JPS63217241A - 接触覚センサ - 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】 （ａ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、把握物か
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とりつけ
てロボットを知能化する傾向が益々強まりつつある。

接触覚センサに要求される性能・条件には次のものがあ
る。

■高感度二角を検出する感度が高いこと。一つの素子で
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。

■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。

■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。

■直線性とヒステリシス：圧力と出力が比例し、ヒステ
リシスがないこと。

■応答速度：物を把握した時、その信号が制御部へ早く
伝わること。

■柔軟性：人間の手の皮膚のように軟かいことが好まし
い。

■すべり感覚：圧力だけでなく、すべりも検出すること
。

■小型・安価：薄くて小型で安価なこと。

これらのいくつかを満足する接触覚センサがいくつか提
案ないし開発されてきた。たとえば第１５図は押ボタン
方式のセンサである。１は金属製押ボタン、２は絶縁板
、３はばねコイル、４．５は電極である。金属製押ボタ
ン１を押していない時には電極４と５の間にばねコイル
３を通して電気的導通があるが、ハンドが物をつかんた
時、押ボタン１がへこむので、導通がなくなり、物をつ
かんだことを検出する方式である。しかし、この方式は
ＯＮとＯＦＦの状態しか分からず、連続的には力を検出
できない欠点がある。

第１６図は導電ゴムを利用したもので、６は把握物、７
は電極、８は導電ゴムである６把握物６により力が加わ
った所の導電率（抵抗）が変化するので、この変化から
把握の状態を知ることができる。しかしこの方式には力
と導電率との間に非直素子１１をマトリックス状に配列
させた基板１２を設置する。１３は光源である。今把握
物１４がシリコンゴム９を押すと突起がへこみ、アクリ
ル板ｌＯ内で均一に反射していた光がこのへこみの部分
で乱反射を起し、受光素子１１の感度が変化するので、
これから接触覚を知る。しかしこの方式には、構造が複
雑であること、非直線性やヒステリシスが生じること、
などの欠点がある。

これら３例以外に提案されている接触覚センサはそれぞ
れ一長一短があり、十分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
の力のみを感するものである、面に平行な力をも検出す
るものは皆無に近いのが現状である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

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
にあるが、先に述べた性能・条件をすべて満足するもの
ではなく、特に薄型で、３分力を測れるものは皆無であ
る。面に垂直な方向だけでなく、面に平行な方向の力を
検出できることは、すべりを高感度に検出する上では必
須の要件であり、今後の技術開発に期待が寄せられてい
る。

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方向の力を検出する接触覚センサを提供することを
目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

かかる目的を達成するために、本発明においては、３方
向の力に対応して３組の歪ゲージが配設されているセン
サセルと、セルの上部に固着されている受圧板と、セン
サセルを載置し、かつ複数の接続端子を介して３組の歪
ゲージと電気的に接続されている配線基板とからなるこ
とを特徴とするものである。

（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
たので、小型で薄く、さらに安価な構成で３分力を検出
できる。

〔実施例〕

以下、実施例によって本発明の詳細な説明する。

第１図（Ａ）　、（Ｂ）は本発明による接触覚センサの
基本構造を説明する図であり、同図（Ａ）は上面図、（
Ｂ）は断面図である。シリコンからなるセンサセル２１
には接続端子（こぶ状のはんだ）２２及びで形成される
。セルの歪ゲージを設ける部分は薄内部としておく。セ
ラミック製受圧板２５の中央凹部は受圧部２４の凸部に
はめこまれ、接着剤２６で接合される。受圧部の凸部は
そのまわりをエツチングして作る。配線基板２７は強度
と耐熱性が要求されるので、セラミック多゛層配線基板
が望ましい。

この配線基板２７の上部にも、セルの端子の位置に合わ
せて、端子２８が設けられ、端子２２．２８を介して歪
ゲージ２３は配線基板２７の配線と接続される。

第２図は歪センサの斜視図である。このセンサは歪ゲー
ジが設けられている面と平行で、かつ互いに直交する力
ＦｘとＦＭおよび面に垂直方向の力Ｆｚを検出する。

第３図に３方向の力Ｆｘ、　Ｆｙ％Ｆｚを検出するため
の歪ゲージの配列を示す。ｘｌ、×２はＸ方向の力Ｆｘ
を検出するための歪ゲージで、セル薄肉部の同一直径上
にあり、それぞれ長手方向を半径方向に揃えである。Ｙ
ｌ、Ｙｌは力Ｆｙを検出するための歪ゲージで、ゲージ
×１、×２と直交する方向に配設される。ｚｌ、ｚｌは
垂直方向の力Ｆｚを検出するための歪ゲージで、×１、
ｘｌ、Ｙｌ、Ｙｌとそれぞれ４５°の方向に配設される
。

第４図（八）　、（Ｂ）　、　（Ｃ）および第５図によ
ってられている。厚肉部には温度補償用の歪ゲージ（ダ
ミーゲージ）　２３Ｇ　、　２３０が、ゲージ２３Ａ１
２３Ｂの配列の延長上に、長手方向をそれぞれ２３Ａ　
、　２３Ｂと直角方向にして設けられている。第４図（
Ｂ）に矢印して示す荷重が受圧部２４に作用した時、歪
ゲージ２３Ａには圧縮応力−〇、歪ゲージ２３Ｂに引張
り応力十〇が働く。第４図（Ｃ）に応力分布を示す。歪
ゲージ２３Ｃ、２３Ｄの長手方向には応力はほとんど作
用しない。従って歪ゲージ２３Ａ　、　２３Ｂの抵抗は
変化し、２３Ｇ　、　２３Ｄの抵抗はほとんど変化しな
い。第５図は、歪ゲージ２３Ａ１２３Ｂ　、　２３Ｃ、
２３Ｄで構成したホイートストンブリッジを示し、抵抗
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４はそれぞれ歪ゲージ２３Ａ　、
　２３Ｂ　、　２３ｆｌ：　、　２３Ｄに対応する。第
４図ＣＢ）　、　　（Ｃ）　に示したような力が作用す
ると、Ｒ１、Ｒ２が変化するので、電圧Ｅを入力すると
、電圧変化■が力に応じて出力されるので、力の大きさ
を検出することができる。

第６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３図に示し
たＲｘ２は歪ゲージ×１、×２の抵抗である。歪ゲージ
×１と×２はハーフブリッジをなしている。第６図（Ｃ
）は、同図（Ａ）に示す力Ｆｘが受圧部２４に作用した
時、各歪ゲージの長手方向に加わる応力を示す。

第７図（Ａ）　、（Ｂ）　、（Ｃ）はＹ方向の力Ｆｙの
検出を説明する図で、同図（Ａ）は歪ゲージＹ１％Ｙ２
の配線、同図ＣＢ）はゲージＹ１％Ｙ２で構成されるハ
ーフブリッジの等価回路を、同図（Ｃ）は力Ｆｙが受圧
部２４に作用した時に各歪ゲージに作用する応力を示す
６図において、３５は出力端子、ＲＹＩ　、ＲＹ２はそ
れぞれ歪ゲージＹ１、Ｙｌの抵抗、ｖｙは出力電圧であ
る。

第８図（八）、　　（Ｂ）　、（Ｃ）は受圧部２４の表
面に垂直（歪ゲージ設置面に垂Ｏ１りな力Ｆｚの検出を
説明する図である。同図（八）は歪ゲージの配皿と結線
を示し、第３図で説明した歪ゲージｚ１、ｚｌ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２１〜ｚ４で同図（Ｂ）　に示すよう
にブリッジを構成している。３６は出力端子、第６図に
もどり、受圧部２４にＦｘの力が加わると、歪ゲージＸ
Ｉは圧縮力（−〇）を受け、その抵抗値は小さくなる。

一方歪ゲージ×２は引張力（十〇）を受け、その抵抗値
は大きくなる。他の４つの歪ゲージＹｌ、　Ｙｌ、ｚｌ
、ｚｌニも第６図（ｃ）　ニ示すように少し応力を生ず
る。当然ながら、ブリッジの出力Ｖｘは大で、Ｖｚは小
さく、ｖｙは無視できる。出力Ｖｚは、Ｆｘの力によっ
て生じたものであるから、これは補正されねばならない
。このみかけの出力ＶｚはＦｘにすなわち、Ｖｘに近似
的に比例するからＶｚの補正式は Ｖｚ　　−ａ−Ｖｘ　　　　　　　（１）となる。ここ
にａは比例定数である。

第７図において、Ｆ３１が矢印の方向に加わると、歪ゲ
ージＹ１には圧縮力＜−０＞が、歪ゲージＹ２には引張
力（十〇）が働らく、そしてハーフブリッジにはｖｙが
出力される。歪ゲージの応力は第７図（Ｃ）に示すとお
りで、各ブリッジの出力はｖｙが最大、Ｖｚは小さく、
Ｖｘは無視できる。みかけの出力Ｖｚは近似的にｖｙに
比例するから、Ｖｚは次式で補正働らくから、同図（Ｂ
）　　に赤すブリッジにはＶｚが出力される。歪ゲージ
ｚ３と７４での応力は小さいから、Ｖｚに寄与しない。

歪ゲージ×１と×２およびＹｌとＹｌの抵抗変化量は同
符号でそれぞれ等しいので、出力Ｖｘおよびｖｙは発生
しない、したがってＦｚによる影響はｖ×とｖｙでは考
慮する必要がない。

第９図に力ＦｘとＦｙとが同時に加わりた時の、各ゲー
ジの長手方向に作用する応力を示す。歪ゲージＸｉおよ
びＹｌにはそれぞれ力ＦｘおよびＦｙによる圧縮応力が
、歪ゲージ×２およびＹｌにはそれぞれ力Ｆｘおよびｐ
ｙによる引張応力が作用する。歪ゲージＸＩ、　Ｘ２は
力ｐｙにはほとんど影響されず、また歪ゲージＹｌ、　
Ｙｌは力Ｆｘにはほとんど影響されない。

力ＦｘおよびＦＭによって歪ゲージＬ１は圧縮応力を受
け、歪ゲージｚ２は引張応力を受ける。その結果各ブリ
ッジには出力が生ずる。出力ＶＺ’　は力Ｆ×とＦ３１
とによる見かけの出力であり、真の出力ＶＺは次式で補
正して得られる。

Ｖｚ　　−Ｖｚ’　　−ａ−Ｖｘ　　−ｂ−Ｖｙ　　　
（３）第１Ｏ図に力ＦｙとＦＺとが同時に加った時の、
各歪より歪ゲージＹ１とＺｌに圧縮応力が、歪ゲージＹ
２とによって出力Ｖｘおよびｖｙは生じない、従ってカ
ＦＹとＦｚとが同時に作用した時に各ブリッジに生ずる
１こ圧は、力Ｆ３／にょる出カシｙと、カＦＹおよびＦ
ｚによる出力ＶＺ’である。真の出力Ｖｚはみかけの出
力ＶＺ’　を次式によって補正して得られる。

Ｖｚ　　＝　　Ｖｚ’　　−ｂ−Ｖｙ　　　　　　　（
４）第１１図に力ＦｚとＦｘとが同時に加った時の各歪
ゲージに作用する応力を示す。事情はカＦｙとＦｚとが
同時に作用した場合と全く同様で、各ブリッジには、力
Ｆｘにょる出力Ｖｚと、カＦｘとＦｚとによる出力Ｖｚ
’　とが生ずる。この場合、真の出力Ｖｚは見がけの出
力ＶＺ’　を次式にょフて補正して得られνｚ　　−Ｖ
ｚ’　　−ａ−Ｖｘ　　　　　　（５）第１２図に力Ｆ
ｘ、　ＦｙおよびＦｚが同時は加わった時の各歪ゲージ
に作用する応力を示す。２方向の力が同時に働いた時の
説明から明らかなように、各ブリッジには力Ｆ×による
出力ｖ×、力ｒｙによる出力ｖｙおよび力Ｆｘ、　Ｆｙ
およびＦｚによる見かけの出カシの出力と力の大きさと
の関係を求めておくことは容易である。また上述した補
正係ａａおよびｂを求めるのも容易である。従つぞあら
かじめこれらの関係および係数を求めておけば、任意の
力、Ｆｘ、　ＦｙおよびＦｚが加わフた時、その大きさ
は、セルのブリッジの出力Ｖｘ％ｖｙ％ＶＺを読みとれ
ば、ＶｘとＶはそのままの値から、Ｖｚは（６）式から
補正演算して求めることができる。また任意の方向の力
が加わった時も、その３方向の分力を知ることができる
。

第１３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と配線及び端子の。

構成を表わしたものである。各端子の信号は、図示しな
い下部の配線基板に内蔵された多層配線に伝えられるこ
とはいうまでもなく、この製作は公知の方法で容易に達
成できる。第１４図は第１３図の構成の等価回路である
。第１３図、第１４図における各参照番号は既出の例と
同一なので説明を省略した。また第１３図の構成例の動
作も先に説明したとおりである。

〔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
単な構造で配置したので、小型で薄く、高密度化でき、
安価な構成で３分力を検出できる。このためにこの接触
覚センサをロボットのハンドにとりつければ、ロボット
の知能化を図る上で極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ本発明の接触覚セ
ンサの基本構造を示す上面図および断面図、 第２図はセンサの斜視図、 第３図は歪ゲージの配置図、 第４図（Ａ）　、（Ｂ）　、（Ｃ）は本発明の動作の基
本を説明するための図で、同図（Ａ）および（Ｂ）はそ
れぞれ歪ゲージの配置を示す上面図および断面図、同図
（Ｃ）は歪ゲージの応力分布を示す図、第５図は歪ゲー
ジで構成したホイートストンブリッジ回路図、 第６図（＾）　、　（Ｂ）　、（Ｃ）はＸ方向の力の検
出、第７図（＾）　、（Ｂ）　、（Ｃ）はＹ方向の力の
検出、第８図（＾）　、（Ｂ）　、　（Ｃ）はＺ方向の
力の検出を説明する図であり、第６図（Ａ）、第７図（
Ａ）および第８図（Ａ）は歪ゲージの配置と結線を示す
図、第６図（Ｂ）、第７図（Ｂ）および第８図（Ｂ）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（Ｃ）、第７図（Ｃ）および第８図（Ｃ）は各歪ゲ
ージの応力を示す図、 第９図、第１０図、第１１図および第１２図はそれぞれ
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、Ｙ方向およびＺ方向の力が加わった時の各歪
ゲージの応力を示す図、第１３図はセル内における歪ゲ
ージの配置と結線を示す図、 第１４図は第１３図の構成の等価回路図、第１５図ない
し第１７図はそれぞれ従来の接触覚センサの構造を示す
断面図である。 １　　　・・・　金属押ボタン、 ２　　　・・・　絶縁板、 ３　　　・・・　ばねコイル、 ４．５　・・・　電極、 ６　　　・・・　把握物、 ７　　　・・・　電極、 ８　　　・・・　導電ゴム、 ９　　　・・・　シリコンゴム、 ｌＯ・・・　アクリル板、 １１　　　　・・・　受光素子、 １２　　　　・・・　基板、 １３　　　　・・・　光源、 １４　　　　・・・　把握物、 ２１　　　　・・・　センサセル、 ２２　　　　・・・　接続端子、 ２３　　　　・・・　歪ゲージ、 ２４　　　　・・・　受圧部、 ２５　　　　・・・　受圧板、 ２６　　　　・・・　接着剤、 ２７　　　　・・・　配線基板、 ２８　　　　・・・　端子、 ３１　　　　・・・　配線、 ３２　　　　・・・　入力電圧端子、 ３３　　　　・・・　アース端子、 ３４．３５．３６　　・・・　出力端子、×１、×２　
　　　・・・　Ｘ方向の力用歪ゲージ、Ｙｌ、Ｙｌ　　
　　・・・　Ｙ方向の力用歪ゲージ、Ｚｌ、　Ｚ２　　
　　・・・　Ｚ方向の力用歪ゲージ、ｚ３、ｚ４　　　
　・・・　ダミーゲージ、Ｅ　　　　　・・・　入力電
圧、 Ｖｘ、　Ｖｙ、　Ｖｚ　　・・・　出力電圧。 竹こ千が峨人工業りｌ術−じ介旧家幸ニ２４史り那 寸 へ 疼 鵜 叫 亦 （Ａ）　　　　　　　　　　　　　（Ｂ）第６図 （Ａ） （Ｃ） 第７図 （Ａ）　　　　　　　　　　　　（Ｂ）（Ｃ） 第８図 第１０図 第１１図 第１２図 第１３図 第１４図 ３＋を勾コイル 第１５図 第１６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）３方向の力に対応して３組の歪ゲージが配設されて
   いるセンサセルと、 該セルの上部に固着されている受圧板と、 前記センサセルを載置し、かつ複数の接続端子を介して
   前記３組の歪ゲージと電気的に接続されている配線基板
   とからなることを特徴とする接触覚センサ。 ２）前記センサセルがシリコンからなり、前記３組の歪
   ゲージがそれぞれ高抵抗シリコン層からなることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の接触覚センサ。 ３）前記３方向の力のうちの少なくとも一つは他の方向
   の力の一次式によって補正されることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項または第２項記載の接触覚センサ。