JP2018119923A - 力検出装置およびロボット - Google Patents

Abstract

【課題】外力の検出精度を高めることができる力検出装置を提供すること、また、この力検出装置を備えるロボットを提供すること。
【解決手段】アームを有するロボットに取り付け可能な力検出装置であって、被取付部材を取り付け可能な取付面を有する凸部を備える第１部材と、前記アームに取り付けられる第２部材と、前記第１部材と前記第２部材との間に支持され、前記第１部材と前記第２部材とに加えられる外力を検出する少なくとも１つの圧電素子と、を備えることを特徴とする力検出装置。
【選択図】図３

Description

本発明は、力検出装置およびロボットに関する。

従来から、エンドエフェクターとロボットアームとを有する産業用ロボットにおいて、エンドエフェクターに加わる力を検出する力検出装置が用いられている。

このような力検出装置の一例として、例えば特許文献１に力覚センサーが開示されている。この力覚センサーは、ロボットが有するロボットアームとエンドエフェクターとしてのフィンガーユニットとの間に設けられている。この力覚センサーの全体形状は、円筒状をなしている。また、力覚センサーの上端面は平坦であり、力覚センサーの上端面の全域はフィンガーユニットに固定されている。そして、力覚センサーの上端面は、フィンガーユニットの対象物への接触等による生じる外力を受ける受圧面として機能している。

特開２０１５−７１２１４号公報

ここで、特許文献１に記載の力覚センサーでは、力覚センサーの中心軸（受圧面の中心を通る軸）上に外力が加わった場合、力覚センサーによる他軸出力（外力が加わっていない軸方向の出力）は小さい。そのため、力覚センサーの中心軸上にフィンガーユニットの対象物に対する接触箇所が位置している場合、力覚センサーの検出結果を基にしてロボットはフィンガーユニットによって対象物に対する作業を的確に行うことができる。

しかし、特許文献１に記載の力覚センサーでは、力覚センサーの中心軸に対してずれた位置に外力が加わった場合、力覚センサーによる他軸出力が大きくなってしまう。そのため、力覚センサーの中心軸に対してフィンガーユニットの対象物に対する接触箇所がずれている場合、本来加わっていない外力が力覚センサーに見かけ上加わってしまう。この場合、ロボットは、力覚センサーの中心軸上にフィンガーユニットの対象物に対する接触箇所が位置している場合と同様に力覚センサーの検出結果を基にした高精度な作業を実施することが難しかった。

本発明は、前述した課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下により実現することが可能である。

本発明の力検出装置は、アームを有するロボットに取り付け可能な力検出装置であって、
被取付部材を取り付け可能な取付面を有する凸部を備える第１部材と、
前記アームに取り付けられる第２部材と、
前記第１部材と前記第２部材との間に支持され、前記第１部材と前記第２部材とに加えられる外力を検出する少なくとも１つの圧電素子と、を備えることを特徴とする力検出装置。

このような本発明の力検出装置によれば、力検出装置の中心軸に対してずれた位置に外力が加わっても、他軸出力（外力が加わっていない軸方向の出力）を小さくすることができ、力検出装置による外力の検出精度を高めることができる。したがって、本発明の力検出装置によれば、力検出装置の中心軸に対してずれた位置に外力が加わった場合と、力検出装置の中心軸上の位置に外力が加わった場合との双方において、力検出装置による外力の検出精度を高めることができる。

本発明の力検出装置では、複数の前記圧電素子を備えることが好ましい。
これにより、力検出装置の高感度化を図ったり、検出軸の多軸化を図ったりすることができる。

本発明の力検出装置では、前記第１部材と前記第２部材とによって挟持され、少なくとも１つの前記圧電素子を備えるセンサーデバイスを複数有し、
前記取付面の法線方向から見て、前記凸部は、複数の前記センサーデバイスよりも内側に位置していることが好ましい。

これにより、力検出装置の中心軸に対してずれた位置に外力が加わった場合でも、他軸出力をより小さくすることができ、力検出装置による外力の検出精度をより高めることができる。

本発明の力検出装置では、前記第１部材は、前記凸部とは反対側に凹部を有することが好ましい。

これにより、第１部材の軽量化を図ることができるとともに、他軸出力をより小さくすることができ、力検出装置による外力の検出精度をより高めることができる。

本発明の力検出装置では、前記第１部材は、前記圧電素子を与圧する第１与圧部を有し、
前記第２部材は、前記圧電素子を与圧する第２与圧部を有することが好ましい。

これにより、圧電素子に対して一定の圧力を予め与えておくことができ、力検出装置による外力の検出精度をより高めることができる。

本発明の力検出装置では、前記圧電素子は、水晶を含むことが好ましい。
これにより、高感度、広いダイナミックレンジ、高い剛性等の優れた特性を有する力検出装置を実現することができる。

本発明の力検出装置では、前記第１部材と前記第２部材とに開口した貫通孔を有することが好ましい。

これにより、貫通孔に例えば配線や配管等を有する可撓性部材（チューブ等）を挿通させることができる。そのため、被取付部材としてエンドエフェクターを用いた場合、エンドエフェクターの配線等をロボットアームから力検出装置の貫通孔を介してエンドエフェクターに効率よく引きまわすことができる。

本発明の力検出装置では、前記第２部材は、前記第２部材を前記アームに取り付ける取付部材を接続できるよう構成されていることが好ましい。

これにより、取付部材を介して第２部材をアームの適切な位置に簡単に取り付けることができる。そのため、アームに取り付けられた力検出装置による外力の検出精度をより高めることができる。

本発明の力検出装置では、前記被取付部材は、エンドエフェクターであることが好ましい。

これにより、力検出装置によってエンドエフェクターが受けた外力を高精度に検出することができる。その結果、例えば、ロボットは、エンドエフェクターによる対象物に対する作業をより高精度に行うことができる。

本発明の力検出装置では、前記エンドエフェクターの作業箇所は、前記取付面の中心を通る前記取付面の法線に対してずれていることが好ましい。

このようなエンドエフェクターを用いた場合であっても、本発明の力検出装置によれば、他軸出力を小さくすることができ、外力の検出精度を高めることができる。

本発明のロボットは、本発明の力検出装置と、当該力検出装置が取り付けられたアームと、を有することが好ましい。

このようなロボットによれば、力検出装置の検出結果を用いることで、より精密に作業を実行することができる。

本発明の第１実施形態に係るロボットを示す斜視図である。 図１に示す力検出装置を示す斜視図である。 図２に示す力検出装置の縦断面図である。 図２に示す力検出装置の横断面図である。 図３および図４に示す力検出装置が備える力検出素子の断面図である。 従来の構成の力検出装置がエンドエフェクターに取り付けられている状態を模式的に示す側面図である。 図６に示す力検出装置における外力が加わったときの期待値と実際の出力値との関係を示す図である。 図６に示す力検出装置における距離Ｔａと比率Ｆｘ／Ｆｚとの関係を示す図である。 図２に示す力検出装置がエンドエフェクターに取り付けられている状態を模式的に示す側面図である。 図２に示す力検出装置が有する第１部材の縦断面図である。 図９に示す力検出装置における凸部の幅の影響を示す図である。 図１１に示すＬ１／Ｌ３が２５％であるときの力検出装置の変形状態を模式的に示す図である。 図１１に示すＬ１／Ｌ３が６３％であるときの力検出装置の変形状態を模式的に示す図である。 図１１に示すＬ１／Ｌ３が１００％であるときの力検出装置の変形状態を模式的に示す図である。 図１１に示すＬ１／Ｌ３が２５％であるときのセンサーユニットにかかる力の回転中心を説明するための図である。 図１１に示すＬ１／Ｌ３が６３％であるときのセンサーユニットにかかる力の回転中心を説明するための図である。 図１１に示すＬ１／Ｌ３が１００％であるときのセンサーユニットにかかる力の回転中心を説明するための図である。 図１０に示す第１部材の凹部の幅の影響を示す図である。 図１０に示す第１部材の凹部の高さの影響を示す図である。 本発明の第２実施形態に係るロボットが備える力検出装置を示す縦断面図である。 本発明の第３実施形態に係るロボットを示す斜視図である。

以下、本発明の力検出装置およびロボット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。なお、各図は、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。

＜第１実施形態＞
≪ロボット≫
図１は、本発明の第１実施形態に係るロボットを示す斜視図である。なお、図１には、説明の便宜上、互いに直交する３つの軸としてα軸、β軸およびγ軸が図示されており、各軸を示す矢印の先端側を「＋」、基端側を「−」とする。また、α軸に平行な方向を「α軸方向」、β軸に平行な方向を「β軸方向」、γ軸に平行な方向を「γ軸方向」という。また、＋γ軸方向側を「上」、−γ軸方向側を「下」ともいう。また、γ軸方向から見たものを「平面視」という。また、図１中の基台１１０側を「基端」、その反対側（エンドエフェクター１７側）を「先端」と言う。

図１に示すロボット１００は、精密機器やこれを構成する部品等の対象物の給材、除材、搬送および組立等の作業を行うことができる。このロボット１００は、単腕ロボットであり、所謂６軸垂直多関節ロボットである。ロボット１００は、基台１１０と、基台１１０に回動自在に連結されたロボットアーム１０と、力検出装置１と、エンドエフェクター１７とを有する。

基台１１０は、例えば、床、壁、天井および移動可能な台車上等に固定される部分である。ロボットアーム１０は、アーム１１（第１アーム）、アーム１２（第２アーム）、アーム１３（第３アーム）、アーム１４（第４アーム）、アーム１５（第５アーム）、アーム１６（第６アーム）を有する。これらアーム１１〜１６は、基端側から先端側に向かってこの順に連結されている。各アーム１１〜１６は、隣り合うアームまたは基台１１０に対して回動可能になっている。

アーム１６の先端には、取付部材１２０（アダプター）によって力検出装置１が接続されている。力検出装置１は、例えば力検出装置１の先端に取り付けられたエンドエフェクター１７に加わる力（モーメントを含む）を検出する機能を有する。なお、取付部材１２０の構成は、力検出装置１をアーム１６に対して取り付けることができる構成であればよく、その具体的な構成は限定されない。ただし、取付部材１２０は、力検出装置１の中心軸Ａ１（軸線）をアーム１６の軸Ｏ６（アーム１６の回動軸）と一致するように力検出装置１を取り付けることができる位置決め部材を備えていることが好ましい。これにより、力検出装置１による外力の検出精度をより高めることができる。

エンドエフェクター１７は、力検出装置１に対して偏心しており、エンドエフェクター１７の作業箇所Ｐ、すなわち対象物等に対して直接的に作業を行う箇所が、力検出装置１の中心軸Ａ１に対してずれている。なお、エンドエフェクター１７の構成等は、対象物等に対して直接的に作業を行う機能を有すればよく、図示の構成に限定されず、例えば、力検出装置１に対して偏心していなくてもよい。

また、図示はしないが、ロボット１００は、一方のアームを他方のアーム（または基台１１０）に対して回動させるモーター等を備える駆動部を有する。また、ロボット１００は、図示はしないが、モーターの回転軸の回転角度を検出する角度センサーを有する。

以上、ロボット１００の構成について簡単に説明した。なお、ロボット１００が有するアームの数は、図示では６本であるが、これに限定されず、１〜５本または７本以上であってもよい。

また、前述したロボット１００は、力検出装置１と、力検出装置１が取り付けられたアーム１６と、を有する。このようなロボット１００によれば、力検出装置１を備えている。そのため、例えば、力検出装置１が検出した外力を、ロボット１００を制御する機能を有する制御部（図示せず）にフィードバックすることにより、ロボット１００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が検出した外力によって、ロボット１００は、エンドエフェクター１７の障害物への接触等を検知することができる。そのため、障害物回避動作および対象物損傷回避動作等を容易に行うことができ、ロボット１００は、より安全に作業を実行することができる。

以下、力検出装置１について説明する。
［力検出装置］
図２は、図１に示す力検出装置を示す斜視図である。図３は、図２に示す力検出装置の縦断面図である。図４は、図２に示す力検出装置の横断面図である。図５は、図３および図４に示す力検出装置が備える力検出素子の断面図である。なお、図３は、図４中のＡ２−Ａ２線断面図であり、図４は、図３中のＡ１−Ａ１線断面図である。また、図２および図４には、説明の便宜上、互いに直交する３つの軸としてｘ軸、ｙ軸およびｚ軸が図示されており、各軸を示す矢印の先端側を「＋」、基端側を「−」とする。また、ｘ軸に平行な方向を「ｘ軸方向」、ｙ軸に平行な方向を「ｙ軸方向」、ｚ軸に平行な方向を「ｚ軸方向」という。また、＋ｚ軸方向側を「上」、−ｚ軸方向側を「下」ともいう。また、ｚ軸方向から見たものを「平面視」という。

図２に示す力検出装置１は、力検出装置１に加えられた外力の６軸成分を検出可能な６軸力覚センサーである。ここで、６軸成分は、互いに直交する３つの軸（図示ではｘ軸、ｙ軸およびｚ軸）のそれぞれの方向の並進力（せん断力）成分と、当該３つの軸のそれぞれの軸まわりの回転力（モーメント）成分と、からなる。

図２〜図４に示すように、力検出装置１は、第１部材３と、第１部材３に対して間隔を隔てて配置されている第２部材２と、第１部材３と第２部材２との間に配置されている複数（本実施形態では４つ）のセンサーデバイス４と、第１部材３および第２部材２の外周部に設けられた側壁部２０と、を有する。なお、以下の説明では、４つのセンサーデバイス４のうち、図４中の上側に位置するセンサーデバイス４を「センサーデバイス４ａ」といい、以降時計回りに順に「センサーデバイス４ｂ」、「センサーデバイス４ｃ」および「センサーデバイス４ｄ」という。また、各センサーデバイス４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを区別しない場合は、それらを「センサーデバイス４」という。また、図４に示すように、力検出装置１は、複数（本実施形態では８つ）の与圧ボルト５１と、複数（本実施形態では４つ）のアナログ回路基板６と、を有する。また、力検出装置１は、図示はしないが、デジタル回路基板を有する。また、図２〜図４に示すように、力検出装置１は、その中心軸Ａ１に沿って形成された貫通孔１０１を有する。

この力検出装置１では、各センサーデバイス４が受けた外力に応じた信号（検出結果）を出力し、それらの信号をアナログ回路基板６およびデジタル回路基板（図示せず）で処理する。これにより、力検出装置１に加えられた外力の６軸成分を検出する。

また、力検出装置１は、アーム１６および取付部材１２０に取付可能に構成されている（図１参照）。力検出装置１の−ｚ軸側の部分（下面２０１）は、取付部材１２０を介してアーム１６に取り付けられる（図３参照）。一方、力検出装置１の＋ｚ軸側の部分（上面３０１）は、エンドエフェクター１７に取り付けられる。したがって、図３に示す力検出装置１は、図１に示す力検出装置１と上下が逆に示されている。

以下、力検出装置１が備える各部について説明する。
［第１部材］
図３に示すように、第１部材３は、天板３１（第１基部）と、天板３１の上部側の中央部に設けられた凸部３２と、天板３１の下部側でかつ外周部に設けられた複数の壁部３３（第１与圧部）と、を有する。なお、以下の説明では、４つの壁部３３のうち、図４中の上側に位置する壁部３３を「壁部３３ａ」といい、以降時計回りに順に「壁部３３ｂ」、「壁部３３ｃ」および「壁部３３ｄ」という。また、各壁部３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄを区別しない場合は、それらを「壁部３３」という。この第１部材３の平面視での外形は、図２に示すように円形であるが、これに限定されず、例えば、四角形、五角形等の多角形、楕円形等であってもよい。また、第１部材３は、その中央部に中心軸Ａ１に沿って形成された貫通孔３５を有する。この貫通孔３５は、凸部３２をその中央部において貫通している。

図３に示すように、天板３１は、略平板状をなしている。天板３１の下方の面（第２部材２側の面）には、凹部３１１が形成されている。凹部３１１は、平面視で天板３１の中央部に設けられている。凹部３１１の平面視での外形は、天板３１の平面視での外形と相似の円形をなす。このような凹部３１１を有することで、第１部材３の軽量化を図るとともに力検出装置１の他軸出力（外力が加わっていない軸方向の出力）を小さくすることができる。なお、この凹部３１１については後で説明する。

天板３１の上部側には、天板３１から上方（第２部材２とは反対の方向）に向かって突出した凸部３２が設けられている。また、図示では、凸部３２は、天板３１と一体で形成されている。これにより、部品点数が少なくなり、第１部材３の薄型化を図ることができる。なお、凸部３２は、天板３１と別部材で形成されていてもよい。

凸部３２は、図１に示すように、平面視で天板３１の中央部（中心部）に設けられている。凸部３２の平面視での外形は、図示では、天板３１の平面視での外形と相似の円形であるが、これに限定されず、例えば、四角形、五角形等の多角形、楕円形等であってもよい。このような凸部３２を有することで、力検出装置１の他軸出力（外力が加わっていない軸方向の出力）を小さくすることができる。なお、この凸部３２については後で説明する。

図３に示すように、天板３１の下方には、凸部３２とは反対側に向かって複数（本実施形態では４つ）の壁部３３が立設されている。なお、図示では、各壁部３３は、天板３１と別部材で形成され、天板３１に対し固定されているが、天板３１と一体で形成されていてもよい。複数の壁部３３は、図４に示すように、力検出装置１の中心軸Ａ１を中心とする同一円周上に沿って互いに等角度（９０°）間隔に並んでいる。各壁部３３には、後述する与圧ボルト５１が挿通される複数の貫通孔３７が形成されている。また、図３に示すように、各壁部３３の内壁面３３１（内側の端面）は、天板３１に対して垂直な平面である。

このような構成の第１部材３が有する凸部３２の上面３０１は、力検出装置１をロボット１００のエンドエフェクター１７（被取付部材）に取り付ける取付面として機能する。

また、第１部材３の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属材料、セラミックス等が挙げられる。

［第２部材］
図３に示すように、第２部材２は、底板２１（第２基部）と、底板２１の上部側に設けられた複数の壁部２２（第２与圧部）と、を有する。この第２部材２の平面視での外形は、図２に示すように円形であるが、これに限定されず、例えば、四角形、五角形等の多角形、楕円形等であってもよい。また、図３に示すように、第２部材２は、その中央部に中心軸Ａ１に沿って形成された貫通孔２５を有する。

底板２１は、略平板状をなしている。底板２１の上部側には、第１部材３側に向かって複数（本実施形態では４つ）の壁部２２が立設されている。なお、図示では、各壁部２２は、底板２１と別部材で形成され、底板２１に対し固定されているが、底板２１と一体で形成されていてもよい。複数の壁部２２は、図４に示すように、力検出装置１の中心軸Ａ１を中心とする同一円周上に沿って互いに等角度（９０°）間隔に並んでいる。この壁部２２は、前述した第１部材３の壁部３３に対して中心軸Ａ１側に配置され、壁部３３と対面している。また、壁部２２の壁部３３側には、壁部３３側に向かって突出した部分２３を有する。この突出した部分２３の頂面２３１は、前述した壁部３３の内壁面３３１に対し、所定距離（センサーデバイス４を挿入可能な距離）を隔てて対面している。そして、頂面２３１と内壁面３３１とは、平行である。また、各壁部３３には、後述する与圧ボルト５１の先端部が螺合する雌ネジ孔２６が複数形成されている。

このような第２部材２の下面２０１は、力検出装置１をアーム１６に取り付けるアーム用取付面として機能する。そして、第２部材２（具体的には下面２０１）は、第２部材２をアーム１６に取り付ける取付部材１２０を接続できるよう構成されている。その具体的な構成等は特に限定されず、例えば、図示しないが、第２部材２の下面２０１は、ネジ止め、ボルト止め等で取付部材１２０に装着するために用いる貫通孔（雌ネジ孔）を有する構成、あるいは、フック、Ｌ字溝のような係合部を有する構成とすることができる。これにより、取付部材１２０を介して第２部材２をアーム１６の適切な位置に簡単に取り付けることができる。そのため、アーム１６に取り付けられた力検出装置１による外力の検出精度をより高めることができる。

また、第２部材２の構成材料としては、特に限定されないが、前述した第１部材３と同様、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属材料、セラミックス等が挙げられる。なお、第２部材２の構成材料は、第１部材３の構成材料と同じであっても異なっていてもよい。

［側壁部］
図２に示すように、側壁部２０は、円筒状をなしており、その上端部および下端部がそれぞれ第１部材３および第２部材２に対して例えばネジ止め、嵌合等によって固定されている。また、図３に示すように、側壁部２０と前述した第１部材３の天板３１と第２部材２の底板２１とで囲まれた空間Ｓ、すなわち力検出装置１の内部空間に、複数のセンサーデバイス４が収納されている。

このような側壁部２０の構成材料としては、特に限定されないが、前述した第１部材３や第２部材２と同様、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属材料、セラミックス等が挙げられる。なお、側壁部２０の構成材料は、第１部材３や第２部材２の構成材料と同じであっても異なっていてもよい。

［センサーデバイス］
各センサーデバイス４は、図３に示すように、力検出素子４１と、力検出素子４１を収納するパッケージ４２と、を有している。各センサーデバイス４は、第１部材３の壁部３３と第２部材２の壁部２２との間に配置されている。力検出素子４１は、少なくとも１つの（複数の）圧電素子５を備えている。

（パッケージ）
パッケージ４２は、力検出素子４１が設置されている凹部をその内側に有する基部４２１と、その基部４２１に接合されている蓋体４２２と、を有し、基部４２１の凹部が蓋体４２２により封止されている。これにより、力検出素子４１を保護することができる。ここで、基部４２１は、前述した第２部材２の頂面２３１に当接している。一方、蓋体４２２は、前述した第１部材３の内壁面３３１に当接している。

このようなパッケージ４２の基部４２１の構成材料としては、特に限定されず、例えば、コバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金）等の金属材料、セラミックス等を用いることができる。また、蓋体４２２の構成材料としては、特に限定されず、例えば、コバール等の金属材料等を用いることができる。なお、基部４２１の構成材料と蓋体４２２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４２の平面視での形状は、本実施形態では四角形をなしているが、これに限定されず、例えば、五角形等の他の多角形、円形、楕円形等であってもよい。

（力検出素子）
図５に示す力検出素子４１は、力検出素子４１に加えられた外力のＸ軸方向の成分に応じた電荷ＱＸ、力検出素子４１に加えられた外力のＹ軸方向の成分に応じた電荷ＱＹ、および、力検出素子４１に加えられた外力のＺ軸方向の成分に応じた電荷ＱＺを出力する機能を有する。この力検出素子４１は、Ｘ軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷ＱＸを出力する圧電素子５ａと、Ｚ軸に平行な外力（圧縮／引張力）に応じて電荷ＱＺを出力する圧電素子５ｂと、Ｙ軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷ＱＹを出力する圧電素子５ｃと、基準電位、例えばグランド電位（ＧＮＤ）に電気的に接続されているグランド電極層５４、５５、５６、５７と、を有する。また、力検出素子４１は、圧電素子５ａ、５ｂ、５ｃおよびグランド電極層５４、５５、５６、５７を備える構造体５０を支持する支持基板５８、５９（ダミー基材）を有する。ここで、支持基板５８、グランド電極層５４、圧電素子５ａ、グランド電極層５５、圧電素子５ｂ、グランド電極層５６、圧電素子５ｃ、グランド電極層５７、支持基板５９の順でこれらが積層されている。なお、以下では、圧電素子５ａ、５ｂ、５ｃをそれぞれ「圧電素子５」ともいう。

圧電素子５ａは、圧電体層５１ａ、出力電極層５２ａ、圧電体層５３ａがこの順で積層されて構成されている。同様に、圧電素子５ｂは、圧電体層５１ｂ、５３ｂと、これらの間に配置されている出力電極層５２ｂと、を有する。また、圧電素子５ｃは、圧電体層５１ｃ、５３ｃと、これらの間に配置されている出力電極層５２ｃと、を有する。

圧電素子５は、水晶を含む。すなわち、圧電素子５は、水晶で構成された圧電体層５１ａ、５３ａ、５１ｂ、５３ｂ、５１ｃ、５３ｃを備えている。これにより、高感度、広いダイナミックレンジ、高い剛性等の優れた特性を有する力検出装置１を実現することができる。

図５に示すように、圧電体層５１ａ、５３ａ、５１ｂ、５３ｂ、５１ｃ、５３ｃは、それらを構成する水晶の結晶軸であるＸ軸の方向が異なっている。すなわち、圧電体層５１ａを構成する水晶のＸ軸は、図５中紙面奥側を向いている。圧電体層５３ａを構成する水晶のＸ軸は、図５中紙面手前側を向いている。圧電体層５１ｂを構成する水晶のＸ軸は、図５中左側を向いている。圧電体層５３ｂを構成する水晶のＸ軸は、図５中右側を向いている。圧電体層５１ｃを構成する水晶のＸ軸は、図５中上側を向いている。圧電体層５３ｃを構成する水晶のＸ軸は、図５中下側を向いている。このような圧電体層５１ａ、５３ａ、５１ｃ、５３ｃは、それぞれＹカット水晶板で構成され、Ｘ軸の向きが互いに９０°ずつ異なっている。また、圧電体層５１ｂ、５３ｂは、それぞれＸカット水晶板で構成され、Ｘ軸の向きが互いに１８０°異なっている。

なお、本実施形態では、圧電体層５１ａ、５３ａ、５１ｂ、５３ｂ、５１ｃ、５３ｃは、それぞれ、水晶で構成されているが、これらは、水晶以外の圧電材料を用いた構成であってもよい。水晶以外の圧電材料としては、例えば、トパーズ、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等が挙げられる。

また、出力電極層５２ａ、５２ｂ、５２ｃおよびグランド電極層５４、５５、５６、５７を構成する材料は、それぞれ、電極として機能し得る材料であれば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、クロムまたはこれらを含む合金が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて（例えば積層して）用いることができる。これら出力電極層５２ａ、５２ｂ、５２ｃおよびグランド電極層５４、５５、５６、５７は、図示しない配線および端子等（例えば銀ペースト等で構成された配線等）を介して、アナログ回路基板６に電気的に接続されている。

また、本実施形態では、支持基板５８、５９は、それぞれ、水晶で構成されている。支持基板５８は、隣り合う圧電体層５１ａと同様の構成の水晶板（Ｙカット水晶板）で構成されており、Ｘ軸の向きも圧電体層５１ａと同様である。支持基板５９は、隣り合う圧電体層５３ｃと同様の構成の水晶板（Ｙカット水晶板）で構成されており、Ｘ軸の向きも圧電体層５３ｃと同様である。水晶は異方性を有するため、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向で熱膨張係数が異なる。そのため、熱膨張による応力を抑えるために支持基板５８、５９は隣り合う圧電体層と同様の構成および配置（向き）であることが好ましい。

また、支持基板５８、５９の厚さは、それぞれ、各圧電体層５１ａ、５３ａ、５１ｂ、５３ｂ、５１ｃ、５３ｃの厚さよりも厚い。

このような支持基板５８、５９を備えることで、力検出素子４１をパッケージ４２に安定的に接合（接続）することができる。また、パッケージ４２が金属材料等の導電性を有する部材で構成されている場合であっても、パッケージ４２や前述した図示しない配線および端子等との短絡を回避することができる。

なお、支持基板５８、５９は、それぞれ、水晶以外の導電性を有さない材料を用いた構成であってもよい。

以上、力検出素子４１について説明した。前述したように、力検出素子４１は、複数の圧電素子５を備える。これにより、力検出装置１の高感度化を図ったり、検出軸の多軸化を図ったりすることができる。

なお、力検出素子４１を構成する圧電素子および圧電体層の数は、前述した数に限定されない。例えば、１つの圧電素子が備える圧電体層の数が１つまたは３つ以上であってもよいし、圧電素子の数が２つまたは４つ以上であってもよい。

また、力検出素子４１の平面視形状は、図示では、四角形であるが、これに限定されず、例えば、五角形等の他の多角形、円形、楕円形等であってもよい。

以上説明したような各センサーデバイス４は、力検出素子４１が有する圧電素子５ａ、５ｂ、５ｃの積層方向Ｄ１が中心軸Ａ１に直交するよう（ｙｚ平面の面方向に）に配置されている（図３および図５参照）。また、図４に示すように、４つのセンサーデバイス４は、中心軸Ａ１に沿った方向から見たとき、中心軸Ａ１を通りｙ軸に平行な線分ＣＬに対して対称となるように配置されている。また、各センサーデバイス４は、中心軸Ａ１に直交する方向から見たとき（図３の側面視で）、第１部材３の天板３１と第２部材２の底板２１との間の中間部に位置している。また、本実施形態では、例えば、グランド電極層５７が壁部２２側に位置し、グランド電極層５４が壁部３３側に位置している。

また、本実施形態では、各センサーデバイス４（各力検出素子４１）と中心軸Ａ１との離間距離は、等しい。また、各センサーデバイス４（各力検出素子４１）と上面３０１の幾何学的な中心との離間距離は、等しい。また、各センサーデバイス４（各力検出素子４１）と下面２０１の幾何学的な中心との離間距離は、等しい。なお、上述の離間距離が等しいことは、機械的な設計および設置等の誤差を含む。

［与圧ボルト（固定部材）］
複数の与圧ボルト５１は、第１部材３の壁部３３と第２部材２の壁部２２とでセンサーデバイス４（より具体的には複数の圧電素子５）を挟んで与圧した状態で壁部３３および壁部２２を互いに固定している（図３および図４参照）。各与圧ボルト５１は、壁部３３側から壁部３３の貫通孔３７に挿通され、与圧ボルト５１の先端部に形成された雄ネジを壁部２２に形成された雌ネジに螺合されている。このような複数の与圧ボルト５１により、第１部材３の内壁面３３１と第２部材２の頂面２３１とでセンサーデバイス４のパッケージ４２を介して力検出素子４１を挟んで与圧することができる。また、各与圧ボルト５１の締結力を適宜調整することで、力検出素子４１に対して、所定の大きさの圧電素子５の積層方向Ｄ１の圧力を与圧として加えることができる（図５参照）。

このような各与圧ボルト５１の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、各種金属材料等が挙げられる。なお、各与圧ボルト５１の位置および数は、それぞれ、図示の位置および数に限定されない。また、与圧ボルト５１の数は、例えば、１つのセンサーデバイス４に対して１つまたは３つ以上であってもよい。また、圧電素子５を備える力検出素子４１は、第１部材３と第２部材２との間（特に壁部３３と壁部２２との間）に挟持されているが、これに限定されず、第１部材３と第２部材２との間に任意の構成で支持されていればよい。

［アナログ回路基板］
図３に示すように、アナログ回路基板６は、空間Ｓ、すなわち第１部材３と第２部材２との間に配置されている。このアナログ回路基板６には、第２部材２の突出した部分２３が挿通されている貫通孔６１と、各与圧ボルト５１が挿通されている貫通孔６２と、が形成されている（図３および図４参照）。アナログ回路基板６は、部分２３に挿通された状態で、センサーデバイス４に対して中心軸Ａ１側に配置されている。これにより、センサーデバイス４の近傍にアナログ回路基板６を設けることができ、センサーデバイス４からの配線長さを短くすることができる。そのため、構造の簡素化に寄与することができる。

また、アナログ回路基板６は、前述したセンサーデバイス４に電気的に接続されている。アナログ回路基板６は、図示はしないが、センサーデバイス４の力検出素子４１から出力された電荷Ｑ（ＱＸ、ＱＹ、ＱＺ）をそれぞれ電圧Ｖ（ＶＸ、ＶＹ、ＶＺ）に変換するチャージアンプ（変換出力回路）を備えている。このチャージアンプは、例えば、オペアンプと、コンデンサーと、スイッチング素子と、を有して構成することができる。

［デジタル回路基板］
デジタル回路基板は、図示しないが、例えば、第２部材２上に設けることができる。このデジタル回路基板は、前述したアナログ回路基板６に電気的に接続されている。デジタル回路基板は、図示しないが、アナログ回路基板６からの電圧ＶＸ、ＶＹ、ＶＺに基づいて、外力を検出（演算）する外力検出回路を備えている。外力検出回路は、ｘ軸方向の並進力成分Ｆｘ、ｙ軸方向の並進力成分Ｆｙ、ｚ軸方向の並進力成分Ｆｚ、Ｘ軸周りの回転力成分Ｍｘ、Ｙ軸周りの回転力成分Ｍｙ、Ｚ軸周りの回転力成分Ｍｚを演算する。この外力検出回路は、例えば、ＡＤコンバーターと、このＡＤコンバーターに接続されたＣＰＵ等の演算回路と、を有して構成することができる。

ここで、本実施形態では、各センサーデバイス４は、圧電素子５の積層方向Ｄ１が中心軸Ａ１に直交するように配置されており、４つのセンサーデバイス４は、線分ＣＬに対して対称となるように配置されている（図４および図５参照）。そして、前述したように、壁部３３と壁部２２とによって圧電素子５の積層方向Ｄ１に対して平行な方向に与圧が加えられている。そのため、デジタル回路基板では、温度変動の影響を受けやすい電荷ＱＺを用いずに、並進力成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚおよび回転力成分Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚの演算が可能である。そのため、力検出装置１は、温度の変動による影響を受けにくく、高精度な検出が可能である。これにより、例えば高温環境下に力検出装置１が置かれて第１部材３および第２部材２が熱膨張し、その熱膨張によって圧電素子５に対する与圧が所定の値から変化してノイズ成分となることを低減または零にすることができる。

以上、力検出装置１の基本的な構成について説明した。このような力検出装置１では、前述したように、第１部材３は、圧電素子５（力検出素子４１）を与圧する「第１与圧部」としての壁部３３を有し、第２部材２は、圧電素子５（力検出素子４１）を与圧する「第２与圧部」としての壁部２２を有する。そして、本実施形態では、与圧ボルト５１によって、第１部材３と第２部材２とが固定されている。これにより、圧電素子５に対して一定の圧力を予め与えておくことができ、力検出装置１による外力の検出精度をより高めることができる。

また、前述したように、第１部材３は、中心軸Ａ１に沿って形成された貫通孔３５を有する。また、第２部材２は、中心軸Ａ１に沿って形成された貫通孔２５を有する。そして、貫通孔３５と貫通孔２５と、これらを空間Ｓで連通している円柱状の空間（長さが力検出装置１のｚ軸方向の厚さに等しい円柱状の空間）とで、貫通孔１０１が構成されている。すなわち、力検出装置１は、第１部材３と第２部材２とに開口した貫通孔１０１を有する。また、本実施形態では、貫通孔１０１は、中心軸Ａ１に沿って形成されている。これにより、貫通孔１０１に例えば配線や配管等を有する可撓性部材（ケーブル等）を挿通させることができる。そのため、例えば、エンドエフェクター１７（被取付部材）の配線１０３をロボット１００の基台１１０から力検出装置１の貫通孔１０１を介してエンドエフェクター１７に効率よく引きまわすことができる（図１および図３参照）。

また、図３に示すように、貫通孔１０１の内部には、円筒状のチューブ１０２（緩衝部材）が設けられている。このチューブ１０２は、例えば、取付部材１２０またはエンドエフェクター１７に接続されている（図１および図３参照）。本実施形態では、チューブ１０２の外周面は、貫通孔２５、３５を形成している壁面と離間している。なお、チューブ１０２は、貫通孔１０１内に位置していれば、当該壁面と離間していなくてもよい。このようなチューブ１０２は、配線１０３が貫通孔１０１の内壁に接触することを防ぐように配線１０３の位置を規制する位置規制部材としての機能を有する。そのため、配線１０３の内壁への接触による力検出装置１の誤検出を低減または防止することができる。

また、ロボットアーム１０の内部および力検出装置１のチューブ１０２内に配線１０３配置することができるため、ロボットアーム１０の外部や力検出装置１の外部に配線１０３を配置しなくて済む。そのため、ロボットアーム１０の動きに伴って力検出装置１の外部に配置された配線１０３が力検出装置１に衝突することによって力検出装置１に不要な外力が加わることを低減することができる。

なお、チューブ１０２の形状は、円柱状に限定されない。チューブ１０２の形状は、位置規制部材として機能すれば如何なる形状であってもよい。

次に、上述した第１部材３の凸部３２を有することで、力検出装置１の他軸出力を小さくすることができることについて、従来の力検出装置１ａにおける問題点とともに説明する。

図６は、従来の構成の力検出装置がエンドエフェクターに取り付けられている状態を模式的に示す側面図である。図７は、図６に示す力検出装置における外力が加わったときの期待値と実際の出力値との関係を示す図である。図８は、図６に示す力検出装置における距離Ｔａと比率Ｆｘ／Ｆｚとの関係を示す図である。

図６に示す力検出装置１ａの上面（図６中の上側の面）は平坦であり、力検出装置１ａの上面の全域はエンドエフェクター１７に接触して固定されている。例えば、対象物がエンドエフェクター１７の作業箇所Ｐに接触して作業箇所Ｐに矢印Ｃ１方向の外力Ｆが加わった場合、力検出装置１によって並進力成分Ｆｚとともに回転力成分Ｍｙが検出されると想定される（図７中の期待値の列を参照）。例えば、大きさＭの並進力成分Ｆｚとともに、大きさＭと距離Ｔａとに応じた大きさＴＭの並進力成分Ｆｙを検出すると想定される。距離Ｔａは、中心軸Ａ１ａと作業箇所Ｐとの間の距離である。しかし、力検出装置１ａでは、実際には、並進力成分Ｆｚおよび回転力成分Ｍｙとともに、並進力成分Ｆｘも検出される（図７中の出力値の列を参照）。これは、力検出装置１ａに加わる力のｙ軸周りの回転中心が力検出素子４１が備えるセンサーデバイスの中心からずれてしまい、力検出装置１ａが備えるセンサーデバイスに本来加わっていない力が過剰に加わるためであると考えられる。また、外力Ｆが加わる作業箇所Ｐが中心軸Ａ１ａに対して離間するほど、図８に示すように、並進力成分Ｆｘの大きさが増えていく傾向がある。

このように、中心軸Ａ１ａに対してずれた位置にある作業箇所Ｐに外力Ｆが加わると、従来の力検出装置１ａでは、他軸出力（図６の例では並進力成分Ｆｘ）が大きくなってしまう。そのため、このような力検出装置１ａに対して偏心しているエンドエフェクター１７等を使って作業する場合、力検出装置１ａには、本来加わっていない力が見かけ上加わってしまう。また、この多軸出力を例えばデジタル回路基板等で補正をしたとしても、多軸出力が大き過ぎて十分に補正しきれない。そのため、偏心しているエンドエフェクター１７を用いた場合、従来の力検出装置１ａの検出結果を基にして、偏心していないエンドエフェクターを用いて作業する場合と同様の作業をすることが難しい。

そこで、本実施形態の力検出装置１は、他軸出力を小さくするべく、前述したように、凸部３２を有する第１部材３を備えている（図２参照）。以下、この凸部３２を設けることにより他軸出力を小さくできることを、主に図９〜図１１を参照しつつ説明する。

図９は、図２に示す力検出装置がエンドエフェクターに取り付けられている状態を模式的に示す側面図である。図１０は、図２に示す力検出装置が有する第１部材の縦断面図である。図１１は、図９に示す力検出装置における凸部の幅の影響を示す図である。

図１１は、図１０に示す第１部材３の幅Ｌ３（径）を一定にしたまま凸部３２の幅Ｌ１（径）を変更したときの並進力成分Ｆｘｙの大きさを示している。図１１中の縦軸は、図９に示すようにエンドエフェクター１７の作業箇所Ｐに矢印Ｃ１方向の外力Ｆが加わったときに力検出装置１から出力される並進力成分Ｆｘｙの並進力成分Ｆｚに対する比率Ｆｘｙ／Ｆｚを示している。比率Ｆｘｙ／Ｆｚが０％に近い程、並進力成分Ｆｘｙが小さい。また、図１１に示すグラフの横軸は、幅Ｌ１の幅Ｌ３に対する比率Ｌ１／Ｌ３を示している。

なお、図９に示す力検出装置１は、図４の下側に位置するセンサーデバイス４が図９中の紙面手前側に位置するようにエンドエフェクター１７に取り付けられている。すなわち、エンドエフェクター１７は、力検出装置１の図４中右側に突出している。また、作業箇所Ｐと中心軸Ａ１とを結ぶ軸線に沿った方向の並進力成分をＦｘｙ（並進力成分Ｆｘ、Ｆｙを有する成分）とする（図９参照）。また、中心軸Ａ１上の点を零点とし、この零点よりも図９中右側に向かう並進力成分Ｆｘｙを＋（プラス）とし、零点よりも図９中左側に向かう並進力成分Ｆｘｙを−（マイナス）とする。

図１１に示すように、比率Ｌ１／Ｌ３に応じて比率Ｆｘｙ／Ｆｚは線形的に変化している。すなわち、幅Ｌ１を変更すると、幅Ｌ１に応じて並進力成分Ｆｘｙの大きさが変化している。そして、比率Ｌ１／Ｌ３が１００％である場合、すなわち凸部３２を有さない場合に、最も並進力成分Ｆｘｙが大きくなっており、凸部３２を有することで、凸部３２を有さない場合に比べて比率Ｆｘｙ／Ｆｚが小さくすることができる。すなわち、凸部３２を設けることで並進力成分Ｆｘｙを小さくすることができる。

また、比率Ｆｘｙ／Ｆｚが６０％程度になるまでは、幅Ｌ１が小さくなるほど並進力成分Ｆｘｙ（＋Ｆｘｙ）を小さくすることができる。一方、比率Ｆｘｙ／Ｆｚが６０％程度を超えると、幅Ｌ１が小さくなるほど並進力成分Ｆｘｙ（−Ｆｘｙ）が大きくなっている。このような傾向は、図９中の矢印Ｃ１方向の外力Ｆが加わったときに力検出装置１（特に第１部材３の壁部３３ａ、３３ｃ）が受ける変形（変位）に起因していると考えられる。この点について、主に図９、図１２〜図１７を参照しつつ以下に説明する。

図１２は、図１１に示すＬ１／Ｌ３が２５％であるときの力検出装置の変形状態を模式的に示す図である。図１３は、図１１に示すＬ１／Ｌ３が６３％であるときの力検出装置の変形状態を模式的に示す図である。図１４は、図１１に示すＬ１／Ｌ３が１００％であるときの力検出装置の変形状態を模式的に示す図である。図１５は、図１１に示すＬ１／Ｌ３が２５％であるときのセンサーユニットにかかる力の回転中心を説明するための図である。図１６は、図１１に示すＬ１／Ｌ３が６３％であるときのセンサーユニットにかかる力の回転中心を説明するための図である。図１７は、図１１に示すＬ１／Ｌ３が１００％であるときのセンサーユニットにかかる力の回転中心を説明するための図である。なお、図１２および図１３では、凸部３２の図示を省略している。

図１２〜図１４に示すように、比率Ｌ１／Ｌ３の大きさによって第１部材３（力検出装置１）の変形の仕方が異なっている。各第１部材３は、外力Ｆが加わると軸Ｏ１を中心軸として変形（変位）する（図９、図１２〜図１４参照）。軸Ｏ１は、作業箇所Ｐと中心軸Ａ１とを結ぶ軸線（またはエンドエフェクター１７の延出方向に沿った軸）および中心軸Ａ１（または外力Ｆの方向に沿った軸）の双方に直交する軸である。

この軸Ｏ１の位置は、図１２〜図１４に示すように、比率Ｌ１／Ｌ３の大きさによって異なっている。そして、軸Ｏ１の位置は比率Ｌ１／Ｌ３が小さくなるほど、すなわちエンドエフェクター１７と力検出装置１との接触面積が小さくなるほど、力検出装置１内の上側に位置している。

具体的には、図１７に示すように、比率Ｌ１／Ｌ３が１００％である場合には、軸Ｏ１は、センサーデバイス４ａ、４ｃの外部（図１７中の右下）に位置している。この状態から幅Ｌ１を小さくしていくと、軸Ｏ１は、センサーデバイス４ａ、４ｃに近づいていく。そして、図１６に示すように、例えば、比率Ｌ１／Ｌ３が６８％である場合、軸Ｏ１は、センサーデバイス４ａ、４ｃの内部に位置する。この状態からさらに幅Ｌ１を小さくしていくと、軸Ｏ１はセンサーデバイス４ａ、４ｃ内を図１６中の左上側に向かって横断していく。そして、図１５に示すように、例えば、比率Ｌ１／Ｌ３が２５％である場合、軸Ｏ１の位置は、センサーデバイス４ａ、４ｃの外部（図１５中の左上）に位置する。なお、比率Ｌ１／Ｌ３が２５％である場合には、比率Ｌ１／Ｌ３が１００％である場合よりもセンサーデバイス４ａ、４ｃの近傍に軸Ｏ１が位置している。このように、比率Ｌ１／Ｌ３の大きさによって軸Ｏ１の位置が変わる。

なお、比率Ｌ１／Ｌ３が１００％である場合、外力Ｆが加わると第１部材３の上部のうち作業箇所Ｐに最も近い部分に最も力が加わる（図６および図１４参照）。これにより、エンドエフェクター１７の変形に伴って、第１部材３の上部の作業箇所Ｐに近い部分が下方に押され、第１部材３の上部の作業箇所Ｐから遠い部分が持ち上がるように第１部材３は時計周りに変形する。一方、比率Ｌ１／Ｌ３が６８％、２５％である場合には、外力Ｆが加わると、凸部３２の上面３０１のうち作業箇所Ｐに最も近い部分に最も力が加わる（図９、図１２および図１３参照）。これにより、エンドエフェクター１７の変形に伴って、凸部３２の上面３０１の作業箇所Ｐに最も近い部分が下方に押され、凸部３２の上面３０１の作業箇所Ｐから最も遠い部分が持ち上がるように第１部材３は時計周りに変形する。また、比率Ｌ１／Ｌ３が２５％である場合には、反時計周りにも変形すると考えられる。これは、比率Ｌ１／Ｌ３が２５％である場合には、幅Ｌ１が小さくなることで取付面として機能する上面３０１の面積が小さくなり、力検出装置１のエンドエフェクター１７に対する取り付けの安定性が低下することが影響していると考えられる。

このように、凸部３２を設けて幅Ｌ１（上面３０１の面積）を調節することにより、センサーデバイス４ａ、４ｃの内部に軸Ｏ１を位置させることができる。これにより、壁部３３ａ、３３ｃの作業箇所Ｐと中心軸Ａ１とを結ぶ軸線方向に沿った変形量を小さくすることができ、これに伴ってセンサーデバイス４ａ、４ｃの作業箇所Ｐと中心軸Ａ１とを結ぶ軸線方向に沿った変形量を小さくすることができる（図１２〜図１７参照）。そのため、前述した外力Ｆによって力検出装置１から出力される並進力成分Ｆｘｙを小さくすることができる。

本実施形態では、前述したように、各センサーデバイス４が線分ＣＬに対して対称となるように配置されていて、圧電素子５の積層方向Ｄ１が中心軸Ａ１に直交しており、電荷ＱＺを用いずに並進力成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚおよび回転力成分Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚの演算を行う（図４および図５参照）。そのため、第１部材３の作業箇所Ｐと中心軸Ａ１とを結ぶ軸線方向に沿った変形（変位）は、センサーデバイス４ａ、４ｃから出力される電荷ＱＸ、ＱＹの出力値に特に影響を与える。それゆえ、前述したように、センサーデバイス４ａ、４ｃの作業箇所Ｐと中心軸Ａ１とを結ぶ軸線方向に沿った変形量を小さくすることで、外力Ｆを受けたときの力検出装置１から出力される並進力成分Ｆｘｙを抑制することができる。

なお、凸部３２の厚さ（高さ）や、作業箇所Ｐと中心軸Ａ１とを結ぶ軸線の長さ（離間距離Ｔ）、外力Ｆの大きさ等を変化させても、図１１に示す傾向と同様の傾向を示した。軸Ｏ１を、各センサーデバイス４を含むｘ−ｙ平面内に位置させることで、多軸出力（本実施形態では並進力成分Ｆｘｙ）を小さくすることができる。

また、比率Ｌ１／Ｌ３は、３５％以上７５％以下であることが好ましい（図１１参照）。これにより、比率Ｆｘｙ／Ｆｚを±２００％程度にすることができる。すなわち、凸部３２を有さない場合に比べて並進力成分Ｆｘｙを半減することができる。さらに、比率Ｌ１／Ｌ３は、５０％以上７０％以下であることがより好ましく、５５％以上６５％以下であることがさらに好ましい。これにより、力検出装置１をより安定してエンドエフェクター１７に取り付けることができるとともに、並進力成分Ｆｘｙをさらに低減することができる。

ここで、本実施形態では、比率Ｌ１／Ｌ３が７５％以下であると、凸部３２は、平面視で複数のセンサーデバイス４よりも内側に位置している状態となる。言い換えると、凸部３２の幅Ｌ１は、２つの向かい合うセンサーデバイス４（例えばセンサーデバイス４ｂとセンサーデバイス４ｄ）の離間距離よりも短い。このように凸部３２を位置させることで、凸部３２を有さない場合に比べて並進力成分Ｆｘｙを半減することができる。

以上説明したように、力検出装置１は、アーム１６を有するロボット１００に取り付け可能な力検出装置１である（図１参照）。力検出装置１は、「被取付部材」としてのエンドエフェクター１７を取り付け可能な「取付面」としての上面３０１を有する凸部３２を備える第１部材３と、アーム１６に取り付けられる第２部材２と、第１部材３と第２部材２との間に支持され（挟持され）、第１部材３と第２部材２とに加えられる外力（外力Ｆ）を検出する少なくとも１つの（好ましくは複数の）圧電素子５（力検出素子４１）と、を備える（図３〜図５参照）。また、本実施形態では、凸部３２は、第２部材２とは反対側に突出している。このような力検出装置１によれば、中心軸Ａ１に対してずれた位置に外力Ｆが加わった場合でも、他軸出力（図１０では並進力成分Ｆｘｙ）を小さくすることができ、力検出装置１による外力Ｆの検出精度を高めることができる。したがって、力検出装置１によれば、力検出装置１の中心軸Ａ１に対してずれた位置に外力が加わった場合と、力検出装置１の中心軸Ａ１上の位置に外力Ｆが加わった場合との双方において、力検出装置１による外力Ｆの検出精度を高めることができる。

また、前述したように、力検出装置１は、第１部材３と第２部材２とによって挟持され、少なくとも１つの圧電素子５（本実施形態では複数の圧電素子５）を備えるセンサーデバイス４を複数有する。そして、平面視で、すなわち「取付面」としての上面３０１の法線方向から見て、凸部３２は、複数のセンサーデバイス４よりも内側に位置している。これにより、力検出装置１の中心軸Ａ１に対してずれた位置に外力Ｆが加わった場合でも、他軸出力をより小さくすることができ、力検出装置１による外力Ｆの検出精度をより高めることができる。特に、前述したように、凸部３２を有さない場合に比べて他軸出力（図１０では並進力成分Ｆｘｙ）を半減することができる。

また、前述したように、本実施形態では、力検出装置１は、エンドエフェクター１７に取り付けられている。言い換えると、力検出装置１の取付面としての上面３０１が取り付けられる「被取付部材」は、エンドエフェクター１７である。これにより、力検出装置１によってエンドエフェクター１７が受けた外力Ｆを高精度に検出することができる。そのため、ロボット１００は、例えばエンドエフェクター１７による対象物に対する作業をより高精度に行うことができる。

特に、前述したように、エンドエフェクター１７は、その作業箇所Ｐが中心軸Ａ１に対してずれており、力検出装置１（およびアーム１６）に対して偏心している。すなわち、エンドエフェクター１７の作業箇所Ｐは、「取付面」としての上面３０１の中心（幾何学的な中心）を通る上面３０１の法線に対してずれている。このようなエンドエフェクター１７に対して力検出装置１を用いることは特に有効であり、このようなエンドエフェクター１７であっても、力検出装置１によれば、他軸出力を小さくすることができ、外力Ｆの検出精度を高めることができる。また、例えば、エンドエフェクター１７は、その先端部に、ネジ止めを行うドライバーを備えた構成とすることができる。ドライバーを備えたエンドエフェクター１７（偏心エンドエフェクター）である場合に、力検出装置１を用いることは特に有効である。力検出装置１を用いることでドライバーによるネジ止めを高精度に行うことができる。

次に、第１部材３が凹部３１１を有することで第１部材３の軽量化を図るとともに力検出装置１の他軸出力を小さくすることができることを、主に図１８、図１９を参照しつつ説明する。

図１８は、図１０に示す第１部材の凹部の幅の影響を示す図である。図１９は、図１０に示す第１部材の凹部の高さの影響を示す図である。

図１８は、図１０に示す第１部材３の幅Ｌ３を一定にしたまま凹部３１１の幅Ｌ２（径）を変更したときの並進力成分Ｆｘｙの大きさを示している。図１８は、例えば、幅Ｌ３が８０ｍｍ、幅Ｌ１が５５ｍｍ、第１部材３の高さが６ｍｍ、天板３１の高さｔ３が５ｍｍ、凸部３２の高さｔ１が１ｍｍ、比率Ｌ１／Ｌ３が６８．７５％である場合の第１部材３を用いている。

図１８に示すように、第１部材３の幅Ｌ３に対して凹部３１１の幅Ｌ２を変更すると、並進力成分Ｆｘｙの大きさが変わる。このように、前述した幅Ｌ２の大きさを調整することに加えて、幅Ｌ３の大きさを調整して並進力成分Ｆｘｙを小さくすることも可能である。これにより、幅Ｌ２の大きさをある程度確保することができる。そのため、取付面としての上面３０１の面積を大きくして力検出装置１のエンドエフェクター１７に対する取り付けの安定性を十分に確保しつつ、凹部３１１の幅Ｌ３を大きくして第１部材３の軽量化を図ることができる。したがって、例えば、図１１に示す比率Ｌ１／Ｌ３を６０％以上８０％以下とし、比率Ｌ２／Ｌ３を５３％以上７０％以下とすることも好適である。これにより、第１部材３の軽量化を図ることができるとともに、並進力成分Ｆｘｙをより小さくすることができるという効果をより顕著に発揮することができる。

このように、第１部材３は、凸部３２とは反対側に凹部３１１を有する。これにより、第１部材３の軽量化を図ることができるとともに、他軸出力をより小さくすることができ、外力Ｆの検出精度をより高めることができる。

また、図１９は、図１０に示す第１部材３の幅Ｌ３を一定にしたまま凹部３１１の高さｔ２（厚さ）を変更したときの並進力成分Ｆｘｙの大きさを示している。図１９に示すように、天板３１の高さ以下の範囲内で高さｔ２（厚さ）を変更しても、並進力成分Ｆｘｙの大幅な変化はない。そのため、天板３１の高さ以下の範囲内で高さｔ２（厚さ）を大きくすることで、並進力成分Ｆｘｙを低下させるという効果を発揮しつつ、第１部材３の更なる軽量化を図ることができる。

＜第２実施形態＞
図２０は、本発明の第２実施形態に係るロボットが備える力検出装置を示す縦断面図である。なお、以下の説明では、第２実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図２０において、前述した実施形態と同様の構成は、同一符号を付している。

図２０に示す力検出装置１Ａが備える第１部材３Ａは、天板３１（第１基部）と、凸部３２を備える部材３４と、複数の壁部３３（第１与圧部）と、を有する。部材３４の凸部３２を除く部分は、略平板状をなしており、天板３１に対して着脱可能に設けられている。これにより、所望の形状や大きさの凸部３２を有する部材３４に変更することが容易となり、例えばエンドエフェクター１７の種類等に応じた部材３４に簡単に変更することができる。

なお、部材３４は、着脱できず天板３１に固定されていてもよい。また、図示では、部材３４の凸部３２を除く部分の平面視での外形は、天板３１と同じ形状であるが、天板３１と異なる形状であってもよい。

このような力検出装置１Ａによっても、外力（外力Ｆ）の検出精度を高めることができる。

＜第３実施形態＞
図２１は、本発明の第３実施形態に係るロボットを示す斜視図である。なお、以下の説明では、第２実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図２０において、前述した実施形態と同様の構成は、同一符号を付している。

図２１に示すロボット６００は、複腕ロボットであり、基台６１０と、第１のロボットアーム６２０と、第２のロボットアーム６３０と、第１のロボットアーム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のロボットアーム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、２つの力検出装置１とを有する。

第１のロボットアーム６２０は、アーム６２１（第１アーム）とアーム６２２（第２アーム）とを有し、アーム６２１、６２２が回動自在に連結することにより構成されている。アーム６２２の先端には、取付部材１２０Ａ（アダプター）によって力検出装置１（または力検出装置１Ａ）が接続されている。力検出装置１の先端には、第１のエンドエフェクター６４０ａが接続されている。この第１のエンドエフェクター６４０ａは、対象物を把持する２つの指６４１ａ、６４２ａを有する。

同様に、第２のロボットアーム６３０は、アーム６３１（第１アーム）とアーム６３２（第２アーム）とを有し、アーム６３１、６３２が回動自在に連結することにより構成されている。アーム６３２の先端には、取付部材１２０Ａ（アダプター）によって力検出装置１（または力検出装置１Ａ）が接続されている。力検出装置１の先端には、第２のエンドエフェクター６４０ｂが接続されている。この第２のエンドエフェクター６４０ｂは、対象物を把持する２つの指６４１ｂ、６４２ｂを有する。

このようなロボット６００が力検出装置１を備えることで、第１のエンドエフェクター６４０ａおよび第２のエンドエフェクター６４０ｂに加えられる外力を検出することができる。そのため、力検出装置１が検出した外力を、ロボット６００を制御する機能を有する制御部（図示せず）にフィードバックすることにより、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、ロボット６００は、第１のエンドエフェクター６４０ａおよび第２のエンドエフェクター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、障害物回避動作および対象物損傷回避動作等を容易に行うことができ、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、ロボット６００が有するロボットアームおよびアームの数は図示した数に限定されない。例えば、ロボットアームは、３本以上であってもよい。また、１つのロボットアームが有するアームの数は１本であってもよいし、３本以上であってもよい。

以上、本発明の力検出装置およびロボットを、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、本発明は、前述した実施形態のうちの、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、力検出装置は、アームとアーム（被取付部材）との間に設けられていてもよい。また、センサーデバイスが有するパッケージが省略されていてもよい。また、圧電素子の積層方向は図示のものに限定されない。また、与圧ボルトは、必要に応じて設ければよく、省略してもよい。

また、本発明のロボットは、例えば、スカラーロボット等の他のロボットであってもよい。

また、本発明の力検出装置は、ロボット以外の機器に組み込むことも可能であり、例えば、自動車等の移動体に搭載してもよい。

１…力検出装置、１Ａ…力検出装置、１ａ…力検出装置、２…第２部材、３…第１部材、３Ａ…第１部材、４…センサーデバイス、４ａ…センサーデバイス、４ｂ…センサーデバイス、４ｃ…センサーデバイス、４ｄ…センサーデバイス、５…圧電素子、５ａ…圧電素子、５ｂ…圧電素子、５ｃ…圧電素子、６…アナログ回路基板、１０…ロボットアーム、１１…アーム、１２…アーム、１３…アーム、１４…アーム、１５…アーム、１６…アーム、１７…エンドエフェクター、２０…側壁部、２１…底板、２２…壁部、２３…部分、２５…貫通孔、２６…雌ネジ孔、３１…天板、３２…凸部、３３…壁部、３３ａ…壁部、３３ｂ…壁部、３３ｃ…壁部、３３ｄ…壁部、３４…部材、３５…貫通孔、３７…貫通孔、４１…力検出素子、４２…パッケージ、５１…与圧ボルト、５１ａ…圧電体層、５１ｂ…圧電体層、５１ｃ…圧電体層、５２ａ…出力電極層、５２ｂ…出力電極層、５２ｃ…出力電極層、５３ａ…圧電体層、５３ｂ…圧電体層、５３ｃ…圧電体層、５４…グランド電極層、５５…グランド電極層、５６…グランド電極層、５７…グランド電極層、６１…貫通孔、６２…貫通孔、１００…ロボット、１０１…貫通孔、１１０…基台、１２０…取付部材、１２０Ａ…取付部材、２０１…下面、２３１…頂面、３０１…上面、３１１…凹部、３３１…内壁面、４２１…基部、４２２…蓋体、６００…ロボット、６１０…基台、６２０…第１のロボットアーム、６２１…アーム、６２２…アーム、６３０…第２のロボットアーム、６３１…アーム、６３２…アーム、６４０ａ…第１のエンドエフェクター、６４０ｂ…第２のエンドエフェクター、６４１ａ…指、６４１ｂ…指、６４２ａ…指、６４２ｂ…指、Ａ１…中心軸、Ａ１ａ…中心軸、Ｃ１…矢印、ＣＬ…線分、Ｄ１…積層方向、Ｆｘ…並進力成分、Ｆｘｙ…並進力成分、Ｆｚ…並進力成分、Ｍｘ…回転力成分、Ｍｙ…回転力成分、Ｍｚ…回転力成分、Ｏ１…軸、Ｏ６…軸、Ｐ…作業箇所、ＱＸ…電荷、ＱＹ…電荷、ＱＺ…電荷、Ｔ…離間距離、Ｔａ…距離、Ｖ…電圧、ＶＸ…電圧、ｔ１…高さ、ｔ２…高さ、ｔ３…高さ、Ｌ１…幅、Ｌ２…幅、Ｌ３…幅、Ｆ…外力、Ｓ…空間、５８…支持基板、５９…支持基材、５０…構造体、１０２…チューブ、１０３…配線

Claims (11)

1. アームを有するロボットに取り付け可能な力検出装置であって、
   被取付部材を取り付け可能な取付面を有する凸部を備える第１部材と、
   前記アームに取り付けられる第２部材と、
   前記第１部材と前記第２部材との間に支持され、前記第１部材と前記第２部材とに加えられる外力を検出する少なくとも１つの圧電素子と、を備えることを特徴とする力検出装置。
2. 複数の前記圧電素子を備える請求項１に記載の力検出装置。
3. 前記第１部材と前記第２部材とによって挟持され、少なくとも１つの前記圧電素子を備えるセンサーデバイスを複数有し、
   前記取付面の法線方向から見て、前記凸部は、複数の前記センサーデバイスよりも内側に位置している請求項２に記載の力検出装置。
4. 前記第１部材は、前記凸部とは反対側に凹部を有する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の力検出装置。
5. 前記第１部材は、前記圧電素子を与圧する第１与圧部を有し、
   前記第２部材は、前記圧電素子を与圧する第２与圧部を有する請求項１ないし４のいずれか１項に記載の力検出装置。
6. 前記圧電素子は、水晶を含む請求項１ないし５のいずれか１項に記載の力検出装置。
7. 前記第１部材と前記第２部材とに開口した貫通孔を有する請求項１ないし６のいずれか１項に記載の力検出装置。
8. 前記第２部材は、前記第２部材を前記アームに取り付ける取付部材を接続できるよう構成されている請求項１ないし７のいずれか１項に記載の力検出装置。
9. 前記被取付部材は、エンドエフェクターである請求項１ないし８のいずれか１項に記載の力検出装置。
10. 前記エンドエフェクターの作業箇所は、前記取付面の中心を通る前記取付面の法線に対してずれている請求項９に記載の力検出装置。
11. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の力検出装置と、当該力検出装置が取り付けられたアームと、を有することを特徴とするロボット。

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