特開 2023-13852 ＭＥＭＳセンサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023013852

(43)【公開日】2023-01-26

(54)【発明の名称】ＭＥＭＳセンサ

(51)【国際特許分類】

   G01L 5/1627 20200101AFI20230119BHJP

   B81B 3/00 20060101ALI20230119BHJP

【ＦＩ】

G01L5/1627

B81B3/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021118295

(22)【出願日】2021-07-16

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り １．２０２１年３月１日付で、川崎 雄記、高橋 佑司、安部 隆、野間 春生、寒川 雅之らが、令和３年電気学会全国大会 講演論文集において公開。 ２．２０２１年３月１１日付で、川崎 雄記、高橋 佑司、安部 隆、野間 春生、寒川 雅之らが、令和３年電気学会全国大会において公開。

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和２年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、研究成果展開事業・研究成果最適展開支援プログラム（Ａ－ＳＴＥＰ）試験研究タイプ「近接・触覚ＭＥＭＳセンサの実用化開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】304027279

【氏名又は名称】国立大学法人 新潟大学

(71)【出願人】

【識別番号】593006630

【氏名又は名称】学校法人立命館

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100164471

【弁理士】

【氏名又は名称】岡野 大和

(72)【発明者】

【氏名】寒川 雅之

(72)【発明者】

【氏名】野間 春生

(72)【発明者】

【氏名】川崎 雄記

【テーマコード（参考）】

2F051

3C081

【Ｆターム（参考）】

2F051AA10

2F051AB09

3C081AA00

3C081BA21

3C081BA30

3C081BA32

3C081BA43

3C081BA44

3C081BA48

3C081CA03

3C081CA15

3C081CA23

3C081CA28

3C081CA29

3C081CA31

3C081CA32

3C081DA04

3C081DA10

3C081DA22

3C081DA27

3C081DA29

3C081EA01

3C081EA03

(57)【要約】

【課題】用途及び対象物に合わせて、接触部を容易に交換可能なＭＥＭＳセンサを提供する。
【解決手段】弾性樹脂２により封止されたセンサチップ３と、センサチップ３上に設けられた接触部４と、を備えるＭＥＭＳセンサ１であって、接触部４はセンサチップ３に取り外し可能に固定されることを特徴とする。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

弾性樹脂により封止されたセンサチップと、
前記センサチップ上に設けられた接触部と、
を備えるＭＥＭＳセンサであって、
前記接触部は前記センサチップに取り外し可能に固定されるＭＥＭＳセンサ。

【請求項2】

請求項１に記載のＭＥＭＳセンサであって、前記センサチップはマイクロカンチレバーを有する、ＭＥＭＳセンサ。

【請求項3】

請求項１又は２に記載のＭＥＭＳセンサであって、
前記接触部は粘着性接着剤により前記センサチップに取り外し可能に固定される、ＭＥＭＳセンサ。

【請求項4】

請求項１又は２に記載のＭＥＭＳセンサであって、
前記センサチップ上において前記弾性樹脂と、前記センサチップを保護する保護層により区画された穴部を備え、
前記接触部は、前記穴部に嵌合することにより前記センサチップに取り外し可能に固定される、ＭＥＭＳセンサ。

【請求項5】

請求項１乃至４のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサであって、
前記センサチップ上のうち前記接触部が取り外し可能に固定される位置に基礎部を備えるＭＥＭＳセンサ。

【請求項6】

請求項１乃至５のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサであって、
前記接触部に所定値以上のせん断力が加えられた場合、前記接触部が前記センサチップから外れる、ＭＥＭＳセンサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）センサに関する。

【背景技術】

【0002】

ＭＥＭＳセンサの一例として、触覚センサは協働ロボット、遠隔操作等でその利用の期待が高まっている。触覚センサとしてはさまざまな技術が提案されているが、標準的な技術は未確立である。人が触る触覚との親和性を考慮すると、人間の皮膚のような柔軟な接触部を持つ触覚センサデバイスが求められ、それを実現する技術がいくつか提案されている(例えば特許文献１－３、非特許文献１)。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００８－１２８９４０号公報

【特許文献2】特開２００６－２０８２４８号公報

【特許文献3】特開２００６－２０１０６１号公報

【非特許文献1】H. Yokoyama et al., “Active Touch Sensing by Multi-axial Force Measurement Using High-Resolution Tactile Sensor with Microcantilevers,” IEEJ Trans. Sensors Micromachines, vol. 134, no. 3, pp. 58-63, 2014.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

接触部の形状及び材質が触覚における摩擦及び表面凹凸の検出に大きく影響することは、発明者らも確認しており(例えば非特許文献１)、ＭＥＭＳセンサの用途により接触部の最適化が必要である。例えば接触部が弾性体であり、センサチップ（検知部）を当該弾性体に封入した触覚センサにおいては、接触部の形状及び材質(例えば硬さ)がセンサの出力及び接触対象物の変形に大きな影響を及ぼすため、用途及び対象物の硬さに適合させた設計が必要である。しかしながら、従来技術においては接触部を一度形成するとその形状及び材質の変更は困難であり、用途又は対象物ごとにセンサを用意する必要があった。また、高い負荷により接触部が破損した場合、センサチップも同時に使用不可となってしまう課題があった。

【0005】

かかる事情に鑑みてなされた本開示の目的は、用途及び対象物に合わせて、接触部を容易に交換可能なＭＥＭＳセンサを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサは、
弾性樹脂により封止されたセンサチップと、
前記センサチップ上に設けられた接触部と、
を備えるＭＥＭＳセンサであって、
前記接触部は前記センサチップに取り外し可能に固定されることを特徴とする。

【0007】

また本開示の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサは、前記センサチップがマイクロカンチレバーを有することを特徴とする。

【0008】

また本開示の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサは、前記接触部が粘着性接着剤により前記センサチップに取り外し可能に固定されることを特徴とする。

【0009】

また本開示の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサは、前記センサチップ上において前記弾性樹脂と、前記センサチップを保護する保護層により区画された穴部を備え、
前記接触部は、前記穴部に嵌合することにより前記センサチップに取り外し可能に固定されることを特徴とする。

【0010】

また本開示の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサは、前記センサチップ上のうち前記接触部が取り外し可能に固定される位置に基礎部を備えることを特徴とする。

【0011】

また本開示の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサは、前記接触部に所定値以上のせん断力が加えられた場合、前記接触部が前記センサチップから外れることを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

本開示の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサによれば、用途及び対象物に合わせて、接触部を容易に交換することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】比較例に係るＭＥＭＳセンサの概略構成を示す図である。

【図2】本開示の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサの概略構成を示す図である。

【図3】本開示の一実施形態に係るマイクロカンチレバーの概略構成を示す図である。

【図4】本開示の一実施形態に係る接触部の固定態様を示す図である。

【図5】本開示の一実施形態に係る基礎部の概略構成を示す図である。

【図6】接触部が接着された状態のＭＥＭＳセンサを示す図である。

【図7】基礎部及び接触部の断面拡大図である。

【図8】本開示の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサによる外力の検出原理を示す図である。

【図9】外力に対する応答の比較結果を示す図である。

【図10】本実施形態に係るＭＥＭＳセンサの接触部に水平方向に変位を加えていった場合のセンサの応答を示す図である。

【図11】第１の変形例における固定の態様を示す図である。

【図12】第１の変形例に係るＭＥＭＳセンサの概要構成を示す図である。

【図13】第１の変形例に係るＭＥＭＳセンサの垂直荷重印加時及び除荷時の応答を示す図である。

【図14】第１の変形例に係るＭＥＭＳセンサのせん断荷重印加時及び除荷時の応答を示す図である。

【図15】第２の変形例に係るＭＥＭＳセンサの接触部の固定態様を示す図である。

【図16】第２の変形例に係るＭＥＭＳセンサの概要構成を示す図である。

【図17】第２の変形例に係るＭＥＭＳセンサの応答を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。各図において、同一符号は、同一または同等の構成要素を示す。本実施形態のＭＥＭＳセンサは、一例として触覚計測用のセンサ（触覚センサ）である場合について説明する。

【0015】

まず比較のために、図１に示すデバイスの概要構成及び写真を参照して、比較例に係るＭＥＭＳセンサ４０１、５０１、及び６０１の構成例を説明する。

【0016】

図１に示すように、比較例に係るＭＥＭＳセンサ４０１、５０１、及び６０１は、エラストマ（例えばPoly-dimethyl-siloxane（ＰＤＭＳ））等の弾性樹脂４０２、５０２、及び６０２により封止されたＭＥＭＳ構造を有するセンサチップ４０３、５０３、及び６０３と、センサチップ４０３、５０３、及び６０３上に設けられた接触部４０４、５０４、及び６０４と備える。接触部４０４、５０４、６０４はそれぞれ対象物と接触する。接触部４０４、５０４、及び６０４の頂部に外力が作用すると接触部４０４、５０４、及び６０４と弾性樹脂４０２、５０２、及び６０２とが変形し、その変形に引っ張られて同時にＭＥＭＳ構造が変形する。このＭＥＭＳ構造の変形を電気的に計測して、計算機内部で外力を算出する。ここでセンサチップ４０３、５０３、及び６０３と接触部４０４、５０４、及び６０４との接着には、硬化前のＰＤＭＳが用いられる。ＰＤＭＳが硬化した後は、センサチップ４０３、５０３、及び６０３を封止しているＰＤＭＳと一体化してセンサチップ４０３、５０３、及び６０３上に固定される。

【0017】

接触部４０４、５０４、及び６０４の形状及び材質は用途毎に相違する。例えば接触部４０４は円柱形状のＰＤＭＳである。また接触部５０４は半球形状のＰＤＭＳである。また接触部６０４は、円柱形状のアクリルである。このように、比較例に係るＭＥＭＳセンサ４０１、５０１、及び６０１では、用途に応じた接触部をセンサチップ上に形成していた。しかしながら、上述のように接触部４０４、５０４、及び６０４は、センサチップ４０３～６０３上において、センサチップ４０３～６０３を封止する弾性樹脂４０２、５０２、及び６０２と一体化して固定されている。そのため接触部４０４、５０４、及び６０４をセンサチップ４０３、５０３、及び６０３上に一度形成すると、別の形状又は材質の接触部に変更する場合、接触部４０４、５０４、及び６０４を切断するしか方法が無い。また、切断時のせん断応力でセンサチップ４０３、５０３、及び６０３が破壊されたり、切断部に凹凸が生じたりするため、接触部４０４、５０４、及び６０４を再接着して再使用することは困難である。このように、比較例に係る技術では、用途又は対象物に応じた接触部の変更が困難であり、用途又は対象物に応じて、それぞれＭＥＭＳセンサを用意する必要がある。

【0018】

他方で本開示の実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１は、用途又は対象物が異なる場合でも接触部の交換が柔軟に行えることを特徴とする。まず本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１の概要について説明し、詳細については後述する。ＭＥＭＳセンサ１はSi基板上に微小構造（ＭＥＭＳ構造）を有し、全体がエラストマ（例えばPoly-dimethyl-siloxane（ＰＤＭＳ））でカバーされた突起構造を有する。エラストマの頂部に外力が作用するとエラストマ全体が変形し、その変形に引っ張られて同時にＭＥＭＳ構造が変形する。このＭＥＭＳ構造の変形を電気的に計測して、計算機内部で外力を算出することができる。この際、エラストマ部分に関し、ＭＥＭＳ構造をカバーする部分と上部の突起構造とは別個に製作され、これらが取り外し可能に接着される。これによって設計変更にコストのかかるＭＥＭＳ構造を同一製品としながら上部の構造の形状を変えることで安価かつ簡便にセンサの特性を変更できる。また、過度の外力がかかると突起構造が外れるようにすることで、ＭＥＭＳ構造の破損を防ぐ効果が得られる。以下、本開示の実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１の詳細について、図面を参照して説明する。各図中、同一又は相当する部分には、同一符号を付している。本実施形態の説明において、同一又は相当する部分については、説明を適宜省略又は簡略化する。

【0019】

図２を参照して、本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１の構成を説明する。図２（ａ）は、本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１の斜視図である。図２（ｂ）は、本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１の写真である。本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１は、弾性樹脂２により封止されたセンサチップ３と、接触部４とを備える。

【0020】

図２に示す通り、センサチップ３は弾性樹脂２により封止されることにより保護されている。弾性樹脂２は例えばエラストマ（例えばPoly-dimethyl-siloxane（ＰＤＭＳ））である。以下本実施形態では、弾性樹脂２がＰＤＭＳであるとして説明する。

【0021】

センサチップ３は、プリント基板５上に設けられている。センサチップ３はＭＥＭＳ構造を含む。本実施形態においてセンサチップ３に含まれるＭＥＭＳ構造は、ひずみゲージの搭載された３つのマイクロカンチレバー（微小カンチレバー）３１～３３である。マイクロカンチレバー３１～３３は、力の大きさ及び方向を検出するために傾斜構造をしている。センサチップ３のサイズは５mm角の正方形である。マイクロカンチレバー３１～３３は、センサチップ３のチップ中央から直径１mmの円内に，先端が120度回転した方向を向くように配置されている。

【0022】

図３を参照して、マイクロカンチレバー３１～３３の作成手順及び概略構成を示す。マイクロカンチレバー３１～３３の作製には、支持基板３１１、BOX層３１２、及び活性層３１３の３層構造からなるSilicon on Insulator(SOI)ウェハが使用される。ここで支持基板３１１はSiからなる。BOX層３１２はSiO₂からなる。活性層３１３はSiからなる。作製の前準備としてSOIウェハには予めアセトン超音波洗浄および希フッ酸による自然酸化膜除去の成膜前処理が行われる。

【0023】

まずSOIウェハ上に絶縁層３１４としてSi₃N₄をLPCVD法により、ひずみゲージ３１５としてNiCr、及び配線部３１６としてAuがスパッタリング法によりそれぞれ成膜され、フォトリソグラフィ法とエッチングによってパターニングされる。続いてマイクロカンチレバーを傾斜させるための膜３１７としてCrが電子ビーム蒸着法により成膜され、リフトオフ法によってパターニングされる。その後、選択的にエッチングをすることで中空構造を作製する方法（以下、犠牲層エッチングともいう。）を用いて、BOX層３１２を犠牲層としマイクロカンチレバーが形成される。

【0024】

フォトリソグラフィ法によるパターニング後において、活性層３１３をエッチングしマイクロカンチレバー形状が残される。ここで犠牲層エッチングを均一かつ効率的に行うため、マイクロカンチレバー３１～３３にはBOX層３１２が露出した孔が複数配置される。続いてマイクロカンチレバー３１～３３となる活性層３１３を支持基板３１１から離すため、バッファードフッ酸(Buffered Hydrogen Fluoride, BHF)を用いてBOX層３１２が選択的にエッチングされる。バッファードフッ酸として例えばステラケミファ株式会社のNH₄F濃度20%の製品を用いることができる。ここで活性層３１３が基板から離れ中空構造となる際に、膜３１７（Cr）と活性層３１３（Si）の線膨張係数の差による引張応力によってマイクロカンチレバー３１～３３は自律的に傾斜構造となる。犠牲層エッチング後はセンサチップ３を純水で洗浄し、また純水の表面直力によってマイクロカンチレバーが支持基板３１１に張り付くスティッキングを防ぐためエタノール置換を行う。その後、真空乾燥を行いセンサチップ３が完成する。

【0025】

作製されたセンサチップ３はプリント基板５上にエポキシ接着剤を用いて接着される。エポキシ接着剤として、例えばエスコ株式会社の超速エポキシ接着剤を用いることができる。またセンサチップ３は配線接続部３４によりプリント基板５と電気的に接続される。配線接続部３４は例えば金細線(φ25μm)により構成され、センサチップ３とプリント基板５とはワイヤボンディングにより接続される。

【0026】

ここでセンサチップ３は、マイクロカンチレバー３１～３３及び配線接続部３４の保護のために上述の弾性樹脂２により封止される。具体的には、スピンコータを用いてセンサチップ３上にPDMSが厚さ数十μmで塗布される。PDMSとして、例えばDow Corning Toray社の SILPOT184(ショアA硬さ: 50)を用いることができる。PDMSは、90℃で30分ベークさせることで硬化させられる。

【0027】

また配線接続部３４は弾性樹脂２に加えて保護層３５により封止される。保護層３５は例えばUV硬化樹脂である。なお保護層３５は、接触部４の設置時に配線接続部３４への接触による断線を防ぐために形成されるものであり、必須の構成ではない。本実施形態においては、保護層３５を設けるものとして説明する。保護層３５（以下ではUV硬化樹脂）により配線接続部３４を封止する手順は以下の通りである。

【0028】

弾性樹脂２により封止されたセンサチップ３が接着されているプリント基板５をアクリル容器に入れ、アクリル容器の内部をUV硬化樹脂で浸す。保護層３５の厚さは、アクリル容器に投入するUV硬化樹脂の量により調節できる。これにより配線接続部３４が露出することを防ぐことができる。次に真空デシケータを用いて脱気を３０分行いUV硬化樹脂内部の気泡が取り除かれる。脱気後にUV硬化樹脂にはフォトマスクを通して紫外線が露光される。これにより配線接続部３４を覆うUV硬化樹脂は選択的に硬化される。マスクアライメント装置を使用してフォトマスクの遮光部を精密に位置合わせすることで、マイクロカンチレバーが設けられた部分は硬化させず、配線接続部３４のみが選択的に硬化される。マスクアライメント装置として、例えばミカサ株式会社のM-1S型を用いることができる。続いて未硬化のUV硬化樹脂はアセトンにより溶解除去され、プリント基板５が真空乾燥される。

【0029】

図４に示すように、上述の手順で弾性樹脂２により封止されたセンサチップ３上には接触部４が接着される。接触部４は対象物と接触する部位である。接触部４の形状及び材質は、対象物の性質及び用途に応じて適宜定められる。対象物の性質は、対象物の硬度、柔軟性、脆性、耐久性、耐摩耗性等を含む。例えば対象物が柔軟であるかどうか、対象物が壊れやすいか否かに応じて、接触部４の硬度、及び対象物との接触面積が適宜調整され得る。例えば接触部４の形状は半球形、円柱形、楕円柱形、角柱形、三角錐形等である。接触部４の形状はこれに限られず、突起状の形状であれば任意の形状を採用可能である。接触部４の材質は、例えばＰＤＭＳ、アクリル等である。接触部４の材質はこれに限られず、任意の材料を採用可能である。接触部４は、対象物との接触個所を限定し、またセンサチップ３への荷重を中心方向に集中させる役割を果たす。

【0030】

次に接触部４のセンサチップ３への固定手順について説明する。本実施形態にかかるＭＥＭＳセンサ１において、接触部４は、センサチップ３に取り外し可能に固定される。本開示において取り外し可能とは、剥離可能であること、脱着可能であること等を含む。例えば接触部４はセンサチップ３に、再剥離が可能な粘着性接着剤６により取り外し可能（剥離可能）に固定される。粘着性接着剤６として、例えばセメダイン株式会社の液状粘着剤BBXを用いることができる。このように接触部４はセンサチップ３から取り外し可能であるため、本実施形態にかかるＭＥＭＳセンサ１は、様々な用途及び対象物に合わせた形状又は材質の接触部４を適宜交換して用いることができる。

【0031】

ここでセンサチップ３には、接触部４が固定される位置に基礎部３６が設けられてもよい。つまりセンサチップ３を封止する弾性樹脂２のうち、接触部４が固定される位置に基礎部３６が設けられてもよい。図５は、基礎部３６の概要構成を示す。図５（ａ）に示すように、基礎部３６は円柱状の部材である。例えば基礎部３６は直径及び高さがそれぞれ2mm、高さ1mmである。図５（ｂ）に示すように、基礎部３６は、センサチップ３上の接触部４が設けられる位置に設けられる部材である。基礎部３６の材料はＰＤＭＳであり、センサチップ３を封止する弾性樹脂２の上に、未硬化のＰＤＭＳを用いて接着される。このように基礎部３６の底面（弾性樹脂２と対向する面）は、弾性樹脂２と同一材料により一体に形成されている。換言すると基礎部３６は、弾性樹脂２のうち接触部４が設けられる位置に設けられた突出部分である。センサチップ３に基礎部３６が設けられている場合、接触部４は、基礎部３６の上面（弾性樹脂２と対向する面と反対の面）に粘着性接着剤６により取り外し可能（剥離可能）に固定される。接触部４が接着された状態のＭＥＭＳセンサ１を図６に示す。基礎部３６は、接触部４を設置する土台部分として機能する。センサチップ３上に基礎部３６を設けることにより、接触部４の固定位置の位置ずれを防止することができる。

【0032】

図７は基礎部３６及び接触部４の断面拡大図である。図７に示すように、基礎部３６及び接触部４の直径はいずれも2mmであり同一である。また接触部４の高さは2mmである。したがって接触部４と基礎部３６とを合計した高さは3mmである。接触部４及び基礎部３６の大きさ（ここでは高さ及び直径）は、接触する対象物に応じて適宜調整され得る。

【0033】

図８は、センサチップ３による外力の検出原理の概要を示す。図８に示されるように、外力が接触部４に加えられると、マイクロカンチレバー３１～３３が変形する。接触部４に当該外力が加わると、接触部４の変形に伴いマイクロカンチレバー３１～３３のたわみ量が変化する。マイクロカンチレバー３１～３３上のひずみゲージ３１５の電気抵抗の変化を測定することによって、加えられた力の大きさの推定を行うことができる。図２及び図３にて示したようにセンサチップ３上の３つのマイクロカンチレバー３１～３３は傾斜構造をしており、それぞれ異なる角度で配置されている。例えば、図８（ａ）に示すように接触部４に垂直力（垂直荷重）が印加された場合、ＰＤＭＳは非圧縮性のため水平方向に逃げるように移動し水平方向に膨張する。つまりこの場合、全てのマイクロカンチレバー３１～３３のたわみ量が増加し、ひずみゲージ３１５の電気抵抗は一様に減少する。他方で、図８（ｂ）に示すように、せん断力（せん断荷重）が印加された場合、せん断荷重の方向によってマイクロカンチレバー３１～３３はそれぞれ異なる動きを示す。またひずみゲージ３１５の電気抵抗の変化も同様に異なる応答を示す。従って、あらかじめ各マイクロカンチレバー３１～３３の荷重に対する感度特性を測定しておくことにより、印加された力の大きさ及び方向の推定を行うことができる。

【0034】

図９は、本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１と、比較例に係るＭＥＭＳセンサ４０１との外力（ここでは垂直荷重）に対する応答の比較結果を示す。図９において、「ＰＤＭＳのみ」は比較例に係るＭＥＭＳセンサ４０１の結果を示す。また「ＰＤＭＳ（＋接着剤）」及び「アクリル（＋接着剤）」は、それぞれ本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１において、接触部４がＰＤＭＳ及びアクリルのそれぞれの場合における結果を示している。図９に示すように、本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１と比較例に係るＭＥＭＳセンサ４０１とも概ね同一の応答が得られた。また図９に示すように、接触部４の材質はＰＤＭＳ及びアクリルのいずれであっても、概ね同一の応答が得られた。なおここでは外力が垂直力である結果を示したが、外力がせん断力である場合も同様に概ね同一の応答が得られた。このように本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１は、比較例に係るＭＥＭＳセンサ４０１とほぼ同様の線形性、ヒステリシス、及び感度を示しており、センサとして十分高い精度にて使用可能である。ここでヒステリシスは印加・除荷の過程で前の変化の影響が残ることにより発生する現象である。またここでの感度は、印加時垂直荷重では1N、せん断荷重では0.001Nに達した際の抵抗変化率とした。

【0035】

以上に説明したように、本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１は、比較例のＭＥＭＳセンサ同様のセンサ精度を有する。さらに本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１は、外力を受ける接触部４がセンサチップ３に取り外し可能に固定されている。したがって、本実施形態のＭＥＭＳセンサ１によれば、様々な用途及び対象物に合わせて、接触部を容易に交換することができる。このため、本実施形態のＭＥＭＳセンサ１によれば用途又は対象物ごとにセンサを用意する必要がなく、コストの低減化、工数の削減を実現することができる。また、本実施形態のＭＥＭＳセンサ１によれば、繰り返しの使用により接触部４が摩耗、劣化等した場合にも、接触部４のみを剥離することにより外して、新たな接触部４を固定すればよい。このように安価かつ簡便にＭＥＭＳセンサ１の保守、メンテナンスを実施することができる。

【0036】

なお接触部４が摩耗、劣化等した場合の交換時期の判断は、接触部４を目視することにより行ってもよく、あるいは定期的な性能試験を行うことにより行ってもよい。

【0037】

また本実施形態によれば、接触部４がセンサチップ３に取り外し可能に固定されているため、所定値以上の外力が加わった場合に、接触部４が外れることでセンサチップ３の破損を防止することができる。特にマイクロカンチレバー３１～３３は過度な負荷により破損する恐れがあるため、接触部４が外れることにより、マイクロカンチレバー３１～３３の破損を防止することができる。

【0038】

図１０は、本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１の接触部４に水平方向に変位を加えていった場合のセンサの応答を示す。変位の増大に応じて接触部４に働くせん断荷重が増大し、それに伴ってひずみ抵抗が変化している。そして接触部４とセンサチップ３の接着箇所の接着強度を超えると粘着性接着剤６による接着部分が剥離してせん断荷重が開放される。その後ひずみ抵抗は変位を加える前の値に戻り、センサチップ３には破損等が発生しない。なお、接触部４のサイズ及び形状の少なくとも一方を変更することによって、粘着性接着剤６による接着部分の剥離が生じる外力の大きさ（上記の所定値）は変わり得る。例えば接触部４のサイズ(接触部４が円柱形状である場合は、直径及び高さ)を変更することで、所定値が変わり得る。同様に接触部４の形状を円柱形状、半球形状等、楕円柱形状、角柱形状、三角錐形状に変更することで、所定値が変わり得る。このように、接触部４のサイズ及び形状を変更することにより、所定値を調整してもよい。また、接触部４の底面（基礎部３６に接着される面）のサイズ及び形状を変更することによって、接着部分の剥離が生じる外力の所定値が変わり得る。例えば接触部４の形状が円柱形状である場合において、接触部４の底面の直径が上面の直径よりも小さくてもよい。換言すると接触部４の底部の直径が、接触部４の底部以外の直径よりも小さくてもよい。このようにすることで、接触部４の底部において応力集中が生じ、接着箇所での剥離をより確実にすることができる。接触部４の形状及びサイズ、並びに接触部４の底部に応力集中を生じさせる態様はこれに限られず任意の方法を採用可能である。例えば接触部４は、上部から底部にわたりテーパー構造を有していてもよい。あるいは接触部４は、底部においてくびれ部分、溝、孔、段等を有してもよい。換言すると、接触部４の底部のサイズ及び形状の少なくとも一方を接触部４の他部分と異ならせることにより、接着箇所で応力集中を起こし、接着箇所での剥離をより確実にすることができる。

【0039】

なお、ＭＥＭＳセンサ１の接触部４に垂直力が加わった場合にも、センサチップ３の破損等を防止するようにしてもよい。例えば所定以上の垂直力が加えられた場合に、センサチップ３が後退する退避機構を備えてもよい。このようにすることで、センサチップ３の破損を防止することができる。

【0040】

なお、本実施形態ではＭＥＭＳセンサ１が触覚センサである場合について説明したがこれに限られない。ＭＥＭＳセンサ１は触覚センサ以外であってもよく、例えば圧力センサ、流量センサ等のセンサであってもよい。あるいはＭＥＭＳセンサ１は、近接覚センサであってもよい。このような場合においても、本実施形態にかかる構成により、ＭＥＭＳセンサ１と対象物との接触部に係る同様の課題を解決することができる。

【0041】

また本実施形態ではセンサチップ３がマイクロカンチレバー３１～３３を含む例を説明したがこれに限られない。センサチップ３は、マイクロカンチレバーに加えて、或いはマイクロカンチレバーの代わりに任意の機械構成部品を含んでもよい。

【0042】

（第１の変形例）
本実施形態では、ＭＥＭＳセンサが基礎部３６を備えるものとして説明したがこれに限られない。例えばＭＥＭＳセンサは基礎部３６を備えずに、接触部４がセンサチップ３上に取り外し可能に固定されてもよい。以下、基礎部３６を備えないＭＥＭＳセンサ（第１の変形例に係るＭＥＭＳセンサ）について説明する。図１１は、第１の変形例に係るＭＥＭＳセンサ１０１の概要構成及び固定態様を示す。図１１に示すように、ＭＥＭＳセンサ１０１は、弾性樹脂１０２に封止されたセンサチップ１０３が、プリント基板１０５上に設けられている。センサチップ１０３とプリント基板１０５とを接続する配線接続部１３４は、弾性樹脂１０２及び保護層１３５により保護されている。接触部１０４は、平坦に形成された弾性樹脂１０２上に粘着性接着剤１０６により接着される。具体的には接触部１０４の底面（センサチップ１０３と対向する面）には、再剥離が可能な粘着性接着剤１０６が塗布される。接触部１０４は粘着性接着剤１０６により、センサチップ１０３を覆う弾性樹脂１０２上に接着される。接触部１０４が接着された状態のＭＥＭＳセンサ１０１を図１２に示す。接触部１０４の直径及び高さは、それぞれ例えば2mm及び3mmである。

【0043】

図１３は、第１の変形例に係るＭＥＭＳセンサ１０１の垂直荷重印加時及び除荷時の応答を示す。また図１４は、第１の変形例に係るＭＥＭＳセンサ１０１のせん断荷重印加時及び除荷時の応答を示す。図１３及び図１４に示すように、基礎部を設けない場合、荷重印加時と除荷時で、特にせん断荷重印加時に大きなヒステリシスが見られる。これは接着箇所が荷重印加によりずれることによるものと考えられ、上述の実施形態において基礎部を設けることの重要性を示している。換言すると上述の実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１において、基礎部３６を設けることにより、荷重に係るヒステリシスを低減することができる。なお基礎部３６を設けない場合にはこのように荷重に係るヒステリシスが生じるものの、より簡易な構成でデバイスを構成することができる。例えばヒステリシスの影響が少ない条件下、又は無視できる条件下においては、第１の変形例に係るＭＥＭＳセンサ１０１によりセンシングを行ってもよい。

【0044】

（第２の変形例）
また本実施形態では、接触部４はセンサチップ３に粘着性接着剤６により取り外し可能に固定される場合を説明したがこれに限られない。例えば接触部４はセンサチップ３に両面テープにより取り外し可能に固定されてもよい。あるいは接触部４はセンサチップ３に、異なる方法で取り外し可能に固定されてもよい。以下、センサチップ３と接触部４とが異なる方法で取り外し可能に固定されるＭＥＭＳセンサ（第２の変形例に係るＭＥＭＳセンサ）について説明する。図１５は、第２の変形例に係るＭＥＭＳセンサ２０１の概要構成及び固定の態様を示す。図１５に示すように、ＭＥＭＳセンサ２０１は、弾性樹脂２０２に封止されたセンサチップ２０３が、プリント基板２０５上に設けられている。センサチップ２０３とプリント基板２０５とを接続する配線接続部２３４は弾性樹脂２０２及び保護層２３５により保護されている。

【0045】

図１５に示すように、第２の変形例に係るＭＥＭＳセンサ２０１において、接触部２０４は、弾性樹脂２０２と保護層２３５とにより区画された穴部２０７に嵌合することによりセンサチップ３上に脱着可能に固定される。換言すると接触部２０４は、穴部２０７に嵌め込みにより固定される。ここで接触部２０４と弾性樹脂２０２とは接触している。このため接触部２０４は、所定以上の力で引っ張る、又は所定以上のせん断力が加わることにより穴部２０７から外れる。図１６は、第２の変形例に係るＭＥＭＳセンサ２０１の概要構成を示す。図１６に示すように、第２の変形例に係るＭＥＭＳセンサ２０１の接触部２０４と、穴部２０７の直径は同一であり、ここではいずれも2.5mmである。また図１６に示すように、接触部２０４の高さは3mmである。接触部２０４は穴部２０７に嵌合するため、接触部２０４はセンサチップ３に粘着性接着剤６により接着されなくてよい。あるいは接触部２０４の固定の強度を高めるために、接触部２０４はセンサチップ３に粘着性接着剤６により接着されてもよい。また、穴部２０７の底部に基礎部が設けられてもよい。この場合、接触部２０４は基礎部に接触又は接着される。

【0046】

図１７は、第２の変形例に係るＭＥＭＳセンサ２０１の垂直力に対する応答を示す。図１７に示すように、第２の変形例に係るＭＥＭＳセンサ２０１も、本実施形態のＭＥＭＳセンサ１と同様の線形性、ヒステリシス、及び感度を示しており、センサとして十分高い精度にて使用可能である。

【0047】

本開示を諸図面及び実施形態に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形及び修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形及び修正は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各手段、各部材に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能である。

【符号の説明】

【0048】

１、１０１、２０１、４０１、５０１、６０１ ＭＥＭＳセンサ
２、１０２、２０２、４０２、５０２、６０２ 弾性樹脂
３、１０３、４０３、５０３、６０３ センサチップ
３１、３２、３３ マイクロカンチレバー
３１１ 支持基板
３１２ ＢＯＸ層
３１３ 活性層
３１４ 絶縁層
３１５ ひずみゲージ
３１６ 配線部
３１７ 膜
３４、１３４、２３４ 配線接続部
３５、１３５、２３５ 保護層
３６ 基礎部
４、１０４、２０４、４０４、５０４、６０４ 接触部
５、１０５、２０５ プリント基板
６、１０６ 粘着性接着剤
２０７ 穴部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】