特許 7081814 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】

(24)【登録日】2022-05-30

(45)【発行日】2022-06-07

(54)【発明の名称】触覚センサ

(51)【国際特許分類】

   G01L 5/162 20200101AFI20220531BHJP

【ＦＩ】

G01L5/162

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2018198078

(22)【出願日】2018-10-22

(65)【公開番号】P2020067277

(43)【公開日】2020-04-30

【審査請求日】2021-08-02

【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）平成２７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）、「繊細な触覚を定量的に検知する「ナノ触覚神経網」の開発と各種の手触り感計測技術への応用」委託研究開発、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【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

【審査官】大森 努

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－０７０８２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０１－２０１１２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第９１３４１８７（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】特開平０５－０８１９７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開平０５－０３６３３１（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０１１－２１５０００（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０２３９０８６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／０９４４５４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１８－０６３２６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－０１４８６０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｌ ５／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基部と、
変位部と、
前記変位部を前記基部に対して第１方向および前記第１方向に対して垂直な第２方向に変位可能に支持する変位部支持体と、
前記第２方向に沿って配置された直線状の毛と、
前記毛の基端が固定された毛固定部と、
前記毛固定部を前記変位部に対して前記第１方向および前記第２方向を含む面内で旋回可能に支持する毛固定部支持体と、
前記変位部の前記基部に対する変位を検出する変位検出器と、
前記毛固定部の前記変位部に対する旋回を検出する旋回検出器と、を備え、
前記変位検出器は、
前記変位部の前記第１方向の変位を検出する第１変位検出器と、
前記変位部の前記第２方向の変位を検出する第２変位検出器と、を備える
ことを特徴とする触覚センサ。

【請求項2】

前記毛は前記毛固定部に一体形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の触覚センサ。

【請求項3】

前記毛固定部には凹形の差込部が形成されており、
前記毛の基端部は前記差込部に差し込まれている
ことを特徴とする請求項１記載の触覚センサ。

【請求項4】

前記差込部の内壁には、対向して配置された二列の櫛歯が形成されている
ことを特徴とする請求項３記載の触覚センサ。

【請求項5】

前記櫛歯を構成する複数の歯は、それぞれ基端から先端に向かって前記毛の差し込み方向に傾斜している
ことを特徴とする請求項４記載の触覚センサ。

【請求項6】

前記毛は前記毛固定部に接着剤で固定されている
ことを特徴とする請求項１記載の触覚センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、触覚センサに関する。さらに詳しくは、本発明は、人間が感じる触覚の定量化を目的とした触覚センサに関する。

【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。中でも、半導体マイクロマシニング技術により形成した触覚センサは、多くのセンサ信号を少ない配線で読み出せることから、多数のセンサ部を高密度に配置することが可能であり、位置分解能が高いという長所を有する。

【0003】

特許文献１には先端部が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摺動させ、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】

【0004】

【文献】国際公開第２０１５／１３３１１３号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

人間の皮膚には複数の機械受容器が存在する。機械受容器の働きによって物質に触れたときの感覚が得られる。また、人間の皮膚は指先、足の裏などの無毛皮膚と、腕、すねなどの有毛皮膚とに分類される。無毛皮膚と有毛皮膚とでは存在する機械受容器が一部異なっている。有毛皮膚に特有の機械受容器として毛包細胞が挙げられる。液面、静電気の知覚といった有毛皮膚に特有の感覚は毛包細胞により得られると考えられている。

【0006】

特許文献１の触覚センサは、指先の指紋を模した接触子を有するものであり、無毛皮膚の触覚を定量化できる。一方で、有毛皮膚に特有の感覚を定量化するセンサは、現状では十分に開拓されていない。

【0007】

本発明は上記事情に鑑み、有毛皮膚に特有の感覚を検知できる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】

【0008】

第１発明の触覚センサは、基部と、変位部と、前記変位部を前記基部に対して第１方向および前記第１方向に対して垂直な第２方向に変位可能に支持する変位部支持体と、前記第２方向に沿って配置された直線状の毛と、前記毛の基端が固定された毛固定部と、前記毛固定部を前記変位部に対して前記第１方向および前記第２方向を含む面内で旋回可能に支持する毛固定部支持体と、前記変位部の前記基部に対する変位を検出する変位検出器と、前記毛固定部の前記変位部に対する旋回を検出する旋回検出器と、を備え、前記変位検出器は、前記変位部の前記第１方向の変位を検出する第１変位検出器と、前記変位部の前記第２方向の変位を検出する第２変位検出器と、を備えることを特徴とする。
第２発明の触覚センサは、第１発明において、前記毛は前記毛固定部に一体形成されていることを特徴とする。
第３発明の触覚センサは、第１発明において、前記毛固定部には凹形の差込部が形成されており、前記毛の基端部は前記差込部に差し込まれていることを特徴とする。
第４発明の触覚センサは、第３発明において、前記差込部の内壁には、対向して配置された二列の櫛歯が形成されていることを特徴とする。
第５発明の触覚センサは、第４発明において、前記櫛歯を構成する複数の歯は、それぞれ基端から先端に向かって前記毛の差し込み方向に傾斜していることを特徴とする。
第６発明の触覚センサは、第１発明において、前記毛は前記毛固定部に接着剤で固定されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

第１発明によれば、変位検出器の検出値から毛に作用する剪断力を求めることができ、旋回検出器の検出値から毛に作用するモーメントを求めることができる。毛に作用する剪断力とモーメントとから、液面、静電気などの知覚といった有毛皮膚に特有の感覚を検知できる。また、第２変位検出器の検出値から毛に作用する軸力を求めることができる。毛に作用する軸力から、静電気などを検知できる。
第２発明によれば、毛と毛固定部とが一体形成されているので、部品点数が少なく、触覚センサの製造工程を簡素化できる。
第３発明によれば、毛と触覚センサのその他の部分とが別部材であるので、触覚センサに搭載される毛として種々の素材、形状のものを採用できる。
第４発明によれば、二列の櫛歯により毛の基端部を挟むことで、毛固定部に対して毛をしっかりと固定できる。
第５発明によれば、櫛歯の歯が差し込み方向に傾斜しているので、毛を差込部に差し込みやすく、抜けにくい。
第６発明によれば、毛と触覚センサのその他の部分とが別部材であるので、触覚センサに搭載される毛として種々の素材、形状のものを採用できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の一実施形態に係る触覚センサの平面図である。

【図2】図（Ａ）は毛固定部支持体の縦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）は毛固定部支持体の縦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）は変位部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）は変位部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】液体の表面張力の測定原理を示す説明図である。

【図6】静電引力の測定原理を示す説明図である。

【図7】図（Ａ）は他の実施形態に係る触覚センサの毛固定部の拡大図である。図（Ｂ）はさらに他の実施形態に係る触覚センサの毛固定部の拡大図である。

【図8】触覚センサの特性評価の結果を示すグラフである。

【図9】図（Ａ）はモーメント中心から距離Ｌ１の点に剪断力を加えたときのモーメント、剪断力の出力信号を示すグラフである。図（Ｂ）はモーメント中心から距離Ｌ２の点に剪断力を加えたときのモーメント、剪断力の出力信号を示すグラフである。

【図10】図（Ａ）は測定対象液として水を用いたときのモーメント、剪断力の出力信号を示すグラフである。図（Ｂ）は測定対象液としてエタノール水溶液（５０質量％）を用いたときのモーメント、剪断力の出力信号を示すグラフである。

【図11】触覚センサの出力信号から求めた表面張力（実験値）、および国際アルコール表から引用した表面張力（文献値）を示すグラフである。

【図12】静電引力の印加前後のモーメントの振幅を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
（触覚センサ）
図１に示すように、本発明の一実施形態に係る触覚センサ１はＳＯＩ基板などの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。

【0012】

触覚センサ１は毛１０と、毛固定部２０と、変位部３０と、基部４０とを有している。毛固定部２０と変位部３０との間には、毛固定部２０を変位部３０に対して支持する毛固定部支持体５０が設けられている。変位部３０と基部４０との間には、変位部３０を基部４０に対して支持する変位部支持体６０が設けられている。これらの構成部材は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形成される。したがって、触覚センサ１は全体として平板状である。

【0013】

本明細書では、図１に示すようにｘ方向、ｙ方向、ｚ方向を定義する。ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向は、それぞれ第１方向、第２方向、第３方向ともいう。ｙ方向はｘ方向に対して垂直である。また、ｚ方向はｘ－ｙ平面（ｘ方向およびｙ方向を含む面）に対して垂直である。平板状の触覚センサ１はｘ－ｙ平面と平行に配置されている。ｚ方向は触覚センサ１の厚さ方向に相当する。

【0014】

触覚センサ１は毛１０に作用する外力を検知する。毛１０に作用する外力のうち、毛１０の長手方向に対して垂直な方向（ｘ方向）の外力を「剪断力」と称する。また、毛１０の長手方向（ｙ方向）に沿った外力を「軸力」と称する。毛１０に剪断力が作用すると、毛１０をｘ－ｙ平面内で旋回させるモーメントが生じる。

【0015】

触覚センサ１の構成部材のうち、毛１０以外の部分を「センサ本体部」と称する。センサ本体部の全体的な寸法は特に限定されないが、１～２０ｍｍ四方である。

【0016】

毛１０は直線状の細長い部材である。毛１０は弾性を有してもよい。毛１０は外力が作用していない状態において略直線状であればよい。人毛のように、毛１０が多少の湾曲を有してもよい。毛１０の長さは特に限定されないが、１～２０ｍｍである。また、毛１０の太さは特に限定されないが、１～１００μｍである。毛１０に所望の剛性が得られるようにその太さを設定してもよい。

【0017】

毛１０は基部４０の外部においてｙ方向に沿って配置されている。また、毛１０の基端は毛固定部２０に固定されている。毛固定部２０は毛１０にモーメントが生じた場合にｘ－ｙ平面内で旋回する。

【0018】

毛固定部２０と変位部３０とは毛固定部支持体５０を介して接続されている。毛固定部支持体５０は一または複数の縦梁５１からなる。各縦梁５１は弾性を有しており、板ばねと同様の性質を有する。また、各縦梁５１はｙ方向に沿って配置されている。縦梁５１は毛固定部２０のｘ－ｙ平面内での旋回を許容する。すなわち、毛固定部２０は変位部３０に対してｘ－ｙ平面内で旋回可能に支持されている。ここで、毛１０および毛固定部２０は毛固定部支持体５０（より詳細には、後述の幅狭部５１ａ）を中心として旋回する。

【0019】

本実施形態では、縦梁５１が３本設けられているが、その本数および寸法は特に限定されない。毛固定部支持体５０として必要な弾性が得られるように、縦梁５１の本数および寸法を設定すればよい。

【0020】

また、本実施形態では、各縦梁５１の一端部が他の部分よりも細くなっている。このように、縦梁５１に幅狭部５１ａ（図２（Ａ）参照）を設けることで、縦梁５１に歪が生じやすくなる。毛１０に生じたモーメントが小さい場合でも毛固定部２０が旋回しやすい。そのため、毛１０に生じたモーメントを高感度で検知できる。

【0021】

変位部３０は棒状の部材であり、その中心軸がｙ方向に沿って配置されている。変位部３０は毛１０に剪断力が作用した場合にｘ方向に変位する。また、変位部３０は毛１０に軸力が作用した場合にｙ方向に変位する。

【0022】

基部４０は四方を縁部材で囲った矩形の枠である。基部４０を構成する一の縁部材４１にはその中央に開口が形成されている。この開口を介して基部４０の内部と外部とが連通している。基部４０の開口部に毛固定部２０が配置されている。また、基部４０の内部空間に変位部３０が配置されている。

【0023】

変位部３０と基部４０とは変位部支持体６０を介して接続されている。変位部支持体６０は複数の縦梁６１と、複数の横梁６２と、２つの島部６３とからなる。基部４０の内部空間には、変位部３０を挟む位置に２つの島部６３が配置されている。各縦梁６１は基部４０と島部６３との間に架け渡されている。各横梁６２は島部６３と変位部３０との間に架け渡されている。

【0024】

各縦梁６１は弾性を有しており、板ばねと同様の性質を有する。また、各縦梁６１はｙ方向に沿って配置されている。したがって、縦梁６１は変位部３０のｘ方向の変位を許容する。各横梁６２は弾性を有しており、板ばねと同様の性質を有する。また、各横梁６２はｘ方向に沿って配置されている。したがって、横梁６２は変位部３０のｙ方向の変位を許容する。すなわち、変位部３０は基部４０に対してｘ方向およびｙ方向に変位可能に支持されている。

【0025】

本実施形態では、縦梁６１は、各島部６３の両側に２本ずつ合計８本設けられているが、その本数および寸法は特に限定されない。また、横梁６２は変位部３０の両側に３本ずつ合計６本設けられているが、その本数および寸法は特に限定されない。変位部支持体６０として必要な弾性が得られるように、縦梁６１および横梁６２の本数および寸法を設定すればよい。

【0026】

また、本実施形態では、各縦梁６１の両端部が他の部分よりも細くなっている。このように、縦梁６１に幅狭部６１ａ（図４（Ａ）参照）を設けることで、縦梁６１に歪が生じやすくなる。毛１０に作用する剪断力が小さい場合でも変位部３０がｘ方向に変位しやすい。そのため、毛１０に作用する剪断力を高感度で検知できる。

【0027】

同様に、各横梁６２の両端部は他の部分よりも細くなっている。このように、横梁６２に幅狭部を設けることで、横梁６２に歪が生じやすくなる。毛１０に作用する軸力が小さい場合でも変位部３０がｙ方向に変位しやすい。そのため、毛１０に作用する軸力を高感度で検知できる。

【0028】

毛固定部２０の旋回を所定量以内に制限するために、毛固定部２０および基部４０はつぎの構造を有する。毛固定部２０は縁部材４１に形成された開口部に配置されている。開口部の側面は毛固定部２０の側面と対向している。開口部の側面と毛固定部２０の側面との間には所定の間隔が空けられている。毛固定部２０の旋回量が多くなると、毛固定部２０が基部４０に接触して、それ以上旋回しなくなる。これにより、毛固定部２０の過旋回による触覚センサ１の損傷を防止できる。

【0029】

変位部３０の変位を所定量以内に制限するために、変位部３０および基部４０はつぎの構造を有する。変位部３０の一端部にはＴ字形の突出部３１が形成されている。また、基部４０には突出部３１を囲う形状の制限部４２が形成されている。突出部３１と制限部４２との間には所定の間隔が空けられている。変位部３０の変位量が多くなると、突出部３１が制限部４２に接触して、それ以上変位しなくなる。これにより、変位部３０の過変位による触覚センサ１の損傷を防止できる。

【0030】

毛固定部２０の変位部３０に対する旋回を検出するために、触覚センサ１には旋回検出器７０が設けられている。旋回検出器７０は縦梁５１の歪を検出する第１、第２歪検出素子７１、７２からなる。

【0031】

第１、第２歪検出素子７１、７２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縦梁５１の表面に形成される。

【0032】

図２（Ａ）に示すように、複数の縦梁５１のうち一の縦梁５１には、幅狭部５１ａの表面に第１歪検出素子７１が形成されている。また、他の一の縦梁５１には、幅狭部５１ａの表面に第２歪検出素子７２が形成されている。

【0033】

図２（Ｂ）に示すように、毛固定部２０が変位部３０に対して旋回すると、縦梁５１に歪が生じる。この際、第１歪検出素子７１は圧縮応力により抵抗が小さくなり、第２歪検出素子７２は引張応力により抵抗が大きくなる。なお、毛固定部２０の旋回方向が逆になると、第１歪検出素子７１は引張応力により抵抗が大きくなり、第２歪検出素子７２は圧縮応力により抵抗が小さくなる。

【0034】

図３に示すように、触覚センサ１の表面には縦梁５１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７１、７２を直列に接続して両端に電圧Ｖddをかけ、第１歪検出素子７１と第２歪検出素子７２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７１、７２の差動により変化する。電圧Ｖoutを読み取ることで縦梁５１の歪量を検出できる。これにより、旋回検出器７０で毛固定部２０の変位部３０に対する旋回量を検出できる。また、毛固定部２０の旋回量から、毛１０に生じたモーメントを求めることができる。

【0035】

なお、縦梁５１が一本の場合は、縦梁５１の一方の側部に沿って第１歪検出素子７１を配置し、他方の側部に沿って第２歪検出素子７２を配置すればよい。また、毛固定部２０のｙ－ｚ平面内での旋回を検出するよう旋回検出器７０を構成してもよい。毛固定部２０がｙ－ｚ平面内で旋回する場合には、第１、第２歪検出素子７１、７２の抵抗が両方とも小さくなるか、大きくなる。これに基づいて、毛固定部２０のｙ－ｚ平面内での旋回量を検出してもよい。そうすれば、毛１０に生じたｙ－ｚ平面内のモーメントを求めることができる。

【0036】

図１に示すように、変位部３０の基部４０に対する変位を検出するために、触覚センサ１には変位検出器８０が設けられている。変位検出器８０は、変位部３０のｘ方向の変位を検出する第１変位検出器８１と、変位部３０のｙ方向の変位を検出する第２変位検出器８２とを有している。第１変位検出器８１は縦梁６１の歪を検出する第３、第４歪検出素子８３、８４からなる。第２変位検出器８２は横梁６２の歪を検出する第５、第６歪検出素子８５、８６からなる。第３～第６歪検出素子８３～８６としてピエゾ抵抗素子を用いることができる。

【0037】

図４（Ａ）に示すように、複数の縦梁６１のうち一の縦梁６１には、幅狭部６１ａの表面に第３歪検出素子８３が形成されている。また、他の一の縦梁６１には、幅狭部６１ａの表面に第４歪検出素子８４が形成されている。第３、第４歪検出素子８３、８４は、それぞれ幅狭部６１ａの一方の側部に沿って配置されている。ここで、第３、第４歪検出素子８３、８４は互いに逆側の側部に配置されている。図４（Ａ）に示す例では、第３歪検出素子８３は左側の側部に配置されており、第４歪検出素子８４は右側の側部に配置されている。

【0038】

図４（Ｂ）に示すように、変位部３０が基部４０に対してｘ方向に変位すると、縦梁６１に歪が生じる。この際、第３歪検出素子８３は圧縮応力により抵抗が小さくなり、第４歪検出素子８４は引張応力により抵抗が大きくなる。なお、変位部３０の変位方向が逆になると、第３歪検出素子８３は引張応力により抵抗が大きくなり、第４歪検出素子８４は圧縮応力により抵抗が小さくなる。

【0039】

触覚センサ１の表面には縦梁６１の歪を検出する歪検出回路が形成されている。この歪検出回路は旋回検出器７０の歪検出回路と同様である。第１変位検出器８１で基部４０に対する変位部３０のｘ方向の変位を検出できる。また、変位部３０のｘ方向の変位から、毛１０に作用する剪断力を求めることができる。

【0040】

第２変位検出器８２の第５、第６歪検出素子８５、８６の構成および歪検出回路は、第１変位検出器８１の第３、第４歪検出素子８３、８４の構成および歪検出回路と同様である。第２変位検出器８２で基部４０に対する変位部３０のｙ方向の変位を検出できる。また、変位部３０のｙ方向の変位から、毛１０に作用する軸力を求めることができる。

【0041】

なお、変位部３０のｚ方向の変位を検出するよう旋回検出器７０を構成してもよい。変位部３０がｚ方向に変位する場合には、第３、第４歪検出素子８３、８４の抵抗が両方とも小さくなるか、大きくなる。これに基づいて、変位部３０のｚ方向の変位量を検出してもよい。そうすれば、毛１０に作用するｚ方向の剪断力を求めることができる。

【0042】

（製造方法）
つぎに、ＳＯＩ基板を用いた触覚センサ１の製造方法を説明する。
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。

【0043】

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、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。

【0044】

なお、本実施形態の毛１０は半導体基板を加工して形成されている。そのため、毛１０は毛固定部２０に一体形成されている。このような構成であるので、触覚センサ１は部品点数が少なく、触覚センサ１の製造工程を簡素化できる。

【0045】

（検出方法）
つぎに、触覚センサ１による検出方法を説明する。
触覚センサ１により検出を行う際には、毛１０を測定対象物に接触させるなどして外力を与える。毛１０にモーメントが生じると、毛固定部支持体５０に歪が生じる。その歪を旋回検出器７０で検出してモーメントを求める。また、毛１０に剪断力、軸力が作用すると、変位部支持体６０に歪が生じる。その歪を変位検出器８０で検出して剪断力、軸力を求める。毛１０に作用するモーメント、剪断力、軸力から、液体の表面張力、静電気などを測定できる。以下、順に詳細を説明する。

【0046】

・液体の表面張力
図５に液体の表面張力の測定原理を示す。触覚センサ１の毛１０が液体の表面から離脱するとき、毛１０には液体の表面張力による分布荷重が作用する。ここで、毛１０に作用する表面張力は等分布荷重ｗであると仮定する。長さＬの片持ち梁の先端部（長さｘの部分）に等分布荷重ｗが作用したとすると、毛１０に作用する剪断力ＦｓおよびモーメントＭは、以下の式（１）、（２）で表される。

【数1】

【数2】

【0047】

式（２）より求めた長さｘを式（１）に代入すると、式（３）に示すように等分布荷重ｗが求まる。

【数3】

【0048】

式（３）中、長さＬは既知であり、剪断力ＦｓおよびモーメントＭは触覚センサ１で測定できる。よって、触覚センサ１により液体の表面張力ｗを求めることができる。

【0049】

・静電気
毛１０に作用する静電引力は、触覚センサ１で検出される剪断力または軸力から直接的に求めることができる。そのほか、以下に説明するように、毛１０の共振周波数を利用することで、より高い感度で静電引力を測定できる。

【0050】

図６に静電引力の測定原理を示す。触覚センサ１は加振装置によりｘ方向に振動している。共振している毛１０は等価質量ｍとばね（ばね定数ｋ）とで構成された単純なばねマスモデルで考えることができる。このとき、毛１０の共振周波数ｆ₀は以下の式（４）で表される。

【数4】

【0051】

毛１０にｘ方向の静電引力Ｆが作用したとする。共振している毛１０に対して力勾配が印加された状態は、毛１０のばねマスに対して擬似的なばね（ばね定数ｋ’）が並列に接続されたと考えることができる。式（５）で表されるように、毛１０の共振周波数は、静電引力Ｆが作用していないときの周波数ｆ₀からΔｆだけシフトする。

【数5】

【0052】

式（５）から分かるように、共振周波数のシフト量Δｆからばね定数ｋ’を求めることができる。式（６）に示すように、ばね定数ｋ’は静電引力Ｆの力勾配で表される。したがって、ばね定数ｋ’から静電引力Ｆを求めることができる。このように、毛１０の共振周波数の変化から、静電引力Ｆを求めることができる。なお、力勾配が引力のときは、ばね定数ｋ’が負となり共振周波数が負の方向にシフトする。力勾配が斥力のときは、ばね定数ｋ’が正となり共振周波数が正の方向にシフトする。

【数6】

【0053】

そのほか、触覚センサ１を用いれば、微小な空気流などを検出することもできる。

【0054】

以上のように、第１変位検出器８１の検出値から毛１０に作用する剪断力を求めることができ、旋回検出器７０の検出値から毛１０に作用するモーメントを求めることができる。毛１０に作用する剪断力とモーメントとから、液体の表面張力、静電気などを検知できる。また、第２変位検出器８２の検出値から毛１０に作用する軸力を求めることができる。毛１０に作用する軸力から、静電気などを検知できる。このように、触覚センサ１は液面、静電気などの知覚といった有毛皮膚に特有の感覚を検知できる。

【0055】

〔その他の実施形態〕
液体の表面張力を測定する場合、触覚センサ１は毛１０に作用する軸力を検出する必要がない。そのため、このような目的で用いられる触覚センサ１は、変位部３０が少なくともｘ方向に変位可能であればよい。変位部３０はｙ方向に変位不可能であってもよい。変位部３０のｙ方向の変位を検出する第２変位検出器８２はなくてもよい。

【0056】

毛１０とセンサ本体部とを別部材として構成してもよい。そうすれば、触覚センサ１に搭載される毛１０として種々の素材、形状のものを採用できる。例えば、毛１０として人毛を用いることができる。

【0057】

この場合、毛１０はセンサ本体部の形成後に毛固定部２０に固定される。図７（Ａ）に示すように、毛固定部２０に凹形の差込部２１を形成してもよい。毛１０の基端部を差込部２１に差し込むことで、毛１０が毛固定部２０に固定される。

【0058】

差込部２１の内壁に、対向して配置された二列の櫛歯を形成してもよい。二列の櫛歯により毛１０の基端部を挟むことで、毛固定部２０に対して毛１０をしっかりと固定できる。

【0059】

図７（Ａ）に示すように、櫛歯を構成する複数の歯は、それぞれ毛１０の差し込み方向に対して垂直であってもよい。図７（Ｂ）に示すように、櫛歯を構成する複数の歯は、それぞれ基端から先端に向かって毛の差し込み方向に傾斜してもよい。櫛歯の歯を差し込み方向に傾斜させれば、毛１０を差込部２１に差し込みやすく、抜けにくい。

【0060】

また、毛１０を毛固定部２０に接着剤で固定してもよい。この際、毛固定部２０には必ずしも差込部２１を形成する必要はない。

【0061】

毛固定部支持体５０および変位部支持体６０は、所望の弾性を得られれば、梁以外の部材で構成してもよい。

【0062】

旋回検出器７０および変位検出器８０は、ピエゾ抵抗素子に限定されない。例えば、毛固定部２０の旋回により毛固定部２０と基部４０との距離が変化することを利用して、旋回検出器７０を毛固定部２０と基部４０との間の静電容量を検出する構成としてもよい。同様に、変位検出器８０を、変位部３０と基部４０との間の静電容量を検出する構成としてもよい。

【0063】

触覚センサ１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３次元プリンターによる造形技術も採用できる。

【実施例】

【0064】

（設計・製作）
半導体基板を加工して、図１に示す触覚センサ１を製作した。半導体基板として、支持基板３００μｍ、酸化膜層０．５μｍ、活性層５０μｍのｐ型ＳＯＩ基板を用いた。センサ本体部は横６．３ｍｍ、縦４．８ｍｍである。

【0065】

毛１０は長さ５ｍｍ、幅１０μｍである。なお、毛１０の素材はシリコンである。毛１０の幅を１０μｍとすることで、その剛性は平均的な太さである直径５０μｍの人毛と同程度となる。

【0066】

人間が知覚可能な最小の力は１０μＮ、モーメントは１０ｎＮｍと考えられている。これに基づき、触覚センサ１の目標感度を、力１０μＮ、モーメント１０ｎＮｍに設定した。これを実現するために、旋回検出器７０および変位検出器８０を構成するピエゾ抵抗素子が配置される梁（幅狭部）の幅を１３μｍとした。

【0067】

（特性評価）
製作した触覚センサ１の特性評価を行った。その結果を図８に示す。図８のグラフは横軸が時間、縦軸がモーメント、軸力、剪断力の出力信号である。触覚センサ１により毛１０に作用するモーメント、軸力、剪断力をそれぞれ検出できることが確認された。また、他軸感度は２．３％と十分に低いことが確認された。

【0068】

Micromechanical Testing And Assembly System（ＦＥＭＴＯ ＴＯＯＬＳ）を用いて触覚センサ１の感度を測定した。その結果、軸力５μｍ、剪断力１μｍ、モーメント３ｎＮｍであった。これより、触覚センサ１は目標感度を達成していることが確認された。

【0069】

（独立検出評価）
前記の特性評価のみでは、モーメントと剪断力とを独立して検出できているとは断定できない。そこで、モーメントおよび剪断力の独立検出評価を行った。まず、特定の剪断力Ｆｓを毛１０の一点に加えた。このとき、毛１０のモーメント中心から力点までの距離をＬ１とした。このときのモーメントＭ１および剪断力Ｆｓの出力信号を図９（Ａ）に示す。

【0070】

つぎに、同一の剪断力Ｆｓを毛１０の他の一点に加えた。このとき、毛１０のモーメント中心から力点までの距離をＬ２とした。Ｌ２はＬ１の２倍の長さである。したがって、毛１０に作用するモーメントＭ２はＭ１の２倍になる。このときのモーメントＭ２および剪断力Ｆｓの出力信号を図９（Ｂ）に示す。

【0071】

図９（Ａ）と図９（Ｂ）とを比較して分かるように、剪断力Ｆｓの大きさに変化は見られない。一方、モーメントＭ２はＭ１の２倍となっている。これより、触覚センサ１はモーメントと剪断力とを独立して検出できることが確認された。

【0072】

（表面張力測定）
つぎに、触覚センサ１を用いて表面張力の測定を行った。
表面表力の測定対象液として水および種々の濃度（１０～１００質量％の範囲で１０質量％刻み）のエタノール水溶液を用いた。マイクロシリンジの先端に測定対象液の液滴を形成した。このとき、液滴が常に同じ大きさとなるように調整した。触覚センサ１の毛１０をその先端が液滴の中心に達するまで挿入した。つぎに、マイクロシリンジをｘ方向に一定速度で移動させた。毛１０の先端部が液滴の表面に達した後、毛１０は液滴の表面張力によりたわむ。液滴がさらに移動すると、毛１０が液滴の表面から離脱する。

【0073】

図１０（Ａ）に、測定対象液として水（エタノール濃度０質量％）を用いたときに、触覚センサ１で得られたモーメント、剪断力の出力信号のグラフを示す。図１０（Ｂ）に、測定対象液としてエタノール水溶液（エタノール濃度５０質量％）を用いたときに、触覚センサ１で得られたモーメント、剪断力の出力信号のグラフを示す。毛１０が液滴から離脱した前後における信号の差分から、表面張力により生じるモーメントＭ、剪断力Ｆｓを取得した。図１０（Ａ）と図１０（Ｂ）とを比較すると、測定対象液の相違により、モーメントＭ、剪断力Ｆｓに違いが生じることが分かる。

【0074】

各測定対象液について触覚センサ１でモーメントＭ、剪断力Ｆｓを取得し、式（３）に基づき表面張力ｗを求めた。その結果を実験値として図１１に示す。図１１のグラフの横軸はエタノール濃度であり、縦軸は表面張力である。図１１のグラフには、国際アルコール表（工業技術院計量研究所訳編：国際法定計量機関（ＯＩＭＬ)、国際アルコール表（日本語版）、ｐ．１６、１９７７）より引用したエタノール水溶液の表面張力の値を文献値として示している。実験値と文献値とを比較すると、エタノール濃度に対する表面張力の傾向がほぼ一致していることが分かる。実験値と文献値との誤差は平均で約１４％であった。これより、触覚センサ１は液体の表面張力をほぼ正確に測定できることが確認された。

【0075】

（静電気測定試験）
つぎに、触覚センサ１を用いて静電気の測定を行った。
触覚センサ１を加振装置に載せてｘ方向に振動させた。加振装置としてピエゾアクチュエータにより加振するものを用いた。加振装置により触覚センサ１を所望の周波数で振動させることができる。また、触覚センサ１からの出力信号をスペクトルアナライザにより周波数解析した。

【0076】

静電引力を加えずに、触覚センサ１への加振周波数を変更しつつ、触覚センサ１で得られたモーメントの振幅を求めた。つぎに、触覚センサ１の毛１０に対してｘ方向に１μＮの静電引力を加えた。この条件下で、触覚センサ１への加振周波数を変更しつつ、触覚センサ１で得られたモーメントの振幅を求めた。

【0077】

これらの結果を図１２のグラフに示す。図１２のグラフの横軸は触覚センサ１への加振周波数である。縦軸は触覚センサ１で得られたモーメントの振幅である。毛１０の共振周波数は、静電引力を加えると負の方向にシフトすることが分かる。これより、毛１０の共振周波数の変化から、静電引力を測定できることが確認された。また、触覚センサ１で検出される剪断力から直接的に静電引力を求める場合に比べて、感度を１０倍程度高くできることが確認された。

【符号の説明】

【0078】

１ 触覚センサ
１０ 毛
２０ 毛固定部
３０ 変位部
４０ 基部
５０ 毛固定部支持体
６０ 変位部支持体
７０ 旋回検出器
８０ 変位検出器
８１ 第１変位検出器
８２ 第２変位検出器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】