JP2015090296A - 力検出装置、ロボットおよび電子部品搬送装置 - Google Patents
力検出装置、ロボットおよび電子部品搬送装置 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】
力検出装置1は、第1基部2と、第2基部3と、これらの間に配置された電荷出力素子10とを備える。電荷出力素子10は、Yカット水晶板で構成された第1検出板と、Yカット水晶板で構成された第2検出板とを有し、これらの検出板が第2基部3の取付面321の法線NL2と直交する方向に積層されている。そして、力検出装置1は、前記第1検出板の積層方向LDと直交する第1検出方向のせん断力に応じた第1の出力と、前記第2検出板の積層方向Ldと直交し、第1検出方向と交差する第2検出方向のせん断力に応じた第2の出力とに基づき外力を検出する。
【選択図】図1
Description
特許文献1に記載の力測定装置は、圧電素子としての水晶を用いて、せん断、引張力、圧縮力等を検出することができる。
そこで、本発明の目的は、温度の変動による影響を受けにくい力検出装置、ロボットおよび電子部品搬送装置を提供することにある。
(適用例1)
本発明に係わる力検出装置は、第1基部と、
第2基部と、
前記第1基部と前記第2基部とによって挟持され、前記第1基部と前記第2基部とに加わる外力を検出する複数の圧電素子と、を備える力検出装置であって、
前記第1基部は測定対象に固定される第1取付面を含み、前記第2基部は測定対象に固定される第2取付面を含み、
前記各圧電素子は、Yカット水晶板で構成された第1基板と、Yカット水晶板で構成された第2基板とを有し、前記第1基板と前記第2基板とが平行に積層され、前記第1基板と前記第2基板との積層方向において、前記第1基板のx軸と前記第2基板のx軸とが交差し、前記第1基板のz軸と前記第2基板のz軸とが交差しており、
前記圧電素子は、前記第1取付面または前記第2取付面の法線と前記積層方向とが直交となるように設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、温度の変動による影響を受けにくい装置となり、よって、外力を正確に検出することができる。
(適用例2)
本発明に係わる力検出装置では、前記第1基板および前記第2基板の面内の直交する2方向と、前記2方向と直交する1方向の計3方向の外力を検出するのが好ましい。
これにより、3次元での外力を確実に検出することができる。
本発明に係わる力検出装置では、前記第1基部および前記第2基部のうちの少なくとも一方の基部は、板状をなす部材で構成され、前記部材の面内の直交する2方向をA軸、B軸とし、前記A軸および前記B軸と直交する方向をC軸とし、
前記各圧電素子の前記A軸に対する傾斜角度をεとし、
前記各圧電素子の前記第1基板のx軸と前記部材とのなす角度をηとし、
前記2つの圧電素子のうちの一方の圧電素子の前記第1基板のx軸方向に加わる力をfx1−1、前記第2基板のx軸方向に加わる力をfx1−2し、他方の圧電素子の前記第1基板のx軸方向に加わる力をfx2−1、前記第2基板のx軸方向に加わる力をfx2−2したとき、
前記A軸方向の力FA、前記B軸方向の力FBおよび前記C軸方向の力FCは、それぞれ、下記式(1)、(2)および(3)で表されるのが好ましい。
FA=fx1−1・cosη・cosε−fx1−2・sinη・cosε
−fx2−1・cosη・cosε+fx2−2・sinη・cosε・・・(1)
FB=−fx1−1・cosη・sinε+fx1−2・sinη・sinε
−fx2−1・cosη・sinε+fx2−2・sinη・sinε・・・(2)
FC=−fx1−1・sinη−fx1−2・cosη−fx2−1・sinη
−fx2−2・cosη・・・(3)
これにより、温度の変動による影響を受けにくい状態で、3次元での外力を確実に検出することができる。
本発明に係わる力検出装置では、前記圧電素子の周りに設けられて前記圧電素子に与圧を加える与圧ネジを複数備え、
前記与圧ネジの与圧方向が、前記第1基板および前記第2基板の積層方向に平行な方向であるのが好ましい。
これにより、圧電素子に剪断力が作用したとき、圧電素子を構成する基板同士の間での摩擦力が確実に生じ、よって、電荷を確実に検出することができる。
本発明に係わる力検出装置では、前記複数の圧電素子には、互いに同一平面上に配置されておらず、互いに平行に配置されていない前記圧電素子が含まれるのが好ましい。
これにより、外力が付与された際に前記各圧電素子が電荷を発生し易くなる。
(適用例6)
本発明に係わる力検出装置では、前記第1基部および前記第2基部のうちの少なくとも一方の基部は、板状をなし、
前記各圧電素子は、前記第1基板と前記第2基板とが前記一方の基部に対して垂直に配置されているのが好ましい。
これにより、外力が付与された際に前記各圧電素子が電荷を発生し易くなる。
本発明に係わる力検出装置では、前記第1基部および前記第2基部のうちの少なくとも一方の基部は、板状をなし、
4つ以上の前記圧電素子が、前記取付面からみて前記一方の基部の中心部から離間した位置にそれぞれ配置されているのが好ましい。
これにより、外力を偏りなく検出することができる。
本発明に係わる力検出装置では、前記圧電素子は、Xカット水晶板で構成された第3基板を有するのが好ましい。
これにより、水晶板を用いるという簡単な構成で、3次元での外力を確実に検出することができる。
本発明に係わるロボットは、アームと、
前記アームに設けられたエンドエフェクタと、
前記アーム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、測定対象に固定される第1取付面を含む第1基部と、測定対象に固定される第2取付面を含む第2基部と、前記第1基部と前記第2基部とによって挟持されて前記第1基部と前記第2基部とに加わる外力を検出する圧電素子と、を備え、
前記圧電素子は、Yカット水晶板で構成された第1基板と、Yカット水晶板で構成された第2基板とを有し、前記第1基板と前記第2基板とが平行に積層され、前記第1基板と前記第2基板との積層方向において、前記第1基板のx軸と前記第2基板のx軸とが交差し、前記第1基板のz軸と前記第2基板のz軸とが交差しており、
前記圧電素子は、前記第1取付面または前記第2取付面の法線方向と前記積層方向とが直交となるように設置されていることを特徴とする。
これにより、ロボットは、温度の変動による影響を受けにくいロボットとなり、よって、外力が正確に検出され、エンドエフェクターによる作業を適正に行なうことができる。
本発明に係わる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、測定対象に固定できる第1取付面を有する第1基部と、測定対象に固定できる第2取付面を有する第2基部と、前記第1基部と前記第2基部とによって挟持方向に挟持され、前記第1基部と前記第2基部とに加わる外力を検出する圧電素子と、を備え、
前記圧電素子は、Yカット水晶板で構成された第1基板と、Yカット水晶板で構成された第2基板とを有し、前記第1基板と前記第2基板とが平行に積層され、前記第1基板と前記第2基板との積層方向において、前記第1基板のx軸と前記第2基板のx軸とが交差し、前記第1基板のz軸と前記第2基板のz軸とが交差しており、
前記圧電素子は、前記第1取付面または前記第2取付面の法線方向と前記積層方向とが直交となるように設置されていることを特徴とする。
これにより、電子部品搬送装置は、温度の変動による影響を受けにくい装置となり、よって、外力が正確に検出され、電子部品の搬送を適正に行なうことができる。
本発明に係わる力検出装置は、第1基部と、
第2基部と、
前記第1基部と前記第2基部とによって挟持され、前記第1基部と前記第2基部とに加わる外力の成分を検出する圧電素子と、
を備える力検出装置であって、
前記第1基部は測定対象に固定される第1取付面を含み、前記第2基部は測定対象に固定される第2取付面を含み、
前記圧電素子は、前記第1取付面または前記第2取付面の法線方向と直交する積層方向を有する第1基板と、第2基板とを有し、
前記第1基板による、前記法線方向と同じ第1検出方向のせん断力の検出と、
前記第2基板による、前記第1検出方向と交差する第2検出方向のせん断力の検出と、から前記第1基部と前記第2基部に加わる外力を検出することを特徴とする。
これにより、力検出装置は、温度の変動による影響を受けにくい装置となり、よって、外力を正確に検出することができる。
本発明に係わる力検出装置では、前記第1基板、前記第2基板は、Yカット水晶板であり、
前記第1基板の水晶結晶のx軸と前記第2基板の水晶結晶のx軸は、直交しているのが好ましい。
これにより、水晶板を用いるという簡単な構成で、外力を確実に検出することができる。
本発明に係わる力検出装置では、前記第1の挟持方向に直交する第1平面と、
前記第2の挟持方向に直交する第2平面との交線に平行な方向をC軸とした直交座標軸A軸、B軸、C軸を座標軸とし、
前記第1基部と前記第2基部とに加わる外力を、3軸方向の外力の成分として検出するのが好ましい。
これにより、3次元での外力を確実に検出することができる。
本発明に係わる力検出装置では、前記A軸と前記第1平面とのなす角度を+εとし、
前記A軸と前記第2平面とのなす角度を−εとし、
前記第1圧電素子の第1検出方向と、前記A軸と前記B軸を含む平面とのなす角度をηとし、
前記第2圧電素子の第3検出方向と、前記A軸と前記B軸を含む平面とのなす角度を−ηとし、
前記第1の出力をfx1−1、前記第2の出力をfx1−2、前記第3の出力をfx2−1、前記第4の出力をfx2−2したとき、
前記A軸方向の力成分FA、前記B軸方向の力成分FBおよび前記C軸方向の力成分FCは、それぞれ、下記式(1)、(2)および(3)で表されるのが好ましい。
FA=fx1−1・cosη・cosε−fx1−2・sinη・cosε
−fx2−1・cosη・cosε+fx2−2・sinη・cosε・・・(1)
FB=−fx1−1・cosη・sinε+fx1−2・sinη・sinε
−fx2−1・cosη・sinε+fx2−2・sinη・sinε・・・(2)
FC=−fx1−1・sinη−fx1−2・cosη−fx2−1・sinη
−fx2−2・cosη・・・(3)
これにより、温度の変動による影響を受けにくい状態で、3次元での外力を確実に検出することができる。
本発明に係わる力検出装置では、前記圧電素子の周りに設けられて前記圧電素子に与圧を加える与圧ネジを複数備え、
前記第1の与圧ネジの与圧方向が、前記第1基板および前記第2基板の積層方向に平行な方向であるのが好ましい。
これにより、圧電素子に剪断力が作用したとき、圧電素子を構成する基板同士の間での摩擦力が確実に生じ、よって、電荷を確実に検出することができる。
本発明に係わる力検出装置は、第1基部と、
第2基部と、
前記第1基部と前記第2基部とによって挟持され、前記第1基部と前記第2基部とに加わる外力を検出する複数の圧電素子と、を備える力検出装置であって、
前記第1基部は測定対象に固定される第1取付面を含み、前記第2基部は測定対象に固定される第2取付面を含み、
前記圧電素子は、前記第1取付面または前記第2取付面の法線と前記積層方向とが直交となるように設置され、
総重量が1kgよりも軽いことを特徴とする。
これにより、力検出装置の重量を、1kgよりも軽くすることにより、力検出装置の重量を取り付けた手首にかかる負荷を低減させることができ、手首を駆動するアクチュエータの容量を小さくできる為、手首を小型に設計することができる。
本発明に係わる力検出装置は、第1基部と、
第2基部と、
前記第1基部と前記第2基部とによって挟持され、前記第1基部と前記第2基部とに加わる外力を検出する複数の圧電素子と、を備える力検出装置であって、
前記第1基部は測定対象に固定される第1取付面を含み、前記第2基部は測定対象に固定される第2取付面を含み、
前記圧電素子は、前記第1取付面または前記第2取付面の法線と前記積層方向とが直交となるように設置され、
前記各圧電素子が出力する電荷を電圧に変換する変換回路と、前記電圧から外力を演算する演算回路を前記第1基部と前記第2基部との間の空間に収納していることを特徴とする。
これにより、演算回路を別置きではなく、内蔵化することによって、配線ケーブル等の引き回しが不要となる。
本発明に係わる力検出装置では、前記変換回路または前記演算回路には、半導体スイッチまたはMEMSスイッチの少なくともいずれかが含まれるのが好ましい。
これにより、スイッチ素子を従来のメカスイッチから半導体スイッチ、MEMSスイッチにすると軽量化できる。
本発明に係わる力検出装置では、前記第1基部と前記第2基部とが円形または角丸正方形の断面形状を有する収納空間を形成し、前記圧電素子のそれぞれと前記取付面の中心との距離が等しいのが好ましい。
これにより、基部の断面形状を円形、または角丸正方形にして、圧電素子を円周状に配置すると、応力が均一に分散できるので、基部の厚みを薄くすることができる。
本発明に係わる力検出装置は、外力を検出する複数の圧電素子を有する力検出装置とロボットアームを備えたロボットであって、前記力検出装置の重量は、前記ロボットアームが搬送できる最大能力の20%よりも軽いことを特徴とする。
これにより、力検出装置の重量は、前記ロボットアームが搬送できる最大能力の20%よりも軽くすることにより、力検出装置の重量を取り付けたロボットアームの制御を容易にすることができる。
<第1実施形態>
図1は、本発明に係る力検出装置の第1実施形態を示す断面図である。図2は、図1に示す力検出装置の平面図である。図3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4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。図5は、図1に示す力検出装置の電荷出力素子で検出される力の作用状態を示す概略図である。図6は、図5中の矢印A方向から見た図である。
図1、図2に示す力検出装置1は、外力(モーメントを含む)を検出する機能、すなわち、互いに直交する3軸(α(A)軸、β(B)軸、γ(C)軸)に沿って加えられた外力を検出する機能を有する。この直交座標軸であるα軸、β軸、γ軸は、後述する積層方向LDと平行な平面内にα軸とβ軸が含まれる直交座標軸である。
第1基部2は、外形が板状をなし、その平面形状は、角部が丸みを帯びた四角形をなす。この第1基部2は、底板23と、底板23から上方に向かって立設した壁部24とを有している。壁部24は、「L」字状をなし、外方に臨む2つの面にそれぞれ凸部26が突出形成されている。各凸部26の頂面261は、底板23に対して垂直な平面ある。
第2基部3も、外形が板状をなし、その平面形状は、第1基部2の平面形状が好ましい。この第2基部3は、天板32と、天板32の縁部に形成され、当該縁部から下方に向かって突出した4枚の側壁33とを有している。
そして、第1基部2の2つの凸部26のうちの一方の凸部26の頂面261と第2基部3の1枚の側壁33との間で、センサーデバイス6Aが挟持されている。すなわち、センサーデバイス6Aの電荷出力素子10は、パッケージ60を介して、第1基部2の一方の凸部26の頂面261と第2基部3の1枚の側壁33とで挟持され、与圧されている。以下、この挟持されている方向を「挟持方向SD」と言う。
センサーデバイス6を円周状に配置すると、応力が均一に分散できるので、第1基部2や第2基部3の厚みを薄くすることができる。
以上のように、本実施形態では、α軸は、センサーデバイス6Aの電荷出力素子10とセンサーデバイス6Bの電荷出力素子10とのなす角を二等分する二等分線となっている。従って、センサーデバイス6Aとセンサーデバイス6Bとは、互いに同一平面上に配置されておらず、互いに平行に配置されていない。
また、第1基部2と第2基部3とのいずれを力が加わる側の基板としてもよいが、本実施形態では、第2基部3を力が加わる側の基板として説明する。
また、デジタル回路基板5は、加えられた外力を検出する外力検出回路40を備えている。
各アナログ回路基板4およびデジタル回路基板5は、それぞれ、第1基部2の壁部24の異なる位置に支持されており、第1基部2と第2基部3との間で保護されている。
また、第1基部2、第2基部3は、それぞれ、外形が板状をなす部材で構成されているが、これに限定されず、例えば、一方の基部が板状をなす部材で構成され、他方の基部がブロック状をなす部材で構成されていてもよい。
前述したように、力検出装置1は、互いに直交するα軸、β軸、γ軸に沿って加えられた外力を検出する機能を有する。α軸とβ軸とは、第1基部2および第2基部3の平面内の直交する2方向に沿った軸であり、γ軸は、α軸とβ軸と直交する1方向に沿った軸、すなわち、第1基部2および第2基部3の厚さ方向に沿った軸である。そして、力検出装置1には、この外力を検出するものとして、電荷出力素子10を有するセンサーデバイス6A、6Bが内蔵されている。各電荷出力素子10は、同じ構成であるため、1つの電荷出力素子10について代表的説明する。
ここで、外力検出時に電荷Qzを用いない理由として、力検出装置1を、エンドエフェクターが装着されたアームを有する産業用ロボットに用いた場合を例に挙げて説明する。この場合、アームやエンドエフェクターに設けられたモーター等の発熱源からの熱伝達により、第1基部2または第2基部3が加熱されて熱膨張し、変形する。この変形により、電荷出力素子10に対する与圧が所定の値から変化してしまう。この電荷出力素子10に対する与圧変化が、力検出装置1の温度変化に起因するノイズ成分として、電荷Qzに著しい影響を及ぼす程度に含まれてしまうからである。
電荷出力素子10の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、積層方向LDから見て、四角形をなしている。なお、電荷出力素子10の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。
グランド電極層11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11を構成する材料は、特に限定されないが、例えば、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。これらの中でも特に、鉄合金であるステンレスを用いるのが好ましい。ステンレスにより構成されたグランド電極層11は、優れた耐久性および耐食性を有する。
第1のセンサー12は、第1の圧電体層(第1検出板(第1基板))121と、第1の圧電体層121と対向して設けられた第2の圧電体層(第1検出板(第1基板))123と、第1の圧電体層121と第2の圧電体層123との間に設けられた出力電極層122を有する。
そして、第1の圧電体層121の表面に対し、x軸の正方向に沿った外(せん断力)力が加えられた場合、圧電効果により、第1の圧電体層121内に電荷が誘起される。その結果、第1の圧電体層121の出力電極層122側表面近傍には正電荷が集まり、第1の圧電体層121のグランド電極層11側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第1の圧電体層121の表面に対し、x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121の出力電極層122側表面近傍には負電荷が集まり、第1の圧電体層121のグランド電極層11側表面近傍には正電荷が集まる。
そして、第2の圧電体層123の表面に対し、x軸の正方向に沿った外(せん断力)力が加えられた場合、圧電効果により、第2の圧電体層123内に電荷が誘起される。その結果、第2の圧電体層123の出力電極層122側表面近傍には正電荷が集まり、第2の圧電体層123のグランド電極層11側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第2の圧電体層123の表面に対し、x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123の出力電極層122側表面近傍には負電荷が集まり、第2の圧電体層123のグランド電極層11側表面近傍には正電荷が集まる。
第2のセンサー13は、第3の圧電体層(第3基板)131と、第3の圧電体層131と対向して設けられた第4の圧電体層(第3基板)133と、第3の圧電体層131と第4の圧電体層133との間に設けられた出力電極層132を有する。
そして、第3の圧電体層131の表面に対し、x軸に平行な圧縮力が加えられた場合、圧電効果により、第3の圧電体層131内に電荷が誘起される。その結果、第3の圧電体層131の出力電極層132側表面近傍には正電荷が集まり、第3の圧電体層131のグランド電極層11側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第3の圧電体層131の表面に対し、x軸に平行な引張力が加えられた場合、第3の圧電体層131の出力電極層132側表面近傍には負電荷が集まり、第3の圧電体層131のグランド電極層11側表面近傍には正電荷が集まる。
そして、第4の圧電体層133の表面に対し、x軸に平行な圧縮力が加えられた場合、圧電効果により、第4の圧電体層133内に電荷が誘起される。その結果、第4の圧電体層133の出力電極層132側表面近傍には正電荷が集まり、第4の圧電体層133のグランド電極層11側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第4の圧電体層133の表面に対し、x軸に平行な引張力が加えられた場合、第4の圧電体層133の出力電極層132側表面近傍には負電荷が集まり、第4の圧電体層133のグランド電極層11側表面近傍には正電荷が集まる。
なお、直交座標軸α軸、β軸、γ軸では、前記第1の挟持方向に直交する第1平面と、前記第2の挟持方向に直交する第2平面との交線に平行な方向をγ軸としている。
第5の圧電体層141は、Yカット水晶板で構成され、互いに直交する結晶軸であるx軸、y軸、z軸を有する。y軸は、第5の圧電体層141の厚さ方向に沿った軸であり、x軸は、図4中の上下方向に沿った軸であり、z軸は、図4中の紙面奥行き方向に沿った軸である。図4に示す構成では、x軸については、図4中の上側を正方向とし、その反対側を負方向として説明する。y軸については、図4中の左側を正方向とし、その反対側を負方向として説明する。z軸については、図4中の紙面手前側を正方向とし、その反対側を負方向として説明する。
そして、第5の圧電体層141の表面に対し、x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141内に電荷が誘起される。その結果、第5の圧電体層141の出力電極層142側表面近傍には正電荷が集まり、第5の圧電体層141のグランド電極層11側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第5の圧電体層141の表面に対し、x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141の出力電極層142側表面近傍には負電荷が集まり、第5の圧電体層141のグランド電極層11側表面近傍には正電荷が集まる。
そして、第6の圧電体層143の表面に対し、x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143内に電荷が誘起される。その結果、第6の圧電体層143の出力電極層142側表面近傍には正電荷が集まり、第6の圧電体層143のグランド電極層11側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第6の圧電体層143の表面に対し、x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143の出力電極層142側表面近傍には負電荷が集まり、第6の圧電体層143のグランド電極層11側表面近傍には正電荷が集まる。
なお、与圧ボルト71の構成材料としては、特に限定されず、例えば、各種の樹脂材料、各種の金属材料等を用いることができる。
センサーデバイス6は、前記電荷出力素子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。
図1に示すように、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の頂面は、蓋体62に接触している。また、パッケージ60の蓋体62は、第2基部3の側壁33側に配置され、基部61は、第1基部2の壁部24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、第1基部2の頂面261と第2基部3の側壁33とで挟持方向SDに挟持されて与圧され、さらに、その基部61と蓋体62とにより、電荷出力素子10も挟持方向SDに挟持されて与圧される。
また、パッケージ60の平面形状は、特に限定されないが、本実施形態では、四角形をなしている。なお、パッケージ60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。
なお、また、アナログ回路基板4の電荷出力素子10が配置されている部位には、凸部22が挿入される孔41が形成されている。この孔41は、アナログ回路基板4を貫通する貫通孔である。
図3に示すように、各電荷出力素子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Qyを電圧Vy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Qzを電圧Vz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Qxを電圧Vx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、各変換出力回路90aから出力される電圧Vy1、Vy2と、各変換出力回路90bから出力される電圧Vz1、Vz2と、各変換出力回路90cから出力される電圧Vx1、Vx2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(変換回路)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(演算回路)402とを有する。
演算部402は、デジタル変換された電圧Vx1、Vy1、Vz1、Vx2、Vy2、Vz2に対して、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の各処理を行う。そして、演算部402は、電荷出力素子10から出力される電荷Qx1、Qy1、Qz1、Qx2、Qy2、Qz2、の蓄積量に比例する3つの信号を出力する。
前述したように、各電荷出力素子10は、積層方向LDと挟持方向SDとが第1基部2に対して平行であり、かつ、取付面321の法線NL2と直交するように設置された状態となっている(図1参照)。
そして、本発明者らは、α軸方向の力FA、β軸方向の力FBおよびγ軸方向の力FCを、それぞれ、下記式(1)、(2)および(3)で表すことができることを見出した。式(1)〜(3)中の「fx1−1」は、センサーデバイス6Aの第1のセンサー12(第1検出板)のx軸方向に加わる力、すなわち、電荷Qx1(第1の出力)から求められた力であり、「fx1−2」は、第3のセンサー14(第2検出板)のx軸方向に加わる力、すなわち、電荷Qy1(第2の出力)から求められた力である。また、「fx2−1」は、センサーデバイス6Bの第1のセンサー12(第1検出板)のx軸方向に加わる力(第3の出力)、すなわち、電荷Qx2から求められた力であり、「fx2−2」は、第3のセンサー14(第2検出板)のx軸方向に加わる力、すなわち、電荷Qy2(第4の出力)から求められた力である。
−fx2−1・cosη・cosε+fx2−2・sinη・cosε・・・(1)
FB=−fx1−1・cosη・sinε+fx1−2・sinη・sinε
−fx2−1・cosη・sinε+fx2−2・sinη・sinε・・・(2)
FC=−fx1−1・sinη−fx1−2・cosη−fx2−1・sinη
−fx2−2・cosη・・・(3)
FA=fx1−1/√2−fx2−1/√2
FB=−fx1−1/√2−fx2−1/√2
FC=−fx1−2−fx2−2
となる。
図7は、本発明に係る力検出装置の第2実施形態を示す断面図である。図8は、図7に示す力検出装置の平面図である。図9は、図7に示す力検出装置を概略的に示す回路図である。
以下、これらの図を参照して本発明の力検出装置、ロボットおよび電子部品搬送装置の第2実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。
図7、図8に示すように、本実施形態では、センサーデバイス6(電荷出力素子10)は、4つ設置されている。以下、各センサーデバイス6を図8中の反時計回りに順に「センサーデバイス(第1のセンサ素子)6A」、「センサーデバイス(第2のセンサ素子)6B」、「センサーデバイス(第3のセンサ素子)6C」、「センサーデバイス(第4のセンサ素子)6D」と言う。
センサーデバイス6A〜6Dは、取付面321からみて、第1基部2の中心部(中心272)からできる限り離間した位置に配置されているのが好ましい。これにより、外力を安定して検出することができる。
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Vy1、Vy2、Vy3、Vy4と、各変換出力回路90bから出力される電圧Vz1、Vz2、Vz3、Vz4と、各変換出力回路90cから出力される電圧Vx1、Vx2、Vx3、Vx4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。
そして、本実施形態での力検出装置1全体としての力FA〜FCは、それぞれ、センサーデバイス6A〜6Dの各電荷出力素子10で出力された電荷に基づいて検出された力FA〜FC合力(ΣFA、ΣFB、ΣFC)となる。
次に、図10に基づき、本発明に係る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10は、本発明に係る力検出装置を用いた単腕ロボットの1例を示す図である。図10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11に基づき、本発明に係る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、本発明に係る力検出装置を用いた複腕ロボットの1例を示す図である。図11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12、図13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12は、本発明に係る力検出装置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13は、本発明に係る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。
次に、図14に基づき、本発明に係る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14は、本発明に係る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14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15に基づき、本発明に係る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15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15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、本発明の力検出装置、ロボットおよび電子部品搬送装置は、前記各実施形態のうちの、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、力検出装置でのセンサーデバイスの設置数は、第1実施形態では2つ、第2実施形態では4つであったが、これに限定されず、例えば、3つまたは5つ以上であってもよい。
Claims (20)
- 第1基部と、
第2基部と、
前記第1基部と前記第2基部とによって挟持され、前記第1基部と前記第2基部とに加わる外力を検出する複数の圧電素子と、を備える力検出装置であって、
前記第1基部は測定対象に固定される第1取付面を含み、前記第2基部は測定対象に固定される第2取付面を含み、
前記各圧電素子は、Yカット水晶板で構成された第1基板と、Yカット水晶板で構成された第2基板とを有し、前記第1基板と前記第2基板とが平行に積層され、前記第1基板と前記第2基板との積層方向において、前記第1基板のx軸と前記第2基板のx軸とが交差し、前記第1基板のz軸と前記第2基板のz軸とが交差しており、
前記圧電素子は、前記第1取付面または前記第2取付面の法線と前記積層方向とが直交となるように設置されていることを特徴とする力検出装置。 - 前記圧電素子は、前記第1基板および前記第2基板の面内の直交する2方向と、前記2方向と直交する1方向の計3方向の外力を検出する請求項1に記載の力検出装置。
- 前記第1基部および前記第2基部のうちの少なくとも一方の基部は、板状をなす部材で構成され、前記部材の面内の直交する2方向をA軸、B軸とし、前記A軸および前記B軸と直交する方向をC軸とし、
前記各圧電素子の前記A軸に対する傾斜角度をεとし、
前記各圧電素子の前記第1基板のx軸と前記部材とのなす角度をηとし、
前記2つの圧電素子のうちの一方の圧電素子の前記第1基板のx軸方向に加わる力をfx1−1、前記第2基板のx軸方向に加わる力をfx1−2し、他方の圧電素子の前記第1基板のx軸方向に加わる力をfx2−1、前記第2基板のx軸方向に加わる力をfx2−2したとき、
前記A軸方向の力FA、前記B軸方向の力FBおよび前記C軸方向の力FCは、それぞれ、下記式(1)、(2)および(3)で表される請求項1または2に記載の力検出装置。
FA=fx1−1・cosη・cosε−fx1−2・sinη・cosε
−fx2−1・cosη・cosε+fx2−2・sinη・cosε・・・(1)
FB=−fx1−1・cosη・sinε+fx1−2・sinη・sinε
−fx2−1・cosη・sinε+fx2−2・sinη・sinε・・・(2)
FC=−fx1−1・sinη−fx1−2・cosη−fx2−1・sinη
−fx2−2・cosη・・・(3) - 前記圧電素子の周りに設けられて前記圧電素子に与圧を加える与圧ネジを複数備え、
前記与圧ネジの与圧方向が、前記第1基板および前記第2基板の積層方向に平行な方向である請求項1ないし3のいずれか1項に記載の力検出装置。 - 前記複数の圧電素子には、互いに同一平面上に配置されておらず、互いに平行に配置されていない前記圧電素子が含まれる請求項1ないし4のいずれか1項に記載の力検出装置。
- 前記第1基部および前記第2基部のうちの少なくとも一方の基部は、板状をなし、
前記各圧電素子は、前記第1基板と前記第2基板とが前記一方の基部に対して垂直に配置されている請求項1ないし5のいずれか1項に記載の力検出装置。 - 前記第1基部および前記第2基部のうちの少なくとも一方の基部は、板状をなし、
4つ以上の前記圧電素子が、前記取付面からみて前記一方の基部の中心部から離間した位置にそれぞれ配置されている請求項1ないし6のいずれか1項に記載の力検出装置。 - 前記圧電素子は、Xカット水晶板で構成された第3基板を有する請求項1ないし7のいずれか1項に記載の力検出装置。
- アームと、
前記アームに設けられたエンドエフェクタと、
前記アーム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、測定対象に固定される第1取付面を含む第1基部と、測定対象に固定される第2取付面を含む第2基部と、前記第1基部と前記第2基部とによって挟持されて前記第1基部と前記第2基部とに加わる外力を検出する圧電素子と、を備え、
前記圧電素子は、Yカット水晶板で構成された第1基板と、Yカット水晶板で構成された第2基板とを有し、前記第1基板と前記第2基板とが平行に積層され、前記第1基板と前記第2基板との積層方向において、前記第1基板のx軸と前記第2基板のx軸とが交差し、前記第1基板のz軸と前記第2基板のz軸とが交差しており、
前記圧電素子は、前記第1取付面または前記第2取付面の法線方向と前記積層方向とが直交となるように設置され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力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、測定対象に固定できる第1取付面を有する第1基部と、測定対象に固定できる第2取付面を有する第2基部と、前記第1基部と前記第2基部とによって挟持方向に挟持され、前記第1基部と前記第2基部とに加わる外力を検出する圧電素子と、を備え、
前記圧電素子は、Yカット水晶板で構成された第1基板と、Yカット水晶板で構成された第2基板とを有し、前記第1基板と前記第2基板とが平行に積層され、前記第1基板と前記第2基板との積層方向において、前記第1基板のx軸と前記第2基板のx軸とが交差し、前記第1基板のz軸と前記第2基板のz軸とが交差しており、
前記圧電素子は、前記第1取付面または前記第2取付面の法線方向と前記積層方向とが直交となるように設置されていることを特徴とする電子部品搬送装置。 - 第1基部と、
第2基部と、
前記第1基部と前記第2基部とによって挟持され、前記第1基部と前記第2基部とに加わる外力の成分を検出する圧電素子と、
を備える力検出装置であって、
前記第1基部は測定対象に固定される第1取付面を含み、前記第2基部は測定対象に固定される第2取付面を含み、
前記圧電素子は、前記第1取付面または前記第2取付面の法線方向と直交する積層方向を有する第1基板と、第2基板とを有し、
前記第1基板による、前記法線方向と同じ第1検出方向のせん断力の検出と、
前記第2基板による、前記第1検出方向と交差する第2検出方向のせん断力の検出と、から前記第1基部と前記第2基部に加わる外力を検出することを特徴とする力検出装置。 - 前記第1基板、前記第2基板は、Yカット水晶板であり、
前記第1基板の水晶結晶のx軸と前記第2基板の水晶結晶のx軸は、直交している請求項11の力検出装置。 - 前記第1の挟持方向に直交する第1平面と、
前記第2の挟持方向に直交する第2平面との交線に平行な方向をC軸とした直交座標軸A軸、B軸、C軸を座標軸とし、
前記第1基部と前記第2基部とに加わる外力を、3軸方向の外力の成分として検出する請求項11または12に記載の力検出装置。 - 前記A軸と前記第1平面とのなす角度を+εとし、
前記A軸と前記第2平面とのなす角度を−εとし、
前記第1圧電素子の第1検出方向と、前記A軸と前記B軸を含む平面とのなす角度をηとし、
前記第2圧電素子の第3検出方向と、前記A軸と前記B軸を含む平面とのなす角度を−ηとし、
前記第1の出力をfx1−1、前記第2の出力をfx1−2、前記第3の出力をfx2−1、前記第4の出力をfx2−2したとき、
前記A軸方向の力成分FA、前記B軸方向の力成分FBおよび前記C軸方向の力成分FCは、それぞれ、下記式(1)、(2)および(3)で表される請求項12または13に記載の力検出装置。
FA=fx1−1・cosη・cosε−fx1−2・sinη・cosε
−fx2−1・cosη・cosε+fx2−2・sinη・cosε・・・(1)
FB=−fx1−1・cosη・sinε+fx1−2・sinη・sinε
−fx2−1・cosη・sinε+fx2−2・sinη・sinε・・・(2)
FC=−fx1−1・sinη−fx1−2・cosη−fx2−1・sinη
−fx2−2・cosη・・・(3) - 前記圧電素子の周りに設けられて前記圧電素子に与圧を加える与圧ネジを複数備え、
前記第1の与圧ネジの与圧方向が、前記第1基板および前記第2基板の積層方向に平行な方向である請求項12ないし14のいずれか1項に記載の力検出装置。 - 第1基部と、
第2基部と、
前記第1基部と前記第2基部とによって挟持され、前記第1基部と前記第2基部とに加わる外力を検出する複数の圧電素子と、を備える力検出装置であって、
前記第1基部は測定対象に固定される第1取付面を含み、前記第2基部は測定対象に固定される第2取付面を含み、
前記圧電素子は、前記第1取付面または前記第2取付面の法線と前記積層方向とが直交となるように設置され、
総重量が1kgよりも軽いことを特徴とする力検出装置。 - 第1基部と、
第2基部と、
前記第1基部と前記第2基部とによって挟持され、前記第1基部と前記第2基部とに加わる外力を検出する複数の圧電素子と、を備える力検出装置であって、
前記第1基部は測定対象に固定される第1取付面を含み、前記第2基部は測定対象に固定される第2取付面を含み、
前記圧電素子は、前記第1取付面または前記第2取付面の法線と前記積層方向とが直交となるように設置され、
前記各圧電素子が出力する電荷を電圧に変換する変換回路と、前記電圧から外力を演算する演算回路を前記第1基部と前記第2基部との間の空間に収納していることを特徴とする力検出装置。 - 前記変換回路または前記演算回路には、半導体スイッチまたはMEMSスイッチの少なくともいずれかが含まれることを特徴とする請求項16または17に記載の力検出装置。
- 前記第1基部と前記第2基部とが円形または角丸正方形の断面形状を有する収納空間を形成し、前記圧電素子のそれぞれと前記取付面の中心との距離が等しいことを特徴とする請求項16ないし18のいずれかに記載の力検出装置。
- 外力を検出する複数の圧電素子を有する力検出装置とロボットアームを備えたロボットであって、前記力検出装置の重量は、前記ロボットアームが搬送できる最大能力の20%よりも軽いことを特徴とする力検出装置。
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