JPS60221288A - 圧覚認識制御装置 - 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、圧覚センサを知崩ロボットのハンドや自動
組立機のマニピュレータ、あるいは移動ロボットの足の
裏等に数句けて、人聞における接触覚、圧覚、すべり覚
および硬さ覚等に相当する感覚を認識し　この認識に基
づいてロボッＩ・・ハンドやマニピュレータあるいは足
の制御を行わしめる圧覚認識制御装置に関する。

［従来技術とその間ｌＩｎ点］ 人間に代って作業をするロボット等の手または足に加わ
る力は立体的で、１１つある分布を持っている。そして
この印加された力の大きさ、方向および受圧面での分布
は、ハンド（マニピュレータ）あるいは足の動きに伴っ
て変化する。人聞はこの力に対する感覚、すなわち圧覚
だけでなく、接触覚、滑り覚および硬さ覚等も合せて持
っている。従って、機械のハンドあるいは足を人間と同
等に高度に制御するためには、人間の４１するこれ９ らの感覚を機械が持つ必要がある。これらの中で、最も
基本的な感覚として必要なのは立体的な圧覚とその分布
状態の認識である。

ここで、立体的な圧覚とは受圧面に垂直な力だけでなく
、受圧面での２方向の力も含む合計３方向の力に対する
感覚であり、更にハンドあるいは足の動作に伴う３方向
のモーメントに対する感覚を持つことが望まれる。この
ような３方向の分力を検知する感覚を有するセンサとし
ては第１図〜第３図に示すようなものが発表されている
。これらの従来のセンサは、弾性リング体や十字形板ば
ね、あるいは弾性ブロックなどの弾性支持体１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
とからなるが、ハンドの把握する物体に比べて同等、あ
るいはより大きな大きさく例えば名稜の長さが１００〜
２００ｍｍ程度）を有しているので、ハンドあるいは足
の受圧面に用いられず、もっばら手首５あるいは足首に
装着されて、ハンドあるいは足の作用力全体の力を検出
すること相用いられているにすぎない。その結果、０ これらの従来のセンサでは触覚、滑り覚、硬さ覚の検出
は行い得す、このような感覚情報の必要な場合には、そ
のだめの特別のセンサを別に受圧面に設ける必要があっ
た。しかし、それらの特別なセンサもかなりの大きさを
有するため、受圧スペースや感覚位置の違い等によって
手の掌に相当する面積での大ざっばな感覚情報が得られ
るにすぎず、指に相当する部分の微妙な感覚情報を得る
ことはできなかった。

また、前述したように面状に分布した圧覚の認識ができ
ることが人間の感覚の特徴の一つである。ロボット等の
受圧面はある大きさを有し、被把握物が平面でなかった
り、ハンドあるいは足がある動きをする時には、受圧面
に作用する力は一様でない。そこで、圧覚も分布した状
態での認識が必要であり、その認識により受圧面積、力
の作用中心、およびその時間的な変化の感覚を持つこと
ができる。このような印加された力の分布が認識できる
感覚を有するセンサとしては、第４図〜第６図に示すよ
うなものが発表されている。まず、第４図（Ａ）に示す
センサは、導電性ゴムであるシリコンゴムコード１５と
金属電極１７とを用い、加圧力によりそのゴムコードの
接触面積に変化が起こり、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
摺動する多数の細い棒（ピン）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）の形状の認識を行う。

第６図（Ａ）〜（Ｄ）に示すものはロボット用力覚セン
サとして応用できる導電性ゴムなどを用いたものである
。第６図（Ａ）の例は導電性ゴムシート７と金属電極８
とを組み合わせたもので、基板８の上に絶縁性の電極支
え８ａを分布配置してその各頂部に金属電極が取り付け
られている。電極支え９の相互間にはスポンジゴムなど
からなる弾性材が分布して配されており、その頂ｆ２Ｊ
ｌに可撓性の導電性ゴムシートが接着ないし載置されて
いる。容易にわかるように、荷重Ｆを受けた部位では弾
性材が図の下方に圧姦宿され、その撓みを導電性ゴムシ
ート７と電極８とのＴｔｔ気的気触接触り検知して荷重
Ｆのかかった位置、ないしはその分布を知ることができ
る。第６図（Ｂ）では弾性シーＩ・とじて構成５れた導
電性ないしは感圧性のゴムシート７の下方に基板８の面
に点状に分布して設けられた多数の電極８が配されてお
り、荷重Ｆが掛かった位置の導電性ゴムシート７に電気
接触するＴｆｆ、極８を検出することにより、荷重の掛
かった位置ないしはその分布を検知するものである。

第６図（Ｃ）の例では、絶縁性ゴムシート７ａの下面に
導電性ゴム７が列状に埋め込まれており、これに対向し
て絶縁性のノ＾板９の」二面には電極条８が行状に取付
けられている。荷重Ｆを受けたかかる行列の交点の位置
で導電性ゴム７と電極条８が電気接触するので、接触点
の位置分布から荷重分布を知ることができる。第６図（
Ｄ）はベリリウム３ 銅などからなる金属の極薄板ないしは箔８ａを電極に用
いた例で、この箔８８自身の弾性ないしはその絶縁性覆
い８Ｃの弾性が利用される。この複合体が数個けられる
基体θは例えば金属製で、その周面の一部９Ｃが電極面
となっており、金属箔電極８ａと基体８とは絶縁板８ｄ
により絶縁されている。荷重Ｆを受けたとき電極８ａと
覆い８Ｃとの複合体は撓んで電極箔８ａが基体側の電極
面９ｃと電気接触するから、基体９に沿って多数の電極
箔８ａを配設しておけば、荷重分布を知ることができる
。

しかしながら、これらの従来のセンサは、いずれもセン
サの受圧面に垂直な方向の感覚のみしか有していない。

また更に、精密に分布状態を検出するためにはセンサの
各モジュールを小さくする必要があるが構造的に限界が
あって十分小さくできず、かつ主として用いられる導電
性ゴムの検出機構のために、印加された力に対する検出
出力の非直線性やダイナミックレンジの狭さがあるので
、専ら接触の検出や受圧面積の検出、すなわち触覚セン
サとしてしか用いられず、人間の代用と４ なる圧覚センサとしては不十分であった。従って、従来
のセンサ装置では、人間の感覚に近い圧覚認識制御は得
られなかった。

第７図は従来から用いられている力の３方向成分を検出
するリング型荷重計としてのセンサ（六角形応力リング
）を示す。このセンサは金属製式角形リング２０の受圧
面２１および基板面２２を除く外周部の６面と、両側面
および内周面とにそれぞれストレンゲージとして抵抗線
ゲージ２３〜２８　、２７〜３０．３１〜３４を結句し
て、その貼付位置によって３方向成分を互いに分離して
それぞれ検出するようにしたものである。」二連のスト
レンゲージ２３〜２６は八角形リングのうちの受圧面２
に垂直な外周面とリングの内周面とに貼付されており、
受圧面２に垂直な力の成分Ｆｚを検出する。また、スト
レンゲージ２７〜３０は八角形リングのうちの４つの斜
めの外周面に貼付されており、受圧面２にかかる水平な
力の成分のうちのＸ方向の成分Ｆｘを検出する。さらに
、ストレンゲージ３１〜３４はリングの両側面に、八角
形リングの刺め面と同じ角度で、リングの肉厚のほぼ中
央部に貼付されており、受圧面２にかかる水平な力の成
分のうちのＸ方向の成分ＦＹを検出する。

このように、図示のような３方向分カセンサは力を基本
的な直角座標系に分解し３方向分力として検出している
ので、この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る。更に任意の方
向の力もめることができる。

このように力の分解、合成が容易にできるのが、３方向
分カセンサの大きな特徴である。

しかしながら１図示のような従来の六角形応力リングは
、３方向の力の成分を検出するセンサとしては著名なも
のであるが、次のような欠点があり、特にこれを面アレ
イ状に配列して面状に分布する荷重の荷重分布を検出す
るには不適当である。以下、その欠点を列挙する。

■　多数のストレンゲージをリング体の各方向に貼付し
た構造であるので、小形化が困難である。

■　ストレンゲージを結句するために、その結句層がク
リープを生じさせ、安定性が悪 い。

■　ストレンゲージの貼イ」位置により、大きな干渉出
力を発生する。

■　製作が比較的大変である。特に、リングの内周面へ
のス）・レンゲージの貼付は雌しい。

■　量産性がなく、高価となる。

一方、人間の手のひらの有する圧覚機能にできるだけ近
いレベルの高度な圧覚機能を有するロボッＩ・ハンドを
実現するためには、その圧覚センサとしては３方向分カ
センサの機能を有し、さらにこのセンサを多数高密度で
面アレイ状に配列して、印加される力の分布状ｆｆＪ’
Ｈや力の中心（重心）とそれに働く合成力を正確にめる
ことができなければならない。そのため、このような圧
覚センサとして要求される性能は次の通りである。

（ａ）荷重検出中位体は寸法が数１１１１以下の小形の
もので、１個の分布荷重検出器中にかかる単位体ができ
るだけ高密度で集積化されたものである７ こと。

（ｂ）荷重の分力を相互間の干渉なしによく分離して検
出できること。

（ｃ）荷重と検出出力との関係が直線性で、測定のヒス
テリシス誤差がなく、かつダイナミ・ンクレンジすなわ
ち測定範囲が広いこと。

（ｄ’）荷重分布検出器自体の剛性が高く、荷重を少け
たとき変形して荷重分布が変わってしまうようなことが
ないこと。

し発明の目的］ この発明は、前述のような要求および前述のような従来
技術の持つ問題点に鑑みて、３方向分力を検知し得る微
小な圧覚センサモジュールをアレイ状に高密度で配列し
た圧覚センサアレイをロボットのハンドあるいは足の裏
等の受圧面に地利けることにより、立体的な圧覚とその
圧覚の分布状態を直接検出することを可能とし、かつ検
出して得られた信号群を所定のアルゴリズムで処理する
ことによって、３方向分力のみでなく、３方向分力のモ
ーメント、力のイ乍田中８ 心、全体の作用力等をｆｉると共に、接触覚、滑り覚お
よび硬さ覚等も合せて認識し１することかできるように
し、更にこれらの感覚情報を同時に高速度で認識し得る
ようにすることによってロボットのハンドや足の機能を
高度に制御しイ１することを可能とするアルゴリズムを
用いて、被把握物が変形しない程度の最小の把握力での
把握や衝撃のない被把握物の持ち−Ｊ二げ、あるいは効
し、被把握物の取付穴への挿入や回転等のような人間の
手や足の動作に相当する高度な動作制御を行うことので
きる圧覚認識制御装置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の３方向分力を個別
に検出し得るように構成された半導体歪計の原理による
ウェハ型の圧覚センサセルを微小に作成し、このセルを
多数個面アレイ状に配列した圧覚センサアレイをロボッ
トあるいはマニピュレータノハンドあるいはロボットの
足の裏等の受圧面に装着させ、その圧覚センサアレイの
基板上あるいはその近傍に圧覚センサアレイの出力を行
および列毎に順次取り出すスキャナーを設け、圧覚セン
サ内あるいは圧覚センサセルの取付穴部分あるいはセル
直下の基板部分にスキャナーからの信号によって開閉動
作するセル毎のアナログスイッチと、必要によっては半
導体歪計の特性補正回路と、増幅器とを設けて、他の圧
覚センサセルの出力とを混同しないようにし、適切な時
間間隔で採取した検出信号を歪計の特性の補正や力の単
位への変換の後に、各分力毎に２次元に分布した圧覚情
報の形で整理し、時系列に信号処理記憶装置に記憶し、
次に信号処理記憶装置から読み出した圧覚データにより
３分力の合成、全圧力、圧力中心、圧力分布図、受圧面
積およびモーメント等を算１］１シて１次演算記憶装置
に記憶し、更にロボットの手や足の制御に必要な接触覚
、滑り覚および被接触物の形状、硬さ覚等を認識する演
算を行い、必要な演算結果を２次演算記憶装置に記憶し
、信号処理記憶装置と１次および２次演算記憶装置に記
憶したデータと、ロボットの基本動作用のアルゴリズム
とによって所定の演算を行い、必要な演算結果を３次演
算記憶装置に記憶すると共に演算で得られた信号を外部
のロボット駆動制御２１装置に送信し、また外部のロボ
ット駆動制御装置からの圧覚認識を行うに必要な指令も
受信できるようにしたものである。

［発明の実施例］ 以下、図面を参照してこの発明の詳細な説明する。

まず最初に、この発明の構成要素であるウニ／＼型圧覚
センサアレイの概要を述べる。第８図において、５０は
この発明の要部である圧覚センサアレイの全体を示し、
５１は圧覚センサアレイ５０を構成する単位Ｗ１．細モ
ジュールとしての圧覚センサモジュールである。圧覚セ
ンサモジュール５１は印加された力を受ける−１一部受
圧板５２とその受圧板の下に固着した２個（または１，
３．４個）のウェハ型の圧覚センサセル５３とからなり
その大きさは数１１ｍ以下に形成される。圧覚センサセ
ル５３は、単結晶シリコンをリング状等の形状の感圧構
造体とし、こ１ の感圧構造体の受圧面、すなわち、受圧板５２と接する
面に垂直な面に、複数個の拡散形半導体ストレンゲージ
５４を形成し、これらのストレンゲージ５４の抵抗値の
変化によって、その受圧面に印加された力の３成分ＦＺ
、ＦＷ、ＦＹを検出する。上述の圧覚センサモジュール
５１を下部の共通基板５５上に面アレイ状（マトリック
ス状）に高密度に多数並べて固着し、圧覚センサアレイ
５０を形成する。その際、圧覚センサセル５３の下端部
を基板５５上に形成した平行溝５６またはそのセル毎に
開けた取付穴（不図示）に垂直に嵌め合せて固着すると
、確実な組込みが得られるので好ましい。圧覚センサモ
ジュール５１からの出力信号は、基板５５上にあるいは
その近傍に装着したスキャナ増幅器（集積回路）５？に
よって順次スキャンされ、かつ増幅されて、後述ノマイ
クロコンピュータのＣＰＵ（中央演２ マタ、圧覚センサセル５３は単結晶シリコンからなり、
そのシリコン上に拡散形ストレンゲージ５４を形成して
いるので、一般的な従来のプレーナ技術で容易に作成す
ることができ、特性のよく揃った極めて小形（例えば数
ｍｍ〜ＩＩＩＩＩ１１直径）のものかられる。従って、
第８図に示すような圧覚センサモジュール５１を例えば
ＩＣｌ１２当り２５〜１００個程度の高密度で基板５５
」二に集積することができる。

また、上述のように、受圧面に印加された力の３成分を
独立に検出する圧覚センサモジュール５１を面アレイ上
に高密度に多数並べて圧覚センサアレイ５０を形成して
いるので、印加された力を３方向の分力に分解し、３方
向分力の２次元分布をそれぞれ独立に高密度で検出する
ことができる。さらに、その際、圧覚センサセル５３の
拡散形ストレンゲージ５４を高感度でかつ他の２方向分
力に対し論理的に影響を受けない場所に配置しているの
で、受圧面にかかる印加圧力の分力を相互間の干渉なし
によく分離して検出でき、また感圧構造体として非常に
秀れた単結晶シリコンを用いているので、印加圧力と検
出出力との間の直線性がよ＜　、　Ｘｌｌ＋定」二のヒ
シテリシスがなく、かつダイナミックレンジが大きく、
また圧覚センサセル５３の組合わせにより引張りおよび
圧縮の対として検出できる等の利点がある。

また、圧覚センサセル５３の形状は第８図のものに限定
されず、種々の形状が考えられる。例えば、列毎に各セ
ルの下部または上部の一部を一体に連結した短冊状の連
結圧覚センサセル群を用いた場合には、位置合せや固定
等の組合わせが容易となるという利点が得られる。また
、圧覚センサセル５３内の半導体ストレンゲージ５４の
出力は基板５４上の配線を通して外部に出されるが、高
密度の圧覚センサアレイ５０からの配線は莫大な数とな
るので、圧覚センサセル５３内の配線、圧覚センサセル
５３と基板５５の接合部の配線や接続にそれぞれの工夫
がなされている。例えば、圧覚センサセル５３の両面に
ストレンゲージ５４を検出分毎に分散配置するとか、単
結晶シリコン基板部上に反対の伝導形をもつエピタキシ
ャル層を形成し、そのエビタキシャル層にストレンゲー
ジを形成し、エピタキシャル層を貫通する拡１１＆層を
形成することにより、拡散層およびス（板部をストレン
ゲージ２７の電源配線の一部として構成するとか、ある
いはまた基板部５５を多層にして電源線と信号線を各層
間に分離して配線し、電源線は溝部５６から圧覚センサ
セル５３に接続される等がなされる。

さらに、圧覚センサモジュール５１の近くにサーミスタ
のような温度検出器を設け、マイクロコンピュータのＣ
ＰＵによりゲージ抵抗（ｉｒｊ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。

なお、受圧板５２の−１一部に、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数句けてもよく
、この薄■りとセル５３とを直接に固着してもよい。ま
たセル５３への電源線や信号線が配線された基板５５は
、曲面−１−に貼着できるような、ある程度柔軟なもの
でもよく、さらに圧覚センケア１／イ全体をラバーのよ
うな弾性体の中に介装してもよい。また、スキャナ増幅
器５７によるスキャナは、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。

−上述の圧覚センサアレイ５０は、例えば第９図に示す
ように、多関節アーム５８の先端に取付けられたロボッ
Ｉ・ハンド５９の一対のフィンガ６０に装着して、把持
する物体６１に対するフィンガ６０の把持力すなわちフ
ィンガ６０にかかる荷重の分力とその分布（面状分布）
を測定して、後述の制御手段によりその把持力を適切に
制御することができる。このとき、例えば図示のような
比較的細長な物体６１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（例えば果実類
）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。

さらにまた、上述の圧覚センサアレイ５０を人の歩行す
る通路上に配設した場合には、圧覚センサセル５３は受
圧板５２が受ける垂直方向の力Ｆｚのは５ か、横方向の力ＦＭ、Ｆｙをも検知するから、圧覚セン
サアレイ５０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。

このように、歩行動ｍ；中の荷重の面状分布や分力の時
間的推移を正確に測定することができるので歩行動態の
個人差や身体上の障害の模様゛について有用な知見が得
られる。また、この圧覚センサアレイ５０をロボットの
足のうらに取付ければ、後述のように高級な歩行制御１
機能なロボットにもだせることが可能となる。

次に、圧覚センサアレイ５０の構成の具体例を以下の図
面を参照してさらに詳述する。

前述の圧覚センサセル５３の拡散形ストレンゲージ５４
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る。

第１０図〜ｉ１２図はこのストレンゲージ５４の配性位
置を示す。これを説明すると、第１１図（Ａ）、（Ｂ）
に図示のように三方向の荷重Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚがそれぞ
れ独立にかかったとき、圧覚センサセル５３に生じる６ 応力は該セルが基板５５と受圧板５２とに底に固着され
ているとして次式で表わされる。

８ｂｔ３Ｒ＋ｒ Ｉ ただし、σ：周方向応力、 Ｒ：セルの平均円５３Ｃ１すなわち セルを梁と見たときの材料力学的な 中立軸の半径、 ２ｔ：セルの幅、 ｂ：セルの厚さ、 ■；セルの断面２次モーメント、 ｒ：セルの径方向のす殻、 α：セルト端からとった角度す薮、 である。

かかる応力に基づく歪を検出するため、第１２図に示す
セル５３の位置にストレンゲージをＩｌｖリイ（１ける
。まず荷重Ｆｘが掛かった時のことを考える。と、Ｆ！
測定用ゲージ５４ｘｔ、５４ｘｃはセルの内径部のｒ＝
−ｔの個所にあり、また分力間の干渉がないように公知
の如くα＝　３９．１３°の位１〆１に選ぶことが、（
１）式％式％ となり、ゲージ５１ｔの個所では＋１１１１−りひすみ
、ゲージ５４ＸＣの個所では圧縮ひずみが牛しるが、荷
重Ｆ２測定用ゲージ５４ｚｔ　、　５４ｚｃ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吟はノドしな
い。

つぎに、荷重Ｆ２が単独にかかったときには、Ｆｚ測定
用ゲージ５４ｚｔ、５４ｚｃはα＝８００の内外周部（
ｒ＝−ｔまたはｒ＝ｔ）の位置にあるから、なお（３）
式により同様にＲ＞＞ｔとして、 ｃｒ＝０．１４　−　Ｆｚ　（５） ｔ２ となり、ゲージ５４２ｔは引張りひすみを、ゲージ５４
２Ｃは圧縮ひずみを検出する。このときＦＸ検出用のゲ
ージ５４Ｘｔ、５４ｘｃ位置では、ｃｘ　＝　３Ｌｆｌ
°で（３）式中の（２／π−ｓｉｎα）の項がＯ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５４ｘｔ、５４ｘ
ｃと分力Ｆｚ測定用ゲージ５４ｚｔ、５４ｚｃとは、（
４）および（５）式かられかるように約２倍の出方信号
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。

第１３図（Ａ）〜（Ｃ）に、三方向の荷重Ｆｚ、Ｆｘ、
Ｆｙがそれぞれ独立にかかったときのゲージ５４ｚｐ　
。

５４ｚｔ・・・に生ずるひずみを実線の矢印で示す。こ
れらのスＩ・レンゲージは２セルで１モジユールを構成
した場合は第１４図（Ａ）〜（Ｃ）に示すようにブリッ
ジ接続され、１セルで１モジユールを構成した場合は第
１５図（Ａ）〜（Ｃ）に示すようにブリッジ接続される
。各ブリッジ回路からの出力信号ＥＺ、Ｅｌｌ。

Ｅｙはそれぞれ荷重の分力Ｆｚ　、Ｆｌｌ　、Ｆｙの測
定信号である。第１６図は上述の結果をまとめたもので
、表口の縦軸は荷重の分力を、横軸はストレンゲージを
示している。ストレンゲージからの出力は引張りひずみ
か圧縮ひずみかに応じて増）成するから、この図では増
減が十−で表わされており、０は増減がないことを示す
。ストレンゲージのブリッジ接続は、この増減の同方向
のものを対辺に配するようにされる。第１６図かられか
るように荷重の分力が一方向のみであるとき、−上述の
ストレンゲージの配置によれば、他方向の分力測定用の
ゲージ出力は原理的に０であり、分力間の干渉を生じる
ことがない。また、イ１１に若干の干渉信号が生じても
、その大部分はブリッジ回路内で相殺されて、０ 実用」−はあまり問題がなくなる。

ところで、第１７図に示すように１個のセンサセル５３
で１モジユール５１を形成した場合は、第１８図に示す
ようにセル５３の取付位置からずれた偏荷重Ｆｚが受圧
板５２に加わった時には、それが受圧板５２に対して垂
直な荷重であっても第１８図に示すようにセル５３に対
して曲げモーメン）Ｍが発生し、ｙ方向の荷重検出用ス
トレンゲージからＦｙに相当する誤った検出出力が出る
という欠点がある。また、１枚セルの構造のため、機械
的に弱く、比較的大きな力には耐えられないという欠点
がある。

第２０図には、感圧モジュールを２個の３方向分力検出
セルで一体に構成することにより、上述のような検１１
１誤差を生じさせる原因となるモーメントの発生をなく
し、さらに感圧モジュールの構造を強固なものにした圧
覚センサの一例を示す。図示のように２個のリング状セ
ル５３．５３をその端面５３ａが互いに平行するように
下部基板５５と上部受圧板５２との間に配設し、かつ各
セル５３の図の下端の突出部５３ｂを、ｊ、（板５５の
溝５６に嵌め込んで接着等の手段で基板５５に固着Ｓせ
る。セル５３の上端部も同様にして受圧板５２と固着さ
せる。

このように、２個のセル５３．５３を）、（板５５の上
部に垂直に立てて固定し、この２個のセル５３．５３を
１組としてそのトに受圧板５２を乗せて固定することに
より、１個のモジュール５１を構成し・ているので、第
１８図に示すような２方向（垂直方向）の偏荷重が受圧
板５２に加わっても、第１９図のような曲げモーメント
はほとんど生ぜず、その結果、ｙ方向荷重検出用センサ
５４ｙｔ、５４ｙｃから誤差１１力が発生することはな
い。また、端部が基板５５と受圧板５２とに固着した重
直な２個のセル５３．５３により荷重を受けるので、感
圧モジュール５１は機械的に強固な１個の構造体となり
、ひいては信頼性の向−１−も得られる。

だが、第２０図に示すような平行型の圧覚センサモジュ
ール５１は要求性能を満たし、とくに荷重分力を相互干
渉なしに分動検出できるよう原理的には構成されたもの
であるが、実際に製作、試験し３ て見ると場合によってはなお種々の欠点があることがわ
かった。この欠点は主にセンサセルの端面に垂直な方向
の分力、すなわち前の第１０図における分力Ｆｙの測定
精度に関するもので、その第１としてこのような分力Ｆ
Ｖがかかったときセンサセル５３が企図されたように必
ずしも変形しないことに基づく。すなわち、第２１図（
Ａ）に示すようにセル５３は両端が基板５５と受圧板５
２とに固定された両端固定梁として設計されたものであ
るが、受圧板５２の剛性が必ずしも十分でない場合もあ
り、またセル５３の−１一端と受圧板５２との固着強度
を十分に上げることができない場合が多いので、実際に
は同図（Ｂ）に誇張して描かれたような一端自由梁に近
い変形が生じる場合がある。このような変形を示すと、
第１３図（Ｃ）で圧縮ひずみ用ストレンゲージとして示
された５４ｙｃが実際には引張りひずみを受けることに
なり、分力Ｆｙの測定値に大きな誤差を生じる。欠点の
第２は分力Ｆｙの測定値がセル５３の加工精度とくに厚
さの精度の影響を非常に受けやすいことである。この効
果は他の分力Ｆｘ、Ｆ　ｚに比し４ て非常に大きく、セル５３の厚さを薄くして測定感度を
上げようとするほど、僅かな加工の誤差によって大きな
測定誤差が生じる。欠点の第３は測定出力の大きさに関
するものであって、実用的な寸法、形状にセル５３を構
成すると、分力ＦＷに対する感度が他の分力Ｆｘ　、Ｆ
ｚに対する感度よりもむしろよくなり過ぎ、分力間に感
度差が生じる。感度が良好なこと自体はもちろん望まし
いことなのであるが、Ｍｌｌｌ定回路は前述のようなブ
リッジ回路に（−１属して増幅器類があり、あまり出力
信号差が大きいと測定回路の設へ１や製作がめんどうに
なる。

これらの点をさらに式を用いて説明する。まず、第１３
図（Ｃ）に示したような分力ｒｙ測定用ゲージについて
考えると、荷重ＦＹが紙面より手前の方向からかかると
してそのひずみ検出用ゲージ５４ｙｔ　、　５４ｙｃを
図示のように設けるとした場合、これらのゲージの位置
では、前述の（２）式で同様にα＝　３１１．８°、Ｒ
＞＞ｔ　とおいて、σ＝０．１９　Ｒ−ＦＹ　（８） ■ で表される応力に基づくひずみをゲージ５４ｙｔでは引
張りひずみ、ゲージ５４ｙｃ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５４ｚｔ　。

５４ｚｃの位置ではα＝８００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５
４ｘｔ、５４ｘｃ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−ＦＹ　（？） ■ 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ＦＭ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１４図（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、ふつうは誤
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。しかし、前述のような受圧板の剛性の不
足などで理論どおりの検出１１１カカ胃１，１られない
場合には、ブリッジ回路による補正が１−分なされずに
誤信号が出力される可能性が残っている。

さらに、前述の（２）式における断面２次モーメンｌ−
Ｉをめて見ると、センサセル５３の厚さ１）方向の中央
の端面に平行な面について計算して１、■ Ｉ＝−ｂ”ｔ　（８） となり、ストレンゲージが設けられる端面の位ｎではこ
れにある係数βをかけたものと考えてよい力）ら　、 １−−β　ｂ３ｔ　（９） となり、これを（２）式に代入すると、β　ｌ〕２ｔ（
１０） となる。これを前述の分力Ｆｘ　、　Ｆｚに対する応力
σの式（４）、（５）と比較すると、分Ｉ；Ｉの項が分
力ＦＷに７ 対する式でｂ２ｔであるに対して、分力ＦＴｌ、Ｆ２に
対する式ではｂｔ２である点が明らかに異なっている。

前述のように実用的なセンサセルでは厚さの寸法すが幅
の寸法ｔよりもかなり小さく、また製作上の公差も抑え
にくい。前（１０）式によれば、分力Ｆｙに基づく応力
に従ってひずみは厚さ寸法すの２乗項に反比例するので
、他の分力Ｆｘ、Ｆｚに基づくひずみが厚さ寸法すの１
乗項に反比例するのに比べて、それだけ厚さ寸法の変動
の影響を受けやすく、かつ検出信号のレベルも高くなる
のがわかる。

第２２図〜第２４図はそれぞれ圧覚センサモジュールを
構成する感圧体としての複数個の圧覚センサセルの内の
少なくとも２個をリングの端面が互いに直交するように
配設し、かつ各感圧体からはセルの端面に平行な方向に
かかる荷重分力に対する応答出力信号のみを取り出し、
これらを組み合わせて所望の荷重分力を測定することに
よって、上述のような平行型モジュールのもつ欠点を解
消し８ て、受圧板の剛性やそのセルとの固着結合状態、さらに
はセルの厚さの加工精度に影響を受けずに荷重の分力を
相互干渉なく、かつできるだけ分力間の感度差なしに検
出ないしは測定できるようにした圧覚センサモジュール
の構成例を示す。第２２図の例では、図示のように互い
に平行に配された基板５５および受圧板５２の間に、４
個のセル５３−１〜５３−４が箱形に配設されており、
それぞれその−Ｉ一端を受圧板５２に、下☆１１Ａをノ
、（板５５に固着されている。従って、セル５３−１．
５３−３の端面とセル５３−２．５３−４の端面とは互
いに直交する方向に配されている。受圧板５２の−に面
には受圧板が受ける荷重の３分力の方向がｘ、ｙ、ｚで
示されている。この荷重を受圧板５２を介して受けるセ
ル５３−１〜５３−４には、図示のようにスＩ・レンゲ
ージ群５４が設けられており、セル５３−１上のゲージ
としては、２方向の分力を検出するための４個のゲージ
５４ｚｔ、５４ｚｃと、ｙ方向の分力を検１１１するた
めの４個のゲージ５４＋＋ｔ、５４ｘｃとの２種のゲー
ジ群が設けられている。２方向分力測定用ゲージの内、
セル５３−１の外径側に配された２個のゲージ５４ｚｔ
は、矢印方向の２方向分力を受けて引張りひずみを検出
し、内径側に配された２個のゲージ５４ｚｃは圧縮ひず
みを検出し、これら４個のゲージは第２５図に示すよう
にブリッジ回路Ｂｚｌの各辺に接続される。ｙ方向分力
測定用ゲージの内セル５３−１の左上部と右下部に設け
られた２個のゲージ５４ｘｔは、矢印方向のｙ方向分力
を受けて引張りひずみを検出し、右」一部と左下部の２
個のゲージ５４ｘｃは圧縮ひずみを検出し、これら４個
のゲージは第２５図のブリッジ回路Ｂｙｌの各辺に接続
される。なお、これらｙ方向分力測定用ゲージはいずれ
もセル５３−１の内径側に配されているが、外径側に配
しても差し支えない。

一方、隣りのセル５３−２　は前述のようにその端面が
セル５３−１の端面と直交するように配設されており、
４個の２方向分力測定用ゲージ５４ｚｔ、５４ｚｃが設
けられるのは前と同じであるが、今度は４個のＸ方向分
力測定用ゲージ５４ｉｔ、５４ｘｃが設けられる。これ
らゲージ群のひずみ検出の様子は前と同じであり、ｚ力
面検出用の４個のゲージ５４ｚｔ、５４ｚｃは第２５図
のブリッジ回路Ｂｚ２に、Ｘ方向検出用の４個のゲージ
５４ｘｔ、５４＋＋ｃはブリッジ回路Ｂｙ２に接続され
る。残りの２個のセル５３−３．５３−４についても同
様であり、セル５３−３には２方向分力検１１１川ゲー
ジとｙ方向分力検１１１用ゲージとが設けられ、それぞ
れ第２５図のブリッジ回路Ｂｚ３と８３１３とに接続さ
れる。セル５３−４については、２方向分力検出用ゲー
ジとＸ方向分力検出用ゲージが設けられ、それぞれブリ
ッジ回路Ｂｚ４とＥｘ４　とに接続される。

以上により、これらのストレンゲージを要素とするブリ
ッジ回路群は第２５図のように接続され、２方向につい
てはセル５３−１〜５３−４に対応する４個のブリッジ
回路Ｂｚｌ〜Ｂｚ４が直列接続されるが、Ｘ方向および
Ｘ方向については、それぞれセル５３−２．５３−４お
よびセル５３−１．５３−３に対応するブリッジ回路Ｂ
ｘ２．Ｂｘ４およびブリッジ回路ｏｙ＋、Ｂｙａが２個
ずつ直列接続される。図では各ブリッジ回路への電源が
＋、−により、前述のように直列接１ 続されたブリッジ回路群からの出力端子が、Ｘ＋Ｙ。

２方向それぞれについてＥｘ、Ｅｙ、Ｅｚで示されてい
る。２方向のブリッジ回路の直列接続数は”＋１両方向
のそれに対して２倍になっているが、前の（４）　、（
５）式かられかるように２方向のゲージの感度が”＋１
両方向のゲージの感度の約１７２であるので、第２５図
の回路の出力端子Ｅｘ、Ｅｙ、Ｅｚからの検出信号のレ
ベルはほぼ揃うこととなり、後段の増幅等に入力するの
に好都合である。

第２３図の例では２個のセル５３−５．５３−６は端面
が互いに直交するようにＴ字状に配されている。前例の
説明から容易にわかるように、本例の場合は、受圧板５
２が受ける荷重の２方向分力はセル５３−５．５３−１
３のストレンゲージ５４ｚｔ、５４ｚｃにより、Ｘ方向
分力はセル５３−６のスＩ・レンゲージ５４ｘｔ、５４
ｘｃ　（図示せず）により、Ｘ方向分力はセル５３−５
のストレンゲージ５４ｘｔ、５４ｘ　ｃにより検出され
、これに対応するブリッジ回路の直列接続数は第１４図
に示した例のちょうど１／２になる。３分力方向ｘ、ｙ
、ｚに対する検出出力がほぼ同程度になる２ のも前の例と同じである。

第２４図の例では３個のセル５３−７．５３−８．５３
−８が１字状に配されていて、この内セル５３−７．５
３−８は端面が互いに平行であるが、セル５３−９の端
面ば他のセルの端面と直交するように配されている。

またゲージの接続は、２方向分力に対してはセル５３−
７〜５３−８のストレンゲージ５４ｚｔ、５４ｚｃから
なる３個のブリッジ回路が直列接続され、Ｘ方向分力に
対してはセル５３−７．５３−８のストレンゲージ５４
ｘｔ、５４ｘｃ　７５＞らなる２個のブリッジ回路が直
列接続され、Ｘ方向分力に対してはセル５３−８のスト
レンゲージ５４ｘｔ　、５４Ｘ　Ｃからなる１個のブリ
ッジ回路が設けられる。この例の場合には、前の例のよ
うにこのままでは３分力に対する検出出力ｌ／ベルを揃
えることはできないが、幸いシリコンスＩ・レンゲージ
は抵抗値すなわち出力の大きさの異なるものが製作でき
るので、抵抗値を適宜に選４ｊｉ！することによって検
出出力レベルの不揃いを補償することが可能である。

複数の検１■１素子を直交させた直交型のものは、単一
荷重測定においては、後述するように偏荷重に対して問
題があるとの理由で従来用いられなかった。すなわち、
例えば第２６図に示すように２個のセンサ２０が直交す
るようにした場合受圧板３５の中心点Ａに矢印Ｕ方向の
荷重が加わると、これは各センサ２０の受圧面に等分布
荷重が作用したものと同等であるから、２つのセンサ２
０が分担する荷重から全荷重を計算することができるの
で問題はないが、偏位点ＢにＵ方向の荷重が加わると、
センサ２０にはＵ方向の力だけでなく、モーメント暦が
加わり、これにより各センサ２０にはＵ方向以外の力が
加えられ、この力が誤差出力となるという欠点がある。

このように、単一荷重測定の場合には、偏荷重の問題が
あるので、直交型の実用化は干渉が少ない利点があるこ
とが知られているにもかかわらず、不可能視されていた
。ところが、第２２図〜第２４図に示すような本発明に
関わる圧覚センサモジュール５１は数ｍ１１以下の微小
な大きさであり、このモジュール５１を第８図に示すよ
うに多数個高密度にアレイ状に配列しているので、荷重
の分布状態を測定する場合には、１個のモジュール５１
にはほぼ均等な分４１荷重が作用していると見なされる
。よって、単一荷重７１１１＋定のときのようなモーメ
ントを考慮する必要がなく、偏荷重に問題が生じない。

これにより、直交型のモジュールを実施でき、直交型に
よる他成分の干渉が少ないという上述のような利点をＶ
＋＋ることかできるのが顕著な特徴の一つである。

次に製造手段について説明する。まず、シリコン単結晶
をセル材料として用い、ストレンゲージをいわゆる拡散
形ゲージの形でシリコンウェハ内に形成することができ
る。すなわち、第２７図（Ａ）　、　（Ｂ）に示すよう
に、所定の厚さく例えば０．８ｍｍ）を有し、所定の伝
導形（例えばＮ形）と比抵抗（例えば１〜１０Ωφｃｍ
）を有し、かつ所定の結晶方位（例えば（ＩＩ＋）方向
の形成面）を有する単結晶シリコンウェハ６２の圧覚セ
ンサ単位セル相当領域５３に第１２図のような配置の拡
７１（＜形ストレンゲージ群５４、および金７．＜配線
をマスクレスイオンビーム加工やｉ蒸着などのＩＣ製造
技術（プレー５ す技術）によって形成することができる。例えば、Ｎ形
シリコン単結晶基板の表面内に電子ビームないしはイオ
ンビームを用いて不純物のインプランテーション法ある
いは不純物制御法のイオン注入法によりＰ形拡散形スト
レンゲージを作り込み、またその基板上に５ｉ０２絶縁
膜を介して金属薄膜配線およびポンディングパッド剖を
蒸着法で形成する。このＩＣ製造方法によれば、１枚の
ウェハ６２に多数個の圧覚センサ単位セルを作り込むこ
とができる。このウェハ６２からワイヤーソーカット法
や超極薄レジノイド切断砥石による自動グイシングツ−
カット法あるいはレーザ加工やエッチカットまたはこれ
らの加工法の組合せなどの加工方法により、圧覚センサ
単位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ｍｌ１１〜１ｍｍ　）のプレーナ
形圧覚センサ単位セルが得られる。

セル５３の厚さはセルの径が例えば３ｍｍのときその２
０％、すなわち０．８ｍｍ程度がよいので、この寸法に
あった厚さのシリコンウェハ６２を材料として′６ 用いる。セル５３のウェハ６２からのりＪり出しは上述
のレーザカット法などでかなり寸法精度のよいセルが得
られるが、複数分力の測定に適した外形精度を得、かつ
ウェハからの切り出し時に生じやすい表面の残留ひずみ
を除去するため、切り出したセルの外形とくに外周面の
研削が望ましい。この研削法としてはホーニング法等の
機械研削が可能であり、このほか最近ミクロ加工法とし
て知られて来たエラスチック・エミッション法などを採
用することもできる。なお、シリコンウェハ内からなる
セルの内孔寸法としては、理論的には外径にできるだけ
近くなるよう大にするのが９１ましいが、実用的には外
径の５０％程とするのが、機械強度と荷重測定精度との
兼ね合いの面から適当である。

また、拡散形ストレンゲージＩＴ５４はゲージ率（ピエ
ゾ抵抗係数）の結晶方位依存のない（１１１）面に形成
することによって、特性のバラツキの非常に小さい圧覚
センサを得ることができるので好ましい。すなわち、Ｐ
形シリコンのピエゾ抵抗係数を代表的な三つの結晶面Ｈ
ｏｅ）面、（１１０）面および（１１１）面について示
すと、第２８図（Ａ）〜（Ｃ）に示す通りである。この
図において、実線の曲線はストレンゲージの長手方向と
同じ方向のひずみ成分に関するピエゾ抵抗係数（π文）
であり、破線の曲線はストレンゲージの長手方向に垂直
な方向のひずみ成分に関するピエゾ抵抗係数（πｔ）で
ある。なお、原点からの長さがピエゾ抵抗係数の大きさ
を表し、ピエゾ抵抗係数が大きい程感度が高くなるとい
う比例関係にある。

ここで、第２８図（Ａ）は（１００）面、第５図（Ｂ）
は（１１０）面、第５図（Ｃ）は（１１１１面の場合を
示すが、上述のストレンゲージ配置条件により、（１０
０１面では互いに直交する方向にしか感度がないので、
不適当である、また、（１１０）面ではＦｚ用ストレン
ゲージを（１１０）方向に合わせて形成するとＦｘ用あ
るいはＦＷ用スストレンゲージこれより約５０°傾いた
方向（図中の一点鎖線で示す）に形成するので感度が小
さくなり、ストレンゲージの僅かな位置ずれによって大
きく感度が変動することになるので、特性のよく揃った
圧覚センサを得にくい。これに対して、（Ｉｌｌ）面は
感１■が結晶方位に依存しないのでゲージ配置角度のず
れによる感度の変動がなく、特性のよく揃った圧覚セン
サが得られる。

また、上述の圧覚センサセル５３の受圧面に印加される
力量外に温度変動の際に支持体である下部基板５５（第
８図参ＩＱ　）から力が加わって、セル５３に応力が発
生すると、オフセラ）・信号を大きく出してしまう。そ
こで、下部ノ１（板５５をセル５３の月利と熱膨張係数
の近いＩＡ＃Ｊから形成すると、７１一度変動時に熱膨
張係数の差によって感ｊ［構造体に応力が発生すること
をＩｌｌ　１１．　して、応力によるオフセット信号を
低鍼することができるので好ましい。

例えば、シリコンｒｌｔ結晶からなるセル５３が固定さ
れる下部基板５５を同じシリコン結晶で作成する。この
場合下ｆｉｌ）、（板５５を構成するシリコン結晶は単
結晶に限らず多結晶でもよい。下部基板５５がセル５３
と同じ材料であるから、温度変化の際熱膨張が同一であ
るため、セル５３に応力が生ずることがない。しかじ熱
膨張係数が同じでなくても近似していれば、温度変化の
際に熱膨張の差が小さいためセルに発生する応力は無視
できる位置さい。すなわち、感圧構造体１の材料がシリ
コンの場合、その線膨張係数は２．５　Ｘ　１０−６／
°Ｃ！であるが、線膨張係数が２．５ＸＩＦＢ±５０％
内にあれば他の材料、例えばインバーのような合金ある
いは他の半導体の単結晶、多結晶を用いることもできる
。

さて、第２８図に示したように、共通の基板５５の１−
に感圧素子のセル５３を多数個並設する際、基板５５へ
の増刊は精度が荷重測定の精度に大きな影響を及ぼす。

例えば同図（Ａ）に示すように、セル５３の向きが分力
を測定すべき方向”＋Ｙに対してβで示す角度傾いてい
る場合には、もはやそのセル５３からの測定出力は正し
い”＋ＶＹ方向分力Ｆｘ、Ｆｙを示し得ない。また同図
（δ）に示すように、傾きβがないようにセル５３が並
べられてはいるが、正規の位置から図示のようにＸ、Ｙ
方向にδＸないし１ま９ δｙだけずれている場合も同様な測定誤差が生じ、とく
に２個のセル５３．５３を受圧板５２（創縁で示す）で
連結して第２０図に示すような基本形を構成する際に誤
差が大きくなり、あるいは複重になって誤差を補正する
ことがむつかしくなる。以下、かかる問題のないように
かつ比較師部ｔ１１に精度のよい圧覚センサアレイ５０
を製作しうる手段について第３０図〜第３５図を参照し
て説明する。

まず、第３０図に示すように基板５５の上面に互いに平
行な複数の溝５８がｉｔｔけられる。一方、同図では基
板５５の上面に載泗された形で描かれたセル５３の図の
下端側には、前述の溝５６の深さに適合した寸法ｄを有
する係合ｔｊＲ５３ｆがリング本体から突出して設けら
れている。またこの例ではセル５３のト端側にも同様な
寸法ｄを右する係合部５３ｇが設けられている。このよ
うに形成されたセル５３はその下方の係合部５３ｆを１
Ｉｖ１５８に嵌めこむことにより、第２９図（Ａ）に示
したような傾き誤差βおよび同図（Ｂ）に示したＹ方向
の偏位誤差δＶが生じないように基板５５の上に配設す
ることができる。

０ 第３１図にはセル５３の第２９図（Ｂ）に示したＸ方向
の偏位誤差δＸがないように、複数のセル５３を列状に
整列させる手段として円形断面の棒状の治具８３をセル
５３の内孔５３ｈに挿通した状態が示されている。セル
５３はこの整列治具６３にあらかじめ通しておいた」−
で、第３１図に示すようにその各係合部５３Ｆを基板５
５の溝５６に嵌め込んでもよいし、また各セル５３の係
合部５３ｆをあらかじめ個々に溝内に嵌め込んでおいた
後に、その内孔５３ｈに整列治具６３を挿通することに
より、複数のセル５３を整列させてもよいことはもちろ
んである。このようにして複数個のセル５３を正しい配
置に置いた後、各セルの係合部５３ｆを溝５５に固着さ
せる。整列治具６３はこの固着作業前あるいは作業後に
取り外される。

この段階でストレンゲージ５４からの配線６４を外部に
引き出す接続作業を終了させておくことが望ましいが、
この接続手段については後述する。

この例では第３０図に示したように各セル５３には上方
の係合部５３ｇが備えられているので、これに対応して
第８図に示した受圧板５２の素材としての受圧素板８５
には、第３２図に示すようにその下面に溝Ｂ６が設けら
れている。図示のようにこの受圧素板８５は複数個のセ
ル５３に対し共通に設けられており、圧覚センサアレイ
５０に対して１枚、あるいは結合部５３ｇを溝６８に嵌
め込みやすいように数枚に分割される。いずれにせよ、
溝６Ｂに各保合部５３ｇを嵌め込むことによって、複数
個のセル５３の位置は正しい幾何学的配置に置かれる。

この後、前と同様な手段で溝８６と係合Ｆ＋ｌ１５３ｇ
が固着される。なお、受圧素板の材料としてはノ＾板５
５と同様にシリコン材料でもよいが、金属製とすれば機
械的にしん性の高い受圧板を１１１ることができる。

その後、受圧素板６５には、第３３図に示すように縦横
の切溝６７が入れられてそれぞれ一〃いに分離された受
圧板５２に形成される。この受圧素板６５の切断は、ダ
イヤモンドカッタやレーザカッタ等により容易に行うこ
とができる。また、この例では受圧素板の切断は、１枚
の受圧板が２枚のセル５３を互いに結合するように、す
なわち、第２１図に示し３ た基本形の感圧素子が得られるようになされる。

このように、比較的量産に適した手段により、セル５３
が正しく幾何学的に配置され、かつ基板５５と受圧板５
２とに強固に固着された多数の感圧素子を含む分布荷重
センサを製造することができる。

第３４図は他の例を示すもので、本例によれば各センサ
５３の係合部５３ｆが基板５５の溝５６に嵌め込まれか
つ固着されることは前述の例と同じであるが、受圧板５
２は溝を備えておらず各セル５３の上周面に直接固着さ
れる。従って、この例では受圧板５２の素材としての受
圧素板には溝なしの平板状のものを用い、各セル５３の
上周面に載置した状態でセル５３と突き合わせ固着した
うぇで第３４図に示すような分画された受圧板５２に切
断すればよい。この例においては、複数個のセルの幾何
学的配置が第３３図に仕上がり状態を示した前の例と比
べて若干精度が落ちる可能性はあるが、各セル５３の位
置が溝５６により規制されかつ前述のようにすでに整列
されているので、実用的に十分な幾何学的精度を保つこ
とができる。また、組立ずみの状態にお４ いて、各セル５３に強１１ノ１的なひずみが残留しない
長所もあり、さらには前の例よりも組立て作業が簡単で
量産に適する利点もある。なお、前述の説明からも容易
にわかるように、ここに図示はされてないが、基板５５
を溝なしとし、受圧板５２ないしはその受圧素板を溝つ
きに構成しても、本発明の要旨と均等な手段で同様な利
点を有する分布荷重センサを容易に製造することができ
ることはあきらかである。

第３５図はさらに異なる例を示すもので、この例によれ
ば第３１図の工程におけるセル５３の整列手段として、
棒状の整列治ｊ１８３のかわりに、第３５図に示すよう
な多数のさん８８ａを有する枠状の整列治具６８が用い
られる。さんＨａ相互間の隙間ｅ８ｂの幅文は、第３０
図に示したセル５３の幅見と同程度に形成されている。

この整列治具８８を用いる前の工程では、第３０図で基
板５５の上面に載置された状態で示されていた各セル５
３は、その係合部５３ｆを溝５６に嵌めこむことにより
、溝５６の方向いわば行方向には整列されて溝方向に摺
動自在に係止されている。このセル５３　ｉ′ｆの列方
向の整列は、該整列治具６８を第３０図の上方から挿入
してその隙間１３８ｂ内にセル５３を納めることによっ
てなされる。

第３０図に示すように各セル５３の周面には斜めの肩部
５３ｋがあり、整列治具６８の」三方からの挿入に際し
てこの肩部が整列治具６８のさんＥ１８ａに当って、各
セル５３を自動調心的にその隙間８８ｂに案内する。セ
ル５３が円形の外周面を有するときも同様である。容易
にわかるように、この例における整列治具６８は、前の
例における整列治具８３よりも実用」−縫産工程に適し
ている。

以上の組付は手段は、第３３図、第３４図に示すような
平行型モジュールばかりでなく、第２２図〜第２４図に
示したような直交型モジュールにも適用できる。この場
合は、基板５５の溝５Ｂまたは受圧素板６５の溝６６の
少なくともいずれかをモジュールの構成に合わせた直交
する溝に形成することにより行う。

ただ、基部５５上に組込む前から各セル５３は各々セル
毎に分離独立して形成されているため、圧覚センサアレ
イ５０を形成するには、−に連のように下部基板５５」
二の平行な複数の溝５Ｂにそれらの複数セル５３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５３に治って行方向に分布立設されたセ
ル５３を列方向に整列させる工程と、その溝５３に係合
された各セル５３の一端側を基板５５に固着する工程等
の工程が少なくとも必要であり、製造ｅ組ケ王数が増大
するという問題がある。

しかも、この種の圧覚センサアレイはできるだけ寸法を
極小化して高密度共積化できることが要求される。例え
ば、受圧板５２の大きさは数ｍｍ角、できれば１ｍｍ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
うことはセンサ５３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
化が困靜となるという問題がある。

第３６図〜第３８図は上述の問題点を解消する目的７ で考えた短冊型セルの一例を示す。

第３６図〜第３８図の圧覚センサは列方向のセル５３が
複数個各列毎に一木の短冊形の単結晶シリコン７１−に
に一体に連続して構成されているので、各セル毎に基板
５５の溝５６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７１′＃
￥の製造工程となるので、製造工数が大幅に減り、ひい
ては、Ｖ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」−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３６図のように円形の穴７２のみで複
数個のセル５３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３７図のように複数の小形の
円形穴７３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。

８ また第３８図のように隣接したセルを大形の切込み溝７
４によって分動すれば干渉をなくすことができるが、切
込み溝７４の位置精度や寸法精度を上述の円形穴７２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
て回動である。このため、セルの外周からストレンゲー
ジ５４までの距頗文９文′の精度が悪くなり、各セルか
らの１１１力にばらつきが生じる。

第３８図および第４０図はそれぞれ位２を精度および寸
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！、Ｔｊ込み溝によって遮断するようにし
て、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の一例を示す。

第３８図（Ａ）に示したように、短冊形の単結晶シリコ
ン７１にセル構成用の円形穴５３ｈと、セル分離用の円
形穴７２および半円形状の穴７５を交互に開け、セル構
成用の円形穴５３ｈの周りにストレンゲージ５４を形成
してセルを構成する。これらの円形穴５３ｈ、７２．７
５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７１にストレ
ンゲージ５４を形成してから穴５３ｈ　、　７２および
７５を開けるようにしてもよい。

さらに、第３８図ＣＢ）に示したように、セルが形成さ
れた−に述の短冊形の単結晶シリコン７１を受圧面５３
ｄを−に方にして下部基板５５の溝に並べて固着し、そ
のシリコン７１の上に上部受圧板５２の素材としての受
圧素板６５を乗せて固着した後、第３９図（Ｃ）および
（［１）に示したように、セル分離用穴７２および７５
を通る切込み溝７６によって、受圧素板６５といっしょ
に隣接するセル５５を互いに分離する。

ここで、切込み溝７６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、ストレンゲージ５４に影響を与える加工は
高精度加工ができる円形穴７２　、７５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、各セルが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５５から
の干渉は小形の切込み溝７Ｂによって遮断される。

第４０図（Ａ）〜（Ｄ）は他の例を示す。第４０図（Ａ
）に示したように、短冊形のｑｔ結結晶シリランフ１セ
ル構成用の円形穴５３ｈとセル分敲用の大径の円形穴７
２とを交互に開けた後に、その大径穴７２め位置に合せ
て矩形のセル分〜用切欠き溝７４ａを形成している。他
は前述の第３９図（Ａ）〜（［１）に示した例と同様な
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７１の端面に垂直なカの検出には若干の誤差が
生じるが、加工工数は第３８図（Ａ）〜（Ｄ）の例より
少ない。

また、圧覚センサアレイ５ｏの基本的構成例を第８図に
示したが、図示のように、感圧モジュール（圧覚センサ
モジュール）５１を共通の下部基板５５上に面アレイ状
（マトリックス状）に高密度に多数配列して接着剤等で
固着し、下部基板５５−１−で感圧モジュール５１間を
配線して圧覚センサアレイ５゜を構成した場合には、次
のような欠点がある。

１ ■　圧覚センサの仕様に応じて下部基板の大きさを変更
する必要があり、それに伴って配線パターンを再設計し
なければならない。

■　感圧モジュールのうち１個が圧覚センサアレイを組
立てた後に何らかの原因で不良となった時でも、その不
良となったモジュールだけを交換することは困難であり
、圧覚センサアレイ全体の交換となって、歩留りが悪い
。

第４１図〜第４４図は上述の欠点を解消したユニット型
圧覚センサアレイを示す。

第４１図において、８０は圧覚センサユニットであり、
複数個（例えば、４個）の感圧モジュール５１を下部基
板８１の上に１列に配列して構成する。その際、感圧セ
ル（圧覚センサセル）５３の下端部を下部基板８１上の
平行溝８２またはそのセル毎に開けた不図示の取付穴に
垂直に嵌み合わせて固定すると確実な組み込みが得られ
る。

圧覚センサユニッ）８０の１個の感圧モジュール５１内
の配線は、例えば第４２図に示したものであ２ す、受圧面に印加された力の３成分Ｆ＋＋、Ｆｙ、Ｆｚ
を検出する１個の感圧モジュール５１のストレンゲ−ジ
ブリッジ５４ｘ、５４ｙ、５４ｚから出る端子数は、電
源線を共通にすれば、６木の出力端子８３と２木の電源
端子８６の８木となる。さらに、１個の感圧モジュール
５１または圧覚センサユニッ）８０毎に、サーミスタ等
の温度検出素子８７に接続する温度検出用端子８４、お
よびＭＯＳスイッチ等の半導体スイッチ８８に接続する
制御用端子８５とを有している。温度検出素子８７は下
部基板８１または感圧モジュール５１内に組込まれてお
り、ＭＯＳスイッチ等８８は下部基板８１に組込まれて
、温度検出出力およびブリッジ出力を感圧モジュール５
１４ηにまたは圧覚センサユニッ）８０毎に開閉制御す
る。

これらの外部端子８３〜８６は、例えば第４１図に示す
ような下部基板８１の側面に突ＩＩＩさせた公知のリー
ドレスチップキャリア接続方式で形成し、または第４３
図に示すような下部基板８１の底面にピン状に突出させ
た公知のピングリッドアレイの接続方式で形成する。さ
らに、これらの外部端子８３〜８６と各感圧セル５３の
端子とを接続する内部端子を下部基板８１の溝８２内に
あらかじめ形成してあり、この内部端子の位置に合せて
感圧セル５３を溝８２内に組込む。よって、感圧モジュ
ール５１を溝８２内に組込むだけで、特別な配線接続作
業を必要とせずに圧覚センサユニット８ｏが完成する。

次に、第４４図に示すように、圧覚センサの仕様に応じ
てセラミック等からなるマザーボード８８に一ト述の圧
覚センサユニット８ｏを仕様に応じた任意の数だけ組合
わせて、公知のリードレスチップキャリアまたはピング
リッドアレイ同様の機械的強度を有する接続方式で取り
つけ、これにより圧覚センサを形成する。なお、マザー
ボード８９にはあらかじめプリント配線が行われている
ものとする。

上述のリードレスチップキャリア方式ではマザーボード
８９上の接続端子と、下部基板８１の側面に突出させた
外部端子８３〜８６（第４１図参照）とをボンデングや
ハンダ等により直接接続することにより、マザーボード
８８上に圧覚センサユニッ）８０を固定するので、マザ
ーボード８９Ｌの圧覚センサユニット８０の交換は容易
である。

また、−に述のピングリッドアレイ方式で１士、下部基
板８１の底面に突出させたピン状の外部端子８３〜８６
（第４３図参照）とマザーボード８８ヒに聞１−１した
穴状の接続端子とをしまりばめで嵌着することにより、
圧覚センサユニッＩ・８０を固定す・るので、マザーボ
ード８９にの圧覚センサユニッＩ・８０の交換はより容
易である。また、両接続方式とも、圧覚センサユニット
８０をこのように組伺けるだけで、その後の配線接続処
理等は不要である。

次に、ストレンゲージ５４の好ましい形成位置について
述へる。単一のセル５３で１個のモジュール５１を形成
した場合には、セル５３にｙ方向の荷重が加わったとき
、受圧面５３ａが第４５図の破線に示すように下部基板
５５の表面に平行でなくなるような変形をすることがあ
り、ｙ方向荷重の検出ができなくなる。そこで、？１１
位セルを２個用い、第４６図に示すようにそれぞれの単
位セル５３−１０．５３−２０をその主表面５３ａを基
板５５の表面に垂直にして立５ て、に部に共通の受圧板５２を載せてこの受圧板５２の
上面５２ａを受圧面にすると、今度は、二つのセル５３
−１０．５３−２０に加わる力が不均一になることがあ
るので、両セルで得られる出力電圧から正確な力の検出
を行わなければならない。しかし、両セルのストレンゲ
ージ群５４を第１２図のように形成することは単一セル
の場合に比して２倍の工数を必要とするので圧覚センサ
の価格の上昇をもたらす。

また、圧覚センサの信頼性を決める大きな要素は配線の
信頼性である。すなわち、感圧セル５３の表面のストレ
ンゲージ領域相互間およびそれらへの入出力のための配
線が構造体表面に形成されるのであるから、セル５３に
生じる歪は配線部にも及び、この歪で配線部の抵抗変化
あるいは断線が生ずると信頼性を大きく低下させる。こ
のような配線８１は、例えば第４７図に示すようにセル
基板５３Ｎのストレンゲージ領域５４Ｐに接触し、他の
部分では酸化膜９２によって絶縁され一端に端子８３を
有する金属薄膜によって形成される。しかし、１２個の
６ ストレンゲージから二つのブリッジ回路を構成するには
配線８１による第１２図に示すような結線が必要であり
、第４８図に示すように、一方の配線９１−１の上に絶
縁被覆層８４で絶縁して他方の配線９１−２を設けなけ
ればならぬクロスオーバが３９個所も必要である。特に
このクロスオーバが歪の大きいセル５３の下部に存在す
るときは歪の影響による′信頼性に一層問題がある。第
１２図のＶｘ、Ｇｙ、Ｖｙ、Ｇｙ、Ｖｚ、Ｇｚはプラス
またはマイナス側電源端子である。また、第４８図に示
すように、その電源の一方を共通（アース側端子Ｇ）に
し、他方を独立プラス側端子（Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ）にし
た片面三成分電源不完全独立形では、その配線のクロス
オーバは３５個所になる。さらに、第５０図に示すよう
に各ブリッジに対して電源を共通（プラス側端子Ｖ、マ
イナス側端子Ｖ）にした片面三成分電源共用形の場合に
しても、その配線のクロスオーバは３１個所も必要とな
る。

そこで、配線のクロスオーバの設置場所を圧覚センサ単
位セルの左右個所と下部位置とにし、その左右個所をそ
れぞれ垂直方向分力Ｆ２検出用の両ストレンゲージの中
間部の中央位置にすればその左右個所は比較的中の発生
の小さい領域とすることができて、そこのクロスオーバ
の信頼性への影響はほぼなくなるが、−劣下部位置は歪
の比較酌量も大きな領域であるので、その下部のクロス
オーバは抵抗変化や断線を生じやすく信頼性に問題があ
る。

第５１図に示すものは、」−述の問題点を解消すること
を図ったセル５３の一例である。本図において８１は各
ストレンゲージ５４と端子８３間を接続する配線である
。各単位セル５３の表面５３ａにはＦ２検出用のストレ
ンゲージ５４ｚｔ、５４ｚｃ　、　Ｆｘ検出用のストレ
ンゲージ５４ｘｔ、５４ｘｃ　、　Ｆｙ検出用のストレ
ンゲージ５４ｙｔ、５４ｙｃがそれぞれ形成されている
。このような単位セルを２個用いてＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ検
出用のフルブリッジを構成すれば二つの単位セルにおけ
る力の不均一を補償することができる。このセル５３に
おける配線９１は第１２図に示したセル５３の配線８１
に比して極めて簡単であり、特に製造上手数を要し、信
頼性の点でも問題のあるクロスオーバが３１１個所ら皆
無になり、端子８３の数も８個から７個に減少している
。このように、本例は、二つのＱ％　位セル５３．５３
からなる圧覚センサモジュール５１の印加された力の３
成分を検出するためのブリッジを二つの単位セル５３．
５３に二分するようにしているので、両セル５３に加わ
る力の不均一を補償するとともに、両セル５３がそれぞ
れフルブリッジを備える場合に比し、ス；・レンゲージ
が生籾となるばかりでなく、配線密度が大１１１１．１
に低くなり、クロス−オーバも皆無にできるので製造工
数の節減、信頼性の向上が達成され、極小形の圧覚セン
ザｒ１ｉ位セルを低価格で得ることができる。そのほか
配線密度の低減により、感圧構造体の半導体に温度セン
サやアナログスイッチなどの他の素子を集積する命土色
も生じる。

第５２図（Ａ）　、　（Ｂ）は他の例を示し、セル５３
の片面５３ａにＦＸ成分検出用のハーフブリッジ（本図
（Ａ））を他面５３ａ　にＦｚ及びＦｙ検出用のハーフ
ブリッジ（本図（Ｂ））を備えているもので、第４７図
９ の場合に比し端子数がさらに減じている。端子数をさら
に減するには、基板と異なる導電形のエピタキシャル層
を有するエピタキシャルウニ／＼を使用すれば、基板を
接地配線に利用できるので接地端子９３−１．９３−２
を一つにすることできる。

第５３図〜第５６図は、圧覚センサの受圧面に印加され
る力の３成分を検出するためのストレンゲージを２つの
単位セルに分けて形成した例を示す。

第５３図（Ａ）に示す第１単位セル５３−１０の片面５
３ａにＦｚ検出用のストレンゲージ５４ｚｃ、５４ｚｔ
を、第５３図（Ｂ）に示す第２単位セル５３−２０の片
面５３ａにＦＷ検出用のストレンゲージ５４＋ｒｃ、５
４ｘｔ　、　Ｆｙ検出用のストレンゲージ４５ｙｃ、５
４ｙｔを配置した例では、本図から明らかなように配線
８１のクロスオーバは８個所となり、しかも信頼性に影
響を与える下部位置のクロスオーバを無くして左右部の
みに限定できるので、歪の小さいリング幅の中央部に配
置すればクロスオーバの信頼性が向上できる。

第５４図（Ａ）　、　（Ｂ）に示す例では第５３図（Ｂ
）に示０ した第２単位セル５３〜２０のストレンゲージ５４ＭＣ
。

５４ｘｔ、　５４ｙｃ、５４ｙｔを第２単位セル５３−
２０の表面５３ａ（本図（Ａ））と裏面５３ａ’　（本
図（Ｂ））に別々に配置したもので、配線８１のクロス
オーバは表面５３ａの３個所のみに減じ、左右部のみと
なる。

第５５図（Ａ）　、　（Ｂ）はエピタキシャルウェハを
使用して第１．第２単位セル共、片面にストレンゲージ
を形成した例であり、例えばｐ型シリコン基板の一面に
ｎ形エピタキシャル層を形成し、その表面にｐ形のスト
レンゲージを形成するもので、この場合はｐ形基板が接
続点８５を通じて電源の一方に接続される接地配線とし
て利用されるので、クロスオーバはさらに減じて左右部
にある１個所のみとなる。

第５８図は第２単位セル５３−２０に両エピタキシャル
ウェハを使用してストレンゲージ５４ｙｃ、５４ｙｔ。

５４ｘｃ、５４ｘｔを両面５３ａ、　５３ａ’　に分け
て形成した例でクロスオーバは同様に左右部にある１個
所のみとなる。

このように、一方の単位セルの感圧構造体が力の３成分
のうち２成分を検出するストレンゲージを備え、他方の
単位セルの感圧構造体が残りの１成分を検出するストレ
ンゲージを備えるように構成１でいるので、配線密度が
大幅に低くなり、結線のために感圧構造体表面に設けら
れる配線のクロスオーバの数を低減でき、また歪の大き
い構造体下部におけるクロスオーバを避けることができ
るため、配線の信頼性が向上し、その上二つの単位セル
から構成することにより、力が印加された場合受圧面が
支持面に平行に移動することが保証され、検出の信頼性
も飛躍的に向上する。

上述のように、力の３成分を検出するためのストレンゲ
ージを２つの単位セルに分けて形成する代りに、力の３
成分のうち２成分を単位セルの片側の面で検出し、残り
の一成分をその単位セルの反対側の面で検出するように
、力の３成分を検出するためのストレンゲージを同一の
単位セルの表と裏面に分けて形成するようにしてもよい
。例えば、第５３図（Ｂ）に示すような構成のストレン
ゲ−ジブリッジを第５３図（Ａ）の単位セル５３−１の
ストレンゲージ形成面５３ａの表面５３ａ′　に形成す
ることにより、同様な効果を１ｉすることができる。第
５５図（Ａ）、（Ｂ）の場合も同様である。次に、機能
素子の組み込みについて説明する。拡散形ストレンゲー
ジは抵抗値および歪による抵抗変化率すなわちゲージ率
に大きな温度依存性がある。しかもこの温度依存性は、
例えばＰ形＜ＩＩＩ＞方向につい′Ｃ第５７図に示すよ
うに不純物濃度によってもその値が大きく変化する。例
えばｔｏ　”　／　ａｍ”の不純物濃度の場合には、抵
抗変化率αが約３０％／１００℃、ゲージ率温度変化率
βが約−３０％／１００°Ｃの大きな値を持っている。

そのほか、ストレンゲージで構成されるブリッジの力が
零である場合の出力、すなわち、零点出力にも温１■依
有性をもっている。

従ってス）・レンゲ−ジブリッジの出力信号から正確に
力の３成分を算出するためには、正確に温度を知る必要
がある。

第５８図、第５８図はそれぞれ圧覚センサの中位セルに
温度センサ領域を形成することにより」；述のような温
度変化に対応して正確に力の３成分の算出することが容
易にできるようにした圧覚センサ単位セルの一例を示す
。

第５８図に示した例では、Ｎ形単結晶シリコンの単位セ
ル５３の垂直の面５３ａの歪の小さい領域に拡散により
Ｐ形抵抗領域８７が形成されている。第５８図（Ａ）　
、（Ｂ）は単位セル５３のシリコン基板の両面に形成さ
れたエピタキシャル層の一方５３ａにＦｚ検出用のスト
レンゲージ５４ｚｔ、５４ｚｃ　（図（Ａ）　）　、多
面５３８′　のエピタキシャル層にＦＸ検出用のストレ
ンゲージ５４ｘｔ、５４ｘｃおよびＦｙ検出用のストレ
ンゲージ５４ｙｔ、５４ｙｃ　（図（Ｂ））を形成した
場合の例で、拡散抵抗形温度検出素子８７は歪の影響を
受けるので、歪の最も小さい一対のゲージ５４ｚｔと５
４２ｃの中間に配置され、図のように端子９３−１に配
線８１により接続されている。一方の配線は接触点８５
−１から基板および接触点９５−２を経て端子８３−２
に至っている。第６０図は温度検出素子８７としてトラ
ンジスタを形成した例を示し、Ｐ形シリコンウェハ５３
Ｐ上に設けたＮ形ストレンゲージ５４Ｐを拡散し、Ｐ＋
拡散層９８により分離された領域にベース層とじて３ のＰ膨拡散層９９、コレクタ接触層としてのＮ＋拡散層
１００、さらにＰ形層９８の中にエミツタ層としてのＮ
十拡散層１０１を形成して感圧構造体である単位セル５
３内にＮＰＮ　ｌ・ランジスタを構成したものである。

同様に温度センサとしてダイオードを形成してもよい。

これらの抵抗、）・ランジスタあるいはダイオードを制
御回路に接続し、特性の温度変化を利用して感圧構造体
に加わった力の算出あるいは零点出力の温度補償を行う
。

このように、中位セル５３の中に温度センサを形成し、
ストレンゲージから得られる出力信号の温度補償に利用
するので、例えばロポ・ン；・ハンドに用いる場合、温
度の異なる物体を把持した際の圧覚センサの急激な温度
変化を補償することができて正確な把持力の検出ができ
る。

また、第８図に示すように、ブリッジの出力信号は増幅
部５７に入力されるが、各中位セル５３あるいは感圧モ
ジュール５１からの出力信号の取り出し、およびそれら
への入力の供給のための配線を少なくするために入力の
供給および出力信号の取４ り出しを単位セル５３あるいはモジュール５１ごとにス
キャンニングできるようにすることが望ましい。

第８１図〜第６５図はそれぞれ単位セル５３にアナログ
スイッチ８８が集積され、入出力配線中に接続されるこ
とによって、」二連のようなスキャンニングを容易にで
き配線を少なくした圧覚センサ単位セルの一例を示す。

第６１図および第８２図の場合は単結晶半導体として基
板の両面に異なる導電形のエピタキシャル層を備えたシ
リコン板を用い、一方の面のエピタキシャル層にＦｚ検
出用ブリッジを、他方の面のエピタキシャル層にＦｘお
よびＦｙ検出用のブリッジを形成したものである。第８
１図に示した感圧構造体である単位セル５３の表面５３
ａにはストレンゲージ５４ｚｔ、５４ｚｃのほかにその
中間の歪の小さい領域に出力端子Ｚに接続されるアナロ
グスイッチ８８−１．８８−２　、入力端子Ｖに接続さ
れるアナログスイッチ８８−３が形成されている。これ
らのアナログスイッチ８８は第６３図に示したようにＭ
ＯＳ　）ランジスタとして形成されている。すなわちＰ
形シリコン基板５３Ｐｊ−に設けられたＮ形エピタキシ
ャル層８７中にＰ膨拡散層９９が形成され、さらにその
中にＮ＋形のソース、ドレイン層ｌＯＯが形成されてい
る。シリコン板表面は醇化膜９２で覆われ、その上にゲ
ート電極１０２が設けられ、ＮチャネルＭＯ３ｌ・ラン
ジスタ８８が構成される。一方、ストレンゲージはＰ膨
拡散層５４Ｐにより形成され、これとの接続は金属薄膜
配線９１により接続されている。接地配線として利用さ
れる基板５３Ｐへの１次続はＰ膨拡散層８８で行われる
。この接地部は第６１図、第８２図では小円９５で表わ
されている。第６２図は裏面５３８′イリ１１を示し出
力端子Ｘ、Ｙに接続されるアナログスイッチ８８−４〜
８８−７および入力端子Ｖに接続されるアナログスイッ
チ８８−８が表面５３ａ　と同様に歪の小さい左右中間
部に形成されている。

第６３図に示すＭＯＳ　）ランジスタ８８はゲート電極
１０２に正の電圧を印加した場合に導通するが、第８４
図に示すようにエピタキシャル層９７に直接Ｐ＋拡散層
９９によりソース、ドレイン層を形成した場合は、ゲー
ト電極１０２に印加される電圧が零あるいは負の場合に
導通する。

第６５図は配線密度の小さいＦｚ検出用ブリッジ形成面
にアナログスイッチ８８−１〜８８−３および８８−９
のほかに温度検出素子８７およびそれに直列接続の薄膜
抵抗１０３を形成した例である。第６６図はアナログス
イッチ８８を組み込んだ単位セル５３を用いた場合の圧
覚センサの回路構成の一例を示し、図中に記入された符
号は第６１図〜第６５図に記入した符号の部分に対応す
る。一対の入力配線８Ｂ、複数の出力配線８０に挿入さ
れたアナログスイッチ８８を後述するマイクロコンピュ
ータ部１３７（第７８図参＠）からの信号により順次オ
ン、オフすることによりスキャンニングして、各単位セ
ルのＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ検出用の各ブリッジからの出力信
号を順次増幅部５７に取り出す。このスキャンニングの
詳細についてｉ±後述する。

このように、圧覚センサ単位セル５３にアナログスイッ
チ８８を配設したので、単位セル５３あるいは感圧モジ
ュール５１への入力の供給および出力信号７ の取り出しがスキャンニング可能となり、１１１位セル
のストレンゲージ５４と信号処理部５７との間の配線数
が大幅に減少するので、多数のセルを内蔵する圧覚セン
サアレイ５０の構成が極めて容易になる。第８７図はブ
リ・ンジ回路の差動増幅器（以下、差動アンプと称する
）１０４　とアナログスイッチ８８とを単位セル５３に
組み込み、各中位セル５３の出力配線を共通にすること
により下部基板５５上の出力配線９０の数を減らすよう
にしたｔｌを位セル５３の構成を示す。なおこの例では
、単位荷重計を構成する複数の単位セルのうち、一つの
単位セル５３だけに３つの検出用ブリッジが形成された
ものについて説明する。すなわち、ｍｎ個のセンサモジ
ュール５１（単位荷重計）がｍＸｎ行列を構成しており
、第（１，１）番目のモジュール５１を構成する単位セ
ル５３−１は　Ｆｌ＋１＋ｌ＋検出用ブリッジ５４Ｘ、
　Ｆｌ　＋　＋　＋Ｙ検出用−ｆ　ＩＪッシ５４ｙ、　
Ｐ＋　＋　１＋　２検出用ブリツジ５４ｚの他に、それ
ぞれのブリッジ出力を増幅するための３個の差動アンプ
１０４とこの差動アンプの出力を取出すか否かを制御す
る３個のアナログス８ イッチ８８とを有する。このようなモジュール５１が、
第（１，ｎ）番目のモジュールの単位セル５３−２０や
第（ｍ、ｎ）番目のモジュールの単位セル５３−３を含
めてｍＸｎ行列を構成している。さらに、１つの行を構
成するｎ個のモジュール５１のＦｘ検出用ブリッジ５４
ｘのアナログスイッチ出力を共通にして出力用スキャナ
１０５に入力している。ＦＷ検出用ブリッジ及びＦｚ検
出用ブリッジについても同様である。

このような構成において、第１列にある３Ｘｍ例のスイ
ッチング素子に制御用スキャナ１０６を切換えてベース
電圧を加えるとともに、出力用スキャナ１０５を第１行
から第ｍ行まで切換えて各単位セル５３のブリッジから
出力データを取出しマイクロコンピュータ部１３７に送
り込む。さらに制御用スキャナ１０６によって電波を流
す列を第１列から第ｎ列まで切換えれば、すべての単位
荷重計の出力電圧を取出すことができる。このような回
路構成にすれば各モジュール５１からの出力配線数は３
木になるからｍｎ個の単位荷重計からの出力配線数はａ
　Ｘｍ木となり、これは単位荷重旧の数が増加してもｍ
に比例して増加するにとどまり配線密度も以前はど高く
はならない。

なお、スイッチング素子８８を単位セル内に組み込むこ
とにより、モジュール５１と制御用スキャナ１０６間に
、スイッチング素子８８の導通遮断を制御Ｊ１する制御
用配線が新たに加わるが、この制御用配線は各中位荷重
Ｊ１を共通接続するため、配ｌａ数は合計ｎ水増えるに
すぎず、配線密１■が増加する虞れはない。

次にこのような回路を実現するためのｑｉ位セルの構成
を第６８図および第６８図に示す。図でＦｘ検検出スス
トレンゲージ５４ｘｔ５４ｘｃ　、　Ｆｙ検出川用ｌレ
ンゲージ５４ｙｔ、５４ｘｃ％Ｆｚ検出用ストレンゲー
ジ５４ｚｔ、５４ｚｃの位置及びそれらによってブリッ
ジを構成する配線と電源用端子Ｖ、　、Ｖ２は第５０図
に示したものと同じである。この例では同じシリコン単
結晶ウェハの表面上に、Ｆ　ｘ　＊　Ｆ　ｙ　＋　Ｆｚ
ｚ出用ブリッジの出力を増幅するための差動アンプ１０
４−１〜１０４−３　、差動アンプの出力を外部に取出
すが否がを制御するためのアナログスイッチ８８−１〜
８８−３ヲ拡散プロセスにより形成する。そしてそれら
の出力用としてＦｘ出力用端子Ｘ、Ｆｙ出カ端子Ｙ、Ｆ
ｚｚ力用端子２とアナログスイッチ制御用の制御信号用
端子Ｓを設ける。このような単位セル５３によりモジュ
ール５１を組立てれば、第６７図に示した信号取出し回
路を構成できるので、前に述べたように出力配線数を大
幅に減らすことができる。

第６９図に単位セルの他の構成を示す。第６８図の構成
では単位セル５３が荷重を受けた時に、シリコン単結晶
ウェハの表面上に形成した差動アンプ１０４−１〜１０
４−３及びアナログスイッチ８８−１〜８８−３は荷重
によって生じる応力を受けるという虞れがある。また、
スｉ・レンゲージを形成する拡散プロセスと、差動アン
プ、アナログスイッチを形成する拡散プロセスは別のプ
ロセスになる場合があり、２つのプロセスをシリーズに
行うため製造工程が複雑になる。この構成では、Ｆに検
出用ストレンゲージ５４ｘｔ、５４ｘｃ　、Ｆｙ検検出
スストレンゲージ５４ｙｔ５４ｙｃ、Ｆｚ検検出ススト
レンゲージ５４ｚｔ５４ｚｃ　Ｒ１ びそれらによってブリッジを構成する配線、電源用端子
ｖ１．ｖ２を第３り図に示したものと同じくリング状セ
ルの表面１−に形成する。そして、ＷＩＪのシリコン単
結晶ウェハ表面上にブリッジの１１１力を増幅するため
の差動アンプ＋０４−１〜＋０４−３　、差動アンプの
出力を外部に取出すか否かを制御するためのアナログス
イッチ８８−１〜８８−３を拡散プロセスにより形成し
、シリコン？ｌｉ結晶のウェハから以１−の素子をもっ
たチップを切り出し、このチップを上記リング状セル５
３の中心孔のなかに配置してリング状セルとチップとの
間をＨ＋Ｍｉ手段を兼ねる極細金属線１０７によって接
続する。このようにすれば、差動アンプ１０４−１〜１
０４−３　、アナログスイッチ８８−１〜８８−３は荷
重により生じる応力を受けなくなり、信頼性が向−１−
するという利点が得られる。

さらにストレンゲージを形成する拡散プロセスと、差動
アンプ・アナログスイッチを形成する拡散プロセスとを
パラｌ／ルに行えるため製造工程をフレキシブルに組む
ことができる。

以上のように、モジュール５１を構成する単位セ２ ル５３にストレンゲージ５４とそれから形成される３個
のブリッジ回路５４ｘ、５４ｙ、５４ｚの他に、ブリッ
ジ回路の出力を増幅する差動アンプ１０４と差動アンプ
の出力を取出すか否かを制御するアナログスイ・ンチ８
８とを組み込み、複数個のモジュール５１の行ごとの出
力配線を共通にしているため、基板５５−ヒの出力配線
８０の数を６Ｘｍｎ　木から３Ｘｍ木に減らすことがで
き、もって各モジュール５１とスキャナ１０５　、１０
８との間の配線が可能になる。

第７０図はセル５３を支持する下部基板５５にストレン
ゲ−ジブリッジの信号処理を行う電子回路１０８を集積
することにより、下部基板上の配線スペースを小さくす
ることができるようにした例を示す。図示のセル５３お
よび基板５５はいずれもシリコン単結晶からなる。セル
５３が固着される下部基板５５の支持面５５ａには集積
回路技術により配線９０−Ａおよび抵抗素子ブリッジの
出力信号処理用の電子回路１０８が作り込まれている。

集積回路技術を用いれば配線間隔を１ＯＩＬＩ１１ピツ
チとすることが容易であり、例えばセラミック板上に導
電膜の印刷あるいは金属蒸着１１りの加工により作られ
る配線の間隔が最小＋００　ｐＬＩＩＩピッチであるこ
とにくらべれｉｆ配線スペースが著しく節減でき、これ
によりセル５３を密集して配置できる。電子回路１０Ｂ
は、例えば演算増幅器として構成され、接続配線８０−
Ａおよいボンディングワイヤ１０９を介してセル５３に
の配線の端子８３と接続される。この電子回、路１０８
を下部基板５に内蔵することにより、ストレンゲージ５
４からの信号処理を圧覚センサアレイ５０の本体内で行
うことができ、外部出力配線９０−Ｂの数を減すること
によりコンパクトな圧覚センサアレイが得られ信頼性も
高められる。なお、下部基板５５はセル５３と必ずしも
同一半導体からなる必要はないが、両者の熱膨張係数が
同一ないし近接しているので熱変動に対しても安定であ
るなど得られる効果は極めて大きい。

次に、配線について説明する。第７１図は単位セル５３
の配線例、第７２図は単位セル５３の端子９３と下部基
板５５上の端子１１０との接続例を示す。第７２図に示
すように、下部基板５５」−に設けられた接続端５ 子１１０は予め取出し端子９３とに対応する位置に設け
られており、したがって、セル５３を基板５５に固定し
た後、ボンディングワイヤのリード線１０９により取出
し端子９３と接続端子１１０との間がポンディングされ
る。だが、セル５３は前述のように極めて小型のもので
あり、しかも取出し端子８３と接続端子１１０とは互い
に直交する面、すなわち面５３ａと基板５５の上面５５
ａとに設けられているので、かかる端子間にポンディン
グ接続を行うことは非常に難しいのみならず、断続や短
絡の虞もあり、信頼性に欠ける。更にまた、第７１図に
破線で示した配線９１は配線が交叉することにより二層
配線を要する部分であり、極めて小型な限られた面５３
ａ上に二層配線を実施する必要が生じる。

このような問題点の解消を図った配線手段を第７３図〜
第７６図に示す。

第７４図および＄７６図に示す１１１は可撓性フィルム
上に配線を施したフィルムキャリアであり、このフィル
ムキャリアは単位セル５３の表面５３ａに設けた端子と
してのバンプ１１２と下部基板５５上の端６ 子としてのバンプ１１９とを電気的に接続する。セル５
３」二のバンプ１１２は、第７３図に示すように、単位
セル５３上のストレンゲージ５４の両端近傍にｌ−１：
ンだや金などで形成され、配線８１によりストレンゲー
ジ５４と接続されている。このため、本例におけるスト
レンゲ−９５４間の配線９１は配線間の交叉が生じず一
層のみの配線ですむようになる。第７４図はフィルムキ
ャリア１１１を部分的に示し、このフィルムキャリア１
１１は例えばポリイミドのような可撓性の材料からなる
フィルムであり、その−にには第７３図に示したバンプ
１１２に対応した位置にバンプ１１３を設けており、こ
れらの／く７７１１３間のうち配線を必要とするバンプ
１１３間にのみ配線１１４を形成し、これらの配線１１
４を本図では下方に延在させたフィルム１１１の基板取
付部１１１ｂに導くようにしている。また、第７６図に
示すように、このように延在させた基板取刊部１１１ｂ
、Ｉ−に配線１１４に接続する信号取出し端子用のバン
プ１１５を形成しておく。第７５図はセル５３の面５３
ａ　ｌにバンプ１１２を形設した状態を示すもので、こ
こで、１１８は配線９１を有する配線層上にバンプ１１
２を形設するための接着用金属、１１７はバンプ１１２
形設時の拡散防止用金属、更に１１８は面５３ａの表面
に被着させた絶縁層である。

第７６図はセル５３をノ、虻板５５上に取引けた状態を
示し、ここでは、セル５３、基板５５およびフィルム１
１１上に設けたバンプのみを強調して示し、その配線や
ストレンゲージ等は省略して示しである。

図示のように、フィルム１１１を折曲げた状態にしてセ
ル５３のバンプ１１２にフィルムＩ１１の１〕部のバン
プ１１３を当接し、また基板５５１−に設けたバンプ１
１８にフィルム１１１の基板数句部１１１ｂに形設した
バンプ１１５を当接し、双方を熱圧着等により接合しで
ある。従って、セル５３の信号取出し端子と基板５５−
１−の接続端子との間をボンディングワイヤで接続する
という円相な作業の必要がなくて断線や短絡の虞がなく
なり、更にセル５３の面一１−に二層配線の要もなく、
作業が簡略化されるのみならずその信頼性を高めること
ができる利点が得られる。

次に、圧覚センサアレイ５０からの出力信号のスキャニ
ングと前処理について説明する。

例えばロボットのハンドに取引けられてその把持部の圧
力分布を測定することにより、物をつか９ む、はなす、すべる等の把持状態を検知する圧覚センサ
の出力信号を、計算機処理し易くするための圧覚センサ
出力信号前処理装置は現在のところ見当らないが、近い
従来技術としては、第７７図に示すようなものがある。

半導体ストレンゲージのような半導体のブリッジで構成
された圧力検出部＋２１の出力は、温度補償回路１２２
で温度による影響が除去される。すなわち、この温度補
償回路１２２では、圧力検出部１２１からの信号がアナ
ログ集積回路１２３およびアナログ集積回路１２４で受
信され、これらの菓積回路とスパン調整抵抗１２５おヨ
ヒオフセット調整抵抗１２６とで信号のスパンおよびオ
フセラＩ・が調整され、また零点調整抵抗１２７とアナ
ログ集積回路１２８とで信号の零点が調整される。さら
に、零点温度特性補償抵抗１２８とアナログ集積回路１
２８およびスパン温度特性補償抵抗１３０とアナログ集
積回路１３１　とにより圧力信号の温度補償が行われた
後、信号出力端子１３２から出力信号が出力される。１
３３は電源端子、１３４はアナログ用アース端子である
。

００ ところが、このような従来技術により、前述のような面
状に分布する圧力の圧力分布を測定しようとすると例え
ば第７８図に示すように圧力検出部１２１を多数並列に
並べると同時に、これに合せて温度補償回路１２２も多
数並列に並べなければならないので、はなはだ不経済で
あり、また圧力検出部１２１に常に電力を供給しなけれ
ばならないので、消費電力が大きいという欠点もあった
。

これらの欠点の除去を図った圧覚センサ出力信号前処理
装置の構成例を第７９図〜第８１図に示す。

第７８図では、マトリックス状に配置した多数の圧力検
出部の電源を縦軸アドレスで掃引して低消費電力化を図
ると同時に、圧力検１１１部の出力を縦軸アドレスと横
軸アドレスとで掃引して取り出し、個々の圧力検出部ご
とのオフセット、スパンなどの温度補償を温度センサの
出力とマイクロコンピュータとを用いて行うことにより
、圧力分布を低消費電力で、かつ経済的に測定できるよ
うにした圧覚センサ出力信号前処理装置を示す。

この装置は図示のように、圧力検出ブロック１３５、増
幅部１３６およびマイクロコンピュータ部１３７とから
なる。圧力検出ブロック１３５は、半導体ストレンゲー
ジ５４のブロック回路を有してマトリックス状に配置さ
れた複数の圧覚センサモジュール（以下、圧力検出部と
称する）５１、各圧力検出部５１にそれぞれ並列に接続
した例えばサーミスタ等からなる温度検出素子８７．１
組の圧力検出部５１と温度検出素子８７毎に接続してこ
れらの出力を縦軸４列方向）毎に開閉する縦軸アナログ
スイッチ部１３９、縦軸アナログスイッチ部１３８への
制御電圧によりオン（導通）して圧力検出部５１と温度
検出素子８７の電源ライン８Ｂを開閉する縦軸電源アナ
ログスイッチ１３８、および縦軸アナログスイッチ部１
３９の後段に接続して圧力検出部５１と温度検出素子８
７のＩＪ１力を横軸（行方向）毎に開閉する横軸アナロ
グスイッチ部１４０などから構成される。縦軸アナログ
スイッチ部１３９および横軸アナログスイッチ部１４０
は、いずれも制御電圧で同時に開閉する３個のアナログ
スイッチ（半導体スイッチ）８８からできていて、圧力
検出部５１の出力および温度検出素子８７の出力と接続
している。

増幅部１３６は全ての横軸アナログスイッチ部１４０の
出力と接続するり１−の増幅部であり、圧力信号増幅用
の３個のアナログ集積回路１２３および１２４と１３１
　と、温度信号増幅用のアナログ集積回路１４２とから
構成されている。

マイクロコンピュータ部１３７は後述の横軸アドレスに
応じて該当の横軸の全横軸アナログスイッチ部１４０へ
制御電圧を印加しその開閉制御をする横軸デコーダ１４
３、後述の縦軸アドレスに応じて該当の縦軸の縦軸アナ
ログスイッチ部１３８へ制御電圧を印加しその開閉制御
をする＠遠軸デコーダ１４４、増幅部１３６の出力と接
続して増幅されたアナログの圧力信号と温度信号とを交
Ｕに切換えて出力するアナログ信号切換部１４５、アナ
ログ信号切換部１４５の出力をアナログ−デジタル（Ａ
／口）変換するＡ／Ｄ変換器１４６と、Ａ／Ｄ変換器１
４６のデジタル出力信号を一時記憶する一時記憶用ＲＡ
Ｍ　（ランダムアクセスメモリ）　＋４７　、　Ａ／Ｄ
　変Ｊ’Ｊ器１４８でデジタル化したデータを温度補償
のための演算をする乗算用コプロセッサ１４Ｂと除算用
コプロセッサ１４８、演算式や定数または制御プログラ
ム等をあらかじめ格納したＲＯＭ　（リードオンリメモ
リ）１５０、演算により温度補償された検出データを記
憶する補正後データ記憶用ＲＡＭ　（ランダムアクセス
メモリ）１５１、温度補償ずみの検出データを外部に出
力する信号出力用ポー）１５２．全体の制御を行うＣＰ
Ｕ（中央演算処理装置）　１５３　、およびＣＰ旧５３
からの圧力検出部アドレスを横軸デコーダ１４３および
縦軸デコーダ１４４へ出力するアドレス出力用ボート１
５４とから成っている。

１５５はマイクロコンピュータ部１３７の内部データバ
ス、１５８はマイクロコンピュータ部１３７のアドレス
バス、１５７はマイクロコンピュータ部１３７の信号出
力用データバス、１５８はマイクロコンピュータ部１３
７のデジタル用アース端子、１５９はマイクロコンピュ
ータ部１３７のデジタル用電源端子、１６０は増幅部１
３Ｂのオペアンプ用負電源端子、１１３１は増幅部１３
６のオペアンプ用正電源端子、１６２は横軸デコーダ１
４３から出て各横モ１１アナログスイッチ部１４０のゲ
ートに接続する横軸ライン群、および１６３は縦軸デコ
ーダ１４４から出て縦軸毎に縦軸アナログスイッチ部１
３８のゲートと縦軸電源アナログスイッチ１３Ｂのゲー
）・とに接続する縦軸ライン群であり、＊Ｍｌ＋電源ア
ナログスイッチ１３８は圧力検出部５１と温度検出素子
８７への電源ライン９Ｂに介装される。

なお、第８図および第４４図に示すスキャナ増幅器５７
は」−述の増幅部１３６の他に、縦軸電源アナログスイ
ッチ１３８、横軸アナログスイッチ部１４０またはこれ
らとマイクロコンピュータ部１３？とを有する。よって
、同図の圧覚センサアレイ５０は上述の圧力検出ブロッ
ク１３５および増幅部１３８等からなる。

ＣＰＵ１５３により複数の圧力検出部５１のうち、どの
圧力検出部５１の出力を信号出力用データバス１５７に
出力させるかが決定されると、ＣＰＵ１５３はその圧力
検出部のアドレスをアドレス１１１力川ボー１−１５４
を経由して、横軸デコーダ１４３と縦軸デコーダ＋４４
に出力する。ここで、圧力検出部のアドレスは圧力検出
部毎に与えられた特定アドレスで、例えば縦軸アドレス
と横軸アドレスとからなるものとする。それぞれのデコ
ーダ１４３と１４４はその入力したアドレスを解読し、
そのアドレスに対応した縦軸および横軸のラインを縦軸
ライン群１６３および横軸ライン群１８２の中から選び
、これらのラインに接続されている縦軸アナログスイッ
チ部１３９と縦軸電源アナログスイッチ１３８および横
軸アナログスイッチ部１４０だけをオン（導通）状態に
させる。

これにより、指定された縦軸アドレスの圧力検出部５１
と温度検出素子８７の一群のみが通電され、ＣＰＵ１５
３により指定された圧力検出部アドレスの特定の圧力検
出部５１とこの圧力検出部５１の温度を測定するための
温度検出素子８７とが選択され、これらの出力信号が増
幅部１３６で増幅される。すなわち、圧力検出部５１の
圧力信号はアナログ集積回路１２３、アナログ集積回路
１２４および１３１で増幅され、また温度検出素子８７
の温度信号はアナログ集積回路１４２で増幅される。

増幅された圧力信号と温度信号とはアナログ信’３９１
１堕ｆｊｌＩ　Ｉ　４　Ｆ＋で１，１１１Ｑ＋えられて
交＋１にＡ／口変Ｉθ１器１４Ｂで順次Ａ／Ｄ変換され
る。Ａ／Ｄ変換されたデジタルの圧力信号と温度信号と
は内部データバス】５５を介して一時記憶用ＲＡＭ　＋
４７に記憶され、さらにＣＰＵ１５３．乗算用コプロセ
ッサ１４８および除ａ用コプロセッサ１４９とにより圧
力信号の温度補償のための演算が行われる。ここで、乗
算用コプロセ・ンサ１４８と除初用コプロセッサ１４９
とは上述の補償演算の速度を早めるために用いられる。

かかる補償演算は以下のように行う。まず、アナログ信
号切換部１４５に入力される圧力信号は、圧力検出部５
１に圧力が印加されないときに発生するオフセットと、
スパンを決定する比例定数とを使って近似的に、 オフセット　比例定数 と表わすことができるので、圧力Ｐは次の０式からめる
ことができる。

ただし、 ■６．：アナログ信号切換部１４５に入力される圧力信
号 Ｔ：圧力検出部５１の絶対温度 Ｐ：圧力検出部５１への印加圧力 ａｏ　、ａｔ　１　２　１ｂｏ　ｌｂｌ　ｌｂ２　：圧
力検山部５１の個々に定まる既知の定数 また、アナログ信号切換部１４５に入力される温度信号
は、温度検出素子８７が例えばサーミスタの場合に近似
的に Ｖ、、＝Ｃｏ十〇、Ｔ と表わすことができるので、温度Ｔは次の０式からめる
ことができる。

ただし、 Ｖｏ−ｒ：アナログ信号切換部１４５に入力される温度
信号 Ｃｏ、Ｃ，：温度検出素子８７ごとに定まる既知の定数 Ｔ：温度検出素子８７の絶対温度 従って、温度検出素子８７の温度が圧力検出部５１の温
度と考えられるほど、温度検出素子８７と圧力検出部５
１とを十分にｉＩｔいところに設置Ｎシておけば、」二
連の０式により算出１７た温１に’Ｔを用いて、上述の
０式から温度の影響を除去した正確な圧、力値を算出で
きることになる。このようにして、算出された圧力デー
タは信号出力用ボート１５２を経由して、外部に出力さ
れると同時に、補正後データ記憶用ＲＡＭ１５１に記憶
され、いつでも必要なときに出力できるようになってい
る。

以上のように、ある４、ν定の圧力検出部５！の圧力信
号がマイクロコンピュータ部１３７で演算処理され、信
号出力用データバス１５？に出力される。同様にして他
の圧力検出部５１の圧力も順次縦軸デコーダ１４４およ
び横軸デコーダ１４３とを経由してアドレス指定される
ことにより、マイクロコンピュータ部１３？で演算処理
され、信号出力用データバス１５７に出力される。複数
の圧力検出部５１を全部このようにして掃引し終ると、
補正後データ記憶用ＲＡ旧５１には圧力分布のデータフ
ァイルが完成することとなる。

なお、温度検出素子８７は圧力検出部５１と対にして用
いる必要はなく、例えば３個の圧力検出部５１につき１
個の温度検出素子８７を用いて温度を測定し０式と０式
により温度補償を行ってもよいし、圧力検出ブロック１
３５に１個の温度検出素子８７を用いて温度を測定し同
じように温度補償を行ってもよいことは自明である。

このように、マトリックス状に配置した多数の圧力検出
部５１の出力を前述したように縦軸アドレスと横軸アド
レスとを用いて掃引し、個々の圧力検出部５１ごとのオ
フセットとスパンの温度補償をマイクロコンピュータ１
３７を用いて行っているので、第７８図のように複数の
圧力検出部５１の出力を掃引せずに、個々の圧力検出部
５１の出力に温度補償回路１２２を別々に設ける必要は
なく、全体として圧力分布の測定を廉価に経済的に行う
ことができる。さらに、電源に関しては、縦軸電源アナ
ログスイッチ１３８を用いて縦軸デコーダ１４４により
指定された電源ライン９Ｇだけを導通状態にするように
したので、圧力検１１１ブロック１３５の消費電力を少
なくすることができる。すなわち、指定されたアドレス
の圧力検出部５１と温１■検出素子８７にだけ電力を供
給し、他の圧力検出部と温度検出素子には電力を供給し
ないように構成しているので、マイクロコンピュータ部
１３７のＣＰＵ　１５３が圧力検出部５１と温度検出素
子８７の出力を順次アドレスして指定していくときに、
結果として圧力検１１１部５１と温度検出素子８７の全
てを掃引するのに低消費電力ですむという利益が得られ
る。

圧力検出部５１の全てに対して常時電源を供給するよう
にしてもよい。この例を第８０図に示す。第８０図のも
のは圧力検出部５１に常時電源を常時供給する点のみが
前述の例と異なり、その他の構成および作用は前述と同
様である。従って、この場合でもマトリックス状に配置
した多数の圧力検出部５１の出力を前述したように縦軸
アドレスと横軸アドレスとを用いて掃引し、個々の圧力
検出部５１ごとのオフセット、スパンなどの温度補償を
マイクロコンピュータ１３７を用いて行っているので、
第７８図のように複数の圧力検出部５１の出力を掃引せ
ずに、個々の圧力検出部５１の出力に温度補償回路１２
２を別々に設ける必要はなく、全体として圧力分布の測
定を廉価に経済的に行うことができるのは勿論である。

第８１図はさらに他の例を示し、マトリックス状に配置
した多数の圧力検出部５１の電源を縦軸アドレスを用い
てアナログスイッチ１３８により掃引して低消費電力化
を図ると同時に、圧力検出部５１の出力をスイッチング
ダイオード１８６と横軸アドレスにより指定されたアナ
ログスイッチ１４０とを用いて掃引する一方、付属の温
度センサ８７の出力を縦軸アドレスと横軸アドレスとを
用いてアナログスイッチ８８により掃引し、得られた温
度データを用いて、個々の圧力検出部５１ごとのオフセ
ット、スパンなどの温度補償を温度センサの出力とマイ
クロコンピュータにより行うようにしたものである。さ
らに詳細に説明すると、本図に示すように１Ｍｌ軸アナ
ログスイッチ部１３９はそれぞれ１個のスイッチングダ
イオード１６６と１個のアナログスイッチ８８とからな
る。横ｉＭｈアナログスイッチ部１４０は、制御電圧で
同時に開閉する３個のアジ−ログスイッチ８８からでき
ており、圧力検出部５１の出力および温度検出素子８７
の出力と接続している。

また、各縦軸アナログスイッチ部１３９のスイッチング
ダイオード１６８のアノードは、２木の出力ラインを備
えた圧力検出部５１の一方の出力ラインに接続し、その
カソードは横軸アナログスイッチ部１４０のアナログス
イッチ８８の１個と接続している。各圧力検出部５１の
他方の出力ラインは横軸アナログスイッチ部１４０の他
のアナログスイッチ８８の１個と接続し、温度検出素子
８７の出力に接続した各アナログスイッチ８８は横軸ア
ナログスイッチ部１４０の残りのアナログスイッチ８８
に接続している。

また、複数のスイッチングダイオード１６８のうちで、
導通になった縦軸電源アナログスイッチ１３Ｂにより電
源を供給された圧力検出部５１に接続されているスイッ
チングダイオード１６６は、順バイアスされて導通とな
り、他のスイッチングダイオード１６６は逆バイアスさ
れて非導通となる。その他の構成と作用は第７８図に示
した場合と同様である。

なお、第８１図の例において、圧力検出部５１の点ＡＢ
間の出力特性を第８２図のような特性にし、圧力印加範
囲の下限でスイッチングダイオード１８Ｂの順方向電圧
降下と同じ出力電圧がブリッジ出力から出力されるよう
に、ブリッジをアンバランスに設Ａ（シておく。これに
より、点ＣＤ間の出力特性が第８３図のようになるよう
にし、印加圧力の下限において点ＣＤ間の出力電圧がゼ
ロになるようにする。もって、スイッチングダイオード
１８Ｂの順方向電圧降下の圧力信号に対する影響を除去
できるようにしである。

このように、圧力検出部５１の出力をスイッチングダイ
オード１８Ｂ　とアナログスイッチ８８でスキャンする
こともでき、従来方式と比べ圧力分布を低消費電力で測
定でき、かつ温度補償回路の簡単化を達成できる等の第
７９図で示した場合と同様な効果が得られる。

次に、圧覚センサアレイ５０の１１１力信号に応じて制
御動作を実行する本発明による圧覚認識制御装置の本体
について説明する。

第８図のスキャナ増幅器５７からの出力信号は後述のＡ
／Ｄ　Ｃアナログ−デジタル）コンバータを経て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
算結果が後述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た受圧面の圧力分布の
時間的変化により、把持力不足による滑りが演算され、
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
ノ＼ンドリングが可能となる。また、把持・持ち上げ・
挿入・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・高精度で上位コンピュータによるスー
ツぐ−／＜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５２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。

第８４図はこの発明の実施例の全体を示す。図示のよう
に、マトリックス配線された圧覚センサアレイ５０の各
ポイントのブリッジ回路５１Ａから出力される３分力の
大きさに相当する電気信号Ｅｘ、ＥｙおよびＥ２をスキ
ャナ５？Ａで行および列毎に順次高速に読み出す。その
際、前述のように圧覚センサセル５３内あるいは圧覚セ
ンサセルの取付穴あるいは基板５５−１−に、スキャナ
５？Ａの行および列のアドレス信号（制御電圧）で開閉
するアナログスイッチ８８（第７８図参照）を圧覚セン
サモジュール５１のブリッジ回路５１Ａ毎に設け、それ
らのアナログスイッチを選択的に動作させることにより
他の圧覚センサモジュール５１の出力と７昆同しないよ
うにしている。また、同時に列毎に圧覚センサセル５３
への電源供給制御を行えば電力消費が少なくなってなお
よい。

スキャナ５７Ａにより読み出された圧力信号は増幅器５
７Ｂで増幅され、アナログ−デジタル（Ａｒｃ）コンバ
ータ２０１によりデジタル信号化された後、マイクロコ
ンピュータのＣＰＵ　（ＶＬ−ｃｐｕ　）　２０３に取
り込まれて、ＲＯＭ　（リードオンリメモリ）２０５・
に格納した所定の演算式によりストレンゲージ５４の温
度特性、感度の非直線性、セル５３毎の感度のばらつき
、および他方向分力の干渉等の補正がなされ、さらに圧
力単位に変換され、その変換された圧力データが各分力
毎に２次元に分布した圧覚データの形で整理されて時系
列に信号処理記憶装置２０７に記憶される。上述の温１
■補償は圧覚センサセル５３に、またはその近くに設け
たサーミスター等の温度センサ８７（第５８図参照）の
検出信号を用いて演算することによりめられる。

次いで信号処理記憶装置２０７から読み出した圧覚デー
タとＲＯＭ２０５にあらかじめ格納された基本演算アル
ゴリズムとを用いて、ｐ−、ｃｐｕ２０３により、３方
向の分力の分布（例えば圧力の等高線や分布マツプ）、
合成全圧力（全部のセル５３に印加された圧力の総和で
、全体の作用力に当る）、圧力中心（その点の力のモー
メントの総和が零となる重心点で、力の作用中心に当る
）、３方向モーメンＩ・、受圧面積（零でない圧覚デー
タの総数とセル５３の配列ピッチから演算する）等を算
出して、算出したこれらの基本データを時系列に１次演
算記憶装置２０９に記憶する。

さらに、」−述の信号処理記憶装置２０７と１次演算記
憶装置２０９とに記憶されたデータと、ＲＯＭ２０５に
あらかじめ格納された基本演算アルゴリズムとを用いて
、川・ｃｐｕ　２０３により、ロボットの手足の制御に
必要な接触覚、滑り覚、被接触物の形状、硬さ覚等を演
算し、必要な演算結果を２次演算記憶装置２１１に記憶
する。接触覚（触覚）はあらかじめ定めたある闇値を越
えた信号で判断する。滑り覚は圧覚データを記憶装置２
０７および２０９に時系列的に格納したので、受圧面の
圧力分布の時間的変化により把持力不足による滑りが演
算され、さらにＲＯＭ　２０５に格納された把持制御演
算アルゴリズム（把握アルゴリズム）により滑りが起こ
らぬソフトハンドリング制御をノ＼ンド駆動機構２１３
に対して行うことができる。また、被接触物の形状の認
識は圧力分布の時間的変化と典型的な形状の認識アルゴ
リズムにより演算することにより得られる。さらに、受
圧板５２の材質性′Ｉｎを適切に選定することしこより
、演算により対象物の弾性がめられ、材質判定や硬さ覚
が１１Ｆられる。

一方、インタフェース２１７を介して−１−位コンピュ
ータ２１θから入力されるスーパーバイザリ指令または
自律指令に応１ユて、信号処理記憶装置２０７と１次お
よび２次演算記憶装置２０９および２１１　とに記憶さ
れたデータと、ＲＯＭ　２０５にあらかにめ記憶された
ロボットのり、（本動作アルゴリズム（作業演算アルゴ
リズム）とを用いて、ル・ｃｐｕ２０３により、高速に
ロボットの円滑な走行、把握、持ち」；げ、陣す、挿入
、回転等の基本動作制御）′１量（または制御位置）を
算出し、算出結果なインタフェース２１７を介して外部
のロボット制御装置としての上位コンピュータ２１９に
送信するとともに、必要な演算結果を３次演算記憶装置
２１５に記憶する。上位コンピュータ２１８ではその算
出した制御量または制御位置データにもとづいてハンド
駆動機構２１３を円滑に駆動する。

このように、」１位コンピュータ２１８の制御指令にも
とづいて、高速、高レスポンスかつ高精度でスーパバイ
ザリ制御および自律制御が行われるとともに、被把持物
（例えば、果物）が変形しない程度の最小の把持力〒の
把持や、衝繋のない被把持物の持ち上げ、離し、被把持
物の取付穴への挿入、回転等の人間の手に相当する程度
の高度なソフｉ・ハンドリング動作をロボットハンド等
に行わせることができる。また、ハンド駆動機構２１３
からは掴んだ、持ち上げた、離した、挿入した、廻した
等を内容とするフィードバック信号が上位コンピュータ
２１９に出力されるが、これらのフィードバック信号に
ノ＾づき圧覚認識を行うのに必要な指令信号が外部の上
位コンピュータ２１９からインタフェース２１７を介し
てル・ｃｐｕ　２０３に送信される。また、ル・ｃｐｕ
　２０３による」−述の種々の演算動作により外部の」
１位コンピュータ２１８の負担は著しく軽減され、制御
動作の迅速化が行われ、円滑な制御が容易となる。なお
、演算制御に用いられる各記憶装置２０７，２０８，２
１１および２１５１オ独立に設けてもよいが、重複して
共用することも可能である。なおまた、スキャナ５７Ａ
および増幅器５７Ｂは通常センサアレイ５０−１−か、
またはその近くに設けるが、ＡＩ）ｌ　ｙバーク２０１
　、　ｇ　＊　ｃｐｕ　２０３　、インタフェース２１
７等のマイクロプロセッサ２２１は数チップのＬＳＩ　
（大規模集積回路）で構成し、ハンド駆動機構２１３の
近傍に設け、あるいはハンドの腕白等に収納できるよう
にする。

次に、この発明の装置で用いる上述した主な演算アルゴ
リズムの内容について説明する。

■　３方向モーメント 第８５図に示すように、物体８１をはさむ両側の圧覚セ
ンサアレイ５０．５０の３分力の総１１１力Ｘ、Ｙ。

ＺとＸ’　、Ｙ’　、Ｚ’および両圧覚センサアレイ聞
の距Ｍす２．さらに同一平面位置に両圧覚センサアレイ
５０　、５０をおいたときのＹ方向出力Ｙ。

（Ｙ）とその両アレイ間の距離ｌｘとにより、次式を用
いて３方向の各モーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｈｚをめること
ができる。

Ｍｘ＝　（Ｙ、Ｙ’の差）×立Ｚ Ｍｙ：　（Ｘ、Ｘ’の差）×免Ｚ Ｍ２＝　（Ｙ、（Ｙ）（７）差）　×ｆＬｘこれらのモ
ーメントは後述の物体の組立時のはめ合い、偏荷重物体
の把握、ねじ込み等の作業に欠かせない力学値である。

■　滑り覚 第８６図に示すように、把握力の不足等で滑りが生ずる
場合にはセンサアレイ５０の各モジュール５１の力の分
布が時間ｔｏ、ｔｏ＋Δｔ・・・と共に変化するのでそ
の時系列変化を演算すれば滑りを知ることができる。従
って、後述のソフトハンドリングによる物体の把持およ
び持ち上げのアルゴリズムとは関係なく、滑り防止制御
を高速に行うことができる。

■　形状の認識 第８７図（Ａ）に示すように、物体７Ｉが平面の場合は
把持力ΣＰの増加（Ｐｏ　＋Ｐ２　）に対して受圧面の
圧力分布２２３は変らない。しかし、第８７図（Ｂ）に
示すように、物体Ｂ１が柱面の場合は把持力ΣＰの増加
（Ｐｏ＋Ｐ２　）に対して受圧・面の圧力分布２２３は
一方向のみ変化する。また、第８７図（Ｃ）に示すよう
に、物体６１が球面の場合は把持力ΣＰの増加（ＰＯ＋
　Ｐ２　）に対して受圧面の圧力分布２２３は全方向に
変化する。従って、受圧面の時間的変化の相違により形
状を認識することができる。なお、図中ｔ６は初期時、
ｔ、　＋ｔ２は増加した時間を示す。

■　弾性または材料の判定 第８８図〜第８０図に示すように圧覚センサアレイ５０
の」−面受圧板５２−１−に異なる弾性パラＩ・２２５
．２２８　（それぞれのコンプライアンスをＣＩ　＋０
２　とする）を置き、各センサの受ける加重をＰＩ　＋
Ｐ２とすると把握される物体８１のコンプライアンスｃ
ｏは ｐ２−　ｐ。

の式で算出される。

の関係であり、このコンプライアンスＣ０を物の選別ま
たはソフトハンドリングのアルゴリズムのデータに使用
すれば、物の選別やソフトハンドリングが可能となる。

このように、把握されている物体の弾性を判断し、間接
的に材質を推定することによって、保持される物体の変
形、破損を避けた最低把握力の制御すなわちソフトハン
ドリングが可能となり、また物の選別、必ずしも適格な
選別が可能でない場合もあるが、補助データとしてその
選別に使用可能となる。

この弾性または祠村の判定について図面に基づいてさら
に詳細に説明する。

被測定物としての物体６１の弾性に関する膜形は、第８
１図に示すように微小なバネ２２７の集合体と考えられ
る。第９２図はそれを更に単純化した膜形であり、物体
の弾性を代表するバネ２２８が、表面よりかなり離れて
位置する共同の固体２２９につながったものとみなすこ
とができる。第８３図は、弾性体としての弾性パット２
２５または２２６を有する圧覚センサモジュール５１が
設置された支持台２３０で、第８２図に説明した物体６
１を平行に圧接した場合の膜形図を示すものであり、第
８４図はそれぞれ更に単純化して第８３図の膜形を２つ
の圧覚センサモジュール５１ａ、５１ｂに代表させ（図
（Ａ）　）　、　ソれを力Ｐで圧接した（図（Ｂ））場
合を示す。ここで全体のコンプライアンス（＝ｌ／バネ
常数）ヲΣＣ１圧接力をＰとすると全体の繞みδは次の
如く表される。

δ＝Ｐ×ΣＣ また、　Ｃｏを物体６１のコンプライアンス、ｃｌ。

Ｃ２をセンサモジュール５１ａ、５１１）の上面に貼付
けである弾性パラ）　２２５，２２Ｂのコンプライアン
ス、ＣＢをセンサモジュール５１ａ、５１ｂのコンプラ
イアンス、ｐ、　、ｐ２をそれぞれのセンサモジュール
５１ａ、５１ｂの受ける力とする。また、ΣＣ１＋Σｃ
２をそれぞれのセンサモジュール５１ａ、５１ｂ別に、
圧接される物体を合成したコンプライアンスとすると。

ΣＣＩ　＝ＣＯ＋１４”ＣＢ、：ＣＯ’ＣＩ　（１１）
ΣＣ２°ｃ、）　＋Ｃ２＋ＣＢ、！　Ｃｏ　＋０２　（
１２）である。

一方撓みδについて考えると、各々のモジュール５１ａ
、５１ｂに対応する撓みδ８．δ２は、δ、　＝　ｐ、
　ｘΣＣ１（１３） δ２　＝　ｐ、、　ｘΣ”　２　（１４）で表わされる
。モジュール５１ａ、５１ｂのコンプライアンスは小さ
いので無視し、物体６１は平行に圧接されるためδ＝６
１＝６２として式（１１）乃至（１４）を整理すると物
体６１のコンプライアンスｃ。

は、 ＣＱ＝（ＰＩ　Ｃ１−Ｐ２　Ｃ２）／（Ｐ２　Ｐｌ）　
（＋５）となる。コンプライアンスＣ８およびＣ２は予
め知ることができるので、物体の弾性（コンプライアン
ス）はモジュール５１ａ、５１ｂより得られる１１１力
信号Ｐ＋　ｌＰ２よりめることができる。

したがって、この原理に基づく支持台２３００同一面上
に相互に間隔をおいて設置された少なくとも２つの圧力
センサと、各圧力センサ上にそれぞれ配置されたπいに
コンプライアンスの異なる弾性体と、物体′の被検出面
と支持台とを平行に保った状態で両者を圧接するに持手
段と、１組の圧力センサの出力信号Ｐ＋　１Ｔ１２　と
該センサに対応する弾性体のコンプライアンスＣＩ　＋
０２から前述の物体のコンプライアンスＣ，）を Ｃｏ　＝（Ｐ＋　Ｃ＋　Ｐ＋　０２　）　／（Ｐ７−Ｐ
＋　）の式によりＣＰＵ２０３で算用することができる
。

このような弾性測定・Ｌ段は容易に構成され、しかもそ
の適用範囲は極めて広い。

例えば、産業用ロポッＩ・のハンドを把持手段とし、ハ
ンドの片側把持面をセンサが設置される支持台として本
手段を適用すれば、ハンドの把持力のみでなく、把持さ
れる物体の弾性度をも判断できる機能を備えたロボット
ハンドを提供することが可能となる。この場合、物体を
把持するためのハンドは、物体を弾性体に平行に圧接す
る把持手段として極めて好適であり、さらに弾性バット
はハンドの把持面の緩衝手段を兼ねる。

第８８図は、ハンドの把持面２３１にマトリックス状に
設置された各圧覚センサモジュール５１に、互いにコン
プライアンスの異なる弾性バット２２５゜２２６をそれ
ぞれ複数配置した一例を示すものである。それぞれ弾性
の異なる材質のパラｌ−２２５，２２８は、圧覚センサ
モジュール５１にそれぞれ対応してその受圧板５２には
貼付けられ、物体６１はこのパラ１−２２５，２２８と
圧接される。この例では弾性バットの弾性は２種とし、
同一の弾性（コンプライアンス）を有する弾性バットを
交互に列状に配置することにより、ハンドの把持面に弾
性の異なる弾性パラｌ−２２５，２２８が均等に分布す
るように構成している。

このような構成からなるロボットハンドにより物体６１
を把持すれば、その弾性が異なる一組の弾性バット２２
５，２２８に対応した圧覚センサモジュール５１Ａ　、
５１Ｂは、それぞれその受けた力Ｐ１　ｔＰ２に応じた
Ｐ＋　ｌＰ２を出力する。この信号は第８５図に示すよ
うに、増幅器５７を介して演算器であるＣＰＵ２０３に
入力される。ＣＰＵ　２０３では、あらかじめ記憶して
おいた弾性パラｌ−２２５，２２０のコンプライアンス
ＣＩ　＋０２　と、増幅された信号ｐＩＩＰ２より、物
体の弾性（コンプライアンスｃｏ）を前述した計算式（
１５）によりめる。

２３２は加算器であり、増幅器５７を介して得られるす
べてのセンサの出力の総和ΣＰ　”　Ｐ＋　”Ｉ’＋２
　＋・・・＋ｐｎ　（ｎはセンサの数）を計重すること
により、ロボットハンドによる物体の把持力も同時にめ
ている。

なお、この例では説明を明確にするため、弾性バットの
弾性は２種としたが、本手段はこれに限定されるもので
はなく、弾性の種類をより多くすることにより、前記−
組の弾性バットの弾性の組み合わせを変えて、物体の弾
性（コンプライアンスＣ８）に関するデータを複数求め
、物体に適合した好ましい値を物体の弾性として選択す
るか、これを演算器にて平均化することにより、物体の
弾性を平均値ｉとしてめることも可能である。これは、
物体の弾性の測定範囲を拡張する意味で好ましい。

また同様にして、前記−組の弾性バットを弾性の組み合
わせを変えることなく対象とするバットを変えることに
より、物体の弾性（コンプライアンスＣＯ）に関するデ
ータを複数求め、これを演算器にて平均化することによ
り物体の弾性を平均値６としてめてもよい。

更にまた、圧覚センサアレイ５０が配置された支持台（
−１−記実施例ではハンドの把持面）と物体の被検出面
と平行に保った状態で弾性手段（パット）を物体と圧接
することが肝要であり、これにより前述した撓みδ−δ
、＝δ２なる条件が成立しているのであるが、本手段を
ロボットハンドに適用する場合には、δ＝δ、＝６２が
成立しない場合でも、圧接力Ｐに対して撓みδ１および
δ２がそれぞれ比例するので、それぞれのセンサが受け
る力Ｐ＋　ｌＰ２と物体のコンプライアンスｃｏの関係
を実験的にめておけば実用上問題がない。

また、把持動作−１−必要な、物体のりＹ性は厳密な値
でなく相対値で十分である。

第８８図、第９０図はロボットハンドの把持面にマトリ
ックス状に設置された各圧覚センサモジュール５１に、
互、いにコンプライアンスも異なる弾性バットをそれぞ
れ複数配置した他の例を示すものである。

すなわち、第８９図は、同一のコンプライアンスを有す
る弾性パフ）　２２５，２２８が、対角線状に配置され
た構成を示すものであり、弾性バットに圧接される物体
の被検出面が不特定形状の場合に用いられる。

第８０図は、第５図に示した列状に配Ｈされる同一のコ
ンプライアンスを有する弾性ハツト２２５゜２２６が一
連につながった帯状で配置された構成を示すものであり
、弾性バットに圧接される物体の被検出面が線状、すな
わち円筒状の物体を把持する場合に用いられる。

いずれの例においても、ハンドの把持面には弾性の異な
る弾性バットがそれぞれ複数均等に分布しているため、
被測定体としての物体の形状、大きさに柔軟に対応する
ことができる。

■　物体の把握および持ち上げ 第９６図（Ａ）に示すように物体６１を持ち上げようと
する力Ｑは、各センサアレイ５０での分力Ｆｘ、Ｆｙの
合成力の形でめられる。物体が持ち上った後にはＱ＝Ｗ
となる。また、第９６図（Ｂ）および（Ｃ）に示すよう
に、把握力ＲはＦ２の形でめられる。すなわち、物体６
１とハンド５９の間で滑りがないためには、Ｑ≦ＩＬＲ
−ｇＦｚ（ｐ、摩擦係数）を満足しなければならない。

今、ハンド５９で物体６１を掴んだ後にΔδだけハンド
を持ち上げたとする。ハンドに滑りのない場合には、Ｑ
は　Δδ ΔＱ＝−□ ３１ の割合で増加する。（ここでＣは物体および床面の総合
コンプライアンスである）。この場合ソフトハンドリン
グをするためにはＱの増加に対して　ΔＱ ΔＲ≧□ ル となるようにハンドの把握力を増加する必要がある。一
方、前項■で述べた方法で滑りが検出されると、（この
式に関らず）Ｒを増して滑りを生じない川を新しく規定
する。用をかえてＲをふやす（Ｑは既知）。Ｑ＝Ｗにな
ると物体６１は床面２３８より離れ、ハンドによって把
握されることになる。それ以後はδの増加に対してＱお
よびＲの増加はない。

これらの関係をフローチャー１・で示したのが第９７図
である。

また、物体を置く、離す時のソフトハンドリングは、上
述の場合の逆動作によって可能であり、衝撃なく物を離
すことができる。この際、別の近接センサで物体０１の
近接の検出をしてΔ３２ δを小さくするか、あるいはハンドのコンプライアンス
を大きくすることによってソフトハンドリングがより容
易となる。

■　挿入 穴２４１へ物６１を挿入する。あるいは、はめ合わせる
などは組立作業の基本である。第９８図（Ａ）は、この
動作の基本形である。第８８図（Ｂ）。

（Ｃ）はそれぞれ挿入が不完全な場合を示し、挿入力Ｐ
に対して、あるモーメン）Ｍを発生する。このモーメン
トＮの大きさと方向を判断して第９８図（Ａ）に示す理
想的な正常な挿入、すなわちモーメン）Ｍが０になるよ
うに挿入物６１を移動させる演算操作を行う。

■　歩行制御センサとしての適用 前項まではロボットハンドにこの発明によるセンサ装置
を適用した場合を述べたが、このセンサは第９８図に示
すように、ロボットの足の感覚センサとして歩行制御に
も適用できる。

（ａ）　歩行時゛の身体の重心移動を検出し、最適時期
に足を上げる。

重心の移動−足の血圧分布から重心位置の時系列演算 足の」＝げ下げ一第８６図および第９７図に示した物の
持ち−１−げとノ、（末的に 類似な演算 （ｂ）　歩行前進のための足のけり 足の面圧および滑り覚を検ｊ１１シ、それに見合ったけ
りの力（前進の力）を加える。

ただし、図のＦｚは面圧、ＦＫｌｌ：ｆｍる力を示す。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明によれば、３方向の分力
の２次元分布を検出できるウェハ型圧覚センサアレイを
備え、そのセンサ出力を順次取り出して必要な信号処理
を行った後に記憶し、その記憶したデータを所定のアル
ゴリズムを用いて圧力に関する各種の基本−に変換して
記憶し、これらの各記憶データを用いてロボッ）・等の
制御対象の制御に必要な各種制御基本信号に変換し、こ
の基本信号を外部のロボット等の制御装置に送出するよ
うにしたので、人間における接触覚、圧覚、滑り覚およ
び硬さ覚等に相当する感覚を高精度に認識し、この認識
に基づいて知能ロポ・ントのノ＼ンドや自動組立機のマ
ニピュレータあるいは移動ロボットの足等の制御を円滑
に安全確実に行わせることができ、特に、ソフトハンド
リングのような高度なかつ高精度の動作制御を容易に行
うことができる効果が得られる。

さらに、この発明を構成する圧覚センサアレイは、単結
晶シリコンウェハに半導体ストレンゲージを形成して３
分力測定できる圧覚センサモジュールをアレイ状に多数
配列したものであるので、１個の単位荷重計であるモジ
ュールの大きさを極めて小さくでき、これを高密度に集
積できるから、荷重の分布状態を測定する場合に、１個
の単位モジュールにはほぼ均等な分布荷重が作用してい
ると見なされるので、従来のような単位荷重計の時のよ
うなモーメントを考慮する必要がない。

従って、直交型のモジュールでも使用でき他成分の干渉
をほぼ完全に除去できるので極めて高精度な分布荷重の
３分力測定が可能で、より正確な圧覚認識制御を行うこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図（Ａ）　、（Ｂ）、第４図（Ａ
）、（Ｂ）　、第５図および第８図（八）　、ＣＢ）、
（Ｃ）、（Ｉｌｌ）はそれぞれ従来のセンサを示す斜視
図、第７図は従来技術によるへ角形応カリングを示す斜
視図、 第８図は本発明の実施例の要部を示す斜視図、 第９図は第８図の圧覚センサアレイをロボットハンドの
制御用センナとして用いた例を示す説明図、 第１Ｏ図は第９図の圧覚センサセルへの荷重分力の掛か
り方を示す斜視図、 第１１図（Ａ）　、　（Ｂ）は本発明に係わる圧覚セン
サセルの原理を示すためのセルの形状と寸法関係を示す
正面図および側面図、 第１２図は第１１図の圧覚センサセルに設けるストレン
ゲージの配置を示す配置図、 第１３１１　（Ａ）〜（Ｃ）はその圧覚センサセルの荷
重に対する応力の発生状態の模様を示す模式図、第１４
図（Ａ）〜（Ｃ）および第１５図（Ａ）〜（Ｃ）は第１
２図のストレンゲージの接続態様を示す回路図、第１８
図は第１３図の圧覚センサセルの荷重分力の分隙沖１定
の態様を示す図、 第１７図はセル型の圧覚センサモジｊ−ｊしを示す斜視
図、 第１８図および第１８図はそれぞれその圧覚センサモジ
ュールにおける荷重に対する変形の模様を示す模式図、 第２０図は２セル型の圧覚センサモジューＪしの構成例
を示す斜視図、 第２１図（Ａ）　、（Ｂ）は第２０図の圧覚センサモジ
ュールにおける荷重に対する変形の模様を示す模式第２
２図は箱型圧覚センサモジュールの構成を示す斜視図、
。 第２３図はＴ型の圧覚センサモジュールの構成を示す斜
視図、 第２４図はＩ型または１１型の圧覚センサモジュールの
構成を示す斜視図、 第２５図は第２２図のモジュールにおけるストレンゲー
ジの接続態様を示す回路図、 第２６図は単荷重測定における直交型荷重計を説明する
斜視図、 第２７図（Ａ）は本発明に係わる圧覚センサセルの製造
方法の説明図で、第２７図（Ｂ）はそのＡ部を拡大した
拡大図、 第２８図（Ａ）〜（Ｃ）は代表的な三つの結晶面（１０
０）面、（１１０）　面および（１１１１面についての
Ｐ形シリコンのピエゾ抵抗係数の特性を示す４、ν性図
、 第２９図（Ａ）　、（Ｂ）は圧覚センサ裁板への圧覚セ
ンサセルの組み込み配列−１−の要点を示す配置図、第
３０図〜第３３図はそれぞれ異なる製作工程段階を示す
圧覚センサアレイの斜視図、 第３４図は異なる実施例における受圧板の態様を示す斜
視図、 第３５図はさらに異なる実施例における圧覚センサセル
の整列に用いられる整列治具を示す斜視図、 第３６図〜第３８図はこの発明に係わる短冊形の圧覚セ
ンサの要部構成例を示す正面図、 第３８図（Ａ）〜（Ｃ）はさらに改良した短冊形の圧覚
センサの要部構成例と製造工程を示す平面図、 第３９図（Ｄ）は第３８図（Ｃ）の斜視図、第４０図（
Ａ）〜（Ｃ）はさらに他の実施例の短冊形の圧覚センサ
の要部構成例と製造工程を示す平面図、 第４０図（Ｄ）は第４０図（Ｃ）の斜視図、第４１図は
本発明に係わる圧覚センサユニットの構成例を示す斜視
図、 第４２図は第４１図の１個の圧覚センサモジュールの配
線の一例を示す回路図、 第４３図は本発明に係わる圧覚センサユニットの他の構
成例を示す斜視図、 第４４図は第４３図の圧覚センサユニットを組込んで形
成したこの発明に係わるユニット型圧覚センサアレイの
構成例を示す斜視図、 第４５図は単一セル型圧覚センサモジュールの場合の望
ましくない変形を示す正面図、 第４６図は２セル型圧覚センサモジユールの力が印加時
における変形を示す正面図、 第４７図は圧覚センサセルの配線方式を示す要部断面図
、 第４８図はその配線のクロスオーバ部の断面図、 第４８図および第５０図は従来技術を適用して配線した
圧覚センサセルの配線の配置例の模式図、第５１図は本
発明に係わる圧覚センサセル−１−の配線を示す平面図
、 第５２図（Ａ）、（Ｂ）は本発明に係わる別の実施例の
圧覚センサセルの両面にの配線を示す平面図、第５３図
（Ａ）　、　（Ｂ）はこの発明に係わる二つの単位セル
のそれぞれの平面図、 第５４図（Ａ）、（Ｂ）は別の実施例の一方の単位セル
の両面のそれぞれの平面図、 第５５図（Ａ）　、（Ｂ）はさらに別の実施例の二つの
単位セルのそれぞれの平面図、 第５６図（Ａ）　、（Ｂ）はさらに異なる実施例の一方
の中位セルの両面のそれぞれの平面図、 第５７図は半導体ストレンゲージ抵抗の温度特性と不純
物濃度の関係線図、 第５８図は本発明に係わる単位セルの斜視図、第５８図
は異なる実施例の単位セルを示し、（Ａ）は一方の面の
平面図、（Ｂ）は他方の面の平面図、 第６０図はさらに別の実施例の単位セルの要部断面図、 第６１図は本発明に係わる圧覚センサセルの表面の平面
図、 第６２図は同じく裏面の平面図、 第８３図は本発明に係わるアナログスイッチの一例を示
す圧覚センサセルの要部断面図、第６４図はアナログス
イッチの別の例を示す圧覚センサセルの要部断面図、 第６５図は異なる実施例の圧覚センサセルの表面の平面
図、 第６６図は第６５図の圧覚センザ士ルにより構成された
圧覚センサアレイの回路図、 第６７図は各単位セルからの出力を処理するための回路
を示す回路図、第６８図、第６９図は第６７図の回路を
実施するための中位セルの構成を示す正面図、 第７０図は下部基板に集積回路を形成した一例を示す斜
視図、 第７１図は従来技術により考えられる圧覚センザセルの
構成の一例を示す模型図、 第７２図はその圧覚センザセルの基板への地利は状態を
示す斜視図、 第７３図は本発明に係わる圧覚センサセルの構成の一例
を示す模型図、 第７４図は本発明に適用するフィルムキャリアの構成の
一例を示す模型図、 第７５図は第７３図の圧覚センサセルに形成するバット
の構成を一例として示す断面図、第７６図は第７３図の
圧覚センサの基板へ取付は状態を示す側面図、 第７７図は従来の圧力センサの温度補償回路を示す回路
図、 第７８図は従来の圧力センサとその温度補償回路を用い
て圧力分布を測定する場合のシステム構成例を示すブロ
ック図、 第７８図は本発明に係わる圧覚センサ出力信号前処理装
置を示す回路図、 ｆ５８０図および第８１図はそれぞれ他の実施例の回路
図、 第８２図は第８１図の圧力検出部５１の出力電圧特性を
示す図、 第８３図はその圧力検出部５１の出力にスイッチングダ
イオード８８を接続したときの圧力検出部５１の印加圧
力と点ＣＤ間の出力電圧特性を示す図、第８４図は本発
明の実施例の全体を示すブロック図、 第８５図〜第８７図および第９６図〜第９８図はそれぞ
れこの発明で用いる各種アルゴリズムの内容を示す説明
図、 第８８図〜第８０図はこの発明で用いる材質判定ア。 １４３゜ ゴリズムの実施に係わる弾性パットの配置状態の異なる
実施例を示す一部刺視図、 第９１図〜第８４図はそのアルゴリズムの原押を説明す
るための模型図、 第９５図はそのアルゴリズムを実行する演算器の実施例
を示すブロック図である。 １・・・弾性支持体、 ３−・１ストレンゲージ、 ５・・・手首、 ７・・・導電性ゴムシート、 ７ａ・・・絶縁性ゴムシート、 ８・・・金属電極、 ８ａ・・・金属箔電極、 ８Ｃ・・・絶縁性覆い、 ８ｄ　・・・絶縁板、 ９・・・基板、 ８ａ　・・・電極支え、 ８Ｃ・・・電極面、 １５・・・シリコンゴムコード、 ４４ １７・・・金属電極、 １９・・・細い棒、 ２０・・・金属製式角形リング、 ２１・・・受圧面、 ２２・・・基板面、 ２３〜３４・・・抵抗線ストレンゲージ、３５・・・受
圧板、 ５０・・・圧覚センサアレイ、 ５１・・・圧覚センサモジュール、 ５２・・・上部受圧板、 ５３・・・圧覚センサセル、 ５４・・・半導体ストレンゲージ、 ５５・・・下部基板、 ５６・・・基板の溝、 ５７・・・スキャナ増幅器、 ５８・・・多関節アーム、 ５８・・・ロボットハンド、 ６０・・・フィンガ、 ６１・・・把握される物体、 ６２・・・単結晶シリコンウェハ、 ６３・・・整理？／＋其、 ６４・・・配線、 ６５・・・受圧素板、 ６６・・・受圧素板の溝、 ６７・・・切溝、 ６８・・・整理治具、 ７１・・・短冊形ｒｌｔ結晶シリコン、７２・・・セル
分創用円形穴、 ７３・・・セル分副用円形穴、 ７４・・・セル分陣用溝、 ７５・・・セル分動用半円形穴、 ７６・・・切込み猫、 ８０・・・圧覚センサユニット、 ８１・・・下部ノ、（板、 ８２・・・溝、 ８３・・・出力用端子、 ８４・・・温度検出用端子、 ８５・・・制御用端子、 ８６・・・電源端子、 ８７・・・温度検出素子、 ４７ ８８・・・半導体スイッチ （アナログスイッチ）、 ８９・・・マザーボード、 ８０・・・配線、 ８１・・・配警泉　、 ８２・・・醇化膜、 ８３・・・端子、 ８４・・・絶縁被覆層、 ８５・・・接続点、 ８６・・・電源ライン、 ８７・・・Ｎ形エピタキシャル層、 ８８・・・Ｐ″拡散層、 ９９・・・Ｐ膨拡散層、 １００・・・Ｎ１拡散層、 １０１・・・Ｎ＋拡散層、 １０２・・・ゲート電極、 １０３・・・薄膜抵抗、 １０４・・・差動増幅器、 １０５・・・出力用スキャナ、 １０６・・・電源用スキャナ、 ４８ １０７・・・極細金属線、 １０８・・・電子回路、 １０８・・・ボンディングワイヤ、 １１０・・・端子、 ＋１１・・・可撓性フィルム、 １１２．１１３，１１５・・・バンプ、１１４・・・配
線、 １１ｆｌｌ・・・接着用金属、 １１７・・・拡１１＆防１１−川金属、１１８・・・絶
縁層、 １１９・・・バンプ、 １２１・・・圧力検出部、 １２２・・・温度補償回路、 １２３・・・アナログ集積回路、 １２４・・・アナログ集積回路、 １２５・・・スパン調整抵抗、 １２６・・・オフセット調整抵抗、 １２７・・・零点調整抵抗、 １２８・・・アナログ集積回路、 １２８・・・零点温度特性補償抵抗、 １３０・・・スパン温度特性補償抵抗、１３１・・・ア
ナログ集積回路、 １３２・・・信号出力端子、 １３３・・・電源端子、 １３４・・・アナログ用アース端子・ １３５・・・圧力検出ブロック、 １３６・・・増幅部、 １３７・・・マイクロコンピュータ部、１３８・・・縦
軸電源アナログスイッチ、１３８・・・縦軸電源アナロ
グスイッチ部、１４０・・・横軸アナログスイッチ部、
１４２・・・温度信号増幅用アナログ集積回路、 １４３・・・横軸デコーダ、 １４４・・・縦軸デコーダ、 １４５・・・アナログ信号切換部、 １４６・・・Ａ／Ｄ変換器、 １４７・・・一時記憶用ＲＡＭ、 １４８・・・乗算用コプロセッサ、 １４９・・・除算用コプロセッサ、 １５０・・・プログラムＲＯＭ、 １５１・・・補正後データ記憶用ＲＡＭ、１５２・・・
信号出力用ポーＩ・、 １５３−ＣＰＵ、 ＋５４・・・アドレス出力用ボート、 １５５・・・内部データバス、 １５１３・・・アドレスバス、 １５７・・・信号出力用データバス、 １５８・・・デジタル１１１アース端子、１５９・・・
デジタル用７Ｉｔ源端子、１６０・・・オペアンプ川負
電源端子、１６１・・・オペアンプｍ１電源端子、１６
２・・・横軸ライン群、 １６３・・・縦軸ライン群、 １６６・・・スイッチングダイオード、２０１・・・ア
ナログ−デジタルコンバータ、 ２０３・・・マイクロコンピュータ 中央演算処理装置（ｇ＠ｃｐｕ）、 ２０５・・・ＲＯＭ　（リードオンリメモリ）、５１ ２０７・・・信号処理記憶装置、 ２０８・・４次演算記憶装置、 ２１１・・・２次演算記憶装置、 ２１３・・・ハンド駆動機構、 ２１５・・・３次演算記憶装置、 ２１７・・・インタフェース、 ２１８…に１位コンピュータ、 ２２１・・・マイクロプロセッサ、 ２２３・・・圧力分布、 ２２５・・・パット、 ２２６・・・バット、 ２２７・・・バネ、 ２２８・・・バネ、 ２２８・・・固体、 ２３０・・・支持台、 ２３１・・・把持面、 ２３２・・・加算器、 ２３９・・・床面、 ２４１・・・穴。 ５２ Σ 区 ｑ 派 第４図 （Ａ） ５ （８） ９ｂ　９ 図 ５９　５８ 第１θ図 ｚ （５３８ 図 （Ｃ） 第１５図 （Ａ）　（Ｂ）　（Ｃ） ５’ｌＺｔ　５４ｚｃ　５４ｘｃ　５４Ｘ？　５４ｙＴ
　ＤＬ＋ｙＣ第１６図 ５５　５５ ″：）４２Ｃづ５　ｊ６ 第２２図 ５５　５４ｘ　５４ｘ ５３−９　５４ｚｔ　５４ｘｔ 第２６図 （Ｂ） ４　ｘ　ｔ ＞−−ｉ、＜、　／　５４ｙＣ ４ｘｃ 人％”　’／１人１、、　５４ｚｔ 〜　′・　セ巨２≦二正くく翁５４ＺＣ工；・　・、：
　＝づ ５６　５３ｆ　５５ ５４ ５３ｆ　５５　５６　６４ ５５　５６ 第３３図 Ｃｎつ ６８ｂ　６８ａ　６８ 第４０図（Ｄ） く ｍ　活　“′ 不評４Ｖ濃産　（ｃｍ−ジ −Ｃ１７ −￥Ｊ八ヤＭセ 第９９図 （Ｃ） ４１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）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、これらの前記ストレンゲージの抵抗値の変化によ
   って前記受圧面に印加された力′の三成分を検出する圧
   覚センサセルからなる複数の圧覚センサモジュールを有
   して前記受圧面に印加された力の３方向分力の２次元分
   布を検出する圧覚検出手段、 駆動制御対象に装着された前記圧覚検出手段から検出信
   号を順次取り出し所定の信号処理を施して圧力単位の圧
   覚検出データに変換し、変換した該圧覚検出データを前
   記３方向分力毎に前記受圧面に対応して記憶する信号処
   理記憶手段、 該信号処理記憶手段から読み出した前記圧覚検出データ
   と所定の基本演算アルゴリズムとにより所定の圧覚認識
   に必要な圧力の基本量データを演算し、演算した該基本
   量データを記憶する１次演算記憶手段、 該１次演算記憶手段から読み出した前記基本量データと
   、前記信号処理記憶手段から読み出した前記圧覚検出デ
   ータと、所定の圧覚認識演算アルゴリズムとにより所定
   の圧覚認識データを演算し、演算した該圧覚認識データ
   を記憶する２次演算記憶手段、 前記駆動制御対象を駆動制御する外部の制御手段からの
   指示データに応じて、前記２次演算記憶手段から読み出
   した前記圧覚認識データと、前記１次演算記憶手段から
   読み出した前記基本量データと、前記信号処理記憶手段
   から読み出した前記圧覚検出データと、所定の制御量演
   算アルゴリズムとにより前記駆動制御対象の駆動制御に
   必要な制御量データを演算し、演算した該制御量データ
   を前記外部の制御手段に出力する３次演算手段、 該３次演算手段と前記外部の制御手段間のデータの交信
   を行うデータ交信手段、 および全体の処理動作を円滑に行うように制御する内部
   制御手段とを具備したことを４．１ｒ徴とする圧覚認識
   制御装置装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載の装置において、前記駆
   動制御対象はロボットの手足または自動組立機のマニピ
   ュレータであり、前記ノ、（木醍データは３方向分力の
   合成全圧力、圧力中心、圧力分布図、受圧面積、３方向
   モーメントに関するデータであり、前記圧覚認識データ
   は接触覚、滑り覚、硬さ覚、形状認識、材質認識に関す
   るデータであり、前記制御部−データは把持、持ち」二
   げ、挿入、回転、陶す、歩行に関するデータであり、前
   記指示データは、掴んだ、ｔｏｙも上げた、挿入した、
   廻した、削した、歩いたに関するデータであることを特
   徴とする圧覚認識制御装置。 ３）特許請求の範囲第１項または第２項に記載の装置に
   おいて、前記１次演算記憶手段は前記信号処理記憶手段
   に格納された前記圧覚検出データにより合成全圧力、圧
   力中心、圧力分布図、受圧面積、３方向モーメントを算
   出して時系列に記憶することを特徴とする圧覚認識制御
   装置。 ４）特許請求の範囲第１項から第３項のいずれかの項に
   記載の装置において、前記信号処理記憶手段は、前記圧
   覚検出手段から３分力の大きさに相当する電気信号を行
   および列毎に順次取り出して増幅し、アナログデジタル
   変換し、温度補償、センサの感度の非直線性補償、他方
   向分力からの干渉の補正を行い、補正後の信号を前記圧
   覚検出データに変換して時系列に記憶することを特徴と
   する圧覚認識制御装置。 ５）特許請求の範囲第４項記載の装置において、前記信
   号処理記憶手段は、」−位アドレスと下位アドレスとか
   らなる固有のアドレスを有する複数の前記圧覚センサモ
   ジュール、 該モジュールの温度を検出する温度検出部、 前記モジュールと前記温度検出部に接続して該両検出部
   の出力をオンオフし、該モジュールの前記下位アドレス
   に屈する信号線に前記出力を送出する第１アナログスイ
   ツチ、 前記信号線毎に接続して該信号線をオンオフする第２ア
   ナログスイツチ。 前記モジュールの前記上位アドレスと前記下位アドレス
   を順次発生するアドレス発生部、該アドレス発生部から
   供給された前記上位アドレスに属する前記第１アナログ
   スイツチを開閉にする第１スイッチ駆動部、 前記アドレス発生部から供給された前記下位アドレスに
   属する前記第２アナログスイツチを開閉にする第２スイ
   ッチ駆動部、 前記アドレス発生部によりアドレス指定Ｘれた前記モジ
   ュールと前記温度検出部から前記第１アナログスイツチ
   および前記第２アナログスイツチを通って出力された圧
   力信号と温度検出信号とをアナログデジタル変換するア
   ナログデジタル変換部、 および該アナログデジタル変換部によりデジタル化され
   た前記圧力信号と温度検出信号とを用いて所定の演算式
   により演算することにより前記圧力信号の温度補償を行
   うマイクロコンピュータ部とを具備したことを特徴とす
   る圧覚認識側り１装置。 ６）特許請求の範囲第５項に記載の装置において、前記
   第１アナログスイツチの駆動用制御線と該制御線と交叉
   する前記信号線とからなるマトリックス配線の交点にそ
   れぞれ前記圧覚センサモジュールが配置されていること
   を特徴とする圧覚認識制御装置。 ？）特許請求の範囲第５項または第６項に記載の装置に
   おいて、前記アドレス発生部と、前記第１スイッチ駆動
   部と、前記第２スイッチ駆動部と、アナログデジタル変
   換部とは、前記マイクロコンピュータ部に包含されるこ
   とを特徴とする圧覚認識制御装置。 ８）特許請求の範囲第５項ないし第７項のいずれかの項
   に記載の装置において、前記信号処理記憶手段は、前記
   上位アドレス単位で該に１位アドレスに屈する前記圧覚
   センサモジュールと前記温度検出部へ供給される電源な
   導通または非導通させる電源スィッチを有し、前記第１
   スイッチ駆動部は前記アドレス発生部から供給された前
   記−に１位アドレスに属する前記第１アナログスイツチ
   と前記電源スィッチとを開閉にすることを特徴とする圧
   覚認識制御装置。 ８）特許請求の範囲第７項に記載の装置において、前記
   圧覚センサモジュールは、２禾の出力ラインを備えて−
   １−位アドレスと下位アドレスとからなる固有のアドレ
   スを有し、さらに前記第２アナログスイツチは前記モジ
   ュールの一方の前記出力ラインにアノードを接続したス
   イッチングタ′イオードのカソードと、 前記温度検出部の出力ラインに接続した前記第１アナロ
   グスイツチの出力ラインど、モジュールの他方の前記出
   力ラインとに接続して同一の前記下位アドレスを有する
   前記モジュールと前記温度検出部からの出力をオンオフ
   することを特徴とする圧覚認識制御装置。 １０）特許請求の範囲第１項ないし第９項のいずれかの
   項に記載の装置において、前記圧覚検出手段は、前記受
   圧面に印加された力を該受圧面に垂直な方向の分力Ｆｚ
   と、前記受圧面内の２つの直交する主軸方向の分力Ｆｘ
   とＦＹどの合計３つの主軸方向分力に分解して検出する
   前記圧覚センサモジュールを、多数個基板上に高密度に
   行列方向に並べてアレイ状に配設した圧覚センサアレイ
   、であることを特徴とする圧覚認識制御装置。 ！１）特許請求の範囲第１０項に記載の装置において、
   前記圧覚センサアレイは、半導体単結晶からなり位置導
   電形の表面層に逆導電形の複数のストレンゲージ領域が
   形成された感圧構造体である圧覚センサセルの複数個が
   アレイ状に配置、され、各圧覚センサセルに力が加わっ
   た時に前記ストレンゲージからなるブリッジ回路に生ず
   る出力電圧により加わった力の３成分の大きさの面分布
   を検出することを特徴とする圧覚認識制御装置。 １２、特許請求の範囲第１０項またはｐ５１１項に記載
   の装置において、前記圧覚センサアレイは、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が
   交ガに開けられ、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−１一
   方にして下部基板の上にアレイ状に配列して成ることを
   特徴とする圧覚認識制御装置。 １３）特許請求の範囲第１０項ないし第１２項のいずれ
   かの項に記載の装置において、前記圧覚センサアレイは
   、複数個の前記圧覚センサモジュールを下部基板の」二
   に１列または数列に並べて圧覚センサユニットを構成し
   、前記下部基板に取付けられて前記圧覚センサモジュー
   ルに接続する端子とマザーボード−Ｌの端子とを機械的
   に接続することにより、必要個数の前記圧覚センサユニ
   ットを有することを特徴とする圧覚認識制御装置。 １４）特許請求の範囲第１０項または第１１項に記載の
   装置において、前記圧覚センサアレイ、は、互いに平行
   な複数の行方向の溝を備えた基板と、該基板の溝に係合
   されて線溝ごとに所定個数ずつ分布立設され、列方向に
   整列されて固着され、さらに前記基板との間に配線が接
   続された前記圧覚センサセルと、複数個の前記圧覚セン
   サセルに対して共通＆と設けられて固着された受圧素板
   を前記センサモジュール毎に切断して形成された前記圧
   覚センサモジュールの受圧板とを具備したことを特徴と
   する圧覚認識制御装置。 １５）特許請求の範囲第１１項記載の装置において前記
   圧覚センサアレイは、前記ブリッジ回路の出力をそれぞ
   れ差動増幅する差動増幅器と、この差動増幅器の出力な
   導通遮断するスイッチング素子とを前記圧覚センサモジ
   ュールに組み込み、当該スイッチング素子の出力配線を
   同行にある複数個の圧覚センサモジュールのそれぞれに
   対応するスイッチング素子の出力配線と共通にして前記
   圧覚センサアレイの外に設けられた出力用スキャナに導
   くとともに、前記スイッチング素子の制御用配線を同列
   にある複数個の圧覚センサモジュールのスイッチング素
   子の制御用配線と共通にして前記圧覚センサアレイの外
   に設けられた制御用スキャナに導くことを４’Ｆ徽とす
   る圧覚認識制御装置。 １６）特許請求の範囲第１５項記載の装置において、前
   記差動増幅器と前記スイッチング素子とを前記圧覚セン
   サセルと別個のノ、（板に形成し、この基板を当該圧覚
   センサの一部に緩衝手段を介して組み込むことを特徴と
   する圧覚認識制御装置。 １７）特許請求の範囲第１項ないし第１６項のいずれか
   の項に記載の装置において、前記圧覚センサモジュール
   は各々少なくとも２個の前記圧覚センサセルからなるこ
   とを特徴とする圧覚認識制御装置。 １８）特許請求の範囲第１７項記載の装置において、前
   記圧覚センサモジュールは互いに平行に配された受圧板
   と基板との間に前記圧覚センサセルを２個該セルの端面
   を互いに平行にして該セルの端面が前記両板と直交する
   ように固定して構成されたことを特徴とする圧覚認識制
   御装置。 １８）特許請求の範囲第１項ないし第１８項のいずれか
   の項に記載の装置において、前記圧覚センサモジュール
   は互いに平行に配された基板と受圧板との間に複数個の
   前記圧覚センサセルを該セルの端面が前記両板と直交す
   るように固着して前記受圧板にかかる荷重の分力を分離
   して測定するようにし、かつ、前記複数個の前記セルの
   少なくとも２個をそのセルの端面が互いに直交するよう
   に配設し、かつ各セルからは該セルの端面に平行な方向
   にかかる荷重の分力に対する応答出力信号のみを取り出
   すようにしたことを特徴とする圧覚認識ｒＩＪ目Ｊ’ｌ
   ｌ装置。 ２、特許請求の範囲第１９項記載の装置において、４個
   の圧覚センサセルが箱形状に配設されたことを特徴とす
   る圧覚認識制御装置。 ２、特許請求の範囲第１８項記載の装置において、２個
   の圧覚センサセルがＴ字状に配されたことを特徴とする
   圧覚認識制御装置。 ２、特許請求の範囲第１９項記載の装置において、３個
   の圧覚センサセルが１字状に配されたことを特徴とする
   圧覚認識制御装置。 ２、特許請求の範囲第１項ないし第１８項のいずれかの
   項に記載の装置において、前記圧覚センサモジュールは
   二つの前記圧覚センサセルの感圧構造体のそれぞれに力
   の３成分を検出するためのそれぞれのブリッジを構成す
   るストレンゲージ領域の半分ずつを備えたことを特徴と
   する圧覚認識制御装置。 ２、特許請求の範囲第１項ないし第１８項のいずれかの
   項に記載の装置において、前記圧覚センサモジュールは
   一方の前記圧覚センサセルの感圧構造体が受圧板の上面
   に印加される力の３成分のうちの２成分を検出するスト
   レンゲージ領域を備え、他方の前記圧覚センサセルの感
   圧構造体が残りの１成分を検出するストレンゲージ領域
   を備えたことを特徴とする圧覚認識制御装置。 ２、特許請求の範囲第１項ないし第１８項のいずれかの
   項に記載の装置において、前記圧覚センサセルは、片側
   の前記垂直な面に力の三成分のうちの二成分を検出する
   前記ストレンゲージを形成し、反対側の前記垂直な面に
   他の一成分を検出する前記ストレンゲージを形成したこ
   とを特徴とする圧覚認識制御装置。 ２、特許請求の範囲第２５項記載の装置において、前記
   圧覚センサセルは受圧面に平行な力の二成分を検出する
   ストレンゲージを前記片側の前記垂直な面に形成し、前
   記受圧面に垂直な力の成分を検出するストレンゲージを
   前記反対側の前記垂直な面に形成したことを特徴とする
   特許識制御装置。 ２、特許請求の範囲第１項ないし第２６項のいずれかの
   項に記載の装置において、前記圧覚センサセルにおける
   前記拡＋１＆形ストレンゲージを作成する前記垂直な面
   を結晶面の（１１１）面としたことを特徴とする圧覚認
   識制御装置。 ２、特許請求の範囲第２７項記載の装置において、前記
   単結晶シリコンとしてＮ形シリコンを用い、前記拡Ｒ’
   ｉ形ストレンゲージとしてＰ膨拡散層を用いたことを特
   徴とする圧覚認識制御装置。 ２、特許請求の範囲第２７項記載の装置において、前記
   圧覚センサセルがリング状の形状を有していることを特
   徴とする圧覚認識制御装置。 ３０〕特許請求の範囲第１項ないし第２９項のいずれか
   の項に記載の装置において、前記圧覚センサセルに温度
   センサ領域が形成されたことを４８徴とする圧覚認識制
   御装置。 ３１）特許請求の範囲第３０項記載の装置において、前
   記温度センサが拡散抵抗であることを特徴とする圧覚認
   識制御装置。 ３２、特許請求の範囲第３０項記載の装置において、前
   記温度センサがダイオードであることを特徴とする圧覚
   認識制御装置。 ３３）特許請求の範囲第３０項記載の装置において、前
   記温度センサがトランジスタであることを特徴とする圧
   覚認識制御装置。 ３４）特許請求の範囲第３０項ないし第３３項のいずれ
   かの項に記載の装置において、前記温度センサ領域が前
   記圧覚センサセルの受圧面にカが印加された際の歪の小
   さい領域に位置することを特徴とする圧覚認識制御装置
   。 ３５）特許請求の範囲第１項ないし第３４項のいずれか
   の項に記載の装置において、前記圧覚センサセルにアナ
   ログスイッチが集積され、入出力配線中に接続されたこ
   とを特徴とする圧覚認識制御装置。 ３６）特許請求の範囲第１項ないし第３５項のいずれか
   の項に記載の装置において、 前記圧覚センサセルを支持する基板が該圧覚センサセル
   の材料と熱膨張係数のｉＩ［似した旧ネ；１からなるこ
   とを特徴とする圧覚認識制御装置。 ３７）特許請求の範囲第１項ないし第３６項のいずれか
   の項に記載の装置において、前記圧覚センサセルを支持
   する基板が単結晶半導体よりなりここに配線および抵抗
   素子ブリッジの出力信号処理を行う制御回路が集積され
   たことを特徴とする圧覚認識制御装置。 ３８）特許請求の範囲第１項ないし第３７項のいずれか
   の項に記載の装置において、前記圧覚センサセルは前記
   ストレンゲージの出力信号を取り出すための端子をその
   表面に備え、前記セルを支持する基板は当該セルの出力
   信号を受けるための端子を有し、両端子間は可撓性フィ
   ルム十に配線を施したフィルムキャリアを用いて相互に
   電気的に接続されていることを特徴とする圧覚認識制御
   装置。 ３８）特許請求の範囲第３８項記載の装置において、前
   記圧覚センサセルの端子と前記フィルムキャリアの端子
   の少なくとも一方を隆起導体とし、他方の端子に当接さ
   せて接合するようにしたことを特徴とする圧覚認識制御
   装置。 （以下、余白）