JPH0646171B2 - Pressure sensor - Google Patents
Pressure sensorInfo
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- JPH0646171B2 JPH0646171B2 JP23367687A JP23367687A JPH0646171B2 JP H0646171 B2 JPH0646171 B2 JP H0646171B2 JP 23367687 A JP23367687 A JP 23367687A JP 23367687 A JP23367687 A JP 23367687A JP H0646171 B2 JPH0646171 B2 JP H0646171B2
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は圧覚センサに関し、特に力の分布を検出するこ
とのできる圧覚センサに関するものである。The present invention relates to a pressure sensor, and more particularly to a pressure sensor capable of detecting force distribution.
［従来の技術］ 従来、主にロボットハンド等においては、圧覚検出によ
り把握力の強さ、面圧分布等の情報を得る目的で種々の
圧覚センサが提案されている。ホール素子を用いた従来
の圧覚センサを第７図および第８図に示す。[Prior Art] Conventionally, in a robot hand or the like, various pressure sensors have been proposed mainly for the purpose of obtaining information such as strength of grasping force and surface pressure distribution by pressure detection. A conventional pressure sensor using a Hall element is shown in FIGS. 7 and 8.
第７図は、従来の圧覚センサを示す断面図である。図
中、41はばねによって支持されたセンサヘッド、42はセ
ンサヘッド41に取り付けられたホール素子、43は永久磁
石、4Aはセンサヘッド41，ホール素子42および永久磁石
43より構成されるセンサ要素である。FIG. 7 is a sectional view showing a conventional pressure sensor. In the figure, 41 is a sensor head supported by a spring, 42 is a Hall element attached to the sensor head 41, 43 is a permanent magnet, 4A is a sensor head 41, a Hall element 42 and a permanent magnet.
It is a sensor element composed of 43.
第８図は、第７図に示した従来の圧覚センサを一列に並
べた図の正面時である。図中、41は第７図に示したのと
同様のセンサヘッドを表わす。図中、4Bおよび4Cは第７
図に示したセンサ要素4Aと同様な構成のセンサ要素であ
る。FIG. 8 is a front view of the conventional pressure sensor shown in FIG. 7 arranged in a line. In the figure, reference numeral 41 represents a sensor head similar to that shown in FIG. In the figure, 4B and 4C are the 7th
The sensor element has the same configuration as the sensor element 4A shown in the figure.
従来の圧覚センサの動作を、第７図を参照しつつ説明す
る。センサヘッド41に垂直方向から荷重Ｆが負荷される
と、センサヘッド41と共にホール素子42は、永久磁石43
が発生する磁界中を鉛直方向に変位し、この時の磁束密
度変化をホール素子42が検出することで、荷重Ｆが求ま
る。すなわち、センサヘッド41の変位に対応するホール
素子42の出力電圧を測定し、予め求めておいたすべての
センサ要素の特性を示すデータから、センサヘッド41に
加わる外力の荷重を求めていた。The operation of the conventional pressure sensor will be described with reference to FIG. When the load F is applied to the sensor head 41 from the vertical direction, the Hall element 42, together with the sensor head 41, causes the permanent magnet 43
The load F is obtained by displacing the magnetic field generated in the vertical direction in the vertical direction and detecting the change in magnetic flux density at this time by the Hall element 42. That is, the output voltage of the Hall element 42 corresponding to the displacement of the sensor head 41 is measured, and the load of the external force applied to the sensor head 41 is obtained from the data showing the characteristics of all the sensor elements obtained in advance.
ところが、従来の圧覚センサは、第７図に示すように各
センサ要素が複雑なメカニズムにより構成されているた
め、以下の問題点を有していた。However, the conventional pressure sensor has the following problems because each sensor element is configured by a complicated mechanism as shown in FIG.
(A) センサ要素を小型化することができず、負荷される
外力の荷重分布を高密度に検出することができない。(A) The sensor element cannot be downsized, and the load distribution of the applied external force cannot be detected with high density.
(B) センサ要素が厚く、かつ重いために、取付け可能な
ロボットハンドがおのずと限定される。(B) Since the sensor element is thick and heavy, the robot hand that can be attached is naturally limited.
(C) センサ要素を支える構造上の誤差、摩擦等によりセ
ンサ自身の特性にばらつきを生ずる。(C) The characteristics of the sensor itself vary due to structural errors and friction that support the sensor element.
従って、ロボット用圧覚センサとして性能、信頼性、共
に十分ではなかった。Therefore, the performance and reliability of the pressure sensor for the robot are not sufficient.
［発明が解決しようとする問題点］ 本発明の目的は、上記のような従来の問題点を解消し、
ロボット用圧覚センサとして十分な性能、信頼性を有す
る圧覚センサを提供することにある。[Problems to be Solved by the Invention] An object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems,
It is to provide a pressure sensor having sufficient performance and reliability as a robot pressure sensor.
［問題点を解決するための手段］ このような目的を達成するために、本発明の圧覚センサ
は、磁界を発生する複数個のコイルが配設されている第
一の基板と、複数個のコイルの磁束密度を検出する複数
個のホール素子が複数個のコイルの各々に対応する位置
に配設されている第二の基板とが、弾性体を介して積層
され、第一および第二の基板のいずれか一方は剛体であ
り、他方は可撓体であって、可撓体基板を覆う受圧層が
設けられていることを特徴とする。[Means for Solving the Problems] In order to achieve such an object, a pressure sensor of the present invention includes a first substrate on which a plurality of coils for generating a magnetic field are arranged, and a plurality of coils. A plurality of Hall elements for detecting the magnetic flux density of the coil are stacked at a position corresponding to each of the plurality of coils, and a second substrate is laminated via an elastic body. One of the substrates is a rigid body and the other is a flexible body, and a pressure receiving layer covering the flexible body substrate is provided.
［作用］ 本発明によれば、電流が流れているコイル配線と対向す
るホール素子との距離に応じて変化する磁束密度を、ホ
ール素子が検出することにより、受圧層に負荷された荷
重の分布を検出することができる。また、各ホール素子
の掃引とコイル配線への通電とを同期されることによ
り、センサ要素間の磁気的干渉を排除することができ
る。[Operation] According to the present invention, the distribution of the load applied to the pressure-receiving layer is achieved by detecting the magnetic flux density that changes according to the distance between the coil wiring in which the current is flowing and the opposing Hall element. Can be detected. Further, by synchronizing the sweep of each Hall element and the energization of the coil wiring, magnetic interference between the sensor elements can be eliminated.
［実施例］ 以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を詳細に説明す
る。Embodiments Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
実施例１ 第１図は、本発明による実施例の圧覚センサを示す斜視
図である。第２図は、第１図に示した圧覚センサの各要
素の分解斜視図である。両図において、11は受圧シー
ト、12はフレキシブルプリント板、13は弾性体シート、
14はシリコン板、15は基台である。また121 はコイル配
線、141 はホール素子である。１は圧覚センサ全体を表
わす。第２図において基台15に接着されたシリコン板14
には、半導体プロセスによりホール素子141 がアレイ状
に形成され、同時に、ホール素子141 の電気信号を掃
引、取り出すためのアナログスイッチ，増幅器，配線等
（三者とも図示せず）も設けられている。シリコン板14
上には、シリコンゴム等からできており復元力に優れ、
かつ適当な弾性率を有する弾性体シート13が接着されて
いる。弾性体シート13上には、ホール素子141 に対向す
る位置にコイル配線121 が設けられたフレキシブルプリ
ント板12が接着されている。このフレキシブルプリント
板12は適当な弾性率を有する受圧シート11により被覆さ
れている。なおフレキシブルプリント板12は、例えばポ
リイミドの樹脂表面に銅配線等を接着したものを用い
る。Embodiment 1 FIG. 1 is a perspective view showing a pressure sensor of an embodiment according to the present invention. FIG. 2 is an exploded perspective view of each element of the pressure sensor shown in FIG. In both figures, 11 is a pressure receiving sheet, 12 is a flexible printed board, 13 is an elastic sheet,
14 is a silicon plate and 15 is a base. Further, 121 is a coil wiring and 141 is a hall element. Reference numeral 1 represents the entire pressure sensor. Silicon plate 14 bonded to base 15 in FIG.
Hall elements 141 are formed in an array by a semiconductor process, and at the same time, analog switches, amplifiers, wirings and the like (not shown) for sweeping and extracting electric signals of the hall elements 141 are also provided. . Silicon plate 14
The upper part is made of silicone rubber and has excellent resilience,
An elastic sheet 13 having an appropriate elastic modulus is adhered. On the elastic sheet 13, a flexible printed board 12 provided with a coil wiring 121 at a position facing the Hall element 141 is adhered. The flexible printed board 12 is covered with a pressure receiving sheet 11 having an appropriate elastic modulus. As the flexible printed board 12, for example, a polyimide resin surface to which copper wiring or the like is adhered is used.
第３図は、第１図および第２図に示した圧覚センサの断
面図である。同図中の参照番号は、第１図および第２図
の参照番号と同様の意味を表わす。受圧シート11に垂直
方向の荷重Ｆが負荷されると、受圧シート11および弾性
体シート13が圧縮され、その結果、フレキシブルプリン
ト板12に設けられたコイル配線121 とコイル配線121 に
対向してシリコン板14上に設けられたホール素子141 と
の間の距離が変化する。FIG. 3 is a sectional view of the pressure sensor shown in FIGS. 1 and 2. The reference numbers in the figure have the same meanings as the reference numbers in FIGS. 1 and 2. When the load F in the vertical direction is applied to the pressure receiving sheet 11, the pressure receiving sheet 11 and the elastic sheet 13 are compressed, and as a result, the coil wiring 121 provided on the flexible printed board 12 and the silicon wire are opposed to the coil wiring 121. The distance from the Hall element 141 provided on the plate 14 changes.
この距離の変化により、コイル配線121 に発生していた
磁界が、ホール素子を貫く磁束を変化させる。Due to this change in the distance, the magnetic field generated in the coil wiring 121 changes the magnetic flux penetrating the Hall element.
第４図に、ホール素子の原理を示す。同図において、ホ
ール素子３に定電流Ｉを流し、これと直角に磁束密度Ｂ
の一様な磁界を加えると、定電流Ｉと磁束密度Ｂの両者
に直角の方向に起電圧が発生する。この発生した電圧を
ホール電圧VHといい、次式で表わされる。FIG. 4 shows the principle of the Hall element. In the figure, a constant current I is passed through the Hall element 3 and a magnetic flux density B is perpendicular to this.
When a uniform magnetic field is applied, an electromotive voltage is generated in a direction perpendicular to both the constant current I and the magnetic flux density B. This generated voltage is called the Hall voltage V H and is expressed by the following equation.
ここで、fHは形状および電極の影響に起因する形状効果
係数、RHはホール係数、ｔは素子の厚さである。上式よ
り、ホール電圧VHはホール素子３を貫く磁束密度Ｂに比
例する。 Here, f H is the shape effect coefficient due to the influence of the shape and the electrode, R H is the Hall coefficient, and t is the thickness of the element. From the above equation, the Hall voltage V H is proportional to the magnetic flux density B penetrating the Hall element 3.
第５図に、ホール素子の出力特性を示す。図中、横軸は
磁束密度Ｂ、縦軸はホール電圧VHである。これより、圧
覚センサ自身の特性曲線である出力電圧対荷重の曲線を
予め得ておけば、負荷された荷重を求めることができ
る。FIG. 5 shows the output characteristics of the Hall element. In the figure, the abscissa flux density B, and the vertical axis represents the Hall voltage V H. From this, if the curve of output voltage versus load, which is the characteristic curve of the pressure sensor itself, is obtained in advance, the applied load can be obtained.
実施例２ 第６図は、本発明の他の実施例である圧覚センサの断面
図である。図中、21は受圧シート、23は１個のホール素
子231 が設けられている微小なシリコンチップ、22はシ
リコンチップ23を保護する保護板、24は複数個のシリコ
ンチップ23が配設され、かつそれらから信号を取出すた
めのフレキシブルプリント板、25は弾性体シート、26は
剛性体プリント板、27は基台、211 は受圧面、261 はコ
イル配線である。２は圧覚センサ全体を表わす。Embodiment 2 FIG. 6 is a sectional view of a pressure sensor which is another embodiment of the present invention. In the figure, 21 is a pressure receiving sheet, 23 is a minute silicon chip provided with one Hall element 231, 22 is a protective plate for protecting the silicon chip 23, 24 is a plurality of silicon chips 23, Further, a flexible printed board for extracting signals from them, 25 is an elastic sheet, 26 is a rigid printed board, 27 is a base, 211 is a pressure receiving surface, and 261 is coil wiring. Reference numeral 2 represents the entire pressure sensor.
基台27上に接着された剛性体プリント板26には、コイル
配線261 が設けられている。剛性体プリント板26上に
は、弾性体シート25が接着され、弾性体シート25上には
フレキシブルプリント板24が接着されている。さらにフ
レキシブルプリント板24上にはコイル配線261 に対向す
る位置に、ホール素子231 及び、アナログスイッチ、増
幅器（両者とも図示せず）等が形成されたシリコンチッ
プ23がはんだ付けされている。シリコンチップ23上には
保護板22が接着され、これを覆う形で保護板22上に受圧
シート21が接着されている。The rigid printed board 26 adhered on the base 27 is provided with coil wiring 261. An elastic sheet 25 is adhered on the rigid printed board 26, and a flexible printed board 24 is adhered on the elastic sheet 25. Further, on the flexible printed board 24, a silicon chip 23 having a hall element 231, an analog switch, an amplifier (both not shown), etc., is soldered at a position facing the coil wiring 261. The protective plate 22 is adhered on the silicon chip 23, and the pressure receiving sheet 21 is adhered on the protective plate 22 so as to cover the silicon chip 23.
実施例２においては、受圧シート21の受圧面211 に荷重
Ｆが印加されると、受圧シート21の下に保護板22を介し
て設けられたシリコンチップ23内のホール素子231 が変
位する。これによりホール素子231 と、剛性体プリント
板26に設けられたコイル配線261 との間の距離が変化す
る。この距離に対応した磁束密度をホール素子231 が検
知することで、受圧シート21に加えられた荷重を求め
る。In the second embodiment, when the load F is applied to the pressure receiving surface 211 of the pressure receiving sheet 21, the Hall element 231 in the silicon chip 23 provided below the pressure receiving sheet 21 via the protective plate 22 is displaced. As a result, the distance between the hall element 231 and the coil wiring 261 provided on the rigid printed board 26 changes. The Hall element 231 detects the magnetic flux density corresponding to this distance to obtain the load applied to the pressure receiving sheet 21.
実施例１においてはホール素子はシリコン板に配設され
ているのに対して、実施例２では複数個のコイル配線は
基板に支持された剛性体プリント板に配設されている。
従って、ホール素子が設けられた基板と、コイル配線が
設けられた基板との積層順序は異なっていても、ホール
素子が、コイル配線とホール素子との間に距離に対応し
た磁束密度を検知することで、外力の荷重を求める点は
同じである。In the first embodiment, the Hall element is arranged on the silicon plate, whereas in the second embodiment, the plurality of coil wirings are arranged on the rigid printed board supported by the substrate.
Therefore, even if the substrate on which the Hall element is provided and the substrate on which the coil wiring is provided differ in the stacking order, the Hall element detects the magnetic flux density corresponding to the distance between the coil wiring and the Hall element. Therefore, the point of obtaining the load of the external force is the same.
さらに、実施例１および実施例２では、コイルへの通電
はパワートランジスタ等によるスイッチングを行ない、
ホール素子の掃引と同期をとることで、ホール素子に対
向するコイル配線により発生する磁界のみを検出でき
る。従って、センサ要素間の磁気的干渉を排除できる。Furthermore, in Embodiments 1 and 2, the coil is energized by switching with a power transistor or the like,
By synchronizing with the sweep of the Hall element, only the magnetic field generated by the coil wiring facing the Hall element can be detected. Therefore, magnetic interference between the sensor elements can be eliminated.
本発明においては、ホール素子とそれに対向するコイル
配線からなるセンサ要素をアレイ状に配列しているの
で、センサ要素の出力パターンから加圧物体の形状識別
や力の分布を検出することも可能である。In the present invention, since the sensor elements including the Hall elements and the coil wirings facing the Hall elements are arranged in an array, it is possible to detect the shape identification and the force distribution of the pressurized object from the output pattern of the sensor elements. is there.
［発明の効果］ 以上説明したように、本発明による圧覚センサは、被加
圧層とホール素子とホール素子に対向する位置に、コイ
ル配線が設けられたプリント板より構成されていること
により、電流が流れるコイル配線と対向するホール素子
との距離に基づく磁束密度を、ホール素子が検出するこ
とにより、被加圧層に負荷された荷重を検出することが
できる。また、各ホール素子の掃引とコイル配線への通
電とを同期させることにより、センサ要素間の磁気的干
渉を排除することができる。[Effects of the Invention] As described above, the pressure sensor according to the present invention is configured by the pressure-applied layer, the Hall element, and the printed board provided with the coil wiring at the position facing the Hall element. The load applied to the layer to be pressed can be detected by the Hall element detecting the magnetic flux density based on the distance between the coil wiring through which the current flows and the opposing Hall element. Further, by synchronizing the sweep of each Hall element and the energization of the coil wiring, magnetic interference between the sensor elements can be eliminated.
本発明の圧覚センサは、構造が簡単であるために堅牢
で、信頼性も高くなる。Since the pressure sensor of the present invention has a simple structure, it is robust and highly reliable.
更に前記ホール素子を半導体プロセスにより、スキャニ
ングのためのアナログスイッチやアンプ，配線等と共
に、１枚のシリコン板上に形成すれば、センサ要素を高
密度に配列でき、しかも加工、組立工程を簡素化でき
る。Further, if the Hall element is formed on a single silicon plate by a semiconductor process together with an analog switch, an amplifier, wiring for scanning, etc., the sensor elements can be arranged at high density and the processing and assembling steps are simplified. it can.
第１図は、本発明の実施例の圧覚センサの斜視図、 第２図は、第１図に示した圧覚センサの分解斜視図、 第３図は、第１図および第２図に示した圧覚センサの断
面図、 第４図は、ホール素子の原理を示す説明図、 第５図は、ホール素子の出力特性図、 第６図は、本発明の別の実施例を示す圧覚センサの断面
図、 第７図は、従来の圧覚センサ要素を示す断面図、 第８図は、従来の圧覚センサの正面図である。 11……受圧シート、 12……フレキシブルプリント板、 121 ……コイル配線、 13……弾性体シート、 14……シリコン板、 141 ……ホール素子、 15……基台、 21……受圧シート、 211 ……受圧面、 23……シリコンチップ、 231 ……ホール素子、 24……フレキシブルプリント板、 25……弾性体シート、 26……剛性体プリント板、 261 ……コイル配線、 27……基台。1 is a perspective view of a pressure sensor according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an exploded perspective view of the pressure sensor shown in FIG. 1, and FIG. 3 is shown in FIGS. 1 and 2. Sectional view of the pressure sensor, FIG. 4 is an explanatory view showing the principle of the Hall element, FIG. 5 is an output characteristic view of the Hall element, and FIG. 6 is a section of the pressure sensor showing another embodiment of the present invention. FIG. 7 is a cross-sectional view showing a conventional pressure sensor element, and FIG. 8 is a front view of the conventional pressure sensor element. 11 …… Pressure receiving sheet, 12 …… Flexible printed board, 121 …… Coil wiring, 13 …… Elastic sheet, 14 …… Silicon plate, 141 …… Hall element, 15 …… Base, 21 …… Pressure receiving sheet, 211 …… Pressure receiving surface, 23 …… Silicon chip, 231 …… Hall element, 24 …… Flexible printed board, 25 …… Elastic sheet, 26 …… Rigid printed board, 261 …… Coil wiring, 27 …… Base Stand.
Claims (4)
ている第一の基板と、前記複数個のコイルの磁束密度を
検出する複数個のホール素子が前記複数個のコイルの各
々に対応する位置に配設されている第二の基板とが、弾
性体を介して積層され、前記第一および第二の基板のい
ずれか一方は剛体であり、他方は可撓体であって、該可
撓体基板を覆う受圧層が設けられていることを特徴とす
る圧覚センサ。1. A first substrate on which a plurality of coils for generating a magnetic field are arranged, and a plurality of Hall elements for detecting a magnetic flux density of the plurality of coils are provided in each of the plurality of coils. A second substrate arranged at a corresponding position is laminated via an elastic body, one of the first and second substrates is a rigid body, and the other is a flexible body, A pressure sensor comprising a pressure-receiving layer covering the flexible substrate.
であり、かつ前記第二の基板がシリコン板であることを
特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の圧覚センサ。2. The pressure sensor according to claim 1, wherein the first substrate is a flexible printed board, and the second substrate is a silicon board.
り、かつ前記第二の基板がフレキシブルプリント板であ
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の圧覚
センサ。3. The pressure sensor according to claim 1, wherein the first substrate is a rigid printed board, and the second substrate is a flexible printed board.
を、ホール素子の掃引と同期させることを特徴とする特
許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかの項に記載
の圧覚センサ。4. The pressure sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein energization of a coil facing the hall element is synchronized with sweeping of the hall element.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23367687A JPH0646171B2 (en) | 1987-09-19 | 1987-09-19 | Pressure sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23367687A JPH0646171B2 (en) | 1987-09-19 | 1987-09-19 | Pressure sensor |
Publications (2)
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|---|---|
| JPS6478122A JPS6478122A (en) | 1989-03-23 |
| JPH0646171B2 true JPH0646171B2 (en) | 1994-06-15 |
Family
ID=16958788
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23367687A Expired - Lifetime JPH0646171B2 (en) | 1987-09-19 | 1987-09-19 | Pressure sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| JP (1) | JPH0646171B2 (en) |
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