JPS63214631A - 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の進展が著
しく、特に注目される点は圧覚センサをロボットハンド
に取付けることにより、触覚、圧覚といった知覚情報が
得られるようになり、その知能化することが進められて
いることである。そこで、かかる圧覚を検知するセンサ
としての必要な条件を述べると、高感度、高分解能、広
いダイナミックレンジ、耐熱性、直線性、応答性、柔軟
性、すべり感覚等を具え、しかも小型軽量でかつ低コス
トで得られ信頼性の高いこと等を挙げることができる。

いま、数多く提案若しくは開発されているこの種の圧覚
センサのうちから代表的な数種のものを第５Ａ図〜第５
Ｃ図によって示す。第５Ａ図は押ボタン式センサを示し
、ここで、１はそのボタン、２および３はプラスおよび
マイナス電極、４はコイルばねであり、その右側は図示
しない把持物と無接触の状態、その左側は把持物により
ボタン１が押圧された状態を示している。

すなわち、ハンドにより物体が把持されると、ボタン１
が押込まれることによってプラス極２とマイナス極３と
の間の電気的導通がしゃ断されることによりその把持状
態が検知される。

第５Ｂ図は導電性ゴムを利用した方式のセンサを示し、
ここで５はその導電ゴム層である。そこで、第５Ｂ図の
右側に示すようにプラス極２の層側から把持物体によつ
て力を受けると、導電ゴム層５の位置で導電率、換言す
ると電気抵抗が変化することによフて、把持状態が検知
される。

第５Ｃ図は光学的検知手段と組合せて構成された圧覚セ
ンサの例を示す。本例ではアクリル板６の上下にシリコ
ンゴム板７と受光素子列８とが設けられており、アクリ
ル板６を光通路とする光源９がその側方に配設されてい
る。また、シリコンゴム板７にはその下面側に円錐状を
なす突起７Ａが形成されており、その突起７Ａの先端部
がアクリル板６の上面と軽く接触を保つようにしである
。

そこで、把持物体によってシリコンゴム板７が加圧され
ると、その突起７Ａが図に示すように圧縮されて変形す
る。いま、加圧前の状態においては光源９からの光はア
クリル板６内で均一に反射され、その反射光が受光素子
列８を形成している個々の受光素子８Ａに受光されるが
、上述の加圧力が加わると、その突起７Ａが変形した部
分において乱反射するため、その部分に配置された受光
素子８Ａでは受光感度が変化するので、これによって力
の大きさならびに分布を検知することができる。

しかしながら、上述したような圧覚センサのうち、第５
Ａ図に示す方式のものは、ボタン１による“オン“と“
オフ”との２つの状態から加圧力の有無が検知されるの
みで、連続的に力の強弱を検知することができず、また
、第５Ｂ図に示す方式のものは力とゴム層５の導電率と
の間の関係に非直線性やヒステリシスの問題があり、正
確に力の大きさとその分布を検出することが難しい。更
にまた、第５Ｃ図に示す方式のものにも同様に非直線性
やヒステリシスの問題があり、この場合は構造が複雑な
上に柔軟性に乏しい。また、ここでは例示しなかったも
ので提案または開示されている圧覚センサの数は多いが
、特に柔軟性に富み、上述したような色々の条件を満足
する信頼性の高い圧覚センサは大方無いといっても過言
ではない。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明の目的は、上述したような従来の問題点に着目し
、その解決を図るべく、圧力と出力との関係が直線性を
有し、ヒステリシスがなく、構造が簡単でしかも柔軟性
に富み、廉価で信頼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、溝によって分
割されたシリコンチップをマトリックス状に配設し、シ
リコンチップの各々の受圧面中央部に凹部を設けてこの
凹部に受圧ボタンを嵌合し、凹部に対応するシリコンチ
ップの背面に複数の半導体歪ゲージによるブリッジ回路
を配設し、ブリッジ回路に接続されるスイッチ手段およ
び接続電極を背面側に設けると共に複数の歪ゲージを柔
軟性のある弾性材料の基板によって支持させ、シリコン
チップの各々の間を電気的に接続するようにしたことを
特徴とする。

〔作　用〕

本発明圧覚センサにおいては、溝によって分割された形
態のシリコンチップ背面側にブリッジ回路に組込まれた
歪ゲージおよびこれに接続されるスイッチ手段、接続電
極が設けられていて、歪ゲージの設けられる範囲が柔軟
な弾性基板によって支持されるので、高感度の出力が得
られ、かつ、上記の溝によフて分割された形態であるた
めに全体に柔軟性を保たせることができて、しかも小型
化、薄型化することができる。

（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。

第１Ａ図は本発明の一実施例を示す。ここで、１１は半
導体のシリコンチップであり、シリコンチップ１１の下
面側には複数の歪ゲージ１２および電極１３が形成され
ている。１４はエポキシ樹脂等によって成形したモール
ド基板であり、１５はこのモールド基板１４のうちの歪
ゲージ１２と接する範囲に設けられ、例えばシリコンゴ
ム等の弾性体で成形された弾性基板である。また、シリ
コンチップ１１の下面側に設けられている電極１３は、
その隣接するセンサユニット１０間を電気的に接続する
ための金またはアルミニウム等のボンディングワイヤ１
７によってボンディングされている。

１８はセンサユニット１０間を画成している切込溝であ
り、この切込溝１８を設けることによって、センサ全体
に柔軟性が保たれるようにしており、またこの切込溝１
８を設けるためにボンディングワイヤ１７には切損され
ないように撓みが持たせである。１９は受圧ボタンであ
り、シリ：、。

チップ１１の上面に設けた凹部１１Ａに摺動自在に保持
される。

の歪ゲージ１２がＲ，、Ｒ，、Ｒ，およびＲ４の抵抗と
して示されている。またここで、Ｓｖ。

Ｓ　Ａ２＋　Ｓ　Ａｌおよびｓａは電界効果型トランジ
スタＦＥＴによるアナログスイッチであり、これらのス
イッチの配列により隣接センサユニット１ｏへの信号の
まわり込みを防止し、個々のユニット１０における信号
の独立性が保たれるようにしである。なお、ＳＸおよび
ＳＹは行および列の指令選択手段であり、後述するよう
にしてこれらの指令選択手段ＳｘおよびＳＹを介して所
定の行および列を指定することによりそのブリッジ回路
からの出力Ｅを得ることができる。

ｉＺＢ図および第２Ｃ図は上述の歪ゲージ１２が抵抗Ｒ
１、Ｒｘ　、Ｒ３，Ｒａとしてシリコンチップ１１の下
面に配設された状態およびその受圧状態を示すもので、
このような受圧によフてシリコンチップ１１が撓み、そ
の結果、ゲージＲ１およびＲ１には引張応力、ゲージＲ
７およびＲ４には圧縮応力が発生し、第２Ｄ図に示すよ
うな高感度の出力Ｅを得ることができる。

そこで、Ｒ３−Ｒ４で示される歪ゲージ１２およびアナ
ログスイッチＳｖ　、　ＳＡ２．　ＳＡ１．　ＳＯに対
して指令Ｓ８およ′ｃＰ−５Ｙを供給すべく電極１３（
■、Ｏ１■、■、Ｇ）、Ｏ）と上述の歪ゲージ１２およ
びアナログスイッチ間に第１Ｂ図に示すような配線を設
けることにより個々のセンサユニット１０から出力Ｅを
得ることが可能となる。

第３図は、第１Ｂ図によって示したような回路を行列的
に３×３の配列としたセンサユニット１０間の全体の配
線図を一例として示したもので、行の指令選択手段ＳＸ
Ｉ〜ＳＸ３のうちから１つを選択し、更に列の指令選択
手段ＳＹＩ”’ＳＹ３のうちから１つを選択することに
より、３Ｘ３のセンサユニット１０のうちからいずれか
１つのセンサユニット１０のブリッジ回路を介して任意
選択的に出力を得ることができ、また、行の指令選択手
段を順次に選択しながら１つの選択時に列の指令選択手
段を次々と選択することにより１行ずつ、３列のセンサ
ユニット１０かうその順番で出力Ｅ＋　、Ｒ２、Ｒ３を
次々と得ることができる。

次に第４Ａ図〜第４Ｅ図にしたがって本発明圧覚センサ
を製造する手順について説明する。

まず、第４Ａ図に示すようにシリコンウェハ１１０の一
方の面にレジスト層１１１を形成する、と共に他方の面
に歪ゲージ１２と電極１３とを薄膜技術によって形成し
、その点線で示した部分をエツチングによって取除き、
第４Ｂ図で示すように凹部１１Ａを形成する。次に、こ
のように１ノで得られたシリコンウェハ１１０を天地し
て歪ゲージ１２とそのブリッジ回路が設けられた上から
薄いシリコンゴムフィルム等弾性体の層を設け、弾性基
板１５を形成する。

更にまた隣接する電８ｉ１３間をボンディングワイヤ１
７によって接続した後、シリコンウェハ１１０の周囲を
第４Ｃ図に示すようにして比較的軟質の材料による弾性
枠１１２で取囲み、軟質エポキシ樹脂等の弾性材料を上
面にモールドしてモールド基板１４を形成する。しかし
てここで再度天地して第４Ｄ図の状態とする。

次に、点線で示した部分に切込溝１８を刻設する。なお
溝１８の形成にあたっては先に配設したボンディングワ
イヤ１７を切断しないよう砥石等を用いて切込めばよく
、かくすることによりてセンサ全体に柔軟性を付与し、
撓みを可能とし、例えばロボットハンドの指部に＠着す
ることも可能となる。第４Ｅ図は第４Ｄ図の状態とした
ものに受圧ボタン１９を嵌込み、その上部を皮膜１１３
で被覆した状態を示し、このようにして実用可能な状態
の圧覚センサを得ることができる。

Ｃ発明の効果〕 以上説明してきたように、本発明によれば、溝により分
割されたシリコンチップをマ・トリックス状に配設し、
個々のシリコンチップの受圧面中央部に凹部を設けて受
圧ボタンを嵌合し、その凹部に対応するシリコンチップ
の背面側にはブリッジ回路に組込んだ複数の半導体の歪
ゲージを配設し、ブリッジ回路に接続されるスイッチ手
段および接続電極を上記背面側に設けると共に上記複数
の歪ゲージを柔軟性のある弾性材料の基板によって支持
させ、個々のシリコンチップ間を電気的に接続するよう
にしたので、薄型で柔軟性に富み実用性の高い理想的な
圧覚センサを提供することが可能となり、ロボットハン
ドに適用すれば高度のマニピユレーション作業が可能で
あってロボットの知能化に貢献することができる。

【図面の簡単な説明】 第１Ａ図は本発明圧覚センサの構成の一例を示す断面図
、 第１Ｂ図はそのシリコンチップにおける配線図、 第２Ａ図は本発明に適用される歪ゲージ組込みのブリッ
ジ回路とスイッチ手段との間の原理的な回路構成図、 第２Ｂ図はその歪ゲージの配置の一例を示す模式図、 第２Ｃ図はその１つのシリコンチップを模式に示す断面
図、 第２Ｄ図はその歪ゲージに発生する応力の一例を示す特
性曲線図、 第３図はその圧覚センサを駆動するための回路図、 第４Ａ図〜第４Ｅ図は本発明圧覚センサを製造するとき
の過程をその断面により順を追って示す説明図、 第５Ａ図〜第５Ｃ図は従来の圧覚センサの３つの形態を
それぞれ模式に示す断面図である。 １１・・・シリコンチップ、 １１Ａ・・・凹部、 １２、Ｒ，〜Ｒ４・・・歪ゲージ、 １３・・・電極、 １４・・・モールド基板、 １５・・・弾性基板、 １７・・・ボンディングワイヤ、 １８・・・切込溝、 １９・・・受圧ボタン、 ＳＶ、ＳＡ１．　ＳＡ２．　ＳＧ・・・スイッチ（手段
）、１１０・・・シリコンウェハ、 １１１・・・レジスート層、 １１２・・・弾性枠、 １１３・・・皮膜。 第１Ａ図 第旧図 本発明圧覚センサを駆動するための回路図第３図 １昏す 第４Ａ図 第４Ｂ図 第４Ｃ図 ＯＦＦ　　　　　　　　　　ＯＮ 第５Ａ図 第５８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 溝によって分割されたシリコンチップをマトリックス状
   に配設し、前記シリコンチップの各々の受圧面中央部に
   凹部を設けて該凹部に受圧ボタンを嵌合し、前記凹部に
   対応する前記シリコンチップの背面に複数の半導体歪ゲ
   ージによるブリッジ回路を配設し、該ブリッジ回路に接
   続されるスイッチ手段および接続電極を前記背面側に設
   けると共に前記複数の歪ゲージを柔軟性のある弾性材料
   の基板によって支持させ、前記シリコンチップの各々の
   間を電気的に接続するようにしたことを特徴とする圧覚
   センサ。