JPH0658269B2

JPH0658269B2 - 触覚センサ

Info

Publication number: JPH0658269B2
Application number: JP61258376A
Authority: JP
Inventors: 健一郎鈴木
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1986-10-31
Filing date: 1986-10-31
Publication date: 1994-08-03
Anticipated expiration: 2009-08-03
Also published as: JPS63113326A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は触覚センサに関し、特にロボットの手などにと
りつけ、対象物を握った時の反発力やすべり覚を検出す
るのに用いて好適な触覚センサの構造に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

近年、安価で高性能なマイクロコンピュータが普及し、
それらを用いることにより、様々な産業分野で自動化あ
るいはロボット化が進められつつある。しかし、現在実
用化されているロボットは、ある定まった形、定まった
大きさ、あるいは定まった重さの物を持ち上げたり運ん
だり、あるいは加工・組立等の作業を一定にプログラム
によってしか行えないというのが現状である。一方、消
費者の多様化により多品種少量生産の傾向が強くなり、
ＦＭＳ(Flexible Manufacturing System)と呼ばれる自
動化技術の開発が叫ばれている。この様な自動化の流れ
に於いては、人間の感覚器官を代行する様々なセンサを
用いて、機械自体に判断機能をもたせた知能ロボットを
実現する必要がある。例えば、ロボットが対象物を持ち
上げる動作を考えた場合、まず視覚センサにより対象物
を見つけ、近接覚センサにより対象物に近づき、その
後、対象物に触れる、という手順を考えることができ
る。ここで、触覚センサはまず対象物に触れたかどうか
のＯＮ−ＯＦＦ情報を検出し、次に対象物を握り、対象
物からの反発力を測り、対象物が硬いか柔らかいかを判
断する。そして対象物を持ち上げる際に、対象物がすべ
っていないかどうかも的確に判断する必要がある。すな
わち触覚センサとして必要な機能は、触れたかどうかの
接触覚、物をつかんだ時の強さである圧覚、更にすべっ
ていないかどうかのすべり覚等が必要である。このよう
にロボットに必要な触覚センサの機能は多岐にわたって
おり、その必要性が強く認識されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、現在一般に用いられている触覚センサは、大き
過ぎたりあるいは直線性や再現性等に劣っていたりする
欠点がある。以下、従来例を図にあげて説明し、同時に
その欠点についてのべる。

第６図は従来の触覚センサの構成例を示す概観図であ
る。図中60は、導電性ゴムシートで、両側表面を互いに
直交する上部電極61と下部電極62とによって挟まれてい
る。今、図中に矢印で示す位置に印加力63が加わるとき
導電性ゴムシート60の抵抗64の値が変化する。一方、他
の位置での導電ゴムシート60の抵抗、例えば抵抗65の値
の変化は抵抗64に比べて小さい。従って、この導電性ゴ
ムシート60の変化した抵抗の位置から印加力63の位置
を、また抵抗64の値の変化分から印加力の大きさを検出
することができる。この従来例のセンサは、構造が簡単
なこととコストが安くつくることができることから広く
用いられている。しかし、センサとしての特性が、第７
図に示すように、(1)印加力に対する抵抗率の変化が直
線的でない、(2)ヒステレシスがある等の欠点があり、
まことに使いづらいものであった。また、ゴムとしての
材料的性質から、繰り返し使用するとゴムの弾性が失わ
れるという問題もあり、これに代わる新しいセンサの実
現が切に望まれていた。

本発明の目的は、上記従来技術の欠点を除去し、高性能
かつ小型の触覚センサを提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明は、薄肉のダイアフ
ラムとその上部に設けられたキャビティとを一部に有す
る起歪体と、前記ダイアフラムに設けられた感圧素子
と、前記キャビティの側壁の一部に直接接触させた球状
の加圧部とを設けたものである。

また、上記目的を達成するために、本発明は、薄肉のダ
イアフラムとその上部に設けられたキャビティとを一部
に有する起歪体と、前記ダイアフラムに設けられた感圧
素子と、前記キャビティの側壁の一部に直接接触させた
球状の加圧部とからなる触覚センサにおいて、前記ダイ
アフラム、前記キャビティ、前記感圧素子、及び、前記
加圧部をそれぞれ共通の前記起歪体に複数個アレイ状に
配置し、個々の前記感圧素子に生ずる電気信号を互いに
独立して出力できるようにしたものである。

〔作用〕

本発明の触覚センサは、センサに加えられた力が球状の
加圧部を介してダイアフラムをもつ起歪体に作用するこ
とに特徴があり、この起歪体に生じた歪みを感圧素子に
よって電気信号に変換するものである。

〔実施例〕

次に、本願第１の発明について図面を参照して説明す
る。

第１図は、本願第１の発明の一実施例の断面を示したも
のである。

この触覚センサは、起歪体１と、加圧部２と、弾性体３
と、台座４と、感圧素子５と、そして図示の起歪体１の
場合はその起歪体１の中央部に形成したダイアフラム６
とで構成されている。

加圧部２は、サファイアの球で、シリコンから成る起歪
体１（シリコン基板）内に設けられたキャビティ９上に
置かれており、接触点８により支持されている。接触点
８は、キャビティ９の平面形状を正方形としたときは４
個の点であり、長方形としたときには２個の点である。
また、キャビティ９の平面形状を円としたときには接触
点８は円となる。ダイアフラム６は、シリコンからなる
薄肉の膜で、起歪体１からシリコンの異方性エッチング
技術を用いて作製する。このダイアフラム６上で発生す
る歪みが最も大きくなる位置にイオン注入あるいは拡散
により形成した感圧素子５を配置する。起歪体１は、穴
７が開けられた台座４（コーニング＃7740が望ましい）
に静電ボンディングにより接着され、他方の表面をシリ
コンゴムからなる弾性体３により被覆されている。

本実施例な触覚センサは、このように、中央部に薄肉の
ダイアフラム６をもつ起歪体１と、このダイアフラム６
表面上におかれた感圧素子５と、この感圧素子５の置か
れた表面と反対側のダイアフラム６表面に対向して設け
られた加圧部２とから成り、当該加圧部２が球状の形状
をもつ構成となっている。

今、この触覚センサが対象物に触れるなどして力が加わ
った場合、弾性体３を通して加えられた力は加圧部２を
介してキャビティ９の設けられた起歪体１に作用し、こ
の起歪体１に歪みが生ずる。感圧素子５は、このように
起歪体１に生じた歪みを電気信号に変換し、これが出力
電圧として取り出される。ここで、加圧部２を球状とす
ることにより外界から加えられる力と起歪体１との接触
部の面積を小さくすることができるため、従来問題であ
った外界の力とデバイスとの接触のしかたに起因する誤
差を減少させることができた。また、加圧部２と起歪体
１は、本例では、それぞれヤング率の大きいサファイア
およびシリコンからなっているため外界の力による変位
量が小さいことも本デバイスの特徴である。

起歪体１の材料としてシリコンを用い、感圧素子５とし
てゲージ抵抗を用いるならば、直線性の良い高感度のセ
ンサを実現することが可能である。

第２図および第３図は本願第１の発明の他の実施例を示
す断面図である。図において、第１図と同一符号は同一
要素を示している。第２図，第３図の構成は、ダイアフ
ラム６の側面に新たに溝20を付け加えたことにおいて第
１図のものと異なる。また、第２図と第３図は溝20の位
置を起歪体１の異なる表面に設けたことに特徴がある。
本構成をもつセンサは第１図の場合に比べて感度を大き
くすることができるという利点がある。

第４図は、本願第１の発明による構成をもつ触覚センサ
の印加力に対する応答を概念的に示したものである。第
４図に示すように従来のセンサに比べて(1)直線性がよ
い、(2)ヒステリシスがない等の優れた特徴があること
がわかる。

第５図は、先の本願第１の発明の触覚センサを一素子と
してこれを平面に複数個配置した本願第２の発明のアレ
イセンサの構成を示したもので、一部に薄肉のダイアフ
ラム６をもつ起歪体１と、このダイアフラム６表面上に
おかれた感圧素子５と、この感圧素子の置かれた表面と
反対側のダイアフラム６表面に対向して設けられた加圧
部２とを有し、当該加圧部２が球状の形状をもつ触覚セ
ンサを複数個アレイ状に配置し、個々の感圧素子５に生
ずる電気的信号を互いに独立に出力できるようにしたも
のである。

第５図において第１図の同じ符号は同一の構成要素を示
している。図中の50は、感圧素子５のリード線を表して
おり、触覚センサの各要素内に外力により発生した電気
信号を互いに独立に検出できるようにしている。本構成
によるアレイセンサを用いることにより、外界の印加圧
を面内分布を検出することができ、圧覚の分布を測定す
ることができる。また、このアレイセンサのキャビティ
９は、シリコンの異方性エッチング技術を用いてシリコ
ン基板（起歪体）１より一度に作製することができるた
め、各素子間のばらつきが小さいことおよび製造コスト
が安いという特徴がある。

以上、本発明について例を挙げ詳細な説明を行った。な
お、本発明の構成は、センサの台座として金属基板，シ
リコン基板，ＰＣＢ基板等に関係なく成り立つ事は言う
までもないことである。また、センサの表面を被覆する
弾性体として通常知られているゴムシート等も本発明に
含まれる。

なお、上記実施例においてダイアフラムの面積を大きく
したり、その厚さを薄くしたりすることによりセンサの
感度を大きくすることができる。しかし、この場合に
は、同時にセンサのレンジが小さくなったり、寸法が大
きくなったりするので、実際にセンサを設計する際に
は、以上の点を考慮してセンサの特性を最適にするよう
にダイアフラムの寸法を決めなければならない。

〔発明の効果〕

以上説明したとおり、本発明によれば、直線性の良い、
ヒステリシスのない高性能な触覚センサを実現すること
が可能となった。本発明の触覚センサは従来のシリコン
ＩＣプロセス技術と合致した製法で大量に製造すること
ができるため、製造コストを低減する事ができる。ま
た、センサ素子をアレイ状に配置した本願第２の発明の
センサは、各素子間のばらつきが小さいため対象物の圧
覚やすべり覚の検出を行う高性能な触覚センサとして利
用する事ができる。これらの効果は著しいものであり、
本発明は有効なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本願第１の発明の一実施例の断面図、第２図は他の実施例の断面図、第３図は更に他の実施例の断面図、第４図は本願第１の発明のセンサの特性の概念図、第５図は本願第２の発明による触覚センサアレイの一例
を示す斜視図、第６図は従来の触覚センサの構成図、第７図はその特性を示す概念図である。１……起歪体２……加圧部３……弾性体４……台座５……感圧素子６……ダイアフラム７……穴８……接触点９……キャビティ 20……溝 50……リード線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】薄肉のダイアフラムとその上部に設けられ
たキャビティとを一部に有する起歪体と、前記ダイアフ
ラムに設けられた感圧素子と、前記キャビティの側壁の
一部に直接接触させた球状の加圧部とからなることを特
徴とする触覚センサ。
【請求項２】前記起歪体は、中央部に前記ダイアフラム
と前記キャビティとを有する起歪体であり、前記感圧素
子は、前記ダイアフラムの表面上に設けられ、前記加圧
部は、前記感圧素子の設けられた前記ダイヤフラムの表
面と反対側の表面に対向して設けられていることを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の触覚センサ。
【請求項３】前記加圧部と前記起歪体は、それぞれヤン
グ率の大きい材料のものからなっていることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項又は第２項記載の触覚センサ。
【請求項４】前記加圧部は、サファイアからなり、前記
起歪体は、シリコンからなっていることを特徴とする特
許請求の範囲第３項記載の触覚センサ。
【請求項５】前記起歪体の材料としてシリコンを用い、
前記感圧素子としてゲージ抵抗を用いることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項〜第４項のいずれかに記載の触
覚センサ。
【請求項６】薄肉のダイアフラムとその上部に設けられ
たキャビティとを一部に有する起歪体と、前記ダイアフ
ラムに設けられた感圧素子と、前記キャビティの側壁の
一部に直接接触させた球状の加圧部とからなる触覚セン
サにおいて、前記ダイアフラム、前記キャビティ、前記
感圧素子、及び、前記加圧部をそれぞれ共通の前記起歪
体に複数個アレイ状に配置し、個々の前記感圧素子に生
ずる電気信号を互いに独立して出力できるようにしたこ
とを特徴とする触覚センサ。
【請求項７】前記起歪体は、中央部に前記ダイアフラム
と前記キャビティとを有する起歪体であり、前記感圧素
子は、前記ダイアフラムの表面上に設けられ、前記加圧
部は、前記感圧素子の設けられた前記ダイアフラムの表
面と反対側の表面に対向して設けられていることを特徴
とする特許請求の範囲第６項記載の触覚センサ。
【請求項８】前記加圧部と前記起歪体は、それぞれヤン
グ率の大きい材料のものからなっていることを特徴とす
る特許請求の範囲第６項又は第７項記載の触覚センサ。
【請求項９】前記加圧部は、サファイアからなり、前記
起歪体は、シリコンからなっていることを特徴とする特
許請求の範囲第８項記載の触覚センサ。
【請求項１０】前記起歪体の材料としてシリコンを用
い、前記感圧素子としてゲージ抵抗を用いることを特徴
とする特許請求の範囲第６項〜第９項のいずれかに記載
の触覚センサ。