JPH03113334A - 接触覚センサ - 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、例えばロボットのハンド、とりわけ指に装着
して把持物からハンドの指の表面に加わった力を３方向
に分解して検出する接触覚センサに関する。

〔従来の技術〕

近年、ロボット産業は質的にも量的にも飛躍的な成長を
とげている。特に、質的な面ではロボットハンドに接触
覚センサを装着して、ロボットの知能化を進める努力が
なされている。

接触覚センサに要求される性能や条件として、次のもの
が挙げられる。

■高感度：力を検出する感度が高いこと。一つの素子で
数グラムを検出できることが望ましい。

■高分解能：センサの素子は小型で、密度の高いものが
望まれる。

■広いダイナミックレンジ：検出範囲ができるだけ広い
こと。

■高信頼性・高耐久性：過酷な環境にありても、長時間
の使用に耐えること。

■直線性とヒステリシス：圧力と出力が比例し、ヒステ
リシスがないこと。

■応答速度：物を把持したときの信号が制御部へ早く伝
わること。

■柔軟性二人間の手の皮膚のように軟かいことが望まし
い。

■すべり感覚：圧力だけでなく、すべりも検出すること
。

■廉価：構造が簡単で庶価なこと。

これらの条件のいくつかを満足する接触冗センサが種々
提案ないし、開発されてきた。押ボタン方式や導電ゴム
方式の接触覚センサはその代表例である。前者の押ボタ
ン方式の接触覚センサは、コイルばねで支えられた金属
製押ボタンが通常加圧のない状態では電気的にＯＦＦと
なっているが、加圧されると接点が閉じてＯＮとなるも
のである。

しかし、この方式はＯＮとＯＦＦの状態しか分からず、
連続的な力の検出には不向きであるという欠点があった
。

一方、後者の導電ゴム方式の接触覚センサは、導電ゴム
シートの両面を電極で挟み、センサの表面に力が加わる
と、導電ゴムの電気抵抗（導電率）が低下するのを利用
したものである。しかし、この方式にも力と導電率との
間に非直線性やヒステリシスが生ずるという問題があっ
た。

これら以外に提案されている各種方式の接触覚センサも
それぞれ一長一短があり、十分な性能が満足されていな
いばかりか、圧力の方向がいずれも一方向、すなわち接
触面に垂直な方向のみを感するものであり、接触面に平
行な力を検出するものは極めて少ないのが現状である。

〔発明が解決しようとする課題〕

最近、３方向の力を検出する接触覚センサが開発される
傾向にある。例えば、本出願人が提案した先願の特願昭
６２−０４９９９６号、特願昭６３−１８６９５９号な
どである。しかし、このような従来の接触覚センサでは
固い配線基板等を用いているので、ロボットハンドの平
担な面には容易に取付けられるが、ロボットハンドの指
のような曲面に複数の素子をマトリックス状に並べて取
付けられるような配慮がなされていなかった。

本発明の目的は、上述した従来の欠点を解消し、ロボッ
トハンドの指にも取付けられるような薄型で、フレキシ
ブルな構造（可撓性構造）の３分力検出型の接触覚セン
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、本発明の第１形態は、加
わった力を３方向に分解して検出する接触覚センサにお
いて、受圧部表面に加わる各々３方向の力に対応して３
組の歪ゲージが配置されている複数のセンサセルと、複
数のセンサセルの各々を連結する可撓性の酸化皮膜と、
酸化皮膜で連結された複数のセンサセルを実装する可撓
性のフレキシブル配線基板とを有することを特徴とする
特 また、本発明の第２形態は複数のセンサセルはマ）・リ
ックス状に配列されており、センサセルの各々はセンサ
セルを個別に選択動作させるための一対のスイッチを有
し、スイッチにそれぞれ接続する縦列選択用配線と横列
選択用配線とをフレキシブル配線基板の表面と裏面に別
々に配設したことを特徴とする。

また、本発明の第３形態はセンサセルがシリコンからな
り、３組の歪ゲージがそれぞれ高抵抗シリコン層からな
り、かつセンサセルに配設された３組の歪ゲージの配線
が互いに重なフて交叉することのないように構成されて
いることを特徴とする。

〔作　用〕

本発明は、上記のように、３分力（ＦＸ、ＦＹ、ＦＺ）
を検出できるセンサセルを可撓性の酸化皮膜で複数個連
結させたものを、可撓性の配線基板上に接続して構成し
たので、フレキシブルな構造の接触覚センサのアレイが
実現可能となり、例えばロボットハンドの指にも巻きつ
けて装着できるので、ロボットの知能化を図る上で極め
て有効となる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

Δ工ｍ狙化艮！ まず、本発明の実施例の接触覚センサの全体の概要を説
明する。

本発明実施例の接触覚センサは、複数のダイヤフラムタ
イプの３分力検出型のセンサセル（シリコンセンサ素子
）を用いて、これらのセンサセルを可撓性の酸化皮膜で
連結させてマトリックス状に配列し、かつこれらを可撓
性の配線基板上に半田付等で実装して、ロボットハンド
の指等の曲面に巻ぎつけられるようにしたものである。

このように、３分力検出型のセンサセルを可撓性の酸化
皮膜で複数個連結させた構造としたので、曲げることが
可能であり、又、フレキシブルの配線基板を°用いてい
るので、この配線基板にセンサセルであるシリコンセン
サ索子をマトリックス状に配列させて電気的かつ物理的
に接続させた接触覚センサも当然のことながら曲げるこ
とが可能である。このような接触覚センサ２を第１図（
Ａ）　に示すように、ロボットハンドの指１に巻きつけ
るようにして装着すれば、ロボットハンドの表面に加わ
った圧力やすべり、モーメントなどを接触覚センサ２に
より検出することができる。

第１図（Ｂ）は、ロボットハンドの指１に装着された接
触覚センサ群の中の１つの接触覚センサ２の断面状態の
概略を示す。同図の矢印の方向に力が加わると、接触覚
センサ２の各シリコンセンサ素子６はその方向の力を検
出することがでとる。

ｌ。」」■【λ族基 次に、本発明の実施例の接触覚センサの具体的な構成を
説明する。

第２図（Ａ）　、　（Ｂ）は本発明の一実施例の接触覚
センサを構成する個々の３分力検出型シリコンセンサ素
子の外観を示し、同図（Ａ）は表側、同図（Ｂ）は裏側
を示す。

ここで、６はシリコンセンサ素子であり、その外形は正
方形で、その中央部には円柱状の受圧柱７が一体的に突
出して゛形成されている。４はシリコンセンサ素子６の
外縁部全周に沿って突出させた固定部、５は受圧柱７と
固定部４間に形成された環状溝形の薄肉部である。薄肉
部５には木口（８）に図示するような直径方向等の位置
の複数箇所に半導体クエハブロセス等の所定の方法で歪
ゲージ９が形成されている。８は半田端子（ハンダバン
ブ）である。シリコンセンサ素子６の中央にある受圧柱
７は３方向の力ＦＸ、ＦＹ、Ｆ２を受け、シリコンセン
サ素子６の裏面にある歪ゲージ９でその３方向の力を検
出する。

上述のシリコンセンサ素子６内の歪ゲージ９の配線およ
び半田端子８の配置構成を第３図（Ａ）に示す。

シリコンセンサ素子６は半導体シリコンのウェハから形
成され、半導体プロセスによってＸ、、Ｘ、。

Ｙｌ、Ｙ２．Ｚｌ〜ｚ４の歪ゲージ９が形成される。ま
た、アルミの配線１４と電極を接続するための半田端子
８も半導体プロセスのメツキ工程で形成することができ
る。さらにまた、本実施例の配線パターンでは、第４図
に示すようなハーフブリッジ２組とフルブリッジ１組が
共存していて、ブリッジ電圧Ｅと接地Ｇは共有とし、ｖ
ｘ、ｖＹ、Ｆ２を出力電圧として取り出せるようにして
いる。さらに、配線１４はこれらの電極を廻り込みなが
ら、配線同士がクロスオーバーしないように配置されて
いて、これによりクロスオーバーした場合の電気特性の
信顆性低下を解消している。

以上の構成内容は本出願人が提案した先願（特願昭６３
−１８６９５９号）の内容とほぼ同様であるが、これら
に本発明実施例で新たに加えた点は、半導体ＦＥＴ（電
界効果トランジスタ）のスイッチ１５とマトリックス配
置の横番地端子Ｍと縦番地端子Ｎとである。

スイッチ１５は電圧ＥのＯＮとＯＦＦの切換を行うもの
であって、２個が電圧Ｅに直列に連結されている。その
１つのスイッチ１５はそのゲートが横番地端子Ｍと接続
しており、複数のシリコンセンサ素子６を格子（マトリ
ックス）状に並べたときの横列を選択する信号によって
このスイッチ１５がＯＮ（閉成、導通）される。もう１
つのスイッチ１５はそのゲートが縦番地端子Ｎと接続し
ており、複数のシリコンセンサ素子６を格子状に並べた
ときの縦列を選択する信号によってこのスイッチ１５が
ＯＮされる。

従ってこれらの番地端子ＭとＮの両方に同時に外部から
選択信号（例えば電圧）が加えられると、２つのスイッ
チ１５．１５が同時にＯＮとなるので、シリコンセンサ
素子６内にあるスイッチ１５゜１５の後段の３組の歪ゲ
ージブリッジ（ｐｘとＦＹの検出はハーフブリッジ、Ｆ
２の検出はフルブリッジ）に電圧Ｅが印加されることに
なる。一方、横番地端子Ｍと縦番地端子Ｎの双方に信号
が加えられていないと、電圧Ｅは歪ゲージブリッジに印
加されないので、歪ゲージブリッジからの出力は得られ
ない。

本発明実施例は、この２つのスイッチＩｓ、１５と番地
端子ＭとＮとを設けたことに一つの特徴がある。また、
このスイッチ１．５．１５としては例えば半導体素子と
してよく知られているＦＥＴ（電界効果トランジスタ）
を用いることができる。

第３図（Ｂ）は第３図（Ａ）のシリコンセンサ素子６を
可撓性のフレキシブル配線基板１２の上に実装した状態
の断面構造を示す、同図（Ｂ）において、シリコンセン
サ素子６には歪ゲージ９、半田端子８が形成されている
。また、シリコンセンサ素子６の外部固定部４の表面に
は、シリコンセンサ素子６を保護するための表皮１０が
被覆されている。

シリコンセンサ素子６の裏面に突出するそれぞれの半田
端子８と配線基板上に突出するそれぞれの電極１１とは
互いにフリップチップボンダで接続され、シリコンセン
サ素子６の裏面とフレキシブル配線基板１２間は接着剤
１３により強固に固定される。

第３図（八）において、符号１９で示すアース端子口が
ひとつあるが、これは半田端子ではなく、シリコンセン
サ素子６の下部導電部にアースとしての電気を流し、か
つアルミ配線１４との交叉（クロスオーバー）をさけて
符号８のアース端子Ｏに接続するための無半田アース端
子である。すなわち、この２つのアース端子間の内部構
造は第５図に示すようになっている。同図において、シ
リコンウェハ２０はシリコンセンサ素子６の構成体であ
って、ｐ層とｎ層とｐ層とで構成されている。

ｎ層の内側にある最上部のｐ層が歪ゲージ９である。配
線１４はこのｐ層とｎ層の上層部に形成されている。無
半田アース端子１９の下部はｐ層で導電性が高い。一方
、アースである半田端子８の下部も同じｐ層である。従
って、無半田アース端子１９（これは前述の口に相当す
る）からの電流は矢印のように破線に沿って流れて半田
端子８に達し、半田端子８を介して接触覚センサの外部
で接地される。

Ｃ９流側の製造方法 次に、発明の実施例の接触覚センサの製造方法の一例を
説明する。

第６図（Ａ）はシリコンセンサ素子６を例えば２個×３
個マトリックス状に配列した場合のシリコンセンサ素子
群（以下、センサアレイという）の加工工程の一つを示
す。まず、加工の最初の工程では、半導体ウェハプロセ
スによってシリコンウェハの表の面に、歪ゲージ９や、
スイッチ１５、半田端子（ハンダバンプ）８、配線１４
および可撓性の酸化皮膜であるシリコン酸化膜２１を第
３図（八）に示した配置パターンで作りこみ、そのシリ
コンウェハの裏の面には、第６図（Ａ）　に示す加工が
できるようなパターンをエツチングで作りこんでおく。

次に、このシリコンウェハの裏面の加工工程に移り、ウ
ェハの状態のままで、第６図（八）に示す環状溝５を放
電加工で形成する。

その後、シリコンウェハの裏面にダイシングソーによっ
て格子状濯２４を形成する。このとき、シリコン酸化膜
２１を残して格子状溝２４を加工することが本発明の重
要なポイントの１つである。

このようにして、シリコンウェハから、−１ｆｆｌの２
個×３個のセンサアレイを切り出すと第６図（八）に示
すようになり、その時の断面を第６図（Ｂ）　に示す、
第６図ＣＢ）に示すものは、第３図（Ｂ）　に示したシ
リコンセンナ素子６を複数個シリコン酸化膜２１で連結
した構造のものである。

Ｄ、　層側の配線方法 上述のように、可撓性のシリコン酸化＠２１で連結され
たセンサアレイに、配線１４をどのように配設するかの
配線方法について次に述べる。

第７図は縦番地端子Ｎへの配線方法の一例を示し、第８
図は横番地端子Ｍへの配線方法を示す。

まず、第７図の縦番地の配線方法を説明する。

同図の平面図Ａにおいて、図面左側の縦方向に並んでい
る３つのシリコンセンサ素子６の縦番地端子Ｎを並列に
結ぶ配線をＮ、とする。この配線Ｎ、に縦番地信号（選
択信号）を与えると、各左側シリコンセンサ素子６の１
つのスイッチｘｓ（Ｓ３図（Ａ）参照）がＯＮになる。

また、図面の右側の縦方向に並んでいる３つのシリコン
センサ素子６の縦番地端子Ｎを並列に結ぶ配線をＮ２と
すると、゛この配線Ｎ２に縦番地信号を与えると、各右
側シリコンセンサ素子６の１つのスイッチ１５がＯＮと
なる。しかし、前述したように、いずれのシリコンセン
サ素子６も縦番地用と横番地用の２つずつスイッチ１５
を備えていて、両方のスイッチｉｓ、１５が同時にＯＮ
とならなければ、ブリッジからの出力は得られない（第
３図（Ａ）参照）。したがって、もう一方のスイッチ１
５は横番地端子Ｍに横番地信号（選択信号）を与える配
線が必要である。

Ｓ８図の平面図Ａは上述の横番地信号の配線Ｍｌ＋Ｍ２
１Ｍ３と、横方向に平行にとり出せる他の配線（Ｖｙ、
Ｖｚ＋　＋ｖＸ＋　Ｅ　、　Ｇ　、　ＶＺ２）の配線方
法を示す。また、第８図の断面図Ｂ、Ｃに示すように、
これらの配線は可撓性の両面プリント配線基板、すなわ
ちフレキシブル配線基板１２のスルーホール２２を通し
てそのフレキシブル配線基板１２の下側に形成される。

一方、縦番地信号の配線Ｎ、、Ｎ２は第７図の断面図Ｂ
、Ｃに示すように、フレキシブル配線基板Ｊ２の表面に
形成されるから、第７図の上層配線回路と第８図の下層
配線回路との交叉（クロスオーバー）がなくなる。さら
に、このフレキシブル配線基板１２の材料として可撓性
な材質を用いるので、曲げることも可能である。そのと
き、シリコンセンサ素子６自体は曲げられないが、シリ
コン酸化［２１は可撓性があるので、折り曲げることが
できる。

このシリコン酸化＠２１は、各シリコンセンサ素子６を
強固に連結しているので、フレキシブル配線基板１２の
上に各端子同士を正確に位置合わせを行って、−度に接
続・組立てることができる。すなわち、シリコン酸化膜
２１があるので、各シリコンセンサ素子６をばらばらに
して組立てるという精度の出しにくいめんどうな接続・
組立工程が必要でなくなるという利点がある。

第９図は、以上のようにして製作した本発明実施例の接
触覚センサをロボットハンドの指１に巻きつけた状態を
示す。本例ではシリコンセンナ素子６は５行配列である
が、長手方向には任意の所望の列で配置できる。センサ
アレイからの信号線は、ケーブル２５によってまとめら
れ、図示しない外部装置を接続される。

〔発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、３分力（Ｆｘ、
Ｆｙ、Ｆｚ）を検出できるセンサセルを可撓性の酸化皮
膜で複数個連結させたものを、可撓性のフレキシブル配
線基板上に接続して構成したので、フレキシブルな構造
の接触覚センサのアレイが実現可能となり、例えばロボ
ットハンドの指にも巻きつけて装着できるので、ロボッ
トの知能化を図る上で極めて有効となる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）はロボットハンドの指に装着した本発明実
施例の接触覚センサ群を示す斜視図、第１図（Ｂ）はそ
の接触覚センサの一つの断面状態を示す概略断面図、 第２（八）は本発明実施例の接触覚センサの一つのセン
サセルの表側の外観を示す斜視図、第２図（Ｂ）はその
センサセルの裏側の外観を示す斜視図、 第３図（Ａ）は本発明実施例のセンサセルの歪ゲージ、
配線および半田端子の配置状態を示す平面図、 第３図（Ｂ）はそのセンサセルの断面を示す断面図、 第４図は第３図（Ａ）の実施例の等価回路を示す回路図
、 第５図は第３図（Ａ）のセンサセルの内部構造を示す断
面図、 第６図（Ａ）は本発明実施例の接触覚センサの加工工程
の一つを示す斜視図、 第６図（Ｂ）はその加工後の状態を示す断面図、 第７図は本発明実施例の２個×３個のセンサセル配列の
接触覚センサの縦番地の配線状態を示す平面図および断
面図、 Ｓ８図は第７図の接触覚センサの横番地の配線と他の入
出力端子の配線回路を示す平面図および断面図、 第９図はロボットハンドの指に装着した本発明実施例の
接触覚センサの詳細を示す断面図である。 １・・・指、 ２・・・接触覚センサ、 ４・・・固定部、 ５・・・環状溝部、 ６・・・センサセル フ・・・受圧柱、 ８・・・半田端子、 ９・・・歪ゲージ、 １０・・・表皮、 １１・・・電極、 １２・・・フレキシブル配線基板、 １３・・・接着剤、 １４・・・配線、 １５・・・スイッチ、 １８・・・ｎ層、 （シリコンセンサ素子） １９・・・無半田アース端子、 ２０・・・シリコンウェハ、 ２１・・・シリコン酸化膜、 ２２・・・スルーホール、 ２４・−・格子状溝、 （Ａ） 第 図 （Ａ） 第 図 第 図 ２０ 第 図 １ （Ａ） 第 図 第 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）加わった力を３方向に分解して検出する接触覚セン
   サにおいて、 受圧部表面に加わる各々３方向の力に対応して３組の歪
   ゲージが配置されている複数のセンサセルと、 該複数のセンサセルの各々を連結する可撓性の酸化皮膜
   と、 該酸化皮膜で連結された前記複数のセンサセルを実装す
   る可撓性のフレキシブル配線基板とを有することを特徴
   とする接触覚センサ。 ２）複数のセンサセルはマトリックス状に配列されてお
   り、 該センサセルの各々は該センサセルを個別に選択動作さ
   せるための一対のスイッチを有し、該スイッチにそれぞ
   れ接続する縦列選択用配線と横列選択用配線とを前記フ
   レキシブル配線基板の表面と裏面に別々に配設したこと
   を特徴とする請求項１に記載の接触覚センサ。 ３）センサセルがシリコンからなり、３組の歪ゲージが
   それぞれ高抵抗シリコン層からなり、かつ該センサセル
   に配設された前記３組の歪ゲージの配線が互いに重なっ
   て交叉することのないように構成されていることを特徴
   とする請求項１または２に記載の接触覚センサ。