CN102192805A - 应力检测元件、触觉传感器以及抓持装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了应力检测元件、触觉传感器以及抓持装置，该应力检测元件包括：具有矩形开口部的支撑体；支撑膜，具有可挠性，形成于支撑体上，用于封闭开口部；第一压电体，在俯视支撑体时，沿开口部的一边，横跨开口部的内侧和外侧而设置；第二压电体，在俯视支撑体时，在开口部内侧，设置在与第一压电体分离的位置上；以及弹性膜，覆盖第一压电体、第二压电体及支撑膜。

Description

应力检测元件、触觉传感器以及抓持装置
技术领域
本发明涉及一种用于检测沿剪切方向作用的剪切力以及沿与剪切方向垂直的方向作用的按压力的应力检测元件、包括该应力检测元件的触觉传感器、以及包括该触觉传感器的抓持装置。
背景技术
目前，公开有通过机器人的臂等抓持重量和摩擦系数皆未知的对象物并将其提起的抓持装置。在这种抓持装置中，为了在抓持时不损坏对象物且不使对象物滑落，需要检测在沿垂直于抓持面方向作用的力(按压力)和沿抓持面的面方向(剪切方向)作用的力(剪切力)，已经公开有检测这些力的传感器(例如，参照专利文献1)。
在该专利文献1中记载的触觉传感器具有一个从设置在传感器基板上的开口的边缘部延伸而出的悬臂结构的结构体，该结构体由平板状的感应部以及连接感应部与传感器基板的铰链部构成。并且，在该结构体的感应部形成有导电性磁性体膜，在铰链部形成有压电电阻膜，导电性磁性体膜和压电电阻膜导通。另外，铰链部上设有电极，铰链部由于压力而弯曲，从而构成为由铰链部的压电电阻产生的电流从电极流出。而且，该触觉传感器在传感器基板上形成有多个上述这样的结构体，在这些结构体中的一部分相对于传感器基板立起，另一部分与传感器基板保持平行。此外，在传感器基板上设置有弹性体，立起的结构体被埋入弹性体中。而且，可由立起的结构体测量剪切力，可由平行于基板面的结构体测量按压力。在此，在这种触觉传感器中，由相对于传感器基板立起的结构体来检测剪切力，并通过与传感器基板保持平行的结构体来检测按压力。
【现有技术文献】
【专利文献】
专利文献1：日本特开2006-208248号公报。
但是，在上述专利文献1记载的这种触觉传感器中，相对于传感器基板立起的结构体与相对于传感器基板保持平行的结构体是分离的，由立起的结构体检测剪切力，而由平行于基板的结构体检测按压力。然而，像这样用于检测剪切力的结构体与用于检测按压力的结构体形成在不同的区域内，则存在导致传感器的尺寸比较大，不适合小型触觉传感器的问题。
此外，在专利文献1的触觉传感器中，对指定的一点只能检测剪切力和按压力中的任意一个。例如，在用于检测剪切力的结构体中只能检测剪切力，而按压力只能由在位于这个结构体附近的用于检测按压力的结构体来检测。因此，存在如下的问题：无法检测在设置有用于检测剪切力的结构体的位置上作用的正确按压力。
发明内容
本发明鉴于上述问题，其目的在于提供一种能小型且能正确地检测剪切力及按压力的应力检测元件、触觉传感器及抓持装置。
本发明的应力检测元件用于检测沿剪切方向作用的剪切力及与所述剪切方向垂直的按压力，其包括：支撑体，包括开口部，所述开口部具有与所述剪切力的检测方向垂直且相互平行的一对直线部；支撑膜，具有可挠性，形成于所述支撑体上，用于封闭所述开口部；第一压电体部，在从所述支撑膜的膜厚方向观察所述支撑体的俯视时，沿所述开口部的一对所述直线部中的至少一个直线部，以横跨所述开口部的内外的方式被设置在所述支撑膜上，且通过弯曲来输出电信号；第二压电体部，在所述俯视时，在所述开口部的内侧，所述第二压电体部与所述第一压电体部分离设置，且通过弯曲来输出电信号；以及弹性膜，用于覆盖所述第一压电体部、所述第二压电体部及所述支撑膜。
在本发明中，应力检测元件在支撑体上以封闭开口部的状态形成有支撑膜，在该支撑膜上，横跨开口部内外地层压有第一压电体部，在开口部的内侧层压有第二压电体部，进而在其上层层压有弹性膜。在此，在后面的说明中，把开口部内的区域的支撑膜称为隔膜(membrane)。
在这种应力检测元件中，对象物接触于弹性膜，若对开口部的直线部的直线方向正交的方向(剪切力检测方向)施加剪切力，则弹性膜及支撑膜会发生形变。并且，由于该弹性膜的形变，整个隔膜挠曲，从第一压电体部输出电信号。然后，在对象物接触于弹性膜时，若在与隔膜正交的厚度方向上施加按压力，则弹性膜和支撑膜向厚度方向挠曲，由此从第二压电体部输出电信号。
在此，在为了检测剪切力及按压力而分别设置单独的元件的情况下，例如，无法正确地检测施加给设有剪切力检测用的元件的位置上的按压力、施加给设有按压力检测用的元件的位置上的剪切力。针对这种情况，如上所述，通过在一个隔膜上设置用于检测剪切力的第一压电体部以及检测按压力的第二压电体部，从而可正确地检测出作用在该隔膜上的剪切力及按压力双方。
另外，若将剪切力检测用的元件以及按压力检测用的元件形成为单独的部件，则为了构成用于检测剪切力及按压力的传感器，就需要确保两个元件大小的空间，导致传感器尺寸大型化。针对此问题，在本发明中，以一个元件大小的空间就可检测剪切力及按压力双方，并可使传感器尺寸小型化。
在本发明的应力检测元件中，优选所述开口部的所述直线部包括一对第一直线部、以及与所述第一直线部垂直的一对第二直线部，所述第一压电体部分别沿一对所述第一直线部中的至少一个及一对所述第二直线部中的至少一个设置。
在本发明中，可由配置在第一直线部的第一压电体部检测沿与第一直线部正交的第一剪切方向作用的剪切力，并可由配置于第二直线部的第一压电体部检测沿与第二直线部正交的第二剪切方向作用的剪切力。由此，利用一个应力检测元件就可检测作用在隔膜面内的所有剪切力。
在本发明的应力检测元件中，优选所述第一压电体部分别沿一对所述直线部双方设置。
当对象物接触于弹性膜而施加剪切力时，例如，把开口部的一对直线部中的一方作为第一边，把另一方作为第二边，在沿从第一边面朝向第二边的检测方向施加剪切力的情况下，在弹性膜上会作用如下的力。也就是说，在弹性膜的第二边侧上，产生向与设置有支撑体的一侧面相反方向的一侧提高的力，而在第一侧上，产生进入支撑体的开口部内的力。因此，通过在这些第一边及第二边两者都设置第一压电体部，从而可由两个第一压电体部检测在剪切方向上作用的剪切力，与由一个第一压电体部检测剪切力的情况相比，可利用更大的信号值(电流值)来检测剪切力，并可提高检测精度。
即使在开口部上设置有一对第一直线部和与这些第一直线部垂直的一对第二直线部的情况下，同样也可通过沿这些一对第一直线部及一对第二直线部分别设置第一压电体部，从而利用较大的信号值来检测与第一直线部垂直的第一剪切力以及与第二直线部垂直的第二剪切力，并提高这些剪切力的检测精度。
在本发明的应力检测元件中，优选在所述俯视时，所述第二压电体部设置在所述开口部的中心位置，在所述俯视时，在所述支撑膜上，在相对于通过所述第二压电体部的中心点且与所述剪切力的检测方向平行的假想线段呈线对称的位置上分别设置有支撑梁。
在本发明中，支撑第二压电体部的至少一对支撑梁设置在相对于通过第一压电体部的中心点且平行于剪切力检测方向的假想线段呈线对称位置上。因此，在弹性膜上施加应力时，隔膜会均匀地挠曲，从而可正确地检测剪切力及按压力。
这里，在本发明的应力检测元件中，优选所述开口部形成为矩形状，所述支撑梁形成在所述开口部的对角线上。
在本发明中，支撑梁分别沿矩形开口部的对角线上形成。把开口部相对的二个边分别作为第一边和第二边，当沿从第一边朝向第二边的剪切力检测方向施加剪切力时，可通过隔膜沿剪切力检测方向以大致sin波形挠曲来高精度地检测剪切力。这里，第二压电体部的支撑梁例如是在朝向第一边的两端且相对于上述假想线段呈线对称的方式形成的情况下，通过这些支撑梁，可相对于与剪切力检测方向垂直的方向使隔膜的弯曲度均匀，而相对于剪切力检测方向，比起第二压电体部，第一边侧的刚性变强了相当于支撑梁的强度的量，从而存在隔膜挠度不均匀的情况。针对这种情况，如本发明这样，通过沿开口部的对角线上形成支撑梁，从而可使隔膜弯曲更接近sine波形，并可进行更高精度的剪切力测量。
而且，在本发明的应力检测元件中，优选所述第二压电体部包括在所述支撑膜上形成的第二下部电极层、在所述第二下部电极层的上层形成的第二压电体层、以及在所述第二压电体层的上层形成的第二上部电极层，所述支撑梁包括与所述第二下部电极层相连接的第二下部电极线、以及与所述第二上部电极层相连接的第二上部电极线。
在本发明中，支撑梁包括：与第二下部电极层相连接的第二下部电极线、以及与第二上部电极层相连接的第二上部电极线。这里，在仅形成有相对于上述假想线段呈线对称的一对支撑梁时，将一对支撑梁中的一个作为第二下部电极线，将另一个作为第二上部电极线。此外，在沿矩形开口部的对角线设有从第二压电体部延伸的四个支撑梁的情况下，可以把四个支撑梁中的一个作为第二下部电极线，把另一个作为第二上部电极线，把其他两个作为例如不用于施加电压的虚拟(dummy)电极线，也可以把四个支撑梁中的两个作为第二下部电极线，其他两个作为第二上部电极线。
在这种结构中，可把从第二压电体部输出的电流流过的电极线用作支撑梁，从而可使结构变得简单，而不用另外设置支撑梁。
本发明的触觉传感器包括：多个上述这样的应力检测元件，这些所述应力检测元件呈阵列状排列。
在本发明中，在触觉传感器中，将上述这样的应力检测元件排列成阵列状，触觉传感器包括排成阵列状的多个应力检测元件。因此，通过把这样的触觉传感器设在与对象物接触的面例如传感器表面，从而可检测对象物赋予传感器表面的剪切力及按压力。这时，例如在交替配置剪切力检测用的检测元件和按压力用的检测元件的现有的触觉传感器中，难以正确检测沿剪切力用的检测元件的配置位置作用的按压力，而在本发明中，如上所述，由一个应力检测元件就可检测剪切力及按压力双方，因此，可高精度地检测作用在一点的剪切力及按压力双方。
另外，例如在形成交替配置剪切力检测用的元件和按压力检测用的元件的传感器阵列形状的情况下，每单位面积所配置的剪切力检测用的区域、按压力检测用的区域各占上述单位面积的约一半面积。与此相对，在本发明中，通过把应力检测用元件排列成阵列状，从而可将上述单位面积的整个面积作为剪切力检测用的区域及按压力检测用的区域加以使用。因此，不仅提高了每单位面积的应力分析能力，还可高精度地检测剪切力及按压力。
在本发明的触觉传感器中，优选所述弹性膜在相邻所述应力检测元件之间设置有用于限制所述弹性膜间的挠曲传递的限制槽。
在本发明中，在彼此相邻配置的应力检测元件之间，在弹性膜上形成有限制槽。这里，作为限制槽，可以通过相对于弹性膜的厚度尺寸以例如3/4左右的深度尺寸加以形成，弹性膜也可以在相邻的上述应力检测元件之间连续，也可以形成为到达支撑膜的深度，且相邻的应力检测元件的弹性膜各自独立。
在本发明中，由于形成有限制槽，所以作用在相邻的应力检测元件上的剪切力、按压力通过弹性膜传递，不会被检测为噪音成分，从而可更高精度地检测一个应力检测元件所涉及的剪切力及按压力。
本发明的抓持装置用于抓持对象物，所述抓持装置包括触觉传感器，所述抓持装置包括：至少一对抓持臂，用于抓持所述对象物，且在与所述对象物接触的接触面上设置有所述触觉传感器；抓持检测单元，根据从所述触觉传感器输出的所述电信号，检测所述对象物的滑动状态；以及驱动控制单元，根据所述滑动状态，控制所述抓持臂的驱动。
在本发明中，如上所述，利用触觉传感器可高精度地检测在抓持对象物时的剪切力和按压力双方，根据检测出的这些剪切力和按压力，可确切判断对象物是处于正从抓持臂滑落的状态还是处于被抓持状态。也就是说，在抓持对象物的动作中，在没有完全抓持住对象物的状态下，对应于动摩擦力的剪切力作用，越增强抓持力，该剪切力也就越大。另一方面，在增强抓持力并检测对应于静摩擦力的剪切力的状态下，处于对象物抓持结束的状态，且即使在增强抓持力的情况下，由于静摩擦力固定，所以剪切力也不变。因此，例如逐渐增加对象物的抓持力，通过检测剪切力不发生变化的时刻，从而只用最低限的抓持力来抓持对象物而不损坏对象物。
附图说明
图1是本发明涉及的第一实施方式的应力检测元件的俯视图。
图2是上述第一实施方式的应力检测元件的截面图。
图3是示出对象物接触剪切力检测元件的状态的图，图3(A)是示出隔膜变形前的状态图，图3(B)是示出由于应力(按压力和剪切力)隔膜发生变形后的状态的图。
图4是剪切力检测用压电膜和按压力检测用压电膜中产生的电位差的示意图，图4(A)是示出压电膜未变形的状态的图，图4(B)是示出压电膜伸长的状态的图，图4(C)是示出压电膜被压缩的状态的图。
图5是示出沿+X方向施加剪切力时、沿-X方向施加剪切力时以及施加按压力时，从剪切力检测用压电体及按压力检测用压电体输出的电流的检测模式图。
图6是示出输出来自应力检测元件的剪切力检测用压电体输出的信号值的输出电路的大致结构的电路图。
图7是从图6的输出电路输出的剪切输出信号的发送波形的示例图，图7(A)是在图6中的点Sa的发送波形的示意图，图7(B)是在图6中的点Sb的发送波形的示意图。
图8是第二实施方式的触觉传感器的一部分的扩大俯视图。
图9是触觉传感器的一部分的截面图。
图10是示出触觉传感器的变形例的截面图。
图11是示出本发明涉及的第三实施方式的抓持装置的概略结构的装置框图。
图12是在抓持装置的抓持动作中作用于触觉传感器的按压力和剪切力的关系的示意图。
图13是控制装置对抓持装置的抓持动作的控制的流程图。
图14是示出在抓持装置进行抓持动作时，对臂驱动部发送的驱动控制信号、从触觉传感器输出的检测信号的发送定时(timing)的时序图。
图15是示出其他实施方式中的应力检测元件的俯视图。
具体实施方式
[第一实施方式]
下面，根据附图，对本发明涉及的第一实施方式的应力检测元件进行说明。
[1.应力检测元件的结构]
图1是第一实施方式的应力检测元件200的概略结构的示意图，图2是应力检测元件200的截面图。
如图1所示，应力检测元件200在作为支撑体的传感器基板11上通过将支撑膜14、构成本发明第一压电体部的剪切力检测用压电体210、作为本发明的第二压电体部的按压力检测用压电体310、以及作为弹性膜的弹性膜15层压而构成。该应力检测元件200是用于检测对象物接触于弹性膜15时施加的按压力和剪切力的元件。
(1-1.传感器基板的结构)
传感器基板11例如用硅(Si)形成，形成的厚度尺寸例如为200μm。如图1及图2所示，在该传感器基板11上形成有开口部111。在从传感器基板11的厚度方向观察该传感器基板11的俯视图(传感器俯视图)中，该开口部111形成为正方形，正方形的边111A和111B构成了本发明的第一直线部，边111C和111D构成了本发明的第二直线部。在本实施方式中，该开口部111的例如一边的长度尺寸L形成为500μm。
(1-2.支撑膜的结构)
支撑膜14(未图示)由在传感器基板11上例如厚度尺寸形成为3μm的SiO2层和该SiO2层上层压的厚度尺寸例如为400nm的ZrO2层的双层结构形成。这里的ZrO2层是在后述剪切力检测用压电体210及按压力检测用压电体310烧成形成时，为了防止剪切力检测用压电膜211、按压力检测用压电膜311的剥离而形成的层。也就是说，在剪切力检测用压电膜211及按压力检测用压电膜311例如由PZT形成时，烧成时若未形成ZrO2层，则剪切力检测用压电膜211中含有的Pb会扩散到SiO2层，导致SiO2层的熔点降低，SiO2层表面产生气泡，该气泡使PZT剥离。此外，若无ZrO2层，则还会产生针对剪切力检测用压电膜211的形变的挠曲效率下降等问题。对于这个问题，在SiO2层上形成ZrO2层时，可避免剪切力检测用压电膜211的剥离、挠曲效率降低等不良情况。
另外，在下面的说明中，在图1所示的传感器俯视图中，把支撑膜14中用于封闭开口部111的区域称为隔膜141。
(1-3.剪切力检测用压电体的结构)
剪切力检测用压电体210在隔膜141上沿开口部111的各边111A～111D形成为长度方向与各边111A～111D的直线方向同向的矩形。另外，在传感器俯视图中，各剪切力检测用压电体210横跨开口部111的内外，夹着开口部111的各边111A～111D而配置。
这些剪切力检测用压电体210包括：膜状的剪切力检测用压电膜211、分别沿该剪切力检测用压电膜211的膜厚方向形成的剪切力检测用下部电极212以及剪切力检测用上部电极213。
剪切力检测用压电膜211是例如把PZT(锆钛酸铅：lead zirconatetitanate)成膜为厚度尺寸是例如500nm的膜状而形成的。而且，虽然在本实施方式中，使用PZT作为剪切力检测用压电膜211，但只要是通过膜的应力变化可产生电荷的材料，则可以使用任一种材料，例如还可以用钛酸铅(PbTiO3)、锆酸铅(PbZrO3)、钛酸铅镧((Pb、La)TiO3)、氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、聚偏氟乙烯(PVDF)等。若剪切力造成支撑膜挠曲，则剪切力检测用压电膜211根据该挠曲量在剪切力检测用下部电极212及剪切力检测用上部电极213之间产生电位差。由此，来自剪切力检测用压电膜211的电流流过剪切力检测用下部电极212及剪切力检测用上部电极213，从而输出电信号。
剪切力检测用下部电极212及剪切力检测用上部电极213是夹着剪切力检测用压电膜211的膜厚方向形成的电极，剪切力检测用下部电极212形成在相对于剪切力检测用压电膜211的隔膜141的面上，而剪切力检测用上部电极213形成在与形成有剪切力检测用下部电极212面相反侧的面上。
剪切力检测用下部电极212是厚度尺寸形成为例如200nm的膜状电极，剪切力检测用下部电极212沿与形成有剪切力检测用压电体210的边111A～111D垂直的方向，横跨隔膜141内外而形成。作为该剪切力检测用下部电极212，只要是具有导电性的导电薄膜，则可以利用任何膜，在本实施方式中，使用例如Ti/Ir/Pt/Ti的层压结构膜。
剪切力检测用上部电极213是厚度尺寸形成为例如50nm的膜状电极。该剪切力检测用上部电极213覆盖住剪切力检测用压电膜211的长边方向的两端(压电膜端部边缘2111)之间，沿与形成有剪切力检测用压电体210的边111A～111D平行的方向形成。而且，在该剪切力检测用上部电极213的长边方向的端部形成有引出部2131。通过这种电极图案(pattern)，剪切力检测用下部电极212及剪切力检测用上部电极213没有直接接触的部分，不需要用绝缘膜等包覆电极，从而可简单地取出从剪切力检测用压电体210输出的电信号。
而且，作为该剪切力检测用上部电极213，只要是与剪切力检测用下部电极212同样的导电性薄膜，则可以利用任何材料，在本实施方式中，使用Ir薄膜。
在这样的剪切力检测用压电体210中，剪切力检测用下部电极212、剪切力检测用压电膜211、以及剪切力检测用上部电极213沿膜方向重合的部分构成了用于检测支撑膜的挠曲量的压电层压部214。
这里，压电层压部214横跨隔膜141的内部和外部而形成，压电层压部214的隔膜141内的沿剪切力检测方向(例如，在剪切力检测用压电体210A、210B为沿X方向，在剪切力检测用压电体210C、210D为沿Y方向)的尺寸WP1优选形成为沿压电层压部214的长边方向(例如，在剪切力检测用压电体210A、210B为沿Y方向，在剪切力检测用压电体210C、210D为沿X方向)的尺寸LP的1/3以下。例如，在本实施方式中，形成为WP1＝30μm、LP＝260μm。这是因为在沿压电层压部214的隔膜141内的沿剪切力检测方向的尺寸WP1形成得大于沿压电层压部214的长边方向的尺寸LP的1/3时，在压电层压部214上，受沿压电层压部214的长边方向的剪切力的影响的可能性变大的缘故。对此，如上所述，将压电层压部214的尺寸形成为3WP1≤LP，从而可排除沿压电层压部214的长边方向的剪切力的影响，并可高精度地仅检测剪切力检测方向的剪切力。
另外，在膜141的外部，优选压电层压部214形成为沿剪切力检测方向的尺寸WP2是支撑膜14和压电层压部214的膜厚尺寸之和的五倍以上。在本实施方式中，支撑膜14及压电层压部214的膜厚总和约为4.15μm，尺寸WP2例如是25μm。
在此，压电层压部214的隔膜141外部的沿X方向的尺寸WP2是小于支撑膜14和压电层压部214的膜厚总和的五倍的尺寸的情况下，会产生如下问题。即，在隔膜141因剪切力而发生形变时，会产生各层因剪切力而进入开口部111内的转矩力、或者向离开开口部111的开口部的方向隆起的转矩力。这些转矩力分别作用于支撑膜14、剪切力检测用下部电极212、剪切力检测用压电膜211及剪切力检测用上部电极213，使隔膜141及剪切力检测用压电体210形变。这时，在剪切力检测用压电体210的压电层压部214的隔膜141的外部区域，随着离开开口部111的边缘(边111A～111D)，隔膜141变形引起的应力变小。在此，在形成于压电层压部214的隔膜141外部的部分的X方向的尺寸WP2为WP2＜5t(t为膜厚总和)的情况下，无法充分接受关系到隔膜141的变形引起的应力，所以无法得到稳定的隔膜141的变形。而且，还存在构成剪切力检测用压电体210的各膜311、321、313被剥离的危险。对此，将剪切力检测用压电体210形成为尺寸WP2满足WP2≥5t，从而可使隔膜141的变形稳定，并可避免剥离等不良情况。
弹性膜15是覆盖上述支撑膜14、剪切力检测用压电体210而形成的膜。在本实施方式中，使用例如PDMS(PolyDiMethylSiloxane，聚二甲基硅氧烷)作为该弹性膜15，但并不仅限于此，也可以使用由具有弹性的合成树脂等其他弹性材料形成的膜。另外，作为弹性膜15的厚度尺寸，没有特别限定，例如可以形成为300μm。
该弹性膜15作为剪切力检测用压电体210的保护膜而发挥作用，同时将施加给该弹性膜15的剪切力传递给隔膜141使之发生挠曲。然后，因该弹性膜15挠曲使隔膜141弯曲，从而剪切力检测用压电体210也挠曲，输出对应于该挠曲量的电信号。
(1-4.按压力检测用压电体的结构)
按压力检测用压电体310在隔膜141上形成在开口部111的中心位置上。该按压力检测用压电体310包括：作为本发明第二压电体层的按压力检测用压电膜311；配置在按压力检测用压电膜311与支撑膜14之间的、作为本发明第二下部电极层的按压力检测用下部电极312；配置在按压力检测用压电膜311与弹性膜15之间的、作为本发明第二上部电极层的按压力检测用上部电极313。
这些按压力检测用压电膜311、按压力检测用下部电极312、以及按压力检测用上部电极313各自形成为正方形，并按照按压力检测用下部电极312、按压力检测用压电膜311、按压力检测用上部电极313的顺序层压而成。而且，在本实施方式中示出了考虑到刚性平衡，将按压力检测用压电体310与正方形的开口部111相对应地形成为正方形，以使隔膜141的挠曲稳定的例子，但是按压力检测用压电体310也可形成例如圆形等结构。
这些按压力检测用压电膜311、按压力检测用下部电极312、及按压力检测用上部电极313采用与上述应力检测元件200的剪切力检测用压电膜211、剪切力检测用下部电极212、剪切力检测用上部电极213同样的材料，并由相同厚度尺寸形成。也就是说，在制造应力检测元件200时，剪切力检测用压电体210及按压力检测用压电体310可以利用如溅射法等方法同时成膜，并利用光刻法等形成图案来同时形成。
此外，如图1所示，在按压力检测用下部电极312中，从-X-Y方向的顶点312A朝向隔膜141的-X-Y方向顶点112A，形成有作为本发明的支撑梁而发挥作用的按压力检测用下部电极线314，该按压力检测用下部电极线314是本发明的第二下部电极线。并且，从按压力检测用下部电极312的-X+Y方向的顶点312B朝向隔膜141的-X+Y方向的顶点112B，形成有作为本发明的支撑梁而发挥作用的虚拟电极线316A。并且，在按压力检测用上部电极313中，从+X+Y方向的顶点313C朝向隔膜141的+X+Y方向的顶点112C，形成有作为本发明的支撑梁而发挥作用的按压力检测用上部电极线315，该按压力检测用上部电极线315是本发明的第二上部电极线。而且，从按压力检测用上部电极313的+X-Y方向的顶点313D朝向隔膜141的+X-Y的顶点112D，形成有作为本发明支撑梁而发挥作用的虚拟电极线316B。
也就是说，沿正方形的开口部111的对角线，形成有按压力检测用下部电极线314、按压力检测用上部电极线315及两个虚拟电极线316A、316B。这样，通过把各电极线314、315、316A、316B形成图案，从而隔膜141的刚性平衡得以稳定，并可避免了例如受按压力时隔膜141的+X侧比-X侧挠曲更大等不良情况。
此外，这些按压力检测用下部电极线314及按压力检测用上部电极线315分别通过例如与支撑膜14的侧面边缘部连接但未图示出的柔性基板等导通部件来与例如处理从应力检测元件200发出的信号的控制装置等连接。
[2.应力检测元件的动作]
下面，根据附图来说明上述这样的应力检测元件200的动作。
在应力检测元件200中，在沿X方向施加剪切力时，利用剪切力检测用压电体210A、210B来检测该剪切力，而沿Y方向施加剪切力时，利用剪切力检测用压电体210C、210D来检测该剪切力。而且，在施加与传感器基板11垂直的按压力时，利用按压力检测用压电体310来检测该按压力。
在此，作为一个例子，对在施加与隔膜141的面方向垂直的按压力和朝向X方向的剪切力的情况下，利用剪切力检测用压电体210A、210B的剪切力检测方向进行说明。对于朝向Y方向施加剪切力的情况，因通过同样的动作检测剪切力，所以省略对此的说明。
图3是抓持对象物Z与剪切力检测元件接触的状态示意图，图3(A)是示出隔膜141变形前的状态的示意图，图3(B)是由于应力(按压力和剪切力)隔膜141发生变形的状态后的示意图。
如图3(A)所示，在应力检测元件200，如果对象物Z和弹性膜15接触，且沿箭头P1方向施加剪切力，则如图3(B)所示，隔膜141会发生弯曲。
也就是说，若在弹性膜15上产生剪切力，则在隔膜141的-X侧的面上，如箭头M1所示，产生进入开口部111内的转矩力；而在+X侧的面上，如箭头M2所示，产生从开口部111隆起的转矩力。此外，通过对象物Z接触于弹性膜15，沿箭头P2方向施加按压力，从而施加有图3中箭头F1上所示的力，因此如图3(B)所示，隔膜141上就产生向开口部111内部沉入这样的挠曲。
另外，虽然省略图示，但在只作用有剪切力而没有施加按压力的情况下，隔膜141挠曲为相当于一波长的大致sine波形，而在只作用有按压力而没有施加剪切力的情况下，隔膜141整体向开口部111内呈凸圆弧状挠曲。
图4是在剪切力检测用压电膜211和按压力检测用压电膜311产生的电位差的示意图，图4(A)是压电膜211、311未变形的状态的示意图，图4(B)是压电膜211、311伸长的状态的示意图，图4(C)是压电膜211、311被压缩的状态的示意图。并且，图5是示出在+X方向施加剪切力时、在-X方向上施加剪切力时以及施加按压力时，从剪切力检测用压电体210A、210B及按压力检测用压电体310输出的电流的检测模式图。
为了利用上述应力检测元件200检测按压力及剪切力，事先在剪切力检测用上部电极213及剪切力检测用下部电极212之间、按压力检测用上部电极313及按压力检测用下部电极312之间施加电压，如图4(A)所示，施加电压并使之极化。在这种状态下若隔膜141发生挠曲，则在剪切力检测用压电膜211及按压力检测用压电膜311会产生电位差。
这里，弹性膜15上只施加朝向+X方向的剪切力时，如图4(B)所示，在剪切力检测用压电体210A的剪切力检测用压电膜211，向剪切力检测用压电膜211的面内方向产生拉伸应力，膜厚也变薄。这样，在剪切力检测用压电膜211上，极化转矩量降低，在与剪切力检测用上部电极213的接触面上，会产生与初期极化值之差恰好相抵的正电荷，而在与剪切力检测用下部电极212的接触面上会产生负电荷。因此，电流从剪切力检测用下部电极212朝向剪切力检测用上部电极213的方向流过，并被作为电信号输出。
另一方面，如图4(C)所示，在+X方向侧的剪切力检测用压电体210的剪切力检测用压电膜211由于转矩力，在剪切力检测用压电膜211上产生压缩应力，膜厚也增加。这样，在剪切力检测用压电膜211上，极化转矩量增大，在剪切力检测用上部电极213上产生负电荷，而在剪切力检测用下部电极212上产生正电荷。因此，电流从剪切力检测用上部电极213朝向剪切力检测用下部电极212的方向流过，并被作为电信号输出。
此外，在只施加剪切力而未施加按压力的情况下，从按压力检测用压电体310未检测到电流。因此，在这种情况下，可得到如图5中的(i)所示的电流检测模式的信号值。而且，在施加沿-X方向的剪切力时，隔膜由于会向反方向挠曲，所以可得到如图5(ii)所示的电流检测模式的信号值。
另一方面，在只施加按压力而未施加剪切力的情况下，按压力检测用压电体310向进入开口部111的方向凸形地弯曲。这时，按压力检测用压电膜311如图4(C)所示地压缩形变，电流从按压力检测用上部电极313朝向按压力检测用下部电极312流过。因此，可得到如图5(iii)所示的电流检测模式的信号值。
然后，如图3(B)所示，在应力检测元件200上施加剪切力和按压力双方来使隔膜141挠曲时，根据从各剪切力检测用压电体210A、210B、210C、210D及按压力检测用压电体310输出的信号值，可可计算剪切力及按压力。
在此，如果利用从剪切力检测用压电体210A输出的信号值A、从剪切力检测用压电体210B输出的信号值B、从剪切力检测用压电体210C输出的信号值C、从剪切力检测用压电体210D输出的信号值D以及从按压力检测用压电体310输出的信号值E，则可根据下式来计算沿X方向的剪切力SX、沿Y方向的剪切力SY及押压力O。此外，在下面式(1)～式(3)中，k1、k2都是常数。另外，在式(1)、(2)中，所谓sign(M-N)是指在(M-N)的值为负值时返回(return)为“-1”，在(M-N)的值为正值时返回为“+1”，在(M-N)的值为0时返回为0。并且，ABS(M-N)表示(M-N)的绝对值。
【数1】
Sx＝sign(A-B)×(abs(A-B)-k1×E)…(1)
Sy＝sign(C-D)×(abs(C-D)-k1×E)…(2)
O = C - k 2 × ( A + B + C + D 4 ) · · · ( 3 )
[3.应力检测元件的输出电路]
上述这样的应力检测元件200包括：将从-X方向侧的剪切力检测用压电体210A输出的信号值A和从+X方向侧的剪切力检测用压电体210B输出的信号值B进行加减计算后输出的输出电路；以及将从-Y方向侧的剪切力检测用压电体210C输出的信号值C和从+Y方向侧的剪切力检测用压电体210D输出的信号值D进行加减计算后输出的输出电路。
这些输出电路例如可以形成在传感器基板11上，也可以设置为与传感器基板11分开，并与形成在传感器基板11上的剪切力检测用下部电极212及剪切力检测用上部电极213连接的结构。另外，在与传感器基板11分开设置时，也可以是例如收容在安装有应力检测元件200的装置等中的结构等。
图6是表示对从应力检测元件200的剪切力检测用压电体210A、210B输出的信号值进行加减计算后输出的输出电路220的概略结构的电路图。另外，对从剪切力检测用压电体210C、210D输出的信号值进行加减计算后输出的输出电路由于具有与输出电路220同样的结构，因此在这里略去说明。
在本实施方式的应力检测元件200的输出电路220中，在剪切力检测用压电体210A的剪切力检测用下部电极212上连接有连接线224A1，在剪切力检测用压电体210A的剪切力检测用上部电极213上连接有连接线224A2，在剪切力检测用压电体210B的剪切力检测用下部电极212上连接有连接线224B1，在剪切力检测用压电体210B的剪切力检测用上部电极213上连接有连接线224B2。并且，该输出电路220包括：用于切换上述连接线224A1、224A2、224B1、224B2的连接状态的转换(switching)电路221、放大器(Amp)222及积分器223。在该输出电路220中，根据该转换电路221的切换状态，作为加法电路或减法电路中的任一电路而发挥作用。
具体而言，如图6(A)所示，在检测剪切力时，转换电路221分别连接连接线224A1及连接线224B2、连接线224A2及连接线224B1，如上述(2)式或(3)式所示，对信号值A和信号值B进行减法运算。
这是因为：如图3(B)所示，在剪切力作用时，在剪切力检测用压电体210A和剪切力检测用压电体210B中，因挠曲方向相反，所以从这些剪切力检测用压电体210A及剪切力检测用压电体210B输出的电流的正负相反。因此，为了输出信号值A和信号值B的差，把剪切力检测用压电体210A的剪切力检测用上部电极213与剪切力检测用压电体210B的剪切力检测用下部电极212连接，把剪切力检测用压电体210A的剪切力检测用下部电极212与剪切力检测用压电体210B的剪切力检测用上部电极213连接，从而使从剪切力检测用压电体210A、210B输出的电流的正负号一致，并将此信号输出到放大器(Amp)222。
然后，从这些剪切力检测用压电体210A、210B输出的电流通过放大器222放大后，输入到积分器223，从而可得到如图7所示的发送波形。
图7(A)是示出图6中的点Sa的发送波形的图，图7(B)是示出图6中的点Sb的发送波形的图。
如图7(A)所示，在对象物Z和弹性膜15抵接从而沿X方向产生剪切力的定时t1，应力检测元件200例如输出正的电信号。例如在对象物Z离开弹性膜15从而剪切力消失的定时t2，弹性膜15因弹性回到原位置，隔膜141也回到原位置，由于这时产生的剪切力检测用压电体210的形变而输出负电信号。如图7(B)所示，通过把这样的电信号输入积分器223，从而可得到剪切输出信号(A-B)。在剪切力作用期间，在该剪切输出信号中连续输出对应于剪切力的信号。
此外，如上所述，在实际的剪切力中，使用基于剪切力检测用压电体210A、210B而得到的剪切输出信号(A-B)和从按压力检测用压电体310得到的信号值E，根据(1)式，通过未图示的运算电路进行信号值的运算，并作为剪切力检测信号SX输出。
另一方面，如图6(B)所示，在检测按压力时，转换电路221分别连接连接线224A1及连接线224B1、连接线224A2及连接线224B2。然后，把从转换电路221输出的信号输出给放大器222、积分器223，再把从剪切力检测用压电体210A及剪切力检测用压电体210B输出的信号值A、B相加，从而可以得到信号值(A+B)。
这时，对于与剪切力检测用压电体210C及剪切力检测用压电体210D连接的输出电路也同样地把从剪切力检测用压电体210C输出的信号值C及从剪切力检测用压电体210D输出的信号值D相加，从而可以得到信号值(C+D)。
然后，向未图示的运算电路输出上述信号值(A+B)、(C+D)及从按压力检测用压电体310得到的信号值E，再根据式(3)进行计算，输出按压力检测信号。
[4.第一实施方式的作用效果]
如上所述，第一实施方式的应力检测元件200是在形成有开口部111的传感器基板11上设置支撑膜14，在该支撑膜14上，沿开口部111的各边111A～111D横跨隔膜141的内外地配置有剪切力检测用压电体210。而且，在隔膜141的内侧，以离开剪切力检测用压电体210的方式形成有按压力检测用压电体310。此外，在这些支撑膜14、各压电体210、310的上层层压形成有弹性膜15。在这种结构的应力检测元件200中，通过对弹性膜15施加剪切力和按压力，从而隔膜141也弯曲，从剪切力检测用压电体210输出对应于剪切力的电信号，从按压力检测用压电体310输出对应于按压力的电信号。因此，通过检测这些电信号，从而可正确检测作用与一个隔膜141的剪切力及按压力双方。而且，与为了检测剪切力和按压力而设置用于检测剪切力的检测元件及用于检测按压力的检测元件的情况相比，在上述应力检测元件200中，由一个元件就可检测剪切力与按压力双方，从而可实现传感器尺寸小型化。
此外，在上述应力检测元件200中，开口部111包括平行于Y方向的一对边111A、111B、平行于X方向的一对边111C、111D，并且对应于这些边111A、111B、111C、111D，分别设置有剪切力检测用压电体210A、210B、210C、210D。
在这样结构的应力检测元件200中，可由剪切力检测用压电体210A、210B检测X方向的剪切力，可由剪切力检测用压电体210C、210D检测Y方向的剪切力。也就是说，通过一个应力检测元件200就可分别检测作用在X方向及Y方向上的剪切力。而且，通过检测这些剪切力，可检测出作用在隔膜141的面方向的所有方向的剪切力。
此外，在彼此相对的一对边111A和111B双方上形成用于检测X方向的剪切力的剪切力检测用压电体210A、210B，在彼此相对的一对边111C和111D双方上形成用于检测Y方向的剪切力的剪切力检测用压电体210C、210D。
因此，可由两个剪切力检测用压电体210A、210B来检测隔膜141的X方向的挠曲，可由两个剪切力检测用压电体210C、210D来检测Y方向的弯曲。因此，通过把这些信号值的绝对值相加，从而可得到更大的信号值，并可高精度地正确检测剪切力。
并且，按压力检测用压电体310设置在隔膜141的中心位置，从该按压力检测用压电体310沿开口部111的对角线分别形成有作为支撑梁的按压力检测用下部电极线314、按压力检测用上部电极线315、及虚拟电极线316A、316B。
也就是说，按压力检测用下部电极线314及虚拟电极线316A设置在相对于通过隔膜141的中心点且平行于X方向的X假想线Lx(参考图1)呈线对称位置上，按压力检测用上部电极线315及虚拟电极线316B也设置在相对于通过隔膜141的中心点的X假想线呈线对称位置上。而按压力检测用下部电极线314及虚拟电极线316B设置在相对于通过隔膜141的中心点且平行于Y方向的Y假想线Ly(参考图1)呈线对称位置上，按压力检测用上部电极线315及虚拟电极线316A也设置在相对于通过隔膜141的中心点的Y假想线呈线对称位置上。通过这样设置电极线314、315、316A、316B，从而可使隔膜141的挠曲呈稳定状态。
也就是说，为了从按压力检测用压电体获得信号，需要连接电极线314、315，但若这些电极线314、315不是设置在相对于X假想线呈线对称位置上，例如电极线314和315朝向位于-Y方向侧的开口部111的顶点112A、112D而形成时，隔膜141的形成有电极线314、315的-Y方向侧与未设置有电极线314、315的+Y方向侧具有不同的刚性。因此，隔膜141的-Y方向侧的区域不容易弯曲，而+Y方向侧的区域容易弯曲，就无法得到稳定的挠曲。
在这种情况下，例如在检测X方向的剪切力时，剪切力检测用压电体210A、剪切力检测用压电体210B的+Y方向侧的区域挠曲得大于-Y方向侧的区域，导致降低剪切力的检测精度。
在此，通过把按压力检测用下部电极线314及按压力检测用上部电极线315朝向位于-X方向侧的开口部111的顶点112A、112B来设置，从而可使对于Y方向的隔膜141的刚性一致，且在检测X方向的剪切力时，可提高检测精度。然而，在这种情况下，隔膜141的-X方向侧的区域不容易挠曲，而+X方向侧的区域容易挠曲，从而导致降低Y方向的剪切力的检测精度。
对于这种情况，如上所述实施方式，形成虚拟电极线316A、316B，使各电极线314、315、316A、316B相对于X假想线Lx、Y假想线Ly呈线对称，也就是说，形成为沿开口部111的对角线，从而可使隔膜141相对于X方向和Y方向双方的挠曲稳定，并可提高X方向和Y方向的剪切力检测精度、按压力的检测精度。
此外，应力检测元件200的剪切力检测用压电体210A及剪切力检测用压电体210B的输出电路220包括转换电路221，该转换电路221用于切换连接于剪切力检测用下部电极212的连接线224A1、224B1、以及连接于剪切力检测用上部电极213的连接线224A2、224B2的连接状态。此外，在检测剪切力时，转换电路221的连接状态如图6(A)所示，把连接线224A1与连接线224B2连接，把连接线224A2与连接线224B1连接，从输出电路220输出来自剪切力检测用压电体210A的信号值A和来自剪切力检测用压电体210B的信号值B之差。这样，在检测X方向的剪切力时，可获得较大的信号值，根据式(1)(对Y方向的剪切力是式(2))，可更正确地测量剪切力。
另外，在检测按压力时，转换电路221的连接状态如图6(B)示出，把连接线224A1与连接线224B1相连，把连接线224A2与连接线224B2相连，从输出电路220输出来自剪切力检测用压电体210A的信号值A和来自剪切力检测用压电体210B的信号值B之和。这样，根据式(3)，可简单正确地测量按压力。
[第二实施方式]
下面，作为上述应力检测元件200的应用例，根据附图，对包括应力检测元件200的触觉传感器进行说明。
图8是第二实施方式的触觉传感器的一部分的放大俯视图。
图9是触觉传感器的一部分的截面图。
如图8所示，触觉传感器10包括多个上述第一实施方式的应力检测元件200。
这些应力检测元件200在构成本发明支撑体的传感器基板11上呈矩阵状配置。这里，在这些应力检测元件200中，传感器基板11、支撑膜14和弹性膜15由通用的部件构成。也就是说，在一个传感器基板11上形成有呈矩阵状配置的多个开口部111，在该传感器基板11的一面侧的整个面上形成有连续的支撑膜14。这样，形成了覆盖各开口部111的隔膜141，在该隔膜141上，形成有剪切力检测用压电体210及按压力检测用压电体310。而且，在支撑膜14上形成有覆盖住整个支撑膜14的弹性膜15。
另外，如图9所示，在各应力检测元件200之间，在弹性膜15上形成有限制槽151。该限制槽151从对象物接触的弹性膜15的一侧面朝向支撑膜14形成为指定的深度尺寸。在这样的触觉传感器10中，通过限制槽151，各应力检测元件200的弹性膜15被分离，应力检测元件200的弹性膜15的挠曲不会传递到相邻的应力检测元件200的弹性膜15。
此外，在图9中示出了弹性膜15的限制槽151形成为从能够接触对象物的接触面起的深度例如为弹性膜15的膜厚的3/4左右的例子，但并不仅限于此，例如也可以是如图10所示的结构。图10是示出在弹性膜15上形成的限制槽的其他例子的图。
也就是说，如该图10所示，也可以是限制槽151从弹性膜15的接触面形成至支撑膜14的表面的结构等。这种结构能更可靠地防止在相邻应力检测元件200之间的弹性膜15的挠曲传递。
并且，在图8所示的传感器的俯视图中，虽然示出了限制槽151围绕各应力检测元件200而形成为矩形环状的例子，但并不仅限于此，也可以是例如在传感器的俯视图中，限制槽151围绕各应力检测元件200而形成为大致圆形状的结构等。
(第二实施方式的作用效果)
上述这样的第二实施方式的触觉传感器10包括多个应力检测元件200，并构成为这些应力检测元件200配置成矩阵状的二维阵列结构。
因此，通过将该触觉传感器10设置在与对象物接触的例如传感器表面，从而可检测对象物赋予传感器表面的剪切力和按压力。
此外，在通过交替配置剪切力检测用的检测元件和按压力检测用的检测元件而形成的传感器中，无法检测出作用于一点的剪切力及按压力双方。例如，在设置有剪切力检测用的检测元件的位置上，无法检测按压力。但是，如本实施方式这样，通过使用一个应力检测元件200的结构，就可检测作用在触觉传感器10的任意点上的剪切力和按压力双方。
此外，例如在交替配置剪切力检测用的检测元件和按压力检测用的检测元件的传感器中，能检测每单位面积的剪切力的区域占单位面积的大约一半面积，而能检测按压力的区域占了余下的一半面积。此外，在交替配置了用于检测X方向的剪切力的检测元件、用于检测Y方向的剪切力的检测元件及用于检测按压力的检测元件的情况下，能检测X方向剪切力的面积、能检测Y方向的剪切力的面积及能检测按压力的面积各占单位面积的1/3。对于这种情况，在上述第二实施方式的触觉传感器10中，可以在单位面积的大致全面积中检测X方向的剪切力、Y方向的剪切力和按压力。因此，既能提高单位面积的应力分析能力，又能进行高精度的应力检测。
而且，在相邻的应力检测元件200之间，弹性膜15上形成有限制槽151。因此，即使只在指定的应力检测元件200的弹性膜15上施加剪切力、按压力等应力，弹性膜15产生弯曲的情况下，也可以抑制该弹性膜15的弯曲传递到相邻应力检测元件200的弹性膜15的不良情况。因此，可正确检测作用在触觉传感器10的任意位置上的剪切力及应力。
[第三实施方式]
下面，作为利用上述触觉传感器10的装置的一个应用例，根据附图，对包括触觉传感器10的抓持装置进行说明。
图11是示出本发明涉及的第三实施方式的抓持装置的概略结构的装置框图。
在图11中，抓持装置1是如下的装置：包括至少一对抓持臂2，利用该抓持臂2来抓持抓持对象物Z的装置。作为该抓持装置1例如有在制造产品的制造工厂里，抓持通过输送带等输送的对象物并提起。该抓持装置1由上述抓持臂2、用于驱动抓持臂2的臂驱动部3、用于控制臂驱动部3的驱动的控制装置4构成。
一对抓持臂2在各自前端部包括作为接触面的抓持面5，使该抓持面5与对象物Z抵接后抓持，从而抓持并提起对象物Z。这里，在本实施方式中，虽然示出了设有一对抓持臂2的例子，但不仅限于此，例如，也可以是通过三支抓持臂2，通过在三点支撑对象物Z来抓持的结构等。
设置在抓持臂2上的抓持面5在表面设置有在第二实施方式说明了的触觉传感器10，露出形成有触觉传感器10的表面部分的弹性膜15。此外，抓持臂2使该弹性膜15与对象物Z接触，向对象物Z上施加指定的压力(按压力)来抓持对象物Z。在这样的抓持臂2中，利用设置在抓持面5上的触觉传感器10来检测向对象物Z施加的按压力以及抓持时对象物Z从抓持面5上滑落的剪切力，向控制装置4输出对应于按压力、剪切力的电信号。
臂驱动部3是使一对抓持臂2向互相接近或远离的方向移动的装置。该臂驱动部3包括：能够移动抓持臂2的保持部件6、产生使抓持臂2移动的驱动力的驱动源7、以及将驱动源的驱动力传递给抓持臂2的驱动传送部8。
保持部件6包括例如沿抓持臂2的移动方向的导槽，通过在该导槽内保持抓持臂2，从而可移动地保持抓持臂2。并且，保持部件6设置成能够在垂直方向移动。
驱动源7例如是驱动电机，根据从控制装置4输入的驱动控制信号而产生驱动力。
驱动传送部8例如是由多个齿轮构成，该驱动传送部8用于把由驱动源7产生的驱动力传递到抓持臂2及保持部件6，并使抓持臂2及保持部件6移动。
在本实施方式中，作为一个实例示出了上述结构，但并不仅限于此。也就是说，不限于使抓持臂2沿保持部件6的导槽移动的结构，也可以是将抓持臂可移动地保持的结构。驱动源7也不仅限于驱动电机，例如也可以是利用油压泵等来驱动的结构，驱动传送部8也不限于例如利用齿轮传递驱动力的结构，也可以是利用带、链条来传递的结构、包括利用油压等驱动活塞的结构等。
控制装置4与设置在抓持臂2的抓持面5上的触觉传感器10及臂驱动部3连接，对抓持装置1中的对象物Z的整个抓持动作进行控制。
具体说来，如图11所示，控制装置4连接于臂驱动部3及触觉传感器10，并控制抓持装置1的整体动作。该控制装置4包括：读取从触觉传感器10输入的剪切力检测信号及读取按压力检测信号的信号检测单元41、检测对象物Z的滑落状态的抓持检测单元42、以及向臂驱动部3输入用于控制抓持臂2的驱动的驱动控制信号的驱动控制单元43。并且，作为控制装置4，可以使用例如个人计算机等通用计算机，也可以是例如包括键盘等的输入装置、显示对象物Z的抓持状态的显示部的等结构。
此外，信号检测单元41、抓持检测单元42及驱动控制单元43可以作为程序存储在例如存储器等存储部中、通过CPU等运算电路适当地读取并执行的单元，也可以是例如由IC等集成电路构成，对所输入的电信号进行固定的处理的单元。
信号检测单元41与触觉传感器10连接，用于识别从触觉传感器10输入的按压力检测信号、剪切力检测信号等。通过该信号检测单元41识别的检测信号被输出到例如未图示的存储器等存储部中加以存储，同时向抓持检测单元42输出。
抓持检测单元42根据剪切力检测信号，判断是否通过抓持臂2抓持了对象物Z。
这里，在图12中示出了在抓持装置1的抓持动作中作用于触觉传感器的按压力及剪切力的关系。
在图12中，按压力达到规定值之前，剪切力随按压力增加而增加。这种状态是动摩擦力作用在对象物Z和抓持面5之间的状态，抓持检测单元42判断在对象物Z从抓持面5滑落的滑动状态下抓持未完成。另一方面，如果按压力达到规定值以上，则进入即使增加按压力剪切力也不增加的状态。这种状态是静摩擦力作用在对象物Z和抓持面5之间的状态，抓持检测单元42判断处于对象物被抓持面5抓持的抓持状态。
具体而言，在剪切力检测信号的值超过对应于静摩擦力的规定阈值的情况下，判断为抓持已完毕。
驱动控制单元43基于抓持检测单元42检测到的电信号来控制臂驱动部3的动作。
下面，根据附图就控制装置4的动作进行说明。
图13是示出通过控制装置4来控制抓持装置1的抓持动作的流程图。
图14是示出在抓持装置1的抓持动作中，发送给臂驱动部3的驱动控制信号、从触觉传感器10输出的检测信号的发送定时的时序图。
为了用抓持装置1抓持对象物Z，首先，控制装置4的驱动控制单元43向臂驱动部3输出表示使抓持臂2向互相接近的方向移动的驱动控制信号(抓持动作)。这样，抓持臂2的抓持面5向对象物Z接近(图13：步骤S1)。
接着，控制装置4的抓持检测单元42判断对象物Z是否与抓持面5接触(图13：步骤S2)。具体来说，控制装置4判断通过信号检测单元41是否检测到按压力检测信号的输入。这时，控制装置4向应力检测元件200输入控制信号，把输出电路220的转换电路221变为如图6(B)所示的按压力检测用的切换状态，并使从运算电路输出按压力检测信号。在此，若未检测到按压力检测信号，则判断抓持面5未与对象物Z接触，驱动控制单元43则继续步骤S1，输出驱动控制信号，驱动抓持臂2。
另一方面，如果抓持面5与对象物Z接触(图14：定时T1)，则触觉传感器10的隔膜141挠曲，并输出对应于该挠曲量的按压力检测信号。
驱动控制单元43如果在抓持检测单元42中检测到按压力检测信号，则使抓持臂2的接近移动(向对象物Z的按压)停止(图13：步骤S3，图14：定时T2)。并且，驱动控制单元43向臂驱动部3输出驱动控制信号，执行使抓持臂2向上提起的动作(图13：步骤S4，图14：定时T2～T3)。这时，控制装置4向应力检测元件200输出控制信号，把输出电路220的转换电路221变为图6(A)所示的剪切力检测用的切换状态，使从运算电路输出剪切力检测信号。
这里，在提起对象物Z时，弹性膜15因剪切力而挠曲，应力检测元件200的隔膜141也产生弯曲。因此，从应力检测元件200的剪切力检测用压电体210输出对应于隔膜141的挠曲的剪切力检测信号。
抓持检测单元42根据输入到信号检测单元41的剪切力检测信号来判断是否存在滑动(步骤S5)。
这时，在抓持检测单元42中判断出存在滑动时，驱动控制单元43控制臂驱动部3，使抓持臂2向将抓持面5推压至对象物Z的方向移动，增大抓持力(按压力)(图13：步骤S6)。
也就是说，控制装置4在图14的定时T3，使驱动控制单元43执行抓持动作，增大向对象物Z的按压力，在信号检测单元41再次检测从应力检测元件200的剪切力检测用压电体210输出的剪切力检测信号。重复上述滑动检测动作(定时T2～T6)，剪切力检测信号达到规定阈值S1以上时(定时T6)，在步骤S5中，判断没有滑动、即抓持完毕，并停止滑动检测动作。
(第三实施方式的作用效果)
在上述这样的第三实施方式的抓持装置1中包括上述第二实施方式的触觉传感器10。如上所述，因这种触觉传感器10可高精度地检测任意位置上的剪切力及按压力，所以即使在抓持装置1中也可根据高精度的剪切力检测信号和按压力检测信号来执行正确的抓持动作。
此外，在这种触觉传感器10中，可对X方向和Y方向两个方向的剪切力进行检测。因此，虽然在第三实施方式中对提起对象物Z时的剪切力进行了测量，但是例如在输送带上对输送的对象物实施抓持时，也可测量向输送方向施加的剪切力。
[其他实施方式]
另外，本发明并不仅限于如上所述的实施方式，在能达到本发明目的的范围内进行的变形、改良等方式都包括在本发明内。
例如，在上述第一实施方式中，示出了能检测X方向的剪切力、Y方向的剪切力及按压力这三种力的元件，但是如图15所示，也可以是例如只检测X方向的剪切力及按压力的应力检测元件。
在图15中，应力检测元件200A是检测X方向剪切力和按压力的检测元件，其包括：具备包括一对互相平行的直线部(边111A、111B)的开口部111的传感器基板11、支撑膜14、剪切力检测用压电体210、按压力检测用压电体310以及弹性膜15。而且，在图15中，示出了开口部111形成为矩形的实例，但只要是在X方向上施加剪切力时，可使隔膜141产生sin波形状的挠曲的形状的开口部111即可。因此，也可以是例如包括边111A、111B及连接这些边111A、111B的两端部间的半圆形的曲线部的开口部111。
此外，在该应力检测元件200A中，沿边111A设置有剪切力检测用压电体210，在另一边111B上没有设置剪切力检测用压电体210。此外，也可以是在一对边111A、111B双方上都设置有剪切力检测用压电体210的结构。
此外，在该应力检测元件200A中，沿通过隔膜141的中心点且平行于Y方向的Y假想线Ly形成有连接于按压力检测用压电体310的按压力检测用下部电极线314及按压力检测用上部电极线315。
此外，在该应力检测元件200A中，因只检测沿X方向的剪切力和按压力，所以只要在相对于与剪切力检测方向即X方向平行的X假想线Lx呈线对称位置上设置按压力检测用下部电极线314及按压力检测用上部电极线315即可。因此，也可以是例如按压力检测用下部电极线314向开口部111的-X+Y方向侧的顶点112B延伸，且按压力检测用上部电极线315向-X-Y方向侧的顶点112A延伸而形成的结构，也可以是如第一实施方式的应力检测元件200那样，设置虚拟电极线316A、316B，沿开口部111的对角线把各电极线314、315、316A、316B形成图案的结构。
即使在上述这样的应力检测元件200A中，也可得到与上述第一实施方式的应力检测元件200同样的作用效果，可高精度地测量作用于隔膜141的X方向上的剪切力和按压力双方，并可实现传感器尺寸的小型化。
此外，如图6所示，在上述第一实施方式中，形成为设置了切换剪切力检测用压电体210A和剪切力检测用压电体210B的连接状态的转换电路221的结构，但不仅限于此。例如，也可以是下面这种结构：把从各剪切力检测用压电体210A、210B、210C、210D和从按压力检测用压电体310输出的信号值A、B、C、D、E分别输出给运算电路、进行剪切力或按压力计算的控制装置，在这些运算电路、控制装置中，根据上述(1)～(3)式，算出剪切力及按压力。
另外，作为设置按压力检测用压电体310的位置，以隔膜141的中心位置为例进行了说明，但不仅限于此。作为按压力检测用压电体310，只要在开口部111的内侧，与剪切力检测用压电体210分开而形成，则可以设置在任意位置上，但优选当对隔膜141施以均等按压力时，设置在对膜最厚方向的位移量最大的位置上。在上述第一实施方式的应力检测元件200中，在施加了按压力时，隔膜141的中心点的位移量最大。因此，优选按压力检测用压电体310被设置在隔膜141的中心点。另一方面，例如，在只沿开口部111的一个边111A设置有剪切力检测元件210，而在其他边111B、111C、111D上没有设置剪切力检测元件210的结构中，隔膜141的边111A侧的刚度变强。在这种情况下，若赋予均匀的按压力，则隔膜141的边111B侧的位移量变为最大，所以优选把按压力检测用压电体310设置在隔膜141的中心位置的边111B侧。
并且，在第二实施方式中，如图9和图10所示，示出了在相邻应力检测元件200之间的弹性膜15上形成限制槽151的结构，但不仅限于此。例如，没有形成限制槽151的结构也可以，在这种结构下，通过确保应力检测元件200之间的距离，从而可减少从相邻应力检测元件200的弹性膜15传递挠曲。另外，也可以是在相邻应力检测元件200之间设置刚性强于弹性膜15的区域分离部件。在这种结构中，与设置限制槽151的结构相比，弹性膜15周围形成有刚度强的区域分割部件，因此弹性膜15的弯曲度减少，也可减少从相邻应力检测元件200传递过来的弹性膜15的弯曲。
并且，在第一实施方式中，在传感器俯视图上互相不重合的位置上设有剪切力检测用上部电极213及剪切力检测用下部电极212以便彼此不接触，但不仅限于此。例如，如果在剪切力检测用上部电极213及剪切力检测用下部电极212之间形成绝缘膜等，则在传感器俯视图中，也可以是设置在将这些剪切力检测用上部电极213及剪切力检测用下部电极212的一部分重叠的位置上的结构。
另外，作为本发明的支撑体，示出了由一块传感器基板11构成的实例，但也可以是如下的结构：对各应力检测元件200分别设置一个支撑基板(支撑体)，通过把这些支撑基板固定在传感器基板上而形成触觉传感器10。
并且，作为抓持装置1，示出了设置有一对抓持臂2的实例，但也可以是使三支以上抓持臂向彼此接近或分离的方向移动来抓持对象物Z的结构。并且，还可以是如下的结构：包括由臂驱动部来驱动的驱动臂以及不用驱动的固定臂或固定壁，并通过使驱动臂向固定臂(固定壁)侧移动来抓持对象物。
另外，示出了将应力检测元件200适用于抓持对象物Z的抓持装置1的实例，但不仅限于此。例如，也可以将具有应力检测元件200的触觉传感器10用作例如输入设备等。在作为输入设备使用时，可以装入例如笔记本计算机、个人计算机中。具体而言，可例举在设置在板状输入设备本体的表面部上设置触觉传感器10的结构等。在这种输入设备中，若在表面部上使用者的手指移动或触屏笔等移动，则因这些移动会产生剪切力、按压力。通过由触觉传感器10来检测该剪切力及按压力，从可以检测出使用者手指或触屏笔的接触位置坐标、移动方向，将其作为电信号而输出。
以上，具体说明了用于实施本发明的优选结构，但本发明并不仅限于此。也就是说，虽然本发明主要图示了指定的实施方式并作了说明，但本领域技术人员应该知道只要在不脱离本发明的技术思想及目的范围内，可以对上述实施方式进行各种变形及改良。
符号说明
1抓持装置            2抓持臂
5作为接触面的抓持面  10触觉传感器
11构成本发明支撑体的传感器基板
14支撑膜            15弹性膜
42抓持检测单元      43驱动控制单元
111开口部
111A、111B构成本发明第一直线部的边
111C、111D构成本发明第二直线部的边
151限制槽           200、200A应力检测元件
210作为本发明第一压电体部的剪切力检测用压电体
220输出电路
310作为本发明第二压电体部的按压力检测用压电体
311作为本发明第二压电体层的按压力检测用压电膜
312作为本发明第二下部电极层的按压力检测用下部电极
313作为本发明第二上部电极层的按压力检测用上部电极
314本发明的第二下部电极线、作为本发明支撑梁而发挥作用的按压力检测用下部电极线
315本发明的第二上部电极线、作为本发明支撑梁而发挥作用的按压力检测用上部电极线
316A、316B作为本发明的支撑梁而发挥作用的虚拟电极线
Z对象物

Claims (9)

1.一种应力检测元件，用于检测沿剪切方向作用的剪切力及与所述剪切方向垂直的按压力，其特征在于，包括：
支撑体，包括开口部，所述开口部具有与所述剪切力的检测方向垂直且相互平行的一对直线部；
支撑膜，具有可挠性，形成于所述支撑体上，用于封闭所述开口部；
第一压电体部，在从所述支撑膜的膜厚方向观察所述支撑体的俯视时，沿所述开口部的一对所述直线部中的至少一个直线部，以横跨所述开口部的内外的方式被设置在所述支撑膜上，且通过弯曲来输出电信号；
第二压电体部，在所述俯视时，在所述开口部的内侧，所述第二压电体部与所述第一压电体部分离设置，且通过弯曲来输出电信号；以及
弹性膜，用于覆盖所述第一压电体部、所述第二压电体部及所述支撑膜。
2.根据权利要求1所述的应力检测元件，其特征在于，
所述开口部的所述直线部包括一对第一直线部、以及与所述第一直线部垂直的一对第二直线部，
所述第一压电体部分别沿一对所述第一直线部中的至少一个及一对所述第二直线部中的至少一个设置。
3.根据权利要求1或2所述的应力检测元件，其特征在于，
所述第一压电体部分别沿一对所述直线部两者设置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的应力检测元件，其特征在于，在所述俯视时，所述第二压电体部设置在所述开口部的中心位置，
在所述俯视时，在所述支撑膜上，在相对于通过所述第二压电体部的中心点且与所述剪切力的检测方向平行的假想线段呈线对称的位置上分别设置有支撑梁。
5.根据权利要求4所述的应力检测元件，其特征在于，
所述开口部形成为矩形状，
所述支撑梁形成在所述开口部的对角线上。
6.根据权利要求4或5所述的应力检测元件，其特征在于，
所述第二压电体部包括在所述支撑膜上形成的第二下部电极层、在所述第二下部电极层的上层形成的第二压电体层、以及在所述第二压电体层的上层形成的第二上部电极层，
所述支撑梁包括与所述第二下部电极层相连接的第二下部电极线、以及与所述第二上部电极层相连接的第二上部电极线。
7.一种触觉传感器，其特征在于，
所述触觉传感器包括：多个根据权利要求1至6中任一项所述的应力检测元件，
这些所述应力检测元件呈阵列状排列。
8.根据权利要求7所述的触觉传感器，其特征在于，
所述弹性膜在相邻所述应力检测元件之间设置有用于限制所述弹性膜间的挠曲传递的限制槽。
9.一种抓持装置，用于抓持对象物，所述抓持装置包括根据权利要求7或8所述的触觉传感器，所述抓持装置的特征在于，包括：
至少一对抓持臂，用于抓持所述对象物，且在与所述对象物接触的接触面上设置有所述触觉传感器；
抓持检测单元，根据从所述触觉传感器输出的所述电信号，检测所述对象物的滑动状态；以及
驱动控制单元，根据所述滑动状态，控制所述抓持臂的驱动。
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