JPS61181930A - Pressure sensor - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To obtain a large output signal with a high accuracy for a unilateral pressure force, by allowing the transmission of a pressing force only to the pressure receiving sections from the pressurizing side. CONSTITUTION:Four arms 12 orthogonal to one another are formed by making holes 11 in a silicon monocrystal plate 10 and pressure receiving sections 13 supported with these arms 12 are formed. Four semiconductor strain gauges 14 are formed on the surfaces of the respective arms 12 by a semiconductor process. Moreover, a lead 15 is formed by the same semiconductor process to build a bridge circuit between the four semiconductor strain gauges 14 and unit detectors 16 for pressure detection thus arranged are arranged in matrix on a silicon monocrystalline plate 10. Here, the length-wise stress sigma generated on the undersurface of the arms 12 when the force in the direction of the arrow is applied to the pressure receiving section 13 is given close to the pressure receiving section 13 as tensile stress and close to the outside periphery of the holes 11 as compression stress.

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の属する技術分野］ 本発明は圧覚センサに関し、詳しくはロボットハンドの
掌握面等に取りつけられ、その掌握面に加えられる垂直
方向の荷重（以下圧力という）の大きさとその分布の検
出が可能な圧覚センサに関する。[Detailed description of the invention] [Technical field to which the invention pertains] The present invention relates to a pressure sensor, and more specifically, it is attached to the grip surface of a robot hand, and is used to detect the magnitude of a vertical load (hereinafter referred to as pressure) applied to the grip surface of a robot hand. The present invention relates to a pressure sensor capable of detecting pressure and its distribution.

［従来技術とその問題点］ 従来のこの種の圧覚センサとしては１例えば第８図に示
すようにロボットハンド１に感圧導電性ゴム材ＩＡをマ
トリックス状に配設したものが知られている。このセン
サは圧力が加えられることによって感圧導電性ゴム材Ｉ
Ａの有する両電極間の抵抗が変化することを利用してそ
の抵抗変化値を検出することによりセンサに加わる力を
検出するようにしたものである。[Prior art and its problems] As a conventional pressure sensor of this type, for example, as shown in FIG. 8, there is a known one in which a pressure-sensitive conductive rubber material IA is arranged in a matrix on a robot hand 1. . This sensor is activated by applying pressure to the pressure-sensitive conductive rubber material I.
The force applied to the sensor is detected by detecting the resistance change value by utilizing the change in resistance between both electrodes of A.

さらにまた、感圧導電性ゴム材のかわりに第９図に示す
ように圧電材料を使用したものもある。Furthermore, there is also one in which a piezoelectric material is used instead of the pressure-sensitive conductive rubber material, as shown in FIG.

ここでは単位センサの構成を示すにとどめるが、２は圧
電材料で形成された部材であり、圧電部材２はガイド板
３の孔の底部に配置され、部材２の上部には２ラング部
４Ａを有する接触子４がばね５によって支持されている
。６は上部プリント基板、７は下部プリント基板であり
、　８Ａおよび７Ａセ−戸 はプリント基板６および７上のそれぞれプリント面であ
る。Although only the configuration of the unit sensor is shown here, 2 is a member made of a piezoelectric material, the piezoelectric member 2 is arranged at the bottom of the hole of the guide plate 3, and the upper part of the member 2 has a 2-rung part 4A. A contactor 4 having a structure is supported by a spring 5. 6 is an upper printed circuit board, 7 is a lower printed circuit board, and 8A and 7A are printed surfaces on the printed circuit boards 6 and 7, respectively.

なお、接触子４およびばね５は導電性材料で形成されて
おり、プリント面６Ａと７Ａとはこれらの導電性材料を
介して電気的に接続されている。Note that the contact 4 and the spring 5 are made of conductive material, and the printed surfaces 6A and 7A are electrically connected via these conductive materials.

そこで、このような単位センサをマトリックス状に配置
して構成される圧覚センサにあっては。Therefore, a pressure sensor configured by arranging such unit sensors in a matrix is proposed.

個々の単位センサにおいて接触子４の突出部が押圧され
ることにより圧電部材２が圧縮され、その圧縮力に応じ
て電気的抵抗値を変化させることができるので、プリン
ト面６Ａおよび７Ａを例えば行および列に配置しておく
ことにより、これらのプリント面６Ａと７Ａとの交点位
置に配設された単位センサにおける抵抗変化値をそれぞ
れ検出することによりその加圧力を検知することができ
る。The piezoelectric member 2 is compressed by pressing the protrusion of the contactor 4 in each unit sensor, and the electrical resistance value can be changed according to the compressive force. By arranging them in rows, it is possible to detect the pressing force by detecting the resistance change value of the unit sensor arranged at the intersection of these printed surfaces 6A and 7A.

しかしながら、従来のこのような圧覚センサではいずれ
も次のような欠点を有している。However, all such conventional pressure sensors have the following drawbacks.

（１）加えられた力に対してセンサ出力が小さい。(1) The sensor output is small relative to the applied force.

（２）加えられた力とセンサ出力が比例関係にある領域
がせまい。(2) The area where the applied force and sensor output are in a proportional relationship is small.

（３）圧力の分布を精度よく検出するためには単位検出
器を小型にしなければならないが機構が複雑であるため
小型化が困難である。(3) In order to accurately detect the pressure distribution, the unit detector must be made small, but it is difficult to make it small because the mechanism is complicated.

［発明の目的］ 本発明の目的は、上記の欠点をなくし、センサ出力が大
きくてしかも小型化が可能な圧覚センサを提供すること
にある。[Object of the Invention] An object of the present invention is to provide a pressure sensor that eliminates the above-mentioned drawbacks, has a large sensor output, and can be miniaturized.

［発明の要点］ すなわち１本発明は、直交する２つの軸に対して対称形
状をなす４個の孔により４本の腕部および腕部の輻そう
した中心に受圧部を形成したシリコン板とシリコン板の
腕部の表面に配設され、腕部のたわみによって生じる引
張りおよび圧縮応力の検出が可能なように配置された複
数対のストレンゲージおよび複数対のストレンゲージ間
に形成されたブリッジ回路とにより単位検出器を構成し
、その単位検出器を連続したシリコン板にマトリックス
状に配設し、受圧部および腕部を除くシリコン板を保持
板によって支持させ、受圧部を受圧板を介して押圧させ
るようにしたことを特徴とするものである。[Summary of the Invention] In other words, the present invention provides a silicon plate and a silicon plate in which four arms and a pressure receiving part are formed at the convergence centers of the arms by four holes that are symmetrical with respect to two orthogonal axes. A plurality of pairs of strain gauges are arranged on the surface of the arm portion of the plate so as to be able to detect the tensile and compressive stress caused by the deflection of the arm portion, and a bridge circuit formed between the plurality of pairs of strain gauges. A unit detector is constructed by arranging the unit detectors in a matrix on a continuous silicon plate, the silicon plate excluding the pressure receiving part and the arm part is supported by a holding plate, and the pressure receiving part is pressed through the pressure receiving plate. This feature is characterized in that it allows the user to

［発明の実施例］ 以下に、図面に基づいて本発明の実施例を詳細に説明す
る。[Embodiments of the Invention] Examples of the present invention will be described in detail below based on the drawings.

第１図は本発明の１実施例を示し、ここではその２つの
単位検出器を示す。１０はシリコン単結晶板でありシリ
コン単結晶板１０に孔１１を電解放電加工またはエツチ
ングによってあけることにより４本の互に直交する腕部
１２とこれらの腕部１２によって支えられる受圧部１３
とを形成する。また腕部１２の表面上には４個の半導体
ストレンゲージ１４、すなわち１４Ａ、　１４Ａ、　１
４Ｂ、　１４Ｂを半導体プロセスによって形成する。さ
らにまた、これら４個の半導体ストレンゲージ１４の間
にブリッジ回路を構成するための導線１５を同じく半導
体プロセスによって形成し、このようにして構成した圧
力検出用の単位検出器１６をシリコン単結晶板１０の、
上にマトリックス状に配列させる。なお、１？Ａおよび
１７Ｂは電源端子、１８Ａおよび１８Ｂは単位検出器１
Ｂの出力端子である。FIG. 1 shows an embodiment of the invention, in which two unit detectors are shown. Reference numeral 10 is a silicon single crystal plate, and holes 11 are formed in the silicon single crystal plate 10 by electrolytic discharge machining or etching to form four mutually orthogonal arm portions 12 and a pressure receiving portion 13 supported by these arm portions 12.
to form. Further, on the surface of the arm portion 12, there are four semiconductor strain gauges 14, namely 14A, 14A, 1.
4B and 14B are formed by a semiconductor process. Furthermore, conductive wires 15 for configuring a bridge circuit between these four semiconductor strain gauges 14 are formed by the same semiconductor process, and a unit detector 16 for pressure detection configured in this way is formed using a silicon single crystal plate. 10,
Arrange them in a matrix on the top. Furthermore, 1? A and 17B are power supply terminals, 18A and 18B are unit detector 1
This is the output terminal of B.

次にこのようにして構成した単位検出器１８によって圧
力を検出する原理を説明する。Next, the principle of detecting pressure by the unit detector 18 configured in this way will be explained.

第２図は第１図の４本の腕部１２とその中心に位置する
受圧部１３とを有する単位検出器ＩＢを模式的に示した
ものであり、ここで、受圧部１３に矢印方向の力が加わ
ると、腕部１２は本図に示すように変形する。そこで、
このような変形が生じる時の腕部１２の下面に発生する
長手方向の応力σ　は、第３図に示すように、受圧部１
３に近いところでは引張り応力が、また孔１１の外側周
辺部に近いところでは圧縮応力が生じる。FIG. 2 schematically shows a unit detector IB having four arm portions 12 shown in FIG. 1 and a pressure receiving portion 13 located at the center thereof. When force is applied, the arm portion 12 deforms as shown in this figure. Therefore,
As shown in FIG.
3, tensile stresses occur, and near the outer periphery of the hole 11, compressive stresses occur.

従って、第１図のような腕部１２の位置に半導体ストレ
ンゲージ１４Ａおよび１４Ｂをそれぞれ配置し、受圧部
１３に本図の場合紙面の下から上に向かって力を加える
と、ストレンゲージ１４Ａの位置には引張り応力が、ま
たストレンゲージ１４Ｂの位置には圧縮応力が発生する
。そこでこれらの４個のストレンゲージ１４の間に図に
示すようにブリッジ回路を構成し、端子１７Ａと１７Ｂ
との間に電源電圧を加えれば出力端子１８Ａと１８Ｂと
の間に出力電圧を発生させることができる。Therefore, when the semiconductor strain gauges 14A and 14B are respectively arranged at the position of the arm part 12 as shown in FIG. A tensile stress is generated at the position of the strain gauge 14B, and a compressive stress is generated at the position of the strain gauge 14B. Therefore, a bridge circuit is constructed between these four strain gauges 14 as shown in the figure, and terminals 17A and 17B are connected to each other.
If a power supply voltage is applied between the output terminals 18A and 18B, an output voltage can be generated between the output terminals 18A and 18B.

しかして、このような構成の単位検出器１６では腕部１
２を梁と見なすことができるので、加えられた力と発生
する応力（従って出力電圧）との間には広い範囲にわた
って線型性が成立するのに加えて半導体ストレンゲージ
の感度はよく知られているように良好であるので、大き
く、しかも精度の高い出力信号が得られるという利点が
ある。However, in the unit detector 16 having such a configuration, the arm portion 1
2 can be regarded as a beam, linearity exists over a wide range between the applied force and the generated stress (and therefore the output voltage), and the sensitivity of semiconductor strain gauges is well known. This has the advantage that a large and highly accurate output signal can be obtained.

次に、上述したようにして構成した単位検出器１８を配
列させて構成する圧覚センサの組立構造について述べる
。Next, an assembly structure of a pressure sensor constructed by arranging the unit detectors 18 constructed as described above will be described.

第４図はその断面を示す、ここで、シリコン単結晶板１
０の下面側には第１図に示したような配置のストレンゲ
ージ１４およびブリッジ回路が形成されており、その上
面側の個々の受圧部１３に対応した位置（第５Ａ図参照
）に加圧部材２ｏを配置し、更に加圧部材２０を弾性板
２１によって保持させる。FIG. 4 shows its cross section, where silicon single crystal plate 1
A strain gauge 14 and a bridge circuit arranged as shown in FIG. 1 are formed on the bottom side of 0, and pressure is applied to positions corresponding to the individual pressure receiving parts 13 on the top side (see FIG. 5A). The member 2o is arranged, and the pressure member 20 is further held by an elastic plate 21.

このために、弾性板２１には第５Ｂ図に示すように加圧
部材２０に対応した位置、すなわち第５Ａ図の受圧部１
３と対応した位置にその保持用の凹部２１Ａが設けてあ
り、この凹部２１Ａに加圧部材２０が嵌込まれることに
より弾性板２１とで受圧板２２を構成している。For this purpose, the elastic plate 21 is placed at a position corresponding to the pressure member 20 as shown in FIG. 5B, that is, at the pressure receiving portion 1 in FIG. 5A.
A holding recess 21A is provided at a position corresponding to 3, and the pressure member 20 is fitted into this recess 21A, thereby forming a pressure receiving plate 22 together with the elastic plate 21.

更に第４図において、ストレンゲージ１４が設けられて
いるシリコン単結晶板ｌＯの下面側にはマトリックス状
に配設された単位検出器全体を保持するための下部保持
板２３が設けであるが、この保持板２３はシリコン単結
晶板１０に設けた受圧部１３．孔１１および腕部１２を
受圧板２２にかかる加圧力に対して自由に保持するため
に、この範囲にわたり第５Ｃ図に示すように円形に凹ま
せた凹部２３Ａを有し、この凹部２３Ａを除く平坦な支
持部２３Ｂによって個々の単位検出器１Ｂの固定部を支
持している。Furthermore, in FIG. 4, a lower holding plate 23 for holding all the unit detectors arranged in a matrix is provided on the lower surface side of the silicon single crystal plate lO on which the strain gauge 14 is provided. This holding plate 23 is a pressure receiving part 13 provided on the silicon single crystal plate 10. In order to freely hold the hole 11 and the arm part 12 against the pressure applied to the pressure receiving plate 22, a circular recess 23A is provided over this range as shown in FIG. 5C, and this recess 23A is excluded. A fixed part of each unit detector 1B is supported by a flat support part 23B.

このように構成した圧覚センサにおいては、第４図の矢
印のように圧力が加わるとこの圧力が上部受圧板２２の
弾性板２１および加圧部材２０を介して単位検出器１Ｂ
の受圧部１３に伝達されるが、単位検出器１６は下部か
ら保持板２３によって支えられているのでその腕部１２
に第２図に示したようなたわみが生じる。そこでその発
生応力をストレンゲージ１４とこれらの間に構成された
ブリッジ回路とにより個々の検出器ＩＢごとに検出し以
て受圧板２２に加えられた加圧力を検出することができ
る。In the pressure sensor configured in this way, when pressure is applied as shown by the arrow in FIG.
However, since the unit detector 16 is supported from the bottom by the holding plate 23, the arm portion 12 of the unit detector 16 is
A deflection as shown in FIG. 2 occurs. Therefore, the generated stress can be detected for each individual detector IB by the strain gauge 14 and a bridge circuit constructed between them, and the pressurizing force applied to the pressure receiving plate 22 can be detected.

第６図は本発明の他の実施例を示すもので、ここでは単
位検出器のうちの１個のみが示しである。本例での単位
検出器２Ｂの形状は前述の実施例と同一であるが、本例
では４　（ｆｌの半導体ストレンゲージ１４を図のよう
な位置に配設する。FIG. 6 shows another embodiment of the invention, in which only one of the unit detectors is shown. The shape of the unit detector 2B in this example is the same as that in the previous example, but in this example, 4 (fl) semiconductor strain gauges 14 are disposed at the positions as shown in the figure.

いまここで、本図の紙面の裏側から上向きの圧力によっ
て腕部１２が変形すると、半導体ストレンゲージ１４Ｇ
にはさきに述べたように引張応力が発生するので半導体
ストレンゲージ１４Ｇは軸方向に伸延する。一方、半導
体ストレンゲージ１４０はストレンゲージ１４Ｃに対し
てその軸が直交する方向に形成されているためその軸方
向に対して縮む。At this point, when the arm portion 12 is deformed by upward pressure from the back side of the page of this figure, the semiconductor strain gauge 14G
As mentioned above, since tensile stress is generated, the semiconductor strain gauge 14G is stretched in the axial direction. On the other hand, since the semiconductor strain gauge 140 is formed with its axis perpendicular to the strain gauge 14C, it contracts in the axial direction.

従って４個の半導体ストレンゲージ１４によっテ図のよ
うなブリッジ回路を構成すれば単位検出器２６に加わる
圧力をこのようなブリッジ回路を介して電圧出力として
検出することができる。Therefore, if a bridge circuit as shown in the diagram is formed by four semiconductor strain gauges 14, the pressure applied to the unit detector 26 can be detected as a voltage output via such a bridge circuit.

第７図は本発明の更に他の実施例を示すもので、単位検
出器のうちの２個のみを示しである。FIG. 7 shows yet another embodiment of the invention, in which only two of the unit detectors are shown.

本例では単位検出器３６に形成する孔３７を円形となし
て加工をしやすくしたものである。他の部分は第１図に
示したものと同様であり、圧覚センサを構成するにあた
っては、図に示すように４個の孔３７の周辺部３日を下
部保持板（ここでは図示せず）によって支持させるよう
にする外は第４図に示す構成に準じて実施する。In this example, the hole 37 formed in the unit detector 36 is circular to facilitate machining. The other parts are the same as those shown in Fig. 1, and in constructing the pressure sensor, the peripheral parts of the four holes 37 are connected to the lower holding plate (not shown here) as shown in the figure. The construction is carried out in accordance with the configuration shown in FIG. 4, except that it is supported by.

［発明の効果］ 以上説明してきたように、本発明によれば、４個の孔に
よって互いに直交する４本の腕部と、これらの腕部の交
差する位置に受圧部とが形成されたシリコン板の上記腕
部の表面に２対のストレンゲージを取付け、これらのス
トレンゲージ間にブリッジ回路を形成して単位検出器を
構成し、このような単位検出器を同一シリコン板上にマ
トリックス状に配置して、個々の単位検出器における受
圧部および腕部を除いた部分を支持板によって支持させ
るようになし、−力受圧部のみに加圧側から押圧力が伝
達されるようになして、受圧部が加圧側から押圧された
ときに、腕部のたわみにより１対のストレンゲージに引
張り応力がまた他方のストレンゲージに圧縮応力が発生
するようにしたので、ブリッジ回路を介して押圧力に比
例した出力電圧を側々の単位検出器から取出すことがで
きて、一方向性の加圧力に対して高い精度で大きい出力
信号を得ることができるのみならず、単位検出器を小型
化することができる。[Effects of the Invention] As explained above, according to the present invention, a silicon wafer in which four arms are perpendicular to each other by four holes and a pressure receiving part is formed at a position where these arms intersect is formed. Two pairs of strain gauges are attached to the surface of the arms of the plate, a bridge circuit is formed between these strain gauges to constitute a unit detector, and such unit detectors are arranged in a matrix on the same silicon plate. The parts of each unit detector other than the pressure receiving part and the arm part are supported by the support plate, and the pressing force is transmitted from the pressurizing side only to the force receiving part, so that the pressure receiving part is When the section is pressed from the pressurizing side, the deflection of the arm section causes tensile stress to be generated in one pair of strain gauges and compressive stress to the other strain gauge, so that the stress is proportional to the pressing force via the bridge circuit. The output voltage can be taken out from the unit detectors on each side, and not only can a large output signal be obtained with high precision against unidirectional pressure force, but also the unit detectors can be made smaller. can.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第１図は本発明圧覚センサの単位検出器の構成の一例を
示す平面図、 第２図はその受圧部に押圧力が加えられたときに腕部に
生じるたわみの状態を断面で示す模式図、第３図は第２
図のような腕のたわみによってその下面に発生する引張
り応力および圧縮応力の応力分布図、 第４図は本発明圧覚センサの一例を組立状態で示す断面
図、 第５Ａ図、第５Ｂ図および第５Ｃ図はそのシリコン単結
晶板９弾性板および下部保持板のそれぞれ平面図、 第８図は本発明の他の実施例としての単位検出器の構成
を示す平面図、 第７図は本発明の更に他の実施例としての単位検出器の
構成を示す平面図。 第８図および第８図は従来の圧覚センサの構成の２例を
それぞれ示す斜視図および断面図である。 １・・・ロボットハンド、 ＩＡ・・・感圧導電性ゴム材、 ２・・・圧電部材、 ３・・・ガイド板、 ４・・・接触子、 ４Ａ・・・フランジ部、 ５・・・ばね、 ８．７・・・プリント基板、 ＧＡ、７Ａ・・・プリント面、 １０・・・シリコン単結晶板、 １１・・・孔、 １２・・・腕部、 １３・・・受圧部、 １４．１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｇ、１４０　　・・・スト
レンゲージ、１５・・・導線、 １８．２６．３８・・・単位検出器、 １７Ａ、１７Ｂ、１８Ａ、１８Ｂ・・・端子、２０・・
・加圧部材、 ２１・・・弾性板、 ２１Ａ・・・凹部、 ２２・・・受圧板、 ２３・・・下部保持板、 ２３Ａ・・・凹部、 ２３Ｂ・・・支持部。 ３７・・・孔。 ３８・・・周辺部。 一′＋＋　＋　−＋　＋　＋ 第５Ｂ図 第５０図 酋 羊位倹糾Fig. 1 is a plan view showing an example of the configuration of a unit detector of the pressure sensor of the present invention, and Fig. 2 is a schematic cross-sectional view showing the state of deflection that occurs in the arm when a pressing force is applied to the pressure receiving part. , Figure 3 is the second
Figure 4 is a stress distribution diagram of tensile stress and compressive stress generated on the lower surface of the arm due to the bending of the arm; Figure 4 is a sectional view showing an example of the pressure sensor of the present invention in an assembled state; 5C is a plan view of the silicon single crystal plate 9 elastic plate and the lower holding plate, FIG. 8 is a plan view showing the configuration of a unit detector as another embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 7 is a plan view showing the configuration of a unit detector as still another embodiment. FIGS. 8 and 8 are a perspective view and a sectional view, respectively, showing two examples of the configuration of a conventional pressure sensor. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Robot hand, IA... Pressure-sensitive conductive rubber material, 2... Piezoelectric member, 3... Guide plate, 4... Contact, 4A... Flange part, 5... Spring, 8.7... Printed circuit board, GA, 7A... Printed surface, 10... Silicon single crystal plate, 11... Hole, 12... Arm portion, 13... Pressure receiving portion, 14 .14A, 14B, 14G, 140...Strain gauge, 15...Conductor, 18.26.38...Unit detector, 17A, 17B, 18A, 18B...Terminal, 20...
- Pressure member, 21... Elastic plate, 21A... Recessed part, 22... Pressure receiving plate, 23... Lower holding plate, 23A... Recessed part, 23B... Supporting part. 37... hole. 38... Peripheral area. 1'++ + -+ + + Figure 5B Figure 50

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 直交する２つの軸に対して対称形状をなす４個の孔によ
り４本の腕部および該腕部の輻そうした中心に受圧部を
形成したシリコン板と、該シリコン板の前記腕部の表面
に配設され、前記腕部のたわみによって生じる引張りお
よび圧縮応力の検出が可能なように配置された複数対の
ストレンゲージおよび該複数対のストレンゲージ間に形
成されたブリッジ回路とにより単位検出器を構成し、当
該単位検出器を連続した前記シリコン板にマトリックス
状に配設し、前記受圧部および前記腕部を除く前記シリ
コン板を保持板によって支持させ、前記受圧部を受圧板
を介して押圧させるようにしたことを特徴とする圧覚セ
ンサ。A silicon plate having four arms formed by four holes symmetrical with respect to two orthogonal axes and a pressure-receiving part at the converging center of the arms, and a surface of the arms of the silicon plate. A unit detector is formed by a plurality of pairs of strain gauges arranged so as to be able to detect tensile and compressive stress caused by the deflection of the arm, and a bridge circuit formed between the plurality of pairs of strain gauges. The unit detectors are arranged in a matrix on the continuous silicon plate, the silicon plate excluding the pressure receiving part and the arm part is supported by a holding plate, and the pressure receiving part is pressed through the pressure receiving plate. A pressure sensor characterized by being configured to