JP2013257267A

JP2013257267A - 力検出モジュール、力検出装置及びロボット

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Publication number: JP2013257267A
Application number: JP2012134562A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Kawai; 宏紀河合; Hideaki Oka; 秀明岡; Toshiyuki Kamiya; 俊幸神谷; Takanobu Matsumoto; 隆伸松本
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2012-06-14
Publication date: 2013-12-26

Abstract

【課題】センサー素子が位置精度よくパッケージ内に設置された力検出モジュールを、生産性良く製造できる構造の力検出モジュールを提供する。
【解決手段】力検出モジュールは、圧電体を有するセンサー素子１２と、センサー素子１２を配置するキャビティ部１４を有するパッケージ１３と、パッケージ１３に接合されパッケージの凹部を封止するリッドと、を備え、キャビティ部１４を構成する隣り合う３つの面が交差する辺のうち、少なくとも１つに凹部１６を有し、センサー素子１２はセンサー素子１２を構成する少なくとも２つの面がキャビティ部１４の２つの面と接して配置される。
【選択図】図２

Description

本発明は、力検出モジュール、力検出装置及びロボットに関する。

従来、圧電材料を用いた力センサーが用いられていた。そして、力センサーの例が特許文献１に開示されている。特許文献１によると力センサーでは信号電極が圧電材料である結晶円板により挟持されていた。さらに金属カバー円板によって挟持された測定素子が金属環内に溶接され複数配置されていた。

センサーデバイスは、同一のカット面を有する２つの水晶板を互いに対向させた状態で電極板を挟み込んだセンサー素子を備えている。センサー素子は金属製のパッケージに収容されている。

このセンサーデバイスは、与圧プレートに挟み込まれて与圧が与えられる。水晶板は与圧に伴う圧電効果により電極板に電荷を出力（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、同軸コネクターを通じてモニターすることにより、力検出モジュールに印加された外力を検出することができる。

特開平４−２３１８２７号公報

パッケージ内にセンサー素子を固定するとき基板にセンサー素子を位置合わせした後に溶接、半田付け、ロー付け、接着する等の方法が用いられる。このとき、センサー素子を位置合わせした時から固着するまでの間に測定素子が移動する可能性がある。従って、位置精度良く固定するのは難しい。

センサー素子の位置が狙いの場所に対してずれるときには、主軸方向へ力を印加した際に他軸成分が出力として検出してしまう。これにより、センサー特性に影響を及ぼす虞があった。そこで、センサー素子が位置精度よく基板に設置されたセンサーモジュールが望まれていた。

本発明は、上述の課題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］本適用例にかかわる力検出モジュールは、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平面視が四角形のキャビティ部を有するパッケージと、を備え、前記キャビティ部は側面と底面とのうち２つの面が交差する辺に凹部を有し、前記センサー素子は２つの面が前記キャビティ部の２つの面と接して配置されることを特徴とする。

本適用例によれば、力検出モジュールはパッケージ内にセンサー素子が配置されている。そして、センサー素子は圧電体を有するので、力検出モジュールは印加された力を電気信号に変換して出力することができる。キャビティ部は２つの面が交差する辺に凹部を有している。そして、センサー素子の２つの面がキャビティ部の２つの面と接して配置されている。従って、センサー素子の２つの面が交差する辺はキャビティ部の凹部に位置するので、キャビティ部と干渉しない構造にすることができる。その結果、この力検出モジュールはセンサー素子が位置精度よくパッケージに設置された力検出モジュールとすることができる。

［適用例２］上記適用例に記載の力検出モジュールでは、前記パッケージの平面視において前記凹部は前記キャビティ部の２つの辺が交差する場所に位置し、前記パッケージの平面視において前記センサー素子の２つの辺が前記キャビティ部の２つの辺と接して配置されることが好ましい。

本適用例によれば、パッケージの平面視においてセンサー素子の２つの辺がキャビティ部の２つの辺と接して配置されている。そして、凹部はキャビティ部の２つの辺が交差する場所に位置している。従って、力検出モジュールは、パッケージの平面視においてセンサー素子がキャビティ部と干渉しない構造にすることができる。

［適用例３］上記適用例に記載の力検出モジュールでは、前記パッケージの断面視において前記凹部は前記キャビティ部の２つの辺が交差する場所に位置し、前記パッケージの断面視において前記センサー素子の２つの辺が前記キャビティ部の２つの辺と接して配置されることが好ましい。

本適用例によれば、パッケージの断面視においてセンサー素子の２つの辺がキャビティ部の２つの辺と接して配置されている。そして、凹部はキャビティ部の２つの辺が交差する場所に位置している。従って、力検出モジュールは、パッケージの断面視においてセンサー素子がキャビティ部と干渉しない構造にすることができる。

［適用例４］上記適用例に記載の力検出モジュールでは、前記凹部は、前記キャビティ部の３つの面が交差する場所に位置し、前記センサー素子の３つの面が前記キャビティ部の３つの面と接して配置されることが好ましい。

本適用例によれば、センサー素子の３つの面がキャビティ部の３つの面と接して配置される。これにより、センサー素子とキャビティ部とは３方向で相対位置が決定される。そして、キャビティ部の３つの面が交差する場所に凹部が位置している。従って、力検出モジュールは、センサー素子の３つの面が交差する場所がキャビティ部と干渉しない構造にすることができる。

［適用例５］上記適用例に記載の力検出モジュールでは、前記パッケージの材質がセラミックスであることが好ましい。

本適用例によれば、パッケージの材質がセラミックスとなっている。セラミックスは絶縁材料である為、力検出モジュールは雑音信号を排除することができる。さらに、セラミックスは機械的強度が強い。従って、パッケージが力を精度良くセンサー素子に伝達する為、力検出モジュールは精度良く力を検出することができる。

［適用例６］上記適用例に記載の力検出モジュールでは、前記センサー素子は前記圧電体が３つ積層され、各前記圧電体は前記力検出モジュールに加えられた力のうち互いに直交する向きの分力を検出することが好ましい。

本適用例によれば、センサー素子は圧電体が３つ積層されている。そして、３つの圧電体は直交する向きの３方向の分力を検出する。従って、直交する向きの分力を合成して力検出モジュールに加わる力の向きと大きさを精度良く検出することができる。

［適用例７］本適用例にかかわる力検出モジュールは、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平面視が四角形のキャビティ部を有するパッケージと、を備え、前記キャビティ部の側面と底面とのうち３つの面が交差する場所に凹部を有し、前記センサー素子の３つの面が前記キャビティ部の３つの面と接して配置されることを特徴とする。

本適用例によれば、力検出モジュールはパッケージ内にセンサー素子が配置されている。そして、センサー素子は圧電体を有するので、力検出モジュールは印加された力を電気信号に変換して出力することができる。キャビティ部は３つの面が交差する辺に凹部を有している。そして、センサー素子の３つの面がキャビティ部の３つの面と接して配置されている。これにより、センサー素子とキャビティ部とは３方向で相対位置が決定される。そして、キャビティ部の３つの面が交差する場所に凹部が位置している。従って、センサー素子の３つの面が交差する場所がキャビティ部と干渉しない構造にすることができる。その結果、センサー素子が位置精度よくパッケージに設置された力検出モジュールとすることができる。

［適用例８］本適用例にかかわる力検出装置は、応力を検出する複数の力検出モジュールと、前記複数の力検出モジュールの出力を用いて前記応力を演算する演算部と、を備え、前記力検出モジュールは、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たキャビティ部を有するパッケージと、を備え、前記キャビティ部の２つの面が交差する辺に凹部を有し、前記センサー素子の２つの面が前記キャビティ部の２つの面と接して配置されることを特徴とする。

本適用例によれば、力検出装置は複数の力検出モジュールと応力を演算する演算部とを備えている。力検出装置は各力検出モジュールが検出する応力を加算して力検出装置に加わる力の総和を算出することができる。また、力検出装置は、力検出モジュールの位置と検出する応力を用いて力検出装置に加わるトルクを検出することができる。

力検出モジュールのキャビティ部は２つの面が交差する辺に凹部を有している。そして、センサー素子の２つの面がキャビティ部の２つの面と接して配置されている。従って、センサー素子の２つの面が交差する辺はキャビティ部の凹部に位置するので、キャビティ部と干渉しない構造にすることができる。そして、センサー素子が位置精度よくパッケージに設置されている為、複数の力検出モジュールの位置を精度良く配置することができる。その結果、力検出装置はトルクを精度良く検出することができる。

［適用例９］本適用例にかかわるロボットは、可動部と、前記可動部に加わる力を検出する力検出モジュールと、を備え、前記力検出モジュールは、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たキャビティ部を有するパッケージと、を備え、前記キャビティ部の２つの面が交差する辺に凹部を有し、前記センサー素子の２つの面が前記キャビティ部の２つの面と接して配置されることを特徴とする。

本適用例によれば、ロボットは、可動部と、可動部に加わる力を検出する力検出モジュールとを備えている。これにより、ロボットは可動部に加わる負荷を認識することができる。力検出モジュールのキャビティ部は２つの面が交差する辺に凹部を有している。そして、センサー素子の２つの面がキャビティ部の２つの面と接して配置されている。従って、センサー素子の２つの面が交差する辺はキャビティ部の凹部に位置するので、キャビティ部と干渉しない構造にすることができる。そして、センサー素子が位置精度よくパッケージに設置されている為、力検出モジュールの応力を検出した位置を精度良く認識することができる。その結果、ロボットは可動部に加わる応力と応力が加わる位置を精度良く認識することができる。

第１実施形態にかかわる力検出モジュールの構成を示す模式側断面図。（ａ）は力検出モジュールの構造を示す模式平面図、（ｂ）は力検出モジュールの構造を示す模式側断面図、（ｃ）は力検出モジュールの要部拡大斜視図。第２実施形態にかかわり、（ａ）は、力検出モジュールの構成を示す模式平面図、（ｂ）は力検出モジュールの構成を示す模式断面図。第３実施形態にかかわり、（ａ）は、力検出モジュールの構成を示す模式平面図、（ｂ）は力検出モジュールの構成を示す模式断面図。第４実施形態にかかわり、（ａ）は、力検出モジュールの構成を示す模式平面図、（ｂ）及び（ｃ）は力検出モジュールの構成を示す模式断面図。第５実施形態にかかわり、力検出モジュールの構造を示す模式側断面図。（ａ）は力検出装置の構成を示す概略斜視図、（ｂ）は力検出装置の構成を示す模式平面図。第６実施形態にかかわり、力検出モジュールを搭載したロボットの構造を示す概略斜視図。第７実施形態にかかわり、力検出モジュールを搭載したロボットの構成を示す概略斜視図。

以下、力検出モジュール、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詳細に説明する。図１は力検出モジュールの構成を示す模式側断面図である。図２（ａ）は力検出モジュールの構造を示す模式平面図であり、図２（ｂ）は力検出モジュールの構造を示す模式側断面図である。図２（ｃ）は力検出モジュールの要部拡大斜視図であり、図２（ａ）のＡ部を拡大した図である。尚、各図面における各部材は、各図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各部材毎に縮尺を異ならせて図示している。

（第１実施形態）
図１に示すように、力検出モジュール１は、同一のカット面を有する２つの圧電体としてのセンサー基板１２ａを互いに対向させた状態で検出電極１２ｂを挟み込んだセンサー素子１２を備えている。さらに、センサー基板１２ａは図中上側と下側とから一対の接地電極１２ｃにより挟み込まれている。力検出モジュール１は、センサー素子１２を収容するパッケージ１３を備え、パッケージ１３の図中上側には開口部６が形成されている。開口部６の外周の上面８にはリッド３が設置され、リッド３はセンサー基板１２ａに当接している。

パッケージ１３の側面には同軸コネクター４が取り付けられている。同軸コネクター４は、外周部４ａと中心導体４ｂを有し、両者の間には絶縁性樹脂４ｃが充填されている。絶縁性樹脂４ｃにより外周部４ａと中心導体４ｂとは電気的に絶縁している。そして外周部４ａは、接地電極１２ｃと電気的に接続し、中心導体４ｂは検出電極１２ｂと電気的に接続している。

この力検出モジュール１は、与圧プレート（不図示）に挟み込まれて与圧が与えられ、センサー基板１２ａは与圧に伴う圧電効果により検出電極１２ｂ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センサー基板１２ａ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４を通じてモニターすることにより、力検出モジュール１に印加された外力を検出することができる。

ここで、力検出モジュール１においては、センサー基板１２ａ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１３内部を乾燥空気で満たした状態で、リッド３によりセンサー素子１２を封止している。

図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、力検出ユニット１１は、パッケージ１３とセンサー素子１２を備えており、力検出モジュール１の一部を構成するものである。力検出モジュール１は力成分を検出可能なセンサー素子１２と、センサー素子１２を配置するキャビティ部１４を有するパッケージ１３と、外気を遮断するためパッケージ１３と溶接により固定されるリッド（不図示）で構成され、センサー素子１２はキャビティ部１４の中に配置されていることを主な基本構成としている。

センサー素子１２は圧電体を有しており、圧電体としてのセンサー基板１２ａと、検出電極１２ｂと、接地電極１２ｃと、を備えている。検出電極１２ｂと接地電極１２ｃはパッケージ１３の同軸コネクター４と電気的に導通しているパッド１５と接続されている。センサー素子１２は直方体の形状をしておりキャビティ部１４は平面視が四角形となっている。センサー素子１２の接地電極１２ｃがキャビティ部１４と接触する面を面としての底面１２ｄとする。そして、センサー素子１２で底面１２ｄと直交する面を面としての側面１２ｅとする。このとき、センサー素子１２はパッケージ１３と底面１２ｄ及び側面１２ｅとで接触する。

センサー素子１２に図２（ｂ）中矢印方向の圧縮する力Ｆが付加されると、圧縮によってセンサー素子１２の表面には歪が生じる。この歪によってセンサー基板１２ａに電荷が発生する。検出電極１２ｂに励起された電荷を検出し、図示しない回路装置によって力Ｆが演算されることにより計測することができる。

センサー基板１２ａは圧電性を有しており、材料としては三方晶系の単結晶であればよく、水晶に限定されない。三方晶系の単結晶とは、長さの等しい三本の対称軸が互いに１２０°の角度で交わり、その交点に一本の鉛直な軸が交わる結晶軸を持つものをいう。三方晶系の単結晶としては水晶の他には、ランガサイト（Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）単結晶、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）単結晶、リン酸ガリウム（ＧａＰＯ₄）単結晶、ホウ酸リチウム（Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇）単結晶等が挙げられる。本実施形態では、わずかなひずみであっても多くの電荷を発生させることができ、さらに容易に単結晶が得られ、加工性、品質安定性に優れる水晶を用いている。

図２（ｃ）に示すように、キャビティ部１４で隣り合う面としての第一の側面１４ａと面としての第二の側面１４ｂと面としての底面１４ｃとが交差する交差辺１３ｅに凹部１６が形成されている。また、第一の側面１４ａと第二の側面１４ｂとが交差する交差辺１３ｅに凹部１６が形成されている。さらに、第一の側面１４ａと底面１４ｃが交差する交差辺１３ｅに凹部１６が形成されている。さらに、第二の側面１４ｂと底面１４ｃが交差する交差辺１３ｅに凹部１６が形成されている。つまり、キャビティ部１４で隣り合う２つの面が交差する交差辺１３ｅに１４の凹部１６が形成されている。そして、キャビティ部１４の隣り合う少なくとも２つの面と接するようにセンサー素子１２が配置され固定される。この２つの面は例えば、第一の側面１４ａと底面１４ｃの２つの面であり、第二の側面１４ｂと底面１４ｃとの２つの面である。さらに、センサー素子１２が第一の側面１４ａ、第二の側面１４ｂ、底面１４ｃの３つの面と接するようにしても良い。

パッケージ１３の材料としては、絶縁性に優れ力検出を行なう用途を考えてヤング率が大きい材料が好ましい。例えば、パッケージ１３の材料にセラミックスを用いることができる。このとき、セラミック原料粉末を有機バインダー、有機溶剤とともに粉砕混合を行い、キャスティング法を用いてグリーンシートを作成する。次に、パッケージ１３のデザインに合わせて、形状の型抜き等によりグリーンシートに穴あけを行う。続いて、配線パターンに対応した導体パターン印刷をグリーンシートに行う。次に、グリーンシートを数層積層して焼成する。続いて焼成されたグリーンシートにめっき等の後工程を経てパッケージ１３が製造される。

形状の型抜きを行なう際、端面が直角に近い形状で設計を行なってしまうと、型に負担がかかってしまい、型の寿命が短くなり製造コストが増加してしまうため、多くは端面形状にＲ形状を形成して作製される。このため、センサー素子１２をキャビティ部１４と接するように配置しようとすると、Ｒ形状があるため隙間が空いてしまう可能性がある。図２（ｃ）のように交差辺１３ｅに凹部１６を形成することにより、センサー素子１２をキャビティ部１４の端面に接するように配置することができる。これにより、安定してセンサー素子の位置を決めることができ、性能の安定した力検出ユニット１１を得ることが出来る。

（第２実施形態）
次に、力検出モジュールの一実施形態について図３を用いて説明する。図３（ａ）は、力検出モジュールの構成を示す模式平面図である。図３（ｂ）は力検出モジュールの構成を示す模式断面図であり、図３（ａ）のＢ−Ｂ‘線に沿った断面となっている。本実施形態が第１実施形態と異なる点は、パッケージ１３の平面視でキャビティ部１４の角に凹部が設置されている点にある。尚、第１実施形態と同じ点については説明を省略する。

すなわち、図３に示すように力検出モジュール２２のパッケージ２３は平面視でキャビティ部２４の隣り合う２つの辺２４ａが交差する場所に凹部としての第１凹部１７が設けられている。センサー素子１２の平面視で１つの角が第１凹部１７と重なり、センサー素子１２の２つの辺１２ｆとキャビティ部２４の２つの辺２４ａが接するように配置されている。他の構成は第１実施形態と同一であり、説明を省略する。

このような構成によってセンサー素子１２の少なくとも２つの側面はキャビティ部２４の少なくとも２つの側面と接するように配置することができる。このため、より精度良くセンサー素子１２をキャビティ部２４に配置することができる。その結果、性能の安定した力検出モジュール２２を得ることが出来る。

（第３実施形態）
次に、力検出モジュールの一実施形態について図４を用いて説明する。図４（ａ）は、力検出モジュールの構成を示す模式平面図である。図４（ｂ）は力検出モジュールの構成を示す模式断面図であり、図４（ａ）のＣ−Ｃ‘線に沿った断面となっている。本実施形態が第１実施形態と異なる点は、パッケージ１３の断面視でキャビティ部１４の角に凹部が設置されている点にある。尚、第１実施形態と同じ点については説明を省略する。

すなわち、図４に示すように力検出モジュール２７はパッケージ２８を備え、パッケージ２８はキャビティ部２９を備えている。パッケージ２８の断面視でキャビティ部２９の隣り合う２つの辺２９ａが交差する場所に凹部としての第２凹部１８が設けられている。センサー素子１２の断面視で底面１２ｄと１つの側面１２ｅとが交差する角に第２凹部１８が位置している。そして、センサー素子１２の２つの辺１２ｇとキャビティ部２９の２つの辺２９ａが接するように配置されている。他の構成は第１実施形態と同一であり、説明を省略する。

このように構成することによってセンサー素子１２の側面と底面はキャビティ部の少なくとも１つの側面と底面に確実に接するように配置することができる。従って、より精度良くセンサー素子１２を配置することができる。その結果、性能の安定した力検出モジュール２７を得ることが出来る。尚、本実施形態では、１つの側面と底面とが交差する場所に第２凹部１８を設置した。これに限定されず、２〜４つの側面と底面とが交差する場所に第２凹部１８を設置しても良い。キャビティ部２９内でセンサー素子１２を配置する場所を変えるときにも精度良く設置することができる。

（第４実施形態）
次に、力検出モジュールの一実施形態について図５を用いて説明する。図５（ａ）は、力検出モジュールの構成を示す模式平面図であり、図５（ｂ）及び図５（ｃ）は力検出モジュールの構成を示す模式断面図である。図５（ｂ）は図５（ａ）のＤ−Ｄ‘線に沿った断面となっており、図５（ｃ）は図５（ａ）のＥ−Ｅ‘線に沿った断面となっている。本実施形態が第１実施形態と異なる点は、パッケージ１３の平面視でキャビティ部１４の角に凹部が設置され、さらに、断面視でキャビティ部１４の角に凹部が設置されている点にある。尚、第１実施形態と同じ点については説明を省略する。

すなわち、図５に示すように力検出モジュール３２のパッケージ３３はキャビティ部３４を備えている。パッケージ３３の平面視でキャビティ部３４の隣り合う２つの側面が交差する場所に第１凹部１７が設置されている。さらに、パッケージ３３のキャビティ部３４の断面視でキャビティ部３４の隣り合う２つの面３４ａが交差する場所に第２凹部１８が設置されている。この２つの面は側面と底面である。従って、１つの底面と２つの側面が交差する場所には第１凹部１７と第２凹部１８とが設けられている。つまり、第１凹部１７と第２凹部１８は、キャビティ部３４の３つの面３４ａが交差する場所に位置している。そして、センサー素子１２の底面１２ｄ及び２つの側面１２ｅがキャビティ部３４の３つの面３４ａと接して配置されている。他の構成は第１実施形態と同一のため説明を省略する。

このような構成によってセンサー素子１２の２つの側面と１つの底面とがキャビティ部の２つの側面と１つの底面とに確実に接するように配置することができる。従って、精度良くセンサー素子１２を配置することができる。その結果、性能の安定した力検出モジュール３２を得ることが出来る。

（第５実施形態）
次に、力検出装置の一実施形態について図６及び図７を用いて説明する。本実施形態が第１実施形態と異なる点は、力検出モジュールを複数用いてモーメントを検出する力検出装置が構成されている点にある。尚、第１実施形態と同じ点については説明を省略する。

図６は、力検出モジュールの構造を示す模式側断面図である。図６に示すように、力検出モジュール４２には力検出モジュール４２の上面４４の法線方向（γ軸）に平行な方向の力が加えられる。さらに、力検出モジュール４２には力検出モジュール４２の上面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）の力が上面４４に加えられる。そして、力検出モジュール４２は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。

力検出モジュール４２はパッケージ６８、センサー素子としての第２センサー素子５２、センサー素子としての第３センサー素子５８、センサー素子としての第１センサー素子４６、リッド３がこの順に重ねて形成されている。つまり、力検出モジュール４２はセンサー素子が３つ積層され、各センサー素子は力検出モジュール４２に加えられた力のうち互いに直交する向きの分力を検出する。そして、第１実施形態と同様にパッケージ６８とリッド３とで空洞を形成し、この空洞内に第２センサー素子５２、第３センサー素子５８及び第１センサー素子４６が設置されている。尚、パッケージ６８は第１実施形態のパッケージ１３に対応する部位であり、凹部１６が設置されている。他にも、第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態と同様の凹部の形態を採用しても良い。

第１センサー素子４６において、第１水晶板４８Ａ及び第１水晶板４８Ｂは、Ｙカット水晶板により形成されている。そして、第１水晶板４８Ａ及び第１水晶板４８Ｂが圧電効果を発生させる結晶方位を結晶Ｘ方向とする。この結晶Ｘ方向は第１水晶板４８Ａ及び第１水晶板４８Ｂの法線（図中γ軸に平行な方向）に鉛直な方向となっている。そして、第１水晶板４８Ａと第１水晶板４８Ｂは、結晶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、結晶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。

同様に、第２センサー素子５２において、第２水晶板５４Ａ及び第２水晶板５４Ｂは、Ｙカット水晶板により形成されている。そして、第２水晶板５４Ａ及び第２水晶板５４Ｂが圧電効果を発生させる結晶方位を結晶Ｘ方向とする。この結晶Ｘ方向は第２水晶板５４Ａ及び第２水晶板５４Ｂの法線（γ軸に平行な方向）に垂直な方向となっている。そして、第２水晶板５４Ａと第２水晶板５４Ｂは、結晶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，第２水晶板５４Ｂは、結晶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及び第３水晶板６０Ｂは、Ｘカット水晶板により形成されている。そして、第３水晶板６０Ａ及び第３水晶板６０Ｂが圧電効果を発生させる結晶方位を結晶Ｘ方向とする。この結晶Ｘ方向が第３水晶板６０Ａ及び第３水晶板６０Ｂの法線（γ軸に平行な方向）と平行な方向となっている。そして、第３水晶板６０Ａ及び第３水晶板６０Ｂは、結晶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及び第３水晶板６０Ｂは、結晶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。以下、結晶Ｘ方向を検出軸と称す。従って、力検出モジュール４２のセンサー素子は圧電体が複数積層され、圧電体は直交する向きの力を検出する。

第２センサー素子５２と第３センサー素子５８との間には接地電極６６が設置されている。そして、第３センサー素子５８と第１センサー素子４６との間にも接地電極６４が設置されている。接地電極６４及び接地電極６６はリッド３及びパッケージ６８と電気的に接続されている。つまり、パッケージ６８、接地電極６６、接地電極６４、リッド３は接地電極として機能する。

本実施形態の力検出モジュール４２は、空間直交座標のγ軸に平行な方向を力検出モジュール４２の高さ方向としている。そして、パッケージ６８及びリッド３によりγ軸の方向から挟み込まれ与圧が与えられ、押圧部７２を介して力検出モジュール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は結晶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、パッケージ６８及びリッド３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、力検出モジュール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。

またパッケージ６８及びリッド３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、力検出モジュール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。

さらに、パッケージ６８及びリッド３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、力検出モジュール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。

力検出モジュール４２は、第１検出電極５０から出力される電荷（Ｆｘ信号）、第２検出電極５６から出力される電荷（Ｆｙ信号）及び第３検出電極６２から出力される電荷（Ｆｚ信号）をそれぞれモニターすることができる。これにより、互いに直交するα軸、β軸、γ軸と平行な方向の外力（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ）を検知することができる。尚、力検出モジュール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。

図７（ａ）は、力検出装置の構成を示す概略斜視図であり、図７（ｂ）は力検出装置の構成を示す模式平面図である。図７に示すように、力検出装置９０は、４つの力検出モジュール４２を第１プレート７０及び第２プレート８０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、第２プレート８０の中心を通り直交する線上には４つの力検出ユニット１１が配置されている。第１プレート７０は、力検出ユニット１１の力検出モジュール４２の上面と対向する箇所に押圧部７２が４つ形成されている。第２プレート８０は、力検出モジュール４２を配置する箇所に演算部としての電子回路基板４３が４つ形成されている。

このような構成の力検出装置９０は、４つの力検出モジュール４２が総て同じ方向に向いた状態で第１プレート７０及び第２プレート８０に挟み込まれ、与圧が印加される。例えば、力検出モジュール４２において、第１センサー素子４６の検出軸をＦｘに平行な方向に向け、第２センサー素子５２の検出軸をＦｙに平行な方向に向け、第３センサー素子５８の検出軸をＦｚに平行な方向に向けた状態となっている。尚、各力検出モジュール４２のセンサー素子の高さを予め測定しておき、この測定値に基づいて押圧部７２の突出量を研磨等によって調整することにより、各力検出ユニット１１の製造ばらつきが生じた場合でも、第１プレート７０及び第２プレート８０の間の平行度を保ちながら均等に与圧を印加することができる。

第２プレート８０には４つの力検出モジュール４２が設置されている。そして、第１プレート７０及び第２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、各力検出モジュール４２はそれぞれＦｘ１、Ｆｘ２、Ｆｘ３、Ｆｘ４の力を検出する。また、第１プレート７０及び第２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、各力検出モジュール４２はそれぞれＦｙ１、Ｆｙ２、Ｆｙ３、Ｆｙ４の力を検出する。さらに、第１プレート７０及び第２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、各力検出モジュール４２はそれぞれＦｚ１、Ｆｚ２、Ｆｚ３、Ｆｚ４の力を検出する。

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。

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る。そして、パッケージ６８には凹部１６が設置されている為、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となっている。

（第６実施形態）
次に、力検出装置が設置されたロボットの一実施形態についてについて図８を用いて説明する。尚、第１実施形態と同じ点については説明を省略する。

図８は、力検出モジュールを搭載したロボットの構造を示す概略斜視図である。図８に示すように、ロボット１００は、本体部１０２、アーム部１０４、可動部としてのロボットハンド部１１６等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等に固定される。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。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、アーム部１０４が駆動される。

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、モーターに加えて力検出モジュール９１が設置されている。力検出モジュール９１は力検出モジュール１，２２，２７，３２，４２や力検出装置９０等と同様の構造のモジュールである。ロボットハンド部１１６が制御部の制御に従って所定の動作位置まで移動する。このとき、障害物への接触、対象物との接触、等を力検出モジュール９１が力として検出する。そして、ロボット１００の制御部がフィードバック制御を行って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等を容易に行い、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。

ロボット１００に設置された力検出装置９０はパッケージ６８に凹部１６が設置されている。従って、力検出装置９０は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できる。その結果、ロボット１００は、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える力検出モジュール９１を備えたロボットとなっている。

（第７実施形態）
次に、力検出装置が設置されたロボットの一実施形態についてについて図９を用いて説明する。尚、第１実施形態と同じ点については説明を省略する。

図９はロボットの構成を示す概略斜視図である。すなわち、本実施形態では、図９に示すように、ロボット１３２は車体部１３３を備えている。車体部１３３は車体本体１３３ａを備え、車体本体１３３ａの地面側には４つの車輪１３３ｂが設置されている。そして、車体本体１３３ａには車輪１３３ｂを駆動する回転機構が内蔵されている。さらに、車体本体１３３ａにはロボット１３２の姿勢及び動作を制御する制御部１３４が内蔵されている。

車体本体１３３ａ上には本体回転部１３５、本体部１３６がこの順に重ねて設置されている。本体回転部１３５には本体部１３６を回転させる回転機構が設置されている。そして、本体部１３６は鉛直方向を回転中心として回動する。本体部１３６上には一対の撮像装置１３７が設置され、撮像装置１３７はロボット１３２の周囲を撮影する。そして、撮影した物と撮像装置１３７との距離を検出することができる。

本体部１３６の側面のうち対向する２つの面には左腕部１３８及び右腕部１３９が設置されている。つまり、ロボット１３２は双腕ロボットとなっている。左腕部１３８及び右腕部１３９はそれぞれ可動部としての上腕部１４０、下腕部１４１、可動部としてのハンド部１４２を備えている。上腕部１４０、下腕部１４１、ハンド部１４２は回動または屈曲可能に接続されている。そして、本体部１３６には本体部１３６に対して上腕部１４０を回動させる肩関節部１４３が設置されている。上腕部１４０には上腕部１４０に対して下腕部１４１を回動させる駆動部としての肘関節部１４４が設置されている。下腕部１４１には下腕部１４１に対してハンド部１４２を回動させる手首関節部１４５が設置されている。

ハンド部１４２はハンド本体１４２ａとハンド本体１４２ａの先端に位置する一対の板状の可動部としての把持部１４２ｂを備えている。ハンド本体１４２ａには把持部１４２ｂを移動しての把持部１４２ｂ間隔を変更させる直動機構が内蔵されている。ハンド部１４２は把持部１４２ｂを開閉して被把持物を把持することができる。

下腕部１４１には力検出モジュール１４６が設置されている。力検出モジュール１４６は力検出モジュール１，２２，２７，３２，４２や力検出装置９０等と同様の構造のモジュールである。左腕部１３８及び右腕部１３９が制御部１３４の制御に従って所定の動作位置まで移動する。このとき、障害物への接触、対象物との接触、等を力検出モジュール１４６が外力として検出する。そして、ロボット１３２の制御部１３４がフィードバック制御を行って回避動作を実行することができる。

このようなロボット１３２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等を容易に行い、安全で細やかな作業が可能なロボット１３２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１３２となる。

ロボット１３２に設置された力検出モジュール１４６はパッケージ６８に凹部１６が設置されている。従って、力検出装置９０は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できる。その結果、ロボット１３２は、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える力検出モジュール１４６を備えたロボットとなっている。

１，２２，２７，３２，４２…力検出モジュール、１１…力検出ユニット、１２…センサー素子、１２ａ…圧電体としてのセンサー基板、１２ｄ，１４ｃ…面としての底面、１２ｅ…面としての側面、１３…パッケージ、１４，２４，２９…キャビティ部、１４ａ…面としての第一の側面、１４ｂ…面としての第二の側面、１６…凹部、１７…凹部としての第１凹部、１８…凹部としての第２凹部、３４ａ…面、４３…演算部としての電子回路基板、４６…センサー素子としての第１センサー素子、５２…センサー素子としての第２センサー素子、５８…センサー素子としての第３センサー素子、９０…力検出装置、１１６…可動部としてのロボットハンド部。

Claims

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平面視が四角形のキャビティ部を有するパッケージと、を備え、
前記キャビティ部は側面と底面とのうち２つの面が交差する辺に凹部を有し、前記センサー素子は２つの面が前記キャビティ部の２つの面と接して配置されることを特徴とする力検出モジュール。
請求項１に記載の力検出モジュールであって、
前記パッケージの平面視において前記凹部は前記キャビティ部の２つの辺が交差する場所に位置し、
前記パッケージの平面視において前記センサー素子の２つの辺が前記キャビティ部の２つの辺と接して配置されることを特徴とする力検出モジュール。
請求項１に記載の力検出モジュールであって、
前記パッケージの断面視において前記凹部は前記キャビティ部の２つの辺が交差するする場所に位置し、
前記パッケージの断面視において前記センサー素子の２つの辺が前記キャビティ部の２つの辺と接して配置されることを特徴とする力検出モジュール。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の力検出モジュールであって、
前記凹部は、前記キャビティ部の３つの面が交差する場所に位置し、
前記センサー素子の３つの面が前記キャビティ部の３つの面と接して配置されることを特徴とする力検出モジュール。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の力検出モジュールであって、
前記パッケージの材質がセラミックスであることを特徴とする力検出モジュール。
請求項１〜５のいずれか一項に記載の力検出モジュールであって、
前記センサー素子は前記圧電体が３つ積層され、
各前記圧電体は前記力検出モジュールに加えられた力のうち互いに直交する向きの分力を検出することを特徴とする力検出モジュール。
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平面視が四角形のキャビティ部を有するパッケージと、を備え、
前記キャビティ部の側面と底面とのうち３つの面が交差する場所に凹部を有し、前記センサー素子の３つの面が前記キャビティ部の３つの面と接して配置されることを特徴とする力検出モジュール。
応力を検出する複数の力検出モジュールと、
前記複数の力検出モジュールの出力を用いて前記応力を演算する演算部と、を備え、
前記力検出モジュールは、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たキャビティ部を有するパッケージと、を備え、
前記キャビティ部の２つの面が交差する辺に凹部を有し、前記センサー素子の２つの面が前記キャビティ部の２つの面と接して配置されることを特徴とする力検出装置。
可動部と、
前記可動部に加わる力を検出する力検出モジュールと、を備え、
前記力検出モジュールは、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たキャビティ部を有するパッケージと、を備え、
前記キャビティ部の２つの面が交差する辺に凹部を有し、前記センサー素子の２つの面が前記キャビティ部の２つの面と接して配置されることを特徴とするロボット。