JPH0682846B2 - Distributed pressure sensor - Google Patents
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- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は分布型圧覚センサに関し、詳しくは、ロボット
ハンド等に装着され、ハンドにより物体を把持させたと
きに、垂直方向に加わる力の分布が検知可能な分布型圧
覚センサに関する。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a distributed pressure sensor, and more specifically, to a distribution of force applied in a vertical direction when an object is attached to a robot hand or the like and an object is gripped by the hand. To a distributed pressure sensor capable of detecting
従来この種の分布型圧覚センサとしては、本出願人が先
に特願昭61−301181号で提案した第６図に示すようなも
のがある。ここで、１は剛体の固定基板２上に配置され
た複数の荷重検出素子であり、３は比較的小さいヤング
率を有する弾性床である。弾性床３は、井桁状に設けら
れた溝４によって個々の荷重検出素子１ごとに分離され
ており、分離された個々の弾性床３上には不図示の半導
体ストレンゲージの形成された単結晶シリコン板５が取
付けられている。６は単結晶シリコン板５の上部に設け
られたフレキシブルプリント板であり、フレキシブルプ
リント板６と単結晶シリコン板５とは、互いの対向位置
に形成された電気的接点であるはんだパッド７を介して
電気的に接続される。８は個々の単結晶シリコン板５に
取付けられ、荷重が矢印方向から加えられる荷重入力部
である。A conventional distributed pressure sensor of this type is shown in FIG. 6 previously proposed by the present applicant in Japanese Patent Application No. 61-301181. Here, 1 is a plurality of load detecting elements arranged on a rigid fixed substrate 2, and 3 is an elastic floor having a relatively small Young's modulus. The elastic floor 3 is separated for each individual load detection element 1 by a groove 4 provided in a grid pattern, and a single crystal having a semiconductor strain gauge (not shown) is formed on each of the separated elastic beds 3. A silicon plate 5 is attached. Reference numeral 6 denotes a flexible printed board provided on the upper portion of the single crystal silicon plate 5, and the flexible printed board 6 and the single crystal silicon plate 5 are provided with solder pads 7 which are electrical contacts formed at positions facing each other. Are electrically connected. Reference numeral 8 is a load input unit that is attached to each single crystal silicon plate 5 and receives a load applied in the direction of the arrow.
このように構成された分布型圧覚センサにおいては、荷
重入力部８を介して単結晶シリコン板５上に垂直荷重が
加えられると、弾性床３の変形と共に単結晶シリコン板
５が撓むことによってその表面に配設された半導体スト
レンゲージに生じる抵抗変化がはんだパッド７を介して
フレキシブルプリント板６の信号線から取出されるの
で、複数の荷重検出素子１からの出力信号をスキャニン
グして取出すことにより全体的に加えられた荷重の分布
を知ることができる。In the distributed pressure sensor configured as described above, when a vertical load is applied to the single crystal silicon plate 5 via the load input unit 8, the single crystal silicon plate 5 bends as the elastic floor 3 deforms. Since the resistance change generated in the semiconductor strain gauge arranged on the surface is taken out from the signal line of the flexible printed board 6 via the solder pad 7, it is necessary to scan and take out the output signals from the plurality of load detection elements 1. It is possible to know the distribution of the applied load as a whole.
ところで、ロボットハンドによる物体の把持作業の場
合、まず、ハンドが把持すべき物体に接触したことを検
知する必要があり、しかる後に、どのような把持力で物
体を把持するかによりその把持力を制御することにな
る。従って、ハンドが把持される物体と接触したことを
検知する段階では、検知されるべき力は小さいので、圧
覚センサとしては精度の高い感度が要求される反面、把
持した後の比較的大きい力が加えられる段階では圧覚セ
ンサの感度は差程良好でなくてもよい。すなわち、圧覚
センサの出力電圧Ｖと荷重Ｐとの関係としては、第７図
に示す曲線C1あるいは折曲げ線C2のようであることが望
ましいのであるが、第６図に示したような形態の分布型
圧覚センサでは弾性床３および単結晶シリコン板５が弾
性変形をするので荷重に対する出力電圧の特性が直線的
なものとなってしまう傾向があった。By the way, when grasping an object with a robot hand, first, it is necessary to detect that the hand has come into contact with the object to be grasped, and then the grasping force is determined depending on the grasping force used to grasp the object. Will be in control. Therefore, since the force to be detected is small at the stage of detecting that the hand has come into contact with the object to be gripped, high precision sensitivity is required for the pressure sensor, but a relatively large force after gripping is required. The sensitivity of the pressure sensor may not be so good at the stage of being added. That is, it is desirable that the relationship between the output voltage V of the pressure sensor and the load P is like the curve C 1 or the bending line C 2 shown in FIG. 7, but as shown in FIG. In the distributed pressure sensor of the form, since the elastic floor 3 and the single crystal silicon plate 5 elastically deform, the characteristic of the output voltage with respect to the load tends to be linear.
そこで、第７図に示すような傾向の出力電圧特性を得る
ためには非線形型増幅器を使用しなければならず、更に
また、検知されるべき力の小さい範囲で圧覚センサの感
度を高めるためには単結晶シリコン板５の厚さを薄くす
る必要があり、大きい力が加えられる段階では単結晶シ
リコン板５が許容応力以上となって破壊されるという問
題点があった。Therefore, in order to obtain the output voltage characteristic having the tendency as shown in FIG. 7, it is necessary to use a non-linear amplifier, and further, in order to increase the sensitivity of the pressure sensor in the range where the force to be detected is small. It is necessary to reduce the thickness of the single crystal silicon plate 5, and there has been a problem that the single crystal silicon plate 5 is destroyed by exceeding the allowable stress when a large force is applied.
本発明の目的は、上述の従来の問題点に着目し、その解
決を図ずべく、接触検知にかかわる微小な荷重に対して
は感度良く反応し、そのあとの把持力検知段階での大き
い荷重に対しては撓み量が抑制されて単結晶シリコン板
５を破損するようなことがなく、物体把持作業を実施す
るロボットハンドに好適な分布型圧覚センサを提供する
ことにある。The object of the present invention is to focus on the above-mentioned conventional problems, and to solve the problems, it reacts sensitively to a minute load related to contact detection, and a large load at the subsequent gripping force detection stage. On the other hand, it is an object of the present invention to provide a distributed pressure sensor suitable for a robot hand that carries out an object grasping work without suppressing the amount of bending and damaging the single crystal silicon plate 5.
かかる目的を達成するために、本発明は、半導体ストレ
ンゲージが配設された単結晶シリコン板を有し、該単結
晶シリコン板に加えられた垂直荷重を半導体ストレンゲ
ージの電気抵抗の変化によって検出するようにした複数
の荷重検出素子が固定基板上に配設された分布型圧覚セ
ンサにおいて、個々の荷重検出素子における単結晶シリ
コン板と固定基板との間にヤング率の異なる複数の弾性
部材をヤング率の小さい弾性部材の方が単結晶シリコン
板の側になるようにして積層配置したことを特徴とする
ものである。In order to achieve such an object, the present invention has a single crystal silicon plate provided with a semiconductor strain gauge, and detects a vertical load applied to the single crystal silicon plate by a change in electric resistance of the semiconductor strain gauge. In the distributed pressure sensor in which a plurality of load detecting elements are arranged on a fixed substrate, a plurality of elastic members having different Young's moduli are provided between the single crystal silicon plate and the fixed substrate of each load detecting element. It is characterized in that the elastic members having a smaller Young's modulus are laminated so that the elastic members are closer to the single crystal silicon plate.
本発明の分布型圧覚センサによれば、微小荷重が作用す
る段階ではヤング率の小さい方の弾性床が鋭敏に弾性変
形することによってその変形に対応した出力信号から高
感度でその微小荷重を検知することができ、大きい荷重
が作用する段階ではヤング率の大きい方の弾性床が主体
となって荷重を担持するのでその変形による単結晶シリ
コン板の撓みも小さく、従って、大きい荷重によって単
結晶シリコン板が破壊されたりすることがない。According to the distributed pressure sensor of the present invention, when a small load acts, the elastic floor having a smaller Young's modulus is elastically deformed sharply, and the small load is detected with high sensitivity from the output signal corresponding to the deformation. When a large load is applied, the elastic bed with the larger Young's modulus mainly carries the load, so the deformation of the single crystal silicon plate due to the deformation is small, and therefore the single crystal silicon plate is subjected to the large load. The board will not be destroyed.
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。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail and specifically with reference to the drawings.
第1A図は本発明の一実施例を示す。ここで、11は荷重検
出素子、13Aはヤング率の小さい弾性材料で形成された
第１弾性床、13Bはヤング率の大きい弾性材料で形成さ
れた第２弾性床である。第１弾性床13Aとしては例えば
クロロプレンゴム（CR）やブチルゴム（BR）若しくはニ
トリルゴム（NR）などの合成ゴム系の材料を使用するの
が好適であり、また、第２弾性床13Bとしては上記の材
料よりもヤング率が大きい、例えばエポキシやポリエチ
レン若しくはアクリル系の有機プラスチック材料を使用
すればよい。あるいは、第１弾性床13Aに上記のような
合成ゴム系と有機プラスチック系の材料とを組合せて構
成したものを使用し、一方の第２弾性床13Bにアルミニ
ウムや鉛のような延性のある金属材料を使用してもよ
い。FIG. 1A shows an embodiment of the present invention. Here, 11 is a load detecting element, 13A is a first elastic bed made of an elastic material having a small Young's modulus, and 13B is a second elastic bed made of an elastic material having a large Young's modulus. It is preferable to use a synthetic rubber-based material such as chloroprene rubber (CR), butyl rubber (BR), or nitrile rubber (NR) as the first elastic bed 13A, and the above-mentioned as the second elastic bed 13B. It is preferable to use an organic plastic material such as epoxy, polyethylene, or acrylic resin having a Young's modulus larger than that of the above material. Alternatively, the first elastic floor 13A is made of a combination of the above synthetic rubber and organic plastic materials, and the second elastic floor 13B is made of a ductile metal such as aluminum or lead. Materials may be used.
ところで、このように弾性床をヤング率の異なる２種類
の材料によるものの積層状態で使用する原理を以下に説
明する。By the way, the principle of using the elastic floor in a laminated state by using two kinds of materials having different Young's moduli will be described below.
いま、第2A図に示すようにして固定基板２上に載置され
たゴム等の弾性体Ｅに対して上方から荷重Ｐを加えたと
すると、そのときの荷重Ｐと弾性体Ｅの変形量ｕとの関
係は第2B図で実線によって示したような特性曲線で表わ
され、その曲線は立上がっていくが、その変形量ｕは弾
性体Ｅの高さｈを越えることはなく、変形量ｕが所定値
uoに達したあとは荷重Ｐを増加しても、ほとんど変形し
なくなる。Now, assuming that a load P is applied from above to the elastic body E such as rubber placed on the fixed substrate 2 as shown in FIG. 2A, the load P and the deformation amount u of the elastic body E at that time are given. 2B is represented by the characteristic curve shown by the solid line in FIG. 2B, and the curve rises, but the deformation amount u does not exceed the height h of the elastic body E, and the deformation amount u is a predetermined value
After reaching uo, it hardly deforms even if the load P is increased.
そこで、上述のような現象のあることからＰ−ｕ特性曲
線のうち弾性変形域と塑性変形域とを第2B図で一点鎖線
によって示すような形態に近似的に表現することができ
る。すなわち、本発明ではこのうち弾性変形域を利用
し、第3A図に示すようにヤング率の異なる２種類の第１
弾性体EAと第２弾性体EBとを積層した状態で使用するこ
とによって、近似的に第3B図に示すような特性曲線を得
ようとするものである。Therefore, due to the phenomenon as described above, the elastic deformation region and the plastic deformation region of the Pu characteristic curve can be approximately represented in the form shown by the alternate long and short dash line in FIG. 2B. That is, in the present invention, the elastic deformation region is utilized among these, and as shown in FIG.
By using the elastic body EA and the second elastic body EB in a laminated state, the characteristic curve as shown in FIG. 3B is approximately obtained.
再び第1A図に戻り、いまこのように構成した分布型圧覚
センサにおいて、例えば１つの荷重検出素子11に上方か
ら荷重が加えられたとすると、第1B図に示すようにヤン
グ率の小さい第１弾性床13Aがまず変形して、それに連
れて単結晶シリコン板５も撓むが、そのあと荷重が増し
ても、その荷重は第２弾性床13Bが主として担持するの
で単結晶シリコン板５は差程に撓むことなく、従って過
大な応力の発生によって破損したりすることがない。Returning to FIG. 1A again, in the distributed pressure sensor configured as described above, for example, if a load is applied to one load detecting element 11 from above, as shown in FIG. The floor 13A is first deformed, and the single crystal silicon plate 5 is also flexed accordingly, but even if the load is increased thereafter, the load is mainly carried by the second elastic floor 13B, so that the single crystal silicon plate 5 is different. Therefore, it is not bent and therefore is not damaged by the occurrence of excessive stress.
第４図は本発明の他の実施例を示す。本例ではその荷重
検出素子21に設ける個々の弾性床をヤング率が小さい第
１弾性床23A、ヤング率が中程度の第２弾性床23Bおよび
ヤング率が大きい第３弾性床23Cの３つの層で構成する
もので、第１弾性床23Aには例えば先に述べたような合
成ゴム系の材料を使用し、第２弾性床23Bには例えば先
に述べたプラスチック系の材料を、また第３弾性床23C
には例えばアルミニウム等のような延性のある金属材料
を使用すればよい。FIG. 4 shows another embodiment of the present invention. In this example, each elastic floor provided in the load detecting element 21 is composed of three layers of a first elastic floor 23A having a small Young's modulus, a second elastic floor 23B having a medium Young's modulus, and a third elastic floor 23C having a large Young's modulus. The first elastic floor 23A is made of, for example, the above-mentioned synthetic rubber material, the second elastic floor 23B is made of, for example, the above-mentioned plastic material, and the third Elastic floor 23C
For this, a ductile metal material such as aluminum may be used.
このように構成した分布型圧覚センサにおいては、その
個々の荷重検出素子21に荷重Ｐが加えられた場合、荷重
Ｐと出力電圧Ｖとの間の特性曲線C3を第５図に示すよう
な傾向のものとすることができ、このことは大きい荷重
によって単結晶シリコン板５に極端な撓みや応力が発生
しないことを意味する。In the distributed pressure sensor constructed as described above, when a load P is applied to each load detecting element 21 , a characteristic curve C 3 between the load P and the output voltage V is as shown in FIG. The single crystal silicon plate 5 does not undergo extreme bending or stress due to a large load.
以上説明してきたように、本発明によれば、半導体スト
レンゲージが設けられた単結晶シリコン板を介して荷重
を担持する弾性床を単結晶シリコン板の側からヤング率
の小さいものの順に複数段積層するようにしたので、荷
重が小さい領域では感度が良く、また半導体が大きい領
域では単結晶シリコン板に過大な応力が発生するのを防
止することができて、物体の把持作業に使用されるロボ
ットハンドに適用した場合、ハンドによる物体把持時の
接触感度を高めることができると共に、把持動作中ノイ
ズの少ない安定した信号が得られ、また大きい把持力に
対して損傷するのを防止することができる。As described above, according to the present invention, an elastic bed for supporting a load through a single crystal silicon plate provided with a semiconductor strain gauge is laminated in a plurality of stages in order of increasing Young's modulus from the single crystal silicon plate side. Therefore, the sensitivity is good in the area where the load is small, and it is possible to prevent the single crystal silicon plate from being overstressed in the area where the semiconductor is large. When applied to a hand, it is possible to increase the contact sensitivity when gripping an object by the hand, obtain a stable signal with less noise during the gripping operation, and prevent damage to a large gripping force. .
第1A図および第1B図は本発明分布型圧覚センサの構成の
一例を無荷重状態および荷重付加状態の２態様でそれぞ
れ模式的に示す断面図、 第2A図および第2B図は一般的な弾性体に鉛直荷重を加え
るときの状態図およびそのときに得られる荷重−変形量
特性曲線図、 第3A図および第3B図は本発明にかかる形態の弾性体に鉛
直荷重を加えるときの状態図およびそのときに得られる
荷重−変形量特性曲線図、 第４図は本発明の他の実施例の構成を模式的に示す断面
図、 第５図は第４図の構成によって得られる荷重−出力電圧
特性曲線図、 第６図は従来の分布型圧覚センサの構成の一例を模式的
に示す断面図、 第７図は第1A図に示す本発明分布型圧覚センサによって
達成しようとする荷重−出力電圧特性曲線図である。１ ，11，21……荷重検出素子、 ２……固定基板、 ５……単結晶シリコン板、 ６……フレキシブルプリント板、 ７……はんだパッド、 ８……荷重入力部、 13A,23A……第１弾性床、 13B,23B……第２弾性床、 23C……第３弾性床。1A and 1B are cross-sectional views schematically showing an example of the configuration of the distributed pressure sensor of the present invention in two modes, an unloaded state and a loaded state, and FIGS. 2A and 2B show general elasticity. A state diagram when applying a vertical load to the body and a load-deformation amount characteristic curve diagram obtained at that time, FIGS. 3A and 3B are state diagrams when applying a vertical load to the elastic body according to the present invention and A load-deformation amount characteristic curve diagram obtained at that time, FIG. 4 is a sectional view schematically showing the configuration of another embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a load-output voltage obtained by the configuration of FIG. Fig. 6 is a characteristic curve diagram, Fig. 6 is a sectional view schematically showing an example of the configuration of a conventional distributed pressure sensor, and Fig. 7 is a load-output voltage to be achieved by the distributed pressure sensor of the present invention shown in Fig. 1A. It is a characteristic curve figure. 1 , 11 , 21 …… Load detection element, 2 …… Fixed substrate, 5 …… Single crystal silicon plate, 6 …… Flexible printed board, 7 …… Solder pad, 8 …… Load input section, 13A, 23A …… 1st elastic floor, 13B, 23B ... 2nd elastic floor, 23C ... 3rd elastic floor.
Claims (1)
シリコン板を有し、該単結晶シリコン板に加えられた垂
直荷重を前記半導体ストレンゲージの電気抵抗の変化に
よって検出するようにした複数の荷重検出素子が固定基
板上に配設された分布型圧覚センサにおいて、 個々の前記荷重検出素子における前記単結晶シリコン板
と前記固定基板との間にヤング率の異なる複数の弾性部
材を前記ヤング率の小さい弾性部材の方が前記単結晶シ
リコン板の側になるようにして積層配置したことを特徴
とする分布型圧覚センサ。1. A plurality of single crystal silicon plates provided with a semiconductor strain gauge, wherein a vertical load applied to the single crystal silicon plate is detected by a change in electric resistance of the semiconductor strain gauge. In a distributed pressure sensor in which a load detecting element is arranged on a fixed substrate, a plurality of elastic members having different Young's moduli are provided between the single crystal silicon plate and the fixed substrate in each of the load detecting elements. In the distributed pressure sensor, the elastic members having a smaller size are arranged so that they are closer to the single crystal silicon plate.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17591087A JPH0682846B2 (en) | 1987-07-16 | 1987-07-16 | Distributed pressure sensor |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP17591087A JPH0682846B2 (en) | 1987-07-16 | 1987-07-16 | Distributed pressure sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6420670A JPS6420670A (en) | 1989-01-24 |
| JPH0682846B2 true JPH0682846B2 (en) | 1994-10-19 |
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ID=16004379
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP17591087A Expired - Lifetime JPH0682846B2 (en) | 1987-07-16 | 1987-07-16 | Distributed pressure sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0682846B2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7352347B2 (en) | 1994-10-25 | 2008-04-01 | Fergason Patent Properties, Llc | Optical display system and method, active and passive dithering using birefringence, color image superpositioning and display enhancement with phase coordinated polarization switching |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5530798B2 (en) * | 2010-05-11 | 2014-06-25 | 東海ゴム工業株式会社 | Capacitance type sensor and sensor mounting structure |
| JP5577170B2 (en) * | 2010-06-30 | 2014-08-20 | 東海ゴム工業株式会社 | Load sensor |
-
1987
- 1987-07-16 JP JP17591087A patent/JPH0682846B2/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7352347B2 (en) | 1994-10-25 | 2008-04-01 | Fergason Patent Properties, Llc | Optical display system and method, active and passive dithering using birefringence, color image superpositioning and display enhancement with phase coordinated polarization switching |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6420670A (en) | 1989-01-24 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |