JPH01312433A - 圧覚センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野１ 本発明は、圧覚センサに関し、詳しくはロボットのハン
ド等に装着され、把握物から受ける力をに、固定された
場所で作業するものが多く、従ってその作業範囲や機能
にも限界があり、例えば車輌工業用の溶接ロボットは生
産ライン上のある特定個所に設置され、溶接アームの移
動によって車体の溶接を行うものでロボット自体が自ら
判断して溶接を行うものではない。

しかし、最近では人間の五感に相当する感覚機能や認識
機能をもついわゆる知能ロボットが開発され、しだいに
実用化されつつある。

ところで、これらの知能ロボットには各種感覚を検知す
るためのセンサを取付ける必要がある。

その代表的なセンサは視覚センサと圧覚（触覚）センサ
であり、特に圧覚センサは物の把握１把持などの作業に
不可欠なものといってよい。

なお、このような知能ロボット用の圧覚センサに要求さ
れる機能には次のような項目をあげることができる。

（１）高感度１力を検出する感度が高く、例えば−素子
で数グラムの荷重の検出が 可能であること。

（２）広ダイナミックレンジ二できるだけ動作範囲が広
いこと。

（３）高信頼性・耐久性＝Ａ酷な環境に耐えること。

（４）線形性・少ヒステリシス：圧力と出力が比例し、
ヒステリシスが少ないこと。

（５）応答速度：信号処理の応答速度が高いこと。

（６）柔軟性二人間の手の皮膚のように柔軟性が保たれ
、把持物をソフトに把持で きること。

（７）すべり感覚・圧力だけでなく、できればすべりを
も検出できること。

（８）小型でかつ安価：薄くて小型で製造コストや材料
コストが低順であ ること。

これらのうちいくつかの要求を満足する圧覚センサがこ
れまでに提案ないし実用化されており、たとえばマイク
ロスイッチのオン・オフを利用するものや感圧ゴムシー
ト（導電ゴムシート）を利用するもの、あるいは光の反
射量の変化を利用すンサが力を受けると“オン”の状態
になるものであるが、これは力の有無を検出するだけで
、その力の大きさを連続的に検出することには通してい
ない。

また、感圧ゴムシートを利用するものは、１枚の導電ゴ
ムシートを２枚の電極で挟み、電極に力を加えることに
よってシート抵抗が変化することを利用したものである
が、加えられた力とセンナ信号出力との間に直線性が得
られない上にヒステリシスが生じやすく、またゴムシー
トが使用されるために耐熱性が低いという問題がある。

更にまた、光の反射量の変化を利用するものは、透明な
アクリル板の表面に多数の円錐状の突起を有するゴムシ
ートをあてがい、そのアクリル板の裏面に鏡体または受
光素子を配置しておき、そのアクリル板の横方向からア
クリル板内に光を照射すると、外力の大きさに応じて上
述のゴムシートの突起が変化するので、そのへこみ具合
を鏡かまたは受光素子で検知するものである。しかし形
態の圧覚センサが提案ないし試作されているが、いずれ
も上述の機能を十分に満足するに至っておらず、そのた
め高感度で真に実用性の高い圧見センサの開発が強く望
まれている。

本発明は、上述の問題点に鑑み、実用的性能が高く、し
かも構造が簡単で製作が容易であり、薄型かつ高密度に
配列できる圧覚センサを提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ かかる目的を達成するために、本発明は、窓壁枠部がマ
トリックス状に形成された支持台と、半導体歪ゲージを
組込んだブリッジ回路、およびブリッジ回路に対するス
イッチ手段および端子が配設された面を下側にして、窓
壁枠部の支持部によって両端が支持された複数個の方形
型シリコンセルと、複数個の方形型シリコンセルの上面
に共通に配設され、端子のうちの所定の端子と電気的に
接続された導電ゴムシートとを具えたことを特徴とする
。

ジの組込まれたホイートストンブリッジ、スイッチ手段
５はんだバンブと共に接地端子が形成されたシリコンセ
ル下面側にフレキシブルプリント配線基板をその電極を
介して接合させ、シリコンセルの下面側に設けた接地端
子を導電性のあるシリコンセル自体を介してその上面側
に布設した導電ゴムシートと電気的に接続させ、接地が
得られるようにしたので、個々のシリコンセルに接地端
子を設けて、それぞれの接地端子から接地線を引出す必
要がなくなり、複数のシリコンセル間に跨って配設され
るプリント基板内の信号線をそれぞれ簡略化することが
でき、コスト低減に貢献すると共に実用性の高い薄型で
高密度に配列できる圧覚センサを提供することができる
。

［実施例］ 以下に、図面に基づいて本発明の実施例を詳細かつ具体
的に説明する。

まず、第６Ａ図および第６Ｂ図によって両端支持梁とし
た本発明にかかるシリコンセルが撓む原理について述べ
ることとし、いま、はんだバンブ３を有するシリコンセ
ル１の両端が第６Ａ図に示すように支持台２によって支
持された状態でその上面の中央部に力が加えられたとす
ると、第６Ｂ図に示す如くシリコンセル１が撓むことに
よってその下面側に引張応力が発生する。

そこで、上述したようなシリコンセル１の下面側に、第
７Ａ図に示すように４つの歪ゲージＲ１゜Ｒ２，Ｒ３お
よびＲ４を配置し、更にこれらの歪ゲージＲ，−Ｒ４を
第７Ｃ図に示すようにしてブリッジ回路に組込み、相対
する頂点間に電圧Ｖを印加すると共にその一端を接地し
くＧ）、また、他方の相対する頂点間から引出した出力
線のそれぞれにスイッチング素子ＳｌおよびＳ２を配設
することによって、歪ゲージＲ，−Ｒ４に上記の撓みに
よって発生した抵抗変化をスイッチング素子５１および
Ｓ２の“オン”により端子Ｔおよびｔから出力信号とし
て取出すことができる。なお、Ｅは電圧計である。

第７Ａ図はこのようにして半導体シリコン材料によりシ
リコンセル１を形成し、その上に歪ゲージＲ０〜Ｒ４と
ブリッジ回路からの出力線にスイッチング素子Ｓｌおよ
びＳ２を、更にまた、出力端子Ｔおなお、第６Ａ図およ
び第６Ｂ図で示したような梁部材となるものに半導体シ
リコンを使用した理由は、半導体シリコンであればウェ
ハプロセスによって歪ゲージＲ，−Ｒ４およびスイッチ
ング素子５１゜Ｓ２や配線ならびにＴ、ｔ、ｓ、Ｖの各
端子に形成されるはんだバンブ３を一貫した成膜技術の
処理工程で形成することができることによる。更にまた
、このようなシリコンセルの形成によって梁部材の小型
化、薄型化を実現することが可能となる。またここで形
成されるスイッチング素子Ｓｌ。

Ｓ２は、例えば電界効果型トランジスタである。

第１図は本発明の基本的構成を示す図であり、ここで、
４は支持台であり、支持台４は態形の枠部５、枠部５に
嵌込まれたシリコンセル１の両端部を支持する支持部６
とを有し、絶縁部材で構成される。またここで、シリコ
ンセル１には第２図に示すように、その母体をなす導電
部ＩＡ（Ｐ層）の面にいわゆるＰＮ接合による絶縁層７
（Ｎ層）を形成しておき、その絶縁層７に歪ゲージ８が
Ｐ層として形成されるもので、更にアルミニウム等によ
る配線パターン９が形成され、また、接地用端子１０が
半導体プロセスにより導電部ＩＡをそのまま残すように
して、その上に形成される。

そこで、このようにして構成したシリコンセル１を歪ゲ
ージ８等が形成されている面を下側にして第１図に示す
ように支持部６に支持させた上、導電ゴムシート１１を
シリコンセル１の上面（Ｍ２図では下面側に相当する）
に例えば導電性接着剤２１により密着させて、更にその
上に柔軟な保護用の例えば絶縁性ゴムシート等による皮
膜１２を設け、電気的、熱的に導電ゴムシート１１を保
護する。すなわち、このように構成することによって、
第２図に示した接地用端子１０はシリコンセル１の導電
部ＩＡを介して導電ゴムシート１１に電気的に接続され
ることになり、従ってシリコンセル１自体にスルーホー
ルを設ける必要もなく、導電ゴムシート１１が接地用配
線の役目を担持する。

１３はシリコンセル１の下面側に配設されるフレキシブ
ルプリント配線基板であり、フレキシブルプリント配線
基板１３にはその両面に後述するようなプリント配線が
なされおり、シリコンセル１の下面側に設けられた各端
子のはんだバンブ３がフレキシブルプリント配線基板１
３上の不図示の電極とはんだ付けによって接続される。

以上で単体の圧覚センサにおける構成について述べてき
たが、一般にがかる圧覚センサは上記のような単体を複
数マトリックス状に配列されたアレイとして使用される
。そこで、以下に、圧覚センサをアレイ状に構成してい
くことについて述べることとする。

第３Ａ図〜第３Ｃ図は単体の圧覚センサを３個ずつ３列
に配置する場合を示す図である。第３Ａ図において、支
持台４は電気的絶縁性のある剛体で形成され、その下面
側には例えば第３Ｂ図に示すように列方向に形成された
溝１４を有する。また、第３Ｃ図は、支持台４の個々の
枠の支持部６にシリコンセル１を嵌込んだ上、支持台下
面側の溝１４に、列方向にフレキシブルプリント配線基
板１３が取付けられた状態を示し、１５はそのフレキシ
ブルプリント配線基板１３の両面に形成された導体回路
である。

次に、１個のシリコンセル１から引出されるべき信号線
を第４Ａ図〜第４Ｃを参照して検討すると、１個のシリ
コンセル１上には第４Ａ図に示すように構成されたホイ
ートストンブリッジ回路に対、して、端子Ｖ、Ｓ、Ｔ、
ｔおよびＧが設けられるため、このシリコンセル１に対
応するフレキシブルプリント配線基板１３上には、第４
Ｂ図および第４Ｃ図に示すように上記端子に対応した電
極ｖ、、ｓ、、Ｔ、、ｔ、と電極のそれぞれからの引出
し配線ＬＶ、ＬＳ、ＬＴ、Ｌｔとが配設されなければな
らない。ただし、ここで接地用端子Ｇについては先に述
べたように電極および配線の必要がなく、配線１木分が
節約される。

しかし、シリコンセル１が１個でなく、マトリクス状に
配列される場合には、その列方向においても配線数が増
えるので、第４Ｂ図や第４Ｃ図で示したようにフレキシ
ブルプリント配線基板１３の片面だけを使用する訳にい
かなくなる。そこでいま、列方向において５個のシリコ
ンセル１が配列される場合について、第５Ａ図および第
５Ｂ図を参照して説明することとする。

第５Ａ図および第５Ｂ図は、この場合のフレキシブルプ
リント配線基板１３上の電極と引出し配線の布設状態を
示すもので、ここで、１−１〜１−５はこのフレキシブ
ルプリント配線基板１３に接続されるべき列方向の５個
のシリコンセル１の位置を示す。すなわち、このように
、５個のシリコンセルに対してオン・オフされなければ
ならないために、シリコンセル１−１〜１−４に対応す
る電極Ｓ６にはスルーホール２０が設けられていて、ス
ルーホ−ル２０を介して裏面側にスイッチ駆動用の配線
ＬＳＩ〜ＬＳ４が配設される。ＬＶ、Ｌｔ、ＬＴはそれ
ぞれ上面側に設けられたＶ、、ｔ、およびＴ、用の引出
し配線である。

このようにマトリックス状に構成した圧覚センサにおけ
る信号処理について述べると、まず１つのシリコンセル
に設けたスイッチ信号端子Ｓに信号を送信することによ
り、このシリコンセルｌから２つの信号が端子Ｔとｔを
介して得られるが、第５Ａ図および第５Ｂ図に示すよう
に５個のシリコンセル１−１〜１−５から同時に信号を
得たのでは信号処理が困難である。そこで、まず、シリ
コンセル１−１から信号を取出す場合は、信号線ＬＳＩ
を介してそのスイッチング素子を“オン“とするが、こ
の場合他の信号線ＬＳ２〜ＬＳ５には信号が送給されな
い。かくして、順次に信号線を介して各シリコンセルに
おけるスイッチング素子を“オン”にしていけばよい。

なお、第５Ａ図および第５Ｂ図の例ではシリコンセル１
を５個配設した例について述べたが、これは、両面使用
のフレキシブルプリント配線基板１３に４列の配線をし
て信号処理が可能なのは最高で５個迄ということによる
。従って列方向に配列されるシリコンセル１を４個や３
個とすることは猶更に容易である。かくして支持台４に
形成した行および列方向の枠にシリコンセル１を嵌込む
ようにしてアレイ状の圧覚センサを得ることができる。

［発明の効果］ 以上説明してきたように、本発明によれば、半導体歪ゲ
ージを組込んだブリッジ回路、そのスイッチ手段および
各種の端子が配設された方形型シリコンセルの下面をマ
トリックス状の枠部を具えた支持台の枠の支持部に両端
支持させ、そのシリコンセルのたわみを検出するように
したので、検出感度を高く保つことができ、また、上記
シリコンセルの下面側にフレキシブルプリント配線基板
を接合させて、スイッチ手段等への電気信号の供給およ
び歪ゲージからの信号の取出しを行うと共に、上記シリ
コンセルの上面側に導電ゴムシートを支持台の全面にわ
たって接続し、シリコンセルの下面側に設けた接地端子
に導電性のあるシリコンセル自体を介して上記導電ゴム
シートが電気的に接続されるようにしたので、接地線を
フレキシブルプリント配線基板に配設する必要がなくな
り、それだけでフレキシブルプリント配線基板上の配線
がし易くなり、全体として薄型でかつ検出精度の優れた
圧覚センサを提供することが可能となフた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明圧覚センサの基本的構成を示す断面図、 第２図はそのシリコンセルの部分断面図、第３Ａ図、第
３Ｂ図および第３Ｃ図は本発明にかかる支持台の一例を
示す斜視図１部分拡大図およびその支持台にシリコンセ
ルを装着した状態の斜視図、 第４Ａ図はそのシリコンセル上の配線図、第４Ｂ図およ
び第４Ｃ図は本発明にかかるフレキシブルプリント配線
基板上の基本的配線状態の一例を示す平面図および側面
図、 第５Ａ図および第５Ｂ図は本発明にかかるフレキシブル
プリント配線基板上の配線の一実施例を示すそれぞれ平
面図およびシリコンセル単位ごとの断面図、 第６Ａ図および第６Ｂ図はそのシリコンセルの支持状態
および負荷状態をそれぞれ示す模式第７Ａ図および第７
Ｂ図はそのシリコンセル上に配設される回路の構成図お
よびそのシリコンセルの断面図、 第７Ｃ図はそのシリコンセル上のブリッジ回路の構成図
である。 １．１−１〜１−５・・・シリコンセル、ｌ＾・・・導
電部、 ３・・・はんだバンプ、 Ｓｌ、Ｓ２・・・スイッチング素子、 Ｒ０〜Ｒ４，８・・・歪ゲージ、 ４・・・支持台、 ５・・・枠部、 ６・・・支持部、 ７・・・絶縁層、 ９・・・配線パターン、 ｉｏ・・・接地用端子、 １１・・・導電ゴムシート、 １２・・・皮膜、 １３・・・フレキシブルプリント配線基板、１４・・・
溝、 １５・・・導体回路、 Ｖ、Ｓ、Ｔ、ｔ、Ｇ・・・端子、 Ｖ、、Ｓ、、ＴＥ、ｔＩニー・・電極、１、Ｖ、ＬＳ、
ＬＳＩ　〜ＬＳ４．ＬＴ、Ｌｔ　・・・配線、２０・・
・スルーホール。 特許出願人７−？゛曹ｒＦ；凸−・；）−ゝ−二・ノ゛
１− 第２図 第３Ｃ図 第４Ｂ図　　　　第４Ａ図 第４Ｃ図 第５Ｂ図 第５Ａ図 区 く ト 昧 区　　　　　　　　　　　　区 ■　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｑトド 綜　　　　　　　　　　　沫

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）窓型枠部がマトリックス状に形成された支持台と
   、 半導体歪ゲージを組込んだブリッジ回路、および該ブリ
   ッジ回路に対するスイッチ手段および端子が配設された
   面を下側にして、前記窓型枠部の支持部によって両端が
   支持された複数個の方形型シリコンセルと、 該複数個の方形型シリコンセルの上面に共通に配設され
   、前記端子のうちの所定の端子と電気的に接続された導
   電ゴムシートと を具えたことを特徴とする圧覚センサ。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載の圧覚センサにおいて
   、 前記導電ゴムシートは前記複数個の方形型シリコンセル
   を前記支持台の全面にわたり覆蓋することを特徴とする
   圧覚センサ。
3. （３）特許請求の範囲第１項または第２項記載の圧覚セ
   ンサにおいて、前記所定の端子は接地用端子であり、前
   記導電ゴムシートによって接地用配線を行うことを特徴
   とする圧覚センサ。
4. （４）特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかの
   項に記載の圧覚センサにおいて、フレキシブルプリント
   配線基板を前記方形型シリコンセルの下面側に配置し、
   該フレキシブルプリント配線基板の電極が前記所定の端
   子以外の端子に電気的に接続されるようにしたことを特
   徴とする圧覚センサ。