JPH0418612B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は小型にして検出精度の高い感圧センサ
に関するものである。

（背景技術） 従来の感圧センサの構成を示す断面図を第１図
ａに示す。１はポリエステル・フイルム等の薄膜
の片面（外部圧力Ｐと直接接触しない面）にアル
ミニウム等の蒸着を施した反射面、２は光透過性
の良いシリコーン・ゴム等で構成された弾性体、
３は受光素子、４は受光素子３を形成する透明な
ガラス基板、５はガラス基板４の他面（受光素子
３を形成しない面）に光非透過性の金属からなる
蒸着膜（以下遮光層と称す）で、一部光を透過さ
せるための非蒸着部（以下光透過窓と称す）６を
有する。７は受光素子、８は発光素子７を搭載す
るセラミツク等の基板である。第１図ｂに受光素
子３の平面図を示す。図中破線で示した円は光透
過窓６および受光素子７の位置を表わしている。
なお、第１図ａ及びｂにおいて、受光素子は１組
のみを示しているが、実際は受発光素子が各々マ
トリクス状に多素子配列してあり、また受発光素
子の駆動回路および制御回路等の電気回路系、各
部の支持部等は図示しない。

以下動作を説明する。

発光素子７から出射された光は光透過窓６を透
過し、ガラス基板４および弾性体２を経て反射面
１にて反射され、再び弾性体２を経て受光素子３
に照射される。ここで受光素子３に照射される光
量は、反射面１と受光素子３との距離に依存し、
受光素子３の出力と前記距離との関係は第２図に
示すような特性となる。一方、反射面１と受光素
子３との距離は、加えられた外部圧力Ｐによる弾
性体２の歪み量（圧縮量）に対応している。した
がつて受光素子３の出力から加えられた外部圧力
を換算することができる。マトリクス状に配列さ
れた複数の受光素子に対しては、それらを順次駆
動して、その出力を圧力値に換算することによ
り、複数点の圧力が検出可能となる。

以上が従来の感圧センサの動作原理であるが、
上記構成における問題点を列記する。

(1) 一般に発光素子として発光ダイオード等が用
いられるが、光の指向性があまり良くないの
で、光透過窓６を通過する光量が少なく検出信
号のＳ／Ｎが悪くなる。

(2) 光透過窓６の径を大きくすれば、透過光量は
多くなるが、第３図ａに示すように、受光素子
３の裏面から直接光が入射する。

(3) 反射面１で反射した光は受光素子３の表面に
入射する以外に、第３図ｂに示すように、ガラ
ス基板４の中に再び入射し、遮光層５で反射し
て受光素子３の裏面から入射する。

上記(1)，(2)項は、構成上の制約を発生し、透過
光量を多くしてＳ／Ｎを良くするためには、光透
過窓径を大きくするとともに受光素子の内径およ
び外径も大きくする必要があり、したがつて多素
子を高密度に配置することが困難になる。また、
第３図ａの破線で示すように発光素子、光透過
窓、受光素子の中心位置が相対的にずれた場合に
も、受光素子の裏面へ直接光が入射するため、こ
れらの配置には高い精度が要求され製造上問題が
あつた。また上記(3)項は、第２図に示したセンサ
特性を劣化させる原因となり、反射面と受光素子
との距離変化に対する受光素子の出力変化が小さ
くなる等の悪影響を及ぼしていた。

（発明の課題） 本発明の目的は、上述した欠点を除去し、小型
にして構成が容易でかつ検出精度り高い感圧セン
サを提供することにあり、その特徴は、外部圧力
により変形可能で一方の表面に光反射面を有する
光透過性の可とう性弾性体層と、該層の他方の表
面に接してもうけられる光透過性の基板層と、該
基板層の前記弾性体層に接する面に搭載され中心
部に光透過窓を形成した略円形の複数の受光素子
と、前記基板層の前記受光素子形成面と異なる面
に対向して配設された別基板の表面に搭載され該
表面に投影した前記受光素子の光透過窓の略中央
に位置する発光素子とを有し、該素子の発光によ
り前記発光素子の光透過窓を通過した光を前記弾
性体層の変形に従つて光反射面で反射させ前記受
光素子で受光することにより前記弾性体層の外部
圧力による変形に対応した出力を前記受光素子か
ら得る感圧センサにおいて、前記受光素子から光
反射面に向かう光束を集束する集束手段が発光素
子と受光素子との間にもうけられることを特徴と
する感圧センサにある。

（発明の構成および作用） 第４図は、本発明の第１の実施例の構成を示す
断面図であり、受発光素子１組の周辺についての
み示している。本実施例において従来の第１図ａ
及びｂの構造と異なる点は、受光素子３および発
光素子７に対応する位置にレンズ部１０を有する
レンズ・アレイ板１１を設けたことである。発光
素子７から出射された光束は、レンズ１０により
点０に集束されるようにガラス基板４内を通過
し、点０に集束したのち拡散光束となつて弾性体
２を経て、反射面１にて反射され、再び弾性体２
を経て受光素子３に照射される。ここでレンズ部
１０を通過する光の量はレンズの開口数によつて
決まり、開口数の大きなレンズを使用することに
よつて通過光量を増すことができる。また発光素
子７からレンズ部１０を通過しない光に対しては
図中破線で示したようにガラス基板４への入射角
が大きくなるため、ガラス基板の裏面で反射され
ることになる。受光素子３の裏面からの光入射を
なくすためにはレンズ部１０の口径を大きくすれ
ば良いが、口径を大きくすることによりレンズ部
１０を通過する光量も増え検出信号のＳ／Ｎを良
くすることができる。したがつて受光素子３の裏
面からの光入射をなくすための構成設定の自由度
は従来例に比して大きくなり、また位置精度に対
しても許容範囲が大きくなる。一方、従来例にお
ける第３図ｂに示したような、反射面からの反射
光が再びガラス基板内を通り遮光層にて反射され
て受光素子の裏面から入射するような問題が解決
されるのはいうまでもない。

なお本実施例におけるレンズ・アレイ板として
は、いわゆる「ハエの眼レンズ」を用いており、
第４図ではレンズ部の凸面を受光素子側に示して
いるが、逆に発光素子側に配置しても良い。

次に、本発明の他の実施例について説明する。
第５図ａ及びｂは、本発明の第２の実施例の構成
を示す断面図であり、第１の実施例と異なる点
は、受光素子３を形成する基板としてレンズ・ア
レイ板１１を用いたことである。第５図ａはレン
ズ・アレイ板として第１の実施例で説明した「ハ
エの眼レンズ」を発光素子側に凸面を有するごと
く用いたものであり、第５図ｂはレンズ・アレイ
板としてセルフオツク・レンズ・アレイ板を用い
たものである。なおセルフオツク・レンズ・アレ
イ板は、レンズ部１０を受光素子３に対応する位
置にのみ設けたものでも、全面に設けたものでも
良い。

第６図は、本発明の第３の実施例の構成を示す
断面図であり、発光素子７を電気絶縁体２０を介
して凹面鏡２１に搭載して配置した構成を、第２
の実施例に付加したものであり、発光素子７から
出射された光は凹面鏡２１により指向性を持つよ
うになり、したがつて発光素子からの光の大部分
をレンズ部１０に導くことができ、レンズを通過
する光量をさらに多くすることが可能となる。

第７図は上記実施例の全体構成を示す斜視図で
あり、各々４×４個の受発光素子を２mm間隔に配
列した例である。実施例では反射部１は厚さ数
10μmの薄膜フイルム、弾性体２は厚さ２mmの透
明シリコーン・ゴム、受光素子３はアモルフア
ス・シリコン、発光素子７はLED、レンズ・ア
レイ板１０はセルフオツク・レンズ・アレイで構
成されており、レンズ・アレイ板（セルフオツ
ク・レンズ・アレイ）１０上に受光素子（アモル
フアス・シリコン）３をスパツタ法等にて形成す
る。また受光素子３および発光素子７は、図示し
ない電気回路部により各々マトリクス駆動されて
いる。

第８図は電気回路系を示すブロツク図である。
１００，１１０は各々マトリクス配列された発光
素子群および受光素子群、１２０，１３０はアナ
ログ・マルチプレクサ、１４０は制御回路、１５
０は増幅器、１６０はサンプル・ホールド回路、
１７０はＡ／Ｄ変換器、１８０は信号処理回路で
あり、発光素子群１００および受光素子群１１０
は各々、アナログ・マルチプレクサ１２０，１３
０によりマトリクス駆動される。

動作は、先ず発光素子群１００における一つの
発光素子と、受光素子群１１０における前記発光
素子に対応した受光素子とを、各々アナログ・マ
ルチプレクサ１２０および１３０を制御回路１４
０からの信号によつて切り換えることにより選択
駆動する。選択された発光素子には、アナログ・
マルチプレクサ１３０を介して電圧Ｖが印加さ
れ、前記発光素子が発光すると、選択された受光
素子の出力がアナログ・マルチプレクサ１４０を
介して増幅器１５０にて増幅されてサンプル・ホ
ールド回路１６０に入力される。サンプル・ホー
ルド回路１６０には制御回路１４０よりマトリク
ス駆動に同期したホールド信号が入力され、増幅
器１５０からの信号がホールドされてＡ／Ｄ変換
器１７０に送出される。Ａ／Ｄ変換器１７０で
は、制御回路１４０からの設定タイミングに従つ
て前記ホールド信号がデイジタル信号に変換され
る。このデイジタル信号は、選択駆動された受光
素子と反射面との距離に応じた信号であるので、
信号処理回路１８０により、前記受光素子位置に
おける圧力値に変換され、圧力信号として出力さ
れる。

ここで、圧力値への変換は、例えば（加圧力→
弾性体の圧縮率→反射面変位量→受光素子出力）
の関係を表わすテーブルを用意しておくことによ
り容易に行なえる。

以上が１組の受発光素子に対する動作であるが
全素子に対しては、同様にして制御回路１４０に
より各受発光素子を順次駆動検出し、したがつて
受圧面全面に対して走査が行なわれる。

（発明の効果） 本発明は、以上説明したように、発光素子から
の出射光束を集束する手段を設けることにより、
遮光層を形成せずに受光素子の裏面からの光入射
を除去でき、利用できる光の量を増大することが
できるので感圧センサの検出精度を向上できると
ともに構成上の位置精度に対する許容量を大きく
することができ、したがつて製造時間を短縮で
き、かつ高密度の配列が可能となるという利点が
あり、ロボツト用ハンド等に実装し得る小型触覚
センサとして用いることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ及びｂは従来の感圧センサの構成を示
す図、第２図は受光素子と反射面との距離変化に
対する受光素子の出力特性を示す図、第３図ａ及
びｂは従来例の受光素子裏面への光照射径路を示
す図、第４図は本発明の第１の実施例の構成を示
す断面図、第５図ａ及びｂは本発明の第２の実施
例の構成を示す断面図、第６図は本発明の第３の
実施例の構成を示す断面図、第７図は本発明の全
体構成を示す斜視図、第８図は本発明の実施例に
おける電気回路系を示すブロツク図である。 １……反射面、２……弾性体、３……受光素
子、４……ガラス基板、５……遮光層、６……光
透過窓、７……発光素子、８……発光素子搭載用
基板、１０……レンズ部、１１……レンズ・アレ
イ板、２０……電気絶縁体、２１……凹面鏡、１
００……発光素子群、１１０……受光素子群、１
２０，１３０……アナログ・マルチプレクサ、１
４０……制御回路、１５０……増幅器、１６０…
…サンプル・ホールド回路、１７０……Ａ／Ｄ変
換器、１８０……信号処理回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 外部圧力により変形可能で一方の表面に光反
   射面を有する光透過性の可とう性弾性体層と、該
   層の他方の表面に接してもうけられる光透過性の
   基板層と、該基板層の前記弾性体層に接する面に
   搭載され中心部に光透過窓を形成した略円形の複
   数の受光素子と、前記基板層の前記受光素子形成
   面と異なる面に対向して配設された別基板の表面
   に搭載され該表面に投影した前記受光素子の光透
   過窓の略中央に位置する発光素子とを有し、該素
   子の発光により前記発光素子の光透過窓を通過し
   た光を前記弾性体層の変形に従つて光反射面で反
   射させ前記受光素子で受光することにより前記弾
   性体層の外部圧力による変形に対応した出力を前
   記受光素子から得る感圧センサにおいて、前記受
   光素子から光反射面に向かう光束を集束する集束
   手段が発光素子と受光素子との間にもうけられる
   ことを特徴とする感圧センサ。 ２ 前記集束手段が凸レンズの配列を有するレン
   ズ・アレイであることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の感圧センサ。 ３ 前記集束手段がセルホツクレンズの配列を有
   するアレイ板であることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の感圧センサ。 ４ 前記集束手段に加えて発光素子の背面に凹面
   鏡がもうけられることを特徴とする特許請求の範
   囲第３項記載の感圧センサ。 ５ 前記受光素子が前記レンズ・アレイ板の、弾
   性体層の光反射面に対向する表面に、配列される
   ことを特徴とする特許請求の範囲第２項又は第３
   項記載の感圧センサ。