JPH0489539A - 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られて、物体を把持するときにハ
ンドに加えられるカ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
、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、
水平なカの分布をも検出できる分布型触覚センサとして
、第４図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てあり、本例ではセ
ンサが２×２のアレイとして構成されている。

ここで、触覚センサ旦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１０＾、右半分が信号処
理部１０Ｂである。このように触覚センサ迂の裏面の検
出部１０＾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に沿つて交
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、第４
図で点々を付して示した部分は、浅溝部１４であり、浅
溝部１４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。

このような加工を分布型触覚センサＵ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。

第５図は第４図のＰ−Ｐ矢視断面を示したものであり、
第５図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！ｌ跋が形成される。また、第６図は第４図
のＱ−Ｑ矢視断面を示したちのてあり、第６図において
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■が形成さ
れる。

第７図は分布型触覚センサ耳をシリコンウェハの表面側
から見た図である。第７図において、８個の長方形貫通
孔１３により二つのＸ方向の！１２０゜且と二つの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■およびＹ方向の梁■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である。

そこで次に、このようにして構成されたＸ方向の梁且お
よびＹ方向の梁■において、その突起部１５に力が加え
られたときの荷重を検出する原理を第８〜第１１図に従
って説明する。

いま、第８図に示すように、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３
０に、垂直方向の力Ｆｗを加えたとすると、梁１１の下
面に第９図に示すような分布の歪が発生する。

また第１０図に示すように、同じ梁３１に水平方向の力
Ｆ、を加えると、梁３１の下面に第１１図に示すような
分布の歪が発生する。なお、これらの第９図および第１
１図において、十記号は引張歪、−記号は圧縮歪を表わ
している。

そこで、第８図の点Ａ−Ｄでの歪を第９図および第１１
図でみてみると、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第９図に示すようにＡ点お
よびＤ点で一α〔μ５ｔｒａｉｎ）、またＢ点および０
点でβ〔μ５ｔｒａｉｎ）となる、すなわち梁の対称性
を考慮すればＡ、Ｄおよび８０点での歪は等しい。

また、第１０図のように水平方向の力が加わった時に発
生する歪は、第１１図に示すようにＢ点およびＤ点て−
ｒ　（μ５ｔｒａｉｎ）　、Ａ点および０点でσ〔μ５
ｔｒａｉｎ）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。

Ａ点　　　−α＋β Ｂ点　　　　β−Ｔ ０点　　　　β＋σ Ｄ点　　　−α−ｒ 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、次の式＋１１および（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。

（Ａ点の苧−Ｂ点幅＋　（Ｄ点の歪−Ｃ点Φの−（（−
α＋β）−（β−ｙ）　）　＋　（（−α−γ）−（β
＋σ））−２（α＋β）　・−・−・−・（１）（Ａ点
の歪−Ｂ点帽−（Ｄ点の歪−Ｃ点幅＝（（−α＋β）−
（β−γ））−（（−α−γ）−（β＋σ））−２（Ｔ
＋σ＞　　−−−−一・−・（２）すなわち式（１）に
より垂直方向の分力を同定し、式伐）により水平方向の
分力を同定することができる。

なおこれらの式中の項（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
ジとでハーフブリフジを形成して検出することができ、
一方の項（Ｄ点の歪−０点の歪）は、Ｄ点に形成したス
トレンゲージと０点に形成したストレンゲージとでノ＼
−フブリッジを形成して検出することができる。すなわ
ち、第１２図に示すようにＡ点のストレンゲージ４１と
Ｂ点のストレンゲージ４２とにより第１のハーフブリフ
ジを、またＤ点のストレンゲージ４３と０点のストレン
ゲージ４４とにより第２のハーフブリフジを形成し、そ
れぞれのハーフブリフジからの出力の和を加算増幅器４
５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フ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。

そこで再び第７図に戻り、分布型触覚センサ耳の表面に
形成したストレンゲージ２２　（１３１３図にその配置
の詳細を示す、ここで、２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃおよび
２２Ｄは第１２図の４２．４１．４３および４４に対応
するものである。）間にハーフブリフジを構成し、信号
処理部１０Ｂに第１２図のような信号処理回路を配設す
ることによって、Ｘ方向の梁部に設けたストシンゲージ
２２群により分布型触覚センサ旦の表面側に発生する垂
直方向の分力Ｆ８と、水平方向でかつＸ方向の分力Ｆ、
とを検出することができる。

また同様にしてＸ方向の！［２１に設けたストシンゲー
ジ２２群により、分布型触覚センサ旦の表面側に発生す
る垂直方向の分力Ｆ２と、水平方向でかつＸ方向の分力
Ｆ、とを検出することができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、上述の分布型触覚センサでは、センサ素子を
構成するための梁が形成される領域と、信号処理用のＩ
Ｃ回路が形成される領域とは、第７図に示したように完
全に分離されるために、信号処理部１０Ｂの領域は分布
型触覚センサとして、感度が得られない不感領域となる
。そのために、いま第７図のような分布型触覚センサを
複数個並列配置させて使用する場合、不感領域の面積が
増太し、例えば大きい部品の形状認識をしようとする場
合に、その触覚認識の一部に欠如が発生するという問題
がある。

本発明の目的は、上述の問題点に着目し、その技術的課
題の解決を図るべく、不感領域が形成されることなく複
数のセンサ素子とその信号処理回路とを配置することが
でき、広い領域にわたって正確に把持力等の検出が可能
な分布型触覚センサを提供することにある。

ＣＨＡＢ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、半導体基板上
の互いに直交するＸ方向およびＸ方向にそれぞれ並列さ
せて穿設した複数組の封をなす長方形貫通孔と、前記対
をなす長方形貫通孔の間に形成され、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する前記Ｘ方向お
よびＸ方向の梁部と、該梁部の他方の面にそれぞれ配設
された複数のストレンゲージとを具え、該複数のストレ
ンゲージにより前記突起部に加えられた荷重の前記半導
体基板に対する垂直方向の分力、前記Ｘ方向およびＸ方
向の水平分力の検出が可能な分布型触覚センサであって
、前記複数のストレンゲージからの検出信号を処理する
ための回路を、前記長方形貫通孔および前記梁部が形成
される領域内の前記半導体基板に分散して形成したこと
を特徴とするものである。

さらにまた、本発明の他の形態は、半導体基板上の互い
に直交するＸ方向およびＸ方向にそれぞれ並列させて穿
設した複数組の対をなす長方形貫通孔と、前記対をなす
長方形貫通孔の間に形成され、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する前記Ｘ方向およびＸ
方向の梁部と、該梁部の他方の面にそれぞれ配設された
複数のストレンゲージとを具え、該複数のストレンゲー
ジにより前８己突起部に加えられた荷重の前記半導体基
板に対する垂直方向の分力、前記Ｘ方向およびＸ方向の
水平分力の検出が可能な分布型触覚センサであって、前
記複数のストレンゲージからの検出信号を処理するため
の回路を、前記長方形貫通孔および前記梁部が形成され
る領域内の前記半導体基板に形成すると共に前記対をな
す長方形貫通孔とその間に形成される梁とによりて画成
される周囲部の領域が広められるように、前記長方形貫
通孔の幅を前記梁部富りに狭めて形成したことを特徴と
するものである。

〔作用〕

本発明によれば、ストレンゲージからの信号処理回路が
長方形貫通孔および梁部の形成される各検出素子の領域
内に分散して形成されるので、従来のように信号処理回
路を前記領域外にまとめて形成する場合に生じる不感領
域をなくすことができ、任意の数だけ任意に検出素子を
配列させて広い領域にわたり満遍な（把持力を検出する
ことができる。

また本発明の別の形態では、検出素子を構成する縦横の
梁の分布密度を変更することなく、広い回路形成領域を
確保できるので、分布型触覚センサの機能を高めるため
の回路構成を自由に行うことができる。さらに検出素子
からの信号を演算する演算処理回路をも同時に形成する
余裕かえられる。

〔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
に説明するが、その説明の前に、分布型触覚センサに設
けられる全体回路を第１４図により系統的に説明する。

なお各検出素子による検出原理は既に第１２図で説明し
たが、これをアレイ状に並べた分布型触覚センサの場合
は、各検出素子の信号を切り替える必要がある。そこで
、例えば第７ＷＪに示すような構成によるセンサの全体
回路は第１４図のようになる。ただし、第１４図は４個
のセンサ衆子の場合について説明しているが、これは４
個に限られるものではないことは勿論である。

第１４図において第１のハーフプリフジ群５１Ａ〜５２
Ｄの出力は、それぞれアナログスイッチ５２Ａ〜５２Ｄ
を介して加算増幅ｊ！ｉ５５に共通に接続されている。

また第２のハーフプリフジ群５３Ａ〜５３１１の出力は
、それぞれアナログスイッチ５４Ａ〜５４Ｄを介して差
動増幅器５７に共通に接続されている。

かくしてこれらの出力は、加算増幅器５５および差動増
幅器５７により演算された後、垂直方向分力信号５６お
よび水平方向分力信号５８として送出される。

また、このように構成される回路では図示されていない
外部クロック信号に基づいて、各ハーフブリッジ群５１
Ａ〜５１Ｂおよび５３Ａ〜５３ｔｌのうちから１つを選
択して演算増幅部に出力するために、アナログスイッチ
５２Ａ〜５２Ｄおよび５４＾〜５４Ｄをオンオフさせる
必要がありそのためにシフトレジスタ５９＾〜５９０が
設けられている。

そこで、本発明では、上述した構成による回路を配設す
るにあたり、それぞれのハーフプリフジに対応して設け
られるアナログスイッチおよびシフトレジスタを、その
各ハーフブリッジ近傍のスペースに分散させて配置する
ことにより基板上に不感領域が形成されないようにする
。

第１図はその第１実施例を示す、ここで、上は本発明に
かかる分布型触覚センサであり、分布型触覚センサ１に
は、その半導体基板３上に貫通孔１３によってＸ方向の
！ｌ迂およびＹ方向の梁２１が形成され、これらの梁Ｕ
および葺に半導体ストレンゲージ２２の組込まれた第１
のハーフブリッジ群５１Ａ〜５１０および第２のハーフ
ブリッジ群５３Ａ〜５３Ｄが形成される点は、第７図に
示したセンサの構成と変わらない、しかし、本実施例で
は、分布型触覚センサ上の検出素子を構成しているＸ方
向の梁２０およびＹ方向の梁２１の近傍で、しかも歪検
出にかかわらない梁の周辺、本実施例では一方の貫通孔
１３の周囲にそれぞれの検出素子に対応したアナログス
イッチ５２Ａ〜５２Ｄ　、５４＾〜５４Ｄとシフトレジ
スタ５９Ａ〜５９Ｄとを図示のように配置する。なお、
第１図においてはハーフブリッジ出力がアナログスイッ
チを経由して、共通に接続される部分の配線については
その記載が省略されている。

第２図は本発明の第２実施例を示す０本実施例では第１
図に加えて、２個の増幅ｌＸ５５および５６を、分布型
触覚センサ上の表面に形成したものである。

なお、第２図においても、ハーフブリッジからの出力が
アナログスイッチを経由して共通に接続され、さらにそ
の後２個の増幅器に接続される配線については省略され
ている。

ついで、第３図により、さらに他の実施例について説明
する。

■はその実施例を示すもので、この発明では、分布型触
覚センサＩに設ける各長方形貫通孔１３０幅を検出素子
が構成されるＸ方向の梁部およびＸ方向の梁■の幅より
狭く設定する。このように構成した分布型触覚センサ↓
では、Ｘ方向の梁部およびＸ方向の梁■の幅は従来のも
のと同じなので、検出素子の感度は変わらず、検出素子
の分布密度も従来のものと変化はない、しかもかかる構
成の分布型触覚センサ１では、それぞれの素子に対応し
た信号処理回路を形成するために好適なように、梁周辺
部の面積増大を図ることができるので、回路構成につい
てそれだけ自由度が増す、なお、第３図では基板上に形
成される回路の構成を省略したが、第１図または第２図
にならって回路が容易に形成されることは言うまでもな
い。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように、本発明によれば、複数のスト
レンゲージからの検出信号を処理するための回路を長方
形貫通孔および梁部の形成Ｈ域内の半導体基板に分散し
て形成するようにしたため、従来のように信号処理用の
ＩＣ回路をまとめて前記領域の外に形成した場合に生じ
る触覚センサの不感領域をなくすことができ、複数の分
布型触覚センサを任意の数だけ任意の並べ方に配設して
満遍なく把持力を検出することができるようになった。

また、本発明の他の形態によれば、本発明によるＩＣ回
路の形成領域が広められるので、信号処理回路を設計す
る場合の自由度が増し、さらに複雑な構成のＩＣ回路を
形成できる可能性が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成の一例を回路形成側から見て示す
平面図、第２図は本発明の他の実施例の構成を示す平面
図、第３図は本発明の他の形態の実施例を示す平面図、
第４図は背景技術による分布型触覚センサの構成の一例
を溝形成側から克て示す平面図、第５図および第６図は
第４図のＰＰ矢視断面図およびＱ−Ｑ矢視断面図、第７
図は第４図に示す分布型触覚センサにおけるストレンゲ
ージの配置図、第８図〜第１１図は第４図〜第６図に示
す分布型触覚センサによる分力検出原理の説明図、第１
２図は第４図〜第６図に示す分布型触覚センサにおける
ストレンゲージからの信号を処理する信号処理回路の構
成図、第１３図は分布型触覚センサにおけるストレンゲ
ージの配置を取出して示す図、第１４図は分布型触覚セ
ンサにおける全体回路の構成を示す図である。 上、↓：分布型触覚センサ、３：半導体基板、１３：長
方形貫通孔、■：Ｘ方向梁、２１：Ｙ方向梁、２２、２
２Ａ〜２２Ｄ＝ストレンゲージ、５１＾〜５１０５３＾
〜５３Ｄ＝ハーフブリフジ　（回路）、５２＾〜５２Ｄ
５４Ａ〜５４Ｄ：アナログスイッチ、５５．５７二増幅
器、５９Ａ〜５９Ｄ：シフトレジスタ。 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）半導体基板上の互いに直交する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長方形
   貫通孔と、前記対をなす長方形貫通孔の間に形成され、
   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
   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た複数のストレンゲージとを具え
   、該複数のストレンゲージにより前記突起部に加えられ
   た荷重の前記半導体基板に対する垂直方向の分力、前記
   Ｘ方向およびＹ方向の水平分力の検出が可能な分布型触
   覚センサであって、 前記複数のストレンゲージからの検出信号を処理するた
   めの回路を、前記長方形貫通孔および前記梁部が形成さ
   れる領域内の前記半導体基板に分散して形成したことを
   特徴とする分布型触覚センサ。 ２）前記対をなす長方形貫通孔とその間に形成される梁
   部とによって画成される周囲部の領域が広められるよう
   に、前記長方形貫通孔の幅を前記梁部寄りに狭めて形成
   したことを特徴とする請求項１に記載の分布型触覚セン
   サ。