JPH0473629B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の属する技術分野］ この本発明は、ストレンゲージを用いて、受圧
面に印加されている力を検出する圧覚センサのう
ちで、特に面状に分布された荷重の分布を検出す
るに適した小形の圧覚センサに関する。

［従来技術とその問題点］ 第１図に従来から用いられている力の３方向成
分を検出するセンサ（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１の受圧面
２および基板面３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４１〜
４４，５１〜５４，６１〜６４を貼付、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４１〜４４は八角形リングのうちの受圧
面２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２に垂直な力の成分Fzを検出
する。また、ストレンゲージ５１〜５４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２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６１〜６４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
層による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
サとしては、荷重の分力を相互間の干渉なしによ
く分離して正確に検出できること、寸法を極小化
して高密度集積化できることが要求され、例えば
センサの受圧板の大きさは数mm角、できれば１mm
角以下にすることが望ましい。

［発明の目的］ この発明の目的は、上述の従来技術の有する欠
点を解消して、小形で高密度集積化が可能であ
り、かつ安定性が良く、力の３方向成分の正確な
検出ができ、また量産性がよく、廉価に製作で
き、力の３方向成分間の干渉が小さい圧覚センサ
を提供することにある。

［発明の要点］ 上記目的を達成するために、本発明は、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３成分
を検出するものであつて、前記感圧構造体が受圧
面に平行な支持面を有する支持体に固定されるも
のにおいて、前記感圧構造体の前記ストレンゲー
ジ形成面に形成された端子と、前記支持体の前記
支持面に形成された端子とを、化撓性配線フイル
ムにより接続してなることを特徴とする。

［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。

第２図はこの発明の基礎となる構成を示すもの
で、Ｎ形シリコン単結晶からなるリング状の感圧
構造体７の受圧面８に垂直な平面１３の各所定位
置に、複数個のＰ形拡散形ストレンゲージ１０１
〜１０４，１１１〜１１４，１２１〜１２４をプ
レーナ技術によつて形成している。上述のストレ
ンゲージ１０１〜１０４は受圧面８に垂直な力の
成分Fzを検出し、また、ストレンゲージ１１１
〜１１４は受圧面８に平行な力の一成分Fxを検
出し、さらに、ストレンゲージ１２１〜１２４は
受圧面８に平行な力の他の成分Fyを検出する。
これらのストレンゲージの配置は後述のように高
感度でかつ他の二方向分力に対し理論的に影響を
受けぬ場所に設けられている。

感圧構造体７は基板面９で不図示の基板上に固
定され、受圧面８に印加される力を受け止める。
この力の各成分を検出する上述のストレンゲージ
群は、例えば第３図Ａ〜Ｃに示すように、それぞ
れにブリツジに結線されて、力の成分に応じた電
気信号Ez、ExおよびEyを出力する。なお、第２
図においては、ブリツジ結線するための配線は煩
雑さを避けるために省略してある。また、この実
施例ではＮ形シリコン単結晶面にＰ形拡散形スト
レンゲージを形成すると説明したが、Ｐ形シリコ
ンにＮ形拡散層のストレンゲージを形成する場合
も可能である。しかし、前者の方が感度の高いも
のが得られる。

第４図は第２図のストレンゲージ形成面（平
面）１３のゲージ配置および配線の一例を示す。
図示のように、Fz検出用のストレンゲージ１０
１〜１０４は感圧構造体７の中心を通り、上部の
受圧面８に平行な線Ａ−A′上で、左右の外縁お
よび内縁の近くのストレンゲージ形成面１３に合
計４個配置され、かつ配線１４１でブリツジ結線
され、この配線１４１に接続したボンデイングパ
ツド部１５で入出力がされている。また、Fx検
出用のストレンゲージ１１１〜１１４は上述の線
Ａ−A′から上下両方向に角度α°傾いた２つの線上
の外縁近くのストレンゲージ形成面１３に合計４
個配置され、かつ配線１４２でブリツジ結線さ
れ、この配線１４２に接続したボンデイングパツ
ド部１５で入出力がされている。さらに、Fy検
出用のストレンゲージ１２１〜１２４は、上述の
線Ａ−A′から上下両方向に角度α°傾いた線上のリ
ングの中央近くの材料力学的な中立軸上の位置の
ストレンゲージ形成面１３に合計４個配置され、
かつ配線１４３でブリツジ結線され、この配線１
４３に接続したボンデイングパツド部１５で入出
力がされている。上述の角度α°は受圧面８に垂直
な力のみがその受圧面に印加されたとき、ひずみ
を生じない位置の角度に選定され、例えば図示の
ような円形リングの場合には、50.4°の近傍にな
る。

次に、このように構成した圧覚センサの製造方
法の一例について、第５図Ａ，Ｂを参照して簡単
に説明する。まず、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１６の圧覚センサ単位セル相当
領域１７に第４図のような配置の拡散形ストレン
ゲージ１０１〜１２４の群、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。この
IC製造方法によれば、１枚のウエハ１６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１６からワイヤーソーカツト法や
レーザ加工あるいはエツチカツトなどの機械加工
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。なお、以上の説明ではリング状の圧覚セ
ンサについて述べたが、リング状以外の圧覚セン
サにも本発明のプレーナ形構造が適用できること
は勿論である。

第６図はこのように構成した本発明が適用され
る圧覚センサの断面構成例を示し、図示のように
Ｎ形シリコン単結晶基板７の表面内にイオン注入
法によりＰ形拡散形ストレンゲージ１０１〜１０
４，１１１〜１１４，１２１〜１２４が形成さ
れ、また基板７上にSiO₂絶縁膜２０１を介して
金属薄膜配線１４１〜１４３およびボンデイング
パツド部１５が蒸着法で形成されている。

第７図は本発明の基礎となる圧覚センサを面ア
レイ状に配設して面状に分布する荷重の荷重分布
を検出できるようにした分布荷重計の一例を示
す。まず、上述のようにして構成した本発明の圧
覚センサ２０２を共通基板２０３上の平行溝２０
４に垂直に嵌合して、水平のｘ、ｙ両方向に多数
個面アレイ状に並べて固着し、それらの圧覚セン
サ２０２の上部に受圧板２０５を固着して分布荷
重計２０６を形成する。なお、本例では２個の圧
覚センサ２０２を１組として１個の受圧微細モジ
ユールを形成した場合を示したが、この受圧微細
モジユールを例えば１cm²当り25〜100個程度の密
度でアレイに１体に集積したものをロボツトハン
ドの把持面等に取付け、三次元圧力分布測定を可
能としている。

第８図は上述の各圧覚センサ２０２から測定用
配線の接続手段を有する本発明の実施例を示すも
ので、ここで２０７は接続手段としての可撓性配
線フイルム、２０８は基板２０３側の接続手段と
しての端子部であり、配線フイルム２０７はセン
サ２０２のボンデイングパツド部１５と端子部２
０８とを接続する。また、２０９は接続手段とし
ての配線、２１０はマウント部であり、このマウ
ント部２１０上に前述のブリツジ回路や付属増幅
器などの信号処理回路を内部集積化した図示しな
い半導体チツプをマウントして、大方の信号処理
を済ませた上、外部に導出が必要な正味の検出信
号のみを接続ピン２１１を介して取り出せばよ
い。かかる半導体チツプのマウントに適する手段
としては例えば公知の厚膜回路を最上層２１２の
上面に施せばよく、また信号処理回路の一部ない
し全部をセンサ２０２を構成するシリコン単結晶
中に公知の手段で作り込むことも可能である。

なお、ストレンゲージの配置は前述のように高
感度で、かつ他の二方向分力に対し理論的に影響
を受けぬ場所に設けられているので８個のゲージ
抵抗値の不均一補償、温度補償により高精度な三
次元圧力分布の測定が可能である。また、受圧微
細モジユールの圧力は、半導体ストレンゲージの
抵抗変化で表わせられるので、各受圧微細モジユ
ールのストレンゲージの抵抗は、スキヤナーでス
キヤンされ、増幅器、Ａ／Ｄコンバータを経て、
μ−CPUに取りこまれ、基本演算アルゴリズム
で各点の３方向分力・合成力・３方向モーメント
等が演算され、この演算結果をメモリフアイルに
格納させることができる。また、受圧面パツドの
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、
対象物の変形、破損を避けたソフトハンドリング
が可能であるし、対象物の材質判定、形状認識の
補助入力にもなる。また、受圧面の圧力分布の時
間的変化より把持力不足による滑りが演算され、
把持力制御演算アルゴリズムにより滑りがおこら
ぬソフトハンドリングが可能となる。また、ハン
ド駆動機構制御の為の把持・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
よりのスーパーバイザリ制御又は自律局所制御を
行うことが可能となる。さらに、本発明の圧覚セ
ンサをロボツトの歩行制御用に足のうらに取付け
ることによつて高精度の歩行制御が可能となる。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明によれば、弾性
材料として秀れた単結晶シリコンを感圧構造体と
して、IC製造に用いられるプレーナ技術によつ
てウエハの状態で多数個の圧覚センサ単位セルに
相当する拡散形ストレンゲージ群と配線群とを形
成し、このウエハから多数個の圧覚センサ単位セ
ルを切り出せるようにしたため、極めて小形で、
特性がよく揃い、安全性がよく、精度が高く、か
つ量産性が良く、ひいては価格が低くできる力の
三成分検出用の荷重分布検出に適した圧覚センサ
（圧覚センサ単位セル）を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術による圧覚センサ単位セル
（八角形応力リング）を示す斜視図、第２図はこ
の発明の基礎となる圧覚センサ単位セルの構成を
示す斜視図、第３図Ａ〜Ｃは第２図の圧覚センサ
のストレンゲージの結線状態を示す回路図、第４
図はこの発明の基礎となる圧覚センサ単位セルの
ストレンゲージおよび配線の配置例の模式図、第
５図Ａはこの発明の基礎となる圧覚センサ単位セ
ル製造方法の説明図で第５図ＢはそのＡ部を拡大
した拡大図、第６図はこの発明が適用される圧覚
センサ単位セルの断面構造の一例を示す断面図、
第７図はこの発明による圧覚センサ単位セルを面
アレイ状に配列して荷重計を形成した一例を示す
斜視図、第８図はその単位セルと基板との結線手
段を有する本発明の実施例を示す拡大図である。 １……金属製八角形リング、７……シリコン感
圧構造体、８……受圧面、９……基板面、１３…
…ストレンゲージ形成面、１５……ボンデイング
パツド部、１６……シリコンウエハ、１７……圧
覚センサ単位セル相当領域、１０１〜１０４，１
１１〜１１４，１２１〜１２４……拡散形ストレ
ンゲージ、１４１〜１４３……配線。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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３成分を検出するものであつて、前記感圧構
   造体が受圧面に平行な支持面を有する支持体に固
   定されるものにおいて、前記感圧構造体の前記ス
   トレンゲージ形成面に形成された端子と、前記支
   持体の前記支持面に形成された端子とを、可撓性
   配線フイルムにより接続してなることを特徴とす
   る圧覚センサ。