(57)【要約】【課題】柔軟性に優れ、製造が容易であり、拡張が容易であるセンサーを提供する。【解決手段】本発明による電極層は、ポリマー基板と、ポリマー基板上に形成される電極と、信号伝達線とを備える。また、本発明による単位センサーは、該電極層からなる上部及び下部電極層と、ポリマーからなるスペーサー層とを備える。【選択図】図２Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つの電極層間の距離変化に応じて静電容量が変化するコンデンサーに用いられる前記電極層が、
ポリマー基板と、
前記ポリマー基板上に形成される電極と、
前記電極と連結されるように、前記ポリマー基板上に形成される信号伝達線とを備えることを特徴とする、コンデンサー用電極層。
【請求項２】
前記ポリマーが、シリコン系ゴムまたはポリイミドからなること、を特徴とする、請求項１に記載のコンデンサー用電極層。
【請求項３】
請求項１に記載のコンデンサー用電極層の製造方法が、
シリコン基板上に犠牲層を形成するステップと、
前記犠牲層上の所定の領域に前記電極及び信号伝達線を形成するステップと、
前記電極及び前記信号伝達線が形成された結果物上に液相のポリマーをコートして固めるステップと、
前記シリコン基板及び前記犠牲層を除去するステップと、を含むことを特徴とする、コンデンサー用電極層の製造方法。
【請求項４】
前記電極と前記信号伝達線が、電気メッキで形成されることを特徴とする、請求項３に記載のコンデンサー用電極層の製造方法。
【請求項５】
ポリマー基板と、前記ポリマー基板上に形成される上部電極と、前記上部電極の左側及び右側にそれぞれ形成された上部電極用信号伝達線とを有する上部電極層と、
ポリマー基板と、前記ポリマー基板上に形成される下部電極と、前記下部電極の前側及び後側にそれぞれ形成された下部電極用信号伝達線とを有する下部電極層と、
ポリマーからなり、前記上部電極層と前記下部電極層との間に位置されており、前記上部電極と前記下部電極が対面するように、所定の領域に孔が形成されたスペーサー層と、を備えることを特徴とする単位センサー。
【請求項６】
前記スペーサー層が、シリコン基板上に液相のポリマーをコートして固めてから、フォトリソグラフィ工程によってパターンを形成し、ドライエッチングによって前記孔を形成した後、前記シリコン基板を除去することにより設けられることを特徴とする、請求項５に記載の単位センサー。
【請求項７】
前記上部電極層と前記スペーサー層との間に、ポリマーからなる絶縁層が位置されることを特徴とする、請求項５に記載の単位センサー。
【請求項８】
前記下部電極層と前記スペーサー層との間に、ポリマーからなる絶縁層が位置されることを特徴とする、請求項５に記載の単位センサー。
【請求項９】
前記絶縁層が、シリコン基板上に液相のポリマーをコートして固めてから、前記シリコン基板を除去することにより設けられることを特徴とする、請求項７または８に記載の単位センサー。
【請求項１０】
前記上部電極層上には、ポリマーからなるバンプ層が位置することを特徴とする、請求項５に記載の単位センサー。
【請求項１１】
前記バンプ層が、バンプモールドが形成されたシリコン基板上に液相のポリマーをコートして固めてから、前記シリコン基板を除去することにより設けられることを特徴とする、請求項１０に記載の単位センサー。
【請求項１２】
前記ポリマーが、シリコン系ゴムまたはポリイミドからなることを特徴とする、請求項５、７、８または１０に記載の単位センサー。
【請求項１３】
請求項５、７、８または１０に記載の単位センサーを用いた触覚センサーが、
前記単位センサーが二次元配列されており、それぞれの単位センサーをなす前記上部電極が互いに電気的に連結されるように、前記上部電極用信号伝達線が順次連結され、それぞれの単位センサーをなす前記下部電極が互いに電気的に連結されるように、前記下部電極用信号伝達線が順次連結されてなる単位センサーレーと、
前記単位センサーレーを外部と連結するために、末端に位置された上部電極用信号伝達線及び下部電極用信号伝達線のそれぞれに設置される連結線と、を備えることを特徴とする、触覚センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンデンサー用電極層とコンデンサー用電極層の製造方法、その電極層を用いた単位センサー、及びその単位センサーを用いた触覚センサーに関し、より詳細には、フレキシブル基板を用いて具現され、拡張可能なフレキシブルコンデンサー用電極層とコンデンサー用電極層の製造方法、その電極層を用いた単位センサー、及びその単位センサーを用いた触覚センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
触覚センサーについては、ロボットなどの分野に適用するために多くの研究がなされてきたが、これまでは、特に商業的成果を示していない。最近、人間型ロボットの登場により、ロボットに対する研究が、人間型ロボットを中心にして、加速度がつき始めており、Ｒｏｏｍｂａのような掃除ロボットを中心にして、人間の実生活に応用できるロボットが商用として登場し始めた。したがって、これから、ロボットが工場などの特殊目的以外に人間生活の多くの部分に影響を及ぼすものと思われる。これらのロボットが人間と円滑に相互作用を行うためには、触覚を有することが必須である。これによって、ロボットのための触覚センサーについての要求も自然に高くなるものである。これらの触覚センサーは、人間の皮膚のように柔らかくなければならず、外部の衝撃からある程度センサーと内部のシステムを保護し、所望の面積内において自由自在な設置が可能でなければならない。
【０００３】
現在まで、ロボットに応用する目的で開発された触覚センサーは、殆ど、柔軟なポリイミド系列のプラスチックやゴム、布などの材質からなる薄板状の二次元配列構造を有している。圧力感知センサーは、主に圧力によって抵抗が変わり、または静電容量が変わる方式のセンサーが用いられている。代表例としては、米国特許第６，８２６，９６８号に開示されている。このようなセンサーは、主に製作方法の特性上、人間の皮膚に似た程度である１ｍｍ以下の解像度を具現することが困難であり、また、構造的には、隣接した単位センサー間の干渉が大きいため、所望の面積内において自由に設置し難いという問題点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、柔軟性に優れたコンデンサー用電極層及びその電極層の製造方法を提供することにある。
【０００５】
また、本発明の他の目的は、柔軟性に優れ、解像度がよく、製造が容易な単位センサーを提供することにある。
【０００６】
また、本発明のまた他の目的は、柔軟性に優れ、拡張が容易な触覚センサーを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の一側面によれば、
ポリマー基板と、
前記ポリマー基板上に形成される電極と、
前記電極と連結されるように、前記ポリマー基板上に形成される信号伝達線と、を備えることを特徴とする、コンデンサー用電極層が提供される。
【０００８】
また、本発明の他の一側面によれば、
シリコン基板上に犠牲層を形成するステップと、
前記犠牲層上の所定の領域に前記電極及び信号伝達線を形成するステップと、
前記電極及び前記信号伝達線が形成されて得られた物の上に液相のポリマーをコートして固めるステップと、
前記シリコン基板及び前記犠牲層を除去するステップと、を含むことを特徴とする、コンデンサー用電極層の製造方法が提供される。
【０００９】
また、本発明のまた他の一側面によれば、
ポリマー基板と、前記ポリマー基板上に形成される上部電極と、前記上部電極の左側及び右側にそれぞれ形成された上部電極用信号伝達線とを有する上部電極層と、
ポリマー基板と、前記ポリマー基板上に形成される下部電極と、前記下部電極の前側及び後側にそれぞれ形成された下部電極用信号伝達線とを有する下部電極層と、
ポリマーからなり、前記上部電極層と前記下部電極層との間に位置されており、前記上部電極と前記下部電極が対面するように、所定の領域に孔が形成されたスペーサー層と、を備えることを特徴とする、単位センサーが提供される。
【００１０】
前記上部電極層と前記スペーサー層との間に、ポリマーからなる絶縁層が位置され、または前記下部電極層と前記スペーサー層との間に、ポリマーからなる絶縁層が位置されることが好ましい。
【００１１】
前記上部電極層上には、ポリマーからなるバンプ層が位置することが好ましい。
【００１２】
また、本発明のさらに他の一側面によれば、
前記単位センサーが二次元配列されており、それぞれの単位センサーをなす前記上部電極が互いに電気的に連結されるように、前記上部電極用信号伝達線が順次連結され、それぞれの単位センサーをなす前記下部電極が互いに電気的に連結されるように、前記下部電極用信号伝達線が順次連結されてなる単位センサーレーと、
前記単位センサーレーを外部と連結するために、末端に位置された上部電極用信号伝達線及び下部電極用信号伝達線のそれぞれに設置される連結線と、を備えることを特徴とする、触覚センサーが提供される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の電極層及び単位センサーは、液相のポリマーを用いて基板を形成することにより、柔軟性に優れ、製造が容易となる。また、単位センサーのスペーサー層の形成の際に、フォトリソグラフィ工程を導入することにより、１ｍｍ以下の解像度が得られる。
【００１４】
また、本発明の触覚センサーは、柔軟性のある単位センサーを用いるので、柔軟性に優れ、拡張が容易である。
【００１５】
したがって、本発明の触覚センサーは、ロボットへの応用はもとより靴底に適用して、人間の挙動の際に足に加えられる圧力分布を測定して、これを医学的に活用するのに応用することもできる。また、柔らかな触感により、マウスなどの入力装置の拡張として、人間とコンピュータとの間にさらに多様な機能のインターフェースを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
図１Ａは、本発明の実施の形態によるコンデンサー用電極層を示す概略図であり、図１Ｂは、図１Ａによるコンデンサー用電極層の製造方法を説明するための概略図であり、図２Ａ及び図２Ｂは、図１Ａによるコンデンサー用電極層を用いた単位センサーを示す概略図であり、図３Ａは、図２Ａ及び図２Ｂによる単位センサーに用いられるスペーサー層の製造方法を説明するための概略図であり、図３Ｂは、図２Ａ及び図２Ｂによる単位センサーに用いられる絶縁層の製造方法を説明するための概略図であり、図３Ｃは、図２Ａ及び図２Ｂによる単位センサーに用いられるバンプ層の製造方法を説明するための概略図であり、図３Ｄは、図１Ｂによる電極層と、図３Ａ乃至図３Ｃによるスペーサー層、絶縁層、及びバンプ層を用いた単位センサーの製造方法を説明するための概略図であり、図４は、図２Ａ及び図２Ｂによる単位センサーを用いた触覚センサーを示す概略図であり、図５は、図４による触覚センサーを示す実際の写真である。
＜第１の実施の形態＞
本実施の形態は、二つの電極層間の距離変化に応じて静電容量が変化するコンデンサーに用いられる電極層に関する。
【００１８】
図１Ａを参照すると、本実施の形態による電極層１００は、基板１０３と、電極１０１と、信号伝達線１０２とからなっている。
【００１９】
基板１０３は、柔軟性を持たせるために、シリコン系ゴム、ポリイミドなどのようなポリマーからなる。
【００２０】
電極１０１と信号伝達線１０２は、基板１０３上に形成されるが、信号伝達線１０２は、電極１０１と連結される。したがって、本実施の形態による電極層１００が用いられるコンデンサーでの静電容量の変化による信号は、信号伝達線１０２を介して外部に伝達される。
【００２１】
図１Ｂを参照して電極層の製造方法を説明すると、先ず、シリコン基板１０上に犠牲層２０を形成する。次に、その犠牲層２０上の所定の領域に銅、金などの導体を電気めっきして、電極１０１及び信号伝達線１０２を形成する。次いで、電極１０１と信号伝達線１０２が形成されて得られたものの上に液相のポリマーをコートして固めることにより、基板１０３を形成する。続けて、シリコン基板１０及び犠牲層２０を除去すると、基板１０３と、電極１０１と、信号伝達線１０２とからなる電極層１００が製造される。
【００２２】
本実施の形態による電極層を用いると、柔軟性に優れたコンデンサー配列を製造することができる。
＜第２の実施の形態＞
本実施の形態は、上述した第１の実施形態による電極層を用いた単位センサーに関する。
【００２３】
図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、本実施の形態による単位センサーは、下部電極層１２０上にスペーサー層２００と、絶縁層３００と、上部電極層１１０と、バンプ層４００が順次積層されてなる。
【００２４】
上部電極層１１０は、上部電極１１１と、信号伝達線１１２と、ポリマー基板１１３とからなり、下部電極層１２０は、下部電極１２１と、信号伝達線１２２と、ポリマー基板１２３とからなるが、上部電極層１１０と下部電極層１２０は、上述した第１の実施の形態における電極層１００を用いるので、繰り返される説明は省略する。ただし、上部電極層の信号伝達線１１２は、上部電極１１１の左側及び右側にそれぞれ形成され、下部電極層の信号伝達線１２２は、下部電極１２１の前側及び後側に形成される。したがって、平面図からみると、上部電極層の信号伝達線１１２と下部電極層の信号伝達線１２２は、直交するようになる。
【００２５】
スペーサー層２００は、下部電極層１２０と上部電極層１１０との間に位置されるが、上部電極１１１と下部電極１２１が対面するように、所定の領域に孔２１０が形成されている。したがって、スペーサー層２００に形成された孔２１０を通じて、上部電極層の上部電極１１１と下部電極層の下部電極１２１は対面するようになり、上部電極１１１と下部電極１２１との間の増減に応じて、静電容量が変わるようになる。
【００２６】
図２Ａ及び図２Ｂと結びつけて図３Ａを参照すると、スペーサー層２００は、先ず、シリコン基板１０上の液相のポリマーをコートして固めてから、フォトリソグラフィ工程によってパターンを形成する。さらに、ドライエッチングによって、ポリマーに孔２１０を形成した後、シリコン基板１０を除去することにより設けられる。このように、フォトリソグラフィ工程を導入することにより、１ｍｍ以下の水準の解像度が得られる。
【００２７】
さらに図２Ａ及び図２Ｂに戻ると、絶縁層３００は、上部電極層１１０とスペーサー層２００との間に位置されることにより、上部電極１１１と下部電極１２１が接触されて通電することを防止する。絶縁層３００は、下部分極層１２０とスペーサー層２００との間に位置されてもよい。
【００２８】
図２Ａ及び図２Ｂと結びつけて図３Ｂを参照すると、絶縁層３００は、先ず、シリコン基板１０上に液相のポリマーをコートして固めてから、シリコン基板１０を除去することにより設けられる。
【００２９】
さらに図２Ａ及び図２Ｂに戻ると、バンプ層４００は、上部電極層１１０上に位置されることにより、使用者が加えた圧力が上部電極層１１０に確実に伝達されるようになる。
【００３０】
図２Ａ及び図２Ｂと結びつけて図３Ｃを参照すると、バンプ層４００は、先ず、シリコン基板１０をエッチングしてバンプモールド１１を形成し、バンプモールド１１が形成されたシリコン基板１０上に、液相のポリマーをコートして固めてから、シリコン基板１０を除去することにより設けられる。
【００３１】
上部電極層１１０及び下部電極層１２０に用いられる基板１１３、１２３だけでなく、スペーサー層２００、絶縁層３００、及びバンプ層４００もポリマーからなるが、ポリマーとしてはシリコン系ゴムまたはポリイミドが用いられてもよい。
【００３２】
上述した方法によって製造されたスペーサー層２００と、絶縁層３００と、上部電極層１１０と、バンプ層４００とが、下部電極層１２０上に順次積層されるように接着させることにより、図３Ｄに示す単位センサーが設けられる。この際、接着方法には特に制限がなく、例えば、接着すべき表面を酸素プラズマで処理した後、位置合せして付着した後、６０℃の温度で５０分程度加熱する方法を用いてもよい。
【００３３】
本実施の形態による単位センサーの作動について例を挙げて説明すると、使用者がバンプ層４００を押圧することにより、上部電極１１１と下部電極１２１との距離が近づくと、上部電極と下部電極との間の静電容量が大きくなり、このような静電容量の変化による信号は、外部回路と下部電極を連結する信号伝達線１２２を介して外部回路に伝達されるようになる。また、使用者がバンプ層４００を押圧していた圧力を解除すると、上部電極１１１と下部電極１２１との距離が遠ざかり、上部電極と下部電極との間の静電容量が小さくなるが、このような静電容量の変化による信号は、外部回路と上部電極を連結する信号伝達線１１２を介して外部回路に伝達されるようになる。
【００３４】
本実施の形態による単位センサーは、液相のポリマーを用いるので、製造が容易であり、柔軟性に優れている。
＜第３の実施の形態＞
本実施の形態は、上述した第２の実施の形態による単位センサーを用いた触覚センサーに関する。
【００３５】
図４を参照すると、本実施の形態による触覚センサーは、上述した第２の実施の形態による単位センサーが二次元配列された単位センサーレーと、連結線５００とからなる。
【００３６】
単位センサーレーを構成する単位センサーのそれぞれの上部電極１１１は、上部電極用信号伝達線１１２が順次連結されることにより、互いに電気的に連結され、単位センサーレーを構成する単位センサーのそれぞれの下部電極は、下部電極用信号伝達線１２２が順次連結されることにより、互いに電気的に連結されるようになる。このように順次連結された上部電極用信号伝達線１１２及び下部電極用信号伝達線１２２の末端には、単位センサーレーを容易に外部と連結するための連結線５００が設置される。
【００３７】
図５を参照すると、本発明の実施の形態による触覚センサーの柔軟性を確認することができる。
【００３８】
このように、本実施の形態による触覚センサーは、柔軟性のある単位センサーを用いるので、柔軟性に優れており、連結線を用いて拡張が容易である。
【００３９】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、これらの実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で、当分野における通常の知識を有する者により、様々な変形が可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１Ａは、本発明の実施の形態によるコンデンサー用電極層を示す概略図であり、図１Ｂは、図１Ａによるコンデンサー用電極層の製造方法を説明するための概略図である。
【図２】図２Ａ及び図２Ｂは、図１Ａによるコンデンサー用電極層を用いた単位センサーを示す概略図である。
【図３】図３Ａは、図２Ａ及び図２Ｂによる単位センサーに用いられるスペーサー層の製造方法を説明するための概略図であり、図３Ｂは、図２Ａ及び図２Ｂによる単位センサーに用いられる絶縁層の製造方法を説明するための概略図であり、図３Ｃは、図２Ａ及び図２Ｂによる単位センサーに用いられるバンプ層の製造方法を説明するための概略図であり、図３Ｄは、図１Ｂによる電極層と、図３Ａ乃至図３Ｃによるスペーサー層、絶縁層、及びバンプ層を用いた単位センサーの製造方法を説明するための概略図である。
【図４】図２Ａ及び図２Ｂによる単位センサーを用いた触覚センサーを示す概略図である。
【図５】図４による触覚センサーを示す実際の写真である。
【符号の説明】
【００４１】
１００    電極層
１０１    電極
１０２    信号伝達線
１０３    基板
１０    シリコン基板
２０    犠牲層
１１０    上部電極層
１１１    上部電極
１１２    信号伝達線
１１３    ポリマー基板
１２０    下部電極層
１２１    下部電極
１２２    信号伝達線
１２３    ポリマー基板
２００    スペーサー層
２１０    孔
３００    絶縁層
４００    バンプ層
５００    連結線
【図１Ａ】
2006332588.tif 000003
【図１Ｂ】
2006332588.tif 000004
【図２Ａ】
2006332588.tif 000005
【図２Ｂ】
2006332588.tif 000006
【図３Ａ】
2006332588.tif 000007
【図３Ｂ】
2006332588.tif 000008
【図３Ｃ】
2006332588.tif 000009
【図３Ｄ】
2006332588.tif 000010
【図４】
2006332588.tif 000011
【図５】
2006332588.tif 000012