JP2014163870A - Force detection device, robot, electronic component transport device, electronic component inspection device, component processing device and moving body - Google Patents
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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,
However, when a reverse bias circuit is used as in the crystal type piezoelectric sensor of
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.
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
<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
As shown in FIG. 2, the
<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
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
The
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-
The β-
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
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
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
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)O3)、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
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
As described above, the
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
<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
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
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
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
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
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
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
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
The
The
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
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
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
The arrangement of the
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
The voltage component (true value) proportional to the accumulated amount of the charge Q1 output from the
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
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
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
<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
The external
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
Further, when the angles θ1 and θ2 satisfy θ1 = θ2, that is, when the
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
As described above, the
In addition, although the
<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
<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
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
<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
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-
The β-
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-
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-
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
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
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
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
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-
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-
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
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
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
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
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-
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
In the configuration shown in FIG. 6, the β-
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-
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-
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
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
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
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-
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-
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
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
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
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-
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-
<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
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
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
The switching
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
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
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
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
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
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
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
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
Further, the
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
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
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
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
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
<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
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
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.
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
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.
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
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
<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-
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
The
The
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
In the illustrated configuration, the
<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
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
The 1st
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
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
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
<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
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
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
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
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
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
<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
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
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
<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
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
When the
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
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
Claims (15)
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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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