JP5866891B2 - 力センサー、力検出装置、ロボットハンド、およびロボット - Google Patents

Description

本発明は、水晶などの圧電材料から成る圧電素子を用いて、力を検出する力センサーに関する。

水晶など単結晶の圧電効果を利用した力センサーでは、結晶方位による圧電効果の異方性により、加えられた力成分を分解して検出する。そのような水晶圧電素子を用いた水晶圧電式力センサーは、２つのプレート間に複数の水晶圧電素子を重ね合わせた構造となっており、２つのプレートで力を受けて水晶圧電素子に伝達し、水晶圧電素子に加えられた力成分を検出するようになっている。具体的には、複数の水晶圧電素子は、３種類に分類されて、垂直方向（ｚ方向）の力に対して感度を有する水晶圧電素子（ｚ方向用水晶圧電素子）と、水平方向（ｘ方向）の力に感度を有する水晶圧電素子（ｘ方向用水晶圧電素子）と、ｘ方向に直交する水平方向（ｙ方向）の力に感度を有する水晶圧電素子（ｙ方向用水晶圧電素子）とで構成され、加えられた力をｘｙｚ方向の力成分に分解して検出する。

従来の水晶圧電式力センサーにおける水晶圧電素子は、円盤形（特許文献１参照）、またはワッシャ形に形成されていた。また、力センサーではなく圧電振動素子として用いられる水晶圧電素子としては、長方形に形成されたものも存在した（特許文献２参照）。

特開平４−２３１８２７号公報 特開２００９−１３５８３０号公報

しかしながら、円盤形やワッシャ形の場合、水晶圧電素子をウエハから切り出して形成する際、外周形状が円形であるが故に、無駄なく形成することができないという問題があった。また、水晶圧電素子を重ね合わせて力センサーを組み立てる場合、特に、水平方向の水晶圧電素子（ｘ方向用水晶圧電素子，ｙ方向用水晶圧電素子）については、その水晶圧電素子の結晶方位を、検出する力成分の方向（すなわち、ｘ方向，ｙ方向）に正確に合わせて組み立てることが非常に困難であった。

一方、長方形の場合は、水晶圧電素子をウエハから形成する際、ウエハを直線状に切断するだけで容易に無駄なく形成することができる。しかし、そのような長方形の水晶圧電素子を重ね合わせて力センサーとする場合、水平方向の水晶圧電素子（ｘ方向用水晶圧電素子，ｙ方向用水晶圧電素子）については結晶方位を異ならせる必要があるため、ｘ方向用水晶圧電素子とｙ方向用水晶圧電素子とを、各々、別々のウエハから切り出す必要があった。その結果、ｘ方向とｙ方向とで力センサーの感度が違ってしまうという問題があった。

この発明は、従来の技術が有する上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、圧電素子をウエハから容易に形成することができ、しかも、ｘ方向とｙ方向とで感度の違いが生じることのない力センサーを提供することを目的とする。

上述した課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の力センサーは次の構成を採用した。すなわち、
圧電材料から成る複数の圧電素子と複数の電極板とを積層して成る力センサーであって、
前記圧電素子の外周形状は、
少なくとも４つの辺を有し、
該４つの辺のうちの第１辺と第２辺とは互いに平行で、且つ、該４つの辺のうちの第３辺と第４辺とは互いに平行であり、
該第１辺と該第２辺との間隔と、該第３辺と該第４辺との間隔とは等しく、
該第１辺の延長線と該第３辺の延長線とは直交する形状である
ことを特徴とする。

このような外周形状を有する圧電素子であれば、圧電素子をウエハから形成する際に、ウエハを直線状に切断するだけで容易に形成することができる。また、圧電素子および電極板を積層する積層方向に対して垂直な方向をｘ方向，ｙ方向（ただし、ｙ方向はｘ方向に直交する方向）とした場合、同一のウエハから切断したものを９０度回転させるだけで、ｘ方向の力に対して感度を有するｘ方向用圧電素子、およびｙ方向の力に対して感度を有するｙ方向用圧電素子として、共通して使用することができる。このため、ｘ方向とｙ方向の感度を揃えることができる。

また、上述した本発明の力センサーにおいては、圧電素子の外周形状を、正方形から角部を切り欠いたような形状とすることもできるが、正方形とすることが望ましい。

圧電素子の外周形状が正方形であれば、ウエハから容易に切り出すことが可能である。また、正方形であれば、９０度回転させると全く同じ形状になるので、ｘ方向用圧電素子とｙ方向用圧電素子とを９０度回転させて積層する際に、位置合わせをしながら容易に積層することが可能となる。

また、上述した本発明の力センサーにおいて、圧電素子と電極板とは交互に積層され、圧電素子は、圧電素子の外周形状の中央部分で隣接する電極板と接触し、接触面が円形またはワッシャ形となるようにしてもよい。例えば、圧電素子の中央部分を、円形またはワッシャ形に突設させて、突設させた部分の頂面で電極板と接触するようにしてもよい。あるいは逆に、電極板の中央部分を円形またはワッシャ形に突設させてもよい。更には、圧電素子と圧電素子との間に、円形またはワッシャ形の電極板を挟むようにしても良い。

このようにすれば、力センサーに力が加わった際に、圧電素子は、円形またはワッシャ形の接触面で力を受けることになるため、応力集中が生じない。その結果、圧電素子の破壊に対する耐性を向上させることが可能となる。

また、上述した本発明の力センサーにおいて、圧電素子は、圧電素子および電極板を積層する積層方向に対して垂直な方向の力に対して感度を有する特定圧電素子（例えば、上述したｘ方向用圧電素子，ｙ方向用圧電素子）を含み、その特定圧電素子には、感度の方向を示す目印を形成しておいてもよい。
このようにすれば、各圧電素子を力検出に必要な結晶方位に揃えて、容易に積層配置することが可能となる。

また、上述した本発明の力センサーにおいて、特定圧電素子が感度を有する方向は、第１辺または第３辺に平行な方向であるようにしてもよい。
このようにすれば、感度を有する方向を揃えて、各圧電素子を容易に積層することが可能となる。

さらに、上述した本発明の力センサーにおいて、互いに直交するｘ方向，ｙ方向，ｚ方向の三軸に対し、圧電素子が、ｘ方向の力に感度を有するｘ方向用圧電素子と、ｙ方向の力に感度を有するｙ方向用圧電素子と、ｚ方向の力に感度を有するｚ方向用圧電素子と、を含み、三軸方向の力を検出することができるようにしてもよい。
このようにすれば、１つの力センサーで、三軸方向の力を検出することが可能となる。

本発明の力検出装置は、上述した力センサーを２つ以上備え、所望の軸回りのモーメントを検出することができるようにしてもよい。
このようにすれば、軸方向の力成分だけでなく、軸回りのモーメントを容易に検出することができる。

また、上述した力検出装置において、力センサーを３つ以上備え、同一の直線上に並ばないように配置し、三軸方向の力、および三軸回りのモーメントを検出することができるようにしてもよい。

このようにすれば、三軸方向の力および三軸回りのモーメントを検出することができるので、たとえばロボットや各種の機械類などに搭載するセンサーとして好適に用いることが可能となる。

また、本発明の力センサーを２つ以上備えて構成される力検出装置を用いて、ロボットハンドあるいはロボットを動作させることとしてもよい。
上述したように本発明の力センサーを２つ以上備えた力検出装置は、軸方向の力成分だけでなく、軸回りのモーメントを容易に検出することができる。このため、本発明の力検出装置を搭載してロボットハンドやロボットを動作させることとすれば、小型で高性能のロボットハンドあるいはロボットを実現することができる。

本実施例の力センサーの構造を示した分解斜視図である。 図１に示す力センサーの断面を模式的に示した説明図である。 図１における水晶圧電素子の形状を示す説明図である。 ４つの力センサーを備えた力検出装置の外観を示す斜視図である。 本実施例の力検出装置を搭載したロボットハンドおよびロボットを示す説明図である。

以下では、上述した本願発明の内容を明確にするために、次のような順序に従って実施例を説明する。
Ａ．力センサーの構成：
Ｂ．力センサーの動作：
Ｃ．力検出装置の構成および動作：
Ｄ．変形例：

Ａ．力センサーの構成：
図１は、本実施例の力センサー１００の構造を示した分解斜視図である。図１に示されるように力センサー１００は、上部プレート１０２と下部プレート１０４との間に、電極板１０６と、外周形状が正方形を成す水晶板から成る水晶圧電素子１０８と、を交互に複数積層して構成されている。電極板１０６は、導電性を備える金属、例えば、チタニウム、アルミニウム、銅、鉄などの単体もしくは合金を用いることができる。例えば、鉄合金としてステンレススチールを用いることも可能であり、耐久性，耐食性が優れることから好適に用いられる。隣り合う２枚の電極板１０６の間には、１つの水晶圧電素子１０８の他、１枚のフッ素樹脂スペーサ１１０が挟持されている。そのフッ素樹脂スペーサ１１０の中央部には、正方形状の貫通孔が開いており、その貫通孔内に上記水晶圧電素子１０８が配置されることによって、水晶圧電素子１０８はｘｙ平面において位置決めされる。

上部プレート１０２には、２つの貫通孔１１６が開いている。各電極板１０６および各フッ素樹脂スペーサ１１０には、それぞれ、２つずつ円形状の貫通孔が開いている。一方、上部プレート１０２と下部プレート１０４との間には、円筒のパイプ形状を成すフッ素樹脂スリーブ１１２が２つ配置されている。上部プレート１０２と下部プレート１０４との間に、各電極板１０６および各フッ素樹脂スペーサ１１０をそれぞれ積層する際、電極板１０６およびフッ素樹脂スペーサ１１０にそれぞれ設けられた２つの円形の貫通孔に、２つのフッ素樹脂スリーブ１１２がそれぞれ貫挿するように積層する。その上で、上部プレート１０２の上方より２本の与圧ボルト１１４を貫通孔１１６に挿入し、フッ素樹脂スリーブ１１２内を貫挿し、下部プレート１０４に螺合する。これにより、各電極板１０６および各フッ素樹脂スペーサ１１０はｘｙ平面において位置決めされると共に、各電極板１０６および各水晶圧電素子１０８には、ｚ方向において一定の圧力が加えられる。

図２は、図１に示す力センサー１００の断面を模式的に示した説明図である。図２に示されるように、上部プレート１０２と下部プレート１０４との間には、正確には、７枚の電極板１０６ａ〜１０６ｇと、６つの水晶圧電素子１０８ａ〜１０８ｆが積層されている。

７枚の電極板１０６ａ〜１０６ｇのうち、電極板１０６ｂ，１０６ｄ，１０６ｆは、それぞれ、出力信号線に接続されている。また、電極板１０６ａ，１０６ｃ，１０６ｅ，１０６ｇは、それぞれ、接地されている。

一方、６つの水晶圧電素子１０８ａ〜１０８ｆのうち、真ん中の２つの水晶圧電素子１０８ｃ，１０８ｄは、圧縮方向、すなわち、ｚ方向の力に感度を有する水晶圧電素子（ｚ方向用水晶圧電素子）であり、いわゆるＸ板の水晶板から成る。水晶のＸ方位は矢印で示すようにｚ方向に沿っており、上に位置する水晶圧電素子１０８ｃと下に位置する水晶圧電素子１０８ｄとで、互いに逆向きになっている。下側の２つの水晶圧電素子１０８ｅ，１０８ｆは、水平方向のうち、ｘ方向の力に感度を有する水晶圧電素子（ｘ方向用水晶圧電素子）である。水晶のＸ方位は矢印で示すようにｘ方向に沿っており、上に位置する水晶圧電素子１０８ｅと下に位置する水晶圧電素子１０８ｆとで、互いに逆向きになっている。上側の２つの水晶圧電素子１０８ａ，１０８ｂは、水平方向のうち、ｙ方向の力に感度を有する水晶圧電素子（ｙ方向用水晶圧電素子）である。水晶のＸ方位は記号で示すようにｙ方向に沿っており、上に位置する水晶圧電素子１０８ａと下に位置する水晶圧電素子１０８ｂとで、互いに逆向きになっている。

図３は、図１における水晶圧電素子１０８の形状を示す説明図である。図３（ａ）は水晶圧電素子１０８を上方から示した平面図であり、図３（ｂ）は水晶圧電素子１０８の側面を示す側面図である。図３に示されるように、本実施例において、各水晶圧電素子１０８（すなわち、１０８ａ〜１０８ｆ）は、前述したとおり、それぞれ、外周形状が正方形を成す水晶板から成っている（図３（ａ）を参照）。さらに、水晶圧電素子１０８の中央には、頂面に円形の受圧面１３４を有する受圧部１３２が形成されており、全体としてメサ形状に形成されている。従って、この水晶圧電素子１０８が２枚の電極板１０６の間に配置された際、一方の電極板１０６とは円形の受圧面１３４で接することになる。また、水晶圧電素子１０８の角部表面には、水晶の結晶方位（この場合、水晶のＸ方位）を示す目印１３６が記されている。この目印１３６は、水晶圧電素子１０８に受圧部１３２を形成する際に同時に形成される。

Ｂ．力センサーの動作：
力センサー１００に力が加わった場合、上部プレート１０２および下部プレート１０４は、その力を受けて、各水晶圧電素子１０８ａ〜１０８ｆに伝達する。各水晶圧電素子１０８ａ〜１０８ｆは、それぞれ、圧電効果により、水晶の結晶方位に応じた力成分を検出する。すなわち、図２に示すように、ｙ方向用水晶圧電素子１０８ａ，１０８ｂでは、前述したとおり、水晶のＸ方位がｙ方向に沿っているため、ｙ方向の力成分を検出し、その検出値に基づいた電気信号をＦｙ信号として電極板１０６ｂより出力信号線へと出力する。同様に、ｚ方向用水晶圧電素子１０８ｃ，１０８ｄでは、水晶のＸ方位がｚ方向に沿っているため、ｚ方向の力成分を検出し、その検出値に基づいた電気信号をＦｚ信号として電極板１０６ｄより出力信号線へと出力する。ｘ方向用水晶圧電素子１０８ｅ，１０８ｆでは、水晶のＸ方位がｘ方向に沿っているため、ｘ方向の力成分を検出し、その検出値に基づいた電気信号をＦｘ信号として電極板１０６ｆより出力信号線へと出力する。

本実施例における力センサー１００では、水晶圧電素子１０８の外周形状が正方形であるため、水晶圧電素子１０８をウエハから形成する際、ウエハを直線状に切断するだけで容易に無駄なく形成することができる。また、外周形状が正方形であるため、同一のウエハから正方形に切断したものを、９０度回転させるだけで、ｘ方向用水晶圧電素子１０８ｅ，１０８ｆおよびｙ方向用水晶圧電素子１０８ａ，１０８ｂとして、共通して使用することができる。そのため、力センサー１００において、ｘ方向とｙ方向の感度を揃えることができる。さらに、水晶圧電素子１０８の外周形状が正方形であると共に、水晶圧電素子１０８の表面に水晶の結晶方位を示す目印１３６が記されているため、各水晶圧電素子１０８を力検出に必要な結晶方位に揃えて、容易に積層配置することができる。また、水晶圧電素子１０８の中央には、受圧面１３４が円形を成す受圧部１３２が形成されており、力センサー１００に力が加わった際、水晶圧電素子１０８は、円形の受圧面１３４で力を受けることになるため、応力集中が発生することが無く、破壊に対する耐性を向上させることが可能となる。

なお、力センサー１００は、外力を受けて水晶板に発生した電荷を、電極で検出することを動作原理としている。水晶板で発生した電荷を効率よく検出するという観点からすれば、本実施例のように、水晶圧電素子１０８の中央に設けられた円形の受圧面１３４で電極と接触する構造は、水晶板と電極板との接触面積が狭くなってしまうため、必ずしも好ましいものではない。しかし、力センサー１００は大きな荷重がかかるものであり、水晶圧電素子１０８の破壊に対する耐性を向上させることも重要である。そこで、本実施例では、破壊に対する耐性を向上させる観点から、敢えて、水晶板と電極板とを中央部分で円形の接触面（すなわち、受圧面１３４）で接触させる構造を採用している。

Ｃ．力検出装置の構成および動作：
図４は、図１に示す力センサー１００を４つ備えた力検出装置２００の外観を示す斜視図である。図４に示されるように、力検出装置２００では、上部プレート１０２および下部プレート１０４は、それぞれ円盤形状を成しており、各力センサー１００ａ〜１００ｄで共有されている。各力センサー１００ａ〜１００ｄは、それぞれ、円周に沿って、９０度ずつ隔てて配置されており、３つ以上の力センサー１００が同一直線上に並ばないように配置されている。

前述したとおり、力センサー１００は、力センサー１００に加わる力をｘｙｚ方向の力成分に分解した状態で検出することができる。そのため、力検出装置２００では、任意の２つの力センサー１００を組み合わせることによって、一方向のモーメントを検出することができる。しかも、力検出装置２００では、３つ以上の力センサー１００を用い、それら力センサー１００が同一の直線上に並ばないように配置しているので、三軸方向の力、および三軸回りのモーメントを同時に検出することができる。

Ｄ．変形例：
以上、本実施例の力センサー１００および力検出装置２００について説明したが、本発明は上記すべての実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。

例えば、上述した実施例では、水晶圧電素子１０８の外周形状を正方形としたが、正方形の角部が切り欠かれた形状、例えば、六角形や八角形などであってよい。少なくとも正方形の四辺の各々一部が残っている形状であればよい。

上述した実施例では、水晶圧電素子１０８の中央に形成された受圧部１３２は、受圧面１３４が円形を成していたが、円形に代えて、ワッシャ形にしてもよい。このように、ワッシャ形の受圧面１３４で力を受けるようにしても、応力集中が少なく、破壊に対する耐性が向上する。

上述した実施例または変形例では、水晶圧電素子１０８の破壊に対する耐性を向上させるために、水晶圧電素子１０８の中央に、受圧面１３４が円形またはワッシャ形を成す受圧部１３２を形成するようにしたが、水晶圧電素子１０８に隣接する電極板１０６の中央に、水晶圧電素子１０８との接触面が円形またはワッシャ形を成す凸部を形成するようにしてもよい。このように構成することによっても、水晶圧電素子１０８に対する応力集中が少なくなり、破壊に対する耐性が向上する。

上述した実施例では、圧電素子を構成する圧電材料として、水晶を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。圧電材料としては、水晶の他に、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）などのチタン酸系セラミックス、およびニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などが好適に用いられる。

また、図５に例示したように、本実施例の力検出装置２００を用いてロボットハンド３００、あるいはロボット４００を構成しても良い。本実施例の力検出装置２００は、軸方向の力だけでなく、軸回りのモーメントも計測できることから、小型で高性能のロボットハンドあるいはロボットを実現することが可能となる。

１００…力センサー、 １０２…上部プレート、 １０４…下部プレート、
１０６…電極板、 １０８…水晶圧電素子、 １１０…フッ素樹脂スペーサ、
１１２…フッ素樹脂スリーブ、 １１４…与圧ボルト、 １１６…貫通孔、
１３２…受圧部、 １３４…受圧面、 １３６…目印、
２００…力検出装置

Claims (9)

1. スリーブが設けられた第１部材と、
   第２部材と、
   圧電材料から成る複数の圧電素子と、
   複数の電極板と、
   前記第１部材と前記第２部材とによって挟持される複数の前記圧電素子を位置決めするためのスペーサと、を含み、
   複数の前記スペーサは、それぞれ前記圧電素子を位置決めする貫通孔と、前記圧電素子を挟持するための複数の挿通孔とが形成され、前記貫通孔は前記複数の挿通孔の間に位置し、
   複数の前記電極板は、それぞれ複数の挿通孔が形成され、
   複数の前記スペーサおよび複数の前記電極板は、前記スリーブが複数の前記スペーサのそれぞれに形成された前記複数の挿通孔と、複数の前記電極板のそれぞれに形成された前記複数の挿通孔に挿通されることにより、
   積層される、
   ことを特徴とする力センサー。
2. 請求項１に記載の力センサーであって、
   前記圧電素子と前記電極板とは交互に積層されており、
   前記圧電素子は、該圧電素子の外周形状の中央部分にある円形またはワッシャ形の接触面で、隣接する前記電極板と接触する
   ことを特徴とする力センサー。
3. 請求項１または請求項２に記載の力センサーであって、
   前記圧電素子は、前記圧電素子および前記電極板を積層する積層方向に対して垂直な方向の力に対して感度を有する特定圧電素子を含み、該特定圧電素子には、前記感度の方向を示す目印が形成されている
   ことを特徴とする力センサー。
4. 請求項１ないし請求項３の何れか一項に記載の力センサーであって、
   前記圧電素子は、少なくとも交差する第1辺と第３辺を含み、
   前記圧電素子は、前記圧電素子および前記電極板を積層する積層方向に対して垂直な方向の力に対して感度を有する特定圧電素子を含み、該特定圧電素子の感度の方向が、前記第１辺または前記第３辺に平行な方向である
   ことを特徴とする力センサー。
5. 請求項１ないし請求項４の何れか一項に記載の力センサーであって、
   互いに直交するｘ方向，ｙ方向，ｚ方向の三軸に対し、前記圧電素子は、ｘ方向の力に感度を有するｘ方向用圧電素子と、ｙ方向の力に感度を有するｙ方向用圧電素子と、ｚ方向の力に感度を有するｚ方向用圧電素子と、を含み、前記三軸方向の力を検出する
   ことを特徴とする力センサー。
6. 加えられた力を検出する力検出装置であって、
   請求項５に記載の力センサーを２つ以上備え、所望の軸回りのモーメントを検出する
   ことを特徴とする力検出装置。
7. 請求項６に記載の力検出装置であって、
   ３つ以上の前記力センサーを同一の直線上に並ばないように配置し、前記三軸方向の力、および三軸回りのモーメントを検出する
   ことを特徴とする力検出装置。
8. 請求項６に記載の力検出装置を用いて動作するロボットハンド。
9. 請求項６に記載の力検出装置を用いて動作するロボット。

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