センサー素子、力検出装置およびロボット
【課題】力検出装置に用いるセンサー素子の側面に配線層を形成することによって、配線スペースを小さくし小型の力検出装置を提供する。
【解決手段】α軸と、前記α軸に直交するβ軸と、前記α軸と前記β軸とに直交するγ軸とし、圧電基板と電極を、前記γ軸方向に積層して形成されるセンサー素子であって、前記電極の外形部の一部が前記圧電基板の外形部の一部に重なるよう配置される接続部を備え、前記γ軸の方向視において前記接続部が互いに重ならないように配置され、前記圧電基板の外周部の一部に、前記接続部と外部接続部とを電気的に接続する配線と、が形成されているセンサー素子。
【解決手段】α軸と、前記α軸に直交するβ軸と、前記α軸と前記β軸とに直交するγ軸とし、圧電基板と電極を、前記γ軸方向に積層して形成されるセンサー素子であって、前記電極の外形部の一部が前記圧電基板の外形部の一部に重なるよう配置される接続部を備え、前記γ軸の方向視において前記接続部が互いに重ならないように配置され、前記圧電基板の外周部の一部に、前記接続部と外部接続部とを電気的に接続する配線と、が形成されているセンサー素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサー素子、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、測定素子に力が掛かり結晶円板に発生した電荷によって励起されて信号電極１５に発生する電荷量から力を演算するための演算装置には、信号電極１５に電荷取り出しのための配線を接続し、演算装置までその配線を引き回さなければならない。そのために、力検出装置には配線を配置させるためのスペースを確保しなければならず、小型化が困難であった。
【０００５】
そこで、力検出装置に用いるセンサー素子の側面に配線層を形成することによって、配線スペースを小さくし、小型の力検出装置を提供する。
【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素子は、空間座標軸として、α軸と、前記α軸に直交するβ軸と、前記α軸と前記β軸とに直交するγ軸と、した場合、前記α軸と前記β軸を含む主面を有する圧電基板と、前記圧電基板の主面側に電極を設け、前記γ軸方向に積層して形成されるセンサー素子であって、前記α軸方向の力を検出する第１圧電基板の一方の主面側に第１電極と他方の主面に第２電極が設けられ、前記β軸方向の力を検出する第２圧電基板の一方の主面に第３電極と他方の主面に第４電極が設けられ、前記γ軸方向の力を検出する第３圧電基板の一方の主面に第５電極と他方の主面に第６電極が設けられ、前記第１電極および前記第２電極は、前記第１電極および前記第２電極の外形部の一部が前記第１圧電基板の前記主面の外形部の一部に重なるよう配置される前記第１電極の第１接続部と前記第２電極の第２接続部を備え、前記第１接続部と前記第２接続部とが、前記γ軸の方向視において互いに重ならないように配置され、前記第３電極および前記第４電極は、前記第３電極および前記第４電極の外形部の一部が前記第２圧電基板の前記主面の外形部の一部に重なるよう配置される前記第３電極の第３接続部と前記第４電極の第４接続部を備え、前記第３接続部と前記第４接続部とが、前記γ軸の方向視において互いに重ならないように配置され、前記第５電極および前記第６電極は、前記第５電極および前記第６電極の外形部の一部が前記第３圧電基板の前記主面の外形部の一部に重なるよう配置される前記第５電極の第５接続部と前記第６電極の第６接続部を備え、前記第５接続部と前記第６接続部とが、前記γ軸の方向視において互いに重ならないように配置され、前記第１，第２，第３圧電基板の外周部の一部に、前記第１接続部と第１外部接続部とを電気的に接続する第１配線と、前記第３接続部と第２外部接続部とを電気的に接続する第２配線と、前記第５接続部と第３外部接続部とを電気的に接続する第３配線と、が形成され、前記第２、第４および第６接続部と、を接続し、且つ第４外部接続部に接続される第４配線が形成されていることを特徴とする。
【０００８】
本適用例のセンサー素子によれば、α，β，γ各方向の力を検出する検出電極と接地電極（ＧＤＮ電極）の一部を、圧電基板の外形部にγ方向の方向視で重なるように配置することによって、検出電極および接地電極から外部接続部までの配線をセンサー素子外周に、例えば導電性を有する塗料の塗布あるいはＰＶＤ法、ＣＶＤ法により被膜を形成することによって、容易に電気的な接続が可能となり、配線コードを配置するための空間（スペース）を確保しなくてもよいため、小型の力検出装置を形成できるセンサー素子を得ることができる。
【０００９】
〔適用例２〕上述の適用例において、前記第１〜３圧電基板は、前記γ軸の方向視において突起部を備え、前記第１〜６接続部が前記突起部の外形部の少なくとも一部と重なることを特徴とする。
【００１０】
上述の適用例によれば、突起部において第１〜４配線を形成することによって、圧電基板の突起部を除く基板基部の全面に各電極が形成できる、もしくは電極を接触させることができるため、圧電基板が発生する電荷の検出ロスを減少することができる。従って、力検出の精度をより高めることができる。
【００１１】
〔適用例３〕上述の適用例において、前記第１〜３圧電基板は、水晶から形成され、前記第１，２圧電基板はＹカット基板であり、前記第３圧電基板はＸカット基板であることを特徴とする。
【００１２】
上述の適用例によれば、水晶は、入手が容易で加工性に優れ、長期的に安定した材料であり、さらに付加された力に対して安定した電荷を発生させることができるため、信頼性に優れた力検出装置を実現するセンサー素子を得ることができる。
【００１３】
〔適用例４〕本適用例の力検出装置は、空間座標軸として、α軸と、前記α軸に直交するβ軸と、前記α軸と前記β軸とに直交するγ軸と、した場合、前記α軸と前記β軸を含む主面を有する圧電基板と、前記圧電基板の主面側に電極を設け、前記γ軸方向に積層して形成されるセンサー素子であって、前記α軸方向の力を検出する第１圧電基板の一方の主面側に第１電極と他方の主面に第２電極が設けられ、前記β軸方向の力を検出する第２圧電基板の一方の主面に第３電極と他方の主面に第４電極が設けられ、前記γ軸方向の力を検出する第３圧電基板の一方の主面に第５電極と他方の主面に第６電極が設けられ、前記第１電極および前記第２電極は、前記第１電極および前記第２電極の外形部の一部が前記第１圧電基板の前記主面の外形部の一部に重なるよう配置される前記第１電極の第１接続部と前記第２電極の第２接続部を備え、前記第１接続部と前記第２接続部とが、前記γ軸の方向視において互いに重ならないように配置され、前記第３電極および前記第４電極は、前記第３電極および前記第４電極の外形部の一部が前記第２圧電基板の前記主面の外形部の一部に重なるよう配置される前記第３電極の第３接続部と前記第４電極の第４接続部を備え、前記第３接続部と前記第４接続部とが、前記γ軸の方向視において互いに重ならないように配置され、前記第５電極および前記第６電極は、前記第５電極および前記第６電極の外形部の一部が前記第３圧電基板の前記主面の外形部の一部に重なるよう配置される前記第５電極の第５接続部と前記第６電極の第６接続部を備え、前記第５接続部と前記第６接続部とが、前記γ軸の方向視において互いに重ならないように配置され、前記第１，第２，第３圧電基板の外周部の一部に、前記第１接続部と第１外部接続部とを電気的に接続する第１配線と、前記第３接続部と第２外部接続部とを電気的に接続する第２配線と、前記第５接続部と第３外部接続部とを電気的に接続する第３配線と、が形成され、前記第２、第４および第６接続部と、を接続し、且つ第４外部接続部に接続される第４配線が形成されているセンサー素子と、前記α方向の力を演算する第１演算装置と、前記β方向の力を演算する第２演算装置と、前記γ方向の力を演算する第３演算装置と、を備え、前記第１外部接続部は前記第１演算装置と電気的に接続され、前記第２外部接続部は前記第２演算装置と電気的に接続され、前記第３外部接続部は前記第３演算装置と電気的に接続され、前記第４外部接続部は接地（ＧＮＤ）と電気的に接続されていることを特徴とする。
【００１４】
上述の適用例によれば、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る。また、α，β，γ各方向の力を検出する検出電極と接地電極（ＧＤＮ電極）の一部を、圧電基板の外形部にγ方向の方向視で重なるように配置することによって、検出電極および接地電極から外部接続部までの配線をセンサー素子外周に、例えば導電性を有する塗料の塗布あるいはＰＶＤ法、ＣＶＤ法により被膜を形成することによって、容易に電気的な接続が可能となり、配線コードを配置するための空間（スペース）を確保しなくてもよいため、小型の力検出装置を得ることができる。さらに、本適用例の力検出装置を複数用いることにより、例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。
【００１５】
〔適用例５〕上述の適用例において、前記第１〜３圧電基板は、前記γ軸の方向視において突起部を備え、前記第１〜６接続部が前記突起部の外形部の少なくとも一部と重なることを特徴とする。
【００１６】
上述の適用例によれば、突起部において第１〜４配線を形成することによって、圧電基板の突起部を除く基板基部の全面に各電極が形成できる、もしくは電極を接触させることができるため、圧電基板が発生する電荷の検出ロスを減少することができる。従って、力検出の精度がより高い力検出装置を得ることができる。
【００１７】
〔適用例６〕上述の適用例において、前記第１〜３圧電基板は、水晶から形成され、前記第１，２圧電基板はＹカット基板であり、前記第３圧電基板はＸカット基板であることを特徴とする。
【００１８】
上述の適用例によれば、水晶は、入手が容易で加工性に優れ、長期的に安定した材料であり、さらに付加された力に対して安定した電荷を発生させることができるため、信頼性に優れたセンサー素子を備える力検出装置を得ることができる。
【００１９】
〔適用例７〕上述の適用例において、前記センサー素子は、前記センサー素子を収納する収納部を備える収納容器に収納され、前記収納容器は、前記収納部に前記第１，第２，第３，第４外部接続部が延設され、前記センサー素子の前記第１，第２，第３，第４配線と前記第１，第２，第３，第４外部接続部とが電気的に接続されていることを特徴とする。
【００２０】
収納容器にセンサー素子を収納させることにより、外的負荷、例えば水分、油分、気体とセンサー素子との接触を阻止し、安定した力検出ができる力検出装置を得ることができる。
【００２１】
〔適用例８〕上述の適用例において、前記収納容器は、筒状の収納容器体と、前記収納容器体のどちらか一方の開口部に収納容器基板、他方の開口部に蓋体と、を配置し、前記収納容器体に前記収納容器基板と前記蓋体とを接合して前記収納部が形成され、少なくとも前記収納容器体および前記収納容器基板はセラミックスであることを特徴とする。
【００２２】
外部環境に対して侵されにくいセラミックスを収納容器に用いることにより、さらに長期的に安定した力検出ができる力検出装置を得ることができる。
【００２３】
〔適用例９〕本適用例のロボットは、空間座標軸として、α軸と、前記α軸に直交するβ軸と、前記α軸と前記β軸とに直交するγ軸と、した場合、前記α軸と前記β軸を含む主面を有する圧電基板と、前記圧電基板の主面側に電極を設け、前記γ軸方向に積層して形成されるセンサー素子であって、前記α軸方向の力を検出する第１圧電基板の一方の主面側に第１電極と他方の主面に第２電極が設けられ、前記β軸方向の力を検出する第２圧電基板の一方の主面に第３電極と他方の主面に第４電極が設けられ、前記γ軸方向の力を検出する第３圧電基板の一方の主面に第５電極と他方の主面に第６電極が設けられ、前記第１電極および前記第２電極は、前記第１電極および前記第２電極の外形部の一部が前記第１圧電基板の前記主面の外形部の一部に重なるよう配置される前記第１電極の第１接続部と前記第２電極の第２接続部を備え、前記第１接続部と前記第２接続部とが、前記γ軸の方向視において互いに重ならないように配置され、前記第３電極および前記第４電極は、前記第３電極および前記第４電極の外形部の一部が前記第２圧電基板の前記主面の外形部の一部に重なるよう配置される前記第３電極の第３接続部と前記第４電極の第４接続部を備え、前記第３接続部と前記第４接続部とが、前記γ軸の方向視において互いに重ならないように配置され、前記第５電極および前記第６電極は、前記第５電極および前記第６電極の外形部の一部が前記第３圧電基板の前記主面の外形部の一部に重なるよう配置される前記第５電極の第５接続部と前記第６電極の第６接続部を備え、前記第５接続部と前記第６接続部とが、前記γ軸の方向視において互いに重ならないように配置され、前記第１，第２，第３圧電基板の外周部の一部に、前記第１接続部と第１外部接続部とを電気的に接続する第１配線と、前記第３接続部と第２外部接続部とを電気的に接続する第２配線と、前記第５接続部と第３外部接続部とを電気的に接続する第３配線と、が形成され、前記第２、第４および第６接続部と、を接続し、且つ第４外部接続部に接続される第４配線が形成されているセンサー素子と、前記α方向の力を演算する第１演算装置と、前記β方向の力を演算する第２演算装置と、前記γ方向の力を演算する第３演算装置と、を備え、前記第１外部接続部は前記第１演算装置と電気的に接続され、前記第２外部接続部は前記第２演算装置と電気的に接続され、前記第３外部接続部は前記第３演算装置と電気的に接続され、前記第４外部接続部は接地（ＧＮＤ）と電気的に接続されている力検出装置を備えることを特徴とする。
【００２４】
本適用例によれば、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、対象物への接触力の検出を、力検出装置によって確実に検出し、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、安全で細かな作業が可能なロボットを得ることができる。
【００２５】
〔適用例１０〕上述の適用例において、前記第１〜３圧電基板は、前記γ軸の方向視において突起部を備え、前記第１〜６接続部が前記突起部の外形部の少なくとも一部と重なることを特徴とする。
【００２６】
上述の適用例によれば、突起部において第１〜４配線を形成することによって、圧電基板の突起部を除く基板基部の全面に各電極が形成できる、もしくは電極を接触させることができるため、圧電基板が発生する電荷の検出ロスを減少することができる。従って、力検出の精度が高い力検出装置を備える信頼性、安全性の高いロボットを得ることができる。
【００２７】
〔適用例１１〕上述の適用例において、前記第１〜３圧電基板は、水晶から形成され、前記第１，２圧電基板はＹカット基板であり、前記第３圧電基板はＸカット基板であることを特徴とする。
【００２８】
上述の適用例によれば、水晶は、入手が容易で加工性に優れ、長期的に安定した材料であり、さらに付加された力に対して安定した電荷を発生させることができるため、信頼性に優れたセンサー素子を備える力検出装置によって、信頼性、安全性の高いロボットを得ることができる。
【００２９】
〔適用例１２〕上述の適用例において、前記センサー素子は、前記センサー素子を収納する収納部を備える収納容器に収納され、前記収納容器は、前記収納部に前記第１，第２，第３，第４外部接続部が延設され、前記センサー素子の前記第１，第２，第３，第４配線と前記第１，第２，第３，第４外部接続部とが電気的に接続されていることを特徴とする。
【００３０】
上述の適用例によれば、収納容器にセンサー素子を収納することによって、ロボットがセンサー素子に対して劣化などを誘発する水分、油分、ガスなどの存在する環境に設置された場合であっても、センサー素子を外部環境から保護することができるため、センサー素子を収納した力検出装置の信頼性を長期に亘って維持することができ、信頼性、安全性の高いロボットを得ることができる。
【００３１】
〔適用例１３〕上述の適用例において、前記収納容器は、筒状の収納容器体と、前記収納容器体のどちらか一方の開口部に収納容器基板、他方の開口部に蓋体と、を配置し、前記収納容器体に前記収納容器基板と前記蓋体とを接合して前記収納部が形成され、少なくとも前記収納容器体および前記収納容器基板はセラミックスであることを特徴とする。
【００３２】
上述の適用例によれば、より過酷な外部環境に対しても劣化することが少ないセラミックスの収納容器とすることにより、さらに信頼性、安全性の高いロボットを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】第１実施形態に係るセンサー素子の、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図。
【図２】第１実施形態に係るセンサー素子の配置を示す、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は水晶基板の結晶軸方向を示す構成図。
【図３】図２（ａ）に示すセンサー素子の、（ａ）はα方向の組立断面図、（ｂ）はβ方向の組立断面図。
【図４】第２実施形態に係るセンサー素子の、（ａ）は圧電基板の平面図、（ｂ）は電極の平面図。
【図５】第２実施形態に係るセンサー素子の配置を示す分解斜視図。
【図６】第３実施形態に係るセンサー素子の断面図。
【図７】センサー素子を構成する圧電基板および電極のその他の形態を示す斜視図および断面図。
【図８】第４実施形態に係る力検出装置を示す構成図。
【図９】第４実施形態に係る力検出装置のその他の形態を示す断面図。
【図１０】第４実施形態に係る力検出装置を用いた６軸力検出装置の、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図。
【図１１】第５実施形態に係るロボットを示す外観図。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。
【００３５】
（第１実施形態）
図１は第１実施形態に係るセンサー素子を示す、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。図１（ｂ）に示すＰ−Ｐ´部の断面の図１（ａ）に示すように、本実施形態に係るセンサー素子１００は、図示するγ方向に圧電基板としての水晶基板、すなわち 第１圧電基板としての第１水晶基板１１と第２水晶基板１２、第２圧電基板としての第３水晶基板１３と第４水晶基板１４、第３圧電基板としての第５水晶基板１５と第６水晶基板１６、とが積層されている。また、第１水晶基板１１の一方の主面１１ａ側には第１電極としての第１検出電極２１と、他方の主面１１ｂ側には第２電極としての接地電極（以下、ＧＮＤ電極という）３１が設けられ、第２水晶基板１２の一方の主面１２ａ側には第１水晶基板１１と共用される第１電極としての第１検出電極２１と、他方の主面１２ｂ側には第２電極としての第２ＧＮＤ電極３２が設けられている。
【００３６】
第３水晶基板１３の一方の主面１３ａ側には第３電極としての第２検出電極２２と、他方の主面１３ｂ側には第４電極として第２水晶基板１２の第２ＧＮＤ電極３２が共有されて設けられ、第４水晶基板１４の一方の主面１４ａ側には第３水晶基板１３と共用される第３電極としての第２検出電極２２と、他方の主面１４ｂ側には第４電極としての第３ＧＮＤ電極３３が設けられている。第５水晶基板１５の一方の主面１５ａ側には第５電極としての第３検出電極２３と、他方の主面１５ｂ側には第６電極として第４水晶基板１４の第３ＧＮＤ電極３３が共有されて設けられ、第６水晶基板１６の一方の主面１６ａ側には第５水晶基板１５と共用される第５電極としての第３検出電極２３と、他方の主面１６ｂ側には第６電極としての第４ＧＮＤ電極３４が設けられている。
【００３７】
積層された水晶基板１１，１２，１３，１４，１５，１６の外周辺部には、γ方向に延在させて、第１検出電極２１と後述する第１外部接続部２３０ａとを電気的に接続する第１配線４１と、第２検出電極２２と後述する第２外部接続部２３０ｂとを電気的に接続する第２配線４２と、第３検出電極２３と後述する第３外部接続部２３０ｃとを電気的に接続する第３配線４３と、ＧＮＤ電極３１，３２，３３，３４と後述する第４外部接続部２３０ｄとを電気的に接続する第４配線４４と、が形成されている。なお、外部接続部２３０ａ，２３０ｂ，２３０ｃ，２３０ｄの詳細は後述する。
【００３８】
図２（ａ）は、図１に示すセンサー素子１００の配置を説明する分解斜視図であり、図２（ａ）を用いて水晶基板１１，１２，１３，１４，１５，１６と、検出電極２１，２２，２３とＧＮＤ電極３１，３２，３３，３４と、の配置について説明する。第１水晶基板１１の他方の主面１１ｂ側に設けられた第１ＧＮＤ電極３１は、第１接続部としてのα（−）方向の外形面３１ａが第１水晶基板１１のα（−）方向の外形面１１ｃを含む仮想面Ｑの位置になるように配置される。仮想面Ｑは、他の水晶基板１２，１３，１４，１５，１６のα（−）方向の外形面１２ｃ，１３ｃ，１４ｃ，１５ｃ，１６ｃが含まれる仮想面である。そして、他のＧＮＤ電極３２，３３，３４も第１ＧＮＤ電極３１と同様に、α（−）方向の外形面３２ａ，３３ａ，３４ａが仮想面Ｑの位置になるように配置される。すなわち、γ方向の方向視において、水晶基板１１，１２，１３，１４，１５，１６の外形面１１ｃ，１２ｃ，１３ｃ，１４ｃ，１５ｃ，１６ｃと、ＧＮＤ電極３１，３２，３３，３４の外形面３１ａ、３２ａ，３３ａ，３４ａと、が面Ｑに沿ってγ方向の方向視において重なるように配置されている。
【００３９】
第１圧電基板としての第１水晶基板１１と第２水晶基板１２との間には、第１電極としての第１検出電極２１が配置されている。第１検出電極２１は、第２電極としてのＧＮＤ電極３１，３２が位置を合わせて配置される水晶基板１１，１２の外形面１１ｃ，１２ｃ（仮想面Ｑに沿った面）とは異なる面、本実施形態ではα（＋）方向の外形面１１ｄ，１２ｄと、第１検出電極２１のα（＋）方向の外形面２１ａと、がγ方向の方向視において重なるように配置される。
【００４０】
また、第２圧電基板としての第３水晶基板１３と第４水晶基板１４との間には、第３電極としての第２検出電極２２が配置されている。第２検出電極２２は、第４電極としてのＧＮＤ電極３２，３３が位置を合わせて配置される水晶基板１３，１４の外形面１３ｃ，１４ｃ（仮想面Ｑに沿った面）と、第１検出電極２１の外形面２１ａが配置されるα（＋）方向と、は異なる方向の面、本実施形態ではβ（＋）方向の外形面１３ｄ，１４ｄと、第２検出電極２２のα（＋）方向の外形面２２ａと、がγ方向の方向視において重なるように配置される。
【００４１】
そして、第３圧電基板としての第５水晶基板１５と第６水晶基板１６との間には、第５電極としての第３検出電極２３が配置されている。第３検出電極２３は、第６電極としてのＧＮＤ電極３３，３４が位置を合わせて配置される水晶基板１５，１６の外形面１５ｃ，１６ｃ（仮想面Ｑに沿った面）と、第１検出電極２１の外形面２１ａが配置されるα（＋）方向と、第２検出電極２２の外形面２２ａが配置されるβ（＋）方向と、は異なる面、本実施形態ではβ（−）方向の外形面１５ｄ，１６ｄと、第３検出電極２３のβ（−）方向の外形面２３ａと、がγ方向の方向視において重なるように配置される。
【００４２】
図３（ａ）は図２（ａ）に示すα軸方向の断面模式図、図３（ｂ）は図２（ａ）に示すβ軸方向の断面模式図である。図３（ａ）に示すように、水晶基板１１，１２，１３，１４，１５，１６のα（−）方向の外形面１１ｃ，１２ｃ，１３ｃ，１４ｃ，１５ｃ，１６ｃと、ＧＮＤ電極３１，３２，３３，３４のα（−）方向の外形面３１ａ、３２ａ，３３ａ，３４ａと、が仮想面Ｑに沿って配置されている。また、これらＧＮＤ電極３１，３２，３３，３４の外形面３１ａ、３２ａ，３３ａ，３４ａが電気的に接続され第４外部接続部２３０ｄに接続される領域まで第４配線４４が形成されている。
【００４３】
また、図３（ａ）に示すように、第１水晶基板１１と第２水晶基板１２のα（＋）方向の外形面１１ｄ、１２ｄと、第１電極としての第１検出電極２１のα（＋）方向の外形面２１ａと、がγ方向の方向視において重なるように配置される。そして、第１検出電極２１の外形面２１ａと電気的に接続され、第１外部接続部２３０ａに接続される領域まで第１配線４１が形成されている。
【００４４】
図３（ｂ）に示す、図２（ａ）のβ軸方向断面図には第５水晶基板１５と第６水晶基板１６のβ（−）方向の外形面１５ｄ，１６ｄと、第３電極としての第３検出電極２３のβ（−）方向の外形面２３ａと、がγ方向の方向視において重なるように配置される。そして、第３検出電極２３の外形面２３ａと電気的に接続され、第３外部接続部２３０ｃに接続される領域まで第３配線４３が形成されている。そして、第３水晶基板１３と第４水晶基板１４のβ（＋）方向の外形面１３ｄ，１４ｄと、第２電極としての第２検出電極２２のβ（＋）方向の外形面２２ａと、がγ方向の方向視において重なるように配置される。そして、第２検出電極２２の外形面２２ａと電気的に接続され、第２外部接続部２３０ｂに接続される領域まで第２配線４２が形成されている。
【００４５】
図２（ｂ）には、図２（ａ）に示す水晶基板１１，１２，１３，１４，１５，１６の配置において、各水晶基板の結晶軸方向を示している。ここで、水晶基板の結晶軸のＸ軸は電気軸、Ｙ軸は機械軸、そしてＺ軸は光軸を示している。図２（ｂ）に示すように第１水晶基板１１と第２水晶基板１２は、いわゆるＹカット基板といわれる主面にＸ軸とＺ軸を含む基板により形成され、第１水晶基板１１と第２水晶基板１２とは互いに各結晶軸方向が逆方向となるように組み合わされている。これによりＸ軸方向に掛かる力、すなわちα軸方向の力を検出することができる。第３水晶基板１３と第４水晶基板１４も、Ｙカット基板を用い、第１水晶基板１１と第２水晶基板１２の配置に対してγ軸回りに９０度回転させた方向に配置され、Ｘ軸方向となるβ軸方向の力を検出することができる。また、第５水晶基板１５と第６水晶基板１６とは、主面にＹ軸とＺ軸を含むＸカット基板により形成され、第５水晶基板１５と第６水晶基板１６とは互いに各結晶軸方向が逆方向となるように組み合わされている。これによりＸ軸方向に掛かる力、すなわちγ軸方向の力を検出することができる。
【００４６】
このように、第１水晶基板１１と第２水晶基板１２にはα軸方向の力がかかることによって電荷が発生し、第１水晶基板１１と第２水晶基板１２とにより挟持される第１検出電極２１には発生した電荷に応じて電荷が励起され、その励起された電荷量を後述する演算装置によって力を演算する。同様に、第３水晶基板１３と第４水晶基板１４とにより検出されるβ軸方向の力は第２検出電極２２により検出される電荷量によって演算され、第５水晶基板１５と第６水晶基板１６とにより検出されるγ軸方向の力は第３検出電極２３により検出される電荷量によって演算される。
【００４７】
上述したように、ＧＮＤ電極３１，３２，３３，３４は水晶基板１１，１２，１３，１４，１５，１６の外形面１１ｃ，１２ｃ，１３ｃ，１４ｃ，１５ｃ，１６ｃの外形面に沿わせて形成した第４配線４４によって、容易に接続され、且つ外部接続部２３０ｄへ電気的に接続される。第４配線４４は、検出電極２１，２２，２３のα（−）方向の外形面は水晶基板１１，１２，１３，１４，１５，１６の外形面１１ｃ，１２ｃ，１３ｃ，１４ｃ，１５ｃ，１６ｃより内側に離間して形成されるため、検出電極２１，２２，２３との電気的な接触を回避することができる。
【００４８】
第１配線４１も水晶基板１１，１２，１３，１４，１５，１６のα（＋）方向の外形面に沿わせて形成されているが、検出電極２２，２３のα（＋）方向の外形面は水晶基板１１，１２，１３，１４，１５，１６のα（＋）方向の外形面より内側に離間して形成される。そのため、検出電極２２，２３との電気的な接触を回避して外部接続部２３０ａへ接続可能な第１配線４１を形成することができる。また、第２配線４２も水晶基板１３，１４，１５，１６のβ（＋）方向の外形面に沿わせて形成されているが、第３検出電極２３のβ（＋）方向の外形面は水晶基板１３，１４，１５，１６のβ（＋）方向の外形面より内側に離間して形成される。そのため、第３検出電極２３との電気的な接触を回避して外部接続部２３０ｂへ接続可能な第２配線４２を形成することができる。
【００４９】
（第２実施形態）
図４は第２実施形態に係るセンサー素子を示す。第２実施形態に係るセンサー素子１１０は第１実施形態に係るセンサー素子１００と比較して、水晶基板１１，１２，１３，１４、検出電極２１，２２，２３、ＧＮＤ電極３１，３２，３３，３４の形状が異なり、その他の構成はほぼ同じであるので、同じ構成には同じ符号を付し詳細な説明は省略する。
【００５０】
図４（ａ）は、第２実施形態に係るセンサー素子１１０を構成する圧電基板としての水晶基板１Ａの平面図、図４（ｂ）は第１電極としての検出電極２Ａ、および第２電極としてのＧＮＤ電極３Ａの平面図、を示す。図４（ａ）に示す水晶基板１Ａは、基板基部１Ａａと、基板基部１Ａａの外形に基板突起部１Ａｂが形成されており、本実施形態では基板突起部１Ａｂは４か所形成されている。
【００５１】
図４（ｂ）に示す検出電極２ＡまたはＧＮＤ電極３Ａは、検出電極基部２ＡａまたはＧＮＤ電極基部３Ａａと、検出電極基部２ＡａまたはＧＮＤ電極基部３Ａａの外形に検出電極突起部２ＡｂまたはＧＮＤ電極突起部３Ａｂが形成されている。検出電極突起部２ＡｂまたはＧＮＤ電極突起部３Ａｂは、本実施形態では１か所形成されている。図４（ａ）に示す水晶基板１Ａと図４（ｂ）に示す検出電極２ＡおよびＧＮＤ電極３Ａは、図５に示すように、第１実施形態に係るセンサー素子１００と同様に、γ方向に積層されセンサー素子１１０が形成されている。なお、図５は、第１実施形態に係るセンサー素子１００の組立斜視図である図２に相当する、センサー素子１１０の組立分解斜視図である。
【００５２】
図５に示すように、センサー素子１１０は、水晶基板１Ａの形状の基板を図２に示す結晶軸方向に沿って第１水晶基板１１Ａ、第２水晶基板１２Ａと順に第６水晶基板１６Ａと積層される。ＧＮＤ電極３Ａの形状の電極はＧＮＤ電極突起部３Ａｂの組込方向を、本実施形態ではα（−）方向の線Ｌ４に合わせて、第１水晶基板１１Ａの図示上側に第１ＧＮＤ電極３１Ａ、第２水晶基板１２Ａと第３水晶基板１３Ａとの間に第２ＧＮＤ電極３２Ａ、第４水晶基板１４Ａと第５水晶基板１５Ａとの間に第３ＧＮＤ電極３３Ａ、そして第６水晶基板１６Ａの図示下側に第４ＧＮＤ電極３４Ａと積層される。
【００５３】
検出電極２Ａは、α，β，γ方向の力を検出する水晶基板１Ａに挟まれるように積層され、各々の検出電極突起部２Ａｂの積層方向がγ方向の方向視において重ならないように配置される。すなわち図５に示すように、α方向の力を検出する第１水晶基板１１Ａと第２水晶基板１２Ａとの間には第１検出電極２１Ａが配置され、電極突起部はα（＋）方向の線Ｌ１に沿って積層される。β方向の力を検出する第３水晶基板１３Ａと第４水晶基板１４Ａとの間には第２検出電極２２Ａが配置され、電極突起部はβ（＋）方向の線Ｌ２に沿って積層される。γ方向の力を検出する第５水晶基板１５Ａと第６水晶基板１６Ａとの間には第３検出電極２３Ａが配置され、電極突起部はβ（−）方向の線Ｌ３に沿って積層される。
【００５４】
このように配置され、各電極突起部は配線４１，４２，４３，４４によって電気的な接続が行われる。すなわち図５において図示されない第１配線４１は、線Ｌ１に沿って形成され、第２配線４２は線Ｌ２，第３配線４３は線Ｌ３，そして第４配線４４は線Ｌ４に沿って配線が形成される。この時、図４（ｂ）に示すように、配線４１，４２，４３，４４は、検出電極突起部２ＡｂあるいはＧＮＤ電極突起部３Ａｂの外形部に沿って形成、配置されるが、配線４１，４２，４３，４４の端部４１ａ，４２ａ，４３ａ，４４ａは、電極基部２Ａａ，３Ａａと離間させて隙δを確保して形成される。このように配線４１，４２，４３，４４を形成することにより、配線４１，４２，４３，４４がγ方向に延設される際の各電極間での短絡を防止する。
【００５５】
上述した第１実施形態に係るセンサー素子１００、および第２実施形態に係るセンサー素子１１０において、ＧＮＤ電極および検出電極の形態は、図示されるような板状の電極板の形態に限定されない。例えば、水晶基板の主面上にＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｗなどの導電性金属を蒸着法、スパッタリング法などにより形成された電極膜であっても良い。また、配線４１，４２，４３，４４は、例えば導電性ペーストを塗布して形成しても良く、センサー素子１００，１１０の水晶基板と各電極との間を固着させ、配線４１，４２，４３，４４の形成領域にＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｗなどの導電性金属を蒸着法、スパッタリング法などにより形成された配線膜であっても良い。
【００５６】
（第３実施形態）
図６は第３実施形態に係るセンサー素子の断面図である。第３実施形態に係るセンサー素子１２０は、第１実施形態に係るセンサー素子１００の、α，β，γ方向の力はそれぞれ２枚の圧電基板としての水晶基板、すなわち６枚の水晶基板を用いた形態に対して、α，β，γ方向の力をそれぞれ１枚の水晶基板、すなわち３枚の水晶基板を用いた点で異なる。したがって、第３実施形態に係るセンサー素子１２０の説明は、第１実施形態に係るセンサー素子１００と同じ構成についての説明は省略し、同一の構成には同じ符号を付して説明する。
【００５７】
図６に示すセンサー素子１２０は、第１圧電基板としての第１水晶基板１１Ｂ、第２圧電基板としての第２水晶基板１２Ｂ、第３圧電基板としての第３水晶基板１３Ｂ、とを用い、各水晶基板１１Ｂ，１２Ｂ，１３Ｂに対して、次のように電極が配置されている。
【００５８】
第１水晶基板１１Ｂには、第１電極としての第１検出電極２１Ｂが第１水晶基板１１Ｂの一方の主面、本実施形態を示す図６では第１水晶基板１１Ｂの図示上側、に配置され、第１水晶基板１１Ｂの他の主面には第２電極としての第１ＧＮＤ電極３１Ｂが配置されている。第２水晶基板１２Ｂの第１水晶基板１１Ｂ側には、第４電極として第１ＧＮＤ電極３１Ｂが第１水晶基板１１Ｂと共有されて配置され、第１水晶基板１１Ｂと第２水晶基板１２Ｂとにより挟持される。また第２水晶基板１２Ｂの第１水晶基板１１Ｂ側の敗退側には第３電極としての第２検出電極２２Ｂが配置される。
【００５９】
第３水晶基板１３Ｂには、本実施形態の図６の例では、第２水晶基板１２Ｂ側（図示上側）の主面側に第６電極としての第２ＧＮＤ電極３２Ｂが配置され、他方の主面側（図示下側）には第３検出電極２３Ｂが配置されている。ここで、第２水晶基板１２Ｂの第２検出電極２２Ｂと第３水晶基板１３Ｂの第２ＧＮＤ電極３２Ｂとの間は、第２検出電極２２Ｂと第２ＧＮＤ電極３２Ｂとの電気的な短絡を防止するために非導電性の絶縁部５０が配置されている。絶縁部５０は非導電性を備え、センサー素子１２０に掛かる力を緩和する弾性を備えない材料で形成されることが好ましい。例えば、セラミックスなどの非導電性の高剛性材料や、成膜技術により形成される非導電性被膜の例えばＳｉＯ2，ＴｉＮ，Ａｌ2Ｏ3、などが好適に用いられる。
【００６０】
このように構成されるセンサー素子１２０では、第１水晶基板１１Ｂおよび第２水晶基板１２ＢはＹカットの水晶基板から形成され、γ軸周りに９０度回転位置をずらせてα方向とβ方向の力を検出することができ、第３水晶基板１３ＢはＸカットの水晶基板彼形成されγ方向の力を検出することができる。
【００６１】
なお、検出電極およびＧＮＤ電極の配置は、図６に示す上述の形態に限定されず、少なくとも、電極同士が接触する部位には絶縁部５０が配置されれば良い。また、第１実施形態に係るセンサー素子１００を構成する、２個の水晶基板を用いて一方向を検出する形態との組合わせであっても良い。
【００６２】
上述したセンサー素子１００，１１０，１２０について、センサー素子１００，１１０，１２０を構成する圧電基板および電極の平面形状は、上述の形態に限定されず、図７に例示するような形状であっても良い。図７（ａ）は、円形外形を有する圧電基板１０Ｃと検出電極２０ＣもしくはＧＮＤ電極３０Ｃの斜視図およびＲ−Ｒ´部の断面図、図７（ｂ）は基板基部１０Ｄａが円形外形であり、基板基部１０Ｄａの外形に基板突起１０Ｄｂを備える圧電基板１０Ｄと、検出電極２０ＤもしくはＧＮＤ電極３０Ｄの斜視図およびＳ−Ｓ´，−Ｓ´´，−Ｓ´´´部の断面図、である。図７（ａ）に示す圧電基板１０Ｃは外形をほぼ円形に形成されている。この圧電基板１０Ｃに組み合わされる検出電極２０ＣもしくはＧＮＤ電極３０Ｃも外形がほぼ円形に形成されている。この場合、検出電極２０ＣもしくはＧＮＤ電極３０Ｃの配線によって接続される接続部２０Ｃａもしくは３０Ｃａは圧電基板１０Ｃの外形と重なるように形成され、その他の部分は図７（ａ）のＲ´方向の断面で示すように検出電極２０ＣもしくはＧＮＤ電極３０Ｃの外形が圧電基板１０Ｃの外形より内側となるように形成されている。
【００６３】
図７（ｂ）に示す圧電基板１０Ｄは、ほぼ円形の外形を備える基板基部１０Ｄａと、基板基部１０Ｄａの外周に基板突起１０Ｄｂを備えている。この圧電基板１０Ｄに組み合わされる検出電極２０ＤもしくはＧＮＤ電極３０Ｄは、基板基部１０Ｄａとほぼ同じ形状の検出電極基部２０ＤａもしくはＧＮＤ電極基部３０Ｄａを備え、検出電極基部２０ＤａもしくはＧＮＤ電極基部３０Ｄａの外形部に少なくとも１か所の検出電極突起部２０ＤｂもしくはＧＮＤ電極突起部３０Ｄｂを備えている。検出電極突起部２０ＤｂもしくはＧＮＤ電極突起部３０Ｄｂは、基板突起１０Ｄｂのいずれかと合わせて積層され、検出電極突起部２０ＤｂもしくはＧＮＤ電極突起部３０Ｄｂに接続される配線が形成される。配線の接続方法は第２実施形態と同じであるので詳細な説明は省略する。センサー素子として構成される圧電基板および電極は、図７（ａ），（ｂ）に示す形状にも限定されないが、少なくとも圧電基板の外形の一部に、外形の一部が重なるように形成された電極を有するように形成されれば良い。
【００６４】
（第４実施形態）
図８は第４実施形態に係る力検出装置１０００を示す概略断面図である。図８に示すように、力検出装置１０００は、上述のセンサー素子１００，１１０，１２０のいずれかであって、本実施形態ではセンサー素子１００が、容器２００（以下、パッケージ２００という）に収納され、パッケージ２００に形成された外部接続部２３０を介して演算装置５００に電気的な接続がされている。パッケージ２００は、セラミックスにより形成される第１パッケージ基板２１０と、セラミックスにより形成され枠状に形成された第２パッケージ基板２２０と、が公知の接合方法によって接合され、形成された収納空間にセンサー素子１００を収納し、第２パッケージ基板２２０の第１パッケージ基板２１０との接合部とは反対の開口部を、金属製の蓋２４０によって第２パッケージ基板２２０の蓋接合面２２０ａ部に公知の接合方法によって、好ましくは気密に接合される。
【００６５】
このように気密に保持されたパッケージ２００の内部にセンサー素子１００を収納することによって、外部環境の影響、例えば液体の水あるいは油などのセンサー素子１００の収納部への浸入を阻止し、センサー素子１００の耐久性を長期に亘って維持させることができる。さらには、第２パッケージ基板２２０と、第１パッケージ基板２１０および蓋２４０の接合部の気密性を高くすることにより、腐食性のガスの浸入、水蒸気の浸入、など基体の浸入を阻止することができ、より長期間に亘ってセンサー素子１００の耐久性を維持させることができる。なお、セラミックスのパッケージ２００の他に樹脂によりセンサー素子１００をモールド（被覆）することでも、センサー素子１００を気密に保持することができる。
【００６６】
蓋２４０は、第２パッケージ基板２２０に接合された状態において、センサー素子１００を、センサー素子１００の基板および電極の積層方向に所定の圧力で押圧するように、弾性を備える金属によって形成されることが好ましい。例えばステンレス、チタン合金、アルミ合金、など耐食性にも優れた金属であることがなお好ましい。
【００６７】
第１パッケージ基板２１０には、接続電極として外部接続部２３０が形成されている。外部接続部２３０は、パッケージ２００の内部に収納されたセンサー素子１００に形成された配線４１，４２，４３，４４と電気的に接続し、演算装置５００に接続する接続配線６００と電気的に接続されるように形成されている。外部接続部２３０は第１パッケージ基板２１０に導電性材料、例えばＡｕ，Ｗ，Ａｇ，Ｃｕなどの金属材料の場合はスパッタリング法、蒸着法、あるいはＣＶＤなどの方法によって成膜形成され、導電性ペーストなどの有機材料の場合には印刷、塗布などの方法によって形成される。
【００６８】
上述したように蓋２４０によってセンサー素子１００は第１パッケージ基板２１０に押圧され、センサー素子１００に形成された第１配線４１は第１外部接続部２３０ａと、第２配線４２は第２外部接続部２３０ｂと、第３配線４３は第３外部接続部２３０ｃと、第４配線４４は第４外部配線部２３０ｄと、接続される。そして、第１配線４１に接続された第１検出電極２１はα方向演算装置５１０に、第２配線４２に接続された第２検出電極２２はβ方向演算装置５２０に、第３配線４３に接続された第３検出電極２３はγ方向演算装置５３０に、第４配線４４に接続されたＧＮＤ電極３１，３２，３３，３４はＧＮＤ５４０に、接続される（図１〜３参照）。そして、上述の力検出装置１０００は、図示しない被検出装置の基台３１０，３２０によって挟持され、押圧固定される。演算装置５００には検出電極２１，２２，２３の電荷を変換するＱＶアンプを備え、基台３１０，３２０を介して披検出装置に掛かる力を検出、演算する。
【００６９】
力検出装置１０００を絶縁体であるセラミックスを用いたパッケージ２００によって構成することにより、パッケージ２００の内部に容易に接続電極としての接続部を形成することができる。さらに、第４実施形態のその他の例として図９に示すパッケージ２０１のように、第２パッケージ基板２２１の第１パッケージ基板２１０接続部に隣接して電極形成部２２１ａと配線４１，４２，４３，４４と側面部で接続可能となる電極２３１を形成することにより、さらに電気的な接続面積を大きくすることができ、接続の信頼性、安定性をより高めることができる。
【００７０】
また、本実施形態に係る力検出装置１０００は、上述の実施形態に係るセンサー素子１００，１１０，１２０をパッケージ２００もしくはパッケージ２０１に収納させることにより、取扱がし易く、小型にすることができため、ロボットなどの取り付けスペースが狭小な装置であっても容易に設置が可能となる。
【００７１】
図１０は、第４実施形態に係る力検出装置１０００を用い、トルク検出を可能とする６軸力検出装置２０００の概略を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＴ−Ｔ´部の断面図である。図１０（ａ），（ｂ）に示すように６軸力検出装置２０００は基台３１１，３２１によって、力検出装置１０００を４個固定した構成となっている。この６軸力検出装置２０００の形態とすることによって、配置された４個の力検出装置１０００の装置間の距離と、各力検出装置１０００によって得られる力と、によりα軸、β軸、およびγ軸の各軸回りのトルクを求めることが可能となる。
【００７２】
（第５実施形態）
図１１は、第３実施形態に係る力検出装置１０００、もしくは６軸力検出装置２０００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、例えば床、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などが内蔵されている。
【００７３】
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、動作する。
【００７４】
アーム部３２００の第５フレーム３２５０のうち、第４フレーム３２４０との接続部の他方の側には、ロボットハンド部３３００が取り付けられている。ロボットハンド部３３００は、対象物を把持することが可能なロボットハンド３３１０と、ロボットハンド３３１０を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と、を備え、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。
【００７５】
ロボットハンド接続部３３２０には、モーターに加えて第３実施形態に係る力検出装置１０００または６軸力検出装置２０００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または６軸力検出装置２０００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て、回避行動を実行させることができる。
【００７６】
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。なお、本実施形態に限定されず、例えば双腕ロボットにも適用することができる。
【符号の説明】
【００７７】
１１，１２，１３，１３，１４，１５，１６…圧電基板（水晶基板）、２１，２２，２３…検出電極、３１，３２，３３，３４…接地電極（ＧＮＤ電極）、４１，４２，４３，４４…配線、１００…センサー素子、２３０…外部接続部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサー素子、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、測定素子に力が掛かり結晶円板に発生した電荷によって励起されて信号電極１５に発生する電荷量から力を演算するための演算装置には、信号電極１５に電荷取り出しのための配線を接続し、演算装置までその配線を引き回さなければならない。そのために、力検出装置には配線を配置させるためのスペースを確保しなければならず、小型化が困難であった。
【０００５】
そこで、力検出装置に用いるセンサー素子の側面に配線層を形成することによって、配線スペースを小さくし、小型の力検出装置を提供する。
【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素子は、空間座標軸として、α軸と、前記α軸に直交するβ軸と、前記α軸と前記β軸とに直交するγ軸と、した場合、前記α軸と前記β軸を含む主面を有する圧電基板と、前記圧電基板の主面側に電極を設け、前記γ軸方向に積層して形成されるセンサー素子であって、前記α軸方向の力を検出する第１圧電基板の一方の主面側に第１電極と他方の主面に第２電極が設けられ、前記β軸方向の力を検出する第２圧電基板の一方の主面に第３電極と他方の主面に第４電極が設けられ、前記γ軸方向の力を検出する第３圧電基板の一方の主面に第５電極と他方の主面に第６電極が設けられ、前記第１電極および前記第２電極は、前記第１電極および前記第２電極の外形部の一部が前記第１圧電基板の前記主面の外形部の一部に重なるよう配置される前記第１電極の第１接続部と前記第２電極の第２接続部を備え、前記第１接続部と前記第２接続部とが、前記γ軸の方向視において互いに重ならないように配置され、前記第３電極および前記第４電極は、前記第３電極および前記第４電極の外形部の一部が前記第２圧電基板の前記主面の外形部の一部に重なるよう配置される前記第３電極の第３接続部と前記第４電極の第４接続部を備え、前記第３接続部と前記第４接続部とが、前記γ軸の方向視において互いに重ならないように配置され、前記第５電極および前記第６電極は、前記第５電極および前記第６電極の外形部の一部が前記第３圧電基板の前記主面の外形部の一部に重なるよう配置される前記第５電極の第５接続部と前記第６電極の第６接続部を備え、前記第５接続部と前記第６接続部とが、前記γ軸の方向視において互いに重ならないように配置され、前記第１，第２，第３圧電基板の外周部の一部に、前記第１接続部と第１外部接続部とを電気的に接続する第１配線と、前記第３接続部と第２外部接続部とを電気的に接続する第２配線と、前記第５接続部と第３外部接続部とを電気的に接続する第３配線と、が形成され、前記第２、第４および第６接続部と、を接続し、且つ第４外部接続部に接続される第４配線が形成されていることを特徴とする。
【０００８】
本適用例のセンサー素子によれば、α，β，γ各方向の力を検出する検出電極と接地電極（ＧＤＮ電極）の一部を、圧電基板の外形部にγ方向の方向視で重なるように配置することによって、検出電極および接地電極から外部接続部までの配線をセンサー素子外周に、例えば導電性を有する塗料の塗布あるいはＰＶＤ法、ＣＶＤ法により被膜を形成することによって、容易に電気的な接続が可能となり、配線コードを配置するための空間（スペース）を確保しなくてもよいため、小型の力検出装置を形成できるセンサー素子を得ることができる。
【０００９】
〔適用例２〕上述の適用例において、前記第１〜３圧電基板は、前記γ軸の方向視において突起部を備え、前記第１〜６接続部が前記突起部の外形部の少なくとも一部と重なることを特徴とする。
【００１０】
上述の適用例によれば、突起部において第１〜４配線を形成することによって、圧電基板の突起部を除く基板基部の全面に各電極が形成できる、もしくは電極を接触させることができるため、圧電基板が発生する電荷の検出ロスを減少することができる。従って、力検出の精度をより高めることができる。
【００１１】
〔適用例３〕上述の適用例において、前記第１〜３圧電基板は、水晶から形成され、前記第１，２圧電基板はＹカット基板であり、前記第３圧電基板はＸカット基板であることを特徴とする。
【００１２】
上述の適用例によれば、水晶は、入手が容易で加工性に優れ、長期的に安定した材料であり、さらに付加された力に対して安定した電荷を発生させることができるため、信頼性に優れた力検出装置を実現するセンサー素子を得ることができる。
【００１３】
〔適用例４〕本適用例の力検出装置は、空間座標軸として、α軸と、前記α軸に直交するβ軸と、前記α軸と前記β軸とに直交するγ軸と、した場合、前記α軸と前記β軸を含む主面を有する圧電基板と、前記圧電基板の主面側に電極を設け、前記γ軸方向に積層して形成されるセンサー素子であって、前記α軸方向の力を検出する第１圧電基板の一方の主面側に第１電極と他方の主面に第２電極が設けられ、前記β軸方向の力を検出する第２圧電基板の一方の主面に第３電極と他方の主面に第４電極が設けられ、前記γ軸方向の力を検出する第３圧電基板の一方の主面に第５電極と他方の主面に第６電極が設けられ、前記第１電極および前記第２電極は、前記第１電極および前記第２電極の外形部の一部が前記第１圧電基板の前記主面の外形部の一部に重なるよう配置される前記第１電極の第１接続部と前記第２電極の第２接続部を備え、前記第１接続部と前記第２接続部とが、前記γ軸の方向視において互いに重ならないように配置され、前記第３電極および前記第４電極は、前記第３電極および前記第４電極の外形部の一部が前記第２圧電基板の前記主面の外形部の一部に重なるよう配置される前記第３電極の第３接続部と前記第４電極の第４接続部を備え、前記第３接続部と前記第４接続部とが、前記γ軸の方向視において互いに重ならないように配置され、前記第５電極および前記第６電極は、前記第５電極および前記第６電極の外形部の一部が前記第３圧電基板の前記主面の外形部の一部に重なるよう配置される前記第５電極の第５接続部と前記第６電極の第６接続部を備え、前記第５接続部と前記第６接続部とが、前記γ軸の方向視において互いに重ならないように配置され、前記第１，第２，第３圧電基板の外周部の一部に、前記第１接続部と第１外部接続部とを電気的に接続する第１配線と、前記第３接続部と第２外部接続部とを電気的に接続する第２配線と、前記第５接続部と第３外部接続部とを電気的に接続する第３配線と、が形成され、前記第２、第４および第６接続部と、を接続し、且つ第４外部接続部に接続される第４配線が形成されているセンサー素子と、前記α方向の力を演算する第１演算装置と、前記β方向の力を演算する第２演算装置と、前記γ方向の力を演算する第３演算装置と、を備え、前記第１外部接続部は前記第１演算装置と電気的に接続され、前記第２外部接続部は前記第２演算装置と電気的に接続され、前記第３外部接続部は前記第３演算装置と電気的に接続され、前記第４外部接続部は接地（ＧＮＤ）と電気的に接続されていることを特徴とする。
【００１４】
上述の適用例によれば、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る。また、α，β，γ各方向の力を検出する検出電極と接地電極（ＧＤＮ電極）の一部を、圧電基板の外形部にγ方向の方向視で重なるように配置することによって、検出電極および接地電極から外部接続部までの配線をセンサー素子外周に、例えば導電性を有する塗料の塗布あるいはＰＶＤ法、ＣＶＤ法により被膜を形成することによって、容易に電気的な接続が可能となり、配線コードを配置するための空間（スペース）を確保しなくてもよいため、小型の力検出装置を得ることができる。さらに、本適用例の力検出装置を複数用いることにより、例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。
【００１５】
〔適用例５〕上述の適用例において、前記第１〜３圧電基板は、前記γ軸の方向視において突起部を備え、前記第１〜６接続部が前記突起部の外形部の少なくとも一部と重なることを特徴とする。
【００１６】
上述の適用例によれば、突起部において第１〜４配線を形成することによって、圧電基板の突起部を除く基板基部の全面に各電極が形成できる、もしくは電極を接触させることができるため、圧電基板が発生する電荷の検出ロスを減少することができる。従って、力検出の精度がより高い力検出装置を得ることができる。
【００１７】
〔適用例６〕上述の適用例において、前記第１〜３圧電基板は、水晶から形成され、前記第１，２圧電基板はＹカット基板であり、前記第３圧電基板はＸカット基板であることを特徴とする。
【００１８】
上述の適用例によれば、水晶は、入手が容易で加工性に優れ、長期的に安定した材料であり、さらに付加された力に対して安定した電荷を発生させることができるため、信頼性に優れたセンサー素子を備える力検出装置を得ることができる。
【００１９】
〔適用例７〕上述の適用例において、前記センサー素子は、前記センサー素子を収納する収納部を備える収納容器に収納され、前記収納容器は、前記収納部に前記第１，第２，第３，第４外部接続部が延設され、前記センサー素子の前記第１，第２，第３，第４配線と前記第１，第２，第３，第４外部接続部とが電気的に接続されていることを特徴とする。
【００２０】
収納容器にセンサー素子を収納させることにより、外的負荷、例えば水分、油分、気体とセンサー素子との接触を阻止し、安定した力検出ができる力検出装置を得ることができる。
【００２１】
〔適用例８〕上述の適用例において、前記収納容器は、筒状の収納容器体と、前記収納容器体のどちらか一方の開口部に収納容器基板、他方の開口部に蓋体と、を配置し、前記収納容器体に前記収納容器基板と前記蓋体とを接合して前記収納部が形成され、少なくとも前記収納容器体および前記収納容器基板はセラミックスであることを特徴とする。
【００２２】
外部環境に対して侵されにくいセラミックスを収納容器に用いることにより、さらに長期的に安定した力検出ができる力検出装置を得ることができる。
【００２３】
〔適用例９〕本適用例のロボットは、空間座標軸として、α軸と、前記α軸に直交するβ軸と、前記α軸と前記β軸とに直交するγ軸と、した場合、前記α軸と前記β軸を含む主面を有する圧電基板と、前記圧電基板の主面側に電極を設け、前記γ軸方向に積層して形成されるセンサー素子であって、前記α軸方向の力を検出する第１圧電基板の一方の主面側に第１電極と他方の主面に第２電極が設けられ、前記β軸方向の力を検出する第２圧電基板の一方の主面に第３電極と他方の主面に第４電極が設けられ、前記γ軸方向の力を検出する第３圧電基板の一方の主面に第５電極と他方の主面に第６電極が設けられ、前記第１電極および前記第２電極は、前記第１電極および前記第２電極の外形部の一部が前記第１圧電基板の前記主面の外形部の一部に重なるよう配置される前記第１電極の第１接続部と前記第２電極の第２接続部を備え、前記第１接続部と前記第２接続部とが、前記γ軸の方向視において互いに重ならないように配置され、前記第３電極および前記第４電極は、前記第３電極および前記第４電極の外形部の一部が前記第２圧電基板の前記主面の外形部の一部に重なるよう配置される前記第３電極の第３接続部と前記第４電極の第４接続部を備え、前記第３接続部と前記第４接続部とが、前記γ軸の方向視において互いに重ならないように配置され、前記第５電極および前記第６電極は、前記第５電極および前記第６電極の外形部の一部が前記第３圧電基板の前記主面の外形部の一部に重なるよう配置される前記第５電極の第５接続部と前記第６電極の第６接続部を備え、前記第５接続部と前記第６接続部とが、前記γ軸の方向視において互いに重ならないように配置され、前記第１，第２，第３圧電基板の外周部の一部に、前記第１接続部と第１外部接続部とを電気的に接続する第１配線と、前記第３接続部と第２外部接続部とを電気的に接続する第２配線と、前記第５接続部と第３外部接続部とを電気的に接続する第３配線と、が形成され、前記第２、第４および第６接続部と、を接続し、且つ第４外部接続部に接続される第４配線が形成されているセンサー素子と、前記α方向の力を演算する第１演算装置と、前記β方向の力を演算する第２演算装置と、前記γ方向の力を演算する第３演算装置と、を備え、前記第１外部接続部は前記第１演算装置と電気的に接続され、前記第２外部接続部は前記第２演算装置と電気的に接続され、前記第３外部接続部は前記第３演算装置と電気的に接続され、前記第４外部接続部は接地（ＧＮＤ）と電気的に接続されている力検出装置を備えることを特徴とする。
【００２４】
本適用例によれば、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、対象物への接触力の検出を、力検出装置によって確実に検出し、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、安全で細かな作業が可能なロボットを得ることができる。
【００２５】
〔適用例１０〕上述の適用例において、前記第１〜３圧電基板は、前記γ軸の方向視において突起部を備え、前記第１〜６接続部が前記突起部の外形部の少なくとも一部と重なることを特徴とする。
【００２６】
上述の適用例によれば、突起部において第１〜４配線を形成することによって、圧電基板の突起部を除く基板基部の全面に各電極が形成できる、もしくは電極を接触させることができるため、圧電基板が発生する電荷の検出ロスを減少することができる。従って、力検出の精度が高い力検出装置を備える信頼性、安全性の高いロボットを得ることができる。
【００２７】
〔適用例１１〕上述の適用例において、前記第１〜３圧電基板は、水晶から形成され、前記第１，２圧電基板はＹカット基板であり、前記第３圧電基板はＸカット基板であることを特徴とする。
【００２８】
上述の適用例によれば、水晶は、入手が容易で加工性に優れ、長期的に安定した材料であり、さらに付加された力に対して安定した電荷を発生させることができるため、信頼性に優れたセンサー素子を備える力検出装置によって、信頼性、安全性の高いロボットを得ることができる。
【００２９】
〔適用例１２〕上述の適用例において、前記センサー素子は、前記センサー素子を収納する収納部を備える収納容器に収納され、前記収納容器は、前記収納部に前記第１，第２，第３，第４外部接続部が延設され、前記センサー素子の前記第１，第２，第３，第４配線と前記第１，第２，第３，第４外部接続部とが電気的に接続されていることを特徴とする。
【００３０】
上述の適用例によれば、収納容器にセンサー素子を収納することによって、ロボットがセンサー素子に対して劣化などを誘発する水分、油分、ガスなどの存在する環境に設置された場合であっても、センサー素子を外部環境から保護することができるため、センサー素子を収納した力検出装置の信頼性を長期に亘って維持することができ、信頼性、安全性の高いロボットを得ることができる。
【００３１】
〔適用例１３〕上述の適用例において、前記収納容器は、筒状の収納容器体と、前記収納容器体のどちらか一方の開口部に収納容器基板、他方の開口部に蓋体と、を配置し、前記収納容器体に前記収納容器基板と前記蓋体とを接合して前記収納部が形成され、少なくとも前記収納容器体および前記収納容器基板はセラミックスであることを特徴とする。
【００３２】
上述の適用例によれば、より過酷な外部環境に対しても劣化することが少ないセラミックスの収納容器とすることにより、さらに信頼性、安全性の高いロボットを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】第１実施形態に係るセンサー素子の、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図。
【図２】第１実施形態に係るセンサー素子の配置を示す、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は水晶基板の結晶軸方向を示す構成図。
【図３】図２（ａ）に示すセンサー素子の、（ａ）はα方向の組立断面図、（ｂ）はβ方向の組立断面図。
【図４】第２実施形態に係るセンサー素子の、（ａ）は圧電基板の平面図、（ｂ）は電極の平面図。
【図５】第２実施形態に係るセンサー素子の配置を示す分解斜視図。
【図６】第３実施形態に係るセンサー素子の断面図。
【図７】センサー素子を構成する圧電基板および電極のその他の形態を示す斜視図および断面図。
【図８】第４実施形態に係る力検出装置を示す構成図。
【図９】第４実施形態に係る力検出装置のその他の形態を示す断面図。
【図１０】第４実施形態に係る力検出装置を用いた６軸力検出装置の、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図。
【図１１】第５実施形態に係るロボットを示す外観図。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。
【００３５】
（第１実施形態）
図１は第１実施形態に係るセンサー素子を示す、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。図１（ｂ）に示すＰ−Ｐ´部の断面の図１（ａ）に示すように、本実施形態に係るセンサー素子１００は、図示するγ方向に圧電基板としての水晶基板、すなわち 第１圧電基板としての第１水晶基板１１と第２水晶基板１２、第２圧電基板としての第３水晶基板１３と第４水晶基板１４、第３圧電基板としての第５水晶基板１５と第６水晶基板１６、とが積層されている。また、第１水晶基板１１の一方の主面１１ａ側には第１電極としての第１検出電極２１と、他方の主面１１ｂ側には第２電極としての接地電極（以下、ＧＮＤ電極という）３１が設けられ、第２水晶基板１２の一方の主面１２ａ側には第１水晶基板１１と共用される第１電極としての第１検出電極２１と、他方の主面１２ｂ側には第２電極としての第２ＧＮＤ電極３２が設けられている。
【００３６】
第３水晶基板１３の一方の主面１３ａ側には第３電極としての第２検出電極２２と、他方の主面１３ｂ側には第４電極として第２水晶基板１２の第２ＧＮＤ電極３２が共有されて設けられ、第４水晶基板１４の一方の主面１４ａ側には第３水晶基板１３と共用される第３電極としての第２検出電極２２と、他方の主面１４ｂ側には第４電極としての第３ＧＮＤ電極３３が設けられている。第５水晶基板１５の一方の主面１５ａ側には第５電極としての第３検出電極２３と、他方の主面１５ｂ側には第６電極として第４水晶基板１４の第３ＧＮＤ電極３３が共有されて設けられ、第６水晶基板１６の一方の主面１６ａ側には第５水晶基板１５と共用される第５電極としての第３検出電極２３と、他方の主面１６ｂ側には第６電極としての第４ＧＮＤ電極３４が設けられている。
【００３７】
積層された水晶基板１１，１２，１３，１４，１５，１６の外周辺部には、γ方向に延在させて、第１検出電極２１と後述する第１外部接続部２３０ａとを電気的に接続する第１配線４１と、第２検出電極２２と後述する第２外部接続部２３０ｂとを電気的に接続する第２配線４２と、第３検出電極２３と後述する第３外部接続部２３０ｃとを電気的に接続する第３配線４３と、ＧＮＤ電極３１，３２，３３，３４と後述する第４外部接続部２３０ｄとを電気的に接続する第４配線４４と、が形成されている。なお、外部接続部２３０ａ，２３０ｂ，２３０ｃ，２３０ｄの詳細は後述する。
【００３８】
図２（ａ）は、図１に示すセンサー素子１００の配置を説明する分解斜視図であり、図２（ａ）を用いて水晶基板１１，１２，１３，１４，１５，１６と、検出電極２１，２２，２３とＧＮＤ電極３１，３２，３３，３４と、の配置について説明する。第１水晶基板１１の他方の主面１１ｂ側に設けられた第１ＧＮＤ電極３１は、第１接続部としてのα（−）方向の外形面３１ａが第１水晶基板１１のα（−）方向の外形面１１ｃを含む仮想面Ｑの位置になるように配置される。仮想面Ｑは、他の水晶基板１２，１３，１４，１５，１６のα（−）方向の外形面１２ｃ，１３ｃ，１４ｃ，１５ｃ，１６ｃが含まれる仮想面である。そして、他のＧＮＤ電極３２，３３，３４も第１ＧＮＤ電極３１と同様に、α（−）方向の外形面３２ａ，３３ａ，３４ａが仮想面Ｑの位置になるように配置される。すなわち、γ方向の方向視において、水晶基板１１，１２，１３，１４，１５，１６の外形面１１ｃ，１２ｃ，１３ｃ，１４ｃ，１５ｃ，１６ｃと、ＧＮＤ電極３１，３２，３３，３４の外形面３１ａ、３２ａ，３３ａ，３４ａと、が面Ｑに沿ってγ方向の方向視において重なるように配置されている。
【００３９】
第１圧電基板としての第１水晶基板１１と第２水晶基板１２との間には、第１電極としての第１検出電極２１が配置されている。第１検出電極２１は、第２電極としてのＧＮＤ電極３１，３２が位置を合わせて配置される水晶基板１１，１２の外形面１１ｃ，１２ｃ（仮想面Ｑに沿った面）とは異なる面、本実施形態ではα（＋）方向の外形面１１ｄ，１２ｄと、第１検出電極２１のα（＋）方向の外形面２１ａと、がγ方向の方向視において重なるように配置される。
【００４０】
また、第２圧電基板としての第３水晶基板１３と第４水晶基板１４との間には、第３電極としての第２検出電極２２が配置されている。第２検出電極２２は、第４電極としてのＧＮＤ電極３２，３３が位置を合わせて配置される水晶基板１３，１４の外形面１３ｃ，１４ｃ（仮想面Ｑに沿った面）と、第１検出電極２１の外形面２１ａが配置されるα（＋）方向と、は異なる方向の面、本実施形態ではβ（＋）方向の外形面１３ｄ，１４ｄと、第２検出電極２２のα（＋）方向の外形面２２ａと、がγ方向の方向視において重なるように配置される。
【００４１】
そして、第３圧電基板としての第５水晶基板１５と第６水晶基板１６との間には、第５電極としての第３検出電極２３が配置されている。第３検出電極２３は、第６電極としてのＧＮＤ電極３３，３４が位置を合わせて配置される水晶基板１５，１６の外形面１５ｃ，１６ｃ（仮想面Ｑに沿った面）と、第１検出電極２１の外形面２１ａが配置されるα（＋）方向と、第２検出電極２２の外形面２２ａが配置されるβ（＋）方向と、は異なる面、本実施形態ではβ（−）方向の外形面１５ｄ，１６ｄと、第３検出電極２３のβ（−）方向の外形面２３ａと、がγ方向の方向視において重なるように配置される。
【００４２】
図３（ａ）は図２（ａ）に示すα軸方向の断面模式図、図３（ｂ）は図２（ａ）に示すβ軸方向の断面模式図である。図３（ａ）に示すように、水晶基板１１，１２，１３，１４，１５，１６のα（−）方向の外形面１１ｃ，１２ｃ，１３ｃ，１４ｃ，１５ｃ，１６ｃと、ＧＮＤ電極３１，３２，３３，３４のα（−）方向の外形面３１ａ、３２ａ，３３ａ，３４ａと、が仮想面Ｑに沿って配置されている。また、これらＧＮＤ電極３１，３２，３３，３４の外形面３１ａ、３２ａ，３３ａ，３４ａが電気的に接続され第４外部接続部２３０ｄに接続される領域まで第４配線４４が形成されている。
【００４３】
また、図３（ａ）に示すように、第１水晶基板１１と第２水晶基板１２のα（＋）方向の外形面１１ｄ、１２ｄと、第１電極としての第１検出電極２１のα（＋）方向の外形面２１ａと、がγ方向の方向視において重なるように配置される。そして、第１検出電極２１の外形面２１ａと電気的に接続され、第１外部接続部２３０ａに接続される領域まで第１配線４１が形成されている。
【００４４】
図３（ｂ）に示す、図２（ａ）のβ軸方向断面図には第５水晶基板１５と第６水晶基板１６のβ（−）方向の外形面１５ｄ，１６ｄと、第３電極としての第３検出電極２３のβ（−）方向の外形面２３ａと、がγ方向の方向視において重なるように配置される。そして、第３検出電極２３の外形面２３ａと電気的に接続され、第３外部接続部２３０ｃに接続される領域まで第３配線４３が形成されている。そして、第３水晶基板１３と第４水晶基板１４のβ（＋）方向の外形面１３ｄ，１４ｄと、第２電極としての第２検出電極２２のβ（＋）方向の外形面２２ａと、がγ方向の方向視において重なるように配置される。そして、第２検出電極２２の外形面２２ａと電気的に接続され、第２外部接続部２３０ｂに接続される領域まで第２配線４２が形成されている。
【００４５】
図２（ｂ）には、図２（ａ）に示す水晶基板１１，１２，１３，１４，１５，１６の配置において、各水晶基板の結晶軸方向を示している。ここで、水晶基板の結晶軸のＸ軸は電気軸、Ｙ軸は機械軸、そしてＺ軸は光軸を示している。図２（ｂ）に示すように第１水晶基板１１と第２水晶基板１２は、いわゆるＹカット基板といわれる主面にＸ軸とＺ軸を含む基板により形成され、第１水晶基板１１と第２水晶基板１２とは互いに各結晶軸方向が逆方向となるように組み合わされている。これによりＸ軸方向に掛かる力、すなわちα軸方向の力を検出することができる。第３水晶基板１３と第４水晶基板１４も、Ｙカット基板を用い、第１水晶基板１１と第２水晶基板１２の配置に対してγ軸回りに９０度回転させた方向に配置され、Ｘ軸方向となるβ軸方向の力を検出することができる。また、第５水晶基板１５と第６水晶基板１６とは、主面にＹ軸とＺ軸を含むＸカット基板により形成され、第５水晶基板１５と第６水晶基板１６とは互いに各結晶軸方向が逆方向となるように組み合わされている。これによりＸ軸方向に掛かる力、すなわちγ軸方向の力を検出することができる。
【００４６】
このように、第１水晶基板１１と第２水晶基板１２にはα軸方向の力がかかることによって電荷が発生し、第１水晶基板１１と第２水晶基板１２とにより挟持される第１検出電極２１には発生した電荷に応じて電荷が励起され、その励起された電荷量を後述する演算装置によって力を演算する。同様に、第３水晶基板１３と第４水晶基板１４とにより検出されるβ軸方向の力は第２検出電極２２により検出される電荷量によって演算され、第５水晶基板１５と第６水晶基板１６とにより検出されるγ軸方向の力は第３検出電極２３により検出される電荷量によって演算される。
【００４７】
上述したように、ＧＮＤ電極３１，３２，３３，３４は水晶基板１１，１２，１３，１４，１５，１６の外形面１１ｃ，１２ｃ，１３ｃ，１４ｃ，１５ｃ，１６ｃの外形面に沿わせて形成した第４配線４４によって、容易に接続され、且つ外部接続部２３０ｄへ電気的に接続される。第４配線４４は、検出電極２１，２２，２３のα（−）方向の外形面は水晶基板１１，１２，１３，１４，１５，１６の外形面１１ｃ，１２ｃ，１３ｃ，１４ｃ，１５ｃ，１６ｃより内側に離間して形成されるため、検出電極２１，２２，２３との電気的な接触を回避することができる。
【００４８】
第１配線４１も水晶基板１１，１２，１３，１４，１５，１６のα（＋）方向の外形面に沿わせて形成されているが、検出電極２２，２３のα（＋）方向の外形面は水晶基板１１，１２，１３，１４，１５，１６のα（＋）方向の外形面より内側に離間して形成される。そのため、検出電極２２，２３との電気的な接触を回避して外部接続部２３０ａへ接続可能な第１配線４１を形成することができる。また、第２配線４２も水晶基板１３，１４，１５，１６のβ（＋）方向の外形面に沿わせて形成されているが、第３検出電極２３のβ（＋）方向の外形面は水晶基板１３，１４，１５，１６のβ（＋）方向の外形面より内側に離間して形成される。そのため、第３検出電極２３との電気的な接触を回避して外部接続部２３０ｂへ接続可能な第２配線４２を形成することができる。
【００４９】
（第２実施形態）
図４は第２実施形態に係るセンサー素子を示す。第２実施形態に係るセンサー素子１１０は第１実施形態に係るセンサー素子１００と比較して、水晶基板１１，１２，１３，１４、検出電極２１，２２，２３、ＧＮＤ電極３１，３２，３３，３４の形状が異なり、その他の構成はほぼ同じであるので、同じ構成には同じ符号を付し詳細な説明は省略する。
【００５０】
図４（ａ）は、第２実施形態に係るセンサー素子１１０を構成する圧電基板としての水晶基板１Ａの平面図、図４（ｂ）は第１電極としての検出電極２Ａ、および第２電極としてのＧＮＤ電極３Ａの平面図、を示す。図４（ａ）に示す水晶基板１Ａは、基板基部１Ａａと、基板基部１Ａａの外形に基板突起部１Ａｂが形成されており、本実施形態では基板突起部１Ａｂは４か所形成されている。
【００５１】
図４（ｂ）に示す検出電極２ＡまたはＧＮＤ電極３Ａは、検出電極基部２ＡａまたはＧＮＤ電極基部３Ａａと、検出電極基部２ＡａまたはＧＮＤ電極基部３Ａａの外形に検出電極突起部２ＡｂまたはＧＮＤ電極突起部３Ａｂが形成されている。検出電極突起部２ＡｂまたはＧＮＤ電極突起部３Ａｂは、本実施形態では１か所形成されている。図４（ａ）に示す水晶基板１Ａと図４（ｂ）に示す検出電極２ＡおよびＧＮＤ電極３Ａは、図５に示すように、第１実施形態に係るセンサー素子１００と同様に、γ方向に積層されセンサー素子１１０が形成されている。なお、図５は、第１実施形態に係るセンサー素子１００の組立斜視図である図２に相当する、センサー素子１１０の組立分解斜視図である。
【００５２】
図５に示すように、センサー素子１１０は、水晶基板１Ａの形状の基板を図２に示す結晶軸方向に沿って第１水晶基板１１Ａ、第２水晶基板１２Ａと順に第６水晶基板１６Ａと積層される。ＧＮＤ電極３Ａの形状の電極はＧＮＤ電極突起部３Ａｂの組込方向を、本実施形態ではα（−）方向の線Ｌ４に合わせて、第１水晶基板１１Ａの図示上側に第１ＧＮＤ電極３１Ａ、第２水晶基板１２Ａと第３水晶基板１３Ａとの間に第２ＧＮＤ電極３２Ａ、第４水晶基板１４Ａと第５水晶基板１５Ａとの間に第３ＧＮＤ電極３３Ａ、そして第６水晶基板１６Ａの図示下側に第４ＧＮＤ電極３４Ａと積層される。
【００５３】
検出電極２Ａは、α，β，γ方向の力を検出する水晶基板１Ａに挟まれるように積層され、各々の検出電極突起部２Ａｂの積層方向がγ方向の方向視において重ならないように配置される。すなわち図５に示すように、α方向の力を検出する第１水晶基板１１Ａと第２水晶基板１２Ａとの間には第１検出電極２１Ａが配置され、電極突起部はα（＋）方向の線Ｌ１に沿って積層される。β方向の力を検出する第３水晶基板１３Ａと第４水晶基板１４Ａとの間には第２検出電極２２Ａが配置され、電極突起部はβ（＋）方向の線Ｌ２に沿って積層される。γ方向の力を検出する第５水晶基板１５Ａと第６水晶基板１６Ａとの間には第３検出電極２３Ａが配置され、電極突起部はβ（−）方向の線Ｌ３に沿って積層される。
【００５４】
このように配置され、各電極突起部は配線４１，４２，４３，４４によって電気的な接続が行われる。すなわち図５において図示されない第１配線４１は、線Ｌ１に沿って形成され、第２配線４２は線Ｌ２，第３配線４３は線Ｌ３，そして第４配線４４は線Ｌ４に沿って配線が形成される。この時、図４（ｂ）に示すように、配線４１，４２，４３，４４は、検出電極突起部２ＡｂあるいはＧＮＤ電極突起部３Ａｂの外形部に沿って形成、配置されるが、配線４１，４２，４３，４４の端部４１ａ，４２ａ，４３ａ，４４ａは、電極基部２Ａａ，３Ａａと離間させて隙δを確保して形成される。このように配線４１，４２，４３，４４を形成することにより、配線４１，４２，４３，４４がγ方向に延設される際の各電極間での短絡を防止する。
【００５５】
上述した第１実施形態に係るセンサー素子１００、および第２実施形態に係るセンサー素子１１０において、ＧＮＤ電極および検出電極の形態は、図示されるような板状の電極板の形態に限定されない。例えば、水晶基板の主面上にＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｗなどの導電性金属を蒸着法、スパッタリング法などにより形成された電極膜であっても良い。また、配線４１，４２，４３，４４は、例えば導電性ペーストを塗布して形成しても良く、センサー素子１００，１１０の水晶基板と各電極との間を固着させ、配線４１，４２，４３，４４の形成領域にＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｗなどの導電性金属を蒸着法、スパッタリング法などにより形成された配線膜であっても良い。
【００５６】
（第３実施形態）
図６は第３実施形態に係るセンサー素子の断面図である。第３実施形態に係るセンサー素子１２０は、第１実施形態に係るセンサー素子１００の、α，β，γ方向の力はそれぞれ２枚の圧電基板としての水晶基板、すなわち６枚の水晶基板を用いた形態に対して、α，β，γ方向の力をそれぞれ１枚の水晶基板、すなわち３枚の水晶基板を用いた点で異なる。したがって、第３実施形態に係るセンサー素子１２０の説明は、第１実施形態に係るセンサー素子１００と同じ構成についての説明は省略し、同一の構成には同じ符号を付して説明する。
【００５７】
図６に示すセンサー素子１２０は、第１圧電基板としての第１水晶基板１１Ｂ、第２圧電基板としての第２水晶基板１２Ｂ、第３圧電基板としての第３水晶基板１３Ｂ、とを用い、各水晶基板１１Ｂ，１２Ｂ，１３Ｂに対して、次のように電極が配置されている。
【００５８】
第１水晶基板１１Ｂには、第１電極としての第１検出電極２１Ｂが第１水晶基板１１Ｂの一方の主面、本実施形態を示す図６では第１水晶基板１１Ｂの図示上側、に配置され、第１水晶基板１１Ｂの他の主面には第２電極としての第１ＧＮＤ電極３１Ｂが配置されている。第２水晶基板１２Ｂの第１水晶基板１１Ｂ側には、第４電極として第１ＧＮＤ電極３１Ｂが第１水晶基板１１Ｂと共有されて配置され、第１水晶基板１１Ｂと第２水晶基板１２Ｂとにより挟持される。また第２水晶基板１２Ｂの第１水晶基板１１Ｂ側の敗退側には第３電極としての第２検出電極２２Ｂが配置される。
【００５９】
第３水晶基板１３Ｂには、本実施形態の図６の例では、第２水晶基板１２Ｂ側（図示上側）の主面側に第６電極としての第２ＧＮＤ電極３２Ｂが配置され、他方の主面側（図示下側）には第３検出電極２３Ｂが配置されている。ここで、第２水晶基板１２Ｂの第２検出電極２２Ｂと第３水晶基板１３Ｂの第２ＧＮＤ電極３２Ｂとの間は、第２検出電極２２Ｂと第２ＧＮＤ電極３２Ｂとの電気的な短絡を防止するために非導電性の絶縁部５０が配置されている。絶縁部５０は非導電性を備え、センサー素子１２０に掛かる力を緩和する弾性を備えない材料で形成されることが好ましい。例えば、セラミックスなどの非導電性の高剛性材料や、成膜技術により形成される非導電性被膜の例えばＳｉＯ2，ＴｉＮ，Ａｌ2Ｏ3、などが好適に用いられる。
【００６０】
このように構成されるセンサー素子１２０では、第１水晶基板１１Ｂおよび第２水晶基板１２ＢはＹカットの水晶基板から形成され、γ軸周りに９０度回転位置をずらせてα方向とβ方向の力を検出することができ、第３水晶基板１３ＢはＸカットの水晶基板彼形成されγ方向の力を検出することができる。
【００６１】
なお、検出電極およびＧＮＤ電極の配置は、図６に示す上述の形態に限定されず、少なくとも、電極同士が接触する部位には絶縁部５０が配置されれば良い。また、第１実施形態に係るセンサー素子１００を構成する、２個の水晶基板を用いて一方向を検出する形態との組合わせであっても良い。
【００６２】
上述したセンサー素子１００，１１０，１２０について、センサー素子１００，１１０，１２０を構成する圧電基板および電極の平面形状は、上述の形態に限定されず、図７に例示するような形状であっても良い。図７（ａ）は、円形外形を有する圧電基板１０Ｃと検出電極２０ＣもしくはＧＮＤ電極３０Ｃの斜視図およびＲ−Ｒ´部の断面図、図７（ｂ）は基板基部１０Ｄａが円形外形であり、基板基部１０Ｄａの外形に基板突起１０Ｄｂを備える圧電基板１０Ｄと、検出電極２０ＤもしくはＧＮＤ電極３０Ｄの斜視図およびＳ−Ｓ´，−Ｓ´´，−Ｓ´´´部の断面図、である。図７（ａ）に示す圧電基板１０Ｃは外形をほぼ円形に形成されている。この圧電基板１０Ｃに組み合わされる検出電極２０ＣもしくはＧＮＤ電極３０Ｃも外形がほぼ円形に形成されている。この場合、検出電極２０ＣもしくはＧＮＤ電極３０Ｃの配線によって接続される接続部２０Ｃａもしくは３０Ｃａは圧電基板１０Ｃの外形と重なるように形成され、その他の部分は図７（ａ）のＲ´方向の断面で示すように検出電極２０ＣもしくはＧＮＤ電極３０Ｃの外形が圧電基板１０Ｃの外形より内側となるように形成されている。
【００６３】
図７（ｂ）に示す圧電基板１０Ｄは、ほぼ円形の外形を備える基板基部１０Ｄａと、基板基部１０Ｄａの外周に基板突起１０Ｄｂを備えている。この圧電基板１０Ｄに組み合わされる検出電極２０ＤもしくはＧＮＤ電極３０Ｄは、基板基部１０Ｄａとほぼ同じ形状の検出電極基部２０ＤａもしくはＧＮＤ電極基部３０Ｄａを備え、検出電極基部２０ＤａもしくはＧＮＤ電極基部３０Ｄａの外形部に少なくとも１か所の検出電極突起部２０ＤｂもしくはＧＮＤ電極突起部３０Ｄｂを備えている。検出電極突起部２０ＤｂもしくはＧＮＤ電極突起部３０Ｄｂは、基板突起１０Ｄｂのいずれかと合わせて積層され、検出電極突起部２０ＤｂもしくはＧＮＤ電極突起部３０Ｄｂに接続される配線が形成される。配線の接続方法は第２実施形態と同じであるので詳細な説明は省略する。センサー素子として構成される圧電基板および電極は、図７（ａ），（ｂ）に示す形状にも限定されないが、少なくとも圧電基板の外形の一部に、外形の一部が重なるように形成された電極を有するように形成されれば良い。
【００６４】
（第４実施形態）
図８は第４実施形態に係る力検出装置１０００を示す概略断面図である。図８に示すように、力検出装置１０００は、上述のセンサー素子１００，１１０，１２０のいずれかであって、本実施形態ではセンサー素子１００が、容器２００（以下、パッケージ２００という）に収納され、パッケージ２００に形成された外部接続部２３０を介して演算装置５００に電気的な接続がされている。パッケージ２００は、セラミックスにより形成される第１パッケージ基板２１０と、セラミックスにより形成され枠状に形成された第２パッケージ基板２２０と、が公知の接合方法によって接合され、形成された収納空間にセンサー素子１００を収納し、第２パッケージ基板２２０の第１パッケージ基板２１０との接合部とは反対の開口部を、金属製の蓋２４０によって第２パッケージ基板２２０の蓋接合面２２０ａ部に公知の接合方法によって、好ましくは気密に接合される。
【００６５】
このように気密に保持されたパッケージ２００の内部にセンサー素子１００を収納することによって、外部環境の影響、例えば液体の水あるいは油などのセンサー素子１００の収納部への浸入を阻止し、センサー素子１００の耐久性を長期に亘って維持させることができる。さらには、第２パッケージ基板２２０と、第１パッケージ基板２１０および蓋２４０の接合部の気密性を高くすることにより、腐食性のガスの浸入、水蒸気の浸入、など基体の浸入を阻止することができ、より長期間に亘ってセンサー素子１００の耐久性を維持させることができる。なお、セラミックスのパッケージ２００の他に樹脂によりセンサー素子１００をモールド（被覆）することでも、センサー素子１００を気密に保持することができる。
【００６６】
蓋２４０は、第２パッケージ基板２２０に接合された状態において、センサー素子１００を、センサー素子１００の基板および電極の積層方向に所定の圧力で押圧するように、弾性を備える金属によって形成されることが好ましい。例えばステンレス、チタン合金、アルミ合金、など耐食性にも優れた金属であることがなお好ましい。
【００６７】
第１パッケージ基板２１０には、接続電極として外部接続部２３０が形成されている。外部接続部２３０は、パッケージ２００の内部に収納されたセンサー素子１００に形成された配線４１，４２，４３，４４と電気的に接続し、演算装置５００に接続する接続配線６００と電気的に接続されるように形成されている。外部接続部２３０は第１パッケージ基板２１０に導電性材料、例えばＡｕ，Ｗ，Ａｇ，Ｃｕなどの金属材料の場合はスパッタリング法、蒸着法、あるいはＣＶＤなどの方法によって成膜形成され、導電性ペーストなどの有機材料の場合には印刷、塗布などの方法によって形成される。
【００６８】
上述したように蓋２４０によってセンサー素子１００は第１パッケージ基板２１０に押圧され、センサー素子１００に形成された第１配線４１は第１外部接続部２３０ａと、第２配線４２は第２外部接続部２３０ｂと、第３配線４３は第３外部接続部２３０ｃと、第４配線４４は第４外部配線部２３０ｄと、接続される。そして、第１配線４１に接続された第１検出電極２１はα方向演算装置５１０に、第２配線４２に接続された第２検出電極２２はβ方向演算装置５２０に、第３配線４３に接続された第３検出電極２３はγ方向演算装置５３０に、第４配線４４に接続されたＧＮＤ電極３１，３２，３３，３４はＧＮＤ５４０に、接続される（図１〜３参照）。そして、上述の力検出装置１０００は、図示しない被検出装置の基台３１０，３２０によって挟持され、押圧固定される。演算装置５００には検出電極２１，２２，２３の電荷を変換するＱＶアンプを備え、基台３１０，３２０を介して披検出装置に掛かる力を検出、演算する。
【００６９】
力検出装置１０００を絶縁体であるセラミックスを用いたパッケージ２００によって構成することにより、パッケージ２００の内部に容易に接続電極としての接続部を形成することができる。さらに、第４実施形態のその他の例として図９に示すパッケージ２０１のように、第２パッケージ基板２２１の第１パッケージ基板２１０接続部に隣接して電極形成部２２１ａと配線４１，４２，４３，４４と側面部で接続可能となる電極２３１を形成することにより、さらに電気的な接続面積を大きくすることができ、接続の信頼性、安定性をより高めることができる。
【００７０】
また、本実施形態に係る力検出装置１０００は、上述の実施形態に係るセンサー素子１００，１１０，１２０をパッケージ２００もしくはパッケージ２０１に収納させることにより、取扱がし易く、小型にすることができため、ロボットなどの取り付けスペースが狭小な装置であっても容易に設置が可能となる。
【００７１】
図１０は、第４実施形態に係る力検出装置１０００を用い、トルク検出を可能とする６軸力検出装置２０００の概略を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＴ−Ｔ´部の断面図である。図１０（ａ），（ｂ）に示すように６軸力検出装置２０００は基台３１１，３２１によって、力検出装置１０００を４個固定した構成となっている。この６軸力検出装置２０００の形態とすることによって、配置された４個の力検出装置１０００の装置間の距離と、各力検出装置１０００によって得られる力と、によりα軸、β軸、およびγ軸の各軸回りのトルクを求めることが可能となる。
【００７２】
（第５実施形態）
図１１は、第３実施形態に係る力検出装置１０００、もしくは６軸力検出装置２０００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、例えば床、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などが内蔵されている。
【００７３】
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、動作する。
【００７４】
アーム部３２００の第５フレーム３２５０のうち、第４フレーム３２４０との接続部の他方の側には、ロボットハンド部３３００が取り付けられている。ロボットハンド部３３００は、対象物を把持することが可能なロボットハンド３３１０と、ロボットハンド３３１０を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と、を備え、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。
【００７５】
ロボットハンド接続部３３２０には、モーターに加えて第３実施形態に係る力検出装置１０００または６軸力検出装置２０００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または６軸力検出装置２０００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て、回避行動を実行させることができる。
【００７６】
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。なお、本実施形態に限定されず、例えば双腕ロボットにも適用することができる。
【符号の説明】
【００７７】
１１，１２，１３，１３，１４，１５，１６…圧電基板（水晶基板）、２１，２２，２３…検出電極、３１，３２，３３，３４…接地電極（ＧＮＤ電極）、４１，４２，４３，４４…配線、１００…センサー素子、２３０…外部接続部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間座標軸として、α軸と、前記α軸に直交するβ軸と、前記α軸と前記β軸とに直交するγ軸と、した場合、
前記α軸と前記β軸を含む主面を有する圧電基板と、前記圧電基板の主面側に電極を設け、前記γ軸方向に積層して形成されるセンサー素子であって、
前記α軸方向の力を検出する第１圧電基板の一方の主面側に第１電極と他方の主面に第２電極が設けられ、前記β軸方向の力を検出する第２圧電基板の一方の主面に第３電極と他方の主面に第４電極が設けられ、前記γ軸方向の力を検出する第３圧電基板の一方の主面に第５電極と他方の主面に第６電極が設けられ、
前記第１電極および前記第２電極は、前記第１電極および前記第２電極の外形部の一部が前記第１圧電基板の前記主面の外形部の一部に重なるよう配置される前記第１電極の第１接続部と前記第２電極の第２接続部を備え、前記第１接続部と前記第２接続部とが、前記γ軸の方向視において互いに重ならないように配置され、
前記第３電極および前記第４電極は、前記第３電極および前記第４電極の外形部の一部が前記第２圧電基板の前記主面の外形部の一部に重なるよう配置される前記第３電極の第３接続部と前記第４電極の第４接続部を備え、前記第３接続部と前記第４接続部とが、前記γ軸の方向視において互いに重ならないように配置され、
前記第５電極および前記第６電極は、前記第５電極および前記第６電極の外形部の一部が前記第３圧電基板の前記主面の外形部の一部に重なるよう配置される前記第５電極の第５接続部と前記第６電極の第６接続部を備え、前記第５接続部と前記第６接続部とが、前記γ軸の方向視において互いに重ならないように配置され、
前記第１，第２，第３圧電基板の外周部の一部に、前記第１接続部と第１外部接続部とを電気的に接続する第１配線と、前記第３接続部と第２外部接続部とを電気的に接続する第２配線と、前記第５接続部と第３外部接続部とを電気的に接続する第３配線と、が形成され、
前記第２、第４および第６接続部と、を接続し、且つ第４外部接続部に接続される第４配線が形成されている、
ことを特徴とするセンサー素子。
【請求項２】
前記第１〜３圧電基板は、前記γ軸の方向視において突起部を備え、前記第１〜６接続部が前記突起部の外形部の少なくとも一部と重なる、
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサー素子。
【請求項３】
前記第１〜３圧電基板は、水晶から形成され、
前記第１，２圧電基板はＹカット基板であり、前記第３圧電基板はＸカット基板である、
ことを特徴とする請求項１または２に記載のセンサー素子。
【請求項４】
空間座標軸として、α軸と、前記α軸に直交するβ軸と、前記α軸と前記β軸とに直交するγ軸と、した場合、
前記α軸と前記β軸を含む主面を有する圧電基板と、前記圧電基板の主面側に電極を設け、前記γ軸方向に積層して形成されるセンサー素子であって、
前記α軸方向の力を検出する第１圧電基板の一方の主面側に第１電極と他方の主面に第２電極が設けられ、前記β軸方向の力を検出する第２圧電基板の一方の主面に第３電極と他方の主面に第４電極が設けられ、前記γ軸方向の力を検出する第３圧電基板の一方の主面に第５電極と他方の主面に第６電極が設けられ、
前記第１電極および前記第２電極は、前記第１電極および前記第２電極の外形部の一部が前記第１圧電基板の前記主面の外形部の一部に重なるよう配置される前記第１電極の第１接続部と前記第２電極の第２接続部を備え、前記第１接続部と前記第２接続部とが、前記γ軸の方向視において互いに重ならないように配置され、
前記第３電極および前記第４電極は、前記第３電極および前記第４電極の外形部の一部が前記第２圧電基板の前記主面の外形部の一部に重なるよう配置される前記第３電極の第３接続部と前記第４電極の第４接続部を備え、前記第３接続部と前記第４接続部とが、前記γ軸の方向視において互いに重ならないように配置され、
前記第５電極および前記第６電極は、前記第５電極および前記第６電極の外形部の一部が前記第３圧電基板の前記主面の外形部の一部に重なるよう配置される前記第５電極の第５接続部と前記第６電極の第６接続部を備え、前記第５接続部と前記第６接続部とが、前記γ軸の方向視において互いに重ならないように配置され、
前記第１，第２，第３圧電基板の外周部の一部に、前記第１接続部と第１外部接続部とを電気的に接続する第１配線と、前記第３接続部と第２外部接続部とを電気的に接続する第２配線と、前記第５接続部と第３外部接続部とを電気的に接続する第３配線と、が形成され、
前記第２、第４および第６接続部と、を接続し、且つ第４外部接続部に接続される第４配線が形成されているセンサー素子と、
前記α方向の力を演算する第１演算装置と、前記β方向の力を演算する第２演算装置と、前記γ方向の力を演算する第３演算装置と、を備え、
前記第１外部接続部は前記第１演算装置と電気的に接続され、前記第２外部接続部は前記第２演算装置と電気的に接続され、前記第３外部接続部は前記第３演算装置と電気的に接続され、前記第４外部接続部は接地（ＧＮＤ）と電気的に接続されている、
ことを特徴とする力検出装置。
【請求項５】
前記第１〜３圧電基板は、前記γ軸の方向視において突起部を備え、前記第１〜６接続部が前記突起部の外形部の少なくとも一部と重なる、
ことを特徴とする請求項４に記載の力検出装置。
【請求項６】
前記第１〜３圧電基板は、水晶から形成され、
前記第１，２圧電基板はＹカット基板であり、前記第３圧電基板はＸカット基板である、
ことを特徴とする請求項４または５に記載の力検出装置。
【請求項７】
前記センサー素子は、前記センサー素子を収納する収納部を備える収納容器に収納され、
前記収納容器は、前記収納部に前記第１，第２，第３，第４外部接続部が延設され、前記センサー素子の前記第１，第２，第３，第４配線と前記第１，第２，第３，第４外部接続部とが電気的に接続されている、
ことを特徴とする請求項４から６のいずれか一項に記載の力検出装置。
【請求項８】
前記収納容器は、
筒状の収納容器体と、前記収納容器体のどちらか一方の開口部に収納容器基板、他方の開口部に蓋体と、を配置し、
前記収納容器体に前記収納容器基板と前記蓋体とを接合して前記収納部が形成され、
少なくとも前記収納容器体および前記収納容器基板はセラミックスである、
ことを特徴とする請求項７に記載の力検出装置。
【請求項９】
空間座標軸として、α軸と、前記α軸に直交するβ軸と、前記α軸と前記β軸とに直交するγ軸と、した場合、
前記α軸と前記β軸を含む主面を有する圧電基板と、前記圧電基板の主面側に電極を設け、前記γ軸方向に積層して形成されるセンサー素子であって、
前記α軸方向の力を検出する第１圧電基板の一方の主面側に第１電極と他方の主面に第２電極が設けられ、前記β軸方向の力を検出する第２圧電基板の一方の主面に第３電極と他方の主面に第４電極が設けられ、前記γ軸方向の力を検出する第３圧電基板の一方の主面に第５電極と他方の主面に第６電極が設けられ、
前記第１電極および前記第２電極は、前記第１電極および前記第２電極の外形部の一部が前記第１圧電基板の前記主面の外形部の一部に重なるよう配置される前記第１電極の第１接続部と前記第２電極の第２接続部を備え、前記第１接続部と前記第２接続部とが、前記γ軸の方向視において互いに重ならないように配置され、
前記第３電極および前記第４電極は、前記第３電極および前記第４電極の外形部の一部が前記第２圧電基板の前記主面の外形部の一部に重なるよう配置される前記第３電極の第３接続部と前記第４電極の第４接続部を備え、前記第３接続部と前記第４接続部とが、前記γ軸の方向視において互いに重ならないように配置され、
前記第５電極および前記第６電極は、前記第５電極および前記第６電極の外形部の一部が前記第３圧電基板の前記主面の外形部の一部に重なるよう配置される前記第５電極の第５接続部と前記第６電極の第６接続部を備え、前記第５接続部と前記第６接続部とが、前記γ軸の方向視において互いに重ならないように配置され、
前記第１，第２，第３圧電基板の外周部の一部に、前記第１接続部と第１外部接続部とを電気的に接続する第１配線と、前記第３接続部と第２外部接続部とを電気的に接続する第２配線と、前記第５接続部と第３外部接続部とを電気的に接続する第３配線と、が形成され、
前記第２、第４および第６接続部と、を接続し、且つ第４外部接続部に接続される第４配線が形成されているセンサー素子と、
前記α方向の力を演算する第１演算装置と、前記β方向の力を演算する第２演算装置と、前記γ方向の力を演算する第３演算装置と、を備え、
前記第１外部接続部は前記第１演算装置と電気的に接続され、前記第２外部接続部は前記第２演算装置と電気的に接続され、前記第３外部接続部は前記第３演算装置と電気的に接続され、前記第４外部接続部は接地（ＧＮＤ）と電気的に接続されている力検出装置を備える、
ことを特徴とするロボット。
【請求項１０】
前記第１〜３圧電基板は、前記γ軸の方向視において突起部を備え、前記第１〜６接続部が前記突起部の外形部の少なくとも一部と重なる、
ことを特徴とする請求項９に記載のロボット。
【請求項１１】
前記第１〜３圧電基板は、水晶から形成され、
前記第１，２圧電基板はＹカット基板であり、前記第３圧電基板はＸカット基板である、
ことを特徴とする請求項９または１０に記載のロボット。
【請求項１２】
前記センサー素子は、前記センサー素子を収納する収納部を備える収納容器に収納され、
前記収納容器は、前記収納部に前記第１，第２，第３，第４外部接続部が延設され、前記センサー素子の前記第１，第２，第３，第４配線と前記第１，第２，第３，第４外部接続部とが電気的に接続されている、
ことを特徴とする請求項９から１１のいずれか一項に記載のロボット。
【請求項１３】
前記収納容器は、
筒状の収納容器体と、前記収納容器体のどちらか一方の開口部に収納容器基板、他方の開口部に蓋体と、を配置し、
前記収納容器体に前記収納容器基板と前記蓋体とを接合して前記収納部が形成され、
少なくとも前記収納容器体および前記収納容器基板はセラミックスである、
ことを特徴とする請求項１２に記載のロボット。
【請求項１】
空間座標軸として、α軸と、前記α軸に直交するβ軸と、前記α軸と前記β軸とに直交するγ軸と、した場合、
前記α軸と前記β軸を含む主面を有する圧電基板と、前記圧電基板の主面側に電極を設け、前記γ軸方向に積層して形成されるセンサー素子であって、
前記α軸方向の力を検出する第１圧電基板の一方の主面側に第１電極と他方の主面に第２電極が設けられ、前記β軸方向の力を検出する第２圧電基板の一方の主面に第３電極と他方の主面に第４電極が設けられ、前記γ軸方向の力を検出する第３圧電基板の一方の主面に第５電極と他方の主面に第６電極が設けられ、
前記第１電極および前記第２電極は、前記第１電極および前記第２電極の外形部の一部が前記第１圧電基板の前記主面の外形部の一部に重なるよう配置される前記第１電極の第１接続部と前記第２電極の第２接続部を備え、前記第１接続部と前記第２接続部とが、前記γ軸の方向視において互いに重ならないように配置され、
前記第３電極および前記第４電極は、前記第３電極および前記第４電極の外形部の一部が前記第２圧電基板の前記主面の外形部の一部に重なるよう配置される前記第３電極の第３接続部と前記第４電極の第４接続部を備え、前記第３接続部と前記第４接続部とが、前記γ軸の方向視において互いに重ならないように配置され、
前記第５電極および前記第６電極は、前記第５電極および前記第６電極の外形部の一部が前記第３圧電基板の前記主面の外形部の一部に重なるよう配置される前記第５電極の第５接続部と前記第６電極の第６接続部を備え、前記第５接続部と前記第６接続部とが、前記γ軸の方向視において互いに重ならないように配置され、
前記第１，第２，第３圧電基板の外周部の一部に、前記第１接続部と第１外部接続部とを電気的に接続する第１配線と、前記第３接続部と第２外部接続部とを電気的に接続する第２配線と、前記第５接続部と第３外部接続部とを電気的に接続する第３配線と、が形成され、
前記第２、第４および第６接続部と、を接続し、且つ第４外部接続部に接続される第４配線が形成されている、
ことを特徴とするセンサー素子。
【請求項２】
前記第１〜３圧電基板は、前記γ軸の方向視において突起部を備え、前記第１〜６接続部が前記突起部の外形部の少なくとも一部と重なる、
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサー素子。
【請求項３】
前記第１〜３圧電基板は、水晶から形成され、
前記第１，２圧電基板はＹカット基板であり、前記第３圧電基板はＸカット基板である、
ことを特徴とする請求項１または２に記載のセンサー素子。
【請求項４】
空間座標軸として、α軸と、前記α軸に直交するβ軸と、前記α軸と前記β軸とに直交するγ軸と、した場合、
前記α軸と前記β軸を含む主面を有する圧電基板と、前記圧電基板の主面側に電極を設け、前記γ軸方向に積層して形成されるセンサー素子であって、
前記α軸方向の力を検出する第１圧電基板の一方の主面側に第１電極と他方の主面に第２電極が設けられ、前記β軸方向の力を検出する第２圧電基板の一方の主面に第３電極と他方の主面に第４電極が設けられ、前記γ軸方向の力を検出する第３圧電基板の一方の主面に第５電極と他方の主面に第６電極が設けられ、
前記第１電極および前記第２電極は、前記第１電極および前記第２電極の外形部の一部が前記第１圧電基板の前記主面の外形部の一部に重なるよう配置される前記第１電極の第１接続部と前記第２電極の第２接続部を備え、前記第１接続部と前記第２接続部とが、前記γ軸の方向視において互いに重ならないように配置され、
前記第３電極および前記第４電極は、前記第３電極および前記第４電極の外形部の一部が前記第２圧電基板の前記主面の外形部の一部に重なるよう配置される前記第３電極の第３接続部と前記第４電極の第４接続部を備え、前記第３接続部と前記第４接続部とが、前記γ軸の方向視において互いに重ならないように配置され、
前記第５電極および前記第６電極は、前記第５電極および前記第６電極の外形部の一部が前記第３圧電基板の前記主面の外形部の一部に重なるよう配置される前記第５電極の第５接続部と前記第６電極の第６接続部を備え、前記第５接続部と前記第６接続部とが、前記γ軸の方向視において互いに重ならないように配置され、
前記第１，第２，第３圧電基板の外周部の一部に、前記第１接続部と第１外部接続部とを電気的に接続する第１配線と、前記第３接続部と第２外部接続部とを電気的に接続する第２配線と、前記第５接続部と第３外部接続部とを電気的に接続する第３配線と、が形成され、
前記第２、第４および第６接続部と、を接続し、且つ第４外部接続部に接続される第４配線が形成されているセンサー素子と、
前記α方向の力を演算する第１演算装置と、前記β方向の力を演算する第２演算装置と、前記γ方向の力を演算する第３演算装置と、を備え、
前記第１外部接続部は前記第１演算装置と電気的に接続され、前記第２外部接続部は前記第２演算装置と電気的に接続され、前記第３外部接続部は前記第３演算装置と電気的に接続され、前記第４外部接続部は接地（ＧＮＤ）と電気的に接続されている、
ことを特徴とする力検出装置。
【請求項５】
前記第１〜３圧電基板は、前記γ軸の方向視において突起部を備え、前記第１〜６接続部が前記突起部の外形部の少なくとも一部と重なる、
ことを特徴とする請求項４に記載の力検出装置。
【請求項６】
前記第１〜３圧電基板は、水晶から形成され、
前記第１，２圧電基板はＹカット基板であり、前記第３圧電基板はＸカット基板である、
ことを特徴とする請求項４または５に記載の力検出装置。
【請求項７】
前記センサー素子は、前記センサー素子を収納する収納部を備える収納容器に収納され、
前記収納容器は、前記収納部に前記第１，第２，第３，第４外部接続部が延設され、前記センサー素子の前記第１，第２，第３，第４配線と前記第１，第２，第３，第４外部接続部とが電気的に接続されている、
ことを特徴とする請求項４から６のいずれか一項に記載の力検出装置。
【請求項８】
前記収納容器は、
筒状の収納容器体と、前記収納容器体のどちらか一方の開口部に収納容器基板、他方の開口部に蓋体と、を配置し、
前記収納容器体に前記収納容器基板と前記蓋体とを接合して前記収納部が形成され、
少なくとも前記収納容器体および前記収納容器基板はセラミックスである、
ことを特徴とする請求項７に記載の力検出装置。
【請求項９】
空間座標軸として、α軸と、前記α軸に直交するβ軸と、前記α軸と前記β軸とに直交するγ軸と、した場合、
前記α軸と前記β軸を含む主面を有する圧電基板と、前記圧電基板の主面側に電極を設け、前記γ軸方向に積層して形成されるセンサー素子であって、
前記α軸方向の力を検出する第１圧電基板の一方の主面側に第１電極と他方の主面に第２電極が設けられ、前記β軸方向の力を検出する第２圧電基板の一方の主面に第３電極と他方の主面に第４電極が設けられ、前記γ軸方向の力を検出する第３圧電基板の一方の主面に第５電極と他方の主面に第６電極が設けられ、
前記第１電極および前記第２電極は、前記第１電極および前記第２電極の外形部の一部が前記第１圧電基板の前記主面の外形部の一部に重なるよう配置される前記第１電極の第１接続部と前記第２電極の第２接続部を備え、前記第１接続部と前記第２接続部とが、前記γ軸の方向視において互いに重ならないように配置され、
前記第３電極および前記第４電極は、前記第３電極および前記第４電極の外形部の一部が前記第２圧電基板の前記主面の外形部の一部に重なるよう配置される前記第３電極の第３接続部と前記第４電極の第４接続部を備え、前記第３接続部と前記第４接続部とが、前記γ軸の方向視において互いに重ならないように配置され、
前記第５電極および前記第６電極は、前記第５電極および前記第６電極の外形部の一部が前記第３圧電基板の前記主面の外形部の一部に重なるよう配置される前記第５電極の第５接続部と前記第６電極の第６接続部を備え、前記第５接続部と前記第６接続部とが、前記γ軸の方向視において互いに重ならないように配置され、
前記第１，第２，第３圧電基板の外周部の一部に、前記第１接続部と第１外部接続部とを電気的に接続する第１配線と、前記第３接続部と第２外部接続部とを電気的に接続する第２配線と、前記第５接続部と第３外部接続部とを電気的に接続する第３配線と、が形成され、
前記第２、第４および第６接続部と、を接続し、且つ第４外部接続部に接続される第４配線が形成されているセンサー素子と、
前記α方向の力を演算する第１演算装置と、前記β方向の力を演算する第２演算装置と、前記γ方向の力を演算する第３演算装置と、を備え、
前記第１外部接続部は前記第１演算装置と電気的に接続され、前記第２外部接続部は前記第２演算装置と電気的に接続され、前記第３外部接続部は前記第３演算装置と電気的に接続され、前記第４外部接続部は接地（ＧＮＤ）と電気的に接続されている力検出装置を備える、
ことを特徴とするロボット。
【請求項１０】
前記第１〜３圧電基板は、前記γ軸の方向視において突起部を備え、前記第１〜６接続部が前記突起部の外形部の少なくとも一部と重なる、
ことを特徴とする請求項９に記載のロボット。
【請求項１１】
前記第１〜３圧電基板は、水晶から形成され、
前記第１，２圧電基板はＹカット基板であり、前記第３圧電基板はＸカット基板である、
ことを特徴とする請求項９または１０に記載のロボット。
【請求項１２】
前記センサー素子は、前記センサー素子を収納する収納部を備える収納容器に収納され、
前記収納容器は、前記収納部に前記第１，第２，第３，第４外部接続部が延設され、前記センサー素子の前記第１，第２，第３，第４配線と前記第１，第２，第３，第４外部接続部とが電気的に接続されている、
ことを特徴とする請求項９から１１のいずれか一項に記載のロボット。
【請求項１３】
前記収納容器は、
筒状の収納容器体と、前記収納容器体のどちらか一方の開口部に収納容器基板、他方の開口部に蓋体と、を配置し、
前記収納容器体に前記収納容器基板と前記蓋体とを接合して前記収納部が形成され、
少なくとも前記収納容器体および前記収納容器基板はセラミックスである、
ことを特徴とする請求項１２に記載のロボット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−１０１０２０（Ｐ２０１３−１０１０２０Ａ）
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４４２１２（Ｐ２０１１−２４４２１２）
【出願日】平成２３年１１月８日（２０１１．１１．８）
【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２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月８日（２０１１．１１．８）
【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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