JPH0280930A - 分布型圧覚センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、分布型圧覚センサの製造方法に関し、詳しく
は、垂直荷重を受圧する柱状の受圧部を有し、受圧部を
介して単結晶シリコン板に加え［従来の技術］ 従来のロボットは、シーケンス制御あるいは開ループ制
御によって駆動されることが多く、特定の限られた環境
において、作業が行われるため、その作業内容やロボッ
トとしての能力に限界があった。例えば、ピックアンド
プレースロボットの場合は流れ作業において部品の装着
を行うもので、特定の部品の把持なと一連の特定動作に
限られており、異種の部品を選択して把持するような機
能は有していない。

しかし、最近ではロボットの知能化が進むと共に、人間
の感覚に相当する視覚センサや圧覚せンサが開発され、
様々な環境に対応して動作可能なロボットが実用化しつ
つある。かかる知能ロボット用の圧覚センサとして分布
型圧覚センサがあるが、このようなセンサは、ロボット
ハンド等に装着され、ロボットハンドが物体を把持した
場合、センサから得られる出力を検出し、フィードバッ
ク制御することによって、物体の把持力を制御したり、
硬さを認識することができるものである。

そこで、このようなセンサに要求される機能としては、 ■　感度が高いこと ■　分布密度が高く各センサ特性が均一であること ■　高信頼性、耐久性に優れていること■　非直線性お
よびヒステリシスが共に小さいこと ■　小形で軽量かつ安価であること 等をあげることができる。

第５図は従来の分布型圧覚センサの１例を示し、本例は
互いに直角方向に交わる細い導電性ゴム系１００および
２００を２層にして組合わせ、ゴム条配列面に対して垂
直方向に加えられた力に対しそのゴム条接触部分の面積
が増加し、抵抗が変化するのを検出して加えられた力の
大きさを知るようにしたものである。ところが、このよ
うな分布型圧覚センサでは、加えられた力に比例した出
力が得られず、出力が非線形となり、また、力の分布を
高密度に検出するには適していない。

また第６図は別の従来例で、ヘッド３００に取付ル素子
部における磁束密度の変化をホール素子４００により検
出して加えられた力の大きさを知るものである。

ところがこのような圧覚センサは、構造が複雑であるた
め小形化が困難であることや被把持物が磁性体であるか
非６ｎ性体であるかによって、出力感度が異なるという
欠点を有していた。

そこで、以上に述べたような欠点を解決すべく本願人は
先に第７図〜第９図に示すような分布型圧覚センサを提
案した。

第７図および第８図において、ｌＯは検出素子のセンサ
セル、１１はセンサセルｌＯ上の接合部１２に接着剤を
用いて取付けられた柱状の受圧部材（以下でメサという
）　、　１３Ａ〜１３ＤはセンサセルｌＯ上のメサ１１
の周囲に配設され、センサセルｌＯに発生する歪を検出
するための半導体ストレンゲージ、１４は同じくセンサ
セル１０上に配設されたはんだバンブの電極、１５はセ
ンサセル１０を保持し、弾性体として作用する弾性床、
１６はセンサセルｌＯ上に配置され、上記電極１４と電
気的に接続されるフレキシブルプリント配線基板（以下
でＦＰＣという）である。

ここで、半導体ストレンゲージ１３Ａ〜１３Ｄは第９図
に示すようなホイートストンブリッジ回路に組込まれて
おり、半導体ストレンゲージ１３Ａ〜１３Ｄにおける抵
抗変化を対角位置の端子から取出すことにより、センサ
セルｌＯに加えられた力を歪の値として検出するもので
、かくして、ブリッジ回路への電源供給および半導体ス
トレンゲージ１３Ａ〜１３Ｄからの出力信号を電極１４
．ＦＰＣｌＢを介して外部に取出すことができる。

ところで、このような分布型圧覚センサを製造するにあ
たっては、従来の場合、第１０図に示すように、作業板
２０上にセル保持孔２１が穿設されたフレーム２２を載
買し、このセル保持孔２１にセンサセルｌＯを嵌め入れ
た後、センサセルｌＯ上のメサの接合部１２あるいはメ
サ１１の方に接着剤２３を塗布しておく。モしてメサ１
１をピックアップ２４にて保持しながら前記メサの接合
部１２上に固定して接着剤２３を硬化させることにより
検出素子２５を作成し、更にこのあと第１１図に示すよ
うにＦＰＣｌＢに形成したメサ用貫通孔２６に検出素子
２５を天地してそのメサ１１を嵌入させる。かくして、
センサセルｌＯの裏面側からレーザ光２７を照射し、電
極１４のはんだバンブとＦＰＣｌＢ上の導体パターン２
８とを溶着し電しかしながら、上述した従来の製造方法
では第１２図に示すようにメサ１１が傾斜したり、更に
はＦＰＣｌＢとセンサセル１０との電気的接続部３０や
接着剤２３に劣化が生じ、圧覚センサの高信頼性および
耐久性が損なわれる恐れがある。また第１３八図のよう
にセンサセルｌＯにメサ１１が正常位置に固着されてい
ればよいが、第１３Ｂや第１３Ｃ図のようにメサ１１が
ずれて固着されると、第１４図に示すように感度にバラ
ツキが生じ第１３Ａ図の場合の出力ａに対して第１３Ｂ
図および第１３Ｃ図の場合はｂおよびＣのように感度が
低下する。このため分布型圧覚センサからの出力を信号
処理する場合に不具合が生じていた。

また、メサ１１とセンサセルｌＯとの接合部１２におけ
る接着剤２３の層厚が第１５Ａ図および第１５Ｂ図に示
すように異なるとそれぞれ第１６八図および第１６８図
に示すようにヒステリシスに相異が生じ複数個の圧覚セ
ンサにおける特性が一定しないという不具合が生じてい
た。

とを重ね合わせた状態で第１位置決め孔と第２位置決め
孔とが互いに対向位置にくるようになし、第１位置決め
部材と第２位置決め部材との間にフレキシブルプリント
配線基板を貫通孔が第２位置決め孔と一致するようにし
て保持させ、第１位置決め孔に単結晶シリコンセルを嵌
め合わせること［課題を解決するための手段］ かかる目的を達成するために、本発明は、歪検出用ノ半
導体ストレンゲージとはんだバンブの電極とを有し、垂
直荷重を受圧する受圧部が突設された単結晶シリコンセ
ルを弾性床上にマトリックス状に配設し、電極に電気的
に接続される導体パターンと受圧部を貫通させる貫通孔
とが形成されたフレキシブルプリント配線基板を単結晶
シリコンセル上に設けてなる分布型圧覚センサを製造す
るにあたり、単結晶シリコンセルの個々の位置決めが可
能な複数の第１位置決め孔を有する第１位置決め部材と
、受圧部の個々の位置決めが可能な複数の第２位置決め
孔を有する第２位置決め部材て受圧部を第２位置決め孔
に嵌合し、複数の受圧部上から均等な圧力を加えて受圧
部を単結晶シリコンセルに接合させることを特徴とする
ものである。

［作　用１ 本発明によれば、第１位置決め部材と第２位置決め部材
との間にまず、フレキシブルプリント配線基板を位置決
めした状態で保持させ、次に第１位置決め孔に単結晶シ
リコンセルを嵌め合わせることｊζ３１４９、個々の単
結晶シリコンセルのフレキシブルプリント配線基板との
間の相対位置が位置決めされるので、この状態でレーザ
光等により電極と導体パターンとを溶着させて電気的接
続が得られるようにすることができ、このあと受圧部を
接着可能な状態で第２位置決め孔に嵌入させて単結晶シ
リコンセルに接触を保たせ、これら受圧部の上から均等
な圧力をかけて接着剤の硬化を待つようにするので、受
圧部と単結晶シリコンセルと［実施例］ 以下に、図面に基づいて本発明の実施例を詳細かつ具体
的に説明する。

第１図は本発明を実施するための治具の一例を示す。こ
こで、その（Ａ）　に示す４１は、ガラス押え枠であり
、ガラス押え枠４１はその中央部に後述するようにして
レーザ光を照射するときのために照射窓４２を有する。

４３は固定用のねじ孔である。

（Ｂ）に示す５１はガラス板、（Ｃ）に示す６１はセン
サセル位置決め枠であり、センサセル位置決め枠６１は
その中央部にガラス板５１の嵌め入れが可能な四部６２
を有し、この凹部６２におけるセンサセル位置決め枠６
１の厚さは先の述べたセンサセル１０の厚さより薄くし
である。

６３はこの凹部６２を貫通させて穿設したセンサセル位
置決め孔であり、この凹部６２に複数のセンサセル位置
決め孔６３がマトリックス状に形成されている。６４は
ガラス押え粋４１固定用のねじ孔、６５は（Ｄ）に示す
メサ位置決め枠７１との間を固定するねじ孔、６６は枠
同士の相対量位置決めのためのビン孔である。

メサ位置決め枠７１はその下面側に（Ｅ）　　に示、す
メサ押え板８Ｘの嵌め込みが可能な凹部７２を有し、こ
の凹部７２における板の厚さはメサ１１の高さより薄く
してあって、凹部７２における上記のセンサセル位置決
め孔６３に対応する位置にはそれぞれメサ位置決め孔７
３が穿設されている。７５はねし孔６５に対応する枠囲
土間の固定ねじ孔、７６はビン孔６６との間で位置決め
するためのビン孔である。また、メサ押え板８１におい
て、８４は固定ねし用の孔である。

そこで、このような治具を用いて、分布型圧覚センサを
組立てるにあたっては、まず、メサ位置決め枠７１上に
メサ用の貫通孔２６を有するＦＰＣｌＢを載置して、そ
の貫通孔２６をメサ位置決め枠７１のメサ位置決め孔７
３と位置合わせするようになし、しかる後、センサセル
位置決め枠６１をその上に重ね合わせ、ビン孔６６をビ
ン孔７６に合わせて位置決めした上、この間に第２図に
示すようにしてテーバピン９１を打込み、双方向を位置
決め固定する。

以上によって、第２図に示すようにセンサセルｌＯとメ
サ１１およびＦＰＣｌＢ間の相対位置を精密に位置決め
することが可能となるもので、このような状態でセンサ
セル位置決め枠６１の各センサセル位置決め孔６３にセ
ンサセルｌＯを嵌め込み、ついで、その上からガラス板
５１を重ね、更に一図示はしないがガラス押え枠４１で
ガラス板５１を押ス、込んでセンサセル位置決め枠６１
にクランプし、センサセルｌＯを第２図に示す状態に保
持する。そして、ガラス押え枠４１の照射窓４２（第１
図の（八）参照）からレーザ光２７を照射し、電極１４
のはんだバンブとＦＰＣｌＢ上の導体パターン２８とを
溶着する。

次に、このような溶着によるＦＰＣｌＢとセンサセル１
０との間の電気的接続がなされたならば、この状態で第
３図に示すようにメサ位置決め枠７１が上になるように
して全体を天地し、その各々のメサ位置決め孔７３にメ
サＩＪを嵌め合わせるが、このときに、メサ１１の側に
接着剤２３を塗布しておくか、あるいはセンサセル位置
決の接合部１２、すなわちメサ位置決め７３の直下にあ
たる位置に接着剤２３を塗布しておくようにする。

かくしてメサ１１をメサ位置決め孔７３に嵌め入れたな
らば、メサ１１の上部に弾性体８２を介してメサ押え板
８１を瓜ね合わせ、均等な圧力が得られるようにメサ位
置決め枠７１にクランプした状態で接着剤２３の硬化を
待ち、硬化したところでクランプした固定ねじな外して
、治具を解体すればよい。第［発明の効果］ 以上説明してきたように、本発明によれば、マトリック
ス状に配設されるシリコンセルの個々の位置決めが可能
な複数の第１位置決め孔を有する第１位置決め部材と、
受圧部の個々の位置決めが可能な複数の第２位置決め孔
を有する第２位置決め部材とを互いに重ね合わせたとぎ
に、第１位置決め孔と第２位置決め孔とが互いに対向位
置に配属されるようになし、第１位置決め部材と第２位
置決め部材との間にまずＦＰＣをその貫通孔が第２位置
決め孔と一致するようにして保持させた上、第１位置決
め孔にシリコンセルをその電極がＦＰＣの導体パターン
と接触を保つようにして嵌め合わせ、電極と導体パター
ンとの間をはんだ付けしたあと、受圧部を接着剤により
シリコンセルに接着可能な状態にして第２位置決めに嵌
入させ、受圧部上から均等な圧力を加えて、接合させる
ようにしたので、受圧部とシリコンセルとの間の相対位
置がずれたり、接着状態が不均一であったりするのを防
止することができ、検出特性にば

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施するための各治具を分解して示す
斜視図、 第２図および第３図は本発明の各工程をそれぞれ楳式的
に示す断面図、 第４図は本発明によって得られた分布型圧覚センサの構
成の一例を示す断面図、 第５図は従来の分布型圧覚センサの一例を示す斜視図、 第６図は従来の分布型圧覚センサの他の形態を示す断面
図、 第７図は木発明の適用が可能なセンサセルの平面図、 第８図は木発明の適用が可能な検出素子の断面図、 第９図はそのセンサセル上のストレンゲージ間に構成さ
れるブリッジ回路の構成図、 第ｉｏ図および第１１図は従来の分布型圧覚センサ製造
方法における各工程を示す断面図、第１２図は従来の製
造方法による不良品の状態を示す断面図、 れた出力特性の曲線図、 第１５Ａ図および第１５８図はメサ（受圧部）とセンサ
セル間の接着層の厚さの異なる例を示す断面図、 第１６Ａ図および第１１ｉＢ図はそれぞれ第１５＾図お
よび第１５８図から得られたヒステリシスに関する特性
曲線図である。 １０・・・センサセル、 １２・・・接合部、 １３＾〜１３Ｄ・・・ストレンゲージ、１４・・・電極
、 １５・・・弾性床、 １６・・・フレキシブルプリント配線基板（ＦＰＣ）、
２３・・・接着剤、 ２７・・・レーザ光、 ２８・・・導体パターン、 ４１・・・ガラス押え枠、 ４２・・・照射窓、 ５１・・・ガラス板、 ６１・・・センサセル位置決め枠、 ６２．７２・・・凹部、 ６３・・・センサセル位置決め孔、 ６６．６７・・・ビン孔、 ７１・・・メサ位置決め枠、 ７３・・・、メナ位置決め孔、 ８１・・・メサ押え板。 特許出願人　工を技１；ル涯飯乙ミ幸ニ１１・・・メサ
（受圧部）、 ｆ正ん２６ オ・発明ｆ）火説道程長示す打面叫 第２図 ＋廁５Ｐ月刀’ＦＪ２ｉＪｌ＊Ｌ’１ｆ４ｅ＠　’ｍ第
３図 ：＃彌邑ｅ月にＪ、ろく９゛１？、ろ三ｔゼンす０楕ｄ
＼、を示す峙勤図第４図 第９図 Ｖ、米α製止箒の一♂程ぞ六す町′面図第１θ図 １２拝ケリ 杢調５明／）ａ！ｌ＠−ｔｐ−ｑｈｒ＝、ｅｙｑ、ｗ＋
しａ＞ｆＥｔ図第７ 図 Ｉイ　（受圧乎すオハサ 冬疹口月のやら、用ｆ可愈ンＱ圧寛セ―・リーの前面目
田第８図 送米９啜孜１炭の−ゑ禾り瘉示す産ケ面目第１１図 慣禾０ｆボア；Ｊδ凭逢０Ｊ状゛息め一便隊が↑岬面図
第１２図 メゴ（受圧部）と之１す、ｅｌし閲の芹ｌ贋の琴での厨
ｔ゛る欣慈をホす＄１３Ａ図〜身粍１３Ｃ凹τう華４う
ンしろ虫史ｆｆノ）支曲禾駅」図第１４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）歪検出用の半導体ストレンゲージとはんだバンプの
   電極とを有し、垂直荷重を受圧する受圧部が突設された
   単結晶シリコンセルを弾性床上にマトリックス状に配設
   し、前記電極に電気的に接続される導体パターンと前記
   受圧部を貫通させる貫通孔とが形成されたフレキシブル
   プリント配線基板を前記単結晶シリコンセル上に設けて
   なる分布型圧覚センサを製造するにあたり、 前記単結晶シリコンセルの個々の位置決めが可能な複数
   の第１位置決め孔を有する第１位置決め部材と、前記受
   圧部の個々の位置決めが可能な複数の第２位置決め孔を
   有する第２位置決め部材とを重ね合わせた状態で前記第
   １位置決め孔と前記第２位置決め孔とが互いに対向位置
   にくるようになし、 前記第１位置決め部材と前記第２位置決め部材との間に
   前記フレキシブルプリント配線基板を前記貫通が孔前記
   第２位置決め孔と一致するようにして保持させ、 前記第１位置決め孔に前記単結晶シリコンセルを嵌め合
   わせることにより前記電極が前記導体パターンと接触を
   保った状態で前記電極と前記導体パターンとを溶着し、 前記受圧部を接着剤により前記単結晶シリコンセルに接
   着可能な状態にして前記受圧部を前記第２位置決め孔に
   嵌合し、 複数の前記受圧部上から均等な圧力を加えて前記受圧部
   を前記単結晶シリコンセルに接合させることを特徴とす
   る分布型圧覚センサの製造方法。