JPH0739976B2 - 触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、触覚センサの製造方法に関し、詳しくは、複
数のセンサセルを共通の弾性床上にマトリックス状に配
列させ、個々のセンサセルに受圧部を介して加えられた
力の検出が可能な、ロボットハンド等に装着して使用さ
れるに好適な触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
において作業が行なわれるために、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触
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。

かかる知能的ロボット用のセンサとして分布型触覚セン
サがある。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
ら得られる信号を検出し、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。

第９図に、従来の触覚センサの一例を示す。本例は互に
直角方向に交わる細い導電性ゴム条Ａおよびゴム条Ｂを
２層にして組合せ、そのゴム条配列面に垂直方向に加え
られた力により、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、このような触覚センサ
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
していない欠点を有していた。

以上に述べたような欠点を解決すべく第10〜12図に示す
ような触覚センサが開発されている。第10図および11図
において、１は検出素子のセンサセル、２はセンサセル
１上に形成され、把持力がほぼ垂直荷重として加えられ
る受圧部、3A〜3Dはセンサセル１上の受圧部２の周囲部
に配設され、センサセル１に発生する歪を検出するため
の半導体ストレンゲージ、４は同じくセンサセル１上に
配設されたバンプ電極、５はセンサセル１を保持し弾性
体として作用する弾性床である。

ここで、半導体ストレンゲージ3A〜3Dは第12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3A〜3Dにおける抵抗変化を対角位置
の端子から取り出すことによりセンサセル１に加えられ
た力を歪の値として検出するもので、ブリッジ回路への
電源（Ｖ）の供給により半導体ストレンゲージ3A〜3Dか
らの出力信号をバンプ電極４および不図示のフレキシブ
ル配線基板を介して外部に取り出すことができる。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、上述した形態の触覚センサは、弾性床、セン
サセル、センサセル上の受圧部と不図示のフレキシブル
配線基板、およびこれらを覆う表皮等で構成されている
が、このセンサセルと受圧部との接合方法および形状に
問題があった。

すなわち、第13図はこのような従来の受圧部をセンサセ
ル上に設ける場合の動作を示すもので、加熱されたヒー
タ６上にセンサセル１を載置し、ピンセット７で受圧部
２を保持した上でその下面にフラックス８を塗布し、更
にフラックス８を介してはんだペレット９を付着させ、
図示のような形態に保ったまま矢印方向に下降させてセ
ンサセル１の上面に形成されている例えば銅などの蒸着
膜10上に手で１つずつ載置し、はんだペレット９をヒー
タ６の熱で溶融させて接合するようにしていた。

しかしながら、このような方法で接合すると、センサセ
ル１の中心に対する受圧部２の位置精度あるいはセンサ
セル１の平面に対する直角度などが不揃いとなるばかり
か作業性も悪く、製造コストが高くつく。

また、第14図に示すように、受圧部２の上面とその周囲
の円筒部とに角部11が形成されているために、繰返し把
持を行って力Ｐが加わるうちに表皮12が図示のように破
損する。このため被把持物にこの角部11がひっかかり、
ロボットのなめらかな動作が出来なかった。なおここ
で、13は前述のフレキシブル配線基板である。

本発明の目的は、上述した従来の課題に着目し、その解
決を図るべく、複数のセンサセルに対して同時に均一な
受圧部の接合が得られ、製造コストの低減と共にロボッ
トの安定した動作が保証できる信頼性の高い触覚センサ
の製造方法を提供することにある。

［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、上面に突設さ
れた受圧部と該受圧部の周囲に形成された複数の歪ゲー
ジとを有するセンサセルをマトリックス状に配設し、前
記センサセルに前記受圧部を介して伝達された力を前記
複数の歪ゲージを介して検出するようにした触覚センサ
の前記センサセルに前記受圧部を設けるにあたり、複数
の前記センサセルが構成可能なウエハ上における各セン
サセルの前記受圧部の形成位置に凹部を有する溶着可能
な金属蒸着層を形成し、該金属蒸着層の各凹部にフラッ
クスを注入した後、当該各凹部上に金属球を載置し、前
記ウエハを加熱することにより前記金属蒸着層を溶融さ
せて前記金属球の各々を前記各センサセルの受圧部形成
位置に固着させ、前記金属球からなる複数の受圧部を前
記ウエハ上に同時に形成することを特徴とするものであ
る。

［作用］ 本発明によれば、半導体プロセス等によりウエハ上の各
センサセルの受圧部形成位置に設けた溶着可能な金属蒸
着層の凹部にそれぞれ金属球を載置してウエハを加熱
し、蒸着層を溶融させ、金属球を複数同時に固着させて
受圧部を形成するので作業性が良く、製造コストの低減
が図られる。また、受圧部の頭が球面であるので、表皮
が破れることもなくなり、安定したロボットの動作が可
能となる。

［実施例］ 以下に図面に基いて、本発明の実施例を詳細かつ具体的
に説明する。

第１図は、本発明の実施例による、触覚センサの受圧部
を接合する部分におけるウエハの断面を示す。ここで、
センサセル１を構成するウエハ101の上面には半導体プ
ロセスによって、不図示の金属蒸着層と半導体ストレン
ゲージや配線パターン、更には受圧部の接合部分に形成
された銅蒸着膜10およびはんだ層102などが先に形成さ
れている。第２図は、その触覚センサの１つのセンサセ
ルを取出して示す。ここで、102は上述のはんだ層を示
し、はんだ層102は、センサセル１の中央部に力を伝達
する受圧部を接合するために銅蒸着膜10上に接して形成
されるもので、その中心部に円筒状の凹部103が設けら
れている。

このようにウエハ101上の銅蒸着膜10および凹部103を有
するはんだ層102がセンサセル単位に形成されたものを
第３図の左側（Ａ）で示すようにヒータ６上に載置す
る。なおここで、104および105はそれぞれ互に直交する
ＸおよびＹ方向に移動自在なテーブル（以下でＸテーブ
ルおよびＹテーブルという）であり、ヒータ６を介して
これらの上に載置されたウエハ101を紙面と平行の方向
および紙面とは垂直の方向に移動させることができる。

106はヒータ６に設けられ、ウエハ101を保持するための
バキュームチャック、107はフラックス108を点滴自在に
収容し、矢印方向に下降自在なシリンジであって、Ｘテ
ーブル104およびＹテーブル105の操作によりウエハ101
上のはんだ層102がシリンダ107の下方に移動されてくる
たびに降下して数滴のフラックス108をはんだ層の凹部1
03上に滴下する。第４図はこのようにして１つのセンサ
セル１上にフラックス108が滴下された状態を示すもの
で、フラックス108の滴下を終えたウエハ101は第３図の
（Ａ）の位置から例えばＸテーブル104によって１セン
サセル分だけ矢印Ｘ方向に移動され、（Ｂ）の位置にセ
ットされる。

第３図の（Ｂ）において、110はこのセット位置におけ
るはんだ層の凹部103の直上に待機可能な吸着保持部材
であり、その先端部110Aに金属製の球体111を例えば吸
引して保持する。この金属製の球体（以下で金属球と呼
ぶ）111は後述するようにして固着され受圧部を形成す
るもので、はんだ層102の溶融によって銅蒸着膜10に溶
着可能な材料である限りどのような材料で形成されたも
のでもよい。かくして、（Ｂ）の位置にウエハ101が移
動されると、先にフラックス108が滴下されたままの第
４図に示されるような状態にあるはんだ層の凹部103上
に吸着保持部材110から金属球111が載置される。第５図
はこのようにして金属球111がはんだ層の凹部103内にそ
の底部を粘着させ、周囲にフラックス108が充満してい
る状態を示す。

かくしてＸテーブル104およびＹテーブル105を適宜に移
動させ、上述の動作の繰返しにより１つのウエハ101上
に複数個の金属球111が縦横に配置されたところで窒素
ガス雰囲気中でヒータ６を加熱する。ここでヒータ６は
はんだ層102を溶融させるだけの温度に高められるの
で、金属球111を各受圧部の位置に設けられた銅蒸着膜1
0上にそれぞれ固着させることができる。第６図はウエ
ハ101上に金属球111が固着された状態を示すもので、こ
の状態から更にその下面側に弾性床５を接着した上、各
金属球111がそれぞれセンサセル１の中央部に位置する
ようにしてダイシングソー112等によりウエハ101を格子
状に切込めばよい。

第７図は個々のセンサセル１上に金属球111が固着さ
れ、その受圧部として機能する形態となった状態を示
し、102Aは溶融されたはんだである。また、第８図は触
覚センサ100として組立てられた完成状態の１センサセ
ル１を示す。同図において、13はフレキシブル配線基
板、12は保護を兼ねて最上面に設けられた柔軟性のある
表皮であり、以下の製造技術については従来と変わると
ころがないのでその説明は省略する。このように構成し
た触覚センサ100では受圧部が滑らかな金属球111で形成
されているので、例えば把持物により図示のような繰返
しの荷重Ｐが表皮12を介して作用しても表皮12が従来の
ように破れたりすることもなく、また、金属を溶融させ
球状とするのではなく、最初から均一な金属球を使用し
て連続的に受圧部形成作業を実施できるので信頼性があ
り、かつ均等な接合力を有する受圧部の分布が得られ
る。

［発明の効果］ 以上説明してきたように、本発明によれば、ウエハ上の
個々のセンサセルに対し、その受圧部形成位置にそれぞ
れ凹部を有する溶着可能な金属蒸着層を形成し、その各
凹部にフラックスを注入した後それぞれに金属球を載置
してウエハを加熱し、一斉に金属蒸着層を溶融させて各
金属球を受圧部形成位置に固着させるもので、金属蒸着
層形成までを半導体プロセスで精度良く形成することが
できるのみならず、あとの受圧部形成までを連続的に作
業することが可能となり、均等した接合力を有する触覚
センサを廉価に得ることができて、信頼性のある安定し
た動作が可能なロボットの作成に大いに貢献できる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の一過程におけるセンサセ
ルの断面図および斜視図、 第３図は本発明の第１図および第２図に示す状態から次
の金属球接合工程を示す説明図、 第４図および第５図は本発明の第３図に示す工程でのフ
ラックス塗布状態および金属球載置状態を示す断面図、 第６図は本発明による金属球接合状態を示す説明図、 第７図は本発明による１つのセンサセルの切出された状
態を示す斜視図、 第８図は本発明による触覚センサの完成状態を示す断面
図、 第９図は従来の触覚センサの一例を示す斜視図、 第10図および第11図は従来の触覚センサのセンサセルの
平面図および斜視図、 第12図は第10図の触覚センサのセンサセルに組込まれる
回路の構成図、 第13図は従来の受圧部形成動作の説明図、 第14図は従来例による不具合状態の一例を示す断面図で
ある。１ ……センサセル、４……バンプ電極、５……弾性床、
６……ヒータ、12……表皮、13……フレキシブル配線基
板、10……銅蒸着膜、100……触覚センサ、101……ウエ
ハ、102……はんだ層、102A……はんだ、103……凹部、
108……フラックス、111……金属球。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】上面に突設された受圧部と該受圧部の周囲
   に形成された複数の歪ゲージとを有するセンサセルをマ
   トリックス状に配設し、前記センサセルに前記受圧部を
   介して伝達された力を前記複数の歪ゲージを介して検出
   するようにした触覚センサの前記センサセルに前記受圧
   部を設けるにあたり、 複数の前記センサセルが構成可能なウエハ上における各
   センサセルの前記受圧部の形成位置に凹部を有する溶着
   可能な金属蒸着層を形成し、 該金属蒸着層の各凹部にフラックスを注入した後、当該
   各凹部上に金属球を載置し、 前記ウエハを加熱することにより前記金属蒸着層を溶融
   させて前記金属球の各々を前記各センサセルの受圧部形
   成位置に固着させ、 前記金属球からなる複数の受圧部を前記ウエハ上に同時
   に形成することを特徴とする触覚センサの製造方法。