JPH02157626A - 分布型圧覚センサ - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、分布型圧覚センサに関し、詳しくは、ロボッ
トハンド等の表面に取付けられ、ロボットハンド等が物
体を把持するときに加えられる力の分布を検出すること
のできる分布型圧覚セ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従来
の分布型圧覚センサとして、検出素子に導電性のゴムま
たはプラスチックを用いたものや、ホール素子を磁石の
対向位置に設け、ホール素子を保持するセンサヘッドに
垂直方向の力を加えたときのホール素子の変位により、
その磁束密度が変化するのを検出するようにしたもの等
が知られている。

しかし、検出素子に導電性ゴム等を用いたものはセンサ
出力が非線形になることや力の分布を高密度に検出しよ
うとすると配線密度が多くなってしまう欠点があり、ま
た、ホール素子を用いたものは構造が複雑なために小型
化が困難なことや把持物が磁性体であるか非磁性体であ
るかによって出力感度が異なってしまうという欠点があ
る。

ところで、近年ではロボットハンド等に取付けて、その
触覚的検知により把持力の大きさと共に面圧分布の情報
が垂直方向のみならず水平方向においても得られるよう
にした分布型圧覚センサの開発が進められており、本出
願人は先に第４八図〜第４Ｃ図に示すような半導体基板
を加工してなる分布型圧覚センサを提案した。

第４Ａ図はそのセンサを半導体基板であるシリコンウェ
ハの裏面側から見た図であり、本例の場合はセンサを２
×２のアレイとして構成した場合を示す。ここで、３０
は分布型圧覚センサであり、分布型圧覚センサ３０はシ
リコウェハから切出して形成され、その左半分が検出部
３０Ａ１右半分が信号処理部３０Ｂである。このように
分布型圧覚センサ３０の裏面における検出＄３０Ａの側
の斜線を施して示した部分にＹ方向の深溝部３１および
Ｘ方向の深溝部３２を同−深さでダイサ等により穿削加
工し、更に、これらの深溝部３１および３２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３３を放
電加工またはレーザ加工により形成する。また、第４八
図で点々を付して示した部分は、浅溝部３４であり、浅
溝部３４はＸおよびＹ方向に深溝部３２および３１を形
成した後、図示の部分を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圧覚センサ３０の裏面側に施す
ごとによって検出部３０＾に４個の突起部３５を備えた
後述する梁を形成することができる。

た、第４Ｃ図は第４Ａ図のＱ−Ｑ矢視断面を示したもの
であり、第４Ｃ図において深溝部３２、浅溝部３４、お
よび突起部３５によって長方形貫通孔３３により隔絶さ
れたＹ方向の梁４１が形成される。

第５図は分布型圧覚センサ３０をシリコンウェハの表面
側から見た図である。第５図において、８個の長方形貫
通孔３３により二つのＸ方向の梁４０゜４０と二つのＹ
方向の梁４１．４１が形成されていることが分る。しか
して、これらのＸ方向の梁４０およびＹ方向の梁４１に
この図に示すように合計１６個のストレンゲージ４２を
配設する。

そこで次に、このようにして構成されたＸ方向の梁仔お
よびＹ方向の梁■において、その突起部３５に力が加え
られたときの荷重を検出する原理を第６〜第９図に従っ
て説明する。

いま、第６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ｌＯを有する梁１１のその突起部ｌ
Ｏに、垂直方向の力ＦＶを加えたとすると、梁１１の下
面に第７図に示すような分布の歪が発生する。

は圧縮歪を表わしている。

そこで、第６図の点Ａ−Ｄでの歪を第７図および第９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７図に示すようにＡ点およ
びＤ点で一α［μ５ｊｒａｉｎｌ　、またＢ点および０
点でβ［μ５ｔｒａｉｎｌとなる。すなわち梁の対称性
を考慮すればＡ、ＤおよびＢ、０点での歪は等しい。

また水平方向の力が加わった時に発生する歪は、第９図
に示すようにＢ点およびＤ点で一γ［μ５ｔｒａｉｎ］
　、Ａ点および０点でδ［μ５ｔｒａｉｎｌ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＋β Ｂ点　　　　β−下 ０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−（（−α＋
β）−（β−下））◆（（−α−γ）−（β＋６））−
−２（α＋β）（１） ｃＡ点の歪−Ｂ点の歪）−（Ｄ点の歪−０点の歪）・（
（−α＋β）−（β−下））ｌ（−α−γ）−（β＋６
））・２（γ＋δ）（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−０点の歪）は、Ｄ点に形成したス
トレンゲージと０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１Ｏ図に示すようにＡ点のストレンゲージ２１とＢ
点のストレンゲージ２２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２３と０点のストレンゲ
ージ２４とにより第２の八−ツブリッジを形成し、それ
ぞれのハーフブリッジからの出力の和をそこで再び第５
図に戻り、分布型圧覚センサ３０の表面に形成したスト
レンゲ−９４２間に第１Ｏ図に示したハーフブリッジを
構成し、信号処理部３■に第１０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４０に設けたス
トレンゲ−９４２群により分布型圧覚センサ３０の表面
側に発生する垂直方向の分力と、水平方向でかつＸ方向
の分力とを検出することができる。またＹ方向の梁４１
に設けたストレンゲ−９４２群により、分布型圧覚セン
サ３０の表面側に発生する垂直方向の分力と、水平方向
でかつＹ方向の分力とを検出することができる。

を第５図に示すように市松模様に配列しているため、垂
直方向の分力を四つの梁から、また、Ｘ方向の分力を対
角位置にある二つの梁から、さらにまたＹ方向の分力を
別の対角位置にある二つの梁からそれぞれ検出できる。

かくして加えられた力の、分布型圧覚センサ３０に対す
る垂直方向の分力と、水平方向でかつＸ方向の分力およ
び水平方向ところで上述した形態の３方向分力検出型の
分布型圧覚センサの場合、各センサ素子間で比較的大き
な干渉が生ずる、という解決すべき課題が残されていた
。

第１１図は第５図に示したようにしてセンサ素子を構成
しているＸ方向の梁４０およびＹ方向の梁４１（以下で
センサ素子粱５０という）と、その固定端を支持する支
持梁部６０との取合部を示す図である。第１１図から分
かるように支持梁部６０の深溝部３１．３２に相当する
薄肉部６１における幅および肉厚は、センサ素子梁すの
やはり深溝部３１．３２に相当する薄肉部５１のそれら
と全く同じであり、支持梁としての曲げおよび捩れ剛性
が十分であるとは言えない。このため・に突起部３５に
荷重が負荷された場合、支持梁部６０に比較的大きい撓
みと欧れが生じ、この影響で隣接する他のセンサ素子梁
５０にも変形が生じて干渉出力が発生する。従って上述
の分布型圧覚センサでは、各センナ素子間の干渉により
、センナに負荷される荷重分布が十分正確に検出できな
いという問題点があった。

−互いに干渉し合うことな（正確な荷重分布が検出でき
る分布型圧覚センサを提供することにある。

型圧覚センサを、半導体基板上の互いに直交するＸ方向
およびＹ方向に複数組の対をなす長方形貫通孔をそれぞ
れ並列させて交互に穿設すると共に、対をなす長方形貫
通孔の間にＸ方向およびＹ方向のセンサ素子梁を構成し
、半導体基板の一方の面におけるセンサ素子梁の各々の
スパン中央に突起部を設けると共に、センサ素子梁の突
起部の両側に薄肉部を形成し、薄肉部のさらに両端部を
それぞれ当該薄肉部より厚さが厚く、かつ、幅の広い支
持梁部の中央部によって支持されるようになし、半導体
基板の他方の面におけるセンサ素子梁に複数のストレン
ゲージを配設して、複数のストレンゲージにより突起部
に加えられた力の半導体基板に対する垂直方向の分力、
Ｘ方向およびＹ方向の分力が検出可能なようになし、複
数のスト（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、分布（作　用
） 本発明によれば、支持梁部の幅および肉厚をセンサ素子
梁の突起部を除く梁部に比して十分大きくしたことによ
り支持梁部の曲げおよび捩れ剛性をセンサ素子梁に比し
て高く保つことができ、センサ素子梁に荷重が負荷され
た場合の支持梁部のたわみや涙れが抑制されるので支持
梁部を介して他のセンサ素子梁にその影響が伝達されず
、従ってセンサ素子間の出力にかかわる干渉をなくすこ
とができる。

（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１Ａ図〜第１Ｃ図は本発明の一実施例を示し、第１Ａ
図はその分布型圧覚センサ１を半導体基板であるシリコ
ンウェハの裏面側から見た図、第１Ｂ図および第１Ｃ図
は第１Ａ図のＰ−Ｐ矢視断面およびＱ−Ｑ矢視断面を示
す、このような分布型圧覚セＬｍす１を得るにあたって
は、先に第５図に示した上図水せず）。かくして、シリ
コンウェハ２の裏面側から放電またはレーザ等による加
工機でストレンゲージを含むセンサ素子梁５となる部分
および支持梁部６に対応する部分を残すようにして長方
形貫通孔３を穿設し、第２Ａ図のような状態とする。

次に、第２Ｂ図に示すようにしてセンサ素子梁５のスパ
ン中央に突起部７を残すように両側に放電加工等によっ
て深溝８Ａを形成し、この深溝８＾によってセンサ素子
梁５の薄肉部８が得られるようにする。しかる後、第１
八図に点々を施して示した部分をダイサ等の加工機によ
り浅漬加工し、これらの浅漬９Ａによって支持梁部９を
形成する。

すなわち本例の分布型圧覚センサ１では、従来技術のよ
うにダイサによる深溝加工を行わず、放電加工によりセ
ンサ素子梁５にのみ深溝８Ａを形成して薄肉部８とする
ため、支持梁部９には第３図に示すように薄肉部が形成
されず、センサ素子梁５に比し十分な肉厚が得られる。

また支持梁部９はセンサ素子梁５に比して十分な幅を保
持するこよって高められたことが理解されるよう。従っ
て支持梁部９の高い剛性により、本発明による分布型圧
覚センサ１では各センサ素子間の干渉を非常に小さくで
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、分布型圧覚
センサを、半導体基板上の互いに直交するＸ方向および
Ｙ方向に複数組の対をなす長方形貫通孔をそれぞれ並列
させて交互に穿設すると共に、対をなす長方形貫通孔の
間にＸ方向およびＹ方向のセンサ素子梁を構成し、半導
体基板の一方の面におけるセンサ素子梁の各々のスパン
中央に突起部を設けると共に、センサ素子梁の突起部の
両側に薄肉部を形成し、薄肉部のさらに両端部をそれぞ
れ薄肉部より厚さが厚く、かつ、幅の広い支持梁部の中
央部によって支持されるようになし、半導体基板の他方
の面におけるセンサ素子梁（複数のストレンゲージを配
設して、これら複数のストレンゲージにより突起部に加
えられた力の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方向の分力が検出可陸なようになし、複
数のストレンゲージからの検出信号を処理する信号処理
回路を半導体基板の他方の面の一部に形成してなるもの
とした。よって、支持梁部の剛性を高めることができ、
センサ素子間の干渉を抑制し、密度高く配置された各セ
ンサ素子から正確に力の分布を検知することが可能とな
った。

【図面の簡単な説明】

第１八図は本発明の分布型圧覚センサの半導体基板の構
成の一例を裏面側から見て示す平面図、第１Ｂ図は第１
＾図のｐ−ｐ矢視断面図、第１Ｃ図は第１Δ図のＱ−Ｑ
矢視断面図、第２Ａ図は第１八図に示す分布型圧覚セン
サの貫通孔加工状態を示す図、 第２Ｂ図は第２八図の状態から更に薄肉部を形成した状
態を示す図、 第３図は本発明にがかるセンサ素子梁と支持梁部との相
対関係を示す斜視図、 第４八図は分布型圧覚センサの構成の一例を裏面側から
見て示す平面図、 第４Ｂ図は第４八図のｐ−ｐ矢視断面図、第４Ｃ図は第
４Ａ図のＱ−Ｑ矢視断面図、 第５図は第４Ａ図に示す分布型圧覚センサにおけるスト
レンゲージの配置口、 第６図〜第９図は第４Ａ図〜第４Ｃ図に示す分布型圧覚
センサによる３分力検出原理を説明する図、 第１θ図は第４八図〜第４Ｃ図に示す分布型圧覚センサ
におけるストレンゲージからの信号を処理する信号処理
回路の構成図、 第１１図は第４Ａ図〜第４Ｃ図に示す分布型圧覚センサ
におけるセンサ素子梁と支持梁部との相対関係を示す斜
視図である。 ｌ、３０・・・分布型圧覚センサ、 ３．３３・・・長方形貫通孔、 ５・・・センサ素子梁、 ７・・・突起部、 ８・・・薄肉部、 ８Ａ・・・深溝、 ９・・・支持梁部、 ９＾・・・浅溝、 ３〇八・・・検出部、 ３０Ｂ・・・信号処理部、 ４２・・・ストレンゲージ。 ３長方形貢ｉｔル 滞司そ明のみ子型旦賞七ン寸０午導准ト基扱０構族０−
イ列と真面准１１力゛ｂ見て示す平面区第１Ａ図 ７東都部 慧ＩＡ口ｆ）Ｐ−Ｐ欠キｙＬ灯面図 第１Ｂ図 ）ＡＩＡ回ｆ）Ｑ−Ｑ天榎謝τ士凹 第１Ｃ図 監 恢 ７タ部飾 才４ご明１ニガで゛ろだンサ宗壬粱と支拷駅３下ヒ０キ
ジ・丁関イホと示す肴升視区第 図 ３５　多【哀己賓下 ）ＡＡＡ目／）Ｐ−Ｐ大キ見「面図 第４Ｂ図 ４４Ａ図の Ｑ−Ｑ欠」見きＩＴ面区 第４Ｃ図 ３３蓑万千貫通犯 第４Ａ図 第４ＡＩ１２１し：示Ｔ４ト予−！ユ覚でン文１；ｂ゛
１するス）レン’７−ヅＯ６ｆ：ｔｃ２１ 第５ 図 丘貢亡ン７Ｉ：；る３分乃序爽二原理と貌明Ｔる図％４
Ａ１２Ｉ−第＋ｃ区シ；、ホＴ＋’ｌ”ｊｆｆｉ’ｌｊ
１：ン’７＋：ｈ’ｉ６ストレンケーヅ乃゛らのイ言号
とメユ王ＩＨ６づ苫８丸５里凹シ４の構瓜図 第１Ｏ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）半導体基板上の互いに直交するＸ方向およびＹ方向
   に複数組の対をなす長方形貫通孔をそれぞれ並列させて
   交互に穿設すると共に、前記対をなす長方形貫通孔の間
   に前記Ｘ方向およびＹ方向のセンサ素子梁を構成し、 前記半導体基板の一方の面における前記センサ素子梁の
   各々のスパン中央に突起部を設けると共に、前記センサ
   素子梁の前記突起部の両側に薄肉部を形成し、 該薄肉部のさらに両端部をそれぞれ当該薄肉部より厚さ
   が厚く、かつ、幅の広い支持梁部の中央部によって支持
   されるようになし、 前記半導体基板の他方の面における前記センサ素子梁に
   複数のストレンゲージを配設して、該複数のストレンゲ
   ージにより前記突起部に加えられた力の前記半導体基板
   に対する垂直方向の分力、前記Ｘ方向およびＹ方向の分
   力が検出可能なようになし、 前記複数のストレンゲージからの検出信号を処理する信
   号処理回路を前記半導体基板の他方の面の一部に形成し
   てなることを特徴とする分布型圧覚センサ。