CN104880265B - 力检测装置、以及机械臂 - Google Patents
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Abstract
本发明提供力检测装置以及机械臂。力检测装置的特征在于，具备：第一基部；第二基部；以及压力检测部，其被设置在第一基部与第二基部之间，并包含根据外力输出信号的压电元件，压力检测部具有：第一部件，其具有与第一基部接触的部分；第二部件，其具有与第二基部接触的部分；以及第三部件，其连结第一部件和第二部件，第一部件的至少一部分的第一纵向弹性系数比第三部件的第三纵向弹性系数低，第二部件的至少一部分的第二纵向弹性系数比第三部件的第三纵向弹性系数低。
Description
技术领域
本发明涉及力检测装置、以及机械臂。
背景技术
近年，以生产效率提高为目的，向工厂等生产设施导入工业用机械臂正在发展。作为这样的工业机械臂，对铝板等母材实施机械加工的机床具有代表性。对机床而言，存在内置了在实施机械加工时，检测针对母材的力的力检测装置的机床(例如，参照专利文献1)。
专利文献1记载了传感器元件，该传感器元件具备：压电元件、具有收容压电元件的凹部的陶瓷外壳、以及在陶瓷外壳的凹部内收容了压电元件的状态下，以堵住凹部的开口的方式与陶瓷外壳接合的盖子。另外，传感器元件被两个加压板夹持。
对于这样的传感器元件来说，若对加压板施加外力，则该外力经由陶瓷外壳、盖子传递至压电元件，压电元件能够输出与外力对应的电荷，并基于该电荷检测被施加的外力。
另外，该传感器元件通过陶瓷外壳以及盖子被气密性地密封，遮断外部空气。由此，防止从压电元件产生的电荷因水分等而非本意地向外部泄漏。
专利文献1：日本特开2013－130431号公报
然而，在专利文献1所记载的力检测装置中，由于反复对加压板施加外力，从而存在反复对陶瓷外壳施加应力，而陶瓷外壳破损这样的问题。因此，难以长期稳定地使用力检测装置。
另外，在这样的力检测装置中，在制造时，也存在利用加压板夹持传感器元件时，由于加压板所带来的加压的压力而导致陶瓷外壳破损这样的问题。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供即使在反复施加了外力的情况下，也能够减少收容压电元件的收容部(外壳)破损的力检测装置、以及机械臂。
这样的目的通过下述的本发明实现。
应用例1
本发明所涉及的力检测装置的特征在于，具备：
第一基部；
第二基部；以及
压力检测部，其被设置在上述第一基部与上述第二基部之间，并包含根据外力输出信号的压电元件，
上述压力检测部具有：第一部件，其具有与上述第一基部接触的部分；第二部件，其具有与上述第二基部接触的部分；以及第三部件，其连结上述第一部件和上述第二部件，
上述第一部件的至少一部分的第一纵向弹性系数比上述第三部件的第三纵向弹性系数低，
上述第二部件的至少一部分的第二纵向弹性系数比上述第三部件的第三纵向弹性系数低。
由此，即使反复对第一基部、第二基部施加外力，第一部件以及第二部件也能够根据该外力变形。因此，即使在反复施加了外力的情况下，也能够减少收容压电元件的收容部破损。
应用例2
在本发明所涉及的力检测装置中，优选上述第一纵向弹性系数与上述第二纵向弹性系数之差在上述第一纵向弹性系数的十分之一以下。
由此，能够避免仅在第一部件以及第二部件的任意一方集中应力，因此，能够更可靠地减少收容压电元件的收容部破损。
应用例3
在本发明所涉及的力检测装置中，优选上述第一部件的构成材料与上述第二部件的构成材料相同。
由此，避免施加的外力在第一部件以及第二部件的任意一方集中，因此，能够特别有效地减少收容压电元件的收容部非本意地变形、破损。
应用例4
在本发明所涉及的力检测装置中，优选上述第三部件的构成材料包含陶瓷。
由此，能够充分地确保作为收容部整体的机械强度，因此，即使反复施加外力，也难以产生收容部的变形所引起的损伤，能够更可靠地保护收容在内部的压电元件。
应用例5
在本发明所涉及的力检测装置中，优选上述第一部件的纵向弹性系数是上述第一纵向弹性系数。
由此，能够以单一的部件以及单一的材料构成第一部件，能够遍及第一部件的整体实现纵向弹性系数(杨氏模量)以及机械强度的均匀化。因此，能够更可靠地减少第一部件由于施加的外力而破损，并且也能够更正确地经由第一部件将外力传递到压电元件。
应用例6
在本发明所涉及的力检测装置中，优选上述第二部件的纵向弹性系数是上述第二纵向弹性系数。
由此，能够以单一的部件以及单一的材料构成第二部件，能够遍及第二部件的整体实现纵向弹性系数(杨氏模量)以及机械强度的均匀化。因此，能够更可靠地减少第二部件由于施加的外力而破损，并且也能够更正确地经由第二部件将外力传递到压电元件。
应用例7
在本发明所涉及的力检测装置中，优选上述压电元件包含石英。
由此，力检测装置成为难以受到温度的变动所带来的影响的装置，因此，能够正确地检测外力。
应用例8
在本发明所涉及的力检测装置中，优选上述压电元件位于上述压力检测部的内部。
由此，压电元件被密封，遮断外部空气，从而能够抑制输出的电荷因水分等而非本意地泄漏。
应用例9
本发明所涉及的机械臂的特征在于，具备：
臂；
末端执行器，其被设置于上述臂；以及
力检测装置，其被设置在上述臂与上述末端执行器之间，并检测施加给上述末端执行器的外力，
上述力检测装置具备第一基部、第二基部、以及压力检测部，其被设置在上述第一基部与上述第二基部之间，并包含根据外力输出信号的压电元件，
上述收容部具有：第一部件，其具有与上述第一基部接触的部分；第二部件，其具有与上述第二基部接触的部分；以及第三部件，其连结上述第一部件和上述第二部件，
上述第一部件的至少一部分的第一纵向弹性系数比上述第三部件的第三纵向弹性系数低，
上述第二部件的至少一部分的第二纵向弹性系数比上述第三部件的第三纵向弹性系数低。
由此，对机械臂而言，即使在反复对压力检测部施加了外力的情况下，也能够减少收容压电元件的收容部破损。因此，根据这样的机械臂，能够正确地检测外力，并适当地进行末端执行器的作业。
附图说明
图1是表示本发明所涉及的力检测装置的第一实施方式的剖视图。
图2是图1所示的力检测装置的俯视图。
图3是概要地表示图1所示的力检测装置的电路图。
图4是概要地表示图1所示的力检测装置具备的电荷输出元件的剖视图。
图5是表示图1所示的力检测装置的电荷输出元件所检测的力的作用状态的概要图。
图6是从图5中的箭头D方向观察到的图。
图7是图1所示的力检测装置的电荷输出元件附近的部分放大详细图。
图8是表示使用了本发明所涉及的力检测装置的单臂机械臂的一个例子的图。
图9是表示使用了本发明所涉及的力检测装置的多臂机械臂的一个例子的图。
图10是表示使用了本发明所涉及的力检测装置的电子部件检查装置以及部件输送装置的一个例子的图。
图11是表示使用了本发明所涉及的力检测装置的电子部件输送装置的一个例子的图。
图12是表示使用了本发明所涉及的力检测装置的部件加工装置的一个例子的图。
具体实施方式
以下，对本发明的优选的实施方式进行详细的说明。
1.力检测装置
图1是表示本发明所涉及的力检测装置的第一实施方式的剖视图，图2是图1所示的力检测装置的俯视图，图3是概要地表示图1所示的力检测装置的电路图，图4是概要地表示图1所示的力检测装置具备的电荷输出元件的剖视图，图5是表示图1所示的力检测装置的电荷输出元件所检测的力的作用状态的概要图，图6是从图5中的箭头D方向观察到的图，图7是图1所示的力检测装置的电荷输出元件附近的部分放大详细图。
此外，以下，将图1中的上侧称为“上”或者“上方”，将下侧称为“下”或者“下方”。
另外，图2、图5图示了α轴、β轴以及γ轴作为相互正交的三个轴。另外，图1、图4仅图示了上述三个轴中的γ轴。将与α(A)轴平行的方向称为“α(A)轴方向”，将与β(B)轴平行的方向称为“β(B)轴方向”，并将与γ(C)轴平行的方向称为“γ(C)轴方向”。另外，将以α轴和β轴规定的平面称为“αβ平面”，将以β轴和γ轴规定的平面称为“βγ平面”，将以α轴和γ轴规定的平面称为“αγ平面”。另外，将与αA轴平行的方向称为“α方向”，将与β轴平行的方向称为“β方向”，并将与γ轴平行的方向称为“γ方向”。另外，在α方向、β方向以及γ方向上，将箭头前端侧作为“+(正)侧”，将箭头基端侧作为“－(负)侧”。
图1所示的力检测装置1具有检测施加给力检测装置1的外力，即、六轴力(α、β、γ轴方向的平移力成分以及绕α、β、γ轴的旋转力成分)的功能。
该力检测装置1具备第一基部(基部)2、距离第一基部2隔开规定的间隔而配置的、与第一基部2对置的第二基部(基部)3、收纳(设置)在第一基部2与第二基部3之间的模拟电路基板4、收纳(设置)在第一基部2与第二基部3之间，并与模拟电路基板4电连接的数字电路基板5、具有搭载于模拟电路基板4，并根据外力输出信号的电荷输出元件(压电元件)10以及收纳电荷输出元件10的外壳(收容部)60的四个传感器设备(压力检测部)6、以及八个加压螺钉(固定部件)71。
以下，对力检测装置1的各部的构成进行详述。
此外，在以下的说明中，如图2所示，将四个传感器设备6中的位于图2中的右侧的传感器设备6称为“传感器设备6A”，以下以逆时针的顺序依次称为“传感器设备6B”、“传感器设备6C”、以及“传感器设备6D”。
如图1所示，第一基部(基板)2的外形呈板状，其平面形状呈发圆的四角形。此外，第一基部2的平面形状并不限定于图示的形状，例如也可以是圆形、四角形以外的多角形等。
第一基部2的下表面221在力检测装置1例如固定于机械臂进行使用时，作为针对该机械臂(测定对象)的安装面(第一安装面)发挥作用。
该第一基部2具有底板22、和从底板22朝向上方竖立设置的壁部24。
壁部24呈“L”形，在面向外侧的两个面分别突出形成有凸部23。各凸部23的顶面(第一面)231是相对于底板22垂直的平面。另外，在凸部23设置有与后述的加压螺钉71螺合的内螺纹241(参照图2)。
如图1所示，以相对于第一基部2隔开规定的间隔对置的方式，配置第二基部(盖板)3。
第二基部3也与第一基部2相同，其外形呈板状。另外，优选第二基部3的平面形状是与第一基部2的平面形状对应的形状，在本实施方式中，第二基部3的俯视形状与第一基部2的俯视形状相同，呈角部发圆的四角形。另外，优选第二基部3为包含第一基部2的程度的大小。
第二基部3的上表面(第二面)321在力检测装置1例如固定于机械臂进行使用时，作为针对安装于该机械臂的末端执行器(测定对象)的安装面(第二安装面)发挥作用。另外，第二基部3的上表面321、和上述的第一基部2的下表面221在未施加外力的自然状态下平行。
另外，第二基部3具有顶板32、和形成在顶板32的边缘部，并从该边缘部朝向下方突出的侧壁33。侧壁33的内壁面(第二面)331是相对于顶板32垂直的平面。而且，在第一基部2的顶面231与第二基部3的内壁面331之间设置有传感器设备6。
另外，第一基部2与第二基部3通过加压螺钉71连接、固定。如图2所示，该加压螺钉71有八根(多根)，其中的每两根配置在各传感器设备6的两侧。此外，针对一个传感器设备6的加压螺钉71的数目并不限定于两个，例如，也可以是三个以上。
另外，作为加压螺钉71的构成材料并不特别限定，例如，能够使用各种树脂材料、各种金属材料等。
利用像这样通过加压螺钉71连接的第一基部2和第二基部3，形成收纳传感器设备6A～6D、模拟电路基板4、以及数字电路基板5的收纳空间。该收纳空间具有圆形或者圆角正方形的剖面形状。
另外，如图1所示，在第一基部2与第二基部3之间设置有与传感器设备6连接的模拟电路基板4。
在模拟电路基板4的配置了传感器设备6(具体而言，电荷输出元件10)的部位，形成有***第一基部2的各凸部23的孔41。该孔41是贯通模拟电路基板4的贯通孔。
另外，如图2所示，在模拟电路基板4设置有各加压螺钉71贯通的贯通孔，在模拟电路基板4的加压螺钉71贯通的部分(贯通孔)，例如通过嵌合固定有由树脂材料等绝缘材料构成的管43。
另外，如图3所示，与传感器设备6A连接的模拟电路基板4具备将从传感器设备6A的电荷输出元件10输出的电荷Qy1转换为电压Vy1的转换输出电路90a、将从电荷输出元件10输出的电荷Qz1转换为电压Vz1的转换输出电路90b、以及将从电荷输出元件10输出的电荷Qx1转换为电压Vx1的转换输出电路90c。
与传感器设备6B连接的模拟电路基板4具备将从传感器设备6B的电荷输出元件10输出的电荷Qy2转换为电压Vy2的转换输出电路90a、将从电荷输出元件10输出的电荷Qz2转换为电压Vz2的转换输出电路90b、以及将从电荷输出元件10输出的电荷Qx2转换为电压Vx2的转换输出电路90c。
与传感器设备6C连接的模拟电路基板4具备将从传感器设备6C的电荷输出元件10输出的电荷Qy3转换为电压Vy3的转换输出电路90a、将从电荷输出元件10输出的电荷Qz3转换为电压Vz3的转换输出电路90b、以及将从电荷输出元件10输出的电荷Qx3转换为电压Vx3的转换输出电路90c。
与传感器设备6D连接的模拟电路基板4具备将从传感器设备6D的电荷输出元件10输出的电荷Qy4转换为电压Vy4的转换输出电路90a、将从电荷输出元件10输出的电荷Qz4转换为电压Vz4的转换输出电路90b、以及将从电荷输出元件10输出的电荷Qx4转换为电压Vx4的转换输出电路90c。
另外，如图1所示，在第一基部2与第二基部3之间，在第一基部2上的与设置了模拟电路基板4的位置不同的位置，设置有与模拟电路基板4连接的被支承的数字电路基板5。如图3所示，数字电路基板5具备外力检测电路40，该外力检测电路40具有与转换输出电路(转换电路)90a、90b、90c连接的AD转换器401、和与AD转换器401连接的运算部(运算电路)402。
此外，作为上述的第一基部2、第二基部3、模拟电路基板4的各元件以及各布线以外的部位、数字电路基板5的各元件以及各布线以外的部位的构成材料，并不特别限定，例如，能够使用各种树脂材料、各种金属材料等。
另外，第一基部2、第二基部3分别由外形呈板状的部件构成，但并不限定于此，例如，也可以一方基部由呈板状的部件构成，另一方基部由呈块状的部件构成。
接下来，对传感器设备6进行详细的说明。
传感器设备
如图1、图2所示，传感器设备6A被第一基部2的四个凸部23中的一个凸部23的顶面231、和与该顶面231对置的内壁面331夹持。该与传感器设备6A相同，通过与上述不同的一个凸部23的顶面231、和与该顶面231对置的内壁面331，夹持传感器设备6B。另外，通过与上述不同的一个凸部23的顶面231、和与该顶面231对置的内壁面331，夹持传感器设备6C。并且，通过与上述不同的一个凸部23的顶面231、和与该顶面231对置的内壁面331，夹持传感器设备6D。
此外，以下，将各传感器设备6A～6D被第一基部2以及第二基部3夹持的方向称为“夹持方向SD”。另外，有时也将夹持各传感器设备6A～6D中的传感器设备6A的方向称为第一夹持方向，将夹持传感器设备6B的方向称为第二夹持方向，将夹持传感器设备6C的方向称为第三夹持方向，将夹持传感器设备6D的方向称为第四夹持方向。
此外，在本实施方式中，如图1所示，传感器设备6设置在模拟电路基板4的第二基部3(侧壁33)侧，但传感器设备6也可以设置在模拟电路基板4的第一基部2侧。
另外，如图2所示，传感器设备6A以及传感器设备6B、传感器设备6C以及传感器设备6D相对于第一基部2的沿β轴的中心轴271对称地配置。即，传感器设备6A～6D绕第一基部2的中心272以等角度间隔配置。通过像这样配置传感器设备6A～6D，能够无偏差地检测外力。
此外，传感器设备6A～6D的配置并不限定于图示的方式，但优选传感器设备6A～6D从第二基部3的上表面321观察，配置在尽量与第二基部3分离的中心部(中心272)的位置。由此，能够稳定地检测施加给力检测装置1的外力。
另外，在本实施方式中，传感器设备6A～6D以全部朝向相同的方向的状态搭载，但传感器设备6A～6D的方向也可以彼此不同。
如图1所示，这样配置的传感器设备6具有电荷输出元件10、和收纳电荷输出元件10的外壳60。另外，在本实施方式中，传感器设备6A～6D为相同的构成。
以下，对该传感器设备6具备的电荷输出元件10进行详述。此外，后面详述收容电荷输出元件10的外壳。
电荷输出元件
电荷输出元件10具有根据施加给力检测装置1的外力，即施加给第一基部2或者第二基部3的至少一方的基部的外力输出电荷的功能。
此外，传感器设备6A～6D具备的各电荷输出元件10为相同的构成，所以以一个电荷输出元件10为中心进行说明。
如图4所示，传感器设备6具备的电荷输出元件10具有接地电极层11、第一传感器12、第二传感器13、以及第三传感器14。
第一传感器12具有根据外力(剪切力)输出电荷Qx(电荷Qx1、Qx2、Qx3、Qx4的任意一个)的功能。第二传感器13具有根据外力(压缩/拉伸力)输出电荷Qz(电荷Qz1、Qz2、Qz3、Qz4)的功能。第三传感器14根据外力(剪切力)输出电荷Qy(电荷Qy1、Qy2、Qy3、Qy4)。
另外，对于传感器设备6具备的电荷输出元件10来说，接地电极层11与各传感器12、13、14交替地平行层叠。以下，将该层叠的方向称为“层叠方向LD”。该层叠方向LD成为与上面321的法线NL2(或者下面221的法线NL1)正交的方向。另外，层叠方向LD与夹持方向SD平行。
另外，电荷输出元件10的形状并不特别限定，但在本实施方式中，从相对于各侧壁33的内壁面331垂直的方向观察，呈四角形。此外，作为各电荷输出元件10的其他的外形形状，例如，能够列举五角形等其他的多角形、圆形、椭圆形等。
以下，对接地电极层11、第一传感器12、第二传感器13、以及第三传感器14进行详述。
接地电极层11是与地线(基准电位点)连接的电极。构成接地电极层11的材料并不特别限定，但例如，优选为金、钛、铝、铜、铁或者包含这些金属的合金。这其中特别优选使用作为铁合金的不锈钢。由不锈钢构成的接地电极层11具有优异的耐久性以及耐腐蚀性。
第一传感器12具有根据与层叠方向LD(第一夹持方向)正交的、即与法线NL2(法线NL1)的方向相同的方向的第一检测方向的外力(剪切力)输出电荷Qx的功能。即，第一传感器12构成为根据外力输出正电荷或者负电荷。
第一传感器12具有第一压电体层(第一检测板)121、与第一压电体层121对置地设置的第二压电体层(第一检测板)123、以及设置在第一压电体层121与第二压电体层123之间的输出电极层122。
第一压电体层121由Y切割石英板构成，且具有相互正交的结晶轴亦即x轴、y轴、z轴。y轴是沿第一压电体层121的厚度方向的轴，x轴是沿图4中的纸面进深方向的轴，z轴是沿图4中的上下方向的轴。
以下，将这些图示的各箭头的前端侧作为“+(正)”，将基端侧作为“－(负)”进行说明。另外，将与x轴平行的方向称为“x轴方向”，将与y轴平行的方向称为“y轴方向”，将与z轴平行的方向称为“z轴方向”。此外，对于后述的第二压电体层123、第三压电体层131、第四压电体层133、第五压电体层141、以及第六压电体层143也相同。
由石英构成的第一压电体层121具有较宽的动态范围、较高的刚性、较高的固有频率、较高的承重性等优异的特性。另外，Y切割石英板相对于沿其面方向的外力(剪切力)产生电荷。
而且，对第一压电体层121的表面施加了沿x轴的正方向的外(剪切力)力的情况下，由于压电效应，在第一压电体层121内感应电荷。其结果，在第一压电体层121的输出电极层122侧表面附近聚集有正电荷，在第一压电体层121的接地电极层11侧表面附近聚集有负电荷。同样地，对第一压电体层121的表面施加了沿x轴的负方向的外力的情况下，在第一压电体层121的输出电极层122侧表面附近聚集有负电荷，在第一压电体层121的接地电极层11侧表面附近聚集有正电荷。
第二压电体层123也由Y切割石英板构成，且具有相互正交的结晶轴亦即x轴、y轴、z轴。y轴是沿第二压电体层123的厚度方向的轴，x轴是沿图4中的纸面进深方向的轴，z轴是沿图4中的上下方向的轴。
由石英构成的第二压电体层123也与第一压电体层121相同，具有较宽的动态范围、较高的刚性、较高的固有频率、较高的承重性等优异的特性，由于是Y切割石英板，所以相对于沿其面方向的外力(剪切力)产生电荷。
而且，对第二压电体层123的表面施加了沿x轴的正方向的外力(剪切力)的情况下，由于压电效应，在第二压电体层123内感应电荷。其结果，在第二压电体层123的输出电极层122侧表面附近聚集有正电荷，在第二压电体层123的接地电极层11侧表面附近聚集有负电荷。同样地，对第二压电体层123的表面施加了沿x轴的负方向的外力的情况下，在第二压电体层123的输出电极层122侧表面附近聚集有负电荷，在第二压电体层123的接地电极层11侧表面附近聚集有正电荷。
输出电极层122具有将第一压电体层121内以及第二压电体层123内所产生的正电荷或者负电荷作为电荷Qx输出的功能。如上述那样，在第一压电体层121的表面或者第二压电体层123的表面施加了沿x轴的正方向的外力的情况下，在输出电极层122附近聚集有正电荷。其结果，从输出电极层122输出正的电荷Qx。另一方面，在第一压电体层121的表面或者第二压电体层123的表面施加了沿x轴的负方向的外力的情况下，在输出电极层122附近聚集有负电荷。其结果，从输出电极层122输出负的电荷Qx。
另外，第一传感器12构成为具有第一压电体层121和第二压电体层123的情况与仅由第一压电体层121以及第二压电体层123中的一方和输出电极层122构成的情况相比较，能够使在输出电极层122附近聚集的正电荷或者负电荷增加。其结果，能够使从输出电极层122输出的电荷Qx增加。此外，对于后述的第二传感器13、第三传感器14也相同。
另外，优选输出电极层122的大小在第一压电体层121以及第二压电体层123的大小以上。输出电极层122比第一压电体层121或者第二压电体层123小的情况下，第一压电体层121或者第二压电体层123的一部分不与输出电极层122接触。因此，存在不能够从输出电极层122输出在第一压电体层121或者第二压电体层123产生的电荷的一部分的情况。其结果，从输出电极层122输出的电荷Qx减少。此外，对于后述的输出电极层132、142也相同。
第二传感器13具有根据外力(压缩/拉伸力)输出电荷Qz的功能。即，第二传感器13构成为根据压缩力而输出正电荷，并根据拉伸力而输出负电荷。
第二传感器13具有第三压电体层(第三基板)131、与第三压电体层131对置地设置的第四压电体层(第三基板)133、以及设置在第三压电体层131与第四压电体层133之间的输出电极层132。
第三压电体层131由X切割石英板构成，且具有相互正交的x轴、y轴、z轴。x轴是沿第三压电体层131的厚度方向的轴，y轴是沿图4中的上下方向的轴，z轴是沿图4中的纸面进深方向的轴。
而且，对第三压电体层131的表面施加了与x轴平行的压缩力的情况下，由于压电效应，在第三压电体层131内感应电荷。其结果，在第三压电体层131的输出电极层132侧表面附近聚集有正电荷，在第三压电体层131的接地电极层11侧表面附近聚集有负电荷。同样地，对第三压电体层131的表面施加了与x轴平行的拉伸力的情况下，在第三压电体层131的输出电极层132侧表面附近聚集有负电荷，在第三压电体层131的接地电极层11侧表面附近聚集有正电荷。
第四压电体层133也由X切割石英板构成，且具有相互正交的x轴、y轴、z轴。x轴是沿第四压电体层133的厚度方向的轴，y轴是沿图4中的上下方向的轴，z轴是沿图4中的纸面进深方向的轴。
而且，对第四压电体层133的表面施加了与x轴平行的压缩力的情况下，由于压电效应，在第四压电体层133内感应电荷。其结果，在第四压电体层133的输出电极层132侧表面附近聚集有正电荷，在第四压电体层133的接地电极层11侧表面附近聚集有负电荷。同样地，对第四压电体层133的表面施加了与x轴平行的拉伸力的情况下，在第四压电体层133的输出电极层132侧表面附近聚集有负电荷，在第四压电体层133的接地电极层11侧表面附近聚集有正电荷。
输出电极层132具有将在第三压电体层131内以及第四压电体层133内产生的正电荷或者负电荷作为电荷Qz输出的功能。如上述那样，在第三压电体层131的表面或者第四压电体层133的表面施加了与x轴平行的压缩力的情况下，在输出电极层132附近聚集有正电荷。其结果，从输出电极层132输出正的电荷Qz。另一方面，在第三压电体层131的表面或者第四压电体层133的表面施加了与x轴平行的拉伸力的情况下，在输出电极层132附近聚集有负电荷。其结果，从输出电极层132输出负的电荷Qz。
第三传感器14具有根据与层叠方向LD(第二夹持方向)正交的、与第一传感器12输出电荷Qx时作用的外力的第一检测方向交叉的第二检测方向的外力(剪切力)输出电荷Qx的功能。即，第三传感器14构成为根据外力输出正电荷或者负电荷。
第三传感器14具有第五压电体层(第二检测板)141、与第五压电体层141对置地设置的第六压电体层(第二检测板)143、以及设置在第五压电体层141与第六压电体层143之间的输出电极层142。
第五压电体层141由Y切割石英板构成，且具有相互正交的结晶轴亦即x轴、y轴、z轴。y轴是沿第五压电体层141的厚度方向的轴，x轴是沿图4中的上下方向的轴，z轴是沿图4中的纸面进深方向的轴。
由石英构成的第五压电体层141具有较宽的动态范围、较高的刚性、较高的固有频率、较高的承重性等优异的特性。另外，Y切割石英板相对于沿其面方向的外力(剪切力)产生电荷。
而且，对第五压电体层141的表面施加了沿x轴的正方向的外力的情况下，由于压电效应，在第五压电体层141内感应电荷。其结果，在第五压电体层141的输出电极层142侧表面附近聚集有正电荷，在第五压电体层141的接地电极层11侧表面附近聚集有负电荷。同样地，对第五压电体层141的表面施加了沿x轴的负方向的外力的情况下，在第五压电体层141的输出电极层142侧表面附近聚集有负电荷，在第五压电体层141的接地电极层11侧表面附近聚集有正电荷。
第六压电体层143也由Y切割石英板构成，且具有相互正交的结晶轴亦即x轴、y轴、z轴。y轴是沿第二压电体层123的厚度方向的轴，x轴是沿图4中的上下方向的轴，z轴是沿图4中的纸面进深方向的轴。
由石英构成的第六压电体层143也与第五压电体层141相同，具有较宽的动态范围、较高的刚性、较高的固有频率、较高的承重性等优异的特性，由于是Y切割石英板，从而相对于沿其面方向的外力(剪切力)产生电荷。
而且，对第六压电体层143的表面施加了沿x轴的正方向的外力的情况下，由于压电效应，在第六压电体层143内感应电荷。其结果，在第六压电体层143的输出电极层142侧表面附近聚集有正电荷，在第六压电体层143的接地电极层11侧表面附近聚集有负电荷。同样地，对第六压电体层143的表面施加了沿x轴的负方向的外力的情况下，在第六压电体层143的输出电极层142侧表面附近聚集有负电荷，在第六压电体层143的接地电极层11侧表面附近聚集有正电荷。
在电荷输出元件10中，从层叠方向LD观察时，第一压电体层121以及第二压电体层123的各x轴与第五压电体层141以及第六压电体层143的各x轴交叉。另外，从层叠方向LD观察时，第一压电体层121以及第二压电体层123的各z轴与第五压电体层141以及第六压电体层143的各z轴交叉。
输出电极层142具有将在第五压电体层141内以及第六压电体层143内产生的正电荷或者负电荷作为电荷Qy输出的功能。如上述那样，在第五压电体层141的表面或者第六压电体层143的表面施加了沿x轴的正方向的外力的情况下，在输出电极层142附近聚集有正电荷。其结果，从输出电极层142输出正的电荷Qy。另一方面，在第五压电体层141的表面或者第六压电体层143的表面施加了沿x轴的负方向的外力的情况下，在输出电极层142附近聚集有负电荷。其结果，从输出电极层142输出负的电荷Qy。
这样，在电荷输出元件10中，第一传感器12、第二传感器13、以及第三传感器14以各传感器的力检测方向相互正交的方式层叠。由此，各传感器能够分别根据相互正交的力成分感应电荷。因此，电荷输出元件10能够根据沿x轴、y轴以及z轴的各外力的各个输出三种电荷Qx、Qy、Qz。
另外，如上述那样，电荷输出元件10能够输出电荷Qz，但在力检测装置1中，优选求解各外力时，不使用电荷Qz。即，优选力检测装置1不检测压缩、拉伸力，而作为检测剪切力的装置使用。由此，能够减少起因于力检测装置1的温度变化的噪声成分。
这里，作为优选在外力检测时不使用电荷Qz的理由，例举将力检测装置1使用于具有安装了末端执行器的臂的工业用机械臂的情况进行说明。该情况下，由于来自设置于臂、末端执行器的马达等发热源的热传递，第一基部2或者第二基部3被加热并热膨胀而变形。由于该变形，针对电荷输出元件10的加压从规定的值变化。针对该电荷输出元件10的加压变化包含在作为起因于力检测装置1的温度变化的噪声成分，而显著影响电荷Qz的程度。
由于这样的理由，电荷输出元件10不使用由于施加了压缩、拉伸力而产生的电荷Qz，而仅检测由于施加了剪切力而产生的电荷Qx、Qy，从而能够进一步使受到温度的变动带来的影响变得困难。
此外，输出的电荷Qz例如使用于基于加压螺钉71的加压的调整。
另外，在本实施方式中，构成为上述的各压电体层(第一压电体层121、第二压电体层123、第三压电体层131、第四压电体层133、第五压电体层141、以及第六压电体层143)全部使用了石英，但各压电体层也可以构成为使用石英以外的压电材料。作为石英以外的压电材料，例如，能够列举黄玉、钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅(PZT：Pb(Zr，Ti)O3)、铌酸锂、钽酸锂等。然而，各压电体层优选为使用了石英的构成。这是因为由石英构成的压电体层具有较宽的动态范围、较高的刚性、较高的固有频率、较高的承重性等优异的特性。
另外，如上述那样，第一基部2、以及第二基部3通过加压螺钉71固定。
通过该加压螺钉71的固定是在顶面231与内壁面331之间配置了各传感器设备6的状态下，从第二基部3的侧壁33侧朝向第一基部2的凸部23***加压螺钉71，并将加压螺钉71的外螺纹(未图示)与形成在第一基部2的内螺纹241螺合。这样一来，电荷输出元件10连同收纳该电荷输出元件10的外壳60一起通过第一基部2和第二基部3施加了规定的大小的压力，即、进行了加压。
此外，第一基部2与第二基部3通过两个加压螺钉71，以彼此能够进行规定量的位移(移动)的方式固定。第一基部2与第二基部3以彼此能够进行规定量的位移的方式被固定，从而在由于在力检测装置1施加了外力(剪切力)而在电荷输出元件10作用了剪切力时，可靠地产生构成电荷输出元件10的层彼此之间的摩擦力，因此，能够可靠地检测电荷。另外，各加压螺钉71的加压方向是与层叠方向LD平行的方向。
如图5所示，这样的构成的电荷输出元件10的层叠方向LD相对于α轴以倾斜角度ε倾斜。具体而言，第一传感器12的x轴以及第三传感器14的z轴相对于α轴以倾斜角度ε倾斜。因此，在本实施方式中，α轴是二等分传感器设备6A的电荷输出元件10与传感器设备6B的电荷输出元件10所成的角的二等分线。
另外，如图6所示，各电荷输出元件10在将第一传感器12的x轴与第一基部2的底板22所成的角度设为η时，允许角度η满足0°≤η＜90°的程度的倾斜。此外，图6是从图5中的箭头D方向观察到的图，以虚线(双点划线)图示相对于α轴(底板22的下表面221)以角度η倾斜的情况下的电荷输出元件10。
接下来，对各模拟电路基板4具备的转换输出电路90a、转换输出电路90b、以及转换输出电路90c进行详述。
转换输出电路
如图3所示，各转换输出电路90c将电荷Qx1～Qx4的任意一个(电荷Qx)转换为电压Vx1～Vx4的任意一个(代表地称为“电压Vx”)，各转换输出电路90b将电荷Qz1～Qz4的任意一个(电荷Qz)转换为电压Vz1～Vz4的任意一个(代表地称为“电压Vzy”)，各转换输出电路90a将电荷Qy1～Qy4的任意一个(电荷Qy)转换为电压Vy1～Vy4的任意一个(代表地称为“电压Vy”)。
以下，对转换输出电路90a、90b、90c的构成等进行详述，但各转换输出电路90a、90b、90c为相同的构成，所以以下，以转换输出电路90c为代表进行说明。
如图3所示，转换输出电路90c具有将从电荷输出元件10输出的电荷Qx转换为电压Vx并输出电压Vx的功能。转换输出电路90c具有运算放大器91、电容器92、以及开关元件93。运算放大器91的第一输入端子(负输入)与电荷输出元件10的输出电极层122连接，运算放大器91的第二输入端子(正输入)与地线(基准电位点)连接。另外，运算放大器91的输出端子与外力检测电路40连接。电容器92连接在运算放大器91的第一输入端子与输出端子之间。开关元件93连接在运算放大器91的第一输入端子与输出端子之间，并与电容器92并联连接。另外，开关元件93与驱动电路(未图示)连接，且开关元件93按照来自驱动电路的开/关信号，执行开关动作。
开关元件93断开的情况下，从电荷输出元件10输出的电荷Qx积蓄在具有静电容量C1的电容器92，并作为电压Vx向外力检测电路40输出。接下来，开关元件93成为接通状态的情况下，电容器92的两端子间被短路。其结果，积蓄在电容器92的电荷Qx被放电并成为0库仑，输出至外力检测电路40的电压V成为0伏特。将开关元件93成为接通的状态称为使转换输出电路90c复位。此外，从理想的转换输出电路90c输出的电压Vx与从电荷输出元件10输出的电荷Qx的积蓄量成比例。
开关元件93例如，是MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor：金属氧化层半导体场效应晶体管)，此外，是半导体开关或者MEMS开关等。这样的开关与机械式开关(机械开关)相比小型以及轻型，所以对力检测装置1的小型化以及轻型化有利。以下，作为代表例，对使用了MOSFET作为开关元件93的情况进行说明。此外，如图3所示，这样的开关安装于转换输出电路90c、转换输出电路90a、90b，但除此之外，也能够安装于AD转换器401。
开关元件93具有漏电极、源电极、以及栅电极。开关元件93的漏电极或者源电极的一方与运算放大器91的第一输入端子连接，漏电极或者源电极的另一方与运算放大器91的输出端子连接。另外，开关元件93的栅电极与驱动电路(未图示)连接。
在各转换输出电路90a、90b、90c的开关元件93可以连接同一驱动电路，也可以分别连接不同的驱动电路。在各开关元件93从驱动电路输入有全部同步的开/关信号。由此，各转换输出电路90a、90b、90c的开关元件93的动作同步。即，各转换输出电路90a、90b、90c的开关元件93的开/关时刻一致。
接下来，对数字电路基板5具备的外力检测电路40进行详述。
外力检测电路
外力检测电路40具有基于从各转换输出电路90a输出的电压Vy1、Vy2、Vy3、Vy4、从各转换输出电路90b输出的电压Vz1、Vz2、Vz3、Vz4、以及从各转换输出电路90c输出的电压Vx1、Vx2、Vx3、Vx4，检测施加的外力的功能。
该外力检测电路40具有与转换输出电路(转换电路)90a、90b、90c连接的AD转换器401、和与AD转换器401连接的运算部(运算电路)402。
AD转换器401具有将电压Vx1、Vy1、Vz1、Vx2、Vy2、Vz2、Vx3、Vy3、Vz3、Vx4、Vy4、Vz4从模拟信号转换为数字信号的功能。通过AD转换器401进行了数字转换的电压Vx1、Vy1、Vz1、Vx2、Vy2、Vz2、Vx3、Vy3、Vz3、Vx4、Vy4、Vz4输入至运算部402。
运算部402对进行了数字转换的电压Vx、Vy、Vz，例如，进行消除各转换输出电路90a、90b、90c间的灵敏度的差的修正等各处理。然后，运算部402输出与从电荷输出元件10输出的电荷Qx、Qy、Qz的积蓄量成比例的三个信号。
α轴、β轴以及γ轴方向的力检测(力检测方法)
如上述那样，各电荷输出元件10成为以层叠方向LD与夹持方向SD相对于第一基部2(底板22)平行，并且，与上面321的法线NL2正交的方式设置的状态(参照图1)。
而且，α轴方向的力FA、β轴方向的力FB以及γ轴方向的力FC能够分别以下述式(1)、(2)以及(3)表示。式(1)～(3)中的“fx1－1”是施加在传感器设备6A的第一传感器12(第一检测板)的x轴方向的力，即、是根据电荷Qx1(第一输出)求出的力，“fx1－2”是施加在第三传感器14(第二检测板)的x轴方向的力，即、是根据电荷Qy1(第二输出)求出的力。另外，“fx2－1”是施加在传感器设备6B的第一传感器12(第一检测板)的x轴方向的力(第三输出)，即、是根据电荷Qx2求出的力，“fx2－2”是施加在第三传感器14(第二检测板)的x轴方向的力，即、是根据电荷Qy2(第四输出)求出的力。
FA＝fx1－1·cosη·cosε－fx1－2·sinη·cosε
－fx2－1·cosη·cosε+fx2－2·sinη·cosε···(1)
FB＝－fx1－1·cosη·sinε+fx1－2·sinη·sinε
－fx2－1·cosη·sinε+fx2－2·sinη·sinε···(2)
FC＝－fx1－1·sinη－fx1－2·cosη－fx2－1·sinη
－fx2－2·cosη···(3)
例如，图1、图2所示的构成的力检测装置1的情况下，ε为45°，η为0°。若在式(1)～(3)的ε代入45°，并在η代入0°，则力FA～FC分别为，
FA＝fx1－1/√2－fx2－1/√2
FB＝－fx1－1/√2－fx2－1/√2
FC＝－fx1－2－fx2－2
在这样力检测装置1中，检测力FA～FC时，能够不使用容易受到温度的变动带来的影响，即、容易产生噪声的第二传感器13(电荷Qz)，而进行该检测。因此，力检测装置1成为难以受到温度的变动带来的影响，例如减少到以往的力检测装置的1/20以下的装置。由此，力检测装置1即使在温度变化剧烈的环境下，也能够正确并稳定地检测力FA～FC。
此外，实施方式中的力检测装置1整体的平移力FA～FC，以及旋转力MA～MC基于来自各电荷输出元件10的电荷计算。另外，在本实施方式中，设置了四个电荷输出元件10，但只要设置至少三个电荷输出元件10，则能够计算旋转力MA～MC。
另外，这样的构成的力检测装置1的总重量比1kg轻。由此，能够使安装了力检测装置1的重量的手腕所带来的负载降低，能够减小驱动手腕的促动器的容量，所以能够以小型的方式设计手腕。并且，该力检测装置1的重量比机械手臂能够输送的最大能力的20％轻。由此，能够使安装了力检测装置1的重量的机械手臂的控制变得容易。
另外，在本发明中，收容上述那样的电荷输出元件10的外壳60的构成具有特征。以下，对该外壳60进行详述。
图7是传感器设备6的放大纵剖视图。此外，在图7中，省略模拟电路基板4的图示。另外，为了方便说明，图7中，将上侧称为“上”或者“上方”，将下侧称为“下”或者“下方”。
外壳
如图7所示，外壳60具有底板部件(第一部件)61、与底板部件61对置配置的盖部件(第二部件)62、以及连结底板部件61和盖部件62的侧壁部件(第三部件)67。通过这样的外壳60，电荷输出元件10被气密性地密封，遮断外部空气，从而防止输出的电荷由于水分等而非本意地泄漏。
底板部件61呈平板状，并以与第一基部2的凸部23的顶面231接触的方式设置。该底板部件61具有将施加到第一基部2的外力传递给电荷输出元件10的功能。
底板部件61的俯视形状为与凸部23的顶面231对应的形状，且以其平面面积比顶面231的面积稍大的方式形成。因此，在将传感器设备6固定在第一基部2与第二基部3之间的状态下，底板部件61的外边缘部611从凸部23朝向侧方突出。
此外，如图7所示，虽然底板部件61的平面面积优选为内含电荷输出元件10的程度的大小，但也可以比电荷输出元件10小，也可以为同等的大小。
另外，在本实施方式中，底板部件61的俯视形状为四角形，但也可以是四角形以外的多角形、圆形、椭圆形等。另外，底板部件61的角部也可以发圆，另外，也可以被倾斜地切掉。
在这样的底板部件61的外边缘部611接合有呈四角形的筒状的侧壁部件67。由该侧壁部件67和底板部件61划定凹部65，在凹部65内电荷输出元件10以与侧壁部件67的内壁面分离的方式配置。
侧壁部件67具有与底板部件61接合的下侧部671、和设置在下侧部671上，且具有横剖面积比下侧部671的贯通孔的横剖面积大的贯通孔的上侧部672。因此，在接合了下侧部671和上侧部672的状态下，下侧部671的上表面的一部分在上侧部672的贯通孔内露出。
在下侧部671的内壁面设置有在其高度方向的中途由于贯通孔的横剖面积增大而形成的阶梯部673。在该阶梯部673，底板部件61以与侧壁部件67(下侧部671)的内壁面分离的方式接合。
另外，在下侧部671的规定的位置，遍及下侧部671的上表面、外壁面以及下表面设置有四个端子66。该端子66的上侧部分662在上侧部672的贯通孔(凹部65)内露出，并在该上侧部分662与连接部64接合。由此，端子66经由该连接部64而与电荷输出元件10电连接。另外，端子66的下侧部分661从侧壁部件67的下表面向外部露出，并经由未图示的布线而与模拟电路基板4接合。
此外，端子66具有导电性即可，例如，能够通过在铬、钨等金属化层(基底层)层叠镍、金、银、铜等各涂膜来构成。另外，连接部64例如能够由Ag膏、Cu膏、Au膏等导电膏形成，但由于容易得到，操作性也优异，所以优选由Ag膏形成。
在这样的侧壁部件67(上侧部672)的上表面经由例如由金、钛、铝、铜、铁或者包含这些金属的合金等构成的密封件63，接合盖部件62。
该盖部件62与第二基部3抵接地设置，具有将施加到第二基部3的外力传递给电荷输出元件10的功能。
盖部件62通过使平板状的部件以其中央部分625与外周部分626相比朝向第二基部3突出的方式屈曲(或者弯曲)变形，以作为全体呈盘状的方式形成。通过这样的构成，盖部件62的中央部分625与第二基部3的内壁面331抵接。此外，中央部分625的俯视形状并不特别限定，但在本实施方式中，成为与电荷输出元件10的俯视形状对应的形状，即、四角形。
此外，底板部件61以及盖部件62的厚度可以彼此不同，也可以相同。
在这样的构成的外壳60中，底板部件61的至少一部分的纵向弹性系数(第一纵向弹性系数)以及盖部件62的至少一部分的纵向弹性系数(第二纵向弹性系数)分别比侧壁部件67的纵向弹性系数(第三纵向弹性系数)低。
因此，底板部件61以及盖部件62与侧壁部件67相比，施加了应力时容易弹性变形。因此，即使反复对第一基部2、第二基部3施加外力，底板部件61以及盖部件62也能够根据该外力变形。因此，能够减少底板部件61以及盖部件62破损，因此，力检测装置1长期地保持优异的可靠性。另外，在利用加压螺钉71将传感器设备6固定在第一基部2与第二基部3之间时，即使由于加压螺钉71的拧紧而对底板部件61以及盖部件62过于施加压力，也能够减少底板部件61以及盖部件62破损。
另外，如上述那样，电荷输出元件10以及底板部件61与侧壁部件67的内壁面分离地设置。因此，即使在电荷输出元件10以及底板部件61变形的情况下，也能够避免与侧壁部件67接触。由此，也能够减少电荷输出元件10以及底板部件61破损。根据这样的观点，力检测装置1也长期地保持优异的可靠性。
另外，虽然底板部件61也可以仅其一部分(特别是，仅与凸部23接触的部分)具有第一纵向弹性系数，但优选遍及其整体具有第一纵向弹性系数。由此，能够以单一的部件以及单一的材料构成底板部件61，能够遍及底板部件61的整体实现纵向弹性系数以及机械强度的均匀化。因此，能够更可靠地减少底板部件61因施加给第一基部2的外力而破损，并且也能够更正确地经由底板部件61将外力传递至电荷输出元件10。
虽然盖部件62也可以其一部分(特别是，仅中央部分625)具有第二纵向弹性系数，但优选遍及其整体具有第二纵向弹性系数。由此，能够以单一的部件以及单一的材料构成盖部件62，能够遍及盖部件62的整体实现纵向弹性系数以及机械强度的均匀化。特别是，盖部件62为以倾斜部分连接中央部分625和外周部分626那样的形状(盘状)，所以若以单一的部件以及单一的材料构成，则能够降低各部分的接合部中的机械强度的急剧变化。因此，能够更可靠地减少盖部件62因施加给第二基部3的外力而破损，并且也能够更正确地经由盖部件62将外力传递到电荷输出元件10。
另外，优选第一纵向弹性系数与第二纵向弹性系数的差在第一纵向弹性系数的十分之一以下，更优选在二十分之一以下，进一步优选在三十分之一以下。由此，能够避免应力仅集中在底板部件61以及盖部件62的任意一方。因此，由于施加到第一基部2以及第二基部3的外力分散，从而能够更可靠地减少底板部件61、盖部件62破损。
具体而言，优选第一纵向弹性系数在50GPa以上300GPa以下，更优选在100GPa以上250GPa以下，进一步优选在120GPa以上200GPa以下。若第一纵向弹性系数在上述范围内，则底板部件61具有适度的刚性，并且高效地弹性变形。因此，即使反复对第一基部2施加外力，底板部件61也能够根据该外力而更准确地变形。因此，能够更可靠地减少底板部件61因施加给第一基部2的外力而破损，并且能够更正确地经由底板部件61将外力传递到电荷输出元件10。
另外，优选第二纵向弹性系数在50GPa以上300GPa以下，更优选在100GPa以上250GPa以下，进一步优选在120GPa以上200GPa以下。若第二纵向弹性系数在上述范围内，则盖部件62具有适度的刚性，并且高效地弹性变形。因此，即使反复对第二基部3施加外力，盖部件62也能够根据该外力更准确地变形。因此，能够更可靠地减少盖部件62因施加给第二基部3的外力而破损，并且能够更正确地经由盖部件62将外力传递到电荷输出元件10。
另外，优选第三纵向弹性系数在200GPa以上500GPa以下，更优选在250GPa以上480GPa以下，进一步优选在300GPa以上450GPa以下。若第三纵向弹性系数在上述范围内，则侧壁部件67具备足够的刚性，所以能够充分地确保作为外壳60整体的机械强度。因此，即使反复施加外力，也难以产生外壳60的变形所带来的损伤，能够更可靠地保护收容在内部的电荷输出元件10。
此外，所谓的第三纵向弹性系数是指包含多个部件而成的侧壁部件67整体的纵向弹性系数。
另外，优选底板部件61、盖部件62以及侧壁部件67的热膨胀系数分别尽量接近电荷输出元件10具备的压电体层121、123、131、133、141、143的热膨胀系数。由此，即使在压电体层121、123、131、133、141、143因温度变化而膨胀或者收缩的情况下，底板部件61、盖部件62以及侧壁部件67也与压电体层同种程度地膨胀或者收缩。因此，能够进一步减少由于与底板部件61、盖部件62以及侧壁部件67的热变形的程度的差，而在压电体层121、123、131、133、141、143产生压缩应力或者拉伸应力。因此，能够进一步减少由于温度变化而输出不需要的电荷的情况，因此，力检测装置1能够进行精度更高的力检测。
在本实施方式中，压电体层121、123、131、133、141、143由石英构成，x轴方向的25℃到200℃的热膨胀系数为13.4×10－6(1/K)，y轴方向的25℃到200℃的热膨胀系数为13.4×10－6(1/K)，z轴方向的25℃到200℃的热膨胀系数为7.8×10－6(1/K)。
因此，以石英构成压电体层121、123、131、133、141、143的情况下，作为底板部件61、盖部件62以及侧壁部件67的构成材料，分别优选25℃到200℃的热膨胀系数在1×10－6(1/K)以上1×10－7(1/K)以下的材料，更优选在3×10－6(1/K)以上9×10－6(1/K)以下的材料。由此，能够进一步减少由于与底板部件61、盖部件62以及侧壁部件67的热变形的程度之差，而在各压电体层121、123、131、133、141、143产生压缩应力或者拉伸应力。
另外，虽然底板部件61的构成材料和盖部件62的构成材料可以相同，也可以不同，但优选相同。由此，能够使底板部件61与盖部件62的纵向弹性系数、热膨胀系数几乎相等。因此，能够更有效地减少由于施加的外力而底板部件61以及盖部件62破损。另外，也能够更有效地减少由于与底板部件61以及盖部件62的热变形的程度之差，而在压电体层121、123、131、133、141、143产生压缩应力或者拉伸应力。另外，底板部件61的构成材料与盖部件62的构成材料相同，从而例如能够使横向弹性系数、硬度等材料特性也几乎相等。由此，能够避免施加的外力集中在底板部件61以及盖部件62的任意一方，而特别有效地减少这些部件非本意地变形、破损。
这里，在本说明书中，所谓的相同的构成材料不仅包含组成比完全一致的材料，也包含即使组成比稍有不同，特性(纵向弹性系数、热膨胀系数)也几乎相同的材料。
作为满足以上那样的条件的底板部件61以及盖部件62的构成材料，例如，能够列举不锈钢、柯伐合金、铜、铁、碳钢、钛等各种金属材料等，但其中特别优选为柯伐合金。由此，底板部件61具有比较高的刚性，并且在施加了应力时适度地弹性变形。因此，底板部件61能够正确地将施加给第一基部2的外力传递到电荷输出元件10，并且能够进一步减少由于该外力而破损。另外，柯伐合金从成形加工性优异这样的观点来看也优选。
另外，铁镍钴合金的25℃到200℃的热膨胀系数为5.2×10－6(1/K)，是接近石英的热膨胀系数的值。因此，如本实施方式那样，以石英构成电荷输出元件10具备的压电体层121、123、131、133、141、143的情况下，能够特别有效地抑制由于与底板部件61以及盖部件62的热变形的程度之差，而在各压电体层121、123、131、133、141、143产生压缩应力或者拉伸应力。
另一方面，作为满足上述条件的侧壁部件67的构成材料，并不特别限定，但优选为绝缘性材料，例如，更优选包含氧化铝、氧化锆等氧化物系的陶瓷、碳化硅等碳化物系的陶瓷、氮化硅等氮化物系的陶瓷等各种陶瓷，进一步优选以各种陶瓷为主成分。陶瓷具有适度的刚性，并且绝缘性优异。因此，难以产生外壳60的变形所带来的损伤，能够更可靠地保护收容在内部的电荷输出元件10，并且能够更可靠地避免端子66彼此短路。另外，也能够进一步提高侧壁部件67的加工精度。
另外，作为侧壁部件67的构成材料，优选以热膨胀系数满足上述范围的陶瓷为主成分。由此，能够进一步减少由于与侧壁部件67的热变形的程度之差，而在压电体层121、123、131、133、141、143产生压缩应力或者拉伸应力。
此外，在本实施方式中，以收容部(外壳)的第一部件为底板部件，第二部件为盖部件，第三部件为侧壁部件为例进行了说明，但第一部件是指在压电元件与第一基部之间，并且，从力检测装置的厚度方向观察时位于压电元件与第一基部重合的区域的部件。另外，第二部件是指在压电元件与第二基部之间，并且，从力检测装置的厚度方向观察时位于压电元件与第二基部重合的区域的部件。另外，第三部件是指连接第一部件和第二部件的部件，优选地指不与压电元件(电荷输出元件)、第一基部以及第二基部接触地设置的部件。
2.单臂机械臂
接下来，基于图8，对作为本发明所涉及的机械臂的实施方式的单臂机械臂进行说明。
图8是表示使用了本发明所涉及的力检测装置的单臂机械臂的一个例子的图。图8的单臂机械臂500具有基台510、臂520、设置在臂520的前端侧的末端执行器530、以及设置在臂520与末端执行器530之间的力检测装置1。此外，作为力检测装置1，使用与上述的各实施方式相同的力检测装置。
基台510具有收纳产生用于使臂520转动的动力的促动器(未图示)以及控制促动器的控制部(未图示)等的功能。另外，基台510例如，固定在地板、墙壁、天花板、能够移动的台车上等。
臂520具有第一臂要素521、第二臂要素522、第三臂要素523、第四臂要素524以及第五臂要素525，并通过以能够转动的方式连结相邻的臂彼此来构成。臂520通过控制部的控制，以各臂要素的连结部为中心复合地旋转或者弯曲从而进行驱动。
末端执行器530具有把持对象物的功能。末端执行器530具有第一指531以及第二指532。通过臂520的驱动而末端执行器530到达规定的动作位置之后，通过调整第一指531以及第二指532的分离距离，能够把持对象物。
此外，这里，末端执行器530是手部，但在本发明中，并不限定于此。作为末端执行器的其他的例子，例如，列举部件检查用器具、部件输送用器具、部件加工用器具、部件组装用器具、测定器等。这对于其他的实施方式中的末端执行器也相同。
力检测装置1具有检测施加给末端执行器530的外力的功能。通过将力检测装置1检测出的力反馈给基台510的控制部，单臂机械臂500能够执行更精密的作业。另外，根据力检测装置1检测出的力，单臂机械臂500能够检测末端执行器530的对障碍物的接触等。因此，能够容易地进行在以往的位置控制中较困难的障碍物避免动作、对象物损伤避免动作等，单臂机械臂500能够更安全地执行作业。
此外，在图示的构成中，臂520共计由五条臂要素构成，但本发明并不限定于此。臂520由一条臂要素构成的情况、由二～四条臂要素构成的情况、由六条以上的臂要素构成的情况也在本发明的范围内。
3.多臂机械臂
接下来，基于图9，对作为本发明所涉及的机械臂的实施方式的多臂机械臂进行说明。
图9是表示使用了本发明所涉及的力检测装置的多臂机械臂的一个例子的图。图9的多臂机械臂600具有基台610、第一臂620、第二臂630、设置在第一臂620的前端侧的第一末端执行器640a、设置在第二臂630的前端侧的第二末端执行器640b、以及设置在第一臂620与第一末端执行器640a之间以及第二臂630与第二末端执行器640b之间的力检测装置1。此外，作为力检测装置1，使用与上述的各实施方式相同的力检测装置。
基台610具有收纳产生用于使第一臂620以及第二臂630转动的动力的促动器(未图示)以及控制促动器的控制部(未图示)等的功能。另外，基台610例如，固定在地板、墙壁、天花板、能够移动的台车上等。
第一臂620通过以能够转动的方式连结第一臂要素621以及第二臂要素622而构成。第二臂630通过以能够转动的方式连结第一臂要素631以及第二臂要素632而构成。第一臂620以及第二臂630通过控制部的控制，以各臂要素的连结部为中心复合地旋转或者弯曲从而进行驱动。
第一、第二末端执行器640a、640b具有把持对象物的功能。第一末端执行器640a具有第一指641a以及第二指642a。第二末端执行器640b具有第一指641b以及第二指642b。通过第一臂620的驱动而第一末端执行器640a到达规定的动作位置之后，通过调整第一指641a以及第二指642a的分离距离，能够把持对象物。同样地，通过第二臂630的驱动而第二末端执行器640b到达规定的动作位置之后，通过调整第一指641b以及第二指642b的分离距离，能够把持对象物。
力检测装置1具有检测施加给第一、第二末端执行器640a、640b的外力的功能。通过将力检测装置1检测出的力反馈给基台610的控制部，多臂机械臂600能够更精密地执行作业。另外，根据力检测装置1检测出的力，多臂机械臂600能够检测第一、第二末端执行器640a、640b的对障碍物的接触等。因此，能够容易地进行在以往的位置控制中较困难的障碍物避免动作、对象物损伤避免动作等，多臂机械臂600能够更安全地执行作业。此外，在图示的构成中，臂共计为两条，但本发明并不限定于此。多臂机械臂600具有三条以上的臂的情况也在本发明的范围内。
4.电子部件检查装置以及电子部件输送装置
接下来，基于图10、图11，对具备了本发明的力检测装置的电子部件检查装置以及电子部件输送装置进行说明。
图10是表示使用了本发明所涉及的力检测装置的电子部件检查装置以及部件输送装置的一个例子的图。图11是表示使用了本发明所涉及的力检测装置的电子部件输送装置的一个例子的图。
图10的电子部件检查装置700具有基台710、和在基台710的侧面竖立设置的支承台720。在基台710的上表面设置有放置检查对象的电子部件711并输送的上游侧工作台712u、和放置检查完毕的电子部件711并输送的下游侧工作台712d。另外，在上游侧工作台712u与下游侧工作台712d之间设置有用于确认电子部件711的姿势的拍摄装置713、和为了检查电特性而设置电子部件711的检查台714。此外，作为电子部件711的例子，能够列举半导体、半导体晶片，CLD、OLED等显示设备、石英设备、各种传感器、喷墨头、各种MEMS设备等。
另外，在支承台720以能够向与基台710的上游侧工作台712u以及下游侧工作台712d平行的方向(Y方向)移动的方式设置有Y工作台731，从Y工作台731向朝向基台710的方向(X方向)延伸配置有臂部732。另外，在臂部732的侧面以能够向X方向移动的方式设置有X工作台733。另外，在X工作台733设置有拍摄照相机734、和内置了能够在上下方向(Z方向)移动的Z工作台的电子部件输送装置740。另外，在电子部件输送装置740的前端侧设置有把持电子部件711的把持部741。另外，在电子部件输送装置740的前端与把持部741之间设置有力检测装置1。并且，在基台710的前面侧设置有控制电子部件检查装置700整体的动作的控制装置750。此外，作为力检测装置1使用与上述的各实施方式相同的力检测装置。
电子部件检查装置700如以下那样进行电子部件711的检查。首先，使检查对象的电子部件711放置于上游侧工作台712u，并移动至检查台714的附近。接下来，移动Y工作台731以及X工作台733，使电子部件输送装置740移动至放置在上游侧工作台712u的电子部件711的正上的位置。此时，能够使用拍摄照相机734确认电子部件711的位置。然后，若使用内置在电子部件输送装置740内的Z工作台使电子部件输送装置740下降，并以把持部741把持电子部件711，则直接使电子部件输送装置740移动到拍摄装置713上，并使用拍摄装置713确认电子部件711的姿势。接下来，使用内置于电子部件输送装置740的微调机构调整电子部件711的姿势。然后，使电子部件输送装置740移动到检查台714上，之后移动内置于电子部件输送装置740的Z工作台将电子部件711设置在检查台714上。使用电子部件输送装置740内的微调机构调整电子部件711的姿势，所以能够将电子部件711设置在检查台714的正确的位置。接下来，使用检查台714结束了电子部件711的电特性检查之后，从检查台714拿起电子部件711，并移动Y工作台731以及X工作台733，使电子部件输送装置740移动到下游侧工作台712d上，将电子部件711放置在下游侧工作台712d。最后，移动下游侧工作台712d，将检查结束的电子部件711输送至规定位置。
图11是表示包含力检测装置1的电子部件输送装置740的图。电子部件输送装置740具有把持部741、与把持部741连接的六轴的力检测装置1、经由六轴的力检测装置1而与把持部741连接的旋转轴742、以及以能够旋转的方式安装于旋转轴742的微调板743。另外，微调板743被引导机构(未图示)引导着而能够在X方向以及Y方向移动。
另外，朝向旋转轴742的端面搭载有旋转方向用的压电马达744θ，压电马达744θ的驱动凸部(未图示)被按压于旋转轴742的端面。因此，通过使压电马达744θ动作，能够使旋转轴742(以及把持部741)向θ方向旋转任意的角度。另外，朝向微调板743设置有X方向用的压电马达744x、和Y方向用的压电马达744y，各自的驱动凸部(未图示)被按压于微调板743的表面。因此，通过使压电马达744x动作，能够使微调板743(以及把持部741)向X方向移动任意的距离，同样地，通过使压电马达744y动作，能够使微调板743(以及把持部741)向Y方向移动任意的距离。
另外，力检测装置1具有检测施加给把持部741的外力的功能。通过将力检测装置1检测出的力反馈给控制装置750，电子部件输送装置740以及电子部件检查装置700能够更精密地执行作业。另外，根据力检测装置1检测出的力，能够检测把持部741的对障碍物的接触等。因此，能够容易地进行在以往的位置控制中较困难的障碍物避免动作、对象物损伤避免动作等，电子部件输送装置740以及电子部件检查装置700能够执行更安全的作业。
5.部件加工装置的实施方式
接下来，基于图12，对具备了本发明的力检测装置的部件加工装置的实施方式进行说明。
图12是表示使用了本发明所涉及的力检测装置的部件加工装置的一个例子的图。图12的部件加工装置800具有基台810、在基台810的上表面直立形成的支柱820、设置在支柱820的侧面的进给机构830、以能够升降的方式安装于进给机构830的工具位移部840、与工具位移部840连接的力检测装置1、以及经由力检测装置1安装于工具位移部840的工具850。此外，作为力检测装置1，使用与上述的各实施方式相同的力检测装置。
基台810是用于放置并固定被加工部件860的台。支柱820是用于固定进给机构830的柱。进给机构830具有使工具位移部840升降的功能。进给机构830具有进给用马达831、和基于来自进给用马达831的输出使工具位移部840升降的导轨832。工具位移部840具有给予工具850旋转、振动等位移的功能。工具位移部840具有位移用马达841、设置于与位移用马达841连结的主轴(未图示)的前端的工具安装部843、以及安装于工具位移部840并保持主轴的保持部842。工具850经由力检测装置1安装于工具位移部840的工具安装部843，并用于根据从工具位移部840给予的位移对被加工部件860进行加工。工具850并不特别限定，但例如，是扳手、十字螺丝刀、一字螺丝刀、铣刀、圆锯、钳子、锥子、钻头、铣刀等。
力检测装置1具有检测施加给工具850的外力的功能。通过将力检测装置1检测出的外力反馈给进给用马达831、位移用马达841，部件加工装置800能够更精密地执行部件加工作业。另外，根据力检测装置1检测出的外力，能够检测工具850的对障碍物的接触等。因此，能够在工具850接触了障碍物等的情况下紧急停止，部件加工装置800能够执行更安全的部件加工作业。
以上，以图示的实施方式对本发明的力检测装置、以及机械臂进行了说明，但本发明并不限定于此，构成力检测装置、以及机械臂的各部能够置换为能够发挥相同的功能的任意的构成。另外，也可以附加任意的构成物。
另外，本发明的力检测装置、以及机械臂也可以组合上述各实施方式中的、任意的两个以上的构成(特征)。
另外，在本发明的力检测装置中，电荷输出元件设置了四个，但电荷输出元件的数目并不限定于此。例如，电荷输出元件也可以是一个，也可以是两个，也可以是三个，另外，也可以是五个以上。
另外，在本发明中，也可以代替加压螺钉，而例如，使用不具有对元件进行加压的功能的结构，另外，也可以采用螺钉以外的固定方法。
另外，本发明的机械臂只要具有臂，则并不限定于臂型机械臂(机械臂)，也可以是其他的形式的机械臂，例如，标量机械臂、腿式步行(行走)机械臂等。
另外，本发明的力检测装置并不限定于机械臂、电子部件输送装置、电子部件检查装置、以及部件加工装置，也能够应用于其他的装置，例如，其他的输送装置、其他的检查装置、汽车、自行车、飞机、船、电车等交通工具、双足步行机械臂、轮式移动机械臂等移动体、振动计、加速度计、重力计、动力计、地震计、倾斜计等测定装置、以及输入装置等。
符号说明
1…力检测装置，2…第一基部，22…底板，23…凸部，221…下面(第一面)，231…顶面，24…壁部，241…内螺纹，271…中心轴，272…中心，3…第二基部，32…顶板，33…侧壁，321…上表面(第二面)，331…内壁面，4…模拟电路基板，40…外力检测电路，401…AD转换器，402…运算部，41…孔，43…管，5…数字电路基板，6、6A、6B、6C、6D…传感器设备(压力检测部)，60…外壳(收容部)，61…底板部件(第一部件)，611…边缘部，62…盖部件(第二部件)，625…中央部分，626…外周部分，63…密封件，64…连接部，65…凹部，66…端子，661…下侧部分，662…上侧部分，67…侧壁部件(第三部件)，671…下侧部，672…上侧部，673…阶梯部，71…加压螺钉，90a、90b、90c…转换输出电路，91…运算放大器，92…电容器，93…开关元件，10…电荷输出元件(压电元件)，11…接地电极层，12…第一传感器，121…第一压电体层(压电体层)，122…输出电极层，123…第二压电体层(压电体层)，13…第二传感器，131…第三压电体层(压电体层)，132…输出电极层，133…第四压电体层(压电体层)，14…第三传感器，141…第五压电体层(压电体层)，142…输出电极层，143…第六压电体层(压电体层)，500…单臂机械臂，510…基台，520…臂，521…第一臂要素，522…第二臂要素，523…第三臂要素，524…第四臂要素，525…第五臂要素，530…末端执行器，531…第一指，532…第二指，600…多臂机械臂，610…基台，620…第一臂，621…第一臂要素，622…第二臂要素，630…第二臂，631…第一臂要素，632…第二臂要素，640a…第一末端执行器，641a…第一指，642a…第二指，640b…第二末端执行器，641b…第一指，642b…第二指，700…电子部件检查装置，710…基台，711…电子部件，712u…上游侧工作台，712d…下游侧工作台，713…拍摄装置，714…检查台，720…支承台，731…Y工作台，732…臂部，733…X工作台，734…拍摄照相机，740…电子部件输送装置，741…把持部，742…旋转轴，743…微调板，744x、744y、744θ…压电马达，750…控制装置，800…部件加工装置，810…基台，820…支柱，830…进给机构，831…进给用马达，832…导轨，840…工具位移部，841…位移用马达，842…保持部，843…工具安装部，850…工具，860…被加工部件，LD…层叠方向，SD…夹持方向，NL1、NL2…法线，Qx、Qy、Qz、Qx1、Qy1、Qz1、Qx2、Qy2、Qz2、Qx3、Qy3、Qz3、Qx4、Qy4、Qz4…电荷，Vx、Vy、Vz、Vx1、Vy1、Vz1、Vx2、Vy2、Vz2、Vx3、Vy3、Vz3、Vx4、Vy4、Vz4…电压，θ…倾斜角度，ε…倾斜角度，η…角度。
Claims (8)
1.一种力检测装置，其特征在于，具备：
第一基部；
第二基部；以及
压力检测部，其被设置在所述第一基部与所述第二基部之间，并包含根据外力输出信号的压电元件，
所述压力检测部具有：第一部件，其具有与所述第一基部接触的部分，将施加于所述第一基部的所述外力向所述压电元件传递；第二部件，其具有与所述第二基部接触的部分，将施加于所述第二基部的所述外力向所述压电元件传递；以及第三部件，其连结所述第一部件和所述第二部件，
所述第一部件的第一纵向弹性系数比所述第三部件的第三纵向弹性系数低，
所述第二部件的第二纵向弹性系数比所述第三部件的第三纵向弹性系数低，
所述压电元件的构成材料包含石英，
所述第一部件的构成材料包含不锈钢、柯伐合金、铜、铁、碳钢、钛中的任意一种，
所述第二部件的构成材料包含不锈钢、柯伐合金、铜、铁、碳钢、钛中的任意一种。
2.根据权利要求1所述的力检测装置，其特征在于，
所述第一纵向弹性系数与所述第二纵向弹性系数的差在所述第一纵向弹性系数的十分之一以下。
3.根据权利要求1所述的力检测装置，其特征在于，
所述第一部件的构成材料与所述第二部件的构成材料相同。
4.根据权利要求1所述的力检测装置，其特征在于，
所述第三部件的构成材料包含陶瓷。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的力检测装置，其特征在于，
所述第一部件的构成材料包含柯伐合金。
6.根据权利要求5所述的力检测装置，其特征在于，
所述第二部件的构成材料包含柯伐合金。
7.根据权利要求1所述的力检测装置，其特征在于，
所述压电元件位于所述压力检测部的内部。
8.一种机械臂，其特征在于，具备：
臂；
末端执行器，其被设置于所述臂；以及
权利要求1～7中任意一项所述的力检测装置。
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