JP2014163870A - Force detection device, robot, electronic component transport device, electronic component inspection device, component processing device and moving body - Google Patents

Force detection device, robot, electronic component transport device, electronic component inspection device, component processing device and moving body Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a force detection device in which an output drift is reduced and the size is reduced, a robot using the force detection device, an electronic component transport device, an electronic component inspection device, a component processing device and a moving body.SOLUTION: A force detection device 1a includes: a first element 3a and a second element 3b for outputting a voltage according to an external force; and an external force detection circuit for detecting the external force on the basis of the voltage output from the first element 3a and the second element 3b. The first element 3a and the second element 3b have: a sensor having polarization axes Pβ1 and Pβ2, and outputting charges according to the external force along the polarization axes Pβ1 and Pβ2; and a conversion circuit for converting the charges output from the sensor to a voltage. The first element 3a and the second element 3b are arranged in such a manner that the direction of the polarization axis Pβ1 which the sensor of the first element 3a has and the direction of the polarization axis Pβ2 which the sensor of the second element 3b has face the opposite directions mutually.

Description

本発明は、力検出装置、並びに該力検出装置を用いたロボット、電子部品搬送装置、電子部品検査装置、部品加工装置および移動体に関する。   The present invention relates to a force detection device, and a robot, an electronic component conveying device, an electronic component inspection device, a component processing device, and a moving body using the force detection device.

近年、生産効率向上を目的として、工場等の生産施設への産業用ロボットの導入が進められている。このような産業ロボットは、1軸または複数軸方向に対して駆動可能なアームと、アームの先端に取り付けられるハンドと、部品検査用器具、部品搬送用器具、部品加工用工具等のエンドエフェクタとを備えており、部品の組み付け作業、部品加工作業、部品検査作業等の部品製造作業、および部品搬送作業等の様々な作業を実行することができる。   In recent years, industrial robots have been introduced into production facilities such as factories for the purpose of improving production efficiency. Such an industrial robot includes an arm that can be driven in the direction of one axis or a plurality of axes, a hand attached to the tip of the arm, an end effector such as a component inspection instrument, a component transport instrument, and a component processing tool. It is possible to perform various operations such as component assembly operations, component processing operations, component inspection operations such as component inspection operations, and component transfer operations.

このような産業用ロボットにおいては、アームとエンドエフェクタとの間に、力検出装置が設けられている。この力検出装置は、加えられた外力に応じて電荷を出力する圧電素子(電荷出力素子)と、該圧電素子から出力された電荷を電圧に変換する変換回路(コンバーター)を備えており、圧電素子に加えられた外力を検出できる。産業用ロボットは、このような力検出装置を用いて、部品製造作業時または部品搬送作業時に発生する外力を検出し、検出結果に基づき、アームおよびエンドエフェクタを制御している。その結果、産業用ロボットは、部品製造作業または部品搬送作業等を正確に実行することができる。
このような力検出装置として、圧電素子として水晶を用いた水晶式圧電センサが広く用いられている。水晶式圧電センサは、広いダイナミックレンジ、高い剛性、高い固有振動数、高い対荷重性等の優れた特性を有することから、産業用ロボットに広く用いられている。
In such an industrial robot, a force detection device is provided between the arm and the end effector. This force detection device includes a piezoelectric element (charge output element) that outputs electric charge according to an applied external force, and a conversion circuit (converter) that converts electric charge output from the piezoelectric element into a voltage. An external force applied to the element can be detected. An industrial robot uses such a force detection device to detect an external force generated during a component manufacturing operation or a component transfer operation, and controls the arm and the end effector based on the detection result. As a result, the industrial robot can accurately execute the parts manufacturing work or the parts transporting work.
As such a force detection device, a crystal type piezoelectric sensor using a crystal as a piezoelectric element is widely used. Crystal type piezoelectric sensors are widely used in industrial robots because they have excellent characteristics such as a wide dynamic range, high rigidity, high natural frequency, and high load resistance.

しかしながら、このような水晶式圧電素子においては、水晶から出力される電荷が微弱であるため、変換回路の漏れ電流に起因する出力ドリフトの影響を無視できない。この出力ドリフトを低減するための様々な方法が検討されている。例えば、特許文献1には、変換回路の漏れ電流の特性と似た電流特性を有するダイオードを用いた逆バイアス回路を備える水晶式圧電センサが開示されている。特許文献1の水晶式圧電センサは、変換回路の漏れ電流と略同じ大きさで、流れる方向が反対の補正電流をダイオードから供給することによって、出力ドリフトを低減させている。
しかしながら、特許文献1の水晶式圧電センサのように、逆バイアス回路を用いる場合、ダイオード等の追加部品が必要になり、実装面積が拡大するので、小型化が困難である。また、所望の補正電流を供給するための部品精度管理が必要となるという問題があった。
However, in such a crystal type piezoelectric element, since the electric charge output from the crystal is weak, the influence of output drift due to the leakage current of the conversion circuit cannot be ignored. Various methods for reducing the output drift have been studied. For example, Patent Literature 1 discloses a crystal piezoelectric sensor including a reverse bias circuit using a diode having current characteristics similar to the leakage current characteristics of a conversion circuit. The crystal-type piezoelectric sensor disclosed in Patent Document 1 reduces output drift by supplying a correction current from a diode that has substantially the same magnitude as the leakage current of the conversion circuit and has an opposite flow direction.
However, when a reverse bias circuit is used as in the crystal type piezoelectric sensor of Patent Document 1, additional components such as a diode are required, and the mounting area is enlarged, so that downsizing is difficult. In addition, there is a problem that component accuracy management for supplying a desired correction current is required.

特開平9−72757号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-72757

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、変換回路の漏れ電流に起因する出力ドリフトが低減され、かつ小型化された力検出装置、並びに該力検出装置を用いたロボット、電子部品搬送装置、電子部品検査装置、部品加工装置および移動体を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, the output drift due to the leakage current of the conversion circuit is reduced, and the force detection device is miniaturized, and the robot and electronic component using the force detection device It aims at providing a conveying apparatus, an electronic component inspection apparatus, a component processing apparatus, and a moving body.

このような目的は、下記の発明により達成される。
本発明の力検出装置は、外力に応じて電圧を出力する第1の素子および第2の素子と、前記第1の素子および前記第2の素子から出力された前記電圧に基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備え、
前記第1の素子および前記第2の素子は、
分極軸を有し、前記分極軸に沿った前記外力に応じて電荷を出力するセンサと、前記センサから出力された前記電荷を前記電圧に変換する変換回路とを有し、
前記第1の素子および前記第2の素子は、前記第1の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向と、前記第2の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向とが互いに反対方向を向くよう配置されていることを特徴とする。
Such an object is achieved by the following invention.
The force detection device of the present invention is configured to output the external force based on the first element and the second element that output a voltage according to an external force, and the voltage output from the first element and the second element. An external force detection circuit to detect,
The first element and the second element are:
A sensor that has a polarization axis, and outputs a charge according to the external force along the polarization axis; and a conversion circuit that converts the charge output from the sensor into the voltage.
In the first element and the second element, the direction of the polarization axis of the sensor of the first element is opposite to the direction of the polarization axis of the sensor of the second element. It is arrange | positioned so that it may face.

これにより、第1の素子から出力された電圧に含まれる出力ドリフトの符号と、第2の素子から出力された電圧に含まれる出力ドリフトの符号が一致するものの、第1の素子から出力された電圧に含まれ、外力に応じてセンサから出力される電荷の蓄積量に比例する電圧成分(真の値)の符号と、第2の素子から出力された電圧に含まれ、外力に応じてセンサから出力される電圧の蓄積量に比例する電圧成分(真の値)の符号とを逆にすることができる。そのため、第1の素子から出力される電圧と、第2の素子から出力される電圧とを用いて外力を算出することにより、第1の素子および第2の素子から出力された電圧に含まれる出力ドリフトを低減しつつ、外力を検出することができる。その結果、力検出装置の検出精度および検出分解能を向上させることができる。さらに、逆バイアス回路のような出力ドリフトを低減するための回路が不要なので、力検出装置を小型化できる。   Thereby, although the sign of the output drift included in the voltage output from the first element matches the sign of the output drift included in the voltage output from the second element, the output drift is output from the first element. Included in the voltage, the sign of the voltage component (true value) proportional to the accumulated amount of charge output from the sensor according to the external force, and the voltage output from the second element, and included in the sensor according to the external force The sign of the voltage component (true value) that is proportional to the amount of accumulated voltage output from can be reversed. Therefore, by calculating the external force using the voltage output from the first element and the voltage output from the second element, it is included in the voltages output from the first element and the second element. External force can be detected while reducing output drift. As a result, the detection accuracy and detection resolution of the force detection device can be improved. Furthermore, since a circuit for reducing output drift such as a reverse bias circuit is unnecessary, the force detection device can be reduced in size.

本発明の力検出装置では、前記外力検出部は、前記第1の素子および前記第2の素子から出力された前記電圧の差分を取ることにより、前記力検出装置に加えられた前記外力を検出することが好ましい。
これにより、出力ドリフトに起因する検出誤差を低減することができる。
本発明の力検出装置では、前記第1の素子および前記第2の素子は、前記第1の素子の前記センサの前記分極軸の方向と、前記第2の素子の前記センサの前記分極軸の方向とが、同一軸上に互いに対向することが好ましい。
これにより、出力ドリフトをさらに低減しつつ、外力を検出することができる。
In the force detection device of the present invention, the external force detection unit detects the external force applied to the force detection device by taking a difference between the voltages output from the first element and the second element. It is preferable to do.
Thereby, the detection error resulting from output drift can be reduced.
In the force detection device of the present invention, the first element and the second element may include a direction of the polarization axis of the sensor of the first element and a direction of the polarization axis of the sensor of the second element. It is preferable that the directions face each other on the same axis.
As a result, the external force can be detected while further reducing the output drift.

本発明の力検出装置では、前記第1の素子および前記第2の素子は、
グランドに接地された複数のグランド電極層と、3つの前記センサとを積層することにより構成され、前記各センサの前記分極軸は、互いに直交していることが好ましい。
これにより、力検出装置は、6軸力(x、y、z軸方向の並進力成分およびx、y、z軸周りの回転力成分)を検出することができる。
In the force detection device of the present invention, the first element and the second element are:
Preferably, a plurality of ground electrode layers that are grounded to the ground and the three sensors are stacked, and the polarization axes of the sensors are orthogonal to each other.
Thereby, the force detection device can detect six-axis forces (translational force components in the x, y, and z axis directions and rotational force components around the x, y, and z axes).

本発明の力検出装置では、前記センサの積層方向をγ軸方向とし、前記γ軸方向に直交し且つ互いに直交する方向をそれぞれα軸方向、β軸方向とした場合、
前記センサの1つは、前記α軸方向に沿った前記外力に応じて前記電荷を出力するα軸用センサであり、
前記センサの1つは、前記β軸方向に沿った前記外力に応じて前記電荷を出力するβ軸用センサであり、
前記センサの1つは、前記γ軸方向に沿った前記外力に応じて前記電荷を出力するγ軸用センサであることが好ましい。
これにより、センサは3軸力(x、y、z軸方向の並進力成分)に応じて電荷を出力することができる。
In the force detection device of the present invention, when the stacking direction of the sensors is a γ-axis direction, and the directions orthogonal to the γ-axis direction and orthogonal to each other are an α-axis direction and a β-axis direction,
One of the sensors is an α-axis sensor that outputs the electric charge according to the external force along the α-axis direction,
One of the sensors is a β-axis sensor that outputs the electric charge according to the external force along the β-axis direction,
One of the sensors is preferably a γ-axis sensor that outputs the electric charge according to the external force along the γ-axis direction.
Thereby, the sensor can output electric charge according to the triaxial force (translational force component in the x, y, and z axis directions).

本発明の力検出装置は、2つの前記第1の素子と、2つの前記第2の素子を有し、
一方の前記第1の素子および一方の前記第2の素子の前記α軸用センサの前記分極軸の方向が、他方の前記第1の素子および他方の前記第2の素子の前記α軸用センサの前記分極軸の方向と反対方向を向き、
前記一方の第1の素子および前記一方の第2の素子の前記γ軸用センサの前記分極軸の方向が、前記他方の第1の素子および前記他方の第2の素子の前記γ軸用センサの前記分極軸の方向と反対方向を向いていることが好ましい。
これにより、第1の素子および第2の素子から出力された電圧に基づき、出力ドリフトを低減しつつ、6軸力を検出することができる。
The force detection device of the present invention includes two first elements and two second elements,
The direction of the polarization axis of one of the first elements and one of the second elements is the direction of the polarization axis of the other first element and the other of the second element. Facing the direction opposite to the direction of the polarization axis of
The direction of the polarization axis of the γ-axis sensor of the one first element and the one second element is the γ-axis sensor of the other first element and the other second element. It is preferable to face the direction opposite to the direction of the polarization axis.
Thereby, based on the voltage output from the 1st element and the 2nd element, 6 axial force can be detected, reducing output drift.

本発明の力検出装置では、前記センサは、第1の結晶軸を有する第1の圧電体層と、前記第1の圧電体層に対向して設けられ、第2の結晶軸を有する第2の圧電体層と、前記第1の圧電体層と前記第2の圧電体層との間に設けられた出力電極層とを有し、
前記第1の圧電体層の前記第1の結晶軸の方向は、前記第2の圧電体層の前記第2の結晶軸の方向と反対方向を向いていることが好ましい。
これにより、出力電極層から出力される電荷を増加させることができる。
本発明の力検出装置では、前記第1の圧電体層および前記第2の圧電体層は、水晶で構成されていることが好ましい。
これにより、広いダイナミックレンジ、高い剛性、高い固有振動数、高い対荷重性等の優れた特性を有する圧電体層を構成することができる。
In the force detection device of the present invention, the sensor is provided with a first piezoelectric layer having a first crystal axis and a second piezoelectric axis provided opposite to the first piezoelectric layer and having a second crystal axis. A piezoelectric layer, and an output electrode layer provided between the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer,
It is preferable that the direction of the first crystal axis of the first piezoelectric layer is opposite to the direction of the second crystal axis of the second piezoelectric layer.
Thereby, the electric charge output from an output electrode layer can be increased.
In the force detection device of the present invention, it is preferable that the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer are made of quartz.
Accordingly, a piezoelectric layer having excellent characteristics such as a wide dynamic range, high rigidity, high natural frequency, and high load resistance can be configured.

本発明の力検出装置では、ベースプレートと、前記ベースプレートと対向するカバープレートとをさらに備え、前記各素子は、前記ベースプレートと前記カバープレートとの間に設けられていることが好ましい。
これにより、ベースプレートまたはカバープレートに加えられる外力を検出することができる。
本発明の力検出装置では、前記各素子は、前記ベースプレートまたは前記カバープレートの周方向に沿って、等角度間隔に配置されていることが好ましい。
これにより、偏りなく外力を検出することができる。
The force detection device of the present invention preferably further includes a base plate and a cover plate facing the base plate, and each of the elements is provided between the base plate and the cover plate.
Thereby, an external force applied to the base plate or the cover plate can be detected.
In the force detection device of the present invention, it is preferable that the elements are arranged at equiangular intervals along the circumferential direction of the base plate or the cover plate.
Thereby, an external force can be detected without deviation.

本発明のロボットは、アームを複数有し、前記複数のアームの隣り合う前記アーム同士を回動自在に連結してなる少なくとも1つのアーム連結体と、前記アーム連結体の先端側に設けられたエンドエフェクタと、前記アーム連結体と前記エンドエフェクタの間に設けられ、前記エンドエフェクタに加えられる外力を検出する力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、前記外力に応じて電圧を出力する第1の素子および第2の素子と、前記第1の素子および前記第2の素子から出力された前記電圧に基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備え、
前記第1の素子および前記第2の素子は、
分極軸を有し、前記分極軸に沿った前記外力に応じて電荷を出力するセンサと、前記センサから出力された前記電荷を前記電圧に変換する変換回路とを有し、
前記第1の素子および前記第2の素子は、前記第1の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向と、前記第2の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向とが互いに反対方向を向くよう配置されていることを特徴とする。
The robot of the present invention includes a plurality of arms, and is provided on at least one arm connection body formed by rotatably connecting the adjacent arms of the plurality of arms, and on the distal end side of the arm connection body. An end effector, and a force detection device that is provided between the arm coupling body and the end effector and detects an external force applied to the end effector,
The force detection device detects the external force based on the first element and the second element that output a voltage according to the external force, and the voltage output from the first element and the second element. An external force detection circuit that
The first element and the second element are:
A sensor that has a polarization axis, and outputs a charge according to the external force along the polarization axis; and a conversion circuit that converts the charge output from the sensor into the voltage.
In the first element and the second element, the direction of the polarization axis of the sensor of the first element is opposite to the direction of the polarization axis of the sensor of the second element. It is arrange | positioned so that it may face.

これにより、力検出装置が検出した外力をフィードバックし、より精密に作業を実行することができる。また、力検出装置が検出した外力によって、エンドエフェクタの障害物への接触等を検知することができる。そのため、従来の位置制御では困難だった障害物回避動作、対象物損傷回避動作等を容易に行うことができ、より安全に作業を実行することができる。さらに、逆バイアス回路のような出力ドリフトを低減するための回路が不要なので、力検出装置を小型化できる。そのため、ロボットを小型化することができる。   Thereby, the external force detected by the force detection device can be fed back, and the operation can be executed more precisely. Further, the contact of the end effector with the obstacle can be detected by the external force detected by the force detection device. Therefore, an obstacle avoidance operation, an object damage avoidance operation, and the like, which are difficult with conventional position control, can be easily performed, and the work can be executed more safely. Furthermore, since a circuit for reducing output drift such as a reverse bias circuit is unnecessary, the force detection device can be reduced in size. Therefore, the robot can be reduced in size.

本発明の電子部品搬送装置は、電子部品を把持する把持部と、前記把持部に加えられる外力を検出する力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、前記外力に応じて電圧を出力する第1の素子および第2の素子と、前記第1の素子および前記第2の素子から出力された前記電圧に基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備え、
前記第1の素子および前記第2の素子は、
分極軸を有し、前記分極軸に沿った前記外力に応じて電荷を出力するセンサと、前記センサから出力された前記電荷を前記電圧に変換する変換回路とを有し、
前記第1の素子および前記第2の素子は、前記第1の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向と、前記第2の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向とが互いに反対方向を向くよう配置されていることを特徴とする。
An electronic component conveying device of the present invention includes a gripping unit that grips an electronic component, and a force detection device that detects an external force applied to the gripping unit,
The force detection device detects the external force based on the first element and the second element that output a voltage according to the external force, and the voltage output from the first element and the second element. An external force detection circuit that
The first element and the second element are:
A sensor that has a polarization axis, and outputs a charge according to the external force along the polarization axis; and a conversion circuit that converts the charge output from the sensor into the voltage.
In the first element and the second element, the direction of the polarization axis of the sensor of the first element is opposite to the direction of the polarization axis of the sensor of the second element. It is arrange | positioned so that it may face.

これにより、力検出装置が検出した外力をフィードバックし、より精密に作業を実行することができる。また、力検出装置が検出した外力によって、把持部の障害物への接触等を検知することができる。そのため、従来の位置制御では困難だった障害物回避動作、対象物損傷回避動作等を容易に行うことができ、より安全に電子部品搬送作業を実行することができる。さらに、逆バイアス回路のような出力ドリフトを低減するための回路が不要なので、力検出装置を小型化できる。そのため、電子部品搬送装置を小型化することができる。   Thereby, the external force detected by the force detection device can be fed back, and the operation can be executed more precisely. In addition, contact of the grip portion with an obstacle can be detected by the external force detected by the force detection device. Therefore, an obstacle avoidance operation, an object damage avoidance operation, and the like, which are difficult with conventional position control, can be easily performed, and the electronic component transport operation can be executed more safely. Furthermore, since a circuit for reducing output drift such as a reverse bias circuit is unnecessary, the force detection device can be reduced in size. Therefore, the electronic component transport device can be reduced in size.

本発明の電子部品検査装置は、電子部品を把持する把持部と、前記電子部品を検査する検査部と、前記把持部に加えられる外力を検出する力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、前記外力に応じて電圧を出力する第1の素子および第2の素子と、前記第1の素子および前記第2の素子から出力された前記電圧に基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備え、
前記第1の素子および前記第2の素子は、
分極軸を有し、前記分極軸に沿った前記外力に応じて電荷を出力するセンサと、前記センサから出力された前記電荷を前記電圧に変換する変換回路とを有し、
前記第1の素子および前記第2の素子は、前記第1の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向と、前記第2の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向とが互いに反対方向を向くよう配置されていることを特徴とする。
An electronic component inspection apparatus according to the present invention includes a gripping unit that grips an electronic component, an inspection unit that inspects the electronic component, and a force detection device that detects an external force applied to the gripping unit,
The force detection device detects the external force based on the first element and the second element that output a voltage according to the external force, and the voltage output from the first element and the second element. An external force detection circuit that
The first element and the second element are:
A sensor that has a polarization axis, and outputs a charge according to the external force along the polarization axis; and a conversion circuit that converts the charge output from the sensor into the voltage.
In the first element and the second element, the direction of the polarization axis of the sensor of the first element is opposite to the direction of the polarization axis of the sensor of the second element. It is arrange | positioned so that it may face.

これにより、力検出装置が検出した外力をフィードバックし、より精密に作業を実行することができる。また、力検出装置が検出した外力によって、把持部の障害物への接触等を検知することができる。そのため、従来の位置制御では困難だった障害物回避動作、対象物損傷回避動作等を容易に行うことができ、より安全に電子部品検査作業を実行することができる。さらに、逆バイアス回路のような出力ドリフトを低減するための回路が不要なので、力検出装置を小型化できる。そのため、電子部品検査装置を小型化することができる。   Thereby, the external force detected by the force detection device can be fed back, and the operation can be executed more precisely. In addition, contact of the grip portion with an obstacle can be detected by the external force detected by the force detection device. Therefore, an obstacle avoidance operation, an object damage avoidance operation, and the like that are difficult with conventional position control can be easily performed, and an electronic component inspection operation can be performed more safely. Furthermore, since a circuit for reducing output drift such as a reverse bias circuit is unnecessary, the force detection device can be reduced in size. Therefore, the electronic component inspection apparatus can be reduced in size.

本発明の部品加工装置は、工具を装着し、前記工具を変位させる工具変位部と、前記工具に加えられる外力を検出する力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、前記外力に応じて電圧を出力する第1の素子および第2の素子と、前記第1の素子および前記第2の素子から出力された前記電圧に基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備え、
前記第1の素子および前記第2の素子は、
分極軸を有し、前記分極軸に沿った前記外力に応じて電荷を出力するセンサと、前記センサから出力された前記電荷を前記電圧に変換する変換回路とを有し、
前記第1の素子および前記第2の素子は、前記第1の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向と、前記第2の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向とが互いに反対方向を向くよう配置されていることを特徴とする。
The component processing apparatus of the present invention includes a tool displacement unit that mounts a tool and displaces the tool, and a force detection device that detects an external force applied to the tool,
The force detection device detects the external force based on the first element and the second element that output a voltage according to the external force, and the voltage output from the first element and the second element. An external force detection circuit that
The first element and the second element are:
A sensor that has a polarization axis, and outputs a charge according to the external force along the polarization axis; and a conversion circuit that converts the charge output from the sensor into the voltage.
In the first element and the second element, the direction of the polarization axis of the sensor of the first element is opposite to the direction of the polarization axis of the sensor of the second element. It is arrange | positioned so that it may face.

これにより、力検出装置が検出した外力をフィードバックすることにより、部品加工装置は、より精密に部品加工作業を実行することができる。また、力検出装置が検出する外力によって、工具の障害物への接触等を検知することができる。そのため、工具に障害物等が接触した場合に緊急停止することができ、部品加工装置は、より安全な部品加工作業を実行可能である。さらに、逆バイアス回路のような出力ドリフトを低減するための回路が不要なので、力検出装置を小型化できる。そのため、部品加工装置を小型化することができる。   Thereby, by feeding back the external force detected by the force detection device, the component processing device can execute the component processing operation more precisely. Further, contact of the tool with an obstacle can be detected by an external force detected by the force detection device. Therefore, an emergency stop can be performed when an obstacle or the like comes into contact with the tool, and the component processing apparatus can execute a safer component processing operation. Furthermore, since a circuit for reducing output drift such as a reverse bias circuit is unnecessary, the force detection device can be reduced in size. Therefore, the component processing apparatus can be reduced in size.

本発明の移動体は、移動のための動力を供給する動力部と、前記移動により発生する外力を検出する力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、前記外力に応じて電圧を出力する第1の素子および第2の素子と、前記第1の素子および前記第2の素子から出力された前記電圧に基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備え、
前記第1の素子および前記第2の素子は、
分極軸を有し、前記分極軸に沿った前記外力に応じて電荷を出力するセンサと、前記センサから出力された前記電荷を前記電圧に変換する変換回路とを有し、
前記第1の素子および前記第2の素子は、前記第1の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向と、前記第2の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向とが互いに反対方向を向くよう配置されていることを特徴とする。
これにより、力検出装置は、移動に伴い生じた振動や加速度等による外力を検出でき、移動体は、姿勢制御、振動制御および加速制御等の制御を実行することができる。さらに、逆バイアス回路のような出力ドリフトを低減するための回路が不要なので、力検出装置を小型化できる。そのため、移動体を小型化することができる。
The moving body of the present invention includes a power unit that supplies power for movement, and a force detection device that detects an external force generated by the movement,
The force detection device detects the external force based on the first element and the second element that output a voltage according to the external force, and the voltage output from the first element and the second element. An external force detection circuit that
The first element and the second element are:
A sensor that has a polarization axis, and outputs a charge according to the external force along the polarization axis; and a conversion circuit that converts the charge output from the sensor into the voltage.
In the first element and the second element, the direction of the polarization axis of the sensor of the first element is opposite to the direction of the polarization axis of the sensor of the second element. It is arrange | positioned so that it may face.
As a result, the force detection device can detect an external force caused by vibration, acceleration, or the like that is caused by movement, and the moving body can execute control such as posture control, vibration control, and acceleration control. Furthermore, since a circuit for reducing output drift such as a reverse bias circuit is unnecessary, the force detection device can be reduced in size. Therefore, the moving body can be reduced in size.

本発明の力検出装置の第1実施形態を概略的に示す斜視図および平面図である。It is the perspective view and top view which show schematically 1st Embodiment of the force detection apparatus of this invention. 図1に示す力検出装置を概略的に示す回路図である。It is a circuit diagram which shows roughly the force detection apparatus shown in FIG. 図1に示す力検出装置の電荷出力素子を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the electric charge output element of the force detection apparatus shown in FIG. 本発明の力検出装置の第2実施形態を概略的に示す斜視図および平面図である。It is the perspective view and top view which show schematically 2nd Embodiment of the force detection apparatus of this invention. 図4に示す力検出装置を概略的に示す回路図である。FIG. 5 is a circuit diagram schematically showing the force detection device shown in FIG. 4. 図4に示す力検出装置の電荷出力素子を概略的に示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a charge output element of the force detection device shown in FIG. 4. 本発明の力検出装置を用いた単腕ロボットの1例を示す図である。It is a figure which shows an example of the single arm robot using the force detection apparatus of this invention. 本発明の力検出装置を用いた複腕ロボットの1例を示す図である。It is a figure which shows an example of the multi-arm robot using the force detection apparatus of this invention. 本発明の力検出装置を用いた電子部品検査装置および電子部品搬送装置の1例を示す図である。It is a figure which shows an example of the electronic component inspection apparatus and electronic component conveyance apparatus using the force detection apparatus of this invention. 本発明の力検出装置を用いた電子部品搬送装置の1例を示す図である。It is a figure which shows one example of the electronic component conveying apparatus using the force detection apparatus of this invention. 本発明の力検出装置を用いた部品加工装置の1例を示す図である。It is a figure which shows one example of the component processing apparatus using the force detection apparatus of this invention. 本発明の力検出装置を用いた移動体の1例を示す図であるIt is a figure which shows one example of the moving body using the force detection apparatus of this invention.

以下、本発明の力検出装置を添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
<第1実施形態>
図1(a)は、本発明の力検出装置の第1実施形態を概略的に示す斜視図である。図1(b)は、本発明の力検出装置の第1実施形態を概略的に示す平面図である。なお、図1(b)においては、説明のため一部構成要素が省略されている。図2は、図1に示す力検出装置を概略的に示す回路図である。図3は、図1に示す力検出装置の電荷出力素子を概略的に示す断面図である。
Hereinafter, the force detection device of the present invention will be described in detail based on a preferred embodiment shown in the accompanying drawings.
<First Embodiment>
FIG. 1A is a perspective view schematically showing a first embodiment of the force detection device of the present invention. FIG.1 (b) is a top view which shows roughly 1st Embodiment of the force detection apparatus of this invention. In FIG. 1B, some components are omitted for explanation. FIG. 2 is a circuit diagram schematically showing the force detection device shown in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the charge output element of the force detection device shown in FIG.

図1に示す力検出装置1aは、せん断力(図1中のx軸、y軸に沿った外力)を検出する機能を有する。力検出装置1aは、ベースプレート2と、ベースプレート2に対向するカバープレート4と、ベースプレート2とカバープレート4との間に挟持され(設けられ)、外力に応じて電圧を出力する力検出素子(素子)3a、3bと、力検出素子3a、3bのそれぞれから出力された電圧に基づき、外力を検出する外力検出回路5(図1中では図示せず、図2参照)とを有している。   A force detection device 1a shown in FIG. 1 has a function of detecting a shear force (external force along the x-axis and y-axis in FIG. 1). The force detection device 1a includes a base plate 2, a cover plate 4 facing the base plate 2, and a force detection element (element) that is sandwiched (provided) between the base plate 2 and the cover plate 4 and outputs a voltage according to an external force. ) 3a, 3b, and an external force detection circuit 5 (not shown in FIG. 1; see FIG. 2) for detecting an external force based on the voltage output from each of the force detection elements 3a, 3b.

<力検出素子(素子)>
図1に示す力検出素子3a、3bは、加えられたせん断力(図1中のx軸、y軸に沿った外力)に応じて電圧Vを出力する機能を有する。
図2に示すように、力検出素子3a、3bは、加えられたせん断力に応じて電荷Qを出力する電荷出力素子31と、電荷出力素子31から出力された電荷Qを電圧Vに変換する変換回路32とを有する。
<Force detection element (element)>
The force detection elements 3a and 3b shown in FIG. 1 have a function of outputting a voltage V in accordance with an applied shear force (external force along the x-axis and y-axis in FIG. 1).
As shown in FIG. 2, the force detection elements 3 a and 3 b convert the charge output element 31 that outputs the charge Q according to the applied shear force and the charge Q output from the charge output element 31 into a voltage V. And a conversion circuit 32.

<電荷出力素子>
図3に示す電荷出力素子31は、図3中のβ軸に平行な外力(せん断力)に応じて電荷Qを出力する機能を有する。電荷出力素子31は、2つのグランド電極層310と、2つのグランド電極層310との間に設けられたβ軸用センサ320を有する。なお、図3において、グランド電極層310およびβ軸用センサ320の積層方向をγ軸方向とし、γ軸方向に直交し且つ互いに直交する方向をそれぞれα軸方向、β軸方向としている。
<Charge output element>
The charge output element 31 shown in FIG. 3 has a function of outputting a charge Q in accordance with an external force (shearing force) parallel to the β axis in FIG. The charge output element 31 includes two ground electrode layers 310 and a β-axis sensor 320 provided between the two ground electrode layers 310. In FIG. 3, the lamination direction of the ground electrode layer 310 and the β-axis sensor 320 is the γ-axis direction, and the directions orthogonal to the γ-axis direction and orthogonal to each other are the α-axis direction and the β-axis direction, respectively.

図示の構成では、グランド電極層310と、β軸用センサ320は、全て等しい幅(図中の左右方向の長さ)を有しているが、本発明はこれに限られない。例えば、グランド電極層310の幅が、β軸用センサ320の幅よりも広くてもよいし、その逆であってもよい。
グランド電極層310は、グランド(基準電位点)に接地された電極である。グランド電極層310を構成する材料は、特に限定されないが、例えば、金、クロム、チタニウム、アルミニウム、銅、鉄またはこれらを含む合金が好ましい。
In the illustrated configuration, the ground electrode layer 310 and the β-axis sensor 320 all have the same width (length in the left-right direction in the drawing), but the present invention is not limited to this. For example, the width of the ground electrode layer 310 may be wider than the width of the β-axis sensor 320, or vice versa.
The ground electrode layer 310 is an electrode grounded to the ground (reference potential point). Although the material which comprises the ground electrode layer 310 is not specifically limited, For example, gold | metal | money, chromium, titanium, aluminum, copper, iron, or an alloy containing these is preferable.

β軸用センサ320は、β軸に平行な外力(せん断力)に応じて電荷Qを出力する機能を有する。このβ軸用センサ320は、β軸の正方向に沿った外力に応じて正電荷を出力し、β軸の負方向に沿って加えられた外力に応じて負電荷を出力するよう構成されている。すなわち、β軸用センサ320は、β軸の正方向を向いた分極軸Pβを有する。
β軸用センサ320は、第1の結晶軸CA1を有する第1の圧電体層321と、第1の圧電体層321と対向して設けられ、第2の結晶軸CA2を有する第2の圧電体層323と、第1の圧電体層321と第2の圧電体層323との間に設けられ、電荷Qを出力する出力電極層322を有する。また、β軸用センサ320を構成する各層の積層順は、図3中の下側から、第1の圧電体層321、出力電極層322、第2の圧電体層323の順である。
The β-axis sensor 320 has a function of outputting a charge Q according to an external force (shearing force) parallel to the β-axis. The β-axis sensor 320 is configured to output a positive charge according to an external force along the positive direction of the β axis and to output a negative charge according to an external force applied along the negative direction of the β axis. Yes. That is, the β-axis sensor 320 has a polarization axis Pβ that faces the positive direction of the β-axis.
The β-axis sensor 320 is provided so as to face the first piezoelectric layer 321 having the first crystal axis CA1 and the first piezoelectric layer 321 and has the second piezoelectric axis having the second crystal axis CA2. A body layer 323 and an output electrode layer 322 that outputs a charge Q are provided between the first piezoelectric layer 321 and the second piezoelectric layer 323. Further, the stacking order of the layers constituting the β-axis sensor 320 is the order of the first piezoelectric layer 321, the output electrode layer 322, and the second piezoelectric layer 323 from the lower side in FIG.

第1の圧電体層321はβ軸の負方向に配向した第1の結晶軸CA1を有する圧電体によって構成されている。第1の圧電体層321の表面に対し、β軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、圧電効果により、第1の圧電体層321内に電荷が誘起される。その結果、第1の圧電体層321の出力電極層322側表面近傍には正電荷が集まり、第1の圧電体層321のグランド電極層310側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第1の圧電体層321の表面に対し、β軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、第1の圧電体層321の出力電極層322側表面近傍には負電荷が集まり、第1の圧電体層321のグランド電極層310側表面近傍には正電荷が集まる。   The first piezoelectric layer 321 is composed of a piezoelectric body having a first crystal axis CA1 oriented in the negative direction of the β axis. When an external force along the positive direction of the β axis is applied to the surface of the first piezoelectric layer 321, electric charges are induced in the first piezoelectric layer 321 by the piezoelectric effect. As a result, positive charges are collected near the surface of the first piezoelectric layer 321 on the output electrode layer 322 side, and negative charges are collected near the surface of the first piezoelectric layer 321 on the ground electrode layer 310 side. Similarly, when an external force along the negative direction of the β axis is applied to the surface of the first piezoelectric layer 321, negative charges are generated near the surface of the first piezoelectric layer 321 on the output electrode layer 322 side. As a result, positive charges are collected near the surface of the first piezoelectric layer 321 on the ground electrode layer 310 side.

第2の圧電体層323は、β軸の正方向に配向した第2の結晶軸CA2を有する圧電体によって構成されている。第2の圧電体層323の表面に対し、β軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、圧電効果により、第2の圧電体層323内に電荷が誘起される。その結果、第2の圧電体層323の出力電極層322側表面近傍には正電荷が集まり、第2の圧電体層323のグランド電極層310側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第2の圧電体層323の表面に対し、β軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、第2の圧電体層323の出力電極層322側表面近傍には負電荷が集まり、第2の圧電体層323のグランド電極層310側表面近傍には正電荷が集まる。   The second piezoelectric layer 323 is composed of a piezoelectric body having a second crystal axis CA2 oriented in the positive direction of the β axis. When an external force along the positive direction of the β axis is applied to the surface of the second piezoelectric layer 323, electric charges are induced in the second piezoelectric layer 323 due to the piezoelectric effect. As a result, positive charges are collected in the vicinity of the surface of the second piezoelectric layer 323 on the output electrode layer 322 side, and negative charges are collected in the vicinity of the surface of the second piezoelectric layer 323 on the ground electrode layer 310 side. Similarly, when an external force along the negative direction of the β axis is applied to the surface of the second piezoelectric layer 323, negative charges are generated near the surface of the second piezoelectric layer 323 on the output electrode layer 322 side. The positive charges are collected near the surface of the second piezoelectric layer 323 on the ground electrode layer 310 side.

このように、第1の圧電体層321の第1の結晶軸CA1の方向は、第2の圧電体層323の第2の結晶軸CA2の方向と反対方向を向いている。これにより、第1の圧電体層321または第2の圧電体層323のいずれか一方のみと、出力電極層322によってβ軸用センサ320を構成する場合と比較して、出力電極層322近傍に集まる正電荷または負電荷を増加させることができる。その結果、出力電極層322から出力される電荷Qを増加させることができる。   Thus, the direction of the first crystal axis CA1 of the first piezoelectric layer 321 is opposite to the direction of the second crystal axis CA2 of the second piezoelectric layer 323. As a result, compared to the case where the β-axis sensor 320 is configured by only one of the first piezoelectric layer 321 and the second piezoelectric layer 323 and the output electrode layer 322, the output electrode layer 322 is closer to the output electrode layer 322. The collected positive or negative charge can be increased. As a result, the charge Q output from the output electrode layer 322 can be increased.

なお、第1の圧電体層321および第2の圧電体層323の構成材料としては、水晶、トパーズ、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、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等が挙げられる。これらの中でも特に、水晶が好ましい。水晶により構成された圧電体層は、広いダイナミックレンジ、高い剛性、高い固有振動数、高い対荷重性等の優れた特性を有するためである。また、第1の圧電体層321および第2の圧電体層323のように、層の面方向に沿った外力(せん断力)に対して電荷を生ずる圧電体層は、Yカット水晶により構成することができる。 The constituent materials of the first piezoelectric layer 321 and the second piezoelectric layer 323 are quartz, topaz, barium titanate, lead titanate, lead zirconate titanate (PZT: Pb (Zr, Ti) O 3 ), lithium niobate, lithium tantalate and the like. Of these, quartz is particularly preferable. This is because the piezoelectric layer made of quartz has excellent characteristics such as a wide dynamic range, high rigidity, high natural frequency, and high load resistance. In addition, like the first piezoelectric layer 321 and the second piezoelectric layer 323, piezoelectric layers that generate an electric charge with respect to an external force (shearing force) along the surface direction of the layers are configured by Y-cut quartz. be able to.

出力電極層322は、第1の圧電体層321内および第2の圧電体層323内に生じた正電荷または負電荷を電荷Qとして出力する機能を有する。前述のように、第1の圧電体層321の表面または第2の圧電体層323の表面にβ軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、出力電極層322近傍には、正電荷が集まる。その結果、出力電極層322からは、正の電荷Qが出力される。一方、第1の圧電体層321の表面または第2の圧電体層323の表面にβ軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、出力電極層322近傍には、負電荷が集まる。その結果、出力電極層322からは、負の電荷Qが出力される。
このように、電荷出力素子31は、上述したグランド電極層310と、β軸用センサ320を有することにより、図3中のβ軸に平行な外力(せん断力)に応じて電荷Qを出力することができる。
The output electrode layer 322 has a function of outputting positive charges or negative charges generated in the first piezoelectric layer 321 and the second piezoelectric layer 323 as charges Q. As described above, when an external force along the positive direction of the β axis is applied to the surface of the first piezoelectric layer 321 or the surface of the second piezoelectric layer 323, a positive charge is present in the vicinity of the output electrode layer 322. Gather. As a result, a positive charge Q is output from the output electrode layer 322. On the other hand, when an external force along the negative direction of the β axis is applied to the surface of the first piezoelectric layer 321 or the surface of the second piezoelectric layer 323, negative charges are collected in the vicinity of the output electrode layer 322. As a result, a negative charge Q is output from the output electrode layer 322.
As described above, the charge output element 31 includes the ground electrode layer 310 and the β-axis sensor 320 described above, and outputs a charge Q according to an external force (shearing force) parallel to the β-axis in FIG. be able to.

なお、電荷出力素子31として、β軸に平行な外力(せん断力)に応じて電荷Qを出力する機能を有する例を説明したが、本発明はこれに限られない。第1の結晶軸CA1の配向方向が異なる第1の圧電体層321および第2の結晶軸CA2の配向方向が異なる第2の圧電体層323を用いることにより、α軸に平行な外力(せん断力)に応じて電荷Qを出力する電荷出力素子31を構成することが可能である。このような場合も、本発明の範囲内である。   In addition, although the example which has the function to output the electric charge Q according to the external force (shearing force) parallel to the β axis has been described as the charge output element 31, the present invention is not limited to this. By using the first piezoelectric layer 321 having a different orientation direction of the first crystal axis CA1 and the second piezoelectric layer 323 having a different orientation direction of the second crystal axis CA2, an external force (shearing) parallel to the α axis can be obtained. It is possible to configure the charge output element 31 that outputs the charge Q according to the force). Such a case is also within the scope of the present invention.

<変換回路>
変換回路32は、電荷出力素子31から出力された電荷Qを電圧Vに変換する機能を有する。変換回路32は、オペアンプ33と、コンデンサ34と、スイッチング素子35とを有する。オペアンプ33の第1の入力端子(マイナス入力)は、電荷出力素子31の出力電極層322に接続され、オペアンプ33の第2の入力端子(プラス入力)は、グランド(基準電位点)に接地されている。また、オペアンプ33の出力端子は、外力検出回路5に接続されている。コンデンサ34は、オペアンプ33の第1の入力端子と出力端子との間に接続されている。スイッチング素子35は、オペアンプ33の第1の入力端子と出力端子との間に接続され、コンデンサ34と並列接続されている。また、スイッチング素子35は、駆動回路(図示せず)に接続されており、駆動回路からのオン/オフ信号に従い、スイッチング動作を実行する。
<Conversion circuit>
The conversion circuit 32 has a function of converting the charge Q output from the charge output element 31 into a voltage V. The conversion circuit 32 includes an operational amplifier 33, a capacitor 34, and a switching element 35. The first input terminal (minus input) of the operational amplifier 33 is connected to the output electrode layer 322 of the charge output element 31, and the second input terminal (plus input) of the operational amplifier 33 is grounded to the ground (reference potential point). ing. The output terminal of the operational amplifier 33 is connected to the external force detection circuit 5. The capacitor 34 is connected between the first input terminal and the output terminal of the operational amplifier 33. The switching element 35 is connected between the first input terminal and the output terminal of the operational amplifier 33 and is connected in parallel with the capacitor 34. The switching element 35 is connected to a drive circuit (not shown), and performs a switching operation in accordance with an on / off signal from the drive circuit.

スイッチング素子35がオフの場合、電荷出力素子31から出力された電荷Qは、静電容量C1を有するコンデンサ34に蓄えられ、電圧Vとして外力検出回路5に出力される。次に、スイッチング素子35がオンになった場合、コンデンサ34の両端子間が短絡される。その結果、コンデンサ34に蓄えられた電荷Qは、放電されて0クーロンとなり、外力検出回路5に出力される電圧Vは、0ボルトとなる。スイッチング素子35がオンとなることを、変換回路32をリセットするという。   When the switching element 35 is off, the charge Q output from the charge output element 31 is stored in the capacitor 34 having the electrostatic capacity C1 and is output to the external force detection circuit 5 as the voltage V. Next, when the switching element 35 is turned on, both terminals of the capacitor 34 are short-circuited. As a result, the electric charge Q stored in the capacitor 34 is discharged to 0 coulomb, and the voltage V output to the external force detection circuit 5 becomes 0 volt. When the switching element 35 is turned on, the conversion circuit 32 is reset.

スイッチング素子35は、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等の半導体スイッチング素子である。半導体スイッチング素子は、機械式スイッチと比べて小型および軽量であるので、力検出装置1aの小型化および軽量化に有利である。以下、代表例として、スイッチング素子35としてMOSFETを用いた場合を説明する。   The switching element 35 is a semiconductor switching element such as a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Since the semiconductor switching element is smaller and lighter than the mechanical switch, it is advantageous for reducing the size and weight of the force detection device 1a. Hereinafter, a case where a MOSFET is used as the switching element 35 will be described as a representative example.

スイッチング素子35は、ドレイン電極、ソース電極、およびゲート電極を有している。スイッチング素子35のドレイン電極またはソース電極の一方がオペアンプ33の第1の入力端子に接続され、ドレイン電極またはソース電極の他方がオペアンプ33の出力端子に接続されている。また、スイッチング素子35のゲート電極は、駆動回路(図示せず)に接続されている。   The switching element 35 has a drain electrode, a source electrode, and a gate electrode. One of the drain electrode and the source electrode of the switching element 35 is connected to the first input terminal of the operational amplifier 33, and the other of the drain electrode and the source electrode is connected to the output terminal of the operational amplifier 33. The gate electrode of the switching element 35 is connected to a drive circuit (not shown).

理想的な変換回路32から出力される電圧Vは、電荷出力素子31から出力される電荷Qの蓄積量に比例する。しかしながら、実際の変換回路32においては、スイッチング素子35からコンデンサ34に流入するリーク電流が発生する。このようなリーク電流は電圧Vに含まれる出力ドリフトDとなる。したがって、電荷Qの蓄積量に比例する電圧成分(真の値)をVtとすると、出力される電圧Vは、V=Vt+Dとなる。   The voltage V output from the ideal conversion circuit 32 is proportional to the accumulation amount of the charge Q output from the charge output element 31. However, in the actual conversion circuit 32, a leak current that flows from the switching element 35 to the capacitor 34 is generated. Such a leakage current becomes an output drift D included in the voltage V. Therefore, if the voltage component (true value) proportional to the amount of charge Q accumulated is Vt, the output voltage V is V = Vt + D.

出力ドリフトDは、測定結果に対する誤差となるので、リーク電流(出力ドリフトD)によって、力検出素子3a、3bの検出精度および検出分解能が低下してしまうという問題があった。また、リーク電流は、測定(駆動)時間に比例して累積されるので、力検出装置1aの測定時間を長くすることができないという問題があった。
このようなリーク電流は、ゲート絶縁膜の絶縁性の不足、プロセスルールの微細化、半導体中の不純物濃度のバラツキ等の半導体構造および温度、湿度等の使用環境に起因する。半導体構造起因のリーク電流は、スイッチング素子毎に固有の値となるので、予め半導体構造起因のリーク電流を測定しておくことにより、比較的容易に補償できる。しかしながら、使用環境起因のリーク電流は、使用環境(状況)に応じて変動するので、補償が困難である。本発明の力検出装置1aは、素子対をなす力検出素子(素子)3a、3bと、力検出素子3a、3bのそれぞれから出力された電圧V1、V2に基づき、外力を検出する外力検出回路5を用いて、リーク電流による影響(出力ドリフトD)を低減させることができる。
Since the output drift D becomes an error with respect to the measurement result, there has been a problem that the detection accuracy and the detection resolution of the force detection elements 3a and 3b are reduced by the leak current (output drift D). In addition, since the leak current is accumulated in proportion to the measurement (driving) time, there is a problem that the measurement time of the force detection device 1a cannot be lengthened.
Such a leakage current is caused by a semiconductor structure such as insufficient insulation of the gate insulating film, miniaturization of process rules, and variations in impurity concentration in the semiconductor, and a use environment such as temperature and humidity. Since the leakage current due to the semiconductor structure is a unique value for each switching element, it can be compensated relatively easily by measuring the leakage current due to the semiconductor structure in advance. However, since the leakage current resulting from the use environment varies depending on the use environment (situation), it is difficult to compensate. The force detection device 1a according to the present invention includes an external force detection circuit that detects an external force based on force detection elements (elements) 3a and 3b forming a pair of elements and voltages V1 and V2 output from the force detection elements 3a and 3b, respectively. 5 can be used to reduce the influence (output drift D) due to the leakage current.

次に、図1を参照して、素子対をなす力検出素子3a、3bの位置関係を詳述する。なお、図1(b)においては、説明のためカバープレート4が省略されている。また、図1(b)において、左右方向をx軸方向、x軸方向と直交する方向、すなわち上下方向をy軸方向としている。
力検出素子3aは、上述したβ軸に沿った分極軸Pβ1を有し、β軸に沿った外力(せん断力)に応じて電圧V1を出力する。同様に、力検出素子3bは、上述したβ軸に沿った分極軸Pβ2を有し、β軸に沿った外力(せん断力)に応じて電圧V2を出力する。
力検出素子3a、3bは、ベースプレート2とカバープレート4との間に設けられ(挟持され)ている。力検出素子3aの分極軸Pβ1は、角度θ1を有している。同様に、力検出素子3bの分極軸Pβ2は、角度θ2を有している。なお、角度θ1、θ2は、図1(b)の基準座標系(x軸、y軸)のx軸からの角度である。
Next, with reference to FIG. 1, the positional relationship between the force detection elements 3a and 3b forming the element pair will be described in detail. In FIG. 1B, the cover plate 4 is omitted for explanation. In FIG. 1B, the left-right direction is the x-axis direction, and the direction orthogonal to the x-axis direction, that is, the up-down direction is the y-axis direction.
The force detection element 3a has the polarization axis Pβ1 along the β axis described above, and outputs the voltage V1 according to the external force (shearing force) along the β axis. Similarly, the force detection element 3b has the polarization axis Pβ2 along the β axis described above, and outputs the voltage V2 according to the external force (shearing force) along the β axis.
The force detection elements 3 a and 3 b are provided (sandwiched) between the base plate 2 and the cover plate 4. The polarization axis Pβ1 of the force detection element 3a has an angle θ1. Similarly, the polarization axis Pβ2 of the force detection element 3b has an angle θ2. The angles θ1 and θ2 are angles from the x axis of the reference coordinate system (x axis, y axis) in FIG.

図1(b)に示すように、力検出素子3a、3bは、力検出素子3aの分極軸Pβ1の方向と、力検出素子3bの分極軸Pβ2の方向とが互いに反対方向を向くように配置されている。ここでいう「互いに反対方向を向く」とは、図1(b)のように、分極軸Pβ1の方向と分極軸Pβ2の方向が対向する場合、すなわち、角度θ1、θ2がθ1=θ2の関係を満たす場合に限られない。少なくとも、分極軸Pβ1および分極軸Pβ2のそれぞれを、直交するx軸方向のベクトル成分およびy軸方向のベクトル成分に分解したとき、分極軸Pβ1のx軸方向のベクトル成分と分極軸Pβ2のx軸方向のベクトル成分が逆方向である、または、分極軸Pβ1のy軸方向のベクトル成分と分極軸Pβ2のy軸方向のベクトル成分が逆方向であればよい。   As shown in FIG. 1B, the force detection elements 3a and 3b are arranged so that the direction of the polarization axis Pβ1 of the force detection element 3a and the direction of the polarization axis Pβ2 of the force detection element 3b are opposite to each other. Has been. “Directing in opposite directions” here means that the direction of the polarization axis Pβ1 and the direction of the polarization axis Pβ2 face each other as shown in FIG. 1B, that is, the angles θ1 and θ2 are θ1 = θ2. It is not limited to satisfying. At least when each of the polarization axis Pβ1 and the polarization axis Pβ2 is decomposed into a vector component in the orthogonal x-axis direction and a vector component in the y-axis direction, the vector component in the x-axis direction of the polarization axis Pβ1 and the x-axis of the polarization axis Pβ2 The vector component in the direction may be in the reverse direction, or the vector component in the y-axis direction of the polarization axis Pβ1 and the vector component in the y-axis direction of the polarization axis Pβ2 may be in the reverse direction.

また、力検出素子3a、3bは、分極軸Pβ1のx軸方向のベクトル成分と分極軸Pβ2のx軸方向のベクトル成分が逆方向、および、分極軸Pβ1のy軸方向のベクトル成分と分極軸Pβ2のy軸方向のベクトル成分が逆方向となるよう、すなわち、|θ1−θ2|<π/2の関係を満たすよう配置されることが好ましい。これにより、後述するせん断力Fx、Fyを検出することができる。以下の説明では、代表して、力検出素子3a、3bが、|θ1−θ2|<π/2の関係を満たすよう配置されている場合を説明する。   Further, the force detection elements 3a and 3b have the vector component in the x-axis direction of the polarization axis Pβ1 and the vector component in the x-axis direction of the polarization axis Pβ2 reversed, and the vector component in the y-axis direction of the polarization axis Pβ1 and the polarization axis. It is preferable to arrange the vector components of Pβ2 in the y-axis direction to be opposite, that is, satisfy the relationship of | θ1-θ2 | <π / 2. Thereby, shear forces Fx and Fy described later can be detected. In the following description, the case where the force detection elements 3a and 3b are arranged so as to satisfy the relationship | θ1-θ2 | <π / 2 will be described as a representative.

また、力検出素子3a、3bは、分極軸Pβ1の方向と分極軸Pβ2の方向が対向するよう、すなわち、θ1=θ2の関係を満たすよう配置されることがさらに好ましい。これにより、後述する外力検出回路5は、出力ドリフトDをさらに低減しつつ、せん断力Fx、Fyを検出することができる。
また、力検出素子3aの分極軸Pβ1の方向と、力検出素子3bの分極軸Pβ2の方向とが互いに反対方向を向くよう配置されていれば、力検出素子3a、3bの配置は特に限定されないが、図1(b)に示すように、力検出素子3aと、力検出素子3bが同一軸上に配置されていることが好ましい。これにより、ベースプレート2またはカバープレート4に加えられたせん断力(図中のx軸、y軸に沿った外力)を偏りなく検出することができる。
The force detection elements 3a and 3b are more preferably arranged so that the direction of the polarization axis Pβ1 and the direction of the polarization axis Pβ2 face each other, that is, satisfy the relationship θ1 = θ2. Thereby, the external force detection circuit 5 to be described later can detect the shear forces Fx and Fy while further reducing the output drift D.
The arrangement of the force detection elements 3a and 3b is not particularly limited as long as the direction of the polarization axis Pβ1 of the force detection element 3a and the direction of the polarization axis Pβ2 of the force detection element 3b are opposite to each other. However, as shown in FIG. 1B, it is preferable that the force detection element 3a and the force detection element 3b are arranged on the same axis. Thereby, the shearing force applied to the base plate 2 or the cover plate 4 (external forces along the x-axis and y-axis in the figure) can be detected without deviation.

また、図1(b)の力検出素子3aの分極軸Pβ1および力検出素子3bの分極軸Pβ2は、ベースプレート2の外側(遠心方向)を向いているが、本発明はこれに限られない。すなわち、力検出素子3aの分極軸Pβ1の方向と、力検出素子3bの分極軸Pβ2の方向とが互いに反対方向を向くよう配置されていれば、力検出素子3aの分極軸Pβ1および力検出素子3bの分極軸Pβ2は、ベースプレート2の中心方向(向心方向)を向いていてもよい。
力検出素子3aの電荷出力素子31から出力される電荷Q1の蓄積量に比例する電圧成分(真の値)をVt1とし、力検出素子3bの電荷出力素子31から出力される電荷Q2の蓄積量に比例する電圧成分(真の値)をVt2とすると、力検出素子3aから出力される電圧V1および力検出素子3bから出力される電圧V2は、以下のようになる。
Moreover, although the polarization axis Pβ1 of the force detection element 3a and the polarization axis Pβ2 of the force detection element 3b in FIG. 1B face the outside (centrifugal direction) of the base plate 2, the present invention is not limited to this. That is, if the direction of the polarization axis Pβ1 of the force detection element 3a and the direction of the polarization axis Pβ2 of the force detection element 3b are arranged so as to be opposite to each other, the polarization axis Pβ1 of the force detection element 3a and the force detection element The polarization axis Pβ2 of 3b may face the center direction (centrecent direction) of the base plate 2.
The voltage component (true value) proportional to the accumulated amount of the charge Q1 output from the charge output element 31 of the force detection element 3a is Vt1, and the accumulated amount of the charge Q2 output from the charge output element 31 of the force detection element 3b. Assuming that the voltage component (true value) proportional to is Vt2, the voltage V1 output from the force detection element 3a and the voltage V2 output from the force detection element 3b are as follows.

Figure 2014163870
Figure 2014163870

なお、力検出素子3aのスイッチング素子35と、力検出素子3bのスイッチング素子35は、同等の半導体スイッチング素子であり、そのリーク電流は実質的に等しい。したがって、電圧V1に含まれる出力ドリフトDと、電圧V2に含まれる出力ドリフトDは、実質的に等しい。こでいう「実質的に等しい」とは、比較する2つの値の差分を取ったときに、その差分が、元の値と比較して無視できるほど小さいことをいう。   The switching element 35 of the force detection element 3a and the switching element 35 of the force detection element 3b are equivalent semiconductor switching elements, and their leakage currents are substantially equal. Therefore, the output drift D included in the voltage V1 is substantially equal to the output drift D included in the voltage V2. Here, “substantially equal” means that when a difference between two values to be compared is taken, the difference is negligibly small compared to the original value.

また、力検出素子3a、3bは、力検出素子3aの分極軸Pβ1の方向と、力検出素子3bの分極軸Pβ2の方向とが互いに反対方向を向くように配置されているので、電圧V1に含まれる電圧成分Vt1と、電圧V2に含まれる電圧成分Vt2の符号は一致しない。例えば、電圧成分Vt1の符号がプラスであれば、電圧成分Vt2の符号はマイナスとなる。同様に、電圧成分Vt1の符号がマイナスであれば、電圧成分Vt2の符号はプラスとなる。したがって、力検出素子3aから出力される電圧V1と、力検出素子3bから出力される電圧V2の差分を取った場合、電圧成分Vt1と電圧成分Vt2の差分の絶対値は、減少しない。   Further, the force detection elements 3a and 3b are arranged so that the direction of the polarization axis Pβ1 of the force detection element 3a and the direction of the polarization axis Pβ2 of the force detection element 3b are opposite to each other. The signs of the voltage component Vt1 included and the voltage component Vt2 included in the voltage V2 do not match. For example, if the sign of the voltage component Vt1 is positive, the sign of the voltage component Vt2 is negative. Similarly, if the sign of the voltage component Vt1 is negative, the sign of the voltage component Vt2 is positive. Therefore, when the difference between the voltage V1 output from the force detection element 3a and the voltage V2 output from the force detection element 3b is taken, the absolute value of the difference between the voltage component Vt1 and the voltage component Vt2 does not decrease.

一方、電圧V1に含まれる出力ドリフトDと、電圧V2に含まれる出力ドリフトDは、分極軸Pβ1、Pβ2の方向に依存しないので、電圧V1に含まれる出力ドリフトDの符号と、電圧V2に含まれる出力ドリフトDの符号は、一致する。したがって、力検出素子3aから出力される電圧V1と、力検出素子3bから出力される電圧V2の差分を取った場合、電圧V1に含まれる出力ドリフトDと、電圧V2に含まれる出力ドリフトDとの差分の絶対値は、減少する。   On the other hand, since the output drift D included in the voltage V1 and the output drift D included in the voltage V2 do not depend on the directions of the polarization axes Pβ1 and Pβ2, the sign of the output drift D included in the voltage V1 and the voltage V2 are included. The sign of the output drift D to be matched. Therefore, when the difference between the voltage V1 output from the force detection element 3a and the voltage V2 output from the force detection element 3b is taken, the output drift D included in the voltage V1 and the output drift D included in the voltage V2 The absolute value of the difference decreases.

<外力検出回路>
外力検出回路5は、力検出素子3aから出力される電圧V1と、力検出素子3bから出力される電圧V2の差分を取ることにより、力検出装置1aに加えられたせん断力(図中のx軸、y軸に沿った外力)を検出する機能を有する。
外力検出回路5は、以下のように電圧V1、V2の差分を取ることにより、力検出装置1aに加えられたせん断力Fx、Fyを検出することができる。
<External force detection circuit>
The external force detection circuit 5 takes the difference between the voltage V1 output from the force detection element 3a and the voltage V2 output from the force detection element 3b, thereby applying a shear force (x in the figure) to the force detection device 1a. And an external force along the y-axis).
The external force detection circuit 5 can detect the shear forces Fx and Fy applied to the force detection device 1a by taking the difference between the voltages V1 and V2 as follows.

Figure 2014163870
Figure 2014163870

このように、力検出素子3aから出力される電圧V1と、力検出素子3bから出力される電圧V2の差分を取った場合、電圧成分Vt1と電圧成分Vt2の差分の絶対値は減少せず、出力ドリフトDの絶対値は減少する。そのため、出力ドリフトDを低減することができる。その結果、リーク電流(出力ドリフトD)に起因する検出誤差が相対的に小さくなり、力検出装置1aの検出精度および検出分解能を向上させることができる。また、上述した出力ドリフトDの低減方法は、測定時間が長くなった場合であっても有効なので、力検出装置1aの測定時間を長くすることができる。
さらに、角度θ1、θ2がθ1=θ2を満たす場合、すなわち、力検出素子3a、3bが、分極軸Pβ1の方向と分極軸Pβ2の方向が対向するように配置されている場合は、上記Fx、Fyの算出式は単純化され、以下のようになる。
Thus, when the difference between the voltage V1 output from the force detection element 3a and the voltage V2 output from the force detection element 3b is taken, the absolute value of the difference between the voltage component Vt1 and the voltage component Vt2 does not decrease. The absolute value of the output drift D decreases. Therefore, the output drift D can be reduced. As a result, the detection error due to the leakage current (output drift D) becomes relatively small, and the detection accuracy and detection resolution of the force detection device 1a can be improved. Further, since the above-described method for reducing the output drift D is effective even when the measurement time is increased, the measurement time of the force detection device 1a can be increased.
Further, when the angles θ1 and θ2 satisfy θ1 = θ2, that is, when the force detection elements 3a and 3b are arranged so that the direction of the polarization axis Pβ1 and the direction of the polarization axis Pβ2 face each other, Fx, The calculation formula of Fy is simplified and becomes as follows.

Figure 2014163870
Figure 2014163870

この場合、出力ドリフトDを除去(さらに低減)することができる。その結果、力検出装置1aの検出精度および検出分解能をさらに向上させることができる。また、力検出装置1aの測定時間をさらに長くすることができる。
このように、本発明の力検出装置1aは、力検出素子3aの分極軸Pβ1の方向と、力検出素子3bの分極軸Pβ2の方向とが互いに反対方向を向くように配置された力検出素子3a、3bと、力検出素子3aから出力される電圧V1と、力検出素子3bから出力される電圧V2の差分を取ることにより、力検出装置1aに加えられたせん断力を検出する外力検出回路5を有しているので、変換回路32のスイッチング素子35のリーク電流に起因する出力ドリフトDを低減することができる。その結果、力検出装置1aの検出精度および検出分解能を向上させることができる。また、上述した出力ドリフトDの低減方法は、測定時間が長くなった場合であっても有効なので、力検出装置1aの測定時間を長くすることができる。さらに、本発明の力検出装置1aでは、逆バイアス回路のような出力ドリフトDを低減するための回路が不要なので、力検出装置1aを小型化できる。
なお、本実施形態の力検出装置1aは、1対の力検出素子3a、3bを有しているが、本発明はこれに限られない。力検出装置1aは、複数対の力検出素子3a、3bを有していてもよく、そのような場合もまた本発明の範囲内である。
In this case, the output drift D can be removed (further reduced). As a result, the detection accuracy and detection resolution of the force detection device 1a can be further improved. Moreover, the measurement time of the force detection device 1a can be further increased.
As described above, the force detection device 1a according to the present invention includes a force detection element arranged such that the direction of the polarization axis Pβ1 of the force detection element 3a and the direction of the polarization axis Pβ2 of the force detection element 3b are opposite to each other. 3a, 3b, an external force detection circuit that detects a shear force applied to the force detection device 1a by taking the difference between the voltage V1 output from the force detection element 3a and the voltage V2 output from the force detection element 3b. Therefore, the output drift D caused by the leakage current of the switching element 35 of the conversion circuit 32 can be reduced. As a result, the detection accuracy and detection resolution of the force detection device 1a can be improved. Further, since the above-described method for reducing the output drift D is effective even when the measurement time is increased, the measurement time of the force detection device 1a can be increased. Furthermore, in the force detection device 1a of the present invention, a circuit for reducing the output drift D such as a reverse bias circuit is unnecessary, so that the force detection device 1a can be reduced in size.
In addition, although the force detection apparatus 1a of this embodiment has a pair of force detection elements 3a and 3b, this invention is not limited to this. The force detection device 1a may include a plurality of pairs of force detection elements 3a and 3b, and such a case is also within the scope of the present invention.

<第2実施形態>
次に図4、図5および図6に基づき本発明の第2実施形態を説明する。以下、第2実施形態について、前述した第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図4(a)は、本発明の力検出装置の第2実施形態を概略的に示す斜視図である。図4(b)は、本発明の力検出装置の第2実施形態を概略的に示す平面図である。図5は、図4に示す力検出装置を概略的に示す回路図である。図6(a)は、図4に示す第1の力検出装置の電荷出力素子を概略的に示す断面図である。図6(b)は、図4に示す第2の力検出装置の電荷出力素子を概略的に示す断面図である。
Second Embodiment
Next, a second embodiment of the present invention will be described based on FIG. 4, FIG. 5, and FIG. Hereinafter, the second embodiment will be described with a focus on the differences from the first embodiment described above, and the description of the same matters will be omitted.
FIG. 4A is a perspective view schematically showing a second embodiment of the force detection device of the present invention. FIG. 4B is a plan view schematically showing a second embodiment of the force detection device of the present invention. FIG. 5 is a circuit diagram schematically showing the force detection device shown in FIG. FIG. 6A is a cross-sectional view schematically showing the charge output element of the first force detection device shown in FIG. FIG. 6B is a cross-sectional view schematically showing the charge output element of the second force detection device shown in FIG.

図4に示す力検出装置1bは、6軸力(x、y、z軸方向の並進力成分およびx、y、z軸周りの回転力成分)を検出する機能を有する。力検出装置1bは、ベースプレート2と、ベースプレート2に対向するカバープレート4と、ベースプレート2とカバープレート4との間に設けられ(挟持され)、外力に応じて電圧Vα、Vβ、Vγを出力する力検出素子(素子)30a、30b、30c、30dと、力検出素子30a、30b、30c、30dのそれぞれから出力された電圧Vα、Vβ、Vγに基づき、6軸力を検出する外力検出回路50(図4中では図示せず、図5参照)とを有している。   The force detection device 1b shown in FIG. 4 has a function of detecting six-axis forces (translation force components in the x, y, and z axis directions and rotational force components around the x, y, and z axes). The force detection device 1b is provided (sandwiched) between the base plate 2, the cover plate 4 facing the base plate 2, and the base plate 2 and the cover plate 4, and outputs voltages Vα, Vβ, and Vγ according to the external force. An external force detection circuit 50 that detects six-axis forces based on the voltages Vα, Vβ, and Vγ output from the force detection elements (elements) 30a, 30b, 30c, and 30d and the force detection elements 30a, 30b, 30c, and 30d, respectively. (Not shown in FIG. 4, refer to FIG. 5).

<力検出素子(素子)>
力検出素子30a、30b、30c、30dは、互いに直交する3軸(α軸、β軸、γ軸)に沿った外力のそれぞれに応じて電圧Vα、Vβ、Vγを出力する機能を有する。また、力検出素子30a、30cは、第1の素子対を構成し、力検出素子30b、30dは、第2の素子対を構成する。第1の素子対に属する力検出素子30a、30cは、互いに同様の構成を有する。第2の素子対に属する力検出素子30b、30dは、互いに同様の構成を有する。
<Force detection element (element)>
The force detection elements 30a, 30b, 30c, and 30d have a function of outputting voltages Vα, Vβ, and Vγ according to external forces along three axes (α axis, β axis, and γ axis) that are orthogonal to each other. Further, the force detection elements 30a and 30c constitute a first element pair, and the force detection elements 30b and 30d constitute a second element pair. The force detection elements 30a and 30c belonging to the first element pair have the same configuration. The force detection elements 30b and 30d belonging to the second element pair have the same configuration.

図5に示すように、第1の素子対に属する力検出素子30a、30cは、互いに直交する3軸(α軸、β軸、γ軸)に沿って加えられた外力に応じて、電荷Qα、Qβ、Qγを出力する第1の電荷出力素子301aと、第1の電荷出力素子301aから出力された電荷Qαを電圧Vαに変換する変換回路32aと、第1の電荷出力素子301aから出力された電荷Qγを電圧Vγに変換する変換回路32bと、第1の電荷出力素子301aから出力された電荷Qβを電圧Vβに変換する変換回路32cとを有する。第2の素子対に属する力検出素子30b、30dは、第1の電荷出力素子301aと構造の異なる第2の電荷出力素子301bを有する点を除き、第1の素子対に属する力検出素子30a、30cと同様の構成を有する。   As shown in FIG. 5, the force detection elements 30a and 30c belonging to the first element pair have a charge Qα according to the external force applied along the three axes (α axis, β axis, and γ axis) orthogonal to each other. , Qβ, Qγ are output from the first charge output element 301a, the conversion circuit 32a that converts the charge Qα output from the first charge output element 301a into the voltage Vα, and the first charge output element 301a. A conversion circuit 32b that converts the charge Qγ into a voltage Vγ, and a conversion circuit 32c that converts the charge Qβ output from the first charge output element 301a into a voltage Vβ. The force detection elements 30b and 30d belonging to the second element pair have a second charge output element 301b having a structure different from that of the first charge output element 301a, except that the force detection element 30a belongs to the first element pair. , 30c.

<電荷出力素子>
図6(a)に示す第1の電荷出力素子301aは、図6中の互いに直交する3軸(α軸、β軸、γ軸)に沿った外力のそれぞれに応じて電荷Qα、Qβ、Qγを出力する機能を有する。図6(a)に示すように、第1の電荷出力素子301aは、グランド(基準電位点)に接地された4つのグランド電極層310と、β軸に平行な外力(せん断力)に応じて電荷Qβを出力するβ軸用センサ320と、γ軸に平行な外力(圧縮/引張力)に応じて電荷Qγを出力する第1のγ軸用センサ330と、α軸に平行な外力(せん断力)に応じて電荷Qαを出力する第1のα軸用センサ340とを有し、グランド電極層310と各センサ320、330、340は交互に積層されている。なお、図6において、グランド電極層310および各センサ320、330、340の積層方向をγ軸方向とし、γ軸方向に直交し且つ互いに直交する方向をそれぞれα軸方向、β軸方向としている。
<Charge output element>
The first charge output element 301a shown in FIG. 6A has charges Qα, Qβ, and Qγ corresponding to external forces along three axes (α axis, β axis, and γ axis) orthogonal to each other in FIG. Has a function of outputting. As shown in FIG. 6A, the first charge output element 301a includes four ground electrode layers 310 grounded to the ground (reference potential point) and an external force (shearing force) parallel to the β axis. A β-axis sensor 320 that outputs a charge Qβ, a first γ-axis sensor 330 that outputs a charge Qγ in response to an external force (compression / tensile force) parallel to the γ-axis, and an external force (shear) parallel to the α-axis The first α-axis sensor 340 outputs a charge Qα according to the force), and the ground electrode layer 310 and the sensors 320, 330, and 340 are alternately stacked. In FIG. 6, the stacking direction of the ground electrode layer 310 and the sensors 320, 330, and 340 is the γ-axis direction, and the directions orthogonal to and orthogonal to the γ-axis direction are the α-axis direction and β-axis direction, respectively.

図示の構成では、図6中の下側から、β軸用センサ320、第1のγ軸用センサ330、第1のα軸用センサ340の順で積層されているが、本発明はこれに限られない。各センサ320、330、340の積層順は任意である。
β軸用センサ320は、β軸に平行な外力(せん断力)に応じて電荷Qβを出力する機能を有する。β軸用センサ320は、上述した第1実施形態のβ軸用センサ320と同様の構造および機能を有している。
In the configuration shown in FIG. 6, the β-axis sensor 320, the first γ-axis sensor 330, and the first α-axis sensor 340 are stacked in this order from the lower side in FIG. Not limited. The stacking order of the sensors 320, 330, and 340 is arbitrary.
The β-axis sensor 320 has a function of outputting a charge Qβ according to an external force (shearing force) parallel to the β-axis. The β-axis sensor 320 has the same structure and function as the β-axis sensor 320 of the first embodiment described above.

第1のγ軸用センサ330は、γ軸に平行な外力(圧縮/引張力)に応じて電荷Qγを出力する機能を有する。第1のγ軸用センサ330は、γ軸の正方向に沿った外力に応じて正電荷を出力し、γ軸の負方向に沿って加えられた外力に応じて負電荷を出力するよう構成されている。すなわち、第1のγ軸用センサ330は、図6中のγ軸の正方向を向いた分極軸Pγを有する。   The first γ-axis sensor 330 has a function of outputting a charge Qγ according to an external force (compression / tensile force) parallel to the γ-axis. The first γ-axis sensor 330 is configured to output a positive charge according to an external force along the positive direction of the γ-axis and to output a negative charge according to an external force applied along the negative direction of the γ-axis. Has been. That is, the first γ-axis sensor 330 has a polarization axis Pγ that faces the positive direction of the γ-axis in FIG.

第1のγ軸用センサ330は、第3の結晶軸CA3を有する第3の圧電体層331と、第3の圧電体層331と対向して設けられ、第4の結晶軸CA4を有する第4の圧電体層333と、第3の圧電体層331と第4の圧電体層333との間に設けられ、電荷Qγを出力する出力電極層332を有する。また、第1のγ軸用センサ330を構成する各層の積層順は、図6中の下側から、第3の圧電体層331、出力電極層332、第4の圧電体層333の順である。   The first γ-axis sensor 330 is provided opposite to the third piezoelectric layer 331 having the third crystal axis CA3 and the third piezoelectric layer 331, and has the fourth crystal axis CA4. 4, and an output electrode layer 332 that outputs a charge Qγ and is provided between the third piezoelectric layer 331 and the fourth piezoelectric layer 333. Further, the stacking order of the respective layers constituting the first γ-axis sensor 330 is the order of the third piezoelectric layer 331, the output electrode layer 332, and the fourth piezoelectric layer 333 from the lower side in FIG. is there.

第3の圧電体層331は、γ軸の正方向に配向した第3の結晶軸CA3を有する圧電体によって構成されている。第3の圧電体層331の表面に対し、γ軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、圧電効果により、第3の圧電体層331内に電荷が誘起される。その結果、第3の圧電体層331の出力電極層332側表面近傍には正電荷が集まり、第3の圧電体層331のグランド電極層310側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第3の圧電体層331の表面に対し、γ軸の負方向に沿って加えられた外力が加えられた場合、第3の圧電体層331の出力電極層332側表面近傍には負電荷が集まり、第3の圧電体層331のグランド電極層310側表面近傍には正電荷が集まる。   The third piezoelectric layer 331 is composed of a piezoelectric body having a third crystal axis CA3 oriented in the positive direction of the γ axis. When an external force along the positive direction of the γ-axis is applied to the surface of the third piezoelectric layer 331, electric charges are induced in the third piezoelectric layer 331 due to the piezoelectric effect. As a result, positive charges gather near the surface of the third piezoelectric layer 331 on the output electrode layer 332 side, and negative charges gather near the surface of the third piezoelectric layer 331 on the ground electrode layer 310 side. Similarly, when an external force applied along the negative direction of the γ-axis is applied to the surface of the third piezoelectric layer 331, the surface of the third piezoelectric layer 331 near the output electrode layer 332 side Negative charges gather, and positive charges gather near the surface of the third piezoelectric layer 331 on the ground electrode layer 310 side.

第4の圧電体層333は、γ軸の負方向に配向した第4の結晶軸CA4を有する圧電体によって構成されている。第4の圧電体層333の表面に対し、γ軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、圧電効果により、第4の圧電体層333内に電荷が誘起される。その結果、第4の圧電体層333の出力電極層332側表面近傍には正電荷が集まり、第4の圧電体層333のグランド電極層310側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第4の圧電体層333の表面に対し、γ軸の負方向に沿って加えられた外力が加えられた場合、第4の圧電体層333の出力電極層332側表面近傍には負電荷が集まり、第4の圧電体層333のグランド電極層310側表面近傍には正電荷が集まる。   The fourth piezoelectric layer 333 is composed of a piezoelectric body having a fourth crystal axis CA4 oriented in the negative direction of the γ axis. When an external force along the positive direction of the γ-axis is applied to the surface of the fourth piezoelectric layer 333, charges are induced in the fourth piezoelectric layer 333 due to the piezoelectric effect. As a result, positive charges gather near the surface of the fourth piezoelectric layer 333 on the output electrode layer 332 side, and negative charges gather near the surface of the fourth piezoelectric layer 333 on the ground electrode layer 310 side. Similarly, when an external force applied along the negative direction of the γ-axis is applied to the surface of the fourth piezoelectric layer 333, the surface of the fourth piezoelectric layer 333 near the output electrode layer 332 side surface Negative charges are collected, and positive charges are collected in the vicinity of the surface of the fourth piezoelectric layer 333 on the ground electrode layer 310 side.

第3の圧電体層331および第4の圧電体層333の構成材料としては、第1の圧電体層321および第2の圧電体層323と同様の構成材料を用いることができる。また、第3の圧電体層331および第4の圧電体層333のように、層の面方向に垂直な外力(圧縮/引張力)に対して電荷を生ずる圧電体層は、Xカット水晶により構成することができる。   As the constituent material of the third piezoelectric layer 331 and the fourth piezoelectric layer 333, the same constituent material as that of the first piezoelectric layer 321 and the second piezoelectric layer 323 can be used. Further, like the third piezoelectric layer 331 and the fourth piezoelectric layer 333, a piezoelectric layer that generates an electric charge with respect to an external force (compression / tensile force) perpendicular to the plane direction of the layer is formed by an X-cut crystal. Can be configured.

出力電極層332は、第3の圧電体層331内および第4の圧電体層333内に生じた正電荷または負電荷を電荷Qγとして出力する機能を有する。前述のように、第3の圧電体層331の表面または第4の圧電体層333の表面にγ軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、出力電極層332近傍には、正電荷が集まる。その結果、出力電極層332からは、正の電荷Qγが出力される。一方、第3の圧電体層331の表面または第4の圧電体層333の表面にγ軸の負方向に沿って加えられた外力が加えられた場合、出力電極層332近傍には、負電荷が集まる。その結果、出力電極層332からは、負の電荷Qγが出力される。   The output electrode layer 332 has a function of outputting positive charges or negative charges generated in the third piezoelectric layer 331 and the fourth piezoelectric layer 333 as charges Qγ. As described above, when an external force along the positive direction of the γ-axis is applied to the surface of the third piezoelectric layer 331 or the surface of the fourth piezoelectric layer 333, a positive charge is present in the vicinity of the output electrode layer 332. Gather. As a result, positive charge Qγ is output from the output electrode layer 332. On the other hand, when an external force applied along the negative direction of the γ-axis is applied to the surface of the third piezoelectric layer 331 or the surface of the fourth piezoelectric layer 333, a negative charge is present in the vicinity of the output electrode layer 332. Gather. As a result, a negative charge Qγ is output from the output electrode layer 332.

第1のα軸用センサ340は、α軸に平行な外力(せん断力)に応じて電荷Qαを出力する機能を有する。第1のα軸用センサ340は、α軸の正方向に沿った外力に応じて正電荷を出力し、α軸の負方向に沿って加えられた外力に応じて負電荷を出力するよう構成されている。すなわち、第1のα軸用センサ340は、図6中のα軸の正方向を向いた分極軸Pαを有する。   The first α-axis sensor 340 has a function of outputting a charge Qα in accordance with an external force (shearing force) parallel to the α-axis. The first α-axis sensor 340 is configured to output a positive charge according to an external force along the positive direction of the α-axis and to output a negative charge according to an external force applied along the negative direction of the α-axis. Has been. That is, the first α-axis sensor 340 has a polarization axis Pα that faces the positive direction of the α-axis in FIG.

第1のα軸用センサ340は、第5の結晶軸CA5を有する第5の圧電体層341と、第5の圧電体層341と対向して設けられ、第6の結晶軸CA6を有する第6の圧電体層343と、第5の圧電体層341と第6の圧電体層343との間に設けられ、電荷Qαを出力する出力電極層342を有する。また、第1のα軸用センサ340を構成する各層の積層順は、図6中の下側から、第5の圧電体層341、出力電極層342、第6の圧電体層343の順である。   The first α-axis sensor 340 is provided to face the fifth piezoelectric layer 341 having the fifth crystal axis CA5 and the fifth piezoelectric layer 341, and has the sixth crystal axis CA6. 6, and an output electrode layer 342 that outputs a charge Qα, which is provided between the fifth piezoelectric layer 341 and the sixth piezoelectric layer 343. Further, the stacking order of the layers constituting the first α-axis sensor 340 is the order of the fifth piezoelectric layer 341, the output electrode layer 342, and the sixth piezoelectric layer 343 from the lower side in FIG. is there.

第5の圧電体層341は、α軸の負方向に配向した第5の結晶軸CA5を有する圧電体によって構成されている。第5の圧電体層341の表面に対し、α軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、圧電効果により、第5の圧電体層341内に電荷が誘起される。その結果、第5の圧電体層341の出力電極層342側表面近傍には正電荷が集まり、第5の圧電体層341のグランド電極層310側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第5の圧電体層341の表面に対し、α軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、第5の圧電体層341の出力電極層342側表面近傍には負電荷が集まり、第5の圧電体層341のグランド電極層310側表面近傍には正電荷が集まる。   The fifth piezoelectric layer 341 is composed of a piezoelectric body having a fifth crystal axis CA5 oriented in the negative direction of the α axis. When an external force along the positive direction of the α axis is applied to the surface of the fifth piezoelectric layer 341, electric charges are induced in the fifth piezoelectric layer 341 by the piezoelectric effect. As a result, positive charges are collected in the vicinity of the surface of the fifth piezoelectric layer 341 on the output electrode layer 342 side, and negative charges are collected in the vicinity of the surface of the fifth piezoelectric layer 341 on the ground electrode layer 310 side. Similarly, when an external force along the negative direction of the α axis is applied to the surface of the fifth piezoelectric layer 341, negative charges are generated near the surface of the fifth piezoelectric layer 341 on the output electrode layer 342 side. The positive charges are collected near the surface of the fifth piezoelectric layer 341 on the ground electrode layer 310 side.

第6の圧電体層343は、α軸の正方向に配向した第6の結晶軸CA6を有する圧電体によって構成されている。第6の圧電体層343の表面に対し、α軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、圧電効果により、第6の圧電体層343内に電荷が誘起される。その結果、第6の圧電体層343の出力電極層342側表面近傍には正電荷が集まり、第6の圧電体層343のグランド電極層310側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第6の圧電体層343の表面に対し、α軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、第6の圧電体層343の出力電極層342側表面近傍には負電荷が集まり、第6の圧電体層343のグランド電極層310側表面近傍には正電荷が集まる。   The sixth piezoelectric layer 343 is composed of a piezoelectric body having a sixth crystal axis CA6 oriented in the positive direction of the α axis. When an external force along the positive direction of the α axis is applied to the surface of the sixth piezoelectric layer 343, electric charges are induced in the sixth piezoelectric layer 343 due to the piezoelectric effect. As a result, positive charges are collected in the vicinity of the surface of the sixth piezoelectric layer 343 on the output electrode layer 342 side, and negative charges are collected in the vicinity of the surface of the sixth piezoelectric layer 343 on the ground electrode layer 310 side. Similarly, when an external force along the negative direction of the α axis is applied to the surface of the sixth piezoelectric layer 343, negative charges are generated near the surface of the sixth piezoelectric layer 343 on the output electrode layer 342 side. As a result, positive charges are collected in the vicinity of the surface of the sixth piezoelectric layer 343 on the ground electrode layer 310 side.

第5の圧電体層341および第6の圧電体層343の構成材料としては、第1の圧電体層321および第2の圧電体層323と同様の構成材料を用いることができる。また、第5の圧電体層341および第6の圧電体層343のように、層の面方向に沿った外力(せん断力)に対して電荷を生ずる圧電体層は、第1の圧電体層321および第2の圧電体層323と同様に、Yカット水晶により構成することができる。   As the constituent material of the fifth piezoelectric layer 341 and the sixth piezoelectric layer 343, the same constituent material as that of the first piezoelectric layer 321 and the second piezoelectric layer 323 can be used. Further, like the fifth piezoelectric layer 341 and the sixth piezoelectric layer 343, the piezoelectric layer that generates an electric charge with respect to an external force (shearing force) along the surface direction of the layer is the first piezoelectric layer. Similarly to the 321 and the second piezoelectric layer 323, it can be composed of Y-cut quartz.

出力電極層342は、第5の圧電体層341内および第6の圧電体層343内に生じた正電荷または負電荷を電荷Qαとして出力する機能を有する。前述のように、第5の圧電体層341の表面または第6の圧電体層343の表面にα軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、出力電極層342近傍には、正電荷が集まる。その結果、出力電極層342からは、正の電荷Qαが出力される。一方、第5の圧電体層341の表面または第6の圧電体層343の表面にα軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、出力電極層342近傍には、負電荷が集まる。その結果、出力電極層342からは、負の電荷Qαが出力される。   The output electrode layer 342 has a function of outputting positive charges or negative charges generated in the fifth piezoelectric layer 341 and the sixth piezoelectric layer 343 as the charge Qα. As described above, when an external force along the positive direction of the α axis is applied to the surface of the fifth piezoelectric layer 341 or the surface of the sixth piezoelectric layer 343, a positive charge is present in the vicinity of the output electrode layer 342. Gather. As a result, a positive charge Qα is output from the output electrode layer 342. On the other hand, when an external force along the negative direction of the α axis is applied to the surface of the fifth piezoelectric layer 341 or the surface of the sixth piezoelectric layer 343, negative charges are collected in the vicinity of the output electrode layer 342. As a result, a negative charge Qα is output from the output electrode layer 342.

β軸用センサ320、第1のγ軸用センサ330、および第1のα軸用センサ340は、β軸用センサ320の分極軸Pβの方向と、第1のγ軸用センサ330の分極軸Pγの方向と、第1のα軸用センサ340の分極軸Pαの方向とが互いに直交するように積層されている。これにより、第1の電荷出力素子301aは、3つの分極軸Pα、Pβ、Pγを有することができ、3軸(α軸、β軸、γ軸)に沿った外力のそれぞれに応じて3つの電荷Qα、Qβ、Qγを出力することができる。   The β-axis sensor 320, the first γ-axis sensor 330, and the first α-axis sensor 340 include the direction of the polarization axis Pβ of the β-axis sensor 320 and the polarization axis of the first γ-axis sensor 330. The layers are stacked so that the direction of Pγ and the direction of the polarization axis Pα of the first α-axis sensor 340 are orthogonal to each other. As a result, the first charge output element 301a can have three polarization axes Pα, Pβ, and Pγ, and can have three polarization forces according to the external forces along the three axes (α axis, β axis, and γ axis). Charges Qα, Qβ, and Qγ can be output.

次に、図6(b)を参照し、第2の素子対に属する力検出素子30b、30dが有する第2の電荷出力素子301bについて詳述する。図6(b)に示す第2の電荷出力素子301bは、図6中の互いに直交する3軸(α軸、β軸、γ軸)に沿った外力のそれぞれに応じて電荷Qα、Qβ、Qγを出力する機能を有する。図6(b)に示すように、第2の電荷出力素子301bは、グランド(基準電位点)に接地された4つのグランド電極層310と、β軸に平行な外力(せん断力)に応じて電荷Qβを出力するβ軸用センサ320と、γ軸に平行な外力(圧縮/引張力)に応じて電荷Qγを出力する第2のγ軸用センサ350と、α軸に平行な外力(せん断力)に応じて電荷Qαを出力する第2のα軸用センサ360とを有し、グランド電極層310と各センサ320、350、360は交互に積層されている。したがって、第2の電荷出力素子301bは、第1のγ軸用センサ330と構造の異なる第2のγ軸用センサ350と、第1のα軸用センサ340と構造の異なる第2のα軸用センサ360を有する点を除き、第1の電荷出力素子301aと同様の構造を有する。なお、図6において、グランド電極層310および各センサ320、350、360の積層方向をγ軸方向とし、γ軸方向に直交し且つ互いに直交する方向をそれぞれα軸方向、β軸方向としている。
図示の構成では、図6中の下側から、β軸用センサ320、第2のγ軸用センサ350、第2のα軸用センサ360の順で積層されているが、本発明はこれに限られない。各センサ320、350、360の積層順は任意である。
Next, the second charge output element 301b included in the force detection elements 30b and 30d belonging to the second element pair will be described in detail with reference to FIG. The second charge output element 301b shown in FIG. 6B has charges Qα, Qβ, and Qγ corresponding to external forces along three axes (α axis, β axis, and γ axis) orthogonal to each other in FIG. Has a function of outputting. As shown in FIG. 6B, the second charge output element 301b includes four ground electrode layers 310 grounded to the ground (reference potential point) and an external force (shearing force) parallel to the β axis. A β-axis sensor 320 that outputs a charge Qβ, a second γ-axis sensor 350 that outputs a charge Qγ in response to an external force (compression / tensile force) parallel to the γ-axis, and an external force (shear) parallel to the α-axis The ground electrode layer 310 and the sensors 320, 350, and 360 are alternately stacked. Accordingly, the second charge output element 301b includes a second γ-axis sensor 350 having a structure different from that of the first γ-axis sensor 330 and a second α-axis having a structure different from that of the first α-axis sensor 340. The structure is the same as that of the first charge output element 301a except that the sensor 360 is provided. In FIG. 6, the stacking direction of the ground electrode layer 310 and each of the sensors 320, 350, and 360 is the γ-axis direction, and the directions orthogonal to the γ-axis direction and orthogonal to each other are the α-axis direction and β-axis direction.
In the configuration shown in FIG. 6, the β-axis sensor 320, the second γ-axis sensor 350, and the second α-axis sensor 360 are stacked in this order from the lower side in FIG. Not limited. The stacking order of each sensor 320, 350, 360 is arbitrary.

第2のγ軸用センサ350は、γ軸に平行な外力(圧縮/引張力)に応じて電荷Qγを出力する機能を有する。第2のγ軸用センサ350は、γ軸の正方向に沿った外力に応じて負電荷を出力し、γ軸の負方向に沿って加えられた外力に応じて正電荷を出力するよう構成されている。すなわち、第2のγ軸用センサ350は、図6中のγ軸の負方向を向いた分極軸Pγを有する。したがって、第2のγ軸用センサ350の分極軸Pγの方向は、第1のγ軸用センサ330の分極軸Pγの方向と反対方向を向いている。   The second γ-axis sensor 350 has a function of outputting an electric charge Qγ according to an external force (compression / tensile force) parallel to the γ-axis. The second γ-axis sensor 350 outputs a negative charge according to an external force along the positive direction of the γ-axis, and outputs a positive charge according to an external force applied along the negative direction of the γ-axis. Has been. That is, the second γ-axis sensor 350 has a polarization axis Pγ that faces the negative direction of the γ-axis in FIG. Therefore, the direction of the polarization axis Pγ of the second γ-axis sensor 350 is opposite to the direction of the polarization axis Pγ of the first γ-axis sensor 330.

第2のγ軸用センサ350は、第4の結晶軸CA4を有する第4の圧電体層333と、第4の圧電体層333と対向して設けられ、第3の結晶軸CA3を有する第3の圧電体層331と、第4の圧電体層333と第3の圧電体層331との間に設けられ、電荷Qγを出力する出力電極層332を有する。また、第2のγ軸用センサ350を構成する各層の積層順は、図6中の下側から、第4の圧電体層333、出力電極層332、第3の圧電体層331の順である。したがって、第2のγ軸用センサ350は、第4の圧電体層333、出力電極層332、第3の圧電体層331の積層順を除き、第1のγ軸用センサ330と同様の構造を有する。   The second γ-axis sensor 350 is provided so as to face the fourth piezoelectric layer 333 having the fourth crystal axis CA4, and the fourth piezoelectric layer 333, and has the third crystal axis CA3. 3, and an output electrode layer 332 that outputs a charge Qγ and is provided between the fourth piezoelectric layer 333 and the third piezoelectric layer 331. Further, the stacking order of the layers constituting the second γ-axis sensor 350 is the order of the fourth piezoelectric layer 333, the output electrode layer 332, and the third piezoelectric layer 331 from the lower side in FIG. is there. Therefore, the second γ-axis sensor 350 has the same structure as the first γ-axis sensor 330 except for the stacking order of the fourth piezoelectric layer 333, the output electrode layer 332, and the third piezoelectric layer 331. Have

第4の圧電体層333の表面に対し、γ軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、圧電効果により、第4の圧電体層333内に電荷が誘起される。その結果、第4の圧電体層333の出力電極層332側表面近傍には負電荷が集まり、第4の圧電体層333のグランド電極層310側表面近傍には正電荷が集まる。同様に、第4の圧電体層333の表面に対し、γ軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、第4の圧電体層333の出力電極層332側表面近傍には正電荷が集まり、第4の圧電体層333のグランド電極層310側表面近傍には負電荷が集まる。   When an external force along the positive direction of the γ-axis is applied to the surface of the fourth piezoelectric layer 333, charges are induced in the fourth piezoelectric layer 333 due to the piezoelectric effect. As a result, negative charges are collected near the surface of the fourth piezoelectric layer 333 on the output electrode layer 332 side, and positive charges are collected near the surface of the fourth piezoelectric layer 333 on the ground electrode layer 310 side. Similarly, when an external force along the negative direction of the γ axis is applied to the surface of the fourth piezoelectric layer 333, a positive charge is generated near the surface of the fourth piezoelectric layer 333 on the output electrode layer 332 side. As a result, negative charges are collected near the surface of the fourth piezoelectric layer 333 on the ground electrode layer 310 side.

第3の圧電体層331の表面に対し、γ軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、圧電効果により、第3の圧電体層331内に電荷が誘起される。その結果、第3の圧電体層331の出力電極層332側表面近傍には負電荷が集まり、第3の圧電体層331のグランド電極層310側表面近傍には正電荷が集まる。同様に、第3の圧電体層331の表面に対し、γ軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、第3の圧電体層331の出力電極層332側表面近傍には正電荷が集まり、第3の圧電体層331のグランド電極層310側表面近傍には負電荷が集まる。   When an external force along the positive direction of the γ-axis is applied to the surface of the third piezoelectric layer 331, electric charges are induced in the third piezoelectric layer 331 due to the piezoelectric effect. As a result, negative charges are collected in the vicinity of the surface of the third piezoelectric layer 331 on the output electrode layer 332 side, and positive charges are collected in the vicinity of the surface of the third piezoelectric layer 331 on the ground electrode layer 310 side. Similarly, when an external force along the negative direction of the γ axis is applied to the surface of the third piezoelectric layer 331, a positive charge is generated near the surface of the third piezoelectric layer 331 on the output electrode layer 332 side. The negative charges are collected near the surface of the third piezoelectric layer 331 on the ground electrode layer 310 side.

このように、第3の圧電体層331の表面または第4の圧電体層333の表面にγ軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、出力電極層332近傍には、負電荷が集まる。その結果、出力電極層332からは、負の電荷Qγが出力される。一方、第3の圧電体層331の表面または第4の圧電体層333の表面にγ軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、出力電極層332近傍には、正電荷が集まる。その結果、出力電極層332からは、正の電荷Qγが出力される。   Thus, when an external force along the positive direction of the γ-axis is applied to the surface of the third piezoelectric layer 331 or the surface of the fourth piezoelectric layer 333, negative charges are generated in the vicinity of the output electrode layer 332. get together. As a result, a negative charge Qγ is output from the output electrode layer 332. On the other hand, when an external force along the negative direction of the γ axis is applied to the surface of the third piezoelectric layer 331 or the surface of the fourth piezoelectric layer 333, positive charges are collected in the vicinity of the output electrode layer 332. As a result, positive charge Qγ is output from the output electrode layer 332.

第2のα軸用センサ360は、α軸に平行な外力(せん断力)に応じて電荷Qαを出力する機能を有する。第2のα軸用センサ360は、α軸の正方向に沿った外力に応じて負電荷を出力し、α軸の負方向に沿って加えられた外力に応じて正電荷を出力するよう構成されている。すなわち、第2のα軸用センサ360は、図6中のα軸の負方向を向いた分極軸Pαを有する。したがって、第2のα軸用センサ360の分極軸Pαの方向は、第1のα軸用センサ340の分極軸Pαの方向と反対方向を向いている。   The second α-axis sensor 360 has a function of outputting a charge Qα according to an external force (shearing force) parallel to the α-axis. The second α-axis sensor 360 is configured to output a negative charge according to an external force along the positive direction of the α-axis and to output a positive charge according to an external force applied along the negative direction of the α-axis. Has been. That is, the second α-axis sensor 360 has a polarization axis Pα that faces the negative direction of the α-axis in FIG. Therefore, the direction of the polarization axis Pα of the second α-axis sensor 360 is opposite to the direction of the polarization axis Pα of the first α-axis sensor 340.

第2のα軸用センサ360は、第6の結晶軸CA6を有する第6の圧電体層343と、第6の圧電体層343と対向して設けられ、第5の結晶軸CA5を有する第5の圧電体層341と、第6の圧電体層343と第5の圧電体層341との間に設けられ、電荷Qαを出力する出力電極層342を有する。また、第2のα軸用センサ360を構成する各層の積層順は、図6中の下側から、第6の圧電体層343、出力電極層342、第5の圧電体層341の順である。したがって、第2のα軸用センサ360は、第6の圧電体層343、出力電極層342、第5の圧電体層341の積層順を除き、第1のα軸用センサ340と同様の構造を有する。   The second α-axis sensor 360 is provided opposite to the sixth piezoelectric layer 343 having the sixth crystal axis CA6 and the sixth piezoelectric layer 343, and has the fifth crystal axis CA5. 5, and an output electrode layer 342 that outputs a charge Qα and is provided between the sixth piezoelectric layer 343 and the fifth piezoelectric layer 341. In addition, the stacking order of the layers constituting the second α-axis sensor 360 is the order of the sixth piezoelectric layer 343, the output electrode layer 342, and the fifth piezoelectric layer 341 from the lower side in FIG. is there. Therefore, the second α-axis sensor 360 has the same structure as the first α-axis sensor 340 except for the stacking order of the sixth piezoelectric layer 343, the output electrode layer 342, and the fifth piezoelectric layer 341. Have

第6の圧電体層343の表面に対し、α軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、圧電効果により、第6の圧電体層343内に電荷が誘起される。その結果、第6の圧電体層343の出力電極層342側表面近傍には負電荷が集まり、第6の圧電体層343のグランド電極層310側表面近傍には正電荷が集まる。同様に、第6の圧電体層343の表面に対し、α軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、第6の圧電体層343の出力電極層342側表面近傍には正電荷が集まり、第6の圧電体層343のグランド電極層310側表面近傍には負電荷が集まる。   When an external force along the positive direction of the α axis is applied to the surface of the sixth piezoelectric layer 343, electric charges are induced in the sixth piezoelectric layer 343 due to the piezoelectric effect. As a result, negative charges are collected in the vicinity of the surface of the sixth piezoelectric layer 343 on the output electrode layer 342 side, and positive charges are collected in the vicinity of the surface of the sixth piezoelectric layer 343 on the ground electrode layer 310 side. Similarly, when an external force along the negative direction of the α axis is applied to the surface of the sixth piezoelectric layer 343, a positive charge is generated near the surface of the sixth piezoelectric layer 343 on the output electrode layer 342 side. As a result, negative charges are collected in the vicinity of the surface of the sixth piezoelectric layer 343 on the ground electrode layer 310 side.

第5の圧電体層341の表面に対し、α軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、圧電効果により、第5の圧電体層341内に電荷が誘起される。その結果、第5の圧電体層341の出力電極層342側表面近傍には負電荷が集まり、第5の圧電体層341のグランド電極層310側表面近傍には正電荷が集まる。同様に、第5の圧電体層341の表面に対し、α軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、第5の圧電体層341の出力電極層342側表面近傍には正電荷が集まり、第5の圧電体層341のグランド電極層310側表面近傍には負電荷が集まる。   When an external force along the positive direction of the α axis is applied to the surface of the fifth piezoelectric layer 341, electric charges are induced in the fifth piezoelectric layer 341 by the piezoelectric effect. As a result, negative charges gather near the surface of the fifth piezoelectric layer 341 on the output electrode layer 342 side, and positive charges gather near the surface of the fifth piezoelectric layer 341 on the ground electrode layer 310 side. Similarly, when an external force along the negative direction of the α axis is applied to the surface of the fifth piezoelectric layer 341, a positive charge is generated near the surface of the fifth piezoelectric layer 341 on the output electrode layer 342 side. As a result, negative charges are collected in the vicinity of the surface of the fifth piezoelectric layer 341 on the ground electrode layer 310 side.

このように、第5の圧電体層341の表面または第6の圧電体層343の表面にα軸の正方向に沿った外力が加えられた場合、出力電極層342近傍には、負電荷が集まる。その結果、出力電極層342からは、負の電荷Qαが出力される。一方、第5の圧電体層341の表面または第6の圧電体層343の表面にα軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、出力電極層342近傍には、正電荷が集まる。その結果、出力電極層322からは、正の電荷Qαが出力される。   As described above, when an external force along the positive direction of the α axis is applied to the surface of the fifth piezoelectric layer 341 or the surface of the sixth piezoelectric layer 343, negative charges are generated in the vicinity of the output electrode layer 342. get together. As a result, a negative charge Qα is output from the output electrode layer 342. On the other hand, when an external force along the negative direction of the α axis is applied to the surface of the fifth piezoelectric layer 341 or the surface of the sixth piezoelectric layer 343, positive charges are collected in the vicinity of the output electrode layer 342. As a result, positive charge Qα is output from the output electrode layer 322.

β軸用センサ320、第2のγ軸用センサ350、および第2のα軸用センサ360は、β軸用センサ320の分極軸Pβの方向と、第2のγ軸用センサ350の分極軸Pγの方向と、第2のα軸用センサ360の分極軸Pαの方向とが互いに直交するように積層されている。また、第2のγ軸用センサ350の分極軸Pγの方向は、第1のγ軸用センサ330の分極軸Pγの方向と反対方向を向いている。同様に、第2のα軸用センサ360の分極軸Pαの方向は、第1のα軸用センサ340の分極軸Pαの方向と反対方向を向いている。   The β-axis sensor 320, the second γ-axis sensor 350, and the second α-axis sensor 360 are the direction of the polarization axis Pβ of the β-axis sensor 320 and the polarization axis of the second γ-axis sensor 350. The layers are laminated so that the direction of Pγ and the direction of the polarization axis Pα of the second α-axis sensor 360 are orthogonal to each other. The direction of the polarization axis Pγ of the second γ-axis sensor 350 is opposite to the direction of the polarization axis Pγ of the first γ-axis sensor 330. Similarly, the direction of the polarization axis Pα of the second α-axis sensor 360 is opposite to the direction of the polarization axis Pα of the first α-axis sensor 340.

また、Yカット水晶によって構成されるβ軸用センサ320、第1のα軸用センサ340および第2のα軸用センサ360の単位力当たりの電荷発生量は、例えば、8pC/Nである。一方、Xカット水晶によって構成される第1のγ軸用センサ330および第2のγ軸用センサ350の単位力当たりの電荷発生量は、例えば、4pC/Nである。このように、通常、第1の電荷出力素子301aおよび第2の電荷出力素子301bのγ軸に平行な外力(圧縮/引張力)に対する感度は、第1の電荷出力素子301aおよび第2の電荷出力素子301bのα軸またはβ軸に平行な外力(せん断力)に対する感度以下となる。そのため、通常、第1の電荷出力素子301aおよび第2の電荷出力素子301bから出力される電荷Qγは、第1の電荷出力素子301aおよび第2の電荷出力素子301bから出力される電荷Qαおよび電荷Qβ以下となる。   In addition, the charge generation amount per unit force of the β-axis sensor 320, the first α-axis sensor 340, and the second α-axis sensor 360 formed of Y-cut quartz is, for example, 8 pC / N. On the other hand, the charge generation amount per unit force of the first γ-axis sensor 330 and the second γ-axis sensor 350 constituted by X-cut quartz is, for example, 4 pC / N. As described above, the sensitivity of the first charge output element 301a and the second charge output element 301b to the external force (compression / tensile force) parallel to the γ-axis is usually the first charge output element 301a and the second charge output. The sensitivity of the output element 301b to an external force (shearing force) parallel to the α-axis or β-axis is below. Therefore, normally, the charge Qγ output from the first charge output element 301a and the second charge output element 301b is equal to the charge Qα and the charge output from the first charge output element 301a and the second charge output element 301b. Qβ or less.

<変換回路>
変換回路32a、32cは、第1実施形態の変換回路32と同様の構成を有している。変換回路32bは、コンデンサ34の静電容量を除き、第1実施形態の変換回路32と同様の構成を有している。変換回路32aは、第1の電荷出力素子301aまたは第2の電荷出力素子301bから出力された電荷Qαを電圧Vαに変換する機能を有する。変換回路32bは、第1の電荷出力素子301aまたは第2の電荷出力素子301bから出力された電荷Qγを電圧Vγに変換する機能を有する。変換回路32cは、第1の電荷出力素子301aまたは第2の電荷出力素子301bから出力された電荷Qβを電圧Vβに変換する機能を有する。
<Conversion circuit>
The conversion circuits 32a and 32c have the same configuration as the conversion circuit 32 of the first embodiment. The conversion circuit 32b has the same configuration as the conversion circuit 32 of the first embodiment except for the capacitance of the capacitor 34. The conversion circuit 32a has a function of converting the charge Qα output from the first charge output element 301a or the second charge output element 301b into a voltage Vα. The conversion circuit 32b has a function of converting the charge Qγ output from the first charge output element 301a or the second charge output element 301b into a voltage Vγ. The conversion circuit 32c has a function of converting the charge Qβ output from the first charge output element 301a or the second charge output element 301b into a voltage Vβ.

各変換回路32a、32b、32cのスイッチング素子35には、同一の駆動回路が接続されていてもよいし、それぞれ異なる駆動回路が接続されていてもよい。各スイッチング素子35には、駆動回路から、全て同期したオン/オフ信号が入力される。これにより、各変換回路32a、32b、32cのスイッチング素子35の動作が同期する。すなわち、各変換回路32a、32b、32cのスイッチング素子35のオン/オフタイミングは一致する。   The same drive circuit may be connected to the switching element 35 of each conversion circuit 32a, 32b, 32c, or a different drive circuit may be connected thereto. Each switching element 35 receives an on / off signal that is all synchronized from the drive circuit. Thereby, operation | movement of the switching element 35 of each conversion circuit 32a, 32b, 32c synchronizes. That is, the on / off timings of the switching elements 35 of the conversion circuits 32a, 32b, and 32c are the same.

また、変換回路32a、32b、32cのような電圧変換機能を有する回路において、コンデンサ34の静電容量を小さくすると、電圧変換感度が向上するが、飽和電荷量が小さくなる。上述のように、通常、第1の電荷出力素子301aおよび第2の電荷出力素子301bから出力される電荷Qγは、第1の電荷出力素子301aおよび第2の電荷出力素子301bから出力される電荷Qαおよび電荷Qβ以下である。したがって、電荷Qγに対する感度の観点からは、変換回路32bのコンデンサ34の静電容量C2は、変換回路32a、cのコンデンサ34の静電容量C1以下であることが好ましい。これにより、電荷Qγを正確に電圧Vγに変換することができる。
また、各変換回路32a、32b、32cのスイッチング素子35は互いに同等の半導体スイッチング素子であり、各スイッチング素子35のリーク電流は実質的に等しい。したがって、各スイッチング素子35の出力ドリフトDも実質的に等しい。
Further, in a circuit having a voltage conversion function such as the conversion circuits 32a, 32b, and 32c, if the capacitance of the capacitor 34 is reduced, the voltage conversion sensitivity is improved, but the saturation charge amount is reduced. As described above, normally, the charge Qγ output from the first charge output element 301a and the second charge output element 301b is the charge output from the first charge output element 301a and the second charge output element 301b. Qα and charge Qβ or less. Therefore, from the viewpoint of sensitivity to the charge Qγ, the capacitance C2 of the capacitor 34 of the conversion circuit 32b is preferably less than or equal to the capacitance C1 of the capacitor 34 of the conversion circuits 32a and 32c. Thereby, the charge Qγ can be accurately converted into the voltage Vγ.
The switching elements 35 of the conversion circuits 32a, 32b, and 32c are semiconductor switching elements that are equivalent to each other, and the leakage currents of the switching elements 35 are substantially equal. Therefore, the output drift D of each switching element 35 is also substantially equal.

次に、図4(b)を参照して、第1の素子対をなす力検出素子30a、30cおよび第2の素子対をなす力検出素子30b、30dの位置関係を詳述する。なお、図4(b)においては、説明のためカバープレート4が省略されている。また、図4(b)において、左右方向をx軸方向、x軸方向と直交する方向、すなわち上下方向をy軸方向、x軸方向およびy軸方向に直交する方向をz軸方向としている。   Next, the positional relationship between the force detection elements 30a and 30c forming the first element pair and the force detection elements 30b and 30d forming the second element pair will be described in detail with reference to FIG. In FIG. 4B, the cover plate 4 is omitted for explanation. 4B, the left-right direction is the x-axis direction, the direction orthogonal to the x-axis direction, that is, the up-down direction is the y-axis direction, and the direction orthogonal to the x-axis direction and the y-axis direction is the z-axis direction.

力検出素子30aは、分極軸Pα1、Pβ1、Pγ1を有し、α軸、β軸、γ軸のそれぞれに沿った外力に応じて電圧Vα1、Vβ1、Vγ1を出力する。力検出素子30bは、分極軸Pα2、Pβ2、Pγ2を有し、α軸、β軸、γ軸のそれぞれに沿った外力に応じて電圧Vα2、Vβ2、Vγ2を出力する。力検出素子30cは、分極軸Pα3、Pβ3、Pγ3を有し、α軸、β軸、γ軸のそれぞれに沿った外力に応じて電圧Vα3、Vβ3、Vγ3を出力する。同様に、力検出素子30dは、分極軸Pα4、Pβ4、Pγ4を有し、α軸、β軸、γ軸のそれぞれに沿った外力に応じて電圧Vα4、Vβ4、Vγ4を出力する。また、各力検出素子30a、30b、30c、30dが出力する各電圧Vα、Vβ、Vγには、それぞれ、コンデンサ34に蓄積される電荷量に比例する電圧成分(真の値)Vαt、Vβt、Vγt、およびスイッチング素子35のリーク電流に起因する出力ドリフトDが含まれる。   The force detection element 30a has polarization axes Pα1, Pβ1, and Pγ1, and outputs voltages Vα1, Vβ1, and Vγ1 according to external forces along the α axis, β axis, and γ axis, respectively. The force detection element 30b has polarization axes Pα2, Pβ2, and Pγ2, and outputs voltages Vα2, Vβ2, and Vγ2 according to external forces along the α axis, β axis, and γ axis, respectively. The force detection element 30c has polarization axes Pα3, Pβ3, and Pγ3, and outputs voltages Vα3, Vβ3, and Vγ3 according to external forces along the α axis, β axis, and γ axis, respectively. Similarly, the force detection element 30d has polarization axes Pα4, Pβ4, and Pγ4, and outputs voltages Vα4, Vβ4, and Vγ4 according to external forces along the α-axis, β-axis, and γ-axis, respectively. The voltages Vα, Vβ, and Vγ output from the force detection elements 30a, 30b, 30c, and 30d are voltage components (true values) Vαt, Vβt, proportional to the amount of charge accumulated in the capacitor 34, respectively. Vγt and the output drift D caused by the leakage current of the switching element 35 are included.

力検出素子30a、30b、30c、30dは、ベースプレート2とカバープレート4との間に設けられ(挟持され)ている。力検出素子30aの分極軸Pβ1は、角度θ1を有している。力検出素子30bの分極軸Pβ2は、角度θ2を有している。力検出素子30cの分極軸Pβ3は、角度θ3を有している。力検出素子30dの分極軸Pβ4は、角度θ4を有している。なお、角度θ1、θ2、θ3、θ4は、図4(b)の基準座標系(x軸、y軸、z軸)のx軸からの角度である。   The force detection elements 30a, 30b, 30c, and 30d are provided (sandwiched) between the base plate 2 and the cover plate 4. The polarization axis Pβ1 of the force detection element 30a has an angle θ1. The polarization axis Pβ2 of the force detection element 30b has an angle θ2. The polarization axis Pβ3 of the force detection element 30c has an angle θ3. The polarization axis Pβ4 of the force detection element 30d has an angle θ4. The angles θ1, θ2, θ3, and θ4 are angles from the x-axis of the reference coordinate system (x-axis, y-axis, and z-axis) in FIG.

図4(b)に示すように、第1の素子対をなす力検出素子30a、30cは、力検出素子30aの分極軸Pα1、Pβ1の方向と、力検出素子30cの分極軸Pα3、Pβ3の方向とが、それぞれ互いに反対方向を向くように配置されている。同様に、第2の素子対をなす力検出素子30b、30dは、力検出素子30bの分極軸Pα2、Pβ2の方向と、力検出素子30dの分極軸Pα4、Pβ4の方向とが、それぞれ互いに反対方向を向くように配置されている。また、第1の素子対をなす力検出素子30a、30cの分極軸Pγ1、Pγ3の方向と、第2の素子対をなす力検出素子30b、30dの分極軸Pγ2、Pγ4の方向とが、互いに反対方向を向いている。   As shown in FIG. 4 (b), the force detection elements 30a and 30c forming the first element pair include the directions of the polarization axes Pα1 and Pβ1 of the force detection element 30a and the polarization axes Pα3 and Pβ3 of the force detection element 30c. The directions are arranged in opposite directions. Similarly, in the force detection elements 30b and 30d forming the second element pair, the directions of the polarization axes Pα2 and Pβ2 of the force detection element 30b and the directions of the polarization axes Pα4 and Pβ4 of the force detection element 30d are opposite to each other. It is arranged to face the direction. Also, the directions of the polarization axes Pγ1 and Pγ3 of the force detection elements 30a and 30c forming the first element pair and the directions of the polarization axes Pγ2 and Pγ4 of the force detection elements 30b and 30d forming the second element pair are mutually It faces the opposite direction.

力検出素子30a、30cは、力検出素子30aの分極軸Pβ1の方向と、力検出素子30cの分極軸Pβ2の方向とが互いに反対方向を向くように配置されているので、電圧Vβ1に含まれる電圧成分Vβt1と、電圧Vβ3に含まれる電圧成分Vβt3の符号は一致しない。したがって、力検出素子30aから出力される電圧Vβ1と、力検出素子30cから出力される電圧Vβ3の差分を取った場合、電圧成分Vβt1と電圧成分Vβt3の差分の絶対値は、減少しない。同様に、力検出素子30a、30cは、力検出素子30aの分極軸Pα1の方向と、力検出素子30cの分極軸Pα2の方向とが互いに反対方向を向くように配置されているので、電圧Vα1に含まれる電圧成分Vαt1と、電圧Vα3に含まれる電圧成分Vαt3の符号は一致しない。したがって、力検出素子30aから出力される電圧Vα1と、力検出素子30cから出力される電圧Vα3の差分を取った場合、電圧成分Vαt1と電圧成分Vαt3の差分の絶対値は、減少しない。   Since the force detection elements 30a and 30c are arranged such that the direction of the polarization axis Pβ1 of the force detection element 30a and the direction of the polarization axis Pβ2 of the force detection element 30c are opposite to each other, they are included in the voltage Vβ1. The signs of the voltage component Vβt1 and the voltage component Vβt3 included in the voltage Vβ3 do not match. Therefore, when the difference between the voltage Vβ1 output from the force detection element 30a and the voltage Vβ3 output from the force detection element 30c is taken, the absolute value of the difference between the voltage component Vβt1 and the voltage component Vβt3 does not decrease. Similarly, the force detection elements 30a and 30c are arranged such that the direction of the polarization axis Pα1 of the force detection element 30a and the direction of the polarization axis Pα2 of the force detection element 30c are opposite to each other. The sign of the voltage component Vαt1 included in the voltage Vαt3 and the voltage component Vαt3 included in the voltage Vα3 do not match. Therefore, when the difference between the voltage Vα1 output from the force detection element 30a and the voltage Vα3 output from the force detection element 30c is taken, the absolute value of the difference between the voltage component Vαt1 and the voltage component Vαt3 does not decrease.

また、力検出素子30b、30dは、力検出素子30bの分極軸Pβ2の方向と、力検出素子30dの分極軸Pβ4の方向とが互いに反対方向を向くように配置されているので、電圧Vβ2に含まれる電圧成分Vβt2と、電圧Vβ4に含まれる電圧成分Vβt4の符号は一致しない。したがって、力検出素子30bから出力される電圧Vβ2と、力検出素子30dから出力される電圧Vβ4の差分を取った場合、電圧成分Vβt2と電圧成分Vβt4の差分の絶対値は、減少しない。同様に、力検出素子30b、30dは、力検出素子30bの分極軸Pα2の方向と、力検出素子30dの分極軸Pα4の方向とが互いに反対方向を向くように配置されているので、電圧Vα2に含まれる電圧成分Vαt2と、電圧Vα4に含まれる電圧成分Vαt4の符号は一致しない。したがって、力検出素子30bから出力される電圧Vα2と、力検出素子30dから出力される電圧Vα4の差分を取った場合、電圧成分Vαt2と電圧成分Vαt4の差分の絶対値は、減少しない。   Further, the force detection elements 30b and 30d are arranged so that the direction of the polarization axis Pβ2 of the force detection element 30b and the direction of the polarization axis Pβ4 of the force detection element 30d are opposite to each other. The signs of the voltage component Vβt2 included and the voltage component Vβt4 included in the voltage Vβ4 do not match. Therefore, when the difference between the voltage Vβ2 output from the force detection element 30b and the voltage Vβ4 output from the force detection element 30d is taken, the absolute value of the difference between the voltage component Vβt2 and the voltage component Vβt4 does not decrease. Similarly, the force detection elements 30b and 30d are arranged such that the direction of the polarization axis Pα2 of the force detection element 30b and the direction of the polarization axis Pα4 of the force detection element 30d are opposite to each other. The sign of the voltage component Vαt2 included in the voltage Vαt4 and the voltage component Vαt4 included in the voltage Vα4 do not match. Therefore, when the difference between the voltage Vα2 output from the force detection element 30b and the voltage Vα4 output from the force detection element 30d is taken, the absolute value of the difference between the voltage component Vαt2 and the voltage component Vαt4 does not decrease.

また、上述のように力検出素子30a、30c、30b、30dは、力検出素子30a、30cの分極軸Pγ1、Pγ3の方向と、力検出素子30b、30dの分極軸Pγ2、Pγ4の方向とが互いに反対方向を向くように構成されているので、電圧Vγ1、Vγ3に含まれる電圧成分Vγt1、Vγt3と、電圧Vγ2、Vγ4に含まれる電圧成分Vγt2、Vγt4の符号は一致しない。したがって、力検出素子30a、30cから出力される電圧Vγ1、Vγ3と、力検出素子30b、30dから出力される電圧Vγ2、Vγ4の差分を取った場合、それらの差分の絶対値は、減少しない。   In addition, as described above, the force detection elements 30a, 30c, 30b, and 30d have the directions of the polarization axes Pγ1 and Pγ3 of the force detection elements 30a and 30c and the directions of the polarization axes Pγ2 and Pγ4 of the force detection elements 30b and 30d. Since they are configured to face in opposite directions, the signs of the voltage components Vγt1 and Vγt3 included in the voltages Vγ1 and Vγ3 and the voltage components Vγt2 and Vγt4 included in the voltages Vγ2 and Vγ4 do not match. Therefore, when the difference between the voltages Vγ1 and Vγ3 output from the force detection elements 30a and 30c and the voltages Vγ2 and Vγ4 output from the force detection elements 30b and 30d is taken, the absolute value of the difference does not decrease.

一方、各力検出素子30a、30b、30c、30dから出力される電圧Vα、Vβ、Vγに含まれる出力ドリフトDは、分極軸Pα、Pβ、Pγの方向に依存しないので、各電圧Vα、Vβ、Vγに含まれる出力ドリフトDの符号は、一致する。したがって、各出力ドリフトDの差分を取った場合、その差分の絶対値は、減少する。
また、第1の素子対を構成する力検出素子30a、30cは、分極軸Pβ1の方向と分極軸Pβ3の方向が対向するよう、すなわち、θ1=θ3の関係を満たすよう配置されることが好ましい。同様に、第2の素子対を構成する力検出素子30b、30dは、分極軸Pβ2の方向と分極軸Pβ4の方向が対向するよう、すなわち、θ2=θ4の関係を満たすよう配置されることが好ましい。これにより、後述する外力検出回路50は、出力ドリフトDを低減しつつ、6軸力を検出することができる。
On the other hand, since the output drift D included in the voltages Vα, Vβ, and Vγ output from the force detection elements 30a, 30b, 30c, and 30d does not depend on the directions of the polarization axes Pα, Pβ, and Pγ, the voltages Vα, Vβ , Vγ have the same sign of the output drift D. Therefore, when the difference of each output drift D is taken, the absolute value of the difference decreases.
Further, the force detection elements 30a and 30c constituting the first element pair are preferably arranged so that the direction of the polarization axis Pβ1 and the direction of the polarization axis Pβ3 face each other, that is, satisfy the relationship θ1 = θ3. . Similarly, the force detection elements 30b and 30d constituting the second element pair are arranged so that the direction of the polarization axis Pβ2 and the direction of the polarization axis Pβ4 face each other, that is, satisfy the relationship of θ2 = θ4. preferable. Thereby, the external force detection circuit 50 described later can detect the 6-axis force while reducing the output drift D.

また、力検出素子30a、30b、30c、30dは、第1の素子対を構成する力検出素子30a、30cの分極軸Pβ1、Pβ3の方向と、第2の素子対を構成する力検出素子30b、30dの分極軸Pβ2、Pβ4の方向とが直交するよう配置されることがさらに好ましい。これにより、後述する外力検出回路50は、出力ドリフトDをさらに低減しつつ、6軸力を検出することができる。   The force detection elements 30a, 30b, 30c, and 30d include the directions of the polarization axes Pβ1 and Pβ3 of the force detection elements 30a and 30c that constitute the first element pair, and the force detection element 30b that constitutes the second element pair. , 30d is more preferably arranged so that the directions of the polarization axes Pβ2 and Pβ4 are orthogonal to each other. Thereby, the external force detection circuit 50 described later can detect the six-axis force while further reducing the output drift D.

また、力検出素子30aの分極軸Pβ1の方向と、力検出素子30cの分極軸Pβ3の方向とが互いに反対方向を向くよう配置されていれば、第1の素子対をなす力検出素子30a、30cの配置は特に限定されないが、図4(b)に示すように、力検出素子30aと、力検出素子30cが同一軸A1上に配置されていることが好ましい。同様に、力検出素子30bの分極軸Pβ2の方向と、力検出素子30dの分極軸Pβ4の方向とが互いに反対方向を向くよう配置されていれば、第2の素子対をなす力検出素子30b、30dの配置は特に限定されないが、図4(b)に示すように、力検出素子30bと、力検出素子30dが同一軸A2上に配置されていることが好ましい。これにより、ベースプレート2またはカバープレート4に加えられた6軸力を偏りなく検出することができる。   Further, if the direction of the polarization axis Pβ1 of the force detection element 30a and the direction of the polarization axis Pβ3 of the force detection element 30c are arranged so as to be opposite to each other, the force detection element 30a forming the first element pair, Although arrangement | positioning of 30c is not specifically limited, As shown in FIG.4 (b), it is preferable that the force detection element 30a and the force detection element 30c are arrange | positioned on the same axis | shaft A1. Similarly, if the direction of the polarization axis Pβ2 of the force detection element 30b and the direction of the polarization axis Pβ4 of the force detection element 30d are arranged so as to be opposite to each other, the force detection element 30b forming the second element pair will be described. 30d is not particularly limited, but it is preferable that the force detection element 30b and the force detection element 30d are arranged on the same axis A2 as shown in FIG. 4B. Thereby, the 6-axis force applied to the base plate 2 or the cover plate 4 can be detected without deviation.

また、第1の素子対と第2の素子対の位置関係は、特に限定されないが、図4(b)に示すように、第1の素子対に属する力検出素子30aの中心と力検出素子30cの中心とを結ぶ軸A1と、第2の素子対に属する力検出素子30bの中心と力検出素子30dの中心とを結ぶ軸A2とが、直交するよう第1の素子対と第2の素子対を配置することが好ましい。これにより、ベースプレート2またはカバープレート4に加えられた外力(図中のx軸、y軸、z軸に沿った外力)を偏りなく検出することができる。   Further, although the positional relationship between the first element pair and the second element pair is not particularly limited, as shown in FIG. 4B, the center of the force detection element 30a belonging to the first element pair and the force detection element The first element pair and the second element so that the axis A1 connecting the center of 30c and the axis A2 connecting the center of the force detecting element 30b belonging to the second element pair and the center of the force detecting element 30d are orthogonal to each other. It is preferable to arrange element pairs. Thereby, the external force applied to the base plate 2 or the cover plate 4 (external forces along the x-axis, y-axis, and z-axis in the figure) can be detected without deviation.

また、力検出素子30a、30b、30c、30dは、ベースプレート2またはカバープレート4の周方向に沿って、等角度間隔に配置されていることが好ましく、ベースプレート2またはカバープレート4の中心点を中心とした同心円状に、等間隔に配置されていることがさらに好ましい。これにより、ベースプレート2またはカバープレート4に加えられた外力(図中のx軸、y軸、z軸に沿った外力)を偏りなく検出することができる。   The force detection elements 30 a, 30 b, 30 c, and 30 d are preferably arranged at equiangular intervals along the circumferential direction of the base plate 2 or the cover plate 4, and are centered on the center point of the base plate 2 or the cover plate 4. More preferably, they are arranged in a concentric circle at regular intervals. Thereby, the external force applied to the base plate 2 or the cover plate 4 (external forces along the x-axis, y-axis, and z-axis in the figure) can be detected without deviation.

また、図4(b)の構成では、力検出素子30a、30b、30c、30dの分極軸Pβ1、Pβ2、Pβ3、Pβ4は、ベースプレート2の外側(遠心方向)を向いているが、本発明はこれに限られない。すなわち、力検出素子30aの分極軸Pβ1の方向と、力検出素子30cの分極軸Pβ3の方向とが互いに反対方向を向き、かつ、力検出素子30bの分極軸Pβ2の方向と、力検出素子30dの分極軸Pβ4の方向とが互いに反対方向を向くよう配置されていれば、力検出素子30a、30b、30c、30dの分極軸Pβ1、Pβ2、Pβ3、Pβ4は、ベースプレート2の中心方向(向心方向)を向いていてもよい。これにより、力検出素子30a、30b、30c、30dの分極軸Pα1、Pα2、Pα3、Pα4が、ベースプレート2の中心点を中心とした円の接線方向を向くこととなる。そのため、後述する外力検出回路50は、容易にz軸周りの回転力成分Mzを検出することができる。   4B, the polarization axes Pβ1, Pβ2, Pβ3, and Pβ4 of the force detection elements 30a, 30b, 30c, and 30d face the outside (centrifugal direction) of the base plate 2, but the present invention It is not limited to this. That is, the direction of the polarization axis Pβ1 of the force detection element 30a and the direction of the polarization axis Pβ3 of the force detection element 30c are opposite to each other, the direction of the polarization axis Pβ2 of the force detection element 30b, and the force detection element 30d If the polarization axes Pβ1, Pβ2, Pβ3, and Pβ4 of the force detection elements 30a, 30b, 30c, and 30d are arranged so that the directions of the polarization axes Pβ4 are opposite to each other, Direction). Thus, the polarization axes Pα1, Pα2, Pα3, and Pα4 of the force detection elements 30a, 30b, 30c, and 30d are directed in the tangential direction of the circle with the center point of the base plate 2 as the center. Therefore, the external force detection circuit 50 described later can easily detect the rotational force component Mz around the z axis.

<外力検出回路>
外力検出回路50は、力検出素子30a、30b、30c、30dのそれぞれから出力された電圧Vα、Vβ、Vγの差分を取ることにより、x軸方向の並進力成分(せん断力)Fx、y軸方向の並進力成分(せん断力)Fy、z軸方向の並進力成分(圧縮/引張力)Fz、x軸周りの回転力成分Mx、y軸周りの回転力成分My、z軸周りの回転力成分Mzの6軸力を演算する機能を有する。各力成分は、以下の式により求めることができる。なお、式の単純化のため、力検出素子30a、30b、30c、30dは、図4(b)に示すように、ベースプレート2またはカバープレート4の中心点を中心とした半径Lの同心円状に配置されているものとするが、本発明はこれに限られない。
<External force detection circuit>
The external force detection circuit 50 calculates the translational force component (shearing force) Fx, y-axis in the x-axis direction by taking the difference between the voltages Vα, Vβ, Vγ output from the force detection elements 30a, 30b, 30c, 30d. Direction translational force component (shearing force) Fy, z-axis direction translational force component (compression / tensile force) Fz, rotational force component Mx around x-axis, rotational force component My around y-axis, rotational force around z-axis It has a function of calculating the six-axis force of the component Mz. Each force component can be obtained by the following equation. For simplification of the equation, the force detection elements 30a, 30b, 30c, and 30d are concentric with a radius L with the center point of the base plate 2 or the cover plate 4 as shown in FIG. 4B. Although it shall be arrange | positioned, this invention is not limited to this.

Figure 2014163870
Figure 2014163870

ここでLは、定数である。
このように、各力検出素子30a、30b、30c、30dから出力された各電圧Vα、Vβ、Vγの差分を取ることにより、コンデンサ34に蓄積される電荷量に比例する電圧成分(真の値)Vαt、Vβt、Vγtの差分の絶対値は減少させず、出力ドリフトDの絶対値は減少させることができる。その結果、出力ドリフトDを低減することができ、力検出装置1bの検出精度および検出分解能を向上させることができる。また、上述した出力ドリフトDの低減方法は、測定時間が長くなった場合であっても有効なので、力検出装置1bの測定時間を長くすることができる。
さらに、角度θ1、θ2、θ3、θ4がθ1=θ3、θ2=θ4を満たす場合、上記算出式は単純化され、以下のようになる。
Here, L is a constant.
Thus, by taking the difference between the voltages Vα, Vβ, and Vγ output from the force detection elements 30a, 30b, 30c, and 30d, a voltage component (true value) proportional to the amount of charge accumulated in the capacitor 34 is obtained. ) The absolute value of the difference between Vαt, Vβt, and Vγt is not decreased, and the absolute value of the output drift D can be decreased. As a result, the output drift D can be reduced, and the detection accuracy and detection resolution of the force detection device 1b can be improved. Moreover, since the method for reducing the output drift D described above is effective even when the measurement time is long, the measurement time of the force detection device 1b can be lengthened.
Further, when the angles θ1, θ2, θ3, and θ4 satisfy θ1 = θ3 and θ2 = θ4, the above calculation formula is simplified and becomes as follows.

Figure 2014163870
Figure 2014163870

この場合、出力ドリフトDを除去することができる。その結果、力検出装置1bの検出精度および検出分解能をさらに向上させることができる。また、力検出装置1bの測定時間をさらに長くすることができる。
さらに、角度θ1、θ2、θ3、θ4がθ1=θ3=π/2、θ2=θ4=0を満たす場合、上記算出式はさらに単純化され、以下のようになる。
In this case, the output drift D can be removed. As a result, the detection accuracy and detection resolution of the force detection device 1b can be further improved. Further, the measurement time of the force detection device 1b can be further increased.
Further, when the angles θ1, θ2, θ3, and θ4 satisfy θ1 = θ3 = π / 2 and θ2 = θ4 = 0, the calculation formula is further simplified as follows.

Figure 2014163870
Figure 2014163870

このように、外力検出回路50は、各力検出素子30a、30b、30c、30dから出力された各電圧Vα、Vβ、Vγの差分を取ることにより、変換回路32a、32b、32cのスイッチング素子35のリーク電流に起因する出力ドリフトDを低減しつつ、6軸力を検出することができる。その結果、リーク電流(出力ドリフトD)に起因する検出誤差が相対的に小さくなり、力検出装置1bの検出精度および検出分解能を向上させることができる。また、上述した出力ドリフトDの低減方法は、測定時間が長くなった場合であっても有効なので、力検出装置1bの測定時間を長くすることができる。さらに、本発明の力検出装置1bでは、逆バイアス回路のような出力ドリフトを低減するための回路が不要なので、力検出装置1bを小型化できる。   Thus, the external force detection circuit 50 takes the difference between the voltages Vα, Vβ, and Vγ output from the force detection elements 30a, 30b, 30c, and 30d, thereby switching the switching elements 35 of the conversion circuits 32a, 32b, and 32c. 6-axis force can be detected while reducing the output drift D caused by the leakage current. As a result, the detection error caused by the leak current (output drift D) is relatively small, and the detection accuracy and detection resolution of the force detection device 1b can be improved. Moreover, since the method for reducing the output drift D described above is effective even when the measurement time is long, the measurement time of the force detection device 1b can be lengthened. Furthermore, the force detection device 1b of the present invention does not require a circuit for reducing output drift, such as a reverse bias circuit, and thus the force detection device 1b can be reduced in size.

なお、本実施形態の力検出装置1bは、第1の素子対をなす力検出素子30a、30cおよび第2の素子対をなす力検出素子30c、30dの2対の素子対を有しているが、本発明はこれに限られない。力検出装置1bが図4(b)のように第1の素子対および第2の素子対の2対の素子対の2対の素子対を有する場合、上述のように非常に単純な演算によって6軸力を求めることができるので、外力検出回路50を簡略化することができる。また、力検出装置1bが3対以上の素子対を有する場合、より高い精度で6軸力を検出することができる。   Note that the force detection device 1b according to the present embodiment has two element pairs, ie, force detection elements 30a and 30c forming a first element pair and force detection elements 30c and 30d forming a second element pair. However, the present invention is not limited to this. When the force detection device 1b has two element pairs, ie, the first element pair and the second element pair as shown in FIG. 4B, by a very simple operation as described above. Since the 6-axis force can be obtained, the external force detection circuit 50 can be simplified. Further, when the force detection device 1b has three or more pairs of elements, the six-axis force can be detected with higher accuracy.

<第3実施形態>
次に、次に、図7に基づき、本発明の第3実施形態である単腕ロボットを説明する。以下、第3実施形態について、前述した第1および第2実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図7は、本発明の力検出装置1(1aまたは1b)を用いた単腕ロボットの1例を示す図である。図7の単腕ロボット500は、基台510と、アーム連結体520と、アーム連結体520の先端側に設けられたエンドエフェクタ530と、アーム連結体520とエンドエフェクタ530との間に設けられた本発明の力検出装置1(1aまたは1b)とを有する。
<Third Embodiment>
Next, based on FIG. 7, the single arm robot which is 3rd Embodiment of this invention is demonstrated. Hereinafter, the third embodiment will be described with a focus on differences from the first and second embodiments described above, and descriptions of similar matters will be omitted.
FIG. 7 is a diagram showing an example of a single-arm robot using the force detection device 1 (1a or 1b) of the present invention. The single-arm robot 500 of FIG. 7 is provided between a base 510, an arm coupling body 520, an end effector 530 provided on the distal end side of the arm coupling body 520, and the arm coupling body 520 and the end effector 530. And the force detection device 1 (1a or 1b) of the present invention.

基台510は、アーム連結体520を回動させるための動力を発生させるアクチュエーター(図示せず)およびアクチュエーターを制御する制御部(図示せず)等を収納する機能を有する。また、基台510は、例えば、床、壁、天井、移動可能な台車上などに固定される。
アーム連結体520は、第1のアーム521、第2のアーム522、第3のアーム523、第4のアーム524および第5のアーム525を有しており、隣り合うアーム同士を回動自在に連結することにより構成されている。アーム連結体520は、制御部の制御によって、各アームの連結部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。
エンドエフェクタ530は、対象物を把持する機能を有する。エンドエフェクタ530は、第1の指531および第2の指532を有している。アーム連結体520の駆動によりエンドエフェクタ530が所定の動作位置まで到達した後、第1の指531および第2の指532の離間距離を調整することにより、対象物を把持することができる。
The base 510 has a function of accommodating an actuator (not shown) that generates power for rotating the arm coupling body 520, a control unit (not shown) that controls the actuator, and the like. The base 510 is fixed on, for example, a floor, a wall, a ceiling, or a movable carriage.
The arm connection body 520 includes a first arm 521, a second arm 522, a third arm 523, a fourth arm 524, and a fifth arm 525, and the adjacent arms can be rotated freely. It is configured by connecting. The arm coupling body 520 is driven by being rotated or bent in a compound manner around the coupling portion of each arm under the control of the control unit.
The end effector 530 has a function of gripping an object. The end effector 530 has a first finger 531 and a second finger 532. After the end effector 530 reaches a predetermined operating position by driving the arm connector 520, the object can be gripped by adjusting the distance between the first finger 531 and the second finger 532.

力検出装置1は、エンドエフェクタ530に加えられる外力を検出する機能を有する。力検出装置1が検出する外力を基台510の制御部にフィードバックすることにより、単腕ロボット500は、より精密な作業を実行することができる。また、力検出装置1が検出する6軸力によって、単腕ロボット500は、エンドエフェクタ530の障害物への接触等を検知することができる。そのため、従来の位置制御では困難だった障害物回避動作、対象物損傷回避動作等を容易に行うことができ、単腕ロボット500は、より安全に作業を実行することができる。さらに、本発明の力検出装置1では、逆バイアス回路のような出力ドリフトを低減するための回路が不要なので、力検出装置1を小型化できる。そのため、単腕ロボット500を小型化することができる。
なお、図示の構成では、アーム連結体520は、合計5本のアームによって構成されているが、本発明はこれに限られない。アーム連結体520が、1本のアームに構成されている場合、2〜4本のアームによって構成されている場合、6本以上のアームによって構成されている場合も本発明の範囲内である。
The force detection device 1 has a function of detecting an external force applied to the end effector 530. By feeding back the external force detected by the force detection device 1 to the control unit of the base 510, the single-arm robot 500 can perform more precise work. Further, the single-arm robot 500 can detect contact of the end effector 530 with an obstacle by the six-axis force detected by the force detection device 1. Therefore, an obstacle avoidance operation, an object damage avoidance operation, and the like, which are difficult with conventional position control, can be easily performed, and the single-arm robot 500 can perform work more safely. Furthermore, the force detection device 1 of the present invention does not require a circuit for reducing output drift, such as a reverse bias circuit, so that the force detection device 1 can be downsized. Therefore, the single arm robot 500 can be reduced in size.
In the illustrated configuration, the arm coupling body 520 is configured by a total of five arms, but the present invention is not limited to this. When the arm connection body 520 is constituted by one arm, when constituted by 2 to 4 arms, when constituted by 6 or more arms, it is within the scope of the present invention.

<第4実施形態>
次に、図8に基づき、本発明の第4実施形態である複腕ロボットを説明する。以下、第5実施形態について、前述した第1、第2および第3実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図8は、本発明の力検出装置1(1aまたは1b)を用いた複腕ロボットの1例を示す図である。図8の複腕ロボット600は、基台610と、第1のアーム連結体620と、第2のアーム連結体630と、第1のアーム連結体620の先端側に設けられた第1のエンドエフェクタ640aと、第2のアーム連結体630の先端側に設けられた第2のエンドエフェクタ640bと、第1のアーム連結体620と第1のエンドエフェクタ640a間および第2のアーム連結体630と第2のエンドエフェクタ640bとの間に設けられた本発明の力検出装置1(1aまたは1b)を有する。
<Fourth embodiment>
Next, a multi-arm robot according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Hereinafter, the fifth embodiment will be described with a focus on differences from the first, second, and third embodiments described above, and description of similar matters will be omitted.
FIG. 8 is a diagram showing an example of a multi-arm robot using the force detection device 1 (1a or 1b) of the present invention. The multi-arm robot 600 of FIG. 8 includes a base 610, a first arm coupling body 620, a second arm coupling body 630, and a first end provided on the distal end side of the first arm coupling body 620. The effector 640a, the second end effector 640b provided on the distal end side of the second arm connector 630, the first arm connector 620 and the first end effector 640a, and the second arm connector 630 It has the force detection apparatus 1 (1a or 1b) of this invention provided between the 2nd end effector 640b.

基台610は、第1のアーム連結体620および第2のアーム連結体630を回動させるための動力を発生させるアクチュエーター(図示せず)およびアクチュエーターを制御する制御部(図示せず)等を収納する機能を有する。また、基台610は、例えば、床、壁、天井、移動可能な台車上などに固定される。
第1のアーム連結体620は、第1のアーム621および第2のアーム622を回動自在に連結することにより構成されている。第2のアーム連結体630は、第1のアーム631および第2のアーム632を回動自在に連結することにより構成されている。第1のアーム連結体620および第2のアーム連結体630は、制御部の制御によって、各アームの連結部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 base 610 includes an actuator (not shown) that generates power for rotating the first arm connecting body 620 and the second arm connecting body 630, a control unit (not shown) that controls the actuator, and the like. Has the function of storing. The base 610 is fixed on, for example, a floor, a wall, a ceiling, or a movable carriage.
The 1st arm coupling body 620 is comprised by connecting the 1st arm 621 and the 2nd arm 622 so that rotation is possible. The second arm coupling body 630 is configured by pivotably coupling the first arm 631 and the second arm 632. The first arm coupling body 620 and the second arm coupling body 630 are driven by complex rotation or bending around the coupling portion of each arm under the control of the control unit.

第1のエンドエフェクタ640aおよび第2のエンドエフェクタ640bは、対象物を把持する機能を有する。第1のエンドエフェクタ640aは、第1の指641aおよび第2の指642aを有している。第2のエンドエフェクタ640bは、第1の指641bおよび第2の指642bを有している。第1のアーム連結体620の駆動により第1のエンドエフェクタ640aが所定の動作位置まで到達した後、第1の指641aおよび第2の指642aの離間距離を調整することにより、対象物を把持することができる。同様に、第2のアーム連結体630の駆動により第2のエンドエフェクタ640bが所定の動作位置まで到達した後、第1の指641bおよび第2の指642bの離間距離を調整することにより、対象物を把持することができる。   The first end effector 640a and the second end effector 640b have a function of gripping an object. The first end effector 640a has a first finger 641a and a second finger 642a. The second end effector 640b has a first finger 641b and a second finger 642b. After the first end effector 640a reaches a predetermined operating position by driving the first arm coupling body 620, the object is grasped by adjusting the separation distance between the first finger 641a and the second finger 642a. can do. Similarly, after the second end effector 640b reaches the predetermined operating position by driving the second arm coupling body 630, the distance between the first finger 641b and the second finger 642b is adjusted, thereby adjusting the target. An object can be gripped.

力検出装置1は、第1のエンドエフェクタ640aまたは第2のエンドエフェクタ640bに加えられる外力を検出する機能を有する。力検出装置1が検出する外力を基台610の制御部にフィードバックすることにより、複腕ロボット600は、より精密に作業を実行することができる。また、力検出装置1が検出する6軸力によって、複腕ロボット600は、第1のエンドエフェクタ640aまたは第2のエンドエフェクタ640bの障害物への接触等を検知することができる。そのため、従来の位置制御では困難だった障害物回避動作、対象物損傷回避動作等を容易に行うことができ、複腕ロボット600は、より安全に作業を実行することができる。さらに、本発明の力検出装置1では、逆バイアス回路のような出力ドリフトを低減するための回路が不要なので、力検出装置1を小型化できる。そのため、複腕ロボット600を小型化することができる。
なお、図示の構成では、アーム連結体は合計2本であるが、本発明はこれに限られない。複腕ロボット600が3本以上のアーム連結体を有している場合も、本発明の範囲内である。
The force detection device 1 has a function of detecting an external force applied to the first end effector 640a or the second end effector 640b. By feeding back the external force detected by the force detection device 1 to the control unit of the base 610, the multi-arm robot 600 can perform the operation more precisely. The multi-arm robot 600 can detect contact of the first end effector 640a or the second end effector 640b with an obstacle by the six-axis force detected by the force detection device 1. Therefore, an obstacle avoidance operation, an object damage avoidance operation, and the like that have been difficult with conventional position control can be easily performed, and the multi-arm robot 600 can perform the operation more safely. Furthermore, the force detection device 1 of the present invention does not require a circuit for reducing output drift, such as a reverse bias circuit, so that the force detection device 1 can be downsized. Therefore, the double-arm robot 600 can be reduced in size.
In the configuration shown in the figure, there are a total of two arm connectors, but the present invention is not limited to this. The case where the multi-arm robot 600 includes three or more arm coupling bodies is also within the scope of the present invention.

<第5実施形態>
次に、図9、10に基づき、本発明の第5実施形態である電子部品検査装置および電子部品搬送装置を説明する。以下、第5実施形態について、前述した第1、第2、第3および第4実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図9は、本発明の力検出装置1(1aまたは1b)を用いた電子部品検査装置および電子部品搬送装置の1例を示す図である。図10は、本発明の力検出装置を用いた電子部品搬送装置の1例を示す図である。
<Fifth Embodiment>
Next, based on FIGS. 9 and 10, an electronic component inspection apparatus and an electronic component transport apparatus according to a fifth embodiment of the present invention will be described. Hereinafter, the fifth embodiment will be described with a focus on differences from the first, second, third, and fourth embodiments described above, and description of similar matters will be omitted.
FIG. 9 is a diagram showing an example of an electronic component inspection device and an electronic component transport device using the force detection device 1 (1a or 1b) of the present invention. FIG. 10 is a diagram showing an example of an electronic component transport apparatus using the force detection device of the present invention.

図9の電子部品検査装置700は、基台710と、基台710の側面に立設された支持台720とを有する。基台710の上面には、検査対象の電子部品711が載置されて搬送される上流側ステージ712uと、検査済みの電子部品711が載置されて搬送される下流側ステージ712dとが設けられている。また、上流側ステージ712uと下流側ステージ712dとの間には、電子部品711の姿勢を確認するための撮像装置713と、電気的特性を検査するために電子部品711がセットされる検査台714とが設けられている。なお、電子部品711の例として、半導体、半導体ウェハー、CLDやOLED等の表示デバイス、水晶デバイス、各種センサ、インクジェットヘッド、各種MEMSデバイス等などが挙げられる。   The electronic component inspection apparatus 700 in FIG. 9 includes a base 710 and a support base 720 provided upright on the side surface of the base 710. On the upper surface of the base 710, an upstream stage 712u on which the electronic component 711 to be inspected is placed and transported, and a downstream stage 712d on which the inspected electronic component 711 is placed and transported are provided. ing. Further, between the upstream stage 712u and the downstream stage 712d, an imaging device 713 for confirming the posture of the electronic component 711, and an inspection table 714 on which the electronic component 711 is set for inspecting electrical characteristics. And are provided. Examples of the electronic component 711 include semiconductors, semiconductor wafers, display devices such as CLD and OLED, crystal devices, various sensors, inkjet heads, various MEMS devices, and the like.

また、支持台720には、基台710の上流側ステージ712uおよび下流側ステージ712dと平行な方向(Y方向)に移動可能にYステージ731が設けられており、Yステージ731からは、基台710に向かう方向(X方向)に腕部732が延設されている。また、腕部732の側面には、X方向に移動可能にXステージ733が設けられている。また、Xステージ733には、撮像カメラ734と、上下方向(Z方向)に移動可能なZステージを内蔵した電子部品搬送装置740が設けられている。また、電子部品搬送装置740の先端側には、電子部品711を把持する把持部741が設けられている。また、電子部品搬送装置740の先端と、把持部741との間には、本発明の力検出装置1(1aまたは1b)が設けられている。更に、基台710の前面側には、電子部品検査装置700の全体の動作を制御する制御装置750が設けられている。   Further, the support base 720 is provided with a Y stage 731 that can move in a direction (Y direction) parallel to the upstream stage 712u and the downstream stage 712d of the base 710. An arm portion 732 is extended in a direction (X direction) toward 710. An X stage 733 is provided on the side surface of the arm 732 so as to be movable in the X direction. In addition, the X stage 733 is provided with an imaging camera 734 and an electronic component transfer device 740 incorporating a Z stage movable in the vertical direction (Z direction). In addition, a gripping portion 741 that grips the electronic component 711 is provided on the front end side of the electronic component transport apparatus 740. Further, the force detection device 1 (1a or 1b) of the present invention is provided between the tip of the electronic component transport device 740 and the gripping portion 741. Further, on the front side of the base 710, a control device 750 for controlling the overall operation of the electronic component inspection device 700 is provided.

電子部品検査装置700は、以下のようにして電子部品711の検査を行う。最初に、検査対象の電子部品711は、上流側ステージ712uに載せられて、検査台714の近くまで移動する。次に、Yステージ731およびXステージ733を動かして、上流側ステージ712uに載置された電子部品711の真上の位置まで電子部品搬送装置740を移動させる。このとき、撮像カメラ734を用いて電子部品711の位置を確認することができる。そして、電子部品搬送装置740内に内蔵されたZステージを用いて電子部品搬送装置740を降下させ、把持部741で電子部品711を把持すると、そのまま電子部品搬送装置740を撮像装置713の上に移動させて、撮像装置713を用いて電子部品711の姿勢を確認する。次に、電子部品搬送装置740に内蔵されている微調整機構を用いて電子部品711の姿勢を調整する。そして、電子部品搬送装置740を検査台714の上まで移動させた後、電子部品搬送装置740に内蔵されたZステージを動かして電子部品711を検査台714の上にセットする。電子部品搬送装置740内の微調整機構を用いて電子部品711の姿勢が調整されているので、検査台714の正しい位置に電子部品711をセットすることができる。次に、検査台714を用いて電子部品711の電気的特性検査が終了した後、今度は検査台714から電子部品711を取り上げ、Yステージ731およびXステージ733を動かして、下流側ステージ712d上まで電子部品搬送装置740を移動させ、下流側ステージ712dに電子部品711を置く。最後に、下流側ステージ712dを動かして、検査が終了した電子部品711を所定位置まで搬送する。   The electronic component inspection apparatus 700 inspects the electronic component 711 as follows. First, the electronic component 711 to be inspected is placed on the upstream stage 712u and moved to the vicinity of the inspection table 714. Next, the Y stage 731 and the X stage 733 are moved to move the electronic component transport device 740 to a position immediately above the electronic component 711 placed on the upstream stage 712u. At this time, the position of the electronic component 711 can be confirmed using the imaging camera 734. Then, when the electronic component transport device 740 is lowered using the Z stage built in the electronic component transport device 740 and the electronic component 711 is gripped by the gripping portion 741, the electronic component transport device 740 is directly placed on the imaging device 713. The position of the electronic component 711 is confirmed using the imaging device 713. Next, the attitude of the electronic component 711 is adjusted using a fine adjustment mechanism built in the electronic component transport apparatus 740. Then, after moving the electronic component transport device 740 to above the inspection table 714, the Z stage built in the electronic component transport device 740 is moved to set the electronic component 711 on the inspection table 714. Since the attitude of the electronic component 711 is adjusted using the fine adjustment mechanism in the electronic component conveying apparatus 740, the electronic component 711 can be set at the correct position on the inspection table 714. Next, after the electrical characteristic inspection of the electronic component 711 is completed using the inspection table 714, the electronic component 711 is picked up from the inspection table 714, the Y stage 731 and the X stage 733 are moved, and the upper stage 712d is moved. The electronic component conveying device 740 is moved to the position, and the electronic component 711 is placed on the downstream stage 712d. Finally, the downstream stage 712d is moved to transport the electronic component 711 that has been inspected to a predetermined position.

図10は、本発明の力検出装置1(1aまたは1b)を含む電子部品搬送装置740を示す図である。電子部品搬送装置740は、把持部741と、把持部741に接続された力検出装置1と、力検出装置1を介して把持部741に接続された回転軸742と、回転軸742に回転可能に取り付けられた微調整プレート743を有する。また、微調整プレート743は、ガイド機構(図示せず)によってガイドされながら、X方向およびY方向に移動可能である。   FIG. 10 is a diagram showing an electronic component transport device 740 including the force detection device 1 (1a or 1b) of the present invention. The electronic component conveying device 740 is rotatable to a gripping portion 741, a force detection device 1 connected to the gripping portion 741, a rotation shaft 742 connected to the gripping portion 741 via the force detection device 1, and a rotation shaft 742. Has a fine adjustment plate 743 attached thereto. The fine adjustment plate 743 is movable in the X direction and the Y direction while being guided by a guide mechanism (not shown).

また、回転軸742の端面に向けて、回転方向用の圧電モーター744θが搭載されており、圧電モーター744θの駆動凸部(図示せず)が回転軸742の端面に押しつけられている。このため、圧電モーター744θを動作させることによって、回転軸742(および把持部741)をθ方向に任意の角度だけ回転させることが可能である。また、微調整プレート743に向けて、X方向用の圧電モーター744xと、Y方向用の圧電モーター744yとが設けられており、それぞれの駆動凸部(図示せず)が微調整プレート743の表面に押しつけられている。このため、圧電モーター744xを動作させることによって、微調整プレート743(および把持部741)をX方向に任意の距離だけ移動させることができ、同様に、圧電モーター744yを動作させることによって、微調整プレート743(および把持部741)をY方向に任意の距離だけ移動させることが可能である。   Further, a piezoelectric motor 744θ for rotation direction is mounted toward the end surface of the rotation shaft 742, and a driving convex portion (not shown) of the piezoelectric motor 744θ is pressed against the end surface of the rotation shaft 742. Therefore, by operating the piezoelectric motor 744θ, the rotation shaft 742 (and the gripping portion 741) can be rotated by an arbitrary angle in the θ direction. Further, a piezoelectric motor 744 x for X direction and a piezoelectric motor 744 y for Y direction are provided toward the fine adjustment plate 743, and each drive convex portion (not shown) is a surface of the fine adjustment plate 743. It is pressed against. For this reason, by operating the piezoelectric motor 744x, the fine adjustment plate 743 (and the gripper 741) can be moved by an arbitrary distance in the X direction. Similarly, the fine adjustment can be performed by operating the piezoelectric motor 744y. The plate 743 (and the gripping portion 741) can be moved by an arbitrary distance in the Y direction.

また、力検出装置1は、把持部741に加えられる外力を検出する機能を有する。力検出装置1が検出する外力を制御装置750にフィードバックすることにより、電子部品搬送装置740および電子部品検査装置700は、より精密に作業を実行することができる。また、力検出装置1が検出する外力によって、把持部741の障害物への接触等を検知することができる。そのため、従来の位置制御では困難だった障害物回避動作、対象物損傷回避動作等を容易に行うことができ、電子部品搬送装置740および電子部品検査装置700は、より安全な作業を実行可能である。さらに、本発明の力検出装置1では、逆バイアス回路のような出力ドリフトを低減するための回路が不要なので、力検出装置1を小型化できる。そのため、電子部品搬送装置740および電子部品検査装置700を小型化することができる。   Further, the force detection device 1 has a function of detecting an external force applied to the grip portion 741. By feeding back the external force detected by the force detection device 1 to the control device 750, the electronic component transport device 740 and the electronic component inspection device 700 can perform work more precisely. Further, contact of the gripping portion 741 with an obstacle can be detected by an external force detected by the force detection device 1. Therefore, an obstacle avoidance operation, an object damage avoidance operation, and the like that were difficult with conventional position control can be easily performed, and the electronic component transport device 740 and the electronic component inspection device 700 can perform safer work. is there. Furthermore, the force detection device 1 of the present invention does not require a circuit for reducing output drift, such as a reverse bias circuit, so that the force detection device 1 can be downsized. Therefore, the electronic component conveying device 740 and the electronic component inspection device 700 can be reduced in size.

<第6実施形態>
次に、図11に基づき、本発明の第6実施形態である部品加工装置を説明する。以下、第6実施形態について、前述した第1、第2、第3、第4および第5実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図11は、本発明の力検出装置1(1aまたは1b)を用いた部品加工装置の1例を示す図である。図11の部品加工装置800は、基台810と、基台810の上面に起立形成された支柱820と、支柱820の側面に設けられた送り機構830と、送り機構830に昇降可能に取り付けられた工具変位部840と、工具変位部840に接続された本発明の力検出装置1(1aまたは1b)と、力検出装置1を介して工具変位部840に装着された工具850を有する。
<Sixth Embodiment>
Next, based on FIG. 11, the component processing apparatus which is 6th Embodiment of this invention is demonstrated. Hereinafter, the sixth embodiment will be described with a focus on differences from the first, second, third, fourth, and fifth embodiments described above, and description of similar matters will be omitted.
FIG. 11 is a diagram showing an example of a component processing apparatus using the force detection device 1 (1a or 1b) of the present invention. The component processing apparatus 800 in FIG. 11 is attached to a base 810, a support column 820 that is erected on the upper surface of the base 810, a feed mechanism 830 that is provided on a side surface of the support column 820, and a lift mechanism that can be moved up and down. A tool displacement portion 840, a force detection device 1 (1a or 1b) of the present invention connected to the tool displacement portion 840, and a tool 850 attached to the tool displacement portion 840 via the force detection device 1.

基台810は、被加工部品860を載置し、固定するための台である。支柱820は、送り機構830を固定するための柱である。送り機構830は、工具変位部840を昇降させる機能を有する。送り機構830は、送り用モーター831と、送り用モーター831からの出力に基づいて工具変位部840を昇降させるガイド832を有する。工具変位部840は、工具850に回転、振動等の変位を与える機能を有する。工具変位部840は、変位用モーター841と、変位用モーター841に連結された主軸(図示せず)の先端に設けられた工具取付け部843と、工具変位部840に取り付けられ主軸を保持する保持部842とを有する。工具850は、工具変位部840の工具取付け部843に、力検出装置1を介して取り付けられ、工具変位部840から与えられる変位に応じて被加工部品860を加工するために用いられる。工具850は、特に限定されないが、例えば、レンチ、プラスドライバー、マイナスドライバー、カッター、丸のこ、ニッパ、錐、ドリル、フライス等である。   The base 810 is a base for mounting and fixing the workpiece 860. The column 820 is a column for fixing the feed mechanism 830. The feed mechanism 830 has a function of moving the tool displacement portion 840 up and down. The feed mechanism 830 includes a feed motor 831 and a guide 832 that raises and lowers the tool displacement portion 840 based on an output from the feed motor 831. The tool displacement unit 840 has a function of imparting displacement such as rotation and vibration to the tool 850. The tool displacement portion 840 includes a displacement motor 841, a tool attachment portion 843 provided at the tip of a main shaft (not shown) connected to the displacement motor 841, and a holder attached to the tool displacement portion 840 and holding the main shaft. Part 842. The tool 850 is attached to the tool attachment portion 843 of the tool displacement portion 840 via the force detection device 1 and is used for machining the workpiece 860 in accordance with the displacement given from the tool displacement portion 840. The tool 850 is not particularly limited, and is, for example, a wrench, a Phillips screwdriver, a flat-blade screwdriver, a cutter, a circular saw, a nipper, a cone, a drill, or a milling cutter.

力検出装置1は、工具850に加えられる外力を検出する機能を有する。力検出装置1が検出する外力を送り用モーター831や変位用モーター841にフィードバックすることにより、部品加工装置800は、より精密に部品加工作業を実行することができる。また、力検出装置1が検出する外力によって、工具850の障害物への接触等を検知することができる。そのため、工具850に障害物等が接触した場合に緊急停止することができ、部品加工装置800は、より安全な部品加工作業を実行可能である。さらに、本発明の力検出装置1では、逆バイアス回路のような出力ドリフトを低減するための回路が不要なので、力検出装置1を小型化できる。そのため、部品加工装置800を小型化することができる。   The force detection device 1 has a function of detecting an external force applied to the tool 850. By feeding back the external force detected by the force detection device 1 to the feed motor 831 and the displacement motor 841, the component processing device 800 can execute the component processing operation more precisely. Further, the contact of the tool 850 with an obstacle or the like can be detected by the external force detected by the force detection device 1. Therefore, an emergency stop can be performed when an obstacle or the like comes in contact with the tool 850, and the component processing apparatus 800 can execute a safer component processing operation. Furthermore, the force detection device 1 of the present invention does not require a circuit for reducing output drift, such as a reverse bias circuit, so that the force detection device 1 can be downsized. Therefore, the component processing apparatus 800 can be reduced in size.

<第7実施形態>
次に、図12に基づき、本発明の第7実施形態である移動体を説明する。以下、第7実施形態について、前述した第1、第2、第3、第4、第5および第6実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図12は、本発明の力検出装置1(1aまたは1b)を用いた移動体の1例を示す図である。図12の移動体900は、与えられた動力により移動することができる。移動体900は、特に限定されないが、例えば、自動車、バイク、飛行機、船、電車等の乗り物、2足歩行ロボット、車輪移動ロボット等のロボット等である。
<Seventh embodiment>
Next, based on FIG. 12, the moving body which is 7th Embodiment of this invention is demonstrated. Hereinafter, the seventh embodiment will be described with a focus on differences from the first, second, third, fourth, fifth, and sixth embodiments described above, and description of similar matters will be omitted. .
FIG. 12 is a diagram showing an example of a moving body using the force detection device 1 (1a or 1b) of the present invention. The moving body 900 of FIG. 12 can move with the applied power. The moving body 900 is not particularly limited, and is, for example, a vehicle such as an automobile, a motorcycle, an airplane, a ship, or a train, a robot such as a bipedal walking robot, or a wheeled robot.

移動体900は、本体910(例えば、乗り物の筐体、ロボットのメインボディ等)と、本体910を移動させるための動力を供給する動力部920と、本体910の移動により発生する外力を検出する本発明の力検出装置1(1aまたは1b)と、制御部930を有する。
動力部920から供給された動力によって本体910が移動すると、移動に伴い振動や加速度等が生じる。力検出装置1は、移動に伴い生じた振動や加速度等による外力を検出する。力検出装置1によって検出された外力は、制御部930に伝達される。制御部930は、力検出装置1から伝達された外力に応じて動力部920等を制御することにより、姿勢制御、振動制御および加速制御等の制御を実行することができる。さらに、本発明の力検出装置1では、逆バイアス回路のような出力ドリフトを低減するための回路が不要なので、力検出装置1を小型化できる。そのため、移動体900を小型化することができる。
また、本発明の力検出装置1(1a、1b)は、振動計、加速度計、重力計、動力計、地震計または傾斜計等の各種測定機器にも適用可能であり、本発明の力検出装置1を用いた各種測定機器も本発明の範囲内である。
The moving body 900 detects a main body 910 (for example, a vehicle casing, a robot main body, etc.), a power unit 920 that supplies power for moving the main body 910, and an external force generated by the movement of the main body 910. It has the force detection device 1 (1a or 1b) of the present invention and a control unit 930.
When the main body 910 is moved by the power supplied from the power unit 920, vibration, acceleration, and the like are generated with the movement. The force detection device 1 detects an external force caused by vibration, acceleration, or the like that occurs with movement. The external force detected by the force detection device 1 is transmitted to the control unit 930. The control unit 930 can execute control such as posture control, vibration control, and acceleration control by controlling the power unit 920 and the like according to the external force transmitted from the force detection device 1. Furthermore, the force detection device 1 of the present invention does not require a circuit for reducing output drift, such as a reverse bias circuit, so that the force detection device 1 can be downsized. Therefore, the moving body 900 can be reduced in size.
The force detection device 1 (1a, 1b) of the present invention can also be applied to various measuring devices such as a vibration meter, an accelerometer, a gravimeter, a dynamometer, a seismometer, or an inclinometer. Various measuring instruments using the apparatus 1 are also within the scope of the present invention.

以上、本発明の力検出装置、並びに該力検出装置を用いたロボット、電子部品搬送装置、電子部品検査装置、部品加工装置および移動体を、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、本発明は、前記実施形態のうちの、任意の2以上の構成(特徴)を組み合わせたものであってもよい。   The force detection device of the present invention and the robot, electronic component transport device, electronic component inspection device, component processing device, and moving body using the force detection device have been described based on the illustrated embodiments. However, the configuration of each unit can be replaced with any configuration having the same function. In addition, any other component may be added to the present invention. In addition, the present invention may be a combination of any two or more configurations (features) of the embodiment.

1、1a、1b…力検出装置 2…ベースプレート 3a、3b…力検出素子 4…カバープレート 5…外力検出回路 30a、30b、30c、30d…力検出素子 31…電荷出力素子 32、32a、32b、32c…変換回路 33…オペアンプ 34…コンデンサ 35…スイッチング素子 301a…第1の電荷出力素子 301b…第2の電荷出力素子 310…グランド電極層 320…β軸用センサ 321…第1の圧電体層 322…出力電極層 323…第2の圧電体層 330…第1のγ軸用センサ 331…第3の圧電体層 332…出力電極層 333…第4の圧電体層 340…第1のα軸用センサ 341…第5の圧電体層 342…出力電極層 343…第6の圧電体層 350…第2のγ軸用センサ 360…第2のα軸用センサ 50…外力検出回路 500…単腕ロボット 510…基台 520…アーム連結体 521…第1のアーム 522…第2のアーム 523…第3のアーム 524…第4のアーム 525…第5のアーム 530…エンドエフェクタ 531…第1の指 532…第2の指 600…複腕ロボット 610…基台 620…第1のアーム連結体 621…第1のアーム 622…第2のアーム 630…第2のアーム連結体 631…第1のアーム 632…第2のアーム 640a…第1のエンドエフェクタ 641a…第1の指 642a…第2の指 640b…第2のエンドエフェクタ 641b…第1の指 642b…第2の指 700…電子部品検査装置 710…基台 711…電子部品 712u…上流側ステージ 712d…下流側ステージ 713…撮像装置 714…検査台 720…支持台 731…Yステージ 732…腕部 733…Xステージ 734…撮像カメラ 740…電子部品搬送装置 741…把持部 742…回転軸 743…微調整プレート 744x、744y、744θ…圧電モーター 750…制御装置 800…部品加工装置 810…基台 820…支柱 830…送り機構 831…送り用モーター 832…ガイド 840…工具変位部 841…変位用モーター 842…保持部 843…工具取付け部 850…工具 860…被加工部品 900…移動体 910…本体 920…動力部 930…制御部 A1、A2…軸 CA1…第1の結晶軸 CA2…第2の結晶軸 CA3…第3の結晶軸 CA4…第4の結晶軸 CA5…第5の結晶軸 CA6…第6の結晶軸 Pα、Pα1、Pα2、Pα3、Pα4…分極軸 Pβ、Pβ1、Pβ2、Pβ3、Pβ4…分極軸 Pγ、Pγ1、Pγ2、Pγ3、Pγ4…分極軸 Q、Q1、Q2、Qα、Qβ、Qγ…電荷 V1、V2、Vα、Vβ、Vγ…電圧 θ1、θ2、θ3、θ4…角度   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1a, 1b ... Force detection apparatus 2 ... Base plate 3a, 3b ... Force detection element 4 ... Cover plate 5 ... External force detection circuit 30a, 30b, 30c, 30d ... Force detection element 31 ... Charge output element 32, 32a, 32b, 32c ... Conversion circuit 33 ... Operational amplifier 34 ... Capacitor 35 ... Switching element 301a ... First charge output element 301b ... Second charge output element 310 ... Ground electrode layer 320 ... Sensor for beta axis 321 ... First piezoelectric layer 322 ... output electrode layer 323 ... second piezoelectric layer 330 ... first γ-axis sensor 331 ... third piezoelectric layer 332 ... output electrode layer 333 ... fourth piezoelectric layer 340 ... first α-axis use Sensor 341: Fifth piezoelectric layer 342: Output electrode layer 343: Sixth piezoelectric layer 350: Second γ-axis sensor 360: Second α-axis Sensor 50 ... External force detection circuit 500 ... Single arm robot 510 ... Base 520 ... Arm coupling body 521 ... First arm 522 ... Second arm 523 ... Third arm 524 ... Fourth arm 525 ... Fifth arm 530 ... End effector 531 ... First finger 532 ... Second finger 600 ... Multi-arm robot 610 ... Base 620 ... First arm connector 621 ... First arm 622 ... Second arm 630 ... Second Arm coupling body 631 ... 1st arm 632 ... 2nd arm 640a ... 1st end effector 641a ... 1st finger 642a ... 2nd finger 640b ... 2nd end effector 641b ... 1st finger 642b ... 1st Second finger 700 ... Electronic component inspection device 710 ... Base 711 ... Electronic component 712u ... Upstream side stage 712d ... Downstream side Stage 713 ... Imaging device 714 ... Inspection table 720 ... Supporting table 731 ... Y stage 732 ... Arm part 733 ... X stage 734 ... Imaging camera 740 ... Electronic component transport device 741 ... Grasping part 742 ... Rotating shaft 743 ... Fine adjustment plate 744x, 744y, 744θ ... piezoelectric motor 750 ... control device 800 ... part processing device 810 ... base 820 ... support 830 ... feed mechanism 831 ... feed motor 832 ... guide 840 ... tool displacement portion 841 ... displacement motor 842 ... holding portion 843 ... Tool mounting part 850 ... Tool 860 ... Work piece 900 ... Moving body 910 ... Main body 920 ... Power part 930 ... Control part A1, A2 ... Axis CA1 ... First crystal axis CA2 ... Second crystal axis CA3 ... Third Crystal axis CA4 ... Fourth crystal axis CA5 ... Fifth crystal axis C 6 ... Sixth crystal axis Pα, Pα1, Pα2, Pα3, Pα4 ... Polarization axis Pβ, Pβ1, Pβ2, Pβ3, Pβ4 ... Polarization axis Pγ, Pγ1, Pγ2, Pγ3, Pγ4 ... Polarization axes Q, Q1, Q2, Qα , Qβ, Qγ: Charge V1, V2, Vα, Vβ, Vγ: Voltage θ1, θ2, θ3, θ4… Angle

Claims (15)

外力に応じて電圧を出力する第1の素子および第2の素子と、
前記第1の素子および前記第2の素子から出力された前記電圧に基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備え、
前記第1の素子および前記第2の素子は、
分極軸を有し、前記分極軸に沿った前記外力に応じて電荷を出力するセンサと、
前記センサから出力された前記電荷を前記電圧に変換する変換回路とを有し、
前記第1の素子および前記第2の素子は、前記第1の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向と、前記第2の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向とが互いに反対方向を向くよう配置されていることを特徴とする力検出装置。
A first element and a second element that output a voltage in response to an external force;
An external force detection circuit that detects the external force based on the voltage output from the first element and the second element;
The first element and the second element are:
A sensor having a polarization axis and outputting a charge according to the external force along the polarization axis;
A conversion circuit that converts the charge output from the sensor into the voltage;
In the first element and the second element, the direction of the polarization axis of the sensor of the first element is opposite to the direction of the polarization axis of the sensor of the second element. It is arranged to face the force detection device.
前記外力検出部は、前記第1の素子および前記第2の素子から出力された前記電圧の差分を取ることにより、前記力検出装置に加えられた前記外力を検出する請求項1に記載の力検出装置。   The force according to claim 1, wherein the external force detection unit detects the external force applied to the force detection device by taking a difference between the voltages output from the first element and the second element. Detection device. 前記第1の素子および前記第2の素子は、前記第1の素子の前記センサの前記分極軸の方向と、前記第2の素子の前記センサの前記分極軸の方向とが、同一軸上に互いに対向する請求項1または2に記載の力検出装置。   In the first element and the second element, the direction of the polarization axis of the sensor of the first element and the direction of the polarization axis of the sensor of the second element are on the same axis. The force detection device according to claim 1, which faces each other. 前記第1の素子および前記第2の素子は、
グランドに接地された複数のグランド電極層と、3つの前記センサとを積層することにより構成され、
前記各センサの前記分極軸は、互いに直交している請求項1ないし3のいずれか1項に記載の力検出装置。
The first element and the second element are:
It is constituted by laminating a plurality of ground electrode layers grounded to the ground and the three sensors.
The force detection device according to any one of claims 1 to 3, wherein the polarization axes of the sensors are orthogonal to each other.
前記センサの積層方向をγ軸方向とし、前記γ軸方向に直交し且つ互いに直交する方向をそれぞれα軸方向、β軸方向とした場合、
前記センサの1つは、前記α軸方向に沿った前記外力に応じて前記電荷を出力するα軸用センサであり、
前記センサの1つは、前記β軸方向に沿った前記外力に応じて前記電荷を出力するβ軸用センサであり、
前記センサの1つは、前記γ軸方向に沿った前記外力に応じて前記電荷を出力するγ軸用センサである請求項4に記載の力検出装置。
When the stacking direction of the sensors is the γ-axis direction, and the directions orthogonal to the γ-axis direction and orthogonal to each other are the α-axis direction and the β-axis direction,
One of the sensors is an α-axis sensor that outputs the electric charge according to the external force along the α-axis direction,
One of the sensors is a β-axis sensor that outputs the electric charge according to the external force along the β-axis direction,
The force detection device according to claim 4, wherein one of the sensors is a γ-axis sensor that outputs the electric charge according to the external force along the γ-axis direction.
前記力検出装置は、2つの前記第1の素子と、2つの前記第2の素子を有し、
一方の前記第1の素子および一方の前記第2の素子の前記α軸用センサの前記分極軸の方向が、他方の前記第1の素子および他方の前記第2の素子の前記α軸用センサの前記分極軸の方向と反対方向を向き、
前記一方の第1の素子および前記一方の第2の素子の前記γ軸用センサの前記分極軸の方向が、前記他方の第1の素子および前記他方の第2の素子の前記γ軸用センサの前記分極軸の方向と反対方向を向いている請求項5に記載の力検出装置。
The force detection device includes two first elements and two second elements,
The direction of the polarization axis of one of the first elements and one of the second elements is the direction of the polarization axis of the other first element and the other of the second element. Facing the direction opposite to the direction of the polarization axis of
The direction of the polarization axis of the γ-axis sensor of the one first element and the one second element is the γ-axis sensor of the other first element and the other second element. The force detection device according to claim 5, wherein the force detection device faces in a direction opposite to a direction of the polarization axis.
前記センサは、
第1の結晶軸を有する第1の圧電体層と、
前記第1の圧電体層に対向して設けられ、第2の結晶軸を有する第2の圧電体層と、
前記第1の圧電体層と前記第2の圧電体層との間に設けられた出力電極層とを有し、
前記第1の圧電体層の前記第1の結晶軸の方向は、前記第2の圧電体層の前記第2の結晶軸の方向と反対方向を向いている請求項1ないし6のいずれか1項に記載の力検出装置。
The sensor is
A first piezoelectric layer having a first crystal axis;
A second piezoelectric layer provided opposite to the first piezoelectric layer and having a second crystal axis;
An output electrode layer provided between the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer;
The direction of the first crystal axis of the first piezoelectric layer is directed in a direction opposite to the direction of the second crystal axis of the second piezoelectric layer. The force detection device according to item.
前記第1の圧電体層および前記第2の圧電体層は、水晶で構成されている請求項7に記載の力検出装置。   The force detection device according to claim 7, wherein the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer are made of quartz. 前記力検出装置は、ベースプレートと、前記ベースプレートと対向するカバープレートとをさらに備え、
前記各素子は、前記ベースプレートと前記カバープレートとの間に設けられている請求項1ないし8のいずれか1項に記載の力検出装置。
The force detection device further includes a base plate and a cover plate facing the base plate,
The force detection device according to any one of claims 1 to 8, wherein each of the elements is provided between the base plate and the cover plate.
前記各素子は、前記ベースプレートまたは前記カバープレートの周方向に沿って、等角度間隔に配置されている請求項9に記載の力検出装置。   The force detection device according to claim 9, wherein the elements are arranged at equiangular intervals along a circumferential direction of the base plate or the cover plate. アームを複数有し、前記複数のアームの隣り合う前記アーム同士を回動自在に連結してなる少なくとも1つのアーム連結体と、
前記アーム連結体の先端側に設けられたエンドエフェクタと、
前記アーム連結体と前記エンドエフェクタの間に設けられ、前記エンドエフェクタに加えられる外力を検出する力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、
前記外力に応じて電圧を出力する第1の素子および第2の素子と、
前記第1の素子および前記第2の素子から出力された前記電圧に基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備え、
前記第1の素子および前記第2の素子は、
分極軸を有し、前記分極軸に沿った前記外力に応じて電荷を出力するセンサと、
前記センサから出力された前記電荷を前記電圧に変換する変換回路とを有し、
前記第1の素子および前記第2の素子は、前記第1の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向と、前記第2の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向とが互いに反対方向を向くよう配置されていることを特徴とするロボット。
A plurality of arms, and at least one arm connecting body formed by rotatably connecting the adjacent arms of the plurality of arms;
An end effector provided on a distal end side of the arm coupling body;
A force detection device provided between the arm coupling body and the end effector and detecting an external force applied to the end effector;
The force detection device includes:
A first element and a second element that output a voltage according to the external force;
An external force detection circuit that detects the external force based on the voltage output from the first element and the second element;
The first element and the second element are:
A sensor having a polarization axis and outputting a charge according to the external force along the polarization axis;
A conversion circuit that converts the charge output from the sensor into the voltage;
In the first element and the second element, the direction of the polarization axis of the sensor of the first element is opposite to the direction of the polarization axis of the sensor of the second element. A robot characterized by being arranged to face.
電子部品を把持する把持部と、
前記把持部に加えられる外力を検出する力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、
前記外力に応じて電圧を出力する第1の素子および第2の素子と、
前記第1の素子および前記第2の素子から出力された前記電圧に基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備え、
前記第1の素子および前記第2の素子は、
分極軸を有し、前記分極軸に沿った前記外力に応じて電荷を出力するセンサと、
前記センサから出力された前記電荷を前記電圧に変換する変換回路とを有し、
前記第1の素子および前記第2の素子は、前記第1の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向と、前記第2の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向とが互いに反対方向を向くよう配置されていることを特徴とする電子部品搬送装置。
A gripper for gripping electronic components;
A force detection device that detects an external force applied to the gripping portion;
The force detection device includes:
A first element and a second element that output a voltage according to the external force;
An external force detection circuit that detects the external force based on the voltage output from the first element and the second element;
The first element and the second element are:
A sensor having a polarization axis and outputting a charge according to the external force along the polarization axis;
A conversion circuit that converts the charge output from the sensor into the voltage;
In the first element and the second element, the direction of the polarization axis of the sensor of the first element is opposite to the direction of the polarization axis of the sensor of the second element. An electronic component conveying device, wherein the electronic component conveying device is arranged so as to face.
電子部品を把持する把持部と、
前記電子部品を検査する検査部と、
前記把持部に加えられる外力を検出する力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、
前記外力に応じて電圧を出力する第1の素子および第2の素子と、
前記第1の素子および前記第2の素子から出力された前記電圧に基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備え、
前記第1の素子および前記第2の素子は、
分極軸を有し、前記分極軸に沿った前記外力に応じて電荷を出力するセンサと、
前記センサから出力された前記電荷を前記電圧に変換する変換回路とを有し、
前記第1の素子および前記第2の素子は、前記第1の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向と、前記第2の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向とが互いに反対方向を向くよう配置されていることを特徴とする電子部品検査装置。
A gripper for gripping electronic components;
An inspection unit for inspecting the electronic component;
A force detection device that detects an external force applied to the gripping portion;
The force detection device includes:
A first element and a second element that output a voltage according to the external force;
An external force detection circuit that detects the external force based on the voltage output from the first element and the second element;
The first element and the second element are:
A sensor having a polarization axis and outputting a charge according to the external force along the polarization axis;
A conversion circuit that converts the charge output from the sensor into the voltage;
In the first element and the second element, the direction of the polarization axis of the sensor of the first element is opposite to the direction of the polarization axis of the sensor of the second element. An electronic component inspection apparatus characterized by being arranged so as to face.
工具を装着し、前記工具を変位させる工具変位部と、
前記工具に加えられる外力を検出する力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、
前記外力に応じて電圧を出力する第1の素子および第2の素子と、
前記第1の素子および前記第2の素子から出力された前記電圧に基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備え、
前記第1の素子および前記第2の素子は、
分極軸を有し、前記分極軸に沿った前記外力に応じて電荷を出力するセンサと、
前記センサから出力された前記電荷を前記電圧に変換する変換回路とを有し、
前記第1の素子および前記第2の素子は、前記第1の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向と、前記第2の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向とが互いに反対方向を向くよう配置されていることを特徴とする部品加工装置。
A tool displacing part for mounting the tool and displacing the tool;
A force detection device for detecting an external force applied to the tool;
The force detection device includes:
A first element and a second element that output a voltage according to the external force;
An external force detection circuit that detects the external force based on the voltage output from the first element and the second element;
The first element and the second element are:
A sensor having a polarization axis and outputting a charge according to the external force along the polarization axis;
A conversion circuit that converts the charge output from the sensor into the voltage;
In the first element and the second element, the direction of the polarization axis of the sensor of the first element is opposite to the direction of the polarization axis of the sensor of the second element. A component processing apparatus, which is arranged so as to face.
移動のための動力を供給する動力部と、
前記移動により発生する外力を検出する力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、
前記外力に応じて電圧を出力する第1の素子および第2の素子と、
前記第1の素子および前記第2の素子から出力された前記電圧に基づき、前記外力を検出する外力検出回路とを備え、
前記第1の素子および前記第2の素子は、
分極軸を有し、前記分極軸に沿った前記外力に応じて電荷を出力するセンサと、
前記センサから出力された前記電荷を前記電圧に変換する変換回路とを有し、
前記第1の素子および前記第2の素子は、前記第1の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向と、前記第2の素子の前記センサが有する前記分極軸の方向とが互いに反対方向を向くよう配置されていることを特徴とする移動体。
A power unit for supplying power for movement;
A force detection device for detecting an external force generated by the movement,
The force detection device includes:
A first element and a second element that output a voltage according to the external force;
An external force detection circuit that detects the external force based on the voltage output from the first element and the second element;
The first element and the second element are:
A sensor having a polarization axis and outputting a charge according to the external force along the polarization axis;
A conversion circuit that converts the charge output from the sensor into the voltage;
In the first element and the second element, the direction of the polarization axis of the sensor of the first element is opposite to the direction of the polarization axis of the sensor of the second element. A moving object characterized by being arranged to face.
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