JPH03252539A - 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〕 本発明は、分布型触覚センサに関し、詳しくは、ロボッ
トハンド等に取り付けて、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触覚センサに関する。

〔従来の技術〕

分布型触覚センサは、主にロボットハンドなどにおいて
その触覚検知により、把持力の大きさ、面圧分布等の情
報を得る目的で開発が進められてきており、センサ表面
に垂直な力のみならず、水平な力の分布も検出できる分
布型触覚センサとして、第４図〜第７図に示すようなも
のが提案されている。提案されている触覚センサは、シ
リコンウェハを後述するように加工して作成されるもの
で、第４図は加工成形されたシリコンウェハをその加工
された側（以下で裏面という）から見た図である。

触覚センサ１はシリコンウェハから切り出され、第４図
に示す左半分が検出部Ｉ　Ａ、右半分が信号処理部ＩＢ
であり、触覚センサ１の裏面にはこの図に右下がりのハ
ツチングで示す４本のＹ方向の深溝１１と右上がりのハ
ツチングで示す同じ深さの４本のＸ方向の深溝１２がダ
イサで加工成形されている。また、これらの深溝１１お
よび１２に沿って８個の長方形の貫通孔１３が図に示さ
れた位置および方向に、放電加工またはレーザ加工によ
り形成される。さらにこの図で点々を施して示した部分
は、浅溝１４であり、浅溝１４は深溝１１゜１２を形成
した後、深溝１１．１２を加工したダイサの砥石よりも
やや厚い砥石で、その部分をＸ方向およびＸ方向に走査
することにより加工できる。

な詔ハツチングを施した部分と点々を施した部分とが重
なっている部分は当然ながら深溝の厚さを有する部分で
ある。また、１５はこのような加工によって触覚センサ
１の検出部１人に形成された４個の突起である。

第５図は第４図のｐ−ｐ断面を示す。この図から明らか
なように深溝１１．浅溝部１４．突起部１５によりＸ方
向の梁２０が形成されていることがわかる。また、第６
図は第４図のＱ−Ｑ断面を示すもので、同様にして深溝
１１．浅溝１４．突起部１５によりＹ方向の梁２１が形
成されている。

第７図は切出されて形成された触覚センサ１をその表面
側から見た図である。すなわち、８個の貫通孔１３によ
ってそれらの間に２個のＸ方向の梁２０，２０と２個の
Ｙ方向の梁２１．２１とが形成されている。２２はこれ
らの梁２０および２１のそれぞれに４つづつ、図示の位
置に配設された合計１６個の半導体ストレンゲージ２２
である。また触覚センサ１の右手面には、信号処理のた
めの電子回路が形成された１０部２４となりでいる。

次に梁２０および２１によってどのように荷重が検出さ
れるかを第８〜第１１図に従って説明する。

第８図および第１０図は梁２０，２１を模式的に示した
もので第８図に示すように１両端固定でその中心に突起
部１５を有する梁の突起部１５に、垂直方向の力３１が
加わったとすると、梁の下面側に発生する歪分布は第９
図のようになる。

また第１０図に示すように、同じ梁に突起部１５を介し
て水平方向の力３２が加わったとすると、梁の下面側に
発生する歪分布は第１１図のようになる。なお、第９お
よび第１０図において十記号は引張歪、−記号は圧縮歪
を表わす。

いま第８図の点Ａ−Ｄの歪を第９、第１１図でみると、
明らかにいずれの点においても大きな歪が発生しており
、第８図のように垂直方向の力３１が加わったときに発
生する歪は、Ａ、Ｄ点では−ｃｍ（μ５ｔｒａｉｎ）、
Ｂ、　０点ではβ（＃５ｔｒａｉｎ：）となる。すなわ
ち梁の対称性を考慮すれば人、Ｄ点およびＢ、０点での
歪は等しくなる。また第１０図のように水平方向の力３
２が加わったときに発生する歪は、Ｂ、Ｄ点では−ｒ〔
μ５ｔｒａｉｎ）、Ａ、０点ではδ〔μ５ｔｒａｉｎ）
となる。

従りて、垂直方向の力３１と水平方向の力３２が同時に
加わったときのＡ−Ｄ点の歪は以下のようになる。

β点　ｇ　−α＋β Ｂ点　：　＋β−ｒ ０点　：　＋β＋β Ｄ点　：　−α−γ 従ってＡ〜Ｄ点にストレンゲージを形成して各点の歪を
測定し次の計算をすれば、垂直方向の分力および水平方
向の分力を同定することができる。

（β点の歪−Ｂ点の歪） ＋（Ｄ点の歪−０点の歪） ＝（（−α＋β）−（＋β−γ）） ＋（（−α−γ）−（＋β＋β）） ＝−２（α＋β） ・・・・・・（１） （β点の歪−β点の歪） −（Ｄ点の歪−０点の歪） ＝（（−α＋β）−（＋β−γ）） −（（−α−γ）−（＋β＋δ）） ＝２（ｒ＋δ） ・・・・・・（２） すなわち（１）式により垂直方向の力を同定し、（２）
式により水平方向の力を同定することができる。

なお、（β点の歪−Ｂ点の歪）はβ点に形成されたスト
レンゲージ２２とＢ点に形成されたストレンゲージ２２
とでハーフブリッジを形成すれば検出することができ、
一方（Ｄ点の歪−０点の歪）は、Ｄ点に形成されたスト
レンゲージと０点に形成されたストレンゲージとでハー
フブリッジを形成すれば検出することができる。

すなわち、第１２図に示すように回路を構成することに
よりＡ点のストレンゲージ２２ＡとＢ点のストレンゲー
ジ２２Ｂ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２２Ｄと０点のストレンゲージ２２Ｃ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
フブリッジの出力の和を加算アンプ４５により計算すれ
ば垂直方向分力信号４６が得られる。一方それぞれのハ
ーフブリッジの出力の差を差動アンプ４７により計算す
れば、水平方向分力信号４８が得られる。

第１３図はＸ方向の梁２０やＹ方向の梁２１の中心線上
長手方向の人、Ｂ、Ｃ，Ｄ点に設けた半導体ストレンゲ
ージ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ，２２Ｄ　であり、第１２
図のようにハーフブリッジに組込み、第７図に示すＩＣ
部２４において信号処理をすることにより、Ｘ方向の梁
２０では突起部１５に加わる垂直方向分力Ｆｚおよび、
水平方向分力Ｆｘ１また。Ｙ方向梁２１においては同様
に、垂直方向分力Ｆ２および水平方向分力ＦＹをそれぞ
れ検出することができる。従って各センサ素子において
分力Ｆ２とＦｘｌあるいは分力Ｆ２とＦ、を検出するこ
とができ、触覚センサ１全体として表面に印加された荷
重の分布を、ｘ、ｙ、ｚ方向分力Ｆｘ、ＦＹ。

Ｆ２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、上述の分布型触覚センサをロボット等に
装着して使用する場合、例えば第７図のように触覚セン
廿１の表面に電源供給用や、信号取り出し用等のために
はんだバンプ２５を設けた上、第１４図のようにフリッ
プチップ方式で、このような複数個の触覚センサ１をユ
ニットにして、基板５上にはんだ接続し、機械的に結合
された一体構造として使用されることになり基板５によ
ってこれらの触覚センサ１がセンサ素子として構造的に
支持されるために、十分な剛性を持つリジットな基板５
とする必要があり、次のような問題点があった。

（１）触覚セン廿の装着形態が限定され、曲面等への装
着が困難である。

（２）基板５から上位系に配線接続される場合、この基
板５の上面に第１４因のようにコネクタ５２やリード線
５１等を実装しなければならず、分布型触覚センサ全体
の小型化、組立工程の簡素化等が困難になる。

本発明の目的は、上述したような問題点に着目し、その
解決を図るべく、曲面等にも自在に装着できて柔軟に対
応することができ、かつ組立が容易でコンパクト化を図
ることができる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〕

かかる目的を達成するために、本発明は、半導体基板に
複数の貫通孔によって形成された梁を有し、前記半導体
基板の一方の面における前記梁の中央に突起部を設ける
とともに、他方の面に前記梁に沿って複数の半導体スト
レンゲージを配設し、前記突起部に加えられた荷重が前
記複数の半導体ストレンゲージを介して検出可能な複数
のセンサ素子と、該複数のセンサ素子を前記半導体基板
の他方の面を介して個々に撓み自在に支持する固定基板
と、個々の該固定基板を装着し、当該固定基板を介して
前記複数のセンサ素子のそれぞれに電気的に接続され、
その信号を処理する回路を有するフレキシブル配線基板
とを具え、該フレキシブル配線基板を非装着体に自在な
形態で装着可能なようにしたことを特徴とするものであ
る。

〔作用〕

本発明によれば、センサ素子の各々が固定基板に撓み自
在な形で固定支持されるとともに電気的に接続され、さ
らに固定基板がフレキシブル配線基板に電気的に接続さ
れた状態で支持されるもので、各センサ素子の信号をフ
レキシブル配線基板を介して直接上位処理系に配線接続
することができ、フレキシブル配線基板の可撓性により
、被装着体の曲面等に自在に装着が可能となり、しかも
コネクタやリード線等を介することなく上位処理系に接
続することができる。

〔実施例〕

以下、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。本例は例えばロボッ
トのアームやフィンガー等の被装着体２への装着状態を
示すもので、ここで、触覚センサ（センサ素子）１はは
んだバンプ２５により例えばフリップチップ方式でセラ
ミック等により剛体の基板５にはんだ付けで電気的なら
びに機械的に固定、支持される。なお各触覚センサ１の
検出部自体については第７図に示したと同様に構成され
るもので、荷重が直接に作用する各上面側に第４図に示
した裏面が露出されている。

また上述の触覚センサ１を固定支持している剛体の基板
５はさらにその下面側に設けられたはんだバンプ２６を
介して例えばフリップチップ方式によりフレキシブル配
線基板３にはんだ付けで固定される。４は十分に柔軟性
のあるフレキシブル配線基板３を被装着体２に取付ける
ためにその中間に介装された添装部材である。さらにま
た、６はフレキシブル配線基板３上に設けられた信号処
理回路、３Ａは信号処理回路６を介して、上位処理系に
信号を取り出したりする配線のために設けられた基板延
在部である。

このように構成した分布型触覚センサにおいては、個々
の触覚センサ１のユニットを介して加えられた力がそれ
ぞれ水平方向および垂直方向の分力に分けて検出され、
はんだバンプ２５，２６を介して信号処理回路６に検出
信号として入力される。すなわち、信号処理回路６で適
当に処理された後、フレキシブル配線基板３の延在部３
Ａに接続される上位処理系に、コネクタやリード線等に
よることなく直接に伝達される。

以上のように、本実施例によれば、各触覚センサユニッ
ト自体に十分な剛性を保持させた上、被装着体が曲面で
あっても容易に装着することができ、電源の供給や信号
の取出しはフレキシブル配線基板を介して行われるので
、複雑な配線を要せず、組立工程の簡素化、装置のコン
パクト化を図ることができる。

第２図は本発明の他の実施例を示す。本例においても触
覚センサ１をはんだバンプ２５を介して基板５に固定し
、さらに基板５をはんだバンプ２６を介してフレキシブ
ル配線基板３に取付けるまでの構造については第１図に
示した実施例と変わらない。

ただし、本例の場合は上述のようにしてフレキシブル配
線基板３上に配置した触覚センサ１を被装着体２に取付
けるにあたりフレキシブル配線基板３と被装着体２との
間に介装する添装部材を変形自在な厚さを持たせた弾性
体で形成したものである。以下でこの添装部材を弾性添
装部材４ｏと呼ぶ。このように構成した分布型触覚セン
サでは接触の対象となる接触対象体現が矢印で示すよう
にして複数の触覚センサ１に接触しこれに荷重が加わる
と、弾性添装部材４０がその弾性により第３因のように
変形する。それに応じてフレキシブル配線基板３もまた
図示のように撓むので、接触対象体現に複数の触覚セン
サ１が無理のない形で接触を保つことになり、安定した
正確な触覚情報を分布型触覚センサとして取出すことが
できる。

なお、以上に述べた実施例では、各センサ素子において
、互いに平行する２つの長方形溝によってその間に形成
される梁が交互にＸ方向およびＸ方向に設けられ、その
中央部に荷重を受ける突起部が受圧部として形成されて
いたが、本発明の適用はこのような形態の受圧部を有す
るものに限られるものではなく、例えば十字型に形成さ
れた梁の中央部に受圧部を有するもの等、要は梁の中央
部に受圧部としての突起部が形成され、その裏面側に梁
に関連して複数のストレンゲージが配設される形態のセ
ンサ素子を用いて構成される分布型触覚センサに広く適
用できることはいうまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように、本発明によれば、形成された
梁に半導体ストレンゲージを配設し、梁に生じる撓みを
半導体ストレンゲージを介して検出するようにした複数
のセンサ素子をそれぞれ個個の固定基板に撓み自在に支
持させるとともに、この固定基板を介して複数のセンサ
素子をフレキシブル配線基板に堰付け、それらの電気信
号をフレキシブル配線基板上の処理回路を介して取出す
ようにしたことによって、フレキシブル配線基板が可撓
性であることにより曲面等種々な形態の被装着体の面に
装着することができ、また、フレキシブル配線基板を延
在させ、上位処理系に直接に配線接続することが可能と
なり、コネクタやリード線等の必要がなくなり、全体装
置の小屋化を図ることができるとともに、組立工程の簡
素化にも貢献できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成を示す斜視図、第２図
および第３図は本発明の他の実施例の構成を示す断面図
およびその動作中の状態を示す説明図、 第４図は本発明の適用が可能なセンサ素子の受圧側の平
面図、 第５図および第６図は第４図のＰ−Ｐ線およびＱ−ＱＭ
断面図、 第７図は第４図に示すセンサ素子の歪検出側の平面図、 第８図および第９図は両端固定梁にかかる垂直方向の力
と発生する歪との関係を示す図、第１０図および第１１
図は両端固定梁にかかる水平方向の力と発生する歪との
関係を示す図、第１２図はセンサ素子における信号処理
回路の構成図、 第１３図はセンサ素子に右けるストレンゲージの配置図
、 第１４図は従来技術による分布型触覚センサの構成を示
す斜視図である。 １・・・触覚センサ、 ２・・・被装着体、 ３・・・フレキシブル配線基板、 ３Ａ・・・延在部、 ４・・・添装部材、 ４０・・・弾性添装部材、 ５・・・基板、 ・・信号処理回路、 ３・・・貫通孔、 ５・・・突起部、 ０．２１・・・梁、 ２・・・半導体ストレンゲージ、 ５．２６・・・はんだバンプ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）半導体基板に複数の貫通孔によって形成された梁を
   有し、前記半導体基板の一方の面における前記梁の中央
   に突起部を設けるとともに、他方の面に前記梁に沿って
   複数の半導体ストレンゲージを配設し、前記突起部に加
   えられた荷重が前記複数の半導体ストレンゲージを介し
   て検出可能な複数のセンサ素子と、 該複数のセンサ素子を前記半導体基板の他方の面を介し
   て個々に撓み自在に支持する固定基板と、個々の該固定
   基板を装着し、当該固定基板を介して前記複数のセンサ
   素子のそれぞれに電気的に接続され、その信号を処理す
   る回路を有するフレキシブル配線基板と を具え、該フレキシブル配線基板を非装着体に自在な形
   態で装着可能なようにしたことを特徴とする分布型触覚
   センサ。