JP6477843B2 - Force detection device and robot - Google Patents

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本発明は、力検出装置、およびロボットに関する。   The present invention relates to a force detection device and a robot.

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としては、アルミニウム板等の母材に対して機械加工を施す工作機械が代表的である。工作機械には、機械加工を施す際に、母材に対する力を検出する力検出装置が内蔵されたものがある(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1には、圧電素子と、圧電素子を収容する凹部を備えたセラミックパッケージと、セラミックパッケージの凹部内に圧電素子を収容した状態で、凹部の開口を塞ぐようにセラミックパッケージに接合されたリッドとを備えたセンサー素子が記載されている。また、センサー素子は、2つの与圧プレートで挟持されている。
In recent years, industrial robots have been introduced into production facilities such as factories for the purpose of improving production efficiency. A typical example of such an industrial robot is a machine tool that performs machining on a base material such as an aluminum plate. Some machine tools have a built-in force detection device that detects a force on a base material when machining is performed (for example, see Patent Document 1).
In Patent Document 1, a piezoelectric element, a ceramic package having a concave portion for accommodating the piezoelectric element, and the piezoelectric element accommodated in the concave portion of the ceramic package are joined to the ceramic package so as to close the opening of the concave portion. A sensor element with a lid is described. The sensor element is sandwiched between two pressurizing plates.

このようなセンサー素子は、与圧プレートに外力が加わると、その外力がセラミックパッケージやリッドを介して圧電素子に伝達され、圧電素子が外力に応じた電荷を出力し、この電荷に基づいて加えられた外力を検出することができる。
また、このセンサー素子は、セラミックパッケージおよびリッドによって気密的に封止されており、外気から遮断されている。これにより、圧電素子から生じた電荷が水分等によって不本意に外部へ漏洩することが防止されている。
In such a sensor element, when an external force is applied to the pressurizing plate, the external force is transmitted to the piezoelectric element through the ceramic package or the lid, and the piezoelectric element outputs a charge corresponding to the external force, and is applied based on the charge. The detected external force can be detected.
The sensor element is hermetically sealed by a ceramic package and a lid, and is shielded from the outside air. Thereby, the electric charge generated from the piezoelectric element is prevented from leaking to the outside due to moisture or the like.

特開平2013−130431号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-130431

しかしながら、特許文献1に記載の力検出装置では、与圧プレートに繰り返し外力が加わることで、セラミックパッケージに繰り返し応力が加わり、セラミックパッケージが破損してしまうという問題があった。そのため、長期にわたって安定して力検出装置を使用することが困難であった。
また、このような力検出装置では、製造時において、与圧プレートにてセンサー素子を挟持する際に、与圧プレートによる加圧の圧力によってセラミックパッケージが破損してしまうという問題もあった。
そこで、本発明の目的は、繰り返し外力が加わった場合でも、圧電素子を収容する収容部(パッケージ)が破損することを低減することができる力検出装置、およびロボットを提供することにある。
However, the force detection device described in Patent Document 1 has a problem in that when the external force is repeatedly applied to the pressurizing plate, the ceramic package is repeatedly stressed and the ceramic package is damaged. Therefore, it has been difficult to use the force detection device stably over a long period of time.
In addition, in such a force detection device, when the sensor element is sandwiched between the pressurizing plates at the time of manufacture, there is also a problem that the ceramic package is damaged by the pressure applied by the pressurizing plate.
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a force detection device and a robot that can reduce damage to a housing (package) that houses a piezoelectric element even when an external force is repeatedly applied.

このような目的は、下記の本発明により達成される。
(適用例1)
本発明に係わる力検出装置は、第1基部と、
第2基部と、
前記第1基部と前記第2基部との間に設けられ、外力に応じて信号を出力する圧電素子を含む圧力検出部と、を備え、
前記圧力検出部は、前記第1基部と接する部分を有する第1部材と、前記第2基部と接する部分を有する第2部材と、前記第1部材と前記第2部材とを連結する第3部材とを有し、
前記第1部材の少なくとも一部の第1縦弾性係数が、前記第3部材の第3縦弾性係数よりも低く、
前記第2部材の少なくとも一部の第2縦弾性係数が、前記第3部材の第3縦弾性係数よりも低いことを特徴とする。
これにより、第1部材および第2部材は、第1基部や第2基部に繰り返して外力が加えられても、その外力に応じて変形することができる。このため、繰り返し外力が加わった場合でも、圧電素子を収容する収容部が破損することを低減することができる。
Such an object is achieved by the present invention described below.
(Application example 1)
A force detection device according to the present invention includes a first base,
A second base;
A pressure detection unit including a piezoelectric element provided between the first base and the second base and outputting a signal according to an external force;
The pressure detector includes a first member having a portion in contact with the first base, a second member having a portion in contact with the second base, and a third member that connects the first member and the second member. And
A first longitudinal elastic modulus of at least a part of the first member is lower than a third longitudinal elastic modulus of the third member;
The second longitudinal elastic modulus of at least a part of the second member is lower than the third longitudinal elastic modulus of the third member.
Thereby, even if an external force is repeatedly applied to the 1st base and the 2nd base, the 1st member and the 2nd member can change according to the external force. For this reason, even when an external force is repeatedly applied, it is possible to reduce damage to the housing portion that houses the piezoelectric element.

(適用例2)
本発明に係わる力検出装置では、前記第1縦弾性係数と前記第2縦弾性係数との差は、前記第1縦弾性係数の10分の1以下であることが好ましい。
これにより、第1部材および第2部材のいずれか一方のみに応力が集中することを回避することができ、よって、圧電素子を収容する収容部が破損することをより確実に低減することができる。
(Application example 2)
In the force detection device according to the present invention, it is preferable that a difference between the first longitudinal elastic modulus and the second longitudinal elastic modulus is 1/10 or less of the first longitudinal elastic modulus.
Thereby, it is possible to avoid stress concentration on only one of the first member and the second member, and thus it is possible to more reliably reduce the damage to the housing portion that houses the piezoelectric element. .

(適用例3)
本発明に係わる力検出装置では、前記第1部材の構成材料と前記第2部材の構成材料とは、同一であることが好ましい。
これにより、加えられる外力が第1部材および第2部材のいずれか一方に集中することが回避され、よって、圧電素子を収容する収容部が不本意に変形や破損することを特に効果的に低減することができる。
(Application example 3)
In the force detection device according to the present invention, the constituent material of the first member and the constituent material of the second member are preferably the same.
Thereby, it is avoided that the applied external force is concentrated on one of the first member and the second member, and therefore, it is particularly effectively reduced that the housing portion for housing the piezoelectric element is unintentionally deformed or damaged. can do.

(適用例4)
本発明に係わる力検出装置では、前記第3部材の構成材料は、セラミックを含むことが好ましい。
これにより、収容部全体としての機械的強度を十分に確保することができ、よって、繰り返し外力が加わっても、収容部の変形による損傷が生じにくくなり、内部に収容された圧電素子をより確実に保護することができる。
(Application example 4)
In the force detection device according to the present invention, the constituent material of the third member preferably includes ceramic.
As a result, the mechanical strength of the entire housing portion can be sufficiently ensured. Therefore, even if an external force is repeatedly applied, damage due to deformation of the housing portion is less likely to occur, and the piezoelectric element housed inside can be more reliably secured. Can be protected.

(適用例5)
本発明に係わる力検出装置では、前記第1部材の縦弾性係数は、前記第1縦弾性係数であることが好ましい。
これにより、第1部材を単一の部材および単一の材料で構成することができ、第1部材の全体にわたって縦弾性係数(ヤング率)および機械的強度の均一化を図ることができる。そのため、第1部材が、加えられた外力によって破損することがより確実に低減されるとともに、第1部材を介して圧電素子により正確に外力を伝達することもできる。
(Application example 5)
In the force detection device according to the present invention, it is preferable that the longitudinal elastic modulus of the first member is the first longitudinal elastic modulus.
Thereby, the first member can be composed of a single member and a single material, and the longitudinal elastic modulus (Young's modulus) and mechanical strength can be made uniform throughout the first member. Therefore, the first member can be more reliably reduced from being damaged by the applied external force, and the external force can be accurately transmitted by the piezoelectric element via the first member.

(適用例6)
本発明に係わる力検出装置では、前記第2部材の縦弾性係数は、前記第2縦弾性係数であることが好ましい。
これにより、第2部材を単一の部材および単一の材料で構成することができ、第2部材の全体にわたって縦弾性係数(ヤング率)および機械的強度の均一化を図ることができる。そのため、第2部材が、加えられた外力によって破損することがより確実に低減されるとともに、第2部材を介して圧電素子により正確に外力を伝達することもできる。
(Application example 6)
In the force detection device according to the present invention, it is preferable that the longitudinal elastic modulus of the second member is the second longitudinal elastic modulus.
Thereby, the 2nd member can be comprised with a single member and a single material, and can make uniform a longitudinal elastic modulus (Young's modulus) and mechanical strength over the whole 2nd member. Therefore, the second member can be more reliably reduced from being damaged by the applied external force, and the external force can be accurately transmitted by the piezoelectric element via the second member.

(適用例7)
本発明に係わる力検出装置では、前記圧電素子は、水晶を含むことが好ましい。
これにより、力検出装置は、温度の変動による影響を受けにくい装置となり、よって、外力を正確に検出することができる。
(Application example 7)
In the force detection device according to the present invention, it is preferable that the piezoelectric element includes a crystal.
As a result, the force detection device becomes a device that is not easily affected by fluctuations in temperature, and thus can detect the external force accurately.

(適用例8)
本発明に係わる力検出装置では、前記圧電素子は、前記圧力検出部の内部に位置することが好ましい。
これにより、圧電素子が封止され、外気から遮断されることにより、出力された電荷が水分等によって不本意に漏洩されることを抑制することができる。
(Application example 8)
In the force detection device according to the present invention, it is preferable that the piezoelectric element is located inside the pressure detection unit.
As a result, the piezoelectric element is sealed and shielded from the outside air, so that the output charge can be prevented from being unintentionally leaked by moisture or the like.

(適用例9)
本発明に係わるロボットは、アームと、
前記アームに設けられたエンドエフェクターと、
前記アーム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、第1基部と、第2基部と、前記第1基部と前記第2基部との間に設けられ、外力に応じて信号を出力する圧電素子を含む圧力検出部と、を備え、
前記収容部は、前記第1基部と接する部分を有する第1部材と、前記第2基部と接する部分を有する第2部材と、前記第1部材と前記第2部材とを連結する第3部材とを有し、
前記第1部材の少なくとも一部の第1縦弾性係数が、前記第3部材の第3縦弾性係数よりも低く、
前記第2部材の少なくとも一部の第2縦弾性係数が、前記第3部材の第3縦弾性係数よりも低いことを特徴とする。
これにより、ロボットは、圧力検出部に繰り返し外力が加わった場合でも、圧電素子を収容する収容部が破損することを低減することができる。したがって、このようなロボットによれば、外力が正確に検出され、エンドエフェクターによる作業を適正に行なうことができる。
(Application example 9)
A robot according to the present invention includes an arm,
An end effector provided on the arm;
A force detection device that is provided between the arm and the end effector and detects an external force applied to the end effector;
The force detection device includes a first base, a second base, and a pressure detection unit that is provided between the first base and the second base and includes a piezoelectric element that outputs a signal according to an external force. Prepared,
The accommodating portion includes a first member having a portion in contact with the first base portion, a second member having a portion in contact with the second base portion, and a third member connecting the first member and the second member. Have
A first longitudinal elastic modulus of at least a part of the first member is lower than a third longitudinal elastic modulus of the third member;
The second longitudinal elastic modulus of at least a part of the second member is lower than the third longitudinal elastic modulus of the third member.
Thereby, even when an external force is repeatedly applied to the pressure detection unit, the robot can reduce the damage of the storage unit that stores the piezoelectric element. Therefore, according to such a robot, the external force is accurately detected, and the work by the end effector can be performed appropriately.

本発明に係る力検出装置の第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 which concerns on this invention. 図1に示す力検出装置の平面図である。It is a top view of the force detection apparatus 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に示す力検出装置が備える電荷出力素子を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the electric charge output element with which the force detection apparatus shown in FIG. 1 is provided. 図1に示す力検出装置の電荷出力素子で検出される力の作用状態を示す概略図である。It is the schematic which shows the action state of the force detected with the electric charge output element of the force detection apparatus shown in FIG. 図5中の矢印D方向から見た図ある。It is the figure seen from the arrow D direction in FIG. 図1に示す力検出装置の電荷出力素子付近の部分拡大詳細図である。FIG. 2 is a partially enlarged detail view near a charge output element of the force detection device shown in FIG. 1. 本発明に係る力検出装置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 which concerns on this invention. 本発明に係る力検出装置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 which concerns on this invention. 本発明に係る力検出装置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。It is a figure which shows an example of the electronic component inspection apparatus and component conveyance apparatus using the force detection apparatus which concerns on this invention. 本発明に係る力検出装置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 which concerns on this invention. 本発明に係る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。It is a figure which shows one example of the component processing apparatus using the force detection apparatus which concerns on this invention.

以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
1.力検出装置
図1は、本発明に係る力検出装置の第1実施形態を示す断面図であり、図2は、図1に示す力検出装置の平面図であり、図3は、図1に示す力検出装置を概略的に示す回路図であり、図4は、図1に示す力検出装置が備える電荷出力素子を概略的に示す断面図であり、図5は、図1に示す力検出装置の電荷出力素子で検出される力の作用状態を示す概略図であり、図6は、図5中の矢印D方向から見た図あり、図7は、図1に示す力検出装置の電荷出力素子付近の部分拡大詳細図である。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.
1. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a force detection device according to the present invention, FIG. 2 is a plan view of the force detection device shown in FIG. 1, and FIG. 4 is a circuit diagram schematically showing the force detection device shown, FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a charge output element included in the force detection device shown in FIG. 1, and FIG. 5 is a force detection shown in FIG. FIG. 6 is a schematic view showing an action state of a force detected by a charge output element of the device, FIG. 6 is a view seen from the direction of arrow D in FIG. 5, and FIG. 7 is a charge of the force detection device shown in FIG. It is a partial enlarged detail view near the output element.

なお、以下では、図1中の上側を「上」または「上方」、下側を「下」または「下方」と言う。
また、図2、図5には、互いに直交する3つの軸として、α軸、β軸およびγ軸が図示されている。また、図1、図4には、上記3つの軸のうち、γ軸のみを図示している。α(A)軸に平行な方向を「α(A)軸方向」、β(B)軸に平行な方向を「β(B)軸方向」、γ(C)軸に平行な方向を「γ(C)軸方向」という。また、α軸とβ軸で規定される平面を「αβ平面」と言い、β軸とγ軸で規定される平面を「βγ平面」と言い、α軸とγ軸で規定される平面を「αγ平面」と言う。また、αA軸に平行な方向を「α方向」と言い、β軸に平行な方向を「β方向」と言い、γ軸に平行な方向を「γ方向」と言う。また、α方向、β方向およびγ方向において、矢印先端側を「+(正)側」、矢印基端側を「−(負)側」とする。
In the following, the upper side in FIG. 1 is referred to as “upper” or “upper”, and the lower side is referred to as “lower” or “lower”.
2 and 5 show an α axis, a β axis, and a γ axis as three axes orthogonal to each other. 1 and 4 show only the γ-axis among the above three axes. The direction parallel to the α (A) axis is “α (A) axis direction”, the direction parallel to the β (B) axis is “β (B) axis direction”, and the direction parallel to the γ (C) axis is “γ”. (C) Axial direction ". A plane defined by the α axis and the β axis is referred to as an “αβ plane”, a plane defined by the β axis and the γ axis is referred to as a “βγ plane”, and a plane defined by the α axis and the γ axis is referred to as “ It is called “αγ plane”. A direction parallel to the αA axis is referred to as “α direction”, a direction parallel to the β axis is referred to as “β direction”, and a direction parallel to the γ axis is referred to as “γ direction”. In the α direction, β direction, and γ direction, the arrow tip side is defined as “+ (positive) side” and the arrow base end side is defined as “− (negative) side”.

図1に示す力検出装置1は、力検出装置1に加えられた外力、すなわち、6軸力(α、β、γ軸方向の並進力成分およびα、β、γ軸周りの回転力成分)を検出する機能を有する。
この力検出装置1は、第1基部(基部)2と、第1基部2から所定の間隔を隔てて配置され、第1基部2に対向する第2基部(基部)3と、第1基部2と第2基部3との間に収納された(設けられた)アナログ回路基板4と、第1基部2と第2基部3との間に収納され(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4に搭載され、外力に応じて信号を出力する電荷出力素子(圧電素子)10および電荷出力素子10を収納するパッケージ(収容部)60を有する4つのセンサーデバイス(圧力検出部)6と、8つの与圧ボルト(固定部材)71と、を備えている。
The force detection device 1 shown in FIG. 1 has an external force applied to the force detection device 1, that is, a six-axis force (a translational force component in the α, β, and γ axis directions and a rotational force component around the α, β, and γ axes). It has a function to detect.
The force detection device 1 includes a first base (base) 2, a second base (base) 3 that is disposed at a predetermined interval from the first base 2 and faces the first base 2, and a first base 2. The analog circuit board 4 housed (provided) between the first base part 2 and the second base part 3 and the analog circuit board 4 housed (provided) between the first base part 2 and the second base part 3 A digital circuit board 5 connected to the analog circuit board 4, a charge output element (piezoelectric element) 10 that outputs a signal according to an external force, and a package (accommodating part) 60 that accommodates the charge output element 10. Four sensor devices (pressure detectors) 6 and eight pressurizing bolts (fixing members) 71 are provided.

以下に、力検出装置1の各部の構成について詳述する。
なお、以下の説明では、図2に示すように、4つのセンサーデバイス6のうち、図2中の右側に位置するセンサーデバイス6を「センサーデバイス6A」といい、以降反時計回りに順に「センサーデバイス6B」、「センサーデバイス6C」、「センサーデバイス6D」という。
Below, the structure of each part of the force detection apparatus 1 is explained in full detail.
In the following description, as shown in FIG. 2, among the four sensor devices 6, the sensor device 6 located on the right side in FIG. 2 is referred to as “sensor device 6 </ b> A”, and hereinafter “sensor” in order counterclockwise. These are referred to as “device 6B”, “sensor device 6C”, and “sensor device 6D”.

図1に示すように、第1基部(ベースプレート)2は、外形が板状をなし、その平面形状は、丸みを帯びた四角形をなす。なお、第1基部2の平面形状は、図示のものに限定されず、例えば円形や四角形外の多角形等であってもよい。
第1基部2の下面221は、力検出装置1が例えばロボットに固定されて使用されるときに、当該ロボット(測定対象)に対する取付面(第1取付面)として機能する。
この第1基部2は、底板22と、底板22から上方に向かって立設した壁部24とを有している。
壁部24は、「L」字状をなし、外方に臨む2つの面にそれぞれ凸部23が突出形成されている。各凸部23の頂面(第1面)231は、底板22に対して垂直な平面である。また、凸部23には、後述する与圧ボルト71と螺合する雌ネジ241が設けられている(図2参照)。
As shown in FIG. 1, the first base (base plate) 2 has a plate-like outer shape, and its planar shape forms a rounded quadrangle. The planar shape of the first base 2 is not limited to the illustrated one, and may be, for example, a circle or a polygon outside a rectangle.
The lower surface 221 of the first base 2 functions as an attachment surface (first attachment surface) for the robot (measurement target) when the force detection device 1 is used while being fixed to the robot, for example.
The first base portion 2 includes a bottom plate 22 and a wall portion 24 erected upward from the bottom plate 22.
The wall portion 24 has an “L” shape, and a convex portion 23 is formed on each of two surfaces facing outward. The top surface (first surface) 231 of each convex portion 23 is a plane perpendicular to the bottom plate 22. Moreover, the convex part 23 is provided with the internal thread 241 screwed together with the pressurizing bolt 71 mentioned later (refer FIG. 2).

図1に示すように、第1基部2に対し所定の間隔を隔てて対向するように、第2基部(カバープレート)3が配置されている。
第2基部3も、第1基部2と同様に、その外形が板状をなしている。また、第2基部3の平面形状は、第1基部2の平面形状に対応した形状であることが好ましく、本実施形態では、第2基部3の平面視形状は、第1基部2の平面視形状と同様に、角部が丸みを帯びた四角形をなしている。また、第2基部3は、第1基部2を包含する程度の大きさであるのが好ましい。
As shown in FIG. 1, a second base (cover plate) 3 is arranged so as to face the first base 2 with a predetermined interval.
Similarly to the first base 2, the second base 3 has a plate-like outer shape. The planar shape of the second base portion 3 is preferably a shape corresponding to the planar shape of the first base portion 2. In this embodiment, the planar view shape of the second base portion 3 is the planar view of the first base portion 2. Like the shape, it has a square shape with rounded corners. The second base 3 is preferably large enough to include the first base 2.

第2基部3の上面(第2面)321は、力検出装置1が例えばロボットに固定されて使用されるときに、当該ロボットに装着されるエンドエフェクター(測定対象)に対する取付面(第2取付面)として機能する。また、第2基部3の上面321と、前述した第1基部2の下面221とは、外力が付与していない自然状態では平行となっている。
また、第2基部3は、天板32と、天板32の縁部に形成され、当該縁部から下方に向かって突出した側壁33とを有している。側壁33の内壁面(第2面)331は、天板32に対して垂直な平面である。そして、第1基部2の頂面231と第2基部3の内壁面331との間には、センサーデバイス6が設けられている。
An upper surface (second surface) 321 of the second base 3 is attached to an end effector (measurement target) attached to the robot when the force detection device 1 is used, for example, fixed to the robot (second attachment). Function as a surface). Further, the upper surface 321 of the second base 3 and the lower surface 221 of the first base 2 described above are parallel in a natural state where no external force is applied.
The second base 3 includes a top plate 32 and a side wall 33 that is formed at the edge of the top plate 32 and protrudes downward from the edge. An inner wall surface (second surface) 331 of the side wall 33 is a plane perpendicular to the top plate 32. The sensor device 6 is provided between the top surface 231 of the first base 2 and the inner wall surface 331 of the second base 3.

また、第1基部2と第2基部3とは、与圧ボルト71により、接続、固定されている。この与圧ボルト71は、図2に示すように、8本(複数)あり、そのうちの2本ずつが各センサーデバイス6の両側に配置されている。なお、1つのセンサーデバイス6に対する与圧ボルト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。
また、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、各種樹脂材料、各種金属材料等を用いることができる。
このように与圧ボルト71によって接続された第1基部2と第2基部3とで、センサーデバイス6A〜6D、アナログ回路基板4、およびデジタル回路基板5を収納する収納空間を形成している。この収納空間は、円形または角丸正方形の断面形状を有する。
The first base 2 and the second base 3 are connected and fixed by a pressurizing bolt 71. As shown in FIG. 2, there are eight (a plurality) of the pressurizing bolts 71, and two of them are arranged on both sides of each sensor device 6. The number of pressurizing bolts 71 for one sensor device 6 is not limited to two, and may be three or more, for example.
Moreover, it does not specifically limit as a constituent material of the pressurization volt | bolt 71, For example, various resin materials, various metal materials, etc. can be used.
Thus, the first base 2 and the second base 3 connected by the pressurizing bolt 71 form a storage space for storing the sensor devices 6A to 6D, the analog circuit board 4, and the digital circuit board 5. The storage space has a circular or rounded square cross-sectional shape.

また、図1に示すように、第1基部2と第2基部3との間には、センサーデバイス6に接続されたアナログ回路基板4が設けられている。
アナログ回路基板4のセンサーデバイス6(具体的には、電荷出力素子10)が配置されている部位には、第1基部2の各凸部23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。
As shown in FIG. 1, an analog circuit board 4 connected to the sensor device 6 is provided between the first base 2 and the second base 3.
In the portion of the analog circuit board 4 where the sensor device 6 (specifically, the charge output element 10) is disposed, a hole 41 into which each convex portion 23 of the first base 2 is inserted is formed. The hole 41 is a through hole that penetrates the analog circuit board 4.

また、図2に示すように、アナログ回路基板4には各与圧ボルト71が貫通する貫通孔が設けらており、アナログ回路基板4の与圧ボルト71が貫通する部分(貫通孔)には、樹脂材料等の絶縁材料で構成されたパイプ43が例えば嵌合により固定されている。
また、図3に示すように、センサーデバイス6Aに接続されたアナログ回路基板4は、センサーデバイス6Aの電荷出力素子10から出力された電荷Qy1を電圧Vy1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Qz1を電圧Vz1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Qx1を電圧Vx1に変換する変換出力回路90cとを備えている。
Further, as shown in FIG. 2, the analog circuit board 4 is provided with through holes through which the respective pressurizing bolts 71 pass, and a portion (through hole) of the analog circuit board 4 through which the pressurizing bolts 71 pass is provided. A pipe 43 made of an insulating material such as a resin material is fixed by fitting, for example.
As shown in FIG. 3, the analog circuit board 4 connected to the sensor device 6A includes a conversion output circuit 90a that converts the charge Qy1 output from the charge output element 10 of the sensor device 6A into a voltage Vy1, and a charge output. A conversion output circuit 90b that converts the charge Qz1 output from the element 10 into a voltage Vz1 and a conversion output circuit 90c that converts the charge Qx1 output from the charge output element 10 into a voltage Vx1 are provided.

センサーデバイス6Bに接続されたアナログ回路基板4は、センサーデバイス6Bの電荷出力素子10から出力された電荷Qy2を電圧Vy2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Qz2を電圧Vz2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Qx2を電圧Vx2に変換する変換出力回路90cとを備えている。   The analog circuit board 4 connected to the sensor device 6B includes the conversion output circuit 90a that converts the charge Qy2 output from the charge output element 10 of the sensor device 6B into the voltage Vy2, and the charge Qz2 output from the charge output element 10. A conversion output circuit 90b for converting to the voltage Vz2 and a conversion output circuit 90c for converting the charge Qx2 output from the charge output element 10 to the voltage Vx2 are provided.

センサーデバイス6Cに接続されたアナログ回路基板4は、センサーデバイス6Cの電荷出力素子10から出力された電荷Qy3を電圧Vy3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Qz3を電圧Vz3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Qx3を電圧Vx3に変換する変換出力回路90cとを備えている。   The analog circuit board 4 connected to the sensor device 6C includes a conversion output circuit 90a that converts the charge Qy3 output from the charge output element 10 of the sensor device 6C into a voltage Vy3, and the charge Qz3 output from the charge output element 10. A conversion output circuit 90b for converting to the voltage Vz3 and a conversion output circuit 90c for converting the charge Qx3 output from the charge output element 10 to the voltage Vx3 are provided.

センサーデバイス6Dに接続されたアナログ回路基板4は、センサーデバイス6Dの電荷出力素子10から出力された電荷Qy4を電圧Vy4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Qz4を電圧Vz4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Qx4を電圧Vx4に変換する変換出力回路90cとを備えている。   The analog circuit board 4 connected to the sensor device 6D includes a conversion output circuit 90a that converts the charge Qy4 output from the charge output element 10 of the sensor device 6D into a voltage Vy4, and the charge Qz4 output from the charge output element 10. A conversion output circuit 90b for converting to the voltage Vz4 and a conversion output circuit 90c for converting the charge Qx4 output from the charge output element 10 to the voltage Vx4 are provided.

また、図1に示すように、第1基部2と第2基部3との間には、第1基部2上のアナログ回路基板4が設けられている位置とは異なる位置に、アナログ回路基板4に接続された支持されたデジタル回路基板5が設けられている。図3に示すように、デジタル回路基板5は、変換出力回路(変換回路)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(演算回路)402とを有する外力検出回路40を備えている。   In addition, as shown in FIG. 1, the analog circuit board 4 is located between the first base 2 and the second base 3 at a position different from the position where the analog circuit board 4 is provided on the first base 2. A supported digital circuit board 5 connected to is provided. As shown in FIG. 3, the digital circuit board 5 includes an AD converter 401 connected to the conversion output circuits (conversion circuits) 90 a, 90 b, and 90 c and an arithmetic unit (arithmetic circuit) 402 connected to the AD converter 401. The external force detection circuit 40 is provided.

なお、上述した第1基部2、第2基部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、各種樹脂材料、各種金属材料等を用いることができる。
また、第1基部2、第2基部3は、それぞれ、外形が板状をなす部材で構成されているが、これに限定されず、例えば、一方の基部が板状をなす部材で構成され、他方の基部がブロック状をなす部材で構成されていてもよい。
The components of the first base 2, the second base 3, and the analog circuit board 4 other than the elements and the wirings, the components of the digital circuit board 5 and the parts other than the wirings, For example, various resin materials and various metal materials can be used.
Moreover, although the 1st base 2 and the 2nd base 3 are respectively comprised by the member in which an external shape makes a plate shape, it is not limited to this, For example, one base is comprised by the member which makes a plate shape, The other base may be configured by a block-shaped member.

次に、センサーデバイス6について、詳細に説明する。
[センサーデバイス]
図1、図2に示すように、センサーデバイス6Aは、第1基部2の4つの凸部23のうちの1つの凸部23の頂面231と、この頂面231に対向する内壁面331とによって挟持されている。このセンサーデバイス6Aと同様に、前記と異なる1つの凸部23の頂面231と、この頂面231に対向する内壁面331とによって、センサーデバイス6Bが挟持されている。また、前記と異なる1つの凸部23の頂面231と、この頂面231に対向する内壁面331とによって、センサーデバイス6Cが挟持されている。さらに、前記と異なる1つの凸部23の頂面231と、この頂面231に対向する内壁面331によって、センサーデバイス6Dが挟持されている。
Next, the sensor device 6 will be described in detail.
[Sensor device]
As shown in FIGS. 1 and 2, the sensor device 6 </ b> A includes a top surface 231 of one convex portion 23 among the four convex portions 23 of the first base 2, and an inner wall surface 331 facing the top surface 231. It is pinched by. Similar to the sensor device 6A, the sensor device 6B is sandwiched between the top surface 231 of one convex portion 23 different from the above and the inner wall surface 331 facing the top surface 231. Further, the sensor device 6C is sandwiched between the top surface 231 of one convex portion 23 different from the above and the inner wall surface 331 facing the top surface 231. Further, the sensor device 6D is sandwiched between the top surface 231 of one convex portion 23 different from the above and the inner wall surface 331 facing the top surface 231.

なお、以下では、各センサーデバイス6A〜6Dが第1基部2および第2基部3によって挟持されている方向を「挟持方向SD」という。また、各センサーデバイス6A〜6Dのうちセンサーデバイス6Aが挟持されている方向を第1挟持方向、センサーデバイス6Bが挟持されている方向を第2挟持方向、センサーデバイス6Cが挟持されている方向を第3挟持方向、センサーデバイス6Dが挟持されている方向を第4挟持方向ということもある。   In the following, the direction in which the sensor devices 6A to 6D are sandwiched between the first base 2 and the second base 3 is referred to as “clamping direction SD”. Further, among the sensor devices 6A to 6D, the direction in which the sensor device 6A is clamped is the first clamping direction, the direction in which the sensor device 6B is clamped is the second clamping direction, and the direction in which the sensor device 6C is clamped. The third clamping direction and the direction in which the sensor device 6D is clamped may be referred to as a fourth clamping direction.

なお、本実施形態では、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基部3(側壁33)側に設けられているが、センサーデバイス6は、アナログ回路基板4の第1基部2側に設けられていてもよい。
また、図2に示すように、センサーデバイス6Aおよびセンサーデバイス6Bと、センサーデバイス6Cおよびセンサーデバイス6Dとは、第1基部2のβ軸に沿った中心軸271に関して対称的に配置されている。すなわち、センサーデバイス6A〜6Dは、第1基部2の中心272回りに等角度間隔に配置されている。このようにセンサーデバイス6A〜6Dを配置することより、外力を偏りなく検出することができる。
In this embodiment, as shown in FIG. 1, the sensor device 6 is provided on the second base 3 (side wall 33) side of the analog circuit board 4, but the sensor device 6 is provided on the analog circuit board 4. It may be provided on the first base 2 side.
As shown in FIG. 2, the sensor device 6 </ b> A and the sensor device 6 </ b> B and the sensor device 6 </ b> C and the sensor device 6 </ b> D are disposed symmetrically with respect to the central axis 271 along the β axis of the first base 2. That is, the sensor devices 6 </ b> A to 6 </ b> D are arranged at equiangular intervals around the center 272 of the first base 2. By arranging the sensor devices 6A to 6D in this way, it is possible to detect the external force without bias.

なお、センサーデバイス6A〜6Dの配置は図示のものに限定されないが、センサーデバイス6A〜6Dは、第2基部3の上面321から見て、第2基部3の中心部(中心272)からできる限り離間した位置に配置されているのが好ましい。これにより、力検出装置1に加わる外力を安定して検出することができる。
また、本実施形態では、センサーデバイス6A〜6Dは、全て同じ方向を向いた状態に搭載されているが、センサーデバイス6A〜6Dの向きは、それぞれ、異なっていてもよい。
このように配置されたセンサーデバイス6は、図1に示すように、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。また、本実施形態では、センサーデバイス6A〜6Dは、同様の構成である。
The arrangement of the sensor devices 6A to 6D is not limited to that shown in the drawing, but the sensor devices 6A to 6D are as far as possible from the center (center 272) of the second base 3 when viewed from the upper surface 321 of the second base 3. It is preferable that they are arranged at spaced positions. Thereby, the external force applied to the force detection apparatus 1 can be detected stably.
Moreover, in this embodiment, although sensor device 6A-6D is mounted in the state which all faced the same direction, direction of sensor device 6A-6D may each differ.
As shown in FIG. 1, the sensor device 6 arranged in this manner includes a charge output element 10 and a package 60 that houses the charge output element 10. In the present embodiment, the sensor devices 6A to 6D have the same configuration.

以下に、このセンサーデバイス6が備える電荷出力素子10について詳述する。なお、電荷出力素子10を収容するパッケージについては後に詳述する。
[電荷出力素子]
電荷出力素子10は、力検出装置1に加わった外力、すなわち第1基部2または第2基部3の少なくとも一方の基部に加えられた外力に応じて電荷を出力する機能を有する。
Hereinafter, the charge output element 10 included in the sensor device 6 will be described in detail. The package that houses the charge output element 10 will be described in detail later.
[Charge output element]
The charge output element 10 has a function of outputting a charge according to an external force applied to the force detection device 1, that is, an external force applied to at least one base of the first base 2 or the second base 3.

なお、センサーデバイス6A〜6Dが備える各電荷出力素子10は、同じ構成であるため、1つの電荷出力素子10について中心的に説明する。
図4に示すように、センサーデバイス6が備える電荷出力素子10は、グランド電極層11と、第1のセンサー12と、第2のセンサー13と、第3のセンサー14とを有している。
In addition, since each charge output element 10 with which the sensor devices 6A-6D are provided has the same configuration, one charge output element 10 will be mainly described.
As shown in FIG. 4, the charge output element 10 included in the sensor device 6 includes a ground electrode layer 11, a first sensor 12, a second sensor 13, and a third sensor 14.

第1のセンサー12は、外力(せん断力)に応じて電荷Qx(電荷Qx1、Qx2、Qx3、Qx4のいずれか)を出力する機能を有する。第2のセンサー13は、外力(圧縮/引張力)に応じて電荷Qz(電荷Qz1、Qz2、Qz3、Qz4)を出力する機能を有する。第3のセンサー14は、外力(せん断力)に応じて電荷Qy(電荷Qy1、Qy2、Qy3、Qy4)を出力する。   The first sensor 12 has a function of outputting a charge Qx (any one of the charges Qx1, Qx2, Qx3, and Qx4) according to an external force (shearing force). The second sensor 13 has a function of outputting a charge Qz (charges Qz1, Qz2, Qz3, Qz4) according to an external force (compression / tensile force). The third sensor 14 outputs a charge Qy (charges Qy1, Qy2, Qy3, Qy4) according to an external force (shearing force).

また、センサーデバイス6が備える電荷出力素子10は、グランド電極層11と各センサー12、13、14は交互に平行に積層されている。以下、この積層された方向を「積層方向LD」という。この積層方向LDは、上面321の法線NL2(または下面221の法線NL1)と直交する方向となっている。また、積層方向LDは、挟持方向SDと平行となっている。
また、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、各側壁33の内壁面331に対して垂直な方向から見て、四角形をなしている。なお、各電荷出力素子10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。
In the charge output element 10 included in the sensor device 6, the ground electrode layer 11 and the sensors 12, 13, and 14 are alternately stacked in parallel. Hereinafter, this stacked direction is referred to as “stacked direction LD”. This stacking direction LD is a direction orthogonal to the normal line NL 2 of the upper surface 321 (or the normal line NL 1 of the lower surface 221). The stacking direction LD is parallel to the sandwiching direction SD.
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 direction perpendicular to the inner wall surface 331 of each side wall 33. In addition, as another external shape of each electric charge output element 10, other polygons, such as a pentagon, circle, an ellipse, etc. are mentioned, for example.

以下、グランド電極層11、第1のセンサー12、第2のセンサー13、および第3のセンサー14について詳述する。
グランド電極層11は、グランド(基準電位点)に接地された電極である。グランド電極層11を構成する材料は、特に限定されないが、例えば、金、チタニウム、アルミニウム、銅、鉄またはこれらを含む合金が好ましい。これらの中でも特に、鉄合金であるステンレスを用いるのが好ましい。ステンレスにより構成されたグランド電極層11は、優れた耐久性および耐食性を有する。
Hereinafter, the ground electrode layer 11, the first sensor 12, the second sensor 13, and the third sensor 14 will be described in detail.
The ground electrode layer 11 is an electrode grounded to the ground (reference potential point). Although the material which comprises the ground electrode layer 11 is not specifically limited, For example, gold | metal | money, titanium, aluminum, copper, iron, or an alloy containing these is preferable. Among these, it is particularly preferable to use stainless steel which is an iron alloy. The ground electrode layer 11 made of stainless steel has excellent durability and corrosion resistance.

第1のセンサー12は、積層方向LD(第1の挟持方向)と直交する、すなわち、法線NL2(法線NL1)の方向と同じ方向の第1検出方向の外力(せん断力)に応じて電荷Qxを出力する機能を有する。すなわち、第1のセンサー12は、外力に応じて正電荷または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検出板)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検出板)123と、第1の圧電体層121と第2の圧電体層123との間に設けられた出力電極層122を有する。
第1の圧電体層121は、Yカット水晶板で構成され、互いに直交する結晶軸であるx軸、y軸、z軸を有する。y軸は、第1の圧電体層121の厚さ方向に沿った軸であり、x軸は、図4中の紙面奥行き方向に沿った軸であり、z軸は、図4中の上下方向に沿った軸である。
The first sensor 12 has an external force (shearing force) in the first detection direction orthogonal to the stacking direction LD (first clamping direction), that is, in the same direction as the direction of the normal line NL 2 (normal line NL 1 ). Accordingly, it has a function of outputting a charge Qx. That is, the first sensor 12 is configured to output a positive charge or a negative charge according to an external force.
The first sensor 12 includes a first piezoelectric layer (first detection plate) 121, a second piezoelectric layer (first detection plate) 123 provided to face the first piezoelectric layer 121, and The output electrode layer 122 is provided between the first piezoelectric layer 121 and the second piezoelectric layer 123.
The first piezoelectric layer 121 is composed of a Y-cut quartz plate and has an x-axis, a y-axis, and a z-axis that are crystal axes orthogonal to each other. The y axis is an axis along the thickness direction of the first piezoelectric layer 121, the x axis is an axis along the depth direction in FIG. 4, and the z axis is the vertical direction in FIG. Axis along.

以下では、これら図示した各矢印の先端側を「+(正)」、基端側を「−(負)」として説明する。また、x軸に平行な方向を「x軸方向」、y軸に平行な方向を「y軸方向」、z軸に平行な方向を「z軸方向」という。なお、後述する第2の圧電体層123、第3の圧電体層131、第4の圧電体層133、第5の圧電体層141、および第6の圧電体層143についても同様である。
水晶により構成された第1の圧電体層121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。また、Yカット水晶板は、その面方向に沿った外力(せん断力)に対して電荷を生ずる。
In the following description, it is assumed that the tip side of each of the illustrated arrows is “+ (positive)” and the base end side is “− (negative)”. A direction parallel to the x-axis is referred to as an “x-axis direction”, a direction parallel to the y-axis is referred to as a “y-axis direction”, and a direction parallel to the z-axis is referred to as a “z-axis direction”. The same applies to a second piezoelectric layer 123, a third piezoelectric layer 131, a fourth piezoelectric layer 133, a fifth piezoelectric layer 141, and a sixth piezoelectric layer 143 described later.
The first piezoelectric layer 121 made of quartz has excellent characteristics such as a wide dynamic range, high rigidity, high natural frequency, and high load resistance. Further, the Y-cut quartz plate generates an electric charge with respect to an external force (shearing force) along the surface direction.

そして、第1の圧電体層121の表面に対し、x軸の正方向に沿った外(せん断力)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11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、x軸の負方向に沿った外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11側表面近傍には正電荷が集まる。   When an external (shearing force) force along the positive direction of the x-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. Is done. 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 11 side. Similarly, when an external force along the negative direction of the x-axis is applied to the surface of the first piezoelectric layer 121, negative charges are generated near the surface of the first piezoelectric layer 121 on the output electrode layer 122 side. As a result, positive charges are collected in the vicinity of the surface of the first piezoelectric layer 121 on the ground electrode layer 11 side.

第2の圧電体層123も、Yカット水晶板で構成され、互いに直交する結晶軸であるx軸、y軸、z軸を有する。y軸は、第2の圧電体層123の厚さ方向に沿った軸であり、x軸は、図4中の紙面奥行き方向に沿った軸であり、z軸は、図4中の上下方向に沿った軸である。
水晶により構成された第2の圧電体層123も第1の圧電体層121と同様に、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し、Yカット水晶板であることにより、その面方向に沿った外力(せん断力)に対して電荷を生ずる。
The second piezoelectric layer 123 is also composed of a Y-cut quartz plate and has an x-axis, a y-axis, and a z-axis that are crystal axes orthogonal to each other. The y axis is an axis along the thickness direction of the second piezoelectric layer 123, the x axis is an axis along the depth direction in FIG. 4, and the z axis is the vertical direction in FIG. Axis along.
Similarly to the first piezoelectric layer 121, the second piezoelectric layer 123 made of quartz has excellent characteristics such as a wide dynamic range, high rigidity, high natural frequency, high load resistance, and the like. By being a cut quartz plate, an electric charge is generated with respect to an external force (shearing force) along the surface direction.

そして、第2の圧電体層123の表面に対し、x軸の正方向に沿った外力(せん断力)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11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、x軸の負方向に沿った外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11側表面近傍には正電荷が集まる。   When an external force (shearing force) along the positive direction of the x-axis is applied to the surface of the second piezoelectric layer 123, electric charges are induced in the second piezoelectric layer 123 due to the piezoelectric effect. The As a result, positive charges are collected in the vicinity of the surface of the second piezoelectric layer 123 on the output electrode layer 122 side, and negative charges are collected in the vicinity of the surface of the second piezoelectric layer 123 on the ground electrode layer 11 side. Similarly, when an external force along the negative direction of the x-axis is applied to the surface of the second piezoelectric layer 123, negative charges are generated near the surface of the second piezoelectric layer 123 on the output electrode layer 122 side. As a result, positive charges are collected near the surface of the second piezoelectric layer 123 on the ground electrode layer 11 side.

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Qx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x軸の正方向に沿った外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Qx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x軸の負方向に沿った外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Qx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 Qx. As described above, when an external force along the positive direction of the x-axis is applied to the surface of the first piezoelectric layer 121 or the surface of the second piezoelectric layer 123, a positive charge is present in the vicinity of the output electrode layer 122. Gather. As a result, a positive charge Qx is output from the output electrode layer 122. On the other hand, when an external force along the negative direction of the x 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 Qx is output from the output electrode layer 122.

また、第1のセンサー12が第1の圧電体層121と第2の圧電体層123とを有する構成となっていることは、第1の圧電体層121および第2の圧電体層123のうちの一方のみと出力電極層122とで構成されている場合と比較して、出力電極層122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122から出力される電荷Qxを増加させることができる。なお、後述する第2のセンサー13、第3のセンサー14についても同様である。   The first sensor 12 includes the first piezoelectric layer 121 and the second piezoelectric layer 123 because the first piezoelectric layer 121 and the second piezoelectric layer 123 have the same structure. Compared with the case where only one of them and the output electrode layer 122 are configured, the positive charge or the negative charge collected near the output electrode layer 122 can be increased. As a result, the charge Qx output from the output electrode layer 122 can be increased. The same applies to the second sensor 13 and the third sensor 14 described later.

また、出力電極層122の大きさは、第1の圧電体層121および第2の圧電体層123の大きさ以上であることが好ましい。出力電極層122が、第1の圧電体層121または第2の圧電体層123よりも小さい場合、第1の圧電体層121または第2の圧電体層123の一部は出力電極層122と接しない。そのため、第1の圧電体層121または第2の圧電体層123に生じた電荷の一部を出力電極層122から出力できない場合がある。その結果、出力電極層122から出力される電荷Qxが減少してしまう。なお、後述する出力電極層132、142についても同様である。   In addition, the size of the output electrode layer 122 is preferably equal to or greater than the size of the first piezoelectric layer 121 and the second piezoelectric layer 123. When the output electrode layer 122 is smaller than the first piezoelectric layer 121 or the second piezoelectric layer 123, a part of the first piezoelectric layer 121 or the second piezoelectric layer 123 is connected to the output electrode layer 122. Do not touch. Therefore, some of the charges generated in the first piezoelectric layer 121 or the second piezoelectric layer 123 may not be output from the output electrode layer 122. As a result, the charge Qx output from the output electrode layer 122 decreases. The same applies to output electrode layers 132 and 142 described later.

第2のセンサー13は、外力(圧縮/引張力)に応じて電荷Qzを出力する機能を有する。すなわち、第2のセンサー13は、圧縮力に応じて正電荷を出力し、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2のセンサー13は、第3の圧電体層(第3基板)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3基板)133と、第3の圧電体層131と第4の圧電体層133との間に設けられた出力電極層132を有する。
The second sensor 13 has a function of outputting a charge Qz according to an external force (compression / tensile force). That is, the second sensor 13 is configured to output a positive charge according to the compressive force and output a negative charge according to the tensile force.
The second sensor 13 includes a third piezoelectric layer (third substrate) 131, a fourth piezoelectric layer (third substrate) 133 provided to face the third piezoelectric layer 131, The output electrode layer 132 is provided between the third piezoelectric layer 131 and the fourth piezoelectric layer 133.

第3の圧電体層131は、Xカット水晶板で構成され、互いに直交するx軸、y軸、z軸を有する。x軸は、第3の圧電体層131の厚さ方向に沿った軸であり、y軸は、図4中の上下方向に沿った軸であり、z軸は、図4中の紙面奥行き方向に沿った軸である。
そして、第3の圧電体層131の表面に対し、x軸に平行な圧縮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11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、x軸に平行な引張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11側表面近傍には正電荷が集まる。
The third piezoelectric layer 131 is composed of an X-cut quartz plate and has an x axis, a y axis, and a z axis that are orthogonal to each other. The x-axis is an axis along the thickness direction of the third piezoelectric layer 131, the y-axis is an axis along the vertical direction in FIG. 4, and the z-axis is the depth direction of the page in FIG. Axis along.
When a compressive force parallel to the x-axis is applied to the surface of the third piezoelectric layer 131, electric 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 11 side. Similarly, when a tensile force parallel to the x-axis is applied to the surface of the third piezoelectric layer 131, negative charges gather near the surface of the third piezoelectric layer 131 on the output electrode layer 132 side, Positive charges collect near the surface of the third piezoelectric layer 131 on the ground electrode layer 11 side.

第4の圧電体層133も、Xカット水晶板で構成され、互いに直交するx軸、y軸、z軸を有する。x軸は、第4の圧電体層133の厚さ方向に沿った軸であり、y軸は、図4中の上下方向に沿った軸であり、z軸は、図4中の紙面奥行き方向に沿った軸である。
そして、第4の圧電体層133の表面に対し、x軸に平行な圧縮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11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、x軸に平行な引張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11側表面近傍には正電荷が集まる。
The fourth piezoelectric layer 133 is also composed of an X-cut quartz plate and has an x-axis, a y-axis, and a z-axis that are orthogonal to each other. The x-axis is an axis along the thickness direction of the fourth piezoelectric layer 133, the y-axis is an axis along the vertical direction in FIG. 4, and the z-axis is a depth direction in the drawing of FIG. Axis along.
When a compressive force parallel to the x-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 are collected in the vicinity of the surface of the fourth piezoelectric layer 133 on the output electrode layer 132 side, and negative charges are collected in the vicinity of the surface of the fourth piezoelectric layer 133 on the ground electrode layer 11 side. Similarly, when a tensile force parallel to the x-axis is applied to the surface of the fourth piezoelectric layer 133, negative charges gather near the surface of the fourth piezoelectric layer 133 on the output electrode layer 132 side, Positive charges are collected near the surface of the fourth piezoelectric layer 133 on the ground electrode layer 11 side.

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Qz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x軸に平行な圧縮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Qz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x軸に平行な引張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Qz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 Qz. As described above, when a compressive force parallel to the x-axis is applied to the surface of the third piezoelectric layer 131 or the surface of the fourth piezoelectric layer 133, positive charges are collected in the vicinity of the output electrode layer 132. . As a result, a positive charge Qz is output from the output electrode layer 132. On the other hand, when a tensile force parallel to the x 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 Qz is output from the output electrode layer 132.

第3のセンサー14は、積層方向LD(第2の挟持方向)と直交し、第1のセンサー12が電荷Qxを出力する際に作用する外力の第1検出方向と交差する第2検出方向の外力(せん断力)に応じて電荷Qxを出力する機能を有する。すなわち、第3のセンサー14は、外力に応じて正電荷または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5の圧電体層(第2検出板)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2検出板)143と、第5の圧電体層141と第6の圧電体層143との間に設けられた出力電極層142を有する。
The third sensor 14 is orthogonal to the stacking direction LD (second clamping direction), and has a second detection direction that intersects the first detection direction of the external force that acts when the first sensor 12 outputs the charge Qx. It has a function of outputting a charge Qx according to an external force (shearing force). That is, the third sensor 14 is configured to output a positive charge or a negative charge according to an external force.
The third sensor 14 includes a fifth piezoelectric layer (second detection plate) 141, a sixth piezoelectric layer (second detection plate) 143 provided to face the fifth piezoelectric layer 141, and The output electrode layer 142 is provided between the fifth piezoelectric layer 141 and the sixth piezoelectric layer 143.

第5の圧電体層141は、Yカット水晶板で構成され、互いに直交する結晶軸であるx軸、y軸、z軸を有する。y軸は、第5の圧電体層141の厚さ方向に沿った軸であり、x軸は、図4中の上下方向に沿った軸であり、z軸は、図4中の紙面奥行き方向に沿った軸である。
水晶により構成された第5の圧電体層141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。また、Yカット水晶板は、その面方向に沿った外力(せん断力)に対して電荷を生ずる。
The fifth piezoelectric layer 141 is composed of a Y-cut quartz plate and has an x-axis, a y-axis, and a z-axis that are crystal axes orthogonal to each other. The y-axis is an axis along the thickness direction of the fifth piezoelectric layer 141, the x-axis is an axis along the vertical direction in FIG. 4, and the z-axis is a depth direction in the drawing of FIG. Axis along.
The fifth piezoelectric layer 141 made of quartz has excellent characteristics such as a wide dynamic range, high rigidity, high natural frequency, and high load resistance. Further, the Y-cut quartz plate generates an electric charge with respect to an external force (shearing force) along the surface direction.

そして、第5の圧電体層141の表面に対し、x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11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、x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11側表面近傍には正電荷が集まる。   When an external force along the positive direction of the x 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 11 side. Similarly, when an external force along the negative x-axis direction is applied to the surface of the fifth piezoelectric layer 141, negative charges are generated near 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 11 side.

第6の圧電体層143も、Yカット水晶板で構成され、互いに直交する結晶軸であるx軸、y軸、z軸を有する。y軸は、第2の圧電体層123の厚さ方向に沿った軸であり、x軸は、図4中の上下方向に沿った軸であり、z軸は、図4中の紙面奥行き方向に沿った軸である。
水晶により構成された第6の圧電体層143も第5の圧電体層141と同様に、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し、Yカット水晶板であることにより、その面方向に沿った外力(せん断力)に対して電荷を生ずる。
The sixth piezoelectric layer 143 is also composed of a Y-cut quartz plate and has an x-axis, a y-axis, and a z-axis that are crystal axes orthogonal to each other. The y-axis is an axis along the thickness direction of the second piezoelectric layer 123, the x-axis is an axis along the vertical direction in FIG. 4, and the z-axis is a depth direction in the drawing of FIG. Axis along.
Similarly to the fifth piezoelectric layer 141, the sixth piezoelectric layer 143 made of quartz also has excellent characteristics such as a wide dynamic range, high rigidity, high natural frequency, and high load resistance. By being a cut quartz plate, an electric charge is generated with respect to an external force (shearing force) along the surface direction.

そして、第6の圧電体層143の表面に対し、x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、x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。   When an external force along the positive direction of the x-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 x-axis direction 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.

電荷出力素子10では、積層方向LDから見たとき、第1の圧電体層121および第2の圧電体層123の各x軸と、第5の圧電体層141および第6の圧電体層143の各x軸とが交差している。また、積層方向LDから見たとき、第1の圧電体層121および第2の圧電体層123の各z軸と、第5の圧電体層141および第6の圧電体層143の各z軸とが交差している。   In the charge output element 10, the x-axis of the first piezoelectric layer 121 and the second piezoelectric layer 123, and the fifth piezoelectric layer 141 and the sixth piezoelectric layer 143 when viewed from the stacking direction LD. The x-axis of each intersects. Further, when viewed from the stacking direction LD, each z axis of the first piezoelectric layer 121 and the second piezoelectric layer 123, and each z axis of the fifth piezoelectric layer 141 and the sixth piezoelectric layer 143. And intersect.

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Qy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x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Qy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x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Qy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 Qy. As described above, when an external force along the positive direction of the x 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 generated in the vicinity of the output electrode layer 142. Gather. As a result, positive charge Qy is output from the output electrode layer 142. On the other hand, when an external force along the negative x-axis direction 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 Qy is output from the output electrode layer 142.

このように、電荷出力素子10では、第1のセンサー12、第2のセンサー13、および第3のセンサー14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、x軸、y軸およびz軸に沿った各外力のそれぞれに応じて3つの電荷Qx、Qy、Qzを出力することができる。   As described above, in the charge output element 10, the first sensor 12, the second sensor 13, and the third sensor 14 are 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 Qx, Qy, and Qz according to each external force along the x axis, the y axis, and the z axis.

また、電荷出力素子10は、上述したように、電荷Qzを出力することができるが、力検出装置1では、各外力を求める際、電荷Qzを用いないことが好ましい。すなわち、力検出装置1は、圧縮や引張力を検出せずに、せん断力を検出する装置として用いることが好ましい。これにより、力検出装置1の温度変化に起因するノイズ成分を低減することができる。   Further, as described above, the charge output element 10 can output the charge Qz, but the force detection device 1 preferably does not use the charge Qz when obtaining each external force. That is, the force detection device 1 is preferably used as a device that detects a shearing force without detecting compression or tensile force. Thereby, the noise component resulting from the temperature change of the force detection apparatus 1 can be reduced.

ここで、外力検出時に電荷Qzを用いないことが好ましい理由として、力検出装置1を、エンドエフェクターが装着されたアームを有する産業用ロボットに用いた場合を例に挙げて説明する。この場合、アームやエンドエフェクターに設けられたモーター等の発熱源からの熱伝達により、第1基部2または第2基部3が加熱されて熱膨張し、変形する。この変形により、電荷出力素子10に対する与圧が所定の値から変化してしまう。この電荷出力素子10に対する与圧変化が、力検出装置1の温度変化に起因するノイズ成分として、電荷Qzに著しい影響を及ぼす程度に含まれてしまうからである。   Here, as a reason why it is preferable not to use the charge Qz at the time of detecting an external force, a case where the force detection device 1 is used for an industrial robot having an arm to which an end effector is attached will be described as an example. In this case, the first base 2 or the second base 3 is heated and thermally expanded and deformed by heat transfer from a heat source such as a motor provided in the arm or the end effector. Due to this deformation, the pressure applied to the charge output element 10 changes from a predetermined value. This is because the change in the pressure applied to the charge output element 10 is included as a noise component due to the temperature change of the force detection device 1 to the extent that the charge Qz is significantly affected.

このようなことから、電荷出力素子10は、圧縮や引張力が加えられることで生じる電荷Qzを用いずに、せん断力が加えられることで生じる電荷Qx、Qyのみを検出することで、温度の変動による影響をより受けにくくすることができる。
なお、出力された電荷Qzは、例えば、与圧ボルト71による与圧の調整に用いられる。
For this reason, the charge output element 10 detects only the charges Qx and Qy generated by applying a shearing force without using the charge Qz generated by applying a compression or tensile force. It can be made less susceptible to fluctuations.
The output charge Qz is used for adjusting the pressurization by the pressurization bolt 71, for example.

また、本実施形態では、前述した各圧電体層(第1の圧電体層121、第2の圧電体層123、第3の圧電体層131、第4の圧電体層133、第5の圧電体層141、および第6の圧電体層143)は、全て水晶を用いた構成としているが、各圧電体層は、水晶以外の圧電材料を用いた構成であったもよい。水晶以外の圧電材料としては、例えば、トパーズ、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT:Pb(Zr,Ti)O3)、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等が挙げられる。しかしながら、各圧電体層は、水晶を用いた構成であることが好ましい。水晶により構成された圧電体層は、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ためである。
また、前述したように、第1基部2、および第2基部3とは、与圧ボルト71によって固定されている。
In the present embodiment, the piezoelectric layers described above (the first piezoelectric layer 121, the second piezoelectric layer 123, the third piezoelectric layer 131, the fourth piezoelectric layer 133, and the fifth piezoelectric layer). The body layer 141 and the sixth piezoelectric layer 143) are all configured using quartz, but each piezoelectric layer may be configured using a piezoelectric material other than quartz. Examples of piezoelectric materials other than quartz include topaz, barium titanate, lead titanate, lead zirconate titanate (PZT: Pb (Zr, Ti) O 3 ), lithium niobate, lithium tantalate, and the like. However, each piezoelectric layer preferably has a configuration using quartz. This is because the piezoelectric layer made of quartz has excellent characteristics such as a wide dynamic range, high rigidity, high natural frequency, and high load resistance.
As described above, the first base 2 and the second base 3 are fixed by the pressurizing bolt 71.

この与圧ボルト71による固定は、頂面231と内壁面331との間に各センサーデバイス6を配置した状態で、与圧ボルト71を第2基部3の側壁33側から第1基部2の凸部23に向かって差し込み、与圧ボルト71の雄ネジ(図示せず)を第1基部2に形成された雌ネジ241に螺合する。このようにして、電荷出力素子10は、当該電荷出力素子10を収納するパッケージ60ごと第1基部2と第2基部3とによって所定の大きさの圧力、すなわち、与圧が加えられる。   The fixing with the pressurizing bolt 71 is carried out in such a manner that the pressurizing bolt 71 is protruded from the side wall 33 side of the second base portion 3 with the sensor devices 6 disposed between the top surface 231 and the inner wall surface 331. The male screw (not shown) of the pressurizing bolt 71 is screwed into a female screw 241 formed on the first base 2. In this way, the charge output element 10 is applied with a predetermined pressure, that is, a pressurized pressure, by the first base 2 and the second base 3 together with the package 60 that houses the charge output element 10.

なお、第1基部2と、第2基部3とは、2つの与圧ボルト71により、互いに所定量の変位(移動)が可能なように固定される。第1基部2と、第2基部3とが互いに所定量の変位が可能なように固定されることで、力検出装置1に外力(せん断力)が加わることで電荷出力素子10にせん断力が作用したとき、電荷出力素子10を構成する層同士の間での摩擦力が確実に生じ、よって、電荷を確実に検出することができる。また、各与圧ボルト71による与圧方向は、積層方向LDに平行な方向となっている。   The first base 2 and the second base 3 are fixed by two pressurizing bolts 71 so that a predetermined amount of displacement (movement) is possible. By fixing the first base 2 and the second base 3 so that a predetermined amount can be displaced from each other, an external force (shearing force) is applied to the force detection device 1 so that a shearing force is applied to the charge output element 10. When acting, the frictional force between the layers constituting the charge output element 10 is surely generated, so that the charge can be reliably detected. Further, the pressurizing direction by each pressurizing bolt 71 is a direction parallel to the stacking direction LD.

図5に示すように、このような構成の電荷出力素子10は、その積層方向LDが、α軸に対して傾斜角度εで傾斜している。具体的には、第1のセンサー12のx軸および第3のセンサー14のz軸がα軸に対して傾斜角度εで傾斜している。したがって、本実施形態では、α軸は、センサーデバイス6Aの電荷出力素子10とセンサーデバイス6Bの電荷出力素子10とのなす角を二等分する二等分線となっている。   As shown in FIG. 5, in the charge output element 10 having such a configuration, the stacking direction LD is inclined at an inclination angle ε with respect to the α axis. Specifically, the x axis of the first sensor 12 and the z axis of the third sensor 14 are inclined at an inclination angle ε with respect to the α axis. Therefore, in the present embodiment, the α axis is a bisector that bisects the angle formed by the charge output element 10 of the sensor device 6A and the charge output element 10 of the sensor device 6B.

また、図6に示すように、各電荷出力素子10は、第1のセンサー12のx軸と第1基部2の底板22とのなす角度をηとしたとき、角度ηが0°≦η<90°を満足する程度まで傾くのが許容される。なお、図6は、図5中の矢印D方向から見た図であり、α軸(底板22の下面221)に対して角度ηで傾斜した場合の電荷出力素子10を仮想線(2点鎖線)で図示しいる。   As shown in FIG. 6, each charge output element 10 has an angle η of 0 ° ≦ η <, where η is an angle formed by the x-axis of the first sensor 12 and the bottom plate 22 of the first base 2. It is allowed to tilt to the extent that 90 ° is satisfied. 6 is a view seen from the direction of arrow D in FIG. 5. The charge output element 10 when tilted at an angle η with respect to the α axis (the lower surface 221 of the bottom plate 22) is a virtual line (two-dot chain line). ).

次に、各アナログ回路基板4が備える変換出力回路90a、変換出力回路90b、および変換出力回路90cについて詳述する。
[変換出力回路]
図3に示すように、各変換出力回路90cが、電荷Qx1〜Qx4のいずれか(電荷Qx)を電圧Vx1〜Vx4のいずれか(代表的に「電圧Vx」という)に変換し、各変換出力回路90bが、電荷Qz1〜Qz4のいずれか(電荷Qz)を電圧Vz1〜Vz4のいずれか(代表的に「電圧Vzy」という)に変換し、各変換出力回路90aが、電荷Qy1〜Qy4のいずれか(電荷Qy)を電圧Vy1〜Vy4のいずれか(代表的に「電圧Vy」という)に変換する。
Next, the conversion output circuit 90a, the conversion output circuit 90b, and the conversion output circuit 90c included in each analog circuit board 4 will be described in detail.
[Conversion output circuit]
As shown in FIG. 3, each conversion output circuit 90c converts any one of the charges Qx1 to Qx4 (charge Qx) into any one of the voltages Vx1 to Vx4 (typically referred to as “voltage Vx”). The circuit 90b converts any one of the charges Qz1 to Qz4 (charge Qz) into one of the voltages Vz1 to Vz4 (typically referred to as “voltage Vzy”), and each conversion output circuit 90a converts any of the charges Qy1 to Qy4. Or (charge Qy) is converted into one of voltages Vy1 to Vy4 (typically referred to as “voltage Vy”).

以下に、変換出力回路90a、90b、90cの構成等について詳述するが、各変換出力回路90a、90b、90cは、同じ構成であるため、以下では、変換出力回路90cについて代表的に説明する。
図3に示すように、変換出力回路90cは、電荷出力素子10から出力された電荷Qxを電圧Vxに変換して電圧Vx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。
Hereinafter, the configuration and the like of the conversion output circuits 90a, 90b, and 90c will be described in detail. Since the conversion output circuits 90a, 90b, and 90c have the same configuration, the conversion output circuit 90c will be representatively described below. .
As shown in FIG. 3, the conversion output circuit 90c has a function of converting the charge Qx output from the charge output element 10 into a voltage Vx and outputting the voltage Vx. 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Qxは、静電容量C1を有するコンデンサー92に蓄えられ、電圧Vx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Qx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Vxは、電荷出力素子10から出力される電荷Qxの蓄積量に比例する。   When the switching element 93 is off, the charge Qx 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 Vx. Next, when the switching element 93 is turned on, both terminals of the capacitor 92 are short-circuited. As a result, the charge Qx 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. Note that the voltage Vx output from the ideal conversion output circuit 90 c is proportional to the amount of charge Qx 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)、その他、半導体スイッチまたはMEMSスイッチ等である。このようなスイッチは、機械式スイッチ(メカスイッチ)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。なお、図3に示すように、このようなスイッチは、変換出力回路90cや、変換出力回路90a、90bに実装されているが、その他、ADコンバーター401にも実装することができる。   The switching element 93 is, for example, a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), a semiconductor switch, a MEMS switch, or the like. Since such a switch is smaller and lighter than a mechanical switch (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. As shown in FIG. 3, such a switch is mounted on the conversion output circuit 90 c and the conversion output circuits 90 a and 90 b, but can also be mounted on the AD converter 401.

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.

次に、デジタル回路基板5が備える外力検出回路40について詳述する。
[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Vy1、Vy2、Vy3、Vy4と、各変換出力回路90bから出力される電圧Vz1、Vz2、Vz3、Vz4と、各変換出力回路90cから出力される電圧Vx1、Vx2、Vx3、Vx4とに基づき、加えられた外力を検出する機能を有する。
この外力検出回路40は、変換出力回路(変換回路)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(演算回路)402とを有する。
Next, the external force detection circuit 40 provided in the digital circuit board 5 will be described in detail.
[External force detection circuit]
The external force detection circuit 40 includes voltages Vy1, Vy2, Vy3, and Vy4 output from each conversion output circuit 90a, voltages Vz1, Vz2, Vz3, and Vz4 output from each conversion output circuit 90b, and each conversion output circuit 90c. Based on the output voltages Vx1, Vx2, Vx3, and Vx4, 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 (conversion circuits) 90 a, 90 b, and 90 c, and an arithmetic unit (arithmetic circuit) 402 connected to the AD converter 401.

ADコンバーター401は、電圧Vx1、Vy1、Vz1、Vx2、Vy2、Vz2、Vx3、Vy3、Vz3、Vx4、Vy4、Vz4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Vx1、Vy1、Vz1、Vx2、Vy2、Vz2、Vx3、Vy3、Vz3、Vx4、Vy4、Vz4は、演算部402に入力される。
演算部402は、デジタル変換された電圧Vx、Vy、Vz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なう。そして、演算部402は、電荷出力素子10から出力される電荷Qx、Qy、Qzの蓄積量に比例する3つの信号を出力する。
The AD converter 401 has a function of converting the voltages Vx1, Vy1, Vz1, Vx2, Vy2, Vz2, Vx3, Vy3, Vz3, Vx4, Vy4, and Vz4 from analog signals to digital signals. The voltages Vx 1, Vy 1, Vz 1, Vx 2, Vy 2, Vz 2, Vx 3, Vy 3, Vz 3, Vx 4, Vy 4, Vz 4 that are digitally converted by the AD converter 401 are input to the arithmetic unit 402.
The arithmetic unit 402 performs various processes such as correction for eliminating the difference in sensitivity between the conversion output circuits 90a, 90b, and 90c on the digitally converted voltages Vx, Vy, and Vz. The arithmetic unit 402 outputs three signals proportional to the accumulated amounts of the charges Qx, Qy, and Qz output from the charge output element 10.

<α軸、β軸およびγ軸方向の力検出(力検出方法)>
前述したように、各電荷出力素子10は、積層方向LDと挟持方向SDとが第1基部2(底板22)に対して平行であり、かつ、上面321の法線NL2と直交するように設置された状態となっている(図1参照)。
そして、α軸方向の力FA、β軸方向の力FBおよびγ軸方向の力FCは、それぞれ、下記式(1)、(2)および(3)で表すことができる。式(1)〜(3)中の「fx1-1」は、センサーデバイス6Aの第1のセンサー12(第1検出板)のx軸方向に加わる力、すなわち、電荷Qx1(第1の出力)から求められた力であり、「fx1-2」は、第3のセンサー14(第2検出板)のx軸方向に加わる力、すなわち、電荷Qy1(第2の出力)から求められた力である。また、「fx2-1」は、センサーデバイス6Bの第1のセンサー12(第1検出板)のx軸方向に加わる力(第3の出力)、すなわち、電荷Qx2から求められた力であり、「fx2-2」は、第3のセンサー14(第2検出板)のx軸方向に加わる力、すなわち、電荷Qy2(第4の出力)から求められた力である。
<Force detection in the α-axis, β-axis, and γ-axis directions (force detection method)>
As described above, the charge output element 10 includes a stacking direction LD and the clamping direction SD is parallel to the first base portion 2 (the bottom plate 22), and to be perpendicular to the normal line NL 2 of the upper surface 321 It is in an installed state (see FIG. 1).
The α-axis direction force F A , the β-axis direction force F B, and the γ-axis direction force F C can be expressed by the following equations (1), (2), and (3), respectively. “Fx 1-1 ” in the formulas (1) to (3) is a force applied in the x-axis direction of the first sensor 12 (first detection plate) of the sensor device 6A, that is, a charge Qx1 (first output). ), And “fx 1-2 ” is obtained from the force applied in the x-axis direction of the third sensor 14 (second detection plate), that is, the charge Qy1 (second output). It is power. “Fx 2-1 ” is a force (third output) applied in the x-axis direction of the first sensor 12 (first detection plate) of the sensor device 6B, that is, a force obtained from the charge Qx2. , “Fx 2-2 ” is a force applied in the x-axis direction of the third sensor 14 (second detection plate), that is, a force obtained from the charge Qy2 (fourth output).

A=fx1-1・cosη・cosε−fx1-2・sinη・cosε
−fx2-1・cosη・cosε+fx2-2・sinη・cosε・・・(1)
B=−fx1-1・cosη・sinε+fx1-2・sinη・sinε
−fx2-1・cosη・sinε+fx2-2・sinη・sinε・・・(2)
C=−fx1-1・sinη−fx1-2・cosη−fx2-1・sinη
−fx2-2・cosη・・・(3)
F A = fx 1-1 · cosη · cosε−fx 1-2 · sinη · cosε
-Fx 2-1 · cos η · cos ε + fx 2-2 · sin η · cos ε (1)
F B = −fx 1-1 · cosη · sinε + fx 1-2 · sinη · sinε
−fx 2−1 · cosη · sinε + fx 2−2 · sinη · sinε (2)
F C = −fx 1-1 · sin η−fx 1-2 · cos η−fx 2-1 · sin η
-Fx 2-2 · cosη (3)

例えば、図1、図2に示す構成の力検出装置1の場合、εは45°、ηは0°となる。式(1)〜(3)のεに45°を代入し、ηに0°を代入すると、力FA〜FCは、それぞれ、
A=fx1-1/√2−fx2-1/√2
B=−fx1-1/√2−fx2-1/√2
C=−fx1-2−fx2-2
となる。
For example, in the case of the force detection device 1 configured as shown in FIGS. 1 and 2, ε is 45 ° and η is 0 °. Substituting 45 ° for ε and substituting 0 ° for η in the equations (1) to (3), the forces F A to F C are respectively
F A = fx 1-1 / √2-fx 2-1 / √2
F B = −fx 1-1 / √2-fx 2-1 / √2
F C = −fx 1-2 −fx 2-2
It becomes.

このように力検出装置1では、力FA〜FCを検出する際、温度の変動による影響を受け易い、すなわち、ノイズが乗り易い第2のセンサー13(電荷Qz)を用いずに、その検出を行なうことができる。したがって、力検出装置1は、温度の変動による影響を受けにくく、例えば従来の力検出装置の1/20以下に低減された装置となる。これにより、力検出装置1は、温度変化の激しい環境下でも、力FA〜Fを正確に安定して検出することができる。
なお、実施形態での力検出装置1全体の並進力FA〜FC、および回転力MA〜MCは、各電荷出力素子10からの電荷に基づいて算出される。また、本実施形態では、電荷出力素子10は4つ設けられているが、電荷出力素子10は少なくとも3つ設けられていれば、回転力MA〜MCを算出することが可能である。
As described above, in the force detection device 1, when detecting the forces F A to F C , the second sensor 13 (charge Qz) that is easily affected by temperature fluctuations, that is, noise is easily used, is used. Detection can be performed. Therefore, the force detection device 1 is less affected by temperature fluctuations, and is a device reduced to, for example, 1/20 or less of the conventional force detection device. As a result, the force detection device 1 can accurately and stably detect the forces F A to F even under an environment where the temperature change is severe.
Note that the translational forces F A to F C and the rotational forces M A to M C of the entire force detection device 1 in the embodiment are calculated based on the charges from the charge output elements 10. In this embodiment, four charge output elements 10 are provided. However, if at least three charge output elements 10 are provided, the rotational forces M A to M C can be calculated.

また、このような構成の力検出装置1は、総重量が1kgよりも軽いものとなる。これにより、力検出装置1の重量を取り付けた手首にかかる負荷を低減させることができ、手首を駆動するアクチュエーターの容量を小さくできる為、手首を小型に設計することができる。さらに、この力検出装置1の重量は、ロボットアームが搬送できる最大能力の20%よりも軽い。これにより、力検出装置1の重量を取り付けたロボットアームの制御を容易にすることができる。   Moreover, the force detection apparatus 1 having such a configuration has a total weight lighter than 1 kg. Thereby, since the load concerning the wrist to which the weight of the force detection device 1 is attached can be reduced and the capacity of the actuator that drives the wrist can be reduced, the wrist can be designed to be small. Furthermore, the weight of the force detection device 1 is lighter than 20% of the maximum capacity that the robot arm can carry. Thereby, control of the robot arm to which the weight of the force detection device 1 is attached can be facilitated.

また、本発明では、前述したような電荷出力素子10を収容するパッケージ60の構成に特徴を有している。以下に、このパッケージ60について詳述する。
図7は、センサーデバイス6の拡大縦断面図である。なお、図7では、アナログ回路基板4の図示を省略している。また、説明の都合上、図7中、上側を「上」または「上方」と言い、下側を「下」または「下方」と言う。
Further, the present invention is characterized by the structure of the package 60 that houses the charge output element 10 as described above. Hereinafter, the package 60 will be described in detail.
FIG. 7 is an enlarged longitudinal sectional view of the sensor device 6. In FIG. 7, the analog circuit board 4 is not shown. For convenience of explanation, the upper side in FIG. 7 is referred to as “upper” or “upper”, and the lower side is referred to as “lower” or “lower”.

[パッケージ]
図7に示すように、パッケージ60は、底板部材(第1部材)61と、底板部材61に対向配置された蓋部材(第2部材)62と、底板部材61と蓋部材62とを連結する側壁部材(第3部材)67とを有している。このようなパッケージ60によって、電荷出力素子10は、気密的に封止され、外気から遮断されることにより、出力された電荷が水分等によって不本意に漏洩されることが防止されている。
底板部材61は、平板状をなし、第1基部2の凸部23の頂面231と接するように設けられている。この底板部材61は、第1基部2に加えられた外力を電荷出力素子10に伝達する機能を有している。
[package]
As shown in FIG. 7, the package 60 connects a bottom plate member (first member) 61, a lid member (second member) 62 disposed opposite to the bottom plate member 61, and the bottom plate member 61 and the lid member 62. And a side wall member (third member) 67. By such a package 60, the charge output element 10 is hermetically sealed and cut off from the outside air, so that the output charge is prevented from being unintentionally leaked by moisture or the like.
The bottom plate member 61 has a flat plate shape and is provided in contact with the top surface 231 of the convex portion 23 of the first base 2. The bottom plate member 61 has a function of transmitting an external force applied to the first base 2 to the charge output element 10.

底板部材61の平面視形状は、凸部23の頂面231と対応する形状をなしており、その平面積が頂面231の面積より若干大きくなるように形成されている。したがって、センサーデバイス6を第1基部2と第2基部3との間に固定した状態で、底板部材61の外縁部611は、凸部23から側方に向かって突出している。
なお、底板部材61の平面積は、図7に示すように、電荷出力素子10を内包する程度の大きさであるのが好ましいが、電荷出力素子10よりも小さくてもよく、同等の大きさであってもよい。
The plan view shape of the bottom plate member 61 is a shape corresponding to the top surface 231 of the convex portion 23, and is formed so that the plane area is slightly larger than the area of the top surface 231. Accordingly, the outer edge portion 611 of the bottom plate member 61 protrudes from the convex portion 23 toward the side in a state where the sensor device 6 is fixed between the first base portion 2 and the second base portion 3.
The plane area of the bottom plate member 61 is preferably large enough to contain the charge output element 10 as shown in FIG. 7, but it may be smaller than the charge output element 10 or the same size. It may be.

また、本実施形態では、底板部材61の平面視形状は、四角形であるが、四角形以外の多角形、円形、楕円形等であってもよい。また、底板部材61の角部は、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。
このような底板部材61の外縁部611には、四角形の筒状をなす側壁部材67が接合されている。この側壁部材67と底板部材61とにより凹部65が画成され、凹部65内に電荷出力素子10が、側壁部材67の内壁面から離間するようにして配置されている。
Further, in the present embodiment, the planar view shape of the bottom plate member 61 is a quadrangle, but may be a polygon other than the quadrangle, a circle, an ellipse, or the like. Moreover, the corner | angular part of the baseplate member 61 may be roundish, and may be notched diagonally.
A side wall member 67 having a quadrangular cylindrical shape is joined to the outer edge portion 611 of the bottom plate member 61. The side wall member 67 and the bottom plate member 61 define a recess 65, and the charge output element 10 is disposed in the recess 65 so as to be separated from the inner wall surface of the side wall member 67.

側壁部材67は、底板部材61に接合される下側部671と、下側部671上に設けられ、下側部671の貫通孔の横断面積よりも横断面積が大きい貫通孔を有する上側部672とを有している。したがって、下側部671と上側部672とを接合した状態で、下側部671の上面の一部は、上側部672の貫通孔内に露出している。
下側部671の内壁面には、その高さ方向の途中で貫通孔の横断面積が増大することにより形成された段差部673が設けられている。この段差部673に、底板部材61が、側壁部材67(下側部671)の内壁面から離間するようにして接合されている。
The side wall member 67 is joined to the bottom plate member 61, and the upper side portion 672 having a through hole provided on the lower side portion 671 and having a transverse area larger than the transverse area of the through hole of the lower side portion 671. And have. Therefore, in a state where the lower part 671 and the upper part 672 are joined, a part of the upper surface of the lower part 671 is exposed in the through hole of the upper part 672.
On the inner wall surface of the lower side portion 671, a step portion 673 formed by increasing the cross-sectional area of the through hole in the middle of the height direction is provided. The bottom plate member 61 is joined to the stepped portion 673 so as to be separated from the inner wall surface of the side wall member 67 (lower side portion 671).

また、下側部671の所定の箇所には、下側部671の上面、外壁面および下面にわたって、4つの端子66が設けられている。この端子66の上側部分662は、上側部672の貫通孔(凹部65)内に露出しており、当該上側部分662において接続部64と接合されている。これにより、端子66は、この接続部64を介して電荷出力素子10に電気的に接続されている。また、端子66の下側部分661は、側壁部材67の下面から外部に露出しており、図示しない配線を介してアナログ回路基板4に接合されている。   In addition, four terminals 66 are provided at predetermined positions of the lower portion 671 across the upper surface, outer wall surface, and lower surface of the lower portion 671. The upper portion 662 of the terminal 66 is exposed in the through hole (concave portion 65) of the upper portion 672, and is joined to the connection portion 64 at the upper portion 662. As a result, the terminal 66 is electrically connected to the charge output element 10 via the connection portion 64. The lower portion 661 of the terminal 66 is exposed to the outside from the lower surface of the side wall member 67, and is joined to the analog circuit board 4 via a wiring (not shown).

なお、端子66は、導電性を有していればよく、例えば、クロム、タングステンなどのメタライズ層(下地層)に、ニッケル、金、銀、銅などの各被膜を積層することにより構成することができる。また、接続部64は、例えば、Agペースト、Cuペースト、Auペースト等の導電性ペーストで形成することができるが、入手が容易であり、取扱性にも優れているため、Agペーストで形成することが好ましい。   The terminal 66 only needs to have conductivity. For example, the terminal 66 is configured by laminating each film of nickel, gold, silver, copper, or the like on a metallized layer (underlayer) such as chromium or tungsten. Can do. Moreover, although the connection part 64 can be formed with conductive pastes, such as Ag paste, Cu paste, Au paste, etc., since it is easy to obtain and is excellent in handleability, it forms with Ag paste. It is preferable.

このような側壁部材67(上側部672)の上面には、例えば、金、チタニウム、アルミニウム、銅、鉄またはこれらを含む合金等で構成されるシーリング63を介して、蓋部材62が接合されている。
この蓋部材62は、第2基部3に当接して設けられており、第2基部3に加えられた外力を電荷出力素子10に伝達する機能を有している。
A lid member 62 is joined to the upper surface of the side wall member 67 (upper portion 672) via a sealing 63 made of, for example, gold, titanium, aluminum, copper, iron, or an alloy containing these. Yes.
The lid member 62 is provided in contact with the second base portion 3 and has a function of transmitting an external force applied to the second base portion 3 to the charge output element 10.

蓋部材62は、平板状の部材を、その中央部分625が外周部分626より第2基部3に向かって突出するように屈曲(または湾曲)変形させることにより、全体として皿状をなすように形成されている。このような構成により、蓋部材62の中央部分625は、第2基部3の内壁面331に当接している。なお、中央部分625の平面視形状は、特に限定されないが、本実施形態では、電荷出力素子10の平面視形状に対応する形状、すなわち、四角形をなしている。   The lid member 62 is formed to have a plate-like shape as a whole by bending (or bending) a flat plate-like member so that the central portion 625 protrudes from the outer peripheral portion 626 toward the second base portion 3. Has been. With such a configuration, the central portion 625 of the lid member 62 is in contact with the inner wall surface 331 of the second base 3. In addition, although the planar view shape of the center part 625 is not specifically limited, In this embodiment, it has comprised the shape corresponding to the planar view shape of the electric charge output element 10, ie, the rectangle.

なお、底板部材61および蓋部材62の厚さは、それぞれ異なっていてもいし、同じであってもよい。
このような構成のパッケージ60では、底板部材61の少なくとも一部の縦弾性係数(第1縦弾性係数)および蓋部材62の少なくとも一部の縦弾性係数(第2縦弾性係数)が、それぞれ、側壁部材67の縦弾性係数(第3縦弾性係数)よりも低くなっている。
The thicknesses of the bottom plate member 61 and the lid member 62 may be different or the same.
In the package 60 having such a configuration, the longitudinal elastic modulus (first longitudinal elastic modulus) of at least a part of the bottom plate member 61 and the longitudinal elastic modulus (second longitudinal elastic modulus) of at least a part of the lid member 62 are respectively It is lower than the longitudinal elastic modulus (third longitudinal elastic modulus) of the side wall member 67.

このため、底板部材61および蓋部材62は、側壁部材67よりも、応力が加えられた際に弾性変形しやすい。そのため、底板部材61および蓋部材62は、第1基部2や第2基部3に繰り返して外力が加えられても、その外力に応じて変形することができる。したがって、底板部材61および蓋部材62が破損することを低減することができ、よって、力検出装置1は、長期にわたって信頼性に優れたものとなる。また、与圧ボルト71でセンサーデバイス6を第1基部2と第2基部3との間に固定する際に、与圧ボルト71の締め付けにより底板部材61および蓋部材62に必要以上に圧力が加わっても、底板部材61および蓋部材62が破損することを低減することができる。   For this reason, the bottom plate member 61 and the lid member 62 are more easily elastically deformed than the side wall member 67 when stress is applied. Therefore, even if the external force is repeatedly applied to the first base portion 2 and the second base portion 3, the bottom plate member 61 and the lid member 62 can be deformed according to the external force. Therefore, it is possible to reduce the damage of the bottom plate member 61 and the lid member 62, and thus the force detection device 1 is excellent in reliability over a long period of time. Further, when the sensor device 6 is fixed between the first base portion 2 and the second base portion 3 with the pressurizing bolt 71, more pressure than necessary is applied to the bottom plate member 61 and the lid member 62 by tightening the pressurizing bolt 71. However, it is possible to reduce the damage of the bottom plate member 61 and the lid member 62.

また、前述したように、電荷出力素子10および底板部材61は、側壁部材67の内壁面から離間して設けられている。このため、電荷出力素子10および底板部材61が変形した場合でも、側壁部材67と接触することを回避することができる。これにより、電荷出力素子10および底板部材61が破損することも低減することができる。かかる観点からも、力検出装置1は、長期にわたって信頼性に優れたものとなる。   Further, as described above, the charge output element 10 and the bottom plate member 61 are provided apart from the inner wall surface of the side wall member 67. For this reason, even when the charge output element 10 and the bottom plate member 61 are deformed, contact with the side wall member 67 can be avoided. Thereby, damage to the charge output element 10 and the bottom plate member 61 can also be reduced. From this point of view, the force detection device 1 is excellent in reliability over a long period of time.

また、底板部材61は、その一部のみ(特に、凸部23と接触する部分のみ)が第1縦弾性係数を有していてもよいが、その全体にわたって第1縦弾性係数を有することが好ましい。これにより、底板部材61を単一の部材および単一の材料で構成することができ、底板部材61の全体にわたって縦弾性係数および機械的強度の均一化を図ることができる。このため、底板部材61が、第1基部2に加えられた外力によって破損することがより確実に低減されるとともに、底板部材61を介して電荷出力素子10により正確に外力を伝達することもできる。   Further, only a part of the bottom plate member 61 (particularly, only a part in contact with the convex portion 23) may have the first longitudinal elastic modulus, but may have the first longitudinal elastic modulus over the whole. preferable. As a result, the bottom plate member 61 can be composed of a single member and a single material, and the longitudinal elastic modulus and the mechanical strength can be made uniform over the entire bottom plate member 61. For this reason, the bottom plate member 61 is more reliably reduced from being damaged by the external force applied to the first base portion 2, and the external force can be accurately transmitted to the charge output element 10 via the bottom plate member 61. .

蓋部材62も、その一部(特に、中央部分625のみ)が第2縦弾性係数を有していてもよいが、その全体にわたって第2縦弾性係数を有することが好ましい。これにより、蓋部材62を単一の部材および単一の材料で構成することができ、蓋部材62の全体にわたって縦弾性係数および機械的強度の均一化を図ることができる。特に、蓋部材62は、中央部分625と外周部分626とを傾斜部分で接続したような形状(皿状)をなすため、単一の部材および単一の材料で構成すれば、各部分の接合部における機械的強度の急激な変化を低減することができる。このため、蓋部材62が、第2基部3に加えられた外力によって破損することがより確実に低減されるとともに、蓋部材62を介して電荷出力素子10により正確に外力を伝達することもできる。   A part of the lid member 62 (particularly, only the central portion 625) may have the second longitudinal elastic modulus, but preferably has the second longitudinal elastic modulus over the entirety. As a result, the lid member 62 can be composed of a single member and a single material, and the longitudinal elastic modulus and the mechanical strength can be made uniform throughout the lid member 62. In particular, the lid member 62 has a shape (dish shape) in which the central portion 625 and the outer peripheral portion 626 are connected by an inclined portion. Therefore, if the lid member 62 is formed of a single member and a single material, the lid member 62 is joined to each other. A sudden change in mechanical strength at the portion can be reduced. For this reason, the lid member 62 can be more reliably reduced from being damaged by the external force applied to the second base 3 and can be accurately transmitted to the charge output element 10 via the lid member 62. .

また、第1縦弾性係数と第2縦弾性係数との差は、第1縦弾性係数の10分の1以下であることが好ましく、20分の1以下であることがより好ましく、30分の1以下であることがさらに好ましい。これにより、底板部材61および蓋部材62のいずれか一方のみに応力が集中することを回避することができる。そのため、第1基部2および第2基部3に加えられる外力が分散することによって、底板部材61や蓋部材62が破損することをより確実に低減することができる。   The difference between the first longitudinal elastic modulus and the second longitudinal elastic modulus is preferably 1/10 or less of the first longitudinal elastic modulus, more preferably 1/20 or less, and 30 minutes. More preferably, it is 1 or less. Thereby, it is possible to avoid stress concentration on only one of the bottom plate member 61 and the lid member 62. Therefore, it is possible to more reliably reduce the damage to the bottom plate member 61 and the lid member 62 by dispersing the external force applied to the first base 2 and the second base 3.

具体的には、第1縦弾性係数は、50GPa以上300GPa以下であることが好ましく、100GPa以上250GPa以下であることがより好ましく、120GPa以上200GPa以下であることがさらに好ましい。第1縦弾性係数が前記範囲内であれば、底板部材61は、適度な剛性を有するとともに、効率よく弾性変形する。このため、底板部材61は、第1基部2に繰り返して外力が加えられても、その外力に応じてより効的確に変形することができる。そのため、底板部材61が、第1基部2に加えられた外力によって破損することをより確実に低減されるとともに、底板部材61を介して電荷出力素子10により正確に外力を伝達することができる。   Specifically, the first longitudinal elastic modulus is preferably 50 GPa or more and 300 GPa or less, more preferably 100 GPa or more and 250 GPa or less, and further preferably 120 GPa or more and 200 GPa or less. If the first longitudinal elastic modulus is within the above range, the bottom plate member 61 has moderate rigidity and efficiently elastically deforms. For this reason, even if the external force is repeatedly applied to the 1st base 2, the baseplate member 61 can deform | transform more effectively according to the external force. Therefore, the bottom plate member 61 can be more reliably reduced from being damaged by the external force applied to the first base 2, and the external force can be accurately transmitted to the charge output element 10 through the bottom plate member 61.

また、第2縦弾性係数は、50GPa以上300GPa以下であることが好ましく、100GPa以上250GPa以下であることがより好ましく、120GPa以上200GPa以下であることがさらに好ましい。第2縦弾性係数が前記範囲内であれば、蓋部材62は、適度な剛性を有するとともに、効率よく弾性変形する。このため、蓋部材62は、第2基部3に繰り返して外力が加えられても、その外力に応じてより的確に変形することができる。そのため、蓋部材62が、第2基部3に加えられた外力によって破損することがより確実に低減されるとともに、蓋部材62を介して電荷出力素子10により正確に外力を伝達することができる。   The second longitudinal elastic modulus is preferably 50 GPa or more and 300 GPa or less, more preferably 100 GPa or more and 250 GPa or less, and further preferably 120 GPa or more and 200 GPa or less. When the second longitudinal elastic modulus is within the above range, the lid member 62 has an appropriate rigidity and efficiently elastically deforms. For this reason, even if the external force is repeatedly applied to the second base 3, the lid member 62 can be more accurately deformed according to the external force. Therefore, the lid member 62 is more reliably reduced from being damaged by the external force applied to the second base portion 3, and the external force can be accurately transmitted to the charge output element 10 via the lid member 62.

また、第3縦弾性係数は、200GPa以上500GPa以下であることが好ましく、250GPa以上480GPa以下であることがより好ましく、300GPa以上450GPa以下であることがさらに好ましい。第3縦弾性係数が前記範囲内であれば、側壁部材67は十分な剛性を備えるため、パッケージ60全体としての機械的強度を十分に確保することができる。このため、繰り返し外力が加わっても、パッケージ60の変形による損傷が生じにくくなり、内部に収容された電荷出力素子10をより確実に保護することができる。
なお、第3縦弾性係数とは、複数の部材を含んでなる側壁部材67全体における縦弾性係数をいう。
The third longitudinal elastic modulus is preferably 200 GPa or more and 500 GPa or less, more preferably 250 GPa or more and 480 GPa or less, and further preferably 300 GPa or more and 450 GPa or less. If the third longitudinal elastic modulus is within the above range, the side wall member 67 has sufficient rigidity, so that the mechanical strength of the entire package 60 can be sufficiently secured. For this reason, even if an external force is repeatedly applied, damage due to deformation of the package 60 is less likely to occur, and the charge output element 10 accommodated therein can be more reliably protected.
The third longitudinal elastic modulus refers to the longitudinal elastic modulus of the entire side wall member 67 including a plurality of members.

また、底板部材61、蓋部材62および側壁部材67の熱膨張係数は、それぞれ、電荷出力素子10が備える圧電体層121、123、131、133、141、143の熱膨張係数とできる限り近いことが好ましい。これにより、圧電体層121、123、131、133、141、143が温度変化によって膨張または収縮した場合であっても、底板部材61、蓋部材62および側壁部材67が圧電体層と同程度で膨張または収縮することとなる。そのため、圧電体層121、123、131、133、141、143に、底板部材61、蓋部材62および側壁部材67との熱変形の程度の差によって、圧縮応力または引張応力が生じることをより低減することができる。したがって、温度変化によって不要な電荷が出力されることをより低減することができ、よって、力検出装置1は、より精度の高い力検出を行うことができる。   The thermal expansion coefficients of the bottom plate member 61, the lid member 62, and the side wall member 67 are as close as possible to the thermal expansion coefficients of the piezoelectric layers 121, 123, 131, 133, 141, and 143 included in the charge output element 10, respectively. Is preferred. Thus, even when the piezoelectric layers 121, 123, 131, 133, 141, and 143 are expanded or contracted due to temperature changes, the bottom plate member 61, the lid member 62, and the side wall member 67 are approximately the same as the piezoelectric layers. Will expand or contract. Therefore, the piezoelectric layers 121, 123, 131, 133, 141, and 143 are further reduced from the occurrence of compressive stress or tensile stress due to the difference in the degree of thermal deformation between the bottom plate member 61, the lid member 62, and the side wall member 67. can do. Therefore, it is possible to further reduce the output of unnecessary charges due to temperature changes, and thus the force detection device 1 can perform more accurate force detection.

本実施形態では、圧電体層121、123、131、133、141、143が水晶で構成されており、x軸方向の25℃から200℃における熱膨張係数が13.4×10-6(1/K)、y軸方向の25℃から200℃における熱膨張係数が13.4×10-6(1/K)、z軸方向の25℃から200℃における熱膨張係数7.8×10-6(1/K)となっている。 In the present embodiment, the piezoelectric layers 121, 123, 131, 133, 141, and 143 are made of quartz, and the thermal expansion coefficient from 25 ° C. to 200 ° C. in the x-axis direction is 13.4 × 10 −6 (1 / K), the thermal expansion coefficient from 25 ° C. to 200 ° C. in the y-axis direction is 13.4 × 10 −6 (1 / K), and the thermal expansion coefficient from 25 ° C. to 200 ° C. in the z-axis direction is 7.8 × 10 − 6 (1 / K).

したがって、圧電体層121、123、131、133、141、143を水晶で構成する場合には、底板部材61、蓋部材62および側壁部材67の構成材料としては、それぞれ、25℃から200℃における熱膨張係数が、1×10-6(1/K)以上1×10-7(1/K)以下の材料であることが好ましく、3×10-6(1/K)以上9×10-6(1/K)以下の材料であることがより好ましい。これにより、各圧電体層121、123、131、133、141、143に、底板部材61、蓋部材62および側壁部材67との熱変形の程度の差により、圧縮応力または引張応力が生じることをより低減することができる。 Therefore, when the piezoelectric layers 121, 123, 131, 133, 141, and 143 are made of quartz, the constituent materials of the bottom plate member 61, the lid member 62, and the side wall member 67 are respectively 25 ° C. to 200 ° C. A material having a thermal expansion coefficient of 1 × 10 −6 (1 / K) or more and 1 × 10 −7 (1 / K) or less is preferable, and 3 × 10 −6 (1 / K) or more and 9 × 10 − 6 (1 / K) or less is more preferable. As a result, the piezoelectric layers 121, 123, 131, 133, 141, and 143 are subject to compressive stress or tensile stress due to differences in the degree of thermal deformation between the bottom plate member 61, the lid member 62, and the side wall member 67. It can be further reduced.

また、底板部材61の構成材料と蓋部材62の構成材料とは、同一であってもよく、異なっていてもよいが、同一であることが好ましい。これにより、底板部材61と蓋部材62との縦弾性係数や熱膨張係数をほぼ等しくすることがきる。このため、加えられた外力によって底板部材61および蓋部材62が破損することをさらに効果的に低減することができる。また、底板部材61および蓋部材62との熱変形の程度の差によって、圧電体層121、123、131、133、141、143に圧縮応力または引張応力が生ることをより効果的に低減することもできる。また、底板部材61の構成材料と蓋部材62の構成材料とが同一であることで、例えば横弾性係数や硬さ等の材料特性についてもほぼ等しくすることができる。これにより、加えられる外力が底板部材61および蓋部材62のいずれか一方に集中することが回避され、これらが不本意に変形や破損することを特に効果的に低減することができる。
ここで、本明細書において、同一の構成材料とは、組成比が完全に一致している材料のみならず、組成比が若干異なっていても、特性(縦弾性係数や熱膨張係数)がほぼ等しい材料も含む。
The constituent material of the bottom plate member 61 and the constituent material of the lid member 62 may be the same or different, but are preferably the same. Thereby, the longitudinal elastic coefficient and thermal expansion coefficient of the bottom plate member 61 and the lid member 62 can be made substantially equal. For this reason, it can further reduce effectively that the baseplate member 61 and the cover member 62 are damaged by the applied external force. Further, it is more effectively reduced that compressive stress or tensile stress is generated in the piezoelectric layers 121, 123, 131, 133, 141, and 143 due to the difference in the degree of thermal deformation between the bottom plate member 61 and the lid member 62. You can also Further, since the constituent material of the bottom plate member 61 and the constituent material of the lid member 62 are the same, for example, the material properties such as the transverse elastic modulus and the hardness can be made substantially equal. Thereby, it is avoided that the applied external force concentrates on one of the bottom plate member 61 and the lid member 62, and it is possible to particularly effectively reduce the unintentional deformation or breakage.
Here, in this specification, the same constituent material is not only a material whose composition ratio is completely the same, but even if the composition ratio is slightly different, the characteristics (longitudinal elastic modulus and thermal expansion coefficient) are almost the same. Includes equal materials.

以上のような条件を満足する底板部材61および蓋部材62の構成材料としては、例えば、ステンレス鋼、コバール、銅、鉄、炭素鋼、チタン等の各種金属材料等が挙げられるが、中でも特に、コバールであることが好ましい。これにより、底板部材61は、比較的高い剛性を有するとともに、応力が加えられたときに適度に弾性変形する。このため、底板部材61は、第1基部2に加えられた外力を電荷出力素子10に正確に伝達することができるとともに、その外力によって破損することをさらに低減することができる。また、コバールは、成形加工性に優れているという観点からも好ましい。   Examples of the constituent material of the bottom plate member 61 and the lid member 62 that satisfy the above conditions include various metal materials such as stainless steel, Kovar, copper, iron, carbon steel, and titanium. Kovar is preferred. Thereby, the bottom plate member 61 has a relatively high rigidity and is appropriately elastically deformed when stress is applied. For this reason, the bottom plate member 61 can accurately transmit the external force applied to the first base 2 to the charge output element 10, and can further reduce the damage caused by the external force. Kovar is also preferable from the viewpoint of excellent molding processability.

また、コバールの25℃から200℃における熱膨張係数は、5.2×10-6(1/K)であり、水晶の熱膨張係数に近い値である。そのため、本実施形態のように、電荷出力素子10が備える圧電体層121、123、131、133、141、143が水晶で構成されている場合には、各圧電体層121、123、131、133、141、143に底板部材61および蓋部材62との熱変形の程度の差によって圧縮応力または引張応力が生じることを特に効果的に抑制することができる。 The thermal expansion coefficient of Kovar from 25 ° C. to 200 ° C. is 5.2 × 10 −6 (1 / K), which is close to the thermal expansion coefficient of quartz. Therefore, as in the present embodiment, when the piezoelectric layers 121, 123, 131, 133, 141, and 143 included in the charge output element 10 are made of quartz, each piezoelectric layer 121, 123, 131, It is possible to particularly effectively suppress the occurrence of compressive stress or tensile stress in 133, 141, 143 due to the difference in the degree of thermal deformation between the bottom plate member 61 and the lid member 62.

一方、上記条件を満足する側壁部材67の構成材料としては、特に限定されないが、絶縁性材料であることが好ましく、例えば、アルミナ、ジルコニア等の酸化物系のセラミックス、炭化ケイ素等の炭化物系のセラミックス、窒化ケイ素等の窒化物系のセラミックス等の各種セラミックスを含むことがより好ましく、各種セラミックスを主成分とすることがさらに好ましい。セラミックスは、適度な剛性を有するともに、絶縁性に優れている。そのため、パッケージ60の変形による損傷が生じにくく、内部に収容された電荷出力素子10をより確実に保護することができるとともに、端子66同士が短絡することをより確実に回避することができる。また、側壁部材67の加工精度をより高めることもできる。
また、側壁部材67の構成材料としては、熱膨張係数が前記範囲内を満たすセラミックスを主成分とすることが好ましい。これにより、圧電体層121、123、131、133、141、143に、側壁部材67との熱変形の程度の差によって、圧縮応力または引張応力が生じることをより低減することができる。
On the other hand, the constituent material of the side wall member 67 that satisfies the above conditions is not particularly limited, but is preferably an insulating material, for example, oxide-based ceramics such as alumina and zirconia, and carbide-based materials such as silicon carbide. It is more preferable to include various ceramics such as ceramics and nitride-based ceramics such as silicon nitride, and it is more preferable to include various ceramics as a main component. Ceramics have moderate rigidity and excellent insulation. Therefore, damage due to deformation of the package 60 is unlikely to occur, the charge output element 10 accommodated in the package 60 can be more reliably protected, and a short circuit between the terminals 66 can be more reliably avoided. Further, the processing accuracy of the side wall member 67 can be further increased.
Moreover, as a constituent material of the side wall member 67, it is preferable that the ceramic has a thermal expansion coefficient satisfying the above range as a main component. Thereby, it is possible to further reduce the occurrence of compressive stress or tensile stress in the piezoelectric layers 121, 123, 131, 133, 141, and 143 due to the difference in the degree of thermal deformation from the side wall member 67.

なお、本実施形態では、収容部(パッケージ)の第1部材が底板部材であり、第2部材が蓋部材であり、第3部材が側壁部材であるとして説明したが、第1部材とは、圧電素子と第1基部との間で、かつ、力検出装置の厚さ方向から見て圧電素子と第1基部とが重なっている領域に位置する部材をいう。また、第2部材とは、圧電素子と第2基部との間で、かつ、力検出装置の厚さ方向から見て圧電素子と第2基部とが重なっている領域に位置する部材をいう。また、第3部材は、第1部材と第2部材を接続している部材をいい、好ましくは、圧電素子(電荷出力素子)、第1基部および第2基部に接触することなく設けられている部材をいう。   In the present embodiment, the first member of the housing portion (package) is a bottom plate member, the second member is a lid member, and the third member is a side wall member. A member located between the piezoelectric element and the first base and in a region where the piezoelectric element and the first base overlap with each other when viewed from the thickness direction of the force detection device. The second member refers to a member located between the piezoelectric element and the second base and in a region where the piezoelectric element and the second base overlap when viewed from the thickness direction of the force detection device. The third member refers to a member connecting the first member and the second member, and is preferably provided without contacting the piezoelectric element (charge output element), the first base, and the second base. Refers to a member.

2.単腕ロボット
次に、図8に基づき、本発明に係るロボットの実施形態である単腕ロボットを説明する。
図8は、本発明に係る力検出装置を用いた単腕ロボットの1例を示す図である。図8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。
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。
2. Single Arm Robot Next, a single arm robot which is an embodiment of the robot according to the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 8 is a diagram showing an example of a single-arm robot using the force detection device according to the present invention. The single-arm robot 500 of FIG. 8 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.
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.

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 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.

エンドエフェクター530は、対象物を把持する機能を有する。エンドエフェクター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ー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。
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 a 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、エンドエフェクター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、エンドエフェクター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なうことができ、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 that have been difficult with conventional position control can be easily performed, and the single-arm robot 500 can perform the operation 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. .

3.複腕ロボット
次に、図9に基づき、本発明に係るロボットの実施形態である複腕ロボットを説明する。
図9は、本発明に係る力検出装置を用いた複腕ロボットの1例を示す図である。図9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。
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。
3. Next, based on FIG. 9, a multi-arm robot which is an embodiment of the robot according to the present invention will be described.
FIG. 9 is a diagram showing an example of a multi-arm robot using the force detection device according to the present invention. 9 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, a second arm 620, and a second end effector 640a. 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.
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.

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。   The 1st arm 620 is comprised by connecting the 1st arm element 621 and the 2nd arm element 622 so that rotation is possible. The second arm 630 is configured by rotatably connecting the first 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ー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ー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ー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ー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ー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 operating 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ー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ー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なうことができ、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.

4.電子部品検査装置および電子部品搬送装置
次に、図10、図11に基づき、本発明の力検出装置を備えた電子部品検査装置および電子部品搬送装置を説明する。
図10は、本発明に係る力検出装置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11は、本発明に係る力検出装置を用いた電子部品搬送装置の1例を示す図である。
4). Next, an electronic component inspection device and an electronic component conveyance device provided with the force detection device of the present invention will be described with reference to FIGS. 10 and 11.
FIG. 10 is a diagram showing an example of an electronic component inspection device and a component conveying device using the force detection device according to the present invention. FIG. 11 is a diagram illustrating an example of an electronic component transport device using the force detection device according to the present invention.

図10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。   The electronic component inspection apparatus 700 of FIG. 10 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 base 720 is provided with a Y stage 731 that can move in a direction (Y direction) parallel to the upstream stage 712u and the downstream stage 712d of the base 710. An arm portion 732 is extended in a direction (X direction) toward 710. An X stage 733 is provided on the side surface of the arm 732 so as to be movable in the X direction. In addition, 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 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. Further, 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の検査を行なう。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11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軸の力検出装置1と、6軸の力検出装置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. 11 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 rotating shaft 742 connected to the gripping portion 741 via the six-axis force detection device 1, A fine adjustment plate 743 is rotatably attached to the rotation shaft 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なうことができ、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 are 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.

5.部品加工装置の実施形態
次に、図12に基づき、本発明の力検出装置を備えた部品加工装置の実施形態を説明する。
図12は、本発明に係る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12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。
5. Next, an embodiment of a component processing apparatus provided with the force detection device of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 12 is a diagram showing an example of a component processing apparatus using the force detection device according to the present invention. The component processing apparatus 800 in FIG. 12 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 the 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、ニッパー、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。
以上、本発明の力検出装置、およびロボットを図示の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、力検出装置、およびロボットを構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができる。また、任意の構成物が付加されていてもよい。
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.
As described above, the force detection device and the robot of the present invention have been described with respect to the illustrated embodiment. However, the present invention is not limited to this, and each unit constituting the force detection device and the robot has the same function. It can be replaced with any configuration that can be exhibited. Moreover, arbitrary components may be added.

また、本発明の力検出装置、およびロボットは、前記各実施形態のうちの、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、本発明の力検出装置では、電荷出力素子は、4つ設けられていたが、電荷出力素子の数は、これに限定されない。例えば、電荷出力素子は、1つであっても、2つであっても、3つであってもよく、また、5つ以上であってもよい。
Further, the force detection device and the robot of the present invention may be a combination of any two or more configurations (features) of the above embodiments.
In the force detection device of the present invention, four charge output elements are provided, but the number of charge output elements is not limited to this. For example, the number of charge output elements may be one, two, three, or five or more.

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。
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.

また、本発明の力検出装置は、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、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移動体、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。   The force detection device of the present invention is not limited to a robot, an electronic component transport device, an electronic component inspection device, and a component processing device, but other devices such as other transport devices, other inspection devices, automobiles, motorcycles, Also applicable to vehicles such as airplanes, ships, trains, bipedal walking robots, wheeled robots, etc., measuring devices such as vibration meters, accelerometers, gravimeters, dynamometers, seismometers, inclinometers, and input devices can do.

1…力検出装置 2…第1基部 22…底板 23…凸部 221…下面(第1面) 231…頂面 24…壁部 241…雌ネジ 271…中心軸 272…中心 3…第2基部 32…天板 33…側壁 321……上面(第2面) 331…内壁面 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…孔 43…パイプ 5…デジタル回路基板 6、6A、6B、6C、6D…センサーデバイス(圧力検出部) 60…パッケージ(収容部) 61…底板部材(第1部材) 611…縁部 62…蓋部材(第2部材) 625…中央部分 626…外周部分 63…シーリング 64…接続部 65…凹部 66…端子 661…下側部分 662…上側部分 67…側壁部材(第3部材) 671…下側部 672…上側部 673…段差部 71…与圧ボルト 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(圧電素子) 11…グランド電極層 12…第1のセンサー 121…第1の圧電体層(圧電体層) 122…出力電極層 123…第2の圧電体層(圧電体層) 13…第2のセンサー 131…第3の圧電体層(圧電体層) 132…出力電極層 133…第4の圧電体層(圧電体層) 14…第3のセンサー 141…第5の圧電体層(圧電体層) 142…出力電極層 143…第6の圧電体層(圧電体層) 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 LD…積層方向 SD…挟持方向 NL1、NL2…法線 Qx、Qy、Qz、Qx1、Qy1、Qz1、Qx2、Qy2、Qz2、Qx3、Qy3、Qz3、Qx4、Qy4、Qz4…電荷 Vx、Vy、Vz、Vx1、Vy1、Vz1、Vx2、Vy2、Vz2、Vx3、Vy3、Vz3、Vx4、Vy4、Vz4…電圧 θ…傾斜角度 ε…傾斜角度 η…角度 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Force detection apparatus 2 ... 1st base 22 ... Bottom plate 23 ... Convex part 221 ... Lower surface (1st surface) 231 ... Top surface 24 ... Wall part 241 ... Female screw 271 ... Central axis 272 ... Center 3 ... 2nd base 32 ... top plate 33 ... side wall 321 ... upper surface (second surface) 331 ... inner wall surface 4 ... analog circuit board 40 ... external force detection circuit 401 ... AD converter 402 ... arithmetic unit 41 ... hole 43 ... pipe 5 ... digital circuit board 6, 6A, 6B, 6C, 6D ... Sensor device (pressure detection part) 60 ... Package (accommodating part) 61 ... Bottom plate member (first member) 611 ... Edge part 62 ... Lid member (second member) 625 ... Central part 626 ... Outer peripheral part 63 ... Sealing 64 ... Connection part 65 ... Recess 66 ... Terminal 661 ... Lower part 662 ... Upper part 67 ... Side wall member (third member) 671 ... Lower side part 672 ... Upper part 673 ... Step DESCRIPTION OF SYMBOLS 71 ... Pressurizing volt | bolt 90a, 90b, 90c ... Conversion output circuit 91 ... Operational amplifier 92 ... Capacitor 93 ... Switching element 10 ... Charge output element (piezoelectric element) 11 ... Ground electrode layer 12 ... 1st sensor 121 ... 1st piezoelectricity Body layer (piezoelectric layer) 122 ... Output electrode layer 123 ... Second piezoelectric layer (piezoelectric layer) 13 ... Second sensor 131 ... Third piezoelectric layer (piezoelectric layer) 132 ... Output electrode layer 133 ... fourth piezoelectric layer (piezoelectric layer) 14 ... third sensor 141 ... fifth piezoelectric layer (piezoelectric layer) 142 ... output electrode layer 143 ... sixth piezoelectric layer (piezoelectric layer) 500 ... single arm robot 510 ... base 520 ... arm 521 ... first arm element 522 ... second arm element 523 ... third arm element 524 ... fourth arm element 525 ... fifth arm element 53 ... End effector 531 ... First finger 532 ... Second finger 600 ... Multi-arm robot 610 ... Base 620 ... First arm 621 ... First arm element 622 ... Second arm element 630 ... Second arm 631 ... First arm element 632 ... Second arm element 640a ... First end effector 641a ... First 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 base 731 ... Y stage 732 ... Arms 733 ... X stage 734 ... Imaging camera 740 ... Electronic component conveying device 741 ... Grip portion 742 ... Rotating shaft 743 ... Fine adjustment plate 744x, 744y, 744θ ... piezoelectric motor 750 ... control device 800 ... part processing device 810 ... base 820 ... support 830 ... feed mechanism 831 ... feed motor 832 ... guide 840 ... tool displacement portion 841 ... displacement motor 842 ... holding portion 843 ... Tool mounting portion 850 ... Tool 860 ... Parts to be processed LD ... Stacking direction SD ... Holding direction NL 1 , NL 2 ... Normal Qx, Qy, Qz, Qx1, Qy1, Qz1, Qx2, Qy2, Qz2, Qx3, Qy3 , Qz3, Qx4, Qy4, Qz4 ... Charge Vx, Vy, Vz, Vx1, Vy1, Vz1, Vx2, Vy2, Vz2, Vx3, Vy3, Vz3, Vx4, Vy4, Vz4 ... Voltage θ ... Inclination angle ε ... Inclination angle η …angle

Claims (9)

第1基部と、
第2基部と、
前記第1基部と前記第2基部とで挟持されているセンサーデバイスと、
前記第1基部と前記第2基部とを締結するボルトと、を備え、
前記センサーデバイスは、
端子を有する側壁部材と、
前記側壁部材に接続されている底板部材と、
前記側壁部材と前記底板部材とによって形成される凹部に配置され、外力に応じて信号を出力する圧電素子と、
導電性ペーストで形成され、前記端子と前記圧電素子を電気的に接続する接続部と、
前記側壁部材に接続され、前記凹部を封止する蓋部材と、を有し、
前記底板部材は、一方の面で前記第1基部と接し、他方の面で前記圧電素子と接しており、
前記蓋部材は、一方の面で前記第2基部と接し、他方の面で前記圧電素子と接しており、
前記底板部材の縦弾性係数は、前記側壁部材の縦弾性係数よりも低く、
前記側壁部材は、前記第1基部および前記第2基部に接しておらず、
前記圧電素子の構成材料は、水晶を含み、
前記底板部材の構成材料は、ステンレス鋼、コバール、銅、鉄、炭素鋼、チタンのいずれか1つを含む、ことを特徴とする力検出装置。
A first base;
A second base;
A sensor device sandwiched between the first base and the second base;
A bolt that fastens the first base and the second base ;
The sensor device is
A side wall member having a terminal;
A bottom plate member connected to the side wall member;
A piezoelectric element that is disposed in a recess formed by the side wall member and the bottom plate member and outputs a signal in response to an external force;
A connection portion formed of a conductive paste and electrically connecting the terminal and the piezoelectric element;
A lid member connected to the side wall member and sealing the recess,
The bottom plate member is in contact with the first base on one side and in contact with the piezoelectric element on the other side,
The lid member is in contact with the second base on one surface and in contact with the piezoelectric element on the other surface;
The longitudinal elastic modulus of the bottom plate member is lower than the longitudinal elastic modulus of the side wall member,
The side wall member is not in contact with the first base and the second base,
The constituent material of the piezoelectric element includes quartz,
The constituent material of the bottom plate member includes any one of stainless steel, Kovar, copper, iron, carbon steel, and titanium.
前記蓋部材の縦弾性係数は、前記側壁部材の縦弾性係数よりも低く、
前記蓋部材の構成材料は、ステンレス鋼、コバール、銅、鉄、炭素鋼、チタンのいずれか1つを含む請求項1に記載の力検出装置。
The longitudinal elastic modulus of the lid member is lower than the longitudinal elastic modulus of the side wall member,
The force detection device according to claim 1, wherein a constituent material of the lid member includes any one of stainless steel, Kovar, copper, iron, carbon steel, and titanium.
前記導電性ペーストは、Agペーストを含む請求項1または2に記載の力検出装置。   The force detection device according to claim 1, wherein the conductive paste includes an Ag paste. 前記底板部材の縦弾性係数と前記蓋部材の縦弾性係数との差は、前記底板部材の縦弾性係数の10分の1以下である請求項2または3に記載の力検出装置。 The force detection device according to claim 2 or 3, wherein a difference between a longitudinal elastic modulus of the bottom plate member and a longitudinal elastic modulus of the lid member is 1/10 or less of a longitudinal elastic modulus of the bottom plate member . 前記底板部材の構成材料と前記蓋部材の構成材料とは、同一である請求項2から4のいずれか1項に記載の力検出装置。   The force detection device according to any one of claims 2 to 4, wherein a constituent material of the bottom plate member and a constituent material of the lid member are the same. 前記側壁部材の構成材料は、セラミックを含む請求項1から5のいずれか1項に記載の力出装置。 The material of the sidewall member, the force detection device according to claim 1, any one of 5, including a ceramic. 前記底板部材の構成材料は、コバールを含む請求項1から6に記載の力検出装置。   The force detection device according to claim 1, wherein the constituent material of the bottom plate member includes Kovar. 前記蓋部材の構成材料は、コバールを含む請求項7に記載の力検出装置。   The force detection device according to claim 7, wherein the constituent material of the lid member includes Kovar. アームを備え、
前記アームに設けられたエンドエフェクターと、
前記アームと前記エンドエフェクターとの間に設けられている請求項1から8のいずれか1項に記載の力検出装置と、が設けられていることを特徴とするロボット。
With an arm,
An end effector provided on the arm;
9. A robot, comprising: the force detection device according to claim 1 provided between the arm and the end effector.
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