JPH02223835A - 分布型圧覚センサ - 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〕 この発明は分布型圧覚センサに関し、詳しくは、ロボッ
トハンド等に取付けて、ハンドに対して垂直方向に加わ
る力の分布を検出することができる分布型圧覚センサに
関する。

〔従来の技術〕

この種の分布型圧覚センサは、ロボットハンドなどにお
いてその圧覚検知により把持力の強さや、面圧分布等の
情報を得る目的で開発が進められてきた。第７図にこの
ような分布型圧覚センサの一部を、また第８図に分布型
圧電センサを構成する個々の圧覚センサの一例を示す。

分布型圧覚センサは、適当なりレグ率を有する弾性材の
基板である弾性体１の上に第７図に示すような単結晶シ
リコン板２が接着して構成されており、さらにこのよう
な単結晶シリコン板２上には、その中央部に荷重印加部
３が例えばＳｎ／１０Ａｕによる共晶結合や接着等によ
り固定されていて、その周囲には半導体ストレンゲージ
２Ｂおよび２Ｃが配設され、このようにして構成された
個々の圧覚センサ４がマトリクス状に配列されている。

なお、単結晶シリコン板２の上面２Ｄ上には、前記半導
体ストレンゲージ２Ｂや２０１更にこれらを結合する図
示しない配線に加えて、信号取出し用のはんだパッド２
Ａが形成されており、これらのはんだパッド２Ａに対し
て窓５＾が形成されたフレキシブルプリント板５のはん
だパッド５Ｂが重ね合せるようにして溶融接合されてい
る。なおここで弾性体１には、圧覚センサ４を互いに離
隔させるために井桁状の溝ｌ＾が形成されている。

以上のような構成において、荷重印加部３に垂直荷重が
負荷されると、単結晶シリコン板２が弾性体１と共に変
形することによって、単結晶シリコン板２の表面に形成
された半導体ストレンゲージ２Ｂおよび２Ｃにおける抵
抗値が変化する。そこでこれらの抵抗値の変化をホイー
トストンブリッジ回路により電圧変化として取り出せば
、荷重印加部３に加えられる垂直荷重の大きさを知るこ
とができ、さらにマトリックス状に並べられた複数の圧
覚センサ４を適当にスキャニングすることによって、加
えられた垂直荷重の分布を知ることができる。

ところで第８図のように圧覚センサ４を構成し、荷重印
加部３に垂直荷重をｆ１加した場合、単結晶シリコン板
２の表面上には圧縮歪のみが発生する。このため４つの
半導体ストレンゲージ２［１゜２Ｂおよび２Ｇ、２Ｇは
いずれも正の抵抗値変化を示すので、これらの半導体ス
トレンゲージ間にホイートストンブリッジ回路を構成し
た場合、互いにストレンゲージの抵抗値変化を打ち消し
合うように働くため、得られる出力は微小なものとなる
。そこで第９図の圧覚センサ４Ａのように半導体ストレ
ンゲージの配置として、歪が発生しない箇所にダミーゲ
ージ２Ｅを配置し、歪が発生する箇所にアクティブゲー
ジ２Ｂ１および２Ｂ２を配置し、第１０図のような回路
構成により出力電圧ｅ。を得ることが考えられる。なお
、第９図の圧覚センサ４Ａでは加工、組立性を考慮し、
単結晶シリコン板２の形状、はんだパッド２＾の配置方
法、および荷重印加部３の形状がそれぞれ第８図に示す
例と異なっているが、基本的構成及び原理は第８図と同
一である。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上述の第９図に示すような構成とした場
合、荷重印加部３が所定の位置、すなわち単結晶シリコ
ン板２の正確な中心位置から第１１図のように、ある偏
心量ｒだけずれた状態で、第１２図のＦｘのような横荷
重の干渉を受けたとすると、次に述べるような問題点が
ある。

すなわち、第１１図のような圧覚センサ４Δにおいて、
第１Ｏ図に示す１うにホイートストンブリッジ回路を構
成した場合、回路の出力端子間から得られる出力電圧ｅ
ｏは以下のようになる。

ｅ、、＝−１／４・にＳ（ε２ｂｌ　＋ε２ｂ２）ｅｌ
　　　”’の８１は電源電圧、ε２ｂｌおよびε２ｂ２
はアクティブゲージ２８１および２Ｂ２の長手方向歪、
に５はゲージファクタと言われる定数である。なおここ
で、ダミーゲージ２Ｅには歪が生じないので、ε２６＝
０と仮定している。

そこでまず、第１１図において荷重印加部３の偏心量ｒ
＝０の場合を考える。この場合第１２図のように垂直荷
重Ｆ２が荷重印加部に負荷されると、アクティブゲージ
２Ｂ１および２Ｂ２には第１３Ａ図のように歪ε２ｂｌ
およびε２ｂ２が発生し、■式より第１３Ｂ図のような
出力電圧ｅ。が得られ、垂直荷重が検出される。同様に
偏心量ｒ＝ｏの場合は、第１２図のように横荷重ＦＸが
負荷されたとしても、第１４Ａ図のようにアクティブゲ
ージ２Ｂ１および２Ｂ２には大きさが等しく符号が逆の
６２，１およびε２ゎ、が発生し、■式より第１４８図
に示すように出力電圧ｅ。−〇となり横荷重の影雷、す
なわち干渉は現れない。

次に荷重印加部３が例えば第１１図のようにＸ方向にあ
る偏心ｆｉｒだけずれている場合、横荷重Ｆ８が負荷さ
れると、第１５Ａ図のように大きさが異なる歪ε２ｂｌ
　とε２ｂ２とが発生するため、■式より出力電圧ｅ０
は第１５８図に示すように非常に大きな値となり、横荷
重の干渉を大きく受けることが分る。

ところで荷重印加部３の位置ずれをなくす、すなわち組
立位置決め精度を上げることは大きなコストアップに繋
がり実用的でないために、実質的には荷重印加部３の位
置ずれが生じることはやむを得ない。従って第１１図の
ような、すなわち従来技術による圧覚センサ４Ａでは横
荷重の干渉が発生し、正確な垂直荷重の検出ができない
という問題点があった。

本発明の目的は、上述した従来の課題に着目し、その解
決を図るべく、荷重印加部の取付位置の精度いかんにか
かわらず横荷重の干渉を最少限に抑制可能な分布型圧覚
センサを提供することにある。

（課題を解決するための手段〕 このような課題を解決するために、本発明は、弾性材の
基板上に、各々半導体ストレンゲージおよび荷重印加部
が形成された複数個の単結晶シリコン板が、所定の間隔
をおいてアレイ状に配設され、このシリコン板の荷重印
加部に付加される垂直荷重により、単結晶シリコン板を
弾性材の基板と共に変形させて、半導体ストレンゲージ
に発生する抵抗値の変化により垂直荷重の大きさを検出
する分布型圧覚センサにおいて、荷重印加部近傍の垂直
荷重により歪が発生する部分に複数個の半導体ストレン
ゲージを配設して、複数個の半導体ストレンケージによ
り直列に接続した２組のアクティブゲージを構成し、単
結晶シリコン板上の歪が発生しない部分に半導体ストレ
ンゲージによる２つのダミーゲージを配設して２組のア
クティブゲージと２つのダミーゲージとの間にホイート
ストンブリッジを構成し、ホイートストンブリッジから
の出力電圧により垂直荷重を検出するようにしたもので
ある。

〔作　用〕

本発明によれば、荷重印加部の近傍に設けた複数個の半
導体ストレンゲージにより直列に接続した２組のアクテ
ィブゲージを構成し、これらのアクティブゲージと２つ
のダミーゲージとによりブリッジ回路を構成して、シリ
コン板上のより多くの個所の歪を組合せることにより、
ホイートストンブリッジ回路の出力電圧を得るようにし
たので、これにより荷重印加部が偏心した場合でも、複
数個の半導体ストレンゲージの抵抗値変化が互いに補い
合うため、横荷重による干渉出力が抑えられる。

（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。

第１図に本発明の分布型圧覚センサを構成する個々の圧
覚センサ４Ｂの一実施例を示す。ここで、２Ｂ１〜２Ｂ
４は単結晶シリコン板２の上面２Ｄに形成され、荷重印
加部３に加えられた荷重を歪として検出する半導体スト
レンゲージであるアクティブゲージ、２Ｅは歪が発生し
ない周辺部に形成された半導体ストレンゲージであるダ
ミーゲージであリ、上面２Ｄにはこれらのアクティブゲ
ージ２Ｂ１〜２Ｂ４およびダミーゲージ２Ｅの外、これ
らの間を接続する図示しない配線や信号取出し用のはん
だバンブ２八が形成されている。

しかして、これらのアクティブゲージ２Ｂ１〜２８４お
よびダミーゲージ２Ｅを第２図のようなブリッジ回路に
、アクティブゲージ２Ｂｌ　と２８２とを１組とし、ア
クティブゲージ２Ｂ３と２８４とを１組として組込んで
構成することによりその出力端子間から出力電圧ｅ。が
得られ、この場合の出力電圧ｅ０は次式のように表され
る。

ｅｏ　　＝−１７８・にｅ（ε　２１．＋ε　２ｂ２＋
ε２ｂ３十ε２Ｍ）８１”’■ここで、ｅ、は電源電圧
、ε２，１〜２ｂ４はアクティブゲージ２Ｂ１〜２８４
の長平方向歪、Ｋ、はゲージファクタと呼ばれる定数で
ある。なおダミーゲージ２Ｅには歪が生じないのでε２
゜＝０と仮定している。

そこで、このように構成した圧覚センサ４Ｂにおいて荷
重印加部３の偏心量ｒ＝ｏの場合、第１２図に示したよ
うな垂直荷重Ｆ２が荷重印加部３に付加されたとすると
、アクティブゲージ２Ｂ１〜２８４には第３Ａ図のよう
な歪がそれぞれ発生し、■式により第３Ｂ図のような出
力電圧ｅ。が得られる。同様に第１２図に示す横荷重Ｆ
Ｘに対しては、第４Ａ図のようになり第４Ｂ図に示すよ
うに出力電圧ｅ０＝０となる。

次に荷重印加部３が従来の技術のところで説明したよう
に中心位置からＸ方向にある偏心量ｒだけずれている場
合、横荷重Ｆｘが負荷されたとすると第５八図のような
歪が各アクティブゲージ２Ｂ１〜２Ｂ４に生じ、その結
果、出力電圧ｅ。はＴではないが、第５Ｂ図に示すよう
に極めてわずかな値となり、横荷重の干渉が大刀消去さ
れたことが分る。

以上の様に本発明による圧覚センサの場合、４つのアク
ティブゲージ２Ｂ１〜２８４に発生する歪が互いに補い
合う形で発生するため、２つのアクティブゲージで荷重
値を検出する従来技術の場合よりも、横荷重の干渉をは
るかに小さいものとすることができる。

なお第１図のように構成した圧覚センサ４Ｂにおいて、
第６図のようにホイートストンブリッジ回路を構成して
も、第２図の場合と全く同様な効果が得られることはい
うまでもない。

〔発明の効果〕 弾性材の基板上に、各々半導体ストレンゲージおよび荷
重印加部が形成された複数個の単結晶シリコン板が、所
定の間隔をおいてアレイ状に配設され、この単結晶シリ
コン板の荷重印加部に付加される垂直荷重により、単結
晶シリコン板を弾性材の基板と共に変形させて、半導体
ストレンゲージに発生する抵抗値の変化により、垂直荷
重の大きさを検出する分布型圧覚センサにおいて、垂直
荷重により歪が発生する荷重印加部の近傍に、複数個の
半導体ストレンゲージを配設してこれら複数個の半導体
ストレンゲージにより直列に接続した２組のアクティブ
ゲージを構成し、更に、歪が発生しないような単結晶シ
リコン板上の部分に半導体ストレンゲージによる２つの
ダミーゲージを配設して２組のアクティブゲージと２つ
のダミーゲージとの間にホイートストンブリッジ回路を
構成したので、ホイートストンブリッジ回路からの出力
電圧における横荷重による干渉を小さく抑制することが
できるようになった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の分布型圧覚センサを構成する個々の圧
覚センサの構成図、 第２図は本発明によるホイートストンブリッジ回路の構
成図、 第３八図および第３Ｂ図から第５Ａ図および第５Ｂ図ま
ではアクティブゲージに生ずる歪量およびホイートスト
ンブリッジ回路出力電圧の関係をそれぞれ異なる荷重付
加状態で示す説明図、 第６図ば本発明による別のホイートストンブリッジ回路
の構成図、 第７図は従来技術による分布型圧覚センサの断面図、 第８図および第９図は従来技術にかかる個々の圧覚セン
サの構成図、 第１θ図は従来技術によるホイートストンブリッジ回路
の構成図、 第１１図は第９図の構成において荷重印加部の偏心を示
した平面図、 第１２図は圧覚センサに対する荷重方向を示した断面図
、 第１３Ａ図および第１３８図から第１５Ａ図および第１
５Ｂ図までは従来の圧覚センサにおいてアクティブゲー
ジに生ずる歪量およびホイートストンブリッジ回路出力
電圧の関係をそれぞれ異なる荷重付加状態で示す説明図
である。 １・・・弾性体、 ｌ＾・・・溝、 ２・・・単結晶シリコン板、 ２八・・・はんだパッド、 ２８　、２Ｃ・・・半導体ストレンゲージ、２Ｅ・・・
ダミーゲージ、 ２８１〜２Ｂ４・・・アクティブゲージ、ト Ｎ ３・・・荷重印加部５ ４．４＾、４Ｂ・・・圧覚センサ、 ５・・・フレキシブルプリント板、 ε２ｂｌ〜ε２ｂ４・・・アクティブゲージの歪量。 特許出ｍ々工ｒ、ｊ゛；・：、’；’：：、′：、；、
ぴ；幸ニ第２図 第３Ａ図 第３Ｂ図 第４Ａ図 第４Ｂ図 第５Ａ図 第５Ｂ図 第７図 第８図 第６図 第 ９図 第１０図 第１１図 第１２図 第１３Ａ図 第１３Ｂ図 第１４Ａ図 第１４Ｂ図 第１５Ａ図 第１５Ｂ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）弾性材の基板上に、各々半導体ストレンゲージおよ
   び荷重印加部が形成された複数個の単結晶シリコン板が
   、所定の間隔をおいてアレイ状に配設され、該単結晶シ
   リコン板の前記荷重印加部に付加される垂直荷重により
   、前記単結晶シリコン板を前記弾性材の基板と共に変形
   させて、前記半導体ストレンゲージに発生する抵抗値の
   変化により前記垂直荷重の大きさを検出する分布型圧覚
   センサにおいて、 前記荷重印加部近傍の前記垂直荷重により歪が発生する
   部分に複数個の半導体ストレンゲージを配設して、該複
   数個の半導体ストレンゲージにより直列に接続した２組
   のアクティブゲージを構成し、 前記単結晶シリコン板上の歪が発生しない部分に半導体
   ストレンゲージによる２つのダミーゲージを配設して前
   記２組のアクティブゲージと前記２つのダミーゲージと
   の間にホイートストンブリッジを構成し、当該ホイート
   ストンブリッジからの出力電圧により前記垂直荷重を検
   出するようにしたことを特徴とする分布型圧覚センサ。