JPS60208866A - 圧覚センサの製造方法 - 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］ 本発明は、受圧面に印加される荷重等の力を互いに直交
する３方向の分力に分解して検出する３分力検知感圧モ
ジュールを単位とし、この感圧モジュールを７レイ状に
多数個配列して分布荷重等が検出できるようにした圧覚
センサに関する。

［従来技術とその問題点］ 上述のような荷重等の力を基本的な直角座標系に分解し
、３方向分力として互いに分離して検出することができ
る感圧モジュールはその３分力を演算式により合成する
ことによって、力の大きさや方向をめることができ、更
には任意の方向の力をめることができるので１個の荷重
計等としても有用なことはもちろんであるが、とくにこ
れらを７レイ状に配列した圧覚センサは力の分布状態や
力の中心（重心）とそれに働く合成力をめることができ
るので比較的新規な諸用途をもっている。

この−例は、第１図に示すような人体の動態実験に見ら
れる。図には圧覚センサ１の上を歩行する人の足２が示
されており、図の右方の状態では足のかかとが荷重計１
に接触しているが、袋状の矢印の先で示す図の左方の状
態ではつま先が圧覚センサｌに接触している。−かかる
歩行動態−の推移につれて、圧覚センサにかかる荷重の
分布状態および荷重の３分力Ｆｘ、ＦｙおよびＦ２は時
間の経過とともに当然変わってくる。ふつうの体重計に
よりかかる歩行動態での荷重を測定すると、荷重全体の
時間的変動を図ることができたとしても、あまり有用な
情報が得られるわけではない。しかし、歩行動態中の荷
重の面状分布や分力の推移を正確に測定することができ
れば、歩行動態の個人差や身体上の障害の模様について
、非常に有用な知見が得られることが知られている。ま
た、この圧覚センサｌをロボットの足のうらに取付けれ
ば、高級な歩行量゛御機能をロボットにもたせることが
可能となる。

かかる荷重分力の分布の検出の必要性は産業分野におい
ても広く存在し、第２図にロボットの圧覚センサの例を
挙げる。同図には、多関節アーム３の先端に取り付けら
れたロボットハンド４のｌ対のフィンガ５，５により物
体６が把持された状態が示されている。物体が多くの工
業部品のように十分な硬さと強度を有している場合はあ
まり問題がないが、物体８が柔らかな、または傷みやす
いもの、例えば果実類である場合には、強い力で把持す
ることは許されない。この種の物体を傷つけないでロボ
ットで扱うためには、把持力すなわちフィンガ５に掛る
荷重の分力とその分布をかなり精密に測定して、物体を
傷つけずしかも落とすことがない適度の力で把持しなけ
ればならない。

また把持が正しくなされているかどうかを知るには荷重
分力の面状分布を知ることが有用である。例えば図示の
ような比較的細長な物体６を把持する際には、把持する
物体の部位によって荷重分力の分布が異なるから、分布
が異常な場合には把持が不適切に行われていることがわ
かる。また比較的小さな把持力で柔らかな物体を把持し
ている場合には、荷重分力の時間的推移から物体の脱落
の危険を予知することができる。

かかる圧覚センサの構成の概要を第３図に示す。図示の
圧覚センサｌには共通基板３０の上に感圧モジュール１
０がｘ、７両方向に多数個面アレイ状に並べられており
、各感圧モジュールｌＯの受圧板４０を介してそれぞれ
Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚなる分力を有する荷重を受け、感圧セ
ル２０は受圧板４０が受ける垂直方向の力Ｆｚのほか、
横方向の力Ｆｉｌ　、Ｆｙをも検知する。これによって
、例えば第１図に例示するように圧覚センサ１にかかる
人体の体重分布のほかに、後方に蹴る力Ｆｘや歩行方向
に対して横方向に押し出す力Ｆｙの大きさと分布とを知
ることができる。各感圧モジュールｌＯは図の一点鎖線
で囲んで示されているように感圧素子である感圧セル２
０と共通基板３０と上部受圧板４０とからなっている。

ところで、第４図および第５図に示したように、すでに
提案されている従来の感圧セル２０は各々感圧セル２０
毎に分離独立した感圧リング（リング状感圧部材）　２
１．２１からなっていた。そのため、圧覚センサｌを形
成するには、下部基板３０上の平行な複数の溝３１にそ
れらの複数リング２１の一端側を係合させて各溝ごとに
所定個数づつ分布立設させる工程と、その溝３１に沿っ
て行方向に分布立設されたリング２１を列方向に整列さ
せる工程と、その溝３１に係合された各リング２１の一
端側を基板に固着する工程等の工程が少なくとも必要で
あり、製造・組立工数が増大するという欠点があった。

しかも、この種の圧覚センサはできるだけ寸法を極小化
して高密度集積化できることが要求される。例えば、受
圧板４０の大きさは数ｍｍ角、できれば１ＩＩＩＩ１１
角以下にすることが望ましいとされている。しかしなが
ら、それらの要求寸法で上述のような各工程を正確に行
うことはリング２１も極めて小さくなるので容易でなく
、ひいては歩留りの低下、信頼性の低下、製造コスト高
等をまねくおそれがあり、さらには製造組立の完全自動
化が困難となるという問題があった。

そこで、短冊形の単結晶シリコンを用いて列方向の複数
の感圧セルを一体に作成し、この作成した短冊体を基板
上に配列して圧覚センサを形成することにより製造・組
立工数を減少し、圧覚センサの製造を容易にしようとし
た第６図〜第７図にト才ような圧覚センサが提案されて
いる。

第６図の圧覚センサは、短冊形の短結晶シリコン５１の
垂直面に小形の円形穴５２と大形の円形穴５３とを長手
方向に沿ってほぼ等間隔に交互に複数個開口し、さらに
各小形の円形穴５２の囲りに拡散形ストレンゲージ群５
４を公知の拡散技術によりそれぞれ形成して、それによ
りストレンゲージ群５４の抵抗値の変化によってシリコ
ン５１の受圧面４０を介して受圧面５１ａに印加された
力を３分力に分解して検知する感圧セル５５を複数個一
体に構成している。上述の小形の円形穴５２はセル５５
を構成する歪を与える円形穴であり、大形の円形穴５３
は各セル５５をそれぞれ分離する境界としての作用をす
る。

第７図の圧覚センサはセル５５の形状を基本のリング状
により近づけるために、ストレンゲージ群５４の外周部
に複数の小形の円形穴５６を追加して開口したものであ
る。

第８図の圧覚センサは、上述の大形の円形穴５３の代り
に上方が開口した大形の切込み溝５８を設けて各セル５
５の境界とし、各セルの隣同士の干渉を少なくしたもの
である。

このように構成した短冊体のシリコン５１の下端部５１
ｂを第４図または第５図に示すような下部基板３０の谷
溝３１にそれぞれ嵌合して所定位置で垂直に固着した後
、各短冊体のシリコン５１の上部の受圧面５１ａに受圧
板４０を感圧モジュール毎に固着して１個の圧覚センサ
を形成する。

第６図〜第８図の圧覚センサは列方向のセル５５が各列
毎に一木のシリコン５１上に一体に連続して構成されて
いるので、各セル毎に基板３１の溝３１の所定位置に係
合整列固着するという従来の製造工程が必要でなくなり
、短冊体シリコン５１毎の製造工程となるので、製造工
数が大幅に減り、ひいては、製造コストの軽減が得られ
る。さらに、取扱う感圧体の寸法が長手方向に大きくな
るので、下部基板の溝への組込みや固着等の作業も容易
となり、ひいては歩留りの向上、信頼性の向上が得られ
、製造組立の完全自動化が容易となる。

しかしながら、第８図のように円形の穴５３のみで複数
個のセル５５を分離すれば、隣接したセルに発生する応
力が干渉となって隣のセルに歪を生じこのセルの出力に
影響を及ぼす。さらに第７図のように複数の小形の円形
穴５６によって隣接したセルを分離する工夫をしても干
渉を完全になくすことができない。

また第８図のように隣接したセルを大形の切込み溝５７
によって分離すれば干渉をなくすことができるが、切込
み溝５７の位置精度や寸法粘度を上述の円形穴５３のそ
れと同程度まであげることは現状の加工技術では極めて
困難である。このため、セルの外周からストレンゲージ
５４までの距離文９文′の精度が悪くなり、各セルから
の出力にばらつきが生じる。

［発明の目的］ 本発明は、圧覚センサの製造を簡単にし、かつ隣接した
セルからの干渉をなくした圧覚センサを提供することを
目的とする。

［発明の要点］ 本発明は１位置精度および寸法精度を円形の穴によって
確保し、隣接したセルからの干渉を小形の切込み溝によ
って遮断するようにしたものである。

［発明の実施例］ 以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第９図（Ａ）〜（Ｄ）は本発明の一実施例を示す。

第９図（Ａ）に示したように、短冊形の単結晶シリコン
６１にセル構成用の円形穴６２と、セル分離用の円形穴
〇３および半円形状の穴６Ｂを交互に開け、セル構成用
の円形穴６２の周りにストレンゲ−シロ４を形成してセ
ルを構成する。これらの円形穴８２．Ｅ１３゜６６はレ
ーザおよびダイヤモンドドリル加工で高精度に作成でき
る。なお、短冊形の単結晶シリコン６１にストレンゲ−
シロ４を形成してから穴８２　、　ｆｉ３および６６を
開けるようにしてもよい。

さらに、第８図（Ｂ）に示したように、セルが形成され
た上述の短冊形の単結晶シリコン８１を受圧面を上方に
して下部基板３０の溝に並べて固着し、そのシリコン６
１の上に上部受圧板４０を乗せて固着した後、第９図（
Ｃ）および（Ｄ）に示したように、セル分離用穴８３お
よび６６を通る切込み溝６７によって、受圧板４０とい
っしょに隣接するセルＢＩＳを互いに分離する。ここで
、切込み溝８７は薄型の砥石カッタにより作−成しても
よいし、レーザ加工により作成することもできる。

このように、ストレンゲ−シロ４に影響を与える加工は
高精度加工ができる円形穴８３　、６６の加工だけです
むので、高度な位置精度および寸法精度が確保できる。

よって、セルの外周からストレンゲージまでの距離の精
度が悪くなって、各セルからの出力のばらつきが生ずる
という問題は解消される。また、隣接したセル６１Ｓか
らの干渉は小形の切込み溝６７によって遮断される。

第１θ図（Ａ）〜（Ｄ）は本発明の他の実施例を示す。

第１０図（Ａ）に示したように、短冊形の単結晶シリコ
ン６１にセル構成用の円形穴Ｂ２とセル分離用の大径の
円形穴〇８とを交互に開けた後に、その大径穴８８の位
置に合せて矩形のセル分離用切欠き溝６９を形成してい
る。他は前述の第９図（Ａ）〜（［ｌ）に示した実施例
と同様なのでその詳細な説明は省略する。本例では短冊
形単結晶シリコン６１の端面に垂直な力の検出には若干
の誤差が生じるが、加工工数は第８図（Ａ’）〜（Ｄ）
の実施例より少ない。

第１１図は第１０図のストレンゲージ群６４の各ストレ
ンゲージの詳細な配置例を示す。まず、受圧面８１ａに
受圧板４０を介して三方向の荷重”＋Ｆｙ、Ｆｚがそれ
ぞれ独立にかかったとき、セル８１Ｓに生じる応力はシ
リコン８１Ｓが基板３０と受圧板４０とに固着されてい
るとして近似的に次式で表わされる。

８　ｂｔ３Ｒ，＋ｒ　（１） ４　ｉ　（２） ただし、σ：周方向応力、 Ｒ：セル８１Ｓの平均円、すなわちセル６１Ｓｔ−梁と
見たときの材料力学的な中立軸の半径、すなわち隣接す
る ２つの円形穴６２と８８の外縁の中間 と小円の円形穴６２の中心とを結ぶ半 径、 ２ｔ：セル６１Ｓの幅、すなわち隣接する２つの円形穴
６２と６８の外縁の最小 幅、 ｂ：セル８１Ｓの厚さ、すなわちシリコン８１Ｓの厚さ
、 ■＝セルＥＩＩＳのＦＷ力方向断面２次モーメント、 ｒ：セル６１Ｓの平均円Ｒを基準とじたセル６１Ｓの径
方向の変数、 α：セル８１Ｓ上端からとった角度変数である。

かかる応力に基づく歪を検出するため、第１１図に示す
円形穴８２の周囲の位置にストレンゲージを取り付ける
。まず荷重Ｆｘがかかった時のことを考えると、Ｆｘ測
定用ゲージ８４ｘｔ、８４ｘｃは小円形穴６２の内径部
のＴ・−ｔの個所にあり、またα・３８．６°の位置に
設けられるから、（１）でＲ＞　ｔとして、となり、ゲ
ージ８４ｘｔの個所では引張りひずみ、ゲージ８４ＸＣ
の個所では圧縮ひずみが生じるが、荷ｆｆ１ＦＸ測定用
ゲージ８４ｚｔ　、　８４ｚｃの個所ではα＝８０゜で
あるから、（１）式かられかるようにひずみは”　ｏ　
”で従ってこれらのゲージから検出信号は生じない。

次に、荷１１１Ｆｚが単独にかかったときには、Ｆ２測
定用ゲージ６４ｚｔＪ４ｚｃはα＝９０°の内外周部（
ｒ−ｔまたは「−ｔ）の位置にあるから、なお（３）式
により同様にＲ＞ｔとして、 Ｒ となり、ゲージ６４２ｔは引張りひずみを、ゲージ８４
ｚｃは圧縮ひずみを検出する。このときＦｘ検出用のゲ
ージ８４ｘｔ、ｆ１４ｘｃの位置では、α＝　３９．６
°で（３）式中の（２／π−５ｉｎａ　）の項が°“０
゛′となるから、ひずみは°０″でこれらのゲージから
検出信号は生じない。

以上のことから分力Ｆｘ測定用ゲージ８４ｘｔ、８４ｘ
ｃと分力Ｆ２測定用ゲージｆｉ４ｚｔ、１（４ｚｃとは
、（４）および（５）式かられかるように約２倍の出力
信号の開きはあるが、相互に干渉がなく分力を完全に分
離して測定できることがわかる。

一方、分力Ｆ、測定用ゲージについて考えると、荷重Ｆ
ｙが第７図の紙面より手前の方向にかかるとしてそのひ
ずみ検出用ゲージ８４ｙｔ　、　８４ｙｃを図示の・よ
うに設けることになる。これらのゲージの位置では、（
２）式で同様にα＝３９．６°、Ｒ＞ｔとおいて、 σ＝　０．１！３　Ｒ−Ｆｙ　（６） ■ で表される応力に基づくひずみをゲージｅａｙ　ｔでは
引張りひずみ、ゲージＥ１４ｙｃで圧縮ひずみの形で検
出することになり、分力Ｆｚ測定用ゲージ８４ｚｔ　。

８４ｚｃの位置ではα＝９０°であるからσ＝０となり
、従って干渉信号は出ないが、分力Ｆｘ測定用ゲージ６
４Σｔ、＆４ｘｃの位置では分力Ｆｙ測定用ゲージの場
合と同じように σ＝　０．１９　Ｒ−ＦＷ　（？） ■ なる応力に基づくひずみ検出出力が出ることになる。こ
の分布Ｆｘ測定用ゲージからの検出信号はそのまま出力
すれば、当然誤信号となるわけであるが、第１２図（Ａ
）〜（Ｃ）に示したようなブリッジ回路が正規の状態で
は誤信号をキャンセルするように組まれているので、誤
検出信号が分力Ｆｘ測定用のブリッジ回路から出力され
ることはない。

［発明の効果コ 以上説明したように゛、本発明によれば、短冊形の単結
晶シリコンに拡散形ストレンゲージが形成され、セル構
成用円形穴と少なくとも１個のセル分離用円形穴が交互
にあけられて、これにより力を３成分に分解して検知す
るセルが複数個帯状に形成され、さらにその短冊形の単
結晶シリコンが下部基板の上に固定して組立られ、かつ
上述のセル分離用円形穴を通る切込み溝により単独のセ
ルに分離されるようにしているので、各セルからの出力
のばらつきが少なく、製造組立が容易な圧覚センサが得
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の対象とする圧覚センサを人体の歩行動
態の測定に利用した例を示す説明図、第２図はその圧覚
センサをロボットハンドの制御用センサとして用いた例
を示す説明図、第３図はその圧覚センサの基本構成を示
す斜視図、 第４図および第５図は従来の圧覚センサの製造工程と構
成を示す斜視図、 第６図〜第８図は従来の短冊形の圧覚センサの要部構成
例を示す正面図・ 第８図（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の一実施例の要部構成例
と製造工程を示す平面図、 第８図（Ｄ）は第８図（Ｃ）の斜視図、第１０図（Ａ）
〜（Ｃ）は本発明の他の実施例の要部構成例と製造工程
を示す平面図。 第１θ図（Ｄ）は第１θ図（Ｃ）の斜視図、第１１図は
その′ストレンゲージの配置を示す説明図、 第１２図（Ａ）〜（Ｃ）はそのストレンゲージの接続態
様の一例を示す回路図である。 ３０・・・下部共通基板、 ３１・・・溝、 ４′０・・・上部受圧板、 ５１　、ｌ（１・・・短冊形単結晶シリコン、５１ａ、
８１ａ　・・・受圧面、 ５２、Ｆ１２・・・セル構成用円形穴、５４．８４・・
・ストレンゲージ群、 ５３．５Ｂ、ｆｔ３．８Ｂ、Ｆ１８・・・境界用円形穴
、５５　、ＥＩＩＳ・・・感圧セル、 ５７．８？・・・切込み溝、 ６８・・・境界用切込み溝。 特許出願人　株式会社　富士電機総合研究所代　理　人
　弁理士　谷　義　− 第３図 第４図 １ 第５図 第６図 第７図 ５１　５３　５６　５２ 第８図 ５４　５５ 引　５２５７ 第９図（Ｂ） 第９図（Ｃ） ３０　６１Ｓ　６１Ｓ ３１　３０ ６１　６２　６８　６９ ０ 再１０図（Ｃ） ６１５　３０ 第１０図（Ｄ） 第１１図 ６８　６２　３０　６８

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 短冊形の単結晶シリコンに対し、該シリコン受圧面と垂
   直な面の長手方向に沿って複数個の拡散形ストレンゲー
   ジ群が形成され、かつ該ストレンゲージ群に対応して複
   数個のセル構成用円形穴と少なくとも１個のセル分離用
   円形穴とか交互に開けられ、前記セル分離用円形穴を通
   る切込み溝により、前記ストレンゲージ群が抵抗値の変
   化によって前記受圧面に印加された力を３分力に分解し
   て検知する複数個の独立セルとして各々分離され、該セ
   ルが形成された前記短冊形の単結晶シリコンが前記受圧
   面を上方にして下部基板の上に７レイ状に配列して成る
   ことを特徴とする圧覚センサ。