JP6862794B2 - 力検出センサー、力覚センサー、トルクセンサーおよびロボット - Google Patents

力検出センサー、力覚センサー、トルクセンサーおよびロボット Download PDF

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Description

本発明は、力検出センサー、力覚センサー、トルクセンサーおよびロボットに関するものである。
例えば、力検出センサーとして、振動子を用いた構成が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１に記載の力検出センサーは、基板と、基板上に積層された第１振動子および第２振動子とを有している。そして、第１振動子を振動させた状態で、第２振動子が対象物に押圧されると、押圧された分だけ、第１振動子の振動が第２振動子に伝わり易くなり、第２振動子から第１振動子と同じ周波数の信号が押圧力に応じた振幅で出力される。
特開２００２−３１５７４号公報
しかしながら、このような力検出センサーでは、第２振動子から出力される信号に、押圧力の微小な変化に応じた微小な振幅の変化が表れ難く、高い力検出特性を発揮することが困難である。
本発明の目的は、高い力検出特性を有する力検出センサー、力覚センサー、トルクセンサーおよびロボットを提供することにある。
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の力検出センサーは、外部から力を受ける第１面と、前記第１面とは法線方向が異なる第２面と、を備える基体と、
前記第２面上に配置されている電極指と、を有し、
前記第２面の平面視で、前記電極指の並び方向が前記第１面の法線方向とは異なることを特徴とする。
これにより、第１面が力を受けると、電極指のピッチが変化する。電極指のピッチが変化すると、電極指に通電することで基体の表面に励起される弾性表面波の周波数（ＳＡＷ共振子の共振周波数）も変化するため、この周波数変化に基づいて、受けた力を検出することができる。このように、周波数変化に基づいて受けた力を検出することで、高い分解能および応答性を発揮することができる。そのため、高い力検出特性を発揮することのできる力検出センサーとなる。
本発明の力検出センサーでは、前記第２面は、圧電体の表面で構成されていることが好ましい。
これにより、電極指に通電することで、より確実に、第２面に弾性表面波を励起することができる。
本発明の力検出センサーでは、前記基体は、前記第１面および前記第２面とは法線方向が異なる第３面を備え、
前記第３面上に配置されている前記電極指を有し、
前記第３面の平面視で、前記第３面上に配置されている前記電極指の並び方向が前記第１面の法線方向とは異なることが好ましい。
これにより、より多くの検出軸を有する力検出センサーとなる。
本発明の力検出センサーでは、前記第３面は、圧電体の表面で構成されていることが好ましい。
これにより、櫛歯電極に通電することで、より確実に、第３面に弾性表面波を励起することができる。
本発明の力検出センサーでは、前記第２面の平面視で、並び方向が前記第１面の法線に対して一方側に傾斜している第１電極指と、並び方向が前記第１面の法線に対して他方側に傾斜している第２電極指と、を有していることが好ましい。
これにより、より多くの検出軸を有する力検出センサーとなる。
本発明の力検出センサーでは、前記圧電体の構成材料は、水晶であることが好ましい。
これにより、優れた温度特性、および、優れた機械的強度を発揮することができる。
本発明の力検出センサーでは、前記第１面は、前記水晶の電気軸と交差していることが好ましい。
これにより、より確実に、基体の表面（第２面や第３面）に弾性表面波を励起することができる。
本発明の力検出センサーでは、前記基体は、第１基体と、前記第１基体に接続されている第２基体と、を有し、
前記第１基体が前記第１面を有し、
前記第２基体が前記第２面を有していることが好ましい。
これにより、基体の設計の自由度が増す。
本発明の力検出センサーでは、前記基体は、予圧されていることが好ましい。
これにより、力検出センサーの応答性が向上する。
本発明の力覚センサーは、本発明の力検出センサーを有することを特徴とする。
これにより、本発明の力検出センサーの効果を享受でき、高い信頼性および力検出特性を有する力覚センサーが得られる。
本発明のトルクセンサーは、本発明の検出センサーを有することを特徴とする。
これにより、本発明の力検出センサーの効果を享受でき、高い信頼性および力検出特性を有するトルクセンサーが得られる。
本発明のロボットは、本発明の力検出センサーを有することを特徴とする。
これにより、本発明の力検出センサーの効果を享受でき、高い信頼性および力検出特性を有するロボットが得られる。
本発明の第１実施形態に係る力覚センサーを示す断面図である。 図１に示す力覚センサーが有する力検出センサーの斜視図である。 図１に示す力覚センサーの平面図である。 本発明の第２実施形態に係るトルクセンサーを示す平面図である。 図４に示すトルクセンサーが有する力検出センサーの斜視図である。 本発明の第３実施形態に係る力覚センサーを示す断面図である。 図６に示す力覚センサーが有する力検出センサーの斜視図である。 本発明の第４実施形態に係るトルクセンサーを示す平面図である。 図８に示すトルクセンサーが有する力検出センサーの斜視図である。 本発明の第５実施形態に係る力覚センサーを示す断面図である。 図１０に示す力覚センサーが有する力検出センサーの斜視図である。 本発明の第６実施形態に係るトルクセンサーを示す平面図である。 図１２に示すトルクセンサーが有する力検出センサーの斜視図である。 本発明の第７実施形態に係る力覚センサーが有する力検出センサーの斜視図である。 本発明の第８実施形態に係るロボットを示す斜視図である。
以下、本発明の力検出センサーおよびロボットを添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る力覚センサーを示す断面図である。図２は、図１に示す力覚センサーが有する力検出センサーの斜視図である。図３は、図１に示す力覚センサーの平面図である。以下では、説明の便宜上、図１、図２中の上側および図３中の紙面手前側を「上」とも言い、図１、図２中の下側および図３中の紙面奥側を「下」とも言う。また、各図に示すように、以下では、互いに直交する３軸をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸とし、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」ともいう。
図１に示す力覚センサー１は、Ｚ軸方向の力Ｆｚ（Ｆｚ１、Ｆｚ２）およびＸ軸方向の力Ｆｘ（Ｆｘ１、Ｆｘ２）を検出することができる。このような力覚センサー１は、力検出センサー２と、力検出センサー２を収納するパッケージ３と、パッケージ３を厚さ方向に挟んで配置された一対の基板４１、４２と、基板４１、４２同士を連結し、パッケージ３を介して力検出センサー２を予圧する予圧ボルト５と、を有している。以下、これら各部について順に説明する。
（力検出センサー）
図１および図２に示すように、力検出センサー２は、外部から力（Ｆｚ、Ｆｘ）を受ける第１面としての受圧面２１１と、受圧面２１１とは法線方向が異なる第２面としての配置面２１３と、を備える基体２１と、配置面２１３上に配置されている電極指２５と、を有している。また、配置面２１３の平面視で、電極指２５の並び方向が受圧面２１１の法線方向（Ｚ軸方向）とは異なっている。すなわち、配置面２１３の平面視で、電極指２５の並び方向が受圧面２１１の法線に対して傾斜している。
このような力検出センサー２は、基体２１の表面に弾性表面波を励起することのできるＳＡＷ共振子を構成している。力Ｆｚや力Ｆｘが加わると、基体２１が変形し、基体２１の変形に伴って、電極指２５のピッチ（隣接する電極指２５同士の間隔、すなわち、弾性表面波が伝搬する方向での電極指２５同士の間隔）も変化する。そして、電極指２５のピッチが変化すると、それに伴って弾性表面波の周波数（ＳＡＷ共振子の共振周波数）が変化する。これは、弾性表面波の周波数が電極指２５のピッチに依存するためである。そのため、力検出センサー２で励起される弾性表面波の周波数に基づいて、力Ｆｚ、Ｆｘを検出することができる。このように、周波数変化に基づいて受けた力を検出する構成とすることで、高い分解能および高い応答性を発揮することができる。よって、高い力検出特性を発揮することのできる力検出センサー２となる。特に、本実施形態では、電極指２５の並び方向がＺ軸に対して傾斜して設けられているため、力Ｆｚおよび力Ｆｘの両方を検出することができる。以下、力検出センサー２について詳細に説明する。
図２に示すように、力検出センサー２は、基体２１と、基体２１に設けられた櫛歯電極２２と、配置面２１３上に櫛歯電極２２を間に挟んで設けられた一対の反射器２３、２４と、を有している。
基体２１は、四角柱（本実施形態では立方体）である。また、基体２１は、上面および下面と、上面および下面を接続する４つの側面と、を有している。このうち、基体２１の上面は、Ｚ軸を法線とするＸＹ平面で構成され、力Ｆｚ、Ｆｘを受ける第１面としての受圧面２１１を構成している。また、４つの側面のうちの１つは、Ｙ軸を法線とするＸＺ平面で構成され、櫛歯電極２２および反射器２３、２４を配置する第２面としての配置面２１３を構成している。
配置面２１３は、受圧面２１１が力Ｆｚ、Ｆｘを受けることで変形する。配置面２１３が変形することで、櫛歯電極２２のピッチが変化し、それに応じて、弾性表面波の周波数（ＳＡＷ共振子の共振周波数）が変化する。なお、ここでの「変形」とは、例えば、実質的に変形していないが、内部に歪みが発生する場合等も含む広い概念である（以下、同様である）。
特に、本実施形態では、受圧面２１１と隣り合う面（すなわち、間に異なる面を介することなく接続されている面）を配置面２１３としている。そのため、受圧面２１１に加わった力Ｆｚ、Ｆｘが配置面２１３に伝わり易い。よって、より確実に、かつ、より大きく、配置面２１３を変形させることができる。そのため、加わった力の大きさに対する周波数の変化量をより大きくすることができる。その結果、力検出センサー２の分解能がより向上する。
なお、基体２１の形状としては、受圧面２１１（第１面）と、櫛歯電極２２が配置された配置面２１３（第２面）とを有していれば、特に限定されず、例えば、三角柱、五角柱、六角形以上の多角柱等であってもよい。また、受圧面２１１、配置面２１３を含む基体２１の各面は、平面に限定されず、面全体または面の一部が曲面であってもよい。
基体２１は、圧電体で構成されている。そのため、配置面２１３は、圧電体の表面で構成されている。これにより、より確実に、弾性表面波を励起することができる。なお、圧電体の構成材料としては、特に限定されず、例えば、水晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、四ホウ酸リチウム（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）、リン酸ガリウム（ＧａＰＯ４）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ、Ｚｎ２Ｏ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸鉛（ＰｂＰＯ３）、ニオブ酸ナトリウムカリウム（（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３）、ビスマスフェライト（ＢｉＦｅＯ３）、ニオブ酸ナトリウム（ＮａＮｂＯ３）、チタン酸ビスマス（Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２）、チタン酸ビスマスナトリウム（Ｎａ０．５Ｂｉ０．５ＴｉＯ３）等が挙げられる。
特に、本実施形態では、圧電体の構成材料は、水晶である。すなわち、基体２１は、水晶で構成されている。これにより、力検出センサー２は、他の圧電体を用いた場合と比較して、高い周波数安定度、良好な周波数温度特性（ある温度範囲において周波数の変化量が小さいこと）、高い機械的強度（剛性、耐荷重性）、高い固有振動数、高いダイナミックレンジを発揮することができる。そのため、力Ｆｚ、Ｆｘを、より広い範囲で、かつ、より高精度に検出することができる。よって、より優れた検出特性を発揮することのできる力検出センサー２となる。
また、受圧面２１１は、前記圧電体としての水晶の電気軸と交差している。特に、本実施形態では、受圧面２１１は、水晶の電気軸と直交している。すなわち、受圧面２１１は、水晶のＸカット面である。また、配置面２１３は、水晶の電気軸と平行である。このようなカット角の水晶を用いることで、より確実に、弾性表面波を励起することができる。このような基体２１を構成する水晶のカット角としては、例えば、ＳＴカット、ＣＴカット、ＡＴカット、ＢＴカット等が挙げられるが、これらの中でもＳＴカットを用いることが好ましい。このようなカット角を用いることで、レイリー波と呼ばれる弾性表面波を利用することができ、例えば、リーキー波と呼ばれる弾性表面波に比べて基体２１や櫛歯電極２２の加工精度に対する周波数や周波数温度特性のばらつきを小さくすることができる。そのため、量産性に優れたものとなる。ただし、弾性表面波を励起することができれば、水晶のカット角は、特に限定されない。
また、櫛歯電極２２は、基体２１の配置面２１３のＺ軸方向の中央部に設けられている。また、櫛歯電極２２は、一対の電極２２１、２２２を有している。また、一対の電極２２１、２２２は、互いの電極指２５が噛み合うように配置されている。すなわち、電極２２１、２２２は、互いの電極指２５が交互に並ぶように非接触で配置されている。そして、電極２２１、２２２間に駆動電圧を印加すると、基体２１の圧電効果によって電極指２５間に周期的なひずみが生じ、電極指２５の並ぶ方向に沿って弾性表面波が励起される。なお、本実施形態では、電極指２５の延在方向と、電極指２５の並び方向が直交しているが、弾性表面波を励起することができれば、直交していなくてもよい。
また、配置面２１３の平面視で、櫛歯電極２２は、その電極指２５の並び方向が受圧面２１１の法線（Ｚ軸）に対して傾斜している。すなわち、配置面２１３の平面視で、櫛歯電極２２の電極指２５が並ぶ方向に沿う軸を軸Ａとしたとき、軸Ａは、受圧面２１１の法線（Ｚ軸）に対して傾斜している。また、軸Ａは、Ｘ軸に対しても傾斜している。なお、Ｚ軸に対する軸Ａの傾斜角θとしては、特に限定されないが、例えば、３０°以上６０°以下であるのが好ましく、４０°以上５０°以下であるのがより好ましい。このような角度とすることで、力Ｆｚ、Ｆｘのいずれの力が加わったときでも、櫛歯電極２２のピッチをより大きく変化させることができる。よって、力Ｆｚ、Ｆｘをそれぞれ感度よく検出することができる。
一対の反射器２３、２４は、櫛歯電極２２を挟んでその両側に配置されている。反射器２３、２４は、基体２１に伝搬する弾性表面波を反射して、弾性表面波を反射器２３と反射器２４との間に封じ込める機能を有する。なお、反射器２３、２４は、省略してもよい。
このような櫛歯電極２２、反射器２３、２４は、それぞれ、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム合金等の導電性の優れた金属材料により形成することができる。アルミニウム（Ａｌ）およびアルミニウム合金は、例えば、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）のような他の金属材料と比較して比重が小さい材料であるため、櫛歯電極２２および反射器２３、２４の寸法バラつきが力検出センサー２の周波数温度特性に与える影響を小さく抑えることができる。
以上、力検出センサー２について説明した。なお、本実施形態では、力検出センサー２は、櫛歯電極２２が１つ設けられた所謂１ポート型のＳＡＷ共振子であるが、これに限定されず、櫛歯電極２２を弾性表面波の伝搬方向に沿って２つ設けられた所謂２ポート型のＳＡＷ共振子であってもよい。また、それ以外の構成であってもよい。
（パッケージ）
図１に示すように、パッケージ３は、上方に開口する凹部３１１を有するベース３１と、凹部３１１の開口を覆うようにベース３１の上面に接合されたキャップ状のリッド３２とを有している。また、パッケージ３の内側には気密な収納空間Ｓが形成されており、この収納空間Ｓに力検出センサー２が収納されている。収納空間Ｓの雰囲気としては、特に限定されないが、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム等の希ガスが充填されていることが好ましい。これにより、収納空間Ｓの雰囲気が安定する。また、櫛歯電極２２や反射器２３、２４の腐食等を抑制することができる。また、収納空間Ｓは、減圧（好ましくは真空）状態となっていてもよい。これにより、例えば、粘性抵抗が減って、力検出センサー２のＱ値が高まるため、弾性表面波を励起し易くなる。
また、凹部３１１（土台３１Ａの上面）に基体２１の下面が接合され、リッド３２に基体２１の上面（受圧面２１１）が接合されている。ベース３１およびリッド３２と力検出センサー２との接合は、例えば、絶縁性の接着剤を用いて行われている。なお、ベース３１およびリッド３２と力検出センサー２との接合方法は、特に限定されない。また、例えば、収納空間Ｓ内で力検出センサー２を固定することができれば、力検出センサー２とパッケージ３とが接合されていなくてもよい。
また、図１に示すように、リッド３２は、中央部に位置し、力検出センサー２と接合する中央部３２１と、外縁部に位置し、ベース３１と接合する外縁部３２２と、中央部３２１と外縁部３２２との間に位置し、これらを接続するテーパー状の接続部３２３とを有している。また、中央部３２１は、外縁部３２２よりも上側（基板４１側）に位置している。また、中央部３２１のみが基板４１と接触し、外縁部３２２および接続部３２３は、基板４１と接触していない（離間している）。これにより、より確実かつ効率的に、力Ｆｚ、Ｆｘを力検出センサー２の受圧面２１１に伝えることができる。
なお、予圧ボルト５によってパッケージ３が予圧されていない状態では、力検出センサー２は、パッケージ３によってＺ軸方向に予圧されていてもよいし、予圧されていなくてもよいが、実質的に予圧されていないことが好ましい。これにより、例えば、パッケージ３によって予圧する場合と比較してパッケージ３の剛性が低くてもよいため、パッケージ３の小型化を図ることができる。なお、本実施形態では、収納空間Ｓの高さと、力検出センサー２の高さがほぼ等しく、パッケージ３に収納された状態では、力検出センサー２は、パッケージ３によって実質的に予圧されていない。
また、図１に示すように、本実施形態では、ベース３１は、ベース３１の底部中央部を構成する土台３１Ａと、土台３１Ａの周囲に設けられ、ベース３１の底部の外縁部および側壁を構成する枠部３１Ｂとを有している。そして、土台３１Ａの上面に、力検出センサー２が載置されている。このことから、土台３１Ａは、力検出センサー２を載置する載置台として機能する。
また、枠部３１Ｂには、収納空間Ｓ内に位置する２つの内部端子３３と、ベース３１の下面に位置し、図示しない内部配線によって内部端子３３と電気的に接続されている２つの外部端子３４とが設けられている。また、内部端子３３、３３は、それぞれ、ボンディングワイヤーＢＷを介して櫛歯電極２２の電極２２１、２２２と電気的に接続されている。このような構成とすることで、櫛歯電極２２をパッケージ３の外側へ電気的に引き出すことができ、外部装置との電気的接続をより容易に行うことができる。
枠部３１Ｂの構成材料としては、特に限定されないが、例えば、酸化アルミニウム等の各種セラミックスを用いることができる。また、土台３１Ａおよびリッド３２の構成材料としては、それぞれ、特に限定されないが、枠部３１Ｂの構成材料と線膨張係数が近似する部材であると良い。例えば、枠部３１Ｂの構成材料を前述のようなセラミックスとした場合には、土台３１Ａおよびリッド３２の構成材料を金属材料（例えばコバール等の合金）とするのが好ましい。これにより、パッケージ３に熱歪みが発生し難くなり、力検出センサー２に不要な応力（予圧、力Ｆｚ、Ｆｘ以外の外力）が加わることを低減することができる。そのため、より力検出精度の高い力覚センサー１となる。
このように、土台３１Ａおよびリッド３２をそれぞれ金属材料で構成することで、土台３１Ａおよびリッド３２の強度および寸法精度が高くなり、十分な機械的強度を発揮しつつ、収納空間Ｓの高さを高精度に制御することができる。そのため、パッケージ３が破損し難くなり、また、収納空間Ｓに力検出センサー２を好適に収納することができる。一方、枠部３１Ｂをセラミックスで構成することで、枠部３１Ｂをより高強度とすることができ、パッケージ３全体の強度を高めることができる。また、枠部３１Ｂを絶縁性とすることができ、内部端子３３、外部端子３４の形成が容易となる。
（基板）
図１に示すように、一対の基板４１、４２は、パッケージ３を間に挟んでＺ軸方向に重なるようにして設けられている。また、パッケージ３は、Ｚ軸方向から見た平面視で、基板４１、４２の中央部に位置している。
基板４１は、パッケージ３の上側に位置し、板状をなしている。そして、基板４１の下面がリッド３２の中央部３２１と接触している。一方、基板４２は、パッケージ３の下側に位置し、板状のベース４２１と、ベース４２１から上方に突出した突出部４２２とを有している。そして、突出部４２２の上面がベース３１の下面と接触している。また、突出部４２２は、ベース３１の土台３１Ａの下面と接触し、枠部３１Ｂとは接触していない。これにより、より確実かつ効率的に、力Ｆｚ、Ｆｘを力検出センサー２に伝えることができる。そのため、より力検出精度の高い力覚センサー１となる。また、基板４２と外部端子３４との間に空隙が形成されるため、外部端子３４と外部装置との接続が容易となる。
このような基板４１、４２の構成材料としては、特に限定されず、例えば、鉄、ニッケル、コバルト、金、白金、銀、銅、マンガン、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、鉛、錫、チタン、タングステン等の各種金属、またはこれらのうちの少なくとも１種を含む合金または金属間化合物、さらには、これらの金属の酸化物、窒化物、炭化物等が挙げられる。
（予圧ボルト）
図１および図３に示すように、基板４１、４２は、４つの予圧ボルト５で固定（連結）されている。４つの予圧ボルト５は、基板４１、４２の外縁部に周方向に沿って等間隔（すなわち、９０°間隔）に設けられている。また、各予圧ボルト５は、その頭部５１が基板４１側となるように配置され、各予圧ボルト５のネジ部５２が基板４２に螺合している。そして、各予圧ボルト５により、パッケージ３内の力検出センサー２にＺ軸方向の圧力が加えられている。すなわち、基体２１は、予圧ボルト５によって予圧されている。このように、基体２１を予圧することで、例えば、予圧しない場合と比較して、力覚センサー１の応答性が向上する。また、圧縮方向の力Ｆｚ１のみならず、伸張方向の力Ｆｚ２についてもより精度よく検出することができる。
このような予圧ボルト５によれば、予圧ボルト５の締め込み量によって予圧の大きさを調整することができる。そのため、予圧の調整が容易となる。予圧の大きさは、特に限定されず、力検出センサー２の強度等に応じて適宜設定することができる。なお、予圧ボルト５の数や配置は、力検出センサー２を予圧することができれば、特に限定されない。また、基体２１を予圧することができれば、その方法としては、予圧ボルト５を用いる方法に限定されない。
以上、力覚センサー１の構成について説明した。このような力覚センサー１は、前述したように、Ｚ軸方向（受圧面２１１に直交する方向）の力Ｆｚ（Ｆｚ１、Ｆｚ２）およびＸ軸方向（受圧面２１１に平行な方向）の力Ｆｘ（Ｆｘ１、Ｆｘ２）を検出することができる。以下、力覚センサー１の力検出方法について説明する。なお、以下では、力検出センサー２に実質的に予圧以外の外力が加わっていない状態を自然状態とも言う。また、以下では、基板４２が固定された状態で、力Ｆｚ、Ｆｘが基板４１を介して受圧面２１１に作用するものとする。
受圧面２１１に力Ｆｚ１が加わると、基体２１がＺ軸方向に圧縮変形し、櫛歯電極２２のピッチ（隣接する電極指２５同士の間隔、すなわち弾性表面波が伝搬する方向での電極指２５同士の間隔）が自然状態よりも短くなる。そのため、力検出センサー２に励起される弾性表面波の周波数ｆが自然状態よりも高くなる。
また、受圧面２１１に力Ｆｚ２が加わると、基体２１がＺ軸方向に引張変形し、櫛歯電極２２のピッチが自然状態よりも長くなる。そのため、力検出センサー２に励起される弾性表面波の周波数ｆが自然状態よりも低くなる。
したがって、力覚センサー１は、周波数ｆの自然状態からの変化（変化量および変化方向）に基づいて、力Ｆｚ１、Ｆｚ２を検出することができる。
また、受圧面２１１に力Ｆｘ１が加わると、基体２１がＸ軸方向プラス側にせん断変形し、櫛歯電極２２のピッチが自然状態よりも短くなる。そのため、力検出センサー２に励起される弾性表面波の周波数ｆが自然状態よりも高くなる。
また、受圧面２１１に力Ｆｘ２が加わると、基体２１がＸ軸方向マイナス側にせん断変形し、櫛歯電極２２のピッチが自然状態よりも長くなる。そのため、力検出センサー２に励起される弾性表面波の周波数ｆが自然状態よりも低くなる。
したがって、力覚センサー１は、周波数ｆの自然状態からの変化（変化量および変化方向）に基づいて、力Ｆｘ１、Ｆｘ２を検出することができる。
なお、上述したように、力覚センサー１では、力Ｆｚと力Ｆｘとを検出できるようになっているが、いずれも周波数ｆの変化で検出することから、受けた力が力Ｆｚであるのか力Ｆｘであるのかの判断を行うためには、これを判別するための装置（回路等）が必要であり、装置全体が複雑化するおそれがある。
そのため、力覚センサー１は、実質的にＺ軸方向の力ＦｚおよびＸ軸方向の力Ｆｘのいずれか一方だけが加わる環境で使用することが好ましい。これにより、精度よく、力Ｆｚまたは力Ｆｘを検出することができる。観点を変えれば、力覚センサー１は、同じ構成で、Ｚ軸方向の力Ｆｚを検出する力覚センサーとしても、Ｘ軸方向の力Ｆｘを検出する力覚センサーとしても用いることができるため、利便性に優れている。
以上、本実施形態の力覚センサー１について説明した。このような力覚センサー１は、力検出センサー２を有している。そのため、前述した力検出センサー２の効果を享受でき、優れた信頼性および検出特性を発揮することができる。
＜第２実施形態＞
図４は、本発明の第２実施形態に係るトルクセンサーを示す平面図である。図５は、図４に示すトルクセンサーが有する力検出センサーの斜視図である。
本実施形態に係るトルクセンサー１０は、主に、力検出センサー２の数および配置が異なること以外は、前述した第１実施形態の力覚センサー１と同様である。
なお、以下の説明では、第２実施形態のトルクセンサー１０に関し、前述した第１実施形態の力覚センサー１との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図４および図５では前述した実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。また、図５では、各電極２２１、２２２に接続されているボンディングワイヤーＢＷの記載は、省略している。
図４に示すトルクセンサー１０は、Ｚ軸方向の力Ｆｚ（Ｆｚ１、Ｆｚ２）、Ｘ軸方向の力Ｆｘ（Ｆｘ１、Ｆｘ２）、Ｙ軸方向の力Ｆｙ（Ｆｙ１、Ｆｙ２）およびＺ軸まわりのトルクθｚ（θｚ１、θｚ２）を検出することができる。
トルクセンサー１０は、力検出センサー２（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ）が収納された４つのパッケージ３（３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ）を有している。また、パッケージ３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄは、基板４１、４２の外周部に沿って等間隔（９０°間隔）に配置されている。また、パッケージ３Ａ、３Ｂは、Ｙ軸に沿って並んで配置され、パッケージ３Ｃ、３Ｄは、Ｘ軸に沿って並んで配置されている。なお、各力検出センサー２（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ）の構成は、前述した第１実施形態と同様である。
また、パッケージ３Ａ、３Ｂに収納された力検出センサー２Ａ、２Ｂの配置面２１３は、Ｙ軸を法線とするように配置され、パッケージ３Ｃ、３Ｄに収納された力検出センサー２Ｃ、２Ｄの配置面２１３は、Ｘ軸を法線とするように配置されている。なお、図示しないが、基板４２の突出部４２２は、各パッケージ３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄに対応するように４つ設けられている。
また、図５に示すように、力検出センサー２Ａ、２Ｂは、Ｙ軸方向の一方側から見た平面視で、櫛歯電極２２のＺ軸に対する傾斜方向が互いに逆となっている。具体的には、Ｙ軸方向プラス側から見た平面視で、力検出センサー２Ａでは、櫛歯電極２２がＺ軸に対して反時計回りに傾斜しているのに対して、力検出センサー２Ｂでは、櫛歯電極２２がＺ軸に対して時計回りに傾斜している。これにより、受圧面２１１に力Ｆｘが加わったときに、力検出センサー２Ａ、２Ｂのうちの一方の櫛歯電極２２のピッチが自然状態よりも長くなり、他方の櫛歯電極２２のピッチが自然状態よりも短くなる。
また、図５に示すように、力検出センサー２Ｃ、２Ｄは、Ｘ軸方向の一方側から見た平面視で、櫛歯電極２２のＺ軸に対する傾斜方向が互いに逆となっている。具体的には、Ｘ軸方向プラス側から見た平面視で、力検出センサー２Ｃでは、櫛歯電極２２がＺ軸に対して時計回りに傾斜しているのに対して、力検出センサー２Ｄでは、櫛歯電極２２がＺ軸に対して反時計回りに傾斜している。これにより、受圧面２１１に力Ｆｙが加わったときに、力検出センサー２Ｃ、２Ｄのうちの一方の櫛歯電極２２のピッチが自然状態よりも長くなり、他方の櫛歯電極２２のピッチが自然状態よりも短くなる。
以上、トルクセンサー１０の構成について説明した。このようなトルクセンサー１０は、Ｚ軸方向の力Ｆｚ（Ｆｚ１、Ｆｚ２）、Ｘ軸方向の力Ｆｘ（Ｆｘ１、Ｆｘ２）およびＹ軸方向の力Ｆｙ（Ｆｙ１、Ｆｙ２）を検出することができ、さらには、Ｚ軸まわりのトルクθｚ（θｚ１、θｚ２）を検出することもできる。以下、トルクセンサー１０の力検出方法について説明する。なお、以下では、力検出センサー２に実質的に予圧以外の外力が加わっていない状態を自然状態とも言う。また、以下では、基板４２が固定された状態で、力Ｆｚ、Ｆｘ、Ｆｙ、θｚが基板４１を介して受圧面２１１に作用するものとする。
受圧面２１１に力Ｆｚ１が加わると、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの基体２１がＺ軸方向に圧縮変形する。これにより、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの櫛歯電極２２のピッチが自然状態よりも短くなる。そのため、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄに励起される弾性表面波の周波数ｆａ、ｆｂ、ｆｃ、ｆｄが自然状態よりも高くなる。
また、受圧面２１１に力Ｆｚ２が加わると、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの基体２１がＺ軸方向に引張変形する。これにより、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの櫛歯電極２２のピッチが自然状態よりも長くなる。そのため、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄに励起される弾性表面波の周波数ｆａ、ｆｂ、ｆｃ、ｆｄが自然状態よりも低くなる。
したがって、トルクセンサー１０は、周波数ｆａ、ｆｂ、ｆｃ、ｆｄの自然状態からの変化（変化量および変化方向）に基づいて、力Ｆｚ１、Ｆｚ２を検出することができる。
また、受圧面２１１に力Ｆｘ１が加わると、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの基体２１がＸ軸方向プラス側にせん断変形する。これにより、力検出センサー２Ａの櫛歯電極２２のピッチが自然状態よりも短くなり、逆に、力検出センサー２Ｂの櫛歯電極２２のピッチが自然状態よりも長くなる。そのため、力検出センサー２Ａに励起される弾性表面波の周波数ｆａが自然状態よりも高くなり、力検出センサー２Ｂに励起される弾性表面波の周波数ｆｂが自然状態よりも低くなる。
また、受圧面２１１に力Ｆｘ２が加わると、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの基体２１がＸ軸方向マイナス側にせん断変形する。これにより、力検出センサー２Ａの櫛歯電極２２のピッチが自然状態よりも長くなり、逆に、力検出センサー２Ｂの櫛歯電極２２のピッチが自然状態よりも短くなる。そのため、力検出センサー２Ａに励起される弾性表面波の周波数ｆａが自然状態よりも低くなり、力検出センサー２Ｂに励起される弾性表面波の周波数ｆｂが自然状態よりも高くなる。
したがって、トルクセンサー１０は、周波数ｆａ、ｆｂの自然状態からの変化（変化量および変化方向）に基づいて、力Ｆｘ１、Ｆｘ２を検出することができる。なお、力検出センサー２Ｃ、２Ｄでは、配置面２１３が力Ｆｘ１、Ｆｘ２の方向と直交している。そのため、受圧面２１１が力Ｆｘ１、Ｆｘ２を受けて基体２１が変形しても、櫛歯電極２２のピッチが実質的に変化しない（変化したとしても、力検出センサー２Ａ、２Ｂのピッチ変化よりも十分に小さい）。
また、受圧面２１１に力Ｆｙ１が加わると、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの基体２１がＹ軸方向プラス側にせん断変形する。これにより、力検出センサー２Ｃの櫛歯電極２２のピッチが自然状態よりも短くなり、逆に、力検出センサー２Ｄの櫛歯電極２２のピッチが自然状態よりも長くなる。そのため、力検出センサー２Ｃに励起される弾性表面波の周波数ｆｃが自然状態よりも高くなり、力検出センサー２Ｄに励起される弾性表面波の周波数ｆｄが自然状態よりも低くなる。
また、受圧面２１１に力Ｆｙ２が加わると、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの基体２１がＹ軸方向マイナス側にせん断変形する。これにより、力検出センサー２Ｃの櫛歯電極２２のピッチが自然状態よりも長くなり、逆に、力検出センサー２Ｄの櫛歯電極２２のピッチが自然状態よりも短くなる。そのため、力検出センサー２Ｃに励起される弾性表面波の周波数ｆｃが自然状態よりも低くなり、力検出センサー２Ｄに励起される弾性表面波の周波数ｆｄが自然状態よりも高くなる。
したがって、トルクセンサー１０は、周波数ｆｃ、ｆｄの自然状態からの変化（変化量および変化方向）に基づいて、力Ｆｙ１、Ｆｙ２を検出することができる。なお、力検出センサー２Ａ、２Ｂでは、配置面２１３が力Ｆｙ１、Ｆｙ２の方向と直交している。そのため、受圧面２１１が力Ｆｙ１、Ｆｙ２を受けて基体２１が変形しても、櫛歯電極２２のピッチが実質的に変化しない（変化したとしても、力検出センサー２Ｃ、２Ｄのピッチ変化よりも十分に小さい）。
また、受圧面２１１にトルクθｚ１が加わると、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの基体２１がＺ軸まわり順方向（Ｚ軸のプラス側から見て時計回りの方向）に捩じれ変形する。これにより、力検出センサー２Ａ、２Ｂの櫛歯電極２２のピッチが自然状態よりも短くなり、逆に、力検出センサー２Ｃ、２Ｄの櫛歯電極２２のピッチが自然状態よりも長くなる。そのため、力検出センサー２Ａ、２Ｂに励起される弾性表面波の周波数ｆａ、ｆｂが自然状態よりも高くなり、力検出センサー２Ｃ、２Ｄに励起される弾性表面波の周波数ｆｃ、ｆｄが自然状態よりも低くなる。
また、受圧面２１１にトルクθｚ２が加わると、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの基体２１がＺ軸まわり逆方向（Ｚ軸のプラス側から見て反時計回りの方向）に捩じれ変形する。これにより、力検出センサー２Ａ、２Ｂの櫛歯電極２２のピッチが自然状態よりも長くなり、逆に、力検出センサー２Ｃ、２Ｄの櫛歯電極２２のピッチが自然状態よりも短くなる。そのため、力検出センサー２Ａ、２Ｂに励起される弾性表面波の周波数ｆａ、ｆｂが自然状態よりも低くなり、力検出センサー２Ｃ、２Ｄに励起される弾性表面波の周波数ｆｃ、ｆｄが自然状態よりも高くなる。
したがって、トルクセンサー１０は、周波数ｆａ、ｆｂ、ｆｃ、ｆｄの自然状態からの変化（変化量および変化方向）に基づいて、トルクθｚ１、θｚ２を検出することができる。
以上、トルクセンサー１０の力検出方法について説明した。特に、本実施形態では、トルクセンサー１０に加わった力が、力Ｆｚ１、Ｆｚ２、Ｆｘ１、Ｆｘ２、Ｆｙ１、Ｆｙ２、トルクθｚ１、θｚ２のどれであるかを簡単に特定することができる。具体的には、下記の表１に示すように、力Ｆｚ１、Ｆｚ２、Ｆｘ１、Ｆｘ２、Ｆｙ１、Ｆｙ２、トルクθｚ１、θｚ２毎に、周波数ｆａ、ｆｂ、ｆｃ、ｆｄの変化方向（自然状態よりも高くなるか低くなるか）の組み合わせが異なっている。そのため、この異なりを利用することで、受けた力が、力Ｆｚ１、Ｆｚ２、Ｆｘ１、Ｆｘ２、Ｆｙ１、Ｆｙ２、トルクθｚ１、θｚ２のいずれであるか（または、少なくとも２つの合力であるか）を簡単に特定することができる。
なお、表１中の「高い」は、周波数が自然状態よりも高くなることを意味し、「低い」は、周波数が自然状態よりも低くなることを意味し、「−」は、周波数が自然状態から実質的に変化しないことを意味する（以下の表２、３、４、５についても同様である）。
Figure 0006862794
以上、本実施形態のトルクセンサー１０について説明した。このようなトルクセンサー１０は、力検出センサー２を有している。そのため、前述した力検出センサー２の効果を享受でき、優れた信頼性および検出特性を発揮することができる。
なお、本実施形態のトルクセンサー１０は、トルクθｚの他にも力Ｆｚ、Ｆｘ、Ｆｙを検出できる構成、すなわち、力覚センサーとトルクセンサーとを兼ねた複合センサーとなっている。しかしながら、トルクセンサー１０としては、これに限定されず、力覚センサーとしての機能を有していなくてもよい。また、本実施形態では、Ｚ軸まわりの回転力であるθｚを検出できるようになっているが、例えば、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの周波数変化を適宜演算することで、さらに、Ｘ軸まわりの回転力およびＹ軸まわりの回転力を検出できるようになっていてもよい。
また、本実施形態では、トルクセンサー１０が４つの力検出センサー２を有しているが、力検出センサー２の数としては、特に限定されず、例えば、２つまたは３つでもよいし、５つ以上でもよい。
＜第３実施形態＞
図６は、本発明の第３実施形態に係る力覚センサーを示す断面図である。図７は、図６に示す力覚センサーが有する力検出センサーの斜視図である。
本実施形態に係る力覚センサー１Ａは、主に、力検出センサーの構成が異なること以外は、前述した第１実施形態の力覚センサー１と同様である。
なお、以下の説明では、第３実施形態の力覚センサー１Ａに関し、前述した第１実施形態の力覚センサー１との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図６および図７では前述した実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。また、図６および図７では、各電極２２１、２２２に接続されているボンディングワイヤーＢＷの記載は、省略している。
図６および図７に示すように、力覚センサー１Ａの力検出センサー２では、櫛歯電極２２は、配置面２１３上に複数配置されている。具体的には、配置面２１３の平面視で、並び方向が受圧面２１１の法線（Ｚ軸）に対して一方側に傾斜している第１電極指２５’（第１櫛歯電極２２Ａ）と、並び方向が受圧面２１１の法線（Ｚ軸）に対して他方側に傾斜している第２電極指２５”（第２櫛歯電極２２Ｂ）と、を有している。言い換えると、配置面２１３の平面視で、受圧面２１１の法線（Ｚ軸）に対して一方側に傾斜している第１櫛歯電極２２Ａと、受圧面２１１の法線（Ｚ軸）に対して他方側に傾斜している第２櫛歯電極２２Ｂ）と、を有している。そのため、力検出センサー２は、複数のＳＡＷ共振器を含んでいると言える。このような構成によれば、簡単な構成で、後述するように、ＦｚとＦｘとを共に検出することができる。すなわち、より多くの検出軸を有する力覚センサー１（力検出センサー２）となる。
なお、配置面２１３上に配置される櫛歯電極２２の数は、複数であれば特に限定されないが、本実施形態では２つである。これにより、櫛歯電極２２の数が少なくなり、その分、配置面２１３の面積を小さくすることができる。そのため、力検出センサー２の小型化を図ることができる。
また、第１櫛歯電極２２Ａおよび第２櫛歯電極２２Ｂは、Ｘ軸方向に並んで配置されている。また、第１櫛歯電極２２Ａは、Ｚ軸に対して図中の時計回りに傾斜して設けられており、第２櫛歯電極２２Ｂは、Ｚ軸に対して図中の反時計回りに傾斜して設けられている。そのため、第１櫛歯電極２２Ａおよび第２櫛歯電極２２Ｂは、互いの離間距離が、Ｚ軸方向に沿って漸減（漸増）するようにテーパー状に配置されている。また、第１櫛歯電極２２Ａおよび第２櫛歯電極２２Ｂは、これらの間に位置し、Ｚ軸に平行な仮想線Ｌに対して線対称に設けられている。
また、配置面２１３の平面視で、第１櫛歯電極２２Ａの電極指２５が並ぶ方向に沿う軸を軸Ａ１とし、第２櫛歯電極２２Ｂの電極指２５が並ぶ方向に沿う軸を軸Ａ２としたとき、Ｚ軸に対する軸Ａ１、Ａ２の傾斜角θとしては、特に限定されないが、例えば、１０°以上８０°以下であるのが好ましく、３０°以上６０°以下であるのがより好ましく、４０°以上５０°以下であるのがさらに好ましい。このような角度とすることで、力Ｆｚ、Ｆｘのいずれの力が加わったときでも、第１、第２櫛歯電極２２Ａ、２２Ｂのピッチをより大きく変化させることができる。よって、力Ｆｚ、Ｆｘをそれぞれ感度よく検出することができる。
また、第１櫛歯電極２２Ａを挟んでその両側には一対の反射器２３Ａ、２４Ａが配置されており、第２櫛歯電極２２Ｂを挟んでその両側には一対の反射器２３Ｂ、２４Ｂが配置されている。
以上、力覚センサー１Ａの構成について説明した。このような力覚センサー１Ａは、Ｚ軸方向の力Ｆｚ（Ｆｚ１、Ｆｚ２）およびＸ軸方向の力Ｆｘ（Ｆｘ１、Ｆｘ２）を検出することができる。以下、力覚センサー１Ａの力検出方法について説明する。なお、以下では、力検出センサー２に実質的に予圧以外の外力が加わっていない状態を自然状態とも言う。また、以下では、基板４２が固定された状態で、力Ｆｚ、Ｆｘ、Ｆｙ、θｚが基板４１を介して受圧面２１１に作用するものとする。
受圧面２１１に力Ｆｚ１が加わると、基体２１がＺ軸方向に圧縮変形する。これにより、第１、第２櫛歯電極２２Ａ、２２Ｂのピッチが共に自然状態よりも短くなる。そのため、第１、第２櫛歯電極２２Ａ、２２Ｂで励起される弾性表面波の周波数ｆ１、ｆ２が共に自然状態よりも高くなる。
また、受圧面２１１に力Ｆｚ２が加わると、基体２１がＺ軸方向に引張変形する。これにより、第１、第２櫛歯電極２２Ａ、２２Ｂのピッチが共に自然状態よりも長くなる。そのため、第１、第２櫛歯電極２２Ａ、２２Ｂで励起される弾性表面波の周波数ｆ１、ｆ２が共に自然状態よりも低くなる。
したがって、力覚センサー１Ａは、周波数ｆ１、ｆ２の自然状態からの変化（変化量および変化方向）に基づいて、力Ｆｚ１、Ｆｚ２を検出することができる。
また、受圧面２１１に力Ｆｘ１が加わると、基体２１がＸ軸方向プラス側にせん断変形する。これにより、第１櫛歯電極２２Ａのピッチが自然状態よりも長くなり、逆に、第２櫛歯電極２２Ｂのピッチが自然状態よりも短くなる。そのため、第１櫛歯電極２２Ａで励起される弾性表面波の周波数ｆ１が自然状態よりも低くなり、第２櫛歯電極２２Ｂで励起される弾性表面波の周波数ｆ２が自然状態よりも高くなる。
また、受圧面２１１に力Ｆｘ２が加わると、基体２１がＸ軸方向マイナス側にせん断変形する。これにより、第１櫛歯電極２２Ａのピッチが自然状態よりも短くなり、逆に、第２櫛歯電極２２Ｂのピッチが自然状態よりも長くなる。そのため、第１櫛歯電極２２Ａで励起される弾性表面波の周波数ｆ１が自然状態よりも高くなり、第２櫛歯電極２２Ｂで励起される弾性表面波の周波数ｆ２が自然状態よりも低くなる。
したがって、力覚センサー１Ａは、周波数ｆ１、ｆ２の自然状態からの変化（変化量および変化方向）に基づいて、力Ｆｘ１、Ｆｘ２を検出することができる。
以上、力覚センサー１Ａの力検出方法について説明した。特に、本実施形態では、力覚センサー１Ａに加わった力が、力Ｆｚ１、Ｆｚ２、Ｆｘ１、Ｆｘ２のどれであるかを簡単に特定することができる。具体的には、下記の表２に示すように、力Ｆｚ１、Ｆｚ２、Ｆｘ１、Ｆｘ２毎に、周波数ｆ１、ｆ２の変化方向（自然状態よりも高くなるか低くなるか）の組み合わせが異なっている。そのため、この異なりを利用することで、受けた力が、力Ｆｚ１、Ｆｚ２、Ｆｘ１、Ｆｘ２のいずれであるか（または、少なくとも２つの合力であるか）を簡単に特定することができる。
Figure 0006862794
以上、本実施形態の力覚センサー１Ａについて説明した。このような力覚センサー１Ａは、力検出センサー２を有している。そのため、前述した力検出センサー２の効果を享受でき、優れた信頼性および検出特性を発揮することができる。
＜第４実施形態＞
図８は、本発明の第４実施形態に係るトルクセンサーを示す平面図である。図９は、図８に示すトルクセンサーが有する力検出センサーの斜視図である。
本実施形態に係るトルクセンサー１０Ａは、主に、力検出センサー２の数および配置が異なること以外は、前述した第３実施形態の力覚センサー１Ａと同様である。
なお、以下の説明では、第４実施形態のトルクセンサー１０Ａに関し、前述した第３実施形態の力覚センサー１Ａとの相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図８および図９では前述した実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。また、図９では、各電極２２１、２２２に接続されているボンディングワイヤーＢＷの記載は、省略している。
図８に示すトルクセンサー１０Ａは、Ｚ軸方向の力Ｆｚ（Ｆｚ１、Ｆｚ２）、Ｘ軸方向の力Ｆｘ（Ｆｘ１、Ｆｘ２）、Ｙ軸方向の力Ｆｙ（Ｆｙ１、Ｆｙ２）およびＺ軸まわりのトルクθｚ（θｚ１、θｚ２）を検出することができる。
図８に示すように、トルクセンサー１０Ａは、力検出センサー２（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ）が収納された４つのパッケージ３（３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ）を有している。また、パッケージ３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄは、基板４１、４２の外周部に沿って等間隔（９０°間隔）に配置されている。また、パッケージ３Ａ、３Ｂは、Ｙ軸に沿って並んで配置され、パッケージ３Ｃ、３Ｄは、Ｘ軸に沿って並んで配置されている。なお、各力検出センサー２（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ）の構成は、前述した第３実施形態と同様である。
また、図９に示すように、力検出センサー２Ａ、２Ｂの配置面２１３は、Ｙ軸を法線とするように配置され、力検出センサー２Ｃ、２Ｄの配置面２１３は、Ｘ軸を法線とするように配置されている。
なお、図示しないが、基板４２の突出部４２２は、各パッケージ３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄに対応するように４つ設けられている。
以上、トルクセンサー１０Ａの構成について説明した。このようなトルクセンサー１０Ａは、Ｚ軸方向の力Ｆｚ（Ｆｚ１、Ｆｚ２）、Ｘ軸方向の力Ｆｘ（Ｆｘ１、Ｆｘ２）およびＹ軸方向の力Ｆｙ（Ｆｙ１、Ｆｙ２）を検出することができ、さらには、Ｚ軸まわりのトルクθｚ（θｚ１、θｚ２）を検出することもできる。以下、トルクセンサー１０Ａの力検出方法について説明する。なお、以下では、力検出センサー２に実質的に予圧以外の外力が加わっていない状態を自然状態とも言う。また、以下では、基板４２が固定された状態で、力Ｆｚ、Ｆｘ、Ｆｙ、θｚが基板４１を介して受圧面２１１に作用するものとする。
受圧面２１１に力Ｆｚ１が加わると、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの基体２１がＺ軸方向に圧縮変形する。これにより、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの第１、第２櫛歯電極２２Ａ、２２Ｂのピッチが自然状態よりも短くなる。そのため、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの第１櫛歯電極２２Ａで励起される弾性表面波の周波数ｆ１および第２櫛歯電極２２Ｂで励起される弾性表面波の周波数ｆ２が共に自然状態よりも高くなる。
また、受圧面２１１に力Ｆｚ２が加わると、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの基体２１がＺ軸方向に引張変形する。これにより、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの第１、第２櫛歯電極２２Ａ、２２Ｂのピッチが自然状態よりも長くなる。そのため、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの周波数ｆ１、ｆ２が共に自然状態よりも低くなる。
したがって、トルクセンサー１０Ａは、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの周波数ｆ１、ｆ２の自然状態からの変化（変化量および変化方向）に基づいて、力Ｆｚ１、Ｆｚ２を検出することができる。
また、受圧面２１１に力Ｆｘ１が加わると、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの基体２１がＸ軸方向プラス側にせん断変形する。これにより、力検出センサー２Ａの第１櫛歯電極２２Ａのピッチおよび力検出センサー２Ｂの第２櫛歯電極２２Ｂのピッチが自然状態よりも短くなり、逆に、力検出センサー２Ａの第２櫛歯電極２２Ｂおよび力検出センサー２Ｂの第１櫛歯電極２２Ａのピッチが自然状態よりも長くなる。そのため、力検出センサー２Ａの周波数ｆ１および力検出センサー２Ｂの周波数ｆ２が自然状態よりも高くなり、力検出センサー２Ａの周波数ｆ２および力検出センサー２Ｂの周波数ｆ１が自然状態よりも低くなる。
また、受圧面２１１に力Ｆｘ２が加わると、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの基体２１がＸ軸方向マイナス側にせん断変形する。これにより、力検出センサー２Ａの第２櫛歯電極２２Ｂのピッチおよび力検出センサー２Ｂの第１櫛歯電極２２Ａのピッチが自然状態よりも短くなり、逆に、力検出センサー２Ａの第１櫛歯電極２２Ａおよび力検出センサー２Ｂの第２櫛歯電極２２Ｂのピッチが自然状態よりも長くなる。そのため、力検出センサー２Ａの周波数ｆ２および力検出センサー２Ｂの周波数ｆ１が自然状態よりも高くなり、力検出センサー２Ａの周波数ｆ１および力検出センサー２Ｂの周波数ｆ２が自然状態よりも低くなる。
したがって、トルクセンサー１０Ａは、力検出センサー２Ａ、２Ｂの周波数ｆ１、ｆ２の自然状態からの変化（変化量および変化方向）に基づいて、力Ｆｘ１、Ｆｘ２を検出することができる。なお、力検出センサー２Ｃ、２Ｄでは、配置面２１３が力Ｆｘ１、Ｆｘ２の方向と直交しているため、受圧面２１１が力Ｆｘ１、Ｆｘ２を受けて基体２１が変形しても、第１、第２櫛歯電極２２Ａ、２２Ｂのピッチが実質的に変化しない（変化したとしても、力検出センサー２Ａ、２Ｂのピッチ変化よりも十分に小さい）。
また、受圧面２１１に力Ｆｙ１が加わると、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの基体２１がＹ軸方向プラス側にせん断変形する。これにより、力検出センサー２Ｃの第１櫛歯電極２２Ａのピッチおよび力検出センサー２Ｄの第２櫛歯電極２２Ｂのピッチが自然状態よりも短くなり、逆に、力検出センサー２Ｃの第２櫛歯電極２２Ｂおよび力検出センサー２Ｄの第１櫛歯電極２２Ａのピッチが自然状態よりも長くなる。そのため、力検出センサー２Ｃの周波数ｆ１および力検出センサー２Ｄの周波数ｆ２が自然状態よりも高くなり、力検出センサー２Ｃの周波数ｆ２および力検出センサー２Ｄの周波数ｆ１が自然状態よりも低くなる。
また、受圧面２１１に力Ｆｙ２が加わると、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの基体２１がＹ軸方向マイナス側にせん断変形する。これにより、力検出センサー２Ｃの第２櫛歯電極２２Ｂのピッチおよび力検出センサー２Ｄの第１櫛歯電極２２Ａのピッチが自然状態よりも短くなり、逆に、力検出センサー２Ｃの第１櫛歯電極２２Ａおよび力検出センサー２Ｄの第２櫛歯電極２２Ｂのピッチが自然状態よりも長くなる。そのため、力検出センサー２Ｃの周波数ｆ２および力検出センサー２Ｄの周波数ｆ１が自然状態よりも高くなり、力検出センサー２Ｃの周波数ｆ１および力検出センサー２Ｄの周波数ｆ２が自然状態よりも低くなる。
したがって、トルクセンサー１０Ａは、力検出センサー２Ｃ、２Ｄの周波数ｆ１、ｆ２の自然状態からの変化（変化量および変化方向）に基づいて、力Ｆｙ１、Ｆｙ２を検出することができる。なお、力検出センサー２Ａ、２Ｂでは、配置面２１３が力Ｆｙ１、Ｆｙ２の方向と直交しているため、受圧面２１１が力Ｆｙ１、Ｆｙ２を受けて基体２１が変形しても、第１、第２櫛歯電極２２Ａ、２２Ｂのピッチが実質的に変化しない（変化したとしても、力検出センサー２Ｃ、２Ｄのピッチ変化よりも十分に小さい）。
また、受圧面２１１にトルクθｚ１が加わると、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの基体２１がＺ軸まわり順方向（Ｚ軸のプラス側から見て時計回りの方向）に捩じれ変形する。これにより、力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの第１櫛歯電極２２Ａのピッチが自然状態よりも短くなり、逆に、力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの第２櫛歯電極２２Ｂのピッチが自然状態よりも長くなる。そのため、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの周波数ｆ１が自然状態よりも高くなり、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの周波数ｆ２が自然状態よりも低くなる。
また、受圧面２１１にトルクθｚ２が加わると、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの基体２１がＺ軸まわり逆方向（Ｚ軸のプラス側から見て反時計回りの方向）に捩じれ変形する。これにより、力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの第１櫛歯電極２２Ａのピッチが自然状態よりも長くなり、逆に、力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの第２櫛歯電極２２Ｂのピッチが自然状態よりも短くなる。そのため、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの周波数ｆ１が自然状態よりも低くなり、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの周波数ｆ２が自然状態よりも高くなる。
したがって、トルクセンサー１０Ａは、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの周波数ｆ１、ｆ２の自然状態からの変化（変化量および変化方向）に基づいて、トルクθｚ１、θｚ２を検出することができる。
以上、トルクセンサー１０Ａの力検出方法について説明した。特に、本実施形態では、トルクセンサー１０に加わった力が、力Ｆｚ１、Ｆｚ２、Ｆｘ１、Ｆｘ２、Ｆｙ１、Ｆｙ２、トルクθｚ１、θｚ２のどれであるかを簡単に特定することができる。具体的には、下記の表３に示すように、力Ｆｚ１、Ｆｚ２、Ｆｘ１、Ｆｘ２、Ｆｙ１、Ｆｙ２、トルクθｚ１、θｚ２毎に、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの周波数ｆ１、ｆ２の変化方向（自然状態よりも高くなるか低くなるか）の組み合わせが異なっている。そのため、この異なりを利用することで、受けた力が、力Ｆｚ１、Ｆｚ２、Ｆｘ１、Ｆｘ２、Ｆｙ１、Ｆｙ２、トルクθｚ１、θｚ２のいずれであるか（または、少なくとも２つの合力であるか）を簡単に特定することができる。
Figure 0006862794
以上、本実施形態のトルクセンサー１０Ａについて説明した。このようなトルクセンサー１０Ａは、力検出センサー２を有している。そのため、前述した力検出センサー２の効果を享受でき、優れた信頼性および検出特性を発揮することができる。
なお、本実施形態のトルクセンサー１０Ａは、トルクθｚの他にも力Ｆｚ、Ｆｘ、Ｆｙを検出できる構成、すなわち、力覚センサーとトルクセンサーとを兼ねた複合センサーとなっている。しかしながら、トルクセンサー１０Ａとしては、これに限定されず、力覚センサーとしての機能を有していなくてもよい。また、本実施形態では、Ｚ軸まわりの回転力であるθｚを検出できるようになっているが、例えば、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの周波数変化を適宜演算することで、さらに、Ｘ軸まわりの回転力およびＹ軸まわりの回転力を検出できるようになっていてもよい。
また、本実施形態では、トルクセンサー１０Ａが４つの力検出センサー２を有しているが、力検出センサー２の数としては、特に限定されず、例えば、２つまたは３つでもよいし、５つ以上でもよい。
＜第５実施形態＞
図１０は、本発明の第５実施形態に係る力覚センサーを示す断面図である。図１１は、図１０に示す力覚センサーが有する力検出センサーの斜視図である。
本実施形態に係る力覚センサー１Ｂは、主に、力検出センサーの構成が異なること以外は、前述した第１実施形態の力覚センサー１と同様である。
なお、以下の説明では、第５実施形態の力覚センサー１Ｂに関し、前述した第１実施形態の力覚センサー１との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図１０および図１１では前述した実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。また、図１１では、各電極２２１、２２２に接続されているボンディングワイヤーＢＷの記載は、省略している。
図１０に示すように、力覚センサー１Ｂの力検出センサー２では、基体２１は、受圧面２１１（第１面）および配置面２１３（第２面）とは法線方向が異なる第３面としての配置面２１５を有している。配置面２１５は、基体２１の側面で構成され、法線の向きが配置面２１３と異なっている。具体的には、配置面２１３は、Ｙ軸を法線とするＸＺ平面で構成されており、配置面２１５は、Ｘ軸を法線とするＹＺ平面で構成されている。なお、配置面２１５の配置は、配置面２１３と向きが異なっていれば、特に限定されない。
また、図１１に示すように、力検出センサー２は、配置面２１３上に配置されている電極指２５（櫛歯電極２２Ｃ）と、配置面２１５上に配置されている電極指２５（櫛歯電極２２Ｄ）と、を有している。また、配置面２１３の平面視で、配置面２１３上に配置されている櫛歯電極２２Ｃの電極指２５の並び方向が受圧面２１１の法線方向（Ｚ軸方向）とは異なっており、配置面２１５の平面視で、配置面２１５上に配置されている櫛歯電極２２Ｄの電極指２５の並び方向が受圧面２１１の法線方向（Ｚ軸方向）とは異なっている。すなわち、櫛歯電極２２Ｃおよび櫛歯電極２２Ｄが共に、受圧面２１１の法線に対して傾斜している。具体的には、配置面２１３の平面視で、櫛歯電極２２Ｃは、Ｚ軸に対して時計回りに傾斜しており、配置面２１５の平面視で、櫛歯電極２２Ｄは、Ｚ軸に対して反時計まわりに傾斜している。ただし、櫛歯電極２２Ｃ、２２Ｄの傾斜方向は、特に限定されない。
このような構成によれば、後述するように、Ｚ軸方向の力ＦｚおよびＸ軸方向の力Ｆｘに加えて、Ｙ軸方向の力Ｆｙを検出することができる。そのため、より多くの検出軸を有する力覚センサー１（力検出センサー２）となる。
また、配置面２１３の平面視で、櫛歯電極２２Ｃの電極指２５が並ぶ方向に沿う軸を軸Ａ３としたとき、Ｚ軸に対する軸Ａ３の傾斜角θとしては、特に限定されないが、例えば、３０°以上６０°以下であるのが好ましく、４０°以上５０°以下であるのがより好ましい。これにより、力Ｆｚおよび力Ｆｘのいずれを受けても櫛歯電極２２Ｃのピッチをより確実に変化させることができる。
また、配置面２１５の平面視で、櫛歯電極２２Ｄの電極指２５が並ぶ方向に沿う軸を軸Ａ４としたとき、Ｚ軸に対する軸Ａ４の傾斜角θとしては、特に限定されないが、例えば、３０°以上６０°以下であるのが好ましく、４０°以上５０°以下であるのがより好ましい。これにより、力Ｆｚおよび力Ｆｙのいずれを受けても櫛歯電極２２Ｄのピッチをより確実に変化させることができる。
また、櫛歯電極２２Ｃを挟んでその両側には一対の反射器２３Ｃ、２４Ｃが配置されており、櫛歯電極２２Ｄを挟んでその両側には一対の反射器２３Ｄ、２４Ｄが配置されている。
また、前述した実施形態と同様に、基体２１は、圧電体（水晶）で構成されている。そのため、配置面２１３、２１５は、それぞれ、圧電体の表面で構成されている。これにより、より確実に、配置面２１３、２１５に弾性表面波を励起することができる。
以上、力覚センサー１Ｂの構成について説明した。このような力覚センサー１Ｂは、Ｚ軸方向の力Ｆｚ（Ｆｚ１、Ｆｚ２）、Ｘ軸方向の力Ｆｘ（Ｆｘ１、Ｆｘ２）およびＹ軸方向の力Ｆｙ（Ｆｙ１、Ｆｙ２）を検出することができる。以下、力覚センサー１Ｂの力検出方法について説明する。なお、以下では、力検出センサー２に実質的に予圧以外の外力が加わっていない状態を自然状態とも言う。また、以下では、基板４２が固定された状態で、力Ｆｚ、Ｆｘ、Ｆｙ、θｚが基板４１を介して受圧面２１１に作用するものとする。
受圧面２１１に力Ｆｚ１が加わると、基体２１がＺ軸方向に圧縮変形する。これにより、櫛歯電極２２Ｃ、２２Ｄのピッチが共に自然状態よりも短くなる。そのため、櫛歯電極２２Ｃ、２２Ｄで励起される弾性表面波の周波数ｆ３、ｆ４が共に自然状態よりも高くなる。
また、受圧面２１１に力Ｆｚ２が加わると、基体２１がＺ軸方向に引張変形する。これにより、櫛歯電極２２Ｃ、２２Ｄのピッチが共に自然状態よりも長くなる。そのため、櫛歯電極２２Ｃ、２２Ｄで励起される弾性表面波の周波数ｆ３、ｆ４が共に自然状態よりも低くなる。
したがって、力覚センサー１Ｂは、周波数ｆ３、ｆ４の自然状態からの変化（変化量および変化方向）に基づいて、力Ｆｚ１、Ｆｚ２を検出することができる。
また、受圧面２１１に力Ｆｘ１が加わると、基体２１がＸ軸方向プラス側にせん断変形する。これにより、櫛歯電極２２Ｃのピッチが自然状態よりも長くなる。そのため、櫛歯電極２２Ｃで励起される弾性表面波の周波数ｆ３が自然状態よりも低くなる。
また、受圧面２１１に力Ｆｘ２が加わると、基体２１がＸ軸方向マイナス側にせん断変形する。これにより、櫛歯電極２２Ｃのピッチが自然状態よりも短くなる。そのため、櫛歯電極２２Ｃで励起される弾性表面波の周波数ｆ３が自然状態よりも高くなる。
したがって、力覚センサー１Ｂは、周波数ｆ３の自然状態からの変化（変化量および変化方向）に基づいて、力Ｆｘ１、Ｆｘ２を検出することができる。なお、配置面２１５が、力Ｆｘ１、Ｆｘ２の方向と直交しているため、受圧面２１１が力Ｆｘ１、Ｆｘ２を受けて基体２１が変形しても、櫛歯電極２２Ｄのピッチが実質的に変化しない（変化したとしても、櫛歯電極２２Ｃのピッチの変化よりも十分に小さい）。そのため、力Ｆｘ１、Ｆｘ２を受けても、櫛歯電極２２Ｄで励起される弾性表面波の周波数ｆ４は、自然状態からほとんど変化しない。
また、受圧面２１１に力Ｆｙ１が加わると、基体２１がＹ軸方向プラス側にせん断変形する。これにより、櫛歯電極２２Ｄのピッチが自然状態よりも長くなる。そのため、櫛歯電極２２Ｄで励起される弾性表面波の周波数ｆ４が自然状態よりも低くなる。
また、受圧面２１１に力Ｆｙ２が加わると、基体２１がＹ軸方向マイナス側にせん断変形する。これにより、櫛歯電極２２Ｄのピッチが自然状態よりも短くなる。そのため、櫛歯電極２２Ｄで励起される弾性表面波の周波数ｆ４が自然状態よりも高くなる。
したがって、力覚センサー１Ｂは、周波数ｆ４の自然状態からの変化（変化量および変化方向）に基づいて、力Ｆｙ１、Ｆｙ２を検出することができる。なお、配置面２１３が、力Ｆｙ１、Ｆｙ２の方向と直交しているため、受圧面２１１が力Ｆｙ１、Ｆｙ２を受けて基体２１が変形しても、櫛歯電極２２Ｃのピッチが実質的に変化しない（変化したとしても、櫛歯電極２２Ｄのピッチの変化よりも十分に小さい）。そのため、力Ｆｙ１、Ｆｙ２を受けても、櫛歯電極２２Ｃで励起される弾性表面波の周波数ｆ３は、自然状態からほとんど変化しない。
以上、力覚センサー１Ｂの力検出方法について説明した。特に、本実施形態では、力覚センサー１Ｂに加わった力が、力Ｆｚ１、Ｆｚ２、Ｆｘ１、Ｆｘ２、Ｆｙ１、Ｆｙ２のどれであるかを簡単に特定することができる。具体的には、下記の表４に示すように、力Ｆｚ１、Ｆｚ２、Ｆｘ１、Ｆｘ２、Ｆｙ１、Ｆｙ２毎に、周波数ｆ３、ｆ４の変化方向（自然状態よりも高くなるか低くなるか）の組み合わせが異なっている。そのため、この異なりを利用することで、受けた力が、力Ｆｚ１、Ｆｚ２、Ｆｘ１、Ｆｘ２、Ｆｙ１、Ｆｙ２のいずれであるか（または、少なくとも２つの合力であるか）を簡単に特定することができる。
Figure 0006862794
以上、本実施形態の力覚センサー１Ｂについて説明した。このような力覚センサー１Ｂは、力検出センサー２を有している。そのため、前述した力検出センサー２の効果を享受でき、優れた信頼性および検出特性を発揮することができる。
＜第６実施形態＞
図１２は、本発明の第６実施形態に係るトルクセンサーを示す平面図である。図１３は、図１２に示すトルクセンサーが有する力検出センサーの斜視図である。
本実施形態に係るトルクセンサー１０Ｂは、主に、力検出センサー２の数および配置が異なること以外は、前述した第５実施形態の力覚センサー１Ｂと同様である。
なお、以下の説明では、第６実施形態のトルクセンサー１０Ｂに関し、前述した第５実施形態の力覚センサー１Ｂとの相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図１２および図１３では前述した実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。また、図１３では、各電極２２１、２２２に接続されているボンディングワイヤーＢＷの記載は、省略している。
図１２に示すトルクセンサー１０Ｂは、Ｚ軸方向の力Ｆｚ（Ｆｚ１、Ｆｚ２）、Ｘ軸方向の力Ｆｘ（Ｆｘ１、Ｆｘ２）、Ｙ軸方向の力Ｆｙ（Ｆｙ１、Ｆｙ２）およびＺ軸まわりのトルクθｚ（θｚ１、θｚ２）を検出することができる。
図１２に示すように、トルクセンサー１０Ｂは、力検出センサー２（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ）が収納された４つのパッケージ３（３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ）を有している。また、パッケージ３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄは、基板４１、４２の外周部に沿って等間隔（９０°間隔）に配置されている。また、パッケージ３Ａ、３Ｂは、Ｙ軸に沿って並んで配置され、パッケージ３Ｃ、３Ｄは、Ｘ軸に沿って並んで配置されている。なお、各力検出センサー２（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ）の構成は、前述した第５実施形態と同様である。
また、図１２および図１３に示すように、力検出センサー２Ａ、２Ｂでは、配置面２１３がＹ軸を法線とするＸＺ平面となっており、配置面２１５がＸ軸を法線とするＹＺ平面となっている。一方、力検出センサー２Ｃ、２Ｄでは、配置面２１３がＸ軸を法線とするＹＺ平面となっており、配置面２１５がＹ軸を法線とするＸＺ平面となっている。
なお、図示しないが、基板４２の突出部４２２は、各パッケージ３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄに対応するように４つ設けられている。
以上、トルクセンサー１０Ｂの構成について説明した。このようなトルクセンサー１０Ｂは、Ｚ軸方向の力Ｆｚ（Ｆｚ１、Ｆｚ２）、Ｘ軸方向の力Ｆｘ（Ｆｘ１、Ｆｘ２）およびＹ軸方向の力Ｆｙ（Ｆｙ１、Ｆｙ２）を検出することができ、さらには、Ｚ軸まわりのトルクθｚ（θｚ１、θｚ２）を検出することもできる。以下、トルクセンサー１０Ｂの力検出方法について説明する。なお、以下では、力検出センサー２に実質的に予圧以外の外力が加わっていない状態を自然状態とも言う。また、以下では、基板４２が固定された状態で、力Ｆｚ、Ｆｘ、Ｆｙ、θｚが基板４１を介して受圧面２１１に作用するものとする。
受圧面２１１に力Ｆｚ１が加わると、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの基体２１がＺ軸方向に圧縮変形する。これにより、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの櫛歯電極２２Ｃ、２２Ｄのピッチが自然状態よりも短くなる。そのため、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの櫛歯電極２２Ｃで励起される弾性表面波の周波数ｆ３および櫛歯電極２２Ｄで励起される弾性表面波の周波数ｆ４が共に自然状態よりも高くなる。
また、受圧面２１１に力Ｆｚ２が加わると、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの基体２１がＺ軸方向に引張変形する。これにより、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの櫛歯電極２２Ｃ、２２Ｄのピッチが自然状態よりも長くなる。そのため、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの周波数ｆ３、ｆ４が自然状態よりも低くなる。
したがって、トルクセンサー１０Ｂは、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの周波数ｆ３、ｆ４の自然状態からの変化（変化量および変化方向）に基づいて、力Ｆｚ１、Ｆｚ２を検出することができる。
また、受圧面２１１に力Ｆｘ１が加わると、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの基体２１がＸ軸方向プラス側にせん断変形する。これにより、力検出センサー２Ａの櫛歯電極２２Ｃおよび力検出センサー２Ｃの櫛歯電極２２Ｄのピッチが自然状態よりも短くなり、力検出センサー２Ｂの櫛歯電極２２Ｃおよび力検出センサー２Ｄの櫛歯電極２２Ｄのピッチが自然状態よりも長くなる。そのため、力検出センサー２Ａの周波数ｆ３および力検出センサー２Ｃの周波数ｆ４が自然状態よりも高くなり、力検出センサー２Ｂの周波数ｆ３および力検出センサー２Ｄの周波数ｆ４が自然状態よりも低くなる。
また、受圧面２１１に力Ｆｘ２が加わると、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの基体２１がＸ軸方向マイナス側にせん断変形する。これにより、力検出センサー２Ａの櫛歯電極２２Ｃおよび力検出センサー２Ｃの櫛歯電極２２Ｄのピッチが自然状態よりも長くなり、力検出センサー２Ｂの櫛歯電極２２Ｃおよび力検出センサー２Ｄの櫛歯電極２２Ｄのピッチが自然状態よりも短くなる。そのため、力検出センサー２Ａの周波数ｆ３および力検出センサー２Ｃの周波数ｆ４が自然状態よりも低くなり、力検出センサー２Ｂの周波数ｆ３および力検出センサー２Ｄの周波数ｆ４が自然状態よりも高くなる。
したがって、トルクセンサー１０Ｂは、力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの周波数ｆ３、ｆ４の自然状態からの変化（変化量および変化方向）に基づいて、力Ｆｘ１、Ｆｘ２を検出することができる。なお、力検出センサー２Ａ、２Ｂでは、配置面２１５が力Ｆｘ１、Ｆｘ２の方向と直交しているため、受圧面２１１が力Ｆｘ１、Ｆｘ２を受けて基体２１が変形しても、櫛歯電極２２Ｄのピッチが実質的に変化しない（変化したとしても、櫛歯電極２２Ｃのピッチの変化よりも十分に小さい）。そのため、力Ｆｘ１、Ｆｘ２を受けても、力検出センサー２Ａ、２Ｂの周波数ｆ４は、自然状態からほとんど変化しない。また、力検出センサー２Ｃ、２Ｄでは、配置面２１３が力Ｆｘ１、Ｆｘ２の方向と直交しているため、受圧面２１１が力Ｆｘ１、Ｆｘ２を受けて基体２１が変形しても、櫛歯電極２２Ｃのピッチが実質的に変化しない（変化したとしても、櫛歯電極２２Ｄのピッチの変化よりも十分に小さい）。そのため、力Ｆｘ１、Ｆｘ２を受けても、力検出センサー２Ｃ、２Ｄの周波数ｆ３は、自然状態からほとんど変化しない。
また、受圧面２１１に力Ｆｙ１が加わると、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの基体２１がＹ軸方向プラス側にせん断変形する。これにより、力検出センサー２Ａの櫛歯電極２２Ｄおよび力検出センサー２Ｄの櫛歯電極２２Ｃのピッチが自然状態よりも短くなり、力検出センサー２Ｂの櫛歯電極２２Ｄおよび力検出センサー２Ｃの櫛歯電極２２Ｃのピッチが自然状態よりも長くなる。そのため、力検出センサー２Ａの周波数ｆ４および力検出センサー２Ｄの周波数ｆ３が自然状態よりも高くなり、力検出センサー２Ｂの周波数ｆ４および力検出センサー２Ｃの周波数ｆ３が自然状態よりも低くなる。
また、受圧面２１１に力Ｆｙ２が加わると、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの基体２１がＹ軸方向マイナス側にせん断変形する。これにより、力検出センサー２Ａの櫛歯電極２２Ｄおよび力検出センサー２Ｄの櫛歯電極２２Ｃのピッチが自然状態よりも長くなり、力検出センサー２Ｂの櫛歯電極２２Ｄおよび力検出センサー２Ｃの櫛歯電極２２Ｃのピッチが自然状態よりも短くなる。そのため、力検出センサー２Ａの周波数ｆ４および力検出センサー２Ｄの周波数ｆ３が自然状態よりも低くなり、力検出センサー２Ｂの周波数ｆ４および力検出センサー２Ｃの周波数ｆ３が自然状態よりも高くなる。
したがって、トルクセンサー１０Ｂは、力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの周波数ｆ３、ｆ４の自然状態からの変化（変化量および変化方向）に基づいて、力Ｆｙ１、Ｆｙ２を検出することができる。なお、力検出センサー２Ａ、２Ｂでは、配置面２１３が力Ｆｙ１、Ｆｙ２の方向と直交しているため、受圧面２１１が力Ｆｙ１、Ｆｙ２を受けて基体２１が変形しても、櫛歯電極２２Ｃのピッチが実質的に変化しない（変化したとしても、櫛歯電極２２Ｄのピッチの変化よりも十分に小さい）。そのため、力Ｆｙ１、Ｆｙ２を受けても、力検出センサー２Ａ、２Ｂの周波数ｆ３は、自然状態からほとんど変化しない。また、力検出センサー２Ｃ、２Ｄでは、配置面２１５が力Ｆｙ１、Ｆｙ２の方向と直交しているため、受圧面２１１が力Ｆｙ１、Ｆｙ２を受けて基体２１が変形しても、櫛歯電極２２Ｄのピッチが実質的に変化しない（変化したとしても、櫛歯電極２２Ｃのピッチの変化よりも十分に小さい）。そのため、力Ｆｙ１、Ｆｙ２を受けても、力検出センサー２Ｃ、２Ｄの周波数ｆ４は、自然状態からほとんど変化しない。
また、受圧面２１１にトルクθｚ１が加わると、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの基体２１がＺ軸まわり順方向（Ｚ軸のプラス側から見て時計回りの方向）に捩じれ変形する。これにより、力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの櫛歯電極２２Ｃのピッチが自然状態よりも短くなり、逆に、力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの櫛歯電極２２Ｄのピッチが自然状態よりも長くなる。そのため、力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの周波数ｆ３が自然状態よりも高くなり、力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの周波数ｆ４が自然状態よりも低くなる。
また、受圧面２１１にトルクθｚ２が加わると、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの基体２１がＺ軸まわり逆方向（Ｚ軸のプラス側から見て反時計回りの方向）に捩じれ変形する。これにより、力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの櫛歯電極２２Ｃのピッチが自然状態よりも長くなり、逆に、力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの櫛歯電極２２Ｄのピッチが自然状態よりも短くなる。そのため、力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの周波数ｆ３が自然状態よりも低くなり、力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの周波数ｆ４が自然状態よりも高くなる。
したがって、トルクセンサー１０Ｂは、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの周波数ｆ３、ｆ４の自然状態からの変化（変化量および変化方向）に基づいて、トルクθｚ１、θｚ２を検出することができる。
以上、トルクセンサー１０Ｂの力検出方法について説明した。特に、本実施形態では、トルクセンサー１０Ｂに加わった力が、力Ｆｚ１、Ｆｚ２、Ｆｘ１、Ｆｘ２、Ｆｙ１、Ｆｙ２、トルクθｚ１、θｚ２のどれであるかを簡単に特定することができる。具体的には、下記の表５に示すように、力Ｆｚ１、Ｆｚ２、Ｆｘ１、Ｆｘ２、Ｆｙ１、Ｆｙ２、トルクθｚ１、θｚ２毎に、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの周波数ｆ３、ｆ４の変化方向（自然状態よりも高くなるか低くなるか）の組み合わせが異なっている。そのため、この異なりを利用することで、受けた力が、力Ｆｚ１、Ｆｚ２、Ｆｘ１、Ｆｘ２、Ｆｙ１、Ｆｙ２、トルクθｚ１、θｚ２のいずれであるか（または、少なくとも２つの合力であるか）を簡単に特定することができる。
Figure 0006862794
以上、本実施形態のトルクセンサー１０Ｂについて説明した。このようなトルクセンサー１０Ｂは、力検出センサー２を有している。そのため、前述した力検出センサー２の効果を享受でき、優れた信頼性および検出特性を発揮することができる。
なお、本実施形態のトルクセンサー１０Ｂは、トルクθｚの他にも力Ｆｚ、Ｆｘ、Ｆｙを検出できる構成、すなわち、力覚センサーとトルクセンサーとを兼ねた複合センサーとなっている。しかしながら、トルクセンサー１０Ｂとしては、これに限定されず、力覚センサーとしての機能を有していなくてもよい。また、本実施形態では、Ｚ軸まわりの回転力であるθｚを検出できるようになっているが、例えば、各力検出センサー２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの周波数変化を適宜演算することで、さらに、Ｘ軸まわりの回転力およびＹ軸まわりの回転力を検出できるようになっていてもよい。
また、本実施形態では、トルクセンサー１０Ｂが４つの力検出センサー２を有しているが、力検出センサー２の数としては、特に限定されず、例えば、２つまたは３つでもよいし、５つ以上でもよい。
＜第７実施形態＞
図１４は、本発明の第７実施形態に係る力覚センサーが有する力検出センサーの斜視図である。
本実施形態に係る力覚センサー１Ｃは、主に、力検出センサー２の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態の力覚センサー１と同様である。
なお、以下の説明では、第７実施形態の力覚センサーに関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図１４では前述した実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。
図１４に示すように、本実施形態の力覚センサー１Ｃの力検出センサー２では、基体２１は、第１基体２１Ａと、第１基体２１Ａに接続されている第２基体２１Ｂと、を有している。また、第１基体２１Ａが第１面としての受圧面２１１を有し、第２基体２１Ｂが第２面としての配置面２１３を有している。すなわち、力Ｆｚ、Ｆｘ等および予圧を受ける部分である第１基体２１Ａと、櫛歯電極２２および反射器２３、２４が配置されてＳＡＷ共振子として機能する部分である第２基体２１Ｂとを有し、これらが別体で構成されている。このように、基体２１を第１基体２１Ａと第２基体２１Ｂとで構成することで、第１基体２１Ａおよび第２基体２１Ｂの構成材料を、それぞれ、適宜選択することができる。これにより、基体２１の設計の自由度が高まる。
なお、第１基体２１Ａの構成材料としては、特に限定されないが、比較的硬い材料であることが好ましい。このような材料としては、例えば、鉄、ニッケル、コバルト、金、白金、銀、銅、マンガン、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、鉛、錫、チタン、タングステン等の各種金属、またはこれらのうちの少なくとも１種を含む合金または金属間化合物、さらには、これらの金属の酸化物、窒化物、炭化物等が挙げられる。一方、第２基体２１Ｂの構成材料としては、弾性表面波を励起することができれば、特に限定されず、前述した第１実施形態で挙げたような各種圧電体を用いることができる。特に、本実施形態では、第２基体２１Ｂは、水晶で構成されている。
なお、本実施形態では、第１基体２１Ａと第２基体２１Ｂとは、接着剤２１Ｃを介して接続（接合）されている。ただし、第１基体２１Ａと第２基体２１Ｂとの接続方法としては、第１基体２１Ａが受けた力を第２基体２１Ｂに伝えることができれば、特に限定されず、例えば、凹凸嵌合、ネジを用いた螺号、溶着、融着、ろう接等であってもよい。
以上のような第７実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。
＜第８実施形態＞
図１５は、本発明の第８実施形態に係るロボットを示す斜視図である。
図１５に示すロボット９は、例えば、精密機器等の工業製品を製造する製造工程で用いることのできるロボットである。同図に示すように、ロボット９は、例えば床や天井に固定されるベース９１と、ベース９１に回動自在に連結されたアーム９２と、アーム９２に回動自在に連結されたアーム９３と、アーム９３に回動自在に連結されたアーム９４と、アーム９４に回動自在に連結されたアーム９５と、アーム９５に回動自在に連結されたアーム９６と、アーム９６に回動自在に連結されたアーム９７と、これらアーム９２、９３、９４、９５、９６、９７およびエンドエフェクター９９の駆動を制御するロボット制御部９８と、を有している。また、アーム９７にはハンド接続部が設けられており、ハンド接続部にはロボット９に実行させる作業に応じたエンドエフェクター９９が装着される。
このようなロボット９には、エンドエフェクター９９に加えられる外力を検出するセンサーとして、前述した力検出センサー２を備えるトルクセンサー１０が設けられている。そして、トルクセンサー１０が検出する力をロボット制御部９８にフィードバックすることにより、ロボット９は、より精密な作業を実行することができる。また、トルクセンサー１０が検出する力によって、ロボット９は、エンドエフェクター９９の作業対象物や障害物への接触等を検知することができる。そのため、エンドエフェクター９９による作業対象物の把持や移動等の動作をより適正に行うことができ、また、従来の位置制御では困難だった障害物回避動作、対象物損傷回避動作等を容易に行うことができ、ロボット９は、より適正かつ安全に作業を実行することができる。
このように、ロボット９は、トルクセンサー１０（力検出センサー２）を有している。そのため、前述した力検出センサー２の効果を享受でき、優れた信頼性および検出特性を発揮することができる。
なお、ロボット９の構成としては特に限定されず、例えば、アームの数が本実施形態と異なっていてもよい。また、ロボット９としては、所謂、スカラロボットや双腕ロボットであってもよい。また、本実施形態では、ロボット９が、トルクセンサー１０を有しているが、これに替えて前述したトルクセンサー１０Ａ、１０Ｂや力覚センサー１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃを有する構成であってもよいし、これら以外の構成のものを有する構成であってもよい。
以上、本発明の力検出センサー、力覚センサー、トルクセンサーおよびロボットについて、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。
また、前述した実施形態では、力検出センサーが力覚センサーやトルクセンサーに組み込まれた構成について説明したが、力検出センサーは、これらに組み込まれていなくてもよいし、他の電子デバイスに組み込まれていてもよい。
また、前述した実施形態では、力覚センサーおよびトルクセンサーが、力検出センサーに加えて、パッケージ、一対の基板および予圧ボルトを有しているが、力覚センサーおよびトルクセンサーの構成としては、力検出センサー素子を有していれば、特に限定されない。例えば、パッケージを省略し、力検出センサー素子が一対の基板に直接挟まれていてもよい。また、一対の基板および予圧ボルトを省略してもよい。すなわち、力検出センサーは、予圧されていなくてもよい。
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…力覚センサー、１０、１０Ａ、１０Ｂ…トルクセンサー、２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ…力検出センサー、２１…基体、２１Ａ…第１基体、２１Ｂ…第２基体、２１Ｃ…接着剤、２１１…受圧面、２１３、２１５…配置面、２２、２２Ｃ、２２Ｄ…櫛歯電極、２２Ａ…第１櫛歯電極、２２Ｂ…第２櫛歯電極、２２１、２２２…電極、２３、２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄ、２４、２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ…反射器、２５…電極指、３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ…パッケージ、３１…ベース、３１Ａ…土台、３１Ｂ…枠部、３１１…凹部、３２…リッド、３２１…中央部、３２２…外縁部、３２３…接続部、３３…内部端子、３４…外部端子、４１、４２…基板、４２１…ベース、４２２…突出部、５…予圧ボルト、５１…頭部、５２…ネジ部、９…ロボット、９１…ベース、９２、９３、９４、９５、９６、９７…アーム、９８…ロボット制御部、９９…エンドエフェクター、Ａ、Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４…軸、ＢＷ…ボンディングワイヤー、Ｆｘ、Ｆｘ１、Ｆｘ２、Ｆｙ、Ｆｙ１、Ｆｙ２、Ｆｚ、Ｆｚ１、Ｆｚ２…力、Ｌ…仮想線、Ｓ…収納空間、θ…傾斜角、θｚ、θｚ１、θｚ２…トルク

Claims (12)

  1. 外部から力を受ける第１面と、前記第１面とは法線方向が異なる第２面と、前記第１面および前記第２面とは法線方向が異なる第３面と、を備える基体と、
    前記第２面上に配置されている電極指と、
    前記第３面上に配置されている電極指と、を有し、
    前記第２面の平面視で、前記第２面上に配置されている前記電極指の並び方向が前記第１面の法線に対して傾斜し、
    前記第３面の平面視で、前記第３面上に配置されている前記電極指の並び方向が前記第１面の法線に対して傾斜していることを特徴とする力検出センサー。
  2. 前記第２面の法線と前記第３面の法線とが直交している請求項１に記載の力検出センサー。
  3. 前記第１面の法線と前記第２面の法線と前記第３面の法線とがすべて直交している請求項１に記載の力検出センサー。
  4. 前記第２面は、圧電体の表面で構成されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の力検出センサー。
  5. 前記第３面は、圧電体の表面で構成されている請求項４に記載の力検出センサー。
  6. 前記圧電体の構成材料は、水晶である請求項４に記載の力検出センサー。
  7. 前記第１面は、前記水晶の電気軸と交差している請求項６に記載の力検出センサー。
  8. 前記基体は、第１基体と、前記第１基体に接続されている第２基体と、を有し、
    前記第１基体が前記第１面を有し、
    前記第２基体が前記第２面を有している請求項１ないし７のいずれか１項に記載の力検出センサー。
  9. 前記基体は、予圧されている請求項１ないし８のいずれか１項に記載の力検出センサー。
  10. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の力検出センサーを有することを特徴とする力覚センサー。
  11. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の力検出センサーを有することを特徴とするトルクセンサー。
  12. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の力検出センサーを有することを特徴とするロボット。
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