JPS63128236A - 圧覚センサ - 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〕 本発明は圧覚センサに関し、詳しくはロボットハンド等
に装着され、把持した物体からの広範囲な荷重に耐え、
かつその受圧力の検知が可能な圧覚センサに関する。

〔従来の技術〕

近年においては産業用ロボットに関する技術が進むにつ
れてその知能化が目覚ましく、従ってそのロボットハン
ドに装着される圧覚センサについても知覚情報を得るこ
とができて十分実用的に耐えるものが要望されるように
なってきた。そこで、これまでに提案若しくは開発され
ているこの種の圧覚センサとしては、導電性ゴムのシー
トを用いてその上下面に両極の端子を接続するようにし
たものや半導体のシリコンチップに歪ゲージを配設した
もの等を挙げることがで曇る。

導電性ゴムシートによるものは、把持物体によって、ゴ
ムシートがその受圧力により変形すると、端子間の電気
抵抗が小さくなるので、その抵抗の減少値から受圧力を
検出するように構成される。また、半導体シリコンチッ
プによるものは、その面にウェハプロセスで複数、例え
ば４個の歪ゲージが形成されており、その間にホイート
ストンブリッジが組まれ、歪ゲージに発生する引張りお
よび圧縮応力を抵抗値の変化としてブリッジ回路を介し
て引出すことにより受圧力を検出するものである。

しかしながら、先に述べた導電性ゴムシートによるもの
は、材質的に軟らかすぎて破れ易い上に、受圧力とゴム
の導電率との関係に非直線性やヒステリシスの問題があ
る。また、後者の導電性シリコンチップによるものは、
その脆性が問題で、受圧力が小さい場合にはその優れた
検出機能を十分に発揮することができる反面、大きい荷
重が加わると、センサ自体が破損するという問題点が残
されていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明の目的は、上述した従来の問題点に鑑み、導電性
シリコンチップを用いた形態のもので、大きい荷重に対
しても破損が生じるようなことがないように保護するこ
とができ、実用性の高い圧覚センサを提供することにあ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

かかる目的を達成するために、本発明は、配線基板上に
マトリックス状に配設されたセンサセルを有し、個々の
センサセルの上面に受圧部材を介して加えられた荷重を
センサセルを介して検出するようにした圧覚センサにお
いて、配線基板から個々のセンサセルの周囲に剛体の支
持部材を突設し、受圧部材を介して複数のセンサセルに
荷重が加えられたときに、検出限界以上の荷重を支持部
材によって担持させるようにしたことを特徴とするもめ
である。

〔作用） 本発明圧覚センサによれば、センサ表面に加えられる荷
重が通常の使用状態で発生する程度の大きさである限り
、個々のセンサユニットを介して正しくその受圧力を検
出することができ、また、過度の大きい荷重が加えられ
た場合には、その過度に相当する荷重が支持部材によっ
て担持されるので、センサを全体的に破損から守ること
ができる。

〔実施例〕

以下に、図面に基づいて本発明の実施例を詳細かつ具体
的に説明する。

まず、第１Ａ図〜第１Ｄ図によって本発明圧覚センサの
基本的な構成について述べることとする。第１Ａ図はそ
のホイートストンブリッジ回路の構成の一例を示し、こ
こでＲ１、Ｒ２）Ｒ３およびＲ４は歪ゲージ、Ｓ、およ
びＳ２は出力側に設けた電界効果型トランジスタＦＥＴ
などによるアナログスイッチである。かくして、スイッ
チＳ１およびＳ２に信号Ｓを供給することにより出力端
子Ｙ１および７２間に、出力信号Ｙを得ることができる
もので、本発明では個々のセンサユニット（以下でセン
サセルという）が第１Ｂ図および第１Ｃ図に示すような
形態をなし、このようなセンサセル１の下面側に上述し
た歪ゲージＲ１〜Ｒ４が配設され、その間にブリッジ回
路が形成される。なお、これらの図において、２ははん
だ電極すなわちパッドである。

また、センサセル１の上面には凹部３が設けられ、この
凹部３に後述する受圧部材の抑圧部が遊嵌されるのであ
るが、その押圧部によって凹部３の受圧面３＾に第１Ｃ
図に示すように荷重がかけられたとすると、センサセル
１が撓むことによりゲージＲ３およびＲ２には引張応力
、またゲージＲ２およびＲ４には圧縮応力が発生し、そ
の結果第１Ｄ図に示すような高感度の出力Ｙを検出する
ことができるものである。

ついで、第２Ａ図〜第２Ｃ図によって、その圧覚センサ
の構成について説明する。第２Ａ図および第２Ｂ図にお
いて、４は配線基板であり、後述するようにして複数の
アルミナによるグリーンシートが積層して焼結された多
層セラミックスの基板である。しかしてこのように積層
された基板の個々の面には第２Ｂ図にセンサ部５として
示す範囲にプリント配線が設けられる。なお、これらの
図において６は支持部であり、支持部６は第２八図に示
すように本例では格子状に形成され、またその支持部６
によってその間にセンサセル１を格納するセル保持部７
が形成されている。

かくして、各々のセル保持部７にセンサセル１が収納さ
れ、センサセル１の下面側に設けたパッド２を介してセ
ンサセル１の側と配線基板４の側とが電気的に接続され
る。８はこのようにしてセンサセル１を格納した上から
全体を覆蓋するようにして設けた受圧部材であり、例え
ばゴムなどのような弾性係数の比較的小さい材料で形成
され、その受圧部材８のセンサセル凹部３と対応する部
分には押圧部８Ａが突設されている。しかして、これら
の押圧部８Ａをセル凹部３に遊嵌させるようになして、
受圧部材８全体が支持部６によって支持されるようにす
る。

このように構成した圧覚センサにおいて、いま外部から
荷重を受けたとし、その荷重が先に述べたような比較的
小さい場合には、支持部６によって支承されている受圧
部材８の押圧部８Ａの部分のみがその荷重を担持してセ
ンサセル１の凹部３底面の薄肉部を撓ませ、それに対応
した出力が個々のセンサセル１を介してそれぞれ出力さ
れる。

また、その荷重が大きく、例えば第２Ｃ図に示すように
平板的な物体１０によって大きい力が加えられたとする
と、受圧部材８全体が圧縮される形となって支持部６に
より支承されている受圧部材８も共に圧縮され、換言す
るならば過分の荷重はセンサセル１にかかることなく支
持部６により担持されることになる。なおこの例では説
明を分り易くするために、平板ｌＯを引例に用いたが、
これまでに述べてきた圧覚センサは少なくとも複数のセ
ンサセル１によって加圧力が分担されるように使用され
るものであって、平板でなくてもその基本的な作用につ
いては変わるものではない。

第３図はこのような場合のセンサ出力の傾向を示すもの
で、本図に示すように、検出の対象となる限界の荷重Ｌ
１までは、その荷重りがセンサ部５の範囲で担持され、
センサ出力ｙ　ｔｉｔ荷重りに比例して旧に沿って変化
するが、設定された限界荷重り、を越すと、そのあとは
支持部６によって過重分が担持されるので荷重りが増大
してもセンサ出力はｎに沿って一定に保たれる。

次に、このような圧覚センサ配線基板４の製造過程を第
４Ａ図〜第４Ｄ図にしたがって説明する。

ここで、第４Ａ図〜第４Ｄ図はその積層される個々の層
のグリーンシート（焼成前の軟質のアルミナシート）を
示す。まず第４Ａ図は支持部６となるグリーンシート層
６０であり、格子型に打抜きによって成形されることに
よりセル保持部７が孔７０として穿設される。第４Ｂ図
、第４Ｃ図および第４Ｄ図はスルーホール４１が穿設さ
れるグリーンシート層４２）出力信号線４３が配線され
るグリーンシート層４４および電圧供給線４５が配線さ
れるグリーンシート層４６をそれぞれ示す。

なお、第４Ｂ図におけるスルーホール４１は電極を兼ね
ており、タングステン配線にニッケル、銀、錫などのめ
フきを施した電極と、タングステンのみで構成されたス
ルーホール４１とが接続されることにより下層の側に電
気的に接続される。また、スルーホール４１のうち第２
Ｃ図に示すランド４７に接続されるものによって出力信
号が取出され、その他のスルーホール４１は下層のグリ
ーンシート４６に示すランド４７に接続される。

かくして、上述した４つのグリーンシート層６０．４２
．４４および４６を積み重ねた状態で焼成することによ
って多層セラミック配線基板４を得ることができる。

第５図は受圧部材８の全体的な形態を示し、受圧部材８
としてはネオプレンゴム、シリコンゴム、ブチルゴム、
ウレタンゴム、天然ゴム等のような弾性体で形成され、
上面側および下面側に押圧部８Ａが突設されるが、この
ような円形をなす突起をマトリックス状に配設するにあ
っては溶融されたゴム原液を金型でモールドしてやれば
よい。

第６八図および第６Ｂ図はセンサセル１を示し、その凹
部３は湿式または乾式のエツチングによって形成される
。また、下面側の配線と歪ゲージＲ１〜Ｒ４等は一般的
なシリコンウェハプロセスによって形成されればよい。

続いて第７Ａ図〜第７Ｆ図によって圧覚センサ全体の組
立過程について説明する。

第７Ａ図および第７Ｂ図は焼成ずみの多層セラミック配
線基板４であり、このような基板４のセル保持部７に第
７Ｃ図および第７Ｄ図に示すようにしてセンサセル１を
それぞれ嵌め合わせ、更にその上面側に第７Ｅ図および
第７Ｆ図に示すようにして受圧部材８を覆蓋し、これを
基板４の支持部６と接着すればよい。

第８図はセンサユニットを３行×３列のマトリックス状
に配列させて圧覚センサを構成した場合の回路構成を示
す。なお電源Ｖは本例では各列ごとに独立して印加され
る。そこで、いまスッチＳＸＩが°′オン′°となすと
、ｘ１列のユニットにおいて出力ＹＡ、　ＹＢおよびＹ
ｃが同時に出力され、同様にしてスイッチＳＸ２または
ＳＸ３を゛′オン°“となすことによって×２列のユニ
ットまたは×３列のユニットからそれぞれＹＡ、　ＹＢ
およびＹｃを得ることができる。更にまた、出力ＹＡ、
ＹＢおよびＹｃを順番に取出したいときは、図示はしな
いがマルチプレクサを設ければよい。このようにして、
個々のセンサユニットからの出力を検出することが可能
となる。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように、本発明によれば、マトリック
ス状に配設された個々のセンサセルの周囲に配線基板か
ら剛体の支持部材を突設し、加圧部材を介して複数のセ
ンサセルが押圧されたときに所定の押圧力以上の荷重を
支持部材によって担持させるようにしたので、ロボット
ハンドに取付けて使用される場合にその押圧による荷重
範囲が大きいようなことがあっても破損を招くことなく
荷重分布を正確に検出することができ、用途の拡大、コ
ストの低減と共にロボットの知能化促進に貢献すること
ができる。

なお、本発明の適用はロボットハンドに限られるもので
はなく、一般的に広い範囲にわたっての圧力分布の検出
が要求されるような機器の部分に圧力センサとして適用
できるものであることはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は本発明にかかわるセンサセルの歪ゲージ間に
設けられるホイートストンブリッジ回路の一例を示す構
成図、 第１Ｂ図はそのセンサセル上の配置を示す線図、第１Ｃ
図は第１Ｂ図の断面図、第１Ｄ図はそのセンサセルの下
面側に荷重によって発生する応力の分布図、 第２Ａ図は本発明にかかるセンサセルのマトリックス状
配置を示す平面図、 第２Ｂ図は本発明圧覚センサの一例を示す断面図、 第２Ｃ図はその圧覚センサに過大な荷重がかかった場合
の状態を示す断面図、 第３図はその荷重とセンサ出力との関係を示す特性曲線
図、 第４Ａ図〜第４Ｄ図は本発明にかかる多層セラミック配
線基板の製造過程における個々のグリーンシートの構成
の一例を示す斜視図、 第５図は本発明にがかる受圧部材の斜視図、第６Ａ図お
よび第６Ｂ図は本発明にかかるセンサセルをそれぞれ上
方および下方から見て示す斜視図、 第７Ａ図〜第７Ｆ図は本発明圧覚センサを製造過程にし
たがって示したもので、第７Ａ図および第７Ｂ図は多層
セラミック配線基板の斜視図および断面図、第７Ｃ図お
よび第７Ｄ図はその基板にセンサセルを収納した状態の
斜視図および断面図、第７Ｅ図および第７Ｆ図は完成し
た状態の斜視図および断面図、 第８図は本発明を３行×３列のセンサセルのマトリック
スで構成した実施例での歪ゲージおよびブリ２２９回路
に関する配線図である。 １　　　・・・　センサセル、 Ｒ１−Ｒ４・・・　歪ゲージ、 ３　　　・・・　凹部、 ４　　　・・・　（多層セラミック）配線基板、５　　
　・・・　センサ部、 ６　　　・・・　支持部、 ７　　　・・・　セル保持部、 ８　　　・・・　受圧部材、 ８Ａ　　　　・・・　抑圧部、 ４２）４４．４１ｉ、　６０　　・・・　グリーンシー
ト層、４１　　　　・・・　スルーホール、 ４３　　　　・・・　出力信号線、 ４５　　　　・・・　電圧供給線。 第１Ａ図 第３図 第４Ｂ図 第６Ａ図 第６Ｂ図 第７Ｂ図 第７Ｃ図 第７０図 ！ 第７Ｆ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）配線基板上にマトリックス状に配設されたセンサセ
   ルを有し、個々の該センサセルの上面に受圧部材を介し
   て加えられた荷重を前記センサセルを介して検出するよ
   うにした圧覚センサにおいて、 前記配線基板から個々の前記センサセルの周囲に剛体の
   支持部材を突設し、 前記受圧部材を介して複数の前記センサセルに荷重が加
   えられたときに、検出限界以上の荷重を前記支持部材に
   よって担持させるようにしたことを特徴とする圧覚セン
   サ。 ２）特許請求の範囲第１項記載の圧覚センサにおいて、 前記センサセルはシリコンチップで形成され、複数の半
   導体歪ゲージを有することを特徴とする圧覚センサ。 ３）特許請求の範囲第１項または第２項に記載の圧覚セ
   ンサにおいて、 前記配線基板および前記支持部材はアルミナセラミック
   スによる多層基板であることを特徴とする圧覚センサ。 ４）特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記
   載の圧覚センサにおいて、 前記受圧部材が弾性を有し、その弾性係数が小さいこと
   を特徴とする圧覚センサ。