特許 6160917 ＭＥＭＳ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】6160917

(24)【登録日】2017年6月23日

(45)【発行日】2017年7月12日

(54)【発明の名称】ＭＥＭＳセンサ

(51)【国際特許分類】

   G01D 21/02 20060101AFI20170703BHJP

   B81B 3/00 20060101ALI20170703BHJP

   G01L 1/18 20060101ALI20170703BHJP

   G01B 7/14 20060101ALI20170703BHJP

【ＦＩ】

   G01D21/02

   B81B3/00

   G01L1/18 A

   G01B7/14

【請求項の数】4

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2013-223626(P2013-223626)

(22)【出願日】2013年10月28日

(65)【公開番号】特開2015-87129(P2015-87129A)

(43)【公開日】2015年5月7日

【審査請求日】2016年7月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】304027279

【氏名又は名称】国立大学法人 新潟大学

(73)【特許権者】

【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】100185225

【弁理士】

【氏名又は名称】齋藤 恭一

(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】奥山 雅則

(72)【発明者】

【氏名】野間 春生

【審査官】 深田 高義

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−２０４０６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２９４１４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０２９３１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０３０３０１６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開昭６０−０６２４９６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｄ ２１／０２

Ｂ８１Ｂ ３／００

Ｇ０１Ｂ ７／１４

Ｇ０１Ｌ １／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

近接覚計測及び触覚計測用のＭＥＭＳセンサであって、
透光性弾性部材と、
前記透光性弾性部材に埋め込まれた少なくとも１つの検知素子と、
を有し、前記検知素子は、
半導体層上に絶縁層を介して設けられた２つの端子と、
前記半導体層に端部が接続され、前記透光性弾性部材に対する物体の接触に応じて変形するカンチレバーと、
前記カンチレバー上に設けられ、前記２つの端子に各端部が接続されたひずみゲージと、を備え、前記２つの端子間の直流抵抗の変化に基づき接触力を検知し、前記２つの端子間の交流インピーダンスの変化に基づき近接を検知することを特徴とするＭＥＭＳセンサ。

【請求項2】

前記検知素子を３つ有し、
前記３つの検知素子は各々異なる方向を向いていることを特徴とする、請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。

【請求項3】

前記透光性弾性部材は、高さ２ｍｍ以下で底面の直径が２ｍｍ以下の円柱形状であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のＭＥＭＳセンサ。

【請求項4】

前記交流インピーダンスを１ＭＨｚ以上の周波数で測定することを特徴とする、請求項１乃至３に記載のＭＥＭＳセンサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、近接覚計測及び触覚計測用のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）センサに関する。

【背景技術】

【0002】

介護支援ロボットや産業用ロボット等が外界から情報を認識するためには光や音、力などの多種多様なセンサが必要である。特にロボットハンドにより物体を把持する場合、接触・非接触の境界状態の情報取得は重要である。これまで接触時の情報取得のための触覚センサ、非接触時の情報取得のための近接覚センサがロボットハンド実装用として開発されている（例えば非特許文献１、２等）。物体の近接を検知する手法としては、光や超音波の反射を用いる方法等、様々な手法が用いられている。また、物体の接触力を計測する触覚センサとして抵抗や静電容量の変化を検出する方式等が提案されている。しかし、これらは近接検知用と触覚検知用とにそれぞれ異なる種類の複数の素子を組み合わせる必要があり、小型化や高密度な実装には不利であった。そこで触覚と近接覚の２つのセンサをハイブリッド化することにより、センサアレイの省配線化を実現した研究が報告されている（例えば非特許文献３、４等）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【非特許文献1】H. Hasegawa, Y. Mizoguchi, K. Tadakuma, A. Ming, M. Ishikawaand M. Shimojo,“Development of Intelligent Robot Hand using Proximity, Contact and Slip sensing”, IEEE Int. Conf. Robotics and Automation, 2010年, pp. 777-784

【非特許文献2】溝口善智・多田隈建二郎・長谷川浩章・明愛国・石川正俊・下条誠、「近接・触・すべり覚を統合したインテリジェントロボットハンドの開発」、計測自動制御学会論文集、2010年、Vol. 46, No. 10, pp. 632-640

【非特許文献3】S. Tsuji, A. Kimoto and E. Takahashi: “A Multifunction Tactile and Proximity Sensing Method by Optical and Electrical Simultaneous Measurement”, IEEE Trans. Instrum. Meas., 2012年, Vol.61, No. 12, pp. 3312-3317

【非特許文献4】S. Tsuji and T. Kohama: “An Array System of Proximity and Tactile Sensors by Simultaneous Measurement of Optical and Electrical Properties”, IEEJ Trans. Sens. Micromach., 2013年, Vol. 133, No. 3, pp. 66-71

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら当該センサは、２つのセンサを単に組み合わせたものであるため、近接覚計測と触覚計測のそれぞれの素子が17mm離れてしまっている。そして素子同士の距離が大きいため、近接覚と触覚を誤検知する可能性がある。また２つのセンサを組み合わせるため、センサ全体のサイズが大型化してしまい、小型化や高密度実装には不利であった。

【0005】

従って、上記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、近接覚計測及び触覚計測を単一のＭＥＭＳセンサで検出する技術を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために本発明に係るＭＥＭＳセンサは、
近接覚計測及び触覚計測用のＭＥＭＳセンサであって、
透光性弾性部材と、
前記透光性弾性部材に埋め込まれた少なくとも１つの検知素子と、
を有し、前記検知素子は、
半導体層上に絶縁層を介して設けられた２つの端子と、
前記半導体層に端部が接続され、前記透光性弾性部材に対する物体の接触に応じて変形するカンチレバーと、
前記カンチレバー上に設けられ、前記２つの端子に各端部が接続されたひずみゲージと、を備え、前記２つの端子間の直流抵抗の変化に基づき接触力を検知し、前記２つの端子間の交流インピーダンスの変化に基づき近接を検知することを特徴とする。

【0007】

また、本発明に係るＭＥＭＳセンサは、
前記検知素子を３つ有し、
前記３つの検知素子は各々異なる方向を向いていることを特徴とする。

【0008】

また、本発明に係るＭＥＭＳセンサは、
前記透光性弾性部材は、高さ２ｍｍ以下で底面の直径が２ｍｍ以下の円柱形状であることを特徴とする。

【0009】

また、本発明に係るＭＥＭＳセンサは、
前記交流インピーダンスを１ＭＨｚ以上の周波数で測定することを特徴とする。

【発明の効果】

【0010】

本発明におけるＭＥＭＳセンサによれば、近接覚計測及び触覚計測を単一のセンサで検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサの構造を示す図である。

【図2】本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサの写真である。

【図3】本発明の一実施形態に係る検知素子の構造を示す図である。

【図4】本発明の一実施形態に係る検知素子の断面図である。

【図5】本発明の一実施形態に係る検知素子の等価回路図である。

【図6】本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサのインピーダンスの周波数特性及びＣｏｌe−Ｃｏｌｅプロットである。

【図7】本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサの測定系及び実験結果である。

【図8】本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサによる形状スキャンに係る物体及びインピーダンス分布を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施の形態について説明する。

【0013】

（センサの構造）
図１は本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサの構造を示す図である。本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１は、センサチップ２と、厚膜の透光性弾性部材層３と、透光性弾性部材４と、少なくとも１つの検知素子５とを備える。図１では検知素子５を３つ備える構造を示しており、以下本実施の形態では、検知素子５が３つである場合について説明する。なお検知素子５は、各々異なる方向を向いていることを特徴とする。

【0014】

センサチップ２は、サイズが５×５ｍｍ^２であり、当該センサチップ２は厚膜の透光性弾性部材層３により覆われている。好適には当該透光性弾性部材層３の厚さは４０μｍである。また好適には透光性弾性部材層３は、透明のエラストマ（例えば、ポリジメチルシロキサン、ＰＤＭＳ）により構成する。

【0015】

透光性弾性部材４は透光性弾性部材層３上に設けられている。好適には図１に示すように透光性弾性部材４は円柱形状であり、高さ２ｍｍ以下で底面の直径が２ｍｍ以下である。好適には円の直径は１．６ｍｍであり、高さは１．５ｍｍである。また好適には透光性弾性部材４は、透明のエラストマ（ＰＤＭＳ）により構成する。なお、透光性弾性部材層３と透光性弾性部材４は、同一材料で一体的に形成されて良い。

【0016】

検知素子５は透光性弾性部材層３及び透光性弾性部材４に埋め込まれ、当該検知素子５により近接覚計測及び触覚計測を行う。なお、透光性弾性部材層３及び透光性弾性部材４は一体的に形成されるので、以下、単に、透光性弾性部材４に埋め込まれると表現する。図２は、本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサの写真である。

【0017】

図３に、検知素子５の構造を示す。検知素子５は、半導体基板５０と、第一絶縁層５１と、半導体層５２と、第二絶縁層５３と、端子５４Ａ及び端子５４Ｂと、カンチレバー５５と、ひずみゲージ５６と、応力層５７とを備える。検知素子５は、表面ＭＥＭＳプロセスにより作製する。

【0018】

半導体基板５０は、好適にはケイ素（Ｓｉ）により構成する。半導体基板５０上には第一絶縁層５１が設けられる。好適には第一絶縁層５１は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）により構成する。半導体層５２は第一絶縁層５１上に設けられる。好適には半導体層５２はケイ素（Ｓｉ）により構成する。半導体層５２上には第二絶縁層５３が設けられる。好適には第二絶縁層５３は、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）により構成する。端子５４Ａ及び端子５４Ｂは、第二絶縁層５３上に設けられる。すなわち端子５４Ａ及び端子５４Ｂは、半導体層５２上に第二絶縁層５３を介して設けられる。好適には端子５４Ａ及び端子５４Ｂは、金（Ａｕ）により構成する。

【0019】

カンチレバー５５は、半導体層５２にその端部が接続される。ここで透光性弾性部材４に物体が接触した場合、接触力により透光性弾性部材４が変形する。そして透光性弾性部材４が変形した場合、カンチレバー５５が変形する。すなわち、カンチレバー５５は、透光性弾性部材４に対する物体の接触に応じて変形する。カンチレバー５５にはひずみゲージ５６が設けられる。ひずみゲージ５６の端部は、それぞれ端子５４Ａ及び端子５４Ｂに接続される。好適にはひずみゲージ５６は、厚さ５０ｎｍのジグザグパターンのニクロム（ＮｉＣｒ）抵抗により構成する。またカンチレバー５５には応力層５７が成膜・パターニングされ、図３に示すように応力層５７により、カンチレバー５５が、半導体基板５０に対して上方向に傾斜される。好適には応力層５７は厚さ２００ｎｍのクロム（Ｃｒ）により構成する。

【0020】

（触覚の検知原理）
垂直圧力および剪断力（３軸力）がＭＥＭＳセンサ１の透光性弾性部材４に加わると、カンチレバー５５の変形によりひずみゲージ５６の抵抗値が変化する。すなわち端子５４Ａ及び端子５４Ｂ間の直流抵抗の変化に基づき接触力を検知することができる。ここで変形が微小である場合、抵抗変化ΔR/Rは、印加された３軸力F_i(i=x,y,z)の線形結合で表現することができる（数式（１））。

【数1】

【0021】

図１に示すように、検知素子５は、各々異なる方向を向いている。そのため各検知素子５のカンチレバー５５も、各々異なる方向を向いている。そのため予めそれぞれの方向に対する感度k_xを測定しておくことにより、各検知素子５のひずみゲージ５６の抵抗変化から３軸力の検出が可能となる。なお本実施の形態では、検知素子５が３つの場合を説明するが、仮に検知素子５が３つ未満の場合（例えば検知素子５が１つの場合）でも、所定方向の力の検出が可能となる。

【0022】

（近接覚の検知原理）
図４に検知素子５の断面構造を示す。図４は、図３の検知素子５を端子５４Ａ及び端子５４Ｂを通り、半導体基板５０に対して垂直な面で切った断面図である。物体がＭＥＭＳセンサ１に近接した場合、透光性弾性部材４を透過してＭＥＭＳセンサ１が受ける光強度が変化する。そして当該光強度の変化により、半導体層５２の抵抗値及び空乏層容量が半導体の光導電効果により変化する。図４では断面図上に等価回路を示している。半導体層５２、端子５４Ａ、及び第二絶縁層５３は、キャパシタ５３１、５３２を構成する。半導体層５２の抵抗値は可変抵抗５２１に相当する。半導体層５２の空乏層容量は各々可変キャパシタ５２２、５２３に相当する。そして光強度の変化による端子５４Ａ及び端子５４Ｂ間の交流インピーダンス変化を検出することにより、近接覚を検知する。一般に光源からの距離ｒ(ｍ)の地点における光の放射強度Ｉ(Ｗ/ｓｒ)は、数式（２）で表される。

【数2】

距離に対する光強度の変化は、触覚の場合とは異なり非線形であるため、検出したい距離範囲において、センサ出力をあらかじめ計測しておく。

【0023】

（触覚・近接覚情報の分離に係る原理）
図５に端子５４Ａ（端子Ａ）及び端子５４Ｂ（端子Ｂ）間の等価回路を示す。図５に示すように、ＡＢ間の等価回路は、直流特性を与えるひずみゲージ５６による可変抵抗５６１と、交流特性を与える半導体層５２の空乏層容量（可変キャパシタ５２２及び可変キャパシタ５２３）および可変抵抗５２１と、第二絶縁層５３に対応するキャパシタ５３１、５３２を含む回路の並列回路で表現される。

【0024】

近接覚計測及び触覚計測用のハイブリッド計測においては、第二絶縁層５３（キャパシタ５３１、５３２）が交流・直流のフィルタの役割を果たし、触覚計測と近接覚計測を切り替える。触覚計測の直流抵抗測定時には、第二絶縁層５３が絶縁層として振る舞うため、ひずみゲージ５６の抵抗変化のみを検出可能となる。一方、近接覚計測の交流インピーダンス測定時には、第二絶縁層５３がキャパシタとして振る舞う。端子ＡＢ間の交流インピーダンスは、ひずみゲージ５６の抵抗変化と、半導体層５２の特性変化の両方の影響を受けるが、前者は後者と比較して充分小さい変化である。よって、交流インピーダンスから触覚情報と独立して近接覚情報を検出可能である。

【0025】

（等価回路の妥当性評価）
図５で示した等価回路の妥当性を評価するため、端子ＡＢ間の交流インピーダンスの周波数依存性を測定した。ＬＣＲメータ（日置電機;３５３２−５０）を用いて測定した交流インピーダンスの周波数特性を図６（ａ）に示す。ここで、Sensor No.とはセンサチップ上の検知素子５の識別番号である。ZおよびZ_oは、それぞれ測定周波数における複素インピーダンス、および５０Ｈｚにおけるインピーダンス絶対値である。

【0026】

１０ｋＨｚ程度までの低周波数領域においてはインピーダンス絶対値は７ｋΩ程度であり、これはひずみゲージ５６の抵抗値と一致する。１０ｋＨｚ以上の高周波数領域ではインピーダンス絶対値は低下する。これは、第二絶縁層５３のリアクタンスが小さくなり、半導体層５２がひずみゲージ５６に対して並列に接続された回路となったためと考えられる。また、複素インピーダンスをベクトル表示したＣｏｌｅ-Ｃｏｌｅプロットを図６（ｂ）に示す。ベクトル軌跡は下半円に近く、また、インピーダンスに共振点が見られない。したがって、図５に示した等価回路は概ね妥当であるといえる。

【0027】

（触覚・近接覚計測に係るセンサ出力の評価（実験例１））
本実施の形態に係るＭＥＭＳセンサ１に関し、物体との接触および非接触時それぞれの場合におけるセンサ出力を評価した。図７（ａ）に実験例１の測定系を示す。当該測定系は暗室内に配置される。図７（ａ）に示すように、ＭＥＭＳセンサ１の傍に投光用のチップＬＥＤ６（エレキット;ＬＫ−１ＷＨ−６）を配置し、これと離れた位置に物体７（白色ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）板２０×２０ｍｍ²）を、一点鎖線８で繋いだ位置が鉛直方向に重なるように配置した。物体７上には操作用の押圧子７１を設けた。

【0028】

このように構成した測定系において、物体７とＭＥＭＳセンサ１の透光性弾性部材４間の距離を変化させ、デジタルマルチメータ（アドバンテスト;Ｒ６５８１）を用いて直流抵抗を測定し、またＬＣＲメータを用いて交流インピーダンスをそれぞれ測定した。図７（ｂ）に、接触時・非接触時それぞれの場合の、透光性弾性部材４と物体間の距離に対する直流抵抗及び交流インピーダンス（０．５〜２ＭＨｚ）の変化を測定した結果を示す。なお距離０ｍｍにおける直流抵抗及びインピーダンスを基準とした。

【0029】

図７（ｂ）に示すように、ＭＥＭＳセンサ１と物体７間の距離が０ｍｍより大きい領域、すなわち非接触時は、カンチレバー５５が変形しないため直流抵抗がほとんど変化しない。そのため交流インピーダンスのみが、数式(２)に対応した非線形な変化を示す。

【0030】

一方、ＭＥＭＳセンサ１と物体７間の距離が０ｍｍ未満の領域、すなわち接触後はカンチレバー５５の変形により直流抵抗が数式(１)に対応した線形に近い変化を示す。接触後の距離の変位は微小であるため交流インピーダンスの変化は小さい。なお横軸の距離が負の領域は、物体７がＭＥＭＳセンサ１に押し込まれていることを示している。

【0031】

以上の結果から、本手法により、物体接触後の触覚情報と接触前の物体近接時の距離情報を単一のＭＥＭＳセンサ１で検出可能であることが示された。

【0032】

なお測定した周波数範囲において、周波数が高いほど近接覚計測の感度が高い結果となっている。これは、高周波数になると第二絶縁層５３のリアクタンスが小さくなり、半導体層５２の特性変化が見えやすくなることに起因すると考えられる。好適には本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１では、１ＭＨｚ以上の周波数で交流インピーダンスを測定することが好ましいといえる。

【0033】

（近接覚計測に係る評価（実験例２））
実験例１ではＭＥＭＳセンサ１に対して垂直な方向の特性を評価した。実験例２ではＭＥＭＳセンサ１に対して水平方向の特性を評価するために、物体表面付近でＭＥＭＳセンサ１を水平スキャンすることによる物体形状の検出を試みた。

【0034】

実験例２では、図７に示した測定系においてＰＴＦＥ板を取り外し、図８(a)に示す同心円筒形状の物体９を、空洞部分の片面を白色の厚紙により覆ったのち、その反対の面がＭＥＭＳセンサ１と向かい合うように取り付けた。ＭＥＭＳセンサ１の透光性弾性部材４と物体の底面間の距離を１ｃｍに固定し、図７(a)に示すx及びy方向にＭＥＭＳセンサ１とＬＥＤ６を動かし、２．５ｍｍ間隔で二次元スキャンした。

【0035】

図８（ｂ）に、センサが各座標に位置するときの交流インピーダンス（１ＭＨｚ）を測定した結果を示す。なお、原点における交流インピーダンスを基準としている。図８(ｃ)は、図８(ｂ)においてy座標が３７．５ｍｍの部分を抽出したものである。図８中の破線は、透光性弾性部材４の中心部分が物体の縁の直下に位置する座標を示しており、同心円筒形状に対応していることがわかる。

【0036】

このように本実施の形態に係るＭＥＭＳセンサ１によれば、直流抵抗の測定により触覚情報を、交流インピーダンスの測定により近接覚情報をそれぞれ別個に検出できるため、近接覚計測及び触覚計測を単一のセンサで検出することができる。

【0037】

また本実施の形態に係るＭＥＭＳセンサ１によれば、検知素子５を各々異なる方向を向いているように設けているため、各検知素子５のひずみゲージ５６の抵抗変化から３軸力の検出が可能となる。

【0038】

また本実施の形態に係るＭＥＭＳセンサ１は、透光性弾性部材４が高さ２ｍｍ以下で底面の直径が２ｍｍ以下の円柱形状としている。そのため３軸力の検出を精度よく行うことを可能とし、またセンサのサイズが極めて小さいため、近接覚と触覚を誤検知する可能性を低減することができる。

【0039】

また本実施の形態に係るＭＥＭＳセンサ１は、１ＭＨｚ以上の周波数で交流インピーダンスを測定することで、近接覚に係る交流インピーダンス変化量を十分確保し、近接覚の精度を向上させることができる。

【0040】

本発明を諸図面や実施例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や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、これらの変形や修正は本発明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】

【0041】

１ ＭＥＭＳセンサ
２ センサチップ
３ 透光性弾性部材層
４ 透光性弾性部材
５ 検知素子
６ ＬＥＤ
７、９ 物体
８ 一点鎖線
５０ 半導体基板
５１ 第一絶縁層
５２ 半導体層
５３ 第二絶縁層
５４Ａ、５４Ｂ 端子
５５ カンチレバー
５６ ひずみゲージ
５７ 応力層
７１ 押圧子
５２１ 可変抵抗
５２２、５２３ 可変キャパシタ
５３１、５３２ キャパシタ
５６１ 可変抵抗

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】