JP2015090296A5 - - Google Patents

Description

（適用例３）
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ｆｘ_１−１、前記第２基板のｘ軸方向に加わる力をｆｘ_１−２ とし、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ｆｘ_２−１、前記第２基板のｘ軸方向に加わる力をｆｘ_２−２ 、としたとき、
前記Ａ軸方向の力Ｆ_Ａ、前記Ｂ軸方向の力Ｆ_Ｂおよび前記Ｃ軸方向の力Ｆ_Ｃ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。
Ｆ_Ａ＝ｆｘ_１−１・cosη・cosε−ｆｘ_１−２・sinη・cosε
−ｆｘ_２−１・cosη・cosε＋ｆｘ_２−２・sinη・cosε・・・（１）
Ｆ_Ｂ＝−ｆｘ_１−１・cosη・sinε＋ｆｘ_１−２・sinη・sinε
−ｆｘ_２−１・cosη・sinε＋ｆｘ_２−２・sinη・sinε・・・（２）
Ｆ_Ｃ＝−ｆｘ_１−１・sinη−ｆｘ_１−２・cosη−ｆｘ_２−１・sinη
−ｆｘ_２−２・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。

（適用例１４）
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ｆｘ_１−１、前記第２の出力をｆｘ_１−２、前記第３の出力をｆｘ_２−１、前記第４の出力をｆｘ_２−２ 、としたとき、
前記Ａ軸方向の力成分Ｆ_Ａ、前記Ｂ軸方向の力成分Ｆ_Ｂおよび前記Ｃ軸方向の力成分Ｆ_Ｃ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。
Ｆ_Ａ＝ｆｘ_１−１・cosη・cosε−ｆｘ_１−２・sinη・cosε
−ｆｘ_２−１・cosη・cosε＋ｆｘ_２−２・sinη・cosε・・・（１）
Ｆ_Ｂ＝−ｆｘ_１−１・cosη・sinε＋ｆｘ_１−２・sinη・sinε
−ｆｘ_２−１・cosη・sinε＋ｆｘ_２−２・sinη・sinε・・・（２）
Ｆ_Ｃ＝−ｆｘ_１−１・sinη−ｆｘ_１−２・cosη−ｆｘ_２−１・sinη
−ｆｘ_２−２・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。

（適用例１５）
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。

（適用例１６）
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、前記圧電素子の第１基板と第２基板との積層方向と、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。

（適用例１７）
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、前記圧電素子の第１基板と第２基板との積層方向と、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。

（適用例２０）
本発明に係わるロボットは、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重量の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６の圧電体層１４３も、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６の圧電体層１４３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中の下側を正方向とし、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中の右側を正方向とし、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。

各与圧ボルト７１と螺合する雌ネジ２４１は、第１基部２の壁部２４に設けられている。そして、第１基部２と第２基部３との間に各センサーデバイス６を挟持した状態で、与圧ボルト７１を第２基部３側から第１基部２の雌ネジ２４１に差し込むことができる。
これにより、各電荷出力素子１０は、当該電荷出力素子１０を収納するパッケージ６０ごと、第１基部２と直交する方向に所定の大きさの圧力、すなわち、与圧が加えられる。そして、電荷出力素子１０に剪断力が作用したとき、電荷出力素子１０を構成する層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。

また、このような構成の力検出装置１は、総重量が１ｋｇよりも軽いものとなる。これにより、力検出装置１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。さらに、この力検出装置１の重量は、ロボットアームが搬送できる最大重量の２０％よりも軽い。これにより、力検出装置１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。

Claims (20)

1. 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。
2. 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。
3. 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ｆｘ_１−１、前記第２基板のｘ軸方向に加わる力をｆｘ_１−２ とし、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ｆｘ_２−１、前記第２基板のｘ軸方向に加わる力をｆｘ_２−２ 、としたとき、
   前記Ａ軸方向の力Ｆ_Ａ、前記Ｂ軸方向の力Ｆ_Ｂおよび前記Ｃ軸方向の力Ｆ_Ｃ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。
   Ｆ_Ａ＝ｆｘ_１−１・cosη・cosε−ｆｘ_１−２・sinη・cosε
   −ｆｘ_２−１・cosη・cosε＋ｆｘ_２−２・sinη・cosε・・・（１）
   Ｆ_Ｂ＝−ｆｘ_１−１・cosη・sinε＋ｆｘ_１−２・sinη・sinε
   −ｆｘ_２−１・cosη・sinε＋ｆｘ_２−２・sinη・sinε・・・（２）
   Ｆ_Ｃ＝−ｆｘ_１−１・sinη−ｆｘ_１−２・cosη−ｆｘ_２−１・sinη
   −ｆｘ_２−２・cosη・・・（３）
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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に記載の力検出装置。
13. 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。
14. 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ｆｘ_１−１、前記第２の出力をｆｘ_１−２、前記第３の出力をｆｘ_２−１、前記第４の出力をｆｘ_２−２ 、としたとき、
    前記Ａ軸方向の力成分Ｆ_Ａ、前記Ｂ軸方向の力成分Ｆ_Ｂおよび前記Ｃ軸方向の力成分Ｆ_Ｃ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。
    Ｆ_Ａ＝ｆｘ_１−１・cosη・cosε−ｆｘ_１−２・sinη・cosε
    −ｆｘ_２−１・cosη・cosε＋ｆｘ_２−２・sinη・cosε・・・（１）
    Ｆ_Ｂ＝−ｆｘ_１−１・cosη・sinε＋ｆｘ_１−２・sinη・sinε
    −ｆｘ_２−１・cosη・sinε＋ｆｘ_２−２・sinη・sinε・・・（２）
    Ｆ_Ｃ＝−ｆｘ_１−１・sinη−ｆｘ_１−２・cosη−ｆｘ_２−１・sinη
    −ｆｘ_２−２・cosη・・・（３）
15. 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１２ないし１４のいずれか１項に記載の力検出装置。
16. 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、前記圧電素子の第１基板と第２基板との積層方向と、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。
17. 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、前記圧電素子の第１基板と第２基板との積層方向と、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。
18. 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。
19. 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。
20. 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重量の２０％よりも軽いことを特徴とするロボット。