JPH0558675B2 - - Google Patents
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- JPH0558675B2 JPH0558675B2 JP30118186A JP30118186A JPH0558675B2 JP H0558675 B2 JPH0558675 B2 JP H0558675B2 JP 30118186 A JP30118186 A JP 30118186A JP 30118186 A JP30118186 A JP 30118186A JP H0558675 B2 JPH0558675 B2 JP H0558675B2
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- JP
- Japan
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- crystal silicon
- pressure sensor
- distributed pressure
- strain gauge
- silicon plate
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Landscapes
- Pressure Sensors (AREA)
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
この発明は垂直方向に加わる力の分布を検出す
ることができる分布型圧覚センサに関する。
ることができる分布型圧覚センサに関する。
ロボツトハンド等に取付けて、ハンドに対して
垂直方向に加わる力の分布を検出するための分布
型圧覚センサとして、検出素子に導電性を有する
ゴムまたはプラスチツクを用いたものが提案され
ている。第６図はその一例で、互いに直角方向を
なす細い導電性ゴム条１，２を２層にして組合わ
せたものである。この圧覚センサのゴム条配列面
に対して垂直方向の力が加われば、導電性ゴム条
１，２の接触部分の面積が増加し抵抗が変化す
る。従つて、第７図に示したように電圧端子３
に、例えば5Vの電圧を1000Ωの抵抗４を介して
印加しておき、出力点５の電圧変化を測定するこ
とにより、加えられた力の大きさを知ることがで
きる。
垂直方向に加わる力の分布を検出するための分布
型圧覚センサとして、検出素子に導電性を有する
ゴムまたはプラスチツクを用いたものが提案され
ている。第６図はその一例で、互いに直角方向を
なす細い導電性ゴム条１，２を２層にして組合わ
せたものである。この圧覚センサのゴム条配列面
に対して垂直方向の力が加われば、導電性ゴム条
１，２の接触部分の面積が増加し抵抗が変化す
る。従つて、第７図に示したように電圧端子３
に、例えば5Vの電圧を1000Ωの抵抗４を介して
印加しておき、出力点５の電圧変化を測定するこ
とにより、加えられた力の大きさを知ることがで
きる。
ところがこのような導電性ゴムを用いた分布型
圧覚センサでは、加えられた力に比例して接触部
分の面積が変化するとは限らないため、接触部分
の抵抗値変化が力に比例せず、センサ出力が非線
型になること、および電源端子、グランド端子、
出力端子をそれぞれのゴム条に接続しなければな
らないため、力の分布を高密度に検出しようとす
れば配線数が多くなつてしまう等の欠点がある。
圧覚センサでは、加えられた力に比例して接触部
分の面積が変化するとは限らないため、接触部分
の抵抗値変化が力に比例せず、センサ出力が非線
型になること、および電源端子、グランド端子、
出力端子をそれぞれのゴム条に接続しなければな
らないため、力の分布を高密度に検出しようとす
れば配線数が多くなつてしまう等の欠点がある。
また、第８図は他の従来例で、センサヘツド６
に取付けたホール素子７を、固定されている磁石
８に対向させ、センサヘツド６に垂直方向の力が
加わつた時にホール素子７をばね９に抗して変位
させ、磁束鎖交数の変化を検出することにより加
えられた力の大きさを知るものである。このよう
なセンサを多数配列して力の分布を求めようとす
る。ところがこのような分布型圧覚センサでは、
加えられた力に応じてホール素子を変位させるメ
カニズムが複雑になるため、センサの分布密度を
高くすることができないこと、および先に示した
導電性ゴム条の例と同じく配線数が多くなる等の
欠点がある。
に取付けたホール素子７を、固定されている磁石
８に対向させ、センサヘツド６に垂直方向の力が
加わつた時にホール素子７をばね９に抗して変位
させ、磁束鎖交数の変化を検出することにより加
えられた力の大きさを知るものである。このよう
なセンサを多数配列して力の分布を求めようとす
る。ところがこのような分布型圧覚センサでは、
加えられた力に応じてホール素子を変位させるメ
カニズムが複雑になるため、センサの分布密度を
高くすることができないこと、および先に示した
導電性ゴム条の例と同じく配線数が多くなる等の
欠点がある。
上述したように従来の分布型圧覚センサは、(1)
その出力が力に比例しない、(2)配線数が多く、セ
ンサの分布密度を高くするのが困難である、など
の欠点があつた。
その出力が力に比例しない、(2)配線数が多く、セ
ンサの分布密度を高くするのが困難である、など
の欠点があつた。
この発明はこのような従来の欠点を解消し、出
力感度が高く、直線性にすぐれ、信号取出し用の
配線密度を高くできるとともに、ロボツトハンド
への取付けが容易な分布型圧覚センサを提供する
ことを目的とする。
力感度が高く、直線性にすぐれ、信号取出し用の
配線密度を高くできるとともに、ロボツトハンド
への取付けが容易な分布型圧覚センサを提供する
ことを目的とする。
このような目的を達成するために、本発明の分
布型圧覚センサは半導体ストレンゲージが形成さ
れている単結晶シリコン板を弾性部材上に配設
し、シリコン板に加わる垂直方向の応力を半導体
ストレンゲージの電気抵抗値の変化によつて検出
するように構成した複数検出素子が、固定板上に
アレイ状に配設されていることを特徴とする。
布型圧覚センサは半導体ストレンゲージが形成さ
れている単結晶シリコン板を弾性部材上に配設
し、シリコン板に加わる垂直方向の応力を半導体
ストレンゲージの電気抵抗値の変化によつて検出
するように構成した複数検出素子が、固定板上に
アレイ状に配設されていることを特徴とする。
本発明の分布型圧覚センサは単結晶シリコン板
に対して垂直方向の力が加わつた時に、単結晶シ
リコンが弾性材とともに変形して、単結晶シリコ
ンの上に形成された半導体ストレンゲージの抵抗
値が変化するのを検出することにより、板に対し
て垂直方向の力の大きさを検出するので、圧覚検
出素子の出力感度を高くし、出力の直線性を良く
することができる。
に対して垂直方向の力が加わつた時に、単結晶シ
リコンが弾性材とともに変形して、単結晶シリコ
ンの上に形成された半導体ストレンゲージの抵抗
値が変化するのを検出することにより、板に対し
て垂直方向の力の大きさを検出するので、圧覚検
出素子の出力感度を高くし、出力の直線性を良く
することができる。
さらに半導体ストレンゲージの抵抗値の変化を
取り出すための配線に、フレキシブルプリント板
を用いるので配線密度を高くでき、その結果圧覚
検出素子の分布密度を高くすることができる。
取り出すための配線に、フレキシブルプリント板
を用いるので配線密度を高くでき、その結果圧覚
検出素子の分布密度を高くすることができる。
また、半導体ストレンゲージを形成した単結晶
シリコン板を、プラスチツクやゴム等の比較的小
さいヤング率を有する弾性材を介して、ロボツト
ハンド等の固定板上にアレイ状に並べるため、あ
る程度の曲率を有する面にも実装でき、ロボツト
ハンドへ取付けることが容易である。
シリコン板を、プラスチツクやゴム等の比較的小
さいヤング率を有する弾性材を介して、ロボツト
ハンド等の固定板上にアレイ状に並べるため、あ
る程度の曲率を有する面にも実装でき、ロボツト
ハンドへ取付けることが容易である。
第１図はこの発明の実施例を示す断面図で、ゴ
ムやプラスチツク等の比較的小さいヤング率を有
する弾性体１１上に複数の圧覚検出素子１２が設
けられている。弾性体１１には圧覚検出素子１２
を分離するために、上から加工された井桁状の溝
１３によつて周辺を規制された突起部１４が設け
られている。この弾性体１１の上に、表面に半導
体ストレンゲージを形成した単結晶シリコン板１
５が接着されている。単結晶シリコン板１５上に
は、半導体ストレンゲージや、これらを結合する
配線に加えて、信号取出し用のはんだパツド１６
が形成されている。配線形成時にパツト部にAl
を蒸着し、その表面にTi／Cuを蒸着した後、
Ni／Pb／Suをメツキすることにより、高さ100
〜200μｍのはんだパツド１６を形成することが
できる。単結晶シリコン板１５上には、さらに荷
重印加部１７が形成される。荷重印加部１７は剛
性の部材からなり、単結晶シリコン板１５に接着
してもよいし、前に述べた方法で単結晶シリコン
板１５の表面にはんだメツキ層を形成しておき、
金属等からなる荷重印加部１７を単結晶シリコン
板１５にはんだ付けしてもよい。
ムやプラスチツク等の比較的小さいヤング率を有
する弾性体１１上に複数の圧覚検出素子１２が設
けられている。弾性体１１には圧覚検出素子１２
を分離するために、上から加工された井桁状の溝
１３によつて周辺を規制された突起部１４が設け
られている。この弾性体１１の上に、表面に半導
体ストレンゲージを形成した単結晶シリコン板１
５が接着されている。単結晶シリコン板１５上に
は、半導体ストレンゲージや、これらを結合する
配線に加えて、信号取出し用のはんだパツド１６
が形成されている。配線形成時にパツト部にAl
を蒸着し、その表面にTi／Cuを蒸着した後、
Ni／Pb／Suをメツキすることにより、高さ100
〜200μｍのはんだパツド１６を形成することが
できる。単結晶シリコン板１５上には、さらに荷
重印加部１７が形成される。荷重印加部１７は剛
性の部材からなり、単結晶シリコン板１５に接着
してもよいし、前に述べた方法で単結晶シリコン
板１５の表面にはんだメツキ層を形成しておき、
金属等からなる荷重印加部１７を単結晶シリコン
板１５にはんだ付けしてもよい。
以上に述べた、井桁状の溝１３で周辺を規制さ
れた弾性体１１の突起部１４、単結晶シリコン板
１５および荷重印加部１７により圧覚検出素子１
２が構成され、これがマトリクス状に並べられて
分布型圧覚センサを構成している。
れた弾性体１１の突起部１４、単結晶シリコン板
１５および荷重印加部１７により圧覚検出素子１
２が構成され、これがマトリクス状に並べられて
分布型圧覚センサを構成している。
さらに分布型圧覚センサの表面を、単結晶シリ
コン板１５に対向する面に銅配線を有するフレキ
シブルプリント板１８がおおつている。フレキシ
ブルプリント板１８は、両面に配線パターンを形
成し、さらに窓１９を有する。この窓に荷重印加
部１７を挿入することにより、圧覚検出素子１２
とフレキシブルプリント板１８の相対的な位置決
めを行う。フレキシブルプリント板１８は、ポリ
イミド等の耐熱性樹脂からなり、その表面に銅配
線を有するが、銅配線のはんだパツド１６に対向
する位置にはんだメツキを施すことにより、はん
だパツド２０が形成されている。はんだパツド１
６と２０はリフロー方式又はレーザ加熱方式で溶
融接合され、圧覚検出素子１２からの信号を取出
すとともに、フレキシブルプリント板１８と単結
晶シリコン板１５とを機械的にも結合している。
コン板１５に対向する面に銅配線を有するフレキ
シブルプリント板１８がおおつている。フレキシ
ブルプリント板１８は、両面に配線パターンを形
成し、さらに窓１９を有する。この窓に荷重印加
部１７を挿入することにより、圧覚検出素子１２
とフレキシブルプリント板１８の相対的な位置決
めを行う。フレキシブルプリント板１８は、ポリ
イミド等の耐熱性樹脂からなり、その表面に銅配
線を有するが、銅配線のはんだパツド１６に対向
する位置にはんだメツキを施すことにより、はん
だパツド２０が形成されている。はんだパツド１
６と２０はリフロー方式又はレーザ加熱方式で溶
融接合され、圧覚検出素子１２からの信号を取出
すとともに、フレキシブルプリント板１８と単結
晶シリコン板１５とを機械的にも結合している。
この分布型圧覚センサは固定板２１上に接着ま
たは機械的手法で装着されるが、固定板２１はロ
ボツトハンドの表面であつてもかまわない。
たは機械的手法で装着されるが、固定板２１はロ
ボツトハンドの表面であつてもかまわない。
第２図は単結晶シリコン板１５の表面の状態を
より詳細に示したもので、その表面には前に述べ
たはんだパツド１６、荷重印加部１７および次に
述べる位置に４個のストレンゲージ２２Ａ，２２
Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄが形成され、図示しない配線
によりホイートストーンブリツジが構成されてい
る。ストレンゲージ２２Ａ〜２２Ｄは通常の半導
体プロセスにより不純物を拡散した抵抗層であ
る。
より詳細に示したもので、その表面には前に述べ
たはんだパツド１６、荷重印加部１７および次に
述べる位置に４個のストレンゲージ２２Ａ，２２
Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄが形成され、図示しない配線
によりホイートストーンブリツジが構成されてい
る。ストレンゲージ２２Ａ〜２２Ｄは通常の半導
体プロセスにより不純物を拡散した抵抗層であ
る。
次にこのストレンゲージ２２Ａ〜２２Ｄを形成
する位置について説明する。第３図は本発明の圧
覚検出素子１２をモデル化して、無限に長い弾性
床２３上に置かれた、無限に長い梁２４に集中荷
重Ｐが加わつた状態を示している。材料力学の公
式によれば、この時の梁の変位ｙおよびモートメ
ントＭは次の式によつて票わされる。
する位置について説明する。第３図は本発明の圧
覚検出素子１２をモデル化して、無限に長い弾性
床２３上に置かれた、無限に長い梁２４に集中荷
重Ｐが加わつた状態を示している。材料力学の公
式によれば、この時の梁の変位ｙおよびモートメ
ントＭは次の式によつて票わされる。
ｙ＝Pβ／2kφ（βX） (1)
Ｍ＝Ｐ／4βψ（βX） (2)
ここで、
ｋ；弾性床の係数
Ｐ；加えられた力
Ｅ；梁のヤング率
Iz：梁の断面２次モーメント
またφ（βX）、ψ（βX）の値は第４図に示すも
のである。梁に発生する応力はその点のモーメン
トＭに比例するが、第４図をみれば荷重印加点に
近い部分（βX０）でψの絶対値が大きくなつ
ている。従つて荷重印加点に近い部分に応力検出
用のストレンゲージを形成すれば高感度な出力特
性が得られることが分かる。第２図のストレンゲ
ージはこのようにして決められた位置にある。
のである。梁に発生する応力はその点のモーメン
トＭに比例するが、第４図をみれば荷重印加点に
近い部分（βX０）でψの絶対値が大きくなつ
ている。従つて荷重印加点に近い部分に応力検出
用のストレンゲージを形成すれば高感度な出力特
性が得られることが分かる。第２図のストレンゲ
ージはこのようにして決められた位置にある。
荷重印加部１７に力が加わると単結晶シリコン
板１５は弾性体１１の突起部１４とともに変形す
る。この際ストレンゲージ２２Ａおよび２２Ｄに
は曲げ応力が働き抵抗変化を生ずるが、２２Ｂお
よび２２Ｃには抵抗変化がほとんど生じない。従
つて荷重印加部１７に力が加わると、この４個の
ストレンゲージで構成したホイートストンブリツ
ジ回路は非平衡となり、その出力電圧に変化を生
ずる。予め既知の力を加え、検量線を作成してお
けば、圧覚検出素子上に加わる力の大きさをブリ
ツジ回路の電圧変化から知ることができる。
板１５は弾性体１１の突起部１４とともに変形す
る。この際ストレンゲージ２２Ａおよび２２Ｄに
は曲げ応力が働き抵抗変化を生ずるが、２２Ｂお
よび２２Ｃには抵抗変化がほとんど生じない。従
つて荷重印加部１７に力が加わると、この４個の
ストレンゲージで構成したホイートストンブリツ
ジ回路は非平衡となり、その出力電圧に変化を生
ずる。予め既知の力を加え、検量線を作成してお
けば、圧覚検出素子上に加わる力の大きさをブリ
ツジ回路の電圧変化から知ることができる。
さらに、マトリクス状に並べられた複数の圧覚
検出素子１２を行および列ごとにスキヤンニング
することにより、それぞれの圧覚検出素子１２の
信号を取出して加えられた力の分布を知ることが
できる。
検出素子１２を行および列ごとにスキヤンニング
することにより、それぞれの圧覚検出素子１２の
信号を取出して加えられた力の分布を知ることが
できる。
第５図は他の実施例を示すもので、ここでは弾
性体１１に加工される溝１３は下から井桁状に加
工されて突起部１４を形成している。それ以外の
構成は第１の実施例と全く同じである。このよう
に構成することにより固定板２１がある程度曲率
をもつていても、それに沿つて弾性体１１を曲げ
て取付けることができる。
性体１１に加工される溝１３は下から井桁状に加
工されて突起部１４を形成している。それ以外の
構成は第１の実施例と全く同じである。このよう
に構成することにより固定板２１がある程度曲率
をもつていても、それに沿つて弾性体１１を曲げ
て取付けることができる。
以上説明したようにこの発明によれば、弾性材
上に単結晶シリコン板を置き、単結晶シリコン板
が弾性材とともに変形するのを、その上の半導体
ストレンゲージの抵抗値変化により検出するの
で、出力感度が高く直線性にすぐれた圧覚検出セ
ンサが得られる。また信号取出し用の配線にフレ
キシブルプリント板を用いるので、配線密度を高
くすることができる。また本発明の圧覚センサ
は、ある程度曲率をもつた面にも実装でき、ロボ
ツトハンドへの取付けも容易である。
上に単結晶シリコン板を置き、単結晶シリコン板
が弾性材とともに変形するのを、その上の半導体
ストレンゲージの抵抗値変化により検出するの
で、出力感度が高く直線性にすぐれた圧覚検出セ
ンサが得られる。また信号取出し用の配線にフレ
キシブルプリント板を用いるので、配線密度を高
くすることができる。また本発明の圧覚センサ
は、ある程度曲率をもつた面にも実装でき、ロボ
ツトハンドへの取付けも容易である。
第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２
図は本発明の構成部品の１つである単結晶シリコ
ン板の平面図、第３図は本発明の荷重検出の原理
を示す模式図、第４図は本文中の関数φおよびψ
の値を示す線図、第５図は本発明の他の実施例を
示す断面図、第６図は従来の分布型圧覚センサの
斜視図、第７図はその測定方法の説明図、第８図
は従来の分布型圧覚センサの他の例を示す側面図
である。 １１……弾性体、１４……突起部、１５……単
結晶シリコン板、１６……はんだパツド、１７…
…荷重印加部、１８……フレキシブルプリント
板、２０……はんだパツド、２１……固定板、２
２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ……ストレンゲー
ジ。
図は本発明の構成部品の１つである単結晶シリコ
ン板の平面図、第３図は本発明の荷重検出の原理
を示す模式図、第４図は本文中の関数φおよびψ
の値を示す線図、第５図は本発明の他の実施例を
示す断面図、第６図は従来の分布型圧覚センサの
斜視図、第７図はその測定方法の説明図、第８図
は従来の分布型圧覚センサの他の例を示す側面図
である。 １１……弾性体、１４……突起部、１５……単
結晶シリコン板、１６……はんだパツド、１７…
…荷重印加部、１８……フレキシブルプリント
板、２０……はんだパツド、２１……固定板、２
２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ……ストレンゲー
ジ。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 半導体ストレンゲージが形成されている単結
晶シリコン板を弾性部材上に配設し、前記シリコ
ン板に加わる垂直方向の応力を前記半導体ストレ
ンゲージの電気抵抗値の変化によつて検出するよ
うに構成した複数検出素子が、固定板上にアレイ
状に配設されていることを特徴とする分布型圧覚
センサ。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の分布型圧覚セ
ンサにおいて、弾性部材がプラスチツク又はゴム
であることを特徴とする分布型圧覚センサ。 ３ 特許請求の範囲第１項に記載の分布型圧覚セ
ンサにおいて、単結晶シリコンの上に形成された
半導体ストレンゲージの抵抗値の変化を取り出す
ための配線としてフレキシブルプリント板を用い
ることを特徴とする分布型圧覚センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30118186A JPS63155674A (ja) | 1986-12-19 | 1986-12-19 | 分布型圧覚センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30118186A JPS63155674A (ja) | 1986-12-19 | 1986-12-19 | 分布型圧覚センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63155674A JPS63155674A (ja) | 1988-06-28 |
| JPH0558675B2 true JPH0558675B2 (ja) | 1993-08-27 |
Family
ID=17893753
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30118186A Granted JPS63155674A (ja) | 1986-12-19 | 1986-12-19 | 分布型圧覚センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS63155674A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7669480B2 (en) | 2005-03-30 | 2010-03-02 | National Institute Of Information And Communications Technology, Incorporated | Sensor element, sensor device, object movement control device, object judgment device |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| EP0350638B1 (de) * | 1988-07-14 | 1993-12-15 | Blomberg Robotertechnik GmbH | Taktiler Sensor |
| JPH0715417B2 (ja) * | 1989-02-27 | 1995-02-22 | 工業技術院長 | 分布型圧覚センサ |
| JP2583615B2 (ja) * | 1989-09-28 | 1997-02-19 | 株式会社富士電機総合研究所 | 接触覚センサ |
| US9157786B2 (en) * | 2012-12-24 | 2015-10-13 | Fresenius Medical Care Holdings, Inc. | Load suspension and weighing system for a dialysis machine reservoir |
-
1986
- 1986-12-19 JP JP30118186A patent/JPS63155674A/ja active Granted
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7669480B2 (en) | 2005-03-30 | 2010-03-02 | National Institute Of Information And Communications Technology, Incorporated | Sensor element, sensor device, object movement control device, object judgment device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63155674A (ja) | 1988-06-28 |
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