JP2015166706A - 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

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 Download PDF

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Abstract

【課題】第１の素子にバランス良く圧力を加えることができ、または、装置の小型化を図りつつ、熱膨張による測定誤差を抑制することができる力検出装置、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を提供すること。
【解決手段】本発明の力検出装置は、第１の基板と、第２の基板と、外力に応じて信号を出力する第１の素子と、前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられた前記第１の素子を挟持して、前記第１の素子に圧力を加える固定部材と、前記第１の基板と前記固定部材との間に設けられ、前記固定部材により前記第１の素子に加えられる圧力の方向と同じ方向の外力成分に応じて信号を出力する第２の素子と、を備え、前記第１の基板の厚み方向からの視認において前記第１の素子に対して少なくとも１対の前記固定部材が配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、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に関する。
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、アーム先端側に取り付けられる、ハンド、部品検査用器具または部品搬送用器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、部品加工作業等の部品製造作業、部品搬送作業および部品検査作業等を実行することができる。
このような産業用ロボットにおいては、例えば、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。産業用ロボットに用いられる力検出装置は、例えば、１対の基板と、その１対の基板の間に設けられた、力変換器とを備えている。また、力変換器には、与圧ボルトにより与圧が加えられている。前記基板に外力が加わると、１対の基板が相対的に変位し、力変換器により、１対の基板間に働く力が検出される。なお、力変換器に与圧が加えられていることにより、力検出装置に、１対の基板が互いに接近する方向の外力が加わった場合のみならず、１対の基板が互いに離間する方向の外力が加わった場合でも、その力を検出することができる。
しかしながら、従来の力検出装置では、例えば、外部のモーター等の発熱源からの熱により、１対の基板、与圧ボルト等が加熱され、熱膨張し、基板と与圧ボルトの熱膨張差等により、与圧ボルトにより加えられている与圧が変動し、力変換器の出力が変化してしまう。このため、外力を正確に測定することができない。
このような課題に対して、特許文献１に記載の力検出装置は、その図５、図７に示すように、プラットフォーム（取付け板）と、そのプラットフォームの両端に設けられた２つの力測定セルと、与圧を加える予荷重ねじとを有している。そして、２つの力測定セルの配置等の構成が、予荷重ねじ等の熱膨張等により生じる予圧変化による出力信号が相殺されるようになっている。
特開平１０−６８６６５号公報
しかしながら、特許文献１に記載の力検出装置では、力測定セルの受圧面に対して、その受圧面から外れた位置からプラットフォームを介して外力を伝達するため、プラットフォームの剛性が高くないと、力検出装置に作用する外力により、プラットフォームが撓んでしまう。また、逆に、プラットフォームの剛性を高くするため、プラットフォームの厚さを厚くすると、プラットフォームが厚くなり過ぎ、重量が重くなってしまう。また、力測定セルにバランス良く与圧を加えることも困難である。
本発明の目的は、第１の素子にバランス良く圧力を加えることができ、熱膨張による測定誤差を抑制することができる、または、装置の小型化を図りつつ、熱膨張による測定誤差を抑制することができる力検出装置、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を提供することにある。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
（適用例１）
本発明に係わる力検出装置は、第１の基板と、
第２の基板と、
外力に応じて信号を出力する第１の素子と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられた前記第１の素子を挟持して、前記第１の素子に圧力を加える固定部材と、
前記第１の基板と前記固定部材との間に設けられ、前記固定部材により前記第１の素子に加えられる圧力の方向と同じ方向の外力成分に応じて信号を出力する第２の素子と、を備え、
前記第１の基板の厚み方向からの視認において前記第１の素子に対して少なくとも１対の前記固定部材が配置されていることを特徴とする。
これにより、第１の素子から出力される信号に基づいて外力を検出するにあたり、その第１の素子から出力される信号を第２の素子から出力される信号に基づいて補正することにより、前記第１の素子から出力される信号に含まれる熱膨張により生じたノイズ成分を除去または減少させることができる。これによって、測定精度を向上させることができる。
また、第１の素子を間にして少なくとも１対の固定部材が配置されているので、第１の基板と第２の基板とをバランス良く固定することができ、また、第１の素子にバランス良く圧力を加えることができる。
（適用例２）
本発明に係わる力検出装置では、前記第１の基板の厚み方向において、前記第１の素子の中心は前記第２の素子の中心と異なることが好ましい。
これにより、第１の基板の平面視で、第１の基板の外力が加わる部位と、第２の基板の外力が加わる部位と、第１の素子とを重ねることができ、これにより、第１の基板、第２の基板の厚さを薄くしてもその第１の基板、第２の基板が外力で撓んでしまうことを抑制することができ、これによって、装置の厚さを薄くすることができ、小型化、軽量化を図ることができる。
（適用例３）
本発明に係わる力検出装置は、第１の基板と、
第２の基板と、
外力に応じて信号を出力する第１の素子と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられた前記第１の素子を挟持して、前記第１の素子に圧力を加える固定部材と、
前記第１の基板と前記固定部材との間に設けられ、前記固定部材により前記第１の素子に加えられる圧力の方向と同じ方向の外力成分に応じて信号を出力する第２の素子と、を備え、
前記第１の基板の厚み方向において、前記第１の素子の中心は前記第２の素子の中心と異なることを特徴とする。
これにより、第１の素子から出力される信号に基づいて外力を検出するにあたり、その第１の素子から出力される信号を第２の素子から出力される信号に基づいて補正することにより、前記第１の素子から出力される信号に含まれる熱膨張により生じたノイズ成分を除去または減少させることができる。これによって、測定精度を向上させることができる。
また、第１の素子の中心軸と第２の素子の中心軸とが異なるので、第１の基板の平面視で、第１の基板の外力が加わる部位と、第２の基板の外力が加わる部位と、第１の素子とを重ねることができ、これにより、第１の基板、第２の基板の厚さを薄くしてもその第１の基板、第２の基板が外力で撓んでしまうことを抑制することができ、これによって、装置の厚さを薄くすることができ、小型化、軽量化を図ることができる。
（適用例４）
本発明に係わる力検出装置では、前記固定部材により前記第１の素子に加わる圧力の方向と前記第２の素子に加わる圧力の方向とが同じであり、
前記第１の基板に、前記固定部材により前記第１の素子に加わる圧力の方向と同じ方向の外力が加わったとき、前記第１の素子と前記第２の素子とは、前記外力を互いに逆方向の力として検出することが好ましい。
これにより、第１の素子の出力と第２の素子の出力との差分を取ることにより、第１の基板と直交する方向の外力は、第２の素子を設けない場合よりも大きな値として検出される。一方、第１の素子の出力と第２の素子の出力との差分を取ることにより、固定部材が加える圧力の変動分を補償することができる。
（適用例５）
本発明に係わる力検出装置では、前記第１の基板は、前記第１の基板を第１の対象物に取り付ける第１の取付部を有し、
前記第２の基板は、前記第２の基板を第２の対象物に取り付ける第２の取付部を有し、
前記第１の基板の厚み方向からの投影像において、前記第１の取付部の影と、前記第２の取付部の影と、前記第１の素子の影とが重なっていることが好ましい。
外力は、第１の取付部、第２の取付部に加わるので、これにより、その外力を第１の素子で確実に検出することができる。
また、第１の基板、第２の基板の厚さを薄くしてもその第１の基板、第２の基板が外力で撓んでしまうことを抑制することができ、これにより、装置の厚さを薄くすることができ、小型化、軽量化を図ることができる。
（適用例６）
本発明に係わる力検出装置では、前記固定部材は、頭部を有するネジであり、
前記第２の素子は、前記第１の基板と前記頭部との間に設けられていることが好ましい。
これにより、第１の基板と固定部材とで第２の素子を確実に挟持することができる。
（適用例７）
本発明に係わる力検出装置では、前記第１の素子から出力される信号および前記第２の素子から出力される信号に基づいて、補正した外力を検出する検出部を有することが好ましい。
これにより、測定精度を向上させることができる。
（適用例８）
本発明に係わる力検出装置では、前記検出部は、前記第１の素子から出力される信号に基づいて求めた電圧と、前記第２の素子から出力される信号に基づいて求めた電圧との差分を取ることにより、補正した外力を検出することが好ましい。
これにより、測定精度を向上させることができる。
（適用例９）
本発明に係わる力検出装置では、複数の前記第１の素子を有し、
前記各第１の素子は、前記第１の基板または前記第２の基板の周方向に、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、より精度の高い力検出を行うことができる。そして、３つ以上の第１の素子を有することにより、６軸力、すなわち、ｘ、ｙ、ｚ軸方向の並進力成分（せん断力）およびｘ、ｙ、ｚ軸周りの回転力成分（モーメント）を検出することができる。
（適用例１０）
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、第１の基板と、
第２の基板と、
外力に応じて信号を出力する第１の素子と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられた前記第１の素子を挟持し、前記第１の素子に圧力を加える固定部材と、
前記第１の基板と前記固定部材との間に設けられ、前記固定部材により前記第１の素子に加えられる圧力の方向と同じ方向の外力成分に応じて信号を出力する第２の素子と、を備え、
前記第１の基板の厚み方向からの視認において、前記第１の素子に対して少なくとも１対の前記固定部材が配置されていることを特徴とする。
これにより、前記本発明の力検出装置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、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。
（適用例１１）
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、第１の基板と、
第２の基板と、
外力に応じて信号を出力する第１の素子と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられた前記第１の素子を挟持し、前記第１の素子に圧力を加える固定部材と、
前記第１の基板と前記固定部材との間に設けられ、前記固定部材により前記第１の素子に加えられる圧力の方向と同じ方向の外力成分に応じて信号を出力する第２の素子と、を備え、
前記第１の基板の厚み方向において、前記第１の素子の中心は前記第２の素子の中心と異なることを特徴とする。
これにより、前記本発明の力検出装置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、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。
（適用例１２）
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、第１の基板と、
第２の基板と、
外力に応じて信号を出力する第１の素子と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられた前記第１の素子を挟持し、前記第１の素子に圧力を加える固定部材と、
前記第１の基板と前記固定部材との間に設けられ、前記固定部材により前記第１の素子に加えられる圧力の方向と同じ方向の外力成分に応じて信号を出力する第２の素子と、を備え、
前記第１の基板の厚み方向からの視認において、前記第１の素子に対して少なくとも１対の前記固定部材が配置されていることを特徴とする。
これにより、前記本発明の力検出装置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。
（適用例１３）
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、第１の基板と、
第２の基板と、
外力に応じて信号を出力する第１の素子と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられた前記第１の素子を挟持し、前記第１の素子に圧力を加える固定部材と、
前記第１の基板と前記固定部材との間に設けられ、前記固定部材により前記第１の素子に加えられる圧力の方向と同じ方向の外力成分に応じて信号を出力する第２の素子と、を備え、
前記第１の基板の厚み方向において、前記第１の素子の中心は前記第２の素子の中心と異なることを特徴とする。
これにより、前記本発明の力検出装置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。
（適用例１４）
本発明に係わる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、第１の基板と、
第２の基板と、
外力に応じて信号を出力する第１の素子と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられた前記第１の素子を挟持し、前記第１の素子に圧力を加える固定部材と、
前記第１の基板と前記固定部材との間に設けられ、前記固定部材により前記第１の素子に加えられる圧力の方向と同じ方向の外力成分に応じて信号を出力する第２の素子と、を備え、
前記第１の基板の厚み方向からの視認において前記第１の素子に対して少なくとも１対の前記固定部材が配置されていることを特徴とする。
これにより、前記本発明の力検出装置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検査作業を実行することができる。
（適用例１５）
本発明に係わる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、第１の基板と、
第２の基板と、
外力に応じて信号を出力する第１の素子と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられた前記第１の素子を挟持し、前記第１の素子に圧力を加える固定部材と、
前記第１の基板と前記固定部材との間に設けられ、前記固定部材により前記第１の素子に加えられる圧力の方向と同じ方向の外力成分に応じて信号を出力する第２の素子と、を備え、
前記第１の基板の厚み方向において、前記第１の素子の中心は前記第２の素子の中心と異なることを特徴とする。
これにより、前記本発明の力検出装置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検査作業を実行することができる。
（適用例１６）
本発明に係わる部品加工装置は、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、第１の基板と、
第２の基板と、
外力に応じて信号を出力する第１の素子と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられた前記第１の素子を挟持し、前記第１の素子に圧力を加える固定部材と、
前記第１の基板と前記固定部材との間に設けられ、前記固定部材により前記第１の素子に加えられる圧力の方向と同じ方向の外力成分に応じて信号を出力する第２の素子と、を備え、
前記第１の厚み方向からの視認において、前記第１の素子に対して少なくとも１対の前記固定部材が配置されていることを特徴とする。
これにより、前記本発明の力検出装置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。
（適用例１７）
本発明に係わる部品加工装置は、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、第１の基板と、
第２の基板と、
外力に応じて信号を出力する第１の素子と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられた前記第１の素子を挟持し、前記第１の素子に圧力を加える固定部材と、
前記第１の基板と前記固定部材との間に設けられ、前記固定部材により前記第１の素子に加えられる圧力の方向と同じ方向の外力成分に応じて信号を出力する第２の素子と、を備え、
前記第１の基板の厚み方向において、前記第１の素子の中心は前記第２の素子の中心と異なることを特徴とする。
これにより、前記本発明の力検出装置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。
本発明の力検出装置の第１実施形態を示す断面図である。 図１に示す力検出装置の平面図である。 図１に示す力検出装置を概略的に示す回路図である。 図１に示す力検出装置の第１の素子を概略的に示す断面図である。 図１に示す力検出装置の第２の素子を概略的に示す断面図である。 本発明の力検出装置の第２実施形態を示す分解斜視図である。 図６に示す力検出装置を概略的に示す回路図である。 本発明の力検出装置の第３実施形態を示す平面図である。 本発明の力検出装置の第４実施形態を示す平面図である。 本発明の力検出装置を用いた単腕ロボットの１例を示す図である。 本発明の力検出装置を用いた複腕ロボットの１例を示す図である。 本発明の力検出装置を用いた電子部品検査装置および電子部品搬送装置の１例を示す図である。 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。 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。 本発明の力検出装置を用いた移動体の１例を示す図である。
以下、本発明の力検出装置、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は、本発明の力検出装置の第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第１の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第２の素子を概略的に示す断面図である。
なお、以下では、説明の都合上、図１中の上側を「上」または「上方」、下側を「下」または「下方」と言う。
図１および図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（Ｘ）軸、β（Ｙ）軸、γ（Ｚ）軸）に沿って加えられた外力を検出する機能を有する。
力検出装置１は、第１の基板２と、第１の基板２から所定の間隔を隔てて配置され、第１の基板２に対向する第２の基板３と、第１の基板２と第２の基板３とを固定する固定部材である２つの与圧ボルト（ネジ）７１と、第１の基板２と第２の基板３との間に設けられ、加えられた外力に応じて信号を出力する電荷出力素子（第１の素子）１０と、第１の基板２と各与圧ボルト７１との間に設けられ、加えられた外力に応じて信号を出力する１対の電荷出力素子（第２の素子）１０ａ、１０ｂとを備えている。
第１の基板２、第２の基板３の形状は、それぞれ、特に限定されないが、本実施形態では、第１の基板２、第２の基板３の平面視（厚み方向からの視認において）、すなわち、第１の基板２、第２の基板３に対して垂直な方向から見て、その外形形状は、長方形（四角形）をなしている。第１の基板２、第２の基板３の平面視での前記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。また、第１の基板２、第２の基板３の構成材料としては、それぞれ、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。なお、第１の基板２と、第２の基板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１の基板２を力が加わる側の基板として説明する。
また、電荷出力素子１０の第１の基板２、第２の基板３における位置は、特に限定されないが、本実施形態では、第１の基板２の平面視で、電荷出力素子１０は、第１の基板２、第２の基板３の中央部に配置されている。
また、第１の基板２の平面視での中央部には、その第１の基板２を第１の対象物に取り付ける締結部（第１の取付部）２３が設けられている。同様に、第２の基板３の平面視での中央部には、その第２の基板３を第２の対象物に取り付ける締結部（第２の取付部）３３が設けられている。第１の対象物、第２の対象物の具体例としては、例えば、ロボットのアームとエンドエフェクタとの間に力検出装置１を設置する場合、前記アームとエンドエフェクタとの一方が前記第１の対象物であり、他方が前記第２の対象物である。外力は、第１の対象物、第２の対象物から、締結部２３、３３を中心として第１の基板２、第２の基板３に加わる。なお、各締結部２３、３３としては、特に限定されず、例えば、雌ネジ等が挙げられ、この場合、雄ネジを前記雌ネジに螺合して、第１の基板２、第２の基板３をそれぞれ第１の対象物、第２の対象物に取り付ける。このように、力検出装置１を第１の対象物、第２の対象物に取り付ける際は、第１の基板２、第２の基板３に対して特別な加工を施すことなく、容易かつ迅速に、その取り付け作業を行うことができる。
また、第１の基板２と、第２の基板３とは、２つの与圧ボルト７１により、固定されているが、この与圧ボルト７１による「固定」は、２つの固定対象物の互いの所定量の移動を許容しつつ行われる。具体的には、第１の基板２と、第２の基板３とは、２つの与圧ボルト７１により、互いの所定量の第１の基板２の面方向の移動が許容されつつ固定される。なお、これは、他の実施形態においても同様である。
また、各与圧ボルト７１は、それぞれ、基端部に頭部７１５を有し、先端部の外周部に雄ネジ７１６を有している。そして、第１の基板２には、２つの与圧ボルト７１が挿入される２つの孔２５が形成され、第２の基板３には、２つの与圧ボルト７１の雄ネジ７１６と螺合する２つの雌ネジ３５が形成されている。
各与圧ボルト７１は、それぞれ、その頭部７１５が第１の基板２側となるように配置され、第１の基板２に形成された孔２５から挿入され、その雄ネジ７１６が第２の基板３に形成された雌ネジ３５に螺合している。また、各与圧ボルト７１の頭部７１５は、第１の基板２の表面よりも第２の基板３側に位置している、すなわち、孔２５内に沈み込んでいる。そして、各与圧ボルト７１により、第１の基板２と第２の基板３とを介して電荷出力素子１０に、所定の大きさのＺ軸方向（図４参照）の圧力、すなわち、与圧が加えられる。これにより、Ｚ軸方向の正逆両方向の力を検出することができる。なお、前記与圧の大きさは、特に限定されず、適宜設定される。
また、各与圧ボルト７１の位置は、特に限定されないが、本実施形態では、各与圧ボルト７１は、第１の基板２の平面視で（厚み方向からの視認において）、電荷出力素子１０を間にして対向するように配置されている。これにより、第１の基板２と第２の基板３とをバランス良く固定することができ、また、電荷出力素子１０にバランス良く与圧を加えることができる。なお、与圧ボルト７１の数は、２つに限定されず、例えば、３つ以上であってもよい。
各与圧ボルト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。
以上のように、電荷出力素子１０は、第１の基板２と第２の基板３とでその中央部において挟持されている。この電荷出力素子１０の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、第１の基板２の平面視で、電荷出力素子１０の外形形状は、正方形（四角形）をなしている。電荷出力素子１０の平面視での前記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。
また、電荷出力素子１０ａ、１０ｂの形状は、それぞれ、特に限定されないが、本実施形態では、第１の基板２の平面視で、電荷出力素子１０ａ、１０ｂの外形形状は、与圧ボルト７１の頭部７１５に対応した形状、すなわち、円形をなしている。具体的には、電荷出力素子１０ａ、１０ｂは、第１の基板２の平面視で、円環状をなしている。電荷出力素子１０ａ、１０ｂの平面視での前記の他の外形形状としては、例えば、四角形、五角形等の多角形、楕円形等が挙げられる。
そして、各電荷出力素子１０ａ、１０ｂは、第１の基板２と各与圧ボルト７１の頭部７１５との間に配置され、第１の基板２と与圧ボルト７１とで挟持されている。これにより、電荷出力素子１０と同じ大きさのＺ軸方向の与圧が、各与圧ボルト７１により、各電荷出力素子１０ａ、１０ｂに、分配されて加えられる。すなわち、与圧ボルト７１により電荷出力素子１０に加わる与圧の方向と、電荷出力素子１０ａ、１０ｂに加わる与圧の方向とが同一となり、かつ、その大きさも同一となる。
また、外力については、第１の基板２に、第１の基板２と直交する方向の外力、すなわち、Ｚ軸方向の外力が加わったとき（第１の基板２に、与圧ボルト７１により電荷出力素子１０に加わる圧力の方向と同じ方向の外力が加わったとき）、電荷出力素子１０と、電荷出力素子１０ａ、１０ｂとは、その外力を互いに逆方向の力として検出する。
これにより、電荷出力素子１０の出力と、電荷出力素子１０ａ、１０ｂの出力との差分を取ることにより、Ｚ軸方向の外力は、電荷出力素子１０ａ、１０ｂを設けない場合の約２倍の値として検出される。一方、電荷出力素子１０の出力と、電荷出力素子１０ａ、１０ｂの出力との差分を取ることにより、各与圧ボルト７１、第１の基板２、第２の基板３等が熱膨張したとき等の与圧ボルト７１が加える与圧の変動分を補償することができる。
ここで、第１の基板２の厚み方向において、電荷出力素子１０の中心は電荷出力素子１０ａ、１０ｂの中心と異なる。すなわち、電荷出力素子１０ａ、１０ｂの第１の基板２と直交する方向の中心軸と、電荷出力素子１０の第１の基板２と直交する方向の中心軸とは、異なっている。具体的には、電荷出力素子１０ａ、１０ｂは、第１の基板２の平面視で、電荷出力素子１０を間にして対向するように配置されている。
また、第１の基板２の平面視で、締結部２３と、締結部３３と、電荷出力素子１０とが重なっている。すなわち、第１の基板２の厚み方向からの投影像において、締結部２３の影と、締結部３３の影と、電荷出力素子１０の影とが重なっている。具体的には、締結部２３の第１の基板２と直交する方向の中心軸と、締結部３３の第１の基板２と直交する方向の中心軸と、電荷出力素子１０の第１の基板２と直交する方向の中心軸とが一致している。
これにより、第１の基板２、第２の基板３の厚さを薄くしてもその第１の基板２、第２の基板３が外力で撓んでしまうことを抑制することができ、これによって、装置の厚さを薄くすることができ、小型化、軽量化を図ることができる。
なお、本実施形態のように、電荷出力素子１０ａ、１０ｂを電荷出力素子１０の近傍に配置することより、各与圧ボルト７１が電荷出力素子１０に加える与圧の前記熱膨張等による変動と、各与圧ボルト７１が電荷出力素子１０ａ、１０ｂに加える与圧の前記熱膨張等により変動とを近似させることができる。
また、図３に示すように、力検出装置１は、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｘ１を電圧Ｖｘ１に変換する変換出力回路９０ａと、電荷Ｑｚ１を電圧Ｖｚ１に変換する変換出力回路９０ｂと、電荷Ｑｙ１を電圧Ｖｙ１に変換する変換出力回路９０ｃとを備えている。また、力検出装置１は、電荷出力素子１０ａから出力された電荷Ｑｚ１１を電圧Ｖｚ１１に変換する変換出力回路９０ｂと、電荷出力素子１０ｂから出力された電荷Ｑｚ１２を電圧Ｖｚ１２に変換する変換出力回路９０ｂとを備えている。また、力検出装置１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。これらの各回路は、例えば、第１の基板２、第１の基板２の外側に設けられていてもよく、また、第１の基板２と第１の基板２との間に設けられていてもよい。
＜電荷出力素子（第１の素子、第２の素子）＞
まず、電荷出力素子（第１の素子）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（α（Ｘ）軸、β（Ｙ）軸、γ（Ｚ）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Ｑｘ、Ｑｙ、Ｑｚを出力する機能を有する。
図４に示すように、電荷出力素子１０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１１と、β軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｙを出力する第１のセンサー１２と、γ軸に平行な外力（圧縮／引張力）に応じて電荷Ｑｚを出力する第２のセンサー１３と、α軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｘを出力する第３のセンサー１４とを有し、グランド電極層１１と各センサー１２、１３、１４は交互に積層されている。なお、図４において、グランド電極層１１およびセンサー１２、１３、１４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４中の下側から、第１のセンサー１２、第２のセンサー１３、第３のセンサー１４の順で積層されているが、本発明はこれに限られない。センサー１２、１３、１４の積層順は任意である。
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、クロム、ニッケル、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、β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Ｑｙを出力する機能を有する。第１のセンサー１２は、β軸の正方向に沿って加えられ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。
第１のセンサー１２は、第１の結晶軸ＣＡ１を有する第１の圧電体層１２１と、第１の圧電体層１２１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、電荷Ｑを出力する出力電極層１２２を有する。
第１の圧電体層１２１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１２１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、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。
第２の圧電体層１２３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１２３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、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。
このように、第１の圧電体層１２１の第１の結晶軸ＣＡ１は、第２の圧電体層１２３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１２１または第２の圧電体層１２３のいずれか一方のみと、出力電極層１２２によって第１のセンサー１２を構成する場合と比較して、出力電極層１２２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１２２から出力される電荷Ｑを増加させることができる。
なお、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３の構成材料としては、水晶、トパーズ、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）、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１２１および第２の圧電体層１２３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。
出力電極層１２２は、第１の圧電体層１２１内および第２の圧電体層１２３内に生じた正電荷または負電荷を電荷Ｑｙ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１２１の表面または第２の圧電体層１２３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１２２近傍には、正電荷が集まる。その結果、出力電極層１２２からは、正の電荷Ｑｙが出力される。一方、第１の圧電体層１２１の表面または第２の圧電体層１２３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１２２近傍には、負電荷が集まる。その結果、出力電極層１２２からは、負の電荷Ｑｙが出力される。
また、出力電極層１２２の幅は、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３の幅以上であることが好ましい。出力電極層１２２の幅が、第１の圧電体層１２１または第２の圧電体層１２３よりも狭い場合、第１の圧電体層１２１または第２の圧電体層１２３の一部は出力電極層１２２と接しない。そのため、第１の圧電体層１２１または第２の圧電体層１２３に生じた電荷の一部を出力電極層１２２から出力できない場合がある。その結果、出力電極層１２２から出力される電荷Ｑｙが減少してしまう。なお、後述する出力電極層１３２、１４２についても同様である。
第２のセンサー１３は、γ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Ｑｚを出力する機能を有する。第２のセンサー１３は、γ軸に平行な圧縮力に応じて正電荷を出力し、γ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２のセンサー１３は、第３の結晶軸ＣＡ３を有する第３の圧電体層１３１と、第３の圧電体層１３１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、電荷Ｑｚを出力する出力電極層１３２を有する。
第３の圧電体層１３１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１３１の表面に対し、γ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、γ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。
第４の圧電体層１３３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１３３の表面に対し、γ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、γ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。
第３の圧電体層１３１および第４の圧電体層１３３の構成材料としては、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３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１３１および第４の圧電体層１３３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。
出力電極層１３２は、第３の圧電体層１３１内および第４の圧電体層１３３内に生じた正電荷または負電荷を電荷Ｑｚ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１３１の表面または第４の圧電体層１３３の表面にγ軸に平行な圧縮力が加えられた場合、出力電極層１３２近傍には、正電荷が集まる。その結果、出力電極層１３２からは、正の電荷Ｑｚが出力される。一方、第３の圧電体層１３１の表面または第４の圧電体層１３３の表面にγ軸に平行な引張力が加えられた場合、出力電極層１３２近傍には、負電荷が集まる。その結果、出力電極層１３２からは、負の電荷Ｑｚが出力される。
第３のセンサー１４は、α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Ｑｘを出力する機能を有する。第３のセンサー１４は、α軸の正方向に沿って加えられ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。
第３のセンサー１４は、第５の結晶軸ＣＡ５を有する第５の圧電体層１４１と、第５の圧電体層１４１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１４３と、第５の圧電体層１４１と第６の圧電体層１４３との間に設けられ、電荷Ｑｘを出力する出力電極層１４２を有する。
第５の圧電体層１４１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１４１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、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。
第６の圧電体層１４３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１４３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、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。
第５の圧電体層１４１および第６の圧電体層１４３の構成材料としては、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３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１４１および第６の圧電体層１４３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１２１および第２の圧電体層１２３と同様に、Ｙカット水晶により構成することができる。
出力電極層１４２は、第５の圧電体層１４１内および第６の圧電体層１４３内に生じた正電荷または負電荷を電荷Ｑｘ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１４１の表面または第６の圧電体層１４３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１４２近傍には、正電荷が集まる。その結果、出力電極層１４２からは、正の電荷Ｑｘが出力される。一方、第５の圧電体層１４１の表面または第６の圧電体層１４３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１４２近傍には、負電荷が集まる。その結果、出力電極層１４２からは、負の電荷Ｑｘが出力される。
このように、第１のセンサー１２、第２のセンサー１３、および第３のセンサー１４は、各センサーの力検出方向が互いに直交するように積層されている。これにより、各センサーは、それぞれ、互いに直交する力成分に応じて電荷を誘起することができる。そのため、電荷出力素子１０は、３軸（α（Ｘ）軸、β（Ｙ）軸、γ（Ｚ）軸）に沿った外力のそれぞれに応じて３つの電荷Ｑｘ、Ｑｙ、Ｑｚを出力することができる。
次に、電荷出力素子（第２の素子）１０ａ、１０ｂについて説明する。
電荷出力素子（第２の素子）１０ａと電荷出力素子（第２の素子）１０ｂとは、同様のものである。そして、図５に示すように、電荷出力素子１０ａ、１０ｂは、それぞれ、前記電荷出力素子１０において、第１のセンサー１２および第３のセンサー１４を省略した構造をなしている。この電荷出力素子１０ａ、１０ｂは、互いに直交する３軸のうちのγ（Ｚ）軸に沿って加えられた外力、すなわち、与圧ボルト７１により電荷出力素子１０、１０ａ、１０ｂに加えられる与圧の方向と同じ方向の外力に応じて電荷Ｑｚを出力する機能を有する。
なお、電荷出力素子１０ａ、１０ｂとして、前記電荷出力素子１０と同様のものを用いてもよい。
＜変換出力回路＞
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Ｑｘ１を電圧Ｖｘ１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Ｑｚ１を電圧Ｖｚ１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Ｑｙ１を電圧Ｖｙ１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。
変換出力回路９０ｃは、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｙ１を電圧Ｖｙ１に変換して電圧Ｖｙ１を出力する機能を有する。変換出力回路９０ｃは、オペアンプ９１と、コンデンサー９２と、スイッチング素子９３とを有する。オペアンプ９１の第１の入力端子（マイナス入力）は、電荷出力素子１０の出力電極層１２２に接続され、オペアンプ９１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９１の出力端子は、外力検出回路４０に接続されている。コンデンサー９２は、オペアンプ９１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９３は、オペアンプ９１の第１の入力端子と出力端子との間に接続され、コンデンサー９２と並列接続されている。また、スイッチング素子９３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、スイッチング素子９３はスイッチング動作を実行する。
スイッチング素子９３がオフの場合、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｙ１は、静電容量Ｃ１を有するコンデンサー９２に蓄えられ、電圧Ｖｙ１として外力検出回路４０に出力される。次に、スイッチング素子９３がオンになった場合、コンデンサー９２の両端子間が短絡される。その結果、コンデンサー９２に蓄えられた電荷Ｑｙ１は、放電されて０クーロンとなり、外力検出回路４０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９３がオンとなることを、変換出力回路９０ｃをリセットするという。なお、理想的な変換出力回路９０ｃから出力される電圧Ｖｙ１は、電荷出力素子１０から出力される電荷Ｑｙ１の蓄積量に比例する。
スイッチング素子９３は、例えば、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１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９３としてＭＯＳＦＥＴを用いた場合を説明する。
スイッチング素子９３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９３のドレイン電極またはソース電極の一方がオペアンプ９１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９１の出力端子に接続されている。また、スイッチング素子９３のゲート電極は、駆動回路（図示せず）に接続されている。
各変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃのスイッチング素子９３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９３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、各変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃのスイッチング素子９３の動作が同期する。すなわち、各変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃのスイッチング素子９３のオン／オフタイミングは一致する。
また、電荷出力素子１０ａ、１０ｂには、それぞれ、変換出力回路９０ｂが接続されている。電荷出力素子１０ａに接続された変換出力回路９０ｂは、電荷出力素子１０ａから出力された電荷Ｑｚ１１を電圧Ｖｚ１１に変換する機能を有する。電荷出力素子１０ｂに接続された変換出力回路９０ｂは、電荷出力素子１０ｂから出力された電荷Ｑｚ１２を電圧Ｖｚ１２に変換する機能を有する。なお、各変換出力回路９０ｂについては、前述したので、その説明は省略する。
＜外力検出回路＞
外力検出回路４０は、電荷出力素子１０に接続された変換出力回路９０ａから出力される電圧Ｖｘ１と、変換出力回路９０ｂから出力される電圧Ｖｚ１と、変換出力回路９０ｃから出力される電圧Ｖｙ１と、電荷出力素子１０ａに接続された変換出力回路９０ｂから出力される電圧Ｖｚ１１と、電荷出力素子１０ｂに接続された変換出力回路９０ｂから出力される電圧Ｖｚ１２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、電荷出力素子１０に対する変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃ、電荷出力素子１０ａに対する変換出力回路９０ｂ、電荷出力素子１０ｂに対する変換出力回路９０ｂ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（検出部）４０２とを有する。
ＡＤコンバーター４０１は、電圧Ｖｘ１、Ｖｙ１、Ｖｚ１、Ｖｚ１１、Ｖｚ１２をアナログ信号からデジタル信号へ変換する機能を有する。ＡＤコンバーター４０１によってデジタル変換された電圧Ｖｘ１、Ｖｙ１、Ｖｚ１、Ｖｚ１１、Ｖｚ１２は、演算部４０２に入力される。
すなわち、第１の基板２および第２の基板３の相対位置が互いにα（Ｘ）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Ｖｘ１を出力する。同様に、第１の基板２および第２の基板３の相対位置が互いにβ（Ｙ）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Ｖｙ１を出力する。また、第１の基板２および第２の基板３の相対位置が互いにγ（Ｚ）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Ｖｚ１、Ｖｚ１１、Ｖｚ１２を出力する。
演算部４０２は、デジタル変換された電圧Ｖｘ１、Ｖｙ１、Ｖｚ１、Ｖｚ１１、Ｖｚ１２に基づき、補正を行って、ｘ軸方向の並進力成分Ｆｘ、ｙ軸方向の並進力成分Ｆｙ、ｚ軸方向の並進力成分Ｆｚ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。
Ｆｘ＝Ｖｘ１
Ｆｙ＝Ｖｙ１
Ｆｚ＝Ｖｚ１−（Ｖｚ１１＋Ｖｚ１２）
このように、力検出装置１は、３軸力を検出することができる。
前記のように、Ｆｚを求める際は、電圧Ｖｚ１と、電圧（Ｖｚ１１＋Ｖｚ１２）との差分を取ることにより、補正を行う（補償する）。すなわち補正した外力を検出する。これにより、電圧Ｖｚ１に含まれる熱膨張に起因する誤差成分の全部または一部が電圧Ｖｚ１から除去される。なお、補正には、誤差成分を完全に除去する場合に限らず、誤差成分を低減する場合も含まれる。
以上説明したように、この力検出装置１によれば、電荷出力素子１０から出力される信号に基づいて外力を検出するにあたり、その電荷出力素子１０から出力される信号を電荷出力素子１０ａから出力される信号に基づいて補正することにより、電荷出力素子１０から出力される信号に含まれる熱膨張により生じた誤差成分を除去または減少させることができる。これによって、測定精度を向上させることができる。
また、電荷出力素子１０を間にして少なくとも１対の与圧ボルト７１が配置されているので、第１の基板２と第２の基板３とをバランス良く固定することができ、また、電荷出力素子１０にバランス良く圧力を加えることができる。
また、第１の基板２の平面視で、締結部２３と、締結部３３と、電荷出力素子１０とが重なっているので、第１の基板２、第２の基板３に作用する外力により、第１の基板２、第２の基板３が撓んでしまうことを抑制することができ、これにより、第１の基板２、第２の基板３の厚さを薄くすることができ、装置の小型化、軽量化を図ることができる。
＜第２実施形態＞
図６は、本発明の力検出装置の第２実施形態を示す分解斜視図である。図７は、図６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６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（ｘ、ｙ、ｚ軸方向の並進力成分（せん断力）およびｘ、ｙ、ｚ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。
図６に示すように、力検出装置１は、電荷出力素子１０を４つ、１対の電荷出力素子１０ａ、１０ｂを４組、与圧ボルト７１を８つ有している。各電荷出力素子１０の位置は、特に限定されないが、本実施形態では、各電荷出力素子１０は、第１の基板２、第２の基板３の外周部に、その第１の基板２、第２の基板３の周方向に沿って、等角度間隔（９０°間隔）に配置されている。これにより、偏りなく外力を検出することができる。そして、６軸力を検出することができる。また、本実施形態では、各電荷出力素子１０は、全て同じ方向を向いているが、これに限定されるものではない。
また、各与圧ボルト７１の位置は、特に限定されないが、本実施形態では、各与圧ボルト７１は、第１の基板２、第２の基板３の外周部に、第１の基板２、第２の基板３の周方向に沿って配置されている。また、各与圧ボルト７１は、第１の基板２の平面視で、対応する電荷出力素子１０を間にして対向するように配置されている。したがって、第１の基板２の平面視で、１つの電荷出力素子１０に対し、１対の電荷出力素子１０ａ、１０ｂは、その電荷出力素子１０を間にして対向するように配置されている。
また、力検出装置１は、第１の基板２と第２の基板３との間に設けられた回路基板４を有しており、各電荷出力素子１０は、回路基板４に搭載されている。また、電荷出力素子１０ａ、１０ｂは、図示しない配線により、回路基板に電気的に接続されている。なお、回路基板４には、８つの与圧ボルト７１が挿通する８つの孔４１が形成されている。
また、各電荷出力素子１０は、回路基板４の第１の基板２側の面に配置されている。なお、各電荷出力素子１０は、回路基板４の第２の基板３側の面に配置されていてもよい。
また、第１の基板２、第２の基板３、回路基板４の形状は、それぞれ、特に限定されないが、本実施形態では、第１の基板２、第２の基板３、回路基板４の平面視で、その外形形状は、円形をなしている。なお、第１の基板２、第２の基板３、回路基板４の平面視での前記の他の外形形状としては、例えば、四角形、五角形等の多角形、楕円形等が挙げられる。また、回路基板４の各素子および各配線以外の部位の構成材料としては、特に限定されず、例えば、各種の樹脂材料等を用いることができる。
また、図７に示すように、回路基板４は、対応する電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｘ１を電圧Ｖｘ１に変換する変換出力回路９０ａと、電荷Ｑｚ１を電圧Ｖｚ１に変換する変換出力回路９０ｂと、電荷Ｑｙ１を電圧Ｖｙ１に変換する変換出力回路９０ｃと、電荷Ｑｘ２を電圧Ｖｘ２に変換する変換出力回路９０ａと、電荷Ｑｚ２を電圧Ｖｚ２に変換する変換出力回路９０ｂと、電荷Ｑｙ２を電圧Ｖｙ２に変換する変換出力回路９０ｃと、電荷Ｑｘ３を電圧Ｖｘ３に変換する変換出力回路９０ａと、電荷Ｑｚ３を電圧Ｖｚ３に変換する変換出力回路９０ｂと、電荷Ｑｙ３を電圧Ｖｙ３に変換する変換出力回路９０ｃと、電荷Ｑｘ４を電圧Ｖｘ４に変換する変換出力回路９０ａと、電荷Ｑｚ４を電圧Ｖｚ４に変換する変換出力回路９０ｂと、電荷Ｑｙ４を電圧Ｖｙ４に変換する変換出力回路９０ｃとを備えている。
また、回路基板４は、対応する電荷出力素子１０ａから出力された電荷Ｑｚ１１を電圧Ｖｚ１１に変換する変換出力回路９０ｂと、電荷Ｑｚ２１を電圧Ｖｚ２１に変換する変換出力回路９０ｂと、電荷Ｑｚ３１を電圧Ｖｚ３１に変換する変換出力回路９０ｂと、電荷Ｑｚ４１を電圧Ｖｚ４１に変換する変換出力回路９０ｂとを備えている。
また、回路基板４は、対応する電荷出力素子１０ｂから出力された電荷Ｑｚ１２を電圧Ｖｚ１２に変換する変換出力回路９０ｂと、電荷Ｑｚ２２を電圧Ｖｚ２２に変換する変換出力回路９０ｂと、電荷Ｑｚ３２を電圧Ｖｚ３２に変換する変換出力回路９０ｂと、電荷Ｑｚ４２を電圧Ｖｚ４２に変換する変換出力回路９０ｂとを備えている。
また、回路基板４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。
なお、電荷出力素子１０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、電荷出力素子１０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つの電荷出力素子１０を有していれば、６軸力を検出可能である。電荷出力素子１０が３つの場合、電荷出力素子１０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、電荷出力素子１０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。
＜変換出力回路＞
図７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。また、各電荷出力素子１０ａ、１０ｂには、それぞれ、変換出力回路９０ｂ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＞
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Ｖｘ１、Ｖｘ２、Ｖｘ３、Ｖｘ４と、各変換出力回路９０ｂから出力される電圧Ｖｚ１、Ｖｚ２、Ｖｚ３、Ｖｚ４、Ｖｚ１１、Ｖｚ１２、Ｖｚ２１、Ｖｚ２２、Ｖｚ３１、Ｖｚ３２、Ｖｚ４１、Ｖｚ４２と、各変換出力回路９０ｃから出力される電圧Ｖｙ１、Ｖｙ２、Ｖｙ３、Ｖｙ４とに基づき、加えられた外力を検出する機能を有する。なお、各電荷出力素子１０、各電荷出力素子１０ａ、各電荷出力素子１０ｂに対応する前記電圧を図６中、括弧書きで示す。
ＡＤコンバーター４０１は、電圧Ｖｘ１、Ｖｙ１、Ｖｚ１、Ｖｘ２、Ｖｙ２、Ｖｚ２、Ｖｘ３、Ｖｙ３、Ｖｚ３、Ｖｘ４、Ｖｙ４、Ｖｚ４、Ｖｚ１１、Ｖｚ１２、Ｖｚ２１、Ｖｚ２２、Ｖｚ３１、Ｖｚ３２、Ｖｚ４１、Ｖｚ４２をアナログ信号からデジタル信号へ変換する機能を有する。ＡＤコンバーター４０１によってデジタル変換された電圧Ｖｘ１、Ｖｙ１、Ｖｚ１、Ｖｘ２、Ｖｙ２、Ｖｚ２、Ｖｘ３、Ｖｙ３、Ｖｚ３、Ｖｘ４、Ｖｙ４、Ｖｚ４、Ｖｚ１１、Ｖｚ１２、Ｖｚ２１、Ｖｚ２２、Ｖｚ３１、Ｖｚ３２、Ｖｚ４１、Ｖｚ４２は、演算部４０２に入力される。
すなわち、第１の基板２および第２の基板３の相対位置が互いにα（Ｘ）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Ｖｘ１、Ｖｘ２、Ｖｘ３、Ｖｘ４を出力する。同様に、第１の基板２および第２の基板３の相対位置が互いにβ（Ｙ）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Ｖｙ１、Ｖｙ２、Ｖｙ３、Ｖｙ４を出力する。また、第１の基板２および第２の基板３の相対位置が互いにγ（Ｚ）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Ｖｚ１、Ｖｚ２、Ｖｚ３、Ｖｚ４、Ｖｚ１１、Ｖｚ１２、Ｖｚ２１、Ｖｚ２２、Ｖｚ３１、Ｖｚ３２、Ｖｚ４１、Ｖｚ４２を出力する。
また、第１の基板２および第２の基板３は、互いにｘ軸周りに回転する相対変位、ｙ軸周りに回転する相対変位、およびｚ軸周りに回転する相対変位が可能であり、各回転に伴う外力を電荷出力素子１０、１０ａ、１０ｂに伝達することが可能である。
演算部４０２は、デジタル変換された電圧Ｖｘ１、Ｖｙ１、Ｖｚ１、Ｖｘ２、Ｖｙ２、Ｖｚ２、Ｖｘ３、Ｖｙ３、Ｖｚ３、Ｖｘ４、Ｖｙ４、Ｖｚ４、Ｖｚ１１、Ｖｚ１２、Ｖｚ２１、Ｖｚ２２、Ｖｚ３１、Ｖｚ３２、Ｖｚ４１、Ｖｚ４２に基づき、補正を行って、ｘ軸方向の並進力成分Ｆｘ、ｙ軸方向の並進力成分Ｆｙ、ｚ軸方向の並進力成分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。
Ｆｘ＝Ｖｘ１＋Ｖｘ２＋Ｖｘ３＋Ｖｘ４
Ｆｙ＝Ｖｙ１＋Ｖｙ２＋Ｖｙ３＋Ｖｙ４
Ｆｚ＝Ｖｚ１−（Ｖｚ１１＋Ｖｚ１２）＋Ｖｚ２−（Ｖｚ２１＋Ｖｚ２２）＋Ｖｚ３−（Ｖｚ３１＋Ｖｚ３２）＋Ｖｚ４−（Ｖｚ４１＋Ｖｚ４２）
Ｍｘ＝［−｛Ｖｚ２−（Ｖｚ２１＋Ｖｚ２２）｝＋｛Ｖｚ４−（Ｖｚ４１＋Ｖｚ４２）｝］×Ｒ
Ｍｙ＝［−｛Ｖｚ１−（Ｖｚ１１＋Ｖｚ１２）｝＋｛Ｖｚ３−（Ｖｚ３１＋Ｖｚ３２）｝］×Ｒ
Ｍｚ＝（Ｖｘ２−Ｖｘ４＋Ｖｙ１−Ｖｙ３）×Ｒ
ここで、Ｒは定数である。
このように、力検出装置１は、６軸力を検出することができる。
前記のように、Ｆｚを求める際は、電圧Ｖｚ１と電圧（Ｖｚ１１＋Ｖｚ１２）との差分、電圧Ｖｚ２と電圧（Ｖｚ２１＋Ｖｚ２２）との差分、電圧Ｖｚ３と電圧（Ｖｚ３１＋Ｖｚ３２）との差分、電圧Ｖｚ４と電圧（Ｖｚ４１＋Ｖｚ４２）との差分をそれぞれ取ることにより、補正を行う（補償する）。すなわち補正した外力を検出する。これにより、電圧Ｖｚ１、電圧Ｖｚ２、電圧Ｖｚ３、電圧Ｖｚ４に含まれる熱膨張に起因する誤差成分の全部または一部が電圧Ｖｚ１、電圧Ｖｚ２、電圧Ｖｚ３、電圧Ｖｚ４から除去される。
同様に、Ｍｘを求める際は、電圧Ｖｚ２と電圧（Ｖｚ２１＋Ｖｚ２２）との差分、電圧Ｖｚ４と電圧（Ｖｚ４１＋Ｖｚ４２）との差分をそれぞれ取ることにより、補正を行う（補償する）。同様に、Ｍｙを求める際は、電圧Ｖｚ１と電圧（Ｖｚ１１＋Ｖｚ１２）との差分、電圧Ｖｚ３と電圧（Ｖｚ３１＋Ｖｚ３２）との差分をそれぞれ取ることにより、補正を行う（補償する）。これにより、電圧Ｖｚ１、電圧Ｖｚ３に含まれる熱膨張に起因する誤差成分の全部または一部が電圧Ｖｚ１、電圧Ｖｚ３から除去される。
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。
＜第３実施形態＞
図８は、本発明の力検出装置の第３実施形態を示す平面図である。
以下、第３実施形態について、前述した第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８に示すように、第３実施形態の力検出装置１は、４つの電荷出力素子（第１の素子）１０と、１つの電荷出力素子（第２の素子）１０ａとを有しており、その１つの電荷出力素子１０ａの検出結果を用いて補正を行う。これにより、部品点数を削減することができ、また、構成を簡素化することができる。
また、各力成分は、以下の式により求めることができる。
Ｆｘ＝Ｖｘ１＋Ｖｘ２＋Ｖｘ３＋Ｖｘ４
Ｆｙ＝Ｖｙ１＋Ｖｙ２＋Ｖｙ３＋Ｖｙ４
Ｆｚ＝Ｖｚ１＋Ｖｚ２＋Ｖｚ３）＋Ｖｚ４−（Ｖｚ１１×Ｎ）
Ｍｘ＝［−｛Ｖｚ２−（Ｖｚ１１×２）｝＋｛Ｖｚ４−（Ｖｚ１１×２）｝］×Ｒ
Ｍｙ＝［−｛Ｖｚ１−（Ｖｚ１１×２）｝＋｛Ｖｚ３−（Ｖｚ１１×２）｝］×Ｒ
Ｍｚ＝（Ｖｘ２−Ｖｘ４＋Ｖｙ１−Ｖｙ３）×Ｒ
ここで、Ｒは定数である。
また、Ｎは、与圧ボルトの本数であり、図示の構成では、「８」である。
この力検出装置１によれば、前述した第２実施形態と同様の効果が得られる。
＜第４実施形態＞
図９は、本発明の力検出装置の第４実施形態を示す平面図である。
以下、第４実施形態について、前述した第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９に示すように、第４実施形態の力検出装置１では、１つの電荷出力素子１０に対し、１つの電荷出力素子１０ａのみが設けられている。これにより、第２実施形態に比べ、部品点数を削減することができ、また、構成を簡素化することができる。また、第３実施形態に比べ、測定精度を高めることができる。
また、各力成分は、以下の式により求めることができる。
Ｆｘ＝Ｖｘ１＋Ｖｘ２＋Ｖｘ３＋Ｖｘ４
Ｆｙ＝Ｖｙ１＋Ｖｙ２＋Ｖｙ３＋Ｖｙ４
Ｆｚ＝Ｖｚ１−（Ｖｚ１１×２）＋Ｖｚ２−（Ｖｚ２１×２）＋Ｖｚ３−（Ｖｚ３１×２）＋Ｖｚ４−（Ｖｚ４１×２）
Ｍｘ＝［−｛Ｖｚ２−（Ｖｚ２１×２）｝＋｛Ｖｚ４−（Ｖｚ４１×２）｝］×Ｒ
Ｍｙ＝［−｛Ｖｚ１−（Ｖｚ１１×２）｝＋｛Ｖｚ３−（Ｖｚ３１×２）｝］×Ｒ
Ｍｚ＝（Ｖｘ２−Ｖｘ４＋Ｖｙ１−Ｖｙ３）×Ｒ
ここで、Ｒは定数である。
この力検出装置１によれば、前述した第２実施形態と同様の効果が得られる。
＜単腕ロボットの実施形態＞
次に、図１０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、前述した各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、本発明の力検出装置を用いた単腕ロボットの１例を示す図である。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５３０と、アーム５２０とエンドエフェクタ５３０との間に設けられた力検出装置１００とを有する。なお、力検出装置１００としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
基台５１０は、アーム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。
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。
なお、エンドエフェクタ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についても同様である。
力検出装置１００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１００が検出する力を基台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１００が検出する力によって、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。
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。
＜複腕ロボットの実施形態＞
次に、図１１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、前述した各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６４０ｂと、第１のアーム６２０と第１のエンドエフェクタ６４０ａ間および第２のアーム６３０と第２のエンドエフェクタ６４０ｂとの間に設けられた力検出装置１００を有する。なお、力検出装置１００としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
基台６１０は、第１のアーム６２０および第２のアーム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。
第１、第２のエンドエフェクタ６４０ａ、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。
力検出装置１００は第１、第２のエンドエフェクタ６４０ａ、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１００が検出する力を基台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１００が検出する力によって、複腕ロボット６００は、第１、第２のエンドエフェクタ６４０ａ、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。
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。
＜電子部品検査装置および電子部品搬送装置の実施形態＞
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、前述した各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１３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。
図１２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、各種センサー、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。
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、力検出装置１００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。なお、力検出装置１００としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
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。
図１３は、力検出装置１００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６軸力検出装置１００と、６軸力検出装置１００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。
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。
また、力検出装置１００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１００が検出する力を制御装置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１００が検出する力によって、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。
＜部品加工装置の実施形態＞
次に、図１４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、前述した各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１００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１００としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
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。
力検出装置１００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１００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。
＜移動体の実施形態＞
次に、図１５に基づき、本発明の移動体の実施形態を説明する。以下、本実施形態について、前述した各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。
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１００と、制御部９３０を有する。なお、力検出装置１００としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
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１００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１００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１００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。
以上、本発明の力検出装置、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。
また、前記実施形態では、固定部材として、与圧ボルト（ネジ）を用いたが、本発明では、これに限定されない。
また、前記実施形態では、外力に応じて信号を出力する素子として、圧電体を用いたものを使用しているが、本発明では、加えられる外力に応じて出力が変化するものであればこれに限定されず、その他、例えば、感圧導電体等を用いたものが挙げられる。
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は、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。
１、１００…力検出装置 ２…第１の基板 ２３…締結部 ２５…孔 ３…第２の基板 ３３…締結部 ３５…雌ネジ ４…回路基板 ４０…外力検出回路 ４０１…ＡＤコンバーター ４０２…演算部 ４１…孔 ７１…与圧ボルト ７１５…頭部 ７１６…雄ネジ ９０ａ、９０ｂ、９０ｃ…変換出力回路 ９１…オペアンプ ９２…コンデンサー ９３…スイッチング素子 １０、１０ａ、１０ｂ…電荷出力素子（素子） １１…グランド電極層 １２…第１のセンサー １２１…第１の圧電体層 １２２…出力電極層 １２３…第２の圧電体層 １３…第２のセンサー １３１…第３の圧電体層 １３２…出力電極層 １３３…第４の圧電体層 １４…第３のセンサー １４１…第５の圧電体層 １４２…出力電極層 １４３…第６の圧電体層 ５００…単腕ロボット ５１０…基台 ５２０…アーム ５２１…第１のアーム要素 ５２２…第２のアーム要素 ５２３…第３のアーム要素 ５２４…第４のアーム要素 ５２５…第５のアーム要素 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 ６２１…第１のアーム要素 ６２２…第２のアーム要素 ６３０…第２のアーム ６３１…第１のアーム要素 ６３２…第２のアーム要素 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 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

Claims (17)

  1. 第１の基板と、
    第２の基板と、
    外力に応じて信号を出力する第１の素子と、
    前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられた前記第１の素子を挟持して、前記第１の素子に圧力を加える固定部材と、
    前記第１の基板と前記固定部材との間に設けられ、前記固定部材により前記第１の素子に加えられる圧力の方向と同じ方向の外力成分に応じて信号を出力する第２の素子と、を備え、
    前記第１の基板の厚み方向からの視認において前記第１の素子に対して少なくとも１対の前記固定部材が配置されていることを特徴とする力検出装置。
  2. 前記第１の基板の厚み方向において、前記第１の素子の中心は前記第２の素子の中心と異なる請求項１に記載の力検出装置。
  3. 第１の基板と、
    第２の基板と、
    外力に応じて信号を出力する第１の素子と、
    前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられた前記第１の素子を挟持して、前記第１の素子に圧力を加える固定部材と、
    前記第１の基板と前記固定部材との間に設けられ、前記固定部材により前記第１の素子に加えられる圧力の方向と同じ方向の外力成分に応じて信号を出力する第２の素子と、を備え、
    前記第１の基板の厚み方向において、前記第１の素子の中心は前記第２の素子の中心と異なることを特徴とする力検出装置。
  4. 前記固定部材により前記第１の素子に加わる圧力の方向と前記第２の素子に加わる圧力の方向とが同じであり、
    前記第１の基板に、前記固定部材により前記第１の素子に加わる圧力の方向と同じ方向の外力が加わったとき、前記第１の素子と前記第２の素子とは、前記外力を互いに逆方向の力として検出する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の力検出装置。
  5. 前記第１の基板は、前記第１の基板を第１の対象物に取り付ける第１の取付部を有し、
    前記第２の基板は、前記第２の基板を第２の対象物に取り付ける第２の取付部を有し、
    前記第１の基板の厚み方向からの投影像において、前記第１の取付部の影と、前記第２の取付部の影と、前記第１の素子の影とが重なっている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の力検出装置。
  6. 前記固定部材は、頭部を有するネジであり、
    前記第２の素子は、前記第１の基板と前記頭部との間に設けられている請求項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の素子から出力される信号および前記第２の素子から出力される信号に基づいて、補正した外力を検出する検出部を有する請求項１ないし６のいずれか１項に記載の力検出装置。
  8. 前記検出部は、前記第１の素子から出力される信号に基づいて求めた電圧と、前記第２の素子から出力される信号に基づいて求めた電圧との差分を取ることにより、補正した外力を検出する請求項７に記載の力検出装置。
  9. 複数の前記第１の素子を有し、
    前記各第１の素子は、前記第１の基板または前記第２の基板の周方向に、等角度間隔に配置されている請求項１ないし８のいずれか１項に記載の力検出装置。
  10. 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、第１の基板と、
    第２の基板と、
    外力に応じて信号を出力する第１の素子と、
    前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられた前記第１の素子を挟持し、前記第１の素子に圧力を加える固定部材と、
    前記第１の基板と前記固定部材との間に設けられ、前記固定部材により前記第１の素子に加えられる圧力の方向と同じ方向の外力成分に応じて信号を出力する第２の素子と、を備え、
    前記第１の基板の厚み方向からの視認において、前記第１の素子に対して少なくとも１対の前記固定部材が配置されていることを特徴とするロボット。
  11. 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、第１の基板と、
    第２の基板と、
    外力に応じて信号を出力する第１の素子と、
    前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられた前記第１の素子を挟持し、前記第１の素子に圧力を加える固定部材と、
    前記第１の基板と前記固定部材との間に設けられ、前記固定部材により前記第１の素子に加えられる圧力の方向と同じ方向の外力成分に応じて信号を出力する第２の素子と、を備え、
    前記第１の基板の厚み方向において、前記第１の素子の中心は前記第２の素子の中心と異なることを特徴とするロボット。
  12. 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、第１の基板と、
    第２の基板と、
    外力に応じて信号を出力する第１の素子と、
    前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられた前記第１の素子を挟持し、前記第１の素子に圧力を加える固定部材と、
    前記第１の基板と前記固定部材との間に設けられ、前記固定部材により前記第１の素子に加えられる圧力の方向と同じ方向の外力成分に応じて信号を出力する第２の素子と、を備え、
    前記第１の基板の厚み方向からの視認において、前記第１の素子に対して少なくとも１対の前記固定部材が配置されていることを特徴とする電子部品搬送装置。
  13. 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、第１の基板と、
    第２の基板と、
    外力に応じて信号を出力する第１の素子と、
    前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられた前記第１の素子を挟持し、前記第１の素子に圧力を加える固定部材と、
    前記第１の基板と前記固定部材との間に設けられ、前記固定部材により前記第１の素子に加えられる圧力の方向と同じ方向の外力成分に応じて信号を出力する第２の素子と、を備え、
    前記第１の基板の厚み方向において、前記第１の素子の中心は前記第２の素子の中心と異なることを特徴とする電子部品搬送装置。
  14. 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、第１の基板と、
    第２の基板と、
    外力に応じて信号を出力する第１の素子と、
    前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられた前記第１の素子を挟持し、前記第１の素子に圧力を加える固定部材と、
    前記第１の基板と前記固定部材との間に設けられ、前記固定部材により前記第１の素子に加えられる圧力の方向と同じ方向の外力成分に応じて信号を出力する第２の素子と、を備え、
    前記第１の基板の厚み方向からの視認において前記第１の素子に対して少なくとも１対の前記固定部材が配置されていることを特徴とする電子部品検査装置。
  15. 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、第１の基板と、
    第２の基板と、
    外力に応じて信号を出力する第１の素子と、
    前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられた前記第１の素子を挟持し、前記第１の素子に圧力を加える固定部材と、
    前記第１の基板と前記固定部材との間に設けられ、前記固定部材により前記第１の素子に加えられる圧力の方向と同じ方向の外力成分に応じて信号を出力する第２の素子と、を備え、
    前記第１の基板の厚み方向において、前記第１の素子の中心は前記第２の素子の中心と異なることを特徴とする電子部品検査装置。
  16. 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、第１の基板と、
    第２の基板と、
    外力に応じて信号を出力する第１の素子と、
    前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられた前記第１の素子を挟持し、前記第１の素子に圧力を加える固定部材と、
    前記第１の基板と前記固定部材との間に設けられ、前記固定部材により前記第１の素子に加えられる圧力の方向と同じ方向の外力成分に応じて信号を出力する第２の素子と、を備え、
    前記第１の厚み方向からの視認において、前記第１の素子に対して少なくとも１対の前記固定部材が配置されていることを特徴とする部品加工装置。
  17. 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、第１の基板と、
    第２の基板と、
    外力に応じて信号を出力する第１の素子と、
    前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられた前記第１の素子を挟持し、前記第１の素子に圧力を加える固定部材と、
    前記第１の基板と前記固定部材との間に設けられ、前記固定部材により前記第１の素子に加えられる圧力の方向と同じ方向の外力成分に応じて信号を出力する第２の素子と、を備え、
    前記第１の基板の厚み方向において、前記第１の素子の中心は前記第２の素子の中心と異なることを特徴とする部品加工装置。
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