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(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】2023-05-29
(45)【発行日】2023-06-06
(54)【発明の名称】触覚センサおよび触覚測定方法
(51)【国際特許分類】
G01L 5/162 20200101AFI20230530BHJP
G01L 5/00 20060101ALI20230530BHJP
【ＦＩ】
G01L5/162
G01L5/00 101Z
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2019112271
(22)【出願日】2019-06-17
(65)【公開番号】P2020204527
(43)【公開日】2020-12-24
【審査請求日】2022-04-21
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 第３５回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム（センサ・マイクロマシン部門大会）予稿集、２０１８年１０月２３日 〔刊行物等〕 第３５回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム（センサ・マイクロマシン部門大会）、２０１８年１０月３０日～１１月１日 〔刊行物等〕 Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ｔｈｅ ３２ｎｄ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ（ＭＥＭＳ２０１９）、２０１９年１月２７日 〔刊行物等〕 ＩＥＥＥ ＭＥＭＳ ２０１９、２０１９年１月２７日～３１日 〔刊行物等〕 先端工学研究発表会２０１９冊子、２０１９年５月１５日 〔刊行物等〕 先端工学研究発表会２０１９、２０１９年５月２７日 〔刊行物等〕 Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ／ＥＵＲＯＳＥＮＳＯＲＳ ２０１９ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ、２０１９年６月１３日
【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、戦略的創造研究創造事業（ＣＲＥＳＴ）、「繊細な触角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１７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】特開昭６３－２１４６３１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６０－００４３６７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０２－０７５９２５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０２－１５７６２６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１１６０５４（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１５／１３３１１３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開平１０－２２７６３０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－１６９７４９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－１８５３９９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－１５６０９５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００２－５０２９６３（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第０５３７３７４７（ＵＳ，Ａ）
【文献】特開２００５－２６５９５７（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｌ ５／１６－５／１６２７，５／００，１／１８－１／２０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
表裏の主面および側面を有する平板状の触覚センサであって、
前記側面の一部であり測定対象物と接触する基準面を有し、該基準面において開口する開口部が形成されたフレームと、
前記開口部において、前記基準面および前記表裏の主面と平行なｘ軸に沿って並んで配置された複数の接触子と、
前記複数の接触子のそれぞれを、少なくとも前記基準面に対して垂直なｙ軸方向に変位可能に、前記フレームに対して支持する複数の支持体と、
前記複数の接触子のそれぞれの前記基準面に対する変位を検出する複数の変位検出器と、を備える
ことを特徴とする触覚センサ。
【請求項2】
前記複数の支持体は、前記複数の接触子のそれぞれを前記ｘ軸方向にも変位可能に支持す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】
前記複数の接触子は、前記基準面からの突出量が同じ量に設定されていることを特徴とする請求項１または２記載の触覚センサ。
【請求項4】
基準面を有し、該基準面において開口する開口部が形成されたフレームと、
前記開口部において、前記基準面と平行なｘ軸に沿って並んで配置された複数の接触子と、
前記複数の接触子のそれぞれを、少なくとも前記基準面に対して垂直なｙ軸方向に変位可能に、前記フレームに対して支持する複数の支持体と、
前記複数の接触子のそれぞれの前記基準面に対する変位を検出する複数の変位検出器と、を備え、
前記複数の接触子は、前記ｘ軸に沿って中心から対称な位置に配置された２つの接触子を一対として、複数対の接触子からなり、
前記複数対の接触子は、前記基準面からの突出量が、対ごとに異なる量に設定されている
ことを特徴とする触覚センサ。
【請求項5】
請求項３記載の触覚センサを用いた触覚測定方法であって、前記触覚センサの前記基準面を測定対象物の表面に押し当てながら、該測定対象物の表面を前記ｘ軸に対して斜め方向に掃引し、
前記複数の接触子それぞれの前記ｙ軸方向の変位から前記測定対象物の２次元平面の表面形状を求める
ことを特徴とする触覚測定方法。
【請求項6】
基準面を有し、該基準面において開口する開口部が形成されたフレームと、
前記開口部において、前記基準面と平行なｘ軸に沿って並んで配置された複数の接触子と、
前記複数の接触子のそれぞれを、少なくとも前記基準面に対して垂直なｙ軸方向に変位可能に、前記フレームに対して支持する複数の支持体と、
前記複数の接触子のそれぞれの前記基準面に対する変位を検出する複数の変位検出器と、を備え、
前記複数の接触子は、前記基準面からの突出量が同じ量に設定されている、触覚センサを用いた触覚測定方法であって、
前記ｘ軸を測定対象物の表面に対して傾斜させた状態で、前記触覚センサの前記基準面を該測定対象物の表面に押し当てながら、該測定対象物の表面を掃引し、
前記複数の接触子それぞれの前記ｙ軸方向の変位から前記測定対象物の柔軟性を求める
ことを特徴とする触覚測定方法。
【請求項7】
請求項４記載の触覚センサを用いた触覚測定方法であって、前記触覚センサの前記基準面を測定対象物の表面に押し当てながら、該測定対象物の表面を掃引し、
対をなす前記２つの接触子それぞれの前記ｙ軸方向の変位を平均して、該対のｙ軸方向平均変位を求め、
前記対それぞれの前記ｙ軸方向平均変位から前記測定対象物の柔軟性を求める
ことを特徴とする触覚測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、触覚センサおよび触覚測定方法に関する。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、その触覚センサを用いた触覚測定方法に関する。
【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】
【0003】
【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】
【0004】
人間の指腹には指紋がある。指紋は複数の稜線から構成されている。機械受容器の一つであるマイスナー小体は指紋を構成する稜線に沿って分布している。これにより、人間の指腹は細かい触覚を得ることができると考えられている。人間の指腹のように細かい触覚を得るためには、指腹と同程度の空間分解能を有するセンサが必要となる。ところが、特許文献１の触覚センサは指腹ほどの高い空間分解能での多点検出が実現されていない。
【0005】
本発明は上記事情に鑑み、高い空間分解能で多点検出が可能な触覚センサを提供することを目的とする。また、本発明は、その触覚センサを用いた触覚測定方法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発明の触覚センサは、表裏の主面および側面を有する平板状の触覚センサであって、前記側面の一部であり測定対象物と接触する基準面を有し、該基準面において開口する開口部が形成されたフレームと、前記開口部において、前記基準面および前記表裏の主面と平行なｘ軸に沿って並んで配置された複数の接触子と、前記複数の接触子のそれぞれを、少なくとも前記基準面に対して垂直なｙ軸方向に変位可能に、前記フレームに対して支持する複数の支持体と、前記複数の接触子のそれぞれの前記基準面に対する変位を検出する複数の変位検出器と、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、前記複数の支持体は、前記複数の接触子のそれぞれを前記ｘ軸方向にも変位可能に支持することを特徴とする。
第３発明の触覚センサは、第１または第２発明において、前記複数の接触子は、前記基準面からの突出量が同じ量に設定されていることを特徴とする。
第４発明の触覚センサは、基準面を有し、該基準面において開口する開口部が形成されたフレームと、前記開口部において、前記基準面と平行なｘ軸に沿って並んで配置された複数の接触子と、前記複数の接触子のそれぞれを、少なくとも前記基準面に対して垂直なｙ軸方向に変位可能に、前記フレームに対して支持する複数の支持体と、前記複数の接触子のそれぞれの前記基準面に対する変位を検出する複数の変位検出器と、を備え、前記複数の接触子は、前記ｘ軸に沿って中心から対称な位置に配置された２つの接触子を一対として、複数対の接触子からなり、前記複数対の接触子は、前記基準面からの突出量が、対ごとに異なる量に設定されていることを特徴とする。
第５発明の触覚測定方法は、第３発明の触覚センサを用いた触覚測定方法であって、前記触覚センサの前記基準面を測定対象物の表面に押し当てながら、該測定対象物の表面を前記ｘ軸に対して斜め方向に掃引し、前記複数の接触子それぞれの前記ｙ軸方向の変位から前記測定対象物の２次元平面の表面形状を求めることを特徴とする。
第６発明の触覚測定方法は、基準面を有し、該基準面において開口する開口部が形成されたフレームと、前記開口部において、前記基準面と平行なｘ軸に沿って並んで配置された複数の接触子と、前記複数の接触子のそれぞれを、少なくとも前記基準面に対して垂直なｙ軸方向に変位可能に、前記フレームに対して支持する複数の支持体と、前記複数の接触子のそれぞれの前記基準面に対する変位を検出する複数の変位検出器と、を備え、前記複数の接触子は、前記基準面からの突出量が同じ量に設定されている、触覚センサを用いた触覚測定方法であって、前記ｘ軸を測定対象物の表面に対して傾斜させた状態で、前記触覚センサの前記基準面を該測定対象物の表面に押し当てながら、該測定対象物の表面を掃引し、前記複数の接触子それぞれの前記ｙ軸方向の変位から前記測定対象物の柔軟性を求めることを特徴とする。
第７発明の触覚測定方法は、第４発明の触覚センサを用いた触覚測定方法であって、前記触覚センサの前記基準面を測定対象物の表面に押し当てながら、該測定対象物の表面を掃引し、対をなす前記２つの接触子それぞれの前記ｙ軸方向の変位を平均して、該対のｙ軸方向平均変位を求め、前記対それぞれの前記ｙ軸方向平均変位から前記測定対象物の柔軟性を求め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、前記複数の支持体は、前記複数の接触子のそれぞれを前記ｘ軸方向にも変位可能に支持することを特徴とする。
第３発明の触覚センサは、第１または第２発明において、前記複数の接触子は、前記基準面からの突出量が同じ量に設定されていることを特徴とする。
第４発明の触覚センサは、基準面を有し、該基準面において開口する開口部が形成されたフレームと、前記開口部において、前記基準面と平行なｘ軸に沿って並んで配置された複数の接触子と、前記複数の接触子のそれぞれを、少なくとも前記基準面に対して垂直なｙ軸方向に変位可能に、前記フレームに対して支持する複数の支持体と、前記複数の接触子のそれぞれの前記基準面に対する変位を検出する複数の変位検出器と、を備え、前記複数の接触子は、前記ｘ軸に沿って中心から対称な位置に配置された２つの接触子を一対として、複数対の接触子からなり、前記複数対の接触子は、前記基準面からの突出量が、対ごとに異なる量に設定されていることを特徴とする。
第５発明の触覚測定方法は、第３発明の触覚センサを用いた触覚測定方法であって、前記触覚センサの前記基準面を測定対象物の表面に押し当てながら、該測定対象物の表面を前記ｘ軸に対して斜め方向に掃引し、前記複数の接触子それぞれの前記ｙ軸方向の変位から前記測定対象物の２次元平面の表面形状を求めることを特徴とする。
第６発明の触覚測定方法は、基準面を有し、該基準面において開口する開口部が形成されたフレームと、前記開口部において、前記基準面と平行なｘ軸に沿って並んで配置された複数の接触子と、前記複数の接触子のそれぞれを、少なくとも前記基準面に対して垂直なｙ軸方向に変位可能に、前記フレームに対して支持する複数の支持体と、前記複数の接触子のそれぞれの前記基準面に対する変位を検出する複数の変位検出器と、を備え、前記複数の接触子は、前記基準面からの突出量が同じ量に設定されている、触覚センサを用いた触覚測定方法であって、前記ｘ軸を測定対象物の表面に対して傾斜させた状態で、前記触覚センサの前記基準面を該測定対象物の表面に押し当てながら、該測定対象物の表面を掃引し、前記複数の接触子それぞれの前記ｙ軸方向の変位から前記測定対象物の柔軟性を求めることを特徴とする。
第７発明の触覚測定方法は、第４発明の触覚センサを用いた触覚測定方法であって、前記触覚センサの前記基準面を測定対象物の表面に押し当てながら、該測定対象物の表面を掃引し、対をなす前記２つの接触子それぞれの前記ｙ軸方向の変位を平均して、該対のｙ軸方向平均変位を求め、前記対それぞれの前記ｙ軸方向平均変位から前記測定対象物の柔軟性を求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【0007】
第１発明によれば、複数の接触子を有するので、測定対象物表面の特性を高い空間分解能で多点検出できる。
第２発明によれば、接触子のｘ軸方向およびｙ軸方向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。
第３発明によれば、複数の接触子の突出量が同じであるので、複数の接触子を同じ条件で測定対象物に接触させることができる。
第４発明によれば、突出量が異なる複数対の接触子を有するので、種々の条件での検出を同時に行なえる。
第５発明によれば、触覚センサをｘ軸に対して斜め方向に掃引することで、一回の掃引で所定幅の領域を測定でき、測定対象物の２次元平面の表面形状を測定できる。
第６発明によれば、触覚センサのｘ軸を測定対象物の表面に対して傾斜させた状態で押し当てることで、複数の接触子それぞれの押し当て力を段階的に変化させることができる。そのため、一回の掃引で複数の押し当て力における接触子の変位を検出でき、これにより接触子先端幅程度の高い空間解像度で測定対象物の柔軟性を求めることができる。
第７発明によれば、対をなす２つの接触子のｙ軸方向の変位の平均を求めることで、ｘ軸の測定対象物に対する傾斜の影響を除去できる。そのため、接触子先端幅程度の高い空間解像度で測定対象物の柔軟性を精度良く求めることができる。
第２発明によれば、接触子のｘ軸方向およびｙ軸方向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。
第３発明によれば、複数の接触子の突出量が同じであるので、複数の接触子を同じ条件で測定対象物に接触させることができる。
第４発明によれば、突出量が異なる複数対の接触子を有するので、種々の条件での検出を同時に行なえる。
第５発明によれば、触覚センサをｘ軸に対して斜め方向に掃引することで、一回の掃引で所定幅の領域を測定でき、測定対象物の２次元平面の表面形状を測定できる。
第６発明によれば、触覚センサのｘ軸を測定対象物の表面に対して傾斜させた状態で押し当てることで、複数の接触子それぞれの押し当て力を段階的に変化させることができる。そのため、一回の掃引で複数の押し当て力における接触子の変位を検出でき、これにより接触子先端幅程度の高い空間解像度で測定対象物の柔軟性を求めることができる。
第７発明によれば、対をなす２つの接触子のｙ軸方向の変位の平均を求めることで、ｘ軸の測定対象物に対する傾斜の影響を除去できる。そのため、接触子先端幅程度の高い空間解像度で測定対象物の柔軟性を精度良く求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】本発明の第１実施形態に係る触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】第１実施形態に係る触覚センサの接触子先端部の拡大平面図である。
【図6】触覚センサを用いた検出方法の説明図である。
【図7】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8】２次元平面測定操作の説明図である。
【図9】柔軟性測定操作の説明図である。
【図10】第２実施形態に係る触覚センサの接触子先端部の拡大平面図である。
【図11】柔軟性測定操作の説明図である。
【図12】触覚センサの特性評価の結果を示すグラフである。
【図13】図（Ａ）は２次元平面測定試験により得られた表面形状のグラフである。図（Ｂ）は２次元平面測定試験により得られた摩擦力のグラフである。
【図14】柔軟性測定試験１で得られた表面形状信号および摩擦力信号のグラフである。
【図15】柔軟性測定試験２で得られた各試料の表面形状信号および摩擦力信号のグラフである。
【図16】押し込み量と反力との関係を示すグラフである。
【図17】各試料のヤング率と試験により求められた弾性との関係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〕
（触覚センサ）
図１に示すように、本発明の第１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。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触覚センサ１の構成部材が形成されている。したがって、触覚センサ１は全体として平板状である。触覚センサ１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。
〔第１実施形態〕
（触覚センサ）
図１に示すように、本発明の第１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。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触覚センサ１の構成部材が形成されている。したがって、触覚センサ１は全体として平板状である。触覚センサ１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】
触覚センサ１はその一側面を測定対象物と接触するセンシング面としている。本実施形態では、触覚センサ１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】
触覚センサ１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。また、フレーム１０のセンシング面側の縁部１２には中央に開口部１３が形成されている。空間部１１は開口部１３を介してフレーム１０の外部と連通している。
【0012】
縁部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。開口部１３は基準面１４において開口している。したがって、基準面１４は開口部１３により２つに分割されている。なお、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を基準として触覚センサ１のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を定義する。ｘ軸は基準面１４と平行な軸である。ｙ軸は基準面１４に対して垂直な軸である。ｚ軸はｘ－ｙ平面（ｘ軸およびｙ軸を含む平面）に対して垂直な軸である。ｘ－ｙ平面は平板状の触覚センサ１が有する表裏の主面と平行である。したがって、ｚ軸は触覚センサ１の厚さ方向に沿っている。なお、基準面１４はｘ－ｚ平面（ｘ軸およびｚ軸を含む平面）と平行である。また、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の開口部１３には複数の接触子２０Ａ～２０Ｆが配置されている。接触子２０Ａ～２０Ｆの数は特に限定されず、２つ以上であればよい。本実施形態の触覚センサ１は６つの接触子２０Ａ～２０Ｆを有する。
【0015】
各接触子２０Ａ～２０Ｆ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。また、複数の接触子２０Ａ～２０Ｆはｘ軸に沿って並んで配置されている。接触子２０Ａ～２０Ｆは２つの基準面１４、１４（縁部１２、１２）の間に並んで配置されている。
【0016】
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。本実施形態の触覚センサ１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。
【0017】
例えば、第１接触子２０Ａとフレーム１０とは第１支持体３０Ａを介して接続されている。支持体３０Ａ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２０Ａ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。なお、接触子２０Ａと接続部３３との間に縦梁３２を架け渡し、接続部３３とフレーム１０との間に横梁３１を架け渡してもよい。
【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２０Ａ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２０Ａのｘ軸方向の変位を許容する。すなわち、接触子２０Ａは基準面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３０Ａ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３０Ａ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。
【0020】
他の支持体３０Ｂ～３０Ｆは第１支持体３０Ａと同様の構成である。他の接触子２０Ｂ～２０Ｆも基準面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。
【0021】
支持体３０Ａ～３０Ｆはｘ軸方向の変位に対するばね定数ｋx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ｋy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。そのため、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。
【0022】
なお、支持体３０Ａ～３０Ｆは接触子２０Ａ～２０Ｆがｙ軸方向のみに変位するよう構成してもよい。後述のごとく、接触子２０Ａ～２０Ｆ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。摩擦力を検知する必要がない場合には、接触子２０Ａ～２０Ｆがｙ軸方向のみに変位するよう構成してもよい。
【0023】
触覚センサ１のセンシング面を測定対象物に押し当てると、接触子２０Ａ～２０Ｆがｙ軸方向に変位する。また、触覚センサ１のセンシング面を測定対象物に押し当てながら、触覚センサ１を測定対象物の表面に沿って掃引すると、接触子２０Ａ～２０Ｆがｙ軸方向に変位するとともにｘ軸方向に変位する。このような接触子２０Ａ～２０Ｆの変位を検出するために、複数の変位検出器４０Ａ～４０Ｂが設けられている。
【0024】
変位検出器４０Ａ～４０Ｆの数は接触子２０Ａ～２０Ｆの数と等しい。本実施形態の触覚センサ１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のそれぞれの基準面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。
【0025】
例えば、第１変位検出器４０Ａは第１支持体３０Ａに設けられている。第１変位検出器４０Ａにより第１接触子２０Ａの基準面１４に対する変位を検出できる。変位検出器４０Ａは、接触子２０Ａのｙ軸方向の変位を検出する縦変位検出器４１と、接触子２０Ａ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。
【0026】
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。
【0027】
支持体３０Ａ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。
【0028】
なお、支持体３０Ａ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。
【0029】
図２（Ｂ）に示すように、接触子２０Ａ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２０Ａ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。
【0030】
図３に示すように、触覚センサ１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２０Ａの基準面１４に対するｙ軸方向の変位を検出できる。
【0031】
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。
【0032】
支持体３０Ａ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。なお、支持体３０Ａ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。
【0033】
図４（Ｂ）に示すように、接触子２０Ａ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。
【0034】
触覚センサ１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。
【0035】
図５に接触子２０Ａ～２０Ｆの先端部の拡大図を示す。接触子２０Ａ～２０Ｆは先端部が基準面１４から外部に突出している。各接触子２０Ａ～２０Ｆの先端部を接触端２１と称する。接触端２１の側面はセンシング面の一部を構成し、測定対象物と接触する。接触端２１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。
【0036】
全ての接触子２０Ａ～２０Ｆの接触端２１は、通常、同一形状、同一寸法に設計される。本実施形態の接触子２０Ａ～２０Ｆの接触端２１は、実質的に同一形状、同一寸法である。また、接触子２０Ａ～２０Ｆはｘ軸に沿って等間隔で並べられている。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。そうすれば、触覚センサ１は人間の触覚に近い検知ができると考えられる。
【0037】
人間の触覚に近い検知を実現するという観点からは、接触端２１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、接触端２１を半円形とし、その直径を１００～５００μｍとすることが好ましい。
【0038】
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ｘ軸方向およびｙ軸方向に変位できる。
【0039】
本実施形態の触覚センサ１は、全ての接触子２０Ａ～２０Ｆの突出量Ｐが同じ量に設定されている。ここで、突出量Ｐとは、接触子２０Ａ～２０Ｆに外力が働いていない状態における基準面１４から各接触子２０Ａ～２０Ｆの頂部までのｙ軸方向の距離を意味する。接触子２０Ａ～２０Ｆの突出量Ｐが同じであるので、接触子２０Ａ～２０Ｆを同じ条件で測定対象物に接触させることができる。
【0040】
（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、その厚みは例えば３００μｍである。
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、その厚みは例えば３００μｍである。
【0041】
まず、基板を洗浄し、酸化処理を行ない、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、リン拡散を行なう。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２０Ａ～２０Ｆおよび支持体３０Ａ～３０Ｆ）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。
【0042】
（触覚測定方法）
つぎに、触覚センサ１を用いた触覚測定方法を説明する。
触覚センサ１を用いて測定を行なう際には、触覚センサ１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２０Ａ～２０Ｆ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、柔軟性などを測定できる。以下、その原理を説明する。
つぎに、触覚センサ１を用いた触覚測定方法を説明する。
触覚センサ１を用いて測定を行なう際には、触覚センサ１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２０Ａ～２０Ｆ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、柔軟性などを測定できる。以下、その原理を説明する。
【0043】
・基本原理
まず、図６に基づき、単一の接触子２０の動きを説明する。
触覚センサのセンシング面を測定対象物Ｏの表面に押し当てて、基準面１４を測定対象物Ｏに接触させる。そうすると、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。そして、接触子２０は触覚センサ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。
まず、図６に基づき、単一の接触子２０の動きを説明する。
触覚センサのセンシング面を測定対象物Ｏの表面に押し当てて、基準面１４を測定対象物Ｏに接触させる。そうすると、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。そして、接触子２０は触覚センサ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。
【0044】
触覚センサのセンシング面を測定対象物Ｏの表面に押し当てたまま、測定対象物Ｏの表面に沿って掃引する。そうすると、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は接触端２１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。
【0045】
図７に上記操作により触覚センサ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。触覚センサを測定対象物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、（２）のグラフは測定対象物Ｏの表面の表面形状（空間波形）を再現したものである。
（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。触覚センサを測定対象物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、（２）のグラフは測定対象物Ｏの表面の表面形状（空間波形）を再現したものである。
【0046】
ここで、接触子２０は接触端２１のサイズと同程度の波長帯の微細な凹凸にまで追従して変位する。接触端２１が半円形または扇形である場合には、接触子２０は接触端２１の半径と同程度の波長帯の微細な凹凸にまで追従して変位する。すなわち、接触端２１の半径が小さいほど空間波長の短い凹凸に追従し、測定対象物Ｏの表面の微細な凹凸を検知できる。また、接触端２１の半径が大きいほど小さい凹凸には追従しなくなり、測定対象物Ｏの表面の微細な凹凸を除去した空間波長の長い凹凸（うねり）を検知できる。このように、接触端２１の半径により波長帯（周波数帯）を選択して、測定対象物Ｏの表面形状を測定できる。
【0047】
また、接触端２１を半円形または扇形とすれば、触覚センサ１を測定対象物Ｏに押し当てながら摺動させても、接触子２０が測定対象物Ｏに引っ掛かることなくスムーズに動作する。そのため、接触子２０が測定対象物表面の凹凸に追従して変位し、測定対象物Ｏの表面形状を精度よく測定できる。
【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端２１と測定対象物Ｏとの間に働く摩擦力を意味する。ここで、接触端２１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にかかる反力ｆy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ｆxを算出できる。下記の式（１）に従い、反力ｆyおよび摩擦力ｆx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軸方向の変位を検出することで、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。
【0051】
本実施形態の触覚センサ１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、触覚センサ１を用いて上記操作を行なえば、複数地点の測定を同時に行なうことができる。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。
【0052】
・２次元平面測定
つぎに、図８に基づき、触覚センサ１を用いた２次元平面の測定方法を説明する。
まず、触覚センサ１の基準面１４を測定対象物Ｏの表面に押し当てる。ここで、触覚センサ１のｘ軸を測定対象物Ｏの表面と平行にする。この状態で、触覚センサ１を測定対象物Ｏの表面に沿って掃引する。ここで、掃引方向ｓを触覚センサ１のｘ軸に対して斜めにする。
つぎに、図８に基づき、触覚センサ１を用いた２次元平面の測定方法を説明する。
まず、触覚センサ１の基準面１４を測定対象物Ｏの表面に押し当てる。ここで、触覚センサ１のｘ軸を測定対象物Ｏの表面と平行にする。この状態で、触覚センサ１を測定対象物Ｏの表面に沿って掃引する。ここで、掃引方向ｓを触覚センサ１のｘ軸に対して斜めにする。
【0053】
触覚センサ１のｘ軸と掃引方向ｓとのなす角をヨー角φと称する。ヨー角φを設けると、接触子２０Ａ～２０Ｆは掃引方向ｓに対して垂直な方向に配列される。そのため、一回の掃引で所定の幅Ｗを有する領域の測定ができる。接触子２０Ａ～２０Ｆそれぞれのｘ軸方向およびｙ軸方向の変位から、幅Ｗの２次元平面の微細な表面形状および微小領域の摩擦力を測定できる。
【0054】
ヨー角φは０°より大きく９０°未満の範囲で選択できる。ヨー角φが小さいほど、掃引方向ｓに対して垂直な方向における接触子２０Ａ～２０Ｆの間隔が狭くなる。そのため、掃引方向ｓに対して垂直な方向の分解能が高くなる。ただし、ヨー角φが小さいほど、一度に掃引できる幅Ｗが狭くなる。逆に、ヨー角φが大きいほど、掃引方向ｓに対して垂直な方向の分解能が低くなり、幅Ｗが広くなる。なお、ヨー角φは４５°以下とすることが好ましい。接触子２０Ａ～２０Ｆのｘ軸方向の変位は測定対象物Ｏとの間に働く摩擦力のｘ軸方向成分に比例する。ヨー角φが大きすぎると、摩擦力のｘ軸方向成分が小さくなり、接触子２０Ａ～２０Ｆの摩擦力に対する感度が低下するからである。
【0055】
・柔軟性測定
つぎに、図９に基づき、触覚センサ１を用いた柔軟性の測定方法を説明する。
まず、触覚センサ１の基準面１４を測定対象物Ｏの表面に押し当てる。この際、触覚センサ１のｘ軸を測定対象物Ｏの表面（触覚センサ１の押し当てにより変形する前の表面）に対して傾斜させる。この状態で、触覚センサ１を測定対象物Ｏの表面に沿って掃引する。なお、同一地点の柔軟性を測定する場合は掃引時のヨー角φを０°とする。
つぎに、図９に基づき、触覚センサ１を用いた柔軟性の測定方法を説明する。
まず、触覚センサ１の基準面１４を測定対象物Ｏの表面に押し当てる。この際、触覚センサ１のｘ軸を測定対象物Ｏの表面（触覚センサ１の押し当てにより変形する前の表面）に対して傾斜させる。この状態で、触覚センサ１を測定対象物Ｏの表面に沿って掃引する。なお、同一地点の柔軟性を測定する場合は掃引時のヨー角φを０°とする。
【0056】
触覚センサ１のｘ軸と測定対象物Ｏの表面ｈとのなす角をピッチ角θと称する。ピッチ角θを設ければ、接触子２０Ａ～２０Ｆそれぞれの押し当て力を段階的に変化させることができる。例えば、第１接触子２０Ａから第６接触子２０Ｆにかけて測定対象物Ｏへの押し当て力を段階的に強くすることができる。そのため、一回の掃引で、複数の押し当て力における接触子２０Ａ～２０Ｆの変位を検出できる。
【0057】
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。具体的には、測定対象物Ｏが硬い場合、測定対象物Ｏはあまり変形しないため、接触子２０Ａ～２０Ｆの変位の差はピッチ角θを反映し、大きくなる。これに対して、測定対象物Ｏが柔らかい場合、測定対象物Ｏは押し当て力に従って変形するため、接触子２０Ａ～２０Ｆの変位の差は小さくなる。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。
【0058】
〔第２実施形態〕
（触覚センサ）
つぎに、本発明の第２実施形態に係る触覚センサ２を説明する。
図１０に示すように、本実施形態の触覚センサ２は、第１実施形態の触覚センサ１と同様に、複数の接触子２０Ａ～２０Ｆを有する。触覚センサ２は、具体的には、６つの接触子２０Ａ～２０Ｆを有する。触覚センサ２は接触子２０Ａ～２０Ｆの突出量に特徴を有する。それ以外の構成は第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。
（触覚センサ）
つぎに、本発明の第２実施形態に係る触覚センサ２を説明する。
図１０に示すように、本実施形態の触覚センサ２は、第１実施形態の触覚センサ１と同様に、複数の接触子２０Ａ～２０Ｆを有する。触覚センサ２は、具体的には、６つの接触子２０Ａ～２０Ｆを有する。触覚センサ２は接触子２０Ａ～２０Ｆの突出量に特徴を有する。それ以外の構成は第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【0059】
本実施形態においては、触覚センサ２のｘ軸に沿って中心から対称な位置に配置された２つの接触子２０Ａ～２０Ｆを一対とする。具体的には、最も外側の第１接触子２０Ａと第６接触子２０Ｆを第１対とする。第１対の内側の第２接触子２０Ｂと第５接触子２０Ｅを第２対とする。最も内側の第３接触子２０Ｃと第４接触子２０Ｄを第３対とする。このように、触覚センサ２は複数対の接触子２０Ａ～２０Ｆを有する。
【0060】
接触子２０Ａ～２０Ｆは基準面１４からの突出量が対ごとに異なる量に設定されている。対をなす接触子２０Ａ、２０Ｆは突出量が同じに設定されている。具体的には、第１対をなす第１、第６接触子２０Ａ、２０Ｆは第１突出量Ｐ１に設定されている。第２対をなす第２、第５接触子２０Ｂ、２０Ｅは第２突出量Ｐ２に設定されている。第３対をなす第３、第４接触子２０Ｃ、２０Ｄは第３突出量Ｐ３に設定されている。第１突出量Ｐ１、第２突出量Ｐ２、第３突出量Ｐ３はこの順の大きくなっている。したがって、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。
【0061】
なお、接触子２０Ａ～２０Ｆが構成する対の数は２つ以上であればよく、３つに限定されない。接触子２０Ａ～２０Ｆの突出量も２段階以上であればよく、３段階に限定されない。また、同じ突出量に設定され対をなす接触子２０Ａ～２０Ｆはｘ軸に沿って中心から対称な位置（中心から同距離）に配置されていればよい。外側の接触子２０Ａ、２０Ｆの突出量Ｐ１を大きくし、内側の接触子２０Ｃ、２０Ｄの突出量Ｐ３を小さくしてもよい。この場合、接触子２０Ａ～２０Ｆは全体として、中央が内部に凹んだ円弧状となる。
【0062】
以上のように、触覚センサ２は突出量が異なる複数対の接触子２０Ａ～２０Ｆを有するので、種々の条件での検出を同時に行なえる。
【0063】
（触覚測定方法）
つぎに、触覚センサ２を用いた触覚測定方法を説明する。
触覚センサ２を用いて以下の操作を行なえば、測定対象物Ｏの柔軟性を測定できる。
つぎに、触覚センサ２を用いた触覚測定方法を説明する。
触覚センサ２を用いて以下の操作を行なえば、測定対象物Ｏの柔軟性を測定できる。
【0064】
図１１に示すように、触覚センサ２の基準面１４を測定対象物Ｏの表面に押し当てる。この状態で、触覚センサ２を測定対象物Ｏの表面に沿って掃引する。なお、ヨー角φは０°とする。
【0065】
触覚センサ２を測定対象物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。触覚センサ２は突出量の異なる複数の接触子２０Ａ～２０Ｆを有する。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。具体的には、測定対象物Ｏが硬い場合、測定対象物Ｏはあまり変形しないため、接触子２０Ａ～２０Ｆの変位の差は突出量の違いを反映し、大きくなる。これに対して、測定対象物Ｏが柔らかい場合、測定対象物Ｏは押し当て力に従って変形するため、接触子２０Ａ～２０Ｆの変位の差は小さくなる。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。
【0066】
上記の操作の際、触覚センサ２が意図せず測定対象物Ｏの表面に対して傾くことがある。また、測定対象物Ｏの表面に大きなうねりがあると、触覚センサ２を測定対象物Ｏの表面と平行な状態を維持したまま掃引することは困難である。ここでは、触覚センサ２のｘ軸が測定対象物Ｏの表面ｈ（触覚センサ２の押し当てにより変形する前の表面）に対して角度θだけ傾斜しているとする。
【0067】
触覚センサ２の傾斜は接触子２０Ａ～２０Ｆのｙ軸方向の変位ｄA～ｄFに影響する。例えば、図１１に示すように触覚センサ２が傾斜している場合、第１接触子２０Ａは傾斜角θが大きくなるほど測定対象物Ｏに強く押し付けられる。これにより、第１接触子２０Ａの変位ｄAが大きくなる。逆に、第６接触子２０Ｆは傾斜角θが大きくなるほど測定対象物Ｏに弱く押し付けられる。これにより、第６接触子２０Ｆの変位ｄFが小さくなる。触覚センサ２の傾斜は接触子２０Ａ～２０Ｆの変位ｄA～ｄFから求められた測定対象物Ｏの柔軟性にも影響する。そのため、柔軟性の測定精度が低くなる。
【0068】
以下の演算を行なえば、触覚センサ２の傾斜の影響を除去して、測定対象物Ｏの柔軟性を精度良く求めることができる。すなわち、対をなす２つの接触子２０Ａ、２０Ｆそれぞれのｙ軸方向の変位ｄA、ｄFを平均して、その対のｙ軸方向平均変位を求める。具体的には、第１対をなす第１、第６接触子２０Ａ、２０Ｆのｙ軸方向の変位ｄA、ｄFを平均して第１対のｙ軸方向平均変位ｄ1を求める。第２対をなす第２、第５接触子２０Ｂ、２０Ｅのｙ軸方向の変位ｄB、ｄEを平均して第２対のｙ軸方向平均変位ｄ2を求める。第３対をなす第３、第４接触子２０Ｃ、２０Ｄのｙ軸方向の変位ｄC、ｄDを平均して第３対のｙ軸方向平均変位ｄ3を求める。
【0069】
対称な位置に配置された対をなす２つの接触子２０Ａ、２０Ｆについて、ｙ軸方向の変位の平均を求めることで、触覚センサ２の傾斜の影響を除去できる。その後、対それぞれのｙ軸方向平均変位ｄ1、ｄ2、ｄ3から測定対象物Ｏの柔軟性を求める。そうすれば、測定対象物Ｏの柔軟性を精度良く求めることができる。また、２対以上の接触子２０Ａ～２０Ｆを用いて柔軟性を求めることで、対象物Ｏの柔軟性が入力に対して線形的に変化しているかどうかを判別することもできる。
【0070】
〔その他の実施形態〕
接触子２０Ａ～２０Ｆの接触端２１は半円形に限られず、他の形状に形成されてもよい。例えば、先鋭的な針状、波面状、左右非対称の形状にしてもよい。また、測定対象物Ｏの引っ掛かり感を重要なパラメータとして測定する場合には、接触端２１を鉤状に形成し、測定対象物Ｏに引っ掛かりやすくしてもよい。
接触子２０Ａ～２０Ｆの接触端２１は半円形に限られず、他の形状に形成されてもよい。例えば、先鋭的な針状、波面状、左右非対称の形状にしてもよい。また、測定対象物Ｏの引っ掛かり感を重要なパラメータとして測定する場合には、接触端２１を鉤状に形成し、測定対象物Ｏに引っ掛かりやすくしてもよい。
【0071】
支持体３０Ａ～３０Ｆ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。
【0072】
変位検出器４０Ａ～４０Ｆは、ピエゾ抵抗素子に限定されない。例えば、接触子２０Ａ～２０Ｆの変位により接触子２０Ａ～２０Ｆとフレーム１０との距離が変化することを利用して、変位検出器４０Ａ～４０Ｆを接触子２０Ａ～２０Ｆ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。
【0073】
触覚センサ１、２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、触覚センサ１、２の全体または一部を３次元プリンターによる造形技術により形成してもよい。
【実施例】
【0074】
（設計・製作１）
半導体基板を加工して触覚センサ１を製作した。この触覚センサ１は第１実施形態の触覚センサ１と同様の構造であるが、図１に示すものと比較して各部の寸法は異なる。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。触覚センサ１は６つの接触子２０Ａ～２０Ｆを有する。各接触子２０Ａ～２０Ｆの接触端２１は直径４４０μｍの半円形である。接触子２０Ａ～２０Ｆはｘ軸に沿って５００μｍ間隔で並べられている。全ての接触子２０Ａ～２０Ｆの突出量Ｐは５０μｍである。
半導体基板を加工して触覚センサ１を製作した。この触覚センサ１は第１実施形態の触覚センサ１と同様の構造であるが、図１に示すものと比較して各部の寸法は異なる。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。触覚センサ１は６つの接触子２０Ａ～２０Ｆを有する。各接触子２０Ａ～２０Ｆの接触端２１は直径４４０μｍの半円形である。接触子２０Ａ～２０Ｆはｘ軸に沿って５００μｍ間隔で並べられている。全ての接触子２０Ａ～２０Ｆの突出量Ｐは５０μｍである。
【0075】
（特性評価）
作製した触覚センサ１の感度を測定した。測定にはMicromechanical Testing And Assembly System（FemtoTools FT-MTA03）を用いた。測定装置のプローブを各接触子２０Ａ～２０Ｆに対してｙ軸方向に押し当て、ｙ軸方向の変位の分解能を測定した。また、測定装置のプローブを各接触子２０Ａ～２０Ｆに対してｘ軸方向に押し当て、摩擦力の分解能を測定した。その結果、ｙ軸方向の変位の分解能は０．２μｍ、摩擦力の分解能は１０μＮであった。他軸感度は３％以下と十分に低いことが確認された。また、支持体３０Ａ～３０Ｆのばね定数はほぼ等しく、それらの偏差は７％以下であった。
作製した触覚センサ１の感度を測定した。測定にはMicromechanical Testing And Assembly System（FemtoTools FT-MTA03）を用いた。測定装置のプローブを各接触子２０Ａ～２０Ｆに対してｙ軸方向に押し当て、ｙ軸方向の変位の分解能を測定した。また、測定装置のプローブを各接触子２０Ａ～２０Ｆに対してｘ軸方向に押し当て、摩擦力の分解能を測定した。その結果、ｙ軸方向の変位の分解能は０．２μｍ、摩擦力の分解能は１０μＮであった。他軸感度は３％以下と十分に低いことが確認された。また、支持体３０Ａ～３０Ｆのばね定数はほぼ等しく、それらの偏差は７％以下であった。
【0076】
つぎに、触覚センサ１を用いて試料の表面形状および摩擦力を測定した。試料として平編の布を用いた。試料に触覚センサ１のセンシング面を押し当て、ｘ軸方向に一定速度（１ｍｍ／秒）で掃引した。なお、ヨー角φおよびピッチ角θは０°とした。その結果を図１２に示す。図１２中、上のグラフは、横軸が試料表面上の位置、縦軸が各接触子２０Ａ～２０Ｆのｙ軸方向の変位（表面形状）である。図１２中、下のグラフは、横軸が試料表面上の位置、縦軸が各接触子２０Ａ～２０Ｆのｘ軸方向の変位から求められた摩擦力である。
【0077】
表面形状の波形および摩擦力の波形は布の織り構造をよく再現している。また、６つの表面形状の波形はほぼ一致しており、６つの摩擦力の波形もほぼ一致している。これは、６つの接触子２０Ａ～２０Ｆが同じ感度を有することを示している。各接触子２０Ａ～２０Ｆは表面の凹凸の分解能が１００μｍであり、摩擦力の分解能が５０μＮであることが確認された。これは人間の指先の分解能に匹敵する。
【0078】
（２次元平面測定試験）
つぎに、ヨー角φを１０°とし、触覚センサ１で試料表面を掃引した。ここで掃引方向を布の織り目方向に対して垂直方向とした。また、ピッチ角θは０°とした。図１３（Ａ）に表面形状のグラフを示す。図１３（Ｂ）に摩擦力のグラフを示す。ヨー角φを設けることで、２次元平面の表面形状および摩擦力を測定できることが確認された。
つぎに、ヨー角φを１０°とし、触覚センサ１で試料表面を掃引した。ここで掃引方向を布の織り目方向に対して垂直方向とした。また、ピッチ角θは０°とした。図１３（Ａ）に表面形状のグラフを示す。図１３（Ｂ）に摩擦力のグラフを示す。ヨー角φを設けることで、２次元平面の表面形状および摩擦力を測定できることが確認された。
【0079】
表面形状のグラフより布の織り目の周期構造がわかる。また、摩擦力のグラフより局所的な摩擦力は布の織り目の位置に関係していることが分かる。局所的な摩擦力は人間が布に触れたときの引っ掛かり感を再現していると考えられる。
【0080】
（柔軟性測定試験１）
つぎに、ピッチ角θを２°とし、触覚センサ１で試料表面を掃引した。なお、ヨー角φは０°とした。その結果を図１４に示す。ヨー角φを設けることで、６つの接触子２０Ａ～２０Ｆの押し当て力を段階的に変化させることができる。図１４のグラフから分かるように、６つの表面形状の波形には相違が見られる。また、６つの摩擦力の波形にも相違が見られる。この相違、すなわち、接触子２０Ａ～２０Ｆの変位の差は、試料の柔軟性に依存する。そのため、波形の相違の大きさは試料の柔軟性の度合いを示している。
つぎに、ピッチ角θを２°とし、触覚センサ１で試料表面を掃引した。なお、ヨー角φは０°とした。その結果を図１４に示す。ヨー角φを設けることで、６つの接触子２０Ａ～２０Ｆの押し当て力を段階的に変化させることができる。図１４のグラフから分かるように、６つの表面形状の波形には相違が見られる。また、６つの摩擦力の波形にも相違が見られる。この相違、すなわち、接触子２０Ａ～２０Ｆの変位の差は、試料の柔軟性に依存する。そのため、波形の相違の大きさは試料の柔軟性の度合いを示している。
【0081】
（設計・製作２）
つぎに、半導体基板を加工して触覚センサ２を製作した。この触覚センサ２は第２実施形態の触覚センサ２と同様の構造であるが、図１０に示すものと比較して各部の寸法は異なる。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。触覚センサ１は６つの接触子２０Ａ～２０Ｆを有する。各接触子２０Ａ～２０Ｆの接触端２１は直径４４０μｍの半円形である。接触子２０Ａ～２０Ｆはｘ軸に沿って５００μｍ間隔で並べられている。第１対をなす第１、第６接触子２０Ａ、２０Ｆの第１突出量Ｐ１は５０μｍである。第２対をなす第２、第５接触子２０Ｂ、２０Ｅの第２突出量Ｐ２は１００μｍである。第３対をなす第３、第４接触子２０Ｃ、２０Ｄの第３突出量Ｐ３は１５０μｍである。
つぎに、半導体基板を加工して触覚センサ２を製作した。この触覚センサ２は第２実施形態の触覚センサ２と同様の構造であるが、図１０に示すものと比較して各部の寸法は異なる。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。触覚センサ１は６つの接触子２０Ａ～２０Ｆを有する。各接触子２０Ａ～２０Ｆの接触端２１は直径４４０μｍの半円形である。接触子２０Ａ～２０Ｆはｘ軸に沿って５００μｍ間隔で並べられている。第１対をなす第１、第６接触子２０Ａ、２０Ｆの第１突出量Ｐ１は５０μｍである。第２対をなす第２、第５接触子２０Ｂ、２０Ｅの第２突出量Ｐ２は１００μｍである。第３対をなす第３、第４接触子２０Ｃ、２０Ｄの第３突出量Ｐ３は１５０μｍである。
【0082】
（柔軟性測定試験２）
作製した触覚センサ２を用いて試料の柔軟性を測定した。試料として弾性の異なる５種類のＰＤＭＳ（Polydimethylsiloxane）で形成された２ｍｍ厚の板を用いた。デュロメータを用いて５つの試料のヤング率を測定したところ、表１に示すとおりであった。
作製した触覚センサ２を用いて試料の柔軟性を測定した。試料として弾性の異なる５種類のＰＤＭＳ（Polydimethylsiloxane）で形成された２ｍｍ厚の板を用いた。デュロメータを用いて５つの試料のヤング率を測定したところ、表１に示すとおりであった。
【表1】
【0083】
各試料に対して、その表面に触覚センサ２の基準面１４を押し当て、ｘ軸方向に一定速度（１ｍｍ／秒）で掃引した。その結果を図１５に示す。図１５中、上のグラフは、横軸が試料表面上の位置、縦軸が各接触子２０Ａ～２０Ｆのｙ軸方向の変位から求められた押し込み量（表面形状）である。図１５中、下のグラフは、横軸が試料表面上の位置、縦軸が各接触子２０Ａ～２０Ｆのｘ軸方向の変位から求められた摩擦力である。
【0084】
ここで、各接触子２０Ａ～２０Ｆが測定対象物Ｏに押し込まれた量を押し込み量ｐA～ｐFとする。押し込み量ｐA～ｐFは基準面１４から各接触子２０Ａ～２０Ｆの頂部までのｙ軸方向の長さである。押し込み量ｐA～ｐFは各接触子２０Ａ～２０Ｆの突出量からｙ軸方向の変位ｄA～ｄFを減じることで求められる。
【0085】
上記の操作により、各試料１～５の表面形状および微小領域の摩擦力を検出できることが分かる。接触子２０Ａ～２０Ｆの押し込み量ｐA～ｐFには差異が見られる。試料が柔らかいほど、押し込み量ｐA～ｐFには差異が大きくなることが分かる。
【0086】
触覚センサ２の試料表面に対する傾斜の影響を除去するため、対をなす２つの接触子２０Ａ、２０Ｆそれぞれのｙ軸方向の変位ｄA、ｄFを平均して、その対のｙ軸方向平均変位を求める。具体的には、下記の式（２）～（４）に従い、３つの対それぞれのｙ軸方向平均変位ｄ1、ｄ2、ｄ3を求める。ここで、ｄ1は第１対のｙ軸方向平均変位、ｄ2は第２対のｙ軸方向平均変位、ｄ3は第３対のｙ軸方向平均変位である。
【数2】
【0087】
また、下記の式（５）～（７）に従い、３対それぞれのｙ軸方向平均変位ｄ1、ｄ2、ｄ3から３対それぞれの押し込み量ｐ1、ｐ2、ｐ3を求める。ここで、ｐ1は第１対の平均押し込み量、ｐ2は第２対の平均押し込み量、ｐ3は第３対の平均押し込み量である。
【数3】
【0088】
各接触子２０Ａ～２０Ｆが試料から受ける反力ｆは、ｙ軸方向の変位ｄA～ｄFから求められる。支持体３０Ａ～３０Ｆのｙ軸方向の変位に対するばね定数をｋyとすれば、３対それぞれが受ける平均反力ｆ1、ｆ2、ｆ3は、下記の式（８）～（１０）から求められる。ここで、ｆ1は第１対が受ける平均反力、ｆ2は第２対が受ける平均反力、ｆ3は第３対が受ける平均反力である。
【数4】
【0089】
図１６に、押し込み量と反力との関係を示す。押し込み量と反力とは比例関係にある。その傾きは試料が硬いほど大きいことが分かる。各試料に対して３対の接触子２０Ａ～２０Ｆから得られた３つの測定点をフィッティングし、傾きを求めた。この傾きを試料の弾性とする。
【0090】
図１７に、デュロメータで測定したヤング率と、触覚センサ２で求めた弾性との関係を示す。触覚センサ２で測定された各試料の弾性は、デュロメータの測定値と比例関係にある。これより、触覚センサ２は測定対象物の弾性を精度良く測定できることが確認された。なお、触覚センサ２は測定対象物上を接触子が走査したなかで任意の場所における局所的な弾性を測定できる。その点で、デュロメータとは異なる性能を有する。
【符号の説明】
【0091】
１、２ 触覚センサ
１０ フレーム
１２ 縁部
１３ 開口部
１４ 基準面
２０Ａ～２０Ｆ 接触子
３０Ａ～３０Ｆ 支持体
４０Ａ～４０Ｆ 変位検出器
１０ フレーム
１２ 縁部
１３ 開口部
１４ 基準面
２０Ａ～２０Ｆ 接触子
３０Ａ～３０Ｆ 支持体
４０Ａ～４０Ｆ 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】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
