JPH0715417B2 - 分布型圧覚センサ - Google Patents

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
圧覚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、適当なヤン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2C、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2Aが形成されてお
り、これらのはんだパッド2Aに対して窓5A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1A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
加分部３に垂直荷重を付加した場合、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2B,2Bおよび2C,2C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_o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2A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4Aにおいて、第10
図に示すよ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_o＝−1/4・K_s（∈_2b1＋∈_2b2）e_i … e_iは電源電圧、∈_2b1および∈_2b2はアクティブゲージ2B
1および2B2の長手方向歪、K_s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、∈_2e＝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F_z
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∈_2b1および∈_2b2が発生
し、式より第13B図のような出力電圧e_oが得られ、垂
直荷重が検出される。同様に偏心量ｒ＝０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∈_2b1および∈_2b2が発生し、式より第
14B図に示すように出力電圧e_o＝０となり横荷重の影
響、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
偏心量ｒだけずれている場合、横荷重Fxが負荷される
と、第15A図のように大きさが異なる歪み∈_2b1と∈_2b2
とが発生するため、式より出力電圧e_oは第15B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〕

上記の目的を達成するために、本発明によれば、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
生する部分に前記荷重印加部から放射状に複数個の半導
体ストレンゲージを該半導体ストレンゲージの長手方向
が前記放射状方向と一致するように配設して、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ものとする。

〔作用〕

本発明によれば、上記の構成を採用したので、荷重印加
部から放射方向に配置された半導体ストレンゲージは、
荷重印加部から見て全て等価となる。この結果、荷重印
加部が中心よりどちらの方向にずれた場合でも、各半導
体ストレンゲージが補いあい、横方向の干渉出力は除去
もしくは低減される。

実施例の項で後述するように、第５図は第１図の荷重印
加部がアクティブゲージ2B2の方向にずれたときの、横
方向荷重Fxに対する各半導体ストレンゲージに生じる歪
量およびセンサ出力を表しており、各半導体ストレンゲ
ージが補いあい干渉出力を低減させている。この作用
は、各半導体ストレンゲージが放射方向に配置されてい
るので、荷重印加部がどちらの方向にずれた場合でも同
様に奏せられるものである。

〔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、2B1〜2B4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
あり、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プ2Aが形成されて
いる。

しかして、これらのアクティブゲージ2B1〜2B4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2B1と2B2とを１組とし、アクティブゲージ2B
3と2B4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_oが得られ、この場合の出力電
圧e_oは次式のように表される。

e_o＝−1/8・K_e（∈_2b1＋∈_2b2＋∈_2b3＋∈_2b4）e_i … ここで、e_iは電源電圧、∈_2b1〜_2b4はアクティブゲージ
2B1〜2B4の長手方向歪、K_e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
∈_2e＝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＝０の場合、第12図に示したような
垂直荷重F_z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2B1〜2B4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_oが得られ
る。同様に第12図に示す横荷重Fx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e_o＝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でけずれている場
合、横荷重Fxが負荷されたとすると第5A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_oは零ではないが、第5B図に示すように極めてわずか
な値となり、横荷重の干渉が大方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2B1〜2B4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〕

本発明によれば、上記の構成を採用した結果、横方向荷
重による干渉出力を除去もしくは低減することが可能と
なる。

【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3A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図は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10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13B図から第15A図および第15B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、1A……溝、２……単結晶シリコン板、2A
……はんだパッド、2B,2C……半導体ストレンゲージ、2
E……ダミーゲージ、2B1〜2B4……アクティブゲージ、
３……荷重印加部、4，4A，4B……圧覚センサ、５……
フレキシブルプリント板、∈_2b1〜∈_2b4……アクティブ
ゲージの歪量。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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
   部分に前記荷重印加部から放射状に複数個の半導体スト
   レンゲージを該半導体ストレンゲージの長手方向が前記
   放射状方向と一致するように配設して、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。