JPS61284390A - 触覚センサ - 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、ロボットのハンドや遠隔制御のマニピュレー
タあるいは移動ロボットの足の裏等に取付けて１人間に
おける接触覚、圧覚、力覚、すべり覚および硬さ覚等に
相当する感覚を検出する触覚センサに関する。

［従来の技術］ 人間の手や足の裏の皮膚に加わる力は立体的であり、か
つある分布を有している。そして、この手や足に印加さ
れた力の大きさや方向およびその分布は手や足の動きに
併って変化するが、人間はこの力に対する接触覚等の感
覚を具えている０機械のハンドや足を人間と同等に高度
に制御するためには１人間の有するこれらの感覚、即ち
触覚を制御系に備える必要がある。

上述のような立体的な力を触覚センサが検出するには、
そのセンサの受圧面に垂直な方向の力と、受圧面に平行
な直角２方向の力の合計３分力、即ち印加された力を直
交座標系の３軸の力に分解して検出することが、力の検
出後のデータの処理上も都合が良く、一般的に採用され
ている。

この３方向分力を検出する感圧構造体として円形の弾性
リングあるいはその変形である第２図に示すようなへ角
形のリングを用いて２個差列にした触覚センサモジュー
ルが提供されている。また。

第３図に示すように、この触覚モジュールを多数マトリ
ックスアレイ状（行列状）に配置して、力の分布状態を
検知する触覚センサも提供されている。ここで、５０は
触覚センサ全体を示す、　５１は触覚センサモジュール
、５２は受圧板、５３は感圧構造体（感圧セル）、５４
はストレンゲージ、５５は基板、５Ｂは感圧構造体固定
用溝、５７はスキャナ・増幅器および温度補正回路であ
る。

この六角形感圧構造体５３には上述の３分力を検出する
ためのストレンゲージ５４が、例えば第４図に示すよう
に、所定の計算式により演算して求めた適切な位置に配
置されている。即ち、５４ｘは図中に示す力の水平方向
の分力Ｆｘの検出用のストレンゲージであり、５４ｙは
分力Ｆ！と直角な力の水平分力Ｆｙの検出用のストレン
ゲージであり、５４ｚは力の垂直方向の分力Ｆｚの検出
用のストレンゲージである。これらのストレンゲージ５
４ｘ、５４ｙ、５４ｚはそれぞれ他の分力が出力信号に
干渉しないように、例えば第５図（Ａ）〜（Ｇ）に示す
ように３つのブリッジ回路を構成している。そのため、
このようなストレンゲージの配置では、１個の感圧構造
体５３に合計１２個のストレンゲージが必要であり、１
個のモジュール５１は２個の感圧構造体で構成されるの
で、合計２４個のストレンゲージが各モジュール毎に必
要となる。

そこで、ストレンゲージの数を少なくするために１例え
ば第８図に示すように各感圧構造体上のストレンゲージ
を片側だけにしたハーフブリッジ配置にしても、第７図
（Ａ）〜（Ｇ）に示すように、１個のモジュール５１に
ついて合計１２個のストレンゲージ５４が必要となる。

一方、触覚の分布の検出、特に接触覚や接触面積の検出
には触覚センサモジュールをできるだけ小さくして分解
能を高めることが望まれる。このモジュールを小さくし
、しかもその感圧構造体の中に多くのストレンゲージを
正確に配置するために、感圧構造体の材質をシリコン単
結晶としたり、または金属製の感圧構造体の表面に絶縁
層と非結晶シリコンを形成させた後に、これらの感圧構
造体の表面にフォトリゾグラフィによって半導体ストレ
ンゲージを形成させるという手段が一般に採用されてい
る。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、このように半導体ストレンゲージを形成
した従来の触覚センサには次のような幾個かの欠点があ
る。

■　その第１の欠点は、上述のように高密度に配列した
触覚センサの発熱量が大きいことである。

一般に、抵抗の発熱量は供給電圧が一定とすれば、抵抗
値に反比例する。この発熱量を小さくするために、スト
レンゲージの抵抗値を上げる方策として、半導体ストレ
ンゲージの場合にはその形状を小さくするか、又はイオ
ン注入量を下げることが考えられる。しかし、これらの
方策は抵抗値のばらつきやセシサの感度のばらつきを大
きくする原因となる。そこで、一般的には熱的安定性を
求められる小形センサでも、数にΩ程度の抵抗値を持つ
ように形成される。

今、１平方センチメータ当り１０個のモジュール（触覚
センサモジュール）があり、各モジュールにはそれぞれ
抵抗値５にΩのストレンゲージが１２個形成され、ブリ
ッジの電源電圧が５ｖの場合の消費電力を試算すると０
．６−となり、この消費電力は、ＬＳＩ（大規模集積回
路）パッケージの標準的な消費電力である１平方センチ
メータ当り０．２−よりも大きく、更に後述の温度測定
素子や信号の掃引のためのアナログスイッチを内蔵する
と消費電力は更に大きくなり、センサの温度はかなり高
くなることが予想される。

■　第２の欠点は、半導体ストレンゲージは通常の貼付
形の抵抗線、又は箔形ストレンゲージに比べて抵抗およ
び感度の温度係数が極めて大きいことである。

上述の第１の欠点と第２の欠点が各モジュール毎の感度
のばらつきと、熱的不安定性とを相乗的に大きくするよ
うに作用する。

これらの欠点を除いて測定精度を向上するために、半導
体ストレンゲージと同じ製造工程により抵抗形の温度測
定素子を各モジュール毎に形成させて各モジュールの温
度を計測し、その温度計測値から予め求めておいたそれ
ぞれのストレンゲージ毎の温度特性に基づいてストレン
ゲージ出力の補正計算を行うということが一般に行われ
ている。しかし、この温度補正による方法でも次のよう
な欠点がある。

■まず、一つの欠点は温度測定素子も抵抗素子であるの
で、発熱量が更に増加することである。

■二つ目の欠点は、配線数が増加することである。

そもそも、モジュールを小さくして、ストレンゲージ等
の構成要素を高密度に配列する場合の技術的な問題点と
して、配線数の制限がある。即ち、感圧構造体と基板の
部分での配線の接続における配線密度、および基板上の
配線における配線密度とが触覚センサの高密度化を決め
る大きな因子となるので、上述のように温度測定素子を
設けることによって配線がさらに増加し、触覚センサの
密度を低下することになる。

これらの欠点を除くための対策として、複数のモジュー
ルのグループについて１個のモジュールだけ温度測定素
子を設けて他のモジュールの温度も同じであると考える
方法もあるが、上述の如く温度測定素子を設けたモジュ
ールの発熱量は温度測定素子を設けないモジュールの発
熱量と異なるので、正確な温度補正はできないという欠
点がある。

本発明は、上述の種々の問題点に鑑みて、３方向分力を
検出できる触覚センサモジュールを高密度に配列すると
いう本来の目的を損なわないで、且つ触覚センサモジュ
ールの発熱量の増加や不均−化および配線数の増加をも
たらさないで、半導体ストレンゲージの温度補正を行う
ことを実現し、その結果として得られる温度の影響がな
く且つ高密度な触覚センサを提供することを目的とする
。

［問題点を解決するための手段１ 本目的を達成するために、本発明は感圧構造体に複数個
のストレンゲージを形成し、これらのストレンゲージに
より構成された複数個のブリッジの出力によって感圧構
造体の上部に設けられた受圧面に印加された力を、受圧
面に垂直な方向および受圧面に平行な直角２方向の合計
３方向の成分に分解して検出する触覚センサモジュール
を行列状に配列して、３方向分力の２次元分布を検出す
る触覚検出手段と、感圧構造体に温度測定素子を形成し
、感圧構造体の温度を検出するモジュール温度検出手段
と、触覚検出手段およびモジュール温度検出手段からの
出力信号を順次取り出し、ストレンゲージの個々につい
て予め求めておいた温度特性の補正係数に基づいて、ス
トレンゲージの温度特性の補正を行う触覚信号温度補正
手段とを設けたことを特徴とする。

［作用］ 本発明の触覚センサは、３方向分力を検出する触覚セン
サモジュール（以下、カモジュールと称する）、および
受圧面に垂直な力と温度とを検出し、受圧面に平行な２
方向の分力又はそのいずれかの一方の分力の検出を省略
した触覚センサモジュール（以下、測温モジュールと称
する）の２種類のモジュールとを備え、さらに基板上に
行列配列した触覚センサモジュールを適当な個数毎のグ
ループにグループ分けをして、各グループ毎に１個の測
温モジュールを配置するようにし、グループ内の他のモ
ジュールはカモジュールを配置するようにして構成した
ものである。また、カモジュールと測温モジュールの発
熱量が等しくなるように、温度測定素子の抵抗値を選ぶ
ようにしている。このため、測温モジュールの発熱量と
カモジュールの発熱量が等しくなって正確な温度補正が
得られ、これにより、発熱量の増加によるセンサの熱的
不安定性や信頼性の低下を避けることができると共に、
配線数の増加も避けることができる。

［実施例］ 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

第１図は本発明の触覚センサの構成の一例を示す、ここ
で、５９は３方向分力を検出する触覚センサモジュール
（カモジュール）であり、６０は受圧面に垂直な力と温
度とを検出し、受圧面に平行な２方向の分力又はいずれ
か一方の分力の検出を省略した触覚センサモジュール（
測温モジュール）である。

Ｂ１はスキャナ・増幅・温度補正回路（以下、ＩＣ回路
と称する）５７と各モジュール５９．８０を接続する配
線である。

これらのモジュール５９．６０は基板５５上に多数行列
配列され、適当な個数（本例では４個）で１グループを
形成し、各グループ内の１個が測温モジュール８０で、
他の３個がカモジュール５９である。１グループのモジ
ュールの個数は、放熱状況や測温モジュール６０で検出
を省略した分力の測定精度の要求に対応した適切な数に
選択する。

第１図のモジュール５９．８０を構成する感圧構造体（
感圧セル）５３は外縁が六角形のものであるが、感圧構
造体としてはこれに限定されず、第８図（Ａ）に示すよ
うなリング形状のもの、同図（Ｃ）に示すような短冊形
状のもの等、種々の形状のものが適用できる。また、カ
モジュール５９の感圧構造体５３のストレンゲージ５４
の配置は、上述した第４図または第６図に示すような従
来と同様のものである。

第８図は第１図の測温モジュール６０の配置構成例を示
し、第１０図はその測定モジュール６０のブリッジ回路
の回路構成例を示す、第９図に示すように、この測温モ
ジュール６０の各感圧構造体５３には、垂直分力Ｆｚを
検出する２個のストレンゲージ５４ｚｃ；　５４ｚｔと
２個の温度測定素子５８ａ、５８ｂとを形成し、他の分
力検出用のストレンゲージは形成していない。

上述の温度測定素子５８ａ、５８ｂはブリッジ出力を得
るためにそれぞれ異なる抵抗温度係数を有し、且つ温度
係数が温度によって変化しないような不純物濃度を選ん
で形成された２種の温度測定素子である。また、この温
度測定素子５８ａ、５８ｂはストレンゲージ５４ｚｃ　
、　５４ｚｔと同様に歪に対する感受性を有しているの
で、感圧構造体５３がｘ、ｙ、ｚ方向の外力を受けても
歪を生じない応力の中性軸となる位置、例えば入角形の
感圧構造体の場合には第９図に示したように上下方向中
央であってリングの幅の中央付近の位置に配置されるこ
とが望ましい。

また、カモジュール５９のブリッジの数は上述した第７
図に示すように３個であるのに対して、測温モジュール
６０のブリッジの数は第１０図に示すように２個である
。測温モジュール８０の検出温度データによりカモジュ
ール５８のストレンゲージの温度特性を補正するために
は、測温モジュール６０の発生温度とカモジュール５９
の発生温度とを同一にする必要がある。換言すれば、測
温モジュール６０のストレンゲージ５４ｚｃ　、　５４
ｚｔと温度測定素子５８ａ、５８ｂの合計の発熱量を力
゛モジュール５９のストレンゲージの合計の発熱量と同
一にすることが必要である。また、回路を簡単にするた
めに、ブリッジ電源の電圧を共通にすることが一般的に
行われているが、このようにブリッジ電圧を共通にした
場合には温度測定素子５８ａ、５８ｂの抵抗値をストレ
ンゲージ５４ｚｃ、５４ｚｔの抵抗値の半分にすればよ
い、なお、信号掃引のためのアナログスイッチ等がスト
レンゲージ５４ｚｃ、５４ｚｔや温度測定素子５８ａ、
５８ｂに付属している場合には、これらのスイッチ等も
含めて発熱量（即ち、抵抗値）を計算する必要がある。

上述の実施例の説明では、測温モジュール６０にいずれ
か１方向の分力Ｆ！またはＦｙを検出するストレンゲー
ジのみを省略することにより配線数の減少と発熱量の均
一化を図ることは可能であり、この場合には温度測定素
子の抵抗値をストレンゲージの抵抗値と同じにすればよ
い。

また、上述のように測温モジュール６０では温度測定用
の素子５８ａ、５８ｂを形成するために、受圧面に平行
な分力の検出を省略したが、この分力の検出を省略して
も触覚センサの機能を満足する理由を以下に説明する。

即ち、感圧構造体５３の受圧面に加わる３分力の内で受
圧面に垂直な方向の分力Ｆｚは触覚の基本的な量であり
、また接触覚、接触する面積や形状。

すべり覚、硬さ覚の検出や演算のために用いられ、３分
力の内で最も重要な分力なので検出を省略することはで
きない、一方、第１１図に示すように、複数の触覚セン
サモジュール５１で触覚の対象物６２と接触している場
合の垂直分力Ｆｚと受圧面に平置分力Ｆｘ（又はＦｙ）
の比率を各モジュール毎に実験的に求めてみると、下式
（１）のようにいずれのモジュールについてもほぼ一定
であることが解った。

但し、この比率は接触状態、触覚の対象物６２の表面の
材料６３の材質、触覚センサの姿勢で異なる。そこで、
第１図のような高密度な触覚センサ５０では触覚センサ
モジュール１個で対象物６２と接触することは、特に受
圧面に平行な力が作用する条件下ではあり得ないので、
次式（２）に示すように、測温モジュール６０の周囲の
カモジュール５９におけるＦｚとＦｙ（あるいはＦｙ）
の比率を求めて、これを測温モジュールのＦｚに乗じる
ことによって十″分な精度で測温モジュールにおけるＦ
ｙ（あるいはＦｙ）を知ることができる。

ｎ　ｎ−１Ｆｚｎ またその際、モジュールの大きさに比べて接触面積が十
分に大きい場合には、周囲のカモジュールのＦｘ（ある
いはＦｙ）を上述の演算を行わないで、測温モジュール
のＦｘ　　（あるいはＦｙ）とみなしても良い。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、３分力を検出す
る触覚センサモジュールを高密度に行列状に配列した触
覚センサにおいて、半導体ストレンゲージの温度特性を
補正するための温度測定素子を各モジュール毎に設けず
にモジュールの１グループについて１個のモジュールに
のみに設け、ざらにその温度測定素子を設けたモジュー
ルでは３分力の内で受圧面に平行な２方向の両方または
そのいずれか１方向の分力の検出を省略し、又モジュー
ル毎の発熱量を同一にするように温度測定素子の抵抗値
を決定するようにしたので、正確な温度補正が得られ、
かつすべてのモジュールに温度測定素子を設けた場合に
おける発熱量の増加によるセンサの熱的不安定性や信頼
性の低下を避けることができると共に、配線数の増加が
もたらす基板内の配線密度の製作上の限界によるセンサ
の大型化も避けることができる効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明触覚センサの構成例を示す斜視図、 第２図は従来の触覚センサモジュールの構成例を示す斜
視図、 第３図は従来の触覚センサの構成例を示す斜視図。 第４図は従来の感圧構造体上のストレンゲージの配置例
を示す斜視図。 第５図（Ａ）〜（Ｃ）は従来の触覚センサモジュールの
ストレンゲ−ジブリッジ回路の一例を示す回路図。 第６図は従来の感圧構造体上のストレンゲージのハーフ
ブリッジ配置を示す斜視図、 第７図はハーフブリッジ方式の場合の触覚センサモジュ
ールのストレンゲ−ジブリッジ回路の一例を示す回路図
、 第８図（Ａ）〜（Ｃ）は感圧構造体の形状の一例を示す
斜視図、 第９図は本発明触覚センサの測温モジュールのストレン
ゲージと温度測定素子の配置例を示す斜視図、 第１０図は第９図の測温モジュールのブリッジ回路の一
例を示す回路図、 第１１図は分力検出省略のための実験例を示す概念であ
る。 ５０・・・触覚センサ。 ５１・・・触覚センサモジュール、 ５２・・・受圧板、 ５３・・・感圧構造体、 ５４・・・ストレンゲージ。 ５５・・・基板。 ５６・・・感圧構造体固定用溝、 ５７・・・スキャナー増幅・温度補正回路、５８・・・
温度測定素子、 ５８・・・カモジュール、 ６０・・・測温モジュール、 ６１・・・配線、 ６２・・・触覚の対象物・ 片鈴Ｍ収工糧届ｊ院長等々力　　達 従来の触覚センサモジイーノしの一存つき古す糾筏図第
２図 従来の触覚センサの一存］芝雷す含斗ａ、図第３図 ｆｌの６圧構造イ本上のストレンケーヅめ配置存りε示
すり臀克園第４図 第６図 第８図 本発明触覚センサのヅ則温モジ′Ｌ−１しのストレンゲ
１ヅと温度測定素子の西亡置存１を重す柵ａ図第９図 Ｆｚ用フ゛リッジ゛　　温度；則定用フ゛リッジ”（Ａ
）（Ｂ） ）則）トモシ゛＼−１しのブリッジ回路１丁を回路図第
１０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ａ）感圧構造体に複数個のストレンゲージを形成し
   、これらの前記ストレンゲージにより構成された複数個
   のブリッジの出力によって前記感圧構造体の上部に設け
   られた受圧面に印加された力を、前記受圧面に垂直な方
   向および前記受圧面に平行な直角２方向の合計３方向の
   成分に分解して検出する触覚センサモジュールを行列状
   に配列して、前記３方向分力の２次元分布を検出する触
   覚検出手段 と、 ｂ）前記感圧構造体に温度測定素子を形成 し、前記感圧構造体の温度を検出するモ ジュール温度検出手段と、 ｃ）前記触覚検出手段および前記モジュール温度検出手
   段からの出力信号を順次取り出 し、前記ストレンゲージの個々について予め求めておい
   た温度特性の補正係数に基づい て、前記ストレンゲージの温度特性の補正を行う触覚信
   号温度補正手段とを設けたことを特徴とする触覚センサ
   。 ２）特許請求の範囲第１項に記載の触覚センサにおいて
   、前記モジュール温度検出手段を構成する測温モジュー
   ルを前記触覚センサモジュールの複数からなるグループ
   について１個配置し、前記グループ内の他の前記触覚セ
   ンサモジュールでは前記温度素子を省略したことを特徴
   とする触覚センサ。 ３）特許請求の範囲第１項および第２項のいずれかの項
   に記載の触覚センサにおいて、前記モジュール温度検出
   手段を構成する測温モジュールは、前記受圧面に垂直な
   方向の力を検出する前記ストレンゲージを有するが前記
   受圧面に平行な２方向あるいはいずれかの１方向の力を
   検出する前記ストレンゲージを省略したことを特徴とす
   る触覚センサ。 ４）特許請求の範囲第１項記載の触覚センサにおいて、
   前記ストレンゲージおよび前記温度測定素子は、単結晶
   シリコンから成る前記感圧構造体の表面に形成された半
   導体ストレンゲージであることを特徴とする触覚センサ
   。 ５）特許請求の範囲第１項記載の触覚センサにおいて、
   前記ストレンゲージおよび前記測温抵抗素子は、金属弾
   性体から成る前記感圧構造体の表面に絶縁層を介して形
   成された半導体層に形成された半導体ストレンゲージお
   よび測温抵抗素子であることを特徴とする触覚センサ。 ６）特許請求の範囲第１項、第２項および第３項のいず
   れかの項に記載の触覚センサにおいて、前記モジュール
   温度検出手段を構成する測温モジュールの発熱量を、前
   記温度測定素子を有しない前記触覚センサモジュールの
   発熱量と同一とするように、前記測温モジュールの前記
   温度測定素子の抵抗値を定めたことを特徴とする触覚セ
   ンサ。