JP5560980B2 - センサー素子アレイ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、センサー素子アレイ及びその製造方法に関する。

ロボットなどにおける触覚センサーにおいては、面の法線方向の応力と面に平行な２方向の応力（いわゆるせん断応力）の面分布が検出できる３軸力分布センサーが求められている。

下記の特許文献１には、外力検知機能を有する多数のカンチレバーを、膜状弾性体の内部に、各カンチレバーの変形の方向が互いに異なるように配置することにより、膜状弾性体の変形を検知することが記載されている。

特開２００７−２１８９０６号公報

しかし、特許文献１のような多数のカンチレバーを配置するには、ハンドリングが困難であることや多数の配線をしなければならないことなどから、製造コストが大きいという問題がある。

本発明は、以上のような技術的課題に鑑みてなされたものである。本発明の幾つかの態様は、複数方向に感度を有するセンサー素子アレイを安価に提供することに関連している。

本発明の幾つかの態様において、センサー素子アレイは、第１のセンサー素子及び第２のセンサー素子と、第１のセンサー素子及び第２のセンサー素子が配置されたシート基板と、を具備し、シート基板には切れ込みが形成されており、該切れ込みの隙間が広げられていて、シート基板のうち、第１のセンサー素子が配置された箇所における基板面と、第２のセンサー素子が配置された箇所における基板面とが、交差する角度に形成されている。
この態様によれば、シート基板に形成された切れ込みの隙間が広げられていて、シート基板のうち、第１のセンサー素子が配置された箇所における基板面と、第２のセンサー素子が配置された箇所における基板面とが、交差する角度に形成されているので、複数方向に感度を有するセンサー素子アレイの製造コストを低減できる。

上述の態様において、シート基板がフレキシブルな基板であることが望ましい。
これによれば、センサー素子アレイをロボットの体表面などの曲面にも貼り付けることができる。

上述の態様において、シート基板のうち、少なくとも一方の面を覆う弾性体層をさらに具備することが望ましい。
これによれば、センサー素子に加えられた外力が除去されれば、弾性力によって歪みも解除されるので、外力の除去についても検出することができる。

上述の態様において、シート基板に形成された切れ込みは、第１の切れ込みと第２の切れ込みとを含み、第１のセンサー素子は、シート基板に形成された第１のシート曲げ線と第１の切れ込みとによって囲まれた位置に配置され、第２のセンサー素子は、シート基板に形成された第２のシート曲げ線と第２の切れ込みとによって囲まれた位置に配置され、第１のシート曲げ線と第２のシート曲げ線とは、交差する角度に形成され、それぞれにおいてシート基板が曲げられていることが望ましい。
これによれば、センサー素子と切れ込みが形成されたシート基板を、シート曲げ線によって曲げれば良いので、複数方向に感度を有するセンサー素子アレイの製造コストを低減できる。

上述の態様において、シート基板の端部が切れ込みの方向に対して交差する方向に引き離されており、シート基板のうち、第１のセンサー素子が配置された箇所における基板面と、第２のセンサー素子が配置された箇所における基板面とが、交差する角度に形成されていることが望ましい。
これによれば、シート基板の端部を切れ込みの方向に対して交差する方向に引き離すことにより、シート基板のうち、第１のセンサー素子が配置された箇所における基板面と、第２のセンサー素子が配置された箇所における基板面とが、交差する角度に形成されるので、複数方向に感度を有するセンサー素子アレイの製造コストを低減できる。

上述の態様において、第１のセンサー素子又は第２のセンサー素子は、シート基板上にパターニングされた導電体層で構成された歪みセンサーであっても良い。
また、シート基板は圧電性を有するポリマーフィルムであっても良い。
また、第１のセンサー素子又は第２のセンサー素子は、光センサーであっても良い。

本発明の幾つかの態様において、センサー素子アレイの製造方法は、シート基板に第１のセンサー素子及び第２のセンサー素子を配置する工程（ａ）と、工程（ａ）の前、又は、工程（ａ）と工程（ｃ）との間に、シート基板に切れ込みを形成する工程（ｂ）と、切れ込みの隙間を広げて、シート基板のうち、第１のセンサー素子が配置された箇所における基板面と、第２のセンサー素子が配置された箇所における基板面とを、交差する角度に形成する工程（ｃ）と、
を具備する。
この態様によれば、複数方向に感度を有するセンサー素子アレイの製造コストを低減できる。

上述の態様において、工程（ｂ）において形成する切れ込みは、第１のセンサー素子の配置箇所を第１のシート曲げ線とともに囲む第１の切れ込みと、第２のセンサー素子の配置箇所を第２のシート曲げ線とともに囲む第２の切れ込みと、を含み、第１のシート曲げ線と第２のシート曲げ線とは、交差する角度に形成され、工程（ｃ）において、第１及び第２のシート曲げ線においてシート基板を曲げることが望ましい。
これによれば、センサー素子と切れ込みが形成されたシート基板を、シート曲げ線によって曲げれば良いので、複数方向に感度を有するセンサー素子アレイの製造コストを低減できる。

上述の態様において、工程（ｃ）において、シート基板の端部を切れ込みの方向に対して交差する方向に引き離して、シート基板のうち、第１のセンサー素子が配置された箇所における基板面と、第２のセンサー素子が配置された箇所における基板面とを、交差する角度に形成することが望ましい。
これによれば、シート基板の端部を切れ込みの方向に対して交差する方向に引き離すことにより、シート基板のうち、第１のセンサー素子が配置された箇所における基板面と、第２のセンサー素子が配置された箇所における基板面とが、交差する角度に形成されるので、複数方向に感度を有するセンサー素子アレイの製造コストを低減できる。

上述の態様において、工程（ｂ）において形成する切れ込みは、第１の切れ込みと、第１の切れ込みに対して平行な第２の切れ込みとを含み、第１及び第２の切れ込みの端部は、これらの切れ込みの方向に互いにずれた位置にあることが望ましい。
これによれば、シート基板の両端を平行に引き離すことにより、シート基板のうち、第１のセンサー素子が配置された箇所における基板面と、第２のセンサー素子が配置された箇所における基板面とが、交差する角度に形成されるので、複数方向に感度を有するセンサー素子アレイの製造コストを低減できる。

本発明の第１の実施形態に係るセンサー素子アレイの斜視図 図１の囲み線Ａの拡大平面図及びその断面図 本発明の第２の実施形態に係るセンサー素子アレイの斜視図 第２の実施形態に係るセンサー素子アレイの基本構成を示す斜視図 第２の実施形態における第１変形例の基本構成を示す斜視図 第２の実施形態における第２変形例の基本構成を示す平面図

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。また同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略する。

＜１．第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係るセンサー素子アレイの斜視図である。図１（Ａ）は、センサー素子アレイを構成するシート基板１０において、切れ込みの隙間を広げる前の状態を示し、図１（Ｂ）は、切れ込みの隙間を広げた後、シート基板１０の両面に弾性体層１１、１２を形成した状態を示している。
図１（Ｂ）に示すセンサー素子アレイ１は、シート基板１０の他に、シート基板の両面に形成された弾性体層１１、１２と、第１〜第３のセンサー素子１３ａ〜１３ｃとを具備している。

シート基板１０には、Ｕ字状の切れ込み１４ａ〜１４ｃが形成されており、これらの切れ込み１４ａ〜１４ｃの内側部分には、それぞれ、１つのセンサー素子１３ａ〜１３ｃが配置されている。切れ込み１４ａ及び１４ｃの内側部分が、それぞれ、シート曲げ線１５ａ及び１５ｃにおいて折り曲げられていることにより、切れ込み１４ａ及び１４ｃの隙間が広げられている。センサー素子１３ａ及び１３ｃは、それぞれ、切れ込み１４ａ及び１４ｃとシート曲げ線１５ａ及び１５ｃとによって囲まれた領域内に配置されている。なお、切れ込み１４ｂの内側部分は、折り曲げられていない。

シート曲げ線１５ａ及び１５ｃは、シート基板１０上において互いに交差する角度に形成されている。従って、シート曲げ線１５ａ及び１５ｃによって折り曲げられた切れ込み１４ａ及び１４ｃの内側部分における基板面は、互いに交差する角度に形成される。また、切れ込み１４ａ及び１４ｃの内側部分における基板面は、切れ込み１４ｂの内側部分における基板面とも交差する角度に形成される。

第１の実施形態に係るセンサー素子アレイ１を製造するためには、例えば、図１（Ａ）に示すようにポリイミド等のシート基板１０にセンサー素子１３ａ〜１３ｃを配置するとともに、センサー素子に接続される配線を形成する。
次に、センサー素子の周囲に切れ込み１４ａ〜１４ｃを形成する。この切れ込み１４ａ〜１４ｃは、打ち抜き等の方法で形成することができる。
次に、図１（Ｂ）に示すように、切れ込み１４ａ及び１４ｃの内側部分を、それぞれ、シート曲げ線１５ａ及び１５ｃにおいて折り曲げる。
その後、シート基板１０の両面にシリコンゴムなどの弾性体層１１、１２を形成することにより、センサー素子１３ａ〜１３ｃを弾性体層１１、１２内に埋め込む。

図２（Ａ）は、図１の囲み線Ａの拡大平面図であり、図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）は、それぞれ、図２（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図及びＣ−Ｃ線断面図である。図２においては、センサー素子１３ａ〜１３ｃとして、歪みセンサーを形成した場合の例を示している。

図２（Ａ）に示すように、第１のセンサー素子１３ａは、シート基板１０上にパターニングした導電部１６の両端に、配線部１７を接続したものである。導電部１６及び配線部１７は、何れも銅（Ｃｕ）などの金属によって構成することができる。図２（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、導電部１６及び配線部１７の上には、ポリイミドなどのカバーフィルム１８を形成しても良い。
この構成により、第１のセンサー素子１３ａにおいては、外力によって切れ込み１４ａの内側部分に発生する歪みに応じて、導電部１６の電気抵抗が変化する。従って、第１のセンサー素子１３ａは所定方向の外力を検出することができる。

なお、ここでは、シート基板１０上に、第１のセンサー素子１３ａとなる導電部１６をパターニングする場合について説明したが、シート基板１０を強誘電体ポリマーフィルム等で構成し、切れ込み１４ａの内側部分の両面にそれぞれ電極を形成することにより、強誘電体ポリマーの歪みに応じて圧電効果により生じる電圧を検出しても良い。また、シート基板１０に任意のセンサー素子を貼り付けることとしても良い。
また、ここでは第１のセンサー素子１３ａについて説明したが、第２及び第３のセンサー素子１３ｂ及び１３ｃについても同様である。第１の実施形態においては、第１〜第３のセンサー素子１３ａ〜１３ｃが互いに異なる方向を向いているので、センサー素子アレイは、ロボット等に用いられる触覚センサー或いは３軸力分布センサーとして、複数方向の外力の面分布を検出することができる。
また、ここではシート基板１０上にセンサー素子１３ａ〜１３ｃを配置した後に切れ込みを形成する場合について説明したが、シート基板１０に切れ込みを形成した後にセンサー素子１３ａ〜１３ｃを配置しても良い。

第１の実施形態によれば、シート基板１０がポリイミド等のフレキシブルな基板であるので、センサー素子をロボットの体表面などの曲面に沿って容易に配置することができる。
また、第１の実施形態においては、シート基板１０の少なくとも一方の面を弾性体層１１、１２によって覆うことにより、センサー素子を埋め込んでいる。従って、外力による歪みを検出したセンサー素子は、その外力が除去されれば、弾性力によって歪みも解除されるので、外力の除去についても検出することができる。

なお、ここではセンサー素子１３ａ〜１３ｃとして歪みセンサーを形成した場合の例を示したが、所定方向に感度を有するセンサー素子、例えば光センサーをシート基板に形成することにより、複数方向の光の面分布を検出するようにしても良い。

＜２．第２の実施形態＞
図３は、本発明の第２の実施形態に係るセンサー素子アレイの斜視図であり、図３（Ａ）は、切れ込みの隙間を広げる前の状態を示し、図３（Ｂ）は、切れ込みの隙間を広げた後の状態を示している。図３にはシート基板２０のみを示している。弾性体層やセンサー素子については、第１の実施形態において説明したものと同様であるので図示を省略している。

図３（Ａ）に示すように、ポリイミド等のフレキシブルなシート基板２０には、第１〜第４の切れ込み２４ａ〜２４ｄその他多数の切れ込みが形成されているが、シート基板２０は複数に切り離されることなく一体に繋がっている。図３（Ｂ）に示すように、このようなシート基板２０の端部２０ａ〜２０ｈをそれぞれ外方（図３（Ａ）の矢印の方向）に引き離すと、切れ込み２４ａ〜２４ｄ等の隙間が広げられて、シート基板２０の一部の基板面の向きが変化する。

例えば、シート基板のうち、第２の切れ込み２４ｂの周辺の領域Ｘにおける基板面の向きは、第１の切れ込み２４ａに沿った軸周りに回転する。
また、第４の切れ込み２４ｄの周辺の領域Ｙにおける基板面の向きは、第３の切れ込み２４ｃに沿った軸周りに回転する。
また、第１の切れ込み２４ａと第３の切れ込み２４ｃとの間の領域Ｚにおける基板面の向きは、あまり変化しない。

このように、これらの領域Ｘ、Ｙ、Ｚにおける基板面は、互いに交差する角度に形成される。従って、予めこれらの領域Ｘ、Ｙ、Ｚにそれぞれセンサー素子を配置しておき、シート基板２０の端部を外方（図３（Ａ）の矢印の方向）に引き離すことにより、第１の実施形態と同様に複数方向に感度を有するセンサー素子アレイを構成することができる。
なお、シート基板２０上にセンサー素子を配置した後に切れ込みを形成しても良いし、シート基板２０に切れ込みを形成した後にセンサー素子を配置しても良い。

図４は、第２の実施形態に係るセンサー素子アレイの基本構成を示す斜視図である。図４には、図３（Ａ）及び（Ｂ）の囲み線IVに示す部分を拡大して示している。
図４（Ａ）に示すように、シート基板２０に形成された第１の切れ込み２４ａと、第２の切れ込み２４ｂとは、略平行である。そして、第１の切れ込み２４ａの端部２９ａと、第２の切れ込み２４ｂの端部２９ｂとは、これらの切れ込みの方向に互いにずれた位置にある。

このような切れ込みが形成されたシート基板２０の両端を、シート基板２０の基板面に平行で、且つ切れ込みの方向に対して交差する方向（図４（Ａ）の矢印で示す方向）に引き離し、切れ込みの隙間を広げようとすると、シート基板２０は切れ込みの端部２９ａ、２９ｂにおいて繋がっているので、シート基板２０は変形しようとする。シート基板２０は、シート基板２０の基板面に平行な方向には変形しにくいので、シート基板２０は、図４（Ｂ）に示すように、第２の切れ込み２４ｂの周辺の領域を、第１の切れ込み２４ａに沿った軸周りに回転させつつ、基板面を撓ませることになる。

これにより、シート基板２０は、基板面の向きが第１の切れ込み２４ａに沿った軸周りに回転する領域Ｘと、基板面の向きがあまり変化しない領域Ｚとを有することになる。
このような基本構成をシート基板２０の平面上において任意に組み合わせることにより、多方向に感度を有するセンサー素子アレイを構成することができる。
図３においては、基板面の向きが第３の切れ込み２４ｃに沿った軸周りに回転する領域Ｙをさらに有しているため、多方向に感度を有するセンサー素子アレイを構成することができるのである。

また、第２の実施形態によれば、図３（Ａ）に示す元の状態よりも広い範囲にセンサー素子を配置できるようになり、且つ、優れた伸縮性をシート基板に持たせることもできる。

＜２−１．第１変形例＞
図５は、第２の実施形態における第１変形例の基本構成を示す斜視図である。上述の図４においては、第２の切れ込み２４ｂの端部２９ｂが、第２の切れ込み２４ｂの両端においてシート基板２０を繋げていたのに対し、図５に示す第１変形例においては、第１及び第２の切れ込み２４ｅ及び２４ｆの端部２９ｅ、２９ｆが、第１及び第２の切れ込み２４ｅ及び２４ｆの各一端においてのみシート基板２０を繋げている。

図５（Ａ）に示すように、シート基板２０に形成された第１の切れ込み２４ｅと、第２の切れ込み２４ｆとは、略平行である。そして、第１の切れ込み２４ｅの端部２９ｅと、第２の切れ込み２４ｆの端部２９ｆとは、これらの切れ込みの方向に互いにずれた位置にある。

このような切れ込みが形成されたシート基板２０の両端を、シート基板２０の基板面に平行で、且つ切れ込みの方向に対して交差する方向（図５（Ａ）の矢印で示す方向）に引き離し、切れ込みの隙間を広げようとすると、シート基板２０は切れ込みの端部２９ｅ、２９ｆにおいて繋がっているので、シート基板２０は変形しようとする。シート基板２０は、シート基板２０の基板面に平行な方向には変形しにくいので、シート基板２０は、図５（Ｂ）に示すように、切れ込み２４ｅと２４ｆとの間の領域を、第１の切れ込み２４ｅに沿った軸周りに回転させつつ、基板面を撓ませることになる。

これにより、シート基板２０は、基板面の向きが第１の切れ込み２４ｅに沿った軸周りに回転する領域Ｘと、基板面の向きがあまり変化しない領域Ｚとを有することになる。
このような基本構成をシート基板２０の平面上において任意に組み合わせることにより、多方向に感度を有するセンサー素子アレイを構成することができる。

＜２−２．第２変形例＞
図６は、第２の実施形態における第２変形例の基本構成を示す斜視図である。上述の図４及び図５においては、互いに略平行な第１及び第２の切れ込みを有していたのに対し、図６に示す第２変形例の基本構成においては、１つの切れ込み２４ｇのみを有している。
図６（Ａ）に示すように、シート基板２０は、切れ込み２４ｇの端部２９ｇにおいて繋がっている。

このような切れ込みが形成されたシート基板２０の両端を、シート基板２０の基板面に平行で、且つ切れ込みの方向に対して交差する方向（図６（Ａ）の矢印で示す方向）に引き離そうとすると、切れ込みの隙間は端部２９ｇを中心にして扇状に広がろうとする。シート基板２０は、シート基板２０の基板面に平行な方向には変形しにくいので、シート基板２０は、図６（Ｂ）に示すように、切れ込みの端部２９ｇ付近の基板面を撓ませることになる。

このような基本構成をシート基板２０の平面上において任意に組み合わせることにより、多方向に感度を有するセンサー素子アレイを構成することができる。

１…センサー素子アレイ、１０…シート基板、１１、１２…弾性体層、１３ａ〜１３ｃ…センサー素子、１４ａ〜１４ｃ…切れ込み、１５ａ〜１５ｃ…シート曲げ線、１６…導電部、１７…配線部、１８…カバーフィルム、２０…シート基板、２０ａ〜２０ｈ…シート基板の端部、２４ａ〜２４ｇ…切れ込み、２９ａ〜２９ｇ…切れ込みの端部

Claims (10)

1. 第１のセンサー素子と、
   第２のセンサー素子と、
   前記第１のセンサー素子及び前記第２のセンサー素子が配置され、第１の方向に切れ込みを有するシート基板と、を具備し、
   前記シート基板は、前記第１の方向と異なる第２の方向に引き離されており、
   前記シート基板のうち、前記第１のセンサー素子が配置された箇所における基板面の法線と、前記第２のセンサー素子が配置された箇所における基板面の法線とが異なる方向であるセンサー素子アレイ。
2. 請求項１において、
   前記シート基板がフレキシブルな基板であるセンサー素子アレイ。
3. 請求項１又は２において、
   前記シート基板のうち、少なくとも一つの面に配置された弾性体層を具備するセンサー素子アレイ。
4. 請求項１乃至３の何れか一項において、
   前記切れ込みは、第１の切れ込みと第２の切れ込みとを含み、
   前記第１のセンサー素子は、前記シート基板に形成された第１のシート曲げ線と前記第１の切れ込みとによって囲まれた位置に配置され、
   前記第２のセンサー素子は、前記シート基板に形成された第２のシート曲げ線と前記第２の切れ込みとによって囲まれた位置に配置され、
   前記第１のシート曲げ線と前記第２のシート曲げ線とは、交差する角度に形成され、それぞれにおいて前記シート基板が曲げられているセンサー素子アレイ。
5. 請求項１乃至４の何れか一項において、
   前記第１のセンサー素子又は前記第２のセンサー素子は、前記シート基板上にパターニングされた導電体層を含む歪みセンサーであるセンサー素子アレイ。
6. 請求項１乃至４の何れか一項において、
   前記シート基板は、圧電性を有するポリマーフィルムであるセンサー素子アレイ。
7. 請求項１乃至４の何れか一項において、
   前記第１のセンサー素子又は前記第２のセンサー素子は、光センサーであるセンサー素子アレイ。
8. シート基板に第１のセンサー素子及び第２のセンサー素子を配置する工程（ａ）と、
   工程（ａ）の前、又は、工程（ａ）と工程（ｃ）との間に、前記シート基板の第１の方向に切れ込みを形成する工程（ｂ）と、
   前記シート基板を、前記第１の方向と異なる第２の方向に引き離して、前記シート基板のうち、前記第１のセンサー素子が配置された箇所における基板面の法線と、前記第２のセンサー素子が配置された箇所における基板面の法線とを、異なる方向に形成する工程（ｃ）と、を具備するセンサー素子アレイの製造方法。
9. 請求項８において、
   工程（ｂ）において形成する切れ込みは、前記第１のセンサー素子の配置箇所を第１のシート曲げ線とともに囲む第１の切れ込みと、前記第２のセンサー素子の配置箇所を第２のシート曲げ線とともに囲む第２の切れ込みと、を含み、
   前記第１のシート曲げ線と前記第２のシート曲げ線とは、交差する角度に形成され、
   工程（ｃ）において、前記第１及び第２のシート曲げ線において前記シート基板を曲げるセンサー素子アレイの製造方法。
10. 請求項８又は９において、
    工程（ｂ）において形成する切れ込みは、第１の切れ込みと、第１の切れ込みに対して平行な第２の切れ込みとを含み、
    前記第１及び第２の切れ込みの端部は、前記第１の方向にずれた位置にあるセンサー素子アレイの製造方法。

Images