力センサー、力検出装置、ロボットハンド、ロボット、および力センサーの製造方法
【課題】圧電部材の水平方向の位置決め精度を確保しながら製造効率も向上させる。
【解決手段】圧電素子保持板１１０に複数の挿通孔１１０ｈを形成し、この挿通孔に中空形状のガイド部材１１２を挿通させて圧電素子保持板１１０を積層する。その後、ガイド部材１１２の中空部分に与圧ボルト１１４を通して上部部材１０２と下部部材１０４とを締結することによって、圧電素子保持板１１０（圧電素子）を与圧する。ここで、ガイド部材１１２の中空部分を与圧ボルト１１４の外径よりも小さくしておき、与圧ボルト１１４を通すとガイド部材１１２が押し広げられて挿通孔に当接するようにしておく。こうすれば、圧電素子保持板１１０の積層時には、挿通孔とガイド部材との間に隙間があるので迅速に積層することができ、積層後は与圧ボルト１１４を通してガイド部材１１２を押し広げることで、圧電素子保持板１１０を精度良く位置決めすることが可能となる。
【解決手段】圧電素子保持板１１０に複数の挿通孔１１０ｈを形成し、この挿通孔に中空形状のガイド部材１１２を挿通させて圧電素子保持板１１０を積層する。その後、ガイド部材１１２の中空部分に与圧ボルト１１４を通して上部部材１０２と下部部材１０４とを締結することによって、圧電素子保持板１１０（圧電素子）を与圧する。ここで、ガイド部材１１２の中空部分を与圧ボルト１１４の外径よりも小さくしておき、与圧ボルト１１４を通すとガイド部材１１２が押し広げられて挿通孔に当接するようにしておく。こうすれば、圧電素子保持板１１０の積層時には、挿通孔とガイド部材との間に隙間があるので迅速に積層することができ、積層後は与圧ボルト１１４を通してガイド部材１１２を押し広げることで、圧電素子保持板１１０を精度良く位置決めすることが可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力センサー、力検出装置、ロボットハンド、ロボット、および力センサーの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水晶などの特定の結晶や特定のセラミックなどが呈する圧電効果を利用して、力を検出する力センサーが広く知られている。この力センサーでは、出力感度を高めるために、複数の圧電部材を積層することがある。
【０００３】
また、水晶などの結晶を圧電部材として用いる場合は、結晶方位による圧電効果の異方性によって、加えられた力成分を分解して検出することも可能である。このような力センサーでは、多方向の力成分を測定可能とするために、複数の圧電部材を積層することがある。
【０００４】
これら力センサーに加わる荷重は、圧電部材によって主に支えられる。このため、複数の圧電部材を積層する場合、圧電部材の水平方向（積層方向に対して直角な方向）への位置がずれると圧電部材の荷重を受ける面積が減少してしまい、出力感度の低下や、応力集中による圧電部材の破壊などが生じる。そこで、例えば特許文献１では、円環形状の薄い圧電部材をケースの内周側面で位置決めしながら積層することによって、複数の圧電部材が水平方向に位置ずれすることを回避している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１７５７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記提案の技術では、圧電部材の水平方向の位置決め精度を損なうことなく、力センサーの製造効率を向上させることが困難であるという問題があった。すなわち、圧電部材の水平方向の位置決め精度を確保しようとして、圧電部材とケースの内周側面との間の隙間（あそび）を小さくすると、ケース内に複数の圧電部材を挿入して積層することが困難となるので力センサーの製造効率が低下する。そこで、ケース内で複数の圧電部材を容易に積層可能とするために圧電部材とケースの内周側面との間の隙間を広げると、今度は、圧電部材の水平方向の位置決め精度が低下する。このような理由から、圧電部材の水平方向の位置決め精度を向上させる要請と、力センサーの製造効率を向上させる要請とを同時に満足させることが難しいという問題があった。
【０００７】
この発明は、従来の技術が有する上述した課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、圧電部材の水平方向の位置決め精度を十分に確保しながら、力センサーの製造効率を向上させることが可能な技術の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の力センサーは次の構成を採用した。すなわち、
積層された複数の圧電素子が下部部材と上部部材との間で挟持されて、与圧ボルトによって与圧されて成る力センサーであって、
弾性材料によって中空形状に形成され、前記下部部材に立設された複数のガイド部材と、
前記ガイド部材が挿通する複数の挿通孔が形成されて、該複数の挿通孔の間に前記圧電素子が設けられた圧電素子保持板と
を備え、
前記下部部材および前記上部部材は、複数の前記挿通孔に前記ガイド部材が挿通されて積層された複数の前記圧電素子保持板を挟持した状態で、該ガイド部材の中空部分に通した前記与圧ボルトを用いて互いに締結される
ことを特徴とする。
【０００９】
また、上述した力センサーに対応する本発明の力センサーの製造方法は、
積層された複数の圧電素子が下部部材と上部部材との間で挟持されて、与圧ボルトによって与圧されて成る力センサーの製造方法であって、
弾性材料によって中空形状に形成された複数のガイド部材を、前記下部部材の所定位置に立設する第１の工程と、
複数の挿通孔が形成されて該複数の挿通孔の間に前記圧電素子が設けられた複数の圧電素子保持板を、該複数の挿通孔に前記ガイド部材を挿通させて積層する第２の工程と、
積層された複数の前記圧電素子保持板の上に前記上部部材を載置する第３の工程と、
前記ガイド部材の中空部分よりも軸径が大きな前記与圧ボルトを、前記上部部材に設けられたボルト孔から前記ガイド部材の前記中空部分に挿入する第４の工程と、
前記与圧ボルトを用いて前記上部部材と前記下部部材とを締結する第５の工程と
を備えることを特徴とする。
【００１０】
このような構成を有する本発明の力センサー、あるいは本発明の製造方法によって製造された力センサーにおいては、圧電素子が設けられた複数の圧電素子保持板が積層されて、上部部材と下部部材との間で挟持された状態で、与圧ボルトによって与圧されている。圧電素子保持板には複数の挿通孔が形成されており、複数の圧電素子保持板は、挿通孔にガイド部材を挿通して積層された後、ガイド部材の中空部分に与圧ボルトを通して上部部材と下部部材とが締結される。
【００１１】
こうすれば、複数の圧電素子保持板を積層する段階では、圧電素子保持板の挿通孔をガイド部材に通すことによって、複数の圧電素子保持板を位置決めしながら迅速に積層することができる。そして、圧電素子保持板の積層後は、ガイド部材の中空部分に与圧ボルトを通すことによって、そのままの状態で、複数の圧電素子保持板（および圧電素子）を与圧ボルトによって与圧することができる。このため、本発明の力センサー、あるいは本発明の製造方法によって製造される力センサーは、複数の圧電素子保持板（および圧電素子）を精度良く位置決めしながら、効率よく製造することが可能となる。
【００１２】
また、上述した本発明の力センサーにおいては、ガイド部材の中空部分を、与圧ボルトの外径よりも小さく形成しておいてもよい。そして、ガイド部材を圧電素子保持板の挿通孔に挿通させた状態で中空部分に与圧ボルトを通すと、ガイド部材が与圧ボルトによって押し広げられて、ガイド部材の外側が挿通孔に当接するようにしてもよい。
【００１３】
こうすれば、複数の圧電素子保持板を積層する段階では、ガイド部材が与圧ボルトで押し広げられていないので、圧電素子保持板の挿通孔とガイド部材との間に隙間ができている。このため、複数の圧電素子保持板を迅速に積層することができる。そして、圧電素子保持板の積層後は、ガイド部材の中空部分に与圧ボルトを通すとガイド部材が押し広げられて、圧電素子保持板の挿通孔に当接する。この結果、積層された複数の圧電素子保持板をより一層精度良く位置決めすることが可能となる。
【００１４】
また、上述した本発明の力センサーにおいては、圧電素子保持板と同様に複数の挿通孔が形成された複数の電極板を、圧電素子保持板と交互に積層することとして、ガイド部材を絶縁材料によって形成するようにしてもよい。
こうすれば、与圧ボルトを通して押し広げられたガイド部材が電極板に接触しても、電極板同士が電気的に短絡することを回避することができる。
【００１５】
また、上述した本発明の力センサーにおいては、互いに直交するｘ方向，ｙ方向，ｚ方向の三軸に対し、圧電素子が、ｘ方向の力に感度を有するｘ方向用圧電素子が設けられた圧電素子保持板と、ｙ方向の力に感度を有するｙ方向用圧電素子が設けられた圧電素子保持板と、ｚ方向の力に感度を有するｚ方向用圧電素子が設けられた圧電素子保持板と、を積層することにより、三軸方向の力を検出することができるようにしてもよい。
このようにすれば、１つの力センサーで、三軸方向の力を検出することが可能となる。
【００１６】
また、本発明の力検出装置は、上述した力センサーを２つ以上備え、所望の軸回りのモーメントを検出することができるようにしてもよい。
こうすれば、軸方向の力成分だけでなく、軸回りのモーメントも容易に検出することが可能となる。
【００１７】
また、本発明の力センサーをロボットハンドあるいはロボットに搭載しても良い。
ロボットハンドやロボットには多数の力センサーが搭載されることが通常であるが、上述したように本発明の力センサーは、圧電素子が精度良く位置決めされて積層されており、しかも効率よく製造することができるので、ロボットハンドあるいはロボットに搭載する力センサーとして特に優れている。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施例の力センサーの構造を示した分解斜視図である。
【図２】力センサーを構成する複数の水晶圧電素子や電極板の電気的な接続関係を模式的に示した説明図である。
【図３】本実施例の力センサーで複数の水晶圧電素子を位置決めしながら積層する方法を示した説明図である。
【図４】変形例のスリーブの外観形状を示す斜視図である。
【図５】４つの力センサーを備えた力検出装置の外観形状を示す斜視図である。
【図６】本実施例の力検出装置を搭載したロボットハンドおよびロボットを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下では、上述した本願発明の内容を明確にするために、次のような順序に従って実施例を説明する。
Ａ．力センサーの構成：
Ｂ．力センサーの動作：
Ｃ．水晶圧電素子の位置決め方法：
Ｄ．力検出装置：
【００２０】
Ａ．力センサーの構成：
図１は、本実施例の力センサー１００の構造を示した分解斜視図である。図１に示されるように力センサー１００は、上部プレート１０２と下部プレート１０４との間に、電極板１０６と、水晶圧電素子１０８が設けられたフッ素樹脂スペーサー１１０とを、交互に複数積層して構成されている。電極板１０６は、導電性を備える金属、例えば、チタニウム、アルミニウム、銅、鉄などの単体もしくは合金を用いることができる。例えば、鉄合金としてステンレススチールを用いることも可能であり、耐久性，耐食性が優れることから好適に用いられる。フッ素樹脂スペーサー１１０の中央部には、正方形状の貫通穴が開いており、その貫通穴内に、外周形状が正方形の水晶圧電素子１０８が配置されることによって、水晶圧電素子１０８はｘｙ平面において位置決めされる。尚、本実施例では上部プレート１０２が本発明における「上部部材」に対応し、下部プレート１０４が本発明における「下部部材」に対応する。また、フッ素樹脂スペーサー１１０が本発明における「圧電素子保持板」に対応する。
【００２１】
上部プレート１０２には、２つのボルト孔１１６が開いている。各フッ素樹脂スペーサー１１０には、２つずつ円形状の挿通孔１１０ｈが開いている。同様に各電極板１０６にも、２つずつ円形状の挿通孔１０６ｈが開いている。一方、上部プレート１０２と下部プレート１０４との間には、円筒のパイプ形状を成すフッ素ゴム製のスリーブ１１２が２つ配置されている。上部プレート１０２と下部プレート１０４との間に、各電極板１０６および各フッ素樹脂スペーサー１１０をそれぞれ積層する際、電極板１０６およびフッ素樹脂スペーサー１１０にそれぞれ設けられた２つの円形の挿通孔１０６ｈ、１１０ｈに、２つのスリーブ１１２がそれぞれ挿通するように積層する。複数のフッ素樹脂スペーサー１１０は、２つの挿通孔１１０ｈでスリーブ１１２にガイドされるので、大まかに位置決めされながら積層される。その上で、上部プレート１０２の上方より２本の与圧ボルト１１４をボルト孔１１６に挿入し、スリーブ１１２内を貫挿し、下部プレート１０４に螺合する。詳細には後述するが、与圧ボルト１１４をスリーブ１１２に貫挿することによって、複数のフッ素樹脂スペーサー１１０がより精度良く位置決めされ（従って、フッ素樹脂スペーサー１１０の水晶圧電素子１０８も精度良く位置決めされ）、ボルト孔１１６を用いて上部プレート１０２と下部プレート１０４とを螺合することによって、位置決めされた水晶圧電素子１０８が、ｚ方向に一定の力で与圧される。尚、本実施例ではスリーブ１１２が、本発明における「ガイド部材」に対応する。
【００２２】
図２は、力センサー１００を構成する複数の水晶圧電素子１０８および電極板１０６の電気的な接続関係を模式的に示した説明図である。図２に示されるように、上部プレート１０２と下部プレート１０４との間には、正確には、７枚の電極板１０６ａ〜１０６ｇと、６つの水晶圧電素子１０８ａ〜１０８ｆが積層されている。７枚の電極板１０６ａ〜１０６ｇのうち、電極板１０６ｂ，１０６ｄ，１０６ｆは、それぞれ、出力信号線に接続されている。また、電極板１０６ａ，１０６ｃ，１０６ｅ，１０６ｇは、それぞれ、接地されている。
【００２３】
一方、６つの水晶圧電素子１０８ａ〜１０８ｆのうち、真ん中の２つの水晶圧電素子１０８ｃ，１０８ｄは、圧縮方向、すなわち、ｚ方向の力に感度を有する水晶圧電素子（ｚ方向用水晶圧電素子）である。水晶のＸ方位は矢印で示すようにｚ方向に沿っており、上に位置する水晶圧電素子１０８ｃと下に位置する水晶圧電素子１０８ｄとで、互いに逆向きになっている。下側の２つの水晶圧電素子１０８ｅ，１０８ｆは、水平方向のうち、ｘ方向の力に感度を有する水晶圧電素子（ｘ方向用水晶圧電素子）である。水晶のＸ方位は矢印で示すようにｘ方向に沿っており、上に位置する水晶圧電素子１０８ｅと下に位置する水晶圧電素子１０８ｆとで、互いに逆向きになっている。上側の２つの水晶圧電素子１０８ａ，１０８ｂは、水平方向のうち、ｙ方向の力に感度を有する水晶圧電素子（ｙ方向用水晶圧電素子）である。水晶のＸ方位は記号で示すようにｙ方向に沿っており、上に位置する水晶圧電素子１０８ａと下に位置する水晶圧電素子１０８ｂとで、互いに逆向きになっている。
【００２４】
Ｂ．力センサーの動作：
力センサー１００に力が加わった場合、上部プレート１０２および下部プレート１０４は、その力を受けて、各水晶圧電素子１０８ａ〜１０８ｆに伝達する。各水晶圧電素子１０８ａ〜１０８ｆは、それぞれ、圧電効果によって、水晶の結晶方位に応じた力成分を検出する。すなわち、図２に示すように、ｙ方向用水晶圧電素子１０８ａ，１０８ｂでは、前述したとおり、水晶のＸ方位がｙ方向に沿っているため、ｙ方向の力成分を検出し、その検出値に基づいた電気信号をＦｙ信号として電極板１０６ｂより出力信号線へと出力する。同様に、ｚ方向用水晶圧電素子１０８ｃ，１０８ｄでは、水晶のＸ方位がｚ方向に沿っているため、ｚ方向の力成分を検出し、その検出値に基づいた電気信号をＦｚ信号として電極板１０６ｄより出力信号線へと出力する。ｘ方向用水晶圧電素子１０８ｅ，１０８ｆでは、水晶のＸ方位がｘ方向に沿っているため、ｘ方向の力成分を検出し、その検出値に基づいた電気信号をＦｘ信号として電極板１０６ｆより出力信号線へと出力する。
【００２５】
このような力センサー１００の動作原理から明らかなように、ｘ方向用水晶圧電素子１０８ｅ，１０８ｆの結晶方位が正確にｘ方向を向いており、且つ、ｙ方向用水晶圧電素子１０８ａ，１０８ｂの結晶方位が正確にｙ方向を向いていなければ、ｘ方向およびｙ方向の力成分を精度良く検出することができない。また、水晶圧電素子１０８には大きな力が加わるため、水晶圧電素子１０８ａ〜ｆの位置が水平方向（ｘｙ方向）にずれていると水晶圧電素子１０８に応力集中が発生し易くなり、力センサー１００に力が加わった際、水晶圧電素子１０８が破壊するおそれが生じる。従って、水晶圧電素子１０８ａ〜ｆの結晶方位が正確な方向を向くように、且つ、水晶圧電素子１０８ａ〜ｆの位置がずれないように、水晶圧電素子１０８を精度良く位置決めしながら積層する必要がある。そこで、本実施例の力センサー１００は、次のような方法で水晶圧電素子１０８を位置決めしている。
【００２６】
Ｃ．水晶圧電素子の位置決め方法：
図３は、本実施例の力センサー１００で複数の水晶圧電素子１０８を位置決めしながら積層する方法を示した説明図である。前述したように、水晶圧電素子１０８はフッ素樹脂スペーサー１１０のほぼ中央に嵌め込まれ、フッ素樹脂スペーサー１１０には、水晶圧電素子１０８の両側に挿通孔１１０ｈが形成されている（図１参照）。力センサー１００を組み立てる際には、下部プレート１０４の上に立設させたスリーブ１１２を挿通孔１１０ｈに挿通させながら、複数枚のフッ素樹脂スペーサー１１０および電極板１０６を交互に積層した後、その上から上部プレート１０２を載せて、上部プレート１０２と下部プレート１０４を与圧ボルト１１４で締結する。図３（ａ）には、下部プレート１０４の上に複数枚のフッ素樹脂スペーサー１１０および電極板１０６を交互に積層している様子を表している。
【００２７】
図３（ａ）に示されるように、フッ素樹脂スペーサー１１０および電極板１０６は、スリーブ１１２によってガイドされながら積層される。ここで、フッ素樹脂スペーサー１１０の挿通孔１１０ｈの内径は、スリーブ１１２の外径よりも直径にして０．２ｍｍ〜１ｍｍ程度大きく形成されている。このため、挿通孔１１０ｈにスリーブ１１２を容易に挿通させることができるので、複数のフッ素樹脂スペーサー１１０を迅速に積層することが可能である。また、電極板１０６の挿通孔１０６ｈの内径は、挿通孔１１０ｈの内径よりも更に大きく形成されている。このため、複数の電極板１０６についても迅速に積層することができる。
【００２８】
全てのフッ素樹脂スペーサー１１０および電極板１０６を積層したら、その上から上部プレート１０２を載せた後、上部プレート１０２に設けられたボルト孔１１６から与圧ボルト１１４を挿入する。そして、スリーブ１１２の中空部分１１２ｈを貫通して下部プレート１０４のネジ穴１０４ｈに達するまで、与圧ボルト１１４を貫挿する。図３（ｂ）には、スリーブ１１２の中空部分１１２ｈに与圧ボルト１１４を貫挿した状態が示されている。
【００２９】
ここで、スリーブ１１２の中空部分１１２ｈの内径は、与圧ボルト１１４の外径よりも少しだけ小さく形成されている。このため、スリーブ１１２の中空部分１１２ｈに与圧ボルト１１４を挿通させると、スリーブ１１２の外径が少しだけ大きくなる。そして、与圧ボルト１１４が挿通されていない状態でのスリーブ１１２の外径および内径は、与圧ボルト１１４が挿通されることによってスリーブ１１２の外径が、挿通孔１１０ｈの内径と等しくなるように設定されている。このため与圧ボルト１１４が貫挿されると、スリーブ１１２は、大まかに位置決めされた複数のフッ素樹脂スペーサー１１０を、より精度良く位置決めされるように修正する方向に挿通孔１１０ｈの内側を押圧する。加えて、与圧ボルト１１４をスリーブ１１２の中空部分１１２ｈに貫挿しただけでは、フッ素樹脂スペーサー１１０はまだ与圧された状態とはなっていない。このため、フッ素樹脂スペーサー１１０はスリーブ１１２から押圧される力で移動して、精度良く位置決めされることになる（図３（ｂ）参照）。そして複数のフッ素樹脂スペーサー１１０が精度良く位置決めされた状態で、与圧ボルト１１４を締め付けることにより、複数のフッ素樹脂スペーサー１１０が上部プレート１０２と下部プレート１０４との間で与圧された状態となる。
【００３０】
このように本実施例の力センサー１００は、フッ素樹脂スペーサー１１０を積層する段階では、スリーブ１１２をガイドにして大まかに位置決めしながら積層する。積層時の位置決めは大まかな位置決めでよいので、複数のフッ素樹脂スペーサー１１０を迅速に積層することができる。そして積層した複数のフッ素樹脂スペーサー１１０を与圧するために、スリーブ１１２の中空部分１１２ｈに与圧ボルト１１４を挿通させると、大まかに位置決めされていたフッ素樹脂スペーサー１１０の位置がスリーブ１１２によって修正されて、より精度良く位置決めされた状態となる。そして、その状態で与圧ボルト１１４によってフッ素樹脂スペーサー１１０（および水晶圧電素子１０８）が与圧される。このため、フッ素樹脂スペーサー１１０（および水晶圧電素子１０８）を精度良く位置決めして積層された力センサー１００を、迅速に製造することが可能となる。
【００３１】
尚、上述した実施例では、スリーブ１１２がフッ素ゴムで形成されているものとして説明したが、弾性があり且つ絶縁性がある材料であれば、フッ素ゴム以外の材料を用いてスリーブ１１２を形成しても良い。但し、スリーブ１１２の中空部分１１２ｈには与圧ボルト１１４が貫挿されるので、フッ素ゴムのように与圧ボルト１１４の滑りの良い材料（摩擦係数が小さい材料）を用いることが望ましい。
【００３２】
また、上述した実施例では、与圧ボルト１１４が貫挿されることによってスリーブ１１２の外径が挿通孔１１０ｈの内径と等しくなるものとして説明した。しかし、スリーブ１１２は弾性材料で形成されているので、挿通孔１１０ｈの内径よりも少しだけ（例えば直径にして１０μｍ〜５０μｍ程度）大きくなるようにしても良い。こうすれば、フッ素樹脂スペーサー１１０の挿通孔１１０ｈや、スリーブ１１２や、与圧ボルト１１４の製造ばらつきの影響で、与圧ボルト１１４を貫挿してもスリーブ１１２が挿通孔１１０ｈに当接せずにフッ素樹脂スペーサー１１０を位置決めできない事態の発生を回避することができる。
【００３３】
また、上述した実施例では、スリーブ１１２は、断面が円環形のチューブ形状に形成されているものとして説明した。しかし、スリーブ１１２は、外周面あるいは内周面に突起が設けられた形状としてもよい。もちろん、外周面および内周面のそれぞれに複数の突起を設けても良い。例えば、図４（ａ）に示した変形例のスリーブ１１２のように、外周面に複数本の突条１１２ａを設けておけば、中空部分１１２ｈに与圧ボルト１１４を挿通した時に、突条１１２ａが当接して挿通孔１１０ｈを押圧する。こうすれば、挿通孔１１０ｈが強く押圧されると、フッ素樹脂スペーサー１１０が変形する前に突条１１２ａが変形するので、フッ素樹脂スペーサー１１０が損傷を受けることがない。
【００３４】
あるいは図４（ｂ）に示した変形例のスリーブ１１２のように、内周面に複数本の突条１１２ｂを設けた場合には、与圧ボルト１１４との接触面が小さくなるので、与圧ボルト１１４を中空部分１１２ｈに容易に貫挿させることができる。また、与圧ボルト１１４を貫挿させると、内周面に突条１１２ｂが設けられた部分が外側に膨らんで挿通孔１１０ｈを押圧する。このため、たとえ挿通孔１１０ｈが強く押圧される部分が生じても、その部分のスリーブ１１２の外周面、あるいは突条１１２ｂが変形することとなって、フッ素樹脂スペーサー１１０が損傷を受けることがない。
【００３５】
Ｄ．力検出装置：
図５は、図１に示す力センサー１００を４つ備えた力検出装置２００の外観を示す斜視図である。図５に示されるように、力検出装置２００では、上部プレート１０２および下部プレート１０４は、それぞれ円板形状を成しており、各力センサー１００ａ〜１００ｄで共有されている。各力センサー１００ａ〜１００ｄは、それぞれ、円周に沿って、９０度ずつ隔てて配置されており、３つ以上の力センサー１００が同一直線上に並ばないように配置されている。
【００３６】
前述したとおり、力センサー１００は、力センサー１００に加わる力をｘｙｚ方向の力成分に分解した状態で検出することができる。そのため、力検出装置２００では、任意の２つの力センサー１００を組み合わせることによって、一方向のモーメントを検出することができる。しかも、力検出装置２００では、３つ以上の力センサー１００を用い、それら力センサー１００が同一の直線上に並ばないように配置しているので、三軸方向の力、および三軸回りのモーメントを同時に検出することができる。
【００３７】
以上、本実施例の力センサー１００および力検出装置２００について説明したが、本発明は上記すべての実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。
【００３８】
例えば、上述した実施例では、圧電素子を構成する圧電材料として、水晶を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。圧電材料としては、水晶の他に、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）などのチタン酸系セラミックス、およびニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などが好適に用いられる。
【００３９】
また、図６に例示したように、本実施例の力検出装置２００を用いてロボットハンド３００、あるいはロボット４００を構成しても良い。本実施例の力検出装置２００は、軸方向の力だけでなく、軸回りのモーメントも計測できることから、小型で高性能のロボットハンドあるいはロボットを実現することが可能となる。
【符号の説明】
【００４０】
１００…力センサー、 １００ａ〜ｄ…力センサー、 １０２…上部プレート、
１０４…下部プレート、 １０４ｈ…ネジ穴、 １０６…電極板、
１０６ａ〜ｇ…電極板、 １０６ｈ…挿通孔、 １０８…水晶圧電素子、
１０８ａ〜ｆ…水晶圧電素子、 １１０…フッ素樹脂スペーサー、
１１０ｈ…挿通孔、 １１２…スリーブ、 １１２ａ，ｂ…突条、
１１２ｈ…中空部分、 １１４…与圧ボルト、 １１６…ボルト孔、
２００…力検出装置、 ３００…ロボットハンド、 ４００…ロボット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力センサー、力検出装置、ロボットハンド、ロボット、および力センサーの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水晶などの特定の結晶や特定のセラミックなどが呈する圧電効果を利用して、力を検出する力センサーが広く知られている。この力センサーでは、出力感度を高めるために、複数の圧電部材を積層することがある。
【０００３】
また、水晶などの結晶を圧電部材として用いる場合は、結晶方位による圧電効果の異方性によって、加えられた力成分を分解して検出することも可能である。このような力センサーでは、多方向の力成分を測定可能とするために、複数の圧電部材を積層することがある。
【０００４】
これら力センサーに加わる荷重は、圧電部材によって主に支えられる。このため、複数の圧電部材を積層する場合、圧電部材の水平方向（積層方向に対して直角な方向）への位置がずれると圧電部材の荷重を受ける面積が減少してしまい、出力感度の低下や、応力集中による圧電部材の破壊などが生じる。そこで、例えば特許文献１では、円環形状の薄い圧電部材をケースの内周側面で位置決めしながら積層することによって、複数の圧電部材が水平方向に位置ずれすることを回避している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１７５７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記提案の技術では、圧電部材の水平方向の位置決め精度を損なうことなく、力センサーの製造効率を向上させることが困難であるという問題があった。すなわち、圧電部材の水平方向の位置決め精度を確保しようとして、圧電部材とケースの内周側面との間の隙間（あそび）を小さくすると、ケース内に複数の圧電部材を挿入して積層することが困難となるので力センサーの製造効率が低下する。そこで、ケース内で複数の圧電部材を容易に積層可能とするために圧電部材とケースの内周側面との間の隙間を広げると、今度は、圧電部材の水平方向の位置決め精度が低下する。このような理由から、圧電部材の水平方向の位置決め精度を向上させる要請と、力センサーの製造効率を向上させる要請とを同時に満足させることが難しいという問題があった。
【０００７】
この発明は、従来の技術が有する上述した課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、圧電部材の水平方向の位置決め精度を十分に確保しながら、力センサーの製造効率を向上させることが可能な技術の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の力センサーは次の構成を採用した。すなわち、
積層された複数の圧電素子が下部部材と上部部材との間で挟持されて、与圧ボルトによって与圧されて成る力センサーであって、
弾性材料によって中空形状に形成され、前記下部部材に立設された複数のガイド部材と、
前記ガイド部材が挿通する複数の挿通孔が形成されて、該複数の挿通孔の間に前記圧電素子が設けられた圧電素子保持板と
を備え、
前記下部部材および前記上部部材は、複数の前記挿通孔に前記ガイド部材が挿通されて積層された複数の前記圧電素子保持板を挟持した状態で、該ガイド部材の中空部分に通した前記与圧ボルトを用いて互いに締結される
ことを特徴とする。
【０００９】
また、上述した力センサーに対応する本発明の力センサーの製造方法は、
積層された複数の圧電素子が下部部材と上部部材との間で挟持されて、与圧ボルトによって与圧されて成る力センサーの製造方法であって、
弾性材料によって中空形状に形成された複数のガイド部材を、前記下部部材の所定位置に立設する第１の工程と、
複数の挿通孔が形成されて該複数の挿通孔の間に前記圧電素子が設けられた複数の圧電素子保持板を、該複数の挿通孔に前記ガイド部材を挿通させて積層する第２の工程と、
積層された複数の前記圧電素子保持板の上に前記上部部材を載置する第３の工程と、
前記ガイド部材の中空部分よりも軸径が大きな前記与圧ボルトを、前記上部部材に設けられたボルト孔から前記ガイド部材の前記中空部分に挿入する第４の工程と、
前記与圧ボルトを用いて前記上部部材と前記下部部材とを締結する第５の工程と
を備えることを特徴とする。
【００１０】
このような構成を有する本発明の力センサー、あるいは本発明の製造方法によって製造された力センサーにおいては、圧電素子が設けられた複数の圧電素子保持板が積層されて、上部部材と下部部材との間で挟持された状態で、与圧ボルトによって与圧されている。圧電素子保持板には複数の挿通孔が形成されており、複数の圧電素子保持板は、挿通孔にガイド部材を挿通して積層された後、ガイド部材の中空部分に与圧ボルトを通して上部部材と下部部材とが締結される。
【００１１】
こうすれば、複数の圧電素子保持板を積層する段階では、圧電素子保持板の挿通孔をガイド部材に通すことによって、複数の圧電素子保持板を位置決めしながら迅速に積層することができる。そして、圧電素子保持板の積層後は、ガイド部材の中空部分に与圧ボルトを通すことによって、そのままの状態で、複数の圧電素子保持板（および圧電素子）を与圧ボルトによって与圧することができる。このため、本発明の力センサー、あるいは本発明の製造方法によって製造される力センサーは、複数の圧電素子保持板（および圧電素子）を精度良く位置決めしながら、効率よく製造することが可能となる。
【００１２】
また、上述した本発明の力センサーにおいては、ガイド部材の中空部分を、与圧ボルトの外径よりも小さく形成しておいてもよい。そして、ガイド部材を圧電素子保持板の挿通孔に挿通させた状態で中空部分に与圧ボルトを通すと、ガイド部材が与圧ボルトによって押し広げられて、ガイド部材の外側が挿通孔に当接するようにしてもよい。
【００１３】
こうすれば、複数の圧電素子保持板を積層する段階では、ガイド部材が与圧ボルトで押し広げられていないので、圧電素子保持板の挿通孔とガイド部材との間に隙間ができている。このため、複数の圧電素子保持板を迅速に積層することができる。そして、圧電素子保持板の積層後は、ガイド部材の中空部分に与圧ボルトを通すとガイド部材が押し広げられて、圧電素子保持板の挿通孔に当接する。この結果、積層された複数の圧電素子保持板をより一層精度良く位置決めすることが可能となる。
【００１４】
また、上述した本発明の力センサーにおいては、圧電素子保持板と同様に複数の挿通孔が形成された複数の電極板を、圧電素子保持板と交互に積層することとして、ガイド部材を絶縁材料によって形成するようにしてもよい。
こうすれば、与圧ボルトを通して押し広げられたガイド部材が電極板に接触しても、電極板同士が電気的に短絡することを回避することができる。
【００１５】
また、上述した本発明の力センサーにおいては、互いに直交するｘ方向，ｙ方向，ｚ方向の三軸に対し、圧電素子が、ｘ方向の力に感度を有するｘ方向用圧電素子が設けられた圧電素子保持板と、ｙ方向の力に感度を有するｙ方向用圧電素子が設けられた圧電素子保持板と、ｚ方向の力に感度を有するｚ方向用圧電素子が設けられた圧電素子保持板と、を積層することにより、三軸方向の力を検出することができるようにしてもよい。
このようにすれば、１つの力センサーで、三軸方向の力を検出することが可能となる。
【００１６】
また、本発明の力検出装置は、上述した力センサーを２つ以上備え、所望の軸回りのモーメントを検出することができるようにしてもよい。
こうすれば、軸方向の力成分だけでなく、軸回りのモーメントも容易に検出することが可能となる。
【００１７】
また、本発明の力センサーをロボットハンドあるいはロボットに搭載しても良い。
ロボットハンドやロボットには多数の力センサーが搭載されることが通常であるが、上述したように本発明の力センサーは、圧電素子が精度良く位置決めされて積層されており、しかも効率よく製造することができるので、ロボットハンドあるいはロボットに搭載する力センサーとして特に優れている。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施例の力センサーの構造を示した分解斜視図である。
【図２】力センサーを構成する複数の水晶圧電素子や電極板の電気的な接続関係を模式的に示した説明図である。
【図３】本実施例の力センサーで複数の水晶圧電素子を位置決めしながら積層する方法を示した説明図である。
【図４】変形例のスリーブの外観形状を示す斜視図である。
【図５】４つの力センサーを備えた力検出装置の外観形状を示す斜視図である。
【図６】本実施例の力検出装置を搭載したロボットハンドおよびロボットを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下では、上述した本願発明の内容を明確にするために、次のような順序に従って実施例を説明する。
Ａ．力センサーの構成：
Ｂ．力センサーの動作：
Ｃ．水晶圧電素子の位置決め方法：
Ｄ．力検出装置：
【００２０】
Ａ．力センサーの構成：
図１は、本実施例の力センサー１００の構造を示した分解斜視図である。図１に示されるように力センサー１００は、上部プレート１０２と下部プレート１０４との間に、電極板１０６と、水晶圧電素子１０８が設けられたフッ素樹脂スペーサー１１０とを、交互に複数積層して構成されている。電極板１０６は、導電性を備える金属、例えば、チタニウム、アルミニウム、銅、鉄などの単体もしくは合金を用いることができる。例えば、鉄合金としてステンレススチールを用いることも可能であり、耐久性，耐食性が優れることから好適に用いられる。フッ素樹脂スペーサー１１０の中央部には、正方形状の貫通穴が開いており、その貫通穴内に、外周形状が正方形の水晶圧電素子１０８が配置されることによって、水晶圧電素子１０８はｘｙ平面において位置決めされる。尚、本実施例では上部プレート１０２が本発明における「上部部材」に対応し、下部プレート１０４が本発明における「下部部材」に対応する。また、フッ素樹脂スペーサー１１０が本発明における「圧電素子保持板」に対応する。
【００２１】
上部プレート１０２には、２つのボルト孔１１６が開いている。各フッ素樹脂スペーサー１１０には、２つずつ円形状の挿通孔１１０ｈが開いている。同様に各電極板１０６にも、２つずつ円形状の挿通孔１０６ｈが開いている。一方、上部プレート１０２と下部プレート１０４との間には、円筒のパイプ形状を成すフッ素ゴム製のスリーブ１１２が２つ配置されている。上部プレート１０２と下部プレート１０４との間に、各電極板１０６および各フッ素樹脂スペーサー１１０をそれぞれ積層する際、電極板１０６およびフッ素樹脂スペーサー１１０にそれぞれ設けられた２つの円形の挿通孔１０６ｈ、１１０ｈに、２つのスリーブ１１２がそれぞれ挿通するように積層する。複数のフッ素樹脂スペーサー１１０は、２つの挿通孔１１０ｈでスリーブ１１２にガイドされるので、大まかに位置決めされながら積層される。その上で、上部プレート１０２の上方より２本の与圧ボルト１１４をボルト孔１１６に挿入し、スリーブ１１２内を貫挿し、下部プレート１０４に螺合する。詳細には後述するが、与圧ボルト１１４をスリーブ１１２に貫挿することによって、複数のフッ素樹脂スペーサー１１０がより精度良く位置決めされ（従って、フッ素樹脂スペーサー１１０の水晶圧電素子１０８も精度良く位置決めされ）、ボルト孔１１６を用いて上部プレート１０２と下部プレート１０４とを螺合することによって、位置決めされた水晶圧電素子１０８が、ｚ方向に一定の力で与圧される。尚、本実施例ではスリーブ１１２が、本発明における「ガイド部材」に対応する。
【００２２】
図２は、力センサー１００を構成する複数の水晶圧電素子１０８および電極板１０６の電気的な接続関係を模式的に示した説明図である。図２に示されるように、上部プレート１０２と下部プレート１０４との間には、正確には、７枚の電極板１０６ａ〜１０６ｇと、６つの水晶圧電素子１０８ａ〜１０８ｆが積層されている。７枚の電極板１０６ａ〜１０６ｇのうち、電極板１０６ｂ，１０６ｄ，１０６ｆは、それぞれ、出力信号線に接続されている。また、電極板１０６ａ，１０６ｃ，１０６ｅ，１０６ｇは、それぞれ、接地されている。
【００２３】
一方、６つの水晶圧電素子１０８ａ〜１０８ｆのうち、真ん中の２つの水晶圧電素子１０８ｃ，１０８ｄは、圧縮方向、すなわち、ｚ方向の力に感度を有する水晶圧電素子（ｚ方向用水晶圧電素子）である。水晶のＸ方位は矢印で示すようにｚ方向に沿っており、上に位置する水晶圧電素子１０８ｃと下に位置する水晶圧電素子１０８ｄとで、互いに逆向きになっている。下側の２つの水晶圧電素子１０８ｅ，１０８ｆは、水平方向のうち、ｘ方向の力に感度を有する水晶圧電素子（ｘ方向用水晶圧電素子）である。水晶のＸ方位は矢印で示すようにｘ方向に沿っており、上に位置する水晶圧電素子１０８ｅと下に位置する水晶圧電素子１０８ｆとで、互いに逆向きになっている。上側の２つの水晶圧電素子１０８ａ，１０８ｂは、水平方向のうち、ｙ方向の力に感度を有する水晶圧電素子（ｙ方向用水晶圧電素子）である。水晶のＸ方位は記号で示すようにｙ方向に沿っており、上に位置する水晶圧電素子１０８ａと下に位置する水晶圧電素子１０８ｂとで、互いに逆向きになっている。
【００２４】
Ｂ．力センサーの動作：
力センサー１００に力が加わった場合、上部プレート１０２および下部プレート１０４は、その力を受けて、各水晶圧電素子１０８ａ〜１０８ｆに伝達する。各水晶圧電素子１０８ａ〜１０８ｆは、それぞれ、圧電効果によって、水晶の結晶方位に応じた力成分を検出する。すなわち、図２に示すように、ｙ方向用水晶圧電素子１０８ａ，１０８ｂでは、前述したとおり、水晶のＸ方位がｙ方向に沿っているため、ｙ方向の力成分を検出し、その検出値に基づいた電気信号をＦｙ信号として電極板１０６ｂより出力信号線へと出力する。同様に、ｚ方向用水晶圧電素子１０８ｃ，１０８ｄでは、水晶のＸ方位がｚ方向に沿っているため、ｚ方向の力成分を検出し、その検出値に基づいた電気信号をＦｚ信号として電極板１０６ｄより出力信号線へと出力する。ｘ方向用水晶圧電素子１０８ｅ，１０８ｆでは、水晶のＸ方位がｘ方向に沿っているため、ｘ方向の力成分を検出し、その検出値に基づいた電気信号をＦｘ信号として電極板１０６ｆより出力信号線へと出力する。
【００２５】
このような力センサー１００の動作原理から明らかなように、ｘ方向用水晶圧電素子１０８ｅ，１０８ｆの結晶方位が正確にｘ方向を向いており、且つ、ｙ方向用水晶圧電素子１０８ａ，１０８ｂの結晶方位が正確にｙ方向を向いていなければ、ｘ方向およびｙ方向の力成分を精度良く検出することができない。また、水晶圧電素子１０８には大きな力が加わるため、水晶圧電素子１０８ａ〜ｆの位置が水平方向（ｘｙ方向）にずれていると水晶圧電素子１０８に応力集中が発生し易くなり、力センサー１００に力が加わった際、水晶圧電素子１０８が破壊するおそれが生じる。従って、水晶圧電素子１０８ａ〜ｆの結晶方位が正確な方向を向くように、且つ、水晶圧電素子１０８ａ〜ｆの位置がずれないように、水晶圧電素子１０８を精度良く位置決めしながら積層する必要がある。そこで、本実施例の力センサー１００は、次のような方法で水晶圧電素子１０８を位置決めしている。
【００２６】
Ｃ．水晶圧電素子の位置決め方法：
図３は、本実施例の力センサー１００で複数の水晶圧電素子１０８を位置決めしながら積層する方法を示した説明図である。前述したように、水晶圧電素子１０８はフッ素樹脂スペーサー１１０のほぼ中央に嵌め込まれ、フッ素樹脂スペーサー１１０には、水晶圧電素子１０８の両側に挿通孔１１０ｈが形成されている（図１参照）。力センサー１００を組み立てる際には、下部プレート１０４の上に立設させたスリーブ１１２を挿通孔１１０ｈに挿通させながら、複数枚のフッ素樹脂スペーサー１１０および電極板１０６を交互に積層した後、その上から上部プレート１０２を載せて、上部プレート１０２と下部プレート１０４を与圧ボルト１１４で締結する。図３（ａ）には、下部プレート１０４の上に複数枚のフッ素樹脂スペーサー１１０および電極板１０６を交互に積層している様子を表している。
【００２７】
図３（ａ）に示されるように、フッ素樹脂スペーサー１１０および電極板１０６は、スリーブ１１２によってガイドされながら積層される。ここで、フッ素樹脂スペーサー１１０の挿通孔１１０ｈの内径は、スリーブ１１２の外径よりも直径にして０．２ｍｍ〜１ｍｍ程度大きく形成されている。このため、挿通孔１１０ｈにスリーブ１１２を容易に挿通させることができるので、複数のフッ素樹脂スペーサー１１０を迅速に積層することが可能である。また、電極板１０６の挿通孔１０６ｈの内径は、挿通孔１１０ｈの内径よりも更に大きく形成されている。このため、複数の電極板１０６についても迅速に積層することができる。
【００２８】
全てのフッ素樹脂スペーサー１１０および電極板１０６を積層したら、その上から上部プレート１０２を載せた後、上部プレート１０２に設けられたボルト孔１１６から与圧ボルト１１４を挿入する。そして、スリーブ１１２の中空部分１１２ｈを貫通して下部プレート１０４のネジ穴１０４ｈに達するまで、与圧ボルト１１４を貫挿する。図３（ｂ）には、スリーブ１１２の中空部分１１２ｈに与圧ボルト１１４を貫挿した状態が示されている。
【００２９】
ここで、スリーブ１１２の中空部分１１２ｈの内径は、与圧ボルト１１４の外径よりも少しだけ小さく形成されている。このため、スリーブ１１２の中空部分１１２ｈに与圧ボルト１１４を挿通させると、スリーブ１１２の外径が少しだけ大きくなる。そして、与圧ボルト１１４が挿通されていない状態でのスリーブ１１２の外径および内径は、与圧ボルト１１４が挿通されることによってスリーブ１１２の外径が、挿通孔１１０ｈの内径と等しくなるように設定されている。このため与圧ボルト１１４が貫挿されると、スリーブ１１２は、大まかに位置決めされた複数のフッ素樹脂スペーサー１１０を、より精度良く位置決めされるように修正する方向に挿通孔１１０ｈの内側を押圧する。加えて、与圧ボルト１１４をスリーブ１１２の中空部分１１２ｈに貫挿しただけでは、フッ素樹脂スペーサー１１０はまだ与圧された状態とはなっていない。このため、フッ素樹脂スペーサー１１０はスリーブ１１２から押圧される力で移動して、精度良く位置決めされることになる（図３（ｂ）参照）。そして複数のフッ素樹脂スペーサー１１０が精度良く位置決めされた状態で、与圧ボルト１１４を締め付けることにより、複数のフッ素樹脂スペーサー１１０が上部プレート１０２と下部プレート１０４との間で与圧された状態となる。
【００３０】
このように本実施例の力センサー１００は、フッ素樹脂スペーサー１１０を積層する段階では、スリーブ１１２をガイドにして大まかに位置決めしながら積層する。積層時の位置決めは大まかな位置決めでよいので、複数のフッ素樹脂スペーサー１１０を迅速に積層することができる。そして積層した複数のフッ素樹脂スペーサー１１０を与圧するために、スリーブ１１２の中空部分１１２ｈに与圧ボルト１１４を挿通させると、大まかに位置決めされていたフッ素樹脂スペーサー１１０の位置がスリーブ１１２によって修正されて、より精度良く位置決めされた状態となる。そして、その状態で与圧ボルト１１４によってフッ素樹脂スペーサー１１０（および水晶圧電素子１０８）が与圧される。このため、フッ素樹脂スペーサー１１０（および水晶圧電素子１０８）を精度良く位置決めして積層された力センサー１００を、迅速に製造することが可能となる。
【００３１】
尚、上述した実施例では、スリーブ１１２がフッ素ゴムで形成されているものとして説明したが、弾性があり且つ絶縁性がある材料であれば、フッ素ゴム以外の材料を用いてスリーブ１１２を形成しても良い。但し、スリーブ１１２の中空部分１１２ｈには与圧ボルト１１４が貫挿されるので、フッ素ゴムのように与圧ボルト１１４の滑りの良い材料（摩擦係数が小さい材料）を用いることが望ましい。
【００３２】
また、上述した実施例では、与圧ボルト１１４が貫挿されることによってスリーブ１１２の外径が挿通孔１１０ｈの内径と等しくなるものとして説明した。しかし、スリーブ１１２は弾性材料で形成されているので、挿通孔１１０ｈの内径よりも少しだけ（例えば直径にして１０μｍ〜５０μｍ程度）大きくなるようにしても良い。こうすれば、フッ素樹脂スペーサー１１０の挿通孔１１０ｈや、スリーブ１１２や、与圧ボルト１１４の製造ばらつきの影響で、与圧ボルト１１４を貫挿してもスリーブ１１２が挿通孔１１０ｈに当接せずにフッ素樹脂スペーサー１１０を位置決めできない事態の発生を回避することができる。
【００３３】
また、上述した実施例では、スリーブ１１２は、断面が円環形のチューブ形状に形成されているものとして説明した。しかし、スリーブ１１２は、外周面あるいは内周面に突起が設けられた形状としてもよい。もちろん、外周面および内周面のそれぞれに複数の突起を設けても良い。例えば、図４（ａ）に示した変形例のスリーブ１１２のように、外周面に複数本の突条１１２ａを設けておけば、中空部分１１２ｈに与圧ボルト１１４を挿通した時に、突条１１２ａが当接して挿通孔１１０ｈを押圧する。こうすれば、挿通孔１１０ｈが強く押圧されると、フッ素樹脂スペーサー１１０が変形する前に突条１１２ａが変形するので、フッ素樹脂スペーサー１１０が損傷を受けることがない。
【００３４】
あるいは図４（ｂ）に示した変形例のスリーブ１１２のように、内周面に複数本の突条１１２ｂを設けた場合には、与圧ボルト１１４との接触面が小さくなるので、与圧ボルト１１４を中空部分１１２ｈに容易に貫挿させることができる。また、与圧ボルト１１４を貫挿させると、内周面に突条１１２ｂが設けられた部分が外側に膨らんで挿通孔１１０ｈを押圧する。このため、たとえ挿通孔１１０ｈが強く押圧される部分が生じても、その部分のスリーブ１１２の外周面、あるいは突条１１２ｂが変形することとなって、フッ素樹脂スペーサー１１０が損傷を受けることがない。
【００３５】
Ｄ．力検出装置：
図５は、図１に示す力センサー１００を４つ備えた力検出装置２００の外観を示す斜視図である。図５に示されるように、力検出装置２００では、上部プレート１０２および下部プレート１０４は、それぞれ円板形状を成しており、各力センサー１００ａ〜１００ｄで共有されている。各力センサー１００ａ〜１００ｄは、それぞれ、円周に沿って、９０度ずつ隔てて配置されており、３つ以上の力センサー１００が同一直線上に並ばないように配置されている。
【００３６】
前述したとおり、力センサー１００は、力センサー１００に加わる力をｘｙｚ方向の力成分に分解した状態で検出することができる。そのため、力検出装置２００では、任意の２つの力センサー１００を組み合わせることによって、一方向のモーメントを検出することができる。しかも、力検出装置２００では、３つ以上の力センサー１００を用い、それら力センサー１００が同一の直線上に並ばないように配置しているので、三軸方向の力、および三軸回りのモーメントを同時に検出することができる。
【００３７】
以上、本実施例の力センサー１００および力検出装置２００について説明したが、本発明は上記すべての実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。
【００３８】
例えば、上述した実施例では、圧電素子を構成する圧電材料として、水晶を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。圧電材料としては、水晶の他に、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）などのチタン酸系セラミックス、およびニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などが好適に用いられる。
【００３９】
また、図６に例示したように、本実施例の力検出装置２００を用いてロボットハンド３００、あるいはロボット４００を構成しても良い。本実施例の力検出装置２００は、軸方向の力だけでなく、軸回りのモーメントも計測できることから、小型で高性能のロボットハンドあるいはロボットを実現することが可能となる。
【符号の説明】
【００４０】
１００…力センサー、 １００ａ〜ｄ…力センサー、 １０２…上部プレート、
１０４…下部プレート、 １０４ｈ…ネジ穴、 １０６…電極板、
１０６ａ〜ｇ…電極板、 １０６ｈ…挿通孔、 １０８…水晶圧電素子、
１０８ａ〜ｆ…水晶圧電素子、 １１０…フッ素樹脂スペーサー、
１１０ｈ…挿通孔、 １１２…スリーブ、 １１２ａ，ｂ…突条、
１１２ｈ…中空部分、 １１４…与圧ボルト、 １１６…ボルト孔、
２００…力検出装置、 ３００…ロボットハンド、 ４００…ロボット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された複数の圧電素子が下部部材と上部部材との間で挟持されて、与圧ボルトによって与圧されて成る力センサーであって、
弾性材料によって中空形状に形成され、前記下部部材に立設された複数のガイド部材と、
前記ガイド部材が挿通する複数の挿通孔が形成されて、該複数の挿通孔の間に前記圧電素子が設けられた圧電素子保持板と
を備え、
前記下部部材および前記上部部材は、複数の前記挿通孔に前記ガイド部材が挿通されて積層された複数の前記圧電素子保持板を挟持した状態で、該ガイド部材の中空部分に通した前記与圧ボルトを用いて互いに締結される部材である
ことを特徴とする力センサー。
【請求項２】
請求項１に記載の力センサーであって、
前記ガイド部材は、前記中空部分が前記与圧ボルトの外径よりも小さく形成されており、該ガイド部材を前記圧電素子保持板の前記挿通孔に挿通させた状態で前記中空部分に前記与圧ボルトを通すと、該与圧ボルトによって押し広げられて該挿通孔に当接する
ことを特徴とする力センサー。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の力センサーであって、
複数の前記ガイド部材が挿通する複数の挿通孔が形成されて、前記複数の圧電素子保持板と交互に積層された複数の電極板を備え、
前記ガイド部材は、絶縁材料によって形成されている
ことを特徴とする力センサー。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３の何れか一項に記載の力センサーであって、
互いに直交するｘ方向，ｙ方向，ｚ方向の三軸に対し、前記圧電素子保持板は、ｘ方向の力に感度を有するｘ方向用圧電素子が設けられた圧電素子保持板と、ｙ方向の力に感度を有するｙ方向用圧電素子が設けられた圧電素子保持板と、ｚ方向の力に感度を有するｚ方向用圧電素子が設けられた圧電素子保持板と、を含み、前記三軸方向の力を検出する
ことを特徴とする力センサー。
【請求項５】
加えられた力を検出する力検出装置であって、
請求項４に記載の力センサーを２つ以上備え、所望の軸回りのモーメントを検出する
ことを特徴とする力検出装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項４の何れか一項に記載の力センサーを搭載したロボットハンド。
【請求項７】
請求項１ないし請求項４の何れか一項に記載の力センサーを搭載したロボット。
【請求項８】
積層された複数の圧電素子が下部部材と上部部材との間で挟持されて、与圧ボルトによって与圧されて成る力センサーの製造方法であって、
弾性材料によって中空形状に形成された複数のガイド部材を、前記下部部材の所定位置に立設する第１の工程と、
複数の挿通孔が形成されて該複数の挿通孔の間に前記圧電素子が設けられた複数の圧電素子保持板を、該複数の挿通孔に前記ガイド部材を挿通させて積層する第２の工程と、
積層された複数の前記圧電素子保持板の上に前記上部部材を載置する第３の工程と、
前記ガイド部材の中空部分よりも軸径が大きな前記与圧ボルトを、前記上部部材に設けられたボルト孔から前記ガイド部材の前記中空部分に挿入する第４の工程と、
前記与圧ボルトを用いて前記上部部材と前記下部部材とを締結する第５の工程と
を備えることを特徴とする力センサーの製造方法。
【請求項１】
積層された複数の圧電素子が下部部材と上部部材との間で挟持されて、与圧ボルトによって与圧されて成る力センサーであって、
弾性材料によって中空形状に形成され、前記下部部材に立設された複数のガイド部材と、
前記ガイド部材が挿通する複数の挿通孔が形成されて、該複数の挿通孔の間に前記圧電素子が設けられた圧電素子保持板と
を備え、
前記下部部材および前記上部部材は、複数の前記挿通孔に前記ガイド部材が挿通されて積層された複数の前記圧電素子保持板を挟持した状態で、該ガイド部材の中空部分に通した前記与圧ボルトを用いて互いに締結される部材である
ことを特徴とする力センサー。
【請求項２】
請求項１に記載の力センサーであって、
前記ガイド部材は、前記中空部分が前記与圧ボルトの外径よりも小さく形成されており、該ガイド部材を前記圧電素子保持板の前記挿通孔に挿通させた状態で前記中空部分に前記与圧ボルトを通すと、該与圧ボルトによって押し広げられて該挿通孔に当接する
ことを特徴とする力センサー。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の力センサーであって、
複数の前記ガイド部材が挿通する複数の挿通孔が形成されて、前記複数の圧電素子保持板と交互に積層された複数の電極板を備え、
前記ガイド部材は、絶縁材料によって形成されている
ことを特徴とする力センサー。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３の何れか一項に記載の力センサーであって、
互いに直交するｘ方向，ｙ方向，ｚ方向の三軸に対し、前記圧電素子保持板は、ｘ方向の力に感度を有するｘ方向用圧電素子が設けられた圧電素子保持板と、ｙ方向の力に感度を有するｙ方向用圧電素子が設けられた圧電素子保持板と、ｚ方向の力に感度を有するｚ方向用圧電素子が設けられた圧電素子保持板と、を含み、前記三軸方向の力を検出する
ことを特徴とする力センサー。
【請求項５】
加えられた力を検出する力検出装置であって、
請求項４に記載の力センサーを２つ以上備え、所望の軸回りのモーメントを検出する
ことを特徴とする力検出装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項４の何れか一項に記載の力センサーを搭載したロボットハンド。
【請求項７】
請求項１ないし請求項４の何れか一項に記載の力センサーを搭載したロボット。
【請求項８】
積層された複数の圧電素子が下部部材と上部部材との間で挟持されて、与圧ボルトによって与圧されて成る力センサーの製造方法であって、
弾性材料によって中空形状に形成された複数のガイド部材を、前記下部部材の所定位置に立設する第１の工程と、
複数の挿通孔が形成されて該複数の挿通孔の間に前記圧電素子が設けられた複数の圧電素子保持板を、該複数の挿通孔に前記ガイド部材を挿通させて積層する第２の工程と、
積層された複数の前記圧電素子保持板の上に前記上部部材を載置する第３の工程と、
前記ガイド部材の中空部分よりも軸径が大きな前記与圧ボルトを、前記上部部材に設けられたボルト孔から前記ガイド部材の前記中空部分に挿入する第４の工程と、
前記与圧ボルトを用いて前記上部部材と前記下部部材とを締結する第５の工程と
を備えることを特徴とする力センサーの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−６４６２３（Ｐ２０１３−６４６２３Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０２８０２（Ｐ２０１１−２０２８０２）
【出願日】平成２３年９月１６日（２０１１．９．１６）
【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４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１６日（２０１１．９．１６）
【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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