JPH0411348B2

JPH0411348B2 -

Info

Publication number: JPH0411348B2
Application number: JP60125245A
Authority: JP
Priority date: 1985-06-11
Filing date: 1985-06-11
Publication date: 1992-02-28
Also published as: JPS61284390A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、ロボツトのハンドや遠隔制御のマニ
ピユレータあるいは移動ロボツトの足の裏等に取
付けて、人間における接触覚、圧覚、力覚、すべ
り覚および硬さ覚等に相当する感覚を検出する触
覚センサに関する。

［従来の技術］人間の手や足の裏の皮膚に加わる力は立体的で
あり、かつある分布を有している。そして、この
手や足に印加された力の大きさや方向およびその
分布は手や足の動きに併つて変化するが、人間は
この力に対する接触覚等の感覚を具えている。機
械のハンドや足を人間と同等に高度に制御するた
めには、人間の有するこれらの感覚、即ち触覚を
制御系に備える必要がある。

上述のような立体的な力を触覚センサが検出す
るには、そのセンサの受圧面に垂直な方向の力
と、受圧面に平行な直角２方向の力の合計３分
力、即ち印加された力を直交座標系の３軸の力に
分解して検出することが、力の検出後のデータの
処理上も都合が良く、一般的に採用されている。
この３方向分力を検出する感圧構造体として円形
の弾性リングあるいはその変形である第２図に示
すような八角形のリングを用いて２個並列にした
触覚センサモジユールが提供されている。また、
第３図に示すように、この触覚モジユールを多数
マトリツクスアレイ状（行列状）に配置して、力
の分布状態を検知する触覚センサも提供されてい
る。ここで、５０は触覚センサ全体を示す。５１
は触覚センサモジユール、５２は受圧板、５３は
感圧構造体（感圧セル）、５４はストレンゲージ、
５５は基板、５６は感圧構造体固定用溝、５７は
スキヤナ・増幅器および温度補正回路である。

この八角形感圧構造体５３には上述の３分力を
検出するためのストレンゲージ５４が、例えば第
４図に示すように、所定の計算式により演算して
求めた適切な位置に配置されている。即ち、５４
ｘは図中に示す力の水平方向の分力Fxの検出用
のストレンゲージであり、５４ｙは分力Fxと直
角な力の水平分力Fyの検出用のストレンゲージ
であり、５４ｚは力の垂直方向の分力Fzの検出
用のストレンゲージである。これらのストレンゲ
ージ５４ｘ，５４ｙ，５４ｚはそれぞれ他の分力
が出力信号に干渉しないように、例えば第５図Ａ
〜Ｃに示すように３つのブリツジ回路を構成して
いる。そのため、このようなストレンゲージの配
置では、１個の感圧構造体５３に合計12個のスト
レンゲージが必要であり、１個のモジユール５１
は２個の感圧構造体で構成されるので、合計24個
のストレンゲージが各モジユール毎に必要とな
る。

そこで、ストレンゲージの数を少なくするため
に、例えば第６図に示すように各感圧構造体上の
ストレンゲージを片側だけにしたハーフブリツジ
配置にしても、第７図Ａ〜Ｃに示すように、１個
のモジユール５１について合計12個のストレンゲ
ージ５４が必要となる。

一方、触覚の分布の検出、特に接触覚や接触面
積の検出には触覚センサモジユールをできるだけ
小さくして分解能を高めることが望まれる。この
モジユールを小さくし、しかもその感圧構造体の
中に多くのストレンゲージを正確に配置するため
に、感圧構造体の材質をシリコン単結晶とした
り、または金属製の感圧構造体の表面に絶縁層と
非結晶シリコンを形成させた後に、これらの感圧
構造体の表面にフオトリゾグラフイによつて半導
体ストレンゲージを形成させるという手段が一般
に採用されている。

［発明が解決しようとする問題点］しかしながら、このように半導体ストレンゲー
ジを形成した従来の触覚センサには次のような幾
個かの欠点がある。

その第１の欠点は、上述のように高密度に配
列した触覚センサの発熱量が大きいことであ
る。

一般に、抵抗の発熱量は供給電圧が一定とす
れば、抵抗値に反比例する。この発熱量を小さ
くするために、ストレンゲージの抵抗値を上げ
る方策として、半導体ストレンゲージの場合に
はその形状を小さくするか、又はイオン注入量
を下げることが考えられる。しかし、これらの
方策は抵抗値のばらつきやセンサの感度のばら
つきを大きくする原因となる。そこで、一般的
には熱的安定性を求められる小形センサでも、
熱ＫΩ程度の抵抗値を持つように形成される。

今、１平方センチメータ当り10個のモジユー
ル（触覚センサモジユール）があり、各モジユ
ールにはそれぞれ抵抗値5KΩのストレンゲー
ジが12個形成され、ブリツジの電源電圧が5V
の場合の消費電力を試算すると0.6Wとなり、
この消費電力は、LSI（大規模集積回路）パツ
ケージの標準的な消費電力である１平方センチ
メータ当り0.2Wよりも大きく、更に後述の温
度測定素子や信号の掃引のためのアナログスイ
ツチを内蔵すると消費電力は更に大きくなり、
センサの温度はかなり高くなることが予想され
る。

第２の欠点は、半導体ストレンゲージは通常
の貼付形の抵抗線、又は箔形ストレンゲージに
比べて抵抗および感度の温度係数が極めて大き
いことである。

上述の第１の欠点と第２の欠点が各モジユール
毎の感度のばらつきと、熱的不安定性とを相乗的
に大きくするように作用する。

これらの欠点を除いて測定精度を向上するため
に、半導体ストレンゲージと同じ製造工程により
抵抗形の温度測定素子を各モジユール毎に形成さ
せて各モジユールの温度を計測し、その温度計測
値から予め求めておいたそれぞれのストレンゲー
ジ毎の温度特性に基づいてストレンゲージ出力の
補正計算を行うということが一般に行われてい
る。しかし、この温度補正による方法でも次のよ
うな欠点がある。

まず、一つの欠点は温度測定素子も抵抗素子
であるので、発熱量が更に増加することであ
る。

二つ目の欠点は、配線数が増加することであ
る。

そもそも、モジユールを小さくして、ストレン
ゲージ等の構成要素を高密度に配列する場合の技
術的な問題点として、配線数の制限がある。即
ち、感圧構造体と基板の部分での配線の接続にお
ける配線密度、および基板上の配線における配線
密度とが触覚センサの高密度化を決める大きな因
子となるので、上述のように温度測定素子を設け
ることによつて配線がさらに増加し、触覚センサ
の密度を低下することになる。

これらの欠点を除くための対策として、複数の
モジユールのグループについて１個のモジユール
だけ温度測定素子を設けて他のモジユールの温度
も同じであると考える方法もあるが、上述の如く
温度測定素子を設けたモジユールの発熱量は温度
測定素子を設けないモジユールの発熱量と異なる
ので、正確な温度補正はできないという欠点があ
る。

本発明は、上述の種々の問題点に鑑みて、３方
向分力を検出できる触覚センサモジユールを高密
度に配列するという本来の目的を損なわないで、
且つ触覚センサモジユールの発熱量の増加や不均
一化および配線数の増加をもたらさないで、スト
レンゲージの温度補正を行なうことを実現し、そ
の結果として得られる温度の影響がなく且つ高密
度な触覚センサを提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］上記目的を達成するために、本発明によれば、
感圧構造体に複数個のストレンゲージを形成し、
これらの前記ストレンゲージにより構成された複
数個のブリツジの出力によつて前記感圧構造体の
上部に設けられた受圧面に印加された力を、前記
受圧面に垂直な方向および前記受圧面に平行な直
角２方向の合計３方向の成分に分解して検出する
触覚センサモジユールを行列状に配列して、前記
３方向分力の２次元分布を検出する触覚検出手段
と、前記感圧構造体に温度測定素子を形成し、前
記感圧構造体の温度を検出するモジユール温度検
出手段と、前記触覚検出手段および前記モジユー
ル温度検出手段からの出力信号を順次取り出し、
前記ストレンゲージの個々について予め求めてお
いた温度特性の補正係数に基づいて、前記ストレ
ンゲージの温度特性の補正を行う触覚信号温度補
正手段とを設けた触覚センサであつて、前記モジ
ユール温度検出手段を構成する測温モジユール
を、前記触覚センサモジユールの複数からなるグ
ループについて１個配置し、前記グループ内の他
の前記触覚センサモジユールでは前記温度測定素
子を省略したものとし、かつ前記モジユール温度
検出手段を構成する前記測温モジユールは、前記
受圧面に垂直な方向の力を検出する前記ストレン
ゲージを有するが前記受圧面に平行な２方向ある
いは１方向の力を検出する前記ストレンゲージを
省略したものとし、さらに前記モジユール温度検
出手段を構成する前記測温モジユールの発熱量
を、前記温度測定素子を有しない前記触覚センサ
モジユールの発熱量とほぼ同一とするように、前
記測温モジユールの前記温度測定素子の抵抗値を
定めることとする。

［作用］本発明の触覚センサは、３方向分力を検出する
触覚センサモジユール（以下、力モジユールと称
する）、および受圧面に垂直な力と温度とを検出
し、受圧面に平行な２方向の分力又はそのいずれ
かの一方の分力の検出を省略した触覚センサモジ
ユール（以下、測温モジユールと称する）の２種
類のモジユールとを備え、さらに基板上に行列配
列した触覚センサモジユールを適当な個数毎のグ
ループにグループ分けをして、各グループ毎に１
個の測温モジユールを配置するようにし、グルー
プ内の他のモジユールは力モジユールを配置する
ようにして構成したものである。また、力モジユ
ールと測温モジユールの発熱量が等しくなるよう
に、温度測定素子の抵抗値を選ぶようにしてい
る。このため、測温モジユールの発熱量と力モジ
ユールの発熱量が等しくなつて正確な温度補正が
得られ、これにより、発熱量の増加によるセンサ
の熱的不安定性や信頼性の低下を避けることがで
きると共に、配線数の増加も避けることができ
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。

第１図は本発明の触覚センサの構成の一例を示
す。ここで、５９は３方向分力を検出する触覚セ
ンサモジユール（力モジユール）であり、６０は
受圧面に垂直な力と温度とを検出し、受圧面に平
行な２方向の分力又はいずれか一方の分力の検出
を省略した触覚センサモジユール（測温モジユー
ル）である。

６１はスキヤナ・増幅・温度補正回路（以下、
IC回路と称する）５７と各モジユール５９，６
０を接続する配線である。

これらのモジユール５９，６０は基板５５上に
多数行列配列され、適当な個数（本例では４個）
で１グループを形成し、各グループ内の１個が測
温モジユール６０で、他の３個が力モジユール５
９である。１グループのモジユールの個数は、放
熱状況や測温モジユールは６０で検出を省略した
分力の測定精度の要求に対応した適切な数に選択
する。

第１図のモジユール５９，６０を構成する感圧
構造体（感圧セル）５３は外縁が八角形のもので
あるが、感圧構造体としてはこれに限定されず、
第８図Ａに示すようなリング形状のもの、同図Ｃ
に示すような短冊形状のもの等、種々の形状のも
のが適用できる。また、力モジユール５９の感圧
構造体５３のストレンゲージ５４の配置は、上述
した第４図または第６図に示すような従来と同様
のものである。

第９図は第１図の測温モジユール６０の配置構
成例を示し、第１０図はその測温モジユール６０
のブリツジ回路の回路構成例を示す。第９図に示
すように、この測温モジユールは６０の各感圧構
造体５３には、垂直分力Fzを検出する２個のス
トレンゲージ５４zc；５４ztと２個の温度測定素
子５８ａ，５８ｂとを形成し、他の分力検出用の
ストレンゲージは形成していない。

上述の温度測定素子５８ａ，５８ｂはブリツジ
出力を得るためにそれぞれ異なる抵抗温度係数を
有し、且つ温度係数が温度によつて変化しないよ
うな不純物濃度を選んで形成された２種の温度測
定素子である。また、この温度測定素子５８ａ，
５８ｂはストレンゲージ５４zc，５４ztと同様に
歪に対する感受性を有しているので、感圧構造体
５３がＸ，Ｙ，Ｚ方向の外力を受けても歪を生じ
ない応力の中性軸となる位置、例えば八角形の感
圧構造体の場合には第９図に示したように上下方
向中央であつてリングの幅の中央付近の位置に配
置されることが望ましい。

また、力モジユール５９のブリツジの数は上述
した第７図に示すように３個であるのに対して、
測温モジユール６０のブリツジの数は第１０図に
示すように２個である。測温モジユールは６０の
検出温度データにより力モジユール５９のストレ
ンゲージの温度特性を補正するためには、測温モ
ジユール６０の発生温度と力モジユール５９の発
生温度とを同一にする必要がある。換言すれば、
測温モジユール６０のストレンゲージ５４zc，５
４ztと温度測定素子５８ａ，５８ｂの合計の発熱
量を力モジユール５９のストレンゲージの合計の
発熱量と同一にすることが必要である。また、回
路を簡単にするために、ブリツジ電源の電圧を共
通にすることが一般的に行われているが、このよ
うにブリツジ電圧を共通にした場合には温度測定
素子５８ａ，５８ｂの抵抗値をストレンゲージ５
４zc，５４ztの抵抗値の半分にすればよい。な
お、信号掃引のためのアナログスイツチ等がスト
レンゲージ５４zc，５４ztや温度測定素子５８
ａ，５８ｂに付属している場合には、これらのス
イツチ等も含めて発熱量（即ち、抵抗値）を計算
する必要がある。

上述の実施例の説明では、測温モジユール６０
において、その受圧面に平行な２方向の分力Fx，
Fyを検出するストレンゲージ５４xc，５４xt，
５４yc，５４ytを両方とも省略した場合の温度測
定素子５８ａ，５８ｂの抵抗値について述べた
が、その受圧面に平行ないずれか１方向の分力
FxまたはFyを検出するストレンゲージのみを省
略することにより配線数の減少と発熱量の均一化
を図ることは可能であり、この場合には温度測定
素子の抵抗値をストレンゲージの抵抗値と同じに
すればよい。

また、上述のように測温モジユール６０では温
度測定用の素子５８ａ，５８ｂを形成するため
に、受圧面に平行な分力の検出を省略したが、こ
の分力の検出を省略しても触覚センサの機能を満
足する理由を以下に説明する。

即ち、感圧構造体５３の受圧面に加わる３分力
の内で受圧面に垂直な方向の分力Fzは触覚の基
本的な量であり、また接触覚、接触する面積や形
状、すべり覚、硬さ覚の検出や演算のために用い
られ、３分力の内で最も重要な分力なので検出を
省略することはできない。一方、第１１図に示す
ように、複数の触覚センサモジユール５１で触覚
の対象物６２と接触している場合の垂直分力Fz
と受圧面に平行な分力Fx（又はFy）の比率を各
モジユール毎に実験的に求めてみると、下式(1)の
ようにいずれのモジユールについてもほぼ一定で
あることが解つた。

Fx₁／Fz₁≒Fx₂／Fz₂≒Fx₃／Fz₃≒Fx₄／Fz₄≒Fx₅／Fz₅(1) ここで、₅ 〓ⁿ⁼¹ Fzn＝Fz，₅ 〓ⁿ⁼¹ Fxn＝Fxである。

但し、この比率は接触状態、触覚の対象物６２
の表面の材料６３の材質、触覚センサの姿勢で異
なる。そこで、第１図のような高密度な触覚セン
サ５０では触覚センサモジユール１個で対象物６
２と接触することは、特に受圧面に平行な力が作
用する条件下ではあり得ないので、次式(2)に示す
ように、測温モジユールは６０の周囲の力モジユ
ール５９におけるFzとFx（あるいはFy）の比率
を求めて、これを測温モジユールのFzに乗じる
ことによつて十分な精度で測温モジユールにおけ
るFx（あるいはｙ）を知ることができる。

Fx₃≒１／ｎ₅ 〓ⁿ⁼¹ Fxn／Fzn×Fz₃ (2) またその際、モジユールの大きさに比べて接触
面積が十分に大きい場合には、周囲の力モジユー
ルのFx（あるいはFy）を上述の演算を行わない
で、測温モジユールのFx（あるいはFy）とみな
しても良い。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれば、３分力
を検出する触覚センサモジユールを高密度に行列
状に配列した触覚センサにおいて、ストレンゲー
ジの温度特性を補正するための温度測定素子を各
モジユール毎に設けずにモジユールの１グループ
について１個のモジユールにのみに設け、さらに
その温度測定素子を設けたモジユールでは３分力
の内で受圧面に平行な２方向の両方またはそのい
ずれか１方向の分力の検出を省略し、又モジユー
ル毎の発熱量をほぼ同一にするように温度測定素
子の抵抗値を決定するようにしたので、正確な温
度補正が得られ、かつすべてのモジユールに温度
測定素子を設けた場合における発熱量の増加によ
るセンサの熱的不安定性や信頼性の低下を避ける
ことができると共に、配線数の増加がもたらす基
板内の配線密度の製作上の限界によるセンサの大
型化も避けることができる効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明触覚センサの構成例を示す斜視
図、第２図は従来の触覚センサモジユールの構成
例を示す斜視図、第３図は従来の触覚センサの構
成例を示す斜視図、第４図は従来の感圧構造体上
のストレンゲージの配置例を示す斜視図。第５図
Ａ〜Ｃは従来の触覚センサモジユールのストレン
ゲージブリツジ回路の一例を示す回路図、第６図
は従来の感圧構造体上のストレンゲージのハーフ
ブリツジ配置を示す斜視図、第７図はハーフブリ
ツジ方式の場合の触覚センサモジユールのストレ
ンゲージブリツジ回路の一例を示す回路図、第８
図Ａ〜Ｃは感圧構造体の形状の一例を示す斜視
図、第９図は本発明触覚センサの測温モジユール
のストレンゲージと温度測定素子の配置例を示す
斜視図、第１０図は第９図の測温モジユールのブ
リツジ回路の一例を示す回路図、第１１図は分力
検出省略のための実験例を示す概念である。５０……触覚センサ、５１……触覚センサモジ
ユール、５２……受圧板、５３……感圧構造体、
５４……ストレンゲージ、５５……基板、５６…
…感圧構造体固定用溝、５７……スキヤナ・増
幅・温度補正回路、５８……温度測定素子、５９
……力モジユール、６０……測温モジユール、６
１……配線、６２……触覚の対象物。

Claims

【特許請求の範囲】１感圧構造体に複数個のストレンゲージを形成
し、これらの前記ストレンゲージにより構成され
た複数個のブリツジの出力によつて前記感圧構造
体の上部に設けられた受圧面に印加された力を、
前記受圧面に垂直な方向および前記受圧面に平行
な直角２方向の合計３方向の成分に分解して検出
する触覚センサモジユールを行列状に配列して、
前記３方向分力の２次元分布を検出する触覚検出
手段と、前記感圧構造体に温度測定素子を形成し、前記
感圧構造体の温度を検出するモジユール温度検出
手段と、前記触覚検出手段および前記モジユール温度検
出手段からの出力信号を順次取り出し、前記スト
レンゲージの個々について予め求めておいた温度
特性の補正係数に基づいて、前記ストレンゲージ
の温度特性の補正を行う触覚信号温度補正手段と
を設けた触覚センサであつて、前記モジユール温度検出手段を構成する測温モ
ジユールを、前記触覚センサモジユールの複数か
らなるグループについて１個配置し、前記グルー
プ内の他の前記触覚センサモジユールでは前記温
度測定素子を省略したものとし、かつ前記モジユール温度検出手段を構成する前
記測温モジユールは、前記受圧面に垂直な方向の
力を検出する前記ストレンゲージを有するが前記
受圧面に平行な２方向あるいは１方向の力を検出
する前記ストレンゲージを省略したものとし、さらに前記モジユール温度検出手段を構成する
前記測温モジユールの発熱量を、前記温度測定素
子を有しない前記触覚センサモジユールの発熱量
とほぼ同一とするように、前記測温モジユールの
前記温度測定素子の抵抗値を定めたことを特徴と
する触覚センサ。２特許請求の範囲第１項記載の触覚センサにお
いて、前記ストレンゲージおよび前記温度測定素
子は、単結晶シリコンから成る前記感圧構造体の
表面に形成された半導体ストレンゲージであるこ
とを特徴とする触覚センサ。３特許請求の範囲第１項記載の触覚センサにお
いて、前記ストレンゲージおよび前記温度測定素
子は、金属弾性体から成る前記感圧構造体の表面
に絶縁層を介して形成された半導体層に形成され
た半導体ストレンゲージであることを特徴とする
触覚センサ。