JP2023123155A - 力覚センサ及び力覚センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属アレイ及び金属層の酸化を抑制する。【解決手段】力覚センサは、電磁波を透過する材料で構成され、周期的なパターンで配列された金属アレイを表面に有する第一基板と、第一基板と向かい合うように間隔を空けて配置され、第一基板を透過した電磁波を反射する金属層を表面に有する第二基板と、第一基板と第二基板とを接続すると共に金属アレイ及び金属層を収容する内部空間を画成する接続部材と、内部空間に充填される不活性物質とを備える。【選択図】図１

Description

本開示は、力覚センサ及び力覚センサの製造方法に関する。

特許文献１は、金属アレイと金属層とのギャップを外力によって変化させることができるエアギャップ構造を有する変位センサと、当該変位センサの製造方法を開示する。ギャップは、金属アレイと金属層との間に設けられた空気層である。

特開２０２０－９４９７３号公報

特許文献１の変位センサでは、金属アレイ又は金属層が空気層に晒らされる。このため、金属アレイ又は金属層が酸化し、力覚センサの特性が劣化するおそれがある。本開示は、金属アレイ及び金属層の酸化を抑制する技術を提供する。

本開示の一側面に係る力覚センサは、第一基板と、第二基板と、接続部材と、不活性物質とを備える。第一基板は、電磁波を透過する材料で構成され、周期的なパターンで配列された金属アレイを表面に有する。第二基板は、第一基板と向かい合うように間隔を空けて配置され、第一基板を透過した電磁波を反射する金属層を表面に有する。接続部材は、第一基板と第二基板とを接続すると共に金属アレイ及び金属層を収容する内部空間を画成する。不活性物質は、内部空間に充填される。

この力覚センサでは、金属アレイ及び金属層が収容される内部空間が画成される。この内部空間には、不活性物質が充填される。これにより、この力覚センサは金属アレイ及び金属層が酸素を含む空気に晒されることを回避できる。よって、この力覚センサは、金属アレイ及び金属層の酸化を抑制できる。

一実施形態によれば、力覚センサは、封止部材を備えてもよい。接続部材は、内部空間と外部とを連通する開口を有してもよい。封止部材は開口を封止してもよい。この場合、力覚センサは、開口を介して内部空間へ不活性物質を充填できると共に、封止部材によって内部空間に不活性物質を封止できる。

一実施形態によれば、内部空間に配置されると共に内部空間の高さを規制するスペーサ部材を備えてもよい。内部空間の高さとは、第一基板と第二基板との間の間隔である。この力覚センサは、無加重時の第一基板と第二基板との間隔が一定となるように第一基板と第二基板との間の位置関係を保持できる。

不活性物質は、不活性ガス又はシリコーンオイルであってもよい。

本開示の他側面に係る力覚センサの製造方法は、以下の（１）～（３）の工程を備える。（１）第一基板と、第二基板と、接続部材とを準備する工程。第一基板は、電磁波を透過する材料で構成され、周期的なパターンで配列された金属アレイを表面に有する。第二基板は、第一基板と向かい合うように間隔を空けて配置され、第一基板を透過した電磁波を反射する金属層を表面に有する。接続部材は、第一基板と第二基板とを接続し、金属アレイを収容する内部空間を画成すると共に内部空間と外部とを連通する開口を有する。
（２）内部空間を開口から減圧する工程。
（３）減圧された内部空間に開口から不活性物質を充填する工程。
（４）開口を封止部材で封止する工程。

この製造方法では、不活性物質は開口を介して内部空間へ充填されると共に、封止部材によって内部空間に封止される。これにより、この製造方法は、金属アレイ及び金属層が酸素を含む空気に晒されることを回避できる。よって、この製造方法は、金属アレイ及び金属層の酸化を抑制できる力覚センサを提供できる。

本開示によれば、金属アレイ及び金属層の酸化を抑制できる。

一実施形態に係る力覚センサの一例を示す断面図である。 図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。 一実施形態に係る製造方法の一例を示すフローチャートである。 一実施形態に係る製造方法の減圧工程を説明する図である。 一実施形態に係る製造方法の充填工程を説明する図である。 変形例に係る製造方法の充填工程を説明する図である。 図２に示される力覚センサの変形例を示す断面図である。

以下、図面を参照して、本開示の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は繰り返さない。図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

［力覚センサ］
本実施形態に係る製造方法により製造される力覚センサは、電磁波を用いた力覚センサである。電磁波は、可視光、赤外光、テラヘルツ波、又はマイクロ波である。力覚センサは、金属アレイと金属層との間にギャップが形成されたエアギャップ構造を有する。エアギャップ構造には、電磁波が入射され反射波が測定される。入射波及び反射波に基づいて共振波長が得られる。共振波長はギャップの大きさに応じて変化する。ギャップは外力によって変化する。つまり、電磁波を用いた力覚センサは、共振波長の変化に基づいて外力を測定するセンサである。

図１は、一実施形態に係る力覚センサの一例を示す断面図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。図１に示されるように、力覚センサ１は、下基板１０（第一基板の一例）及び上基板２０（第二基板の一例）を備える。下基板１０は、光（電磁波の一例）を透過する材料で構成される。下基板１０は、一例としてガラス基板である。下基板１０は、周期的なパターンで配列された金属アレイ１１を上面（表面の一例）に有する。金属アレイ１１は、一例としてロッドアレイ又はドットアレイである。金属アレイ１１は、一辺が３５０ｎｍの略正方形状のアレイが４００ｎｍ間隔で周期的に配置されたパターンによって構成されてもよい。金属アレイ１１の材料は、一例としてＡｕ（金）又はＡｌ（アルミニウム）である。上基板２０は、光を透過する材料で構成される必要はなく、ガラス基板でもよいし、シリコン基板などでもよい。上基板２０は、光を反射する金属層２１を下面（表面の一例）に有する。金属層２１の材料は、一例としてＡｕ又はＡｌである。下基板１０及び上基板２０は、アルカリ成分を含まない無アルカリガラス又は石英から形成されていてもよい。

力覚センサ１は、接続部材３０を備える。図１及び図２に示されるように、下基板１０及び上基板２０は、接続部材３０によって接続される。接続部材３０は、金属アレイ１１及び金属層２１の周囲に設けられており、下基板１０と上基板２０とを間隔を空けて固定する。上基板２０は、下基板１０と向かい合うように間隔を空けて配置される。これにより、接続部材３０は、下基板１０と上基板２０との間に、金属アレイ１１及び金属層２１を含む内部空間Ｖを画成する。接続部材３０は、酸化し難く、かつ、高融点の金属で形成される。接続部材３０は、融着された金属層からなってもよい。接続部材３０は、一例として、下基板１０に形成された第一金属層と、第二基板に形成された第二金属層とが融着された金属層からなる。第一金属層及び第二金属は、たとえば、Ｍｏ（モリブデン）／Ａｌ／Ｍｏの三層構造からなる。第一金属層及び第二金属は、Ａｌ、Ｍｏ、Ａｇ（銀）、Ｔｉ（チタニウム）、又はＣｒ（クロム）の単層であってもよい。

力覚センサ１は、内部空間Ｖに充填される不活性物質４０を備える。不活性物質４０は、化学的な活性が低い流体である。不活性物質４０は、一例として不活性ガスである。不活性ガスは、例えば、窒素ガス、二酸化炭素、又は希ガスである。図２に示されるように、接続部材３０は、封止部材３１と、内部空間Ｖと外部とを連通する開口３０ａとを有する。開口３０ａは、金属アレイ１１及び金属層２１の周囲において、接続部材３０の一部を切り欠くように形成される。開口３０ａは、封止部材３１によって封止される。つまり、不活性物質４０は、封止部材３１によって内部空間Ｖに封止される。封止部材３１は、例えば紫外線硬化樹脂である。

下基板１０及び金属アレイ１１を透過した光の一部は、金属層２１によって反射されると共に、金属アレイ１１と金属層２１との間で共振することで吸収される。吸収される光の波長は、金属アレイ１１と金属層２１との間の間隔によって変化する。力覚センサ１は、外部からの荷重に応じて下基板１０に対する上基板２０の姿勢が変更されるように構成される。よって、力覚センサ１に加えられる荷重は、力覚センサ１が吸収する光の波長の変化によって示される。

［力覚センサの製造方法］
図３は、本実施形態に係る、力覚センサ１の製造方法Ｍ１の一例を示すフローチャートである。製造方法Ｍ１では、最初に、下基板１０、上基板２０、及び接続部材３０が準備される（ステップＳ１０）。上述のように、下基板１０は、電磁波を透過する材料で構成され、周期的なパターンで配列された金属アレイ１１を表面に有する。上基板２０は、下基板１０と向かい合うように間隔を空けて配置され、電磁波を反射する金属層２１を表面に有する。接続部材３０は、下基板１０と上基板２０とを接続し、内部空間Ｖを画成すると共に内部空間Ｖと外部とを連通する開口３０ａを有する。このように、ステップＳ１０においては、下基板１０及び上基板２０が接続部材３０によって接続された力覚センサ１が準備される。

次に、力覚センサ１の内部空間Ｖを減圧する（ステップＳ２０）。図４は、一実施形態に係る製造方法の減圧工程を説明する図である。図４においては、図２のＩＶ－ＩＶ線に沿った力覚センサ１の断面図が示される。図４に示されるように、力覚センサ１は、真空排気可能な容器Ｃの内部に収容される。容器Ｃは、容器Ｃの内部を排気する真空ポンプ（不図示）が接続されたバルブＢ１と、容器Ｃの内部に不活性物質４０（本実施形態では、不活性ガス）を導入するガス源（不図示）が接続されたバルブＢ２を備える。バルブＢ１を開とし、真空ポンプを動作させることによって容器Ｃの内部が減圧される。内部空間Ｖが減圧された力覚センサ１は、下基板１０と上基板２０とが近接するように変形する。

次に、減圧された力覚センサ１の内部空間Ｖに不活性物質４０を充填する（ステップＳ３０）。図５は、一実施形態に係る製造方法の充填工程を説明する図である。バルブＢ１を閉とし、バルブＢ２を開とすることで、図５に示されるように、減圧された容器Ｃの内部にバルブＢ２から不活性物質４０が導入される。不活性物質４０は、開口３０ａから内部空間Ｖに充填される。内部空間Ｖに不活性物質４０が充填されることで内部空間Ｖの減圧が解消され、下基板１０及び上基板２０の変形は解消される。

最後に、力覚センサ１の開口３０ａを封止する（ステップＳ４０）。紫外線硬化樹脂からなる封止部材３１が力覚センサ１の開口３０ａに塗布される。そして、開口３０ａに塗布された封止部材３１に紫外線が照射され、封止部材３１が硬化することで、開口３０ａは封止される。以上の工程により、力覚センサ１が製造される。なお、製造方法Ｍ１は、ステップＳ４０の工程よりも前に、金属アレイ１１を洗浄する洗浄工程を含んでもよい。

［実施形態のまとめ］
力覚センサ１では、金属アレイ１１及び金属層２１が収容される内部空間Ｖが画成される。この内部空間Ｖには、不活性物質４０が充填される。これにより、力覚センサ１は、金属アレイ１１及び金属層２１が酸素を含む空気に晒されることを回避できる。よって、力覚センサ１は、金属アレイ１１及び金属層２１の酸化を抑制できる。

接続部材３０が内部空間Ｖと外部とを連通する開口３０ａを有するため、力覚センサ１は、開口３０ａを介して内部空間Ｖへ不活性物質４０を充填できると共に、封止部材３１によって内部空間Ｖに不活性物質４０を封止できる。

力覚センサ１の製造方法Ｍ１では、不活性物質４０は開口３０ａを介して内部空間Ｖへ充填されると共に、封止部材３１によって内部空間Ｖに封止される。これにより、製造方法Ｍ１は、金属アレイ１１及び金属層２１が酸素を含む空気に晒されることを回避できる。よって、製造方法Ｍ１は、金属アレイ１１及び金属層２１の酸化を抑制する力覚センサ１を提供できる。

以上、種々の例示的実施形態について説明してきたが、本開示は上記実施形態に限定されることなく、様々な省略、置換、及び変更がなされてもよい。

［変形例］
不活性物質４０は、シリコーンオイルであってもよい。この場合、ステップＳ３０では、減圧された力覚センサ１の内部空間Ｖにシリコーンオイルが充填される。図６は、変形例に係る製造方法の充填工程を説明する図である。図６では、シリコーンオイルは、開口３０ａを介して内部空間Ｖに充填される。最初に、容器Ｃの内部空間Ｖが減圧された状態で、開口３０ａがシリコーンオイルに浸されるように力覚センサ１が配置される。次に、開口３０ａがシリコーンオイルで浸された状態でバルブＢ１が開放される。これにより、容器Ｃの減圧が解消され、力覚センサ１の内部空間Ｖにシリコーンオイルが充填される。

不活性物質４０は、内部空間Ｖに充填された後に硬化してもよい。すなわち、不活性物質４０は、固体であってもよい。一例として、不活性物質４０は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）であってもよい。

接続部材３０は、開口３０ａを有さなくてもよい。この場合、接続部材３０が下基板１０に設けられた第一接続部材と、上基板２０に設けられた第二接続部材とに分割され、不活性ガス雰囲気中で、第一接続部材と第二接続部材とを融着などにより接続すればよい。

図７は、図２に示される力覚センサの変形例を示す断面図である。接続部材３０が第一接続部材と第二接続部材とに分割され、下基板１０に設けられた第一接続部材と、上基板２０に設けられた第二接続部材とが融着されることにより下基板１０と上基板２０とが接続する場合、融着によって接続部材３０の高さが変動し、結果として内部空間Ｖの高さが設定値からずれる場合がある。このため、力覚センサ１は、スペーサ部材１２を備えてもよい。スペーサ部材１２は、内部空間Ｖにおいて接続部材３０よりも内側に、金属アレイ１１を囲むように、下基板１０に設けられる。スペーサ部材１２は、上基板２０に設けられてもよいし、下基板１０用の第１スペーサ部材及び上基板２０用の第２スペーサ部材に分割されてもよい。スペーサ部材１２は、第一接続部材及び第二接続部材の融着時において、内部空間Ｖの高さを規制する。内部空間Ｖの高さとは、下基板１０と、上基板２０のとの間の間隔である。スペーサ部材１２は、接続部材３０の開口３０ａと連通する開口１２ａを有する。不活性物質４０は、開口３０ａ及び開口１２ａを介して内部空間Ｖに充填される。封止部材３１は、開口３０ａ及び開口１２ａを封止する。変形例に係る力覚センサのその他の構成は、図２に示される力覚センサ１と同一である。スペーサ部材１２を備えることで、力覚センサ１は、無加重時の下基板１０と上基板２０との間隔が一定となるように下基板１０と上基板２０との間の位置関係を保持できる。

力覚センサ１は、金属アレイ１１の表面を覆う保護層を備えてもよい。保護層を備えることで、力覚センサ１の製造工程において、上述した洗浄工程を省略することができる。保護層は、例えば、石英から形成される。保護層は、損傷又は酸化などから金属アレイ１１を保護する。

スペーサ部材１２の厚さは、１９０ｎｍであってもよい。金属層２１の厚さは、１００ｎｍであってもよい。金属アレイ１１の厚さは、３０ｎｍであってもよい。保護層の厚さは、３５ｎｍであってもよい。金属層２１と保護層との間のギャップは３０ｎｍであってもよい。金属層２１と金属アレイ１１との間の距離は６５ｎｍであってもよい。

１…力覚センサ、１０…下基板（第一基板の一例）、１１…金属アレイ、１２…スペーサ部材、２０…上基板（第二基板の一例）、２１…金属層、３０…接続部材、３０ａ…開口、３１…封止部材、４０…不活性物質。

Claims (5)

1. 電磁波を透過する材料で構成され、周期的なパターンで配列された金属アレイを表面に有する第一基板と、
   前記第一基板と向かい合うように間隔を空けて配置され、前記第一基板を透過した電磁波を反射する金属層を表面に有する第二基板と、
   前記第一基板と前記第二基板とを接続すると共に前記金属アレイ及び金属層を収容する内部空間を画成する接続部材と、
   前記内部空間に充填される不活性物質と、
   を備える、力覚センサ。
2. 封止部材を備え、
   前記接続部材は前記内部空間と外部とを連通する開口を有し、前記封止部材は前記開口を封止する、請求項１に記載の力覚センサ。
3. 前記内部空間に配置されると共に前記内部空間の高さを規制するスペーサ部材を備える、請求項１又は２に記載の力覚センサ。
4. 前記不活性物質は不活性ガス又はシリコーンオイルである、請求項１～３の何れか一項に記載の力覚センサ。
5. 電磁波を透過する材料で構成され、周期的なパターンで配列された金属アレイを表面に有する第一基板と、前記第一基板と向かい合うように間隔を空けて配置され、前記第一基板を透過した電磁波を反射する金属層を表面に有する第二基板と、前記第一基板と前記第二基板とを接続し、前記金属アレイを収容する内部空間を画成すると共に前記内部空間と外部とを連通する開口を有する接続部材と、を準備する工程と、
   前記内部空間を前記開口から減圧する工程と、
   減圧された前記内部空間に前記開口から不活性物質を充填する工程と、
   前記開口を封止部材で封止する工程と、
   を備える、力覚センサの製造方法。

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