JPWO2018051703A1

JPWO2018051703A1 - 力センサ、および、力センサの製造方法

Info

Publication number: JPWO2018051703A1
Application number: JP2018539577A
Authority: JP
Inventors: 吉正磯野
Original assignee: Kobe University NUC
Current assignee: Kobe University NUC
Priority date: 2016-09-14
Filing date: 2017-08-14
Publication date: 2019-07-25
Anticipated expiration: 2037-08-14
Also published as: US11243130B2; WO2018051703A1; JP6923945B2; US20210285834A1

Abstract

ＭＥＭＳとしての力センサ（１００）であって、半導体からなる基礎部材（１１０）の表層の一部に素子部（１１１）が設けられる検出部（１０１）が円周上に並んで複数配置され、検出部（１０１）を両面から挟んだ状態で配置される樹脂製の弾性部（１０２）と、検出部（１０１）が配置される円周の中央部において検出部（１０１）の一端部にそれぞれ接続され、弾性部（１０２）から突出する位置にまで延在する探針部（１０３）とを備える力センサ（１００）。

Description

本発明は、加えられた力の大きさや方向などを検出する力センサ、および、力センサの製造方法に関する。

従来、ロボットハンドの表面など比較的大きな機械要素へ実装される触覚センサが存在している。このような触覚センサは、ロボットハンドの表面に広く分布させる必要があるため、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）により小型化が図られている。

例えば特許文献１に記載の触覚センサは、１つの素子で３軸方向の力を検出することができるセンサであり、一辺が０．５ｍｍ程度の矩形の基板上に形成されている。また、このような触覚センサは、検出範囲が比較的狭く、かつ、比較的強い力を検出するものである。

特開２０１５−８７１３１号公報

ところが、例えば外科手術などに用いられる低侵襲医療用カテーテルのガイドワイヤ先端は、直径が０．３ｍｍ〜０．５ｍｍの半球形状をしており、これに従前の触覚センサを実装することはほぼ不可能であった。

また、極小の力まで検出でき、かつ、広い検出範囲実現し、かつ、１つの素子で３軸方向の力を検出することは、従前の触覚センサでは困難であった。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、微小な部分に取り付け可能であり、広い検出範囲で極小の力まで三次元的に検出することのできる力センサ、および、力センサの製造方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明にかかる力センサは、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）としての力センサであって、半導体からなる基礎部材の表層の一部に素子部が設けられる検出部が円周上に並んで複数配置され、前記検出部を挟んだ状態で配置される樹脂製の弾性部と、前記検出部が配置される円周の中央部において前記検出部の一端部にそれぞれ接続され、前記弾性部から突出する位置にまで延在する探針部とを備えることを特徴とする。

これによれば、突出状態で検出部の一端部に接続されている探針部に弾性部を介さずに直接力が加えられると、検出部がひずみ、そのひずみ量に応じて複数の素子部から信号を取得することが可能となる。従って、検出部を小型化、薄型化すると非常に小さな力まで検出することが可能となる。一方、検出部は、弾性部によって挟まれているため小型化された検出部の構造的強度を補うことができ、強い力が探針部に加えられた場合でも検出部が破壊されることを抑制できる。さらに、探針部に加えられた力に対する検出部のひずみ量を弾性部の弾性力により調整することが可能となるため、力の検出範囲を広くすることが可能となる。

また、前記検出部が配置される円周の外周部において前記検出部の他端部にそれぞれ接続される保持部と、前記探針部の反対側において、前記保持部に接続される端子部とをさらに備え、前記端子部は、前記検出部と対向する部分に前記弾性部を収容する凹部と、前記凹部に連通する貫通孔とを備えてもよい。

これによれば、探針部の突出方向に沿って探針部の反対側から信号を端子部を介して取り出すことができるため、信号伝送用の配線が邪魔になることなくワイヤーなどの細い部材の先端に力センサを取り付けることが可能となる。

また、前記検出部において、前記素子部は、前記探針部の反対側に配置されても構わない。

これにより、探針部を検出部に別途取り付けることなく検出部と探針部とを一体に成型することができ、製造誤差の発生を抑制することが可能となる。

また、前記探針部に取り付けられ、前記探針部を覆うカバーをさらに備えてもよい。

これによれば、探針部を覆うことで、生体適合性など化学的な性質を探針部に付加することが可能となる。また、鋭利な探針部を覆うことで測定対象物を傷付けることなどを防止することができる。

また、上記目的を達成するために本発明に係る力センサの製造方法は、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）としての力センサの製造方法であって、半導体からなる基礎部材の表層の一部に素子部が円周上に並んで複数配置される検出部を成形し、前記基礎部材において、隣り合う前記検出部の間に厚さ方向に貫通する分割孔を成形し、前記検出部が配置される円周の中央部において前記検出部の一端部にそれぞれ接続される突出状の探針部を成形し、前記検出部が配置される円周の外周部において前記検出部の他端部にそれぞれ接続される保持部に対し、前記探針部の反対側から端子部を電気的、かつ、機械的に接続し、前記端子部の前記検出部と対向する部分に設けられる凹部に、前記凹部に連通する貫通孔を用いて樹脂を前記凹部に充填し、さらに、前記分割孔を通して前記検出部を挟んだ状態となるように前記樹脂を配置し、前記樹脂を硬化させて弾性部を成形することを特徴とする。

これによれば、ワイヤーなど細い部材の先端に取り付け可能な力センサを容易に製造することが可能となる。

また、樹脂を前記凹部に充填する前に、前記樹脂の流れを規制するカバーを前記探針部に取り付けてもよい。

これによれば、検出部を通過して漏れ出てくる樹脂を、所定の位置で規制することができ、検出部を挟む弾性部の厚さを統一して、製品としての力センサ間の性能を均一化することが可能となる。

本発明によれば、広い検出範囲で小さな力まで検出することができる微小な力センサを提供することができ、また、当該力センサを容易に製造することが可能となる。

図１は、力センサを示す斜視図である。図２は、力センサを分解した状態で示す斜視図である。図３は、検出部を探針部、および、保持部と共に下方から示す斜視図である。図４は、力センサの断面図である。図５は、図４の断面を４５°ずらして示す断面図である。図６は、変形例に係る検出部を探針部、および、保持部と共に下方から示す斜視図である。

次に、本発明に係る力センサ、および、力センサの製造方法の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明に係る力センサ、および、力センサの製造方法の一例を示したものに過ぎない。従って本発明は、以下の実施の形態を参考に請求の範囲の文言によって範囲が画定されるものであり、以下の実施の形態のみに限定されるものではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。

また、図面は、本発明を示すために適宜強調や省略、比率の調整を行った模式的な図となっており、実際の形状や位置関係、比率とは異なる場合がある。

図１は、力センサを示す斜視図である。

図２は、力センサを分解した状態で示す斜視図である。

これらの図に示すように、力センサ１００は、フォトリソグラフィなどの微細加工技術を用いて製造され、機械的構造と電気素子的構造とを併せ持ついわゆるＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）としてのセンサであって、検出部１０１と、弾性部１０２と、探針部１０３とを備えている。本実施の形態の場合、力センサ１００は、保持部１０４と、端子部１０５と、カバー１０６とを備えている。

図３は、検出部を探針部、および、保持部と共に下方から示す斜視図である。

同図に示すように、検出部１０１は、半導体からなる基礎部材１１０の表層の一部に素子部１１１が設けられた部材であり、検出部１０１の弾性変形的ひずみを素子部１１１によって電気信号に変更する部分である。また、検出部１０１は、円周上に均等に並んで配置されている。これにより、各検出部１０１の素子部１１１から得られる信号を処理することにより探針部１０３に加えられた力の方向を三次元的に特定することができ、また、力の大きさを取得することが可能となっている。

なお、検出部１０１の数は３以上であればよく、本実施の形態の場合、力センサ１００は、検出部１０１を放射状に４つ備えている。また、検出部１０１の表面には、隣り合う２つの素子部１１１の一端部同士を電気的に接続するために膜状の配線部材１１９が形成されている。

素子部１１１は、検出部１０１のひずみを電気信号に変換することができる素子である。本実施の形態の場合、素子部１１１は、ピエゾ抵抗効果を発揮する部分であり、基礎部材１１０の表層に、基礎部材１１０を構成する元素とは異なる元素（不純物）をドーピングすることにより成形される。なお、素子部１１１の成形方法は、特に限定されるものではなく、不純物を基礎部材１１０の表層に熱拡散させる方法や、イオン注入により不純物を基礎部材１１０に埋め込む方法を例示できる。

本実施の形態の場合、素子部１１１は、検出部１０１の幅方向の２箇所に帯状に設けられており、それぞれが検出部１０１の一端部から他端部にわたって延在している。これにより、探針部１０３を中心とした放射方向における検出部１０１の歪を主として検出することができるものとなっている。

また、複数の検出部１０１は、一枚の半導体基板を微細加工することにより成形されるものであり、複数の検出部１０１が相互に独立してひずみを検出するために、隣り合う検出部１０１の間には、厚さ方向に貫通する分割孔１１２が設けられている。

探針部１０３は、複数の検出部１０１が配置される円周の中央部において検出部１０１の一端部にそれぞれ接続された状態で配置される部分である。本実施の形態の場合、探針部１０３は、四つの検出部１０１が配置される平面に対し、垂直に起立した円柱状の部材であり、素子部１１１が設けられている面の反対側に向かって突出している。探針部１０３の長さは特に限定されるものではないが、検出部１０１を挟むように配置される弾性部１０２から突出する（露出する）長さとなっている。また本実施の形態の場合、一枚の半導体基板を微細加工することにより探針部１０３と検出部１０１とを一体に成形するため、探針部１０３の長さは加工前の半導体基板の厚さに依存する。

保持部１０４は、検出部１０１が配置される円周の外周部において検出部１０１の他端部にそれぞれ接続され、検出部１０１を保持する部分である。本実施の形態の場合、保持部１０４は、四つの検出部１０１が配置される平面内に配置される円環状の部材である。また本実施の形態の場合、一枚の半導体基板を微細加工することにより検出部１０１の基礎部材１１０と保持部１０４とは一体に成形される。

また、保持部１０４の表面には、検出部１０１に設けられる素子部１１１の両端部にそれぞれ接続される膜状の電極１４１が成形されている。電極１４１は、素子部１１１で発生した電気信号を外部に導出するための部材である。

図４は、力センサの断面図である。

図５は、図４の断面を４５°ずらして示す断面図である。

これらの図に示すように、弾性部１０２は、検出部１０１を素子部１１１が成形されている面、および、探針部１０３が突出している側の面の両面から挟んだ状態で配置される部材であり、弾性を備えた樹脂で成形される部材である。本実施の形態の場合、弾性部１０２は、隣り合う検出部１０１の間に設けられる分割孔１１２を介して一体に成形されている。弾性部１０２の形状や、弾性部１０２を構成する材料は、特に限定されるものではなく、検出する力の大きさや検出範囲によって適宜決定される。つまり、探針部１０３に力が加えられることにより発生する検出部１０１のひずみの量が検出部１０１を挟んで配置される弾性部１０２のヤング率などにより調整される。樹脂としては具体的には、アクリル樹脂、ジメチルポリシロキサンのようなシリコン樹脂、その他エラストマーを例示することができる。

カバー１０６は、探針部１０３に取り付けられ、探針部１０３を覆う部材である。カバー１０６は、微細加工により成形される比較的鋭利な探針部１０３を覆い、また、生体内部などの特殊な環境から探針部１０３を遮断するものである。カバー１０６の形状や材質は、特に限定されるものではないが、加えられた力を探針部１０３に伝達しうる剛性を備えており、鋭利な部分がないことが好ましい。

本実施の形態の場合、カバー１０６は、先端がドーム状の砲弾形状であり、少なくとも弾性部１０２よりも高い剛性を備えた樹脂で成形されている。また、カバー１０６は、弾性部１０２の検出部１０１と反対側の面に接触した状態で探針部１０３に取り付けられている。これにより、弾性部１０２の弾性力がカバー１０６に加えられた力に抗することができるため、不本意に大きな力がカバー１０６に加えられた場合でも検出部１０１の破壊を免れることができる。

端子部１０５は、探針部１０３の反対側において、保持部１０４に接続される部材であり、保持部１０４を介して検出部１０１や探針部１０３を機械的に保持すると共に、素子部１１１で発生する電気信号を探針部１０３の延在方向に沿って探針部１０３突出方向と反対向きに導出する部材である。本実施の形態の場合、端子部１０５は、導電体部１５１と、絶縁体部１５２と、凹部１５３と、貫通孔１５４とを備えている。

導電体部１５１は、保持部１０４の表面に設けられた電極１４１と電気的に接続され、素子部１１１の電気信号を端子部１０５の反対側の端部まで導く部分である。本実施の形態の場合、素子部１１１が４箇所に配置されているため、導電体部１５１は、端子部１０５の内部に円周上に並んで８箇所に配置されている。導電体部１５１の形状は、特に限定されるものではないが、端子部１０５と接続される側の形状は、接触面積を広くするため端子部１０５と同型状となっており、反対側の形状は、ワイヤー状の導線との接続を容易にするため、導電体部１５１相互の絶縁を維持しつつできる限り面積が大きくなるような形状となっている。

絶縁体部１５２は、複数本の導電体部１５１を相互に導通しない様に保持し、かつ、保持部１０４を介して検出部１０１、および、探針部１０３を先端に保持するための部材である。絶縁体部１５２の形状は、特に限定されるものではないが、本実施の形態の場合、絶縁体部１５２の形状は、円環状の保持部１０４の外径に対応した円筒状あり、保持部１０４などと同様微細加工技術で成形されている。絶縁体部１５２の材質も、力センサ１００を使用する環境において絶縁体であればよい。本実施の形態の場合、絶縁体部１５２は、保持部１０４などと同じシリコン製の半導体基板に基づいて形成されている。

凹部１５３は、絶縁体部１５２の検出部１０１と対向する端部において、検出部１０１から遠ざかる方向に窪んだ部分であり、検出部１０１を挟んで配置される弾性部１０２の一部を収容する部分である。

貫通孔１５４は、絶縁体部１５２に設けられ、凹部１５３に連通する孔である。本実施の形態の場合、弾性部１０２は、貫通孔１５４を通して充填される樹脂が硬化することにより形成されるものであるため、貫通孔１５４には弾性部１０２と同じ樹脂が充填されている。

本実施の形態に係る力センサ１００によれば、検出部１０１の両面ばかりでなく検出部１０１の周囲の部分も弾性部１０２により覆われているため、微細加工によって小さな力でも歪むように成形された検出部１０１の感度を弾性部１０２のヤング率により調整し、例えば力の検出範囲を０．０１Ｎ〜５Ｎ等の微小な力を含むワイドレンジにすることが可能となる。

また、大きな外力が働いた場合でも、弾性部１０２や弾性部１０２に接触するカバー１０６により検出部１０１が保護されているため、検出部１０１が破壊されることを抑止できる。

また、端子部１０５を含む力センサ１００全体が細い棒形状（例えば径が５００μｍ以下）となっており、その先端部に探針部１０３が突出状態で配置されているため、生体内に挿入するカテーテルの先端などにも容易に取り付けることが可能となる。

また、信号増幅器などに力センサ１００を接続するための配線を端子部１０５を用いることにより検出部１０１から離れた位置で接続することができるため、力の測定の妨げとなるような配線を探針部１０３から遠ざけることが可能となる。

さらに、複数の検出部１０１により、加えられる力を三次元的に捉えることができ、１つの力センサ１００でベクトル情報を取得することが可能となる。

つぎに、力センサ１００の製造方法を説明する。

力センサ１００は、例えば全体として５００μｍ以下の径、１０００μｍ以下の大きさであり、力センサ１００の製造には半導体デバイスの製造に利用される微細加工技術が用いられる。

本実施の形態の場合、検出部１０１と探針部１０３と保持部１０４とを１つの半導体基板から形成する。

半導体基板は、いわゆるＳＯＩ（Silicon on Insulator）と称される基板を用いている。これは、シリコン層の表面に酸化シリコンの薄膜層が形成されている基板である。本実施の形態では、シリコン層の中間部分にも酸化シリコン層が配置される４層構造の基板が用いられている。このように離れて配置される酸化シリコンに挟まれるシリコン層の厚さが、検出部１０１、および、保持部１０４の厚さとなり、当該部分が基礎部材１１０に該当する。

つぎに、このような半導体基板の表面に形成される酸化シリコンの膜に、素子部１１１を形成するためのパターンをエッチングにより形成する。

つぎに、エッチングされてシリコン層の表面が露出した部分にシリコンとは異なる元素（例えば、ゲルマニウムなど）を充填し、熱により当該元素をシリコン層の表層に拡散させる。これにより、基礎部材１１０の表層部分にピエゾ抵抗効果を発揮する素子部１１１が形成される。

つぎに、周知の技術を用いて、酸化シリコン層の表面に配線部材１１９や電極１４１を形成する。

つぎに、例えば反応性プラズマエッチングなどのドライエッチングにより、保持部１０４や分割孔１１２を形成する。

つぎに、素子部１１１を形成した面とは反対側からシリコン層の中間に配置される酸化シリコンの層までドーナツ状にエッチングし、探針部１０３を形成する。従って厳密には、探針部１０３と検出部１０１とは、酸化シリコンの層を介して接続されることになる。

一方、別のＳＯＩ基板を用い、端子部１０５を成形する。

端子部１０５の形成に用いられるＳＯＩ基板は、シリコン層の両面に酸化シリコン層が形成された３層構造の基板である。

当該基板の両側からエッチングを行い（同時にエッチングする必要はない）、導電体部１５１を充填するための円周上に並んだ貫通孔を複数本（本実施の形態の場合８本）形成する。また同時に、凹部１５３も形成する。

つぎに、形成された貫通孔に、銅などの導電体を周知の技術を用いて充填する。なお、保持部１０４に設けられた電極１４１と導電体部１５１の端部とは、ウエハーレベルＣＳＰ（Wafer level Chip Size Package）技術を用いて熱圧着により接続するため、電極１４１と接続する側の面は面一の部材で封止された状態で、反対側の開口から導電体が充填される。

つぎに、中央部分に貫通孔１５４をエッチングにより形成する。

以上により端子部１０５が形成される。

つぎに、端子部１０５と検出部１０１とを保持部１０４を介して接続する。接続方法は、特に限定されるものではないが、上述のウエハーレベルＣＳＰ技術が用いられる。

つぎに、カバー１０６を接着剤などを用いて端子部１０５に取り付ける。

つぎに、カバー１０６と検出部１０１、および、その周辺に弾性部１０２を配置する。配置する方法は特に限定されるものではないが、本実施の形態では、熱により可塑化した樹脂を真空吸引により貫通孔１５４を通じて吸い上げることで、端子部１０５に設けられた凹部１５３を樹脂で充填し、さらに分割孔１１２を通して検出部１０１とカバー１０６との間を樹脂で充填することで弾性部１０２を形成している。

以上により、力センサ１００が製造される。

また、力センサ１００は、端子部１０５の端部に露出している導電体部１５１にワイヤボンディングを行い、配線処理を行う事で、信号増幅器などに力センサ１００を接続することが可能となる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、本明細書において記載した構成要素を任意に組み合わせて、また、構成要素のいくつかを除外して実現される別の実施の形態を本発明の実施の形態としてもよい。また、上記実施の形態に対して本発明の主旨、すなわち、請求の範囲に記載される文言が示す意味を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例も本発明に含まれる。

例えば、上記実施の形態では、１つの検出部１０１に直列接続された２つの素子部１１１が設けられた場合を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、図６に示すように、１つの検出部１０１に１つの素子部１１１を備えるものでも構わない。

また、隣り合う検出部１０１の間に分割孔１１２がなく、一枚の作動膜（ダイヤフラム）に複数の検出部１０１が設けられるものでも構わない。

また、検出部１０１と探針部１０３とが一体に成形される場合を説明したが、別体の探針部１０３と検出部１０１とを接合するものでも構わない。

また、端子部１０５を用いることなく、保持部１０４に設けられている電極１４１に直接ワイヤボンディングを実行しても構わない。

また、シリコン製の基板に基づき力センサ１００を製造する場合を説明したが、微細加工が可能な材質であれば、シリコンに限定されるものではない。

本発明に係る力センサは、例えば低侵襲医療用カテーテルガイドワイヤ、医療用内視鏡、ロボットハンド等に利用可能である。

１００力センサ
１０１検出部
１０２弾性部
１０３探針部
１０４保持部
１０５端子部
１０６カバー
１１０基礎部材
１１１素子部
１１２分割孔
１１９配線部材
１４１電極
１５１導電体部
１５２絶縁体部
１５３凹部
１５４貫通孔

Claims

ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）としての力センサであって、
半導体からなる基礎部材の表層の一部に素子部が設けられる検出部が円周上に並んで複数配置され、
前記検出部を挟んだ状態で配置される樹脂製の弾性部と、
前記検出部が配置される円周の中央部において前記検出部の一端部にそれぞれ接続され、前記弾性部から突出する位置にまで延在する探針部と
を備える力センサ。
前記検出部が配置される円周の外周部において前記検出部の他端部にそれぞれ接続される保持部と、
前記探針部の反対側において、前記保持部に接続される端子部とをさらに備え、
前記端子部は、
前記検出部と対向する部分に前記弾性部を収容する凹部と、前記凹部に連通する貫通孔とを備える
請求項１に記載の力センサ。
前記検出部において、前記素子部は、前記探針部の反対側に配置される
請求項１または２に記載の力センサ。
前記探針部に取り付けられ、前記探針部を覆うカバーをさらに備える
請求項１〜３のいずれか一項に記載の力センサ。
ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）としての力センサの製造方法であって、
半導体からなる基礎部材の表層の一部に素子部が円周上に並んで複数配置される検出部を成形し、
前記基礎部材において、隣り合う前記検出部の間に厚さ方向に貫通する分割孔を成形し、
前記検出部が配置される円周の中央部において前記検出部の一端部にそれぞれ接続される突出状の探針部を成形し、
前記検出部が配置される円周の外周部において前記検出部の他端部にそれぞれ接続される保持部に対し、前記探針部の反対側から端子部を電気的、かつ、機械的に接続し、
前記端子部の前記検出部と対向する部分に設けられる凹部に、前記凹部に連通する貫通孔を用いて樹脂を前記凹部に充填し、さらに、前記分割孔を通して前記検出部を挟んだ状態となるように前記樹脂を配置し、前記樹脂を硬化させて弾性部を成形する
力センサの製造方法。
樹脂を前記凹部に充填する前に、前記樹脂の流れを規制するカバーを前記探針部に取り付ける
請求項５に記載の力センサの製造方法。