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CN108120530A - 力传感器及机器人 - Google Patents

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Publication number
CN108120530A
CN108120530A CN201711141612.2A CN201711141612A CN108120530A CN 108120530 A CN108120530 A CN 108120530A CN 201711141612 A CN201711141612 A CN 201711141612A CN 108120530 A CN108120530 A CN 108120530A
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CN
China
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piezoelectric
piezoelectric element
force
electrodes
robot
Prior art date
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Pending
Application number
CN201711141612.2A
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English (en)
Inventor
山村光宏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Seiko Epson Corp filed Critical Seiko Epson Corp
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Pending legal-status Critical Current

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    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J13/00—Controls for manipulators
    • B25J13/08—Controls for manipulators by means of sensing devices, e.g. viewing or touching devices
    • B25J13/085—Force or torque sensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0028—Force sensors associated with force applying means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
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Abstract

提供一种力传感器及机器人，力传感器能够提高S/N比，机器人具备该力传感器。力传感器的特征在于，具备接收外力而输出电荷的多个压电元件，所述多个压电元件各自包括：两个电极；以及配置于所述两个电极之间的压电体，所述多个压电元件在从所述两个电极排列的方向观察的俯视下相互不重合地配置，并且以串联方式电连接。所述多个压电元件所具有的所述压电体为一体。

Description

力传感器及机器人
技术领域
本发明涉及力传感器及机器人。
背景技术
例如，在具备包含至少一个臂而构成的机器人臂的机器人中，检测力的力传感器设置于机器人臂的关节部等，检测施加于机器人臂的力。
作为这种力传感器的一例，例如，专利文献1记载的触觉传感器具备压电元件，基于来自该压电元件的输出检测力。
现有技术文献
专利文献
专利文献1 日本特开2002-031574号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，在专利文献1记载的触觉传感器中，当欲增大来自压电元件的输出时，噪声也变大，存在无法增大S/N比这样的问题。
本发明的目的在于提供一种能够提高S/N比的力传感器，还提供一种具备该力传感器的机器人。
用于解决课题的技术方案
上述目的通过下述的发明而达成。
本发明的力传感器的特征在于，具备接收外力而输出电荷的多个压电元件，所述多个压电元件各自包括：两个电极；以及配置于所述两个电极之间的压电体，所述多个压电元件在从所述两个电极排列的方向观察的俯视下相互不重合地配置，并且以串联方式电连接。
根据具有这种特征的力传感器，由于俯视下相互不重合地配置的多个压电元件以串联方式电连接，因此与使用同一配置面积(同一俯视面积)的一个压电元件的情况相比较，能够减小噪声，其结果是，能够提高S/N比。
在本发明的力传感器中，优选的是，所述多个压电元件所具有的所述压电体为一体。
由此，压电体的加工变得容易，其结果是，多个压电元件的制造也变得容易。
在本发明的力传感器中，优选的是，所述力传感器具备在所述两个电极排列的方向上层叠的多个所述压电元件。
由此，能够实现力传感器的高灵敏度和检测轴的多轴化。
在本发明的力传感器中，优选的是，所述压电体由水晶构成。。
由此，能够实现具有高灵敏度、广动态范围、高刚性等优异特性的力传感器。
在本发明的力传感器中，优选的是，所述力传感器具备被输入所述电荷的电荷放大器
由此，能够将从多个压电元件输出的电荷(电荷信号)转换为电压(电压信号)。而且，基于来自电荷放大器的电压信号，能够容易且高精度地运算施加于多个压电元件的外力。
本发明的力传感器的特征在于，具备：基部，具有设置面；以及多个压电元件，在沿所述设置面的方向上排列配置，并且以串联方式电连接，接收外力而输出电荷。
根据具有这种特征的力传感器，由于沿设置面排列配置的多个压电元件以串联方式电连接，因此与使用同一配置面积(同一俯视面积)的一个压电元件的情况相比较，能够减小噪声，其结果是，能够提高S/N比。
本发明的机器人的特征在于，具备本发明的力传感器。
根据具有这种特征的机器人，能够提高力传感器的S/N比，例如通过使用这种力传感器的检测结果，能够进行机器人的高精度的动作控制。
附图说明
图1为本发明的第一实施方式涉及的力传感器的俯视图。
图2为图1中的A-A线截面图。
图3为图1及图2所示的力传感器所具备的力检测元件(压电元件)的截面图。
图4为图1及图2所示的力传感器所具备的力检测元件(压电元件)的俯视图。
图5为图1及图2所示的力传感器的电路图。
图6为本发明的第二实施方式涉及的力传感器所具备的电荷输出元件(压电元件)的截面图。
图7为本发明的第三实施方式涉及的力传感器所具备的压电元件的截面图。
图8为本发明的第四实施方式涉及的力传感器所具备的压电元件的截面图。
图9为示出本发明的机器人的一例的立体图。
附图标记说明
1…力传感器、2…第一基部、3…第二基部、4…传感器设备、5…压电元件、5A…压电元件、5B…压电元件、5C…压电元件、5a…压电元件、5b…压电元件、5c…压电元件、5aA…压电元件、5bA…压电元件、5cA…压电元件、6…施压螺栓、7…模拟电路基板、8…数字电路基板、9…电荷放大器、21…凸部、22…阴螺纹、31…下表面、32…贯通孔、41…力检测元件、41A…电荷输出元件、42…外壳、43…端子、50…压电元件、50A…压电元件、50B…压电元件、50C…压电元件、50a…压电元件、50aA…压电元件、50b…压电元件、50bA…压电元件、50c…压电元件、50cA…压电元件、50d…压电元件、50dA…压电元件、51…电极、51B…电极、51C…电极、52…压电体、52A…压电体、52C…压电体、52a…压电体、52b…压电体、52c…压电体、53…电极、53A…电极、53B…电极、53C…电极、54…压电体、54A…压电体、54C…压电体、54a…压电体、54b…压电体、54c…压电体、55…电极、55A…电极、55B…电极、55C…电极、56…粘接剂、57…配线、58…配线、61…头部、62…阳螺纹、71…贯通孔、72…贯通孔、81…贯通孔、82…贯通孔、91…运算放大器、92…电容器、211…顶面、421…基部、422…盖体、423…设置面、1000…机器人、1010…基座、1020…臂、1030…臂、1040…臂、1050…臂、1060…臂、1070…臂、1080…控制部、1090…终端执行器、Qx…电荷、Qy…电荷、Qz…电荷、z1…轴线。
具体实施方式
以下，基于附图所示的优选的实施方式详细地说明本发明的力传感器及机器人。
<第一实施方式>
(力传感器)
图1为本发明的第一实施方式涉及的力传感器的俯视图。图2为图1中的A-A线截面图。图3为图1及图2所示的力传感器所具备的电荷输出元件(压电元件)的截面图。图4为图1及图2所示的力传感器所具备的电荷输出元件(压电元件)的俯视图。图5为图1及图2所示的力传感器的电路图。此外，在图1、图3及图4中，分别为了方便说明，作为相互正交的三个轴而图示x轴、y轴及z轴，将表示各轴的箭头的顶端侧作为“+”、将基端侧作为“-”。另外，将平行于x轴的方向记为“x轴方向”，将平行于y轴的方向记为“y轴方向”，将平行于z轴的方向记为“z轴方向”。另外，也将+z轴方向侧称为“上”，将-z轴方向侧称为“下”。另外，将从z轴方向观察的情况称为“俯视”。
图1所示的力传感器1为能够检测施加于力传感器1的外力的六分量的六分量力觉传感器。在此，六分量由相互正交的三个轴(图示中为x轴、y轴及z轴)的各个方向的平移力(剪切力)分量、分别围绕该三个轴的旋转力(转矩)分量构成。
如图2所示，该力传感器1包括：第一基部2、相对于第一基部2隔开间隔配置的第二基部3、配置于第一基部2和第二基部3之间的多个(本实施方式中为四个)传感器设备4、模拟电路基板7及数字电路基板8、将第一基部2及第二基部3相互固定的多个(本实施方式中为四个)施压螺栓6。
在该力传感器1中，输出对应于各传感器设备4所接收的外力的信号，通过模拟电路基板7及数字电路基板8处理这些信号，从而检测施加于力传感器1的外力的六分量。
[第一基部]
如图2所示，第一基部2具有大致板状的整体形状。该第一基部2的俯视下的外形在图示中为圆形，但不限于此，例如可以为四边形、五边形等多边形、椭圆形等。另外，在第一基部2的一个(图2中的上侧)面，更具体而言在第一基部2的第二基部3一侧的面，多个凸部21设置于远离轴线z1的位置。如图1所示，该多个凸部21沿以轴线z1为中心的同一圆周上相互以等间隔排列。另外，如图2所示，各凸部21的顶面211(端面)为平面。该顶面211的形状在图示中为四边形，但不限于此，例如可以为四边形、五边形等多边形、椭圆形等。另外，在第一基部2中，在远离轴线z1的位置设置有与施压螺栓6螺纹结合的多个阴螺纹22。该多个阴螺纹22沿以轴线z1为中心的同一圆周上相互以等间隔排列。
作为这种第一基部2的构成材料，没有特别的限定，例如可以列举不锈钢等金属材料、陶瓷等。此外，在图示中，凸部21与第一基部2所具有的板状的部分一体地形成，但该板状的部件也可以通过其他部件形成。这种情况下，凸部21及该板状部分的构成材料既可以彼此相同也可以不同。
[第二基部]
如图2所示，第二基部3具有大致板状的整体形状。该第二基部3的俯视下的外形在图示中为圆形，但不限于此，例如可以为四边形、五边形等多边形、椭圆形等。另外，在第二基部3中，对应于前述的第一基部2的多个阴螺纹22，在远离轴线z1的位置设置有供施压螺栓6插穿的多个贯通孔32。在各贯通孔32的上部形成有与施压螺栓6的头部61卡合的台阶部(扩径部)。
作为这种第二基部3的构成材料，没有特别的限定，与前述的第一基部2同样地，例如可以列举不锈钢等金属材料、陶瓷等。此外，第二基部3的构成材料与第一基部2的构成材料既可以相同也可以不同。
[传感器设备]
如图2所示，各传感器设备4包括：力检测元件41和收纳力检测元件41的外壳42。
外壳42包括：基部421，具有凹部，该凹部以设置有力检测元件41的设置面423作为底面的；与该基部421接合的盖体422，基部421的凹部被盖体422密封。从而，能够保护力检测元件41。在此，基部421设置于前述的第一基部2的凸部21的顶面211上。另外，与模拟电路基板7电连接的多个端子43设置于基部421的下表面。该多个端子43经由贯通基部421的贯通电极(未图示)而电连接于力检测元件41。另外，盖体422呈板状，其基部421一侧的面接触力检测元件41，另一方面，与基部421相反一侧的面接触第二基部3。
作为这种外壳42的基部421的构成材料，没有特别的限定，例如可以使用陶瓷等绝缘性材料等。另外，作为盖体422的构成材料，没有特别的限定，例如可以使用不锈钢等各种金属材料等。此外，基部421的构成材料和盖体422的构成材料既可以相同，也可以不同。另外，外壳42的俯视下的形状在图示中呈四边形，但不限于此，例如可以为五边形等其他多边形、圆形、椭圆形等。此外，力检测元件41的俯视形状在图示中为四边形，但不限于此，例如可以为五边形等其他多边形、圆形、椭圆形等。
力检测元件41具有输出如下电荷的功能：对应于施加于力检测元件41的外力的x轴方向分量的电荷Qx、对应于施加于力检测元件41的外力的y轴方向分量的电荷Qy、以及对应于施加于力检测元件41的外力的z轴方向分量的电荷Qz。如图3所示，该力检测元件41包括：对应于平行于y轴的外力(剪切力)而输出电荷Qy的压电元件5a、对应于平行于z轴的外力(压缩/拉伸力)而输出电荷Qz的压电元件5b、对应于平行于x轴的外力(剪切力)而输出电荷Qx的压电元件5c。在此，以压电元件5a、压电元件5b、压电元件5c的顺序层叠这些压电元件。另外，在压电元件5a与压电元件5b之间以及压电元件5b与压电元件5c之间分别夹设有绝缘性的粘接剂56，将其接合。此外，以下将每个压电元件5a、5b、5c也称为“压电元件5”。
压电元件5a、5b、5c分别包括：两个电极51、压电体52、两个电极53、压电体54、两个电极55，这些以该顺序层叠。
压电体52、54分别呈板状或者片状，由水晶构成。不过，如图3中箭头所示，构成压电体52、52的水晶的结晶轴即X轴(电轴)的方向分别按照压电元件5a、5b、5c互不相同。
在此，压电元件5a所具有的压电体52即压电体52a的X轴朝向图3中的右侧。压电元件5a所具有的压电体54即压电体54a的X轴朝向图3中的左侧。压电元件5b所具有的压电体52即压电体52b的X轴朝向图3中的上侧。压电元件5b所具有的压电体54即压电体54b的X轴朝向图3中的下侧。压电元件5c所具有的压电体52即压电体52c的X轴朝向图3中的纸面跟前侧。压电元件5c所具有的压电体54即压电体54c的X轴朝向图3中的纸面里侧。这种压电体52a、54a、52c、54c分别由Y切割水晶板构成，X轴的朝向按照52a、52c、54a、54c的顺序各错开90°。另外，压电体52b、54b分别由X切割水晶板构成，X轴的朝向彼此相差180°。
两个电极51在图3中左右分割而设置，沿y轴方向排列。同样地，两个电极53及两个电极55也在图3中左右分割而设置，沿y轴方向排列。而且，位于y轴方向上一侧的电极51、53、55在z轴方向上彼此重合配置。同样地，位于y轴方向上另一侧的电极51、53、55也在z轴方向上彼此重合配置。
而且，如图4所示，具有位于y轴方向上一侧(图中左侧)的电极51、53和位于电极51、53之间的压电体52而构成“压电元件50a”。同样地，具有位于y轴方向上另一侧(图中右侧)的电极51、53和位于电极51、53之间的压电体52而构成“压电元件50b”。另外，具有位于y轴方向上一侧(图中左侧)的电极53、55和位于电极53、55之间的压电体54而构成“压电元件50c”。同样地，具有位于y轴方向上另一侧(图中右侧)的电极53、55和位于电极53、55之间的压电体54而构成“压电元件50d”。此外，以下将每个压电元件50a、50b、50c、50d也称为“压电元件50”。
这样，压电元件50a、50b沿同一平面排列配置。从而，压电元件50a、50b在俯视下彼此不重合地配置。同样地，压电元件50c、50d也在俯视下彼此不重合地配置。
另外，两个电极51中的位于y轴方向上一侧(图中右侧)的电极51、两个电极53中的位于y轴方向上另一侧(图中左侧)的电极53经由配线57电连接。从而，压电元件50a、50b以串联方式电连接。同样地，两个电极53中的位于y轴方向上一侧(图中左侧)的电极53、两个电极55中的位于y轴方向上另一侧(图中右侧)的电极55经由配线58电连接。从而，压电元件50c、50d以串联方式电连接。
这样，通过将俯视下彼此不重合地配置的压电元件50a、50b以串联方式电连接的同时，将俯视下彼此不重合地配置的压电元件50c、50d以串联方式电连接，能够提高S/N比，而不引起压电元件5增大、耐负荷下降以及响应性下降。此外，关于这点，将于后述。
作为构成电极51、53、55的材料，只要为各自能够作为电极发挥作用的材料即可，没有特别的限定，例如，可以列举镍、金、钛、铝、铜、铁、铬以及包含这些的合金，可以将其中的一种或者两种以上组合(例如层叠)使用。
以上，对于力检测元件41进行了说明，构成力检测元件41的压电元件及压电体层的数量不限于前述的数量。例如，各压电元件5所具备的压电体层的数量可以为一个或者三个以上，力检测元件41所具有的压电元件5的数量可以为两个或者四个以上。
[施压螺栓(固定部件)]
如图2所示，多个施压螺栓6以通过第一基部2和第二基部3夹持传感器设备4(更具体而言为压电元件5)并施压的状态，将第一基部2和第二基部3相互固定。在此，在各施压螺栓6的一端部设置头部61，在另一端部设置阳螺纹62，各施压螺栓6从与第一基部2相反一侧插穿前述的第二基部3的贯通孔32。另外，头部61与贯通孔32的台阶部卡合的同时，阳螺纹62螺纹结合于前述的第一基部2的阴螺纹22。通过这样的多个施压螺栓6，能够利用第一基部2的凸部21的顶面211和第二基部3的下表面31隔着传感器设备4的外壳42夹持力检测元件41并施压。另外，通过适当调整各施压螺栓6的紧固力，能够作为施压向力检测元件41施加预定大小的z轴方向的压力。作为这种各施压螺栓6的构成材料，没有特别的限定，例如可以列举各种金属材料等。
此外，各施压螺栓6的位置及数量分别不限于图示的位置及数量。例如，也可以多个施压螺栓6中的至少两个距离轴线z1之间的距离彼此不同。另外，施压螺栓6的数量例如可以为三个以下或者五个以上。
[模拟电路基板]
模拟电路基板7配置于前述的第一基部2和第二基部3之间。因此，其优点在于，能够缩短配线从传感器设备4起的配线长度，有助于构造简化。在该模拟电路基板7上形成有第一基部2的各凸部21所插穿的贯通孔71、各施压螺栓6所插穿的贯通孔72。而且，模拟电路基板7被传感器设备4借助端子43而固定支承。
模拟电路基板7电连接于前述的传感器设备4所具有的多个端子43。如图5所示，模拟电路基板7具备电荷放大器9(转换输出电路)，该电荷放大器9将从传感器设备4的力检测元件41输出的电荷Q(Qx、Qy、Qz)分别转换为电压V(Vx、Vy、Vz)。
电荷放大器9包括运算放大器91(op amp)、电容器92(积分电容器)。运算放大器91包括反向输入端、非反向输入端及输出端，放大反向输入端和非反向输入端之间的电位差，将其放大的电压从输出端输出。运算放大器91的反向输入端电连接于由串联连接的多个压电元件50构成的压电元件5。另一方面，运算放大器91的非反向输入端电连接于接地电位。另外，在运算放大器91的反向输入端和输出端之间以并联方式电连接有电容器92。
在这种电荷放大器9中，从压电元件5输出的电荷(电荷信号)充电至电容器92，通过电容器92的电压(即，电荷在电容器92下的商值)求得的电压(电压信号)从运算放大器91的输出端输出。另外，虽然没有图示，与电容器92同样地，在运算放大器91的反向输入端和输出端之间并联连接有开关元件。通过该开关元件，能够将被充电至电容器92的电荷重置为零(0)。
[数字电路基板]
数字电路基板8配置于前述的第一基部2和第二基部3之间(更具体而言为第一基部2和模拟电路基板7之间)。由此，其优点在于，能够缩短从模拟电路基板7伸出的配线长度，有利于构造的简化。与前述的模拟电路基板7同样地，在该数字电路基板8上形成有第一基部2的各凸部21所插穿的贯通孔81、各施压螺栓6所插穿的贯通孔82。而且，数字电路基板8相对于凸部21通过嵌合或者粘接剂等被固定支承。
另外，数字电路基板8电连接于前述的模拟电路基板7。虽然没有图示，数字电路基板8具备外力检测电路，该外力检测电路基于来自模拟电路基板7的电压Vx、Vy、Vz，检测(运算)外力。该外力检测电路例如构成为包括：A/D转换器、连接于该A/D转换器的CPU等运算电路。
在此，数字电路基板8基于从模拟电路基板7输出的电压Vxa、Vya、Vza、Vxb、Vyb、Vzb、Vxc、Vyc、Vzc、Vxd、Vyd、Vzd，运算x轴方向的平移力分量Fx、y轴方向的平移力分量Fy、z轴方向的平移力分量Fz、绕x轴的旋转力分量Mx、绕y轴的旋转力分量My、绕z轴的旋转力分量Mz。各力分量能够通过下式求得。
Fx＝R1×(Vxa+Vxb+Vxc+Vxd)/4
Fy＝R1×(Vya+Vyb+Vyc+Vyd)/4
Fz＝R2×(Vza+Vzb+Vzc+Vzd)/4
Mx＝R2×(Vzd-Vzb)/2
My＝R2×(Vzc-Vza)/2
Mz＝R1×(Vxb-Vxd+Vya-Vyc)/4
在此，R1、R2为分别将电压转换为力的单位转换常数。另外，“电压Vxa、Vya、Vza”、“电压Vxb、Vyb、Vzb”、“电压Vxc、Vyc、Vzc”、“电压Vxd、Vyd、Vzd”为对应于四个传感器设备4(图1所示的传感器设备4a、4b、4c、4d)的电压Vx、Vy、Vz。
这样，力传感器1能够检测平移力分量Fx、Fy、Fz及旋转力分量Mx、My、Mz。此外，数字电路基板8除了前述的运算之外，例如还可以进行消除各转换输出电路间的灵敏度之差的校正等。
如前所述，以上所说明构成的力传感器1具备：基部421，具有设置面423；多个压电元件50(更具体而言为压电元件50a、50b或者压电元件50c、50d)，在沿设置面423的方向上排列配置，并且以串联方式电连接，接收外力而输出电荷。在此，各压电元件50a、50b包括两个电极51、53和配置于两个电极51、53之间的压电体52，在从两个电极51、53所排列的方向(z轴方向)观察的俯视(以下也简称为“俯视”)下彼此不重合地配置。同样地，各压电元件50c、50d包括两个电极53、55和配置于两个电极53、55之间的压电体54，在从两个电极53、55所排列的方向观察的俯视下彼此不重合地配置。此外，两个电极51、53或者两个电极53、55所排列的方向既可以称为压电元件50接收应检测的外力的方向，也可以称为各压电元件50的厚度方向，还可以称为设置面423的法线方向。
根据该力传感器1，由于沿设置面423排列配置的多个压电元件50(换言之，俯视下彼此不重合地配置的多个压电元件50)以串联方式电连接，因此与使用同一配置面积(同一俯视面积)的一个压电元件的情况相比较，能够减小噪声，其结果是，能够提高S/N比。这种S/N比的提高是因为以下理由。此外，以下，对于压电元件50a、50b进行了说明，但对于压电元件50c、50d也是同样。
在将压电元件50a、50b视为将与其俯视面积的合计相等的俯视面积的压电元件(以下称为“非分割的压电元件”)进行n(本实施方式中为2)分割的元件时，各压电元件50a、50b的单位面积所承受的力的大小与非分割的压电元件的单位面积所承受的力的大小相同。在此，接收力而从压电元件输出的电荷量与压电元件的俯视面积成正比，因此，当将从非分割的压电元件输出的电荷量设为Q时，从串联连接的压电元件50a、50b输出的电荷量为Q/n。
另外，压电元件50a、50b的元件噪声(热杂音电流)与压电元件50a、50b的漏电阻的路径成反比。另外，压电元件50a、50b各自的漏电阻相对于非分割的压电元件的漏电阻为n倍，串联连接的压电元件50a和压电元件50b的合成的漏电阻相对于非分割的压电元件的漏电阻为n2倍。因而，串联连接的压电元件50a和压电元件50b的合成的元件噪声相对于非分割的压电元件的元件噪声为分之一，因此，当将非分割的压电元件的元件噪声设为IND时，串联连接的压电元件50a和压电元件50b的合成的元件噪声为IND/n。
另一方面，如前所述，力传感器1具备被输入来自串联连接的压电元件50a、50b的电荷的电荷放大器9。电荷放大器9的电路噪声(运算放大器91的首段的晶体管的噪声)与连接于运算放大器91的输入侧的电容成正比地放大。作为该电容，在以压电元件的元件电容可支配的方式设计的情况下，压电元件50a、50b各自的元件电容相对于非分割的压电元件的元件电容为n分之一，串联连接的压电元件50a和压电元件50b的合成的元件电容相对于非分割的压电元件的漏电阻为n2分之一，因此当将使用非分割的压电元件的情况下的电路噪声为VNC时，使用串联连接的压电元件50a、50b的情况下的电路噪声为VNC/n2。
另外，压电元件50a、50b的元件噪声被压电元件50a、50b自身所具有的低通滤波器以极低频率的时间常数切断，仅极低频率的分量传递至运算放大器91，因此电路噪声作为噪声可支配。
因而，满足S/N∝Q/n/(VNC/n2)＝(Q/VNC)×n的关系。即，S/N比与分割数n成正比地增大。
如上所述，能够提高S/N比。此外，在未进行串联连接的情况下，为S/N∝Q/VNC，可知串联连接时S/N比较大。
另外，如前所述，力传感器1具备被输入电荷的电荷放大器9。由此，能够将从多个压电元件50输出的电荷(电荷信号)转换为电压(电压信号)。而且，基于来自电荷放大器9的电压信号，能够容易且高精度地运算施加于多个压电元件50的外力。另外，即便是微小电荷，也能够在压电元件50附近放大，其结果是，具有抗干扰强的优点。进一步地，由于将来自压电元件50的电荷传送至电容器92(储能电路电容)并保持，电压不施加于压电元件50的电极间，因此还具有如下优点：电荷不会由于元件漏电而从压电元件50的电极释放出，适合长时间工作。
在本实施方式中，多个压电元件50所具有的压电体52或者压电体54不按照每个压电元件50分割而为一体。即，压电体52或者压电体54在多个压电元件50中共用地设置。由此，压电体52、54的加工变得容易，其结果是，多个压电元件50的制造也变得容易。
另外，如前所述，压电体52、54由水晶构成。由此，能够实现具有高灵敏度、广动态范围、高刚性等优异特性的力传感器1
另外，如前所述，压电元件50在两个电极51、53或者两个电极53、55所排列的方向上层叠多个。由于力传感器1具备这样的多个压电元件50，因此能够实现力传感器1高灵敏度和检测轴的多轴化。
<第二实施方式>
图6是本发明的第二实施方式涉及的力传感器所具备的电荷输出元件(压电元件)的截面图。
以下，在第二实施方式中，以与前述实施方式的不同点为中心进行说明，关于同样的事项省略其说明。此外，在图6中，关于与前述的实施方式同样的构成，标注相同附图标记。
图6所示的电荷输出元件41A包括层叠的多个压电元件5A(5aA、5bA、5cA)。各压电元件5A包括：两个电极51、两个压电体52A、一个电极53A、两个压电体54A、两个电极55，这些以该顺序层叠。而且，各压电元件5A包括：两个压电元件50aA(50A)、50bA(50A)和两个压电元件50cA(50A)、50dA(50A)，其中，两个压电元件50aA(50A)、50bA(50A)包括电极51、53A及配置于其间的压电体52A而构成，两个压电元件50cA(50A)、50dA(50A)包括电极53A、55及配置于其间的压电体54A而构成。
在此，压电元件50aA所具有的压电体52A和压电元件50bA所具有的压电体52A相互分离，水晶的X轴的朝向彼此相差180°。同样地，压电元件50cA所具有的压电体54A和压电元件50dA所具有的压电体54A相互分离，水晶的X轴的朝向彼此相差180°。
而且，压电元件50aA、50bA以串联方式电连接。同样地，压电元件50cA、50dA以串联方式电连接。
在这种电荷输出元件41A中，由于俯视下相互不重合地配置的多个压电元件50A(压电元件50aA、50bA或者多个压电元件50cA、50dA)以串联方式电连接，因此与使用同一配置面积(同一俯视面积)的一个压电元件的情况相比较，能够减小噪声，其结果是，能够提高S/N比。
<第三实施方式>
图7是本发明的第三实施方式涉及的力传感器所具备的压电元件的截面图。
以下，在第三实施方式中，以与前述实施方式的不同点为中心进行说明，关于同样的事项省略其说明。此外，在图7中，关于与前述的实施方式同样的构成，标注相同附图标记。
图7所示的压电元件5B包括：三个电极51B、一个压电体52、三个电极53B、一个压电体54、三个电极55B，这些以该顺序层叠。而且，压电元件5B包括三个压电元件50B，该三个压电元件50B包括电极51B、53B及配置于其间的压电体52而构成，该三个压电元件50B以串联方式电连接。同样地，压电元件5B包括三个压电元件50B，该三个压电元件50B包括电极53B、55B及配置于其间的压电体54而构成，该三个压电元件50B以串联方式电连接。
这种具备压电体52或者压电体54的三个压电元件50B由于俯视下相互不重合地配置且以串联方式电连接，因此与使用同一配置面积(同一俯视面积)的一个压电元件的情况相比较，能够减小噪声，其结果是，能够提高S/N比。此外，这种具备压电元件50B的压电元件5B通过如前述的实施方式的压电元件5那样地层叠，能够构成能够检测三轴力的电荷输出元件。
<第四实施方式>
图8是本发明的第四实施方式涉及的力传感器所具备的压电元件的截面图。
以下，在第四实施方式中，以与前述实施方式的不同点为中心进行说明，关于同样的事项省略其说明。此外，在图8中，关于与前述的实施方式同样的构成，标注相同附图标记。
图8所示的压电元件5C包括：两个电极51B、51C、三个压电体52C、两个电极53B、53C、三个压电体54C、两个电极55B、55C，这些以该顺序层叠。而且，压电元件5C包括：具备电极51B、53C及配置于其间的压电体52C而构成的压电元件50C；具备电极51C、53C及配置于其间的压电体52C而构成的压电元件50C；具备电极51C、53B及配置于其间的压电体52C而构成的压电元件50C，这些压电元件50C以串联方式电连接。同样地，压电元件5C包括：具备电极53C、55B及配置于其间的压电体54C而构成的压电元件50C；具备电极53C、55C及配置于其间的压电体54C而构成的压电元件50C；具备电极53B、55C及配置于其间的压电体54C而构成的压电元件50C，这些压电元件50C以串联方式电连接。
这种具备压电体52C或者压电体54C的三个压电元件50C由于俯视下相互不重合地配置且以串联方式电连接，因此与使用同一配置面积(同一俯视面积)的一个压电元件的情况相比较，能够减小噪声，其结果是，能够提高S/N比。此外，这种具备压电元件50C的压电元件5C通过如前述的实施方式的压电元件5那样地层叠，能够构成能够检测三轴力的电荷输出元件。
(机器人)
以下，对于本发明的机器人，以单臂机器人为例进行说明。
图9为示出本发明的机器人的一例的立体图。
图9所示的机器人1000能够进行精密仪器或构成精密仪器的部件(对象物)的供材、除材、输送以及组装等的作业。该机器人1000为六轴机器人，包括：固定于地板或屋顶的基座1010；转动自如地连结于基座1010的臂1020；转动自如地连结于臂1020的臂1030；转动自如地连结于臂1030的臂1040；转动自如地连结于臂1040的臂1050；转动自如地连结于臂1050的臂1060；转动自如地连结于臂1060的臂1070；控制这些臂1020、1030、1040、1050、1060、1070的驱动的控制部1080。另外，在臂1070设置有手连接部，在手连接部安装有与使机器人1000执行的作业相对应的终端执行器1090。
在这种机器人1000中，检测施加于终端执行器1090的外力的力传感器1设置于终端执行器1090附近。而且，通过将力传感器1检测出的力反馈至控制部1080，机器人1000能够执行更为精密的作业。另外，根据力传感器1检测出的力，机器人1000能够探测终端执行器1090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下难以进行的障碍物回避动作、对象物损坏回避动作等，机器人1000能够更安全地执行作业。另外，作为其他方式，例如也可以将作为力矩传感器的力传感器1配置于各臂1020、1030、1040、1050、1060、1070的关节部。
如前所述，如以上那样的机器人1000具备力传感器1。由此，能够提高力传感器1的S/N比，例如，通过使用这种力传感器1的检测结果，能够进行机器人1000的高精度的动作控制。
此外，机器人1000所具有的臂数量在图示中为五个，但不限于此，可以为一～四个或者六个以上。
以上，基于图示的实施方式说明了本发明的力传感器及机器人，但本发明不限于此，各部分的构成可以置换为具有同样功能的任意构成。另外，也可以在本发明中附加其他任意的构成物。
另外，本发明可以是将前述的实施方式中任意两个以上的构成(特征)组合。
另外，也可以省略传感器设备所具有的外壳。
另外，关于向压电元件施加压力的固定部件，只要能够以通过第一基部和第二基部夹持压电元件而施压的状态将第一基部和第二基部彼此固定，不限于前述的施压螺栓那样的方式。另外，施压螺栓根据需要设置即可，既可以省略，也可以以不向压电元件施压的方式将第一基部和第二基部彼此固定。
另外，只要具有臂，本发明的机器人不限于单臂机器人，例如可以为双臂机器人、水平多关节机器人等其他机器人。
另外，本发明的力传感器可以组装于机器人以外的设备，例如可以搭载于汽车等移动体。
另外，在前述的实施方式中，以在压电元件所具有的压电体中使用水晶的情况为例进行了说明，该压电体只要为具有压电性的材料，不限于此，例如可以为钛酸铅(PbTiO3)、钛酸锆酸铅(Pb(Zr，Ti)O3)、锆酸铅(PbZrO3)、钛酸镧铅((Pb，La)，TiO3)、锆酸钛酸铅镧((Pb，La)(Zr，Ti)O3)、铌酸锆钛酸铅(Pb(Zr，Ti，Nb)O3)、镁铌酸锆钛酸铅(Pb(Zr，Ti)(Mg，Nb)O3)等。

Claims (12)

1.一种力传感器，其特征在于，具备接收外力而输出电荷的多个压电元件，
所述多个压电元件各自包括：两个电极；以及配置于所述两个电极之间的压电体，
所述多个压电元件在从所述两个电极排列的方向观察的俯视下相互不重合地配置，并且以串联方式电连接。
2.根据权利要求1所述的力传感器，其特征在于，
所述多个压电元件所具有的所述压电体为一体。
3.根据权利要求1所述的力传感器，其特征在于，
所述力传感器具备在所述两个电极排列的方向上层叠的多个所述压电元件。
4.根据权利要求1所述的力传感器，其特征在于，
所述压电体由水晶构成。
5.根据权利要求1所述的力传感器，其特征在于，
所述力传感器具备被输入所述电荷的电荷放大器。
6.一种力传感器，其特征在于，具备：
基部，具有设置面；以及
多个压电元件，在沿所述设置面的方向上排列配置，并且以串联方式电连接，接收外力而输出电荷。
7.一种机器人，其特征在于，具备权利要求1所述的力传感器。
8.一种机器人，其特征在于，具备权利要求2所述的力传感器。
9.一种机器人，其特征在于，具备权利要求3所述的力传感器。
10.一种机器人，其特征在于，具备权利要求4所述的力传感器。
11.一种机器人，其特征在于，具备权利要求5所述的力传感器。
12.一种机器人，其特征在于，具备权利要求6所述的力传感器。
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