JPH0663885B2 - 分布型圧覚センサの製造方法 - Google Patents

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られた荷重の検出が可能
な複数の検出素子をマトリックス状に配列させ、更にこ
れら複数の検出素子に対するフレキシブルプリント配線
基板が設けられる分布型圧覚センサの製造方法に関す
る。

［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ど一連の特定動作に
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センサが開発され、
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に取付けたホー
ル素子400を磁石500に対向させ、ヘッド300に垂直方向
の力が加わった時にホール素子400をばね600のばね力に
抗して変位させ、ホー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
非磁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、10は検出素子のセンサセ
ル、11はセンサセル10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10上のメサ11の周囲に配設され、セ
ンサセル10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
だバンプの電極、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10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10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13
A〜13Dからの出力信号を電極14、ＦＰＣ16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を載置し、こ
のセル保持孔21にセンサセル10を嵌め入れた後、センサ
セル10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。そしてメサ11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ＦＰＣ16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10の裏面側からレーザ光27を照射
し、電極14のはんだバンプとＦＰＣ16上の導体パターン
28とを溶着し電気的接続を得るようにしていた。

［発明が解決しようとする課題］ 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ＦＰＣ16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13A図のようにセンサセル10にメサ11が正常
位置に固着されていればよいが、第13B図や第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10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16A図および第16B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。

本発明の目的は、分布型圧覚センサを構成する複数個の
検出素子がいずれも均一な特性をもち、かつ高信頼性，
耐久性に優れた分布型圧覚センサの製造方法を提案する
ことにある。

［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、歪検出用の半
導体ストレンケ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、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により電
極が導体パターンと接触を保った状態で電極と導体パタ
ーンとを溶着し、受圧部を接着剤により単結晶シリコン
セルに接着可能な状態にして受圧部を第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
を単結晶シリコンに接合させることを特徴とするもので
ある。

［作用］ 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により、個々の単結晶シ
リコン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
晶シリコンセルとの接合位置を正確に保つことができ
て、各検出素子からの出力特性にばらつきが発生するの
を抑制することができる。

［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凹部
62を有し、この凹部62におけるセンサセル位置決め枠61
の厚さは先の述べたセンサセル10の厚さより薄くしてあ
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
枠41固定用のねじ孔、65は(D)に示すメサ位置決め枠17
との間を固定するねじ孔、66は枠同士の相対間位置決め
のためのピン孔である。

メサ位置決め枠71はその下面側に(E)に示すメサ押え板8
1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73が穿設されている。75は
ねじ孔65に対応する枠同士間の固定ねじ孔、76はピン孔
66との間で位置決めするためのピン孔である。また、メ
サ押え板81において、84は固定ねじ用の孔である。

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ＦＰＣ16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73と位置合わ
せるようになし、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、ピン孔66をピン孔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パ
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10とメサ
11およびＦＰＣ16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10
を嵌め込み、ついで、その上からガラス板51を重ね、更
に図示はしないがガラス押え枠41でガラス板51を押え込
んでセンサセル位置決め枠61にクランプし、センサセル
10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(A)参照）からレーザ光27を
照射し、電極14のはんだバンプとＦＰＣ16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ＦＰＣ16とセンサセル10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11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10上の接合部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を重
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を外して、治具を解体
すればよい。第４図は、このようにして製造した分布型
圧覚センサの構成を示す。

［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き
に、第１位置決め孔と第２位置決め孔とが互いに対向位
置に配置されるようになし、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、検出特性にばらつきが生じるのを抑
制することが可能となった。

【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模式的
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図は本発明の適用が可能なセンサセルの平面図、 第８図は本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10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、 第13A図〜第13C図はセンサセルとメサ（受圧部）との相
対位置の良，不良を示す状態図、 第14図は第13A図〜第13C図の各状態から得られた出力特
性の曲線図、 第15A図および第15B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16B図はそれぞれ第15A図および第15B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、 11……メサ（受圧部）、 12……接合部、 13A〜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……ピン孔、 71……メサ位置決め枠、 73……メサ位置決め孔、 81……メサ押え板。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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孔が前記
   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。