JPS62274229A - 分布型圧覚センサ - Google Patents
分布型圧覚センサInfo
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- JPS62274229A JPS62274229A JP11810286A JP11810286A JPS62274229A JP S62274229 A JPS62274229 A JP S62274229A JP 11810286 A JP11810286 A JP 11810286A JP 11810286 A JP11810286 A JP 11810286A JP S62274229 A JPS62274229 A JP S62274229A
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Landscapes
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- Manipulator (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
3、発明の詳細な説明
本発明は、例えばロボットハンドに取りつけてハンドに
対して垂直方向に加わる圧力の分布を検出することので
きる分布型圧覚センサに関する。
対して垂直方向に加わる圧力の分布を検出することので
きる分布型圧覚センサに関する。
従来、このような分布型圧覚センサとして、検出素子に
導電性を宵したゴムまたはプラスチックを用いたものが
提案されている。第2図はその一例で、互いに直角方向
をなす細い導電性ゴム条21゜22を2層にして組合わ
せたものである。この圧覚センサのゴム条配列面に対し
て垂直方向の力が加われば導電性ゴム条21.22の接
触部分の面積が増加し抵抗が変化する。従って第3図に
示したように電圧端子23に、例えば5vの電圧をto
ooΩの抵抗24を介して印加しておき、出力点25の
電圧変化を測定することにより、加えられh力の大きさ
を知ることができる。 ところがこのような導電性ゴムを用いた分布型圧覚セン
サでは、力検出のダイナミックレンジが狭いことおよび
ヒステリシス特性を有することという欠点がある。 一方、特開昭60−195402号および195403
号公輻により可撓性基板上に形成した非晶質シリコン層
よりなる歪ゲージを用いた歪分布センサが公知となって
おり、ここでは前に述べたようなダイナミックレンジや
ヒステリシスに関する欠点は除かれている。しかし、そ
の原理は第4図に示すように、分布型圧覚センサ26を
ロボットハンド27に貼付けて、ロボットハンド27が
被把持物を把持した時にロボットハンドに生じる歪を圧
覚センサ26によって検出するものであり、被把持物が
圧覚センサ26に及ぼす力を直接検出するものではない
、そのためロボットハンドに小さい力が加わるときには
検出できない。
導電性を宵したゴムまたはプラスチックを用いたものが
提案されている。第2図はその一例で、互いに直角方向
をなす細い導電性ゴム条21゜22を2層にして組合わ
せたものである。この圧覚センサのゴム条配列面に対し
て垂直方向の力が加われば導電性ゴム条21.22の接
触部分の面積が増加し抵抗が変化する。従って第3図に
示したように電圧端子23に、例えば5vの電圧をto
ooΩの抵抗24を介して印加しておき、出力点25の
電圧変化を測定することにより、加えられh力の大きさ
を知ることができる。 ところがこのような導電性ゴムを用いた分布型圧覚セン
サでは、力検出のダイナミックレンジが狭いことおよび
ヒステリシス特性を有することという欠点がある。 一方、特開昭60−195402号および195403
号公輻により可撓性基板上に形成した非晶質シリコン層
よりなる歪ゲージを用いた歪分布センサが公知となって
おり、ここでは前に述べたようなダイナミックレンジや
ヒステリシスに関する欠点は除かれている。しかし、そ
の原理は第4図に示すように、分布型圧覚センサ26を
ロボットハンド27に貼付けて、ロボットハンド27が
被把持物を把持した時にロボットハンドに生じる歪を圧
覚センサ26によって検出するものであり、被把持物が
圧覚センサ26に及ぼす力を直接検出するものではない
、そのためロボットハンドに小さい力が加わるときには
検出できない。
本発明は、非晶質シリコン層を用い、加わった力を直接
感度よく検出できる分布型圧覚センサを提供することを
目的とする。
感度よく検出できる分布型圧覚センサを提供することを
目的とする。
本発明は、金属基板に厚さの厚い支持部に連結された厚
さの薄い梁構造をマトリクス状に分散して設け、各梁構
造部の表面に絶縁層を介してp型およびn型の非晶質シ
リコン膜を被着し、両膜を電気的に直列接続し、両端に
それぞれ電圧端子、接続点に出力端子を接続したもので
、金属基板の一部に垂直方向に力が加わった時、片持梁
または両持梁に形成された梁が変形し、梁の面上に被着
された非晶質シリコンの抵抗が変化するが、抵抗変化率
ΔR/Rはp型ではプラス、n型ではマイナスの特性を
有するため、その接続点より大きな出力信号を取り出す
ことができ、上記の目的が達成される。
さの薄い梁構造をマトリクス状に分散して設け、各梁構
造部の表面に絶縁層を介してp型およびn型の非晶質シ
リコン膜を被着し、両膜を電気的に直列接続し、両端に
それぞれ電圧端子、接続点に出力端子を接続したもので
、金属基板の一部に垂直方向に力が加わった時、片持梁
または両持梁に形成された梁が変形し、梁の面上に被着
された非晶質シリコンの抵抗が変化するが、抵抗変化率
ΔR/Rはp型ではプラス、n型ではマイナスの特性を
有するため、その接続点より大きな出力信号を取り出す
ことができ、上記の目的が達成される。
第1図fal〜(C1は本発明の一実施例を示すもので
、図(blは図fatのX−X断面1図tc+は図fa
tのY−Y断面を表わしている0図において、金属基板
1は厚さ0.1〜0.3鶴程度で、基板材料としては耐
腐食性の点から考えてステンレス鋼が最適と考えられる
が、その使用条件により他の金属であっても差しつかえ
ない、この金属基板1にエツチングまたは機械加工によ
りスリット状でコ字形の貫通孔2全あけて片持梁3を形
成する0片持梁3の厚さは第1図(b)、iClに示す
ようにやはりエツチングまたは機械加工により基讐反1
より薄くされ、梁3の端部近くに取り付けられたrr1
重印加印加部45が加わったときに、塁が変形できるす
き嵐18が支持面17との間に生ずる。さらに、片持梁
3の根元の下面には溝19が形成され、梁”の変形を大
きくしている。 金i基板lの上にはポリイミドなどの絶縁樹脂II6を
塗布する。この上に電源用電橋71.出力用1]j72
.グランド用tffi73を電子ビーム蒸着またはスパ
ックリング蒸着により1000〜5000人の厚さに形
成する。このとき第1図To)に示すように電源用1橿
71と出力用′:Fi掻72は絶縁樹脂層6により金属
基板lから絶縁されているが、グランド用電極73は第
1U;!J(C+に示すように金属基板1に接旭してお
り、金属基板lは共通のグランド電位となっている。こ
のようなグランド電極73の形成方法は、絶縁樹脂層6
を怒光性ポリイミド等で形成し、グランド電極の位置に
露光によって貫通孔をあけ、しかるのらにその部分にグ
ランド電極73を蒸着すればよい。 次にグロー放電分解法によってp型非晶質シリコン(以
下a Siと記す)膜81とn型a −5i膜82を
形成する。a−Si膜は水素により10〜30倍に希釈
されたシランガスを用いて、1〜10Torrの真空中
で高周波電界を加える公知の方法で生成される。 a−5i膜をp型にする場合はジボランガス、n型にす
る場合はフォスフインガスをシランガスに添加する。高
周波の電力を上げていくと50〜200人の大きさの微
結晶粒が膜の中に成長して微結晶化膜が形成される。a
−5i膜81.82はそれぞれ成膜後、フォトリソグラ
フィにより図示のように線状にパターニングされる。a
−5i膜81.82の保護のために、エポキシ、フェ
ノール系塗料を印刷などの方法でパターン状に塗布して
10−程度のj¥さの遮光性の保31膜9により被覆す
る。a Si膜81゜82のit型は逆にしてもよい
。 さらに、出力用1!極72に直列にダイオードIOを形
成する。ダイオード10は出力信号のまわり込みを防ぐ
ためのブロッキング・ダイオードであり、このうよなダ
イオードはa−5t膜のpin構造で形成することがで
きるが、出力信号の大きさや安定性から考えてFETな
どのアナログ・スイッチを用いてもよい、このようなa
−3i膜81.82を有する梁構造が第1図(a)に示
すように金属基板6の上に複数個マトリクス状に形成さ
れ、一つの片持梁3の上の二つのダイオード10は絶縁
層6の上に形成される配線導体11を介して電圧増幅器
12に接続される。 このような構成において、基板lの厘さの部分を、例え
ばロボットハンドの内面に接着またはねし止めした場合
、いま力が加わると片持梁3にすきま31を減少させる
曲げ変形を生じ、溝19の作用によりa −5itH!
81.82が形成しである梁3の根元部分の表面および
それに伴い膜自体に大きな引張り歪を生じる。第5図は
引張り歪が生じた時その歪方向と平行のp′11a−3
iHの抵抗変化51とn型a−5t膜の抵抗変化52を
示している。引張り歪1が生じた時p!!!a−3Lの
抵抗は増加し、n型a −5iの抵抗は減少している。 第6図は、a −3i膜81゜82とダイオード10が
形成するホイートストーンプリフジの等価回路を示す、
歪が生じない時にすべてのa−5illlの抵抗値が同
じであると仮定すれば、電圧端子Aに電圧を印加しても
B端子とC端子は同電位であり、電圧増幅器12に出力
は生じない。 次に力5により片持梁3が変形すると、a −5i膜8
1の抵抗は増加し、n型a −5i膜82の抵抗は減少
するため、B端子の電位は下がり、C端子の電位は上が
ってこれらの間の電位差が電圧増幅器12に大きな出力
電圧として現われ、これにより力5の大きさを知ること
ができる。このようなホイートストーンプリフジがマト
リクス配置の各片持梁3の上に存在するので、マトリク
スの各列毎に順次電圧を印加し、各行の電圧増幅171
12の出力を!傾次測定すれば、基板上の各荷重印加部
4に加わる力5の分布を知ることができる。 第7図は別の実施例を示すものであり、第1図のものと
相違する点は、金属基板lに平行溝状の貫通孔2を開け
て片持梁3の代わりに両持梁31を形成したことである
。N重印加点4に力を加えたときの梁の変形は片持梁の
ときより小さくなり、a −5L膜81.82に生じる
歪も小さくなってその結果電圧増幅器12に生ずる出力
信号が小さくなるが、貫通孔2の加工が容易になり、ま
た配線11のクロスオーバが少なくなる利点が得られる
。 第8図はさらに別の実施例を示すもので、第1図のもの
と相違する点は、一つの片持梁3の上にp型a−3il
181とn型a−3i膜82を1個ずつのみ形成して直
列接続し、ハーフプリフジを構成している点でしる。梁
3の表面に引張り歪が生ずることによりp型a−5i膜
81の抵抗が増加し、n型a−Si膜82の抵抗が減少
するので出力用電J172の電位が低下する。この場合
は同相ノイズ成分を除去する効果は失われるが、回路構
成が簡略化されるという利点が得られる。
、図(blは図fatのX−X断面1図tc+は図fa
tのY−Y断面を表わしている0図において、金属基板
1は厚さ0.1〜0.3鶴程度で、基板材料としては耐
腐食性の点から考えてステンレス鋼が最適と考えられる
が、その使用条件により他の金属であっても差しつかえ
ない、この金属基板1にエツチングまたは機械加工によ
りスリット状でコ字形の貫通孔2全あけて片持梁3を形
成する0片持梁3の厚さは第1図(b)、iClに示す
ようにやはりエツチングまたは機械加工により基讐反1
より薄くされ、梁3の端部近くに取り付けられたrr1
重印加印加部45が加わったときに、塁が変形できるす
き嵐18が支持面17との間に生ずる。さらに、片持梁
3の根元の下面には溝19が形成され、梁”の変形を大
きくしている。 金i基板lの上にはポリイミドなどの絶縁樹脂II6を
塗布する。この上に電源用電橋71.出力用1]j72
.グランド用tffi73を電子ビーム蒸着またはスパ
ックリング蒸着により1000〜5000人の厚さに形
成する。このとき第1図To)に示すように電源用1橿
71と出力用′:Fi掻72は絶縁樹脂層6により金属
基板lから絶縁されているが、グランド用電極73は第
1U;!J(C+に示すように金属基板1に接旭してお
り、金属基板lは共通のグランド電位となっている。こ
のようなグランド電極73の形成方法は、絶縁樹脂層6
を怒光性ポリイミド等で形成し、グランド電極の位置に
露光によって貫通孔をあけ、しかるのらにその部分にグ
ランド電極73を蒸着すればよい。 次にグロー放電分解法によってp型非晶質シリコン(以
下a Siと記す)膜81とn型a −5i膜82を
形成する。a−Si膜は水素により10〜30倍に希釈
されたシランガスを用いて、1〜10Torrの真空中
で高周波電界を加える公知の方法で生成される。 a−5i膜をp型にする場合はジボランガス、n型にす
る場合はフォスフインガスをシランガスに添加する。高
周波の電力を上げていくと50〜200人の大きさの微
結晶粒が膜の中に成長して微結晶化膜が形成される。a
−5i膜81.82はそれぞれ成膜後、フォトリソグラ
フィにより図示のように線状にパターニングされる。a
−5i膜81.82の保護のために、エポキシ、フェ
ノール系塗料を印刷などの方法でパターン状に塗布して
10−程度のj¥さの遮光性の保31膜9により被覆す
る。a Si膜81゜82のit型は逆にしてもよい
。 さらに、出力用1!極72に直列にダイオードIOを形
成する。ダイオード10は出力信号のまわり込みを防ぐ
ためのブロッキング・ダイオードであり、このうよなダ
イオードはa−5t膜のpin構造で形成することがで
きるが、出力信号の大きさや安定性から考えてFETな
どのアナログ・スイッチを用いてもよい、このようなa
−3i膜81.82を有する梁構造が第1図(a)に示
すように金属基板6の上に複数個マトリクス状に形成さ
れ、一つの片持梁3の上の二つのダイオード10は絶縁
層6の上に形成される配線導体11を介して電圧増幅器
12に接続される。 このような構成において、基板lの厘さの部分を、例え
ばロボットハンドの内面に接着またはねし止めした場合
、いま力が加わると片持梁3にすきま31を減少させる
曲げ変形を生じ、溝19の作用によりa −5itH!
81.82が形成しである梁3の根元部分の表面および
それに伴い膜自体に大きな引張り歪を生じる。第5図は
引張り歪が生じた時その歪方向と平行のp′11a−3
iHの抵抗変化51とn型a−5t膜の抵抗変化52を
示している。引張り歪1が生じた時p!!!a−3Lの
抵抗は増加し、n型a −5iの抵抗は減少している。 第6図は、a −3i膜81゜82とダイオード10が
形成するホイートストーンプリフジの等価回路を示す、
歪が生じない時にすべてのa−5illlの抵抗値が同
じであると仮定すれば、電圧端子Aに電圧を印加しても
B端子とC端子は同電位であり、電圧増幅器12に出力
は生じない。 次に力5により片持梁3が変形すると、a −5i膜8
1の抵抗は増加し、n型a −5i膜82の抵抗は減少
するため、B端子の電位は下がり、C端子の電位は上が
ってこれらの間の電位差が電圧増幅器12に大きな出力
電圧として現われ、これにより力5の大きさを知ること
ができる。このようなホイートストーンプリフジがマト
リクス配置の各片持梁3の上に存在するので、マトリク
スの各列毎に順次電圧を印加し、各行の電圧増幅171
12の出力を!傾次測定すれば、基板上の各荷重印加部
4に加わる力5の分布を知ることができる。 第7図は別の実施例を示すものであり、第1図のものと
相違する点は、金属基板lに平行溝状の貫通孔2を開け
て片持梁3の代わりに両持梁31を形成したことである
。N重印加点4に力を加えたときの梁の変形は片持梁の
ときより小さくなり、a −5L膜81.82に生じる
歪も小さくなってその結果電圧増幅器12に生ずる出力
信号が小さくなるが、貫通孔2の加工が容易になり、ま
た配線11のクロスオーバが少なくなる利点が得られる
。 第8図はさらに別の実施例を示すもので、第1図のもの
と相違する点は、一つの片持梁3の上にp型a−3il
181とn型a−3i膜82を1個ずつのみ形成して直
列接続し、ハーフプリフジを構成している点でしる。梁
3の表面に引張り歪が生ずることによりp型a−5i膜
81の抵抗が増加し、n型a−Si膜82の抵抗が減少
するので出力用電J172の電位が低下する。この場合
は同相ノイズ成分を除去する効果は失われるが、回路構
成が簡略化されるという利点が得られる。
本発明によれば次のような効果が得られる。
(11金属基板に梁構造を形成し、金属基板に対して垂
直方向の力を梁の曲げによって基板表面に生じる引張り
歪に変換するので、金属基板に対して垂直方向に加わる
力を直接検出できる。 (2)梁の表面に生じる歪をその表面に被着したp型と
n型のa−3t膜の相反する抵抗変化率を利用して検出
するため、大きな出力信号が得られる。 (3)梁構造を金属基板上にマトリクス状に形成するこ
とにより、金属基板に対して垂直方向に加わる力の1&
板面における分布状態を知ることができる。 (4)金属基板にマトリクス状に多数の梁構造をエツチ
ング等により製作し、a−3i膜や電橋をグロー放電分
解法や蒸着により一括して形成することができるので、
製造工程が簡単である。 (6)金属基板の厚さやa−5ilI!1等の寸法を小
さくできるので、全体を薄く製作することが可能である
。 (6)金属基板は弾性を有するので、圧覚センサをある
程度可撓性にすることができ、曲面状への固定が可能で
ある。あるいはあらかじめ円筒状などの任意の形状を有
する金属M板を用いることによって、平板状以外の形状
をした圧覚センサを製作することもできるので、ロボッ
トハンドへの取付けが容易になる。
直方向の力を梁の曲げによって基板表面に生じる引張り
歪に変換するので、金属基板に対して垂直方向に加わる
力を直接検出できる。 (2)梁の表面に生じる歪をその表面に被着したp型と
n型のa−3t膜の相反する抵抗変化率を利用して検出
するため、大きな出力信号が得られる。 (3)梁構造を金属基板上にマトリクス状に形成するこ
とにより、金属基板に対して垂直方向に加わる力の1&
板面における分布状態を知ることができる。 (4)金属基板にマトリクス状に多数の梁構造をエツチ
ング等により製作し、a−3i膜や電橋をグロー放電分
解法や蒸着により一括して形成することができるので、
製造工程が簡単である。 (6)金属基板の厚さやa−5ilI!1等の寸法を小
さくできるので、全体を薄く製作することが可能である
。 (6)金属基板は弾性を有するので、圧覚センサをある
程度可撓性にすることができ、曲面状への固定が可能で
ある。あるいはあらかじめ円筒状などの任意の形状を有
する金属M板を用いることによって、平板状以外の形状
をした圧覚センサを製作することもできるので、ロボッ
トハンドへの取付けが容易になる。
第1図は本発明の一実施例を示し、fatが平面構成図
、(blが(alのX−X線断面図、(clが(alの
Y−Y線断面図、第2図は従来の分布型圧覚センサの斜
視図、第3図はその測定方法の説明図、第4図はa−5
il19を用いた歪分布センサの使用状態を示す斜視図
、第5図は本発明のa−5i膜の歪による抵抗変化を示
す線図、第6図は第1図の実施例の等価回路図、第7図
、第8図はそれぞれ本発明の異なる実施例の平面構成図
である。 l:金属基板、2;貫通孔、3:片持梁、31:両持梁
、4:荷重印加部、6:絶縁樹脂層、7に′gl源用電
極用電極:出力用電橋、73ニゲランド用電掻、81:
p型a−5iWJ、、82:n型a−5i膜、10:タ
イオート、17:支持面、18:t!間、t9:n。 第1図 第2図 113図 (x+o−5) 15図 第6図
、(blが(alのX−X線断面図、(clが(alの
Y−Y線断面図、第2図は従来の分布型圧覚センサの斜
視図、第3図はその測定方法の説明図、第4図はa−5
il19を用いた歪分布センサの使用状態を示す斜視図
、第5図は本発明のa−5i膜の歪による抵抗変化を示
す線図、第6図は第1図の実施例の等価回路図、第7図
、第8図はそれぞれ本発明の異なる実施例の平面構成図
である。 l:金属基板、2;貫通孔、3:片持梁、31:両持梁
、4:荷重印加部、6:絶縁樹脂層、7に′gl源用電
極用電極:出力用電橋、73ニゲランド用電掻、81:
p型a−5iWJ、、82:n型a−5i膜、10:タ
イオート、17:支持面、18:t!間、t9:n。 第1図 第2図 113図 (x+o−5) 15図 第6図
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1)金属基板に厚さの厚い支持部に連結された厚さの薄
い梁構造をマトリクス状に分散して設け、各梁構造部の
表面に絶縁層を介してp型およびn型の非晶質シリコン
膜を被着し、両膜を電気的に直列接続し、両端にそれぞ
れ電圧端子、接続点に出力端子を接続してなることを特
徴とする分布型圧覚センサ。 2)特許請求の範囲第1項記載のセンサにおいて、金属
基板が接地され、一方の電圧端子を兼ねることを特徴と
する分布型圧覚センサ。 3)特許請求の範囲第1項または第2項記載のセンサに
おいて、出力端子にダイオードあるいはアナログスイッ
チが接続されたことを特徴とする分布型圧覚センサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11810286A JPH0617837B2 (ja) | 1986-05-22 | 1986-05-22 | 分布型圧覚センサ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11810286A JPH0617837B2 (ja) | 1986-05-22 | 1986-05-22 | 分布型圧覚センサ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS62274229A true JPS62274229A (ja) | 1987-11-28 |
JPH0617837B2 JPH0617837B2 (ja) | 1994-03-09 |
Family
ID=14728056
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP11810286A Expired - Lifetime JPH0617837B2 (ja) | 1986-05-22 | 1986-05-22 | 分布型圧覚センサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0617837B2 (ja) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH03252539A (ja) * | 1990-03-02 | 1991-11-11 | Fuji Electric Corp Res & Dev Ltd | 分布型触覚センサ |
JPH0587648A (ja) * | 1991-09-30 | 1993-04-06 | Nissan Motor Co Ltd | 半導体応力検出装置 |
JPH0587650A (ja) * | 1991-09-30 | 1993-04-06 | Nissan Motor Co Ltd | 半導体応力検出装置 |
JPH0587649A (ja) * | 1991-09-30 | 1993-04-06 | Nissan Motor Co Ltd | 半導体応力検出装置 |
JPH07146192A (ja) * | 1993-11-25 | 1995-06-06 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 圧力センサ |
-
1986
- 1986-05-22 JP JP11810286A patent/JPH0617837B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH03252539A (ja) * | 1990-03-02 | 1991-11-11 | Fuji Electric Corp Res & Dev Ltd | 分布型触覚センサ |
JPH0587648A (ja) * | 1991-09-30 | 1993-04-06 | Nissan Motor Co Ltd | 半導体応力検出装置 |
JPH0587650A (ja) * | 1991-09-30 | 1993-04-06 | Nissan Motor Co Ltd | 半導体応力検出装置 |
JPH0587649A (ja) * | 1991-09-30 | 1993-04-06 | Nissan Motor Co Ltd | 半導体応力検出装置 |
JPH07146192A (ja) * | 1993-11-25 | 1995-06-06 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 圧力センサ |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH0617837B2 (ja) | 1994-03-09 |
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