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特許7466214触覚センサ素子、触覚センサ、３軸触覚センサおよび触覚センサ素子の製造方法
(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】2024-04-04
(45)【発行日】2024-04-12
(54)【発明の名称】触覚センサ素子、触覚センサ、３軸触覚センサおよび触覚センサ素子の製造方法
(51)【国際特許分類】
G01L 5/1623 20200101AFI20240405BHJP
G01L 1/20 20060101ALI20240405BHJP
【ＦＩ】
G01L5/1623
G01L1/20 Z
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2021542821
(86)(22)【出願日】2020-08-20
(86)【国際出願番号】 JP2020031521
(87)【国際公開番号】W WO2021039600
(87)【国際公開日】2021-03-04
【審査請求日】2023-06-08
(31)【優先権主張番号】P 2019155358
(32)【優先日】2019-08-28
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】504229284
【氏名又は名称】国立大学法人弘前大学
(74)【代理人】
【識別番号】100108372
【弁理士】
【氏名又は名称】谷田 拓男
(72)【発明者】
【氏名】笹川 和彦
【審査官】公文代 康祐
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１８／０８４２８４（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１３－０７９８３１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－２３２２９３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１１５８７３（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／００６７０００（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２００４－２２６３８０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｌ ５／１６－５／１７３
Ｇ０１Ｌ １／２０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
一対の下電極と、該一対の下電極の各一端側に跨がって形成された応力感受層と、該応力感受層上に形成された上電極とが各々積層された構造を有する触覚センサ素子であって、該一対の下電極の各一端側において、平面上、該下電極と該上電極とは垂直方向に重なる領域を有しており、前記触覚センサ素子に垂直方向に接触圧力が印加された場合、前記応力感受層が圧縮されて両電極（前記上電極及び前記下電極）間の電気抵抗が減少し、
前記触覚センサ素子に水平方向にせん断応力が印加された場合、前記重なる領域が減少する方向の場合は両電極間の電気抵抗が増大し、前記重なる領域が増大する方向の場合は両電極間の電気抵抗が減少することを特徴とする触覚センサ素子。
【請求項2】
請求項１記載の触覚センサ素子２個を前記一対の下電極の各一端側同士を対向させて平面の１軸上に配置した触覚センサであって、該触覚センサに垂直方向に接触圧力が印加された場合及び／又は水平方向にせん断応力が印加された場合、各触覚センサ素子の電気抵抗の変化に基づき、接触圧力及び／又はせん断応力を検出することを特徴とする触覚センサ。【請求項3】
請求項２記載の触覚センサにおいて、該触覚センサは、第１の触覚センサ素子の電気抵抗（第１センサ抵抗）と、第２の触覚センサ素子の電気抵抗（第２センサ抵抗）と、接触圧力及びせん断応力無負荷時における第１センサ抵抗及び第２センサ抵抗（固定抵抗）とに基づくブリッジ回路を構成し、各抵抗値は該ブリッジ回路が平衡状態における抵抗値であり、一の対辺に第１センサ抵抗及び固定抵抗が配置され、他の対辺に第２センサ抵抗及び固定抵抗が配置され、第１センサ抵抗と第２センサ抵抗との分岐点に入力電圧が印加されるものであり、第１センサ抵抗の抵抗値（第１センサ抵抗値）、第２センサ抵抗の抵抗値（第２センサ抵抗値）の変化量は前記触覚センサに印加される接触圧力、せん断応力及び周囲の温度により与えられ、せん断応力による第１センサ抵抗値の変化量と第２センサ抵抗値の変化量とは絶対値（「せん断応力によるセンサ抵抗値の変化量」と言う。）が等しいものであり、接触圧力による第１センサ抵抗値の変化量と第２センサ抵抗値の変化量（「接触圧力によるセンサ抵抗値の変化量」と言う。）とが等しいことを特徴とする触覚センサ。
【請求項4】
請求項３記載の触覚センサにおいて、該触覚センサに接触圧力及びせん断応力が印加された場合、前記一の対辺中の分岐点の接地に対する実測電位と前記他の対辺中の分岐点の接地に対する実測電位との差の電位は、前記せん断応力によるセンサ抵抗値の変化量と前記入力電圧と前記固定抵抗の抵抗値とにより得られるという原理に基づき、該せん断応力によるセンサ抵抗値の変化量を接触圧力及び周囲の温度を除去して得ることを特徴とする触覚センサ。【請求項5】
請求項３又は４記載の触覚センサにおいて、該触覚センサに接触圧力及びせん断応力が印加された場合、前記一の対辺中の分岐点の接地に対する実測電位と前記他の対辺中の分岐点の接地に対する実測電位との和の電位は、前記接触圧力によるセンサ抵抗値の変化量と前記入力電圧と前記固定抵抗の抵抗値とにより得られるという原理に基づき、該接触圧力によるセンサ抵抗値の変化量をせん断応力及び周囲の温度を除去して得ることを特徴とする触覚センサ。【請求項6】
請求項２記載の触覚センサ２個を平面上の２軸に沿わせて配置した３軸触覚センサであって、該３軸触覚センサに垂直方向に接触圧力が印加された場合及び／又は水平方向にせん断応力が印加された場合、各触覚センサ素子の電気抵抗値の変化に基づき、接触圧力及び／又はせん断応力を検出することを特徴とする３軸触覚センサ。【請求項7】
請求項３乃至５のいずれかに記載の触覚センサ２個を平面上の２軸（ｘｙ軸）に沿わせて配置した３軸触覚センサであって、前記３軸触覚センサは、ｘ軸に配置した触覚センサが構成するｘ軸ブリッジ回路とｙ軸に配置した触覚センサが構成するｙ軸ブリッジ回路とを並列に組合わせたｘｙ軸ブリッジ回路を構成し、ｘ軸ブリッジ回路の各センサ抵抗の分岐点とｙ軸ブリッジ回路の各センサ抵抗の分岐点とに共通に入力電圧が印加されることを特徴とする３軸触覚センサ。
【請求項8】
請求項１記載の触覚センサ素子の製造方法であって、所定の基材フィルム上に銀インクで一対の下電極を印刷して形成する下電極形成工程と、
前記下電極形成工程で形成された一対の下電極上に跨って、所定の導電ポリマーを塗布して応力感受層を形成する応力感受層形成工程と、
前記応力感受層形成工程で形成された応力感受層上に、金属インクを印刷して上電極を形成する上電極形成工程とを備えたことを特徴とする触覚センサ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、一対の下電極と、当該一対の下電極に跨がって形成された応力感受層と、当該応力感受層上に形成された上電極とが各々積層された構造を有する触覚センサ素子に関し、特に、当該触覚センサ素子２個を対向させて平面上に配置した触覚センサ、および当該触覚センサ２個を平面上の２軸に沿わせて配置した３軸触覚センサ等に関する。
【背景技術】
【0002】
従来の感圧センサとして、２つの電極を対向させ、その間に導電層または樹脂層を挟み込んだ構造を有しているものが知られている。当該感圧センサは、導電層または樹脂層が印加された力により変形することで変化する電極間の物理量（例えば、電極間の電気抵抗値）を、圧力またはずり応力として検知している。
【0003】
特許文献１には、第１の基板上に導電体（銀粒子をポリエステル等の樹脂中に分散させた材料からなる。）および抵抗体が形成され、第２の基板上に導電体および抵抗体が形成され、両基板を各抵抗体を接触させて対向させた感圧装置が開示されている。この感圧装置に荷重が加えられると両基板等が撓み２つの抵抗体を圧接する力が増加し、これに伴い両抵抗体の接触面積が増加して接触抵抗が低下するため、出力抵抗値が減少する。特許文献１の感圧装置は抵抗式感圧センサと言える。
【0004】
特許文献２には、磁性ゴム体に一対の電極を取り付けた構成の触覚センサが開示されている。この触覚センサと被検査物との接触状態が変化することにより被検査物からの力（せん断応力、ずり応力等）が磁性ゴム体に与えられ、一対の電極間の電流量が変化する。この電流量を検知して被検査物を検出する。
【0005】
上述した特許文献１または２に開示された感圧センサまたは触覚センサにより圧力、せん断応力を検知するためには、対向する電極間の導電体、磁性ゴム体等の力の検知層が力の方向に十分変形できる余地を持っていることが必要である。つまり、応力の印加前後で変形量が大きい程、よく応力を検知できるため、検知層は変形しやすくする方がよい。同じ材料で変形しやすくするためには、検知層の厚みを厚くする必要がある。これが、感圧センサまたは触覚センサの薄型化の実現を阻むことになるという問題があった。
上述した感圧センサ等の他にも、２枚の電極に導電性高分子を塗布し、それらを貼り合わせることにより、触覚センサを構成する例もある。しかし、当該両電極は接触(密着)していないため、低応力下（せん断応力負荷時の水平方向の変形が小さい場合等）での反応が不安定であり、測定が困難であるという問題があった。さらに、当該センサは作製における個体差が大きくバラツキを抑えにくいという問題があった。
上述した感圧センサ等の他にも、２枚の電極に導電性高分子を塗布し、それらを貼り合わせることにより、触覚センサを構成する例もある。しかし、当該両電極は接触(密着)していないため、低応力下（せん断応力負荷時の水平方向の変形が小さい場合等）での反応が不安定であり、測定が困難であるという問題があった。さらに、当該センサは作製における個体差が大きくバラツキを抑えにくいという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特許第３６６４６２２号公報
【文献】特開２０１３－２３２２９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
上述したように、特許文献１または２に開示された感圧センサまたは触覚センサでは、導電体、磁性ゴム体等の力の検知層の厚みが重要な要素となるため、感圧センサまたは触覚センサの薄型化の実現を阻むことになるという問題があった。
【0008】
上述した２枚の電極に導電性高分子を塗布し、それらを貼り合わせた触覚センサでは、両電極が接触(密着)していないため、低応力下での反応が不安定であり、測定が困難であるという問題があった。さらに、当該センサは作製における個体差が大きくバラツキを抑えにくいという問題があった。
【0009】
そこで、本発明の目的は上記問題を解決するためになされたものであり、感圧センサまたは触覚センサの薄型化を図ることが可能な触覚センサ素子、触覚センサおよび３軸触覚センサ等を提供することにある。
【0010】
本発明の第２の目的は、低応力下での計測安定性を向上させて高感度な計測を可能とすると共に、作製における個体差を減少させバラツキを抑えた製造を可能とする触覚センサ素子、触覚センサおよび３軸触覚センサ等を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
この発明の触覚センサ素子は、一対の下電極と、該一対の下電極の各一端側に跨がって形成された応力感受層と、該応力感受層上に形成された上電極とが各々密着して積層された構造を有する触覚センサ素子であって、該一対の下電極の各一端側において、平面上、該下電極と該上電極とは垂直方向に重なる領域を有しており、前記触覚センサ素子に垂直方向に接触圧力が印加された場合、前記応力感受層が圧縮されて両電極（前記上電極及び前記下電極）間の電気抵抗が減少し、前記触覚センサ素子に水平方向にせん断応力が印加された場合、前記重なる領域が減少する方向の場合は両電極間の電気抵抗が増大し、前記重なる領域が増大する方向の場合は両電極間の電気抵抗が減少することを特徴とする。
【0012】
この発明の触覚センサは、本発明の触覚センサ素子２個を前記一対の下電極の各一端側同士を対向させてｘｙ平面の１軸(例えばｘ軸)上に配置した触覚センサであって、該触覚センサに垂直方向に接触圧力が印加された場合及び／又は水平方向にせん断応力が印加された場合、各触覚センサ素子の電気抵抗の変化に基づき、接触圧力及び／又はせん断応力を検出することを特徴とする。
【0013】
ここで、この発明の触覚センサにおいて、該触覚センサは、第１の触覚センサ素子の電気抵抗（第１センサ抵抗）と、第２の触覚センサ素子の電気抵抗（第２センサ抵抗）と、接触圧力及びせん断応力無負荷時における第１センサ抵抗及び第２センサ抵抗（固定抵抗）とに基づくブリッジ回路を構成し、各抵抗値は該ブリッジ回路が平衡状態における抵抗値であり、一の対辺に第１センサ抵抗及び固定抵抗が配置され、他の対辺に第２センサ抵抗及び固定抵抗が配置され、第１センサ抵抗と第２センサ抵抗との分岐点に入力電圧が印加されるものであり、第１センサ抵抗の抵抗値（第１センサ抵抗値）、第２センサ抵抗の抵抗値（第２センサ抵抗値）の変化量は前記触覚センサに印加される接触圧力、せん断応力及び周囲の温度により与えられ、せん断応力による第１センサ抵抗値の変化量と第２センサ抵抗値の変化量とは絶対値（「せん断応力によるセンサ抵抗値の変化量」と言う。）が等しいものであり、接触圧力による第１センサ抵抗値の変化量と第２センサ抵抗値の変化量（「接触圧力によるセンサ抵抗値の変化量」と言う。）とが等しいものとすることができる。
【0014】
ここで、この発明の触覚センサにおいて、該触覚センサに接触圧力及びせん断応力が印加された場合、前記一の対辺中の分岐点の接地に対する実測電位と前記他の対辺中の分岐点の接地に対する実測電位との差の電位は、前記せん断応力によるセンサ抵抗値の変化量と前記入力電圧と前記固定抵抗の抵抗値とにより得られるという原理に基づき、該せん断応力によるセンサ抵抗値の変化量を接触圧力及び周囲の温度を除去して得ることができる。
【0015】
ここで、この発明の触覚センサにおいて、該触覚センサに接触圧力及びせん断応力が印加された場合、前記一の対辺中の分岐点の接地に対する実測電位と前記他の対辺中の分岐点の接地に対する実測電位との和の電位は、前記接触圧力によるセンサ抵抗値の変化量と前記入力電圧と前記固定抵抗の抵抗値とにより得られるという原理に基づき、該接触圧力によるセンサ抵抗値の変化量をせん断応力及び周囲の温度を除去して得ることができる。
【0016】
この発明の３軸触覚センサは、本発明の触覚センサ２個を平面上の２軸に沿わせて配置した３軸触覚センサであって、該３軸触覚センサに垂直方向に接触圧力が印加された場合及び／又は水平方向にせん断応力が印加された場合、各触覚センサ素子の電気抵抗値の変化に基づき、接触圧力及び／又はせん断応力を検出することを特徴とする。
【0017】
この発明の３軸触覚センサは、本発明の触覚センサ２個を平面上の２軸（ｘｙ軸）に沿わせて配置した３軸触覚センサであって、前記３軸触覚センサは、ｘ軸に配置した触覚センサが構成するｘ軸ブリッジ回路とｙ軸に配置した触覚センサが構成するｙ軸ブリッジ回路とを並列に組合わせたｘｙ軸ブリッジ回路を構成し、ｘ軸ブリッジ回路の各センサ抵抗の分岐点とｙ軸ブリッジ回路の各センサ抵抗の分岐点とに共通に入力電圧が印加されることを特徴とする。
【0018】
この発明の触覚センサ素子の製造方法は、所定の基材フィルム上に金属（好適には銀）インクで一対の下電極を印刷して形成する下電極形成工程と、前記下電極形成工程で形成された一対の下電極上に跨って、所定の導電ポリマーを塗布して応力感受層を形成する応力感受層形成工程と、前記応力感受層形成工程で形成された応力感受層上に、金属（好適には銀）インクを印刷して上電極を形成する上電極形成工程とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【0019】
本発明の触覚センサ素子の断面構造は、下電極と、下電極の一端側に跨がって形成された導電性高分子等（例えば、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ）の応力感受層と、応力感受層上に形成された上電極とから構成されている。下電極の一端側において、平面上、下電極と上電極とは（応力感受層を介して）垂直方向に重なる領域（重複領域）を有している。触覚センサ素子の上電極に水平方向にせん断応力が加わると、水平方向の向きに応じて、重複領域は減少または増加し、これにより上電極と下電極との間の電気抵抗値は増加または減少する。従って、当該電気抵抗値の変化とせん断応力との関係に基づき、触覚センサ素子に加わるせん断応力を測定することができる。触覚センサ素子に垂直方向に接触圧力が印加された場合、応力感受層が圧縮されて上電極と下電極との間の電気抵抗が減少する。従って、当該電気抵抗値の変化と接触圧力との関係に基づき、触覚センサ素子に加わる接触圧力を測定することができるという効果がある。
【0020】
触覚センサ素子の製造は積層化工程を用いているため、触覚センサ素子により触覚センサの薄型化を図ることが可能であると共に、作製における個体差を減少させバラツキを抑えた製造を可能とするという効果がある。触覚センサ素子の下電極と応力感受層、および応力感受層と上電極は各々密着して積層された構造を有している。このため、触覚センサ素子は低応力下でも計測安定性を向上させ高感度な計測を可能とするという効果がある。
【0021】
触覚センサは、触覚センサ素子の一対の下電極と別の触覚センサ素子の一対の下電極とを対向させて、平面上、左右に対称的に配置した。触覚センサ素子の上電極に水平方向にせん断応力が加わると、水平方向の向きに応じて、重複領域は減少または増加し、これにより上電極と下電極との間の電気抵抗値は増加または減少する。一方、別の触覚センサ素子の上電極に水平方向に同じせん断応力が加わると、重複領域の減少または増加は先の触覚センサ素子とは逆になり、このため、上電極と下電極との間の電気抵抗値の増加または減少は先の触覚センサ素子とは逆になる。従って、１組の触覚センサ素子の各電気抵抗値の変化を差引きすることにより、触覚センサに加わる左右の（Ｘ軸方向の）せん断応力を検出することができるという効果がある。
【0022】
触覚センサをブリッジ回路で構成することができる。本発明で用いるせん断応力の検出原理によれば、せん断応力による抵抗値の変化量を接触圧力および周囲の温度を除去して得ることができるという効果がある。本発明で用いる接触圧力の検出原理によれば、接触圧力による抵抗値の変化量をせん断応力および周囲の温度を除去して得ることができるという効果がある。
【0023】
触覚センサを２個、（Ｘ―Ｙ）平面上の２軸に沿わせて配置した３軸触覚センサを作製した。触覚センサに垂直方向に接触圧力が印加された場合および／または水平方向にせん断応力が印加された場合、触覚センサ素子の電気抵抗値の変化に基づき、接触圧力および／またはせん断応力を検出することができる。
【0024】
本発明の３軸触覚センサではセンシングを担う応力感受層と、上電極および下電極とを積層化によって密着させると共に、専用の測定原理を考案した。この結果、応力の検知層が応力の方向に十分変形できる余地を持ちながら検知層の厚みが薄いという触覚センサの薄型化を実現すると共に、低応力下でも計測安定性を向上させ高感度な計測が可能である３軸触覚センサを提供することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】本発明の触覚センサ素子１０の構造を示す断面図である。
【図2】本発明の触覚センサ素子１０の斜視図である。
【図3】導電性高分子の例であるＰＥＤＯＴ／ＰＳＳの写真と構造を示す図である。
【図4】触覚センサ素子１０を２個(触覚センサ素子１０および１０’)、（Ｘ―Ｙ）平面上に配置した触覚センサ２０を示す図である。
【図6】触覚センサ２０を２個(触覚センサ２０および２０Ｙ’)、（Ｘ―Ｙ）平面上の２軸に沿わせて配置した３軸触覚センサ４０を示す図である。
【図8】３軸触覚センサ４０を撮影した図である。
【図9】３軸触覚センサ４０の較正装置６０を模式的に示す図である。
【図10】接触圧力の較正試験に用いた材料試験機を示す図である。
【図12】接触圧力の較正実験の結果を示すグラフである。
【図13】接触圧力４ｋＰａ（重り６４）の下で、せん断応力を付加したときの較正実験の結果を示すグラフである。
【図14】接触圧力（重り６４）を２ｋＰａと４ｋＰａとに変えた下で、せん断応力を付加したときの較正実験の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0026】
以下、実施例について図面を参照して詳細に説明する。
【実施例1】
【0027】
図１は本発明の触覚センサ素子１０の断面構造を示す。図１で、符号１２は下電極、１４は下電極１２の一端側１２ｒ（図１では右側）に跨がって形成された導電ポリマー等の応力感受層（後述するように電気伝導率を有している。）、１６は応力感受層１４上に形成された上電極である。図１に示されるように、下電極１２と応力感受層１４、および応力感受層１４と上電極１６は各々密着して積層された構造を有している。加えて、下電極１２の一端側１２ｒにおいて、平面上、下電極１２と上電極１６とは（応力感受層１４を介して）垂直方向に重なる領域（実線Ｓで示される重複領域。平面上では略矩形状になる。）を有している。触覚センサ素子１０に電圧が印加された場合、電流経路は図１に示されるように、下電極１２における電流Ｃ１から応力感受層１４を通る電流Ｃ２となり、上電極１６を流れる電流Ｃ３（奥行方向）となる。
【0028】
図２は触覚センサ素子１０の斜視図を示す。図２で図１と同じ符号を付した個所は同じ要素を示すため、説明は省略する。図２に示されるように、触覚センサ素子１０の下電極は一対の下電極１２ａおよび１２ｂから構成されている。これは後述するように触覚センサ素子１０の電気抵抗値を計測するために設けられている。応力感受層１４は、この一対の下電極１２ａの一端側１２ｒａと下電極１２ｂの一端側１２ｒｂとに跨がって（橋渡すように）形成されている。但し、一端側１２ｒａでは図１に示される一端側１２ｒと同様に、平面上、下電極１２ａと上電極１６とは（応力感受層１４を介して）垂直方向に重なる領域（図１に示される実線Ｓと同様の重複領域）を有している。一端側１２ｒｂの場合も同様に、平面上、下電極１２ｂと上電極１６とは（応力感受層１４を介して）垂直方向に重なる領域（図１に示される実線Ｓと同様の重複領域）を有している。このため、電流経路は図２に示されるように、下電極１２ａにおける電流Ｃ１から応力感受層１４を通る電流Ｃ２となり、次いで上電極１６を流れる電流Ｃ３となり、応力感受層１４を流れる電流Ｃ４となって下電極１２ｂを流れる電流Ｃ５となる。
【0029】
図１および図２を参照して、触覚センサ素子１０の上電極１６に水平方向にせん断応力Ｆｒ（図上左から右方向）が加わると、重複領域Ｓは減少し上電極１６と下電極１２との間の電気抵抗値は増加する。一方、触覚センサ素子１０の上電極１６に水平方向にせん断応力Ｆｌ（図上右から左方向）が加わると、重複領域Ｓは増加し上電極１６と下電極１２との間の電気抵抗値は減少する。従って、当該電気抵抗値の変化とせん断応力との関係に基づき、触覚センサ素子１０に加わるせん断応力を測定することができる。
【0030】
応力感受層１４は触覚センサ素子１０へ印加される接触圧力およびせん断応力に対する（導電ポリマー等の）変換器であり、ポリエチレンジオキシチオフェン（polyethylenedioxythiophene ：ＰＥＤＯＴ）とポリスチレンスルホン酸（polystyrenesulfonic（ＰＳＳ）acid）の分散体を用いた。詳しくは、Orgacon （登録商標）EL-P 3040, Agfa（登録商標）-Material 社製のＰＥＤＯＴ／ＰＳＳを用いた。図３（Ａ）は導電性高分子の例であるＰＥＤＯＴ／ＰＳＳの写真を示し、図３（Ｂ）はその構造を示す。ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳは分子中の多数の電子がπ軌道上を自由に移動するため、電気伝導率を有している。さらに、圧縮応力が印加された場合、電気抵抗が減少する性質を有していることが知られている。このため、触覚センサ素子１０に垂直方向に接触圧力が印加された場合、応力感受層１４が圧縮されて上電極１６と下電極１２との間の電気抵抗が減少する。従って、当該電気抵抗値の変化と接触圧力との関係に基づき、触覚センサ素子１０に加わる接触圧力を測定することができる。応力感受層１４は導電性高分子等であればＰＥＤＯＴ／ＰＳＳに限定されるものではない。以下では、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳを例に説明する。
【0031】
次に、触覚センサ素子１０の製造方法について説明する。触覚センサ素子１０の製造は積層化工程積層化工程を用いる。一対の下電極１２ａおよび１２ｂはインクジェットプリンタ（ＣＬＵＳＴＥＲ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ社製およびDeskviewer）を用いて金属インク（ＨＡＲＩＭＡ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｇｒｏｕｐ社製,ＮＰＳ－Ｊ）により、基板（所定の基材フィルム）上に印刷した（下電極形成工程）。金属インクとしては例えば銀インクが好適である。以下では銀インクを例に取り上げるが、金属インクが銀インクに限定されるものではない。基板としては、銀インクに対する専用フィルム（ＭＩＴＳＵＢＩＳＨＩ（登録商標） ＰＡＰＥＲ ＭＩＬＬＳ ＬＩＭＩＴＥＤ社製、ＮＢ－ＷＦ－３ＧＦ１００）を用いた。下電極１２を上記専用フィルムに印刷後、電気炉により適宜アニールした。なお、銀インクの電気伝導率は約６．３０×１０７（Ｓ／ｍ）であり、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳの電位伝導率よりかなり大きい。
【0032】
続いて、下電極形成工程で形成された一対の下電極１２ａおよび１２ｂの表面上に跨って、スクリーン印刷の方法を用いて導電ポリマー（例えば、上記ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ：所定の導電ポリマー）を塗布（コーティング）することにより、応力感受層１４を形成した（応力感受層形成工程）。ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳの中に銀インクが入り込む可能性を減少させるため、複数の層でコーティングした。ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳの１層をコーティングした際、電気炉により適宜アニールした。全層をコーティング後、電気炉により適宜アニールした。
【0033】
上電極１６は銀インクを用いてインクジェットプリンタにより、応力感受層形成工程で形成された応力感受層（ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ）上に印刷することにより形成した（上電極形成工程）。銀インクの飛翔状態および着滴状態を観察しながら上電極１６を形成した。ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳの中に銀インクが送り込まれるのを避けるため、適宜加熱しつつ印刷をおこなった。上電極１６を印刷後、電気炉により適宜アニールした。ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳの表面上に銀インクで上電極１６を印刷後、規定通りの大きさであり横に広がっていないことを確認した。最後に、触覚センサ素子１０の表面を電気的絶縁および保護のため、ポリエチレンフィルムでコーティングした。
【0034】
以上より、本発明の実施例１によれば、本発明の触覚センサ素子１０の断面構造は、下電極１２と、下電極１２の一端側１２ｒに跨がって形成されたＰＥＤＯＴ／ＰＳＳの応力感受層と、応力感受層１４上に形成された上電極１６とから構成されている。触覚センサ素子１０の上電極１６に水平方向にせん断応力ＦｒまたはＦｌが加わると、水平方向の向きに応じて、重複領域Ｓは減少または増加し、これにより上電極１６と下電極１２との間の電気抵抗値は増加または減少する。従って、当該電気抵抗値の変化とせん断応力との関係に基づき、触覚センサ素子１０に加わるせん断応力を測定することができる。触覚センサ素子１０に垂直方向に接触圧力が印加された場合、応力感受層１４が圧縮されて上電極１６と下電極１２との間の電気抵抗が減少する。従って、当該電気抵抗値の変化と接触圧力との関係に基づき、触覚センサ素子１０に加わる接触圧力を測定することができる。
【0035】
上述したように、触覚センサ素子１０の製造は積層化工程を用いているため、触覚センサ素子１０により触覚センサの薄型化を図ることが可能であると共に、作製における個体差を減少させバラツキを抑えた製造を可能とするという効果がある。触覚センサ素子１０の下電極１２と応力感受層１４、および応力感受層１４と上電極１６は各々密着して積層された構造を有している。このため、触覚センサ素子１０は低応力下でも計測安定性を向上させ高感度な計測を可能とするという効果がある。
【実施例2】
【0036】
図４は、上述した触覚センサ素子１０を２個(触覚センサ素子１０および１０’)、ＸＹ平面上の１軸（Ｘ軸）上に配置した触覚センサ２０を示す。図４で図１と同じ符号を付した個所は同じ要素を示すため、説明は省略する。図４では説明の都合上、Ｘ軸およびＺ軸のみを示しているが、Ｙ軸は後述する図６に示される方向と同じである。触覚センサ素子１０’側の各要素には触覚センサ素子１０側の対応する各要素にダッシュ（’）を付けて示す。図４に示されるように触覚センサ２０は、触覚センサ素子１０の一対の下電極１２ａおよび１２ｂの各一端側１２ｒａおよび１２ｒｂと、触覚センサ素子１０’の一対の下電極１２ａ’および１２ｂ’の各一端側１２ｒａ’および１２ｒｂ’とを対向させて平面上の１軸（Ｘ軸）上に沿わせて配置した。つまり、各触覚センサ素子１０等の一対の下電極１２ａ、１２ｂ等同士を対向させて、左右に（Ｘ軸上に）対称的に配置した。下電極１２ａと１２ｂとの間の電気抵抗値をＲＸ１、下電極１２ａ’と１２ｂ’との間の電気抵抗値をＲＸ２とした。図４に示される触覚センサ素子１０ＤＧは、周囲の温度の変化によってのみ電気抵抗値が変化する（温度補償用の）ダミーゲージである。触覚センサ素子１０ＤＧ側の各要素には触覚センサ素子１０側の対応する各要素に記号ＤＧを付けて示す。ＲＤＧは温度補償用の電気抵抗値である。
【0037】
上述したように、触覚センサ素子１０に水平方向（Ｘ軸方向）にせん断応力が加わると、水平方向の向きにより重複領域Ｓは減少または増加して、上電極１６と下電極１２ａ等との間の電気抵抗値は増加または減少する。図４に示される触覚センサ２０の場合も同様であり、触覚センサ素子１０の上電極１６に水平方向にせん断応力Ｆｒ（図上左から右方向）が加わると、重複領域Ｓは減少し上電極１６と下電極１２ａとの間の電気抵抗値ＲＸ１は増加する。一方、触覚センサ素子１０’の場合、上電極１６’に水平方向に同じせん断応力Ｆｒが加わると、重複領域Ｓ’は増加し上電極１６’と下電極１２ａ’等との間の電気抵抗値ＲＸ２は減少する。逆方向も同様に、触覚センサ素子１０の上電極１６に水平方向にせん断応力Ｆｌ（図上右から左方向）が加わると、重複領域Ｓは増加し上電極１６と下電極１２ａ等との間の電気抵抗値ＲＸ１は減少する。一方、触覚センサ素子１０’の場合、上電極１６’に水平方向に同じせん断応力Ｆｌが加わると、重複領域Ｓ’は減少し上電極１６’と下電極１２ａ’等との間の電気抵抗値ＲＸ２は増加する。従って、１組の触覚センサ素子１０および１０’の各電気抵抗値ＲＸ１の変化とＲＸ２の変化とを差引きすることにより、触覚センサ２０に加わる左右の（Ｘ軸方向の）せん断応力Ｆｒ、Ｆｌを検出することができる。
【0038】
上述したように、触覚センサ素子１０に垂直方向（Ｚ軸方向）に接触圧力が印加された場合、応力感受層１４が圧縮されて上電極１６と下電極１２ａ等との間の電気抵抗が減少する。従って、当該電気抵抗値の変化と接触圧力との関係に基づき、触覚センサ素子１０に加わる接触圧力を測定することができる。図４に示される触覚センサ２０の場合も同様に、触覚センサ２０に垂直方向に接触圧力が印加された場合、各応力感受層１４、１４’が圧縮されて電気抵抗値ＲＸ１とＲＸ２とが減少する。従って、当該電気抵抗値の変化と接触圧力との関係に基づき、触覚センサ２０に加わる接触圧力を測定することができる。以上より、触覚センサ２０に垂直方向に接触圧力が印加された場合および／または水平方向にせん断応力Ｆｒ、Ｆｌが印加された場合、各触覚センサ素子１０、１０’の電気抵抗値ＲＸ１、ＲＸ２の変化に基づき、接触圧力および／またはせん断応力Ｆｒ、Ｆｌを検出することができる（「Ａおよび／またはＢ」は、「ＡおよびＢ」と「ＡまたはＢ」との併記を略したものである。）。
【0039】
以下では、本発明で用いるせん断応力、接触圧力の検出原理につき詳しく説明する。図５は図４に示した触覚センサ２０をブリッジ回路３０で構成した回路図である。図５で図４と同じ符号を付した個所は同じ要素を示すため、説明は省略する。図５に示されるように、触覚センサ２０は、触覚センサ素子１０（第１の触覚センサ素子）の電気抵抗ＲＸ１（第１センサ抵抗）と、触覚センサ素子１０’（第２の触覚センサ素子）の電気抵抗ＲＸ２（第２センサ抵抗）と、接触圧力およびせん断応力が無負荷時における電気抵抗ＲＸ１およびＲＸ２（＝Ｒ。固定抵抗）とに基づくブリッジ回路３０を構成する。ブリッジ回路３０にはダミーゲージ１０ＤＧの電気抵抗ＲＤＧと固定抵抗Ｒとの直列回路も含む。各抵抗値はブリッジ回路３０が平衡状態における抵抗値である。図５に示されるように、ブリッジ回路３０の一の対辺に電気抵抗ＲＸ１および固定抵抗Ｒが配置され、他の対辺に電気抵抗ＲＸ２および固定抵抗Ｒが配置されており、電気抵抗ＲＸ１と電気抵抗ＲＸ２と電気抵抗ＲＤＧとを結ぶ分岐点ｒと接地間とに入力電圧Ｅが印加される。ｅ１ｘは分岐点ａと接地との間の実測電位、ｅ２ｘは分岐点ｂと接地との間の実測電位、ｅ３は分岐点ｇと接地との間の実測電位である。触覚センサ２０に垂直方向に接触圧力が印加された場合および水平方向にせん断応力Ｆｒ、Ｆｌが印加された場合、せん断応力による電圧の変化ｅｘは以下の式１で与えられる。
【0040】
【数1】
【0041】
ここで、式１をテイラー展開すると式２になる。
【0042】
【数2】
【0043】
電気抵抗ＲＸ１の変化量ΔＲＸ１、電気抵抗ＲＸ２の変化量ΔＲＸ２は、触覚センサ２０に印加される接触圧力による変化量（ΔＲＸ１ＣＰ、ΔＲＸ２ＣＰ）、せん断応力による変化量（ΔＲＸ１ＳＳ、ΔＲＸ２ＳＳ）及び周囲の温度による変化量（ΔＲＸ１ＴＭＰ、ΔＲＸ２ＴＭＰ）により与えられる。電気抵抗ＲＤＧの変化量は周囲の温度による変化量（ΔＲＤＧＴＭＰ）により与えられる。即ち、式３のように与えられる。
【0044】
ΔＲＸ１＝ΔＲＸ１ＣＰ＋ΔＲＸ１ＳＳ＋ΔＲＸ１ＴＭＰ
ΔＲＸ２＝ΔＲＸ２ＣＰ＋ΔＲＸ２ＳＳ＋ΔＲＸ２ＴＭＰ
ΔＲＤＧ＝ΔＲＲＧＴＭＰ （３）
ΔＲＸ２＝ΔＲＸ２ＣＰ＋ΔＲＸ２ＳＳ＋ΔＲＸ２ＴＭＰ
ΔＲＤＧ＝ΔＲＲＧＴＭＰ （３）
【0045】
式２の第２項を無視し、式３を代入すると式４のようになる。
【0046】
【数3】
【0047】
ここで、
接触圧力による変化量ΔＲＸ１ＣＰ＝ΔＲＸ２ＣＰ＝ΔＲＣＰ（＜０）、
せん断応力による変化量ΔＲＸ１ＳＳ＝－ΔＲＸ２ＳＳとして両者の絶対値をΔＲＳＳ、
周囲の温度による変化量ΔＲＸ１ＴＭＰ＝ΔＲＸ２ＴＭＰ＝ΔＲＴＭＰ （５）
とすれば、式４は式６のようになる。
接触圧力による変化量ΔＲＸ１ＣＰ＝ΔＲＸ２ＣＰ＝ΔＲＣＰ（＜０）、
せん断応力による変化量ΔＲＸ１ＳＳ＝－ΔＲＸ２ＳＳとして両者の絶対値をΔＲＳＳ、
周囲の温度による変化量ΔＲＸ１ＴＭＰ＝ΔＲＸ２ＴＭＰ＝ΔＲＴＭＰ （５）
とすれば、式４は式６のようになる。
【0048】
【数4】
【0049】
以上より、本発明で用いるせん断応力の検出原理は次の通りである。即ち、触覚センサ２０に接触圧力およびせん断応力が印加された場合、一の対辺（電気抵値ＲＸ１および固定抵値Ｒが配置された辺）中の分岐点ａの接地に対する実測電位ｅ１ｘと、他の対辺（電気抵値ＲＸ２および固定抵値Ｒが配置された辺）中の分岐点ｂの接地に対する実測電位ｅ２ｘとの差の電位ｅｘは、せん断応力による変化量ΔＲＳＳと入力電圧Ｅと固定抵値Ｒとにより得られるという原理である。電位ｅｘは実測値の差であり、入力電圧Ｅおよび固定抵抗Ｒは定数値であるため、式６に基づき、せん断応力による抵抗値の変化量ΔＲＳＳを接触圧力および周囲の温度を除去して得ることができる。
【0050】
次に、触覚センサ２０に垂直方向に接触圧力が印加された場合および水平方向にせん断応力Ｆｒ、Ｆｌが印加された場合、触覚センサ素子１０の接触圧力による電圧の変化ｅＺ１は以下の式７で与えられる。
【0051】
【数5】
【0052】
ここで、式７をテイラー展開し、２次項までとると式８になる。
【0053】
【数6】
【0054】
式８の第２項を無視し、式３および式５の関係を考慮すると式９のようになる。
【0055】
【数7】
【0056】
同様にして、触覚センサ素子１０’の接触圧力による電圧の変化ｅＺ２は以下の式１０で与えられる。
【0057】
【数8】
【0058】
式９および１０より、触覚センサ素子１０および１０’の接触圧力による電圧の変化ｅＺは以下の式１１で与えられる。
【0059】
【数9】
【0060】
ここで、式５の関係を考慮すると、式１１は式１２のようになる。
【0061】
【数10】
【0062】
なお、周囲の温度による電気抵抗値の変化が小さく無視できる場合（ｅ１ｘ、ｅ２ｘ＞＞ｅ３）、式１１は式１３のようにしてもよい。
【0063】
【数11】
【0064】
以上より、本発明で用いる接触圧力の検出原理は次の通りである。即ち、触覚センサ２０に接触圧力およびせん断応力が印加された場合、一の対辺（電気抵抗ＲＸ１および固定抵抗Ｒが配置された辺）中の分岐点ａの接地に対する実測電位ｅ１ｘとダミーゲージを含む対辺（電気抵抗ＲＤＧおよび固定抵抗Ｒが配置された辺）中の分岐点ｇの接地に対する実測電位ｅ３との差ｅＺ１と、他の対辺（電気抵抗ＲＸ２および固定抵抗Ｒが配置された辺）中の分岐点ｂの接地に対する実測電位ｅ２ｘとダミーゲージを含む対辺中の分岐点ｇの接地に対する実測電位ｅ３との差ｅＺ２との和の電位ｅＺは、接触圧力による変化量ΔＲＣＰと入力電圧Ｅと固定抵抗Ｒとにより得られるという原理である。電位ｅＺは実測値の和であり、入力電圧Ｅおよび固定抵抗Ｒは定数値であるため、式１２または１３に基づき、接触圧力による抵抗値の変化量ΔＲＣＰをせん断応力および周囲の温度を除去して得ることができる。周囲の温度による電気抵抗値の変化が小さく無視できる場合、ダミーゲージ側の実測電位ｅ３を無視して、電位ｅＺは実測電位ｅ１ｘと実測電位ｅ２ｘとの和により得られるとしてもよい。
【0065】
以上より、本発明の実施例２によれば、触覚センサ２０は、触覚センサ素子１０の一対の下電極１２ａおよび１２ｂと、触覚センサ素子１０’の一対の下電極１２ａ’および１２ｂ’とを対向させて、平面上、左右に対称的に配置した。触覚センサ素子１０の上電極１６に水平方向にせん断応力ＦｒまたはＦｌが加わると、水平方向の向きに応じて、重複領域Ｓは減少または増加し、これにより上電極１６と下電極１２ａ等との間の電気抵抗値ＲＸ１は増加または減少する。一方、触覚センサ素子１０’の上電極１６’に水平方向に同じせん断応力ＦｒまたはＦｌが加わると、重複領域Ｓ’の減少または増加は触覚センサ素子１０とは逆になり、このため、上電極１６’と下電極１２ａ’等との間の電気抵抗値ＲＸ２の増加または減少は触覚センサ素子１０とは逆になる。従って、１組の触覚センサ素子１０および１０’の各電気抵抗値ＲＸ１の変化とＲＸ２の変化とを差引きすることにより、触覚センサ２０に加わる左右の（Ｘ軸方向の）せん断応力Ｆｒ、Ｆｌを検出することができる。触覚センサ２０を構成する触覚センサ素子１０の製造は積層化工程を用いているため、触覚センサ２０により触覚センサの薄型化を図ることが可能であると共に、作製における個体差を減少させバラツキを抑えた製造を可能とするという効果がある。触覚センサ２０を構成する触覚センサ素子１０の下電極１２ａ等と応力感受層１４、および応力感受層１４と上電極１６は各々密着して積層された構造を有している。このため、触覚センサ２０は低応力下でも計測安定性を向上させ高感度な計測を可能とするという効果がある。
【0066】
触覚センサ２０をブリッジ回路３０で構成することができる。本発明で用いるせん断応力の検出原理は次の通りである。即ち、触覚センサ２０に接触圧力およびせん断応力が印加された場合、ブリッジ回路３０の分岐点ａの接地に対する実測電位ｅ１ｘと、分岐点ｂの接地に対する実測電位ｅ２ｘとの差の電位ｅｘは、せん断応力による変化量ΔＲＳＳと入力電圧Ｅと固定抵抗Ｒとにより得られるという原理である。電位ｅｘは実測値の差であり、入力電圧Ｅおよび固定抵抗Ｒは定数値であるため、式６に基づき、せん断応力による抵抗値の変化量ΔＲＳＳを接触圧力および周囲の温度を除去して得ることができるという効果がある。本発明で用いる接触圧力の検出原理は次の通りである。即ち、触覚センサ２０に接触圧力およびせん断応力が印加された場合、ブリッジ回路３０の分岐点ａの接地に対する実測電位ｅ１ｘと分岐点ｇの接地に対する実測電位ｅ３との差ｅＺ１と、分岐点ｂの接地に対する実測電位ｅ２ｘと分岐点ｇの接地に対する実測電位ｅ３との差ｅＺ２との和の電位ｅＺは、接触圧力による変化量ΔＲＣＰと入力電圧Ｅと固定抵抗Ｒとにより得られるという原理である。電位ｅＺは実測値の和であり、入力電圧Ｅおよび固定抵抗Ｒは定数値であるため、式１２または１３に基づき、接触圧力による抵抗値の変化量ΔＲＣＰをせん断応力および周囲の温度を除去して得ることができるという効果がある。周囲の温度による電気抵抗値の変化が小さく無視できる場合、ダミーゲージ側の実測電位ｅ３を無視して、電位ｅＺは実測電位ｅ１ｘと実測電位ｅ２ｘとの和により得られるとしてもよい。
【実施例3】
【0067】
図６は、上述した触覚センサ２０を２個(触覚センサ２０および２０Ｙ)、ＸＹ平面上の各軸に沿わせて配置した３軸触覚センサ４０を示す。図６で図４と同じ符号を付した個所は同じ要素を示すため、説明は省略する。触覚センサ２０Ｙ側の各要素には触覚センサ２０側の対応する各要素にＹを付けて示す。図６に示されるように３軸触覚センサ４０は、触覚センサ２０をＸ軸方向に沿わせて配置し、触覚センサ２０ＹをＹ軸方向に沿わせて配置した。触覚センサ２０Ｙを構成する触覚センサ素子１０Ｙの下電極１２ａＹと１２ｂＹとの間の電気抵抗値をＲＹ１、触覚センサ素子１０Ｙ’の下電極１２ａ’Ｙと１２ｂ’Ｙとの間の電気抵抗値をＲＹ２とした。触覚センサ２０Ｙに水平方向（この場合はＹ軸方向）にせん断応力が加わった場合、実施例２で説明した触覚センサ２０の場合と同様に、１組の触覚センサ素子１０Ｙおよび１０Ｙ’の各電気抵抗ＲＹ１の変化とＲＹ２の変化とを差引きすることにより、触覚センサ２０Ｙに加わるＹ軸方向のせん断応力を検出することができる。触覚センサ２０Ｙに垂直方向（Ｚ軸方向）に接触圧力が印加された場合、実施例２で説明した触覚センサ２０の場合と同様に、各応力感受層１４Ｙ、１４Ｙ’が圧縮されて電気抵抗ＲＹ１とおよびＲＹ２の値が減少する。従って、当該電気抵抗値の変化と接触圧力との関係に基づき、触覚センサ２０Ｙに加わる接触圧力を測定することができる。以上のように、３軸触覚センサ４０はＸＹ軸方向のせん断応力の計測だけではなく、Ｚ軸方向の接触圧力の計測も含むため、３軸触覚センサ４０とした。図６に示される１点鎖線で囲まれた部分Ｍが応力測定領域であり、約３．６×３．６ｍｍ２である。但し、応力測定領域Ｍのサイズはこれに限定されるものではない。以上より、触覚センサ２０Ｙに垂直方向に接触圧力が印加された場合および／または水平方向にせん断応力が印加された場合、実施例２で説明した触覚センサ２０の場合と同様に各触覚センサ素子１０Ｙ、１０Ｙ’の電気抵抗ＲＹ１、ＲＹ２の値の変化に基づき、接触圧力および／またはせん断応力を検出することができる。
【0068】
実施例２で説明したせん断応力、接触圧力の検出原理は実施例３の３軸触覚センサ４０に対しても同様に適用することができる。図７は図６に示した３軸触覚センサ４０をブリッジ回路５０で構成した回路図である。図７で図５と同じ符号を付した個所は同じ要素を示すため、説明は省略する。図７に示されるように、３軸触覚センサ４０は、ｘ軸に配置した触覚センサ２０が構成するｘ軸ブリッジ回路とｙ軸に配置した触覚センサ２０Ｙが構成するｙ軸ブリッジ回路とを並列に組合わせたｘｙ軸ブリッジ回路を構成している。電気抵抗ＲＸ１、ＲＸ２、ＲＹ１、ＲＹ２およびＲＤＧを結ぶ分岐点ｒと接地間とに入力電圧Ｅが印加される。ｘ軸ブリッジ回路の各抵抗ＲＸ１、ＲＸ２の分岐点とｙ軸ブリッジ回路の各抵抗ＲＹ１、ＲＹ２の分岐点とに共通に入力電圧Ｅが印加される。ｅ１Ｙは分岐点ｃと接地との間の実測電位、ｅ２Ｙは分岐点ｄと接地との間の実測電位である。
【0069】
触覚センサ２０Ｙに垂直方向に接触圧力が印加された場合および水平方向にせん断応力が印加された場合、せん断応力による電圧の変化ｅＹは、式６と同様に与えられる。以下の式１４は３軸触覚センサ４０におけるせん断応力による電圧の変化ｅＸおよびｅＹを纏めて表したものである。但し、Ｘ、Ｙ方向を区別するため、せん断応力による抵抗値の変化量ΔＲＳＳを、ΔＲＳＳＸ、ΔＲＳＳＹとした。
【0070】
【数12】
【0071】
触覚センサ２０Ｙに垂直方向に接触圧力が印加された場合および水平方向にせん断応力が印加された場合、接触圧力による電圧の変化ｅＺは、式１２と同様に与えられる。以下の式１５は３軸触覚センサ４０における接触圧力による電圧の変化を纏めて表したものである。但し、Ｘ、Ｙ方向を区別するため、触覚センサ２０、２０Ｙにおける接触圧力による電圧の変化をｅＺＸおよびｅＺＹとし、接触圧力による抵抗値の変化量ΔＲＣＰをΔＲＣＰＸ、ΔＲＣＰＹとした。
【0072】
【数13】
【0073】
式１５のｅＺＸおよびｅＺＹの平均（ｅＸＹ）は式１６のようになる。
【0074】
【数14】
【0075】
ここで、ΔＲＣＰＸ＝ΔＲＣＰＹ＝ΔＲＣＰとみなせる場合、式１６は式１７となる。
【0076】
【数15】
【0077】
なお、周囲の温度による電気抵抗値の変化が小さく無視できる場合（ｅ１ｘ、ｅ２ｘ、ｅ１Ｙ、ｅ２ｘ＞＞ｅ３）、式１８のようにしてもよい。
【0078】
【数16】
【0079】
図８は、３軸触覚センサ４０を撮影した図であり、上述した応力測定領域Ｍが示されている。
【0080】
以上より、本発明の実施例３によれば、実施例２の触覚センサ２０を２個(触覚センサ２０および２０Ｙ)、ＸＹ平面上の各軸に沿わせて配置した３軸触覚センサ４０を作製した。触覚センサ２０Ｙに垂直方向に接触圧力が印加された場合および／または水平方向にせん断応力が印加された場合、実施例２で説明した触覚センサ２０の場合と同様に各触覚センサ素子１０Ｙ、１０Ｙ’の電気抵抗ＲＹ１、ＲＹ２の値の変化に基づき、接触圧力および／またはせん断応力を検出することができる。実施例２で説明したせん断応力、接触圧力の検出原理は実施例３の３軸触覚センサ４０に対しても同様に適用することができる。３軸触覚センサ４０は、ｘ軸に配置した触覚センサ２０が構成するｘ軸ブリッジ回路とｙ軸に配置した触覚センサ２０Ｙが構成するｙ軸ブリッジ回路とを並列に組合わせたｘｙ軸ブリッジ回路を構成している。触覚センサ２０Ｙに垂直方向に接触圧力が印加された場合および水平方向にせん断応力が印加された場合、せん断応力による電圧の変化ｅＹは、実施例２の式６と同様に与えられる。このため、３軸触覚センサ４０におけるせん断応力による電圧の変化ｅＸおよびｅＹを纏めて式１４で表すことができる。触覚センサ２０Ｙに垂直方向に接触圧力が印加された場合および水平方向にせん断応力が印加された場合、接触圧力による電圧の変化ｅＺは、実施例２の式１２と同様に与えられる。このため、３軸触覚センサ４０における接触圧力による電圧の変化を纏めて式１５で表すことができる。
【0081】
３軸触覚センサ４０を構成する各触覚センサ素子１０等の製造は積層化工程を用いているため、３軸触覚センサ４０により触覚センサの薄型化を図ることが可能であると共に、作製における個体差を減少させバラツキを抑えた製造を可能とするという効果がある。３軸触覚センサ４０を構成する各触覚センサ素子１０等の下電極１２ａ等と応力感受層１４等、および応力感受層１４等と上電極１６等は各々密着して積層された構造を有している。このため、３軸触覚センサ４０は低応力下でも計測安定性を向上させ高感度な計測を可能とするという効果がある。言い換えると、本発明の３軸触覚センサ４０ではセンシングを担う応力感受層１４等と、上電極１６等および下電極１２ａ等とを積層化によって密着させると共に、上述した専用の測定原理を考案した。この結果、応力の検知層が応力の方向に十分変形できる余地を持ちながら検知層の厚みが薄いという触覚センサの薄型化を実現すると共に、低応力下でも計測安定性を向上させ高感度な計測が可能である３軸触覚センサ４０を提供することができるという効果がある。
【0082】
較正装置．
図９（Ａ）は、３軸触覚センサ４０の較正装置６０を模式的に示す。図９（Ｂ）、（Ｃ）は較正装置６０の撮影図である。図９（Ａ）に示されるように、ベース６１上に３軸触覚センサ４０が載せられ、３軸触覚センサ４０上にパンチ（ゴム製。７×７ｍｍ２）６２を介してアクリル板６３が載せられ、アクリル板６３の上に接触圧力印加用の重り６４が乗っている。せん断応力用に水平方向の変位を発生させるピエゾアクチュエータ（株式会社メステック製、ＭＺ－１３００ＺＬ、最大変位１．３ｍｍ）７２を用い、ロードセル（ユニパルス株式会社製、ＵＳＭ－５Ｎ）７１をピエゾアクチュエータ７２の先端にセットし、ロードセル７１とアクリル板６３とをワイヤ７０で繋げた。図９では図示されていないが、ピエゾアクチュエータ７２にはピエゾドライバ（株式会社メステック製、Ｍ－２６９１）が接続され、それにＤＣ定電圧源（松定プレシジョン株式会社製、Ｐ４Ｋ－８０Ｌ）が接続されている。ピエゾアクチュエータ７２への印加電圧は０～５Ｖのステップ駆動（矩形波）型とした。以上の構成により、３軸触覚センサ４０へのせん断応力はピエゾアクチュエータ７２でワイヤ７０により（アクリル板６３を介して）パンチ６２を水平方向に引くことにより印加し、接触圧力は重り６４をアクリル板６３に置くことにより印加した。図９（Ｂ）はベース６１に３軸触覚センサ４０を載せた状態を示している。較正装置６０にはレール６５（２本のスロット）が設けられており、これによりピエゾアクチュエータ７２の位置、ベース６１の位置を調節することができる。図９（Ｃ）は図９（Ｂ）の状態でさらに３軸触覚センサ４０上にパンチ６２、アクリル板６３および重り６４を載せた状態を示す。
図９（Ａ）は、３軸触覚センサ４０の較正装置６０を模式的に示す。図９（Ｂ）、（Ｃ）は較正装置６０の撮影図である。図９（Ａ）に示されるように、ベース６１上に３軸触覚センサ４０が載せられ、３軸触覚センサ４０上にパンチ（ゴム製。７×７ｍｍ２）６２を介してアクリル板６３が載せられ、アクリル板６３の上に接触圧力印加用の重り６４が乗っている。せん断応力用に水平方向の変位を発生させるピエゾアクチュエータ（株式会社メステック製、ＭＺ－１３００ＺＬ、最大変位１．３ｍｍ）７２を用い、ロードセル（ユニパルス株式会社製、ＵＳＭ－５Ｎ）７１をピエゾアクチュエータ７２の先端にセットし、ロードセル７１とアクリル板６３とをワイヤ７０で繋げた。図９では図示されていないが、ピエゾアクチュエータ７２にはピエゾドライバ（株式会社メステック製、Ｍ－２６９１）が接続され、それにＤＣ定電圧源（松定プレシジョン株式会社製、Ｐ４Ｋ－８０Ｌ）が接続されている。ピエゾアクチュエータ７２への印加電圧は０～５Ｖのステップ駆動（矩形波）型とした。以上の構成により、３軸触覚センサ４０へのせん断応力はピエゾアクチュエータ７２でワイヤ７０により（アクリル板６３を介して）パンチ６２を水平方向に引くことにより印加し、接触圧力は重り６４をアクリル板６３に置くことにより印加した。図９（Ｂ）はベース６１に３軸触覚センサ４０を載せた状態を示している。較正装置６０にはレール６５（２本のスロット）が設けられており、これによりピエゾアクチュエータ７２の位置、ベース６１の位置を調節することができる。図９（Ｃ）は図９（Ｂ）の状態でさらに３軸触覚センサ４０上にパンチ６２、アクリル板６３および重り６４を載せた状態を示す。
【0083】
較正試験．
図１０は、接触圧力の較正試験に用いた材料試験機を示す。材料試験機としては株式会社島津製作所（登録商標）製のオートグラフ（登録商標）ＡＧＳ－Ｊ ５ｋＮを用いた。図１１は図１０に示した材料試験機の一部拡大図を示す。図１１に示されるように、３軸触覚センサ４０の上にスポンジラバーパンチ８０（７×７ｍｍ２）を置いた。ブリッジ回路５０への入力電圧Ｅ＝５Ｖとし、接触圧力は０～５ｋＰａと変化させた。この条件で、上述した各電位ｅ１ｘ、ｅ２ｘ、ｅ１Ｙ、ｅ２Ｙ、ｅ３等を実測した。結果については後述する（図１２）。せん断応力の較正試験には図９に示した較正装置６０を用いた。ブリッジ回路５０への入力電圧Ｅ＝５Ｖとし、せん断応力は－８～＋８ｋＰａと変化させた。同時に重り６４によりパンチ６２を介して４ｋＰａの接触圧力を印加した。結果については後述する（図１３～１４）。
図１０は、接触圧力の較正試験に用いた材料試験機を示す。材料試験機としては株式会社島津製作所（登録商標）製のオートグラフ（登録商標）ＡＧＳ－Ｊ ５ｋＮを用いた。図１１は図１０に示した材料試験機の一部拡大図を示す。図１１に示されるように、３軸触覚センサ４０の上にスポンジラバーパンチ８０（７×７ｍｍ２）を置いた。ブリッジ回路５０への入力電圧Ｅ＝５Ｖとし、接触圧力は０～５ｋＰａと変化させた。この条件で、上述した各電位ｅ１ｘ、ｅ２ｘ、ｅ１Ｙ、ｅ２Ｙ、ｅ３等を実測した。結果については後述する（図１２）。せん断応力の較正試験には図９に示した較正装置６０を用いた。ブリッジ回路５０への入力電圧Ｅ＝５Ｖとし、せん断応力は－８～＋８ｋＰａと変化させた。同時に重り６４によりパンチ６２を介して４ｋＰａの接触圧力を印加した。結果については後述する（図１３～１４）。
【0084】
実験結果．
図１２は接触圧力の較正実験の結果をグラフで示す。図１２で、横軸は接触圧力（ｋＰａ）、縦軸は出力電圧（Ｖ）（例えば、上述した電位ｅ１ｘ、ｅ２ｘ、ｅＸＹ等）である。図１２に示されるように、出力電圧は接触圧力の増加と共に増加している。従って、式１５、１６等が正しいことがわかった。なお、ΔＲＣＰは基本的に負の値である。
図１２は接触圧力の較正実験の結果をグラフで示す。図１２で、横軸は接触圧力（ｋＰａ）、縦軸は出力電圧（Ｖ）（例えば、上述した電位ｅ１ｘ、ｅ２ｘ、ｅＸＹ等）である。図１２に示されるように、出力電圧は接触圧力の増加と共に増加している。従って、式１５、１６等が正しいことがわかった。なお、ΔＲＣＰは基本的に負の値である。
【0085】
図１３は、接触圧力４ｋＰａ（重り６４）の下で、せん断応力を付加したときの較正実験の結果をグラフで示す。図１３（Ａ）、（Ｂ）は各々Ｘ軸、Ｙ軸に関する測定結果である。図１３（Ａ）、（Ｂ）で、横軸はせん断応力（ｋＰａ）、縦軸は出力電圧（Ｖ）（例えば、上述した電位ｅ１ｘ、ｅ１Ｙ、ｅＸ、ｅＹ等）である。図１３（Ａ）では１回目の実験結果は薄い〇（原図では橙色）で示され、２回目の実験結果は濃い〇（原図では赤色）で示してあり、図１３（Ｂ）では１回目の実験結果は濃い〇（緑色）で示され、２回目の実験結果は薄い〇（薄青色）で示してある。図１３（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、３軸触覚センサ４０の初期電圧は０Ｖにシフトされている。Ｘ軸、Ｙ軸のいずれの場合も、出力電圧はせん断応力の増加と共に増加しており、１回目および２回目共に、せん断応力の増加に対する出力電圧の変化（即ち、傾き）はほぼ同じとなっている。このため、せん断応力はこの傾きを用いることにより出力電圧から決定することができる。従って、式１４が正しいことがわかった。
【0086】
図１４は、接触圧力（重り６４）を２ｋＰａと４ｋＰａとに変えた下で、せん断応力を付加したときの較正実験の結果をグラフで示す。図１４で、横軸はせん断応力（ｋＰａ）、縦軸は出力電圧（Ｖ）（例えば、上述した電位ｅ１ｘ、ｅ１Ｙ、ｅＸ、ｅＹ等）である。図１４では接触圧力２ｋＰａの実験結果は濃い色（原図では青色）で示され、４ｋＰａの実験結果は薄い色（原図では橙色）で示してある。図１４に示されるように、接触圧力（重り６４）によらず傾きと切片が等しい直線が得られたため、せん断応力のみによって出力電圧が変化することが示された。従って、接触圧力とせん断応力とが組み合わされて印加された場合であっても、せん断応力のみを独立に測定することができることが示された。これにより、上述した本発明の測定原理の正しさが証明された。加えて、図１２～１４に示されるように、低応力下でも安定した出力電圧を得ることができることも示された。
【産業上の利用可能性】
【0087】
本発明の活用例として、低応力下でも安定した出力電圧を得ることができるため、生物学的な接触インタフェースとして適用することができる。例えば、人との接触を伴うロボットハンドの先端に取り付けたり、電子機器の入力インタフェースとしたりすることに適用することができる。
【符号の説明】
【0088】
１０、１０’、１０ＤＧ、１０Ｙ、１０Ｙ’ 触覚センサ素子、 １２、１２ａ、１２ｂ、１２ａ’、１２ｂ’、１２ａＹ、１２ｂＹ、１２ａ’Ｙ、１２ｂ’Ｙ、１２ａＤＧ、１２ｂＤＧ 下電極、 １２ｒ、１２ｒａ、１２ｒｂ、１２ｒａ’、１２ｒｂ’ 下電極の一端側、 １４、１４’、１４ＤＧ、１４Ｙ、１４Ｙ’ 応力感受層、 １６、１６’、１６ＤＧ、１６Ｙ、１６Ｙ’ 上電極、 ２０、２０Ｙ 触覚センサ、 ３０、５０ ブリッジ回路、 ６０ 較正装置、 ６１ ベース、 ６２ パンチ、 ６３ アクリル板、 ６４ 重り、 ７０ ワイヤ、 ７１ ロードセル、 ７２ ピエゾアクチュエータ。
【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】