JPS61240101A - 接触センサ - 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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は物体の接触により、その物体の形状を判別する
ための接触センサに関するものである。

〈従来の技術および発明の解決しようとする問題点〉 物体認識の目的で使用されるセンサとしてはテレビカメ
ラを使用した映像利用のものが重要視され、さかんに研
究されている。

しかしながら映像信号は情報量が多く、処理が複雑とな
り、高度なハードウェア及び膨大なソフトウェアが必要
である。処理時間の面、また価格面においてもまだまだ
問題は多い。

一方接触した物体の形状を判別するという方法も考えら
れる。たとえばセンサを床面にとりつけてその上に置か
れた物体の形状を判別したり、また、ロボットハンドの
把持部にセンサをとりつけて、把持物体の形状を知るこ
となどに応用できる。

工場内製品の検査や仕分は工程での使用が考えられる。

また、面状の接触センサはコンピュータその他の情報処
理機器の入力装置としての応用も可能である。

この様な目的に用いられるセンサの構造として、ｏｎ　
　ｏｆｆ信号の得られるスイッチをマトリクス状に並べ
て面状センサを構成した例がある。

この方法では機械的接点を持つスイッチを並べることか
ら、おのずと構成できる画素数に制限が生じる。またセ
ンサそのものを薄く小さくすることも雌しくなる。

これらの問題を解決するべく感圧導電ゴムを用いたもの
の研究が行なわれている。

感圧導電ゴムはシリコンゴムにカーボン粒子を均τに混
入させ面状に成形したもので、面に対して（に直に圧力
を加えると、圧力の存在する部分の壬申方向の抵抗が小
さくなり局所的に導通状態が得られるという性質を持ち
、コンピュータ入力装置や、電子卓上計算機などのキー
ボードでの使用がさかんになりつつある。それらにおい
ては、感圧導電ゴムをスイッチの接点として個別にスイ
ッチを構成するという構造がとられる。薄く小さく構成
した接触センサとするためには、個別のスイッチをマト
リクス状に配列するのでは問題の解決とはならない。そ
こで第１図に示す様にマトリクス状に格子点がくる様に
ストライプ状の電極２１．２２で感圧導電ゴム２３の上
下面をはさんで接触センサを構成する方法が考えられる
。この場合、上面側の行にあたる電極２１に順にある一
定の電圧を加えてゆき下面側の列の電極２２の出力状態
を観測する。

１格子点に圧力を加えている場合感圧導電ゴム２３のそ
の場所だけが上下方向に導通状態となるため、その格子
点に対応する列電極２２に出力が得られる。

しかし複数個の格子点に圧力を加えその形状を知ろうと
する時、導通状態となる格子点が複数個生じ、予期しな
い電流路が構成され、圧力を加えない格子点の列電極２
２からも出力の得られる現象が生じる。

たとえば、第２図の如＜、２Ｘ２のマトリクス十構成し
、３点にのみ圧力を加えても、その３点　　　　　　“
す構成される電通路のため、圧力を加えない格子点も圧
力が加わっているものとして検出されてしまう。

この不都合を避けるために、各格子点にダイオードを電
流の逆流防止用として入れることが考えられる。しかし
この場合ゴム自体のもつ柔軟性を殺すことになるため、
円筒面に貼りつけて使用するなどの応用がきかなくなる
とともに、小さなマトリクスを構成できなくなる。また
各列から得られる電圧の測定から感圧導電ゴムの抵抗値
を逆演算する方式も考案されているが、コンピュータで
繁雑な計算をする必要があるため、処理に時間が必要と
なるなどの難点がある。

〈問題点を解決するための手段〉 本発明は感圧導電ゴムをストライプ状の電極で、１（未
ざんでマトリクス型の接触センサとする場合に［斗力を
加えていない格子点からも出力の得られる不都合を妨ぎ
、ざらにゴムの持つ柔軟性をそこなうことなくコンピュ
ータによる繁雑な演算も不要となる接触センサを提供す
るものである。

〈実施例〉 今ｍ本の上面側のストライプ型電極と、ｎ本の下面側ス
トライプ型電極とで感圧導電ゴムをはぎｊト、第３図に
示す様にｍｘｎのマトリクスセンサコトする場合を考え
る。上面側のｎ本の電極のうち＼り本に電圧■を印加す
る。

出力は下面側電極にとりつけられた一定の接地抵抗によ
り電圧として読みとるものとする。上面側の電極を行、
下側の電極を列と呼ぶ、上下電極間にはさまれた感圧導
電ゴムのｉ行ｊ列の格子点における抵抗をコンダクタン
スＱＬｊとして現わす。

同様に接地抵抗をコンダクタンスｇｏ　　とする。

ｉ番目の行電極にＶを加えた時に３番目の列電極から得
られる出力を■しと表記する。電圧を加えている以外の
行電極を接地するとすれば、第３図に示す抵抗だけで構
成される回路は第４図の様に書きなおすことができる。

（第４図ではｉに十Ｖを印加し、残りの行電極を接地し
たものとして描いである。） 第４図においてキルヒホッフの法則を適用することによ
り、 したがって１番目の行電極に電圧■を加えた時にｊ番目
の列電極から得られる電圧ｖｉうは次式で表わされる。

（２）式を見ると出力点より得られる出力電圧はその出
力を測定している列電極に接続されているコンダクタン
スの総和と電圧を加えている行電極との格子点のコンダ
クタンスＱＬＪとで表わされることがわかる。

感圧導電ゴムは圧力を与えることによって抵抗変化が生
じる。第５図は実際に測定した圧力と面に垂直な方向の
抵抗との関係を示す。はぼｒ　＝ｐ　−Ｓ　　　　　　
　　　　・・・・・・・−（３）関係がある。してかっ
てコンダクタンスとして表記すれば ａ＝ＰＳ　　　　　　　　　・・・・・・・−（４）あ
る。

第３図のように構成したマトリクス状のセンサにおいて
面内に分布した荷重を与えた場合、その荷重分布に応じ
て各格子点のコンダクタンスは変化するが、定常状態に
おいては（２）式の分母は固定される。

したがって、１〜ｍまでの行電極に順に電圧を印加して
いった時のそれぞれに対応してｊ番目の列から得られる
出力電圧は、その格子点のコンダクタンスの大小で定ま
ると考えられる。

（４）式より、格子点のコンダクタンスは加える圧力が
大きいほど大となるため、大きな圧力を加えている格子
点からの出力電力は、小さな圧力の加えられている格子
点からの出力よりも大となる。そのため出力の大小を比
べれば、力の大小の比較を行なうことは可能である。ま
たＶｊＬ　（ｉ　−１〜ｍ）を求めればそれぞれのＶＪ
’Ｌ、に対応する（２）式がｍ個求まりｑｚｊ（ｉ＝〜
ｍ）が逆演算でき、（４）式より力そのものの分布が求
まる。

しかしながら■モをすべて求めて逆演算を行なうことは
先に述べた様に繁雑な計算をコンピュータに行なわせる
ことから処理時間の点で難がある。

またいちいちＡＤ変換器を通しての処理が必要となるた
め、ハード的にも複雑性を増し、制限が生じる。

この様なマトリックスセンサを加えられた圧力分布の形
状を判定する目的で使用する場合、ある圧力以上でおさ
えられているかどうかを判定する機能だけ有すればよい
と考えられる。

そこで第６図に示す様に、行電極を１水増やし、参照用
電極とし、ある一定の抵抗を各列電極との間に接続する
。この抵抗を第５図を参照してマトリクスセンサ上で検
出したい圧力に対応する値よりも大きいものとして選ぶ
。まずはじめに電圧を参照用電極に加え他の行電極を接
地しておく。各列電極か得られる電圧Ｖｉｐｅ５を測定
し、記憶しておく。■？峠は次式となる。

”’Ｙｐｅ４＝　Ｑｐｅ４　Ｖ　／　（Ｑ６＋　Ｑｐａ
ｆ　＋　、；　Ｑ−”　　　　”’　””（５）続いて
参照用電極以外の行電極ｉに■を加え他として得られる
。Ｖｉｒｅｔ、と■こを比較する場合、その大小はｑＬ
、１とＱ、ｅ４の大小による。格子点（ｉ、ｊ）に加え
られた力がＰ＝　Ｓ（ｇよりも大であれば■心＞　Ｖｊ
ｒｅ８　となる。

続いて以上の原理を実現する実際の回路のブロック図を
第７図に示しざらに説明を加える。図では感圧導電ゴム
の上下面を上部および下部電極ではさみ、３Ｘ３マトリ
ツクスセンサとして構成したときを例にとっている。マ
トリックスセンサの行電極は参照用に１本多くしてある
。それら行電極ははスキャン回路を用いてコンピュータ
からの指令により１本のみを＋Ｖに接続し、他は接地す
る様に構成する。このスキャン回路は市販のアナログス
イッチＩＣが使用できる。まず最初に参照用電極、（ｒ
ｅｆ）に＋Ｖを印加する。この時接地抵抗の両端にあら
れれる電圧は、その時の感圧ゴム上に加えられている圧
力と、参照用抵抗とで（５）式で定まる。

この電圧をサンプルホールド回路を使用して一時記憶し
ておく。続いて行電極１をＶに接続し、順は接地する。

図に示す用にサンプルホールド回亭の制御を参照用電極
線に与えられる信丹で行なうこととすれば、行電極１に
＋Ｖが与えられてい◆時点では、接地抵抗両端の電圧は
、サンプルホールド回路には取り込まれない。この時の
電圧は、但）式で与えられるものとなる。サンプルホー
ルド回路に記憶してある参照用電圧と、この電圧とを比
較回路に入力し、大小判定する。もし該当する格子点に
荷重が加えられていれば、この時点での電圧が参照用電
圧よりも高くなるため比較回路から出力が得られる。そ
の出力をレジスタに保持し、コンピュータに入力する。

これを行電極２．３と順次行なってゆき、そのつとレジ
スタに保持されるデータを取り込んでゆけば３×３マト
リックス各格子点の荷重分布状況を知ることができる。

第７図にはオペアンプを用いて構成したサンプルホール
ド回路＋比較回路の一例を示す。また専用のサンプルホ
ールド回路や比較回路のＩＣで構成してもよい。

１　　　　〈効　果〉 以上述べた感圧導電ゴムを用いた接触センサは次の利点
が生じる。

１）感圧導電ゴムを、たとえばフレキシブルプリント基
板で作製した電極ではさむことにより、ゴムのもつ柔軟
性という利点を最大限利用できる。

４続する必要はなく、処理回路を構成しておる回ｊ基板
上に持ってきてもよいため、感圧ゴムの柔軟性をそこな
う障害とはならない。

この柔軟性のために円筒形のロボットアーム等に貼りつ
けることも可能となる。

２）参照用抵抗を通して得られる電圧を一時記憶して、
他の格子点のゴムの抵抗を通して得られる電圧と比較す
るという、まったく新しい方式をとり入れたために、圧
力を加えない格子点が圧力を加えている格子点と同じふ
るまいを示すという不都合をのぞくことができる。

そのため、圧力を加えている形状に応じた出力が得られ
、感圧接触センサとしての信頼性が増す。

３）ロボットハンド、アームなどに取りつけて接触感を
得るセンサとして使用できるのはもちろんのこと、ハン
ド把持部に取りつければ把持した物体の形状判別なども
可能、となる。また工場での製品検査工程や弁別、し分
けなどの工程の自動化用センサとしてや、コンピュータ
をはじめとする情報処理機器の入力装置としてなど応用
範囲は広い。

【図面の簡単な説明】

第１図は感圧ゴム接触センサの構成を示す斜視図、第２
図は同上におけるマトリクスの説明図、１３図はマトリ
クスに抵抗を組合せた説明図、第二・１図は同上の等価
回路図、第５図は感圧導電ゴム列圧力と抵抗値の関係を
示すグラフ、第６図はこの発明に係わる接地センサを示
す説明図、第７図は同上の構成図、第８図はオペアンプ
回路と比較回路を組合せた回路図である。 ２１．２２・・・ストライプ状の電極　２３・・・感圧
導電ゴム第１図 第２図 第３図 第５図 へ圧−導屯コ“ム（４で５ｍｍ）の圧−力と十氏十九値
！圓り代筆６図 第７図 第８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 面状に成形され、通常面に垂直な方向の抵抗値は無限大
   であるが、局部的な圧力を面に垂直に加えた時に、その
   部分の抵抗値が減少する性質を有する感圧導電性ゴムの
   上面側および下面側をそれぞれがたがいに直交するよう
   にストライプ状の電極ではさみ、上下電極の極子点にお
   ける感圧導電性ゴムの抵抗変化を検出することによって
   圧力の分布状況を測定する感圧センサにおいて、一面側
   のストライプ状電極の一本を参照用の電極として他面側
   の各電極との間に一定の抵抗を接続し、参照用電極に電
   圧を与えた時に参照抵抗を通して得られる出力電圧を参
   照用電圧として一時記憶し、続いて、一面側電極の２番
   目以降の電極に電圧を加えた時の出力電力を一時記憶し
   てある参照用電極と比較器により比較して、ある一定の
   圧力以上の力の面内分布を知るようにしたことを特徴と
   する接触センサ。