JP2016217804A - 多軸触覚センサ及び多軸触覚センサの製造法 - Google Patents

Abstract

【課題】
ピエゾ抵抗層を備えた梁を用いた多軸触覚センサにおいて、触覚センサの圧力（Ｚ軸方向の力）検出の高感度化を目的とする。
【解決手段】
基板１と、基板１上に設けたセンサチップ２と、センサチップ表面と略面一に形成されたせん断力検出素子６、７と、圧力検出素子８と、センサチップ表面２０の面積と略同じ、あるいは、それよりも小面積である下面を備え、前記下面が、せん断力検出素子６、７及び圧力検出素子８を覆うようにセンサチップ表面２０上に接着されている弾性体４と、弾性体４よりも硬質の材料から形成され、前記センサチップ及び前記弾性体を覆う外装体５と、からなる多軸触覚センサ。
【選択図】図１

Description

本発明は、多軸触覚センサ及びその製造法に関するものである。

従来の触覚センサは主として圧力検出を行うものであり、せん断力（滑り方向の力）を検出するためには隣り合うセンサ出力の時間変化から算出するなどの工夫が必要であった。

特許文献１には、薄形の構造でせん断力を検出することができる触覚センサが記載されており、非特許文献１には、特許文献１に記載の触覚センサの原理を利用した３軸触覚センサが記載されている。本出願人は、特許文献１、非特許文献１に記載された触覚センサの原理を利用して、ＭＥＭＳ技術による超薄型３軸触覚センサを開発し、実用化している。この多軸触覚センサは、小型化・薄型化・軽量化で実装時の利便性を向上し、せん断力と圧力の同時検知が可能であり、 外装樹脂の変更で感度と耐加重特性を調整可能であるという利点を有している。

本出願人が開発した触覚センサの概略図を図１５に示す。基板１上には、センサチップ２およびワイヤ保護材３が設けられ、基板上のセンサチップ２及びワイヤ保護材３を覆うように弾性体からなる外装部４´が設けられる。センサチップ２の表面には、Ｘ軸方向のせん断力検出素子としての第１梁、Ｙ軸方向のせん断力検出素子としての第２梁、Ｚ軸方向の圧力検出素子としての第３梁を備えている。この触覚センサは、ピエゾ抵抗効果を利用するピエゾ抵抗型ＭＥＭＳセンサであり、力の検出原理自体は公知である（特許文献１、非特許文献１）。

外装部４´はセンサチップ２のみならず、ワイヤ保護材３、基板１上にも設けられるので、外部荷重はワイヤ保護材３及び基板１にも作用し、特に、Ｚ軸方向の力の検出感度が鈍くなるおそれがあった。

外装部４´は、インサート成形によって基板・センサ素子・ワイヤ保護材と一体化しているが、インサート成形時に、梁の下側に形成されている空間に外装部４´を形成する樹脂が入り込み（この樹脂の充填は、せん断力検出用梁である第１梁及び第２梁にとっては良いが）、第３梁の下側に充填された樹脂８３´（図１６参照）は、Ｚ軸方向の検出感度低下の要因となる。さらに、インサート成形の外注コストが高い上、後工程のバリ（材料のはみ出し）除去が煩雑となっていた。

特開２０１３−６８５０３号

ピエゾ抵抗型両持ち梁を用いた3 軸触覚センサに関する研究、立石科学技術振興財団助成研究成果集(第22号)2013

本発明は、ピエゾ抵抗層を備えた梁を用いた多軸触覚センサにおいて、触覚センサに加えられた力（特に、圧力）の検出の高感度化を目的とするものである。

本発明が採用した技術手段は、
基板と、
前記基板上に設けたセンサチップと、
センサチップ表面と略面一に形成され、センサチップ表面に平行する力を検出するように、所定方向に延びると共に所定部位にピエゾ抵抗層を備えた梁を有する少なくとも１つのせん断力検出素子と、
センサチップ表面と略面一に形成され、センサチップ表面に対して垂直の力を検出するように、所定部位にピエゾ抵抗層を備えた梁を有する圧力検出素子と、
上面と、側面と、前記センサチップ表面の面積と略同じ、あるいは、それよりも小面積である下面と、を備えた弾性体であって、前記下面が、前記せん断力検出素子及び前記圧力検出素子を覆うように前記センサチップ表面上に接着されている、弾性体と、
前記弾性体よりも硬質の材料から形成され、前記センサチップ及び前記弾性体を覆う外装体であって、当該外装体に加えられた力が前記弾性体に伝達可能な態様で設けられている、外装体と、
からなる多軸触覚センサ、である。

１つの態様では、前記弾性体は、接着剤により形成された接着層を介して前記センサチップ表面に接着されている。
１つの態様では、前記接着剤は弾性接着剤であり、前記接着層は弾性接着層である。
このような弾性接着剤としては、シリル基末端ポリマー系接着剤、シリコーン系接着剤が例示され、硬化後に弾性接着層が得られる。
感度や応答性の面で弾性接着剤が有利であるが、本発明に用いられる接着剤は弾性接着剤に限定されず、一般的な瞬間接着剤の使用も可能である。

１つの態様では、前記弾性体は、硬化した弾性接着剤から形成されている。
典型的には、弾性体は予め用意された固体要素（ゴム等）が用いられるが、弾性接着剤を基板上に盛って、硬化した弾性接着剤から弾性体を形成することでセンサを製造してもよい。この場合、固体要素を載せる工程を省くことができ、工程の削減に伴う低コスト化が図れる。

１つの態様では、前記外装体は、前記弾性体の上面よりも大面積である上壁と、側壁と、からなり、
前記上壁の下面が前記弾性体の上面に当接した状態で、前記側壁の下端と前記基板との間に隙間が形成されている。
１つの態様では、前記外装体の前記側壁の下端が接着層を介して前記基板上に接着されており、前記隙間は前記接着層によって閉塞されている。
１つの態様では、前記接着層は、弾性接着層である。
１つの態様では、前記上壁の下面と前記弾性体の上面は、接着層を介して接着されている。
１つの態様では、前記接着層は、弾性接着層である。
１つの態様では、前記弾性接着層を形成する接着剤としては、シリル基末端ポリマー系接着剤、シリコーン系接着剤が例示される。
１つの態様では、前記外装体の側壁の内面と前記弾性体の側面は離間している。

１つの態様では、前記センサチップと前記基板の検出回路を接続するボンディングワイヤと、
前記ボンディングワイヤを被覆するようにセンサチップ端部と基板に亘って設けたワイヤ保護材と、
を備え、
前記弾性体の下面は、前記センサチップ表面上で前記ワイヤ保護材の内側に位置して接着されている。

１つの態様では、前記せん断力検出素子は、側面にピエゾ抵抗層が形成された梁を有する。
１つの態様では、前記せん断力検出素子は平行状の２本の両持ち梁を有し、２本の両持ち梁の側面には対称状にピエゾ抵抗層が形成されている。
なお、ピエゾ抵抗効果を用いることができれば、梁の本数や構成は限定されず、１本、３本以上の梁を用いてもよく、また、片持ち梁でも両持ち梁でもよい。

１つの態様では、前記せん断力検出素子は、センサチップ表面に平行な第１の方向の力を検出するように所定方向に延びる梁を備えた第１せん断力検出素子と、
センサチップ表面に平行な第２の方向の力を検出するように所定方向に延びる梁を備えた第２せん断力検出素子と、を含む。
典型的には、第１せん断力検出素子の梁の長さ方向と、第２せん断力検出素子の梁の長さ方向は直交するが、異なる方向に配置された梁の態様は、直交する方向に配置したものに限定されない。

１つの態様では、前記圧力検出素子は、表面にピエゾ抵抗層が形成された梁を有する。
１つの態様では、前記圧力検出素子は平行状の２本の両持ち梁を有し、２本の両持ち梁の表面には非対称状にピエゾ抵抗層が形成されている。

本発明が採用した他の技術手段は、
基板と、
センサチップと、
上壁と、側壁と、からなる外装体と、
を用意し、
前記センサチップには、
センサチップ表面と略面一に形成され、センサチップ表面に平行する力を検出するように、所定方向に延びると共に所定部位にピエゾ抵抗層を備えた梁を有する少なくとも１つのせん断力検出素子と、
センサチップ表面と略面一に形成され、センサチップ表面に対して垂直の力を検出するように、所定部位にピエゾ抵抗層を備えた梁を備えた圧力検出素子と、
が形成されており、
前記基板上に前記センサチップを設ける工程と、
前記センサチップ表面を覆うように、上面と、側面と、前記センサチップ表面の面積と略同じ、あるいは、それよりも小面積である下面と、を備える弾性体を、その下面が前記センサチップ表面に接着した状態でセンサチップ上に設ける工程と、
前記外装体は前記弾性体よりも硬質であり、当該外装体に加えられた力が前記弾性体に伝達されるような態様で前記弾性体に被せる工程と、
からなる、多軸触覚センサの製造方法である。
１つの態様では、前記弾性体が予め用意されており、当該弾性体は、接着剤によってセンサチップ表面に接着される。
１つの態様では、前記弾性体は、上記センサチップ上に弾性体を設ける工程中に、センサチップ表面上に盛った接着剤を硬化させることで形成される。

１つの態様では、前記上壁の下面が前記弾性体の上面に当接した状態で、前記側壁の下端と前記基板との間に隙間が形成されており、
前記外装体の前記側壁の下端が接着層を介して前記基板上に接着され、前記隙間は前記接着層によって閉塞される。

本発明によれば、弾性体がセンサチップ表面のみを覆い、前記弾性体が基板、あるいは、基板及びワイヤ保護材を覆わないので、外部荷重が弾性体を通して小面積でセンサ素子（特に、圧力検出素子）に伝わり、触覚センサの圧力（Ｚ軸方向の力）検出の高感度化が可能となる。さらに、同様に、ワイヤ保護材や基板などの、センシングに関係がない箇所への弾性体の接触が従来構造に比べ少ないため、外部からのせん断力がセンサチップ表面に伝わり易くなり、せん断力（ＸＹ軸方向の力）の検出の高感度化も可能となる。

本発明に係る多軸触覚センサは、接着剤で各要素をアセンブリするというシンプルな工程で製造可能であり、従来のインサート射出成型による製造に比べて低コスト化が可能である。

硬質外装部が過負荷時のストッパとして機能することで、 センサ破壊防止が図られる。

硬質外装部と基板との間に弾性体が存在するので、モーメントの影響を低減できる。また、各要素を接着する接着層及び弾性体が弾性的（低粘性係数）なので、センサの応答性が向上（低ヒステリシス）する。

本実施形態に係る多軸触覚センサの概略断面図である。 本実施形態に係る多軸触覚センサの正面図、平面図、側面図である。 図２において、外装体の側壁の下端と基板間の接着層を取り除いて示す図である。 図２から外装体を取り外した状態を示す正面図、平面図、側面図である。 図３から弾性体を取り外した状態を示す正面図、平面図、側面図である。 図３から弾性体を取り外した状態を示す斜視図である。 図４の平面図の部分拡大図である。 センサチップの部分断面図であり、第１せん断力検出梁の断面を示す。 センサチップの部分断面図であり、圧力検出梁の断面を示す。 センサチップの平面図である。 触覚センサにＸ方向の力が作用した場合を示す図である。 図１０における各梁の変形を説明する図である。 力検出のための回路を示す。 触覚センサの圧力（Ｚ軸方向の力）検出の高感度化のための他の製造工程のフロー図である。 触覚センサの圧力（Ｚ軸方向の力）検出の高感度化のための他の手段を説明する図である。 インサート成形によって得られた多軸触覚センサの概略断面図である。 図１４と類似の図であり、従来のインサート成形により得られた多軸触覚センサの圧力検出梁の部分を示す。

［Ａ］多軸触覚センサの全体構成
本実施形態に係る多軸触覚センサの概略断面図を図１に示す。触覚センサは、センサ素子によって検出された検出信号を取り出す回路が形成された基板１と、基板１の表面に設けられたセンサチップ２と、基板１とセンサチップ２を電気的に接続するボンディングワイヤ（図示せず）と、ボンディングワイヤを覆うワイヤ保護材３と、センサチップ２の表面２０に、当該表面２０を覆うように設けられた弾性体４と、センサチップ２、ワイヤ保護材３、弾性体４を覆うように設けられた外装体５と、からなる。

図１、図４、図６、図９等に示すように、センサチップ２は、平面視ほぼ正方形状の板体であり、表面２０に３つのセンサ素子、すなわち、Ｘ軸用の第１せん断力検出素子６、Ｙ軸用の第２せん断力検出素子７、Ｚ軸用の圧力検出素子８が形成されている。第１せん断力検出素子６は、センサチップ２の表面２０に平行でかつ第１の方向（Ｘ方向）の力を検出し、第２せん断力検出素子７は、センサチップ２の表面２０に平行でかつ第１の方向に対して垂直の第２の方向（Ｙ方向）の力を検出し、圧力検出素子８は、センサチップ２の表面（ＸＹ平面）に対して垂直の第３の方向（Ｚ方向）の力を検出する。本実施形態ではセンサチップ２はシリコンチップを主体として製作されたＭＥＭＳチップである。

第１せん断力検出素子６は、センサチップ表面２０と略面一に形成され、センサチップ表面２０に平行する第１の方向の力を検出するように、所定方向に延びると共に所定部位にピエゾ抵抗層を備えた梁を有し、第１の方向の力による梁の変形によって抵抗層に加わる応力による抵抗率の変化を用いて第１の方向の力を検出する。図６に示すように、本実施形態では、第１せん断力検出素子６は、第２の方向に延びる２本の平行な梁６０、６１を備えている。

第２せん断力検出素子７は、センサチップ表面２０と略面一に形成され、センサチップ表面２０に平行する第２の方向の力を検出するように、所定方向に延びると共に所定部位にピエゾ抵抗層を備えた梁を有し、第２の方向の力による梁の変形によって抵抗層に加わる応力による抵抗率の変化を用いて第２の方向の力を検出する。図６に示すように、本実施形態では、第２せん断力検出素子７は、第１の方向に延びる２本の平行な梁７０、７１を備えている。

圧力検出素子８は、センサチップ表面２０と略面一に形成され、センサチップ表面２０に対して垂直の力を検出するように、所定部位にピエゾ抵抗層を備えた梁を有し、垂直方向の力による梁の変形によって抵抗層に加わる応力による抵抗率の変化を用いて垂直方向の力を検出する。図６に示すように、本実施形態では、圧力検出素子８は、第１の方向に延びる２本の平行な梁８０、８１を備えている。

第１せん断力検出素子６、第２せん断力検出素子７、圧力検出素子８が形成されたセンサチップ２は、ＭＥＭＳチップであり、センサチップ２の面積は、基板１の表面の面積よりも小さい。センサチップ２のサイズは、限定されないものの、１つの実施形態では、２×２×０．３ｍｍであり、せん断力検出素子６、７の梁６０、６１、７０、７１は、厚さ２０μｍ、長さ２００±５μｍ、幅１５±０．５μｍであり、圧力検出素子８の梁は、厚さ２０μｍ、長さ２５０±５μｍ、幅５０±０．５μｍである。圧力検出素子８の梁８０、８１の幅は、せん断力検出素子６、７の梁６０、６１、７０、７１よりも幅広となっている。

ＭＥＭＳセンサチップ２と基板１上の検出回路間の配線は１０〜５０μｍ径の金もしくはアルミの微細ワイヤ（ボンディングワイヤ）で接続されている。ボンディングワイヤを覆うようにワイヤ保護材３を設けることで、センサ製造時に部材や工具との物理的接触によるボンディングワイヤの破断を防止している。本実施形態では、ワイヤ保護材３は半導体封止用のエポキシ樹脂（線膨張係数が低く、熱膨張のストレスが小さい）から形成されている。本発明に係る触覚センサは、基本的に常温で製造されるので、「反応硬化型の硬質樹脂」全般が適用し得る。ワイヤ保護材３の材料の具体例としてはＤ硬度４０°以上の硬化型エポキシ樹脂や硬化型ウレタン樹脂を用いることができる。

本実施形態では、弾性体４は、円形状の上面と、円形状の下面と、側面（周面）と、からなる円柱状の柔軟要素である。なお、弾性体４の形状は、円柱状のものに限定されるものではなく、立方体、直方体、不定形等の任意の形状を取り得る。弾性体４の下面の面積は、センサチップ表面２０の面積よりも小さい。弾性体４の材料は、外力が作用すること弾性変形し、外力除去後に弾性回復するする柔軟性・弾性を備えた弾性材料であればよく、ゴム（エラストマー）やゲル（非常に低硬度のゴム）に分類される材料は全て適用し得る。本実施形態では、材料特性（低圧縮永久歪み、幅広い温度特性）を考慮して、シリコーンゴムを用いている。

本実施形態では、外装体５は、円形状の上壁５０と、側壁（周壁）５１と、からなる蓋体である。なお、外装体５の形状は、このものに限定されず、例えば、上壁の形状は、方形、多角形、不定形等の任意の形状を取り得る。外装体５は、柔軟素材よりも硬質の材料から形成されている硬質外装体である。外装体５の材料としては、PEEK、PES、PC、PC/ABS、ナイロン6、ナイロン66、ナイロン11、PPS、PBT、PET等のエンジニアリングプラスチックが例示される。また、コスト面で樹脂が望ましいが、金属（アルミ、SUSなど）から外装体５を形成してもよい。

弾性体４の下面、上面は、接着層４０、４１を介して、センサチップ表面２０、外装体５の上壁５０の下面に、それぞれ接着されている。接着層４０、４１は弾性接着剤から形成された弾性接着層である。本実施形態では、接着層４０、４１を形成する接着剤としては、シリル基末端ポリマー系接着剤/シリコーン系接着剤を用いており、硬化後に得られた接着層４０、４１は弾性を備えた弾性接着層である。本実施形態では、弾性体４はゴム硬度（ショア）A70°であり、弾性接着剤はおよそA50°程度である。良好な感度を得るためには、硬化後の接着層が弾性を備えていることが有利であるが（接着層に柔軟性が無いと外力が梁に伝わり難いと考えられる）、弾性体４の接着に用いる接着剤は、初期は液状で、後に硬化するタイプの樹脂材料であればよく、瞬間接着剤（硬化すると硬く、脆い）の使用を排除するものではない。

図２Ａに示すように、外装体５は、上壁５０の下面が弾性体４の上面に当接した状態で、側壁５１の下端と基板１との間に隙間Ｇが形成されている。この隙間Ｇは、弾性体４の構造的な硬さ及び性能（センサ感度、耐久性、計測できる荷重レンジ）に影響を与える。本実施形態では、隙間Ｇは、１００〜３００μｍの寸法で設計されている。本実施形態では、外装体５の側壁５１の下端が接着層５２を介して基板１上に接着されており、隙間Ｇは接着層４２によって閉塞されている。
接着層５２は弾性接着層であり、本実施形態では、弾性接着層を形成する接着剤としては、シリル基末端ポリマー系接着剤/シリコーン系接着剤を用いているが、これには限定されず、接着剤（反応硬化型樹脂の内、接着力が強いもの）に限らず、反応硬化型樹脂全般が適用できる。

［Ｂ］センサ素子の構成
センサチップ２の表面２０に形成された第１せん断力検出素子６を構成する一対の梁６０、６１、第２せん断力検出素子７を構成する一対の梁７０、７１、圧力検出素子８を構成する一対の梁８０、８１は、いずれも可撓性を備えており、弾性体４（外装体５を介して）に作用した力に応じて弾性体４と共に変形する。各梁はピエゾ抵抗層を備えており、梁の変形によって抵抗層に加わる応力による抵抗率の変化を用いて梁の変形量、加えられた力を検出する。ピエゾ抵抗層は、外力による梁の側方や下方への膨出変形に伴って伸張又は圧縮変形する表面に形成されている。

センサチップ２の表面２０において、梁６０、６１の下方領域には凹部６２が形成されており、梁６０、６１は、凹部６２を跨ぐように両端が支持された両持ち梁である。梁６０、６１の上面は、センサチップ２の表面２０と面一である。一対の梁６０、６１は、側面にピエゾ抵抗層が対称状に形成された側面ドープト梁である。より具体的には、図７に示すように、梁６０、６１の対向する側面にピエゾ抵抗層６００、６１０が形成されている。なお、互いに離間する側の側面にピエゾ抵抗層を形成してもよい（特許文献１参照）。すなわち、梁６０、６１の長さに対して直交するような力が作用した時に、各側面が伸長、圧縮されて、抵抗値がそれぞれの伸縮に応じて正負逆方向に増減するような位置にピエゾ抵抗層が形成されている。梁６０、６１の間に弾性体４とセンサチップ表面２０とを接着する弾性接着層４０を形成する弾性接着剤が部分的にあるいは全体的に入り込んで硬化していてもよい。また、凹部６２に弾性体４とセンサチップ表面２０とを接着する弾性接着層４０を形成する弾性接着剤が部分的に入り込んで硬化していてもよい。

図７に示すように、梁６０、６１は、主体となるＳｉ層６０１、６１１と、Ｓｉ層６０１、６１１の側部に対称状に形成されたピエゾ抵抗層６００、６１０と、Ｓｉ層６０１、６１１の長さ方向両側部位の表面に形成した導電層（Ａｕ層）６０２、６１２と、を備え、梁６０、６１の回りのセンサチップ２の表面は導電層（Ａｕ層）を備え、その下にピエゾ抵抗層２０１が形成され、その下にＳｉ層２０２が形成され、その下にＳｉＯ_２層２０３が形成され、その下にＳｉ層２０４が形成されている。

センサチップ２の表面２０において、梁７０、７１の下方領域には凹部７２が形成されている。梁７０、７１は、凹部７２を跨ぐように両端が支持された両持ち梁である。梁７０、７１の上面は、センサチップ２の表面２０と面一である。一対の梁７０、７１は、側面にピエゾ抵抗層が対称状に形成された側面ドープト梁である。梁７０、７１の長さに対して直交するような力が作用した時に、各側面が伸長、圧縮されて、抵抗値がそれぞれの伸縮に応じて正負逆方向に増減するような位置にピエゾ抵抗層が形成されている。梁７０、７１の具体的な構成については、梁６０、６１についての説明を援用することができる。梁７０、７１の間には、弾性体４とセンサチップ表面２０とを接着する弾性接着層４０を形成する弾性接着剤が部分的にあるいは全体的に入り込んで硬化していてもよい。また、凹部７２に弾性体４とセンサチップ表面２０とを接着する弾性接着層４０を形成する弾性接着剤が部分的に入り込んで硬化していてもよい。

センサチップ２の表面において、梁８０、８１の下方領域には凹部８２が形成されている。一対の梁８０、８１は、表面にピエゾ抵抗層が形成された表面ドープト梁である。より具体的には、図８、図９に示すように、梁８０の長さ方向中央部位の表面にピエゾ抵抗層８００が形成され、梁８１の長さ方向中央部位を除く両側部位の表面にピエゾ抵抗層８１０が形成されている。すなわち、圧力（Ｚ方向の力）が加えられた場合に、抵抗値が正負逆方向に変化するような位置にピエゾ抵抗層が形成されている。弾性体４に圧力が作用すると、梁８０の中央部に形成されているピエゾ抵抗層８００が圧縮変形し、抵抗値は上昇し、梁８１の両端側に形成されているピエゾ抵抗層８１０は伸長変形し、抵抗値が減少し、結果として、Ｚ（圧力方向用梁）の電圧変化が２倍となる。梁８０、８１の間に弾性体４とセンサチップ表面２０とを接着する弾性接着層４０を形成する弾性接着剤が部分的にあるいは全体的に入り込んで硬化していてもよい。また、凹部８２に弾性体４とセンサチップ表面２０とを接着する弾性接着層４０を形成する弾性接着剤が部分的に入り込んで硬化していてもよいが、この場合であっても、従来の製造法（インサート成形）に比べて、梁８０、８１の下方空間に樹脂が稠密に充填されることはない。

図８に示すように、梁８０、８１は、主体となるＳｉ層８０１、８１１と、Ｓｉ層８０１、８１１の表面の所定部位に非対称状に形成されたピエゾ抵抗層８００、８１０と、Ｓｉ層８０１、８１１の表面にピエゾ抵抗層８００、８１０に隣接して形成した導電層（Ａｕ層）８１２（他方は図示せず）と、を備え、梁８０、８１の回りのセンサチップ２の表面は導電層（Ａｕ層）を備え、その下にピエゾ抵抗層２０１が形成され、その下にＳｉ層２０２が形成され、その下にＳｉＯ_２層２０３が形成され、その下にＳｉ層２０４が形成されている。

［Ｃ］多軸触覚センサの測定原理
上述のように形成された多軸触覚センサにおいて、せん断力検出素子の１対の梁に対して、梁の長さ方向に対して垂直方向のせん断力を弾性体４に加えると、弾性体４の変形に倣って、２本の梁は長さ方向中央部位が膨出するように変形する。このとき対になった梁の対称な側面にピエゾ抵抗層が形成されているので、それぞれの側面が伸長及び圧縮されて、抵抗値がそれぞれの伸縮にあわせ正負逆方向に増減する。その抵抗値変化をブリッジ回路により計測し、せん断力を検出する。また、圧力検出素子の１対の梁には、垂直方向の圧力を加えた場合、抵抗値が正負逆方向に変化する位置にピエゾ抵抗層が形成されているので、同様の原理で圧力を検出することができる。以下、より具体的に説明する。

図９に示すように、センサチップ２の表面２０にはＡｕ膜から形成された８個の端子部（電極パッド）Ｔ、１Ｖ、Ｘ、Ｇｘ、Ｙ、Ｇｙ、Ｚ、Ｇｚが形成されており、各端子間に７個の抵抗が存在する。８個の端子部の電圧が、７個の抵抗の変化によって変動する。
端子部の接続は以下の７通り、
(1)１Ｖ−Ｘ、(2)Ｘ−Ｇｘ、
(3)１Ｖ−Ｙ、(4)Ｙ−Ｇｙ、
(5)１Ｖ−Ｚ、(6)Ｚ−Ｇｚ、
(7)Ｔ−Ｇｘ、となり、
(1)(2)、(3)(4)、(5)(6)がブリッジ回路のペアとなる。
(7)Ｔ−Ｇｘ端子間の抵抗はシリコーンウェハのベースに直接形成されており、外力が加わっても抵抗が変化しない。よって温度に対する抵抗値変化のみを検出できるため、Ｔ−Ｇｘ端子間の電圧をモニタすることで、温度による信号の変化をキャンセルできる。

上記のように構成された多軸触覚センサの動作について、図１０に示すように、弾性体４にＸ方向のせん断力が生じた場合について説明する。弾性体４に何ら外力が生じていない場合、第１せん断力検出素子６の梁６０、６１、第２せん断力検出素子７の梁７０、７１、圧力検出素子８の梁８０、８１は、平面視直線状、側面視水平状の形状を保持している。弾性体４にＸ方向のせん断力が作用すると、Ｘ方向に対して直交状に延びる第１せん断力検出素子６の梁６０、６１は、長さ方向中央部位が膨出するように変形する。梁６０の長さ方向中央部位は、ピエゾ抵抗層６００が形成された表面が伸張する方向に曲がり、梁６１の長さ方向中央部位は、ピエゾ抵抗層６１０が形成された表面が圧縮する方向に曲がる。梁６０、６１の抵抗値がそれぞれの伸縮にあわせて正負逆方向に増減するので、その抵抗値変化をブリッジ回路により計測し、せん断力を計測することができる（図１１のＰａｄ１、Ｐａｄ２、Ｐａｄ３、及び、図１２参照）。なお、弾性体４にＸ方向のせん断力が作用した場合に、第２せん断力検出素子７の梁７０、７１、圧力検出素子８の梁８０、８１の出力電圧は変化しない。

同様に、弾性体４にＹ方向のせん断力が作用した場合には、Ｙ方向に対して直交状に延びる第２せん断力検出素子７の梁７０、７１は、長さ方向中央部位が膨出するように変形し、その抵抗値変化をブリッジ回路により計測し、せん断力を計測する。

弾性体４にＺ方向の圧力が作用した場合には、全ての梁６０、６１、７０、７１、８０、８１は長さ方向中央部位が下方に撓むように変形するが、圧力検出素子８の梁８０、８１は、梁に形成されている抵抗層が伸張あるいは圧縮することにより抵抗が変化し、同様の原理によって、その抵抗値変化をブリッジ回路により計測し、圧力を計測する。なお、弾性体４にＺ方向の圧力が作用した場合に、第１せん断力検出素子６の梁６０、６１、第２せん断力検出素子７の梁７０、７１の出力電圧は変化しない。

［Ｄ］多軸触覚センサの製造法
このような多軸触覚センサは、検出信号の出力回路が形成された基板１と、センサチップ２と、上面と、側面と、センサチップ表面２０の面積と略同じ、あるいは、それよりも小面積である下面と、を備えた弾性体４と、弾性体４よりも硬質の材料から形成され、弾性体４の上面よりも大面積である上壁５０と、側壁５１と、からなる外装体５と、を用意して、接着剤（好適には弾性接着剤）を用いて組立てることができる。

より具体的には、多軸触覚センサは、基板１上にセンサチップ２を設ける工程、センサチップ２と基板２をワイヤボンディングする工程、ボンディングワイヤを覆うようにワイヤ保護材３を設ける工程、弾性体４を、その下面を接着剤によってセンサチップ表面２０のワイヤ保護材３の内側領域に接着することで、センサチップ２上に設ける工程、によって製造することができる。

ＭＥＭＳセンサチップ２は、ＳＯＩウェハを基材として、公知の手段（トレンチ形成、梁形成等のためのエッチング、熱拡散やイオン注入等の各種ドーピング手法、金属膜蒸着等）によって製造することができ、具体的な製造方法については、特許文献１、非特許文献１に記載されており、詳細はこれらの文献を参照することができる。センサチップ２における抵抗層の形成については、イオン注入を用いることが有利である。

［Ｆ］付記
触覚センサの圧力（Ｚ軸方向の力）検出の高感度化のための他の手段について説明する。図１５は、本出願人が開発した触覚センサの概略図であって、基板１上には、センサチップ２およびワイヤ保護材３が設けられ、基板上のセンサチップ２及びワイヤ保護材３を覆うように弾性体からなる外装部４´が設けられる。外装部４´は基本的に柔軟な弾性体から形成されるため、表面部の耐久性が劣る。そのため、硬質（例えば、ガラスエポキシ板）の表面部５´を設けることにより、摩耗などに対する信頼性を向上させている。センサチップ２の表面には、Ｘ軸方向のせん断力検出素子としての第１梁、Ｙ軸方向のせん断力検出素子としての第２梁、Ｚ軸方向の圧力検出素子としての第３梁を備えている。

外装部４´は、インサート成形によって基板・センサ素子・ワイヤ保護材と一体化しているが、インサート成形時に、梁の下側に形成されている空間に外装部４´を形成する樹脂が入り込み（この樹脂の充填は、せん断力検出用梁である第１梁及び第２梁にとっては良いが）、第３梁の下側に充填された樹脂８３´（図１６参照）は、第３梁の下方への変形を阻害するおそれがあり、Ｚ軸方向の検出感度低下の要因となる。

ここでは、多軸触覚センサの圧力（Ｚ軸方向の力）検出を高感度化できる新しい製造法について説明する。得られる多軸触覚センサは図１５に示す構造を備えているので、必要に応じて、図１５を参照されたい。先ず、検出信号の出力回路が形成された基板１と、センサチップ２と、を用意する。センサチップ２は、平面視ほぼ正方形状の板体であり、表面２０に３つのセンサ素子、すなわち、Ｘ軸用の第１せん断力検出素子６、Ｙ軸用の第２せん断力検出素子７、Ｚ軸用の圧力検出素子８が形成されている。センサチップ２は、既述の多軸触覚センサで用いられるセンサチップ２と同じであり、具体的な構成については、既述の記載を援用することができる。

センサチップ２において、センサチップ表面２０に形成された梁６０、６１、７０、７１、８０、８１の下方には空間（凹部６２、７２、８２）が形成されている。圧力検出用素子８の梁８０、８１の下方空間に、第１の材料を充填して第１の充填層８３を形成する。第１の材料は、硬化後のショアＡ硬度は６０°以下となるようなゲル素材、例えば、シリコーンである。

圧力検出用素子８の梁８０、８１の下方空間に第１の充填層８３が形成されたセンサチップ２を基板１上に工程し、センサチップ２と基板１とを電気的に接続するようにワイヤボンディングを行い、ボンディングがワイヤを覆うようにワイヤ保護材３を設ける。

インサート成形によって、基板１上に固定されたセンサチップ２を覆うように第２の材料を注入して、外装部４´を形成する。インサート成形によって得られた外装部４´は、センサチップ２の表面２０のみならず、ワイヤ保護材３、基板１上にも設けられる。

インサート成形時の樹脂の注入圧力によって、梁６０、６１、７０、７１の下方空間（凹部６２、７２）には、外装部４´を形成する樹脂が入り込んで第２の充填層が形成される。ここで、梁８０、８１の下方空間（凹部８３）には、既に第１の充填層８３が形成されているので、インサート成形時に、外装部４´を形成する樹脂が梁８０、８１の下方空間（凹部８３）に入り込むことが可及的に防止される。

第１の充填層８３の材料のショアＡ硬度は６０°以下であり、第２の充填層の樹脂及び図１６に示す樹脂８３´のショアＡ硬度は７０°であり、第１の充填層８３は、軟らかい材料によって形成されており、圧力に応じて梁８０、８１が適切に変形でき、高感度のセンシングが可能となる。

多軸触覚センサの製造法をまとめると、以下の通りである。
基板上にセンサチップを固定し、
センサチップを覆うように基板上に外装体を樹脂成形する、多軸触覚センサの製造法であって、
前記センサチップには、
センサチップ表面と略面一に形成され、センサチップ表面に平行する力を検出するように、所定方向に延びると共に所定部位にピエゾ抵抗層を備えた梁を有する少なくとも１つのせん断力検出素子と、
センサチップ表面と略面一に形成され、センサチップ表面に対して垂直の力を検出するように、所定部位にピエゾ抵抗層を備えた梁を備えた圧力検出素子と、
が形成されており、
前記外装体の成形工程の前に、圧力検出素子の梁の下方空間に第１の充填層を形成し、
圧力検出素子の梁の下方空間に第１の充填層が形成されたセンサチップを覆うように樹脂成形によって基板上に外装体を設けてなり、
前記第１の充填層は、外装体の樹脂成形時にせん断力検出素子の梁の下方空間に当該樹脂が入り込んで形成された第２の充填層よりも圧縮変形し易い。

１つの態様では、第１の充填層を形成する材料の材質が、第２の充填層を形成する前記樹脂の材質よりも柔らかいことによって、第１の充填層は、第２の充填層よりも圧縮変形し易くなっている。
１つの態様では、第１の充填層が第２の充填層に比べて構造上柔らかいことによって、第１の充填層は、第２の充填層よりも圧縮変形し易くなっている。構造上柔らかい場合には、第１の充填層に気泡が含まれる場合、第１の充填層が材料を「疎」にして形成されており、第２の充填層が第１の充填層に比べて材料を「密」にして形成されている場合、が例示される。

１ 基板
２ センサチップ
２０ センサチップ表面
３ ワイヤ保護材
４ 弾性体
４０ 接着層
４１ 接着層
５ 外装体
５０ 上壁
５１ 側壁
５２ 接着層
６ 第１せん断力検出素子
６０ 梁
６１ 梁
７ 第２せん断力検出素子
７０ 梁
７１ 梁
８ 圧力検出素子
８０ 梁
８１ 梁

Claims (18)

1. 基板と、
   前記基板上に設けたセンサチップと、
   センサチップ表面と略面一に形成され、センサチップ表面に平行する力を検出するように、所定方向に延びると共に所定部位にピエゾ抵抗層を備えた梁を有する少なくとも１つのせん断力検出素子と、
   センサチップ表面と略面一に形成され、センサチップ表面に対して垂直の力を検出するように、所定部位にピエゾ抵抗層を備えた梁を有する圧力検出素子と、
   上面と、側面と、前記センサチップ表面の面積と略同じ、あるいは、それよりも小面積である下面と、を備えた弾性体であって、前記下面が、前記せん断力検出素子及び前記圧力検出素子を覆うように前記センサチップ表面上に接着されている、弾性体と、
   前記弾性体よりも硬質の材料から形成され、前記センサチップ及び前記弾性体を覆う外装体であって、当該外装体に加えられた力が前記弾性体に伝達可能な態様で設けられている、外装体と、
   からなる多軸触覚センサ。
2. 前記弾性体は、接着剤により形成された接着層を介して前記センサチップ表面に接着されている、請求項１に記載の多軸触覚センサ。
3. 前記接着剤は弾性接着剤であり、前記接着層は弾性接着層である、請求項２に記載の多軸触覚センサ。
4. 前記弾性体は、硬化した弾性接着剤から形成されている、請求項１に記載の多軸触覚センサ。
5. 前記外装体は、前記弾性体の上面よりも大面積である上壁と、側壁と、からなり、
   前記上壁の下面が前記弾性体の上面に当接した状態で、前記側壁の下端と前記基板との間に隙間が形成されている、
   請求項１〜４いずれか１項に記載の多軸触覚センサ。
6. 前記外装体の前記側壁の下端が接着層を介して前記基板上に接着されており、前記隙間は前記接着層によって閉塞されている、
   請求項５に記載の多軸触覚センサ。
7. 前記上壁の下面と前記弾性体の上面は、接着層を介して接着されている、請求項５、６いずれか１項に記載の多軸触覚センサ。
8. 前記接着層は、弾性接着層である、請求項６、７いずれか１項に記載の多軸触覚センサ。
9. 前記外装体の側壁の内面と前記弾性体の側面は離間している、請求項１〜８いずれか１項に記載の多軸触覚センサ。
10. 前記センサチップと前記基板の検出回路を接続するボンディングワイヤと、
    前記ボンディングワイヤを被覆するようにセンサチップ端部と基板に亘って設けたワイヤ保護材と、
    を備え、
    前記弾性体の下面は、前記センサチップ表面上で前記ワイヤ保護材の内側に位置して接着されている、
    請求項１〜９いずれか１項に記載の多軸触覚センサ。
11. 前記せん断力検出素子の梁は、側面にピエゾ抵抗層が形成されている、請求項１〜１０いずれか１項に記載の多軸触覚センサ。
12. 前記せん断力検出素子は平行状の２本の両持ち梁を有し、２本の両持ち梁の側面には対称状にピエゾ抵抗層が形成されている、請求項１１に記載の多軸触覚センサ。
13. 前記せん断力検出素子は、センサチップ表面に平行な第１の方向の力を検出するように所定方向に延びる梁を備えた第１せん断力検出素子と、
    センサチップ表面に平行な第２の方向の力を検出するように所定方向に延びる梁を備えた第２せん断力検出素子と、
    を含む、
    請求項１〜１２いずれか１項に記載の多軸触覚センサ。
14. 前記圧力検出素子の梁は、表面にピエゾ抵抗層が形成されている、請求項１〜１３いずれか１項に記載の多軸触覚センサ。
15. 前記圧力検出素子は平行状の２本の両持ち梁を有し、２本の両持ち梁の表面には非対称状にピエゾ抵抗層が形成されている、請求項１４に記載の多軸触覚センサ。
16. 基板と、
    センサチップと、
    上壁と、側壁と、からなる外装体と、
    を用意し、
    前記センサチップには、
    センサチップ表面と略面一に形成され、センサチップ表面に平行する力を検出するように、所定方向に延びると共に所定部位にピエゾ抵抗層を備えた梁を有する少なくとも１つのせん断力検出素子と、
    センサチップ表面と略面一に形成され、センサチップ表面に対して垂直の力を検出するように、所定部位にピエゾ抵抗層を備えた梁を備えた圧力検出素子と、
    が形成されており、
    前記基板上に前記センサチップを設ける工程と、
    前記センサチップ表面を覆うように、上面と、側面と、前記センサチップ表面の面積と略同じ、あるいは、それよりも小面積である下面と、を備える弾性体を、その下面が前記センサチップ表面に接着した状態でセンサチップ上に設ける工程と、
    前記外装体は前記弾性体よりも硬質であり、当該外装体に加えられた力が前記弾性体に伝達されるような態様で前記弾性体に被せる工程と、
    からなる、多軸触覚センサの製造方法。
17. 前記弾性体は予め用意されており、接着剤を介してセンサチップ表面に接着される、請求項１６に記載の製造方法。
18. 前記上壁の下面が前記弾性体の上面に当接した状態で、前記側壁の下端と前記基板との間に隙間が形成されており、
    前記外装体の前記側壁の下端が接着層を介して前記基板上に接着され、前記隙間は前記接着層によって閉塞される、
    請求項１６、１７いずれか１項に記載の製造方法。