JPS62123326A - 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１ この発明は面領域における圧力分布状況等を検出する触
覚センサに関する。

［技術的背景及び問題点１ 近年人間の手の代行を果たすメカニカルハンドの開発が
盛んである。ところで、このにうなメカニカルハンドに
人間の手と同等の触、貸機能を具備させるためには、そ
の指先等にかかる圧力の大小のみならず圧力弁イ５パタ
ーンやづべり等の検出をも適確に行なえる触覚センサの
開発が不要な課題の一つと言える。

このような触覚センナは、多数の圧力検出部を例えばマ
トリックス状に配列して構成されるもので、従来から多
数の開発例がみられ、特に加圧力に応じて抵抗１直の変
化する感圧導電性ゴムを使用するものが一般的である。

ところが、感圧導電性ゴムは、出力特性に直線性がなく
、またヒステリシス、クリープ等の現象が顕著であるた
め、物体のパターン認識は可能であるが、接触圧検出の
精度を高めることが困難であった。

これに対して、近年半導体素子を利用した触覚センサの
開発が注目されている。

このような触覚ヒンサとして、例えば特開昭６０−９０
６９６号公報に記載されたようなものがある。これは、
第６図及び第７図に示すものと略同様のものである。第
６図に示づものは、複数のダイＡ７フラム部１０１を有
する半導体感圧素子１０３上にブップキャリセ１０５を
介してシリコンゴムシーｈ　１０７が接合されたもので
ある。前記チップキャリヤ１０５にはダイヤフラム部１
０１と対向する位置に貫通孔１０９が形成され、この貫
通孔１０９には圧力伝達媒体としてのシリコンオイル１
１１が封入されている。また、前記シリコンゴムシート
１０７には、ダイヤフラム部１０１と対応する位置に受
圧部１１３が一体成形されている。従って、シリコンゴ
ムシート１０７の受圧部１１３に作用する圧力はシリコ
ンオイル１１１を介して半導体感圧素子１０３のダイヤ
フラム部１０１を撓ませ、圧力の検出ができる。

また、第７図に示すものは、複数のダイヤフラム部１０
１を有する半導体感圧素子１０３に手合したチップキャ
リ１７１０５のｄ通孔１０９にシリコンゴム製の弾性体
１１５を挿入してダイヤフラム部１０１上に位置させる
と共に、弾性体１１５の受圧部１１３をチップキャリヤ
１０５上へ突出させたものである。従って、弾性体１１
５の受圧部１１３に作用する圧ツノは直接弾性体１１５
から半導体感圧素子１０３のダイヤフラム部１０１に伝
達され、圧力の検出がでざる。

しかしながら、第６図に示１ような帥覚はンサには、つ
ぎのような問題がある。第１に、シリコンオイルゴ１１
は微小な隙間からでも洩れるため、シリコンオイル１１
１の密封ＭＩｉ造を精密加工する必要があり、この加工
が極めて困難である。第２に、シリコンオイル１１１が
シリコンゴムシート１０７に浸透していくため、シリコ
ンゴムシート１０７が柔軟化され耐久性が乏しい。第３
にシリコンオイル１１１は熱膨張が人きいため、グイＳ
−アワラム部１０１の出力特性に悪影響を及ぼづことと
なり信頼性が乏しい。

また、第７図に示ずような触覚センサには、つざのよう
な問題がある。第１に弾性体１１５とチップキャリヤ１
０５との間に摩擦が生じるため、あるいは、物体を持ち
上げた際に受圧部１１３にかかる横方向の力で受圧部１
１３が強い曲げやねじりを受けるため半導体感圧素子１
０３の出力特性に悪影響を及ぼすこととなり信頼性が乏
しい。

第２に、弾性体１１５どチップキャリヤ１０５との間に
生じる摩擦によって、弾性体１１５が破損しやすく、信
頼性、耐久性が低い。

［発明の目的］ この発明は、このような従来の問題点に鑑み創案された
もので、加圧状況を高精度に検出することができ、しか
も、耐久性に優れた触覚ヒンサの提供を目的とする。

［発明の概要］ 上記目的を達成するために、この発明は、受けた圧力を
検出する半導体素子で形成された半導体感圧素子と、受
圧部に受けた圧力を前記半導体感圧素子へ伝達する弾性
体製の圧力伝達部と、この圧力伝達部と一体的に形成さ
れ圧力伝達部を支持づる弾性体製の支持部とよりなる構
成とした。

［発明の効果］ この発明によれば、圧力伝達部の機械的な摺動部をなく
すことができ、摩擦や摩耗の発生がないため、圧力伝達
部の圧力伝達性能を安定させることができる。

また、物体を持ち上げた際に圧力伝達部にかかる横方向
の力を、圧力伝達部を支持づろ支１）部によって吸収で
きるため、耐久性を向上することができる。

さらに、圧力伝達部と支持部との硬］、αを調整するこ
とにより、センサ出力の感度、直線性の最適化、あるい
は支持剛性の最適化を図ることができる。

［実施例］ 以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は、この発明の第１実施例に係る触覚センサの断
面図である。

同図において、触覚センサは、例えばメカニカルハンド
の把持面にマトリクス状に配列されているしので、半導
体感圧索子１と、この半導体感圧素子１上に接合された
受圧体３とから構成されている。

前記半導体感圧素子１は、シリコンゴムで弾性部を形成
し、半導体技術を用いて歪抵抗を弾性部に拡散形成した
もので、圧力検出部としてのダイヤフラム部５を有して
ｄ３す、チップキャリＡ７７に取付けられている。前記
チップキャリヤ７には、前記ダイヤフラム部５と対向す
る位同にｄ通孔９が形成されている。

＋’＋を記受圧体３は、シリコンゴム等の弾性体によっ
て形成された円柱状の圧力伝達部１１をイＴし、この圧
力伝達性能１１の一側は受圧部１３となっており、他側
は半導体感圧素子１のダイヤフラム部５に接着されてい
る。

この圧力伝達部１１の周囲には圧力伝達部１１と一体的
に形成され圧力伝達部１１を支持づる弾性体製の支持部
１５が形成されている。この支持部１５は接着硬化性弾
性月料、例えばシリコンゴム接着シール材で構成され、
圧力伝達部１１周囲の空間を埋めるように充填されてい
る。従って、支持部１５は、圧力伝達部１１周囲におい
て貫通孔９内に入り、また、チップ４−ヤリセフ上に接
着された状態となる。前記圧力伝達部１１の受圧部１３
には、硬質プラスチックで形成された剛性プレー１−１
７が接合され、この上に物体との接触面として適度な弾
性と摩擦係数増大を、Ｑ図してシリコンゴムシート１９
が接着されている。２１はボンディングワイヤ、２３は
出力リード、２５はキャップである。

前記剛性プレート１７は、該剛性プレー１〜１７に作用
づる圧縮ツノを面圧に変換し、この面圧を圧力伝達部１
１を介してダイヤフラム部５に伝達づるちのである。従
って、前記剛性プレー１〜１７を介して受圧部１３に加
えられた圧力は、圧力伝達部１１によって前記ダイヤフ
ラム部５に伝達され、該ダイヤフラム部５に作用してこ
れを歪ま氾ることになる。この歪みは歪抵抗に及び、ピ
エゾ抵抗効果により圧力検出信号として出力リード２３
から出力される。

前記圧力伝達部１１には機械的な摺動部がないため、摩
擦や摩耗を生じることがなく、耐久性に優れ安定した圧
力伝達性能を１ｑることができる。

従って、圧力検出部５を半導体感圧素子１によって形成
したことと相俟って、高精度の圧力検出を行なうことが
でき、信頼性を向上することができる。

また、物体を把握した状態で何らかの衝撃力が物体又は
ハンド側に加わるとき、触覚センサの受圧体３に急激な
外力が作用する可能性がある。このとき、受圧体３を構
成する圧力伝達部１１と支持体１５の弾性により外力が
吸収され、これにより内部応力の極部集中を防げ、ダイ
ヤフラム５の破損や接着面の剥離等を防止でき、耐久性
が向上する。

さらに、支持部１５の硬度を高めれば圧力伝達部ゴ１に
対づる横方向の支持剛性が増し、ｆｆ１Ｑのある物をつ
かんだときでも、圧力伝達部１１の曲がりや、ねじれは
極めて少なく、確実な圧力検知ができる。逆に支持部１
５の硬度を低めれば、僅かな圧力でも圧力伝達部１１は
変位可能となり、出力感度、直線性を向上させることが
でき、対象物が軽量で精度が要求される場合に適する。

圧力伝達部１１と支持部１５との相対的な硬度差をも調
整することによって、ざらに秤々の条件に対応すること
ができ、設計自由１立が著しく向上する。

第２図はこの発明の第２実施例を示づもので、この実施
例は上記第１実施例の変形例である。この実施例では、
チップキャリヤ２７を半導体感圧素子１のダイヤフラム
部５の裏面側に取り付けたものである。

なＪ３、上記第１実副例と略同−の構成部分には同符号
を付して説明を省略する。

この実施例によれば、上記第１実施例と略同様な効果が
期待できる仙、キせツブを省略できるため触覚センサの
薄形化を図ることができる。

第３図はこの発明の第３実施例を示すもので、この実施
例は、」二記第２実施例の変形例である。

この実施例では、上記第２実施例にお【ノるシリコンゴ
ムシートを支持ｅｆｔ　２９と一体にモールド形成して
いる。なお、上記第１実施例、第２実施例と略同−の構
成部分には、同符号を付して説明を省略する。

この実ＩＪ例によれば、上記第２実施例と略同様な効果
が期待できる他、ざらに、耐久性を向上することができ
る。

第４図は、この発明の第４実施例を承りものである。こ
の実施例では、圧力伝ｊ￥部３１、支持部３３の全体が
接る硬化性弾性体材料で一体成形されると共に、圧力伝
達部３１に芯材３５が設（プられた構成どなっている。

なお、上記第１実施例と略同−の構成部分には同符号を
付して説明を省略する。

この実施例にＪ、れば、上記第１実施例と略同様な効果
が期待できる。

第５図は、この発明の第５実施例を示寸ものである。こ
の実施例では、圧力伝ｊ室部３７、支持部３つの全体が
シリコンゴムで一体成形され、圧力伝達部３７と支持部
３つとの硬度を変え！ζものである。なお上記第１実施
例と略同−の構成部分には同符号を付して説明を省略づ
る。

この実ｔＮ例によれば、上記第１実施例と略同（差な効
果が期待できる他、圧力伝達部３７と支持部３９との剥
離がなく耐久性が向上する。

なお、この発明はメカニカルハンド以外の圧力検知にも
使用でき、必ずしもマトリックス状にＮｄして使用する
しのに限らず、中休として使用することも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１実施例に係る触覚センサの断面
図、第２図はこの発明の第２実施例に係る触覚センサの
断面図、第３図はこの発明の第３実施例に係る触覚セン
サの断面図、第４図はこの発明の第４実施例に係る触覚
センサの断面図、第５図はこの発明の第５実施例に係る
触覚センサの断面図、第６図及び第７図は従来例による
触覚ピンサの断面図である。 （図面の主要部を表わず符号の説明） １・・・半導体感圧素子 １３・・・受圧部 １１．３Ｌ３７・・・圧力伝達部 １５．２９．３３．３９・・・支持部 第４図 第６　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 受けた圧力を検出する半導体素子で形成された半導体感
   圧素子と、受圧部に受けた圧力を前記半導体感圧素子へ
   伝達する弾性体製の圧力伝達部と、この圧力伝達部と一
   体的に形成され圧力伝達部を支持する弾性体製の支持部
   とよりなることを特徴とする触覚センサ。