JPH076860B2 - 触覚センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、触覚センサに関し、詳しくは、複数のセンサ
セルを共同のフレキシブルな弾性床にマトリックス状に
配列させ、個々のセンサセルに加えられた力の検出が可
能なロボットハンド等に装着して使用される触覚センサ
に関する。

［従来の技術］ 従来のロボットは、シーケンス制御あるいは開ループ制
御によって駆動されることが多く、特定の限られた環境
において作業が行われるために、その作業内容やロボッ
トとしての能力に限界があり、例えば、ビックアンドプ
レースロボットの場合は、流れ作業において部品の装着
を行うもので、特定の部品の把持など一連の定まった動
作に限られていて、異種の部品を選択して把持するよう
な機能は有していない。

しかし、最近ではロボットの知能化が進むにつれて人間
の感覚に相当する視覚や触覚を具えたセンサが開発さ
れ、様々な環境に対応して動作可能なロボットが実用化
しつつある。かかる知能的ロボット用の触覚センサとし
て開発されたものに分布型触覚センサがあり、このよう
なセンサのうちにはロボットハンド等に装着され、ロボ
ットハンドが物体を把持した場合、センサから得られる
信号を検出し、フィードバック制御することによって物
体の把持力を制御したり、硬さを認識することができる
ものがある。

第５図は、このような従来の触覚センサの一例を示す。
本例は互いに直角方向に交わる細い導電性ゴム条Ａおよ
びゴム条Ｂを２層にして組合わせ、ゴム条の配列面に対
して垂直方向に加えられた力に対し、そのゴム条同士の
接触部分の面積が増加し、抵抗が変化するのを検出して
加えられた力の大きさを知るようにしたものである。

ところが、このような従来の触覚センサでは、加えられ
た力に比例した出力が得られず、出力が非線形となり、
また力の分布を高密度に検出するには適していない欠点
を有している。

そこで、上述したような欠点を解決すべく第６〜８図に
示すような触覚センサが提案されている。

第６図および第７図において、１は検出素子として構成
されたセンサセル、２はセンサセル１上の支柱、11A〜1
1Dはセンサセル１の支柱２の周囲に配設され、センサセ
ル１に発生するひずみを検出するための半導体ストレン
ゲージ、３は同じくセンサセル１上に配設されたバンプ
電極、10はセンサセル１を保持し、弾性体として作用す
る弾性床、９はセンサセル１上に配置され、バンプ電極
３と電気的に接続されてセンサセル１からの信号出力を
外部に導く、フレキシブル配線基板である。

ここで、半導体ストレンゲージ11A〜11Dは第８図に示す
ようなホイートストンブリッジ回路に組込まれており、
半導体ストレンゲージ11A〜11Dにおける抵抗変化を対角
位置の端子から取り出すことにより、センサセル１に加
えられた力をひずみの値として検出するもので、ブリッ
ジ回路への電源供給および半導体ストレンゲージ11A〜1
1Dからの出力信号をバンプ電極３およびフレキシブル配
線基板９を介して外部に取り出すことができる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上述した形態の触覚センサは、弾性床1
0、センサセル１とフレキシブル配線基板９およびセン
サセルの支柱２およびその上に設けられる表皮等で構成
されており、例えば把持物を把持したときに支柱２を介
してセンサセル１に伝達される外力を精度良く検出でき
るが、その外力の伝達方法に問題となることがあった。

すなわち、第９図は触覚センサにより把持物を把持した
ときの状態を示し、ここで6Aは弾性体の表皮、13は把持
物、９はフレキシブル配線基板であるが、このように、
把持物13が２個の支柱２の中間で把持された場合、フレ
キシブル配線基板９が表皮6Aを介して押圧され、そのた
めにフレキシブル配線基板９の下面に設けられたはんだ
ランド3Aとセンサセル１上に設けられたバンプ電極３と
を接合しているはんだ付けがはずれてしまうことがあ
り、センサ機能が損なわれるばかりか、ロボットの誤操
作を招くおそれがあった。

また、第10図は上述のセンサセル１を１個取り出して拡
大したもので、センサセル１と弾性床10とは接着剤12で
接合されている。

このために触覚センサ組立時において接着剤12を加熱硬
化させなければならず、その分作業性も悪く、また、人
間の感覚機能に比べると情報量がはるかに少ないために
正確な把持力を検出するまでに至らなかった。

本発明の目的は、上述したような課題に着目し、その解
決を図るべく、外力を広い範囲で安定してセンサセルに
正確に伝達することができ、しかも触覚情報をより多く
入力させることができて、自律的に行動可能な知能ロボ
ットの開発に好適な信頼性の高い触覚センサを提供する
ことにある。

［課題を解決するための手段］ 上述の目的を達成するために、本発明は、ひずみ検出用
の半導体ストレンゲージと該半導体ストレンゲージに接
続されるバンプ電極とを一方の面に有し、その中央部に
荷重を支持する支柱が突設された複数のセンサセルを、
該複数のセンサセルからの信号を処理する回路が形成さ
れたフレキシブル配線基板上に、マトリックス状に配設
し、柔軟性のある表皮部材および前記支柱を介して前記
複数のセンサセルに把持力が伝達されるようにした触覚
センサにおいて、前記フレキシブル配線基板に複数の前
記支柱を貫通させる遊嵌孔を配設すると共に、その両面
に前記バンプ電極に接続されるはんだランドを設け、前
記センサセルを前記フレキシブル配線基板の両面にその
中心位置を互いにずらせて配設すると共に、複数の前記
支柱を前記フレキシブル配線基板の両面から前記遊嵌孔
に交互に遊嵌させるようになして、前記複数のセンサセ
ルが前記フレキシブル配線基板を介して互いにずらせた
状態で重なり合うようにしたことを特徴とする。

［作 用］ 本発明によれば、フレキシブル配線基板の両面から交互
にセンサセルの支柱を遊嵌孔に貫通させるようになして
センサを配設し、各センサセルのバンプ電極をフレキシ
ブル配線基板の両面に設けたはんだランドに接続させる
ようにしたので、センサセルの分布密度を高めることが
でき、把持物の対して高い精度で把持力を検出すること
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１図は本発明の一実施例を示す。ここでセンサセル１
は従来と同様に半導体プロセスで形成されたバンプ電極
３や、不図示の配線パターンおよび第６図に示したよう
な半導体ストレンゲージを有する。また、センサセル１
の中央部には金属接合によって支柱２が固定されてお
り、このように支柱２と一体化されたセンサセル１の底
部および支柱２の頂部が、表皮部材6Aと6Bとにマトリッ
クス状に形成された有底孔21Aおよび21Bに上下から交互
に嵌め合わされる。

3Aはフレキシブル配線基板19の両面に形成されたはんだ
ランドであり、フレキシブル配線基板19に設けた遊嵌孔
19Aを介して上下からセンサセル１の支柱２を貫通させ
て固定した状態で各はんだランド3Aとバンブ電極３とを
フレキシブル配線基板19の上下で互いに接続させ、はん
だ付けされる。また、22は、弾性床であり、その仕様は
対象となる把持物の大きさや硬さによって選定されれば
よく、それによって、センサセル１による検出の感度も
変化する。従って、その仕様に応じて軟らかいものから
硬いものまで自在に物体の把持力を検出することが可能
となる。なお、第２図はこのようにして構成した触覚セ
ンサを一部分解して示す。

このように構成した分布型の触覚センサにおいては、表
皮部材6Aの側で対象の物体（不図示）を把持すると把持
力Ｐが第１図に示すように矢印の方向に作用し、表皮部
材6Aを介してセンサセル１の裏面側および支柱２の頂部
に伝達される。すなわち、本実施例によれば、フレキシ
ブル配線基板19の両面側に位置を交互にずらして配置さ
れたセンサセル１を介して高い密度で触覚情報が得ら
れ、また、従来より広い受圧面積で物体が把持されるの
で人間の感覚や認識機能により一層近い精度で正確に把
持力を検出することができる。

第３図および第４図は本発明の第２の実施例を示す。

第３図は１つのセンサセル１を取出したものであり（半
導体ストレンゲージの図示は省略）、第４図は、組み立
てられた状態を示す。すなわち、本実施例のセンサセル
１は四隅に円弧状に切欠き部1Aが設けられていて、セン
サセル１を第４図に示すようにフレキシブル配線基板19
の一方の面にマトリックス状に配設したときに互いに向
き合う４つの切欠き部1Aによって、円形の空間が形成さ
れるようにしてある。よって、この空間部にあたるフレ
キシブル配線基板19の部位に支柱２が貫通可能な遊嵌孔
19Aを設け、紙面の裏側に配設した破線で示すセンサセ
ル１の支柱２をこの遊嵌孔19Aに遊嵌させるようにす
る。

かくして、第４図に示すようにフレキシブル配線基板19
を介してセンサセル１が位置をずらせた状態で重なり合
うように配設されるので、センサセル１の分布密度を高
めることができるのみならず、センサセル１による検出
ピッチを均等に保つことができ、把持物から情報をより
一層正確に受け取ることができる。

［発明の効果］ 以上説明してきたように、本発明によれば、マトリック
ス状に配設される複数のセンサセルをフレキシブル配線
基板の両面にセンサセルの中心位置を互にずらせるよう
にして配設するとともに、その支柱をフレキシブル配線
基板に設けた遊嵌孔に交互に両面から遊嵌させるように
したので、検出素子の分布密度を実質的に高めることが
でき、例えば小さい形状の把持物に対しても、これを正
確に把持した状態で把持力を正確に検出することがで
き、また、触覚情報が多く得られるので、自律的に行動
可能な知能的ロボットの開発に貢献できる信頼性の高い
触覚センサの提供が可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による触覚センサの構成の一例を示す断
面図、 第２図は第１図の触覚センサのアレイを示す斜視図、 第３図は本発明の第２の実施例によるセンサセル単体の
斜視図、 第４図は本発明の第２の実施例によるセンサセルの配列
を示す平面図、 第５図は従来の分布型触覚センサの一例を示す斜視図、 第６図は本発明の適用が可能なセンサセルの平面図、 第７図は第６図に示す形態のセンサセルによる従来の触
覚センサの断面図、 第８図は、センサセル上のひずみゲージ間に構成される
ブリッジ回路の構成図、 第９図は従来の触覚センサにより把持物を把持したとき
の断面図、 第10図は従来のセンサセルの接着剤による接合状態を示
す斜視図である。 １……センサセル、 1A……切欠き部、 ２……支柱、 ３……バンプ電極、 3A……はんだランド、 6A,6B……表皮部材、 10,22……弾性床、 19……フレキシブル配線基板、 19A……遊嵌孔、 21A,21B……有底孔。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ひずみ検出用の半導体ストレンゲージと該
   半導体ストレンゲージに接続されるバンプ電極とを一方
   の面に有し、その中央部に荷重を支持する支柱が突設さ
   れた複数のセンサセルを、該複数のセンサセルからの信
   号を処理する回路が形成されたフレキシブル配線基板上
   に、マトリックス状に配設し、柔軟性のある表皮部材お
   よび前記支柱を介して前記複数のセンサセルに把持力が
   伝達されるようにした触覚センサにおいて、 前記フレキシブル配線基板に複数の前記支柱を貫通させ
   る遊嵌孔を配設すると共に、その両面に前記バンプ電極
   に接続されるはんだランドを設け、前記センサセルを前
   記フレキシブル配線基板の両面にその中心位置を互いに
   ずらせて配設すると共に、複数の前記支柱を前記フレキ
   シブル配線基板の両面から前記遊嵌孔に交互に遊嵌させ
   るようになして、前記複数のセンサセルが前記フレキシ
   ブル配線基板を介して互いにずらせた状態で重なり合う
   ようにしたことを特徴とする触覚センサ。
2. 【請求項２】請求項１に記載の触覚センサにおいて、セ
   ンサセルは、四隅に円弧状の切欠き部を有する方形状に
   形成され、互いに隣接するセンサセル同士の切欠き部に
   よって囲まれたフレキシブル配線基板の部分に遊嵌孔を
   設けたことを特徴とする触覚センサ。