以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。なお、使用する図面は、説明する部分が認識可能な状態となるように、適宜拡大又は縮小して表示している。
(力検出装置の実施形態)
図1は、本実施形態に係る力検出装置1を示す断面図であり、図2は、図1に示す力検出装置1の平面図である。なお、以下では、図1中の上側を「上」又は「上方」、下側を「下」又は「下方」という。
また、図2には、互いに直交する3つの軸として、α軸、β軸、及びγ軸が図示されている。また、図1には、3つの軸のうち、γ軸のみを図示している。
本実施形態に係る力検出装置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、及びγ軸方向の並進力成分及びα、β、及びγ軸周りの回転力成分)を検出する機能を有している。
この力検出装置1は、第1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(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及び電荷出力素子10を収納するパッケージ60を有する4つのセンサーデバイス6と、8つの与圧ボルト71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」、及び「センサーデバイス6D」という。また、各センサーデバイス6A,6B,6C,6Dを区別しない場合は、それらを「センサーデバイス6」という。
第1基部2は、図2に示すように、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)に対する取付け面として機能する。
この第1基部2は、底板22と、底板22と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23が突出形成されている。各凸部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と螺合する雌ネジ241が設けられている(図2参照)。
第2基部3は、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)に対する取付け面として機能する。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34と、天板34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壁部35とを有している。壁部35の内壁面331は、天板34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。
また、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、及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、円形又は角丸正方形の断面形状を有する。
また、第1基部2と第2基部3との間には、図1に示すように、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、アナログ回路基板4には、図2に示すように、各与圧ボルト71が貫通する貫通孔が設けられており、アナログ回路基板4の与圧ボルト71が貫通する部分(貫通孔)には、樹脂材料等の絶縁材料で構成されたパイプが例えば嵌合により固定されていてもよい。
図3は、図1に示す力検出装置1を概略的に示す回路図ある。図4は、図1に示す力検出装置1の電荷出力素子10を概略的に示す断面図である。
図3に示す力検出装置1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外力を検出する機能を有する。力検出装置1は、互いに直交する3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を出力する電荷出力素子(素子)10と、電荷出力素子10から出力された電荷Qxを電圧Vxに変換する変換出力回路90aと、電荷出力素子10から出力された電荷Qzを電圧Vzに変換する変換出力回路90bと、電荷出力素子10から出力された電荷Qyを電圧Vyに変換する変換出力回路90cと、補償用信号Voffを出力する補償用信号出力回路30と、加えられた外力を検出する外力検出回路40とを備えている。
<電荷出力素子(素子)>
電荷出力素子10は、互いに直交する3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及びセンサー12,13,14の積層方向をγ軸方向とし、γ軸方向に直交しかつ互いに直交する方向をそれぞれα軸方向及びβ軸方向としている。
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、ニッケル、クロム又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、優れた耐久性及び耐食性を有する。
図示の構成では、図4中の下側から、第1センサー12、第2センサー13、及び第3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。第1センサー12は、β軸に平行な外力(せん断力)に応じて電荷Qyを出力する機能を有する。このセンサー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センサー12は、第1結晶軸CA1を有する第1圧電体層121と、第1圧電体層121と対向して設けられ、第2結晶軸CA2を有する第2圧電体層123と、第1圧電体層121と第2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圧電体層121はβ軸の負方向に配向した第1結晶軸CA1を有する圧電体によって構成されている。第1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圧電体層121内に電荷が誘起される。その結果、第1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圧電体層123は、β軸の正方向に配向した第2結晶軸CA2を有する圧電体によって構成されている。第2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圧電体層123内に電荷が誘起される。その結果、第2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圧電体層121の第1結晶軸CA1は、第2圧電体層123の第2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圧電体層121又は第2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又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圧電体層121及び第2圧電体層123の構成材料としては、水晶、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)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圧電体層121及び第2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圧電体層121内及び第2圧電体層123内に生じた正電荷又は負電荷を電荷Qyとして出力する機能を有する。前述のように、第1圧電体層121の表面又は第2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圧電体層121の表面又は第2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圧電体層121及び第2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圧電体層121又は第2圧電体層123よりも狭い場合、第1圧電体層121又は第2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圧電体層121又は第2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。このように、電荷出力素子10は、上述したグランド電極層11と、第1センサー12を有することにより、図4中のβ軸に平行な外力に応じて電荷Qyを出力することができる。
なお、電荷出力素子10として、β軸に平行な外力(せん断力)に応じて電荷Qyを出力する機能を有する例を説明したが、本発明はこれに限られない。第1結晶軸CA1の配向方向が異なる第1圧電体層121及び第2結晶軸CA2の配向方向が異なる第2圧電体層123を用いることにより、α軸に平行な外力(せん断力)又はγ軸に平行な外力(圧縮/引張力)に応じて電荷Qyを出力する電荷出力素子10を構成することが可能である。このような場合も、本実施形態の範囲内である。
第2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センサー13は、第3結晶軸CA3を有する第3圧電体層131と、第3圧電体層131と対向して設けられ、第4結晶軸CA4を有する第4圧電体層133と、第3圧電体層131と第4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圧電体層131は、γ軸の正方向に配向した第3結晶軸CA3を有する圧電体によって構成されている。第3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圧電体層131内に電荷が誘起される。その結果、第3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圧電体層133は、γ軸の負方向に配向した第4結晶軸CA4を有する圧電体によって構成されている。第4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圧電体層133内に電荷が誘起される。その結果、第4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圧電体層131及び第4圧電体層133の構成材料としては、第1圧電体層121及び第2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圧電体層131及び第4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圧電体層131内及び第4圧電体層133内に生じた正電荷又は負電荷を電荷Qzとして出力する機能を有する。前述のように、第3圧電体層131の表面又は第4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圧電体層131の表面又は第4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センサー14は、第5結晶軸CA5を有する第5圧電体層141と、第5圧電体層141と対向して設けられ、第6結晶軸CA6を有する第6圧電体層143と、第5圧電体層141と第6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圧電体層141は、α軸の負方向に配向した第5結晶軸CA5を有する圧電体によって構成されている。第5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圧電体層141内に電荷が誘起される。その結果、第5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圧電体層143は、α軸の正方向に配向した第6結晶軸CA6を有する圧電体によって構成されている。第6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圧電体層143内に電荷が誘起される。その結果、第6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圧電体層141及び第6圧電体層143の構成材料としては、第1圧電体層121及び第2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圧電体層141及び第6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圧電体層121及び第2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圧電体層141内及び第6圧電体層143内に生じた正電荷又は負電荷を電荷Qxとして出力する機能を有する。前述のように、第5圧電体層141の表面又は第6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圧電体層141の表面又は第6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センサー12、第2センサー13、及び第3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、及び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。
また、Yカット水晶によって構成される、第1センサー12及び第3センサー14の単位力当たりの電荷発生量は、例えば、8pC/Nである。Xカット水晶によって構成される、第2センサー13の単位力当たりの電荷発生量は、例えば、4pC/Nである。したがって、通常、電荷出力素子10のγ軸に平行な外力(圧縮/引張力)に対する感度は、電荷出力素子10のα軸又はβ軸に平行な外力(せん断力)に対する感度よりも低い。そのため、通常、第2センサー13から出力される電荷Qzは、第1センサー12から出力される電荷Qy及び第3センサー14から出力される電荷Qxよりも小さい。
<変換出力回路>
図3に示すように、電荷出力素子10には、変換出力回路90a,90b,90cが接続されている。変換出力回路90aは、電荷出力素子10から出力された電荷Qxを電圧Vx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Qyを電圧Vy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90aについて説明する。
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90a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入力端子(マイナス入力)は、電荷出力素子10の出力電極層142に接続され、オペアンプ91の第2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Vx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90aをリセットするという。なお、理想的な変換出力回路90a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)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及び軽量であるので、力検出装置1の小型化及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、及びゲート電極を有している。スイッチング素子93のドレイン電極又はソース電極の一方がオペアンプ91の第1入力端子に接続され、ドレイン電極又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。
<補償用信号出力回路>
補償用信号出力回路30は、オペアンプ31と、コンデンサー32と、スイッチング素子33とを有する。オペアンプ31の第1入力端子(マイナス入力)は、コンデンサー32及びスイッチング素子33に接続され、オペアンプ31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31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32は、オペアンプ31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33は、オペアンプ31の第1入力端子と出力端子との間に接続され、コンデンサー32と並列接続されている。また、スイッチング素子33には、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33はスイッチング動作を実行する。
スイッチング素子33は、変換出力回路90a,90b,90cのスイッチング素子93と同様の半導体スイッチング素子(MOSFET)である。スイッチング素子33は、ドレイン電極、ソース電極、及びゲート電極を有している。スイッチング素子33のドレイン電極又はソース電極の一方がオペアンプ31の第1入力端子に接続され、ドレイン電極又はソース電極の他方がオペアンプ31の出力端子に接続されている。また、スイッチング素子33のゲート電極は、駆動回路(図示せず)に接続されている。補償用信号出力回路30は、変換出力回路90aから出力される電圧Vx、変換出力回路90bから出力される電圧Vz、及び変換出力回路90cから出力される電圧Vyを補償するための補償用信号Voffを出力する機能を有する。補償用信号出力回路30は、図示のように、変換出力回路90a,90b,90cと独立して設けられていてもよい。
また、補償用信号出力回路30のスイッチング素子33は、各変換出力回路90a,90b,90cのスイッチング素子93と同等の使用環境下に実装されている。これにより、スイッチング素子33のリーク電流は、各スイッチング素子93のリーク電流と連動する。したがって、補償用信号出力回路30は、スイッチング素子33のリーク電流を検出することにより、各スイッチング素子93のリーク電流を間接的に取得することができる。補償用信号出力回路30は、取得したスイッチング素子33のリーク電流を補償用信号Voffとして出力する。
このように、補償用信号出力回路30は、スイッチング素子33のリーク電流を検出することにより、各変換出力回路90a,90b,90cのスイッチング素子93のリーク電流を間接的に取得することができる。したがって、本実施形態の力検出装置1は、各変換出力回路90a,90b,90c用に3つのリーク電流検出回路を設ける必要がない。そのため、力検出装置1に必要な回路数を減らすことができ、力検出装置1を小型化及び軽量化することができる。
また、補償用信号出力回路30のコンデンサー32の静電容量C2は、第2センサー13のコンデンサー92の静電容量C3よりも小さいことが好ましい。すなわち、コンデンサー92の静電容量C1,C3とコンデンサー32の静電容量C2の大小関係は、C2<C3<C1であることが好ましい。これにより、電荷Qx,Qy,Qz及びスイッチング素子33のリーク電流を正確に電圧に変換することができる。
<外力検出回路>
外力検出回路40は、変換出力回路90aから出力される電圧Vxと、変換出力回路90bから出力される電圧Vzと、変換出力回路90cから出力される電圧Vyと、補償用信号出力回路30から出力される補償用信号Voff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及び補償用信号出力回路30に接続されたADコンバーター401と、ADコンバーター401に接続された演算回路402とを有する。
ADコンバーター401は、電圧Vx,Vy,Vz及び補償用信号Voff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Vx,Vy,Vz及び補償用信号Voffは、演算回路402に入力される。演算回路402は、デジタル変換された電圧Vx,Vy,Vz及び補償用信号Voffにゲインを与えて補正を行うゲイン補正部(図示せず)と、ゲイン補正部によって補正された電圧Vx,Vy,Vz及び補償用信号Voffに基づき、信号Fx,Fy,Fzを演算し、出力する演算部(図示せず)を有する。
ゲイン補正部は、電圧Vx,Vyに対しゲインG=aを与え、電圧Vzに対しゲインG=cを与え、補償用信号Voffに対しゲインG=bを与えることにより、電圧Vx,Vy,Vz及び補償用信号Voffの補正を行う機能を有する。ゲイン係数aと、ゲイン係数bとは、a=C1/C2×bの関係式を満足することが好ましい。ゲイン係数cと、ゲイン係数bとは、c=C3/C2×bの関係式を満足することが好ましい。
ここで、C1は変換出力回路90a,90cのコンデンサー92の静電容量であり、C2は補償用信号出力回路30のコンデンサー32の静電容量であり、C3は変換出力回路90bのコンデンサー92の静電容量である。これにより、変換出力回路90a,90cのコンデンサー92の静電容量C1とコンデンサー32の静電容量C2との差に起因する、電圧Vx,Vyと補償用信号Voffとの感度差を補正することができる。同様に、変換出力回路90bのコンデンサー92の静電容量C3とコンデンサー32の静電容量C2との差に起因する、電圧Vzと補償用信号Voffとの感度差を補正することができる。これにより、補正された電圧Vx、Vy、Vzに含まれ、リーク電流に起因する出力ドリフトD(すなわち、a×D又はc×D)と、補正された補償用信号Voff(すなわち、b×D)とが実質的に等しくなる。なお、a=1は、電圧Vx,Vyを補正しないことを意味する。b=1は、補償用信号Voffを補正しないことを意味する。同様に、c=1は、電圧Vzを補正しないことを意味する。
演算部は、ゲイン補正部によって補正された電圧Vx,Vy,Vz及びゲイン補正部によって補正された補償用信号Voffに基づき、信号Fx,Fy,Fzを演算し、出力する機能を有する。信号Fxは、ゲイン補正部によって補正された電圧Vx(すなわち、a×Vx)と、ゲイン補正部によって補正された補償用信号Voff(b×Voff)との差分を取ることにより演算される。したがって、出力される信号Fxは、以下のようになる。
Fx=a×Vx−b×Voff
=a×(Vxt+D)−b×Voff
=a×Vxt+a×D−b×Voff
≒a×Vxt
ここで、Vxtは、電圧Vxに含まれ、電荷Qxの蓄積量に比例する電圧成分(真の値)である。
同様に、信号Fyは、ゲイン補正部によって補正された電圧Vy(すなわち、a×Vy)と、ゲイン補正部によって補正された補償用信号Voff(b×Voff)の差分を取ることにより演算される。したがって、出力される信号Fyは、以下のようになる。
Fy=a×Vy−b×Voff
=a×(Vyt+D)−b×Voff
=a×Vyt+a×D−b×Voff
≒a×Vyt
ここで、Vytは、電圧Vyに含まれ、電荷Qyの蓄積量に比例する電圧成分(真の値)である。
同様に、信号Fzは、ゲイン補正部によって補正された電圧Vz(すなわち、c×Vz)と、ゲイン補正部によって補正された補償用信号Voff(b×Voff)の差分を取ることにより演算される。したがって、出力される信号Fzは、以下のようになる。
Fz=c×Vz−b×Voff
=c×(Vzt+D)−b×Voff
=c×Vzt+c×D−b×Voff
≒c×Vzt
ここで、Vztは、電圧Vzに含まれ、電荷Qzの蓄積量に比例する電圧成分(真の値)である。
上述のように、補正された電圧Vx,Vy,Vzに含まれ、リーク電流に起因する出力ドリフトD(すなわち、a×D又はc×D)と、補正された補償用信号Voff(b×Voff)とは実質的に等しいので、補正された電圧Vx,Vy,Vzからリーク電流に起因する出力ドリフトDを低減(除去)することができる。演算回路402は、このような構成を有することにより、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信号Fx,Fy,Fzを出力することができる。この信号Fx,Fy,Fzは電荷出力素子10に加えられた3軸力(せん断力及び圧縮/引張力)に対応するので、力検出装置1は、電荷出力素子10に加えられた3軸力を検出することができる。
このように、本実施形態の力検出装置1は、補償用信号出力回路30と、外力検出回路40とを有することにより、変換出力回路90a,90b,90cのスイッチング素子93のリーク電流に起因する出力ドリフトDを低減することができる。その結果、力検出装置1の検出精度及び検出分解能を向上させることができる。また、上述した出力ドリフトDの低減方法は、測定時間が長くなった場合であっても有効なので、力検出装置1の測定時間を長くすることができる。
<電荷出力素子(センサー素子)>
次に電荷出力素子10について詳細に説明する。
図5は、図1に示すセンサーデバイス6を概略的に示す断面図((A)断面図、(B)平面図)である。図6は、図1に示す電荷出力素子10を概略的に示す断面図である。電荷出力素子10は、互いに直交する3軸(A軸、B軸、C軸)に沿って加えられた(受けた)外力のそれぞれに応じて3つの電荷Qa,Qc,Qbを出力する機能を有する。電荷出力素子10は、電荷Qa,Qc,Qbを出力する積層体110と、積層体110に電気的に接続された側面電極171,172,173,174と、側面電極171,172,173,174にそれぞれ電気的に接続された接続電極181,182,183,184とを有している。また、積層体110は、第1カバー基材161及び第2カバー基材162により挟持されている。
<センサーデバイス>
センサーデバイス6は、電荷出力素子10と、電荷出力素子10を収納するパッケージ60とを有している。パッケージ60は、凹部611を有する基部61と、その基部61に接合された蓋体62とを有している。電荷出力素子10は、基部61の凹部611に設置されており、その基部61の凹部611は、蓋体62により封止されている。これにより、電荷出力素子10を保護することができ、信頼性の高い力検出装置1を提供することができる。なお、電荷出力素子10の上面は、蓋体62に接触している。また、パッケージ60の蓋体62は、上側、すなわち、第2基部3側に配置され、基部61は、下側、すなわち、第1基部2側に配置され、その基部61がアナログ回路基板4に固定されている。この構成により、基部61と蓋体62とが、凸部23と壁部35とで挟持されて与圧され、その基部61と蓋体62とにより、電荷出力素子10が挟持されて与圧される。
また、基部61の構成材料としては、特に限定されず、例えば、セラミックス等の絶縁性材料等を用いることができる。また、蓋体62の構成材料としては、特に限定されず、例えば、ステンレス鋼等の各種の金属材料等を用いることができる。なお、基部61の構成材料と蓋体62の構成材料は、同一でもよく、また、異なっていてもよい。また、パッケージ60の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、図5に示すように、第1基部2の平面視で、四角形をなしている。なお、パッケージ60の平面視での前記の他の形状としては、例えば、五角形等の他の多角形、円形、楕円形等が挙げられる。また、パッケージ60の形状が多角形の場合、例えば、その角部が、丸みを帯びていてもよく、また、斜めに切り欠かれていてもよい。
また、蓋体62は、本実施形態では、板状をなし、その中央部と外周部との間の部位が屈曲することで、中央部が第2基部3に向って突出している。中央部の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、第1基部2の平面視で、電荷出力素子10と同じ形状、すなわち、四角形をなしている。なお、蓋体62の中央部の上面及び下面は、いずれも平面である。また、図5に示すように、凹部611は、その深さ(A軸方向の長さ)が段階的に変化した部分である段差部613を有している。段差部613には、4つの端子63a,63b,63c,63dが設けられている。
各端子63a,63b,63c,63gは、略同様の構成であるため、以下、端子63aについて代表的に説明する。端子63aは、図5(A)に示すように、凹部611内に露出した部分65と、基部61埋設され、一部がパッケージ60の外側に露出した部分66とを有している。部分65は、接続電極181により電荷出力素子10と電気的に接続されている。一方、部分66は、図示しない配線を介して、アナログ回路基板4と電気的に接続されている。これにより、電荷出力素子10とアナログ回路基板4とが電気的に接続される。このようなパッケージ60内には、電荷出力素子10が収納されている。この電荷出力素子10については後に詳述する。
[積層体]
図6に示すように、積層体110の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、第1基部2の平面視、すなわち、第1基部2に対して垂直な方向から見て、四角形をなしている。なお、積層体110の平面視における他の外形形状としては、例えば、五角形等の他の多角形、円形、楕円形等が挙げられる。
図6に示すように、積層体110は、グランド(基準電位点)に接地された6つのグランド電極層151,152,153,154,155,156と、A軸に平行な外力(圧縮/引張力)に応じて電荷Qaを出力する第1センサー12と、C軸に平行な外力(せん断力)に応じて電荷Qcを出力する第2センサー13と、B軸に平行な外力(せん断力)に応じて電荷Qbを出力する第3センサー14とを有している。
図5及び図6に示すように、積層体110は、グランド電極層156、第3センサー14、グランド電極層155,154、第2センサー13、グランド電極層153,152、第1センサー12、及びグランド電極層151の順に、A軸方向負側から積層されている。なお、第1センサー12、第2センサー13、及び第3センサー14の積層順は任意であり、本実施形態は、図5及び図6に示す第1センサー12、第2センサー13、及び第3センサー14の積層順に限定されない。また、図5及び図6において、第1センサー12、第2センサー13、及び第3センサー14の積層方向をA軸方向とし、A軸方向に直交しかつ互いに直交する方向をそれぞれB軸方向、C軸方向としている。
(第1センサー)
図6に示すように、第1センサー12は、A軸に沿って加えられた(受けた)外力(圧縮/引張力)に応じて電荷Qaを出力する機能を有する。第1センサー12は、A軸に平行な圧縮力に応じて正電荷を出力し、A軸に平行な引張力に応じて負電荷を出力するよう構成されている。
図6に示すように、第1センサー12は、第1圧電体層121と、第1圧電体層121と対向して設けられた第2圧電体層123と、第1圧電体層121の下面に設けられた第1出力電極層124xと、第2圧電体層123の上面に設けられた第2出力電極層124yとを有している。また、第1出力電極層124xと第2出力電極層124yとは、接着層125により接合されている。
第1圧電体層121は、Xカット結晶板で構成されており、互いに直交する3つの結晶軸であるx軸(結晶軸x)、y軸(結晶軸y)、及びz軸(結晶軸z)を有している。
第2圧電体層123は、第1圧電体層121と同様に、Xカット結晶板で構成されており、第1圧電体層121をB軸回りに180°回転させた状態で配置されている。第1出力電極層124xは、第1圧電体層121内に生じた正電荷又は負電荷を電荷Qaxとして出力する機能を有する。また、第2出力電極層124yは、第2圧電体層123内に生じた正電荷又は負電荷を電荷Qayとして出力する機能を有する。
また、第1出力電極層124x及び第2出力電極層124yを構成する材料としては、特に限定されないが、第1出力電極層124x及び第2出力電極層124yの熱膨張係数が、第1圧電体層121の結晶軸y方向(C軸方向)及び第2圧電体層123の結晶軸y方向(C軸方向)の熱膨張係数とできる限り近いことが好ましい。これにより、例えば力検出装置1の温度環境下の変化に起因して電荷出力素子10が熱変形した場合であっても、第1出力電極層124x及び第2出力電極層124yと、第1圧電体層121及び第2圧電体層123とが近似の収縮率又は伸長率で変形する。これにより、第1出力電極層124x及び第2出力電極層124yが、力検出装置1の温度変化に起因する不要な信号(誤差成分)を出力することをより効果的に抑制又は防止することができる。
また、第1出力電極層124x及び第2出力電極層124yの熱膨張係数は、第1圧電体層121及び第2圧電体層123のy軸方向に沿った熱膨張係数の10%以下であるのが好ましく、8%以下であるのがより好ましく、5%以下であるのがさらに好ましい。これにより、不要な信号を出力することをより効果的に抑制又は防止することができる。
かかる条件を満足し得る第1出力電極層124x及び第2出力電極層124yの構成材料としては、例えば、ニッケル、金、チタニウム、アルミニウム、銅、鉄、クロム等が挙げられ、これらのうちの1種又は2種以上を組み合わせて用いることができる。中でもと特に、第1出力電極層124x及び第2出力電極層124yは、ニッケル(Ni)を含む材料で構成されていることが好ましい。ニッケルは、前述したような圧電体層121,123の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有することから好ましい。
また、接着層125は、第1出力電極層124xと第2出力電極層124yとの導通を遮断する機能を有する。接着層125を構成する材料としては、特に限定されず、例えば、例えば、シリコーン系、エポキシ系、アクリル系、シアノアクリレート系、ポリウレタン系等の接着剤等を好適に用いることができる。
そして、図6に示すように、第1出力電極層124xから出力された電荷Qaxと、第2出力電極層124yから出力された電荷Qayとは、加算回路84で加算されてQaとなる。以上のようにして、力検出装置1にA軸に沿って外力が加えられると、第1センサー12から電荷Qaが出力される。
(第2センサー)
第2センサー13は、C軸に沿って加えられた(受けた)外力(せん断力)に応じて電荷Qcを出力する機能を有する。第2センサー13は、C軸の負方向に沿って加えられた外力に応じて正電荷を出力し、C軸の正方向に沿って加えられた外力に応じて負電荷を出力するよう構成されている。
図6に示すように、第2センサー13は、第3圧電体層131と、第3圧電体層131と対向して設けられた第4圧電体層133と、第3圧電体層131の下面に設けられた第3出力電極層134xと、第4圧電体層133の上面に設けられた第4出力電極層134yとを有している。また、第3出力電極層134xと第4出力電極層134yとは、接着層135により接合されている。
第3圧電体層131は、Yカット結晶板で構成されており、互いに直交する3つの結晶軸であるx軸(結晶軸x)、y軸(結晶軸y)、及びz軸(結晶軸z)を有している。第3圧電体層131では、y軸方向とA軸方向とが一致しており、z軸方向とB軸方向とが一致しており、x軸方向とC軸方向とが一致している。第4圧電体層133は、第3圧電体層131と同様に、Yカット結晶板で構成されており、第3圧電体層131をB軸回りに180°回転させた状態で配置されている。
第3出力電極層134xは、第3圧電体層131内に生じた正電荷又は負電荷を電荷Qcxとして出力する機能を有する。また、第4出力電極層134yは、第4圧電体層133内に生じた正電荷又は負電荷を電荷Qcyとして出力する機能を有する。第3出力電極層134x及び第4出力電極層134yを構成する材料としては、特に限定されず、前述した第1出力電極層124x及び第2出力電極層124yで述べた材料を用いることができる。また、第3出力電極層134x及び第4出力電極層134yは、第1出力電極層124x及び第2出力電極層124yで述べた材料を用いることにより、前述した効果と同様の効果が得られる。
接着層135は、第3出力電極層134xと第4出力電極層134yとの導通を遮断する機能を有する。接着層135を構成する材料としては、特に限定されず、前述した接着層125で述べた材料を用いることができる。
そして、図6に示すように、第3出力電極層134xから出力された電荷Qcxと、第4出力電極層134yから出力された電荷Qcyとは、加算回路85で加算されてQcとなる。以上のようにして、力検出装置1にC軸に沿って外力が加えられると、第2センサー13から電荷Qcが出力される。
(第3センサー)
第3センサー14は、B軸に沿って加えられた(受けた)外力(せん断力)に応じて電荷Qbを出力する機能を有する。第3センサー14は、B軸の正方向に沿って加えられた外力に応じて負電荷を出力し、B軸の負方向に沿って加えられた外力に応じて正電荷を出力するよう構成されている。
図6に示すように、第3センサー14は、第5圧電体層141と、第5圧電体層141と対向して設けられた第6圧電体層143と、第5圧電体層141の下面に設けられた第5出力電極層144xと、第6圧電体層143の上面に設けられた第6出力電極層144yとを有している。また、第5出力電極層144xと第6出力電極層144yとは、接着層145により接合されている。
第5圧電体層141は、Yカット結晶板で構成されており、互いに直交する3つの結晶軸であるx軸(結晶軸x)、y軸(結晶軸y)、及びz軸(結晶軸z)を有している。第5圧電体層141では、y軸方向とA軸方向とが一致しており、x軸方向とB軸方向とが一致しており、z軸方向とC軸方向とが一致している。第6圧電体層143は、第5圧電体層141と同様に、Yカット結晶板で構成されており、第5圧電体層141をC軸回りに180°回転させた状態で配置されている。
第5出力電極層144xは、第5圧電体層141内に生じた正電荷又は負電荷を電荷Qbxとして出力する機能を有する。また、第6出力電極層144yは、第6圧電体層143内に生じた正電荷又は負電荷を電荷Qbyとして出力する機能を有する。第5出力電極層144x及び第6出力電極層144yを構成する材料としては、特に限定されず、前述した第1出力電極層124x及び第2出力電極層124yで述べた材料を用いることができる。また、第5出力電極層144x及び第6出力電極層144yは、第1出力電極層124x及び第2出力電極層124yで述べた材料を用いることにより、前述した効果と同様の効果が得られる。
接着層145は、第5出力電極層144xと第6出力電極層144yとの導通を遮断する機能を有する。接着層145を構成する材料としては、特に限定されず、前述した接着層125で述べた材料を用いることができる。
そして、図6に示すように、第5出力電極層144xから出力された電荷Qbxと、第6出力電極層144yから出力された電荷Qbyとは、加算回路86で加算されてQbとなる。以上のようにして、力検出装置1にB軸に沿って外力が加えられると、第3センサー14から電荷Qbが出力される。
[第1カバー基材及び第2カバー基材]
また、電荷出力素子10は、積層体110を挟持するように設けられた第1カバー基材161及び第2カバー基材162を有している。第2カバー基材162、積層体110、及び第1カバー基材161は、この順にA軸方向負側から積層されている。
第1カバー基材161及び第2カバー基材162は、それぞれ絶縁体で構成されており、パッケージ60と積層体110との導通を遮断する機能を有している。第1カバー基材161及び第2カバー基材162の構成材料は、特に限定されないが、本実施形態では、第1カバー基材161及び第2カバー基材162は、Yカット結晶板で構成されている。第1カバー基材161及び第2カバー基材162では、y軸方向とA軸方向とが一致しており、z軸方向とB軸方向とが一致しており、x軸方向とC軸方向とが一致している。
[側面電極]
図5に示すように、電荷出力素子10は、積層体110に電気的に接続された側面電極171,172,173,174を有している。また、前述した構成の積層体110は、4つの側面110a〜110dを備えている。これらの側面のうち、2つの側面110a、110cは、C軸(第1及び第2圧電体層121,123の結晶軸y)を法線とする側面であり、2つの側面110b,110dは、B軸(第1及び第2圧電体層121,123の結晶軸z)を法線とする側面である。
図5に示すように、本実施形態では、第1出力電極層124x及び第2出力電極層124yに接続され、電荷Qaを取り出すための第1側面電極171が、第2側面110bに設けられている。また、第5出力電極層144x及び第6出力電極層144yに接続され、電荷Qbを取り出すための第3側面電極173が、第2側面110bに設けられている。また、第3出力電極層134x及び第4出力電極層134yに接続され、電荷Qcを取り出すための第2側面電極172が、第4側面110dに設けられている。また、グランド電極層151,152,153,154,155,156に接続され、積層体110を接地するための第4側面電極174が、第4側面110dに設けられている。また、各側面電極171〜174は、積層体110の厚さ方向に沿って長尺状(側面視で帯状)をなしており、パッケージ60の基部61に設けられた端子63a〜63dに電気的に接続されている。かかる構成とすることにより、各側面電極171〜174を容易に形成することができるとともに、各接続電極181〜184との導通も取り易い。なお、このような側面電極171〜714は、例えば、スパッタ法、メッキ法等により形成することができる。
[グランド電極層]
各グランド電極層151〜156は、グランド(基準電位点)に接地された内部電極である。グランド電極層151〜156を構成する材料は、特に限定されないが、例えば、ニッケル、金、チタニウム、アルミニウム、銅、鉄、クロム又はこれらを含む合金が好ましい。中でも特に、各グランド電極層151〜156は、Niを含む材料で構成されていることが好ましい。これにより、各グランド電極層151〜156の熱膨張係数と、それに隣接する各圧電体層121,123,131,133,141,143の熱膨張力係数との差を、比較的小さくすることができる。そのため、電荷出力素子10が熱変形する場合、各グランド電極層151〜156及び各圧電体層121,123,131,133,141,14が熱変形したとしても、これら(各グランド電極層及び各圧電体層)の膨張率又は収縮率の差を小さくすることができる。したがって、これら(各グランド電極層及び各圧電体層)の膨張率又は収縮率の差に起因して、各圧電体層に圧縮応力や引張応力が発生することを特に効果的に防止又は抑制することができる。その結果、より高精度な電荷出力素子10を得ることができる。
また、各グランド電極層151〜156を構成する材料としては、特に限定されないが、各グランド電極層151〜156の熱膨張係数が、第1圧電体層121の結晶軸y方向(C軸方向)及び第2圧電体層123の結晶軸y方向(C軸方向)の熱膨張係数と、できる限り近いことが好ましい。これにより、例えば力検出装置1の温度環境下の変化に起因して電荷出力素子10が熱変形した場合であっても、各グランド電極層151〜156と、第1圧電体層121及び第2圧電体層123とが近似の収縮率又は伸長率で変形する。これにより、第1出力電極層124x及び第2出力電極層124yが、各グランド電極層151〜156の前記熱変形に起因する不要な信号(誤差成分)を出力することをより効果的に抑制又は防止することができる。
また、各グランド電極層151〜156の熱膨張係数は、第1圧電体層121及び第2圧電体層123のy軸方向に沿った熱膨張係数の10%以下であるのが好ましく、8%以下であるのがより好ましく、5%以下であるのがさらに好ましい。これにより、第1出力電極層124x及び第2出力電極層124yが、前記不要な信号(誤差成分)を出力することをより効果的に抑制又は防止することができる。
かかる条件を満足し得る各グランド電極層151〜156の構成材料としては、例えば、ニッケル、金、チタニウム、アルミニウム、銅、鉄等が挙げられ、これらのうちの1種又は2種以上を組み合わせて用いることができる。中でもと特に、各グランド電極層151〜156は、ニッケル(Ni)を含む材料で構成されていることが好ましい。ニッケルは、前述したような圧電体層121,123の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有することから好ましい。
また、全てのグランド電極層151〜156は、同一の材料で構成されていることが好ましい。これにより、第1出力電極層124x及び第2出力電極層124yが、前記不要な信号(誤差成分)を出力することをより一層効果的に防止することができる。また、接着層125は、第1出力電極層124xと第2出力電極層124yとの導通を遮断する機能を有する。接着層125を構成する材料としては、特に限定されず、例えば、例えば、シリコーン系、エポキシ系、アクリル系、シアノアクリレート系、ポリウレタン系等の接着剤等を好適に用いることができる。
また、グランド電極層156と第2カバー基材162とは、接着層104を介して接合されている。グランド電極層155とグランド電極層154とは、接着層103を介して接合されている。グランド電極層153とグランド電極層152とは、接着層102を介して接合されている。グランド電極層151と第1カバー基材161とは、接着層101を介して接合されている。各接着層101〜104を構成する材料としては、特に限定されず、例えば、シリコーン系、エポキシ系、アクリル系、シアノアクリレート系、ポリウレタン系等の接着剤等を好適に用いることができる。
[接続電極]
図5に示すように、電荷出力素子10は、各側面電極171〜174に電気的に接続された各接続電極181〜184を有している。第1側面電極171には第1接続電極181が電気的に接続されている。また、第1接続電極181は、端子63aと電気的に接続されている。これにより、端子63aと第1出力電極層124x及び第2出力電極層124yとが電気的に接続されている。
また、第2側面電極172には第2接続電極182が電気的に接続されている。また、第2接続電極182は、端子63bと電気的に接続されている。これにより、端子63bと第3出力電極層134x及び第4出力電極層134yとが電気的に接続されている。また、第3側面電極173には第3接続電極183が電気的に接続されている。また、第3接続電極183は、端子63cと電気的に接続されている。これにより、端子63cと第5出力電極層144x及び第6出力電極層144yとが電気的に接続されている。
また、第4側面電極174には第4接続電極184が電気的に接続されている。また、第4接続電極184は、端子63dと電気的に接続されている。これにより、端子63dと各グランド電極層151〜156とが電気的に接続されている。また、各接続電極181〜184は、例えば、Agペースト、Cuペースト、Auペースト等で形成することができるが、特に、Agペーストを用いるのが好ましい。Agペーストは、入手が容易であり、取扱性にも優れる。
また、各接続電極181〜184は、積層体110の第3センサー14側に位置している。このため、各接続電極181〜184と第1センサー12とは離間している。具体的には、第1センサー12の下面に位置するグランド電極層152と、各接続電極181〜184とは、200μm以上離間している。すなわち、図6中に示すように、グランド電極層152と接続電極184との離間距離hは、200μm以上となっている。なお、全ての接続電極181〜184が、グランド電極層152と200μm以上離間している。かかる構成により、第1センサー12は、各接続電極181〜184の熱変形の影響を受けにくくなっている。すなわち、第1センサー12と各接続電極181〜184とが200μm以上離間するこことにより、各接続電極181〜184の熱変形に起因して第1センサー12がC軸方向に熱変形することが防止又は抑制されている。
図7は、本実施形態に係るアナログ回路基板4を示す平面図である。
本実施形態に係るアナログ回路基板4は、基材90と、基材90に実装される半導体部品としてのIC(integrated circuit)(第1回路部品)94と、基材90に実装されるコンデンサー(第2回路部品)32,94と、を備えている。基材90には4つのコンデンサー32,92が配置されている。4つのコンデンサー32,92はIC94の足の近傍に配置されている。
図8は、本実施形態に係るアナログ回路基板4の部分拡大図である。
アナログ回路基板4は、基材90とIC94とで挟まれた空間の中心線99が、基材90とコンデンサー92(32)とで挟まれた空間の中心を通過する。
中心線99は、基材90とコンデンサー92(32)とで挟まれた空間の中心を通過することが好ましい。これによれば、さらにアナログ回路基板4を洗浄する際に洗浄液が流れ易いようにIC94とコンデンサー92(32)とを配置することができる。
IC94は、複数のリードフレーム(配線電極)96を備えている。中心線99は、隣り合うリードフレーム96の間に配置されていることが好ましい。アナログ回路基板4は、基材90とIC94の隣り合うリードフレーム96間とで挟まれた空間の中心線99が、基材90とコンデンサー92(32)の電極98間とで挟まれた空間の中心を通過する。これによれば、洗浄液が基材90とコンデンサー92(32)との間に入りやすいので、基材90とコンデンサー92(32)との間のフラックスが取れやすい。
(回路のパスリーク)
図9は、本実施形態に係る部品配置を説明する図である。
本実施形態のアナログ回路基板4は、IC94とコンデンサー92(32)とが接近している。これによれば、破線領域内はハイインピーダンスなので外部からの信号に弱いが、破線領域内のパターンを短くすることで外部からのノイズに強くなる。また、水晶・アンプ・コンデンサー92(32)の経路(網点領域)を守ることで水晶から出た微小な電荷を正確に取得でき精度が向上する。
次に、コンデンサー裏汚染による絶縁抵抗の低下による出力変化を説明する。
図10は、回路のパスリークを説明する図である。図10(A)は回路を示し、図10(B)は出力変化を示している図である。なお、縦軸は出力電荷Q(pC)、横軸は時間t(S)である。
図10(A)に示すように、コンデンサー裏汚染によりコンデンサーと並列する疑似抵抗が設けられたようになり、その疑似抵抗から電荷が抜ける。図10(B)の線分aは、本来(コンデンサー裏汚染なし)の出力変化を示している。曲線bは、電荷が抜けた出力変化を示している。
電荷は一派的に次式で表せられる。
Q=Q0e-t/CR
なお、Q:電荷、Q0:直前の電荷、T:時間、C:コンデンサー値、R:抵抗値である。これによれば、電荷が多いほど大きく抜けることになる。
回路のパスリークは回路に疑似抵抗が付いて電荷が抜ける。コンデンサーの絶縁抵抗が低下の原因である。
本適用例によれば、基材90とIC94とで挟まれた空間の中心線99が、基材90とコンデンサー92(32)とで挟まれた空間の中心を通過することができる。これにより、アナログ回路基板4を洗浄する際に洗浄液が流れ易いようにIC94とコンデンサー92(32)とを配置することができ、流体効果により基板のフラックス洗浄の効果を高めることができる。その結果、洗浄ムラによるフラックス残渣をなくし時間ドリフトを低減できる。
また、基材90にIC94とコンデンサー92(32)とを配置したアナログ回路基板4において、基材90とIC94との間の空間を流動した洗浄液が、層流の状態のまま、基材90とコンデンサー92(32)との間を流動できる。その結果、フラックスを効果的に洗浄できる効果を得ることができる。
(単腕ロボット)
次に、図11に基づき、本実施形態に係るロボットである単腕ロボットを説明する。
図11は、本実施形態に係る力検出装置1を用いた単腕ロボットの1例を示す図である。
単腕ロボット500は、図11に示すように、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)及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、及び移動可能な台車上などに固定される。
アーム520は、第1アーム要素521、第2アーム要素522、第3アーム要素523、第4アーム要素524、及び第5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又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指531及び第2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指531及び第2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、本実施形態では、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、及び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及び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。また、信頼性の高い単腕ロボット500を提供できる。
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、本実施形態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実施形態の範囲内である。
(複腕ロボット)
次に、図12に基づき、本実施形態に係るロボットである複腕ロボットを説明する。
図12は、本実施形態に係る力検出装置1を用いた複腕ロボットの1例を示す図である。
複腕ロボット600は、図12に示すように、基台610と、第1アーム620と、第2アーム630と、第1アーム620の先端側に設けられた第1エンドエフェクター640aと、第2アーム630の先端側に設けられた第2エンドエフェクター640bと、第1アーム620と第1エンドエフェクター640aとの間及び第2アーム630と第2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610は、第1アーム620及び第2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)及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、及び移動可能な台車上などに固定される。
第1アーム620は、第1アーム要素621及び第2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アーム630は、第1アーム要素631及び第2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アーム620及び第2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又は屈曲することにより駆動する。
第1及び第2エンドエフェクター640a,640bは、対象物を把持する機能を有する。第1エンドエフェクター640aは、第1指641a及び第2指642aを有している。第2エンドエフェクター640bは、第1指641b及び第2指642bを有している。第1アーム620の駆動により第1エンドエフェクター640aが所定の動作位置まで到達した後、第1指641a及び第2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アーム630の駆動により第2エンドエフェクター640bが所定の動作位置まで到達した後、第1指641b及び第2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1は第1及び第2エンドエフェクター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1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1が検出する力によって、複腕ロボット600は、第1及び第2エンドエフェクター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及び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。また、信頼性の高い複腕ロボット600を提供できる。
なお、図示の構成では、アームは合計2本であるが、本実施形態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、本実施形態の範囲内である。
(電子部品検査装置及び電子部品搬送装置)
次に、図13及び図14に基づき、本実施形態に係る力検出装置1を備えた電子部品検査装置及び電子部品搬送装置を説明する。
図13は、本実施形態に係る力検出装置1を用いた電子部品検査装置及び部品搬送装置の1例を示す図である。図14は、本実施形態に係る力検出装置1を用いた電子部品搬送装置の1例を示す図である。
電子部品検査装置700は、図13に示すように、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、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、及び各種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及び下流側ステージ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1が設けられている。さらに、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1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及び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を取上げ、Yステージ731及び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14は、力検出装置1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軸の力検出装置1と、6軸の力検出装置1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方向及び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(及び把持部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(及び把持部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(及び把持部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1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1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及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1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及び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及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。また、信頼性の高い電子部品搬送装置740及び電子部品検査装置700を提供できる。
(部品加工装置)
次に、図15に基づき、本実施形態に係る力検出装置1を備えた部品加工装置を説明する。
図15は、本実施形態に係る力検出装置1を用いた部品加工装置の1例を示す図である。
部品加工装置800は、図15に示すように、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、ニッパー、錐、ドリル、及びフライス等である。
力検出装置1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1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。また、信頼性の高い部品加工装置800を提供できる。
以上、本発明の回路基板、力検出装置、及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、回路基板、力検出装置、及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、本発明の回路基板、力検出装置、及びロボットは、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(圧電素子)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、及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、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移動体、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、及び入力装置等にも適用することができる。