特許 7510157 センサユニットおよびセンサ

(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】2024-06-25

(45)【発行日】2024-07-03

(54)【発明の名称】センサユニットおよびセンサ

(51)【国際特許分類】

   G01L 1/12 20060101AFI20240626BHJP

   G01L 5/00 20060101ALI20240626BHJP

【ＦＩ】

G01L1/12

G01L5/00 101Z

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2020126857

(22)【出願日】2020-07-27

(65)【公開番号】P2022023720

(43)【公開日】2022-02-08

【審査請求日】2023-04-18

(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

(74)【代理人】

【識別番号】100106909

【弁理士】

【氏名又は名称】棚井 澄雄

(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】100141139

【弁理士】

【氏名又は名称】及川 周

(72)【発明者】

【氏名】ヨーク フロメル

(72)【発明者】

【氏名】室山 真徳

(72)【発明者】

【氏名】ジルダス ディゲ

(72)【発明者】

【氏名】大▲高▼ 剛一

【審査官】櫻井 健太

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１２－５１５９００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－００２９０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２２４９０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１０７３２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－２８８８４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－２０１５０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５９－０１８４３０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｌ １／００ － ２７／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基準面に対して垂直な方向である第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、前記複数の凸部のそれぞれの両端に配置されたコンタクトと、を備え、
前記コンタクトに接続され、前記複数の凸部それぞれのインピーダンスを少なくとも一つ測定するセンサ信号処理回路を有し、
前記複数の凸部のそれぞれがセンサである、センサユニット。

【請求項2】

前記複数の凸部のうち少なくとも一つの凸部において、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さらに備える、請求項１に記載のセンサユニット。

【請求項3】

前記絶縁体を備える凸部は、前記第１方向から平面視した際の最小幅が１ｍｍ以下である、請求項２に記載のセンサユニット。

【請求項4】

前記絶縁体を備える凸部のうち少なくとも一つの凸部は、前記基準面に沿った第２方向の長さと、前記基準面に沿った方向であり前記第２方向と直交する第３方向の長さと、が異なる、請求項２または３に記載のセンサユニット。

【請求項5】

前記複数の凸部のうち少なくとも一つの凸部は、前記磁歪膜の裏面と前記基準面との間に空間を有する、請求項１～４のいずれか一項に記載のセンサユニット。

【請求項6】

前記複数の凸部のうちの少なくとも一つの凸部は、前記磁歪膜を貫通する孔を有する、請求項５に記載のセンサユニット。

【請求項7】

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充填された絶縁体を備える凸部を第１凸部とし、
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する凸部を第２凸部とし、
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凸部を第３凸部とし、
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１～６のいずれか一項に記載のセンサユニット。

【請求項8】

前記磁歪膜は、非晶質物質である、請求項１～７のいずれか一項に記載のセンサユニット。

【請求項9】

前記基準面の少なくとも一部を形成する回路基板をさらに備える、請求項１～８のいずれか一項に記載のセンサユニット。

【請求項10】

前記回路基板のヤング率は、３ＧＰａ以下である、請求項９に記載のセンサユニット。

【請求項11】

基準面に対して垂直な方向である第１方向に突出した凸部を有する磁歪膜と、前記凸部の両端に配置されたコンタクトと、を備え、
前記コンタクトに接続され、前記凸部のインピーダンスを測定するセンサ信号処理回路を有する、センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、センサユニットおよびセンサに関する。

【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。ロボット用センサでは、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ－Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒ－ｃｕｉｔ；大規模集積回路）技術を基礎としたビジョンセンサの発達は目覚ましく、ヒトをしのぐ機能／性能の目を持つロボットの開発が進んでいる。

【0003】

ロボットがヒトと同様の作業をするためには、視覚以外の感覚、例えば力覚、圧覚、温覚、冷覚などのセンサをロボットが持つことが重要である。物体に作用する力や加速度、空間圧力、音響などを測定するセンサとして様々なセンサが提案されている。中でもシリコンを材料としてＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ；微小電気機械システム）技術を用いた小型で高感度なセンサ（加速度センサ、圧力センサ、音響センサ）の開発が進んでいる。

【0004】

特許文献１には、基板と基板上に導体層と磁歪材料とからなる磁性層が積層形成された歪検出素子が開示されている。特許文献１の歪検出素子は、外部から加わる力による歪みをインピーダンス変化として検出すると記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０００－３５６５０５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１の歪検出素子では、外部からの力の向きによっては、印加された力を十分検出することができなかった。

【0007】

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、外部から加わる様々な向きの力を検出することのできるセンサユニットおよびセンサを提供することを目的とする。また、１つの素子で様々な情報を得ることのできる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】

【0008】

本発明者らは、基準面に対して第１方向に対して突出した磁歪膜を用いることで、様々な向きの力を検出できることを見出した。すなわち、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

【0009】

（１）本発明の一態様に係るセンサユニットは、基準面に対して垂直な方向である第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、前記凸部の両端に配置されたコンタクトと、を備え、前記コンタクトに接続され、前記複数の凸部それぞれのインピーダンスを少なくとも一つ測定するセンサ信号処理回路を有し、前記複数の凸部のそれぞれがセンサである。

【0010】

（２）上記態様に係るセンサユニットの前記複数の凸部のうち少なくとも一つの凸部において、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さらに備えてもよい。

【0011】

（３）上記態様に係るセンサユニットにおいて、前記絶縁体を備える凸部は、前記第１方向から平面視した際の最小幅が１ｍｍ以下であってもよい。

【0012】

（４）上記態様に係るセンサユニットにおいて、前記絶縁体を備える凸部のうち少なくとも一つの凸部は、前記基準面に沿った第２方向の長さと、前記基準面に沿った方向であり前記第２方向と直交する第３方向の長さと、が異なっていてもよい。

【0013】

（５）上記態様に係るセンサユニットにおいて、前記複数の凸部のうち少なくとも一つの凸部は、前記磁歪膜の裏面と前記基準面との間に空間を有してもよい。

【0014】

（６）上記態様に係るセンサユニットにおいて、前記複数の凸部のうちの少なくとも一つの凸部は、前記磁歪膜を貫通する孔を有してもよい。

【0015】

（７）上記態様に係るセンサユニットは、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充填された絶縁体を備える凸部を第１凸部とし、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する凸部を第２凸部とし、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凸部を第３凸部とし、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。

【0016】

（８）上記態様に係るセンサユニットにおいて前記磁歪膜は、非晶質物質であってもよい。

【0017】

（９）上記態様に係るセンサユニットは、前記基準面の少なくとも一部を形成する回路基板をさらに備えてもよい。

【0018】

（１０）上記態様に係るセンサユニットは、前記回路基板のヤング率は、３ＧＰａ以下であってもよい。

【0019】

（１１）本発明の第２の態様に係るセンサは、基準面に対して垂直な方向である第１方向に突出した凸部を有する磁歪膜と、前記凸部の両端に配置されたコンタクトと、を備え、前記コンタクトに接続され、前記凸部のインピーダンスを測定するセンサ信号処理回路を有する。

【発明の効果】

【0020】

上記態様に係るセンサユニットおよびセンサによれば、外部から加わる様々な向きの力を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】第１実施形態に係るセンサユニットの斜視模式図である。

【図2】第１実施形態に係るセンサユニットの断面模式図である。

【図3】比較例に係るセンサユニットを模式的に示す概略図である。

【図4】図３（ａ）に示すセンサユニットにおいて力Ｆ１と磁歪膜との相関を示すグラフである。

【図5】本実施形態に係るセンサユニットの特徴部を示す模式図である。

【図6】本実施形態に係るセンサユニットの読出しを行う回路の概略図である。

【図7】第１変形例に係るセンサユニットにおけるセンサの配置の一例を示す上面図である。

【図8】第２変形例に係るセンサユニットの配置を示す上面図である。

【図9】第３変形例に係るセンサユニットの断面模式図である。

【図10】本実施形態に係るセンサユニットの製造方法の一例を説明するための図であり、製造方法の前半の過程を示す図である。

【図11】本実施形態に係るセンサユニットの製造方法の一例を説明するための図であり、製造方法の後半の過程を示す図である。

【図12】本実施形態に係るセンサユニットを備えたロボットアームの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、本発明について、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、配置、数、数値、構成等は一例であって、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。

【0023】

まず方向について定義する。ｚ方向は、後述する回路基板２０に対して磁歪膜が積層する積層方向である（図１参照）。ｚ方向は、第１方向の一例である。ｘ方向およびｙ方向は、ｚ方向に対して垂直な方向である。図１においては、後述する回路基板２０の一面と略平行な方向である。ｘ方向とｙ方向とは、垂直に交わる。

【0024】

［センサユニット］
図１は第１実施形態に係るセンサユニット１００の要部を拡大した斜視模式図である。図２はセンサユニット１００の断面を模式的に示す断面模式図である。センサユニット１００は、回路基板２０と磁歪膜１０とを備える。磁歪膜１０は、回路基板２０上に積層される。

【0025】

磁歪膜１０は、ビラリ効果を示すアモルファス磁性合金薄膜等の磁性材料を含む。アモルファス磁性合金薄膜は、例えば、軟磁性特性を示す鉄系アモルファス合金、コバルト系アモルファス合金の薄膜である。鉄系アモルファス合金は、例えば、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｂ、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｂ－Ｐである。コバルト系アモルファス合金は、例えば、Ｃｏ－Ｓｉ－Ｂ、Ｃｏ－Ｓｉ－Ｂ－Ｐ、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｂ、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｂ－Ｐである。これらの磁性材料は、ゲージ係数が高く、センサユニットの感度が高まる。ゲージ係数は、ストレスインピーダンス効果の指標である。

【0026】

アモルファス合金は、引張強度が高い。アモルファス合金を磁歪膜１０に用いると、磁歪膜１０が立体構造等の複雑な形状であっても、壊れにくくなる。また、アモルファス合金の磁歪膜１０は、スパッタなどで製造可能であるため、容易に製造できる。

【0027】

磁歪膜１０の厚さＴは、例えば０．５μｍ以上１０μｍ以下である。

【0028】

磁歪膜１０は、基準面ＲＰに対して第１方向に突出する複数の凸部１ａ、１ｂ、２、３を有する連続した磁歪膜である。図１においては、複数の凸部１ａ、１ｂ、２、３は、連続する磁歪膜１０から基準面ＲＰに対してｚ方向に突出する。ここで基準面ＲＰは、例えば、回路基板２０のｚ方向における主面である。ｘ方向およびｙ方向は、基準面に沿った方向である。回路基板２０が図１のように平坦である場合、基準面ＲＰも平坦な面だが、回路基板が曲げられた立体構造の場合、基準面ＲＰは回路基板２０に沿って曲げられている。

【0029】

磁歪膜１０は、表面１０ａと裏面１０ｂとを有する。裏面１０ｂは、磁歪膜１０の面のうち、基準面ＲＰに近い面である。

【0030】

以下では、説明の便宜上、凸部１ａ、１ｂを「第１凸部」と称し、凸部２を「第２凸部」と称し、凸部３を「第３凸部」と称する場合がある。

【0031】

詳細については後述するが、第１凸部１ａ、１ｂは触覚センサとして機能し、第２凸部２は音響センサ（マイクロフォン）として機能し、第３凸部３は、圧力センサとして機能する。

【0032】

（第１凸部）
第１凸部１ａ、１ｂは、磁歪膜１０の裏面１０ｂと基準面ＲＰとの間に絶縁体１１を有する。

【0033】

第１凸部１ａは、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１ａは、例えば、平面視形状が円形である。第１凸部１ｂは、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、例えば、平面視形状が楕円、オーバルである。ｘ方向は第２方向の一例であり、ｙ方向は第３方向の一例である。センサユニット１００は、第１凸部１ａ又は第１凸部１ｂのみでもよいが、第１凸部１ａと第１凸部１ｂを共に有することが好ましい。

【0034】

第１凸部１ｂは、例えば、ｘ方向の長さとｙ方向の長さとが異なる。第１凸部１ｂは、ｙ方向に長い形状をしている。このような第１凸部１ｂは、外部から力が加わる方向により絶縁体１１からの反力が異なる。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。

【0035】

ｚ方向からの平面視における第１凸部１ａ、１ｂの最小幅は、例えば１ｍｍ以下である。すなわち、図２が第１凸部１ａ、１ｂのｚ方向からの平面視で中心および重心を通る場合、第１凸部１ａ、１ｂの幅ｗ_１ａ、ｗ_１ｂは、１ｍｍ以下である。このような幅にすることで、センサユニット１００における第１凸部１ａ、１ｂの密度をヒトの皮膚における感覚点の密度と同等またはそれ以上にすることも可能である。

【0036】

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ＲＰからの高さｈ_１ａは、例えば幅ｗ_１ａ以下であり、第１凸部１ｂのｚ方向における基準面ＲＰからの高さｈ_１ｂは、例えば幅ｗ_１ｂ以下であることが好ましい。尚、図２では高さｈ_１ａが高さｈ_１ｂ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_１ｂが高さｈ_１ａよりも高くてもよい。

【0037】

（絶縁体）
絶縁体１１は、裏面１０ｂと少なくとも一部で接する。絶縁体１１は、基準面ＲＰと第１凸部１ａ、１ｂに対応する裏面１０ｂとの間に位置する。絶縁体１１は、基準面ＲＰと第１凸部１ａ、１ｂに対応する磁歪膜１０の裏面１０ｂとの間を充填している。すなわち絶縁体１１は、磁歪膜１０と回路基板２０とに密着して配置される。絶縁体１１の形状は、例えば、基準面ＲＰと第１凸部１ａ、１ｂとで囲まれた領域の形状に対応する。

【0038】

絶縁体１１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る。なぜなら、絶縁体１１は、薄い磁歪膜１０に密着しているためである。絶縁体１１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１１の材料は、ヤング率が１×１０³Ｐａ～５×１０⁶Ｐａの範囲であることが好ましい。このような絶縁体１１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。

【0039】

詳細については後述するが、上述の通り第１凸部１ａ、１ｂは、絶縁体１１を備えており、外部より力が作用すると絶縁体１１からの反力が生じる。絶縁体１１からの反力により磁歪膜１０に応力が作用し、磁歪膜１０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１０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。

【0040】

（第２凸部）
第２凸部２は、磁歪膜１０の裏面１０ｂと基準面ＲＰとの間に空間Ｒ_２を有する。空間Ｒ_２は、基準面ＲＰに沿って形成されている。

【0041】

第２凸部２は、磁歪膜１０を貫通する少なくとも１つの貫通孔Ｈを有する。貫通孔Ｈの数は、２つ以上であってもよい。

【0042】

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ＲＰからの高さｈ_２は、第１凸部１ａの高さｈ_１ａ、および第１凸部１ｂの高さｈ_１ｂよりも低くなるように設計される。

【0043】

詳細については後述するが、空間Ｒ_２は貫通孔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。

【0044】

（第３凸部）
第３凸部３は、磁歪膜１０の裏面１０ｂと、基準面ＲＰとの間に空間Ｒ_３を有する。空間Ｒ_３は基準面ＲＰに沿って密閉されている。

【0045】

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ＲＰからの高さｈ_３は、例えば第１凸部１ａの高さｈ_１ａ、および第１凸部１ｂの高さｈ_１ｂよりも低くなるように設計される。尚、図２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。

【0046】

詳細については後述するが、上述の通り空間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。

【0047】

（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１００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２に示す構成では、コンタクトＣ_１ａ１およびＣ_１ａ２、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１００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。
以下、コンタクトＣ_１ａ１、Ｃ_１ａ２、Ｃ_１ｂ１、Ｃ_１ｂ２、Ｃ_３１、Ｃ_３２、Ｃ_２１およびＣ_２２を総称してコンタクトＣと称する。

【0048】

（回路基板）
回路基板２０は、基準面ＲＰの少なくとも一部を形成する。回路基板２０は、磁歪膜１０のうち裏面１０ｂに近い側に位置する。回路基板２０は、センサ信号処理回路の少なくとも一部を有する基板である。回路基板２０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、複数の凸部のそれぞれのコンタクトＣと交流回路とを接続し、複数の凸部１ａ、１ｂ、２、３のそれぞれのインピーダンス読み出す回路である。

【0049】

回路基板２０としては、図１および図２に示されるような平坦な基板を用いてもよいが、本実施形態のセンサユニットは、フレキシブル基板などの柔軟な基板を用いることが好ましい。センサユニットとしては、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回路基板２０として用いることで、センサユニット１００を幅広い分野で活用できる。

【0050】

図１および２では、第１凸部１ａ、１ｂ、第２凸部２および第３凸部３を有するセンサユニット１００を例示したが、本実施形態に係るセンサユニット１００は、複数の凸部を備えていればよく、この例に限定されない。

【0051】

また図１および図２では、複数の凸部１ａ、１ｂ、２、３の形状がドーム状である（断面形状が円弧状である）例を示したが、複数の凸部１ａ、１ｂ、２、３の形状はこの例に限定されない。例えば、複数の凸部１ａ、１ｂ、２、３の形状は、多面体形状の一部であってもよく、断面形状が非対称であってもよく、すべり方向に対して垂直になるように傾斜させてもよい。その他、磁歪膜１０の表面の微細形状を変化させ、すべりに対する感度を向上させてもよい。
また、図１および図２では、絶縁体１１が第１凸部１ａ、１ｂに対応する位置において裏面１０ｂと基準面ＲＰとの間を充填する例を示したが、本実施形態に係るセンサユニットはこの例に限定されない。絶縁体１１は、第１凸部１ａ、１ｂに対応する位置において裏面１０ｂに密着していればよく、裏面１０ｂと基準面ＲＰとの間を充填する構成でなくてもよい。

【0052】

磁歪膜１０の膜厚Ｔは、上記例に限定されない。磁歪膜１０の膜厚Ｔは、フレキシブルな基板に対応する観点、製造に係るスループットの観点および経済的な観点から薄い程好ましい。一方、磁歪膜１０の膜厚は、強度の観点から厚みを有することが好ましい。磁歪膜１０の膜厚Ｔは、センサの感度や経済的な問題を考慮して任意に選択される。また磁歪膜１０の応力に対する感度を妨げない範囲で、他の材料を磁歪膜１０の表面の所定の位置に密着して成膜してもよい。他の材料を磁歪膜１０の表面１０ａに密着して成膜することで摩擦係数を変えることで、材料によってはすべりに対する感度を向上させられる。磁歪膜１０の表面１０ａに成膜する材料としては、例えばＳｉＯ膜や有機パリレン膜等がある。これらの材料は、例えばプラズマＣＶＤで成膜される。

【0053】

本実施形態では、説明の便宜上、図１に示すような少数の凸部を有するセンサユニット１００を例示して説明したが、本実施形態に係るセンサユニットはこの例に限定されない。本実施形態に係るセンサユニットは、図１に示すような構成が多数並べて配置されたものであってもよい。尚、第２凸部２および第３凸部３を１つずつ備え、他の領域を第１凸部１ａ、１ｂで敷き詰められた単位センサユニットは、例えばｚ方向からの平面視で５ｍｍ×５ｍｍｍ、５ｍｍ×１０ｍｍおよび１０ｍｍ×１０ｍｍ程度にできる。

【0054】

＜センサユニットの動作＞
本実施形態に係るセンサユニット１００は、外部から加わる様々な向きの力を検出できる。また、センサユニット１００は様々な感覚をセンシングできる。
以下にセンサユニット１００の動作原理について説明する。

【0055】

センサユニット１００のそれぞれのセンサは、ストレスインピーダンス効果（ＳＩ効果）を利用するセンサである。ストレスインピーダンス効果は、磁性材料に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。

【0056】

具体的には、センサに応力が作用すると、表面の磁歪膜が歪む。磁歪膜は、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の磁歪膜が応力により（Δｌ／ｌ）だけ歪んだときの磁歪膜の透磁率μを示す。

【0057】

【数1】

【0058】

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。

【0059】

【数2】

【0060】

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、磁歪膜の透磁率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、磁歪膜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、磁歪膜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、力センサとして用いられる。

【0061】

図３は、比較例に係る力センサの要部の一例である。図３（ａ）に示す力センサは、磁歪膜１０´と磁歪膜１０´中に形成されたコンタクトＣ_１´、Ｃ_２´およびコンタクトＣ_１´、Ｃ_２´と接続し、コンタクトＣ_１´、Ｃ_２´間のインピーダンスを測定できる構成を含む交流回路を有する。

【0062】

図３（ａ）に示す力センサであっても、力Ｆ１のようなｚ方向に平行な力を検出できる。図４は、力Ｆ１の強さとインピーダンスＺとの相関を示すグラフである。一方、図３（ａ）に示す力センサでは力Ｆ２のようなｘ方向成分を有する力を正確に検出できない。また力Ｆ３のようなｚ方向に対し垂直な力を検出することができない。

【0063】

また図３（ｂ）に示す力センサは、特許文献１（特開２０００－３５６５０５号公報）のような歪み検出素子に用いられる力センサである。図３（ｂ）に示す力センサは、外部歪みを検知する基板１ｈと、基板１ｈ上に積層された磁性材料２ｈと導体層３ｈと磁性材料４ｈとからなる磁性層と、電極パッド部５ｈと、を有する。特許文献１によると、基板１ｈの端に与えられた歪は、磁性層に伝達され、インピーダンス変化を引き起こしていると開示されている。

【0064】

図３（ｂ）に示す力センサは、力Ｆ２や力Ｆ３のような力を正確に検出することはできない。

【0065】

これに対し、図５は本実施形態に含まれる力センサの要部の一例である。図５に示す力センサは、触覚センサ１ａから絶縁体１１を取り除いた構成を有し、磁歪膜がｘｙ平面に対しｚ方向に突出する凸部を有する。すなわち、力の作用する方向に対して凸な立体形状を有する。そのため、力Ｆ１のようなｚ方向に平行な力だけでなく、力Ｆ２のようなｘ方向成分を有する力や、力Ｆ３のようなｚ方向に対し垂直な力であっても正確に検出できる。すなわち、センサの形状を基準面に対して第１方向に突出する構造（凸構造）にすると、基準面に平行な力等、平たい構造では検出できないあらゆる方向の力を正確に検出できる。

【0066】

また力センサの原理を活用することで、触覚センサ、圧力センサ、音響センサ（マイクロフォン）として活用することができる。

【0067】

（触覚センサの動作）
触覚センサの例としては、第１凸部１ａ、１ｂが挙げられる。触覚センサの磁歪材料と外部の物体とが接触すると、外部より触覚センサに力が作用する。触覚センサに力が作用すると、絶縁体１１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と外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。

【0068】

尚、ここで触覚センサは基準面に対し第１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、その触覚センサに加わった力は、触覚センサ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。

【0069】

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１１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。

【0070】

（圧力センサの動作）
圧力センサの例としては、第３凸部３が挙げられる。圧力センサの磁歪材料には、外部の圧力および圧力センサの磁歪材料と基準面との間の空間の圧力が反対方向に生じる。すなわち、外部の圧力と内部空間の圧力との圧力差に相当する応力が圧力センサの磁歪材料に作用し、磁歪材料が歪む。従って、ストレスインピーダンス効果により、磁歪材料のインピーダンスが変化する。磁歪材料のインピーダンスと圧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、圧力センサは外部圧力を検知できる。圧力センサの磁歪材料と基準面との間の空間が概真空の場合、圧力センサは気圧計として動作する。

【0071】

（音響センサの動作）
音響センサの例としては、第２凸部２が挙げられる。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、磁歪材料が振動し、第２凸部２に応力変化が作用する。第２凸部２は、応力変化に伴い歪みの仕方が変化する。従って、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。このインピーダンスの変化を測定することで、音響センサは、音を検知できる。

【0072】

（センサユニットの読出し）
図６は、センサユニットを読み出すセンサ信号処理回路の一例を模式的に示した図である。この例では、センサユニット１００は、３×３のマトリックス配置をしている。

【0073】

センサ信号処理回路は、駆動回路と検知回路とを有する。駆動回路は、駆動配線Ｌａ１～Ｌａ３を有する。駆動配線Ｌａ１～Ｌａ３のそれぞれとセンサのそれぞれとは、コンタクトを介して電気的に接続する。検知回路は、検知配線Ｌｂ１～Ｌｂ３を有する。検知配線Ｌｂ１～Ｌｂ３とセンサのそれぞれとは、駆動配線Ｌａ１～Ｌａ３と接続していないコンタクトを介して電気的に接続する。

【0074】

センサ信号処理回路は、図示を省略する交流電源に接続している。このようなセンサ信号処理回路は、センサそれぞれのインピーダンスを測定できる。

【0075】

以上の原理より、センサユニット１００は、外部から加わる様々な向きの力を検出できる。またセンサユニット１００は、基準面に対して第１方向に突出する複数の凸部１ａ、１ｂ、２、３を有する連続した磁歪膜１０を備えることで、様々な感覚をセンシングできる。例えば、センサユニット１００は触覚センサ、音響センサ、および圧力センサを備えており、様々な感覚をセンシングできる。

【0076】

一つの感覚をセンシングする独立したセンサを組み合わせて基板に実装する場合、読み取り方式やセンサ構造がそれぞれ異なるため、製造工程が複雑化する場合がある。本実施形態に係るセンサユニット１００ではこのような課題を解決することもできる。

【0077】

また磁歪膜のインピーダンスは、温度や外部磁場との間に相関がある。そのため、本実施形態に係るセンサユニット１００は、インピーダンスと温度との相関や、インピーダンスと外部磁場との相関を事前に把握しておくことで、温度や外部磁場といった感覚もセンシングできる。すなわち、本実施形態に係るセンサユニット１００は、触覚センサ、圧力センサおよび音響センサに加え、温度センサや磁場センサを備えることもできる。

【0078】

＜第１変形例＞
次に、実施形態の第１変形例について説明する。
図７（ａ）は、第１実施形態の第１変形例に係るセンサユニットの平面模式図である。第１変形例に係るセンサユニット１０１は、複数の凸部１ａおよび１ｂからなる点が図１に示すセンサユニット１００と異なる。センサユニット１０１は、複数の凸部を備えていれば同一の種類の凸部からなっていてもよい。第１実施形態と同じ構成は、同じ符号を付し説明を省略する。

【0079】

センサユニット１０１は、第１凸部１ａが複数の第１凸部１ｂに囲まれた配置をしている。複数の第１凸部１ｂは、ｚ方向からの平面視における長軸方向がｘ方向のものと長軸方向がｙ方向のものとがある。長軸方向がｘ方向の第１凸部１ｂと長軸方向がｙ方向の第１凸部１ｂとは、隣接して配置されている。

【0080】

センサユニット１０１であっても、センサユニット１００の触覚センサに関する効果と同様な効果を得られる。またセンサユニット１０１では、さらに触覚センサの方向および位置ごとの応力の分解能や強度を高めることができる。

【0081】

第１変形例における複数の凸部の種類および配置は、図に示す例に限定されない。例えば複数の第２凸部や第３凸部が並ぶ配置であってもよく、複数の第１凸部１ａのみが並ぶ構成や複数の第１凸部１ｂのみが並ぶ構成であってもよい。その他、センサユニットは図７（ｂ）に平面模式図を示すような配置であってもよい。

【0082】

図７（ｂ）に示すセンサユニット１０１´は、第１凸部１ｂがヒトの指紋の様に並列に繰り返して配置される。具体的には、センサユニット１０１´において、長手方向が同じである複数の第１凸部１ｂは、長手方向に対して垂直に並ぶ。例えば、領域Ａｘに位置する第１凸部１ｂは長手方向がｙ方向であり、ｘ方向に並列に配置され、領域Ａｙに位置する第１凸部１ｂは長手方向がｘ方向であり、ｙ方向に並列に配置される。

【0083】

センサユニット１０１´であっても、センサユニット１０１と同様な効果を得られる。また、領域Ａｘではすべり方向がｘ方向である場合の感度を向上でき、領域Ａｙではｙ方向である場合の感度を向上できる。センサユニット１０１´は、図示した例に限定されない。全体が領域Ａｘとなる構成や全体などであってもよく、第１凸部１ｂが三日月型の形状などのように歪んだ形状であってもよい。

【0084】

＜第２変形例＞
次に、実施形態の第２変形例について説明する。
図８は、第１実施形態の第２変形例に係るセンサユニットの平面模式図である。第２変形例に係るセンサユニット１０２は、第２凸部２と第３凸部３とが隣接していない点が図１に示すセンサユニット１００と異なる。

【0085】

センサユニット１０２では、第２凸部２と第３凸部３との間に第１凸部１ａ、１ｂを有する。また、第２凸部２および第３凸部３のそれぞれは、ｚ方向からの平面視で第１凸部に囲まれた配置をしている。

【0086】

センサユニット１０２であっても、センサユニット１００と同様な効果を得られる。センサユニット１０２は、センサユニット１００のような配置と比べ、面内方向に満遍なく触覚センサとしての機能を得られる。また、センサユニット１０２は、センサユニット１００と比べ強度が向上する。

【0087】

＜第３変形例＞
次に、実施形態の第３変形例について説明する。
図９は、第１実施形態の第３変形例に係るセンサユニットの断面模式図である。第３変形例に係るセンサユニット１０３は、回路基板２０Ａが局所的に凹構造となっている点が図２に示すセンサユニット１００と異なる。

【0088】

センサユニット１０３において、回路基板２０Ａの第２凸部２Ａ、第３凸部３Ａに対応する位置は、基準面ＲＰよりも深くなるように形成される。例えば、回路基板２０Ａが溝２０２、２０３を有する。溝２０２、２０３は、それぞれｚ方向からの平面視で第２凸部２Ａ、第３凸部３Ａと重なる。溝２０２により、空間Ｒ_２の高さｈ_Ｒ２は、高さｈ_２から磁歪膜１０の厚さＴを引いた高さよりも高い。同様に、空間Ｒ_３の高さｈ_Ｒ３は、高さｈ_３から磁歪膜１０の厚さＴを引いた高さよりも高い。

【0089】

溝２０２、２０３の形状は、例えば、ｙ方向からの平面視における形状が半円形、矩形、多角形状である。

【0090】

センサユニット１０３であっても、センサユニット１００と同様な効果を得られる。センサユニット１０３は高さｈ_２、ｈ_３を高くすることなく、高さｈ_Ｒ２、ｈ_Ｒ３を高くすることができる。すなわち、センサユニットの強度を保ちつつ、音響センサや圧力センサの感度を高められる。

【0091】

第３変形例における溝の位置は、図に示す例に限定されない。例えばｚ方向からの平面視で第２凸部２Ａに重なる位置のみに溝２０２が形成されていてもよく、第３凸部３Ａに重なる位置のみに溝２０３が形成されていてもよい。

【0092】

［センサユニットの製造方法］
本実施形態に係るセンサユニットは、例えば以下の方法により製造される。図１０および図１１は、本実施形態にかかるセンサユニットの製造方法を説明するための図である。図１０は本実施形態に係るセンサユニットの製造方法の一例の前半の過程を示し、図１１は本実施形態に係るセンサユニットの製造方法の一例の後半の過程を示す。尚、ここでいう製造方法の「前半」、「後半」とは説明の便宜上用いる用語であり、発明を限定するものではない。

【0093】

本実施形態に係るセンサユニットの製造方法は、複数の凹部を有するレジスト層に磁歪膜を形成する磁歪膜形成工程と、所望のセンサに応じて磁歪膜の凸部に絶縁材料を充填する、或いは貫通孔を形成する調整工程と、回路基板と磁歪膜とを電気的に接続させる電通工程と、を有する。

【0094】

より具体的な例としては、本実施形態に係るセンサユニットの製造方法は、基板Ｓ上にレジスト層Ｐを形成する第１工程と、レジスト層Ｐ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Ｐに磁歪膜１０´を形成する第３工程と、磁歪膜１０´上の所定の位置に絶縁材料ＰＤを形成する第４工程と、磁歪膜１０´を貫通する孔Ｈを形成する第５工程と、磁歪膜１０´の裏面１０ｂ´に接する不要な材料を除去する第６工程と、コンタクトＣ´を介して回路基板２０´と磁歪膜１０´とを電気的に接続させる第７工程と、磁歪膜１０´の表面１０ａ´の不要な材料を除去する第８工程と、を含む方法が挙げられる。

【0095】

（第１工程）
先ず、任意の基板Ｓ上に公知の方法でレジスト層Ｐを形成する。図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、それぞれ第１工程の前の様子および第１工程の後の様子を示す。レジスト層Ｐは、例えばポジ型のフォトレジスト層である。基板Ｓは、例えば、厚さ２ｍｍのＳｉ基板である。レジスト層Ｐの厚さは、例えば、１０００μｍとした。この基板Ｓおよびレジスト層Ｐは、後述する第５工程で除去されるため最終的なセンサユニット１００´には含まれない。

【0096】

（第２工程）
次いで、レジスト層Ｐに所定の形状をした複数の凹部を形成する。レジスト層Ｐとしてポジ型のフォトレジスト層を第１工程で形成した場合、所定のポジパターンを露光し現像する。例えば、グレースケールリソグラフィーにより、フォトレジスト層Ｐに複数の凹形状のパターンを形成する。図１０（ｃ）は、第２工程の後の様子を示す。

【0097】

尚、第２工程で形成する凹部の形状は、完成したセンサユニットにおける磁歪膜の凸部の形状に対応する。それぞれの凹形状のｚ方向からの平面視における最小幅および深さは、例えば以下のように設計される。
触覚センサに対応する部分：最小幅５００μｍ、深さ５００μｍ
圧力センサに対応する部分：直径１５００μｍ、深さ４５０μｍ
音響センサに対応する部分：直径１０００μｍ、深さ４５０μｍ

【0098】

（第３工程）
次いで、レジスト層Ｐ上に磁歪膜１０´を形成する。第３工程は、例えばスパッタ法により行う。図１０（ｄ）は、第３工程の後の様子を示す。磁歪膜１０´としては、ストレスインピーダンス効果を示す任意の磁性材料が用いられ、アモルファス磁性合金が用いられることが好ましく、軟磁性のアモルファス磁性合金が用いられることが好ましい。磁歪膜１０´は例えば、Ｆｅ_７９Ｓｉ_７Ｂ_１４である。磁歪膜１０´の厚さは例えば１μｍである。磁歪膜１０´の形成は、例えばスパッタ法で行う。

【0099】

（第４工程）
次いで、第４工程を行う。第４工程では、磁歪膜１０´の複数の凸部の少なくとも１つを含む領域に絶縁材料ＰＤを形成する。絶縁材料ＰＤは、例えば全体を平坦化するように形成される。図１０（ｅ）は、第４工程の後の様子を示す。
尚、触覚センサを含まないセンサユニットを製造する場合、必ずしも磁歪膜１０´の凸部に絶縁材料を形成しなくてもよい。絶縁材料ＰＤとしては、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）等が用いられる。
絶縁材料ＰＤは、図１０（ｅ）に示すように磁歪膜１０´が露出しないように全体に形成されてもよい。このような場合、絶縁材料ＰＤの不要な箇所は後の工程で除去される。

【0100】

（第５工程）
次いで、磁歪膜１０´を貫通する孔Ｈ´を形成する。
図１０（ｅ）に示すように第４工程で磁歪膜１０´が露出しないように全体に絶縁材料ＰＤを形成した場合、事前に磁歪膜１０´に孔Ｈ´を形成する部分を露出させる必要がある。そのため、図１０（ｆ）に示すようにエッチングを行う前に所定の位置の絶縁材料ＰＤを除去し、溝ＰＤＨをつくる。
孔Ｈ´は、例えばエッチングにより形成される。エッチングは、例えばイオンビームを照射する手法により行う。図１１（ａ）は、第５工程の後の様子を示す図であり、図１０（ｆ）の次の図である。尚、第５工程で形成する孔Ｈ´は、音響センサの孔Ｈとなる。そのため、音響センサを含まないセンサユニットを製造する場合、第５工程は省略される。

【0101】

（第６工程）
次いで、磁歪膜１０´の裏面１０ｂ´に接する不要な材料を除去する。図１１（ｂ）は、第６工程の後の様子を示す。不要な材料とは、例えば圧力センサ或いは音響センサとなる凸部に充填された絶縁材料ＰＤおよびコンタクトＣ´を形成する位置に存在する絶縁材料ＰＤである。コンタクトＣ´が形成される位置には空間ＰＤＣＨが形成される。第６工程は、プラズマエッチングなど公知の方法で行う。

【0102】

（第７工程）
次いで、コンタクトＣ´を介して回路基板と磁歪膜１０´とを電気的に接続させる。図１１（ｃ）は、コンタクトＣ´を有する回路基板２０´を準備した様子を示す。図１１（ｄ）は、第７工程の後の様子を示す。尚、コンタクトＣ´は複数の凸部のそれぞれの間に配置される。
センサユニット１０３のような局所的に回路基板が凹んだセンサユニットを用いる場合、第７工程で局所的に凹んだ回路基板を用いる。

【0103】

（第８工程）
次いで、磁歪膜１０´の表面１０ａ´上の不要な材料を除去する。不要な材料とは、例えば表面１０ａ´に堆積するレジスト層Ｐおよび基板Ｓである。図１１（ｅ）は、第８工程を行った後の様子を示す。第８工程は、例えばリフトオフプロセスの手法を用いる。

【0104】

このような手法により、図１１（ｆ）に示すセンサユニット１００´が製造される。

【0105】

［適用例］
図１２は、適用例に係るロボットアームの概略図である。図１２に示すロボットアームでは、手や腕の表面にセンサユニットが実装されている。ロボットアームと回路基板２０´とが接触しており、センサユニットは表面１０ａが露出するように配置される。

【0106】

ヒトの皮膚における触覚の感覚点の密度は、１ｃｍ^２あたり３０個程である。そのためロボットアームでヒトと同等以上の感覚を得るためには、センサユニットにおける第１凸部１ａ、１ｂの密度をヒトの皮膚における触覚の感覚点と同等以上にすることが好ましい。このためには、上述の通り、第１点１ａ、１ｂのｚ方向からの平面視における最小幅を１ｍｍ以下にすることが好ましい。

【0107】

センサユニットを実装する部分は、図に示す例に限定されない。また、実装する部分によりセンサユニットにおけるセンサの種類および配置等は適宜選択される。例えば、指先の触覚センサの密度は他の部分よりも高くすることや、用途に応じて温度センサを備える構成にすること等が考えられる。本実施形態に係るセンサユニットは、凹凸した表面への実装も可能である。

【0108】

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。

【符号の説明】

【0109】

１ａ：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：磁歪膜
１０ａ：磁歪膜の表面
１０ｂ：磁歪膜の裏面
１１：絶縁体
２０：基板
１００、１０１、１０２：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】