JP6051678B2 - センサーデバイス、センサーモジュール、力検出装置およびロボット - Google Patents

Description

本発明は、センサーデバイス、センサーモジュール、力検出装置及びロボットに関するものである。

従来、圧電材料を用いた力センサーとしては特許文献１のものが知られていた。特許文献１では信号電極を圧電材料である結晶円板により挟持し、さらに金属カバー円板によって挟持された測定素子を金属環内に溶接で複数配置した力センサーが開示されている。

また、図１０に、従来技術のセンサーデバイスを示す。図１０に示すように、センサーデバイス２００は、センサー素子２１４とセンサー素子２１４を収容する凹部を有する金属製のパッケージ２０２と、パッケージ２０２の凹部の開口部２２０の外周となる上面（接合面２２４）に接合するとともにセンサー素子２１４に接触する金属製の板状のリッド２０４と、により全体が構成されている。

センサー素子２１４は、同一のカット面を有する２つの水晶板２１６を互いに対向させた状態で検出電極２１８を挟み込んだものとなっている。
そして水晶板２１６の上面がセンサー素子２１４の接触面２２２となり、リッド２０４に接触している。

一方、パッケージ２０２の側面には同軸コネクター２０６が取り付けられている。同軸コネクター２０６は、外周部２０８と中心導体２１０を有し。両者の間には絶縁性樹脂２１２が充填され、外周部２０８と中心導体２１０は電気的に絶縁している。ここで。外周部２０８は、パッケージ２０２及びリッド２０４と短絡し、中心導体２１０は検出電極２１８と電気的に接続している。

このセンサーデバイス２００は与圧プレート（不図示）に挟み込まれて与圧が与えられ、リッド２０４はセンサー素子２１４の接触面２２２に力（圧力）を伝達する。すると、与圧プレートに付加される外力に応じて水晶板２１６に付加される力（圧力）が変化する。そして、水晶板２１６は、圧電効果により検出電極２１８に、付加された力に伴う電荷を出力（誘起）する。よって、与圧のみの場合の信号出力を基準として、この力（圧力）の変化による出力電荷の変化量を、同軸コネクター２０６を通じてモニターすることにより、センサーデバイス２００に付加された外力を検出することができる。

ここで、センサーデバイス２００においては、水晶板２１６から誘起された電荷が水分等に起因する絶縁抵抗の低下でリークしないように、パッケージ２０２内部を乾燥空気で満たした状態でリッド２０４によりセンサー素子２１４を封止している。

特開平４−２３１８２７号公報

特許文献１に開示の力センサーは、信号電極を結晶円板で挟持し、この結晶円板を金属カバー円板で挟持する構造である。これを溶接で金属環に取り付けた場合、信号電極などの個々のパーツには寸法誤差があり、これが溶接箇所の凹凸となり、溶接に隙間が生じる虞があった。よって湿度が高いなどの外部環境が劣悪な状況では、センサー素子への水分の浸入によって電荷がリークし安定した測定が困難となる虞があった。

また図１０に示す従来のセンサーデバイスでは、パッケージ２０２に収容されたセンサー素子２１４の接触面２２２の高さと、パッケージ２０２の凹部の開口部２２０の外周となる接合面２２４の高さと、が互いに一致しない場合が発生する。

図１１に、従来技術のセンサーデバイスの模式図（接触面の高さ＞接合面の高さ）を示し、図１１（ａ）、（ｂ）は、それぞれリッドの接合前の平面図、断面図。図１１（ｃ）、（ｄ）はリッドの接合後の平面図および断面図を示す。なお、ここでは簡略化のため、センサー素子２１４の構成要素である水晶板や検出電極、信号をパッケージ外部へ取り出すための配線およびコネクターは図示していない。

図１１（ａ）、（ｂ）に示すようにリッド２０４をパッケージ２０２に接合する前に、パッケージ２０２の凹部の中央に、センサー素子２１４を位置合せして載置し、その上にパッケージ２０２の凹部の開口部２２０を覆うようにリッド２０４を載置する。このとき、パッケージ２０２やセンサー素子２１４の高さには製造バラツキが含まれるため、リッド２０４と接合面２２４との間には隙間６００が形成されることがある。

次に、図１２に示すように、ローラー電極２８０をリッド２０４のパッケージ２０２に接続する位置（接合面２２４）に押し付けて、ローラー電極２８０に電流を印加してリッド２０４とパッケージ２０２とをシーム溶接により接合して気密封止する。

このリッド２０４をシーム溶接する際、搬送過程での振動やローラー電極２８０で押し付ける力によって、センサー素子２１４やリッド２０４が位置ズレを起こし、図１１（ｃ）に示すようにパッケージ２０２に対してリッド２０４が平面視でズレて接合されることがしばしばあった。このような場合、図１１（ｄ）に示すように、リッド２０４とパッケージ２０２の接合面２２４において、パッケージ内部と外部との距離が僅かな距離でしか接合されていない箇所（接合不足領域２７０）が形成される。この接合不足領域２７０においては、応力耐性が低いため、力が繰り返し付加されるセンサーデバイス２００では、リッド２０４とパッケージ２０２との接合が繰り返し疲労により破壊され、気密封止が破れ、信頼性が低下する虞があった。

一方、シーム溶接時のセンサー素子２１４やリッド２０４の位置ズレを防止するために、パッケージ２０２とセンサー素子２１４の接触面やセンサー素子２１４とリッド２０４の接触面を接着剤で接着すると、与圧によるクリープ現象で接着剤層厚が長期的に減少することで与圧が低下し、力検出特性が変化したり力検出が不可能となったりする問題がある。このため、パッケージ２０２とセンサー素子２１４の接触面やセンサー素子２１４とリッド２０４の接触面を接着剤で接着することは、センサーデバイスの特性面、信頼性面から好ましくない。

よって、本発明は上記問題点に着目し、劣化が起こりにくいパッケージを安定して製造できる構造とすることで、パッケージに収容されたセンサー素子の検出特性を長期に亘り安定して維持できるセンサーデバイス、センサーモジュール、力検出装置及びロボットを提供することを目的とする。

本発明は、上述の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、以下の適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例に係るセンサーデバイスは、凹部を有する第１部材と、前記凹部に配置され、圧電体を有するセンサー素子と、前記第１部材に接合され、前記第１部材の凹部を封止する第２部材と、を備え、前記第１部材は、前記凹部の内側底面に前記センサー素子の底部が嵌合する第１の窪み部を有し、前記第２部材は、前記センサー素子の上部が嵌合する第２の窪み部を有することを特徴とする。

本適用例によれば、センサー素子は、第１の窪み部に嵌合した状態で第１部材に対して位置決めされ、そのセンサー素子に対して第２の窪み部が嵌合した状態で第２部材が位置決めされているため、センサー素子を介して第１部材と第２部材とが間接的に位置決めされることとなり、第１部材と第２部材がズレ無く接合される。これによって、第１部材と第２部材の接合面におけるパッケージ内部と外部との距離を安定して十分に確保して製造できるため、第１部材に収容されたセンサー素子の検出特性を長期に亘り安定して維持できるセンサーデバイスとなる。

［適用例２］上記適用例に係るセンサーデバイスにおいて、前記センサー素子は、前記第１部材が接触する第１接触面と、前記第２部材が接触する第２接触面と、を有し、前記第１部材は、前記第１接触面と接触する平坦面を有する第１平坦部を備え、前記第２部材は、前記第２接触面と接触する平坦面を有する第２平坦部を備えていることを特徴とする。

本適用例によれば、第１部材とセンサー素子は第１平坦部と第１接触面で、第２部材とセンサー素子は第２平坦部と第２接触面で直接接しており、与圧の伝達経路にクリープを起こす部材がないため、クリープ現象による与圧低下が発生することがなく、これによって、第１部材に収容されたセンサー素子の検出特性を長期に亘り安定して維持できるセンサーデバイスとなる。

［適用例３］上記適用例に係るセンサーデバイスにおいて、前記センサー素子の法線方向をＺ軸方向とし、前記Ｚ軸方向に直交し且つ互いに直交する方向をそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向とした場合、前記センサー素子は、前記Ｘ軸方向の力を検出する第１センサー素子、前記Ｙ軸方向の力を検出する第２センサー素子、前記Ｚ軸方向の力を検出する第３センサー素子、のうち少なくともいずれか１つ以上を備えることを特徴とする。
本適用例によれば、使用目的に応じて任意の方向の力を検出することができる。

［適用例４］本適用例に係るセンサーモジュールは、凹部を有する第１部材と、前記凹部に配置され、圧電体を有するセンサー素子と、前記第１部材に接合され、前記第１部材の凹部を封止する第２部材と、前記第１部材と接触する第１プレートと、前記第２部材と接触する第２プレートと、前記第１プレートおよび前記第２プレートを締結する締結部と、を備え、前記センサー素子は、前記第１部材が接触する第１接触面と、前記第２部材が接触する第２接触面と、を有し、前記第１部材は、前記凹部の内側底面に前記第１接触面が嵌合する第１の窪み部を有し、前記第２部材は、前記第２接触面が嵌合する第２の窪み部を有することを特徴とする。

本適用例によれば、適用例１と同様の理由により、第１部材に収容されたセンサー素子の検出特性を長期に亘り安定して維持できるセンサーモジュールとなる。

［適用例５］本適用例に係る力検出装置は、上記に記載のセンサーデバイスを備えることを特徴とする。
本適用例によれば、適用例１と同様の理由により、第１部材に収容されたセンサー素子の検出特性を長期に亘り安定して維持できる力検出装置となる。

［適用例６］本適用例に係る力検出装置は、凹部を有する第１部材と、前記凹部に配置され、圧電体を有するセンサー素子と、前記第１部材に接合され、前記第１部材の凹部を封止する第２部材と、前記センサー素子に電気的に接続する電子回路と、を備え、前記センサー素子は、前記第１部材が接触する第１接触面と、前記第２部材が接触する第２接触面と、を有し、前記第１部材は、前記凹部の内側底面に前記第１接触面が嵌合する第１の窪み部を有し、前記第２部材は、前記第２接触面が嵌合する第２の窪み部を有することを特徴とする。

本適用例によれば、適用例１と同様の理由により、第１部材に収容されたセンサー素子の検出特性を長期に亘り安定して維持できる力検出装置となる。

［適用例７］本適用例に係るロボットは、上記に記載の力検出装置を備えることを特徴とする。

本適用例によれば、適用例１と同様の理由により、第１部材に収容されたセンサー素子の検出特性を長期に亘り安定して維持できるロボットとなる。

［適用例８］本適用例に係るロボットは、本体部と、前記本体部に接続するアーム部と、前記アーム部に接続するハンド部と、を備えるロボットであって、前記アーム部と前記ハンド部との接続部にセンサーデバイスを有し、前記センサーデバイスは、凹部を有する第１部材と、前記凹部に配置され、圧電体を有するセンサー素子と、前記第１部材に接合され、前記第１部材の凹部を封止する第２部材と、を備え、前記センサー素子は、前記第１部材が接触する第１接触面と、前記第２部材が接触する第２接触面と、を有し、前記第１部材は、前記凹部の内側底面に前記第１接触面が嵌合する第１の窪み部を有し、前記第２部材は、前記第２接触面が嵌合する第２の窪み部を有することを特徴とする。

本適用例によれば、適用例１と同様の理由により、第１部材に収容されたセンサー素子の検出特性を長期に亘り安定して維持し、且つアーム部及びハンド部に付加される外力を検知可能なロボットとなる。

第１実施形態のセンサーデバイスの模式図であり（ａ）は平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線断面図。 本実施形態のリッドの変形例の断面図。 第２実施形態のセンサーデバイスの断面図。 第２実施形態のセンサーデバイスの平面図（リッドを省略）。 第２実施形態のパッケージベースの平面図。 第２実施形態のセンサー素子の模式図。 第３実施形態のセンサーモジュールの断面図。 第４実施形態の力検出装置の模式図。 第５実施形態の力検出装置を搭載したロボットの模式図。 従来技術のセンサーデバイスの模式図。 従来技術のセンサーデバイスの模式図であり、（ａ）はリッドをパッケージに接合する前の平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｃ）はリッドをパッケージに接合した後の平面図、（ｄ）は同図（ｃ）のＣ−Ｃ線断面図。 従来技術のセンサーデバイスのシーム溶接時の模式図。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。

（第１実施形態）
図１に、第１実施形態のセンサーデバイスの模式図を示し、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図を示す。図２は本実施形態のリッドの変形例の断面図である。第１実施形態のセンサーデバイス１の基本構成は、従来技術のセンサーデバイス２００と共通するので、同一の構成要素には同一の番号を付し、必要な場合を除いてその説明を省略する。

本実施形態のセンサーデバイス１は、主にパッケージ（第１部材）２０２、センサー素子２１４、リッド（第２部材）２０４により構成されている。パッケージ２０２は、凹部を有しており、その凹部の内側底面にセンサー素子２１４の底部が嵌まる第１の窪み部９３１が形成されている。リッド２０４には、センサー素子２１４の上部が嵌まる第２の窪み部９３２が形成されている。

第１の窪み部９３１内には、センサー素子２１４の底部が載置されている。センサー素子２１４上には、センサー素子２１４の上部に第２の窪み部９３２が嵌まった状態で、リッド２０４が載置され、パッケージ２０２の凹部の開口部２２０を覆っている。そして、リッド２０４は、その周縁部でパッケージ２０２の接合面２２４と接合されている。なお、パッケージ２０２は凹部を有するパッケージ構造となっており、主に金属やセラミック等から作られており、ここには図示していないが、センサー素子２１４の出力をパッケージ外部に取り出すための電極、配線、コネクター等が適宜設けられている。

パッケージ２０２に接合されるリッド２０４は、ステンレスやコバール等の金属（または後述のようにセラミック）により形成され、図１に示すように、平らな薄板から第２の窪み部９３２をプレス加工などで打ち出した形状をしていてもよいし、図２（ａ）に示すように、第２の窪み部９３２を削って他の部分より薄くした形状や、図２（ｂ）に示すように、平らな薄板から第２の窪み部９３２の周囲のみをプレス加工などで打ち出した形状をしていてもよい。

本実施形態のセンサーデバイス１は、以下のように組み立てられる。まずパッケージ２０２の凹部内の第１の窪み部９３１にセンサー素子２１４を載置する。ここで第１の窪み部９３１の平坦部は、例えばセンサー素子の底面の外形寸法より１０μｍ乃至３００μｍ大きく形成されているため、センサー素子の底部が容易に嵌められ且つ、がたつかない。次に、センサー素子２１４の上部に、リッド２０４の第２の窪み部９３２を嵌め込む。ここで第２の窪み部９３２の平坦部は、例えばセンサー素子２１４の上面の外形寸法より１０μｍ乃至３００μｍ大きく形成されているため、センサー素子２１４の上部に容易に嵌められ且つ、がたつかない。そして最後に、この状態でパッケージ２０２とリッド２０４とを接合するシーム溶接を行う。このようにすることで、第１部材であるパッケージ２０２と第２部材であるリッド２０４は、センサー素子２１４を介して間接的に位置決めされ、がたつくことがないため、シーム溶接の搬送過程での振動やローラー電極で押し付ける力によって、センサー素子２１４やリッド２０４が位置ズレを起こすことがない。したがって、リッド２０４の周縁部とパッケージ２０２の接合面２２４におけるパッケージ２０２内部と外部との距離を安定して十分に確保して製造できるため、パッケージ２０２に収容されたセンサー素子２１４の検出特性を長期に亘り安定して維持できる。

本実施形態のセンサーデバイス１は、例えば後述の与圧プレート８２（図７）、９２（図８）によりセンサー素子２１４の接触面２２２の法線方向から挟み込まれ、与圧が付加されるが、パッケージ２０２の第１の窪み部９３１の底は平面（第１平坦部９３３）となっており、センサー素子２１４の底面（第１接触面）と面接触しており、またリッド２０４の第２の窪み部９３２の底は平面（第２平坦部９３４）となっており、センサー素子２１４の上面（第２接触面）と面接触している。これらの接触面では、接着剤等の介在なく直接接しており、与圧の伝達経路にクリープを起こす部材がないため、クリープ現象による与圧低下が発生することがない。これによってパッケージに収容されたセンサー素子の検出特性を長期に亘り安定して維持できる。

（第２実施形態）
図３に、第２実施形態のセンサーデバイスの断面図を示し、図４に、第２実施形態のセンサーデバイスの平面図（リッドを省略）を示し、図５に、本実施形態のパッケージベースの平面図を示す。ここで、図３は、図４、図５のＡ−Ａ線断面図に対応する。また、第２実施形態のセンサーデバイス１０は、直交３軸方向の力を検出するデバイスであるが、第１実施形態のセンサーデバイス１と共通の作用効果を有する。

本実施形態のセンサーデバイス１０は、主にパッケージ１２（第１部材）、センサー素子４２、リッド３４（第２部材）により構成されている。そして、パッケージ１２は、凹部を有しており、その凹部の内側底面にセンサー素子４２の底部が嵌まる第１の窪み部９３１が形成されている。リッド３４には、センサー素子４２の上部が嵌まる第２の窪み部９３２が形成されている。第１の窪み部９３１内には、センサー素子４２の底部が載置されており、センサー素子４２上には、センサー素子４２の上部に第２の窪み部９３２が嵌まった状態で、リッド４２が載置され、パッケージ１２の凹部の開口部３０を覆っている。そして、リッド４２は、その周縁部でパッケージ１２の接合面３２と接合されている。

そして、本実施形態のセンサーデバイス１０は、後述の与圧プレート８２（図７）、９２（図８）によりセンサー素子４２の接触面４４の法線方向（図６のγ軸方向）から挟み込まれ、与圧が付加される。

パッケージ１２は、セラミック等の絶縁性材料により形成されている。そして、パッケージ１２は、パッケージ１２の凹部深さ方向で見た平面視で矩形の平板形状（円形等他の形状でもよい）を有するとともにセンサー素子４２が配置されるパッケージベース１４を有する。また、パッケージ１２は、平面視（図４）で外形がパッケージベース１４と同一の形状を有し、センサー素子４２の周囲を囲むようにパッケージベース１４上に配置されたリング状の側壁部材２４を有する。

図５に示すように、パッケージベース１４の上面の中央には、センサー素子４２に接続する接地電極１６が配置されている。また、パッケージベース１４の側面の角となる部分（４箇所）には側面電極２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄが配置されている。なお、側面電極２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄは、例えばセンサーデバイス１０の出力を検出する電子回路（不図示）にワイヤー等を介して接続される。

また、図３、図４、図５に示すように、パッケージベース１４の上面には接続電極１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄが配置されている。接続電極１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄは、それぞれ側面電極２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄに接続するように配置され、一端がそれぞれパッケージベース１４の角となる位置に配置されている。一方、接続電極１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃの他端は、接地電極１６の近傍となる位置に配置されている。そして接続電極１８Ｄの他端は、貫通電極２９を介して接地電極１６に接続されている。

図３、図４に示すように、側壁部材２４は、パッケージベース１４上の周縁となる位置に積層される。側壁部材２４は、接続電極１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄを覆うように配置される。しかし、側壁部材２４は、矩形のリング状の部材であるため、側壁部材２４の内側に接続電極１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄの他端側を露出させ、接地電極１６も露出させた状態でパッケージベース１４に積層される。よって、側壁部材２４は、パッケージ１２の凹部の開口部３０を形成する。

また、図３に示すように、側壁部材２４の上面にはメタライズ２６が配置され、これがパッケージ１２（側壁部材２４）の接合面３２となる。そして、図３、図４に示すように、側壁部材２４の接続電極１８Ｄに対向する位置には、側壁部材２４を高さ方向に貫通する貫通電極２８が配置され、メタライズ２６と接続電極１８Ｄとが貫通電極２８を介して電気的に接続されている。

なお、接地電極１６及び接続電極１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ，１８Ｄは、導電性を備える金属で形成され、メタライズ２６も接地電極１６等と同一材料で形成することができる。

図３に示すように、リッド３４は、メタライズ２６、貫通電極２８を介して接続電極１８Ｄに電気的に接続されている。なお、第２実施形態のセンサーデバイス１０のリッド３４を接合する工程は第１実施形態と同様である。

図３に示すように、センサー素子４２は、圧電性を有する、例えば水晶、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃）、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムなどから形成される板状基板であり、本実施形態では圧電体として水晶板を用いている。そして、センサー素子４２は、上から第１センサー素子４６、第３センサー素子５８、第２センサー素子５２の順に積層されたものである。第１センサー素子４６は、第１水晶板４８Ａ、４８Ｂが第１検出電極５０を挟むように形成され、第２センサー素子５２は、第２水晶板５４Ａ、５４Ｂが第２検出電極５６を挟むように形成され、第３センサー素子５８は、第３水晶板６０Ａ、６０Ｂが第３検出電極６２を挟むように形成されている。

そして、第１センサー素子４６（第１水晶板４８Ｂ）と第３センサー素子５８（第３水晶板６０Ａ）との間には第１接地電極６４が配置され、第３センサー素子５８（第３水晶板６０Ｂ）と第２センサー素子５２（第２水晶板５４Ａ）との間には第２接地電極６６が配置されている。さらに、第１センサー素子４６（第１水晶板４８Ａ）の上面はセンサー素子４２の接触面４４となっており、リッド３４の力伝達部３６に接触して接地されている。また、第２センサー素子５２（第２水晶板５４Ｂ）の下面は、接地電極１６に接続されることにより接地される。

図４に示すように、第１検出電極５０、第２検出電極５６、第３検出電極６２、第１接地電極６４、第２接地電極６６は、第１乃至第３水晶板からその一部がはみ出るようにそれぞれ配置されている。そして第１検出電極５０は、導電性のワイヤー６８Ａにより接続電極１８Ａの露出部分（他端側）に接続され、第２検出電極５６は、ワイヤー６８Ｂにより接続電極１８Ｂの露出部分（他端側）に接続され、第３検出電極６２は、ワイヤー６８Ｃにより接続電極１８Ｃの露出部分（他端側）に接続される。また、第１接地電極６４、及び第２接地電極６６は、それぞれワイヤー６８Ｄ、６８Ｅにより接続電極１８Ｄの露出部分（他端側）に接続されている。

上記接続により、側面電極２０Ａは、接続電極１８Ａ、ワイヤー６８Ａを介して第１検出電極５０に電気的に接続される。また、側面電極２０Ｂは、接続電極１８Ｂ、ワイヤー６８Ｂを介して第２検出電極５６に電気的に接続される。そして、側面電極２０Ｃは、接続電極１８Ｃ、ワイヤー６８Ｃを介して第３検出電極６２に電気的に接続される。

また、側面電極２０Ｄは、接続電極１８Ｄと貫通電極２９を介して接地電極１６に電気的に接続される。さらに側面電極２０Ｄは、接続電極１８Ｄに接続したワイヤー６８Ｄを介して第１接地電極６４に電気的に接続され、接続電極１８Ｄに接続したワイヤー６８Ｅを介して第２接地電極６６に電気的に接続され、接続電極１８Ｄに接続した貫通電極２８及びメタライズ２６を介してリッド３４に電気的に接続される。

前述の各種電極の材料としては、金、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。

図６に本実施形態のセンサー素子の模式図を示す。本実施形態において、力伝達部３６はセンサー素子４２の接触面４４の法線方向（γ軸）に平行な方向の力のみならず、接触面４４の面方向の力、すなわち、γ軸にそれぞれ直交し、かつ互いに直交する２つの方向（α軸、β軸）の力を接触面４４に伝達可能である。そして、センサー素子４２（第１センサー素子４６、第２センサー素子５２、第３センサー素子５８）は、後述のようにα軸、β軸、γ軸にそれぞれ平行な力を検出することができる。

第１センサー素子４６において、第１水晶板４８Ａ，４８Ｂは、Ｙカット水晶板により形成され、圧電効果を発生させる結晶方位であるＸ方向が第１水晶板４８Ａ，４８Ｂの法線（図６のγ軸に平行な方向）に垂直な方向となる結晶方位を有している。そして、第１水晶板４８Ａ，４８Ｂは、Ｘ方向が互いに逆方向となるように配置されている。さらに、第１水晶板４８Ａ，４８Ｂは、Ｘ方向が空間直交座標のα軸と平行となるように配置されている。

第２センサー素子５２において、第２水晶板５４Ａ，５４Ｂは、Ｙカット水晶板により形成され、Ｘ方向が第２水晶板５４Ａ，５４Ｂの法線（γ軸に平行な方向）に垂直な方向となる結晶方位を有している。そして、第２水晶板５４Ａ，５４Ｂは、Ｘ方向が互いに逆方向となるように配置されている。さらに、第２水晶板５４Ａ，５４Ｂは、Ｘ方向が空間直交座標のβ軸と平行となるように配置されている。

第３センサー素子５８において、第３水晶板６０Ａ，６０Ｂは、Ｘカット水晶板により形成され、Ｘ方向が第３水晶板６０Ａ，６０Ｂの法線（γ軸に平行な方向）と平行な方向となる結晶方位を有している。そして、第３水晶板６０Ａ，６０Ｂは、Ｘ方向が互いに逆方向となるように配置されている。さらに、第３水晶板６０Ａ，６０Ｂは、Ｘ方向が空間直交座標のγ軸と平行となるように配置されている。

図６に示すように、本実施形態のセンサー素子４２は、空間直交座標のγ軸に平行な方向をセンサーデバイス１０の高さ方向としている。そして、後述のように与圧プレート８２（図７）、９２（図８）によりγ軸の方向から挟み込まれ与圧が与えられ、リッド３４（力伝達部３６）を介してセンサー素子４２にγ軸に平行な方向から与圧が付加される。これにより、第３水晶板６０Ａ，６０ＢはＸ方向から与圧（圧縮力）を受けることになるので圧電効果により電荷が誘起し、第３検出電極６２に電荷（Ｆｚ信号）が出力される。

上記構成において、２つの与圧プレートの相対位置が互いにα軸に平行な方向にずれる外力が付加されると、力伝達部３６を介してセンサー素子４２には、α軸に平行な方向の外力が付加される。すると、第１水晶板４８Ａ，４８Ｂは、Ｘ方向から外力（せん断力）を受けることになるので圧電効果により電荷を誘起し、第１検出電極５０に電荷（Ｆｘ信号）が出力される。

また２つの与圧プレートの相対位置が互いにβ軸に平行な方向にずれる外力が付加されると、力伝達部３６を介してセンサー素子４２には、β軸に平行な方向の外力が付加される。すると第２水晶板５４Ａ，５４ＢはＸ方向から外力（せん断力）を受けることになるので圧電効果により電荷を誘起し、第２検出電極５６に電荷（Ｆｙ信号）が出力される。

さらに２つの与圧プレートの相対位置が互いにγ軸に平行な方向にずれる外力が付加されると、力伝達部３６を介してセンサー素子４２には、γ軸に平行な方向の外力が付加される。すると、第３水晶板６０Ａ，６０ＢはＸ方向から外力（圧縮力または引張力）を受けることになるので圧電効果により誘起される電荷量が変化し、第３検出電極６２に出力される電荷（Ｆｚ信号）の大きさが変化する。

よって、本実施形態のセンサーデバイス１０は、側面電極２０Ａを介して第１検出電極５０に出力される電荷（Ｆｘ信号）と、側面電極２０Ｂを介して第２検出電極５６に出力される電荷（Ｆｙ信号）と、側面電極２０Ｃを介して第３検出電極６２に出力される電荷（Ｆｚ信号）と、をそれぞれモニターすることができ、互いに直交するα軸（後述のＸ軸）、β軸（後述のＹ軸）、γ軸（後述のＺ軸）に平行な方向の外力（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ）を検知することができる。なお、センサー素子４２は、第１センサー素子４６、第２センサー素子５２、第３センサー素子５８の積層構造となっているが、少なくともいずれか１つ以上を用いる構成としてもよい。また、第１センサー素子４６、第２センサー素子５２、第３センサー素子５８は必ずしも積層させる必要は無く、各センサー素子をパッケージ１２内に並列に収容し、各センサー素子の上面（接触面）が力伝達部３６に接触できるようにしてもよい。

（第３実施形態）
図７に本実施形態のセンサーモジュールの断面図を示す。本実施形態のセンサーモジュール８０は、第２実施形態のセンサーデバイス１０（第１実施形態のセンサーデバイス１でもよい）を与圧プレート８２により挟み込み、締結部により与圧プレート８２同士を締結させるとともにセンサーデバイス１０に与圧を付加する構成を有している。

与圧プレート８２は、パッケージ１２に接触する第１プレート８２ａと、リッド３４（力伝達部３６）に接触する第２プレート８２ｂから構成される。そして締結部は、締結ボルト８４ａと締結ナット８４ｂにより構成される。また、第１プレート８２ａ、第２プレート８２ｂには締結ボルト８４ａを挿通するボルト孔８６ａが形成され、締結ボルト８４ａの頭部及び締結ナット８４ｂを収容するザグリ８６ｂがボルト孔８６ａに連通して形成されている。

ここで、センサーデバイス１０を第１プレート８２ａ及び第２プレート８２ｂで挟み込んだ状態で、締結ボルト８４ａをボルト孔８６ａに挿通し締結ボルト８４ａと締結ナット８４ｂによりボルト締めする。すると、第１プレート８２ａと第２プレート８２ｂが互いに接近する方向の力を締結部より受けてセンサーデバイス１０は高さ方向から与圧を受け、これによりセンサーデバイス１０を構成するリッド３４（力伝達部３６）がセンサー素子４２の接触面４４に与圧を付加することになる。

そして、前述同様に側面電極２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄは、センサーデバイス１０からの信号を受信する電子回路（不図示）に接続されている。よって与圧プレート８２に外力が付加されると、その外力が力伝達部３６を介して接触面４４に伝達されて接触面４４が受ける力が変化し、これによりセンサーデバイス１０から出力される信号の出力が変化する。したがって、与圧のみの場合の信号の出力を基準として、その信号の出力の変化量をモニターすることにより、センサーモジュール８０に付加される力（その方向も含む）を検知することができる。なお、第１プレート８２ａのセンサーデバイス１０に対向する位置に電子回路（不図示）を埋め込み、センサーデバイス１０の側面電極２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄをパッケージ１２の下面にまで延出させ、電子回路（不図示）上の実装電極（不図示）と側面電極のパッケージ１２の下面に延出させた部分と、を半田付け等によりそれぞれ接続してもよい。

（第４実施形態）
図８に本実施形態の力検出装置を示す。本実施形態の力検出装置９０は、４つのセンサーデバイス１０を２つの与圧プレート９２により挟み込んだ構成を有している。センサーデバイス１０とワイヤー等を介して電気的に接続する電子回路（不図示）が配置されている。そして、力検出装置９０において、４つのセンサーデバイス１０が全て同じ方向に向いた状態で与圧プレート９２に挟み込まれ、与圧が付加される。例えば、センサーデバイス１０において、第１センサー素子４６（図６）の検出軸をＦｘに平行な方向に向け、第２センサー素子５２（図６）の検出軸をＦｙに平行な方向に向け、第３センサー素子５８（図６）の検出軸をＦｚに平行な方向に向けた状態となっている。

ここで、与圧プレート９２の相対位置が互いにＦｘ方向にずれる力を受けた場合、センサーデバイス１０はそれぞれＦｘ１、Ｆｘ２、Ｆｘ３、Ｆｘ４の力を検出する。また、与圧プレート９２の相対位置が互いにＦｙ方向にずれる力を受けた場合、センサーデバイス１０はそれぞれＦｙ１、Ｆｙ２、Ｆｙ３、Ｆｙ４の力を検出する。さらに、与圧プレート９２の相対位置が互いにＦｚ方向にずれる力を受けた場合、センサーデバイス１０はそれぞれＦｚ１、Ｆｚ２、Ｆｚ３、Ｆｚ４の力を検出する。また与圧プレート９２は、互いにＸ軸回り（Ｍｘ）に回転する方向にずれる相対変位、互いにＹ軸回り（Ｍｙ）に回転する方向にずれる相対変位、互いにＺ軸回り（Ｍｚ）に回転する方向にずれる相対変位が可能であり、これに伴う力をセンサーデバイス１０に伝達することが可能である。

したがって、力検出装置９０において、互いに直交する力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｆｘに平行な方向を回転軸とする回転力Ｍｘ、Ｆｙに平行な方向を回転軸とする回転力Ｍｙ、Ｆｚに平行な方向を回転軸とする回転力Ｍｚは、以下のように求めることができる。

ここで、ａ、ｂは定数とする。よって本実施形態の力検出装置９０は、三次元のあらゆる方向からの力（６軸方向の力）を検知することができ、パッケージ１２に収容されたセンサー素子４２の気密封止を長期に亘り安定的に実現可能な力検出装置９０となる。

（第５実施形態）
図９に、本実施形態の力検出装置を搭載したロボットを示す。図９に示すように、ロボット１００は、本体部１０２、アーム部１０４、ロボットハンド部１１６などから構成されている。本体部１０２は、例えば床、壁、天井、移動可能な台車の上などに固定される。アーム部１０４は、本体部１０２に対して可動となるように設けられており、本体部１０２にはアーム部１０４を回転させるための動力を発生するアクチュエーター（不図示）や、アクチュエーターを制御する制御部等（不図示）が内蔵されている。

アーム部１０４は、第１フレーム１０６、第２フレーム１０８、第３フレーム１１０、第４フレーム１１２、第５フレーム１１４から構成されている。第１フレーム１０６は、回転屈曲軸を介して、本体部１０２に回転可能または屈曲可能となるように接続されている。第２フレーム１０８は、回転屈曲軸を介して、第１フレーム１０６及び第３フレーム１１０に接続されている。第３フレーム１１０は、回転屈曲軸を介して、第２フレーム１０８及び第４フレーム１１２に接続されている。第４フレーム１１２は、回転屈曲軸を介して、第３フレーム１１０及び第５フレーム１１４に接続されている。第５フレーム１１４は、回転屈曲軸を介して、第４フレーム１１２に接続されている。アーム部１０４は、制御部の制御によって、各フレームが各回転屈曲軸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。

第５フレーム１１４の先端には、ロボットハンド部１１６が取り付けられており、対象物を把握することができるロボットハンド１２０が、回転動作させるモーター（不図示）を内蔵するロボットハンド接続部１１８を介して第５フレーム１１４に接続されている。

ロボットハンド接続部１１８には、モーターに加えて前述の力検出装置９０（図８）が内蔵されており、ロボットハンド部１１６が制御部の制御によって所定の動作位置まで移動させたとき、障害物への接触、あるいは所定位置を越えての動作命令による対象物との接触、などを力検出装置９０によって力として検出し、ロボット１００の制御部へフィードバックし、回避動作を実行することができる。

このようなロボット１００を用いることにより、従来からの位置制御では対処できなかった、障害物回避動作、対象物損傷回避動作などを容易に行い、安全で細やかな作業が可能なロボット１００を得ることができる。さらに、少ない変位量であっても高精度な力の検出を安定的に行うことが可能なロボット１００となる。また本実施形態に限定されず、双腕ロボットにも適用することができる。

１…センサーデバイス、１０…センサーデバイス、１２…パッケージ、１４…パッケージベース、１６…接地電極、１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ，１８Ｄ…接続電極、２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ…側面電極、２４…側壁部材、２６…メタライズ、２８、２９…貫通電極、３０…開口部、３２…接合面、３４…リッド、３６…力伝達部、４２…センサー素子、４４…接触面、４６…第１センサー素子、４８Ａ，４８Ｂ…第１水晶板、５０…第１検出電極、５２…第２センサー素子、５４Ａ，５４Ｂ…第２水晶板、５６…第２検出電極、５８…第３センサー素子、６０Ａ，６０Ｂ…第３水晶板、６２…第３検出電極、６４…第１接地電極、６６…第２接地電極、６８Ａ，６８Ｂ，６８Ｃ，６８Ｄ，６８Ｅ…ワイヤー、８０…センサーモジュール、８２…与圧プレート、８２ａ…第１プレート、８２ｂ…第２プレート、８４ａ…締結ボルト、８４ｂ…締結ナット、８６ａ…ボルト孔、８６ｂ…ザグリ、９０…力検出装置、９２…与圧プレート、１００…ロボット、１０２…本体部、１０４…アーム部、１０６…第１フレーム、１０８…第２フレーム、１１０…第３フレーム、１１２…第４フレーム、１１４…第５フレーム、１１６…ロボットハンド部、１１８…ロボットハンド接続部、１２０…ロボットハンド、２００…センサーデバイス、２０２…パッケージ、２０４…リッド、２０６…同軸コネクター、２０８…外周部、２１０…中心導体、２１２…絶縁性樹脂、２１４…センサー素子、２１６…水晶板、２１８…検出電極、２２０…開口部、２２２…接触面、２２４…接合面、２７０…接合不足領域、６００…隙間、９３１…第１の窪み部、９３２…第２の窪み部。

Claims (8)

1. 凹部を有する絶縁性材料の第１部材と、
   前記凹部に配置され、圧電体を有するセンサー素子と、
   前記第１部材に接合され、前記第１部材の凹部を封止する金属の第２部材と、を備え、
   前記第１部材は、
   前記凹部の内側底面に前記センサー素子の底部が嵌合する第１の窪み部を有し、前記センサー素子に形成される電極は前記内側底面から前記凹部の側壁部材を通し前記凹部の外側面の電極に接続されており、
   前記第２部材は、
   前記センサー素子の上部が嵌合する第２の窪み部を有しており、
   前記第２部材の周縁部は前記第１部材の前記凹部の開口端である接合面と接合している
   ことを特徴とするセンサーデバイス。
2. 前記センサー素子は、前記第１部材が接触する第１接触面と、
   前記第２部材が接触する第２接触面と、を有し、
   前記第１部材は、
   前記第１接触面と接触する平坦面を有する第１平坦部を備え、
   前記第２部材は、
   前記第２接触面と接触する平坦面を有する第２平坦部を備えている
   ことを特徴とする請求項１に記載のセンサーデバイス。
3. 前記センサー素子の前記第２接触面の法線方向をＺ軸方向とし、前記Ｚ軸方向に直交し且つ互いに直交する方向をそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向とした場合、
   前記センサー素子は、
   前記Ｘ軸方向の力を検出する第１センサー素子、前記Ｙ軸方向の力を検出する第２センサー素子、前記Ｚ軸方向の力を検出する第３センサー素子、のうち少なくともいずれか１つ以上を備えることを特徴とする請求項２に記載のセンサーデバイス。
4. 凹部を有する絶縁性材料の第１部材と、
   前記凹部に配置され、圧電体を有するセンサー素子と、
   前記第１部材に接合され、前記第１部材の凹部を封止する金属の第２部材と、
   前記第１部材と接触する第１プレートと、
   前記第２部材と接触する第２プレートと、
   前記第１プレートおよび前記第２プレートを締結する締結部と、を備え、
   前記センサー素子は、前記第１部材が接触する第１接触面と、
   前記第２部材が接触する第２接触面と、を有し、
   前記第１部材は、前記凹部の内側底面に前記センサー素子の底部が嵌合する第１の窪み部を有し、前記センサー素子に形成される電極は前記内側底面から前記凹部の側壁部材を通し前記凹部の外側面の電極に接続されており、
   前記第２部材は、前記センサー素子の上部が嵌合する第２の窪み部を有しており、
   前記第２部材の周縁部は前記第１部材の前記凹部の開口端である接合面と接合している
   ことを特徴とするセンサーモジュール。
5. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセンサーデバイスを備えることを特徴とする力検出装置。
6. 凹部を有する絶縁性材料の第１部材と、
   前記凹部に配置され、圧電体を有するセンサー素子と、
   前記第１部材に接合され、前記第１部材の凹部を封止する金属の第２部材と、
   前記センサー素子に電気的に接続する電子回路と、を備え、
   前記センサー素子は、前記第１部材が接触する第１接触面と、
   前記第２部材が接触する第２接触面と、を有し、
   前記第１部材は、前記凹部の内側底面に前記センサー素子の底部が嵌合する第１の窪み部を有し、前記センサー素子に形成される電極は前記内側底面から前記凹部の側壁部材を通し前記凹部の外側面の電極に接続されており、
   前記第２部材は、前記センサー素子の上部が嵌合する第２の窪み部を有しており、
   前記第２部材の周縁部は前記第１部材の前記凹部の開口端である接合面と接合している
   ことを特徴とする力検出装置。
7. 請求項５に記載の力検出装置を備えることを特徴とするロボット。
8. 本体部と、
   前記本体部に接続するアーム部と、
   前記アーム部に接続するハンド部と、を備えるロボットであって、
   前記アーム部と前記ハンド部との接続部にセンサーデバイスを有し、
   前記センサーデバイスは、
   凹部を有する絶縁性材料の第１部材と、
   前記凹部に配置され、圧電体を有するセンサー素子と、
   前記第１部材に接合され、前記第１部材の凹部を封止する金属の第２部材と、を備え、
   前記センサー素子は、前記第１部材が接触する第１接触面と、
   前記第２部材が接触する第２接触面と、を有し、
   前記第１部材は、前記凹部の内側底面に前記センサー素子の底部が嵌合する第１の窪み部を有し、前記センサー素子に形成される電極は前記内側底面から前記凹部の側壁部材を通し前記凹部の外側面の電極に接続されており、
   前記第２部材は、前記センサー素子の上部が嵌合する第２の窪み部を有しており、
   前記第２部材の周縁部は前記第１部材の前記凹部の開口端である接合面と接合している
   ことを特徴とするロボット。

Images