JPS6358121A - 多機能マトリツクスセンサ - 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】 ん産業上の利用分野 本発明は温度分布や圧力分布を検出するための多機能マ
トリックスセンサに関するものである。

Ｂ０発明の概要 本発明は、温度変化及び圧力変化を電気信号の変化とし
て捉え、温度分布及び圧力分布を検出する多機能マトリ
ックスセンサにおいて、両面側に互に直交するように多
数の帯状の電極膜を設けた圧電体フィルムと、同様に電
極膜を設けた焦電体フィルムとを一体化し、これら電極
膜の配置を利用してＸ−Ｙ座標系における各位置、温度
及び圧力を横用することによって、圧力党、接触覚、す
べり覚及び温度覚等の各機能を１つのセンサにより得ら
れるようにしたものである。

０、従来の技術 産業用ロボットは最近急ピッチで普及しており、その利
用分野については組立て、加工、製品検査、測定等多岐
に亘っている。このようなことからロボットに種々の感
覚機能、例えば接触覚機能、圧力室機能、すべり覚機能
あるいは温度覚機能等を付与することが要求されている
。そこで従来では、例えばロボットハンドに各感覚機能
を果たす専用のセンナを取り付けていた。

Ｄ０発明が解決しようとする間曙点 ところで作業スペースや設置条件を考慮すると、ロボッ
トはできるだけ小型かつ＠量であることが望ましい。し
かしながら従来のようにロボットに各種の専用のセンサ
を取り付けるようにすると、ロボットの小型化、軽量化
が阻害されるという問題があった。本発明はこのような
背景のもとになされたものであり、小型で複数の機能を
有する上検出精度が高く、しかも量産に適したセンナを
提供し、これにより例えばロボットの小型化、軽量化を
図ろうとするものである。

Ｅ１間Ｉ点を解決するための手段 本発明においては、圧電体フィルムの表面に多数の帯状
の’［極膜を互に離間して並行状に設けると共に裏面に
多数の帯状の電極膜を互に離間してかつ表面側の電極膜
に対して直交するよう並行状に設けて圧電マトリックス
センサを構成し、また焦電体フィルムを用いて同様にそ
の両面に電極膜を設けることにより焦電マトリックスセ
ンサを構成する。そして前記圧電マトリックスセンサ及
び焦電マトリックスセンサの各電極膜ｔこリード部を接
続し、史に圧電マトリックスセンサの一面側及び焦電マ
トリックスセンサの一面側を例えばシリコンゴムよりな
る絶縁層を介して互に貼着すると共に、圧室マトリック
スセンサの他面側及び焦電マトリックスセンサの他面側
に各々例えばシリコンゴムよりなる絶縁層を設けて多機
能マトリックスセンサを構成している。

Ｆ６作用 例えば圧電マトリックスセンサが裏面側となるように多
機能マトリックスセンサをロボットのハンドに取り付け
る。このハンドが物体を掴むと、物体からの熱が絶縁層
を介して焦電体フィルムに伝わり、その温度に対応した
大きさの電圧が電極膜間に発生する。また物体ｌこよる
押圧力が絶縁層及び焦電体フィルムを介して圧電体フィ
ルムに伝わり、圧電体フィルムが変形する。このため圧
電体フィルムの変形した部分においてその変形量に応じ
た大きさの電圧が電極膜間に発生する。こうして発生し
た電圧を例えばコンピュータによりマトリックス状の情
報として処理することにより、センサ上の温度分布及び
圧力分布をＸ−Ｙ座標で々らえることができる。

Ｇ、実施例 第１図の実施例においては、圧電マトリックスセンサ１
の表面側と焦電マトリックスセンサ２の裏面側とをシリ
コンゴムよりなる第１の絶縁層３を介して貼着すると共
に、圧電マトリックスセンサ１の裏面側及び焦電マトリ
ックスセンサ２０表’ｔｋＥ　０ＩＩＩに夫々シリコン
ゴムよりなる第２の絶縁１’ｉ＃４及び第３の絶縁層５
を設けることによって多機能マトリックスセンサが構成
されている。

ここで前記圧電マトリックスセンサ１及び焦電マトリッ
クスセンサ２の構成について説明する。

先ず電圧マｌ−ＩＪラックスンサ１については、例えば
方形状に成形した厚さ９〜３０μｍのｇｓ＋モードの圧
電体フィルム６を用いている。ｇｌｌｌモードの圧電体
フィルム６は、変形方向と電圧発生方向が９０＠異なる
ものであり、例えば第２図に示すように変形方向が対角
線方向、電圧発生方向が厚さ方向と々るように方形状に
裁断される。そして第３図に示すように前記圧電体フィ
ルム６の表面に多数の帯状の電極膜（Ｘ方向の電極膜）
６．を互に離間して並行状に設けると共に、裏面に多数
の帯状の電極膜（Ｙ方向の電極膜）６．を互に離間して
かつ前記電極膜６．に対して直交するように並行状に設
けることによって圧電マトリックス七ン＋１を構成する
。そしてこの圧電マトリックスセンサ１の両面側に絶縁
層３，４を役けるにあたっては、第１図及び第４図に示
すように圧電体フィルム６の表ｎ側にて電極膜６．と直
交する一縁部及び裏面側にて電極膜６！（！：ｌｉ！交
する一縁部を各々ターミナル領域とし、これらターミナ
ル領域を絶縁層３．４で横われないように露出させてい
る。

ここで電極膜６＋、６ｔを夫々圧電体フィルム６の両面
に設けるための好ましい方法について述べると、先ず圧
′α体フィルム６の両面に夫々例えばその検出領域全面
を控うように電極膜を蒸着により形成−する。その後圧
電体フィルム６の表面側の電極膜に多数の帯状のマスク
制を例えばフォトレジスト法ｌこより等間隔に並行状に
設けると共に、裏面側のｉｔ電極膜多数の帯状のマスク
材を前記マスク拐と直交するように同様にして設ける。

次いで＾ＩＪ紀表面表面１則裏面側の′電極膜をエツチ
ングして露出）化分を取り除き、マスク利を取り去って
第３図に示すような圧電マトリックスセンサ１を得る。

そして前記ターミナル領域において電極膜６＋　、　６
ｔの夫々に導電性接着剤等によりリード部としてのリー
ド線７１　、７．　（７，については第１図中隠れてい
て見えかい）を取り付ける。

なお前記圧電体フィルム６としては、上述のようにｇｖ
＋　モードのフィルムを用いることに限定されるもので
はなく、例えば厚さ方向の変形によって厚さ方向に電圧
が発生するｇｓｓモードのフィル、ムを用いてもよい。

ＦＪｓ３七・−ドのフィルムを用いる場合には、方形状
に切り出す際の方向性を考慮しなくて済む。

次に焦電７トリツクスセンサ２１こついては、加熱する
とその部分にて厚さ方向ｌこ電圧を発生する焦電体フィ
ル７・８を用い、第３図に示す圧′１マトリツクスセン
サ１の電極膜６＋、６ｔと同様の配置でかつ同様の方法
により両面側に夫々Ｘ方向の電極膜８．及びＹ方向の電
極膜８．を設ける。そして圧電マトリックスセンサ１の
場合と同様に、焦電体フィルム８の表面側及び裏面側の
各−縁部をターミナル領域とし、これらターミナル領域
を絶縁層３゜５で覆われないように露出させている。更
に同様にしてターミナル領域に詔いて電極膜８＋　、８
ｔの夫々にリード部としてのリード線９＋　、　９！を
取り付ける。

ここで圧電マトリックスセンサ１及び焦電マトリックス
センサ２の位置関係については、第４図に示すように各
々のＸ方向の電極膜６＋　、　８＋に係るターミナル領
域が互に反対側に位置するように、かつ各々のＹ方向の
電極膜６．　、　ｓｔに係るターミナル領域が互に反対
側に位置するように重ね合わせると共に、各ターミナル
領域を隠し合わないように対角線方向にずらして配置し
ている。

以上において絶縁層３〜５々してはシリコンゴムシート
を用いることに限定されないが、シリコンゴムシートは
、弾性及び熱伝導性が大きいこと、更に耐蝕性、耐薬品
性に優れていることから好適なものである。また絶縁層
３〜５のうち少なくとも圧電マトリックスセンサ１の被
押圧面側に位置する絶縁層（実施例ではｓｉ層３．５に
相当）は、圧電体フィルム６に押圧力を伝えるために弾
性を有するものであることが必要である。

次に上述のようにして得られた多機能マトリックスセン
サの作用及びその適用例ζこついて述べる。

先ず第５瀕に示すように圧電マトリックスセンサ１のＸ
方向の電極膜６．及びＹ方向の電極膜６．の交点（セン
サを上から見た場合の交点）の各々における圧電体フィ
ルム６の両面間の電圧をスキャニングにより順次に取り
出すように、リード線７．及びリード線７．の各々を切
換器１０Ａに接続すると共に、この切換器１０　Ａにて
取り出された電圧を増幅するようその出力側をアンプ１
０Ｂに接続し、更にアンプ１０　Ｂの出力端をＡ／Ｄ変
換器１００を介してマイクロコンピュータ１１に接続す
る。また焦電マトリックスセン→ト２についても同様に
リード線９Ｉ及びリード線９．の各々を切換器１２　Ａ
に接続すると共に、この切換器＋２Ａの出力側に同様に
アンプ１２Ｂ。

Ａ／Ｄ変換器＋２０を接続し、Ａ　／　Ｄ変換器１２　
ＣＪの出力側を前記マイクロコンピュータ１１に接続す
る。

そして例えば第１図に示すように、焦電マトリックスセ
ンサ２が圧電マトリックスセンサ１よりも表面側となる
ように前記第２の絶縁１４をロボットのハンドの指先Ｒ
等に貼着する。このように焦電マトリックスセンサ２側
を表にする理由は、焦電マトリックスセンサ２に伝熱し
やすいようにすること、及び圧電体フィルム６に及ぼす
熱の影響を軽減することにある。またセンナを貼着する
ロボットのハンドの指先部分の材質としては、センナに
大きな歪を与えて押圧力を検出しやすくするためにゴム
材等の弾性体を用いることが好ましい。

今ロボットのハンドが物体を掴んだとすると、物体から
の押圧力及びその物体の温度は次のようにして検出され
る。即ち、物体からの押圧力が第３の絶縁層５、焦電マ
トリックスセンサ２及び第１の絶縁層３を介して圧電体
フィルム６に伝わり、押圧力を・受けた部分が変形する
。圧電体フィルム６の変形した部分においてはその変形
量に応じた電圧が厚さ方向に、即ちこの変形部分の両側
の電極膜ｆｉ＋　＋　６ｗ間に発生する。そして前記リ
ード線７．。

７、とアンプ１０　Ｂとの接続を切換器１０　Ａにより
切換えて、Ｘ方向の電極膜６１及びＹ方向の電極膜６．
の各Ｍ虚における発生電圧を１−次スキャニングにより
マイクロコンピュータ１１に取り込み、取り込んだ信号
を記憶する。次いでマイクロコンピュータ１】にて記憶
した信号（発生電圧）をマトリックス状の情報として処
理することによりセンサ上の圧力分布をＸ−Ｙ座標でと
らえることができる。

一方前記物体からの熱が第３の絶縁層５を介して焦電体
フィルム８１こ伝わり、その温度に対応した大きさの電
圧が焦電体フィルム８の厚さ方向に、即ち電極膜８＋　
、　Ｂｔ間に発生する。そして圧電マトリックスセンサ
１の場合と同様にしてＸ方向の電極膜８．及びＹ方向の
電極膜８．の各交点における発生電圧をｊ帥次スキャニ
ングによりマイクロコンピュータ１１に取り込んで記憶
し、記憶した信号をマトリックス状の情報として処理す
ることによりセンサ上の温域分布をＸ−Ｙ座標でとらえ
ることができる。

こうしてセンナ上の圧力お温度の分布をＸ−Ｙ座標でと
らえることができるから、圧電マトリックスセンサ１か
ら取り込んだ電圧及び焦電マトリックスセンサ２から取
り込んだ電圧を夫々ｚ軸にとれば、物体とセンサの接触
面上の圧力と温度とを立体座標にして示すことができ、
従って物体の形状及び温度分布を認識できる。

才だ電圧の大きさを変位量として取り出すこと番こより
二次元圧力覚センサとして利用できるし、温度の高さと
して取り出すことにより二次元温度覚センサとして利用
できる。

更に圧電マトリックスセンサ１における′電圧の大きさ
にしきい値を設ければ、平面上のどの位置に他の物体が
接触しているか把握できるから、二次元接触覚センーＩ
トとして利用できるし、焦電マトリックス七ン＋Ｆ２に
おける電圧の大きさにしきい値を設ければ、特定の温度
の等高線が得られるから、熱接触覚センナとして利用で
き、その時点における熱の広がりぐあいを映像化するこ
とかり能になる。

そしてまた圧力の加えられた位置を座標上の点としてと
らえ、その点の位置を一定の時間間隔でサンプリングし
て時間と座標の関係を求めれば、圧力の加えられた位置
がその方向へどの位のスピードでどこまで移動したか把
握できるから、二次元すべり覚センナとして利用でき、
温度の等高線の一つを座標上の曲線としてとらえ、その
曲線の形状の変化を一定の時間間隔でサンプリングして
、時間ｆこ対する曲線の広がりぐあいとその形状の変化
とを求めれば、熱がどこからどの方向へどの位のスピー
ドでどの位の範囲に伝播したが認識できるので、二次元
熱流センナとして利用できる。

Ｈ１発明の効果 以上のように本発明は、圧電体フィルムの両面側に互に
直交するよう多数の帯状の電極膜を設けかつ焦電体フィ
ルムについても同様に電極膜を設けているため、各点の
位置をＸ−Ｙ座標系でとらえることができると共にその
点の圧力及び温度を同時に検ＩＢすることができるから
、例えば電極膜からの重置信号をコンピュータで処理す
ることによって、既に述べたように圧力室センサ、接触
覚センナ、すべり党七ンせ、温度センサあるいは熱流セ
ンサ等の種々のセンサとして利用でき、この結果１つの
センナでありながら多種の機能を果たすことができる。

才だ各帯状の電極膜の幅や電極膜間のスリット幅を容易
に微細化できること、及び圧電体フィルム、焦電体フィ
ルムの数も夫々１枚で済むことから、高精度の多機能マ
トリックスセンサを高い生産性で容易に製造することが
できる。そして各フィルムは厚さが例えば約９μｍと薄
いのでセンサ全体の厚さを５０〜６０μｍ程度と極めて
薄くすることができるとともに面積も任意に小さくも大
きくもすることができる。このように薄くしかも貼着す
る場所を小さくできることと多種の機能を果たせるとい
うことから、本発明のセンサを例えばロボットに取り付
けるようにすれば、ロボットに要求される感覚機能を満
足しながらロボットの小型化、軽量化を図ることができ
る。なお本発明のセンサは上記のように多種の機能をも
っていることから、ロボットの表皮として利用すれば人
工皮膚としての役割を果たすことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の構成を示す側面図、第２図は
ｇｓ＋　　モードの圧電体フィルムを示す説明図、第３
図は圧′ｄ（マトリックスセンサを示す外観図、第４図
（イ）、（ロ）は、夫々第１図の多機能マトリックスセ
ンサを示す表面図及び裏面図、第５図は信号処理例を示
すブロック図である。 １　・・圧？！マトリックスセンサ、２・・・焦電マト
リックスセンサ、３〜５・・・絶ｉｔ層、６・・・圧電
体フィルム、８・・・焦電体フィルム、６＋　、　６．
．８．　、８２　・・・電極膜、７＋＋７ｍ、９＋、９
ｔ　・・・リード線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 圧電体フィルムの表面に多数の帯状の電極膜を互に離間
   して並行状に設けると共に裏面に多数の帯状の電極膜を
   互に離間してかつ表面側の電極膜に対して直交するよう
   並行状に設けて圧電マトリックスセンサを構成し、 焦電体フィルムの表面に多数の帯状の電極膜を互に離間
   して並行状に設けると共に裏面に多数の帯状の電極膜を
   互に離間してかつ表面側の電極膜に対して直交するよう
   並行状に設けて焦電マトリックスセンサを構成し、 前記圧電マトリックスセンサ及び焦電マトリックスセン
   サの各電極膜にリード部を接続し、前記圧電マトリック
   スセンサの一面側及び焦電マトリックスセンサの一面側
   を絶縁層を介して互に貼着すると共に、圧電マトリック
   スセンサの他面側及び焦電マトリックスセンサの他面側
   に各々絶縁層を設け、 前記絶縁層のうち少なくとも圧電マトリックスセンサの
   被押圧面側に位置する絶縁層は弾性を有するものである
   ことを特徴とする多機能マトリックスセンサ。