JP3829357B2 - 触覚センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は触覚センサに関し、特に検出対象に対する多軸力を検出し得る触覚センサに係る。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ロボットハンドの把持力制御、あるいは検出対象との接触検出に供すべく、ロボットフィンガに付与される合力及びモーメントベクトルを検出する多軸力センサが用いられる。一方、検出対象の表面形状の検出には、一般的に分布圧力変換器（トランスジューサ）を備えた触覚センサが用いられる。これら各センサの機能を兼備するセンサを構成することとすれば、各センサの問題点を解消することができる。このため、多軸力検出機能を備えた触覚センサが提案されており、例えば特開平７−１４００２５号公報に記載のように接触検出部に圧力変換器を具備し、多軸力検出機能を有し、動的検出（例えば摩擦係数の検出）機能を有する動的触覚センサ（以下、単に触覚センサという）が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報に記載の触覚センサによれば、接触力覚（力ベクトルの３軸成分）及び滑り振動覚の両機能を有し、簡単な構成で耐ノイズ性に優れた特性を確保することができる。然し乍ら、上記公報に記載の触覚センサは、信号配線を含めた集積化が企図されているため、配線により各センサ素子間に力学的干渉を惹起するおそれがあり、この対策は容易ではない。また、指先のような三次元曲面に配置すべく、触覚センサを複数のセンサ素子で構成し、これらを柔軟な曲面に自由に分布配置（このような配置を非マトリクス配置という）し得る構成とすることが要請されている。
【０００４】
そこで、本発明は動的検出機能を有する触覚センサにおいて、配線構造に起因する力学的干渉を受けることなく精度よく接触状態を検出できる触覚センサを提供することを課題とする。
【０００５】
また、本発明の別の課題は、動的検出機能を有する触覚センサにおいて、非マトリクス配置を可能とすることを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の触覚センサは、請求項１に記載のように、感圧材料の板体の表面に、傾斜側面を有し底部に向かって開口面積が漸減する凹部を形成すると共に、該凹部の底部を貫通する貫通孔を形成して成る素子基板と、該素子基板に形成した前記凹部に嵌合する傾斜側面を有すると共に前記凹部の底部に対し所定の間隙を隔てて保持する形状に導電材料で形成して成る触覚ヘッドと、該触覚ヘッドに一端を接続し他端を前記素子基板の貫通孔を貫通して前記素子基板の裏面側に延出する第１の電極部材と、前記素子基板の裏面側で前記触覚ヘッドの傾斜側面に対し所定距離隔てて対峙する位置に配設する第２の電極部材と、前記第１の電極部材に電気的に接続する配線を有すると共に前記第２の電極部材に電気的に接続する配線を有し、前記素子基板の裏面に接合する配線基板とを備えることとしたものである。
【０００７】
前記触覚センサにおいて、前記素子基板の前記凹部を角錐台形状に形成すると共に、前記触覚ヘッドを、前記凹部に嵌合する少くとも三つの傾斜側面を有する形状に形成し、前記第２の電極部材を、前記触覚ヘッドの少くとも三つの傾斜側面に対し夫々所定距離隔てて対峙する位置に配設する少くとも三つの電極部材で構成し、該三つの電極部材の各々に電気的に接続する配線を、前記配線基板に形成するように構成するとよい。而して、このような触覚センサを構成する前記素子基板等を含む素子を一つのセンサ素子として、複数個のセンサ素子の非マトリクス配置が可能となる。
【０００８】
尚、前記触覚センサにおいて、前記配線基板に、前記素子基板の貫通孔に対応する貫通孔を形成し、両貫通孔が合致するように前記配線基板を前記凹部の底部裏面側に接合し、両貫通孔を前記第１の電極部材が挿通するように構成するとよい。
【０００９】
また、前記触覚センサにおいて、前記素子基板がシリコンウェハから成り、前記配線基板がポリイミドフィルムで形成したフレキシブル基板から成り、該フレキシブル基板の少くとも何れか一方の面上に、前記第１及び第２の電極部材に電気的に接続する配線を形成するとよい。そして、前記触覚ヘッド等を含めシリコンゴムでモールドするとよい。更に、前記触覚センサにおいて、前記第１の電極部材は前記触覚ヘッドに一体的に形成することとしてもよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１乃至図５は本発明の触覚センサの一実施形態に係るもので、図４に示す触覚センサ１を構成する複数のセンサ素子２の構造を図１乃至図３に示す。尚、一個のセンサ素子２のみによっても触覚センサとして機能するが、図４の触覚センサ１は非マトリクス配置の一例を示したものである。本実施形態では感圧材料の板体としてシリコンウェハの素子基板３が用いられており、図１及び図２から明らかなように表面側に四角錐台形状の凹部３ａが形成され、その底部３ｂの中央に貫通孔３ｃが形成されている。また、素子基板３の裏面側には、底部３ｂの周囲に断面Ｖ字状の凹部３ｄが形成されている。そして、素子基板３の凹部３ａには触覚ヘッド４が嵌合されている。
【００１２】
触覚ヘッド４は、導電性樹脂材料によって略四角錐台形状に形成され、凹部３ａに嵌合すると共に、各側面が凹部３ａの傾斜面に当接した状態で、曲面形状の頂部４ａが素子基板３の表面から突出するように構成されている。また、触覚ヘッド４が凹部３ａに嵌合された状態で、素子基板３の底部３ｂ上面と触覚ヘッド４の底面との間に所定の間隙ＡＧが形成されている。触覚ヘッド４の図１の下方側には、貫通孔３ｃを介して延出する棒状の第１の電極部材５が配設されており、その一端が触覚ヘッド４に接続されている。更に、触覚ヘッド４の傾斜面に対し所定距離（介在する素子基板３の厚さ分）を隔てて対峙する凹部３ｄの傾斜面には、例えばアルミニウムの蒸着によって各傾斜面毎に形成された四つの電極部材から成る第２の電極部材（代表して６で表す）が配設されている。
【００１３】
上記素子基板３及び触覚ヘッド４の製造に当たっては、先ずシリコンウェハが正方形に切断され、この正方形のシリコンウェハの表裏両面に対して異方性エッチング処理が行なわれ、夫々凹部３ａ及び凹部３ｄが形成される。即ち、シリコンウェハの両面の所定部分にマスクを施した上でアルカリ溶液を滴下することにより、シリコンの結晶方向によって決まる、例えば５５°の傾斜面の凹部が形成される。続いて、底部３ｂの中央に放電加工によって貫通孔３ｃが形成される。そして、間隙ＡＧ及び貫通孔３ｃに予めレジスト（図示せず）を充填しておき、溶融した導電性樹脂材料を凹部３ａ内に滴下し乍ら所定形状に形成し、これが固化すると図１に示す形状の触覚ヘッド４が形成される。この後、レジストが除去され、間隙ＡＧ及び貫通孔３ｃが表れる。尚、第１の電極部材５は小径であるため、これを触覚ヘッド４と一体的に形成することは困難ではあるが、両者を一体成形することも可能であり、製造方法によっては工程を短縮することができ、製造が容易となる。
【００１４】
素子基板３の底部３ｂの下面には、ポリイミドフィルムで形成されたフレキシブル基板７が接合されている。このフレキシブル基板７には第１の電極部材５を挿通する貫通孔７ａが形成されると共に、複数の貫通孔（代表して７ｂで表す）が形成されており、後者に導体９ｄが充填されている。また、フレキシブル基板７の一方の面には、例えばアルミニウムの蒸着によって、図３に示すように電源線９ａ及び接地線９ｂの配線が印刷形成されると共に、他方の面には複数の信号線（代表して９ｃで表す）が印刷形成され、本発明にいう配線基板が構成されている。尚、これらの配線をフレキシブル基板７の表裏逆の面に形成してもよく、あるいは何れか一方の面にまとめて形成することとしてもよい。
【００１５】
更に、素子基板３の底部３ｂの裏面には、図３に破線で示すように第２の電極部材６の各々から延出する信号線６ａと、これらの信号線６ａの各々に接続される例えば初段増幅器８が形成されている。そして、フレキシブル基板７が素子基板３の底部３ｂに接合される際には、接地線９ｂの先端部に形成され貫通孔７ｂ内に充填された導体９ｄが、低融点接合によって初段増幅器８に接合される。第１の電極部材５は接地線９ｂの環状の端部（図３参照）に対し摺動自在に当接しており、両者が電気的に接続されているが、両者間を柔軟な導体で接続することとしてもよい。
【００１６】
上記の構成になるセンサ素子２は１個のみでも触覚センサ１を構成することができるが、本実施形態の触覚センサ１は上記の構成のセンサ素子２を複数個備えたものである。即ち、図４に示すようにセンサ基板１０上に複数個のセンサ素子２が曲面に沿って自由に分布配置され、非マトリクス配置となっており、これらを包含するように例えばシリコンゴム１１によってモールド成形されている。
【００１７】
而して、図４に示す本実施形態の触覚センサ１においては、シリコンゴム１１の表面が押圧されると、その押圧力が各センサ素子２の触覚ヘッド４に伝達される。そして、各センサ素子２に対する押圧力に応じて触覚ヘッド４によって素子基板３の凹部３ａの傾斜面が押圧され、接地電極として機能する触覚ヘッド４と、信号電極として機能する第２の電極部材６の各々との間に介在する素子基板３の接触抵抗が変化する。これにより、触覚ヘッド４に対する圧力変化が抵抗変化に変換され、後述するように電圧出力として出力される。このとき、触覚ヘッド４と凹部３ａとの間は面接触であるので応力集中がなく、しかも第１の電極部材５は触覚ヘッド４の感圧方向と反対方向に延出し貫通孔３ｃ，７ａを挿通しており、触覚ヘッド４に対する押圧力が第１の電極部材５を介して分散することがないので、高精度で接触状態を検出することができると共に、非マトリクス配置が可能となる。
【００１８】
図５は各センサ素子２の検出回路を示すもので、触覚ヘッド４に対する押圧力は素子基板３の接触抵抗の変化に変換され、第２の電極部材６から初段増幅器８を経て、後述する検出回路２０から電圧信号として出力される。即ち、図５に示すように各センサ素子２の配線が検出回路２０に接続され、ここで入出力処理、記憶、演算が行なわれる。検出回路２０は、配線基板７を介して第２の電極部材６の各々に接続される変換回路（代表して２１で表す）を有すると共に、マイクロプロセッサ２２，メモリ２３，タイマ２４，インターフェース２５等を内蔵しており、インターフェース２５に各変換回路２１が接続されている。尚、各変換回路２１の出力については必要に応じ増幅、Ａ／Ｄ変換等が行なわれるが、これらの回路はインターフェース２５に包含されるものとし、説明は省略する。
【００１９】
而して、検出回路２０においては、各センサ素子２の出力が電圧信号に変換された後、マイクロプロセッサ２２で実行されるプログラムに従って各センサ素子２の３軸力が演算されると共に、必要に応じスリップ振動の有無が判定され、更に回転スリップと並進スリップの判別が行なわれる。この検出回路２０内の処理については従来と実質的に同じであるので説明を省略する。
【００２４】
【発明の効果】
本発明は上述のように構成されているので以下の効果を奏する。
即ち、請求項１の触覚センサにおいては、触覚ヘッドに一端が接続された第１の電極部材の他端が、素子基板の貫通孔を貫通して裏面側に延出するように構成されているので、配線に影響されることなく、良好な精度で検出対象の接触状態を検出することができる。更に、触覚センサが請求項２に記載のように構成されると、検出対象に対する３軸力を高精度で求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態の触覚センサを構成するセンサ素子の断面図である。
【図２】 本発明の一実施形態の触覚センサを構成するセンサ素子において触覚ヘッドを除いた状態の平面図である。
【図３】 本発明の一実施形態の触覚センサを構成するセンサ素子の底面図である。
【図４】 本発明の一実施形態の触覚センサの斜視図である。
【図５】 本発明の一実施形態における触覚センサの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 触覚センサ
２ センサ素子
３ 素子基板， ３ａ 凹部， ３ｂ 底部， ３ｃ 貫通孔
４ 触覚ヘッド
５ 第１の電極部材， ６ 第２の電極部材
７ フレキシブル基板
８ 初段増幅器
９ａ 電源線， ９ｂ 接地線， ９ｃ 信号線， ９ｄ 導体
１０ センサ基板
１１ シリコンゴム
２０ 検出回路

Claims (2)

1. 感圧材料の板体の表面に、傾斜側面を有し底部に向かって開口面積が漸減する凹部を形成すると共に、該凹部の底部を貫通する貫通孔を形成して成る素子基板と、該素子基板に形成した前記凹部に嵌合する傾斜側面を有すると共に前記凹部の底部に対し所定の間隙を隔てて保持する形状に導電材料で形成して成る触覚ヘッドと、該触覚ヘッドに一端を接続し他端を前記素子基板の貫通孔を貫通して前記素子基板の裏面側に延出する第１の電極部材と、前記素子基板の裏面側で前記触覚ヘッドの傾斜側面に対し所定距離隔てて対峙する位置に配設する第２の電極部材と、前記第１の電極部材に電気的に接続する配線を有すると共に前記第２の電極部材に電気的に接続する配線を有し、前記素子基板の裏面に接合する配線基板とを備えたことを特徴とする触覚センサ。
2. 前記素子基板の前記凹部を角錐台形状に形成すると共に、前記触覚ヘッドを、前記凹部に嵌合する少くとも三つの傾斜側面を有する形状に形成し、前記第２の電極部材を、前記触覚ヘッドの少くとも三つの傾斜側面に対し夫々所定距離隔てて対峙する位置に配設する少くとも三つの電極部材で構成し、該三つの電極部材の各々に電気的に接続する配線を、前記配線基板に形成することを特徴とする請求項１記載の触覚センサ。

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