JP6776152B2 - 起歪体およびその起歪体を備えた力覚センサ - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、例えば起歪体を備えロボットアームに適用可能な６軸力覚センサ等に関する。

例えばロボットアーム等に用いられ、ＸＹＺ方向の外力およびトルクを検出する６軸力覚センサが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

このような力覚センサにおいて、可動部としての受力体に加えられた外力は、起歪体に伝達され、起歪体に設けられた歪センサ（歪ゲージ）の変形が電気信号に変換されて検出される。

このような歪センサを備えた起歪体の応用範囲は、近年のコンピュータ技術や情報通信技術の進歩に伴ってますます拡大する傾向にあり、起歪体の更なる小型化および高性能化が求められている。

特開２０１５−４２９２０９号公報 特開２０１３−６１３０５号公報

そこで、本発明の実施形態では、上記実情を鑑み、検出精度を向上できる起歪体およびその起歪体を備えた力覚センサを提供する。

実施形態に係る起歪体は、中央部と、前記中央部の周囲を囲む外周部と、前記中央部と前記外周部とを接続し、前記外周部と隣接する第１接続部と前記中央部と隣接する第２接続部とをそれぞれ備える複数の接続部と、前記接続部の主表面上に設けられる複数の歪センサと、前記中央部の主表面上に設けられ、前記複数の歪センサと共にブリッジ回路を構成する複数の参照抵抗と、前記第１接続部の前記主表面と対向する裏面側において、前記第１接続部に発生する歪が前記第２接続部に発生する歪よりも増大するように構成された歪増大部と、前記第２接続部の前記主表面上に設けられ、一対の直列接続された前記複数の歪センサが並列に接続されたフルブリッジ回路と、を具備する。

第１実施形態に係る起歪体の全体構成を示す斜視図 図１の起歪体の平面構成を示す平面図 図１の起歪体の主表面側から見た中央部および接続部を詳細に示す平面図 図３の歪センサを含む接続部の断面図 第１実施形態に係る起歪体のブリッジ回路およびフルブリッジ回路を説明するための回路図 検出回路と検出する力およびモーメントとの関係を示す図 第１実施形態に係る起歪体の製造方法を説明するためのフローチャート 第２実施形態に係る起歪体の裏面側から見た全体構成を示す斜視図 図８の破線で囲った歪増大部を拡大して示す断面図 第２実施形態に係る起歪体の主表面側から見た全体構成を示す斜視図 第１実施形態に係る起歪体を備えた力覚センサの外観を示す斜視図 図１１の力覚センサの分解斜視図 力覚センサに実装される状態の起歪体を示す断面図 図１３の起歪体上に異方性導電フィルムを用いて電極とリード配線とを接続する方法を示す断面図 図１３の起歪体と異方導電性フィルムとが所定の位置に配置された状態を示す平面図 図１５の実線で囲った部分を拡大して示す平面図 異方性導電フィルムを用いて電極とリード配線とが電気的に接続されることを模式的に示す断面図 電極パッドの位置と異方導電性フィルムの抵抗値との関係を示すグラフ 第４実施形態に係る起歪体の主表面側から見た全体構成を示す斜視図

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、実質的に同一の機能及び要素については、同一符号を付し、必要に応じて説明を行う。また、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係や各層の厚みの比率などは現実のものと異なることがある。

（第１実施形態）
［構成］
全体構成
図１、図２を用いて第１実施形態に係る起歪体の全体構成について説明する。図１は、第１実施形態に係る起歪体の全体構成を示す斜視図である。図２は、図１の起歪体の平面構成を示す平面図である。

図１および図２に示すように、第１実施形態に係る起歪体１６は、中央部１６１、中央部１６１の周囲を囲む外周部１６２、中央部１６１と外周部１６２とを接続する４つの接続部１６３を備える。起歪体１６は、例えばステンレス等の所定の金属等により構成される。

中央部１６１は、外周部１６２の角部を結んだ２本の対角線Ｌ１の交点である中心Ｏを含む。また、中央部１６１には、後述するブリッジ回路を構成するための複数の参照抵抗が設けられる。中央部１６１の角部には、外部部材である第１支持部材に固定するための４つのネジ穴１８ａが設けられる。各ネジ穴１８ａは、省スペース化のために、対角線Ｌ１の方向に沿って中心側から外側へ中空部ＯＰ１において突出するように設けられる。

外周部１６２の角部には、外部部材である第１支持部材と異なる第２支持部材に固定するための４つのネジ穴１７ａが設けられる。各ネジ穴１７ａは、省スペース化のために、対角線Ｌ１の方向に沿って外側から中心側へ中空部ＯＰ１において突出するように設けられる。

接続部１６３は、Ｘ方向またはＹ方向に沿って中心Ｏから放射状に４つ設けられている。接続部１６３には、ここでは図示しないが、ＸＹＺ方向の外力およびトルクを検出するための複数の歪センサが設けられる。接続部１６３の幅は、中心Ｏ側から外側に向かってほぼ同一となるように構成される。

また、Ｚ方向に沿った起歪体１６の高さＨｚは、中央部１６１、外周部１６２、および接続部１６３において共通であるため、実質的に同一である。起歪体１６の高さＨｚは、Ｘ方向またはＹ方向に沿った外周部１６２の幅Ｗ１６２よりも大きくなるように構成される（Ｈｚ＞Ｗ１６２）。

さらに、外周部１６２および接続部１６３の弾性は、中央部１６１の弾性よりも大きくなるように構成される。より好ましくは、外周部１６２および接続部１６３は弾性機能を有し、中央部１６１は弾性機能を有さないように構成されることである。ここで、弾性機能とは、入力される外力およびトルクによって積極的に弾性変形が生じる機能をいう。

より具体的には、中央部１６１の弾性変形の歪量は、定格荷重時に３×１０^−６以下であることが望ましく、さらに望ましくは１×１０^−６以下であることである。接続部（梁部）１６３の弾性変形は、定格荷重時に材料弾性限界内であって、歪量で２×１０^−５以上であることが望ましく、さらに望ましくは２×１０^−４以上であることである。外周部１６２の弾性変形は、定格荷重時に材料弾性限界内であって、最大撓み部分の撓み量が２０μｍ以上であることが望ましく、さらに望ましくは５０μｍ以上であることである。

詳細構成
図３を用いて第１実施形態に係る起歪体１６の詳細な平面構成について説明する。図３は、起歪体１６の歪センサ等が設けられた主表面側から見た中央部１６１および接続部１６３を詳細に示す平面図である。

図３に示すように、接続部１６３の主表面上には、２４個の歪センサ（歪ゲージ）Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９、Ｓ１０、Ｓ１１、Ｓ１３、Ｓ１５、Ｓ１６、Ｓ１７、Ｓ１８、Ｓ１９、Ｓ２１、Ｓ２３、Ｓ２４、Ｓ２５、Ｓ２６、Ｓ２７、Ｓ２９、Ｓ３１、Ｓ３２が設けられる。歪センサＳ１〜Ｓ３２は、後述するように金属薄膜抵抗体であって、例えばクロム（Ｃｒ）および窒素（Ｎ）を含む抵抗体（Ｃｒ−Ｎ抵抗体）である。そのため、後述するようにパターンニングのみで所望な位置に複数の歪センサＳ１〜Ｓ３２を配置できる。また、Ｃｒ−Ｎ抵抗体は、温度係数が小さいため、温度補償を容易とすることができる。歪センサＳ１〜Ｓ３２の長手方向は、Ｘ方向またはＹ方向となるように構成される。

中央部１６１の主表面上には、８個の参照抵抗ＲＳ４、ＲＳ６、ＲＳ１２、ＲＳ１４、ＲＳ２０、ＲＳ２２、ＲＳ２８、ＲＳ３０が設けられる。参照抵抗ＲＳ４〜ＲＳ３０の形状および材料は、実質的に歪センサＳ１〜Ｓ３２と同一であり、その長手方向はＸ方向またはＹ方向となるように構成される。さらに、中央部１６１の主表面上には、中央部１６１の対角線Ｌ１の方向の一方に沿って電極１７１が設けられる。

歪センサと参照抵抗とが後述する４つのブリッジ回路を構成し、歪センサが後述する４つのフルブリッジ回路を構成するように、配線１７２が主表面上に配置される。配線１７２は、電極１７１の所定の端子に電気的に接続される。配線１７２の線幅は、歪センサＳ１〜Ｓ３２と参照抵抗ＲＳ４〜ＲＳ３０とを接続する部分においては小さくなるように構成される一方、その他の部分においては配線抵抗を低減するために接続部分に比べて大きくなるように構成される。

しかも、歪センサＳ１〜Ｓ３２、参照抵抗ＳＲ４〜ＲＳ３０、電極１７１、および配線１７２は、後述する薄膜技術を利用した製造方法を用いて、起歪体１６の同一の主表面上に一体的に形成される。そのため、歪センサＳ１〜Ｓ３２、参照抵抗ＲＳ４〜ＲＳ３０、電極１７１、および配線１７２は、起歪体１６の対角線Ｌ１において鏡像対称となるようにレイアウト構成される。

図４を用いて起歪体１６の詳細な断面構成について説明する。図４は、図３の歪センサＳ１を含む接続部１６３の断面図である。

図４に示すように、接続部１６３の主表面上に絶縁膜１７０が設けられる。絶縁膜１７０上に感歪膜としてのＣｒ−Ｎ抵抗体である歪センサＳ１が設けられる。歪センサＳ１上に銅（Ｃｕ）にて形成された電極リード膜である配線１７２が設けられる。歪センサＳ１上および配線１７２上を覆うようにオバーガラス（ＯＧ）膜１７５が設けられる。また、配線１７２と歪センサＳ１との界面および配線１７２とＯＧ膜１７５との界面には、密着性を高めるためにクロム（Ｃｒ）を含む接着膜１７２ａが設けられる。

尚、この断面では図示していないが、中央部１６１において配線１７２に接続される電極１７１は、接着膜１７２ａ上に順次設けられた銅（Ｃｕ）と金（Ａｕ）との積層構造により構成される。

ブリッジ回路、フルブリッジ回路
図５は、第１実施形態に係る起歪体１６のブリッジ回路およびフルブリッジ回路を示す回路図である。

図５に示すように、起歪体１６は、４つのブリッジ回路ＢＦ２、ＢＦ４、ＢＦ６、ＢＦ８と、４つのフルブリッジ回路ＢＦ１、ＢＦ３、ＢＦ５、ＢＦ７と、を備える。

ブリッジ回路ＢＦ２は、２つの歪センサ（第１歪センサ）Ｓ３、Ｓ５と２つの参照抵抗ＲＳ４、ＲＳ６とを備える。電源端子Ｅと接地Ｇとの間に、順次、歪センサＳ３および参照抵抗ＲＳ４、並びに参照抵抗ＲＳ６および歪センサＳ５が直列接続される。直列接続された歪センサＳ３および参照抵抗ＲＳ４と、直列接続された参照抵抗ＲＳ６および歪センサＳ５とは、電源端子Ｅと接地Ｇの間で並列に接続される。一方の端子Ｖ−は、歪センサＳ３と参照抵抗ＲＳ４との結線に接続される。他方の端子Ｖ＋は、参照抵抗ＲＳ６と歪センサＳ５との結線に接続される。その他のブリッジ回路ＢＦ４、ＢＦ６、ＢＦ８についても、上記ブリッジ回路ＢＦ２と同様である。

フルブリッジ回路ＢＦ１は、４つの歪センサ（第２歪センサ）Ｓ１、Ｓ２、Ｓ７、Ｓ８により構成される。電源端子Ｅと接地Ｇとの間に、順次、歪センサＳ１およびＳ２、並びに歪センサＳ７およびＳ８が直列接続される。直列接続された歪センサＳ１およびＳ２と、直列接続された歪センサＳ７およびＳ８とは、電源端子Ｅと接地Ｇの間で並列に接続される。一方の端子Ｖ−は、歪センサＳ１、Ｓ２の結線に接続される。他方の端子Ｖ＋は、歪センサＳ７、Ｓ８の結線に接続される。その他のフルブリッジ回路ＢＦ３、ＢＦ５、ＢＦ７についても、上記フルブリッジ回路ＢＦ１と同様である。

上記構成において、外部から力およびトルク（モーメント）が加わると、中央部１６１の位置が外周部１６２の位置に比較して相対的に変化するため、接続部１６３が力およびトルクに応じて変形する。この接続部１６３の変形に応じ、接続部１６３に設けられた各歪センサＳ１〜Ｓ３２に応力が加わり、各ブリッジ回路および各フルブリッジ回路の各端子Ｖ−、Ｖ＋の電圧のバランスが崩れ、力およびトルクに応じた所定の検出信号が検出される。

また、図６は、検出回路と検出する力およびモーメントの関係を示す図である。図６に示すように、フルブリッジ回路ＢＦ３、ＢＦ７は、Ｘ方向の力ＦｘおよびＺ方向のモーメントＭｚを検出する。フルブリッジ回路ＢＦ１、ＢＦ５は、Ｙ方向の力ＦｙおよびＺ方向のモーメントＭｚを検出する。ブリッジ回路ＢＦ２、ＢＦ６は、Ｚ方向の力ＦｚおよびＹ方向のモーメントＭｙを検出する。ブリッジ回路ＢＦ４、ＢＦ８は、Ｚ方向の力ＦｚおよびＸ方向のモーメントＭｘを検出する。上記構成により、６軸方向の力およびトルクを検出できる。

［製造方法］
図７は、第１実施形態に係る起歪体１６の製造方法を説明するためのフローチャートである。

図７に示すように、まず起歪体１６の寸法検査等の所定の検査を行った後、起歪体１６に対して所定の前処理を行う。前処理としては、例えば検査後の起歪体１６の主表面上を、超音波や所定の薬剤等を用いた洗浄処理等が含まれる（Ｂ１）。

続いて、前処理後の起歪体１６の主表面上に、例えば熱酸化法等を用いて絶縁膜１７０を成膜する（Ｂ２）。

続いて、例えば所定のアニーリング処理等による熱処理を起歪体１６に行い、成膜した絶縁膜１７０の絶縁性等の特性が所定値以上となるように特性出しを行う（Ｂ３）。

続いて、絶縁膜１７０上に、例えば所定のターゲットを用いたスパッタ法等を用いて、クロム（Ｃｒ）および窒素（Ｎ）を含んだＣｒ−Ｎ薄膜を形成する。さらに、形成したＣｒ−Ｎ薄膜上にフォトレジストを塗布し、塗布したフォトレジストにパターニングを行う。具体的には、中央部１６１の参照抵抗ＲＳ４〜ＲＳ３０が配置される位置に参照抵抗ＲＳ４〜ＲＳ３０と同一の平面形状のパターンをフォトレジストに転写し、接続部１６３の歪センサＳ１〜Ｓ３２が配置される位置に歪センサＳ１〜Ｓ３２と同一の平面形状のパターンをフォトレジストに転写し、パターンが転写された部分以外のフォトレジストを除去しパターンを現像する。さらに、パターンが現像されたフォトレジストをマスクとして、所定のエッチング処理を絶縁膜１７０の表面上まで行うことで、中央部１６１および接続部１６３の所定の位置に所望の形状の参照抵抗ＲＳ４〜ＲＳ３０および歪センサＳ１〜Ｓ３２を形成する（Ｂ４）。

続いて、中央部１６１および接続部１６３に、例えば上記ステップＢ４と同様の製造工程等を用いて、密着性を高めるためのクロム（Ｃｒ）薄膜による接着膜１７２ａを形成し、当該接着膜１７２ａ上に、銅（Ｃｕ）を含む所定の電極リード膜を成膜して歪センサＳ１〜Ｓ３２および参照抵抗ＲＳ４〜ＲＳ３０を電気的に接続するための配線１７２を形成する。さらに、形成した配線１７２上に、同様の製造工程によりクロム薄膜による接着膜１７２ａを形成する（Ｂ５）。

続いて、一方の対角線Ｌ１の方向に沿って、中央部１６１における配線１７２の端部の接着膜１７２ａ上に、例えば上記ステップＢ４と同様の製造工程等を用いて、銅（Ｃｕ）と金（Ａｕ）からなる積層構造を順次形成して所定の電極膜を成膜し、電極１７１を形成する（Ｂ６）。

続いて、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等を用いて、電極１７１上を除く起歪体１６の主表面上に、ＯＧ膜１７５を形成する（Ｂ７）。

続いて、起歪体１６の主表面上に形成した歪センサＳ１〜Ｓ３２等に対して所定の歪特性検査およびストレス検査等を施し、形成した歪センサＳ１〜Ｓ３２等に要求される特性を確認する（Ｂ８）。

以上の製造方法により、第１実施形態に係る起歪体１６を製造する。

［作用効果］
以上説明したように、第１実施形態に係る起歪体１６は、実質的に歪が生じない中央部１６１の主要面上に設けられ、複数の歪センサＳ１〜Ｓ３２と共にブリッジ回路ＢＦ２、ＢＦ４、ＢＦ６、ＢＦ８を構成する複数の参照抵抗ＳＲ４〜ＳＲ３０を備える（図３）。このように、参照抵抗ＲＳ４〜ＲＳ３０は、歪センサＳ１〜Ｓ３２と同一の起歪体１６の主表面上に一体的に設けられる。その結果、歪センサＳ１〜Ｓ３２と参照抵抗ＲＳ４〜ＲＳ３０との間に生じる温度誤差および外部ノイズの影響を低減でき、検出精度を向上することができる。

しかも、第１実施形態に係る起歪体１６は、接続部１６３の主表面上に設けられ、一対の直列接続された複数の歪センサ（第２歪センサ）が並列に接続された並列回路により構成されるフルブリッジ回路ＢＦ２、ＢＦ４、ＢＦ６、ＢＦ８を備える（図５）。そのため、起歪体１６の感度を向上でき、検出精度を向上することができる。例えば、第１実施形態に係る起歪体１６の場合、フルブリッジ回路ＢＦ２、ＢＦ４、ＢＦ６、ＢＦ８は検出回路全体の半分を占めるため、全ての検出回路をブリッジ回路で構成する場合に比較して、感度および検出精度を２倍程度まで向上することができる。

また、歪センサＳ１〜Ｓ３２、参照抵抗ＲＳ４〜ＲＳ３０、電極１７１、および配線１７２は、起歪体１６の対角線Ｌ１において鏡像対称の関係となるように、そのレイアウトが構成される。さらに、接続部１６３の幅は、中心Ｏ側から外側に向かってほぼ同一となるように構成されるため、中心Ｏから外側に離れるに従って幅が狭くなる構成に比べて、歪センサＳ１〜Ｓ３２を配置するスペースを拡大できる（図３）。このように、第１実施形態に係る起歪体１６は、中央部１６１および接続部１６３の主表面上の限られたスペースに歪センサＳ１〜Ｓ３２等を配置するのに最適な構成となっている。

さらに、歪センサＳ１〜Ｓ３２、参照抵抗ＲＳ４〜ＲＳ３０、電極１７１、および配線１７２は、薄膜技術を利用した製造方法により、起歪体１６の主要面上のみに設けられる（図４、図７）。そのため、高感度なセンサＳ１〜Ｓ３２を高密度かつ高精度に起歪体１６の接続部１６３に設けることができる。従って、検出精度を補うために多数（例えば９０個程度）の歪センサを配置する必要がなく、起歪体の表面上だけでなく例えば起歪体の側面上に接着剤等を用いて歪センサを貼り付ける必要もない。例えば本実施形態のような製造方法を用いない場合、歪センサの位置は、所望の位置より数百μｍ程度の誤差を生じ得るため、特定軸以外の力およびトルクが検出される多軸干渉の影響が増大する。また、例えば参照抵抗を起歪体の外部に設ける場合には温度誤差や外部ノイズが増大するため、温度誤差や外部ノイズを校正する必要もある。しかし、本実施形態では、このような不都合が生じることはない。

また、Ｚ方向に沿った起歪体１６の高さＨｚは、中央部１６１、外周部１６２、および接続部１６３において実質的に同一である。起歪体１６の高さＨｚは、Ｘ方向またはＹ方向に沿った外周部１６２の幅Ｗ１６２よりも大きくなるように構成される（Ｈｚ＞Ｗ１６２）。さらに、外周部１６２および接続部１６３の弾性は、中央部１６３の弾性よりも大きくなるように構成される。外周部１６２および接続部１６３は弾性機能を有し、中央部１６３の弾性機能を有さないように構成されることがより望ましい。上記構成により、ＸＹＺ軸の各出力ゲインおよび各剛性をより適正に調整することが可能となる点で有利である。

（第２実施形態（起歪体の裏面側の接続部に歪増大部を備える一例））
図８乃至図１０を用いて第２実施形態に係る起歪体１６Ａを説明する。第２実施形態は、起歪体の裏面側の接続部に歪増大部としての溝（溝構造）ＧＲを備える一例に関する。図８は、第２実施形態に係る起歪体１６Ａの裏面側から見た全体構造を示す斜視図である。図９は、図８の破線で囲った部分を拡大した歪増大部を示す断面図である。

図８および図９に示すように、第２実施形態に係る起歪体１６Ａは、外周部１６２と隣接する各第１接続部１６３ａの裏面側に、中央部１６１と隣接する第２接続部１６３ｂよりも発生する歪を増大させるための歪増大部ＧＲを更に備える。換言すると、歪増大部ＧＲは、裏面側における第１接続部１６３ａに発生する歪が第２接続部１６３ｂに発生する歪よりも増大するように構成されている。歪増大部ＧＲは、ここでは、第１接続部１６３ａの裏面側の一部を、Ｕ字状にくり抜いて形成した所定の溝（溝構造）である。当該溝は、中央から外周部１６２および中央部１６１へ離れるに従ってその厚さが厚くなるように構成されたアーチ形状であるため、起歪体１６の厚さ方向（Ｚ方向）に凹んで構成されている。

歪増大部ＧＲの裏面からの高さＨｇおよび第１接続部１６３ａにおける長さＬｇは、力およびトルクの印加時において第１接続部１６３ａが塑性変形しない等の所定の条件に基づいて、適宜、設定することが可能である。例えば、歪増大部ＧＲの裏面からの高さＨｇは、起歪体１６の高さＨｚの３割以上６割以下程度であることが望ましい。例えば、歪増大部ＧＲの長さＬｇは、接続部１６３の全体の長さＬ１６３の３割以上７割以下程度であることが望ましい。尚、接続部１６３の幅Ｗ１６３は、第１および第２接続部１６３ａ、１６３ｂにおいて同一である。

また、第１接続部１６３ａには、ブリッジ回路を構成する８個の歪センサ（第１歪センサ）Ｓ２１等が設けられる。第２接続部１６３ｂには、フルブリッジ回路を構成する１６個の歪センサ（第２歪センサ）Ｓ１８、Ｓ２７等が設けられる。この詳細については、次の図１０を用いて詳細に説明する。

図１０は、第２実施形態に係る起歪体１６Ａの主表面側から見た全体構成を示す斜視図である。尚、図１０において、電極や配線等の同様の構成についての図示を省略している。

図１０において、破線で囲った部分を拡大して示すように、第１接続部１６３ａには、ブリッジ回路ＢＦ２、ＢＦ４、ＢＦ６、ＢＦ８を構成する８個の歪センサ（第１歪センサ）Ｓ３、Ｓ５、Ｓ１１、Ｓ１３、Ｓ１９、Ｓ２１、Ｓ２７、Ｓ２９が設けられる。

第２接続部１６３ｂには、フルブリッジ回路ＢＦ１、ＢＦ３、ＢＦ５、ＢＦ７を構成する１６個の歪センサ（第２歪センサ）Ｓ１、Ｓ２、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９、Ｓ１０、Ｓ１５、Ｓ１６、Ｓ１７、Ｓ１８、Ｓ２３、Ｓ２４、Ｓ２５、Ｓ２６、Ｓ３１、Ｓ３２が設けられる。ここで、第２接続部１６３ｂに設けられる第２歪センサのうち、８個の歪センサＳ１、Ｓ２、Ｓ１５、Ｓ１６、Ｓ１７、Ｓ１８、Ｓ２５、Ｓ２６は、その他の第２歪センサと比べて溝ＧＲに隣接して配置されている。そのため、これらの第２歪センサＳ１等も、第１接続部１６３ａに設けられた第１歪センサと同様に、歪量が増大され、センサ感度が増大する。

その他の構造は、上記第１実施形態と実質的に同様であるため、その詳細な説明を省略する。また、動作に関しても、上記第１実施形態と実質的に同様であるため、その詳細な説明を省略する。

［作用効果］
第２実施形態に係る起歪体１６Ａの構造および動作によれば、少なくとも第１実施形態と同様の作用効果が得られる。

さらに、第２実施形態に係る起歪体１６Ａは、外周部１６２と隣接する各第１接続部１６３ａの裏面側に、中央部１６１と隣接する第２接続部１６３ｂよりも発生する歪を増大させるための歪増大部ＧＲを更に備える。歪増大部ＧＲは、ここでは、第１接続部１６３ａの裏面側の一部を、Ｕ字状にくり抜いて形成した所定の溝（溝構造）である（図８、図９）。

上記構成において、起歪体１６Ａに外部から力およびトルクが印加されると、歪増大部ＧＲが設けられた第１接続部１６３ａの厚さは第２接続部１６３ｂの厚さに比べて薄いため、第１接続部１６３ａの当該力およびトルクに応じて変形する変形量を第２接続部１６３ａの変形量に比べて増大させることができる。

ここで、第１接続部１６３ａに設けられた８個の第１歪センサＳ３等は、８個の参照抵抗ＲＳ４等と共に、４つのブリッジ回路ＢＦ２、ＢＦ４、ＢＦ６、ＢＦ８を構成する（図１０）。そのため、第２実施形態に係る起歪体１６Ａによれば、第１接続部１６３ａに設けられた８個の第１歪センサＳ３等の歪量を増大させることにより、４つのブリッジ回路ＢＦ２、ＢＦ４、ＢＦ６、ＢＦ８の検出精度を向上することが更に可能となる。

しかも、第２接続部１６３ｂに設けられる第２歪センサのうち、８個の歪センサＳ１、Ｓ２、Ｓ１５、Ｓ１６、Ｓ１７、Ｓ１８、Ｓ２５、Ｓ２６は、その他の第２歪センサと比べて溝ＧＲに隣接して配置されているため、これらの第２歪センサＳ１等も、第１接続部１６３ａに設けられた第１歪センサと同様に、歪量が増大される。そのため、当該８個の歪センサＳ１等により構成される４つのフルブリッジ回路ＢＦ１、ＢＦ３、ＢＦ５、ＢＦ７の検出精度も向上することが更に可能となる。その結果、ＸＹＺ軸方向の力およびトルクに係る６軸方向の全ての検出精度を向上することができる点で有利である。

尚、例えば、Ｚ軸方向の力Ｆｚが第２実施形態に係る起歪体１６Ａに加えられた場合、第１接続部１６３ａに設けられた８個の歪センサＳ３等の歪量を、同様の場合の第１実施形態に係る歪センサＳ３等と比べて、５割程度も増大できる。このように、必要に応じて、第２実施形態に係る起歪体１６Ａを適用することが可能である。

（第３実施形態（力覚センサに適用した一例））
図１１乃至図１８を用いて第３実施形態を説明する。第３実施形態は、第１実施形態に係る起歪体１６を力覚センサに適用した一例に関する。第３実施形態に係る力覚センサは、例えばロボットアーム等に用いられ、ＸＹＺ方向の力およびトルクを検出するための６軸力覚センサである。

［構成］
図１１は、第１実施形態に係る起歪体１６を備えた力覚センサ１０の外観を示す斜視図である。図１２は、図１１の力覚センサ１０を示す分解斜視図である。

図１１および図１２に示すように、力覚センサ１０は、円筒状の本体１１と、本体１１に対して動作可能な円筒状の可動体１２とを備える。本体１１は、本体１１の底部に形成された複数のネジ穴１９ａを貫通する複数の取付ネジ１９により、図示せぬロボットアームの本体に固定される。可動体１２は、その上面に図示せぬロボットアームのハンド部分を取り付けるためのハンド取付プレートとして機能する。

本体（ベース）１１は、力覚センサ１０の本体となるベース部材であり、可動体１２は、弾性変形が可能な起歪体１６を介在して本体１１に対して、６軸方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向、及び各軸周り方向）に動作可能に取着されている。

すなわち、図１２に示すように、起歪体１６の中央部１６１は、複数のネジ穴１８ａをそれぞれ貫通するハンドプレート固定ネジ１８により可動体（第１支持部材）１２に固定される。起歪体１６の外周部１６２は、複数のネジ穴１７ａをそれぞれ貫通する起歪体固定ネジ１７により、本体１１（第２支持部材）に固定される。

起歪体１６の主表面および裏面は、Ｘ軸、Ｙ軸により形成される面と平行に配置され、起歪体１６の中心Ｏを垂直に通る線は、Ｚ軸と一致されている。上記構成において、可動体１２に外力が加えられると、可動体１２が動作し、起歪体１６の接続部１６３が変形する。上記のように、起歪体１６の接続部１６３には歪センサＳ１〜Ｓ３２が設けられているため、歪センサＳ１〜Ｓ３２により起歪体１６の変形が電気信号として検出される。

可動体１２の周面には、例えば４つの円形の開口部１３が等間隔に設けられている。すなわち、各開口部１３は、Ｘ軸方向とＹ軸方向に配置されている。開口部１３の数は、４つに限定されず、３つ以上であればよい。各開口部１３の内部にはストッパ１４が配置され、各ストッパ１４は、ストッパ取付ボルト１５により、本体１１に固定されている。

ストッパ１４は、可動体１２の動作範囲を規制するものであり、ストッパ１４の最外周部には、開口部１３の内面が当接可能な第１側面１４ａを備えている。すなわち、第１側面１４ａは、可動体１２の動作に伴って起歪体１６が変形した際、可動体１２の開口部１３の内面が第１側面１４ａに当接し、起歪体１６の接続部１６３の過剰な変形を防止する保護機構として機能する。

本体１１の内部には、起歪体１６に対向して基板２０が設けられる。基板２０は、複数のねじ穴２１ａを有し、各ネジ穴２１ａを貫通する固定ネジ２１により、本体１１に固定される。基板２０は、起歪体１６に設けられた歪センサ等と電気的に接続される。この詳細については後述する。

本体１１の底部には、開口部１１ａを閉塞するカバー２２が装着される。すなわち、カバー２２は、複数のねじ穴２３ａを有し、これらネジ穴２３ａを貫通する固定ネジ２３により、本体１１に固定される。

本体１１の側面には、検出信号を外部に伝達するための配線２５が引き出されている。配線２５は、基板２０と電気的に接続されている。

力覚センサに実装される状態の起歪体
図１３を用いて力覚センサ１０に実装される状態の起歪体１６について詳細に説明する。図１３は、力覚センサ１０に実装される状態の起歪体１６を示す断面図である。

図１３に示すように、起歪体１６の主表面上に、絶縁膜１７０が設けられ、絶縁膜１７０上に電極１７１が設けられる。さらに、力覚センサ１０に実装するために、電極１７１上に異方性導電フィルム（ＡＣＦ：Anisotropic Conductive Film）１８１が設けられる。異方性導電フィルム１８１上に、電極１７１と基板２０とを電気的に接続するためのリード配線１８２が設けられる。リード配線１８２は、ここでは、絶縁性の柔軟なフィルムと当該フィルムに配線された所定の電気回路とを備えており、可動体１２の動きに合わせて自在に曲がることが可能であるように構成されたフレキシブルプリント回路基板（ＦＰＣ：Flexible printed circuits）である。また、起歪体１６の主表面上を覆うように、保護シール１８３が設けられる。

［検出動作］
上記構成の力覚センサ１０の検出動作について簡単に説明する。ここでは、Ｚ軸方向において可動体１２のほぼ中央部分に加えられた外力（荷重）を検出する場合を一例に挙げる。

Ｚ軸方向において可動体１２のほぼ中央部分に外力が加えられると、外力によって可動体１２がＺ軸方向に沿って下方に移動する。本体１１は固定されており外力によっても移動しないため、可動体１２は、開口部１３の上側の内面がストッパ１４の上側の第１側面１４ａに当接するまで、下方に移動する。

そのため、可動体１２の下面が起歪体１６の上面を加圧し、加圧された起歪体１６の接続部１６３は変形を起こす。ストッパ１４により、起歪体１６の変形は所定の範囲に限定されているため、過剰な外力による破壊から起歪体１６が保護される。起歪体１６の変形は、上述した歪センサおよび参照抵抗により検出され、ブリッジ回路およびフルブリッジ回路ＢＦ１〜ＢＦ８により電気信号に変換される。検出された電気信号は、電極１７１からリード配線１８２および基板２０を介して配線２５により外部に伝達され、外力を検出することができる。

その後、可動体１２への外力の印加が解除されると、起歪体１６の接続部１６３は、弾性変形により、元の形状に復帰する。

尚、ここでは、Ｚ軸方向における外力検出動作を一例に挙げたが、Ｘ軸方向およびＹ軸方向におけるその他の外力検出動作も同様である。また、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向における各トルク検出動作についても、上記外力検出動作と実質的に同様であるため、詳細な説明を省略する。

［異方性導電フィルム（ＡＣＦ）］
ここで、異方性導電フィルム１８１を用いて、電極１７１の端子とＦＰＣであるリード配線１８２の端子とを互いに電気的に接続するためには、主に、ＡＣＦ転写（ラミネーション）工程、ＦＰＣ位置合わせ（アライメント）工程、および圧着硬化工程の３つの工程（ＳＴ１〜ＳＴ３）が必要となる。

図１４は、図１３の起歪体上に異方性導電フィルムを用いて電極とリード配線とを接続する方法を説明するための断面図である。図１４に示すように、ＡＣＦ転写工程では、起歪体１６の主表面上に配置された電極１７１上に、電極１７１の面積よりも面積が十分大きい異方性導電フィルム１８１を所定の張力を保った状態で配置する。次に、ＡＣＦ貼り合わせ用のヘッド２００を、張力を保った状態で異方性導電フィルム１８１の真上から電極１７１の表面上まで降下させ、破線で示す電極１７１の面積よりも大きい余分な異方性導電フィルム１８１を切り離す。その結果、電極１７１上に、所定の異方性導電フィルム１８１が転写される（ＳＴ１）。

図１５は、図１３の起歪体１６と異方導電性フィルム１８１とが所定の位置に配置される状態を示す平面図である。図１６は、図１５の実線で囲った部分を拡大して示す平面図である。ＦＰＣ位置合わせ工程では、電極１７１上に異方性導電フィルム１８１が張り合わされた状態で、電極１７１の端子とリード配線１８２の端子との位置合わせを行う。

図１５および図１６に示すように、この工程では、起歪体１６に設けられたアライメントマークＡＭ１６と、リード配線１８２に設けられたアライメントマークＡＭＦとを所定の位置に合わせることにより、位置決めを行う。例えば、破線で示す起歪体１６のアライメントマークＡＭ１６ａ、ＡＭ１６ｂの位置と、実線で示すリード配線１８２のアライメントマークＡＭＦａ、ＡＭＦｂの位置とが、図１６に拡大して示す位置関係となるように位置が決定される。この際、起歪体１６のアライメントマークＡＭ１６ａの２つの凸部の間に、リード配線１８２のアライメントマークＡＭＦａの１つの凸部を挟むように位置合わせを行うことで、紙面の縦方向の位置ずれを防止している。また、起歪体１６のアライメントマークＡＭ１６ｂと、リード配線１８２のアライメントマークＡＭＦｂとが重なるように位置合わせを行うことで、紙面の横方向の位置ずれを防止している（ＳＴ２）。

図１７は、異方性導電フィルム１８１を用いて電極１７１の端子とリード配線１８２の端子とが電気的に接続されることを模式的に説明するための断面図である。図１７上段に示すように、異方性導電フィルム１８１は、導電体である導電粒子１８１ａが絶縁体である熱硬化樹脂１８１ｂの中にほぼ均一に散在された構成を備えている。そして、圧着硬化工程では、電極１７１の端子１７１ａ（ＰＡＤ）とリード配線１８２の端子１８２ａ（ＰＡＤ）との位置が合わされた状態で、リード配線１８２上から所定のヘッド２００により、対象積層体（電極１７１、異方性導電フィルム１８１、リード配線１８２）に対して、熱を与えながら圧力を加える。

すると、図１７下段に示すように、端子１７１ａ、１８２ａに挟まれる位置Ａａでは、圧力によって異方性導電フィルム１８１内の導電粒子１８１ａが互いに接続し、紙面の縦方向（Ｚ軸方向）の端子１７１ａ、１８２ａを導通するための導電経路が形成される。一方、それ以外の位置Ａｂでは、圧力が低いため、異方性導電フィルム１８１内の導電粒子１８１ａが互いに接続することがなく、絶縁性が保持される。その結果、端子１７１ａ、１８２ａに挟まれる位置Ａａのみ紙面の縦方向（Ｚ軸方向）の所望の導電経路が形成される（ＳＴ３）。

その他の構造および動作等は、上記第１実施形態と実質的に同様であるため、その詳細な説明を省略する。

［作用効果］
起歪体１６を備えた第３実施形態に係る力覚センサ１０の構造および動作によれば、少なくとも第１実施形態と同様の作用効果が得られる。

さらに、第３実施形態に係る起歪体１６は、所定の工程（ＳＴ１〜ＳＴ３）によって、異方性導電フィルム１８１を用いて、電極１７１の端子１７１ａとＦＰＣであるリード配線１８２の端子１８２ａとを互いに電気的に接続する（図１４〜図１７）。

このように、配線１７２を中央部１６１に集約し、異方性導電フィルム１８１を用いることで、電極１７１およびリード配線１８２の多数の端子１７１ａおよび１８２ａを一括して接続でき、導通性と絶縁性とを両立することができるため、製造コストの低減に有利である。

しかも、本実施形態のように、起歪体１６の限られたスペースであって、横方向の端子１７１ａ、１８２ａの隣接間の距離が例えば０．２ｍｍ程度のファインピッチであっても、確実な電気的接続を確保でき、信頼性を向上できる。

また、はんだやコネクタ等の接続装置に比べ、実装装置が軽量および薄型であるため、実装スペースの低減が可能となる。

例えば、本実施形態に係る起歪体１６のパッドの位置（端子の位置）と異方導電性フィルムの抵抗値との関係は、図１８のように示される。図１８に示すように、３つの異方性導電フィルムＡＣＦ１〜ＡＣＦ３のいずれの場合でも、パッドの位置に関係なく、その抵抗値はほぼ一定であることから、確実な電気的接続が確保されていることが分かる。また、図１８に示す抵抗値からリード配線１８２の端子１８２ａの抵抗値である０．１Ω程度を差し引くと、３つの異方性導電フィルムＡＣＦ１〜ＡＣＦ３の実質的な抵抗値は０．３５Ω〜０．４５Ω程度となる。この抵抗値は、いずれも一般的な異方導電フィルムの抵抗値の基準値よりも、十分に低い値である。

また、力覚センサ１０は、可動体１２の動作範囲を規制するものであり、その最外周部に開口部１３の内面と当接可能な第１側面１４ａを有するストッパ１４を備える。このように、ストッパ１４は、非常にシンプルな形状であり、かつ６軸方向の全てに対して保護機能を有している。その結果、高感度かつ製造コストの低減化に有利な力覚センサ１０を提供することが可能となる。

（第４実施形態（歪センサのその他の配置の一例））
図１９を用いて第４実施形態を説明する。第４実施形態は、歪センサのその他の配置の一例に関する。図１９は、第４実施形態に係る起歪体の主表面側から見た全体構成を示す斜視図である。

図１９に拡大して示すように、第４実施形態に係る起歪体１６Ｂは、第２接続部１６３ｂに設けられる８個の第２歪センサＳ１、Ｓ２、Ｓ１５、Ｓ１６、Ｓ１７、Ｓ１８、Ｓ２５、Ｓ２６が、その他の第２歪センサと同程度に溝ＧＲから十分な距離ＬＳを有して配置されている点で、第２実施形態に係る起歪体１６Ａと相違する。そのため、第２接続部１６３ｂに設けられる全ての第２歪センサは、溝ＧＲからの歪増大効果の影響を受けない。ここで、距離ＬＳは、第１接続部１６３ａに設けられる第１歪センサの歪量が、第２接続部１６３ｂに設けられる第２歪センサの歪量と比べて、例えば５割等の明らかな歪量の相違が分かる程度に設けられていることが望ましい。

その他の構成および動作は、第２実施形態と実質的に同様であるため、その詳細な説明を省略する。

［作用効果］
第４実施形態に係る起歪体１６Ｂは、第２接続部１６３ｂに設けられる８個の第２歪センサＳ１、Ｓ２、Ｓ１５、Ｓ１６、Ｓ１７、Ｓ１８、Ｓ２５、Ｓ２６が、その他の第２歪センサと同程度に溝ＧＲから十分な距離ＬＳを有して配置されている（図１９）。

そのため、第２接続部１６３ｂに設けられる第２歪センサは溝ＧＲからの歪増大効果の影響を受けず、第１接続部１６３ａに設けられた第１歪センサＳ３、Ｓ５、Ｓ１１、Ｓ１３、Ｓ１９、Ｓ２１、Ｓ２７、Ｓ２９の歪量を、第２接続部１６３ｂに設けられた第２歪センサＳ１、Ｓ２、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９、Ｓ１０、Ｓ１５、Ｓ１６、Ｓ１７、Ｓ１８、Ｓ２３、Ｓ２４、Ｓ２５、Ｓ２６、Ｓ３１、Ｓ３２の歪量に比べて、増大させることができる。その結果、４つのブリッジ回路ＢＦ２、ＢＦ４、ＢＦ６、ＢＦ８の検出精度を向上することができる。

また、第２接続部１６３ｂに設けられる全ての第２歪センサは溝ＧＲからの歪増大効果の影響を受けないため、第２歪センサの歪量を均一化できる点で有利である。

（変形例）
以上、第１乃至第４実施形態を一例に挙げて説明したが、本発明の実施形態は、上記第１乃至第４実施形態に限定されるものではなく、必要に応じて種々の変形が可能であることは勿論である。

起歪体１６、１６Ａ、１６Ｂが適用可能な対象は、第３実施形態において説明した力覚センサ１０に限定されず、各種のセンサに適用可能であることは勿論である。

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。

１０…力覚センサ、１１…本体、１２…可動体、１４…ストッパ、１６、１６Ａ、１６Ｂ…起歪体、１６１…中央部、１６２…外周部、１６３…接続部（ビーム部）、１６３ａ…第１接続部、１６３ｂ…第２接続部、１７１…電極、１７２…配線、１８１…異方性導電フィルム（ＡＣＦ）、１８２…リード配線、Ｓ１〜Ｓ３２…歪センサ、ＲＳ４〜ＲＳ３０…参照抵抗、ＢＦ１、ＢＦ３、ＢＦ５、ＢＦ７…フルブリッジ回路、ＢＦ２、ＢＦ４、ＢＦ６、ＢＦ８…ブリッジ回路、ＧＲ…歪増大部。

Claims (8)

1. 中央部と、
   前記中央部の周囲を囲む外周部と、
   前記中央部と前記外周部とを接続し、前記外周部と隣接する第１接続部と前記中央部と隣接する第２接続部とをそれぞれ備える複数の接続部と、
   前記接続部の主表面上に設けられる複数の歪センサと、
   前記中央部の主表面上に設けられ、前記複数の歪センサと共にブリッジ回路を構成する複数の参照抵抗と、
   前記第１接続部の前記主表面と対向する裏面側において、前記第１接続部に発生する歪が前記第２接続部に発生する歪よりも増大するように構成された歪増大部と、
   前記第２接続部の前記主表面上に設けられ、一対の直列接続された前記複数の歪センサが並列に接続されたフルブリッジ回路と、
   を具備する
   起歪体。
2. 前記第１接続部の前記主表面上に、前記ブリッジ回路を構成する前記複数の歪センサの少なくとも一つが設けられる
   請求項１に記載の起歪体。
3. 前記歪増大部として、前記起歪体の厚さ方向に凹んで構成された溝を備える
   請求項１又は２に記載の起歪体。
4. 前記中央部は、外部の第１支持部材に接続され、
   前記外周部は、外部の第２支持部材に接続され、
   前記外周部および前記接続部は、前記中央部よりも弾性変形しやすい
   請求項１乃至３のいずれかに記載の起歪体。
5. 前記中央部および前記接続部の主表面上に設けられ、前記複数の歪センサおよび前記複数の参照抵抗を電気的に接続する配線と、
   前記中央部の主表面上に設けられ、前記配線と電気的に接続され、前記ブリッジ回路および前記フルブリッジ回路の検出信号を取り出すための電極と、を更に具備する
   請求項３又は４に記載の起歪体。
6. 前記複数の歪センサ、前記複数の参照抵抗、前記電極、および前記配線の配置は、前記外周部の角部を結んだ対角線において鏡像対称となるように構成される
   請求項５に記載の起歪体。
7. 請求項１に記載の起歪体と、
   円筒状の本体と、
   前記本体に対して動作可能な円筒状の可動体と、を具備し、
   前記起歪体の前記中央部は、支持部材である前記本体または前記可動体の一方に接続され、
   前記起歪体の前記外周部は、支持部材である前記本体または前記可動体の他方に接続される
   力覚センサ。
8. 前記可動体の周囲に等間隔に設けられた少なくとも３つの円形の開口部と、
   前記開口部のそれぞれの内部に配置され、前記開口部の直径より小さな第１外径を有する第１側面を備えるストッパと、
   前記ストッパを前記本体に固定する固定部材と、を更に具備する
   請求項７に記載の力覚センサ。

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