特開 2024-67194 皮膚感覚センサ

(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】P2024067194

(43)【公開日】2024-05-17

(54)【発明の名称】皮膚感覚センサ

(51)【国際特許分類】

   G01L 5/162 20200101AFI20240510BHJP

   G01L 5/165 20200101ALI20240510BHJP

【ＦＩ】

G01L5/162

G01L5/165

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022177070

(22)【出願日】2022-11-04

【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、戦略的創造研究推進事業（ＣＲＥＳＴ）、「適応型マルチフィジックス触覚技術と価値評価」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】304028346

【氏名又は名称】国立大学法人 香川大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001704

【氏名又は名称】弁理士法人山内特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】高尾 英邦

【テーマコード（参考）】

2F051

【Ｆターム（参考）】

2F051AB06

2F051AB10

2F051BA07

2F051DA02

(57)【要約】

【課題】触覚に加えて温度覚を検知できる皮膚感覚センサを提供する。
【解決手段】皮膚感覚センサＡＡは、フレーム１０と、接触子２０と、接触子２０をフレーム１０に対して変位可能に支持する支持体３０と、接触子２０の変位を検出する変位検出器４０と、接触子２０を加温するヒータ５１と、接触子２０の先端部に設けられた先端温度センサ５２とを有する。皮膚感覚センサＡＡを測定対象物に押し当てながら掃引したときの接触子２０の変位から測定対象物表面の微細な凹凸および微小領域の摩擦力を検知できる。接触子２０と測定対象物との間に生じる熱流束を検知することで温度覚を再現できる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

フレームと、
測定対象物と接触する先端を有する接触子と、
前記接触子を前記フレームに対して変位可能に支持する支持体と、
前記接触子の前記フレームに対する変位を検出する変位検出器と、
前記接触子を加温するヒータと、
前記接触子の先端部に設けられた先端温度センサと、を備える
ことを特徴とする皮膚感覚センサ。

【請求項2】

前記ヒータは、前記接触子内の位置であって前記先端温度センサよりも前記先端から離れた位置に配置されている
ことを特徴とする請求項１記載の皮膚感覚センサ。

【請求項3】

前記接触子内の位置であって前記先端温度センサよりも前記先端から離れた位置に配置された基準温度センサをさらに備える
ことを特徴とする請求項１記載の皮膚感覚センサ。

【請求項4】

前記接触子の前記先端からの距離が異なる複数の位置に配置された複数の前記基準温度センサを備える
ことを特徴とする請求項３記載の皮膚感覚センサ。

【請求項5】

平行に並べられた複数の前記接触子を備え、
前記複数の接触子ごとに、前記先端温度センサと前記ヒータとの距離が異なる
ことを特徴とする請求項２記載の皮膚感覚センサ。

【請求項6】

平行に並べられた複数の前記接触子を備え、
前記複数の接触子ごとに、前記先端温度センサと前記基準温度センサとの距離が異なる
ことを特徴とする請求項３記載の皮膚感覚センサ。

【請求項7】

前記測定対象物の温度を測定する対象物温度センサをさらに備える
ことを特徴とする請求項１記載の皮膚感覚センサ。

【請求項8】

気温を測定する気温センサをさらに備える
ことを特徴とする請求項１記載の皮膚感覚センサ。

【請求項9】

前記フレームは、前記測定対象物と接触する基準面を有する基準部を有し、
前記基準部には、該基準部の歪を測定する基準部歪センサが設けられている
ことを特徴とする請求項１～８のいずれかに記載の皮膚感覚センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、皮膚感覚センサに関する。さらに詳しくは、本発明は、人間の皮膚で起こる感覚（皮膚感覚）を工学的に模した皮膚感覚センサに関する。

【背景技術】

【0002】

人間の触覚を工学的に模した触覚センサとして種々のものが開発されている。例えば、特許文献１には微小な接触子を有する触覚センサが開示されている。触覚センサを測定対象物に押し当てながら掃引し、接触子の変位を検出することで、測定対象物表面の微細な凹凸および微小領域の摩擦力を検知できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２０－２０４５２７号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

人間の皮膚で起こる感覚、すなわち皮膚感覚は、触覚、圧覚、振動覚、温覚、冷覚および痛覚の６つに分けられる。また、温覚と冷覚とを合わせて温度覚と称される。人間はこれらの感覚を総合して対象物を評価していると考えられる。例えば、皮膚感覚により木材と金属とを見分ける場合、ザラザラ感、すべすべ感などの触覚だけでなく、温もり、冷たさなどの温度覚も合わせて判断していると考えられる。しかし、特許文献１の触覚センサは、皮膚感覚のうち触覚を検知する機能を有するが、温度覚を検知する機能を有しない。

【0005】

本発明は上記事情に鑑み、触覚に加えて温度覚を検知できる皮膚感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】

【0006】

第１態様の皮膚感覚センサは、フレームと、測定対象物と接触する先端を有する接触子と、前記接触子を前記フレームに対して変位可能に支持する支持体と、前記接触子の前記フレームに対する変位を検出する変位検出器と、前記接触子を加温するヒータと、前記接触子の先端部に設けられた先端温度センサと、を備えることを特徴とする。
第２態様の皮膚感覚センサは、第１態様において、前記ヒータは、前記接触子内の位置であって前記先端温度センサよりも前記先端から離れた位置に配置されていることを特徴とする。
第３態様の皮膚感覚センサは、第１または第２態様において、前記接触子内の位置であって前記先端温度センサよりも前記先端から離れた位置に配置された基準温度センサをさらに備えることを特徴とする。
第４態様の皮膚感覚センサは、第３態様において、前記接触子の前記先端からの距離が異なる複数の位置に配置された複数の前記基準温度センサを備えることを特徴とする。
第５態様の皮膚感覚センサは、第２態様において、平行に並べられた複数の前記接触子を備え、前記複数の接触子ごとに、前記先端温度センサと前記ヒータとの距離が異なることを特徴とする。
第６態様の皮膚感覚センサは、第３態様において、平行に並べられた複数の前記接触子を備え、前記複数の接触子ごとに、前記先端温度センサと前記基準温度センサとの距離が異なることを特徴とする。
第７態様の皮膚感覚センサは、第１～第６態様のいずれかにおいて、前記測定対象物の温度を測定する対象物温度センサをさらに備えることを特徴とする。
第８態様の皮膚感覚センサは、第１～第７態様のいずれかにおいて、気温を測定する気温センサをさらに備えることを特徴とする。
第９態様の皮膚感覚センサは、第１～第８態様のいずれかにおいて、前記フレームは、前記測定対象物と接触する基準面を有する基準部を有し、前記基準部には、該基準部の歪を測定する基準部歪センサが設けられていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

第１態様によれば、皮膚感覚センサを測定対象物に押し当てながら掃引したときの接触子の変位から測定対象物表面の微細な凹凸および微小領域の摩擦力を検知でき触覚を再現できる。また、接触子と測定対象物との間に生じる熱流束を検知することで温度覚を再現できる。
第２態様によれば、ヒータ温度と先端温度との差分から熱流束を検知できる。また、ヒータが接触子に配置されているので、ヒータの熱がフレームに流出しにくく、熱の流れを接触子と測定対象物との間に限定できるため、熱流束を精度良く検知できる。
第３態様によれば、基準温度と先端温度との差分から熱流束を検知できる。接触子内の２点の温度を直接測定することから、熱流束を精度良く検知できる。
第４態様によれば、接触子に先端からの距離が異なる複数の基準温度センサが設けられているので、複数の熱抵抗による熱流束の検知を同時に行える。測定対象物との関係で適した熱抵抗を選択することで、熱流束を精度良く検知できる。
第５態様によれば、接触子ごとに先端温度センサとヒータとの距離が異なるので、複数の熱抵抗による熱流束の検知を同時に行える。測定対象物との関係で適した熱抵抗を選択することで、熱流束を精度良く検知できる。
第６態様によれば、接触子ごとに先端温度センサと基準温度センサとの距離が異なるので、複数の熱抵抗による熱流束の検知を同時に行える。測定対象物との関係で適した熱抵抗を選択することで、熱流束を精度良く検知できる。
第７態様によれば、熱流束に加えて測定対象物の温度を検知することで、温度覚を多面的に評価できる。また、測定対象物の温度変化による熱流束の変化を知ることができ、補正により温度変化の影響を取り除いた熱流束を求めることができる。
第８態様によれば、気温センサによって雰囲気温度を測定し、熱流束を雰囲気温度で補正すれば、精度の良い熱流束が得られる。
第９態様によれば、皮膚感覚センサを測定対象物に押し当てたときの基準部の歪量から皮膚感覚センサが測定対象物から受ける圧力を検知でき圧覚を再現できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１実施形態に係る皮膚感覚センサの平面図である。

【図2】図（Ａ）は支持体の横梁に歪がない場合の第１、第２歪検出素子の説明図である。図（Ｂ）は支持体の横梁に歪がある場合の第１、第２歪検出素子の説明図である。

【図3】歪検出回路の回路図である。

【図4】図（Ａ）は支持体の縦梁に歪がない場合の第３、第４歪検出素子の説明図である。図（Ｂ）は支持体の縦梁に歪がある場合の第３、第４歪検出素子の説明図である。

【図5】皮膚感覚センサによる触覚測定方法の説明図である。

【図6】触覚センサから得られる各種信号を例示するグラフである。

【図7】接触子および測定対象物の熱等価回路図である。

【図8】第２実施形態に係る皮膚感覚センサの平面図である。

【図9】第３実施形態に係る皮膚感覚センサの平面図である。

【図10】第４実施形態に係る皮膚感覚センサの平面図である。

【図11】図（Ａ）は皮膚感覚センサを柔らかい測定対象物に押し当てた状態の説明図である。図（Ｂ）は皮膚感覚センサを硬い測定対象物に押し当てた状態の説明図である。

【図12】第５実施形態に係る皮膚感覚センサの平面図である。

【図13】第６実施形態に係る皮膚感覚センサの平面図である。

【図14】図（Ａ）は基準面に外力が作用していない状態の説明図である。図（Ｂ）は基準面に外力が作用している状態の説明図である。

【図15】制作した皮膚感覚センサの写真である。

【図16】図（Ａ）は銅板の測定結果を示すグラフである。図（Ｂ）は肌着生地の測定結果を示すグラフである。

【図17】皮膚感覚センサで得られた温度勾配と試料の保温性との関係を示すグラフである。

【図18】銅板と肌着生地とを繋ぎ合わせた試料の測定結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
〔第１実施形態〕
図１に示すように、本発明の第１実施形態に係る皮膚感覚センサＡＡは半導体基板を半導体マイクロマシニング技術により加工して形成したものである。半導体基板を所定のパターンでエッチングして不要部分を除去することで皮膚感覚センサＡＡの機械構造が形成されている。したがって、皮膚感覚センサＡＡは全体として平板状である。皮膚感覚センサＡＡの全体的な寸法は特に限定されないが、例えば１～２０ｍｍ四方である。

【0010】

皮膚感覚センサＡＡはその一側面を測定対象物からの力を受けるセンシング面としている。本実施形態では、皮膚感覚センサＡＡの側面のうち図１における上側の側面をセンシング面としている。

【0011】

皮膚感覚センサＡＡは略矩形のフレーム１０を有する。フレーム１０の中央部分には空間部１１が形成されている。フレーム１０のうち、センシング面側の棒状部分を基準部１２とする。基準部１２の中央には開口１３が形成されている。空間部１１は開口１３を介してフレーム１０の外部と連通している。

【0012】

基準部１２の側面のうちセンシング面の一部を構成する側面を基準面１４と称する。基準面１４は開口１３により２つに分割されている。一方の基準面１４は他方の基準面１４を延長した面内に配置されている。

【0013】

以下、基準面１４を基準としてｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を定義する。ｘ軸およびｚ軸は基準面１４と平行な軸である。ｚ軸はｘ軸に対して垂直である。ｘ軸は皮膚感覚センサＡＡの幅方向に沿っており、ｚ軸は皮膚感覚センサＡＡの厚さ方向に沿っている。ｙ軸は基準面１４に対して垂直な軸である。ｘ－ｙ平面は平板状の皮膚感覚センサＡＡが有する表裏の主面と平行である。ｘ－ｚ平面は基準面１４と平行である。ｘ軸に沿った方向をｘ軸方向、ｙ軸に沿った方向をｙ軸方向、ｚ軸に沿った方向をｚ軸方向と称する。

【0014】

フレーム１０の開口１３には接触子２０が配置されている。すなわち、接触子２０は２つの基準部１２、１２の間に配置されている。接触子２０は棒状の部材であり、その中心軸がｙ軸に沿って配置されている。接触子２０の一方の端を「先端」、他方の端を「基端」と称する。接触子２０の基端は空間部１１に配置されている。

【0015】

接触子２０の先端を基準面１４から外方に突出させることが好ましい。接触子２０の先端面（先端部の側面）はセンシング面の一部を構成する。接触子２０の先端部の形状は特に限定されないが、半円形または扇形とすればよい。

【0016】

人間の触覚に近い検知を実現するという観点からは、接触子２０の先端部は指紋を構成する隆線の断面と同様の形状、寸法を有することが好ましい。具体的には、接触子２０の先端部を半円形とし、その直径を１００～５００μｍとすることが好ましい。

【0017】

フレーム１０の空間部１１には支持体３０が配置されている。支持体３０は接触子２０をフレーム１０に対して支持する。支持体３０は、一または複数の横梁３１と、一または複数の縦梁３２と、接続部３３とからなる。横梁３１は接触子２０と接続部３３との間に架け渡されている。縦梁３２は接続部３３とフレーム１０との間に架け渡されている。

【0018】

横梁３１は弾性を有しており、板ばねと同様の性質を有する。また、横梁３１はｘ軸に沿って配置されている。したがって、横梁３１は接触子２０のｙ軸方向の変位を許容する。縦梁３２は弾性を有しており、板ばねと同様の性質を有する。また、縦梁３２はｙ軸に沿って配置されている。したがって、縦梁３２は接触子２０のｘ軸方向の変位を許容する。すなわち、接触子２０はフレーム１０（基準面１４）に対してｘ軸方向およびｙ軸方向に変位可能に支持されている。

【0019】

支持体３０を構成する横梁３１および縦梁３２の本数および寸法（長さ、幅）は特に限定されない。支持体３０として必要な弾性が得られるように、横梁３１および縦梁３２の本数および寸法を設定すればよい。なお、支持体３０は、所望の弾性を得られればよく、梁以外の部材で構成してもよい。

【0020】

支持体３０は接触子２０がｘ軸方向およびｙ軸方向のいずれか一方に変位する構成でもよい。後述のごとく、接触子２０のｘ軸方向の変位から測定対象物表面の微小領域の摩擦力を検知し、ｙ軸方向の変位から測定対象物表面の微細な凹凸を検知する。測定対象物表面の微小領域の摩擦力を検知するには、接触子２０がｘ軸方向のみに変位可能であってもよい。また、測定対象物表面の微細な凹凸を検知するには、接触子２０がｙ軸方向のみに変位可能であってもよい。

【0021】

皮膚感覚センサＡＡのセンシング面に法線力（ｙ軸方向の力）が作用すると、接触子２０がｙ軸方向に変位する。また、皮膚感覚センサＡＡのセンシング面に接線力（ｘ軸方向の力）が作用すると、接触子２０がｘ軸方向に変位する。このような接触子２０の変位を検出するために変位検出器４０が設けられている。変位検出器４０により接触子２０のフレーム１０（基準面１４）に対する変位を検出できる。

【0022】

変位検出器４０は支持体３０に設けられている。変位検出器４０は、接触子２０のｙ軸方向の変位を検出する縦変位検出器４１と、接触子２０のｘ軸方向の変位を検出する横変位検出器４２とからなる。

【0023】

図２（Ａ）に示すように、縦変位検出器４１は横梁３１の歪を検出する第１、第２歪検出素子４３、４４からなる。第１、第２歪検出素子４３、４４としてピエゾ抵抗素子を用いることができる。ピエゾ抵抗素子は不純物拡散、イオン注入などの集積回路製造工程、金属配線形成技術などによって半導体基板の表面に形成できる。

【0024】

支持体３０を構成する複数の横梁３１のうち一の横梁３１の表面には第１歪検出素子４３が形成されている。また、他の一の横梁３１の表面には第２歪検出素子４４が形成されている。第１、第２歪検出素子４３、４４は、それぞれ階段状に形成されており、横梁３１の一端から中央までは一方の側部に沿い、中央から他端までは他方の側部に沿う形状を有している。また、一方の横梁３１に形成された第１歪検出素子４３と、他方の横梁３１に形成された第２歪検出素子４４とは、それぞれ線対称となる形状を有する。

【0025】

なお、支持体３０を構成する横梁３１が一本の場合は、横梁３１の一方の側部に沿って直線状の第１歪検出素子４３を配置し、他方の側部に沿って直線状の第２歪検出素子４４を配置すればよい。

【0026】

図２（Ｂ）に示すように、接触子２０がｙ軸方向に変位すると、横梁３１に歪が生じる。この際、第１、第２歪検出素子４３、４４が正のピエゾ抵抗係数を示す材料であれば、第１歪検出素子４３は引張応力により抵抗が大きくなり、第２歪検出素子４４は圧縮応力により抵抗が小さくなる。接触子２０の変位方向が逆になると、第１歪検出素子４３は圧縮応力により抵抗が小さくなり、第２歪検出素子４４は引張応力により抵抗が大きくなる。

【0027】

図３に示すように、皮膚感覚センサＡＡの表面には横梁３１の歪を検出する歪検出回路（図１および図２においては図示せず）が形成されている。歪検出回路は、第１、第２歪検出素子４３、４４を直列に接続して両端に電圧Ｖddをかけ、第１歪検出素子４３と第２歪検出素子４４との間の電圧Ｖoutを読み取る回路である。電圧Ｖoutは第１、第２歪検出素子４３、４４の差動により変化する。電圧Ｖoutを読み取ることで横梁３１の歪量を検出できる。これにより、縦変位検出器４１で接触子２０の基準面１４に対するｙ軸方向の変位を検出できる。

【0028】

図４（Ａ）に示すように、横変位検出器４２は縦梁３２の歪を検出する第３、第４歪検出素子４５、４６からなる。第３、第４歪検出素子４５、４６としてピエゾ抵抗素子を用いることができる。

【0029】

支持体３０を構成する複数の縦梁３２のうち一の縦梁３２の表面には第３歪検出素子４５が形成されている。また、他の一の縦梁３２の表面には第４歪検出素子４６が形成されている。第３、第４歪検出素子４５、４６は対称な階段状に形成されている。

【0030】

なお、支持体３０を構成する縦梁３２が一本の場合は、縦梁３２の一方の側部に沿って直線状の第３歪検出素子４５を配置し、他方の側部に沿って直線状の第４歪検出素子４６を配置すればよい。

【0031】

図４（Ｂ）に示すように、接触子２０がｘ軸方向に変位すると、縦梁３２に歪が生じる。この際、第３、第４歪検出素子４５、４６が正のピエゾ抵抗係数を示す材料であれば、第３歪検出素子４５は引張応力により抵抗が大きくなり、第４歪検出素子４６は圧縮応力により抵抗が小さくなる。接触子２０Ａの変位方向が逆になると、第３歪検出素子４５は圧縮応力により抵抗が小さくなり、第４歪検出素子４６は引張応力により抵抗が大きくなる。

【0032】

皮膚感覚センサＡＡの表面には縦梁３２の歪を検出する歪検出回路（図１および図４においては図示せず）が形成されている。その回路は図３に示す回路において、第１歪検出素子４３を第３歪検出素子４５に、第２歪検出素子４４を第４歪検出素子４６に置き換えたものである。歪検出回路で縦梁３２の歪量を検出する。これにより、横変位検出器４２で接触子２０Ａの基準面１４に対するｘ軸方向の変位を検出できる。

【0033】

なお、変位検出器４０はピエゾ抵抗素子に限定されない。接触子２０の変位により接触子２０とフレーム１０との距離が変化する。これを利用して、変位検出器４０を接触子２０とフレーム１０との間の静電容量を検出する構成としてもよい。

【0034】

変位検出器４０は接触子２０のｘ軸方向およびｙ軸方向のいずれか一方の変位を検知する構成でもよい。後述のごとく、接触子２０のｘ軸方向の変位から測定対象物表面の微小領域の摩擦力を検知し、ｙ軸方向の変位から測定対象物表面の微細な凹凸を検知する。測定対象物表面の微小領域の摩擦力を検知するには、接触子２０のｘ軸方向の変位のみを検知できる構成でもよい。また、測定対象物表面の微細な凹凸を検知するには、接触子２０のｙ軸方向の変位のみを検知できる構成でもよい。

【0035】

図１に示すように、接触子２０にはヒータ５１が設けられている。ヒータ５１として、例えば、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｃｒ、ＮｉＣｒ、またはＩＴＯ（インジウムスズ酸化材料）などの薄膜をスパッタ法、蒸着法などにより形成し、細い糸状に加工したマイクロヒータを用いることができる。また、ヒータ５１として、酸化拡散炉を用いて形成したｐｎ接合ダイオードを用いてもよい。ヒータ５１に電流を流すことで、熱を発することができる。

【0036】

後述のごとく、本実施形態の皮膚感覚センサＡＡは、接触子２０と測定対象物との間に生じる熱流束を検知することで温度覚を再現する。ヒータ５１は熱流束を生じさせる熱源である。ヒータ５１は人間の指先の体温を再現するものともいえる。したがって、ヒータ５１は接触子２０を加温できればよく、その位置は接触子２０に限定されない。もちろん、ヒータ５１を接触子２０に設けて接触子２０を直接加温してもよい。これに代えて、ヒータ５１をフレーム１０など接触子２０以外の部分に設けて、熱伝導を利用して接触子２０を間接的に加温してもよい。

【0037】

接触子２０の先端部には先端温度センサ５２が設けられている。先端温度センサ５２は、温度を測定する機能を有しており、接触子２０の先端部に配設できる大きさのものであれば、特に限定されない。先端温度センサ５２として、ｐｎ接合ダイオード、測温抵抗体、熱電対などを採用できる。

【0038】

ｐｎ接合ダイオードは酸化拡散炉を用いて半導体基板上に形成できる。ダイオードの順方向特性は温度によって変化し、ダイオードに一定の電流を流すと温度変化に伴って電圧が変化することが知られている。定電流源でｐｎ接合ダイオードに順方向に定電流を供給し、電圧計で陽極－陰極間の電圧を測定する。電圧計で測定した電圧から、温度を算出できる。

【0039】

測温抵抗体は、例えば、スパッタ法、蒸着法などにより半導体基板上にＡｕなどの測温抵抗体として適した金属の薄膜を堆積させることにより形成される。測温抵抗体は温度の上昇とともに電気抵抗が増加する。測温抵抗体の２つの電極間には定電流源が接続される。定電流源で測温抵抗体に定電流を供給し、電圧計で電圧を測定する。電圧計で測定した電圧から、温度を算出できる。

【0040】

先端温度センサ５２およびヒータ５１は、接触子２０の先端から基端に向かってこの順に配置される。換言すれば、ヒータ５１は、接触子２０内の位置であって先端温度センサ５２よりも先端から離れた位置に配置されている。

【0041】

皮膚感覚センサＡＡは、例えば、以下の手順でＳＯＩ基板を加工することにより製造できる。ここで、ＳＯＩ基板は、支持基板（シリコン）、酸化膜層（二酸化ケイ素）、活性層（シリコン）の３層構造を有しており、その厚さは例えば３００μｍである。

【0042】

まず、基板を洗浄し、酸化処理を行い、表面酸化膜を形成する。つぎに、表面酸化膜を加工して回路部となる拡散層パターンを形成し、リン拡散を行う。つぎに、リンのイオン注入および熱アニールによりピエゾ抵抗素子を形成する。つぎに、基板の裏面にクロム薄膜をスパッタリングし、可動構造部（接触子２０および支持体３０）をリリースするパターンにクロム薄膜を加工する。つぎに、表面酸化膜を除去し、ＩＣＰ－ＲＩＥでエッチングして可動構造部を形成する。形成した可動構造部の周辺にレジストを充填して保護した後に、裏面をＩＣＰ－ＲＩＥでエッチングする。最後に、中間酸化膜とレジストを除去して可動構造部をリリースする。

【0043】

なお、皮膚感覚センサＡＡの製造方法は半導体マイクロマシニング技術に限定されない。例えば、皮膚感覚センサＡＡの全体または一部を３次元プリンタによる造形技術により形成してもよい。

【0044】

つぎに、皮膚感覚センサＡＡを用いた測定方法を説明する。
皮膚感覚センサＡＡを用いて測定を行う際には、皮膚感覚センサＡＡのセンシング面を測定対象物に押し当てながら掃引する。そうすると、接触子２０がｘ軸方向およびｙ軸方向に変位する。その変位に基づき測定対象物の表面形状、摩擦力などを測定できる。以下、その原理を説明する。

【0045】

図５に示すように、皮膚感覚センサＡＡのセンシング面を測定対象物Ｏに押し当てると、基準面１４は測定対象物Ｏの表面の凹凸のピークを結んだ平面に配置される。また、接触子２０の先端は測定対象物Ｏと接触する。接触子２０は皮膚感覚センサＡＡの押し当て力の反力により押し込まれ、ｙ軸方向に変位する。

【0046】

皮膚感覚センサＡＡのセンシング面を測定対象物Ｏに押し当てたまま、測定対象物Ｏの表面に沿って掃引する。なお、掃引はｘ軸方向に行われる。したがって、ｘ軸方向を掃引方向ともいう。皮膚感覚センサＡＡを掃引すると、接触子２０は測定対象物Ｏの表面の凹凸に沿ってｙ軸方向に変位する。また、接触子２０は先端部と測定対象物Ｏとの間に働く摩擦力によりｘ軸方向に変位する。

【0047】

図６に上記操作により皮膚感覚センサＡＡから得られる各種信号の例を示す。
（１）のグラフは横軸が時間、縦軸が縦変位検出器４１により検出された接触子２０のｙ軸方向の変位である。皮膚感覚センサＡＡを測定対象物Ｏの表面に沿って一定の速度で掃引した場合には、横軸は測定対象物Ｏの表面の位置座標と同義である。接触子２０のｙ軸方向の変位は測定対象物Ｏの表面の凹凸量を意味する。したがって、（１）のグラフは測定対象物Ｏの表面形状（空間波形）を再現したものである。

【0048】

（２）のグラフは横軸が時間、縦軸が横変位検出器４２により検出された接触子２０のｘ軸方向の変位である。接触子２０のｘ軸方向の変位は接触子２０と測定対象物Ｏとの間に働く摩擦力を意味する。ここで、接触子２０の測定対象物Ｏとの接触面積は小さいので、接触子２０のｘ軸方向の変位は微小領域の摩擦力を意味する。

【0049】

接触子２０のｘ軸方向およびｙ軸方向の変位から測定対象物Ｏの表面の微小領域の動摩擦係数μを求めることができる。横梁３１の弾性率は既知であるため、接触子２０のｙ軸方向の変位から接触子２０にかかる垂直荷重ｆ_ｙを算出できる。また、縦梁３２の弾性率は既知であるため、接触子２０のｘ軸方向の変位から接触子２０にかかる摩擦力ｆ_ｘを算出できる。下記の式（１）に従い、垂直荷重ｆ_ｙおよび摩擦力ｆ_ｘから測定対象物Ｏの表面の微小領域の動摩擦係数μを算出できる。

【数1】

【0050】

以上のように、接触子２０のｘ軸方向およびｙ軸方向の変位を測定することで、測定対象物Ｏの表面の微細な特性、すなわち微細な凹凸および微小領域の摩擦力を検知できる。また、これにより人間の触覚を再現できる。

【0051】

皮膚感覚センサＡＡのセンシング面を測定対象物Ｏに押し当てることで、接触子２０と測定対象物Ｏとの間の熱流束を測定できる。

【0052】

図７は、互いに接触した接触子２０および測定対象物Ｏの熱等価回路である。ヒータ５１の温度（ヒータ温度）をＴ_ｈ、接触子２０先端の温度（先端温度）をＴ_ｔ、ヒータ５１と接触子２０先端との間の熱抵抗をＲ_ｃ、測定対象物Ｏの熱抵抗をＲ_ｏ、ヒータ５１から接触子２０先端に向かって流れる熱流束をｑ_ｃ、測定対象物Ｏ内を流れる熱流束をｑ_ｏとする。ヒータ５１から接触子２０先端に向かって流れる熱流束ｑ_ｃは、式（２）で表される。

【数2】

【0053】

ヒータ５１と接触子２０先端との間の熱抵抗Ｒ_ｃは式（３）で表される。ここで、Ｌはヒータ５１と接触子２０先端との間の長さである。λは接触子２０の熱伝導率である。Ｌおよびλは既知の値であるから、熱抵抗Ｒ_ｃも既知の値である。

【数3】

【0054】

ヒータ温度Ｔ_ｈは、接触子２０と測定対象物Ｏとが接触していない状態で、ヒータ５１の熱が接触子２０の先端まで行き渡り、温度が均一になったときの先端温度センサ５２の測定値から得られる。また、ヒータ温度Ｔ_ｈを間接的に求めてもよい。前述のごとく、ヒータ５１としてマイクロヒータ、ｐｎ接合ダイオードなどを用いることができる。マイクロヒータは電気抵抗が温度に依存する。マイクロヒータの電気抵抗はマイクロヒータに供給する電流および電圧から求めることができる。したがって、マイクロヒータの温度は電流および電圧から求めることができる。また、ｐｎ接合ダイオードの順方向特性は温度によって変化する。したがって、ｐｎ接合ダイオードの温度は、ｐｎ接合ダイオードに供給する電流および電圧から求めることができる。

【0055】

先端温度Ｔ_ｔは、接触子２０と測定対象物Ｏとが接触した状態における先端温度センサ５２の測定値から得られる。

【0056】

ヒータ温度Ｔ_ｈおよび先端温度Ｔ_ｔが得られれば、式（２）に基づき、それらの差分から熱流束ｑ_ｃを検知できる。

【0057】

人間は対象物との間に生じる熱流束により温度覚を知覚していることが知られている。例えば、対象物の温度が同じである場合、熱伝導率が高い金属は冷たく感じられ、熱伝導率が低い木材は温かく感じられる。本実施形態の皮膚感覚センサＡＡは、接触子２０と測定対象物Ｏとの間に生じる熱流束ｑ_ｃを検知することで、このような温度覚を再現する。

【0058】

本実施形態の皮膚感覚センサＡＡは、ヒータ５１が接触子２０に配置されている。また、接触子２０とフレーム１０との間には梁構造の支持体３０が介在している。梁構造の支持体３０は熱抵抗が高いため、ヒータ５１の熱が接触子２０からフレーム１０に流出しにくい。ヒータ５１で生じた熱の流れを接触子２０と測定対象物Ｏとの間に限定できるため、熱流束ｑ_ｃを精度良く検知できる。

【0059】

〔第２実施形態〕
つぎに、本発明の第２実施形態に係る皮膚感覚センサＢＢを説明する。
図８に示すように、本実施形態の皮膚感覚センサＢＢは、第１実施形態の皮膚感覚センサＡＡに基準温度センサ５３を追加した構成である。その余の構成は第１実施形態と同様であるので、同一部材に同一符号を付して説明を省略する。

【0060】

基準温度センサ５３として先端温度センサ５２と同様の素子を用いることができる。基準温度センサ５３は、接触子２０内の位置であって先端温度センサ５２よりも先端から離れた位置に配置されている。ヒータ５１を接触子２０に配置する場合、先端温度センサ５２、基準温度センサ５３およびヒータ５１を、接触子２０の先端から基端に向かってこの順に配置することが好ましい。基準温度センサ５３がヒータ５１の近傍に配置されており、基準温度センサ５３の測定値がヒータ５１の温度と実質的に同一とみなせる場合には、基準温度センサ５３をヒータ５１よりも先端から離れた位置に配置してもよい。

【0061】

本実施形態では、基準温度センサ５３および先端温度センサ５２の測定値の差分から熱流束を検知できる。すなわち、第１実施形態における式（２）は式（４）のとおり書き換えられる。ここで、Ｔ_ｂは基準温度センサ５３の測定値（基準温度）であり、Ｒ_ｃは基準温度センサ５３と先端温度センサ５２との間の熱抵抗である。

【数4】

【0062】

すなわち、本実施形態ではヒータ温度Ｔ_ｈに代えて基準温度Ｔ_ｂを用いて熱流束ｑ_ｃを求める。ヒータ温度Ｔ_ｈは間接的に求められることから、誤差を含みうる。本実施形態では、接触子２０内の２点の温度を直接測定することから、熱流束ｑ_ｃを精度良く検知できる。

【0063】

〔第３実施形態〕
つぎに、本発明の第３実施形態に係る皮膚感覚センサＣＣを説明する。
図９に示すように、本実施形態の皮膚感覚センサＣＣは、第２実施形態の皮膚感覚センサＢＢにおいて基準温度センサ５３を複数設けた構成である。その余の構成は第２実施形態と同様であるので、同一部材に同一符号を付して説明を省略する。

【0064】

図示の例では、接触子２０上のヒータ５１と先端温度センサ５２との間に２つの基準温度センサ５３Ａ、５３Ｂが設けられている。ただし、基準温度センサ５３Ａ、５３Ｂの数は３つ以上でもよい。複数の基準温度センサ５３Ａ、５３Ｂは接触子２０の先端からの距離が異なる複数の位置に配置されている。したがって、各基準温度センサ５３Ａ、５３Ｂと先端温度センサ５２との間の熱抵抗Ｒ_ｏが異なる。

【0065】

図７に示す熱等価回路から分かるように、ヒータ５１から接触子２０先端までの熱流束ｑ_ｃは、ヒータ５１と接触子２０先端との間の熱抵抗Ｒ_ｃと測定対象物Ｏの熱抵抗Ｒ_ｏとの比率に影響される。同様に、基準温度センサ５３と接触子２０先端との間の熱流束ｑ_ｃは、基準温度センサ５３と接触子２０先端との間の熱抵抗Ｒ_ｃと測定対象物Ｏの熱抵抗Ｒ_ｏとの比率に影響される。熱抵抗Ｒ_ｃおよびＲ_ｏの一方が他方に比べて大きすぎると熱流束ｑ_ｃの測定精度が低くなる。逆にいえば、熱抵抗Ｒ_ｃと熱抵抗Ｒ_ｏとが同程度であると、熱流束ｑ_ｃの測定精度が高くなる。

【0066】

本実施形態では、接触子２０に先端からの距離が異なる複数の基準温度センサ５３Ａ、５３Ｂが設けられているので、複数の熱抵抗Ｒ_ｃによる熱流束ｑ_ｃの検知を同時に行える。測定対象物Ｏとの関係で適した熱抵抗Ｒ_ｃを選択することで、熱流束ｑ_ｃを精度良く検知できる。

【0067】

〔第４実施形態〕
つぎに、本発明の第４実施形態に係る皮膚感覚センサＤＤを説明する。
図１０に示すように、本実施形態の皮膚感覚センサＤＤは、第１実施形態の皮膚感覚センサＡＡにおいて接触子２０を複数設けた構成である。

【0068】

フレーム１０の開口１３には複数の接触子２０Ａ～２０Ｆが平行に並べられた状態で配置されている。複数の接触子２０Ａ～２０Ｆは２つの基準部１２、１２の間にｘ軸に沿って並んで配置されている。接触子２０Ａ～２０Ｆの数は特に限定されないが、図示の皮膚感覚センサＤＤは６つの接触子２０Ａ～２０Ｆを有する。

【0069】

全ての接触子２０Ａ～２０Ｆの先端部は、通常、同一形状、同一寸法に設計される。また、通常、接触子２０Ａ～２０Ｆはｘ軸に沿って等間隔で並べられる。隣り合う接触子２０Ａ、２０Ｂの間隔（中心間距離）は、特に限定されないが、３００～７００μｍが好ましく、例えば５００μｍである。これは、人間の指紋を構成する稜線の間隔と同程度である。このようにすれば、皮膚感覚センサＤＤは人間の指の皮膚感覚に近い検知ができると考えられる。

【0070】

接触子２０Ａ～２０Ｆの間には隙間が設けられている。したがって、各接触子２０Ａ～２０Ｆの幅寸法は隣り合う接触子２０Ａ、２０Ｂの間隔よりも小さい。各接触子２０Ａ～２０Ｆの幅寸法は、例えば２００～６００μｍである。接触子２０Ａ～２０Ｆの間に隙間が設けられていることから、接触子２０Ａ～２０Ｆは独立して変位できる。

【0071】

図示の例では、接触子２０Ａ～２０Ｆごとに基準面１４からの突出量が異なる。接触子２０Ａ～２０Ｆは全体として、人間の指腹の断面形状のごとく、中央が外部に突出した円弧状となっている。なお、全ての接触子２０Ａ～２０Ｆの基準面１４からの突出量を同じにしてもよい。

【0072】

フレーム１０の空間部１１には複数の支持体３０Ａ～３０Ｆが配置されている。支持体３０Ａ～３０Ｆは複数の接触子２０Ａ～２０Ｆのそれぞれをフレーム１０に対して支持する。支持体３０Ａ～３０Ｆの数は接触子２０Ａ～２０Ｆの数と等しい。図示の皮膚感覚センサＤＤは６つの支持体３０Ａ～３０Ｆを有する。各接触子２０Ａ～２０Ｆはそれに対応する支持体３０Ａ～３０Ｆにより支持されている。各支持体３０Ｂ～３０Ｆは第１実施形態の支持体３０と同様の構成である。

【0073】

支持体３０Ａ～３０Ｆはｘ軸方向の変位に対するばね定数が実質的に同じとなるように設定されている。また、支持体３０Ａ～３０Ｆはｙ軸方向の変位に対するばね定数が実質的に同じとなるように設定されている。そのため、接触子２０Ａ～２０Ｆに同じ強さ、同じ方向の外力を加えた場合、接触子２０Ａ～２０Ｆは同様に変位する。したがって、全ての接触子２０Ａ～２０Ｆはｘ軸方向およびｙ軸方向の外力に対して同程度の感度を有する。

【0074】

皮膚感覚センサＤＤには複数の変位検出器４０Ａ～４０Ｆが設けられている。変位検出器４０Ａ～４０Ｆの数は接触子２０Ａ～２０Ｆの数と等しい。図示の皮膚感覚センサＤＤは６つの変位検出器４０Ａ～４０Ｆを有する。変位検出器４０Ａ～４０Ｆにより接触子２０Ａ～２０Ｆそれぞれの基準面１４に対する変位を独立して検出できる。各変位検出器４０Ａ～４０Ｆはそれに対応する支持体３０Ａ～３０Ｆに設けられている。各変位検出器４０Ｂ～４０Ｆは第１実施形態の変位検出器４０と同様の構成である。

【0075】

６つの接触子２０Ａ～２０Ｆのうち３つの接触子２０Ａ～２０Ｃにはヒータ５１Ａ～５１Ｃおよび先端温度センサ５２Ａ～５２Ｃが設けられている。先端温度センサ５２Ａ～５２Ｃとヒータ５１Ａ～５１Ｃとの距離は３つの接触子２０Ａ～２０Ｃごとに異なる。したがって、接触子２０Ａ～２０Ｃごとに異なる熱抵抗Ｒ_ｃによる熱流束ｑ_ｃの測定ができる。

【0076】

３つの接触子２０Ａ～２０Ｃに基準温度センサ５３Ａ～５３Ｃを設けてもよい。先端温度センサ５２Ａ～５２Ｃと基準温度センサ５３Ａ～５３Ｃとの距離は３つの接触子２０Ａ～２０Ｃごとに異なる。したがって、接触子２０Ａ～２０Ｃごとに異なる熱抵抗Ｒ_ｃによる熱流束ｑ_ｃの測定ができる。

【0077】

なお、基準温度センサ５３Ａ～５３Ｃを設ける場合、先端温度センサ５２Ａ～５２Ｃとヒータ５１Ａ～５１Ｃとの距離は３つの接触子２０Ａ～２０Ｃで同じでもよい。また、接触子２０Ａ～２０Ｃにヒータ５１Ａ～５１Ｃを設けず、フレーム１０に共通のヒータ５１を設けてもよい。

【0078】

本実施形態の皮膚感覚センサＤＤは複数の接触子２０Ａ～２０Ｆを有し、接触子２０Ａ～２０Ｆそれぞれの変位を検知できる。そのため、皮膚感覚センサＤＤを用いれば、複数地点の測定を同時に行うことができる。これにより、測定対象物Ｏの表面の特性を高い空間分解能で多点検出できる。

【0079】

また、突出量の異なる複数の接触子２０Ａ～２０Ｆを有する皮膚感覚センサＤＤを用いれば、測定対象物Ｏの柔軟性も測定できる。図１１（Ａ）に示すように、皮膚感覚センサＤＤのセンシング面を柔らかい測定対象物Ｏに押し当てると、接触子２０Ａ～２０Ｆに押されて測定対象物Ｏが変形する。したがって、接触子２０Ａ～２０Ｆのｙ軸方向の変位の差は小さい。一方、図１１（Ｂ）に示すように、皮膚感覚センサＤＤのセンシング面を硬い測定対象物Ｏに押し当てると、測定対象物Ｏはあまり変形しないため、接触子２０Ａ～２０Ｆのｙ軸方向の変位の差は突出量の違いを反映し、大きくなる。このように、接触子２０Ａ～２０Ｆの変位の差は、測定対象物Ｏの柔軟性に依存する。これを利用して、接触子２０Ａ～２０Ｆそれぞれのｙ軸方向の変位から、測定対象物Ｏの柔軟性を求めることができる。

【0080】

また、本実施形態では、接触子２０Ａ～２０Ｃごとに先端温度センサ５２Ａ～５２Ｃとヒータ５１Ａ～５１Ｃとの距離が異なる。あるいは、接触子２０Ａ～２０Ｃごとに先端温度センサ５２Ａ～５２Ｃと基準温度センサ５３Ａ～５３Ｃとの距離が異なる。そのため、複数の熱抵抗Ｒ_ｃによる熱流束ｑ_ｃの検知を同時に行える。測定対象物Ｏとの関係で適した熱抵抗Ｒ_ｃを選択することで、熱流束ｑ_ｃを精度良く検知できる。

【0081】

〔第５実施形態〕
つぎに、本発明の第５実施形態に係る皮膚感覚センサＥＥを説明する。
図１２に示すように、本実施形態の皮膚感覚センサＥＥは、第４実施形態の皮膚感覚センサＤＤに対象物温度センサ５４および／または気温センサ５５を追加した構成である。

【0082】

接触子２０Ｃにはヒータ５１および先端温度センサ５２が設けられている。接触子２０Ｃに基準温度センサ５３を設けてもよい。これらの素子により、接触子２０Ｃと測定対象物との間に生じる熱流束ｑ_ｃを検知できる。

【0083】

接触子２０Ｃとは異なる他の接触子２０Ｄの先端部には対象物温度センサ５４が設けられている。対象物温度センサ５４として先端温度センサ５２と同様の素子を用いることができる。接触子２０Ｄにはヒータ５１が設けられない。したがって、対象物温度センサ５４は、ヒータ５１の熱の影響を受けずに、接触子２０Ｄが接触した測定対象物の温度を測定できる。

【0084】

なお、対象物温度センサ５４は測定対象物の温度を測定できればよく、その位置は接触子２０Ｄに限定されない。例えば、対象物温度センサ５４を基準部１２の基準面１４近くに配置してもよい。

【0085】

接触子２０Ｃと測定対象物との間に生じる熱流束ｑ_ｃは測定対象物の熱抵抗（熱伝導率）のほか、測定対象物の温度の影響を受ける。すなわち、接触子２０Ｃと測定対象物との温度差が大きければ熱流束ｑ_ｃも大きくなり、接触子２０Ｃと測定対象物との温度差が小さければ熱流束ｑ_ｃも小さくなる。また、接触子２０Ｃの温度が測定対象物の温度よりも高ければ、熱流束ｑ_ｃの方向は接触子２０Ｃから測定対象物に向かう方向となる。逆に、接触子２０Ｃの温度が測定対象物の温度よりも低ければ、熱流束ｑ_ｃの方向は測定対象物から接触子２０Ｃに向かう方向となる。なお、この場合、式（２）または式（４）で得られる熱流束ｑ_ｃは負の値となる。このように、測定対象物の温度も温度覚の評価に有用な要素である。熱流束に加えて測定対象物の温度を検知することで、温度覚を多面的に評価できる。また、測定対象物の温度変化に起因する熱流束の変化を知ることができる。そのため、例えば、測定対象物の温度変化に基づき熱流束の変化を補正することで、温度変化の影響を取り除いた熱流束を求めることができる。

【0086】

対象物温度センサ５４に加えて、または代えて気温センサ５５を皮膚感覚センサＥＥに設けてもよい。気温センサ５５は皮膚感覚センサＥＥの周囲の気温（雰囲気温度）を測定するセンサである。気温センサ５５として先端温度センサ５２と同様の素子を用いることができる。気温センサ５５はヒータ５１から離れた位置に設けることが好ましく、例えばフレーム１０に設けられる。

【0087】

図７に示す熱等価回路は雰囲気温度をグランドとした回路である。すなわち、接触子２０および測定対象物Ｏには、ヒータ温度Ｔ_ｈを最高温、雰囲気温度を最低温とした温度勾配が生じると仮定している。熱流束は温度勾配に比例する。測定対象物Ｏが十分な厚さを有する場合、その熱抵抗Ｒ_ｏは十分高くなるため、熱流束ｑ_ｃは測定対象物Ｏの特性を十分に反映した値となる。一方、測定対象物Ｏが薄い場合は熱抵抗Ｒ_ｏが小さくなり、接触子２０の先端温度Ｔ_ｔは雰囲気温度に近づく。この様な場合は雰囲気温度が熱流束変化に与える影響が大きく、熱流束ｑ_ｃの計測結果に影響が生じやすい。気温センサ５５によって測定対象物Ｏおよび皮膚感覚センサＥＥが置かれている雰囲気温度を測定し、熱流束ｑ_ｃを雰囲気温度で補正すれば、精度の良い熱流束ｑ_ｃが得られる。

【0088】

〔第６実施形態〕
つぎに、本発明の第６実施形態に係る皮膚感覚センサＦＦを説明する。
図１３に示すように、本実施形態の皮膚感覚センサＦＦは、第１実施形態の皮膚感覚センサＡＡに圧覚検知機能を追加した構成である。

【0089】

皮膚感覚センサＦＦのフレーム１０は、接触子２０の左右に、２つの基準部１２を有する。基準部１２はｘ軸に沿った棒状の部分であり、フレーム１０の他の部分と片持ち梁状に接続されている。基準部１２の側面の一部は測定対象物と接触する基準面１４である。

【0090】

皮膚感覚センサＦＦのセンシング面を測定対象物に押し当てると、測定対象物からの反力が基準面１４に作用し、基準部１２に歪みが生じる。基準部１２には、この歪を測定する基準部歪センサ６０が設けられている。基準部歪センサ６０としてピエゾ抵抗素子を用いることができる。基準部歪センサ６０で測定された基準部１２の歪量から皮膚感覚センサＦＦが測定対象物Ｏから受ける圧力を検知できる。これにより、人間の圧覚を再現できる。

【0091】

なお、基準部１２は支持体３０を構成する横梁３１よりも太く、剛性が高い。したがって、基準部１２の歪は接触子２０の変位に比べて僅かである。換言すれば、基準部１２の剛性は、実質的に接触子２０の変位測定に影響を与えない程度に設定されている。

【0092】

基準部歪センサ６０は基準部１２の歪量を測定できればよく、基準部１２の形状、構造および基準部歪センサ６０の配置は特に限定されない。ただし、以下の構成を採用すれば、圧覚の測定感度を高めることができる。

【0093】

基準部１２の自由端（接触子２０に近い部分）は、接触子２０の先端方向に突出している。この突出部の側面が基準面１４であり、測定対象物と接触する面である。基準部１２の長手方向略中央には基準面１４とは反対側に凹部１５が形成されている。基準部１２のうち凹部１５が形成された部分は他の部分よりも幅狭である。したがって、基準面１４に外力が作用すると、基準部１２の幅狭部分に歪みが生じやすい。凹部１５の開口は梁１６により閉塞されている。

【0094】

図１４（Ａ）に示すように、凹部１５を閉塞する梁１６に基準部歪センサ６０が設けられている。図１４（Ｂ）に示すように、基準面１４にｙ軸方向の力が作用すると、基準部１２の幅狭部分が湾曲し、梁１６に圧縮応力が生じる。基準部歪センサ６０として正のピエゾ抵抗係数を示す素子を用いれば、基準部歪センサ６０は圧縮応力により抵抗が小さくなる。この基準部歪センサ６０の電気抵抗の変化を電子回路で読み取れば、基準部１２の歪量を検出できる。また、基準部１２の歪量から基準面１４に作用する外力の大きさ、すなわち、皮膚感覚センサＦＦが受ける圧力を検知できる。

【0095】

なお、図示の例では基準部歪センサ６０によりｙ軸方向の圧力を検知できる。ピエゾ抵抗素子の配置または形状を変更し、ｘ軸方向またはｚ軸方向の圧力を検知できるよう構成してもよい。

【0096】

本実施形態の皮膚感覚センサＦＦは、触覚、温度覚に加えて、圧覚を再現できる。人間は、指先で感じる圧覚により対象物に加える力を調整しつつ、対象物表面の質感を触覚、温度覚などとして得ていると考えられる。皮膚感覚センサＦＦに圧覚を検知する機能を追加することで、人間に近い皮膚感覚の検知を再現できる。

【実施例0097】

つぎに、実施例を説明する。
半導体基板を加工して皮膚感覚センサを制作した。制作した皮膚感覚センサの写真を図１５に示す。皮膚感覚センサは、全体として、ｘ軸方向の長さが８，５００μｍ、ｙ軸方向の長さが４，４００μｍである。皮膚感覚センサは３つの接触子を有する。接触子の幅は４４０μｍである。中央の接触子にはヒータ５１および先端温度センサ５２が設けられている。ヒータ５１はマイクロヒータである。先端温度センサ５２はｐｎ接合ダイオードである。

【0098】

測定対象物として、銅板、ガラス板、人口皮革（アマレッタ（登録商標））、銀面調合皮、肌着生地（綿１００％）、ヒノキ板の６種類の試料を用意した。皮膚感覚センサのセンシング面を各試料に押し当てながら掃引して測定を行った。

【0099】

図１６（Ａ）に銅板の測定結果を示す。また、図１６（Ｂ）に肌着生地の測定結果を示す。図１６（Ａ）および図１６（Ｂ）に示すグラフの横軸は時間である。左縦軸は変位検出器で検出されたｙ軸方向の変位（表面形状）およびｘ軸方向の変位（摩擦力）である。右縦軸は先端温度センサの測定値である。測定開始（０秒）から４秒経過時点で皮膚感覚センサを試料に押し当て、８～９秒間静止させた後に掃引した。

【0100】

皮膚感覚センサを掃引している期間における表面形状および摩擦力の出力波形は、銅板よりも肌着生地の方が、振幅が大きい。肌着生地は銅板よりも表面に凹凸があり、摩擦係数も高い。これらの性質を反映した波形が得られていることが分かる。したがって、皮膚感覚センサにより、測定対象物表面の微細な凹凸および微小領域の摩擦力といった触覚を定量化できることが確認された。

【0101】

皮膚感覚センサを試料に押し当てると先端温度センサの測定値が低下する。肌着生地よりも銅板の方が、押し当て前後の温度差が大きい。これは、肌着生地よりも銅板の方が、接触子との間に生じる熱流束が大きいことを意味している。

【0102】

皮膚感覚センサを試料に押し当てる直前の１秒間の先端温度センサの測定値の平均をヒータ温度Ｔ_ｈとする。また、押し当てから５秒経過時点から６秒経過時点までの１秒間の先端温度センサの測定値の平均を先端温度Ｔ_ｔとする。ヒータ温度Ｔ_ｈから先端温度Ｔ_ｔを減算することで、ヒータから接触子先端までの温度勾配を求めることができる。

【0103】

６種類の試料を測定して得られた温度勾配を表１に示す。

【表1】

【0104】

式（２）に示すように、熱流束ｑ_ｃは温度勾配（Ｔ_ｈ－Ｔ_ｔ）に比例する。すなわち、温度勾配が大きいほど、熱流束も大きい。温度が同じである場合、銅板は冷たく感じ、ヒノキ板は温もりを感じる。表１に示す温度勾配は、このような傾向を反映したものとなっている。

【0105】

６種類の試料の保温性を測定した。人間の指先で試料に１０秒間触れた後、離してから試料が雰囲気温度に戻るまでの時定数（雰囲気温度を基準として試料の温度が６３．２％低下するのに要する時間）を保温性の指標とした。この時定数が大きいということは長い時間熱を留めておけるということであり、保温性が高いことを意味する。６種類の試料の保温性（時定数）を表２に示す。

【表2】

【0106】

図１７に皮膚感覚センサで得られた温度勾配と試料の保温性（時定数）との関係を示す。全体として、温度勾配と保温性とが反比例の関係にあることが分かる。これより、皮膚感覚センサにより冷温覚を正しく定量化できることが確認された。

【0107】

つぎに、冷温覚の位置分布の測定を行った。銅板と肌着生地とを繋ぎ合わせた試料を用意した。皮膚感覚センサを試料に押し当て肌着生地から銅板に向かって掃引した。図１８に測定結果を示す。表面形状および摩擦力の出力波形は、肌着生地と銅板とで振幅に違いが生じる。また、肌着生地から銅板に移行する際に、先端温度も変化する。これより、皮膚感覚センサは同一試料内における冷温覚の変化を捉えることができることが確認された。

【符号の説明】

【0108】

ＡＡ、ＢＢ、ＣＣ、ＤＤ、ＥＥ、ＦＦ 皮膚感覚センサ
１０ フレーム
２０ 接触子
３０ 支持体
４０ 変位検出器
５１ ヒータ
５２ 先端温度センサ
５３ 基準温度センサ
５４ 対象物温度センサ
５５ 気温センサ
６０ 基準部歪センサ

【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】

【図18】