JPH0663886B2 - 分布型圧覚センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、分布型圧覚センサに関し、詳しくはロボット
ハンド等の表面に取付けて、ハンド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。

［従来の技術］ 分布型圧覚センサは主にロボットハンドなどにおいてそ
の圧覚を検知することにより、把持力の大きさ、面圧分
布等の情報を得ようとする目的で開発が進められてきて
おり、センサ表面に対する垂直な力のみならず、水平な
力の分布をも検出できる分布型圧覚センサとして、第１
図に示すようなものが考えられる。本例はセンサが形成
されるシリコンウェハを裏面側から見た図であり、分布
型圧覚センサ30はシリコンウェハから切出して形成さ
れ、その左半分が検出部30A、右半分が信号処理部30Bで
ある。このように分布型圧覚センサ30の裏面における検
出部30Aの側の斜線を施して示した部分にＹ方向の深溝
部31およびＸ方向の深溝部32を同一深さでダイサ等によ
り穿削加工し、更に、これらの深溝部31および32に沿っ
て交叉線を施して示した位置に８個の長方形貫通孔33を
放電加工またはレーザ加工により形成する。また、第１
図で点々を付して示した部分は、浅溝部34であり、浅溝
部34はＸおよびＹ方向に深溝部32および31を形成した
後、図示の部分を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圧覚センサ30の裏面側に施すこ
とによって検出部30Aに４個の突起部35を備えた梁を形
成することができる。

第２図は第１図のＰ−Ｐ断面を示したものであり、第２
図から分るように深溝部31、浅溝部34および突起部35に
よって長方形貫通孔33により隔絶されたれＸ方向の梁40
が形成される。また、第３図は第１図のＱ−Ｑ断面を示
したものであり、第３図において、深溝部31、浅溝部34
および突起部35によって貫通孔33により隔絶されたＹ方
向の梁41が形成される。

第４図は分布型圧覚センサ30をシリコンウェハの表面か
ら見た図である。第４図において、８個の長方形貫通孔
33により２個のＸ方向の梁40,40と２つのＹ方向の梁41,
41が形成されていることが分る。

しかして、これらの梁40および41には、それぞれ４つず
つ、合計16個の半導体ストレンゲージ42が形成され、ま
た、分布型圧覚センサ30の右半面は、信号処理のための
電子回路が形成されている信号処理部30Bである。

次に、これらの40および41によってどのように荷重が検
知されるかを以下に説明する。

第５〜８図はその検出の原理を説明したものである。

いま、第５図に示すように、両端が固定され、その中心
部に突起部10を有する梁11のその突起部10に、垂直方向
の力F_Vを加えると、梁11の下面に第６図に示すような、
分布の歪が発生する。

また第７図に示すように、同じ梁11の突起部10に水平方
向の力F_Hを加えると、梁11の下面に第８図に示すような
分布の歪が発生する。なお、これらの第６図および第８
図において、＋記号は引張歪、−記号は圧縮歪を表わし
ている。

そこで、第５図の点Ａ〜Ｄでの歪を第６図および第８図
でみてみると、いずれの点においても大きな歪が発生
し、垂直方向の力に対しては第６図に示すようにＡ点お
よびＤ点で、α［μstrain］、ＢおよびＣ点ではβ［μ
strain］となる。すなわち梁の対称性を考慮すればＡ，
Ｄ点およびＢ，Ｃ点での歪は等しい。

また水平方向の力が加わった時に発生する歪は、第７図
に示すようにＢ点およびＤ点で−γ［μstrain］，Ａ点
およびＣ点でδ［μstrain］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＋δ Ｂ点 β−γ Ｃ点 β＋δ Ｄ点 −α−γ よって、Ａ〜Ｄ点にストレンゲージを形成して、各点で
の歪を測定し、次の式(1)および(2)に従って計算すれば
垂直方向の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点の歪−Ｂ点の歪）＋（Ｄ点の歪−Ｃ点の歪） ＝｛（−α＋δ）−（β−γ）｝＋｛（−α−γ）−（β＋δ）｝＝−２（α＋
β） …（１） （Ａ点の歪−Ｂ点の歪）−（Ｄ点の歪−Ｃ点の歪） ＝｛（−α＋δ）−（β−γ）｝−｛（−α−γ）−（β＋δ）｝＝２（γ＋
δ） …（２） すなわち式(1)により垂直方向の力を同定し、式(2)によ
り水平方向の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
ジとでハーフブリッジを形成して検出することができ、
一方の項（Ｄ点の歪−Ｃ点の歪）は、Ｄ点に形成したス
トレンゲージとＣ点に形成したストレンゲージとでハー
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９図に示すようにＡ点のストレンゲージ21とＢ点
のストレンゲージ22とにより第１のハーフブリッジを、
またＣ点のストレンゲージ24とＤ点のストレンゲージ23
とにより第２のハーフブリッジを形成し、それぞれのハ
ーフブリッジからの出力の和を加算増幅器25により計算
すれば垂直方向分力信号26が得られ、一方、それぞれの
ハーフブリッジからの出力の差を差動増幅器27により計
算すれば、水平方向分力信号28が得られる。

そこで、第４図に示したようにＸ方向の梁40において
は、第10図のようにＸ方向の梁40の中心線上、長手方向
に半導体ストレンゲージ42A,42B,42Cおよび42Dを形成
し、これらの半導体ストレンゲージを第９図に示した形
態のハーフブリッジに組込み、信号処理部30Bにおいて
信号処理をすることにより、突起部35に加わる垂直方向
分力F_zおよび水平方向分力F_xを検出することができる。
また、Ｙ方向の梁41においても同様に垂直方向分力F_z，
水平方向分力F_yを検出することができる。従って各セン
サ素子は分力F_zとF_x、あるいは分力F_zとF_yとを検出する
ことができ、分布型圧覚センサ30全体としては、表面に
加えられた荷重の分布を、ｘ，ｙ，ｚ方向分力、F_x,F_y,
F_zに分解して検出することができる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上述したような荷重検出では、センサ１
素子当りの荷重検出分力F_zとF_x、または分力F_zとF_yとの
２方向分力検知に限られるため、水平方向の分力F_xおよ
びF_yの分布は、センサ素子密度の1/2の密度でしか検出
できない。従って３方向分力すべてに渡って荷重の分布
を均等な高密度で検出できるとは言い難かった。

本発明の目的は上述したような課題を解決すべく、各セ
ンサ素子ごとに荷重の３方向分力、すなわちF_x,F_yおよ
びF_zのすべてが検出でき、圧覚センサに加えられる荷重
の分布を３方向分力すべてに渡って高密度に検出できる
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］ 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Ｙ方向に複数組の対をな
す長方形貫通孔をそれぞれ並列させて穿設すると共に、
対をなす長方形貫通孔の間にＸ方向およびＹ方向の梁部
を構成し、半導体基板の一方の面における梁部の各々の
スパン中央部に突起部を設け、突起部の両側に薄肉部を
形成すると共に薄肉部の更に両側にそれぞれ梁支持部を
形成し、半導体基板の他方の面における梁部に複数のス
トレンゲージを形成して、複数のストレンゲージにより
突起部に加えられた力の半導体基板に対する垂直方向の
分力、Ｘ方向およびＹ方向の分力が検出可能な分布型圧
覚センサにおいて、複数のストレンゲージを、Ｘ方向お
よびＹ方向の梁部における長手方向に沿った中心線およ
び中心線の両側対称位置に線引した平行線上での薄肉部
と梁支持部との境界断面位置および突起部の両端に沿っ
た断面位置に限定して設けたことを特徴とするものであ
る。

［作用］ 本発明によれば、半導体基板の一方の面にストレンゲー
ジを形成し、その他方の面に溝と長方形貫通孔とを穿設
して、上記のストレンゲージを有する縦横方向に独立し
た微小な梁構造を形成し、更に各梁のスパン中央部には
突起部を形成して、各梁ごとにセンサ素子を構成し、更
に各センサ素子からの信号を処理する信号処理部を上記
の同一基板上に設けると共に、１センサ素子である梁の
長手方向に沿う中心線および中心線の両側に対称位置に
それぞれ線引した平行線上で、かつ梁の固定端面、およ
び突起部の両側面が交わる位置に、梁の長手方向の歪を
検出するストレンゲージを配設し、各センサ素子により
それぞれの突起部に加えられた荷重を、３方向の分力、
すなわち各センサ素子に垂直な方向の分力および、互い
に直交する２つの水平な方向の分力に分解して検出でき
るようにしたので、圧覚センサ表面上に加えられた荷重
の互いに直交する３方向分力の分布を高密度に検出する
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。

まず、第11図〜第15図により本発明の原理を説明する。
いま、第11図に示すように両端が固定された梁100にお
いて、その突起部101に梁とは直角方向の水平荷重F_yが
負荷されたとすると、第12図に示す梁100の下面100Aに
おける中心線100B上に発生する梁方向、すなわちｘ方向
の歪分布は、第14図に示すようになる。すなわち水平荷
重F_yが負荷されても歪は発生しない。ところが、中心線
100Bからそれぞれの両側にΔｄだけ離れた線100Cおよび
100D上ではそれぞれ、第13図および第15図に示すような
ｘ方向の歪が発生する。すなわち第13図および第15図か
らわかるように、線100Cおよび100Dには正反対の歪が発
生する。一方、分力F_xおよびF_zが負荷された場合のｘ方
向の歪の分布は、検出する線100B,100C,100Dのいずれに
おいても一様であり、それぞれ、既に述べた、第８図、
第６図のようになる。

そこで、第12図のＥ〜Ｊ点におけるｘ方向の歪について
みると、第８図，第13図，第15図および第６図から、分
力F_x,F_y,F_zが負荷された時のＥ〜Ｊ点に発生するｘ方向
の歪ε_Ｅ〜ε_Ｊとしてはそれぞれ第16図のように読み取
ることができる。従って同図より、分力F_x,F_y,F_zが同時
に負荷された場合のε_Ｅ〜ε_Ｊは次のようになる。

ε_Ｅ＝＋δ＋η−α ε_Ｆ＝−γ−ζ＋β ε_Ｇ＝＋δ−η−α ε_Ｈ＝−γ＋ζ＋β ε_Ｉ＝＋δ＋ζ＋β ε_Ｊ＝−γ−η−α よって、Ｅ〜Ｊ点にそれぞれストレンゲージを形成して
各点の歪を測定し、これらを組み合わせて、以下のよう
な加減算を行うようにすれば、３方向の分力F_x,F_y,F_zに
応じた歪量を他方向の干渉を受けることなく求めること
ができる。

＊分力F_xを検出する場合 （ε_Ｇ−ε_Ｈ）−（ε_Ｊ−ε_Ｉ） ＝｛（＋δ−η−α）−（−γ＋ζ＋β）｝ −｛（−γ−η−α）−（＋δ＋ζ＋β）｝ ＝＋２（δ＋γ） …（３） ＊分力F_yを検出する場合 （ε_Ｅ−ε_Ｆ）−（ε_Ｇ−ε_Ｈ） ＝｛（＋δ＋η−α）−（−γ−ζ＋β）｝ −｛（＋δ−η−α）−（−γ＋ζ＋β）｝ ＝＋２（η＋ζ） …（４） ＊分力F_zを検出する場合 （ε_Ｅ−ε_Ｆ）＋（ε_Ｊ−ε_Ｉ） ＝｛（＋δ＋η−α）−（−γ−ζ＋β）｝ ＋｛（−γ−η−α）−（＋δ＋ζ＋β）｝ ＝−２（α＋β） …（５） 式(3),(4)および(5)から明らかなようにいずれも第16図
に示した分力F_x,F_y,F_zに応じた歪量のみが残る。よっ
て、これらの式(3),(4),(5)により分力F_x,F_y,F_zを同定
することができる。

そこで、第４図に示す形態の分布型圧覚センサ30におい
て、そのセンサ素子を構成するｘ方向の梁40に適用した
例を第17図および第18図に示す。すなわち、第12図に示
した点Ｅ〜Ｊに相当する位置にそれぞれ、ストレンゲー
ジ42E〜42Jを形成し、これらのストレンゲージをそれぞ
れ、第18図のようなハーフブリッジに組込み、それぞれ
のハーフブリッジからの出力の差、および和を、差動増
幅器61,62および加算増幅器63からの出力として求める
ことにより式(3),(4)および(5)に従って歪量を演算する
のと全く同じ操作が得られるもので、差動増幅器61から
の出力64と、差動増幅器62および加算増幅器66からの出
力65および66とはそれぞれ式(3)と式(4)および(5)の計
算結果に相当し、これらからの出力64,65,66により第１
図に示す突起部35に加えられた荷重の３方向分力F_x,F_y,
F_zを同定することができる。なお、ｙ方向の梁41に対し
ても同様な形態で荷重の３方向分力を求めることができ
るもので以上のように構成した縦横方向のセンサ素子に
よりそれぞれ、３方向の分力を検出し、以て、分布型圧
覚センサ30の表面全体にわたって加えられた荷重の３方
向分力の分布を高密度に検出することができる。

第19図，第20図は本発明の第２の実施例を示したもの
で、本例の分布型圧覚センサ30ではセンサ素子を構成す
るＸ方向の梁40およびＹ方向の梁41に、それぞれ８つの
ストレンゲージを形成する。すなわち、42K,42L,42Mお
よび42Nは梁の中心線上に形成したストレンゲージであ
り、これらのストレンゲージを第20図に示すようなハー
フブリッジに組込み、加算増幅器71と差動増幅器72とか
ら出力74と75として取出すことによって分力F_zとF_xを求
めることができる。また、ストレンゲージ420と40Qおよ
び42Rと42Pとで第20図に示すように２つのハーフブリッ
ジを構成し、差動増幅器73を介して分力F_yに対応する出
力76を求めることができる。

［発明の効果］ 以上説明してきたように、本発明によれば、半導体基板
上の互いに直交するＸ方向およびＹ方向に複数組の対を
なす長方形貫通孔をそれぞれ並列させて穿設すると共
に、対をなす長方形貫通孔の間に前記Ｘ方向およびＹ方
向の梁部を構成し、半導体基板の一方の面における前記
梁部の各々のスパン中央部に突起部を設け、突起部の両
側に薄肉部を形成すると共に薄肉部の更に両側にそれぞ
れ梁支持部を形成し、半導体基板の他方の面における梁
部に複数のストレンゲージを形成して、複数のストレン
ゲージにより突起部に加えられた力の半導体基板に対す
る垂直方向の分力、Ｘ方向およびＹ方向の分力が検出可
能な分布型圧覚センサにおいて、複数のストレンゲージ
を、Ｘ方向およびＹ方向の梁における長手方向に沿った
中心線およびその両側対称位置に線引した平行線上での
薄肉部と梁支持部との境界断面位置および突起部の両端
に沿った断面位置に限定して設けたので、分布型圧覚セ
ンサとしてその表面上に広く作用する負荷荷重の３次元
方向の分力を高密度な分布で検出することが可能となっ
た。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に適用する半導体基板の構成の一例を加
圧側から見て示す平面図、 第２図は第１図のＰ−Ｐ線断面図、 第３図は第１図のＱ−Ｑ線断面図、 第４図は第１図に示す分布型圧覚センサにおけるストレ
ンゲージの配置図、 第５図〜第８図は第１図および第４図に示すセンサによ
る検出原理を説明する図であり、 第５図は両端固定梁構造に垂直方向の力がかかった状態
を示す図、 第６図は第５図の場合に梁の下部に発生する応力の分布
図、 第７図は第５図に示す梁構造に水平方向の力がかかった
状態を示す図、 第８図は第７図の場合に梁の下部に発生する応力の分布
図、 第９図は第４図に示すストレンゲージからの信号処理回
路の構成図、 第10図は第９図に示すストレンゲージの梁上の配列を模
式的に示す平面図、 第11図〜第15図は本発明にかかるストレンゲージの配置
と、梁上に発生する３次元方向の歪との関係を示す説明
図であり、 第11図はその両端固定梁の模式的な斜視図、 第12図はその梁の下面に配置するストレンゲージの位置
を示す説明図、 第13図，第14図および第15図は第12図に示す線100B,100
Cおよび100D上での歪の分布図、 第16図は３方向分力によって生じる歪をテーブルにして
示す図、 第17図は第12図に示した位置に配置されたストレンゲー
ジの配置図、 第18図は第17図に示すストレンゲージからの信号処理回
路の構成図、 第19図は本発明の他の実施例としての梁上のストレンゲ
ージの配置を示す配置図、 第20図は第19図に示すストレンゲージからの信号処理回
路の構成図である。 21〜24……ストレンゲージ、 25,63,71……加算増幅器、 27,61,62,72,73……差動増幅器、30 ……分布型圧覚センサ、 30A……検出部、 30B……信号処理部、 31,32……深溝部、 33……長方形貫通孔、 34……浅溝部、 35……突起部、40 ,41……Ｘ方向の梁、Ｙ方向の梁、 42,42A〜42C,42E〜42J,42K〜42R……半導体ストレンゲ
ージ、 100……梁、 100A……下面、 100B……中心線、 100C,100D……線。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板上の互いに直交するＸ方向およ
   びＹ方向に複数組の対をなす長方形貫通孔をそれぞれ並
   列させて穿設すると共に、前記対をなす長方形貫通孔の
   間に前記Ｘ方向およびＹ方向の梁部を構成し、前記半導
   体基板の一方の面における前記梁部の各々のスパン中央
   部に突起部を設け、該突起部の両側に薄肉部を形成する
   と共に該薄肉部の更に両側にそれぞれ梁支持部を形成
   し、前記半導体基板の他方の面における前記梁部に複数
   のストレンゲージを形成して、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力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方向の分力が
   検出可能な分布型圧覚センサにおいて、 前記複数のストレンゲージを、 前記Ｘ方向およびＹ方向の梁部における長手方向に沿っ
   た中心線および当該中心線の両側対称位置に線引した平
   行線上での前記薄肉部と前記梁支持部との境界断面位置
   および前記突起部の両端に沿った断面位置に限定して設
   けたことを特徴とする分布型圧覚センサ。