JPH0660853B2 - 圧覚センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、圧覚センサに関し、詳しくは、複数のセンサ
セルを共同の弾性床上にマトリックス状に配列させ、個
々のセンサセルに受圧部を介して加えられた力の検出が
可能な、ロボットハンド等に装着して使用される圧覚セ
ンサに関する。

［従来の技術］ 従来、ロボットハンド等に使用されてきた圧覚センサと
しては、例えば押ボタン式のものや導電性シートの両面
に電極を設けたもの等構造が比較的に簡単なものが多か
った。このような圧覚センサは、構造が極めて簡単であ
り、従って把持物から受ける力の伝達手段等については
特別に配慮を要しなかったが、近年では知能ロボットの
開発に伴い、把持対象物に対して人間の指部が手掌に相
当する圧覚機能を備えた圧覚センサが要求されるように
なった。

そこで、このような圧覚センサを実現させるために、小
型、かつ薄型であり柔軟性のあるセンサが本出願人等に
よって提案されてきた。第５図は従来のこの種の圧覚セ
ンサにおける１つの素子を取出して示した構成図であ
る。ここで、１は弾性床２上に取付けられたセンサセル
であり、単結晶シリコン板で形成され、その上面には外
力を検出するための複数の歪ゲージ３、これらの歪ゲー
ジ３から電気抵抗値を取出すための電極４および外力を
センサセル１に伝達するための受圧部５等が設けられて
いる。６は受圧部５をセンサセル１に接着させている接
着剤である。

なお、歪ゲージ３は半導体プロセスで形成されるもの
で、これらの歪ゲージ３はホイートストンブリッジ回路
に組込まれており、歪ゲージ３に発生するピエゾ効果、
すなわちひずみによって電気抵抗値が変化する現象を利
用して、加えられた力を電気信号として取出すことがで
きる。第６図は上述のホーイストンブリッジ回路の構成
図で、図中のR1〜R4は実際のセンサセル１に形成される
歪ゲージ３に対応する回路図上の歪ゲージであり、相対
する頂点間に電圧Ｖが印加され、さらに、その一端が接
地（Ｇ）されており、他方の相対する頂点から引出され
た出力線端子間で出力信号Ｅが取出される。また、これ
らの歪ゲージR1〜R4間に接続された配線は、電極４を介
して不図示のフレキシブル配線基板上の配線とそれぞれ
接続される。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上述した形態の従来の圧覚センサは弾性
床、センサセルと不図示のフレキシブル配線基板および
センサセルの受圧部上に設けられた表皮等で構成されて
おり、例えば把持物体を把持したときに、受圧部を介し
てセンサセルに伝達される外力の伝達方法に問題があ
る。とりわけ、受圧部５とセンサセル１とは第５図に示
したように接着剤６で取付けられているが、その接合位
置に高精度が要求されるのみならず、受圧部５に加わる
外力に対して十分耐えることのできる接合強度が保持さ
れなければならない。

しかるに、第５図に示すように、受圧部５の周囲から接
着剤６が食み出して固形化した場合、その塊が受圧部５
の近傍に配設されている歪ゲージ３の上に付着し、この
ため、歪ゲージ３からの出力信号が阻害され圧覚センサ
としての機能に支障をきたす。

また、第７図に示すように、接着剤６が少なすぎると受
圧部５とセンサセル１との間の接合力が不安定となり、
はがれ易い原因ともなる。なおここで、７はセンサセル
１上に形成された金属蒸着層を示す。

更にまた、第８図はこの種の圧覚センサにより、把持物
体を把持したときの状態を示し、ここで、８は弾性体の
表皮、９は把持物体、10はフレキシブル配線基板であ
る。このように、把持物体９が２個の受圧部５の中間で
把持された場合、フレキシブル配線基板10が表皮８を介
して押圧され、そのために該フレキシブル配線基板10の
下面に設けられた電極4Aとセンサセル１上に設けられた
電極４とを接合しているはんだ付けがはずれてしまうこ
とがあり、センサ機能が損なわれるばかりか、ロボット
の誤操作を招く恐れがあった。

本発明の目的は、上述した従来の課題に着目し、その解
決を図るべく、外力を広い範囲で安定して受圧部を介し
てセンサセルに正確に伝達することができ、歪ゲージを
介して出力信号を取出すことのできる、特にロボットハ
ンド向きに好適な信頼性の高い圧覚センサを提供するこ
とにある。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するために、本発明は、上面に複数の
歪ゲージが形成されたセンサセルを共同の弾性床面にマ
トリクス状に配設し、複数のセンサセルの上部に複数の
歪ゲージからの出力信号処理回路が形成されたフレキシ
ブル配線基板を有し、センサセルに受圧部を介して力が
伝達されるようにした圧覚センサにおいて、センサセル
の各々の上面中央部に有底孔を設けて、その周囲に複数
の歪ゲージを配設し、フレキシブル配線基板の有底孔に
対応する位置に受圧部挿入孔を設け、フレキシブル配線
基板上にフレキシブル配線基板を覆蓋する表皮部材を設
け、表皮部材の下面側に当該表皮部材と一体に複数の受
圧部を突設し、複数の受圧部を前記受圧部挿入孔から下
方に貫通させてセンサセルの各々に設けた有底孔に嵌合
させるようにしたことを特徴とする。

［作用］ 本発明によれば、各センサセルの中央部に設けた有底孔
に、フレキシブル配線基板に設けた受圧部挿入孔を介
し、表皮部材と一体成形した受圧部の先端嵌合部を嵌め
合わせるようにしたことによって、表皮部上面側から把
持物等によって加えられる力を受圧部およびセンサセル
の有底孔を介してセンサセルに無理なく伝達することが
でき、センサセル上の歪ゲージを介して上記の力に関す
る正確な出力信号を得ることができる。

［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。

第１図は本発明にかかるセンサセルの一例を示し、セン
サセル11はその中央部にドライエッチング法等によって
形成した有底孔12を有する。なお、周知の半導体プロセ
スにより形成される電極４や不図示の配線パターンおよ
び歪ゲージ３等については第５図に示した例と変わると
ころはない。ドライエッチング法は、周知のように、真
空容器内に特殊なガスを導入し、プラズマを発生させ
て、物理化学的にシリコンの表面をエッチングするもの
で、近年では半導体デバイスの微細加工に広く使用され
ている。

次に、このようにして構成したセンサセル11をフレキシ
ブル配線基板10と接合する過程を第２図によって説明す
る。

第２図において、13はフレキシブル配線基板10を保持す
る定盤であり、フレキシブル配線基板10はその電極4A等
が設けられている面が上になるようにして定盤13上に載
置される。10Aはフレキシブル配線基板10に穿設されて
いる受圧部挿入孔であり、受圧部挿入孔10Aには後述す
るようにしてここでは不図示の受圧部をセンサセル11の
有底孔12に向けて貫通させることができる。

また、14は個々のセンサセル11をフレキシブル配線基板
10に対して正確な相対位置に保つための間隔治具であ
り、このような間隔治具14によりその治具孔14Aにセン
サセル11を嵌め合わせたときに電極４と4A同士、および
センサセル11の有底孔12とフレキシブル配線基板10の受
圧部挿入孔10Aとがそれぞれ対向位置に案内されるよう
にする。

かくして、第２図に示すように電極４と4Aとを当接させ
た状態に保ち、センサセル11の裏面側、すなわち第２図
で上方からレーザ装置15によりレーザ光15Aを照射し
て、電極４，4Aを溶融接合させることができる。

次に、第３図および第４図によりユニットとして完成し
た状態の圧覚センサについて説明する。

まず、第２図に示したようにしてフレキシブル配線基板
10と電気的に接合されたセンサセル11のマトリクス状集
合体（アレイともいう）を天地してフレキシブル配線基
板10がセンサセル11の上方に位置するようになし、セン
サセル11の下面にその間隔に合わせた溝2Aを有する弾性
床２を接着する。16は受圧部、17はマトリクス状に配列
された受圧部16と一体化して形成した受圧部付きの表皮
部材であり、表皮部材17には上記の溝2Aおよびセンサセ
ル11間のすき間に対応した位置に格子状に薄肉部17Aが
形成されているが、これは表皮の影響をなるたけ少なく
して各センサセル11に把持力が有効に伝わるようにした
ものである。

このように構成することにより、従来型の受圧部５より
広い面積で物体を把持できるので、圧覚センサとしての
検出範囲が広くなる。更にまた、受圧部16と表皮部材17
の一体化を図ることにより圧覚センサの組立工程が簡素
化される。

さて、上述のようにして構成した受圧部付きの表皮部材
17の受圧部16の形成されている側を下向きとなし、各受
圧部16を第４図に示すようにフレキシブル配線基板10の
受圧部挿入孔10Aから下方に貫通させ、更に各受圧部16
の先端に形成した嵌合部16Aを対応するセンサセル11の
有底孔12にそれぞれ嵌め合わせることによって第３図に
示す完成状態の圧覚センサを得ることができる。

なお、以上説明した実施例では受圧部16の先端に形成す
る嵌合部16Aを有底孔12の形状に合わせて円柱状とした
が、これに限らず、有底孔12の断面形状を例えば方形と
なし、一方、嵌合部16Aの方をこの形状に合わせて形成
するようにしてもよい。要は、有底孔12に受圧部16の先
端が嵌め合わされて、表皮部材17に加えられた力が受圧
部16を介してセンサセル11に完全に伝達され、しかも受
圧部先端が横ずれしないような形状であれば嵌合形態は
どのような形態であってもよい。

［発明の効果］ 以上説明してきたように、本発明によれば、センサセル
の上面中央部に有底孔を設けてその周囲に歪ゲージを配
設し、マトリクス状に配設されたセンサセル上に設けら
れるフレキシブル配線基板の有底孔に対応する位置に受
圧部挿入孔を設け、フレキシブル配線基板上を覆蓋する
表皮部材の下面側に表皮部材と一体に形成した受圧部を
突設し、これらの受圧部を受圧部挿入孔から下方に貫通
させて各センサセルに形成した有底孔に嵌合させるよう
にしたので、従来のように衝撃や熱のために受圧部とセ
ンサセルとの間の接合部や電気的接続部が剥離したりす
ることがなくなり、またその間の接着剤による歪ゲージ
からの出力信号障害の恐れがなく、受圧部のセンサセル
への接着工程省略することができ、更には各受圧部間が
表皮部材と一体化されていることによって各受圧部によ
り連携して荷重を分担することができ、正確に把持力を
検出することのできる圧覚センサの提供が可能となっ
た。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかるセンサセルの単体の一例を示す
構成図、 第２図は本発明にかかるセンサセルとフレキシブル配線
基板とを電気的に接続するための組立図、 第３図は本発明圧覚センサの構成を示す断面図、 第４図は本発明圧覚センサを一部分解して示す斜視図、 第５図は従来の圧覚センサにおけるセンサセル単体の一
例を示す構成図、 第６図はそのセンサセル上の歪ゲージ間に形成されるブ
リッジ回路の構成図、 第７図は従来の圧覚センサでのセンサセルと受圧部との
不良接続状態の一例を示す断面図、 第８図は従来の圧覚センサによる把持物の把持状態を示
す断面図である。 ２…弾性床、 ３…歪ゲージ、 ４，4A…電極、 10…フレキシブル配線基板、 10A…受圧部挿入孔、 11…センサセル、 12…有底孔、 13…定盤、 14…間隔治具、 16…受圧部、 16A…嵌合部、 17…表皮部材、 17A…薄肉部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】上面に複数の歪ゲージが形成されたセンサ
   セルを共同の弾性床面にマトリクス状に配設し、複数の
   前記センサセルの上部に前記複数の歪ゲージからの出力
   信号処理回路が形成されたフレキシブル配線基板を有
   し、前記センサセルに受圧部を介して力が伝達されるよ
   うにした圧覚センサにおいて、 前記センサセルの各々の上面中央部に有底孔を設けて、
   その周囲に前記複数の歪ゲージを配設し、 前記フレキシブル配線基板の前記有底孔に対応する位置
   に受圧部挿入孔を設け、 前記フレキシブル配線基板上に該フレキシブル配線基板
   を覆蓋する表皮部材を設け、該表皮部材の下面側に当該
   表皮部材と一体に複数の受圧部を突設し、 該複数の受圧部を前記受圧部挿入孔から下方に貫通させ
   て前記センサセルの各々に設けた有底孔に嵌合させるよ
   うにしたことを特徴とする圧覚センサ。