JPH0411346B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の属する技術分野］ この発明は、圧覚センサを知能ロボツトのハン
ドや自動組立機のマニピユレータ、あるいは移動
ロボツトの足の裏等に取付けて、人間における接
触覚、圧覚、すべり覚および硬さ覚等に相当する
感覚を認識し、この認識に基づいてロボツトハン
ドやマニピユレータあるいは足の制御を行わしめ
る圧覚認識制御装置に関する。

［従来技術とその問題点］ 人間に代つて作業をするロボツト等の手または
足に加わる力は立体的で、且つある分布を持つて
いる。そしてこの印加された力の大きさ、方向お
よび受圧面での分布は、ハンド（マニピユレー
タ）あるいは足の動きに伴つて変化する。人間は
この力に対する感覚、すなわち圧覚だけでなく、
接触覚、滑り覚および硬さ覚等も合せ持つてい
る。従つて、機械のハンドあるいは足を人間と同
等に高度に制御するためには、人間の有するこれ
らの感覚を機械が持つ必要である。これらの中
で、最も基本的な感覚として必要なのは立体的な
圧覚とその分布状態の認識である。

ここで、立体的な圧覚とは受圧面に垂直な力だ
けでなく、受圧面での２方向の力も合計３方向の
力に対する感覚であり、更にハンドあるいは足の
動作に伴う３方向のモーメントに対する感覚を持
つことが望まれる。このような３方向の分力を検
知する感覚を有するセンサとしては第１図〜第３
図に示すようなものが発表されている。これらの
従来のセンサは、弾性リング体や十字形板ばね、
あるいは弾性ブロツクなどの弾性支持体１と、そ
の支持体の各方向に貼付けられた複数のストレン
ゲージ３とからなるが、ハンドの把握する物体に
比べて同等、あるいはより大きな大きさ（例えば
各稜の長さが100〜200mm程度）を有しているの
で、ハンドあるいは足の受圧面に用いられず、も
つばら手首５あるいは足首に装着されて、ハンド
あるいは足の作用力全体の力を検出することに用
いられているにすぎない。その結果、これらの従
来のセンサでは触覚、滑り覚、硬さ覚の検出には
行い得ず、このような感覚情報の必要な場合に
は、そのための特別のセンサを別に受圧面に設け
る必要があつた。しかし、それらの特別なセンサ
もかなりの大きさを有するため、受圧スペースや
感覚位置の違い等によつて手の掌に相当する面積
での大ざつぱな感覚情報が得られにすぎず、指に
相当する部分の微妙な感覚情報を得ることはでき
なかつた。

また、前述したように面状に分布したた圧覚の
認識ができることが人間の感覚の特徴の一つであ
る。ロボツト等の受圧面はある大きさを有し、被
把握物が平面でなかつたり、ハンドあるいは足が
ある動きをする時には、受圧面に作用する力は一
様でない。そこで、圧覚も分布した状態での認識
が必要であり、その認識により受圧面積、力の作
用中心、およびその時間的な変化の感覚を持つこ
とができる。このような印加された力の分布が認
識できる感覚を有するセンサとしては、第４図〜
第６図に示すようなものが発表されている。ま
ず、第４図Ａに示すセンサは、導電性ゴムである
シリコンゴムコード１５と金属電極１７とを用
い、加圧力によりそのゴムコードの接触面積に変
化が起こり、抵抗値が変化することを利用してい
る。第４図Ｂに示すセンサは、そのシリコンゴム
コード１５と金属電極１７とを格子状に配置し、
ITV（工業用テレビ）などに用いられている走査
方式を適用して検出している。さらに、第５図に
示すセンサは垂直方向に摺動する多数の細い棒
（ピン）１９の先端が被検物体の形状に応動して
上下動する動きを、不図示の差動コイルやホール
素子によつて検出することにより、３次元部品
（立体部品）の形状の認識を行う。

第６図Ａ〜Ｄに示すものはロボツト用力覚セン
サとして応用できる導電性ゴムなどを用いたもの
である。第６図Ａの例は導電性ゴムシート７と金
属電極８とを組み合わせたもので、基板９の上に
絶縁性の電極支え９ａを分布配置してその各頂部
に金属電極が取り付けられている。電極支え９の
相互間にはスポンジゴムなどからなる弾性材が分
布し配されており、その頂部に可撓性の導電性ゴ
ムシートが接着ないし載置されている。容易にわ
かるように、荷重Ｆを受けた部位では弾性材が図
の下方に圧縮され、その撓みを導電性ゴムシート
７と電極８との電気的接触により検知して荷重Ｆ
のかかつた位置、ないしはその分布を知ることが
できる。第６図Ｂでは弾性シートとして構成され
た導電性ないしは感圧性のゴムシート７の下方に
基板９の面に点状に分布して設けられた多数の電
極８が配されており、荷重Ｆが掛かつた位置の導
電性ゴムシート７に電気接触する電極８を検出す
ることにより、荷重の掛かつた位置ないしはその
分布を検知するものである。

第６図Ｃの例では、絶縁性ゴムシート７の下面
に導電性ゴム７ａが列状に埋め込まれており、こ
れに対向して絶縁性の基板９の上面には電極条８
が行状に取付けられている。荷重Ｆを受けたかか
る行列の交点の位置で導電性ゴム７と電極条８が
電気接触するので、接触点の位置分布から荷重分
布を知ることができる。第６図Ｄはベリリウム銅
などからなる金属の極薄板ないしは箔８ａを電極
に用いた例で、この箔８ａ自身の弾性ないしはそ
の絶縁性覆い８ｃの弾性が利用される。この複合
体が取付けられる基体９は例えば金属製で、その
周面の一部９ｃが電極面となつており、金属箔電
極８ａと基体９とは絶縁板８ｄにより絶縁されて
いる。荷重Ｆを受けたとき電極８ａと覆い８ｃと
の複合体は撓んで電極箔８ａが基体側の電極面９
ｃと電気接触するから、基体９に沿つて多数の電
極箔８ａを配設しておけば、荷重分布を知ること
ができる。

しかしながら、これらの従来のセンサは、いず
れもセンサの受圧面に垂直な方向の感覚のみしか
有していない。また更に、精密に分布状態を検出
するためにはセンサの各モジユールを小さくする
必要があるが構造的に限界があつて十分小さくで
きず、かつ主として用いられる導電性ゴムの検出
機構のために、印加された力に対する検出出力の
非直線性やダイナミツクレンジの狭さがあるの
で、専ら接触の検出や受圧面積の検出、すなわち
触覚センサとしてしか用いられず、人間の代用と
なる圧覚センサとしては不十分であつた。従つ
て、従来のセンサ装置では、人間の感覚に近い圧
覚認識制御装置は得られなかつた。

第７図は従来から用いられている力の３方向成
分を検出するリング型荷重計としてのセンサ（八
角形応力リング）を示す。このセンサは金属製八
角形リング２０の受圧面２１および基板面２２を
除く外周部の６面と、両側面および内周面とにそ
れぞれストレンゲージとして抵抗線ゲージ２３〜
２６，２７〜３０，３１〜３４を貼付して、その
貼付位置によつて３方向成分を互いに分離してそ
れぞれ検出するようにしたものである。上述のス
トレンゲージ２３〜２６は八角形リングのうちの
受圧面２１に垂直な外周面とリングの内周面とに
貼付されており、受圧面２１に垂直な力の成分
Fzを検出する。また、ストレンゲージ２７〜３
０は八角形リングのうちの４つの斜めの外周面に
貼付されており、受圧面２１にかかる水平な力の
成分のうちのｘ方向の成分Fxを検出する。さら
に、ストレンゲージ３１〜３４はリングの両側面
に、八角形リングの斜め面と同じ角度で、リング
の肉厚のほぼ中央部に貼付されており、受圧面２
１にかかる水平な力の成分のうちのｙ方向の成分
Fyを検出する。

このように、図示のような３方向分力センサは
力を基本的な直角座標系に分解し３方向分力とし
て検出しているので、この３分力を演算式により
合成することによつて、力の大きさや方向を求め
ることができる。更に任意の方向の力も求めるこ
とができる。

このように力の分解、合成が容易にできるの
が、３方向分力センサの大きな特徴である。

しかしながら、図示のような従来の八角形応力
リングは、３方向の力の成分を検出するセンサと
しては著名なものであるが、次のような欠点があ
り、特にこれを面アレイ状に配列して面状に分布
する荷重の荷重分布を検出するには不適当であ
る。以下、その欠点を列挙する。

多数のストレンゲージをリング体の各方向に
貼付した構造であるので、小形化が困難であ
る。

ストレンゲージを貼付するために、その貼付
層がクリープを生じさせ、安定性が悪い。

ストレンゲージの貼付位置により、大きな干
渉出力を発生する。

製作が比較的大変である。特に、リングの内
周面へのストレンゲージの貼付は難しい。

量産性がなく、高価となる。

一方、人間の手のひらの有する圧覚機能にでき
るだけ近いレベルの高度な圧覚機能を有するロボ
ツトハンドを実現するためには、その圧覚センサ
としては３方向分力センサの機能を有し、さらに
このセンサを多数高密度で面アレイ状に配列し
て、印加される力の分布状態や力の中心（重心）
とそれに働く合成力を正確に求めることができな
ければならない。そのため、このような圧覚セン
サとして要求される性能は次の通りである。

(a) 荷重検出単位体は寸法が数mm以下の小形のも
ので、１個の分布荷重検出器中にかかる単位体
ができるだけ高密度で集積化されれたものであ
ること。

(b) 荷重の分力を相互間の干渉なしによく分離し
て検出できること。

(c) 荷重と検出出力との関係が直線性で、測定の
ヒステリシス誤差がなく、かつダイナミツクレ
ンジすなわち測定範囲が広いこと。

(d) 荷重分布検出器自体の剛性が高く、荷重を受
けたとき変形して荷重分布が変わつてしまうよ
うなことがないこと。

［発明の目的］ この発明は、前述のような要求および前述のよ
うな従来技術の持つ問題点に鑑みて、３方向分力
を検知し得る微小な圧覚センサモジユールをアレ
イ状に高密度で配列した圧覚センサアレイをロボ
ツトのハンドあるいは足の裏等の受圧面に取付け
ることにより、立体的な圧覚とその圧覚の分布状
態を直接検出することを可能とし、かつ検出して
得られた信号群を所定のアルゴリズムで処理する
ことによつて、３方向分力のみでなく、３方向分
力のモーメント、力の作用中心、全体の作用力等
を得ると共に、接触覚、滑り覚および硬さ覚等も
合せて認識し得ることができるようにし、更にこ
れらの感覚情報を同時に高速度で認識し得るよう
にすることによつてロボツトのハンドや足の機能
を高度に制御し得ることを可能とするアルゴリズ
ムを用いて、被把握物が変形しない程度の最小の
把握力での把握や衝撃のない被把握物の持ち上
げ、あるいは離し、被把握物の取付穴への挿入や
回転等のような人間の手や足の動作に相当する高
度な動作制御を行うことのできる圧覚認識制御装
置を提供することを目的とする。

［発明の要点］ この発明は、受圧面に印加された力の３方向分
力を個別に検出し得るように構成された半導体歪
計の原理によるウエハ型の圧覚センサセルを微小
に作成し、このセルを多数個面アレイ状に配列し
た圧覚センサアレイをロボツトあるいはマニピユ
レータのハンドあるいはロボツトの足の裏等の受
圧面に装着させ、その圧覚センサアレイの基板上
あるいはその近傍に圧覚センサアレイの出力を行
および列毎に順次取り出すスキヤナーを設け、圧
覚センサ内あるいは圧覚センサセルの取付穴部分
あるいはセル直下の基板部分にスキヤナーからの
信号によつて開閉動作するセル毎のアナログスイ
ツチと、必要によつて半導体歪計の特性補正回路
と、増幅器とを設けて、他の圧覚センサセルの出
力とを混同しないようにし、適切な時間間隔で採
取した検出信号を歪計の特性の補正や力の単位へ
の変換の後に、各分力毎に２次元に分布した圧覚
情報の形で整理し、時系列に信号処理記憶装置に
記憶し、次に信号処理記憶装置から読み出した圧
覚データにより３分力の合成、全圧力、圧力中
心、圧力分布図、受圧面積およびモーメント等を
算出して１次演算記憶装置に記憶し、更にロボツ
トの手や足の制御に必要な接触覚、滑り覚および
被接触物の形状、硬さ覚等を認識する演算を行
い、必要な演算結果を２次演算記憶装置に記憶
し、信号処理記憶装置と１次および２次演算記憶
装置に記憶したデータと、ロボツトの基本動作用
のアルゴリズムとによつて所定の演算を行い、必
要な演算結果を３次演算記憶装置に記憶すると共
に演算で得られた信号を外部のロボツト駆動制御
装置に送信し、また外部のロボツト駆動制御装置
からの圧覚認識を行うに必要な指令も受信できる
ようにしたものである。

［発明の実施例］ 以下、図面を参照してこの発明を詳細に説明す
る。

まず最初に、この発明の構成要素であるウエハ
型圧覚センサアレイの概要を述べる。第８図にお
いて、５０はこの発明の要部である圧覚センサア
レイの全体を示し、５１は圧覚センサアレイ５０
を構成する単位微細モジユールとしての圧覚セン
サモジユールである。圧覚センサモジユール５１
は印加された力を受ける上部受圧板５２とその受
圧板の下に固着した２個（または１，３，４個）
のウエハ型の圧覚センサセル５３とからなりその
大きさは数mm以下に形成される。圧覚センサセル
５３は、単結晶シリコンをリング状等の形状の感
圧構造体とし、この感圧構造体の受圧面、すなわ
ち、受圧板５２と接する面に垂直な面に、複数個
の拡散形半導体ストレンゲージ５４を形成し、こ
れらのストレンゲージ５４の抵抗値の変化によつ
て、その受圧面に印加された力の３成分Fz，Fx，
Fyを検出する。上述の圧覚センサモジユール５
１を下部の共通基板５５上に面アレイ状（マトリ
ツクス状）に高密度に多数並べて固着し、圧覚セ
ンサアレイ５０を形成する。その際、圧覚センサ
セル５３の下端部を基板５５上に形成した平行溝
５６またはそのセル毎に開けて取付穴（不図示）
に垂直に嵌め合せて固着すると、確実な組込みが
得られるので好ましい。圧覚センサモジユール５
１からの出力信号は、基板５５上にあるいはその
近傍に装着したスキヤナ増幅器（集積回路）５７
によつて順次スキヤンされ、かつ増幅されて、後
述のマイクロコンピユータのCPU（中央演算処理
部）による処理を容易にしている。

また、圧覚センサセル５３は単結晶シリコンか
らなり、そのシリコン上に拡散形ストレンゲージ
５４を形成しているので、一般的な従来のプレー
ナ技術で容易に作成することができ、特性のよく
揃つた極めて小形（例えば数mm〜１mm直径）のも
のが得られる。従つて、第８図に示すような圧覚
センサモジユール５１を例えば１cm²当り25〜100
個程度の高密度で基板５５上に集積することがで
きる。

また、上述のように、受圧面に印加された力の
３成分を独立に検出する圧覚センサモジユール５
１を面アレイ上に高密度に多数並べて圧覚センサ
アレイ５０を形成しているので、印加された力を
３方向の分力に分解し、３方向分力の２次元分布
をそれぞれ独立に高密度で検出することができ
る。さらに、その際、圧覚センサセル５３の拡散
形ストレンゲージ５４を高感度でかつ他の２方向
分力に対し論理的に影響を受けない場所に配置し
ているので、受圧面にかかる印加圧力の分力を相
互間の干渉なしによく分離して検出でき、また感
圧構造体として非常に秀れた単結晶シリコンを用
いているので、印加圧力と検出出力との間の直線
性がよく、測定上のヒシテリシスがなく、かつダ
イナミツクレンジが大きく、また圧覚センサセル
５３の組合わせにより引張りおよび圧縮の対とし
て検出できる等の利点がある。

また、圧覚センサセル５３の形状は第８図のも
のに限定されず、種々の形状が考えられる。例え
ば、列毎に各セルの下部または上部の一部を一体
に連結した短冊状の連結圧覚センサセル群を用い
た場合には、位置合せや固定等の組合わせが容易
となるという利点が得られる。また、圧覚センサ
セル５３内の半導体ストレンゲージ５４の出力は
基板５５上の配線を通して外部に出されるが、高
密度の圧覚センサアレイ５０からの配線は莫大な
数となるので、圧覚センサセル５３内の配線、圧
覚センサセル５３と基板５５の接合部の配線や接
続にそれぞれの工夫がなされている。例えば、圧
覚センサセル５３の両面にストレンゲージ５４を
検出分毎に分散配置するとか、単結晶シリコン基
板部上に反対の伝導形をもつエピタキシヤル層を
形成し、そのエピタキシヤル層にストレンゲージ
を形成し、エピタキシヤル層を貫通する拡散層を
形成することにより、拡散層および基板部をスト
レンゲージ５４の電源配線の一部として構成する
とか、あるいはまた基板部５５を多層にして電源
線と信号線を各層間に分離して配線し、電源線は
溝部５６から圧覚センサセル５３に接続される等
がなされる。

さらに、圧覚センサモジユール５１の近くにサ
ーミスタのような温度検出器を設け、マイクロコ
ンピユータのCPUによりゲージ抵抗値の不均一
補正や温度補償を行うことにより、より高精度な
３分力の２次元分布測定が可能となる。

なお、受圧板５２の上部に、防塵や防水等の機
能を有する柔軟な比較的薄い保護膜を一面に取付
けてもよく、この薄膜とセル５３とを直接に固着
してもよい。またセル５３への電源線や信号線が
配線された基板５５は、曲面上に貼着できるよう
な、ある程度柔軟なものでもよく、さらに圧覚セ
ンサアレイ全体をラバーのような弾性体の中に介
装してもよい。また、スキヤナ増幅器５７による
スキヤナは、縦軸アドレスと横軸アドレスを用い
て行うのが配線数が少なくなるので好ましい。

上述の圧覚センサアレイ５０は、例えば第９図
に示すように、多関節アーム５８の先端に取付け
られたロボツトハンド５９の一対のフインガ６０
に装着して、把持する物体６１に対するフインガ
６０の把持力すなわちフインガ６０にかかる荷重
の分力とその分布（面状分布）を測定して、後述
の制御手段によりその把持力を適切に制御するこ
とができる。このとき、例えば図示のような比較
的細長な物体６１を把持する際には、把持する物
体の部位によつて荷重分力の分布が異なるから、
分布が異常な場合には把持が不適切に行われてい
ることがわかる。また比較的小さな把持力で柔ら
かな物体（例えば果実類）を把持している場合に
は、荷重分力の時間的推移から物体の脱落の危険
を予知することができる。

さらにまた、上述の圧覚センサアレイ５０を人
の歩行する通路上に配設した場合には、圧覚セン
サセル５３は受圧板５２が受ける垂直方向の力
Fzのほか、横方向の力Fx，Fyをも検知するか
ら、圧覚センサアレイ５０にかかる人体の体重分
布のほかに、後方に蹴る力Fxや歩行方向に対し
て横方向に押し出す力Fyの大きさと分布とを知
ることができる。このように、歩行動態中の荷重
の面状分布や分力の時間的推移を正確に測定する
ことができるので歩行動態の個人差や身体上の障
害の模様について有用な知見が得られる。また、
この圧覚センサアレイ５０をロボツトの足のうら
に取付ければ、後述のように高級な歩行制御機能
をロボツトにもたせることが可能となる。

次に、圧覚センサアレイ５０の構成の具体例を
以下の図面を参照してさらに詳述する。

前述の圧覚センサセル５３の拡散形ストレンゲ
ージ５４の配置は高感度で、かつ他の２方向分力
に対して理論的に影響を受けない場所に設ける。

第１０図〜第１２図はこのストレンゲージ５４
の配置位置を示す。これを説明すると、第１１図
Ａ，Ｂに図示のように三方向の荷重Fx，Fy，Fz
がそれぞれ独立にかかつたとき、圧覚センサセル
５３に生じる応力は該セルが基板５５と受圧板５
２とに底に固着されているとして次式で表わされ
る。

σ＝３／８Ｒ／bt³Fxｒ／Ｒ＋ｒcosα (1) σ＝１／４Ｒｂ／ＩFy cosα (2) σ＝３／８R²／bt³F₂（２／π−sinα）ｒ／Ｒ＋ｒ(3
) ただし、σ：周方向応力、 Ｒ：セルの平均円53c、すなわちセル
を梁と見たときの材料力学的な中立軸の半径、 2t：セルの幅、 ｂ：セルの厚さ、 Ｉ：セルの断面２次モーメント、 ｒ：セルの径方向の変数、 α：セル上端からとつた角度変数、 である。

かかる応力に基づく歪を検出するため、第１２
図に示すセル５３の位置にストレンゲージを取り
付ける。まず荷重Fxが掛かつた時のことを考え
ると、Fx測定用ゲージ５４xt，５４xcはセルの
内径部のｒ＝−ｔの個所にあり、また分力間の干
渉がないように公知の如くα＝39.6゜の位置に選
ぶことが、(1)式でＲ≫ｔとして、 σ＝0.29Ｒ／bt²Fx (4) となり、ゲージ54xtの個所では引張りひずみ、ゲ
ージ５４xcの個所では圧縮ひずみが生じるが、
荷重Fz測定用用ゲージ５４zt，５４zcの個所で
はα＝90゜であるから、(1)式からわかるようにひ
ずみは０で従つてこれらのゲージから検出信号は
生じない。

つぎに、荷重Fzが単独にかかつたときには、
Fz測定用用ゲーージ５４zt，５４zcはα＝90゜の
外応周部（ｒ＝−ｔまたはｒ＝ｔ）の位置にある
から、なお(3)式により同様にＲ≫ｔとして、 σ＝0.14Ｒ／bt²Fz (5) となり、ゲージ５４ztは引張りずみを、ゲージ５
４zcは圧縮ひずみを検出する。このときFx検出
用のゲージ５４xt，５４xc位置では、α＝39.6゜
で(3)式中の（２／π−sinα）の項が０となるか
ら、ひずみ０でこれらのゲージから検出信号は生
じない。

以上のことから分力Fx測定用ゲージ５４xt，
５４xcと分力Fz測定用ゲージ５４zt，５４zcと
は、(4)および(5)式からわかるように約２倍の出力
信号の開きはあるが、相互に干渉がなく分力を完
全に分離して測定できることがわかる。

第１３図Ａ〜Ｃに、三方向の荷重Fz，Fx，Fy
がそれぞれ独立にかかつたときのゲージ５４zc，
５４zt…に生ずるひずみを実線の矢印で示す。こ
れらのストレンゲージは２セルで１モジユールを
構成した場合は第１４図Ａ〜Ｃに示すようにブリ
ツジ接続され、１セルで１モジユールを構成した
場合は第１５図Ａ〜Ｃに示すようにブリツジ接続
される。各ブリツジ回路からの出力信号をEz，
Ex，Eyはそれぞれ荷重の分力Fz，Fx，Fyの測
定信号である。第１６図は上述の結果をまとめた
もので、表図の縦軸は荷重の分力を、横軸はスト
レンゲージを示している。ストレンゲージからの
出力は引張りひずみか圧縮ひずみかに応じて増減
するから、この図では増減が＋−で表わされてお
り、０は増減がないことを示す。ストレンゲージ
のブリツジ接続は、この増減の同方向のものを対
辺に配するようにされる。第１６図からわかるよ
うに荷重の分力が一方向のみであるとき、上述の
ストレンゲージの配置によれば、他方向の分力測
定用のゲージ出力は原理的に０であり、分力間の
干渉を生じることがない。また、仮に若干の干渉
信号が生じても、その大部分はブリツジ回路内で
相殺されて、実用上はあまり問題がなくなる。

ところで、第１７図に示すように１個のセンサ
セル５３で１モジユール５１を形成した場合は、
第１８図に示すようにセル５３の取付位置からず
れた偏荷重Fzが受圧板５２に加わつた時には、
それが受圧板５２に対して垂直な荷重であつても
第１９図に示すようにセル５３に対して曲げモー
メントＭが発生し、ｙ方向の荷重検出用ストレン
ゲージからFyに相当する誤つた検出出力が出る
という欠点がある。また、１枚セルの構造のた
め、機械的に弱く、比較的大きな力には耐えられ
ないという欠点がある。

第２０図には、感圧モジユールを２個の３方向
分力検出セルで一体に構成することにより、上述
のような検出誤差を生じさせる原因となるモーメ
ントの発生をなくし、さらに感圧モジユールの構
造を強固なものにした圧覚センサの一例を示す。
図示のように２個のリング状セル５３，５３をそ
の端面５３ａが互いに平行するように下部基板５
５と上部受圧板５２との間に配設し、かつ各セル
５３の図の下端の突出部５３ｂを基板５５の溝５
６に嵌め込んで接着等の手段で基板５５に固着さ
せる。セル５３の上端部も同様にして受圧板５２
と固着させる。

このように、２個のセル５３，５３を基板５５
の上部に垂直に立てて固定し、この２個のセル５
３，５３を１組としてその上に受圧板５２を乗せ
て固定することにより、１個のモジユール５１を
構成しているので、第１８図に示すようなｚ方向
（垂直方向）の偏荷重が受圧板５２に加わつても、
第１９図のような曲げモーメントはほとんど生ぜ
ず、その結果、ｙ方向荷重検出用センサ５４yt，
５４ycから誤差出力が発生することはない。ま
た、端部が基板５５と受圧板５２とに固着した垂
直な２個のセル５３，５３により荷重を受けるの
で、感圧モジユール５１は機械的に強固な１個の
構造体となり、ひいては信頼性の向上も得られ
る。

だが、第２０図に示すような平行型の圧覚セン
サモジユール５１は要求性能を満たし、とくに荷
重分力を相互干渉なしに分離検出できるよう原理
的には構成されたものであるが、実際に製作，試
験して見ると場合によつてはなお種々の欠点があ
ることがわかつた。この欠点は主にセンサセルの
端面に垂直な方向の分力、すなわち前の第１０図
における分力Fyの測定精度に関するもので、そ
の第１としてこのような分力Fyがかかつたとき
センサセル５３が企図されたように必ずしも変形
しないことに基づく。すなわち、第２１図Ａに示
すようにセル５３は両端が基板５５と受圧板５２
とに固定された両端固定梁として設計されたもの
であるが、受圧板５２の剛性が必ずしも十分でな
い場合もあり、またセル５３の上端と受圧板５２
との固着強度を十分に上げることができない場合
が多いので、実際には同図Ｂに跨張して描かれた
ような一端自由梁に近い変形が生じる場合があ
る。このような変形を示すと、第１３図Ｃで圧縮
ひずみ用ストレンゲージとして示された５４yc
が実際には引張りひずみを受けることになり、分
力Fyの測定値に大きな誤差を生じる。欠点の第
２は分力Fyの測定値がセル５３の加工精度とく
に厚さの精度の影響を非常に受けやすいことであ
る。この効果は他の分力Fx，Fzに比して非常に
大きく、セル５３の厚さを薄くして測定感度を上
げようとするほど、僅かな加工の誤差によつて大
きな測定誤差が生じる。欠点の第３は測定出力の
大きさに関するものであつて、実用的な寸法、形
状にセル５３を構成すると、分力Fyに対する感
度が他の分力Fx，Fzに対する感度よりもむしろ
よくなり過ぎ、分力間に感度差が生じる。感度が
良好なこと自体はもちろん望ましいことなのであ
るが、測定回路は前述のようなブリツジ回路に付
属して増幅器類があり、あまり出力信号差が大き
いと測定回路の設計や製作がめんどうになる。

これらの点をさらに式を用いて説明する。ま
ず、第１３図Ｃに示したような分力Fy測定用ゲ
ージについて考えると、荷重Fyが紙面より手前
の方向からかかるとしてそのひずみ検出用ゲージ
５４yt，５４ycを図示のように設けるとした場
合、これらのゲージの位置では、前述の(2)式で同
様にα＝39.6゜，Ｒ≫ｔとおいて、 σ＝0.19Rｂ／ＩFy (6) で表される応力に基づくひずみをゲージ５４ytで
は引張りひずみ、ゲージ５４ycで圧縮ひずみの
形で検出することになり、分力Fz測定用ゲージ
５４zt，５４zcの位置ではα＝90゜であるからσ
＝０となり、従つて干渉信号は出ないが、分力
Fx測定用ゲージ５４xt，５４xcの位置では分力
Fy測定用ゲージの場合と同じように σ＝0.19Rｂ／ＩFy (7) なる応力に基づくひずみ検出出力が出ることにな
る。この分布Fx測定用ゲージからの検出信号は
そのまま出力すれば、当然誤信号となるわけであ
るが、第１４図Ｃに示したようなブリツジ回路が
正規の状態では誤信号をキヤンセルするように組
まれているので、ふつうは誤検出信号が分力Fx
測定用のブリツジ回路から出力されることはな
い。しかし、前述のような受圧板の剛性の不足な
どで理論どおりの検出出力が得られない場合に
は、ブリツジ回路による補正が十分なされずに誤
信号が出力される可能性が残つている。

さらに、前述の(2)式における断面２次モーメン
トＩを求めて見ると、センサセル５３の厚さｂ方
向の中央の端面に平行な面について計算して、 Ｉ＝１／３b³t (8) となり、ストレンゲージが設けられる端面の位置
ではこれにある係数βをかけたものと考えてよい
から、 Ｉ＝１／３β b³t (9) となり、これを(2)式に代入すると、 σ＝0.57／βＲ／b²tFy (10) となる。これを前述の分力Fx，Fzに対する応力
σの式(4)，(5)と比較すると、分母の項が分力Fy
に対する式でb²tであるに対して、分力Fx，Fzに
対する式ではbt²である点が明らかに異なつてい
る。

前述のように実用的なセンサセルでは厚さの寸
法ｂが幅の寸法ｔよりもかなり小さく、また製作
上の公差も抑えにくい。前(10)式によれば、分力
Fyに基づく応力に従つてひずみは厚さ寸法ｂの
２乗項に反比例するので、他の分力Fx，Fzに基
づくひずみが厚さ寸法ｂの１乗項に反比例するの
に比べて、それだけ厚さ寸法の変動の影響を受け
やすく、かつ検出信号のレベルも高くなるのがわ
かる。

第２２図〜第２４図はそれぞれ圧覚センサモジ
ユールを構成する感圧体としての複数個の圧覚セ
ンサセルの内の少なくとも２個をリングの端面が
互いに直交するように配設し、かつ各感圧体から
はセルの端面に平行な方向にかかる荷重分力に対
する応答出力信号のみを取り出し、これらを組み
合わせて所望の荷重分力を測定することによつ
て、上述のような平行型モジユールのもつ欠点を
解消して、受圧板の剛性やそのセルとの固着結合
状態、さらにはセルの厚さの加工精度に影響を受
けずに荷重の分力を相互干渉なく、かつできるだ
け分力間の感度差なしに検出ないしは測定できる
ようにした圧覚センサモジユールの構成例を示
す。第２２図の例では、図示のように互いに平行
に配された基板５５および受圧板５２の間に、４
個のセル５３−１〜５３−４が箱形に配設されて
おり、それぞれその上端を受圧板５２に、下端を
基板５５に固着されている。従つて、セル５３−
１，５３−３の端面とセル５３−２，５３−４の
端面とは互いに直交する方向に配されている。受
圧板５２の上面には受圧板が受ける荷重の３分力
の方向がｘ，ｙ，ｚで示されていいる。この荷重
を受圧板５２を介して受けるセル５３−１〜５３
−４には、図示のようにストレンゲージ群５４が
設けられており、セル５３−１上のゲージとして
は、ｚ方向の分力を検出するための４個のゲージ
５４zt，５４zcと、ｙ方向の分力を検出するため
の４個のゲージ５４xt，５４xcとの２種のゲー
ジ群が設けられている。ｚ方向分力測定ゲージの
内、セル５３−１の外径側に配された２個のゲー
ジ５４ztは、矢印方向のｚ方向分力を受けて引張
りひずみを検出し、内径側に配された２個のゲー
ジ５４zcは圧縮ひずみを検出し、これら４個のゲ
ージは第２５図に示すようにブリツジ回路Bz１
の各辺に接続される。ｙ方向分力測定用ゲージの
内セル５３−１の左上部と右下部に設けられた２
個のゲージ５４xtは、矢印方向のｙ方向分力を受
けて引張りひずみを検出し、右上部と左下部の２
個のゲージ５４xcは圧縮ひずみを検出し、ここ
れら４個のゲージは第２５図のブリツジ回路By
１の各辺に接続される。なお、これらｙ方向分力
測定用ゲジはいずれもセル５３−１の内径側に配
されているが、外径側に配しても差し支えない。

一方、隣りのセル５３−２は前述のようにその
端面がセル５３−１の端面と直交するように配設
されており、４個のｚ方向分力測定用ゲージ５４
zt，５４zcが設けられるのは前と同じであるが、
今度は４個のｘ方向分力測定用ゲージ５４xt，５
４xcが設けられる。これらゲージ群のひずみ検
出の様子は前と同じであり、ｚ方向検出用の４個
のゲージ５４zt，５４zcは第２５図のブリツジ回
路Bz２に、ｘ方向検出用の４個のゲージ５４xt，
５４xcはブリツジ回路Bx２に接続される。残り
の２個のセル５３−３，５３−４についても同様
であり、セル５３−３にはｚ方向分力検出用ゲー
ジとｙ方向分力検出用ゲージとが設けられ、それ
ぞれ第２５図のブリツジ回路Bz３とBy３とに接
続される。セル５３−４については、ｚ方向分力
検出用ゲージとｘ方向分力検出用ゲージが設けら
れ、それぞれブリツジ回路Bz４とBx４とに接続
される。

以上により、これらのストレンゲージを要素と
するブリツジ回路群は第２５図のように接続さ
れ、ｚ方向についてはセル５３−１〜５３−４に
対応する４個のブリツジ回路Bz１〜Bz４が直列
接続されるが、ｘ方向およびｙ方向については、
それぞれセル５３−２，５３−４およびセル５３
−１，５３−３に対応するブリツジ回路Bx２，
Bx４およびブリツジ回路By１，By３が２個ず
つ直列接続される。図では各ブリツジ回路への電
源が＋，−により、前述のように直列接続された
ブリツジ回路群からの出力端子が、ｘ，ｙ，ｚ方
向それぞれについてEx，Ey，Ezで示されてい
る。ｚ方向のブリツジ回路の直列接続数はｘ，ｙ
両方向のそれに対して２倍になつているが、前の
(4)，(5)式からわかるようにｚ方向のゲージの感度
がｘ，ｙ両方向のゲージの感度の約1/2であるの
で、第２５図の回路の出力端子Ex，Ey，Ezから
の検出信号のレベルはほぼ揃うこととなり、後段
の増幅等に入力するのに好都合である。

第２３図の例では２個のセル５３−５，５３−
６は端面が互いに直交するようにＴ字状に配され
ている。前例の説明から容易にわかるように、本
例の場合は、受圧板５２が受ける荷重のｚ方向分
力はセル５３−５，５３−６のストレンゲージ５
４zt，５４zcにより、ｘ方向分力はセル５３−６
のストレンゲージ５４xt，５４xc（図示せず）に
より、ｙ方向分力はセル５３−５のストレンゲー
ジ５４xt，，５４xcにより検出され、これに対応
するブリツジ回路の直列接続数は第１４図に示し
た例のちようど1/2になる。３分力方向ｘ，ｙ，
ｚに対する検出出力がほぼ同程度になるのも前の
例と同じである。

第２４図の例では３個のセル５３−７，５３−
８，５３−９がＩ字状に配されていて、この内セ
ル５３−７，５３−８は端面が互いに平行である
が、セル５３−９の端面は他のセルの端面と直交
するように配されている。またゲージの接続は、
ｚ方向分力に対してはセル５３−７〜５３−８の
ストレンゲージ５４zt，５４zcからなる３個のブ
リツジ回路が直列接続され、ｘ方向分力に対して
はセル５３−７，５３−８のストレンゲージ５４
xt，５４xcからなる２個のブリツジ回路が直列
接続され、ｙ方向分力に対してはセル５３−９の
ストレンゲージ５４xt，５４xcからなる１個の
ブリツジ回路が設けられる。この例の場合には、
前の例のようにこのままでは３分力に対する検出
出力レベルを揃えることはできないが、幸いシリ
コンストレンゲージは抵抗値すなわち出力の大き
さの異なるものが製作できるので、抵抗値を適宜
に選択することによつて検出出力レベルの不揃い
を補償することが可能である。

複数の検出素子を直交させた直交型のものは、
単一荷重測定においては、後述するように偏荷重
に対して問題があるとの理由で従来用いられなか
つた。すなわち、例えば第２６図に示すように２
個のセンサ２０が直交するようにした場合受圧板
３５の中心点Ａに矢印Ｕ方向の荷重が加わると、
これは各センサ２０の受圧面に等分布荷重が作用
したものと同等であるから、２つのセンサ２０が
分担する荷重から全荷重を計算することができる
ので問題はないが、偏位点ＢにＵ方向の荷重が加
わると、センサ２０にはＵ方向の力だけでなく、
モーメントＭが加わり、これにより各センサ２０
にはＵ方向以外の力が加えられ、この力が誤差出
力となるという欠点がある。このように、単一荷
重測定の場合には、偏荷重の問題があるので、直
交型の実用化は干渉が少ない利点があることが知
られているにもかかわらず、不可能視されてい
た。ところが、第２２図〜第２４図に示すような
本発明に関わる圧覚センサモジユール５１は数mm
以下の微小な大きさであり、このモジユール５１
を第８図に示すように多数個高密度にアレイ状に
配列しているので、荷重の分布状態を測定する場
合には、１個のモジユール５１にはほぼ均等な分
布荷重が作用していると見なされる。よつて、単
一荷重測定のときのようなモーメントを考慮する
必要がなく、偏荷重に問題が生じない。これによ
り、直交型のモジユールを実施でき、直交型によ
る他成分の干渉が少ないという上述のような利点
を得ることができるのが顕著な特徴の一つであ
る。

次に製造手段について説明する。まず、シリコ
ン単結晶をセル材料として用い、ストレンゲージ
をいわゆる拡散形ゲージの形でシリコンウエハ内
に形成することができる。すなわち、第２７図
Ａ，Ｂに示すように、所定の厚さ（例えば0.6mm）
を有し、所定の伝導形（例えばＮ形）と比抵抗
（例えば１〜10Ω・cm）を有し、かつ所定の結晶
方位（例えば111方向の形成面）を有する単結晶
シリコンウエハ６２の圧覚センサ単位セル相当領
域５３に第１２図のような配置の拡散形ストレン
ゲージ群５４、および金属配線をマスクレスイオ
ンビーム加工やAl蒸着などのIC製造技術（プレ
ーナ技術）によつて形成することができる。例え
ば、Ｎ形シリコン単結晶基板の表面内に電子ビー
ムないしはイオンビームを用いて不純物のインプ
ランテーシヨン法あるいは不純物制御法のイオン
注入法によりＰ形拡散形ストレンゲージを作り込
み、またその基板上にSiO₂絶縁膜を介して金属
薄膜配線およびボンデイングパツド部を蒸着法で
形成する。このIC製造方法によれば、１枚のウ
エハ６２に多数個の圧覚センサ単位セルを作り込
むことができる。このウエハ６２からワイヤーソ
ーカツト法や超極薄レジノイド切断砥石による自
動ダイシングソーカツト法あるいはレーザ加工や
エツチカツトまたはこれらの加工法の組合せなど
の加工方法により、圧覚センサ単位セルを精度よ
く切り出すことによつて、特性のよく揃つた小形
（例えば数mm〜１mm）のプレーナ形圧覚センサ単
位セルが得られる。

セル５３の厚さはセルの径が例えば３mmのとき
その20％、すなわち0.6mm程度がよいので、この
寸法にあつた厚さのシリコンウエハ６２を材料と
して用いる。セル５３のウエハ６２からの切り出
しは上述のレーザカツト法などでかなり寸法精度
のよいセルが得られるが、複数分力の測定に適し
た外形精度を得、かつウエハからの切り出し時に
生じやすい表面の残留ひずみを除去するため、切
り出したセルの外形とくに外周面の研削が望まし
い。この研削法としてはホーニング法等の機械研
削が可能であり、このほか最近ミクロ加工法とし
て知られて来たエラスチツク・エミツシヨン法な
どを採用することもできる。なお、シリコン単結
晶からなるセルの内孔寸法としては、理論的には
外径にできるだけ近くなるよう大にするのが望ま
しいが、実用的には外径の50％程とするのが、機
械強度と荷重測定精度との兼ね合いの面から適当
である。

また、拡散形ストレンゲージ群５４はゲージ率
（ピエゾ抵抗係数）の結晶方位依存のない｛111｝
面に形成することによつて、特性のバラツキの非
常に小さい圧覚センサを得ることができるので好
ましい。すなわち、Ｐ形シリコンのピエゾ抵抗係
数を代表的な三つの結晶面｛100｝面，｛110｝面
および｛111｝面について示すと、第２８図Ａ〜
Ｃに示す通りである。この図において、実線の曲
線はストレンゲージの長手方向と同じ方向のひず
み成分に関するピエゾ抵抗係数（πl）であり、破
線の曲線はストレンゲージ長手方向に垂直な方向
のひずみ成分に関するピエゾ抵抗係数（πt）であ
る。なお、原点からの長さがピエゾ抵抗係数の大
きさを表し、ピエゾ抵抗係数が大きい程感度が高
くなるという比例関係にある。

ここで、第２８図Ａは｛100｝面、第５図Ｂは
｛110｝面、第５図Ｃは｛111｝面の場合を示すが、
上述のストレンゲージ配置条件により、｛100｝面
では互いに直交する方向にしか感度がないので、
不適当である、また、｛110｝面ではFz用ストレ
ンゲージを｛110｝方向に合わせて形成するとFx
用あるいはFy用ストレンゲージはこれより約50゜
傾いた方向（図中の一点鎖線で示す）に形成する
ので感度が小さくなり、ストレンゲージの僅かな
位置ずれによつて大きく感度が変動することにな
るので、特性のよく揃つた圧覚センサを得にく
い。これに対して、｛111｝面は感度が結晶方位に
依存しないのでゲージ配置角度のずれによる感度
の変動がなく、特性のよく揃つた圧覚センサが得
られる。

また、上述の圧覚センサセル５３の受圧面に印
加される力以外に温度変動の際に支持体である下
部基板５５（第８図参照）から力が加わつて、セ
ル５３に応力が発生すると、オフセツト信号を大
きく出してしまう。そこで、下部基板５５をセル
５３の材料と熱膨張係数の近い材料から形成する
と、温度変動時に熱膨張係数の差によつて感圧構
造体に応力が発生することを阻止して、応力によ
るオフセツト信号を低減することができるので好
ましい。

例えば、シリコン単結晶からなるセル５３が固
定される下部基板５５を同じシリコン結晶で作成
する。この場合下部基板５５を構成するシリコン
結晶は単結晶に限らず多結晶でもよい。下部基板
５５がセル５３と同じ材料であるから、温度変化
の際熱膨張が同一であるため、セル５３に応力が
生ずることがない。しかし熱膨張係数が同じでな
くても近似していれば、温度変化の際に熱膨張の
差が小さいためセルに発生する応力は無視できる
位小さい。すなわち、感圧構造体１の材料がシリ
コンの場合、その線膨張係数は2.5×10^-6／℃で
あるが、線膨張係数が2.5×10^-6±50％内にあれ
ば他の材料、例えばインバーのような合金あるい
は他の半導体の単結晶、多結晶を用いることもで
きる。

さて、第２９図に示したように、共通の基板５
５の上に感圧素子のセル５３を多数個並設する
際、基板５５への取付け精度が荷重測定の精度に
大きな影響を及ぼす。例えば同図Ａに示すよう
に、セル５３の向きが分力を測定すべき方向ｘ，
ｙに対してβで示す角度傾いている場合には、も
はやそのセル５３からの測定出力は正しいｘ，ｙ
方向の分力Fx，Fyを示し得ない。また同図Ｂに
示すように、傾きβがないようにセル５３が並べ
られてはいるが、正規の位置から図示のように
ｘ，ｙ方向にδxないしはδyだけずれている場合
も同様な測定誤差が生じ、とくに２個のセル５
３，５３を受圧板５２（斜線で示す）で連結して
第２０図に示すような基本形を構成する際に誤差
が大きくなり、あるいは複雑になつて誤差を補正
することがむつかしくなる。以下、かかる問題の
ないようにかつ比較的簡単に精度のよい圧覚セン
サアレイ５０を製作しうる手段について第３０図
〜第３５図を参照して説明する。

まず、第３０図に示すように基板５５の上面に
互いに平行な複数の溝５６が設けられる。一方、
同図では基板５５の上面に載置された形で描かれ
たセル５３の図の下端側には、前述の溝５６の深
さに適合した寸法ｄを有する係合部５３ｆがリン
グ本体から突出して設けられている。またこの例
ではセル５３の上端側にも同様な寸法ｄを有する
係合部５３ｇが設けられている。このように形成
されたセル５３はその下方の係合部５３ｆを溝５
６に嵌めこむことにより、第２９図Ａに示したよ
うな傾き誤差βおよび同図Ｂに示したｙ方向の偏
位誤差δyが生じないように基板５５の上に配設
することができる。

第３１図にはセル５３の第２９図Ｂに示したｘ
方向の偏位誤差δxがないように、複数のセル５
３を列状に整列させる手段として円形断面の棒状
の治具６３をセル５３の内孔５３ｈに挿通した状
態が示されている。セル５３はこの整列治具６３
にあらかじめ通しておいた上で、第３１図に示す
ようにその各係合部５３ｆを基板５５の溝５６に
嵌め込んでもよいし、また各セル５３の係合部５
３ｆをあらかじめ個々に溝内に嵌め込んでおいた
後に、その内孔５３ｈに整列治具６３を挿通する
ことにより、複数のセル５３を整列させてもよい
ことはもちろんである。このようにして複数個の
セル５３を正しい配置に置いた後、各セルの係合
部５３ｆを溝５５に固着させる。整列治具６３は
この固着作業前あるいは作業後に取り外される。

この段階でストレンゲージ５４からの配線６４
を外部に引き出す接続作業を終了させておくこと
が望ましいが、この接続手段については後述す
る。

この例では第３０図に示したように各セル５３
には上方の係合部５３ｇが備えられているので、
これに対応して第８図に示した受圧板５２の素材
としての受圧素板６５には、第３２図に示すよう
にその下面に溝６６が設けられている。図示のよ
うにこの受圧素板６５は複数個のセル５３に対し
共通に設けられており、圧覚センサアレイ５０に
対して１枚、あるいは結合部５３ｇを溝６６に嵌
め込みやすいように数枚に分割されている。いず
れにせよ、溝６６に各係合部５３ｇを嵌め込むこ
とによつて、複数個のセル５３の位置は正しい幾
何学的配置に置かれる。この後、前と同様な手段
で溝６６と係合部５３ｇが固着される。なお、受
圧素板の材料としては基板５５と同様にシリコン
材料でもよいが、金属製とすれば機械的にじん性
の高い受圧板を得ることができる。

その後、受圧素板６５には、第３３図に示すよ
うに縦横の切溝６７が入れられてそれぞれ互いに
分離された受圧板５２に形成される。この受圧素
板６５の切断は、ダイヤモンドカツタやレーザカ
ツタ等により容易に行うことができる。また、こ
の例では受圧素板の切断は、１枚の受圧板が２枚
のセル５３を互いに結合するように、すなわち、
第２１図に示した基本形の感圧素子が得られるよ
うになされる。このように、比較的量産に適した
手段により、セル５３が正しく幾何学的に配置さ
れ、かつ基板５５と受圧板５２とに強固に固着さ
れた多数の感圧素子を含む分布荷重センサを製造
することができる。

第３４図は他の例を示すもので、本例によれば
各センサ５３の係合部５３ｆが基板５５の溝５６
に嵌め込まれかつ固着されることは前述の例と同
じであるが、受圧板５２は溝を備えておらず各セ
ル５３の上周面に直接固着される。従つて、この
例では受圧板５２の素材としての受圧素板には溝
なしの平板状のものを用い、各セル５３の上周面
に載置した状態でセル５３と突き合わせ固着した
うえで第３４図に示すような分離された受圧板５
２に切断すればよい。この例においては、複数個
のセルの幾何学的配置が第３３図に仕上がり状態
を示した前の例と比べて若干精度が落ちる可能性
はあるが、各セル５３の位置が溝５６により規制
されかつ前述のようにすでに整列されているの
で、実用的に十分な幾何学的精度を保つことがで
きる。また、組立ずみの状態において、各セル５
３に強制的なひずみが残留しない長所もあり、さ
らには前の例よりも組立て作業が簡単で量産に適
する利点もある。なお、前述の説明からも容易に
わかるように、ここに図示はされてないが、基板
５５を溝なしとし、受圧板５２ないしはその受圧
素板を溝つきに構成しても、本発明の要旨と均等
な手段で同様な利点を有する分布荷重センサを容
易に製造することができることはあきらかであ
る。

第３５図はさらに異なる例を示すもので、この
例によれば第３１図の工程におけるセル５３の整
列手段として、棒状の整列治具６３のかわりに、
第３５図に示すような多数のさん６８ａを有する
枠状の整列治具６８が用いられる。さん６８ａ相
互間の隙間６８ｂの幅ｌは、第３０図に示したセ
ル５３の幅ｌと同程度に形成されている。この整
列治具６８を用いる前の工程では、第３０図で基
板５５の上面に載置された状態で示されていた各
セル５３は、その係合部５３ｆを溝５６に嵌めこ
むことにより、溝５６の方向いわば行方向には整
列されて溝方向に摺動自在に係止されている。こ
のセル５３群の列方向の整列は、該整列治具６８
を第３０図の上方から挿入してその隙間６８ｂ内
にセル５３を納めることによつてなされる。第３
０図に示すように各セル５３の周面には斜めの肩
部５３ｋがあり、整列治具６８の上方からの挿入
に際してこの肩部が整列治具６８のさん６８ａに
当つて、各セル５３を自動調心的にその隙間６８
ｂに案内する。セル５３が円形の外周面を有する
ときも同様である。容易にわかるように、この例
における整列治具６８は、前の例における整列治
具６３よりも実用上量産工程に適している。

以上の組付け手段は、第３３図、第３４図に示
すような平行型モジユールばかりでなく、第２２
図〜第２４図に示したような直交型モジユールに
も適用できる。この場場合は、基板５５の溝５６
または受圧素板６５の溝６６の少なくともいずれ
かをモジユールの構成に合わせた直交する溝に形
成することにより行う。

ただ、基部５５上に組込む前から各セル５３は
各々セル毎に分離独立して形成されているため、
圧覚センサアレイ５０を形成するには、上述のよ
うに下部基板５５上の平行な複数の溝５６にそれ
らの複数セル５３の一端側を係合させて各溝ごと
に所定個数づつ分布立設させる工程と、その溝５
３に沿つて行方向に分布立設されたセル５３を列
方向に整列させる工程と、その溝５３に係合され
た各セル５３の一端側を基板５５に固着する工程
等の工程が少なくとも必要であり、製造・組立工
数が増大するという問題がある。

しかも、この種の圧覚センサアレイはできるだ
け寸法を極小化して高密度集積化できることが要
求される。例えば、受圧板５２の大きさは数mm
角、できれば１mm角以下にすることが望ましいと
されている。しかしながら、それらの要求寸法で
上述のような各工程を正確に行うことはセンサ５
３も極めて小さくなるのが容易でなく、ひいては
歩留りの低下、信頼性の低下、製造コスト高等を
まねくおそれがあり、さらには製造組立の完全自
動化が困難となるという問題がある。

第３６図〜第３８図は上述の問題点を解消する
目的で考えた短冊型セルの一例を示す。

第３６図〜第３８図の圧覚センサは列方向のセ
ル５３が複数個各列毎に一本の短冊形の単結晶シ
リコン７１上に一体に連続して構成されているの
で、各セル毎に基板５５の溝５６の所定位置に係
合整列固着するという従来の製造工程が必要でな
くなり、短冊体シリコン７１毎の製造工程となる
ので、製造工数が大幅に減り、ひいては、製造コ
ストの軽減が得られる。さらに、取扱う感圧体の
寸法が長手方向に大きくなるので、下部基板の溝
への組込みや固着等の作業も容易となり、ひいて
は歩留りの向上、信頼性の向上が得られ、製造組
立の完全自動化が容易となる。

しかしながら、第３６図のように円形の穴７２
のみで複数個のセル５３を分離すれば、隣接した
セルに発生する応力が干渉となつて隣のセルに歪
を生じこのセルの出力に影響を及ぼす。さらに第
３７図のように複数の小形の円形穴７３によつて
隣接したセルを分離する工夫をしても干渉を完全
になくすことができない。

また第３８図のように隣接したセルを大形の切
込み溝７４によつて分離すれば干渉をなくすこと
ができるが、切込み溝７４の位置精度や寸法精度
を上述の円形穴７２のそれと同程度まであげるこ
とは現状の加工技術では極めて困難である。この
ため、セルの外周からストレンゲージ５４までの
距離ｌ，l′の精度が悪くなり、各セルからの出力
にばらつきが生じる。

第３９図および第４０図はそれぞれ位置精度お
よび寸法精度を円形の穴によつて確保し、隣接し
たセルからの干渉を小形の切込み溝によつて遮断
するようにして、圧覚センサの製造を簡単にし、
かつ隣接したセルからの干渉をなくした圧覚セン
サの一例を示す。

第３９図Ａに示したように、短冊形の短結晶シ
リコン７１にセル構成用の円形穴５３ｈと、セル
分離用の円形穴７２および半円形穴の穴７５を交
互に開け、セル構成用の円形穴５３ｈの周りにス
トレンゲージ５４を形成してセルを構成する。こ
れらの円形穴５３ｈ，７２，７５はレーザおよび
ダイヤモンドドリル加工で高精度に作成できる。
なお、短冊形の単結晶シリコン７１にストレンゲ
ージ５４を形成してから穴５３ｈ，７２および７
５を開けるようにしてもよい。

さらに、第３９図Ｂに示したように、セルが形
成された上述の短冊形の単結晶シリコン７１を受
圧面５３ｄを上方にして下部基板５５の溝に並べ
て固着し、そのシリコン７１の上に上部受圧板５
２の素材としての受圧素板６５を乗せて固着した
後、第３９図ＣおよびＤに示したように、セル分
離用穴７２および７５を通る切込み溝７６によつ
て、受圧素板６５といつしよに隣接するセル５５
を互いに分離する。ここで、切込み溝７６は薄型
の砥石カツタにより作成してもよいし、レーザ加
工により作成することもできる。

このように、ストレンゲージ５４に影響を与え
る加工は高精度加工ができる円形穴７２，７５の
加工だけですむので、高度な位置精度および寸法
精度が確保できる。よつて、セルの外周からスト
レンゲージまでの距離の精度が悪くなつて、各セ
ルからの出力のばらつきが生ずるという問題は解
消される。また、隣接したセ５５からの干渉は小
形の切込み溝７６によつて遮断される。

第４０図Ａ〜Ｄは他の例を示す。第４０図Ａに
示したように、短冊形の単結晶シリコン７１にセ
ル構成用の円形穴５３ｈとセル分離用の大径の円
形穴７２とを交互に開た後に、その大径穴７２の
位置に合せて矩形のセル分離切欠き溝７４ａを形
成している。他は前述の第３９図Ａ〜Ｄに示した
例と同様なのでその詳細な説明は省略する。本例
では短冊形単結晶シリコン７１の端面に垂直な力
の検出には若干の誤差が生じるが、加工工数は第
３９図Ａ〜Ｄの例より少ない。

また、圧覚センサアレイ５０の基本的構成例を
第８図に示したが、図示のように、感圧モジユー
ル（圧覚センサモジユール）５１を共通の下部基
板５５上に面アレイ状（マトリツクス状）に高密
度に多数配列して接着剤等で固着し、下部基板５
５上で感圧モジユール５１間を配線して圧覚セン
サアレイ５０を構成した場合には、次のような欠
点がある。

圧覚センサの仕様に応じて下部基板の大きさ
を変更する必要があり、それに伴つて配線パタ
ーンを再設計しなければならない。

感圧モジユールのうち１個が圧覚センサアレ
イを組立てた後に何らかの原因で不良となつた
時でも、その不良となつたモジユールだけを交
換することは困難であり、圧覚センサアレイ全
体の交換となつて、歩留りが悪い。

第４１図〜第４４図は上述の欠点を解消したユ
ニツト型圧覚センサアレイを示す。

第４１図において、８０は圧覚センサユニツト
であり、複数個（例えば、４個）の感圧モジユー
ル５１を下部基板８１の上に１列に配列して構成
する。その際、感圧セル（圧覚センサセル）５３
の下端部を下部基板８１上の平行溝８２またはそ
のセル毎に開けた不図示の取付穴に垂直に嵌め合
わせて固定すると確実な組み込みが得られる。

圧覚センサユニツト８０の１個の感圧モジユー
ル５１内の配線は、例えば第４２図に示したもの
であり、受圧面に印加された力の３成分Fx，
Fy，Fzを検出する１個の感圧モジユール５１の
ストレンゲージブリツジ５４ｘ，５４ｙ，５４ｚ
から出る端子数は、電源線を共通にすれば、６本
の出力端子８３と２本の電源端子８６の８本な
る。さらに、１個の感圧モジユール５１または圧
覚センサユニツト８０毎に、サーミスタ等の温度
検出素子８７に接続する温度検出用端子８４、お
よびMOSスイツチ等の半導体スイツチ８８に接
続する制御用端子８５とを有している。温度検出
素子８７は下部基板８１または感圧モジユール５
１内に組込まれており、MOSスイツチ等８８は
下部基板８１に組込まれて、温度検出出力および
ブリツジ出力を感圧モジユール５１毎にまたは圧
覚センサユニツト８０毎に開閉制御する。

これらの外部端子８３〜８６は、例えば第４１
図に示すような下部基板８１の側面に突出させた
公知のリードレスチツプキヤリア接続方式で形成
し、または第４３図に示すような下部基板８１の
底面にピン状に突出させた公知のピングリツドア
レイの接続方式で形成する。さらに、これらの外
部端子８３〜８６と各感圧セル５３の端子とを接
続する内部端子を下部基板８１の溝８２内にあら
かじめ形成してあり、この内部端子の位置に合せ
て感圧セル５３を溝８２内に組込む。よつて、感
圧モジユール５１を溝８２内に組込むだけで、特
別な配線接続作業を必要とせずに圧覚センサユニ
ツト８０が完成する。

次に、第４４図に示すように、圧覚センサの仕
様に応じてセラミツク等からなるマザーボード８
９に上述の圧覚センサユニツト８０を仕様に応じ
た任意の数だけ組合わせて、公知のリードレスチ
ツプキヤリアまたはピングリツドアレイ同様の機
械的強度を有する接続方式で取りつけ、これによ
り圧覚センサを形成する。なお、マザーボード８
９にはあらかじめプリント配線が行われているも
のとする。

上述のリードレスチツプキヤリア方式ではマザ
ーボード８９上の接続端子と、下部基板８１の側
面に突出させた外部端子８３〜８６（第４１図参
照）とをボンデングやハンダ等により直接接続す
ることにより、マザーボード８９上に圧覚センサ
ユニツト８０を固定するので、マザーボード８９
上の圧覚センサユニツト８０の交換は容易であ
る。

また、上述のピングリツドアレイ方式では、下
部基板８１の底面に突出させたピン状の外部端子
８３〜８６（第４３図参照）とマザーボード８９
上に開口した穴状の接続端子とをしまりばめで嵌
着することにより、圧覚センサユニツト８０を固
定するので、マザーボード８９上の圧覚センサユ
ニツト８０の交換はより容易である。また、両接
続方式とも、圧覚センサユニツト８０をこのよう
に組付けるだけで、その後の配線接続処理等は不
要である。

次に、ストレンゲージ５４の好ましい形成位置
について述べる。単一のセル５３で１個のモジユ
ール５１を形成した場合には、セル５３にｙ方向
の荷重が加わつたとき、受圧面５３ａが第４５図
の破線に示すように下部基板５５の表面に平行で
なくなるような変形をすることがあり、ｙ方向荷
重の検出ができなくなる。そこで、単位セルを２
個用い、第４６図に示すようにそれぞれの単位セ
ル５３−１０，５３−２０をその主表面５３ａを
基板５５の表面に垂直にして立て、上部に共通の
受圧板５２を載せてこの受圧板５２の上面５２ａ
を受圧面にすると、今度は、二つのセル５３−１
０，５３−２０に加わる力が不均一になることが
あるので、両セルで得られる出力電圧から正確な
力の検出を行わなければならない。しかし、両セ
ルのストレンゲージ群５４を第１２図のように形
成することは単一セルの場合に比して２倍の工数
を必要とするので圧覚センサの価格の上昇をもた
らす。

また、圧覚センサの信頼性を決める大きな要素
は配線の信頼性である。すなわち、感圧セル５３
の表面のストレンゲージ領域相互間およびそれら
への入出力のための配線が構造体表面に形成され
るのであるから、セル５３に生じる歪は配線部に
も及び、この歪で配線部の抵抗変化あるいは断線
が生ずると信頼性を大きく低下させる。このよう
な配線９１は、例えば第４７図に示すようにセル
基板５３Ｎのストレンゲージ領域５４Ｐに接触
し、他の部分では酸化膜９２によつて絶縁され一
端に端子９３を有する金属薄膜によつて形成され
る。しかし、12個のストレンゲージから三つのブ
リツジ回路を構成するには配線９１による第１２
図に示すような結線が必要であり、第４８図に示
すように、一方の配線９１−１の上に絶縁被覆層
９４で絶縁して他方の配線９１−２を設けなけれ
ばならぬクロスオーバが39個所も必要である。特
にこのクロスオーバが歪の大きいセル５３の下部
に存在するときは歪の影響による信頼性に一層問
題がある。第１２図のVx，Gx，Vy，Gy，Vz，
Gzはプラスまたはマイナス側電源端子である。
また、第４９図に示すように、その電源の一方を
共通（アース側端子Ｇ）にし、他方を独立プラス
側端子（Vx，Vy，Vz）にした片面三成分電源
不完全独立形では、その配線のクロスオーバは35
個所になる。さらに、第５０図に示すように各ブ
リツジに対して電源を共通（プラス側端子Ｖ、マ
イナス側端子Ｖ）にした片面三成分電源共用形の
場合にしても、その配線のクロスオーバは31個所
も必要となる。

そこで、配線のクロスオーバの設置場所を圧覚
センサ単位セルの左右個所と下部位置とにし、そ
の左右個所をそれぞれ垂直方向分力Fz検出用の
両ストレンゲージの中間部の中央位置にすればそ
の左右個所は比較的歪の発生の小さい領域とする
ことができて、そこのクロスオーバの信頼性への
影響はほぼなくなるが、一方下部位置は歪の比較
的最も大きな領域であるので、その下部のクロス
オーバは抵抗変化や断線を生じやすく信頼性に問
題がある。

第５１図に示すものは、上述の問題点を解消す
ることを図つたセル５３の一例である。本図にお
いて９１は各ストレンゲージ５４と端子９３間を
接続する配線である。各単位セル５３の表面５３
ａにはFz検出用のストレンゲージ５４zt，５４
zc、Fx検出用のストレンゲージ５４xt，５４xc、
Fy検出用のストレンゲージ５４yt，５４ycがそ
れぞれ形成されている。このような単位セルを２
個用いてFx，Fy，Fz検出用のフルブリツジを構
成すれば二つの単位セルにおける力の不均一を補
償することができる。このセル５３における配線
９１は第１２図に示したセル５３の配線９１に比
して極めて簡単であり、特に製造上手数を要し、
信頼性の点でも問題のあるクロスオーバが31個所
から皆無になり、端子９３の数も８個から７個に
減少している。このように、本例は、二つの単位
セル５３，５３からなる圧覚センサモジユール５
１の印加された力の３成分を検出するためのブリ
ツジを二つの単位セル５３，５３に二分するよう
にしているので、両セル５３に加わる力の不均一
を補償するとともに、両セル５３がそれぞれフル
ブリツジを備える場合に比し、ストレンゲージが
半数となるばかりでなく、配線密度が大幅に低く
なり、クロスーオーバも皆無にできるので製造工
数の節減、信頼性の向上が達成され、極小形の圧
覚センサ単位セルを低価格で得ることができる。
そのほか配線密度の低減により、感圧構造体の半
導体に温度センサやアナログスイツチなどの他の
素子を集積する余地も生じる。

第５２図Ａ，Ｂは他の例を示し、セル５３の片
面５３ａにFx成分検出用のハーフブリツジ（本
図Ａ）を他面５３a′にFz及びFy検出用のハーフ
ブリツジ（本図Ｂ）を備えているもので、第４７
図の場合に比し端子数がさらに減じている。端子
数をさらに減ずるには、基板と異なる導電形のエ
ピタキシヤル層を有するエピタキシヤルウエハを
使用すれば、基板を接地配線に利用できるので接
地端子９３−１，９３−２を一つにすることがで
きる。

第５３図〜第５６図は、圧覚センサの受圧面に
印加される力の３成分を検出するためのストレン
ゲージを２つの単位セルに分けて形成した例を示
す。第５３図Ａに示す第１単位セル５３−１の片
面５３ａにFz検出用のストレンゲージ５４zc，
５４ztを、第５３図Ｂに示す第２単位セル５３−
２の片面５３ａにFx検出用のストレンゲージ５
４xc，５４xt、Fy検出用のストレンゲージ４５
yc，５４ytを配置した例では、本図から明らかな
ように配線９１のクロスオーバは８個所となり、
しかも信頼性に影響を与える下部位置のクロスオ
ーバを無くして左右部のみに限定できるので、歪
の小さいリング幅の中央部に配置すればクロスオ
ーバの信頼性が向上できる。

第５４図Ａ，Ｂに示す例では第５３図Ｂに示し
た第２単位セル５３−２のストレンゲージ５４
xc，５４xt，５４yc，５４ytを第２単位セル５
３−２０の表面５３ａ（本図Ａ）と裏面５３a′（本
図Ｂ）に別々に配置したもので、配線９１のクロ
スオーバは表面５３ａの３個所のみに減じ、左右
部のみとなる。

第５５図Ａ，Ｂはエピタキシヤルウエハを使用
して第１，第２単位セル共、片面にストレンゲー
ジを形成した例であり、例えばｐ型シリコン基板
の一面にｎ形エピタキシヤル層を形成し、その表
面にｐ形のストレンゲージを形成するもので、こ
の場合はｐ形基板が接続点９５を通じて電源の一
方に接続される接地配線として利用されるので、
クロスオーバはさらに減じて左右部にある１個所
のみとなる。

第５６図は第２単位セル５３−２に両エピタキ
シヤルウエハを使用してストレンゲージ５４yc，
５４yt，５４xc，５４xtを両面５３ａ，５３a′に
分けて形成した例でクロスオーバは同様に左右部
にある１個所のみとなる。

このように、一方の単位セルの感圧構造体が力
の３成分のうち２成分を検出するストレンゲージ
を備え、他方の単位セルの感圧構造体が残りの１
成分を検出するストレンゲージを備えるように構
成しているので、配線密度が大幅に低くなり、結
線のために感圧構造体表面に設けられる配線のク
ロスオーバの数を低減でき、また歪の大きい構造
体下部におけるクロスオーバを避けることができ
るため、配線の信頼性が向上し、その上二つの単
位セルから構成することにより、力が印加された
場合受圧面が支持面に平行に移動することが保証
され、検出の信頼性も飛躍的に向上する。

上述のように、力の３成分を検出するためのス
トレンゲージを２つの単位セルに分けて形成する
代りに、力の３成分のうち２成分を単位セルの片
側の面で検出し、残りの一成分をその単位セルの
反対側の面で検出するように、力の３成分を検出
するためのストレンゲージを同一の単位セルの表
と裏面に分けて形成するようにしてもよい。例え
ば、第５３図Ｂに示すような構成のストレンゲー
ジブリツジを第５３図Ａの単位セル５３−１のス
トレンゲージ形成面５３ａの裏面５３a′に形成す
ることにより、同様な効果を得ることができる。
第５５図Ａ，Ｂの場合も同様である。次に、機能
素子の組み込みについて説明する。拡散形ストレ
ンゲージは抵抗値および歪による抵抗変化率すな
わちゲージ率に大きな温度依存性がある。しかも
この温度依存性は、例えばＰ形＜111＞方向につ
いて第５７図に示すように不純物濃度によつても
その値が大きく変化する。例えば10¹⁸／cm³の不純
物濃度の場合には、抵抗変化率αが約30％／100
℃、ゲージ率温度変化率βが約−30％／100℃の
大きな値を持つている。そのほか、ストレンゲー
ジで構成されるブリツジの力が零である場合の出
力、すなわち、零点出力にも温度依存性をもつて
いる。従つてストレンゲージブリツジの出力信号
から正確に力の３成分を算出するためには、正確
に温度を知る必要がある。

第５８図，第５９図はそれぞれ圧覚センサの単
位セルに温度センサ領域を形成することにより上
述のような温度変化に対応して正確に力の３成分
の算出することが容易にできるようにした圧覚セ
ンサ単位セルの一例を示す。

第５８図に示した例では、Ｎ形単結晶シリコン
の単位セル５３の垂直の面５３ａの歪の小さい領
域に拡散によりＰ形抵抗領域８７が形成されてい
る。第５９図Ａ，Ｂは単位セル５３のシリコン基
板の両面に形成されたエピタキシヤル層の一方５
３ａにFz検出用のストレンゲージ５４zt，５４
zc（図Ａ）、他面５３a′のエピタキシヤル層にFx
検出用のストレンゲージ５４xt，５４xcおよび
Fy検出用のストレンゲージ５４yt，５４yc（図
Ｂ）を形成した場合の例で、拡散抵抗形温度検出
素子８７は歪の影響を受けるので、歪の最も小さ
い一対のゲージ５４ztと５４zcの中間に配置さ
れ、図のように端子９３−１に配線９１により接
続されている。一方の配線は接触点９５−１から
基噺および接触点９５−２を経て端子９３−２に
至つている。第６０図は温度検出素子８７として
トランジスタを形成た例を示し、Ｐ形シリコンウ
エハ５３Ｐ上に設けたＮ形ストレンゲージ５４Ｐ
を拡散し、P⁺拡散層９８により分離された領域
にベース層としてのＰ形拡散層９９、コレクタ接
触層としてのN⁺拡散層１００、さらにＰ形層９
９の中にエミツタ層としてのN⁺拡散層１０１を
形成して感圧構造体である単位セル５３内に
NPNトランジスタを構成したものである。同様
に温度センサとしてダイオードを形成してもよ
い。これらの抵抗、トランジスタあるいはダイオ
ードを制御回路に接続し、特性の温度変化を利用
して感圧構造体に加わつた力の算出あるいは零点
出力の温度補償を行う。

このように、単位セル５３の中に温度センサを
形成し、ストレンゲージから得られる出力信号の
温度補償に利用するので、例えばロボツトハンド
に用いる場合、温度の異なる物体を把持した際の
圧覚センサの急激な温度変化を補償することがで
きて正確な把持力の検出ができる。

また、第８図に示すように、ブリツジの出力信
号は増幅部５７に入力されるが、各単位セル５３
あるいは感圧モジユール５１からの出力信号の取
り出し、およびそれらへの入力の供給のための配
線を少なくするために入力の供給および出力信号
の取り出しを単位セル５３あるいはモジユール５
１ごとにスキヤンニングできるようにすることが
望ましい。

第６１図〜第６５図はそれぞれ単位セル５３に
アナログスイツチ８８が集積され、入出力配線中
に接続されることによつて、上述のようなスキヤ
ンニングを容易にでき配線を少なくした圧覚セン
サ単位セルの一例を示す。

第６１図および第６２図の場合は単結晶半導体
として基板の両面に異なる導電形のエピタキシヤ
ル層を備えたシリコン板を用い、一方の面のエピ
タキシヤル層にFz検出用ブリツジを、他方の面
のエピタキシヤル層にFxおよびFy検出用のブリ
ツジを形成したものである。第６１図に示した感
圧構造体である単位セル５３の表面５３ａにはス
トレンゲージ５４zt，５４zcのほかにその中間の
歪の小さい領域に出力端子Ｚに接続されるアナロ
グスイツチ８８−１，８８−２、入力端子Ｖに接
続されるアナログスイツチ８８−３が形成されて
いる。これらのアナログスイツチ８８は第６３図
に示したようにMOSトランジスタとして形成さ
れている。すなわちＰ形シリコン基板５３Ｐ上に
設けられたＮ形エピタキシヤル層９７中にＰ形拡
散層９９が形成され、さらにその中にN⁺形のソ
ース、ドレイン層１００が形成されている。シリ
コン板表面は酸化膜９２で覆われ、その上にゲー
ト電極１０２が設けられ、ＮチヤネルMOSトラ
ンジスタ８８が構成される。一方、ストレンゲー
ジはＰ形拡散層５４Ｐにより形成され、これとの
接続は金属薄膜配線９１により接続されている。
接地配線として利用される基板５３Ｐへの接続は
Ｐ形拡散層９８で行われる。この接地部は第６１
図、第６２図では小円９５で表わされている。第
６２図は裏面５３a′側を示し出力端子Ｘ，Ｙに接
続されるアナログスイツチ８８−４〜８８−７お
よび入力端子Ｖに接続されるアナログスイツチ８
８−８が表面５３ａと同様に歪の小さい左右中間
部に形成されている。

第６３図に示すMOSトランジスタ８８はゲー
ト電極１０２に正の電圧を印加した場合に導通す
るが、第６４図に示すようにエピタキシヤル層９
７に直接P⁺拡散層９９によりソース，ドレイン
層を形成した場合は、ゲート電極１０２に印加さ
れる電圧が零あるいは負の場合に導通する。

第６５図は配線密度の小さいFz検出用ブリツ
ジ形成面にアナログスイツチ８８−１〜８８−３
および８８−９のほかに温度検出素子８７および
それに直列接続の薄膜抵抗１０３を形成した例で
ある。第６６図はアナログスイツチ８８を組み込
んだ単位セル５３を用いた場合の圧覚センサの回
路構成の一例を示し、図中に記入された符号は第
６１図〜第６５図に記入した符号の部分に対応す
る。一対の入力配線９６、複数の出力配線９０に
挿入されたアナログスイツチ８８を後述するマイ
クロコンピユータ部１３７（第７９図参照）から
の信号により順次オン、オフすることによりスキ
ヤンニングして、各単位セルのFx，Fy，Fz検出
用の各ブリツジからの出力信号を順次増幅部５７
に取り出す。このスキヤンニングの詳細について
は後述する。

このように、圧覚センサ単位セル５３にアナロ
グスイツチ８８を配設したので、単位セル５３あ
るいは感圧モジユール５１への入力の供給および
出力信号の取り出しがスキヤンニング可能とな
り、単位セルのストレンゲージ５４と増幅部５７
との間の配線数が大幅に減少するので、多数のセ
ルを内蔵する圧覚センサアレイ５０の構成が極め
て容易になる。第６７図はブリツジ回路の差動増
幅器（以下、差動アンプと称する）１０４とアナ
ログスイツチ８８とを単位セル５３に組み込み、
各単位セル５３の出力配線を共通にすることによ
り下部基板５５上の出力配線９０の数を減らすよ
うにした単位セル５３の構成を示す。なおこの例
では、単位荷重計を構成する複数の単位セルのう
ち、一つの単位セル５３だけに３つの検出用ブリ
ツジが形成されたものについて説明する。すなわ
ち、mn個のセンサモジユール５１（単位荷重計）
がｍ×ｎ行列を構成しており、第（１，１）番目
のモジユール５１を構成する単位セル５３−１は
F₁，₁，ｘ検出用ブリツジ５４ｘ，F₁，₁，ｙ検出用
ブリツジ５４ｙ，F₁，₁，ｚ検出用ブリツジ５４ｚ
の他に、それぞれのブリツジ出力を増幅するため
の３個の差動アンプ１０４とこの差動アンプの出
力を取出すか否かを制御する３個のアナログスイ
ツチ８８とを有する。このようなモジユール５１
が、第（１，ｎ）番目のモジユールの単位セル５
３−２や第（ｍ，ｎ）番目のモジユールの単位セ
ル５３−３を含めてｍ×ｎ行列を構成している。
さらに、１つの行を構成するｎ個のモジユール５
１のFx検出用ブリツジ５４ｘのアナログスイツ
チ出力を共通にして出力用スキヤナ１０５に入力
している。Fy検出用ブリツジ及びFz検出用ブリ
ツジについても同様である。

このような構成において、第ｊ列にある３×ｍ
個のスイツチング素子に制御用スキヤナ１０６を
切換えてベース電圧を加えるとともに、出力用ス
キヤナ１０５を第１行から第ｍ行まで切換えて各
単位セル５３のブリツジから出力データを取出し
マイクロコンピユータ部１３７に送り込む。さら
に制御用スキヤナ１０６によつて電流を流す列を
第１列から第ｎ列まで切換えれば、すべての単位
荷重計の出力電圧を取出すことができる。このよ
うな回路構成にすれば各モジユール５１からの出
力配線数は３本になるからmn個の単位荷重計か
らの出力配線数は３×ｍ本となり、これは単位荷
重計の数が増加してもｍに比例して増加するにと
どまり配線密度も以前ほど高くはならない。

なお、スイツチング素子８８を単位セル内に組
み込むことにより、モジユール５１と制御用スキ
ヤナ１０６間に、スイツチング素子８８の導通遮
断を制御する制御用配線が新たに加わるが、この
制御用配線は各単位荷重計を共通接続するため、
配線数は合計ｎ本増えるにすぎず、配線密度が増
加する虞れはない。

次にこのような回路を実現するための単位セル
の構成を第６８図および第６９図に示す。図で
Fx検出用ストレンゲージ５４xt，５４xc、Fy検
出用ストレンゲージ５４yt，５４yc、Fy検出用
ストレンゲージ５４zt，５４zcの位置及びそれら
によつてブリツジを構成する配線と電源用端子
V₁，V₂は第５０図に示したものと同である。こ
の例では同じシリコン単結晶ウエハの表面上に、
Fx，Fy，Fz検出用ブリツジの出力を増幅するた
めの差動アンプ１０４−１〜１０４−３、差動ア
ンプの出力を外部に取出すか否かを制御するため
のアナログスイツチ８８−１〜８８−３を拡散プ
ロセスにより形成する。そしてそれらの出力用と
してFx検出用端子Ｘ，Fy出力端子Ｙ，Fz出力用
端子Ｚとアナログスイツチ制御用の制御信号用端
子Ｓを設ける。このような単位セル５３によりモ
ジユール５１を組立てれば、第６７図に示した信
号取出し回路を構成できるので、前に述べたよう
に出力配線数を大幅に減らすことができる。

第６９図に単位セルの他の構成を示す。第６８
図の構成では単位セル５３が荷重を受けた時に、
シリコン単結晶ウエハの表面上に形成した差動ア
ンプ１０４−１〜１０４−３及びアナログスイツ
チ８８−１〜８８−３は荷重によつて生じる応力
を受けるという虞れがある。また、ストレンゲー
ジを形成する拡散プロセスと、差動アンプ，アナ
ログスイツチを形成する拡散プロセスは別のプロ
セスになる場合があり、２つのプロセスをシリー
ズに行うため製造工程が複雑になる。この構成で
は、Fx検出用ストレンゲージ５４xt，５４xc、
Fy検出用ストレンゲージ５４yt，５４yc、Fz検
出用ストレンゲージ５４zt，５４zc及びそれらに
よつてブリツジを構成する配線，電源用端子V₁，
V₂を第５０図に示したものと同じくリング状セ
ルの表面上に形成する。そして、別のシリコン単
結晶ウエハ表面上にブリツジの出力を増幅するた
めの差動アンプ１０４−１〜１０４−３，差動ア
ンプの出力を外部に取出すか否かを制御するため
のアナログスイツチ８８−１〜８８−３を拡散プ
ロセスにより形成し、シリコン単結晶のウエハか
ら以上の素子をもつたチツプを切り出し、このチ
ツプを上記リング状セル５３の中心孔のなかに配
置してリング状セルとチツプとの間を緩衝手段を
兼ねる極細金属線１０７によつて接続する。この
ようにすれば、差動アンプ１０４−１〜１０４−
３，アナログスイツチ８８−１〜８８−３は荷重
により生じる応力を受けなくなり、信頼性が向上
するという利点が得られる。さらにストレンゲー
ジを形成する拡散プロセスと、差動アンプ・アナ
ログスイツチを形成する拡散プロセスとをパラレ
ルに行えるため製造工程をフレキシブルに組むこ
とができる。

以上のように、モジユール５１を構成する単位
セル５３にストレンゲージ５４とそれから形成さ
れる３個のブリツジ回路５４ｘ，５４ｙ，５４ｚ
の他に、ブリツジ回路の出力を増幅する差動アン
プ１０４と差動アンプの出力を取出すか否かを制
御するアナログスイツチ８８とを組み込み、複数
個のモジユール５１の行ごとの出力配線を共通に
しているため、基板５５上の出力配線９０の数を
６×mn本から３×ｍ本に減らすことができ、も
つて各モジユール５１とスキヤナ１０５，１０６
との間の配線が可能になる。

第７０図はセル５３を支持する下部基板５５に
ストレンゲージブリツジの信号処理を行う電子回
路１０８を集積することにより、下部基板上の配
線スペースを小さくすることができるようにした
例を示す。図示のセル５３および基板５５はいず
れもシリコン単結晶からなる。セル５３が固着さ
れる下部基板５５の支持面５５ａには集積回路技
術により配線９０−Ａおよび抵抗素子ブリツジの
出力信号処理用の電子回路１０８が作り込まれて
いる。集積回路技術を用いれば配線間隔を10μm
ピツチすることが容易であり、例えばセラミツク
板上に導電膜の印刷あるいは金属蒸着膜の加工に
より作られる配線の間隔が最小100μmピツチであ
ることにくらべれば配線スペースが著しく節減で
き、これによりセル５３を密集して配置できる。
電子回路１０８は、例えば演算増幅器として構成
され、接続配線９０−Ａおよびボンデイングワイ
ヤ１０９を介してセル５３上の配線の端子９３と
接続される。この電子回路１０８を下部基板５に
内蔵することにより、ストレンゲージ５４からの
信号処理を圧覚センサアレイ５０の本体内で行う
ことができ、外部出力配線９０−Ｂの数を減ずる
ことによりコンパクトな圧覚センサアレイが得ら
れ信頼性も高められる。なお、下部基板５５はセ
ル５３と必ずしも同一半導体からなる必要はない
が、両者の熱膨張係数が同一ないし近接している
ので熱変動に対しても安定であるなど得られる効
果は極めて大きい。

次に、配線について説明する。第７１図は単位
セル５３の配線例、第７２図は単位セル５３の端
子９３と下部基板５５上の端子１１０との接続例
を示す。第７２図に示すように、下部基板５５上
に設けられた接続端子１１０は予め取出し端子９
３とに対応する位置に設けられており、したがつ
て、セル５３を基板５５に固定した後、ボンデイ
ングワイヤのリード線１０９により取出し端子９
３と接続端子１１０との間がボンデイングされ
る。だが、セル５３は前述のように極めて小型の
ものであり、しかも取出し端子９３と接続端子１
１０とは互いに直交する面、すなわち面５３ａと
基板５５の上面５５ａとに設けられているので、
かかる端子間にボンデイング接続を行うことは非
常に難しいのみならず、断続や短絡の虞もあり、
信頼性に欠ける。更にまた、第７１図に破線で示
した配線９１は配線が交叉することにより二層配
線を要する部分であり、極めて小型な限られた面
５３ａ上に二層配線を実施する必要が生じる。

このような問題点の解消を図つた配線手段を第
７３図〜第７６図に示す。

第７４図および第７６図に示す１１１は可撓性
フイルム上に配線を施したフイルムキヤリアであ
り、このフイルムキヤリアは単位セル５３の表面
５３ａに設けた端子としてのバンプ１１２と下部
基板５５上の端子としてのバンプ１１９とを電気
的に接続する。セル５３上のバンプ１１２は、第
７３図に示すように、単位セル５３上のストレン
ゲージ５４の両端近傍にはんだや金などで形成さ
れ、配線９１によりストレンゲージ５４と接続さ
れている。このため、本例におけるストレンゲー
ジ５４間の配線９１は配線間の交叉が生じず一層
のみの配線ですむようになる。第７４図はフイル
ムキヤリア１１１を部分的に示し、このフイルム
キヤリア１１１は例えばポリイミドのような可撓
性の材料からなるフイルムであり、その上には第
７３図に示したバンプ１１２に対応した位置にバ
ンプ１１３を設けており、これらのバンプ１１３
間のうち配線を必要とするバンプ１１３間にのみ
配線１１４を形成し、これらの配線１１４を本図
では下方に延在させたフイルム１１１の基板取付
部１１１ｂに導くようにしている。また、第７６
図に示すように、このように延在させた基板取付
部１１１ｂ上に配線１１４に接続する信号取出し
端子用のバンプ１１５を形成しておく。第７５図
はセル５３の面５３ａ上にバンプ１１２を形設し
た状態を示すもので、ここで、１１６は配線９１
を有する配線層上にバンプ１１２を形設するため
の接着用金属、１１７はバンプ１１２形設時の拡
散防止用金属、更に１１８は面５３ａの表面に被
着させた絶縁層である。

第７６図はセル５３を基板５５上に取付けた状
態を示し、ここでは、セル５３、基板５５および
フイルム１１１上に設けたバンプのみを強調して
示し、その配線やストレンゲージ等は省略して示
してある。図示のように、フイルム１１１を折曲
げた状態にしてセル５３のバンプ１１２にフイル
ム１１１の上部のバンプ１１３を当接し、また基
板５５上に設けたバンプ１１９にフイルム１１１
の基板取付部１１１ｂに形設したバンプ１１５を
当接し、双方を熱圧着等により接合してある。従
つて、セル５３の信号取出し端子と基板５５上の
接続端子との間をボンデイングワイヤで接続する
という困難な作業の必要がなくて断線や短絡の虞
がなくなり、更にセル５３の面上に二層配線の要
もなく、作業が簡略化されるのみならずその信頼
性を高めることができる利点が得られる。

次に、圧覚センサアレイ５０からの出力信号の
スキヤニングと前処理について説明する。

例えばロボツトのハンドに取付けられてその把
持部の圧力分布を測定することにより、物をつか
む、はなす、すべる等の把持状態を検知する圧覚
センサの出力信号を、計算機処理し易くするため
の圧覚センサ出力信号前処理装置は現在のところ
見当らないが、近い従来技術としては、第７７図
に示すようなものがある。半導体ストレンゲージ
のような半導体のブリツジで構成された圧力検出
部１２１の出力は、温度補償回路１２２で温度に
よる影響が除去される。すなわち、この温度補償
回路１２２では、圧力検出部１２１からの信号が
アナログ集積回路１２３およびアナログ集積回路
１２４で受信され、これらの集積回路とスパン調
整抵抗１２５およびオフセツト調整抵抗１２６と
で信号のスパンおよびオフセツトが調整され、ま
た零点調整抵抗１２７とアナログ集積回路１２８
とで信号の零点が調整される。さらに、零点温度
特性補償抵抗１２９とアナログ集積回路１２８お
よびスパン温度特性補償抵抗１３０とアナログ集
積回路１３１とにより圧力信号の温度補償が行わ
れた後、信号出力端子１３２から出力信号が出力
される。１３３は電源端子、１３４はアナログ用
アース端子である。

ところが、このような従来技術により、前述の
ような面状に分布する圧力の圧力分布を測定しよ
うとすると例えば第７８図に示すように圧力検出
部１２１を多数並列に並べると同時に、これに合
せて温度補償回路１２２も多数並列に並べなけれ
ばならないので、はなはだ不経済であり、また圧
力検出部１２１に常に電力を供給しなければなら
ないので、消費電力が大きいという欠点もあつ
た。

これらの欠点の除去を図つた圧覚センサ出力信
号前処理装置の構成例を第７９図〜第８１図に示
す。

第７９図では、マトリツクス状に配置した多数
の圧力検出部の電源を縦軸アドレスで掃引して低
消費電力化を図ると同時に、圧力検出部の出力を
縦軸アドレスと横軸アドレスとで掃引して取り出
し、個々の圧力検出部ごとのオフセツト、スパン
などの温度補償を温度センサの出力とマイクロコ
ンピユータとを用いて行うことにより、圧力分布
を低消費電力で、かつ経済的に測定できるように
した圧覚センサ出力信号前処理装置を示す。

この装置は図示のように、圧力検出ブロツク１
３５、増幅部１３６およびマイクロコンピユータ
部１３７とからなる。圧力検出ブロツク１３５
は、半導体ストレンゲージ５４のブロツク回路を
有してマトリツクス状に配置された複数の圧覚セ
ンサモジユール（以下、圧力検出部と称する）５
１、各圧力検出部５１にそれぞれ並列に接続した
例えばサーミスタ等からなる温度検出素子８７、
１組の圧力検出部５１と温度検出素子８７毎に接
続してこれらの出力を縦軸（列方向）毎に開閉す
る縦軸アナログスイツチ部１３９、縦軸アナログ
スイツチ部１３９への制御電圧によりオン（導
通）して圧力検出部５１と温度検出素子８７の電
源ライン９６を開閉する縦軸電源アナログスイツ
チ１３８、および縦軸アナログスイツチ部１３９
の後段に接続して圧力検出部５１と温度検出素子
８７の出力を横軸（行方向）毎に開閉する横軸ア
ナログスイツチ部１４０などから構成される。縦
軸アナログスイツチ部１３９および横軸アナログ
スイツチ部１４０は、いずれも制御電圧で同時に
開閉する３個のアナログスイツチ（半導体スイツ
チ）８８からできていて、圧力検出部５１の出力
および温度検出素子８７の出力と接続している。

増幅部１３６は全ての横軸アナログスイツチ部
１４０の出力と接続する単一の増幅部であり、圧
力信号増幅用の３個のアナログ集積回路１２３お
よび１２４と１３１と、温度信号増幅用のアナロ
グ集積回路１４２とから構成されている。

マイクロコンピユータ部１３７は後述の横軸ア
ドレスに応じて該当の横軸の全横軸アナログスイ
ツチ部１４０へ制御電圧を印加しその開閉制御を
する横軸デコーダ１４３、後述の縦軸アドレスに
応じて該当の縦軸の縦軸アナログスイツチ部１３
９へ制御電圧を印加しその開閉制御をする縦軸デ
コーダ１４４、増幅部１３６の出力と接続して増
幅されたアナログの圧力信号と温度信号とを交互
に切換えて出力するアナログ信号切換部１４５、
アナログ信号切換部１４５の出力をアナログ−デ
ジタル（Ａ／Ｄ）変換するＡ／Ｄ変換器１４６
と、Ａ／Ｄ変換器１４６のデジタル出力信号を一
時記憶する一時記憶用RAM（ランダムアクセス
メモリ）１４７、Ａ／Ｄ変換器１４６でデジタル
化したデータを温度補償のための演算をする乗算
用コプロセツサ１４８と除算用コプロセツサ１４
９、演算式や定数または制御プログラム等をあら
かじめ格納したROM（リードオンリメモリ）１
５０、演算により温度補償された検出データを記
憶する補正後データ記憶用RAM（ランダムアク
セスメモリ）１５１、温度補償ずみの検出データ
を外部に出力する信号出力用ポート１５２、全体
の制御を行うCPU（中央演算処理装置）１５３、
およびCPU１５３からの圧力検出部アドレスを
横軸デコーダ１４３および縦軸デコーダ１４４へ
出力するアドレス出力用ポート１５４とから成つ
ている。

１５５はマイクロコンピユータ部１３７の内部
データバス、１５６はマイクロコンピユータ部１
３７のアドレスバス、１５７はマイクロコンピユ
ータ部１３７の信号出力用データバス、１５８は
マイクロコンピユータ部１３７のデジタル用アー
ス端子、１５９はマイクロコンピユータ部１３７
のデジタル用電源端子、１６０は増幅部１３６の
オペアンプ用負電源端子、１６１は増幅部１３６
のオペアンプ用正電源端子、１６２は横軸デコー
ダ１４３から出て各横軸アナログスイツチ部１４
０のゲートに接続する横軸ライン群、および１６
３は縦軸デコーダ１４４から出て縦軸毎に縦軸ア
ナログスイツチ部１３９のゲートと縦軸電源アナ
ログスイツチ１３８のゲートとに接続する縦軸ラ
イン群であり、縦軸電源アナログスイツチ１３８
は圧力検出部５１と温度検出素子８７への電源ラ
イン９６に介装される。

なお、第８図および第４４図に示すスキヤナ増
幅器５７は上述の増幅部１３６の他に、縦軸電源
アナログスイツチ１３８、横軸アナログスイツチ
部１４０またはこれらとマイクロコンピユータ部
１３７とを有する。よつて、同図の圧覚センサア
レイ５０は上述の圧力検出ブロツク１３５および
増幅部１３６等からなる。

CPU１５３により複数の圧力検出部５１のう
ち、どの圧力検出部５１の出力を信号出力用デー
タバス１５７に出力させるかが決定されると、
CPU１５３はその圧力検出部のアドレスをアド
レス出力用ポート１５４を経由して、横軸デコー
ダ１４３と縦軸デコーダ１４４に出力する。ここ
で、圧力検出部のアドレスは圧力検出部毎に与え
られた特定アドレスで、例えば縦軸アドレスと横
軸アドレスとからなるものとする。それぞれのデ
コーダ１４３と１４４はその入力したアドレスを
解読し、そのアドレスに対応した縦軸および横軸
のラインを縦軸ライン群１６３および横軸ライン
群１６２の中から選び、これらのラインに接続さ
れている縦軸アナログスイツチ部１３９と縦軸電
源アナログスイツチ１３８および横軸アナログス
イツチ部１４０だけをオン（導通）状態にさせ
る。

これにより、指定された縦軸アドレスの圧力検
出部５１と温度検出素子８７の一群のみが通電さ
れ、CPU１５３により指定された圧力検出部ア
ドレスの特定の圧力検出部５１とこの圧力検出部
５１の温度を測定するための温度検出素子８７と
が選択され、これらの出力信号が増幅部１３６で
増幅される。すなわち、圧力検出部５１の圧力信
号はアナログ集積回路１２３、アナログ集積回路
１２４および１３１で増幅され、また温度検出素
子８７の温度信号はアナログ集積回路１４２で増
幅される。

増幅された圧力信号と温度信号とはアナログ信
号切換部１４５で切換えられて交互にＡ／Ｄ変換
器１４６で順次Ａ／Ｄ変換される。Ａ／Ｄ変換さ
れたデジタルの圧力信号と信号温度とは内部デー
タバス１５５を介して一時記憶用RAM１４７に
記憶され、さらにCPU１５３、乗算用コプロセ
ツサ１４８および除算用コプロセツサ１４９とに
より圧力信号の温度補償のための演算が行われ
る。ここで、乗算用コプロセツサ１４８と除算用
コプロセツサ１４９とは上述の補償演算の速度を
早めるために用いられる。

かかる補償演算は以下のように行う。まず、ア
ナログ信号切換部１４５に入力される圧力信号
は、圧力検出部５１に圧力が印加されないときに
発生するオフセツトと、スパンを決定する比例定
数とを使つて近似的に、 と表わすことができるので、圧力Ｐは次の式か
ら求めることができる。

Ｐ＝a₀＋a₁T＋a₂T²−V_pp／b₀＋b₁T＋b₂T² … ただし、 V_pp：アナログ信号切換部１４５に入力される
圧力信号 Ｔ：圧力検出部５１の絶対温度 Ｐ：圧力検出部５１への印加圧力 a₀，a₁，a₂，b₀，b₁，b₂：圧力検出部５１の
個々に定まる既知の定数 また、アナログ信号切換部１４５に入力される
温度信号は、温度検出素子８７が例えばサーミス
タの場合に近似的に V_pT＝C₀＋C₁＋Ｔ と表わすことができるので、温度Ｔは次の式か
ら求めることができる。

Ｔ＝V_pT−C₀／C₁ … ただし、 V_pT：アナログ信号切換部１４５に入力される
温度信号 C₀，C₁：温度検出素子８７ごとに定まる既知
の定数 Ｔ：温度検出素子８７の絶対温度 従つて、温度検出素子８７の温度が圧力検出部
５１の温度と考えられるほど、温度検出素子８７
と圧力検出部５１とを十分に近いところに設置し
ておけば、上述の式により算出した温度Ｔを用
いて、上述の式から温度の影響を除去した正確
な圧力値を算出できることになる。このようにし
て、算出された圧力データは信号出力用ポート１
５２を経由して、外部に出力されると同時に、補
正後データ記憶用RAM１５１に記憶され、いつ
でも必要なときに出力できるようになつている。

以上のように、ある特定の圧力検出部５１の圧
力信号がマイクロコンピユータ部１３７で演算処
理され、信号出力用データバス１５７に出力され
る。同様にして他の圧力検出部５１の圧力も順次
縦軸デコーダ１４４および横軸デコーダ１４３と
を経由してアドレス指定されることにより、マイ
クロコンピユータ部１３７で演算処理され、信号
出力用データバス１５７に出力される。複数の圧
力検出部５１を全部このようにして掃引し終る
と、補正後データ記憶用RAM１５１には圧力分
布のデータフアイルが完成することとなる。

なお、温度検出素子８７は圧力検出部５１と対
にして用いる必要はなく、例えば３個の圧力検出
部５１につき１個の温度検出素子８７を用いて温
度を測定し式と式により温度補償を行つても
よいし、圧力検出ブロツク１３５に１個の温度検
出素子８７を用いて温度を測定し同じように温度
補償を行つてもよいことは自明である。

このように、マトリツクス状に配置した多数の
圧力検出部５１の出力を前述したように縦軸アド
レスと横軸アドレスとを用いて掃引し、個々の圧
力検出部５１ごとのオフセツトとスパンの温度補
償をマイクロコンピユータ１３７を用いて行つて
いるので、第７８図のように複数の圧力検出部５
１の出力を掃引せずに、個々の圧力検出部５１の
出力に温度補償回路１２２を別々に設ける必要は
なく、全体として圧力分布の測定を廉価に経済的
に行うことができる。さらに、電源に関しては、
縦軸電源アナログスイツチ１３８を用いて縦軸デ
コーダ１４４により指定された電源ライン９６だ
けを導通状態にするようにしたので、圧力検出ブ
ロツク１３５の消費電力を少なくすることができ
る。すなわち、指定されたアドレスの圧力検出部
５１と温度検出素子８７にだけ電力を供給し、他
の圧力検出部と温度検出素子には電力を供給しな
いように構成しているので、マイクロコンピユー
タ部１３７のCPU１５３が圧力検出部５１と温
度検出素子８７の出力を順次アドレスして指定し
ていくときに、結果として圧力検出部５１と温度
検出素子８７の全てを掃引するのに低消費電力で
すむという利益が得られる。

圧力検出部５１の全てに対して常時電源を供給
するようにしてもよい。この例を第８０図に示
す。第８０図のものは圧力検出部５１に常時電源
を常時供給する点のみが前述の例と異なり、その
他の構成および作用は前述と同様である。従つ
て、この場合でもマトリツクス状に配置した多数
の圧力検出部５１の出力を前述したように縦軸ア
ドレスと横軸アドレスとを用いて掃引し、個々の
圧力検出部５１ごとのオフセツト、スパンなどの
温度補償をマイクロコンピユータ１３７を用いて
行つているので、第７８図のように複数の圧力検
出部５１の出力を掃引せずに、個々の圧力検出部
５１の出力に温度補償回路１２２を別々に設ける
必要はなく、全体として圧力分布の測定を廉価に
経済的に行うことができるのは勿論である。

第８１図はさらに他の例を示し、マトリツクス
状に配置した多数の圧力検出部５１の電源を縦軸
アドレスを用いてアナログスイツチ１３８により
掃引して低消費電力化を図ると同時に、圧力検出
部５１の出力をスイツチングダイオード１６６と
横軸アドレスにより指定されたアナログスイツチ
１４０とを用いて掃引する一方、付属の温度セン
サ８７の出力を縦軸アドレスと横軸アドレスとを
用いてアナログスイツチ８８により掃引し、得ら
れた温度データを用いて、個々の圧力検出部５１
ごとのオフセツト、スパンなどの温度補償を温度
センサの出力とマイクロコンピユータにより行う
ようにしたものである。さらに詳細に説明する
と、本図に示すように、縦軸アナログスイツチ部
１３９はそれぞれ１個のスイツチングダイオード
１６６と１個のアナログスイツチ８８とからな
る。横軸アナログスイツチ部１４０は、制御電圧
で同時に開閉する３個のアナログスイツチ８８か
らできており、圧力検出部５１の出力および温度
検出素子８７の出力と接続している。

また、各縦軸アナログスイツチ部１３９のスイ
ツチングダイオード１６６のアノードは、２本の
出力ラインを備えた圧力検出部５１の一方の出力
ラインに接続し、そのカソードは横軸アナログス
イツチ部１４０のアナログスイツチ８８の１個と
接続している。各圧力検出部５１の他方の出力ラ
インは横軸アナログスイツチ部１４０の他のアナ
ログスイツチ８８の１個と接続し、温度検出素子
８７の出力に接続した各アナログスイツチ８８は
横軸アナログスイツチ部１４０の残りのアナログ
スイツチ８８に接続している。

また、複数のスイツチングダイオード１６６の
うちで、導通になつた縦軸電源アナログスイツチ
１３８により電源を供給された圧力検出部５１に
接続されているスイツチングダイオード１６６
は、順バイアスされて導通となり、他のスイツチ
ングングダイオード１６６は逆バイアスされて非
導通となる。その他の構成と作用は第７９図に示
した場合と同様である。

なお、第８１図の例において、圧力検出部５１
の点AB間の出力特性を第８２図のような特性に
し、圧力印加範囲の下限でスイツチングダイオー
ド１６６の順方向電圧降下と同じ出力電圧がブリ
ツジ出力から出力されるように、ブリツジをアン
バランスに設計しておく。これにより、点CD間
の出力特性が第８３図のようになるようにし、印
加圧力の下限において点CD間の出力電圧がゼロ
になるようにする。もつて、スイツチングダイオ
ード１６６の順方向電圧降下の圧力信号に対する
影響を除去できるようにしてある。

このように、圧力検出部５１の出力をスイツチ
ングダイオード１６６とアナログスイツチ８８で
スキヤンすることもでき、従来方式と比べ圧力分
布を低消費電力で測定でき、かつ温度補償回路の
簡単化を達成できる等の第７９図で示した場合と
同様な効果が得られる。

次に、圧覚センサアレイ５０の出力信号に応じ
て制御動作を実行する本発明による圧覚認識制御
装置の本体について説明する。

第８図のスキヤナ増幅器５７からの出力信号は
後述のＡ／Ｄ（アナログ−デジタル）コンバータ
を経てCPUに取り込まれ、基本演算アルゴリズ
ムで各点の３方向の分力、合成力、３方向モーメ
ント等が演算され、この演算結果が後述のメモリ
フアイルに格納される。

そのメモリフアイルから読み出した受圧面の圧
力分布の時間的変化により、把持力不足による滑
りが演算され、保持力制御演算アルゴリズムによ
り滑りが起らぬソフトハンドリングが可能とな
る。また、把持・持ち上げ・挿入・回転等の基本
作業演算アルゴリズムを用いて高速・高レスポン
ス・高精度で上位コンピユータによるスーパーバ
イザリ制御や自律局所制御を行うことが可能とな
る。さらに、受圧板５２の材質分布を適切に選定
することにより、演算により対象物の弾性を求め
ることが可能であるので、対象物の形，破損を避
けたソフトハンドリングが可能であり、対象物の
材質判定、形状認識の補助入力とすることもでき
る。

第８４図はこの発明の実施例の全体を示す。図
示のように、マトリツクス配線された圧覚センサ
アレイ５０の各ポイントのブリツジ回路５１Ａか
ら出力される３分力の大きさに相当する電気信号
Ex，EyおよびEzをスキヤナ５７Ａで行および列
毎に順次高速に読み出す。その際、前述のように
圧覚センサセル５３内あるいは圧覚センサセルの
取付穴あるいは基板５５上に、スキヤナ５７Ａの
行および列のアドレス信号（制御電圧）で開閉す
るアナログスイツチ８８（第７９図参照）を圧覚
センサモジユール５１のブリツジ回路５１Ａ毎に
設け、それらのアナログスイツチを選択的に動作
させることにより他の圧覚センサモジユール５１
の出力と混同しないようにしている。また、同時
に列毎に圧覚センサセル５３への電源供給制御を
行えば電力消費が少なくなつてなおよい。

スキヤナ５７Ａにより読み出された圧力信号は
増幅部５７Ｂで増幅され、アナログ−デジタル
（AD）コンバータ２０１によりデジタル信号化
された後、マイクロコンピユータのCPU（μ・
cpu）２０３に取り込まれて、ROM（リードオン
リメモリ）２０５に格納した所定の演算式により
ストレンゲージ５４の温度特性、感度の非直線
性、セル５３毎の感度のばらつき、および他方向
分力の干渉等の補正がなされ、さらに圧力単位に
変換され、その変換された圧力データが各分力毎
に２次元に分布した圧覚データの形で整理されて
時系列に信号処理記憶装置２０７に記憶される。
上述の温度補償は圧覚センサセル５３に、または
その近くに設けたサーミスター等の温度センサ８
７（第５８図参照）の検出信号を用いて演算する
ことにより求められる。

次いで信号処理記憶装置２０７から読み出した
圧覚データとROM２０５にあらかじめ格納され
た基本演算アルゴリズムとを用いて、μ・cpu２
０３により、３方向の分力の分布（例えば圧力の
等高線や分布マツプ）、合成全圧力（全部のセル
５３に印加された圧力の総和で、全体の作用力に
当る）、圧力中心（その点の力のモーメントの総
和が零となる重心点で、力の作用中心に当る）、
３方向モーメント、受圧面積（零でない圧覚デー
タの総数とセル５３の配列ピツチから演算する）
等を算出して、算出したこれらの基本データを時
系列に１次演算記憶装置２０９に記憶する。

さらに、上述の信号処理記憶装置２０７と１次
演算記憶装置２０９とに記憶されたデータと、
ROM２０５にあらかじめ格納された基本演算ア
ルゴリズムとを用いて、μ・cpu２０３により、
ロボツトの手足の制御に必要な接触覚、滑り覚、
被接触物の形状、硬さ覚等を演算し、必要な演算
結果を２次演算記憶装置２１１に記憶する。接触
覚（触覚）はあらかじめ定めたるある閾値を越え
た信号で判断する。滑り覚は圧覚データを記憶装
置２０７および２０９に時系列的に格納したの
で、受圧面の圧力分布の時間的変化により把持力
不足による滑りが演算され、さらにROM２０５
に格納された把持制御演算アルゴリズム（把握ア
ルゴリズム）により滑りが起こらぬソフトハンド
リング制御をハンド駆動機構２１３に対して行う
ことができる。また、被接触物の形状の認識は圧
力分布の時間的変化と典型的な形状の認識アルゴ
リズムにより演算することにより得られる。さら
に、受圧板５２の材質分布を適切に選定すること
により、演算により対象物の弾性が求められ、材
質判定や硬さ覚が得られる。

一方、インタフエース２１７を介して上位コン
ピユータ２１９から入力されるスーパーバイザリ
指令または自律指令に応じて、信号処理記憶装置
２０７と１次および２次演算記憶装置２０９およ
び２１１とに記憶されたデータと、ROM２０５
にあらかじめ記憶されたロボツトの基本動作アル
ゴリズム（作業演算アルゴリズム）とを用いて、
μ・cpu２０３により、高速にロボツトの円滑な
走行、把持、持ち上げ、離す、挿入、回転等の基
本動作制御量（または制御位置）を算出し、算出
結果をインタフエース２１７を介して外部のロボ
ツト制御装置としての上位コンピユータ２１９に
送信するとともに、必要な演算結果を３次演算記
憶装置２１５に記憶する。上位コンピユータ２１
９ではその算出した制御量または制御位置データ
にもとづいてハンド駆動機構２１３を円滑に駆動
する。

このように、上位コンピユータ２１９の制御指
令ににもとづいて、高速、高レスポンスかつ高精
度でスーパバイザリ制御および自律制御が行われ
るとともに、被把持物（例えば、果物）が変形し
ない程度の最小の把持力での把持や、衝撃のない
被把持物の持ち上げ、離し、被把持物の取付穴へ
の挿入、回転等の人間の手に相当する程度の高度
なソフトハンドリング動作をロボツトハンド等に
行わせることができる。また、ハンド駆動機構２
１３からは掴んだ、持ち上げた、離した、挿入し
た、廻した等を内容とするフイードバツク信号が
上位コンピユータ２１９に出力されるが、これら
のフイードバツク信号に基づき圧覚認識を行うの
に必要な指令信号が外部の上位コンピユータ２１
９からインタフエース２１７を介してμ・cpu２
０３に送信される。また、μ・cpu２０３による
上述の種々の演算動作により外部の上位コンピユ
ータ２１９の負担は著しく軽減され、制御動作の
迅速化が行われ、円滑な制御が容易となる。な
お、演算制御に用いられる各記憶装置２０７，２
０９，２１１および２１５は独立に設てもよい
が、重複して共用することも可能である。なおま
た、スキヤナ５７Ａおよび増幅部５７Ｂは通常セ
ンサアレイ５０上か、またはその近くに設ける
が、ADコンバータ２０１、μ・cpu２０３、イ
ンタフエース２１７等のマイクロプロセツサ２２
１は数チツプのLSI（大規模集積回路）で構成し、
ハンド駆動機構２１３の近傍に設け、あるいはハ
ンドの腕内等に収納できるようにする。

次に、この発明の装置で用いる上述した主な演
算アルゴリズムの内容について説明する。

３方向モーメント 第８５図に示すように、物体６１をはさむ両
側の圧覚センサアレイ５０，５０の３分力の総
出力Ｘ，Ｙ，ＺとX′，Y′，Z′および両圧覚セ
ンサアレイ間の距離lz、さらに同一平面位置に
両圧覚センサアレイ５０，５０をおいたときの
Ｙ方向出力Ｙ，（Ｙ）とその両アレイ間の距離
lxとにより、次式を用いて３方向の各モーメン
トMx，My，Mzを求めることができる。

Mx＝（Ｙ，Y′の差）×lz My＝（Ｘ，X′の差）×lz Mz＝（Ｙ，（Ｙ）の差）×lx これらのモーメントは後述の物体の組立時の
はめ合い、偏荷重物体の把握、ねじ込み等の作
業に欠かせない力学値である。

滑り覚 第８６図に示すように、把握力の不足等で滑
りが生ずる場合にはセンサアレイ５０の各モジ
ユール５１の力の分布が時間t₀，t₀＋Δt…と共
に変化するのでその時系列変化を演算すれば滑
りを知ることができる。従つて、後述のソフト
ハンドリングによる物体の把持および持ち上げ
のアルゴリズムとは関係なく、滑り防止制御を
高速に行うことができる。

形状の認識 第８７図Ａに示すように、物体７１が平面の
場合は把持力ΣPの増加（P₀→P₂）に対して受
圧面の圧力分布２２３は変らない。しかし、第
８７図Ｂに示すように、物体６１が柱面の場合
は把持力ΣPの増加（P₀→P₂）に対して受圧面
の圧力分布２２３は一方向のみ変化する。ま
た、第８７図Ｃに示すように、物体６１が球面
の場合は把持力ΣPの増加（P₀→P₂）に対して
受圧面の圧力分布２２３は全方向に変化する。
従つて、受圧面の時間的変化の相違により形状
を認識することができる。なお、図中t₀は初期
時、t₁，t₂は増加した時間を示す。

弾性または材料の判定 第８８図〜第９０図に示すような圧覚センサ
アレイ５０の上面受圧板５２上に異なる弾性パ
ツト２２５，２２６（それぞれのコンプライア
ンスをC₁，C₂とする）を置き、各センサの受
ける加重をP₁，P₂とすると把握される物体６
１のコンプライアンスC₀は C₀＝P₁C₁−P₂C₂／P₂−P₁ の式で算出される。

ただし、 コンプライアンス＝１／バネ常数＝たわみ／力 の関係であり、このコンプライアンスC₀を物
の選別またはソフトハンドリングのアルゴリズ
ムのデータに使用すれば、物の選別やソフトハ
ンドリングが可能となる。

このように、把握されている物体の弾性を判
断し、間接的に材質を推定することによつて、
保持される物体の変形、破損を避けた最低把握
力の制御すなわちソフトハンドリングが可能と
なり、また物の選別、必ずしも適格な選別が可
能でない場合もあるが、補助データとしてその
選別に使用可能となる。

この弾性または材料の判定について図面に基
づいてさらに詳細に説明する。

被測定物としての物体６１の弾性に関する模
形は、第９１図に示すように微小なバネ２２７
の集合体と考えられる。第９２図はそれを更に
単純化した模形であり、物体の弾性を代表する
バネ２２８が、表面よりかなり離れて位置する
共同の固体２２９につながつたものとみなすこ
とができる。第９３図は、弾性体としての弾性
パツト２２５または２２６を有する圧覚センサ
モジユール５１が設置された支持台２３０で、
第９２図に説明した物体６１を平行に圧接した
場合の模形図を示すものであり、第９４図はそ
れぞれ更に単純化して第９３図の模形を２つの
圧覚センサモジユール５１ａ，５１ｂに代表さ
せ（図Ａ）、それを力Ｐで圧接した（図Ｂ）場
合を示す。ここで全体のコンプライアンス（＝
１／バネ常数）をΣc、圧接力をＰとすると全
体の撓みδは次の如く表される。

δ＝Ｐ×Σc また、c₀を物体６１のコンプライアンス、
c₁，c₂をセンサモジユール５１ａ，５１ｂの上
面に貼付けてある弾性パツド２２５，２２６の
コンプライアンス、c₈をセンサモジユール５１
ａ，５１ｂのコンプライアンス、P₁，P₂をそ
れぞれのセンサモジユール５１ａ，５１ｂの受
ける力とする。また、Σc₁，Σc₂をそれぞれの
センサモジユール５１ａ，５１ｂ別に、圧接さ
れる物体を合成したコンプライアンスとする
と、 Σc₁＝c₀＋c₁＋c₈≒c₀＋c₁ (11) Σc₂＝c₀＋c₂＋c₈≒c₀＋c₂ (12) である。

一方撓みδについて考えると、各々のモジユ
ール５１ａ，５１ｂに対応する撓みδ₁，δ₂は、 δ₁＝P₁×Σc₁ (13) δ₂＝P₂×Σc₂ (14) で表わされる。モジユール５１ａ，５１ｂのコ
ンプライアンスは小さいので無視し、物体６１
は平行に圧接されるためδ＝δ₁＝δ₂として式(11)
乃至（14）を整理すると物体６１のコンプライ
アンスc₀は、 c₀＝（P₁ c₁−P₂ c₂）／（P₂−P₁） (15) となる。コンプライアンスc₁およびc₂は予め知
ることができるので、物体の弾性（コンプライ
アンス）はモジユール５１ａ，５１ｂより得ら
れる出力信号p₁，p₂より求めることができる。

したがつて、この原理に基づく支持台２３０
の同一面上に相互に間隔をおいて設置された少
なくとも２の圧力センサと、各圧力センサ上に
それぞれ配置された互いにコンプライアンスの
異なる弾性体と、物体の被検出面と支持台とを
平行に保つた状態で両者を圧接する把持手段
と、１組の圧力センサの出力信号p₁，p₂と該セ
ンサに対応する弾性体のコンプライアンスc₁，
c₂から前述の物体のコンプライアンスc₀を c₀＝（p₁ c₁−p₁ c₂）／（ｐ−p₁） の式によりCPU２０３で算出することができ
る。

このような弾性測定手段は容易に構成され、
しかもその適用範囲は極めて広い。

例えば、産業用ロボツトのハンドを把持手段
とし、ハンドの片側把持面をセンサが設置され
る支持台として本手段を適用すれば、ハンドの
把持力のみでなく、把持される物体の弾性度を
も判断できる機能を備えたロボツトハンドを提
供することが可能となる。この場合、物体を把
持するためのハンドは、物体を弾性体に平行に
圧接する把持手段として極めて好適であり、さ
らに弾性パツトはハンドの把持面の緩衝手段を
兼ねる。

第８８図は、ハンドの把持面２３１にマトリ
ツクス状に設置された各圧覚センサモジユール
５１に、互いにコンプライアンスの異なる弾性
パツト２２５，２２６をそれぞれ複数配置した
一例を示すものである。それぞれ弾性の異なる
材質のパツト２２５，２２６は、圧覚センサモ
ジユール５１にそれぞれ対応してその受圧板５
２には貼付けられ、物体６１はこのパツト２２
５，２２６と圧接される。この例では弾性パツ
トの弾性は２種とし、同一の弾性（コンプライ
アンス）を有する弾性パツトを交互に列状に設
置することにより、ハンドの把持面に弾性の異
なる弾性パツト２２５，２２６が均等に分布す
るように構成している。

このような構成からなるロボツトハンドによ
り物体６１を把持すれば、その弾性が異なる一
組の弾性パツト２２５，２２６に対応した圧覚
センサモジユール５１Ａ，５１Ｂは、それぞれ
受けた力P₁，P₂に応じたp₁，p₂を出力する。こ
の信号は第９５図に示すように、増幅器５７を
介して演算器であるCPU２０３に入力される。
CPU２０３では、あらかじめ記憶しておいた
弾性パツト２２５，２２６のコンプライアンス
c₁，c₂と、増幅された信号p₁，p₂より、物体の
弾性（コンプライアンスc₀）を前述した計算式
（15）により求める。

２３２は加算器であり、増幅器５７を介して
得られるすべてのセンサの出力の総和Σp＝p₁
＋p₂＋…＋pn（ｎはセンサの数）を計算するこ
とにより、ロボツトハンドによる物体の把持力
も同時に求めている。

なお、この例では説明を明確にするため、弾
性パツトの弾性は２種としたが、本手段はこれ
に限定されるものではなく、弾性の種類をより
多くすることにより、前記一組の弾性パツトの
弾性の組み合わせを変えて、物体の弾性（コン
プライアンスc₀）に関するデータを複数求め、
物体に適合した好ましい値を物体の弾性として
選択するか、これを演算器にて平均化すること
により、物体の弾性を平均値₀として求めるこ
とも可能である。これは、物体の弾性の測定範
囲を拡張する意味で好ましい。

また同様にして、前記一組の弾性パツトを弾
性の組み合わせを変えることなく対象とするパ
ツトを変えることにより、物体の弾性（コンプ
ライアンス₀）に関するデータを複数求め、こ
れを演算器にて平均化することにより物体の弾
性を平均値₀として求めてもよい。

更にまた、圧覚センサアレイ５０が配置され
た支持台（上記実施例ではハンドの把持面）と
物体の被検出面と平行に保つた状態で弾性手段
（パツト）を物体と圧接することが肝要であり、
これにより前述した撓みδ＝δ₁＝δ₂なる条件が
成立しているのであるが、本手段をロボツトハ
ンドに適用する場合には、δ＝δ₁＝δ₂が成立し
ない場合でも、圧接力Ｐに対して撓みδ₁および
δ₂がそれぞれ比例するので、それぞれのセンサ
が受ける力p₁，p₂と物体のコンプライアンスc₀
の関係を実験的に求めておけば実用上問題がな
い。また、把持動作上必要な、物体の弾性は厳
密な値でなく相対値で十分である。

第８９図、第９０図はロボツトハンドの把持
面にマトリツクス状に設置された各圧覚センサ
モジユール５１に、互いにコンプライアンスも
異なる弾性パツトをそれぞれ複数配置した他の
例を示すものである。

すなわち、第８９図は、同一のコンプライア
ンスを有する弾性パツト２２５，２２６が、対
角線状に配置された構成を示すものであり、弾
性パツトに圧接される物体の被検出面が不特定
形状の場合に用いられる。

第９０図は、第５図に示した列状に配置され
る同一のコンプライアンスを有する弾性パツト
２２５，２２６が一連につながつた帯状で配置
された構成を示すものであり、弾性パツトに圧
接される物体の被検出面が線状、すなわち円筒
状の物体を把持する場合に用いられる。

いずれの例においても、ハンドの把持面には
弾性の異なる弾性パツトがそれぞれ複数均等に
分布しているため、被測定体としての物体の形
状、大きさに柔軟に対応することができる。

物体の把握および持ち上げ 第９６図Ａに示すように物体６１を持ち上げ
ようとする力Ｑは、各センサアレイ５０での分
力Fx，Fyの合成力の形で求められる。物体が
持ち上つた後にはＱ＝Ｗとなる。また、第９６
図ＢおよびＣに示すように、把握力ＲはFzの
形で求められる。すなわち、物体６１とハンド
５９の間で滑りがないためには、Ｑ≦μR＝
μFz（μ摩擦係数）を満足しなければならない。
今、ハンド５９で物体６１を掴んだ後にΔδだ
けハンドを持ち上げたとする。ハンドに滑りの
ない場合には、Ｑは ΔQ＝Δδ／Ｃ の割合で増加する。（ここでＣは物体および床
面の総合コンプライアンスである）。この場合
ソフトハンドリングをするためにはＱの増加に
対して ΔR≧ΔQ／μ となるようにハンドの把握力を増加する必要が
ある。一方、前項で述べた方法で滑りが検出
されると、（この式に関らず）Ｒを増して滑り
を生じないμを新しく規定する。μをかえてＲ
をふやす（Ｑは既知）。Ｑ＝Ｗになると物体６
１は床面２３９より離れ、ハンドによつて把握
されることになる。それ以後はδの増加に対し
てＱおよびＲの増加はない。

これらの関係をフローチヤートで示したのが
第９７図である。

また、物体を置く、離す時のソフトハンドリ
ングは、上述の場合の逆動作によつて可能であ
り、衝撃なく物を離すことができる。この際、
別の近接センサで物体６１の近接の検出をして
Δδを小さくするか、あるいはハンドのコンプ
ライアンスを大きくすることによつてソフトハ
ンドリングがより容易となる。

挿入 穴２４１へ物６１を挿入する。あるいは、は
め合わせるなどは組立作業の基本である。第９
８図Ａは、この動作の基本形である。第９８図
Ｂ，Ｃはそれぞれ挿入が不完全な場合を示し、
挿入力Ｐに対して、あるモーメントＭを発生す
る。このモーメントＭの大きさと方向を判断し
て第９８図Ａに示す理想的な正常な挿入、すな
わちモーメントＭが０になるように挿入物６１
を移動させる演算操作を行う。

歩行制御センサとしての適用 前項まではロボツトハンドにこの発明による
センサ装置を適用した場合を述べたが、このセ
ンサは第９９図に示すように、ロボツトの足の
感覚センサとして歩行制御にも適用できる。

(a) 歩行時の身体の重心移動を検出し、最適時
期に足を上げる。

重心の移動―足の面圧分布から重心位置の時
系列演算 足の上げ下げ―第９６図および第９７図に示
した物の持ち上げと基本的に類似な演算 (b) 歩行前進のための足のけり 足の面圧および滑り覚を検出し、それに見
合つたけりの力（前進の力）を加える。

ただし、図のFzは面圧、Fxは蹴る力を示す。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明によれば、３方
向の分力の２次元分布を検出できるウエハ型圧覚
センサアレイを備え、そのセンサ出力を順次取り
出して必要な信号処理を行つた後に記憶し、その
記憶したデータを所定のアルゴリズムを用いて圧
力に関する各種の基本量に変換して記憶し、これ
らの各記憶データを用いてロボツト等の制御対象
の制御に必要な各種制御基本信号に変換し、この
基本信号を外部のロボツト等の制御装置に送出す
るようにしたので、人間における接触覚、圧覚、
滑り覚および硬さ覚等に相当する感覚を精度に認
識し、この認識に基づいて知能ロボツトのハンド
や自動組立機のマニピユレータあるいは移動ロボ
ツトの足等の制御を円滑に安全確実に行わせるこ
とができ、特に、ソフトハンドリングのような高
度かつ高精度の動作制御を容易に行うことができ
る効果が得られる。

さらに、この発明を構成する圧覚センサアレイ
は、単結晶シリコンウエハに半導体ストレンゲー
ジを形成して３分力測定できる圧覚センサモジユ
ールをアレイ状に多数配列したものであるので、
１個の単位荷重計であるモジユールの大きさを極
めて小さくでき、これを高密度に集積できるか
ら、荷重の分布状態を測定する場合に、１個の単
位モジユールにはほぼ均等な分布荷重が作用して
いると見なされるので、従来のような単位荷重計
の時のようなモーメントを考慮する必要がない。
従つて、直交型のモジユールでも使用でき他成分
の干渉をほぼ完全に除去できるので極めて高精度
な分布荷重の３分力測定が可能で、より正確な圧
覚認識制御を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図Ａ，Ｂ、第４図Ａ，
Ｂ、第５図および第６図Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄはそれぞ
れ従来のセンサを示す斜図、第７図は従来技術に
よる八角形応力リングを示す斜視図、第８図は本
発明の実施例の要部を示す斜視図、第９図は第８
図の圧覚センサアレイをロボツトハンドの制御用
センサとして用いた例を示す説明図、第１０図は
第９図の圧覚センサセルへの荷重分力の掛かり方
を示す斜視図、第１１図Ａ，Ｂは本発明に係わる
圧覚センサセルの原理を示すためのセルの形状と
寸法関係を示す正面図および側面図、第１２図は
第１１図の圧覚センサセルに設けるストレンゲー
ジの配置を示す配置図、第１３図Ａ〜Ｃはその圧
覚センサセルの荷重に対する応力の発生状態の模
様を示す模式図、第１４図Ａ〜Ｃおよび第１５図
Ａ〜Ｃは第１２図のストレンゲージの接続態様を
示す回路図、第１６図は第１３図の圧覚センサセ
ルの荷重分力の分離測定の態様を示す図、第１７
図はセル型の圧覚センサモジユールを示す斜視
図、第１８図および第１９図はそれぞれその圧覚
センサモジユールにおける荷重に対する変形の模
様を示す模式図、第２０図は２セル型の圧覚セン
サモジユールの構成例を示す斜視図、第２１図
Ａ，Ｂは第２０図の圧覚センサモジユールにおけ
る荷重に対する変形の模様を示す模式図、第２２
図は箱型圧覚センサモジユールの構成を示す斜視
図、第２３図はＴ型の圧覚センサモジユールの構
成を示す斜視図、第２４図はＩ型またはＨ型の圧
覚センサモジユールの構成を示す斜視図、第２５
図は第２２図のモジユールにおけるストレンゲー
ジの接続態様を示す回路図、第２６図は単荷重測
定における直交型荷重計を説明する斜視図、第２
７図Ａは本発明に係わる圧覚センサセルの製造方
法の説明図で、第２７図ＢはそのＡ部を拡大した
拡大図、第２８図Ａ〜Ｃは代表的な三つの結晶面
｛100｝面，｛110｝面および｛111｝面についての
Ｐ形シリコンのピエゾ抵抗係数の特性を示す特性
図、第２９図Ａ，Ｂは圧覚センサ基板への圧覚セ
ンサセルの組み込み配列上の要点を示す配置図、
第３０図〜第３３図はそれぞれ異なる製作工程段
階を示す圧覚センサアレイの斜視図、第３４図は
異なる実施例における受圧板の態様を示す斜視
図、第３５図はさらに異なる実施例における圧覚
センサセルの整列に用いられる整列治具を示す斜
視図、第３６図〜第３８図はこの発明に係わる短
冊形の圧覚センサの要部構成例を示す正面図、第
３９図Ａ〜Ｃはさらに改良した短冊形の圧覚セン
サの要部構成例と製造工程を示す平面図、第３９
図Ｄは第３９図Ｃの斜視図、第４０図Ａ〜Ｃはさ
らに他の実施例の短冊形の圧覚センサの要部構成
例と製造工程を示す平面図、第４０図Ｄは第４０
図Ｃの斜視図、第４１図は本発明に係わる圧覚セ
ンサニツトの構成例を示す斜視図、第４２図は第
４１図の１個の圧覚センサモジユールの配線の一
例を示す回路図、第４３図は本発明に係わる圧覚
センサユニツトの他の構成例を示す斜視図、第４
４図は第４３図の圧覚センサユニツトを組込んで
形成したこの発明に係わるユニツト型圧覚センサ
アレイの構成例を示斜図、第４５図は単一セル型
圧覚センサモジユールの場合の望ましくない変形
を示す正面図、第４６図は第２セル型圧覚センサ
モジユールの力が印加時における変形を示す正面
図、第４７図は圧覚センサセルの配線方式を示す
要部断面図、第４８図はその配線のクロスオーバ
部の断面図、第４９図および第５０図は従来技術
を適用して配線した圧覚センサセルの配線の配置
例の模式図、第５１図は本発明に係わる圧覚セン
サセル上の配線を示す平面図、第５２図Ａ，Ｂは
本発明に係わる別の実施例の圧覚センサセルの両
面上の配線を示す平面図、第５３図Ａ，Ｂはこの
発明に係わる二つの単位セルのそれぞれの平面
図、第５４図Ａ，Ｂは別の実施例の一方の単位セ
ルの両面のそれぞれの平面図、第５５図Ａ，Ｂは
さらに別の実施例の二つの単位セルのそれぞれの
平面図、第５６図Ａ，Ｂはさらに異なる実施例の
一方の単位セルの両面のそれぞれの平面図、第５
７図は半導体ストレンゲージ抵抗の温度特性と不
純物濃度の関係線図、第５８図は本発明に係わる
単位セルの斜視図、第５９図は異なる実施例の単
位セルを示し、Ａは一方の面の平面図、Ｂは他方
の面の平面図、第６０図はさらに別の実施例の単
位セルの要部断面図、第６１図は本発明に係わる
圧覚センサセルの表面の平面図、第６２図は同じ
く裏面の平面図、第６３図は本発明に係わるアナ
ログスイツチの一例を示す圧覚センサセルの要部
断面図、第６４図はアナログスイツチの別の例を
示す圧覚センサセルの要部断面図、第６５図は異
なる実施例の圧覚センサセルの表面の平面図、第
６６図は第６５図の圧覚センサセルにより構成さ
れた圧覚センサアレイの回路図、第６７図は各単
位セルからの出力を処理するための回路を示す回
路図、第６８図、第６９図は第６７図の回路を実
施するための単位セルの構成を示す正面図、第７
０図は下部基板に集積回路を形成した一例を示す
斜視図、第７１図は従来技術により考えられる圧
覚センサセルの構成の一例を示す模型図、第７２
図は圧覚センサセルの基板への取付け状態を示す
斜図、第７３図は本発明に係わる圧覚センサセル
の構成の一例を示す模型図、第７４図は本発明に
適用するフイルムキヤリアの構成の一例を示す模
型図、第７５図は第７３図の圧覚センサセルに形
成するパツトの構成を一例として示す断面図、第
７６図は第７３図の圧覚センサの基板へ取付け状
態を示す側面図、第７７図は従来の圧力センサの
温度補償回路を示す回路図、第７８図は従来の圧
力センサとその温度補償回路を用いて圧力分布を
測定する場合のシステム構成例を示すブロツク
図、第７９図は本発明に係わる圧覚センサ出力信
号前処理装置を示す回路図、第８０図および第８
１図はそれぞれ他の実施例の回路図、第８２図は
第８１図の圧力検出部５１の出力電圧特性を示す
図、第８３図はその圧力検出部５１の出力にスイ
ツチングダイオード８８を接続したときの圧力検
出部５１の印加圧力と点CD間の出力電圧特性を
示す図、第８４図は本発明の実施例の全体を示す
ブロツク図、第８５図〜第８７図および第９６図
〜第９９図はそれぞれこの発明で用いる各種アル
ゴリズムの内容を示す説明図、第８８図〜第９０
図はこの発明で用いる材質判定アゴリズムの実施
に係わる弾性パツトの配置状態の異なる実施例を
示す一部斜視図、第９１図〜第９４図はそのアル
ゴリズムの原理を説明するための模型図、第９５
図はそのアルゴリズムを実行する演算器の実施例
を示すブロツク図である。 １……弾性支持体、３……ストレンゲージ、５
……手首、７……導電性ゴムシート、７ａ……絶
縁性ゴムシート、８……金属電極、８ａ……金属
箔電極、８ｃ……絶縁性覆い、８ｄ……絶縁板、
９……基板、９ａ……電極支え、９ｃ……電極
面、１５……シリコンゴムコード、１７……金属
電極、１９……細い棒、２０……金属製八角形リ
ング、２１……受圧面、２２……基板面、２３〜
３４……抵抗線ストレンゲージ３５……受圧板、
５０……圧覚センサアレイ、５１……圧覚センサ
モジユール、５２……上部受圧板、５３……圧覚
センサセル、５４……半導体ストレンゲージ、５
５……下部基板、５６……基板の溝、５７……ス
キヤナ増幅器、５８……多関節アーム、５９……
ロボツトハンド、６０……フインガ、６１……把
握される物体、６２……単結晶シリコンウエハ、
６３……整理治具、６４……配線、６５……受圧
素板、６６……受圧素板の溝、６７……切溝、６
８……整理治具、７１……短冊形単結晶シリコ
ン、７２……セル分離用円形穴、７３……セル分
離用円形穴、７４……セル分離用溝、７５……セ
ル分離用半円形穴、７６……切込み溝、８０……
圧覚センサユニツト、８１……下部基板、８２…
…溝、８３……出力用端子、８４……温度検出用
端子、８５……制御用端子、８６……電源端子、
８７……温度検出素子、８８……半導体スイツチ
（アナログスイツチ）、８９……マザーボード、９
０……配線、９１……配線、９２……酸化膜、９
３……端子、９４……絶縁被覆層、９５……接続
点、９６……電源ライン、９７……Ｎ形エピタキ
シヤル層、９８……P⁺拡散層、９９……Ｐ形拡
散層、１００……N⁺拡散層、１０１……N⁺拡散
層、１０２……ゲート電極、１０３……薄膜抵
抗、１０４……差動増幅器、１０５……出力用ス
キヤナ、１０６……電源用スキヤナ、１０７……
極細金属線、１０８……電子回路、１０９……ボ
ンデイングワイヤ、１１０……端子、１１１……
可撓性フイルム、１１２，１１３，１１５……バ
ンプ、１１４……配線、１１６……接着用金属、
１１７……拡散防止用金属、１１８……絶縁層、
１１９……バンプ、１２１……圧力検出部、１２
２……温度補償回路、１２３……アナログ集積回
路、１２４……アナログ集積回路、１２５……ス
パン調整抵抗、１２６……オフセツト調整抵抗、
１２７……零点調整抵抗、１２８……アナログ集
積回路、１２９……零点温度特性補償抵抗、１３
０……スパン温度特性補償抵抗、１３１……アナ
ログ集積回路、１３２……信号出力端子、１３３
……電源端子、１３４……アナログ用アース端
子、１３５……圧力検出ブロツク、１３６……増
幅部、１３７……マイクロコンピユータ部、１３
８……縦軸電源アナログスイツチ、１３９……縦
軸電源アナログスイツチ部、１４０……横軸アナ
ログスイツチ部、１４２……温度信号増幅用アナ
ログ集積回路、１４３……横軸デコーダ、１４４
……縦軸デコーダ、１４５……アナログ信号切換
部、１４６……Ａ／Ｄ変換器、１４７……一時記
憶用RAM、１４８……乗算用コプロセツサ、１
４９……除算用コプロセツサ、１５０……プログ
ラムROM、１５１……補正後データ記憶用
RAM、１５２……信号出力用ポート、１５３…
…CPU、１５４……アドレス出力用ポート、１
５５……内部データバス、１５６……アドレスバ
ス、１５７……信号出力用データバス、１５８…
…デジタル用アース端子、１５９……デジタル用
電源端子、１６０……オペアンプ用負電源端子、
１６１……オペアンプ用正電源端子、１６２……
横軸ライン群、１６３……縦軸ライン群、１６６
……スイツチングダイオード、２０１……アナロ
グ−デジタルコンバータ、２０３……マイクロコ
ンピユータ中央演算処理装置（μ・cpu）、２０
５……ROM（リードオンリメモリ）、２０７……
信号処理記憶装置、２０９……１次演算記憶装
置、２１１……２次演算記憶装置、２１３……ハ
ンド駆動機構、２１５……３次演算記憶装置、２
１７……インタフエース、２１９……上位コンピ
ユータ、２２１……マイクロプロセツサ、２２３
……圧力分布、２２５……パツト、２２６……パ
ツト、２２７……バネ、２２８……バネ、２２９
……固体、２３０……支持台、２３１……把持
面、２３２……加算器、２３９……床面、２４１
……穴。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 単結晶シリコンを感圧構造体とし、該感圧構
   造体の受圧面に垂直な面に複数個の拡散形ストレ
   ンゲージを形成し、これらの前記ストレンゲージ
   の抵抗値の変化によつて前記受圧面に印加された
   力の三成分を検出する圧覚センサセルからなる複
   数の圧覚センサモジユールを有して前記受圧面に
   印加された力の３方向分力の２次元分布を検出す
   る圧覚検出手段、 駆動制御対象に装着された前記圧覚検出手段か
   ら検出信号を順次取り出し所定の信号処理を施し
   て圧力単位の圧覚検出データに変換し、変換した
   該圧覚検出データを前記３方向分力毎に前記受圧
   面に対応して記憶する信号処理記憶手段、 該信号処理記憶手段から読み出した前記圧覚検
   出データと所定の基本演算アルゴリズムとにより
   所定の圧覚認識に必要な圧力の基本量データを演
   算し、演算した該基本量データを記憶する１次演
   算記憶手段、 該１次演算記憶手段から読み出した前記基本量
   データと、前記信号処理記憶手段から読み出した
   前記圧覚検出データと、所定の圧覚認識演算アル
   ゴリズムとにより所定の圧覚認識データを演算
   し、演算した該圧覚認識データを記憶する２次演
   算記憶手段、 前記駆動制御対象を駆動制御する外部の制御手
   段からの指示データに応じて、前記２次演算記憶
   手段から読み出した前記圧覚認識データと、前記
   １次演算記憶手段から読み出した前記基本量デー
   タと、前記信号処理記憶手段から読み出した前記
   圧覚検出データと、所定の制御量演算アルゴリズ
   ムとにより前記駆動制御対象の駆動制御に必要な
   制御量データを演算し、演算した該制御量データ
   を前記外部の制御手段に出力する３次演算手段、 該３次演算手段と前記外部の制御手段間のデー
   タの交信を行うデータ交信手段、 および全体の処理動作を円滑に行うように制御
   する内部制御手段とを具備したことを特徴とする
   圧覚認識制御装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の装置において、
   前記駆動制御対象はロボツトの手足または自動組
   立機のマニピユレータであり、前記基本量データ
   は３方向分力の合成全圧力、圧力中心、圧力分布
   図、受圧面積、３方向モーメントに関するデータ
   であり、前記圧覚認識データは接触覚、滑り覚、
   硬さ覚、形状認識、材質認識に関するデータであ
   り、前記制御量データは把持、持ち上げ、挿入、
   回転、離す、歩行に関するデータであり、前記指
   示データは、掴んだ、持ち上げた、挿入した、廻
   した、離した、歩いたに関するデータであること
   を特徴とする圧覚認識制御装置。 ３ 特許請求の範囲第１項または第２項に記載の
   装置において、前記１次演算記憶手段は前記信号
   処理記憶手段に格納された前記圧覚検出データに
   より合成全圧力、圧力中心、圧力分布図、受圧面
   積、３方向モーメントを算出して時系列に記憶す
   ることを特徴とする圧覚認識制御装置。 ４ 特許請求の範囲第１項から第３項のいずれか
   の項に記載の装置において、前記信号処理記憶手
   段は、前記圧覚検出手段から３分力の大きさに相
   当する電気信号を行および列毎に順次取り出して
   増幅し、アナログデジタル変換し、温度補償、セ
   ンサの感度の非直線性補償、他方向分力からの干
   渉の補正を行い、補正後の信号を前記圧覚検出デ
   ータに変換して時系列に記憶することを特徴とす
   る圧覚認識制御装置。 ５ 特許請求の範囲第４項記載の装置において、
   前記信号処理記憶手段は、上位アドレスと下位ア
   ドレスとからなる固有のアドレスを有する複数の
   前記圧覚センサモジユール、 該モジユールの温度を検出する温度検出部、 前記モジユールと前記温度検出部に接続して該
   両検出部の出力をオンオフし、該モジユールの前
   記下位アドレスに属する信号線に前記出力を送出
   する第１アナログスイツチ、 前記信号線毎に接続して該信号線をオンオフす
   る第２アナログスイツチ、 前記モジユールの前記上位アドレスと前記下位
   アドレスを順次発生するアドレス発生部、 該アドレス発生部から供給された前記上位アド
   レスに属する前記第１アナログスイツチを開閉に
   する第１スイツチ駆動部、 前記アドレス発生部から供給された前記下位ア
   ドレスに属する前記第２アナログスイツチを開閉
   にする第２スイツチ駆動部、 前記アドレス発生部によりアドレス指定された
   前記モジユールと前記温度検出部から前記第１ア
   ナログスイツチおよび前記第２アナログスイツチ
   を通つて出力された圧力信号と温度検出信号とを
   アナログデジタル変換するアナログデジタル変換
   部、 および該アナログデジタル変換部によりデジタ
   ル化された前記圧力信号と温度検出信号とを用い
   て所定の演算式により演算することにより前記圧
   力信号の温度補償を行うマイクロコンピユータ部
   とを具備したことを特徴とする圧覚認識制御装
   置。 ６ 特許請求の範囲第５項に記載の装置におい
   て、前記第１アナログスイツチの駆動用制御線と
   該制御線と交叉する前記信号線とからなるマトリ
   ツクス配線の交点にそれぞれ前記圧覚センサモジ
   ユールが配置されていることを特徴とする圧覚認
   識制御装置。 ７ 特許請求の範囲第５項または第６項に記載の
   装置において、前記アドレス発生部と、前記第１
   スイツチ駆動部と、前記第２スイツチ駆動部と、
   アナログデジタル変換部とは、前記マイクロコン
   ピユータ部に包含されることを特徴とする圧覚認
   識制御装置。 ８ 特許請求の範囲第５項ないし第７項のいずれ
   かの項に記載の装置において、前記信号処理記憶
   手段は、前記上位アドレス単位で該上位アドレス
   に属する前記圧覚センサモジユールと前記温度検
   出部へ供給される電源を導通または非導通させる
   電源スイツチを有し、前記第１スイツチ駆動部は
   前記アドレス発生部から供給された前記上位アド
   レスに属する前記第１アナログスイツチと前記電
   源スイツチとを開閉にすることを特徴とする圧覚
   認識制御装置。 ９ 特許請求の範囲第７項に記載の装置におい
   て、前記圧覚センサモジユールは、２本の出力ラ
   インを備えて上位アドレスと下位アドレスとから
   なる固有のアドレスを有し、さらに前記第２アナ
   ログスイツチは前記モジユールの一方の前記出力
   ラインにアノードを接続したスイツチングダイオ
   ードのカソードと、 前記温度検出部の出力ラインに接続した前記第
   １アナログスイツチの出力ラインと、モジユール
   の他方の前記出力ラインとに接続して同一の前記
   下位アドレスを有する前記モジユールと前記温度
   検出部からの出力をオンオフすることを特徴とす
   る圧覚認識制御装置。 １０ 特許請求の範囲第１項ないし第９項のいず
   れかの項に記載の装置において、前記圧覚検出手
   段は、前記受圧面に印加された力を該受圧面に垂
   直な方向の分力Fzと、前記受圧面内の２つの直
   交する主軸方向の分力FxとFyとの合計３つの主
   軸方向分力に分解して検出する前記圧覚センサモ
   ジユールを、多数固基板上に高密度に行列方向に
   並べてアレイ状に配設した圧覚センサアレイであ
   ることを特徴とする圧覚認識制御装置。 １１ 特許請求の範囲第１０項に記載の装置にお
   いて、前記圧覚センサアレイは、半導体単結晶か
   らなり位置導電形の表面層に逆導電形の複数のス
   トレンゲージ領域が形成された感圧構造体である
   圧覚センサセルの複数個がアレイ状に配置され、
   各圧覚センサセルに力が加わつた時に前記ストレ
   ンゲージからなるブリツジ回路に生ずる出力電圧
   により加わつた力の３成分の大きさの面分布を検
   出することを特徴とする圧覚認識制御装置。 １２ 特許請求の範囲第１０項または第１１項に
   記載の装置において、前記圧覚センサアレイは、
   短冊形の単結晶シリコンに対し、該シリコン受圧
   面と垂直な面の長手方向に沿つて複数個の拡散形
   ストレンゲージ群が形成され、かつ該ストレンゲ
   ージ群に対応して複数個のセル構成用円形穴と少
   なくとも１個のセル分離用円形穴とが交互に開け
   られ、前記セル分離用円形穴を通る切込み溝によ
   り、前記ストレンゲージ群が抵抗値の変化によつ
   て前記受圧面に印加された力を３分力に分解して
   検知する複数個の独立セルとして各々分離され、
   該セルが形成された前記短冊形の単結晶シリコン
   が前記受圧面を上方にして下部基板の上にアレイ
   状に配列して成ることを特徴とする圧覚認識制御
   装置。 １３ 特許請求の範囲第１０項ないし第１２項の
   いずれかの項に記載の装置において、前記圧覚セ
   ンサアレイは、複数個の前記圧覚センサモジユー
   ルを下部基板の上に１列または数列に並べて圧覚
   センサユニツトを構成し、前記下部基板に取付け
   られて前記圧覚センサモジユールに接続する端子
   とマザーボード上の端子とを機械的に接続するこ
   とにより、必要個数の前記圧覚センサユニツトを
   有することを特徴とする圧覚認識制御装置。 １４ 特許請求の範囲第１０項または第１１項に
   記載の装置において、前記圧覚センサアレイは、
   互いに平行な複数の行方向の溝を備えた基板と、
   該基板の溝に係合されて該溝ごとに所定個数ずつ
   分布立設され、列方向に整列されて固着され、さ
   らに前記基板との間に配線が接続された前記圧覚
   センサセルと、複数個の前記圧覚センサセルに対
   して共通に設けられて固着された受圧素板を前記
   センサモジユール毎に切断して形成された前記圧
   覚センサモジユールの受圧板とを具備したことを
   特徴とする圧覚認識制御装置。 １５ 特許請求の範囲第１１項記載の装置におい
   て前記圧覚センサアレイは、前記ブリツジ回路の
   出力をそれぞれ差動増幅する差動増幅器と、この
   差動増幅器の出力を導通遮断するスイツチング素
   子とを前記圧覚センサモジユールに組み込み、当
   該スイツチング素子の出力配線を同行にある複数
   個の圧覚センサモジユールのそれぞれに対応する
   スイツチング素子の出力配線と共通にして前記圧
   覚センサアレイの外に設けられた出力用スキヤナ
   に導くとともに、前記スイツチング素子の制御用
   配線を同列にある複数個の圧覚センサモジユール
   のスイツチング素子の制御用配線と共通にして前
   記圧覚センサアレイの外に設けられた制御用スキ
   ヤナに導くことを特徴とする圧覚認識制御装置。 １６ 特許請求の範囲第１５項記載の装置におい
   て、前記差動増幅器と前記スイツチング素子とを
   前記圧覚センサセルと別個の基板に形成し、この
   基板を当該圧覚センサの一部に緩衝手段を介して
   組み込むことを特徴とする圧覚認識制御装置。 １７ 特許請求の範囲第１項ないし第１６項のい
   ずれかの項に記載の装置において、前記圧覚セン
   サモジユールは各々少なくとも２個の前記圧覚セ
   ンサセルからなることを特徴とする圧覚認識制御
   装置。 １８ 特許請求の範囲第１７項記載の装置におい
   て、前記圧覚センサモジユールは互いに平行に配
   された受圧板と基板との間に前記圧覚センサセル
   を２個該セルの端面を互いに平行にして該セルの
   端面が前記両板と直交するように固定して構成さ
   れたことを特徴とする圧覚認識制御装置。 １９ 特許請求の範囲第１項ないし第１８項のい
   ずれかの項に記載の装置において、前記圧覚セン
   サモジユールは互いに平行に配された基板と受圧
   板との間に複数個の前記圧覚センサセルを該セル
   の端面が前記両板と直交するように固着して前記
   受圧板にかかる荷重の分力を分離して測定するよ
   うにし、かつ、前記複数個の前記セルの少なくと
   も２個をそのセルの端面が互いに直交するように
   配設し、かつ各セルからは該セルの端面に平行な
   方向にかかる荷重の分力に対する応答出力信号の
   みを取り出すようにしたことを特徴とする圧覚認
   識制御装置。 ２０ 特許請求の範囲第１９項記載の装置におい
   て、４個の圧覚センサセルが箱形状に配設された
   ことを特徴とする圧覚認識制御装置。 ２１ 特許請求の範囲第１９項記載の装置におい
   て、２個の圧覚センサセルがＴ字状に配されたこ
   とを特徴とする圧覚認識制御装置。 ２２ 特許請求の範囲第１９項記載の装置におい
   て、３個の圧覚センサセルがＩ字状に配されたこ
   とを特徴とする圧覚認識制御装置。 ２３ 特許請求の範囲第１項ないし第１８項のい
   ずれかの項に記載の装置において、前記圧覚セン
   サモジユールは二つの前記圧覚センサセルの感圧
   構造体のそれぞれに力の３成分を検出するための
   それぞれのブリツジを構成するストレンゲージ領
   域の半分ずつを備えたことを特徴とする圧覚認識
   制御装置。 ２４ 特許請求の範囲第１項ないし第１８項のい
   ずれかの項に記載の装置において、前記圧覚セン
   サモジユールは一方の前記圧覚センサセルの感圧
   構造体が受圧板の上面に印加される力の３成分の
   うちの２成分を検出するストレンゲージ領域を備
   え、他方の前記圧覚センサセルの感圧構造体が残
   りの１成分を検出するストレンゲージ領域を備え
   たことを特徴とする圧覚認識制御装置。 ２５ 特許請求の範囲第１項ないし第１８項のい
   ずれかの項に記載の装置において、前記圧覚セン
   サセルは、片側の前記垂直な面に力の三成分のう
   ちの二成分を検出する前記ストレンゲージを形成
   し、反対側の前記垂直な面に他の一成分を検出す
   る前記ストレンゲージを形成したことを特徴とす
   る圧覚認識制御装置。 ２６ 特許請求の範囲第２５項記載の装置におい
   て、前記圧覚センサセルは受圧面に平行な力の二
   成分を検出するストレンゲージを前記片側の前記
   垂直な面に形成し、前記受圧面に垂直な力の成分
   を検出するストレンゲージを前記反対側の前記垂
   直な面に形成したことを特徴とする圧覚認識制御
   装置。 ２７ 特許請求の範囲第１項ないし第２６項のい
   ずれかの項に記載の装置において、前記圧覚セン
   サセルにおける前記拡散形ストレンゲージを作成
   する前記垂直な面を結晶面の｛111｝面としたこ
   とを特徴とする圧覚認識制御装置。 ２８ 特許請求の範囲第２７項記載の装置におい
   て、前記単結晶シリコンとしてＮ形シリコンを用
   い、前記拡散形ストレンゲージとしてＰ形拡散層
   を用いたことを特徴とする圧覚認識制御装置。 ２８ 特許請求の範囲第２７項記載の装置におい
   て、前記圧覚センサセルがリング状の形状を有し
   ていることを特徴とする圧覚認識制御装置。 ３０ 特許請求の範囲第１項ないし第２９項のい
   ずれかの項に記載の装置において、前記圧覚セン
   サセルに温度センサ領域が形成されたことを特徴
   とする圧覚認識制御装置。 ３１ 特許請求の範囲第３０項記載の装置におい
   て、前記温度センサが拡散抵抗であることを特徴
   とする圧覚認識制御装置。 ３２ 特許請求の範囲第３０項記載の装置におい
   て、前記温度センサがダイオードであることを特
   徴とする圧覚認識制御装置。 ３３ 特許請求の範囲第３０項記載の装置におい
   て、前記温度センサがトランジスタであることを
   特徴とする圧覚認識制御装置。 ３４ 特許請求の範囲第３０項ないし第３３項の
   いずれかの項に記載の装置において、前記温度セ
   ンサ領域が前記圧覚センサセルの受圧面に力が印
   加された際の歪の小さい領域に位置することを特
   徴とする圧覚認識制御装置。 ３５ 特許請求の範囲第１項ないし第３４項のい
   ずれかの項に記載の装置において、前記圧覚セン
   サセルにアナログスイツチが集積され、入出力配
   線中に接続されたことを特徴とする圧覚認識制御
   装置。 ３６ 特許請求の範囲第１項ないし第３５項のい
   ずれかの項に記載の装置において、 前記圧覚センサセルを支持する基板が該圧覚セ
   ンサセルの材料と熱膨張係数の近似した材料から
   なることを特徴とする圧覚認識制御装置。 ３７ 特許請求の範囲第１項ないし第３６項のい
   ずれかの項に記載の装置において、前記圧覚セン
   サセルを支持する基板が単結晶半導体よりなりこ
   こに配線および抵抗素子ブリツジの出力信号処理
   を行う制御回路が集積されたことを特徴とする圧
   覚認識制御装置。 ３８ 特許請求の範囲第１項ないし第３７項のい
   ずれかの項に記載の装置において、前記圧覚セン
   サセルは前記ストレンゲージの出力信号を取り出
   すための端子をその表面に備え、前記セルを支持
   する基板は当該セルの出力信号を受けるための端
   子を有し、両端子間は可撓性フイルム上に配線を
   施したフイルムキヤリアを用いて相互に電気的に
   接続されていることを特徴とする圧覚認識制御装
   置。 ３９ 特許請求の範囲第３８項記載の装置におい
   て、前記圧覚センサセルの端子と前記フイルムキ
   ヤリアの端子の少なくとも一方を隆起導体とし、
   他方の端子に当接させて接合するようにしたこと
   を特徴とする圧覚認識制御装置。