JPH0676928B2 - 圧覚センサ - Google Patents
圧覚センサInfo
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- JPH0676928B2 JPH0676928B2 JP59188078A JP18807884A JPH0676928B2 JP H0676928 B2 JPH0676928 B2 JP H0676928B2 JP 59188078 A JP59188078 A JP 59188078A JP 18807884 A JP18807884 A JP 18807884A JP H0676928 B2 JPH0676928 B2 JP H0676928B2
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- pressure
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material
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- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ この発明は、面領域に加えられた圧力を多点検出する圧
覚センサに関する。
覚センサに関する。
［発明の技術的背景と問題点］ 近年人間の手の代行を果たすメカニカルハンドの開発が
盛んである。ところで、このようなメカニカルハンドに
人間の手と同等の触覚機能を具備させるためには、その
指先等にかかる圧力の大小のみならず圧力分布パターン
やすべり等の検出をも適確に行なえる圧覚センサの開発
が重要な課題の一つと言える。
盛んである。ところで、このようなメカニカルハンドに
人間の手と同等の触覚機能を具備させるためには、その
指先等にかかる圧力の大小のみならず圧力分布パターン
やすべり等の検出をも適確に行なえる圧覚センサの開発
が重要な課題の一つと言える。
このような圧覚センサは、多数の圧力検出部をマトリッ
クス状に配列して構成されるもので、従来から多数の開
発例がみられ、特に加圧力に応じて抵抗値の変化する感
圧導電ゴムを使用するものが一般的である。例えば、薄
い平板状の感圧導電ゴムの表裏両面に圧力検出部として
当該導電ゴムを介して相互に対向する電極を複数配置
し、これらの対向電極間に夫々電圧を印加して前記導電
ゴムの抵抗変化に応じて生じる電流を検出するごときで
ある。すなわち、これによれば、電極を多数密に配置す
る程、面領域への加圧状況を多数の点での加圧力の集合
として検出することができるのである。
クス状に配列して構成されるもので、従来から多数の開
発例がみられ、特に加圧力に応じて抵抗値の変化する感
圧導電ゴムを使用するものが一般的である。例えば、薄
い平板状の感圧導電ゴムの表裏両面に圧力検出部として
当該導電ゴムを介して相互に対向する電極を複数配置
し、これらの対向電極間に夫々電圧を印加して前記導電
ゴムの抵抗変化に応じて生じる電流を検出するごときで
ある。すなわち、これによれば、電極を多数密に配置す
る程、面領域への加圧状況を多数の点での加圧力の集合
として検出することができるのである。
しかしながら、従来の感圧導電ゴムを用いた圧覚センサ
には次のような問題がある。即ち、第１に、感圧導電ゴ
ムの加圧力に対する抵抗変化特性はヒステリシスが強く
直線性に欠けるため、圧覚センサの圧力検出の精度を高
めることが困難である。第２に、圧力検出部を形成する
ために感圧導電ゴムの表裏両面に電極を配置し、各電極
から検出信号を取り出すための信号線を引き出している
ため、圧力検出部の数が多くなると感圧導電ゴム板の両
面から引き出される信号線の数が増大し、圧覚センサの
形状が大型化する傾向がある。第３に、小面積内に圧力
検出部を高密度に設けた場合には、電極の配置間隔が狭
まるため対向する電極間だけでなく隣接する電極間にも
電流が流れ誤検出が生じる恐れがある。
には次のような問題がある。即ち、第１に、感圧導電ゴ
ムの加圧力に対する抵抗変化特性はヒステリシスが強く
直線性に欠けるため、圧覚センサの圧力検出の精度を高
めることが困難である。第２に、圧力検出部を形成する
ために感圧導電ゴムの表裏両面に電極を配置し、各電極
から検出信号を取り出すための信号線を引き出している
ため、圧力検出部の数が多くなると感圧導電ゴム板の両
面から引き出される信号線の数が増大し、圧覚センサの
形状が大型化する傾向がある。第３に、小面積内に圧力
検出部を高密度に設けた場合には、電極の配置間隔が狭
まるため対向する電極間だけでなく隣接する電極間にも
電流が流れ誤検出が生じる恐れがある。
これらの点から、従来の圧覚センサでは精度の高い圧力
検出が望めずかつ多点化及び小形化に限界があり、よっ
てメカニカルハンドの指先等に実装してこれに人間の手
に近い圧覚機能を具備させることは困難であった。
検出が望めずかつ多点化及び小形化に限界があり、よっ
てメカニカルハンドの指先等に実装してこれに人間の手
に近い圧覚機能を具備させることは困難であった。
［発明の目的］ この発明は、上記に鑑みなされたもので、その目的は、
小型構成でしかも加圧状況を高密度かつ高精度に検出す
ることが可能である圧覚センサを提供することにある。
小型構成でしかも加圧状況を高密度かつ高精度に検出す
ることが可能である圧覚センサを提供することにある。
［発明の概要］ 上記目的を達成するために、この発明は、圧力を受ける
受圧部が一方の面に複数設けられた受圧層と、圧力に対
して前記受圧層をほぼ一定の形状に保つように前記受圧
層の他方の面に積層されるとともに、前記受圧部に対向
する部位には前記受圧部の弾性変形による圧力変化を伝
達するべく流体の封入された圧力伝達部が複数設けられ
た圧力伝達層と、前記圧力伝達層に対し前記受圧層とは
反対側に積層され、前記圧力伝達部に対向する部位には
前記圧力伝達部の圧力変化を検出する半導体素子で形成
された圧力検出部が複数設けられた圧力検出層と、前記
圧力検出層に対し前記圧力伝達層とは反対側に近接配置
され、前記圧力検出部に対向する部位には前記圧力検出
部により検出される圧力検出信号を処理して処理信号を
生成する信号処理回路が設けられた信号処理層とを有す
ることを特徴とする ［発明の効果］ この発明によれば、上述のように、圧力を受ける受圧部
が一方の面に複数設けられた受圧層と、圧力に対して前
記受圧層をほぼ一定の形状に保つように前記受圧層の他
方の面に積層されるとともに、前記受圧部に対向する部
位には前記受圧部の弾性変形による圧力変化を伝達する
べく流体の封入された圧力伝達部が複数設けられた圧力
伝達層と、前記圧力伝達層に対し前記受圧層とは反対側
に積層され、前記圧力伝達部に対向する部位には前記圧
力伝達部の圧力変化を検出する半導体素子で形成された
圧力検出部が複数設けられた圧力検出層と、前記圧力検
出層に対し前記圧力伝達層とは反対側に近接配置され、
前記圧力検出部に対向する部位には前記圧力検出部によ
り検出される圧力検出信号を処理して処理信号を生成す
る信号処理回路が設けられた信号処理層とを有している
ため、前記各圧力検出部と前記信号処理回路とを近接又
は密接させて接続できるので圧覚センサはコンパクトで
小型の形状を有することになるとともに、圧力検出部に
半導体素子を用いたことにより圧力検出部を微小に形成
して小面積内に多数高密度に設けることができ、しかも
圧力検出部を多数設けても各圧力検出部からの検出信号
を信号処理回路で処理して外部へ出力しているので外部
へ引き出す信号線の本数は少数で済む。また、半導体素
子を用いることによって精度の高い圧力検出が望みう
る。従って、小型構成でしかも加圧状況を高密度かつ高
精度に検出できる、メカニカルハンドの指先等への実装
には好適な圧覚センサを提供することができる。
受圧部が一方の面に複数設けられた受圧層と、圧力に対
して前記受圧層をほぼ一定の形状に保つように前記受圧
層の他方の面に積層されるとともに、前記受圧部に対向
する部位には前記受圧部の弾性変形による圧力変化を伝
達するべく流体の封入された圧力伝達部が複数設けられ
た圧力伝達層と、前記圧力伝達層に対し前記受圧層とは
反対側に積層され、前記圧力伝達部に対向する部位には
前記圧力伝達部の圧力変化を検出する半導体素子で形成
された圧力検出部が複数設けられた圧力検出層と、前記
圧力検出層に対し前記圧力伝達層とは反対側に近接配置
され、前記圧力検出部に対向する部位には前記圧力検出
部により検出される圧力検出信号を処理して処理信号を
生成する信号処理回路が設けられた信号処理層とを有す
ることを特徴とする ［発明の効果］ この発明によれば、上述のように、圧力を受ける受圧部
が一方の面に複数設けられた受圧層と、圧力に対して前
記受圧層をほぼ一定の形状に保つように前記受圧層の他
方の面に積層されるとともに、前記受圧部に対向する部
位には前記受圧部の弾性変形による圧力変化を伝達する
べく流体の封入された圧力伝達部が複数設けられた圧力
伝達層と、前記圧力伝達層に対し前記受圧層とは反対側
に積層され、前記圧力伝達部に対向する部位には前記圧
力伝達部の圧力変化を検出する半導体素子で形成された
圧力検出部が複数設けられた圧力検出層と、前記圧力検
出層に対し前記圧力伝達層とは反対側に近接配置され、
前記圧力検出部に対向する部位には前記圧力検出部によ
り検出される圧力検出信号を処理して処理信号を生成す
る信号処理回路が設けられた信号処理層とを有している
ため、前記各圧力検出部と前記信号処理回路とを近接又
は密接させて接続できるので圧覚センサはコンパクトで
小型の形状を有することになるとともに、圧力検出部に
半導体素子を用いたことにより圧力検出部を微小に形成
して小面積内に多数高密度に設けることができ、しかも
圧力検出部を多数設けても各圧力検出部からの検出信号
を信号処理回路で処理して外部へ出力しているので外部
へ引き出す信号線の本数は少数で済む。また、半導体素
子を用いることによって精度の高い圧力検出が望みう
る。従って、小型構成でしかも加圧状況を高密度かつ高
精度に検出できる、メカニカルハンドの指先等への実装
には好適な圧覚センサを提供することができる。
［発明の実施例］ 以下、図面に従ってこの発明の実施例を説明する。
第１図及び第２図はこの発明の一実施例にかかる圧覚セ
ンサのそれぞれ断面図及び斜視図である。
ンサのそれぞれ断面図及び斜視図である。
両図において、三つの層から成る平板状の受圧体１と、
この受圧体１に対向して配置された信号処理基板３とか
ら圧覚センサが構成されている。
この受圧体１に対向して配置された信号処理基板３とか
ら圧覚センサが構成されている。
前記受圧体１の図に向って最下方の層は、受圧部材であ
る薄板状のシリコンゴム（受圧層）５で形成されてい
る。当該シリコンゴム５の下面は圧力を受ける受圧面5a
であり、この受圧面5a内には圧力を受け易いように周囲
よりわずかに突出させた受圧部７がマトリックス状に多
数形成されている。
る薄板状のシリコンゴム（受圧層）５で形成されてい
る。当該シリコンゴム５の下面は圧力を受ける受圧面5a
であり、この受圧面5a内には圧力を受け易いように周囲
よりわずかに突出させた受圧部７がマトリックス状に多
数形成されている。
また、中間の層は、前記シリコンゴム５の上面に接合さ
れた強度メンバであるセラミック台座（圧力伝達層）９
で形成されている。当該セラミック台座９は、柔軟な前
記シリコンゴム５がその受圧面5aに圧力を受けた際に、
これを背後から支持してシリコンゴム５がほぼ一定の形
状に保たれるようにする機能を有する。
れた強度メンバであるセラミック台座（圧力伝達層）９
で形成されている。当該セラミック台座９は、柔軟な前
記シリコンゴム５がその受圧面5aに圧力を受けた際に、
これを背後から支持してシリコンゴム５がほぼ一定の形
状に保たれるようにする機能を有する。
また、最上方の層は、前記セラミック台座９の上面に接
合されたシリコンウエハ（圧力検出層）11で形成されて
いる。当該シリコンウエハ11の前記各受圧部７に夫々対
向する部分はその肉厚を薄くしてシリコンダイヤフラム
13としてある。
合されたシリコンウエハ（圧力検出層）11で形成されて
いる。当該シリコンウエハ11の前記各受圧部７に夫々対
向する部分はその肉厚を薄くしてシリコンダイヤフラム
13としてある。
当該シリコンダイヤフラム13と前記受圧部７との間に
は、前記セラミック台座９を貫通してシリコンオイル15
が封入された空間（圧力伝達部）が設けられている。
は、前記セラミック台座９を貫通してシリコンオイル15
が封入された空間（圧力伝達部）が設けられている。
従って、前記受圧部７に圧力が加えられると受圧部７が
歪んで弾性変形し、前記シリコンオイル15を介して前記
シリコンダイヤフラム13に伝達され、当該シリコンダイ
ヤフラム13に作用してこれを歪ませることになる。
歪んで弾性変形し、前記シリコンオイル15を介して前記
シリコンダイヤフラム13に伝達され、当該シリコンダイ
ヤフラム13に作用してこれを歪ませることになる。
また、前記シリコンダイヤフラム13の上面に半導体技術
によってブリッジ回路を構成する拡散ゲージ17を形成
し、前記シリコンダイヤフラム13の周囲に前記拡散ゲー
ジ17に接続された電極19を形成して、圧力検出部21を構
成している。
によってブリッジ回路を構成する拡散ゲージ17を形成
し、前記シリコンダイヤフラム13の周囲に前記拡散ゲー
ジ17に接続された電極19を形成して、圧力検出部21を構
成している。
即ち、前記受圧部７から伝達された圧力によって前記シ
リコンダイヤフラム13が歪むと、前記拡散ゲージ17の抵
抗値がピエゾ抵抗効果によって変化しブリッジの抵抗バ
ランスが崩れ、この崩れにより生じた信号が圧力検出信
号として前記電極19から出力されることになる。
リコンダイヤフラム13が歪むと、前記拡散ゲージ17の抵
抗値がピエゾ抵抗効果によって変化しブリッジの抵抗バ
ランスが崩れ、この崩れにより生じた信号が圧力検出信
号として前記電極19から出力されることになる。
ところで、上記拡散ゲージ17を形成したシリコンダイヤ
フラム13を用いたいわゆる拡散形半導体方式といわれる
圧力検出方法は、その出力特性にヒステリシスがほとん
どなく直線性に優れているという特徴を有し、よって精
度の高い圧力検出を行なうことができる。また、前記拡
散ゲージ17は極めて小さく形成することができるので、
これに応じて前記圧力検出部21を微小に形成すれば、こ
れを小面積内に非常に高密度に配置することができ、例
えば、人間の指先の皮膚の圧力点分解能に匹敵する2mm
程度の間隔で配置することは十分に可能である。しかも
このように前記圧力検出部21を高密度に配置しても各圧
力検出部21は独立に動作するので従来例のように誤検出
が生じることはない。
フラム13を用いたいわゆる拡散形半導体方式といわれる
圧力検出方法は、その出力特性にヒステリシスがほとん
どなく直線性に優れているという特徴を有し、よって精
度の高い圧力検出を行なうことができる。また、前記拡
散ゲージ17は極めて小さく形成することができるので、
これに応じて前記圧力検出部21を微小に形成すれば、こ
れを小面積内に非常に高密度に配置することができ、例
えば、人間の指先の皮膚の圧力点分解能に匹敵する2mm
程度の間隔で配置することは十分に可能である。しかも
このように前記圧力検出部21を高密度に配置しても各圧
力検出部21は独立に動作するので従来例のように誤検出
が生じることはない。
上記のごとき構成の受圧体１の上方に、前記各圧力検出
部21に近接かつ対向して信号処理基板３が配置されてい
る。当該信号処理基板３は、その前記圧力検出部21のそ
れぞれに対向する位置に孔23を有し、当該孔23の周囲に
電極25が配置されている。当該電極25は、前記孔23内を
通る金糸線27によって各圧力検出部21の電極19に接続さ
れている。また、前記基板３上には信号処理回路（図示
せず）が組まれており、前記電極25からプリント配線29
を引き回して前記信号処理回路に結線している。
部21に近接かつ対向して信号処理基板３が配置されてい
る。当該信号処理基板３は、その前記圧力検出部21のそ
れぞれに対向する位置に孔23を有し、当該孔23の周囲に
電極25が配置されている。当該電極25は、前記孔23内を
通る金糸線27によって各圧力検出部21の電極19に接続さ
れている。また、前記基板３上には信号処理回路（図示
せず）が組まれており、前記電極25からプリント配線29
を引き回して前記信号処理回路に結線している。
従って、前記各圧力検出部21の圧力検出信号は前記電極
19から引き出され、前記金糸線27、プリント配線29を順
に介して前記信号処理基板３上の信号処理回路に入力さ
れることになる。
19から引き出され、前記金糸線27、プリント配線29を順
に介して前記信号処理基板３上の信号処理回路に入力さ
れることになる。
当該信号処理回路としては、例えば、温度補償回路、出
力補償回路、マルチプレクサ、プリアンプ、Ａ−Ｄ変換
器等が挙げられ、前記各圧力検出部21からの圧力検出信
号を処理して外部のマイクロコンピュータ等へ伝送する
機能を有する。このため、前記圧力検出部21の個数を増
加させても、前記信号処理回路での処理結果のみを外部
出力すればよいので、外部へ引き出す信号線が増加する
ことはない。
力補償回路、マルチプレクサ、プリアンプ、Ａ−Ｄ変換
器等が挙げられ、前記各圧力検出部21からの圧力検出信
号を処理して外部のマイクロコンピュータ等へ伝送する
機能を有する。このため、前記圧力検出部21の個数を増
加させても、前記信号処理回路での処理結果のみを外部
出力すればよいので、外部へ引き出す信号線が増加する
ことはない。
このように、この圧覚センサは、受圧体１と信号処理基
板３とがほぼ一体的に構成されたコンパクトな形状を有
し、かつ圧力検出部21を高密度に配置することができ、
しかも圧力検出部21の個数を多くしても外部へ引き出す
信号線の本数は少ないため、小型化及び高密度多点化が
図れることになる。
板３とがほぼ一体的に構成されたコンパクトな形状を有
し、かつ圧力検出部21を高密度に配置することができ、
しかも圧力検出部21の個数を多くしても外部へ引き出す
信号線の本数は少ないため、小型化及び高密度多点化が
図れることになる。
尚、前記信号処理基板３と前記圧力検出部21とを密接さ
せてワイヤレスボンディングにより接続してもよく、こ
のようにすればより一層コンパクトで小型の圧覚センサ
を提供することができる。
せてワイヤレスボンディングにより接続してもよく、こ
のようにすればより一層コンパクトで小型の圧覚センサ
を提供することができる。
第１図及び第２図はこの発明の一実施例に係る圧覚セン
サの夫々断面図及び斜視図である。 ３……信号処理基板 ５……シリコンゴム ７……受圧部 11……シリコンウェハ 13……シリコンダイヤフラム 15……シリコンオイル 17……拡散ゲージ 21……圧力検出部
サの夫々断面図及び斜視図である。 ３……信号処理基板 ５……シリコンゴム ７……受圧部 11……シリコンウェハ 13……シリコンダイヤフラム 15……シリコンオイル 17……拡散ゲージ 21……圧力検出部
Claims (2)
- 【請求項１】圧力を受ける受圧部が一方の面に複数設け
られた受圧層と、 圧力に対して前記受圧層をほぼ一定の形状に保つように
前記受圧層の他方の面に積層されるとともに、前記受圧
部に対向する部位には前記受圧部の弾性変形による圧力
変化を伝達するべく流体の封入された圧力伝達部が複数
設けられた圧力伝達層と、 前記圧力伝達層に対し前記受圧層とは反対側に積層さ
れ、前記圧力伝達部に対向する部位には前記圧力伝達部
の圧力変化を検出する半導体素子で形成された圧力検出
部が複数設けられた圧力検出層と、 前記圧力検出層に対し前記圧力伝達層とは反対側に近接
配置され、前記圧力検出部に対向する部位には前記圧力
検出部により検出される圧力検出信号を処理して処理信
号を生成する信号処理回路が設けられた信号処理層と、 を有することを特徴とする圧覚センサ。 - 【請求項２】前記信号処理回路は、温度補償回路，出力
補償回路，マルチプレクサ，プリアンプ,A−Ｄ変換器か
ら構成されることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の圧覚センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59188078A JPH0676928B2 (ja) | 1984-09-10 | 1984-09-10 | 圧覚センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59188078A JPH0676928B2 (ja) | 1984-09-10 | 1984-09-10 | 圧覚センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6166135A JPS6166135A (ja) | 1986-04-04 |
| JPH0676928B2 true JPH0676928B2 (ja) | 1994-09-28 |
Family
ID=16217316
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59188078A Expired - Lifetime JPH0676928B2 (ja) | 1984-09-10 | 1984-09-10 | 圧覚センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0676928B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB0316002D0 (en) * | 2003-07-09 | 2003-08-13 | Univ Aston | Sensing system and method |
| US7311009B2 (en) | 2004-11-17 | 2007-12-25 | Lawrence Livermore National Security, Llc | Microelectromechanical systems contact stress sensor |
| US8109149B2 (en) | 2004-11-17 | 2012-02-07 | Lawrence Livermore National Security, Llc | Contact stress sensor |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6022797B2 (ja) * | 1977-10-21 | 1985-06-04 | 株式会社豊田中央研究所 | 物理量分布表示装置 |
| JPS57155449U (ja) * | 1981-03-26 | 1982-09-30 | ||
| US4521685A (en) * | 1982-03-01 | 1985-06-04 | Lord Corporation | Tactile sensor for an industrial robot or the like |
| JPS6090696A (ja) * | 1983-10-25 | 1985-05-21 | オムロン株式会社 | 圧覚センサ |
-
1984
- 1984-09-10 JP JP59188078A patent/JPH0676928B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6166135A (ja) | 1986-04-04 |
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