JPH0273124A - 力覚圧力センサ - 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、多軸力及び圧力の検出を同時に行うもので産
業用ロボット等の分野で利用される力覚圧力センサに関
する。

従来の技術 従来、力覚センサや圧力センサ等のハイブリッドセンサ
を用いたものとして、例えば自動掃除ロボットなるもの
がある。これは、床面と接するブラシの取付けられた集
塵先端部にそのようなハイブリッドセンサとしての近接
センサを取付け、この近接センサにより障害物を検知し
て衝突を避けながら掃除を行っていくものである。

発明が解決しようとする問題点 しかし、上述したような近接センサが自動掃除ロボット
に取付けられたような装置の場合、小段差にブラシがぶ
つかってもその？＃撃を検知することができないためそ
のまま前進の動作を続けてしまい、その結果、ブラシの
摩耗や損傷を促進してしまうことになる。また、そのよ
うな近接センサの他に集塵先端部に接触スイッチを設け
たとしても、その設定位置によっては小段差を検出する
ことができずやはりそのまま前進の動作を続けるため、
この場合にもブラシの摩耗が生じるということや、或い
は、ロボット本体の車輪の空転やストップ状態を検知し
て次の行動（リターン、バック）をとらねばならないと
いう何らかの手段を講じなければならず、その分、装置
全体の構成が大掛かりとなり費用がかさむという問題が
ある。

問題点を解決するための手段 そこで、このような問題点を解決するために、本発明は
、中心部と周辺部とのいずれか一方を支持部とし他方を
作用部とする起歪体を設け、この起歪体の表面に検出面
が一面に形成された単結晶基板を接着固定し、検出面に
機械的変形により電気的抵抗を変化させる力検出素子を
その検出面の中心を通る複数の軸上に形成し、単結晶基
板の歪不感部に相当する箇所にダイヤフラムを形成し、
このダイヤフラム上に圧力検出素子を形成し、この圧力
検出素子の下部に位置する起歪体に圧力導入孔を設けた
。また、単結晶基板上に形成された圧力検出素子の周囲
に歪干渉防止用の溝を設けた。

作用 従って、力検出素子により多軸方向の力の成分力を検出
すると共に、圧力検出素子により圧力導入孔を通じて圧
力の検出を行うことができ、これにより、多軸力及び圧
力を同一の基板上で同時に検出することができるため、
部品コストを一層削減して小型、軽量な装置を得ること
ができしかも量産化することができるものである。また
、力検出素子と圧力検出素子との間には歪干渉防止用の
溝が形成されているため、力及び圧力の検出時における
互いの干渉をなくすことができ、これにより、検出精度
を−・段と上げることができるものである。

実施例 本発明の第一の実施例を第１図ないし第６図に基づいて
説明する。まず、力覚圧力センサの全体構成を第１図な
いし第４図に基づいて説明する。

単結晶基板１は、ｎ−３ｉ（１１０）基板よりなり正方
形状をしている。この単結晶基板１の一面は検出面２と
され、この検出面２には力検出素子３が形成されている
。これら力検出素子３は応力を受けて変形することによ
り抵抗率が変化する原理、すなわちピエゾ抵抗効果を利
用するものである。この場合、Ｒｘ□、　Ｒｘ、　、　
ＲＸ、　、　Ｒｘ、とＲＹｌｙ　ＲＹ＊　ｒＲＹ３　＋
　Ｒｙ＊なる力検出索子３は、＜００１＞軸方向に対し
て±４５°の角度をなす方向に形成されており、Ｒｚ、
、Ｒｚ、、Ｒｚ、、Ｒｘ４．Ｒｚ、、Ｒｚｓ、Ｒｚ、。

Ｒｚ、なる力検出素子３は、検出面２の中心を通る軸上
に中心に対して点対称となるように配置されている。

また、前記単結晶基板１の歪不感部に相当する中央部ａ
の箇所にはダイヤフラム４が形成されており、このダイ
ヤフラム４上には圧力検出索子５としての４個のＲ，、
、ＲＩｌ、、　Ｒ，３，Ｒ，４が形成されている。これ
ら圧力検出素子５はピエゾ抵抗効果を有する前記力検出
素子３と同じものからなり、第４図のようなブリッジ回
路が構成されている。

前記圧力検出素子５の形成された中央部ａの周囲には、
前記力検出素子３との間で生じる歪の干渉を防止するた
めの溝６が形成されている。

起歪体７は、円板状をなしており、周辺部が固定用ネジ
六８を備えた支持部９とされ、中心部は力伝達体１ｏが
形成された作用部１１とされている。この力伝達体１０
の周囲には円形の凹部からなる薄肉状の弾性変形面（ダ
イヤフラム）１２が形成されている。このダイヤフラム
１２の表面には前記単結晶基板１が接着固定されている
。また。

この接着固定により前記単結晶基板１のダイヤフラム４
の下部にできた空洞部１３に対応した位置の前記力伝達
体１０の内部には、圧力導入孔１４が形成されている。

前記力伝達体１０に作用する力としては、各軸方向、す
なわち、互いに直交するｘ、ｙ、ｚ方向に沿う力（Ｆｘ
、Ｆｙ、Ｆｚ）と、各軸回りのモーメント（ＭＸ、Ｍｙ
、Ｍｚ）との６成分があるが、これらのうちＭｘ、Ｍｙ
、Ｆｚの３成分を検出するために、各軸方向の力検出素
子３をそれぞれブリッジ結線した図示しないブリッジ回
路が構成されている。

そして、第６図に示すように、上述したような力覚セン
サと圧力センサとを同一の単結晶基板１に伴った力覚圧
力センサ１５は、その上部が自動掃除ロボット１６のリ
ニア駆動モータ部１７と連結され、その下部の力伝達体
１０は連結部材１８゜ゴム等からなる緩衝部材１９を介
してブラシ本体２０と接続されている。このブラシ本体
２０の下部にはブラシ２１が取付けられており、また、
その上部には伸縮ベローズ２２が取付けられ、この伸縮
ベローズ２２は掃除機本体２３の吸引パイプ２４に接続
されている。この吸引パイプ２４の外部側面には前記リ
ニア駆動モータ部１７が接続されている。また、前記吸
引パイプ２４の内側にはサンプリング圧（負圧）を導入
するサンプリング圧導入孔２５が設けられており、この
サンプリング圧導入孔２５は圧力導入チューブ２６を介
して、前記力覚圧力センサ１５の前記力伝達体１０に形
成された前記圧力導入孔１４に接続されている。

このような構成において、自動掃除ロボット１６に取付
けられた力覚圧力センサ１５の働きについて説明する。

床面２７上をブラシ本体２０が前進していくと、吸引さ
れたゴミや空気は吸引パイプ２４内に吸い込まれていく
。この時、その吸引パイプ２４内に設けられたサンプリ
ング圧導入孔２５からその吸引時の真空圧が圧力導入チ
ューブ２６、圧力導入孔１４を順次介して、単結晶基板
１のダイヤフラム４の下部に形成された空洞部１３に導
かれる。この空洞部１３の真空度に応じてダイヤフラム
４の形状が変形し、これによりその真空吸引力は圧力検
出索子５により構成されるブリッジ回路（第４図参照）
により検出電圧■。として出力される。

この時、ブラシ本体２０が床面２７の凹凸状態（特に、
大きな窪み）があるところに来ると、真空吸引力が平坦
なところに比べ一段と低下し掃除能力が低下する。これ
により、ダイヤフラム４下部の空洞部１３内の真空度は
下がり、この真空度の変化を圧力検出素子５より構成さ
れるブリッジ回路の検出電圧■。により検出して、その
検出電圧■。の値に応じてリニア駆動モータ１７を駆動
してブラシ２１を下方（矢印Ａ）に押し付けその吸引力
を上げる。このように、圧力検出素子５を用いて真空圧
モニタを行うことによって最適な押し付は力を得ること
ができるため、ブラシ２１の損傷や摩耗を低減させるこ
とができる。

また、従来技術で述べたような近接センサでは検知する
ことができなかったような小段差でも力覚センサを用い
たことによって、その押圧力（矢印Ｂに示すようなモー
メントの発生）の作用により力の方向と大きさを知るこ
とができるようになり、これにより、そのような小段差
に衝突した際にブラシ２１を上昇（矢印Ｃ）して最適な
押し付は力を得ながら進行を続けるか、又は、その進路
を避けて別の進路をとるか、さらには、警報を出す等の
各種の処置をとることができる。

なお１本実施例においては、圧力検出素子５を単結晶基
板１の中央部ａの不感部に作成したがこれに限るもので
はなく、第５図に示すように、単結晶基板１の端部すの
不感部の箇所に作成するようにしてもよい、この場合に
も、そのダイヤフラム２８の下部に位置する箇所の起歪
体７の内部に圧力導入孔２９を作成する。

次に、本発明の第二の実施例を第７図及び第８図に基づ
いて説明する。本実施例は、力覚圧力センサ１５を昇降
機に応用した場合の例である。なお、力覚圧力センサ１
５は、第一の実施例と同じものを使用することができる
のでここでの説明は省略し、同一部分ついては同一符号
を用いて説明する。

まず、昇降機３０の全体構成について説明する。

力覚圧力センサ１５の上部は、昇降機３０のロボットア
ーム部３１に取付けられ、その下部の力伝達体１０には
先端にゴム製の弾性体密着パッド３２を有するパッド本
体３３と連結されている。このパッド本体３３には真空
吸引パイプ３４が取付けられており、また、そのパッド
本体３３の上部には圧力導入チューブ３５が設けられ、
この圧力導入チューブ３５は力覚圧力センサ１５の図示
しない圧力導入孔に接続されている。また、前記力覚圧
力センサ１５には、力覚用及び圧力用の信号を検出する
ためのフレキシブルケーブル３６が接続されている。

このような構成において、昇降機３０に取付けられた力
覚圧力センサ１５の働きについて説明する。まず、圧力
センサは、ワーク（リフトアップを行う物体）３７の表
面状態に起因する真空度のモニターを行いながら、規定
の押し付は圧で真空吸引を開始し、規定の真空圧になっ
たかどうかの判断を行わせるために用いる。この場合、
ワーク３７表面に溝３８があるような箇所ではその吸引
力は規定値に達しないため、パッド本体３３を正常な吸
引力が回復する箇所に移動させて吸引を行わせることが
できる。また、力覚センサは、ワーク３７にパッド本体
３３を押し付ける時の押し付は圧力のモニタ及び吸引上
昇（下降）時の把持重量のモニタを行うために用いる。

なお、このような昇降時における一連の動作説明を第９
図のフローチャートに示しておく。

なお、本発明である力覚圧力センサの応用例としては上
述したような実施例の他に、起歪体７の力伝達体１０の
先端に重りを付加して平面傾斜センサと、絶対圧力セン
サ（第８図に示すように、圧力導入孔１４を真空にした
後、栓３９で封止したもの）とを一体化して構成した表
示ユニット系への応用や、飛行機や自動車等への応用も
考えられる。

発明の効果 本発明は、中心部と周辺部とのいずれか一方を支持部と
し他方を作用部とする起歪体を設け、この起歪体の表面
に検出面が一面に形成された単結晶基板を接着固定し、
検出面に機械的変形により電気的抵抗を変化させる力検
出素子をその検出面の中心を通る複数の軸上に形成し、
単結晶基板の歪不感部に相当する箇所にダイヤフラムを
形成し、このダイヤフラム上に圧力検出素子を形成し、
この圧力検出素子の下部に位置する起歪体に圧力導入孔
を設けたので、力検出素子により多軸方向の力の成分力
を検出すると共に、圧力検出素子により圧力導入孔を通
じて圧力の検出を行うことができ、これにより、多軸力
及び圧力を同一の基板上で同時に検出することができる
ため、部品コストを一層削減して小型、軽量な装置を得
ることができしかも量産化することができるものである
。

また、力検出素子と圧力検出素子との間には歪干渉防止
用の溝が形成されているため、力及び圧力の検出時にお
ける互いの干渉をなくすことができ、これにより、検出
精度を一段と上げることができるものである。

す起歪体中央部分の縦断側面図、第９図は第７図の動作
状態の一例を示すフローチャートである。

１・・・単結晶基板、２・・・検出面、３・・・力検出
素子。

４・・・ダイヤフラム、５・・・圧力検出素子、６・・
・溝、７・・・起歪体、９・・・支持部、１１・・・作
用部、１４゜２９・・・圧力導入孔、ａ、ｂ・・・歪不
感部

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の第一の実施例を示す単結晶基板
の平面図、第１図（ｂ）はその中央部の拡大平面図、第
２図は力覚圧力センサの全体構成を示す縦断側面図、第
３図はその単結晶基板の中央部を拡大した縦断側面図、
第４図は圧力検出素子のブリッジ回路図、第５図は圧力
センサを単結晶基板の端部に形成した場合の様子を示す
縦断側面図。 第６図は力覚圧力センサを自動掃除ロボットに取付けた
場合の様子を示す一部を切り欠いた側面図。 第７図は本発明の第二の実施例を示す斜視図、第８図は
絶対圧力センサに応用した場合の様子を示出　願　人　
　　　株式会社　リ　コ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、中心部と周辺部とのいずれか一方を支持部とし他方
   を作用部とする起歪体を設け、この起歪体の表面に検出
   面が一面に形成された単結晶基板を接着固定し、前記検
   出面に機械的変形により電気抵抗を変化させる力検出素
   子をその検出面の中心を通る複数の軸上に形成し、前記
   単結晶基板の歪不感部に相当する箇所にダイヤフラムを
   形成し、このダイヤフラム上に圧力検出素子を形成し、
   この圧力検出素子の下部に位置する起歪体に圧力導入孔
   を設けたことを特徴とする力覚圧力センサ。 ２、単結晶基板上に形成された圧力検出素子の周囲に歪
   干渉防止用の溝を設けたことを特徴とする請求項１記載
   の力覚圧力センサ。