JP2021073457A - 薄膜歪センサとそれを用いたトルクセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 薄膜電極において十分な接合強度を得ることができ、接続不良や断線を防止することが可能な薄膜歪センサとそれを用いたトルクセンサを提供する。【解決手段】 薄膜歪センサは、弾性体１２、抵抗体１３ａ、１３ｂ、電極１５ａ、１５ｂ、１５ｃを具備している。弾性体１２は、被計測体に取着される第１連結部１２ａ、１２ｂと第２連結部１２ｃ、１２ｄ、及び第１連結部１２ａ、１２ｂと第２連結部１２ｃ、１２ｄとの間で、被計測体の力を伝達する伝達部１２ｅとを有する。抵抗体１３ａ、１３ｂは、弾性体１２の伝達部１２ｅの表面に設けられ、歪みを電気的に検出する。電極１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、第１連結部と第２連結部及び伝達部以外の弾性体上の領域に設けられ、抵抗体に電気的に接続される。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、例えばロボットアームの関節に設けられるトルクセンサ等に適用される薄膜歪センサとそれを用いたトルクセンサに関する。

この種の薄膜歪センサは、一般に、起歪体上に絶縁膜が形成され、絶縁膜上に薄膜抵抗体や薄膜電極が形成された構成を有しており、起歪体に印加された力に応じて生じた起歪体の変形を薄膜抵抗体の抵抗値の変化として検出する（例えば特許文献１、２参照）。

特開平９−２５７６１２号公報 特表２００４−５１２５１５号公報

薄膜歪センサの薄膜電極と他の回路の配線を接続するため、はんだ付け、ワイヤボンディング、異方導電性接着等の電気的接続手段が用いられる。しかし、薄膜電極も、回路基板上に設けられる厚膜電極と異なり、膜厚が薄い。このため、十分な接合力を得ることができないことがある。この場合、電気的な接続が不安定になったり、断線したりしてしまうことがある。

本発明の実施形態は、薄膜電極において十分な接合強度を得ることができ、接続不良や断線を防止することが可能な薄膜歪センサとそれを用いたトルクセンサを提供する。

本実施形態の薄膜歪センサは、第１端部と、第２端部と、前記第１端部と前記第２端部の間の中間部とを有し、前記第１端部が第１被計測体の表面に取着される第１連結部で、前記中間部が第２被計測体の表面に取着される第２連結部であり、前記第２端部が前記第２被計測体の表面に配置される矩形状の弾性体と、前記弾性体の前記第１端部と前記中間部との間の表面に設けられ、歪みを電気的に検出する薄膜抵抗体と、前記第２端部と前記中間部との間に位置する前記弾性体の表面に設けられ、前記薄膜抵抗体に電気的に接続された薄膜電極と、を具備する。

本実施形態のトルクセンサは、環状の第１構造体と、前記第１構造体の内側に前記第１構造体と同心状に配置された環状の第２構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体を連結する複数の第３構造体と、前記第３構造体以外の位置で前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられた第１薄膜歪センサ及び第２薄膜歪センサを具備し、第１薄膜歪センサ及び第２薄膜歪センサのそれぞれは、第１端部と、第２端部と、前記第１端部と前記第２端部の間の中間部とを有し、前記第１端部が前記第１構造体の表面に取着される第１連結部で、前記中間部が前記第２構造体の表面に取着さる第２連結部であり、前記第２端部が前記第２構造体の表面に配置される矩形状の弾性体と、前記弾性体の前記第１端部と前記中間部との間の表面に設けられ、歪みを電気的に検出する薄膜抵抗体と、前記第２端部と前記中間部との間に位置する前記弾性体の表面に設けられ、前記薄膜抵抗体に電気的に接続された薄膜電極と、を具備する。

本実施形態に係る薄膜歪センサの一例を概略的に示す平面図。 本実施形態に係る薄膜歪センサの他の例を示す平面図。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図。 本実施形態が適用されるトルクセンサの組み立て状態を示す斜視図。 図４の一部を分解して示す斜視図。 図５に続く組み立て工程を示す平面図。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。図面において、同一部分には同一符号を付している。

図１は、本実施形態に係る薄膜歪センサの一例を概略的に示している。

薄膜歪センサ１１は、例えば起歪体としての弾性体１２、薄膜抵抗体１３ａ、１３ｂ、複数の薄膜配線１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、薄膜電極１５ａ、１５ｂ、１５ｃを具備している。

弾性体１２は、例えば矩形状であり、例えばステンレススチール（ＳＵＳ）により構成されている。弾性体１２の形状、材料は、これに限定されるものではなく、後述するように溶接可能な材料であればよい。

弾性体１２は、第１連結部１２ａ、１２ｂと第２連結部１２ｃ、１２ｄ、第１連結部１２ａ、１２ｂと第２連結部１２ｃ、１２ｄとの間の伝達部１２ｅ、及び第１連結部１２ａ、１２ｂと第２連結部１２ｃ、１２ｄ、及び伝達部１２ｅ以外の領域（以下、電極配置領域とも言う）１２ｆを有している。

具体的には、第１連結部１２ａ、１２ｂは、弾性体１２の長手方向の一端部で、弾性体１２の短手方向の両端に設けられ、電極配置領域１２ｆは、弾性体１２の長手方向の他端部に設けられている。第２連結部１２ｃ、１２ｄは、弾性体１２の長手方向のほぼ中間部で、弾性体１２の短手方向の両端に設けられ、伝達部１２ｅは、第１連結部１２ａ、１２ｂと第２連結部１２ｃ、１２ｄの間に設けられている。

第１連結部１２ａ、１２ｂは、被計測体としての後述するトルクセンサの第１構造体に取着され、第１構造体と弾性体１２との間で力を伝達する部分である。第２連結部１２ｃ、１２ｄは、トルクセンサの第２構造体に取着され、第２構造体と弾性体１２との間で力を伝達する部分である。

第１連結部１２ａ、１２ｂと第１構造体との取着方法、及び第２連結部１２ｃ、１２ｄと第２構造体との取着方法は、後述するように、例えば溶接である。

図１に第１連結部１２ａ、１２ｂ、第２連結部１２ｃ、１２ｄとして示す破線の丸印は、溶接位置（溶接領域）を示している。また、２つの丸印を結ぶ破線（直線）は、伝達部１２ｅの範囲を便宜的に示している。

伝達部１２ｅは、第１連結部１２ａ、１２ｂと第２連結部１２ｃ、１２ｄとの間で力を伝達する部分である。このため、弾性体１２の伝達部１２ｅは、第１構造体及び第２構造体から受けた力に応じて変形する領域である。

薄膜抵抗体１３ａ、１３ｂは、伝達部１２ｅ内で第１連結部１２ａ、１２ｂの近傍に配置され、伝達部１２ｅの変形を電気信号に変換する。

薄膜電極１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、第１連結部１２ａ、１２ｂ、第２連結部１２ｃ、１２ｄ、伝達部１２ｅ以外の電極配置領域１２ｆに配置されている。

電極配置領域１２ｆは、伝達部１２ｅから離れた位置に設けられているため、第１構造体及び第２構造体からの力が伝達されない。このため、電極配置領域１２ｆは、変形しない。したがって、電極配置領域１２ｆに配置された薄膜電極１５ａ、１５ｂ、１５ｃにも第１構造体及び第２構造体からの力が伝達されない。

薄膜電極１５ａ、１５ｂは、薄膜配線１４ａ、１４ｂにより薄膜抵抗体１３ａに接続され、薄膜電極１５ｂ、１５ｃは、薄膜配線１４ｃ、１４ｄにより薄膜抵抗体１３ｂに接続されている。薄膜電極１５ｂは、薄膜抵抗体１３ａ、１３ｂに共通の電極である。

尚、薄膜抵抗体の数、薄膜電極の数、及び薄膜抵抗体と薄膜電極とを接続する配線の数は、これに限定されるものではなく、変形可能である。

上記第１の実施形態に係る薄膜歪センサ１１によれば、薄膜電極１５ａ、１５ｂ、１５ｃが配置される電極配置領域１２ｆは、弾性体１２内の力が伝達されない位置に設けられている。このため、薄膜電極１５ａ、１５ｂ、１５ｃにも、トルクセンサに印加された力が伝達されない。したがって、薄膜電極１５ａ、１５ｂ、１５ｃに、例えば異方導電性接着剤やワイヤボンディングにより接続される図示せぬ配線が接続された場合において、これら配線と薄膜電極１５ａ、１５ｂ、１５ｃとの接合強度を充分に保持することができ、接触不良や断線を防止することが可能である。

また、薄膜歪センサ１１を構成する弾性体１２は、ステンレススチールのような金属により構成されている。このため、許容応力が例えばシリコン基板などに比べて大きく、自由な形状に加工することが可能であるため、薄膜歪センサ１１の製造を容易化することが可能である。

しかも、弾性体１２は金属により構成されているため、小型の薄膜歪センサ１１を溶接によりトルクセンサの第１構造体、第２構造体に取着することが可能である。溶接は、例えばネジを用いた締結や接着剤を用いた接着に比べて、小さな面積によって強固な締結力を得ることが可能であるため、薄膜歪センサ１１と第１構造体、第２構造体との締結状態を安定に保持することが可能である。

（第２の実施形態）
図２は、本実施形態の第２の実施形態を示している。

図１において、電極配置領域１２ｆは、弾性体１２の長手方向の他端部に設けられていた。これに対して、図２に示す第２の実施形態において、電極配置領域１２ｆは、弾性体１２の長手方向の中央部で、短手方向の一端に設けられている。

具体的には、第１連結部１２ａ、１２ｂは、ほぼ矩形状の弾性体１２の長手方向の一端部で、弾性体１２の短手方向の両端に設けられ、第２連結部１２ｃ、１２ｄは、弾性体１２の長手方向の他端部で、弾性体１２の短手方向の両端に設けられている。

伝達部１２ｅは、第１連結部１２ａ、１２ｂと第２連結部１２ｃ、１２ｄの間に設けられている。

薄膜抵抗体１３ａ、１３ｂは、伝達部１２ｅに配置されている。

電極配置領域１２ｆは、伝達部１２ｅのほぼ中央部で、弾性体１２の短手方向の一端部に島状に張り出して設けられている。

薄膜電極１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、電極配置領域１２ｆに配置されている。すなわち、薄膜電極１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、第１連結部１２ａ、１２ｂ、第２連結部１２ｃ、１２ｄ、伝達部１２ｅ以外の電極配置領域１２ｆに配置されている。

薄膜電極１５ａ、１５ｂは、薄膜配線１４ａ、１４ｂにより薄膜抵抗体１３ａに接続され、薄膜電極１５ｂ、１５ｃは、薄膜配線１４ｃ、１４ｄにより薄膜抵抗体１３ｂに接続されている。

上記第２の実施形態に係る薄膜歪センサによれば、電極配置領域１２ｆは、伝達部１２ｅの長手方向中央部で、短手方向の一端部に島状に張出して設けられている。このため、第１構造体及び第２構造体からの力は、電極配置領域１２ｆに伝達されず、電極配置領域１２ｆの変形が防止されている。したがって、電極配置領域１２ｆに配置された薄膜電極１５ａ、１５ｂ、１５ｃにも第１構造体及び第２構造体からの力が伝達されない。このため、薄膜電極１５ａ、１５ｂ、１５ｃに、例えば異方導電性接着剤やワイヤボンディングにより接続される図示せぬ配線が接続された場合において、これら配線と薄膜電極１５ａ、１５ｂ、１５ｃとの接合強度を充分に保持することができ、接触不良や断線を防止することが可能である。

図３は、第１、第２の実施形態に適用される薄膜歪センサの一例を示すものであり、図１に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面を示している。

歪センサ１１は、例えば弾性体１２、絶縁膜２１ａ、薄膜抵抗体（感歪膜）１３ａ、接着膜２１ｃ、配線２１ｄ、接着膜２１ｅ、保護膜としてのガラス膜２１ｆを具備している。具体的には、金属製の弾性体１２上に絶縁膜２１ａが設けられ、絶縁膜２１ａ上に例えばＣｒ−Ｎ抵抗体により構成された薄膜抵抗体１３ａが設けられる。薄膜抵抗体１３ａ上の端部に接着膜２１ｃを介在して、例えば銅（Ｃｕ）により構成された電極リードとしての薄膜配線１４ａが設けられる。薄膜配線１４ａ上には接着膜２１ｅが設けられる。絶縁膜２１ａ、薄膜抵抗体１３ａ、及び接着膜２１ｅは、ガラス膜２１ｆにより覆われる。接着膜２１ｃは、配線２１ｄと薄膜抵抗体１３ａとの密着性を高め、接着膜２１ｅは、薄膜配線１４ａとガラス膜２１ｆとの密着性を高めている。接着膜２１ｃ、２１ｅは、例えばクロム（Ｃｒ）を含む膜である。歪センサ１１の構成は、これに限定されるものではない。

上記第２の実施形態によっても第１の実施形態と同様の効果を得ることが可能である。

しかも、第２の実施形態においても弾性体１２は金属により構成されているため、弾性体１２の加工が容易である。このため、電極配置領域１２ｆを伝達部１２ｅの横に島状に張出して設けることができる。したがって、トルクセンサの形状や大きさに従って、伝達部１２ｅや電極配置領域１２ｆの形状や大きさ、又は配置を容易に変更することが可能である。

（第３の実施形態）
図４は、第３の実施形態を示すものであり、例えば第１の実施形態に係る薄膜歪センサ１１を用いたトルクセンサを示し、図５、図６は、図４に示すトルクセンサの製造工程を示すものであり、図４の破線で示すＡ部を拡大して示している。

図４に示すように、被計測体としてのトルクセンサ３０は、第１構造体３１、第２構造体３２、複数の梁部３３、第１薄膜歪センサ３４、第２薄膜歪センサ３５を具備している。

第１構造体３１、第２構造体３２、複数の梁部３３は、例えば金属により構成されるが、印加されるトルクに対して機械的な強度を十分に得ることができれば、金属以外の材料を使用することも可能である。

例えばトルクが印加される第１構造体３１と、トルクを出力する第２構造体３２は、環状に形成され、第２構造体３２の径は、第１構造体３１の径より小さい。

第２構造体３２は、第１構造体３１と同心状に配置され、第１構造体３１と第２構造体３２は、放射状に配置された複数の梁部３３と、第１薄膜歪センサ１１ａ及び第２薄膜歪センサ１１ｂにより連結されている。第１薄膜歪センサ１１ａ及び第２薄膜歪センサ１１ｂは、第１の実施形態に示す薄膜歪センサ１１である。

第１薄膜歪センサ１１ａと第２薄膜歪センサ１１ｂは、第１構造体３１及び第２構造体３２の中心（トルクの作用中心）に対して対称な位置に配置されている。

図５に示すように、第１薄膜歪センサ１１ａは、第１構造体３１の内側に設けられた第１収容部３１ａと、第２構造体３２に設けられた第２収容部３２ａとに収容される。第１収容部３１ａと第２収容部３２ａとの相互間には、間隙が設けられ、第１収容部３１ａと第２収容部３２ａは、第１薄膜歪センサ１１ａが第１収容部３１ａと第２収容部３２ａに収容され、溶接されることにより連結される。

具体的には、図６に示すように、第１薄膜歪センサ１１ａが第１収容部３１ａと第２収容部３２ａに収容された後、第１連結部１２ａ、１２ｂの２点が溶接により第１収容部３１ａの縁部に固定され、第２連結部１２ｃ、１２ｄの２点が溶接により第２収容部３２ａの縁部に固定される。

溶接方法としては、例えばスポット溶接、又はレーザービーム溶接が適用される。

次いで、薄膜電極１５ａ、１５ｂ、１５ｃに図示せぬ配線がそれぞれ接続される。これら配線は、例えば異方導電性接着剤やワイヤボンディングを用いて接続される。

上記構成において、トルクセンサ３０の第１構造体３１と第２構造体３２との間でトルクが発生すると、第１薄膜歪センサ１１ａ及び第２薄膜歪センサ１１ｂにおいて、第１連結部１２ａ、１２ｂと第２連結部１２ｃ、１２ｄ間の伝達部１２ｅが変形し、歪が発生する。この歪が薄膜抵抗体１３ａ、１３ｂにより電気信号として検出される。このとき、電極配置領域１２ｆには、第１構造体３１と第２構造体３２との間のトルクが伝達されない。このため、電極配置領域１２ｆは、変形することがなく、薄膜電極１５ａ、１５ｂ、１５ｃに力が伝達されることがない。したがって、薄膜電極１５ａ、１５ｂ、１５ｃと図示せぬ配線との接続状態を安定に保持することが可能である。

尚、第３の実施形態は、第１の実施形態に示す薄膜歪センサ１１をトルクセンサ３０に適用した場合を示したが、これに限定されるものではなく、第２の実施形態に示す薄膜歪センサ１１を適用することも可能である。

この場合も、図２に示す第１連結部１２ａ、１２ｂの２点が第１収容部３１ａの縁部に溶接により固定され、第２連結部１２ｃ、１２ｄの２点が第２収容部３２ａの縁部に溶接により固定される。電極配置領域１２ｆは、例えば第２収容部３２ａの外部で、第２構造体３２ａの表面に配置されていてもよいし、或いは、第２収容部３２ａの形状を変形させ、第２収容部３２ａ内に電極配置領域１２ｆを収容してもよい。但し、この場合、伝達部１２ｅの変形が電極配置領域１２ｆに伝達されないように、第２収容部３２ａを電極配置領域１２ｆの形状より大きくする必要がある。

トルクセンサ３０の第１構造体３１と第２構造体３２との間でトルクが発生すると、第１薄膜歪センサ１１ａ及び第２薄膜歪センサ１１ｂにおいて、第１連結部１２ａ、１２ｂと第２連結部１２ｃ、１２ｄ間の伝達部１２ｅが変形し、歪が発生する。この歪が薄膜抵抗体１３ａ、１３ｂにより電気信号として検出される。このとき、伝達部１２ｅの横に島状に設けられた電極配置領域１２ｆには、第１構造体３１と第２構造体３２との間のトルクが伝達されない。このため、電極配置領域１２ｆは、変形することがなく、薄膜電極１５ａ、１５ｂ、１５ｃに力が伝達されることがない。したがって、薄膜電極１５ａ、１５ｂ、１５ｃと図示せぬ配線との接続状態を安定に保持することが可能である。

上記第３の実施形態によれば、第１又は第２の実施形態に示す構成の薄膜歪センサ１１をトルクセンサ３０に適用し、薄膜歪センサ１１の第１連結部１２ａ、１２ｂを第１構造体３１の第１収容部３１ａに溶接し、第２連結部１２ｃ、１２ｄを第２構造体３２の第２収容部３２ａに溶接している。このため、小さな面積で大きな締結力を得ることが可能であり、薄膜歪センサ１１を第１構造体３１、第２構造体３２に安定に締結することが可能である。

その他、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１１…薄膜歪センサ、１２…弾性体、１２ａ、１２ｂ…第１連結部、１２ｃ、１２ｄ…第２連結部、１２ｅ…伝達部、１２ｆ…電極配置領域、１３ａ、１３ｂ…薄膜抵抗体、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ…薄膜電極。

Claims (4)

1. 第１端部と、第２端部と、前記第１端部と前記第２端部の間の中間部とを有し、前記第１端部が第１被計測体の表面に取着される第１連結部で、前記中間部が第２被計測体の表面に取着される第２連結部であり、前記第２端部が前記第２被計測体の表面に配置される矩形状の弾性体と、
   前記弾性体の前記第１端部と前記中間部との間の表面に設けられ、歪みを電気的に検出する薄膜抵抗体と、
   前記第２端部と前記中間部との間に位置する前記弾性体の表面に設けられ、前記薄膜抵抗体に電気的に接続された薄膜電極と、
   を具備することを特徴とする薄膜歪センサ。
2. 前記弾性体の前記第１連結部と前記第２連結部は、前記弾性体を前記第１被計測体と前記第２被計測体に結合するための溶接領域であることを特徴とする請求項１記載の薄膜歪センサ。
3. 環状の第１構造体と、
   前記第１構造体の内側に前記第１構造体と同心状に配置された環状の第２構造体と、
   前記第１構造体と前記第２構造体を連結する複数の第３構造体と、
   前記第３構造体以外の位置で前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられた第１薄膜歪センサ及び第２薄膜歪センサを具備し、
   第１薄膜歪センサ及び第２薄膜歪センサのそれぞれは、
   第１端部と、第２端部と、前記第１端部と前記第２端部の間の中間部とを有し、前記第１端部が前記第１構造体の表面に取着される第１連結部で、前記中間部が前記第２構造体の表面に取着さる第２連結部であり、前記第２端部が前記第２構造体の表面に配置される矩形状の弾性体と、
   前記弾性体の前記第１端部と前記中間部との間の表面に設けられ、歪みを電気的に検出する薄膜抵抗体と、
   前記第２端部と前記中間部との間に位置する前記弾性体の表面に設けられ、前記薄膜抵抗体に電気的に接続された薄膜電極と、
   を具備することを特徴とするトルクセンサ。
4. 前記弾性体の前記第１連結部と前記第２連結部は、前記弾性体を前記第１構造体及び前記第２構造体に結合するための溶接領域であることを特徴とする請求項３記載のトルクセンサ。

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