JP2019012013A - 力検出装置およびロボット - Google Patents

Abstract

【課題】適確に力を検出することができる力検出装置およびロボットを提供すること。【解決手段】第１の部材と、第２の部材と、前記第１の部材と前記第２の部材とによって挟持され、外力に応じて電荷を出力する圧電センサーデバイスと、を備え、前記外力の所定の軸方向の成分の検出可能範囲が第１の範囲であるとき、前記第１の範囲内で前記外力を検出し、前記検出可能範囲が前記第１の範囲と異なる第２の範囲であるとき、前記第２の範囲内で前記外力を検出することを特徴とする力検出装置。また、前記圧電センサーデバイスは、前記第１の部材に配置されるセンサー素子を備え、前記センサー素子は、第１の圧電体層と、前記第１の圧電体層の一方側に配置された第２の圧電体層と、を備え、前記第１の圧電体層および前記第２の圧電体層は、それぞれ、第１の方向に加わる外力に応じて電荷を出力することが好ましい。【選択図】図１

Description

本発明は、力検出装置およびロボットに関するものである。

エンドエフェクターとロボットアームとを有するロボットにおいて、エンドエフェクターに加わる力を検出する力検出装置が用いられている。力検出装置は、ロボットアームの先端部とエンドエフェクターとの間に配置されている。この力検出装置としては、例えば、互いに直交する３軸のそれぞれの軸方向の力と、その３軸のそれぞれの軸周りの力（モーメント）とを検出する６軸力覚センサー等が用いられている。また、特許文献１には、力または慣性を測定（検出）する測定装置が開示されている。

特開平１０−６８６６５号公報

特許文献１に記載の測定装置では、力を検出することが可能な範囲（検出可能範囲）は、測定装置毎に１つの範囲に設定されており、検出可能範囲から外れた力を測定することができなかった。

また、ロボットが行う作業によっては、測定装置に要求される分解能が異なることがあるが、特許文献１に記載の測定装置では、測定装置毎に１つの分解能が設定されており、このため、分解能が対応していない場合は、測定装置を交換する必要があった。

本発明は、前述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例または形態として実現することが可能である。

本発明の力検出装置は、第１の部材と、
第２の部材と、
前記第１の部材と前記第２の部材とによって挟持され、外力に応じて電荷を出力する圧電センサーデバイスと、を備え、
前記外力の所定の軸方向の成分の検出可能範囲が第１の範囲であるとき、前記第１の範囲内で前記外力を検出し、前記検出可能範囲が前記第１の範囲と異なる第２の範囲であるとき、前記第２の範囲内で前記外力を検出することを特徴とする力検出装置。

このような本発明の力検出装置によれば、力（外力）を検出することが可能な範囲（検出可能範囲）として、互いに異なる第１の範囲と、第２の範囲とを設定することができる。これにより、検出する力の大きさに応じて、第１の範囲と第２の範囲とから一方を選択することにより、適確に力を検出することができる。

また、検出可能範囲を狭くすることで、分解能を高くすることができるので、要求される分解能に応じて、第１の範囲と第２の範囲とから一方を選択することにより、適確に力を検出することができる。

本発明の力検出装置では、前記圧電センサーデバイスは、前記第１の部材に配置されるセンサー素子を備え、
前記センサー素子は、第１の圧電体層と、前記第１の圧電体層の一方側に配置された第２の圧電体層と、を備え、
前記第１の圧電体層および前記第２の圧電体層は、それぞれ、第１の方向に加わる外力に応じて電荷を出力することが好ましい。
これにより、第１の方向に加わる力を検出することができる。

本発明の力検出装置では、第１のコンデンサーを有し、前記第１の圧電体層から出力される電荷を電圧に変換して前記電圧を出力する第１の変換出力回路と、
前記第１のコンデンサーと静電容量の異なる第２のコンデンサーを有し、前記第２の圧電体層から出力される電荷を電圧に変換して前記電圧を出力する第２の変換出力回路と、を備えることが好ましい。

これにより、検出可能範囲が広く、分解能が低い検出態様と、検出可能範囲が狭く、分解能が高い検出態様とを実現することができる。

本発明の力検出装置では、前記センサー素子は、前記第２の圧電体層の前記第１の圧電体層と反対側に配置された第３の圧電体層と、前記第３の圧電体層の前記第２の圧電体層と反対側に配置された第４の圧電体層と、を備え、
前記第３の圧電体層および前記第４の圧電体層は、それぞれ、前記第１の方向と異なる第２の方向に加わる外力に応じて電荷を出力することが好ましい。
これにより、第２の方向に加わる力を検出することができる。

本発明の力検出装置では、前記第１の方向と前記第２の方向は直交していることが好ましい。

これにより、第１の方向に加わる力と、第１の方向と直交する第２の方向に加わる力とを検出することができる。

本発明の力検出装置では、第３のコンデンサーを有し、前記第３の圧電体層から出力される電荷を電圧に変換して前記電圧を出力する第３の変換出力回路と、
前記第３のコンデンサーと静電容量の異なる第４のコンデンサーを有し、前記第４の圧電体層から出力される電荷を電圧に変換して前記電圧を出力する第４の変換出力回路と、を備えることが好ましい。

これにより、検出可能範囲が広く、分解能が低い検出態様と、検出可能範囲が狭く、分解能が高い検出態様とを実現することができる。

本発明の力検出装置では、前記センサー素子を複数有することが好ましい。
これにより、複数の軸方向の力を検出することができる。

本発明の力検出装置では、前記第１の範囲と前記第２の範囲とは、下限値が等しく、上限値が異なることが好ましい。

これにより、例えば、第１の範囲の上限値が第２の範囲の上限値より大きい場合を例に挙げると、検出する力が第２の範囲の上限値以下の場合は、分解能が高い第２の範囲を選択することにより、精度良く、検出を行うことができる。また、検出する力が第２の範囲の上限値を超えた場合は、第１の範囲を選択することにより、検出を行うことができる。

本発明のロボットは、ロボットアームと、
前記ロボットアームに設けられた本発明の力検出装置と、を備えることを特徴とする。

このような本発明のロボットによれば、力検出装置は、力を検出することが可能な範囲（検出可能範囲）として、第１の範囲と、第２の範囲とが設定されている。これにより、検出する力の大きさに応じて、第１の範囲と第２の範囲とから一方を選択することにより、適確に力を検出することができる。

また、検出可能範囲を狭くすることで、分解能を高くすることができるので、要求される分解能に応じて、第１の範囲と第２の範囲とから一方を選択することにより、適確に力を検出することができる。

本発明のロボットの実施形態を示す斜視図である。 本発明の力検出装置の実施形態を示す斜視図である。 図２に示す力検出装置の縦断面図である。 図２に示す力検出装置の内部を示す平面図である。 図２に示す力検出装置が有するセンサーデバイスを示す断面図である。 図５に示すセンサーデバイスが有する力検出素子を示す断面図である。 図２に示す力検出装置の変換出力回路を示す回路図（ブロック図）である。

以下、本発明の力検出装置およびロボットを添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。なお、各図は、説明する部分が認識可能な状態となるように、適宜拡大または縮小して表示している箇所や、省略して表示している箇所もある。また、本明細書において、「接続」とは、直接的に接続されている場合と、任意の部材を介して間接的に接続されている場合とを含む。

１．ロボット
まず、ロボットについて説明する。

図１は、本発明のロボットの実施形態を示す斜視図である。なお、図１中の基台１１０側を「基端」、その反対側（エンドエフェクター１７側）を「先端」と言う。

図１に示すロボット１００は、精密機器やこれを構成する部品等の対象物の給材、除材、搬送、組立および検査等の各作業を行うことができる。このロボット１００は、所謂、単腕の６軸垂直多関節ロボットである。

ロボット１００は、基台１１０と、基台１１０に回動自在に連結されたロボットアーム１０とを有する。また、ロボットアーム１０には、力検出装置１が接続されており、力検出装置１には、エンドエフェクター１７が接続されている。

基台１１０は、例えば、床、壁、天井および移動可能な台車上等に固定される部分である。ただし、基台１１０は、ロボットアーム１０が接続されていればよく、基台１１０自体が移動可能であってもよい。ロボットアーム１０は、アーム１１（第１アーム）、アーム１２（第２アーム）、アーム１３（第３アーム）、アーム１４（第４アーム）、アーム１５（第５アーム）、アーム１６（第６アーム）を有する。これらアーム１１〜１６は、基端側から先端側に向かってこの順に連結されている。各アーム１１〜１６は、隣り合うアームまたは基台１１０に対して回動可能になっている。

アーム１６とエンドエフェクター１７との間には、力検出装置１が設けられている。この場合、力検出装置１は、アーム１６に着脱可能に接続されており、エンドエフェクター１７は、力検出装置１に着脱可能に接続されている。なお、力検出装置１は、離脱不能に設けられていてもよく、また、エンドエフェクター１７は、離脱不能に設けられていてもよい。この力検出装置１は、エンドエフェクター１７に加わる力（モーメントを含む）を検出する。なお、力検出装置１については後で詳述する。

また、アーム１６およびエンドエフェクター１７は、図示はしないが、力検出装置１を取り付けるための取付部材を備えている。当該取付部材の構成は特に限定されないが、例えば、ネジ止め、ボルト止め等でアーム１６またはエンドエフェクター１７に力検出装置１を装着するために用いる貫通孔（雌ネジ）を有する構成、あるいは、フック、Ｌ字溝のような係合部を有する構成とすることができる。これにより、力検出装置１を適切な位置に簡単に取り付けることができる。そのため、力検出装置１による外力の検出精度をより高めることができる。

エンドエフェクター１７は、ロボット１００の作業対象である対象物に対して作業を行う器具（装置）であり、対象物を把持（保持）する機能を有するハンドで構成されている。なお、エンドエフェクター１７としては、ロボット１００の作業内容等に応じた器具を用いればよく、ハンドに限定されない。ハンド以外のエンドエフェクター１７としては、例えば、ネジ締めを行うネジ締め器具等が挙げられる。

また、図示はしないが、ロボット１００は、一方のアームを他方のアーム（または基台１１０）に対して回動させるモーター等を備える駆動部を有する。また、ロボット１００は、図示はしないが、モーターの回転軸の回転角度を検出する角度センサー（位置センサー）を有する。駆動部および角度センサーは、例えば各アーム１１〜１６に設けられている。

このようなロボット１００は、図示しないロボット制御装置により制御される。また、ロボット１００とロボット制御装置とにより、ロボットシステムの主要部が構成される。

ロボット制御装置は、各制御を行う制御部（図示せず）と、各情報を記憶する記憶部（図示せず）等を備えている。具体的には、ロボット制御装置は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等が内蔵されたパーソナルコンピューター（ＰＣ）等で構成することができ、ロボット１００の各駆動部等の各部を制御する。また、ロボット１００を制御するプログラムは、記憶部に予め記憶されている。

また、ロボット制御装置は、ロボット１００と別体で構成されていてもよく、また、ロボット１００にその一部または全部が内蔵されていてもよい。また、ロボット１００とロボット制御装置とは、図示しないケーブル（配線）で電気的に接続（以下、単に「接続」とも言う）し、有線方式で通信を行うようにしてもよく、また、前記ケーブルを省略し、無線方式で通信を行うようにしてもよい。すなわち、ロボット１００とロボット制御装置とは、有線通信で接続されていてもよく、また、無線通信で接続されていてもよい。

また、ロボット制御装置は、ロボット１００が行う作業において、各角度センサーの出力、力検出装置１の出力、すなわち、各角度センサーの検出結果、力検出装置１の検出結果等に基づいて、ロボット１００の駆動（動作）を位置制御、力制御等で制御する。

位置制御とは、ロボット１００のロボットアーム１０の先端部またはエンドエフェクター１７の位置や姿勢に関する情報に基づいて、ロボットアーム１０の先端部またはエンドエフェクター１７を目標の位置に目標の姿勢になるように移動させるロボット１００の動作の制御である。また、ロボットアーム１０の先端部またはエンドエフェクター１７の位置や姿勢に関する情報は、各角度センサーの検出結果に基づいて求めることが可能である。

また、力制御とは、力検出装置１により力の検出を行い、力検出装置１の検出結果に基づいて、ロボットアーム１０の先端部またはエンドエフェクター１７の位置や姿勢を変更したり、また、エンドエフェクター１７を押したり、引っ張ったりするロボット１００の動作の制御である。力制御には、例えば、インピーダンス制御等が含まれている。

２．力検出装置
次に、力検出装置について説明する。

図２は、本発明の力検出装置の実施形態を示す斜視図である。図３は、図２に示す力検出装置の縦断面図である。図４は、図２に示す力検出装置の内部を示す平面図である。図５は、図２に示す力検出装置が有するセンサーデバイスを示す断面図である。図６は、図５に示すセンサーデバイスが有する力検出素子を示す断面図である。図７は、図２に示す力検出装置の変換出力回路を示す回路図（ブロック図）である。なお、図４では、デジタル回路基板６２の図示を省略している。また、図２および図４には、説明の便宜上、互いに直交する３つの軸としてｘ軸、ｙ軸およびｚ軸が図示されており、各軸を示す矢印の先端側を「＋」、基端側を「−」とする。また、ｘ軸に平行な方向を「ｘ軸方向」、ｙ軸に平行な方向を「ｙ軸方向」、ｚ軸に平行な方向を「ｚ軸方向」とも言う。また、以下では、＋ｚ軸方向（ｚ軸方向＋側）を「上」、−ｚ軸方向（ｚ軸方向−側）を「下」とも言う。また、図４〜図６には、説明の便宜上、互いに直交する３つの軸としてα軸、β軸およびγ軸が図示されており、各軸を示す矢印の先端側を「＋」、基端側を「−」とする。また、α軸に平行な方向を「α軸方向」、β軸に平行な方向を「β軸方向」、γ軸に平行な方向を「γ軸方向」とも言う。

図２に示す力検出装置１は、力検出装置１に加えられた外力の６軸成分を検出可能な６軸力覚センサーである。ここで、６軸成分は、互いに直交する３つの軸（図示ではｘ軸、ｙ軸およびｚ軸）のそれぞれの方向の並進力（せん断力）成分、および、当該３つの軸のそれぞれの軸まわりの回転力（モーメント）成分である。

力検出装置１は、ケース２と、ケース２に接続された基板収容部材２６と、基板収容部材２６に接続された接続部材２７と、ケース２内に収容された複数（本実施形態では４つ）のセンサーデバイス４（圧電センサーデバイス）、複数（本実施形態では４つ）のアナログ回路基板６１および１つのデジタル回路基板６２と、基板収容部材２６に収容された中継基板６３と、を有する。なお、力検出装置１のｚ軸方向から見た外形は、図２に示すように円形であるが、これに限定されず、例えば、四角形、五角形等の多角形、楕円形等であってもよい。また、センサーデバイス４の数は、４つであるが、これに限定されず、例えば、１つ、２つ、３つ、または、５つ以上でもよい。

この力検出装置１では、各センサーデバイス４が受けた外力に応じた信号（検出結果）を出力し、その信号をアナログ回路基板６１およびデジタル回路基板６２で処理する。これにより、力検出装置１に加えられた外力の６軸成分を検出する。また、デジタル回路基板６２で処理された信号は、デジタル回路基板６２に電気的に接続された中継基板６３を介して外部に出力される。

以下、力検出装置１が備える各部について説明する。
［ケース］
図３に示すように、ケース２は、第１ケース部材２１（第１の部材）と、第１ケース部材２１に対して間隔を隔てて配置されている第２ケース部材２２（第２の部材）と、第１ケース部材２１および第２ケース部材２２の外周部に設けられた側壁部２３（第３ケース部材）と、を有する。

〈第１ケース部材〉
第１ケース部材２１は、円形の平板状をなす第１プレート２１１と、第１プレート２１１の下面の外周部に立設している複数（本実施形態では４つ）の第１固定部２４（第１部材）と、を有する（図３および図４参照）。なお、図示では、第１固定部２４と第１プレート２１１とは、別部材で構成されているが、これらは一体であってもよい。また、第１ケース部材２１の上面は、エンドエフェクター１７が取り付けられる取付面２０１を構成している（図１および図３参照）。

図３に示すように、各第１固定部２４は、第１プレート２１１およびセンサーデバイス４に接続されており、力検出装置１に加えられた外力をセンサーデバイス４に伝達する機能を有している。これら複数の第１固定部２４は、力検出装置１の中心軸Ａ１を中心とする同一円周上に沿って互いに等角度（９０°）間隔に並んでいる（図４参照）。なお、図３に示すように、複数の第１固定部２４は、中心軸Ａ１側に位置する内壁面２４０を有しており、内壁面２４０がセンサーデバイス４に接触している。また、各第１固定部２４には、後述する与圧ボルト７０が挿通可能な複数の貫通孔２４１が形成されている。

〈第２ケース部材〉
第２ケース部材２２は、第１プレート２１１に対して対向して配置された円形の平板状をなす第２プレート２２１と、第２プレート２２１の上面の外周部に立設している複数（本実施形態では４つ）の第２固定部２５（第２部材）と、を有する（図３および図４参照）。なお、図示では、第２固定部２５と第２プレート２２１とは、別部材で構成されているが、これらは一体であってもよい。

図３に示すように、各第２固定部２５は、第２プレート２２１およびセンサーデバイス４に接続されており、力検出装置１に加えられた外力をセンサーデバイス４に伝達する機能を有している。これら複数の第２固定部２５は、中心軸Ａ１を中心とする同一円周上に沿って互いに等角度（９０°）間隔に並んでいる（図４参照）。各第２固定部２５は、前述した第１固定部２４に対して中心軸Ａ１側に配置され、第１固定部２４と対面している。また、図３に示すように、第２固定部２５の第１固定部２４側は、第１固定部２４側に向かって突出した突出部２５１を有する。この突出部２５１の頂面２５０は、前述した第１固定部２４の内壁面２４０に対してセンサーデバイス４を挿入可能な距離を隔てて対面している。また、各第２固定部２５には、与圧ボルト７０の先端部が螺合可能な複数の雌ネジ２５２が形成されている。

ここで、複数の与圧ボルト７０（与圧部材）は、前述した第１固定部２４の貫通孔２４１および第２固定部２５の雌ネジ２５２に挿通されており、センサーデバイス４の周囲に設けられている。特に本実施形態では、図４に示すように、平面視で、１つのセンサーデバイス４に対してその両側に２つの与圧ボルト７０が設けられている。これにより、センサーデバイス４は、第１固定部２４と第２固定部２５とによって挟んで与圧された状態で挟持されている。また、与圧ボルト７０の締結力を適宜調整することで、センサーデバイス４に対して、所定の大きさの圧力を与圧として加えることができる。なお、各与圧ボルト７０の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、各種金属材料等が挙げられる。

また、図３に示すように、第２プレート２２１には、その厚さ方向に貫通した貫通孔２２２が設けられている。貫通孔２２２には、図示はしないが、後述するデジタル回路基板６２と中継基板６３とを電気的に接続する配線等が挿通している。

〈側壁部〉
図４に示すように、側壁部２３（第３ケース部材）は、円筒状をなしている。この側壁部２３の上端部は、例えばＯリングで構成された図示しないシール部材を介して第１プレート２１１に嵌合されている（図３参照）。また、同様に、側壁部２３の下端部は、図示しないシール部材を介して第２プレート２２１に嵌合されている。これにより、第１ケース部材２１と第２ケース部材２２と側壁部２３とで、複数のセンサーデバイス４を収容している気密的な内部空間Ｓ１が形成されている。

［基板収容部材］
図３に示すように、基板収容部材２６は、ケース２と接続部材２７との間に設けられており、その上面が第２ケース部材２２に接続され、その下面が後述する接続部材２７に接続されている。この基板収容部材２６は、中央部に貫通した孔２６１を有する円筒状をなす。孔２６１内には、後述する中継基板６３が収容されている。この孔２６１の開口面積は、中継基板６３の形状が収容可能であれば、特に限定されない。

［接続部材］
図２に示す接続部材２７は、円形の平板状をなし、その上面が基板収容部材２６に接続されている。これにより、図３に示すように、前述した基板収容部材２６が有する孔２６１の下面側開口が塞がれ、孔２６１に配置された中継基板６３を収容する内部空間Ｓ２が形成されている。また、接続部材２７の下面は、アーム１６が取り付けられる取付面２０２を構成している（図１および図３参照）。

以上説明した第１ケース部材２１、第２ケース部材２２、側壁部２３、基板収容部材２６および接続部材２７の各構成材料としては、特に限定されないが、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属材料、セラミックス等が挙げられる。また、これらは全て同一または同種の材料で構成されていてもよいし、互いに異なる材料で構成されていてもよい。

［アナログ回路基板］
図４に示すように、ケース２内には、複数（本実施形態では４つ）のアナログ回路基板６１が設けられている。本実施形態では、１つのセンサーデバイス４に対して１つのアナログ回路基板６１が設けられており、１つのセンサーデバイス４とそれに対応する１つのアナログ回路基板６１とが電気的に接続されている。アナログ回路基板６１は、第１固定部２４と第２固定部２５との間に配置されており、突出部２５１が挿通した状態でセンサーデバイス４に対して中心軸Ａ１側に配置されている（図３および図４参照）。

このような４つのアナログ回路基板６１は、それぞれ、後述するセンサーデバイス４（力検出素子８）から出力された電荷Ｑ（Ｑα１、Ｑα２、Ｑβ１、Ｑβ２）をそれぞれ電圧Ｖ（Ｖα１、Ｖα２、Ｖβ１、Ｖβ２）に変換する変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃ、９０ｄ（チャージアンプ）を備えている。

〈変換出力回路〉
図７に示すように、センサーデバイス４（力検出素子８）には、変換出力回路９０ａ（第１の変換出力回路）、変換出力回路９０ｂ（第２の変換出力回路）、変換出力回路９０ｃ（第３の変換出力回路）、変換出力回路９０ｄ（第４の変換出力回路）が接続されている。

変換出力回路９０ａ（チャージアンプ）は、センサーデバイス４の２つの圧電素子８１（図６参照）から出力された電荷Ｑα１を電圧Ｖα１に変換する機能を有する。また、変換出力回路９０ｂ（チャージアンプ）は、センサーデバイス４の２つの圧電素子８２（図６参照）から出力された電荷Ｑα２を電圧Ｖα２に変換する機能を有する。また、変換出力回路９０ｃ（チャージアンプ）は、センサーデバイス４の２つの圧電素子８３（図６参照）から出力された電荷Ｑβ１を電圧Ｖβ１に変換する機能を有する。また、変換出力回路９０ｄ（チャージアンプ）は、センサーデバイス４の２つの圧電素子８４（図６参照）から出力された電荷Ｑβ２を電圧Ｖβ２に変換する機能を有する。

電圧Ｖα１は、α軸に平行な外力（せん断力）に対応する電圧であり、このＶα１からα軸に平行な外力を求めることができる。また、電圧Ｖα２は、α軸に平行な外力（せん断力）に対応する電圧であり、このＶα２からα軸に平行な外力を求めることができる。また、電圧Ｖβ１は、β軸に平行な外力（せん断力）に対応する電圧であり、このＶβ１からβ軸に平行な外力を求めることができる。また、電圧Ｖβ２は、β軸に平行な外力（せん断力）に対応する電圧であり、このＶβ２からβ軸に平行な外力を求めることができる。

変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃ、９０ｄは、同様であるので、以下では、代表的に、変換出力回路９０ａについて説明する。

変換出力回路９０ａは、オペアンプ９１と、コンデンサー９２（第１のコンデンサー）と、スイッチング素子９３とを有する。オペアンプ９１の第１の入力端子（マイナス入力端子）は、２つの圧電素子８１の出力電極層８１２に接続され、オペアンプ９１の第２の入力端子（プラス入力端子）は、グランド（基準電位点）に接地（接続）されている。また、オペアンプ９１の出力端子は、後述するデジタル回路基板６２の外力検出回路（図示せず）に接続されている。コンデンサー９２は、オペアンプ９１の第１の入力端子と出力端子との間に接続されている。スイッチング素子９３は、オペアンプ９１の第１の入力端子と出力端子との間に接続され、コンデンサー９２と並列接続されている。また、スイッチング素子９３は、駆動回路（図示せず）に接続されており、駆動回路からのオン／オフ信号に従い、スイッチング素子９３はスイッチング動作を実行する。

スイッチング素子９３がオフの場合、２つの圧電素子８１から出力された電荷Ｑα１は、コンデンサー９２に蓄えられ、電圧Ｖα１として外力検出回路に出力される。次に、スイッチング素子９３がオンになった場合、コンデンサー９２の両端子間が短絡される。その結果、コンデンサー９２に蓄えられた電荷Ｑα１は、放電されて０クーロンとなり、外力検出回路に出力される電圧Ｖは、０ボルトとなる。スイッチング素子９３がオンとなることを、変換出力回路９０ａをリセットするという。なお、理想的な変換出力回路９０ａから出力される電圧Ｖα１は、２つの圧電素子８１から出力される電荷Ｑα１の蓄積量に比例する。

コンデンサー９２としては、特に限定されないが、圧電素子８１に接続されたコンデンサー９２（第１のコンデンサー）の静電容量をＣ１、圧電素子８２に接続されたコンデンサー９２（第２のコンデンサー）の静電容量をＣ２とした場合、Ｃ１とＣ２とは異なる値に設定される。本実施形態では、Ｃ２は、Ｃ１よりも小さく設定される。また、圧電素子８３に接続されたコンデンサー９２（第３のコンデンサー）の静電容量をＣ３、圧電素子８４に接続されたコンデンサー９２（第４のコンデンサー）の静電容量をＣ４とした場合、Ｃ３とＣ４とは異なる値に設定される。本実施形態では、Ｃ４は、Ｃ３よりも小さく設定される。

ここで、変換出力回路９０ａのコンデンサー９２の静電容量を大きくすると、力を検出（測定）することが可能な範囲（以下、「検出可能範囲」とも言う）が広くなる、すなわち、検出可能範囲の上限値が大きくなる。なお、検出可能範囲の下限値は一定である。一方、コンデンサー９２の静電容量を大きくすると、分解能が低くなる。すなわち、コンデンサー９２の静電容量を小さくすると、分解能が高くなる。

このため、前記のようにＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４を設定することにより、後述する定格測定モード（第１の検出モード）と、高分解能モード（第２の検出モード）とを実現することができる。

なお、Ｃ１とＣ３とは、同一でもよく、また、異なっていてもよい。同様に、Ｃ２とＣ４とは、同一でもよく、また、異なっていてもよい。

また、スイッチング素子９３としては、特に限定されないが、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、その他、半導体スイッチまたはＭＥＭＳスイッチ等を用いることができる。このようなスイッチは、機械式スイッチ（メカスイッチ）と比べて小型および軽量であるので、力検出装置１の小型化および軽量化に有利である。なお、スイッチング素子９３に代えて、機械式スイッチを用いてもよい。

なお、スイッチング素子９３は、本実施形態では、変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃ、９０ｄに設けられているが、これに限定されず、例えば、デジタル回路基板６２に設けることも可能である。

以下、代表例として、スイッチング素子９３としてＭＯＳＦＥＴを用いた場合を説明する。

スイッチング素子９３は、ドレイン電極、ソース電極、およびゲート電極を有している。スイッチング素子９３のドレイン電極とソース電極との一方がオペアンプ９１の第１の入力端子に接続され、ドレイン電極とソース電極との他方がオペアンプ９１の出力端子に接続されている。また、スイッチング素子９３のゲート電極は、駆動回路（図示せず）に接続されている。

各変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃ、９０ｄのスイッチング素子９３には、同一の駆動回路が接続されていてもよいし、また、それぞれ異なる駆動回路が接続されていてもよい。各スイッチング素子９３には、駆動回路から、全て同期したオン／オフ信号が入力される。これにより、各変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃ、９０ｄのスイッチング素子９３の動作が同期する。すなわち、各変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃ、９０ｄのスイッチング素子９３のオン／オフタイミングは一致する。

ここで、本実施形態では、力検出装置１による検出において、センサーデバイス４から各変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃ、９０ｄに同時に電荷が入力され、各変換出力回路９０ａ、９０ｂ、９０ｃ、９０ｄからデジタル回路基板６２に同時に電圧が入力される。但し、同時に限らず、時間差が設けられていてもよい。

［デジタル回路基板］
図３に示すように、ケース２内には、デジタル回路基板６２が設けられている。本実施形態では、デジタル回路基板６２は、例えばボルト等で構成された固定部材６２０によって第２ケース部材２２の上方に固定されている。このデジタル回路基板６２は、各アナログ回路基板６１と電気的に接続されている。

このようなデジタル回路基板６２は、図示しないが、アナログ回路基板６１からの電圧Ｖに基づいて、外力を検出（演算）する外力検出回路を備えている。外力検出回路は、ｘ軸方向の並進力成分Ｆｘ（Ｆｘ１、Ｆｘ２）、ｙ軸方向の並進力成分Ｆｙ（Ｆｙ１、Ｆｙ２）、ｚ軸方向の並進力成分Ｆｚ（Ｆｚ１、Ｆｚ２）、ｘ軸周りの回転力成分Ｍｘ（Ｍｘ１、Ｍｘ２）、ｙ軸周りの回転力成分Ｍｙ（Ｍｙ１、Ｍｙ２）、ｚ軸周りの回転力成分Ｍｚ（Ｍｚ１、Ｍｚ２）を演算する。この外力検出回路は、例えば、ＡＤコンバーターと、このＡＤコンバーターに接続されたＣＰＵ等の演算回路（演算部）と、を有して構成することができる。

［中継基板］
図３に示すように、基板収容部材２６内には、中継基板６３が配置されている。中継基板６３は、例えばボルト等で構成された固定部材６３０によって第２ケース部材２２に対して固定されている。この中継基板６３は、例えばフレキシブル基板で構成された配線（図示せず）によってデジタル回路基板６２に電気的に接続されている。

このような中継基板６３によって、ロボット制御装置（図示せず）が力検出装置１の検出結果に基づいて実行するフィードバック制御の経路と、補正パラメーター等の入力経路とを構成することができる。なお、図示はしないが、中継基板６３は、例えば、力検出装置１の外部に設けられた外部配線に接続されており、この外部配線がロボット制御装置に接続されている。

［センサーデバイス］
図４に示すように、４つのセンサーデバイス４（圧電センサーデバイス）は、ｚ軸方向から見て中心軸Ａ１を通りｙ軸に平行な線分ＣＬに対して対称となるように配置されている。また、各センサーデバイス４は、力検出装置１の中心軸Ａ１を中心とする同一円周上に沿って互いに等角度（９０°）間隔に並んでいる。各センサーデバイス４は、ケース２内での配置が異なること以外、同様の構成である。各センサーデバイス４は、互いに直交するα軸、β軸およびγ軸のうちのα軸およびβ軸の２軸に沿って加えられた外力（具体的には、せん断力）を検出する機能を有する。この場合、各センサーデバイス４は、図６に示すα軸およびβ軸が、図４に示す向きになるように配置されている。

図５に示すように、各センサーデバイス４は、力検出素子８（センサー素子）と、力検出素子８を収納するパッケージ４０と、を有する。なお、センサーデバイス４は、前述したアナログ回路基板６１に実装されている。

〈パッケージ〉
図５に示すように、パッケージ４０は、力検出素子８が設置されている凹部を有する基部４１と、凹部の開口を塞ぐようにして基部４１に対してシーリング４３を介して接合されている蓋体４２と、を有する。

基部４１は、平板状の底部材４１１と、底部材４１１に接合（固定）された四角形の枠状をなす側壁部材４１２と、を有する。底部材４１１は、γ軸方向から見て突出部２５１の頂面２５０を包含している。また、底部材４１１は、例えば絶縁性を有する接着剤等で構成された接着部材４７を介して力検出素子８に接続されている。また、蓋体４２は、板状をなし、その縁部側は、基部４１側に向かって折れ曲がっていて、力検出素子８を覆うように設けられている。また、蓋体４２の中央部は、平坦であり、第１固定部２４および力検出素子８に当接している。

このような基部４１および蓋体４２の具体的な構成材料としては、例えば、ステンレス鋼、コバール等の各種金属材料や各種セラミックス等を用いることができる。

〈力検出素子〉
図６に示す力検出素子８（センサー素子）は、α軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑα１を出力する２つの圧電素子８１と、α軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑα２を出力する２つの圧電素子８２と、β軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑβ１を出力する２つの圧電素子８３と、β軸に平行な外力（せん断力）に応じて電荷Ｑβ２を出力する２つの圧電素子８４と、２つの支持基板８７０と、複数の接続部８８と、を有し、これらが図示の通り積層されている。

すなわち、本実施形態では、２つの支持基板８７０のうちの一方の支持基板８７０の一方側に、積層された２つの圧電素子８１が配置され、圧電素子８１の支持基板８７０と反対側に、積層された２つの圧電素子８２が配置され、圧電素子８２の圧電素子８１と反対側に、積層された２つの圧電素子８３が配置され、圧電素子８３の圧電素子８２と反対側に、積層された２つの圧電素子８４が配置され、圧電素子８４の圧電素子８３と反対側に、他方の支持基板８７０が配置されている。なお、圧電素子８１、８２、８３、８４の配置は、前記の配置に限定されず、例えば、圧電素子８２と圧電素子８３とを入れ替えてもよい。

ここで、α軸方向は、第１の方向の１例であり、α軸方向（第１の方向）には、＋α軸方向と−α軸方向とが含まれる。また、β軸方向は、第１の方向と異なる第２の方向の１例であり、β軸方向（第２の方向）には、＋β軸方向と−β軸方向とが含まれる。α軸とβ軸とは直交している。

なお、圧電素子８１の数は、２つに限定されず、１つでもよく、３つ以上でもよい。また、圧電素子８２の数は、２つに限定されず、１つでもよく、３つ以上でもよい。また、圧電素子８３の数は、２つに限定されず、１つでもよく、３つ以上でもよい。また、圧電素子８４の数は、２つに限定されず、１つでもよく、３つ以上でもよい。

また、力検出素子８は、例えば、γ軸に平行な外力（圧縮／引張力）に応じて電荷を出力する１つまたは複数の圧電素子（図示せず）を有していてもよい。

（圧電素子）
図６に示すように、２つの圧電素子８１は、それぞれ、基準電位（例えばグランド電位ＧＮＤ）に電気的に接続されているグランド電極層８１３と、圧電体層８１１（第１の圧電体層）と、出力電極層８１２とを有する。また、２つの圧電素子８１は、各出力電極層８１２が互いに接続部８８を介して接続されるように配置されている。同様に、２つの圧電素子８２は、それぞれ、グランド電極層８２３と、圧電体層８２１（第２の圧電体層）と、出力電極層８２２とを有する。また、２つの圧電素子８２は、各出力電極層８２２が互いに接続部８８を介して接続されるように配置されている。同様に、２つの圧電素子８３は、それぞれ、グランド電極層８３３と、圧電体層８３１（第３の圧電体層）と、出力電極層８３２とを有する。また、２つの圧電素子８３は、各出力電極層８３２が互いに接続部８８を介して接続されるように配置されている。同様に、２つの圧電素子８４は、それぞれ、グランド電極層８４３と、圧電体層８４１（第４の圧電体層）と、出力電極層８４２とを有する。また、２つの圧電素子８４は、各出力電極層８４２が互いに接続部８８を介して接続されるように配置されている。

各圧電体層８１１、８２１、８３１、８４１は、水晶で構成されている。これにより、高感度、広いダイナミックレンジ、高い剛性等の優れた特性を有する力検出装置１を実現することができる。また、図６に示すように、圧電体層８１１、８２１、８３１、８４１は、水晶の結晶軸であるＸ軸の方向が互いに異なるように配置されている。

また、各圧電体層８１１、８２１、８３１、８４１は、水晶の結晶軸であるＸ軸の方向が図６に示す方向となるように配置されている。

具体的には、各圧電体層８１１は、Ｙカット水晶板で構成されており、Ｘ軸の向きが互いに１８０°異なるように配置されている。すなわち、一方の圧電体層８１１のＸ軸の向きは、α軸方向＋側、他方の圧電体層８１１のＸ軸の向きは、α軸方向−側である。

また、各圧電体層８２１は、各圧電体層８１１と同様に、Ｙカット水晶板で構成されており、Ｘ軸の向きが互いに１８０°異なるように配置されている。すなわち、一方の圧電体層８２１のＸ軸の向きは、α軸方向＋側、他方の圧電体層８２１のＸ軸の向きは、α軸方向−側である。

また、各圧電体層８３１は、Ｙカット水晶板で構成されており、Ｘ軸の向きが互いに１８０°異なるように配置されている。この場合、各圧電体層８３１のＸ軸の向きは、各圧電体層８１１、８２１のＸ軸の向きと９０°異なっている。すなわち、一方の圧電体層８３１のＸ軸の向きは、β軸方向＋側、他方の圧電体層８３１のＸ軸の向きは、β軸方向−側である。

また、各圧電体層８４１は、各圧電体層８３１と同様に、Ｙカット水晶板で構成されており、Ｘ軸の向きが互いに１８０°異なるように配置されている。すなわち、一方の圧電体層８４１のＸ軸の向きは、β軸方向＋側、他方の圧電体層８４１のＸ軸の向きは、β軸方向−側である。

なお、本実施形態では、各圧電体層８１１、８２１、８３１、８４１は、水晶で構成されているが、これらは、水晶以外の圧電材料を用いた構成であってもよい。水晶以外の圧電材料としては、例えば、トパーズ、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等が挙げられる。

各圧電体層８１１、８２１、８３１、８４１の厚さは、それぞれ、特に限定されないが、例えば、０．１μｍ以上、３０００μｍ以下である。

また、各出力電極層８１２、８２２、８３２、８４２および各グランド電極層８１３、８２３、８３３、８４３は、力検出素子８の側面に設けられた対応する側面電極４６に電気的に接続されている。そして、これら出力電極層８１２、８２２、８３２、８４２は、側面電極４６に接続された例えばＡｇペースト等で構成された導電性接続部４５と、パッケージ４０に設けられた複数の内部端子４４と、基部４１に形成された図示しない内部配線とを介して、アナログ回路基板６１に電気的に接続されている。

各出力電極層８１２、８２２、８３２、８４２および各グランド電極層８１３、８２３、８３３、８４３を構成する材料は、それぞれ、電極として機能し得る材料であれば特に限定されないが、例えば、ニッケル、金、チタニウム、アルミニウム、銅、鉄、クロムまたはこれらを含む合金等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて（例えば積層して）用いることができる。

各出力電極層８１２、８２２、８３２、８４２および各グランド電極層８１３、８２３、８３３、８４３の厚さは、それぞれ、特に限定されないが、例えば、０．０５μｍ以上、１００μｍ以下である。

（支持基板）
各支持基板８７０は、圧電素子８１、８２、８３、８４を支持する機能を有する。これら支持基板８７０の厚さは、それぞれ、各圧電体層８１１、８２１、８３１、８４１の厚さよりも厚い。これにより、力検出素子８を後述するパッケージ４０に対して安定して接続することができる。

また、各支持基板８７０は、水晶で構成されている。また、一方の支持基板８７０は、隣り合う圧電素子８１が有する圧電体層８１１と同様の構成の水晶板（Ｙカット水晶板）で構成されており、Ｘ軸の向きもその圧電体層８１１と同様である。また、他方の支持基板８７０は、隣り合う圧電素子８４が有する圧電体層８４１と同様の構成の水晶板（Ｙカット水晶板）で構成されており、Ｘ軸の向きもその圧電体層８４１と同様である。ここで、水晶は異方性を有するため、その結晶軸であるＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向で熱膨張係数が異なる。そのため、熱膨張による力を抑えるために各支持基板８７０は隣り合う圧電体層８１１、８４１と同様の構成および配置（Ｘ軸の向き）であることが好ましい。

なお、各支持基板８７０は、それぞれ、各圧電体層８１１、８２１、８３１、８４１と同様に水晶以外の材料で構成されていてもよい。

また、各支持基板８７０の厚さは、特に限定されないが、例えば、０．１μｍ以上、５０００μｍ以下である。

（接続部）
接続部８８は、絶縁性材料で構成されており、各圧電素子８１、８２、８３、８４間での導通を遮断する機能を有する。各接続部８８としては、例えば、シリコーン系、エポキシ系、アクリル系、シアノアクリレート系、ポリウレタン系等の接着剤等を用いることができる。

以上、力検出素子８について説明した。前述したように、力検出素子８は、Ｙカット水晶板で構成された圧電体層８１１を備え、α軸方向の外力に応じて電荷Ｑα１を出力する圧電素子８１と、Ｙカット水晶板で構成された圧電体層８３１を備え、β軸方向の外力に応じて電荷Ｑβ１を出力する圧電素子８３とを有する。また、力検出素子８は、Ｙカット水晶板で構成された圧電体層８２１を備え、α軸方向の外力に応じて電荷Ｑα２を出力する圧電素子８２と、Ｙカット水晶板で構成された圧電体層８４１を備え、β軸方向の外力に応じて電荷Ｑβ２を出力する圧電素子８４とを有する。これにより、水晶の結晶方位による圧電効果の異方性により、加えられた外力を分解して検出することができる。すなわち、互いに直交するα軸方向およびβ軸方向の並進力成分を独立して検出することができる。

このように、力検出素子８は、複数の圧電素子８１、８２、８３、８４を備えることで、検出軸の多軸化を図ることができる。また、力検出素子８は、圧電素子８１、８２、８３、８４について、それぞれ、少なくとも１つずつ有すれば互いに直交する３軸の並進力成分を独立して検出することができるが、本実施形態のように圧電素子８１、８２、８３、８４をそれぞれ２つ有することで、出力感度を高めることができる。

なお、各圧電素子８１、８２、８３、８４の積層順は、図示のものに限定されない。また、力検出素子８を構成する圧電素子の数は、前述した数に限定されない。
以上、力検出装置１の基本的な構成について説明した。

ロボット１００（力検出装置１）は、力検出装置１が行う力（外力）の検出（測定）における検出モード（測定モード）として、定格測定モード（第１の検出モード）と、高分解能モード（第２の検出モード）とを有している。

定格測定モードでは、標準（通常）の分解能で力の検出（測定）を行う。また、定格測定モードでは、高分解能モードよりも力を検出（測定）することが可能な範囲（検出可能範囲）が広い。すなわち、力検出装置１に加わった外力のｘ軸方向の並進力成分Ｆｘ（Ｆｘ１、Ｆｘ２）、ｙ軸方向の並進力成分Ｆｙ（Ｆｙ１、Ｆｙ２）、ｚ軸方向の並進力成分Ｆｚ（Ｆｚ１、Ｆｚ２）、ｘ軸周りの回転力成分Ｍｘ（Ｍｘ１、Ｍｘ２）、ｙ軸周りの回転力成分Ｍｙ（Ｍｙ１、Ｍｙ２）、ｚ軸周りの回転力成分Ｍｚ（Ｍｚ１、Ｍｚ２）のそれぞれの検出可能範囲の下限値は、高分解能モードと等しく、上限値は、高分解能モードよりも大きい。この定格測定モードにおける検出可能範囲が、特許請求の範囲に記載されている第１の範囲の１例である。また、例えば、定格測定モードの定格荷重は、２５０Ｎであり、分解能は０．１Ｎである。

また、高分解能モードでは、標準の分解能よりも高い分解能で力の検出を行う。これにより、力検出装置１の検出精度を向上させることができる。この高分解能モードにおける検出可能範囲が、特許請求の範囲に記載されている第２の範囲の１例である。また、例えば、高分解能モードの定格荷重は、１２５Ｎであり、分解能は０．０５Ｎである。

定格測定モードでは、各センサーデバイス４において、圧電素子８１、８２、８３、８４のうち、圧電素子８１、８３が用いられる。すなわち、変換出力回路９０ａ、９０ｃから出力された電圧Ｖα１、Ｖβ１が用いられる。但し、圧電素子８１、８２、８３、８４により得られる全信号がデジタル回路基板６２に入力される。なお、前述したように、圧電素子８１、８３に接続されているコンデンサー９２の静電容量Ｃ１、Ｃ３は、それぞれ、圧電素子８２、８４に接続されているコンデンサー９２の静電容量Ｃ２、Ｃ４よりも大きい。

また、高分解能モードでは、各センサーデバイス４において、圧電素子８１、８２、８３、８４のうち、圧電素子８２、８４が用いられる。すなわち、変換出力回路９０ｂ、９０ｄから出力された電圧Ｖα２、Ｖβ２が用いられる。但し、圧電素子８１、８２、８３、８４により得られる全信号がデジタル回路基板６２に入力される。

ここで、前述したロボット制御装置は、図示しないが、定格測定モードと高分解能モードとを切り替える切替入力部（定格測定モードと高分解能モードとの一方を選択する選択部）を有している。この定格測定モードと高分解能モードとの切り替え（選択）は、例えば、ユーザーが図示しない入力装置を用いて、ロボット制御装置に入力し、前記切替入力部（選択部）が行う。また、これに限らず、定格測定モードと高分解能モードとの切り替えをロボット制御装置が自動的に行うようにしてもよい。デジタル回路基板６２では、設定された検出モードに応じて動作する。

次に、力検出に用いる演算式について説明する。なお、その演算式は、１例であり、適宜、変形または変更が可能である。

まず、各センサーデバイス４の２つの圧電素子８１により検出されたα軸に平行な外力をｆ１α１、ｆ２α１、ｆ３α１、ｆ４α１とし、２つの圧電素子８３により検出されたβ軸に平行な外力をｆ１β１、ｆ２β１、ｆ３β１、ｆ４β１とし、２つの圧電素子８２により検出されたα軸に平行な外力をｆ１α２、ｆ２α２、ｆ３α２、ｆ４α２とし、２つの圧電素子８４により検出されたβ軸に平行な外力をｆ１β２、ｆ２β２、ｆ３β２、ｆ４β２とする。各センサーデバイス４が検出する前記各外力は、図４に示す通りである。そして、力検出装置１が検出する各方向の力は、下記式のように表される。したがって、その各方向の力は、下記式を用いて算出することができる。なお、各式においては、それぞれ、各項のうちの所定の項について、所定の係数を設けてもよい。

〈定格測定モード〉
定格測定モードでは、ｘ軸方向の並進力成分Ｆｘ１は、下記（１１）式で表され、ｙ軸方向の並進力成分Ｆｙ１は、下記（１２）式で表され、ｚ軸方向の並進力成分Ｆｚ１は、下記（１３）式で表され、ｘ軸周りの回転力成分Ｍｘ１は、下記（１４）式で表され、ｙ軸周りの回転力成分Ｍｙ１は、下記（１５）式で表され、ｚ軸周りの回転力成分Ｍｚ１は、下記（１６）式で表される。この場合、前述したように、各センサーデバイス４は、力検出装置１の中心軸Ａ１を中心とする同一円周上に沿って互いに等角度（９０°）間隔に並んでいるが、下記式における「ａ」は、各センサーデバイス４が配置されている円４００の半径、すなわち、中心軸Ａ１の方向から見て、その中心軸Ａ１とセンサーデバイス４の中心との距離であるとする（図４参照）。

Ｆｘ１＝（ｆ１α１＋ｆ２α１−ｆ３α１−ｆ４α１）×２^１／２ ・・・（１１）
Ｆｙ１＝（ｆ１α１−ｆ２α１−ｆ３α１＋ｆ４α１）×２^１／２ ・・・（１２）
Ｆｚ１＝−ｆ１β１＋ｆ２β１−ｆ３β１＋ｆ４β１ ・・・（１３）
Ｍｘ１＝（ｆ１β１＋ｆ２β１−ｆ３β１−ｆ４β１）×ａ／２^１／２ ・・・（１４）
Ｍｙ１＝（ｆ１β１−ｆ２β１−ｆ３β１＋ｆ４β１）×ａ／２^１／２ ・・・（１５）
Ｍｚ１＝（ｆ１α１−ｆ２α１＋ｆ３α１−ｆ４α１）×ａ×２^１／２ ・・・（１６）

定格測定モードでは、デジタル回路基板６２において、前記（１１）式〜（１６）式を用いて各軸方向の力を算出する。

なお、定格測定モードにおいても、さらに、後述する高分解能モードの式を用いて各軸方向の力を算出してもよい。

〈高分解能モード〉
高分解能モードでは、ｘ軸方向の並進力成分Ｆｘ２は、下記（２１）式で表され、ｙ軸方向の並進力成分Ｆｙ２は、下記（２２）式で表され、ｚ軸方向の並進力成分Ｆｚ２は、下記（２３）式で表され、ｘ軸周りの回転力成分Ｍｘ２は、下記（２４）式で表され、ｙ軸周りの回転力成分Ｍｙ２は、下記（２５）式で表され、ｚ軸周りの回転力成分Ｍｚ２は、下記（２６）式で表される。下記式における「ａ」は、定格測定モードの式における「ａ」と同様である。

Ｆｘ２＝（ｆ１α２＋ｆ２α２−ｆ３α２−ｆ４α２）×２^１／２ ・・・（２１）
Ｆｙ２＝（ｆ１α２−ｆ２α２−ｆ３α２＋ｆ４α２）×２^１／２ ・・・（２２）
Ｆｚ２＝−ｆ１β２＋ｆ２β２−ｆ３β２＋ｆ４β２ ・・・（２３）
Ｍｘ２＝（ｆ１β２＋ｆ２β２−ｆ３β２−ｆ４β２）×ａ／２^１／２ ・・・（２４）
Ｍｙ２＝（ｆ１β２−ｆ２β２−ｆ３β２＋ｆ４β２）×ａ／２^１／２ ・・・（２５）
Ｍｚ２＝（ｆ１α２−ｆ２α２＋ｆ３α２−ｆ４α２）×ａ×２^１／２ ・・・（２６）

高分解能モードでは、デジタル回路基板６２において、前記（２１）式〜（２６）式を用いて各軸方向の力を算出する。

なお、高分解能モードモードにおいても、さらに、前述した定格測定モードの式を用いて各軸方向の力を算出してもよい。

以上説明したように、力検出装置１（ロボット１００）によれば、定格測定モードと高分解能モードとを有しているので、検出する力の大きさ、要求される分解能に応じて、定格測定モードと高分解能モードとから一方を選択することにより、適確に力を検出することができる。

なお、本実施形態では、第１の範囲と第２の範囲とは、部分的に重なっているが、これに限らず、第１の範囲と第２の範囲とは、重なっていなくてもよい。

また、本実施形態では、６軸方向の力成分のすべてについて、第１の範囲と第２の範囲とが設定されているが、これに限らず、６軸方向の力成分のうちの少なくとも１つについて、第１の範囲と第２の範囲とが設定されていればよい。

＜変形例の説明＞
力検出装置１（ロボット１００）は、前記実施形態における高分解能モードを高荷重測定モード（第２の検出モード）に変更してもよい。

高荷重測定モードでは、定格測定モードよりも検出可能範囲が広い。すなわち、検出可能範囲の下限値は、定格測定モードと等しく、上限値は、定格測定モードよりも大きい。例えば、高荷重測定モードの定格荷重は、５００Ｎである。このため、高荷重測定モードでは、高荷重測定が可能である。この高荷重測定モードは、例えば、必要以上の力が加わるエラーの検出に用いることができる。

また、高荷重測定モードでは、各センサーデバイス４において、圧電素子８１、８２、８３、８４のうち、圧電素子８２、８４が用いられる。すなわち、変換出力回路９０ｂ、９０ｄから出力された電圧Ｖα２、Ｖβ２が用いられる。この場合は、圧電素子８２に接続されているコンデンサー９２の静電容量Ｃ２は、圧電素子８１に接続されているコンデンサー９２の静電容量Ｃ１よりも大きく設定され、圧電素子８４に接続されているコンデンサー９２の静電容量Ｃ４は、圧電素子８３に接続されているコンデンサー９２の静電容量Ｃ３よりも大きく設定される。なお、Ｃ１とＣ３とは、同一でもよく、また、異なっていてもよい。同様に、Ｃ２とＣ４とは、同一でもよく、また、異なっていてもよい。

以上説明したように、力検出装置１は、第１ケース部材２１（第１の部材）と、第２ケース部材２２（第２の部材）と、第１ケース部材２１（第１の部材）と第２ケース部材２２（第２の部材）とによって挟持され、外力に応じて電荷を出力するセンサーデバイス４（圧電センサーデバイス）とを備えている。そして、力検出装置１は、外力の所定の軸方向の成分（ｘ軸方向の並進力成分Ｆｘ、ｙ軸方向の並進力成分Ｆｙ、ｚ軸方向の並進力成分Ｆｚ、ｘ軸周りの回転力成分Ｍｘ、ｙ軸周りの回転力成分Ｍｙ、ｚ軸周りの回転力成分Ｍｚ）の検出可能範囲が第１の範囲であり、第１の範囲内で外力を検出し、検出可能範囲が第１の範囲と異なる第２の範囲であり、第２の範囲内で外力を検出する。

このような力検出装置１によれば、検出可能範囲として、互いに異なる第１の範囲と、第２の範囲とを設定することができる。すなわち、定格測定モードと高分解能モードとを有している。これにより、検出する力の大きさに応じて、定格測定モードと高分解能モードとから一方を選択することにより、適確に力を検出することができる。

ここで、外力の検出とは、６軸方向の力成分の検出を例に挙げると、６軸方向の力成分を算出するだけではなく、その６軸方向の力成分を算出するために使用する信号（例えば、変換出力回路から出力される圧電）を得ることも含まれる。

また、センサーデバイス４（圧電センサーデバイス）は、第１ケース部材２１（第１の部材）に配置される力検出素子８（センサー素子）を備えている。また、力検出素子８（センサー素子）は、圧電体層８１１（第１の圧電体層）と、圧電体層８１１（第１の圧電体層）の一方側に配置された圧電体層８２１（第２の圧電体層）とを備えている。また、圧電体層８１１（第１の圧電体層）および圧電体層８２１（第２の圧電体層）は、それぞれ、第１の方向の１例であるα軸方向に加わる外力に応じて電荷を出力する。これにより、α軸方向（第１の方向）に加わる力を検出することができる。

また、力検出装置１は、コンデンサー９２（第１のコンデンサー）を有し、圧電体層８１１（第１の圧電体層）から出力される電荷を電圧に変換して電圧を出力する変換出力回路９０ａ（第１の変換出力回路）と、変換出力回路９０ａのコンデンサー９２（第１のコンデンサー）と静電容量の異なるコンデンサー９２（第２のコンデンサー）を有し、圧電体層８２１（第２の圧電体層）から出力される電荷を電圧に変換して電圧を出力する変換出力回路９０ｂ（第２の変換出力回路）とを備えている。これにより、定格測定モードと高分解能モードとを実現することができる。

また、力検出素子８（センサー素子）は、圧電体層８２１（第２の圧電体層）の圧電体層８１１（第１の圧電体層）と反対側に配置された圧電体層８３１（第３の圧電体層）と、圧電体層８３１（第３の圧電体層）の圧電体層８２１（第２の圧電体層）と反対側に配置された圧電体層８４１（第４の圧電体層）とを備えている。また、圧電体層８３１（第３の圧電体層）および圧電体層８４１（第４の圧電体層）は、それぞれ、α軸方向（第１の方向）と異なる第２の方向の１例であるβ軸方向に加わる外力に応じて電荷を出力する。これにより、β軸方向（第２の方向）に加わる力を検出することができる。

また、α軸方向（第１の方向）とβ軸方向（第２の方向）は直交している。これにより、α軸方向（第１の方向）に加わる力と、α軸方向（第１の方向）と直交するβ軸方向（第２の方向）に加わる力とを検出することができる。

また、力検出装置１は、コンデンサー９２（第３のコンデンサー）を有し、圧電体層８３１（第３の圧電体層）から出力される電荷を電圧に変換して電圧を出力する変換出力回路９０ｃ（第３の変換出力回路）と、変換出力回路９０ｃのコンデンサー９２（第３のコンデンサー）と静電容量の異なるコンデンサー９２（第４のコンデンサー）を有し、圧電体層８４１（第４の圧電体層）から出力される電荷を電圧に変換して電圧を出力する変換出力回路９０ｄ（第４の変換出力回路）とを備えている。これにより、定格測定モードと高分解能モードとを実現することができる。

また、力検出装置１は、力検出素子８（センサー素子）を複数、本実施形態では４つ有している。これにより、ｘ軸方向の並進力成分Ｆｘ、ｙ軸方向の並進力成分Ｆｙ、ｚ軸方向の並進力成分Ｆｚ、ｘ軸周りの回転力成分Ｍｘ、ｙ軸周りの回転力成分Ｍｙ、ｚ軸周りの回転力成分Ｍｚを検出することができる。

また、第１の範囲と第２の範囲とは、下限値が等しく、上限値が異なる。これにより、第１の範囲の上限値が第２の範囲の上限値より大きい場合を例に挙げると、検出する力が第２の範囲の上限値以下の場合は、高分解能モードを選択することにより、精度良く、検出を行うことができる。また、検出する力が第２の範囲の上限値を超えた場合は、定格測定モードを選択することにより、検出を行うことができる。

また、ロボット１００は、ロボットアーム１０と、ロボットアーム１０に設けられた力検出装置１とを備えている。

このようなロボット１００によれば、検出可能範囲として、第１の範囲と、第２の範囲とが設定されている。すなわち、定格測定モードと高分解能モードとを有している。これにより、検出する力の大きさに応じて、定格測定モードと高分解能モードとから一方を選択することにより、適確に力を検出することができる。

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

また、本発明は、前記各実施形態のうちの、任意の２以上の構成（特徴）を組み合わせたものであってもよい。

また、本発明の力検出装置では、与圧ボルトは、必要に応じて設ければよく、省略してもよい。

また、前記実施形態では、センサーデバイスは、パッケージを備えていたが、パッケージの一部または全部を備えていなくてもよい。例えば、センサーデバイスは、パッケージが有する蓋体を備えていなくてもよい。また、センサーデバイスは、シール部材を備えていなくてもよく、基部と蓋体とが直接的に接合されていたり、嵌合等により接続されていてもよい。

また、前記実施形態では、第１固定部と第２固定部とは、第１プレートおよび第２プレートに対して直交して設けられていたが、これに限定されず、これらに対して平行であってもよいし、また、傾斜して設けられていてもよい。すなわち、前記実施形態では、センサーデバイスは、第１プレートおよび第２プレートに対して直交しているが、これに限定されず、これらに対して平行であってもよいし、また、傾斜していてもよい。また、第１固定部および第２固定部を省略してもよい。すなわち、センサーデバイス４は、第１プレートと第２プレートとによって挟持され、与圧されていてもよい。その場合には、第１プレートを第１の部材として捉え、第２プレートを第２の部材として捉えればよい。

また、前記実施形態では、ロボットアームの回動軸の数は、６つであるが、本発明では、これに限定されず、ロボットアームの回動軸の数は、例えば、２つ、３つ、４つ、５つまたは、７つ以上でもよい。すなわち、前記実施形態では、アーム（リンク）の数は、６つであるが、本発明では、これに限定されず、アームの数は、例えば、２つ、３つ、４つ、５つ、または、７つ以上でもよい。

また、前記実施形態では、ロボットアームの数は、１つであるが、本発明では、これに限定されず、ロボットアームの数は、例えば、２つ以上でもよい。すなわち、ロボットは、例えば、双腕ロボット等の複数腕ロボットであってもよい。

また、本発明では、ロボット（ロボット本体）は、他の種類（形式）のロボットであってもよい。具体例としては、例えば、スカラーロボット等の水平多関節ロボット、パラレルリンクロボット、脚部を有する脚式歩行（走行）ロボット等が挙げられる。

また、本発明の力検出装置は、ロボット以外の各種の機器に設けることが可能であり、例えば、自動車等の移動体に搭載してもよい。

１…力検出装置、２…ケース、４…センサーデバイス、８…力検出素子、１０…ロボットアーム、１１…アーム、１２…アーム、１３…アーム、１４…アーム、１５…アーム、１６…アーム、１７…エンドエフェクター、２１…第１ケース部材、２２…第２ケース部材、２３…側壁部、２４…第１固定部、２５…第２固定部、２６…基板収容部材、２７…接続部材、４０…パッケージ、４１…基部、４２…蓋体、４３…シーリング、４４…内部端子、４５…導電性接続部、４６…側面電極、４７…接着部材、６１…アナログ回路基板、６２…デジタル回路基板、６３…中継基板、７０…与圧ボルト、８１…圧電素子、８２…圧電素子、８３…圧電素子、８４…圧電素子、８８…接続部、９０ａ…変換出力回路、９０ｂ…変換出力回路、９０ｃ…変換出力回路、９０ｄ…変換出力回路、９１…オペアンプ、９２…コンデンサー、９３…スイッチング素子、１００…ロボット、１１０…基台、２０１…取付面、２０２…取付面、２１１…第１プレート、２２１…第２プレート、２２２…貫通孔、２４０…内壁面、２４１…貫通孔、２５０…頂面、２５１…突出部、２５２…雌ネジ、２６１…孔、４００…円、４１１…底部材、４１２…側壁部材、６２０…固定部材、６３０…固定部材、８１１…圧電体層、８１２…出力電極層、８１３…グランド電極層、８２１…圧電体層、８２２…出力電極層、８２３…グランド電極層、８３１…圧電体層、８３２…出力電極層、８３３…グランド電極層、８４１…圧電体層、８４２…出力電極層、８４３…グランド電極層、８７０…支持基板、Ａ１…中心軸、Ｃ１…静電容量、Ｃ２…静電容量、Ｃ３…静電容量、Ｃ４…静電容量、ＣＬ…線分、ＧＮＤ…グランド電位、Ｑ…電荷、Ｑα１…電荷、Ｑα２…電荷、Ｑβ１…電荷、Ｑβ２…電荷、Ｓ１…内部空間、Ｓ２…内部空間、Ｖ…電圧、Ｖα１…電圧、Ｖα２…電圧、Ｖβ１…電圧、Ｖβ２…電圧、ａ…距離

Claims (9)

1. 第１の部材と、
   第２の部材と、
   前記第１の部材と前記第２の部材とによって挟持され、外力に応じて電荷を出力する圧電センサーデバイスと、を備え、
   前記外力の所定の軸方向の成分の検出可能範囲が第１の範囲であるとき、前記第１の範囲内で前記外力を検出し、前記検出可能範囲が前記第１の範囲と異なる第２の範囲であるとき、前記第２の範囲内で前記外力を検出することを特徴とする力検出装置。
2. 前記圧電センサーデバイスは、前記第１の部材に配置されるセンサー素子を備え、
   前記センサー素子は、第１の圧電体層と、前記第１の圧電体層の一方側に配置された第２の圧電体層と、を備え、
   前記第１の圧電体層および前記第２の圧電体層は、それぞれ、第１の方向に加わる外力に応じて電荷を出力する請求項１に記載の力検出装置。
3. 第１のコンデンサーを有し、前記第１の圧電体層から出力される電荷を電圧に変換して前記電圧を出力する第１の変換出力回路と、
   前記第１のコンデンサーと静電容量の異なる第２のコンデンサーを有し、前記第２の圧電体層から出力される電荷を電圧に変換して前記電圧を出力する第２の変換出力回路と、を備える請求項２に記載の力検出装置。
4. 前記センサー素子は、前記第２の圧電体層の前記第１の圧電体層と反対側に配置された第３の圧電体層と、前記第３の圧電体層の前記第２の圧電体層と反対側に配置された第４の圧電体層と、を備え、
   前記第３の圧電体層および前記第４の圧電体層は、それぞれ、前記第１の方向と異なる第２の方向に加わる外力に応じて電荷を出力する請求項２または３に記載の力検出装置。
5. 前記第１の方向と前記第２の方向は直交している請求項４に記載の力検出装置。
6. 第３のコンデンサーを有し、前記第３の圧電体層から出力される電荷を電圧に変換して前記電圧を出力する第３の変換出力回路と、
   前記第３のコンデンサーと静電容量の異なる第４のコンデンサーを有し、前記第４の圧電体層から出力される電荷を電圧に変換して前記電圧を出力する第４の変換出力回路と、を備える請求項４または５に記載の力検出装置。
7. 前記センサー素子を複数有する請求項２ないし６のいずれか１項に記載の力検出装置。
8. 前記第１の範囲と前記第２の範囲とは、下限値が等しく、上限値が異なる請求項１ないし７のいずれか１項に記載の力検出装置。
9. ロボットアームと、
   前記ロボットアームに設けられた請求項１ないし８のいずれか１項に記載の力検出装置と、を備えることを特徴とするロボット。

Images