JP2004085304A - 複合機能デバイス及び触覚情報システム - Google Patents

Abstract

【課題】温度や圧力等の各種触覚情報について、各種の凹凸パターン、紙などの表面状態、情報機器への入力デバイスなど、異なる分野の幅広い用途に人間の持つ触覚により近い情報処理を安易にデバイスを損ねることなく可能とする。
【解決手段】温度及び圧力のどちらに対しても応答する強誘電体あるいは焦電体を用いて、同一の触覚情報素子により温度、圧力という複数の情報を同時に取り扱う。更に、情報を検出するだけでなく、強誘電体あるいは焦電体を片持ち梁または両持ち梁という宙空構造上に設けることにより、検出した情報の一部またはすべてを外部電源による制御で表現する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度や圧力等の触覚に係わる情報（触覚情報）を検出する複合機能デバイス及び触覚情報システムに関し、特に、各種プリンターや複写機、ＬＢＰなどの記録メディア判別あるいはパソコン、ＰＤＡ、携帯電話に代表される情報機器のタッチパネルを始めとして、食品用ロボット、医療用ロボット、各種産業用ロボット、あるいは各種セキュリティシステムに適用して好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来の触覚に関連するデバイスは、多くが圧力情報を電気信号に変換するものであり、その代表的なデバイスとしては、感圧導電性エラストマーなどを用いた容量検知や電気抵抗変化を検出するものである。例えば、特開平５−８１９７７号公報には、感圧導電性エラストマーの一方には電極を設け、他方に接触用凸部を有する接触子を配置して、該接触子に圧力が印加されると感圧導電性エラストマーの電気抵抗が変化することを利用した触覚センサーが提案されている。
【０００３】
また、特開平５−２１５６２５号公報には、コンデンサーの原理を利用して、電極間にエラストマーを配置し、圧力によりエラストマーが変形することによる容量変化を検出する触覚センサーが提案されている。特開平９−２０３６７１号公報には、圧電体を用いた温度及び３軸方向の圧力を検出する触覚センサーが提案されている。
【０００４】
更に、特開平５−２１６５６８号公報には、温度と圧力を同時に取り扱うことのできる触覚入出力装置が記載されている。これは、圧力センサー、圧力アクチュエータ及び温度センサーを針状形状とし、これらを一組にしたものを１素子として高密度に配列して、コンピュータとのインターフェースとして用いるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平５−８１９７７号公報及び特開平５−２１５６２５号公報の触覚センサーは１次元方向の圧力を検知することはできるが、３次元方向の圧力を検出することはできない。また、特開平９−２０３６７１号公報は温度及び３次元方向の圧力検知は可能であるが、検出した信号や予め選択された圧力情報を表現することはできない。
【０００６】
また、特開平５−２１６５６８号公報では、圧力と温度情報を同時に取り扱いことができるが、針状物を利用するために耐久性や信頼性の面で問題があった。即ち、３種類の針状センサーとアクチュエータは、いずれも人間の触覚分解能、例えば指先であれば概略３００μｍよりも小さなデバイスであり、ひとつの針状物は極めて細いものになってしまう。このため、これらの機械的強度は低くなってしまう。従って、外部からの情報を検出することはできるが、材料的な工夫をしたとしても機械的強度が小さいために、破損する危険性が高く、特に、人間に信号を伝達するに必要な強い力を発生することにも課題があった。更に、どれかひとつが破損すると触覚デバイスとしての機能を失ってしまう。
【０００７】
本発明は、温度や圧力等の各種触覚情報について、各種の凹凸パターン、紙などの表面状態、情報機器への入力デバイスなど、異なる分野の幅広い用途に人間の持つ触覚により近い情報処理を安易にデバイスを損ねることなく可能とする複合機能デバイス及び触覚情報システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の複合機能デバイスは、複数種の触覚情報に対応する各触覚情報部を有する触覚情報素子を備えており、前記各触覚情報部は、対応する前記触覚情報を検出する第１の機能と、検出された前記触覚情報の一部又は全てを再現する第２の機能とを含む。
【０００９】
本発明の複合機能デバイスの一態様では、前記各触覚情報部は、それぞれ複数の電極対を有しており、前記第１の機能は、前記電極対を介して前記触覚情報の検出信号を得るものであり、前記第２の機能は、外部電源から前記電極対を介して電力を投入することにより、前記触覚情報の一部又は全てを前記検出信号と同じ物理量又は異なる物理量に変換して再現するものである。
【００１０】
本発明の複合機能デバイスの一態様では、前記電極対が金属酸化物を介して形成されており、前記金属酸化物により前記検出信号を検知する。
【００１１】
本発明の複合機能デバイスの一態様では、前記金属酸化物が強誘電体または焦電体である。
【００１２】
本発明の複合機能デバイスの一態様では、前記各触覚情報が温度と圧力である。
【００１３】
本発明の複合機能デバイスの一態様では、少なくとも前記各触覚情報を圧力とする前記触覚情報部が片持ち梁の弾性体上に形成されている。
【００１４】
本発明の複合機能デバイスの一態様では、前記各触覚情報を圧力とする前記触覚情報部は、印加された圧力の周波数及び振幅を検出し、且つ外部電源により前記検出信号又は予め設定された圧力情報に応じた周波数及び振幅で機械的変位する。
【００１５】
本発明の複合機能デバイスの一態様では、前記触覚情報素子は、片持ち梁形状の弾性体上に形成された電極／金属酸化物／電極構成の複数の積層体からなる。
【００１６】
本発明の複合機能デバイスの一態様では、前記触覚情報素子は、片持ち梁形状の弾性体上に形成された電極／金属酸化物／電極構成の複数の積層体及び前記弾性体の周辺に配された他の前記積層体からなる。
【００１７】
本発明の複合機能デバイスの一態様では、前記積層体からの出力で前記触覚情報を検出し、且つ外部電源から前記積層体に電力を投入することにより、前記検出信号の一部又は全てを前記検出信号と同じ物理量または異なる物理量に変換して再現する。
【００１８】
本発明の複合機能デバイスの一態様では、片持ち梁形状の複数の前記弾性体が互いに回転対称の関係で配置されている。
【００１９】
本発明の複合機能デバイスの一態様は、複数の前記触覚情報素子が１次元状又は２次元状に配列されてなるものである。
【００２０】
本発明の触覚情報システムは、前記複合機能デバイスと、前記各触覚情報素子からの信号が入力される入力制御回路と、前記信号を記憶し、これに情報処理を施すメモリ／演算処理回路と、前記メモリ／演算処理回路から前記信号を引き出し前記複合機能デバイスに出力する出力制御回路とを含む。
【００２１】
本発明の触覚情報システムの一態様は、外部との間で前記信号の送受信を行う通信回路を含む。
【００２２】
本発明では、温度及び圧力のどちらに対しても応答する強誘電体あるいは焦電体を用いて、同一の触覚情報素子により温度、圧力という複数の情報を同時に取り扱うことを可能とする。更に、情報を検出するだけでなく、強誘電体あるいは焦電体を片持ち梁または両持ち梁という宙空構造上に設けることにより、検出した情報の一部または全てを外部電源による制御で表現することも可能とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１を用いて本実施形態を説明する。
図１で示す触覚情報素子において、５は基板であり、シリコン、ガラス、金属、プラスチックなどの材料である。４は弾性体であり、シリコン、ガラス、金属、プラスチックなどの材料である。４と５又は２と４は同一材料を用いてもかまわない。３は金属酸化物であり、強誘電体あるいは焦電体であれば、如何なる組成でも構わない。１、２は電極であり、便宜上、１を上電極、２を下電極と呼ぶことにする。図１において、左端部の触覚情報部が垂直方向の圧力を、中央部の触覚情報部が水平方向の圧力を、右端部の触覚情報部が温度をそれぞれ検出し、更にこれらの触覚情報を再現する機能を有する。
【００２４】
金属酸化物材料をチタン酸ジルコン酸鉛（以下、ＰＺＴと称する。）のような強誘電体とした場合を例にすると、ＰＺＴを通常の薄膜技術でｃ軸配向膜を作製すると、電極１，２で挟まれた左端部ではＰＺＴの有する圧電物性ｄ_３３を利用することにより、ＰＺＴに垂直方向に印加された圧力を電極１，２を利用して検知することができる。また、中央部分ではＰＺＴの圧電物性ｄ_３１、ｄ_１５、ｄ_２４などを利用することにより、ＰＺＴに埋め込まれた電極対により水平方向に印加された圧力を検知することが可能である。右端部ではＰＺＴの有する焦電性を利用することにより電極１，２間に発生する電圧で温度を検知することができる。
【００２５】
図１では、金属酸化物３及び下電極２が３つに分離されているが、一部だけが分離されていても良い。また、弾性体４に金属など電気伝導性のある材料を使用する場合には、電極２と弾性体４の間に絶縁体を設けても良いことは言うまでもない。弾性体、基板、金属酸化物、電極の厚さや面積は、用途により適切な大きさを選択すれば良い。例えば、ある物体が０．４から１．０ｋｇ／ｃｍ^２程度の圧力で本発明の複合機能デバイスに接触し、室温から±３０℃程度の温度を測定するような場合には、電極と金属酸化物の積層体全体の厚さは、一般には０．００１から３．０ｍｍ程度であれば良い。
【００２６】
また、図１の左部における片持ち梁部の固定端から先端までの長さは、圧力検知する場合には制限はないのだが、圧力情報を再現する場合に上下方向の変位量が概ね１０μｍ以上ある方が人間には感じやすい。この変位を得るためには、金属酸化物としてＰＺＴを用いる場合には、概ね固定端から先端までの長さは１００μｍ程度以上あれば良い。
【００２７】
次に、本実施形態における複合機能デバイスの作製方法を図１０に示す。
ここでは、基板１に２μｍの厚さの熱酸化膜（酸化シリコン）を有するシリコンウエハーを用いた。この熱酸化膜（図１０では省略する。）を弾性体として使用する。まず、下電極としてＰｔ／Ｔｉ（Ｐｔ：５００ｎｍ、Ｔｉ：８ｎｍ厚さ）をＰＦスパッタ法で形成し、ついで金属酸化物として（Ｐｂ、Ｌａ）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３（以下、ＰＬＺＴと略す）をＲＦスパッタ法で形成した（図１０（１）、（２））。
【００２８】
本実施形態では、Ｐｂ／Ｌａ＝９５／５ａｔｏｍｉｃ％、Ｚｒ／Ｔｉ＝３０／７０ａｔｏｍｉｃ％となるように組成制御し、膜厚は４μｍとした。レジスト（例えば、ＡＺ４６２０など）を用いて、ＰＬＺＴをフッ酸と硝酸の混合水溶液で図１０（４）のようにパターニングする。ＰＬＺＴのエッチングによる深さは５００ｎｍとした。酸素プラズマでレジストを除去してから、上電極を形成する（図１０（６））。上電極は、下電極と同じ材料を用い、膜厚も同じとした。
【００２９】
次いで、電極と金属酸化物を準じパターニングした（図１０（８）、図１０（１０））。パターニング条件は、電極はＡｒプラズマによるドライエッチングでＰＬＺＴはフッ酸と硝酸の混合水溶液を用いたウエットエッチングで行った。このときに使用したレジストを除去した後、シリコン基板のエッチングを行った（図１０（１４））。このときのマスクとしては窒化シリコン膜をＬＰＣＶＤで形成し、レジスト（ＡＺ１５００）でパターニングしてから、ＣＦ_４プラズマでエッチングした。その後、水酸化カリウム水溶液でシリコン基板を除去し、レジストを除去、レジスト塗布を行い片持ち梁とする部分の電極をドライエッチングで除去した。
【００３０】
上記の作製方法では、上下電極は同じ材料、同じ膜厚としたが、これに限定されるものではない。上下電極は、異なる材料であっても何ら問題はない。電極としては、金属以外でも例えば導電性酸化物や導電性ポリマーなどであっても良い。片持ち梁部では、下電極と弾性体の積層体の合計膜厚又はヤング率が上電極と異なる、あるいは下電極又は弾性体と上電極の面積が異なることが必要であるが、弾性体と下電極は同じ材料でも異なる材料でも構わない。
【００３１】
金属酸化物としては、強誘電体又は焦電などであれば何でも使用できる。例えば、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ、チタン酸バリウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、チタン酸ビスマスやこれらに各種の金属元素を添加した材料、更には、これらの混晶（例えば、Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３‐ＰｂＴｉＯ_３、０．７Ｐｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３‐ＰｂＴｉＯ_３、０．７Ｐｂ（Ｃｏ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３‐Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３
など）である。
【００３２】
この触覚情報素子８を、図４または図５に示すように、１次元または２次元に配列することにより、温度と圧力の同時検出、即ち人間の五感に例えると触覚に相当する情報（触覚情報）を検出する１次元または２次元の複合機能デバイスを構成することができる。
【００３３】
具体的には、図９の触覚情報システムの構成例に示すように、ｍ×ｎ（ｍ≧０、ｎ≧０かつｍとｎは同時に０にはならない）に触覚情報素子８を配列し、これら触覚情報素子８からなる複合機能デバイス２０に何らかの物体が触れた場合、各触覚情報素子８からの出力はアドレスコントローラ２１より入力制御回路２２に信号が送られ、増幅、ノイズ処理などを必要な信号処理を行った後にメモリ／演算処理回路２３で所望の情報処理が行われる。情報処理された各素子からの出力は、メモリで保存され、必要により通信回路２４を用いて例えばインターネット経由でコンピュータなどに送信することができる。一方、既にメモリに保存されていた情報あるいは通信回路２４によりインターネット経由などで送られてメモリに保存されていた情報を引き出すときには、出力制御回路２５を用いてアドレスコントローラ２１を経由して複合機能デバイス２０に信号を与える。
【００３４】
このことにより、圧力検出部分が圧電素子として機械的変移をするため、デバイス表面に触れることにより、保存情報を感じることができる。この際に、温度検出部分は上下電極に電圧を印加することにより圧力情報の表示部として機能することも可能である。
【００３５】
そして、例えば２次元に配列した多数の触覚情報素子８のある部分９に何らかの物体が接触し、その後、矢印で示したような様々な方向に当該物体が移動するときには、アドレスコントローラ２１より各触覚情報素子８の出力を順次入力制御回路で読み取ることにより、移動方向と温度、圧力情報を検出できる。触覚情報素子８の配列間隔は、用途により決定すれば良いのだが、例えば、人間の指紋などを検出する場合には、概ね５０μｍ程度であれば良い。また、ＰＤＡなど情報端末機器のタッチパネルとして使用するような場合には、圧力情報だけを取り出せばよく、素子間隔も０．１から１０ｍｍ程度であれば良い。触覚情報素子８の数は、目的により設定すればよく、制限は何もない。
【００３６】
圧力を表示する場合には、左端部の電極１と２の間に出力制御回路からアドレスコントローラを経由して所望の触覚情報素子８に電圧を印加することにより、電極／金属酸化物／電極の積層体を上下に変形させたり、電圧の印加方法を変化させて振動や音として圧力情報を表現することが可能である。水平方向の圧力の場合にも、１対の電極１と電極２を用いて、上下方向の変位または振動、音として圧力情報を表現することができる。また、圧力情報を表現する場合には、例えばてこのような機械的変位を増大させるような機構を当該複合機能デバイスと組み合わせても良い。
【００３７】
温度検知に関しては、絶対値としての温度を測定する場合と相対的な温度変化を測定することがあるが、図１には原則として相対的な温度測定をする場合の素子断面構造の原理を示してある。即ち、焦電体で温度検出は、相対温度を検出するためである。絶対温度を測定するような場合には、検出部周辺にサーミスタや熱電対などの標準となる温度センサを設置するか、あるいは測定に際して予め標準値を演算処理回路に入力しておけば良い。また、温度の再現は、水平方向の圧力を検出した部分を用いて行う。圧力検知では１対の上電極１を用いたが、温度再現には下電極と上電極にパルス電圧を印加させることにより熱の発生を行う。金属酸化物が絶縁破壊しない電圧印加であれば、印加する電圧に制限はない。
【００３８】
（第２の実施形態）
図２に本発明の複合機能素子の断面構造原理図を示す。
本実施形態では、金属酸化物３は、弾性体４に電極２を介して取り付けられている。この弾性体は、電極と同じ材料でもよく、異なる材料でも良い。弾性体の材料に係わらず、下電極と弾性体の積層体の厚さや面積が上電極と異なるか、あるいはそれらのヤング率が異なるようにして、片持ち梁を外部電源により上下方向に変形できるようにすれば良い。
【００３９】
図２の触覚情報素子の平面構成を図３に示す。
この図３では、６で示した互いに９０°に交差している片持ち梁に取り付けられた電極／金属酸化物／電極の積層体４個で１素子を構成したが、各片持ち梁に取り付けられた電極／金属酸化物／電極／弾性体の積層体からの電気信号を処理して必要な次元の空間情報に変換するに必要な数であればよく、４個に限定されるものではない。例えば、３個の片持ち梁を３回対象、即ち１２０℃に互いが対向するようにしてもよく、２個の片持ち梁を２回対象に配置しても良い。図３では、片持ち梁の中央部が宙空部に設けられているが、逆に片持ち梁を中央から放射状に配置しても良いことも自明である。
【００４０】
また、図中７は電極／金属酸化物／電極から構成された積層体であり、温度を検出するものである。この図では、１箇所に設けてあるが、１箇所に限定されるものではない。温度を検出する部分には、不図示の赤外線対応の光学系を配置して、外部からの赤外線が効率よく集光させても良い。更に、相対的温度変化を検出する場合には、複数の片持ち梁に形成された電極／金属酸化物／電極からの出力を比較すれば７は省略しても良い。また、図２では片持ち梁が基板に対して水平に記載してあるが、基板、弾性体、電極及び金属酸化物の界面応力を利用して基板に対して上側に湾曲させても何も問題はない。
【００４１】
電極／金属酸化物／電極／弾性体の積層体の各層の厚さには、特に制限があるわけではないが、一般には電極／積層体＝０．５程度以下が望ましい。小さな圧力を検知したり、大きな振幅で変位させるような場合には、宙空構造部に張り出した梁の長さが長い方が良いが、用途により必要な機械的強度、信号検出感度、必要変位量などにより決定すれば良い。金属酸化物材料にＰＺＴを使用し、機械的変位量を１０μｍ程度以上にするには、ＰＺＴの膜厚は概ね３μｍ―３ｍｍ程度、片持ち梁の長さは１００μｍ―１ｍｍ程度であれば良い。更に、片持ち梁の先端部に棒状の物体を取り付けて機械的変位を感じやすくしてもよく、また、てこの原理を応用した機械的変位の増幅機能を付加しても良いことは言うまでもない。
【００４２】
温度を検知する触覚情報部は、図２では弾性体４の上に形成したが、高速測定を行ったり、繰り返し測定を行う場合には、基板を宙空構造として検出部分の熱容量を少なくすれば良い。
【００４３】
次に、本実施形態の複合機能デバイスの作製方法について述べる。図１１に作製フローを示す。
先ず、基板Ｓｉ上に弾性体を形成する。弾性体は酸化シリコンであり、ＲＦスパッタ法で２μｍ形成した（図１１（１））。下電極としてＰｔ／ＴｉをＲＦスパッタ法でＴｉを６ｎｍ、Ｐｔを３００ｎｍの厚さに成膜した（図１１（２））。
【００４４】
その後、金属酸化物材料を形成する。形成手段としては、真空蒸着法、各種スパッタ法、ＭＯ−ＣＶＤ法、ゾルゲル法、イオンビーム蒸着法、ガスジェット法など、通常の薄膜形成手段であれば何でも良いが、ここではゾルゲル法で０．７Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３‐０．３ＰｂＴｉＯ_３を形成した。この場合、１回の塗布では約１００ｎｍ程度の膜厚のため、塗布、乾燥を繰り返して最終的に４μｍの膜厚とした後に、酸素雰囲気中で６５０℃で５時間熱処理して金属酸化物材料とした（図１１（３））。上電極は、Ｐｔ／Ｔｉを用い、Ｔｉは５ｎｍ、Ｐｔは２００ｎｍでいずれもＲＦスパッタ法で形成した。ノボラック系ポジレジストでパターニングして、Ｐｔはアルゴンプラズマ、ＴｉはＳＦ_６プラズマでドライエッチングした（図１１（６））。
【００４５】
その後、フッ酸と硝酸の混合水溶液で金属酸化物０．７Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３‐０．３ＰｂＴｉＯ_３をエッチングした（図１１（７））。窒化シリコンを低圧ＣＶＤで形成してマスクとし、ＡＺ１５００などのレジストを用いてＣＦ_４プラズマでマスクのパターニングを行った後、基板Ｓｉ（１００）を水酸化カリウム水溶液で異方性エッチングした（図１１（１０））。最後に、弾性体の酸化シリコンをふっ酸と硝酸の混合水溶液を用いてエッチングして宙空構造を形成した（図１１（１１））。
【００４６】
このようにして作製した図２の触覚情報素子を、１次元又は２次元に配列して使用することにより、触覚に関連する圧力、温度情報を１次元又は２次元で検出／再現させることができる。温度、圧力信号の検出は、図９に示すようにアドレスコントローラ２１から信号増幅やノイズカットを行う入力制御回路２２を経てメモリ／演算処理回路２３で必要な信号処理を行って保存される。信号の再現は、メモリで保存されていた信号を出力制御回路２５でアドレスコントローラ２１を経由して複合機能デバイス２０を駆動させて行う。図３の６は、出力制御回路２５からの電圧に応じて、それぞれが独立した上下変位を行うことができ、これにより垂直／水平方向の圧力情報を再現することができる。また、再現した情報は必ずしも触れて感じ取る必要はなく、例えば出力制御回路２５からの出力の周波数を制御して音として再現することも可能である。
【００４７】
本実施形態の複合機能デバイスは、平面状に配置される必要はなく、曲面に配置されても良いことは言うまでもない。更に、この複合機能デバイスで使用材料を可視光に対して透明度の高いものとすれば、液晶ディスプレイのような映像ディスプレイと積層して、映像と触覚情報を重ねて表示するようなことも可能である。例えば、基板、弾性体は感光性ガラス、電極は上下ともにＩＴＯなどの透明材料とすれば、金属酸化物が通常の強誘電体であれば、全体として透過率５０％程度以上のデバイスとなる。図２のような構成では、片持ち梁部分以外は、中空になっているために、更に映像ディスプレイの映像を鮮明に見ることができる。
【００４８】
以上のような複合機能デバイスに、紙、布、皮、プラスチック、金属、あるいはこれらの加工品などの物体を押し付け、又はこすり付けることにより、接触した物体の表面状態を調べることができる。もちろん、各種情報処理装置のタッチパネルや手書き入力装置、あるいは指紋センサや赤外線センサとして使うことも可能である。また、温度検出部分では、物体が接触しない場合には、その周辺の温度を計測する温度計としても使用可能である。更に、温度検出部分のみを１次元あるいは２次元の温度センサとして、接触させた物体の温度分布を測定することもできる。
【００４９】
【実施例】
以下、実施例により本発明をより具体的に説明する。
【００５０】
（実施例１）
図１に示す触覚情報素子において、４、５は同一材料でともにシリコン単結晶であり、ここでは１００面を切り出したものを異方性エッチングにより図のような断面形状に加工した。３は金属酸化物で、（Ｐｂ、Ｌａ）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３（以下、ＰＬＺＴと略す）を用いた。本発明では、Ｐｂ／Ｌａ＝９５／５ａｔｏｍｉｃ％、Ｚｒ／Ｔｉ＝３０／７０５ａｔｏｍｉｃ％になるように組成を調整した。１，２は電極であり、共にチタン／白金の積層電極を用いた。
【００５１】
触覚情報素子の作製手順は、図１０に示すように、先ずシリコン（１００）単結晶５に酸化珪素を熱酸化により形成し、弾性体４とした。次いで、電極２としてチタン２０ｎｍ、白金２００ｎｍを連続してＲＦスパッタ法で作製した。この電極上にＰＬＺＴを５μｍの厚さにＰＦスパッタ法で作製した。ドライエッチングにより、ＰＬＺＴと電極２をパターニングし、更に水平方向の圧力を検知する部分に深さ１μｍの溝を形成した。上電極１を通常のフォトリソグラフィー技術を用いて図１のように作製した。最後に、背面から異方性エッチングにより、基板５をエッチングして宙空構造を形成し、不図示の配線を用いて不図示の外部回路に接続して素子を作製した。
【００５２】
この複合機能デバイスの機能を確認するために、３００個の触覚情報素子を図４のように１次元に配列してラインセンサーとした。ここでは、３つの部分の大きさは、幅を５０μｍ、長さを３００μｍとしたので作製した１次元に配列した複合機能デバイスのセンサー部分は、４５ｍｍの幅になる。
【００５３】
このセンサー部分に、図６に示すようなシリコンウエハーをエッチングし、幅ａ＝３００μｍ、高さ４μｍ、間隔ｂ＝１ｍｍ、θ＝４５°の直線ストライプパターン（Ａ−Ａ’による断面図を図７に示す。）を形成したものを圧力０．５ｋｇ／ｃｍ^２の圧力で接触させた。このとき、図６のＢ点（パターンのエッジ部）が、当該センサー部分の左端に配された触覚情報素子の垂直方向の圧力検知部と一致するようにして、センサー部分を５０μｍ／秒の速度で図６の矢印の方向に移動させた。信号の読み取りは、図９の入力制御回路２２により行った。このとき、左端に配された触覚情報素子の垂直方向の圧力検知部分からの出力は、図８に示すように変化し、ストライプパターンが触覚情報素子に接触している面積に比例した出力が得られていることが確認された。
【００５４】
更に、各触覚情報素子からの出力はセンサー部分の移動に応じて、順次、センサー部分の左端から右端に変化させた。その後、図９の出力制御回路２５により、片持ち梁部分に電圧を印加しながら、指でセンサーに触れると、上下振動を感じ取ることができ、また、各素子からの出力の時間変化を再現するように上下振動が左端から右端の触覚情報素子に移動してゆくことが確認された。
【００５５】
（実施例２）
図２に触覚情報素子の断面構造原理図を、図１１に作製手順を示す。
この図２において、基板５は感光性ガラス、弾性体４は５と同じ材料を用いた。１，２は電極であり、２はＣｒ／Ｔｉ／Ｐｔ、金属酸化物３を介した電極１はＴｉ／Ｐｔ構成とした。これら電極はいずれもＰＦスパッタ法で形成した。本例では、金属酸化物は０．７Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３‐０．３ＰｂＴｉＯ_３であり、ゾルゲル法により形成した。４は厚さ５μｍ、金属酸化物３の厚さは６μｍとした。基板５及び弾性体４のパターニングは通常の湿式エッチングで、また電極１，２及び金属酸化物３のパターニングは通常の乾式エッチングで行った。電極１／金属酸化物３／電極２を取り付けた片持ち梁部分の長さは３００μｍ、幅は８０μｍである。この片持ち梁を４個、互いに９０°になるように配置した。
【００５６】
この触覚情報素子の性能を調べるために、素子を縦横それぞれ１００個づつ並べて２次元センサーとした。また、この２次元センサーの表面から０．１ｍｍ離してセンサー全体を覆うようにポリマー保護膜を設けた。電極１，２を不図示の配線で図９に示すようにアドレスコントローラ２１を経由して入力制御回路、出力制御回路、メモリ／演算処理回路、通信回路と接続した。
【００５７】
市販のコピー用紙であるＦＢ７５（ＦｏｘＲｉｖｅｒＢｏｎｄ製）とＸｘ９０（Ｘｅｒｏｘ製）を本例の複合機能デバイスに０．８ｋｇ／ｍ^２程度の圧力で５秒間接触させた。その後、図５のＸ方向に０．５ｓ／ｃｍで１０秒間移動させた。このとき、５秒間の接触により垂直方向の圧力を検知する部分からの出力を測定すると、ＦＢ７５の場合には、出力の変動は最大３２．２％であった。
【００５８】
これに対して、水平方向の圧力を検出する部分からの出力は、出力変動が大きく変動幅は相対的に約２５％であった。一方、Ｘｘ９０からの出力の相対変動幅は、垂直方向では約１５％で、水平方向の圧力では１０％の変動が観測された。また、温度検出部分からの出力からＸ方向への移動による温度上昇を見積もると、ＦＢ７５では最大３．５℃の温度上昇が観測された。Ｘｘ９０の場合には、最大１．２℃の温度上昇であった。このコピー用紙の表面をレーザ顕微鏡で観察すると、ＦＢ７５は概略９．３μｍの凹凸があり、数１０〜１００μｍの大きなうねりが観測され、Ｘｘ９０は凹凸が約８．９μｍでうねりのピッチが数１０ミクロン程度以下であった。このことは、本例の複合機能デバイスの測定結果と一致し、ＦＢ７５の表面は、Ｘｘ９０に比べて用紙全体の凹凸が大きいことを示している。
【００５９】
垂直方向に５秒間接触させたときの各触覚情報素子の検出電圧に基づいて、外部電源から片持ち梁に形成された積層体に出力制御回路から電圧を印加して、片持ち梁を上方向に曲げた。この状態でセンサー表面を指でなぞると、ＦＢ７５では全体に凹凸感が強く感じられ、Ｘｘ９０は比較的平坦であった。この間隔は、指で両者の紙を挟んでこすった時の凹凸間隔と類似していた。
【００６０】
【発明の効果】
本発明によれば、温度や圧力等の各種触覚情報を同時に検出するとともにこれらの情報を再現する機能を有し、これにより、各種の凹凸パターン、紙などの表面状態、情報機器への入力デバイスなど、異なる分野の幅広い用途に人間の持つ触覚により近い情報処理を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合機能デバイスの触覚情報素子を示す概略断面図である。
【図２】本発明の複合機能デバイスの触覚情報素子を示す概略断面図である。
【図３】本発明の複合機能デバイスの触覚情報素子を示す概略平面図である。
【図４】触覚情報素子を１次元に配列してラインセンサーを構成した様子を示す概略平面図である。
【図５】触覚情報素子を１次元に配列して二次元センサーを構成した様子を示す概略平面図である。
【図６】本発明の複合機能デバイスの測定資料を示す模式図である。
【図７】図６のＡ−Ａ’による断面図である。
【図８】本発明の複合機能デバイスを用いた圧力検出例を示す特性図である。
【図９】本発明の複合機能デバイスを含む触覚情報システムの一構成例を示すブロック図である。
【図１０】本発明の複合機能デバイスの作製手順を示す概略断面図である。
【図１１】本発明の複合機能デバイスの作製手順を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１，２　電極
３　金属酸化物
４　弾性体
５，１０　基板
６　片持ち梁状に形成した電極／金属酸化物／電極構造の積層体
７　電極／金属酸化物／電極構造の積層
８　触覚情報素子
９　接触部分
１１　パターニング凸部
２０　複合機能デバイス
２１　アドレスコントローラ
２２　入力制御回路
２３　メモリ／演算処理回路
２４　通信回路
２５　出力制御回路

Claims (14)

1. 複数種の触覚情報に対応する各触覚情報部を有する触覚情報素子を備えており、
   前記各触覚情報部は、
   対応する前記触覚情報を検出する第１の機能と、
   検出された前記触覚情報の一部又は全てを再現する第２の機能と
   を含むことを特徴とする複合機能デバイス。
2. 前記各触覚情報部は、それぞれ複数の電極対を有しており、
   前記第１の機能は、前記電極対を介して前記触覚情報の検出信号を得るものであり、
   前記第２の機能は、外部電源から前記電極対を介して電力を投入することにより、前記触覚情報の一部又は全てを前記検出信号と同じ物理量又は異なる物理量に変換して再現するものであることを特徴とする請求項１に記載の複合機能デバイス。
3. 前記電極対が金属酸化物を介して形成されており、
   前記金属酸化物により前記検出信号を検知することを特徴とする請求項２に記載の複合機能デバイス。
4. 前記金属酸化物が強誘電体または焦電体であることを特徴とする請求項３に記載の複合機能デバイス。
5. 前記各触覚情報が温度と圧力であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の複合機能デバイス。
6. 少なくとも前記各触覚情報を圧力とする前記触覚情報部が片持ち梁の弾性体上に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の複合機能デバイス。
7. 前記各触覚情報を圧力とする前記触覚情報部は、印加された圧力の周波数及び振幅を検出し、且つ外部電源により前記検出信号又は予め設定された圧力情報に応じた周波数及び振幅で機械的変位することを特徴とする請求項５又は６に記載の複合機能デバイス。
8. 前記触覚情報素子は、片持ち梁形状の弾性体上に形成された電極／金属酸化物／電極構成の複数の積層体からなることを特徴とする請求項５に記載の複合機能デバイス。
9. 前記触覚情報素子は、片持ち梁形状の弾性体上に形成された電極／金属酸化物／電極構成の複数の積層体及び前記弾性体の周辺に配された他の前記積層体からなることを特徴とする請求項５に記載の複合機能デバイス。
10. 前記積層体からの出力で前記触覚情報を検出し、且つ外部電源から前記積層体に電力を投入することにより、前記検出信号の一部又は全てを前記検出信号と同じ物理量または異なる物理量に変換して再現することを特徴とする請求項８又は９に記載の複合機能デバイス。
11. 片持ち梁形状の複数の前記弾性体が互いに回転対称の関係で配置されていることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載の複合機能デバイス。
12. 複数の前記触覚情報素子が１次元状又は２次元状に配列されてなることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の複合機能デバイス。
13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の複合機能デバイスと、
    前記各触覚情報素子からの信号が入力される入力制御回路と、
    前記信号を記憶し、これに情報処理を施すメモリ／演算処理回路と、
    前記メモリ／演算処理回路から前記信号を引き出し前記複合機能デバイスに出力する出力制御回路と
    を含む触覚情報システム。
14. 外部との間で前記信号の送受信を行う通信回路を含むことを特徴とする請求項１３に記載の触覚情報システム。

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