JPH0736445B2 - 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、詳しくはロボットのハン
ド等に装着され、把握物から受ける力を検出するに好適
な圧覚センサに関する。

〔従来の技術〕

最近では人間の五感に相当する感覚機能や認識機能をも
ついわゆる知能ロボットが開発され、しだいに実用化さ
れつつあり、近い将来には２足歩行のロボットも実用化
されるであろうと考えられる。

ところで、これらの知能ロボットには各種感覚を検知す
るためのセンサを取付ける必要がある。その代表的なセ
ンサは視覚センサと圧覚（触覚）センサであり、特に圧
覚センサは物の把握，把持などの作業に不可欠なものと
いってよい。

なお、このような知能ロボット用の圧覚センサに要求さ
れる性能仕様には次のような項目をあげることができ
る。

（１） 高感度：力を検出する感度が高く、例えば数グ
ラムの荷重の検出が可能であること。

（２） 高分解能：センサセルが小さく、かつ密度が高
いこと。

（３） 広ダイナミックレンジ：できるだけ動作範囲が
広いこと。

（４） 高信頼性・耐久性：過酷な環境に耐えること。

（５） 線形性・少ヒステリシス：圧力と出力が比例
し、ヒステリシスが少ないこと。

（６） 応答速度：信号処理の応答速度が高いこと。

（７） 柔軟性：人間の手の皮膚のように柔軟性が保た
れること。

（８） すべり感覚：圧力だけでなく、できればすべり
も検出すること。

（９） 小型安価：薄くて小型で製造コスト・材料コス
トが廉価であること。

しかしてこれらのうちいくつかの要求を満足する圧覚セ
ンサがこれまでに提案ないし実用化されており、たとえ
ばマイクロスイッチのオン・オフを利用するものや感圧
ゴムシート（導電ゴムシート）を利用するもの、あるい
は光の反射を利用するものなどがある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、マイクロスイッチのオン・オフを利用す
るものは、通常“オフ”の状態にあるセンサが力を受け
ると“オン”の状態になるものであるが、これは力の有
無を検出するだけで、その力の大きさを連続的に検出す
ることには適していない。

また、感圧ゴムシートを利用するものは、１枚の導電ゴ
ムシートを２枚の電極で挟み、電極に力を加えることに
よってシート抵抗が変化することを利用したものである
が、直線性が得られない上にヒステリシスが生じやす
く、また耐熱性が低いという問題がある。

更にまた、光の反射量の変化を利用するものは、透明な
アクリル板の表面に多数の円錐状の突起を有するゴムシ
ートをあてがい、そのアクリル板の裏面に鏡体または受
光素子を配置しておき、そのアクリル板の横方向からア
クリル板内に光を照射すると、外力の大きさに応じて上
述のゴムシートの突起が変化するのでそのへこみ具合を
鏡かまたは受光素子で検知するものである。しかしこの
光の反射を利用する圧覚センサは外力の絶対値を正確に
知ることがむずかしく、また検出精度が悪いなどの問題
がある。

なお、以上のような圧覚センサ以外にも、各種形態の圧
覚センサが提案ないし試作されているが、いずれも上述
の性能仕様を十分に満足するに至っておらず、そのため
高感度で真に実用性の高い圧覚センサの開発が強く望ま
れている。

本発明は、上述の問題点に鑑み、実用的性能の高く、し
かも構造が簡単で薄型かつ高密度に配列できる触覚セン
サを提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために、本発明によれば、支持台
と、半導体ストレンゲージを組込んだブリッジ回路，ブ
リッジ回路からの出力を制御するスイッチ手段および各
種の端子が一方の面に配設され、両端が前記支持台によ
って支持される方形のシリコンセルと、個々の前記端子
の対向位置に電極を有し、該電極が個々の前記端子に接
続されるフレキシブルプリント基板と、前記シリコンセ
ルの他方の面に沿って被覆された弾性の膜体とを具え、
当該膜体の上部から加えられた荷重を検知するようにす
ることとする。

〔作用〕

本発明によれば、シリコンセルの半導体ストレンゲー
ジ，スイッチ手段およびはんだバンプの端子が形成され
た面をはんだバンプの対向位置に電極をもつフレキシブ
ルプリント板と接合させてフレキシブルプリント板が下
側になるようにシリコンセルの両端を支持台により支持
させるようになし、シリコンセルの上面に膜体を形成し
て膜体の上面側からシリコンセルに荷重を加えるように
したものでシリコンセルの撓みに応じてストレンゲージ
に抵抗変化を生じさせることができ、実用性が高く、構
造が簡単で薄型かつ高密度に配列できる圧覚センサを提
供することができる。

〔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。

第1A図は本発明に適用される周知のホイートストンブリ
ッジを示し、R₁,R₂,R₃,R₄は歪ゲージを表わす。このブ
リッジ回路に電圧Ｖを印加しておき、歪ゲージの電気抵
抗が不均一に変化すれば、出力Ｅが生ずるもので、出力
Ｅの端子E₁側の信号取出線にはスイッチSw₁が、また端
子E₂側の信号取出線にはスイッチSw₂がとりつけられて
いる。なお、これらのスイッチSw₁およびSw₂は端子E₁と
E₂とを共通にしていくつかのブリッジから信号をとり出
す場合、信号のまわりこみを防ぐためのものである。

第1B図は第1A図に示すブリッジ回路をたとえば、厚さ0.
5mmのシリコンウエハから切り出した3mm×3mmのシリコ
ンセル１上に半導体ウエハプロセスで形成した場合の回
路図である。Ｇは接地用、E₁およびE₂はブリッジ出力信
号用、Swはスイッチ用、Ｖは電圧用のそれぞれ端子とし
て設けられたはんだバンプである。歪ゲージR₁〜R₄は第
1A図のR₁〜R₄に対応していて、E₁の出力線にスイッチSw
₁,E₂の出力線にスイッチSw₂が配設され、共通のスイッ
チSwによって双方同時にON,OFFされる。なお、このスイ
ッチSwによって多数のシリコンセルの中からある特定の
シリコンセルを選択することが可能である。

第1C図はシリコンセル１を側面から見た状態を示し、上
述のはんだバンプがシリコンセル１の面から僅かながら
（通常100μｍ位）突設されており、これらのはんだに
はPbとSnとによる共晶はんだなどが使われる。

ところで、第1B図および第1C図に示したようにして構成
したシリコンセル１を第2A図に示すように両端支持の形
で支持台３に支持させてシリコンセル１の中央部に荷重
を加えたとすると、第2B図のように撓む。そこでこのと
きに上述のブリッジ回路では不平衡電流が流れ、出力Ｅ
が生じるので、その出力Ｅによって上記荷重の大きさを
検出することができる。

本発明は上述の原理に従って構成されるもので、第３図
はその一実施例を示す。すなわち、１は先に述べてきた
ようにして構成されたシリコンセル、２ははんだバンプ
であり、シリコンセル１はその両端部が支持台３の支持
部3Aで支持された状態に保たれると共に、シリコンセル
１の下面側にはフレキシブルなプリント基板４が後述す
るようにして接合される。かくして、シリコンセル１か
らの電気信号をプリント基板４を介して取出し、不図示
の信号処理回路に供給することができるもので、５はシ
リコンセル１の上面側に装設された柔軟性のある弾性の
膜体である。

第4A図〜第4C図はシリコンセル１を多数配列させた実施
例を示す。本例は、第4A図および第4B図に示すように３
×３個のシリコンセル１が支持枠６の格子状に形成され
た窓部７の支持部3Aに支持されるようにするもので、窓
部７はたとえばエッチング等によって穿設され、そのあ
と、溝８を砥石などによって加工することにより第4B図
のような形態に仕上げることができる。

よって、シリコンセル１をこの窓部７にはめこんで支持
部3Aで支持させるようになし、裏側からプリント基板４
をあてがって、図示しないはんだバンプとプリント基板
４の電極とをレーザ照射はんだ付法などによって接合す
ることにより、第4C図に示すように構成することができ
る。なおここで９は導体回路である。

次にプリント基板４の回路構成を第5A図〜第5C図に従っ
て説明する。

ここでは１個のシリコンセル１に接合されるプリント基
板４の回路パターンを示す。第5A図において10は電極で
あり、第1B図に示したシリコンセル１のはんだバンプに
対応して形成されている。なお、第5B図はシリコンセル
１上のブリッジ回路の構成を、また第5C図はプリント基
板４の側面を示す。

第6A図〜第6C図はシリコンセル１を２個直列に設けたプ
リント基板の例を示す。本例の場合、接地用および出力
用ならびに電源供給用の導体回路９は２個のシリコンセ
ルにわたってそれだけ長く延在されている。なお、各導
体回路９に電極10が２個ずつ取りつけられているのは、
２個のシリコンセル１におけるはんだバンプ２に対応さ
せるためである。また、この中で、スイッチSw用の回路
９のみが実線と破線で描かれているが、実線はプリント
基板４の表面側、破線は裏面側を示し、両面のプリント
基板４の表と裏とに配設されるもので、電極Sw₂のとこ
ろでは第6C図に示すようにスルーホール11を介してシリ
コンセルのバンプへと接続されており、Sw₁によって片
方のシリコンセルのE₁とE₂とを同時にオン・オフさせる
ことができる。なお、第6B図はシリコンセル側のブリッ
ジ回路の構成を示す。また、スイッチSw₂によって他方
のシリコンセルの出力端子E₁とE₂とを同時にオン・オフ
させることができる。なお、端子E₁とE₂との双方を同時
にオン・オフさせるようにしているのはとなりのシリコ
ンセルからの信号のまわりこみを防ぐためである。

このようにして６個のシリコンセル１の間を接続させる
ようにしたプリント基板４の構成を第7A図〜第7G図に示
す。なお、第7B図〜第7G図は連続させたプリント基板４
の各部4A〜4Fを矢印側の側面から見た状態を示してい
る。本例の場合、スイッチSw₃,Sw₄,Sw₅,Sw₆用の信号線
（導体回路）はそれぞれの電極10に設けられたスルーホ
ール11を介してV,E₁,E₂,Gの信号線（導体回路）の裏面
側に形成されている。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、上記の構成を採
用した結果、全体をコンパクトな薄型に構成することが
でき、検出感度，精度，応答速度にすぐれた特性を有
し、ロボットハンドにとりつけて、高度な作業を行わせ
るに極めて好適な圧覚センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第1A図は本発明に適用するブリッジ回路の構成図、 第1B図は第1A図に示すブリッジ回路が構成されるシリコ
ンセルの模式的な上面図、 第1C図はそのシリコンセルの側面図、 第2A図はそのシリコンセルを支持台に支持させた状態を
示す説明図、 第2B図は第2A図のシリコンセルに荷重をかけた状態を示
す説明図、 第３図は本発明圧覚センサの構成の一例を示す断面図、 第4A図は複数の本発明にかかるシリコンセルを配設する
ための支持枠の一例を示す斜視図、 第4B図はその一部の拡大図、 第4C図は第4B図の支持枠にシリコンセルおよびプリント
基板を配設した状態を示す斜視図、 第5A図は本発明にかかるプリント基板の構成の一例を示
す平面図、 第5B図はそのプリント基板に対応するシリコンセル上の
ブリッジ回路の配置図、 第5C図は第5A図に示すプリント基板の側面図、 第6A図は本発明にかかるプリント基板の他の構成例を示
す平面図、 第6B図は第6A図のプリント基板に対応するシリコンセル
上のブリッジ回路の配線図、 第6C図は第6A図に示すプリント基板の側面図、 第7A図は本発明にかかるプリント基板の更に他の構成例
を示す平面図、 第7B図〜第7G図は第7A図に示すプリント基板の個々の単
位毎のそれぞれ側面図である。 R₁〜R₄……歪ゲージ、１……シリコンセル、２……はん
だバンプ、３……支持台、3A……支持部、４……プリン
ト基板、５……膜体、６……支持枠、７……窓部、９…
…導体回路、10……電極、11……スルーホール。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】支持台と、 半導体ストレンゲージを組込んだブリッジ回路，ブリッ
   ジ回路からの出力を制御するスイッチ手段および各種の
   端子が一方の面に配設され、両端が前記支持台によって
   支持される方形のシリコンセルと、 個々の前記端子の対向位置に電極を有し、該電極が個々
   の前記端子に接続されるフレキシブルプリント基板と、 前記シリコンセルの他方の面に沿って被覆された弾性の
   膜体とを具え、 当該膜体の上部から加えられた荷重を検知するようにし
   たことを特徴とする圧覚センサ。