JPH04268427A - 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】

【０００１】

【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られて、物
体を把持するときにハンドに加えられる力の分布を検出
することができる分布型触覚センサに関する。

【０００２】

【背景の技術】分布型触覚センサは、主にロボットハン
ドなどにおいて、把持力の大きさや面圧分布等の情報を
得る目的で開発が進められており、センサ表面に垂直な
力のみならず、水平な力の分布をも検出できる分布型触
覚センサとして、本出願人による図５に示すようなもの
が特開平２−７５９２４号公報に開示されている。同図
の触覚センサは、シリコンウェハを３次元的に加工して
形成されるもので、同図はそのシリコンウェハを裏面か
ら見た面であり、本例ではセンサが２×２のアレイとし
て構成されている。

【０００３】ここで、触覚センサ１０はシリコンウェハ
から切り出して形成され、図の左半分が検出部１０Ａ、
右半分が信号処理部１０Ｂである。このように触覚セン
サ１０の裏面の検出部１０Ａ側には斜線を施して示した
部分に４本のＹ方向の深溝部１１およびＸ方向の深溝部
１２がダイヤモンド砥石等により加工されている。さら
にまた、これらの深溝部１１および１２に沿って交叉線
を施して示した位置に８個の長方形貫通孔１３が放電加
工またはレーザ加工により形成される。また、図５で点
々を付して示した部分は、浅溝部１４であり、浅溝部１
４はＸおよびＹ方向に深溝部１２および１１を形成した
後、図示の部分の深溝加工に用いたダイサの砥石よりも
やや厚い砥石で、Ｘ方向およびＹ方向に走査することに
より加工できる。

【０００４】このような加工を分布型触覚センサ１０の
裏面側に施すことによって検出部１０Ａに４個の突起部
１５を備えた梁が形成される。

【０００５】図６は図５のＰ−Ｐ矢視断面を示したもの
であり、図６から分かるように深溝部１１，浅溝部１４
，および突起部１５によって長方形貫通孔１３により隔
絶されたＸ方向の梁２０が形成される。また、図７は図
５のＱ−Ｑ矢視断面を示したものであり、図７において
深溝部１２，浅溝部１４，および突起部１５によって長
方形貫通孔１３により隔絶されたＹ方向の梁２１が形成
される。

【０００６】図８は分布型触覚センサ１０をシリコンウ
ェハの表面側から見た図である。図８において、８個の
長方形貫通孔１３により二つのＸ方向の梁２０，２０と
二つのＹ方向の梁２１，２１が形成されていることが分
かる。しかして、これらのＸ方向の梁２０およびＹ方向
の梁２１にこの図に示すように合計１６個のストレンゲ
ージ２２が配設されている。なお、図の右方は信号処理
のためのＩＣ回路が形成されている信号処理部１０Ｂ、
また、２５ははんだバンプである。

【０００７】そこで次に、このようにして構成されたＸ
方向の梁２０およびＹ方向の梁２１において、その突起
部１５に力が加えられた時の荷重を検出する原理を図９
〜図１２に従って説明する。

【０００８】いま、図９に示すように、両端がＡ，Ｄで
固定され、その中心部に突起部３０を有する梁３１のそ
の突起部３０に、垂直方向の力ＦＶ　を加えたとすると
、梁３１の下面に図１０に示すような分布の歪が発生す
る。

【０００９】また図１１に示すように、同じ梁３１に水
平方向の力ＦＨ　を加えると、梁３１の下面に図１２に
示すような分布の歪が発生する。なお、これらの図１０
および図１２において、＋記号は引張歪、−記号は圧縮
歪を表わしている。

【００１０】そこで、図９の点Ａ〜Ｄでの歪を図１０お
よび図１２でみてみると、いずれの点においても大きな
歪を発生し、垂直方向の力に対しては図１０に示すよう
にＡ点およびＤ点で−α［μｓｔｒａｉｎ］、またＢ点
およびＣ点β［μｓｔｒａｉｎ］となる。すなわち梁の
対称性を考慮すれば、Ａ，ＤおよびＢ，Ｃ点での歪は等
しい。

【００１１】また、図１１のように水平方向の力ＦＨ　
が加わった時に発生する歪は、図１２に示すようにＢ点
およびＤ点で−γ［μｓｔｒａｉｎ］、Ａ点およびＣ点
でδ［μｓｔｒａｉｎ］となり、垂直方向の力と水平方
向の力とが同時に加わった時のＡ〜Ｄ点の歪は以下のよ
うになる。

【００１２】Ａ点　　−α＋δ Ｂ点　　β−γ Ｃ点　　β＋δ Ｄ点　　−α−γ よって、ストレンゲージを形成したＡ〜Ｄ点の各点での
歪を測定し、次の数１および数２に従って計算すれば垂
直方向の分力と水平方向の分力とを同時に検出すること
ができる。

【００１３】

【数１】 （Ａ点の歪−Ｂ点の歪）＋（Ｄ点の歪−Ｃ点の歪）＝｛
（−α＋δ）−（β−γ）｝＋｛（−α−γ）−（β＋
δ）｝＝−２（α＋β）

【００１４】

【数２】 （Ａ点の歪−Ｂ点の歪）−（Ｄ点の歪−Ｃ点の歪）＝｛
（−α＋δ）−（β−γ）｝−｛（−α−γ）−（β＋
δ）｝＝２（γ＋δ） すなわち数１により垂直方向の分力を同定し、数２によ
り水平方向の分力を同定することができる。

【００１５】なおこれらの数式中の項（Ａ点の歪−Ｂ点
の歪）はＡ点に形成したストレンゲージとＢ点に形成し
たストレンゲージとでハーフブリッジを形成して検出す
ることができ、一方の項（Ｄ点の歪−Ｃ点の歪）は、Ｄ
点に形成したストレンゲージとＣ点に形成したストレン
ゲージとでハーフブリッジを形成して検出することがで
きる。すなわち、図１３に示すようにＡ点のストレンゲ
ージ４２とＢ点のストレンゲージ４１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４４とＣ点
のストレンゲージ４３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からの出力の和を加
算増幅器４５により計算すれば垂直方向分力信号４６が
得られ、また、それぞれのハーフブリッジからの出力の
差を差動増幅器４７により計算すれば、水平方向分力信
号４８が得られる。

【００１６】そこで再び図８に戻り、分布型触覚センサ
１０の表面に形成したストレンゲージ２２（図１４にそ
の配置の詳細を示す。ここで、２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ
および２２Ｄは図１３の４２，４１，４３および４４に
対応するものである。）間にハーフブリッジを構成し、
信号処理部１０Ｂに図１３のような信号処理回路を配設
することによって、Ｘ方向の梁２０に設けたストレンゲ
ージ２２群により分布型触覚センサ１０の表面側に発生
する垂直方向の分力ＦＺ　と、水平方向でかつＸ方向の
分力ＦＸ　とを検出することができる。また同様にして
Ｙ方向の梁２１に設けたストレンゲージ２２群により、
分布型触覚センサ１０の表面側に発生する垂直方向の分
力ＦＺ　と、水平方向でかつＹ方向の分力ＦＹ　とを検
出することができ、触覚センサ１０全体として、その表
面に加えられた荷重の分布を分力ＦＸ　，ＦＹ　および
ＦＺ　に分解して検出することができる。

【００１７】ところで、これまでの背景技術の説明では
、センサ素子が４個形成される場合について述べてきた
が、センサ素子の数は４個に限られるものではなく、ニ
ーズに応じて任意の数のセンサ素子で同様にして分布型
触覚センサを形成できることはいうまでもない。例えば
図１５および図１６では素子の数が９個の例を示し、図
１５はそのシリコンウェハの裏面側からセンサを見た図
、図１６はその表面側からセンサを見た図である。なお
、これらの図において、２０はＸ方向のセンサ素子梁、
２１はＹ方向のセンサ素子梁であり、１７はこれらの素
子梁２０，２１の両端部をそれぞれ支持している梁部（
以下で支持梁という）である。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、以上に述べ
てきた触覚センサ１０では、不感領域が大きいという問
題がある。以下にこの点について詳しく説明する。

【００１９】すなわち、上述の触覚センサ１０は、かか
るセンサ１０が格子状に配置された形で使用されること
によって検出面積の拡大を図ることが可能であり、図１
７では図１５，図１６に示した形態の触覚センサ１０を
４つ、配置した例を示す。ここで、４つの触覚センサ１
０は、信号取り出しのための基板５に図１８に示すよう
にしてはんだバンプ２５を介してはんだ接合されており
、更に基板５には配線用フレキシブルプリント基板６が
接続されている。しかしながら、このように分布配置さ
れた触覚センサでは二重ハッチングで示したようにセン
サ素子が分布されている触覚部２６と、センサ素子が分
布されないその他の非触覚領域３０とが存在することに
なり、かかる触覚センサの場合、このような非触覚領域
３０の面積が大きいため、図１７に示すように大きな不
感領域Ｄが触覚部２６の間に介在してしまう。かかる不
感領域Ｄは正確な触覚情報検出の妨げとなるものであり
、でき得る限り小さいことが望ましいのはいうまでもな
い。

【００２０】なお、従来の触覚センサにおいて上述した
ように非触覚領域の面積が大きくなる原因は次の点にあ
る。

【００２１】（１）１つのチップ内で信号処理が行われ
るようにするために図１６に示すように信号処理部１０
Ｂで信号処理回路２４が大きい面積を占める。

【００２２】（２）センサ素子の出力信号をパラレルに
信号処理回路部２４に入力させるようにするために、横
枠部２７にその信号配線２８を配設する必要があり、横
枠部２７の面積が大きくなる。

【００２３】従って従来の触覚センサでは、その構造上
大きな不感領域の発生は避けれなかった。

【００２４】本発明の目的は、上述したような従来の問
題の解決を図り、不感領域が発生するのを極力抑制する
ことができ、それに応じて十分な触覚領域が確保される
ことから正確な触覚情報が得られる分布型触覚センサを
提供することにある。

【００２５】

【課題を解決するための手段】かかる問題を解決するた
めに、本発明は、互いに直交するＸ方向およびＹ方向に
それぞれ並列させて穿設した複数組の対をなす貫通長孔
と、該対をなす貫通長孔間に形成され、その一方の面の
スパン中央部に荷重を受ける突起部を有し、前記スパン
の両端部にこれを支持する支持梁が形成され、センサ素
子としてそれぞれ機能する前記Ｘ方向およびＹ方向の梁
部と、該梁部の他方の面にそれぞれ配設され、前記突起
部に加えられた荷重を検出するための半導体ストレンゲ
ージとを具えたセンサ素子形成チップを、前記半導体ス
トレンゲージを介して得られる信号を処理する信号処理
回路が配設された信号処理用チップ上にはんだ接合等に
より接合したことを特徴とするものである。

【００２６】

【作用】本発明によれば、センサ素子形成チップと、セ
ンサ素子の梁部に設けられた半導体ストレンゲージから
の信号を処理する信号処理回路が配設された信号処理用
チップとを重ね合わせた状態で、はんだ接合等により接
合するようにしたので、従来不感領域の主たる原因とな
っていた信号処理回路を信号処理用チップに分離するこ
とができ、この面積が平面的に削減できるため、触覚領
域の占める割合を高めることができる。

【００２７】さらにまた、突起部を有する梁部を支持す
る支持梁に、それぞれはんだバンプを配置し、ストレン
ゲージに接続される電源供給用の配線および出力信号線
がはんだバンプを介して信号処理用チップに設けた信号
処理回路に接続されるので、従来のように横枠部に信号
配線を設ける必要がなくなり、横枠部の面積をも小さく
することができて一層に不感領域の削減を図ることがで
きる。

【００２８】

【実施例】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。

【００２９】図１および図２は本発明の一実施例を示す
。本例は、１つの信号処理用チップ１上に４枚のセンサ
素子形成チップ２を格子状に配列させて取付けたもので
ある。なおこれらの図に示される各センサ素子形成チッ
プ２上には、それぞれ、図３に示すようにセンサ素子梁
２０および２１とこれらの梁の表面側に配設された複数
の半導体ストレンゲージ２２とからなるセンサ素子８が
９個ずつ格子状に形成されている。また、センサ素子梁
２０や２１の両端部を支持する支持梁１７上には、半導
体ストレンゲージ２２間に形成される回路への電源供給
用のはんだバンプ３Ａ、接地用のはんだバンプ３Ｂおよ
び回路からの出力信号取出し用はんだバンプ３Ｃがそれ
ぞれ設けられている。

【００３０】図４は信号処理用チップ１をそのシリコン
ウェハの表面側、すなわち、センサ素子形成チップ２が
接合される側から見たもので、ここで、４はその面上の
図３に示したはんだバンプ３Ａ，３Ｂ，３Ｃ等に対応す
る位置に設けた電極であり、また、信号処理用チップ１
上に配置されるセンサ素子形成チップ２の位置が破線で
示されている。そこで、これらの位置に各センサ素子形
成チップ２を重ね合わせるようにして配置した上、各は
んだバンプ３Ａ，３Ｂ，３Ｃとそれぞれに対応する各電
極４とをはんだ接合することによって、図１および図２
に示したようにコンパクトに縮められ、不感領域の少な
い分布型触覚センサユニット１００を得ることができる
。

【００３１】なお、図１および図２において、５はセン
サユニット１００の補強用に設けられた固定基板であり
、信号処理用チップ１に接着材または静電接合等の方法
を用いて、接合されるものである。また、６はセンサユ
ニット１００に電気的に接続されるフレキシブルプリン
ト基板であり、その接続のために、信号処理用チップ１
上には図４に示すように電極７が設けられている。

【００３２】このように構成した触覚センサユニット１
００においては、先に図１７の例で説明したような不感
領域Ｄを消滅させることができ、また、各センサ素子８
に対する電源供給、信号取出しのための信号処理部への
信号配線をチップ２の周囲部に設ける必要がないために
、従来例に比して非触覚領域のチップ２上に占める割合
を著しく削減することができる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、センサ素子としてそれぞれ機能する前記Ｘ方向およ
びＹ方向の梁部と、該梁部の他方の面にそれぞれ配設さ
れ、前記突起部に加えられた荷重を検出するための半導
体ストレンゲージとを具えたセンサ素子形成チップを、
前記半導体ストレンゲージを介して得られる信号を処理
する信号処理回路が配設された信号処理用チップ上には
んだ接合等により接合したので、従来、不感領域の主た
る原因となっていた信号処理部や信号処理部への信号配
線のために占められていた面積が削減されることにより
触覚領域の分布を密にすることができ、感度のよい正確
な触覚情報が得られる分布型触覚センサを提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による分布型触覚センサの構成の一例を
示す平面図である。

【図２】図１の断面図である。

【図３】本発明によるセンサ素子形成チップの表面図で
ある。

【図４】本発明による信号処理用チップの上面図である
。

【図５】背景技術による分布型触覚センサの一例をウェ
ハ裏面側から見て示す平面図である。

【図６】図５のＰ−Ｐ線断面図である。

【図７】図５のＱ−Ｑ線断面図である。

【図８】図５に示す形態の分布型触覚センサをウェハ表
面側から見て示す平面図である。

【図９】両端固定梁にかかる垂直方向の力と発生する歪
との関係を示す図である。

【図１０】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である。

【図１１】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である。

【図１２】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である。

【図１３】センサ素子の信号処理回路の構成図である。

【図１４】センサ素子におけるストレンゲージの配置図
である。

【図１５】背景技術による分布型触覚センサのウェハ表
面側から見て示す形状の説明図である。

【図１６】図１５に示すウェハを反対側から見て示す平
面図である。

【図１７】背景技術による分布型触覚センサユニットの
平面図である。

【図１８】図１７の断面図である。

【符号の説明】

１　　信号処理用チップ ２　　センサ素子形成チップ ３Ａ，３Ｂ，３Ｃ　　はんだバンプ ４，７　　電極 ６　　フレキシブルプリント基板 ８　　センサ素子 １７　　支持梁 ２０，２１　　センサ素子梁 ２２　　半導体ストレンゲージ １００　　分布型触覚センサユニット

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　互いに直交するＸ方向およびＹ方向に
   それぞれ並列させて穿設した複数組の対をなす貫通長孔
   と、該対をなす貫通長孔間に形成され、その一方の面の
   スパン中央部に荷重を受ける突起部を有し、前記スパン
   の両端部にこれを支持する支持梁が形成され、センサ素
   子としてそれぞれ機能する前記Ｘ方向およびＹ方向の梁
   部と、該梁部の他方の面にそれぞれ配設され、前記突起
   部に加えられた荷重を検出するための半導体ストレンゲ
   ージとを具えたセンサ素子形成チップを、前記半導体ス
   トレンゲージを介して得られる信号を処理する信号処理
   回路が配設された信号処理用チップ上にはんだ接合等に
   より接合したことを特徴とする分布型触覚センサ。
2. 【請求項２】　　前記支持梁はそれぞれに前記はんだ接
   合用のはんだバンプを有し、前記半導体ストレンゲージ
   への電源供給および該半導体ストレンゲージからの信号
   出力が前記はんだバンプを介して前記信号処理用チップ
   の信号処理回路により行われることを特徴とする請求項
   １に記載の分布型触覚センサ。