JPH0275925A - 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りつけられ、ロボットハンド等が物
体を把持する時に、加えられる力従来、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１１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。この分布型圧覚センサ
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１２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５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１３図は別の例で、ホール素子６を磁石７の対向
位置に設け、センサヘッド８に垂直方向の力が加わった
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における磁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。

ところで、第１１図に示したような導電性ゴムを１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、グランド端子、出力端子をそれぞれ
のゴム条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１３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、被把持物体が磁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がある。

そこで、本発明者は、先に第１４図および第１５図に示
すような分布型圧覚センサを提案した。

本提案では、第１５図に示すように半導体基板の表面に
半導体ストレンゲージ１１およびＩＣ回路１２を形成し
、その裏面側に第１４図に示すように縦横に深溝部１３
．浅溝部１４および基板を貫通する長方形の貫通孔１５
を穿設して、上記の半導体ストレンゲージ１１を有する
縦横方向の独立した微小な梁構造１１３を形成し、更に
その中央部に受圧部としての突起１７を形成する。かく
して梁構造１６に力を加えると梁が撓み、半導体ストレ
ンゲージ１１の抵抗値が変化することから、半導体スト
レンゲージ１１を組込んだ不図示のブリッジ回路を介し
てこれらの信号を取出し、ＩＣ回路１２で処理して加え
られた力の大きさを検出することができる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上述した提案による分圧型圧覚センサで
は、基板面に垂直な方向の分力を検出素子の分布密度と
同じ密度で検出できるのに対し、基板面に沿った互いに
直交する２方向の分力は、梁の方向が交互に異なるよう
にしであるため垂直方向の分力の分布に対し、その半分
の密度でしか検出できないという課題が残されていた。

そこで、本発明の目的は、上述の課題を解決すべく、個
々の検出素子ごとに垂直方向の分力および水平方向の２
分力が検出可能で、しかも高分布、高密度で荷重の検出
が可能な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、複数のＸ方向
およびＹ方向に対して軸対称を保つ正多角形または円形
の貫通孔をそれぞれ配列させて穿設すると共に、複数の
正多角形または円形の貫通孔によって取囲まれた部分に
Ｘ方向およびＹ方向に延在する十字型梁部を構成し、半
導体基板の一方の面における十字型梁部の各スパン中央
の交叉部に突起部を設け、突起部、の両側のスパンに薄
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十字型
梁部のＸ方向およびＹ方向に複数の半導体ストレンゲー
ジを配設して、複数の半導体ストレンゲージにより突起
部の各々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検出素
子を構成し、複数の半導体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、十字型梁部がＸ方向およびＹ方向にマ
トリックス状に配列させて穿設した貫通孔により、整然
と格子状に構成され、しかも各十字型梁はその上面の交
叉する中央部に受圧部としての突起部を有すると共にス
パンを形成する薄肉部の両端を厚肉の支持部によって保
持される形態となし、その十字型をなす梁部の裏面側に
は各スパンに沿って複数の半導体ストレンゲージが設け
られているので、各受圧部に加えられた垂直方向の力お
よび半導体基板上の互いに直交する２つの方向の力を十
字型梁部に設けた半導体ストレンゲージを介して、個々
に検出することが可能となり、全体として各方向の力の
分圧を高感度、高密度で検出することができるようにな
った。

［実施例］ 以下に、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図は本発明の一実施例を示す。第１図はその分布型
センサをシリコンウェハの裏面から見た図であり、本例
の場合、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、■は分布型圧覚センサであり、シリコンウェハ
から切出して形成され、その左半分に検出部３０Ａが、
また右半分にＩＣ回路を有する信号処理部３０Ｂが構成
される。また、この分布型圧覚センサ３０において、そ
の検出部３０＾の裏面側に斜線を施して示した部分は同
−深さでダイサ等により穿削加工した、Ｙ方向の深溝部
３１およびＸ方向の深溝部３２であり、更に、これらの
深溝部３１および３２によって囲まれ、交叉線を施して
示した部分は正方形の貫通孔３３であって、これらは放
電加工またはレーザ加工により形成される。また、第１
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。そこで、このような加工を分布
型圧覚センサ其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２図は第１図のＰ−Ｐ断面を示したものであり、第２
図から分るように深溝部３１、浅漬部３４、および突起
部３５によって２つのＹ方向の梁すが形成される。また
、第３図は第１図のＱ−Ｑ断面を示したものであり、第
３図からも分るように深溝部３１．浅漬部３４、および
突起部３５によって２つのＸ方向の梁■が形成される。

第４図は分布型圧覚センサ且の表面側を示す。

第４図からも明らかなように１６個の貫通孔３３によっ
てＹ方向の梁部とＸ方向の梁Ｕとを組合わせた４個の十
字形状の梁（以下で十字梁という）が形成されているこ
とが分かる。そこで、本例ではこのような十字梁４２の
中央部と周辺固定部に、１つの十字梁Ｕに対して８個の
半導体ストレンゲージ１１を配設する。

第５図は十字梁Ｕの１つを取出して模式的に示すもので
あり、第６図はその裏面側を示す、いまこのような十字
梁Ｕに対し中央の突起部３５に３方向の力ＦＸ、ＦＹ、
ＦＺがそれぞれ加わった場合を考えると、力Ｆｘが加わ
った場合、第６図に示す半導体ストレンゲージ１１１お
よび１１３の位置ではαμ５ｔｒａｉｎの引張歪が、ま
た半導体ストレンゲージ１１２および１１４の位置では
βμ５ｔｒａｉｎの圧縮歪が発生する。

なおこのとき、Ｙ方向の梁部の部分に設けた半導体スト
レンゲージの位置では、ねじりによりせん断歪のみが発
生し、Ｘ軸方向の歪が発生しない。

次に力Ｆ１が加わった場合は、第６図に示す半導体スト
レンゲージ１１５および１１７の位置ではγμｍ　　１
１４の位置ではＹ軸方向の歪は発生しない。また力Ｆ２
が加わった場合は半導体ストレンゲージ１１２゜１１３
．１１６および１１７の位置にφｐ　５ｔｒａｉｎの引
張歪が、また半導体ストレンゲージ１１１，１ｉ４，１
１５および１１８の位置にψμ５ｔｒａｉｎの圧縮歪が
発生する。

第７図はこれらの力Ｆｘ、ＦＹ、Ｆ、と、各半導体スト
レンゲージ１１１〜１１８の位置に発生する歪εとの関
係を示す。なおここでは、力Ｆｘ、ＦｙおよびＦ２の３
つの力が同時に加わった時に、各半導体ストレンゲージ
に発生する合計の歪も示しである。

そこで、このようにして各半導体ストレンゲージ１１１
−１１８に発生する歪の組合わせを以下のような演算に
従って算出することにより力Ｆｘ、ＦｙおよびＦ２のそ
れぞれの力に応じた歪量を他方向の力の干渉を受けるこ
となく独立に取出すことができる。

すなわち、 （イ）力Ｆｘを取出す場合 （６１目−６，、、）　−（εｌ　１４’″ε目３）・
（（α−ψ）−（−β＋φ））−（（−β−ψ）−（α
◆φ））・２（α＋β）（１） （０）力ＦＹを取出す場合 （ε１４．−ε、、、）　−（６，６−ε、１７）−（
（γ−ψ）−（−δ＋φ））−（（−δ−ψ）−（Ｙ＋
φ））−２（γ＋δ）（２） （八）力Ｆ２を取出す場合 （６１目−６１１２）　＋（ε１１４−ε目３）・（（
α−ψ）−（−β＋φ））−（（−β−ψ）＝（α＋　
φ））−一２　（φ＋ψ）（３） または （６■５−ε１１６）　　÷　（ε１１１１−６１１７
）−（（γ−ψ）−（−δ＋φ））＋（（−δ−ψ）−
（γ＋φ））−一２　（φ＋ψ）　　　　　　　　　　
　　　　　（３）　’また、式（１）〜（３）゛の演算
を電子回路で実現するには、次のようにすればよい。

（イ）力ＦＸを取出す場合 式（１）の実現には第８図に示すように半導体ストレン
ゲージ１１１および１１２の組合せと半導体ストレンゲ
ージ１１４および１１３の組合せとで２つのハーフブリ
ッジを構成し、それらの出力を増幅器４１で差動増幅し
てＦＸ信号４２を発生させる。

（０）力ＦＹを取出す場合 式（２）の実現には第９図に示すように半導体ストレン
ゲージ１１５および１１６の組合せと半導体ストレンゲ
ージ１１Ｂおよび１１７の組合せとで２つのハーフブリ
ッジを構成し、それらの出力を増幅器４３で差動増幅し
てＦＹ信号４４を発生させる。

（八）力Ｆ２を取出す場合 式（３）の実現には第８図に示すように、２つのハーフ
ブリッジの出力を増幅器４５で加算増幅してＦＺＩ信号
４６をつくるか、または第９図に示すように２つのハー
フブリッジの出力を増幅器４７で加算増幅してＦ２２信
号４８をつくればよい。

ざらにＦｉｌ信号４６およびＦＺ２信号４８を図示はし
ないが再度加算増幅すれば、感度の高いＦＺ信号を作り
出すことができることはいうまでもない。

第１θ図は本発明の他の実施例を示す。本例は、貫通孔
５３の形状を溝の幅に等しい直径を有する円孔に形成し
たもので、それ以外の構成及び機能は第１実施例と同一
である。シリコンウェハに放電加工で円孔に加工する場
合は、放電電極を回転させることが可能であるため放電
電極の真円度に依存しないきれいな孔をあけることがで
きる。このため、本実施例では、第１実施例に比べて貫
通孔のばらつきが少ないという利点が得られる。

なお、以上の実施例では貫通孔を正方形または円形の孔
とした場合について述べたが、貫通孔の形状はこれらに
限られるものではなく、正八角形、正十二角形等、Ｘ軸
およびＹ軸に対して軸対称の正多角形形状であればどの
ような形状であってもよいことは勿論である。

［発明の効果］ 以上説明してきたように、本発明によれば、個々の検出
素子を同一基板上においてそれぞれ３方向の分力の検出
が可能なように十字型梁部に構成し、これらの検出素子
を連続させてマトリックス状に配列させるようにしたの
で、基板面に垂直方向の分力と基板面に水平な２方向の
分力との３方向の分力の分布を均一な高密度で検出する
ことができ、また基板面に垂直な方向の分力を８個の半
導体ストレンゲージにより検出する構成としたので、最
も高感度に検出したいセンサ面に垂直方向の分力の感度
を、基板面に水平な２方向の分力の感度のほぼ２倍で検
出することができる。

さらに、本発明の第２実施例においては、貫通

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明分布型圧覚センサの構成の一例を示す裏
面図、 第２図および第３図は第１図のＰ−Ｐ線およびＱ−Ｑ線
断面図、 第４図は第１図に示す分布型圧覚センサの表面図、 第５図は本発明にかかる分布型圧覚センサの１つの検出
素子を取出して模式的に示す斜視図、第６図は第５図の
Ｒ方向から見た矢視図、第７図は１つの検出素子に設け
られる複数の半導体ストレンゲージに３方向に発生する
歪のテーブル図、 第８図および第９図はその歪を測定するための回路の構
成図、 第１Ｏ図は本発明の他の実施例の構成を示す裏面図、 第１１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１２図は第１１図に示す分布型圧覚センサの回路図、 第１３図は従来の圧覚センサの他の構成例を示す断面図
、 第１４図は本発明者が先に提案した分布型圧覚セン°す
の構成の一例を示す裏面図、 第１５図はＮ１４図に示す分布型圧覚センサの表面図で
ある。 其・・・分布型圧覚センサ、 ３０Ａ・・・検出部、 ３０Ｂ・・・信号処理部、 １３．３１．３２・・・深溝部、 １４．３４・・・浅溝部、 １５．３３・・・貫通孔、 １７．３５・・・突起部、 Ｕ・・・Ｙ方向の梁、 Ｕ・・・Ｘ方向の梁、 Ｕ・・・十字型状の梁、 １１．１１１〜１１８・・・半導体ストレンゲージ。 特許出願人工業技術院長飯工家幸工 第１図／）Ｐ−Ｐ緯鱈面図 ｖＪｌ　（２１ＯＱ−Ｑｇ！ｆｆｆｆ１［２１第３図 狛１に示ごす今布髭五覚α区ンすの表面図第４図 ト尤明１：σで゛ろ撞云素チを取水しで示す木十ネ克区
第５図 第５図に示す械ｊｆ）の稟囮区 第６図 紮）■ 垢７１］＋″−ホす歪のンＨＩＪえ月回井の碑ぺ図第８
図 療７ｍに示す歪の）ロリ更用回陸の８へ図案９図 ３４シ々ζシ１唱円１チ下 杏疹明のイ名０莢カ乞例０庚面区 第１０図 １４電引Ｌコ゛ム躊； ネ垣３民の、イッー野・コ２，５三貧ヒンｉのろ転成０
−ｅ″１と示す夕今子見図案ｔｉ図 ｖ）１ｚｌ：示７今界型圧貢七ンプＯ口詮Ｏ構成図第１
２図 ８也ンすヘット・ イ足禾の圧覚ゼンサの化の構がｄ夕’Ｉｔ示す吋面図第
１３図 ＄＆日月者すｑ先に逢某しＴ二 扮五β丘寛七ンブの１８５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、複数の前記Ｘ方向およびＹ方向に対して軸対称を保
   つ正多角形または円形の貫通孔をそれぞれ配列させて穿
   設すると共に、前記複数の正多角形または円形の貫通孔
   によって取囲まれた部分にＸ方向およびＹ方向に延在す
   る十字型梁部を構成し、 前記半導体基板の一方の面における前記十字型梁部の各
   スパン中央の交叉部に突起部を設け、該突起部の両側の
   スパン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十字型梁部の前
   記Ｘ方向およびＹ方向に複数の半導体ストレンゲージを
   配設して、該複数の半導体ストレンゲージにより前記突
   起部の各々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
   能な検出素子を構成し、 前記複数の半導体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。