JP4399545B2 - 触覚センサおよび多点型触覚センサ - Google Patents

Description

本発明は、装着面に加わっている力（圧力）を検知する触覚センサおよび多点型触覚センサに係り、特に、外部から加えられる力の三分力を高精度に検知するのに適する触覚センサおよび多点型触覚センサに関する。

指先に装着できるような触覚センサとしては、例えば、特開平８‐３２３６７８号公報に記載の「柔軟物体把持装置」に用いられているものがある。この触覚センサは、微小なＯＮ／ＯＦＦスイッチを多数設置し接触面積を検出するものである。検出された接触面積と指先の開き量との関係から物体の大きさや柔軟度を認識し、最適な物体把持が行なわれるよう意図する。触覚センサは、基本的に、装着面に垂直な方向（Ｚ方向）の力を検知する。

このような触覚センサとしては、樹脂フィルム内に感圧素子を配列し、曲面に装着可能にしたものが提案されているが、Ｚ（垂直）方向の応力分解能が小さく、Ｘ、Ｙ方向（水平）方向にかかる応力の検出はできない。これに対し、小形の三分力センサ構造の触覚センサが提案されている。

この三分力センサ構造の触覚センサは、外部の３方向からどのような合成力が印加されても、起歪体に引張応力、圧縮応力の両方を発生させるようにしたものである。この起歪体は、円盤状の第１の起歪部と、この第１の起歪部に連接された板状の第２ないし第５の起歪部と、これらの第２ないし第５の起歪部に対し円板状の第１起歪部とは異なる側に連接された足部とからなる。
特開平８‐３２３６７８号公報

しかしながら、前記三分力センサ構造の触覚センサにあっては、起歪体の両面に、歪ゲージをブリッジ回路の四辺に接続されるようにそれぞれ配置し、各歪ゲージごとに端子間をブリッジ回路構成用リード線で結線し、さらに電源供給用配線、信号出力用配線を接続する必要がある。従って、多数の配線が入り込み、極めて微細で、煩雑な回路接続作業が必要であった。

本発明は、第１、第２ないし第５の起歪部および第１ないし第４の足部の同一面側に歪ゲージおよびゲージ端子を配置することで、歪ゲージごとに設けられるブリッジ回路構成用リード線の配置を簡単にし、これにより回路接続作業の容易化と回路接続部の信頼性確保を図ことができる触角センサおよび多点型触覚センサを提供するものである。

前記課題を解決するために、本発明にかかる触角センサは、円板状の第１の起歪部と、前記第１の起歪部の周縁をほぼ等角度で４分割する位置より板状に延設され、前記第１の起歪部の脚となって前記第１の起歪部を支持するとともに、第１の起歪部に対し９０度ないし１３０度をなす構造の第２ないし第５の起歪部と、前記第２ないし第５の起歪部のそれぞれより前記第１の起歪部とは異なる側に延設された第１ないし第４の足部と、前記第１の起歪部の円板面上に配設されたダイアフラム状の歪ゲージと、前記第２ないし第５の起歪部の板面上にそれぞれ配設された歪ゲージと、前記第１ないし第４の足部に配設されたゲージ端子とを具備する触覚センサであって、前記第２ないし第５の起歪部の片面に２個ずつの前記歪ゲージを配設し、第２ないし第５の起歪部上に歪ゲージを配設する面と、第１ないし第４の足部にゲージ端子を配設する面とは、第１の起歪部にダイアフラム状の歪ゲージを配設する面に対し、それぞれ同じ側の面としたことを特徴とする。

この触覚センサは、装着面に対し垂直（Ｚ）方向の力を受けると、第１の起歪部に形成されたダイアフラム状の４つの歪ゲージがそれぞれ力に応じた抵抗値の減少、および増加を示す。
これらの歪ゲージを四辺とするブリッジ回路の前記各抵抗値の変化にもとづく出力電圧の変化から、Ｚ方向の力を検出することができる。

また、この触覚センサが水平（Ｘ）方向の力を受けると、これらの第２ないし第５の起歪部のうち対抗する２つの起歪部に歪に応じた変化が生じる。対抗する２つの起歪部の一方は、起歪部同一面にある上側の歪ゲージは圧縮応力を受けて抵抗値が減少し、下側の歪ゲージは引張応力を受けて抵抗値が増加する。対抗する起歪部の他方は、起歪部同一面にある上側の歪ゲージは引張応力を受けて抵抗値が増加し、下側の歪ゲージは圧縮応力を受けて抵抗値が減少する。
これらの歪ゲージを四辺とするブリッジ回路ごとの、前記各抵抗値の増減にもとづく出力電圧の変化から、Ｘ方向の力を検出することができる。第２ないし第５の起歪部が受ける水平（Ｙ）方向の力も、同様にして検出できる。
この場合には、第１の起歪部には歪はほとんど生じないので、ダイアフラム状の歪ゲージの抵抗値変化はほとんど無く、したがってブリッジ回路出力はほとんど発生しない。

起歪部のそれぞれは板状であり撓みが生じやすいので、小さな力でも歪を検知できる。また、Ｘ、Ｙ、Ｚそれぞれの方向の力検知に専用の歪ゲージを具備することで、例えば互いの干渉を小さくして検知精度の向上を図ることができる。

また、触覚センサは、第２ないし第５の起歪部が支持する前記第１の起歪部の円板と第２ないし第５の起歪部の板との角度が、９０度ないし１３０度である。この角度は、触覚センサとしての高さを小さく抑えるとともに第２ないし第５の起歪部の板面に歪ゲージを設置する面積が確保されるように設計される。構造の単純さでは９０度が最も普通の角度と言えるが、これよりやや大きな角度にすることにより高さを高くせずに、板面面積の確保が容易になる。

また、本発明にかかる触角センサは、前記第１の起歪部の円板面上に配設されたダイアフラム状の歪ゲージと、前記第２ないし第５の起歪部に片面１面あたり２個を配設した歪ゲージと、前記第１ないし第４の足部に配設されたゲージ端子とを、同一抵抗体により一体形成していることを特徴とする。

第１の起歪部と、第１の起歪部を支持する第２ないし第５の起歪部と、第１ないし第４の足部とを備える起歪体は、プレスで一枚のリン青銅板などを十字形に打ち抜いて形成してある。従って、各起歪部上の歪ゲージおよび足部上のゲージ端子は、それぞれ起歪体の同じ側の面上で同一抵抗体により途切れることなく、一体形成（面実装）可能となる。
これにより、歪ゲージ、ゲージ端子およびこれらを接続する配線形成の工程が簡略化される。

また、本発明にかかる触覚センサは、歪ゲージが配設された前記起歪体全体が、縦弾性係数が０．２〜４．０ＭＰａの樹脂によって覆われていることを特徴とする。
ウレタン樹脂等の柔軟性がある樹脂は、起歪体による歪検出を阻害しない柔軟性を持ちながら、起歪体への湿気、塵埃、油の付着などを防止する。
従って、歪ゲージの出力特性の非直線性、Ｚ方向およびＸ、Ｙ方向の力を検知するそれぞれの歪ゲージによる出力の相互干渉を増加させることなく、信頼性の高い触圧検出を行うことができる。

また、本発明にかかる多点型触覚センサは、前記触覚センサを、回路基板上に複数配列し、前記第１ないし第４の足部に配設されたゲージ端子と、回路基板上に設置した配線ランドとをはんだ接続し、前記足部と回路基板との接続部周辺をと接着剤で固定したことを特徴とする。
複数の触覚センサを回路基板上に搭載することで、装着面の触覚点を増やせるので、様々な形状、大きさの対象物に対し力の検知が可能になる。

また、ブリッジ回路を構成する配線、および入出力配線を回路基板にあらかじめ設けておくことで、触覚センサのゲージ端子を回路基板上にはんだ接続すればすべての配線が完了するようになるので、配線作業が大幅に簡素化できる。
さらに、接着剤で回路基板との接着を行うことにより、不用意に大きな外力を受けても、触覚センサが装着部から外れるのを回避することができる。

また、本発明にかかる多点型触覚センサは、触覚センサを、回路基板上に複数配列し、前記第１ないし第４の足部に配設されたゲージ端子と、回路基板上に設置した配線ランドとを導電性樹脂で接合し、前記足部と回路基板との接続部周辺を接着剤で固定したことを特徴とする。

前記のように、ゲージ端子と配線ランドとの接合に導電性樹脂を使用することにより、配線接合時にセンサにかかる熱エネルギは、はんだ接合に比べ小さくなる。そのため、ゲージ部に使用されている樹脂材料の熱による損傷を防ぐことができる。

本発明によれば、歪ゲージを起歪体の片面のみに設けることで、性能を劣化させることなく、かつシンプルな配線構造にて３分力センサを構成できる。また、歪ゲージの前記片面配置によって、歪ゲージと配線基板との間の配線接続を面実装で容易に行える。この面実装化により、配線接続部の耐久性、信頼性が向上する。

本発明の触覚センサは、第２ないし第５の起歪部の片面に２個ずつの歪ゲージを配設し、第２ないし第５の起歪部の歪ゲージは、第１の起歪部においてダイアフラム状の歪ゲージを配設する面と同じ側の面に配設している。

第２ないし第５の起歪部と第１の起歪部との境界部は、９０度ないし１３０度の角度で、板厚の１〜３倍の曲率をもってつながっており、第２ないし第５の起歪部と前記第１ないし第４の足部の境界部は、９０度ないし１３０度の角度で、板厚の１〜３倍の曲率をもって、前記第１の起歪部とは反対側につながっている。

この起歪部構造に力が加わると、板状の第２ないし第５の起歪部は、力の方向にかかわらずＳ字状に撓み、第２ないし第５の起歪部の片面表面上に引張応力と圧縮応力との両方が発生する。従って、引張応力発生位置と圧縮応力発生位置それぞれに歪ゲージ配設すれば起歪体に加えられる力を検出することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１（ａ）は本発明の実施の形態に係る触覚センサの模式的な構造を示す断面図である。図１（ｂ）は同図（ａ）に示す触覚センサの下面図である。図２は起歪体に着設する歪ゲージの模式図、図３は起歪体を示す斜視図である。

図１に示すように、この触覚センサは、円板状の起歪部１が、その周縁をほぼ４分割する位置から延設された板状の起歪部２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂに支持された形状になっている。板状の起歪部２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂは、円板状の起歪部１の脚となっており、それぞれ起歪部１側と反対の側には装着面に固定するための足部１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂが連接されている。

円板状の起歪部１の下面にはダイアフラム状の歪ゲージ８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄが着設されており、板状の起歪部２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂの片面（内面）には、単軸の歪ゲージ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ、５ａ，…（計８つ）が上下に二つずつ着設されている。
板状の起歪部２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ上の歪ゲージ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，５ａ，…は、起歪部１周縁から足部１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂに向かう方向の各板における曲げなどの変形に対して歪を検知するように、その方向にゲージ軸方向が平行となるように着設される。

円板状の起歪部１と各脚たる板状の起歪部２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂとがなす角度は、この実施形態では、９０度ないし１３０度で、板厚の１ないし３倍の曲率をもってつながっている。
これにより、触覚センサとしての高さをあまり高くすることなく板状の起歪部２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂの面積を確保できる。また、短軸の各歪ゲージ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ、５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄおよびダイアフラム状の歪ゲージ８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄと、これらのすべてのリード線が同一抵抗体により一括形成されている。

図２は、円板状の起歪部１の下面に着設されたダイアフラム状の歪ゲージ８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄの構成を模式的に示し、図１に示した構成要素と対応する部位には同一符号を付してある。

図２に示すように、歪ゲージ８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄは、全体として円状のシート（図示しない）上に設けられている。歪ゲージ８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄのそれぞれ、歪ゲージ４ ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄのそれぞれ、歪ゲージ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄのそれぞれは図４に示すようにブリッジを構成するように接続されている。入力端子Ｉ１、Ｉ２から入力電圧が印加され、３つのブリッジ回路すべてに電圧を供給している。また、各ブリッジの出力は出力端子Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３，Ｏ４から得る。

起歪部１における周縁側の歪ゲージ８ａ，８ｂと中心側の歪ゲージ８ｃ，８ｄとは、起歪部１の変形により互いに反対の歪（すなわち圧縮歪と引張歪）を検知するものである。

図５は、図１および図２に示した触覚センサがＺ方向の力を検知する原理を説明する図である。図５において、既に説明した構成要素に対応するものには、同一符合を付してある。

いま、触覚センサ起歪体にＺ方向の力Ｆｚが加えられると、円板中心側の歪ゲージ８ｃ，８ｄは引張応力に応じて抵抗が増加する。一方、周縁側の歪ゲ８ａ，８ｂは圧縮応力に応じて抵抗が減少する。
従って、起歪部１にＺ方向の力Ｆｚが加えられると、出力端子Ｏ１、Ｏ２の各接続パッド間に電圧が発生する。この電圧の検出により、Ｚ方向の力が検出（測定）できる。この力による出力電圧は、第１の起歪部１の弾性限界内ではＦｚに比例する。
歪ゲージ８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄからなるブリッジ回路の出力端子Ｏ１，Ｏ２の各接続パッド間には、出力電圧が発生する。

一方、触覚センサ起歪体にＸ方向の力Ｆｘが加えられると、第２起歪部２ａの上側歪ゲージ４ａは圧縮応力に応じて抵抗が減少し、下側歪ゲージ４ｂは引張応力に応じて抵抗が増加する。第３起歪部２ｂの上側歪ゲージ４ｃは引張応力に応じて抵抗が増加し、下側歪ゲージ４ｄは圧縮応力に応じて抵抗が減少する。
従って、触覚センサ起歪体にＸ方向の力Ｆｘが加えられると、端子Ｏ３とＯ４との間に出力電圧が発生する。
この電圧の検出により、Ｘ方向の力Ｆｘを検出できる。この力による出力電圧は第１の起歪部１の弾性限界内ではＦｘによく比例する。この説明は、Ｙ方向の力Ｆｙが加えられた場合についても同様である。

次に、相互干渉について説明する。いま、起歪体にＺ方向の力Ｆｚが加えられると、歪ゲージ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄが設けられている第２、第３の起歪部２ａ，２ｂにも歪が発生する。この歪は、図５に示すように、上側歪ゲージ４ａ，４ｃは圧縮、下側歪ゲージ４ｂ，４ｄは引っ張りによる応力を受ける。ここで、歪ゲージ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄは図４に示すブリッジを構成している。

従って、歪ゲージ４ａ，４ｃの抵抗が低下、４ｂ，４ｄの抵抗が増加することとなり、ブリッジの平衡条件は保持されたままになる。この意味で、Ｆｚ検知からＦｘ検知（またはＦｙ検知）への干渉が大きく軽減される。これは、本発明の大きな利点である。

一方、Ｘ方向の力Ｆｘが印加されたときに生じる、Ｚ方向の力を検出するための歪ゲージ８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄの変化を説明する図を、図６に示す。図６に示すように、歪ゲージ８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄが設けられている第１の起歪部１については、歪は殆ど発生しない。従って、歪ゲージ８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄに抵抗変化が殆ど発生しないため、ブリッジの平衡は保たれる。すなわち、Ｆｘ検知からＦｚ検知（またはＦｙ検知からＦｚ検知）への干渉は殆どないことになる。

以上のように、この実施の形態では、第１の起歪部１の下面にダイアフラム状の歪ゲージ８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄが形成され、第２ないし第５の起歪部２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ，の内側面に、一面あたり単軸の歪ゲージが上下に二つずつ形成されている。そして、これらの歪ゲージでＸ方向の力を検出するためのブリッジ回路、Ｙ方向の力を検出するためのブリッジ回路、Ｚ方向の力を検出するためのブリッジ回路を構成する。
これにより、方向が異なる応力の相互干渉を軽減して、精度よく小さな力から３分力（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向）を検知することができる。

以下、実施例について、説明する。
板圧が０、１ｍｍのばね用リン青銅板を、図７に示すように、十字形にプレスで打ち抜き、中央平面部を残したまま折り曲げ加工して、図３に示すような起歪体を作った。起歪体の高さは１．０ｍｍとした。歪ゲージは、厚さが１２．５μｍのポリイミドフィルム上に厚さ２．５μｍのＮｉ‐Ｃｒ抵抗箔を接着し、フォトリソグラフィーで、図２に示す歪ゲージパターンを形成した。

歪ゲージそれぞれの名目抵抗値は１２０Ωである。この歪ゲージパターンをプレスで打ち抜き、接着剤で起歪体に貼り付け、リード線を引き出し、ブリッジ回路を構成した。このようにして作った触覚センサの足部底面を評価用金属板に固定し、Ｘ方向にＦｘ＝５００ｇの力を加えて、評価を行った。評価項目は、出力電圧、検知の非直線性、干渉である。
この結果、ブリッジ入力電圧が５Ｖで、出力電圧は１．３ｍＶないし１．５ｍＶ、非直線性は±４％以内、Ｆｘ検知とＦｙ検知との干渉は１５％以内であった。

次に、本発明のさらに別の形態に係る触覚センサについて、図８を参照して説明する。この実施の形態に係る触覚センサは、図１および図２に示した触覚センサＳを回路基板Ｐ上に複数配列し、装着面上の３分力の分布を検知可能にする多点型触覚センサである。
例えば、この回路基板Ｐを指先や手のひらに装着して、これらの面に加わる３分力を分力ごとに積算して、全３分力を求めることができる。図８の場合、５個の触覚センサＳからなっているが、これを最小単位としてひずみセンサをより多く装着させることもできる。

各触覚センサＳの下側には、歪ゲージを互いに接続してブリッジ回路を構成し、電力供給と出力電圧の取り出しを行う配線基板が伴われている。

また、図８の多点型触覚センサ全体を低弾性の樹脂でモールドしてもよい。図８に示すように、回路基板Ｐの上に、触覚センサＳ，…が複数個搭載されている。このモールド用の樹脂として、硬化後の縦弾性係数が０．５ＭＰａとなるウレタン樹脂を使用し、厚さ１．５ｍｍになるように注型する。
モールド後の特性は、モールド前の特性に比べて、出力電圧はおよそ１５％低下したが、非直線性が±５％、相互干渉は２０％以内という結果で、モールドによる性能面への影響は、少なかった。

このように、本発明では、歪ゲージを起歪体の片面のみに設けることで、性能を劣化させずに、シンプルな配線構造にて３分力センサを構成できる。また、歪ゲージの片面配置により、歪ゲージと配線基板との間の配線接続を面実装にて実現できる。このため、配線が容易となり、配線接続部の耐久性、信頼性の向上を図ることができる。

（ａ）は本発明の実施の形態に係る触覚センサの模式的な構造を示す断面図、（ｂ）は（ａ）に示す触覚センサの下面図。 起歪体に着設する歪ゲージの模式図。 本発明の実施の形態に係る触覚センサの模式的な構造を示す断面図。 図１に示した歪ゲージからなるブリッジ回路を示す回路図。 図１に示した起歪体のＺ方向の力による変形状態を示す説明図。 図１に示した起歪体のＸ方向の力による変形状態を示す説明図。 本発明における別の起歪体の折り曲げ前の形状を示す平面図。 本発明の他の実施形態による多点型触覚センサを示す斜視図。

符号の説明

１…第１の起歪部、２ａ…第２の起歪部、２ｂ…第３の起歪部、３ａ…第４の起歪部、３ｂ…第５の起歪部、４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，５ａ…歪ゲージ、８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ…歪ゲージ、１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ…足部

Claims (5)

1. 円板状の第１の起歪部と、
   前記第１の起歪部の周縁をほぼ等角度で４分割する位置より板状に延設され、前記第１の起歪部の脚となって前記第１の起歪部を支持するとともに、第１の起歪部に対し９０度ないし１３０度をなす構造の第２ないし第５の起歪部と、
   前記第２ないし第５の起歪部のそれぞれより前記第１の起歪部とは異なる側に延設された第１ないし第４の足部と、
   前記第１の起歪部の円板面上に配設されたダイアフラム状の歪ゲージと、
   前記第２ないし第５の起歪部の板面上にそれぞれ配設された歪ゲージと、
   前記第１ないし第４の足部に配設されたゲージ端子とを具備する触覚センサであって、
   前記第２ないし第５の起歪部の片面に２個ずつの前記歪ゲージを配設し、第２ないし第５の起歪部上に歪ゲージを配設する面と、第１ないし第４の足部にゲージ端子を配設する面は、第１の起歪部にダイアフラム状の歪ゲージを配設する面に対し、それぞれ同じ側の面であることを特徴とする触覚センサ。
2. 前記第１の起歪部の円板面上に配設されたダイアフラム状の歪ゲージと、前記第２ないし第５の起歪部の片面に２個ずつ配設された歪ゲージと、前記第１ないし第４の足部に配設されたゲージ端子とは、同一抵抗体により一括形成されていることを特徴とする請求項１記載の触覚センサ。
3. 歪ゲージが配設された起歪体全体が、縦弾性係数が０．２〜４．０ＭＰａの樹脂によって覆われていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の触覚センサ。
4. 請求項１記載の触覚センサを、回路基板上に複数配列し、前記第１ないし第４の足部に配設されたゲージ端子と回路基板上に設置した配線ランドとをはんだ接続し、前記足部と回路基板との接続部周辺を接着剤で固定したことを特徴とする多点型触覚センサ。
5. 請求項１記載の触覚センサを、回路基板上に複数配列し、前記第１ないし第４の足部に配設されたゲージ端子と回路基板上に設置した配線ランドとを導電性樹脂で接合し、前記足部と回路基板との接続部周辺を接着剤で固定したことを特徴とする多点型触覚センサ。

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