JPS61223625A

JPS61223625A - センサ

Info

Publication number: JPS61223625A
Application number: JP60065356A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Tanigawa; 紘谷川
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1985-03-29
Filing date: 1985-03-29
Publication date: 1986-10-04

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】（産業上の利用分野）本発明はロボットアーム等に用いられる力及びモーメン
トを検出するセンナに関する。

（従来技術とその問題点）従来、ロボット応用分野では、グリッツでが物体を把持
した時の把持力、即ち、当該物体からの反力を検出する
ことが強く要望されていた。かかる把持力が検出される
ならば、該把持力に応じてグリッパの開閉量を制御する
ことにより、当該物体が軟かフた夛、脆かり九シしても
、破損することなく把持でき、所望の動作を達成できる
からである。かかる要望をみたすために、穫々のセンナ
が提案されてきた。米国ジェット推進研究所で利用され
ているセンサを第６図に示す（自動化技術、第１３巻、
第１号、第４９〜５２−！！−ジ）。同図（ａ）におい
て、１０１は中央支持体、１０２は外周支持体、１０３
〜１０６はビームである。通常中央支持体１０１はその
中央部に設けられた穴を介して第１の受容棒（図示せず
）に強固に固定されている。また、該外周支持体１０２
はその周囲部を用いて第２の受容棒（図示せず）に強固
に固定されている。さらに、複数のビームの表面には、
複数の歪ゲージ（１０７として例示）が接着されておシ
、該ビーム個々の変形（即ち歪）を検出できるようにさ
れている。前記第２の受容棒は例えばロボットアームの
本体側に固定され、前記第１の受容棒は例えばロボット
アームのグリッノソ側に固定されている。かかる構成に
おいて、グリッパが対象物体を把持して空中に持ち上げ
た場合、該第１と第２の受容棒間には力ないしモーメン
トが誘起される。かかる力ないしモーメントは、対象物
体の荷重、形状、重心位置、およびアームの姿勢に応じ
て決定されることが知られている。かかる力およびモー
メントは同図（ａ）に示されたＸ、Ｙ。

Ｚ軸について、同図（ｂ）に示す６つの成分、即ち、Ｆ
ｘ（Ｘ軸方向の力）、Ｐｙ（Ｙ軸方向の力）、　ＦＺ（
Ｚ軸方向の力）、Ｍｘ（Ｘ＠まわりのモーメント）Ｍｙ
（Ｙ軸まわシのモーメント）、ＭＺ（Ｚ軸まわ夛のモー
メント）の組み合わせで定義することが可能である。ま
た、この６つの成分が誘起された時には、前記４つのビ
ームには同図（ｂ）に示す８つの変形が発生する。この
変形は、前記した如く、各ビームに接着された歪ゲージ
によシ、個別に検出される。換言するならば、歪ゲージ
の出力信号から、８つの変形を求め、さらに次式に示す
マトリクスによシ前記６つの成分を求めることができる
。

ここで％　　ｉｃｍｎは主としてビームの剛性にょシ決
定される変換係数であシ、剛性を変化させることによシ
、前記６つの成分の検出感度を変化させることができる
。剛性の変化方法については、材質、断面形状、太さ、
長さ等を適宜決定することにより達成される。上式に示
したマトリクスの演算は、通常、ロボットコントローラ
内に格納されているマイクロプロセッサ等によシ行なわ
れる。勿論、歪ゲージで発生する微小な抵抗値変化を、
抵抗・電圧変換回路、電圧増幅回路、特性補償回路、〜
勺変換器等によりディジタル量に変換してからマイクロ
プロセッサに供給されなければならないことは言うまで
もない。第１図に例示した、従来技術のセンサでは下記
の問題点があった。

（１）中央支持体、外周支持体、複数のビームは、通常
、金属ブロックから切削により形成される。

このため、当該構造体を作成するための加工時間が長く
、シかも、切削精度（特にビームの形状、寸法）が前記
６つの成分の検出感度の精度に影響する。即ち、高精度
で該検出感度バラツキの少ない当該構造体を安価に、大
量生産することは困難である。

（２）中央支持体、外周支持体、複数のビームを切削加
工で作成する時には、当該構造体の小型化が困難である
。さらに、切削加工では加工精度が１０μｍ程度である
ので、小型化するに従い、該ビームの相対精度（ここで
は該加工精度とビーム断面の寸法との比を一例として考
える）が劣化し、前項（１）での該検出精度のバラツキ
が大きくなる。

（３）歪ゲージを接着する時には、接着剤に起因するク
リープ現象が発生し、センサの長期安定性の維持が困難
となる。本発明で対象として１八るロボット分野では、
グリッツぐが対象物体を把持している期間はかなシ長い
場合が想定される。

作業内容にも依るが、数１０分に及ぶこともある。かか
る長期間内で一定の対象物体の把持状態とアームの姿勢
とが実現されている時に、該クリープ現象が発生すると
、該センナからの出力が変化するので、ロボットコント
ロー２にはあたかも、当該把持状態と当該アームの姿勢
とが変化しているかのように見えるため、所望しないロ
ボットの誤動作が発生することになる。

（４）　　該歪ゲージは通常ブリッジ回路にょ９電圧信
号として検出されるが、電圧信号値はミリボルト程度で
ちゃ、しかも、その出力インピーダンスは数１００オー
ムと高い値を有している。かかる低電圧信号を所望のレ
ベルまで増幅するために高価なシグナルコンディジ四す
と称される値流増幅器が必要である。さらに、高出力イ
ンピーダンスの該低レベル信号を外乱雑音の混入を受け
ることなく効率良く伝送するための信号伝送路や核外乱
雑音の除去回路が不可避であバ周辺回路の高価格心を招
いておシ、当該センナの広範な普及が妨げられていた。

以上のように、従来のセンサでは、小型化、低価格化、
検出感度のバラツキ低減、長期安定性等において限界が
あり、ロボット制御用センサとして満足できるものでは
無かった。

（発明の目的）本発明の目的は、かかる従来技術の欠点を排除し、ロボ
ット制御に適し、かつ、応用分野を拡げ得るセンナを提
供することにある。

（発明の構成）本発明によれば、中央支持体と外周支持体と両者を接続
する複数のビームとが共通の半導体材料で一体化構成さ
れ、前記ビームには半導体ゲージ抵抗が埋設されている
ことを特徴とするセンサが得られる。

（実施例）以下、実施例によシ本発明の詳細な説明する。

第１図は、本発明の一実施例を示す図である。

同図（ａ）において、ｌはセンナを構成する半導体基板
でちゃ、例えば単結晶シリコンがその材料である。ｌは
中央支持体、２は外周支持体、３，４゜５．６は中央支
持体１ど外周支持体２とを接続しているビームである。

該ビームには、周知の拡散技術、イオン打込技術等によ
り、半導体ケ゛−ジ抵抗７が埋設されている。抵抗７に
ついては、ビーム６での埋設位置のみが例示されている
。同図（ｂ）は、同図（ａ）の人−にでの断面図、同図
（ｃ）はＢ−Ｂ’での断面図を示している。半導体基板
ｌは、下記に例示する製造方法によって作成される。

（１）前述した周知の諸技術によシ、半導体ゲージ抵抗
を拡散抵抗で作成する。

（２）　　外周支持体２の内外周、中央支持体１の外周
、およびビーム３〜６の外縁に沿りて／ぞターニングを
施こし、前記半導体基板の不要部分を除去する。該除去
の方法については、周知の方法、例えば、硝酸とフッ酸
の混合液等による等方性エツチング、アルカリ溶液によ
る異方性エツチング等がある。なお該ビーム内での抵抗
の埋設位置は、セ／すの感度、オフセット等の特性に悪
影響を及ぼすので、十分に位置精度を確保して、所望の
位置に埋設されているととが必要である。なお、位置精
度を確保するために、上記（１）（２）の工程を逆にし
ても良い。

かかる製法によシ作成された第１図の実施例の動作につ
いて次に説明する。第２図は第１図に示した半導体基板
すを力およびモーメント検出のためのセンナとして構成
した時の構造断面図である。

図において、２０は中央支持体１を結合された第１の受
容棒であシ、円柱形状の棒が例示されている。２１は該
外周支持体と結合された第２の受容棒であり、円柱形状
の棒が例示されている。また図では、半導体基板４ｏの
断面は、第１図（ｃ）と同様、第１図（ａｔでのＢ　−
Ｂ’での断面図が示されている。受容棒２０と支持体１
との結合手段については何ら制限は無い。例えば、接着
剤による接合、共晶合金による接合、１の中央部に設け
られた穴（図示せず）と２０の中央部に設けられた雌メ
ジ（図示せず）とによるネジ結合等であって良い。また
、受容棒２１と該支持体２との結合手段についても何ら
制限はない。例えば、接着剤による接合、共晶合金によ
る接合等であって良い。勿論、これらの結合は、結合力
が大きいこと、および、作動温度変動に伴なう熱歪の効
果が少ないことが要求されるととは当然である。受容棒
２０，２１については円柱形状を対象として例示されて
いるが、他の形状、例えば四角柱や、円角柱と円柱との
組み合せであっても良い。かかる形状の選択については
、それぞれの一端が半導体基板ｌと結合しやすく、かつ
、他の一端近傍が他の機械要素、例えば、ロボットアー
ムのグリッパやアーム自体と結合しやすければ良い。勿
論、該受容棒２０　、２１の材料の機械的強度が大きく
、かつ、材料および形状に起因する機械的剛性が大きい
ことが必要である。

第３図は、第２図と同様な当該センサ構造断面図であり
、受容棒の一万にモーメントが印加した場合が示されて
いる。図において、半導体基板口の断面は、第２図（ｂ
）と同様、第２図（ａ）の人−にでの断面図として例示
されている。また、第２図と同様、受容体２０．２１は
共に円柱形状として示されている。同図では、一方の受
棒２１が機械的に固定され、他の受容体２０には、紙面
内での舌−メン）３０が印加された時の変形が、概念的
に示されている。モーメン）３０によシ、ビーム４およ
び６には「曲がシ」が発生し、該「曲がシ」の変形に対
応して、ビームには引張あるいは圧縮の応力が誘起され
る。同図においては、抵抗７には圧縮力が、抵抗７′に
は引張力が作用している。

ビームには、半導体ゲージ抵抗７，７′が埋設されてい
るので、周知のピエゾ抵抗効果により、該抵抗の抵抗値
が変化するので受容体２０．２１間に印加されたモーメ
ントを電気信号として検出することができる。

第４図は、第３図と同一の当該センナに、４０で示した
力が印加している時の変形を概念的に示したものである
。かかる力（ちから）４０の供給によシ、ビーム４およ
び６には同一の「曲がり」が発生する。この「曲がシ」
の形状は、片持ち梁の自由端を固定された境界（ビルト
　イン　エツジ（ｂｕｉｌｔ−ｉｎ　ｅｄｇｅ　）と称
されている）条件下で移動させた時の形状と等しくなる
。この「曲が夛」に対応してビームには引張あるいは圧
縮の応力が誘起される。同図においては抵抗７および７
には同一の圧縮力が作用している。かかる状況下におい
２１間に印加された圧縮力および引張力を電気信号とし
て検出することができる。

以上の説明で明らかにされたように、当該センサでは、
力およびモーメントの検出が可能である。

力とモーメントとでは、当該ビームの「曲がり」および
、該半導体ゲージ抵抗の抵抗値変化の方向が異なること
は第３，４図で明らかにされている。

即ち、第４図の場合に１該抵抗が共に抵抗値増大をきた
すと仮定すれば、第３図の場合には一方（図では７）が
抵抗値増大、他の一方（図では７′が抵抗値減少をきた
すことになる。さらに、第４図の場合に力４０が逆向き
（即ち、該受容体２０゜２１間に引張力が作用する）の
時は、該抵抗値は共に抵抗値が減少する。第３図の場合
に３０の。

−メントが逆向きの時、一方の該抵抗７の抵抗値が減少
し、他の一方の該抵抗７′の抵抗値が増大する。即ち、
当該ビームに埋設された半導体ゲージ抵抗の各抵抗値を
個別に検出すれば、受容体２０゜２１の間に印加され九
力およびモーメントを独立に知ることができる。

該ビームに埋設された前記半導体ゲージ抵抗の配列につ
いては、本発明とは無関係に、任意に選択できる。勿論
、誘起された応力を抵抗値変化に変換する際の変換係数
を大きく、かつ、該係数が一定（即ち、応力・抵抗値変
化が直線的である）であるような配置を採ることが好ま
しい。

第５図は本発明の他の実施例を示す図である。

図において、第１図と同一番号は同一構成要素を示して
いる。同図（ａ）　（ｂ）　（ｃ）は、それぞれ、本実
施例での該半導体基板Ｕの平面図、Ａ−に部での断面図
、Ｂ−「部での断面図である。前記実施例との第一の相
異点は、同図ｆｂｌで示すように、エツチング等の周知
の技術を用いて、該ビーム３〜６の厚さを該支持部１お
よび２の厚さよ夕も薄くし、かつ、同図（ａ）で示すよ
うに、該ビーム３〜６の幅を小さくした点にある。かか
る形状の選択は、該受容体（図示せず）への力およびモ
ーメントが微小であっても該抵抗値変化が大きくなるよ
う釦なされたためである。即ち、かかる形状の選択は当
該センサの高感度化に有効である。本実施例の前記実施
例との第２の相異点は、該中央支持体の表面に熱的安定
性向上のための第１の緩衝層５０を、また、該外周支持
体の裏面に熱的安定性向上のための第２の緩衝層５１を
設けた点にある。通常シリコン等の半導体材料の熱膨張
係数は小さいので前記受容体との間で熱膨張係数差に起
因する熱歪が特性劣化の要因となる。特に、受容体を金
属で構成する場合には、かかる特性劣化は特に顕著な問
題となる。第１．第２の緩衝層は、該熱膨張係数差を低
減するために採用されたものであり、該半導体基板と前
記受容体の熱膨張係数値の中間の値を有する材料、ある
いは、該半導体基板の熱膨張係数値とほぼ等しい値を有
する材料が良い。より具体的にはパイレックス等の硼硅
酸ガラスが好ましいが、この限りではない。かかる緩衝
層５０゜５１がパイレックス等である場合には、該半導
体基板ｌとの接着を陽極結合技術を用いることができる
。本実施例においては、図示していない該受容体との結
合は半導体基板ｌと直接なされることなく、当該緩衝層
を介して行なわれることは言うまでもない。かかる結合
に陽極結合を用いることは可能である。また、緩衝層５
０．５１の該基板Ｖとの位置関係は図示し九例に限定さ
れることはない。即ち、５０を中央支持体１の裏面に、
５１を外周支持体２０表面に設けても良い。

以上詳細な説明を行なった当該センナでは、半導体基板
を用いていることに特徴がある。即ち、当該センナを周
知の半導体集積回路を一体化することが可能であるとい
う新たな利点が存在する。

例えば、第１図において、中央支持体１と外周支持体２
では、本発明の詳細な説明から明らかなように、受容体
２０．２１間に印加される力およびモーメントから誘起
される応力成分は皆無に近いので、かかる支持体領域に
信号処理回路を集積化しても当該応力とは無関係となる
。かかる信号処理回路としては、ブリッジ回路の一部、
増幅回路、温度補償回路、各種演算回路、出力路等があ
り、いずれも周知の回路技術を駆使すれば実現可能であ
る。勿論、該信号処理回路の適切な設計によれば、前記
ビーム領域に該回路を集積化することも可能めなる。

以上、力およびモーメントの検出が可能な新規なセンサ
について詳細な説明を行った。

このような発明によれば、半導体集積回路技術を用いて
当該センサを製造できるため、小型化、低価格化、高精
度化が容易に達成される。また、該半導体ゲージ抵抗は
、接着剤を用いることなく前記ビームと一体化されてい
る。ので、クリープ現象は発生せず、秀れた長期信頼性
を確保することができる。本発明によるセンナはロボッ
ト工学の進展に著るしく寄与し、その効果は大きいもの
である。

（発明の効果）このような発明によれば、半導体を用いたセンサで力や
モーメントを検出することが可能になるので、上記した
ロボット応用分野に限定されるととなく、多くの機械工
学分野への適用が可能となる０例えば、三次元計測機用
のタッチセンサにも本発明は利用でき、その効果は大き
いものである。

【図面の簡単な説明】

第１〜第５図は本発明の実施例を示す図。第６図は力およびモーメンｉ検出するセンサの従来例を
示す図。ｌ・・・半導体基板、　１，１０１・・・中央支持体、
２．１０２・・・外周支持板、３　、４　、５　、６．
１０３゜１０４．１０５，１０６・・・ビーム、７，７
′・・・半導体ゲージ抵抗、２０　、２１・・・受容体
、３ｏ・・・モーメント、４０・・・力、５０．５１・
・・緩衝層。第１図（α］（ｂ）（し）第２図第　４　図第　５　図弔６図 × （α）＆（ｂ）

Claims

【特許請求の範囲】

中央支持体と外周支持体と両者を接続する複数のビーム
とが共通の半導体材料で一体化構成され、前記ビームに
は半導体ゲージ抵抗が埋設されていることを特徴とする
センサ。