JP2013178241A - 圧力感知センサ搭載配線板 - Google Patents

Abstract

【課題】 配線の複雑化を招くことなく、不感部を減らして、ロボットの圧触覚検知感度を高めることができる、圧力感知センサ搭載配線板、及び当該配線板を組み込んだロボットを提供する。
【解決手段】 １枚のフレキシブルプリント配線板上に、複数個の圧力感知センサが搭載された圧力感知センサ搭載配線板であって、前記圧力感知センサは、ピエゾプラスチックフィルムの両面に電極が設けられてなり、前記電極は、前記フレキシブルプリント配線板と電気的接続されている。前記電気的接続は、導電性接着剤又は融点が１５０℃以下の半田による接合を用いた電気的接続であってもよく、前記接合は異方導電性接着剤による接合であってもよい。
【選択図】 図２

Description

本発明は、フレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ板）に複数の圧電素子を搭載した圧力感知センサ搭載配線板に関し、特に、ヒト型ロボットの皮膚触覚センサ等に代表される圧覚センサとして好適に用いることができる圧力感知センサ搭載配線板に関する。

例えば、人間とコミュニケーションがとれるヒト型ロボット等のロボットでは、触れられたり、握られたり、叩かれたりしたときに応答できるように、人間の触覚に対応する圧覚センサとして、ロボットが受ける刺激圧力を感知する圧力感知センサを、腕等の部位における皮膚材料中に埋め込んでいる。

このような圧力感知センサとしては、一般に、皮膚の柔軟性、腕等の動作追随性の観点から、プラスチックフィルムからなる圧電素子が用いられ、例えば、図８に示すように、ロボットの腕１００の主要な部位に配置している。図８中、１０１は、ピエゾプラスチックフィルムからなる圧力感知センサであり、圧力感知センサ１０１が圧力を受けたときに発生する電圧は、該圧力感知センサ１０１に電気的に接続されたアンプ、Ａ／Ｄ変換器を備えた信号変換部１０２により、データ信号に変換されて、通常、肩部や胸部に設置された制御コンピュータ部１０３へ入力される。

ロボットにおける不感帯を少なくするためには、腕や足などに配置する圧力感知センサ数を増やすことが望まれる。しかしながら、図８に示す態様では、圧力感知センサ１０１の数の増加に伴って、Ａ／Ｄ変換器やアンプ等の信号変換部１０２の数も増加させる必要があり、ロボットの軽量化の支障となるばかりか、制御コンピュータ部１０３へのケーブル配線も複雑化することになる。

このような事情から、ロボットのコミュニケ−ション能力を高めるために、制御コンピュータ部１０３への配線の複雑化を招くことなく、不感帯を少なくする方法が検討されている。

例えば、特開２００４−３４２５１号公報（特許文献１）では、ロボットに取り付ける圧力感知センサ（皮膚センサ）数を減らしても、不感帯を少なくできる方法として、皮膚に見立てた２枚のクッション材間に、圧力感知センサとなるフィルム状の圧電素子を挟み込み、圧力感知センサからの信号をワンショット回路付きの増幅アンプを介してコントローラへ入力するシステムを提案している。このような圧力感知センサ（皮膚センサ）を、肩部、上腕部、前腕部に用いることで、刺激圧力を受ける部位の真下に圧力感知センサが配置されていなくても、クッション材が大きく押された結果、離れたところに配置されていたピエゾプラスチックフィルムも変形して、信号が得られるので、ロボット本体に貼付する皮膚センサ数を減らして、不感帯を減らすことができるとしている。

一方、特許３７０６１１３号（特許文献２）及び特開２００６−１２３１４０号公報（特許文献３）には、圧覚情報の検知精度を上げるために、さらには全身の触覚イメージを獲得できるように、複数のピエゾセンサシートを、皮膚中に分散配置することを提案している。

特許文献２では、Ａ／Ｄ変換器及びマイコンを搭載した基板が複数のピエゾセンサシートを受け持ち、この基板をピエゾセンサシート近傍に配置し、これらの基板とコンピュータをシリアルケーブルで接続することが提案されている（特許文献２の図５、段落００４０−００４５）。また、基板のピエゾセンサシート用の１対の端子間に、ノイズ除去用コンデンサを接続することで、ピエゾセンサシートからの電圧のノイズを除去した後、信号増幅、Ａ／Ｄ変換することが提案されている。このようにすることで、ピエゾセンサシート数が増加しても、対応するデータ信号発生のための部品（Ａ／Ｄ変換器など）を増加させずに済み、さらには、信号を制御コンピュータ部へ入力するための配線も簡素化することができる。

尚、特許文献２及び特許文献３で例示されているピエゾセンサシートは、いずれも米国ＭＳＩ社製、株式会社東京センサ販売の圧電フィルム（ＰＶＤＦフィルム）である。この圧電フィルムは、例えば、東京センサの新製品情報（非特許文献１）にもあるように、ＰＶＤＦフィルムの片面又は両面に印刷等により設けられた金属電極に、リード線（ＤＴセンサ、ＬＤＴセンサ）、あるいはコネクタ付きフラット電線（ＦＤＴシリーズ）を接続したものとして市販されている。

特開２００４−３４２５１号公報 特許２７０６１１３号公報 特開２００６−１２３４１０号公報

ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｈｉｎｓｅｉｈｉｎｊｏｈｏ．ｊｐ／ｃｈａｌｌｅｎｇｅ２１／０９０７０３／ｉｎｄｅｘ．ｐｈｐ

以上のように、ロボット重量の増大を招くことなく、不感帯を出来るだけ少なくして、圧覚情報の検知精度を上げる方法が提案されているが、特許文献１の方法では、クッション材を介して伝達される圧力を離れた位置に配置された圧力感知センサで検知していることから、圧覚検知感度としては、不十分である。

特許文献２の方法では、電圧信号発生のための部品数の増大、制御部への配線の複雑化を回避しつつ、ピエゾセンサシート数を増やすことを可能としているが、不感帯をより少なくするためには、分散配置させるピエゾセンサシート数を増加する必要があり、結果として、基板数を増加することになるので、ロボット軽量化、配線簡素化には、さらなる改善が求められる。

また、圧電素子を構成するピエゾフィルムとして用いられているＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）は、耐熱温度が８０℃程度であることから、半田等を用いてリード線接続する場合、ＰＶＤＦフィルムが熱劣化、熱変形してしまうという問題もあり、耐熱性等の点からも改善が求められている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、配線の複雑化を招くことなく、不感部を減らして、ロボットの圧触覚検知感度を高めることができる、圧力感知センサ搭載配線板、及び当該配線板を組み込んだロボットを提供することにある。

本発明の圧力感知センサ搭載配線板は、１枚のフレキシブルプリント配線板上に、複数個の圧力感知センサが搭載されており、前記圧力感知センサは、ピエゾプラスチックフィルムの両面に電極が設けられてなり、前記電極は、前記フレキシブルプリント配線板と電気的接続されている。取付け部位に応じた外形を採ることができるので、彎曲部などの複雑形状を有する部位にも、複雑な配線を招くことなく、複数の圧力感知センサを配置することができる。また、１枚のフレキシブルプリント配線板上に、複数の圧力感知センサが備えつけられているので、所定面積あたりに配置できる圧力感知センサ個数を容易に増加することができる

前記電気的接続は、導電性接着剤又は融点が１５０℃以下の半田による接合を用いた電気的接続であってもよい。導電性接着剤又は融点が１５０℃以下の半田による接合を用いることで、ピエゾプラスチックフィルムに設けられた電極とフレキシブルプリント配線板との接合を、直接的に接合することができ、これにより、フレキシブルプリント配線板における接合用スペースが不要となるので、圧力感知センサ搭載配線板のコンパクト化を図ることが可能であるとともに、所定面積当たりに配置できる圧力感知センサ個数の増加も容易となる。

前記接合は異方導電性接着剤による接合であってもよい。異方導電性接着剤を用いることで、電極間距離及び／又は端子間距離が１．５ｍｍ以下のように狭い場合や、電極や端子のサイズが小さく、各電極及び／又は各端子の接合面の最狭部が３ｍｍ以下であるような場合であっても、各電極と各端子とを容易に１対１対応で電気的接続できる。

前記接合は、複数の前記電極と前記フレキシブルプリント配線板上の複数の端子との接続であり、該各電極は、それぞれ対向している該各端子と１対１対応で電気的に接続されていてもよい。これにより、センサ間の距離をより小さくすることができ、所定面積当たりに配置できる圧力感知センサ個数をさらに増やすことができる。

前記フレキシブルプリント配線板には、電極が設けられていて、該電極が前記圧力感知センサの電極を兼用することにより接続されていてもよい。電極を兼用することは生産性の点で有利である。

また、前記１枚のフレキシブルプリント配線板が圧力感知センサの両面の電極と電気的接続していてもよいし、圧力感知センサの片面の電極は、搭載される前記１枚のフレキシブルプリント配線板と接続され、他面の電極は、別のフレキシブルプリント配線板と接続されていてもよい。１枚のフレキシブルプリント配線板が圧力感知センサの両面の電極と電気的接続していれば、フレキシブルプリント配線板を積層しなくてもよい。

前記ピエゾプラスチックフィルムは多孔質ピエゾプラスチックフィルムであることが好ましい。多孔質ピエゾプラスチックフィルムは圧電性を有し、焦電性を有しないので、温度変化の影響を受けにくいという利点があり、また、厚み方向の応力によってのみ電圧が発生し、面方向の引張による電圧発生がほとんど起こらないので、面方向の伸びを考慮して、圧力感知センサの配置間隔を決める必要はなく、感圧部個数の増大が容易となる。

また、前記ピエゾプラスチックフィルムは、多孔質フッ素系樹脂のピエゾプラスチックフィルムであることがより好ましい。フッ素樹脂系フィルムは、オレフィン系プラスチックフィルムと比べて、耐熱性、耐薬品性に優れているからである。

また、前記フレキシブルプリント配線板には、さらにＡ／Ｄ変換器が搭載されていて、該Ａ／Ｄ変換器と前記圧力感知センサとは配線接続されていてもよい。信号変換部品を圧力感知センサと同じＦＰＣ板に搭載することで、ＦＰＣ板に搭載される複数の圧力感知センサからの圧力データを、効率よく増幅、変換して、信号データを作製できる。

本発明の圧力感知センサ搭載配線板は、ロボット本体に被せられる柔軟素材に埋設されて使用することに適している。フレキシブルプリント配線板の外形形状も取付部位に応じて、適宜カット等することができるので、圧力感知センサ搭載配線板の外形形状として、ヒト型ロボットの手、足、腕のような複雑な形状にも対応可能となる。

以上のような本発明の圧力感知センサ配線板が、柔軟材料間に埋め込まれているロボットも、本発明に包含される。これにより、高度な触覚を有するロボットを提供することができる。

本発明の圧力感知センサ搭載配線板は、フレキシブルプリント配線板上に圧力感知センサが搭載されているので、複雑な配線をしなくても、搭載する圧力感知センサ個数を増やすことが容易であり、ロボットなどの圧覚感度の向上に有用である。さらに、本発明の圧力感知センサ搭載配線板は、取付け部位に応じた外形を採ることができるので、彎曲部などの複雑形状を有する部位にも、複雑な配線を招くことなく、複数の圧力感知センサを配置することができる。

本発明の圧力感知センサ搭載配線板の電気的接続の一実施形態を説明するための構成模式図である。 本発明の圧力感知センサ搭載配線板における導電性接着剤を用いた接合を説明するための構成模式図である。 本発明の圧力感知センサ搭載配線板における導電性接着剤を用いた接合の他の例を説明するための構成模式図である。 本発明の圧力感知センサ搭載配線板における導電性接着剤を用いた接合の他の例を説明するための構成模式図である。 本発明の圧力感知センサ搭載配線板における電極と端子との接合の例を説明するための構成模式図である。 本発明の圧力感知センサ搭載配線板における電気的接続の他の例を説明するための構成模式図である。 本発明の圧力感知センサ搭載配線板の使用例を説明するための模式図である。 圧力感知センサを備えた従来のロボットの腕部を説明するための模式図である。

以下に本発明の実施の形態を説明するが、今回、開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の圧力感知センサ搭載配線板は、１枚のフレキシブルプリント配線板上に、複数個の圧力感知センサが搭載された圧力感知センサ搭載配線板であって、前記圧力感知センサは、ピエゾプラスチックフィルムの両面に電極が設けられてなり、前記電極が、前記フレキシブルプリント配線板と電気的接続されているものである。

はじめに、本発明の圧力感知センサ搭載配線板に用いられる圧力感知センサについて説明する。本発明で用いられる圧力感知センサは、圧電性を有するピエゾプラスチックフィルムであればよく、例えば、上述の特許文献２、３で用いられていたようなＰＶＤＦフィルム、多孔質プラスチックフィルムなどを圧電処理したものを用いることができ、好ましくは多孔質プラスチックフィルムを圧電処理したものである。

これらのプラスチックフィルムに施す圧電処理方法としては、公知の方法を採用でき、例えば、フィルムの両面に設けた電極間に、高電圧を印加する方法、電子線を照射する方法、フィルムから所定間隔をあけて、コロナ放電する方法などにより圧電性を付与することができる。

本発明で使用する多孔質プラスチックフィルムの種類は特に限定せず、多孔質体の製造方法（延伸方法、発泡剤使用、相分離化法など）、気孔タイプ（独立気泡タイプ、連続気泡タイプ）についても特に限定しない。多孔質ピエゾプラスチックフィルムとしては、例えば、多孔質ポリエチレン、多孔質ポリプロピレン等の公知の多孔質ポリオレフィン、公知の多孔質フッ素樹脂フィルムなどを用いることができる。これらのうち、特に多孔質フッ素樹脂フィルムが好ましく用いられ、より好ましくは延伸多孔質フッ素樹脂フィルム、特に好ましいのが、延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）である。フッ素樹脂系フィルムは、オレフィン系プラスチックフィルムと比べて、耐熱性、耐薬品性に優れているという利点がある。

多孔質プラスチックフィルムとしては、市販品を用いてもよく、例えば、Ｅｍｆｉｔ社のＥｍｆｉｔ（登録商標）フェロエレクトレットフィルム、ゴアテックス社のゴアテックス（登録商標）、住友電工ファインポリマー社の「ポアフロン」（登録商標）などを用いることができる。
また、独立気泡タイプの多孔質プラスチックフィルムとしては、特開２０１１−１８８９７号公報、特開２０１１−２１０８６５号公報に開示されているような、ピエゾプラスチックフィルムを用いることもできる。

ＰＶＤＦフィルムは、分子及び結晶構造に起因して圧電性、焦電性を発揮することから、ＰＶＤＦピエゾプラスチックフィルムでは、温度変化の影響がノイズとしてセンサ特性に影響を及ぼしやすい。この点、多孔質プラスチックフィルムは、通常、面方向を長軸とする断面楕円の円盤状空孔の上下面にプラス、マイナスの電荷がトラップされることにより、圧電性を有し、焦電性を有しないので、温度変化の影響を受けにくいという利点がある。さらに、ＰＶＤＦピエゾプラスチックフィルムは、フィルムの厚み方向のみならず、面内方向の応力によっても電圧が発生する。このため、ＰＶＤＦピエゾプラスチックフィルム製圧力感知センサが設けられた部分から離された位置に受けた応力により、搭載しているフレキシブルプリント配線板や人工皮膚等を介して面方向の伸びを受けると、信号を発生してしまうことがある。このように、ＰＶＤＦピエゾプラスチックフィルムでは、ノイズを感知しやすく、このようなノイズ発生を小さくするためには、圧力感知センサの配置間隔をある程度、大きめにとる必要があり、感圧部の個数増加の制限となっている。一方、多孔質プラスチックフィルム製圧力感知センサでは、厚み方向の応力によってのみ電圧が発生し、面方向の引張による電圧発生がほとんど起こらないので、面方向の伸びを考慮して、圧力感知センサの配置間隔を決める必要はなく、感圧部個数の増大が容易である。

また、優れた耐熱性は、後述するように、ピエゾプラスチックフィルム上に設けられた電極と、フレキシブルプリント配線板とを、導電性接着剤や半田付けを用いて接合する場合に有利である。すなわち、導電性接着剤や半田により接合する場合、通常、導電性接着剤の場合には１３０〜１８０℃、共晶半田の場合には１９０〜２２０℃、低温半田の場合には１００〜１５０℃で加熱して接合する。従って、耐熱性が低いピエゾプラスチックフィルムを使用する場合には、熱が伝わらないように、接合部と感圧部との間の距離を長くする必要があるが、このことは、フレキシブルプリント配線板上に配置できる感圧部密度（一定面積のフレキシブルプリント配線板上に配置される感圧部個数）を高める支障となる。よって、フレキシブルプリント配線板上に搭載する感圧部個数を増大するためには、耐熱性を有するピエゾプラスチックフィルム、好ましくは、多孔質フッ素樹脂フィルム、特に多孔質ＰＴＦＥフィルムを用いることが好ましい。

以上のようなピエゾプラスチックフィルムは、通常、両面に電極を形成して用いられる。電極は、プラスチックフィルムの両面に、金属やカーボンを蒸着、あるいは金属やカーボンペーストを印刷することにより、直接、ピエゾプラスチックフィルム面上に形成してもよいし、接着剤付き金属箔、あるいは樹脂フィルム上に金属やカーボンを蒸着又は印刷した電極付きシートをピエゾプラスチックフィルムに貼付すること等により形成してもよい。

なお、後述するように、フレキシブルプリント配線板に形成された電極を共用する場合には、ピエゾプラスチックフィルムに電極が形成されていなくてもよい。

以上のようなピエゾプラスチックフィルム製圧力感知センサと、フレキシブルプリント配線板に設けられた電極、配線パターンとの接合は、特に限定しないが、ビス留め、導電性接着剤による接着、半田付けなどが挙げられる。具体的には、図１〜図４に示すような接合方法が挙げられる。

図１は、片面に配線パターンを有するフレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ板）１０上に搭載した圧力感知センサ２０をビス留めにより接合して電気的接続を行った一例を示している。

フレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ板）１０は、ポリイミド等の絶縁性及び耐熱性を有するベースフィルムの片面に、金属ペースト印刷、金属蒸着、あるいはベースフィルムに貼りつけられた銅箔等の金属箔を現像、エッチング等することにより、配線パターンが形成されていたり、さらには、外部端子が設けられたりしている。図１において、１１ａ，１１ｂ、１１ａ’，１１ｂ’はＦＰＣ板１０上の端子（形成された配線パターンの一部又は接続端子）である。

図１で用いられているフィルム状圧力感知センサ２０は、圧電性を有するピエゾプラスチックフィルム２１の両面に設けられた電極２２ａ、２２ｂとして、接着剤付き金属箔、あるいは電極付きシートを使用しており、電極２２ａ、２２ｂを構成する金属箔又は電極付きシートのサイズは、ピエゾプラスチックフィルム２１からはみ出す程度に大きい（長い）。電極２２ｂ、２２ａのはみ出し部分は、フレキシブルプリント配線板と接合するためのビスが貫通する部分であり、図１において、電極２２ｂのはみ出し部分が、フレキシブルプリント配線板１０上の端子１１ｂ（１１’ｂ）と、ビス２３を介して接合され、電極２２ａのはみ出し部分が、フレキシブルプリント配線板１０上の端子１１’ａ（１１ａ）と、ビス２３’を介して接合されることにより電極と端子が電気的に接続されている。

図１のような電気的接続は、接合位置をピエゾプラスチックフィルム２１から離れた部分に設けることができる点、さらにビス留めの場合には、接合時に加熱という工程を要しないことから、耐熱性に乏しいピエゾプラスチックフィルム製圧力感知センサを使用する場合に好適である。

図２、図３、図４は、導電性接着剤を用いて、圧力感知センサ２０と、ＦＰＣ板１０上に設けられた端子１２，１２’（図３，図４の場合は１２ａ、１２ｂ）とを接合する場合の例を示している。

ここで、導電性接着剤とは、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂、フェノキシ樹脂等の熱可塑性樹脂に、導電性粒子（Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕ、半田等の金属粒子、金属を被覆した粒子など）及び硬化剤（イミダゾール系、ヒドラジド系、アミン系など）を含有する接着剤であり、好ましくはフィルム状導電性接着剤である。
導電性接着剤として、異方性を有しない導電性接着剤と異方導電性接着剤のいずれも用いることができる。異方導電性接着剤は導電性粒子を接合方向（フィルム状接着剤の場合にはフィルムの厚み方向）に配向させるため、導電性粒子として針状粒子又は微細な金属粒が直鎖状につながった形状のものを用いることが好ましく、また、導電性粒子は磁性を有していることが好ましい。。
導電性接着剤が、加熱により軟化溶融後、硬化することにより、被着体となる圧力感知センサ２０の電極２２ａ、２２ｂと、接続端子１２，１２’（１２ａ、１２ｂ）とを接合することができる。
図２中、１３，１３’、図３及び図４中、１３ａ、１３ｂは、いずれも導電性接着剤の硬化物を示している。

図２の態様では、圧力感知センサ２０として、ＦＰＣ板１０に対向していない側の電極２２ｂとして、図１のように、ピエゾプラスチックフィルム２１からはみ出す電極付きフィルムを使用し、はみ出し部分が、導電性接着剤を介して、端子１２’と接合している。

尚、図２中、１４は、圧力感知センサ２０をＦＰＣ板１０に安定的に固定するための接着シートであり、なくても構わない（図３の態様についても同様）。

図３の態様では、ピエゾプラスチックフィルム２１の両面に、蒸着又は印刷等により、あるいはフィルム２１とほぼ等しいサイズの金属箔又は電極付きシートが貼付されることにより、電極２２ａ、２２ｂの双方が形成されたものであって、接合のためのリード線となるようなはみ出し部分を有しない圧力感知センサを用いている。ＦＰＣ板としては、圧力感知センサ２０、その他の部品が搭載されるＦＰＣ板１０ａと、接地側と反体側の面の電極２２ｂと接合される端子１２ｂが取り付けられた接合用ＦＰＣ板１０ｂの組合せが用いられている。ＦＰＣ板１０ｂは、例えば、接地側のＦＰＣ板１０ａ上に積層されたものであってもよいし、ＦＰＣ板１０ａに切り込みを入れることにより作成された切り込み部であってもよい。

さらに、図４に示すように、１枚のＦＰＣ板１０をＵ字状に折り曲げて、ＦＰＣ板１０の２箇所の端子１２ａ、１２ｂと電極２２ａ、２２ｂとを、それぞれ接合するようにしてもよい。このような接合では、別のＦＰＣ板１０ｂを積層したり、ＦＰＣ板１０ｂを作成するための切り込み等の加工等が不要であり、汎用性のあるＦＰＣ板を、そのまま利用できるという利点がある。

導電性接着剤１３を用いた電極２２と端子１２との接合は、１つの電極と１つの端子との接合に限らず、図５に示すように、（ｉ）複数の電極と１つの端子との接合、（ｉｉ）１つの電極と複数の端子との接合、（ｉｉｉ）（ｉｖ）複数の電極と複数の端子との接合であってもよい。

図５（ｉ）〜（ｉｖ）の態様において、導電性接着剤１３として異方性を有しない導電性接着剤と異方導電性接着剤のいずれも用いることができるが、電極間や端子間を短絡せずに接合する場合は導電性接着剤１３として異方導電性接着剤を用いることが好ましい。図５（ｉｖ）に示すように、互いに対向している複数の電極２２と複数の端子１２とを接合する態様において、導電性接着剤１３として異方導電性接着剤を用いることで電極と端子とが１対１対応で電気的接続される。１対１対応で電気的接続することにより各電気的接続毎に１つのセンサを配設することができる。

図２〜図５において、異方性を有しない導電性接着剤に代えて、融点が１５０℃以下の半田（「低温半田」と称する場合がある）付けを行うこともできる。融点が１５０℃以下の半田としては、例えば、Ｓｎ−５２Ｉｎ（融点１１７℃）、Ｉｎ−３Ａｇ（融点１４１℃）、Ｓｎ−３０Ｉｎ−５４Ｂｉ（融点８１℃）、１６Ｓｎ−５２Ｂｉ−３２Ｐｂ（融点９５℃）、４２Ｓｎ４２−５８Ｂｉ（融点１３８℃）などを用いることができる。

以上のように、導電性接着剤又は融点が１５０℃以下の半田付けを用いる接合によれば、図３、図４に示す態様のように、ピエゾプラスチックフィルムに設けられた電極とフレキシブルプリント配線板との接合を、直接的に接合することができ、これにより、ＦＰＣ板における接合用スペースが不要となるので、圧力感知センサ搭載配線板のコンパクト化を図ることが可能であるとともに、所定面積当たりに配置できる圧力感知センサ個数の増加も容易となる。すなわち、感圧部を増やすことが可能となり、ロボットの圧覚感度を、搭載するセンサ個数の増大により高めることができる。

特に、異方導電性接着剤を用いる場合には、電極間距離及び／又は端子間距離が１．５ｍｍ以下のように狭い場合や、電極や端子のサイズが小さく、各電極及び／又は各端子の接合面の最狭部が３ｍｍ以下であるような場合であっても、各電極と各端子とを容易に１対１対応で電気的接続できるため、センサ間の距離をより小さくすることができ、所定面積当たりに配置できる圧力感知センサ個数をさらに増やすことができる。

尚、ピエゾプラスチックフィルムに設けられた電極との直接的接合、導電性接着剤又は低温半田を用いる接合には、ピエゾプラスチックフィルム自体に、高度な耐熱性が要求されることになるが、この点、多孔質フッ素樹脂系フィルム、特に多孔質ＰＴＦＥ、特に延伸多孔質ＰＴＦＥを使用することで、可能となる。

図１〜図４に示す態様の圧力感知センサ搭載配線板では、圧力感知センサとして、ピエゾプラスチックフィルムの両面に電極を設けたものを用いたが、本発明は、これに限定しない。例えば、ＦＰＣ板に設けた電極を、ピエゾプラスチックフィルム上の電極と兼用するようにしてもよい。図６は、電極３１ａ、３１ｂが配線とともに形成されている２枚のＦＰＣ板３０ａ、３０ｂで、ピエゾプラスチックフィルムとなることができるプラスチックフィルム（ＰＶＤＦフィルムや多孔質フッ素樹脂フィルムなど）４１を挟持した場合を示している。かかる圧力感知センサ搭載配線板では、電極３１ａ、３１ｂを備えたＦＰＣ板で圧電性獲得可能なプラスチックフィルム４１を挟持することにより、各ＦＰＣ板の電極３１ａ、３１ｂが、それぞれピエゾプラスチックフィルムの対向面の電極となる。

以上のような構成を有する圧力感知センサ搭載配線板は、ロボットが皮膚その他の表面で受けた圧力を感知して、その該当部分の圧力感知センサが変形し、変形量に対応して、ピエゾプラスチックフィルムの両面電極間で発生した電圧が、フレキシブルプリント配線を通って、ＦＰＣ板に取り付けられた増幅器、Ａ／Ｄ変換器等によりデータ信号に変換されて、制御コンピュータ部へ入力される。フレキシブルプリント配線板に搭載された複数の圧力感知センサは、互いに独立して圧力を感知し、電圧を発生することができ、制御コンピュータへ信号を入力する。

このような、圧力感知センサ搭載配線板は、フレキシブルプリント配線板上に、複数の圧力感知センサが備えつけられているので、所定面積あたりに配置できる圧力感知センサ個数を容易に増加することができる。しかも、制御コンピュータ部への信号入力は、各フレキシブルプリント配線板を、制御コンピュータ部に直接接続することにより行うことができる。従って、複雑な配線やワイヤのからみなど、サイズ的な制限を受けることがないので、フレキシブルプリント配線板の配線パターンを種々工夫することで、多数の圧力感知センサを分散配置させることができる。

尚、本発明の圧力感知センサ搭載配線板は、搭載する圧力感知センサ数については、適宜選択できる。特に、導電性接着剤や低温半田を使用する電気的接続方法を採用した圧力感知センサ搭載配線板によれば、搭載される圧力感知センサ間隔を小さくすることができる。このことは、フレキシブルプリント配線板の所定面積当たりに搭載できる圧力感知センサ個数を容易に増加できることを意味し、結果として、ロボットの圧覚感度の向上となる。

以上のような構成を有する圧力感知センサ搭載配線板は、ロボットの圧覚センサとして有効に用いることができる。例えば、ヒト型ロボットの皮膚等を模したシリコーンゴムや発泡ポリウレタン等の柔軟材料間に埋め込んで用いられる。特に、フレキシブルプリント配線板の外形形状も取付部位に応じて、適宜カット等することができるので、圧力感知センサ搭載配線板の外形形状として、ヒト型ロボットの手、足、腕のような複雑な形状にも対応可能となる。

また、図１〜図６に示す圧力感知センサ搭載配線板では、圧力感知センサが搭載されている側と反対側の面に、増幅器、Ａ／Ｄ変換器等の信号変換部品が取り付けられていたが、圧力感知センサと同じ側の面に取り付けられていてもよい。信号変換部品を圧力感知センサと同じＦＰＣ板に搭載することで、ＦＰＣ板に搭載される複数の圧力感知センサからの圧力データを、効率よく増幅、変換して、信号データを作製できて好ましい。但し、信号変換部品が別の基板に取り付けられていて、当該基板と接続されるようにしてもよい。

図７は、圧力感知センサ２とともに、Ａ／Ｄ変換器及び増幅アンプを併せて搭載した、本実施形態の圧力感知センサ搭載配線板を、ロボットの腕部に被された皮膚材料となるシリコーンゴムと発泡ポリウレタンとの間に挟んで取り付けた状態を示している。腕形状に沿うように、外形をカットした本発明の圧力感知センサ搭載配線板１ａ、１ｂ、１ｃが、掌部、上腕部、下腕部それぞれに取り付けられている。各ＦＰＣ板１ａ、１ｂ、１ｃからの信号は、胸部に取り付けられた制御コンピュータ部３の入力端子に接続されている。制御コンピュータ部３では、ＦＰＣ板に搭載された圧力感知センサ２からの電圧信号の他、圧力感知センサの位置、いずれのＦＰＣ板であるか等の位置情報も併せて入力される。

以上のような構成において、分散配置された圧力感知センサが刺激圧力を受けると、電圧を発生し、圧力を受けた位置及び強さなどを表わすデータ信号として、制御コンピュータへ入力することができる。１枚のＦＰＣ板に配置された複数の圧電素子のうちのいずれかのみが圧力を感知した場合であっても、独立的に電圧信号を発生することができる。ＦＰＣ全体が撓むことはあっても、撓み量は、圧力を受けた位置からの距離と相関関係があるので、制御コンピュータが圧力感知センサの位置信号と併せて解析することで、どの位置が触れられたかを解析することができる。従って、本発明の圧力感知センサ搭載配線板を用いることで、高度な触覚を、ロボットに付与することができる。また、１枚のＦＰＣ板に取り付けられるＡ／Ｄ変換器、増幅器が、同ＦＰＣ板に搭載される複数の圧電素子の電圧変換を行うようにすれば、圧電素子数を増加しても、Ａ／Ｄ変換器等の数を増大させずに済む。

なお、図７の形態では、使用した圧力感知センサ搭載配線板は、いずれもＡ／Ｄ変換器、増幅アンプ等の信号変換部品を併設したものであったが、本発明のロボットにおける取付態様は、これに限定しない。例えば、肩部や胸部等のように、制御コンピュータ近傍に配設される圧力感知センサ搭載配線板については、信号変換部品が搭載されていないタイプの圧力感知センサ搭載配線板を使用し、その近傍に配設した別の基板上に設けられた信号変換処部品と接続するようにしてもよい。

また、本発明は、ヒト型ロボットに限定せず、感圧部が密であることが要求される他のロボットについても同様に適用できる。

本発明の圧力感知センサ搭載配線板は、複雑な配線や体積増大を招くことなく、所定面積当たりに設ける圧力感知センサ個数を増やすことができ、しかも多様な外形を有する配線板として一体的に取り扱うことができるので、取付簡単である。従って、彎曲部などを多様に有するロボットの圧覚センサとして好適に用いることができる。

１ａ、１ｂ、１ｃ 圧力感知センサ搭載配線板
２ 圧力感知センサ
１０、１０ａ、１０ｂ フレキシブルプリント配線板
１２、１２a、１２ｂ 端子
１３、１３ａ、１３ｂ 導電性接着部
２０ 圧力感知センサ
２１、４１ ピエゾプラスチックフィルム
２２ａ、２２ｂ 電極
３０ａ、３０ｂ フレキシブルプリント配線板
３１ａ、３１ｂ 電極

Claims (11)

1. １枚のフレキシブルプリント配線板上に、複数個の圧力感知センサが搭載されており、
   前記圧力感知センサは、ピエゾプラスチックフィルムの両面に電極が設けられてなり、前記電極は、前記フレキシブルプリント配線板と電気的接続されている圧力感知センサ搭載配線板。
2. 前記電気的接続は、導電性接着剤又は融点が１５０℃以下の半田による接合を用いた電気的接続である請求項１に記載の圧力感知センサ搭載配線板。
3. 前記接合は、異方導電性接着剤による接合である請求項２に記載の圧力感知センサ搭載配線板。
4. 前記接合は、複数の前記電極と前記フレキシブルプリント配線板上の複数の端子との接合であり、該各電極は、それぞれ対向している該各端子と１対１対応で電気的接続されている請求項３に記載の圧力感知センサ搭載配線板。
5. 前記フレキシブルプリント配線板には、電極が設けられていて、該電極が前記圧力感知センサの電極を兼用している請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧力感知センサ搭載配線板。
6. 前記１枚のフレキシブルプリント配線板が圧力感知センサの両面の電極と電気的接続している請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧力感知センサ搭載配線板。
7. 前記ピエゾプラスチックフィルムが多孔質ピエゾプラスチックフィルムである請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧力感知センサ搭載配線板。
8. 前記ピエゾプラスチックフィルムは、多孔質フッ素系樹脂フィルムである請求項１〜７のいずれか１項に記載の圧力感知センサ搭載配線板。
9. 前記フレキシブルプリント配線板には、さらにＡ／Ｄ変換器が搭載されていて、該Ａ／Ｄ変換器と前記圧力感知センサとは配線接続されている請求項１〜８のいずれか１項に記載の圧力感知センサ搭載配線板。
10. ロボット本体に被せられる柔軟素材に埋設される、請求項１〜９のいずれか１項に記載の圧力感知センサ搭載配線板。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の圧力感知センサ配線板が、柔軟材料間に埋め込まれているロボット。

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