JPH01312436A - 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］ 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、把持物から受ける力を検出するに好
適な圧覚センサに関する。

［従来の技術］ 従来のロボットはマニピュレータ、シーケンス型ロボッ
ト、プレイバック型ロボット等のように、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
も限界がある。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
実用化されつつあり、近い将来には２足歩行のロボット
も実用化されるであろうと考えられる。

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
れる性能仕様には次のような項目をあげることができる
。

（１）高感度：力を検出する感度が高く、例えば数グラ
ムの荷重の検出が可能であ ること。

（２）高分解能：密度が高いこと。

（３）広ダイナミックレンジ：できるだけ動作範囲が広
いこと。

（４）高信頼性・耐久性：過酷な環境に耐えること。

（５）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。

（６）応答速度：信号処理の応答速度が速いこと。

（７）柔軟性：人間の手の皮膚のように柔軟性が保たれ
ること。

（８）すべり感覚：圧力だけでなく、できればすべりも
検出すること。

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

しかして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るものは、通常“オフ”の
状態にあるセ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適していない。

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、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
鏡体または受光素子で検知するものである。しかしこの
光の反射を利用する圧覚センサは外力の絶対値を正確に
知ることがむずかしく、検出精度が悪いなどの問題があ
る。

なお、以上のような圧覚センサ以外にも、各種形態の圧
覚センサが提案ないし試作されているが、いずれも上述
の性能仕様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覚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１ かかる目的を達成するために、本発明は、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面を下側にして両端が窓型枠部の
支持部によって支持される複数の方形型シリコンセルと
、窓型枠部がマトリックス状に形成された支持台と、支
持台に行方向もしくは列方向に配列された複数の方形型
シリコンセルの個々の端子と対向する位置に配設された
電極を有し、支持台の下面側に取付けられるセラミック
製の多層配線基板と、支持台の窓型枠部に嵌込まれ、方
形型シリコンセルと多層配線基板とようにしたことを特
徴とする。

［作　用］ 本発明によれば、マトリックス状に窓型枠部を有する支
持台のそれぞれの支持部に方形型シリコンセルの両端を
支持させるようになし、シリコンセルの半導体歪ゲージ
、スイッチ手段およびはんだバンブの端子が形成される
下面側の上記端子の対向位置に電極をもつ多層のセラミ
ック配線基板を上記支持台の下面に取付けると共に上記
窓型枠部に嵌込んで、シリコンセルと、多層のセラミッ
ク配線基板との間に弾性保持されるようにした異方性導
電ゴムシートにより上記端子と上記電極との間に電気的
導通が得られるようにしたので、シリコンセルとセラミ
ック多層配線基板との間に確実かつ整然とした電気的接
続を保つことができ、シリコンセルの上面側から荷重を
加えたときに、各々のシリコンセルの撓みに応じて歪ゲ
ージに生じる抵抗変化を個別にシリコンセルから異方性
導電ゴムシートおよびセラミック多層配線基板を介して
整然と取圧すことができ、しかもこのとき異型かつ高密
度高精度の圧覚センサを提供することができる。

［実施例１ 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１Ａ図および第１Ｂ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、シリコンセル１の両端が第１Ａ図に
示すように支持部材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１Ｂ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
２Ａ図および第２Ｂ図に示すように４つの歪ゲージＲ，
，Ｒ２，Ｒ３およびＲ４を配置し、更にこれらの歪ゲー
ジＲ３〜Ｒ４を第２Ｃ図に示すようにしてブリッジ回路
に組込み、相対する２組の頂点間の一方に電圧Ｖを印加
すると共にその一端を接地し、また、他方の頂点間から
引出した出力線のそれぞして取り出すことができる。

第２Ａ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Ｒ，−Ｒ４と
ブリッジ回路からの出力線にスイッチング素子Ｓ　（５
１，５２）とを、更にまた、各種端子、即ち出力端子Ｔ
およびｔ、スイッチ信号端子ＳＷＡ＋Ｓ　Ｗ　ａ　＊接
地端子Ｇ、電圧端子Ｖのはんだバンブを設けたものであ
る。第２Ｂ図ではんだバンブは３で表示し、第２＾図で
は各種端子に応じて（３）を付して表示している。なお
、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Ｓ　（Ｓｌ、Ｓ
２）や配線ならびに各はんだバンブ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ＦＥＴである。

第３図は本発明の基本的構成を示す図であり、ここで、
１２は支持台であり、支持台１２は窓型枠部１３とこれ
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
１４とを有し、絶縁材料で形成される。１５は支持台１
２に接着され、支持台１２を強度的に保持するセラミッ
ク製の多層配線基板であり、多層とすることによって後
述するように複数のシリコンセル１からの出力信号線を
適切に配設し、信号を外部に取り出すことができる。

１６は窓型枠部１３に嵌込まれ、シリコンセルｌと多層
配線基板１５との間の電気的接続を果たすと共にそれ自
体の有する弾性によりシリコンセル１の撓みに応答する
異方性導電ゴムシートである。なお、窓型枠部１３は支
持台１２の行ならびに列方向に格子状に形成されるもの
で、その窓型枠部１３のそれぞれに異方性導電ゴムシー
ト１６が嵌込まれる。

異方性導電ゴムシート１６は例えば銀などの電気良導体
によるファイバがゴムシートの厚さ方向に整然と埋め込
まれることにより異方性を有し、厚さ方向のみに電気的
導通が得られるもので、同時にその厚さ方向の変形を弾
性的に吸収することができる。

１７は多層配線基板１５の上層部に形成されている７４
Ｖｉであり、これらの電極１７はシリコンセル１の下面
側に形成されたはんだバンブ３の対向位置に形成されて
いて、図示のように多層配線基板１５とシリコンセル１
との間に異方性導電ゴムシート１６が挟持されることに
よって、その導電部１８を介してはんだバンブ３と電極
１７との間に電気的導通が得られる。１９はシリコンセ
ル１が収納された支持台】２の表面全体を覆うようにし
て把持物がシリコンセル１に直接触れるのを防止し全体
を保護している柔軟性のある皮膜部材である。

次に、このような構成による圧覚センサの全体的な構造
とその製造過程を第４＾図〜第４Ｅ図によって説明する
。

本実施例は第４Ｄ図に示されるように４行×３列にシリ
コンセル１を配列させてセンサ単位を構成する場合の例
であって、その支持台１２には第４Ａ図に示すように個
々の窓型枠部１３および支持部１４が形成されている。

このような支持台１２をまず多層配線基板１５上に接着
固定する。第４Ａ図において、２０は多層配線基板１５
の各電極１７に接続され、これらから引き出されたリー
ド線であり、これらのリード線２０の引出しについては
後で述べることとする。

次に、第４Ｂ図のように窓型枠部１３に異方性導電ゴム
シート１６を嵌め込む、この場合異方性導電ゴムシート
１６の縦横のサイズは支持部１４から下側の窓型枠部１
３のサイズより幾分小さ目であり、異方性導電ゴムシー
ト１６の高さは支持部１４と同程度または支持部１４か
ら上部に幾分飛び出す程度とする。ついで、その上にシ
リコンセル１を第４Ｃ図に示すように嵌め込み、第４Ｄ
図の全体図に示す状態とした上、その全体の表面に皮膜
部材１９を取付けることにより第４Ｅ図のような形態の
センサ単位を形成することができる。

第５Ａ図〜第５Ｃ図はセラミック多層配線基板１５の各
層における配線パターンを示し、本例はその１つの列に
おいて４個のシリコンセル１に対応して形成された電極
と配線パターンの例を示す。すなわち、第５八図はその
表面届出におけるパターンを示し、ここで、■、■、０
〜０．（）〜０．（）およびΦ〜Ｏはそれぞれ対向位置
に配置されるシリコンセル１の個々の端子Ｖ、Ｇ、Ｔ、
ｔ。

ＳＷＡおよびＳｗａ　　（第２Ａ図参照）に対応して設
けられた電極１７であり、この場合、スイッチ用電極の
うち一つが共通電極・、他方が固有のスイッチ７Ｍ、ｐ
ｉＱ〜６）とされている。

また、第５Ｂ図は多層配線基板１５の第１層上における
パターンを、更にまた第５Ｃ図はその第２号を二重丸で
囲んだものは表面届出から第２層里にまで引下すために
第１層里に設けられたスルーホール用のランド２２であ
る。

かくして、その第１層里において、スイッチ用共通電極
Ｃ）用の配線しＳｗｃと、電源用の配線ＬＶおよび接地
配線ＬＧとが第５Ｂ図に示すようにして接続された上、
縦方向に取り出されるように形成され、一方、出力用の
電極０〜Ｇ）、　（￥）〜◎およびスイッチ選択用電極
（）〜（）からはそれぞれ第５Ｃ図に示すようにして出
力配線ＬＴ＋　ＮＬＴ４．　Ｌｔ＋〜Ｌｔ４．　　ＬＳ
ｗ＋　−１５ｗ４が横方向に配線され取出される。

第６Ａ図、第６Ｂ図および第６Ｃ図はこのようにして多
層配線基板１５の各層に形成されたパターンの全体を示
すもので、第６＾図はその表面層用全体に配設された電
極１７のパターン、第６Ｂ図は第１層里に配設されたラ
ンド２１および２２とこれらから引出されたリード線２
０のパターン、第６Ｃ図は第２層里のランド２１にまで
スルーホールを介して引下ろされてきて、更にこれらの
ランド２１から横方取出し線が、また行方向、すなわち
横方向からは３×４の取出し線が引出される。

また、このように構成した圧覚センサにおいては、例え
ば縦方向−列に配列されたセルの組における共通のスイ
ッチ用配線ＬＳｗｃを“オン”の状態としておき、次に
ＬＳｗＩＮＬＳｗ４を順次に“オン”および“オフ“と
することにより、この列における個々のセルからの出力
信号をその順番で取出すことができる。

［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面の両端が窓型枠部の支持部に
よって支持される複数の方形型シリコンセルと、上記窓
型枠部がマトリックス状に形成された支持台と、支持台
の行方向および列方向に配列された上記シリコンセルの
個々の端子と対向する位置に電極を有し、支持台の下面
側に取付けられるセラミック族の多層配線基板とを具え
た圧覚センサにおいて、そのシリコンセ多層配線基板と
の間の電気的接続のためにはんだを使用したりする必要
がなくなり、組立が容易で全体を薄型のコンパクトなも
のとすることができ、高精度の検出感度を保つことがで
きると共に、個々のシリコンセルが異方性導電ゴムシー
トによって弾性支持されるので、シリコンセルが撓みに
よって破損したりするのを防止する効果が得られ、ロボ
ットハンドに取付けて高度の技術を要する作業を行わせ
るのに好適な圧覚センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図および第１Ｂ図は支持部材に支持されたシリコ
ンセルにより荷重を検知する原理の説明図、 第２八図および第２Ｂ図は本発明にかかるシリコンセル
単体を模式的に示す平面図および側面図、第２Ｃ図は、
そのシリコンセル上のブリッジ回路の構成図、 第３図は本発明圧覚センサの断面図、 第４Ａ図〜第４Ｅ図はその組立順序を示す斜視第６Ａ図
〜第６Ｃ図はその１つのユニットにおける多層配線基板
の各層ごとの配線図である。 １・・・シリコンセル、 ３・・・はんだバンブ、 ５１．５２・・・スイッチング素子、 Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４・・・歪ゲージ、Ｔ、ｔ、Ｓｗ
Ａ、ＳｗＢ、Ｖ、Ｇ　一端子、ｌ２・・・支持台、 １３・・・窓壁枠部、 １４・・・支持部、 １５・・・多層配線基板、 １５Ａ・・・表面層、 １５Ｂ・・・第１層、 １５Ｇ・・・第２層、 １６・・・異方性導電ゴムシート、 １７・・・電極、 １８・・・導電部、 １９・・・皮膜部材、 ２０・・・リード線、 ２１．２２・・・ランド。 特許出願人　’−’Ｚ：ｊ−ｊｊｌ院に飯塚素工１　シ
リコン七２し 第１Ｂ図 第３図 第４Ｄ図 第４Ｅ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　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面を下側にして両
   端が窓型枠部の支持部によって支持される複数の方形型
   シリコンセルと、 前記窓型枠部がマトリックス状に形成された支持台と、 該支持台に行方向もしくは列方向に配列された複数の前
   記方形型シリコンセルの個々の前記端子と対向する位置
   に配設された電極を有し、前記支持台の下面側に取付け
   られるセラミック製の多層配線基板と、 前記支持台の窓型枠部に嵌込まれ、前記方形型シリコン
   セルと前記多層配線基板との間に弾性的に保持されて、
   個々の前記端子とその対向する位置に配置された前記電
   極との間に電気的導通が可能な異方性導電ゴムシートを
   具え、 前記方形型シリコンセルの上部から加えられた荷重を検
   知するようにしたことを特徴とする圧覚センサ。