特許 7505723 トランスデューサ、力覚センサ及びセンサユニット

(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】2024-06-17

(45)【発行日】2024-06-25

(54)【発明の名称】トランスデューサ、力覚センサ及びセンサユニット

(51)【国際特許分類】

   G01L 1/14 20060101AFI20240618BHJP

   G01L 1/12 20060101ALI20240618BHJP

   G01L 5/00 20060101ALI20240618BHJP

【ＦＩ】

G01L1/14 B

G01L1/12

G01L5/00 101Z

【請求項の数】 25

(21)【出願番号】P 2023573772

(86)(22)【出願日】2022-01-14

(86)【国際出願番号】 JP2022001243

(87)【国際公開番号】W WO2023135771

(87)【国際公開日】2023-07-20

【審査請求日】2024-03-18

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 １．令和３年１２月２７日に論文（Ｄｉｇｕｅｔ Ｇ，ｅｔ ａｌ．，Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｏ－ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｆｏａｍ ｕｎｄｅｒ ｕｎｉａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｓｔｒａｉｎ，Ｓｍａｒｔ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ｖｏｌｕｍｅ ３１，ｎｕｍｂｅｒ ２，Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０２２，ｐｐ ０２５０１８－０２５０２７）が公開されたウェブサイト（ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１０８８／１３６１－６６５Ｘ／ａｃ３ｆｃ８）

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(73)【特許権者】

【識別番号】597124316

【氏名又は名称】学校法人東北工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】100165179

【弁理士】

【氏名又は名称】田▲崎▼ 聡

(74)【代理人】

【識別番号】100188558

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 雅人

(74)【代理人】

【識別番号】100175824

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 淳一

(74)【代理人】

【識別番号】100152272

【弁理士】

【氏名又は名称】川越 雄一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100181722

【弁理士】

【氏名又は名称】春田 洋孝

(72)【発明者】

【氏名】デイゲ ジルダス

(72)【発明者】

【氏名】フロメル ヨーク エツカート

(72)【発明者】

【氏名】大▲高▼ 剛一

(72)【発明者】

【氏名】室山 真徳

【審査官】公文代 康祐

(56)【参考文献】

【文献】特開平０５－２６７０６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－１１８５３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０１９９２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１５／１３０６１０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許第０５８１４９９９（ＵＳ，Ａ）

【文献】特表２００８－５２３３８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／０４９８８８（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｌ １／１２

Ｇ０１Ｌ １／１４

Ｇ０１Ｌ ５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、前記基板上に設けられた変形層と、前記変形層内に設けられた平面コイルと、を備え、
前記変形層は、非磁性材料と、前記変形層中に分散された磁性粒子と、を有する、トランスデューサ。

【請求項2】

前記変形層は、内部に空隙をさらに有する、請求項１に記載のトランスデューサ。

【請求項3】

前記平面コイルはアモルファス磁性合金を含む、請求項１または２に記載のトランスデューサ。

【請求項4】

前記変形層は、前記平面コイルの軸線方向から平面視して前記平面コイルに囲まれる領域内に、前記平面コイルの前記基板から最も離れた第１端部より前記基板に近い側にある第１領域と、前記第１端部より前記基板から遠い側にある第２領域と、を備える、請求項１に記載のトランスデューサ。

【請求項5】

前記変形層は、内部に空隙をさらに有し、前記第２領域における前記空隙の空隙率は、前記第１領域における空隙率よりも高い、請求項４に記載のトランスデューサ。

【請求項6】

前記第２領域における前記磁性粒子の密度は、前記第１領域における磁性粒子の密度よりも高い、請求項４または５に記載のトランスデューサ。

【請求項7】

複数のトランスデューサを備え、
前記複数のトランスデューサのそれぞれは、請求項１～６のいずれか一項に記載のトランスデューサであり、
前記複数のトランスデューサのそれぞれは、前記複数のトランスデューサのそれぞれに作用した力を、前記複数のトランスデューサのそれぞれの前記平面コイルのインダクタンスの変化及び/又はインピーダンスの変化で測定する、力覚センサ。

【請求項8】

前記複数のトランスデューサは、アレイ状に配置され、
前記複数のトランスデューサのそれぞれの前記平面コイルのインダクタンスの変化及び/又はインピーダンスの変化を基に、前記力覚センサに作用した力の分布を計測する、請求項７に記載の力覚センサ。

【請求項9】

面内に並ぶコイル領域と凸部領域とを有し、
前記コイル領域は、請求項１～６のいずれか一項に記載のトランスデューサを備え、
前記凸部領域は、前記トランスデューサの前記基板と同一面内に広がる第２基板と、前記第２基板の表面で構成された基準面に対して第１方向に突出する複数の凸部を有する連続した磁歪膜と、を備える、センサユニット。

【請求項10】

前記複数の凸部のうち少なくとも一つの第１凸部は、前記磁歪膜の裏面と前記基準面との間に充填された絶縁体、を備え、
前記複数の凸部のうち少なくとも一つの第２凸部は、前記磁歪膜の裏面と前記基準面との間に空間を有し、前記磁歪膜を貫通する孔を有し、
前記複数の凸部のうちの少なくとも一つの第３凸部は、前記磁歪膜の裏面と前記基準面との間に空間を有し、前記磁歪膜を貫通する孔を有さず、
前記第１凸部の前記第１方向の高さは、前記第２凸部および前記第３凸部の前記第１方向の高さより高い、請求項９に記載のセンサユニット。

【請求項11】

基板と、前記基板上に設けられた変形層と、前記変形層内に設けられたアモルファス磁性合金を含むコイルと、を備え、
前記変形層は、非磁性材料と、前記変形層中に分散された磁性粒子と、を有する、トランスデューサ。

【請求項12】

前記変形層は、内部に空隙をさらに有する、請求項１１に記載のトランスデューサ。

【請求項13】

前記コイルは、平面コイルである、請求項１１または１２に記載のトランスデューサ。

【請求項14】

前記コイルは、螺旋コイルである、請求項１１または１２に記載のトランスデューサ。

【請求項15】

前記変形層は、前記コイルの軸線方向から平面視して前記コイルに囲まれる領域内に、前記コイルの前記基板から最も離れた第１端部より前記基板に近い側にある第１領域と、前記第１端部より前記基板から遠い側にある第２領域と、を備える、請求項１３または１４に記載のトランスデューサ。

【請求項16】

前記変形層は、内部に空隙をさらに有し、前記第２領域における前記空隙の空隙率は、前記第１領域における空隙率よりも高い、請求項１５に記載のトランスデューサ。

【請求項17】

前記第２領域における前記磁性粒子の密度は、前記第１領域における磁性粒子の密度よりも高い、請求項１５または１６に記載のトランスデューサ。

【請求項18】

複数のトランスデューサを備え、
前記複数のトランスデューサのそれぞれは、請求項１１～１７のいずれか一項に記載のトランスデューサであり、
前記複数のトランスデューサのそれぞれは、前記複数のトランスデューサのそれぞれに作用した力を、前記複数のトランスデューサのそれぞれの前記コイルのインダクタンスの変化及び/又はインピーダンスの変化で測定する、力覚センサ。

【請求項19】

前記複数のトランスデューサは、アレイ状に配置され、
前記複数のトランスデューサのそれぞれの前記コイルのインダクタンスの変化及び/又はインピーダンスの変化を基に、前記力覚センサに作用した力の分布を計測する、請求項１８に記載の力覚センサ。

【請求項20】

面内に並ぶコイル領域と凸部領域とを有し、
前記コイル領域は、請求項１１～１７のいずれか一項に記載のトランスデューサを備え、
前記凸部領域は、前記トランスデューサの前記基板と同一面内に広がる第２基板と、前記第２基板の表面で構成された基準面に対して第１方向に突出する複数の凸部を有する連続した磁歪膜と、を備える、センサユニット。

【請求項21】

前記複数の凸部のうち少なくとも一つの第１凸部は、前記磁歪膜の裏面と前記基準面との間に充填された絶縁体、を備え、
前記複数の凸部のうち少なくとも一つの第２凸部は、前記磁歪膜の裏面と前記基準面との間に空間を有し、前記磁歪膜を貫通する孔を有し、
前記複数の凸部のうちの少なくとも一つの第３凸部は、前記磁歪膜の裏面と前記基準面との間に空間を有し、前記磁歪膜を貫通する孔を有さず、
前記第１凸部の前記第１方向の高さは、前記第２凸部および前記第３凸部の前記第１方向の高さより高い、請求項２０に記載のセンサユニット。

【請求項22】

基板と、前記基板上に設けられた変形層と、前記変形層内に設けられた螺旋コイルと、を備え、
前記変形層は、非磁性材料と、前記変形層中に分散された磁性粒子と、を有し、
前記変形層は、前記螺旋コイルの軸線方向から平面視して前記螺旋コイルに囲まれる領域内に、前記螺旋コイルの前記基板から最も離れた第１端部より前記基板に近い側にある第１領域と、前記第１端部より前記基板から遠い側にある第２領域と、を備え、
前記変形層は、内部に空隙をさらに有し、前記第２領域における前記空隙の空隙率は、前記第１領域における空隙率よりも高い、トランスデューサ。

【請求項23】

基板と、前記基板上に設けられた変形層と、前記変形層内に設けられた螺旋コイルと、を備え、
前記変形層は、非磁性材料と、前記変形層中に分散された磁性粒子と、を有し、
前記変形層は、前記螺旋コイルの軸線方向から平面視して前記螺旋コイルに囲まれる領域内に、前記螺旋コイルの前記基板から最も離れた第１端部より前記基板に近い側にある第１領域と、前記第１端部より前記基板から遠い側にある第２領域と、を備え、
前記第２領域における前記磁性粒子の密度は、前記第１領域における磁性粒子の密度よりも高い、トランスデューサ。

【請求項24】

基板と、
前記基板の表面で構成された基準面に対して第１方向に突出する複数の凸部を有する連続した磁歪膜と、
前記複数の凸部のうち少なくとも一つの第１凸部において、前記磁歪膜の裏面と前記基準面との間に設けられた変形層と、
前記変形層内に設けられたコイルと、を備え、
前記変形層は、非磁性材料と、前記変形層中に分散された磁性粒子と、を有する、センサユニット。

【請求項25】

前記複数の凸部は、
前記磁歪膜の裏面と前記基準面との間に空間を有し、前記磁歪膜を貫通する孔を有する第２凸部と、
前記複数の凸部のうち前記磁歪膜の裏面と前記基準面との間に空間を有し、前記磁歪膜を貫通する孔を有さない第３凸部と、をさらに有し、
前記第１凸部の前記第１方向の高さは、前記第２凸部および前記第３凸部の前記第１方向の高さより高い、請求項２４に記載のセンサユニット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、トランスデューサ、力覚センサ及びセンサユニットに関する。

【背景技術】

【0002】

生産労働人口の減少や医療・介護／介助現場での担い手不足の問題を解決するためにロボットのin導入が進んでいる。今後ロボットがヒトと同じように複雑な作業ができるように、ロボットにセンサを高密度に実装して高度な感覚を持たせることが望まれている。

【0003】

ロボットがヒトと同様の作業をするためには、力覚などの感覚をロボットが持つことが重要であり、ヒトと同様の感覚をセンシングできるセンサの搭載が望まれている。力覚センサとしては、例えば、外部から印加される力を電気信号に変換するトランスデューサを備えるもの等が知られている。

【0004】

このよう力覚なセンサとしては、特許文献１～特許文献５のようなセンサが知られている。
特許文献１の触覚センサは、基材上に複数個のコイル及びエラストマー等で構成された非磁性柔軟層が形成され、複数個のコイル及び非磁性柔軟層上に透磁率が高い粒子を含む磁性柔軟層が形成されていると開示されている。特許文献１の触覚センサは、外部からの応力で圧縮されることにより、磁性柔軟層が変位し、磁性柔軟層に分散された粒子がコイルに近づいたり離れたりすることにより、インダクタンスの変化を検出すると開示されている。

【0005】

特許文献２は、物体を把持する指先や皮膚にあたる部分に最適な柔らかさと表面摩擦によるグリップ性を探求し、なされた発明である。特許文献２の検出装置は、磁石原料と粘弾性材料を混錬し成形した粘弾性磁石と、粘弾性磁石の変形による磁束密度ベクトルの変化を検出する磁束検出手段と、を備えると開示されている。

【0006】

特許文献３の感圧センサは、ホール素子と、このホール素子上に弾性エラストマー及び永久磁石とが積層され、ホール素子の入出力端子にそれぞれリード線が備えられている。特許文献３の感圧センサは、外部から応力が作用した場合に、その応力の大きさに比例した弾性変形が弾性エラストマーに生じ、永久磁石がホール素子に相対変位するため、ホール素子に及ぼされる磁界の強さを検出することで応力の強さをセンシングできると開示されている。

【0007】

特許文献４の圧力検出装置は、磁石を含み、加減圧により変化する緩衝部と、緩衝部の変形に伴う磁場の変化を磁気センサにより検出するセンサ部と、を備える圧力検出装置が開示されている。特許文献４の圧力検出装置は、加減圧により緩衝部が変形することで、磁場の変化を検出し、圧力を検出すると開示されている。

【0008】

特許文献５には、磁気センサと、基板と、基板を介して磁気センサの反対側に設けられたエラストマーと、を備え、エラストマー中には磁性フィラーが偏在されている触覚センサが開示されている。特許文献５の触覚センサは、応力が印加され、エラストマーの表面が磁気センサに近づく方向に変形すると、エラストマー中の磁性フィラーが磁気センサに近づく。特許文献５の触覚センサでは、磁性フィラーの相対位置により磁気センサが検出する磁場が変化するため、当該磁場を基に印加された応力を検出可能であると開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【文献】特許第６９４３４８０号公報

【文献】特許４１６５５８９号公報

【文献】特開２００９－２２９４５３号公報

【文献】特開昭６２－４６２２２号公報

【文献】特開２０１４－９８６８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

しかしながら、特許文献１のような触覚センサは、透磁率の高い粒子がコイルから離間しており、インダクタンスの変化が小さい。従って、特許文献１のような触覚センサは、出力信号が小さい。そのため、微小な応力が加わった際に、ノイズの比率が大きく、応力を正確に検知することができない場合があった。またコイルのインダクタンス変化を生じさせるために第１柔軟層と第２柔軟層の２層を形成する構造が複雑でセンサ製造工程が長くなり、製造コストが高くなるという問題がある。

【0011】

また、特許文献２～４に開示されたセンサは、磁石を設け、磁気を計測する方式のセンサである。そのため、特許文献２～４のセンサは、地磁気中でセンサ自体が傾くことの影響でセンサの応答が変化する場合や、磁石、電気モータ等の磁気を発生させる機材が周辺に存在する状況下で使用する際に磁気を発生させる基材の影響でセンサの応答が変化する場合があった。また特許文献２に開示された検出装置は、磁石原料と粘弾性材料とを混錬し形成した粘弾性磁石をあらかじめ磁化しておくことで生じるバイアス磁界が、粘弾性磁石に荷重が作用した時に変化することを検出するものである。そのため予め磁化（着磁）が必要で工程が複雑になるという問題点があった。

【0012】

特許文献５に開示されたセンサは、特許文献１と同様、磁気センサから磁性フィラーが離間しており、入力が小さい。そのため、微小な応力が加わった際に、ノイズの比率が大きく、応力を正確に検知することができない場合があった。
また、特許文献１～５に開示されたセンサは、いずれも構造が煩雑で製造工程も複雑であった。

【0013】

本発明は、上記事情に鑑みてなされた発明であり、簡単な構造で微小な応力を検知可能なトランスデューサ、力覚センサ及びセンサユニット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】

【0014】

本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を提供する。

【0015】

本発明の一態様に係るトランスデューサは、基板と、前記基板上に設けられた変形層と、前記変形層内に設けられた平面コイルと、を備え、前記変形層は、非磁性材料と、前記変形層中に分散された磁性粒子と、を有する。また、本発明の別態様に係るトランスデューサは、基板と、前記基板上に設けられた変形層と、前記変形層内に設けられたアモルファス磁性合金を含むコイルと、を備え、前記変形層は、非磁性材料と、前記変形層中に分散された磁性粒子と、を有する。
また、本発明の別態様に係るトランスデューサは、基板と、前記基板上に設けられた変形層と、前記変形層内に設けられた螺旋コイルと、を備え、前記変形層は、非磁性材料と、前記変形層中に分散された磁性粒子と、を有し、前記変形層は、前記螺旋コイルの軸線方向から平面視して前記螺旋コイルに囲まれる領域内に、前記螺旋コイルの前記基板から最も離れた第１端部より前記基板に近い側にある第１領域と、前記第１端部より前記基板から遠い側にある第２領域と、を備え、前記変形層は、内部に空隙をさらに有し、前記第２領域における前記空隙の空隙率は、前記第１領域における空隙率よりも高い。
また、本発明の別態様に係るトランスデューサは、基板と、前記基板上に設けられた変形層と、前記変形層内に設けられた螺旋コイルと、を備え、前記変形層は、非磁性材料と、前記変形層中に分散された磁性粒子と、を有し、
前記変形層は、前記螺旋コイルの軸線方向から平面視して前記螺旋コイルに囲まれる領域内に、前記螺旋コイルの前記基板から最も離れた第１端部より前記基板に近い側にある第１領域と、前記第１端部より前記基板から遠い側にある第２領域と、を備え、
前記第２領域における前記磁性粒子の密度は、前記第１領域における磁性粒子の密度よりも高い。

【0028】

本発明の一態様に係るセンサユニットにおいて、基板と、前記基板の表面で構成された基準面に対して第１方向に突出する複数の凸部を有する連続した磁歪膜と、前記複数の凸部のうち少なくとも一つの第１凸部において、前記磁歪膜の裏面と前記基準面との間に設けられた変形層と、前記変形層内に設けられたコイルと、を備え、前記変形層は、非磁性材料と、前記変形層中に分散された磁性粒子と、を有する。

【0029】

上記態様に係るセンサユニットにおいて、前記複数の凸部は、前記磁歪膜の裏面と前記基準面との間に空間を有し、前記磁歪膜を貫通する孔を有する第２凸部と、前記複数の凸部のうち前記磁歪膜の裏面と前記基準面との間に空間を有し、前記磁歪膜を貫通する孔を有さない第３凸部と、をさらに有し、前記第１凸部の前記第１方向の高さは、前記第２凸部および前記第３凸部の前記第１方向の高さより高くてもよい。
本発明によれば、簡単な構造で微小な応力を検知可能なトランスデューサ、力覚センサ及びセンサユニットを提供することができる。

【発明の効果】

【0030】

本発明によれば、簡単な構造で微小な応力を検知可能なトランスデューサ、力覚センサ及びセンサユニットを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】本発明の一実施形態にかかるトランスデューサの要部を模式的に示す断面図である。

【図2】図１のトランスデューサを複数備える力覚センサを模式的に示す平面図である。

【図3】図１のトランスデューサの作用を説明するための図である。

【図4】図１の変形例に係るトランスデューサの要部を模式的に示す断面図である。

【図5】図４のトランスデューサを複数備える力覚センサを模式的に示す平面図である。

【図6】図１の他の変形例に係るトランスデューサの要部を模式的に示す断面図である。

【図7】図６のトランスデューサの作用を説明するための図である。

【図8】本発明の一実施形態に係るセンサユニットの要部を模式的に示す斜視図であり、図２の力覚センサを備えるセンサユニットを示す図である。

【図9】図８のセンサユニットの断面を模式的に示す図である。

【図10】本発明の一実施形態に係るセンサユニットの要部を模式的に示す斜視図である。

【図11】図９のセンサユニットにおける触覚センサの作用を説明するための図である。

【図12】製造例１で作製した変形層の表面の顕微鏡像である。

【図13】製造例１～製造例３のトランスデューサの変形層における圧縮率に対応した非透磁率を示す図である。

【図14】実施例１～実施例３のトランスデューサにおける圧縮率とインダクタンスとの相関を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0032】

以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

【0033】

［トランスデューサ］
図１は、本実施形態にかかるトランスデューサの要部を模式的に示す断面図である。図２は、図１のトランスデューサを複数備える力覚センサを模式的に示す平面図である。本実施形態に係るトランスデューサ１００は、基板２０と、基板２０上に設けられた変形層１０と、変形層１０内に設けられたコイル１３Ａと、を備える。

【0034】

＜基板＞
基板２０は、後述する変形層１０を支持する基板である。基板２０は、例えば回路基板である。回路基板は、センサ信号回路の少なくとも一部を有する基板である。回路基板内にセンサ信号処理回路の全体が形成されていてもよい。ここで、センサ信号処理回路は、コイル１３ＡとコンタクトＣと交流回路とが接続されたものであり、コイル１３ＡのそれぞれのインダクタンスＬを読み出す回路である。

【0035】

基板２０は、例えば、平坦な基板であり、フレキシブル基板などの柔軟な基板であってもよい。柔軟な基板としては、例えばヤング率が３ＧＰａ以下の基板を用いることが好ましい。このような柔軟な基板を基板２０として用いることで、トランスデューサを幅広い分野で活用できる。

【0036】

基板２０は、後述する変形層１０より剛性の大きな基材で形成されていてもよい。また、基板２０は、複数の層からなっていてもよい。
基板２０は、例えば有機ポリマー、シリコン、セラミック、金属などの基板を用いることができ、これらを重ねて形成してもよい。

【0037】

有機ポリマーの基板としては、例えば、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエチレンテレフタレート、エポキシグラスファイバ等を用いることができる。
シリコンの基板としては、例えば、シリコンウェハ、他の材料からなる基板上にポリシリコン薄膜が形成された基板、他の基板上にアモルファスシリコン薄膜が形成された基板等を用いることができる。
セラミックの基板としては、例えば窒化アルミニウム、ジルコニア等を用いることができる。

【0038】

＜コイル＞
コイル１３Ａは、例えば基板２０の上面とコンタクトＣを介して接続されている。コイル１３Ａは、例えば基板２０から基板２０と垂直な方向（ｚ方向）に向かって螺旋状に巻かれた螺旋コイルである。すなわち、コイル１３Ａの軸線方向は、基板２０と垂直な方向に対応する。以下、コイル１３Ａの軸線方向に垂直な方向（ｘｙ方向）を面内方向と呼称する場合がある。

【0039】

コイル１３Ａは、導電性材料である。コイル１３Ａは、非磁性材料１１よりもヤング率の大きい材料で構成されていることが好ましい。また、コイル１３Ａは、アモルファス磁性合金を含むことが好ましい。アモルファス磁性合金は、ストレスインピーダンス効果（ＳＩ効果）を示す材料である。アモルファス磁性合金は、例えば、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｂ、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｂ－Ｐ等の鉄系アモルファス合金や、Ｃｏ－Ｓｉ－Ｂ、Ｃｏ－Ｓｉ－Ｂ－Ｐ、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｂ、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｂ－Ｐ等のコバルト系アモルファス合金である。コイル１３Ａがアモルファス磁性合金であることで、コイル１３ＡのインダクタンスＬｓの変化を測定するとともに、コイル１３Ａが応力を受けストレスインピーダンス効果を示すことによる、インピーダンスの変化も測定可能である。

【0040】

ストレスインピーダンス効果は、磁性材料に応力が加わると生じる。ストレスインピーダンス効果は、ビラリ効果と、導体の表皮効果によるインピーダンス変化が透磁率変化の影響を受けることで生じる。具体的には、トランスデューサ１００に応力が作用すると、コイル１３Ａが面内方向に歪む。コイル１３Ａが歪むと、ビラリ効果により、透磁率が変化する。下記（１）式は、ビラリ効果を示す式である。下記（１）式は、真空の透磁率をμ_０とし、磁気異方性定数Ｋ_Ｕ、飽和磁化Ｍ_Ｓ、飽和磁歪λ_Ｓ、ヤング率Ｅ_Ｆのコイル１３Ａの長さが応力により（Δｌ／ｌ）だけ歪んだときのコイル１３Ａの透磁率μを示す。ここで、コイル１３Ａの長さは、コイル１３Ａを構成する導線の延材方向における長さのことを言う。

【0041】

【数1】

【0042】

下記（２）式は、表皮効果を示す式である。下記（２）式は、周波数ωの電流を、電気抵抗率がρの導体に電流を流した時に電流の流れる深さ（表皮深さ）δを示す。

【0043】

【数2】

【0044】

上記（１）式より、透磁率μは、ビラリ効果により磁性材料が受ける応力に依存することが確認される。また上記（２）式より、表皮深さδは、コイル１３Ａの透磁率μに依存することが確認される。表皮深さδが変化すると、導体のインピーダンスが変化する。従って、コイル１３Ａに加わる応力が変化すると、磁歪膜のインピーダンスが変化する。そのため、コイル１３Ａのインピーダンスを測定することで、応力の大きさを検出でき、トランスデューサとして用いられる。

【0045】

コイル１３Ａは、軸線方向に端部１３０を有する。端部１３０は、コイル１３Ａのうち、基板２０から最も離間している。

【0046】

＜変形層＞
変形層１０は、基板２０上に設けられている。変形層１０は、非磁性材料１１と、内部に分散された磁性粒子１２と、を有する。非磁性材料１１は、例えばコイル１３Ａが外部に露出しないように設けられている。すなわち、非磁性材料１１は、面内方向において、コイル１３Ａの内側及び外側のいずれにも位置する。

【0047】

非磁性材料１１は、軸線方向において、コイル１３Ａの端部１３０よりも基板２０から離間する領域及び端部１３０よりも基板２０に近接する領域のいずれにも位置する。すなわち、非磁性材料１１は、軸線方向から平面視して、コイル１３Ａに囲まれるとともに端部１３０よりも基板２０に近接している領域である第１領域Ｒ１と、軸線方向から平面視して第１領域Ｒ１と重なるとともに端部１３０よりも基板２０から離間している領域である第２領域Ｒ２と、を含む。

【0048】

変形層１０の高さｈ_０に対する第１領域Ｒ１の高さｈａの比（ｈａ／ｈ_０）は、例えば０．１以上０．９以下であり、０．２以上０．８以下であることが好ましい。また、変形層１０の高さｈ_０に対する第２領域Ｒ２の高さｈｂの比（ｈｂ／ｈ_０）は、例えば０．１以上０．９以下であり、０．２以上０．８以下であることが好ましい。第１領域Ｒ１の高さｈａ及び第２領域Ｒ２の高さｈｂは、トランスデューサ１００に対して応力が生じ、変形層１０がひずみ、非磁性材料１１が変位することにより変化する。上記高さの比は、トランスデューサ１００に対して応力が生じていない定常時における高さの比である。

【0049】

非磁性材料１１は、例えばエラストマー等の非磁性材料で構成されている。非磁性材料１１は、容易に変形可能な弾性体の素材であることが好ましい。非磁性材料１１のヤング率は、例えば０．０１ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下であり、０．０１ＭＰａ以上５ＭＰａ以下であることが好ましく、０．１ＭＰａ以上１ＭＰａ以下出ることがより好ましい。ヒトの皮膚のヤング率は、０．２～０．８ＭＰａ程度と云われており、上記範囲にすることで、ヒトの皮膚に近いヤング率で、且つ変形しやすくすることができる。非磁性材料１１は、例えば、ポリウレタンフォームやポリ塩化ビニル、ポリスチレン－ブタジエン－スチレン、スチレン－エチレン－ブチレン－スチレン、環状オレフィン共重合体エラストマー、シリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム、ジメチルポリシロキサン、ウレタンゴム、ハイドロジェル等で構成されている。

【0050】

磁性粒子１２は、例えば変形層１０中に分散されている。磁性粒子１２は、強磁性体材料であり、例えば、Ｆｅ系粉末、Ｎｉ系粉末及びＣｏ系粉末から選択される一つ以上である。磁性粒子１２は、このような磁性材料から選択されることで、コイル１３Ａに対する相対位置によりコイル１３Ａのインダクタンスを変化させる。

【0051】

磁性粒子１２の形状は、例えば、球状、扁平状、針状、柱状、線状であり、不定形であってもよい。図１においては、磁性粒子１２の形状が球状である例を示した。以下、磁性粒子１２が球状である場合を例に、本実施形態について説明する。

【0052】

変形層１０における磁性粒子１２の混合割合（質量比あるいは体積比）は、例えば質量割合の場合、０．１以上０．９以下であり、０．３以上０．８以下であることが好ましい。また体積割合の場合、０．０１以上０．１以下であり、０．０３以上０．０５以下であることが好ましい。ここで、変形層１０における磁性粒子１２の質量割合は、磁性粒子１２の質量を非磁性材料１１及び磁性粒子１２の質量の和で除することで求められる。また変形層１０における磁性粒子１２の体積割合は、磁性粒子１２の体積を非磁性材料１１及び磁性粒子１２の体積の和で除することで求められる。

【0053】

変形層１０における磁性粒子１２の質量割合が０．１以上であることで、応力の有無によりコイル１３Ａの径方向内側に含まれる磁性粒子１２の量の変化を大きくでき、トランスデューサ１００における入力を大きくできる。変形層１０における磁性粒子１２の混合割合が大きいと応力によるコイル１３Ａにインダクタンス変化が大きく得られるが、磁性粒子１２の質量割合が過度に大きいと磁性粒子１２がコイル１３Ａに接触してノイズが発生する可能性があり、また変形層１０が変形しにくくなる。そのため変形層１０における磁性粒子１２の質量割合を０．９以下にすることが適当である。

【0054】

第２領域Ｒ２における磁性粒子１２の密度は、第１領域Ｒ１における磁性粒子１２の密度以下であってもよいが、第１領域Ｒ１における磁性粒子１２の密度よりも高いことが好ましい。具体的には、第２領域Ｒ２における磁性粒子の密度は、第１領域Ｒ１における磁性粒子の密度の１倍より大きく１０倍以下であることが好ましく、３倍以上１０倍以下であることがより好ましい。第２領域Ｒ２における磁性粒子１２の密度が第１領域Ｒ１における磁性粒子１２の密度の３倍以上であることで、トランスデューサ１００に対して、軸線方向に非磁性材料１１を歪ませる方向の応力が加えられた際に、第１領域Ｒ１に位置する磁性粒子１２の量の変化が大きくなり、コイルのインダクタンスの変化を大きくし、入力を大きくすることができる。また、トランスデューサ１００が圧縮され、変形層１０が変形することにより、変形層１０自体の透磁率も変化する。変形層１０の透磁率は、圧縮率が高いほど、また変形層１０中の磁性粒子１２の質量割合が高いほど高い値を示す。

【0055】

ここで、トランスデューサ１００において、インダクタンスＬは、変形層１０のインダクタンスＬｍ及びコイル１３ＡのインダクタンスＬｓの和で表され、基本的な解析式としては以下の式（３）より表されるが実際にはＬｍとＬｓとの間に相互作用も存在する。

【0056】

【数3】

（式（３）において
Ｌ：トランスデューサのインダクタンス、
Ｂ_ｍａｘ：変形層の飽和磁化、μ_０：真空の透磁率、μ_ｒ：変形層の透磁率、
Ｉ_ｍａｘ：変形層を飽和磁化させるために必要なコイル電流、Ｖ：変形層の容積、
Ｎ：コイルの巻き数、Ａ：コイルの断面積、ｌ：コイルの長さ）

【0057】

［トランスデューサの製造方法］
本実施形態に係るトランスデューサは、例えば以下の方法により製造される。本実施形態に係るトランスデューサの製造方法は、例えば、準備工程と、実装工程と、積層工程と、を備える。

【0058】

（準備工程）
準備工程は、例えば基板２０を準備する工程と、変形層１０を構成する基材を準備する工程と、を有する。基板としては、例えば回路基板を準備する。変形層を構成する基材は、例えば磁性粒子を非磁性材料と混合及び撹拌することで作製される。

【0059】

（実装工程）
実装工程は、例えば、コンタクトを介して基板と導通するようにコイルを実装する。コイルと回路基板が電気的に接続する箇所をコンタクトという。

【0060】

（積層工程）
積層工程は、例えばコイルが表面に設けられた基板上に変形層を積層する。変形層は、例えば変形層を構成する基材を基板の表面に塗布、硬化することにより形成できる。変形層の硬化は、例えばＵＶ照射や熱処理等により行うことができる。第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とで構成が異なる変形層を形成する場合、例えば積層工程を二工程に分けて実施すればよい。トランスデューサ１００は、例えばこのように製造される。

【0061】

図３は、図１のトランスデューサの作用を説明するための図である。トランスデューサ１００に対し、軸線方向に応力が印加されると、変形層１０は、軸線方向に歪むように圧縮変形する。すなわち、変形層１０を構成する非磁性材料１１及び磁性粒子１２は、全体として基板２０に近接するように変位する。ここで、変形層１０を構成する非磁性材料１１の変位の仕方は、領域ごとに一様ではない。例えば定常時に第２領域Ｒ２に位置する非磁性材料１１は、定常時に第１領域Ｒ１に位置する非磁性材料１１と比べ、基板２０に近接する方向に大きく変位する。同様に、変形層１０に含まれる複数の磁性粒子１２は、それぞれの変位が一様ではない。例えば、複数の磁性粒子１２のうち、第２領域Ｒ２に位置する磁性粒子１２は、第１領域Ｒ１に位置する磁性粒子１２と比べ、基板２０に近接する方向に大きく変位する。同様に、トランスデューサ１００に対し、面内方向に応力が印加され、変形層１０が変位すると、コイル１３Ａの径方向内側に含まれる磁性粒子１２の量や、コイル１３Ａの径方向内側であって、端部１３０近傍における磁性粒子１２の密度が変化する。

【0062】

このように、トランスデューサ１００を圧縮する方向に応力が印加されると、第１領域Ｒ１における磁性粒子１２の密度が増大する。第１領域Ｒ１における磁性粒子１２の密度が増大すると、透磁率が増大し、トランスデューサ１００のインダクタンスＬｍ＋Ｌｓが増大する。また、トランスデューサ１００に対する応力が除かれると、変形層１０の表面が基板２０から離間する方向に変位し、第１領域Ｒ１における磁性粒子１２の密度が減少する。そのため、透磁率が減少し、トランスデューサ１００のインダクタンスＬｍ＋Ｌｓが減少する。

【0063】

また、トランスデューサ１００の変形層１０は、応力が印加されると、コイル１３Ａが歪む。すなわち、コイル１３Ａがアモルファス磁性合金で形成されている場合、ストレスインピーダンス効果により、コイル１３Ａのインピーダンスが変化する。

【0064】

本発明では、トランスデューサ１００に加わった応力、又は、応力による変形層１０の変位自体をコイル１３Ａに接続された信号処理回路により計測可能な電気信号に変換する。すなわち、本実施形態に係るトランスデューサ１００は、応力の変化を上記コイル１３ＡのインダクタンスＬｓ及び変形層１０のインダクタンスＬｍの変化に変換できる。また、トランスデューサ１００は、上記のような変形層１０内にコイル１３Ａが設けられているため、コイル１３ＡのインダクタンスＬｓの変化が大きく、さらに変形層１０のインダクタンスＬｍも変化するため、簡単な構造で入力を大きくし、微小な応力を検知可能である。

【0065】

本発明は、上記例に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、変形層１０は、コイルが挿入される開口を有し、開口にコイル１３Ａが挿入されており、押圧時にコイルの軸線方向における高さが変化しないように形成されていてもよい。また、以下のような変形例の構成であってもよい。

【0066】

［変形例］
図４は、図１の変形例に係るトランスデューサの要部を模式的に示す断面図である。図５は、図４のトランスデューサを複数備える力覚センサを模式的に示す平面図である。図４に示すトランスデューサ１００Ａは、コイル１３Ａに変えてコイル１３Ｂを備える点で図１に示すトランスデューサ１００と異なる。トランスデューサ１００Ａにおいて、トランスデューサ１００と同様の構成は、同様の符号を付し、説明を省略する。

【0067】

コイル１３Ｂは、同一面内で渦巻く平面コイルである。コイル１３Ｂは、例えば、基板２０の表面で渦巻く。コイル１３Ｂは、例えば、その両端でコンタクトＣを介して信号処理回路とつながっている。コイル１３Ｂの軸線方向における高さｈ_ａは、コイル１３Ｂの軸線方向における厚みに対応しており、僅少である。

【0068】

トランスデューサ１００Ａにおいて、コイル１３Ｂは、例えばパターニング等により基板２０の表面に形成される。コイル１３Ｂを作製するためにパターニングを行う工程は、例えば基板２０上に変形層１０を形成する前に行われる。トランスデューサ１００Ａは、製造プロセスが簡便であり、スループットが高い。特に、図５に示すような、複数のコイル１３Ｂを備えるような力覚センサ２００Ａを作製する場合、一度に多数のコイル１３Ｂを形成でき、効果的である。また、コイル１３Ｂは面内方向に伸びやすいため、コイル１３Ｂをアモルファス磁性合金で形成した場合、ストレスインピーダンス効果によって、面内方向の伸びた際の入力を大きくできる。

【0069】

ここで、トランスデューサ１００Ａにおいて、インダクタンスＬは、変形層１０のインダクタンスＬｍ及びコイル１３ＢのインダクタンスＬｓの和で表され、基本的な解析式としては以下の式（４）より表されるが実際にはＬｍとＬｓとの間に相互作用も存在する。ここで、式（４）におけるコイルの抵抗率ρは、式（５）で表される。

【0070】

【数4】

【0071】

【数5】

（式（４）、（５）において
Ｌ：トランスデューサのインダクタンス、
Ｌｍ：変形層のインダクタンス、Ｌｓ：コイルのインダクタンス、
Ｂ_ｍａｘ：変形層の飽和磁化、μ_０：真空の透磁率、μ_ｒ：変形層の透磁率、
Ｉ_ｍａｘ：変形層を飽和磁化させるために必要なコイル電流、Ｖ：変形層の容積、
ｎ：コイルの巻き数、ｄ_ｉｎ：コイルの内径、ｄ_ｏｕｔコイルの外径、ｄ_ａｖｇ：コイルの平均直径、ρ：コイルの抵抗率、ｃ_１，ｃ_２，ｃ_３，ｃ_４：コイルの形状により決まる定数）

【0072】

コイル１３Ｂの内径ｄ_ｉｎは、例えば、コイル１３Ｂの重心を通る径の最小値である。コイル１３Ｂの外径ｄ_ｏｕｔは、例えばコイル１３Ｂの重心を通る系の最大値である。コイル１３Ｂの平均直径ｄ_ａｖｇは、ｄ_ａｖｇ＝（ｄ_ｉｎ＋ｄ_ｏｕｔ）/２である。

【0073】

［変形例２］
図６は、図１の他の変形例に係るトランスデューサの要部を模式的に示す断面図である。図７は、図６のトランスデューサ１００Ｂの作用を説明するための図である。図６に示すトランスデューサ１００Ｂは、変形層１０Ｂが内部に空隙１４をさらに有する点で、図１に示すトランスデューサ１００と異なる。トランスデューサ１００Ｂにおいて、トランスデューサ１００と同様な構成は、同様の符号を付し、説明を省略する。トランスデューサ１００Ｂでは、変形層１０Ｂが空隙１４を有することで、トランスデューサ１００Ｂに応力が印加された際に、非磁性材料１１及び磁性粒子１２が定常時の空隙１４部分を埋めるように変位する。そのため、トランスデューサ１００Ｂでは、変形層１０Ｂのヤング率を小さくしやすい。

【0074】

空隙１４は、例えば、変形層１０Ｂ内に複数備えられる。変形層１０Ｂの空隙率は、例えば５０％以上９５％以下であり、６０％以上９０％以下であることが好ましい。変形層１０Ｂの空隙率は、ヤング率を小さくする観点から６０％以上であることが好ましく、降伏点が低くなり、塑性変形になることを抑制する観点から、９０％以下であることが好ましい。ここで、変形層１０Ｂの空隙率は、変形層製作に用いた原料の単位体積当たりの重量Ｗｓｔ、空隙が形成された変形層の単位体積当たり重量Ｗａｆにより、
Ａ＝１－Ｗａｆ／Ｗｓｔ
で得られる値をパーセント（％）表示したものである。

【0075】

非磁性材料１１としては、例えばポリウレタンフォーム、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン－ブタジエン－スチレン、スチレン－エチレン－ブチレン－スチレン、環状オレフィン共重合体エラストマー、シリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム、ジメチルポリシロキサン、ウレタンゴム、ハイドロジェル等が用いられる。

【0076】

第２領域Ｒ２における空隙１４の密度は、第１領域Ｒ１における空隙１４の密度よりも高いことが好ましい。第２領域Ｒ２における空隙１４の密度は、例えば第１領域Ｒ１における空隙１４の密度の２倍以上１０倍以下であることが好ましい。第２領域Ｒ２における空隙１４の密度を第１領域Ｒ１における空隙１４の密度よりも高くすることで、トランスデューサ１００Ｂに応力が印加される前後における透磁率の比を大きくすることができる。

【0077】

トランスデューサ１００Ｂの変形層は、例えば準備工程において、水を含む有機ポリマーを非磁性材料及び磁性粒子１２を混合及び撹拌後、熱処理することで形成される。第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２の空隙率が異なる変形層１０Ｂは、例えば含水率の異なる有機ポリマーを重ね、熱圧着又は熱延伸することで形成される。

【0078】

［第２実施形態］
図８は、第２実施形態に係るセンサユニットの要部を模式的に示す斜視図であり、図２の力覚センサを備えるセンサユニットを示す図である。図９は、図８のセンサユニットの要部の拡大図を模式的に示す断面図である。図８に示すセンサユニット３００において、先の実施形態の構成と同様の構成は同様の符号を付し、説明を省略する。

【0079】

センサユニット３００は、面内に並ぶコイル領域Ｒａと凸部領域Ｒｂとを備え、コイル領域Ｒａは、上記実施形態に係るトランスデューサ１００を有し、凸部領域Ｒｂは、トランスデューサの基板と同一面内に広がる第２基板２０Ｂと、第２基板の表面で構成された基準面Ｓに対して第１方向に突出する複数の凸部を有する連続した磁歪膜１５と、を有する。

【0080】

＜コイル領域Ｒａ＞
コイル領域Ｒａは、例えば基板２０と、基板２０上に設けられた変形層１０と、変形層１０内に設けられたコイル１３Ａと、を備える。変形層１０は非磁性材料１１と、変形層１０中に分散された磁性粒子１２と、を有する。

【0081】

コイル領域Ｒａは、例えば少なくとも一つのトランスデューサ１００を備える第一センサ（力覚センサ）である。コイル領域Ｒａは、例えば複数のトランスデューサ１００を備え、これに伴い、複数のコイル１３Ａを備える。コイル領域Ｒａにおいて、複数のコイル１３Ａは、例えばアレイ状に配置されている。コイル領域Ｒａに位置する力覚センサは、複数のトランスデューサ１００のそれぞれのコイル１３Ａのインダクタンスやインピーダンスの変化を基に力覚センサに作用した力の分布を計測する。コイル領域Ｒａの高さｈ_０は、例えば後述する第２凸部２の高さｈ_２及び第３凸部３の高さｈ_３よりも高い。

【0082】

＜凸部領域Ｒｂ＞
凸部領域Ｒｂは、例えばそれぞれがセンサとして機能する複数の凸部１ａ，１ｂ，２，３を備える第二センサ（多機能センサ）である。

【0083】

（第１凸部）
第１凸部１ａ、１ｂは、磁歪膜１５の裏面１５ｂと基準面Ｓとの間に絶縁体３０を有する。第１凸部１ａ、１ｂは、触覚センサとして機能する。

【0084】

第１凸部１ａは、例えばｚ方向からの平面視でｘ方向における長さとｙ方向における長さとが略均等である。第１凸部１ｂは、例えばｚ方向からの平面視で、ｙ方向における長さがｘ方向における長さよりも長い。第１凸部１ｂは、このような形状をしていることで、外部から力が加わる方向により反力が異なる。例えばｘ方向から印加された力に対する反力とｙ方向から印加された力に対する反力とが異なる。その結果、第１凸部１ｂは、外部からの力の方向による大きさの違いを読み取れる。センサユニット３００は、触覚センサとして第１凸部１ａのみを備えていてもよく、第１凸部１ｂのみを備えていてもよいが、第１凸部１ａ及び１ｂの両方を備えていることが好ましい。

【0085】

第１凸部１ａ、１ｂのｚ方向における高さは、ｚ方向に垂直な方向における最小幅よりも小さいことが好ましい。すなわち、第１凸部１ａのｚ方向における基準面Ｓからの高さは、例えば第１凸部１ａのｘ方向における幅以下であり、第１凸部１ｂのｚ方向における基準面Ｓからの高さは、例えば第１凸部１ｂのｘ方向における幅ｗ_１ｂ以下であることが好ましい。第１凸部１ａ、１ｂのｚ方向における高さｈ_１は、例えば第２凸部２のｚ方向における高さｈ_２及び第３凸部３のｚ方向における高さｈ_３より高い。また、第１凸部１ａ、１ｂのｚ方向における高さｈ_１は、例えば変形層１０のｚ方向における基板２０からの高さｈ_０よりも高い。第１凸部１ａ、１ｂのそれぞれは高さが同じであっても異なっていてもよい。

【0086】

絶縁体３０は、裏面１５ｂと少なくとも一部で接する。絶縁体３０は、基準面Ｓと第１凸部１ａ、１ｂに対応する裏面１５ｂとの間に位置する。絶縁体３０は、基準面Ｓと第１凸部１ａ、１ｂに対応する磁歪膜１５の裏面１５ｂとの間を充填している。すなわち絶縁体３０は、磁歪膜１５と基板２０とに密着して配置される。絶縁体３０の形状は、例えば、基準面Ｓと第１凸部１ａ、１ｂとで囲まれた領域の形状に対応する。絶縁体３０は、触覚センサの触り心地に大きな影響を与える要素であり、絶縁体３０の材料は、第１凸部１ａ、１ｂの硬さ（触り心地）が例えばヒトの皮膚と同様な硬さとなるように選択されることが好ましい。具体的には、絶縁体３０の材料は、ヤング率が１×１０^３Ｐａ～５×１０^６Ｐａの範囲であることが好ましい。このような絶縁体３０の材料としては、例えばＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）等が挙げられる。

【0087】

第１凸部１ａ、１ｂは、絶縁体３０を備えており、外部より力が作用すると絶縁体３０からの反力が生じる。絶縁体３０からの反力により磁歪膜１５に応力が作用し、磁歪膜１５が歪むことで第１凸部１ａ、１ｂのインピーダンスが変化する。磁歪膜１５のインピーダンスを測定することで、第１凸部１ａ、１ｂは作用した力を検出する触覚センサとして機能する。

【0088】

（第２凸部）
第２凸部２は、磁歪膜１５の裏面と基準面Ｓとの間に空間Ｒ_２を有し、磁歪膜１５を貫通する孔Ｈを有する。空間Ｒ_２は、基準面Ｓに沿って形成されている。第２凸部２は、磁歪膜１５を貫通する少なくとも１つの孔Ｈを有する。

【0089】

ｚ方向からの平面視における第２凸部２の形状は問わない。第２凸部２は、例えば、ｚ方向からの平面視形状が円形である。ｚ方向からの平面視における第２凸部２の幅ｗ_２は、例えば０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下である。空間Ｒ_２の高さｈ_Ｒ２は、大きいことが好ましく、例えば２ｍｍ以上であることが好ましい。一方、第２凸部２は、第１凸部１ａ、１ｂの少なくとも一方を備えるセンサユニットに備えられる場合、強度の観点から例えば第２凸部２のｚ方向における基準面Ｓからの高さｈ_２は、第１凸部１ａ、１ｂの高さｈ_１よりも低くなるように設計される。

【0090】

空間Ｒ_２は孔Ｈにより外部とつながった空間であり、そのため、通常は外部圧力による応力は磁歪材料に作用しない。音響波の作用により第２凸部２の外部の圧力が変化すると、圧力の変化に応じて磁性材料が振動し、第２凸部２に応力変化が作用する。このとき、ストレスインピーダンス効果により、第２凸部２のインピーダンスが変化する。従って、第２凸部２はインピーダンスを測定することにより、音響センサ（マイクロフォン）として機能する。

【0091】

（第３凸部）
第３凸部３は、磁歪膜１５の裏面１０ｂと、基準面Ｓとの間に空間Ｒ_３を有する。空間Ｒ_３は基準面Ｓに沿って密閉されている。ｚ方向からの平面視における第３凸部３の形状は問わない。第３凸部３は、例えば、ｚ方向からの平面視形状が円形である。ｚ方向からの平面視における第３凸部３の幅ｗ_３は、例えば０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下である。空間Ｒ_３の高さｈ_Ｒ３は、大きいことが好ましく、例えば１ｍｍ以上であることが好ましい。一方、第３凸部３は、第１凸部１ａ、１ｂの少なくとも一方を備えるセンサユニットに備えられる場合、第３凸部３のｚ方向における基準面Ｓからの高さｈ_３は、例えば第１凸部１ａ、１ｂの高さｈ_１よりも低くなるように設計される。尚、図９では高さｈ_２が高さｈ_３よりも高い場合を例示したが、この例に限定されず、高さｈ_３が高さｈ_２よりも高くてもよい。

【0092】

空間Ｒ_３は密閉空間であり、空間Ｒ_３の内の圧力と外部圧力との圧力差に対応する圧力が第３凸部３の磁性材料に作用し、磁性材料が歪み、第３凸部３のインピーダンスが変化する。従って、第３凸部３はインピーダンスを測定することで圧力センサとして機能する。

【0093】

（コンタクト）
コンタクトは、複数の凸部１ａ、１ｂ、２、３のそれぞれの所定の方向における両端に位置する。センサユニット３００Ａは、それぞれの凸部の両端に配置されたコンタクトに後述するセンサ信号処理回路を接続して、それぞれの凸部のインピーダンスを測定する。例えば、図９に示す構成では、コンタクトＣ_１ｂ１およびＣ_１ｂ２、コンタクトＣ_３１およびＣ_３２、ならびにコンタクトＣ_２１およびＣ_２２は、センサ信号処理回路に接続する。センサユニット３００Ａは、センサ信号処理回路によりそれぞれ第１凸部１ａ、第１凸部１ｂ、第３凸部３、第２凸部２のインピーダンスを測定する。

【0094】

（基板）
第２基板２０Ｂは、例えば基板２０と面内方向に並ぶ。第２基板２０Ｂは、例えば基板２０と同様の構成である。基板２０及び第２基板２０Ｂは、一体であってもよい。基板２０及び第２基板２０Ｂは、例えばそれぞれのセンサのコンタクトを、図示を省略する信号処理回路と接続する回路を内部に有する。

【0095】

本実施形態に係るセンサユニット３００では、コイル領域Ｒａが備えるトランスデューサを用いて、インダクタンスの変化に基づく力のセンシングをするとともに、凸部領域Ｒｂが備えるセンサを用いてストレスインピーダンス効果に基づくセンシングをすることができる。

【0096】

［第３実施形態］
図１０は、第３実施形態に係るセンサユニットの要部を模式的に示す斜視図であり、図５の力覚センサを備えるセンサユニットを示す図である。図１０のセンサユニット３００Ａにおいて、図８のセンサユニット３００と同様の構成は同様の符号を付し、説明を省略する場合がある。

【0097】

センサユニット３００Ａは、基板２０と、基板２０の表面で構成された基準面Ｓに対してｚ方向に突出する複数の凸部を有する連続した磁歪膜１５と、複数の凸部のうち少なくとも一つの第１凸部１ａ´、１ｂ´において、磁歪膜１５の裏面と基準面Ｓとの間に設けられた変形層１０と、変形層１０内に設けられたコイル１３Ｂと、を備え、変形層１０は、非磁性材料１１と、変形層１０中に分散された磁性粒子１２と、を有する。

【0098】

センサユニット３００Ａにおいて、第１凸部１ａ´及び１ｂ´は、磁歪膜１５の裏面と基準面Ｓとの間に変形層１０と、変形層１０内に設けられたコイル１３Ｂと、を備え、変形層１０は非磁性材料１１と、変形層１０中に分散された磁性粒子１２と、を有する点で、上記実施形態の第１凸部１ａ及び１ｂと異なる。他の構成は、上記実施形態の第１凸部１ａ及び１ｂと同様である。

【0099】

変形層１０，非磁性材料１１及び磁性粒子１２の構成は、上記実施形態の構成と同様である。

【0100】

センサユニット３００Ａにおいて、複数の凸部は、例えば磁歪膜１５の裏面１５ｂと基準面Ｓとの間に空間Ｒ_２を有し、磁歪膜１５を貫通する孔Ｈを有する第２凸部２と、複数の凸部のうち磁歪膜１５の裏面１５ｂと基準面Ｓとの間に空間Ｒ_３を有し、磁歪膜１５を貫通する孔を有さない第３凸部３と、をさらに有する。センサユニット３００Ａにおいて、第１凸部１ａ´及び１ｂ´のｚ方向の高さは、第２凸部２および第３凸部３のｚ方向の高さより高いことが好ましい。

【0101】

上記のようなセンサユニット３００Ａの製造方法の例としては、例えば、以下の方法が例示される。センサユニット３００Ａの製造方法は、例えば、凸部領域Ｒｂを作製するために基板上にレジスト層を形成する第１工程と、レジスト層に所定の形状をした複数の凹部を形成する第２工程と、レジスト層に磁歪膜１５を形成する第３工程と、磁歪膜１５上の所定の位置に絶縁材料を形成する第４工程と、磁歪膜１５を貫通する孔Ｈを形成する第５工程と、磁歪膜１５の裏面１５ｂに接する不要な材料を除去する第６工程と、コンタクトを介して基板２０と磁歪膜１５とを電気的に接続させる第７工程と、磁歪膜１５の表面の不要な材料を除去する第８工程と、を含む。また、センサユニット３００Ａの製造方法は、例えばコイル領域Ｒａを作製するために、上記第７工程の前に、基板２０上にコイル１３Ｂを設ける工程と、上記第４工程に変えて凸部１ａ´、１ｂ´の形状に沿った変形層１０を設ける工程と、を含む点を除き、凸部領域Ｒｂを作製する手段と同様にすることができる。凸部１ａ´、１ｂ´の形状に沿った変形層１０の作製は、例えば上記第４工程においてコイル１３Ｂと相対する位置の絶縁材料を変形層を構成する材料と置き換えることにより行うことができる。

【0102】

センサユニット３００Ａにおいて、第１凸部１ａ´及び１ｂ´は、触覚センサとして機能する。図１１は、触覚センサとしての図１０中の第１凸部１ａ´の作用を説明するための図であり、センサユニット３００Ａの断面のうち第１凸部１ａ´近傍を示す図である。第１凸部１ａ´の磁歪材料と外部の物体とが接触すると、外部より第１凸部１ａ´に力が作用する。第１凸部１ａ´に力が作用すると、変形層１０からの反力が生じる。すなわち磁性材料に応力が作用し歪む。従って、ストレスインピーダンス効果により、磁性材料のインピーダンスが変化する。磁性材料のインピーダンスは、磁歪膜１５において、第１凸部１ａ´のそれぞれの近傍の２つのコンタクトを介して測定される（Ｓｉｇｎａｌ ２）。磁性材料のインピーダンスと応力との相関を事前に把握しておき、測定したインピーダンスと比較することで、触覚センサは作用した力を検出できる。なお、第１凸部１ａ’を例に説明をしたが、第１凸部１ｂ’の作用も同様である。

【0103】

ここで第１凸部１ａ´、１ｂ´は基準面に対しｚ方向に突出する立体構造をしており、面内方向の大きさは微小である。そのため、その第１凸部１ａ´、１ｂ´に加わった力は、第１凸部１ａ´、１ｂ´の凸構造である表面の微小面に対し垂直に加わったとみなすことができる。特に第１凸部１ａ´のようなｘ方向とｙ方向との大きさが等しいセンサである場合、外部より作用する力の向きは、その触覚センサの表面に対し垂直である蓋然性が高い。図１１中の力Ｆ１，Ｆ２及びＦ３のいずれも第１凸部１ａ´に対して交差する方向に作用しており、入力が大きく微小な応力を検知しやすい。

【0104】

第１凸部１ｂ´のようなｘ方向の長さとｙ方向の長さとが異なる触覚センサに対し、ｚ方向から傾斜した力が作用すると、絶縁体３０から磁性材料へ、方向により大きさの異なる反力が生じる。従って、第１凸部１ｂのような触覚センサは方向の分解能が高い。

【0105】

また、第１凸部１ａ´、１ｂ´は、応力により変形層１０が歪み、磁性粒子１２が変位することでコイル１３Ｂの透磁率が変化することによるインダクタンスＬｓの変化も測定可能である（Ｓｉｇｎａｌ １）。すなわち、本実施形態に係るセンサユニット３００Ａの第１凸部１ａ´、１ｂ´は、磁歪膜１５のストレスインピーダンス効果によるインピーダンスの変化の信号（Ｓｉｇｎａｌ ２）及び磁性粒子１２が変位することによるコイル１３ＢのインダクタンスＬｓの変化の信号（Ｓｉｇｎａｌ １）も信号処理回路に入力する。また、磁歪膜１５が、外部磁場に対するシールドとして作用するため、Ｓｉｇｎａｌ １の信号が外部磁場に影響されづらい。磁歪膜１５のストレスインピーダンス効果によるインピーダンスの変化の信号（Ｓｉｇｎａｌ ２）は、上述の通り、応力の方向に拠らず、入力を大きくすることが可能である。

【0106】

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は特定の実施形態および変形例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

【実施例】

【0107】

以下、本発明の製造例について説明する。

【0108】

［製造例１］
製造例１では、以下の手順で基板上に変形層を形成し、変形層を圧縮することで透磁率の変化を測定した。
変形層を構成する基材として、ポリウレタンフォームと鉄微粒子を用いた。具体的には、ポリウレタンフォームは市販のフォーム原料Flex Foam-IT IIIから製作した。これは、２成分（パートA：イソシアネート、パートB：ポリオール）ポリウレタンフォームである。該２成分（すなわちパートA、B）を所定の重量比で混合し、３０秒間攪拌することでポリウレタンフォームを作製した。鉄微粒子はBASFから購入した平均直径５μｍのCarbonyl Iron Particles（C3518）である。各成分（パートA、パートB、Fe）とサンプルの重量は、アズワン製の化学スケールSefiITX220を使用して１００μｇの感度で測定した。各成分の計量後、まず、Fe粒子をA成分に注入して混合し、次にB成分を混合物に加え、混合物全体を30秒間撹拌した。次に、混合物を室温で12時間放置して、気泡と鉄微粒子が混合しているポリウレタンフォームを作製して変形層とした。
上記の手順によって、（Fe重量、A成分、B成分）＝（４１８２．０g、１９６９ｇ、３７０１ｇ）で原料成分を用いた変形層を製作した。得られたポリウレタンフォームの変形層の鉄微粒子混合比は質量比で０．７８、体積比で０．０１５４であった。図１２に、オリンパスSZX9実体顕微鏡で観察したポリウレタン変形層の表面の顕微鏡像を示す。図１２において、泡のサイズが約３０～５０μｍであり、白い斑点で示される微粒子に比べてはるかに大きくなっていることが確認された。

【0109】

この顕微鏡観察結果などから変形層の空隙率は約８５％と見積もられた。
また、この変形層に対して、荷重印可装置（内作）を用いて積層方向に対して垂直に圧縮して変形層の圧縮率を変化させるとともに、Stefan Mayer Instrumentsの透磁率計Ferromasterを用いて変形層の透磁率を測定した。

【0110】

［製造例２］
変形層を構成する基材中の原料の量を変更し、変形層における磁性粒子１２の割合が、質量比での混合割合０．７１４、体積比での混合割合０．０１９２の変形層を製造した。製造例１と同様の方法により変形層の空隙率は約８５％と見積もられた。また、製造例１と同様の方法により圧縮率に対する透磁率の変化を求めた。

【0111】

［製造例３］
変形層を構成する基材中の原料の量を変更し、変形層における磁性粒子１２の割合が、質量比での混合割合０．５３７、体積比での混合割合０．０１の変形層を製造した。製造例１と同様の方法により変形層の空隙率は約８６％と見積もられた。また製造例１と同様の方法により圧縮率に対する透磁率の変化を求めた。

【0112】

図１３に製造例１～製造例３の積層構造体の変形層の圧縮率に対する透磁率の変化を示す。
図１３における縦軸は、真空の透磁率を１としたときの変形層の比透磁率を示す。図１３における横軸は、積層構造体に対して応力を印加している際の変形層の体積を変形層に対して応力を印加していない際の体積で除し、１００倍して求めた圧縮率を示す。図１３より、いずれの製造例においても、変形層を圧縮するに伴い透磁率が高まること、磁性粒子の質量割合が高いほど高い透磁率を示すこと、及び磁性粒子の質量割合が高いほど圧縮による透磁率の変化量が大きいことが確認される。

【0113】

［実施例１～実施例３］
以下の手順でトランスデューサを作製し、そのインダクタンスを測定した。
先ず、プリント基板上にパターニングにより内径１００μｍ、外径１ｍｍ、巻き数５回、平均直径０．５５ｍｍのＣｕ製の平面コイルを３箇所に形成した。平面コイルは、両端でコンタクトを取り、コイルのインダクタンスＬｓ及び変形層のインダクタンスＬｍを測定するための回路と接続させた。
次いで、製造例１、製造例２、製造例３のそれぞれの方法で３種類のポリウレタンフォームを準備した。平面コイルが形成された基板上に、３種類のポリウレタンフォームのそれぞれを変形層とするトランスデューサを３種類形成した。変形層は、直径１ｍｍ×高さ１ｍｍの略円柱形とした。変形層の配置は、重心が平面コイルの重心と重なるようにした。３種類のトランスデューサのうち、製造例１のポリウレタンフォームを用いたトランスデューサを実施例１とし、製造例２のポリウレタンフォームを用いたトランスデューサを実施例２とし、製造例３のポリウレタンフォームを用いたトランスデューサを実施例３とする。

【0114】

上記の手順で作製したトランスデューサを用い、製造例１と同様の方法でトランスデューサの変形層を積層方向に圧縮するとともに、トランスデューサのインダクタンスを測定した。インダクタンスの測定は周波数３０ｋHzの交流抵抗を測定することで行った。トランスデューサのインダクタンスＬｍ＋Ｌｓは、上記式（４）より算出した、コイルのインダクタンスＬｓ及び変形層のインダクタンスＬｍの和である。また、同じ装置を用いて、トランスデューサの変形層を積層方向に圧縮した状態から応力を減少させ、変形層の圧縮率が低くなるように変形層１０を復元させた際のトランスデューサのインダクタンスを測定した。

【0115】

図１４は、変形層の圧縮率及びトランスデューサのインダクタンスの測定結果を示すグラフである。図１４において、横軸は変形層へ印加した力を示し、縦軸はトランスデューサのインダクタンスＬｍ＋Ｌｓを示す。
実施例１～３のトランスデューサは、いずれも変形層へ印加した力が大きいほど、インダクタンスの変化が大きく、力覚をセンシングするセンサとして活用できることが確認された。また、実施例１～３において、圧縮率に対する比透磁率の大きい変形層を用いたトランスデューサほどインダクタンスが大きくなることが確認された。またこれらのトランスデューサは、何れも簡単な構造で微小な応力を検知可能であることが確認された。

【産業上の利用可能性】

【0116】

本発明は、ヒトの皮膚において、メルケル触覚盤、マイスナー小体及びパチニ小体が検知する圧力並びにルフィニ小体が検知する伸びの刺激を検知することが可能であるため、ヒトの触覚を代替するセンサシステムに利用可能である。

【符号の説明】

【0117】

１（１ａ、１ｂ、１ａ´、１ｂ´）：第１凸部（触覚センサ）、２：第２凸部（音響センサ）、３：第３凸部（圧力センサ）、１０：変形層、１１：非磁性材料、
１２：磁性粒子、１３Ａ、１３Ｂ：コイル、１４：空隙、１５：磁歪膜、１５ｂ：磁歪膜の裏面、２０：基板、２０Ｂ：第２基板、１００，１００Ａ，１００Ｂ：トランスデューサ、２００，２００Ａ：力覚センサ、３００，３００Ａ：センサユニット、Ｃ：コンタクト

【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】