JPS60160672A - 圧覚センサアレイ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の属する技術分野］ この発明は、知能ロボットや自動組立機のヤニピュレー
タ、あるいは移動ロボットの足の裏等に取付けて、人間
における接触覚、力覚およびすベリ覚等に相当する高度
な感覚情報をフィードバック信号としてｆａ御系に出力
する圧覚センサに関し、特に多数の感圧モジュールをア
レイ状に配設した圧覚センサアレイを提供するものであ
る。

［従来技術とその問題点］ 印加された力を直角座標系の３方向の分力に分解して検
出できる力覚センサとしては、第１図および第２図に示
すようなものかある。これらのセンサは弾性リング体や
十字形板ばねの弾性支持体ｌと、その支持体の各方向に
貼付けられた複数のストレンゲージ３とから成り、ロボ
ットの手首５に相当する部分に取付けられて、これらの
ストレンゲージにより手首から先に受ける力の大きさや
方向の合成力を検出するものであるが、印加された力の
分布といった精密な情報を提供するものヤはない。

一方、印加された力の分布を検出する圧覚センサとして
は、導電性ゴムを用いた第３図や第４１（Ａ）　、（Ｂ
）に示すようなもの、さらに第５図に示すような多数の
細い棒を用いたものがある。まず、第３図に示すセンサ
は、リード線７を接続したＭｉＪ面と後面の電極箔８お
よび１１とで厚さ約ｌａｍのカーボン・ファイバ・フェ
ルト１３を挟んでサンドイッチ状にし、このカーボン・
ファイバ・フェルト間の接触面積が力を加えることで変
化し、これが抵抗値の変化を引き起すことを利用してい
る。

また、第４図（Ａ）に示すセンサは導電性のシリコンゴ
ムコード１５と金属電極１７とを用い、やはり加圧力に
よりそのゴムコードの接触面積に変化か起こり、抵抗値
が変化することを利用している。、第４図（Ｂ）に示す
センサは、そのシリコンゴムコード１５と金属電極１７
とを格子状に配置し、ＩＴＶ（工業用テレビ）などに用
いられている走査方式を適用して検出している。さらに
、第５図に示すセンサは、垂直方向に摺動可能にして同
一面に取付けた多数の細い棒１８の先端が被検物体の形
状に応動して上下動する動きを、不図示の差動コイルや
ホール素子によって検出することにより、３次元部品（
立体部品）の形状認識を行うものである。

しかしながら、力の分布を検出するこれらの各センサは
、受圧面に垂直な力の大きさの２次元分布を検出するも
のであり、それ以外の方向についての情報は与えられな
い。だが、人間の手のひらや足の裏等の皮膚は垂直でな
い方向の力の分布状態も精密に検知する。したがって、
従来のセンサでは、人間の手のひらや足の裏等の有する
圧覚機能にできるだけ近いレベルの精電な圧覚機能を有
するロボットのハンドや、人間レベルの対象物の確実な
ソフトハンドリング把持等を実現することはできない。

［発明の目的］ この発明は、上述の問題点に鑑みて、受圧面に垂直な分
力のみならず、受圧面内の直角２方向の分力の大きさの
２次元分布をそれぞれ独立に検出できる圧覚センサアレ
イを提供することを目的とする。

〔発明の要点］ この発明は、受圧面に印加された力を、受圧面に垂直な
方向の分力Ｆｚと、受圧面内の２方向の分力Ｆｘ、Ｆｙ
との３分力に分解して検出できる感圧モジュールを、基
板上に高密度で面アレイ状に並べて圧覚センサアレイを
形成し、３つの分力の２次元分布を精密に測定できるよ
うにしたものである。

［発明の実施例コ 以下、図面を参照してこの発明の詳細な説明する。

第６図はこの発明の実施例を示す。ここで、２１は圧覚
センサアーイをａ成する受圧微細モジュールどしての感
圧モジュールであり、印力旧された力を受ける上部の受
圧板２３と、その受圧板の下に固着した１個または数個
（通常は２個または３個）の感圧セル２５からなる。こ
の感圧セル２５は、単結晶シリコンを例えばリング状の
感圧構造、体とし、この感圧構造体の受圧面（すなわち
、受。

圧＆２３と接する面シに至直引１こ復４り１両のＶム嫉
）１チストレンゲージ２７を形成し、これらのストレン
ゲージの抵抗値の変化によって、その受圧面に印加され
、力の３成分Ｆｚ、ＦｘおよびＦＹを検出する。

上述の感圧モジュール２１を複数個、下部の共通の基板
２８上に面アレイ状（マトリックス状）に高密度に並ベ
モ固着し、圧覚センサアレイを形成する。その際、図示
のように、感圧セル２５の下端部を基板２９上の平行溝
３１またはセル毎に設けた取付穴に垂直に嵌め合せて固
着するとより好ましい。

なお、受圧板２３の上部に、防塵や防水等の機能を有す
る柔軟な比較的薄い保護膜を一面に取付けてもよく、こ
の薄膜と感圧セル２５とを直接に固着してもよい。また
感圧セル２５への電源線や信号線か配線された基板２８
は、曲面上に貼着できるような、ある程度柔軟なもので
もよく、さらに圧覚センサアレイ全体をラバーのような
弾性体の中に介装してもよい。

、　このように、受圧面に印加された力の３成分を独立
に検出する感圧モジュール２１を面アレイ状に多数差べ
て圧覚センサアレイを形成しているので、受圧板２３に
印加された力を基本的な直角座標系の３方向分力に分解
し、３方向分力の２次元分布をそれぞれ独立に検出する
ことができる。

上述の感圧モジュール２１からの３分力の圧力信号は、
基板２８上に装着したスキャナ増幅器集積回路３３によ
って順次スキャンされ、増幅されて、後段の不図示のマ
イクロコンピュータのＣＰＵ　（中央演算処理部）によ
る処理を容易にしている。このスキャナ増幅器集積回路
３３からの出力信号は不図示のＡ／Ｄ　（アナログ−デ
ジタル）コンバータを経て上述のＣＰＵに取り込まれ、
基本演算アルゴリズムで各点の３方向の分力、合成力、
３方向モーメント等が演算され、この演算結果が不図示
のメモリファイルに格納される。

そのメモリファイルから読み出しだ象焦面の圧力分布の
時間的変化により、把持力不足による滑りか演算され、
保持力制御演算アルゴリズムにより滑りが起らぬソフト
ハンドリングが可能となる。また、把持Ｏ持ち上げ・挿
入争回転等の基本作業演算アルゴリズムを用いて高速・
高レスポンスｅ高精度で上位コンピュータによるスーパ
ーバイザリ制御や自律局所制御を行うことが可能となる
。さらに、受圧板２３の材質分布を適切に選定すること
により、演算により対象物の弾性をめることが可能であ
るので、対象物の変形、破損を避けたソフトハンドリン
グが可能であり、対象物の材質判定、形状認識の補助入
力とすることもできる。なお、スキャナ増幅器３３によ
るスキャンは、縦軸アドレスと横軸アドレスを用いて行
うのが配線数が少なくなるので好ましい。

第７図は上述の感圧セル２５のストレンゲージ２７の配
置および配線の一例を示す。図示のように、受圧面３５
と平行な線Ａ−Ａ　’上の左右の外縁および内縁近くに
、形成された４個のストレンゲージ２７−１〜２７−４
で、受圧面３５に垂直な力の成分Ｆ２を検出し、また、
その線Ａ−Ａ　’　と直角の線Ｂ−８’の左右方向に角
度α０傾いた２つの線上の外縁近くに形成された４個の
ストレンゲージ２７−５〜２７−８で、受圧面３５に垂
直な力の一成分Ｆｘを検出する。さらに、上述の角度α
０傾いた２つの線上のリング中央近くの材料力学的な中
立軸上の位置に形成された４個のストレンゲージ２７−
９〜２７−１２で受圧面３５に平行な力の他の成分Ｆｙ
を検出する。上述の角度α０は受圧面８に垂直な力のみ
がその受圧面側こ印加されたとき、ひずみを生じない位
置の角度に選定され、例えば図示のような円形リングの
場合には３８．６°の近傍になる。

このように、上述のストレンゲージ２７−１〜２７−１
２の配置は高感度で、かつ他の２方向分力に対して理論
的に影響を受けない場所に設けられる。また、これらの
ストレンゲージ群は、例えは第８図（Ａ）〜（Ｃ）に示
すように、それぞれブリッジに結線されて、力の成分に
応じた電気信号Ｅｚ　、　ＥＸおよびＥＶを出力する。

さらに、上述の感圧セル２５の製造方法の一例について
、第９図（Ａ）　、（Ｂ）を参照して簡単に説明する。

まず、所定の厚さく例えば０．６ｍｌ１１）　を有し、
所定の伝導形（例えばＮ形）と比抵抗（例えばｌ〜ｌＯ
Ω拳ｃｍ）を有し、かつ所定の結晶方位（例えば（１１
１）方向の形成面）を有する単結晶シリコンウェハ４１
の感圧セル相当領域４３に第７図のような配置の拡散形
ストレンゲージ２７−１〜２７−１２の群、および金属
配線をマスクレスイオンビーム加工やＡ９．蒸着などの
集積回路製造技術（プレーナ技術）によって形成する。

この製造技術によれば、１枚のウェハ４１に多数個の感
圧セルを作り込むことができる。

感圧セルを作り込んだウェハ４１からワーヤンーカット
法やレーザ加工あるいはエッチカットなどの機械加工に
より、感圧セルを精度よく切り出すことによって、特性
のよく揃った小形（例えば数ｍｍ”１ｍｍ直径）のプレ
ーナ形感圧セル２５が得られる。このように、半導体プ
ロセスによってストレンゲージ２７を形成することがで
きるので、感圧モジュール２１を極めて小形にすること
ができ、３分力の大きさの２次元分布を精密に検出する
ことができる。例えば、第６図には２個の感圧セル２５
を１組として１個の感圧モジュール２１を形成したが、
このような感圧モジュールを例えばＩＣｌ１１２当り２
５〜１００個程度の高密度で基板２８上に集積した圧覚
センサアレイを得ることができる。

したがって、この感圧センサアレイをロボットのハンド
の手のひらや指に取付ければ、印加圧力の３分力の２次
元分布が精密に検出できるから、所定の演算アルゴリズ
ムを用いてＣＰＵで演算することにより人間における接
触覚、力覚およびすべり覚等に相当する高度な感覚情報
をフィードバック信号としてハンド駆動制御系に帰還さ
せることが可能となり、またこの圧覚センサアレイをロ
ボットの足の裏に取付けることによって高精度の歩行制
御が可能となる。

なお、感圧セル２５は第６図および第７図に示す構成に
必ずしも限定されない。例え？４．　リング状感圧セル
の場合にその内周面と外周面とにストレンゲージを形成
してもよい、また、垂直画平面にストレンゲージを形成
してもよい。ただし、本例で図示した感圧セル２５を用
いた場合には、次のような利点を得ることができる。

■　受圧板２３にかかる荷重の分力を相互間の干渉なし
によく分離して検出できる。

■　受圧板に受けた荷重と検出出力との間の直線性がよ
く、測定上のヒシテリシスがなく、かつダイナミックレ
ンジが大きい。しかも、引張りおよび圧縮の対として検
出できる。

■　寸法を極小化して高密度集積化できる。

■　従来のＩＣ技術で容易に作成できるまた、感圧モジ
ュール２１の近くにサーミスターのような温度検出器を
設け、マイクロコンピュータのＣＰＵによりゲージ抵抗
値の不均一補正や温度補償を行うことにより、より高精
度な３分力の２次元分布測定が可能となる。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明に振れば、受圧面に印加
された力を直角座標系のたがいに直交する３方向の分力
に分解して検出できる感圧モジュールを、基板上に高密
度でアレイ状に並べて圧覚センサアレイを形成するよう
にしたので、印加された力の３分力の２次元分布を精密
に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれ従来の力覚センサを示す
斜視図、 第３図、第４図（Ａ）　、（Ｂ）および第５図はそれぞ
れ従来の圧覚センサを示す斜視図、 第６図はこの発明の実施例を示す斜視図、第７図は第６
図の感圧セルのストレンゲージの配置および配線例を示
す説明図、 第８図（Ａ）〜（Ｃ）はそれらのストレンゲージの結線
状態を示す回路図、 第８図（Ａ）は第６図の感圧セルの製造方法の説明図で
、第８図（Ｂ）はそのＡ部を拡大して示す拡大図である
。 ｌ・・・弾性支持体、 ３・・・ストレンゲージ、 ５・・・手首、 ７・・・リード線。 Ｓ・・・前面電極箔、 １１・・・後面電極箔、 １３・・・カーボン・ファイバ・フェルト、１５・・・
シリコンゴムコード、 １７・・・金属電極、 １８・・・細い棒、 ２１・・・感圧モジュール、 ２３・・・受圧面、 ２５・・・感圧セル、 ２７．２７−１〜２７−１２ ・・・拡散形ストレンゲージ、 ２８・・・基板、 ３１・・・平行溝、 ３３・・・スキャナ増幅器集積回路、 ３５・・・受圧面、 ４１・・・単結晶シリコンウニｌ＼、 ４３・・・感圧セル相当領域。 特許出願人　株式会社　富士電機総合研究所代 第２図 １　３ 第３図 第４図 （Ａ） （Ｂ） 第５図 ２７−４　２７−３　２／−／　と／−ｅ５（Ｃ） ２７−１２　２７−１０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｌ）受圧面に印加されたカを前記受圧面に垂酊な方向の
   分力と、前記受圧面内の２方向の分力との３分力に分解
   して検出する感圧モジュールを、基板上に複数個高電度
   で７レイ状に並べて構成したことを特徴とする圧覚セン
   サアレイ。 ２、特許請求の範囲第１項記載の圧覚センサ７レイにお
   いて、前記感圧モジュールが、単結晶シリコンを感圧構
   造体とし、該感圧構造体の受圧面に垂直な面に複数個の
   拡散形ストレンゲージを形成し、これら前記ストレンゲ
   ージｑ抵抗１＋１の変化によって前記受圧面に印加され
   たカの３成分を検出するようにした感圧セルからなるこ
   とを特徴とする圧雪センサ７１ｙ　Ｉ