センサーデバイス、力検出装置およびロボット
【課題】力検出装置への組み込みにおいても、センサー素子の位置ずれが発生せず、高いセンサー感度が維持されるセンサーデバイス、および力検出装置を提供する。
【解決手段】センサーデバイス１００は、圧電体４０と、電極５０とを積層して形成されるセンサー素子６０と、前記センサー素子を収納する、第１容器１０と第２容器２０と、を備え、前記第１容器１０および第２容器２０により、前記圧電体４０および前記電極５０の積層方向に前記センサー素子を押圧する押圧部３０と、を有する。
【解決手段】センサーデバイス１００は、圧電体４０と、電極５０とを積層して形成されるセンサー素子６０と、前記センサー素子を収納する、第１容器１０と第２容器２０と、を備え、前記第１容器１０および第２容器２０により、前記圧電体４０および前記電極５０の積層方向に前記センサー素子を押圧する押圧部３０と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電材料を用いた力センサーとしては特許文献１のものが知られていた。すなわち特許文献１の図１５に示されている、信号電極１５を圧電材料である結晶円板１６により挟持し、さらに金属カバー円板１７によって挟持された測定素子を、複数配置した力センサーが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平４−２３１８２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上述の特許文献１の測定素子では、力を検出する方向に対して信号電極をはさむ２枚の結晶円板が、結晶の方向を正確に揃えて測定素子を形成する点の開示が無い。力センサーとして精度の高い出力信号を得るために、結晶円板の結晶方向を精度高くそろえてセンサー素子を形成することが困難であった。さらに、センサー素子を複数配置して力センサーとして用いる場合に、装置へセンサー素子を配置する際のセンサー素子の移動、装置への固定などの作業の間に、軽微な衝撃が加わるだけで素子間の位置ずれが発生してしまい、センサー感度を低下させてしまうという課題があった。
【０００５】
そこで、力検出装置への組み込みにおいても、センサー素子の位置ずれが発生せず、高いセンサー感度が維持されるセンサーデバイス、力検出装置およびロボットを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、少なくとも上述の課題の一つを解決するように、下記の形態または適用例として実現され得る。
【０００７】
〔適用例１〕本適用例のセンサーデバイスは、圧電体と、電極とを積層して形成されるセンサー素子と、前記センサー素子を収納する、第１容器と第２容器と、を備え、
前記第１容器および第２容器により、前記圧電体および前記電極の積層方向に前記センサー素子を押圧する押圧部と、を有することを特徴とする。
【０００８】
本適用例によれば、センサー素子が第１容器と第２容器とにより形成される内部空間に収納されている状態において、センサー素子が圧電体と電極の積層方向に押圧されることにより、センサーデバイスを持ち運ぶ際の振動や、装置へ組み込む際の外力などによる圧電体と電極の組込み位置のずれを抑制し、センサーデバイスの高い検出精度を安定して維持させることができる。
【０００９】
〔適用例２〕上述の適用例において、前記押圧部は、前記第１容器および前記第２容器によって押圧される弾性部材であることを特徴とする。
【００１０】
上述の適用例によれば、最適な弾性力を有する弾性部材を選択使用することにより、センサー素子への押圧力の調整を容易にすることができ、センサー素子に対して過大な押圧力の付加を抑制する緩衝材として機能し、センサー素子、特に圧電体の損傷を防止することができる。
【００１１】
〔適用例３〕上述の適用例において、前記弾性部材が、ゴム、弾性エラストマーもしくは金属により形成されたパッキンであることを特徴とする。
【００１２】
上述の適用例によれば、パッキンの材質、サイズ、断面形状を適宜選択することにより適切な押圧力の設定が可能となり、センサー素子に対して過大な押圧力の付加を抑制することができ、センサー素子、特に圧電体の損傷を防止することができる。
【００１３】
〔適用例４〕上述の適用例において、前記押圧部が、前記第１容器もしくは前記第２容器に形成された蛇腹部であることを特徴とする。
【００１４】
上述の適用例によれば、伸縮性に優れた蛇腹形状を備えることにより、センサー素子への押圧力の調整が容易に行え、センサー素子に対して過大な押圧力の付加を抑制することができ、センサー素子、特に圧電体の損傷を防止することができる。
【００１５】
〔適用例５〕上述の適用例において、前記第１容器および前記第２容器は、前記第１容器と前記第２容器と、を接続する接続部を有することを特徴とする。
【００１６】
上述の適用例によれば、接続部によって第１容器と第２容器とを接続し、センサー素子の収納容器を形成することで、押圧部によって付加されるセンサー素子への押圧力を維持した状態で機器、装置へ組み込むことができるため、センサーデバイスを持ち運ぶ際の振動や、装置へ組み込む際の外力などによる圧電体と電極の組込み位置のずれを抑制し、センサーデバイスの高い検出精度を安定して維持させることができる。
【００１７】
〔適用例６〕上述の適用例において、前記センサー素子の前記積層方向をＺ方向とした場合、前記Ｚ方向に直交し且つ互いに直交する方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向とした場合、少なくとも前記Ｘ方向の力を検出する第１センサー素子と、前記Ｙ方向の力を検出する第２センサー素子と、前記Ｚ方向の力を検出する第３センサー素子と、を備えることを特徴とする。
【００１８】
上述の適用例によれば、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向、いわゆる３軸方向の力を検出するセンサー素子を、相互の位置ずれが抑制されることにより、３軸方向の力を検出するセンサーデバイスであっても高い検出精度を損なうことなく、安定して維持させることができる。
【００１９】
〔適用例７〕上述の適用例において、前記圧電体が水晶であることを特徴とする。
【００２０】
上述の適用例によれば、圧電体として水晶を用いることにより、わずかなひずみであっても電荷量を多く発生させることができる高い検出能力のセンサー素子を備えるセンサーデバイスを得ることができる。また、水晶結晶のカット方向によって、様々な方向のひずみを検出する圧電体を容易に得ることができる。
【００２１】
〔適用例８〕本適用例の力検出装置は、上述のセンサーデバイスを備える。
【００２２】
本適用例の力検出装置は、電荷量および電荷の正負によって、容易に外力負荷を演算計測することができる。また、簡単な構成によって３軸力検出センサーを得ることができ、更に、上述の適用例のセンサーデバイスを複数用いることで、たとえばトルク計測も含む６軸力検出装置などを容易に得ることができる。
【００２３】
〔適用例９〕本適用例のロボットは、上述の力検出装置を備える。
【００２４】
本適用例のロボットは、作動するロボットアームあるいはロボットハンドに対して、所定動作中に起こる障害物への接触の検出、対象物への接触力を、力検出装置により確実に検出し、ロボット制御装置へデータをフィードバックすることで、安全で細かな作業を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１実施形態に係るセンサーデバイスを示し、（ａ）は積層方向の概略断面図、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ´部の断面図、（ｃ）は（ａ）に示すＢ部の拡大断面図。
【図２】第１実施形態に係るセンサー素子を示す、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は水晶板の積層方向を説明する模式図。
【図３】その他の実施形態に係るセンサーデバイスの、（ａ）は接続部の部分断面図、（ｂ）は蛇腹部の側面、断面図。
【図４】第１実施形態に係るセンサーデバイスの、（ａ）は配線説明図、（ｂ）は（ａ）に示すＤ部の部分拡大図。
【図５】第２実施形態に係る力検出装置を示す、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＥ−Ｅ´部の断面図。
【図６】第２実施形態に係る力検出装置のトルク検出を説明する模式図。
【図７】第３実施形態に係るロボットを示す外観図。
【図８】その他の実施形態のセンサーデバイスを示す、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は筒状容器の嵌合説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。
【００２７】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係るセンサーデバイスを示し、図１（ａ）は積層方向の概略断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すＡ−Ａ´部の断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）に示すＢ部の拡大断面図である。図１に示すように、センサーデバイス１００は第１容器１０と第２容器２０とが、接続部としてのフランジ部１０ａ，２０ａによって押圧手段としてのパッキン３０を押圧して接続され、第１容器１０と第２容器２０によって形成される内部空間内に図１（ｂ）に示すように、外形が円形の圧電体４０と電極５０とが交互に積層されたセンサー素子６０が収納されている。
【００２８】
センサー素子６０は、圧電性を有する、例えば水晶、チタン酸ジルコン酸鉛＜ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3＞、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）などから形成される板状基板であり、本実施形態では水晶基板を円盤状に形成した圧電体４０（以下、水晶板４０という）を用いている。水晶板４０は図２（ａ）に示すように電極５０によって挟まれ、複数積層されてセンサー素子６０が形成される。図２（ａ）に示すように、センサー素子６０は、水晶板４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂと、各水晶板４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂを挟持するように電極５１ａ，５１ｂ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ，５２，５３，５４と、が積層され、センサー素子６０を形成している。
【００２９】
図２（ｂ）の模式図に示すように、水晶板４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂは、いわゆるＹカット板より形成される。センサー素子６０の積層方向をγ、γと直交し且つ互いに直交する方向をα，βとした場合、水晶板４１ａ，４１ｂは水晶板のＹ軸がγ方向となるように積層され、Ｘ軸は本例では水晶板４１ａがα（＋）方向、水晶板４１ｂがα（−）方向になるように配置される。この水晶板４１ａ，４１ｂを電極５１ａ，５２，５１ｂにより挟持するように配置することにより、水晶板４１ａ，４１ｂによってα方向に掛かる力による変位を検出することができるセンサー素子６１を形成する。
【００３０】
同様に、水晶板４２ａ，４２ｂは水晶板のＹ軸がγ方向となるように積層され、Ｘ軸は本例では水晶板４２ａがβ（＋）方向、水晶板４２ｂがβ（−）方向になるように配置される。この水晶板４２ａ，４２ｂを電極５１ｂ，５３，５１ｃにより挟持するように配置することにより、水晶板４２ａ，４２ｂはβ方向に掛かる力による変位を検出することができるセンサー素子６２を形成する。
【００３１】
水晶板４３ａ，４３ｂは、いわゆるＸカット板より形成され、水晶板４３ａは水晶板のＸ軸がγ（−）方向、水晶板４３ｂは水晶板のＸ軸がγ（＋）方向、となるように積層される。またＹ，Ｚ軸は水晶板４３ａ，４３ｂにおいて互いに直交するように配置される。この水晶板４３ａ，４３ｂを電極５１ｃ，５４，５１ｄにより挟持するように配置することにより、水晶板４３ａ，４３ｂによってγ方向に掛かる力による変位を検出することができるセンサー素子６３を形成する。そしてセンサー素子６１，６２，６３によって、いわゆる３軸方向の力を検出することができるセンサー素子６０が形成される。
【００３２】
センサー素子６０は、上述した水晶板４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂと、電極５１ａ，５１ｂ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ，５２，５３，５４と、が積層方向に載置されているに過ぎず、例えば接着などの固着手段は用いられていない。しかし、上述した図２（ｂ）に示すように、水晶板４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂのそれぞれの積層方向が正確に維持されていなければ、変位検出方向すなわち力検出方向に誤差を生じてしまう虞がある。そこで、図１（ａ）に示す、第１容器１０と第２容器２０との接続によって、センサー素子６０をセンサー素子６０の積層方向に押圧する手段を備える。
【００３３】
図１（ａ）に示すセンサーデバイス１００の第１容器１０と第２容器２０との接続は次のように行われる。図１（ｃ）は第１容器１０と第２容器２０との接続部である図１（ａ）におけるＢ部の詳細断面図である。図１（ｃ）に示すように、第１容器１０の開口端部にはフランジ部１０ａが形成されている。第２容器２０の開口端部にはフランジ部２０ａと、フランジ部２０ａに繋がって筒状部２０ｂが形成されている。筒状部２０ｂの内周２０ｃには第１容器１０のフランジ部１０ａの外形１０ｂが挿入できるように形成されている。
【００３４】
第１容器１０と第２容器２０とを、第１容器１０と第２容器２０との内側にセンサー素子６０を収納するように被せながら、第１容器１０のフランジ部１０ａを第２容器２０の筒状部２０ｂの内周２０ｃに挿入する。その後、フランジ部１０ａにパッキン３０を載置し、筒状部２０ｂの開口側の一部を図示矢印方向に倒し込み、いわゆるカシメ部２０ｄを形成し、カシメ部２０ｄによってパッキン３０を圧縮する。このようにして、第１容器１０と第２容器２０とが接続され、この時、パッキン３０はカシメ部２０ｄによって圧縮され矢印ｆの反発力が生じている。この反発力ｆによって第１容器１０と第２容器２０とは、矢印ｆ´方向に引き付けられた状態となり、図１（ａ）に示す第１容器１０のセンサー押え部１０ｃ、第２容器２０のセンサー押え部２０ｅを介してセンサー素子６０を積層方向に押圧、固定する。すなわちパッキン３０がセンサーデバイス１００の押圧手段として備えられる。パッキン３０は弾性を有するものであれば良く、例えばゴム、弾性エラストマーなどから形成される。あるいは、パッキン形状に限定されず、ばね座金、波型座金などのばね性を備える座金状の形態であっても良い。また、パッキンを介して第一、第二容器をカシメ構造とすることにより、容器のカシメ部寸法も過度な精度が不要で、組立も容易であるため、センサーデバイスを安価に構成することが可能である。
【００３５】
上述の押圧手段としてのパッキン３０を圧縮し、その反発力によって第１容器１０と第２容器２０に収納されるセンサー素子６０を押圧、固定することにより、安定した押圧力を得ることが可能となる。更に、後述するセンサーデバイス１００を用いた力検出装置においては、例えば潤滑油、水や薬品などの液体、などに曝される環境下での使用であってもパッキン３０はシール部材としての機能も有し、内部のセンサー素子６０を保護することもできるため、信頼性の高いセンサーデバイス１００を得ることができる。
【００３６】
上述のセンサーデバイス１００ではパッキン３０が押圧手段としての要素であるが、これに限定されず、図３に示すような形態であっても良い。図３（ａ）は、図１（ａ）に示す接続部（Ｂ部）のその他の形態を示す断面図である。図３（ａ）に示す接続部は第１容器１１の開口部に形成されたフランジ部１１ａが、第２容器２１にカシメ部２１ａによってカシメ固定されることによって、フランジ部１１ａの弾性変形の範囲内でδのたわみを発生させ、そのたわみδが元に戻ろうとする力、すなわち弾性力ｆ１がセンサー素子６０を押圧、固定する力としての押圧手段となる。フランジ部１１ａのたわみδに対して弾性力ｆ１が大きくなり過ぎないよう、Ｐ方向矢視図に示すように分割されたフランジ部１１ａの形態とすることもできる。
【００３７】
また、図３（ｂ）に示すように第１容器１２の筒状部に押圧手段としての蛇腹部１２ａを設け、蛇腹部１２ａの伸縮性によってセンサー素子６０を押圧、固定することもできる。このように構成することによって、第１容器１２を薄板材から形成して蛇腹部１２ａの伸縮性を向上させても、筒状外形側からの外力Ｆに対して高い強度を備える容器を形成することができる。なお、蛇腹部１２ａは本実施形態に限定はされないが、蛇腹部１２ａが収縮する際に、少なくとも内部に収容されるセンサー素子６０とは干渉しない内径形状とする。
【００３８】
図４（ａ）は図１（ｂ）に示すＣ−Ｃ´部の断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）に示すＤ部拡大図である。図１（ｂ）に示す、センサー素子６０の外形部と、第１容器１０および第２容器２０の内部空間と、の間隙に、図４（ａ）に示すように外部に備える演算装置２００へ繋がる配線７１，７２，７３，７４を配置する。図２によって説明したように、センサー素子６０は、α方向に掛かる力による変位を検出することができるセンサー素子６１、β方向に掛かる力による変位を検出することができるセンサー素子６２、およびγ方向に掛かる力による変位を検出することができるセンサー素子６３により構成されている。これらの検出データを演算装置２００に備えるα方向演算部２１０にはセンサー素子６１の電極５２からの配線７１が接続されている。β方向演算部２２０にはセンサー素子６２の電極５３からの配線７２が接続され、γ方向演算部２３０にはセンサー素子６３の電極５４からの配線７３が接続されている。これら演算部２１０，２２０，２３０により各方向に掛かる力を演算する。また、各センサー素子６１，６２，６３の接地電極５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄは演算装置２００に備えるグランド（ＧＮＤ）２４０に配線７４により接続されている。
【００３９】
各配線７１，７２，７３，７４の第２容器２０の挿通部（Ｄ部）は、図４（ｂ）に示すようにシール部材８０を介して配線されていることが好ましい。シール部材８０は、例えばゴムなどの弾性部材を用い、内部に配線を挿通できる配線孔８０ａを備え、第２容器２０の配線孔２０ｆに外形部８０ｂとシール可能な締め代を備えて嵌合される。本形態ではシール部材８０の両端部には第２容器２０の配線孔２０ｆの内形より大きい外形を備える抜け防止部８０ｃを備えているが、配線孔２０ｆと外形部８０ｂとの締め代によってシール部材８０が容易に脱落しなければ備えなくても良い。
【００４０】
上述したセンサーデバイス１００において、圧電体としての水晶板４０と電極５０とを単に積み重ねるように形成されるセンサー素子６０を、第１容器１０と第２容器２０により水晶板４０と電極５０との積上げ（積層）方向に対して押圧する。第１容器１０と第２容器２０、および第１容器１０と第２容器２０との接続部に配置した押圧部が、センサー素子６０を押圧しながら第１容器１０、第２容器２０を接続することによって、センサー素子６０を構成する圧電体としての水晶板４０および電極５０の位置ずれを防止することができる。これにより、装置へのセンサーデバイス１００の組み込み作業などにおける振動、衝撃によって水晶板４０と電極５０との位置ずれを原因とする感度の低下を抑制し、高い感度が維持できるセンサーデバイス１００を得ることができる。
【００４１】
なお、上述の水晶板４０と電極５０との位置ずれを、図２（ｂ）により説明する。図２（ｂ）に示すように、水晶板４１ａ，４１ｂ、水晶板４２ａ，４２ｂ、水晶板４３ａ，４３ｂ、は各々α、β、γ方向の力成分を検出する。例えば水晶板４２ａ，４２ｂにおいては、α方向の力を検出するには正確にＸ軸方向が一致させるように積層されなければならい。従って、水晶板４１ａ，４１ｂのＸ軸方向のずれをいう。また、水晶板４１ａ，４１ｂ、水晶板４２ａ，４２ｂ、水晶板４３ａ，４３ｂ、それぞれが正確に積層されていても、水晶板４１ａ，４１ｂと水晶板４２ａ，４２ｂとがγ軸に対して回転方向にずれることも位置ずれという。このように、同一力検出軸方向の力を検出する水晶板同士のずれ、および異なる力検出軸方向の力を検出する水晶ユニット同士のずれを、位置ずれという。
【００４２】
また、水晶板と電極とはγ軸に対する回転方向のずれの影響は少ないが、α，β方向へ水晶板と電極が相対的にずれることによりセンサーとしての機能領域が減少し、所定の精度を得られなくなる虞があるため、電極がα，β方向へ水晶板と相対的にずれることも位置ずれという。
【００４３】
また、第１容器１０と第２容器２０とによって、センサー素子６０を覆うように収納することによって、外部環境、例えば水、薬品、油などの容器内への浸入を防止することができ、特に図１に示すようにパッキン３０を押圧部として用いることにより、更にシール効果を得ることができる。したがって、外部環境の悪い状態で用いられるロボットに用いることで、信頼性の高いロボットを実現できる。
【００４４】
（第２実施形態）
第２実施形態として、上述のセンサーデバイス１００を組み込んだ力検出装置を説明する。図５は、第２実施形態に掛かる力検出装置１０００を示す、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）に示すＥ−Ｅ´部の断面図である。図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、力検出装置１０００は、第１基台３１０と第２基台３２０とにより、本形態においては４個のセンサーデバイス１００が挟持されている。第１基台３１０と第２基台３２０とは、固定部材としてのボルト４００を、第１基台３１０に形成したねじ孔にねじ固定してセンサーデバイス１００を押圧する。これによりセンサーデバイス１００に約１ｔの与圧が付加される。
【００４５】
力検出装置１０００は、組み込まれる装置に備える検出装置装着部２０００に図示しない装着手段によって装着され、検出装置装着部２１００と検出装置装着部２２００の間の力を検出する。本形態に係る力検出装置１０００は、センサーデバイス１００を４個固定した構成としたことにより、図示するｘ，ｙ，ｚ方向の力の検出に加え、配置された４個のセンサーデバイス１００のデバイス間の距離から、第１基台３１０と第２基台３２０との間に加わる回転トルクＴｘ，Ｔｙ，Ｔｚを、図６に示す模式図および以下の計算式に基づいて求めることができる。
【００４６】
【数１】
【００４７】
上述の力検出装置１０００はセンサーデバイス１００を４個備える、いわゆる６軸力検出装置であるが、これに限定されず、検出すべき力によって、例えばセンサーデバイス１００を１個、あるいは２個以上を備える力検出装置であっても良い。
【００４８】
（第３実施形態）
第３実施形態として、上述の力検出装置１０００を備えるロボットについて説明する。図７は、上述の実施形態に係る力検出装置１０００を用いたロボット３０００の構成を示す外観図である。ロボット３０００は、本体部３１００、アーム部３２００およびロボットハンド部３３００などから構成されている。本体部３１００は、たとえば床、壁、天井、移動可能な台車の上などに固定される。アーム部３２００は、本体部３１００に対して可動に設けられており、本体部３１００にはアーム部３２００を回転させるための動力を発生させる図示しないアクチュエーターや、アクチュエーターを制御する制御部等が内蔵されている。
【００４９】
アーム部３２００は、第１フレーム３２１０、第２フレーム３２２０、第３フレーム３２３０、第４フレーム３２４０および第５フレーム３２５０から構成されている。第１フレーム３２１０は、回転屈曲軸を介して、本体部３１００に回転可能または屈曲可能に接続されている。第２フレーム３２２０は、回転屈曲軸を介して、第１フレーム３２１０および第３フレーム３２３０に接続されている。第３フレーム３２３０は、回転屈曲軸を介して、第２フレーム３２２０および第４フレーム３２４０に接続されている。第４フレーム３２４０は、回転屈曲軸を介して、第３フレーム３２３０および第５フレーム３２５０に接続されている。第５フレーム３２５０は、回転屈曲軸を介して、第４フレーム３２４０に接続されている。アーム部３２００は、制御部の制御によって、各フレーム３２１０〜３２５０が各回転屈曲軸を中心に複合的に回転または屈曲し動く。
【００５０】
アーム部３２００の第５フレーム３２５０のうち、第４フレーム３２４０の接続部とは他方の側には、ロボットハンド部３３００が取り付けられており、対象物を把握することができるロボットハンド３３１０が、回転動作させるモーターを内蔵するロボットハンド接続部３３２０によって第５フレーム３２５０に接続されている。
【００５１】
ロボットハンド接続部３３２０には、モーターに加えて第２実施形態に係る力検出装置１０００が内蔵されており、ロボットハンド部３３００が制御部の制御によって所定の動作位置まで移動させたとき、障害物への接触、あるいは所定位置を超えての動作命令による対象物との接触、などを力検出装置１０００によって力として検出し、ロボット３０００の制御部へフィードバックし、回避動作を実行させることができる。
【００５２】
このようなロボット３０００を用いることにより、従来からの位置制御では対処できなかった、障害物回避動作、対象物損傷回避動作などを容易に行える、安全で細かな作業が可能なロボットを得ることができる。また、本例に限定されず双腕ロボットにも適用することができる。
【００５３】
（その他の実施形態）
第１実施形態に係るセンサーデバイス１００は、図８に示すセンサーデバイス１１０の形態であっても良い。図８（ａ）はその他の実施形態に係るセンサーデバイス１１０の断面図、図８（ｂ）はその他の実施形態に係るセンサーデバイス１１０の組込み状態を説明する断面図である。図８（ａ）に示すように、センサーデバイス１１０は、第１容器としてのキャップ１３と、第２容器としてのキャップ２３と、押圧手段としての筒状容器９０と、により形成される内部に、センサー素子６０が収納されている。
【００５４】
筒状容器９０は弾性材、例えばゴム、弾性エラストマー、プラスチックなどから形成され、両端の開口部に内周段部９０ａ，９０ｂが形成されている。キャップ１３の外周には嵌合部１３ａが形成され、キャップ２３の外周には嵌合部２３ａが形成される。キャップ１３，２３がセンサー素子６０の積層方向両端部に載置された状態において、嵌合部１３ａ，２３ａによって嵌合領域ｍが構成される。この嵌合領域ｍは、筒状容器９０の内周段部９０ａと内周段部９０ｂとの間隔ｎに対して大きくなるように設定され、筒状容器９０をセンサー素子６０に載置したキャップ１３，２３に嵌合させることで、筒状容器９０は引き伸ばされる。
【００５５】
筒状容器９０が引き伸ばされてキャップ１３，２３に嵌合装着されることにより、筒状容器９０によってキャップ１３，２３が引き付けられ、センサー素子６０に押圧力が付加される。これにより、常にセンサー素子６０には押圧力が付加され、力検出装置への組込みなどの作業の際に、センサー素子６０を構成する水晶板４０および電極５０に、位置ずれが生じない高い精度を得ることができるセンサーデバイス１１０となる。更に、センサーデバイス１１０のように構成することにより、センサー素子６０が密封され、外部環境の影響を受けない信頼性の高いセンサーデバイス１１０を得ることができる。
【００５６】
筒状容器９０は、図３（ｂ）で説明した蛇腹部を形成することで、筒状容器９０の弾性変形領域を大きくすることができ、また金属製の筒状容器９０とすることができる。また、筒状容器９０を樹脂アウトサート成形によってセンサー素子６０と、キャップ１３，２３と、を一体的に成形しても良い。アウトサート一体成形によると、センサーデバイス１１０の内部気密性は格段に高くなり、高信頼性のセンサーデバイスを得ることができる。
【符号の説明】
【００５７】
１０…第１容器、２０…第２容器、３０…パッキン、４０…圧電体（水晶板）、５０…電極、６０…センサー素子、１００…センサーデバイス。
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電材料を用いた力センサーとしては特許文献１のものが知られていた。すなわち特許文献１の図１５に示されている、信号電極１５を圧電材料である結晶円板１６により挟持し、さらに金属カバー円板１７によって挟持された測定素子を、複数配置した力センサーが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平４−２３１８２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上述の特許文献１の測定素子では、力を検出する方向に対して信号電極をはさむ２枚の結晶円板が、結晶の方向を正確に揃えて測定素子を形成する点の開示が無い。力センサーとして精度の高い出力信号を得るために、結晶円板の結晶方向を精度高くそろえてセンサー素子を形成することが困難であった。さらに、センサー素子を複数配置して力センサーとして用いる場合に、装置へセンサー素子を配置する際のセンサー素子の移動、装置への固定などの作業の間に、軽微な衝撃が加わるだけで素子間の位置ずれが発生してしまい、センサー感度を低下させてしまうという課題があった。
【０００５】
そこで、力検出装置への組み込みにおいても、センサー素子の位置ずれが発生せず、高いセンサー感度が維持されるセンサーデバイス、力検出装置およびロボットを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、少なくとも上述の課題の一つを解決するように、下記の形態または適用例として実現され得る。
【０００７】
〔適用例１〕本適用例のセンサーデバイスは、圧電体と、電極とを積層して形成されるセンサー素子と、前記センサー素子を収納する、第１容器と第２容器と、を備え、
前記第１容器および第２容器により、前記圧電体および前記電極の積層方向に前記センサー素子を押圧する押圧部と、を有することを特徴とする。
【０００８】
本適用例によれば、センサー素子が第１容器と第２容器とにより形成される内部空間に収納されている状態において、センサー素子が圧電体と電極の積層方向に押圧されることにより、センサーデバイスを持ち運ぶ際の振動や、装置へ組み込む際の外力などによる圧電体と電極の組込み位置のずれを抑制し、センサーデバイスの高い検出精度を安定して維持させることができる。
【０００９】
〔適用例２〕上述の適用例において、前記押圧部は、前記第１容器および前記第２容器によって押圧される弾性部材であることを特徴とする。
【００１０】
上述の適用例によれば、最適な弾性力を有する弾性部材を選択使用することにより、センサー素子への押圧力の調整を容易にすることができ、センサー素子に対して過大な押圧力の付加を抑制する緩衝材として機能し、センサー素子、特に圧電体の損傷を防止することができる。
【００１１】
〔適用例３〕上述の適用例において、前記弾性部材が、ゴム、弾性エラストマーもしくは金属により形成されたパッキンであることを特徴とする。
【００１２】
上述の適用例によれば、パッキンの材質、サイズ、断面形状を適宜選択することにより適切な押圧力の設定が可能となり、センサー素子に対して過大な押圧力の付加を抑制することができ、センサー素子、特に圧電体の損傷を防止することができる。
【００１３】
〔適用例４〕上述の適用例において、前記押圧部が、前記第１容器もしくは前記第２容器に形成された蛇腹部であることを特徴とする。
【００１４】
上述の適用例によれば、伸縮性に優れた蛇腹形状を備えることにより、センサー素子への押圧力の調整が容易に行え、センサー素子に対して過大な押圧力の付加を抑制することができ、センサー素子、特に圧電体の損傷を防止することができる。
【００１５】
〔適用例５〕上述の適用例において、前記第１容器および前記第２容器は、前記第１容器と前記第２容器と、を接続する接続部を有することを特徴とする。
【００１６】
上述の適用例によれば、接続部によって第１容器と第２容器とを接続し、センサー素子の収納容器を形成することで、押圧部によって付加されるセンサー素子への押圧力を維持した状態で機器、装置へ組み込むことができるため、センサーデバイスを持ち運ぶ際の振動や、装置へ組み込む際の外力などによる圧電体と電極の組込み位置のずれを抑制し、センサーデバイスの高い検出精度を安定して維持させることができる。
【００１７】
〔適用例６〕上述の適用例において、前記センサー素子の前記積層方向をＺ方向とした場合、前記Ｚ方向に直交し且つ互いに直交する方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向とした場合、少なくとも前記Ｘ方向の力を検出する第１センサー素子と、前記Ｙ方向の力を検出する第２センサー素子と、前記Ｚ方向の力を検出する第３センサー素子と、を備えることを特徴とする。
【００１８】
上述の適用例によれば、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向、いわゆる３軸方向の力を検出するセンサー素子を、相互の位置ずれが抑制されることにより、３軸方向の力を検出するセンサーデバイスであっても高い検出精度を損なうことなく、安定して維持させることができる。
【００１９】
〔適用例７〕上述の適用例において、前記圧電体が水晶であることを特徴とする。
【００２０】
上述の適用例によれば、圧電体として水晶を用いることにより、わずかなひずみであっても電荷量を多く発生させることができる高い検出能力のセンサー素子を備えるセンサーデバイスを得ることができる。また、水晶結晶のカット方向によって、様々な方向のひずみを検出する圧電体を容易に得ることができる。
【００２１】
〔適用例８〕本適用例の力検出装置は、上述のセンサーデバイスを備える。
【００２２】
本適用例の力検出装置は、電荷量および電荷の正負によって、容易に外力負荷を演算計測することができる。また、簡単な構成によって３軸力検出センサーを得ることができ、更に、上述の適用例のセンサーデバイスを複数用いることで、たとえばトルク計測も含む６軸力検出装置などを容易に得ることができる。
【００２３】
〔適用例９〕本適用例のロボットは、上述の力検出装置を備える。
【００２４】
本適用例のロボットは、作動するロボットアームあるいはロボットハンドに対して、所定動作中に起こる障害物への接触の検出、対象物への接触力を、力検出装置により確実に検出し、ロボット制御装置へデータをフィードバックすることで、安全で細かな作業を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１実施形態に係るセンサーデバイスを示し、（ａ）は積層方向の概略断面図、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ´部の断面図、（ｃ）は（ａ）に示すＢ部の拡大断面図。
【図２】第１実施形態に係るセンサー素子を示す、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は水晶板の積層方向を説明する模式図。
【図３】その他の実施形態に係るセンサーデバイスの、（ａ）は接続部の部分断面図、（ｂ）は蛇腹部の側面、断面図。
【図４】第１実施形態に係るセンサーデバイスの、（ａ）は配線説明図、（ｂ）は（ａ）に示すＤ部の部分拡大図。
【図５】第２実施形態に係る力検出装置を示す、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＥ−Ｅ´部の断面図。
【図６】第２実施形態に係る力検出装置のトルク検出を説明する模式図。
【図７】第３実施形態に係るロボットを示す外観図。
【図８】その他の実施形態のセンサーデバイスを示す、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は筒状容器の嵌合説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。
【００２７】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係るセンサーデバイスを示し、図１（ａ）は積層方向の概略断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すＡ−Ａ´部の断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）に示すＢ部の拡大断面図である。図１に示すように、センサーデバイス１００は第１容器１０と第２容器２０とが、接続部としてのフランジ部１０ａ，２０ａによって押圧手段としてのパッキン３０を押圧して接続され、第１容器１０と第２容器２０によって形成される内部空間内に図１（ｂ）に示すように、外形が円形の圧電体４０と電極５０とが交互に積層されたセンサー素子６０が収納されている。
【００２８】
センサー素子６０は、圧電性を有する、例えば水晶、チタン酸ジルコン酸鉛＜ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3＞、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）などから形成される板状基板であり、本実施形態では水晶基板を円盤状に形成した圧電体４０（以下、水晶板４０という）を用いている。水晶板４０は図２（ａ）に示すように電極５０によって挟まれ、複数積層されてセンサー素子６０が形成される。図２（ａ）に示すように、センサー素子６０は、水晶板４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂと、各水晶板４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂを挟持するように電極５１ａ，５１ｂ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ，５２，５３，５４と、が積層され、センサー素子６０を形成している。
【００２９】
図２（ｂ）の模式図に示すように、水晶板４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂは、いわゆるＹカット板より形成される。センサー素子６０の積層方向をγ、γと直交し且つ互いに直交する方向をα，βとした場合、水晶板４１ａ，４１ｂは水晶板のＹ軸がγ方向となるように積層され、Ｘ軸は本例では水晶板４１ａがα（＋）方向、水晶板４１ｂがα（−）方向になるように配置される。この水晶板４１ａ，４１ｂを電極５１ａ，５２，５１ｂにより挟持するように配置することにより、水晶板４１ａ，４１ｂによってα方向に掛かる力による変位を検出することができるセンサー素子６１を形成する。
【００３０】
同様に、水晶板４２ａ，４２ｂは水晶板のＹ軸がγ方向となるように積層され、Ｘ軸は本例では水晶板４２ａがβ（＋）方向、水晶板４２ｂがβ（−）方向になるように配置される。この水晶板４２ａ，４２ｂを電極５１ｂ，５３，５１ｃにより挟持するように配置することにより、水晶板４２ａ，４２ｂはβ方向に掛かる力による変位を検出することができるセンサー素子６２を形成する。
【００３１】
水晶板４３ａ，４３ｂは、いわゆるＸカット板より形成され、水晶板４３ａは水晶板のＸ軸がγ（−）方向、水晶板４３ｂは水晶板のＸ軸がγ（＋）方向、となるように積層される。またＹ，Ｚ軸は水晶板４３ａ，４３ｂにおいて互いに直交するように配置される。この水晶板４３ａ，４３ｂを電極５１ｃ，５４，５１ｄにより挟持するように配置することにより、水晶板４３ａ，４３ｂによってγ方向に掛かる力による変位を検出することができるセンサー素子６３を形成する。そしてセンサー素子６１，６２，６３によって、いわゆる３軸方向の力を検出することができるセンサー素子６０が形成される。
【００３２】
センサー素子６０は、上述した水晶板４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂと、電極５１ａ，５１ｂ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ，５２，５３，５４と、が積層方向に載置されているに過ぎず、例えば接着などの固着手段は用いられていない。しかし、上述した図２（ｂ）に示すように、水晶板４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂのそれぞれの積層方向が正確に維持されていなければ、変位検出方向すなわち力検出方向に誤差を生じてしまう虞がある。そこで、図１（ａ）に示す、第１容器１０と第２容器２０との接続によって、センサー素子６０をセンサー素子６０の積層方向に押圧する手段を備える。
【００３３】
図１（ａ）に示すセンサーデバイス１００の第１容器１０と第２容器２０との接続は次のように行われる。図１（ｃ）は第１容器１０と第２容器２０との接続部である図１（ａ）におけるＢ部の詳細断面図である。図１（ｃ）に示すように、第１容器１０の開口端部にはフランジ部１０ａが形成されている。第２容器２０の開口端部にはフランジ部２０ａと、フランジ部２０ａに繋がって筒状部２０ｂが形成されている。筒状部２０ｂの内周２０ｃには第１容器１０のフランジ部１０ａの外形１０ｂが挿入できるように形成されている。
【００３４】
第１容器１０と第２容器２０とを、第１容器１０と第２容器２０との内側にセンサー素子６０を収納するように被せながら、第１容器１０のフランジ部１０ａを第２容器２０の筒状部２０ｂの内周２０ｃに挿入する。その後、フランジ部１０ａにパッキン３０を載置し、筒状部２０ｂの開口側の一部を図示矢印方向に倒し込み、いわゆるカシメ部２０ｄを形成し、カシメ部２０ｄによってパッキン３０を圧縮する。このようにして、第１容器１０と第２容器２０とが接続され、この時、パッキン３０はカシメ部２０ｄによって圧縮され矢印ｆの反発力が生じている。この反発力ｆによって第１容器１０と第２容器２０とは、矢印ｆ´方向に引き付けられた状態となり、図１（ａ）に示す第１容器１０のセンサー押え部１０ｃ、第２容器２０のセンサー押え部２０ｅを介してセンサー素子６０を積層方向に押圧、固定する。すなわちパッキン３０がセンサーデバイス１００の押圧手段として備えられる。パッキン３０は弾性を有するものであれば良く、例えばゴム、弾性エラストマーなどから形成される。あるいは、パッキン形状に限定されず、ばね座金、波型座金などのばね性を備える座金状の形態であっても良い。また、パッキンを介して第一、第二容器をカシメ構造とすることにより、容器のカシメ部寸法も過度な精度が不要で、組立も容易であるため、センサーデバイスを安価に構成することが可能である。
【００３５】
上述の押圧手段としてのパッキン３０を圧縮し、その反発力によって第１容器１０と第２容器２０に収納されるセンサー素子６０を押圧、固定することにより、安定した押圧力を得ることが可能となる。更に、後述するセンサーデバイス１００を用いた力検出装置においては、例えば潤滑油、水や薬品などの液体、などに曝される環境下での使用であってもパッキン３０はシール部材としての機能も有し、内部のセンサー素子６０を保護することもできるため、信頼性の高いセンサーデバイス１００を得ることができる。
【００３６】
上述のセンサーデバイス１００ではパッキン３０が押圧手段としての要素であるが、これに限定されず、図３に示すような形態であっても良い。図３（ａ）は、図１（ａ）に示す接続部（Ｂ部）のその他の形態を示す断面図である。図３（ａ）に示す接続部は第１容器１１の開口部に形成されたフランジ部１１ａが、第２容器２１にカシメ部２１ａによってカシメ固定されることによって、フランジ部１１ａの弾性変形の範囲内でδのたわみを発生させ、そのたわみδが元に戻ろうとする力、すなわち弾性力ｆ１がセンサー素子６０を押圧、固定する力としての押圧手段となる。フランジ部１１ａのたわみδに対して弾性力ｆ１が大きくなり過ぎないよう、Ｐ方向矢視図に示すように分割されたフランジ部１１ａの形態とすることもできる。
【００３７】
また、図３（ｂ）に示すように第１容器１２の筒状部に押圧手段としての蛇腹部１２ａを設け、蛇腹部１２ａの伸縮性によってセンサー素子６０を押圧、固定することもできる。このように構成することによって、第１容器１２を薄板材から形成して蛇腹部１２ａの伸縮性を向上させても、筒状外形側からの外力Ｆに対して高い強度を備える容器を形成することができる。なお、蛇腹部１２ａは本実施形態に限定はされないが、蛇腹部１２ａが収縮する際に、少なくとも内部に収容されるセンサー素子６０とは干渉しない内径形状とする。
【００３８】
図４（ａ）は図１（ｂ）に示すＣ−Ｃ´部の断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）に示すＤ部拡大図である。図１（ｂ）に示す、センサー素子６０の外形部と、第１容器１０および第２容器２０の内部空間と、の間隙に、図４（ａ）に示すように外部に備える演算装置２００へ繋がる配線７１，７２，７３，７４を配置する。図２によって説明したように、センサー素子６０は、α方向に掛かる力による変位を検出することができるセンサー素子６１、β方向に掛かる力による変位を検出することができるセンサー素子６２、およびγ方向に掛かる力による変位を検出することができるセンサー素子６３により構成されている。これらの検出データを演算装置２００に備えるα方向演算部２１０にはセンサー素子６１の電極５２からの配線７１が接続されている。β方向演算部２２０にはセンサー素子６２の電極５３からの配線７２が接続され、γ方向演算部２３０にはセンサー素子６３の電極５４からの配線７３が接続されている。これら演算部２１０，２２０，２３０により各方向に掛かる力を演算する。また、各センサー素子６１，６２，６３の接地電極５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄは演算装置２００に備えるグランド（ＧＮＤ）２４０に配線７４により接続されている。
【００３９】
各配線７１，７２，７３，７４の第２容器２０の挿通部（Ｄ部）は、図４（ｂ）に示すようにシール部材８０を介して配線されていることが好ましい。シール部材８０は、例えばゴムなどの弾性部材を用い、内部に配線を挿通できる配線孔８０ａを備え、第２容器２０の配線孔２０ｆに外形部８０ｂとシール可能な締め代を備えて嵌合される。本形態ではシール部材８０の両端部には第２容器２０の配線孔２０ｆの内形より大きい外形を備える抜け防止部８０ｃを備えているが、配線孔２０ｆと外形部８０ｂとの締め代によってシール部材８０が容易に脱落しなければ備えなくても良い。
【００４０】
上述したセンサーデバイス１００において、圧電体としての水晶板４０と電極５０とを単に積み重ねるように形成されるセンサー素子６０を、第１容器１０と第２容器２０により水晶板４０と電極５０との積上げ（積層）方向に対して押圧する。第１容器１０と第２容器２０、および第１容器１０と第２容器２０との接続部に配置した押圧部が、センサー素子６０を押圧しながら第１容器１０、第２容器２０を接続することによって、センサー素子６０を構成する圧電体としての水晶板４０および電極５０の位置ずれを防止することができる。これにより、装置へのセンサーデバイス１００の組み込み作業などにおける振動、衝撃によって水晶板４０と電極５０との位置ずれを原因とする感度の低下を抑制し、高い感度が維持できるセンサーデバイス１００を得ることができる。
【００４１】
なお、上述の水晶板４０と電極５０との位置ずれを、図２（ｂ）により説明する。図２（ｂ）に示すように、水晶板４１ａ，４１ｂ、水晶板４２ａ，４２ｂ、水晶板４３ａ，４３ｂ、は各々α、β、γ方向の力成分を検出する。例えば水晶板４２ａ，４２ｂにおいては、α方向の力を検出するには正確にＸ軸方向が一致させるように積層されなければならい。従って、水晶板４１ａ，４１ｂのＸ軸方向のずれをいう。また、水晶板４１ａ，４１ｂ、水晶板４２ａ，４２ｂ、水晶板４３ａ，４３ｂ、それぞれが正確に積層されていても、水晶板４１ａ，４１ｂと水晶板４２ａ，４２ｂとがγ軸に対して回転方向にずれることも位置ずれという。このように、同一力検出軸方向の力を検出する水晶板同士のずれ、および異なる力検出軸方向の力を検出する水晶ユニット同士のずれを、位置ずれという。
【００４２】
また、水晶板と電極とはγ軸に対する回転方向のずれの影響は少ないが、α，β方向へ水晶板と電極が相対的にずれることによりセンサーとしての機能領域が減少し、所定の精度を得られなくなる虞があるため、電極がα，β方向へ水晶板と相対的にずれることも位置ずれという。
【００４３】
また、第１容器１０と第２容器２０とによって、センサー素子６０を覆うように収納することによって、外部環境、例えば水、薬品、油などの容器内への浸入を防止することができ、特に図１に示すようにパッキン３０を押圧部として用いることにより、更にシール効果を得ることができる。したがって、外部環境の悪い状態で用いられるロボットに用いることで、信頼性の高いロボットを実現できる。
【００４４】
（第２実施形態）
第２実施形態として、上述のセンサーデバイス１００を組み込んだ力検出装置を説明する。図５は、第２実施形態に掛かる力検出装置１０００を示す、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）に示すＥ−Ｅ´部の断面図である。図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、力検出装置１０００は、第１基台３１０と第２基台３２０とにより、本形態においては４個のセンサーデバイス１００が挟持されている。第１基台３１０と第２基台３２０とは、固定部材としてのボルト４００を、第１基台３１０に形成したねじ孔にねじ固定してセンサーデバイス１００を押圧する。これによりセンサーデバイス１００に約１ｔの与圧が付加される。
【００４５】
力検出装置１０００は、組み込まれる装置に備える検出装置装着部２０００に図示しない装着手段によって装着され、検出装置装着部２１００と検出装置装着部２２００の間の力を検出する。本形態に係る力検出装置１０００は、センサーデバイス１００を４個固定した構成としたことにより、図示するｘ，ｙ，ｚ方向の力の検出に加え、配置された４個のセンサーデバイス１００のデバイス間の距離から、第１基台３１０と第２基台３２０との間に加わる回転トルクＴｘ，Ｔｙ，Ｔｚを、図６に示す模式図および以下の計算式に基づいて求めることができる。
【００４６】
【数１】
【００４７】
上述の力検出装置１０００はセンサーデバイス１００を４個備える、いわゆる６軸力検出装置であるが、これに限定されず、検出すべき力によって、例えばセンサーデバイス１００を１個、あるいは２個以上を備える力検出装置であっても良い。
【００４８】
（第３実施形態）
第３実施形態として、上述の力検出装置１０００を備えるロボットについて説明する。図７は、上述の実施形態に係る力検出装置１０００を用いたロボット３０００の構成を示す外観図である。ロボット３０００は、本体部３１００、アーム部３２００およびロボットハンド部３３００などから構成されている。本体部３１００は、たとえば床、壁、天井、移動可能な台車の上などに固定される。アーム部３２００は、本体部３１００に対して可動に設けられており、本体部３１００にはアーム部３２００を回転させるための動力を発生させる図示しないアクチュエーターや、アクチュエーターを制御する制御部等が内蔵されている。
【００４９】
アーム部３２００は、第１フレーム３２１０、第２フレーム３２２０、第３フレーム３２３０、第４フレーム３２４０および第５フレーム３２５０から構成されている。第１フレーム３２１０は、回転屈曲軸を介して、本体部３１００に回転可能または屈曲可能に接続されている。第２フレーム３２２０は、回転屈曲軸を介して、第１フレーム３２１０および第３フレーム３２３０に接続されている。第３フレーム３２３０は、回転屈曲軸を介して、第２フレーム３２２０および第４フレーム３２４０に接続されている。第４フレーム３２４０は、回転屈曲軸を介して、第３フレーム３２３０および第５フレーム３２５０に接続されている。第５フレーム３２５０は、回転屈曲軸を介して、第４フレーム３２４０に接続されている。アーム部３２００は、制御部の制御によって、各フレーム３２１０〜３２５０が各回転屈曲軸を中心に複合的に回転または屈曲し動く。
【００５０】
アーム部３２００の第５フレーム３２５０のうち、第４フレーム３２４０の接続部とは他方の側には、ロボットハンド部３３００が取り付けられており、対象物を把握することができるロボットハンド３３１０が、回転動作させるモーターを内蔵するロボットハンド接続部３３２０によって第５フレーム３２５０に接続されている。
【００５１】
ロボットハンド接続部３３２０には、モーターに加えて第２実施形態に係る力検出装置１０００が内蔵されており、ロボットハンド部３３００が制御部の制御によって所定の動作位置まで移動させたとき、障害物への接触、あるいは所定位置を超えての動作命令による対象物との接触、などを力検出装置１０００によって力として検出し、ロボット３０００の制御部へフィードバックし、回避動作を実行させることができる。
【００５２】
このようなロボット３０００を用いることにより、従来からの位置制御では対処できなかった、障害物回避動作、対象物損傷回避動作などを容易に行える、安全で細かな作業が可能なロボットを得ることができる。また、本例に限定されず双腕ロボットにも適用することができる。
【００５３】
（その他の実施形態）
第１実施形態に係るセンサーデバイス１００は、図８に示すセンサーデバイス１１０の形態であっても良い。図８（ａ）はその他の実施形態に係るセンサーデバイス１１０の断面図、図８（ｂ）はその他の実施形態に係るセンサーデバイス１１０の組込み状態を説明する断面図である。図８（ａ）に示すように、センサーデバイス１１０は、第１容器としてのキャップ１３と、第２容器としてのキャップ２３と、押圧手段としての筒状容器９０と、により形成される内部に、センサー素子６０が収納されている。
【００５４】
筒状容器９０は弾性材、例えばゴム、弾性エラストマー、プラスチックなどから形成され、両端の開口部に内周段部９０ａ，９０ｂが形成されている。キャップ１３の外周には嵌合部１３ａが形成され、キャップ２３の外周には嵌合部２３ａが形成される。キャップ１３，２３がセンサー素子６０の積層方向両端部に載置された状態において、嵌合部１３ａ，２３ａによって嵌合領域ｍが構成される。この嵌合領域ｍは、筒状容器９０の内周段部９０ａと内周段部９０ｂとの間隔ｎに対して大きくなるように設定され、筒状容器９０をセンサー素子６０に載置したキャップ１３，２３に嵌合させることで、筒状容器９０は引き伸ばされる。
【００５５】
筒状容器９０が引き伸ばされてキャップ１３，２３に嵌合装着されることにより、筒状容器９０によってキャップ１３，２３が引き付けられ、センサー素子６０に押圧力が付加される。これにより、常にセンサー素子６０には押圧力が付加され、力検出装置への組込みなどの作業の際に、センサー素子６０を構成する水晶板４０および電極５０に、位置ずれが生じない高い精度を得ることができるセンサーデバイス１１０となる。更に、センサーデバイス１１０のように構成することにより、センサー素子６０が密封され、外部環境の影響を受けない信頼性の高いセンサーデバイス１１０を得ることができる。
【００５６】
筒状容器９０は、図３（ｂ）で説明した蛇腹部を形成することで、筒状容器９０の弾性変形領域を大きくすることができ、また金属製の筒状容器９０とすることができる。また、筒状容器９０を樹脂アウトサート成形によってセンサー素子６０と、キャップ１３，２３と、を一体的に成形しても良い。アウトサート一体成形によると、センサーデバイス１１０の内部気密性は格段に高くなり、高信頼性のセンサーデバイスを得ることができる。
【符号の説明】
【００５７】
１０…第１容器、２０…第２容器、３０…パッキン、４０…圧電体（水晶板）、５０…電極、６０…センサー素子、１００…センサーデバイス。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体と、電極とを積層して形成されるセンサー素子と、
前記センサー素子を収納する、第１容器と第２容器と、を備え、
前記第１容器および第２容器により、前記圧電体および前記電極の積層方向に前記センサー素子を押圧する押圧部と、を有する、
ことを特徴とするセンサーデバイス。
【請求項２】
前記押圧部は、前記第１容器および前記第２容器によって押圧される弾性部材である、
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサーデバイス。
【請求項３】
前記弾性部材が、ゴム、弾性エラストマーもしくは金属により形成されたパッキンである、
ことを特徴とする請求項２に記載のセンサーデバイス。
【請求項４】
前記押圧部が、前記第１容器もしくは前記第２容器に形成された蛇腹部である、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のセンサーデバイス。
【請求項５】
前記第１容器および前記第２容器は、前記第１容器と前記第２容器と、を接続する接続部を有する、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のセンサーデバイス。
【請求項６】
前記センサー素子の前記積層方向をＺ方向とした場合、前記Ｚ方向に直交し且つ互いに直交する方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向とした場合、少なくとも前記Ｘ方向の力を検出する第１センサー素子と、前記Ｙ方向の力を検出する第２センサー素子と、前記Ｚ方向の力を検出する第３センサー素子と、を備える、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のセンサーデバイス。
【請求項７】
前記圧電体が水晶であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のセンサーデバイス。
【請求項８】
請求項１から６のいずれか一項に記載のセンサーデバイスを備える力検出装置。
【請求項９】
請求項７に記載の力検出装置を備えるロボット。
【請求項１】
圧電体と、電極とを積層して形成されるセンサー素子と、
前記センサー素子を収納する、第１容器と第２容器と、を備え、
前記第１容器および第２容器により、前記圧電体および前記電極の積層方向に前記センサー素子を押圧する押圧部と、を有する、
ことを特徴とするセンサーデバイス。
【請求項２】
前記押圧部は、前記第１容器および前記第２容器によって押圧される弾性部材である、
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサーデバイス。
【請求項３】
前記弾性部材が、ゴム、弾性エラストマーもしくは金属により形成されたパッキンである、
ことを特徴とする請求項２に記載のセンサーデバイス。
【請求項４】
前記押圧部が、前記第１容器もしくは前記第２容器に形成された蛇腹部である、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のセンサーデバイス。
【請求項５】
前記第１容器および前記第２容器は、前記第１容器と前記第２容器と、を接続する接続部を有する、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のセンサーデバイス。
【請求項６】
前記センサー素子の前記積層方向をＺ方向とした場合、前記Ｚ方向に直交し且つ互いに直交する方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向とした場合、少なくとも前記Ｘ方向の力を検出する第１センサー素子と、前記Ｙ方向の力を検出する第２センサー素子と、前記Ｚ方向の力を検出する第３センサー素子と、を備える、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のセンサーデバイス。
【請求項７】
前記圧電体が水晶であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のセンサーデバイス。
【請求項８】
請求項１から６のいずれか一項に記載のセンサーデバイスを備える力検出装置。
【請求項９】
請求項７に記載の力検出装置を備えるロボット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−２２０４６２（Ｐ２０１２−２２０４６２Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８９８４１（Ｐ２０１１−８９８４１）
【出願日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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