JPH0629809B2 - 圧覚センサ - Google Patents

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、ロボットハンド
等に取付けられ、センサに加えられた垂直方向の荷重分
布が検出可能な分布型の圧覚センサに関する。

〔従来の技術〕

従来のこの種の圧覚センサはロボットハンドなどに配設
され、その圧覚を検知することによって把持力の強さや
面圧分布等に関する情報を得ることを目的として各方面
で開発が進められてきた。第９図はこのような圧覚セン
サの一例を示し、ここで圧覚センサ１においては個々の
圧覚検出素子２が井桁状に設けられた溝３を介してマト
リックス状に配設されている。４は基板５上に取付けら
れた弾性体であり、柔軟性が得られるように適切なヤン
グ率を有している。また、弾性体４の井桁状の溝３で分
離された個々の面上には更に単結晶シリコン板６が接着
され、この単結晶シリコン板６の上面には第１０図に示
すようにストレンゲージ７Ａおよび７Ｂが形成されてい
る。

また、単結晶シリンコン板６の上面中央部には荷重担持
部８が接着若しくは共晶結合（例えばＳn/１０Ａu によ
る）等によって取付けられると共に、上述の半導体スト
レンゲージ７Ａや７Ｂ間を接続する不図示の配線および
信号取出用のはんだパッド９Ａ，９Ｂが形成され、これ
らのパッド９Ａおよび９Ｂとフレキシブルプリント板１
０側に形成されはんだパッド１１Ａおよび１１Ｂとが互
いに溶着接合される。なお、フレキシブルプリント板１
０の荷重担持部８を突設させる部分は切欠かれた窓１０
Ａになっている。

このように構成された圧覚センサ１において荷重担持部
８に垂直荷重が負荷されると単結晶シリコン板６が弾性
体４と共に変形し、その変形によって単結晶シリコン板
６の上面６Ａ上に設けられているストレンゲージ７Ａお
よび７Ｂにおける電気抵抗値が変化するので、その変化
値をホィートストンブリッジ回路により電圧変化として
取出すことにより個々の検出素子２に加えられた垂直荷
重の大きさを検出することができる。

そこで、マトリックス状に配置されたこれらの検出素子
２に対して適当にスキャンニングを実施することによっ
て圧覚センサ１全体に加えらた垂直荷重の分布を知るこ
とができるのであるが、従来のこのように構成された圧
覚センサ１においては以下に述べるような問題点があっ
た。

すなわち、圧覚センサ１ではその荷重担持部８の受圧面
８Ａの面積が小さいので、加圧側物体の接触面が比較的
に平滑な場合には問題ないが、例えば第１１図に示すよ
うに接触する物体の接触面１１に尖鋭に凸部１１Ａが存
在したりすると、その凸部１１Ａが荷重担持部８以外の
個所に圧接し、集中荷重が加わる虞があり、ために荷重
が正確に検出されないのみならず、フレキシブルプリン
ト板１０の破損など圧覚検出素子２を破損しかねない。
これを換言するならば、検出精度および耐久性の点で信
頼性に欠けるところがあった。

特に、このように荷重担持部８が単結晶シリコン板６上
に配置された構成について単結晶シリコン板６に発生す
る応力分布を検討するに、この場合の単結晶シリコン板
６とこれを保持している弾性体４との関係を第１２図に
示すようなモデル化した形態で表わすことができる。す
なわち、６Ｍが梁として考えられたシリコン板であり、
このような有限長の梁としてのシリコン板６Ｍが無限の
広がりを有する弾性体の床４Ｍ上に横置されたものとし
て、その中心部に集中荷重Ｐが加えられたとすると、そ
のシリコン板６Ｍの上面６ＭＡにおいては第１３図に示
すような負の歪ε、すなわち圧縮応力が発生し、その下
面６ＭＢ側にはそれに対応した引張応力が発生する。

しかるに単結晶シリコン板は本来が脆性材料であり、殊
にその下面、すなわち弾性体と接する面は半導体プロセ
スが施された上面に比して粗く、機械加工等により無数
の細かいひび割れのような傷が残存しているために上面
に比して強度的にも劣っている。そこで、上述したよう
な引張応力によって下面側から破損され易い。

更にまた、ストレンゲージを使用し、これらをブリッジ
回路に組込んで出力を得る圧覚センサでは通常正の抵抗
値変化を示すストレンゲージと負の抵抗値変化を示すス
トレンゲージとの組合せが必要とされるが、先に述べた
ように、第９図に示す形態の圧覚センサ１ではその上面
６Ａ側に圧縮応力、従って負の歪しか分布しないので、
第１０図に示すようにストレンゲージ７Ａおよび７Ｂの
うち１組は７Ｂのように向きを変えて配置するようにし
て、ポアッソン比の原理により主歪と正負が逆になる横
歪を検出している。しかるに、金属のポアッソン比は約
0.3 であり、このために横歪の量が主歪の量の約1/3に
しかすぎないことになり、プリッジ出力がどうしても小
さいものとなってしまうので、従来のこのような圧覚セ
ンサ１では余り高い検出感度が得られないという欠点が
あった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明の目的は、上述してきたような従来の問題点に着
目し、その解決を図るべく、センサと接触を保つ物体表
面の凹凸に影響されることなく高精度で応力分布を検出
することができる耐久性、信頼性の共に優れた分布型の
圧覚センサを提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

かかる目的を達成するために、本発明は、弾性体上にマ
トリックス状に配設された単結晶シリコン板を有し、個
々の該単結晶シリコン板に負荷された垂直荷重により単
結晶シリコン板に設けた複数の半導体ストレンゲージに
おける電気抵抗値を変化させ、その電気抵抗値の変化に
より垂直荷重を検出して荷重分布を検知する圧覚センサ
において、垂直荷重の担持が可能な平坦面を有する略々
コの字型の垂直担持部材の２つの脚部を単結晶シリコン
板の溝に沿った端部にそれぞれ接着固定し、個々の垂直
荷重を垂直担持部材によって単結晶シリンコン板の端部
に振り分けて担持させるようにしたことを特徴とする。

〔作 用〕

本発明圧覚センサによれば、コの字型垂直荷重担持部材
の平坦部にかかる荷重がその脚部を介して単結晶シリコ
ン板の両端部に分担して担持されることになり、シリコ
ン板上面に配設されたストレンゲージから得られる抵抗
値の変化によりブリッジ回路を介して得られる検出出力
を高感度のものとすることができると同時に、上記垂直
荷重担持部材の平坦部による荷重受圧面積を広く保持す
ることができて、検出不良やセンサを破損させる虞をな
くすことができる。

〔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図は本発明の一実施例を示す。ここでもプラスチッ
クあるいはゴム等のような適当なヤング率を有する弾性
体４上に単結晶シリコン板６が取付けられるが、本例で
はフレキシブルプリント板２０が第２図に示すように窓
２０Ａを有するのみで圧覚センサ２１の前面を覆ってい
る。かくして、単結晶シリコン板上にはここでは図示し
ないが第１０図とほぼ同様な形態でストレンケージが配
設されると共にはんだパッド９Ａおよび９Ｂが設けら
れ、フレキシブルプリント板２０下面側に設けたはんだ
パッド１１Ａおよび１１Ｂとの間に接続がなされる。

２８は第２図に示すようにしてフレキシブルプリント板
２０が取付けられた上でその窓２０Ａ間にまたがるよう
にして設けた荷重担持部材であり、例えば合金鋼により
コの字型に形成され、その両方の脚部２８Ａが例えばエ
ポキシ等の接着剤２９によって単結晶シリコン板６の縁
部に固着される。

次に、このように構成した圧覚センサ２１において、そ
の単結晶シリコン板６上に発生する歪をモデル化した第
３図によって説明する。ここでもその単結晶シリコン板
６を有限長の梁６Ｍとして示す。すなわち、本例の場合
は弾性体の床４Ｍ上に載置された梁６Ｍに対して、その
両端部にそれぞれ分担荷重P/2 がかかる。しかして本例
では厚さのある接着剤２９が荷重担持部分に介在する
が、その接着面積が比較的小さいので、両端が自由の支
持梁と見做すことができ、その上面に発生する歪量の分
布は第４図のようになる。

すなわち、この第４図から明らかなように、シリコン板
６Ｍの下面６ＭＢ側ではなく、その上面６ＭＡ側に引張
応力が発生する。そこで第１図に示すような圧覚センサ
２１の場合、その単結晶シリコン板６の上面６Ａは先に
も述べたように平滑であり、それだけ引張応力に対して
破損し難く、高い強度が保てる。従ってその分だけ単結
晶シリコン板６の厚さを薄くすることが可能であり、第
１０図に示したようなストレンゲージの配置としても、
単結晶シリコン板の上面６Ａにより大きい歪を発生させ
ることができ、検出感度を高めることができる。

第５図は本発明の他の実施例を示す。本例は荷重担持部
材２８を単結晶シリコン板６の上面６Ａに接着するにあ
たり、十分薄く、その接着層２９Ａを形成するもので、
例えばＳn／１０Ａu等による共晶結合によってかかる接
着層２９Ａの形成を達成することができる。なお第６図
はその１つの検出素子３０を取出して上面から見て示し
たもので、ここで７Ａはストレンゲージである。

本実施例は両端が固定された状態に支持される梁とみな
すことができ、第７図に示すようにモデル化した場合、
かかる梁とみなしたシリコン板６Ｍの両端に分担荷重P/
2 がそれぞれ加えられると考えればよく、このときのシ
リコン板６Ｍの上面６ＭＡには第８図のような歪が発生
する。すなわち、このように正負の歪εが発生するの
で、例えば第６図に示したようにストレンゲージ７Ａを
配置することによって、ストレンゲージ７Ａではそれぞ
れ正負の対応した抵抗値の変化が得られることになり、
ブリッジ回路から大きい出力を得ることができ、従来に
比して高い検出感度を保つことができる。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように、本発明によれば、弾性体上に
溝を介してマトリックス状に配設された単結晶シリコン
板を有し、個々の単結晶シリコン板上に加えられた垂直
荷重により単結晶シリコン板に配置された複数の半導体
ストレンゲージにおける電気抵抗値を変化させ、その電
気抵抗値の変化から個々の垂直荷重を検出して荷重分布
の検知が可能な圧覚センサにおいて、垂直荷重の担持が
可能な平坦面と２つの脚部とからなるコの字型の垂直荷
重担持部材の２つの脚部を上記単結晶シリコン板の溝に
沿った端部にそれぞれ接着固定し、個々の垂直荷重をこ
れらの垂直荷重担持部材を介して単結晶シリコン板に振
り分けて担持させるようにしたので、全体としての垂直
荷重担持面積を従来に比して広く保つことが可能とな
り、被接触物体の表面の凹凸がいかんに関係なく高度の
検出精度を保つことができて、耐久性および信頼性の優
れた分布型の圧覚センサを提供することが可能となっ
た。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明圧覚センサの構成の一例を示す断面図、 第２図はそのフレキシブルプリント板の上面から見た平
面図、 第３図はその圧覚センサの単結晶シリコン板を梁と見な
したときの荷重のかかり方を示す模式図、 第４図は第３図の状態でシリコン板上面に生じる歪量の
分布図、 第５図は本発明の他の実施例の構成を示す断面図、 第６図はその単結晶シリコン板の上面図、 第７図は第５図に示す圧覚センサのシリコン板を梁と見
做したときの荷重のかかり方を示す模式図、 第８図は第７図の状態でシリコン板上面に生じる歪量の
分布図、 第９図は従来の分布型の圧覚センサの構成の一例を示す
断面図、 第１０図はその単結晶シリコン板の上面から見た平面
図、 第１１図はその従来型圧覚センサが凸出部を有する被接
触物体と接触した状態を示す断面図、 第１２図は第９図の圧覚センサの単結晶シリコン板を梁
と見做したときの荷重のかかり方を示す模式図、 第１３図は第１２図の状態でシリコン板上面に生じる歪
量の分布図である。 ２……圧覚検出素子、 ３……溝、 ４……弾性体、 ６……単結晶シリコン板、 ６Ａ……単結晶シリコン板の上面、 １０，２０……フレキシブルプリント板、 ２１……圧覚センサ、 ２８……荷重担持部材、 ２８Ａ……脚部、 ２９……接着剤、 ２９Ａ……接着層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】弾性体上にマトリックス状に配設された単
   結晶シリコン板を有し、個々の該単結晶シリコン板に負
   荷された垂直荷重により前記単結晶シリコン板に設けた
   複数の半導体ストレンゲージにおける電気抵抗値を変化
   させ、その電気抵抗値の変化により前記垂直荷重を検出
   して荷重分布を検知する圧覚センサにおいて、 前記垂直荷重の担持が可能な平坦面を有する略々コの字
   型の垂直担持部材の２つの脚部を前記単結晶シリコン板
   の前記溝に沿った端部にそれぞれ接着固定し、個々の前
   記垂直荷重を前記垂直担持部材によって前記単結晶シリ
   ンコン板の端部に振り分けて担持させるようにしたこと
   を特徴とする圧覚センサ。