JP2015087292A - センサー素子、力検出装置、ロボット、電子部品搬送装置、電子部品検査装置および部品加工装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】センサー素子10は、Xカット水晶板の第1の基板と、Yカット水晶板の第2の基板と、Yカット水晶板の第3の基板とを備え、第1の基板と第2の基板と第3の基板が積層方向に積層された積層体であって、積層方向からの平面視で、第2基板のx軸と第3基板のx軸とが交差し、前記第2基板のz軸と前記第3基板のz軸とが交差し、前記積層方向に平行な側面を備える積層体と、記積層体の前記側面に設けられた側面電極と、側面電極と外部電極との間に配置され、前記側面電極と前記外部電極とを電気的に接続する接続電極とを有し、積層体には、前記第1の基板の片面に設けられた内部電極が備えられており、前記内部電極と前記接続電極との離間距離が200μm以上である。
【選択図】図4
Description
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ーが用いられることがある(例えば、特許文献1参照)。この特許文献1に記載の水晶式圧電センサーは、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、産業用ロボットの力検出装置として適している。
このように、従来の水晶式圧電素子では、温度変化の影響により検出精度が低下するという不具合が生じる可能性がある。
本発明のセンサー素子は、Xカット水晶板で構成された第1の基板と、Yカット水晶板で構成された第2の基板と、Yカット水晶板で構成された第3の基板とを備え、前記第1の基板と前記第2の基板と前記第3の基板が積層方向に積層された積層体であって、前記積層方向からの平面視で、前記第2の基板のx軸と前記第3の基板のx軸とが交差し、前記第2基板のz軸と前記第3の基板のz軸とが交差し、前記積層方向に平行な側面を備える積層体と、
前記積層体の前記側面に設けられた側面電極と、
前記側面電極と外部電極との間に配置され、前記側面電極と前記外部電極とを電気的に接続する接続電極とを有し、
前記積層体には、前記第1の基板の少なくとも一方の面に設けられた内部電極が備えられており、
前記内部電極と前記接続電極との離間距離が200μm以上である。
これにより、接続電極が熱変形(熱膨張または熱収縮)した場合でも、第1の基板の圧電効果に影響を与えることがなく、外力として不要な検出を行うのを防止または抑制すること、すなわち、検出精度をより高めることができる。
本発明のセンサー素子では、前記積層体は、前記第1の基板、前記第2の基板および前記第3の基板の順に積層されていることが好ましい。
これにより、第1の基板の少なくとも一方の面に設けられた内部電極と、接続電極とを所定の距離離間させることができ、接続電極が熱変形した場合でも、第1の基板の圧電効果に影響を与えることがなく、外力として不要な検出を行うのをさらに効果的に防止または抑制することができる。また、第1の基板および第2の基板が温度変化によって膨張または収縮した場合であっても、第1の基板および第2の基板が同じだけ膨張または収縮することとなる。よって、第1の基板および第2の基板では、熱膨張によって、圧縮応力または引張応力が生じるのを特に抑制または防止することができる。
本発明のセンサー素子では、前記第1の基板の結晶軸yの熱膨張係数と、前記第2の基板の結晶軸xの熱膨張係数とが、実用上一致していることが好ましい。
これにより、第1の基板および第2の基板が温度変化によって膨張または収縮した場合であっても、第1の基板および第2の基板が同じだけ膨張または収縮することとなる。よって、第1の基板および第2の基板では、熱膨張によって、圧縮応力または引張応力が生じるのをさらに抑制または防止することができる。したがって、温度変化によって電荷が出力されるのをさらも抑制またはさらに防止することができる。
本発明のセンサー素子では、前記側面電極は、Niを含む材料で構成されているのが好ましい。
これにより、第1の基板の結晶軸xの熱膨張係数と、側面電極の熱膨張係数を、ほぼ同一にすることがき、第1の基板と側面電極の熱変形の差異による第1の基板の圧電効果への影響をさらに減少または除去することができ、より精度の高い力検出を行うことができる。
本発明のセンサー素子では、前記内部電極は、Niを含む材料で構成されていることが好ましい。
これにより、第1の基板の結晶軸yの熱膨張係数と、電極の熱膨張係数を、ほぼ同一にすることがき、第1の基板と電極の熱変形の差異による第1の基板の圧電効果への影響をさらに減少させることができ、より精度の高い力検出を行うことができる。
本発明のセンサー素子では、前記積層体は、前記第1の基板、前記第2の基板および前記第3の基板を、それぞれ複数有することが好ましい。
これにより、出力される電荷をより多くすることで、センサー素子の検出精度の向上を図ることができる。
本発明の力検出装置は、Xカット水晶板で構成された第1の基板と、Yカット水晶板で構成された第2の基板と、Yカット水晶板で構成された第3の基板とを備え、前記第1の基板と前記第2の基板と前記第3の基板が積層方向に積層された積層体であって、前記積層方向からの平面視で、前記第2基板のx軸と前記第3基板のx軸とが交差し、前記第2基板のz軸と前記第3基板のz軸とが交差し、前記積層方向に平行な側面を備える積層体と、
前記積層体の前記側面に設けられた側面電極と、
前記側面電極と外部電極との間に配置され、前記側面電極と前記外部電極とを電気的に接続する接続電極とを有し、
前記積層体には、前記第1の基板の少なくとも一方の面に設けられた内部電極が備えられており、
前記内部電極と前記接続電極との離間距離が200μm以上であるセンサー素子と、
前記センサー素子から出力された電荷に基づいて、前記外力を検出する外力検出回路とを備えていることを特徴とする。
これにより、本発明のセンサー素子と同様の効果を得られるとともに、センサー素子から出力された電荷に基づいて外力を検出することができる。
本発明の力検出装置では、前記センサー素子は、4つ以上設けられているのが好ましい。
これにより、3軸方向の並進力と3軸周りの回転力からなる6軸力の力検出が可能となり、また相対する2つのセンサー素子出力によって外力検出回路のドリフトを補償することができ、力検出装置の検出精度の向上を図ることができる。
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との間に設けられ、前記エンドエフェクタに加えられる外力を検出する本発明の力検出装置とを備えていることを特徴とする。
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本発明の力検出装置とを備えていることを特徴とする。
これにより、前記本発明のセンサー素子と同様の効果が得られる。そして、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。
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本発明の力検出装置とを備えていることを特徴とする。
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本発明の力検出装置とを備えていることを特徴とする。
これにより、前記本発明のセンサー素子と同様の効果が得られる。そして、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。
《力検出装置》
<第1実施形態>
図1は、本発明に係る力検出装置(センサー素子)の第1実施形態を示す断面図、図2は、図1に示す力検出装置(センサー素子)の平面図、図3は、図1に示す力検出装置を概略的に示す回路図、図4は、図1に示すセンサーデバイスを概略的に示す断面図((a)断面図、(b)平面図)、図5は、図1に示す電荷出力素子を概略的に示す断面図、図6は、図1に示す電荷出力素子の熱膨張率および結晶軸を示す分解斜視図、図7は、Xカット板の結晶軸zの正方向から見たときの単位構造の状態を示す概念図((a)外力を付与しない自然状態、(b)A軸方向に圧縮力が加えられた状態、(c)A軸方向に引張力が加えられた状態)、図8は、Yカット板の結晶軸zの負方向から見たときの単位構造の状態を示す概念図((a)自然状態、(b)C軸の正方向に外力が加えられた状態、(c)C軸の負方向に外力が加えられた状態)、図9は、電極層の形状をおよび側面電極との関係を示す概念図、図10は、Yカット板の結晶軸zの負方向から見たときの単位構造の状態を示す概念図((a)自然状態、(b)C軸方向に圧縮力が加えられた状態)である。なお、図1、図4〜図10の上側を「上(上方)」、下側を「下(下方)」とも言う。
センサーデバイス6は、電荷出力素子10と、電荷出力素子10を収納するパッケージ60とを有している。
パッケージ60は、凹部611を有する基部(第1の部材)61と、その基部61に接合された蓋体(第2の部材)62とを有している。電荷出力素子10は、基部61の凹部611に設置されており、その基部61の凹部611は、蓋体62により封止されている。これにより、電荷出力素子10を保護することができ、信頼性の高い力検出装置1を提供することができる。なお、電荷出力素子10の上面は、蓋体62に接触している。また、パッケージ60の蓋体62は、上側、すなわち、第2の基部3側に配置され、基部61は、下側、すなわち、第1の基部2側に配置され、その基部61がアナログ回路基板4に固定されている。この構成により、基部61と蓋体62とが、凸部21と第2の基部3とで挟持されて与圧され、その基部61と蓋体62とにより、電荷出力素子10が挟持されて与圧される。
また、パッケージ60の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、図2に示すように、第1の基部2の平面視で、四角形をなしている。なお、パッケージ60の平面視での前記の他の形状としては、例えば、五角形等の他の多角形、円形、楕円形等が挙げられる。また、パッケージ60の形状が多角形の場合、例えば、その角部が、丸みを帯びていてもよく、また、斜めに切り欠かれていてもよい。
また、図4に示すように、凹部611は、その深さ(A軸方向の長さ)が段階的に変化した部分である段差部613を有している。段差部613には、4つの端子63a、63b、63c、63dが設けられている。
このようなパッケージ60内には、電荷出力素子10が収納されている。この電荷出力素子10については後に詳述する。
図3に示すように、電荷出力素子10には、変換出力回路90a、90b、90cが接続されている。変換出力回路90aは、電荷出力素子10から出力された電荷Qaを電圧Vaに変換する機能を有する。変換出力回路90bは、電荷出力素子10から出力された電荷Qbを電圧Vbに変換する機能を有する。変換出力回路90cは、電荷出力素子10から出力された電荷Qcを電圧Vcに変換する機能を有する。変換出力回路90a、90b、90cは、同様であるので、以下では、代表的に、変換出力回路90cについて説明する。
外力検出回路40は、変換出力回路90aから出力される電圧Vaと、変換出力回路90bから出力される電圧Vbと、変換出力回路90cから出力される電圧Vcとに基づき、加えられた外力を検出する機能を有する。外力検出回路40は、変換出力回路90a、90b、90cに接続されたADコンバーター401と、ADコンバーター401に接続された演算部402とを有する。
すなわち、第1の基部2および第2の基部3の相対位置が互いにA軸方向にずれる外力が加えられた場合、ADコンバーター401は、電圧Vaを出力する。同様に、第1の基部2および第2の基部3の相対位置が互いにB軸方向にずれる外力が加えられた場合、ADコンバーター401は、電圧Vbを出力する。また、第1の基部2および第2の基部3の相対位置が互いにC軸方向にずれる外力が加えられた場合、ADコンバーター401は、電圧Vcを出力する。
また、凸部21部の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、第1の基部2の平面視で、電荷出力素子10と同じ形状、すなわち、四角形をなしている。なお、凸部21の平面視での前記の他の形状としては、例えば、四角形、五角形等の多角形、楕円形等が挙げられる。
なお、アナログ回路基板4には、2つの与圧ボルト71が挿通する2つの孔42が形成され、同様に、デジタル回路基板5には、2つの与圧ボルト71が挿通する2つの孔52が形成されている。
以上説明したように、この力検出装置1によれば、アナログ回路基板4およびデジタル回路基板5が第1の基部2と第2の基部3との間に設けられているので、装置を小型化することができる。
また、パッケージ60の蓋体62の中央部625は、第2の基部3に向って突出しているので、第2の基部3の下面36が平面であっても電荷出力素子10に対して十分に与圧を加えることができ、また、力検出の際、外力が加わり難くなることを防止することができる。そして、第2の基部3の下面36が平面であるので、製造時に第2の基部3と電荷出力素子10との位置合わせが不要となり、容易に力検出装置1を製造することができる。
次に電荷出力素子10について説明する。
電荷出力素子10は、互いに直交する3軸(A軸、B軸、C軸)に沿って加えられた(受けた)外力のそれぞれに応じて3つの電荷Qa、Qc、Qbを出力する機能を有する。
図7に示すように、電荷出力素子10は、電荷Qa、Qc、Qbを出力する積層体110と、積層体110に電気的に接続された側面電極171、172、173、174と、側面電極171、172、173、174にそれぞれ電気的に接続された接続電極181、182、183、184とを有している。また、積層体110は、第1のカバー基材161および第2のカバー基材162により挟持されている。
図4に示すように、積層体110の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、第1の基部2の平面視、すなわち、第1の基部2に対して垂直な方向から見て、四角形をなしている。なお、積層体110の平面視における他の外形形状としては、例えば、五角形等の他の多角形、円形、楕円形等が挙げられる。
また、図4、図5において、第1のセンサー12、第2のセンサー13、第3のセンサー14の積層方向をA軸方向とし、A軸方向に直交し且つ互いに直交する方向をそれぞれB軸方向、C軸方向としている。
図5に示すように、第1のセンサー12は、A軸に沿って加えられた(受けた)外力(圧縮/引張力)に応じて電荷Qaを出力する機能を有する。第1のセンサー12は、A軸に平行な圧縮力に応じて正電荷を出力し、A軸に平行な引張力に応じて負電荷を出力するよう構成されている。
第1の出力電極層124xは、第1の圧電体層121内に生じた正電荷または負電荷を電荷Qaxとして出力する機能を有する。また、第2の出力電極層124yは、第2の圧電体層123内に生じた正電荷または負電荷を電荷Qayとして出力する機能を有する。
このような構成の第1のセンサー12がA軸に沿って加えられた外力に応じて電荷Qaを出力することについて、以下に、図7を参照しつつ説明する。
したがって、第2の圧電体層123の表面に対し、A軸に平行な圧縮力が加えられた場合、第2の圧電体層123の第2の出力電極層124y側表面近傍には正電荷が偏り、第2の圧電体層123のグランド電極層152側表面近傍には負電荷が偏った状態となる。よって、第2の出力電極層124yからは、正の電荷Qayが出力される。
そして、図5に示すように、第1の出力電極層124xから出力された電荷Qaxと、第2の出力電極層124yから出力された電荷Qayとは、加算回路94で加算されてQaとなる。
以上のようにして、力検出装置1にA軸に沿って外力が加えられると、第1のセンサー12から電荷Qaが出力される。
第2のセンサー13は、C軸に沿って加えられた(受けた)外力(せん断力)に応じて電荷Qcを出力する機能を有する。第2のセンサー13は、C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し、C軸の正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。
第4の圧電体層133は、第3の圧電体層131と同様に、Yカット結晶板で構成されており、第3の圧電体層131をB軸回りに180°回転させた状態で配置されている。
第3の出力電極層134xおよび第4の出力電極層134yを構成する材料としては、特に限定されず、前述した第1の出力電極層124xおよび第2の出力電極層124yで述べた材料を用いることができる。また、第3の出力電極層134xおよび第4の出力電極層134yは、第1の出力電極層124xおよび第2の出力電極層124yで述べた材料を用いることにより、前述した効果と同様の効果が得られる。
このような構成の第2のセンサー13がC軸に沿って加えられた外力に応じて電荷Qcを出力することについて、以下に、図8を参照しつつ説明する。
この単位構造は、Si原子とO原子とを結ぶ3つの対角線のうちの1つの対角線が第3の圧電体層131の厚さ方向とほほ垂直となるような状態となっている。
第3の圧電体層131の表面に対し、C軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、単位構造が、図8(b)に示すように、C軸の負方向に傾斜する(歪む)ように変形する。このため、第3の出力電極層134x側で第3の圧電体層131の厚さ方向とほぼ垂直な方向(面方向)に並ぶO原子とSi原子とのうちのO原子が、図8(a)より第3の出力電極層134xから離れた状態となるとともに、グランド電極層153側で第3の圧電体層131の面方向に並ぶO原子とSi原子とのうちのSi原子が、図8(a)よりグランド電極層153から離れた状態となる。その結果、第3の圧電体層131のグランド電極層153側表面近傍には負電荷が偏り、第3の圧電体層131の第3の出力電極層134x側表面近傍には正電荷が偏った状態となる。したがって、第3の出力電極層134xからは、正の電荷Qcxが出力される。
したがって、第4の圧電体層133の表面に対し、C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133の第4の出力電極層134y側表面近傍には正電荷が偏り、第4の圧電体層133のグランド電極層154側表面近傍には負電荷が偏った状態となる。よって、第4の出力電極層134yからは、正の電荷Qcyが出力される。
そして、図5に示すように、第3の出力電極層134xから出力された電荷Qcxと、第4の出力電極層134yから出力された電荷Qcyとは、加算回路95で加算されてQcとなる。
以上のようにして、力検出装置1にC軸に沿って外力が加えられると、第2のセンサー13から電荷Qcが出力される。
第3のセンサー14は、B軸に沿って加えられた(受けた)外力(せん断力)に応じて電荷Qbを出力する機能を有する。第3のセンサー14は、B軸の正方向に沿って加えられた外力に応じて負電荷を出力し、B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。
第6の圧電体層143は、第5の圧電体層141と同様に、Yカット結晶板で構成されており、第5の圧電体層141をC軸回りに180°回転させた状態で配置されている。
第5の出力電極層144xおよび第6の出力電極層144yを構成する材料としては、特に限定されず、前述した第1の出力電極層124xおよび第2の出力電極層124yで述べた材料を用いることができる。また、第5の出力電極層144xおよび第6の出力電極層144yは、第1の出力電極層124xおよび第2の出力電極層124yで述べた材料を用いることにより、前述した効果と同様の効果が得られる。
このような構成の第3のセンサー14がB軸に沿って加えられた(受けた)外力(せん断力)に応じて電荷Qbを出力することについて、以下に説明する。
第5の圧電体層141の表面に対し、B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131と同様に、第5の圧電体層141の第5の出力電極層144x側表面近傍には正電荷が偏り、第5の圧電体層141のグランド電極層155側表面近傍には負電荷が偏った状態となる。したがって、第5の出力電極層144xからは、正の電荷Qbxが出力される。
また、第6の圧電体層143は、第5の圧電体層141と同様の結晶軸を有しており、第5の圧電体層141をC軸回りに180°回転させた状態で配置されている。すなわち、第6の圧電体層143では、C軸の正方向からみたとき、単位構造が第5の圧電体層141と上下反転した状態となっている。
そして、図5に示すように、第5の出力電極層144xから出力された電荷Qbxと、第6の出力電極層144yから出力された電荷Qbyとは、加算回路96で加算されてQbとなる。
以上のようにして、力検出装置1にB軸に沿って外力が加えられると、第3のセンサー14から電荷Qbが出力される。
また、各圧電体層121、123、131、133、141、143の平均厚さは特に限定されないが、50μm〜600μmであるのが好ましく、80μm〜300μmであるのがより好ましい。これにより、電荷出力素子10の小型化と高感度化の両立をより一層図ることができる。
また、電荷出力素子10は、積層体110を挟持するように設けられた第1のカバー基材161および第2のカバー基材162を有している。
第2のカバー基材162、積層体110、および第1のカバー基材161は、この順にA軸方向負側から積層されている。
第1のカバー基材161および第2のカバー基材162の構成材料は、特に限定されないが、本実施形態では、第1のカバー基材161および第2のカバー基材162は、Yカット結晶板で構成されている。第1のカバー基材161および第2のカバー基材162では、y軸方向とA軸方向とが一致しており、z軸方向とB軸方向とが一致しており、x軸方向とC軸方向とが一致している。
なお、前記「実用上一致」とは、第1の圧電体層121のB軸方向の熱膨張係数と、第1のカバー基材161のB軸方向の熱膨張係数との差が、0%以上1%以下であることを言う。
各グランド電極層151〜156は、グランド(基準電位点)に接地された内部電極である。
グランド電極層151〜156を構成する材料は、特に限定されないが、例えば、ニッケル、金、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。中でも特に、各グランド電極層151〜156は、Niを含む材料で構成されていることが好ましい。これにより、各グランド電極層151〜156の熱膨張係数と、それに隣接する各圧電体層121、123、131、133、141、143の熱膨張力係数との差を、比較的小さくすることができる。そのため、電荷出力素子10が熱変形する場合、各グランド電極層151〜156および各圧電体層121、123、131、133、141、14が熱変形したとしても、これら(各グランド電極層および各圧電体層)の膨張率または収縮率の差を小さくすることができる。したがって、これら(各グランド電極層および各圧電体層)の膨張率または収縮率の差に起因して、各圧電体層に圧縮応力や引張応力が発生することを特に効果的に防止または抑制することができる。その結果、より高精度な電荷出力素子10を得ることができる。
各接着層101〜104を構成する材料としては、特に限定されず、例えば、シリコーン系、エポキシ系、アクリル系、シアノアクリレート系、ポリウレタン系等の接着剤等を好適に用いることができる。
図4示すように、電荷出力素子10は、積層体110に電気的に接続された側面電極171、172、173、174を有している。
また、前述した構成の積層体110は、図4に示すように、4つの側面110a〜110dを備えている。これらの側面のうち、2つの側面110a、110cは、C軸(第1および第2の圧電体層121、123の結晶軸y)を法線とする側面であり、2つの側面110b、110dは、B軸(第1および第2の圧電体層121、123の結晶軸z)を法線とする側面である。
また、各側面電極171〜174は、積層体110の厚さ方向に沿って長尺状(側面視で帯状)をなしており、パッケージ60の基部61に設けられた端子63a〜63dに電気的に接続されている。かかる構成とすることにより、各側面電極171〜174を容易に形成することができるとともに、各接続電極181〜184との導通も取り易い。なお、このような側面電極171〜714は、例えば、スパッタ法、メッキ法等により形成することができる。
また、各側面電極171〜174と、前述した各グランド電極層151〜156と、各出力電極層124x、124y、134x、134y、144x、144yとは、全て、同一の材料で構成されていることが好ましい。特に、これらは、Niを含む材料で構成されていることがより好ましい。これにより、第1の出力電極層124xおよび第2の出力電極層124yが、前記不要な信号(誤差成分)を出力することを、より一層的確に防止することができる。
また、第2の側面110bおよび/または第4の側面110dには、各側面電極171〜174に加えて、電気的な接続を目的としないダミー側面電極を1つ以上設けるようにしてもよい。これにより、電荷出力素子10の機械的強度の増大を図ることができる。
図4に示すように、電荷出力素子10は、各側面電極171〜174に電気的に接続された各接続電極181〜184を有している。
第1の側面電極171には第1の接続電極181が電気的に接続されている。また、第1の接続電極181は、端子63aと電気的に接続されている。これにより、端子63aと第1の出力電極層124xおよび第2の出力電極層124yとが電気的に接続されている。
また、第3の側面電極173には第3の接続電極183が電気的に接続されている。また、第3の接続電極183は、端子63cと電気的に接続されている。これにより、端子63cと第5の出力電極層144xおよび第6の出力電極層144yとが電気的に接続されている。
また、各接続電極181〜184は、例えば、Agペースト、Cuペースト、Auペースト等で形成することができるが、特に、Agペーストを用いるのが好ましい。Agペーストは、入手が容易であり、取扱性にも優れる。
かかる構成により、第1のセンサー12は、各接続電極181〜184の熱変形の影響を受けにくくなっている。すなわち、第1のセンサー12と各接続電極181〜184とが200μm以上離間するこことにより、各接続電極181〜184の熱変形に起因して第1のセンサー12がC軸方向に熱変形することが防止または抑制されている。
また、全ての接続電極181〜184が、グランド電極層152と200μm以上離間している。これにより、C軸方における不要な圧縮応力または収縮応力がXカット板に付与されるのをより確実に防止または抑制することができる。
したがって、第3のセンサー14、第2のセンサー13、および第1のセンサー12の順にA軸方向に沿って積層することにより、第1のセンサー12が、不要な信号が検出されてしまうことをさらに防止または低減することができるとともに、積層体110の小型化を図ることができる。
図11は、本発明に係る力検出装置(センサー素子)の第2実施形態を示す平面図、図12は、図11中のA−A線での断面図、図13は、図11に示す力検出装置を概略的に示す回路図である。
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12および図13に示す第2実施形態の力検出装置1は、外力(モーメントを含む)を検出する機能、すなわち、6軸力(A、B、C軸方向の並進力成分(せん断力)およびA、B、C軸周りの回転力成分(モーメント))を検出する機能を有する。
なお、センサーデバイス6の数は、前記4つに限定されるものではなく、例えば、2つ、3つ、または5つ以上でもよい。但し、センサーデバイス6の数は、複数であることが好ましく、3つ以上であることがより好ましい。なお、力検出装置1は、少なくとも3つのセンサーデバイス6を有していれば、6軸力を検出可能である。センサーデバイス6が3つの場合、センサーデバイス6の数が少ないので、力検出装置1を軽量化することができる。また、センサーデバイス6が図示のように4つの場合、後述する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、演算部402を簡略化することができる。
図13に示すように、各電荷出力素子10には、それぞれ、変換出力回路90a、90b、90cが接続されている。各変換出力回路90a、90b、90cは、前述した第1実施形態の変換出力回路90a、90b、90cと同様であるので、その説明は省略する。
外力検出回路40は、各変換出力回路90aから出力される電圧Va1、Va2、Va3、Va4と、各変換出力回路90bから出力される電圧Vb1、Vb2、Vb3、Vb4と、各変換出力回路90cから出力される電圧Vc1、Vc2、Vc3、Vc4とに基づき、加えられた外力を検出する機能を有する。外力検出回路40は、変換出力回路90a、90b、90cに接続されたADコンバーター401と、ADコンバーター401に接続された演算部402とを有する。
演算部402は、デジタル変換された電圧Va1、Vc1、Vb1、Va2、Vc2、Vb2、Va3、Vc3、Vb3、Va4、Vc4、Vb4に基づき、A軸方向の並進力成分Fa、C軸方向の並進力成分Fc、B軸方向の並進力成分Fb、A軸周りの回転力成分Ma、C軸周りの回転力成分Mc、B軸周りの回転力成分Mb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。
Fc=Vc1+Vc2+Vc3+Vc4
Fb=Vb1+Vb2+Vb3+Vb4
Mb=k×(Va4−Va2)
Mc=j×(Va3−Va1)
Ma=k×(Vb2−Vb4)+j×(Vc1−Vc3)
ここで、j、kは定数である。
なお、演算部402は、例えば、各変換出力回路90a、90b、90c間の感度の差をなくす補正等を行うようになっていてもよい。
また、図11および図12に示すように、第1の基部2と、第2の基部3とは、4つの与圧ボルト71により、固定されている。なお、与圧ボルト71の数は、4つに限定されず、例えば、2つ、3つ、または、5つ以上であってもよい。
この力検出装置1によれば、前述した第1実施形態と同様の効果が得られる。
次に、図14に基づき、本発明のロボットの実施形態である単腕ロボットを説明する。以下、本実施形態について、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14は、本発明の力検出装置(センサー素子)を用いた単腕ロボットの1例を示す図である。図14の単腕ロボット500は、基台510と、アーム520と、アーム520の先端側に設けられたエンドエフェクター530と、アーム520とエンドエフェクター530との間に設けられた力検出装置1とを有する。なお、力検出装置1としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
アーム520は、第1のアーム要素521、第2のアーム要素522、第3のアーム要素523、第4のアーム要素524および第5のアーム要素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520は、制御部の制御によって、各アーム要素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。
なお、エンドエフェクター530は、ここでは、ハンドであるが、本発明では、これに限定されるものではない。エンドエフェクターの他の例としては、例えば、部品検査用器具、部品搬送用器具、部品加工用器具、部品組立用器具、測定器等が挙げられる。これは、他の実施形態におけるエンドエフェクターについても同様である。
なお、図示の構成では、アーム520は、合計5本のアーム要素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520が、1本のアーム要素に構成されている場合、2〜4本のアーム要素によって構成されている場合、6本以上のアーム要素によって構成されている場合も本発明の範囲内である。
次に、図15に基づき、本発明のロボットの実施形態である複腕ロボットを説明する。以下、本実施形態について、前述した第1および第2実施形態、および、単腕ロボットの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15は、本発明の力検出装置(センサー素子)を用いた複腕ロボットの1例を示す図である。図15の複腕ロボット600は、基台610と、第1のアーム620と、第2のアーム630と、第1のアーム620の先端側に設けられた第1のエンドエフェクター640aと、第2のアーム630の先端側に設けられた第2のエンドエフェクター640bと、第1のアーム620と第1のエンドエフェクター640a間および第2のアーム630と第2のエンドエフェクター640bとの間に設けられた力検出装置1を有する。なお、力検出装置1としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
第1のアーム620は、第1のアーム要素621および第2のアーム要素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630は、第1のアーム要素631および第2のアーム要素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620および第2のアーム630は、制御部の制御によって、各アーム要素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。
なお、図示の構成では、アームは合計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本以上のアームを有している場合も、本発明の範囲内である。
次に、図16、図17に基づき、本発明の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、本実施形態について、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16は、本発明の力検出装置(センサー素子)を用いた電子部品検査装置および部品搬送装置の1例を示す図である。図17は、本発明の力検出装置(センサー素子)を用いた電子部品搬送装置の1例を示す図である。
次に、図18に基づき、本発明の部品加工装置の実施形態を説明する。以下、本実施形態について、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18は、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。図18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に接続された力検出装置1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。なお、力検出装置1としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
次に、図19に基づき、移動体の実施形態を説明する。以下、本実施形態について、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19は、本発明に係る力検出装置を用いた移動体の1例を示す図である。図20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。
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。
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。
また、本発明では、与圧ボルトに替えて、例えば、素子に与圧を加える機能を有してないものを用いてもよく、また、ボルト以外の固定方法を採用してもよい。
また、本発明のロボットは、アームを有していれば、アーム型ロボット(ロボットアーム)に限定されず、他の形式のロボット、例えば、スカラーロボット、脚式歩行(走行)ロボット等であってもよい。
また、本発明の力検出装置(センサー素子)は、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限らず、他の装置、例えば、他の搬送装置、他の検査装置、振動計、加速度計、重力計、動力計、地震計、傾斜計等の測定装置、入力装置等にも適用することができる。
Claims (12)
- Xカット水晶板で構成された第1の基板と、Yカット水晶板で構成された第2の基板と、Yカット水晶板で構成された第3の基板とを備え、前記第1の基板と前記第2の基板と前記第3の基板が積層方向に積層された積層体であって、前記積層方向において、前記第2基板のx軸と前記第3基板のx軸とが交差し、前記第2基板のz軸と前記第3基板のz軸とが交差し、前記積層方向に平行な側面を備える積層体と、
前記積層体の前記側面に設けられた側面電極と、
前記側面電極と外部電極との間に配置され、前記側面電極と前記外部電極とを電気的に接続する接続電極とを有し、
前記積層体には、前記第1の基板の少なくとも一方の面に設けられた内部電極が備えられており、
前記内部電極と前記接続電極との離間距離が200μm以上であることを特徴とするセンサー素子。 - 前記積層体は、前記第1の基板、前記第2の基板および前記第3の基板の順に積層されている請求項1に記載のセンサー素子。
- 前記第1の基板の結晶軸yの熱膨張係数と、前記第2の基板の結晶軸xの熱膨張係数とが、実用上一致している請求項1または2に記載のセンサー素子。
- 前記側面電極は、Niを含む材料で構成されている請求項1ないし3のいずれか1項に記載のセンサー素子。
- 前記内部電極は、Niを含む材料で構成されている請求項1ないし4のいずれか1項に記載のセンサー素子。
- 前記積層体は、前記第1の基板、前記第2の基板および前記第3の基板を、それぞれ複数有する請求項1ないし5のいずれか1項に記載のセンサー素子。
- Xカット水晶板で構成された第1の基板と、Yカット水晶板で構成された第2の基板と、Yカット水晶板で構成された第3の基板とを備え、前記第1の基板と前記第2の基板と前記第3の基板が積層方向に積層された積層体であって、前記積層方向からの平面視で、前記第2基板のx軸と前記第3基板のx軸とが交差し、前記第2基板のz軸と前記第3基板のz軸とが交差し、前記積層方向に平行な側面を備える積層体と、
前記積層体の前記側面に設けられた側面電極と、
前記側面電極と外部電極との間に配置され、前記側面電極と前記外部電極とを電気的に接続する接続電極とを有し、
前記積層体には、前記第1の基板の少なくとも一方の面に設けられた内部電極が備えられており、
前記内部電極と前記接続電極との離間距離が200μm以上であるセンサー素子と、
前記センサー素子から出力された電荷に基づいて、前記外力を検出する外力検出回路とを備えていることを特徴とする力検出装置。 - 前記センサー素子は、4つ以上設けられている請求項7に記載の力検出装置。
- 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との間に設けられ、前記エンドエフェクタに加えられる外力を検出する請求項7または8に記載の前記力検出装置とを備えていることを特徴とするロボット。 - 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請求項7または8に記載の前記力検出装置とを備えていることを特徴とする電子部品搬送装置。 - 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請求項7または8に記載の前記力検出装置とを備えていることを特徴とする電子部品検査装置。 - 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請求項7または8に記載の前記力検出装置とを備えていることを特徴とする部品加工装置。
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