JPS60209129A - 感圧センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は小型にして検出精度の高い感圧センサに関する
ものである。

（背景技術） 従来の感圧センサの構成を示す断面図を第１図（ａ）ニ
示ス。１はポリエステル・フィルム等の薄膜の片面（外
部圧力Ｐと直接接触しない面）にアルミニウム等の蒸着
を施した反射面、２は光透過性の良いシリコーン・ゴム
等で構成された弾性体、３は受光素子、４は受光素子３
を形成する透明なガラス基板、５はガラス基板４の他面
（受光素子３を形成しない面）に光非透過性の金属から
なる蒸着膜（以下遮光層と称す）で、−郎党を透過させ
るための非蒸着部（以下光透過窓と称す）６を有する。

７は発光素子、８は発光素子７を搭載するセラミック等
の基板である・。第１図（ｂ）に受光素子３の平面図を
示す。図中破線で示した円は光透過窓６および発光素子
７の位置を表わしている。

なお、第１図（ａ）及び（ｂ）において、受発光素子は
１組のみを示しているが、実際は受発光素子が各々マト
リクス状に多素子配列してあシ、また受発光素子の駆動
回路および制御回路等の電気回路系、各部の支持部等は
図示しない。

以下動作を説明する。

発光素子７から出射された光は光透過窓６を透過し、ガ
ラス基板４および弾性体２を経て反射面ｌにて反射され
、再び弾性体２を経て受光素子３に照射される。ここで
受光素子３に照射される光量は、反射面１と受光素子３
との距離に依存し、受光素子３の出力と前記距離との関
係は第２図に示すような特性となる。一方、反射面１と
受光素子３との距離は、加えられた外部圧力Ｐによる弾
性体２の歪み量（圧縮量）に対応している。したがって
受光素子３の出力から加えられた外部圧力を換算するこ
とができる。マトリクス状に配列された複数の受発光素
子に対しては、それらを順次駆動して、その出力を圧力
値に換算することによシ、複数点の圧力が検出可能とな
る。

以上が従来の感圧センサの動作原理であるが、上記構成
における問題点を列記する。

（１）一般に発光素子として発光ダイオード等が用いら
れるが、光の指向性があまシ良くないので、光透過窓６
を通過する光量が少なく検出信号のシ債が悪くなる。

（２）光透過窓６の径を大きくすれば、透過光量は多く
なるが、第３図（、）に示すように、受光素子３の裏面
から直接光が入射する。

（３）反射面１で反射した光は受光素子３の表面に入射
する以外に、第３図（ｂ）に示すように、ガラス基板４
の中に再び入射し、遮光層５で反射して受光素子３の裏
面から入射する。

上記（１）　、　（２）項は、構成上の制約を発生し、
透過光量を多くして騨を良くするためには、光透過外径
も大きくする必要があシ、シたがって多素子を高密度に
配置することが困賑になる。また、第３図（ａ）の破線
で示すように発光素子、光透過窓、受光素子の中心位置
が相対的にずれた場合にも、受光素子の裏面へ直接光が
入射するため、これらの配置には高い精度が要求され製
造上問題があった。また上記（３）項は、第２図に示し
だセンサ特性を劣化させる原因と・なり、反射面と受光
素子との距離変化に対する受光素子の出力変化が小さく
なる等の悪影響を及ぼしていた。

（発明の課題） 本発明の目的は、上述した欠点を除去し、小型にして構
成が容易でかつ検出精度の高い感圧センサを提供するこ
とにあシ、その特徴は、一方の表面に光反射面を有する
可とう性弾性体層と、該層の他面にもうけられる複数の
受光素子と、前記光反射面を前記受光素子の背面から照
射する発光素子とを有し、前記弾性体の外部圧力による
変形に対応した出力を前記受光素子から得る感圧センサ
において、前記発光素子から光反射面に向う光束を集束
する集束手段がもうけられる感圧センサにある。

（発明の構成および作用） 第４図は、本発明の第１の実施例の構成を示す断面図で
あシ、受発光素子１組の周辺についてのみ示している。

本実施例において従来の第１図（ａ）及び（ｂ）の構造
と異なる点は、受光素子３および発光素子７に対応する
位置にレンズ部１０を有するレンズ・アレイ板１１を設
けたことである。発光素子７から出射された光束は、レ
ンズ１０によシ点０に集束されるようにガラス基板４内
を通過し、点０に集束したのち拡散光束となって弾性体
２を経て、反射面１にて反射され、再び弾性体２を経て
受光素子３に照射される。ここでレンズ部１゜を通過す
る光の量はレンズの開口数によって決まシ、開口数の大
きなレンズを使用することによって通過光量を増すこと
ができる。また発光素子７からレンズ部１０を通過しな
い光に対しては図中破線で示したようにガラス基板４へ
の入射角が大きくなるため、ガラス基板の裏面で反射さ
れることになる。受光素子３の裏面からの光入射をなく
すためにはレンズ部１０の口径を大きくすれば良いが、
口径を大きくすることによシレンズ部１０を通過する光
量も増え検出信号のＳ／Ｎを良くすることができる。し
たがうて受光素子３の裏面からの光入射をなくすための
構成設定の自由度は従来例に比して大きくなシ、また位
置精度に対しても許容範囲が大きくなる。一方、従来例
における第３図（ｂ）に示したような、反射面からの反
射光が再びガラス基板内を通シ遮光層にて反射されて受
光素子の裏面から入射するような問題が解決されるのは
いうまでもない。

なお本実施例におけるレンズ・アレイ板としては、いわ
ゆる「ハエの眼レンズ」を用いておシ、第４図ではレン
ズ部の凸面を受光素子側に示しているが、逆に発光素子
側に配置しても良い。

次に、本発明の他の実施例について説明する。

第５図（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２の実施例の構
成を示す断面図であシ、第１の実施例と異なる点は、受
光素子３を形成する基板としてレンズ・アレイ板１１を
用いたことである。第５図＜）はレンズ・アレイ板とし
て第１の実施例で説明した「ノ・工の眼レンズ」を発光
素子側に凸面を有するごとく用いたものであシ、第５図
（ｂ）はレンズ、アレイ板としてセルフォック・レンズ
・プレイ板を用いたものである。

なおセルフォック・レンズ・アレイ板は、レンズ部１０
を受光素子３に対応する位置にのみ設けたものでも、全
面に設けたものでも良い。

第６図は、本発明の第３の実施例の構成を示す断面図で
あシ、発光素子７を電気絶縁体２０を介して凹面鏡２１
に搭載して配置した構成を、第２の実施例に付加したも
のであシ、発光素子７から出射された光は凹面鏡２１に
よシ指向性を持つようになり、したがって発光素子から
の光の大部分をレンズ部１０に導くことができ、レンズ
を通過する光量をさらに多くすることが可能となる。

第７図は上記実施例の全体構成を示す斜視図であシ、各
々４×４個の受発光素子を２Ｗｒｍ間隔に配列した例で
ある。実施例では反射部１は厚さ数１０μｍの薄膜フィ
ルム、弾性体２は厚さ２ｒｒｒｍの透明シリコーン・ゴ
ム、受光素子３はアモルファス・シリコン、発光素子７
はＬＥＤ’、　レンズ・アレイ板１０ハセルフオツク・
レンズ・アレイで構成されてオシ、レンズ・アレイ板（
セルフォック・レンズ・アレイ）１０上に受光素子（ア
モルファス・シリコン）３をス・々ツタ法等にて形成す
る。また受光素子３および発光素子７は、図示しない電
気回路部により各々マトリクス駆動されている。

第８図は電気回路系を示すブロック図である。

１００．１１０は各々マ）　ＩＪクス配列された発光素
子群および受光素子群、１２０，１３０はアナログ・マ
ルチプレクサ、１４０は制御回路、１５０は増幅器、１
６０はサンプル、ホールド回路、１７０はφ変換器、１
８０は信号処理回路であり、発光素子群１００および受
光素子群１１０は各々、アナログ・マルチプレクサ１２
０，１３０によシマトリクス駆動される。

動作は、先ず発光素子群１００における一つの発光素子
と、受光素子群１１０における前記発光素子に対応した
受光素子とを、各々アナログ・マルチプレクサ１２０お
よび１３０を制御回路１４０からの信号によって切シ換
えることにより選択駆動する。選択された発光素子には
、アナログ・マルチプレクサ１３０を介して電圧■が印
加され、前記発光素子が発光すると、選択された受光素
子の出力がアナログ・マルチプレクサ１４０を介して増
幅器１５０にて増幅されてサンプル・ホールド回路１６
０に入力される。サンプル・ホールド回路１６０には制
御回路■４０よシマトリクス駆動に同期したホールド信
号が入力され、増幅器１５０からの信号がホールドされ
てφ変換器１７０に送出される。ψ変換器１７０では、
制御回路１４０からの設定タイミングに従って前記ホー
ルド信号がディジタル信号に変換される。このディジタ
ル信号は、選択駆動された受光素子と反射面との距離に
応じた信号であるので、信号処理回路１８０によシ、前
記受光素子位置における圧力値に変換され、圧力信号と
して出力される。

ここで、圧力値への変換は、例えば（加圧力→弾性体の
圧縮率→反射面変位量→受光素子出力→の関係を表わす
テーブルを用意しておくことによシ容易に行なえる。

以上が１組の受発光素子に対する動作であるが全素子に
対しては、同様にして制御回路１４０によシ各受発光素
子を順次駆動検出し、したがって受圧面全面に対して走
査が行なわれる。

（発明の効果） 本発明は、以上説明したように、発光素子からの出射光
束を集束する手段を設けることによシ、遮光層を形成せ
ずに受光素子の裏面からの光入射を除去でき、利用でき
る光の量を増大することができるので感圧センサの検出
精度を向上できるとともに構成上の位置精度に対する許
容量を大きくすることができ、しだがって製造時間を短
縮でき、かつ高密度の配列が可能となるという利点があ
り、ロボット用ハンド等に実装し得る小型触覚センサと
して用いることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（、）及び（ｂ）は従来の感圧センサの構成を示
す図、第２図は受光素子と反射面との距離変化に対する
受光素子の出力特性を示す図、第３図（ａ）及び（ｂ）
は従来例の受光素子裏面への光照射径路を示す図、第４
図は本発明の第１の実施例の構成を示す断面図、第５図
（ａ）及び（ｂ）は本発明の第２の実施例の構成を示す
断面図、第６図は本発明の第３の実施例の構成を示す断
面図、第７図は本発明の全体構成を示す斜視図、第８図
は本発明の実施例における電気回路系を示すブロック図
である。 １・・・反射面、２・・・弾性体、３・・・受光素子、
４・・・ガラス基板、５・・・遮光層、６・・・光透過
窓、７・・・発光素子、８・・・発光素子搭載用基板、
１０・・・レンズ部、１１・・・レンズ・アレイ板、２
０・・・電気絶縁体、２１・・・凹面鏡、１００・・・
発光素子群、１１０″−受光素子群、１．２０，１３０
・・・アナログ・マルチプレクサ、１４０・・・制御回
路、１５０・・・増幅器、１６０・・・サンプル・ホー
ルド回路、１７０・・・Ａ／Ｄ変換器、１８０・・・信
号処理回路。 奉１図 ρ 慶、２図 葬、３図 算、４図 ｐ　゛ ／ 秦ｂＵ！Ｊ 隼、ろ図 Ｕ 秦７図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）一方の表面に光反射面を有する可とう性弾性体層
   と、該層の、他面にもうけられる複数の受光素子と、前
   記光反射面を前記受光素子の背面から照射する発光素子
   とを有し、前記弾性体の外部圧力による変形に対応した
   出力を前記受光素子から得る感圧センサにおいて、前記
   発光素子から光反射面に向う光束を集束する集束手段が
   もうけられることを特徴とする感圧センサ。
2. （２）　前記集束手段が凸レンズの配列を有するレンズ
   ・アレイ板であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の感圧センサ。
3. （３）前記集束手段がセルホックレンズの配列を有する
   レンズアレイ板であることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の感圧センサ。
4. （４）前記集束手段が発光素子の背面にもうけられる凹
   面鏡であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の感圧センサ。
5. （５）前記受光素子が前記レンズ・アレイ板の、弾性体
   層の光反射面に対向する表面に、配列されることを特徴
   とする特許請求の範囲第２項又は第３　゛項記載の感圧
   センサ。