JP2015184006A - 力検出装置、ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】熱伝導を低減することにより、温度ドリフトの発生を効果的に低減することができる力検出装置、ロボット、電子部品搬送装置および電子部品検出装置を提供することにある。【解決手段】力検出装置１は、第１基部２と、第１基部２に対向配置された第２基部３と、第１基部２と第２基部３との間に設けられ、外力に応じて信号を出力する電荷出力素子（圧電素子）１０と、第１基部２と第２基部３との間に設けられ、電荷出力素子１０から出力される信号が入力されるデジタル回路基板５と、第１基部２と第２基部３との間に設けられた放熱板（第１部分）８１を有し、デジタル回路基板５よりも熱伝導率の高い放熱部８と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、力検出装置、ロボットに関する。

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の導入が進められている。このような産業ロボットとしては、アルミニウム板等の母材に対して機械加工を施す工作機械が代表的である。工作機械には、機械加工を施す際に、母材に対する力を検出する力検出装置が内蔵されたものがある。

この検出精度では、各部を構成する部材へ熱の伝わる程度の差や、時間の差により、部材同士間での熱膨張の程度に差が生じ、温度ドリフトが生じるという問題がある。そこで、力検出装置の内部に配置される回路基板に温度センサーを設け、この温度センサーにより温度補正を行うことが提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、力検出装置の温度変化は、非常に微小であるため、温度センサーの設置位置や感度によっては、温度変化を十分に検出できない場合がある。

特開平２０１１−２５７２６７号公報

本発明の目的は、放熱効果を高めることにより、温度ドリフトの発生を効果的に低減することができる力検出装置、ロボットを提供することにある。

このような目的は、下記の本発明により達成される。
（適用例１）
本発明の力検出装置は、第１基部と、
第２基部と、
前記第１基部と前記第２基部との間に設けられた圧電素子と、
前記第１基部と前記第２基部との間に設けられ、前記圧電素子から出力される信号が入力される回路基板と、
前記第１基部と前記第２基部との間に設けられた第１部分を有し、前記回路基板よりも熱伝導率の高い放熱部と、を備えることを特徴とする。

これにより、力検出装置の内部で発生した熱は、回路基板より優先して放熱部に伝わり外部に放出される。すなわち、力検出装置が放熱部による高い放熱効果を発揮する。このため、力検出装置の内部で発生した熱に起因して、例えば、第１基部と第２基部との位置ズレによる熱ドリフトが発生するのを低減することができる。

（適用例２）
本発明の力検出装置では、前記放熱部は、前記第１部分に接触し、かつ、前記第１基部および前記第２基部の外側に設けられた第２部分を有することが好ましい。
これにより、放熱部による放熱効果がより高まる。

（適用例３）
本発明の力検出装置では、前記放熱部は、複数の突起を有することが好ましい。
これにより、放熱部による放熱効果がより高まる。

（適用例４）
本発明の力検出装置では、前記放熱部と、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との間に設けられ、前記放熱部よりも熱伝導率の低い断熱部を備えることが好ましい。

これにより、放熱部に伝わる熱が第１基部および／または第２基部に伝わるのをより確実に回避することができる。

（適用例５）
本発明の力検出装置では、前記放熱部は、前記断熱部を介して前記第１基部および前記第２基部のうちの少なくとも一方に接合されていることが好ましい。

これにより、第１基部と第２基部との位置関係が規制されるため、これらに位置ズレが生じるのを防止する効果も得られる。

（適用例６）
本発明の力検出装置では、前記回路基板は、電源回路を有することが好ましい。

かかる構成の力検出装置に、本発明を適用することにより、その効果が好適に発揮される。

（適用例７）
本発明の力検出装置では、前記圧電素子は、水晶を含むことが好ましい。

これにより、圧電素子は、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ができる。

（適用例８）
本発明のロボットは、アームと、
前記アームに設けられたエンドエフェクターと、
前記アームと前記エンドエフェクターの間に設けられた力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、第１基部と、前記第１基部に対向配置された第２基部と、前記第１基部と前記第２基部との間に設けられた圧電素子と、前記第１基部と前記第２基部との間に設けられ、前記圧電素子から出力される信号が入力される回路基板と、前記第１基部と前記第２基部との間に設けられた第１部分を有し、前記回路基板よりも熱伝導率の高い放熱部と、を備えることを特徴とする。

これにより、力検出装置に熱ドリフトが発生するのを好適に低減することができる。したがって、このようなロボットによれば、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。

本発明に係る力検出装置を示す縦断面図である。 図１中のＡ−Ａ線断面図である。 センサーデバイス付近を示す図２の部分拡大図である。 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に示す力検出装置が備える電荷出力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中の矢印Ｄ方向から見た図である。 断熱部の他の構成例を示す断面図である。 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。

以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
１．力検出装置
図１は、本発明に係る力検出装置を示す縦断面図であり、図２は、図１中のＡ−Ａ線断面図であり、図３は、センサーデバイス付近を示す図２の部分拡大図であり、図４は、図１に示す力検出装置を概略的に示す回路図であり、図５は、図１に示す力検出装置が備える電荷出力素子を概略的に示す断面図であり、図６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り、図７は、図６中の矢印Ｄ方向から見た図であり、図８は、断熱部の他の構成例を示す断面図である。

なお、以下では、図１、図３および図８中の上側を「上」または「上方」、下側を「下」または「下方」と言うが、図１（図８）および図３において、それらの上下方向は一致していない。また、図３では、アナログ回路基板４の図示を省略している。

また、図２および図６には、互いに直交する３つの軸として、α軸、β軸およびγ軸が図示されている。また、図１、図５および図８には、上記３つの軸のうち、γ軸のみを図示している。

図１に示す力検出装置１は、力検出装置１に加えられた外力、すなわち、６軸力（α、β、γ軸方向の並進力成分およびα、β、γ軸周りの回転力成分）を検出する機能を有する。

この力検出装置１は、第１基部（基部）２と、第１基部２から所定の間隔を隔てて配置され、第１基部２に対向する第２基部（基部）３と、第１基部２と第２基部３との間に収納された（設けられた）アナログ回路基板４と、第１基部２と第２基部３との間に収納され（設けられ）、アナログ回路基板４と電気的に接続されたデジタル回路基板５と、アナログ回路基板４に搭載され、外力に応じて信号を出力する電荷出力素子（圧電素子）１０および電荷出力素子１０を収納するパッケージ（収容部）６０を有する４つのセンサーデバイス（圧力検出部）６と、８つの与圧ボルト（固定部材）７１と、力検出装置１の各部で生じた熱を放熱する放熱部８と、を備えている。

以下に、力検出装置１の各部の構成について詳述する。
なお、以下の説明では、図２に示すように、４つのセンサーデバイス６のうち、図２中の右側に位置するセンサーデバイス６を「センサーデバイス６Ａ」といい、以降反時計回りに順に「センサーデバイス６Ｂ」、「センサーデバイス６Ｃ」、「センサーデバイス６Ｄ」という。

図１および図２に示すように、第１基部（ベースプレート）２は、外形が板状をなし、その平面形状は、丸みを帯びた四角形をなす。なお、第１基部２の平面形状は、図示のものに限定されず、例えば円形や四角形外の多角形等であってもよい。

第１基部２の下面２２１は、力検出装置１が例えばロボットに固定されて使用されるときに、当該ロボット（測定対象）に対する取付面（第１取付面）として機能する。

この第１基部２は、底板２２と、底板２２から上方に向かって立設した壁部２４とを有し、これらが、例えば、接着剤による接着、融着等により接合（固定）されている。なお、本実施形態では、底板２２と壁部２４とは、別体として形成されているが、これらは、一体的に形成されていてもよい。

壁部２４は、外方に臨む面に凸部２３が突出形成されている。凸部２３の頂面２３１は、底板２２に対して垂直な平面である。また、凸部２３には、後述する与圧ボルト７１の雄ネジ７２と螺合する雌ネジ２４１が設けられている（図２および図３参照）。

図１に示すように、第１基部２に対し所定の間隔を隔てて対向するように、第２基部（カバープレート）３が配置されている。

第２基部３も、第１基部２と同様に、その外形が板状をなしている。また、第２基部３の平面形状は、第１基部２の平面形状に対応した形状であることが好ましく、本実施形態では、第２基部３の平面視形状は、第１基部２の平面視形状と同様に、角部が丸みを帯びた四角形をなしている。また、第２基部３は、第１基部２を包含する程度の大きさであるのが好ましい。

第２基部３の上面３２１は、力検出装置１が例えばロボットに固定されて使用されるときに、当該ロボットに装着されるエンドエフェクター（測定対象）に対する取付面（第２取付面）として機能する。また、第２基部３の上面３２１と、前述した第１基部２の下面２２１とは、外力が付与していない自然状態では平行となっている。

また、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側壁３３とを有し、これらが、例えば、接着剤による接着、融着等により接合（固定）されている。なお、本実施形態では、天板３２と側壁３３とは、別体として形成されているが、これらは、一体的に形成されていてもよい。側壁３３の内壁面３３１は、天板３２に対して垂直な平面である。そして、第１基部２の頂面２３１と第２基部３の内壁面３３１との間には、センサーデバイス６が設けられている。

また、第１基部２と第２基部３とは、与圧ボルト７１により、接続、固定されている。この与圧ボルト７１は、図２に示すように、８本（複数）あり、そのうちの２本ずつが各センサーデバイス６の両側に配置されている。なお、１つのセンサーデバイス６に対する与圧ボルト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。

与圧ボルト７１は、雄ネジ（柱状部分）７２と、その一端に、雄ネジ７２と一体的に形成されたネジ頭７３とを有している。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、各種樹脂材料、各種金属材料等を用いることができる。

このように与圧ボルト７１によって接続された第１基部２と第２基部３とで、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄ、アナログ回路基板４、およびデジタル回路基板５を収納する収納空間を形成している。この収納空間は、円形または角丸正方形の断面形状を有する。

また、図１に示すように、第１基部２と第２基部３との間には、センサーデバイス６に接続されたアナログ回路基板４が設けられている。

アナログ回路基板４のセンサーデバイス６（具体的には、電荷出力素子１０）が配置されている部位には、第１基部２の各凸部２３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。

また、図２に示すように、アナログ回路基板４には、各与圧ボルト（第１部材）７１の雄ネジ７２が挿通される貫通孔が設けられている。

また、図４に示すように、センサーデバイス６Ａに接続されたアナログ回路基板４は、センサーデバイス６Ａの電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｙ１を電圧Ｖｙ１に変換する変換出力回路９０ａと、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｚ１を電圧Ｖｚ１に変換する変換出力回路９０ｂと、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９０ｃとを備えている。

センサーデバイス６Ｂに接続されたアナログ回路基板４は、センサーデバイス６Ｂの電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｙ２を電圧Ｖｙ２に変換する変換出力回路９０ａと、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｚ２を電圧Ｖｚ２に変換する変換出力回路９０ｂと、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｘ２を電圧Ｖｘ２に変換する変換出力回路９０ｃとを備えている。

センサーデバイス６Ｃに接続されたアナログ回路基板４は、センサーデバイス６Ｃの電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｙ３を電圧Ｖｙ３に変換する変換出力回路９０ａと、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｚ３を電圧Ｖｚ３に変換する変換出力回路９０ｂと、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｘ３を電圧Ｖｘ３に変換する変換出力回路９０ｃとを備えている。

センサーデバイス６Ｄに接続されたアナログ回路基板４は、センサーデバイス６Ｄの電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｙ４を電圧Ｖｙ４に変換する変換出力回路９０ａと、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｚ４を電圧Ｖｚ４に変換する変換出力回路９０ｂと、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｘ４を電圧Ｖｘ４に変換する変換出力回路９０ｃとを備えている。

また、図１に示すように、第１基部２と第２基部３との間には、第１基部２上のアナログ回路基板４が設けられている位置とは異なる位置（壁部２４）に支持され、アナログ回路基板４に電気的に接続されたデジタル回路基板５が設けられている。したがって、アナログ回路基板４とデジタル回路基板５とにより、一体的に機能する１つの回路基板が構成されている。図４に示すように、デジタル回路基板５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とを有する外力検出回路４０を備えている。また、図１に示すように、デジタル回路基板５は、力検出装置１の各部に電力を供給する電源回路５０も備えている。

なお、上述した第１基部２、第２基部３、アナログ回路基板４の各素子および各配線以外の部位、デジタル回路基板５の各素子および各配線以外の部位の構成材料としては、それぞれ、特に限定されず、例えば、各種樹脂材料、各種金属材料等を用いることができる。

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。

次に、センサーデバイス６について、詳細に説明する。
［センサーデバイス］
図１、図２に示すように、センサーデバイス６Ａは、第１基部２の４つの凸部２３のうちの１つの凸部２３の頂面２３１と、この頂面２３１に対向する内壁面３３１とによって挟持されている。このセンサーデバイス６Ａと同様に、前記と異なる１つの凸部２３の頂面２３１と、この頂面２３１に対向する内壁面３３１とによって、センサーデバイス６Ｂが挟持されている。また、前記と異なる１つの凸部２３の頂面２３１と、この頂面２３１に対向する内壁面３３１とによって、センサーデバイス６Ｃが挟持されている。さらに、前記と異なる１つの凸部２３の頂面２３１と、この頂面２３１に対向する内壁面３３１によって、センサーデバイス６Ｄが挟持されている。

なお、以下では、各センサーデバイス６Ａ〜６Ｄが第１基部２および第２基部３によって挟持されている方向を「挟持方向ＳＤ」という。また、各センサーデバイス６Ａ〜６Ｄのうちセンサーデバイス６Ａが挟持されている方向を第１挟持方向、センサーデバイス６Ｂが挟持されている方向を第２挟持方向、センサーデバイス６Ｃが挟持されている方向を第３挟持方向、センサーデバイス６Ｄが挟持されている方向を第４挟持方向ということもある。

なお、本実施形態では、図１に示すように、センサーデバイス６は、アナログ回路基板４の第２基部３（側壁３３）側に設けられているが、センサーデバイス６は、アナログ回路基板４の第１基部２側に設けられていてもよい。

また、図２に示すように、センサーデバイス６Ａおよびセンサーデバイス６Ｂと、センサーデバイス６Ｃおよびセンサーデバイス６Ｄとは、第１基部２のβ軸に沿った中心軸２７１に関して対称的に配置されている。すなわち、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄは、第１基部２の中心２７２回りに等角度間隔に配置されている。このようにセンサーデバイス６Ａ〜６Ｄを配置することより、外力を偏りなく検出することができる。

なお、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄの配置は図示のものに限定されないが、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄは、第２基部３の上面３２１から見て、第２基部３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、力検出装置１に加わる外力を安定して検出することができる。

また、本実施形態では、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄは、全て同じ方向を向いた状態に搭載されているが、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄの向きは、それぞれ、異なっていてもよい。

このように配置されたセンサーデバイス６は、図１、図２に示すように、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。また、本実施形態では、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄは、同様の構成である。

［電荷出力素子］
電荷出力素子１０は、力検出装置１に加わった外力、すなわち第１基部２または第２基部３の少なくとも一方の基部に加えられた外力に応じて電荷を出力する機能を有する。

なお、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄが備える各電荷出力素子１０は、同じ構成であるため、１つの電荷出力素子１０について中心的に説明する。

図５に示すように、センサーデバイス６が備える電荷出力素子１０は、グランド電極層１１と、第１のセンサー１２と、第２のセンサー１３と、第３のセンサー１４とを有している。

第１のセンサー１２は、外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｘ（電荷Ｑｘ１、Ｑｘ２、Ｑｘ３、Ｑｘ４のいずれか）を出力する機能を有する。第２のセンサー１３は、外力（圧縮／引張力）に応じて電荷Ｑｚ（電荷Ｑｚ１、Ｑｚ２、Ｑｚ３、Ｑｚ４）を出力する機能を有する。第３のセンサー１４は、外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｙ（電荷Ｑｙ１、Ｑｙ２、Ｑｙ３、Ｑｙ４）を出力する。

また、センサーデバイス６が備える電荷出力素子１０は、グランド電極層１１と各センサー１２、１３、１４は交互に平行に積層されている。以下、この積層された方向を「積層方向ＬＤ」という。この積層方向ＬＤは、上面３２１の法線ＮＬ_２（または下面２２１の法線ＮＬ_１）と直交する方向となっている。また、積層方向ＬＤは、挟持方向ＳＤと平行となっている。

また、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、各側壁３３の内壁面３３１に対して垂直な方向から見て、四角形をなしている。なお、各電荷出力素子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。

以下、グランド電極層１１、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について詳述する。

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、積層方向ＬＤ（第１の挟持方向）と直交する、すなわち、法線ＮＬ_２（法線ＮＬ_１）の方向と同じ方向の第１検出方向の外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｘを出力する機能を有する。すなわち、第１のセンサー１２は、外力に応じて正電荷または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の圧電体層（第１検出板）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）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。

第１の圧電体層１２１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１の圧電体層１２１の厚さ方向に沿った軸であり、ｘ軸は、図５中の紙面奥行き方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図５中の上下方向に沿った軸である。

以下では、これら図示した各矢印の先端側を「＋（正）」、基端側を「−（負）」として説明する。また、ｘ軸に平行な方向を「ｘ軸方向」、ｙ軸に平行な方向を「ｙ軸方向」、ｚ軸に平行な方向を「ｚ軸方向」という。なお、後述する第２の圧電体層１２３、第３の圧電体層１３１、第４の圧電体層１３３、第５の圧電体層１４１、および第６の圧電体層１４３についても同様である。

水晶により構成された第１の圧電体層１２１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。また、Ｙカット水晶板は、その面方向に沿った外力（せん断力）に対して電荷を生ずる。

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。

第２の圧電体層１２３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２の圧電体層１２３の厚さ方向に沿った軸であり、ｘ軸は、図５中の紙面奥行き方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図５中の上下方向に沿った軸である。

水晶により構成された第２の圧電体層１２３も第１の圧電体層１２１と同様に、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し、Ｙカット水晶板であることにより、その面方向に沿った外力（せん断力）に対して電荷を生ずる。

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力（せん断力）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。

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Ｑｘ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ｘ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Ｑｘ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ｘ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Ｑｘが出力される。

また、第１のセンサー１２が第１の圧電体層１２１と第２の圧電体層１２３とを有する構成となっていることは、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３のうちの一方のみと出力電極層１２２とで構成されている場合と比較して、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Ｑｘを増加させることができる。なお、後述する第２のセンサー１３、第３のセンサー１４についても同様である。

また、出力電極層１２２の大きさは、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３の大きさ以上であることが好ましい。出力電極層１２２が、第１の圧電体層１２１または第２の圧電体層１２３よりも小さい場合、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Ｑｘ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、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。すなわち、第２のセンサー１３は、圧縮力に応じて正電荷を出力し、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の圧電体層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。

第３の圧電体層１３１は、Ｘカット水晶板で構成され、互いに直交するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を有する。ｘ軸は、第３の圧電体層１３１の厚さ方向に沿った軸であり、ｙ軸は、図５中の上下方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図５中の紙面奥行き方向に沿った軸である。

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。

第４の圧電体層１３３も、Ｘカット水晶板で構成され、互いに直交するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を有する。ｘ軸は、第４の圧電体層１３３の厚さ方向に沿った軸であり、ｙ軸は、図５中の上下方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図５中の紙面奥行き方向に沿った軸である。

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。

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ｘ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ｘ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、積層方向ＬＤ（第２の挟持方向）と直交し、第１のセンサー１２が電荷Ｑｘを出力する際に作用する外力の第１検出方向と交差する第２検出方向の外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｘを出力する機能を有する。すなわち、第３のセンサー１４は、外力に応じて正電荷または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の圧電体層（第２検出板）１４１と、第５の圧電体層１４１と対向して設けられた第６の圧電体層（第２検出板）１４３と、第５の圧電体層１４１と第６の圧電体層１４３との間に設けられた出力電極層１４２を有する。

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５中の上下方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図５中の紙面奥行き方向に沿った軸である。

水晶により構成された第５の圧電体層１４１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。また、Ｙカット水晶板は、その面方向に沿った外力（せん断力）に対して電荷を生ずる。

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。

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２の圧電体層１２３の厚さ方向に沿った軸であり、ｘ軸は、図５中の上下方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図５中の紙面奥行き方向に沿った軸である。

水晶により構成された第６の圧電体層１４３も第５の圧電体層１４１と同様に、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し、Ｙカット水晶板であることにより、その面方向に沿った外力（せん断力）に対して電荷を生ずる。

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。

電荷出力素子１０では、積層方向ＬＤから見たとき、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３の各ｘ軸と、第５の圧電体層１４１および第６の圧電体層１４３の各ｘ軸とが交差している。また、積層方向ＬＤから見たとき、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３の各ｚ軸と、第５の圧電体層１４１および第６の圧電体層１４３の各ｚ軸とが交差している。

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Ｑｙ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ｘ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Ｑｙ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ｘ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Ｑｙが出力される。

このように、電荷出力素子１０では、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、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸に沿った各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。

また、電荷出力素子１０は、上述したように、電荷Ｑｚを出力することができるが、力検出装置１では、各外力を求める際、電荷Ｑｚを用いないことが好ましい。すなわち、力検出装置１は、圧縮や引張力を検出せずに、せん断力を検出する装置として用いることが好ましい。これにより、力検出装置１の温度変化に起因するノイズ成分を低減することができる。

ここで、外力検出時に電荷Ｑｚを用いないことが好ましい理由として、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。

このようなことから、電荷出力素子１０は、圧縮や引張力が加えられることで生じる電荷Ｑｚを用いずに、せん断力が加えられることで生じる電荷Ｑｘ、Ｑｙのみを検出することで、温度の変動による影響をより受けにくくすることができる。

なお、出力された電荷Ｑｚは、例えば、与圧ボルト７１による与圧の調整に用いられる。

また、本実施形態では、前述した各圧電体層（第１の圧電体層１２１、第２の圧電体層１２３、第３の圧電体層１３１、第４の圧電体層１３３、第５の圧電体層１４１、および第６の圧電体層１４３）は、全て水晶を用いた構成としているが、各圧電体層は、水晶以外の圧電材料を用いた構成であってもよい。水晶以外の圧電材料としては、例えば、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）Ｏ_３）、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等が挙げられる。しかしながら、各圧電体層は、水晶を用いた構成であることが好ましい。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。
このような電荷出力素子１０がパッケージ６０内に収容されている。

［パッケージ］
図３に示すように、パッケージ６０は、パッケージ本体６１と、パッケージ本体６１に接合された蓋体６２とを有している。

パッケージ本体６１は、平板状をなす底部６１１と、底部６１１から立設する壁部６１２とを備えている。底部６１１と壁部６１２とにより凹部６５が画成され、この凹部６５内に電荷出力素子１０が収容されている。

底部６１１は、第１基部２の凸部２３の頂面２３１と接するように設けられ、第１基部２に加えられた外力を電荷出力素子１０に伝達する。

本実施形態では、底部６１１の平面視形状は、電荷出力素子１０の平面視形状に対応して四角形であるが、四角形以外の多角形、円形、楕円形等であってもよい。また、底部６１１の角部は、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。

底部６１１の外周部に沿って、四角形の筒状をなす壁部６１２が底部６１１と一体的に形成されている．壁部６１２は、外側の外壁部６１３と、外壁部６１３の内側に位置し、外壁部６１３より高さの低い内壁部６１４とで構成されている。このような構成により、パッケージ本体６１は、その縦断面において階段状をなしている。

パッケージ本体６１には、図示しない複数の配線が形成（引き回）されている。各配線の一端部は、内壁部６１４の上面において凹部６５内に露出し、当該部分において接続部６４を介して電荷出力素子１０に電気的に接続されている。一方、各配線の他端部は、底部６１１の下面においてパッケージ本体６１の外部に露出し、当該部分において接続部（図示せず）を介してアナログ回路基板４に電気的に接続されている。

なお、配線は、導電性を有していればよく、例えば、クロム、タングステンなどのメタライズ層（下地層）に、ニッケル、金、銀、銅などの各被膜を積層することにより構成することができる。また、接続部は、例えば、Ａｇペースト、Ｃｕペースト、Ａｕペースト等の導電性ペーストで形成することができるが、入手が容易であり、取扱性にも優れているため、Ａｇペーストで形成することが好ましい。

パッケージ本体６１（外壁部６１３）には、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等で構成されるシーリング６３を介して、蓋体６２が接合されている。これにより、電荷出力素子１０は、パッケージ６０によって気密的に封止され、外気から遮断されることにより、出力された電荷が水分等によって不本意に漏洩されることが防止されている。

この蓋体６２は、第２基部３に当接して設けられており、第２基部３に加えられた外力を電荷出力素子１０に伝達する。

蓋体６２は、平板状の部材を、その中央部分６２５が外周部分６２６より第２基部３に向かって突出するように屈曲（または湾曲）変形させたような形状（全体として皿状）をなしている。

このような構成により、蓋体６２の中央部分６２５は、第２基部３の内壁面３３１に当接している。なお、中央部分６２５の平面視形状は、特に限定されないが、本実施形態では、電荷出力素子１０の平面視形状に対応する形状、すなわち、四角形をなしている。

パッケージ６０（パッケージ本体６１および蓋体６２）は、絶縁性材料で構成されているのが好ましく、この絶縁性材料としては、例えば、アルミナ、ジルコニア等の酸化物系のセラミックス、炭化ケイ素等の炭化物系のセラミックス、窒化ケイ素等の窒化物系のセラミックス等の各種セラミックス材料、各種硬質樹脂材料、または、これらの組み合わせ等が挙げられる。

なお、パッケージ６０は、セラミックスを主成分する材料で構成することが好ましい。セラミックスは、適度な剛性を有するともに、絶縁性に優れている。そのため、パッケージ６０の変形による損傷が生じにくく、内部に収容された電荷出力素子１０をより確実に保護することができる。

また、前述したように、第１基部２と第２基部３とは、与圧ボルト７１によって固定されている。

この与圧ボルト７１による固定は、頂面２３１と内壁面３３１との間に各センサーデバイス６を配置した状態で、与圧ボルト７１を第２基部３の側壁３３側から第１基部２の凸部２３に向かって差し込み、与圧ボルト７１の雄ネジ７２を第１基部２に形成された雌ネジ２４１に螺合する。このようにして、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と第２基部３とによって所定の大きさの圧力、すなわち、与圧が加えられる。

なお、第１基部２と、第２基部３とは、２つの与圧ボルト７１により、互いに所定量の変位（移動）が可能なように固定される。第１基部２と、第２基部３とが互いに所定量の変位が可能なように固定されることで、力検出装置１に外力（せん断力）が加わることで電荷出力素子１０にせん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、各与圧ボルト７１による与圧方向は、積層方向ＬＤに平行な方向となっている。

図６に示すように、このような構成の電荷出力素子１０は、その積層方向ＬＤが、α軸に対して傾斜角度εで傾斜している。具体的には、第１のセンサー１２のｘ軸および第３のセンサー１４のｚ軸がα軸に対して傾斜角度εで傾斜している。したがって、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。

また、図７に示すように、各電荷出力素子１０は、第１のセンサー１２のｘ軸と第１基部２の底板２２とのなす角度をηとしたとき、角度ηが０°≦η＜９０°を満足する程度まで傾くのが許容される。なお、図７は、図６中の矢印Ｄ方向から見た図であり、α軸（底板２２の下面２２１）に対して角度ηで傾斜した場合の電荷出力素子１０を仮想線（２点鎖線）で図示している。

次に、各アナログ回路基板４が備える変換出力回路９０ａ、変換出力回路９０ｂ、および変換出力回路９０ｃについて詳述する。

［変換出力回路］
図４に示すように、各変換出力回路９０ｃが、電荷Ｑｘ１〜Ｑｘ４のいずれか（電荷Ｑｘ）を電圧Ｖｘ１〜Ｖｘ４のいずれか（代表的に「電圧Ｖｘ」という）に変換し、各変換出力回路９０ｂが、電荷Ｑｚ１〜Ｑｚ４のいずれか（電荷Ｑｚ）を電圧Ｖｚ１〜Ｖｚ４のいずれか（代表的に「電圧Ｖｚｙ」という）に変換し、各変換出力回路９０ａが、電荷Ｑｙ１〜Ｑｙ４のいずれか（電荷Ｑｙ）を電圧Ｖｙ１〜Ｖｙ４のいずれか（代表的に「電圧Ｖｙ」という）に変換する。

以下に、変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃの構成等について詳述するが、各変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃは、同じ構成であるため、以下では、変換出力回路９０ｃについて代表的に説明する。

図４に示すように、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に変換して電圧Ｖｘ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Ｑｘは、静電容量Ｃ１を有するコンデンサー９２に蓄えられ、電圧Ｖｘ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Ｑｘ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Ｖｘは、電荷出力素子１０から出力される電荷Ｑｘ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）、その他、半導体スイッチまたはＭＥＭＳスイッチ等である。このようなスイッチは、機械式スイッチ（メカスイッチ）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。なお、図４に示すように、このようなスイッチは、変換出力回路９０ｃや、変換出力回路９０ａ、９０ｂに実装されているが、その他、ＡＤコンバーター４０１にも実装することができる。

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。

次に、デジタル回路基板５が備える外力検出回路４０について詳述する。
［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。

この外力検出回路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。

ＡＤコンバーター４０１は、電圧Ｖｘ１、Ｖｙ１、Ｖｚ１、Ｖｘ２、Ｖｙ２、Ｖｚ２、Ｖｘ３、Ｖｙ３、Ｖｚ３、Ｖｘ４、Ｖｙ４、Ｖｚ４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は、演算部４０２に入力される。

演算部４０２は、デジタル変換された電圧Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ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なう。そして、演算部４０２は、電荷出力素子１０から出力される電荷Ｑｘ、Ｑｙ、Ｑｚの蓄積量に比例する３つの信号を出力する。

＜α軸、β軸およびγ軸方向の力検出（力検出方法）＞
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（底板２２）に対して平行であり、かつ、上面３２１の法線ＮＬ_２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、α軸方向の力Ｆ_Ａ、β軸方向の力Ｆ_Ｂおよびγ軸方向の力Ｆ_Ｃは、それぞれ、下記式（１）、（２）および（３）で表すことができる。式（１）〜（３）中の「ｆｘ_１−１」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、「ｆｘ_１−２」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、「ｆｘ_２−１」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、「ｆｘ_２−２」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。

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）

例えば、図１、図２に示す構成の力検出装置１の場合、εは４５°、ηは０°となる。式（１）〜（３）のεに４５°を代入し、ηに０°を代入すると、力Ｆ_Ａ〜Ｆ_Ｃは、それぞれ、
Ｆ_Ａ＝ｆｘ_１−１／√２−ｆｘ_２−１／√２
Ｆ_Ｂ＝−ｆｘ_１−１／√２−ｆｘ_２−１／√２
Ｆ_Ｃ＝−ｆｘ_１−２−ｆｘ_２−２
となる。

このように力検出装置１では、力Ｆ_Ａ〜Ｆ_Ｃを検出する際、温度の変動による影響を受け易い、すなわち、ノイズが乗り易い第２のセンサー１３（電荷Ｑｚ）を用いずに、その検出を行なうことができる。したがって、力検出装置１は、温度の変動による影響を受けにくく、例えば従来の力検出装置の１／２０以下に低減された装置となる。これにより、力検出装置１は、温度変化の激しい環境下でも、力Ｆ_Ａ〜Ｆを正確に安定して検出することができる。

なお、実施形態での力検出装置１全体の並進力Ｆ_Ａ〜Ｆ_Ｃ、および回転力Ｍ_Ａ〜Ｍ_Ｃは、各電荷出力素子１０からの電荷に基づいて算出される。また、本実施形態では、電荷出力素子１０は４つ設けられているが、電荷出力素子１０は少なくとも３つ設けられていれば、回転力Ｍ_Ａ〜Ｍ_Ｃを算出することが可能である。

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ー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能力の２０％よりも軽い。これにより、力検出装置１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。

このような力検出装置１は、各部（特に、デジタル回路基板５）で生じた熱を放熱するための放熱部８を備えている。

本実施形態では、図１に示すように、デジタル回路基板５と第２基部３との間に、デジタル回路基板５の電源回路５０に接触して設けられた放熱板（第１部分）８１と、放熱板８１に接続された放熱壁８２とを有している。放熱壁８２は、第１基部２および第２基部３の外周（外側）を囲むように設けられ、その外周が力検出装置１の外部に露出している。また、放熱部８（放熱板８１および放熱壁８２）は、その熱伝導率が、アナログ回路基板４およびデジタル回路基板５（これらを総称して「回路基板」とも言う。）の熱伝導率より高くなるように構成されている。

本発明者らの検討によれば、力検出装置１の熱ドリフトの発生は、与圧ボルト７１に伝わる熱に大きく影響を受けることが判ってきた。すなわち、アナログ回路基板４やデジタル回路基板５、特に、デジタル回路基板５で発生した熱が作用して与圧ボルト７１が熱膨張することにより、例えば、第１基部２と第２基部３との位置ズレが生じることで熱ドリフトが発生する。

本発明の構成によれば、力検出装置１の内部（特に、電源回路５０）で発生した熱は、回路基板より優先して放熱板８１、さらには放熱壁８２に伝わり、力検出装置１の外部に放出される。このため、力検出装置１の内部で発生した熱が、与圧ボルト７１に伝わって、与圧ボルト７１が熱膨張することを防止または抑制することができる。これにより、与圧ボルト７１の熱膨張に起因して、例えば、第１基部２と第２基部３との位置ズレによる熱ドリフトが発生するのを低減することができる。

図２に示すように、放熱板８１の平面視形状は、第１基部２の底板２２および第２基部３の天板３２の形状に対応して、４つの角部が丸みを帯びた四角形状をなしている。そして、放熱板８１の４辺の途中に、それぞれ、切欠部８１１が形成されている。各切欠部８１１の平面視形状は、長方形状であり、側壁３３およびアナログ回路基板４が放熱板８１に接触することなく収まる程度の大きさである。したがって、放熱板８１と側壁３３およびアナログ回路基板４との間に隙間が形成されるので、放熱板８１に伝わる熱が、直接、側壁３３およびアナログ回路基板４に伝わることを回避することができる。

このような放熱板８１は、各角部およびその近傍において、例えば、融着、ろう接、溶接等により、放熱壁８２に接続（固定）されている。なお、放熱板８１と放熱壁８２とは、一体的に形成されていてもよい。

放熱壁８２は、ほぼ四角形の筒状をなしており、その内側に力検出装置１を構成する各部が設けられている。放熱壁８２の内周面で規定される空間（内腔部）の横断面積は、第１基部２および第２基部３の平面積より若干大きく設定されている。したがって、放熱壁８２と第１基部２および第２基部３との間には、環状の隙間が形成されている。このため、放熱壁８２に伝わる熱が、直接、第１基部２および第２基部３に伝わるのを回避することができる。

一方、放熱壁８２の外周面には、その上下方向に沿って、複数のリブ（突起）８２１が突出形成されている。各リブ８２１は、放熱壁８２の外周面の全周にわたって形成されており、平面視において円環状をなしている。このようなリブ８２１を放熱壁８２の外周面に設けることにより、放熱壁８２による放熱効果をより高めることができる。

このような放熱部８（放熱板８１および放熱壁８２）の熱伝導率（常温）は、回路基板の熱伝導率（常温）より高ければよく、その具体的な値は、特に限定されないが、５０〜５００Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１程度であるのが好ましく、７５〜４００Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１程度であるのがより好ましい。これにより、放熱部８による放熱効果をより高めることができる。なお、回路基板の熱伝導率とは、半導体素子等が形成（実装）された状態での全体としての熱伝導率を言う。

かかる熱伝導率を有する材料（すなわち、放熱部８の構成材料）としては、例えば、鉄、ニッケル、アルミニウム、銅等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。

本実施形態では、デジタル回路基板５には、電源回路５０が設けられている。電源回路５０は、オンにすると発熱し、この発熱による熱で力検出装置１に温度ドリフトが生じ易くなる傾向がある、したがって、デジタル回路基板５に電源回路５０が設けられた構成の力検出装置１に、本発明を適用することにより、その効果が好適に発揮される。なお、電源回路５０は、アナログ回路基板４に設けるようにしてもよく、デジタル回路基板５およびアナログ回路基板４の双方（回路基板）に設けるようにしてもよい。このように、回路基板に電源回路を設けることにより、力検出装置１の小型化および構成の簡略化を図ることもできる。特に、図１に示すように、放熱板８１をデジタル回路基板５に近接して（特に、接触して）設けることにより、放熱部８による放熱効果をより向上させることができる。

なお、本実施形態では、図１に示すように、放熱壁８２と底板２２（第１基部２）および天板３２（第２基部３）とは、放熱部８より熱伝導率の低い断熱接合部９０１（断熱部９）を介して接合されている。これにより、放熱壁８２と第１基部２および第２基部３とを断熱するとともに、放熱壁８２（放熱部８）を第１基部２および第２基部３に対して固定している。かかる構成により、放熱壁８２の熱が、第１基部２および第２基部３に伝わるのをより確実に回避することができる。また、第１基部２と第２基部３との位置関係が規制されるため、これらに位置ズレが生じるのを防止する効果も得られる。本実施形態では、この断熱接合部９０１が断熱部９を構成している。

断熱接合部９０１の熱伝導率（常温）は、放熱部８の熱伝導率（常温）より低ければよく、その具体的な値は、特に限定されないが、０．０５〜１Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１程度であるのが好ましく、０．１〜０．５Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１程度であるのがより好ましい。これにより、放熱壁８２から第１基部２および第２基部３に熱が伝わるのをより確実に低減することができる。

この断熱接合部９０１は、例えば、放熱壁８２と底板２２および天板３２との間に形成された環状の隙間に、接着剤を充填することにより形成することができる。したがって、断熱接合部９０１の構成材料（接着剤）としては、例えば、エポキシ系接着剤、アクリル系接着剤、シリコーン系接着剤等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。

なお、放熱壁８２と底板２２との間に設けられる断熱接合部９０１および放熱壁８２と天板３２との間に設けられる断熱接合部９０１の一方を省略してもよい。また、断熱接合部９０１は、放熱壁８２と底板２２および天板３２との間に代えて、放熱板８１と側壁３３との間に設けるようにしてもよく、これらの双方に設けるようにしてもよい。

このような断熱部９は、図８に示すように、さらに第２基部３の天板３２と放熱板８１との間に断熱板９０２を有していてもよい。これにより、放熱板８１に伝わる熱が、第２基部３に伝わるのを防止または抑制することができる。

この断熱板９０２の平面視形状は、第１基部２の底板２２および第２基部３の天板３２の形状に対応して、４つの角部が丸みを帯びた四角形状をなしている。そして、断熱板９０２の４辺の途中に、それぞれ、切欠部９０２１が形成されている。各切欠部９０２１の平面視形状は、長方形状であり、側壁３３が収まる程度の大きさである。断熱板９０２は、切欠部９０２１において、例えば、嵌合、接着剤による接着等により側壁３３に固定されていている。

断熱板９０２の構成材料としては、例えば、ポリオレフィン、エポキシ樹脂のような各種樹脂材料、シリコーンゴムのような各種ゴム材料、木材等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。

なお、かかる断熱板９０２を、さらに第１基部２の底板２２とデジタル回路基板５との間にも設けるようにしてもよい、

２．単腕ロボット
次に、図９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。

図９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９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。

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。

エンドエフェクター５３０は、対象物を把持する機能を有する。エンドエフェクター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ー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。

力検出装置１は、エンドエフェクター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が検出する力によって、単腕ロボット５００は、エンドエフェクター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なうことができ、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。

３．複腕ロボット
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。

この複腕ロボットは、２本のアームと、各アームとエンドエフェクターとの間に力検出装置を有している。なお、力検出装置としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。

また、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。

４．電子部品検査装置および電子部品搬送装置
本発明の力検出装置を備えた電子部品検査装置（電子部品検出装置）および電子部品搬送装置を説明する。

電子部品搬送装置は、電子部品を把持する把持部と、把持部に加えられる力を検出する力検出装置とを備えている。なお、力検出装置としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。

そして、電子部品検査装置は、電子部品搬送装置を内蔵しており、電子部品搬送装置で搬送された電子部品を検査する検査部を備えている。

５．部品加工装置の実施形態
部品加工装置の実施形態を説明する。

部品加工装置は、工具を変位させる工具変位部と、工具変位部に接続された力検出装置１とを備えている。なお、力検出装置としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。

以上、本発明の力検出装置、およびロボットを図示の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、力検出装置、およびロボットを構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができる。また、任意の構成物が付加されていてもよい。

また、本発明の力検出装置、およびロボットは、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、本発明の力検出装置では、電荷出力素子は、４つ設けられていたが、電荷出力素子の数は、これに限定されない。例えば、電荷出力素子は、１つであっても、２つであっても、３つであってもよく、また、５つ以上であってもよい。

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。

１…力検出装置
２…第１基部
２２…底板
２３…凸部
２２１…下面
２３１…頂面
２４…壁部
２４１…雌ネジ
２７１…中心軸
２７２…中心
３…第２基部
３２…天板
３２１…上面
３３…側壁
３３１…内壁面
４…アナログ回路基板
４０…外力検出回路
４０１…ＡＤコンバーター
４０２…演算部
４１…孔
５…デジタル回路基板
６、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ…センサーデバイス（圧力検出部）
６０…パッケージ（収容部）
６１…パッケージ本体
６１１…底部
６１２…壁部
６１３…外壁部
６１４…内壁部
６２…蓋体
６２５…中央部分
６２６…外周部分
６３…シーリング
６４…接続部
６５…凹部
６６…端子
７１…与圧ボルト
７２…雄ネジ
７３…ネジ頭
８…放熱部
８１…放熱板
８１１…切欠部
８２…放熱壁
８２１…リブ
９…断熱部
９０１…断熱接合部
９０２…断熱板
９０２１…切欠部
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…電荷出力素子（圧電素子）
１１…グランド電極層
１２…第１のセンサー
１２１…第１の圧電体層（検出板）
１２２…出力電極層
１２３…第２の圧電体層（検出板）
１３…第２のセンサー
１３１…第３の圧電体層（検出板）
１３２…出力電極層
１３３…第４の圧電体層（検出板）
１４…第３のセンサー
１４１…第５の圧電体層（検出板）
１４２…出力電極層
１４３…第６の圧電体層（検出板）
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…エンドエフェクター
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ー
６４１ａ…第１の指
６４２ａ…第２の指
６４０ｂ…第２のエンドエフェクター
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
ＬＤ…積層方向
ＳＤ…挟持方向
ＮＬ_１、ＮＬ_２…法線
Ｑｘ、Ｑｙ、Ｑｚ、Ｑｘ１、Ｑｙ１、Ｑｚ１、Ｑｘ２、Ｑｙ２、Ｑｚ２、Ｑｘ３、Ｑｙ３、Ｑｚ３、Ｑｘ４、Ｑｙ４、Ｑｚ４…電荷
Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ、Ｖｘ１、Ｖｙ１、Ｖｚ１、Ｖｘ２、Ｖｙ２、Ｖｚ２、Ｖｘ３、Ｖｙ３、Ｖｚ３、Ｖｘ４、Ｖｙ４、Ｖｚ４…電圧
θ…傾斜角度
ε…傾斜角度
η…角度

Claims (8)

1. 第１基部と、
   第２基部と、
   前記第１基部と前記第２基部との間に設けられた圧電素子と、
   前記第１基部と前記第２基部との間に設けられ、前記圧電素子から出力される信号が入力される回路基板と、
   前記第１基部と前記第２基部との間に設けられた第１部分を有し、前記回路基板よりも熱伝導率の高い放熱部と、を備えることを特徴とする力検出装置。
2. 前記放熱部は、前記第１部分に接触し、かつ、前記第１基部および前記第２基部の外側に設けられた第２部分を有する請求項１に記載の力検出装置。
3. 前記放熱部は、複数の突起を有する請求項１または２に記載の力検出装置。
4. 前記放熱部と、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との間に設けられ、前記放熱部よりも熱伝導率の低い断熱部を備える請求項１ないし３のいずれか１項に記載の力検出装置。
5. 前記放熱部は、前記断熱部を介して前記第１基部および前記第２基部のうちの少なくとも一方に接合されている請求項４に記載の力検出装置。
6. 前記回路基板は、電源回路を有する請求項１ないし５のいずれか１項に記載の力検出装置。
7. 前記圧電素子は、水晶を含む請求項１ないし６のいずれか１項に記載の力検出装置。
8. アームと、
   前記アームに設けられたエンドエフェクターと、
   前記アームと前記エンドエフェクターの間に設けられた力検出装置とを備え、
   前記力検出装置は、第１基部と、前記第１基部に対向配置された第２基部と、前記第１基部と前記第２基部との間に設けられた圧電素子と、前記第１基部と前記第２基部との間に設けられ、前記圧電素子から出力される信号が入力される回路基板と、前記第１基部と前記第２基部との間に設けられた第１部分を有し、前記回路基板よりも熱伝導率の高い放熱部と、を備えることを特徴とするロボット。

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