JPS63155676A - 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、ロボットのハンドに装着して把握物から受け
る力を検出するのに好適な触覚センサに関する。

［従来の技術］ 従来のロボットは、マニプレータ、シーケンス型ロボッ
ト、プレイバック型ロボット等のよう」 、ある固定された場所で作業するものが多く、・１ １）４用溶接ロボツトは生産ラインのある場所に固定さ
れた状態で使用され、溶接アームが動いて車体の溶接を
行うものであり、ロボット自身が車体の方へ移動し、自
ら判断して溶接を行うものではない。ところが、近年で
は人間の五感に相当する感覚機能をもつロボットが開発
され、しだいに実用化されつつあり、近い将来には２足
歩行の歩くロボットも実用化されるであろうと考えられ
る。

これらのいわゆる知能ロボットは従来のロボットと異な
り、各種センサを取付けている必要かある。代表的なセ
ンサとしては、視覚センサと触覚センサであり、特に触
覚センサは物の把握１把持などの作業に″不可欠なもの
となっている。

このような知能ロボット用の触覚センサに要求される性
能仕様としては、次のようなものがある。

■　高感度二　力を検出する感度が高いこと、例えば数
グラムの荷重を検出できるこ と。

■　高分解能：センサセルは小さく、かつ密度の高いこ
と。

■　広ダイナミックスレンジ：できるだけ動作範囲を広
くすること。

■　高信頼性・高耐久性：Ａ酷な環境に耐えること。

■　線形性・少ヒステリシスコ圧力と出力が比例し、ヒ
ステリシスが少ないこと。

■　応答速度：信号処理の応答速度が速いこと。

■　柔軟性：人間の手の皮膚のように軟かいこ■　すべ
り感覚：圧力だけでなく、できればすべりも検出するこ
と。

■　小型廉価：薄くて小型で製造コストが低いこと。

これらのいくつかの要求を満足する各種の触覚センサが
これまで提案、ないし実用化されてきた。その触覚セン
サとしては、たとえば、　（イ）マイクロスイッチの０
Ｎ１０ＦＦを利用する、　（ロ）感圧ゴムシート（導電
ゴムシートとも称する）を利用するもの、　（ハ）光の
反射量の変化を利用するもの、などがある。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしこれらの従来の触覚センサには次のよう゛ツ問題
点がある。

（ａ）　　マイクロスイッチの０Ｎ１０ＦＦを利用する
も−のは、通常ＯＦＦの状態にあるセンサが力を受ける
とＯＮの状態になるものである力演これは力の有無を検
出するたけて、その力の大きさを連続的に検出すること
ができるものではない。

（ｂ）　　感圧ゴムシートを利用するものは、１枚のシ
ートを電極で挟み、その電極に加わった力によってシー
ト抵抗が変ることを利用したものであるが、直線性やヒ
ステリシスが生しやすく、また耐熱性が低いという問題
がある。

（ｃ）光の反射量の変化を利用するものは、透明なガラ
ス板の表面に多数の円錐状の突起を有するゴムシートを
あてがい、そのガラス板の裏面に鏡かまたは受光素子を
並べておき、そのガラス板の横方向からそのガラス板内
へ光を照射し、外力の大きさに応じて変化する上述のゴ
ムシートの突起ゴムのへこみ具合を鏡かまたは受光素子
で検知するものである。しかし、この光の反射を利用す
る触覚センサは外力の絶対値を正確に知ることがむづか
しく、また検出精度が悪いなどの問題がある。

これらの触覚センサ以外にも、多数の触覚センサが提案
、ないし試作されているが、いずれも上述の性能仕様を
十分に満足するには至っていない。そのため、真に実用
性の高い触覚センサの開発か、いまだに強く叫ばれてい
るのが実情でである。

この発明は、上述の問題点に鑑み、実用的性能か高く、
しかも構造が簡単で、薄型かつ高密度に配列てきる触覚
センサを提供することを目的とす穴を形成し、裏面に圧
力を検出する半導体ストレンゲージとスイッチとはんだ
バンプとを形成したシリコンセンサセルと、シリコンセ
ンサセルの裏面に熱圧着で接合するシート状接着剤と電
極と多層配線とで構成された多層配線基板と、多層配線
基板上にシリコンセンサセルを搭載して熱圧着し、受圧
体を底付穴にはめ込んだ後、受圧体を覆うように配設さ
れる保護膜とを具備したことを特徴とする。

［作用］ この発明では、シリコンウェハから作ったセンサセルの
片面に半導体ストレンゲーシ、スイッチおよび電極バン
ブを形成し、その裏面には庇付の円柱状穴（底付穴）を
あける。一方、上述のセンサセルを搭載する多層配線基
板には、電極と薄い接着シートおよび人力信号層と出力
信号層とを形成し、上述のセンサセルの電極バンプと電
極との位置合わせを行ってセンサセルと多層配線基板と
を熱圧着で接着およびはんだ付けを行う。このあて、薄
型かつ高密度に配列できる触覚センサが得られる。

［実施例コ 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

■実施例の触覚センサの原理 第１図　（Ａ）〜（Ｄ）は本発明の実施例の原理を示す
。

第１図（八）は本発明実施例に適用した周知のホビート
ス１−ンブリツジの回路構成を示す。ここで、　Ｒ□、
Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４はそれぞれブリッジ１の四辺のゲージ
抵抗を示す。■は直流電源であり、その負側はアースに
接続して、ブリッジ１に直流電圧を印加する。ブリッジ
１の出力の検出は不平行電位を電圧計Ｅにより検出する
ことにより行う。

ＳｙはＸ軸指令であり、電源Ｖの電圧スイッチＳｖと、
ブリッジ出力の一方の片側電流スイッチＳＡ２゜とを同
時に開又は閏にする。ＳｙはＹ軸指令であり、ブリッジ
出力の他方の片側電流スイッチＳハ１い。なお、これら
のスイッチＳｖ、Ｓへ１．ＳＡ２．は例えばＦＥＴ（電
解効果型Ｉ・ランジスタ）で作られる。さらに、Ｓｘ’
　はＸ軸指令端子、Ｖ′は電圧端子、Ｇはアース端子、
　八、は電流端子、　八２は電流端子、ＳＹ′はＹ軸端
子てあり、これらの端子は後述するシリコンセルのはん
だバンブや多層配線基板の電極に対応する。

第１図（Ｂ）は円形のダイヤフラム２上に、半径方向に
沿って外周部位置にストレンゲージＲ２とＲ４とを、中
央部位置にストレンゲージＲ１とＲ３とを配設した場合
の本発明実施例でのゲージ配置を示す。この第１図（Ｂ
）のゲージ配置で半導体ゲージ抵抗が作られた触覚セン
サ３の断面形態を第１図（Ｃ）に示す。第１図（Ｃ）　
に示すように触覚センサ３の中央位置で圧力Ｆを受けた
場合の、ストレンゲージＲ１〜Ｒ４を設けた張り出し面
の応力分布は第１図（Ｄ）に示すようにダイヤフラム２
の外周部位置で圧縮力、中央部位置で引っ張り力を受け
る分布となる。このように、半導体スト−出値は高くな
り、高感度が得られる。

■触覚センサセル 第２図（八）〜（Ｄ）、第３図（Ａ）　、　（Ｂ）およ
び第４図（八）　、　（Ｂ）は本発明の一実施例の触覚
センサの製造工程と構成を示す。第２図（Ａ）〜（Ｄ）
は一枚のシリコンウェハから公知の半導体加工プロセス
により触覚センサ３のシリコンセンサセル（触覚センサ
セル）を製造する工程と、そのシリコンセンサセルの配
線パターンとを示す。第２図（Ａ）はシリコンウェハの
一部、すなわちシリコンセンサセルの素材４を示す。次
に、第２図（Ｂ）に示すように、あらかじめ設計した所
定の配線パターンに逆転して第２図（Ｃ）　に示すよう
にストシンゲージ５等の無い裏面側に公知のエツチング
性等により円柱状の底付穴８をあける。この穴８には後
述の円柱状受圧体かはめこまれる。

第２図（Ｄ）は第２図（Ｃ）に示す触覚センサセル９の
配線パターンの一例を示す。ここて八、　、５ｙｊＶ’
　　、　Ｓｘ’　、Ａ２　、Ｇはそれぞれ第１図（Ａ）
の各端子に対応し、第２図（Ｂ）で示す工程で形成した
はんだバンブ７である。

また、触覚センサセル（シリコンセンサセル）９の４隅
には後述のシート状接着剤を置くスペースが（接着場所
）１０が設けである。この４ケ所の接着場所１０で触覚
センサセル９と後述の基板とが接合される。しかも、こ
の接着場所１０は触覚センサ３の力が加わる所でもある
。

◎多層配線基板 第３図（Ａ）　、　（Ｂ）は第２図の触覚センサセル９
を搭載する多層配線基板１１の構造を示す。第３図ζイ ら電極１２は第２図で示したはんだバンブ７と熱圧着に
よってはんだ付される。一方、正方形のシート状接着剤
１３は基板１１の４隅に配置され、しかもこのシート状
接着剤１３は触覚センサ３が受けた力を支える所である
から、弾性が高く、かつ強固なもφでなければならない
。従って、このシート状第３図（Ｂ）は上述の多層配線
基板１１の断面構造を示す。この基板１１はガラスエポ
キシ樹脂製か、またはセラミック製で作成する。この配
線基板１１の第一層は電極１２のみとし、第２層は縦列
信号線層１４、すなわちＳｘ、Ｖ、Ｇが通る層であり、
第３層は横列信号線層１５、すなわちＳＹ　、Ａ１．Ａ
２が通る層である。また第４層はベース層１６である。

■触覚センサ単体の組立 第４図（Ａ）　、　（Ｂ）は第２図のシリコン触覚セン
サセル９と第３図の多層配線基板１１とを接合して、ざ
らに受圧体１７と保護膜１８とを形成する組み立て工程
と完成状態を示す。すなわち、第２図（Ｄ）の配線パタ
ーンに合わせて、上部のセンサセル９と下部の多層配線
基板１１とを第４図（八）に示すように位置合わせを行
って重ね、その後に加熱圧着して、はんだバンブ７と電
極１２との接続およびシート接着剤１３によるセンサセ
ル９の接着場所ｌＯへの接着とを行う。最後に、第４図
（Ｂ）　に示すように、剛性の高い合金網などで形成し
た受圧体１７をセンサセル９の底付穴８にはめこみ、さ
らにポリ第４図（Ｂ）に示すような触覚センサ３の単体
を多数マトリックス状に平面または立体配列すれば、圧
力分布を求めることが可能である。しかし、その圧力分
布の検出の際に信号処理をどのようにするかという問題
が残る。

第５図はこの問題を解決した本発明実施例における信号
処理回路の構成を示す。

本例は９ケの触覚センサ単体をマトリックス状に並べた
場合の一例である。

本図において、Ｓｘ１〜Ｓｘ３は縦列のスイッチ信号（
Ｘ軸指令）を示し、信号Ｓｘ１　、　Ｓｘ２　、　Ｓｘ
３の順に０Ｎ１０ＦＦの切換走査をする。また、　ＳＹ
Ｉ〜ＳＹ３は横列のスイッチ信号（Ｘ軸指令）を示し、
信号Ｓｙ１　、　Ｓｙ２　、Ｓｙうの順に０Ｎ１０ＦＦ
の切換走査をする。本例では電源Ｖは信号Ｓｘ１　、　
Ｓｘ２　、　Ｓｘ３に対して独立しているが、共通にし
てもよい。

ＥＹＩは本図の矢印で示すように、回路的に１段目の単
体出力Ｅｚｔ　、　Ｅｎ　、　Ｅｌｓとそれぞれに直結
しており、Ｓｘ１〜Ｓｘ３およびｓｙ工のスイッチ走査
によりＥ□ｌ　、Ｅ２Ｌ、　Ｅｊ５のいずれか１つを送
出し、３段目の出力ＥＹ３についても同様にして単体出
力Ｅ３１　＋　Ｅ、ａ２．ｒ　Ｅ３３を送出する。した
がって、信号Ｓｘ１〜Ｓｘ３と　ＳＹＩ〜ＳＹ３とを切
換走査することによって、任意の触覚センサ３の１つを
アドレス指定でき、指定したセンサ３の出力を得ること
ができる。

第５図は、触覚センサ３を９イ固マトリツクス状に並べ
た場合を示したが、触覚センサ３を１０ケ以上並べた場
合においても、その信号処理方法は第５図と同しである
。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、触覚センサセル
内に半導体ストレンゲージとスイッチとはんだバンブと
を形成し、この触覚センサセルを搭載する多層配線基板
内に電極とシート状接着剤と多層配線とを形成し、その
セルと基板の両者をはり合わせた後、触覚センサセルの
上部に形成した底付穴に受圧体をはめ込み、保護膜で覆
って触覚センサを形成したので、全体が小型で薄く、し
かも検出感度、検出精度および応答速度等にすぐので、
ロボットのハンドにとりつけて高度な作業を行わせる際
に、極めて有効なセンサとなる。また、多層配線基板を
可塑性材料で形成してフレキシブルにすれば、曲面に取
りつけることも可能であり、用途は一層広がる。

【図面の簡単な説明】

第１図（八）〜（Ｄ）は本発明実施例の原理を示し、本
図（Ａ）は回路図、本図（Ｂ）は底面図、本図（Ｃ）は
断面図、本図（ＤＪはゲージ位置と応力の関係を示す特
性図、 第２図（八）〜（Ｄ）は本発明実施例の触覚センサセル
の製造工程と配線パターンを示し、本図（Ａ）。 （Ｂ）　、　（Ｃ）は断面図、本図（Ｄ）は底面図、第
３図（Ａ）　、　（Ｂ）は本発明実施例の多層配線基板
の構成を示し、本図（八）は平面図、本図（Ｂ）は断面
図、 第４図（Ａ）は本発明実施例の触覚センサの組み立て工
程を示す断面図、本図（Ｂ）はその完成状態を示す断面
図、 ｉ　Ｉ；：オイユｈ　＞　２　！Ｊ　ｖ　０．２・・・
ダイヤフラム、 ３・・・触覚センサ、 ４・・・シリコンセンサセルの素材、 ５・・・ストレンゲージ、 ６・・・ＦＩＥＴスイッチ、 ７・・・はんだバンプ、 ８・・・底付穴、 ９・・・触覚センサ、 １０・・・接着場所、 １１・・・多層配線基板、 １２・・・電極、 １３・・・シート状接着剤、 １４・・・縦列信号線層、 １５・・・横列信号層、 １６・・・ベース層、 １７・・・受圧体、 １８・・・保護膜。 雲施例１の灸層配線基版の市に族庖ボ１」図寅施合１の
ｍ１＝７／−立Ｘ工程と完成状態予ホ寸図第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ａ）圧力を受ける受圧体と、 表面に前記受圧体をはめ込む底付穴を形成し、裏面に前
   記圧力を検出する半導体ストレンゲージとスイッチとは
   んだバンプとを形成したシリコンセンサセルと、 ｃ）該シリコンセンサセルの前記裏面に熱圧着で接合す
   るシート状接着剤と電極と多層配線とで構成された多層
   配線基板と、 ｄ）該多層配線基板上に前記シリコンセンサセルを搭載
   して熱圧着し、前記受圧体を前記底付穴にはめ込んだ後
   、該受圧体を覆うように配設される保護膜とを具備した
   ことを特徴とする触覚センサ。