特許 5867688 触覚センサ及び多軸触覚センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5867688

(24)【登録日】2016年1月15日

(45)【発行日】2016年2月24日

(54)【発明の名称】触覚センサ及び多軸触覚センサ

(51)【国際特許分類】

   G01L 5/16 20060101AFI20160210BHJP

   G01L 1/22 20060101ALI20160210BHJP

【ＦＩ】

   G01L5/16

   G01L1/22 L

【請求項の数】9

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2011-206966(P2011-206966)

(22)【出願日】2011年9月22日

(65)【公開番号】特開2013-68503(P2013-68503A)

(43)【公開日】2013年4月18日

【審査請求日】2014年7月25日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(74)【代理人】

【識別番号】100137800

【弁理士】

【氏名又は名称】吉田 正義

(72)【発明者】

【氏名】下山 勲

(72)【発明者】

【氏名】松本 潔

(72)【発明者】

【氏名】中井 亮仁

(72)【発明者】

【氏名】高橋 英俊

【審査官】 公文代 康祐

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６１−２２４４６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２８１４０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０３８５４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−１８４４６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１６９７４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１１２４５９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｌ １／１８， １／２２

Ｇ０１Ｌ ５／００， ５／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板の表面と略同一の面内に設けられたセンサ素子と、
前記センサ素子の周囲を覆い、当該センサ素子に外力を伝達する外装材と
を備え、
前記センサ素子は、両端が前記基板に支持される可撓性の梁を２本有し、
前記２本の梁は、互いに平行に、かつ、前記基板に対し水平方向に配置され、外力により伸張又は圧縮変形する表面に抵抗層が形成された変形部を有し、
前記変形部は、
前記外力によって伸張又は圧縮変形する表面に第１の抵抗層が形成された第１の変形部と、
前記外力によって前記第１の変形部とは逆に圧縮又は伸張変形する表面に第２の抵抗層が形成された第２の変形部とを有し、
一方の前記梁に前記第１の変形部が設けられ、
他方の前記梁に前記第２の変形部が設けられ、
前記第１及び第２の変形部が前記外装材の表面に加えられたせん断力によって伸張又は圧縮変形し、
前記基板の表面に対し平行方向の前記２本の梁の変形を検出する
ことを特徴とする触覚センサ。

【請求項2】

前記梁は、前記第１及び第２の変形部を除き前記第１及び第２の抵抗層に導通するように形成された導電層を有することを特徴とする請求項１に記載の触覚センサ。

【請求項3】

前記梁は、前記第１及び第２の変形部が他の部分より細く形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の触覚センサ。

【請求項4】

前記第１及び第２の抵抗層のうち一方が固定抵抗層で構成されていることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の触覚センサ。

【請求項5】

前記外装材は、前記基板の表面に対向する表面が前記基板の表面と略平行に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の触覚センサ。

【請求項6】

前記外装材は、
前記センサ素子の周囲を覆う充填部と、
前記充填部の表面を覆う前記充填部と異なる弾性係数を有する材料からなる表面部と
を有することを特徴とする請求項１に記載の触覚センサ。

【請求項7】

前記外装材は、
前記センサ素子の周囲を覆う第１の充填部と、
前記第１の充填部と異なる体積弾性係数を有する材料からなる第２の充填部と
を有することを特徴とする請求項１に記載の触覚センサ。

【請求項8】

前記センサ素子の梁は、
前記外装材の表面に加えられたせん断力により変形することを特徴とする請求項５に記載の触覚センサ。

【請求項9】

基板の表面と略同一の面内に設けられた複数のセンサ素子と、
前記複数のセンサ素子の周囲を覆い、当該センサ素子に外力を伝達する外装材と
を備え、
前記センサ素子は、両端が前記基板に支持される可撓性の梁を２本有し、
前記２本の梁は、互いに平行に、かつ、前記基板に対し水平方向に配置され、外力により伸張又は圧縮変形する表面に抵抗層が形成された変形部を有し、
前記変形部は、
前記外力によって伸張又は圧縮変形する表面に第１の抵抗層が形成された第１の変形部と、
前記外力によって前記第１の変形部とは逆に圧縮又は伸張変形する表面に第２の抵抗層が形成された第２の変形部とを有し、
一方の前記梁に前記第１の変形部が設けられ、
他方の前記梁に前記第２の変形部が設けられ、
前記第１及び第２の変形部が前記外装材の表面に加えられたせん断力によって伸張又は圧縮変形し、
前記基板の表面に対し平行方向の前記２本の梁の変形を検出する
ことを特徴とする多軸触覚センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、触覚センサ及び多軸触覚センサに関し、例えば把持力や摩擦力などを計測する場合に好適なものである。

【背景技術】

【0002】

ロボットハンドによって物体を掴み、持ち上げるなどの操作を行うには、把持力だけでなくロボットハンドの表面と物体表面とで構成される接触面に生じる摩擦力などの状態を計測する必要がある。このような接触面の状態を直接計測するために、接触センサが好適に用いられる。

【0003】

接触センサとしては、図１６に示すように、ヒンジ部１０１によって支持された感応部１０２を備える構造体１０３と、前記感応部１０２の姿勢を検出する検出部と、前記構造体１０３のうち少なくとも前記感応部１０２を覆う弾性体１０４とを備える触覚センサ１００が開示されている（例えば、特許文献１〜３）。

【0004】

上記特許文献１〜３によれば、弾性体１０４に対しせん断力、例えば図中ｘ方向の力が加わると、弾性体１０４と共に感応部１０２が変形するので、この感応部１０２の変形を検出部としてのピエゾ素子で検出することにより、上記せん断力を測定し得る。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開2006-208248号公報

【特許文献2】特開2008-281403号公報

【特許文献3】特開2010-169597号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、上記特許文献１〜３では、せん断力を検出するために、基板から屹立したカンチレバーを有する構造を用いているため、カンチレバーの高さより薄形化することが難しかった。
そこで、本発明は上記した問題点に鑑み、さらなる薄形の構造でせん断力を検出することができる触覚センサ及び多軸触覚センサを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係る触覚センサは、基板の表面と略同一の面内に設けられたセンサ素子と、前記センサ素子の周囲を覆い、当該センサ素子に外力を伝達する外装材とを備え、前記センサ素子は、両端が前記基板に支持される可撓性の梁を２本有し、前記２本の梁は、互いに平行に、かつ、前記基板に対し水平方向に配置され、外力により伸張又は圧縮変形する表面に抵抗層が形成された変形部を有し、前記変形部は、前記外力によって伸張又は圧縮変形する表面に第１の抵抗層が形成された第１の変形部と、前記外力によって前記第１の変形部とは逆に圧縮又は伸張変形する表面に第２の抵抗層が形成された第２の変形部とを有し、一方の前記梁に前記第１の変形部が設けられ、他方の前記梁に前記第２の変形部が設けられ、前記第１及び第２の変形部が前記外装材の表面に加えられたせん断力によって伸張又は圧縮変形し、前記基板の表面に対し平行方向の前記２本の梁の変形を検出することを特徴とする。

【0008】

【0009】

【0010】

本発明の別の観点に係る触覚センサは、前記梁が、前記第１及び第２の変形部を除き前記第１及び第２の抵抗層に導通するように形成された導電層を有することを特徴とする。

【0011】

本発明の別の観点に係る触覚センサは、前記梁が、前記第１及び第２の変形部が他の部分より細く形成されていることを特徴とする。

【0012】

本発明の別の観点に係る触覚センサは、前記第１及び第２の抵抗層のうち一方が固定抵抗層で構成されていることを特徴とする。

【0013】

本発明の別の観点に係る触覚センサは、前記外装材が、前記基板の表面に対向する表面が前記基板の表面と略平行に形成されていることを特徴とする。

【0014】

本発明の別の観点に係る触覚センサは、前記外装材が、前記センサ素子の周囲を覆う充填部と、前記充填部の表面を覆う前記充填部と異なる弾性係数を有する材料からなる表面部と有することを特徴とする。

【0015】

本発明の別の観点に係る触覚センサは、前記外装材が、前記センサ素子の周囲を覆う第１の充填部と、前記第１の充填部と異なる体積弾性係数を有する材料からなる第２の充填部とを有することを特徴とする。

【0016】

本発明の別の観点に係る触覚センサは、前記センサ素子の梁が、前記外装材の表面に加えられたせん断力により変形することを特徴とする。

【0017】

【0018】

【0019】

本発明に係る多軸触覚センサは、基板の表面と略同一の面内に設けられた複数のセンサ素子と、前記複数のセンサ素子の周囲を覆い、当該センサ素子に外力を伝達する外装材とを備え、前記センサ素子は、両端が前記基板に支持される可撓性の梁を２本有し、前記２本の梁は、互いに平行に、かつ、前記基板に対し水平方向に配置され、外力により伸張又は圧縮変形する表面に抵抗層が形成された変形部を有し、前記変形部は、前記外力によって伸張又は圧縮変形する表面に第１の抵抗層が形成された第１の変形部と、前記外力によって前記第１の変形部とは逆に圧縮又は伸張変形する表面に第２の抵抗層が形成された第２の変形部とを有し、一方の前記梁に前記第１の変形部が設けられ、他方の前記梁に前記第２の変形部が設けられ、前記第１及び第２の変形部が前記外装材の表面に加えられたせん断力によって伸張又は圧縮変形し、前記基板の表面に対し平行方向の前記２本の梁の変形を検出することを特徴とする。

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、センサ素子を基板の表面と略同一の面内に設け、前記基板の表面に対し平行方向の前記梁の変形を検出する構成としたことにより、屹立したカンチレバーを用いた従来のセンサより薄形の構造で外力を検出することができる触覚センサ及び多軸触覚センサを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】第１実施形態に係る多軸触覚センサの全体構成を示す斜視図である。

【図2】第１実施形態に係る第１のセンサ素子の構成を示す斜視図である。

【図3】第１実施形態に係る抵抗比出力回路の構成を示す回路図である。

【図4】第１実施形態に係る第１のセンサ素子の製造方法を段階的に示し、図４Ａは斜視図、図４Ｂは図４ＡにおけるＳ−Ｓ端面図である。

【図5】第１実施形態に係る第１のセンサ素子の製造方法を段階的に示し、図５Ａは斜視図、図５Ｂは図５ＡにおけるＳ−Ｓ部分端面図である。

【図6】第１実施形態に係る第１のセンサ素子の製造方法を段階的に示し、図６Ａは斜視図、図６Ｂは図６ＡにおけるＳ−Ｓ部分端面図である。

【図7】第１実施形態に係る第１のセンサ素子の製造方法を段階的に示し、図７Ａは斜視図、図７Ｂは図７ＡにおけるＳ−Ｓ部分端面図である。

【図8】第１実施形態に係る第１のセンサ素子の製造方法を段階的に示し、図８Ａは斜視図、図８Ｂは図８ＡにおけるＳ−Ｓ部分端面図である。

【図9】第１実施形態に係る第１のセンサ素子の製造方法を段階的に示し、図９Ａは斜視図、図９Ｂは図９ＡにおけるＳ−Ｓ部分端面図である。

【図10】第１実施形態に係る第１のセンサ素子の製造方法を段階的に示し、図１０Ａは斜視図、図１０Ｂは図１０ＡにおけるＳ−Ｓ部分端面図である。

【図11】第１実施形態に係る第１のセンサ素子の動作を示し、図１１Ａは平面図、図１１Ｂは図１１ＡのＳ−Ｓ端面図である。

【図12】第１実施形態に係る第１のセンサ素子の動作を示し、図１２Ａは平面図、図１２Ｂは図１２ＡのＳ−Ｓ端面図である。

【図13】図１３Ａは梁の下部に基板が形成されている状態の構成示す縦端面図であり、図１３Ｂは第１実施形態に係る第１のセンサ素子の動作を示す縦端面図である。

【図14】第１実施形態に係る第１のセンサ素子の変形例を示す縦断面図である。

【図15】第２実施形態に係る第１のセンサ素子の構成を示し、図１５Ａは斜視図、図１５Ｂは平面図である。

【図16】従来例を示す縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

【0023】

（１）第１実施形態（２本の両持ち梁）
（全体構成）
図１に示すように本実施形態に係る多軸触覚センサ１は、異なる方向に配置された複数のセンサ素子を備える。本図の場合、多軸触覚センサ１には、センサ素子としての第１のセンサ素子２、第２のセンサ素子３が基板の表面と略同一の面内に設けられており、センサ素子２、３全体が外装材（本図には図示せず）により覆われている。多軸触覚センサ１は、外装材に加えられたｘ方向、ｙ方向の力を各センサ素子２、３により計測し得るように構成されている。なお、本明細書では、図中ｘをｘ方向、ｙをｙ方向、ｚをｚ方向と呼ぶ。

【0024】

本実施形態の場合、各センサ素子２、３の梁は、外装材に加えられた外力、例えばせん断力により、外装材と共に弾性変形し得るように形成されている。ここでせん断力とは、基板表面に対し水平方向（図中ｘ、ｙ方向）の力をいう。

【0025】

（第１及び第２のセンサ素子）
次に、第１及び第２のセンサ素子２、３の構成について説明する。第１及び第２のセンサ素子２、３は、配置される方向が異なるのみで構成は同じであるため、第１のセンサ素子２についてのみ説明することとする。

【0026】

図２に示すように、第１のセンサ素子２は、基板６上に両端が支持された２本の梁、すなわち、第１の梁７と第２の梁８とを有する。第１及び第２の梁７、８は、略同じ機械的特性を有するようにシリコンで構成され、略同じ長さを有している。第１及び第２の梁７、８は、互いに略平行に、かつ基板６表面に対し略水平に配置されている。第１の梁７と第２の梁８とは、間隔が、例えば10μm程度とされ、極めて近傍に形成されている。

【0027】

第１の梁７は、第２の梁８に面している表面に対向する一表面としての表面（以下、「外側面」ともいう）７Ａに第１の抵抗層９が形成されている。同様に、第２の梁８は、第１の梁７に面している表面に対向する他表面としての表面（以下、「外側面」ともいう）８Ａに第２の抵抗層１０が形成されている。第１及び第２の抵抗層９、１０は、表面が基板表面６Ａに対し略直角となるように形成されている。

【0028】

また、第１及び第２の梁７、８は、上面の中央部にそれぞれ導電層としての第１の導電層１２及び第２の導電層１３が形成されている。第１の導電層１２は第１の抵抗層９に導通しており、第２の導電層１３は第２の抵抗層１０に導通している。

【0029】

本実施形態の場合、基板６は矩形状の角穴１６が形成されている。第１及び第２の梁７、８は、前記角穴１６の短辺間に掛架され、角穴１６を挟んで対向する辺１７、１８において第１〜第４の支持部２０〜２３により基板６に支持されている。第１の梁７は第１の支持部２０及び第２の支持部２１によって、第２の梁８は第３の支持部２２及び第４の支持部２３によって、基板６に両端において支持されている。第１〜第４の支持部２０〜２３は、絶縁層２５、梁形成層２６、抵抗層２７、導電層２８を順に積層して形成されている。梁形成層２６は、シリコンで構成され、前記第１及び第２の梁７、８を形成する。第１の支持部２０に形成された導電層２８は電源用電極３０を構成し、第２の支持部２１に形成された導電層２８は第１の出力用電極３１を構成する。また、第３の支持部２２に形成された導電層２８は接地用電極３２を構成し、第４の支持部２３に形成された導電層２８は第２の出力用電極３３を構成する。第１の出力用電極３１と第２の出力用電極３３とは図示しない回路において電気的に接続されている。また、第１の抵抗層９及び第２の抵抗層１０は、第１〜第４の支持部２０〜２３に形成された抵抗層２７と一体に形成され、ピエゾ抵抗層で構成されている。

【0030】

第１の梁７には第１の変形部としての第１の検出部３６と第２の検出部３７が形成されている。すなわち、電源用電極３０と第１の導電層１２の間には導電層が形成されていない第１の検出部３６が形成され、第１の出力用電極３１と第１の導電層１２の間には導電層が形成されていない第２の検出部３７が形成されている。同様に第２の梁には、第２の変形部としての第３の検出部３８と第４の検出部３９が形成されている。すなわち、接地用電極３２と第２の導電層１３の間には導電層が形成されていない第３の検出部３８が形成され、第２の出力用電極３３と第２の導電層１３の間には導電層が形成されていない第４の検出部３９が形成されている。

【0031】

第１及び第２の梁７、８の周囲には空間４０が形成されており、第１及び第２の梁７、８が可撓し得るように構成されている。この空間４０を含む第１及び第２の梁７、８の周囲は外装材４２で覆われている。外装材４２は、空間４０及び第１及び第２の梁７、８の周囲を埋める充填部４３を有する。充填部４３は例えばシリコーン（Silicone）樹脂により形成することができる。シリコーン樹脂としては、例えば、ＰＤＭＳ（polydimethylsiloxane；ポリジメチルシロキサン）を用いることができる。また、外装材４２は、前記充填部４３の表面を覆う表面部（図示しない）をさらに有することとしてもよい。この場合、表面部は、充填部４３とは異なる弾性係数を有する材料で構成してもよい。表面部は充填部４３より硬質の材料、例えば光硬化樹脂で構成することにより、第１のセンサ素子２へより均一にせん断力を伝達することができる。また、外装材は、上記シリコーン樹脂のほか例えば、金属（アルミニウム）などを用いることができる。

【0032】

このように構成された第１のセンサ素子２は、第１の抵抗層９及び第２の抵抗層１０の抵抗値の比に相当する電圧を測定し得るように回路に接続されている。本実施形態の場合、図３に示すように、第１の抵抗層９及び第２の抵抗層１０は直列に接続され、全体として抵抗比出力回路４５を構成する。すなわち、抵抗比出力回路４５は、電源用電極３０、第１の抵抗層９、第１の出力用電極３１、第２の出力用電極３３、第２の抵抗層１０、接地用電極３２の順に直列に接続されている。

【0033】

（製造方法）
次に、第１のセンサ素子２の製造方法について説明する。まず基板６上にSiO₂からなる絶縁層２５を形成し、さらにその絶縁層２５上にSiからなる梁形成層２６を形成することにより、基板６と絶縁層２５と梁形成層２６とからなるSOIを形成する。次いで、図４に示すように、矩形状の穴６８を梁形成層２６に一対形成する。この矩形状の穴６８の隣り合う内面は第１及び第２の抵抗層９、１０が第１及び第２の梁７、８に形成される表面となる。また、第１〜第４の検出部３６〜３９の上面に相当する部分６９にSiO₂等の保護膜（図示しない）を形成しておく。

【0034】

次いで、図５に示すように、シリコン層の表面に不純物を液相ドーピングして梁形成層２６の一部をN型もしくはP型半導体としたピエゾ抵抗層で構成した抵抗層２７が形成される。また、第１〜第４の検出部３６〜３９の上面に相当する部分６９に形成したSiO₂等の保護膜を除去する。このとき、第１〜第４の検出部３６〜３９の上面に相当する部分６９を除いた全面、すなわち梁形成層２６に形成された矩形状の穴６８の内面にも不純物がドーピングされる。

【0035】

次に、図６に示すように、梁形成層２６上の抵抗層２７の上に導電層２８を形成し、梁形状にパターニングする。その後、図７に示すように、導電層２８をマスクにして抵抗層２７、梁形成層２６をエッチングする。このとき導電層２８の上面には、さらにレジスト（図示しない）を一部に形成しておく。

【0036】

その後、図８に示すように、導電層のレジスト（図示しない）が形成されていない部分の導電層２８を除去し、第１及び第２の梁７、８の上面の中央部に第１の導電層１２と第２の導電層１３を形成する。これにより、第１及び第２の梁７、８の上面には、第１〜第４の検出部３６〜３９が同時に形成される。

【0037】

次いで、第１及び第２の梁７、８が形成されていない基板６の裏面側にレジスト（図示しない）を形成し、当該レジストが形成されていない部分の基板６及び絶縁層２５を除去して、図９に示すように角穴１６を形成することにより、第１のセンサ素子２を形成する。

【0038】

最後に、図１０に示すように、基板６に形成された角穴１６を含む第１及び第２の梁７、８の周囲に形成された空間４０を外装材４２で埋めることにより、第１のセンサ素子２を設けた触覚センサ２Ａを得ることができる。このように半導体の積層技術を用いることにより第１のセンサ素子２は、例えば、1.5mm角、各梁が幅5μm、高さ20μm、長さ200μm程度の大きさとすることができる。上記した第１のセンサ素子２と同様にして、第２のセンサ素子３を得ることができる。

【0039】

以上のように、基板６に形成した矩形状の穴６８の内面に不純物をドーピングすることにより、第１及び第２の梁７、８の外側面７Ａ、８Ａにピエゾ抵抗層で構成された抵抗層２７を形成することができる。このようにして製造された第１及び第２のセンサ素子２、３を同一基板６上に形成し、各梁の周囲に形成された空間４０を外装材４２で埋めることにより、多軸触覚センサ１を得ることができる。

【0040】

（動作及び効果）
次に上記のように構成された多軸触覚センサ１の動作及び効果について説明する。まず、外装材４２にｘ方向のせん断力が生じた場合について説明する。

【0041】

図１１に示すように、外装材４２に何ら外力が生じていない場合、第１のセンサ素子２の第１及び第２の梁７、８は直線状の形状を保っている。電源用電極３０に電源電圧を印加すると、第１の抵抗層９、第１の出力用電極３１、第２の出力用電極３３、第２の抵抗層１０、接地用電極３２へと順に電流が流れる。この場合、第１〜第４の検出部３６〜３９における第１及び第２の抵抗層９、１０の抵抗値をRとし、電源電圧V_inをVとすると、第１の出力用電極３１及び第２の出力用電極３３から得られる出力電圧V_outはV/2となる。出力電圧V_outは第１及び第２の抵抗層９、１０の抵抗値の比に相当する電圧となる。

【0042】

これに対し、外装材４２にｘ方向のせん断力が生じた場合、図１２に示すように外装材４２は力と同じ向き、すなわちｘ方向に変形する。そして第１のセンサ素子２は、周囲が前記外装材４２で埋められているため、外装材４２に倣って第１及び第２の梁７、８がｘ方向に変形する。この場合、第１及び第２の梁７、８は両端が支持されているので、中央部を中心として対称に撓む。これにより、第１の検出部３６及び第２の検出部３７は、第１の抵抗層９が形成された表面が伸張する方向に曲がる。一方、第３の検出部３８及び第４の検出部３９は、第２の抵抗層１０が形成された表面が、第１の抵抗層９が形成された表面とは逆に圧縮する方向に曲がる。

【0043】

第１と第２の検出部３６、３７及び第３と第４の検出部３８、３９の変形はそれぞれ伸張と圧縮の対となり、抵抗値の変化は正負逆の方向に変化する。この場合、第１と第２の検出部３６、３７及び第３と第４の検出部３８、３９は、第１及び第２の梁７、８が略同じ機械的特性を有するように構成されていることから、変形量も略同じになるといえる。そうすると、各抵抗値の変化量は絶対値が同じで正負が逆の値、すなわち第１と第２の検出部３６、３７における第１の抵抗層９の抵抗値の変化量は+dR、第３と第４の検出部３８、３９における第２の抵抗層１０の抵抗値の変化量は-dRとなるといえる。この結果、出力電圧V_outは、変形前に比べdR・V/2Rだけ変化する。したがって、第１のセンサ素子２はこの電圧変化からせん断力を計測することができる。

【0044】

本実施形態では、第１のセンサ素子２が基板６表面に対し略水平に配置した第１及び第２の梁７、８を有し、当該第１及び第２の梁７、８の変形を検出することにより外装材４２に生じたせん断力を計測する構成とした。これにより、第１のセンサ素子２は、屹立したカンチレバーを用いた従来に比べ、格段と薄型化することができる。

【0045】

本実施形態の場合、第１のセンサ素子２は、せん断力によって伸張又は圧縮変形する第１及び第２の検出部３６、３７の第１の抵抗層９と、前記せん断力によって前記第１の抵抗層９と逆に圧縮又は伸張変形する第３及び第４の検出部３８、３９の第２の抵抗層１０との抵抗値の比に相当する電圧を測定する構成とした。そうすると、第１のセンサ素子２は、使用する環境の温度（及び光強度）が変化したとしても、第１及び第２の抵抗層９、１０の抵抗値がともに変化するので、同じせん断力に対する第１及び第２の抵抗層９、１０の抵抗値の比は略同じになるといえる。したがって第１のセンサ素子２は、使用する環境の温度（及び光強度）に関わらず安定してせん断力を計測することができる。

【0046】

第１のセンサ素子２は、第１及び第２の梁７、８が極めて近傍に配置されており、１回的手順によりドープを行って第１及び第２の抵抗層９、１０を構成するピエゾ抵抗層を形成することとした。これにより、第１のセンサ素子２は、ドープ量のバラツキを極力抑えることができるので、初期の抵抗値のバラツキが少ない第１及び第２の抵抗層９、１０を容易に形成することができる。

【0047】

なお、本実施形態では、第１のセンサ素子２及び第２のセンサ素子３における第１の抵抗層９及び第２の抵抗層１０を第１の梁７及び第２の梁８の外側面７Ａ、８Ａにそれぞれ形成する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、互いに対向する表面に第１の抵抗層９及び第２の抵抗層１０をそれぞれ形成することとしてもよい。この場合、一つの矩形状の穴６８を梁形成層２６にするだけで第１の梁７及び第２の梁８それぞれに第１の抵抗層９及び第２の抵抗層１０を形成することができるので、ドープ量のバラツキをより確実に抑えることができる。

【0048】

第１のセンサ素子２は、第１及び第２の梁７、８の中央部にそれぞれ第１の導電層１２及び第２の導電層１３を形成した。これにより、第１の抵抗層９を流れる電流は、第１の検出部３６から一旦第１の導電層１２を通って第２の検出部３７へと流れる。そうすると、第１のセンサ素子２は、第１の抵抗層９において第１の検出部３６及び第２の検出部３７のみにおいて抵抗値が変化することになる。同様に、第２の抵抗層１０を流れる電流は、第４の検出部３９から一旦第２の導電層１３を通って第３の検出部３８へと流れるので、第３の検出部３８及び第４の検出部３９のみにおいて抵抗値が変化することになる。このように第１のセンサ素子２は、抵抗値が変化する箇所を伸張と圧縮の対となる第１〜第４の検出部３６〜３９に限定する構成としたことにより、より正確にせん断力を計測することができる。

【0049】

因みに、図１３Ａに示すように、従来の触覚センサ１１０において単にカンチレバー１１１を屹立させずに基板１１２に対し水平に保持しただけでは、カンチレバー１１１の下部に基板１１２が存在するため、カンチレバー１１１の部分で外装材１１３がほとんど変形しない。このため、図１３に示す触覚センサ１１０では、せん断力を計測することはできない。図中の矢印は力の分布を示す。

【0050】

これに対し、本実施形態では、図１３Ｂに示すように、第１及び第２の梁７、８の下部を含めた第１及び第２の梁７、８の周囲に空間４０を形成し、当該空間４０を外装材４２で埋める構成としたことにより、第１及び第２の梁７、８の部分で外装材４２が容易に変形する。このため、本実施形態では、外装材４２の変形に伴って第１及び第２の梁７、８が変形することにより、せん断力を計測することができる。

【0051】

本実施形態では、第１及び第２の抵抗層９、１０は、それぞれ第１及び第２の検出部３６、３７、第３及び第４の検出部３８、３９において連続的に形成されている場合について説明したが、本発明はこれに限らず、第１と第２の検出部３６、３７の間、及び第３と第４の検出部３８、３９の間において、抵抗層が形成されていない非連続部（図示しない）を形成することとしてもよい。このように非連続部を設けることにより、多軸触覚センサ１は、第１及び第２の検出部３６、３７、第３及び第４の検出部３８、３９における抵抗値変化をより高感度で検出することができる。

【0052】

本実施形態では、第１及び第２の梁７、８に第１及び第２の導電層１２、１３がそれぞれ形成されている場合について説明したが、本発明はこれに限らず、第１及び第２の導電層１２、１３を形成しなくてもよい。

【0053】

また、図１４に示すように、第１及び第２の梁７、８が変形する方向に第２の充填部４６をさらに設けることとしてもよい。第２の充填部４６は、充填部４３と体積弾性係数が異なる構成、例えば体積収縮率が大きい空気を充填した部材で構成することにより、せん断力に対する検出感度を向上することができる。

【0054】

外装材４２にｙ方向のせん断力が生じた場合、第１のセンサ素子２において出力電圧V_outは変化しない。すなわち、ｙ方向のせん断力によって、第１のセンサ素子２における第１及び第２の抵抗層９、１０は同じ方向に伸縮し、伸張と圧縮の対となる位置が生じないので、抵抗値変化も同じとなり出力電圧V_outは変化しない。このｙ方向のせん断力は、第２のセンサ素子３によって計測される。第２のセンサ素子３の動作及び効果は、上記した第１のセンサ素子２と同様であるので、説明を省略する。

【0055】

外装材４２に圧力が生じた場合、第１及び第２のセンサ素子２、３において出力電圧V_outは変化しない。すなわち、圧力によって、第１及び第２のセンサ素子２、３における第１及び第２の抵抗層９、１０は同じ方向に伸縮し、伸張と圧縮の対となる位置が生じないので、抵抗値変化も同じとなり出力電圧V_outは変化しない。

【0056】

本実施形態に係る多軸触覚センサ１は、上記のように構成した第１及び第２のセンサ素子２、３を備えることにより、温度変化の影響を受けずに、直交する３方向の力を計測することができる。しかも、多軸触覚センサ１は、第１及び第２のセンサ素子２、３の周囲を外装材４２で覆ったことにより、外装材４２に生じた外力、すなわちせん断力を第１及び第２のセンサ素子２、３へ同時に伝達することができるので、より確実にせん断力を計測することができる。

【0057】

第１及び第２のセンサ素子２、３は、それぞれ第１〜第４の検出部３６〜３９を梁の変形量が大きい梁の基端部に設ける構成としたことにより、感度を向上することができる。

【0058】

（２）第２実施形態（３本の片持ち梁）
（全体構成）
次に、多軸触覚センサを構成する第１及び第２のセンサ素子において梁の形状が上記第１実施形態と異なる第２実施形態について説明する。図２と同様の構成について同様の符号を付した図１５を参照して説明する。なお、第１及び第２のセンサ素子は、配置される方向が異なるのみで構成は同じであるため、第１のセンサ素子についてのみ説明することとする。

【0059】

本図に係る第１のセンサ素子７０は、基板６上に一端が支持された３本の梁、すなわち、第１の梁７１、第２の梁７２、及び第３の梁７３を有する。第１〜第３の梁７１〜７３は、略同じ長さを有し、第２の梁７２を中央に配置して互いに略平行に、かつ基板６表面に対し略水平に配置されている。第１〜第３の梁７１〜７３は、一端７１Ａ〜７３Ａにおいてのみ基板６に支持され、他端７１Ｂ〜７３Ｂはいわゆる自由端である。この第１〜第３の梁７１〜７３の他端７１Ｂ〜７３Ｂ同士は、連結部７４により連結され一体となっている。連結部７４は、第１〜第３の梁７１〜７３の他端７１Ｂ〜７３Ｂがｘ方向のせん断力に対し、平行に変位し得るように形成される。

【0060】

第１の梁７１は、第２の梁７２に面している表面に対向する一表面としての表面に第１の抵抗層７６が形成されている。同様に第３の梁７３は、第２の梁７２に面している表面に対向する他表面としての表面に第２の抵抗層７７が形成されている。第２の梁７２は、第１及び第３の梁７１、７３に面している表面には、抵抗層が形成されていない。第１及び第３の梁７１、７３は、基端部を除く上面に第１及び第２の導電層７５、７８が形成されている。第１及び第２の導電層７５、７８は第１及び第２の抵抗層７６、７７に導通している。また、第１及び第２の導電層７５、７８は、第２の梁７２の上面に形成された導電層７９と連続して形成されている。

【0061】

本実施形態の場合、第１〜第３の梁７１〜７３は、基板６の角穴１６の一辺１７から当該一辺１７に対向する他辺１８に向かって張り出すように、一辺１７において第１〜第３の支持部８０〜８２により基板６に支持されている。第１の梁７１は第１の支持部８０によって、第２の梁７２は第２の支持部８１によって、第３の梁７３は第３の支持部８２によって基板６に支持されている。第１〜第３の支持部８０〜８２には、最上層にそれぞれ導電層２８が形成されている。第２の支持部８１に形成された導電層２８は、第１〜第３の梁７１〜７３の上面に形成された導電層２８と連続している。第１の支持部８０に形成された導電層２８は電源用電極８４を構成し、第２の支持部８１に形成された導電層２８は出力用電極８５を構成し、第３の支持部８２に形成された導電層２８は接地用電極８６を構成する。また、第１の抵抗層７６及び第２の抵抗層７７は、第１及び第３の支持部８０、８２に形成された抵抗層２７と一体に形成され、ピエゾ抵抗層で構成されている。

【0062】

第１の梁７１には第１の変形部としての第１の検出部８８が形成されている。すなわち、電源用電極８４と第１の導電層７５の間には導電層が形成されていない第１の検出部８８が形成されている。第３の梁７３には第２の変形部としての第２の検出部８９が形成されている。すなわち、接地用電極８６と第２の導電層７８の間には導電層が形成されていない第２の検出部８９が形成されている。連結部７４は、第１〜第３の梁７１〜７３の表面積より大きい面積を有し、所定の剛性を有するように形成されている。

【0063】

本実施形態に係る第１のセンサ素子７０は、上記第１実施形態と同様に、第１の抵抗層７６及び第２の抵抗層７７は直列に接続され、全体として抵抗比出力回路を構成する。すなわち、抵抗比出力回路は、電源用電極８４、第１の抵抗層７６、出力用電極８５（連結部７４）、第２の抵抗層７７、接地用電極８６の順に直列に接続して構成されている。

【0064】

（動作及び効果）
第１のセンサ素子７０は、上記第１実施形態と同様に抵抗比出力回路を構成するので、外装材４２に何ら外力が生じていない場合、出力電極から得られる出力電圧V_outはV/2となる。

【0065】

これに対し、外装材４２にｘ方向のせん断力が生じた場合、第１のセンサ素子７０は、外装材４２に倣って第１〜第３の梁７１〜７３が一体的にｘ方向に変形する。この場合、第１〜第３の梁７１〜７３は一端７１Ａ〜７３Ａにおいてのみ支持され、他端７１Ｂ〜７３Ｂが自由端であるから、基端部において最も撓む。これにより、第１の検出部８８は、第１の抵抗層７６が形成された表面が伸張する方向に曲がる。一方、第２の検出部８９は、第２の抵抗層７７が形成された表面が圧縮する方向に曲がる。

【0066】

このように第１の検出部８８に形成された第１の抵抗層７６と第２の検出部８９に形成された第２の抵抗層７７の変形はそれぞれ伸張と圧縮の対となる。この場合、第１〜第３の梁７１〜７３の他端７１Ｂ〜７３Ｂは、連結部７４により一体となっており、かつ、平行に変位するように形成されていることから、第１の検出部８８と第２の検出部８９の変形量は略同じになるといえる。そうすると、上記第１実施形態と同様に抵抗値の変化量（絶対値）をdRとすると、変形後の出力電圧V_outは、変形前に比べdR・V/2Rだけ変化する。したがって、この電圧変化から、せん断力を計測することができる。

【0067】

本実施形態では、第１のセンサ素子７０が基板６表面に対し略水平に配置した第１〜第３の梁７１〜７３を有し、当該第１〜第３の梁７１〜７３の変形を検出することにより外装材４２に生じたせん断力を計測する構成としたから、上記した第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0068】

また、本実施形態に係る第１のセンサ素子７０は、せん断力によって伸張又は圧縮変形する第１の検出部８８の第１の抵抗層７６と、前記せん断力によって前記第１の抵抗層７６と逆に圧縮又は伸張変形する第２の検出部８９の第２の抵抗層７７との抵抗値の比に相当する電圧を測定する構成としたから、上記した第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0069】

（３）変形例
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。

【0070】

上記実施形態の場合、第１の抵抗層及び第２の抵抗層は、抵抗比出力回路を構成することにより、抵抗値の比に相当する電圧を測定する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、第１の抵抗層及び第２の抵抗層の各抵抗を個別に測定し、その変化量を持って外力の計測値としてもかまわない。
上記実施形態の場合、第１の抵抗層及び第２の抵抗層の２つの抵抗層がある場合について説明したが、抵抗層が１つでもかまわない。

【0071】

上記実施形態の場合、第１の抵抗層及び第２の抵抗層はいずれもピエゾ抵抗層である場合について説明したが、本発明はこれに限られず、いずれか一方を固定抵抗で構成してもよい。

【0072】

上記実施形態の場合、多軸触覚センサは、２つのセンサ素子からなる場合について説明したが、本発明はこれに限らず、３つ以上のセンサ素子を備えることとしてもよい。

【0073】

上記実施形態の場合、２つのセンサ素子は梁を互いに直交する方向に配置したが、本発明はこれに限らず、３つ以上のセンサ素子を設け、梁を放射状に配置することによりさらにモーメントを測定するように構成してもよい。
また、本発明の実施形態は多軸触覚センサに限られず、１つのセンサ素子と当該センサ素子を覆う外装材からなる触覚センサに適用してもよい。

【0074】

上記実施形態の場合、梁は長手方向の太さが一定である場合について説明したが、本発明はこれに限らず、変形部をその他の部分より細く形成し、変形部においてより容易に変形するように形成してもよい。

【0075】

上記実施形態の場合、変形部に抵抗層を設け、抵抗層の変形によって生じる抵抗値の変化から梁の変形を検出することによりせん断力を計測する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、静電容量の変化、インダクタンスの変化、光の干渉などの方法で梁の変形を検出することとしてもよい。

【符号の説明】

【0076】

１：多軸触覚センサ
２：第１のセンサ素子（センサ素子）
２Ａ：触覚センサ
３：第２のセンサ素子（センサ素子）
６：基板
７：第１の梁（梁）
８：第２の梁（梁）
９：第１の抵抗層
１０：第２の抵抗層
１２：第１の導電層（導電層）
１３：第２の導電層（導電層）
３６：第１の検出部（第１の変形部）
３７：第２の検出部（第１の変形部）
３８：第３の検出部（第２の変形部）
３９：第４の検出部（第２の変形部）
４２：外装材
４３：充填部

【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】