JPH0617837B2 - 分布型圧覚センサ - Google Patents
分布型圧覚センサInfo
- Publication number
- JPH0617837B2 JPH0617837B2 JP11810286A JP11810286A JPH0617837B2 JP H0617837 B2 JPH0617837 B2 JP H0617837B2 JP 11810286 A JP11810286 A JP 11810286A JP 11810286 A JP11810286 A JP 11810286A JP H0617837 B2 JPH0617837 B2 JP H0617837B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- pressure sensor
- film
- type
- metal substrate
- distributed pressure
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
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- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
- Manipulator (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、例えばロボットハンドに取りつけてハンドに
対して垂直方向に加わる圧力の分布を検出することので
きる分布型圧覚センサに関する。
対して垂直方向に加わる圧力の分布を検出することので
きる分布型圧覚センサに関する。
従来、このような分布型圧覚センサとして、検出素止に
導電性を有したゴムまたはプラスチックを用いたものが
提案されている。第２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21，22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21，22の接触部分の
面積が増加し抵抗が変化する。従って第３図に示したよ
うに電圧端子23に、例えば５Ｖの電圧を1000Ωの抵抗24
を介して印加しておき、出力点25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、力検出のダイナミックレンジが狭いことおよび
ヒステリシス特性を有することという欠点がある。 一方、特開昭60−195402号および195403号公報により可
撓性基板上に形成した非晶質シリコン層よりなる歪ゲー
ジを用いた歪分布センサが公知となっており、ここでは
前に述べたようなダイナミックレンジやヒステリシスに
関する欠点は除かれている。しかし、その原理は第４図
に示すように、分布型圧覚センサ26をロボットハンド27
に貼付けて、ロボットハンド27が被把持物を把持した時
にロボットハンドに生じる歪を圧覚センサ26によって検
出するものであり、被把持物が圧覚センサ26に及ぼす力
を直接検出するものではない。そのためロボットハンド
に小さい力が加わるときには検出できない。
導電性を有したゴムまたはプラスチックを用いたものが
提案されている。第２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21，22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21，22の接触部分の
面積が増加し抵抗が変化する。従って第３図に示したよ
うに電圧端子23に、例えば５Ｖの電圧を1000Ωの抵抗24
を介して印加しておき、出力点25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、力検出のダイナミックレンジが狭いことおよび
ヒステリシス特性を有することという欠点がある。 一方、特開昭60−195402号および195403号公報により可
撓性基板上に形成した非晶質シリコン層よりなる歪ゲー
ジを用いた歪分布センサが公知となっており、ここでは
前に述べたようなダイナミックレンジやヒステリシスに
関する欠点は除かれている。しかし、その原理は第４図
に示すように、分布型圧覚センサ26をロボットハンド27
に貼付けて、ロボットハンド27が被把持物を把持した時
にロボットハンドに生じる歪を圧覚センサ26によって検
出するものであり、被把持物が圧覚センサ26に及ぼす力
を直接検出するものではない。そのためロボットハンド
に小さい力が加わるときには検出できない。
本発明は、非晶質シリコン層を用い、加わった力を直接
感度よく検出できる分布型圧覚センサを提供することを
目的とする。
感度よく検出できる分布型圧覚センサを提供することを
目的とする。
本発明は、金属基板に厚さの厚い支持部に連結された厚
さの薄い梁構造をマトリクス状に分散して設け、各梁構
造部の表面に絶縁層を介してｐ型およびｎ型の非晶質シ
リコン膜を被着し、両膜を電気的に直列接続し、両端に
それぞれ電圧端子、接続点に出力端子を接続したもの
で、金属基板の一部に垂直方向に力が加わった時、片持
梁または両持梁に形成された梁が変形し、梁の面上に被
着された非晶質シリコンの抵抗が変化するが、抵抗変化
率ΔＲ／Ｒはｐ型ではプラス，ｎ型ではマイナスの特性
を有するため、その接続点より大きな出力信号を取り出
すことができ、上記の目的が達成される。
さの薄い梁構造をマトリクス状に分散して設け、各梁構
造部の表面に絶縁層を介してｐ型およびｎ型の非晶質シ
リコン膜を被着し、両膜を電気的に直列接続し、両端に
それぞれ電圧端子、接続点に出力端子を接続したもの
で、金属基板の一部に垂直方向に力が加わった時、片持
梁または両持梁に形成された梁が変形し、梁の面上に被
着された非晶質シリコンの抵抗が変化するが、抵抗変化
率ΔＲ／Ｒはｐ型ではプラス，ｎ型ではマイナスの特性
を有するため、その接続点より大きな出力信号を取り出
すことができ、上記の目的が達成される。
第１図(a)〜(c)は本発明の一実施例を示すもので、図
(b)は図(a)のＸ−Ｘ断面，図(c)は図(a)のＹ−Ｙ断面を
表わしている。図において、金属基板１は厚さ0.1〜0.3
mm程度で、基板材料としては耐腐食性の点から考えてス
テンレス鋼が最適と考えられるが、その使用条件により
他の金属であっても差しつかえない。この金属基板１に
エッチングまたは機械加工によりスリット状でコ字形の
貫通孔２をあけて片持梁３を形成する。片持梁３の厚さ
は第１図(b)，(c)に示すようにやはりエッチングまたは
機械加工により基板１より薄くされ、梁３の端部近くに
取り付けられた荷重印加部４に力５が加わったときに、
梁が変形できるすきま18が支持面17との間に生ずる。さ
らに、片持梁３の根元の下面には溝19が形成され、梁の
変形を大きくしている。 金属基板１の上にはポリイミドなどの絶縁樹脂層６を塗
布する。この上に電源用電極71，出力用電極72，グラン
ド用電極73を電子ビーム蒸着またはスパッタリング蒸着
により1000〜5000Åの厚さに形成する。このとき第１図
(b)に示すように電源用電極71と出力用電極72は絶縁樹
脂層６により金属基板１から絶縁されているが、グラン
ド用電極73は第１図(c)に示すように金属基板１に接触
しており、金属基板１は共通のグランド電位となってい
る。このようなグランド電極73の形成方法は、絶縁樹脂
層６を感光性ポリイミド等で形成し、グランド電極の位
置に露光によって貫通孔をあけ、しかるのちにその部分
にグランド電極73を蒸着すればよい。 次にグロー放電分解法によってｐ型非晶質シリコン（以
下ａ−Siと記す）膜81とｎ型ａ−Si膜82を形成する。ａ
−Si膜は水素により10〜30倍に希釈されたシランガスを
用いて、１〜10Torrの真空中で高周波電界を加える公知
の方法で生成される。ａ−Si膜をｐ型にする場合はジボ
ランガス，ｎ型にする場合はフォスフィンガスをシラン
ガスに添加する。高周波の電力を上げていくと50〜200
Åの大きさの微結晶粒が膜の中に成長して微結晶化膜が
形成される。ａ−Si膜81，82はそれぞれ成膜後、フォト
リソグラフィにより図示のように線状にパターニングさ
れる。ａ−Si膜81，82の保護のために、エポキシ，フェ
ノール系塗料を印刷などの方法でパターン状に塗布して
10μｍ程度の厚さの遮光性の保護膜９により被覆する。
ａ−Si膜81，82の導電型は逆にしてもよい。 さらに、出力用電極72に直列にダイオード10を形成す
る。ダイオード10は出力信号のまわり込みを防ぐための
ブロッキング・ダイオードであり、このうよなダイオー
ドはａ−Si膜のｐｉｎ構造で形成することができるが、
出力信号の大きさや安定性から考えてＦＥＴなどのアナ
ログ・スイッチを用いてもよい。このようなａ−Si膜8
1，82を有する梁構造が第１図(a)に示すように金属基板
６の上に複数個マトリクス状に形成され、一つの片持梁
３の上の二つのダイオード10は絶縁層６の上に形成され
る配線導体11を介して電圧増幅器12に接続される。 このような構成において、基板１の厚さの部分を、例え
ばロボットハンドの内面に接着またはねじ止めした場
合、いま力が加わると片持梁３にすきま31を減少させる
曲げ変形を生じ、溝19の作用によりａ−Si膜81，82が形
成してある梁３の根元部分の表面およびそれに伴い膜自
体に大きな引張り歪を生じる。第５図は引張り歪が生じ
た時その歪方向と平行のｐ型ａ−Si膜の抵抗変化51とｎ
型ａ−Si膜の抵抗変化52を示している。引張り歪εが生
じた時ｐ型ａ−Siの抵抗は増加し、ｎ型ａ−Siの抵抗は
減少している。第６図は、ａ−Si膜81，82とダイオード
10が形成するホイートストーンブリッジの等価回路を示
す。歪が生じない時にすべてのａ−Si膜の抵抗値が同じ
であると仮定すれば、電圧端子Ａに電圧を印加してもＢ
端子とＣ端子は同電位であり、電位増幅器12に出力は生
じない。次に力５により片持梁３が変形すると、ａ−Si
膜81の抵抗は増加し、ｎ型ａ−Si膜82の抵抗は減少する
ため、Ｂ端子の電位は下がり、Ｃ端子の電位は上がって
これらの間の電位差が電圧増幅器12に大きな出力電圧と
して現われ、これにより力５の大きさを知ることができ
る。このようなホイートストーンブリッジがマトリクス
配置の各片持梁３の上に存在するので、マトリクスの各
列毎に順次電圧を印加し、各行の電圧増幅器12の出力を
順次測定すれば、基板上の各荷重印加部４に加わる力５
の分布を知ることができる。 第７図は別の実施例を示すものであり、第１図のものと
相違する点は、金属基板１に平行溝状の貫通孔２を開け
て片持梁３の代わりに両持梁31を形成したことである。
荷重印加点４に力を加えたときの梁の変形は片持梁のと
きより小さくなり、ａ−Si膜81，82に生じる歪も小さく
なってその結果電圧増幅器12に生ずる出力信号が小さく
なるが、貫通孔２の加工が容易になり、また配線11のク
ロスオーバが少なくなる利点が得られる。 第８図はさらに別の実施例を示すもので、第１図のもの
と相違する点は、一つの片持梁３の上にｐ型ａ−Si膜81
とｎ型ａ−Si膜82を１個ずつのみ形成して直列接続し、
ハーフブリッジを構成している点でしる。梁３の表面に
引張り歪が生ずることによりｐ型ａ−Si膜81の抵抗が増
加し、ｎ型ａ−Si膜82の抵抗が減少するので出力用電極
72の電位が低下する。この場合は同相ノイズ成分を除去
する効果は失われるが、回路構成が簡略化されるという
利点が得られる。
(b)は図(a)のＸ−Ｘ断面，図(c)は図(a)のＹ−Ｙ断面を
表わしている。図において、金属基板１は厚さ0.1〜0.3
mm程度で、基板材料としては耐腐食性の点から考えてス
テンレス鋼が最適と考えられるが、その使用条件により
他の金属であっても差しつかえない。この金属基板１に
エッチングまたは機械加工によりスリット状でコ字形の
貫通孔２をあけて片持梁３を形成する。片持梁３の厚さ
は第１図(b)，(c)に示すようにやはりエッチングまたは
機械加工により基板１より薄くされ、梁３の端部近くに
取り付けられた荷重印加部４に力５が加わったときに、
梁が変形できるすきま18が支持面17との間に生ずる。さ
らに、片持梁３の根元の下面には溝19が形成され、梁の
変形を大きくしている。 金属基板１の上にはポリイミドなどの絶縁樹脂層６を塗
布する。この上に電源用電極71，出力用電極72，グラン
ド用電極73を電子ビーム蒸着またはスパッタリング蒸着
により1000〜5000Åの厚さに形成する。このとき第１図
(b)に示すように電源用電極71と出力用電極72は絶縁樹
脂層６により金属基板１から絶縁されているが、グラン
ド用電極73は第１図(c)に示すように金属基板１に接触
しており、金属基板１は共通のグランド電位となってい
る。このようなグランド電極73の形成方法は、絶縁樹脂
層６を感光性ポリイミド等で形成し、グランド電極の位
置に露光によって貫通孔をあけ、しかるのちにその部分
にグランド電極73を蒸着すればよい。 次にグロー放電分解法によってｐ型非晶質シリコン（以
下ａ−Siと記す）膜81とｎ型ａ−Si膜82を形成する。ａ
−Si膜は水素により10〜30倍に希釈されたシランガスを
用いて、１〜10Torrの真空中で高周波電界を加える公知
の方法で生成される。ａ−Si膜をｐ型にする場合はジボ
ランガス，ｎ型にする場合はフォスフィンガスをシラン
ガスに添加する。高周波の電力を上げていくと50〜200
Åの大きさの微結晶粒が膜の中に成長して微結晶化膜が
形成される。ａ−Si膜81，82はそれぞれ成膜後、フォト
リソグラフィにより図示のように線状にパターニングさ
れる。ａ−Si膜81，82の保護のために、エポキシ，フェ
ノール系塗料を印刷などの方法でパターン状に塗布して
10μｍ程度の厚さの遮光性の保護膜９により被覆する。
ａ−Si膜81，82の導電型は逆にしてもよい。 さらに、出力用電極72に直列にダイオード10を形成す
る。ダイオード10は出力信号のまわり込みを防ぐための
ブロッキング・ダイオードであり、このうよなダイオー
ドはａ−Si膜のｐｉｎ構造で形成することができるが、
出力信号の大きさや安定性から考えてＦＥＴなどのアナ
ログ・スイッチを用いてもよい。このようなａ−Si膜8
1，82を有する梁構造が第１図(a)に示すように金属基板
６の上に複数個マトリクス状に形成され、一つの片持梁
３の上の二つのダイオード10は絶縁層６の上に形成され
る配線導体11を介して電圧増幅器12に接続される。 このような構成において、基板１の厚さの部分を、例え
ばロボットハンドの内面に接着またはねじ止めした場
合、いま力が加わると片持梁３にすきま31を減少させる
曲げ変形を生じ、溝19の作用によりａ−Si膜81，82が形
成してある梁３の根元部分の表面およびそれに伴い膜自
体に大きな引張り歪を生じる。第５図は引張り歪が生じ
た時その歪方向と平行のｐ型ａ−Si膜の抵抗変化51とｎ
型ａ−Si膜の抵抗変化52を示している。引張り歪εが生
じた時ｐ型ａ−Siの抵抗は増加し、ｎ型ａ−Siの抵抗は
減少している。第６図は、ａ−Si膜81，82とダイオード
10が形成するホイートストーンブリッジの等価回路を示
す。歪が生じない時にすべてのａ−Si膜の抵抗値が同じ
であると仮定すれば、電圧端子Ａに電圧を印加してもＢ
端子とＣ端子は同電位であり、電位増幅器12に出力は生
じない。次に力５により片持梁３が変形すると、ａ−Si
膜81の抵抗は増加し、ｎ型ａ−Si膜82の抵抗は減少する
ため、Ｂ端子の電位は下がり、Ｃ端子の電位は上がって
これらの間の電位差が電圧増幅器12に大きな出力電圧と
して現われ、これにより力５の大きさを知ることができ
る。このようなホイートストーンブリッジがマトリクス
配置の各片持梁３の上に存在するので、マトリクスの各
列毎に順次電圧を印加し、各行の電圧増幅器12の出力を
順次測定すれば、基板上の各荷重印加部４に加わる力５
の分布を知ることができる。 第７図は別の実施例を示すものであり、第１図のものと
相違する点は、金属基板１に平行溝状の貫通孔２を開け
て片持梁３の代わりに両持梁31を形成したことである。
荷重印加点４に力を加えたときの梁の変形は片持梁のと
きより小さくなり、ａ−Si膜81，82に生じる歪も小さく
なってその結果電圧増幅器12に生ずる出力信号が小さく
なるが、貫通孔２の加工が容易になり、また配線11のク
ロスオーバが少なくなる利点が得られる。 第８図はさらに別の実施例を示すもので、第１図のもの
と相違する点は、一つの片持梁３の上にｐ型ａ−Si膜81
とｎ型ａ−Si膜82を１個ずつのみ形成して直列接続し、
ハーフブリッジを構成している点でしる。梁３の表面に
引張り歪が生ずることによりｐ型ａ−Si膜81の抵抗が増
加し、ｎ型ａ−Si膜82の抵抗が減少するので出力用電極
72の電位が低下する。この場合は同相ノイズ成分を除去
する効果は失われるが、回路構成が簡略化されるという
利点が得られる。
本発明によれば次のような効果が得られる。 (1)金属基板に梁構造を形成し、金属基板に対して垂直
方向の力を梁の曲げによって基板表面に生じる引張り歪
に変換するので、金属基板に対して垂直方向に加わる力
を直接検出できる。 (2)梁の表面に生じる歪をその表面に被着したｐ型とｎ
型のａ−Si膜の相反する抵抗変化率を利用して検出する
ため、大きな出力信号が得られる。 (3)梁構造を金属基板上にマトリクス状に形成すること
により、金属基板に対して垂直方向に加わる力の基板面
における分布状態を知ることができる。 (4)金属基板にマトリクス状に多数の梁構造をエッチン
グ等により製作し、ａ−Si膜や電極をグロー放電分解法
や蒸着により一括して形成することができるので、製造
工程が簡単である。 (5)金属基板の厚さやａ−Si膜等の寸法を小さくできる
ので、全体を薄く製作することが可能である。 (6)金属基板は弾性を有するので、圧覚センサをある程
度可撓性にすることができ、曲面状への固定が可能であ
る。あるいはあらかじめ円筒状などの任意の形状を有す
る金属基板を用いることによって、平板状以外の形状を
した圧覚センサを製作することもできるので、ロボット
ハンドへの取付けが容易になる。
方向の力を梁の曲げによって基板表面に生じる引張り歪
に変換するので、金属基板に対して垂直方向に加わる力
を直接検出できる。 (2)梁の表面に生じる歪をその表面に被着したｐ型とｎ
型のａ−Si膜の相反する抵抗変化率を利用して検出する
ため、大きな出力信号が得られる。 (3)梁構造を金属基板上にマトリクス状に形成すること
により、金属基板に対して垂直方向に加わる力の基板面
における分布状態を知ることができる。 (4)金属基板にマトリクス状に多数の梁構造をエッチン
グ等により製作し、ａ−Si膜や電極をグロー放電分解法
や蒸着により一括して形成することができるので、製造
工程が簡単である。 (5)金属基板の厚さやａ−Si膜等の寸法を小さくできる
ので、全体を薄く製作することが可能である。 (6)金属基板は弾性を有するので、圧覚センサをある程
度可撓性にすることができ、曲面状への固定が可能であ
る。あるいはあらかじめ円筒状などの任意の形状を有す
る金属基板を用いることによって、平板状以外の形状を
した圧覚センサを製作することもできるので、ロボット
ハンドへの取付けが容易になる。
第１図は本発明の一実施例を示し、(a)が平面構成図、
(b)が(a)のＸ−Ｘ線断面図、(c)が(a)のＹ−Ｙ線断面
図、第２図は従来の分布型圧覚センサの斜視図、第３図
はその測定方法の説明図、第４図はａ−Si膜を用いた歪
分布センサの使用状態を示す斜視図、第５図は本発明の
ａ−Si膜の歪による抵抗変化を示す線図、第６図は第１
図の実施例の等価回路図、第７図，第８図はそれぞれ本
発明の異なる実施例の平面構成図である。 １：金属基板、２：貫通孔、３：片持梁、31：両持梁、
４：荷重印加部、６：絶縁樹脂層、71：電源用電極、7
2：出力用電極、73：グランド用電極、81：ｐ型ａ−Si
膜、82：ｎ型ａ−Si膜、10：ダイオード、17：支持面、
18：すき間、19：溝。
(b)が(a)のＸ−Ｘ線断面図、(c)が(a)のＹ−Ｙ線断面
図、第２図は従来の分布型圧覚センサの斜視図、第３図
はその測定方法の説明図、第４図はａ−Si膜を用いた歪
分布センサの使用状態を示す斜視図、第５図は本発明の
ａ−Si膜の歪による抵抗変化を示す線図、第６図は第１
図の実施例の等価回路図、第７図，第８図はそれぞれ本
発明の異なる実施例の平面構成図である。 １：金属基板、２：貫通孔、３：片持梁、31：両持梁、
４：荷重印加部、６：絶縁樹脂層、71：電源用電極、7
2：出力用電極、73：グランド用電極、81：ｐ型ａ−Si
膜、82：ｎ型ａ−Si膜、10：ダイオード、17：支持面、
18：すき間、19：溝。
Claims (3)
- 【請求項１】金属基板に厚さの厚い支持部に連結された
厚さの薄い梁構造をマトリクス状に分散して設け、各梁
構造部の表面に絶縁層を介してｐ型およびｎ型の非晶質
シリコン膜を被着し、両膜を電気的に直列接続し、両端
にそれぞれ電圧端子、接続点に出力端子に接続してなる
ことを特徴とする分布型圧覚センサ。 - 【請求項２】特許請求の範囲第１項記載のセンサにおい
て、金属基板が接地され、一方の電圧端子を兼ねること
を特徴とする分布型圧覚センサ。 - 【請求項３】特許請求の範囲第１項または第２項記載の
センサにおいて、出力端子にダイオードあるいはアナロ
グスイッチが接続された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 |
|---|---|---|---|
| JP11810286A JPH0617837B2 (ja) | 1986-05-22 | 1986-05-22 | 分布型圧覚センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11810286A JPH0617837B2 (ja) | 1986-05-22 | 1986-05-22 | 分布型圧覚センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62274229A JPS62274229A (ja) | 1987-11-28 |
| JPH0617837B2 true JPH0617837B2 (ja) | 1994-03-09 |
Family
ID=14728056
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11810286A Expired - Lifetime JPH0617837B2 (ja) | 1986-05-22 | 1986-05-22 | 分布型圧覚センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0617837B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0797056B2 (ja) * | 1990-03-02 | 1995-10-18 | 株式会社富士電機総合研究所 | 分布型触覚センサ |
| JP2715738B2 (ja) * | 1991-09-30 | 1998-02-18 | 日産自動車株式会社 | 半導体応力検出装置 |
| JP2669216B2 (ja) * | 1991-09-30 | 1997-10-27 | 日産自動車株式会社 | 半導体応力検出装置 |
| JP2737479B2 (ja) * | 1991-09-30 | 1998-04-08 | 日産自動車株式会社 | 半導体応力検出装置 |
| JPH07146192A (ja) * | 1993-11-25 | 1995-06-06 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 圧力センサ |
-
1986
- 1986-05-22 JP JP11810286A patent/JPH0617837B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62274229A (ja) | 1987-11-28 |
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