JP4958102B2 - 触覚センサー及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ストレインゲージを備える触覚センサー及びその製造方法に関する。

従来、バネ弾性等の弾性を有し凸形状をした起歪部にストレインゲージ（ひずみセンサー）が取り付けられ、該起歪部に外力が作用して歪みが生じると、その歪みをストレインゲージが検出することにより、力の３分力（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）を検出可能な触覚センサーが知られている（例えば、特許文献１，２）
これらの触覚センサーは、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の歪み成分を検出するため、内部空間を有する凸形状をした起歪部の内部上面及び内部側面にストレインゲージを設けていた。起歪部の外面でなく内面に配置しているのは、外面だと、特に上面のストレインゲージに直接、接触圧が掛かりストレインゲージにダメージを与えるからである。
特開２００４−２４５７１７号 特開２００５−２５７４１２号

しかしながら、凸形状をした起歪部の内部上面及び内部側面にストレインゲージを配置するには次のような問題があった。

上記凸形状を有する起歪部の内面にストレインゲージを配置するためには、すでに形成された起歪部の側面に手でストレインゲージを貼り付けるかあるいはストレインゲージを配置した後に該起歪部を曲げ加工等により形成する必要があった。前者は貼り付ける際の位置合わせが困難であると同時に作業性が悪く量産性に問題があった。また後者はストレインゲージの相対的な位置合わせは可能なものの、起歪部を曲げ加工等する際にストレインゲージにストレスがかかり、損傷あるいは特性変化を誘起するという問題があった。特に凸形状を有する起歪部をアレイ状に多数形成するためには、上記のいずれの方法も量産性、低価格化、特性の安定性等、製造上の大きな問題があった。

そこで、本発明は、上記の課題を解決するために、一つあるいは複数個のアレイ状の上記凸形状を有する起歪部にかかる力の３成分（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）が検出可能で、安定性に優れた特性、及び量産性を向上し得る触覚センサー及びその製造方法を提供するものである。

本発明に係る触覚センサーの製造方法は、平坦面を有する支持部の該平坦面上の所定位置に、少なくとも１つの起歪部が突設された基体を準備する工程と、可撓性を有する樹脂フィルム上の所定位置に複数の感歪部を配置することにより複数のストレインゲージを作製する工程と、前記複数のストレインゲージの感歪部の各々に対応する所定パターンの切断部を形成し、該切断部によって形成される各々のストレインゲージを個別に折り曲げ可能にする工程と、前記切断部によって形成された各々のストレインゲージを前記基体上に重ね合わせることにより、前記起歪部の外側面に、接着剤の適用下に、前記各々のストレインゲージを接着させる工程と、を有することを特徴とする。

前記ストレインゲージの感歪部は、ＰＶＤ法又はＣＶＤ法を用いて、前記樹脂フィルム上に複数の所定位置に薄膜形成されることが好ましい。

前記ストレインゲージの感歪部は、酸化クロムであることが好ましい。

前記ストレインゲージの感歪部を前記樹脂フィルム上に薄膜形成する前に、前記樹脂フィルム上に、酸窒化シリコン（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ：１．０＜ｘ≦２．０，０≦ｙ＜１．０）からなるバッファ層を薄膜形成する工程を更に含むことが好ましい。

また、本発明に係る触覚センサーは、所望硬度の柔軟性を有する弾性樹脂材料で形成され、平坦面を有する支持部上に少なくとも１つの凸形状の起歪部が形成された基体と、前記起歪部の外側面のみに、所定の角度間隔、好ましくは９０°の角度間隔で、少なくとも３箇所に配置されたストレインゲージとを有することを特徴とする。

本発明に係る前記触覚センサーにおいて、前記ストレインゲージは、前記起歪部の外側面に接着された樹脂フィルムと、前記樹脂フィルム上に薄膜形成された酸窒化シリコン（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ：１．０＜ｘ≦２．０，０≦ｙ＜１．０）からなるバッファ層と、前記バッファ層上に薄膜形成された酸化クロムからなる感歪部と、を含むことが好ましい。

本発明に係る触覚センサーの製造方法によれば、樹脂フィルムに所定の切断部を形成することにより、複数のストレインゲージを起歪部の外側の側面上に一括して取り付けることができ、取り付け時の位置合わせも容易となり、量産性が向上するとともに、ストレインゲージに無理な力をかけずに接着できるため、安定した特性を有する触覚センサーを製作することができる。また、本発明に係る触覚センサーによれば、起歪部の外側の側面にのみ、所定の角度間隔、好ましくは９０°の角度間隔で設けられた少なくとも３個のストレインゲージにより、３次元方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ方向）の歪みを精度良く検知可能である。

先ず、本発明に係る触覚センサーの好適な実施形態について、以下に図１を参照しつつ説明する。図１は、本発明に係る触覚センサーの斜視図である。

触覚センサー１は、平坦面を有する支持部２上に凸形状の起歪部３が形成された基体４と、樹脂フィルム５とその上の所定位置に形成された感歪部６とからなるストレインゲージ７とを備えていて、ストレインゲージ７を起歪部３の側面に接着剤で貼付された構造を有している。なお、図１では、支持部２上に起歪部３が１つだけ形成されている例を示しているが、起歪部３は支持部２上の所定位置に複数個形成されていても良い。

基体４は、用途に適した柔軟性を有する材料によって形成され、そのような材料として弾性樹脂材料を採用することができ、中でも、シリコーンゴムは、硬度の制御が比較的容易であるため好ましい。支持部２と起歪部３とは、異種の弾性樹脂材料によって形成し互いに接合することもできるが、同一材料で一体成形することが製造上好ましい。

起歪部３の形状は、図示のような切頭四角錐状に限らず、切頭三角錐、切頭六角錐等とすることもでき、切頭角錐の切頭部分の平坦な上底面に外力が作用することで側面（周面）に生じた歪みを検出する。なお、円柱状、円錐状、半球状等の形状を採用することもできる。

樹脂フィルム５は、可撓性及び電気絶縁性を有するものが使用され、例えば、ポリイミドフィルム、ポリアミドフィルム等を使用できる。樹脂フィルム５を起歪部３に接着する接着剤は、樹脂フィルム５と起歪部３との接着を確保できるものであればよく、公知の樹脂系接着剤を使用することができる。樹脂フィルム５は、厚さが７．５〜１００μｍ程度のものを使用できる。

ストレインゲージ７の感歪部６は、酸化クロム、ニッケルクロム等のストレインゲージ材料を公知の成膜法を用いることによって位置精度良く薄膜形成され、その膜厚は、例えば、０．１〜１μｍとすることができる。なお、図１において、符号６ａで示す部分は、リード線をハンダ付けするためのランドである。なお、後述するように電気配線をあらかじめ事前に作製しておく場合は、ランドは必ずしもこの位置に配置しておく必要はない。

ストレインゲージ７は、１つの起歪部３の外側面に対して、所定の角度間隔、好ましくは９０°の角度間隔で、少なくとも３箇所に形成されておれば良いが、数量は限定されない。即ち、後述するように、起歪部３の外側面のみに設けたストレインゲージにより３次元方向を検知するためには、起歪部３の中心軸線Ａ（Ｚ軸）回りに、所定の角度間隔、好ましくは９０°の角度間隔で配置する必要があり、図１に例示された起歪部３の形状が切頭四角錘状の場合には、９０°間隔で配置されることが好ましい。

樹脂フィルム５とストレインゲージの感歪部６との間に、両者の密着力を高める目的で、酸窒化シリコン（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ：１．０＜ｘ≦２．０，０≦ｙ＜１．０）の薄膜によって形成されるバッファ層（図２の符号１２参照。）を介在させておくことが好ましい。樹脂フィルム５が薄くて柔らかいため、バッファ層は、樹脂フィルムにできるだけ応力を及ぼさないようにできるだけ薄くすることが好ましく、例えば、１００ｎｍ程度以下の厚みとすることが好ましい。

次に、図１を参照して説明した触覚センサーの製造に適した製造方法であって、本発明に係る触覚センサーの製造方法について、以下、図２〜５を参照して説明する。なお、以下に説明する触覚センサーの製造方法は、図１を参照して説明した触覚センサーの製造に適した製造方法であり、図１を参照して説明した上記の触覚センサー以外の触覚センサーにも適用可能である。

図２は、触覚センサーの製造工程を模式的に示す説明図であり、左に中央縦断面図、右に平面図を示している。なお、図２の左側に示す中央縦断面図は、説明の都合上、誇張して図示されており、右側に示された平面図とは一致していない。

まず、図２（ａ）に示すように、平坦面を有する支持部２と、その平坦面上の所定位置に突設された起歪部３とを備える基体４を用意しておく。図２では、起歪部３は１つだけ図示しているが、２つ以上あっても良い。

次に、樹脂フィルム上の所定位置に複数のストレインゲージを配置する工程を説明する。樹脂フィルム上に複数のストレインゲージを配置するには、次のような工程を採用することができる。

先ず、樹脂フィルム５上にフォトレジスト層を形成しておき、図２（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィーを用いてフォトレジスト層を部分的に除去し、後述のストレインゲージの感歪部６を形成するための所定のレジストパターン８を形成する。

次に、図２（ｃ）に示すように、レジストパターン８が形成された樹脂フィルム５上に、酸窒化シリコン（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ：１．０＜ｘ≦２．０，０≦ｙ＜１．０）によって形成されるバッファ層１２をＰＶＤ（Physical Vapor Deposition；物理蒸着）法又はＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学蒸着）法によって薄膜形成した後、ＰＶＤ法又はＣＶＤ法を用いて、酸化クロム等のストレインゲージの感歪部６を形成する。バッファ層１２は、樹脂フィルム５へのストレインゲージの感歪部６の密着力を高めるためのものである。

ストレインゲージの感歪部６は、酸化クロムにより形成することが好ましいが、ニッケルクロムその他の公知の感歪材料を使用することもできる。ストレインゲージの感歪部６を形成する酸化クロム薄膜は、薄膜中のクロムに対する酸素のモル比Ｘが０≦Ｘ＜１．５が感度の観点から好ましく、より好ましくは０．６であり、ＰＶＤ法又はＣＶＤ法による薄膜作製の工程中において、Ｃｒ／Ｏの組成を制御する。

次に、上記のようにしてパターン形成されたフォトレジスト層８とともにそのフォトレジスト層８上のストレインゲージの感歪部６を、定法に従って除去する。

このようにして、図２（ｄ）に示すように、複数（図では４つ）のストレインゲージの感歪部６が、樹脂フィルム５上に形成される。

次に、図２（ｅ）に示すように、複数のストレインゲージの感歪部６が配置された樹脂フィルム５に、それらのストレインゲージの感歪部６の各々に対応する所定パターンの切断部１０を形成する。この切断部１０によって、各々のストレインゲージ７が、互いに独立して折り曲げ可能になる。

切断部１０は、図示例のような切り抜きに限らず、切断線によって形成することもできる。切断部１０のパターンは、起歪部３の形状、起歪部３に取り付けるべきストレインゲージ７の数、ストレインゲージ７を取り付けるべき部位の形状等に応じて種々のパターンを採用することができ、起歪部３が図示例のような切頭角錐形状（角錐台形状）である場合は、起歪部３の下底平面形状（多角形：図示例は四角形）の中心を通る対角線上を切り抜くようなパターンとすることが好ましい。切断部のパターンは、後述するように切断部１０により形成されたストレインゲージ７を基体４上に押し付けるようにして重ね合わせる際に、ストレインゲージ７が、起歪部３によって持ち上げられるとともに、起歪部３の底部平面形状の輪郭線のところで曲がることによって起歪部３の側面に沿って起立できるように形成される。

次に、基体４の起歪部３の側面に接着剤を塗布しておいてから、図２（ｆ）及び図３に示すように、切断部１０により形成されたストレインゲージ７を基体４上に押し付けるようにして重ね合わせることにより、起歪部３の側面に、ストレインゲージ７を貼着させる。なお、接着剤は、樹脂フィルムの裏面（ストレインゲージが形成されていない側の面）に塗布しておいてもよい。基体４は、上記のように所望硬度の柔軟性を有する弾性樹脂材料、好ましくはシリコーンゴムによって、支持部と起歪部とが一体的に形成されているものを使用することができるが、用途に適した柔軟性を有するものであれば、金属板をプレスして成形したものを本発明方法に使用することもできる。

その後、ストレインゲージ７の基材である樹脂フィルム５の不要部分を切り取る等により除去し、図１に示すような触覚センサーを製作する。なお、この工程は実際の製造には必ずしも必要とは限らない。

なお、上記の例では、フォトリソグラフィーを用いた例を示したが、ストレインゲージの感歪部は、メタルマスクやスクリーン印刷等のパターニング技術を用いて作製することもできる。

また、ストレインゲージには、図４に示すように、予め配線パターン２０を形成しておいても良く、これにより複数のストレインゲージ間の配線や起歪部をマトリックス状のアレイにした触覚センサー間の電気的接続が容易になる。

図５は、１つの支持部２ａに複数の起歪部３がマトリックス状に整列配置された基体４ａを示している。このような基体４ａに対応して、図５に示すように、樹脂フィルム５ａに基歪部３の各々に対応してストレインゲージの感歪部６が形成され、切断部１０により折り曲げ可能なストレインゲージ７が形成されており、基体４ａの上から重ね合わせることにより、複数の起歪部３の外側面の各々に一括してストレインゲージ７を設けることができる。また、複数のストレインゲージ７を基体の起歪部３に貼り付ける際に、各々のストレインゲージ７は、切断部１０によって独立して曲げられるので、ストレインゲージ自身あるいは他のストレインゲージとの間に過大な力が作用せず、正しいセンサー特性を維持することができる。

またこのように起歪部３がマトリックス上に整列配置されている場合は、樹脂フィルム５上の切断部１０を除く位置に、それぞれのストレインゲージを必要に応じて電気的に接続するため、あるいは外部からの電源供給や信号処理のための電気配線を予め作製しておくことができ、センサー作製のための作業性が飛躍的に向上し量産性が確保できる。

図２を参照して説明した製造方法により、触覚センサーを試作した。基体には人間の皮膚と同程度の硬度を有するシリコーンゴムを使用し、可撓性を有する樹脂フィルムとして厚み２５μｍのポリイミドフィルムを使用した。フォトリソグラフィーによりポリイミドフィルム上に所定のレジストパターンを形成後、マグネトロンスパッタリング法を用いて、バッファ層となる酸化シリコン薄膜を膜厚１０ｎｍでポリイミドフィルム上に成膜し、そのバッファ層の上に感歪部となる酸化クロム薄膜を膜厚２００ｎｍで成膜して、ポリイミドフィルム全面に無加熱状態で連続製膜を行った。製膜後、ポリイミドフィルムをアセトン中に浸漬することにより、フォトレジストが溶解し、フォトレジスト上の酸化シリコン薄膜及び酸化クロム薄膜を除去することで所望のストレインゲージをポリイミドフィルム上に製作した。切断部の加工を施した後、凸形状の起歪部(正方形下底面の１辺の長さ１０ｍｍ、高さ５ｍｍ、テーパー角７５°の切頭四角錐形)の側面に接着剤を塗布し、起歪部の上方からポリイミドフィルムを起歪部に位置合わせして押し付けた。ポリイミドフィルムが起歪部の側面に接着したことを確認した後、ポリイミドフィルムの不要部分を切り取り、図１に示すような触覚センサーを製作した。

インジウムハンダを用いてストレインゲージの電極部（ランド）から引き出したリード線を測定装置に接続し、起歪部の上面（平坦面）に対して平行な力を作用させた場合について、センサー特性を評価した。測定に使用した装置は、電流源（ＡＤＶＡＮＴＥＳＴ： Ｒ６１４２ ＰＲＯＧＲＡＭＭＡＢＬＥ ＤＣ ＶＯＬＴＡＧＥ／ＣＵＲＲＥＮＴ ＧＥＮＥＲＡＴＯＲ）、多チャンネル電圧計（ＫＥＩＴＨＬＥＹ： ２０００ ＭＵＬＴＩＭＥＴＥＲ）、ノート型パソコン（ＤＥＬＬ： ＩＮＳＰＩＲＯＮ ２２００）から構成され、各々の装置はＧＰＩＢを用いて接続され、ノート型パソコンにより計測器の制御およびデータの取得を行った。

触覚センサーを構成する酸化クロム薄膜を感歪部として用いたストレインゲージの１つに対して、引っ張り応力および圧縮応力を印加した場合のストレインゲージの電気抵抗変化を図６に示す。図６から、引っ張り応力が作用した場合、ストレインゲージは伸びるため電気抵抗は増加し、圧縮応力が印加された場合、ストレインゲージは縮むため電気抵抗が減少しており、何れの場合も印加する力が増加するにつれて電気抵抗の変化量も増加していることがわかる。

次に、図７（ａ）に示すように起歪部の凸形状の上面に対して平行に一定の力（Ｆ）を一定方向（０°方向）に作用させた状態で、触覚センサーを水平面内で中心軸線の回りに時計方向に回転させ、外側面Ｄに貼付されたストレインゲージの電気抵抗変化について、有限要素解析により求められた起歪部の外側面Ｄに生じる弾性歪み（図７（ｂ））と、実際に測定したストレインゲージの電気抵抗変化（図７（ｃ））を比較した。有限要素解析により求められた弾性歪みは、力の印加方向と外側面との相対角度が変化するにつれ、その大きさが減少または増加し、正弦波のような変化が生じることがわかる。一方、測定されたストレインゲージの電気抵抗変化は、力の印加方向とストレインゲージを貼り付けた外側面との角度に依存し、図７（ｂ）に示される弾性歪みの場合と同様な挙動が見られた。このことから起歪部３の外側面に取り付けられたストレインゲージにより、起歪部に加わる力の水平方向成分の変化を計測できることがわかる。

次に、起歪部の４つの外側面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに生じる弾性歪みについて、図７と同様に起歪部の凸形状の上面に対して平行に一定の力（Ｆ）を一定方向（０°方向）に作用させた状態で、起歪部を水平面内で中心軸線の回りに時計方向に回転させた場合の有限要素法により求められた各外側面の弾性歪みの計算結果を図８（ａ）に示す。起歪部の４つの外側面に生じる弾性歪みの大きさはいずれも力の方向との相対角度に依存して正弦波的な変化を示し、隣接する外側面では、位相がすべて９０°ずれていることがわかる。このシミュレーション結果から、起歪部の４つの外側面にストレインゲージを貼り付ければ、図７の結果からも明らかなように、図８（ｂ）に示すようなストレインゲージの電気抵抗変化が発生することが予想され、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄそれぞれの位置に貼り付けられたストレインゲージの電気抵抗変化の組み合わせによって、水平方向の力の印加方向（Ｘ軸、Ｙ軸）が推定できる。また、Ｚ方向に作用する力は、触覚センサーに設けられた全てのストレインゲージの電気抵抗が同じような出力変化を生じるため、その変化を計測することにより、大きさを測定できる。例えば、起歪部の凸形状の上面に対して上から下へ向かって垂直に力を印加した場合、起歪部の全ての外側面が伸びるため、全てのストレインゲージの電気抵抗が増加する。

上記の結果から、製作された触覚センサーにより、起歪部外側面の少なくとも３箇所に、所定の角度間隔、好ましくは９０°間隔で配置されたストレインゲージの電気抵抗変化を測定及び解析することにより、起歪部にかかる力の３成分（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の向き及び大きさを測定することが可能になる。なお、起歪部外側面の少なくとも3箇所に配置されるストレインゲージの角度間隔は、９０°とすることが測定の精度等の観点で好ましいが、９０°以外の間隔であっても３成分の測定が可能である。例えば、起歪部が切頭三角錐あるいは切頭六角錘の場合、起歪部外側面にストレインゲージを９０°の角度間隔で貼付することは困難であるが、貼付位置の角度間隔がわかっておれば、図８（ａ）に示すように、その角度間隔に応じて位相がずれる。従って、あらかじめストレインゲージの貼付位置を所定の角度間隔にしておけば、計算により力の３成分（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の向き及び大きさを測定することが可能になる。

本発明に係る触覚センサーの一実施形態を示す斜視図である。 本発明に係る触覚センサーの製造方法の一実施形態を、左側に中央縦断面図、右側に平面図を並列して示す、工程図である。 図２（ｆ）の平面図を拡大して示す平面図である。 本発明に係る触覚センサーの製造工程にある中間体の変更態様を示す平面図である。 本発明に係る触覚センサーの製造方法における他の実施形態を平面図で示す工程図である。 本発明に係る触覚センサーのストレインゲージの電気抵抗変化を示すグラフである。 本発明に係る触覚センサーの起歪部の外側面の位置Ｄに生じる弾性歪みの回転角度依存性を有限要素解析により求めたグラフと、位置Ｄに貼付されたストレインゲージの電気抵抗の回転角度依存性を測定した実験結果を対比して示すグラフである。 本発明に係る触覚センサーの起歪部の外側面に生じる弾性歪みの回転角度依存性を有限要素解析により求めたグラフと、予想される各外側面に貼付されたストレインゲージの電気抵抗変化を示す表である。

符号の説明

１ 触覚センサー
２、２ａ 支持部
３ 起歪部
４、４ａ 基体
５、５ａ 樹脂フィルム
６ ストレインゲージの感歪部
７ ストレインゲージ
８ レジストパターン
１０ 所定パターンの切断部
１２ バッファ層

Claims (5)

1. 平坦面を有する支持部の該平坦面上の所定位置に、少なくとも１つの起歪部が突設された基体を準備する工程と、
   可撓性を有する樹脂フィルム上の所定位置に複数の感歪部を配置することにより、複数のストレインゲージを作製する工程と、
   前記複数のストレインゲージの感歪部各々に対応する所定パターンの切断部を形成し、前記切断部によって形成される各々のストレインゲージを個別に折り曲げ可能にする工程と、
   前記切断部によって形成された各々のストレインゲージを前記基体上に重ね合わせることにより、前記起歪部の外側面に、接着剤の適用下に、前記各々のストレインゲージを接着させる工程と、を有することを特徴とする触覚センサーの製造方法。
2. 前記ストレインゲージの感歪部は、ＰＶＤ法又はＣＶＤ法を用いて、前記樹脂フィルム上に複数の所定位置に薄膜形成されることを特徴とする請求項１に記載の触覚センサーの製造方法。
3. 前記ストレインゲージの感歪部は、酸化クロムであることを特徴とする請求項２に記載の触覚センサーの製造方法。
4. 前記ストレインゲージの感歪部を前記樹脂フィルム上に薄膜形成する前に、前記樹脂フィルム上に、酸窒化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ）からなるバッファ層を薄膜形成する工程を更に含むことを特徴とする請求項２に記載の触覚センサーの製造方法。
5. 所望硬度の柔軟性を有する弾性樹脂材料で形成され、平坦面を有する支持部上に少なくとも１つの凸形状の起歪部が形成された基体と、
   前記起歪部の外側面のみに、所定の角度間隔で、少なくとも３箇所に配置されたストレインゲージと、を有し、
   前記ストレインゲージは、前記起歪部の外側面に接着された樹脂フィルムと、前記樹脂フィルム上に薄膜形成された酸窒化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ）からなるバッファ層と、前記バッファ層上に薄膜形成された酸化クロムからなる感歪部と、を含むことを特徴とする触覚センサー。

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