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公開番号2021071305
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210506
出願番号2019196242
出願日20191029
発明の名称力覚センサ装置
出願人ミネベアミツミ株式会社
代理人個人,個人
主分類G01L 5/16 20200101AFI20210409BHJP(測定;試験)
要約【課題】センサ特性の低下を抑制しつつ接着部の接続信頼性を維持可能な力覚センサ装置を提供すること。
【解決手段】本力覚センサ装置は、所定の軸方向の変位を検知するセンサチップと、印加された力を前記センサチップに伝達する起歪体と、前記センサチップと前記起歪体とを接着する接着剤と、を有し、前記接着剤のヤング率が130MPa以上1.5GPa以下である。
【選択図】図15
特許請求の範囲【請求項1】
所定の軸方向の変位を検知するセンサチップと、
印加された力を前記センサチップに伝達する起歪体と、
前記センサチップと前記起歪体とを接着する接着剤と、を有し、
前記接着剤のヤング率が130MPa以上1.5GPa以下である力覚センサ装置。
続きを表示(約 330 文字)【請求項2】
前記接着剤のヤング率が250MPa以上1.5GPa以下である請求項1に記載の力覚センサ装置。
【請求項3】
前記接着剤のヤング率が500MPa以上1.5GPa以下である請求項2に記載の力覚センサ装置。
【請求項4】
前記接着剤の厚さが10μm以上40μm以下である請求項3に記載の力覚センサ装置。
【請求項5】
前記接着剤が変性シリコーンである請求項1乃至4の何れか一項に記載の力覚センサ装置。
【請求項6】
前記変性シリコーンは、エポキシ変性シリコーン、ポリエステル変性シリコーン、ウレタン変性シリコーン、アクリル変性シリコーンの何れかである請求項5に記載の力覚センサ装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、力覚センサ装置に関する。
続きを表示(約 5,700 文字)【背景技術】
【0002】
従来より、所定の軸方向の変位を検知するセンサチップが知られている。このようなセンサチップは、接着剤を介して、金属製等の起歪体に貼り付けられ、力覚センサ装置として使用される(例えば、特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特許第4011345号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、上記の接着剤を、起歪体の変位をセンサチップの力点に伝達する部分に用いる場合、接着剤の特性によっては、センサ特性が低下したり、接着部の接続信頼性が低下したりする問題があった。
【0005】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、センサ特性の低下を抑制しつつ接着部の接続信頼性を維持可能な力覚センサ装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本力覚センサ装置(1)は、所定の軸方向の変位を検知するセンサチップ(110)と、印加された力を前記センサチップ(110)に伝達する起歪体(20)と、前記センサチップ(110)と前記起歪体(20)とを接着する接着剤(41)と、を有し、前記接着剤(41)のヤング率が130MPa以上1.5GPa以下である。
【0007】
なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、図示の態様に限定されるものではない。
【発明の効果】
【0008】
開示の技術によれば、センサ特性の低下を抑制しつつ接着部の接続信頼性を維持可能な力覚センサ装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
本実施形態に係る力覚センサ装置を例示する斜視図である。
本実施形態に係る力覚センサ装置を例示する図である。
能動部品32〜35について説明する回路ブロック図である。
センサチップ110をZ軸方向上側から視た図である。
センサチップ110をZ軸方向下側から視た図である。
センサチップ110のピエゾ抵抗素子の配置を例示する図である。
起歪体20を例示する図(その1)である。
起歪体20を例示する図(その2)である。
起歪体20を例示する図(その3)である。
力覚センサ装置1の製造工程を例示する図(その1)である。
力覚センサ装置1の製造工程を例示する図(その2)である。
力覚センサ装置1の製造工程を例示する図(その3)である。
力覚センサ装置1の製造工程を例示する図(その4)である。
起歪体とセンサチップとを接着する位置について説明する図である。
接着剤のヤング率と入力変位伝達率との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
【0011】
(力覚センサ装置1の概略構成)
図1は、本実施形態に係る力覚センサ装置を例示する斜視図である。図2は、本実施形態に係る力覚センサ装置を例示する図であり、図2(a)は平面図、図2(b)は側面図である。図1及び図2を参照するに、力覚センサ装置1は、センサチップ110と、起歪体20と、基板30とを有している。力覚センサ装置1は、例えば、工作機械等に使用されるロボットの腕や指等に搭載される多軸の力覚センサ装置である。
【0012】
センサチップ110は、所定の軸方向の変位を最大で6軸検知する機能を有している。図1、及び後述する図4に示すように、X軸方向の力をFx、Y軸方向の力をFy、Z軸方向の力をFzとする。又、X軸を軸として回転させるモーメントをMx、Y軸を軸として回転させるモーメントをMy、Z軸を軸として回転させるモーメントをMzとする。
【0013】
起歪体20は、印加された力をセンサチップ110に伝達する機能を有している。以降の実施の形態では、一例として、センサチップ110が6軸を検知する場合について説明するが、これには限定されず、センサチップ110はX軸方向、Y軸方向、Z軸方向の力、及びX軸回転、Y軸回転、Z軸回転のモーメントから検知する軸を選択して、例えば、3軸を検知する場合等にも用いることができる。
【0014】
センサチップ110は、起歪体20の上面側に、起歪体20から突出しないように接着されている。又、起歪体20の上面及び各側面に、センサチップ110に対して信号の入出力を行う基板30の一端側が適宜屈曲された状態で接着されている。センサチップ110と基板30の各電極31とは、ボンディングワイヤ等(図示せず)により、電気的に接続されている。
【0015】
起歪体20の側面には、能動部品32〜35が配置されている。具体的には、能動部品32〜35は、基板30(例えば、フレキシブルプリント基板)の一方の面に実装され、基板30の他方の面は、起歪体20の側面に固定されている。能動部品32〜35は、基板30に形成された配線パターン(図示せず)を介して、対応する電極31と電気的に接続されている。
【0016】
より詳しくは、基板30において、起歪体20の第1の側面に配置された領域には能動部品32が実装されている。基板30において、起歪体20の第2の側面に配置された領域には能動部品33及び受動部品39が実装されている。基板30において、起歪体20の第3の側面に配置された領域には能動部品34及び受動部品39が実装されている。基板30において、起歪体20の第4の側面に配置された領域には能動部品35及び受動部品39が実装されている。なお、必要に応じ、起歪体20の第1の側面に配置された領域に、能動部品32に加え、受動部品39を実装してもよい。
【0017】
図3は、能動部品32〜35について説明する回路ブロック図である。図3に示すように、能動部品33は、センサチップ110と電気的に接続され、例えば、センサチップ110から出力されるX軸方向の力Fxを検出するブリッジ回路からのアナログの電気信号、及びセンサチップ110から出力されるY軸方向の力Fyを検出するブリッジ回路からのアナログの電気信号が入力される。能動部品33は、例えば、センサチップ110が出力するアナログの電気信号をディジタルの電気信号に変換し、内部で温度補正や振幅補正等を施し、ディジタルの電気信号として出力する機能を備えた制御ICである。
【0018】
能動部品34は、センサチップ110と電気的に接続され、例えば、センサチップ110から出力されるZ軸方向の力Fzを検出するブリッジ回路からのアナログの電気信号、及びセンサチップ110から出力されるX軸を軸として回転させるモーメントMxを検出するブリッジ回路からのアナログの電気信号が入力される。能動部品34は、例えば、センサチップ110が出力するアナログの電気信号をディジタルの電気信号に変換し、内部で温度補正や振幅補正等を施し、ディジタルの電気信号として出力する機能を備えた制御ICである。
【0019】
能動部品35は、センサチップ110と電気的に接続され、例えば、センサチップ110から出力されるY軸を軸として回転させるモーメントMyを検出するブリッジ回路からのアナログの電気信号、及びセンサチップ110から出力されるZ軸を軸として回転させるモーメントMzを検出するブリッジ回路からのアナログの電気信号が入力される。能動部品35は、例えば、センサチップ110が出力するアナログの電気信号をディジタルの電気信号に変換し、内部で温度補正や振幅補正等を施し、ディジタルの電気信号として出力する機能を備えた制御ICである。
【0020】
能動部品32は、能動部品33〜35と電気的に接続され、例えば、能動部品33、34、及び35の出力するディジタルの電気信号に対して所定の演算を行って、力Fx、Fy、及びFz、並びにモーメントMx、My、及びMzを力又はモーメントの単位に換算し、外部に出力する機能を備えた演算用ICである。能動部品32は、例えば、力Fx、Fy、及びFzを[N]の単位で、モーメントMx、My、及びMzを[N・cm]の単位で出力することができる。能動部品32は、FPGA(Field Programmable Gate Array)やASIC(Application Specific Integrated Circuit)等であってもよい。受動部品39は、能動部品33〜35に接続される抵抗やコンデンサ等である。
【0021】
なお、センサチップ110からの6軸出力を全てディジタル化或いはディジタル化及び補正計算等を実施する場合、通常は1軸について1つの制御ICが必要となる。この場合、制御ICの実装スペースを力覚センサ装置1内に設けようとすると、最低6個分の配置スペースを確保する必要があり、力覚センサ装置1のサイズ拡大が必要となる。外部に制御ICが実装された制御基板モジュールを接続することで、力覚センサ装置1のサイズを拡大することなく出力のディジタル化を実現する方法も考えられるが、トータルとしてみた占有面積及び体積が増加するため好ましくない。又、6軸分の性能及び機能を有した制御ICを1チップ化することも考えられるが、この場合も、制御ICを6個とする上記の場合と比較すると小さくはなるものの、力覚センサ装置1内に設ける場合には力覚センサ装置1のサイズ拡大が必要となる。
【0022】
そこで、本実施の形態では、2つのチップをスタック実装して1つのパッケージに収容した2in1パッケージの制御ICを3個使用している。1チップのパッケージと2in1パッケージはサイズが大きく異ならないため、起歪体20の側面に制御ICを配置することができる。これにより、力覚センサ装置1のサイズ拡大を行うことなく、力覚センサ装置1内に6軸分の制御ICを実装可能となる。すなわち、能動部品を含めた力覚センサ装置1の小型化を実現できる。又、力覚センサ装置1のサイズ拡大を伴わずに、センサチップ110の出力信号のディジタル化が可能となる。
【0023】
なお、能動部品32〜35の機能をいくつのICで実現するかは任意に決定することができる。又、力覚センサ装置1内にいくつのICを実装するかは任意に決定することができる。例えば、力覚センサ装置1内に1つの制御ICのみを実装する形態としてもよい。
【0024】
基板30は、起歪体20の第1の側面の下方で外側に屈曲し、基板30の他端側が外部に引き出されている。基板30の他端側には、力覚センサ装置1と接続される外部回路(制御装置等)との電気的な入出力が可能な入出力端子(図示せず)が配列されている。
【0025】
このように、起歪体20の側面に能動部品(制御IC等)を配置することで、力覚センサ装置1としてのトータルサイズを最小に抑えつつ、能動部品により調整や補正がなされたディジタル信号を出力可能な力覚センサ装置1を実現することができる。
【0026】
又、2in1パッケージの制御ICを使用することで、力覚センサ装置1を大型化することなくディジタル出力化が可能となる。
【0027】
又、基板30からはディジタルの電気信号が出力されるため、アナログの電気信号が出力される場合と比較して、ノイズ耐性を向上することができる。
【0028】
なお、本実施の形態では、便宜上、力覚センサ装置1において、センサチップ110が設けられた側を上側又は一方の側、その反対側を下側又は他方の側とする。又、各部位のセンサチップ110が設けられた側の面を一方の面又は上面、その反対側の面を他方の面又は下面とする。但し、力覚センサ装置1は天地逆の状態で用いることができ、又は任意の角度で配置することができる。又、平面視とは対象物をセンサチップ110の上面の法線方向(Z軸方向)から視ることを指し、平面形状とは対象物をセンサチップ110の上面の法線方向(Z軸方向)から視た形状を指すものとする。
【0029】
(センサチップ110)
図4は、センサチップ110をZ軸方向上側から視た図であり、図4(a)は斜視図、図4(b)は平面図である。図5は、センサチップ110をZ軸方向下側から視た図であり、図5(a)は斜視図、図5(b)は底面図である。図5(b)において、便宜上、同一高さの面を同一の梨地模様で示している。なお、センサチップ110の上面の一辺に平行な方向をX軸方向、垂直な方向をY軸方向、センサチップ110の厚さ方向(センサチップ110の上面の法線方向)をZ軸方向としている。X軸方向、Y軸方向、及びZ軸方向は、互いに直交している。
【0030】
図4及び図5に示すセンサチップ110は、1チップで最大6軸を検知できるMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)センサチップであり、SOI(Silicon On Insulator)基板等の半導体基板から形成されている。センサチップ110の平面形状は、例えば、3000μm角程度の正方形とすることができる。
(【0031】以降は省略されています)

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