JPH0473634B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の属する技術分野］ 本発明は、受圧面に印加される荷重等の力を互
いに直交する３方向の分力に分解して検出する３
分力検知感圧モジユールを単位とし、この感圧モ
ジユールをアレイ状に多数個配列して分布荷重等
が検出できるようにした圧覚センサの製造方法に
関する。

［従来技術とその問題点］ 上述のような荷重等の力を基本的な直角座標系
に分解し、３方向分力として互いに分離して検出
することができる感圧モジユールはその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、更には任意の方向の
力を求めることができるので１個の荷重計等とし
ても有用なことはもちろんであるが、とくにこれ
らをアレイ状に配列した圧覚センサは力の分布状
態や力の中心（重心）とそれに働く合成力を求め
ることができるので比較的新規な諸用途をもつて
いる。

この一例は、第１図に示すような人体の動態実
験に見られる。図には圧覚センサ１の上を歩行す
る人の足２が示されており、図の右方の状態では
足のかかとが荷重計１に接触しているが、袋状の
矢印の先で示す図の左方の状態ではつま先が圧覚
センサ１に接触している。かかる歩行動態の推移
につれて、圧覚センサにかかる荷重の分布状態お
よび荷重の３分力Fx、FyおよびFzは時間の経過
とともに当然変わつてくる。ふつうの体重計によ
りかかる歩行動態での荷重を測定すると、荷重全
体の時間的変動を図ることができたとしても、あ
まり有用な情報が得られるわけではない。しか
し、歩行動態中の荷重の面状分布や分力の推移を
正確に測定することができれば、歩行動態の個人
差や身体上の障害の模様について、非常に有用な
知見が得られることが知られている。また、この
圧覚センサ１をロボツトの足のうらに取付けれ
ば、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。

かかる荷重分力の分布の検出の必要性は産業分
野においても広く存在し、第２図にロボツトの圧
覚センサを例を挙げる。同図には、多関節アーム
３の先端に取り付けられたロボツトハンド４の１
対のフインガ５，５により物体６が把持された状
態が示されている。物体が多くの工業部品のよう
に十分な硬さと強度を有している場合はあまり問
題がないが、物体６が柔らかな、または傷みやす
いもの、例えば果実類である場合には、強い力で
把持することは許されない。この種の物体を傷つ
けないでロボツトで扱うためには、把持力すなわ
ちフインガ５に掛る荷重の分力とその分布をかな
り精密に測定して、物体を傷つけずしかも落とす
ことがない適度の力で把持しなければならない。

また把持が正しくなされているかどうかを知る
には荷重分力の面状分布を知ることが有用であ
る。例えば図示のような比較的細長な物体６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。

かかる圧覚センサの構成の概要を第３図に示
す。図示の圧覚センサ１には共通基板３０の上に
感圧モジユール１０がｘ、ｙ両方向に多数個面ア
レイ状に並べられており、各感圧モジユール１０
の受圧板４０を介してそれぞれFx、Fy、Fzなる
分力を有する荷重を受け、感圧セル２０は受圧板
４０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。これによつて、例えば
第１図に例示するように圧覚センサ１にかかる人
体の体重分布のほかに、後方に蹴る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。各感圧モジユール１０
は図の一点鎖線で囲んで示されているように感圧
素子である感圧セル２０と共通基板３０と上部受
圧板４０とからなつている。

ところで、第４図および第５図に示したよう
に、すでに提案されている従来の感圧セル２０は
各々感圧セル２０毎に分離独立した感圧リング
（リング状感圧部材）２１，２１からなつていた。
そのため、圧覚センサ１を形成するには、下部基
板３０上の平行な複数の溝３１にそれらの複数リ
ング２１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３１に沿つ
て行方向に分布立設されたリング２１を列方向に
整列させる工程と、その溝３１に係合された各リ
ング２１の一端側を基板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
するという欠点があつた。

しかも、この種の圧覚センサはできるだけ寸法
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４０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リング２１も極め
て小さくなるので容易でなく、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つた。

そこで、短冊形の単結晶シリコンを用いて列方
向の複数の感圧セルを一体に作成し、この作成し
た短冊体を基板上に配列して圧覚センサを形成す
ることにより製造・組立工数を減少し、圧覚セン
サの製造を容易にしようとした第６図〜第７図に
示すような圧覚センサが提案されている。

第６図の圧覚センサは、短冊形の短結晶シリコ
ン５１の垂直面に小形の円形穴５２と大形の円形
穴５３とを長手方向に沿つてほぼ等間隔に交互に
複数個開口し、さらに各小形の円形穴５２の囲り
に拡散形ストレンゲージ群５４を公知の拡散技術
によりそれぞれ形成して、それによりストレンゲ
ージ群５４の抵抗値の変化によつてシリコン５１
の受圧面４０を介して受圧面５１ａに印加された
力を３分力に分解して検知する感圧セル５５を複
数個一体に構成している。上述の小形の円形穴５
２はセル５５を構成する歪を与える円形穴であ
り、大形の円形穴５３は各セル５５をそれぞれ分
離する境界としての作用をする。

第７図の圧覚センサはセル５５の形状を基本の
リング状により近づけるために、ストレンゲージ
群５４の外周部に複数の小形の円形穴５６を追加
して開口したものである。

第８図の圧覚センサは、上述の大形の円形穴５
３の代りに上方が開口した大形の切込み溝５８を
設けて各セル５５の境界とし、各セルの隣同士の
干渉を少なくしたものである。

このように構成した短冊体のシリコン５１の下
端部５１ｂを第４図または第５図に示すような下
部基板３０の各溝３１にそれぞれ嵌合して所定位
置で垂直に固着した後、各短冊体シリコン５１の
上部の受圧面５１ａに受圧板４０を感圧モジユー
ル毎に固着して１個の圧覚センサを形成する。

第６図〜第８図の圧覚センサは列方向のセル５
５が各列毎に一本のシリコン５１上に連続して構
成されているので、各セル毎に基板３１の溝３１
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５１毎の
製造工程となるので、製造工程が大幅に減り、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で大きくなるの
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６図のように円形の穴５３の
みで複数個のセル５５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７
図のように複数の小形の円形穴５６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８図のように隣接したセルを大形の切込
み溝５７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５７の位置精度や寸法精度を
上述の円形穴５３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。

［発明の目的］ 本発明は、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を
提供することを目的とする。

［発明の要点］ 本発明は、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た圧覚セン
サの製造方法である。 すなわち、上記目的を達
成するため、本発明は、受圧面と垂直な面の長手
方法に沿つて、前記受圧面に印加された力を３方
向分力に分解して検出する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
に対応した複数個のセル構成用円形穴と該複数個
セル構成用円形穴間に設けられた少なくとも１個
のセル分離用円形穴とが形成された短冊形の単結
晶シリコン基板を作製する工程と、該短冊形の単
結晶シリコン基板を下部基板上に支持する工程
と、前記短冊形の単結晶シリコン基板を前記セル
分離用円形穴の部分で分離し、アレイ状に配列し
た複数個の独立セルにする工程と、を含むことを
特徴とする。

［発明の実施例］ 以下、図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。

第９図Ａ〜Ｄは本発明の一実施例を示す。第９
図Ａに示したように、短冊形の単結晶シリコン６
１にセル構成用の円形穴６２と、セル分離用の円
形穴６３および半円形状の穴６６を交互に開け、
セル構成用の円形穴６２の周りにストレンゲージ
６４を形成してセルを構成する。これらの円形穴
６２，６３，６６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６１にストレンゲージ６４を形成
して穴６２，６３および６６を開けるようにして
もよい。

さらに、第９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６１を受圧
面を上方にして下部基板３０の溝に並べて固着
し、そのシリコン６１の上に上部受圧板４０を乗
せて固着した後、第９図ＣおよびＤに示したよう
に、セル分離用穴６３および６６を通る切込み溝
６７によつて、受圧板４０といつしよに隣接する
セル６１Ｓを互いに分離する。ここで、切込み溝
６７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６４に影響を与え
る加工は高精度加工ができる円形穴６３，６６の
加工だけですむので、高度な位置精度をおよび寸
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が
解消される。また、隣接したセル６１Ｓからの干
渉は小形の切込み溝６７によつて遮断される。

第１０図Ａ〜Ｄは本発明の他の実施例を示す。
第１０図Ａに示したように、短冊形の単結晶シリ
コン６１にセル構成用の円形穴６２とセル分離用
の大径の円形穴６８とを交互に開けた後に、その
大形穴６８の位置に合せて矩形のセル分離用切欠
き溝６９を形成している。他は前述の第９図Ａ〜
Ｄに示した実施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６１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９図Ａ〜Ｄの実施例より少な
い。

第１１図は第１０図のストレンゲージ群６４の
各ストレンゲージの詳細な配置例を示す。まず、
受圧面６１ａに受圧板４０を介して三方向の荷重
Fx，Fy，Fzがそれぞれ独立にかかつたとき、セ
ル６１Ｓに生じる応力はシリコン６１Ｓが基板３
０と受圧板４０とに固着されているとして近似的
な次式で表わされる。

σ＝３／８ Ｒ／bt³Fxｒ／Ｒ＋ｒcosα……(1) σ＝１／４Ｒｂ／ＩFycosα ……(2) σ＝３／８ R²／bt³Fz（２／π−sinα）ｒ／
Ｒ＋ｒ ……(3) ただし、σ：周向応力、 Ｒ：セル６１Ｓの平均円、すなわちセル６１Ｓを
梁と見たときの材料力学的な中立軸の半径、す
なわち隣接する２つの円形穴６２と６８の外縁
の中間と小円の円形穴６２の中心とを結ぶ半
径、 2t：セル６１Ｓの幅、すなわち隣接する２つの円
形穴６２と６８の外縁の最小幅、 ｂ：セル６１Ｓの厚さ、すなわちシリコン６１Ｓ
の厚さ、 Ｉ：セル６１ＳのFy方向の断面２次モーメント、 ｒ：セル６１Ｓの平均円Ｒを基準としたセル６１
Ｓの径方向の変数、 α：セル６１Ｓ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１１
図に示す円形穴６２の周囲の位置にストレンゲー
ジを取り付ける。まず荷重Fxがかかつた時のこ
とを考えると、Fx測定用ゲージ６４xt，６４xc
は小形穴６２の内径部のｒ＝−ｔの個所にあり、
またα＝39.6°の位置に設けられるから、(1)でＲ
≫ｔとして、 σ＝0.29Ｒ／bt²Fx ……(4) となり、ゲージ６４xtの個所では引張りひずみ、
ゲージ６４xcの個所では圧縮ひずみが生じるが、
荷重Fx測定用ゲージ６４zt，６４zc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。

次に、荷重Fzが単独にかかつたときには、Fz
測定用ゲージ６４zt，６４zcはα＝90°の内外周
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６４ztは引張りひずみを、ゲージ
６４zcは圧縮ひずみを検出する。このときFx検
出用のゲージ６４xt，６４xcの位置では、α＝
39.6°で(3)式中の（２／π−sinα）の項“０”とな
るから、ひずみは“０”でこれらのゲージから検
出信号は生じない。

以上のことから分離Fx測定用ゲージ６４xt，
６４xcと分力Fz測定用ゲージ６４zt，６４zc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。

一方、分力Fy測定用エージについて考えると、
荷重Fyが第７図の紙面より手前の方向にかかる
としてひずみ検出用ゲージ６４yt，６４ycを図示
のように設けることになる。これらのゲージの位
置では、(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６４ytで
は引張りひずみ、ゲージ６４ycで圧縮ひずみの
形で検出することにより、分力Fz測定用ゲージ
６４zt，６４zc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６４xt，６４xc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力出が出ることにな
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１２図Ａ〜Ｃに示したようにブリツジ回
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、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。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、上記の
方法を採用した結果、各セルからの出力のばらつ
きが少なく、製造組立が容易な圧覚センサが得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の対象とする圧覚センサを人体
の歩行動態の測定に利用した例を示す説明図、第
２図はその圧覚センサ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３図はそ
の圧覚センサの基本構成を示す斜視図、第４図お
よび第５図は従来の圧覚センサの製造工程と構成
を示す斜視図、第６図〜第８図は従来の短冊形の
圧覚センサの要部構成例を示す正面図、第９図Ａ
〜Ｃは本発明の一実施例の要部構成令と製造工程
を示す平面図、第９図Ｄは第９図Ｃの斜視図、第
１０図Ａ〜Ｃは本発明の他の実施例の要部構成例
と製造工程を示す平面図、第１０図Ｄは第１０図
Ｃの斜視図、第１１図はそのストレンゲージの配
置を示す説明図、第１２図Ａ〜Ｃはそのストレン
ゲージの接続態様の一例を示す回路図である。 ３０……下部共通基板、３１……溝、４０……
上部受圧板、５１，６１……短冊形単結晶シリコ
ン、５１ａ，６１ａ……受圧面、５２，６２……
セル構成用円形穴、５４，６４……ストレンゲー
ジ群、５３，５６，６３，６６，６８……境界用
円形穴、５５，６１Ｓ……感圧セル、５７，６７
……切込み溝、６９……境界用切込み溝。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 受圧面と垂直な面の長手方向に沿つて、前記
   受圧面に印加された力を３方向分力に分解して検
   出する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た複数個の
   セル構成用円形穴と該複数個のセル構成用円形穴
   間に設けられた少なくとも１個のセル分離用円形
   穴とが形成された短冊形の単結晶シリコン基板を
   作製する工程と、 該短冊形の単結晶シリコン基板を下部基板上に
   支持する工程と、 前記短冊形の単結晶シリコン基板を前記セル分
   離用円形穴の部分で分離し、アレイ状に配列した
   複数個の独立セルにする工程と、 を含むことを特徴とする圧覚センサの製造方法。