JPH073379B2 - 接触覚センサ - Google Patents
接触覚センサInfo
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- JPH073379B2 JPH073379B2 JP63186959A JP18695988A JPH073379B2 JP H073379 B2 JPH073379 B2 JP H073379B2 JP 63186959 A JP63186959 A JP 63186959A JP 18695988 A JP18695988 A JP 18695988A JP H073379 B2 JPH073379 B2 JP H073379B2
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- JP
- Japan
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- force
- strain gauges
- strain
- receiving column
- pressure receiving
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- Manipulator (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、例えばロボットのハンドに装着して把持物か
ら受ける力を検出する接触覚センサに関する。
ら受ける力を検出する接触覚センサに関する。
[従来の技術] 近年、産業用ロボットの技術進歩にはめざましいものが
ある。特にロボットのハンドに接触覚センサを取付けて
ロボットを知能化する傾向が益々高まっている。
ある。特にロボットのハンドに接触覚センサを取付けて
ロボットを知能化する傾向が益々高まっている。
接触覚センサに要求される性能・条件として次のものが
挙げられる。
挙げられる。
高感度:力を検出する感度が高いこと。1つの素子で
数グラムを検出できることが望ましい。
数グラムを検出できることが望ましい。
高分解能:センサの素子は小型で、密度の高いものが
望まれる。
望まれる。
広いダイナミックレンジ:できるだけ動作範囲が広く
とれること。
とれること。
高信頼性・高耐久性:過酷な環境,長時間の使用に耐
えること。
えること。
直線性とヒステリリシス:圧力と出力が比例し、ヒス
テリシスがないこと。
テリシスがないこと。
応答速度:物を把握したとき、その信号が制御部へ早
く伝わること。
く伝わること。
柔軟性:人間の手の皮膚のように軟らかいことが好ま
しい。
しい。
すべり感覚:圧力だけでなく、すべりも検出するこ
と。
と。
小型・廉価:薄くて小型で廉価なこと。
これらのいくつかを満足する接触覚センサがいろいろ提
案ないし開発されてきた。例えば、押ボタン方式や導電
ゴム方式などの接触覚センサがある。押ボタン方式の接
触覚センサは、コイルばねで支えられた金属製押ボタン
が通常加圧のない状態では電気的にOFFとなっている
が、加圧されると接点が閉じてONとなるものである。し
かし、こり方式はONとOFFの状態しか分からず、連続的
な力の検出には不向きであるという欠点がある。
案ないし開発されてきた。例えば、押ボタン方式や導電
ゴム方式などの接触覚センサがある。押ボタン方式の接
触覚センサは、コイルばねで支えられた金属製押ボタン
が通常加圧のない状態では電気的にOFFとなっている
が、加圧されると接点が閉じてONとなるものである。し
かし、こり方式はONとOFFの状態しか分からず、連続的
な力の検出には不向きであるという欠点がある。
一方、導電ゴム方式の接触覚センサは、導電ゴムシート
の両面を電極で挟み、センサ表面に力が加わると導電ゴ
ムの電気抵抗(導電率)が低下するのを利用したもので
ある。しかし、この方式にも力とゴムの導電率との間に
非直線性やヒステリシスが生ずるという問題がある。
の両面を電極で挟み、センサ表面に力が加わると導電ゴ
ムの電気抵抗(導電率)が低下するのを利用したもので
ある。しかし、この方式にも力とゴムの導電率との間に
非直線性やヒステリシスが生ずるという問題がある。
これら以外に提案されている各種方式の接触覚センサも
それぞれに一長一短があり、十分に満足されていないば
かりか、圧力の方向がいずれも一方向、すなわち接触面
に垂直な方向のみを感ずるものであり、接触面に平行な
力をも検出するものは極めて少ないのが現状である。
それぞれに一長一短があり、十分に満足されていないば
かりか、圧力の方向がいずれも一方向、すなわち接触面
に垂直な方向のみを感ずるものであり、接触面に平行な
力をも検出するものは極めて少ないのが現状である。
[発明が解決しようとする課題] 最近、3分力を検出できる接触覚センサが開発される傾
向にある。例えば、本出願人が提案した先願の特願昭62
−049996号などである。しかし、このような従来の接触
覚センサでは、感度および配線の信頼性という点で十分
な配慮がなされていなかった。すなわち、従来の接触覚
センサは、感度が低く、かつクロスオーバー(配線の重
なり)による断線の心配があり、上記〜に示した諸
要求の全てを満足するには至らなかった。
向にある。例えば、本出願人が提案した先願の特願昭62
−049996号などである。しかし、このような従来の接触
覚センサでは、感度および配線の信頼性という点で十分
な配慮がなされていなかった。すなわち、従来の接触覚
センサは、感度が低く、かつクロスオーバー(配線の重
なり)による断線の心配があり、上記〜に示した諸
要求の全てを満足するには至らなかった。
本発明は、上述した従来の欠点を解消し、薄型構造で、
しかも3方向の力をより高い感度で検出し、かつ配線上
もクロスオーバーのない高い信頼性のある接触覚センサ
を提供することを目的とする。
しかも3方向の力をより高い感度で検出し、かつ配線上
もクロスオーバーのない高い信頼性のある接触覚センサ
を提供することを目的とする。
[課題を解決するための手段] 上記の目的を達成するために、本発明によれば、3方向
の力に対応して3組の歪検出素子が配設されているセン
サセルの中央部に受圧柱を設け、この受圧柱の上面に力
が作用した時にモーメントの作用によって前記3組の歪
検出素子に高い応力を発生させるように前記受圧柱の寸
法を設定し、かつ前記センサセルに配設された前記3組
の歪検出素子の配線が互いに重なって交叉することのな
いように構成した接触覚センサを、前記受圧柱の高さ
を、この受圧柱の直径の2倍以上ないし3倍以下と成
し、前記3方向の力に対応した歪検出素子を、2組の歪
ゲージを2枚用いてハーフブリッジと成し、他の1組を
歪ゲージを4枚用いてフルブリッジと成したものとす
る。
の力に対応して3組の歪検出素子が配設されているセン
サセルの中央部に受圧柱を設け、この受圧柱の上面に力
が作用した時にモーメントの作用によって前記3組の歪
検出素子に高い応力を発生させるように前記受圧柱の寸
法を設定し、かつ前記センサセルに配設された前記3組
の歪検出素子の配線が互いに重なって交叉することのな
いように構成した接触覚センサを、前記受圧柱の高さ
を、この受圧柱の直径の2倍以上ないし3倍以下と成
し、前記3方向の力に対応した歪検出素子を、2組の歪
ゲージを2枚用いてハーフブリッジと成し、他の1組を
歪ゲージを4枚用いてフルブリッジと成したものとす
る。
[作用] 本発明によれば、接触覚センサセル内に3分力FX,FY,
FZに対応させて歪ゲージを簡単な構造で配置し、かつセ
ンサセルの中央部に突出させた受圧柱の高さをその直径
の2倍以上に長くして、受圧柱を介してFX,FY,FZによ
るモーメントを作用させるようにしたので、受圧柱の上
面に水平方向の力が加わったとき、モーメントの作用に
よって歪ゲージに大きな歪を発生させて検出感度を高め
ることができるので、小型で薄く、高い感度で3分力を
検出でき、かつクロスオーバーのない配線にしたので断
線などの心配が不要となる。
FZに対応させて歪ゲージを簡単な構造で配置し、かつセ
ンサセルの中央部に突出させた受圧柱の高さをその直径
の2倍以上に長くして、受圧柱を介してFX,FY,FZによ
るモーメントを作用させるようにしたので、受圧柱の上
面に水平方向の力が加わったとき、モーメントの作用に
よって歪ゲージに大きな歪を発生させて検出感度を高め
ることができるので、小型で薄く、高い感度で3分力を
検出でき、かつクロスオーバーのない配線にしたので断
線などの心配が不要となる。
[実施例] 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明す
る。
る。
第1図(A)〜(C)は、本発明による接触覚センサの
基本動作を説明する図であり、同図(A)は上面図、
(B)は断面図、(C)は歪ゲージの応力分布図であ
る。ここで、1はセンサセル(接触覚センサセル)であ
り、その外形は正方形で、その中央部には円柱状の受圧
柱3が一体的に突出して形成されている。4はセンサセ
ル1の外縁部全周に沿って突出させた固定部、5は受圧
柱3と固定部4間に形成された環状溝形の薄肉部であ
る。薄肉部5には本図に図示するような直径方向の位置
の2ヶ所に半導体ウェハプロセス等の何らかの方法で歪
ゲージ2A,2Bが形成されている。
基本動作を説明する図であり、同図(A)は上面図、
(B)は断面図、(C)は歪ゲージの応力分布図であ
る。ここで、1はセンサセル(接触覚センサセル)であ
り、その外形は正方形で、その中央部には円柱状の受圧
柱3が一体的に突出して形成されている。4はセンサセ
ル1の外縁部全周に沿って突出させた固定部、5は受圧
柱3と固定部4間に形成された環状溝形の薄肉部であ
る。薄肉部5には本図に図示するような直径方向の位置
の2ヶ所に半導体ウェハプロセス等の何らかの方法で歪
ゲージ2A,2Bが形成されている。
今、受圧柱3の上面(受圧面)にその面と平行な力Fが
作用すると、受圧柱3の腕の長さlによって受圧柱3に
はモーメントF×lが働く。このモーメントによって、
一方の歪ゲージ2Aには圧縮応力(−δ)が、他方の歪ゲ
ージ2Bには引張応力(+δ)が作用する。そのため、こ
のときの両者の歪ゲージ2A,2Bの応力分布は第1図
(C)に示すようになる。
作用すると、受圧柱3の腕の長さlによって受圧柱3に
はモーメントF×lが働く。このモーメントによって、
一方の歪ゲージ2Aには圧縮応力(−δ)が、他方の歪ゲ
ージ2Bには引張応力(+δ)が作用する。そのため、こ
のときの両者の歪ゲージ2A,2Bの応力分布は第1図
(C)に示すようになる。
第2図は、本発明による接触覚センサにおいて3方向の
力FX,FY,FZを検出するための歪ゲージの配列例と、各
歪ゲージの応力分布を示す。X1とX2はX方向の力FXを検
出するための歪ゲージで、薄肉部5の同一直径上にあ
り、それぞれ長手方向を半径方向に揃えてある。Y1とY2
はY方向の力FYを検出するための歪ゲージで、歪ゲージ
X1,X2と直交する方向に配設される。Z1とZ2は垂直方向
の力FZを検出するための歪ゲージで、X1,X2,Y1,Y2と
それぞれ45°の方向に配設される。
力FX,FY,FZを検出するための歪ゲージの配列例と、各
歪ゲージの応力分布を示す。X1とX2はX方向の力FXを検
出するための歪ゲージで、薄肉部5の同一直径上にあ
り、それぞれ長手方向を半径方向に揃えてある。Y1とY2
はY方向の力FYを検出するための歪ゲージで、歪ゲージ
X1,X2と直交する方向に配設される。Z1とZ2は垂直方向
の力FZを検出するための歪ゲージで、X1,X2,Y1,Y2と
それぞれ45°の方向に配設される。
今、第2図(A)においてFXの力が本図の矢印のX方向
に働いたとすると、第1図と同じようにX1とX2の中心線
上での応力分布は第2図(C)のようになる。すなわ
ち、歪ゲージX1側では引張応力(+δ)が作用し、歪ゲ
ージX2側では圧縮応力(−δ)が作用する。同様に、第
2図(A)においてFYの力が本図の矢印のY方向に働い
た場合には、歪ゲージY1,Y2は本図(D)のような応力
分布になる。さらに、FZの力が第2図(B)の矢印のZ
方向(垂直方向)に働いた場合には、歪ゲージZ1,Z2は
第2図(E)のような応力分布になる。
に働いたとすると、第1図と同じようにX1とX2の中心線
上での応力分布は第2図(C)のようになる。すなわ
ち、歪ゲージX1側では引張応力(+δ)が作用し、歪ゲ
ージX2側では圧縮応力(−δ)が作用する。同様に、第
2図(A)においてFYの力が本図の矢印のY方向に働い
た場合には、歪ゲージY1,Y2は本図(D)のような応力
分布になる。さらに、FZの力が第2図(B)の矢印のZ
方向(垂直方向)に働いた場合には、歪ゲージZ1,Z2は
第2図(E)のような応力分布になる。
ただし、いずれも受圧柱3や固定部4での応力は歪ゲー
ジに比べて相対的に極めて小さいので、ゼロとして表示
されている。このような応力分布の最大のところに各歪
ゲージX1,X2,Y1,Y2,Z1,Z2を配設すれば、最大の検
出感度が得られる。
ジに比べて相対的に極めて小さいので、ゼロとして表示
されている。このような応力分布の最大のところに各歪
ゲージX1,X2,Y1,Y2,Z1,Z2を配設すれば、最大の検
出感度が得られる。
次に、上述の原理に基づいて具体的に実施する場合の配
線等について以下に説明する。特に、第2図(A)に示
すように1つのセンサセル1内に3対の歪ゲージX1,
X2,Y1,Y2,Z1,Z2が共存しているので、相互干渉の問
題がある。この問題を解消するために接触覚センサに加
えられる力をどのように分離するかということと、配線
をどのようにするかということについて述べる。
線等について以下に説明する。特に、第2図(A)に示
すように1つのセンサセル1内に3対の歪ゲージX1,
X2,Y1,Y2,Z1,Z2が共存しているので、相互干渉の問
題がある。この問題を解消するために接触覚センサに加
えられる力をどのように分離するかということと、配線
をどのようにするかということについて述べる。
まず、上述のFX,FY,FZの力がそれぞれ単独に作用した
場合の検出方法について説明する。第3図(A),
(B),(C)はX方向の力FXの検出を説明する図であ
る。同図(A)は第2図(A)に示した歪ゲージのうち
X1,X2の配線を示し、同図(B)は同図(A)に示す力
FXが受圧柱3に作用することによって生じる各歪ゲージ
(X1,X2,Y1,Y2,Z1,Z2)でのゲージ抵抗の変化を示
し、同図(C)は歪ゲージX1,X2で構成されるハーフブ
リッシの等価回路を示す。センサセル1は半導体シリコ
ンで作られ、各歪ゲージは半導体ウェハプロセスで形成
される。また、電極(接続端子)6,7,9はこぶ状のはん
だで形成され、各電極6,7,9と歪ゲージX1,X2を接続す
る配線8はアルミで形成される。電極6は出力電極VXの
電極、電極7は接地(アース)Gの電極、電極9はブリ
ッジ電圧(入力電圧)Eの電極である。
場合の検出方法について説明する。第3図(A),
(B),(C)はX方向の力FXの検出を説明する図であ
る。同図(A)は第2図(A)に示した歪ゲージのうち
X1,X2の配線を示し、同図(B)は同図(A)に示す力
FXが受圧柱3に作用することによって生じる各歪ゲージ
(X1,X2,Y1,Y2,Z1,Z2)でのゲージ抵抗の変化を示
し、同図(C)は歪ゲージX1,X2で構成されるハーフブ
リッシの等価回路を示す。センサセル1は半導体シリコ
ンで作られ、各歪ゲージは半導体ウェハプロセスで形成
される。また、電極(接続端子)6,7,9はこぶ状のはん
だで形成され、各電極6,7,9と歪ゲージX1,X2を接続す
る配線8はアルミで形成される。電極6は出力電極VXの
電極、電極7は接地(アース)Gの電極、電極9はブリ
ッジ電圧(入力電圧)Eの電極である。
第3図(B)は同図(A)に示すX方向の力FXが受圧柱
3に作用した時に各歪ゲージの抵抗値の変化を示す。当
然のことながら、X方向の歪ゲージX1にはその長手方向
に加わる引張応力+δに対応する抵抗値変化FX1が生
じ、またX方向の歪ゲージX2にはその長手方向に加わる
圧縮応力−δに対応する抵抗値変化−FX2が生ずる。こ
の時、Y方向の歪ゲージY1とY2にはほとんど抵抗値の変
化は見られない。しかし、垂直方向の歪ゲージZ1とZ2に
はFXによるみかけ上の抵抗値の変化、すなわち+FZ1と
−FZ2が現われる。
3に作用した時に各歪ゲージの抵抗値の変化を示す。当
然のことながら、X方向の歪ゲージX1にはその長手方向
に加わる引張応力+δに対応する抵抗値変化FX1が生
じ、またX方向の歪ゲージX2にはその長手方向に加わる
圧縮応力−δに対応する抵抗値変化−FX2が生ずる。こ
の時、Y方向の歪ゲージY1とY2にはほとんど抵抗値の変
化は見られない。しかし、垂直方向の歪ゲージZ1とZ2に
はFXによるみかけ上の抵抗値の変化、すなわち+FZ1と
−FZ2が現われる。
このような抵抗値の変化から、X方向の力FXが生じたこ
とを読み取るには、単純に+FX1と−FX2の抵抗値の変化
を検知すればよい。一方、みかけ上の抵抗値の変化+F
Z1と−FZ2はFZ1=FZ2であるから、(+FZ1)と(−
FZ2)の和をとれば相殺してゼロになり、FXによるみか
け上のFZは検出されない。
とを読み取るには、単純に+FX1と−FX2の抵抗値の変化
を検知すればよい。一方、みかけ上の抵抗値の変化+F
Z1と−FZ2はFZ1=FZ2であるから、(+FZ1)と(−
FZ2)の和をとれば相殺してゼロになり、FXによるみか
け上のFZは検出されない。
上述のような抵抗値の変化は、例えば第3図(C)に示
すようなハーフブリッジ回路において、電圧(入力電
圧)Eをかけておき、歪ゲージX1と歪ゲージX2の抵抗値
が変化すれば、出力電圧VXが変化するから、この出力電
圧VXの変化から検知することができる。
すようなハーフブリッジ回路において、電圧(入力電
圧)Eをかけておき、歪ゲージX1と歪ゲージX2の抵抗値
が変化すれば、出力電圧VXが変化するから、この出力電
圧VXの変化から検知することができる。
第4図(A),(B),(C)はY方向の力FYの検出を
説明する図である。なお、同図(A)と同図(C)は前
述の第3図(A),(C)と同じような構成であるの
で、その説明は省略する。第4図(B)において、X方
向の歪ゲージX1とX2には抵抗値の変化はほとんど生じな
い。Y方向の歪ゲージY1とY2には当然のことながらそれ
ぞれ+FY1と−FY2の顕著な抵抗値の変化を生じる。この
時、垂直方向の歪ゲージZ1とZ2にも+FZ1と−FZ2の抵抗
値の変化が生ずるが、(+FZ1)と(−FZ2)は相殺され
るので、垂直方向の力FZはみかけ上検出されない。従っ
て、Y方向の力FYの検出は歪ゲージY1とY2の接点とアー
スG間の電圧VYを測定するのみで可能である。
説明する図である。なお、同図(A)と同図(C)は前
述の第3図(A),(C)と同じような構成であるの
で、その説明は省略する。第4図(B)において、X方
向の歪ゲージX1とX2には抵抗値の変化はほとんど生じな
い。Y方向の歪ゲージY1とY2には当然のことながらそれ
ぞれ+FY1と−FY2の顕著な抵抗値の変化を生じる。この
時、垂直方向の歪ゲージZ1とZ2にも+FZ1と−FZ2の抵抗
値の変化が生ずるが、(+FZ1)と(−FZ2)は相殺され
るので、垂直方向の力FZはみかけ上検出されない。従っ
て、Y方向の力FYの検出は歪ゲージY1とY2の接点とアー
スG間の電圧VYを測定するのみで可能である。
第5図(A),(B),(C)は受圧柱3の表面に垂直
(歪ゲージ設置面に垂直)な力FZが働いた場合の検出を
説明する図である。同図(A)は歪ゲージの配置と結線
を示し、第2図で説明した歪ゲージZ1,Z2の他に、円周
方向に長手方向をもつダミーゲージZ3,Z4が配設され、
各ゲージZ1〜Z4で同図(C)に示すようなフルブリッジ
回路を構成している。9は入力電圧Eの電極、11は出力
電圧VZの電極である。歪ゲージZ1とZ2は同じ方向の抵抗
値の変化を示す。歪ゲージZ3とZ4は温度補償を兼ねて、
かつ歪が発生しない。すなわち抵抗値の変化のないダミ
ーゲージである。
(歪ゲージ設置面に垂直)な力FZが働いた場合の検出を
説明する図である。同図(A)は歪ゲージの配置と結線
を示し、第2図で説明した歪ゲージZ1,Z2の他に、円周
方向に長手方向をもつダミーゲージZ3,Z4が配設され、
各ゲージZ1〜Z4で同図(C)に示すようなフルブリッジ
回路を構成している。9は入力電圧Eの電極、11は出力
電圧VZの電極である。歪ゲージZ1とZ2は同じ方向の抵抗
値の変化を示す。歪ゲージZ3とZ4は温度補償を兼ねて、
かつ歪が発生しない。すなわち抵抗値の変化のないダミ
ーゲージである。
また、垂直方向の力FZが作用した場合の応力分布は同図
(B)に示すようになる。すなわち、各歪ゲージX1,
X2,Y1,Y2,Z1,Z2は同じ方向で等しい大きさの抵抗値
変化を示す。しかし、X方向の歪ゲージX1とX2およびY
方向の歪ゲージY1とY2の抵抗値変化は相殺してゼロにす
ればよい。なぜなら、X方向の力FYXやY方向の力FYが
働けば、歪ゲージX1とX2および歪ゲージY1とY2はそれぞ
れ異なる方向の抵抗値変化を示すからである。従って、
垂直方向の力FZが作用した場合は垂直方向の歪ゲージZ1
とZ2の抵抗値変化、すなわち同図(C)のブリッジ回路
で示す出力電圧VZを測定すればよいことになる。
(B)に示すようになる。すなわち、各歪ゲージX1,
X2,Y1,Y2,Z1,Z2は同じ方向で等しい大きさの抵抗値
変化を示す。しかし、X方向の歪ゲージX1とX2およびY
方向の歪ゲージY1とY2の抵抗値変化は相殺してゼロにす
ればよい。なぜなら、X方向の力FYXやY方向の力FYが
働けば、歪ゲージX1とX2および歪ゲージY1とY2はそれぞ
れ異なる方向の抵抗値変化を示すからである。従って、
垂直方向の力FZが作用した場合は垂直方向の歪ゲージZ1
とZ2の抵抗値変化、すなわち同図(C)のブリッジ回路
で示す出力電圧VZを測定すればよいことになる。
次に、2つ以上の力が受圧柱3の表面に同時に作用した
場合のFX,FY,FZの検出について説明する。
場合のFX,FY,FZの検出について説明する。
第6図(A)〜(D)は2つ以上の力が受圧柱3の表面
に同時に作用した場合の各歪ゲージの抵抗値変化を示
す。同図(A)はFXとFY、同図(B)はFYとFZ、同図
(C)はFZとFX、同図(D)はFXとFYとFZが同時に作用
した場合である。
に同時に作用した場合の各歪ゲージの抵抗値変化を示
す。同図(A)はFXとFY、同図(B)はFYとFZ、同図
(C)はFZとFX、同図(D)はFXとFYとFZが同時に作用
した場合である。
まず、第6図(A)において、力FXとFZが同時に作用す
るから歪ゲージX1とX2には抵抗値変化FX1とFX2が現われ
るので、第3図(C)のハーフブリッジを用いてFX1とF
X2の和から力FXが求められる。同時に、歪ゲージY1とY2
には抵抗値変化FY1とFY2が現われるから、第4図(C)
のハーフブリッジを用いてFY1とFY2の和から力FYを求め
ることができる。歪ゲージZ1とZ2の抵抗値変化はFZ1とF
Z2であって、出力の方向が異なるので、第5図(C)の
ブリッジを用いてFZ1とFZ2を相殺すれば出力がゼロ、す
なわち力FZはみかけ上検出されないことになる。なお、
同図(A)において、斜線部は本来の真の出力、白枠部
分は他の力の影響によるみかけの出力を意味する。この
ことは同図(B),(C),(D)においても同様であ
る。
るから歪ゲージX1とX2には抵抗値変化FX1とFX2が現われ
るので、第3図(C)のハーフブリッジを用いてFX1とF
X2の和から力FXが求められる。同時に、歪ゲージY1とY2
には抵抗値変化FY1とFY2が現われるから、第4図(C)
のハーフブリッジを用いてFY1とFY2の和から力FYを求め
ることができる。歪ゲージZ1とZ2の抵抗値変化はFZ1とF
Z2であって、出力の方向が異なるので、第5図(C)の
ブリッジを用いてFZ1とFZ2を相殺すれば出力がゼロ、す
なわち力FZはみかけ上検出されないことになる。なお、
同図(A)において、斜線部は本来の真の出力、白枠部
分は他の力の影響によるみかけの出力を意味する。この
ことは同図(B),(C),(D)においても同様であ
る。
第6図(B)では力FYとFZが同時に作用した場合である
ので、X方向の歪ゲージX1とX2に垂直方向の力FZの影響
が現われているが、これは第3図(C)のハーフブリッ
ジで相殺してゼロとする。Y方向の歪ゲージY1とY2には
本来の真の出力(FY1とFY2)とみかけの出力FZが現われ
ているが、Y1側値をFY1+FZ,Y2側値をFY2−FZと考え
て、両者の和をとれば、和=(FY1+FZ)+(FY2−FZ)
=FY1+FY2となってFZの項が消えるので、第4図(C)
のハーフブリッジで純粋にFY1とFY2を検出することがで
きる。垂直方向の歪ゲージZ1とZ2についても同様であ
り、Z1側の抵抗値変化FZ1+FYとZ2側の抵抗値変化FZ2−
FYの和をとれば、和=(FZ1+FY)+(FZ2−FY)=FZ1
+FZ2となってFYが消え、第5図(C)のフルブリッジ
で純粋にFYとFZを検出することができる。
ので、X方向の歪ゲージX1とX2に垂直方向の力FZの影響
が現われているが、これは第3図(C)のハーフブリッ
ジで相殺してゼロとする。Y方向の歪ゲージY1とY2には
本来の真の出力(FY1とFY2)とみかけの出力FZが現われ
ているが、Y1側値をFY1+FZ,Y2側値をFY2−FZと考え
て、両者の和をとれば、和=(FY1+FZ)+(FY2−FZ)
=FY1+FY2となってFZの項が消えるので、第4図(C)
のハーフブリッジで純粋にFY1とFY2を検出することがで
きる。垂直方向の歪ゲージZ1とZ2についても同様であ
り、Z1側の抵抗値変化FZ1+FYとZ2側の抵抗値変化FZ2−
FYの和をとれば、和=(FZ1+FY)+(FZ2−FY)=FZ1
+FZ2となってFYが消え、第5図(C)のフルブリッジ
で純粋にFYとFZを検出することができる。
さらに第6図(C)は力FZとFXが同時に作用した場合で
あるので、上述のFZとFXが同時に作用した場合と同じよ
うにして、力FZとFXをそれぞれ検出することができる。
すなわち、X方向の歪ゲージX1とX2にはそれぞれFX1+F
ZとFX2−FZが生ずるので、第3図(C)のハーフブリッ
ジでこれらの和をとれば、和=(FX1+FZ)+(FX2−
FZ)=FX1+FX2となり、FXが検出される。また、Y方向
の歪ゲージY1とY2では垂直方向の力FZによる影響が同じ
方向に出ているので、第4図(C)のハーフブリッジで
相殺してゼロにできる。垂直方向の歪ゲージZ1とZ2では
それぞれFZ1+FXとFZ2−FXが出ているので、第5図
(C)のフルブリッジでこれらの和をとれば、和=(F
Z1+FX)+(FZ2−FX)=FZ1+FZ2となって、垂直方向
のFZのみが検出できる。
あるので、上述のFZとFXが同時に作用した場合と同じよ
うにして、力FZとFXをそれぞれ検出することができる。
すなわち、X方向の歪ゲージX1とX2にはそれぞれFX1+F
ZとFX2−FZが生ずるので、第3図(C)のハーフブリッ
ジでこれらの和をとれば、和=(FX1+FZ)+(FX2−
FZ)=FX1+FX2となり、FXが検出される。また、Y方向
の歪ゲージY1とY2では垂直方向の力FZによる影響が同じ
方向に出ているので、第4図(C)のハーフブリッジで
相殺してゼロにできる。垂直方向の歪ゲージZ1とZ2では
それぞれFZ1+FXとFZ2−FXが出ているので、第5図
(C)のフルブリッジでこれらの和をとれば、和=(F
Z1+FX)+(FZ2−FX)=FZ1+FZ2となって、垂直方向
のFZのみが検出できる。
最後に、第6図(D)はX方向のFXとY方向のFYと垂直
方向ののFZの3つの力が同時に受圧柱3の表面に作用し
た場合の抵抗値変化を示す。この場合も以下のようにし
てFXとFYとFZの3つの力をそれぞれ分離して検出でき
る。
方向ののFZの3つの力が同時に受圧柱3の表面に作用し
た場合の抵抗値変化を示す。この場合も以下のようにし
てFXとFYとFZの3つの力をそれぞれ分離して検出でき
る。
X方向の歪ゲージX1とX2において、(FX1+FZ)と(FX2
−FZ)の抵抗値変化が出ているので、その和をとれば、
和=(FX1+FZ)+(FX2−FZ)=FX1+FX2によって、X
方向の力FXが求まる。この場合FYの影響は現われない。
−FZ)の抵抗値変化が出ているので、その和をとれば、
和=(FX1+FZ)+(FX2−FZ)=FX1+FX2によって、X
方向の力FXが求まる。この場合FYの影響は現われない。
Y方向の歪ゲージY1とY2においても同じように、FXの影
響が現われないから、抵抗値変化(FY1+FZ)と(FY2−
FZ)の和をとれば、和=(FY1+FZ)+(FY2−FZ)=F
Y1+FY2となって、Y方向の力FYのみを検出できる。
響が現われないから、抵抗値変化(FY1+FZ)と(FY2−
FZ)の和をとれば、和=(FY1+FZ)+(FY2−FZ)=F
Y1+FY2となって、Y方向の力FYのみを検出できる。
垂直方向の歪ゲージZ1とZ2も同様であるが、FXとFYが同
時に影響しているので、このことを考慮して(FZ1+FY
+FX)と(FZ2−FX−FY)の和をとれば、和=(FZ1+FY
+FX)+(FZ2−FX−FY)=FZ1+FZ2となり、垂直方向
の力FZのみが検出できる。
時に影響しているので、このことを考慮して(FZ1+FY
+FX)と(FZ2−FX−FY)の和をとれば、和=(FZ1+FY
+FX)+(FZ2−FX−FY)=FZ1+FZ2となり、垂直方向
の力FZのみが検出できる。
要するに、いずれの場合も出力の方向を示す符号(プラ
スとマイナス)を考えて、歪ゲージから出てきた信号の
和をブリッジ電圧(出力電圧)としてとれば、不要な部
分(他の力に影響されて出てくるみかけ上の信号)は除
かれるので、2つ以上の力が同時に加わっても分離して
検出できる。
スとマイナス)を考えて、歪ゲージから出てきた信号の
和をブリッジ電圧(出力電圧)としてとれば、不要な部
分(他の力に影響されて出てくるみかけ上の信号)は除
かれるので、2つ以上の力が同時に加わっても分離して
検出できる。
第7図は1つのセンサセル内に、3方向の力FX,FY,FZ
に対応する歪ゲージを有する本発明実施例の接触覚セン
サの構造を示す。センサセル1は半導体シリコンのウェ
ハから形成され、半導体プロセスによって上述のX1,
X2,Y1,Y2,Z1〜Z4の歪ゲージ2が形成される。また、
上述の各電極6,7,9,10,11を代表して13の符号で示す
と、配線8と電圧13を接続するためにはんだバンプ12も
半導体プロセスのメッキ工程で形成することができる。
受圧柱3は上述の半導体シリコンウェハに環状の溝をド
ライエッチングまたはウェットエッチングによって形成
することで得られる。
に対応する歪ゲージを有する本発明実施例の接触覚セン
サの構造を示す。センサセル1は半導体シリコンのウェ
ハから形成され、半導体プロセスによって上述のX1,
X2,Y1,Y2,Z1〜Z4の歪ゲージ2が形成される。また、
上述の各電極6,7,9,10,11を代表して13の符号で示す
と、配線8と電圧13を接続するためにはんだバンプ12も
半導体プロセスのメッキ工程で形成することができる。
受圧柱3は上述の半導体シリコンウェハに環状の溝をド
ライエッチングまたはウェットエッチングによって形成
することで得られる。
この場合、受圧柱3は硬脆なシリコンとなるので、その
受圧柱3の表面を保護するためのコーティング16が必要
である。このコーティング16は金属やセラミックの蒸着
やスパッタリングなど公知のコーティング加工方法によ
って施すことができる。また、受圧柱3を除いて、セン
サセル1の全面を表皮15で覆う必要があるが、このため
にセンサセル1の固定部4の厚さを受圧柱3よりも少し
薄くする。そして、表皮15とセンサセル1の固定部4と
を接着層17で接着する。
受圧柱3の表面を保護するためのコーティング16が必要
である。このコーティング16は金属やセラミックの蒸着
やスパッタリングなど公知のコーティング加工方法によ
って施すことができる。また、受圧柱3を除いて、セン
サセル1の全面を表皮15で覆う必要があるが、このため
にセンサセル1の固定部4の厚さを受圧柱3よりも少し
薄くする。そして、表皮15とセンサセル1の固定部4と
を接着層17で接着する。
一方、はんだバンプ12は配線基板14上の各電極13の位置
と対応させて、はんだ付けにて各アルミ配線8と接合
し、これによりセンサセル1の歪ゲージブリッジからの
信号をこのはんだバンプ12の接合部を介して配線基板14
へ送るように構成する。配線基板14の上面とセンサセル
1の下面の間隙には公知の製造方法により軟質の接合層
18を充填させ、受圧柱3に作用する力をこの接合層18で
支えるようにする。
と対応させて、はんだ付けにて各アルミ配線8と接合
し、これによりセンサセル1の歪ゲージブリッジからの
信号をこのはんだバンプ12の接合部を介して配線基板14
へ送るように構成する。配線基板14の上面とセンサセル
1の下面の間隙には公知の製造方法により軟質の接合層
18を充填させ、受圧柱3に作用する力をこの接合層18で
支えるようにする。
ここで、受圧柱3の長さをlとし、受圧柱3の直径をd
とすると、受圧柱3はl/dの比で規制される。すなわ
ち、高感度にするには望ましくは長さlができるだけ大
きく、直径dができるだけ小さいほうがよいのである
が、受圧柱3は薄肉部5や固定部4といっしょに半導体
シリコンで作成されるので、実際的には3≧l/d≧2の
範囲に規制される。なぜなら、l/d>3では受圧柱3が
根元で折れやすくなる。また、l/d<2ではモーメント
の効果が薄くなるからである。
とすると、受圧柱3はl/dの比で規制される。すなわ
ち、高感度にするには望ましくは長さlができるだけ大
きく、直径dができるだけ小さいほうがよいのである
が、受圧柱3は薄肉部5や固定部4といっしょに半導体
シリコンで作成されるので、実際的には3≧l/d≧2の
範囲に規制される。なぜなら、l/d>3では受圧柱3が
根元で折れやすくなる。また、l/d<2ではモーメント
の効果が薄くなるからである。
第8図は第7図のセンサセル1内の配線および端子の配
置構成を示す。この配線のパターンも本発明の特徴のひ
とつであり、ハーフブリッジ2組とフルブリッジ1組が
共存していて、それぞれに3〜4個の電極が必要である
が、ブリッジ電圧Eと接地Gは電極7と9を用いて共有
とし、VX,VY,VZを出力電圧として電極6,10,11から取
り出せるようにしたものである。さらに、配線8はこれ
らの電極6,7,9,10,11をまわりこみながら、配線同士が
クロスオーバーしないように配置されている。すなわ
ち、クロスオーバーを生じない配線にしたことが本発明
の大きな特徴の1つであり、これによりクロスオーバー
した場合の電気特性の信頼性低下を解消することができ
る。第9図は第8図の配線に対応する等価回路を示す。
置構成を示す。この配線のパターンも本発明の特徴のひ
とつであり、ハーフブリッジ2組とフルブリッジ1組が
共存していて、それぞれに3〜4個の電極が必要である
が、ブリッジ電圧Eと接地Gは電極7と9を用いて共有
とし、VX,VY,VZを出力電圧として電極6,10,11から取
り出せるようにしたものである。さらに、配線8はこれ
らの電極6,7,9,10,11をまわりこみながら、配線同士が
クロスオーバーしないように配置されている。すなわ
ち、クロスオーバーを生じない配線にしたことが本発明
の大きな特徴の1つであり、これによりクロスオーバー
した場合の電気特性の信頼性低下を解消することができ
る。第9図は第8図の配線に対応する等価回路を示す。
[発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば、接触覚センサセ
ル内に3分力FX,FY,FZに対応させて歪ゲージを簡単な
構造で配置し、かつセンサセルの受圧柱をその直径より
も2倍以上に長くしたので、モーメントによる力の作用
が歪ゲージに生じ、その結果3分力の感度の高い検出が
可能となる。また、セル内配線もクロスオーバーのない
ようにすることにより、断線などの心配も解消した。こ
のため、小型で、薄く、高密度化できて、かつ高感度で
配線上の信頼性も向上するので、この接触覚センサをロ
ボットのハンドに取付ければ、ロボットの知能化を図る
上で極めて有効となる。
ル内に3分力FX,FY,FZに対応させて歪ゲージを簡単な
構造で配置し、かつセンサセルの受圧柱をその直径より
も2倍以上に長くしたので、モーメントによる力の作用
が歪ゲージに生じ、その結果3分力の感度の高い検出が
可能となる。また、セル内配線もクロスオーバーのない
ようにすることにより、断線などの心配も解消した。こ
のため、小型で、薄く、高密度化できて、かつ高感度で
配線上の信頼性も向上するので、この接触覚センサをロ
ボットのハンドに取付ければ、ロボットの知能化を図る
上で極めて有効となる。
第1図(A)および(B)は本発明の接触覚センサの基
本原理を示す上面図および断面図、同図(C)はその歪
センサの応力分布を示す図、 第2図(A)〜(E)は3分力に対する本発明の基本動
作を説明するための図で、同図(A)および(B)は3
分力に対応する歪ゲージの配置位置を示す下面図および
断面図、同図(C)〜(E)は各歪ゲージの応力分布を
示す図、 第3図(A),(B),(C)はX方向の力の検出、第
4図(A),(B),(C)はY方向の力の検出、第5
図(A),(B),(C)はZ方向の力の検出を説明す
る図であり、 第3図(A),第4図(A)および第5図(A)は歪ゲ
ージの配置と結線を示す図、第3図(B),第4図
(B)および第5図(B)は各歪ゲージの抵抗値の変化
を示す図、第3図(C),第4図(C)および第5図
(C)は歪ゲージで構成したホイートストンブリッジ回
路図、 第6図(A),(B),(C)および(D)はそれぞれ
X方向とY方向、Y方向とZ方向、Z方向とX方向、お
よびX方向とY方向とZ方向の力が加わった時の各歪ゲ
ージの抵抗値の変化を示す図、 第7図は本発明実施例の接触覚センサの構造を示す断面
図、 第8図は第7図のセル内における歪ゲージの配置と結線
を示すセンサセルの下面図、 第9図は第8図の構成の等価回路図である。 1……センサセル、 2,2A,2B……歪ゲージ、 X1,X2,Y1,Y2,Z1,Z2,Z3,Z4……歪ゲージ、 3……受圧柱、 4……固定部、 5……薄肉部、 6,7,9,10,11,13……電極、 8……配線、 12……はんだバンプ、 14……配線基板、 15……表皮、 16……コーティング、 17……接着層、 18……接合層。
本原理を示す上面図および断面図、同図(C)はその歪
センサの応力分布を示す図、 第2図(A)〜(E)は3分力に対する本発明の基本動
作を説明するための図で、同図(A)および(B)は3
分力に対応する歪ゲージの配置位置を示す下面図および
断面図、同図(C)〜(E)は各歪ゲージの応力分布を
示す図、 第3図(A),(B),(C)はX方向の力の検出、第
4図(A),(B),(C)はY方向の力の検出、第5
図(A),(B),(C)はZ方向の力の検出を説明す
る図であり、 第3図(A),第4図(A)および第5図(A)は歪ゲ
ージの配置と結線を示す図、第3図(B),第4図
(B)および第5図(B)は各歪ゲージの抵抗値の変化
を示す図、第3図(C),第4図(C)および第5図
(C)は歪ゲージで構成したホイートストンブリッジ回
路図、 第6図(A),(B),(C)および(D)はそれぞれ
X方向とY方向、Y方向とZ方向、Z方向とX方向、お
よびX方向とY方向とZ方向の力が加わった時の各歪ゲ
ージの抵抗値の変化を示す図、 第7図は本発明実施例の接触覚センサの構造を示す断面
図、 第8図は第7図のセル内における歪ゲージの配置と結線
を示すセンサセルの下面図、 第9図は第8図の構成の等価回路図である。 1……センサセル、 2,2A,2B……歪ゲージ、 X1,X2,Y1,Y2,Z1,Z2,Z3,Z4……歪ゲージ、 3……受圧柱、 4……固定部、 5……薄肉部、 6,7,9,10,11,13……電極、 8……配線、 12……はんだバンプ、 14……配線基板、 15……表皮、 16……コーティング、 17……接着層、 18……接合層。
Claims (1)
- 【請求項1】3方向の力に対応して3組の歪検出素子が
配設されているセンサセルの中央部に受圧柱を設け、 この受圧柱の上面に力が作用した時にモーメントの作用
によって前記3組の歪検出素子に高い応力を発生させる
ように前記受圧柱の寸法を設定し、 かつ前記センサセルに配設された前記3組の歪検出素子
の配線が互いに重なって交叉することのないように構成
した接触覚センサであって、 前記受圧柱の高さを、この受圧柱の直径の2倍以上ない
し3倍以下と成し、 前記3方向の力に対応した歪検出素子を、2組を歪ゲー
ジを2枚用いてハーフブリッジと成し、他の1組を歪ゲ
ージを4枚用いてフルブリッジと成した ことを特徴とする接触覚センサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63186959A JPH073379B2 (ja) | 1988-07-28 | 1988-07-28 | 接触覚センサ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63186959A JPH073379B2 (ja) | 1988-07-28 | 1988-07-28 | 接触覚センサ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0238830A JPH0238830A (ja) | 1990-02-08 |
JPH073379B2 true JPH073379B2 (ja) | 1995-01-18 |
Family
ID=16197720
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP63186959A Expired - Lifetime JPH073379B2 (ja) | 1988-07-28 | 1988-07-28 | 接触覚センサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH073379B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003004561A (ja) * | 2001-06-22 | 2003-01-08 | K-Tech Devices Corp | 応力センサ及びその製造法 |
JP2007292677A (ja) * | 2006-04-27 | 2007-11-08 | Nitta Ind Corp | 歪みゲージ型センサ |
JP5046321B2 (ja) * | 2006-11-03 | 2012-10-10 | ミネベア株式会社 | 3軸力センサ |
JP5715412B2 (ja) * | 2010-12-28 | 2015-05-07 | アルプス電気株式会社 | 荷重センサの製造方法 |
WO2018131354A1 (ja) * | 2017-01-11 | 2018-07-19 | ヤマハ株式会社 | 触覚センサー |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS63111677A (ja) * | 1986-10-30 | 1988-05-16 | Ricoh Co Ltd | 力検出装置 |
-
1988
- 1988-07-28 JP JP63186959A patent/JPH073379B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH0238830A (ja) | 1990-02-08 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
EXPY | Cancellation because of completion of term |