JPH0280931A - 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て、ハンドに加わる力の分布を
検出することができる分布型圧覚センサに関する。

［従来の技術］ 分布型圧覚センサは主にロボットハンドなどにおいてそ
の圧覚を検知することにより、把持力の大きさ、面圧分
布等の情報を得ようとする目的で開発が進められてきて
おり、センサ表面に対する垂直な力のみならず、水平な
力の分布をも検出できる分布型圧覚センサとして、第１
図に示すようなものが考えられる。本例はセンサが形成
されるシリコンウェハを裏面側から見た図であり、分布
型圧覚センサ３０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３
０Ｂ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
でダイサ等により穿削加工し、更に、これらの深溝部３
１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。

このような加工を分布型圧覚センサ３０の裏面側に施す
ことによって検出部３０Ａ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４０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図において、深溝部３１
、浅溝部３４および突起部３５によって貫通孔３３によ
り隔絶されたＹ方向の梁Ｕが形成される。

第４図は分布型圧覚センサ３０をシリコンウェハの表面
から見た図である。第４図において、８個の長方形貫通
孔３３により２個のＸ方向の梁仔、叩と２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、これらの粱且および旦には、それぞれ４つず
つ、合計１６個の半導体ストレンゲージ４２が形成され
、また、分布型圧覚センサ柱の右半面は、信号処理のた
めの電子回路が形成されている信号処理部３０Ｂである
。

次に、これらの４０および４１によってどのように荷重
が検知されるかを以下に説明する。

第５〜８図はその検出の原理を説明したものである。

いま、第５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６図に示
すような、分布の歪が発生する。

また第７図に示すように、同じ梁１１の突起部１０に水
平方向の力ＦＨを加えると、梁１１の下面に第８図に示
すような分布の歪が発生する。なお、これらの第６図お
よび第８図において、十記号は引張歪、−記号は圧縮歪
を表わしている。

そこで、第５図の点Ａ〜Ｄでの歪を第６図および第８図
でみてみると、いずれの点においても大きな歪が発生し
、垂直方向の力に対しては第６図に示すようにＡ点およ
びＤ点で、α［ｕｓｊｒａｉｎｌ、ＢおよびＣ点ではβ
［ｕｓｊｒａｉｎｌ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７図
に示すようにＢ点およびＤ点で一γ［ｕｓｊｒａｉｎｌ
　、　Ａ点およびＣ点でδ［ｕｓｊｒａｉｎｌ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＋δ Ｂ点　　　β−γ Ｃ点　　　β＋δ 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
の歪を測定し、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、売の歪−Ｂ点の歪）÷（Ｄ点の歪−６点の歪）・
（（−α＋β）−（β−γ））＋（（−α−γ）−（β
＋δ））−一２（α＋β）　　　　　　　　　　　・・
・（１）（Ａ点の歪−Ｂ点の歪）−（Ｄ点の歪−６点の
歪）−（（−α＋β）−（β−γ））−（（−α−γ）
−（β＋δ））−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点の歪−Ｂ点の歪）はＡ点に
形成したス１−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−６点の歪〉は、Ｄ点に形成した
ストレンゲージと６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９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６点のストレンゲージ２４とＤ点のストレンゲ
ージ２３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、一方
、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。

そこで、第４図に示したようにＸ方向の梁部においては
、第１θ図のようにＸ方向の梁４０の中心線上、長手方
向に半導体ストレンゲージ４２八、４２Ｂ、４２Ｃおよ
び４２Ｄを形成し、これらの半導体ストレンゲージを第
９図に示した形態のハーフブリッジに組込み、信号処理
部３０Ｂにおいて信号処理をすることにより、突起部３
５に加わる垂直方向分力Ｆ２および水平方向分力Ｆｘを
検出することができる。また、Ｙ方向の梁４１において
も同様に垂直方向分力Ｆ２．水平方向分力Ｆ、を検出す
ることができる。従って各センサ素子は分力Ｆ２とＦ、
、あるいは分力Ｆ２とＦ、とを検出することができ、分
布型圧覚センサ３０全体としては、表面に加えられた荷
重の分布を、ｘ、ｙ、ｚ方向分力、Ｆｘ、Ｆ、、Ｆ、に
分解して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、上述したような荷重検出では、センサ１
素子当りの荷重検出分力Ｆ、とＦ、、または分力Ｆ２と
Ｆ、との２方向分力検知に限られるため、水平方向の分
力ＦつおよびＦｙの分布は、センサ素子密度の１／２の
密度でしか検出できない。従って３方向分力すべてに渡
って荷重の分布を均等な高密度で検出できるとは言い難
かった。

本発明の目的は上述したような課題を解決すべく、各セ
ンサ素子ごとに荷重の３方向分力、すなわちＦ、、Ｆ、
およびＦ！のすべてが検出でき、圧覚センサに加えられ
る荷重の分布を３方向分力すべてに渡って高密度に検出
できる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更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
突起部に加えられ外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分布型圧
覚センサにおいて、複数のストレンゲージを、Ｘ方向お
よびＹ方向の梁部における長手方向に沿った中心線およ
び中心線の両側対称位置に線引した平行線上での薄肉部
と梁支持部との境界断面位置および突起部の両端に沿っ
た断面位置に限定して設けたことを特徴とするものであ
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長方形貫通孔とを穿設
して、上記のストレンゲージを有する縦横方向に独立し
た微小な梁構造を形成し、更に各梁のスパン中央部には
突起部を形成して、各梁ごとにセンサ素子を構成し、更
に各センサ素子からの信号を処理する信号処理部を上記
の同基板上に設けると共に、１センサ素子である梁の長
手方向に沿う中心線および中心線の両側に対称位置にそ
れぞれ線引した平行線上で、かつ梁の固定端面、および
突起部の両側面が交わる位置に、梁の長手方向の歪を検
出するストレンゲージを配設し、各センナ素子によりそ
れぞれの突起部に加えられた荷重を、３方向の、分力、
すなわち各センサ素子に垂直な方向の分力および、互い
に直交する２つの水平な方向の分力に分解して検出でき
るようにしたので、圧覚センサ表面上に加えられた荷重
の互いに直交する３方向分力の分布を高密度に検出する
ことができる。

［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。

まず、第１１図〜第１５図により本発明の詳細な説明す
る。いま、第１１図に示すように両端が固定された梁１
００において、その突起部＋０１に梁とは直角方向の水
平荷重Ｆ、が負荷されたとすると、第１２図に示す梁＋
００の下面１００Ａにおける中心７１１００Ｂ上に発生
する梁方向、すなわちＸ方向の歪分布は、第１４図に示
すようになる。すなわち水平荷重Ｆ、が負荷されても歪
は発生しない。ところが、中心線１００Ｂからそれぞれ
その両側にΔｄだけ離れた線１００Ｃおよび１０００上
ではそれぞれ、第１３図および第１５図に示すようなＸ
方向の歪が発生する。すなわち第１３図および第１５図
かられかるように、線１００Ｇおよび１０００には正反
対の歪が発生する。一方、分力ＦｘおよびＦ２が負荷さ
れた場合のＸ方向の歪の分布は、検出する線１００Ｂ、
　１００ｃ、　１００Ｄのいずれにおいても一様であり
、それぞれ、既に述べた、第８図、第６図のようになる
。

そこで、第１２図のＥ〜Ｊ点におけるＸ方向の歪につい
てみると、第８図、第１３図、第１５図および第６図か
ら、分力Ｆ、、　Ｆ、、　Ｆ工が負荷された時のＥ〜Ｊ
点に発生するＸ方向の歪ε６〜ε４としてはそれぞれ第
１６図のように読み取ることができる。

従って同図より、分力Ｆ、、　Ｆ、、　Ｆ、が同時に負
荷された場合の６６〜ε４は次のようになる。

ε１＝＋δ＋ζ＋β εｒ＝−γ−ζ＋β εＧ＝＋δ−η−α ε１＝＋δ＋ζ＋β ε１＝＋δ＋ζ＋β ε　Ｊ　＝　−γ−η　−α よって、Ｅ−Ｊ点にそれぞれストレンゲージを形成して
各点の歪を測定し、これらを組み合わせて、以下のよう
な加減算を行うようにすれば、３方向の分力Ｆ、、　Ｆ
、、　Ｆ、に応じた歪量を他方向の干渉を受けることな
く求めることができる。

水分力Ｆｘを検出する場合 （ε。−εＨ）−（ε４１　−〇、） −（（◆δ−η−α）−（−γ＋ζ＋β））−（（−γ
−ｑ−α）−（＋δ＋ζ＋　β））−十２（δ＋γ）　
　　　　　　　・・・（３）水分力Ｆ、を検出する場合 （ε５−ε「）−（ε６−ε４．） −（（十δ　＋　η　−α）−（−γ　−ζ　＋　β）
）−（（◆δ−η−α）−（−γ十ζ＋β））・＋２　
（η＋ζ）　　　　　　　　　　・・・（４）＊分力Ｆ
２を検出する場合。

（ε２−εＦ）＋（ε、−６１） −（（＋δ＋η−α）−（−γ−ζ＋β））＋（（−γ
−η−α）−（＋δ十ζ＋β））・−２（α＋β）　　
　　　　　　　・・・（５）式（３）　、　（４）およ
び（５）から明らかなようにいずれも第１６図に示した
分力ＦＸ、　Ｆ、、　Ｆ、に応じた歪量のみが残る。よ
って、これらの式（３）　、　（４）　、　（５）によ
り分力Ｆ、、　Ｆ、、　Ｆ、を同定することができる。

そこで、第４図に示す形態の分布型圧覚センサ且におい
て、そのセンサ素子を構成するＸ方向の梁４０に適用し
た例を第１７図および第１８図に示す。

すなわち、第１２図に示した点Ｅ〜Ｊに相当する位置に
それぞれ、ストレンゲージ４２Ｅ〜４２Ｊを形成し、こ
れらのストレンゲージをそれぞれ、第１８図のようなハ
ーフブリッジに組込み、それぞれのハーフブリッジから
の出力の差、および和を、差動増幅器５１．６２および
加算増幅器６３からの出力として求めることにより式（
３）　、　（４）および（５）に従って歪二を演算する
のと全く同じ操作が得られるもので、差動増幅器６１か
らの出力δ４と、差動増幅器６２および加算増幅器６６
からの出力６５および６６とはそれぞれ式（３）と式（
４）および（５）の計算結果に相当し、これらからの出
力６４，６５．６６により第１図に示す突起部３５に加
えられた荷重の３方向分力ＦＸ、　Ｆ、、　Ｆ、を同定
することができる。なお、Ｘ方向の梁４１に対しても同
様な形態で荷重の３方向分力を求めることができるもの
で以上のように構成した縦横方向のセンサ素子によりそ
れぞれ、３方向の分力を検出し、以て、分布型圧覚セン
サ３０の表面全体にわたって加えられた荷重の３方向分
力の分布を高密度に検出することができる。

第１９図、第２０図は本発明の第２の実施例を示したも
ので、本例の分布型圧覚センサ３０ではセンサ素子を構
成するＸ方向の梁４０およびＹ方向の梁４１に、それぞ
れ８つのストレンゲージを形成する。

すなわち、１１２に、４２Ｌ、４２Ｍおよび４２Ｎは梁
の中心線上に形成したストレンゲージであり、これらの
ストレンゲージを第２０図に示すようなハーフブリッジ
に組込み、加算増幅器７１と差動増幅器７２とから出カ
フ４と７５として取出すことによって分力Ｆ２とＦＸを
求めることができる。また、ストレンゲージ４２０と４
２Ｑおよび４２Ｒと４２Ｐとで第２０図に示すように２
つのハーフブリッジを構成し、差動増幅器７３を介して
分力Ｆｙに対応する出カフ６を求めることができる。

［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
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前記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前記梁
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更に両側にそれぞれ
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
な分布型圧覚センサにおいて、複数のストレンゲージを
、Ｘ方向およびＹ方向の梁における長手方向に沿った中
心線およびその両側対称位置に線引した平行線上での薄
肉部と粱支持部との境界断面位置および突起部の両端に
沿った断面位置に限定して設けたので、分布型圧覚セン
サとしてその表面上に広く作用する負荷荷重の３次元方
向の分力を高密度な分布で検出することが可能となった
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に適用する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２図は第１図のｐ−ｐ線断面図、 第３図は第１図のＱ−Ｑ線断面図、 第４図は第１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５図〜第８図は第１図および第４図に示すセンサによ
る検出原理を説明する図であり、第５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６図は第５図の場合に梁の下部に発生する応力の分布
図、 第７図は第５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８図は第７図の場合に梁の下部に発生する応力の分布
図、 第９図は第４図に示すストレンゲージからの信号処理回
路の構成図、 第１Ｏ図は第９図に示すストレンゲージの梁上の配列を
模式的に示す平面図、 ｉ１１図〜第１５図は本発明にかかるストレンゲージの
配置と、梁上に発生する３次元方向の歪との関係を示す
説明図であり、 第１１図はその両端固定梁の模式的な斜視図、第１２図
はその梁の下面に配置するストレンゲージの位置を示す
説明図、 第１３図、第１４図および第１５図は第１２図に示す線
１００［１，１００Ｃおよび１００８上での歪の分布図
、第１６図は３方向分力によって生じる歪をテーブルに
して示す図、 第１７図は第１２図に示した位置に配置されたストレン
ゲージの配置図、 第１８図は第１７図に示すストレンゲージからの信号処
理回路の構成図、 第１９図は本発明の他の実施例としての梁上のストレン
ゲージの配置を示す配置図、 第２０図は第１９図に示すストレンゲージからの信号処
理回路の構成図である。 ２５、［ｉ３，７１・・・加算増幅器、２７．６１，６
２，７２．７３・・・差動増幅器、３０・・・分布型圧
覚センサ、 ３０Ａ・・・検出部、 ３０Ｂ・・・信号処理部、 ３１．３２・・・深溝部、 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、４２．４２
Ａ〜４２［：、（２Ｅ〜４２Ｊ　４２に〜４２１１体ス
トレンゲージ、 １００・・・梁、 １００Ａ・・・下面、 １００Ｂ・・・中心線、 １００［：、１００Ｄ・・・線。 ・・・半導 特許出願人工″：、！、Ｊｊ、＋ニア、Ｌ糞、゛７介ニ
２１〜２４・・・ストレンゲージ、 ３５１Ｕり 第２ 因 第１因 第３ 図 第４ 図 ×ろ簡０梁 ｎ 第ｉ０図 マ８？下 第１１図 ＋００Ｃ学乳 第１２図 第１７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
   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
   薄肉部の更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
   分布型圧覚センサにおい前記複数のストレンゲージを、 前記Ｘ方向およびＹ方向の梁部における長手方向に沿っ
   た中心線および当該中心線の両側対称位置に線引した平
   行線上での前記薄肉部と前記梁支持部との境界断面位置
   および前記突起部の両端に沿った断面位置に限定して設
   けたことを特徴とする分布型圧覚センサ。