8は第3実施形態に係るセンサーモジュールの断面図である。第3実施形態に係るセンサーモジュール10Bは、第1部材12の下面に第2凸部84が嵌合する第2凹部15を形成している。その他の構成は第2実施形態のセンサーモジュール10A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。
図9は第4実施形態に係るセンサーモジュールの断面図である。第4実施形態のセンサーモジュール10Cは第2部材34Aに薄肉部40を形成している。その他の構成は第1実施形態のセンサーモジュール10と同一の構成であり、同一の符号を付しその詳細な説明を省略する。
なお、薄肉部40は第2及び第3実施形態に係るセンサーモジュールの第2部材に適用しても良い。
図10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プレート70A及び第2プレート80Aにより挟み込んだ構成である。第1プレート70及び第2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11を配置している。第1プレート70Aは、センサーデバイス11のセンサー素子42の上面と対向する箇所に第1凸部72が4つ形成されている。第2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が4つ形成されている。
図11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11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。
Claims (8)
- 圧電体と電極とが積層されたセンサー素子と、
前記センサー素子が配置される第1凹部を有する第1部材と、
前記第1部材に接合され前記第1部材の前記第1凹部を封止する第2部材と、
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プレートを締結可能な締結部と、を備え、
前記第1部材と前記センサー素子との接触面から前記第1部材と前記第2部材が接合される面までの寸法が前記センサー素子の前記圧電体と前記電極が積層される方向の寸法よりも大きく形成され、
前記第1プレートには前記第2部材に向けて突出し前記第2部材と接触する第1凸部が設けられ、前記センサー素子は前記第2部材と接触していることを特徴とするセンサーモジュール。 - 前記第2プレートは、前記第1部材に向けて突出し前記第1部材と接触する第2凸部が設けられていることを特徴とする請求項1に記載のセンサーモジュール。
- 前記第1部材の底面に、前記第2凸部と嵌合する第2凹部が形成されていることを特徴とする請求項2に記載のセンサーモジュール。
- 前記第2部材の厚み方向の平面視において、前記第2部材の前記第1凸部と接触する部分を囲む周辺部には、前記第1凸部と接触する部分の厚みよりも薄い薄肉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モジュール。
- 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軸方向とした場合、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4のいずれか一項に記載のセンサーモジュール。
- 前記締結部は、締結力の調整が可能である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モジュール。
- 圧電体と電極とが積層されたセンサー素子と、
前記センサー素子が配置される第1凹部を有する第1部材と、
前記第1部材に接合され前記第1部材の前記第1凹部を封止する第2部材と、
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プレートを締結可能な締結部と、
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1部材と前記センサー素子との接触面から前記第1部材と前記第2部材が接合される面までの寸法が前記センサー素子の前記圧電体と前記電極が積層される方向の寸法よりも大きく形成され、
前記第1プレートには前記第2部材に向けて突出し前記第2部材と接触する第1凸部が設けられ、前記センサー素子は前記第2部材と接触していることを特徴とする力検出装置。 - 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モジュールを有し、
前記センサーモジュールは、
圧電体と電極とが積層されたセンサー素子と、
前記センサー素子が配置される第1凹部を有する第1部材と、
前記第1部材に接合され前記第1部材の前記第1凹部を封止する第2部材と、
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プレートを締結可能な締結部と、を備え、
前記第1部材と前記センサー素子との接触面から前記第1部材と前記第2部材が接合される面までの寸法が前記センサー素子の前記圧電体と前記電極が積層される方向の寸法よりも大きく形成され、
前記第1プレートには前記第2部材に向けて突出し前記第2部材と接触する第1凸部が設けられ、前記センサー素子は前記第2部材と接触していることを特徴とするロボット。
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