JPH03249530A - 分布型触覚センサ - 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１ この発明は、ロボットハンド等に取り付けて、ハンドに
対して垂直方向に加わる力の分布を検出することのでき
る分布型触覚センサに関する。

［従来の技術１ この種の触覚センサはロボットハンドなどに設けられ、
その触覚検知により把持力の強さや、面して示したもの
である。これらの図に示すように、触覚検出素子ｌＯは
適当なりフグ率を有する弾性体１の上に、第７図に示す
ように荷重検出用半一、導体ストレンゲージ３Ａ１．３
Ａ２．およびダミー用半導体ストレンゲージ３Ｂｌ、　
３Ｂ２が形成された単結晶シリコン板２と、この単結晶
シリコン板２上の中央部に、はんだ付けで固定された受
圧部（荷重を受ける部分）５とで構成されており、分布
型触覚センサはこれらの触覚検出素子１０を接着層４を
介して弾性体１上にアレイ状に並べて構成される。

なお、単結晶シリコン板２上には、上述した荷重検出用
半導体ストレンゲージ３Ａ１．３Ａ２．およびダミー用
半導体ストレンゲージ３Ｂ１．３８２の他に、これらを
結合する図示しない配線に加えて、信号取り出し用のは
んだパッド６が形成されており、これらのはんだパッド
６は、窓７Ａを有するフレキシブルプリント仮７のはん
だパッド７Ｂと溶融接合される。

次にこのような触覚検出素子１０がどのように荷重を検
出するかについて説明する。

ように出力ｅ。が得られる。

６０：　１／４゛Ｋｓ（−εｚ＾＋−ε３Ａ２＋　ε３
Ｒ＋＋８３Ｂ２）ｅ・・・（１） ここで、 は電源電圧、 ε　３Ａ 〜　ε　８Ｂ２ は荷重 検出用半導体ストレンゲージおよびダミー用半導体スト
レンゲージ３Ａ１〜３Ｂ２の長手方向の歪量、Ｋ３はゲ
ージファクタと呼ばれる定数である。

そこで、受圧部５に垂直荷重が負荷された場合を考える
と、第９図に示すように単結晶シリコン板２の表面にお
けるＯ−Ｅ線上には、第１Ｏ図のようなＸ方向の歪ε８
が発生する。なおここでＡは第７図に示す荷重検出用半
導体ストレンゲージ３ＡＩおよび３Ａ２が配置されてい
る位置に相当し、大きい圧縮歪（負の歪）が発生してい
る。また、第１０図ではＯ−Ｅ線上の歪分布しか図示し
ていないが、この垂直荷重による歪の量は受圧部５の中
心で最大となり、単結晶シリコン板２の端縁に近づく程
小さくなる。このため特に歪の分布は示さないが、ダミ
ーゲージとして設けられたダミー用半導体ストレンゲー
ジ３Ｂｌおよび３Ｂ２の位置では僅か半導体ストレンゲ
ージ３Ａ１〜３Ｂ２の歪量を示しており、従って式（１
）により大きい出力ｅ。が得られることが分る。よって
、分布型触覚センサ全体としては、マトリクス状に並べ
られた複数の触覚検出素子１０を適当にスキャニングす
ることで、加えられた力の分布を知ることができる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、以上述べてきた従来技術による分布型触
覚センサでは、環境温度によってオフセット電圧が大き
く変動すると言う問題点があり、この点について以下に
詳しく説明する。

第６図において、弾性体１及び接着層４はエポキシ等の
樹脂でできており、単結晶シリコン板２とでは膨張係数
に一桁の開きがあるために温度変化によって単結晶シリ
コン板２には熱歪が発生する。第１２図は、ある温度Ｔ
　（’Ｃ）だけ温度降下があったときに、第１３図に示
す単結晶シリコン板２の表面上の線分０−Ｅ、あるいは
Ｏ’−Ｅ’上に発生する歪ε８の分布を示したものであ
る。このように荷重検出用半導体ストレンゲージ３Ａ１
および３Ａ２では位置Ａで示されるような圧縮歪（負の
歪）が発生し、またダミー用半導体ストレンゲージ３Ｂ
１および３Ｂ２では位置Ｂで示すように引張歪（正の歪
）が発生する。かくして各歪量ε３Ａ１〜８３８２とこ
ろで、この種の分布型触覚センサでは信号処理の段階で
温度補正を行うのが一般的であるが、温度によりオフセ
ット変動量が大きい場合、補正誤差が大きくなる可能性
が高く、正確な荷重の検出が困難であり、また、信号を
処理する電圧範囲が大きくなるためにダイナミックレン
ジが低下する等の問題点があった。

本発明の目的は、上述した従来の問題点に鑑み、温度変
化によるオフセット電圧変動を格段に抑制することがで
き、常に安定して加えられた力の分布が検出可能な分布
型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１ かかる目的を達成するために、本発明は、半導体ストレ
ンゲージが配設された単結晶シリコン板の中央部に荷重
を受ける受圧部を有し、該受圧部に加えられた垂直荷重
により前記単結晶シリコン板を変形させて前記半導体ス
トレンゲージから得られる抵抗値の変化により前記垂直
荷重の大きさが検出可能な触覚検出素子の複数を弾性体
上にアシリコン板の端縁近傍に該端縁とは直角の方向に
配設した複数の温度補償用半導体ストレンゲージと、前
記端縁近傍で、かつ該端縁に沿った方向の歪が発生しな
い部位に配設した複数のダミー用半導体ストレンゲージ
とを具え、前記荷重検出用半導体ストレンゲージと前記
温度補償用半導体ストレンゲージとのそれぞれを直列に
接続して複数のアクティブゲージな構成し、該複数のア
クティブゲージと前記複数のダミー用半導体ストレンゲ
ージとをホイートストンブリッジ回路に組込み、該ホイ
ートストンブリッジ回路を介して前記垂直荷重を検出す
るようにしたことを特徴とするものである。

［イ乍　用１ 本発明によれば、受圧部近傍に放射方向に配置した荷重
検出用半導体ストレンゲージは受圧部に対する垂直荷重
により大きい歪を発生するが、同時に温度変化に対して
発生する歪は小さい。

方、単結晶シリコン板の端縁近傍に端縁とは直角の方向
に設けた温度補償用半導体ストレンゲージの温度補償用
半導体ストレンゲージを荷重検出用半導体ストレンゲー
ジと組合せて直列に接続させることにより、温度変化に
対する歪量を相殺することができるので、これらをもっ
てアクティブゲージとする。更にまた、単結晶シリコン
板上の歪が発生しない位置、方向に配置したダミーゲー
ジとしてのダミー用半導体ストレンゲージは、荷重負荷
および温度変化に対してほとんど歪を生じないので以上
のアクティブゲージおよびダミー用半導体ストレンゲー
ジをホイートストンブリッジ回路に組込むことによって
、温度によるオフセット変動を小さく抑えて、荷重を常
に正確に検出することができる。

［実施例１ 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図は本発明による触覚検出素子の構成の一例を示す
。ここで、３Ａ１および３Ａ２　、３Ｂ１および３Ｂ２
　、３Ｃ１および３Ｃ２は、単結晶シリコン板２上のけ
んだバッド、 さらに５ははんだ付けにより単 結晶シリコン板２上に固定された受圧部である。

板５により信号が取り出されるもので、分布型角覚セン
サ全体としての構成は従来と同様であっ−。

よい。

第１図においてダミー用半導体ストレンーゲージ３Ｂ１
．３８２の抵抗値を、荷重検出用半導体ストトンゲージ
３Ａ１．３Ａ２および温度補償用半導体ストトンゲージ
３（１：ｌ、　３Ｃ２の２倍とする。そこで以上計〔個
の荷重検出用半導体ストレンゲージ３Ａ１．３Ａ２、ダ
ミー用半導体ストレンゲージ３Ｂｌ、　３Ｂ２、およこ
温度補償用半導体ストレンゲージ３Ｃ１，３Ｃ２によ乞
第２図のようにホイートストンブリッジ回路を艇もと、
次のような出力電圧ｅ０が得られる。

ｅｏ”　１／１ｌｌＫｉ（−Ｆ−ｓａｔ−ε８Ａ２−Ｆ
−ＩＣ−ｔ　ｘｃｘ＋２　Ｅ　ｔｇ＋＋２　ｔ　５ａ２
）ｅＩ・・・（２） ここで、ｅＩは電源電圧、ε□１．εｓｈｘは荷重積出
用半導体ストレンゲージの、ε、６．．ε３，２はダミ
ー用半導体ストレンゲージの、εＩＣ＋＋εユｃ２は温
度補償用半導体ストレンゲージの、それぞれ長手方向の
歪、Ｋ３はゲージファクタである。

ついで、このように構成した触覚検出素子によ発生し、
また温度補償用半導体ストレンゲージ３ＣＩおよび３Ｃ
２にも多少の歪が生ずると共にダミー用半導体ストレン
ゲージ３Ｂ１　ｉ３よび３Ｂ２にも微小ながら歪が発生
する。これらの歪量を図示すると第３図のようになり式
（２）によって、従来とほぼ同じ大きさの出力ｅ０が得
られる。

次にある温度Ｔ　（’Ｃ）だけ温度が降下した場合は、
第１２図のところで説明したように荷重検圧用半導体ス
トレンゲージ３Ａ１および３Ａ２にはＡの位置に示すよ
うな圧縮歪が発生し、また温度補償用半導体ストレンゲ
ージ３Ｃ１および３Ｃ２にはＢの位置に示すような引張
歪が生ずる。また第１３図のところで説明したように、
ダミー用半導体ストレンゲージ３Ｂ１および３Ｂ２が配
置されている線分０”−Ｅ″上の位置にも線分０−Ｅ上
と同様に、第１２図に示したような歪が分布するが、ダ
ミー用半導体ストレンゲージ３Ｂｌおよび３Ｂ２は線分
σ’Ｅ“上のほぼ中央、すなわち第１２図でＣの位置に
配置されているため、歪はほとんど発生しない。このと
きの歪のしているが、実際には接着の状況などにより第
１２図とは異なる歪分布となることにより、ｅｏが正の
出力となることも有り得るのはいうまでもない。

第５図は本発明による別の実施例を示したものであり、
その原理および構成動作９等については先に述べた実施
例と同様であり、その説明を省略する。

［発明の効果１ 以上説明してきたように、本発明によれば、半導体スト
レンゲージが形成された単結晶シリコン板の中央部に受
圧部を有し、受圧部に加えられた垂直荷重により単結晶
シリコン板を変形させて、半導体ストレンゲージの抵抗
値変化により、垂直荷重の大きさが検出可能な触覚検出
素子の複数を弾性体上に、アレイ状に配列してなる分布
型触覚センサにおいて、受圧部近傍に放射方向に複数の
荷重検圧用半導体ストレンゲージを配置し、単結晶シリ
コン板の端縁近傍に、端縁とは直角の方向に複数の温度
補償用半導体ストレンゲージを配置アクティブゲージ内
で温度により発生する歪が相殺されるようになすと共に
単結晶シリコン板上の歪が発生しない位置、方向にダミ
ーゲージとしての複数のダミー用半導体ストレンゲージ
を配置し、上述のアクティブゲージ及びダミー用半導体
ストレンゲージをホイートストンブリッジ回路に組込む
ようにしたので、温度によるオフセット電圧変動を小さ
く抑えることができるようになった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による触覚検出素子の構成図、第２図は
本発明によるホイートストンブリッジ回路の構成図、 第３図および第４図は本発明により、正常時および温度
降下時に検出される歪および出力電圧のグラフ、 第５図は本発明の他の実施例による触覚検出素子の構成
図、 第６図は従来例の断面図、 図、 第１０図は触覚検出素子上に発生する歪の分布図、 第１１図および第１４図は従来例による正常時および温
度下降時に検出される歪および出力電圧のグラフ、 第１２図は温度下降時に触覚検圧素子表面上に発生する
歪の分布図、 第１３図は第１２図に関連する歪発生の説明図である。 １・・・弾性体、 ２・・・単結晶シリコン板、 ３Ａ１．３Ａ２・・・荷重検出用半導体ストレンゲージ
、３Ｂｌ、　３Ｂ２・・・ダミー用半導体ストレンゲー
ジ、３Ｃ１，’　３Ｃ２・・・温度補償用半導体ストレ
ンゲージ、５・・・受圧部、 ６・・・はんだパッド、 ７・・・フレキシブルプリント基板、 εｌＡｌ＋　ε３＾２．εＩＢ＋＋　ε３Ｂ２＋　εＩ
ＣＩ＋　８３Ｃ２・・・歪量、 ｅｏ・・・出力電圧、 ００ ・・・圧覚検出素子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）半導体ストレンゲージが配設された単結晶シリコン
   板の中央部に荷重を受ける受圧部を有し、該受圧部に加
   えられた垂直荷重により前記単結晶シリコン板を変形さ
   せて前記半導体ストレンゲージから得られる抵抗値の変
   化により前記垂直荷重の大きさが検出可能な触覚検出素
   子の複数を弾性体上にアレイ状に配設してなる分布型触
   覚センサにおいて、 前記受圧部近傍に放射方向に配設した複数の荷重検出用
   半導体ストレンゲージと、 前記単結晶シリコン板の端縁近傍に該端縁とは直角の方
   向に配設した複数の温度補償用半導体ストレンゲージと
   、 前記端縁近傍で、かつ該端縁に沿った方向の歪が発生し
   ない部位に配設した複数のダミー用半導体ストレンゲー
   ジと を具え、前記荷重検出用半導体ストレンゲージと前記温
   度補償用半導体ストレンゲージとのそれぞれを直列に接
   続して複数のアクティブゲージを構成し、該複数のアク
   ティブゲージと前記複数のダミー用半導体ストレンゲー
   ジとをホイートストンブリッジ回路に組込み、該ホイー
   トストンブリッジ回路を介して前記垂直荷重を検出する
   ようにしたことを特徴とする分布型触覚センサ。