JP6183161B2 - 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 - Google Patents
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 Download PDFInfo
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Description
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。
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。
(適用例1)
本発明のセンサー素子は、Xカット板と、
前記Xカット板の結晶軸zと第1のYカット板の結晶軸xとが直交するように配置された前記第1のYカット板と、
前記第1のYカット板の前記結晶軸xと第2のYカット板の結晶軸xとが直交するように配置された前記第2のYカット板と、
前記カット板の間に設けられた内部電極層を含む複数の電極層とを備える積層体であって、前記積層体の厚さ方向に沿った側面を備える積層体と、
前記積層体の側面に設けられ、各前記内部電極層に接続された側面端子を含む複数の側面端子とを有し、
前記複数の側面端子を、前記Xカット板の前記結晶軸zを法線とする前記側面に設けたことを特徴とする。
これにより、各側面端子が熱変形(熱膨張または熱収縮)した場合でも、Xカット板の圧電効果に影響を与えることがなく、外力として不要な検出を行うのを防止または抑制すること、すなわち、検出精度をより高めることができる。
本発明のセンサー素子では、各前記側面端子は、前記積層体の厚さ方向の複数の内部電極を接続しているのが好ましい。
これにより、複数の内部電極と電気的な接続が一括して可能となる。
(適用例3)
本発明のセンサー素子では、前記積層体の前記側面は、2対の対向する対向面を備え、
一方の前記対向面に設けられた側面端子の数と、他方の前記対向面に設けられた側面端子の数とが等しいのが好ましい。
これにより、センサー素子の側面端子の配設方向における機械的強度のバラつきを低減することができる。その結果、各側面端子が熱変形しても、積層体に捻じり等が生ずるのを効果的に防止または低減することができる。
本発明のセンサー素子では、前記複数の側面端子は、前記Xカット板で生じた電荷を出力する第1の側面端子と、前記第1のYカット板で生じた電荷を出力する第2の側面端子と、前記第2のYカット板で生じた電荷を出力する第3の側面端子と、前記積層体を接地する第4の側面端子とで構成され、2対の対向面のうちの1対の対向面において、2つ側面端子が一方の対向面に設けられ、2つの側面端子が他方の対向面に設けられているのが好ましい。
これにより、センサー素子の側面端子の配設方向における機械的強度のバラつきをより確実に低減することができる。
本発明のセンサー素子では、前記Xカット板は、前記第1のYカット板と前記第2のYカット板との間に設けられているのが好ましい。
これにより、厚さ方向に沿って加えられた(受けた)外力(圧縮/引張力)をより高感度で検出することができる。
本発明のセンサー素子では、前記積層体は、前記Xカット板、前記第1のYカット板および前記第2のYカット板を、それぞれ複数枚含むのが好ましい。
これにより、出力される電荷をより多くすることで、センサー素子の検出精度の向上を図ることができる。
本発明のセンサー素子は、Xカット板と、前記Xカット板の結晶軸yと結晶軸zが直交するように配置された第1のYカット板と、前記第1のYカット板の前記結晶軸zと結晶軸zが直交するように配置された第2のYカット板と、前記カット板同士の間に設けられた内部電極層を含む複数の電極層とを備える積層体であって、その厚さ方向に沿った側面を備える積層体と、
前記積層体の側面に設けられ、各前記電極層に接続された側面端子を含む複数の側面端子とを有し、
前記複数の側面端子を、前記Xカット板の前記結晶軸yを法線とする面以外の領域に設けたことを特徴とする。
これにより、各側面端子が熱変形(熱膨張または熱収縮)した場合でも、Xカット板の圧電効果に影響を与えることがなく、外力として不要な検出を行うのを防止または抑制すること、すなわち、検出精度をより高めることができる。
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、
前記A軸方向に沿った外力に応じて電荷を出力するXカット板と、前記B軸方向に沿った外力に応じて電荷を出力する第1のYカット板と、前記1のYカット板に対して、その厚さ方向の軸回りに90°回転した状態で配置され、前記C軸方向に沿った外力に応じて電荷を出力する第2のYカット板と、前記カット板同士の間に設けられた内部電極層を含む複数の電極層とを備える積層体であって、前記積層体の厚さ方向に沿った側面を備える積層体と、
前記積層体の側面に設けられ、各前記内部電極層に接続された側面端子を含む複数の側面端子とを有し、
前記複数の側面端子のうちの前記Xカット板に接触する前記側面端子を、その熱変形により前記Xカット板の前記C軸方向に沿って加えられる外力より前記B軸方向に沿って加えられる外力が小さくなるような領域に設けたことを特徴とする。
これにより、各側面端子が熱変形(熱膨張または熱収縮)した場合でも、Xカット板の圧電効果に影響を与えることがなく、外力として不要な検出を行うのを防止または抑制すること、すなわち、検出精度をより高めることができる。
本発明の力検出装置は、Xカット板と、前記Xカット板の結晶軸zと結晶軸xが直交するように配置された第1のYカット板と、前記第1のYカット板の前記結晶軸xと結晶軸xが直交するように配置された第2のYカット板と、前記カット板同士の間に設けられた内部電極層を含む複数の電極層とを備える積層体であって、前記積層体の厚さ方向に沿った側面を備える積層体と、
前記積層体の側面に設けられ、各前記内部電極層に接続された側面端子を含む複数の側面端子とを有し、
前記複数の側面端子を、前記Xカット板の前記結晶軸zを法線とする前記側面に設けた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。
(適用例10)
本発明の力検出装置では、前記センサー素子は、3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3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。
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ーと、
前記アーム連結体と前記エンドエフェクターとの間に設けられ、前記エンドエフェクターに加えられる外力を検出する力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、Xカット板と、
前記Xカット板の結晶軸zと第1のYカット板の結晶軸xとが直交するように配置された前記第1のYカット板と、
前記第1のYカット板の前記結晶軸xと第2のYカット板の結晶軸xとが直交するように配置された前記第2のYカット板と、
前記カット板の間に設けられた内部電極層を含む複数の電極層とを備える積層体であって、前記積層体の厚さ方向に沿った側面を備える積層体と、
前記積層体の側面に設けられ、各前記内部電極層に接続された側面端子を含む複数の側面端子とを有し、
前記複数の側面端子を、前記Xカット板の前記結晶軸zを法線とする前記側面に設けた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。
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力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、Xカット板と、
前記Xカット板の結晶軸zと第1のYカット板の結晶軸xとが直交するように配置された前記第1のYカット板と、
前記第1のYカット板の前記結晶軸xと第2のYカット板の結晶軸xとが直交するように配置された前記第2のYカット板と、
前記カット板の間に設けられた内部電極層を含む複数の電極層とを備える積層体であって、前記積層体の厚さ方向に沿った側面を備える積層体と、
前記積層体の側面に設けられ、各前記内部電極層に接続された側面端子を含む複数の側面端子とを有し、
前記複数の側面端子を、前記Xカット板の前記結晶軸zを法線とする前記側面に設けた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。
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力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、Xカット板と、
前記Xカット板の結晶軸zと第1のYカット板の結晶軸xとが直交するように配置された前記第1のYカット板と、
前記第1のYカット板の前記結晶軸xと第2のYカット板の結晶軸xとが直交するように配置された前記第2のYカット板と、
前記カット板の間に設けられた内部電極層を含む複数の電極層とを備える積層体であって、前記積層体の厚さ方向に沿った側面を備える積層体と、
前記積層体の側面に設けられ、各前記内部電極層に接続された側面端子を含む複数の側面端子とを有し、
前記複数の側面端子を、前記Xカット板の前記結晶軸zを法線とする前記側面に設けた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。
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力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、Xカット板と、
前記Xカット板の結晶軸zと第1のYカット板の結晶軸xとが直交するように配置された前記第1のYカット板と、
前記第1のYカット板の前記結晶軸xと第2のYカット板の結晶軸xとが直交するように配置された前記第2のYカット板と、
前記カット板の間に設けられた内部電極層を含む複数の電極層とを備える積層体であって、前記積層体の厚さ方向に沿った側面を備える積層体と、
前記積層体の側面に設けられ、各前記内部電極層に接続された側面端子を含む複数の側面端子とを有し、
前記複数の側面端子を、前記Xカット板の前記結晶軸zを法線とする前記側面に設けた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。
<第1実施形態>
図1は、本発明に係る力検出装置(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、Xカット板の結晶軸zの負方向から見たときの単位格子の状態を示す概念図((a)外力を付与しない自然状態、(b)A軸方向に圧縮力が加えられた状態、(c)A軸方向に引張力が加えられた状態)、図6は、Yカット板の結晶軸zの正方向から見たときの単位格子の状態を示す概念図((a)自然状態、(b)B軸の正方向に外力が加えられた状態、(c)B軸の負方向に外力が加えられた状態)、図7は、側面端子の配置状態を示す電荷出力素子の展開図、図8は、電極層の形状をおよび側面端子との関係を示す概念図、図9は、Yカット板の結晶軸zの正方向から見たときの単位格子の状態を示す概念図((a)自然状態、(b)B軸方向に圧縮力が加えられた状態)、図10および図11は、側面端子の他の配置状態を示す電荷出力素子の展開図である。なお、図1、図4の上側を「上(上方)」、下側を「下(下方)」とも言う。
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。
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、図2に示すように、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。
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。
図3に示すように、電荷出力素子10には、変換出力回路90a、90b、90cが接続されている。変換出力回路90aは、電荷出力素子10から出力された電荷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。
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。
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Vb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。
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。
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。
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、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。
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。図7に示すように、この電荷出力素子10は、電荷Qa、Qb、Qcを出力する積層体110と、積層体110から電荷Qaを取り出すための第1の側面端子120と、積層体110から電荷Qbを取り出すための第2の側面端子130と、積層体110から電荷Qcを取り出すための第3の側面端子140と、積層体110を接地するための第4の側面端子150とを有している。
積層体110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、積層体110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。
図4、図7に示すように、第1のセンサー12は、第1の圧電体層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(内部電極層)122を有する。
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(結晶軸x)、y軸(結晶軸y)およびz軸(結晶軸z)を有するXカット水晶板で構成されている。その結果、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。
かかる第1の圧電体層121は、C軸の正方向からみたとき、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格子を有している(図5(a)参照)。この単位格子は、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1の圧電体層121の厚さ方向とほほ平行となるような状態となっている。
したがって、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、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偏り、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偏った状態となる。これとは逆に、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偏り、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偏った状態となる。
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、正電荷が偏った状態となる。その結果、出力電極層122では、静電誘導により、第1および第2の圧電体層121、123側に負電荷が集まり、第1および2の圧電体層121、123と反対側に正電荷が集まる。よって、出力電極層122からは、正の電荷Qaが出力される。
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131と、第3の圧電体層131と対向して設けられた第4の圧電体層133と、第3の圧電体層131と第4の圧電体層133との間に設けられ、電荷Qbを出力する出力電極層(内部電極層)132を有する。
かかる第3の圧電体層131は、C軸の負方向からみたとき、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格子を有している(図6(a)参照)。この単位格子は、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3の圧電体層131の厚さ方向とほほ垂直となるような状態となっている。
したがって、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、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偏り、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偏った状態となる。これとは逆に、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偏り、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偏った状態となる。
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、正電荷が偏った状態となる。その結果、出力電極層132では、静電誘導により、第3および第4の圧電体層131、133側に負電荷が集まり、第3および4の圧電体層131、133と反対側に正電荷が集まる。よって、出力電極層132からは、正の電荷Qbが出力される。
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Qcを出力する出力電極層(内部電極層)142を有する。
かかる第5の圧電体層141は、B軸の正方向からみたとき、第3の圧電体層131で説明したのと同一の状態の単位格子を有している。
また、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。すなわち、第6の圧電体層143では、B軸の正方向からみたとき、単位格子が第5の圧電体層141と上下反転した状態となっている。
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、正電荷が偏った状態となる。その結果、出力電極層142では、静電誘導により、第5および第6の圧電体層141、143側に負電荷が集まり、第5および第6の圧電体層141、143と反対側に正電荷が集まる。よって、出力電極層142からは、正の電荷Qcが出力される。
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、出力電極層近傍に偏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Qa〜Qcを増加させることができる。
図7に示すように、このような積層体110は、4つの側面110a〜110dを備えている。これらの側面のうち、2つの側面110a、110cは、B軸(第1および第2の圧電体層121、123の結晶軸y)を法線とする側面であり、2つの側面110b、110dは、C軸(第1および第2の圧電体層121、123の結晶軸z)を法線とする側面である。
各電極層は、図8に示すように、電極本体191と、電極本体191から側方に突出して、電極本体191と一体的に形成された接続部192とを備えている。各電極層は、接続部192の位置を異ならせることにより、対応する側面端子120〜150と選択的に接続されている。かかる構成とすることにより、側面端子120〜150同士の間で短絡するようなことはない。
また、第2の側面110bおよび/または第4の側面110dには、各側面端子120〜150に加えて、電気的な接続を目的としないダミー側面端子を1つ以上設けるようにしてもよい。これにより、電荷出力素子10の機械的強度の増大を図ることができる。
この熱膨張係数の差は、Xカット板のy軸方向に沿った熱膨張係数の10%以下であるのが好ましく、8%以下であるのがより好ましく、5%以下であるのがさらに好ましい。これにより、Xカット板と出力電極層122およびグランド電極層15、16とがほぼ等しい収縮率または伸長率で変形するようになる。
なお、全ての電極層を同一の材料で構成するのが好ましい。これにより、B軸方における不要な圧縮応力または収縮応力がXカット板に付与されるのをより確実に防止または抑制することができる。
図12は、本発明に係る力検出装置(センサー素子)の第2実施形態を示す平面図、図13は、図12中のA−A線での断面図、図14は、図12に示す力検出装置を概略的に示す回路図である。
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。
図12および図13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。
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。
図14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。
<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。
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。
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。
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。
また、図12および図13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。
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。
次に、図15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および第2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(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15の単腕ロボット500は、基台510と、アーム520と、アーム520の先端側に設けられたエンドエフェクター530と、アーム520とエンドエフェクター530との間に設けられた力検出装置1とを有する。なお、力検出装置1としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
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。
なお、エンドエフェクター530は、ここでは、ハンドであるが、本発明では、これに限定されるものではない。エンドエフェクターの他の例としては、例えば、部品検査用器具、部品搬送用器具、部品加工用器具、部品組立用器具、測定器等が挙げられる。これは、他の実施形態におけるエンドエフェクターについても同様である。
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。
次に、図16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および第2実施形態、および、単腕ロボットの実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図16は、本発明の力検出装置(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16の複腕ロボット600は、基台610と、第1のアーム620と、第2のアーム630と、第1のアーム620の先端側に設けられた第1のエンドエフェクター640aと、第2のアーム630の先端側に設けられた第2のエンドエフェクター640bと、第1のアーム620と第1のエンドエフェクター640a間および第2のアーム630と第2のエンドエフェクター640bとの間に設けられた力検出装置1を有する。なお、力検出装置1としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
第1のアーム620は、第1のアーム要素621および第2のアーム要素622を回動自在に連結することにより構成されている。第2のアーム630は、第1のアーム要素631および第2のアーム要素632を回動自在に連結することにより構成されている。第1のアーム620および第2のアーム630は、制御部の制御によって、各アーム要素の連結部を中心に複合的に回転または屈曲することにより駆動する。
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。
次に、図17、図18に基づき、本発明の実施形態である電子部品検査装置および電子部品搬送装置を説明する。以下、本実施形態について、前述した第1および第2実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図17は、本発明の力検出装置(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18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。
次に、図19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および第2実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図19は、本発明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19の部品加工装置800は、基台810と、基台810の上面に起立形成された支柱820と、支柱820の側面に設けられた送り機構830と、送り機構830に昇降可能に取り付けられた工具変位部840と、工具変位部840に接続された力検出装置1と、力検出装置1を介して工具変位部840に装着された工具850を有する。なお、力検出装置1としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
次に、図20に基づき、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および第2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。
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。
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。
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、部品加工装置および移動体に限らず、他の装置、例えば、他の搬送装置、他の検査装置、振動計、加速度計、重力計、動力計、地震計、傾斜計等の測定装置、入力装置等にも適用することができる。
140…第3の側面端子 150…第4の側面端子 191…電極本体 192…接続部 500…単腕ロボット 510…基台 520…アーム 521…第1のアーム要素 522…第2のアーム要素 523…第3のアーム要素 524…第4のアーム要素 525…第5のアーム要素 530…エンドエフェクター 531…第1の指 532…第2の指 600…複腕ロボット 610…基台 620…第1のアーム 621…第1のアーム要素 622…第2のアーム要素 630…第2のアーム 631…第1のアーム要素 632…第2のアーム要素 640a…第1のエンドエフェクター 641a…第1の指 642a…第2の指 640b…第2のエンドエフェクター 641b…第1の指 642b…第2の指 700…電子部品検査装置 710…基台 711…電子部品 712u…上流側ステージ 712d…下流側ステージ 713…撮像装置 714…検査台 720…支持台 731…Yステージ 732…腕部 733…Xステージ 734…撮像カメラ 740…電子部品搬送装置 741…把持部 742…回転軸 743…微調整プレート 744x、744y、744θ…圧電モーター 750…制御装置 800…部品加工装置 810…基台 820…支柱 830…送り機構 831…送り用モーター 832…ガイド 840…工具変位部 841…変位用モーター 842…保持部 843…工具取付け部 850…工具 860…被加工部品 900…移動体 910…本体 920…動力部 930…制御部
Claims (14)
- Xカット板と、
前記Xカット板の結晶軸zと第1のYカット板の結晶軸xとが直交するように配置された前記第1のYカット板と、
前記第1のYカット板の前記結晶軸xと第2のYカット板の結晶軸xとが直交するように配置された前記第2のYカット板と、
前記カット板の間に設けられた内部電極層を含む複数の電極層とを備える積層体であって、前記積層体の厚さ方向に沿った側面を備える積層体と、
前記積層体の側面に設けられ、各前記内部電極層に接続された側面端子を含む複数の側面端子とを有し、
前記複数の側面端子を、前記Xカット板の前記結晶軸zを法線とする前記側面に設けたことを特徴とするセンサー素子。 - 各前記側面端子は、前記積層体の厚さ方向の複数の内部電極を接続している請求項1に記載のセンサー素子。
- 前記積層体の前記側面は、2対の対向する対向面を備え、
一方の前記対向面に設けられた側面端子の数と、他方の前記対向面に設けられた側面端子の数とが等しい請求項1または2に記載のセンサー素子。 - 前記複数の側面端子は、前記Xカット板で生じた電荷を出力する第1の側面端子と、前記第1のYカット板で生じた電荷を出力する第2の側面端子と、前記第2のYカット板で生じた電荷を出力する第3の側面端子と、前記積層体を接地する第4の側面端子とで構成され、2対の対向面のうちの1対の対向面において、2つ側面端子が一方の対向面に設けられ、2つの側面端子が他方の対向面に設けられている請求項3に記載のセンサー素子。
- 前記Xカット板は、前記第1のYカット板と前記第2のYカット板との間に設けられている請求項1ないし4のいずれか1項に記載のセンサー素子。
- 前記積層体は、前記Xカット板、前記第1のYカット板および前記第2のYカット板を、それぞれ複数枚含む請求項1ないし5のいずれか1項に記載のセンサー素子。
- Xカット板と、前記Xカット板の結晶軸yと結晶軸zが直交するように配置された第1のYカット板と、前記第1のYカット板の前記結晶軸zと結晶軸zが直交するように配置された第2のYカット板と、前記カット板同士の間に設けられた内部電極層を含む複数の電極層とを備える積層体であって、その厚さ方向に沿った側面を備える積層体と、
前記積層体の側面に設けられ、各前記電極層に接続された側面端子を含む複数の側面端子とを有し、
前記複数の側面端子を、前記Xカット板の前記結晶軸yを法線とする面以外の領域に設けたことを特徴とするセンサー素子。 - 互いに直交する3軸をA軸、B軸およびC軸としたとき、
前記A軸方向に沿った外力に応じて電荷を出力するXカット板と、前記B軸方向に沿った外力に応じて電荷を出力する第1のYカット板と、前記1のYカット板に対して、その厚さ方向の軸回りに90°回転した状態で配置され、前記C軸方向に沿った外力に応じて電荷を出力する第2のYカット板と、前記カット板同士の間に設けられた内部電極層を含む複数の電極層とを備える積層体であって、前記積層体の厚さ方向に沿った側面を備える積層体と、
前記積層体の側面に設けられ、各前記内部電極層に接続された側面端子を含む複数の側面端子とを有し、
前記複数の側面端子のうちの前記Xカット板に接触する前記側面端子を、その熱変形により前記Xカット板の前記C軸方向に沿って加えられる外力より前記B軸方向に沿って加えられる外力が小さくなるような領域に設けたことを特徴とするセンサー素子。 - Xカット板と、前記Xカット板の結晶軸zと結晶軸xが直交するように配置された第1のYカット板と、前記第1のYカット板の前記結晶軸xと結晶軸xが直交するように配置された第2のYカット板と、前記カット板同士の間に設けられた内部電極層を含む複数の電極層とを備える積層体であって、前記積層体の厚さ方向に沿った側面を備える積層体と、
前記積層体の側面に設けられ、各前記内部電極層に接続された側面端子を含む複数の側面端子とを有し、
前記複数の側面端子を、前記Xカット板の前記結晶軸zを法線とする前記側面に設けた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力検出装置。 - 前記センサー素子は、3つ以上設けられている請求項9に記載の力検出装置。
- 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ーと、
前記アーム連結体と前記エンドエフェクターとの間に設けられ、前記エンドエフェクターに加えられる外力を検出する力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、Xカット板と、
前記Xカット板の結晶軸zと第1のYカット板の結晶軸xとが直交するように配置された前記第1のYカット板と、
前記第1のYカット板の前記結晶軸xと第2のYカット板の結晶軸xとが直交するように配置された前記第2のYカット板と、
前記カット板の間に設けられた内部電極層を含む複数の電極層とを備える積層体であって、前記積層体の厚さ方向に沿った側面を備える積層体と、
前記積層体の側面に設けられ、各前記内部電極層に接続された側面端子を含む複数の側面端子とを有し、
前記複数の側面端子を、前記Xカット板の前記結晶軸zを法線とする前記側面に設けた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ロボット。 - 電子部品を把持する把持部と、
前記把持部に加えられる外力を検出する力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、Xカット板と、
前記Xカット板の結晶軸zと第1のYカット板の結晶軸xとが直交するように配置された前記第1のYカット板と、
前記第1のYカット板の前記結晶軸xと第2のYカット板の結晶軸xとが直交するように配置された前記第2のYカット板と、
前記カット板の間に設けられた内部電極層を含む複数の電極層とを備える積層体であって、前記積層体の厚さ方向に沿った側面を備える積層体と、
前記積層体の側面に設けられ、各前記内部電極層に接続された側面端子を含む複数の側面端子とを有し、
前記複数の側面端子を、前記Xカット板の前記結晶軸zを法線とする前記側面に設けた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電子部品搬送装置。 - 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力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、Xカット板と、
前記Xカット板の結晶軸zと第1のYカット板の結晶軸xとが直交するように配置された前記第1のYカット板と、
前記第1のYカット板の前記結晶軸xと第2のYカット板の結晶軸xとが直交するように配置された前記第2のYカット板と、
前記カット板の間に設けられた内部電極層を含む複数の電極層とを備える積層体であって、前記積層体の厚さ方向に沿った側面を備える積層体と、
前記積層体の側面に設けられ、各前記内部電極層に接続された側面端子を含む複数の側面端子とを有し、
前記複数の側面端子を、前記Xカット板の前記結晶軸zを法線とする前記側面に設けた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電子部品検査装置。 - 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力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、Xカット板と、
前記Xカット板の結晶軸zと第1のYカット板の結晶軸xとが直交するように配置された前記第1のYカット板と、
前記第1のYカット板の前記結晶軸xと第2のYカット板の結晶軸xとが直交するように配置された前記第2のYカット板と、
前記カット板の間に設けられた内部電極層を含む複数の電極層とを備える積層体であって、前記積層体の厚さ方向に沿った側面を備える積層体と、
前記積層体の側面に設けられ、各前記内部電極層に接続された側面端子を含む複数の側面端子とを有し、
前記複数の側面端子を、前記Xカット板の前記結晶軸zを法線とする前記側面に設けた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部品加工装置。
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