JP2019152462A - Sensor device, force detector, and robot - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、センサーデバイス、力検出装置およびロボットに関するものである。 The present invention relates to a sensor device, a force detection device, and a robot.
特許文献1に記載されたセンサーデバイスである変動荷重検出パッドは、圧電板と、圧電板を挟む一対の電極板と、一対の電極板を挟む一対の絶縁板と、電極板と絶縁板との間に位置し、これらを接着する接着部材と、を有する。このようなセンサーデバイスでは、厚さ方向の圧縮荷重を受けると、受けた荷重の大きさに基づいた電荷が一対の電極板から出力される。
The variable load detection pad, which is a sensor device described in
ここで、上述のようなセンサーデバイスの感度を向上させるために、一対の押圧部材でセンサーデバイスを挟み、センサーデバイスを厚さ方向に与圧した状態で用いられる場合がある。その際、与圧がセンサーデバイスの面内に均一にかからないと、出力が不安定になるおそれがある。 Here, in order to improve the sensitivity of the sensor device as described above, the sensor device may be sandwiched between a pair of pressing members and used in a state where the sensor device is pressurized in the thickness direction. At that time, if the applied pressure is not uniformly applied to the surface of the sensor device, the output may become unstable.
本発明の目的は、安定した検出特性を発揮することのできるセンサーデバイス、力検出装置およびロボットを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a sensor device, a force detection device, and a robot that can exhibit stable detection characteristics.
本発明の一態様は、第1部材と、
第2部材と、
前記第1部材と前記第2部材との間に配置されている圧電素子と、
前記第1部材と前記圧電素子との間に配置されている第1中間基板と、
前記第2部材と前記圧電素子との間に配置されている第2中間基板と、
前記第1部材と前記第1中間基板との間に配置されている第1樹脂層と、
前記第2部材と前記第2中間基板との間に配置されている第2樹脂層と、を有し、
前記第1樹脂層のヤング率は、前記第1部材のヤング率および前記第1中間基板のヤング率より小さく、
前記第2樹脂層のヤング率は、前記第2部材のヤング率および前記第2中間基板のヤング率より小さいセンサーデバイスである。
このように、第1部材と第1中間基板との間に第1樹脂層を設け、第2部材と第2中間基板との間に第2樹脂層を設けることにより、圧電素子に加えられる与圧の均一度が高められ、圧電素子からの出力値が安定する。そのため、センサーデバイスは、安定した検出特性を発揮することができ、受けた外力をより精度よく検出することができる。
One aspect of the present invention includes a first member,
A second member;
A piezoelectric element disposed between the first member and the second member;
A first intermediate substrate disposed between the first member and the piezoelectric element;
A second intermediate substrate disposed between the second member and the piezoelectric element;
A first resin layer disposed between the first member and the first intermediate substrate;
A second resin layer disposed between the second member and the second intermediate substrate,
The Young's modulus of the first resin layer is smaller than the Young's modulus of the first member and the Young's modulus of the first intermediate substrate,
The second resin layer is a sensor device having a Young's modulus smaller than that of the second member and Young's modulus of the second intermediate substrate.
As described above, the first resin layer is provided between the first member and the first intermediate substrate, and the second resin layer is provided between the second member and the second intermediate substrate. The uniformity of the pressure is increased, and the output value from the piezoelectric element is stabilized. Therefore, the sensor device can exhibit stable detection characteristics and can detect the received external force more accurately.
本発明の一態様では、前記第1樹脂層の厚さと、前記第2樹脂層の厚さと、が等しいことが好ましい。
これにより、力検出素子の両側からバランスよく外力が伝達されるため、力検出素子からの出力値が安定する。そのため、センサーデバイスは、安定した検出特性を発揮することができ、受けた外力をより精度よく検出することができる。
In one aspect of the present invention, it is preferable that the thickness of the first resin layer is equal to the thickness of the second resin layer.
As a result, the external force is transmitted in a balanced manner from both sides of the force detection element, so that the output value from the force detection element is stabilized. Therefore, the sensor device can exhibit stable detection characteristics and can detect the received external force more accurately.
本発明の一態様では、前記第1樹脂層の材料と、前記第2樹脂層の材料と、が同じであることが好ましい。
これにより、力検出素子の両側からバランスよく外力が伝達されるため、力検出素子からの出力値が安定する。そのため、センサーデバイスは、安定した検出特性を発揮することができ、受けた外力をより精度よく検出することができる。
In one embodiment of the present invention, the material of the first resin layer and the material of the second resin layer are preferably the same.
As a result, the external force is transmitted in a balanced manner from both sides of the force detection element, so that the output value from the force detection element is stabilized. Therefore, the sensor device can exhibit stable detection characteristics and can detect the received external force more accurately.
本発明の一態様では、前記第1樹脂層および前記第2樹脂層は、それぞれ、フィラーを含んでいることが好ましい。
これにより、第1、第2樹脂層の厚さを制御したり、第1、第2樹脂層の特性(樹脂粘度、熱膨張率等)を制御したりすることが容易となる。
In one aspect of the present invention, it is preferable that the first resin layer and the second resin layer each contain a filler.
This makes it easy to control the thicknesses of the first and second resin layers and to control the characteristics (resin viscosity, coefficient of thermal expansion, etc.) of the first and second resin layers.
本発明の一態様では、前記フィラーは、第1の最大径を有する第1フィラーと、前記第1の最大径より小さい第2の最大径を有する第2フィラーと、を含み、
前記第1フィラーのヤング率は、前記第2フィラーのヤング率より大きいことが好ましい。
これにより、第1フィラーがギャップ材として機能し、第2フィラーが与圧を受けた時に第1フィラーが変形するより先に変形するため、ギャップ変化(面間平行度ずれ)が抑制される。
In one aspect of the present invention, the filler includes a first filler having a first maximum diameter, and a second filler having a second maximum diameter smaller than the first maximum diameter,
The Young's modulus of the first filler is preferably larger than the Young's modulus of the second filler.
Thereby, since a 1st filler functions as a gap material and it deform | transforms before a 1st filler deform | transforms when a 2nd filler receives a pressurization, a gap change (parallelism deviation | shift between planes) is suppressed.
本発明の一態様では、前記第1部材と前記第2部材とに接続される枠状部材を備え、
前記枠状部材は、前記圧電素子を囲む枠形状を有することが好ましい。
これにより、より圧力(与圧)がかかった時に外部から圧力変動要因が加わり難くなる。
In one aspect of the present invention, a frame-shaped member connected to the first member and the second member,
The frame member preferably has a frame shape surrounding the piezoelectric element.
This makes it difficult for pressure fluctuation factors to be applied from the outside when more pressure (pressurization) is applied.
本発明の一態様では、前記第1部材および前記第2部材は、金属材料からなることが好ましい。
これにより、比較的高い剛性を有すると共に、応力が加えられたときに適度に弾性変形する第1部材および第2部材となる。そのため、第1部材および第2部材を介して外力を圧電素子に的確に伝達することができると共に、その外力による第1部材および第2部材の破損のおそれを低減することができる。
In one aspect of the present invention, the first member and the second member are preferably made of a metal material.
As a result, the first member and the second member have relatively high rigidity and elastically deform appropriately when stress is applied. Therefore, an external force can be accurately transmitted to the piezoelectric element via the first member and the second member, and the risk of damage to the first member and the second member due to the external force can be reduced.
本発明の一態様では、前記第1樹脂層および前記第2樹脂層は、それぞれ、絶縁性を有することが好ましい。
これにより、第1樹脂層を介して力検出素子と第1部材とが導通し、第2樹脂層を介して力検出素子と第2樹脂層とが導通することを抑制することができる。そのため、意図しない電気経路の形成が抑制され、力検出素子からの出力値が安定する。したがって、センサーデバイスは、安定した検出特性を発揮することができ、受けた外力をより精度よく検出することができる。
In one aspect of the present invention, it is preferable that the first resin layer and the second resin layer each have an insulating property.
Thereby, it can suppress that a force detection element and a 1st member conduct | electrically_connect through a 1st resin layer, and a force detection element and a 2nd resin layer conduct | electrically_connect through a 2nd resin layer. Therefore, the formation of an unintended electric path is suppressed, and the output value from the force detection element is stabilized. Therefore, the sensor device can exhibit stable detection characteristics, and can detect the received external force with higher accuracy.
本発明の一態様では、前記第1部材と前記第1中間基板とは、前記第1樹脂層を介して接着されており、
前記第2部材と前記第2中間基板とは、前記第2樹脂層を介して接着されていることが好ましい。
これにより、第1部材と第2部材との間での力検出素子の姿勢が安定するため、第1部材および第2部材を介して、外力を力検出素子に的確に伝達することができる。また、力検出素子に与圧が均一に加わるようになり、力検出素子からの出力値が安定する。そのため、センサーデバイスは、安定した検出特性を発揮することができ、受けた外力をより精度よく検出することができる。
In one aspect of the present invention, the first member and the first intermediate substrate are bonded via the first resin layer,
It is preferable that the second member and the second intermediate substrate are bonded via the second resin layer.
Thereby, since the attitude | position of the force detection element between a 1st member and a 2nd member is stabilized, an external force can be correctly transmitted to a force detection element via a 1st member and a 2nd member. Further, the pressure is uniformly applied to the force detection element, and the output value from the force detection element is stabilized. Therefore, the sensor device can exhibit stable detection characteristics and can detect the received external force more accurately.
本発明の一態様では、前記第1部材と前記第2部材とが並ぶ方向を第1方向とし、前記第1方向に直交する方向を第2方向としたとき、
前記圧電素子と前記第2方向に並んで配置され、前記圧電素子と接触している導電性部材を有し、
前記第1方向からの平面視で、前記導電性部材は、前記第2樹脂層と重なっていることが好ましい。
これにより、第2部材と接続部材との導通を抑制することができ、信頼性の高いセンサーデバイスとなる。
In one aspect of the present invention, when the direction in which the first member and the second member are arranged is the first direction, and the direction orthogonal to the first direction is the second direction,
A conductive member disposed in line with the piezoelectric element in the second direction and in contact with the piezoelectric element;
It is preferable that the conductive member overlaps the second resin layer in plan view from the first direction.
Thereby, conduction between the second member and the connection member can be suppressed, and a highly reliable sensor device is obtained.
本発明の一態様では、前記第1中間基板および前記第2中間基板は、それぞれ、水晶で構成されていることが好ましい。
これにより、高い機械的強度を有する第1、第2中間基板となり、外力を力検出素子に的確に伝達することができる。
In one aspect of the present invention, it is preferable that each of the first intermediate substrate and the second intermediate substrate is made of quartz.
Thereby, it becomes the 1st, 2nd intermediate board which has high mechanical strength, and can transmit external force to a force detection element exactly.
本発明の一態様では、前記第1部材と前記第2部材とが並ぶ方向を第1方向としたとき、
前記圧電素子は、前記第1方向に並んで配置されている水晶からなる複数の圧電体層を有し、
前記複数の圧電体層のうちの最も前記第1中間基板側にある圧電体層の結晶軸と、前記第1中間基板の結晶軸と、が一致し、
前記複数の圧電体層のうちの最も前記第2中間基板側にある圧電体層の結晶軸と、前記第2中間基板の結晶軸と、が一致していることが好ましい。
このように、第1中間基板の結晶軸を隣接する圧電体層の結晶軸と一致させ、第2中間基板の結晶軸を隣接する圧電体層の結晶軸と一致させることにより、これらの熱膨張係数を揃えることができ、熱膨張に起因する出力ドリフトを効果的に低減することができる。
In one aspect of the present invention, when the first direction is the direction in which the first member and the second member are aligned,
The piezoelectric element has a plurality of piezoelectric layers made of quartz arranged side by side in the first direction,
The crystal axis of the piezoelectric layer closest to the first intermediate substrate among the plurality of piezoelectric layers and the crystal axis of the first intermediate substrate coincide with each other,
It is preferable that the crystal axis of the piezoelectric layer closest to the second intermediate substrate among the plurality of piezoelectric layers and the crystal axis of the second intermediate substrate coincide with each other.
In this way, the thermal expansion of the first intermediate substrate is made to coincide with the crystal axis of the adjacent piezoelectric layer, and the crystal axis of the second intermediate substrate is made to coincide with the crystal axis of the adjacent piezoelectric layer. The coefficients can be made uniform, and the output drift due to thermal expansion can be effectively reduced.
本発明の一態様では、前記第1中間基板は、前記複数の圧電体層のうちの最も前記第1中間基板側にある前記圧電体層の厚さより大きい厚さを有し、
前記第2中間基板は、前記複数の圧電体層のうちの最も前記第2中間基板側にある前記圧電体層の厚さより大きい厚さを有していることが好ましい。
これにより、圧電体層により均一な圧力(与圧)をかけることができ、また、耐衝撃性も向上する。
In one aspect of the present invention, the first intermediate substrate has a thickness larger than the thickness of the piezoelectric layer closest to the first intermediate substrate among the plurality of piezoelectric layers,
It is preferable that the second intermediate substrate has a thickness larger than the thickness of the piezoelectric layer closest to the second intermediate substrate among the plurality of piezoelectric layers.
Thereby, a uniform pressure (pressurization) can be applied to the piezoelectric layer, and the impact resistance is also improved.
本発明の一態様は、第1基部と、
第2基部と、
前記第1基部と前記第2基部との間に設けられる本発明の一態様のセンサーデバイスと、を備える力検出装置である。
このような力検出装置によれば、本発明の一態様のセンサーデバイスを備えているため、より精度よく外力を検出することができる。
One aspect of the present invention includes a first base,
A second base;
And a sensor device according to one aspect of the present invention provided between the first base and the second base.
According to such a force detection device, since the sensor device according to one aspect of the present invention is provided, the external force can be detected with higher accuracy.
本発明の一態様は、基台と、
前記基台に接続されるアームと、
本発明の一態様の力検出装置と、を備えるロボットである。
このようなロボットによれば、本発明の一態様の力検出装置を備えているため、より精密な作業を実行することができる。
One embodiment of the present invention includes a base;
An arm connected to the base;
A force detection device according to one embodiment of the present invention.
According to such a robot, since the force detection device of one embodiment of the present invention is provided, more precise work can be executed.
以下、本発明のセンサーデバイス、力検出装置およびロボットを添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, a sensor device, a force detection device, and a robot of the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the accompanying drawings.
<第1実施形態>
まず、本発明の第1実施形態に係るセンサーデバイスについて説明する。
<First Embodiment>
First, the sensor device according to the first embodiment of the present invention will be described.
図1は、本発明の第1実施形態に係るセンサーデバイスの平面図である。図2は、図1に示すセンサーデバイスの断面図である。図3は、図1に示すセンサーデバイスが有する力検出素子の断面図である。図4は、図3に示す力検出素子の斜視図である。図5は、図1に示すセンサーデバイスが有する第1樹脂層および第2樹脂層の断面図である。 FIG. 1 is a plan view of a sensor device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view of the sensor device shown in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view of a force detection element included in the sensor device shown in FIG. FIG. 4 is a perspective view of the force detection element shown in FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view of the first resin layer and the second resin layer that the sensor device shown in FIG. 1 has.
なお、以下では、説明の便宜上、互いに直交する3つの軸をA軸、B軸およびC軸とし、さらに、各軸を示す矢印の先端側を「プラス側」とし、基端側を「マイナス側」とする。また、A軸に平行な方向を「A軸方向(第1方向)」、B軸に平行な方向を「B軸方向(第2方向)」、C軸に平行な方向を「C軸方向」という。また、C軸方向プラス側を「上」、C軸方向マイナス側を「下」ともいう。また、C軸方向から見たもの(基体21の平面視)を「平面視」ともいう。 In the following, for convenience of explanation, three axes that are orthogonal to each other are referred to as an A axis, a B axis, and a C axis, and the tip side of an arrow indicating each axis is referred to as “plus side”, and the base end side is referred to as “minus side”. " The direction parallel to the A axis is the “A axis direction (first direction)”, the direction parallel to the B axis is the “B axis direction (second direction)”, and the direction parallel to the C axis is the “C axis direction”. That's it. Further, the positive side in the C axis direction is also referred to as “upper”, and the negative side in the C axis direction is also referred to as “lower”. Further, what is viewed from the C-axis direction (plan view of the base 21) is also referred to as “plan view”.
図1に示すセンサーデバイス1は、パッケージ2と、パッケージ2に収納された力検出素子3(力検出部)と、を有する。センサーデバイス1は、例えば、後述する力検出装置100のように、C軸方向から挟まれて、力検出素子3が与圧された状態で使用される(図9参照)。そして、センサーデバイス1に加わる外力(A軸方向のせん断力およびB軸方向のせん断力)がパッケージ2を介して力検出素子3に伝わり、受けた外力に基づく信号(電荷)が力検出素子3から出力される。
A
図1に示すように、パッケージ2は、平面視で、略正方形となっている。ただし、パッケージ2の平面視形状は、特に限定されず、例えば、円形、楕円形、三角形、正方形以外の四角形(長方形、平行四辺形、台形)、五角形以上の多角形、異形等、いかなる形状であってもよい。
As shown in FIG. 1, the
また、図2に示すように、パッケージ2は、基体21と、基体21に接合された蓋体24(第1部材)と、を有する。パッケージ2の内側には気密な収納空間Sが形成され、収納空間Sに力検出素子3が収納されている。パッケージ2に力検出素子3を収納することにより、力検出素子3を外界から保護(防塵、防水)することができる。収納空間Sの雰囲気としては、特に限定されないが、真空状態またはそれに近い状態(減圧状態)であることが好ましい。具体的には、収納空間Sは、0.01Pa以上1000Pa以下であることが好ましい。ただし、これに限定されず、収納空間Sは、真空状態の他、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスで置換されていてもよい。
As shown in FIG. 2, the
また、図2に示すように、基体21は、基部22(枠状部材)と、底部材23(第2部材)と、を有する。基部22は、上面に開口する凹部221と、下面に開口する凹部222と、凹部221、222の底面の中央部同士を貫通する貫通孔223と、を有する。そのため、基部22は、枠状をなしている。また、底部材23は、板状をなし、貫通孔223の下側開口を塞ぐようにして凹部222の底面に接合されている。そのため、貫通孔223と底部材23とによって、凹部221の底面の中央部に開口する凹部224が形成される。そして、凹部224内に挿入されるようにして力検出素子3が配置されている。
Further, as shown in FIG. 2, the
また、図2に示すように、凹部221の底面には複数の内部端子27が設けられており、基体21の下面には内部端子27と電気的に接続された複数の外部端子28が設けられている。
Further, as shown in FIG. 2, a plurality of
基部22の構成材料としては、絶縁性を有する材料であることが好ましく、例えば、アルミナ、ジルコニア等の酸化物系のセラミックス、炭化ケイ素等の炭化物系のセラミックス、窒化ケイ素等の窒化物系のセラミックス等の各種セラミックスを主成分とすることが好ましい。これにより、適度な剛性を有すると共に、絶縁性に優れる基部22となる。そのため、パッケージ2の変形による損傷が生じ難く、内部に収容された力検出素子3をとり確実に保護することができる。
The constituent material of the
また、底部材23の構成材料としては、特に限定されず、例えば、ステンレス鋼、コバール、銅、鉄、炭素鋼、チタン等の各種金属材料等が挙げられるが、中でも特にコバールであることが好ましい。これにより、比較的高い剛性を有すると共に、応力が加えられたときに適度に弾性変形する底部材23となる。そのため、底部材23を介して外力を力検出素子3に的確に伝達することができると共に、その外力による底部材23の破損のおそれを低減することができる。また、コバールは、基部22の構成材料であるセラミックスと比較的近い熱膨張係数を有するため、基体21に熱応力(基部22と底部材23との熱膨張係数の差に起因する撓み)が生じ難く、熱応力に起因した出力ドリフトを効果的に抑制することができる。また、低コストで平坦面に加工し易いというメリットもある。
In addition, the constituent material of the
図2に示すように、蓋体24は、板状をなし、凹部221のC軸方向プラス側に形成された開口を塞ぐようにしてシール部材20(接合部材)を介して基部22の上面に接合されている。シール部材20としては、基体21と蓋体24とを接合することができれば、特に限定されず、例えば、金、銀、チタニウム、アルミニウム、銅、鉄またはこれらを含む合金等で構成することができる。
As shown in FIG. 2, the
蓋体24は、中央部241と、中央部241を囲み、外縁に沿った枠状をなす外縁部242と、中央部241と外縁部242との間に位置し、これらを接続する接続部243と、を有する。そして、蓋体24は、外縁部242においてシール部材20を介して基部22の上面に接合されている。また、中央部241は、外縁部242に対し底部材23とは反対側(C軸方向プラス側)にずれて位置している。そして、接続部243は、外縁部242と中央部241とを接続するために傾斜し、C軸方向プラス側に向けて幅が小さくなるテーパー状となっている。ただし、蓋体24の形状としては、特に限定されず、例えば、接続部243は、C軸方向に沿って幅が一定のストレート状となっていてもよい。また、蓋体24は、平板状であってもよいし、本実施形態とは逆に、中央部241が凹んでいてもよい。
The
このような蓋体24の構成材料としては、特に限定されず、前述した底部材23と同様、ステンレス鋼、コバール、銅、鉄、炭素鋼、チタン等の各種金属材料等が挙げられるが、中でも特にコバールであることが好ましい。これにより、底部材23と同様に、外力を力検出素子3により正確に伝達することができると共に、その外力によって蓋体24が破損することを低減することができる。なお、蓋体24の構成材料は、底部材23の構成材料と同じであっても異なっていてもよいが、同じであることが好ましい。これにより、パッケージ2に加えられた外力を力検出素子3により正確に伝達することができる。
The constituent material of the
力検出素子3は、力検出素子3に加えられた外力のA軸方向の成分に応じた電荷Qa(第1電荷)およびB軸方向の成分に応じた電荷Qb(第2電荷)を出力する機能を有する。力検出素子3は、図3に示すように、圧電素子30と、圧電素子30をC軸方向から挟む一対の中間基板33、34(第1、第2中間基板)と、を有する。また、圧電素子30は、A軸方向の外力(せん断力)に応じて電荷Qaを出力する第1圧電素子31と、B軸方向の外力(せん断力)に応じて電荷Qbを出力する第2圧電素子32と、を有する。
The
第1圧電素子31は、下側(C軸方向マイナス側)から、グランド電極層311、圧電体層312、出力電極層313、圧電体層314、グランド電極層315、圧電体層316、出力電極層317、圧電体層318、グランド電極層319が順に積層した構成となっている。また、第2圧電素子32は、第1圧電素子31上に積層されており、下側(C軸方向マイナス側)から、グランド電極層321、圧電体層322、出力電極層323、圧電体層324、グランド電極層325、圧電体層326、出力電極層327、圧電体層328、グランド電極層329が順に積層した構成となっている。なお、本実施形態では、グランド電極層319、321が一体化(共通化)されている。
The first
また、圧電体層312、314、316、318、322、324、326、328は、それぞれ、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素子3となる。圧電体層312、316では、水晶の結晶軸であるX軸(電気軸)が図3中の右側(A軸方向プラス側)を向き、圧電体層314、318では、水晶のX軸が図3中の左側(A軸方向マイナス側)を向いている。また、圧電体層322、326では、水晶のX軸が図3中の紙面奥側(B軸方向プラス側)を向き、圧電体層324、328では、水晶のX軸が図3中の紙面手前側(B軸方向マイナス側)を向いている。これら各圧電体層312、314、316、318、322、324、326、328は、それぞれ、Yカット水晶板(水晶のY軸(機械軸)を厚さ方向とする水晶板)で構成されている。
The
ただし、圧電体層312、314、316、318、322、324、326、328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)O3)、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等が挙げられる。
However, the
また、グランド電極層311、315、319(321)、325、329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。そして、出力電極層313、317からA軸方向の成分に応じた電荷Qaが出力され、出力電極層323、327からB軸方向の成分に応じた電荷Qbが出力される。これらグランド電極層311、315、319(321)、325、329および出力電極層313、317、323、327の構成材料としては、特に限定されず、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。 In addition, the ground electrode layers 311, 315, 319 (321), 325, and 329 are each electrically connected to a reference potential (for example, the ground potential GND). Then, the charge Qa corresponding to the component in the A-axis direction is output from the output electrode layers 313 and 317, and the charge Qb corresponding to the component in the B-axis direction is output from the output electrode layers 323 and 327. The constituent materials of the ground electrode layers 311, 315, 319 (321), 325, 329 and the output electrode layers 313, 317, 323, 327 are not particularly limited. For example, nickel, gold, titanium, aluminum, copper, Examples thereof include iron, chromium, alloys containing these, and the like, and one or more of these can be used in combination (for example, laminated).
一対の中間基板33、34は、圧電素子30を上下から挟み込むように配置されている。具体的には、圧電素子30の上面に中間基板33が配置され、下面に中間基板34が配置されている。これにより、中間基板33、34によってグランド電極層311、329を覆うことができ、グランド電極層311、329を保護することができると共に、グランド電極層311、329がパッケージ2と接触して意図しない導通が生じることを抑制することができる。また、C軸方向の与圧を圧電素子30の全域に均一に伝えることができる。なお、中間基板33、34は、それぞれ、図示しない接着剤等を介して圧電素子30に接着(接合)されている。
The pair of
中間基板33、34は、水晶で構成されている。これにより、高い機械的強度を有する中間基板33、34となり、外力を力検出素子3に的確に伝達することができる。さらに、中間基板33は、隣接する圧電体層328と同じ構成となっている。すなわち、中間基板33は、圧電体層328と同様に、Yカット水晶板から形成されており、水晶のX軸が図4中の紙面手前側(B軸方向マイナス側)を向いている。同様に、中間基板34は、隣接する圧電体層312と同じ構成となっている。すなわち、中間基板34は、圧電体層312と同様に、Yカット水晶板から形成されており、水晶のX軸が図4中の右側(A軸方向プラス側)を向いている。このように、中間基板33の結晶軸を隣接する圧電体層328の結晶軸と一致させ、中間基板34の結晶軸を隣接する圧電体層312の結晶軸と一致させることにより、これらの熱膨張係数を揃えることができ、熱膨張に起因する出力ドリフトを効果的に低減することができる。
The
なお、中間基板33の結晶軸と圧電体層328の結晶軸とが一致しているとは、中間基板33の結晶軸と圧電体層328の結晶軸とが完全に一致している場合の他、中間基板33の結晶軸と圧電体層328の結晶軸とが僅かに(例えば、5°以内程度)ずれている場合(例えば、製造上生じ得る誤差が生じている場合)も含む意味である。また、中間基板33の結晶軸は、圧電体層328の結晶軸と一致しなくてもよいし、中間基板34の結晶軸は、圧電体層312の結晶軸と一致しなくてもよい。また、中間基板33、34は、それぞれ、水晶以外の圧電体から構成されていてもよいし、圧電体以外の導電性を有さない材料を用いた構成であってもよい。
The crystal axis of the
また、中間基板33は、直下にある圧電体層328の厚さより大きい厚さを有し、中間基板34は、直上にある中間基板34側にある圧電体層312の厚さより大きい厚さを有している。そのため、圧電素子30により均一な圧力(与圧)をかけることができ、また、耐衝撃性も向上する。
Further, the
また、図4に示すように、力検出素子3の全体形状は、直方体である。すなわち、力検出素子3は、中間基板33の上面である上面3aと、中間基板34の下面である下面3bと、これら上面3aと下面3bとを接続する4つの側面3c、3d、3e、3fと、を有する。ただし、力検出素子3の形状としては、特に限定されず、例えば、円柱形、三角柱形、正方形以外の四角柱形(長方形、台形、平行四辺形等)、五角柱形以上の多角柱形等、いかなる形状であってもよい。
Moreover, as shown in FIG. 4, the whole shape of the
そして、A軸方向プラス側を向く側面3cには、各グランド電極層311、315、319(321)、325、329と電気的に接続された接続電極391と、各出力電極層323、327と電気的に接続された接続電極392と、が幅方向(B軸方向)に並んで設けられている。また、側面3cと対向し、A軸方向マイナス側を向く側面3eには、各グランド電極層311、315、319(321)、325、329と電気的に接続された接続電極393と、各出力電極層313、317と電気的に接続された接続電極394と、が幅方向(B軸方向)に並んで設けられている。
On the
そして、接続電極391は、接続部材261を介して内部端子27と電気的に接続され、接続電極392は、接続部材262を介して内部端子27と電気的に接続され、接続電極393は、接続部材263を介して内部端子27と電気的に接続され、接続電極394は、接続部材264を介して内部端子27と電気的に接続されている。これら接続部材261、262、263、264としては、特に限定されず、例えば、Agペースト、Cuペースト、Auペースト等の各種金属ペーストを用いることができる。
The
ただし、接続電極391、392、393、394の配置としては、特に限定されない。例えば、接続電極391、392、393、394は、それぞれ、力検出素子3の異なる側面に別れて配置されていてもよいし、力検出素子3の1つの側面にまとめて配置されていてもよい。また、接続電極391、392、393、394は、力検出素子3の上面3aや下面3bに配置されていてもよい。
However, the arrangement of the
以上、力検出素子3について説明した。図2に示すように、このような力検出素子3は、底部材23と蓋体24の中央部241との間に位置しており、その下端部が凹部224内に挿入されている。そして、力検出素子3と蓋体24との間には第1樹脂層41が設けられており、力検出素子3と底部材23との間には第2樹脂層42が設けられている。以下、これら第1、第2樹脂層41、42について詳細に説明する。
The
図2に示すように、第1樹脂層41は、力検出素子3の上面3a(中間基板33の上面)と蓋体24の中央部241との間に位置している。このような第1樹脂層41は、接着剤として機能し、力検出素子3の上面3aと蓋体24の内面240とが第1樹脂層41を介して接着(接合)されている。一方、第2樹脂層42は、力検出素子3の下面3b(中間基板34の下面)と底部材23との間に位置している。このような第2樹脂層42は、接着剤として機能し、力検出素子3の下面3bと底部材23の上面231とが第2樹脂層42を介して接着(接合)されている。
As shown in FIG. 2, the
このように、力検出素子3と蓋体24とを第1樹脂層41を用いて接着し、力検出素子3と底部材23とを第2樹脂層42を用いて接着することにより、パッケージ2内での力検出素子3の姿勢が安定し、パッケージ2(底部材23および蓋体24)を介して外力を力検出素子3に的確に伝達することができる。また、力検出素子3に与圧が均一に加わるようになり、力検出素子3からの出力値が安定する。そのため、センサーデバイス1は、受けた外力をより精度よく検出することができる。ただし、第1樹脂層41は、接着性を有さず、力検出素子3と蓋体24との間にこれらと接着されずに配置されているだけでもよい。同様に、第2樹脂層42は、接着性を有さず、力検出素子3と底部材23との間にこれらと接着されずに配置されているだけでもよい。
In this manner, the
また、第1樹脂層41は、平面視で、上面3aの全域を内包するように配置されている。すなわち、第1樹脂層41は、上面3aの全域と接着している。同様に、第2樹脂層42は、平面視で、下面3bの全域を内包するように配置されている。すなわち、第2樹脂層42は、下面3bの全域と接着している。これにより、より確実に、応力の局所的な集中を低減(好ましくは防止)することができ、力検出素子3に与圧が均一に加わるようになる。したがって、力検出素子3からの出力値が安定し、センサーデバイス1は、受けた外力をより精度よく検出することができる。ただし、第1樹脂層41は、上面3aの全域と接着していなくてもよいし、第2樹脂層42は、下面3bの全域と接着していなくてもよい。
Further, the
また、第1樹脂層41は、力検出素子3の側面3c、3d、3e、3fに回り込み、側面3c、3d、3e、3fに接着されたフィレット部411を有している。同様に、第2樹脂層42は、力検出素子3の側面3c、3d、3e、3fに回り込んでおり、側面3c、3d、3e、3fに接着されたフィレット部421を有している。これにより、力検出素子3と蓋体24および底部材23とをより強固に接着することができる。ただし、第1樹脂層41は、フィレット部411を有していなくてもよいし、第2樹脂層42は、フィレット部421を有していなくてもよい。
The
このような第1、第2樹脂層41、42は、それぞれ、絶縁性を有している。すなわち、第1、第2樹脂層41、42は、それぞれ、十分に高い電気抵抗値(例えば、100MΩ以上)を有している。これにより、第1樹脂層41を介して力検出素子3と蓋体24とが導通し、第2樹脂層42を介して力検出素子3と底部材23とが導通することを抑制することができる。そのため、意図しない電気経路の形成が抑制され、力検出素子3からの出力値が安定する。したがって、センサーデバイス1は、受けた外力をより精度よく検出することができる。
Each of the first and second resin layers 41 and 42 has an insulating property. That is, each of the first and second resin layers 41 and 42 has a sufficiently high electric resistance value (for example, 100 MΩ or more). Thereby, it is suppressed that the
また、図1および図2に示すように、第2樹脂層42は、接続部材261、262、263、264と底部材23との間に位置し、さらには、平面視で、接続部材261、262、263、264と重なっている。そのため、仮に、接続部材261、262、263、264が凹部224内を流動して凹部224の底面に到達したとしても、第2樹脂層42によって、接続部材261、262、263、264と底部材23との接触が抑制される。そのため、底部材23を介して、接続部材261、262、263、264が電気的に接続されてしまうことを効果的に抑制することができ、信頼性の高いセンサーデバイス1となる。特に、本実施形態では、凹部224の底面の全域を覆うように第2樹脂層42が設けられているため、底部材23が凹部224内に露出せず、上述した効果をより顕著に発揮することができる。ただし、第2樹脂層42は、平面視で、接続部材261、262、263、264と重なっていなくてもよい。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
また、第1、第2樹脂層41、42は、同じ材料で構成されていてもよいし、異なる材料で構成されていてもよいが、本実施形態では、同じ材料で構成されている。第1、第2樹脂層41、42を同じ材料で構成することにより、力検出素子3の両側からバランスよく外力が伝達されるため、力検出素子3からの出力値が安定する。そのため、センサーデバイス1は、受けた外力をより精度よく検出することができる。ここで、第1、第2樹脂層41、42は、後述するように、樹脂材料と、この樹脂材料中に分散されたフィラーFと、を有しているが、第1、第2樹脂層41、42が同じ材料で構成されているとは、少なくとも両者が同じ樹脂材料を用いていることを言い、好ましくは、両者がさらに同じフィラーFを用い、その含有率も同じことを言う。
The first and second resin layers 41 and 42 may be made of the same material or may be made of different materials, but in the present embodiment, they are made of the same material. By configuring the first and second resin layers 41 and 42 with the same material, an external force is transmitted in a balanced manner from both sides of the
また、第1樹脂層41の厚さD1および第2樹脂層42の厚さD2としては、それぞれ、特に限定されないが、例えば、1μm以上100μm以下であることが好ましく、5μm以上90μm以下であることがより好ましい。このような厚さD1、D2とすることにより、第1、第2樹脂層41、42の機械的強度を十分に確保しつつ、第1、第2樹脂層41、42を設けることによる力検出素子3への外力の伝達損失を低減することができる。そのため、外力を効率的に力検出素子3に伝達することができる。なお、第1樹脂層41の厚さD1と第2樹脂層42の厚さD2とは、等しくてもよいし、異なっていてもよいが、本実施形態では、等しくなっている。すなわち、本実施形態では、D1=D2の関係を満足している。このように、D1=D2の関係を満足することにより、力検出素子3の両側からバランスよく外力が伝達されるため、力検出素子3からの出力値が安定する。そのため、センサーデバイス1は、受けた外力をより精度よく検出することができる。
Further, the thickness D1 of the
なお、厚さD1と厚さD2とが等しいとは、これらが一致している場合の他、例えば、技術的に生じ得る誤差や製造上不可避な誤差(例えば、±5%以下程度の誤差)を含む意味である。また、厚さD1とは、第1樹脂層41の力検出素子3の上面3aと蓋体24の内面240とに挟まれた部分の平均厚さを意味する。同様に、厚さD2とは、第2樹脂層42の力検出素子3の下面3bと底部材23の上面231とに挟まれた部分の平均厚さを意味する。
Note that the thickness D1 and the thickness D2 are equal to each other, for example, an error that may occur technically or an error that is unavoidable in manufacturing (for example, an error of about ± 5% or less). It means to include. Further, the thickness D1 means an average thickness of a portion of the
また、第1樹脂層41のヤング率は、蓋体24(金属材料)のヤング率および中間基板33(水晶)のヤング率より小さい。また、第2樹脂層42のヤング率は、底部材23(金属材料)のヤング率および中間基板34(水晶)のヤング率より小さい。このような第1、第2樹脂層41、42のヤング率としては、上記関係を満足していれば、特に限定されず、与圧の大きさ等によっても異なるが、例えば、与圧が300kg程度の場合には、1GPa以上10GPa以下であることが好ましく、4GPa以上6GPa以下であることがより好ましい。このようなヤング率とすることにより、より効率的に、外力を力検出素子3に伝達することができる。また、外力によって力検出素子3や基部22が破損することを抑制することができる。
Further, the Young's modulus of the
図5に示すように、第1、第2樹脂層41、42は、それぞれ、樹脂材料と、樹脂材料中に分散されたフィラーFと、を有する。また、フィラーFは、第1フィラーF1と、第2フィラーF2と、を有する。なお、第1、第2樹脂層41、42は、それぞれ、適宜、水、溶剤、可塑剤、硬化剤および帯電防止剤等を含んでいてもよい。 As shown in FIG. 5, each of the first and second resin layers 41 and 42 includes a resin material and a filler F dispersed in the resin material. Moreover, the filler F has the 1st filler F1 and the 2nd filler F2. Each of the first and second resin layers 41 and 42 may appropriately include water, a solvent, a plasticizer, a curing agent, an antistatic agent, and the like.
なお、樹脂材料としては、硬化反応し得る材料が用いられる。このような樹脂材料としては、例えば、熱可塑性樹脂や光可塑性樹脂等の可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂および電子線硬化性樹脂等の硬化性樹脂を用いることができ、中でも、硬化性樹脂を用いることが好ましく、熱硬化性樹脂を用いることがより好ましい。熱硬化性樹脂としては、例えば、アクリル系樹脂、フェノール系樹脂、シリコーン系樹脂、エポキシ系樹脂等が挙げられ、中でも、エポキシ系樹脂を用いることが好ましい。エポキシ系樹脂を用いることにより、優れた引張せん断接着強さを有する第1、第2樹脂層41、42が得られる。 As the resin material, a material that can undergo a curing reaction is used. As such a resin material, for example, a plastic resin such as a thermoplastic resin or a thermoplastic resin, a curable resin such as a thermosetting resin, a photocurable resin, and an electron beam curable resin can be used. It is preferable to use a curable resin, and it is more preferable to use a thermosetting resin. Examples of the thermosetting resin include acrylic resins, phenolic resins, silicone resins, and epoxy resins. Among these, it is preferable to use epoxy resins. By using the epoxy resin, the first and second resin layers 41 and 42 having excellent tensile shear adhesive strength can be obtained.
第1、第2フィラーF1、F2は、径が互いに異なっており、第1フィラーF1の最大径(最大幅。第1の最大径)が第2フィラーF2の最大径(最大幅、第2の最大径)よりも大きい。そのため、第1フィラーF1は、第1、第2樹脂層41、42の厚さD1、D2を制御するギャップ材として機能する。一方、第2フィラーF2は、第1、第2樹脂層41、42の厚さD1、D2ではなく、樹脂材料の特性(弾性、樹脂粘度、熱膨張率等)を制御する機能を有する。 The first and second fillers F1 and F2 have different diameters, and the maximum diameter (maximum width, first maximum diameter) of the first filler F1 is the maximum diameter (maximum width, second width) of the second filler F2. Larger than the maximum diameter). Therefore, the first filler F1 functions as a gap material that controls the thicknesses D1 and D2 of the first and second resin layers 41 and 42. On the other hand, the second filler F2 has a function of controlling characteristics (elasticity, resin viscosity, coefficient of thermal expansion, etc.) of the resin material, not the thicknesses D1 and D2 of the first and second resin layers 41 and 42.
また、第1フィラーF1のヤング率は、第2フィラーF2のヤング率より大きい。これにより、第2フィラーF2が与圧を受けた時に第1フィラーF1が変形するより先に変形するため、ギャップ変化(面間平行度ずれ)が抑制される。 Further, the Young's modulus of the first filler F1 is larger than the Young's modulus of the second filler F2. Thereby, when the 2nd filler F2 receives a pressurization, since it deform | transforms before the 1st filler F1 deform | transforms, a gap change (shift in parallelism between surfaces) is suppressed.
第1、第2フィラーF1、F2の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、シリカ(SiO2)、アルミナ(Al2O3)等の無機酸化物やセラミック、ガラス等の無機物を含む無機フィラーを用いることが好ましく、これらのうちの1種または2種以上を併用することができる。中でも特に、第1、第2フィラーF1、F2の構成材料としては、シリカ、アルミナ、中空ガラスビーズを用いることが好ましい。これにより、第1、第2樹脂層41、42の機械的な強度や耐熱性を高めることができる。また、第1、第2フィラーF1、F2は、導電性を有さない(絶縁性)であるものが好ましい。特に、第2フィラーF2としては。中空ガラスビーズを用いることが好ましい。これにより、第1、第2樹脂層41、42の弾性率の増加を抑制しつつ、第1、第2樹脂層41、42の熱膨張率を低減することができる。また、第1、第2樹脂層41、42の残留応力を低減することもできる。 The constituent materials of the first and second fillers F1 and F2 are not particularly limited. For example, inorganic materials such as inorganic oxides such as silica (SiO 2 ) and alumina (Al 2 O 3 ), ceramics, and glass can be used. It is preferable to use a filler, and one or more of these can be used in combination. Of these, silica, alumina, and hollow glass beads are preferably used as the constituent materials of the first and second fillers F1 and F2. Thereby, the mechanical strength and heat resistance of the first and second resin layers 41 and 42 can be increased. Further, the first and second fillers F1 and F2 are preferably non-conductive (insulating). Especially as the second filler F2. It is preferable to use hollow glass beads. Thereby, the thermal expansion coefficient of the 1st, 2nd resin layers 41 and 42 can be reduced, suppressing the increase in the elasticity modulus of the 1st, 2nd resin layers 41 and 42. FIG. Moreover, the residual stress of the 1st, 2nd resin layers 41 and 42 can also be reduced.
第1、第2フィラーF1、F2の形状としては、特に限定されないが、球状であることが好ましい。第1、第2フィラーF1、F2を球形にすることにより、第1、第2フィラーF1、F2をそれぞれ分級して径の大きさを均一にすることが容易となる。そのため、第1、第2樹脂層41、42の厚さD1、D2をより精度よく制御することができると共に、第1、第2樹脂層41、42の特性をより精度よく制御することができる。ただし、第1、第2フィラーF1、F2の形状は、球状に限定されず、例えば、方形状、板状、針状、葉状等のものを用いることもできる。また、第1、第2フィラーF1、F2は、緻密質体であってもよいし、多孔質体であってもよい。 The shape of the first and second fillers F1 and F2 is not particularly limited, but is preferably spherical. By making the first and second fillers F1 and F2 spherical, it is easy to classify the first and second fillers F1 and F2 to make the diameters uniform. Therefore, the thicknesses D1 and D2 of the first and second resin layers 41 and 42 can be controlled with higher accuracy, and the characteristics of the first and second resin layers 41 and 42 can be controlled with higher accuracy. . However, the shape of the first and second fillers F1 and F2 is not limited to a spherical shape, and for example, a rectangular shape, a plate shape, a needle shape, a leaf shape, or the like can be used. The first and second fillers F1 and F2 may be dense bodies or porous bodies.
以上、センサーデバイス1について説明した。このようなセンサーデバイス1は、前述したように、蓋体24(第1部材)と、底部材23(第2部材)と、蓋体24と底部材23との間に配置されている圧電素子30と、蓋体24と圧電素子30との間に配置されている中間基板33(第1中間基板)と、底部材23と圧電素子30との間に配置されている中間基板34(第2中間基板)と、蓋体24と中間基板33との間に配置されている第1樹脂層41と、底部材23と中間基板34との間に配置されている第2樹脂層42と、を有する。また、第1樹脂層41のヤング率は、蓋体24のヤング率および中間基板33のヤング率より小さく、第2樹脂層42のヤング率は、底部材23のヤング率および中間基板34のヤング率より小さい。このように、蓋体24と中間基板33との間に第1樹脂層41を設け、底部材23と中間基板34との間に第2樹脂層42を設けることにより、圧電素子30に加えられる与圧の均一度が増して、与圧が均一に加わるようになり、圧電素子30からの出力値が安定する。そのため、センサーデバイス1は、安定した検出特性を発揮することができ、受けた外力をより精度よく検出することができる。
The
また、前述したように、センサーデバイス1では、第1樹脂層41の厚さD1と、第2樹脂層42の厚さD2と、が等しい。このように、D1=D2の関係を満足することにより、力検出素子3の両側からバランスよく外力が伝達されるため、力検出素子3からの出力値が安定する。そのため、センサーデバイス1は、安定した検出特性を発揮することができ、受けた外力をより精度よく検出することができる。
Further, as described above, in the
また、前述したように、センサーデバイス1では、第1樹脂層41の材料と、第2樹脂層42の材料と、が同じである。このように、第1樹脂層41および第2樹脂層42を同じ材料で構成することにより、力検出素子3の両側からバランスよく外力が伝達されるため、力検出素子3からの出力値が安定する。そのため、センサーデバイス1は、安定した検出特性を発揮することができ、受けた外力をより精度よく検出することができる。
Further, as described above, in the
また、前述したように、第1樹脂層41および第2樹脂層42は、それぞれ、フィラーFを含んでいる。これにより、第1、第2樹脂層41、42の厚さD1、D2を制御したり、第1、第2樹脂層41、42の特性(樹脂粘度、熱膨張率等)を制御したりすることが容易となる。
Further, as described above, each of the
また、前述したように、フィラーFは、第1の最大径を有する第1フィラーF1と、第1の最大径より小さい第2の最大径を有する第2フィラーRF2と、を含み、第1フィラーF1のヤング率は、第2フィラーF2のヤング率より大きい。これにより、第1フィラーF1がギャップ材として機能し、第2フィラーF2が与圧を受けた時に第1フィラーF1が変形するより先に変形するため、ギャップ変化(面間平行度ずれ)が抑制される。 Moreover, as described above, the filler F includes the first filler F1 having the first maximum diameter and the second filler RF2 having the second maximum diameter smaller than the first maximum diameter, and the first filler The Young's modulus of F1 is larger than the Young's modulus of the second filler F2. As a result, the first filler F1 functions as a gap material, and the first filler F1 is deformed before it is deformed when the second filler F2 is pressurized. Is done.
また、前述したように、センサーデバイス1は、蓋体24と底部材23とに接続される基部22(枠状部材)を備え、基部22は、圧電素子30を囲む枠形状を有する。これにより、より圧力(与圧)がかかった時に外部から圧力変動要因が加わり難くなる。
Further, as described above, the
また、前述したように、蓋体24および底部材23は、金属材料からなる。これにより、比較的高い剛性を有すると共に、応力が加えられたときに適度に弾性変形する蓋体24および底部材23となる。そのため、蓋体24および底部材23を介して外力を力検出素子3に的確に伝達することができると共に、その外力による蓋体23および底部材23の破損のおそれを低減することができる。
As described above, the
また、前述したように、第1樹脂層41および第2樹脂層42は、それぞれ、絶縁性を有する。これにより、第1樹脂層41を介して力検出素子3と蓋体24とが導通し、第2樹脂層42を介して力検出素子3と底部材23とが導通することを抑制することができる。そのため、意図しない電気経路の形成が抑制され、力検出素子3からの出力値が安定する。したがって、センサーデバイス1は、安定した検出特性を発揮することができ、受けた外力をより精度よく検出することができる。
Further, as described above, each of the
また、前述したように、蓋体24と中間基板33とは、第1樹脂層41を介して接着されており、底部材23と中間基板34とは、第2樹脂層42を介して接着されている。これにより、パッケージ2内での力検出素子3の姿勢が安定するため、パッケージ2(底部材23および蓋体24)を介して、外力を力検出素子3に的確に伝達することができる。また、力検出素子3に与圧が均一に加わるようになり、力検出素子3からの出力値が安定する。そのため、センサーデバイス1は、安定した検出特性を発揮することができ、受けた外力をより精度よく検出することができる。
Further, as described above, the
また、前述したように、蓋体24と底部材23とが並ぶ方向をC軸方向(第1方向)とし、C軸方向に直交する方向をA軸方向(第2方向)としたとき、センサーデバイス1は、圧電素子30とA軸方向に並んで配置され、圧電素子30と接触している接続部材261、262、263、264(導電性部材)を有している。そして、C軸方向からの平面視で、接続部材261、262、263、264は、それぞれ、第2樹脂層42と重なっている。そのため、仮に、接続部材261、262、263、264が底部材23側に流動して底部材23に到達したとしても、第2樹脂層42によって、接続部材261、262、263、264と底部材23との接触を抑制することができる。そのため、底部材23を介して、接続部材261、262、263、264が電気的に接続されてしまうことを効果的に抑制することができ、信頼性の高いセンサーデバイス1となる。
As described above, when the direction in which the
また、前述したように、中間基板33および中間基板34は、それぞれ、水晶で構成されている。これにより、高い機械的強度を有する中間基板33、34となり、外力を力検出素子3に的確に伝達することができる。
Further, as described above, each of the
また、前述したように、蓋体24と底部材23とが並ぶ方向をC軸方向(第1方向)としたとき、圧電素子30は、C軸方向に並んで配置されている水晶からなる複数の圧電体層312、314、316、318、322、324、326、328を有している。そして、複数の圧電体層312、314、316、318、322、324、326、328のうちの最も中間基板33側にある圧電体層328の結晶軸と、中間基板33の結晶軸と、が一致し、複数の圧電体層312、314、316、318、322、324、326、328のうちの最も中間基板34側にある圧電体層312の結晶軸と、中間基板34の結晶軸と、が一致している。このように、中間基板33の結晶軸を隣接する圧電体層328の結晶軸と一致させ、中間基板34の結晶軸を隣接する圧電体層312の結晶軸と一致させることにより、これらの熱膨張係数を揃えることができ、熱膨張に起因する出力ドリフトを効果的に低減することができる。
Further, as described above, when the direction in which the
また、前述したように、中間基板33は、複数の圧電体層312、314、316、318、322、324、326、328のうちの最も中間基板33側にある圧電体層328の厚さより大きい厚さを有し、中間基板34は、複数の圧電体層312、314、316、318、322、324、326、328のうちの最も中間基板34側にある圧電体層312の厚さより大きい厚さを有している。そのため、圧電体層312、314、316、318、322、324、326、328により均一な圧力(与圧)をかけることができ、また、耐衝撃性も向上する。
Further, as described above, the
<第2実施形態>
次に、本発明の第2実施形態に係る力検出装置について説明する。
Second Embodiment
Next, a force detection device according to a second embodiment of the present invention will be described.
図6は、本発明の第2実施形態に係る力検出装置の斜視図である。図7は、図6に示す力検出装置の縦断面図である。図8は、図6に示す力検出装置の横断面図である。図9は、力検出装置に配置されたセンサーデバイスの断面図である。 FIG. 6 is a perspective view of a force detection device according to the second embodiment of the present invention. 7 is a longitudinal sectional view of the force detection device shown in FIG. FIG. 8 is a cross-sectional view of the force detection device shown in FIG. FIG. 9 is a cross-sectional view of a sensor device arranged in the force detection device.
また、以下では、説明の便宜上、互いに直交する3つの軸をα軸、β軸およびγ軸とし、各軸を示す矢印の先端側を「プラス側」、基端側を「マイナス側」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」という。また、γ軸方向プラス側を「上」、γ軸方向マイナス側を「下」ともいう。また、γ軸方向から見たものを「平面視」という。 Also, in the following, for convenience of explanation, the three axes orthogonal to each other are referred to as an α axis, a β axis, and a γ axis, the tip side of the arrow indicating each axis is referred to as “plus side”, and the base end side is referred to as “minus side”. . A direction parallel to the α axis is referred to as “α axis direction”, a direction parallel to the β axis is referred to as “β axis direction”, and a direction parallel to the γ axis is referred to as “γ axis direction”. The positive side in the γ-axis direction is also referred to as “upper”, and the negative side in the γ-axis direction is also referred to as “lower”. Also, what is viewed from the γ-axis direction is called “plan view”.
図6に示す力検出装置100は、力検出装置100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。なお、6軸成分は、互いに直交する3つの軸(図示ではα軸、β軸およびγ軸)のそれぞれの方向の並進力(せん断力)成分と、これら3軸のそれぞれの軸まわりの回転力(モーメント)成分と、からなる。
A
力検出装置100は、その中心軸A1(γ軸)まわりに等間隔(90°間隔)に配置された複数(本実施形態では4つ)のセンサーデバイス1と、これらセンサーデバイス1を収納しているケース5と、を有する。力検出装置100では、各センサーデバイス1が受けた外力に応じた検出信号を出力し、それらの検出信号を処理することにより、力検出装置100に加えられた外力の6軸成分を検出することができる。以下、力検出装置100が備える各部について説明する。
The
[ケース]
図6に示すように、ケース5は、第1ケース部材6と、第1ケース部材6に対して間隔を隔てて配置されている第2ケース部材7と、第1ケース部材6および第2ケース部材7の外周部に設けられた側壁部8と、を有する。
[Case]
As shown in FIG. 6, the
また、図7に示すように、第1ケース部材6は、天板61(第1基部)と、天板61の下面に設けられ、中心軸A1まわりに等間隔(90°間隔)に配置された4つの壁部62(第1与圧部)と、を有する。また、天板61には、その中央部に中心軸A1に沿った貫通孔611が形成されている。また、図8に示すように、各壁部62には、後述する与圧ボルト50が挿通される複数の貫通孔621が形成されている。また、各壁部62の内壁面620(内側の面)は、天板61に対して垂直な平面となっている。
As shown in FIG. 7, the first case member 6 is provided on the top plate 61 (first base) and the lower surface of the
また、図7に示すように、第2ケース部材7は、底板71(第2基部)と、底板71の上面に設けられ、前述した4つの壁部62と対向するように中心軸A1まわりに等間隔(90°間隔)に配置された4つの壁部72(第2与圧部)と、を有する。また、底板71には、その中央部に中心軸A1に沿った貫通孔711が形成されている。また、各壁部72は、対向する壁部62側に向けて突出した突出部73を有し、この突出部73の頂面730は、内壁面620と平行であり、内壁面620に対し、所定距離(センサーデバイス1を挿入可能な距離)を隔てて対面している。また、図8に示すように、各壁部72には、与圧ボルト50の先端部が螺合する雌ネジ孔721が複数形成されている。
Further, as shown in FIG. 7, the
また、側壁部8は、円筒状をなし、その上端部および下端部がそれぞれ第1ケース部材6および第2ケース部材7に対して例えばネジ止め、嵌合等によって固定されている。また、側壁部8と前述した第1ケース部材6の天板61と第2ケース部材7の底板71とで囲まれた空間S1(力検出装置100の内部空間)には4つのセンサーデバイス1が収納されている。
Further, the
以上のようなケース5では、第1ケース部材6の上面60が、例えば、後述するロボット1000が備えるエンドエフェクター1700(被取付部材)に取り付ける取付面として機能し、第2ケース部材7の下面70が、例えば、後述するロボット1000が備えるロボットアーム1200に取り付けるアーム用取付面として機能する。
In the
なお、ケース5の平面視での外形は、それぞれ、円形であるが、これに限定されず、例えば、三角形、四角形、五角形等の多角形、楕円形、異形等、いかなる形状であってもよい。また、本実施形態では、各壁部62は、天板61と別部材で形成され、天板61に対し固定されているが、これに限定されず、天板61と一体で形成されていてもよい。同様に、本実施形態では、各壁部72は、底板71と別部材で形成され、底板71に対し固定されているが、これに限定されず、底板71と一体で形成されていてもよい。
Note that the outer shapes of the
また、第1ケース部材6、第2ケース部材7および側壁部8の構成材料としては、それぞれ、特に限定されず、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属材料、セラミックス等を用いることができる。なお、第1ケース部材6、第2ケース部材7および側壁部8の構成材料は、互いに同じであってもよいし、異なっていてもよい。
Moreover, it does not specifically limit as a constituent material of the 1st case member 6, the
図8に示すように、4つのセンサーデバイス1は、平面視で、中心軸A1を通りβ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、図7に示すように、各センサーデバイス1は、天板61と底板71との間に位置している。また、各センサーデバイス1は、壁部62と壁部72(突出部73)との間に位置し、壁部62と壁部72(突出部73)とによって挟持されている。具体的には、各センサーデバイス1は、図9に示すように、パッケージ2の基体21を壁部72側に向け、蓋体24を壁部62側へ向けた状態で、壁部62、72の間に配置されている。さらに、基体21の底部材23が突出部73の頂面730と当接し、蓋体24の中央部241が壁部62の内壁面620と接触している。
As shown in FIG. 8, the four
図8に示すように、与圧ボルト50は、壁部62と壁部72とを連結しており、これにより、第1ケース部材6と第2ケース部材7とが固定されている。また、与圧ボルト50が締め込まれることにより、壁部62と壁部72との間に位置するセンサーデバイス1(力検出素子3)が与圧されている。すなわち、自然状態において、力検出素子3には図9中の矢印Pで示す方向の圧縮力が加わっている。このように、自然状態において力検出素子3を与圧しておくことにより、力検出装置100に加えられた外力の6軸成分を精度よく検出することができる。なお、与圧ボルト50の締結力を適宜調整することにより、力検出素子3に加わる与圧を調整することができる。
As shown in FIG. 8, the pressurizing
与圧ボルト50は、各センサーデバイス1に対して一対設けられており、一対の与圧ボルト50がセンサーデバイス1の両側に位置している。ただし、与圧ボルト50の配置としては、特に限定されない。また、与圧ボルト50は、必要に応じて設ければよく、不要な場合には、省略してもよい。
A pair of pressurizing
このような力検出装置100は、図示しない外力検出回路を有し、この外力検出回路は、各センサーデバイス1から出力される信号(電荷Qa、Qb)に基づいて、α軸方向の並進力成分Fα、β軸方向の並進力成分Fβ、γ軸方向の並進力成分Fγ、α軸周りの回転力成分Mα、β軸周りの回転力成分Mβ、γ軸周りの回転力成分Mγを検出(演算)することができる。外力検出回路は、例えば、電荷Qa、Qbを電圧に変換する電荷/電圧変換回路を備えたアナログ回路と、このアナログ回路からの出力をデジタル信号に変換するADコンバーターおよびADコンバーターに接続されたCPU等の演算回路を備えたデジタル回路と、を有する構成とすることができる。
Such a
以上、力検出装置100について説明した。このような力検出装置100は、前述したように、天板61(第1基部)と、底板71(第2基部)と、天板61と底板71との間に設けられるセンサーデバイス1(本発明のセンサーデバイス)と、を備えている。このような力検出装置100によれば、センサーデバイス1を備えているため、外力をより高精度に検出することができる。
The
<第3実施形態>
次に、本発明の第3実施形態に係るロボットについて説明する。
<Third Embodiment>
Next, a robot according to a third embodiment of the invention will be described.
図10は、本発明の第3実施形態に係るロボットの斜視図である。 FIG. 10 is a perspective view of a robot according to the third embodiment of the present invention.
図10に示すロボット1000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、搬送および組立等の作業を行うことができる。このロボット1000は、単腕ロボットであり、所謂6軸垂直多関節ロボットである。ロボット1000は、基台1100と、基台1100に回動自在に連結されたロボットアーム1200と、力検出装置100と、エンドエフェクター1700とを有する。
The
基台1100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。ロボットアーム1200は、アーム1210(第1アーム)、アーム1220(第2アーム)、アーム1230(第3アーム)、アーム1240(第4アーム)、アーム1250(第5アーム)、アーム1260(第6アーム)を有する。これらアーム1210〜1260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1210〜1260は、隣り合うアームまたは基台1100に対して回動可能になっている。
The
アーム1260の先端には、力検出装置100が接続されている。力検出装置100は、力検出装置100の先端に取り付けられたエンドエフェクター1700に加わる力(モーメントを含む)を検出する。エンドエフェクター1700は、ロボット1000の作業対象である対象物に対して作業を行う器具であり、対象物を把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1700としては、ロボット1000の作業内容等に応じた器具を用いればよく、ハンドに限定されず、例えば、ネジ締めを行うネジ締め器具や嵌合を行う嵌合器具等であってもよい。
The
また、図示しないが、ロボット1000は、一方のアームを他方のアーム(または基台1100)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1000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を有する。
Although not shown, the
以上、ロボット1000について説明した。このようなロボット1000は、前述したように、基台1100と、基台1100に接続されるロボットアーム1200(アーム)と、力検出装置100(本発明の力検出装置)を有する。このようなロボット1000によれば、力検出装置100を備えているため、例えば、力検出装置100が検出した外力を、ロボット1000を制御する機能を有する制御部(図示せず)にフィードバックすることにより、より精密に作業を実行することができる。また、力検出装置100が検出した外力によって、ロボット1000は、エンドエフェクター1700の障害物への接触等を検知することができる。そのため、障害物回避動作および対象物損傷回避動作等を容易に行うことができ、ロボット1000は、より安全に作業を実行することができる。
The
なお、力検出装置100は、隣り合うアームとアームとの間(例えば、アーム1240、1250の間)に設けられていてもよい。また、ロボット1000は、例えば、スカラーロボット、双腕ロボット等の他のロボットであってもよい。また、ロボット1000が有するアームの数は、本実施形態では6本であるが、これに限定されず、1〜5本または7本以上であってもよい。
The
以上、本発明のセンサーデバイス、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、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、本発明のセンサーデバイスおよび力検出装置は、ロボット以外の機器に組み込むことも可能であり、例えば、自動車等の移動体に搭載してもよい。 As described above, the sensor device, the force detection device, and the robot of the present invention have been described based on the illustrated embodiment. However, the present invention is not limited to this, and the configuration of each unit may be any arbitrary function having the same function. It can be replaced with that of the configuration. In addition, any other component may be added to the present invention. In addition, the sensor device and the force detection device of the present invention can be incorporated in equipment other than the robot, and may be installed in a moving body such as an automobile.
1…センサーデバイス、2…パッケージ、20…シール部材、21…基体、22…基部、221、222、224…凹部、223…貫通孔、23…底部材、231…上面、24…蓋体、240…内面、241…中央部、242…外縁部、243…接続部、261、262、263、264…接続部材、27…内部端子、28…外部端子、3…力検出素子、3a…上面、3b…下面、3c、3d、3e、3f…側面、30…圧電素子、31…第1圧電素子、311、315、319…グランド電極層、312、314、316、318…圧電体層、313、317…出力電極層、32…第2圧電素子、321、325、329…グランド電極層、322、324、326、328…圧電体層、323、327…出力電極層、33、34…中間基板、391、392、393、394…接続電極、41…第1樹脂層、411…フィレット部、42…第2樹脂層、421…フィレット部、5…ケース、50…与圧ボルト、6…第1ケース部材、60…上面、61…天板、611…貫通孔、62…壁部、620…内壁面、621…貫通孔、7…第2ケース部材、70…下面、71…底板、711…貫通孔、72…壁部、721…雌ネジ孔、73…突出部、730…頂面、8…側壁部、100…力検出装置、1000…ロボット、1100…基台、1200…ロボットアーム、1210、1220、1230、1240、1250、1260…アーム、1700…エンドエフェクター、A1…中心軸、CL…線分、D1、D2…厚さ、F…フィラー、F1…第1フィラー、F2…第2フィラー、GND…グランド電位、P…矢印、Qa、Qb…電荷、S…収納空間、S1…空間
DESCRIPTION OF
Claims (15)
第2部材と、
前記第1部材と前記第2部材との間に配置されている圧電素子と、
前記第1部材と前記圧電素子との間に配置されている第1中間基板と、
前記第2部材と前記圧電素子との間に配置されている第2中間基板と、
前記第1部材と前記第1中間基板との間に配置されている第1樹脂層と、
前記第2部材と前記第2中間基板との間に配置されている第2樹脂層と、を有し、
前記第1樹脂層のヤング率は、前記第1部材のヤング率および前記第1中間基板のヤング率より小さく、
前記第2樹脂層のヤング率は、前記第2部材のヤング率および前記第2中間基板のヤング率より小さいことを特徴とするセンサーデバイス。 A first member;
A second member;
A piezoelectric element disposed between the first member and the second member;
A first intermediate substrate disposed between the first member and the piezoelectric element;
A second intermediate substrate disposed between the second member and the piezoelectric element;
A first resin layer disposed between the first member and the first intermediate substrate;
A second resin layer disposed between the second member and the second intermediate substrate,
The Young's modulus of the first resin layer is smaller than the Young's modulus of the first member and the Young's modulus of the first intermediate substrate,
A sensor device, wherein the Young's modulus of the second resin layer is smaller than the Young's modulus of the second member and the Young's modulus of the second intermediate substrate.
前記第1フィラーのヤング率は、前記第2フィラーのヤング率より大きい請求項4に記載のセンサーデバイス。 The filler includes a first filler having a first maximum diameter, and a second filler having a second maximum diameter smaller than the first maximum diameter,
The sensor device according to claim 4, wherein the Young's modulus of the first filler is larger than the Young's modulus of the second filler.
前記枠状部材は、前記圧電素子を囲む枠形状を有する請求項1ないし5のいずれか1項に記載のセンサーデバイス。 A frame-like member connected to the first member and the second member;
The sensor device according to claim 1, wherein the frame-shaped member has a frame shape surrounding the piezoelectric element.
前記第2部材と前記第2中間基板とは、前記第2樹脂層を介して接着されている請求項1ないし8のいずれか1項に記載のセンサーデバイス。 The first member and the first intermediate substrate are bonded via the first resin layer,
The sensor device according to claim 1, wherein the second member and the second intermediate substrate are bonded via the second resin layer.
前記圧電素子と前記第2方向に並んで配置され、前記圧電素子と接触している導電性部材を有し、
前記第1方向からの平面視で、前記導電性部材は、前記第2樹脂層と重なっている請求項1ないし9のいずれか1項に記載のセンサーデバイス。 When the direction in which the first member and the second member are arranged is the first direction, and the direction orthogonal to the first direction is the second direction,
A conductive member disposed in line with the piezoelectric element in the second direction and in contact with the piezoelectric element;
The sensor device according to claim 1, wherein the conductive member overlaps the second resin layer in a plan view from the first direction.
前記圧電素子は、前記第1方向に並んで配置されている水晶からなる複数の圧電体層を有し、
前記複数の圧電体層のうちの最も前記第1中間基板側にある圧電体層の結晶軸と、前記第1中間基板の結晶軸と、が一致し、
前記複数の圧電体層のうちの最も前記第2中間基板側にある圧電体層の結晶軸と、前記第2中間基板の結晶軸と、が一致している請求項11に記載のセンサーデバイス。 When the direction in which the first member and the second member are aligned is the first direction,
The piezoelectric element has a plurality of piezoelectric layers made of quartz arranged side by side in the first direction,
The crystal axis of the piezoelectric layer closest to the first intermediate substrate among the plurality of piezoelectric layers and the crystal axis of the first intermediate substrate coincide with each other,
The sensor device according to claim 11, wherein a crystal axis of a piezoelectric layer closest to the second intermediate substrate among the plurality of piezoelectric layers and a crystal axis of the second intermediate substrate coincide with each other.
前記第2中間基板は、前記複数の圧電体層のうちの最も前記第2中間基板側にある前記圧電体層の厚さより大きい厚さを有している請求項12に記載のセンサーデバイス。 The first intermediate substrate has a thickness larger than the thickness of the piezoelectric layer located closest to the first intermediate substrate among the plurality of piezoelectric layers,
The sensor device according to claim 12, wherein the second intermediate substrate has a thickness larger than a thickness of the piezoelectric layer that is closest to the second intermediate substrate among the plurality of piezoelectric layers.
第2基部と、
前記第1基部と前記第2基部との間に設けられる請求項1ないし13のいずれか1項に記載のセンサーデバイスと、を備えることを特徴とする力検出装置。 A first base;
A second base;
A force detection device comprising: the sensor device according to claim 1 provided between the first base and the second base.
前記基台に接続されるアームと、
請求項14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。 The base,
An arm connected to the base;
A robot comprising: the force detection device according to claim 14.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018035965A JP2019152462A (en) | 2018-02-28 | 2018-02-28 | Sensor device, force detector, and robot |
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JP2018035965A Pending JP2019152462A (en) | 2018-02-28 | 2018-02-28 | Sensor device, force detector, and robot |
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- 2018-02-28 JP JP2018035965A patent/JP2019152462A/en active Pending
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