JPS6136978A - 触視覚センサ - 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】 （７）　技　　術　　分　　野 この発明は、触覚と視覚とを兼ねそなえた、ロボットの
手などに最適の触視覚センサに関する。

（イ）　　従　　来　　技　　術 現在のところ、視覚と触覚とをそなえたセンサは存在し
ない。

ロボットの手は、対象物に近づき、これを把持し、運搬
し、定められた位置で離す、などという動作を行う。こ
の為、ロボットの指又は腕の曲げモーメントの加わる部
分にストレインゲージを貼り付け、指、腕の歪みから、
加わる力の大きさや方向を検出する力覚センサが提案さ
れている。

歪みゲージセンサとしては、金属の薄い抵抗体を用いた
ものが広く用いられる。これは伸びる事によって、長さ
が増え、断面積が減少するので抵抗が増加する、という
性質を利用している。

歪みゲージセンサとして、結晶半導体を用いたものもあ
る。これは、歪みに対する抵抗の変化が大きく検出感度
が高い、という特長がある。しかし、非直線性、温度特
性に難点がある。

ロボットは力を測定する事の他に、視覚を持たなければ
ならない。

ロボットの視覚として、ＴＶ右カメラ使って対象物を撮
像し、これを画像処理して、対象物を認識するようにし
たものが提案されている。ＴＶ右カメラかわりに、イメ
ージファイバで接続された撮像部がロボット側に設けら
れる事もある。

このようにＴＶ右カメラ使うものは、重くて、かさばる
観測装置であるがら、ロボットの指や手にはなく、頭部
など不動の箇所に設けられる事が多い。視覚の中心と、
実際に運動する手とは離れており、相対運動をする。こ
の為、高速のコンピュータを使っても、必ずしも、常に
、正しも手と対象物の相対位置を知る事ができない。

（つ）発明の構成 対象物に接触するロボットの手に、触覚、視覚を設ける
ものが最も好都合である。

アモルファスシリコン薄膜半導体は、光を検出する事が
でき、又歪みをも検出できる。

光についていえば、アモルファスシリコン薄膜には光伝
導効果がある。光が当る事によって、電ｆ・正孔対が励
起され、キャリヤの数が増加し、このため同一電圧を印
加していても、電流が増大する。

光電流は、光の強度にほぼ比例して増加する。

しかし、温度依存性がある。温度依存性は、全ての温度
域に於て同一なのではなく、同一の光照射に対し、光電
流が最大になる有限の温度が存在する。つまり、電子・
正孔の再結合のメカニズムが温度によって暖なるわけで
ある。しかしながら、温度補償をしながら用いれば、光
強度を知る’ｌができる。

又、アモルファスシリコンの薄膜は、薄膜に加えられた
歪みをも検出する事ができる。

歪みゲージセンサには、金属歪みゲージセン−リと、結
晶半導体歪みゲージセンサがある。了−モルファスシリ
コン薄膜も、歪みゲージセンサとして用いる事ができる
。

アモルファスであるので、低温で薄膜を作製できるし、
基板はガラス、高分子など任意であるなどの利点がある
。又、金属歪みゲージセンサよりも、検出感度が良い。

本発明は、アモルファスシリコン薄膜を２つ以上用いて
、光と歪みとを同時に検出する視覚触覚センサを与える
。

第１図は本発明の一例を示す素ｆ−の縦断面図である。

これは、歪センサとフォトセンサを重ね合わせた構造に
なっている。仮に直列型と呼ぶ。

素子のに方から、透明電極１、アモルファスシリコン薄
膜２、電極３というサンドイッチ構造になっているのが
、フォトセンサＡである。

透明電極１は、光を通す薄膜良導体で例えば、Ｉ　Ｔ　
Ｏ（Ｉｎｄｉｕｎ　Ｔｉｎ　０ｘｉｄｅ　：　ＩｎＯ２
，５ｎ０２）混合物）が用いられる。

アモルファスシリコン薄膜２は、プラズマＣＶＤ法、反
応性スパッタリング法、反応性イオンブレーティング法
などで作られる。いずれにしても、水素を含む５ｔＨ４
（５ｔＦ４＋　Ｈ２）ガスから作られるので、アモルフ
ァスシリコンａ−８ｉ：Ｈハ通常、かなりの高抵抗体で
あるが、プラズマＣＶＤ法の高周波電源のパワー、圧力
、Ｈ２分圧などを調整する事ニヨリ微結晶化シリ：ｌＩ
　＞　（ｍ１ｃｒｏ　ｃｒ）ｒｓｔａｌｌｉｎｅ　５ｉ
ｌｉｃｏｎ　）を作製する事ができる。これは、電子顕
微鏡で観察スると、アモルファスシリコンの海の中に、
数百オングストロームの大きさのシリコンの微結晶体が
分布しているものである。通常のａ　−Ｓｉより１０４
〜１０６倍導電率が高い。ａ−３ｉもｐｃ−３＋もいず
れも一括してアモルファスシリコンのカテコ゛リーに含
められる。以後、両者を区別する必要のある場合はａ−
Ｓｉ、μＣｌ−Ｓｔと書き、両者を一括して指称する場
合はアモルファスシリコンという事にする。

アモルファスシリコンには、ｉ　型（ＡＩ性？１体）、
ｎ型、ｐ型のものがある。ＰＨ３をドープすればｎ型に
なり、Ｂ２Ｈ６をドープすればｐ型になる。

フォトセンサとして、アモルファスシリコンを使う場合
、光伝導を利用する場合と、ｐｉｎ接合やショットキ接
合のフォトダイオードを使う場合があり得る。本発明で
は、いずれでも良い。

光伝導の場合は、光が当る事により、キャリヤが励起さ
れ、抵抗が減少する事を利用する。この場合、ｉ型の薄
膜であっても良い。ｉ型薄膜は抵抗率が高いので、電極
面積が広く、しかも電極間に十分な抵抗を得ようとする
と、ｉ型が適する。

しかし、電極とｉ型膜を直接に付けると、ショットキー
バリヤが生じ易いので、電極に接する部分をｎ型とし、
ｎ−１−ｎ型とする。

ｐｉｎ接合１ｉる場合は、アモルファスシリコン薄膜２
に、ｎ型、ｐ型不純物をドープして、ｐｉｎ接合を形成
する。ｐｉｎ接合に生ずる電圧を測定するように（太陽
電池のように）しても良いし、ｐｉｎ接合を短絡或は逆
バイアスして、電流を測定しても良い。要求される応答
速度や、耐ノイズ性などを考慮し、最も都合の良いもの
を選ぶ事ができる。

フォトセンサＡの下側の電極３の下方にハ、絶縁層４が
設けられる。これは、７オトセンサＡと歪センサＢとを
電気的に絶縁するものである。

５１０２、ＳｔＮなどを用いる事ができる。

歪センサＢは、電極５と、アモルファスシリコン薄膜６
と電極７とよりなるサンドインチ構造となっている。下
側の電極７は、フレキシブル基板８に付いており、フレ
キシブル基板８は、歪みを測定すべきロボットの腕、手
、指などの対象となる受歪部材９に貼り付けられている
。

アモルファスシリコン６は、受歪部材９の縦横の歪に追
随して歪み、これによって電気抵抗が変化する。これに
よって、歪みの程度を検出する。

アモルファスシリコン薄膜６は、ａ−８１でもμＣ−８
１でも良い。抵抗を測定するから、ｎ−１−ｎ構造とす
るのが良い。

フレキシブル基板８は、受歪部材９へ容易に貼り付ける
事ができ、しかも、剛性の低いものが良い。例えばポリ
イミド樹脂基板などを使う。

第２図は他の実施例を示す断面図である。

光を感じるフォトセンサＡと、歪みを感じる歪センサＢ
が並列に設けられている。

フォトセンサＡは、上方から透明電極１１、アモルファ
スシリコン薄膜１２、電極１３の積層体である。アモル
ファスシリコン薄膜１２は、ａ−ＳｌでもμＣ−Ｓｔ　
　でも良い。下側の電極はフレキシブル基板１８の上に
蒸着されており、フレキシブル基板１８は対象となる受
歪部材１９に貼り付けられる。

歪センサＢも同様な構造を持つ。電極１５の下にアモル
ファスシリコン薄膜１６があり、その下に電極１７があ
る。下部電極１１はフレキシブル基板１８に蒸着しであ
る。

抵抗率の高いａ　−Ｓｌ薄膜を使う場合、横方向の抵抗
が大きく、クロストークが起らないので、アモルファス
シリコン薄膜１２．１６を分離しなくても良い場合があ
る。この場合、電極１１．１５だけを分離すれば良い。

第２図の素子は並列型と呼ぶ事ができる。この構造体の
長所は、直列型のものに比して、製造容易である、とい
う事である。透明電極１１と、上部電極１５は異なるが
、下部電極１３．１７、アモルファスシリコン薄膜１２
．１６は共通の素材で、−挙に形成できる。積層体を作
った後に、素子Ａ、Ｂを分離すれば良い。

第１図、第２図は、いずれも電極によって、アモルファ
スシリコン薄膜を上下から挾んでいるサンドイッチ構造
である。電流、電圧の方向は薄膜面に対して直角である
。つまり、これを縦型の素子という事ができる。

第３図は、これらの例とは異なる横型の素子を与える。

フレキシブル基板２８の上に、アモルファスシリコン薄
膜２２．２６が設けてあり、これら薄膜２２．２６の両
端に電極２１．２３．２５．２７が蒸着しである。電流
はアモルファスシリコン薄膜の膜面に平行に流れる。フ
ォトセンサＡに於て、アモルファスシリコン薄膜２２の
−に部が開放されるから、透明電極は不要である。

横型の素子の長所は、フォトセンサと歪センサとを全く
同一の手順で作製できる、という事である。この図の状
態の後、歪センサＢの開放面を光を通さない絶縁物で被
覆すれば良い。

し）　　作　　　用 本発明は、同一のフレキシブル基板の上に、アモルファ
スシリコン薄膜よりなるフォトセンサＡと歪センサＢと
を設けているから、加わった力、加わったモーメンと、
等とともに光の有無をも検出できる。

実際には、二次元的にフォトセンサＡ１歪センサＢより
なるセンサを縦横に分布させて作ると良い。こうすれば
、歪、光の空間的分布を知る事ができる。

アモルファスシリコン薄膜は、歪み、！：ともに光の強
度を知る事ができるから、フォトセンサＡにも歪みによ
る出力変化が含まれる。歪センサＢは光が入らないよう
遮光しであるので光の影響を受けない。

外部変数が２つあり、センサも２であるから、いずれに
しても、歪みと、光強度とを求め得る。

光強度をＸ、歪みをｙとし、フォトセンサの出力をＡ１
歪みセンサの出力をＢとする。フォトセンサの光、歪み
に対するレスポンスをａＳＣで示し、歪みセンサの歪み
に対するレスポンスをｂで示す。すると、両センサにつ
いて、 ａｘ　　＋　　ｃｙ　　＝　　Ａ　　　　（１）ｂｙ　
　＝　　Ｂ　　　　（２） という、二元連立方程式を立てる事ができる。ＡｌＢの
測定値から、外部変数ｘ、ｙを求める事ができる。

け）　　効　　　果 （１）歪みを検知するセンサと、光を検知するセンサを
同一素材を使って、近接して製作しているので、触覚、
視覚を兼ねそなえる事になる。ロボットの手など、物を
観察し、接触する部分のセンサとして有効である。

（２）　　アモルファスシリコンを共通のセン”を素材
、！：しているので製造容易である。

（３）　　アモルファスシリコン薄膜を用いるから、任
意の面積、形状のセンサを作り易い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示し、直列縦型のものを表わ
す断面図。 第２図は本発明の他の実施例を示し、並列縦型のものを
表わす断面図。 第３図は本発明の第３の実施例を示し、並列横型のもの
を表わす断面図。 Ａ　・・・・・・　フォトセンサ Ｂ　・・・・・・・　歪センサ １．１１　　・・・・　透明電極 ４　　・・・・・・・・・　　絶　　縁　　層５．１５
　・　・　　電　　　極 ６．１６．２６・・・・・・・・アモルファスシリコン
薄膜７．１７．２７・・・・・・・・・電　　極８．１
８．２８・・・・・・・・フレキシブル基板９．１９．
２９・・・・・・・　受歪部材発　　明　　者　　　　
　　−柳　　　　　　肇藤　　１）　順　　彦 特許出願人　　住友電気工業株式会社 ２５　・・・・　　電　　　極 第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）アモルファスシリコン薄膜と、該薄膜の上下面或
   は両端に設けられた電極とよりなるフォトセンサＡと、
   歪センサＢとを同一のフレキシブル基板の上に直列に或
   は並列に形成した事を特徴とする触視覚センサ。