JP2601939B2 - 分布型触覚センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、分布型触覚センサに関し、詳しくは、ロボ
ットハンド等に取り付けられて、物体を把持するときに
ハンドに加えられる力の分布を検出することができる分
布型触覚センサに関する。

〔従来の技術〕

分布型触覚センサは、主にロボットハンドなどにおい
て、把持力の大きさや面圧分布等の情報を得る目的で開
発が進められており、センサ表面に垂直な力のみなら
ず、水平な力の分布をも検出できる分布型触覚センサと
して、第６図に示すようなものが特開平２−75924号公
報に開示されている。同図の触覚センサは、シリコンウ
エハを３次元的に加工して形成されるもので、同図はそ
のシリコンウエハを裏面から見た面であり、本例ではセ
ンサが２×２のアレイとして構成されている。

ここで、触覚センサ10はシリコンウエハから切り出し
て形成され、図の左半分が検出部10A、右半分が信号処
理部10Bである。このように触覚センサ10の裏面の検出
部10A側には斜線を施して示した部分に４本のＹ方向の
深溝部11およびＸ方向の深溝部12がダイヤモンド砥石等
により加工されている。

さらにまた、これらの深溝部11および12に沿って交叉
線を施して示した位置に８個の長方形貫通孔13が放電加
工またはレーザ加工により形成される。また、第６図で
点々を付して示した部分は、浅溝部14であり、浅溝部14
はＸおよびＹ方向に深溝部12および11を形成した後、図
示の部分の深溝加工に用いたダイサの砥石よりもやや厚
い砥石で、Ｘ方向およびＹ方向に走査することにより加
工できる。

このような加工を分布型触覚センサ10の裏面側に施す
ことによって検出部10Aに４個の突起部15を備えた梁が
形成される。

第７図は第６図のＰ−Ｐ矢視断面を示したものであ
り、第７図から分かるように深溝部11、浅溝部14、およ
び突起部15によって長方形貫通孔13により隔絶されたＸ
方向の梁20が形成される。また、第８図は第６図のＱ−
Ｑ矢視断面を示したものであり、第８図において深溝部
12、浅溝部14、および突起部15によって長方形貫通孔13
により隔絶されたＹ方向の梁21が形成される。

第９図は分布型触覚センサ10をシリコンウエハの表面
側から見た図である。第９図において、８個の長方形貫
通孔13により二つのＸ方向の梁20,20と二つのＹ方向の
梁21,21が形成されていることが分かる。しかして、こ
れらのＹ方向の梁20およびＹ方向の梁21にこの図に示す
ように合計16個のストレンゲージ22が配設されている。
なお、図の右方は信号処理のためのIC回路が形成されて
いる信号処理部10B、また、25ははんだバンプである。

そこで次に、このようにして構成されたＸ方向の梁20
およびＹ方向の梁21において、その突起部15に力が加え
られたときの荷重を検出する原理を第10〜第13に従って
説明する。

いま、第10図に示すように、両端がA,Dで固定され、
その中心部に突起部30を有する梁31のその突起部30に、
垂直方向の力F_vを加えたとすると、梁31の下面に第11図
に示すような分布の歪が発生する。

また第12図に示すように、同じ梁31に水平方向の力F_H
を加えると、梁31の下面に第13図に示すような分布の歪
が発生する。なお、これらの第11図および第13図におい
て、＋記号は引張歪、−記号は圧縮歪を表わしている。

そこで、第10図の点Ａ〜Ｄでの歪を第11図および第13
図でみてみると、いずれの点においても大きな歪を発生
し、垂直方向の力に対しては第11図に示すようにＡ点お
よびＤ点で−α〔μstrain〕、またＢ点およびＣ点でβ
〔μstrain〕となる。すなわち梁の対称性を考慮すれば
A,DおよびB,C点での歪は等しい。

また、第12図のように水平方向に力が加わった時に発
生する歪は、第13図に示すようにＢ点およびＤ点で−γ
〔μstrain〕、Ａ点およびＣ点でδ〔μstrain〕とな
り、垂直方向の力と水平方向の力とが同時に加わった時
のＡ〜Ｄ点の歪は以下のようになる。

Ａ点 −α＋δ Ｂ点 β−γ Ｃ点 β＋δ Ｄ点 −α−γ よって、ストレンゲージを形成したＡ〜Ｄ点の各点で
の歪を測定し、次の式（１）および（２）に従って計算
すれば垂直方向の分力と水平方向と分力とを同時に検出
することができる。

（Ａ点の歪−Ｂ点の歪）＋（Ｄ点の歪−Ｃ点の歪） ＝｛（−α＋β）−（β−γ）｝ ＋｛（−α−γ）−（β＋σ）｝ ＝−２（α＋β） ……（１） （Ａ点の歪−Ｂ点の歪）−（Ｄ点の歪−Ｃ点の歪） ＝｛（−α＋β）−（β−γ）｝ −｛（−α−γ）−（β＋σ）｝ ＝２（γ＋σ） ……（２） すなわち式（１）により垂直方向の分力を同定し、式
（２）により水平方向の分力を同定することができる。

なおこれらの式中の項（Ａ点の歪−Ｂ点の歪）はＡ点
に形成したストレンゲージとＢ点に形成したストレンゲ
ージとでハーフブリッジを形成して検出することがで
き、一方の項（Ｄ点の歪−Ｃ点の歪）は、Ｄ点に形成し
たストレンゲージとＣ点に形成したストレンゲージとで
ハーフブリッジを形成して検出することができる。すな
わち、第14図に示すようにＡ点のストレンゲージ42とＢ
点のストレンゲージ41とにより第１のハーフブリッジ
を、またＤ点のストレンゲージ44とＣ点のストレンゲー
ジ43とにより第２のハーフブリッジを形成し、それぞれ
のハーフブリッジからの出力の和を加算増幅器45により
計算すれば垂直方向分力信号46が得られ、また、それぞ
れのハーフブリッジからの出力の差を差動増幅器47によ
り計算すれば、水平方向分力信号48が得られる。

そこで再び第９図に戻り、分布型触覚センサ10の表面
に形成したストレンゲージ22（第15図にその配置の詳細
を示す。ここで、22A,22B,22Cおよび22Dは第14図の42,4
1,43および44に対応するものである。）間にハーフブリ
ッジを構成し、信号処理部10Bに第14図のような信号処
理回路を配設することによって、Ｘ方向の梁20に設けた
ストレンゲージ22群により分布型触覚センサ10の表面側
に発生する垂直方向の分力F_Zと、水平方向でかつＸ方向
の分力F_Xとを検出することができる。また同様にしてＹ
方向の梁21に設けたストレンゲージ22群により、分布型
触覚センサ10の表面側に発生する垂直方向の分力F_Zと、
水平方向でかつＹ方向の分力F_Yとを検出することができ
る。

ところでこれまでの従来技術の説明では、センサ素子
が４個形成される場合について述べてきたが、センサ素
子の数は４個に限られるものではなく、ニーズに応じて
任意の数のセンサ素子で同様にして分布型触覚センサを
形成できることはいうまでもない。例えば第16,17,18図
は素子の数が９個の例を示し、第16図はそのシリコンウ
エハ表面側からセンサを見た図、第17図はその裏面側か
らセンサを見た図、また第18図は実装基板５にはんだバ
ンプ25を介してその分布型触覚センサをはんだ接続した
状態を示す断面図である。なお、これらの図において、
20はＸ方向のセンサ素子梁、21は、Ｙ方向のセンサ素子
梁であり、17はこれらの素子梁20,21の両端部をそれぞ
れ支持している梁部（以下で支持梁という）である。

ところで、以上に述べてきた従来の提案によるもの
は、センサ素子梁20または21の両端が支持梁17によって
支持される構成となっており、第19図で見れば分かるよ
うに、センサ素子梁20（21）では突起部15の両側が深溝
加工によって薄肉部16に形成されている。しかもセンサ
素子梁20,21を支持している支持梁17自体にまた深溝加
工によって形成された薄肉部18が存在するために、突起
部15に荷重がかかると、センサ素子梁20（あるいは21）
が撓むと同時に支持梁17までが大きく撓み、あるいはね
じれが生じる。そのために、かかる支持梁17に隣接する
他のセンサ素子梁（ここでは不図示）にまでその影響が
および干渉出力が発生する。

そこで、更に第20図に示す提案がなされている。この
ものは、支持梁17における薄肉部を無くすと共に、この
支持梁17の部分を幅広に構成したもので、このような提
案による分布型触覚センサでは、第21図に示すようにセ
ンサ素子梁20,21に対して支持梁17に十分な剛性を持た
せることが可能となり、センサ素子周りの干渉を少なく
することができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、第20図に示すような構成の分布型触覚セン
サとする場合の問題点は、センサ素子の薄肉部16を形成
するにあたり、その１つ１つの放電加工によって形成し
なければならず、第６図の例や第17図の例の場合のよう
にダイサ加工ができないため加工費の上昇を招く上、使
用電極の摩耗等によって加工形状に誤差のためばらつき
が生じる。

また、支持梁17の幅を広くしたため素子間のピッチが
それだけ広くなり、荷重検出密度が低下する。

本発明の目的は、かかる技術的課題に着目し、その解
決を図るために、センサ素子の高精度，高密度の分布が
得られ、しかも各素子が干渉し合うことなく、独立して
機能する分布型触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〕

かかる目的を達成するために、本発明は、半導体基板
上の互いに直交するＸ方向およびＹ方向にそれぞれ並列
させて穿設した複数組の対をなす貫通長孔と、該対をな
す貫通長孔間に形成され、その一方の面のスパン中央部
に荷重を受ける突起部を有し、センサ素子としてそれぞ
れ機能する前記Ｘ方向およびＹ方向の梁部と、該梁部の
他方の面にそれぞれ配設され、前記突起部に加えられた
荷重の前記半導体基板に対する垂直方向の分力、前記Ｘ
方向およびＹ方向の水平分力を検出する複数の半導体ス
トレンゲージとを具えた分布型触覚センサであって、前
記半導体基板を支持する実装基板に前記Ｘ方向およびＹ
方向の梁部の両端がそれぞれ支持される支持梁部をはん
だバンプにより支持させるようにしたことを特徴とす
る。

また、本発明の第２の形態ではそのはんだバンプを支
持梁部のＸ方向およびＹ方向の交差部に配設し、その形
状をＸ方向および／またはＹ方向に延在された十字形状
または細長形状とする。

更にまた、本発明の第３の形態によればその貫通長孔
のＸ方向およびＹ方向の梁部にかかわらない部分の幅を
狭めるように形成することを特徴とする。

〔作用〕

本発明によれば、支持梁部がそれぞれはんだバンプに
より実装基板に支持されるので、Ｘ方向およびＹ方向の
センサ素子として機能する梁部（センサ素子梁）の撓み
やねじれが支持梁部に伝達されてもはんだバンプの所て
とどめられて、隣接する支持梁部やセンサ素子梁に伝わ
ることがなく、素子間の干渉を抑制することができる。

また本発明の第２の形態によれば、はんだバンプによ
る支持面積が十分広く保てるので各はんだバンプの耐荷
重性が増し、素子間の干渉を一層抑制する効果が得られ
る。

更にまた、本発明の第３の形態によれば、上記の作用
に加えて、センサ素子梁周囲部のスペースがそれだけ広
く保持されるので配線の設定に対する自由度が増す。

〔実施例〕

以下、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図および第２図は本発明の請求項１にかかる一実
施例の構成を示す。これらの図にあって、シリコンウエ
ハ表面側のセンサ素子梁20,21に形成されるストレンゲ
ージ22の配置や、支持梁17および信号処理部10Bの配
置、更にまた、裏面側にダイサ，放電，レーザ加工等を
用いて形成される各梁および貫通紅13の形状等について
は第16〜第18図に示した例と変わらない。ただし、本実
施例では各支持梁17の両端部もしくは支持梁17同士の交
差する部分と、実装基板５との間に、従来のはんだバン
プ25とは別に支持用としてはんだバンプ26を配設する。

このように、支持梁17の少なくとも両端部がはんだバ
ンプ26を介して、実装基板５に支持されることによりセ
ンサ素子梁20や21に撓みやねじれが生じても、はんだバ
ンプ26のところでこれらが受止められ、隣接するセンサ
素子梁20,21に及ぼす影響が抑制される。しかも、この
ような構成の分布型触覚センサ１ではそのシリコンウエ
ハの加工にあたり、従来通りのダイサ加工が行えるの
で、センサ素子梁20,21の薄肉部に特別に放電加工を用
いたりする必要がなく、先に第20図の例について述べた
ような加工コスト増，形状誤差，検出密度の低下等の問
題点が解決される上、素子間の干渉を抑制することがで
きる。

第３図は本発明の請求項２にかかわる一実施例の構成
を示す。本実施例の分布型触覚センサ１は少なくともは
んだバンプ26の形状を図示のように十字型としたもの
で、本例の場合、センサ１の周辺部に形成されるはんだ
バンプ25の方もはんだバンプ26に準じた形状とされてい
る。なお、その他の構成については第１図に示すところ
と変わらない。

このように構成した分布型触覚センサ１においては、
十字型はんだバンプ26の形状が支持梁17に沿った方向に
延在可能なため、実装基板５に対する接続面積の増大に
より、それだけ支持剛性が高められて素子間の干渉を抑
制することができる上、はんだバンプ26に集中する応力
が分散されるので、はんだバンプが荷重によって変形し
難く、耐久性が増す。

第４図および第５図は本発明の第３請求項にかかわる
一実施例を示すもので第４図はその表面側、第５図はそ
の裏面側から見た図である。本例ではその貫通孔13を形
成するにあたり、その形状を長方形状とせず、センサ素
子梁20,21にかかわりの無い隅部を斜めに結んで残すよ
うにしたものである。貫通孔13をこのような形状とする
ことによって、センサ素子梁20および21の支持部分が補
強されるのみならず、支持用のはんだバンプ26の形状を
大きくすることができるのでセンサ素子間の干渉が抑制
され、また、支持部の耐荷重性を高めることができる。
また、ウエハ表面上の平坦部面積が広く保たれるので、
配線および処理回路の設定に対する自由度が高められ
る。更にまた、以上の点から、このような構成による分
布型触覚センサは、大きい荷重を検出する要があり、か
つ、多素子で複雑なパターンの触覚検出が要求されるよ
うな被検出物を対象とする場合に好適なものと言える。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように、本発明によれば、センサ素
子として機能するＸ方向およびＹ方向の梁部（センサ素
子梁）の両端を支持する支持梁部を実装基板にはんだバ
ンプを介して支持させるようにしたので、１つのセンサ
素子梁に発生する歪が他のセンサ素子梁に影響するのを
上述のはんだバンプのところで絶ち切ることができ、加
工コストや形状誤差の増大を招くことなく、素子間の干
渉を小さく抑制することができる。

また、請求項２の構成とすることにより、はんだバン
プによる支持面積の増大が図られるので、素子間の干渉
をより一層抑制することができると共に耐荷重性の向上
を図ることができる。

更にまた、請求項３の構成とすることによって、支持
梁の剛性が高められ、また支持部分の耐荷重性が増し、
素子増の干渉が抑制されると共に、センサ素子梁の周囲
に十分なスペースが保たれるため配線等について設定の
自由度が高められる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成の一例をウエハ表面側から見て示
す平面図、第２図は本発明の実装基板支持状態を示す説
明図、第３図は本発明の別の形態を構成をウエハ表面側
から見て示す平面図、第４図は本発明の更に別の形態の
構成をウエハ表面側から見て示す平面図、第５図は第４
図の裏面側を示す平面図、第６図は従来技術による分布
型触覚センサの一例をウエハ裏面側から見て示す平面
図、第７図および第８図は第６図のそれぞれＰ−Ｐ線お
よびＱ−Ｑ線断面図、第９図は第６図に示す形態の分布
型触覚センサをウエハ表面側から見て示す平面図、第10
図および第11図は両端固定梁にかかる垂直方向の力と発
生する歪との関係を示す図、第12図および第13図は両端
固定梁にかかる水平方向の力と発生する歪との関係を示
す図、第14図はセンサ素子における信号処理回路の構成
図、第15図はセンサ素子におけるストレンゲージの配置
図、第16図は従来技術による分布型触覚センサの他の例
をウエハ表面側から見て示す平面図、第17図は第16図に
示す分布型触覚センサの裏面側を示す平面図、第18図は
第16図に示す分布型触覚センサの実装基板への取付状態
を示す説明図、第19図は第16図の分布型触覚センサにお
けるセンサ素子梁支持状態を示す説明図、第20図は従来
技術による更に他の分布型触覚センサの構成例をウエハ
の裏面側から見て示す平面図、第21図は第20図の分布型
触覚センサにおけるセンサ素子梁支持状態を示す説明図
である。１ ：分布型触覚センサ、5:実装基板、13:貫通孔、15:突
起部、17:支持梁、20:X方向センサ素子梁、21:Y方向セ
ンサ素子梁、22:ストレンゲージ、25,26:はんだバン
プ。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板上の互いに直交するＸ方向およ
   びＹ方向にそれぞれ並列させて穿設した複数組の対をな
   す貫通長孔と、該対をなす貫通長孔間に形成され、その
   一方の面のスパン中央部に荷重を受ける突起部を有し、
   センサ素子としてそれぞれ機能する前記Ｘ方向およびＹ
   方向の梁部と、該梁部の他方の面にそれぞれ配設され、
   前記突起部を加えられた荷重の前記半導体基板に対する
   垂直方向の分力、前記Ｘ方向およびＹ方向の水平分力を
   検出する複数の半導体ストレンゲージとを具えた分布型
   触覚センサであって、前記半導体基板を支持する実装基
   板に前記Ｘ方向およびＹ方向の梁部の両端がそれぞれ支
   持される支持梁部をはんだバンプにより支持させるよう
   にしたことを特徴とする分布型触覚センサ。
2. 【請求項２】前記はんだバンプは、前記支持梁部の前記
   Ｘ方向およびＹ方向の交差部に配設され、前記Ｘ方向お
   よび／またはＹ方向に延在された十字形状または細長形
   状をなすことを特徴とする請求項１に記載の分布型触覚
   センサ。
3. 【請求項３】前記貫通長孔は前記Ｘ方向およびＹ方向の
   梁部にかかわらない部分の幅が狭められて形成されるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の分布型触覚センサ。