JP6481735B2 - 力検出装置およびロボット - Google Patents

Description

本発明は、力検出装置およびロボットに関する。

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に記載の力測定装置は、圧電素子としての水晶を用いて、せん断、引張力、圧縮力等を検出することができる。

特開平１０−６８６６５号公報

しかしながら、圧電素子として水晶を用いた力測定装置では、機械加工中に生じた熱により水晶が変形してしまい、その結果、圧電素子の出力における真値に対するノイズ成分となってしまう。そして、特許文献１に記載の力測定装置では、このようなノイズ対策が考慮されていない。
そこで、本発明の目的は、温度の変動による影響を受けにくい力検出装置、ロボットおよび電子部品搬送装置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。
（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基部とによって挟持され、前記第１基部と前記第２基部とに加わる外力を検出する複数の圧電素子と、を備える力検出装置であって、
前記第１基部は測定対象に固定される第１取付面を含み、前記第２基部は測定対象に固定される第２取付面を含み、
前記各圧電素子は、Ｙカット水晶板で構成された第１基板と、Ｙカット水晶板で構成された第２基板とを有し、前記第１基板と前記第２基板とが平行に積層され、前記第１基板と前記第２基板との積層方向において、前記第１基板のｘ軸と前記第２基板のｘ軸とが交差し、前記第１基板のｚ軸と前記第２基板のｚ軸とが交差しており、
前記圧電素子は、前記第１取付面または前記第２取付面の法線と前記積層方向とが異なるように設置されていることを特徴とする。
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。

（適用例２）
本発明に係わる力検出装置では、前記圧電素子は、前記第１基板および前記第２基板の面内の直交する２方向と、前記２方向と直交する１方向の計３方向の外力を検出することが好ましい。
これにより、外力を３次元的に検出することができる。

（適用例３）
本発明に係わる力検出装置では、前記第１基部および前記第２基部のうちの少なくとも一方の基部は、板状をなす部材で構成され、前記部材の面内の直交する２方向をＡ軸、Ｂ軸とし、前記Ａ軸および前記Ｂ軸と直交する方向をＣ軸とし、
前記圧電素子の前記部材に対する傾斜角度をθとし、
前記第１基板のｘ軸と前記Ａ軸とのなす角度をφとし、
前記第１基板のｘ軸方向に加わる力をｆｘ₁、前記第２基板のｘ軸方向に加わる力をｆｘ₂したとき、
前記Ａ軸方向の力Ｆ_A、前記Ｂ軸方向の力Ｆ_Bおよび前記Ｃ軸方向の力Ｆ_Cは、それぞれ、下記式（１）、（２）および（３）で表されるのが好ましい。
Ｆ_A＝ｆｘ₁・cosφ−ｆｘ₂・sinφ・・・（１）
Ｆ_B＝ｆｘ₁・sinφ・sinθ＋ｆｘ₂・cosφ・sinθ・・・（２）
Ｆ_C＝−ｆｘ₁・sinφ・cosθ−ｆｘ₂・cosφ・cosθ・・・（３）
これにより、温度の変動による影響を受けにくい状態で、３次元での外力を確実に検出することができる。

（適用例４）
本発明に係わる力検出装置では、前記圧電素子の周りに設けられて前記圧電素子に与圧を加える与圧ネジを複数備え、
前記与圧ネジの与圧方向が、前記第１基板および前記第２基板の積層方向に平行な方向であることが好ましい。
これにより、圧電素子に剪断力が作用したとき、圧電素子を構成する基板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。

（適用例５）
本発明に係わる力検出装置では、前記第１基部および前記第２基部のうちの少なくとも一方の基部は、板状をなし、
前記各圧電素子は、前記第１基板と前記第２基板とが前記一方の基部に対して傾斜して配置されていることが好ましい。
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。

（適用例６）
本発明に係わる力検出装置では、前記第１基部および前記第２基部のうちの少なくとも一方の基部は、板状をなし、
前記圧電素子は、複数設置されており、
前記複数の圧電素子には、前記一方の基部の中心軸に関して対称的に配置された前記圧電素子が含まれるのが好ましい。
これにより、外力を偏りなく検出することができる。

（適用例７）
本発明に係わる力検出装置では、前記第１基部および前記第２基部のうちの少なくとも一方の基部は、板状をなし、
４つ以上の前記圧電素子が、前記取付面からみて前記一方の基部の中心部から離間した位置にそれぞれ配置されていることが好ましい。
これにより、外力を安定して検出することができる。

（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、Ｘカット水晶板で構成された第３基板を有することが好ましい。
これにより、水晶板を用いるという簡単な構成で、３次元での外力を確実に検出することができる。

（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と、
前記アームと前記エンドエフェクタの間に設けられ、前記エンドエフェクタに加えられる外力を検出する力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、測定対象に固定される第１取付面を含む第１基部と、測定対象に固定される第２取付面を含む第２基部と、前記第１基部と前記第２基部とによって挟持されて前記第１基部と前記第２基部とに加わる外力を検出する圧電素子と、を備え、
前記圧電素子は、Ｙカット水晶板で構成された第１基板と、Ｙカット水晶板で構成された第２基板とを有し、前記第１基板と前記第２基板とが平行に積層され、前記第１基板と前記第２基板との積層方向において、前記第１基板のｘ軸と前記第２基板のｘ軸とが交差し、前記第１基板のｚ軸と前記第２基板のｚ軸とが交差しており、
前記圧電素子は、前記第１取付面または前記第２取付面の法線方向と前記積層方向とが異なるように設置されていることを特徴とする。
これにより、ロボットは、温度の変動による影響を受けにくいロボットとなり、よって、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。

（適用例１０）
本発明に係わる電子部品搬送装置は、電子部品を把持する把持部と、
前記把持部に加えられる外力を検出する力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、測定対象に固定できる第１取付面を有する第１基部と、測定対象に固定できる第２取付面を有する第２基部と、前記第１基部と前記第２基部とによって挟持方向に挟持され、前記第１基部と前記第２基部とに加わる外力を検出する圧電素子と、を備え、
前記圧電素子は、Ｙカット水晶板で構成された第１基板と、Ｙカット水晶板で構成された第２基板とを有し、前記第１基板と前記第２基板とが平行に積層され、前記第１基板と前記第２基板との積層方向において、前記第１基板のｘ軸と前記第２基板のｘ軸とが交差し、前記第１基板のｚ軸と前記第２基板のｚ軸とが交差しており、
前記圧電素子は、前記第１取付面または前記第２取付面の法線方向と前記積層方向とが異なるように設置されていることを特徴とする。
これにより、電子部品搬送装置は、温度の変動による影響を受けにくい装置となり、よって、外力が正確に検出され、電子部品の搬送を適正に行なうことができる。

（適用例１１）
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基部とによって挟持され、前記第１基部と前記第２基部とに加わる外力の成分を検出する圧電素子と、を備える力検出装置であって、
前記第１基部は測定対象に固定される第１取付面を含み、前記第２基部は測定対象に固定される第２取付面を含み、
前記圧電素子は、前記第１取付面または前記第２取付面の法線方向と異なる積層方向を有する第１基板と、第２基板とを有し、前記第１基板による、前記法線方向と同じ第１検出方向のせん断力の検出と、前記第２基板による、前記第１検出方向と交差する第２検出方向のせん断力の検出と、から前記第１基部と前記第２基部に加わる外力を検出することを特徴とする。
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。

（適用例１２）
本発明に係わる力検出装置では、前記第１基板、前記第２基板は、Ｙカット水晶板であり、
前記第１基板の水晶結晶のｘ軸と前記第２基板の水晶結晶のｘ軸は、直交しているのが好ましい。
これにより、水晶板を用いるという簡単な構成で、外力を確実に検出することができる。

（適用例１３）
本発明に係わる力検出装置では、前記第１の挟持方向に直交する第１平面と、
前記第２の挟持方向に直交する第２平面との交線に平行な方向をＣ軸とした直交座標軸Ａ軸、Ｂ軸、Ｃ軸を座標軸とし、
前記第１基部と前記第２基部とに加わる外力を、３軸方向の外力の成分として検出するのが好ましい。
これにより、３次元での外力を確実に検出することができる。

（適用例１４）
本発明に係わる力検出装置では、前記圧電素子が２つ設置され、前記２つの圧電素子のうちの一方の圧電素子の検出方向を第１検出方向、他方の圧電素子の検出方向を第２検出方向とし、前記第１検出方向と前記第２検出方向を含む平面と前記Ａ軸と前記Ｂ軸を含む平面とのなす角度をθとし、
前記第１検出方向と前記Ａ軸とのなす角度をφとし、
前記一方の圧電素子の第１の出力をｆｘ₁、前記他方の圧電素子の第２の出力をｆｘ₂したとき、
前記Ａ軸方向の力Ｆ_A、前記Ｂ軸方向の力Ｆ_Bおよび前記Ｃ軸方向の力Ｆ_Cは、それぞれ、下記式（１）、（２）および（３）で表されるのが好ましい。
Ｆ_A＝ｆｘ₁・cosφ−ｆｘ₂・sinφ・・・（１）
Ｆ_B＝ｆｘ₁・sinφ・sinθ＋ｆｘ₂・cosφ・sinθ・・・（２）
Ｆ_C＝−ｆｘ₁・sinφ・cosθ−ｆｘ₂・cosφ・cosθ・・・（３）
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。

（適用例１５）
本発明に係わる力検出装置では、前記圧電素子の周りに設けられて前記圧電素子に与圧を加える与圧ネジを複数備え、
前記第１の与圧ネジの与圧方向が、前記第１基板および前記第２基板の積層方向に平行な方向であるのが好ましい。
これにより、圧電素子に剪断力が作用したとき、圧電素子を構成する基板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。

（適用例１６）
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基部とによって挟持され、前記第１基部と前記第２基部とに加わる外力を検出する複数の圧電素子と、を備える力検出装置であって、
前記第１基部は測定対象に固定される第１取付面を含み、前記第２基部は測定対象に固定される第２取付面を含み、
前記圧電素子は、前記第１取付面または前記第２取付面の法線と前記積層方向とが異なるように設置され、
総重量が１ｋｇよりも軽いことを特徴とする。
これにより、力検出装置の重量を、１ｋｇよりも軽くすることにより、力検出装置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。

（適用例１７）
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基部とによって挟持され、前記第１基部と前記第２基部とに加わる外力を検出する複数の圧電素子と、を備える力検出装置であって、
前記第１基部は測定対象に固定される第１取付面を含み、前記第２基部は測定対象に固定される第２取付面を含み、
前記圧電素子は、前記第１取付面または前記第２取付面の法線と前記積層方向とが異なるように設置され、
前記各圧電素子が出力する電荷を電圧に変換する変換回路と、前記電圧から外力を演算する演算回路を前記第１基部と前記第２基部との間の空間に収納していることを特徴とする。
これにより、演算回路を別置きではなく、内蔵化することによって、配線ケーブル等の引き回しが不要となる。

（適用例１８）
本発明に係わる力検出装置では、前記変換回路または前記演算回路には、半導体スイッチまたはＭＥＭＳスイッチの少なくともいずれかが含まれるのが好ましい。
これにより、スイッチ素子を従来のメカスイッチから半導体スイッチ、ＭＥＭＳスイッチにすると軽量化できる。

（適用例１９）
本発明に係わる力検出装置では、前記第１基部と前記第２基部とが円形または角丸正方形の断面形状を有する収納空間を形成し、前記圧電素子のそれぞれと前記取付面の中心との距離が等しいことを特徴とするのが好ましい。
これにより、基部の断面形状を円形、または角丸正方形にして、圧電素子を円周状に配置すると、応力が均一に分散できるので、基部の厚みを薄くすることができる。

（適用例２０）
本発明に係わる力検出装置は、外力を検出する複数の圧電素子を有する力検出装置とロボットアームを備えたロボットであって、前記力検出装置の重量は、前記ロボットアームが搬送できる最大能力の２０％よりも軽いことを特徴とする。
これにより、力検出装置の重量は、前記ロボットアームが搬送できる最大能力の２０％よりも軽くすることにより、力検出装置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。

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。 図１に示す力検出装置を概略的に示す回路図である。 図１に示す力検出装置の電荷出力素子を概略的に示す断面図である。 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。 図４中の矢印Ａ方向から見た図である。 本発明に係る力検出装置の第２実施形態を示す断面図である。 図６に示す力検出装置の平面図である。 図６に示す力検出装置を概略的に示す回路図である。 本発明に係る力検出装置の第３実施形態を示す断面図である。 図９に示す力検出装置の平面図である。 図９に示す力検出装置を概略的に示す回路図である。 図９に示す力検出装置の電荷出力素子を概略的に示す断面図である。 図９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。 図１３中の矢印Ｂ方向から見た図である。 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。 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。 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。 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。 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。 本発明に係る力検出装置を用いた移動体の１例を示す図である。

以下、本発明の力検出装置、ロボットおよび電子部品搬送装置を添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明に係る力検出装置の第１実施形態を示す断面図である。図２は、図１に示す力検出装置を概略的に示す回路図である。図３は、図１に示す力検出装置の電荷出力素子を概略的に示す断面図である。図４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る。図５は、図４中の矢印Ａ方向から見た図である。
なお、以下では、説明の都合上、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。

図１に示す力検出装置１は、外力（モーメントを含む）を検出する機能、すなわち、互いに直交する３軸（α（Ａ）軸、β（Ｂ）軸、γ（Ｃ）軸）に沿って加えられた外力を検出する機能を有する。この直交座標軸であるα軸、β軸、γ軸は、後述する積層方向ＬＤと傾斜して交差する平面内にα軸とβ軸が含まれる直交座標軸である。
力検出装置１は、ベースプレートとして機能する第１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に対向するカバープレートして機能する第２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、加えられた外力に応じて信号を出力するセンサ素子（圧電素子）としての電荷出力素子１０および電荷出力素子１０を収納するパッケージ６０を有するセンサーデバイス６と、固定部材としての２つの与圧ボルト（与圧ネジ）７１とを備えている。

第１基部２は、外形が板状をなし、その平面形状は、特に限定されないが、例えば、円形や多角形等が挙げられる。第１基部２の縁部には、第１基部２の下面に対して傾斜角度θで傾斜した傾斜面２２１を有する凸部２２が突出形成されている。図４、図５に示すように、この傾斜面２２１は、α軸と平行である。なお、傾斜角度θは、０°＜θ＜９０°を満足する。

本実施形態では、第１基部２の下面は、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）２３１となる。
第２基部３も、外形が板状をなし、その平面形状は、第１基部２の平面形状が好ましい。この場合、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。この第２基部３は、天板３２と、天板３２の縁部に沿って形成され、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。

本実施形態では、天板３２の上面は、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）３２１となる。なお、この取付面３２１と第１基部２の取付面２３１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。
この側壁３３には、第１基部２の傾斜面２２１と対向する部分に、傾斜面２２１と平行な、すなわち、傾斜角度θで傾斜した傾斜面３３１が形成されている。そして、第１基部２の傾斜面２２１と第２基部３の傾斜面３３１との間で、センサーデバイス６が挟持されている。すなわち、電荷出力素子１０は、パッケージ６０を介して、第１基部２の傾斜面２２１と第２基部３の傾斜面３３１とで挟持され、与圧されている。そして、この挟持された電荷出力素子１０は、第１基部２に対して傾斜角度θで傾斜することとなる。以下、この挟持されている方向を「挟持方向ＳＤ」と言う。

なお、第１基部２と第２基部３とのいずれを力が加わる側の基板としてもよいが、本実施形態では、第２基部３を力が加わる側の基板として説明する。また、電荷出力素子１０は、アナログ回路基板４の第１基部２側の面に配置されていてもよい。
また、図５に示すように、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の傾斜面２２１（α軸）とのなす角度をφとしたとき、角度φが０°≦φ＜９０°を満足する程度まで傾くのが許容される。
また、側壁３３の中心部を介して傾斜面３３１と反対側の部分は、第２基部３と連結、固定される固定部３３２となっている。

図２に示すように、アナログ回路基板４は、搭載されたセンサーデバイス６の電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｘを電圧Ｖｘに変換する変換出力回路９０ｃと、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｚを電圧Ｖｚ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Ｑｙを電圧Ｖｙに変換する変換出力回路９０ａとを備えている。また、デジタル回路基板５は、加えられた外力を検出する外力検出回路４０を備えている。アナログ回路基板４、デジタル回路基板５は、それぞれ、第１基部２上の異なる位置に支持されており、第１基部２と第２基部３との間で保護されている。

なお、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、各種の樹脂材料、各種の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。

＜電荷出力素子＞
前述したように、力検出装置１は、互いに直交するα軸、β軸、γ軸に沿って加えられた外力を検出する機能を有する。α軸とβ軸とは、第１基部２および第２基部３の平面内の直交する２方向に沿った軸であり、γ軸は、α軸とβ軸と直交する１方向に沿った軸、すなわち、第１基部２および第２基部３の厚さ方向に沿った軸である。そして、力検出装置１には、この外力を検出するものとして、電荷出力素子１０が内蔵されている。

図３に示すように、電荷出力素子１０は、電荷Ｑｘ、Ｑｙ、Ｑｚを出力することができる。そして、出力された電荷に基づいて、α軸、β軸、γ軸に沿って加えられた（受けた）外力が検出される。
なお、電荷出力素子１０は、電荷Ｑｚを出力することができるが、後述するように、力検出装置１では、各外力を求める際、電荷Ｑｚを用いない。出力された電荷Ｑｚは、例えば、与圧ボルト（与圧ネジ）７１による与圧の調整に用いられる。

ここで、外力検出時に電荷Ｑｚを用いない理由として、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。
電荷出力素子１０の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、第１基部２の傾斜面２２１に対して垂直な方向から見て、四角形をなしている。なお、電荷出力素子１０の他の外形形状としては、例えば、五角形等の他の多角形、円形、楕円形等が挙げられる。

図３に示すように、電荷出力素子１０は、グランド（基準電位点）に接地された４つのグランド電極層１１と、外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｘを出力する第１のセンサー１２と、外力（圧縮／引張力）に応じて電荷Ｑｚを出力する第２のセンサー１３と、外力（せん断力）に応じて電荷Ｑｙを出力する第３のセンサー１４とを有し、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、この積層している方向を「積層方向ＬＤ」と言い、取付面３２１の法線ＮＬ₂（または取付面２３１の法線ＮＬ₁）と異なる方向となっている。

具体的には、電荷出力素子１０は、取付面３２１に平行な第１基部２に対して傾斜角度θで傾斜しており、その結果、積層方向ＬＤおよび挟持方向ＳＤのいずれの方向も、第１基部２に対して傾斜角度θで傾斜している。
図示の構成では、図３中の右下側から、第１のセンサー１２、第２のセンサー１３、第３のセンサー１４の順で積層されているが、本発明はこれに限られない。センサー１２、１３、１４の積層順は任意である。

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。

第１のセンサー１２は、積層方向ＬＤと直交する、すなわち、法線ＮＬ₂（法線ＮＬ₁）の方向に対して傾斜した方向の第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３中の紙面奥行き方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図３中の斜め方向に沿った軸である。図３に示す構成では、ｘ軸については、図３中の紙面奥側を正方向とし、その反対側を負方向として説明する。ｙ軸については、図３中の右下側を正方向とし、その反対側を負方向として説明する。ｚ軸については、図３中の左下側を正方向とし、その反対側を負方向として説明する。

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。
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。

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３中の紙面奥行き方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図３中の斜め方向に沿った軸である。図３に示す構成では、ｘ軸については、図３中の紙面手前側を正方向とし、その反対側を負方向として説明する。ｙ軸については、図３中の左上側を正方向とし、その反対側を負方向とする。ｚ軸については、図３中の左下側を正方向とし、その反対側を負方向とする。

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。
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（せん断力）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。

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。

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。

また、出力電極層１２２の平面視での大きさは、第１の圧電体層１２１および第２の圧電体層１２３の平面視で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。

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１３１と、第３の圧電体層１３１と対向して設けられた第４の圧電体層１３３と、第３の圧電体層１３１と第４の圧電体層１３３との間に設けられた出力電極層１３２を有する。

第３の圧電体層１３１は、Ｘカット水晶板で構成され、互いに直交する結晶軸である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３中の斜め方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図３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。

第４の圧電体層１３３も、Ｘカット水晶板で構成され、互いに直交する結晶軸である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３中の斜め方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図３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。

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。

第３のセンサー１４は、積層方向ＬＤ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。

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３中の斜め方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図３中の紙面奥行き方向に沿った軸である。図３に示す構成では、ｘ軸については、図３中の紙面左下側を正方向とし、その反対側を負方向として説明する。ｙ軸については、図３中の左下側を正方向とし、その反対側を負方向として説明する。ｚ軸については、図３中の紙面手前側を正方向とし、その反対側を負方向として説明する。

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。
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。

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３中の斜め方向に沿った軸であり、ｚ軸は、図３中の紙面奥行き方向に沿った軸である。図３に示す構成では、ｘ軸については、図３中の紙面左上側を正方向とし、その反対側を負方向として説明する。ｙ軸については、図３中の左上側を正方向とし、その反対側を負方向として説明する。ｚ軸については、図３中の紙面手前側を正方向とし、その反対側を負方向として説明する。

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。
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。

電荷出力素子１０では、積層方向ＬＤからの平面視で、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からの平面視で、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。

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。

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。

また、図１に示すように、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、２本あり、一方がセンサーデバイス６よりも図１中紙面奥側に配置され、破線で描かれており、他方がセンサーデバイス６よりも図１中紙面手前側に配置されている。なお、与圧ボルト７１による「固定」は、２つの固定対象物の互いの所定量の移動を許容しつつ行われる。具体的には、第１基部２と第２基部３とは、与圧ボルト７１により、互いの所定量の第２基部３の面方向の移動が許容されつつ固定される。なお、これは、他の実施形態においても同様である。

図１に示す構成では、与圧ボルト７１と螺合する雌ネジ（図示せず）が第１基部２の傾斜面２２１に設けられている。そして、第１基部２と第２基部３との間にセンサーデバイス６を挟持した状態で、与圧ボルト７１を第２基部３側から第１基部２の雌ネジに差し込むことにより、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ごと所定の大きさの圧力、すなわち、与圧が加えられる。これにより、電荷出力素子１０に剪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。
なお、与圧ボルト７１の構成材料としては、特に限定されず、例えば、各種の樹脂材料、各種の金属材料等を用いることができる。

＜センサーデバイス＞
センサーデバイス６は、前記電荷出力素子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。
図１に示すように、パッケージ６０は、凹部６１１を有する基部（第１の部材）６１と、その基部６１に接合された蓋体（第２の部材）６２とを有している。電荷出力素子１０は、基部６１の凹部６１１に設置されており、その基部６１の凹部６１１は、蓋体６２により封止されている。これにより、電荷出力素子１０を保護することができ、信頼性の高い力検出装置１を提供することができる。なお、電荷出力素子１０の上面は、蓋体６２に接触している。また、パッケージ６０の蓋体６２は、上側、すなわち、第２基部３側に配置され、基部６１は、下側、すなわち、第１基部２側に配置され、その基部６１がアナログ回路基板４に固定されている。この構成により、基部６１と蓋体６２とが、第１基部２の傾斜面２２１と第２基部３の傾斜面３３１とで挟持方向ＳＤに挟持されて与圧され、さらに、その基部６１と蓋体６２とにより、電荷出力素子１０も挟持方向ＳＤに挟持されて与圧される。

また、基部６１の構成材料としては、特に限定されず、例えば、セラミックス等の絶縁性材料等を用いることができる。また、蓋体６２の構成材料としては、特に限定されず、例えば、ステンレス鋼等の各種の金属材料等を用いることができる。なお、基部６１の構成材料と蓋体６２の構成材料は、同一でもよく、また、異なっていてもよい。
また、パッケージ６０の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、平面形状で四角形をなしている。なお、パッケージ６０の他の形状としては、例えば、五角形等の他の多角形、円形、楕円形等が挙げられる。また、パッケージ６０の形状が多角形の場合、例えば、その角部が、丸みを帯びていてもよく、また、斜めに切り欠かれていてもよい。

また、蓋体６２は、本実施形態では、板状をなし、その中央部６２５と外周部６２６との間の部位が屈曲することで、中央部６２５が第２基部３に向って突出している。中央部６２５の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、電荷出力素子１０と同じ形状、すなわち、四角形をなしている。なお、蓋体６２の中央部６２５の上面および下面は、いずれも平面である。

また、パッケージ６０の基部６１の下面の端部には、電荷出力素子１０と電気的に接続された複数の端子（図示せず）が設けられている。当該各端子は、それぞれ、アナログ回路基板４と電気的に接続されており、これにより、電荷出力素子１０とアナログ回路基板４とが電気的に接続される。
なお、また、アナログ回路基板４の電荷出力素子１０が配置されている部位には、凸部２２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。

＜変換出力回路＞
図２に示すように、電荷出力素子１０には、変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃが接続されている。変換出力回路９０ａは、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｙを電圧Ｖｙに変換する機能を有する。変換出力回路９０ｂは、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｚを電圧Ｖｚに変換する機能を有する。変換出力回路９０ｃは、電荷出力素子１０から出力された電荷Ｑｘを電圧Ｖｘに変換する機能を有する。変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃは、同様であるので、以下では、代表的に、変換出力回路９０ｃについて説明する。

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。

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。

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。

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。

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。

＜外力検出回路＞
図２に示すように、外力検出回路４０は、変換出力回路９０ａから出力される電圧Ｖｙと、変換出力回路９０ｂから出力される電圧Ｖｚと、変換出力回路９０ｃから出力される電圧Ｖｘとに基づき、加えられた外力を検出する機能を有する。外力検出回路４０は、変換出力回路（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。

ＡＤコンバーター４０１は、電圧Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ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Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ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。

＜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、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に対して傾斜角度θで傾斜するように設置された状態となっている（図１、図４参照）。すなわち、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、第２のセンサー１３が電荷Ｑｚ出力する際に作用する外力の第２検出方向とを含む平面と、α軸とβ軸を含む平面とのなす角度が傾斜角度θとなっている。

そして、本発明者らは、α軸方向の力Ｆ_A、β軸方向の力Ｆ_Bおよびγ軸方向の力Ｆ_Cを、それぞれ、下記式（１）、（２）および（３）で表すことができることを見出した。式（１）〜（３）中の「ｆｘ₁」は、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Ｑｘ（第１の出力）から求められた力であり、「ｆｘ₂」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Ｑｙ（第２の出力）から求められた力である。

Ｆ_A＝ｆｘ₁・cosφ−ｆｘ₂・sinφ・・・（１）
Ｆ_B＝ｆｘ₁・sinφ・sinθ＋ｆｘ₂・cosφ・sinθ・・・（２）
Ｆ_C＝−ｆｘ₁・sinφ・cosθ−ｆｘ₂・cosφ・cosθ・・・（３）
例えば、図１に示す構成の力検出装置１の場合、θは４５°、φは０°となる。式（１）〜（３）のθに４５°を代入し、φに０°を代入すると、力Ｆ_A〜Ｆ_Cは、それぞれ、
Ｆ_A＝ｆｘ₁
Ｆ_B＝ｆｘ₂／√２
Ｆ_C＝−ｆｘ₂／√２
となる。

このように力検出装置１では、力Ｆ_A〜Ｆ_C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。従って、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Ｆ_A〜Ｆ_Cを正確に安定して検出することができる。

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。

＜第２実施形態＞
図６は、本発明に係る力検出装置の第２実施形態を示す断面図である。図７は、図６に示す力検出装置の平面図である。図８は、図６に示す力検出装置を概略的に示す回路図である。
以下、これらの図を参照して本発明の力検出装置、ロボットおよび電子部品搬送装置の第２実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。
本実施形態は、センサーデバイスの配置数が異なること以外は第１実施形態と同様である。

図６、図７に示すように、本実施形態では、センサーデバイス６（電荷出力素子１０）は、４つ設置されている。以下、各センサーデバイス６を図７中の時計回りに順に「センサーデバイス（第１のセンサ素子）６Ａ」、「センサーデバイス（第２のセンサ素子）６Ｂ」、「センサーデバイス（第３のセンサ素子）６Ｃ」、「センサーデバイス（第４のセンサ素子）６Ｄ」と言う。

なお、第１基部２と第２基部３とは、前述したようにアナログ回路基板４やデジタル回路基板５を収納しており、収納空間が形成されている。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。そして、各センサーデバイス６のそれぞれと前記取付面３２１（または取付面２３１）の中心との距離が等しい。このような構成により、センサーデバイス６を円周状に配置すると、応力が均一に分散できるので、第１基部２や第２基部３の厚みを薄くすることができる。
また、与圧ボルト７１は、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を介してその両側に配置され、すなわち、可Ｋセンサーデバイス６の周りに設けられて、当該センサーデバイス６に対して与圧を付与している。なお、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。

そして、図７に示すように、センサーデバイス６Ａとセンサーデバイス６Ｃとは、平面形状が円形をなす第２基部３（一方の基部）の中心軸６４１に関して対称的に配置され、センサーデバイス６Ｂとセンサーデバイス６Ｄとは、中心軸６４１に対し９０度ずれた中心軸６４２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２基部３の中心６４３回りに等間角度隔に配置されている。このような配置により、外力を偏りなく検出することができる。
センサーデバイス６Ａ〜６Ｄは、取付面３２１からみて、第２基部３の中心部（中心６４３）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、外力を安定して検出することができる。

なお、センサーデバイス６Ａは、前記第１実施形態でも述べたように、積層方向ＬＤ（第１積層方向）に積層された第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とを備える。第１のセンサー１２は、積層方向ＬＤ（第１積層方向）と直交する第１検出方向の外力に応じて第１の出力である電荷Ｑｘを出力する機能を有し、第１の圧電体層１２１（第１の検出板）と、第２の圧電体層１２３（第１の検出板）と、出力電極層１２２とで構成されている。第２のセンサー１３は、電荷Ｑｚを出力する機能を有し、第３の圧電体層（第９の検出板）１３１と、第４の圧電体層（第９の検出板）１３３と、出力電極層１３２とで構成されている。第３のセンサー１４は、第１積層方向と直交し、第１検出方向と交差する第２検出方向の外力に応じて第２の出力である電荷Ｑｘを出力する機能を有し、第５の圧電体層１４１（第２の検出板）と、第６の圧電体層１４３（第２の検出板）と、出力電極層１４２とで構成されている。

センサーデバイス６Ｂは、センサーデバイス６Ａと同様の構成であり、積層方向ＬＤ（第２積層方向）に積層された第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とを備える。第２積層方向は、取付面３２１の法線ＮＬ₂と異なり、中心６４３に関して第１積層方向と対称的な方向である。第１のセンサー１２は、第２積層方向と直交する第３検出方向の外力に応じて第３の出力である電荷Ｑｘを出力する機能を有し、第１の圧電体層１２１（第３の検出板）と、第２の圧電体層１２３（第３の検出板）と、出力電極層１２２とで構成されている。第２のセンサー１３は、電荷Ｑｚを出力する機能を有し、第３の圧電体層１３１と、第４の圧電体層１３３と、出力電極層１３２とで構成されている。第３のセンサー１４は、第２積層方向と直交し、第３検出方向と交差する第４検出方向の外力に応じて第４の出力である電荷Ｑｘを出力する機能を有し、第５の圧電体層１４１（第４の検出板）と、第６の圧電体層１４３（第４の検出板）と、出力電極層１４２を有する。

センサーデバイス６Ｃも、センサーデバイス６Ａと同様の構成であり、積層方向ＬＤ（第３積層方向）に積層された第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とを備える。第１のセンサー１２は、積層方向ＬＤ（第３積層方向）と直交する第５検出方向の外力に応じて第５の出力である電荷Ｑｘを出力する機能を有し、第１の圧電体層１２１（第５の検出板）と、第２の圧電体層１２３（第５の検出板）と、出力電極層１２２とで構成されている。第２のセンサー１３は、電荷Ｑｚを出力する機能を有し、第３の圧電体層（第９の検出板）１３１と、第４の圧電体層（第９の検出板）１３３と、出力電極層１３２とで構成されている。第３のセンサー１４は、第３積層方向と直交し、第５検出方向と交差する第６検出方向の外力に応じて第６の出力である電荷Ｑｘを出力する機能を有し、第５の圧電体層１４１（第６の検出板）と、第６の圧電体層１４３（第６の検出板）と、出力電極層１４２とで構成されている。

センサーデバイス６Ｄも、センサーデバイス６Ａと同様の構成であり、積層方向ＬＤ（第４積層方向）に積層された第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とを備える。第４積層方向は、取付面３２１の法線ＮＬ₂と異なり、中心６４３に関して第３積層方向と対称的な方向である。第１のセンサー１２は、第４積層方向と直交する第７検出方向の外力に応じて第７の出力である電荷Ｑｘを出力する機能を有し、第１の圧電体層１２１（第７の検出板）と、第２の圧電体層１２３（第７の検出板）と、出力電極層１２２とで構成されている。第２のセンサー１３は、電荷Ｑｚを出力する機能を有し、第３の圧電体層１３１と、第４の圧電体層１３３と、出力電極層１３２とで構成されている。第３のセンサー１４は、第４積層方向と直交し、第７検出方向と交差する第８検出方向の外力に応じて第８の出力である電荷Ｑｘを出力する機能を有し、第５の圧電体層１４１（第８の検出板）と、第６の圧電体層１４３（第８の検出板）と、出力電極層１４２を有する。
なお、力検出装置１は、本実施形態では、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄを備えるものであるが、これに限定されず、例えば、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄのうちのセンサーデバイス６Ｃとセンサーデバイス６Ｄとが省略されたものであってもよい。この場合、構成が簡単な力検出装置１となる。

＜変換出力回路＞
図８に示すように、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄの各電荷出力素子１０には、それぞれ、変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃが接続されている。各変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃは、前述した第１実施形態の変換出力回路９０と同様であるので、その説明は省略する。

なお、センサーデバイス６Ａの電荷出力素子１０は、電荷Ｑｘ１、Ｑｙ１、Ｑｚ１を出力し、センサーデバイス６Ｂの電荷出力素子１０は、電荷Ｑｘ２、Ｑｙ２、Ｑｚ２を出力し、センサーデバイス６Ｃの電荷出力素子１０は、電荷Ｑｘ３、Ｑｙ３、Ｑｚ３を出力し、センサーデバイス６Ｄの電荷出力素子１０は、電荷Ｑｘ４、Ｑｙ４、Ｑｚ４を出力する。

＜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。外力検出回路４０は、変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃに接続されたＡＤコンバーター４０１と、ＡＤコンバーター４０１に接続された演算部４０２とを有する。

ＡＤコンバーター４０１は、電圧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。
そして、本実施形態での力検出装置１全体としての力Ｆ_A〜Ｆ_Cは、それぞれ、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄの各電荷出力素子１０で出力された電荷から基づいて検出された力Ｆ_A〜Ｆ_C合力（ΣＦ_A、ΣＦ_B、ΣＦ_C）となる。

＜第３実施形態＞
図９は、本発明に係る力検出装置の第３実施形態を示す断面図である。図１０は、図９に示す力検出装置の平面図である。図１１は、図９に示す力検出装置を概略的に示す回路図である。図１２は、図９に示す力検出装置の電荷出力素子を概略的に示す断面図である。図１３は、図９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。図１４は、図１３中の矢印Ｂ方向から見た図である。

以下、これらの図を参照して本発明の力検出装置、ロボットおよび電子部品搬送装置の第３実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。
本実施形態は、センサーデバイスの配置数および姿勢が異なること以外は第１実施形態と同様である。

図９、図１０に示すように、本実施形態では、センサーデバイス６（電荷出力素子１０）は、２つ設置されている。以下、２つのセンサーデバイス６のうち、図中の右側に位置する一方のセンサーデバイス６を「センサーデバイス６Ａ」と言い、他方のセンサーデバイス６を「センサーデバイス６Ｂ」と言う。なお、センサーデバイス６の設置数は、２つに限定されず、例えば、３つ以上であってもよい。

第１基部２は、外形が板状をなし、その平面形状は、角部が丸みを帯びた四角形をなす。この第１基部２は、底板２３と、底板２３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２６が突出形成されている。各凸部２６の頂面２６１は、底板２３に対して垂直な平面ある。
第２基部３も、外形が板状をなし、その平面形状は、第１基部２の平面形状と同じである。

そして、第１基部２の２つの凸部２６のうちの一方の凸部２６の頂面２６１と第２基部３の側壁３３との間で、センサーデバイス６Ａが挟持されている。すなわち、センサーデバイス６Ａの電荷出力素子１０は、パッケージ６０を介して、第１基部２の一方の凸部２６の頂面２６１と第２基部３の側壁３３とで挟持され、与圧されている。図９、図１２に示すように、このセンサーデバイス６Ａの電荷出力素子１０の姿勢は、当該電荷出力素子１０を構成する各層が第１基部２に対して垂直である、すなわち、積層方向ＬＤと挟持方向ＳＤとが第１基部２に対して平行となっている。図１３に示すように、この電荷出力素子１０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。

また、第１基部２の他方の凸部２６の頂面２６１と第２基部３の側壁３３との間で、センサーデバイス６Ｂが挟持されている。すなわち、センサーデバイス６Ｂの電荷出力素子１０は、パッケージ６０を介して、第１基部２の他方の凸部２６の頂面２６１と第２基部３の側壁３３とで挟持され、与圧されている。このセンサーデバイス６Ｂの電荷出力素子１０の姿勢も、当該電荷出力素子１０を構成する各層が第１基部２に対して垂直である、すなわち、積層方向ＬＤと挟持方向ＳＤとが平行となっている。図１３に示すように、この電荷出力素子１０も、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。

以上のように、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。従って、センサーデバイス６Ａとセンサーデバイス６Ｂとは、互いに同一平面上に配置されておらず、互いに平行に配置されていない。
なお、図１４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２３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。

また、各電荷出力素子１０に対する与圧は、２本の与圧ボルト７１により付与されている。各与圧ボルト７１と螺合する雌ネジ２４１は、第１基部２の壁部２４に設けられている。そして、第１基部２と第２基部３との間に各センサーデバイス６を挟持した状態で、与圧ボルト７１を第２基部３側から第１基部２の与圧ボルト７１に差し込むことができる。これにより、各電荷出力素子１０は、当該電荷出力素子１０を収納するパッケージ６０ごと所定の大きさの圧力、すなわち、与圧が加えられる。そして、電荷出力素子１０に剪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、図１０に示すように、各与圧ボルト７１は、アナログ回路基板４を貫通している。アナログ回路基板４の与圧ボルト７１が貫通する部分には、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。
図９に示すように、デジタル回路基板５は、第１基部２の壁部２４上に支持されている。

＜変換出力回路＞
図１１に示すように、センサーデバイス６Ａ、６Ｂの各電荷出力素子１０には、それぞれ、変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃが接続されている。各変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃは、前述した第１実施形態の変換出力回路９０と同様であるので、その説明は省略する。
なお、センサーデバイス６Ａの電荷出力素子１０は、電荷Ｑｘ１、Ｑｙ１、Ｑｚ１を出力し、センサーデバイス６Ｂの電荷出力素子１０は、電荷Ｑｘ２、Ｑｙ２、Ｑｚ２を出力する。

＜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と、各変換出力回路９０ｂから出力される電圧Ｖｚ１、Ｖｚ２と、各変換出力回路９０ｃから出力される電圧Ｖｘ１、Ｖｘ２とに基づき、加えられた外力を検出する機能を有する。外力検出回路４０は、変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃに接続されたＡＤコンバーター４０１と、ＡＤコンバーター４０１に接続された演算部４０２とを有する。
ＡＤコンバーター４０１は、電圧Ｖｘ１、Ｖｙ１、Ｖｚ１、Ｖｘ２、Ｖｙ２、Ｖｚ２、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は、演算部４０２に入力される。

＜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に対して平行となるように設置された状態となっている（図９参照）。
そして、本発明者らは、α軸方向の力Ｆ_A、β軸方向の力Ｆ_Bおよびγ軸方向の力Ｆ_Cを、それぞれ、下記式（４）、（５）および（６）で表すことができることを見出した。式（４）〜（６）中の「ｆｘ_1-1」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から求められた力であり、「ｆｘ_1-2」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から求められた力である。また、「ｆｘ_2-1」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、すなわち、電荷Ｑｘ２から求められた力であり、「ｆｘ_2-2」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から求められた力である。

Ｆ_A＝ｆｘ_1-1・cosη・cosε−ｆｘ_1-2・sinη・cosε
−ｆｘ_2-1・cosη・cosε＋ｆｘ_2-2・sinη・cosε・・・（４）
Ｆ_B＝−ｆｘ_1-1・cosη・sinε＋ｆｘ_1-2・sinη・sinε
−ｆｘ_2-1・cosη・sinε＋ｆｘ_2-2・sinη・sinε・・・（５）
Ｆ_C＝−ｆｘ_1-1・sinη−ｆｘ_1-2・cosη−ｆｘ_2-1・sinη
−ｆｘ_2-2・cosη・・・（６）
例えば、図９、図１０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（４）〜（６）のεに４５°を代入し、ηに０°を代入すると、力Ｆ_A〜Ｆ_Cは、それぞれ、
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
となる。

このように力検出装置１では、前記第１実施形態と同様に、力Ｆ_A〜Ｆ_C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。従って、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Ｆ_A〜Ｆ_Cを正確に安定して検出することができる。

＜単腕ロボットの実施形態＞
次に、図１５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。以下、本実施形態について、前述した第１、第２および第３実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図１５は、本発明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１５の単腕ロボット５００は、基台５１０と、アーム５２０と、アーム５２０の先端側に設けられたエンドエフェクター５３０と、アーム５２０とエンドエフェクター５３０との間に設けられた力検出装置１とを有する。なお、力検出装置１としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。

基台５１０は、アーム５２０を回動させるための動力を発生させるアクチュエーター（図示せず）およびアクチュエーターを制御する制御部（図示せず）等を収納する機能を有する。また、基台５１０は、例えば、床、壁、天井、移動可能な台車上などに固定される。
アーム５２０は、第１のアーム要素５２１、第２のアーム要素５２２、第３のアーム要素５２３、第４のアーム要素５２４および第５のアーム要素５２５を有しており、隣り合うアーム同士を回動自在に連結することにより構成されている。アーム５２０は、制御部の制御によって、各アーム要素の連結部を中心に複合的に回転または屈曲することにより駆動する。

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。

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。

＜複腕ロボットの実施形態＞
次に、図１６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。以下、本実施形態について、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図１６は、本発明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１６の複腕ロボット６００は、基台６１０と、第１のアーム６２０と、第２のアーム６３０と、第１のアーム６２０の先端側に設けられた第１のエンドエフェクター６４０ａと、第２のアーム６３０の先端側に設けられた第２のエンドエフェクター６４０ｂと、第１のアーム６２０と第１のエンドエフェクター６４０ａ間および第２のアーム６３０と第２のエンドエフェクター６４０ｂとの間に設けられた力検出装置１を有する。なお、力検出装置１としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。

基台６１０は、第１のアーム６２０および第２のアーム６３０を回動させるための動力を発生させるアクチュエーター（図示せず）およびアクチュエーターを制御する制御部（図示せず）等を収納する機能を有する。また、基台６１０は、例えば、床、壁、天井、移動可能な台車上などに固定される。
第１のアーム６２０は、第１のアーム要素６２１および第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。

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。

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。

＜電子部品検査装置および電子部品搬送装置の実施形態＞
次に、図１７、図１８に基づき、本発明の実施形態である電子部品検査装置および電子部品搬送装置を説明する。以下、本実施形態について、前述した第１、第２および第３実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図１７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１８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。

図１７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。

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。

電子部品検査装置７００は、以下のようにして電子部品７１１の検査を行う。最初に、検査対象の電子部品７１１は、上流側ステージ７１２ｕに載せられて、検査台７１４の近くまで移動する。次に、Ｙステージ７３１およびＸステージ７３３を動かして、上流側ステージ７１２ｕに載置された電子部品７１１の真上の位置まで電子部品搬送装置７４０を移動させる。このとき、撮像カメラ７３４を用いて電子部品７１１の位置を確認することができる。そして、電子部品搬送装置７４０内に内蔵されたＺステージを用いて電子部品搬送装置７４０を降下させ、把持部７４１で電子部品７１１を把持すると、そのまま電子部品搬送装置７４０を撮像装置７１３の上に移動させて、撮像装置７１３を用いて電子部品７１１の姿勢を確認する。次に、電子部品搬送装置７４０に内蔵されている微調整機構を用いて電子部品７１１の姿勢を調整する。そして、電子部品搬送装置７４０を検査台７１４の上まで移動させた後、電子部品搬送装置７４０に内蔵されたＺステージを動かして電子部品７１１を検査台７１４の上にセットする。電子部品搬送装置７４０内の微調整機構を用いて電子部品７１１の姿勢が調整されているので、検査台７１４の正しい位置に電子部品７１１をセットすることができる。次に、検査台７１４を用いて電子部品７１１の電気的特性検査が終了した後、今度は検査台７１４から電子部品７１１を取り上げ、Ｙステージ７３１およびＸステージ７３３を動かして、下流側ステージ７１２ｄ上まで電子部品搬送装置７４０を移動させ、下流側ステージ７１２ｄに電子部品７１１を置く。最後に、下流側ステージ７１２ｄを動かして、検査が終了した電子部品７１１を所定位置まで搬送する。

図１８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。

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。

また、力検出装置１は、把持部７４１に加えられる外力を検出する機能を有する。力検出装置１が検出する力を制御装置７５０にフィードバックすることにより、電子部品搬送装置７４０および電子部品検査装置７００は、より精密に作業を実行することができる。また、力検出装置１が検出する力によって、把持部７４１の障害物への接触等を検知することができる。そのため、従来の位置制御では困難だった障害物回避動作、対象物損傷回避動作等を容易に行うことができ、電子部品搬送装置７４０および電子部品検査装置７００は、より安全な作業を実行可能である。

＜部品加工装置の実施形態＞
次に、図１９に基づき、本発明に係る部品加工装置の実施形態を説明する。以下、本実施形態について、前述した第１、第２および第３実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図１９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１９の部品加工装置８００は、基台８１０と、基台８１０の上面に起立形成された支柱８２０と、支柱８２０の側面に設けられた送り機構８３０と、送り機構８３０に昇降可能に取り付けられた工具変位部８４０と、工具変位部８４０に接続された力検出装置１と、力検出装置１を介して工具変位部８４０に装着された工具８５０を有する。なお、力検出装置１としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。

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。

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。

＜移動体の実施形態＞
次に、図２０に基づき、本発明に係る移動体の実施形態を説明する。以下、本実施形態について、前述した第１、第２および第３実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図２０は、本発明に係る力検出装置を用いた移動体の１例を示す図である。図２０の移動体９００は、与えられた動力により移動することができる。移動体９００は、特に限定されないが、例えば、自動車、バイク、飛行機、船、電車等の乗り物、２足歩行ロボット、車輪移動ロボット等のロボット等である。

移動体９００は、本体９１０（例えば、乗り物の筐体、ロボットのメインボデー等）と、本体９１０を移動させるための動力を供給する動力部９２０と、本体９１０の移動により発生する外力を検出する本発明の力検出装置１と、制御部９３０を有する。なお、力検出装置１としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
動力部９２０から供給された動力によって本体９１０が移動すると、移動に伴い振動や加速度等が生じる。力検出装置１は、移動に伴い生じた振動や加速度等による外力を検出する。力検出装置１によって検出された外力は、制御部９３０に伝達される。制御部９３０は、力検出装置１から伝達された外力に応じて動力部９２０等を制御することにより、姿勢制御、振動制御および加速制御等の制御を実行することができる。

本発明に係わる力検出装置では、当該装置の重量が３３０ｇという軽量ながら、最小検出荷重（動的分解能）が０．００５を実現している。ロボットの手首等に設置する場合は軽量であることが求められるが、通常、装置の重量を軽量化すると、部材の歪の影響が大きくなり、最小検出荷重を小さくすることができない。本発明に係わる力検出装置では、装置荷重（ｇ）を分母として分子に最小検出荷重（Ｎ）として算出した装置重量あたりの最小検出荷重は１５．１×１０^-6を実現している。

以上、本発明の力検出装置、ロボットおよび電子部品搬送装置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、ロボットおよび電子部品搬送装置を構成する各部は、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。
また、本発明の力検出装置、ロボットおよび電子部品搬送装置は、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、本発明では、パッケージ、すなわち、基部および蓋体が省略されていてもよい。
また、本発明では、与圧ボルトに替えて、例えば、素子に与圧を加える機能を有してないものを用いてもよく、また、ボルト以外の固定方法を採用してもよい。
また、本発明のロボットは、アームを有していれば、アーム型ロボット（ロボットアーム）に限定されず、他の形式のロボット、例えば、スカラーロボット、脚式歩行（走行）ロボット等であってもよい。
また、本発明の力検出装置は、ロボット、電子部品搬送装置、電子部品検査装置、部品加工装置および移動体に限らず、他の装置、例えば、他の搬送装置、他の検査装置、振動計、加速度計、重力計、動力計、地震計、傾斜計等の測定装置、入力装置等にも適用することができる。

１…力検出装置 ２…第１基部 ２２…凸部 ２２１…傾斜面 ２３…底板 ２３１…取付面 ２４…壁部 ２４１…雌ネジ ２６…凸部 ２６１…頂面 ３…第２基部 ３２…天板 ３２１……取付面 ３３…側壁 ３３１…傾斜面 ３３２…固定部 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 ６０…パッケージ ６１…基部 ６１１…凹部 ６２…蓋体 ６２５…中央部 ６２６…外周部 ６４１、６４２…中心軸 ６４３…中心 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 １１…グランド電極層 １２…第１のセンサー １２１…第１の圧電体層 １２２…出力電極層 １２３…第２の圧電体層 １３…第２のセンサー １３１…第３の圧電体層 １３２…出力電極層 １３３…第４の圧電体層 １４…第３のセンサー １４１…第５の圧電体層 １４２…出力電極層 １４３…第６の圧電体層 ５００…単腕ロボット ５１０…基台 ５２０…アーム ５２１…第１のアーム要素 ５２２…第２のアーム要素 ５２３…第３のアーム要素 ５２４…第４のアーム要素 ５２５…第５のアーム要素 ５３０…エンドエフェクター ５３１…第１の指 ５３２…第２の指 ６００…複腕ロボット ６１０…基台 ６２０…第１のアーム ６２１…第１のアーム要素 ６２２…第２のアーム要素 ６３０…第２のアーム ６３１…第１のアーム要素 ６３２…第２のアーム要素 ６４０ａ…第１のエンドエフェクター ６４１ａ…第１の指 ６４２ａ…第２の指 ６４０ｂ…第２のエンドエフェクター ６４１ｂ…第１の指 ６４２ｂ…第２の指 ７００…電子部品検査装置 ７１０…基台 ７１１…電子部品 ７１２ｕ…上流側ステージ ７１２ｄ…下流側ステージ ７１３…撮像装置 ７１４…検査台 ７２０…支持台 ７３１…Ｙステージ ７３２…腕部 ７３３…Ｘステージ ７３４…撮像カメラ ７４０…電子部品搬送装置 ７４１…把持部 ７４２…回転軸 ７４３…微調整プレート ７４４ｘ、７４４ｙ、７４４θ…圧電モーター ７５０…制御装置 ８００…部品加工装置 ８１０…基台 ８２０…支柱 ８３０…送り機構 ８３１…送り用モーター ８３２…ガイド ８４０…工具変位部 ８４１…変位用モーター ８４２…保持部 ８４３…工具取付け部 ８５０…工具 ８６０…被加工部品 ９００…移動体 ９１０…本体 ９２０…動力部 ９３０…制御部 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 φ…角度 ε…傾斜角度 η…角度

Claims (13)

1. 第１基部と、
   第２基部と、
   前記第１基部と前記第２基部との間に配置され、前記第１基部と前記第２基部とに加わる外力を検出する第１センサーデバイスと、
   前記第１基部と前記第２基部との間に配置され、前記第１基部と前記第２基部とに加わる前記外力を検出する第２センサーデバイスと、を備え、
   前記第１センサーデバイスと前記第２センサーデバイスは、第１基板および第２基板が積層される圧電素子と、前記圧電素子を収納するパッケージと、を有し、
   前記第１基部は第１対象に固定される第１取付面を含み、前記第２基部は第２対象に固定される第２取付面を含み、
   前記第１センサーデバイスは、前記第１取付面の法線の方向と、前記第１センサーデバイスの第１基板と前記第１センサーデバイスの第２基板との第１積層方向と、が異なるように配置され、
   前記第２センサーデバイスは、前記第１取付面の法線の方向と、前記第２センサーデバイスの第１基板と前記第２センサーデバイスの第２基板との第２積層方向と、が異なるように配置され、
   前記第１センサーデバイスの第１基板の面と前記第２センサーデバイスの第１基板の面とは平行でなく、前記第１積層方向と前記第２積層方向とが平行でないことを特徴とする、力検出装置。
2. 前記パッケージは、第１部材と、前記第１部材に接続されている第２部材と、を含み、
   前記第１部材は、前記圧電素子が配置される凹部を有し、
   前記凹部は、前記第２部材によって封止されていることを特徴とする、請求項１に記載の力検出装置。
3. 前記第１部材は、セラミックスを含んで構成されていることを特徴とする、請求項２に記載の力検出装置。
4. 前記圧電素子は、前記第１基板および前記第２基板の面内に直交する２方向と、前記２方向と直交する１方向の計３方向の前記外力を検出することを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の力検出装置。
5. 前記第１センサーデバイスと前記第２センサーデバイスのそれぞれの周りに設けられ、前記圧電素子に与圧を加える複数の与圧ネジを備え、
   前記第１センサーデバイスを与圧する複数の与圧ネジの与圧方向が、前記第１積層方向に平行であり、
   前記第２センサーデバイスを与圧する複数の与圧ネジの与圧方向が、前記第２積層方向に平行であることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の力検出装置。
6. 前記第１基部または前記第２基部は、板状をなし、
   前記第１センサーデバイスは、前記第１センサーデバイスの第１基板の面が、前記第１基部または前記第２基部に対して傾斜して配置され、
   前記第２センサーデバイスは、前記第２センサーデバイスの第１基板の面が、前記第１基部または前記第２基部に対して傾斜して配置されてることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の力検出装置。
7. 前記第１基部または前記第２基部は、板状をなし、
   前記第１センサーデバイスは、前記第１センサーデバイスの第１基板の面が、前記第１基部または前記第２基部に対して直交して配置され、
   前記第２センサーデバイスは、前記第２センサーデバイスの第１基板の面が、前記第１基部または前記第２基部に対して直交して配置されてることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の力検出装置。
8. 前記圧電素子は、水晶を含んで構成されていることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の力検出装置。
9. 前記第１基板および前記第２基板は、Ｙカット水晶板であり、
   前期第１基板の水晶結晶のｘ軸と前期第２基板の水晶結晶のｘ軸は、直交していることを特徴とする、請求項８に記載の力検出装置。
10. 前記第１基部と前記第２基部との間に配置され、前記第１基部と前記第２基部とに加わる前記外力を検出する第３センサーデバイスと、
    前記第１基部と前記第２基部との間に配置され、前記第１基部と前記第２基部とに加わる前記外力を検出する第４センサーデバイスと、を備え、
    前記第１センサーデバイス、前記第２センサーデバイス、前記第３センサーデバイス、および前記第４センサーデバイスが、前記法線の方向からみて前記第１基部および前記第２基部の少なくとも一方の中心部から離間した位置に配置されていることを特徴とする、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の力検出装置。
11. 前記第１基部と前記第２基部との間に配置され、前記圧電素子が出力する電荷を電圧に変換する変換回路を有する第１回路基板と、
    前記第１基部と前記第２基部との間に配置され、前記電圧から前記外力を演算する演算回路を有する第２回路基板と、を備えていることを特徴とする、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の力検出装置。
12. 前記変換回路または前記演算回路には、半導体スイッチまたはＭＥＭＳスイッチが含まれることを特徴とする、請求項１１に記載の力検出装置。
13. アームと、
    前記アームに設けられた、請求項１ないし１２のいずれか１項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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