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    重庆时时彩害死人潮汕: 力检测装置以及机器人.pdf

    摘要
    申请专利号:

    重庆时时彩单双窍门 www.4mum.com.cn CN201510676926.7

    申请日:

    2015.10.19

    公开号:

    CN105606271A

    公开日:

    2016.05.25

    当前法律状态:

    实审

    有效性:

    审中

    法律详情: 实质审查的生效IPC(主分类):G01L 1/16申请日:20151019|||公开
    IPC分类号: G01L1/16 主分类号: G01L1/16
    申请人: 精工爱普生株式会社
    发明人: 稻积满广
    地址: 日本东京都
    优先权: 2014.10.21 JP 2014-214249
    专利代理机构: 北京集佳知识产权代理有限公司 11227 代理人: 舒艳君;李洋
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201510676926.7

    授权公告号:

    |||

    法律状态公告日:

    2017.10.27|||2016.05.25

    法律状态类型:

    实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明提供抑制由温度的变动等引起的影响,而高精度地检测外力的力检测装置以及机器人等。力检测装置(FD)包括第一部件(1)、第二部件(2)、以及第三部件(3),并通过第二部件(2)和第一部件(1)夹着多个压电元件(狭义上说是第一压电元件(10-1)以及第二压电元件(10-2)),通过第三部件(3)和第一部件(1)夹着与被第二部件(2)和第一部件(1)夹着的多个压电元件不同的多个压电元件(狭义上说是第三压电元件(10-3)以及第四压电元件(10-4))。

    权利要求书

    1.一种力检测装置,其特征在于,包括:
    第一部件;
    第二部件;以及
    第三部件,
    通过所述第二部件和所述第一部件夹着多个压电元件,
    通过所述第三部件和所述第一部件夹着与被所述第二部件和所述
    第一部件夹着的所述多个压电元件不同的多个压电元件。
    2.根据权利要求1所述的力检测装置,其特征在于,包括:
    第一压电元件以及第二压电元件,它们是被所述第二部件和所述第
    一部件夹着的所述多个压电元件;和
    第三压电元件以及第四压电元件,它们是被所述第三部件和所述第
    一部件夹着的所述多个压电元件,
    所述第一部件具有第一侧面、第二侧面和与所述第一侧面、所述第
    二侧面交叉的第三侧面、第四侧面,
    所述第二部件具有与所述第一部件的所述第一侧面对置的第一面
    和与所述第一部件的所述第二侧面对置的第二面,
    所述第三部件具有与所述第一部件的所述第三侧面对置的第一面
    和与所述第一部件的所述第四侧面对置的第二面,
    所述第一压电元件设置在所述第二部件的所述第一面与所述第一
    部件的所述第一侧面之间,
    所述第二压电元件设置在所述第二部件的所述第二面与所述第一
    部件的所述第二侧面之间,
    所述第三压电元件设置在所述第三部件的所述第一面与所述第一
    部件的所述第三侧面之间,
    所述第四压电元件设置在所述第三部件的所述第二面与所述第一
    部件的所述第四侧面之间。
    3.根据权利要求2所述的力检测装置,其特征在于,
    所述第二部件具有与所述第二部件的所述第一面以及所述第二面
    交叉的第三面,
    所述第三部件具有与所述第三部件的所述第一面以及所述第二面
    交叉的第三面,
    所述第二部件的所述第三面与所述第一部件的下表面对置,
    所述第三部件的所述第三面与所述第一部件的上表面对置。
    4.根据权利要求2或者3所述的力检测装置,其特征在于,
    所述第一压电元件被安装于所述第二部件的所述第一面,
    所述第二压电元件被安装于所述第二部件的所述第二面,
    所述第三压电元件被安装于所述第三部件的所述第一面,
    所述第四压电元件被安装于所述第三部件的所述第二面。
    5.根据权利要求2或者3所述的力检测装置,其特征在于,
    所述第一压电元件被安装于所述第一部件的所述第一侧面,
    所述第二压电元件被安装于所述第一部件的所述第二侧面,
    所述第三压电元件被安装于所述第一部件的所述第三侧面,
    所述第四压电元件被安装于所述第一部件的所述第四侧面。
    6.根据权利要求2~5中任一项所述的力检测装置,其特征在于,
    所述力检测装置还包括处理部,该处理部在将从所述第一侧面朝向
    所述第二侧面的方向设为第一方向,并将从所述第三侧面朝向所述第四
    侧面的方向设为第二方向的情况下,基于由所述第三压电元件以及所述
    第四压电元件检测的力求出所述第一方向上的外力。
    7.根据权利要求2~5中任一项所述的力检测装置,其特征在于,
    所述力检测装置还包括处理部,该处理部在将从所述第一侧面朝向
    所述第二侧面的方向设为第一方向,并将从所述第三侧面朝向所述第四
    侧面的方向设为第二方向的情况下,基于由所述第一压电元件以及所述
    第二压电元件检测出的力求出所述第二方向上的外力。
    8.根据权利要求6或者7所述的力检测装置,其特征在于,
    在将与所述第一方向以及所述第二方向交叉的方向设为第三方向
    的情况下,
    所述处理部基于由所述第一压电元件、所述第二压电元件、所述第
    三压电元件以及所述第四压电元件检测的力求出所述第三方向上的外
    力。
    9.一种机器人,其特征在于,
    包括权利要求1~8中任一项所述的力检测装置。

    说明书

    力检测装置以及机器人

    技术领域

    本发明涉及力检测装置以及机器人等。

    背景技术

    近年来,以提高生产效率为目的,向工厂等生产施设的工业用机器
    人的导入不断发展。作为这样的工业机器人,代表性的是对铝板等母材
    实施机械加工的工作机械。在工作机械中有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工作机械(例如,参照专利文献1)。

    专利文献1所记载的力测定装置能够使用作为压电元件的石英,来
    检测剪切、拉伸力、压缩力等。

    专利文献1:日本特开平10-68665号公报

    然而,在作为压电元件使用石英的力测定装置中,由于在机械加工
    中产生的热量而石英变形,其结果,成为压电元件的输出中的相对于真
    值的噪声成分。而且,在专利文献1所记载的力测定装置中,并未考虑
    这样的噪声对策。

    发明内容

    本发明的一个方式涉及力检测装置,其包括第一部件、第二部件以
    及第三部件,并通过上述第二部件和上述第一部件夹着多个压电元件,
    通过上述第三部件和上述第一部件夹着与被上述第二部件和上述第一
    部件夹着的上述多个压电元件不同的多个压电元件。

    在本发明的一个方式中,通过第二部件和第一部件夹着多个压电元
    件,通过第三部件和第一部件夹着其他的多个压电元件。因此,在对第
    二部件和第三部件的一方施加了力的情况下,该力经由压电元件传递至
    第一部件,并进一步经由其他的压电元件传递至第二部件和第三部件的
    另一方的部件?;谎灾?,由于能够假定由被第二部件和第一部件所夹着
    的多个压电元件检测的力与由被第三部件和第一部件所夹着的多个压
    电元件检测的力相等,所以能够选择力检测装置所包括的压电元件中的
    适当的压电元件来运算外力,能够高精度地检测外力。

    另外,在本发明的一个方式中,也可以包括作为被上述第二部件和
    上述第一部件夹着的上述多个压电元件的第一压电元件以及第二压电
    元件、和作为被上述第三部件和上述第一部件夹着的上述多个压电元件
    的第三压电元件以及第四压电元件,上述第一部件具有第一、第二侧面、
    和与上述第一侧面、第二侧面交叉的第三侧面、第四侧面,上述第二部
    件具有与上述第一部件的上述第一侧面对置的第一面、和与上述第一部
    件的上述第二侧面对置的第二面,上述第三部件具有与上述第一部件的
    上述第三侧面对置的第一面、和与上述第一部件的上述第四侧面对置的
    第二面,上述第一压电元件被设置在上述第二部件的上述第一面与上述
    第一部件的上述第一侧面之间,上述第二压电元件被设置在上述第二部
    件的上述第二面与上述第一部件的上述第二侧面之间,上述第三压电元
    件被设置在上述第三部件的上述第一面与上述第一部件的上述第三侧
    面之间,上述第四压电元件被设置在上述第三部件的上述第二面与上述
    第一部件的上述第四侧面之间。

    由此,能够通过具体的结构(例如万向联轴器),实现本实施方式
    所涉及的力检测装置等。

    另外,在本发明的一个方式中,也可以为上述第二部件具有与上述
    第二部件的上述第一面以及上述第二面交叉的第三面,上述第三部件具
    有与上述第三部件的上述第一面以及上述第二面交叉的第三面,上述第
    二部件的上述第三面与上述第一部件的下表面对置,上述第三部件的上
    述第三面与上述第一部件的上表面对置。

    由此,能够通过具体的结构(例如万向联轴器),实现本实施方式
    所涉及的力检测装置等。

    另外,在本发明的一个方式中,也可以将上述第一压电元件安装于
    上述第二部件的上述第一面,将上述第二压电元件安装于上述第二部件
    的上述第二面,将上述第三压电元件安装于上述第三部件的上述第一
    面,将上述第四压电元件安装于上述第三部件的上述第二面。

    由此,能够在力检测装置的适当的部分安装压电元件。

    另外,在本发明的一个方式中,也可以将上述第一压电元件安装于
    上述第一部件的上述第一侧面,将上述第二压电元件安装于上述第一部
    件的上述第二侧面,将上述第三压电元件安装于上述第一部件的上述第
    三侧面,将上述第四压电元件安装于上述第一部件的上述第四侧面。

    由此,能够在力检测装置的适当的部分安装压电元件。

    另外,在本发明的一个方式中,也可以还包括处理部,该处理部在
    将从上述第一侧面朝向上述第二侧面的方向设为第一方向,并将从上述
    第三侧面朝向上述第四侧面的方向设为第二方向的情况下,基于由上述
    第三压电元件以及上述第四压电元件检测的力来求出上述第一方向上
    的外力。

    由此,在求解给定的方向的力时,能够使用误差较小的信息(剪切
    力)等。

    另外,在本发明的一个方式中,也可以还包括处理部,该处理部在
    将从上述第一侧面朝向上述第二侧面的方向设为第一方向,并将从上述
    第三侧面朝向上述第四侧面的方向设为第二方向的情况下,基于由上述
    第一压电元件以及上述第二压电元件检测的力来求出上述第二方向上
    的外力。

    由此,在求解给定的方向的力时,能够使用误差较小的信息(剪切
    力)等。

    另外,在本发明的一个方式中,在将与上述第一方向以及上述第二
    方向交叉的方向设为第三方向的情况下,上述处理部基于由上述第一至
    第四压电元件检测的力来求出上述第三方向上的外力。

    由此,在求解给定的方向的力时,能够使用误差较小的信息(剪切
    力)等。

    另外,本发明的另一方式涉及包括上述的力检测装置的机器人。

    在本发明的另一方式中,在机器人所包括的力检测装置中,通过第
    二部件和第一部件夹着多个压电元件,并通过第三部件和第一部件夹着
    其他的多个压电元件。因此,在对第二部件和第三部件的一方施加了力
    的情况下,该力经由压电元件传递至第一部件,并进一步经由其他的压
    电元件传递至第二部件和第三部件的另一方的部件?;谎灾?,由于能够
    假定由被第二部件和第一部件所夹着的多个压电元件检测的力与由被
    第三部件和第一部件所夹着的多个压电元件检测的力相等,所以能够选
    择力检测装置所包括的压电元件中的适当的压电元件来运算外力,能够
    高精度地进行外力的检测,以及基于该检测的适当的机器人控制等。

    如以上那样,根据本发明的几个方式,能够提供抑制由温度的变动
    等引起的影响,而以高精度检测外力的力检测装置以及机器人等。

    附图说明

    图1(A)、图1(B)是以往方法中的力检测装置的结构例。

    图2(A)、图2(B)是比较例中的力检测装置的结构例。

    图3(A)~图3(C)是比较例中的求解Z轴平移力、以及绕XYZ
    各轴的力矩的方法的说明图。

    图4是比较例中的求解X轴或者Y轴平移力的方法的说明图。

    图5(A)~图5(C)是比较例中的求解X轴或者Y轴平移力的方
    法的说明图。

    图6(A)~图6(C)是本实施方式所涉及的力检测装置的简要结构
    例。

    图7是本实施方式中的求解X轴或者Y轴平移力的方法的说明图。

    图8是本实施方式所涉及的力检测装置的详细的结构例。

    图9(A)、图9(B)是本实施方式所涉及的力检测装置的详细的结
    构例。

    图10是压电元件的结构例。

    图11是转换输出电路以及外力检测电路的结构例。

    图12(A)、图12(B)是本实施方式中的求解平移力的方法的说明
    图。

    图13(A)、图13(B)是本实施方式中的求解力矩的方法的说明图。

    图14是本实施方式所涉及的机器人(单臂机器人)的结构例。

    图15是本实施方式所涉及的机器人(双臂机器人)的结构例。

    具体实施方式

    以下,对本实施方式进行说明。此外,在以下说明的本实施方式并
    不会不当地限定权利要求书所记载的本发明的内容。另外在本实施方式
    说明的结构的全部并非均为本发明的必需构成要件。

    1.本实施方式的方法

    首先对本实施方式的方法进行说明。如专利文献1所公开的那样,
    已知有使用压电元件(例如使用了石英的元件)来实现力检测装置的方
    法。但是,这样的压电元件根据在该元件的面内的力(以下,记载为剪
    切力)、和在元件的法线方向上的力(以下,记载为压缩/拉伸力)而
    在特性上存在差异(各向异性)。

    具体而言,剪切力的由温度引起的特性变动较小,相对地压缩/拉
    伸力的由温度引起的特性变化较大。具体而言,考虑物性的温度特性的
    重要因素和由热量引起的机械的形状变化的重要因素。

    例如,考虑将力检测装置用于具有安装了末端执行器的臂的工业用
    机器人的情况。在该情况下,由于来自设于臂、末端执行器的马达等发
    热源的热传递,部件(例如后述的第一部件1、第二部件2、第三部件3)
    被加热而热膨胀并变形。由于该变形,针对压电元件的加压从规定的值
    变化。针对该压电元件的加压变化作为力检测装置的由温度变化引起的
    噪声成分,包括到给压缩/拉伸力(具体而言是与压缩/拉伸力对应的
    电荷)带来显著的影响的程度。

    作为使用了压电元件的力检测装置的以往例,考虑图1(A)、图1
    (B)所示的结构。在图1(A)的例子中,在对力检测装置FDA设定
    的装置坐标系的XY平面上配置四个压电元件10-1~10-4(具体而言
    是后述的传感器设备6-1~6-4)。此外,在以往例(图1(A)等)、后
    述的比较例(图2(A)等)、以及后述的本实施方式的方法(图8等)
    中,由于压电元件本身也可以使用共用的压电元件,所以在本说明书以
    及附图中使压电元件的符号共用化。但是本实施方式所涉及的压电元件
    并不限定于与以往相同的结构,也可以使用不同的结构。

    对各压电元件设定的元件坐标系的X轴Y轴Z轴的方向与所有装
    置坐标系的X轴Y轴Z轴一致。从上方(从装置坐标系的Z轴正方向)
    观察图1(A)的配置所得的图为图1(B)。此外,各压电元件的输出
    值为对该压电元件设定的元件坐标系的X轴Y轴Z轴上的平移力。

    在如图1(A)那样在装置坐标系的XY平面上配置四个压电元件,
    且装置坐标系的坐标轴与元件坐标系的坐标轴一致的情况下,特别是如
    图1(B)所示那样,考虑各个单元坐标系的原点在传感器坐标系中处
    于(r,0,0)、(0,r,0)、(-r,0,0)、(0,-r,0)的例子。

    将压电元件10-1的输出设为(F1x,F1y,F1z),将压电元件10-2
    的输出设为(F2x,F2y,F2z),将压电元件10-3的输出设为(F3x,F3y,
    F3z),并将压电元件10-4的输出设为(F4x,F4y,F4z)。在该情况下,
    若作为力检测装置整体检测装置坐标系的XYZ轴上的平移力Fx、Fy、
    Fz、以及绕各轴的力矩Mx、My、Mz,则各值能够利用下式(1)求出。

    Fx=F1x+F2x+F3x+F4x

    Fy=F1y+F2y+F3y+F4y

    Fz=F1z+F2z+F3z+F4z

    Mx=r(F4z-F2z)

    My=r(F3z-F1z)

    Mz=r(F1y-F3y+F2x-F4x)·····(1)

    换言之,通过基于来自各压电元件的输出值来进行计算处理,能够
    将图1(A)所示的力检测装置作为6轴力传感器使用。

    但是,在上述的例子中,对于F1x、F1y、F2x、F2y、F3x、F3y、F4x、
    F4y是压电元件的面内的力,即剪切力,但F1z、F2z、F3z、F4z是压电元
    件的法线方向的力,即压缩/拉伸力?;谎灾?,由于在上式(1)示出
    的Z轴方向的力(图1(B)中的贯穿纸面的方向的力)Fz、绕X轴以
    及Y轴的力矩使用压缩/拉伸力来进行运算,所以如上述那样有产生由
    温度变化引起的误差的可能性,存在外力的高精度的检测很困难这样的
    技术问题。

    与此相对,如果能够在力检测装置的输出的运算时,不使用压缩/
    拉伸力(F1z,F2z,F3z,F4z),则能够以高精度检测外力。图2(A)、
    图2(B)示出了相对于本实施方式的比较例中的力检测装置FDB的例
    子。

    比较例的结构是从力检测装置下表面竖立正方形的柱,并在其四个
    侧面配置压电元件,并使其如图2(B)那样与上表面连接,从而想要
    将对上表面施加的外力全部作为压电元件的剪切力来检测。

    这样的结构能够通过例如以图2(B)所示的关系配置具有板面LM1
    以及正方形的柱LM2的下侧部件LM、和具有板面UM1以及四个壁面
    UM2的上侧部件UM来实现。若从上下方向观察该结构则成为图2(A)
    那样,四个压电元件10-1~10-4以被柱LM2与壁面UM2夹着的方式
    配置。此外,图2(B)为图2(A)的C-C’的剖视图。

    在该结构中,例如,作为Z轴方向的平移力的来自上表面的压缩/
    拉伸力能够如图3(A)所示那样作为四个传感器的剪切力来检测。同
    样地,绕Z轴的力矩也能够如图3(B)所示那样作为四个传感器的剪
    切力来检测。另外,绕X轴的力矩、绕Y轴的力矩能够如图3(C)所
    示那样通过组合四个传感器中的两个传感器的剪切力来检测。

    另一方面,试着考虑如图4那样来自侧面的力。在该情况下,第一
    压电元件10-1和第二压电元件10-2将外力作为剪切力来接受,但第
    三压电元件10-3和第四压电元件10-4将外力作为压缩力来接受。但
    是,若该传感器的四重对称足够地高精度,则第一至第四压电元件受到
    的力等同,分别为四分之一?;谎灾?,在该情况下,通过仅考虑第一压
    电元件10-1和第二压电元件10-2所受到的面内剪切力,并使其和乘
    以2,能够检测来自侧面的力。

    另外,图4的情况是从某个特定的方向的例子,但若考虑结构的对
    称性,则也能够检测如图5(A)~图5(C)那样来自任意的方向的外
    力。在该情况下,使四个压电元件的面内剪切力的和乘以2。

    在该比较例的情况下,使用由各压电元件检测的剪切力(不使用压
    缩/拉伸力)来运算力检测装置FDB的3个轴的平移力Fx、Fy、Fz
    和绕各轴的力矩Mx、My、Mz的全部。因此,可以认为能够高精度地
    检测外力。

    但是在该比较例中依然存在问题。这是因为,上述的说明是以力检
    测装置以足够的精度具有四重对称为前提。也要充分考虑在现实中由于
    机械加工误差、组装误差,而四重对称并不充分的情况。在该情况下,
    既然各压电元件受到的力等同这样的假定并不成立,就不能说将剪切力
    的和乘以2求出的值准确地表示外力的大小?;谎灾嬖谖耸褂帽冉?br />例的方法,在机械加工、组装中要求非常高的精度,或者,精度并不充
    分的情况下需要并用用于修正误差的某些方法这样的技术问题。

    因此本申请人提出了即使不以精度较高的对称性为前提,也能够高
    精度地检测外力的力检测装置。具体而言,力检测装置FD包括第一部
    件1、第二部件2、以及第三部件3,通过第二部件2和第一部件1夹着
    多个压电元件,并通过第三部件3和第一部件1夹着与被第二部件2和
    第一部件1夹着的上述多个压电元件不同的多个压电元件。具体的结构
    例为图6(A)、图6(B),这是如图6(C)那样的万向联轴器的结构。

    在这样的结构的情况下,在假设对第二部件2施加了外力的情况下,
    该外力经由被第二部件2和第一部件1夹着的多个压电元件(第一组压
    电元件)传递至第一部件1,传递的力经由被第一部件1和第三部件3
    夹着的多个压电元件(第二组压电元件)传递至第三部件3?;谎灾?,
    作用于第一组压电元件的力和作用于第二组压电元件的力相等。

    因此,即使外力相对于第一组压电元件作为压缩/拉伸力作用,由
    于与该外力相同的大小的力作用于第二组压电元件,所以只要使第一组
    压电元件与第二组压电元件的面方向不同(狭义上说若使其正交),则
    与上述外力相同的大小的力作为针对第二组压电元件的剪切力作用。

    例如在对图6(A)、图6(B)所示的结构,作用了图7所示的外力
    F的情况下,该外力F是被第二部件2和第一部件1夹着的第一压电元
    件10-1的压缩力F1与第二压电元件10-2的压缩力F2的和,并且是
    被第一部件1和第三部件3夹着的第三压电元件10-3的剪切力F3与
    第四压电元件10-4的剪切力F4的和?;谎灾们榭鱿碌耐饬能够
    根据作为剪切力的和的F3+F4求出。

    这里说明了对第二部件2施加了外力的例子,但对第三部件3施加
    了外力的情况也相同。其结果,对第二部件2、第三部件3的任意一方
    施加的面的法线方向的力成分(压缩/拉伸力)与另一方的面内剪切方
    向的力平衡。这表示在使用了与图1(A)、图1(B)相同的坐标系的
    情况下,Fx以及Fy能够根据剪切力求出。

    另外,虽然对于详细内容使用图12(B)~图13(B)等后述,但对
    于Z轴方向的平移力Fz、绕各轴的力矩Mx、My、Mz也能够不使用压
    缩/拉伸力,而根据剪切力来运算。而且,这是根据力的平衡导出的,
    并不用像比较例那样要求精度较高的对称性。

    以下,对本实施方式所涉及的力检测装置FD的具体的结构进行了
    说明,之后对力检测装置FD所包括的压电元件10(以及包括压电元件
    10的传感器设备)的结构进行说明。并且对基于来自各传感器设备的输
    出来运算外力的处理部(外力输出电路)进行说明,最后对本实施方式
    的力检测装置的应用例进行说明。

    2.力检测装置的结构例

    本实施方式所涉及的力检测装置FD的简要结构如图6(A)、图6
    (B)所示。由图6(A)、图6(B)的例子可知,本实施方式的力检测
    装置FD也可以包括第一~第四压电元件10-1~10-4这四个压电元件。
    而且,第一部件1具有第一、第二侧面SD1、SD2和与第一、第二侧面
    SD1、SD2交叉(狭义上说是正交)的第三、第四侧面SD3、SD4。另
    外,第二部件2具有与第一部件1的第一侧面SD1对置的第一面SA1
    和与第一部件1的第二侧面SD2对置的第二面SA2,第三部件3具有与
    第一部件1的第三侧面SD3对置的第一面SB1和与第一部件1的第四
    侧面SD4对置的第二面SB2。

    在该情况下,第一压电元件10-1也可以如图6(A)所示那样设置
    在第二部件2的第一面SA1与第一部件1的第一侧面SD1之间。同样
    地,第二压电元件10-2设置在第二部件2的第二面SA2与第一部件1
    的第二侧面SD2之间,第三压电元件10-3设置在第三部件3的第一面
    SB1与第一部件1的第三侧面SD3之间,第四压电元件10-4设置在第
    三部件3的第二面SB2与第一部件1的第四侧面SD4之间。

    另外,如图6(B)所示那样第二部件2具有与第二部件2的第一面
    SA1以及第二面SA2交叉的第三面SA3,第二部件2的第三面SA3与
    第一部件1的下表面SL对置。同样地,第三部件3具有与第三部件3
    的第一面SB1以及第二面SB2交叉的第三面SB3,第三部件3的第三
    面SB3与第一部件1的上表面SU对置。

    若为这样的结构的力检测装置FD,则如上述那样对第二部件2、第
    三部件3的任意一方施加的面的法线方向的力成分(压缩/拉伸力)与
    另一方的面内剪切方向的力平衡。另外,即使考虑其他的方向的外力,
    也能够不使用压缩/拉伸力,而根据剪切力对Fx、Fy、Fz、Mx、My、
    Mz进行运算。

    接下来,使用图8~图9(B)对本实施方式所涉及的力检测装置FD
    的详细的结构例进行说明。在将对力检测装置FD设定的装置坐标系的
    XYZ各轴的方向设为图8所示的方向的情况下,图9(A)是表示沿X
    轴的剖面(具体而言是在A-A’的剖面)的图,图9(B)是表示沿Y
    轴的剖面(具体而言是在B-B’的剖面)的图。此外,力检测装置FD
    的结构并不限定于图8等,能够实施各种变形。

    在图8~图9(B)的例子中,力检测装置FD包括:第二部件2,其
    作为底板发挥作用;第三部件3,其与第二部件2隔开规定的间隔配置,
    作为与第二部件2对置的盖板发挥作用;以及第一部件1,其配置在第
    二部件2与第三部件3之间,作为浮块发挥作用。

    另外在图8~图9(B)的例子中,力检测装置FD包括四块模拟电
    路基板4;以及数字电路基板5,其被收纳在(设置在)第一部件1与
    第三部件3之间,并与该模拟电路基板4电连接。另外力检测装置FD
    具备:四个传感器设备6(6-1~6-4),其具有被搭载于模拟电路基板
    4,并收纳根据施加的外力来输出信号的压电元件10的外壳60;以及八
    根加压螺栓(加压螺丝)71,其作为固定部件。

    第一部件1呈四边形的柱,例如能够由长方体、立方体实现。在本
    实施方式中,将使第一部件成为六面体的情况下的第二部件2侧的面(Z
    轴负方向侧的面)设为下表面SL,将第三部件3侧的面(Z轴正方向
    侧的面)设为上表面SU,并将其他的四面设为第一~第四侧面SD1~SD4。
    但是,第一部件1并不限定于六面体。例如,第一部件1的各侧面也可
    以在朝向外侧的面上分别突出形成凸部16。该凸部16是用于对传感器
    设备6高效地施加压力的结构,各凸部16的顶面161~164是与下表面
    SL以及上表面SU垂直的平面。

    第二部件2的外形呈板状,其平面形状呈角部发圆的四边形。该第
    二部件2具有底板23(与第三面SA3对应)、和从底板23朝向上方竖
    立设置的两个壁面24(与第一面SA1以及第二面SA2对应)。两个壁面
    24是呈“L”字形状,并沿X轴方向配置,各壁面24的面是与X轴交
    叉的(狭义上说是正交的)面。

    同样地,第三部件3的外形也呈板状,其平面形状呈角部发圆的四
    角形。该第三部件3具有顶板33(与第三面SB3对应)、和从顶板33
    朝向下方竖立设置的两个壁面34(与第一面SB1以及第二面SB2对应)。
    除了两个壁面34沿Y轴方向配置,且各壁面34的面是与Y轴交叉(狭
    义上说是正交)的面这一点之外,第三部件3的结构与第二部件2相同。

    在本实施方式中,在将力检测装置FD例如固定于机器人来使用时,
    底板23的下表面成为针对该机器人(测定对象)的安装面(第一安装
    面)231。另外,在将力检测装置FD例如固定于机器人来使用时,顶
    板33的上表面成为针对安装于该机器人的末端执行器(测定对象)的
    安装面(第二安装面)321。此外,该安装面321与第二部件2的安装
    面231在未给予外力的自然状态下平行。

    而且,在第二部件2的第一面SA1与设在第一部件1的第一侧面
    SD1的凸部16的顶面161之间,夹持有传感器设备6-1。即,传感器
    设备6-1的压电元件10-1经由外壳60,被第二部件2的第一面SA1
    与第一部件1的第一侧面SD1的顶面161夹持,并被加压。以下,将该
    被夹持的方向称为“夹持方向DS”。

    如图8、图10所示,该传感器设备6-1的压电元件10-1的姿势
    是构成该压电元件10-1的各层与底板23(顶板33)相垂直,即、层
    叠有构成该压电元件10-1的各层的层叠方向LD、和夹持方向DS相
    对于底板23(顶板33)平行。

    同样地,在第二部件2的第二面SA2与设置于第一部件1的第二侧
    面SD2的凸部16的顶面162之间,夹持有传感器设备6-2,在第三部
    件3的第一面SB1与设置在第一部件1的第三侧面SD3的凸部16的顶
    面163之间,夹持有传感器设备6-3,在第三部件3的第二面SB2与
    设在第一部件1的第四侧面SD4的凸部16的顶面164之间,夹持有传
    感器设备6-4。

    如图11所示,与传感器设备6-1连接的模拟电路基板4具备将从
    传感器设备6-1的压电元件10输出的电荷Qy1转换为电压Vy1的转
    换输出电路90a、将从压电元件10输出的电荷Qz1转换为电压Vz1的
    转换输出电路90b、以及将从压电元件10输出的电荷Qx1转换为电压
    Vx1的转换输出电路90c。这一点在传感器设备6-2~6-4中也相同。
    对于各压电元件10以及转换输出电路90的详细内容,使用图10以及
    图11后述。

    另外,数字电路基板5具备检测所施加的外力的外力检测电路40。
    各模拟电路基板4分别被第一部件1的不同的侧面支承,并在第一部件
    1与第二部件2之间、或者第一部件1与第三部件3之间被?;?。

    此外,作为第一部件1、第二部件2、第三部件3、以及模拟电路基
    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,也可以将第一压电元件10-1(传感器设备6-1)安装于第
    一部件1的第一侧面SD1,将第二压电元件10-2(传感器设备6-2)
    安装于第一部件1的第二侧面SD2,将第三压电元件10-3(传感器设
    备6-3)安装于第一部件1的第三侧面SD3,将第四压电元件10-1(传
    感器设备6-4)安装于第一部件1的第四侧面SD4。

    在该情况下,在将第一、第二压电元件固定于第一部件1之后,通
    过加压螺栓71紧固第一部件1与第二部件2从而施加给定的加压,在
    将第三、第四压电元件固定于第一部件1之后,通过加压螺栓71紧固
    第一部件1与第三部件3从而施加给定的加压。

    其中,由于对各压电元件施加规定的加压即可,所以安装位置并不
    限定于此。例如,也可以将第一压电元件10-1安装于第二部件2的第
    一面SA1,将第二压电元件10-2安装于第二部件2的第二面SA2。而
    且也可以将第三压电元件10-3安装于第三部件的第一面SB1,将第四
    压电元件10-4安装于第三部件3的第二面SB2。

    进一步说,由于各压电元件以稳定的状态被施加加压即可,所以也
    可以不安装在第一部件1、第二部件2、第三部件3的任意一个。具体
    而言,也可以并不安装于特定的部件,而通过被第一部件1与第二部件
    2,或者第一部件1与第三部件3夹着而稳定地保持。

    另外,在以上的说明中,将用于高效地施加压力的凸部设置在第一
    部件1的侧面SD1~SD4,但并不限定于此。例如,第二部件2的各壁
    面24也可以在第一部件1侧的面上分别突出形成凸部26。各凸部26
    的顶面261、262是与底板23相垂直的平面。同样地,第三部件3的各
    壁面34也可以在第一部件1侧的面上分别突出形成凸部36。各凸部36
    的顶面361、362是与顶板33相垂直的平面。

    在该情况下,在第二部件2的两个凸部26中的一个凸部26的顶面
    261与第一部件1的第一侧面SD1之间夹持有传感器设备6-1,在第二
    部件的两个凸部26中的另一个凸部26的顶面262与第一部件1的第二
    侧面SD2之间夹持有传感器设备6-2,在第三部件3的两个凸部36中
    的一个凸部36的顶面361与第一部件1的第三侧面SD3之间夹持有传
    感器设备6-3,在第三部件3的两个凸部36中的另一个凸部36的顶面
    362与第一部件1的第四侧面SD4之间夹持有传感器设备6-4。

    换言之在本实施方式中,所谓的“将第一压电元件10-1设置在第
    二部件2的第一面SA1与第一部件1的第一侧面SD1之间”既包括压
    电元件10-1被SA1与SD1直接夹着的情况,也包括使用设置在SA1
    以及SD1的至少一方的凸部来夹着的情况。另外,对于通过其他的侧面
    与面来夹着其他的压电元件的情况也相同。

    3.压电元件的结构例

    接下来,对力检测装置FD所包括的多个压电元件10的结构、包括
    该压电元件10的传感器设备6、以及与各压电元件10连接的转换输出
    电路90进行说明。

    3.1压电元件

    如图10所示,压电元件10具有与地线(基准电位点)连接的四个
    地线电极层11、根据外力(剪切力)输出电荷Qx的第一传感器12、根
    据外力(压缩/拉伸力)输出电荷Qz的第二传感器13、以及根据外力
    (剪切力)输出电荷Qy的第三传感器14,地线电极层11与各传感器
    12、13、14交替地平行层叠。该层叠方向LD为与安装面321的法线
    NL2(或者安装面231的法线NL1)正交的方向。

    在图示的结构中,从图10中的左侧开始依次层叠有第一传感器12、
    第二传感器13、以及第三传感器14,但并不限定于此,传感器12、13、
    14的层叠顺序任意。

    地线电极层11是与地线(基准电位点)连接的电极。构成地线电极
    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
    括这些金属的合金。在这些中特别优选使用作为铁合金的不锈钢。由不
    锈钢构成的地线电极层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,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)来输出电荷Qx的功能。即,第一传感器12构成为根据外力来输
    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(第一基板))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(第一基
    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切石英板构成,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10中的纸面进深方向的轴,z轴是沿图10中的上下方向的轴。在
    图10所示的构成中,对于x轴,以图10中的纸面里侧为正方向,以与
    其相反的一侧为负方向来进行说明。对于y轴,以图10中的左侧为正
    方向,以与其相反的一侧为负方向来进行说明。对于z轴,以图10中
    的上侧为正方向,以与其相反的一侧为负方向来进行说明。

    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、
    较高的固有振动频率、较高的承重性等优异的特性。另外,Y切石英板
    针对沿其面方向的外力(剪切力)产生电荷。

    而且,在对第一压电体层121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,在第一压电体层121内感应出
    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
    正电荷,在第一压电体层121的地线电极层11侧表面附近聚集负电荷。
    同样地,在对第一压电体层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侧表面附近聚集负电荷,
    在第一压电体层121的地线电极层11侧表面附近聚集正电荷。

    第二压电体层123也由Y切石英板构成,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10中的纸面进深方向的轴,z轴是沿图10中的上下方向的轴。
    在图10所示的构成中,对于x轴,以图10中的纸面近前侧为正方向,
    以与其相反的一侧为负方向来进行说明。对于y轴,以图10中的右侧
    为正方向,以与其相反的一侧为负方向。对于z轴,以图10中的上侧
    为正方向,以与其相反的一侧为负方向。

    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、较高的固有振动频率、较高的承重性等
    优异的特性,由于是Y切石英板,所以针对沿其面方向的外力(剪切力)
    产生电荷。

    而且,在对第二压电体层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内感应出电
    荷。其结果,在第二压电体层123的输出电极层122侧表面附近聚集正
    电荷,在第二压电体层123的地线电极层11侧表面附近聚集负电荷。
    同样地,在对第二压电体层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侧表面附近聚集负电荷,
    在第二压电体层123的地线电极层11侧表面附近聚集正电荷。

    另外,第一传感器12为具有第一压电体层121和第二压电体层123
    的构成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,能够使聚集在输出电极层122附近的正
    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。

    输出电极层122具有将在第一压电体层121内以及第二压电体层
    123内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,
    在对第一压电体层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,在对第一压电
    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附近聚集负电荷。其结果,从输出电
    极层122输出负的电荷Qx。

    另外,优选输出电极层122的大小是第一压电体层121以及第二压
    电体层123的大小以上。在输出电极层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,有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)来输出电荷Qz的功
    能。即,第二传感器13构成为根据压缩力输出正电荷,根据拉伸力输
    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切石英板构成,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10中的
    上下方向的轴,z轴是沿图10中的纸面进深方向的轴。

    而且,在对第三压电体层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内感应出电荷。其结果,
    在第三压电体层131的输出电极层132侧表面附近聚集正电荷,在第三
    压电体层131的地线电极层11侧表面附近聚集负电荷。同样地,在对
    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侧表面附近聚集负电荷,在第三压电体
    层131的地线电极层11侧表面附近聚集正电荷。

    第四压电体层133也由X切石英板构成,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10
    中的上下方向的轴,z轴是沿图10中的纸面进深方向的轴。

    而且,在对第四压电体层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内感应出电荷。其结果,
    在第四压电体层133的输出电极层132侧表面附近聚集正电荷,在第四
    压电体层133的地线电极层11侧表面附近聚集负电荷。同样地,在对
    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侧表面附近聚集负电荷,在第四压电体
    层133的地线电极层11侧表面附近聚集正电荷。

    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,
    在对第三压电体层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,在对第三压电体层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,并
    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)来输出电荷Qy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(第二基板))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(第二基
    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切石英板构成,并具有作为相互正交的结晶
    轴的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10中的上下方向的轴,z轴是沿图10中的纸面进深方向的轴。
    在图10所示的构成中,对于x轴,以图10中的上侧为正方向,以与其
    相反的一侧为负方向来进行说明。对于y轴,以图10中的左侧为正方
    向,以与其相反的一侧为负方向来进行说明。对于z轴,以图10中的
    纸面近前侧为正方向,以与其相反的一侧为负方向来进行说明。

    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、较高的固有振动频率、较高的承重性等优异的特性。另外,Y切石
    英板针对沿其面方向的外力(剪切力)产生电荷。

    而且,在对第五压电体层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内感应出电荷。其结
    果,在第五压电体层141的输出电极层142侧表面附近聚集正电荷,在
    第五压电体层141的地线电极层11侧表面附近聚集负电荷。同样地,
    在对第五压电体层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侧表面附近聚集负电荷,在第五
    压电体层141的地线电极层11侧表面附近聚集正电荷。

    第六压电体层143也由Y切石英板构成,具有作为相互正交的结
    晶轴的x轴、y轴、z轴。y轴是沿第二压电体层143的厚度方向的轴,
    x轴是沿图10中的上下方向的轴,z轴是沿图10中的纸面进深方向的
    轴。在图10所示的构成中,对于x轴,以图10中的下侧为正方向,以
    与其相反的一侧为负方向来进行说明。对于y轴,以图10中的右侧为
    正方向,以与其相反的一侧为负方向来进行说明。对于z轴,以图10
    中的纸面近前侧为正方向,以与其相反的一侧为负方向来进行说明。

    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、较高的固有振动频率、较高的承重性
    等优异的特性,由于是Y切石英板,所以针对沿其面方向的外力(剪切
    力)产生电荷。

    而且,在对第六压电体层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内感应出电荷。其结
    果,在第六压电体层143的输出电极层142侧表面附近聚集正电荷,在
    第六压电体层143的地线电极层11侧表面附近聚集负电荷。同样地,
    在对第六压电体层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侧表面附近聚集负电荷,在第六
    压电体层143的地线电极层11侧表面附近聚集正电荷。

    在压电元件10中,在从层叠方向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,在从层叠方向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,
    在对第五压电体层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,在对第五压电体
    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附近聚集负电荷。其结果,从输出电极
    层142输出负的电荷Qy。

    像这样,在压电元件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出电荷。因此,压电元件
    10能够根据分别沿x轴、y轴以及z轴的各外力来输出三种电荷Qx、
    Qy、Qz。

    另外,如图9(A)、图9(B)所示,第一部件1与第二部件2、
    以及第一部件1与第三部件3通过加压螺栓71连接并固定。此外,通
    过加压螺栓71的“固定”允许两个固定对象物的彼此的规定量的移动
    地进行。具体而言,第一部件1与第二部件2、以及第一部件1与第三
    部件3通过加压螺栓71,允许彼此的规定量的移动地被固定。

    另外,加压螺栓71有八根(多根),其中的两根经由传感器设备
    6-1配置在其两侧。即,加压螺栓71中的一部分(两根)设置在传感
    器设备6-1的周围,并对该传感器设备6-1给予压力。对于其他的传
    感器设备6-2~6-4也相同,在本实施方式中考虑了对一个传感器设备
    6使用两根加压螺栓71的例子。此外,各加压螺栓71的加压方向为与
    层叠方向LD平行的方向。

    与各加压螺栓71螺合的内螺纹241设置在第一部件1的侧面。而
    且,在第一部件1与第二部件2(或者第三部件3)之间夹持有各传感
    器设备6的状态下,能够将内螺纹241从第二部件2(或者第三部件3)
    侧插入第一部件1的内螺纹241。由此,各压电元件10被每个收纳该压
    电元件10的外壳60,在与第一部件1的侧面正交的方向施加规定的大
    小的压力,即、加压。而且,在对压电元件10作用剪切力时,可靠地
    产生构成压电元件10的层彼此之间的摩擦力,由此,能够可靠地检测
    电荷。

    另外,如图8所示,各加压螺栓71贯通模拟电路基板4。在模拟
    电路基板4的加压螺栓71贯通的部分例如通过嵌合固定有由树脂材料
    等绝缘材料构成的管道43。此外,作为加压螺栓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。

    3.2传感器设备

    传感器设备6具有上述压电元件10、和收纳压电元件10的外壳60。

    如图8所示,外壳60具备具有凹部611的基部61、以及与该基
    部61接合的盖体62。压电元件10设置于基部61的凹部611,该基部
    61的凹部611被盖体62密封。由此,能够?;ぱ沟缭?0,能够提供
    可靠性较高的力检测装置FD。此外,压电元件10的顶面与盖体62接
    触。另外,外壳60的盖体62被配置在第二部件2(或者第三部件3)
    侧,基部61被配置在第一部件1的侧面侧,且该基部61被固定于模拟
    电路基板4。通过该构成,基部61和盖体62被第一部件1的顶面161~164
    与第二部件2的壁面24(或者第三部件3的壁面34)在夹持方向DS
    夹持并被加压,进一步压电元件10也被该基部61和盖体62在夹持方
    向DS夹持并被加压。

    另外,作为基部61的构成材料,并不特别限定,例如,能够使用
    陶瓷等绝缘性材料等。另外,作为盖体62的构成材料,并不特别限定,
    例如,能够使用不锈钢等各种金属材料等。此外,基部61的构成材料
    与盖体62的构成材料可以相同,另外,也可以不同。

    另外,外壳60的平面形状并不特别限定,但在本实施方式中,呈
    四边形。此外,作为外壳60的其他的形状,例如,能够列举五边形等
    其他的多边形、圆形、椭圆形等。另外,在外壳60为多边形的情况下,
    例如,其角部可以发圆,另外,也可以被倾斜地切掉。

    另外,在本实施方式中,盖体62呈板状,且其中央部625与外周
    部626之间的部位弯曲,从而中央部625朝向第二部件2的壁面24、或
    者第三部件3的壁面34突出。中央部625的形状并不特别限定,但在
    本实施方式中,在从第一部件1的侧面侧的俯视时,呈与压电元件10
    相同的形状,即、四边形。此外,盖体62的中央部625的上表面以及
    下表面均为平面。

    另外,在外壳60的基部61的下表面的端部设置有与压电元件10
    电连接的多个端子(未图示)。该各端子分别与模拟电路基板4电连接,
    由此,压电元件10与模拟电路基板4电连接。

    此外,另外,在模拟电路基板4的配置有压电元件10的部位形成
    有插入凸部16的孔41。该孔41是贯通模拟电路基板4的贯通孔。

    3.3转换输出电路

    如图11所示,各压电元件10连接有转换输出电路90a、90b、90c。
    转换输出电路90a具有将从压电元件10输出的电荷Qy转换为电压Vy
    的功能。转换输出电路90b具有将从压电元件10输出的电荷Qz转换为
    电压Vz的功能。转换输出电路90c具有将从压电元件10输出的电荷
    Qx转换为电压Vx的功能。由于转换输出电路90a、90b、90c相同,所
    以在以下以转换输出电路90c为代表进行说明。

    转换输出电路90c具有将从压电元件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)
    与压电元件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??卦?3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并列连接。另外,开关元件93
    与驱动电路(未图示)连接,开关元件93根据来自驱动电路的开/关信
    号来执行开关动作。

    在开关元件93断开的情况下,从压电元件10输出的电荷Qx被
    积蓄在具有静电容量C1的电容器92,并作为电压Vx输出至外力检测
    电路40。接下来,在开关元件93接通的情况下,电容器92的两端子间
    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接通称为使转
    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与从压电元件10输出的电荷Qx的积蓄量成比例。

    开关元件93例如是MOSFET(MetalOxideSemiconductorField
    EffectTransistor:金属氧化物半导体场效应晶体管),另外,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
    小型并且轻型,所以有利于力检测装置FD的小型化以及轻型化。以下,
    作为代表例,对使用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,但另外,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??卦?3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。从驱动电路对各开关元件93
    输入全部同步的开/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。

    4.外力检测电路以及处理部中的外力检测处理

    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~Vy4、从各转换输出电路90b输出的电压Vz1~Vz4、以及从各转换
    输出电路90c输出的电压Vx1~Vx4,来检测施加的外力的功能。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连接的处理部(运算部、运算电路)
    402。

    AD转换器401具有将电压Vx1~Vx4、Vy1~Vy4、Vz1~Vz4从模
    拟信号转换为数字信号的功能。将通过AD转换器401进行数字转换后
    的电压Vx1~Vx4、Vy1~Vy4、Vz1~Vz4输入至处理部402。

    处理部402对进行了数字转换的电压Vx1~Vx4、Vy1~Vy4、
    Vz1~Vz4进行例如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。而且,处理部402基于从压电元件10输出的电荷
    Qx1~Qx4、Qy1~Qy4、Qz1~Qz4的积蓄量,来输出力检测装置FD的输
    出值。如上述那样,在将力检测装置FD作为6轴力传感器使用的情况
    下,输出值是Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz六个值。

    对在处理部402中求解外力Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz的方法
    进行说明。首先处理部402在将从第一侧面SD1朝向第二侧面SD2的
    方向设为第一方向DR1,将从第三侧面SD3朝向第四侧面SD4的方向
    设为第二方向DR2的情况下,基于由第三压电元件10-3以及第四压
    电元件10-4检测到的力求出第一方向DR1上的外力。

    若为图12(A)的例子,则DR1与对力检测装置FD设定的装置
    坐标系的X轴正方向对应,DR2与Y轴负方向对应,但DR1、DR2与
    装置坐标系的关系能够实施各种变形。这里重要的是在DR1的方向的
    外力对于第一压电元件10-1以及第二压电元件10-2来说为压缩/拉
    伸力,但同样的力对于第三压电元件10-3以及第四压电元件10-4来
    说作为剪切力作用这一点。

    在这里,示出DR1上的外力与作为力检测装置FD的输出之一的
    Fx一致的例子,所以Fx的值能够使用第三压电元件10-3检测的剪切
    力F3x、和第四压电元件10-4检测的剪切力F4x,通过下式(2)求出。
    其中,F3x等的方向为图12(A)、图12(B)所示的方向。F1x、F2x、
    F3x、F4x是各压电元件的剪切力中沿由DR1、DR2决定的平面(装置坐
    标系的XY平面)的方向的力,F1y、F2y、F3y、F4y是各压电元件的剪切
    力中与上述平面交叉的(正交的)方向的力。

    Fx=F3x-F4x·····(2)

    同样地,处理部402基于由第一压电元件10-1以及第二压电元
    件10-2检测的力求出第二方向DR2上的外力。在这里,由于是DR2
    与装置坐标系的Y轴负方向一致的例子,所以作为力检测装置FD的输
    出之一的Fy能够通过下式(3)求出。此外,本实施方式所涉及的力检
    测装置FD当然并不限定于仅输出Fx与Fy的一方,也可以输出Fx和
    Fy双方。

    Fy=F1x-F2x·····(3)

    另外,在将与第一方向DR1以及第二方向DR2交叉的方向设为
    第三方向DR3的情况下,处理部402基于由第一~第四压电元件检测出
    的力求出第三方向DR3上的外力。

    虽然在图12(B)的例子中DR3与装置坐标系的Z轴一致,但在
    该情况下来自Z轴的上表面方向的压缩力经由第三部件3与被夹在第三
    部件3与第一部件1之间的第三、第四压电元件的剪切力平衡。并且,
    该力经由第一部件1与被夹在第一部件1与第二部件2之间的第一、第
    二压电元件的剪切力平衡?;谎灾?,第一~第四压电元件的剪切力的和
    为来自上面的压缩力的2倍。因此,在如图12(B)那样定义第一~第
    四压电元件的剪切力中,装置坐标系中的Z轴方向上的成分(若是图
    12(B)的配置例则为各元件坐标系的Y轴成分)F1y、F2y、F3y、F4y
    的方向的情况下,作为力检测装置FD的输出之一的Fz能够通过下式
    (4)求出。此外,在下式(4)中,使用F1y、F2y、F3y、F4y的全部,
    但能够实施仅使用F1y、F2y或者仅使用F3y、F4y这样的变形。

    Fz=-0.5(F1y+F2y+F3y+F4y)·····(4)

    另外,如图13(A)所示,绕X轴的力矩能够使用第三、第四压
    电元件的剪切力F3y、F4y来表示,绕Y轴的力矩能够使用第一、第二压
    电元件的剪切力F1y、F2y来表示。具体而言,处理部402通过下式(5)、
    (6)求解Mx、My即可。其中,在下式(5)、(6)以及后述的下式(7)
    中,将从装置坐标系的原点到各压电元件的的距离设为r。

    Mx=r(F3y-F4y)·····(5)

    My=r(F1y-F2y)·····(6)

    另外,如图13(B)所示,绕Z轴的力矩能够使用第一、第二压
    电元件的剪切力F1x、F2x或者第三、第四压电元件的剪切力F3x、F4x或
    者其全部来求出。在这里与Fz相同,求出F1x、F2x、F3x、F4x的全部的
    和,将该和的1/2的值作为Mz。具体而言,处理部402使用下式(7)
    求解Mz即可。

    Mz=-0.5r(F1x+F2x+F3x+F4x)·····(7)

    像这样在力检测装置FD中,在检测外力时,能够不使用容易受
    到由温度的变动所带来的影响,即、容易附着噪声的第二传感器13(电
    荷Qz),来进行该检测。因此,力检测装置FD成为难以受到温度的变
    动的影响,例如使影响降低到以往的力检测装置的1/20以下的装置。
    由此,力检测装置FD即使在温度变化激烈的环境下,也能够准确并稳
    定地检测外力。

    并且此时,由于不会像比较例那样以设备的对称性为前提,所以
    也具有在加工、组装中不要求非常高的精度这样的优点。

    6.变形例

    以上对将本实施方式所涉及的力检测装置FD作为6轴力传感器使
    用的例子进行了说明,但并不限定于此。例如,本实施方式所涉及的力
    检测装置FD也可以是输出XYZ的各轴方向的平移力的3轴力传感器。

    在力检测装置FD是3轴力传感器的情况下,该力检测装置FD
    所包括的压电元件10也可以比四个少,例如力检测装置FD也可以包
    括两个压电元件。具体而言,本实施方式所涉及的力检测装置也可以从
    使用图8~图9(B)上述的结构中,除去第三压电元件10-3、第四压
    电元件10-4(以及根据需要与第三、第四压电元件有关系的结构)。

    换言之本实施方式所涉及的力检测装置FD也可以包括第一部件
    1、第二部件2、以及第三部件3,并通过第二部件2和第一部件1夹着
    一个或者多个压电元件(若是本变形例则为第一压电元件10-1),通过
    第三部件3和第一部件1夹着与被第二部件2和第一部件1夹着的上述
    一个或者多个压电元件不同的一个或者多个压电元件(若是本变形例则
    为第二压电元件10-2)。

    在该情况下,作为力检测装置FD的输出的Fx、Fy、Fz中,Fx
    能够作为第二压电元件10-2的剪切力求出,Fy能够作为第一压电元
    件10-1的剪切力求出。另外,Fz能够作为第一压电元件10-1的剪
    切力或者第二压电元件10-2的剪切力(或者与上式(4)相同,作为
    两个剪切力的和的1/2)求出。

    在本变形例中,也能够根据各压电元件的剪切力求出外力,所以
    能够提高精度,并且不要求力检测装置FD的结构的对称性。

    7.本实施方式的力检测装置的应用例

    另外,本实施方式的方法并不限定于力检测装置FD,也能够应用
    于包括上述的力检测装置FD的机器人。使用图14、图15,对本发明
    所涉及的机器人的一个实施方式进行说明。

    图14是表示使用了本发明所涉及的力检测装置FD的单臂机器人
    的一个例子的图。图14的单臂机器人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FD。此外,作为力检测装置FD,使用上述的力
    检测装置。

    基台510具有收纳产生用于使臂520转动的动力的致动器(未图
    示)以及控制致动器的控制部(未图示)等的功能。另外,基台510例
    如固定在地板、墙壁、天花板、以及能够移动的台车上等。

    臂520通过具有第一臂构件521、第二臂构件522、第三臂构件
    523、第四臂构件524以及第五臂构件525,并以能够转动的方式连结相
    邻的臂彼此而构成。臂520通过控制部的控制,以各臂构件的连结部为
    中心复合地旋转或者弯曲从而驱动。

    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
    一手指531以及第二手指532。在通过臂520的驱动末端执行器530到
    达规定的动作位置之后,通过调整第一手指531以及第二手指532的分
    离距离,能够把持对象物。

    此外,末端执行器530在这里是手,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,能够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、以及测定器等。

    力检测装置FD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FD检测出的力反馈给基台510的控制部,单臂机器
    人500能够执行更精密的作业。另外,根据力检测装置FD检测出的力,
    单臂机器人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,单臂机器人500能够更安全地执行作业。

    此外,在图示的构成中,臂520总共由五个臂构件构成,但本发
    明并不限定于此。臂520由一个臂构件构成的情况、由2~4个臂构件构
    成的情况、以及由六个以上的臂构件构成的情况也在本发明的范围内。

    图15是表示使用了本发明所涉及的力检测装置FD的多臂机器人
    的一个例子的图。图15的多臂机器人600具有基台610、第一臂620、
    第二臂630、设置于第一臂620的前端侧的第一末端执行器640a、设置
    于第二臂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FD。

    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
    动力的致动器(未图示)以及控制致动器的控制部(未图示)等的功能。
    另外,基台610例如固定在地板、墙壁、天花板、以及能够移动的台车
    上等。

    第一臂620通过以能够转动的方式连结第一臂构件621以及第二
    臂构件622而构成。第二臂630通过以能够转动的方式连结第一臂构件
    631以及第二臂构件632而构成。第一臂620以及第二臂630通过控制
    部的控制,以各臂构件的连结部为中心复合地旋转或者弯曲从而驱动。

    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具有第一手指641a以及第二手指642a。第二末端执行
    器640b具有第一手指641b以及第二手指642b。在通过第一臂620的
    驱动第一末端执行器640a到达规定的动作位置之后,通过调整第一手
    指641a以及第二手指642a的分离距离,能够把持对象物。同样地,在
    通过第二臂630的驱动第二末端执行器640b到达规定的动作位置之后,
    通过调整第一手指641b以及第二手指642b的分离距离,能够把持对象
    物。

    力检测装置FD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FD检测出的力反馈给基台610的控
    制部,多臂机器人600能够更精密地执行作业。另外,根据力检测装置
    FD检测出的力,多臂机器人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,多臂机器人600
    能够更安全地执行作业。

    此外,在图示的构成中,臂总共为两根,但本发明并不限定于此。
    多臂机器人600具有三条以上的臂的情况也在本发明的范围内。

    另外,本发明的力检测装置并不限定于用于机器人,也能够应用
    于电子部件输送装置、电子部件检查装置、部件加工装置、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、输入
    装置等。

    另外,力检测装置FD的传感器设备的设置数目以四个为例进行
    了说明,但并不限定于此,例如,也可以在变形例中叙述的那样为两个,
    也可以是三个或者五个以上。

    此外,以上对本实施方式进行了详细说明,但能够进行实质上不
    脱离本发明的新事项以及效果的许多的变形对于本领域技术人员来说
    当然能够容易地理解。因此,像这样的变形例全部包括在本发明的范围
    内。例如,在说明书或者附图中,至少一次与更广义或者同义的不同用
    语一起记载的用语在说明书或者附图的任意位置均能够置换为该不同
    用语。另外力检测装置等的构成、动作也并不限定于本实施方式所说明
    的,而能够实施各种变形。

    附图标记说明:

    DS…夹持方向,FD…力检测装置,Fx、Fy、Fz…平移力,Mx、
    My、Mz…力矩,LM…下侧部件,SA1…第一面,SA2…第二面,SA3…
    第三面,SB1…第一面,SB2…第二面,SB3…第三面,SD1-SD4…侧
    面,SL…下表面,SU…上表面,UM…上侧部件,1…第一部件,2…第
    二部件,3…第三部件,4…模拟电路基板,5…数字电路基板,6…传感
    器设备,10…压电元件,11…地线电极层,12…第一传感器,13…第二
    传感器,14…第三传感器,16…凸部,23…底板,24…壁面,26…凸部,
    33…顶板,34…壁面,36…凸部,40…外力检测电路,41…孔,43…管
    道,60…外壳,61…基部,62…盖体,71…加压螺栓,90…转换输出电
    路,91…运算放大器,92…电容器,93…开关元件,121、123、131、
    133、141、143…压电体层,122、132、142…输出电极层,161-164、
    261、262、361、362…顶面,231…安装面,241…内螺纹,321…安装
    面,401…转换器,402…处理部,500…单臂机器人,510…基台,520…
    臂,521-525…臂构件,530…末端执行器,531、532…手指,600…多
    臂机器人,610…基台,611…凹部,620、630…臂,621、622、631、
    632…臂构件,625…中央部,626…外周部,640…末端执行器,641、
    642…手指。

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    检测 装置 以及 机器人
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