JP6176059B2 - Sensor element, force detection device, robot, electronic component transfer device, electronic component inspection device, and component processing device - Google Patents

Sensor element, force detection device, robot, electronic component transfer device, electronic component inspection device, and component processing device Download PDF

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Description

本発明は、センサー素子、力検出装置、ロボット、電子部品搬送装置、電子部品検査装置および部品加工装置に関する。   The present invention relates to a sensor element, a force detection device, a robot, an electronic component transport device, an electronic component inspection device, and a component processing 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は、1軸または複数軸方向に対して駆動可能なアームと、アームの先端に取り付けられるハンドと、部品検査用器具、部品搬送用器具、部品加工用工具等のエンドエフェクタとを備えており、部品の組み付け作業、部品加工作業、部品検査作業等の部品製造作業、および部品搬送作業等の様々な作業を実行することができる。   In recent years, industrial robots have been introduced into production facilities such as factories for the purpose of improving production efficiency. Such an industrial robot includes an arm that can be driven in the direction of one axis or a plurality of axes, a hand attached to the tip of the arm, an end effector such as a component inspection instrument, a component transport instrument, and a component processing tool. It is possible to perform various operations such as component assembly operations, component processing operations, component inspection operations such as component inspection operations, and component transfer operations.

このような産業用ロボットにおいては、アームとエンドエフェクタとの間に、力検出装置が設けられている。この力検出装置は、加えられた外力に応じて電荷を出力する圧電素子(電荷出力素子)と、該圧電素子から出力された電荷を電圧に変換する変換回路(コンバーター)を備えており、圧電素子に加えられた外力を検出できる。産業用ロボットは、このような力検出装置を用いて、部品製造作業時または部品搬送作業時に発生する外力を検出し、検出結果に基づき、アームおよびエンドエフェクタを制御している。その結果、産業用ロボットは、部品製造作業または部品搬送作業等を正確に実行することができる。
このような力検出装置として、圧電素子として水晶を用いた水晶式圧電センサーが広く用いられている(例えば、特許文献1参照)。この特許文献1に記載の水晶式圧電センサーは、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ことから、産業用ロボットに広く用いられている。
In such an industrial robot, a force detection device is provided between the arm and the end effector. This force detection device includes a piezoelectric element (charge output element) that outputs electric charge according to an applied external force, and a conversion circuit (converter) that converts electric charge output from the piezoelectric element into a voltage. An external force applied to the element can be detected. An industrial robot uses such a force detection device to detect an external force generated during a component manufacturing operation or a component transfer operation, and controls the arm and the end effector based on the detection result. As a result, the industrial robot can accurately execute the parts manufacturing work or the parts transporting work.
As such a force detection device, a crystal-type piezoelectric sensor using a crystal as a piezoelectric element is widely used (for example, see Patent Document 1). The crystal-type piezoelectric sensor described in Patent Document 1 is widely used in industrial robots because it has excellent characteristics such as a wide dynamic range, high rigidity, high natural frequency, and high load resistance.

しかしながら、このような水晶式圧電素子においては、水晶から出力される電荷が微弱であるため、温度変化に起因する出力ドリフトの影響を無視できない。特に、前記外力が加わっていない場合でも、温度変化による熱膨張で水晶に応力が生じるおそれがある。この応力によって、水晶式圧電素子では、前記外力が加わっていない場合でも、電荷が検出されるおそれがある。
このように、従来の水晶式圧電素子では、温度変化の影響により検出精度が低下するという不具合が生じる可能性がある。
However, in such a crystal type piezoelectric element, since the electric charge output from the crystal is weak, the influence of output drift due to temperature change cannot be ignored. In particular, even when the external force is not applied, there is a possibility that stress is generated in the crystal due to thermal expansion due to temperature change. Due to this stress, there is a possibility that charges are detected in the quartz piezoelectric element even when the external force is not applied.
As described above, the conventional crystal piezoelectric element may have a problem that the detection accuracy is lowered due to the influence of the temperature change.

特開平10−68665JP-A-10-68665

本発明の目的は、温度変化による不具合を抑制または防止することができるセンサー素子、力検出装置、ロボット、電子部品搬送装置、電子部品検査装置および部品加工装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a sensor element, a force detection device, a robot, an electronic component transport device, an electronic component inspection device, and a component processing device that can suppress or prevent problems due to temperature changes.

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、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
[適用例1]
本発明のセンサー素子は、互いに直交する3軸をA軸、B軸およびC軸としたとき、
水晶板で構成され、前記A軸方向の外力に応じて電荷を出力する少なくとも1枚の第1の圧電板と、
水晶板で構成され、前記B軸方向の外力に応じて電荷を出力する少なくとも1枚の第2の圧電板と、
水晶板で構成され、前記C軸方向の外力に応じて電荷を出力する少なくとも1枚の第3の圧電板と、を有し、
第1の基材を積層される外端の基材として、前記第1の基材、前記第1の圧電板、前記第2の圧電板、前記第3の圧電板、第2の基材の順に、厚み方向がA軸となるように積層させ、
前記B軸方向の熱膨張係数において、前記第1の基材は、前記第1の圧電板と実用上一致するように設けられ、
前記B軸方向の熱膨張係数において、前記第2の基材は、前記第3の圧電板と実用上一致するように設けられていることを特徴とする。
SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[Application Example 1]
The sensor element of the present invention has three axes orthogonal to each other as an A axis, a B axis, and a C axis.
A quartz plate and at least one first piezoelectric plate that outputs an electric charge according to the external force in the A-axis direction;
At least one second piezoelectric plate configured of a quartz plate and outputting an electric charge according to the external force in the B-axis direction;
A quartz plate, and at least one third piezoelectric plate that outputs an electric charge according to the external force in the C-axis direction,
As the base material of the outer end on which the first base material is laminated, the first base material, the first piezoelectric plate, the second piezoelectric plate, the third piezoelectric plate, and the second base material In order, it is laminated so that the thickness direction is the A axis,
In the thermal expansion coefficient in the B-axis direction, the first base material is provided so as to practically coincide with the first piezoelectric plate,
In the thermal expansion coefficient in the B-axis direction, the second base material is provided so as to practically coincide with the third piezoelectric plate.

これにより、第1の基材および第2の基材が温度変化によって膨張または収縮する際、第1の基材および第2の基材隣在する圧電板と、同じだけ膨張または収縮することとなる。その結果第1の基材および第2の基材と隣在する圧電板に、熱膨張によって、圧縮応力または引張応力が生じるのを抑制または防止することができる。したがって、X板で構成された第1の圧電板が温度変化によって電荷が出力されるのを抑制または防止することができる。   Thus, when the first base material and the second base material expand or contract due to temperature changes, the piezoelectric substrate adjacent to the first base material and the second base material expands or contracts by the same amount. Become. As a result, it is possible to suppress or prevent compressive stress or tensile stress from being generated by thermal expansion in the piezoelectric plate adjacent to the first base material and the second base material. Therefore, it is possible to suppress or prevent the first piezoelectric plate made of the X plate from outputting electric charges due to a temperature change.

[適用例2]
本発明のセンサー素子では、前記第1の圧電板は、Xカット水晶であり、前記第2の水晶板と前記第3の水晶板はYカット水晶板であるのが好ましい。
これにより、第1の基材および第2の基材のB軸方向の熱膨張係数と第1の基材および第2の基材と隣在する圧電板のB軸方向の熱膨張係数とを実用上一致させることができる。
[Application Example 2]
In the sensor element according to the aspect of the invention, it is preferable that the first piezoelectric plate is an X-cut crystal plate, and the second crystal plate and the third crystal plate are Y-cut crystal plates.
Thereby, the thermal expansion coefficient in the B-axis direction of the first base material and the second base material and the thermal expansion coefficient in the B-axis direction of the piezoelectric plate adjacent to the first base material and the second base material are obtained. Can be matched practically.

[適用例3]
本発明のセンサー素子では、前記第1の基材および前記第2の基材は、Xカット水晶板またはYカット水晶板で構成されているのが好ましい。
これにより、第1の基材および第2の基材のB軸方向の熱膨張係数と第1の基材および第2の基材と隣在する圧電板のB軸方向の熱膨張係数とを確実に実用上一致させることができる。
[Application Example 3]
In the sensor element of the present invention, it is preferable that the first base material and the second base material are constituted by an X-cut quartz plate or a Y-cut quartz plate.
Thereby, the thermal expansion coefficient in the B-axis direction of the first base material and the second base material and the thermal expansion coefficient in the B-axis direction of the piezoelectric plate adjacent to the first base material and the second base material are obtained. It can certainly be matched practically.

[適用例4]
本発明のセンサー素子では、前記第1の圧電板、前記第2の圧電板および前記第3の圧電板は、それぞれ複数枚ずつ積層されているのが好ましい。
これにより、第1の圧電板、第2の圧電板および第3の圧電板は、それぞれ、複数枚ずつ積層されている分、出力される電荷を多くすることができる。よって、検出精度の向上を図ることができる。
[Application Example 4]
In the sensor element of the present invention, it is preferable that a plurality of the first piezoelectric plate, the second piezoelectric plate, and the third piezoelectric plate are laminated.
As a result, the first piezoelectric plate, the second piezoelectric plate, and the third piezoelectric plate can increase the amount of electric charge that is output because a plurality of layers are stacked. Therefore, detection accuracy can be improved.

[適用例5]
本発明の力検出装置は、互いに直交する3軸をA軸、B軸およびC軸としたとき、
水晶板で構成され、前記A軸方向の外力に応じて電荷を出力する少なくとも1枚の第1の圧電板と、
水晶板で構成され、前記B軸方向の外力に応じて電荷を出力する少なくとも1枚の第2の圧電板と、
水晶板で構成され、前記C軸方向の外力に応じて電荷を出力する少なくとも1枚の第3の圧電板と、を有し、
第1の基材を積層される外端の基材として、前記第1の基材、前記第1の圧電板、前記第2の圧電板、前記第3の圧電板、第2の基材の順に、厚み方向がA軸となるように積層させ、
前記B軸方向の熱膨張係数において、前記第1の基材が、前記第1の圧電板と実用上一致するように設けられ、
前記B軸方向の熱膨張係数において、前記第2の基材が、前記第3の圧電板と実用上一致するように設けられているセンサー素子と、
前記センサー素子から出力された電圧に基づいて、前記外力を検出する外力検出回路とを備えていることを特徴とするセンサー素子と、
前記センサー素子から出力された電圧に基づいて、前記外力を検出する外力検出回路とを備えていることを特徴とする。
これにより、本発明のセンサー素子と同様の効果を得られるとともに、センサー素子から出力された電荷に基づいて外力を検出することができる。
[Application Example 5]
The force detection device of the present invention has three axes orthogonal to each other as an A axis, a B axis, and a C axis.
A quartz plate and at least one first piezoelectric plate that outputs an electric charge according to the external force in the A-axis direction;
At least one second piezoelectric plate configured of a quartz plate and outputting an electric charge according to the external force in the B-axis direction;
A quartz plate, and at least one third piezoelectric plate that outputs an electric charge according to the external force in the C-axis direction,
As the base material of the outer end on which the first base material is laminated, the first base material, the first piezoelectric plate, the second piezoelectric plate, the third piezoelectric plate, and the second base material In order, it is laminated so that the thickness direction is the A axis,
In the thermal expansion coefficient in the B-axis direction, the first base material is provided so as to practically coincide with the first piezoelectric plate,
A sensor element provided so that the second base material is practically coincident with the third piezoelectric plate at a thermal expansion coefficient in the B-axis direction;
A sensor element comprising an external force detection circuit that detects the external force based on a voltage output from the sensor element;
And an external force detection circuit that detects the external force based on the voltage output from the sensor element.
Thereby, the same effect as that of the sensor element of the present invention can be obtained, and an external force can be detected based on the electric charge output from the sensor element.

[適用例6]
本発明の力検出装置では、前記センサー素子は、4つ以上設けられているのが好ましい。
これにより、センサー素子が4つ以上設けられている分、力検出装置の検出精度の向上を図ることができる。
[Application Example 6]
In the force detection apparatus of the present invention, it is preferable that four or more sensor elements are provided.
Thereby, the detection accuracy of the force detection device can be improved by the amount of four or more sensor elements.

[適用例7]
本発明のロボットは、アームを複数有し、前記複数のアームの隣り合う前記アーム同士を回動自在に連結してなる少なくとも1つのアーム連結体と、
前記アーム連結体の先端側に設けられたエンドエフェクタと、
前記アーム連結体と前記エンドエフェクタとの間に設けられ、前記エンドエフェクタに加えられる外力を検出する本発明の力検出装置とを備えていることを特徴とする。
[Application Example 7]
The robot of the present invention has a plurality of arms, and at least one arm connection body formed by rotatably connecting the adjacent arms of the plurality of arms;
An end effector provided on a distal end side of the arm coupling body;
It is provided between the said arm coupling body and the said end effector, The force detection apparatus of this invention which detects the external force applied to the said end effector is provided, It is characterized by the above-mentioned.

これにより、前記本発明のセンサー素子と同様の効果が得られる。そして、力検出装置が検出した外力をフィードバックし、より精密に作業を実行することができる。また、力検出装置が検出した外力によって、エンドエフェクタ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、より安全に作業を実行することができる。   Thereby, the same effect as the sensor element of the present invention can be obtained. Then, the external force detected by the force detection device can be fed back to perform the operation more precisely. Further, the contact of the end effector with the obstacle can be detected by the external force detected by the force detection device. Therefore, an obstacle avoidance operation, an object damage avoidance operation, and the like, which are difficult with conventional position control, can be easily performed, and the work can be executed more safely.

[適用例8]
本発明の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本発明の力検出装置とを備えていることを特徴とする。
これにより、前記本発明のセンサー素子と同様の効果が得られる。そして、力検出装置が検出した外力をフィードバックし、より精密に作業を実行することができる。また、力検出装置が検出した外力によって、把持部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、より安全に電子部品搬送作業を実行することができる。
[Application Example 8]
An electronic component transport apparatus according to the present invention includes a gripping unit that grips an electronic component,
It is provided with the force detection apparatus of this invention which detects the external force applied to the said holding part.
Thereby, the same effect as the sensor element of the present invention can be obtained. Then, the external force detected by the force detection device can be fed back to perform the operation more precisely. In addition, contact of the grip portion with an obstacle can be detected by the external force detected by the force detection device. Therefore, an obstacle avoidance operation, an object damage avoidance operation, and the like, which are difficult with conventional position control, can be easily performed, and the electronic component transport operation can be executed more safely.

[適用例9]
本発明の電子部品検査装置は、電子部品を把持する把持部と、
前記電子部品を検査する検査部と、
前記把持部に加えられる外力を検出する本発明の力検出装置とを備えていることを特徴とする。
[Application Example 9]
The electronic component inspection apparatus of the present invention includes a gripping unit that grips an electronic component,
An inspection unit for inspecting the electronic component;
It is provided with the force detection apparatus of this invention which detects the external force applied to the said holding part.

これにより、前記本発明のセンサー素子と同様の効果が得られる。そして、力検出装置が検出した外力をフィードバックし、より精密に作業を実行することができる。また、力検出装置が検出した外力によって、把持部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、より安全に電子部品検査作業を実行することができる。   Thereby, the same effect as the sensor element of the present invention can be obtained. Then, the external force detected by the force detection device can be fed back to perform the operation more precisely. In addition, contact of the grip portion with an obstacle can be detected by the external force detected by the force detection device. Therefore, an obstacle avoidance operation, an object damage avoidance operation, and the like that are difficult with conventional position control can be easily performed, and an electronic component inspection operation can be performed more safely.

[適用例10]
本発明の部品加工装置は、工具を装着し、前記工具を変位させる工具変位部と、
前記工具に加えられる外力を検出する本発明の力検出装置とを備えていることを特徴とする。
これにより、前記本発明のセンサー素子と同様の効果が得られる。そして、力検出装置が検出した外力をフィードバックすることにより、部品加工装置は、より精密に部品加工作業を実行することができる。また、力検出装置が検出する外力によって、工具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、部品加工装置は、より安全な部品加工作業を実行可能である。
[Application Example 10]
The component processing apparatus of the present invention is equipped with a tool displacing unit for mounting a tool and displacing the tool,
It is provided with the force detection apparatus of this invention which detects the external force applied to the said tool.
Thereby, the same effect as the sensor element of the present invention can be obtained. Then, by feeding back the external force detected by the force detection device, the component processing device can execute the component processing operation more precisely. Further, contact of the tool with an obstacle can be detected by an external force detected by the force detection device. Therefore, an emergency stop can be performed when an obstacle or the like comes into contact with the tool, and the component processing apparatus can execute a safer component processing operation.

本発明の力検出装置(センサー素子)の第1実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows 1st Embodiment of the force detection apparatus (sensor element) of this invention. 図1に示す力検出装置(センサー素子)の平面図である。It is a top view of the force detection apparatus (sensor element) shown in FIG. 図1に示す力検出装置を概略的に示す回路図である。It is a circuit diagram which shows roughly the force detection apparatus shown in FIG. 図1に示す電荷出力素子を概略的に示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the charge output element shown in FIG. 1. 図1に示す電荷出力素子の熱膨張率および結晶軸を示す分解斜視図である。FIG. 2 is an exploded perspective view showing a coefficient of thermal expansion and a crystal axis of the charge output element shown in FIG. 1. 本発明の力検出装置(センサー素子)の第2実施形態を示す分解斜視図である。It is a disassembled perspective view which shows 2nd Embodiment of the force detection apparatus (sensor element) of this invention. 本発明の力検出装置(センサー素子)の第3実施形態を示す平面図である。It is a top view which shows 3rd Embodiment of the force detection apparatus (sensor element) of this invention. 図7中のA−A線での断面図である。It is sectional drawing in the AA line in FIG. 図7に示す力検出装置を概略的に示す回路図である。It is a circuit diagram which shows roughly the force detection apparatus shown in FIG. 本発明の力検出装置(センサー素子)を用いた単腕ロボットの1例を示す図である。It is a figure which shows an example of the single arm robot using the force detection apparatus (sensor element) of this invention. 本発明の力検出装置(センサー素子)を用いた複腕ロボットの1例を示す図である。It is a figure which shows an example of the multi-arm robot using the force detection apparatus (sensor element) of this invention. 本発明の力検出装置(センサー素子)を用いた電子部品検査装置および電子部品搬送装置の1例を示す図である。It is a figure which shows one example of the electronic component inspection apparatus and electronic component conveyance apparatus using the force detection apparatus (sensor element) of this invention. 本発明の力検出装置(センサー素子)を用いた電子部品搬送装置の1例を示す図である。It is a figure which shows one example of the electronic component conveying apparatus using the force detection apparatus (sensor element) of this invention. 本発明の力検出装置(センサー素子)を用いた部品加工装置の1例を示す図である。It is a figure which shows one example of the components processing apparatus using the force detection apparatus (sensor element) of this invention. 本発明の力検出装置(センサー素子)を用いた移動体の1例を示す図である。It is a figure which shows one example of the moving body using the force detection apparatus (sensor element) of this invention. 従来の電荷出力素子のXカット水晶板を概略的に示す模式図であって、(a)は、自然状態を示す断面図、(b)は、圧縮応力が生じた状態を示す断面図である。It is the schematic diagram which shows the X cut quartz plate of the conventional electric charge output element schematically, Comprising: (a) is sectional drawing which shows a natural state, (b) is sectional drawing which shows the state which the compressive stress produced. .

以下、本発明のセンサー素子、力検出装置、ロボット、電子部品搬送装置、電子部品検査装置および部品加工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、本発明の力検出装置(センサー素子)の第1実施形態を示す断面図、図2は、図1に示す力検出装置(センサー素子)の平面図、図3は、図1に示す力検出装置を概略的に示す回路図、図4は、図1に示す電荷出力素子を概略的に示す断面図、図5は、図1に示す電荷出力素子の熱膨張率および結晶軸を示す分解斜視図である。なお、図1〜図5の上側を「上(上方)」、下側を「下(下方)」とも言う。
Hereinafter, a sensor element, a force detection device, a robot, an electronic component conveying device, an electronic component inspection device, and a component processing device according to the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the accompanying drawings.
<First Embodiment>
1 is a sectional view showing a first embodiment of a force detection device (sensor element) according to the present invention, FIG. 2 is a plan view of the force detection device (sensor element) shown in FIG. 1, and FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the charge output element shown in FIG. 1, and FIG. 5 is a graph showing the thermal expansion coefficient and the crystal axis of the charge output element shown in FIG. It is a disassembled perspective view shown. 1 to 5 is also referred to as “upper (upward)” and the lower side is also referred to as “lower (lower)”.

力検出装置1は、第1の基板2と、第1の基板2から所定の間隔を隔てて配置され、第1の基板2に対向する第2の基板3と、第1の基板2と第2の基板3との間に設けられたアナログ回路基板(回路基板)4と、第1の基板2と第2の基板3との間に設けられ、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、アナログ回路基板に搭載され、加えられた外力に応じて信号を出力する電荷出力素子(センサー素子)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、2つの与圧ボルト(固定部材)71とを備えている。   The force detection device 1 includes a first substrate 2, a second substrate 3 that is disposed at a predetermined interval from the first substrate 2, and that faces the first substrate 2, the first substrate 2, and the first substrate 2. The analog circuit board (circuit board) 4 provided between the two circuit boards 3 and the first circuit board 2 and the second board 3 are electrically connected to the analog circuit board 4. A sensor device 6 having a digital circuit board 5, a charge output element (sensor element) 10 that is mounted on an analog circuit board and outputs a signal according to an applied external force, and a package 60 that houses the charge output element 10, 2 One pressurizing bolt (fixing member) 71 is provided.

図3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Qaを電圧Vaに変換する変換出力回路90aと、電荷出力素子10から出力された電荷Qbを電圧Vb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Qcを電圧Vcに変換する変換出力回路90c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。このデジタル回路基板5は、アナログ回路基板4よりも第1の基板2側、すなわち、アナログ回路基板4と第1の基板2との間に配置されている。   As shown in FIG. 3, the analog circuit board 4 includes a conversion output circuit 90 a that converts the charge Qa output from the charge output element 10 of the mounted sensor device 6 into a voltage Va, and the output from the charge output element 10. A conversion output circuit 90b for converting the charge Qb into the voltage Vb and a conversion output circuit 90c for converting the charge Qc output from the charge output element 10 into the voltage Vc are provided. The digital circuit board 5 includes an external force detection circuit 40 that detects the applied external force. The digital circuit board 5 is disposed on the first board 2 side of the analog circuit board 4, that is, between the analog circuit board 4 and the first board 2.

図1に示すように、センサーデバイス6は、アナログ回路基板4の第2の基板3側の面に配置され、第1の基板2に設けられた後述する凸部(第1の凸部)21と第2の基板3とで挟持されている。すなわち、電荷出力素子10は、パッケージ60を介して凸部21と第2の基板3とで挟持され、与圧されている。なお、第1の基板2と、第2の基板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の基板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の基板2側の面に配置されていてもよい。   As shown in FIG. 1, the sensor device 6 is disposed on the surface of the analog circuit board 4 on the second substrate 3 side, and a convex portion (first convex portion) 21 described later provided on the first substrate 2. And the second substrate 3. That is, the charge output element 10 is sandwiched between the convex portion 21 and the second substrate 3 via the package 60 and is pressurized. Note that either the first substrate 2 or the second substrate 3 may be a substrate on which a force is applied, but in the present embodiment, the second substrate 3 is described as a substrate on which a force is applied. The charge output element 10 may be disposed on the surface of the analog circuit board 4 on the first substrate 2 side.

第1の基板2、第2の基板3、アナログ回路基板4、デジタル回路基板5の形状は、それぞれ、特に限定されないが、本実施形態では、第1の基板2、第2の基板3、アナログ回路基板4、デジタル回路基板5の平面視で、その外形形状は、円形をなしている。なお、第1の基板2、第2の基板3、アナログ回路基板4、デジタル回路基板5の平面視での前記の他の外形形状としては、例えば、四角形、五角形等の多角形、楕円形等が挙げられる。また、第1の基板2、第2の基板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。   The shapes of the first substrate 2, the second substrate 3, the analog circuit substrate 4, and the digital circuit substrate 5 are not particularly limited, but in the present embodiment, the first substrate 2, the second substrate 3, and the analog The external shape of the circuit board 4 and the digital circuit board 5 is circular in plan view. In addition, as said other external shape in planar view of the 1st board | substrate 2, the 2nd board | substrate 3, the analog circuit board 4, and the digital circuit board 5, for example, polygons, such as a rectangle and a pentagon, an ellipse, etc. Is mentioned. Further, as the constituent materials of the first substrate 2, the second substrate 3, and the parts other than the respective elements and wirings of the analog circuit board 4, and the constituent elements of the respective parts of the digital circuit board 5 and other than the respective wirings, For example, various resin materials, various metal materials, and the like can be used.

<センサーデバイス>
センサーデバイス6は、電荷出力素子10と、電荷出力素子10を収納するパッケージ60とを有している。
パッケージ60は、凹部611を有する基部(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の基板3側に配置され、基部61は、下側、すなわち、第1の基板2側に配置され、その基部61がアナログ回路基板4に固定されている。この構成により、基部61と蓋体62とが、凸部21と第2の基板3とで挟持されて与圧され、その基部61と蓋体62とにより、電荷出力素子10が挟持されて与圧される。
<Sensor device>
The sensor device 6 includes a charge output element 10 and a package 60 that houses the charge output element 10.
The package 60 includes a base (first member) 61 having a recess 611 and a lid (second member) 62 joined to the base 61. The charge output element 10 is installed in the recess 611 of the base 61, and the recess 611 of the base 61 is sealed with a lid 62. Thereby, the charge output element 10 can be protected and the highly reliable force detection apparatus 1 can be provided. Note that the upper surface of the charge output element 10 is in contact with the lid 62. The lid 62 of the package 60 is disposed on the upper side, that is, the second substrate 3 side, and the base 61 is disposed on the lower side, that is, the first substrate 2 side, and the base 61 is the analog circuit board. 4 is fixed. With this configuration, the base 61 and the lid 62 are sandwiched between the convex portion 21 and the second substrate 3 and pressurized, and the charge output element 10 is sandwiched and applied by the base 61 and the lid 62. Pressed.

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、第1の基板2の平面視で、四角形をなしている。なお、パッケージ60の平面視での前記の他の形状としては、例えば、五角形等の他の多角形、円形、楕円形等が挙げられる。また、パッケージ60の形状が多角形の場合、例えば、その角部が、丸みを帯びていてもよく、また、斜めに切り欠かれていてもよい。
Moreover, it does not specifically limit as a constituent material of the base 61, For example, insulating materials, such as ceramics, etc. can be used. Moreover, it does not specifically limit as a constituent material of the cover body 62, For example, various metal materials, such as stainless steel, can be used. In addition, the constituent material of the base 61 and the constituent material of the lid 62 may be the same or different.
Further, the shape of the package 60 is not particularly limited, but in the present embodiment, the package 60 has a quadrangular shape in a plan view of the first substrate 2. Examples of the other shape in the plan view of the package 60 include other polygons such as a pentagon, a circle, and an ellipse. Moreover, when the shape of the package 60 is a polygon, the corner | angular part may be roundish, for example, and may be notched diagonally.

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の基板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、第1の基板2の平面視で、電荷出力素子10と同じ形状、すなわち、四角形をなしている。なお、蓋体62の中央部625の上面および下面は、いずれも平面である。   Further, in this embodiment, the lid 62 has a plate shape, and the central portion 625 protrudes toward the second substrate 3 by bending a portion between the central portion 625 and the outer peripheral portion 626. Yes. The shape of the central portion 625 is not particularly limited, but in the present embodiment, the shape is the same as that of the charge output element 10 in a plan view of the first substrate 2, that is, a quadrangle. Note that the upper surface and the lower surface of the central portion 625 of the lid 62 are both flat.

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63が設けられている。各端子63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、端子63の数は、特に限定されないが、本実施形態では、4つであり、すなわち、端子63は、基部61の4つの角部にそれぞれ設けられている。
このようなパッケージ60内には、電荷出力素子10が収納されている。この電荷出力素子10については後に詳述する。
A plurality of terminals 63 that are electrically connected to the charge output element 10 are provided at the end of the lower surface of the base 61 of the package 60. Each terminal 63 is electrically connected to the analog circuit board 4, whereby the charge output element 10 and the analog circuit board 4 are electrically connected. The number of terminals 63 is not particularly limited, but is four in the present embodiment, that is, the terminals 63 are respectively provided at four corners of the base 61.
The charge output element 10 is accommodated in such a package 60. The charge output element 10 will be described in detail later.

<変換出力回路>
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Qaを電圧Va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Qbを電圧Vb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Qcを電圧Vc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>
Conversion output circuits 90 a, 90 b, and 90 c are connected to the charge output element 10. The conversion output circuit 90a has a function of converting the charge Qa output from the charge output element 10 into a voltage Va. The conversion output circuit 90b has a function of converting the charge Qb output from the charge output element 10 into a voltage Vb. The conversion output circuit 90c has a function of converting the charge Qc output from the charge output element 10 into a voltage Vc. Since the conversion output circuits 90a, 90b, and 90c are the same, the conversion output circuit 90c will be typically described below.

変換出力回路90cは、電荷出力素子10から出力された電荷Qcを電圧Vcに変換して電圧Vc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 conversion output circuit 90c has a function of converting the charge Qc output from the charge output element 10 into a voltage Vc and outputting the voltage Vc. The conversion output circuit 90 c includes an operational amplifier 91, a capacitor 92, and a switching element 93. The first input terminal (minus input) of the operational amplifier 91 is connected to the output electrode layer 122 of the charge output element 10, and the second input terminal (plus input) of the operational amplifier 91 is grounded to the ground (reference potential point). ing. The output terminal of the operational amplifier 91 is connected to the external force detection circuit 40. The capacitor 92 is connected between the first input terminal and the output terminal of the operational amplifier 91. The switching element 93 is connected between the first input terminal and the output terminal of the operational amplifier 91, and is connected in parallel with the capacitor 92. The switching element 93 is connected to a drive circuit (not shown), and the switching element 93 performs a switching operation in accordance with an on / off signal from the drive circuit.

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Qcは、静電容量C1を有するコンデンサー92に蓄えられ、電圧Vc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Qc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Vcは、電荷出力素子10から出力される電荷Qcの蓄積量に比例する。   When the switching element 93 is off, the charge Qc output from the charge output element 10 is stored in the capacitor 92 having the capacitance C1, and is output to the external force detection circuit 40 as the voltage Vc. Next, when the switching element 93 is turned on, both terminals of the capacitor 92 are short-circuited. As a result, the electric charge Qc stored in the capacitor 92 is discharged to 0 coulomb, and the voltage V output to the external force detection circuit 40 is 0 volt. When the switching element 93 is turned on, the conversion output circuit 90c is reset. The voltage Vc output from the ideal conversion output circuit 90c is proportional to the amount of charge Qc output from the charge output element 10.

スイッチング素子93は、例えば、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等の半導体スイッチング素子である。半導体スイッチング素子は、機械式スイッチと比べて小型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。   The switching element 93 is a semiconductor switching element such as a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), for example. Since the semiconductor switching element is smaller and lighter than the mechanical switch, it is advantageous for reducing the size and weight of the force detection device 1. Hereinafter, a case where a MOSFET is used as the switching element 93 will be described as a representative example.

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 element 93 has a drain electrode, a source electrode, and a gate electrode. One of the drain electrode and the source electrode of the switching element 93 is connected to the first input terminal of the operational amplifier 91, and the other of the drain electrode and the source electrode is connected to the output terminal of the operational amplifier 91. The gate electrode of the switching element 93 is connected to a drive circuit (not shown).

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 element 93 of each of the conversion output circuits 90a, 90b, and 90c, or different drive circuits may be connected to each other. Each of the switching elements 93 receives an on / off signal that is all synchronized from the drive circuit. As a result, the operations of the switching elements 93 of the conversion output circuits 90a, 90b, and 90c are synchronized. That is, the on / off timings of the switching elements 93 of the conversion output circuits 90a, 90b, and 90c coincide with each other.

<外力検出回路>
外力検出回路40は、変換出力回路90aから出力される電圧Vaと、変換出力回路90bから出力される電圧Vbと、変換出力回路90cから出力される電圧Vc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Va、Vc、Vb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Va、Vc、Vbは、演算部402に入力される。
<External force detection circuit>
The external force detection circuit 40 detects the applied external force based on the voltage Va output from the conversion output circuit 90a, the voltage Vb output from the conversion output circuit 90b, and the voltage Vc output from the conversion output circuit 90c. It has the function to do. The external force detection circuit 40 includes an AD converter 401 connected to the conversion output circuits 90a, 90b, and 90c, and an arithmetic unit 402 connected to the AD converter 401.
The AD converter 401 has a function of converting the voltages Va, Vc, and Vb from analog signals to digital signals. The voltages Va, Vc, and Vb digitally converted by the AD converter 401 are input to the calculation unit 402.

すなわち、第1の基板2および第2の基板3の相対位置が互いにA軸方向にずれる外力が加えられた場合、ADコンバーター401は、電圧Vaを出力する。同様に、第1の基板2および第2の基板3の相対位置が互いにB軸方向にずれる外力が加えられた場合、ADコンバーター401は、電圧Vcを出力する。また、第1の基板2および第2の基板3の相対位置が互いにC軸方向にずれる外力が加えられた場合、ADコンバーター401は、電圧Vbを出力する。   That is, when an external force is applied in which the relative positions of the first substrate 2 and the second substrate 3 are shifted in the A-axis direction, the AD converter 401 outputs the voltage Va. Similarly, when an external force is applied in which the relative positions of the first substrate 2 and the second substrate 3 are shifted in the B-axis direction, the AD converter 401 outputs a voltage Vc. Further, when an external force is applied in which the relative positions of the first substrate 2 and the second substrate 3 are shifted in the C-axis direction, the AD converter 401 outputs the voltage Vb.

演算部402は、デジタル変換された電圧Va、Vc、Vb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Qa、Qc、Qbの蓄積量に比例する3つの信号を出力する。この3つの信号は、電荷出力素子10に加えられた3軸力(せん断力および圧縮/引張力)に対応するので、力検出装置1は、電荷出力素子10に加えられた3軸力を検出することができる。   The arithmetic unit 402 performs, for example, each process such as correction for eliminating the difference in sensitivity between the conversion output circuits 90a, 90b, and 90c on the digitally converted voltages Va, Vc, and Vb. The arithmetic unit 402 outputs three signals proportional to the accumulated amounts of the charges Qa, Qc, and Qb output from the charge output element 10. Since these three signals correspond to the triaxial force (shearing force and compression / tensile force) applied to the charge output element 10, the force detection device 1 detects the triaxial force applied to the charge output element 10. can do.

図1および図2に示すように、この力検出装置1では、第1の基板2に、凸部(第1の凸部)21が設けられている。この第1の基板2と第2の基板3とは、凸部21が内側になり、第1の基板2の面と第2の基板3の面とが間隔を隔て対向している。なお、凸部21の上面(第2の基板3と対向する面)211は、平面である。この凸部21は、第1の基板2と一体的に形成されていてもよく、また、別部材で形成されていてもよい。なお、凸部21の構成材料は、特に限定されず、例えば、第1の基板2と同様のものとすることができる。   As shown in FIGS. 1 and 2, in the force detection device 1, a convex portion (first convex portion) 21 is provided on the first substrate 2. The first substrate 2 and the second substrate 3 have the convex portion 21 on the inside, and the surface of the first substrate 2 and the surface of the second substrate 3 are opposed to each other with a space therebetween. The upper surface (surface facing the second substrate 3) 211 of the convex portion 21 is a flat surface. The convex portion 21 may be formed integrally with the first substrate 2 or may be formed by a separate member. In addition, the constituent material of the convex part 21 is not specifically limited, For example, it can be the same as that of the 1st board | substrate 2. As shown in FIG.

また、凸部21の位置は、特に限定されないが、本実施形態では、凸部21は、第1の基板2の中央部に配置されている。
また、凸部21部の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、第1の基板2の平面視で、電荷出力素子10と同じ形状、すなわち、四角形をなしている。なお、凸部21の平面視での前記の他の形状としては、例えば、四角形、五角形等の多角形、楕円形等が挙げられる。
Further, the position of the convex portion 21 is not particularly limited, but in the present embodiment, the convex portion 21 is disposed at the central portion of the first substrate 2.
In addition, the shape of the convex portion 21 is not particularly limited, but in the present embodiment, the shape is the same as that of the charge output element 10 in the plan view of the first substrate 2, that is, a quadrangle. In addition, as said other shape in planar view of the convex part 21, polygons, such as a square and a pentagon, an ellipse etc. are mentioned, for example.

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、すなわち、中央部には、凸部21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。孔41の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、第1の基板2の平面視で、凸部21と同じ形状、すなわち、四角形をなしている。なお、アナログ回路基板4は、凸部21に支持されている。   In addition, a hole 41 into which the convex portion 21 is inserted is formed in a portion of the analog circuit board 4 where the charge output element 10 is disposed, that is, in the central portion. The hole 41 is a through hole that penetrates the analog circuit board 4. The shape of the hole 41 is not particularly limited, but in the present embodiment, the shape is the same as that of the convex portion 21 in the plan view of the first substrate 2, that is, a quadrangle. The analog circuit board 4 is supported by the convex portion 21.

同様に、デジタル回路基板5の電荷出力素子10が配置されている部位、すなわち、中央部には、凸部21が挿入される孔51が形成されている。孔51の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、第1の基板2の平面視で、凸部21と同じ形状、すなわち、四角形をなしている。なお、デジタル回路基板5は、凸部21に支持されている。
なお、アナログ回路基板4には、2つの与圧ボルト71が挿通する2つの孔42が形成され、同様に、デジタル回路基板5には、2つの与圧ボルト71が挿通する2つの孔52が形成されている。
Similarly, a hole 51 into which the convex portion 21 is inserted is formed in a portion of the digital circuit board 5 where the charge output element 10 is disposed, that is, in the central portion. The shape of the hole 51 is not particularly limited, but in the present embodiment, the shape is the same as that of the convex portion 21 in the plan view of the first substrate 2, that is, a quadrangle. The digital circuit board 5 is supported by the convex portion 21.
The analog circuit board 4 has two holes 42 through which the two pressurizing bolts 71 are inserted. Similarly, the digital circuit board 5 has two holes 52 through which the two pressurizing bolts 71 are inserted. Is formed.

凸部21は、アナログ回路基板4の孔41およびデジタル回路基板5の51に挿入され、電荷出力素子10に向って突出している。そして、センサーデバイス6は、凸部21と第2の基板3とで挟持され、これにより、電荷出力素子10は、パッケージ60を介して凸部21と第2の基板3とで挟持されている。なお、第2の基板3の下面(第1の基板2と対向する面)36は、平面であり、その下面36がセンサーデバイス6の蓋体62の中央部に当接し、凸部21の上面211が基部61に当接している。   The protrusion 21 is inserted into the hole 41 of the analog circuit board 4 and 51 of the digital circuit board 5 and protrudes toward the charge output element 10. The sensor device 6 is sandwiched between the convex portion 21 and the second substrate 3, whereby the charge output element 10 is sandwiched between the convex portion 21 and the second substrate 3 via the package 60. . Note that the lower surface (surface facing the first substrate 2) 36 of the second substrate 3 is a flat surface, and the lower surface 36 abuts against the central portion of the lid 62 of the sensor device 6 and the upper surface of the convex portion 21. 211 abuts the base 61.

また、凸部21の寸法は、特に限定されないが、第1の基板2の平面視で、凸部21の面積は、電荷出力素子10の面積以上であることが好ましく、電荷出力素子10の面積よりも大きいことがより好ましい。なお、図示の構成では、凸部21の面積は、電荷出力素子10の面積よりも大きい。そして、電荷出力素子10は、第1の基板2の平面視で(第1の基板2に対して垂直な方向から見て)、凸部21内に配置され、また、電荷出力素子10の中心線と凸部21の中心線とが一致している。この場合、電荷出力素子10は、第1の基板2の平面視で、凸部21からはみ出していなければよい。これにより、電荷出力素子10全体に与圧を加えることができ、また、力検出の際、電荷出力素子10全体に外力が加わり、より精度の高い力検出を行うことができる。   Further, the dimension of the convex portion 21 is not particularly limited, but the area of the convex portion 21 is preferably equal to or larger than the area of the charge output element 10 in a plan view of the first substrate 2. It is more preferable that it is larger than the above. In the configuration shown in the figure, the area of the convex portion 21 is larger than the area of the charge output element 10. The charge output element 10 is disposed in the convex portion 21 in a plan view of the first substrate 2 (viewed from a direction perpendicular to the first substrate 2), and the center of the charge output element 10 The line and the center line of the convex portion 21 coincide with each other. In this case, the charge output element 10 does not have to protrude from the convex portion 21 in the plan view of the first substrate 2. As a result, a pressure can be applied to the entire charge output element 10, and an external force is applied to the entire charge output element 10 during force detection, so that more accurate force detection can be performed.

また、第1の基板2と、第2の基板3とは、2つの与圧ボルト71により、固定されている。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の基板2と、第2の基板3とは、2つの与圧ボルト71により、互いの所定量の第2の基板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。   The first substrate 2 and the second substrate 3 are fixed by two pressurizing bolts 71. The “fixing” by the pressurizing bolt 71 is performed while allowing a predetermined amount of movement of the two fixed objects. Specifically, the first substrate 2 and the second substrate 3 are fixed by two pressurizing bolts 71 while allowing a predetermined amount of movement in the surface direction of the second substrate 3 to be allowed. . This also applies to other embodiments.

各与圧ボルト71は、それぞれ、その頭部715が第2の基板3側となるように配置され、第2の基板3に形成された孔35から挿入され、アナログ回路基板4の孔42、デジタル回路基板5の孔52を挿通し、その雄ネジ716が第1の基板2に形成された雌ネジ25に螺合している。そして、各与圧ボルト71により、電荷出力素子10に、所定の大きさのA軸方向(図4参照)の圧力、すなわち、与圧が加えられる。なお、前記与圧の大きさは、特に限定されず、適宜設定される。   Each pressurizing bolt 71 is arranged so that its head 715 is on the second substrate 3 side, and is inserted from the hole 35 formed in the second substrate 3, and the hole 42 of the analog circuit board 4. The male screw 716 is inserted into the hole 52 of the digital circuit board 5 and screwed into the female screw 25 formed on the first board 2. Each pressurizing bolt 71 applies a predetermined amount of pressure in the A-axis direction (see FIG. 4), that is, pressurization, to the charge output element 10. In addition, the magnitude | size of the said pressurization is not specifically limited, It sets suitably.

また、各与圧ボルト71の位置は、特に限定されないが、本実施形態では、各与圧ボルト71は、第1の基板2、第2の基板3、アナログ回路基板4、デジタル回路基板5の周方向に沿って、等角度間隔(180°間隔)、すなわち、第2の基板3の平面視で、電荷出力素子10を介して対向するように配置されている。これにより、第1の基板2と第2の基板3とをバランス良く固定することができ、また、各電荷出力素子10にバランス良く与圧を加えることができる。なお、与圧ボルト71の数は、2つに限定されず、例えば、3つ以上であってもよい。
なお、各与圧ボルト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。
Further, the position of each pressurizing bolt 71 is not particularly limited, but in the present embodiment, each pressurizing bolt 71 is located on the first board 2, the second board 3, the analog circuit board 4, or the digital circuit board 5. Along the circumferential direction, they are arranged so as to face each other through the charge output element 10 in equiangular intervals (180 ° intervals), that is, in a plan view of the second substrate 3. As a result, the first substrate 2 and the second substrate 3 can be fixed with good balance, and pressure can be applied to each charge output element 10 with good balance. The number of pressurizing bolts 71 is not limited to two, and may be three or more, for example.
In addition, it does not specifically limit as a constituent material of each pressurization volt | bolt 71, For example, various resin materials, various metal materials, etc. can be used.

以上説明したように、この力検出装置1によれば、アナログ回路基板4およびデジタル回路基板5が第1の基板2と第2の基板3との間に設けられているので、装置を小型化することができる。
また、凸部21と第2の基板3とで、アナログ回路基板4およびデジタル回路基板5を介することなく、センサーデバイス6を挟持すること、すなわち、パッケージ60を介して電荷出力素子10を挟持することができる。これにより、電荷出力素子10に対して十分に与圧を加えることができ、また、力検出の精度を向上させることができる。
As described above, according to the force detection device 1, the analog circuit board 4 and the digital circuit board 5 are provided between the first board 2 and the second board 3. can do.
Further, the sensor device 6 is sandwiched between the convex portion 21 and the second substrate 3 without the analog circuit substrate 4 and the digital circuit substrate 5, that is, the charge output element 10 is sandwiched via the package 60. be able to. Thereby, a sufficient pressure can be applied to the charge output element 10, and the accuracy of force detection can be improved.

また、パッケージ60の蓋体62の中央部625は、第2の基板3に向って突出しているので、第2の基板3の下面36が平面であっても電荷出力素子10に対して十分に与圧を加えることができ、また、力検出の際、外力が加わり難くなることを防止することができる。そして、第2の基板3の下面36が平面であるので、製造時に第2の基板3と電荷出力素子10との位置合わせが不要となり、容易に力検出装置1を製造することができる。   Further, since the central portion 625 of the lid 62 of the package 60 protrudes toward the second substrate 3, it is sufficient for the charge output element 10 even if the lower surface 36 of the second substrate 3 is flat. Pressurization can be applied, and it is possible to prevent external force from becoming difficult to be applied during force detection. And since the lower surface 36 of the 2nd board | substrate 3 is a plane, alignment with the 2nd board | substrate 3 and the charge output element 10 becomes unnecessary at the time of manufacture, and the force detection apparatus 1 can be manufactured easily.

次に電荷出力素子10について説明する。
電荷出力素子10は、互いに直交する3軸(A軸、B軸、C軸)に沿って加えられた(受けた)外力のそれぞれに応じて3つの電荷Qa、Qb、Qcを出力する機能を有する。
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の基板2の平面視、すなわち、第1の基板2に対して垂直な方向から見て、四角形をなしている。なお、電荷出力素子10の平面視での前記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。
Next, the charge output element 10 will be described.
The charge output element 10 has a function of outputting three charges Qa, Qb, and Qc according to external forces applied (received) along three axes (A axis, B axis, and C axis) orthogonal to each other. Have.
The shape of the charge output element 10 is not particularly limited, but in the present embodiment, the charge output element 10 has a quadrangular shape when viewed from the top of the first substrate 2, that is, from a direction perpendicular to the first substrate 2. Examples of the other external shape in plan view of the charge output element 10 include other polygons such as a pentagon, a circle, and an ellipse.

図4に示すように、電荷出力素子10は、グランド(基準電位点)に接地された4つのグランド電極層11、15、16、17と、A軸に平行な外力(圧縮/引張力)に応じて電荷Qaを出力する第1のセンサー12と、B軸に平行な外力(せん断力)に応じて電荷Qbを出力する第2のセンサー13と、C軸に平行な外力(せん断力)に応じて電荷Qcを出力する第3のセンサー14とを有している。また、電荷出力素子10では、グランド電極層11、第3のセンサー14、グランド電極(第2の電極層)15、第1のセンサ12、グランド電極(第1の電極層)16、第2のセンサー13およびグランド電極層17の順に、A軸方向負側から積層されている。なお、図4において、センサー12、13、14の積層方向をA軸方向とし、A軸方向に直交し且つ互いに直交する方向をそれぞれB軸方向、C軸方向としている。   As shown in FIG. 4, the charge output element 10 has four ground electrode layers 11, 15, 16, 17 grounded to the ground (reference potential point) and an external force (compression / tensile force) parallel to the A axis. Accordingly, the first sensor 12 that outputs the charge Qa, the second sensor 13 that outputs the charge Qb according to the external force (shearing force) parallel to the B axis, and the external force (shearing force) parallel to the C axis. Accordingly, the third sensor 14 that outputs the charge Qc is included. In the charge output element 10, the ground electrode layer 11, the third sensor 14, the ground electrode (second electrode layer) 15, the first sensor 12, the ground electrode (first electrode layer) 16, the second electrode The sensor 13 and the ground electrode layer 17 are laminated in this order from the negative side in the A-axis direction. In FIG. 4, the stacking direction of the sensors 12, 13, and 14 is the A-axis direction, and the directions orthogonal to the A-axis direction and orthogonal to each other are the B-axis direction and C-axis direction, respectively.

第1のセンサー12は、A軸に沿って加えられた(受けた)外力(圧縮/引張力)に応じて電荷Qaを出力する機能を有する。第1のセンサー12は、A軸に平行な圧縮力に応じて正電荷を出力し、A軸に平行な引張力に応じて負電荷を出力するよう構成されている。
第1のセンサー12は、第1の圧電体層(第1の圧電板)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の圧電板)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、電荷Qaを出力する出力電極層122を有する。
The first sensor 12 has a function of outputting a charge Qa in accordance with an external force (compression / tensile force) applied (received) along the A axis. The first sensor 12 is configured to output a positive charge according to a compressive force parallel to the A axis and to output a negative charge according to a tensile force parallel to the A axis.
The first sensor 12 includes a first piezoelectric layer (first piezoelectric plate) 121 and a second piezoelectric layer (first piezoelectric plate) provided to face the first piezoelectric layer 121. 123, and an output electrode layer 122 that is provided between the first piezoelectric layer 121 and the second piezoelectric layer 123 and outputs a charge Qa.

第1の圧電体層121は、互いに直交する3つの結晶軸であるx軸、y軸およびz軸を有している。x軸は、加重を加えると電荷が発生する方向に配向した軸である(以下、各圧電体層でも同様である)。また、第1の圧電体層121では、x軸方向とA軸方向とが一致しており、y軸方向とB軸方向とが一致しており、z軸方向とC軸方向とが一致している。   The first piezoelectric layer 121 has an x-axis, a y-axis, and a z-axis that are three crystal axes orthogonal to each other. The x-axis is an axis oriented in a direction in which electric charges are generated when a load is applied (hereinafter, the same applies to each piezoelectric layer). In the first piezoelectric layer 121, the x-axis direction and the A-axis direction coincide with each other, the y-axis direction and the B-axis direction coincide with each other, and the z-axis direction and the C-axis direction coincide with each other. ing.

第1の圧電体層121の表面に対し、A軸に平行な圧縮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16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、A軸に平行な引張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16側表面近傍には正電荷が集まる。   When a compressive force parallel to the A axis is applied to the surface of the first piezoelectric layer 121, electric charges are induced in the first piezoelectric layer 121 due to the piezoelectric effect. As a result, positive charges gather near the surface of the first piezoelectric layer 121 on the output electrode layer 122 side, and negative charges gather near the surface of the first piezoelectric layer 121 on the ground electrode layer 16 side. Similarly, when a tensile force parallel to the A axis is applied to the surface of the first piezoelectric layer 121, negative charges are collected near the surface of the first piezoelectric layer 121 on the output electrode layer 122 side, Positive charges collect near the surface of the first piezoelectric layer 121 on the ground electrode layer 16 side.

また、第2の圧電体層123は、第1の圧電体層121と同様の結晶軸を有しており、第1の圧電体層121をC軸回りに180°回転させた状態で配置されている。
第2の圧電体層123の表面に対し、A軸に平行な圧縮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15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、A軸に平行な引張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15側表面近傍には正電荷が集まる。
なお、第1の圧電体層121および第2の圧電体層123の構成材料としては、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という観点から水晶で構成されている。
The second piezoelectric layer 123 has the same crystal axis as that of the first piezoelectric layer 121, and is arranged in a state where the first piezoelectric layer 121 is rotated 180 ° around the C axis. ing.
When a compressive force parallel to the A axis is applied to the surface of the second piezoelectric layer 123, an electric charge is induced in the second piezoelectric layer 123 by the piezoelectric effect. As a result, positive charges gather near the surface of the second piezoelectric layer 123 on the output electrode layer 122 side, and negative charges gather near the surface of the second piezoelectric layer 123 on the ground electrode layer 15 side. Similarly, when a tensile force parallel to the A axis is applied to the surface of the second piezoelectric layer 123, negative charges gather near the surface of the second piezoelectric layer 123 on the output electrode layer 122 side, Positive charges collect near the surface of the second piezoelectric layer 123 on the ground electrode layer 15 side.
The constituent material of the first piezoelectric layer 121 and the second piezoelectric layer 123 is a crystal from the viewpoint of having excellent characteristics such as a wide dynamic range, high rigidity, high natural frequency, and high load resistance. It consists of

また、第1の圧電体層121および第2の圧電体層123のように、層の面方向に垂直な外力(圧縮/引張力)に対して電荷を生ずる圧電体層は、本実施形態では、Xカット水晶板により構成されている。
また、第1の圧電体層121および第2の圧電体層123は、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)、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等で構成されていてもよい。
In addition, in the present embodiment, a piezoelectric layer that generates an electric charge with respect to an external force (compression / tensile force) perpendicular to the plane direction of the layer, such as the first piezoelectric layer 121 and the second piezoelectric layer 123, is used in this embodiment. , X-cut quartz plate.
The first piezoelectric layer 121 and the second piezoelectric layer 123 are topaz, barium titanate, lead titanate, lead zirconate titanate (PZT: Pb (Zr, Ti) O 3 ), lithium niobate. Or lithium tantalate.

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Qb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A軸に平行な圧縮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Qb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A軸に平行な引張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Qbが出力される。   The output electrode layer 122 has a function of outputting positive charges or negative charges generated in the first piezoelectric layer 121 and the second piezoelectric layer 123 as charges Qb. As described above, when a compressive force parallel to the A axis is applied to the surface of the first piezoelectric layer 121 or the surface of the second piezoelectric layer 123, positive charges are collected in the vicinity of the output electrode layer 122. . As a result, positive charge Qb is output from the output electrode layer 122. On the other hand, when a tensile force parallel to the A axis is applied to the surface of the first piezoelectric layer 121 or the surface of the second piezoelectric layer 123, negative charges are collected in the vicinity of the output electrode layer 122. As a result, a negative charge Qb is output from the output electrode layer 122.

第2のセンサー13は、B軸に沿って加えられた(受けた)外力(せん断力)に応じて電荷Qbを出力する機能を有する。第2のセンサー13は、B軸の正方向に沿って加えられた外力に応じて正電荷を出力し、B軸の負方向に沿って加えられた外力に応じて負電荷を出力するよう構成されている。   The second sensor 13 has a function of outputting a charge Qb according to an external force (shearing force) applied (received) along the B axis. The second sensor 13 is configured to output a positive charge according to an external force applied along the positive direction of the B axis and to output a negative charge according to an external force applied along the negative direction of the B axis. Has been.

第2のセンサー13は、第1のセンサー12のA軸正側に、第1のセンサー12と対向して配置されている。この第2のセンサーは、第3の圧電体層(第2の圧電板)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(第2の圧電板)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、電荷Qbを出力する出力電極層132を有する。   The second sensor 13 is arranged on the positive side of the first axis of the first sensor 12 so as to face the first sensor 12. The second sensor includes a third piezoelectric layer (second piezoelectric plate) 131 and a fourth piezoelectric layer (second piezoelectric plate) provided to face the third piezoelectric layer 131. 133, and an output electrode layer 132 that is provided between the third piezoelectric layer 131 and the fourth piezoelectric layer 133 and outputs a charge Qb.

第3の圧電体層131は、互いに直交する3つの結晶軸であるx軸、y軸およびz軸を有している。第3の圧電体層131では、x軸方向とB軸方向とが一致しており、y軸方向とA軸方向とが一致しており、z軸方向とC軸方向とが一致している。
第3の圧電体層131の表面に対し、B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17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、B軸の負方向に沿った外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17側表面近傍には正電荷が集まる。
The third piezoelectric layer 131 has an x-axis, a y-axis, and a z-axis that are three crystal axes orthogonal to each other. In the third piezoelectric layer 131, the x-axis direction and the B-axis direction coincide with each other, the y-axis direction and the A-axis direction coincide with each other, and the z-axis direction and the C-axis direction coincide with each other. .
When an external force along the positive direction of the B-axis is applied to the surface of the third piezoelectric layer 131, charges are induced in the third piezoelectric layer 131 due to the piezoelectric effect. As a result, positive charges gather near the surface of the third piezoelectric layer 131 on the output electrode layer 132 side, and negative charges gather near the surface of the third piezoelectric layer 131 on the ground electrode layer 17 side. Similarly, when an external force along the negative direction of the B axis is applied to the surface of the third piezoelectric layer 131, negative charges are generated near the surface of the third piezoelectric layer 131 on the output electrode layer 132 side. The positive charges are collected near the surface of the third piezoelectric layer 131 on the ground electrode layer 17 side.

第4の圧電体層133は、第3の圧電体層131と同様の結晶軸を有しており、第3の圧電体層131をC軸回りに180°回転させた状態で配置されている。
第4の圧電体層133の表面に対し、B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16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、B軸の負方向に沿った外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16側表面近傍には正電荷が集まる。
The fourth piezoelectric layer 133 has the same crystal axis as that of the third piezoelectric layer 131, and is arranged in a state where the third piezoelectric layer 131 is rotated by 180 ° around the C axis. .
When an external force along the positive direction of the B axis is applied to the surface of the fourth piezoelectric layer 133, electric charges are induced in the fourth piezoelectric layer 133 due to the piezoelectric effect. As a result, positive charges collect near the surface of the fourth piezoelectric layer 133 on the output electrode layer 132 side, and negative charges collect near the surface of the fourth piezoelectric layer 133 on the ground electrode layer 16 side. Similarly, when an external force along the negative direction of the B-axis is applied to the surface of the fourth piezoelectric layer 133, negative charges are generated near the surface of the fourth piezoelectric layer 133 on the output electrode layer 132 side. The positive charges are collected near the surface of the fourth piezoelectric layer 133 on the ground electrode layer 16 side.

第3の圧電体層131および第4の圧電体層133の構成材料としては、第1の圧電体層121および第2の圧電体層123と同様の構成材料を用いることができる。また、第3の圧電体層131および第4の圧電体層133のように、層の面方向に沿った外力(せん断力)に対して電荷を生ずる圧電体層は、本実施形態では、Yカット水晶板(Y板)により構成されている。   As the constituent material of the third piezoelectric layer 131 and the fourth piezoelectric layer 133, the same constituent material as that of the first piezoelectric layer 121 and the second piezoelectric layer 123 can be used. In addition, in the present embodiment, the piezoelectric layer that generates an electric charge with respect to an external force (shearing force) along the surface direction of the layer, such as the third piezoelectric layer 131 and the fourth piezoelectric layer 133, is Y in this embodiment. It is composed of a cut crystal plate (Y plate).

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Qa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B軸の正方向に沿った外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Qa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B軸の負方向に沿った外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Qaが出力される。   The output electrode layer 132 has a function of outputting positive charges or negative charges generated in the third piezoelectric layer 131 and the fourth piezoelectric layer 133 as charges Qa. As described above, when an external force along the positive direction of the B axis is applied to the surface of the third piezoelectric layer 131 or the surface of the fourth piezoelectric layer 133, a positive charge is present in the vicinity of the output electrode layer 132. Gather. As a result, a positive charge Qa is output from the output electrode layer 132. On the other hand, when an external force along the negative direction of the B axis is applied to the surface of the third piezoelectric layer 131 or the surface of the fourth piezoelectric layer 133, negative charges are collected in the vicinity of the output electrode layer 132. As a result, a negative charge Qa is output from the output electrode layer 132.

第3のセンサー14は、C軸に沿って加えられた(受けた)外力(せん断力)に応じて電荷Qcを出力する機能を有する。第3のセンサー14は、C軸の正方向に沿って加えられた外力に応じて正電荷を出力し、C軸の負方向に沿って加えられた外力に応じて負電荷を出力するよう構成されている。
第3のセンサー14は、第1のセンサー12と対向して、第1のセンサー12の第2のセンサー13と反対側、すなわち、A軸負側に設けられている。この第3のセンサー14は、第5の圧電体層(第3の圧電板)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3の圧電板)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、電荷Qを出力する出力電極層142を有する。
The third sensor 14 has a function of outputting a charge Qc according to an external force (shearing force) applied (received) along the C axis. The third sensor 14 is configured to output a positive charge according to an external force applied along the positive direction of the C axis and to output a negative charge according to an external force applied along the negative direction of the C axis. Has been.
The third sensor 14 is provided on the opposite side of the first sensor 12 from the second sensor 13, that is, on the negative side of the A axis, facing the first sensor 12. The third sensor 14 includes a fifth piezoelectric layer (third piezoelectric plate) 141 and a sixth piezoelectric layer (third piezoelectric plate) provided to face the fifth piezoelectric layer 141. ) 143, and the output electrode layer 142 that outputs the charge Q is provided between the fifth piezoelectric layer 141 and the sixth piezoelectric layer 143.

第5の圧電体層141は互いに直交する3つの結晶軸であるx軸、y軸およびz軸を有している。第5の圧電体層141では、x軸方向とC軸方向とが一致しており、y軸方向とA軸方向とが一致しており、z軸方向とB軸方向とが一致している。
第5の圧電体層141の表面に対し、C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15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、C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15側表面近傍には正電荷が集まる。
The fifth piezoelectric layer 141 has three crystal axes that are orthogonal to each other, the x axis, the y axis, and the z axis. In the fifth piezoelectric layer 141, the x-axis direction and the C-axis direction match, the y-axis direction matches the A-axis direction, and the z-axis direction matches the B-axis direction. .
When an external force along the positive direction of the C-axis is applied to the surface of the fifth piezoelectric layer 141, electric charges are induced in the fifth piezoelectric layer 141 by the piezoelectric effect. As a result, positive charges gather near the surface of the fifth piezoelectric layer 141 on the output electrode layer 142 side, and negative charges gather near the surface of the fifth piezoelectric layer 141 on the ground electrode layer 15 side. Similarly, when an external force along the negative direction of the C-axis is applied to the surface of the fifth piezoelectric layer 141, negative charges are generated in the vicinity of the surface of the fifth piezoelectric layer 141 on the output electrode layer 142 side. As a result, positive charges are collected in the vicinity of the surface of the fifth piezoelectric layer 141 on the ground electrode layer 15 side.

第6の圧電体層143は、第5の圧電体層141と同様の結晶軸を有しており、第5の圧電体層141をB軸回りに180°回転させた状態で配置されている。
第6の圧電体層143の表面に対し、C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、C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。
The sixth piezoelectric layer 143 has the same crystal axis as that of the fifth piezoelectric layer 141, and is arranged in a state where the fifth piezoelectric layer 141 is rotated by 180 ° around the B axis. .
When an external force along the positive direction of the C-axis is applied to the surface of the sixth piezoelectric layer 143, electric charges are induced in the sixth piezoelectric layer 143 due to the piezoelectric effect. As a result, positive charges are collected in the vicinity of the surface of the sixth piezoelectric layer 143 on the output electrode layer 142 side, and negative charges are collected in the vicinity of the surface of the sixth piezoelectric layer 143 on the ground electrode layer 11 side. Similarly, when an external force along the negative direction of the C-axis is applied to the surface of the sixth piezoelectric layer 143, negative charges are generated near the surface of the sixth piezoelectric layer 143 on the output electrode layer 142 side. The positive charges are collected near the surface of the sixth piezoelectric layer 143 on the side of the ground electrode layer 11.

また、第5の圧電体層141および第6の圧電体層143のように、層の面方向に沿った外力(せん断力)に対して電荷を生ずる圧電体層は、本実施形態では、Yカット水晶により構成されている。なお、第5の圧電体層141は第3の圧電体層131をA軸回りに90°回転させた(ずれた)状態で配置されており、第6の圧電体層143は、第4の圧電体層133をA軸回りに90°回転させた(ずれた)状態で配置されている。   In addition, in the present embodiment, a piezoelectric layer that generates an electric charge with respect to an external force (shearing force) along the surface direction of the layer, such as the fifth piezoelectric layer 141 and the sixth piezoelectric layer 143, is Y in this embodiment. It is composed of cut crystal. The fifth piezoelectric layer 141 is arranged in a state in which the third piezoelectric layer 131 is rotated (shifted) by 90 ° around the A axis, and the sixth piezoelectric layer 143 includes the fourth piezoelectric layer 141 The piezoelectric layer 133 is arranged in a state of being rotated (shifted) by 90 ° around the A axis.

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Qc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C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Qc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C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Qcが出力される。   The output electrode layer 142 has a function of outputting positive charges or negative charges generated in the fifth piezoelectric layer 141 and the sixth piezoelectric layer 143 as charges Qc. As described above, when an external force along the positive direction of the C-axis is applied to the surface of the fifth piezoelectric layer 141 or the surface of the sixth piezoelectric layer 143, a positive charge is present in the vicinity of the output electrode layer 142. Gather. As a result, positive charge Qc is output from the output electrode layer 142. On the other hand, when an external force along the negative direction of the C-axis is applied to the surface of the fifth piezoelectric layer 141 or the surface of the sixth piezoelectric layer 143, negative charges are collected in the vicinity of the output electrode layer 142. As a result, a negative charge Qc is output from the output electrode layer 142.

このように、第3のセンサー14、第2のセンサー13および第1のセンサー12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た積層体を有している。これにより、各センサーは、それぞれ、互いに直交する力成分に応じて電荷を誘起することができる。そのため、電荷出力素子10は、3軸(A軸、B軸、C軸)に沿った外力(ひずみ)のそれぞれに応じて3つの電荷Qa、Qb、Qcを出力することができる。   As described above, the third sensor 14, the second sensor 13, and the first sensor 12 have a stacked body that is stacked so that the force detection directions of the sensors are orthogonal to each other. Thereby, each sensor can induce an electric charge according to force components orthogonal to each other. Therefore, the charge output element 10 can output three charges Qa, Qb, and Qc according to external forces (strains) along the three axes (A axis, B axis, and C axis).

また、各センサー12、13、14では、圧電体層が2枚ずつ、互いにB軸またはC軸回りに180°回転させた状態で配置されている。これにより、2枚の圧電体層のいずれか一方のみと、出力電極層によって各センサーを構成する場合と比較して、出力電極層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、出力電極層から出力される電荷Qを増加させることができる。   In each of the sensors 12, 13, and 14, two piezoelectric layers are disposed in a state where the piezoelectric layers are rotated by 180 ° around the B axis or the C axis. Thereby, as compared with the case where each sensor is constituted by only one of the two piezoelectric layers and the output electrode layer, the positive charge or the negative charge collected near the output electrode layer can be increased. As a result, the charge Q output from the output electrode layer can be increased.

また、各圧電体層121、123、131、133、141、143では、x軸方向、y軸方向およびz軸方向の熱膨張係数が異なっている。各圧電体層121、123、131、133、141、143では、x軸方向の熱膨張係数とy軸方向の熱膨張係数が同じであり、z軸方向の熱膨張係数がx軸方向の熱膨張係数およびy軸方向の熱膨張係数よりも小さい。図5に示すように、各圧電体層121、123、131、133、141、143では、x軸方向の熱膨張係数が13.4×10−6(1/K)、y軸方向の熱膨張係数が13.4×10−6(1/K)、z軸方向の熱膨張係数7.8×10−6(1/K)となっている。 The piezoelectric layers 121, 123, 131, 133, 141, and 143 have different thermal expansion coefficients in the x-axis direction, the y-axis direction, and the z-axis direction. In each of the piezoelectric layers 121, 123, 131, 133, 141, and 143, the thermal expansion coefficient in the x-axis direction and the thermal expansion coefficient in the y-axis direction are the same, and the thermal expansion coefficient in the z-axis direction is the heat in the x-axis direction. It is smaller than the expansion coefficient and the thermal expansion coefficient in the y-axis direction. As shown in FIG. 5, in each of the piezoelectric layers 121, 123, 131, 133, 141, and 143, the thermal expansion coefficient in the x-axis direction is 13.4 × 10 −6 (1 / K), and the heat in the y-axis direction. The expansion coefficient is 13.4 × 10 −6 (1 / K), and the thermal expansion coefficient in the z-axis direction is 7.8 × 10 −6 (1 / K).

さて、電荷出力素子10では、各圧電体層121、123、131、133、141、143が積層された積層体をA軸方向から挟持するように、基材(第1の基材)151および基材(第2の基材)152が設けられている。すなわち、電荷出力素子10では、基材152、第6の圧電体層143、第5の圧電体層141、第2の圧電体層123、第1の圧電体層121、第4の圧電体層133、第3の圧電体層131および基材151の順に、A軸方向負側から積層されている。基材151、152は、絶縁体で構成され、グランド電極層11、17および前記積層体の側面(B軸方向を法線とする表面およびC軸方向を法線とする表面)に設けられた端子電極(図示せず)と、パッケージ60と積層体とを絶縁する防止する機能を有している。   In the charge output element 10, a base material (first base material) 151 and a laminate in which the piezoelectric layers 121, 123, 131, 133, 141, and 143 are laminated from the A-axis direction are sandwiched. A base material (second base material) 152 is provided. That is, in the charge output element 10, the base material 152, the sixth piezoelectric layer 143, the fifth piezoelectric layer 141, the second piezoelectric layer 123, the first piezoelectric layer 121, and the fourth piezoelectric layer. 133, the third piezoelectric layer 131, and the base material 151 are laminated in this order from the negative side in the A-axis direction. The base materials 151 and 152 are made of an insulator, and are provided on the ground electrode layers 11 and 17 and the side surfaces of the laminate (a surface having the B-axis direction as a normal and a surface having the C-axis direction as a normal). It has a function of preventing the terminal electrode (not shown), the package 60 and the stacked body from being insulated.

この基材151が、例えば、B軸方向の熱膨張係数が3.3×10−6(1/K)のガラス板で構成されている場合には、基材151と隣在する圧電体層(本実施形態では、第3の圧電体層131)のB軸方向の熱膨張係数と異なることとなる。このため、電荷出力素子に、例えば、その周辺部の温度変化により、熱膨張または熱収縮した際、第3の圧電体層131と前記ガラス板とは、B軸方向の膨張率または収縮率が異なる。 For example, when the base material 151 is made of a glass plate having a thermal expansion coefficient of 3.3 × 10 −6 (1 / K) in the B-axis direction, the piezoelectric layer adjacent to the base material 151. (In this embodiment, it differs from the thermal expansion coefficient in the B-axis direction of the third piezoelectric layer 131). For this reason, when the charge output element is thermally expanded or contracted due to, for example, a temperature change in the peripheral portion thereof, the third piezoelectric layer 131 and the glass plate have an expansion coefficient or contraction coefficient in the B-axis direction. Different.

前記熱膨張が生じた場合、第3の圧電体層131には、前記ガラス板によって、その熱膨張を妨げる方向に力が作用する。その結果、第3の圧電体層131には、B軸方向の圧縮応力が生じる。一方、前記熱収縮が生じた場合、第3の圧電体層131には、前記ガラス板によって、その熱収縮を妨げる方向に力が作用する。その結果、第2の圧電体層123には、B軸方向の引張応力が生じる。
このような第3の圧電体層131に生じた圧縮応力および引張応力は、出力電極層132、第4の圧電体層133、グランド電極層16を介して、Xカット水晶板で構成された第1の圧電体層121および第2の圧電体層123に伝達される。
When the thermal expansion occurs, a force acts on the third piezoelectric layer 131 in a direction that prevents the thermal expansion by the glass plate. As a result, a compressive stress in the B-axis direction is generated in the third piezoelectric layer 131. On the other hand, when the thermal contraction occurs, a force acts on the third piezoelectric layer 131 in a direction that prevents the thermal contraction by the glass plate. As a result, tensile stress in the B-axis direction is generated in the second piezoelectric layer 123.
The compressive stress and the tensile stress generated in the third piezoelectric layer 131 as described above are generated by the X-cut quartz plate formed of the X-cut quartz plate through the output electrode layer 132, the fourth piezoelectric layer 133, and the ground electrode layer 16. It is transmitted to the first piezoelectric layer 121 and the second piezoelectric layer 123.

一方、基材152が、例えば、B軸方向の熱膨張係数が3.3×10−6(1/K)のガラス板で構成されている場合も同様に、基材152と隣在する圧電体層(本実施形態では、第6の圧電体層143)のB軸方向の熱膨張係数と異なることとなる。このため、電荷出力素子に、例えば、その周辺部の温度変化により、熱膨張または熱収縮した際、第6の圧電体層143と前記ガラス板とは、B軸方向の膨張率または収縮率が異なる。 On the other hand, when the base material 152 is made of, for example, a glass plate having a thermal expansion coefficient in the B-axis direction of 3.3 × 10 −6 (1 / K), the piezoelectric material adjacent to the base material 152 is similarly used. This is different from the thermal expansion coefficient in the B-axis direction of the body layer (sixth piezoelectric layer 143 in this embodiment). For this reason, for example, when the charge output element thermally expands or contracts due to a temperature change in the peripheral portion, the sixth piezoelectric layer 143 and the glass plate have an expansion coefficient or contraction coefficient in the B-axis direction. Different.

前記熱膨張が生じた場合、第6の圧電体層143には、前記ガラス板によって、その熱膨張を妨げる方向に力が作用する。その結果、第6の圧電体層143には、B軸方向の圧縮応力が生じる。一方、前記熱収縮が生じた場合、第6の圧電体層143には、前記ガラス板によって、その熱収縮を妨げる方向に力が作用する。その結果、第6の圧電体層143には、B軸方向の引張応力が生じる。
このような第6の圧電体層143に生じた圧縮応力および引張応力は、出力電極層142、第5の圧電体層141、グランド電極層15を介して、Xカット水晶板で構成された第1の圧電体層121および第2の圧電体層123に伝達される。
When the thermal expansion occurs, a force acts on the sixth piezoelectric layer 143 in a direction that prevents the thermal expansion by the glass plate. As a result, a compressive stress in the B-axis direction is generated in the sixth piezoelectric layer 143. On the other hand, when the thermal contraction occurs, a force acts on the sixth piezoelectric layer 143 in the direction of preventing the thermal contraction by the glass plate. As a result, a tensile stress in the B-axis direction is generated in the sixth piezoelectric layer 143.
The compressive stress and tensile stress generated in the sixth piezoelectric layer 143 as described above are generated by the X-cut quartz plate formed of the X-cut quartz plate through the output electrode layer 142, the fifth piezoelectric layer 141, and the ground electrode layer 15. It is transmitted to the first piezoelectric layer 121 and the second piezoelectric layer 123.

以上のようにして、第1の圧電体層121および第2の圧電体層123に、圧縮応力または引張応力が生じた場合には、下記のような不具合が生じる。以下、この不具合について説明するが、第1の圧電体層121および第2の圧電体層123では、略同様の構成であるため、第2の圧電体層123について代表的に説明する。
第2の圧電体層123は、前述したように、Xカット水晶板で構成されているため、C軸方向からみたとき、6つの頂点にSi原子とO原子とが交互に配置されたような六角形の単位結晶構造を有している(図16(a)参照)。この単位結晶構造は、第2の圧電体層123では、Si原子とO原子とを結ぶ3つの対角線のうちの1つの対角線が第2の圧電体層123の厚さ方向とほほ平行となるような状態となっている。
As described above, when compressive stress or tensile stress is generated in the first piezoelectric layer 121 and the second piezoelectric layer 123, the following problems occur. Hereinafter, although this malfunction will be described, since the first piezoelectric layer 121 and the second piezoelectric layer 123 have substantially the same configuration, the second piezoelectric layer 123 will be described as a representative.
As described above, since the second piezoelectric layer 123 is composed of an X-cut quartz plate, when viewed from the C-axis direction, Si atoms and O atoms are alternately arranged at six vertices. It has a hexagonal unit crystal structure (see FIG. 16A). This unit crystal structure is such that in the second piezoelectric layer 123, one of the three diagonal lines connecting Si atoms and O atoms is substantially parallel to the thickness direction of the second piezoelectric layer 123. It is in a state.

このような第2の圧電体層123に、前述したB軸方向の圧縮応力が付与されると、図16(b)に示すように、の単位結晶構造がA軸方向に引き伸ばされる。このため、出力電極層122に近接するO原子が隣り合うSi原子よりもさらに出力電極層122に近づいた状態となり、グランド電極層11に近接するSi原子が隣り合うO原子よりもさらにグランド電極層11に近づいた状態となる。その結果、出力電極層122では、静電誘導により、第2の圧電体層123側に正電荷が集まり、第2の圧電体層123と反対側(第1の圧電体層121側)に負電荷が集まる。よって、出力電極層122からは、負電荷が検出されることとなる。   When the aforementioned compressive stress in the B-axis direction is applied to the second piezoelectric layer 123, the unit crystal structure is stretched in the A-axis direction as shown in FIG. Therefore, the O atoms that are close to the output electrode layer 122 are closer to the output electrode layer 122 than the adjacent Si atoms, and the Si atoms that are close to the ground electrode layer 11 are further closer to the ground electrode layer than the adjacent O atoms. 11 is approached. As a result, in the output electrode layer 122, positive charges are collected on the second piezoelectric layer 123 side due to electrostatic induction, and are negative on the opposite side (first piezoelectric layer 121 side) to the second piezoelectric layer 123. Charge collects. Therefore, negative charges are detected from the output electrode layer 122.

一方、第2の圧電体層123に、前述したB軸方向の引張応力が付与されると、前記とは逆に、単位結晶構造がA軸方向に押しつぶされる(図示せず)。これにより、出力電極層122に近接するO原子が隣り合うSi原子よりも出力電極層122から離れた状態となり、グランド電極層15に近接するSi原子は、隣り合うO原子よりもグランド電極層11から離れた状態となる。その結果、出力電極層122では、静電誘導により、第2の圧電体層123側に負電荷が集まり、第2の圧電体層123と反対側(第1の圧電体層121側)に正電荷が集まる。よって、出力電極層122からは、正電荷が検出されることとなる。   On the other hand, when the above-described tensile stress in the B-axis direction is applied to the second piezoelectric layer 123, the unit crystal structure is crushed in the A-axis direction (not shown). As a result, the O atoms that are close to the output electrode layer 122 are separated from the output electrode layer 122 more than the adjacent Si atoms, and the Si atoms that are close to the ground electrode layer 15 are closer to the ground electrode layer 11 than the adjacent O atoms. It will be in the state away from. As a result, in the output electrode layer 122, negative charges are collected on the second piezoelectric layer 123 side due to electrostatic induction, and are positive on the opposite side (first piezoelectric layer 121 side) to the second piezoelectric layer 123. Charge collects. Therefore, positive charges are detected from the output electrode layer 122.

このように、基材151および基材152がガラス板で構成されていた場合には、電荷出力素子では、第1の圧電体層121および第2の圧電体層123がその周辺部の温度変化の影響により、正電荷または負電荷を検出してしまうという不具合が生じるおそれがある。
このような不具合を解消するために、本発明では、基材151および基材152は、Yカット水晶板で構成されている。図5に示すように基材151のx軸方向は、B軸方向と一致しており、y軸はA軸方向と一致しており、z軸は、C軸方向と一致している。前述したようにYカット水晶板は、x軸方向の熱膨張係数が13.4×10−6(1/K)、y軸方向の熱膨張係数が13.4×10−6(1/K)、z軸方向の熱膨張係数7.8×10−6(1/K)となっている。このため、第3の圧電体層131のB軸方向(x軸方向)の熱膨張係数と、基材151のB軸方向(x軸方向)とが、ともに13.4となる。すなわち、第3の圧電体層131のB軸方向(x軸方向)の熱膨張係数と、基材151のB軸方向(x軸方向)とが、実用上一致する。これにより、電荷出力素子10では、温度変化により、膨張または収縮した際、第3の圧電体層131と基材151とは、B軸方向の膨張率または収縮率が実用上一致することとなり、第3の圧電体層131および基材151は、温度変化によって同じだけ膨張または収縮する。よって、第3の圧電体層131に圧縮応力または引張応力が発生するのを防止または抑制される。その結果、圧縮応力または引張応力が出力電極層132、第4の圧電体層133、グランド電極層16を介して、第1の圧電体層121および第2の圧電体層123に伝達されるのを抑制または防止することができる。したがって、温度変化によって出力電極層122から電荷Qaが出力されるのを抑制または防止することができる。
As described above, when the base material 151 and the base material 152 are made of glass plates, in the charge output element, the first piezoelectric layer 121 and the second piezoelectric layer 123 have a temperature change in the peripheral portion thereof. Due to the influence of this, there is a possibility that a problem of detecting a positive charge or a negative charge may occur.
In order to solve such a problem, in the present invention, the base material 151 and the base material 152 are made of a Y-cut quartz plate. As shown in FIG. 5, the x-axis direction of the substrate 151 coincides with the B-axis direction, the y-axis coincides with the A-axis direction, and the z-axis coincides with the C-axis direction. As described above, the Y-cut quartz plate has a thermal expansion coefficient in the x-axis direction of 13.4 × 10 −6 (1 / K) and a thermal expansion coefficient in the y-axis direction of 13.4 × 10 −6 (1 / K ), The thermal expansion coefficient in the z-axis direction is 7.8 × 10 −6 (1 / K). For this reason, the thermal expansion coefficient in the B-axis direction (x-axis direction) of the third piezoelectric layer 131 and the B-axis direction (x-axis direction) of the base material 151 are both 13.4. That is, the thermal expansion coefficient in the B-axis direction (x-axis direction) of the third piezoelectric layer 131 and the B-axis direction (x-axis direction) of the base material 151 are practically coincident. As a result, when the charge output element 10 expands or contracts due to a temperature change, the third piezoelectric layer 131 and the base material 151 have practically the same expansion rate or contraction rate in the B-axis direction. The third piezoelectric layer 131 and the base material 151 expand or contract by the same amount due to a temperature change. Therefore, generation of compressive stress or tensile stress in the third piezoelectric layer 131 is prevented or suppressed. As a result, compressive stress or tensile stress is transmitted to the first piezoelectric layer 121 and the second piezoelectric layer 123 via the output electrode layer 132, the fourth piezoelectric layer 133, and the ground electrode layer 16. Can be suppressed or prevented. Therefore, the output of the charge Qa from the output electrode layer 122 due to a temperature change can be suppressed or prevented.

なお、本明細書中では、「実用上一致」とは、第3の圧電体層131のB軸方向の熱膨張係数と、基材151のB軸方向の熱膨張係数および基材152のB軸方向の熱膨張係数との差が、第3の圧電体層131のB軸方向の熱膨張係数1%以下であることを言う。
また、図5に示すように、基材152のx軸方向は、C軸方向と一致しており、y軸はA軸方向と一致しており、z軸は、A軸方向と一致している。このため、第6の圧電体層143のB軸方向(x軸方向)の熱膨張係数と、基材152のB軸方向(x軸方向)の熱膨張係数とが、ともに7.8×10−6(1/K)となる。すなわち、第6の圧電体層143のB軸方向(x軸方向)の熱膨張係数と、基材152のB軸方向(x軸方向)の熱膨張係数とは、実用上一致する。これにより、電荷出力素子10では、温度変化により、膨張または収縮した際、第6の圧電体層143と基材152とは、B軸方向の膨張率または収縮率が実用上一致することとなり、第6の圧電体層143および基材152は、温度変化によって同じだけ膨張または収縮する。よって、第6の圧電体層143に圧縮応力または引張応力が発生するのを防止または抑制される。その結果、圧縮応力または引張応力が出力電極層142、第5の圧電体層141、グランド電極層15を介して、第1の圧電体層121および第2の圧電体層123に伝達されるのを抑制または防止することができる。したがって、温度変化によって出力電極層122から電荷Qaが出力されるのを抑制または防止することができる。
In this specification, “practically coincident” means the thermal expansion coefficient of the third piezoelectric layer 131 in the B-axis direction, the thermal expansion coefficient of the base material 151 in the B-axis direction, and the base material 152 B. The difference from the thermal expansion coefficient in the axial direction is that the thermal expansion coefficient in the B-axis direction of the third piezoelectric layer 131 is 1% or less.
Further, as shown in FIG. 5, the x-axis direction of the base material 152 coincides with the C-axis direction, the y-axis coincides with the A-axis direction, and the z-axis coincides with the A-axis direction. Yes. Therefore, the thermal expansion coefficient in the B-axis direction (x-axis direction) of the sixth piezoelectric layer 143 and the thermal expansion coefficient in the B-axis direction (x-axis direction) of the base material 152 are both 7.8 × 10. -6 (1 / K). That is, the thermal expansion coefficient in the B-axis direction (x-axis direction) of the sixth piezoelectric layer 143 and the thermal expansion coefficient in the B-axis direction (x-axis direction) of the base material 152 coincide practically. As a result, when the charge output element 10 expands or contracts due to a temperature change, the sixth piezoelectric layer 143 and the base material 152 have practically the same expansion rate or contraction rate in the B-axis direction. The sixth piezoelectric layer 143 and the base material 152 expand or contract by the same amount due to a temperature change. Therefore, generation of compressive stress or tensile stress in the sixth piezoelectric layer 143 is prevented or suppressed. As a result, compressive stress or tensile stress is transmitted to the first piezoelectric layer 121 and the second piezoelectric layer 123 via the output electrode layer 142, the fifth piezoelectric layer 141, and the ground electrode layer 15. Can be suppressed or prevented. Therefore, the output of the charge Qa from the output electrode layer 122 due to a temperature change can be suppressed or prevented.

このように、電荷出力素子10では、第1の基材は、第1の圧電板、第2の圧電板および第3の圧電板のうちの第1の基材と隣在する圧電板と、B軸方向の熱膨張係数が実用上一致し、かつ、第2の基材は、第1の圧電板、第2の圧電板および第3の圧電板のうちの第2の基材と隣在する圧電板と、B軸方向の熱膨張係数が実用上一致している。このため、第1の基材および第2の基材が温度変化によって膨張または収縮する際、第1の基材および第2の基材と隣在する圧電板と、同じだけ膨張または収縮することとなる。その結果第1の基材および第2の基材と隣在する圧電板に、熱膨張によって、圧縮応力または引張応力が生じるのを抑制または防止することができる。したがって、Xカット水晶板で構成された第1の圧電板が温度変化によって電荷が出力されるのを抑制または防止することができる。
また、本発明によれば、電荷出力素子は、外力を検出する際にも、同様の原理で温度変化による電荷が出力されるのを抑制または防止することができる。このため、電荷出力素子の検出精度をより高めることができる。
Thus, in the charge output element 10, the first substrate is a piezoelectric plate adjacent to the first substrate of the first piezoelectric plate, the second piezoelectric plate, and the third piezoelectric plate, The thermal expansion coefficients in the B-axis direction are practically the same, and the second substrate is adjacent to the second substrate of the first piezoelectric plate, the second piezoelectric plate, and the third piezoelectric plate. The thermal expansion coefficient in the B-axis direction is practically the same as that of the piezoelectric plate. For this reason, when the first base material and the second base material expand or contract due to a temperature change, the first base material and the second base material and the piezoelectric plate adjacent to the second base material expand or contract by the same amount. It becomes. As a result, it is possible to suppress or prevent compressive stress or tensile stress from being generated by thermal expansion in the piezoelectric plate adjacent to the first base material and the second base material. Therefore, it is possible to suppress or prevent the first piezoelectric plate made of the X-cut quartz plate from outputting charges due to a temperature change.
In addition, according to the present invention, the charge output element can suppress or prevent the output of charge due to temperature change according to the same principle when detecting an external force. For this reason, the detection accuracy of the charge output element can be further increased.

<第2実施形態>
図6は、本発明の力検出装置(センサー素子)の第2実施形態を示す分解斜視図である。
以下、第2実施形態について、前述した第1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。
Second Embodiment
FIG. 6 is an exploded perspective view showing a second embodiment of the force detection device (sensor element) of the present invention.
Hereinafter, the second embodiment will be described with a focus on the differences from the first embodiment described above, and the description of the same matters will be omitted.

本実施形態の基材151および基材152は、Xカット水晶板で構成されている。
図6に示すように基材151のx軸方向は、A軸方向と一致しており、y軸はB軸方向と一致しており、z軸は、C軸方向と一致している。前述したようにXカット水晶板は、x軸方向の熱膨張係数が13.4×10−6(1/K)、y軸方向の熱膨張係数が13.4×10−6(1/K)、z軸方向の熱膨張係数7.8×10−6(1/K)となっている。このため、第3の圧電体層131のB軸方向(x軸方向)の熱膨張係数と、基材151のB軸方向(y軸方向)とが、ともに13.4×10−6(1/K)となる。すなわち、第3の圧電体層131のB軸方向(x軸方向)の熱膨張係数と、基材151のB軸方向(y軸方向)とが、実用上一致する。これにより、電荷出力素子10では、温度変化により、膨張または収縮した際、第3の圧電体層131と基材151とは、B軸方向の膨張率または収縮率が実用上一致することとなり、第3の圧電体層131および基材151は、温度変化によって同じだけ膨張または収縮する。よって、第3の圧電体層131に圧縮応力または引張応力が発生するのを防止または抑制される。その結果、圧縮応力または引張応力が出力電極層132、第4の圧電体層133、グランド電極層16を介して、第1の圧電体層121および第2の圧電体層123に伝達されるのを抑制または防止することができる。したがって、温度変化によって出力電極層122から電荷Qaが出力されるのを抑制または防止することができる。
The base material 151 and the base material 152 of this embodiment are comprised with the X cut quartz plate.
As shown in FIG. 6, the x-axis direction of the base material 151 coincides with the A-axis direction, the y-axis coincides with the B-axis direction, and the z-axis coincides with the C-axis direction. X-cut quartz plate, as described above, the thermal expansion coefficient of the x-axis direction 13.4 × 10 -6 (1 / K ), the thermal expansion coefficient of the y-axis direction 13.4 × 10 -6 (1 / K ), The thermal expansion coefficient in the z-axis direction is 7.8 × 10 −6 (1 / K). Therefore, the thermal expansion coefficient in the B-axis direction (x-axis direction) of the third piezoelectric layer 131 and the B-axis direction (y-axis direction) of the base material 151 are both 13.4 × 10 −6 (1 / K). That is, the thermal expansion coefficient in the B-axis direction (x-axis direction) of the third piezoelectric layer 131 and the B-axis direction (y-axis direction) of the base material 151 are practically coincident. As a result, when the charge output element 10 expands or contracts due to a temperature change, the third piezoelectric layer 131 and the base material 151 have practically the same expansion rate or contraction rate in the B-axis direction. The third piezoelectric layer 131 and the base material 151 expand or contract by the same amount due to a temperature change. Therefore, generation of compressive stress or tensile stress in the third piezoelectric layer 131 is prevented or suppressed. As a result, compressive stress or tensile stress is transmitted to the first piezoelectric layer 121 and the second piezoelectric layer 123 via the output electrode layer 132, the fourth piezoelectric layer 133, and the ground electrode layer 16. Can be suppressed or prevented. Therefore, the output of the charge Qa from the output electrode layer 122 due to a temperature change can be suppressed or prevented.

また、図6に示すように、基材152のx軸方向はA軸方向と一致しており、y軸方向はC軸方向と一致しており、z軸は、B軸方向と一致している。このため、第6の圧電体層143のB軸方向(z軸方向)の熱膨張係数と、基材152のB軸方向(z軸方向)の熱膨張係数とが、ともに7.8×10−6(1/K)となる。すなわち、第6の圧電体層143のB軸方向(z軸方向)の熱膨張係数と、基材152のB軸方向(z軸方向)の熱膨張係数とは、実用上一致する。これにより、電荷出力素子10では、温度変化により、膨張または収縮した際、第6の圧電体層143と基材152とは、B軸方向の膨張率または収縮率が実用上一致することとなり、第6の圧電体層143および基材152は、温度変化によって同じだけ膨張または収縮する。よって、第6の圧電体層143に圧縮応力または引張応力が発生するのを防止または抑制される。その結果、圧縮応力または引張応力が出力電極層142、第5の圧電体層141、グランド電極層15を介して、第1の圧電体層121および第2の圧電体層123に伝達されるのを抑制または防止することができる。したがって、温度変化によって出力電極層122から電荷Qaが出力されるのを抑制または防止することができる。 Further, as shown in FIG. 6, the x-axis direction of the base material 152 coincides with the A-axis direction, the y-axis direction coincides with the C-axis direction, and the z-axis coincides with the B-axis direction. Yes. Therefore, the thermal expansion coefficient of the sixth piezoelectric layer 143 in the B-axis direction (z-axis direction) and the thermal expansion coefficient of the base material 152 in the B-axis direction (z-axis direction) are both 7.8 × 10. -6 (1 / K). That is, the thermal expansion coefficient in the B-axis direction (z-axis direction) of the sixth piezoelectric layer 143 and the thermal expansion coefficient in the B-axis direction (z-axis direction) of the base material 152 are practically coincident. As a result, when the charge output element 10 expands or contracts due to a temperature change, the sixth piezoelectric layer 143 and the base material 152 have practically the same expansion rate or contraction rate in the B-axis direction. The sixth piezoelectric layer 143 and the base material 152 expand or contract by the same amount due to a temperature change. Therefore, generation of compressive stress or tensile stress in the sixth piezoelectric layer 143 is prevented or suppressed. As a result, compressive stress or tensile stress is transmitted to the first piezoelectric layer 121 and the second piezoelectric layer 123 via the output electrode layer 142, the fifth piezoelectric layer 141, and the ground electrode layer 15. Can be suppressed or prevented. Therefore, the output of the charge Qa from the output electrode layer 122 due to a temperature change can be suppressed or prevented.

<第3実施形態>
図7は、本発明の力検出装置(センサー素子)の第3実施形態を示す平面図、図8は、図7中のA−A線での断面図、図9は、図7に示す力検出装置を概略的に示す回路図である。
以下、第3実施形態について、前述した第1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。
<Third Embodiment>
7 is a plan view showing a third embodiment of the force detection device (sensor element) of the present invention, FIG. 8 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 7, and FIG. 9 is a force shown in FIG. It is a circuit diagram which shows a detection apparatus roughly.
Hereinafter, the third embodiment will be described with a focus on differences from the first embodiment described above, and descriptions of the same matters will be omitted.

図7および図8に示す第3実施形態の力検出装置1は、外力(モーメントを含む)を検出する機能、すなわち、6軸力(A、B、C軸方向の並進力成分(せん断力)およびA、B、C軸周りの回転力成分(モーメント))を検出する機能を有する。
図7および図8に示すように、力検出装置1は、センサーデバイス6を4つ、与圧ボルト71を4つ有している。各センサーデバイス6の位置は、特に限定されないが、本実施形態では、各センサーデバイス6、すなわち、各電荷出力素子10は、第1の基板2、第2の基板3、アナログ回路基板4の周方向に沿って、等角度間隔(90°間隔)に配置されている。これにより、偏りなく外力を検出することができる。そして、6軸力を検出することができる。また、本実施形態では、各電荷出力素子10は、全て同じ方向を向いているが、これに限定されるものではない。
The force detection device 1 of the third embodiment shown in FIGS. 7 and 8 has a function of detecting an external force (including moment), that is, a six-axis force (translation force component (shear force) in the A, B, and C axis directions). And a function of detecting a rotational force component (moment) around the A, B, and C axes.
As shown in FIGS. 7 and 8, the force detection device 1 has four sensor devices 6 and four pressurizing bolts 71. Although the position of each sensor device 6 is not particularly limited, in this embodiment, each sensor device 6, that is, each charge output element 10, is arranged around the first substrate 2, the second substrate 3, and the analog circuit substrate 4. Along the direction, they are arranged at equiangular intervals (90 ° intervals). Thereby, an external force can be detected without deviation. And a six-axis force can be detected. In the present embodiment, all the charge output elements 10 face the same direction, but the present invention is not limited to this.

また、第1の基板2には、各センサーデバイス6に対応するように、4つの凸部21が設けられている。なお、この凸部21については、第1実施形態で説明済みであるので、その説明は省略する。
なお、センサーデバイス6の数は、前記4つに限定されるものではなく、例えば、2つ、3つ、または5つ以上でもよい。但し、センサーデバイス6の数は、複数であることが好ましく、3つ以上であることがより好ましい。なお、力検出装置1は、少なくとも3つのセンサーデバイス6を有していれば、6軸力を検出可能である。センサーデバイス6が3つの場合、センサーデバイス6の数が少ないので、力検出装置1を軽量化することができる。また、センサーデバイス6が図示のように4つの場合、後述する非常に単純な演算によって6軸力を求めることができるので、演算部402を簡略化することができる。
The first substrate 2 is provided with four convex portions 21 so as to correspond to the sensor devices 6. Since the convex portion 21 has been described in the first embodiment, the description thereof is omitted.
The number of sensor devices 6 is not limited to the above four, and may be two, three, five, or more, for example. However, the number of sensor devices 6 is preferably plural, and more preferably three or more. In addition, if the force detection apparatus 1 has at least three sensor devices 6, it can detect a six-axis force. When there are three sensor devices 6, since the number of sensor devices 6 is small, the force detection apparatus 1 can be reduced in weight. Further, when there are four sensor devices 6 as shown in the figure, the 6-axis force can be obtained by a very simple calculation to be described later, so that the calculation unit 402 can be simplified.

<変換出力回路>
図9に示すように、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. 9, conversion output circuits 90a, 90b, and 90c are connected to each charge output element 10, respectively. Since each of the conversion output circuits 90a, 90b, and 90c is the same as the conversion output circuit 90 of the first embodiment described above, description thereof is omitted.

<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Va1、Va2、Va3、Va4と、各変換出力回路90bから出力される電圧Vb1、Vb2、Vb3、Vb4と、各変換出力回路90cから出力される電圧Vc1、Vc2、Vc3、Vc4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 force detection circuit 40 includes voltages Va1, Va2, Va3, Va4 output from each conversion output circuit 90a, voltages Vb1, Vb2, Vb3, Vb4 output from each conversion output circuit 90b, and each conversion output circuit 90c. Based on the output voltages Vc1, Vc2, Vc3, and Vc4, it has a function of detecting the applied external force. The external force detection circuit 40 includes an AD converter 401 connected to the conversion output circuits 90a, 90b, and 90c, and an arithmetic unit 402 connected to the AD converter 401.

ADコンバーター401は、電圧Va1、Vc1、Vb1、Va2、Vc2、Vb2、Va3、Vc3、Vb3、Va4、Vc4、Vb4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Va1、Vc1、Vb1、Va2、Vc2、Vb2、Va3、Vc3、Vb3、Va4、Vc4、Vb4は、演算部402に入力される。   The AD converter 401 has a function of converting the voltages Va1, Vc1, Vb1, Va2, Vc2, Vb2, Va3, Vc3, Vb3, Va4, Vc4, and Vb4 from analog signals to digital signals. Voltages Va 1, Vc 1, Vb 1, Va 2, Vc 2, Vb 2, Va 3, Vc 3, Vb 3, Va 4, Vc 4, Vb 4 digitally converted by the AD converter 401 are input to the arithmetic unit 402.

すなわち、第1の基板2および第2の基板3の相対位置が互いにA軸方向にずれる外力が加えられた場合、ADコンバーター401は、電圧Va1、Va2、Va3、Va4を出力する。同様に、第1の基板2および第2の基板3の相対位置が互いにC軸方向にずれる外力が加えられた場合、ADコンバーター401は、電圧Vc1、Vc2、Vc3、Vc4を出力する。また、第1の基板2および第2の基板3の相対位置が互いにB軸方向にずれる外力が加えられた場合、ADコンバーター401は、電圧Vb1、Vb2、Vb3、Vb4を出力する。
また、第1の基板2および第2の基板3は、互いにA軸周りに回転する相対変位、B軸周りに回転する相対変位、およびC軸周りに回転する相対変位が可能であり、各回転に伴う外力を電荷出力素子10に伝達することが可能である。
That is, when an external force is applied in which the relative positions of the first substrate 2 and the second substrate 3 are shifted in the A-axis direction, the AD converter 401 outputs the voltages Va1, Va2, Va3, and Va4. Similarly, when an external force is applied in which the relative positions of the first substrate 2 and the second substrate 3 are shifted in the C-axis direction, the AD converter 401 outputs voltages Vc1, Vc2, Vc3, and Vc4. Further, when an external force is applied in which the relative positions of the first substrate 2 and the second substrate 3 are shifted in the B-axis direction, the AD converter 401 outputs voltages Vb1, Vb2, Vb3, and Vb4.
Further, the first substrate 2 and the second substrate 3 are capable of relative displacement rotating around the A axis, relative displacement rotating around the B axis, and relative displacement rotating around the C axis. It is possible to transmit the external force accompanying to the charge output element 10.

演算部402は、デジタル変換された電圧Va1、Vc1、Vb1、Va2、Vc2、Vb2、Va3、Vc3、Vb3、Va4、Vc4、Vb4に基づき、A軸方向の並進力成分Fa、C軸方向の並進力成分Fc、B軸方向の並進力成分Fb、A軸周りの回転力成分Ma、C軸周りの回転力成分Mc、B軸周りの回転力成分Mbを演算する機能を有する。各力成分は、以下の式により求めることができる。   The calculation unit 402 translates the translational force component Fa in the A-axis direction and the translation in the C-axis direction based on the digitally converted voltages Va1, Vc1, Vb1, Va2, Vc2, Vb2, Va3, Vc3, Vb3, Va4, Vc4, and Vb4. It has a function of calculating a force component Fc, a translational force component Fb in the B-axis direction, a rotational force component Ma around the A axis, a rotational force component Mc around the C axis, and a rotational force component Mb around the B axis. Each force component can be obtained by the following equation.

Fa=Va1+Va2+Va3+Va4
Fc=Vc1+Vc2+Vc3+Vc4
Fb=Vb1+Vb2+Vb3+Vb4
Ma=k×(Vb4−Vb2)
Mc=j×(Vb3−Vb1)
Mb=k×(Va2−Va4)+a×(Vc1−Vc3)
ここで、j、kは定数である。
Fa = Va1 + Va2 + Va3 + Va4
Fc = Vc1 + Vc2 + Vc3 + Vc4
Fb = Vb1 + Vb2 + Vb3 + Vb4
Ma = k × (Vb4-Vb2)
Mc = j × (Vb3−Vb1)
Mb = k × (Va2−Va4) + a × (Vc1−Vc3)
Here, j and k are constants.

このように、力検出装置1は、6軸力を検出することができる。
なお、演算部402は、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を行うようになっていてもよい。
また、図7および図8に示すように、第1の基板2と、第2の基板3とは、4つの与圧ボルト71により、固定されている。なお、与圧ボルト71の数は、4つに限定されず、例えば、2つ、3つ、または、5つ以上であってもよい。
Thus, the force detection device 1 can detect six-axis forces.
Note that the arithmetic unit 402 may perform, for example, correction that eliminates the difference in sensitivity between the conversion output circuits 90a, 90b, and 90c.
As shown in FIGS. 7 and 8, the first substrate 2 and the second substrate 3 are fixed by four pressurizing bolts 71. The number of pressurizing bolts 71 is not limited to four, and may be two, three, five, or more, for example.

また、各与圧ボルト71の位置は、特に限定されないが、本実施形態では、各与圧ボルト71は、第1の基板2、第2の基板3、アナログ回路基板4、デジタル回路基板5の周方向に沿って、等角度間隔(90°間隔)に配置されている。これにより、第1の基板2と第2の基板3とをバランス良く固定することができ、また、各電荷出力素子10にバランス良く与圧を加えることができる。
この力検出装置1によれば、前述した第1実施形態と同様の効果が得られる。
Further, the position of each pressurizing bolt 71 is not particularly limited, but in the present embodiment, each pressurizing bolt 71 is located on the first board 2, the second board 3, the analog circuit board 4, or the digital circuit board 5. They are arranged at equiangular intervals (90 ° intervals) along the circumferential direction. As a result, the first substrate 2 and the second substrate 3 can be fixed with good balance, and pressure can be applied to each charge output element 10 with good balance.
According to the force detection device 1, the same effect as that of the first embodiment described above can be obtained.

<単腕ロボットの実施形態>
次に、図10に基づき、本発明の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10は、本発明の力検出装置(センサー素子)を用いた単腕ロボットの1例を示す図である。図10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530と、アーム520とエンドエフェクタ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, based on FIG. 10, a single-arm robot which is an embodiment of the robot of the present invention will be described. 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. 10 is a diagram showing an example of a single-arm robot using the force detection device (sensor element) of the present invention. A single-arm robot 500 in FIG. 10 includes a base 510, an arm 520, an end effector 530 provided on the distal end side of the arm 520, and a force detection device 1 provided between the arm 520 and the end effector 530. Have In addition, as the force detection apparatus 1, the thing similar to each embodiment mentioned above is used.

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 base 510 has a function of accommodating an actuator (not shown) that generates power for rotating the arm 520, a control unit (not shown) that controls the actuator, and the like. The base 510 is fixed on, for example, a floor, a wall, a ceiling, or a movable carriage.
The arm 520 includes a first arm element 521, a second arm element 522, a third arm element 523, a fourth arm element 524, and a fifth arm element 525, and rotates adjacent arms. It is configured by linking freely. The arm 520 is driven by being rotated or bent in a compound manner around the connecting portion of each arm element under the control of the control unit.

エンドエフェクタ530は、対象物を把持する機能を有する。エンドエフェクタ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についても同様である。
The end effector 530 has a function of gripping an object. The end effector 530 has a first finger 531 and a second finger 532. After the end effector 530 reaches the predetermined operating position by driving the arm 520, the object can be gripped by adjusting the distance between the first finger 531 and the second finger 532.
The end effector 530 is a hand here, but the present invention is not limited to this. Other examples of the end effector include, for example, a component inspection device, a component transport device, a component processing device, a component assembly device, and a measuring instrument. The same applies to the end effectors in other embodiments.

力検出装置1は、エンドエフェクタ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 force detection device 1 has a function of detecting an external force applied to the end effector 530. By feeding back the force detected by the force detection device 1 to the control unit of the base 510, the single-arm robot 500 can perform more precise work. Further, the single arm robot 500 can detect contact of the end effector 530 with an obstacle or the like by the force detected by the force detection device 1. Therefore, an obstacle avoidance operation, an object damage avoidance operation, and the like, which are difficult with conventional position control, can be easily performed, and the single-arm robot 500 can perform work more safely.
In the illustrated configuration, the arm 520 includes a total of five arm elements, but the present invention is not limited to this. When the arm 520 is constituted by one arm element, when constituted by 2 to 4 arm elements, and when constituted by 6 or more arm elements, it is within the scope of the present invention. .

<複腕ロボットの実施形態>
次に、図11に基づき、本発明の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、前述した第1、第2、第3および第4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11は、本発明の力検出装置(センサー素子)を用いた複腕ロボットの1例を示す図である。図11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640bと、第1のアーム620と第1のエンドエフェクタ640a間および第2のアーム630と第2のエンドエフェクタ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. 11, a multi-arm robot which is an embodiment of the robot of the present invention will be described. Hereinafter, the present embodiment will be described with a focus on differences from the first, second, third, and fourth embodiments described above, and description of similar matters will be omitted.
FIG. 11 is a diagram showing an example of a multi-arm robot using the force detection device (sensor element) of the present invention. The multi-arm robot 600 of FIG. 11 includes a base 610, a first arm 620, a second arm 630, a first end effector 640a provided on the distal end side of the first arm 620, and a second A second end effector 640b provided on the distal end side of the arm 630, and between the first arm 620 and the first end effector 640a and between the second arm 630 and the second end effector 640b. A force detection device 1 is provided. In addition, as the force detection apparatus 1, the thing similar to each embodiment mentioned above is used.

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1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2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 base 610 has a function of accommodating an actuator (not shown) that generates power for rotating the first arm 620 and the second arm 630, a control unit (not shown) that controls the actuator, and the like. Have. The base 610 is fixed on, for example, a floor, a wall, a ceiling, or a movable carriage.
The first arm 620 is configured by rotatably connecting the first arm element 621 and the first arm element 622. The second arm 630 is configured by rotatably connecting the second arm element 631 and the second arm element 632. The first arm 620 and the second arm 630 are driven by being complexly rotated or bent around the connecting portion of each arm element under the control of the control unit.

第1、第2のエンドエフェクタ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 second end effectors 640a and 640b have a function of gripping an object. The first end effector 640a has a first finger 641a and a second finger 642a. The second end effector 640b has a first finger 641b and a second finger 642b. After the first end effector 640a reaches a predetermined operating position by driving the first arm 620, the object is grasped by adjusting the distance between the first finger 641a and the second finger 642a. Can do. Similarly, after the second end effector 640b reaches a predetermined operation position by driving the second arm 630, the distance between the first finger 641b and the second finger 642b is adjusted to thereby adjust the object. It can be gripped.

力検出装置1は第1、第2のエンドエフェクタ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 force detection device 1 has a function of detecting an external force applied to the first and second end effectors 640a and 640b. By feeding back the force detected by the force detection device 1 to the control unit of the base 610, the multi-arm robot 600 can perform the operation more precisely. The multi-arm robot 600 can detect contact of the first and second end effectors 640a and 640b with an obstacle by the force detected by the force detection device 1. Therefore, an obstacle avoidance operation, an object damage avoidance operation, and the like that have been difficult with conventional position control can be easily performed, and the multi-arm robot 600 can perform the operation more safely.
In the illustrated configuration, there are a total of two arms, but the present invention is not limited to this. The case where the multi-arm robot 600 has three or more arms is also within the scope of the present invention.

<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12、図13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12は、本発明の力検出装置(センサー素子)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13は、本発明の力検出装置(センサー素子)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. 12 and FIG. 13, an electronic component inspection apparatus and an electronic component transport apparatus that are embodiments of the present invention will be described. 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. 12 is a diagram showing an example of an electronic component inspection device and a component conveying device using the force detection device (sensor element) of the present invention. FIG. 13 is a diagram showing an example of an electronic component transport apparatus using the force detection device (sensor element) of the present invention.

図12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。   An electronic component inspection apparatus 700 in FIG. 12 includes a base 710 and a support base 720 provided upright on the side surface of the base 710. On the upper surface of the base 710, an upstream stage 712u on which the electronic component 711 to be inspected is placed and transported, and a downstream stage 712d on which the inspected electronic component 711 is placed and transported are provided. ing. Further, between the upstream stage 712u and the downstream stage 712d, an imaging device 713 for confirming the posture of the electronic component 711, and an inspection table 714 on which the electronic component 711 is set for inspecting electrical characteristics. And are provided. Examples of the electronic component 711 include semiconductors, semiconductor wafers, display devices such as CLD and OLED, crystal devices, various sensors, inkjet heads, various MEMS devices, and the like.

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(B)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(C)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(A)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 support stage 720 is provided with a Y stage 731 that can move in a direction (Y (B) direction) parallel to the upstream stage 712u and the downstream stage 712d of the base 710. The arm portion 732 extends in the direction toward the base 710 (X (C) direction). An X stage 733 is provided on the side surface of the arm 732 so as to be movable in the X direction. The X stage 733 is provided with an imaging camera 734 and an electronic component transfer device 740 incorporating a Z stage movable in the vertical direction (Z (A) direction). In addition, a gripping portion 741 that grips the electronic component 711 is provided on the front end side of the electronic component transport apparatus 740. In addition, the force detection device 1 is provided between the tip of the electronic component transport device 740 and the grip portion 741. Further, on the front side of the base 710, a control device 750 for controlling the overall operation of the electronic component inspection device 700 is provided. In addition, as the force detection apparatus 1, the thing similar to each embodiment mentioned above is used.

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 component inspection apparatus 700 inspects the electronic component 711 as follows. First, the electronic component 711 to be inspected is placed on the upstream stage 712u and moved to the vicinity of the inspection table 714. Next, the Y stage 731 and the X stage 733 are moved to move the electronic component transport device 740 to a position immediately above the electronic component 711 placed on the upstream stage 712u. At this time, the position of the electronic component 711 can be confirmed using the imaging camera 734. Then, when the electronic component transport device 740 is lowered using the Z stage built in the electronic component transport device 740 and the electronic component 711 is gripped by the gripping portion 741, the electronic component transport device 740 is directly placed on the imaging device 713. The position of the electronic component 711 is confirmed using the imaging device 713. Next, the attitude of the electronic component 711 is adjusted using a fine adjustment mechanism built in the electronic component transport apparatus 740. Then, after moving the electronic component transport device 740 to above the inspection table 714, the Z stage built in the electronic component transport device 740 is moved to set the electronic component 711 on the inspection table 714. Since the attitude of the electronic component 711 is adjusted using the fine adjustment mechanism in the electronic component conveying apparatus 740, the electronic component 711 can be set at the correct position on the inspection table 714. Next, after the electrical characteristic inspection of the electronic component 711 is completed using the inspection table 714, the electronic component 711 is picked up from the inspection table 714, the Y stage 731 and the X stage 733 are moved, and the upper stage 712d is moved. The electronic component conveying device 740 is moved to the position, and the electronic component 711 is placed on the downstream stage 712d. Finally, the downstream stage 712d is moved to transport the electronic component 711 that has been inspected to a predetermined position.

図13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軸力検出装置1と、6軸力検出装置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. 13 is a diagram illustrating an electronic component transport device 740 including the force detection device 1. The electronic component transport device 740 includes a gripping portion 741, a six-axis force detection device 1 connected to the gripping portion 741, a rotation shaft 742 connected to the gripping portion 741 via the six-axis force detection device 1, and a rotation shaft. A fine adjustment plate 743 is rotatably attached to 742. The fine adjustment plate 743 is movable in the X direction and the Y direction while being guided by a guide mechanism (not shown).

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 rotation shaft 742, and a driving convex portion (not shown) of the piezoelectric motor 744θ is pressed against the end surface of the rotation shaft 742. Therefore, by operating the piezoelectric motor 744θ, the rotation shaft 742 (and the gripping portion 741) can be rotated by an arbitrary angle in the θ direction. Further, a piezoelectric motor 744 x for X direction and a piezoelectric motor 744 y for Y direction are provided toward the fine adjustment plate 743, and each drive convex portion (not shown) is a surface of the fine adjustment plate 743. It is pressed against. For this reason, by operating the piezoelectric motor 744x, the fine adjustment plate 743 (and the gripper 741) can be moved by an arbitrary distance in the X direction. Similarly, the fine adjustment can be performed by operating the piezoelectric motor 744y. The plate 743 (and the gripping portion 741) can be moved by an arbitrary distance in the Y direction.

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 force detection device 1 has a function of detecting an external force applied to the grip portion 741. By feeding back the force detected by the force detection device 1 to the control device 750, the electronic component transport device 740 and the electronic component inspection device 700 can perform work more precisely. Further, the contact of the gripping portion 741 with an obstacle can be detected by the force detected by the force detection device 1. Therefore, an obstacle avoidance operation, an object damage avoidance operation, and the like that were difficult with conventional position control can be easily performed, and the electronic component transport device 740 and the electronic component inspection device 700 can perform safer work. is there.

<部品加工装置の実施形態>
次に、図14に基づき、本発明の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14は、本発明の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14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 the component processing apparatus of 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. 14 is a diagram showing an example of a component processing apparatus using the force detection device of the present invention. The component processing apparatus 800 of FIG. 14 is attached to a base 810, a support column 820 that is erected on the upper surface of the base 810, a feed mechanism 830 that is provided on a side surface of the support column 820, and a feed mechanism 830 that can be moved up and down. A tool displacement unit 840, a force detection device 1 connected to the tool displacement unit 840, and a tool 850 attached to the tool displacement unit 840 via the force detection device 1. In addition, as the force detection apparatus 1, the thing similar to each embodiment mentioned above is used.

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、錐、ドリル、フライス等である。   The base 810 is a base for mounting and fixing the workpiece 860. The column 820 is a column for fixing the feed mechanism 830. The feed mechanism 830 has a function of moving the tool displacement portion 840 up and down. The feed mechanism 830 includes a feed motor 831 and a guide 832 that raises and lowers the tool displacement portion 840 based on an output from the feed motor 831. The tool displacement unit 840 has a function of imparting displacement such as rotation and vibration to the tool 850. The tool displacement portion 840 includes a displacement motor 841, a tool attachment portion 843 provided at the tip of a main shaft (not shown) connected to the displacement motor 841, and a holder attached to the tool displacement portion 840 and holding the main shaft. Part 842. The tool 850 is attached to the tool attachment portion 843 of the tool displacement portion 840 via the force detection device 1 and is used for machining the workpiece 860 in accordance with the displacement given from the tool displacement portion 840. The tool 850 is not particularly limited, and is, for example, a wrench, a Phillips screwdriver, a flat-blade screwdriver, a cutter, a circular saw, a nipper, a cone, a drill, or a milling cutter.

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 force detection device 1 has a function of detecting an external force applied to the tool 850. By feeding back the external force detected by the force detection device 1 to the feed motor 831 and the displacement motor 841, the component processing device 800 can execute the component processing operation more precisely. Further, the contact of the tool 850 with an obstacle or the like can be detected by the external force detected by the force detection device 1. Therefore, an emergency stop can be performed when an obstacle or the like comes in contact with the tool 850, and the component processing apparatus 800 can execute a safer component processing operation.

<移動体の実施形態>
次に、図15に基づき、本発明の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15は、本発明の力検出装置を用いた移動体の1例を示す図である。図15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 of 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. 15 is a diagram showing an example of a moving object using the force detection device of the present invention. The moving body 900 of FIG. 15 can move by the applied power. The moving body 900 is not particularly limited, and is, for example, a vehicle such as an automobile, a motorcycle, an airplane, a ship, or a train, a robot such as a bipedal walking robot, or a wheeled robot.

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 body 900 detects a main body 910 (e.g., a vehicle casing, a robot main body, etc.), a power unit 920 that supplies power for moving the main body 910, and an external force generated by the movement of the main body 910. The force detection device 1 of the present invention and a control unit 930 are provided. In addition, as the force detection apparatus 1, the thing similar to each embodiment mentioned above is used.
When the main body 910 is moved by the power supplied from the power unit 920, vibration, acceleration, and the like are generated with the movement. The force detection device 1 detects an external force caused by vibration, acceleration, or the like that occurs with movement. The external force detected by the force detection device 1 is transmitted to the control unit 930. The control unit 930 can execute control such as posture control, vibration control, and acceleration control by controlling the power unit 920 and the like according to the external force transmitted from the force detection device 1.

以上、本発明のセンサー素子、力検出装置、ロボット、電子部品搬送装置、電子部品検査装置および部品加工装置を、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、前記実施形態のうちの、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。
The sensor element, the force detection device, the robot, the electronic component transport device, the electronic component inspection device, and the component processing device of the present invention have been described based on the illustrated embodiments. However, the present invention is not limited to this. Instead, the configuration of each part can be replaced with any configuration having the same function. In addition, any other component may be added to the present invention.
In addition, the present invention may be a combination of any two or more configurations (features) of the embodiment.

また、本発明では、パッケージが省略されていてもよい。
また、本発明では、素子は、第1の基板の平面視で、第1の凸部からはみ出していてもよい。
また、本発明では、素子は、第1の基板の平面視で、第2の凸部からはみ出していてもよい。
In the present invention, the package may be omitted.
In the present invention, the element may protrude from the first convex portion in a plan view of the first substrate.
In the present invention, the element may protrude from the second convex portion in a plan view of the first substrate.

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(センサー素子)は、ロボット、電子部品搬送装置、電子部品検査装置および部品加工装置に限らず、他の装置、例えば、他の搬送装置、他の検査装置、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。
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.
Further, the force detection device (sensor element) of the present invention is not limited to a robot, an electronic component transfer device, an electronic component inspection device, and a component processing device, but other devices such as other transfer devices, other inspection devices, vibrations. It can also be applied to measuring devices such as gauges, accelerometers, gravimeters, dynamometers, seismometers, inclinometers, and input devices.

1…力検出装置 2…第1の基板 21…凸部 211…上面 25…雌ネジ 3…第2の基板 35…孔 36…下面 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、42…孔 5…デジタル回路基板 51、52…孔 6…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 63…端子 71…与圧ボルト 715…頭部 716…雄ネジ 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、15、16、17…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 151…第1の基材 152…第2の基材 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 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 641a…第1の指 642a…第2の指 640b…第2のエンドエフェクタ 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   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Force detection apparatus 2 ... 1st board | substrate 21 ... Protruding part 211 ... Upper surface 25 ... Female screw 3 ... 2nd board | substrate 35 ... Hole 36 ... Lower surface 4 ... Analog circuit board 40 ... External force detection circuit 401 ... AD converter 402 ... Arithmetic unit 41, 42 ... hole 5 ... digital circuit board 51, 52 ... hole 6 ... sensor device 60 ... package 61 ... base 611 ... concave part 62 ... lid body 625 ... central part 626 ... outer peripheral part 63 ... terminal 71 ... pressure bolt 715: Head 716: Male screw 90a, 90b, 90c ... Conversion output circuit 91 ... Operational amplifier 92 ... Capacitor 93 ... Switching element 10 ... Charge output element 11, 15, 16, 17 ... Ground electrode layer 12 ... First sensor 121 ... first piezoelectric layer 122 ... output electrode layer 123 ... second piezoelectric layer 13 ... second sensor DESCRIPTION OF SYMBOLS 31 ... 3rd piezoelectric material layer 132 ... Output electrode layer 133 ... 4th piezoelectric material layer 14 ... 3rd sensor 141 ... 5th piezoelectric material layer 142 ... Output electrode layer 143 ... 6th piezoelectric material layer 151 ... 1st base material 152 ... 2nd base material 500 ... single arm robot 510 ... base 520 ... arm 521 ... 1st arm element 522 ... 2nd arm element 523 ... 3rd arm element 524 ... 4th Arm element 525 ... Fifth arm element 530 ... End effector 531 ... First finger 532 ... Second finger 600 ... Multi-arm robot 610 ... Base 620 ... First arm 621 ... First arm element 622 ... First 2nd arm element 630 ... 2nd arm 631 ... 1st arm element 632 ... 2nd arm element 640a ... 1st end effector 641a ... 1st finger 642a ... Second finger 640b ... Second end effector 641b ... First finger 642b ... Second finger 700 ... Electronic component inspection device 710 ... Base 711 ... Electronic component 712u ... Upstream stage 712d ... Downstream stage 713 ... Imaging device 714 ... Inspection table 720 ... Support table 731 ... Y stage 732 ... Arm part 733 ... X stage 734 ... Imaging camera 740 ... Electronic component transfer device 741 ... Gripping part 742 ... Rotating shaft 743 ... Fine adjustment plate 744x, 744y, 744θ ... Piezoelectric motor 750 ... Control device 800 ... Part processing device 810 ... Base 820 ... Post 830 ... Feed mechanism 831 ... Feeding motor 832 ... Guide 840 ... Tool displacement portion 841 ... Displacement motor 842 ... Holding portion 843 ... Tool attachment portion 850 ... Tool 860 ... Work piece 9 00 ... Moving body 910 ... Main body 920 ... Power unit 930 ... Control unit

Claims (10)

互いに直交する3軸をA軸、B軸およびC軸としたとき、
水晶板で構成され、前記A軸方向の外力に応じて電荷を出力する少なくとも1枚の第1の圧電板と、
水晶板で構成され、前記B軸方向の外力に応じて電荷を出力する少なくとも1枚の第2の圧電板と、
水晶板で構成され、前記C軸方向の外力に応じて電荷を出力する少なくとも1枚の第3の圧電板と、を有し、
第1の基材を積層される外端の基材として、前記第1の基材、前記第1の圧電板、前記第2の圧電板、前記第3の圧電板、第2の基材の順に、厚み方向がA軸となるように積層させ、
前記B軸方向の熱膨張係数において、前記第1の基材は、前記第1の圧電板と実用上一致するように設けられ、
前記B軸方向の熱膨張係数において、前記第2の基材は、前記第3の圧電板と実用上一致するように設けられていることを特徴とするセンサー素子。
When the three axes orthogonal to each other are the A axis, B axis and C axis,
A quartz plate and at least one first piezoelectric plate that outputs an electric charge according to the external force in the A-axis direction;
At least one second piezoelectric plate configured of a quartz plate and outputting an electric charge according to the external force in the B-axis direction;
A quartz plate, and at least one third piezoelectric plate that outputs an electric charge according to the external force in the C-axis direction,
As the base material of the outer end on which the first base material is laminated, the first base material, the first piezoelectric plate, the second piezoelectric plate, the third piezoelectric plate, and the second base material In order, it is laminated so that the thickness direction is the A axis,
In the thermal expansion coefficient in the B-axis direction, the first base material is provided so as to practically coincide with the first piezoelectric plate,
The sensor element, wherein the second base material is provided so as to practically coincide with the third piezoelectric plate in a thermal expansion coefficient in the B-axis direction.
前記第1の圧電板は、Xカット水晶であり、前記第2の水晶板と前記第3の水晶板はYカット水晶板である請求項1に記載のセンサー素子。   2. The sensor element according to claim 1, wherein the first piezoelectric plate is an X-cut crystal plate, and the second crystal plate and the third crystal plate are Y-cut crystal plates. 前記第1の基材および前記第2の基材は、Xカット水晶板またはYカット水晶板で構成されている請求項1または2に記載のセンサー素子。   The sensor element according to claim 1, wherein the first base material and the second base material are configured by an X-cut quartz plate or a Y-cut quartz plate. 前記第1の圧電板、前記第2の圧電板および前記第3の圧電板は、それぞれ複数枚ずつ積層されている請求項1ないし3のいずれか1項に記載のセンサー素子。   4. The sensor element according to claim 1, wherein a plurality of each of the first piezoelectric plate, the second piezoelectric plate, and the third piezoelectric plate are stacked. 5. 互いに直交する3軸をA軸、B軸およびC軸としたとき、
水晶板で構成され、前記A軸方向の外力に応じて電荷を出力する少なくとも1枚の第1の圧電板と、
水晶板で構成され、前記B軸方向の外力に応じて電荷を出力する少なくとも1枚の第2の圧電板と、
水晶板で構成され、前記C軸方向の外力に応じて電荷を出力する少なくとも1枚の第3の圧電板と、を有し、
第1の基材を積層される外端の基材として、前記第1の基材、前記第1の圧電板、前記第2の圧電板、前記第3の圧電板、第2の基材の順に、厚み方向がA軸となるように積層させ、
前記B軸方向の熱膨張係数において、前記第1の基材が、前記第1の圧電板と実用上一致するように設けられ、
前記B軸方向の熱膨張係数において、前記第2の基材が、前記第3の圧電板と実用上一致するように設けられているセンサー素子と、
前記センサー素子から出力された電圧に基づいて、前記外力を検出する外力検出回路とを備えていることを特徴とする力検出装置。
When the three axes orthogonal to each other are the A axis, B axis and C axis,
A quartz plate and at least one first piezoelectric plate that outputs an electric charge according to the external force in the A-axis direction;
At least one second piezoelectric plate configured of a quartz plate and outputting an electric charge according to the external force in the B-axis direction;
A quartz plate, and at least one third piezoelectric plate that outputs an electric charge according to the external force in the C-axis direction,
As the base material of the outer end on which the first base material is laminated, the first base material, the first piezoelectric plate, the second piezoelectric plate, the third piezoelectric plate, and the second base material In order, it is laminated so that the thickness direction is the A axis,
In the thermal expansion coefficient in the B-axis direction, the first base material is provided so as to practically coincide with the first piezoelectric plate,
A sensor element provided so that the second base material is practically coincident with the third piezoelectric plate at a thermal expansion coefficient in the B-axis direction;
An external force detection circuit that detects the external force based on a voltage output from the sensor element.
前記センサー素子は、4つ以上設けられている請求項5に記載の力検出装置。   The force detection device according to claim 5, wherein four or more sensor elements are provided. アームを複数有し、前記複数のアームの隣り合う前記アーム同士を回動自在に連結してなる少なくとも1つのアーム連結体と、
前記アーム連結体の先端側に設けられたエンドエフェクタと、
前記アーム連結体と前記エンドエフェクタとの間に設けられ、前記エンドエフェクタに加えられる外力を検出する請求項5または6に記載の前記力検出装置とを備えていることを特徴とするロボット。
A plurality of arms, and at least one arm connecting body formed by rotatably connecting the adjacent arms of the plurality of arms;
An end effector provided on a distal end side of the arm coupling body;
The robot provided with the said force detection apparatus of Claim 5 or 6 which is provided between the said arm coupling body and the said end effector, and detects the external force applied to the said end effector.
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請求項5または6に記載の前記力検出装置とを備え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;
An electronic component conveying device comprising: the force detecting device according to claim 5 or 6 that detects an external force applied to the grip portion.
電子部品を把持する把持部と、
前記電子部品を検査する検査部と、
前記把持部に加えられる外力を検出する請求項5または6に記載の前記力検出装置とを備えていることを特徴とする電子部品検査装置。
A gripper for gripping electronic components;
An inspection unit for inspecting the electronic component;
An electronic component inspection device comprising: the force detection device according to claim 5 or 6 that detects an external force applied to the grip portion.
工具を装着し、前記工具を変位させる工具変位部と、
前記工具に加えられる外力を検出する請求項5または6に記載の前記力検出装置とを備えていることを特徴とする部品加工装置。
A tool displacing part for mounting the tool and displacing the tool;
The component processing apparatus comprising: the force detection device according to claim 5 or 6 that detects an external force applied to the tool.
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