JP6996309B2 - センサーデバイス、力検出装置およびロボット - Google Patents

Description

本発明は、センサーデバイス、力検出装置およびロボットに関する。

従来から、エンドエフェクターとロボットアームとを有する産業用ロボットにおいて、
エンドエフェクターに加わる力を検出する力検出装置が用いられている。

このような力検出装置の一例として、例えば特許文献１には、凹部を有する基部と、凹
部内に設けられた圧電体層および電極を有する積層体と、積層体の側面に設けられた側面
電極と、基部に設けられた端子と、端子と側面電極とを接続する接続電極と、を有するセ
ンサーデバイスが開示されている。また、接続電極がＡｇペースト等で形成されており、
基部がコバールで形成されている。

特開２０１５－８７２９２号公報

特許文献１に記載のセンサーデバイスでは、接続電極が側面電極と端子とを接続するこ
とによって、積層体は、基部に対して固定されている。そのため、センサーデバイスは、
振動等の機械的ストレスに対する耐性が低かった。また、接続電極で積層体を端子に接続
する際、接続電極の母材であるＡｇペーストが硬化前に凹部の底面に垂れ落ちるおそれが
あった。その結果、コバールで構成された基部にＡｇペーストで形成された接続電極が接
触することで短絡が生じるおそれがあった。さらに、例えば、積層体を凹部内に配置する
際、積層体の凹部内の位置決めを行うために位置決め用の治具等を用いる必要があり、治
具の作製は凹部内への治具の配置や取り外し等の多くの手間を要するという問題があった
。

本発明は、前述した課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下
により実現することが可能である。

本発明のセンサーデバイスは、凹部を有する第１部材と、
前記凹部に設置され、外力に応じて信号を出力する少なくとも１つの圧電素子を含む力
検出部と、
前記力検出部と前記凹部の底面との間に設けられ、絶縁性を有する接着部材と、
前記力検出部に設けられた少なくとも１つの電極と、
前記第１部材に設けられた少なくとも１つの端子と、
前記電極と前記端子とを電気的に接続する少なくとも１つの接続部と、を有し、
前記接続部は、前記力検出部と前記底面とが重なる方向から見て、前記接着部材と重な
る部分を有し、
前記底面は、金属で構成されている部分を有し、
前記力検出部は、前記力検出部と前記底面とが重なる方向から見て、前記底面の前記金
属で構成されている部分と重なっていることを特徴とする。

このような本発明のセンサーデバイスによれば、接着部材によって力検出部を凹部の底
面に接着することができるため、力検出部の凹部内での位置の安定性を高めることができ
る。そのため、振動等の機械的ストレスに対する耐性の低下を低減することができる。そ
の結果、外力に応じた信号を高精度に出力することができ、よって、外力の検出精度を高
めることができる。

また、例えば、力検出部を、電極、接続部および端子を介して力検出部から出力された
検出結果（電荷）の演算をする回路（外力検出回路）に電気的に接続することができる。

また、接続部が底面に接触することを低減または防止することができる。そのため、例
えば底面が導電性を有する材料で構成されている場合、接続部と底面とが接触することに
よる短絡を防ぐことができる。
また、底面の脆性等の機械的強度を高めることができる。

また、例えば底面に対する力検出部からの荷重によって、底面にクラック等の破損が生
じることを低減または回避することができる。

また、例えば凹部の底面と力検出部の第１部材側の面が導電性を有する場合であっても
、底面と力検出部との接触による短絡を低減または防止することができる。

本発明のセンサーデバイスでは、前記接着部材は、無機フィラーを含むことが好ましい
。

これにより、無機フィラーを力検出部と底面との間の距離を規制するギャップ材として
用いることができ、力検出部と底面との間に位置する接着部材の厚さの均一性を高めるこ
とができる。また、無機フィラーを用いることで、接着部材の機械的な強度を高めること
ができる。

本発明のセンサーデバイスでは、前記無機フィラーは、第１のフィラーおよび第２のフ
ィラーを含み、
前記第１のフィラーの最大径は、前記第２のフィラーの最大径よりも大きいことが好ま
しい。

これにより、接着部材の厚さを所望の厚さに制御することが容易であり、かつ、樹脂材
料の特性を制御することができる。すなわち、第１のフィラーは、力検出部と凹部の底面
との間の距離を規制するギャップ材として機能し、第１のフィラーを用いることで、接着
部材の厚さを所望の厚さに制御することが容易である。また、第２のフィラーを用いるこ
とで、硬化前の接着部材の粘度、硬化後の接着部材の機械物性を調整することができる。

本発明のセンサーデバイスでは、前記接着部材は、液状の接着剤の硬化物であることが
好ましい。

これにより、例えば、力検出部と底面との間に気泡が入ることを低減または回避するこ
とができ、力検出部と底面との接着部材による接着強度を高めることができる。

本発明のセンサーデバイスでは、前記接着部材の一部は、前記力検出部と前記凹部の側
面との間に位置していることが好ましい。

これにより、凹部内に力検出部をより安定して配置することができる。また、例えば、
凹部の底面が金属材料を含んで構成されている場合、接着部材が底面に接触することによ
る短絡を防ぐことができる。

本発明のセンサーデバイスでは、前記力検出部は、前記圧電素子を支持し、かつ、前記
接着部材に接着されている基材を有し、
前記接着部材の前記力検出部と前記凹部の側面との間に位置している部分は、前記基材
上に設けられている前記圧電素子よりも前記底面側に位置していることが好ましい。

これにより、例えば力検出部に設けられた電極（側面電極）や第１部材に設けられた端
子等に接着部材が接着することを低減または防止することができる。

本発明のセンサーデバイスでは、前記凹部の開口を塞ぐ第２部材を有することが好まし
い。

これにより、第１部材と第２部材とで形成された空間内に力検出部を収納し、この空間
内を気密的に封止することができる。そのため、力検出部の外的要因による検出精度の低
下を低減することができる。

本発明のセンサーデバイスでは、前記第２部材の少なくとも一部は、前記力検出部と前
記底面とが重なる方向から見て、前記力検出部と重なっていることが好ましい。

これにより、力検出部を第１部材と第２部材との間に配置することができる。そのため
、例えば第１部材および第２部材の双方から力検出部に対して与圧をかけることで、例え
ばロバスト性の低下を低減することができる。その結果、力検出部の検出精度の低下をよ
り低減することができる。

本発明のセンサーデバイスでは、前記圧電素子は、水晶を含むことが好ましい。
これにより、高感度、広いダイナミックレンジ、高い剛性等の優れた特性を有する力検
出装置を実現することができる。

本発明の力検出装置は、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る、本発明のセンサーデバイスと、
当該センサーデバイスからの前記信号に基づいて前記外力を検出する外力検出回路と、
を備えることを特徴とする。
このような力検出装置によれば、外力をより高精度に検出することができる。

本発明のロボットは、基台と、
前記基台に接続されるアームと、
本発明の力検出装置と、を備えることを特徴とする。
このようなロボットによれば、より精密に作業を実行することができる。

本発明の好適な実施形態に係るセンサーデバイスを備える力検出装置を示す斜視図である。 図１に示す力検出装置の縦断面図である。 図２に示す力検出装置の横断面図である。 図２および図３に示す力検出装置が備えるセンサーデバイスの断面図である。 図４に示すセンサーデバイスが備える力検出素子の断面図である。 図４に示すセンサーデバイスの内部を積層方向から見た図である。 図４に示すセンサーデバイスの一部を拡大した図である。 図４に示すセンサーデバイスが有する接着部材を模式的に示す図である。 図４に示すセンサーデバイスが有する接着部材の厚さと歪み量との関係を示す図である。 図４に示すセンサーデバイスを製造する方法のフロー図である。 図１０に示す接着剤を塗布する工程を示す断面図である。 図１０に示す接着剤を塗布する工程を示す平面図である。 図１０に示す力検出素子を接着する工程を示す断面図である。 図１０に示す接続部を形成する工程を示す断面図である。 図１０に示す蓋体を載置する工程を示す図である。 図４に示すセンサーデバイスの変形例を示す断面図である。 図４に示すセンサーデバイスの参考例を示す断面図である。 本発明のロボットの一例を示す斜視図である。

以下、本発明のセンサーデバイス、力検出装置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。なお、各図は、説明する部分が認識可能な状態とな
るように、適宜拡大又は縮小して表示している。

１．力検出装置
まず、本発明の力検出装置について説明する。

図１は、本発明の好適な実施形態に係るセンサーデバイスを備える力検出装置を示す斜
視図である。図２は、図１に示す力検出装置の縦断面図である。図３は、図２に示す力検
出装置の横断面図である。図４は、図２および図３に示す力検出装置が備えるセンサーデ
バイスの断面図である。図５は、図４に示すセンサーデバイスが備える力検出素子の断面
図である。図６は、図４に示すセンサーデバイスの内部を積層方向から見た図である。図
７は、図４に示すセンサーデバイスの一部を拡大した図である。図８は、図４に示すセン
サーデバイスが有する接着部材を模式的に示す図である。図９は、図４に示すセンサーデ
バイスが有する接着部材の厚さと歪み量との関係を示す図である。なお、図２は、図３中
のＡ２－Ａ２線断面図であり、図３は、図２中のＡ１－Ａ１線断面図である。また、図４
では、アナログ回路基板６の図示を省略している。また、図８では、フィラー４４２ａと
フィラー４４２ｂとの寸法の比率は、実際とは異なっている。

また、図１には、説明の便宜上、互いに直交する３つの軸としてｘ軸、ｙ軸およびｚ軸
が図示されており、各軸を示す矢印の先端側を「＋」、基端側を「－」とする。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。また、＋ｚ軸方向側を「上」、－ｚ軸方向側を「下」ともいう。ま
た、ｚ軸方向から見たものを「平面視」という。

図１に示す力検出装置１は、力検出装置１に加えられた外力の６軸成分を検出可能な６
軸力覚センサーである。ここで、６軸成分は、互いに直交する３つの軸（図示ではｘ軸、
ｙ軸およびｚ軸）のそれぞれの方向の並進力（せん断力）成分と、当該３つの軸のそれぞ
れの軸まわりの回転力（モーメント）成分と、からなる。

図１～図３に示すように、力検出装置１は、少なくとも１つ（複数）の圧電素子５を有
する複数（本実施形態では４つ）のセンサーデバイス４と、複数のセンサーデバイス４を
収納しているケース２００と、を有する。また、力検出装置１は、その中心軸Ａ１に沿っ
て形成された貫通孔１０１を有する。また、図３に示すように、力検出装置１は、複数（
本実施形態では８つ）の与圧ボルト５１と、複数（本実施形態では４つ）のアナログ回路
基板６と、デジタル回路基板（図示せず）と、を有する。

この力検出装置１では、各センサーデバイス４が受けた外力に応じた信号（検出結果）
を出力し、それらの信号をアナログ回路基板６およびデジタル回路基板（図示せず）で処
理する。これにより、力検出装置１に加えられた外力の６軸成分を検出する。ここで、本
実施形態では、アナログ回路基板６とデジタル回路基板（図示せず）とで、センサーデバ
イス４からの信号に基づいて外力を検出する外力検出回路６０を構成している。

以下、力検出装置１が備える各部について説明する。
［ケース］
図１に示すように、ケース２００は、第１ケース部材３と、第１ケース部材３に対して
間隔を隔てて配置されている第２ケース部材２と、第１ケース部材３および第２ケース部
材２の外周部に設けられた側壁部２０（第３ケース部材）と、を有する。

（第１ケース部材）
図２に示すように、第１ケース部材３は、天板３１（第１基部）と、天板３１の下部側
でかつ外周部に設けられた複数の壁部３３（第１与圧部）と、を有する。この第１ケース
部材３の平面視での外形は、図１に示すように円形であるが、これに限定されず、例えば
、四角形、五角形等の多角形、楕円形等であってもよい。

図２に示すように、天板３１は、略平板状をなしている。この天板３１の下部側には、
第２ケース部材２側に向かって複数（本実施形態では４つ）の壁部３３が立設されている
。なお、図示では、各壁部３３は、天板３１と別部材で形成され、天板３１に対し固定さ
れているが、天板３１と一体で形成されていてもよい。図３に示すように、複数の壁部３
３は、力検出装置１の中心軸Ａ１を中心とする同一円周上に沿って互いに等角度（９０°
）間隔に並んでいる。各壁部３３には、後述する与圧ボルト５１が挿通される複数の貫通
孔３７が形成されている。また、図２に示すように、各壁部３３の内壁面３３１（内側の
端面）は、天板３１に対して垂直な平面である。

また、第１ケース部材３は、その中央部に中心軸Ａ１に沿って形成された貫通孔３５を
有している。

このような構成の第１ケース部材３の上面３０１は、例えば、後述するロボット１００
が備えるエンドエフェクター１７（被取付部材）に取り付ける取付面として機能する。

また、第１ケース部材３の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、アルミニ
ウム、ステンレス鋼等の金属材料、セラミックス等が挙げられる。

（第２ケース部材）
図２に示すように、第２ケース部材２は、底板２１（第２基部）と、底板２１の上部側
に設けられた複数の壁部２２（第２与圧部）と、を有する。この第２ケース部材２の平面
視での外形は、図１に示すように円形であるが、これに限定されず、例えば、四角形、五
角形等の多角形、楕円形等であってもよい。

図２に示すように、底板２１は、略平板状をなしている。底板２１の上部側には、第１
ケース部材３側に向かって複数（本実施形態では４つ）の壁部２２が立設されている。な
お、図示では、各壁部２２は、底板２１と別部材で形成され、底板２１に対し固定されて
いるが、底板２１と一体で形成されていてもよい。図３に示すように、複数の壁部２２は
、力検出装置１の中心軸Ａ１を中心とする同一円周上に沿って互いに等角度（９０°）間
隔に並んでいる。各壁部２２は、前述した第１ケース部材３の壁部３３に対して中心軸Ａ
１側に配置され、壁部３３と対面している。また、壁部２２の壁部３３側には、壁部３３
側に向かって突出した部分２３を有する。この突出した部分２３の頂面２３１は、前述し
た壁部３３の内壁面３３１に対し、所定距離（センサーデバイス４を挿入可能な距離）を
隔てて対面している。そして、頂面２３１と内壁面３３１とは、平行である。また、各壁
部２２には、後述する与圧ボルト５１の先端部が螺合する雌ネジ孔２６が複数形成されて
いる。

また、第２ケース部材２は、その中央部に中心軸Ａ１に沿って形成された貫通孔２５を
有している。

このような第２ケース部材２の下面２０１は、例えば、力検出装置１を後述するロボッ
ト１００が備えるアーム１６に取り付けるアーム用取付面として機能する。

また、第２ケース部材２の構成材料としては、特に限定されないが、前述した第１ケー
ス部材３と同様、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属材料、セラミックス等が
挙げられる。なお、第２ケース部材２の構成材料は、第１ケース部材３の構成材料と同じ
であっても異なっていてもよい。

（側壁部）
図１に示すように、側壁部２０（第３ケース部材）は、円筒状をなしており、その上端
部および下端部がそれぞれ第１ケース部材３および第２ケース部材２に対して例えばネジ
止め、嵌合等によって固定されている。また、図２に示すように、側壁部２０と前述した
第１ケース部材３の天板３１と第２ケース部材２の底板２１とで囲まれた空間Ｓ、すなわ
ち力検出装置１の内部空間には、複数のセンサーデバイス４が収納されている。

このような側壁部２０の構成材料としては、特に限定されないが、前述した第１ケース
部材３や第２ケース部材２と同様、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属材料、
セラミックス等が挙げられる。なお、側壁部２０の構成材料は、第１ケース部材３や第２
ケース部材２の構成材料と同じであっても異なっていてもよい。

［センサーデバイス］
図３に示すように、４つのセンサーデバイス４は、中心軸Ａ１に沿った方向（ｚ軸方向
）から見たとき、中心軸Ａ１を通りｙ軸に平行な線分ＣＬに対して対称となるように配置
されている。また、各センサーデバイス４は、中心軸Ａ１に直交する方向から見たとき（
図２の側面視で）、第１ケース部材３の天板３１と第２ケース部材２の底板２１との間の
中間部に位置している。また、図４に示すように、各センサーデバイス４は、第１ケース
部材３の壁部３３と第２ケース部材２の壁部２２との間に配置されている。そして、各セ
ンサーデバイス４は、壁部３３と壁部２２とによって挟持されている。

各センサーデバイス４は、力検出素子４１（力検出部）と、力検出素子４１を収納する
パッケージ４２と、力検出素子４１をパッケージ４２に対して接着している接着部材４４
と、を有する。また、各センサーデバイス４は、力検出素子４１に設けられた複数の（本
実施形態では４つ）の側面電極４５（電極）と、パッケージ４２に設けられた複数の（本
実施形態では４つ）の端子４７と、側面電極４５と端子４７とを電気的に接続している複
数の（本実施形態では４つ）の接続部４６と、を有する。

（力検出素子）
図５に示す力検出素子４１は、力検出素子４１に加えられた外力のＸ軸方向の成分に応
じた電荷ＱＸ、力検出素子４１に加えられた外力のＹ軸方向の成分に応じた電荷ＱＹ、お
よび、力検出素子４１に加えられた外力のＺ軸方向の成分に応じた電荷ＱＺを出力する機
能を有する。この力検出素子４１は、Ｘ軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷ＱＸを
出力する圧電素子５ａと、Ｚ軸に平行な外力（圧縮／引張力）に応じて電荷ＱＺを出力す
る圧電素子５ｂと、Ｙ軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷ＱＹを出力する圧電素子
５ｃと、基準電位（例えばグランド電位ＧＮＤ）に電気的に接続されているグランド電極
層５４、５５、５６、５７と、を有する。また、力検出素子４１は、圧電素子５ａ、５ｂ
、５ｃおよびグランド電極層５４、５５、５６、５７を備える構造体５０を支持する支持
基板５８、５９（基材）を有する。ここで、支持基板５８、グランド電極層５４、圧電素
子５ａ、グランド電極層５５、圧電素子５ｂ、グランド電極層５６、圧電素子５ｃ、グラ
ンド電極層５７、支持基板５９の順でこれらが積層されている。なお、以下では、圧電素
子５ａ、５ｂ、５ｃをそれぞれ「圧電素子５」とも言う。

圧電素子５ａは、圧電体層５１ａ、出力電極層５２ａ、圧電体層５３ａがこの順で積層
されて構成されている。同様に、圧電素子５ｂは、圧電体層５１ｂ、５３ｂと、これらの
間に配置されている出力電極層５２ｂと、を有する。また、圧電素子５ｃは、圧電体層５
１ｃ、５３ｃと、これらの間に配置されている出力電極層５２ｃと、を有する。

圧電素子５は、水晶を含む。すなわち、圧電素子５は、水晶で構成された圧電体層５１
ａ、５３ａ、５１ｂ、５３ｂ、５１ｃ、５３ｃを備えている。これにより、高感度、広い
ダイナミックレンジ、高い剛性等の優れた特性を有する力検出装置１を実現することがで
きる。

図５に示すように、圧電素子５では、圧電体層５１ａ、５３ａ、５１ｂ、５３ｂ、５１
ｃ、５３ｃを構成する水晶の結晶軸であるＸ軸の方向が異なっている。すなわち、圧電体
層５１ａを構成する水晶のＸ軸は、図５中紙面奥側を向いている。圧電体層５３ａを構成
する水晶のＸ軸は、図５中紙面手前側を向いている。圧電体層５１ｂを構成する水晶のＸ
軸は、図５中上側を向いている。圧電体層５３ｂを構成する水晶のＸ軸は、図５中下側を
向いている。圧電体層５１ｃを構成する水晶のＸ軸は、図５中右側を向いている。圧電体
層５３ｃを構成する水晶のＸ軸は、図５中左側を向いている。このような圧電体層５１ａ
、５３ａ、５１ｃ、５３ｃは、それぞれＹカット水晶板で構成され、Ｘ軸の向きが互いに
９０°ずつ異なっている。また、圧電体層５１ｂ、５３ｂは、それぞれＸカット水晶板で
構成され、Ｘ軸の向きが互いに１８０°異なっている。

なお、本実施形態では、圧電体層５１ａ、５３ａ、５１ｂ、５３ｂ、５１ｃ、５３ｃは
、それぞれ、水晶で構成されているが、これらは、水晶以外の圧電材料を用いた構成であ
ってもよい。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）Ｏ_３）、ニオブ酸リチウム
、タンタル酸リチウム等が挙げられる。

また、出力電極層５２ａ、５２ｂ、５２ｃおよびグランド電極層５４、５５、５６、５
７を構成する材料は、それぞれ、電極として機能し得る材料であれば特に限定されないが
、例えば、ニッケル、金、チタニウム、アルミニウム、銅、鉄、クロムまたはこれらを含
む合金等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて（例えば積層し
て）用いることができる。

また、本実施形態では、支持基板５８、５９は、それぞれ、水晶で構成されているが、
これらは、水晶以外の導電性を有さない材料を用いた構成であってもよい。

このような力検出素子４１の全体形状は、直方体をなすが、これに限定されず、例えば
、円柱状や他の多面体等であってもよい。また、各力検出素子４１は、圧電素子５ａ、５
ｂ、５ｃの積層方向Ｄ１が中心軸Ａ１に直交するよう（ｙｚ平面の面方向に）に配置され
ている（図４および図５参照）。また、本実施形態では、例えば、支持基板５８が壁部３
３側に位置し、支持基板５９が壁部２２側に位置している。なお、支持基板５８が壁部２
２に位置し、支持基板５９が壁部３３側に位置していてもよい。

また、前述したように、力検出素子４１は、複数の圧電素子５を備える。これにより、
力検出装置１の高感度化を図ったり、検出軸の多軸化を図ったりすることができる。なお
、力検出素子４１を構成する圧電素子５および圧電体層の数は、前述した数に限定されな
い。例えば、１つの圧電素子５が備える圧電体層の数が１つまたは３つ以上であってもよ
いし、圧電素子５の数が２つまたは４つ以上であってもよい。

ここで、本実施形態では、前述したように、各センサーデバイス４は、圧電素子５の積
層方向Ｄ１が中心軸Ａ１に直交するように配置されており、４つのセンサーデバイス４は
、線分ＣＬに対して対称となるように配置されている（図３および図５参照）。そして、
前述したように、壁部３３と壁部２２とによって圧電素子５の積層方向Ｄ１に対して平行
な方向に与圧が加えられている。そのため、デジタル回路基板では、温度変動の影響を受
けやすい電荷ＱＺを用いずに、並進力成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚおよび回転力成分Ｍｘ、Ｍｙ
、Ｍｚ（すなわち外力）の演算が可能である。そのため、力検出装置１は、温度の変動に
よる影響を受けにくく、高精度な検出が可能である。これにより、例えば高温環境下に力
検出装置１が置かれて第１ケース部材３および第２ケース部材２が熱膨張し、その熱膨張
によって圧電素子５に対する与圧が所定の値から変化してノイズ成分となることを低減ま
たは零にすることができる。

（パッケージ）
図４に示すように、パッケージ４２は、力検出素子４１が設置される凹部４３３を有す
る基部４３（支持部材、第１部材）と、凹部４３３の開口を塞ぐようにして基部４３に対
してシール部材４８を介して接合されている蓋体４９（部材、第２部材）と、を有する。
また、基部４３と蓋体４９とで囲まれた空間Ｓ１（パッケージ４２の内部空間）、すなわ
ち凹部４３３内（凹部４３３）には、少なくとも１つの圧電素子５を含む力検出素子４１
が設置（収納）されている。これにより、力検出素子４１を保護することができる。ここ
で、基部４３は、前述した第２ケース部材２の頂面２３１に当接している。一方、蓋体４
９は、前述した第１ケース部材３の内壁面３３１に当接している。

〈基部〉
基部４３は、平板状の底部材４３１と、底部材４３１に接合（固定）された側壁部材４
３２と、を有する。底部材４３１と側壁部材４３２とにより凹部４３３が形成されている
。

底部材４３１は、第２ケース部材２の頂面２３１および力検出素子４１に当接しており
、第２ケース部材２に加えられた外力を力検出素子４１に伝達する機能を有している。

側壁部材４３２は、四角形の筒状をなし、凹部４３３の内側に向って突出した突出部４
３２０を有する。この突出部４３２０は、側壁部材４３２の全周に亘って形成（環状に形
成）されており底部材４３１上に接着されている。また、突出部４３２０の蓋体４９側の
面、すなわち段差部４３２１には、端子４７が設けられている。なお、段差部４３２１は
、側壁部材４３２の全周に亘って形成されており、基部４３の外縁部を囲んでいる。

このような基部４３の内壁面４３４（凹部４３３を形成する面）は、底面４３４１と側
面４３４２とで構成されている。底面４３４１は、底部材４３１の図４中上側の面で構成
されている。側面４３４２は、段差部４３２１を含む側壁部材４３２の内壁面４３４で構
成されている。底面４３４１上には、接着部材４４を介して力検出素子４１が設けられて
いる。

また、基部４３の底部材４３１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、底部材４３１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、底部材４３１は、第２ケース部
材２に加えられた外力を力検出素子４１に的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。

また、底部材４３１は、単一の材料で構成されていることが好ましい。これにより、底
部材４３１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。
なお、図４中の矢印Ａ３方向（積層方向Ｄ１）（基部４３の底部材４３１の底面４３４１
の法線方向）から見て、基部４３の少なくとも力検出素子４１と重なる領域が金属材料で
構成されていることで、基部４３が外力によって破損することをさらに低減する効果を顕
著に発揮することができる。

一方、基部４３の側壁部材４３２の構成材料としては、絶縁性を有する材料であること
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
スを主成分とすることが好ましい。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４２の変形による損傷が生じにくく、内部に収容さ
れた力検出素子４１をより確実に保護することができる。また、端子４７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４３２の加工精度をより高める
こともできる。

また、側壁部材４３２は、単一の材料で構成されていることが好ましい。これにより、
底部材４３１の全体に亘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。
なお、図示の構成では、底部材４３１と側壁部材４３２とは別部材を接合（固定）して設
けられているが、底部材４３１と側壁部材４３２とが一体的に形成されたものであっても
よい。

〈シール部材〉
図４に示すように、シール部材４８は、基部４３の上面の全周に配置されている。シー
ル部材４８の構成材料としては、基部４３に蓋体４９を接合（接着）する機能を有すれば
いかなる材料であってもよく、例えば、金、銀、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することができる。

〈蓋体〉
蓋体４９は、板状をなし、凹部４３３の開口を塞ぐようにしてシール部材４８を介して
基部４３に接合されている。この蓋体４９は、第１ケース部材３の壁部３３および力検出
素子４１に当接して設けられており、第１ケース部材３に加えられた外力を力検出素子４
１に伝達する機能を有している。また、本実施形態では、蓋体４９の縁部側は、基部４３
側に向かって折れ曲がっており、力検出素子４１を覆うように設けられている。

このような蓋体４９の構成材料としては、特に限定されないが、前述した底部材４３１
と同様、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、底部材４３１と同様
に、外力を力検出素子４１により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。なお、蓋体４９の構成材料は、底部材４
３１の構成材料と同じであっても異なっていてもよいが、同じであることが好ましい。こ
れにより、パッケージ４２に加えられた外力を力検出素子４１により正確に伝達すること
ができる。

このようなパッケージ４２の平面視での形状は、本実施形態では四角形をなしているが
、これに限定されず、例えば、五角形等の他の多角形、円形、楕円形等であってもよい。

以上説明したようなパッケージ４２では、凹部４３３の底面４３４１は、金属で構成さ
れている部分を有する。特に、前述したように、基部４３は、金属（特にコバール）で構
成されていることが好ましい。これにより、底面４３４１の脆性等の機械的強度の高める
ことができる。

さらに、前述したように、「力検出部」としての力検出素子４１は、力検出素子４１と
底面４３４１とが重なる方向から見て（図４中矢印Ａ３方向から見て）、底面４３４１の
金属で構成されている部分と重なっている。これにより、底面４３４１に対する力検出素
子４１からの荷重によって、底面４３４１にクラック等の破損が生じることを低減または
回避することができる。

また、前述したように、センサーデバイス４は、凹部４３３の開口を塞ぐ「第２部材」
としての蓋体４９を有する。これにより、基部４３と蓋体４９とで形成された空間Ｓ１内
に力検出素子４１を収納し、空間Ｓ１を気密的に封止することができる。そのため、力検
出素子４１の外的要因による検出精度の低下を低減することができる。

また、「第２部材」としての蓋体４９の少なくとも一部は、「力検出部」としての力検
出素子４１と底面４３４１とが重なる方向から見て（図４中の矢印Ａ３方向から見て）、
力検出素子４１と重なっている。これにより、力検出素子４１を基部４３と蓋体４９との
間に配置することができる。そのため、壁部２２、３３によって挟持されて基部４３と蓋
体４９との双方から力検出素子４１に対して与圧をかけることでき、例えばロバスト性の
低下を低減することができる。その結果、力検出素子４１の検出精度の低下を低減するこ
とができる。

〈側面電極（電極）〉
力検出素子４１には、少なくとも１つの側面電極４５、図４および図６に示す構成では
複数の側面電極４５が設けられている。図４および図６に示すように、複数の（本実施形
態では４つ）の側面電極４５は、力検出素子４１の側面に設けられている。なお、以下の
説明では、４つの側面電極４５のうち、図６中の左上側に位置する側面電極４５を「側面
電極４５ａ」といい、図６中の左下側に位置する側面電極４５を「側面電極４５ｂ」とい
い、図６中の右上側に位置する側面電極４５を「側面電極４５ｃ」といい、図６中の右下
側に位置する側面電極４５を「側面電極４５ｄ」という。また、各側面電極４５ａ、４５
ｂ、４５ｃ、４５ｄを区別しない場合は、それらを「側面電極４５」という。なお、側面
電極４５の数は、特に限定されず、１つでもよい。

側面電極４５ａは、力検出素子４１の出力電極層５２ａに電気的に接続されている。同
様に、側面電極４５ｂは、力検出素子４１の出力電極層５２ｂに電気的に接続されており
、側面電極４５ｃは、力検出素子４１の出力電極層５２ｃに電気的に接続されている。ま
た、側面電極４５ａは、力検出素子４１のグランド電極層５４、５５、５６、５７に電気
的に接続されている。側面電極４５ａ、４５ｂは、力検出素子４１の同一側面上に互いに
離間して設けられている。また、側面電極４５ｃ、４５ｄは、側面電極４５ａ、４５ｂが
設けられた側面に対向する同一側面上に互いに離間して設けられている。なお、側面電極
４５ａ、４５ｂ、４５ｃ、４５ｄは、それぞれ、力検出素子４１の同一面上に設けられて
いてもよいし、異なる面に設けられていてもよい。

また、各側面電極４５は、力検出素子４１の積層方向Ｄ１に沿って長尺状をなしている
。本実施形態では、各側面電極４５は、支持基板５８から支持基板５９の途中まで延びる
長尺状をなしている。また、各側面電極４５は、例えば、スパッタ法、メッキ法等により
形成することができる。かかる構成とすることにより、各側面電極４５を容易に形成する
ことができる。また、各側面電極４５の構成材料としては、例えば、ニッケル、金、チタ
ニウム、アルミニウム、銅、鉄等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み
合わせて用いることができる。中でも特に、各側面電極４５は、ニッケル（Ｎｉ）を含む
材料で構成されていることが好ましい。ニッケルは、圧電体層５１ａ、５３ａ、５１ｂ、
５３ｂ、５１ｃ、５３ｃの熱膨張係数に近い熱膨張係数を有することから好ましい。

〈端子〉
基部４３には、少なくとも１つの端子４７、図４および図６に示す構成では複数の端子
４７が設けられている。図４および図６に示すように、複数の（本実施形態では４つ）の
端子４７は、上述した基部４３の段差部４３２１に設けられている。なお、以下の説明で
は、４つ端子４７のうち、図６中の左上側に位置する端子４７を「端子４７ａ」といい、
図６中の左下側に位置する端子４７を「端子４７ｂ」といい、図６中の右上側に位置する
端子４７を「端子４７ｃ」といい、図６中の右下側に位置する端子４７を「端子４７ｄ」
という。また、各端子４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄを区別しない場合は、それらを「
端子４７」という。なお、端子４７の数は、特に限定されず、１つでもよい。

端子４７ａは、側面電極４５ａの近傍に設けられている。同様に、端子４７ｂは、側面
電極４５ｂの近傍に設けられており、端子４７ｃは、側面電極４５ｃの近傍に設けられて
おり、端子４７ｄは、側面電極４５ｄの近傍に設けられている。

この各端子４７は、基部４３に設けられた図示しない配線等を介してアナログ回路基板
６に電気的に接続されている（図２～図４参照）。

また、各端子４７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。

〈接続部〉
センサーデバイス４は、少なくとも１つの接続部４６、図４および図６に示す構成では
複数の接続部４６を有している。図４に示すように、複数の（本実施形態では４つ）の接
続部４６は、上述した端子４７と側面電極４５とを電気的に接続している。なお、以下の
説明では、４つの接続部４６のうち、図６中の左上側に位置する接続部４６を「接続部４
６ａ」といい、図６中の左下側に位置する接続部４６を「接続部４６ｂ」といい、図６中
の右上側に位置する接続部４６を「接続部４６ｃ」といい、図６中の右下側に位置する接
続部４６を「接続部４６ｄ」という。また、各接続部４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、４６ｄを
区別しない場合は、それらを「接続部４６」という。なお、接続部４６の数は、特に限定
されず、１つでもよい。

接続部４６ａは、側面電極４５ａと端子４７ａとに接着していて、これらを電気的に接
続している。同様に、接続部４６ｂは、側面電極４５ｂと端子４７ｂとに接着していて、
これらを電気的に接続している。接続部４６ｃは、側面電極４５ｃと端子４７ｃとに接着
していて、これらを電気的に接続している。接続部４６ｄは、側面電極４５ｄと端子４７
ｄとに接着していて、これらを電気的に接続している。

また、各接続部４６の構成材料としては、例えば、金、銀、銅等を用いることができ、
これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。また、各接続部
４６は、具体的には、例えば、Ａｇペースト、Ｃｕペースト、Ａｕペースト等で形成する
ことができるが、特に、Ａｇペーストを用いて形成することが好ましい。Ａｇペーストは
、入手が容易であり、取扱性にも優れている。

〈接着部材〉
図４、図６に示すように、接着部材４４は、絶縁性を有する部材であり、力検出素子４
１と基部４３との間に設けられている。具体的には、接着部材４４は、凹部４３３の底面
４３４１と力検出素子４１との間と、凹部４３３の側面４３４２と力検出素子４１との間
に設けられている。すなわち、接着部材４４は、凹部４３３の底面４３４１と力検出素子
４１との間に位置する部分４４４と、凹部４３３の側面４３４２と力検出素子４１との間
に位置する部分４４５とを有する。

接着部材４４の部分４４４は、図４中の矢印Ａ３方向から見て、力検出素子４１と重な
り、力検出素子４１を内包している（図４および図６参照）。さらに、接着部材４４の部
分４４４は、矢印Ａ３方向から見て、接着部材４４の一部とも重なっている。また、図７
に示すように、接着部材４４の部分４４５は、接続部４６に接触しておらず、接続部４６
との間に空隙Ｓ２を隔てて設けられている。

また、部分４４５の高さＴ１は、力検出素子４１の支持基板５９の高さおよび接着部材
４４の部分４４４の高さの合計の高さＴ２よりも小さい。これにより、接着部材４４が側
面電極４５や接続部４６に接触して側面電極４５と接続部４６との導通の妨げになること
を低減または防止することができる。

このような接着部材４４は、基部４３や力検出素子４１よりも曲げ強さや曲げ弾性率が
高い部材で構成されている。この接着部材４４の曲げ強さは、１００ＭＰａ以上３００Ｍ
Ｐａ以下程度であり、接着部材４４の曲げ弾性率は、４０００ＭＰａ以上６０００ＭＰａ
以下程度である。このような接着部材４４が力検出素子４１と基部４３との間に設けられ
ていることで、外力によって力検出素子４１や基部４３が破損することをより低減するこ
とができる。

また、接着部材４４は、接着剤の硬化物で構成されている。接着剤の形態としては、液
状（ペースト状等の半固形状を含む）や、シート状やフィルム状の固形状が挙げられる。
中でも特に、液状の接着剤を用いることが好ましい。すなわち、接着部材４４は、液状の
接着剤の硬化物であることが好ましい。これにより、力検出素子４１を基部４３に接着す
る際に、力検出素子４１と基部４３との間での気泡の発生や残留を低減することができる
。そのため、基部４３に対する力検出素子４１の接着強度の低下を低減することができる
。なお、液状とは、室温（２５℃）で流動性を有する状態を言い、固形状とは、室温（２
５℃）で流動性を有しない状態を言う。なお、例えば平板状の部材に接着剤を配置して傾
けた際に自重により流動するものは、液状とする。

また、本実施形態では、接着剤は、樹脂材料とフィラー４４２ａ（第１のフィラー）お
よびフィラー４４２ｂ（第２のフィラー）とを含む（図８参照）。また、接着剤は、適宜
、水、溶剤、可塑剤、硬化剤および帯電防止剤等を含んでいてもよい。

樹脂材料としては、熱可塑性樹脂や光可塑性樹脂等の可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、光硬
化性樹脂および電子線硬化性樹脂等の硬化性樹脂を用いることができ、中でも、硬化性樹
脂（硬化反応し得る樹脂材料）を用いることが好ましく、熱硬化性樹脂を用いることがよ
り好ましい。熱硬化性樹脂としては、例えば、アクリル系樹脂、フェノール系樹脂、シリ
コーン系樹脂、エポキシ系樹脂等が挙げられ、中でも、エポキシ系樹脂を用いることが好
ましい。エポキシ系樹脂は、特に引張せん断接着強さに優れている。ここで、本実施形態
では、上述したように、基部４３および蓋体４９を介して壁部２２、３３で力検出素子４
１を挟持していることで、基部４３の底部材４３１に対する力検出素子４１の押し込み方
向（積層方向Ｄ１）における強度は担保されているものの、せん断方向（ｚ軸方向）の強
度が不足している。そのため、上述したように、特に引張せん断接着強さに優れているエ
ポキシ系樹脂を用いることで力検出素子４１のせん断方向の強度を十分に確保することが
できる。

接着剤中の樹脂材料の含有率は、５０質量％以上であることが好ましく、７０質量％以
上９５質量％以下であることがより好ましい。なお、上述の含有率は、溶剤や水を含む場
合にはこれらを除いた固形分含有率を示す。

フィラー４４２ａは、力検出素子４１と底面４３４１との間の距離を規制するギャップ
材として機能し、接着部材４４の厚さＤを規定している。フィラー４４２ａの最大径（最
大幅）は、フィラー４４２ｂの最大径（最大幅）よりも大きい。よって、フィラー４４２
ａを用いることで、接着部材４４の厚さＤを所望の厚さに制御することが容易である。

フィラー４４２ｂは、樹脂材料の特性を制御する。フィラー４４２ｂを用いることで、
樹脂材料の樹脂粘度（硬化前の接着部材４４の粘度）、硬化後の機械物性（硬化後の接着
部材４４の機械物性）を調整することができる。特に、フィラー４４２ａのみでは、硬化
前の接着部材４４の粘度を調整することは比較的困難であるが、フィラー４４２ｂを用い
ることで、硬化前の接着部材４４の粘度を容易に調整することができる。

フィラー４４２ａ、４４２ｂの構成材料としては、シリカ（ＳｉＯ_２）、アルミナ（Ａ
ｌ_２Ｏ_３）等の無機酸化物、セラミックス、ガラス等の無機物を含む無機フィラーを用い
ることが好ましく、これらのうちの１種または２種以上を併用することができる。中でも
特に、フィラー４４２ａ、４４２ｂの構成材料としては、シリカ、アルミナを用いること
が好ましい。これにより、接着部材４４の機械的な強度や耐熱性を高めることができる。
また、フィラー４４２ａ、４４２ｂは、導電性を有さない（絶縁性）であるものが好まし
い。これにより、接着部材４４の導電性をより低くすることができる。また、フィラー４
４２ａとフィラー４４２ｂの構成材料は、同じであってもよく、また、異なっていてもよ
い。

フィラー４４２ａ、４４２ｂの形状としては、球形が好ましいが、これに特に限定され
ず、球状、方形状、板状、針状、葉状等のものを用いることができる。フィラー４４２ａ
、４４２ｂを球形にすることで分級し、径の大きさを均一にすることができる。また、接
着部材４４を所望の厚さＤに制御することが容易である。なお、フィラー４４２ａ、４４
２ｂは、緻密質体であってもよいし、多孔質体であってもよい。

また、フィラー４４２ａの最大径（最大幅）は、１０μｍ以上であることが好ましく、
１０μｍ以上１００μｍ以下であることがより好ましい。これにより、接着部材４４の厚
さＤを所望の厚さＤにすることが容易である（図８参照）。言い換えると、フィラー４４
２ａの最大径（最大幅）は、形成する接着部材４４の厚さＤと同等であることが好ましい
。これにより、所望の厚さＤの接着部材４４を容易に形成することができる。また、フィ
ラー４４２ａの平均径（平均幅）は、０．１μｍ以上１００μｍ以下であることが好まし
く、１μｍ以上９０μｍ以下であることがより好ましい。

また、フィラー４４２ｂの最大径（最大幅）は、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが
好ましい。これにより、硬化前の接着部材４４の粘度、硬化後の接着部材４４の機械物性
を適確に調整することができる。

ここで、フィラー４４２ａの最大径とは、フィラー４４２ａの最も長い部分の長さであ
る。例えば、フィラー４４２ａの形状が球（球形）の場合、フィラー４４２ａの最大径は
、球の直径であり、また、フィラー４４２ａの平面視での形状が楕円（楕円形）の場合、
フィラー４４２ａの最大径は、楕円の長径である。また、フィラー４４２ｂの最大径につ
いても同様である。

接着剤中のフィラー４４２ａ、４４２ｂの合計の含有率は、特に限定されないが、５質
量％以上４０質量％以下であることが好ましく、１０質量％以上３０質量％以下であるこ
とがより好ましい。含有率が前記上限値よりも高いと、接着部材４４の接着機能が低下す
る。また、含有率が前記下限値よりも低いと、フィラー４４２ａ、４４２ｂの効果が不十
分となる。なお、上述の含有率は、溶剤や水を含む場合にはこれらを除いた固形分含有率
を示す。

このように、本実施形態では、接着部材４４はフィラー４４２ａ、４４２ｂを含む。特
に、接着部材４４は、無機フィラーを含むことが好ましい。これにより、無機フィラーで
構成されたフィラー４４２ａを力検出素子４１と底面４３４１との間の距離を規制するギ
ャップ材として用いることができ、力検出素子４１と底面４３４１との間に位置する接着
部材４４の厚さＤの均一性を高めることができる。また、無機フィラーを用いることで、
接着部材４４の機械的な強度を高めることができる。さらに、無機フィラーで構成された
フィラー４４２ｂを樹脂部材の特性を制御するために用いることができ、イニシャライズ
時の特性を維持することができる。また、無機フィラーを用いることで、接着部材４４の
機械的な強度を高めることができる。

このような接着剤の硬化物である接着部材４４の厚さＤは、１μｍ以上１００μｍ以下
であることが好ましく、５μｍ以上９０μｍ以下であることがより好ましい。これにより
、接着強度を十分に確保することができるとともに、外力の伝達の影響の低下を低減する
ことができる。

ここで、図９を参照しつつ、接着部材４４の厚さＤと力検出素子４１の歪み量との関係
について説明する。図９の線分Ｌ１１は、接着部材４４の厚さＤが３０μｍである場合を
示し、線分Ｌ１２は、接着部材４４の厚さＤが１００μｍである場合を示し、線分Ｌ１０
は、接着部材４４を介せずに力検出素子４１が底面４３４１に直接当接して設けている場
合を示す。

図９に示すように、接着部材４４の厚さＤが３０μｍである場合、力検出素子４１の押
し込み力（外力の大きさ）に対する力検出素子４１の歪み量（変形量）は、接着部材４４
が設けられていない場合と同等の大きさである。すなわち、厚さＤが３０μｍである場合
は、接着部材４４が設けられていない場合と歪み量が同等であり、接着部材４４を設ける
ことによる外力の伝達損失は小さい（ほぼ無い）。

一方、図９に示すように、接着部材４４の厚さＤが１００μｍである場合、押し込み力
に対する歪み量は、接着部材４４が設けられていない場合よりも大きくなっている。これ
は、接着部材４４を設けることによる外力の伝達損失が大きくなることによる。なお、厚
さＤが１００μｍを超えると、さらに歪み量が大きくなる。

このようなことからも、上述したような範囲内の厚さＤとすることで、接着部材４４の
厚さの増加による接着部材４４の柔軟性（弾性）の上昇を抑えることができるため、接着
部材４４を設けることによる外力の伝達損失を小さくすることができる。その結果、接着
部材４４を設けても、接着部材４４が無い場合と同様に外力を力検出素子４１に伝達する
ことができる。なお、接着部材４４の厚さＤが１００μｍ以下であれば、外力の伝達損失
を比較的小さくすることができる。

以上説明したような各センサーデバイス４は、上述したように、凹部４３３を有する「
第１部材」としての基部４３と、凹部４３３に設置され、外力に応じて信号を出力する少
なくとも１つの圧電素子５を含む「力検出部」としての力検出素子４１と、力検出素子４
１と凹部４３３の底面４３４１との間に設けられた接着部材４４と、を有する。このよう
な力検出装置１によれば、接着部材４４によって力検出素子４１を凹部４３３の底面４３
４１に接着することができるため、力検出素子４１の凹部４３３内での位置の安定性を高
めることができる。そのため、振動等の機械的ストレスに対する耐性の低下を低減するこ
とができる。その結果、外力に応じた信号を高精度に出力することができ、よって、外力
の検出精度を高めることができる。

また、本実施形態では、力検出素子４１の底面４３４１側の面は、その全域にわたって
、接着部材４４に接触している。すなわち、力検出素子４１と底面４３４１との間の領域
の全域に亘って接着部材４４が設けられている。力検出素子４１と底面４３４１との間の
領域に接着部材４４が設けられていない部分があるとその部分に応力が集中し易くなるが
、力検出素子４１と底面４３４１との間の領域の全域に亘って接着部材４４が設けられて
いることで、応力の局所的な集中を低減または防止することができる。そのため、外力に
応じた信号をより高精度に出力することができる。

また、図４に示すように、センサーデバイス４は、「力検出部」としての力検出素子４
１に設けられた「電極」としての側面電極４５（少なくとも１つの側面電極４５）と、「
第１部材」としての基部４３に設けられた端子４７（少なくとも１つの端子４７）と、側
面電極４５と端子４７とを電気的に接続する接続部４６（少なくとも１つの接続部４６）
と、を有する。これにより、例えば、力検出素子４１を、側面電極４５、接続部４６およ
び端子４７を介して、力検出素子４１から出力された検出結果（電荷）の演算をする外力
検出回路６０に電気的に接続することができる。

また、接続部４６は、「力検出部」としての力検出素子４１と底面４３４１とが重なる
方向から見て（図４中矢印Ａ３方向から見て）、接着部材４４と重なる部分を有する。こ
れにより、接続部４６が凹部４３３の底面４３４１に接触することを低減または防止する
ことができる。そのため、導電性を有する基部４３と接続部４６とが接触することによる
短絡を防ぐことができる。

特に、前述したように、接着部材４４は、絶縁性を有することが好ましい。これにより
、接続部４６が底面４３４１に接触することを防ぐことができ、接続部４６と底面４３４
１との接触による短絡を低減または防止することができる。また、例えば、基部４３に加
えて、力検出素子４１の基部４３側の面が導電性を有する場合（例えば、力検出素子４１
の基部４３側の面に電極が設けられている場合）であっても、底面４３４１と力検出素子
４１との接触による短絡を低減または防止することができる。

以上説明したように、センサーデバイス４によれば、前述した各機能の組み合わせによ
る相乗効果により、耐久性、信頼性が向上し、その結果により、検出精度を向上させるこ
とができる。

また、前述したように、接着部材４４に含まれる無機フィラーは、フィラー４４２ａ（
第１のフィラー）およびフィラー４４２ｂ（第２のフィラー）を含み、フィラー４４２ａ
（第１のフィラー）の最大径は、フィラー４４２ｂ（第２のフィラー）の最大径よりも大
きい。これにより、接着部材４４の厚さＤを所望の厚さに制御することが容易であり、か
つ、樹脂材料の特性を制御することができる。すなわち、フィラー４４２ａは、力検出素
子４１と底面４３４１との間の距離を規制するギャップ材として機能し、フィラー４４２
ａを用いることで、接着部材４４の厚さＤを所望の厚さに制御することが容易である。ま
た、フィラー４４２ｂを用いることで、硬化前の接着部材４４の粘度、硬化後の接着部材
４４の機械物性を調整することができる。

また、前述したように、接着部材４４の一部は、「力検出部」としての力検出素子４１
と凹部４３３の側面４３４２との間に位置している。これにより、凹部４３３内に力検出
素子４１をより安定して配置することができる。また、接続部４６が底面４３４１に接触
することを低減または防止することができるので、接続部４６と底面４３４１との接触に
よる短絡を低減または防止することができる。

さらに、前述したように、「力検出部」としての力検出素子４１は、圧電素子５を支持
し、かつ、接着部材４４に接着されている「基材」としての支持基板５９を有し、接着部
材４４の力検出素子４１と凹部４３３の側面４３４２との間に位置している部分４４５は
、支持基板５９上に設けられている圧電素子５ｃよりも底面４３４１側に位置している。
また、接着部材４４の部分４４５の高さＴ１は、高さＴ２（厚さ）よりも小さい（図７参
照）。これにより、例えば力検出素子４１に設けられた側面電極４５や基部４３に設けら
れた端子４７等に接着部材４４が接着することを低減または防止することができるととも
に、凹部４３３内に力検出素子４１をより安定して配置することができる。

［与圧ボルト（固定部材）］
複数の与圧ボルト５１は、第１ケース部材３の壁部３３と第２ケース部材２の壁部２２
とでセンサーデバイス４（より具体的には複数の圧電素子５）を挟んで与圧した状態で壁
部３３および壁部２２を互いに固定している（図３参照）。各与圧ボルト５１は、壁部３
３側から壁部３３の貫通孔３７に挿通され、与圧ボルト５１の先端部に形成された雄ネジ
を壁部２２に形成された雌ネジ孔２６に螺合されている。このような複数の与圧ボルト５
１により、第１ケース部材３の内壁面３３１と第２ケース部材２の頂面２３１とでセンサ
ーデバイス４のパッケージ４２を介して力検出素子４１を挟んで与圧することができる。
また、各与圧ボルト５１の締結力を適宜調整することで、力検出素子４１に対して、所定
の大きさの圧電素子５の積層方向Ｄ１の圧力を与圧として加えることができる。

このような各与圧ボルト５１の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、各種
金属材料等が挙げられる。なお、各与圧ボルト５１の位置および数は、それぞれ、図示の
位置および数に限定されない。また、与圧ボルト５１の数は、例えば、１つのセンサーデ
バイス４に対して１つまたは３つ以上であってもよい。また、圧電素子５を備える力検出
素子４１は、第１ケース部材３と第２ケース部材２との間（特に壁部３３と壁部２２との
間）に挟持されているが、これに限定されず、第１ケース部材３と第２ケース部材２との
間に任意の構成で支持されていればよい。

［アナログ回路基板］
図２に示すように、アナログ回路基板６は、空間Ｓ、すなわち第１ケース部材３と第２
ケース部材２との間に配置されている。このアナログ回路基板６には、第２ケース部材２
の突出した部分２３が挿通されている貫通孔６１と、各与圧ボルト５１が挿通されている
貫通孔６２と、が形成されている（図２および図３参照）。アナログ回路基板６は、部分
２３に挿通された状態で、センサーデバイス４に対して中心軸Ａ１側に配置されている。
これにより、センサーデバイス４の近傍にアナログ回路基板６を設けることができ、セン
サーデバイス４からの配線長さを短くすることができる。そのため、構造の簡素化に寄与
することができる。

また、アナログ回路基板６は、前述したセンサーデバイス４に電気的に接続されている
。アナログ回路基板６は、図示はしないが、センサーデバイス４の力検出素子４１から出
力された電荷Ｑ（ＱＸ、ＱＹ、ＱＺ）をそれぞれ電圧Ｖ（ＶＸ、ＶＹ、ＶＺ）に変換する
チャージアンプ（変換出力回路）を備えている。このチャージアンプは、例えば、オペア
ンプと、コンデンサーと、スイッチング素子と、を有して構成することができる。

［デジタル回路基板］
デジタル回路基板は、図示はしないが、例えば、第２ケース部材２上に設けることがで
きる。このデジタル回路基板は、前述したアナログ回路基板６に電気的に接続されている
。デジタル回路基板は、図示しないが、アナログ回路基板６からの電圧ＶＸ、ＶＹ、ＶＺ
に基づいて、外力を検出（演算）する外力検出回路を備えている。外力検出回路は、ｘ軸
方向の並進力成分Ｆｘ、ｙ軸方向の並進力成分Ｆｙ、ｚ軸方向の並進力成分Ｆｚ、Ｘ軸周
りの回転力成分Ｍｘ、Ｙ軸周りの回転力成分Ｍｙ、Ｚ軸周りの回転力成分Ｍｚを演算する
。この外力検出回路は、例えば、ＡＤコンバーターと、このＡＤコンバーターに接続され
たＣＰＵ等の演算回路と、を有して構成することができる。

以上説明したような力検出装置１は、前述したように、天板３１（第１基部）と、底板
２１（第２基部）と、天板３１と底板２１との間に設けられる本発明のセンサーデバイス
の一例であるセンサーデバイス４と、センサーデバイス４からの信号に基づいて外力を検
出する外力検出回路６０と、を備える。本実施形態では、前述したように、外力検出回路
６０は、アナログ回路基板６とデジタル回路基板とで構成されている。このような力検出
装置１によれば、センサーデバイス４を備えているため、外力をより高精度に検出するこ
とができる。

また、力検出装置１が備えるセンサーデバイス４は、以下のようにして製造することが
できる。

（センサーデバイス４の製造方法）
図１０は、図４に示すセンサーデバイスを製造する方法のフロー図である。図１１は、
図１０に示す接着剤を塗布する工程を示す断面図である。図１２は、図１０に示す接着剤
を塗布する工程を示す平面図である。図１３は、図１０に示す力検出素子を接着する工程
を示す断面図である。図１４は、図１０に示す接続部を形成する工程を示す断面図である
。図１５は、図１０に示す蓋体を載置する工程を示す図である。

図１０に示すように、センサーデバイス４の製造方法は、［１］接着剤４４０を塗布す
る工程（ステップＳ１１）と、［２］力検出素子４１を接着する工程（ステップＳ１２）
と、［３］接続部４６を形成する工程（ステップＳ１３）と、［４］蓋体４９を載置する
工程（ステップＳ１４）と、を有する。以下、各工程を順次説明する。

［１］接着剤４４０を塗布する工程（ステップＳ１１）
まず、図１１および図１２に示すように、基部４３の底部材４３１上に例えばペースト
状の接着剤４４０を塗布する。このとき、接着剤４４０は、放射状に塗布することが好ま
しく、底部材４３１の中央部から端子４７に延びるように塗布することがより好ましい。
具体的には、図１２に示すように、例えば、十字状に塗布することが好ましい。これによ
り、後の工程にて接着剤４４０上に力検出素子４１を載置したときに、力検出素子４１と
基部４３との間における気泡の発生や残留等を低減することができる。そのため、力検出
素子４１の底面４３４１に対する接着強度を高めることができる。また、形成された接着
部材４４の厚さＤの均一性を高めることができる。

なお、接着剤４４０は、例えば、底部材４３１の中央部に１つの塊として載置（塗布）
してもよいし、複数の点状に配置してもよい。また、接着剤４４０は、例えば、底面４３
４１上に薄く一様に塗布してもよい。

［２］力検出素子４１を接着する工程（ステップＳ１２）
次に、接着剤４４０上に力検出素子４１を載置し、図１３中の矢印Ａ４方向に押し付け
て、接着剤４４０を硬化させる。

ここで、接着剤４４０としては、常温（２５℃）である程度の硬化時間を有する接着剤
（いわゆる瞬間接着剤を除く）や、熱、光または電子線等が付与されることで硬化する接
着剤で構成されていることが好ましい。これにより、力検出素子４１を接着剤４４０上に
載置したとき、力検出素子４１を接着剤４４０に対して仮接着することができる。そのた
め、凹部４３３内での力検出素子４１の位置調整を行い易くなる。なお、仮接着とは、容
易に剥離可能な状態で接着されていて、再度接着可能な状態を言う。

また、仮接着の状態で位置決めが完了したら、上述したように矢印Ａ４方向に押し付け
て、接着剤４４０を硬化させる。この際、接着剤４４０がフィラー４４２ａを有するため
、力検出素子４１を押し付けることで、ギャップ材として機能するフィラー４４２ａによ
り力検出素子４１と底面４３４１との間の距離を容易に制御することができ（図８および
図１３参照）。また、力検出素子４１を押し付けることで、接着剤４４０は、底部材４３
１の中央部から底部材４３１の外縁部に広がっていき、力検出素子４１と側面４３４２と
の間にせり上がる（図７参照）。これにより、上述したように、力検出素子４１と側面４
３４２との間に接着剤４４０の一部を位置させることができ、よって、力検出素子４１の
基部４３に対する接着強度をより高めることができる。なお、接着剤４４０の分量は、せ
り上がる接着剤４４０を考慮した分量とすることが好ましい。

［３］接続部４６を形成する工程（ステップＳ１３）
次に、例えばＡｇペースト等の材料（接続部４６の母材）を、側面電極４５と端子４７
との間にこれらに接着するように付与して硬化させる。これにより、図１４に示すように
接続部４６を形成する。

ここで、前述したように、接着部材４４によって力検出素子４１が基部４３に接着され
ていることで、基部４３に対する力検出素子４１の相対的な位置が規制されている。すな
わち、接着部材４４が位置規制部材として機能している。そのため、本工程（ステップＳ
１３）にてＡｇペースト等の材料を側面電極４５と端子４７とを繋ぐように付与する際に
、力検出素子４１が基部４３に対して位置ずれしないため、Ａｇペースト等の材料を所望
の箇所に容易に付与することができ、作業性が高い。

［４］蓋体４９を載置する工程（ステップＳ１４）
次に、基部４３の上面にシール部材４８を介して蓋体４９を基部４３に接合する。これ
により、図１５に示すように、センサーデバイス４を得ることができる。

以上説明したようにしてセンサーデバイス４を製造することができる。前述したような
方法によれば、接着部材４４によって力検出素子４１の位置が規制されているため、接続
部４６の形成や蓋体４９の載置を簡単に行うことができる。そのため、作業性および生産
性を高めることができる。

次に、センサーデバイス４の変形例について説明する。
図１６は、図４に示すセンサーデバイスの変形例を示す断面図である。
図１６に示すように、センサーデバイス４Ａが有するパッケージ４２Ａは、センサーデ
バイス４の蓋体４９を備えていない。すなわち、基部４３の凹部４３３の開口を覆う「蓋
体」が省略されている。そして、力検出素子４１の支持基板５８が、第１ケース部材３の
壁部３３に直接的に当接している。このようなセンサーデバイス４Ａであっても、前述し
たセンサーデバイス４と同様に、接着部材４４を備えていることで力検出素子４１の凹部
４３３内での位置の安定性を高めることができ、よって、外力に応じた信号を高精度に出
力することができる。

次に、センサーデバイス４の参考例について説明する。
図１７は、図４に示すセンサーデバイスの参考例を示す断面図である。
図１７に示すように、センサーデバイス４Ｂは、センサーデバイス４のパッケージ４２
を備えていない。そして、接着部材４４が、第２ケース部材２の壁部２２に直接的に当接
している。このようなセンサーデバイス４Ｂであっても、接着部材４４によって、力検出
素子４１を壁部２２に安定して設置することができ、よって、外力に応じた信号を高精度
に出力することができる。

２．ロボット
次に、本発明のロボットについて説明する。

図１８は、本発明のロボットの一例を示す斜視図である。
図１８に示すロボット１００は、精密機器やこれを構成する部品等の対象物の給材、除
材、搬送および組立等の作業を行うことができる。このロボット１００は、単腕ロボット
であり、所謂６軸垂直多関節ロボットである。ロボット１００は、基台１１０と、基台１
１０に回動自在に連結されたロボットアーム１０と、力検出装置１と、エンドエフェクタ
ー１７とを有する。

基台１１０は、例えば、床、壁、天井および移動可能な台車上等に固定される部分であ
る。ロボットアーム１０は、アーム１１（第１アーム）、アーム１２（第２アーム）、ア
ーム１３（第３アーム）、アーム１４（第４アーム）、アーム１５（第５アーム）、アー
ム１６（第６アーム）を有する。これらアーム１１～１６は、基端側から先端側に向かっ
てこの順に連結されている。各アーム１１～１６は、隣り合うアームまたは基台１１０に
対して回動可能になっている。

アーム１６の先端には、力検出装置１が接続されている。力検出装置１は、力検出装置
１の先端に取り付けられたエンドエフェクター１７に加わる力（モーメントを含む）を検
出する。エンドエフェクター１７は、ロボット１００の作業対象である対象物に対して作
業を行う器具であり、対象物を把持する機能を有するハンドで構成されている。なお、エ
ンドエフェクター１７としては、ロボット１００の作業内容等に応じた器具を用いればよ
く、ハンドに限定されず、例えば、ネジ締めを行うネジ締め器具や嵌合を行う嵌合器具等
であってもよい。

また、図示はしないは、ロボット１００は、一方のアームを他方のアーム（または基台
１１０）に対して回動させるモーター等を備える駆動部を有する。また、ロボット１００
は、図示はしないが、モーターの回転軸の回転角度を検出する角度センサーを有する。

このようなロボット１００は、基台１１０と、基台１１０に接続されるロボットアーム
１０（アーム）と、前述した力検出装置１を有する。このようなロボット１００によれば
、力検出装置１を備えている。そのため、例えば、力検出装置１が検出した外力を、ロボ
ット１００を制御する機能を有する制御部（図示せず）にフィードバックすることにより
、ロボット１００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
出した外力によって、ロボット１００は、エンドエフェクター１７の障害物への接触等を
検知することができる。そのため、障害物回避動作および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１００は、より安全に作業を実行することができる。

以上、本発明のセンサーデバイス、力検出装置およびロボットを、図示の実施形態に基
づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能
を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物
が付加されていてもよい。

また、力検出装置は、アームとアーム（被取付部材）との間に設けられていてもよい。
また、圧電素子の積層方向は図示のものに限定されない。また、与圧ボルトは、必要に応
じて設ければよく、省略してもよい。

また、本発明のロボットは、例えば、スカラーロボット等の他のロボットであってもよ
い。また、ロボット１００が有するアームの数は、図示では６本であるが、これに限定さ
れず、１～５本または７本以上であってもよい。

また、本発明のロボットは、アームを有していれば、単腕ロボットに限定されず、例え
ば、双腕ロボット等の他のロボットであってもよい。すなわち、ロボットアームの数は１
本に限定されず、２本以上であってもよい。

また、本発明のセンサーデバイスおよび力検出装置は、ロボット以外の機器に組み込む
ことも可能であり、例えば、自動車等の移動体に搭載してもよい。

１…力検出装置、２…第２ケース部材、３…第１ケース部材、４…センサーデバイス、
４Ａ…センサーデバイス、４Ｂ…センサーデバイス、５…圧電素子、５ａ…圧電素子、５
ｂ…圧電素子、５ｃ…圧電素子、６…アナログ回路基板、１０…ロボットアーム、１１…
アーム、１２…アーム、１３…アーム、１４…アーム、１５…アーム、１６…アーム、１
７…エンドエフェクター、２０…側壁部、２１…底板、２２…壁部、２３…部分、２５…
貫通孔、２６…雌ネジ孔、３１…天板、３３…壁部、３５…貫通孔、３７…貫通孔、４１
…力検出素子、４２…パッケージ、４２Ａ…パッケージ、４３…基部、４４…接着部材、
４５…側面電極、４５ａ…側面電極、４５ｂ…側面電極、４５ｃ…側面電極、４５ｄ…側
面電極、４６…接続部、４６ａ…接続部、４６ｂ…接続部、４６ｃ…接続部、４６ｄ…接
続部、４７…端子、４７ａ…端子、４７ｂ…端子、４７ｃ…端子、４７ｄ…端子、４８…
シール部材、４９…蓋体、５０…構造体、５１…与圧ボルト、５１ａ…圧電体層、５１ｂ
…圧電体層、５１ｃ…圧電体層、５２ａ…出力電極層、５２ｂ…出力電極層、５２ｃ…出
力電極層、５３ａ…圧電体層、５３ｂ…圧電体層、５３ｃ…圧電体層、５４…グランド電
極層、５５…グランド電極層、５６…グランド電極層、５７…グランド電極層、５８…支
持基板、５９…支持基板、６０…外力検出回路、６１…貫通孔、６２…貫通孔、１００…
ロボット、１０１…貫通孔、１１０…基台、２００…ケース、２０１…下面、２３１…頂
面、３０１…上面、３３１…内壁面、４３１…底部材、４３２…側壁部材、４３３…凹部
、４３４…内壁面、４４０…接着剤、４４２ａ…フィラー、４４２ｂ…フィラー、４４４
…部分、４４５…部分、４３２０…突出部、４３２１…段差部、４３４１…底面、４３４
２…側面、Ａ１…中心軸、Ａ３…矢印、Ａ４…矢印、ＣＬ…線分、Ｄ１…積層方向、Ｌ１
０…線分、Ｌ１１…線分、Ｌ１２…線分、ＱＸ…電荷、ＱＹ…電荷、ＱＺ…電荷、ＧＮＤ
…グランド電位、Ｓ…空間、Ｓ１…空間、Ｓ１１…ステップ、Ｓ１２…ステップ、Ｓ１３
…ステップ、Ｓ１４…ステップ、Ｓ２…空隙、Ｔ１…高さ、Ｔ２…高さ、Ｄ…厚さ

Claims (11)

1. 凹部を有する第１部材と、
   前記凹部に設置され、外力に応じて信号を出力する少なくとも１つの圧電素子を含む力
   検出部と、
   前記力検出部と前記凹部の底面との間に設けられ、絶縁性を有する接着部材と、
   前記力検出部に設けられた少なくとも１つの電極と、
   前記第１部材に設けられた少なくとも１つの端子と、
   前記電極と前記端子とを電気的に接続する少なくとも１つの接続部と、を有し、
   前記接続部は、前記力検出部と前記底面とが重なる方向から見て、前記接着部材と重な
   る部分を有し、
   前記底面は、金属で構成されている部分を有し、
   前記力検出部は、前記力検出部と前記底面とが重なる方向から見て、前記底面の前記金
   属で構成されている部分と重なっていることを特徴とするセンサーデバイス。
2. 前記接着部材は、無機フィラーを含む請求項１に記載のセンサーデバイス。
3. 前記無機フィラーは、第１のフィラーおよび第２のフィラーを含み、
   前記第１のフィラーの最大径は、前記第２のフィラーの最大径よりも大きい請求項２に
   記載のセンサーデバイス。
4. 前記接着部材は、液状の接着剤の硬化物である請求項１ないし３のいずれか１項に記載
   のセンサーデバイス。
5. 前記接着部材の一部は、前記力検出部と前記凹部の側面との間に位置している請求項１
   ないし４のいずれか１項に記載のセンサーデバイス。
6. 前記力検出部は、前記圧電素子を支持し、かつ、前記接着部材に接着されている基材を
   有し、
   前記接着部材の前記力検出部と前記凹部の側面との間に位置している部分は、前記基材
   上に設けられている前記圧電素子よりも前記底面側に位置している請求項５に記載のセン
   サーデバイス。
7. 前記凹部の開口を塞ぐ第２部材を有する請求項６に記載のセンサーデバイス。
8. 前記第２部材の少なくとも一部は、前記力検出部と前記底面とが重なる方向から見て、
   前記力検出部と重なっている請求項７に記載のセンサーデバイス。
9. 前記圧電素子は、水晶を含む請求項１ないし８のいずれか１項に記載のセンサーデバイ
   ス。
10. 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る、請求項１ないし９のいずれか１項に
    記載のセンサーデバイスと、
    当該センサーデバイスからの前記信号に基づいて前記外力を検出する外力検出回路と、
    を備えることを特徴とする力検出装置。
11. 基台と、
    前記基台に接続されるアームと、
    請求項１０に記載の力検出装置と、を備えることを特徴とするロボット。

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