JP2018017739A - Force detection device and robot - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、力検出装置、ロボットおよび電子部品搬送装置に関する。 The present invention relates to a force detection device, a robot, and an electronic component transport device.
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(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1に記載の力測定装置は、圧電素子としての水晶を用いて、せん断、引張力、圧縮力等を検出することができる。
In recent years, industrial robots have been introduced into production facilities such as factories for the purpose of improving production efficiency. A typical example of such an industrial robot is a machine tool that performs machining on a base material such as an aluminum plate. Some machine tools have a built-in force detection device that detects a force on a base material when machining is performed (for example, see Patent Document 1).
The force measuring device described in
しかしながら、圧電素子として水晶を用いた力測定装置では、機械加工中に生じた熱により水晶が変形してしまい、その結果、圧電素子の出力における真値に対するノイズ成分となってしまう。そして、特許文献1に記載の力測定装置では、このようなノイズ対策が考慮されていない。
そこで、本発明の目的は、温度の変動による影響を受けにくい力検出装置、ロボットおよび電子部品搬送装置を提供することにある。
However, in a force measuring device using a crystal as a piezoelectric element, the crystal is deformed by heat generated during machining, resulting in a noise component with respect to the true value in the output of the piezoelectric element. The force measuring device described in
Accordingly, an object of the present invention is to provide a force detection device, a robot, and an electronic component transport device that are not easily affected by temperature fluctuations.
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)
本発明に係わる力検出装置は、第1基部と、
第2基部と、
前記第1基部と前記第2基部とによって挟持され、前記第1基部と前記第2基部とに加わる外力を検出する複数の圧電素子と、を備える力検出装置であって、
前記第1基部は測定対象に固定される第1取付面を含み、前記第2基部は測定対象に固定される第2取付面を含み、
前記各圧電素子は、Yカット水晶板で構成された第1基板と、Yカット水晶板で構成された第2基板とを有し、前記第1基板と前記第2基板とが平行に積層され、前記第1基板と前記第2基板との積層方向において、前記第1基板のx軸と前記第2基板のx軸とが交差し、前記第1基板のz軸と前記第2基板のz軸とが交差しており、
前記圧電素子は、前記第1取付面または前記第2取付面の法線と前記積層方向とが異なるように設置されていることを特徴とする。
これにより、力検出装置は、温度の変動による影響を受けにくい装置となり、よって、外力を正確に検出することができる。
Such an object is achieved by the present invention described below.
(Application example 1)
A force detection device according to the present invention includes a first base,
A second base;
A plurality of piezoelectric elements that are sandwiched between the first base and the second base and detect an external force applied to the first base and the second base;
The first base includes a first mounting surface fixed to the measurement target, and the second base includes a second mounting surface fixed to the measurement target;
Each piezoelectric element has a first substrate made of a Y-cut quartz plate and a second substrate made of a Y-cut quartz plate, and the first substrate and the second substrate are laminated in parallel. In the stacking direction of the first substrate and the second substrate, the x-axis of the first substrate and the x-axis of the second substrate intersect, and the z-axis of the first substrate and the z-axis of the second substrate The axis intersects,
The piezoelectric element is installed such that a normal line of the first mounting surface or the second mounting surface is different from the stacking direction.
As a result, the force detection device becomes a device that is not easily affected by fluctuations in temperature, and thus can detect the external force accurately.
(適用例2)
本発明に係わる力検出装置では、前記圧電素子は、前記第1基板および前記第2基板の面内の直交する2方向と、前記2方向と直交する1方向の計3方向の外力を検出することが好ましい。
これにより、外力を3次元的に検出することができる。
(Application example 2)
In the force detection device according to the present invention, the piezoelectric element detects external forces in a total of three directions including two directions orthogonal to each other in the plane of the first substrate and the second substrate and one direction orthogonal to the two directions. It is preferable.
Thereby, an external force can be detected three-dimensionally.
(適用例3)
本発明に係わる力検出装置では、前記第1基部および前記第2基部のうちの少なくとも一方の基部は、板状をなす部材で構成され、前記部材の面内の直交する2方向をA軸、B軸とし、前記A軸および前記B軸と直交する方向をC軸とし、
前記圧電素子の前記部材に対する傾斜角度をθとし、
前記第1基板のx軸と前記A軸とのなす角度をφとし、
前記第1基板のx軸方向に加わる力をfx1、前記第2基板のx軸方向に加わる力をfx2したとき、
前記A軸方向の力FA、前記B軸方向の力FBおよび前記C軸方向の力FCは、それぞれ、下記式(1)、(2)および(3)で表されるのが好ましい。
FA=fx1・cosφ−fx2・sinφ・・・(1)
FB=fx1・sinφ・sinθ+fx2・cosφ・sinθ・・・(2)
FC=−fx1・sinφ・cosθ−fx2・cosφ・cosθ・・・(3)
これにより、温度の変動による影響を受けにくい状態で、3次元での外力を確実に検出することができる。
(Application example 3)
In the force detection device according to the present invention, at least one of the first base and the second base is configured by a plate-shaped member, and two orthogonal directions within the surface of the member are defined as the A axis, A direction that is orthogonal to the A axis and the B axis is a C axis,
The inclination angle of the piezoelectric element with respect to the member is θ,
An angle formed by the x-axis of the first substrate and the A-axis is φ,
When the force applied in the x-axis direction of the first substrate is fx 1 and the force applied in the x-axis direction of the second substrate is fx 2 ,
The A-axis direction force F A , the B-axis direction force F B, and the C-axis direction force F C are preferably represented by the following formulas (1), (2), and (3), respectively. .
F A = fx 1 · cosφ−fx 2 · sinφ (1)
F B = fx 1 · sinφ · sinθ + fx 2 · cosφ · sinθ (2)
F C = −fx 1 · sin φ · cos θ−fx 2 · cos φ · cos θ (3)
As a result, it is possible to reliably detect an external force in three dimensions while being hardly affected by temperature fluctuations.
(適用例4)
本発明に係わる力検出装置では、前記圧電素子の周りに設けられて前記圧電素子に与圧を加える与圧ネジを複数備え、
前記与圧ネジの与圧方向が、前記第1基板および前記第2基板の積層方向に平行な方向であることが好ましい。
これにより、圧電素子に剪断力が作用したとき、圧電素子を構成する基板同士の間での摩擦力が確実に生じ、よって、電荷を確実に検出することができる。
(Application example 4)
The force detection device according to the present invention includes a plurality of pressurizing screws that are provided around the piezoelectric element and apply pressure to the piezoelectric element.
It is preferable that a pressurizing direction of the pressurizing screw is a direction parallel to a stacking direction of the first substrate and the second substrate.
Thereby, when a shearing force is applied to the piezoelectric element, a frictional force is reliably generated between the substrates constituting the piezoelectric element, and thus the electric charge can be reliably detected.
(適用例5)
本発明に係わる力検出装置では、前記第1基部および前記第2基部のうちの少なくとも一方の基部は、板状をなし、
前記各圧電素子は、前記第1基板と前記第2基板とが前記一方の基部に対して傾斜して配置されていることが好ましい。
これにより、力検出装置は、温度の変動による影響を受けにくい装置となり、よって、外力を正確に検出することができる。
(Application example 5)
In the force detection device according to the present invention, at least one of the first base and the second base has a plate shape,
In each of the piezoelectric elements, it is preferable that the first substrate and the second substrate are arranged to be inclined with respect to the one base portion.
As a result, the force detection device becomes a device that is not easily affected by fluctuations in temperature, and thus can detect the external force accurately.
(適用例6)
本発明に係わる力検出装置では、前記第1基部および前記第2基部のうちの少なくとも一方の基部は、板状をなし、
前記圧電素子は、複数設置されており、
前記複数の圧電素子には、前記一方の基部の中心軸に関して対称的に配置された前記圧電素子が含まれるのが好ましい。
これにより、外力を偏りなく検出することができる。
(Application example 6)
In the force detection device according to the present invention, at least one of the first base and the second base has a plate shape,
A plurality of the piezoelectric elements are installed,
It is preferable that the plurality of piezoelectric elements include the piezoelectric elements arranged symmetrically with respect to the central axis of the one base portion.
Thereby, the external force can be detected without bias.
(適用例7)
本発明に係わる力検出装置では、前記第1基部および前記第2基部のうちの少なくとも一方の基部は、板状をなし、
4つ以上の前記圧電素子が、前記取付面からみて前記一方の基部の中心部から離間した位置にそれぞれ配置されていることが好ましい。
これにより、外力を安定して検出することができる。
(Application example 7)
In the force detection device according to the present invention, at least one of the first base and the second base has a plate shape,
It is preferable that four or more of the piezoelectric elements are respectively disposed at positions separated from the central portion of the one base portion when viewed from the mounting surface.
Thereby, the external force can be detected stably.
(適用例8)
本発明に係わる力検出装置では、前記圧電素子は、Xカット水晶板で構成された第3基板を有することが好ましい。
これにより、水晶板を用いるという簡単な構成で、3次元での外力を確実に検出することができる。
(Application example 8)
In the force detection device according to the present invention, it is preferable that the piezoelectric element has a third substrate made of an X-cut quartz plate.
Thereby, the external force in three dimensions can be reliably detected with a simple configuration using a quartz plate.
(適用例9)
本発明に係わるロボットは、アームと、
前記アームに設けられたエンドエフェクタと、
前記アームと前記エンドエフェクタの間に設けられ、前記エンドエフェクタに加えられる外力を検出する力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、測定対象に固定される第1取付面を含む第1基部と、測定対象に固定される第2取付面を含む第2基部と、前記第1基部と前記第2基部とによって挟持されて前記第1基部と前記第2基部とに加わる外力を検出する圧電素子と、を備え、
前記圧電素子は、Yカット水晶板で構成された第1基板と、Yカット水晶板で構成された第2基板とを有し、前記第1基板と前記第2基板とが平行に積層され、前記第1基板と前記第2基板との積層方向において、前記第1基板のx軸と前記第2基板のx軸とが交差し、前記第1基板のz軸と前記第2基板のz軸とが交差しており、
前記圧電素子は、前記第1取付面または前記第2取付面の法線方向と前記積層方向とが異なるように設置されていることを特徴とする。
これにより、ロボットは、温度の変動による影響を受けにくいロボットとなり、よって、外力が正確に検出され、エンドエフェクターによる作業を適正に行なうことができる。
(Application example 9)
A robot according to the present invention includes an arm,
An end effector provided on the arm;
A force detecting device provided between the arm and the end effector for detecting an external force applied to the end effector;
The force detection device includes a first base including a first mounting surface fixed to a measurement target, a second base including a second mounting surface fixed to the measurement target, the first base, and the second base. A piezoelectric element that detects an external force that is sandwiched by and applied to the first base and the second base,
The piezoelectric element has a first substrate made of a Y-cut quartz plate and a second substrate made of a Y-cut quartz plate, and the first substrate and the second substrate are laminated in parallel, In the stacking direction of the first substrate and the second substrate, the x-axis of the first substrate intersects the x-axis of the second substrate, and the z-axis of the first substrate and the z-axis of the second substrate Intersects with
The piezoelectric element is installed such that a normal direction of the first mounting surface or the second mounting surface is different from the stacking direction.
As a result, the robot becomes a robot that is not easily affected by temperature fluctuations, so that external force can be accurately detected and work by the end effector can be performed appropriately.
(適用例10)
本発明に係わる電子部品搬送装置は、電子部品を把持する把持部と、
前記把持部に加えられる外力を検出する力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、測定対象に固定できる第1取付面を有する第1基部と、測定対象に固定できる第2取付面を有する第2基部と、前記第1基部と前記第2基部とによって挟持方向に挟持され、前記第1基部と前記第2基部とに加わる外力を検出する圧電素子と、を備え、
前記圧電素子は、Yカット水晶板で構成された第1基板と、Yカット水晶板で構成された第2基板とを有し、前記第1基板と前記第2基板とが平行に積層され、前記第1基板と前記第2基板との積層方向において、前記第1基板のx軸と前記第2基板のx軸とが交差し、前記第1基板のz軸と前記第2基板のz軸とが交差しており、
前記圧電素子は、前記第1取付面または前記第2取付面の法線方向と前記積層方向とが異なるように設置されていることを特徴とする。
これにより、電子部品搬送装置は、温度の変動による影響を受けにくい装置となり、よって、外力が正確に検出され、電子部品の搬送を適正に行なうことができる。
(Application example 10)
An electronic component conveying apparatus according to the present invention includes a gripping unit that grips an electronic component,
A force detection device that detects an external force applied to the gripping portion;
The force detection device is sandwiched between a first base having a first mounting surface that can be fixed to a measurement target, a second base having a second mounting surface that can be fixed to the measurement target, and the first base and the second base. A piezoelectric element sandwiched in a direction and detecting an external force applied to the first base and the second base;
The piezoelectric element has a first substrate made of a Y-cut quartz plate and a second substrate made of a Y-cut quartz plate, and the first substrate and the second substrate are laminated in parallel, In the stacking direction of the first substrate and the second substrate, the x-axis of the first substrate intersects the x-axis of the second substrate, and the z-axis of the first substrate and the z-axis of the second substrate Intersects with
The piezoelectric element is installed such that a normal direction of the first mounting surface or the second mounting surface is different from the stacking direction.
As a result, the electronic component conveying device becomes a device that is not easily affected by temperature fluctuations, and thus external force can be accurately detected and electronic components can be conveyed appropriately.
(適用例11)
本発明に係わる力検出装置は、第1基部と、
第2基部と、
前記第1基部と前記第2基部とによって挟持され、前記第1基部と前記第2基部とに加わる外力の成分を検出する圧電素子と、を備える力検出装置であって、
前記第1基部は測定対象に固定される第1取付面を含み、前記第2基部は測定対象に固定される第2取付面を含み、
前記圧電素子は、前記第1取付面または前記第2取付面の法線方向と異なる積層方向を有する第1基板と、第2基板とを有し、前記第1基板による、前記法線方向と同じ第1検出方向のせん断力の検出と、前記第2基板による、前記第1検出方向と交差する第2検出方向のせん断力の検出と、から前記第1基部と前記第2基部に加わる外力を検出することを特徴とする。
これにより、力検出装置は、温度の変動による影響を受けにくい装置となり、よって、外力を正確に検出することができる。
(Application Example 11)
A force detection device according to the present invention includes a first base,
A second base;
A force detection device comprising: a piezoelectric element that is sandwiched between the first base and the second base and detects a component of an external force applied to the first base and the second base,
The first base includes a first mounting surface fixed to the measurement target, and the second base includes a second mounting surface fixed to the measurement target;
The piezoelectric element includes a first substrate having a stacking direction different from a normal direction of the first mounting surface or the second mounting surface, and a second substrate, and the normal direction by the first substrate The external force applied to the first base and the second base from the detection of the same first detection direction shear force and the detection of the shear force in the second detection direction intersecting the first detection direction by the second substrate. Is detected.
As a result, the force detection device becomes a device that is not easily affected by fluctuations in temperature, and thus can detect the external force accurately.
(適用例12)
本発明に係わる力検出装置では、前記第1基板、前記第2基板は、Yカット水晶板であり、
前記第1基板の水晶結晶のx軸と前記第2基板の水晶結晶のx軸は、直交しているのが好ましい。
これにより、水晶板を用いるという簡単な構成で、外力を確実に検出することができる。
(Application Example 12)
In the force detection device according to the present invention, the first substrate and the second substrate are Y-cut quartz plates,
The x-axis of the crystal crystal of the first substrate and the x-axis of the crystal crystal of the second substrate are preferably orthogonal.
As a result, the external force can be reliably detected with a simple configuration using a quartz plate.
(適用例13)
本発明に係わる力検出装置では、前記第1の挟持方向に直交する第1平面と、
前記第2の挟持方向に直交する第2平面との交線に平行な方向をC軸とした直交座標軸A軸、B軸、C軸を座標軸とし、
前記第1基部と前記第2基部とに加わる外力を、3軸方向の外力の成分として検出するのが好ましい。
これにより、3次元での外力を確実に検出することができる。
(Application Example 13)
In the force detection device according to the present invention, a first plane perpendicular to the first clamping direction;
The orthogonal coordinate axes A axis, B axis, and C axis with the direction parallel to the intersecting line with the second plane orthogonal to the second clamping direction as the C axis are the coordinate axes,
It is preferable that an external force applied to the first base and the second base is detected as a component of an external force in the triaxial direction.
Thereby, the external force in three dimensions can be detected reliably.
(適用例14)
本発明に係わる力検出装置では、前記圧電素子が2つ設置され、前記2つの圧電素子のうちの一方の圧電素子の検出方向を第1検出方向、他方の圧電素子の検出方向を第2検出方向とし、前記第1検出方向と前記第2検出方向を含む平面と前記A軸と前記B軸を含む平面とのなす角度をθとし、
前記第1検出方向と前記A軸とのなす角度をφとし、
前記一方の圧電素子の第1の出力をfx1、前記他方の圧電素子の第2の出力をfx2したとき、
前記A軸方向の力FA、前記B軸方向の力FBおよび前記C軸方向の力FCは、それぞれ、下記式(1)、(2)および(3)で表されるのが好ましい。
FA=fx1・cosφ−fx2・sinφ・・・(1)
FB=fx1・sinφ・sinθ+fx2・cosφ・sinθ・・・(2)
FC=−fx1・sinφ・cosθ−fx2・cosφ・cosθ・・・(3)
これにより、力検出装置は、温度の変動による影響を受けにくい装置となり、よって、外力を正確に検出することができる。
(Application Example 14)
In the force detection device according to the present invention, the two piezoelectric elements are installed, the detection direction of one of the two piezoelectric elements is the first detection direction, and the detection direction of the other piezoelectric element is the second detection. An angle formed by a plane including the first detection direction and the second detection direction, and a plane including the A axis and the B axis,
An angle formed by the first detection direction and the A axis is φ,
When the first output of the one piezoelectric element is fx 1 and the second output of the other piezoelectric element is fx 2 ,
The A-axis direction force F A , the B-axis direction force F B, and the C-axis direction force F C are preferably represented by the following formulas (1), (2), and (3), respectively. .
F A = fx 1 · cosφ−fx 2 · sinφ (1)
F B = fx 1 · sinφ · sinθ + fx 2 · cosφ · sinθ (2)
F C = −fx 1 · sin φ · cos θ−fx 2 · cos φ · cos θ (3)
As a result, the force detection device becomes a device that is not easily affected by fluctuations in temperature, and thus can detect the external force accurately.
(適用例15)
本発明に係わる力検出装置では、前記圧電素子の周りに設けられて前記圧電素子に与圧を加える与圧ネジを複数備え、
前記第1の与圧ネジの与圧方向が、前記第1基板および前記第2基板の積層方向に平行な方向であるのが好ましい。
これにより、圧電素子に剪断力が作用したとき、圧電素子を構成する基板同士の間での摩擦力が確実に生じ、よって、電荷を確実に検出することができる。
(Application Example 15)
The force detection device according to the present invention includes a plurality of pressurizing screws that are provided around the piezoelectric element and apply pressure to the piezoelectric element.
It is preferable that a pressurizing direction of the first pressurizing screw is a direction parallel to a stacking direction of the first substrate and the second substrate.
Thereby, when a shearing force is applied to the piezoelectric element, a frictional force is reliably generated between the substrates constituting the piezoelectric element, and thus the electric charge can be reliably detected.
(適用例16)
本発明に係わる力検出装置は、第1基部と、
第2基部と、
前記第1基部と前記第2基部とによって挟持され、前記第1基部と前記第2基部とに加わる外力を検出する複数の圧電素子と、を備える力検出装置であって、
前記第1基部は測定対象に固定される第1取付面を含み、前記第2基部は測定対象に固定される第2取付面を含み、
前記圧電素子は、前記第1取付面または前記第2取付面の法線と前記積層方向とが異なるように設置され、
総重量が1kgよりも軽いことを特徴とする。
これにより、力検出装置の重量を、1kgよりも軽くすることにより、力検出装置の重量を取り付けた手首にかかる負荷を低減させることができ、手首を駆動するアクチュエータの容量を小さくできる為、手首を小型に設計することができる。
(Application Example 16)
A force detection device according to the present invention includes a first base,
A second base;
A plurality of piezoelectric elements that are sandwiched between the first base and the second base and detect an external force applied to the first base and the second base;
The first base includes a first mounting surface fixed to the measurement target, and the second base includes a second mounting surface fixed to the measurement target;
The piezoelectric element is installed such that a normal line of the first mounting surface or the second mounting surface and the stacking direction are different from each other.
The total weight is lighter than 1 kg.
Thereby, by reducing the weight of the force detection device to less than 1 kg, the load applied to the wrist to which the weight of the force detection device is attached can be reduced, and the capacity of the actuator that drives the wrist can be reduced. Can be designed small.
(適用例17)
本発明に係わる力検出装置は、第1基部と、
第2基部と、
前記第1基部と前記第2基部とによって挟持され、前記第1基部と前記第2基部とに加わる外力を検出する複数の圧電素子と、を備える力検出装置であって、
前記第1基部は測定対象に固定される第1取付面を含み、前記第2基部は測定対象に固定される第2取付面を含み、
前記圧電素子は、前記第1取付面または前記第2取付面の法線と前記積層方向とが異なるように設置され、
前記各圧電素子が出力する電荷を電圧に変換する変換回路と、前記電圧から外力を演算する演算回路を前記第1基部と前記第2基部との間の空間に収納していることを特徴とする。
これにより、演算回路を別置きではなく、内蔵化することによって、配線ケーブル等の引き回しが不要となる。
(Application Example 17)
A force detection device according to the present invention includes a first base,
A second base;
A plurality of piezoelectric elements that are sandwiched between the first base and the second base and detect an external force applied to the first base and the second base;
The first base includes a first mounting surface fixed to the measurement target, and the second base includes a second mounting surface fixed to the measurement target;
The piezoelectric element is installed such that a normal line of the first mounting surface or the second mounting surface and the stacking direction are different from each other.
A conversion circuit that converts electric charges output from each piezoelectric element into a voltage, and an arithmetic circuit that calculates an external force from the voltage are housed in a space between the first base and the second base. To do.
As a result, the operation circuit is not installed separately but is built in, so that it is not necessary to route a wiring cable or the like.
(適用例18)
本発明に係わる力検出装置では、前記変換回路または前記演算回路には、半導体スイッチまたはMEMSスイッチの少なくともいずれかが含まれるのが好ましい。
これにより、スイッチ素子を従来のメカスイッチから半導体スイッチ、MEMSスイッチにすると軽量化できる。
(Application Example 18)
In the force detection device according to the present invention, the conversion circuit or the arithmetic circuit preferably includes at least one of a semiconductor switch and a MEMS switch.
Thereby, when the switch element is changed from a conventional mechanical switch to a semiconductor switch or a MEMS switch, the weight can be reduced.
(適用例19)
本発明に係わる力検出装置では、前記第1基部と前記第2基部とが円形または角丸正方形の断面形状を有する収納空間を形成し、前記圧電素子のそれぞれと前記取付面の中心との距離が等しいことを特徴とするのが好ましい。
これにより、基部の断面形状を円形、または角丸正方形にして、圧電素子を円周状に配置すると、応力が均一に分散できるので、基部の厚みを薄くすることができる。
(Application Example 19)
In the force detection device according to the present invention, the first base and the second base form a storage space having a circular or rounded square cross-sectional shape, and a distance between each of the piezoelectric elements and the center of the mounting surface. Are preferably equal.
As a result, when the cross-sectional shape of the base is circular or rounded square and the piezoelectric elements are arranged circumferentially, the stress can be uniformly distributed, so that the thickness of the base can be reduced.
(適用例20)
本発明に係わる力検出装置は、外力を検出する複数の圧電素子を有する力検出装置とロボットアームを備えたロボットであって、前記力検出装置の重量は、前記ロボットアームが搬送できる最大能力の20%よりも軽いことを特徴とする。
これにより、力検出装置の重量は、前記ロボットアームが搬送できる最大能力の20%よりも軽くすることにより、力検出装置の重量を取り付けたロボットアームの制御を容易にすることができる。
(Application example 20)
A force detection device according to the present invention is a robot including a force detection device having a plurality of piezoelectric elements for detecting an external force and a robot arm, and the weight of the force detection device has a maximum capacity that the robot arm can carry. It is characterized by being lighter than 20%.
Thereby, the weight of the force detection device is made lighter than 20% of the maximum capacity that the robot arm can carry, so that the control of the robot arm to which the weight of the force detection device is attached can be facilitated.
以下、本発明の力検出装置、ロボットおよび電子部品搬送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、本発明に係る力検出装置の第1実施形態を示す断面図である。図2は、図1に示す力検出装置を概略的に示す回路図である。図3は、図1に示す力検出装置の電荷出力素子を概略的に示す断面図である。図4は、図1に示す力検出装置の電荷出力素子で検出される力の作用状態を示す概略図である。図5は、図4中の矢印A方向から見た図である。
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。
Hereinafter, a force detection device, a robot, and an electronic component transport device according to the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the accompanying drawings.
<First Embodiment>
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a force detection device according to the present invention. FIG. 2 is a circuit diagram schematically showing the force detection device shown in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the charge output element of the force detection device shown in FIG. FIG. 4 is a schematic diagram showing the action state of the force detected by the charge output element of the force detection device shown in FIG. FIG. 5 is a view seen from the direction of arrow A in FIG.
In the following, for convenience of explanation, the upper side in FIG. 1 is referred to as “upper” or “upper”, and the lower side is referred to as “lower” or “lower”.
図1に示す力検出装置1は、外力(モーメントを含む)を検出する機能、すなわち、互いに直交する3軸(α(A)軸、β(B)軸、γ(C)軸)に沿って加えられた外力を検出する機能を有する。この直交座標軸であるα軸、β軸、γ軸は、後述する積層方向LDと傾斜して交差する平面内にα軸とβ軸が含まれる直交座標軸である。
力検出装置1は、ベースプレートとして機能する第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に対向するカバープレートして機能する第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、加えられた外力に応じて信号を出力するセンサ素子(圧電素子)としての電荷出力素子10および電荷出力素子10を収納するパッケージ60を有するセンサーデバイス6と、固定部材としての2つの与圧ボルト(与圧ネジ)71とを備えている。
The
The
第1基部2は、外形が板状をなし、その平面形状は、特に限定されないが、例えば、円形や多角形等が挙げられる。第1基部2の縁部には、第1基部2の下面に対して傾斜角度θで傾斜した傾斜面221を有する凸部22が突出形成されている。図4、図5に示すように、この傾斜面221は、α軸と平行である。なお、傾斜角度θは、0°<θ<90°を満足する。
The
本実施形態では、第1基部2の下面は、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)231となる。
第2基部3も、外形が板状をなし、その平面形状は、第1基部2の平面形状が好ましい。この場合、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。この第2基部3は、天板32と、天板32の縁部に沿って形成され、当該縁部から下方に向かって突出した側壁33とを有している。
In the present embodiment, the lower surface of the
The outer shape of the
本実施形態では、天板32の上面は、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)321となる。なお、この取付面321と第1基部2の取付面231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。
この側壁33には、第1基部2の傾斜面221と対向する部分に、傾斜面221と平行な、すなわち、傾斜角度θで傾斜した傾斜面331が形成されている。そして、第1基部2の傾斜面221と第2基部3の傾斜面331との間で、センサーデバイス6が挟持されている。すなわち、電荷出力素子10は、パッケージ60を介して、第1基部2の傾斜面221と第2基部3の傾斜面331とで挟持され、与圧されている。そして、この挟持された電荷出力素子10は、第1基部2に対して傾斜角度θで傾斜することとなる。以下、この挟持されている方向を「挟持方向SD」と言う。
In the present embodiment, the top surface of the
On the
なお、第1基部2と第2基部3とのいずれを力が加わる側の基板としてもよいが、本実施形態では、第2基部3を力が加わる側の基板として説明する。また、電荷出力素子10は、アナログ回路基板4の第1基部2側の面に配置されていてもよい。
また、図5に示すように、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の傾斜面221(α軸)とのなす角度をφとしたとき、角度φが0°≦φ<90°を満足する程度まで傾くのが許容される。
また、側壁33の中心部を介して傾斜面331と反対側の部分は、第2基部3と連結、固定される固定部332となっている。
Note that either the
As shown in FIG. 5, the
Further, a portion on the opposite side of the
図2に示すように、アナログ回路基板4は、搭載されたセンサーデバイス6の電荷出力素子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90c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90aとを備えている。また、デジタル回路基板5は、加えられた外力を検出する外力検出回路40を備えている。アナログ回路基板4、デジタル回路基板5は、それぞれ、第1基部2上の異なる位置に支持されており、第1基部2と第2基部3との間で保護されている。
As shown in FIG. 2, the
なお、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、各種の樹脂材料、各種の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。
The constituent materials of the
Moreover, although the
<電荷出力素子>
前述したように、力検出装置1は、互いに直交するα軸、β軸、γ軸に沿って加えられた外力を検出する機能を有する。α軸とβ軸とは、第1基部2および第2基部3の平面内の直交する2方向に沿った軸であり、γ軸は、α軸とβ軸と直交する1方向に沿った軸、すなわち、第1基部2および第2基部3の厚さ方向に沿った軸である。そして、力検出装置1には、この外力を検出するものとして、電荷出力素子10が内蔵されている。
<Charge output element>
As described above, the
図3に示すように、電荷出力素子10は、電荷Qx、Qy、Qzを出力することができる。そして、出力された電荷に基づいて、α軸、β軸、γ軸に沿って加えられた(受けた)外力が検出される。
なお、電荷出力素子10は、電荷Qzを出力することができるが、後述するように、力検出装置1では、各外力を求める際、電荷Qzを用いない。出力された電荷Qzは、例えば、与圧ボルト(与圧ネジ)71による与圧の調整に用いられる。
As shown in FIG. 3, the
The
ここで、外力検出時に電荷Qzを用いない理由として、力検出装置1を、エンドエフェクターが装着されたアームを有する産業用ロボットに用いた場合を例に挙げて説明する。この場合、アームやエンドエフェクターに設けられたモーター等の発熱源からの熱伝達により、第1基部2または第2基部3が加熱されて熱膨張し、変形する。この変形により、電荷出力素子10に対する与圧が所定の値から変化してしまう。この電荷出力素子10に対する与圧変化が、力検出装置1の温度変化に起因するノイズ成分として、電荷Qzに著しい影響を及ぼす程度に含まれてしまうからである。
電荷出力素子10の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、第1基部2の傾斜面221に対して垂直な方向から見て、四角形をなしている。なお、電荷出力素子10の他の外形形状としては、例えば、五角形等の他の多角形、円形、楕円形等が挙げられる。
Here, the reason why the charge Qz is not used at the time of detecting an external force will be described by taking as an example a case where the
The shape of the
図3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、外力(せん断力)に応じて電荷Qxを出力する第1のセンサー12と、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、外力(せん断力)に応じて電荷Qy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は交互に平行に積層されている。以下、この積層している方向を「積層方向LD」と言い、取付面321の法線NL2(または取付面231の法線NL1)と異なる方向となっている。
As shown in FIG. 3, the
具体的には、電荷出力素子10は、取付面321に平行な第1基部2に対して傾斜角度θで傾斜しており、その結果、積層方向LDおよび挟持方向SDのいずれの方向も、第1基部2に対して傾斜角度θで傾斜している。
図示の構成では、図3中の右下側から、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。
Specifically, the
In the configuration shown in the figure, the
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。
The
第1のセンサー12は、積層方向LDと直交する、すなわち、法線NL2(法線NL1)の方向に対して傾斜した方向の第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。
The
The
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3中の紙面奥行き方向に沿った軸であり、z軸は、図3中の斜め方向に沿った軸である。図3に示す構成では、x軸については、図3中の紙面奥側を正方向とし、その反対側を負方向として説明する。y軸については、図3中の右下側を正方向とし、その反対側を負方向として説明する。z軸については、図3中の左下側を正方向とし、その反対側を負方向として説明する。
The first
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。
The first
When an external (shearing force) force along the positive direction of the x-axis is applied to the surface of the first
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3中の紙面奥行き方向に沿った軸であり、z軸は、図3中の斜め方向に沿った軸である。図3に示す構成では、x軸については、図3中の紙面手前側を正方向とし、その反対側を負方向として説明する。y軸については、図3中の左上側を正方向とし、その反対側を負方向とする。z軸については、図3中の左下側を正方向とし、その反対側を負方向とする。
The second
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(せん断力)力が加えられた場合、圧電効果により、第2の圧電体層123内に電荷が誘起される。その結果、第2の圧電体層123の出力電極層122側表面近傍には正電荷が集まり、第2の圧電体層123のグランド電極層11側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第2の圧電体層123の表面に対し、x軸の負方向に沿った外力が加えられた場合、第2の圧電体層123の出力電極層122側表面近傍には負電荷が集まり、第2の圧電体層123のグランド電極層11側表面近傍には正電荷が集まる。
Similarly to the first
When an external (shearing force) force along the positive direction of the x-axis is applied to the surface of the second
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。
The
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。
The
また、出力電極層122の平面視での大きさは、第1の圧電体層121および第2の圧電体層123の平面視で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。
In addition, the size of the
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。
The
The
第3の圧電体層131は、Xカット水晶板で構成され、互いに直交する結晶軸である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3中の斜め方向に沿った軸であり、z軸は、図3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。
The third
When a compressive force parallel to the x-axis is applied to the surface of the third
第4の圧電体層133も、Xカット水晶板で構成され、互いに直交する結晶軸である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3中の斜め方向に沿った軸であり、z軸は、図3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。
The fourth
When a compressive force parallel to the x-axis is applied to the surface of the fourth
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。
The
第3のセンサー14は、積層方向LD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。
The
The
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3中の斜め方向に沿った軸であり、z軸は、図3中の紙面奥行き方向に沿った軸である。図3に示す構成では、x軸については、図3中の紙面左下側を正方向とし、その反対側を負方向として説明する。y軸については、図3中の左下側を正方向とし、その反対側を負方向として説明する。z軸については、図3中の紙面手前側を正方向とし、その反対側を負方向として説明する。
The fifth
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。
The fifth
When an external force along the positive direction of the x axis is applied to the surface of the fifth
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3中の斜め方向に沿った軸であり、z軸は、図3中の紙面奥行き方向に沿った軸である。図3に示す構成では、x軸については、図3中の紙面左上側を正方向とし、その反対側を負方向として説明する。y軸については、図3中の左上側を正方向とし、その反対側を負方向として説明する。z軸については、図3中の紙面手前側を正方向とし、その反対側を負方向として説明する。
The sixth
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。
Similarly to the fifth
When an external force along the positive direction of the x-axis is applied to the surface of the sixth
電荷出力素子10では、積層方向LDからの平面視で、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からの平面視で、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。
In the
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。
The
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。
As described above, in the
また、図1に示すように、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、2本あり、一方がセンサーデバイス6よりも図1中紙面奥側に配置され、破線で描かれており、他方がセンサーデバイス6よりも図1中紙面手前側に配置されている。なお、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基部2と第2基部3とは、与圧ボルト71により、互いの所定量の第2基部3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。
Further, as shown in FIG. 1, the
図1に示す構成では、与圧ボルト71と螺合する雌ネジ(図示せず)が第1基部2の傾斜面221に設けられている。そして、第1基部2と第2基部3との間にセンサーデバイス6を挟持した状態で、与圧ボルト71を第2基部3側から第1基部2の雌ネジに差し込むことにより、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ごと所定の大きさの圧力、すなわち、与圧が加えられる。これにより、電荷出力素子10に剪断力が作用したとき、電荷出力素子10を構成する層同士の間での摩擦力が確実に生じ、よって、電荷を確実に検出することができる。
なお、与圧ボルト71の構成材料としては、特に限定されず、例えば、各種の樹脂材料、各種の金属材料等を用いることができる。
In the configuration shown in FIG. 1, a female screw (not shown) that is screwed with the pressurizing
In addition, it does not specifically limit as a constituent material of the pressurization volt |
<センサーデバイス>
センサーデバイス6は、前記電荷出力素子10と、電荷出力素子10を収納するパッケージ60とを有している。
図1に示すように、パッケージ60は、凹部611を有する基部(第1の部材)61と、その基部61に接合された蓋体(第2の部材)62とを有している。電荷出力素子10は、基部61の凹部611に設置されており、その基部61の凹部611は、蓋体62により封止されている。これにより、電荷出力素子10を保護することができ、信頼性の高い力検出装置1を提供することができる。なお、電荷出力素子10の上面は、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、第1基部2の傾斜面221と第2基部3の傾斜面331とで挟持方向SDに挟持されて与圧され、さらに、その基部61と蓋体62とにより、電荷出力素子10も挟持方向SDに挟持されて与圧される。
<Sensor device>
The
As shown in FIG. 1, the
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、平面形状で四角形をなしている。なお、パッケージ60の他の形状としては、例えば、五角形等の他の多角形、円形、楕円形等が挙げられる。また、パッケージ60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。
Moreover, it does not specifically limit as a constituent material of the
Further, the shape of the
また、蓋体62は、本実施形態では、板状をなし、その中央部625と外周部626との間の部位が屈曲することで、中央部625が第2基部3に向って突出している。中央部625の形状は、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625の上面および下面は、いずれも平面である。
Further, in this embodiment, the
また、パッケージ60の基部61の下面の端部には、電荷出力素子10と電気的に接続された複数の端子(図示せず)が設けられている。当該各端子は、それぞれ、アナログ回路基板4と電気的に接続されており、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。
なお、また、アナログ回路基板4の電荷出力素子10が配置されている部位には、凸部22が挿入される孔41が形成されている。この孔41は、アナログ回路基板4を貫通する貫通孔である。
In addition, a plurality of terminals (not shown) that are electrically connected to the
In addition, a
<変換出力回路>
図2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Qyを電圧Vyに変換する機能を有する。変換出力回路90bは、電荷出力素子10から出力された電荷Qzを電圧Vzに変換する機能を有する。変換出力回路90cは、電荷出力素子10から出力された電荷Qxを電圧Vxに変換する機能を有する。変換出力回路90a、90b、90cは、同様であるので、以下では、代表的に、変換出力回路90cについて説明する。
<Conversion output circuit>
As shown in FIG. 2,
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。
The
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。
When the switching
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3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。
The switching
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。
The switching
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。
The same drive circuit may be connected to the switching
<外力検出回路>
図2に示すように、外力検出回路40は、変換出力回路90aから出力される電圧Vy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Vxとに基づき、加えられた外力を検出する機能を有する。外力検出回路40は、変換出力回路(変換回路)90a、90b、90cに接続されたADコンバーター401と、ADコンバーター401に接続された演算部(演算回路)402とを有する。
<External force detection circuit>
As shown in FIG. 2, the external
ADコンバーター401は、電圧Vx、Vy、Vz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。
The
The
<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、電荷出力素子10は、積層方向LDと挟持方向SDとが第1基部2に対して傾斜角度θで傾斜するように設置された状態となっている(図1、図4参照)。すなわち、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、第2のセンサー13が電荷Qz出力する際に作用する外力の第2検出方向とを含む平面と、α軸とβ軸を含む平面とのなす角度が傾斜角度θとなっている。
<Force detection in the α-axis, β-axis, and γ-axis directions (force detection method)>
As described above, the
そして、本発明者らは、α軸方向の力FA、β軸方向の力FBおよびγ軸方向の力FCを、それぞれ、下記式(1)、(2)および(3)で表すことができることを見出した。式(1)〜(3)中の「fx1」は、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Qx(第1の出力)から求められた力であり、「fx2」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Qy(第2の出力)から求められた力である。 The inventors express the α-axis direction force F A , the β-axis direction force F B, and the γ-axis direction force F C by the following formulas (1), (2), and (3), respectively. I found that I can do it. “Fx 1 ” in the expressions (1) to (3) is a force applied in the x-axis direction of the first sensor 12 (first detection plate), that is, a force obtained from the charge Qx (first output). “Fx 2 ” is a force applied in the x-axis direction of the third sensor 14 (second detection plate), that is, a force obtained from the charge Qy (second output).
FA=fx1・cosφ−fx2・sinφ・・・(1)
FB=fx1・sinφ・sinθ+fx2・cosφ・sinθ・・・(2)
FC=−fx1・sinφ・cosθ−fx2・cosφ・cosθ・・・(3)
例えば、図1に示す構成の力検出装置1の場合、θは45°、φは0°となる。式(1)〜(3)のθに45°を代入し、φに0°を代入すると、力FA〜FCは、それぞれ、
FA=fx1
FB=fx2/√2
FC=−fx2/√2
となる。
F A = fx 1 · cosφ−fx 2 · sinφ (1)
F B = fx 1 · sinφ · sinθ + fx 2 · cosφ · sinθ (2)
F C = −fx 1 · sin φ · cos θ−fx 2 · cos φ · cos θ (3)
For example, in the case of the
F A = fx 1
F B = fx 2 / √2
F C = −fx 2 / √2
It becomes.
このように力検出装置1では、力FA〜FC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。従って、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FA〜FCを正確に安定して検出することができる。
As described above, in the
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。
Moreover, the
<第2実施形態>
図6は、本発明に係る力検出装置の第2実施形態を示す断面図である。図7は、図6に示す力検出装置の平面図である。図8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、これらの図を参照して本発明の力検出装置、ロボットおよび電子部品搬送装置の第2実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。
本実施形態は、センサーデバイスの配置数が異なること以外は第1実施形態と同様である。
Second Embodiment
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a second embodiment of the force detection device according to the present invention. FIG. 7 is a plan view of the force detection device shown in FIG. FIG. 8 is a circuit diagram schematically showing the force detection device shown in FIG.
Hereinafter, the second embodiment of the force detection device, the robot, and the electronic component transport device according to the present invention will be described with reference to these drawings. However, the difference from the above-described embodiment will be mainly described, and the same matters will be described. The description is omitted.
This embodiment is the same as the first embodiment except that the number of sensor devices is different.
図6、図7に示すように、本実施形態では、センサーデバイス6(電荷出力素子10)は、4つ設置されている。以下、各センサーデバイス6を図7中の時計回りに順に「センサーデバイス(第1のセンサ素子)6A」、「センサーデバイス(第2のセンサ素子)6B」、「センサーデバイス(第3のセンサ素子)6C」、「センサーデバイス(第4のセンサ素子)6D」と言う。
As shown in FIGS. 6 and 7, in the present embodiment, four sensor devices 6 (charge output elements 10) are provided. In the following, each
なお、第1基部2と第2基部3とは、前述したようにアナログ回路基板4やデジタル回路基板5を収納しており、収納空間が形成されている。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。そして、各センサーデバイス6のそれぞれと前記取付面321(または取付面231)の中心との距離が等しい。このような構成により、センサーデバイス6を円周状に配置すると、応力が均一に分散できるので、第1基部2や第2基部3の厚みを薄くすることができる。
また、与圧ボルト71は、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を介してその両側に配置され、すなわち、可Kセンサーデバイス6の周りに設けられて、当該センサーデバイス6に対して与圧を付与している。なお、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。
The
Further, there are eight (a plurality) pressurizing
そして、図7に示すように、センサーデバイス6Aとセンサーデバイス6Cとは、平面形状が円形をなす第2基部3(一方の基部)の中心軸641に関して対称的に配置され、センサーデバイス6Bとセンサーデバイス6Dとは、中心軸641に対し90度ずれた中心軸642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2基部3の中心643回りに等間角度隔に配置されている。このような配置により、外力を偏りなく検出することができる。
センサーデバイス6A〜6Dは、取付面321からみて、第2基部3の中心部(中心643)からできる限り離間した位置に配置されているのが好ましい。これにより、外力を安定して検出することができる。
As shown in FIG. 7, the
The
なお、センサーデバイス6Aは、前記第1実施形態でも述べたように、積層方向LD(第1積層方向)に積層された第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とを備える。第1のセンサー12は、積層方向LD(第1積層方向)と直交する第1検出方向の外力に応じて第1の出力である電荷Qxを出力する機能を有し、第1の圧電体層121(第1の検出板)と、第2の圧電体層123(第1の検出板)と、出力電極層122とで構成されている。第2のセンサー13は、電荷Qzを出力する機能を有し、第3の圧電体層(第9の検出板)131と、第4の圧電体層(第9の検出板)133と、出力電極層132とで構成されている。第3のセンサー14は、第1積層方向と直交し、第1検出方向と交差する第2検出方向の外力に応じて第2の出力である電荷Qxを出力する機能を有し、第5の圧電体層141(第2の検出板)と、第6の圧電体層143(第2の検出板)と、出力電極層142とで構成されている。
As described in the first embodiment, the
センサーデバイス6Bは、センサーデバイス6Aと同様の構成であり、積層方向LD(第2積層方向)に積層された第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とを備える。第2積層方向は、取付面321の法線NL2と異なり、中心643に関して第1積層方向と対称的な方向である。第1のセンサー12は、第2積層方向と直交する第3検出方向の外力に応じて第3の出力である電荷Qxを出力する機能を有し、第1の圧電体層121(第3の検出板)と、第2の圧電体層123(第3の検出板)と、出力電極層122とで構成されている。第2のセンサー13は、電荷Qzを出力する機能を有し、第3の圧電体層131と、第4の圧電体層133と、出力電極層132とで構成されている。第3のセンサー14は、第2積層方向と直交し、第3検出方向と交差する第4検出方向の外力に応じて第4の出力である電荷Qxを出力する機能を有し、第5の圧電体層141(第4の検出板)と、第6の圧電体層143(第4の検出板)と、出力電極層142を有する。
The
センサーデバイス6Cも、センサーデバイス6Aと同様の構成であり、積層方向LD(第3積層方向)に積層された第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とを備える。第1のセンサー12は、積層方向LD(第3積層方向)と直交する第5検出方向の外力に応じて第5の出力である電荷Qxを出力する機能を有し、第1の圧電体層121(第5の検出板)と、第2の圧電体層123(第5の検出板)と、出力電極層122とで構成されている。第2のセンサー13は、電荷Qzを出力する機能を有し、第3の圧電体層(第9の検出板)131と、第4の圧電体層(第9の検出板)133と、出力電極層132とで構成されている。第3のセンサー14は、第3積層方向と直交し、第5検出方向と交差する第6検出方向の外力に応じて第6の出力である電荷Qxを出力する機能を有し、第5の圧電体層141(第6の検出板)と、第6の圧電体層143(第6の検出板)と、出力電極層142とで構成されている。
The
センサーデバイス6Dも、センサーデバイス6Aと同様の構成であり、積層方向LD(第4積層方向)に積層された第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とを備える。第4積層方向は、取付面321の法線NL2と異なり、中心643に関して第3積層方向と対称的な方向である。第1のセンサー12は、第4積層方向と直交する第7検出方向の外力に応じて第7の出力である電荷Qxを出力する機能を有し、第1の圧電体層121(第7の検出板)と、第2の圧電体層123(第7の検出板)と、出力電極層122とで構成されている。第2のセンサー13は、電荷Qzを出力する機能を有し、第3の圧電体層131と、第4の圧電体層133と、出力電極層132とで構成されている。第3のセンサー14は、第4積層方向と直交し、第7検出方向と交差する第8検出方向の外力に応じて第8の出力である電荷Qxを出力する機能を有し、第5の圧電体層141(第8の検出板)と、第6の圧電体層143(第8の検出板)と、出力電極層142を有する。
なお、力検出装置1は、本実施形態では、センサーデバイス6A〜6Dを備えるものであるが、これに限定されず、例えば、センサーデバイス6A〜6Dのうちのセンサーデバイス6Cとセンサーデバイス6Dとが省略されたものであってもよい。この場合、構成が簡単な力検出装置1となる。
The
In addition, in this embodiment, although the
<変換出力回路>
図8に示すように、センサーデバイス6A〜6Dの各電荷出力素子10には、それぞれ、変換出力回路90a、90b、90cが接続されている。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90と同様であるので、その説明は省略する。
<Conversion output circuit>
As shown in FIG. 8,
なお、センサーデバイス6Aの電荷出力素子10は、電荷Qx1、Qy1、Qz1を出力し、センサーデバイス6Bの電荷出力素子10は、電荷Qx2、Qy2、Qz2を出力し、センサーデバイス6Cの電荷出力素子10は、電荷Qx3、Qy3、Qz3を出力し、センサーデバイス6Dの電荷出力素子10は、電荷Qx4、Qy4、Qz4を出力する。
The
<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。外力検出回路40は、変換出力回路90a、90b、90cに接続されたADコンバーター401と、ADコンバーター401に接続された演算部402とを有する。
<External force detection circuit>
The external
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。
そして、本実施形態での力検出装置1全体としての力FA〜FCは、それぞれ、センサーデバイス6A〜6Dの各電荷出力素子10で出力された電荷から基づいて検出された力FA〜FC合力(ΣFA、ΣFB、ΣFC)となる。
The
The forces F A to F C of the
<第3実施形態>
図9は、本発明に係る力検出装置の第3実施形態を示す断面図である。図10は、図9に示す力検出装置の平面図である。図11は、図9に示す力検出装置を概略的に示す回路図である。図12は、図9に示す力検出装置の電荷出力素子を概略的に示す断面図である。図13は、図9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14は、図13中の矢印B方向から見た図である。
<Third Embodiment>
FIG. 9 is a sectional view showing a third embodiment of the force detection device according to the present invention. FIG. 10 is a plan view of the force detection device shown in FIG. FIG. 11 is a circuit diagram schematically showing the force detection device shown in FIG. FIG. 12 is a cross-sectional view schematically showing the charge output element of the force detection device shown in FIG. FIG. 13 is a schematic diagram showing the action state of the force detected by the charge output element of the force detection device shown in FIG. FIG. 14 is a view as seen from the direction of arrow B in FIG.
以下、これらの図を参照して本発明の力検出装置、ロボットおよび電子部品搬送装置の第3実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。
本実施形態は、センサーデバイスの配置数および姿勢が異なること以外は第1実施形態と同様である。
Hereinafter, the third embodiment of the force detection device, the robot, and the electronic component transport device of the present invention will be described with reference to these drawings. However, the difference from the above-described embodiment will be mainly described, and the same matters will be described. The description is omitted.
This embodiment is the same as the first embodiment except that the number and orientation of sensor devices are different.
図9、図10に示すように、本実施形態では、センサーデバイス6(電荷出力素子10)は、2つ設置されている。以下、2つのセンサーデバイス6のうち、図中の右側に位置する一方のセンサーデバイス6を「センサーデバイス6A」と言い、他方のセンサーデバイス6を「センサーデバイス6B」と言う。なお、センサーデバイス6の設置数は、2つに限定されず、例えば、3つ以上であってもよい。
As shown in FIGS. 9 and 10, in the present embodiment, two sensor devices 6 (charge output elements 10) are provided. Hereinafter, of the two
第1基部2は、外形が板状をなし、その平面形状は、角部が丸みを帯びた四角形をなす。この第1基部2は、底板23と、底板23から上方に向かって立設した壁部24とを有している。壁部24は、「L」字状をなし、外方に臨む2つの面にそれぞれ凸部26が突出形成されている。各凸部26の頂面261は、底板23に対して垂直な平面ある。
第2基部3も、外形が板状をなし、その平面形状は、第1基部2の平面形状と同じである。
The
The
そして、第1基部2の2つの凸部26のうちの一方の凸部26の頂面261と第2基部3の側壁33との間で、センサーデバイス6Aが挟持されている。すなわち、センサーデバイス6Aの電荷出力素子10は、パッケージ60を介して、第1基部2の一方の凸部26の頂面261と第2基部3の側壁33とで挟持され、与圧されている。図9、図12に示すように、このセンサーデバイス6Aの電荷出力素子10の姿勢は、当該電荷出力素子10を構成する各層が第1基部2に対して垂直である、すなわち、積層方向LDと挟持方向SDとが第1基部2に対して平行となっている。図13に示すように、この電荷出力素子10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。
The
また、第1基部2の他方の凸部26の頂面261と第2基部3の側壁33との間で、センサーデバイス6Bが挟持されている。すなわち、センサーデバイス6Bの電荷出力素子10は、パッケージ60を介して、第1基部2の他方の凸部26の頂面261と第2基部3の側壁33とで挟持され、与圧されている。このセンサーデバイス6Bの電荷出力素子10の姿勢も、当該電荷出力素子10を構成する各層が第1基部2に対して垂直である、すなわち、積層方向LDと挟持方向SDとが平行となっている。図13に示すように、この電荷出力素子10も、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。
In addition, the
以上のように、本実施形態では、α軸は、センサーデバイス6Aの電荷出力素子10とセンサーデバイス6Bの電荷出力素子10とのなす角を二等分する二等分線となっている。従って、センサーデバイス6Aとセンサーデバイス6Bとは、互いに同一平面上に配置されておらず、互いに平行に配置されていない。
なお、図14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23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。
As described above, in the present embodiment, the α axis is a bisector that bisects the angle formed by the
As shown in FIG. 14, each
また、各電荷出力素子10に対する与圧は、2本の与圧ボルト71により付与されている。各与圧ボルト71と螺合する雌ネジ241は、第1基部2の壁部24に設けられている。そして、第1基部2と第2基部3との間に各センサーデバイス6を挟持した状態で、与圧ボルト71を第2基部3側から第1基部2の与圧ボルト71に差し込むことができる。これにより、各電荷出力素子10は、当該電荷出力素子10を収納するパッケージ60ごと所定の大きさの圧力、すなわち、与圧が加えられる。そして、電荷出力素子10に剪断力が作用したとき、電荷出力素子10を構成する層同士の間での摩擦力が確実に生じ、よって、電荷を確実に検出することができる。
The pressurizing force for each
また、図10に示すように、各与圧ボルト71は、アナログ回路基板4を貫通している。アナログ回路基板4の与圧ボルト71が貫通する部分には、樹脂材料等の絶縁材料で構成されたパイプ43が例えば嵌合により固定されている。
図9に示すように、デジタル回路基板5は、第1基部2の壁部24上に支持されている。
Further, as shown in FIG. 10, each pressurizing
As shown in FIG. 9, the
<変換出力回路>
図11に示すように、センサーデバイス6A、6Bの各電荷出力素子10には、それぞれ、変換出力回路90a、90b、90cが接続されている。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90と同様であるので、その説明は省略する。
なお、センサーデバイス6Aの電荷出力素子10は、電荷Qx1、Qy1、Qz1を出力し、センサーデバイス6Bの電荷出力素子10は、電荷Qx2、Qy2、Qz2を出力する。
<Conversion output circuit>
As shown in FIG. 11,
The
<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と、各変換出力回路90bから出力される電圧Vz1、Vz2と、各変換出力回路90cから出力される電圧Vx1、Vx2とに基づき、加えられた外力を検出する機能を有する。外力検出回路40は、変換出力回路90a、90b、90cに接続されたADコンバーター401と、ADコンバーター401に接続された演算部402とを有する。
ADコンバーター401は、電圧Vx1、Vy1、Vz1、Vx2、Vy2、Vz2、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は、演算部402に入力される。
<External force detection circuit>
The external
The
<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に対して平行となるように設置された状態となっている(図9参照)。
そして、本発明者らは、α軸方向の力FA、β軸方向の力FBおよびγ軸方向の力FCを、それぞれ、下記式(4)、(5)および(6)で表すことができることを見出した。式(4)〜(6)中の「fx1-1」は、センサーデバイス6Aの第1のセンサー12(第1検出板)のx軸方向に加わる力、すなわち、電荷Qx1から求められた力であり、「fx1-2」は、第3のセンサー14(第2検出板)のx軸方向に加わる力、すなわち、電荷Qy1から求められた力である。また、「fx2-1」は、センサーデバイス6Bの第1のセンサー12(第1検出板)のx軸方向に加わる力、すなわち、電荷Qx2から求められた力であり、「fx2-2」は、第3のセンサー14(第2検出板)のx軸方向に加わる力、すなわち、電荷Qy2から求められた力である。
<Force detection in the α-axis, β-axis, and γ-axis directions (force detection method)>
As described above, each
The inventors express the α-axis direction force F A , the β-axis direction force F B, and the γ-axis direction force F C by the following formulas (4), (5), and (6), respectively. I found that I can do it. “Fx 1-1 ” in the formulas (4) to (6) is a force applied in the x-axis direction of the first sensor 12 (first detection plate) of the
FA=fx1-1・cosη・cosε−fx1-2・sinη・cosε
−fx2-1・cosη・cosε+fx2-2・sinη・cosε・・・(4)
FB=−fx1-1・cosη・sinε+fx1-2・sinη・sinε
−fx2-1・cosη・sinε+fx2-2・sinη・sinε・・・(5)
FC=−fx1-1・sinη−fx1-2・cosη−fx2-1・sinη
−fx2-2・cosη・・・(6)
例えば、図9、図10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(4)〜(6)のεに45°を代入し、ηに0°を代入すると、力FA〜FCは、それぞれ、
FA=fx1-1/√2−fx2-1/√2
FB=−fx1-1/√2−fx2-1/√2
FC=−fx1-2−fx2-2
となる。
F A = fx 1-1 · cosη · cosε−fx 1-2 · sinη · cosε
-Fx 2-1 · cos η · cos ε + fx 2-2 · sin η · cos ε (4)
F B = −fx 1-1 · cosη · sinε + fx 1-2 · sinη · sinε
−fx 2−1 · cosη · sinε + fx 2−2 · sinη · sinε (5)
F C = −fx 1-1 · sin η−fx 1-2 · cos η−fx 2-1 · sin η
-Fx 2-2 · cosη (6)
For example, in the case of the
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
It becomes.
このように力検出装置1では、前記第1実施形態と同様に、力FA〜FC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。従って、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FA〜FCを正確に安定して検出することができる。
As described above, in the
<単腕ロボットの実施形態>
次に、図15に基づき、本発明に係るロボットの実施形態である単腕ロボットを説明する。以下、本実施形態について、前述した第1、第2および第3実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図15は、本発明に係る力検出装置を用いた単腕ロボットの1例を示す図である。図15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。
<Embodiment of single arm robot>
Next, a single-arm robot that is an embodiment of the robot according to the present invention will be described with reference to FIG. Hereinafter, the present embodiment will be described with a focus on differences from the first, second, and third embodiments described above, and descriptions of similar matters will be omitted.
FIG. 15 is a diagram illustrating an example of a single-arm robot using the force detection device according to the present invention. 15 includes a
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。
The
The
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。
The
The
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。
The
In the illustrated configuration, the
<複腕ロボットの実施形態>
次に、図16に基づき、本発明に係るロボットの実施形態である複腕ロボットを説明する。以下、本実施形態について、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図16は、本発明に係る力検出装置を用いた複腕ロボットの1例を示す図である。図16の複腕ロボット600は、基台610と、第1のアーム620と、第2のアーム630と、第1のアーム620の先端側に設けられた第1のエンドエフェクター640aと、第2のアーム630の先端側に設けられた第2のエンドエフェクター640bと、第1のアーム620と第1のエンドエフェクター640a間および第2のアーム630と第2のエンドエフェクター640bとの間に設けられた力検出装置1を有する。なお、力検出装置1としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
<Embodiment of double-arm robot>
Next, based on FIG. 16, a multi-arm robot which is an embodiment of the robot according to the present invention will be described. Hereinafter, the present embodiment will be described with a focus on differences from the above-described embodiments, and description of similar matters will be omitted.
FIG. 16 is a diagram showing an example of a multi-arm robot using the force detection device according to the present invention. The
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。
The
The
第1、第2の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のエンドエフェクター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ー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ー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ー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。
The first and
力検出装置1は第1、第2の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、第2の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、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。
The
In the illustrated configuration, there are a total of two arms, but the present invention is not limited to this. The case where the
<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17、図18に基づき、本発明の実施形態である電子部品検査装置および電子部品搬送装置を説明する。以下、本実施形態について、前述した第1、第2および第3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17は、本発明に係る力検出装置を用いた電子部品検査装置および部品搬送装置の1例を示す図である。図18は、本発明に係る力検出装置を用いた電子部品搬送装置の1例を示す図である。
<Embodiments of Electronic Component Inspection Device and Electronic Component Transfer Device>
Next, based on FIG. 17, FIG. 18, the electronic component inspection apparatus and electronic component conveyance apparatus which are embodiment of this invention are demonstrated. Hereinafter, the present embodiment will be described with a focus on differences from the first, second, and third embodiments described above, and descriptions of similar matters will be omitted.
FIG. 17 is a diagram showing an example of an electronic component inspection device and a component conveying device using the force detection device according to the present invention. FIG. 18 is a diagram illustrating an example of an electronic component transport apparatus using the force detection device according to the present invention.
図17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。
The electronic
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1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1としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
Further, the
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。
The electronic
図18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方向およびY方向に移動可能である。
FIG. 18 is a diagram illustrating an electronic
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。
Further, a piezoelectric motor 744θ for rotation direction is mounted toward the end surface of the
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、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。
Further, the
<部品加工装置の実施形態>
次に、図19に基づき、本発明に係る部品加工装置の実施形態を説明する。以下、本実施形態について、前述した第1、第2および第3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19は、本発明に係る力検出装置を用いた部品加工装置の1例を示す図である。図19の部品加工装置800は、基台810と、基台810の上面に起立形成された支柱820と、支柱820の側面に設けられた送り機構830と、送り機構830に昇降可能に取り付けられた工具変位部840と、工具変位部840に接続された力検出装置1と、力検出装置1を介して工具変位部840に装着された工具850を有する。なお、力検出装置1としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
<Embodiment of component processing apparatus>
Next, an embodiment of a component processing apparatus according to the present invention will be described based on FIG. Hereinafter, the present embodiment will be described with a focus on differences from the first, second, and third embodiments described above, and descriptions of similar matters will be omitted.
FIG. 19 is a diagram showing an example of a component processing apparatus using the force detection device according to the present invention. A
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、フライス等である。
The
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。
The
<移動体の実施形態>
次に、図20に基づき、本発明に係る移動体の実施形態を説明する。以下、本実施形態について、前述した第1、第2および第3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20は、本発明に係る力検出装置を用いた移動体の1例を示す図である。図20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。
<Embodiment of moving body>
Next, an embodiment of the moving body according to the present invention will be described based on FIG. Hereinafter, the present embodiment will be described with a focus on differences from the first, second, and third embodiments described above, and descriptions of similar matters will be omitted.
FIG. 20 is a diagram showing an example of a moving object using the force detection device according to the present invention. The moving
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ー等)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1と、制御部930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。
動力部920から供給された動力によって本体910が移動すると、移動に伴い振動や加速度等が生じる。力検出装置1は、移動に伴い生じた振動や加速度等による外力を検出する。力検出装置1によって検出された外力は、制御部930に伝達される。制御部930は、力検出装置1から伝達された外力に応じて動力部920等を制御することにより、姿勢制御、振動制御および加速制御等の制御を実行することができる。
The moving
When the
本発明に係わる力検出装置では、当該装置の重量が330gという軽量ながら、最小検出荷重(動的分解能)が0.005を実現している。ロボットの手首等に設置する場合は軽量であることが求められるが、通常、装置の重量を軽量化すると、部材の歪の影響が大きくなり、最小検出荷重を小さくすることができない。本発明に係わる力検出装置では、装置荷重(g)を分母として分子に最小検出荷重(N)として算出した装置重量あたりの最小検出荷重は15.1×10-6を実現している。 In the force detection device according to the present invention, the minimum detection load (dynamic resolution) is 0.005 while the weight of the device is 330 g. When it is installed on the wrist of a robot or the like, it is required to be lightweight, but normally, when the weight of the device is reduced, the influence of member distortion increases and the minimum detection load cannot be reduced. In the force detection apparatus according to the present invention, the minimum detection load per apparatus weight calculated as the minimum detection load (N) in the numerator using the apparatus load (g) as the denominator is 15.1 × 10 −6 .
以上、本発明の力検出装置、ロボットおよび電子部品搬送装置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、ロボットおよび電子部品搬送装置を構成する各部は、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、ロボットおよび電子部品搬送装置は、前記各実施形態のうちの、任意の2以上の構成(特徴)を組み合わせたものであってもよい。
As mentioned above, although the force detection apparatus of this invention, the robot, and the electronic component conveyance apparatus were described about embodiment of illustration, this invention is not limited to this, A force detection apparatus, a robot, and an electronic component conveyance apparatus are comprised. Each part to be replaced can be replaced with one having any configuration capable of performing the same function. Moreover, arbitrary components may be added.
In addition, the force detection device, the robot, and the electronic component transport device of the present invention may be a combination of any two or more configurations (features) of the above embodiments.
また、本発明では、パッケージ、すなわち、基部および蓋体が省略されていてもよい。
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。
In the present invention, the package, that is, the base and the lid may be omitted.
Further, in the present invention, instead of the pressurizing bolt, for example, one having no function of applying pressurization to the element may be used, or a fixing method other than the bolt may be adopted.
In addition, the robot of the present invention is not limited to an arm type robot (robot arm) as long as it has an arm, but is another type of robot such as a scalar robot, a legged walking (running) robot, or the like. Also good.
In addition, the force detection device of the present invention is not limited to a robot, an electronic component transport device, an electronic component inspection device, a component processing device, and a moving body, but other devices such as other transport devices, other inspection devices, and vibration meters. It can also be applied to measuring devices such as accelerometers, gravimeters, dynamometers, seismometers, inclinometers, and input devices.
1…力検出装置 2…第1基部 22…凸部 221…傾斜面 23…底板 231…取付面 24…壁部 241…雌ネジ 26…凸部 261…頂面 3…第2基部 32…天板 321……取付面 33…側壁 331…傾斜面 332…固定部 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 43…パイプ 5…デジタル回路基板 6、6A、6B、6C、6D…センサーデバイス 60…パッケージ 61…基部 611…凹部 62…蓋体 625…中央部 626…外周部 641、642…中心軸 643…中心 71…与圧ボルト 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 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 900…移動体 910…本体 920…動力部 930…制御部 LD…積層方向 SD…挟持方向 NL1、NL2…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 φ…角度 ε…傾斜角度 η…角度
DESCRIPTION OF
本発明は、力検出装置およびロボットに関する。 The present invention relates to a force sensor and robotic.
Claims (20)
第2基部と、
前記第1基部と前記第2基部とによって挟持され、前記第1基部と前記第2基部とに加わる外力を検出する複数の圧電素子と、を備える力検出装置であって、
前記第1基部は測定対象に固定される第1取付面を含み、前記第2基部は測定対象に固定される第2取付面を含み、
前記各圧電素子は、Yカット水晶板で構成された第1基板と、Yカット水晶板で構成された第2基板とを有し、前記第1基板と前記第2基板とが平行に積層され、前記第1基板と前記第2基板との積層方向において、前記第1基板のx軸と前記第2基板のx軸とが交差し、前記第1基板のz軸と前記第2基板のz軸とが交差しており、
前記圧電素子は、前記第1取付面または前記第2取付面の法線と前記積層方向とが異なるように設置されていることを特徴とする力検出装置。 A first base;
A second base;
A plurality of piezoelectric elements that are sandwiched between the first base and the second base and detect an external force applied to the first base and the second base;
The first base includes a first mounting surface fixed to the measurement target, and the second base includes a second mounting surface fixed to the measurement target;
Each piezoelectric element has a first substrate made of a Y-cut quartz plate and a second substrate made of a Y-cut quartz plate, and the first substrate and the second substrate are laminated in parallel. In the stacking direction of the first substrate and the second substrate, the x-axis of the first substrate and the x-axis of the second substrate intersect, and the z-axis of the first substrate and the z-axis of the second substrate The axis intersects,
The piezoelectric element is installed such that a normal line of the first mounting surface or the second mounting surface is different from the stacking direction.
前記圧電素子の前記部材に対する傾斜角度をθとし、
前記第1基板のx軸と前記A軸とのなす角度をφとし、
前記第1基板のx軸方向に加わる力をfx1、前記第2基板のx軸方向に加わる力をfx2したとき、
前記A軸方向の力FA、前記B軸方向の力FBおよび前記C軸方向の力FCは、それぞれ、下記式(1)、(2)および(3)で表される請求項1または2に記載の力検出装置。
FA=fx1・cosφ−fx2・sinφ・・・(1)
FB=fx1・sinφ・sinθ+fx2・cosφ・sinθ・・・(2)
FC=−fx1・sinφ・cosθ−fx2・cosφ・cosθ・・・(3) At least one base part of the first base part and the second base part is constituted by a plate-shaped member, and two orthogonal directions within the surface of the member are defined as an A axis and a B axis, and the A axis and the The direction perpendicular to the B axis is the C axis,
The inclination angle of the piezoelectric element with respect to the member is θ,
An angle formed by the x-axis of the first substrate and the A-axis is φ,
When the force applied in the x-axis direction of the first substrate is fx 1 and the force applied in the x-axis direction of the second substrate is fx 2 ,
The A-axis direction force F A , the B-axis direction force F B, and the C-axis direction force F C are represented by the following formulas (1), (2), and (3), respectively. Or the force detection device according to 2;
F A = fx 1 · cosφ−fx 2 · sinφ (1)
F B = fx 1 · sinφ · sinθ + fx 2 · cosφ · sinθ (2)
F C = −fx 1 · sin φ · cos θ−fx 2 · cos φ · cos θ (3)
前記与圧ネジの与圧方向が、前記第1基板および前記第2基板の積層方向に平行な方向である請求項1ないし3のいずれか1項に記載の力検出装置。 A plurality of pressurizing screws provided around the piezoelectric element to apply pressure to the piezoelectric element;
The force detection device according to any one of claims 1 to 3, wherein a pressurizing direction of the pressurizing screw is a direction parallel to a stacking direction of the first substrate and the second substrate.
前記各圧電素子は、前記第1基板と前記第2基板とが前記一方の基部に対して傾斜して配置されている請求項1ないし4のいずれか1項に記載の力検出装置。 At least one of the first base and the second base has a plate shape,
5. The force detection device according to claim 1, wherein each of the piezoelectric elements is arranged such that the first substrate and the second substrate are inclined with respect to the one base portion. 6.
前記圧電素子は、複数設置されており、
前記複数の圧電素子には、前記一方の基部の中心軸に関して対称的に配置された前記圧電素子が含まれる請求項1ないし5のいずれか1項に記載の力検出装置。 At least one of the first base and the second base has a plate shape,
A plurality of the piezoelectric elements are installed,
6. The force detection device according to claim 1, wherein the plurality of piezoelectric elements include the piezoelectric elements arranged symmetrically with respect to a central axis of the one base portion.
4つ以上の前記圧電素子が、前記取付面からみて前記一方の基部の中心部から離間した位置にそれぞれ配置されている請求項1ないし6のいずれか1項に記載の力検出装置。 At least one of the first base and the second base has a plate shape,
The force detection device according to any one of claims 1 to 6, wherein the four or more piezoelectric elements are respectively arranged at positions separated from a central portion of the one base portion when viewed from the mounting surface.
前記アームに設けられたエンドエフェクタと、
前記アームと前記エンドエフェクタの間に設けられ、前記エンドエフェクタに加えられる外力を検出する力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、測定対象に固定される第1取付面を含む第1基部と、測定対象に固定される第2取付面を含む第2基部と、前記第1基部と前記第2基部とによって挟持されて前記第1基部と前記第2基部とに加わる外力を検出する圧電素子と、を備え、
前記圧電素子は、Yカット水晶板で構成された第1基板と、Yカット水晶板で構成された第2基板とを有し、前記第1基板と前記第2基板とが平行に積層され、前記第1基板と前記第2基板との積層方向において、前記第1基板のx軸と前記第2基板のx軸とが交差し、前記第1基板のz軸と前記第2基板のz軸とが交差しており、
前記圧電素子は、前記第1取付面または前記第2取付面の法線方向と前記積層方向とが異なるように設置されていることを特徴とするロボット。 Arm,
An end effector provided on the arm;
A force detecting device provided between the arm and the end effector for detecting an external force applied to the end effector;
The force detection device includes a first base including a first mounting surface fixed to a measurement target, a second base including a second mounting surface fixed to the measurement target, the first base, and the second base. A piezoelectric element that detects an external force that is sandwiched by and applied to the first base and the second base,
The piezoelectric element has a first substrate made of a Y-cut quartz plate and a second substrate made of a Y-cut quartz plate, and the first substrate and the second substrate are laminated in parallel, In the stacking direction of the first substrate and the second substrate, the x-axis of the first substrate intersects the x-axis of the second substrate, and the z-axis of the first substrate and the z-axis of the second substrate Intersects with
The robot, wherein the piezoelectric element is installed so that a normal direction of the first mounting surface or the second mounting surface is different from the stacking direction.
前記把持部に加えられる外力を検出する力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、測定対象に固定できる第1取付面を有する第1基部と、測定対象に固定できる第2取付面を有する第2基部と、前記第1基部と前記第2基部とによって挟持方向に挟持され、前記第1基部と前記第2基部とに加わる外力を検出する圧電素子と、を備え、
前記圧電素子は、Yカット水晶板で構成された第1基板と、Yカット水晶板で構成された第2基板とを有し、前記第1基板と前記第2基板とが平行に積層され、前記第1基板と前記第2基板との積層方向において、前記第1基板のx軸と前記第2基板のx軸とが交差し、前記第1基板のz軸と前記第2基板のz軸とが交差しており、
前記圧電素子は、前記第1取付面または前記第2取付面の法線方向と前記積層方向とが異なるように設置されていることを特徴とする電子部品搬送装置。 A gripper for gripping electronic components;
A force detection device that detects an external force applied to the gripping portion;
The force detection device is sandwiched between a first base having a first mounting surface that can be fixed to a measurement target, a second base having a second mounting surface that can be fixed to the measurement target, and the first base and the second base. A piezoelectric element sandwiched in a direction and detecting an external force applied to the first base and the second base;
The piezoelectric element has a first substrate made of a Y-cut quartz plate and a second substrate made of a Y-cut quartz plate, and the first substrate and the second substrate are laminated in parallel, In the stacking direction of the first substrate and the second substrate, the x-axis of the first substrate intersects the x-axis of the second substrate, and the z-axis of the first substrate and the z-axis of the second substrate Intersects with
The electronic component conveying apparatus, wherein the piezoelectric element is installed such that a normal direction of the first mounting surface or the second mounting surface is different from the stacking direction.
第2基部と、
前記第1基部と前記第2基部とによって挟持され、前記第1基部と前記第2基部とに加わる外力の成分を検出する圧電素子と、を備える力検出装置であって、
前記第1基部は測定対象に固定される第1取付面を含み、前記第2基部は測定対象に固定される第2取付面を含み、
前記圧電素子は、前記第1取付面または前記第2取付面の法線方向と異なる積層方向を有する第1基板と、第2基板とを有し、前記第1基板による、前記法線方向と同じ第1検出方向のせん断力の検出と、前記第2基板による、前記第1検出方向と交差する第2検出方向のせん断力の検出と、から前記第1基部と前記第2基部に加わる外力を検出することを特徴とする力検出装置。 A first base;
A second base;
A force detection device comprising: a piezoelectric element that is sandwiched between the first base and the second base and detects a component of an external force applied to the first base and the second base,
The first base includes a first mounting surface fixed to the measurement target, and the second base includes a second mounting surface fixed to the measurement target;
The piezoelectric element includes a first substrate having a stacking direction different from a normal direction of the first mounting surface or the second mounting surface, and a second substrate, and the normal direction by the first substrate The external force applied to the first base and the second base from the detection of the same first detection direction shear force and the detection of the shear force in the second detection direction intersecting the first detection direction by the second substrate. A force detection device for detecting
前記第1基板の水晶結晶のx軸と前記第2基板の水晶結晶のx軸は、直交している請求項11の力検出装置。 The first substrate and the second substrate are Y-cut quartz plates,
The force detection device according to claim 11, wherein the x-axis of the crystal crystal of the first substrate and the x-axis of the crystal crystal of the second substrate are orthogonal to each other.
前記第2の挟持方向に直交する第2平面との交線に平行な方向をC軸とした直交座標軸A軸、B軸、C軸を座標軸とし、
前記第1基部と前記第2基部とに加わる外力を、3軸方向の外力の成分として検出する請求項11または12に記載の力検出装置。 A first plane perpendicular to the first clamping direction;
The orthogonal coordinate axes A axis, B axis, and C axis with the direction parallel to the intersecting line with the second plane orthogonal to the second clamping direction as the C axis are the coordinate axes,
The force detection device according to claim 11 or 12, wherein an external force applied to the first base and the second base is detected as a component of an external force in three axial directions.
前記第1検出方向と前記A軸とのなす角度をφとし、
前記一方の圧電素子の第1の出力をfx1、前記他方の圧電素子の第2の出力をfx2したとき、
前記A軸方向の力FA、前記B軸方向の力FBおよび前記C軸方向の力FCは、それぞれ、下記式(1)、(2)および(3)で表される請求項13に記載の力検出装置。
FA=fx1・cosφ−fx2・sinφ・・・(1)
FB=fx1・sinφ・sinθ+fx2・cosφ・sinθ・・・(2)
FC=−fx1・sinφ・cosθ−fx2・cosφ・cosθ・・・(3) Two of the piezoelectric elements are installed, a detection direction of one of the two piezoelectric elements is a first detection direction, a detection direction of the other piezoelectric element is a second detection direction, and the first detection direction and An angle formed between a plane including the second detection direction and a plane including the A axis and the B axis is θ,
An angle formed by the first detection direction and the A axis is φ,
When the first output of the one piezoelectric element is fx 1 and the second output of the other piezoelectric element is fx 2 ,
The A-axis direction force F A , the B-axis direction force F B, and the C-axis direction force F C are represented by the following formulas (1), (2), and (3), respectively. The force detection device described in 1.
F A = fx 1 · cosφ−fx 2 · sinφ (1)
F B = fx 1 · sinφ · sinθ + fx 2 · cosφ · sinθ (2)
F C = −fx 1 · sin φ · cos θ−fx 2 · cos φ · cos θ (3)
前記第1の与圧ネジの与圧方向が、前記第1基板および前記第2基板の積層方向に平行な方向である請求項12ないし14のいずれか1項に記載の力検出装置。 A plurality of pressurizing screws provided around the piezoelectric element to apply pressure to the piezoelectric element;
The force detection device according to any one of claims 12 to 14, wherein a pressurizing direction of the first pressurizing screw is a direction parallel to a stacking direction of the first substrate and the second substrate.
第2基部と、
前記第1基部と前記第2基部とによって挟持され、前記第1基部と前記第2基部とに加わる外力を検出する複数の圧電素子と、を備える力検出装置であって、
前記第1基部は測定対象に固定される第1取付面を含み、前記第2基部は測定対象に固定される第2取付面を含み、
前記圧電素子は、前記第1取付面または前記第2取付面の法線と前記積層方向とが異なるように設置され、
総重量が1kgよりも軽いことを特徴とする力検出装置。 A first base;
A second base;
A plurality of piezoelectric elements that are sandwiched between the first base and the second base and detect an external force applied to the first base and the second base;
The first base includes a first mounting surface fixed to the measurement target, and the second base includes a second mounting surface fixed to the measurement target;
The piezoelectric element is installed such that a normal line of the first mounting surface or the second mounting surface and the stacking direction are different from each other.
A force detection device characterized in that the total weight is lighter than 1 kg.
第2基部と、
前記第1基部と前記第2基部とによって挟持され、前記第1基部と前記第2基部とに加わる外力を検出する複数の圧電素子と、を備える力検出装置であって、
前記第1基部は測定対象に固定される第1取付面を含み、前記第2基部は測定対象に固定される第2取付面を含み、
前記圧電素子は、前記第1取付面または前記第2取付面の法線と前記積層方向とが異なるように設置され、
前記各圧電素子が出力する電荷を電圧に変換する変換回路と、前記電圧から外力を演算する演算回路を前記第1基部と前記第2基部との間の空間に収納していることを特徴とする力検出装置。 A first base;
A second base;
A plurality of piezoelectric elements that are sandwiched between the first base and the second base and detect an external force applied to the first base and the second base;
The first base includes a first mounting surface fixed to the measurement target, and the second base includes a second mounting surface fixed to the measurement target;
The piezoelectric element is installed such that a normal line of the first mounting surface or the second mounting surface and the stacking direction are different from each other.
A conversion circuit that converts electric charges output from each piezoelectric element into a voltage, and an arithmetic circuit that calculates an external force from the voltage are housed in a space between the first base and the second base. Force detection device.
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