JPH0275924A - 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藺し、詳しくはロボット
ハンド等の表面に取りつけられ、ロボットハント等が物
体を把持する時に、加えられる力の検出が可能な分布型
圧覚センサに関する。

［従来の技術］ 従来、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分布型の圧覚センサ
として、検出素子に導電性を有するゴムまたはプラスチ
ックを用いたものが提案されている。第１２図はその１
例を示し、本例は、互いに直交させるように細い導電性
ゴム条１および２を２層にして組合わせたものである。

この圧覚センサのゴム条配列面に対して垂直方向の力が
加わると、導電性ゴム条１と２との接触部分の面積が増
加し抵抗が変化する。従って第１３図に示すように電圧
端子３に、例えば５ｖの電圧を１０００Ωの抵抗４を介
して印加しておき、出力点５ａの電圧変化を測定するこ
とにより、加えられた力の大きさを知ることができる。

また第１４図は別の例で、ホール素子６を川石７の対向
位置に設け、センサヘット８に垂直方向の力か加わった
時にホール素子６をばね９のばね力に抗して変位させ、
ホール素子６における６層束密度が変化するのをホール
素子６により検出することで、加えられた力の大きさを
知るものである。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら第１２図に示したような導電性ゴムを用い
た分布型圧覚センサでは、加えられた力に比例して接触
部分の面積が変化するとは限らないため、接触部分の抵
抗値変化が力に比例せずセンサ出力が非線型になること
、および電圧端子３、グランド端子４３、出力端子５を
それぞれのゴム条１と２に接続しなけらばならないため
、力の分布を高密度に検出しようとすると配線数が多く
なってしまうという欠点がある。また、第１４図に示し
たような圧覚センサでは、構造が複雑であるため小型化
が困難であることや、被把持物体が６層性体であるか非
磁性体であるかにより、出力感度が異るという欠点を有
していた。

本発明の第１の目的は、加えられた力をセンサ表面に垂
直方向の分力と水平方向の分力とに分解して検出できる
圧覚センサ素子をアレイ状に配列した分布型圧覚センサ
を提供することにある。

更に本発明の第２の目的は、上に述べた機能を有する圧
覚センサ素子の小型化を図り、高分布密度の素子を有す
る分布型圧覚センサを提供することにある。

更にまた本発明の第３の目的は、そのリード線の数を少
なくすることのできる分布型圧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方向に複数組の対をな
す長方形貫通孔をそれぞれ並列させて穿設すると共に、
対をなす長方形貫通孔の間にＸ方向およびＹ方向の梁部
を構成し、半導体基板の一方の面における梁部の各々の
スパン中央部に突起部を設け、突起部の両側に薄肉部を
形成すると共に薄肉部のさらに両側にそれぞれ梁支持部
を形成し、半導体基板の他方の面における梁部に複数の
ストレンゲージを形成して、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た
ことを特徴とする。

［作　用］ 本発明によれば、半導体基板の一方の面にストレンゲー
ジを形成し、その他方の面に溝と、基板を貫通する長方
形貫通孔を穿設して、上記のストレンゲージを有する縦
横方向の独立した微小な梁構造を形成したことによって
、梁構造に力を加えると梁が撓み、ストレンゲージの抵
抗値が変化することから、加えられた力の大きさを検出
することができる。

更にまた、同一の半導体基板上に、スキャナ。

差動増幅器、加算増幅器等の信号処理回路を形成するこ
とにより、アレイ状に形成したセンサ素子の選択、セン
サへの垂直方向の分力の演算、および水平方向の分力の
演算を行うことができると共に、リード線の数を減少さ
せることができる。

［実施例］ 第１図は本発明の詳細な説明したものである。

いま、第１図に示すように、両端が固定され、その中心
部に突起部ｌＯを有する梁１１のその突起部１０に、垂
直方向の力Ｆｖを加えると、梁１１の下面に第２図に示
すような分布の応力が発生する。

また第３図に示すように、同じ梁１１に水平方向の力Ｆ
Ｈを加えると、梁１１の下面に第４図に示すような分布
の応力が発生する。なお、これらの第２図および第４図
において、十記号は引張応力、−記号は圧縮応力を表わ
している。

そこで、第１図の点Ａ−Ｄでの応力を第２図および第４
図でみてみると、いずれの点においても大きな応力が発
生し、垂直方向の力に対しては第２図に示すようにＡ点
およびＤ点でαｋｇ／ｆｆ＋ｍ’、またＢ点およびＣ点
でβｋｇ／ｍｍ’となる。すなわち梁の対称性を考慮す
ればＡ、Ｄ点およびＢ、Ｃ点での応力は等しい。

また水平方向の力が加わった時に発生する応力は、第４
図に示すようにＢ点およびＤ点で一γｋｇ／ｍｏｂ２．
　Ａ点およびＣ点で６ｋｇ７ｍｍ２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点の応
力は以下のようになる。

Ａ点　　−α＋β Ｂ点　　　β−γ Ｃ点　　　α＋β Ｄ点　　−α−γ よって、Ａ−Ｄ点にストレンゲージを形成して、各点で
の応力を測定し、次の式（１）および（２）に従って計
算すれば垂直方向の力と水平方向の分力とを同時に検出
することができる。

（Ａ点のシカ−Ｂ点の応力）÷ＣＤ点の応力−Ｃ点の応
力）−（（−α＋β）＝（β−γ）ｌ＋（（−α−γ）
−（α＋β））−一２（α＋β）　　　　　　　　　　
　　（１）（Ａ点のシカ−Ｂ点の応力）−（Ｄ点の応力
−Ｃ点の応力）−（（−α＋β）−（β−γ））−（（
−α−γ）−（β＋６））・２（γ＋δ）　　　　　　
　　　　　　　（２）すなわち式（１）により垂直方向
の力を同定し、式（２）により水平方向の力を同定する
ことができる。

なおこれらの式中の項（Ａ点のシカ−Ｂ点の応力）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点の応力−Ｃ点の応力）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５図に示すようにＡ点のストレンゲージ２
１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Ｃ点のスト
レンゲージ２４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２５により計算すれば垂直方向分力信号２６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２７により計算すれば、水平方向分力信号２８
が得られる。

次に、上述した原理に基づいて構成する分布型圧覚セン
サの具体的構造について説明する。

第６図は本発明による分布型圧覚センサの構成の一例を
示し、本例はセンサをその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。

なおアレイの大きさは２×２に限られるものではなく、
本発明の意図を逸脱しない限り任意の大きさのアレイに
することができる。ここで、且は分布型圧覚センサであ
り、分布型圧覚センサ３ｏはシリコンウェハから切出し
て形成され、その左半分が検出部３０＾、右半分が信号
処理部３０［１である。このように分布型圧覚センサ其
の裏面における検出部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−深さて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６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且の裏面側に施すこ
とによって検出部３０＾に４個の突起部３５を備えた梁
を形成することができる。

第７図は第６図のＰ−Ｐ断面を示したものであり、第７
図から分るように深溝部３１、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Ｘ方
向の梁Ｕが形成される。また、第８図は第６図のＱ−Ｑ
断面を示したものであり、第８図において深溝部３１、
浅溝部３４、および突起部３５によって長方形貫通孔３
３により隔絶されたＹ方向の梁Ｕが形成される。

第９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９図において、８個の長方形貫
通孔３３により２つのＸ方向の梁仔。

りと２つのＹ方向の梁見、■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４ｏおよびＹ方向
の梁Ｕの第１図で示したＡ〜Ｄ点に対応する位置にこの
図に示すように合計１６個の半導体ストレンゲージ４２
を配設する。なお、分布型圧覚センサ其の右半分は、第
５図に示したような電子回路が形成された信号処理部３
０Ｂである。

このような構成において、突起部３５に力を加えると、
力の方向に応じてＸ方向の梁ＱおよびＹ方、向の梁見に
は第２図および第４図に示したような応力が発生する。

そこで、分布型圧覚センサ３０の表面に形成した半導体
ストレンゲージ４２間に第５図に示したハーフブリッジ
を構成し、信号処理部３０Ｂに第５図のような信号処理
回路を配設することによって、Ｘ方向の梁些に設けたス
トレンゲ−９４２群により分布型圧覚センサ其の表面側
に発生する垂直方向の応力と、水平方向でかつＸ方向の
応力コンポーネントとを検出するどとができる。

またＹ方向の梁Ｕに設けたストレンゲ−９４２群により
、分布型圧覚センサ其の表面側に発生する垂直方向の応
力と、水平方向でかつＹ方向の応力コンポーネントとを
検出することができる。

なお、本例ではＸ方向の梁ＵとＹ方向の梁すとを第９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
応力を４つ梁から、また、Ｘ方向の応力コンポーネント
を対角位置にある２つの梁から、さらにまたＹ方向の応
力コンポーネントを別の対角位置にある２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
覚センサ其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でかつＹ方向の分力を高密
度の分布で検出することができる。

第１θ図および第１１図は別の実施例を示し、第６図と
同様の個所には同一符号が付しである。本例はＸ方向の
梁４０を１つの行方向にまとめて配列し、Ｙ方向の梁旦
を次の行位置で列方向に配置したもので、このように分
布型圧覚センサ且を構成することにより、Ｘ方向の分力
およびＹ方向の分力のそれぞれの横方向の分布を検出す
ることができる。

［°発明の効果］ 以上説明してきたように、本発明によれば、半導体基板
に対をなし並列させた長方形貫通孔をＸ方向およびＹ方
向に配設して、対をなす長方形貫通孔の間に梁を形成し
、半導体基板の一方の面において、上記の梁のスパン中
央部に加圧部としての突起部を形成すると共に突起部の
両側を薄肉部にし、更に薄肉部の両端部に梁支持部を形
成し、半導体基板の他方の面において上記の梁に複数の
ストレンゲージを形成して、これらのストレンゲージを
介し、上記の突起部に加えられた力の垂直方向およびＸ
方向、Ｙ方向の分力が検出可能なようにしたので、高密
度に分布形成されたセンサ素子により加えられた力を垂
直方向、水平方向の分力に分解して検出することができ
、 また、ストレンゲージからの検出信号処理回路を同一の
半導体基板面に形成することができるので、リート線の
配線が少なくてすみ、小壁てしかも高密度で力の分布を
検出することのできる分布型圧覚センサの提供が可能と
なった。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は本発明の詳細な説明する図であり、 第１図は両端固定梁構造に垂直方向の力がかかった状態
を示す図、 第２図は第１図の場合に梁の下部に発生する応力の分布
図、 第３図は第１図に示す梁構造に水平方向の力がかかった
状態を示す図、 第４図は第３図の場合に梁の下部に発生する応力の分布
図、 第５図は本発明によるストレンゲージからの信号処理回
路の構成図、 第６図は本発明分布型圧覚センサの半導体基板の構成の
一例を加圧側から見て示す平面図、第７図は第６図のＰ
−Ｐ線断面図、 第８図は第６図のＱ−Ｑ線断面図、 第９図は第６図に示す分布型圧覚センサにおけるストレ
ンゲージの配置図、 第１０図は本発明の他の実施例による半導体基板を加圧
側から見て示す平面図、 第１１図は第１Ｏ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図、 第１２図は従来の分布型圧覚センサの構成の一例を示す
斜視図、 第１３図は第１２図に示ず分布型圧覚センサでの配線図
、 第１４図は従来の別の形態の圧覚センサの構成図である
。 ２１〜２４・・・ストレンゲージ、 ２５・・・加算増幅器、 ２７・・・差動増幅器、 其・・・分布型圧覚センサ、 ３〇八・・・検出部、 ３０Ｂ−・・信号処理部、 ３１．３２　　・・・ン朶溝部、 ３３・・・長方形貫通孔、 ３４・・・浅溝部、 ３５・・・突起部、 ４０．４１・・・Ｘ方向の梁、Ｙ方向の梁、４２・・・
ストレンゲージ。 第６図 ３５９疋己郵 第７図 第８図 第９図 ４０　　Ｘ１１８１ｆ）？ 第１１図 １４電柱フーム七 第１２図 第１３図 ８４ンサへ−斗

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
   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方向の梁部を構成し、 前記半導体基板の一方の面における前記梁部の各々のス
   パン中央部に突起部を設け、 該突起部の両側に薄肉部を形成すると共に該薄肉部のさ
   らに両側にそれぞれ梁支持部を形成し、 前記半導体基板の他方の面における前記梁部に複数のス
   トレンゲージを形成して、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
   たことを特徴とする分布型圧覚センサ。