JPH09285991A

JPH09285991A - 触覚センサ

Info

Publication number: JPH09285991A
Application number: JP12238196A
Authority: JP
Inventors: Harushige Yamada; 陽滋山田
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 1996-04-18
Filing date: 1996-04-18
Publication date: 1997-11-04
Anticipated expiration: 2016-04-18
Also published as: JP3829357B2

Abstract

(57)【要約】【課題】動的検出機能を有する触覚センサに関し、配
線構造による力学的干渉を受けることなく精度よく接触
状態を検出し非マトリクス配置を可能とする。【解決手段】感圧材料の素子基板３の表面に、傾斜側
面を有し底部に向かって開口面積が漸減する凹部３ａを
形成すると共に、この凹部の底部３ｂを貫通する貫通孔
３ｃを形成する。凹部３ａに嵌合する傾斜側面を有する
と共に底部３ｂに対し所定の間隙を隔てて保持する形状
の触覚ヘッド４を導電材料で形成する。この触覚ヘッド
に第１の電極部材５の一端を接続しその他端を素子基板
の貫通孔３ｃを貫通して裏面側に延出する。また、素子
基板の裏面側で触覚ヘッドの傾斜側面に対し所定距離隔
てて対峙する位置に第２の電極部材６を配設する。そし
て、第１の電極部材に電気的に接続する配線を有すると
共に第２の電極部材に電気的に接続する配線を有する配
線基板７を、素子基板の裏面に接合する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は触覚センサに関し、
特に検出対象に対する多軸力を検出し得る触覚センサに
係る。

【０００２】

【従来の技術】従来、ロボットハンドの把持力制御、あ
るいは検出対象との接触検出に供すべく、ロボットフィ
ンガに付与される合力及びモーメントベクトルを検出す
る多軸力センサが用いられる。一方、検出対象の表面形
状の検出には、一般的に分布圧力変換器（トランスジュ
ーサ）を備えた触覚センサが用いられる。これら各セン
サの機能を兼備するセンサを構成することとすれば、各
センサの問題点を解消することができる。このため、多
軸力検出機能を備えた触覚センサが提案されており、例
えば特開平７−１４００２５号公報に記載のように接触
検出部に圧力変換器を具備し、多軸力検出機能を有し、
動的検出（例えば摩擦係数の検出）機能を有する動的触
覚センサ（以下、単に触覚センサという）が開示されて
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記公報に記載の触覚
センサによれば、接触力覚（力ベクトルの３軸成分）及
び滑り振動覚の両機能を有し、簡単な構成で耐ノイズ性
に優れた特性を確保することができる。然し乍ら、上記
公報に記載の触覚センサは、信号配線を含めた集積化が
企図されているため、配線により各センサ素子間に力学
的干渉を惹起するおそれがあり、この対策は容易ではな
い。また、指先のような三次元曲面に配置すべく、触覚
センサを複数のセンサ素子で構成し、これらを柔軟な曲
面に自由に分布配置（このような配置を非マトリクス配
置という）し得る構成とすることが要請されている。

【０００４】そこで、本発明は動的検出機能を有する触
覚センサにおいて、配線構造に起因する力学的干渉を受
けることなく精度よく接触状態を検出できる触覚センサ
を提供することを課題とする。

【０００５】また、本発明の別の課題は、動的検出機能
を有する触覚センサにおいて、非マトリクス配置を可能
とすることを課題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明の触覚センサは、請求項１に記載のように、
感圧材料の板体の表面に、傾斜側面を有し底部に向かっ
て開口面積が漸減する凹部を形成すると共に、該凹部の
底部を貫通する貫通孔を形成して成る素子基板と、該素
子基板に形成した前記凹部に嵌合する傾斜側面を有する
と共に前記凹部の底部に対し所定の間隙を隔てて保持す
る形状に導電材料で形成して成る触覚ヘッドと、該触覚
ヘッドに一端を接続し他端を前記素子基板の貫通孔を貫
通して前記素子基板の裏面側に延出する第１の電極部材
と、前記素子基板の裏面側で前記触覚ヘッドの傾斜側面
に対し所定距離隔てて対峙する位置に配設する第２の電
極部材と、前記第１の電極部材に電気的に接続する配線
を有すると共に前記第２の電極部材に電気的に接続する
配線を有し、前記素子基板の裏面に接合する配線基板と
を備えることとしたものである。

【０００７】前記触覚センサにおいて、前記素子基板の
前記凹部を角錐台形状に形成すると共に、前記触覚ヘッ
ドを、前記凹部に嵌合する少くとも三つの傾斜側面を有
する形状に形成し、前記第２の電極部材を、前記触覚ヘ
ッドの少くとも三つの傾斜側面に対し夫々所定距離隔て
て対峙する位置に配設する少くとも三つの電極部材で構
成し、該三つの電極部材の各々に電気的に接続する配線
を、前記配線基板に形成するように構成するとよい。而
して、このような触覚センサを構成する前記素子基板等
を含む素子を一つのセンサ素子として、複数個のセンサ
素子の非マトリクス配置が可能となる。

【０００８】尚、前記触覚センサにおいて、前記配線基
板に、前記素子基板の貫通孔に対応する貫通孔を形成
し、両貫通孔が合致するように前記配線基板を前記凹部
の底部裏面側に接合し、両貫通孔を前記第１の電極部材
が挿通するように構成するとよい。

【０００９】また、前記触覚センサにおいて、前記素子
基板がシリコンウェハから成り、前記配線基板がポリイ
ミドフィルムで形成したフレキシブル基板から成り、該
フレキシブル基板の少くとも何れか一方の面上に、前記
第１及び第２の電極部材に電気的に接続する配線を形成
するとよい。そして、前記触覚ヘッド等を含めシリコン
ゴムでモールドするとよい。更に、前記触覚センサにお
いて、前記第１の電極部材は前記触覚ヘッドに一体的に
形成することとしてもよい。

【００１０】あるいは、請求項３に記載のように、板体
の表面に、傾斜側面を有し底部に向かって開口面積が漸
減する凹部を形成すると共に、該凹部の底部を貫通する
貫通孔を形成して成る素子基板と、該素子基板に形成し
た前記凹部に嵌合する傾斜側面を有すると共に前記凹部
の底部に対し所定の間隙を隔てて保持する形状に導電材
料で形成して成る触覚ヘッドと、該触覚ヘッドの傾斜側
面と前記素子基板の凹部の傾斜側面との間に介装する感
圧材料のフィルムと、前記触覚ヘッドに一端を接続し他
端を前記素子基板の貫通孔を貫通して前記素子基板の裏
面側に延出する第１の電極部材と、前記素子基板の裏面
側で前記触覚ヘッドの傾斜側面に対し所定距離隔てて対
峙する位置に配設する第２の電極部材と、前記第１の電
極部材に電気的に接続する配線を有すると共に前記第２
の電極部材に電気的に接続する配線を有し、前記素子基
板の裏面に接合する配線基板とを備えたものとすること
ができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。図１乃至図５は本発明の触覚センサ
の一実施形態に係るもので、図４に示す触覚センサ１を
構成する複数のセンサ素子２の構造を図１乃至図３に示
す。尚、一個のセンサ素子２のみによっても触覚センサ
として機能するが、図４の触覚センサ１は非マトリクス
配置の一例を示したものである。本実施形態では感圧材
料の板体としてシリコンウェハの素子基板３が用いられ
ており、図１及び図２から明らかなように表面側に四角
錐台形状の凹部３ａが形成され、その底部３ｂの中央に
貫通孔３ｃが形成されている。また、素子基板３の裏面
側には、底部３ｂの周囲に断面Ｖ字状の凹部３ｄが形成
されている。そして、素子基板３の凹部３ａには触覚ヘ
ッド４が嵌合されている。

【００１２】触覚ヘッド４は、導電性樹脂材料によって
略四角錐台形状に形成され、凹部３ａに嵌合すると共
に、各側面が凹部３ａの傾斜面に当接した状態で、曲面
形状の頂部４ａが素子基板３の表面から突出するように
構成されている。また、触覚ヘッド４が凹部３ａに嵌合
された状態で、素子基板３の底部３ｂ上面と触覚ヘッド
４の底面との間に所定の間隙ＡＧが形成されている。触
覚ヘッド４の図１の下方側には、貫通孔３ｃを介して延
出する棒状の第１の電極部材５が配設されており、その
一端が触覚ヘッド４に接続されている。更に、触覚ヘッ
ド４の傾斜面に対し所定距離（介在する素子基板３の厚
さ分）を隔てて対峙する凹部３ｄの傾斜面には、例えば
アルミニウムの蒸着によって各傾斜面毎に形成された四
つの電極部材から成る第２の電極部材（代表して６で表
す）が配設されている。

【００１３】上記素子基板３及び触覚ヘッド４の製造に
当たっては、先ずシリコンウェハが正方形に切断され、
この正方形のシリコンウェハの表裏両面に対して異方性
エッチング処理が行なわれ、夫々凹部３ａ及び凹部３ｄ
が形成される。即ち、シリコンウェハの両面の所定部分
にマスクを施した上でアルカリ溶液を滴下することによ
り、シリコンの結晶方向によって決まる、例えば５５°
の傾斜面の凹部が形成される。続いて、底部３ｂの中央
に放電加工によって貫通孔３ｃが形成される。そして、
間隙ＡＧ及び貫通孔３ｃに予めレジスト（図示せず）を
充填しておき、溶融した導電性樹脂材料を凹部３ａ内に
滴下し乍ら所定形状に形成し、これが固化すると図１に
示す形状の触覚ヘッド４が形成される。この後、レジス
トが除去され、間隙ＡＧ及び貫通孔３ｃが表れる。尚、
第１の電極部材５は小径であるため、これを触覚ヘッド
４と一体的に形成することは困難ではあるが、両者を一
体成形することも可能であり、製造方法によっては工程
を短縮することができ、製造が容易となる。

【００１４】素子基板３の底部３ｂの下面には、ポリイ
ミドフィルムで形成されたフレキシブル基板７が接合さ
れている。このフレキシブル基板７には第１の電極部材
５を挿通する貫通孔７ａが形成されると共に、複数の貫
通孔（代表して７ｂで表す）が形成されており、後者に
導体９ｄが充填されている。また、フレキシブル基板７
の一方の面には、例えばアルミニウムの蒸着によって、
図３に示すように電源線９ａ及び接地線９ｂの配線が印
刷形成されると共に、他方の面には複数の信号線（代表
して９ｃで表す）が印刷形成され、本発明にいう配線基
板が構成されている。尚、これらの配線をフレキシブル
基板７の表裏逆の面に形成してもよく、あるいは何れか
一方の面にまとめて形成することとしてもよい。

【００１５】更に、素子基板３の底部３ｂの裏面には、
図３に破線で示すように第２の電極部材６の各々から延
出する信号線６ａと、これらの信号線６ａの各々に接続
される例えば初段増幅器８が形成されている。そして、
フレキシブル基板７が素子基板３の底部３ｂに接合され
る際には、接地線９ｂの先端部に形成され貫通孔７ｂ内
に充填された導体９ｄが、低融点接合によって初段増幅
器８に接合される。第１の電極部材５は接地線９ｂの環
状の端部（図３参照）に対し摺動自在に当接しており、
両者が電気的に接続されているが、両者間を柔軟な導体
で接続することとしてもよい。

【００１６】上記の構成になるセンサ素子２は１個のみ
でも触覚センサ１を構成することができるが、本実施形
態の触覚センサ１は上記の構成のセンサ素子２を複数個
備えたものである。即ち、図４に示すようにセンサ基板
１０上に複数個のセンサ素子２が曲面に沿って自由に分
布配置され、非マトリクス配置となっており、これらを
包含するように例えばシリコンゴム１１によってモール
ド成形されている。

【００１７】而して、図４に示す本実施形態の触覚セン
サ１においては、シリコンゴム１１の表面が押圧される
と、その押圧力が各センサ素子２の触覚ヘッド４に伝達
される。そして、各センサ素子２に対する押圧力に応じ
て触覚ヘッド４によって素子基板３の凹部３ａの傾斜面
が押圧され、接地電極として機能する触覚ヘッド４と、
信号電極として機能する第２の電極部材６の各々との間
に介在する素子基板３の接触抵抗が変化する。これによ
り、触覚ヘッド４に対する圧力変化が抵抗変化に変換さ
れ、後述するように電圧出力として出力される。このと
き、触覚ヘッド４と凹部３ａとの間は面接触であるので
応力集中がなく、しかも第１の電極部材５は触覚ヘッド
４の感圧方向と反対方向に延出し貫通孔３ｃ，７ａを挿
通しており、触覚ヘッド４に対する押圧力が第１の電極
部材５を介して分散することがないので、高精度で接触
状態を検出することができると共に、非マトリクス配置
が可能となる。

【００１８】図５は各センサ素子２の検出回路を示すも
ので、触覚ヘッド４に対する押圧力は素子基板３の接触
抵抗の変化に変換され、第２の電極部材６から初段増幅
器８を経て、後述する検出回路２０から電圧信号として
出力される。即ち、図５に示すように各センサ素子２の
配線が検出回路２０に接続され、ここで入出力処理、記
憶、演算が行なわれる。検出回路２０は、配線基板７を
介して第２の電極部材６の各々に接続される変換回路
（代表して２１で表す）を有すると共に、マイクロプロ
セッサ２２，メモリ２３，タイマ２４，インターフェー
ス２５等を内蔵しており、インターフェース２５に各変
換回路２１が接続されている。尚、各変換回路２１の出
力については必要に応じ増幅、Ａ／Ｄ変換等が行なわれ
るが、これらの回路はインターフェース２５に包含され
るものとし、説明は省略する。

【００１９】而して、検出回路２０においては、各セン
サ素子２の出力が電圧信号に変換された後、マイクロプ
ロセッサ２２で実行されるプログラムに従って各センサ
素子２の３軸力が演算されると共に、必要に応じスリッ
プ振動の有無が判定され、更に回転スリップと並進スリ
ップの判別が行なわれる。この検出回路２０内の処理に
ついては従来と実質的に同じであるので説明を省略す
る。

【００２０】図６及び図７は本発明の他の実施形態を示
すもので、前述の感圧材料の素子基板３に代えて、ガラ
スエポキシ樹脂製の基板３０を用い、感圧材料としては
有機圧電材料のポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）フィ
ルムを用いることとしたものである。本実施形態では触
覚ヘッド４０が、図６に示すように、対向する傾斜側面
が直交し、各傾斜側面が鉛直面に対し４５°の角度をな
すように形成されている。一方、基板３０には貫通孔３
０ａが形成され、この貫通孔３０ａに、四角錐形状の凹
部６０ａを有する支持部材６０が嵌着されている。この
支持部材６０は中央に貫通孔６０ｂが形成されており、
凹部６０ａの底部（四角錐の頂部）が開放している。こ
の支持部材６０の各傾斜面には、図７に示すように四枚
の台形（あるいは三角形）のＰＶＤＦフィルム３１乃至
３４が貼付され、これらを支持部材６０との間で挟持す
るように、触覚ヘッド４０が凹部６０ａ内に収容され
る。そして、ＰＶＤＦフィルム３１乃至３４の各々に信
号線（代表して９１で表す）が接続されると共に、触覚
ヘッド４０の頂部に接地線９２が接続され、貫通孔６０
ｂを介して図６の下方に延出している。本実施形態にお
いても図６に二点鎖線で示すように、全体がシリコンゴ
ム１１０でモールドされて触覚センサが構成される。

【００２１】而して、シリコンゴム１１０を介して、触
覚ヘッド４０に対し図６の上方から外力が加えられる
と、ＰＶＤＦフィルム３１乃至３４に対する圧力に応じ
て接触抵抗が変化し、この変化が後段で電圧信号に変換
される。このとき、接地線９２は下方に延出しているの
で出力信号に影響を与えることはなく、正確な出力信号
に基づき触覚ヘッド４０に対する３軸力を演算すること
ができると共に、所謂スティックスリップも含め触覚ヘ
ッド４０と検出対象との間のスリップ振動も検出でき
る。しかも、触覚ヘッド４０とＰＶＤＦフィルム３１乃
至３４との間は面接触であるので、後者への応力集中が
なく良好な耐久性を確保することができる。更に、前述
の実施形態と同様、非マトリクス配置が可能となる。

【００２２】以下に、図７を参照して本実施形態による
３軸力の検出原理を説明するが、前述の実施形態におい
ても、傾斜面の角度に応じた演算処理により同様に求め
ることができる。図７の触覚ヘッド４０は、その四角錐
体の中心原点Ｏに作用する外力ベクトルＦout を示した
ものであり、方向角ψは、Ｆout がｘ−ｚ平面となす
角、天頂角θは、Ｆout がｚ軸となす角と定める。Ａ，
Ｂ，Ｃ，Ｄは、触覚ヘッド４０と凹部６０ａの傾斜面と
の接点である。Ｏ点は、四角錐体上面の中心でセンサ座
標の原点とし、図７の上方に示すように座標系を定義す
ると、四角錐体が非常に小さいことから、点Ｏに向かう
外力Ｆout と各点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄで発生する抗力の大き
さＦ_A，Ｆ_B，Ｆ_C，Ｆ_Dの関係は、下記数１式乃至数
３式に基づいて求められる。

【数１】

【数２】

【数３】而して、外力ベクトルＦout は、ＰＶＤＦフィルム３１
乃至３４の出力電圧に基づいて演算することができる。

【００２３】尚、上記の実施形態においては、四角錐台
の凹部３ｃ，６０ａと四角錐台の触角ヘッド４，４０と
したが、何れも三角錐台形状に形成してもよく、五角錐
台等の角錐台形状としてもよい。

【００２４】

【発明の効果】本発明は上述のように構成されているの
で以下の効果を奏する。即ち、請求項１の触覚センサに
おいては、触覚ヘッドに一端が接続された第１の電極部
材の他端が、素子基板の貫通孔を貫通して裏面側に延出
するように構成されているので、配線に影響されること
なく、良好な精度で検出対象の接触状態を検出すること
ができる。更に、触覚センサが請求項２に記載のように
構成されると、検出対象に対する３軸力を高精度で求め
ることができる。

【００２５】また、請求項３の触覚センサにおいては、
触覚ヘッドの傾斜側面と素子基板の凹部の傾斜側面との
間に感圧材料のフィルムが介装されると共に、触覚ヘッ
ドに一端が接続された第１の電極部材の他端が、素子基
板の貫通孔を貫通して裏面側に延出するように構成され
ているので、検出対象の接触状態を高精度で検出し得る
と共に、非マトリクス配置が可能となり適用範囲が広汎
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の触覚センサを構成するセ
ンサ素子の断面図である。

【図２】本発明の一実施形態の触覚センサを構成するセ
ンサ素子において触覚ヘッドを除いた状態の平面図であ
る。

【図３】本発明の一実施形態の触覚センサを構成するセ
ンサ素子の底面図である。

【図４】本発明の一実施形態の触覚センサの斜視図であ
る。

【図５】本発明の一実施形態における触覚センサの構成
を示すブロック図である。

【図６】本発明の他の実施形態の触覚センサを構成する
センサ素子の断面図である。

【図７】本発明の他の実施形態の触覚センサにおけるセ
ンサ素子の組付状態、及び触覚ヘッドに対する力点の位
置を示す斜視図である。

【符号の説明】

１触覚センサ２センサ素子３素子基板，３ａ凹部，３ｂ底部，
３ｃ貫通孔４触覚ヘッド５第１の電極部材，６第２の電極部材７フレキシブル基板８初段増幅器９ａ電源線，９ｂ接地線，９ｃ信号線，
９ｄ導体１０センサ基板１１シリコンゴム２０検出回路３０基板３１〜３４ＰＶＤＦフィルム４０触覚ヘッド６０支持部材，６０ａ凹部，６０ｂ貫通
孔

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】感圧材料の板体の表面に、傾斜側面を有
し底部に向かって開口面積が漸減する凹部を形成すると
共に、該凹部の底部を貫通する貫通孔を形成して成る素
子基板と、該素子基板に形成した前記凹部に嵌合する傾
斜側面を有すると共に前記凹部の底部に対し所定の間隙
を隔てて保持する形状に導電材料で形成して成る触覚ヘ
ッドと、該触覚ヘッドに一端を接続し他端を前記素子基
板の貫通孔を貫通して前記素子基板の裏面側に延出する
第１の電極部材と、前記素子基板の裏面側で前記触覚ヘ
ッドの傾斜側面に対し所定距離隔てて対峙する位置に配
設する第２の電極部材と、前記第１の電極部材に電気的
に接続する配線を有すると共に前記第２の電極部材に電
気的に接続する配線を有し、前記素子基板の裏面に接合
する配線基板とを備えたことを特徴とする触覚センサ。
【請求項２】前記素子基板の前記凹部を角錐台形状に
形成すると共に、前記触覚ヘッドを、前記凹部に嵌合す
る少くとも三つの傾斜側面を有する形状に形成し、前記
第２の電極部材を、前記触覚ヘッドの少くとも三つの傾
斜側面に対し夫々所定距離隔てて対峙する位置に配設す
る少くとも三つの電極部材で構成し、該三つの電極部材
の各々に電気的に接続する配線を、前記配線基板に形成
することを特徴とする請求項１記載の触覚センサ。
【請求項３】板体の表面に、傾斜側面を有し底部に向
かって開口面積が漸減する凹部を形成すると共に、該凹
部の底部を貫通する貫通孔を形成して成る素子基板と、
該素子基板に形成した前記凹部に嵌合する傾斜側面を有
すると共に前記凹部の底部に対し所定の間隙を隔てて保
持する形状に導電材料で形成して成る触覚ヘッドと、該
触覚ヘッドの傾斜側面と前記素子基板の凹部の傾斜側面
との間に介装する感圧材料のフィルムと、前記触覚ヘッ
ドに一端を接続し他端を前記素子基板の貫通孔を貫通し
て前記素子基板の裏面側に延出する第１の電極部材と、
前記素子基板の裏面側で前記触覚ヘッドの傾斜側面に対
し所定距離隔てて対峙する位置に配設する第２の電極部
材と、前記第１の電極部材に電気的に接続する配線を有
すると共に前記第２の電極部材に電気的に接続する配線
を有し、前記素子基板の裏面に接合する配線基板とを備
えたことを特徴とする触覚センサ。