JP2008026178A - Tactile sensor device - Google Patents

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Shunsuke Yoshida
俊介 吉田
Haruo Noma
春生 野間
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ATR Advanced Telecommunications Research Institute International
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a tactile sensor device capable of containing a multitude of tactile sensors having a novel structure. <P>SOLUTION: The tactile sensor device includes a plurality of tactile sensor units. The tactile sensor unit includes the tactile sensor 100 and a processor element processing an output from the tactile sensor 100. The processor element is connected to the processor element of an adjacent tactile sensor unit so that data acquired from the tactile sensor can be transmitted. The tactile sensor 100 includes a substrate 101 and a coating film 104 arranged on the substrate 101, and detects force applied to the coating film 104. The tactile sensor 100 includes a laminate part 102 including a SiGe layer 122 and a Si layer 123 sequentially arranged from the side of the substrate 101, an erected part 103 formed by bending the SiGe layer 122 and the Si layer 123 to the side of the Si layer 123, and a detection means for detecting deformation of the erected part 103. The erected part 103 is deformed by application of force to the coating film 104. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、触覚センサ装置に関する。   The present invention relates to a tactile sensor device.

触覚センサは、ロボットの手や、対象物の表面形状を検出するセンサとして用いられている。近年、センサに加えられた力の方向を検出する触覚センサも提案されている(たとえば特許文献1)。このセンサは、基板と、基板表面と平行になるように基板の上方に配置された支持部材と、基板上および支持部材上とに配置された2つの電極とを備える。そして、2つの電極間の静電容量に基づいてセンサに加えられた力を検出する。
特開2004−264172号公報
A tactile sensor is used as a sensor for detecting the hand shape of a robot or the surface shape of an object. In recent years, a tactile sensor that detects the direction of a force applied to the sensor has also been proposed (for example, Patent Document 1). This sensor includes a substrate, a support member disposed above the substrate so as to be parallel to the substrate surface, and two electrodes disposed on the substrate and the support member. Then, the force applied to the sensor is detected based on the capacitance between the two electrodes.
JP 2004-264172 A

しかしながら、従来のセンサは、センサが形成されている基板の表面と平行な方向の力に対する感度が十分ではなかった。また、触覚センサを覆うようにエラストマーなどの弾性体が形成されている場合、その弾性体に加わった力を感度よく検出することが容易ではなかった。   However, the conventional sensor is not sufficiently sensitive to a force in a direction parallel to the surface of the substrate on which the sensor is formed. Further, when an elastic body such as an elastomer is formed so as to cover the tactile sensor, it is not easy to detect the force applied to the elastic body with high sensitivity.

このような状況を考慮し、本発明は、従来の触覚センサとは全く異なる新規な構造を有する触覚センサを用いた触覚センサ装置を提供することを目的の1つとする。また、本発明は、多数の触覚センサを備えることが可能な触覚センサ装置を提供することを目的の1つとする。   In view of such circumstances, an object of the present invention is to provide a tactile sensor device using a tactile sensor having a novel structure that is completely different from the conventional tactile sensor. Another object of the present invention is to provide a tactile sensor device that can include a large number of tactile sensors.

上記目的を達成するため、本発明の触覚センサ装置は、複数の触覚センサユニットを含む触覚センサ装置であって、前記触覚センサユニットは、少なくとも1つの触覚センサと、前記少なくとも1つの触覚センサからの出力を処理するプロセッサ要素とを含み、前記触覚センサユニットの前記プロセッサ要素は、前記触覚センサから得たデータを伝達することができるように、隣接する前記触覚センサユニットの前記プロセッサ要素に接続されている。前記触覚センサは、基板と前記基板の上に配置された被膜とを含み、前記被膜に加えられた力を検出するセンサであり、前記触覚センサは、前記基板の上に前記基板側から順に配置された第1および第2の層を含む積層部と、前記第1および第2の層を前記第2の層側に曲げることによって形成された起立部と、前記起立部の変形を検出するための検出手段とをさらに含み、前記積層部および前記起立部は、それぞれ、互いに格子定数が異なる複数の層を含み、前記第1および第2の層は、前記複数の層における格子定数の差によって生じた力によって曲げられており、前記起立部と前記被膜とが接触しており、前記被膜に力が加えられることによって前記起立部が変形する。   In order to achieve the above object, a tactile sensor device of the present invention is a tactile sensor device including a plurality of tactile sensor units, and the tactile sensor unit includes at least one tactile sensor and the at least one tactile sensor. A processor element for processing the output, wherein the processor element of the tactile sensor unit is connected to the processor element of the adjacent tactile sensor unit so as to be able to transmit data obtained from the tactile sensor Yes. The tactile sensor includes a substrate and a film disposed on the substrate, and detects a force applied to the film, and the tactile sensor is disposed on the substrate in order from the substrate side. A laminated portion including the first and second layers formed, a standing portion formed by bending the first and second layers to the second layer side, and a deformation of the standing portion Each of the stacked portion and the upright portion includes a plurality of layers having different lattice constants, and the first and second layers are formed by a difference in lattice constants in the plurality of layers. It is bent by the generated force, the upright portion and the coating are in contact with each other, and the upright portion is deformed by applying a force to the coating.

なお、特に説明がない限り、この明細書において、所定の物体の「上に積層」または「上に配置」とは、物体の上に直接積層(または配置)されている場合に加え、物体の上に他の層や空間を介して積層(または配置)されている場合を含む意味である。   Unless otherwise specified, in this specification, “stacked on” or “arranged on” a predetermined object means that the object is directly stacked (or disposed) on the object, It means that it includes the case where it is laminated (or arranged) via another layer or space.

本発明によれば、被膜に加えられた力を検出できる触覚センサ装置が得られる。この触覚センサ装置によれば、被膜に加えられた力の大きさおよび方向に関する情報を得ることが可能である。また、この触覚センサ装置によれば、基板の表面に平行な方向に加えられた力と、基板の表面に垂直な方向に加えられた力とに関する情報を得ることができる。この触覚センサ装置は、基板から立ち上がった起立部の変形を検出することによって被膜に加えられた力を検出するため、従来の触覚センサ装置とは異なり、基板表面に平行な方向に加えられた力を高分解能で検出できる。また、ロボットハンドの先端などにこの触覚センサを用いることによって、器用に物を持ったり、握手などの動作をさせたりすることも可能である。   According to the present invention, a tactile sensor device capable of detecting a force applied to a film is obtained. According to this tactile sensor device, it is possible to obtain information related to the magnitude and direction of the force applied to the film. In addition, according to the tactile sensor device, it is possible to obtain information on the force applied in the direction parallel to the surface of the substrate and the force applied in the direction perpendicular to the surface of the substrate. Unlike the conventional tactile sensor device, this tactile sensor device detects the force applied to the film by detecting the deformation of the standing part rising from the substrate. Can be detected with high resolution. In addition, by using this tactile sensor at the tip of the robot hand, it is possible to hold an object dexterously or perform a handshake operation.

本発明の触覚センサ装置では、触覚センサを複数個組み合わせることによって、被膜に加えられた力の方向を2次元または3次元で検出できる。このような触覚センサを複数個含む本発明のセンサ装置は、任意の面積の外圧を検出することが可能である。特に、本発明の触覚センサ装置は、触覚センサを微細に形成できる、複数のセンサを高密度に配置できる、3次元方向の力を検出できる、といった特徴を有する。   In the tactile sensor device of the present invention, the direction of the force applied to the film can be detected in two or three dimensions by combining a plurality of tactile sensors. The sensor device of the present invention including a plurality of such tactile sensors can detect an external pressure of an arbitrary area. In particular, the tactile sensor device of the present invention is characterized in that a tactile sensor can be formed finely, a plurality of sensors can be arranged at high density, and a force in a three-dimensional direction can be detected.

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下で説明する例は本発明の一例であり、本発明は以下の説明に限定されない。   Embodiments of the present invention will be described below. In addition, the example demonstrated below is an example of this invention and this invention is not limited to the following description.

[触覚センサ装置]
本発明の触覚センサ装置は、複数の触覚センサユニットを含む。1つの触覚センサユニットは、少なくとも1つの触覚センサと、それら少なくとも1つの触覚センサからの出力を処理するプロセッサ要素とを含む。触覚センサユニットのプロセッサ要素は、触覚センサから得たデータを伝達することができるように、隣接する触覚センサユニットのプロセッサ要素に接続されている。
[Tactile sensor device]
The tactile sensor device of the present invention includes a plurality of tactile sensor units. One tactile sensor unit includes at least one tactile sensor and a processor element that processes output from the at least one tactile sensor. The processor element of the tactile sensor unit is connected to the processor element of the adjacent tactile sensor unit so that data obtained from the tactile sensor can be transmitted.

触覚センサは、基板と基板の上に配置された被膜とを含み、被膜に加えられた力を検出するセンサである。触覚センサは、基板の上に基板側から順に配置された第1および第2の層を含む積層部と、第1および第2の層を第2の層側に曲げることによって形成された起立部と、起立部の変形を検出するための検出手段とをさらに含む。   The tactile sensor is a sensor that includes a substrate and a film disposed on the substrate, and detects a force applied to the film. The tactile sensor includes a laminated portion including first and second layers arranged in order from the substrate side on the substrate, and an upright portion formed by bending the first and second layers to the second layer side. And detecting means for detecting the deformation of the upright portion.

上記積層部および起立部は、それぞれ、互いに格子定数が異なる複数の層を含む。上記第1および第2の層は、上記複数の層における格子定数の差によって生じた力によって曲げられている。起立部と上記被膜とは接触している。そして、上記被膜に力が加えられることによって起立部が変形する。   Each of the stacked portion and the standing portion includes a plurality of layers having different lattice constants. The first and second layers are bent by a force generated by a difference in lattice constant between the plurality of layers. The standing portion and the coating are in contact with each other. And a standing part deform | transforms when force is applied to the said film.

プロセッサ要素は、演算器とメモリとを含む。プロセッサ要素の演算器には、算術論理演算器(ALU)と呼ばれるような簡単な演算器を適用してもよい。   The processor element includes an arithmetic unit and a memory. A simple arithmetic unit called an arithmetic logic unit (ALU) may be applied to the arithmetic unit of the processor element.

プロセッサ要素は、それが含まれる触覚センサユニット内の触覚センサのデータを処理する。また、プロセッサ要素は、必要に応じて、それが含まれる触覚センサユニットに隣接する触覚センサユニットのプロセッサ要素内のデータを用いて、データ処理を行う。   The processor element processes tactile sensor data in the tactile sensor unit in which it is included. In addition, the processor element performs data processing using data in the processor element of the tactile sensor unit adjacent to the tactile sensor unit in which the processor element is included, as necessary.

本発明の触覚センサ装置では、1つの領域内に存在する複数の触覚センサユニットに含まれる触覚センサの出力データの特徴量が、その領域内にある少なくとも1つのプロセッサ要素によって抽出されて出力されることが好ましい。この場合、当該領域内に存在する複数のプロセッサ要素がネットワークを形成することによって、出力データの特徴量が抽出されてもよい。たとえば、1つの触覚センサユニットのデータが「1」(触覚センサで検知された力が閾値以上)である場合、その触覚センサユニットのプロセッサ要素は、自己が属する触覚センサユニットを含み且つデータが「1」である触覚センサユニットの範囲を決定し、その範囲のデータの特徴量を算出して出力してもよい。複数の触覚センサのデータの特徴量を予め抽出してから出力することによって、データ処理の負荷を分散させることができ、出力するデータの転送量の削減と、高速な後処理とが可能となる。   In the tactile sensor device of the present invention, the feature value of the output data of the tactile sensor included in the plurality of tactile sensor units existing in one area is extracted and output by at least one processor element in the area. It is preferable. In this case, the feature amount of the output data may be extracted by forming a network with a plurality of processor elements existing in the area. For example, if the data of one tactile sensor unit is “1” (the force detected by the tactile sensor is equal to or greater than the threshold value), the processor element of that tactile sensor unit includes the tactile sensor unit to which it belongs and the data is “ The range of the tactile sensor unit that is “1” may be determined, and the feature amount of the data in the range may be calculated and output. By extracting and outputting feature quantities of data from a plurality of tactile sensors in advance, the data processing load can be distributed, and the amount of output data to be transferred can be reduced and high-speed post-processing can be performed. .

本発明の触覚センサ装置では、複数の触覚センサユニットがマトリクス状に配置されていてもよい。この場合、外縁部以外の位置に配置された触覚センサユニットのプロセッサ要素は、触覚センサから得たデータを伝達することができるように、隣接する4つ以上の触覚センサユニットのプロセッサ要素に接続されていてもよい。たとえば、外縁部以外の位置に配置された触覚センサのプロセッサ要素は、その行および列方向に隣接する4つの触覚センサユニットのプロセッサ要素に接続されていてもよい。また、外縁部以外の位置に配置された触覚センサユニットのプロセッサ要素は、その斜め方向に隣接する4つの触覚センサユニットのプロセッサ要素に接続されていてもよい。また、外縁部以外の位置に配置された触覚センサのプロセッサ要素は、その行列方向に隣接する4つの触覚センサユニットと斜め方向に隣接する4つの触覚センサユニットの合計8つの触覚センサユニットのプロセッサ要素に接続されていてもよい。このように、プロセッサ要素同士が網目状のネットワークを構成してデータの授受をすることによって、データの特徴量の抽出などが可能となる。   In the tactile sensor device of the present invention, a plurality of tactile sensor units may be arranged in a matrix. In this case, the processor elements of the tactile sensor units arranged at positions other than the outer edge are connected to the processor elements of four or more adjacent tactile sensor units so that data obtained from the tactile sensors can be transmitted. It may be. For example, the tactile sensor processor elements arranged at positions other than the outer edge may be connected to the processor elements of four tactile sensor units adjacent in the row and column directions. Further, the processor elements of the tactile sensor unit arranged at a position other than the outer edge may be connected to the processor elements of the four tactile sensor units adjacent in the oblique direction. The tactile sensor processor elements arranged at positions other than the outer edge include a total of eight tactile sensor unit processor elements including four tactile sensor units adjacent in the matrix direction and four tactile sensor units adjacent in the diagonal direction. It may be connected to. As described above, when the processor elements constitute a mesh network to exchange data, the feature amount of the data can be extracted.

なお、複数の触覚センサユニットの配置は、マトリクス状に限らず、他の配置であってもよい。たとえば、ハニカム形状の格子点の位置に触覚センサユニットを配置してもよい。この場合、外縁部以外の位置に配置された触覚センサユニットのプロセッサ要素は、隣接する3つの触覚センサユニットのプロセッサ要素に接続されてもよい。また、ハニカム形状の各六角形の中央の位置に触覚センサユニットを配置してもよい。   Note that the arrangement of the plurality of tactile sensor units is not limited to a matrix, and may be other arrangements. For example, the tactile sensor unit may be arranged at the position of the honeycomb-shaped lattice point. In this case, the processor element of the tactile sensor unit arranged at a position other than the outer edge may be connected to the processor elements of the three adjacent tactile sensor units. Moreover, you may arrange | position a tactile sensor unit in the center position of each hexagon of honeycomb shape.

本発明の触覚センサ装置は、複数のプロセッサ要素に接続された演算器をさらに備えてもよい。この演算器は、汎用バスやクロックバスによって、プロセッサ要素に接続され、プロセッサ要素の制御などを行う。また、この演算器は、データ収集用のネットワーク(必要に応じて途中にメモリやゲートスイッチや他の演算器を含む)などによってプロセッサ要素に接続され、プロセッサ要素から出力されるデータの収集・処理を行う。以下、この演算器を「統制用演算器」という場合がある。なお、統制用演算器は、触覚センサ装置の一部であってもよいし、触覚センサ装置の外部にあってもよい。   The tactile sensor device of the present invention may further include a computing unit connected to a plurality of processor elements. This computing unit is connected to the processor element by a general-purpose bus or a clock bus, and controls the processor element. This computing unit is connected to the processor element by a data collection network (including a memory, gate switch, and other computing units in the middle if necessary), and collects and processes data output from the processor element. I do. Hereinafter, this calculator may be referred to as a “control calculator”. The control calculator may be a part of the tactile sensor device or may be outside the tactile sensor device.

本発明の触覚センサ装置は、複数のプロセッサ要素と統制用演算器とを接続するネットワーク上に配置された他の演算器およびメモリをさらに備えてもよい。この他の演算器に、統制用演算器の一部の機能を行わせることによって、統制用演算器の負担を軽くすることができる。   The tactile sensor device of the present invention may further include another arithmetic unit and a memory arranged on a network connecting the plurality of processor elements and the control arithmetic unit. By causing the other arithmetic units to perform some functions of the control arithmetic unit, the burden on the control arithmetic unit can be reduced.

[触覚センサ]
以下、触覚センサユニットに含まれる触覚センサについて説明する。触覚センサユニットには、少なくとも1つの触覚センサが含まれる。1つの触覚センサユニットに含まれる触覚センサの数は1つであってもよいし、2つであってもよいし、3つであってもよいし、4つであってもよいし、それ以上であってもよい。4つの触覚センサを90°ずつずらして配置することによって、せん断力の方向を検出できる。
[Tactile sensor]
Hereinafter, the tactile sensor included in the tactile sensor unit will be described. The tactile sensor unit includes at least one tactile sensor. The number of tactile sensors included in one tactile sensor unit may be one, two, three, four, or four. It may be the above. By arranging the four tactile sensors so as to be shifted by 90 °, the direction of the shearing force can be detected.

以下、1つの触覚センサの構造について説明する。触覚センサは、基板と基板(および積層部)の上に配置された被膜とを含み、被膜に加えられた力を検出する触覚センサであって、基板の上に基板側から順に配置された第1および第2の層を含む積層部と、第1および第2の層を第2の層側に曲げることによって形成された起立部と、起立部の変形を検出するための検出手段とを含む。積層部および起立部は、それぞれ、互いに格子定数が異なる複数の層を含む。第1および第2の層は、上記複数の層における格子定数の差によって生じた力によって曲げられている。起立部と被膜とは接触しており、被膜に力が加えられることによって起立部が変形する。   Hereinafter, the structure of one tactile sensor will be described. The tactile sensor is a tactile sensor that includes a substrate and a coating disposed on the substrate (and the laminated portion), and detects a force applied to the coating, and is arranged on the substrate in order from the substrate side. A laminated portion including the first and second layers, an upright portion formed by bending the first and second layers to the second layer side, and a detecting means for detecting deformation of the upright portion. . Each of the stacked portion and the upright portion includes a plurality of layers having different lattice constants. The first and second layers are bent by a force generated by a difference in lattice constant between the plurality of layers. The standing portion and the coating are in contact with each other, and the rising portion is deformed by applying a force to the coating.

本発明の触覚センサでは、起立部の変形を検出手段で検出することによって、被膜に加えられた力を検出できる。検出手段は、基板上(積層部上)および起立部上に形成された2つの電極間の静電容量に基づいて起立部の変形を検出してもよい。なお、この場合、それぞれの電極は、複数の電極によって構成された電極群であってもよい。電極群を用いることによって、力の方向を検出することが容易になる。また、検出手段は、起立部または起立部と積層部との境界に形成されたピエゾ抵抗素子の抵抗値に基づいて起立部の変形を検出してもよい。この場合、ウィートストーンブリッジなどの公知の回路を用いて温度変化の影響を補償してもよい。また、検出手段は、その他の公知の方法、たとえば磁気を用いる方法などで起立部の変形を検出してもよい。被膜に加えられた力の大きさは、たとえば、被膜に加えられた力の大きさと検出手段で測定される測定値との関係について予め検量線を作成することによって求めることができる。   In the tactile sensor of the present invention, the force applied to the coating film can be detected by detecting the deformation of the standing part by the detecting means. The detection means may detect the deformation of the standing part based on the capacitance between the two electrodes formed on the substrate (on the stacked part) and the standing part. In this case, each electrode may be an electrode group including a plurality of electrodes. By using the electrode group, it becomes easy to detect the direction of the force. Further, the detecting means may detect the deformation of the rising portion based on the resistance value of the piezoresistive element formed at the rising portion or the boundary between the rising portion and the stacked portion. In this case, the influence of the temperature change may be compensated by using a known circuit such as a Wheatstone bridge. Further, the detecting means may detect the deformation of the upright portion by other known methods such as a method using magnetism. The magnitude of the force applied to the film can be obtained, for example, by preparing a calibration curve in advance for the relationship between the magnitude of the force applied to the film and the measured value measured by the detection means.

基板は、その上に形成される積層部に応じて選択される。たとえば、Siを含む半導体層で積層部が構成される場合、好ましい基板の一例はSi基板である。また、積層部がIII−V族化合物半導体を主要な層として含む場合、好ましい基板の一例はGaAs基板などのIII−V族化合物半導体基板である。   A board | substrate is selected according to the laminated part formed on it. For example, when the stacked portion is formed of a semiconductor layer containing Si, an example of a preferable substrate is a Si substrate. Moreover, when a laminated part contains a III-V group compound semiconductor as a main layer, an example of a preferable substrate is a III-V group compound semiconductor substrate such as a GaAs substrate.

積層部は、格子定数が異なる材料からなる複数の層を含む。それらの層の格子定数の差によって層内に生じる歪み(内部応力)によって、積層部を構成する層の少なくとも一部が折り曲げられ、起立部が形成されている。格子定数が異なる複数の層は、たとえば半導体層で構成される。そのような層の組み合わせとしては、たとえば、Si層とSiGe層との組み合わせや、組成および/または組成比が異なるIII−V族化合物半導体などが挙げられる。III−V族化合物半導体の組み合わせとしては、たとえば、GaAs/InGaAs、GaN/AlGaN、GaN/InGaNが挙げられる。   The stacked portion includes a plurality of layers made of materials having different lattice constants. Due to the strain (internal stress) generated in the layers due to the difference in the lattice constants of these layers, at least a part of the layers constituting the laminated portion is bent to form an upright portion. The plurality of layers having different lattice constants are composed of, for example, semiconductor layers. Examples of such a combination of layers include a combination of a Si layer and a SiGe layer, and a III-V group compound semiconductor having a different composition and / or composition ratio. Examples of combinations of III-V compound semiconductors include GaAs / InGaAs, GaN / AlGaN, and GaN / InGaN.

格子定数が大きい層Aと格子定数が小さい層Bとを隣接させると、層Bに曲がろうとする内部応力が発生する。また、格子定数が大きい層Aと格子定数が小さい層Bとを、厚い層A/層B/薄い層Aというように積層させると、厚い層Aが層Bに及ぼす応力の方が薄い層Aが層Bに及ぼす応力よりも大きいため、トータルでは薄い層A側に曲がろうとする応力が発生する。同様に、厚い層B/層A/薄い層Bという積層膜では、トータルでは厚い層B側に曲がろうとする応力が発生する。このような関係を利用して、積層された複数の層を所定の方向に折り曲げることができる。   When the layer A having a large lattice constant and the layer B having a small lattice constant are adjacent to each other, an internal stress that tends to bend is generated in the layer B. Further, when the layer A having a large lattice constant and the layer B having a small lattice constant are laminated as thick layer A / layer B / thin layer A, the stress applied to the layer B by the thick layer A is thinner. Is larger than the stress exerted on the layer B, so that a total stress that tends to bend on the thin layer A side is generated. Similarly, in the laminated film of thick layer B / layer A / thin layer B, a stress that tends to bend toward the thick layer B is generated in total. By utilizing such a relationship, a plurality of stacked layers can be bent in a predetermined direction.

積層部の一部を基板から分離して起立部を形成するため、基板と積層部との間には、選択的に除去される層(犠牲層)が形成される。積層部がSiを含む半導体で形成される場合、犠牲層は、たとえばSiO2で形成できる。また、積層部がIII−V族化合物半導体で形成される場合には、犠牲層は、たとえばAl0.5Ga0.5AsとAlAsとを交互に複数層積層した膜で形成できる。 In order to separate the part of the stacked portion from the substrate to form the standing portion, a layer (sacrificial layer) that is selectively removed is formed between the substrate and the stacked portion. When the stacked portion is formed of a semiconductor containing Si, the sacrificial layer can be formed of, for example, SiO 2 . Further, when the stacked portion is formed of a III-V group compound semiconductor, the sacrificial layer can be formed of a film in which, for example, a plurality of Al 0.5 Ga 0.5 As and AlAs layers are alternately stacked.

被膜は、通常、積層部および起立部を覆うように形成される。起立部と基板との間は、被膜で充填されていてもよいし、空間であってもよい。被膜は、被膜に加えられた力によって変形する材料で形成され、通常は弾性体である。被膜の材料、被膜の厚さ、素子の形状や大きさは、センサに求められる用途に応じて選択される。   The film is usually formed so as to cover the laminated portion and the standing portion. The space between the standing part and the substrate may be filled with a film or may be a space. The coating is formed of a material that is deformed by a force applied to the coating, and is usually an elastic body. The material of the coating, the thickness of the coating, and the shape and size of the element are selected according to the application required for the sensor.

本発明の触覚センサでは、検出手段は、起立部に形成されたピエゾ抵抗素子を含んでもよい。この構成では、ピエゾ抵抗素子の抵抗値をモニタすることによって起立部の変形を検出できる。   In the tactile sensor of the present invention, the detection means may include a piezoresistive element formed on the standing part. In this configuration, the deformation of the upright portion can be detected by monitoring the resistance value of the piezoresistive element.

本発明の触覚センサでは、積層部と起立部との境界に位置する第1の折り曲げ部において、第1および第2の層が第2の層側に折り曲げられており、検出手段は、第1の折り曲げ部に形成されたピエゾ抵抗素子を含んでもよい。この構成では、ピエゾ抵抗素子の抵抗値をモニタすることによって起立部の変形(傾き)を検出できる。   In the tactile sensor of the present invention, the first and second layers are bent to the second layer side in the first bent portion located at the boundary between the stacked portion and the standing portion, and the detection means includes the first A piezoresistive element formed in the bent portion of the above may be included. In this configuration, the deformation (tilt) of the upright portion can be detected by monitoring the resistance value of the piezoresistive element.

本発明の触覚センサでは、積層部と起立部との境界に位置する第1の折り曲げ部と、起立部中の第2の折り曲げ部とにおいて、第1および第2の層が第2の層側に折り曲げられており、起立部は、第2の折り曲げ部によって基板の表面と対向するように配置された対向部を含み、検出手段は、互いに対向するように基板上(積層部上)と対向部上とに配置された第1および第2の電極を含み、第1の電極と第2の電極との間の静電容量の変化に基づいて起立部の変形が検出されてもよい。この場合、起立部は、第3の折り曲げ部において第1および第2の層を第1の層側に折り曲げることによって形成された先端部を含み、先端部が被膜と接触していてもよい。この構成では、被膜に加えられた力を先端部によって感度よく検出できる。   In the tactile sensor of the present invention, the first and second layers are on the second layer side in the first bent portion located at the boundary between the stacked portion and the standing portion and the second bent portion in the standing portion. The standing portion includes a facing portion disposed so as to face the surface of the substrate by the second bending portion, and the detection means faces the substrate (on the stacked portion) so as to face each other. The first and second electrodes arranged on the part may be included, and deformation of the standing part may be detected based on a change in capacitance between the first electrode and the second electrode. In this case, the standing part may include a tip part formed by folding the first and second layers toward the first layer in the third bent part, and the tip part may be in contact with the coating. In this configuration, the force applied to the coating can be detected with high sensitivity by the tip.

本発明の触覚センサでは、起立部は、起立部に接触する被膜の移動に応じて基板上(積層部上)をスライドするスライド部を含み、検出手段は、互いに対向するように基板上(積層部上)とスライド部上とに配置された第1および第2の電極を含み、第1の電極と第2の電極との間の静電容量の変化に基づいて起立部の変形が検出されてもよい。スライド部は、たとえば、積層部と起立部との境界に位置する第1の折り曲げ部と、起立部中の第2および第3の折り曲げ部とで第1および第2の層を折り曲げることによって形成できる。   In the tactile sensor of the present invention, the upright portion includes a slide portion that slides on the substrate (on the laminated portion) in accordance with the movement of the film that contacts the upright portion, and the detection means is on the substrate (laminated) so as to face each other. Part) and the first and second electrodes arranged on the slide part, and deformation of the standing part is detected based on a change in capacitance between the first electrode and the second electrode. May be. The slide portion is formed, for example, by bending the first and second layers at the first bent portion located at the boundary between the stacked portion and the upright portion, and the second and third bent portions in the upright portion. it can.

本発明の触覚センサでは、被膜がエラストマーからなるものであってもよい。エラストマーの好ましい一例は、シリコーンゴムである。シリコーンゴムの硬度(JIS−A硬度)は、たとえば20〜80の範囲にある。硬化前のシリコーンゴムの粘度は、たとえば1〜500Pa・sの範囲にある。なお、被膜は、被膜に加えられた力に応じて変形し、その力を起立部に伝えるものであればよい。したがって、被膜は、樹脂やポリマーで形成されてもよい。   In the tactile sensor of the present invention, the coating may be made of an elastomer. A preferred example of the elastomer is silicone rubber. The hardness (JIS-A hardness) of the silicone rubber is, for example, in the range of 20-80. The viscosity of the silicone rubber before curing is, for example, in the range of 1 to 500 Pa · s. In addition, a film should just deform | transform according to the force added to the film and transmit the force to an upright part. Therefore, the film may be formed of a resin or a polymer.

また、被膜は、多層構造を有してもよい。たとえば、基板に近いほど柔らかい材料(たとえば低密度のシリコーンゴム)で形成し、表面に近いほど硬い材料(たとえば高密度のシリコーンゴム)で形成してもよい。   Further, the coating may have a multilayer structure. For example, it may be formed of a softer material (for example, low density silicone rubber) closer to the substrate and a harder material (for example, high density silicone rubber) closer to the surface.

本発明の触覚センサユニットは、本発明の触覚センサを複数個含む。複数のセンサは、必要に応じて所定の位置および所定の方向に配置される。たとえば、複数個の触覚センサを線状に配置してもよいし、2次元的に配置してもよい。また、複数個の触覚センサを同一の向きに配置してもよいし、向きを変えて配置してもよい。また、基板表面に水平な方向に加わる力の検出に適している触覚センサと、基板表面に垂直な方向に加わる力の検出に適している触覚センサを組み合わせてもよい。   The tactile sensor unit of the present invention includes a plurality of tactile sensors of the present invention. The plurality of sensors are arranged in a predetermined position and a predetermined direction as necessary. For example, a plurality of tactile sensors may be arranged linearly or two-dimensionally. A plurality of tactile sensors may be arranged in the same direction or may be arranged in different directions. Further, a tactile sensor suitable for detecting a force applied in a direction horizontal to the substrate surface may be combined with a tactile sensor suitable for detecting a force applied in a direction perpendicular to the substrate surface.

本発明の触覚センサ装置は、外圧を認識する装置として様々な分野に適用できる。たとえば、通路や階段に埋め込んで、その上を移動する物を認識するセンサ装置として用いてもよい。また、物体の外形や凹凸を認識するセンサ装置として用いてもよい。本発明の触覚センサ装置では、半導体プロセスを用いて微小なセンサを高密度に配置できるため、触覚センサ装置を、指紋や手相といった微小な凹凸を認識する装置として用いることも可能である。また、機械の操作部(たとえば自動車のステアリング)などに埋め込んで、操縦者の状態を判断するためのセンサ装置として用いてもよい。また、工業用ロボットのロボットハンドやヒューマノイド型ロボットの人工皮膚に用いられるセンサ装置として用いてもよい。また、義手や義足の触覚センサ装置として用いてもよい。   The tactile sensor device of the present invention can be applied to various fields as a device for recognizing external pressure. For example, the sensor device may be used as a sensor device that is embedded in a passage or stairs and recognizes an object moving on the passage. Moreover, you may use as a sensor apparatus which recognizes the external shape and unevenness | corrugation of an object. In the tactile sensor device of the present invention, minute sensors can be arranged at high density using a semiconductor process, so that the tactile sensor device can also be used as a device for recognizing minute irregularities such as fingerprints and palms. Further, it may be used as a sensor device for determining the state of the operator by being embedded in a machine operation unit (for example, a steering wheel of an automobile) or the like. Moreover, you may use as a sensor apparatus used for the artificial skin of the robot hand of an industrial robot, or a humanoid robot. Further, it may be used as a tactile sensor device for an artificial hand or an artificial leg.

以下、本発明の触覚センサ装置の一例について説明する。なお、以下の説明では、同様の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略する場合がある。また、以下の図面では、理解を容易にするため、被膜などの図示を省略する場合がある。   Hereinafter, an example of the tactile sensor device of the present invention will be described. In the following description, the same parts may be denoted by the same reference numerals and redundant description may be omitted. Moreover, in the following drawings, illustration of a film etc. may be omitted for easy understanding.

[触覚センサの一例]
本発明の装置で用いられる触覚センサの一例について、その形状を模式的に示す斜視図を図1(a)に示し、断面図を図1(b)に示す。図1の触覚センサ100は、基板101と、基板101上に形成されたSiO2層121および積層部102と、起立部103と、被膜104(図1(a)では図示せず)とを備える。
[Example of tactile sensor]
FIG. 1A is a perspective view schematically showing the shape of an example of a tactile sensor used in the apparatus of the present invention, and FIG. The tactile sensor 100 of FIG. 1 includes a substrate 101, a SiO 2 layer 121 and a laminated portion 102 formed on the substrate 101, an upright portion 103, and a coating 104 (not shown in FIG. 1A). .

基板101は、シリコン基板である。積層部102は、基板101側から順に積層されたSiGe層122(厚さ20nm)およびアンドープのSi層123(厚さ340nm)を含む。起立部103は、SiGe層(第1の層)122とSi層(第2の層)123とをSi層123側に折り曲げることによって形成されている。SiGe層122はSi層123よりも格子定数が大きいため、これらの層は内部の歪みによって基板101から離れる方向に曲がっている。   The substrate 101 is a silicon substrate. The stacked unit 102 includes an SiGe layer 122 (thickness 20 nm) and an undoped Si layer 123 (thickness 340 nm) stacked in order from the substrate 101 side. The standing portion 103 is formed by bending the SiGe layer (first layer) 122 and the Si layer (second layer) 123 toward the Si layer 123. Since the SiGe layer 122 has a larger lattice constant than the Si layer 123, these layers are bent away from the substrate 101 due to internal strain.

起立部103は、SiGe層122およびSi層123を曲げることによって形成されており、U字状の形状を有する。起立部103のSi層123上には、ボロンドープのp−Si層124が形成されている。U字状のp−Si層124の両端は、それぞれ、積層部102上に形成された電極125および126に接続されている。p−Si層124は、ピエゾ抵抗素子として機能し、起立部103の変形によって抵抗が変化する。すなわち、p−Si層124は、起立部103の変形を検出する検出手段として機能する。   The upright portion 103 is formed by bending the SiGe layer 122 and the Si layer 123, and has a U-shape. A boron-doped p-Si layer 124 is formed on the Si layer 123 of the standing portion 103. Both ends of the U-shaped p-Si layer 124 are connected to electrodes 125 and 126 formed on the stacked portion 102, respectively. The p-Si layer 124 functions as a piezoresistive element, and the resistance changes due to the deformation of the upright portion 103. That is, the p-Si layer 124 functions as a detection unit that detects the deformation of the upright portion 103.

被膜104は、たとえばシリコーンゴムで形成される。被膜104は、積層部102および起立部103を覆うように、および基板101と起立部103との間を充填するように形成される。なお、基板101と起立部103との間は空洞であってもよい。   The coating 104 is made of, for example, silicone rubber. The film 104 is formed so as to cover the stacked portion 102 and the upright portion 103 and to fill the space between the substrate 101 and the upright portion 103. Note that a space may be provided between the substrate 101 and the upright portion 103.

被膜104が押されると、被膜104に生じるせん断力によって起立部103が変形し、p−Si層124の抵抗値が変化する。この抵抗値は、被膜104が押される方向によって増加または減少する。たとえば、図1(b)の方向Aの力と方向Bの力とでは、p−Si層124が曲がる方向が異なるため、抵抗値の変化の方向(増加または減少)が反対となる。そのため、p−Si層124の抵抗値の変化の方向(増加または減少)と、変化の大きさとを測定することによって、被膜104が押す力の方向と大きさとを推定できる。   When the coating 104 is pushed, the standing portion 103 is deformed by the shearing force generated in the coating 104, and the resistance value of the p-Si layer 124 changes. This resistance value increases or decreases depending on the direction in which the film 104 is pressed. For example, the force in the direction A and the force in the direction B of FIG. Therefore, by measuring the direction of change (increase or decrease) in the resistance value of the p-Si layer 124 and the magnitude of the change, the direction and magnitude of the force pressed by the film 104 can be estimated.

[触覚センサの他の一例]
本発明で用いられる触覚センサの他の一例について、その形状を模式的に示す斜視図を図2(a)に示し、断面図を図2(b)に示す。図2の触覚センサ200は、基板101と、基板101上に形成されたSiO2層221(厚さ400nm)および積層部202と、起立部203と、被膜104(図2(a)では図示せず)とを備える。
[Another example of tactile sensor]
FIG. 2A shows a perspective view schematically showing the shape of another example of the tactile sensor used in the present invention, and FIG. 2B shows a cross-sectional view thereof. The tactile sensor 200 of FIG. 2 includes a substrate 101, a SiO 2 layer 221 (thickness 400 nm) and a laminated portion 202 formed on the substrate 101, a standing portion 203, and a coating 104 (not shown in FIG. 2A). Z)).

積層部202は、基板101側から順に積層されたSi層222(厚さ100nm)、SiGe層223(厚さ30nm、Ge量21原子%)、Si層224(厚さ200nm)、SiGe層225(厚さ30nm、Ge量21原子%)、およびSi層226(厚さ100nm)を含む。   The stacked unit 202 includes a Si layer 222 (thickness 100 nm), a SiGe layer 223 (thickness 30 nm, Ge amount 21 atomic%), a Si layer 224 (thickness 200 nm), and a SiGe layer 225 ( 30 nm thick, Ge content 21 atomic%), and Si layer 226 (100 nm thick).

起立部203は、積層部202と起立部203との境界に位置する第1の折り曲げ部231においてSi層(第1の層)222およびSiGe層(第2の層)223(およびSi層224)を、SiGe層223側に折り曲げることによって形成されている。起立部203は、たとえば、基板表面に対してほぼ垂直になるように形成される。第1の折り曲げ部231には、ピエゾ抵抗素子(ストレインゲージ)232が形成されている。ピエゾ抵抗素子232は、たとえばp形Siなどの公知の材料で形成できる。   The upright portion 203 includes a Si layer (first layer) 222 and a SiGe layer (second layer) 223 (and Si layer 224) in the first bent portion 231 located at the boundary between the stacked portion 202 and the upright portion 203. Is bent to the SiGe layer 223 side. The standing portion 203 is formed so as to be substantially perpendicular to the substrate surface, for example. A piezoresistive element (strain gauge) 232 is formed in the first bent portion 231. The piezoresistive element 232 can be formed of a known material such as p-type Si.

被膜104は、起立部203を覆うように形成されている。被膜104に力が加えられると、起立部203が変形し、折り曲げ部231に形成されたピエゾ抵抗素子232の抵抗が変化する。この抵抗の変化から、被膜104に加えられた力の大きさおよび方向を検出できる。   The film 104 is formed so as to cover the upright portion 203. When force is applied to the coating 104, the upright portion 203 is deformed, and the resistance of the piezoresistive element 232 formed in the bent portion 231 changes. From the change in resistance, the magnitude and direction of the force applied to the coating 104 can be detected.

[触覚センサの他の一例]
本発明で用いられる触覚センサの他の一例について、その形状を模式的に示す斜視図を図3(a)に示す。図3(a)には、2つの触覚センサ300が対向するように配置された例を示す。また、1つの触覚センサ300の断面図を図3(b)に示す。触覚センサ300は、基板101と、基板101上に形成されたSiO2層221および積層部202と、起立部303と、被膜104(図示せず)とを備える。
[Another example of tactile sensor]
FIG. 3A is a perspective view schematically showing the shape of another example of the tactile sensor used in the present invention. FIG. 3A shows an example in which two tactile sensors 300 are arranged to face each other. A cross-sectional view of one tactile sensor 300 is shown in FIG. The tactile sensor 300 includes a substrate 101, a SiO 2 layer 221 and a laminated portion 202 formed on the substrate 101, an upright portion 303, and a coating 104 (not shown).

積層部202は、実施形態2で説明した積層部202と同じ構造を有する。Si層(第1の層)222およびSiGe層(第2の層)223は、積層部202と起立部303との境界に位置する第1の折り曲げ部331と、起立部303中の第2の折り曲げ部332において、SiGe層223側に約90°に折り曲げられている(谷折り)。起立部303は、第2の折り曲げ部332によって基板101の表面と対向するように配向された対向部303aを含む。   The stacked unit 202 has the same structure as the stacked unit 202 described in the second embodiment. The Si layer (first layer) 222 and the SiGe layer (second layer) 223 include a first bent portion 331 located at the boundary between the stacked portion 202 and the upright portion 303, and a second in the upright portion 303. The bent portion 332 is bent at about 90 ° toward the SiGe layer 223 side (valley fold). The standing portion 303 includes a facing portion 303 a that is oriented so as to face the surface of the substrate 101 by the second bent portion 332.

また、起立部303は、第3の折り曲げ部333においてSi層222およびSiGe層223をSi層222側に約90°折り曲げる(山折り)ことによって形成された先端部303bを含む。先端部303bは、基板101の表面に対してほぼ垂直に配置されている。なお、先端部303bは省略してもよい。   Further, the standing portion 303 includes a tip end portion 303b formed by bending the Si layer 222 and the SiGe layer 223 by about 90 ° (mountain fold) toward the Si layer 222 in the third bent portion 333. The tip 303b is disposed substantially perpendicular to the surface of the substrate 101. The tip portion 303b may be omitted.

触覚センサ300の検出手段は、互いに対向するように積層部202上と対向部303a上とに形成された第1および第2の電極341および342を含む。2つの電極は、導電性材料(たとえばAuのような金属)で形成できる。   The detection means of the touch sensor 300 includes first and second electrodes 341 and 342 formed on the stacked portion 202 and the facing portion 303a so as to face each other. The two electrodes can be formed of a conductive material (for example, a metal such as Au).

被膜104は、少なくとも、起立部303のSi層222の表面と接触するように配置される。被膜104は、積層部202と対向部303aとの間を充填するように配置されてもよいが、両者の間は空間であってもよい。図3(a)のように複数の触覚センサ300を対向するように配置し、粘度が高い被膜材料を用いることによって、積層部202と対向部303aとの間を空間とすることが可能である。   The film 104 is disposed so as to be in contact with at least the surface of the Si layer 222 of the upright portion 303. The coating 104 may be disposed so as to fill a space between the stacked portion 202 and the facing portion 303a, but a space may be provided between the two. By arranging a plurality of tactile sensors 300 to face each other as shown in FIG. 3A and using a coating material having a high viscosity, it is possible to make a space between the stacked portion 202 and the facing portion 303a. .

被膜104に力が加えられると、起立部303が変形する。被膜104に加えられた力の方向に応じて、第2の電極342は、基板101の表面に対して平行な方向(図3(b)のA方向)または垂直な方向(図3(b)のB方向)に移動する。その結果、第1の電極341と第2の電極342との間の静電容量が変化する。この静電容量の変化をモニタすることによって、被膜104に加えられた力を検出できる。なお、第1の電極341と第2の電極342の少なくとも一方の電極を分割し、複数の短冊状の電極としてもよい(実施形態4の電極においても同様である)。短冊状の電極を図3(b)のA方向に並べることによって、平行な方向の移動による容量の変化と、垂直な方向の移動による容量の変化とを分離しやすくなる。また、平行の方向の移動による容量の変化についても、移動の方向の判断が容易になる。   When force is applied to the coating 104, the upright portion 303 is deformed. Depending on the direction of the force applied to the coating 104, the second electrode 342 is parallel to the surface of the substrate 101 (direction A in FIG. 3B) or perpendicular (FIG. 3B). (B direction). As a result, the capacitance between the first electrode 341 and the second electrode 342 changes. By monitoring this change in capacitance, the force applied to the coating 104 can be detected. Note that at least one of the first electrode 341 and the second electrode 342 may be divided into a plurality of strip electrodes (the same applies to the electrodes of Embodiment 4). By arranging the strip-shaped electrodes in the direction A in FIG. 3B, it becomes easy to separate the change in capacitance due to movement in the parallel direction and the change in capacitance due to movement in the vertical direction. In addition, regarding the change in capacity due to the movement in the parallel direction, the direction of the movement can be easily determined.

[触覚センサの他の一例]
本発明で用いられる触覚センサの他の一例について、その主要部の形状を模式的に示す斜視図を図4(a)に示す。図4(a)の触覚センサ400は、基板101と、基板101上に形成されたSiO2層221および積層部202と、起立部403と、カバー440(図5に示す)と、被膜104(図示せず)とを備える。触覚センサ400の起立部403の一部断面図を図4(b)に示す。
[Another example of tactile sensor]
FIG. 4A is a perspective view schematically showing the shape of the main part of another example of the tactile sensor used in the present invention. The tactile sensor 400 of FIG. 4A includes a substrate 101, a SiO 2 layer 221 and a laminated portion 202 formed on the substrate 101, a standing portion 403, a cover 440 (shown in FIG. 5), and a coating 104 ( (Not shown). A partial cross-sectional view of the standing portion 403 of the touch sensor 400 is shown in FIG.

積層部202は、実施形態2で説明した積層部202と同じ構造を有する。Si層222およびSiGe層223(およびSi層224)の一部は、第1の折り曲げ部431と第2の折り曲げ部432とにおいて、SiGe層223側に折り曲げられている。また、Si層222およびSiGe層223の一部は、第3の折り曲げ部433においてSi層222側に折り曲げられている。起立部403は、Si層222およびSiGe層223が折り曲げられることによって形成されたスライド部403aを含む。スライド部403aは、起立部403に接触する被膜104の移動に応じて積層部202上をスライドする。   The stacked unit 202 has the same structure as the stacked unit 202 described in the second embodiment. A part of the Si layer 222 and the SiGe layer 223 (and the Si layer 224) is bent toward the SiGe layer 223 at the first bent portion 431 and the second bent portion 432. Further, a part of the Si layer 222 and the SiGe layer 223 are bent toward the Si layer 222 at the third bent portion 433. The standing portion 403 includes a slide portion 403a formed by bending the Si layer 222 and the SiGe layer 223. The slide part 403 a slides on the stacked part 202 in accordance with the movement of the coating 104 that contacts the upright part 403.

被膜104は、スライド部403aが基板101上を移動できるように、第2の折り曲げ部432からスライド部403aにはできるだけ接触しないように形成される。そのため、図5に示すように、触覚センサ400は、スライド部403aを覆うように配置されたカバー440を備える。カバー440は、3つの折り曲げ部において、Si層222およびSiGe層223をSiGe層223側に折り曲げることによって形成できる。被膜104の材料として粘度が高いものを用いることによって、スライド部403aに被膜104が付着することを防止できる。   The coating 104 is formed so as not to contact the slide part 403a from the second bent part 432 as much as possible so that the slide part 403a can move on the substrate 101. Therefore, as shown in FIG. 5, the tactile sensor 400 includes a cover 440 arranged to cover the slide part 403a. The cover 440 can be formed by bending the Si layer 222 and the SiGe layer 223 toward the SiGe layer 223 at the three bent portions. By using a material having a high viscosity as the material of the film 104, it is possible to prevent the film 104 from adhering to the slide portion 403a.

触覚センサ400の検出手段は、互いに対向するように積層部202上とスライド部403a上に形成された第1および第2の電極441および442を含む。2つの電極は、導電性材料(たとえばAuのような金属)で形成できる。2つの電極が短絡しないように、電極の表面には、たとえばSiO2からなる誘電体層443を形成する。 The detection means of the tactile sensor 400 includes first and second electrodes 441 and 442 formed on the stacked portion 202 and the slide portion 403a so as to face each other. The two electrodes can be formed of a conductive material (for example, a metal such as Au). In order not to short-circuit the two electrodes, a dielectric layer 443 made of, for example, SiO 2 is formed on the surface of the electrodes.

被膜104に力が加わると、起立部403が変形し、スライド部403aがスライドする。その結果、第1の電極441と第2の電極442との間の静電容量が変化する。この静電容量の変化をモニタすることによって、被膜104に加わった力を検出できる。   When a force is applied to the coating 104, the upright portion 403 is deformed and the slide portion 403a slides. As a result, the capacitance between the first electrode 441 and the second electrode 442 changes. By monitoring this change in capacitance, the force applied to the coating 104 can be detected.

[触覚センサユニットの一例]
本発明で用いられる触覚センサユニットの一例の上面図を図6(a)に示す。図6(a)の触覚センサユニット500は、方向が90°ずつずれるように配置された4つの触覚センサ100と、それらの触覚センサ100から得られる情報を処理するプロセッサ要素510とを備える。図6(a)の触覚センサユニットの4つの触覚センサ100の配置を示す斜視図を、図6(b)に示す。
[Example of tactile sensor unit]
A top view of an example of the tactile sensor unit used in the present invention is shown in FIG. The tactile sensor unit 500 of FIG. 6A includes four tactile sensors 100 arranged so that the directions are shifted by 90 °, and a processor element 510 that processes information obtained from the tactile sensors 100. A perspective view showing the arrangement of the four tactile sensors 100 of the tactile sensor unit of FIG. 6A is shown in FIG.

4つの触覚センサ100は、プロセッサ要素510に接続されている。また、プロセッサ要素510は、それが属する触覚センサユニット500に隣接する触覚センサユニットのプロセッサ要素と、配線501によって接続されている。また、プロセッサ要素510は、クロックバスおよび汎用バスを介して、後述する統制用演算器に接続されている。   The four tactile sensors 100 are connected to the processor element 510. The processor element 510 is connected to the processor element of the tactile sensor unit adjacent to the tactile sensor unit 500 to which the processor element 510 belongs by a wiring 501. Further, the processor element 510 is connected to a control arithmetic unit to be described later via a clock bus and a general-purpose bus.

触覚センサ100を、Si基板などの半導体基板上に形成する場合、触覚センサ100とプロセッサ要素510とを同一基板上に形成することが可能である。触覚センサ100とプロセッサ要素510とを結ぶ配線は、半導体プロセスで形成できる。   When the tactile sensor 100 is formed on a semiconductor substrate such as a Si substrate, the tactile sensor 100 and the processor element 510 can be formed on the same substrate. The wiring connecting the tactile sensor 100 and the processor element 510 can be formed by a semiconductor process.

触覚センサユニット500によれば、図6(a)に示すように、X軸方向およびY軸方向の2軸のせん断力と、押圧力とを検出できる。本発明の触覚センサ装置は、複数の触覚センサユニット500を備える。   According to the touch sensor unit 500, as shown in FIG. 6A, the biaxial shear force in the X-axis direction and the Y-axis direction and the pressing force can be detected. The tactile sensor device of the present invention includes a plurality of tactile sensor units 500.

[触覚センサ装置の一例]
本発明の触覚センサ装置の一例を図7に示す。図7の触覚センサ装置600は、1つの基板上に形成されてもよいし、複数の基板を用いて形成されてもよい。
[Example of tactile sensor device]
An example of the tactile sensor device of the present invention is shown in FIG. The tactile sensor device 600 of FIG. 7 may be formed on one substrate or may be formed using a plurality of substrates.

図7の触覚センサ装置600は、マトリクス状に配置された複数の触覚センサユニット500と、演算器701と、メモリ702と、統制用演算器703とを含む。なお、図7では、触覚センサユニット500のプロセッサ要素510、演算器701、メモリ702、および統制用演算器703を結ぶ配線(ネットワーク)の図示を省略している。プロセッサ要素510、演算器701、メモリ702、および統制用演算器703を結ぶ配線(ネットワーク)を図8に示す。   A tactile sensor device 600 of FIG. 7 includes a plurality of tactile sensor units 500 arranged in a matrix, a calculator 701, a memory 702, and a control calculator 703. In FIG. 7, wiring (network) connecting the processor element 510, the calculator 701, the memory 702, and the control calculator 703 of the tactile sensor unit 500 is omitted. A wiring (network) connecting the processor element 510, the arithmetic unit 701, the memory 702, and the control arithmetic unit 703 is shown in FIG.

外周部以外の位置に配置された触覚センサユニット500のプロセッサ要素510は、行方向および列方向に隣接する4つの触覚センサユニット500および斜め方向に隣接する4つの触覚センサユニット500の、合計8つの触覚センサユニット500のプロセッサ要素510に接続されている。   The processor element 510 of the tactile sensor unit 500 arranged at a position other than the outer peripheral portion includes a total of eight tactile sensor units 500 adjacent in the row direction and the column direction and four tactile sensor units 500 adjacent in the diagonal direction. The tactile sensor unit 500 is connected to the processor element 510.

マトリックス状に配置されたプロセッサ要素510のうち、列の端部および行の端部に存在するプロセッサ要素510は、1対1で対応するように演算器701に接続される。複数の演算器701は、プロセッサ要素510から取得し必要に応じて処理したデータを、メモリ702に格納する。統制用演算器703は、メモリ702に格納されたデータを取得して処理する。メモリ702は、シフトレジスターとして用いられてもよい。メモリ702と統制用演算器703、または、演算器701とメモリ702と統制用演算器703とは、ワンチップ化されてもよい。   Among the processor elements 510 arranged in a matrix, the processor elements 510 existing at the end of the column and the end of the row are connected to the computing unit 701 so as to correspond one-to-one. The plurality of computing units 701 store the data acquired from the processor element 510 and processed as necessary in the memory 702. The control computing unit 703 acquires and processes the data stored in the memory 702. The memory 702 may be used as a shift register. The memory 702 and the control computing unit 703, or the computing unit 701, the memory 702, and the control computing unit 703 may be integrated into one chip.

統制用演算器703がプロセッサ要素510のデータにアクセスする方法としては、たとえば以下の2つの方法が挙げられる。   For example, the following two methods can be used as a method for the control computing unit 703 to access the data of the processor element 510.

第1の方法は、汎用バスを使ってアクセスする方法である。この場合、プロセッサ要素510の行列番号(座標)を指定し、特定のプロセッサ要素510のデータにアクセスする。しかし、この方法は、各プロセッサ要素510にアクセスする必要があるため、統制用演算器703の負担が大きいという問題がある。   The first method is an access method using a general-purpose bus. In this case, the matrix number (coordinate) of the processor element 510 is designated, and data of a specific processor element 510 is accessed. However, since this method requires access to each processor element 510, there is a problem that the burden on the control computing unit 703 is large.

第2の方法は、プロセッサ要素510によって形成されたネットワークで行われるデータ処理の結果に、アクセスする方法である。まず、汎用バスを介して、統制用演算器703から所定のプロセッサ要素510に対して、所定のネットワークを形成してデータ処理を行うように指令が出される。指令を受けたプロセッサ要素510は、指令に従って特定のネットワーク、たとえば特定の列方向や、斜め45°方向のネットワークを形成する。ネットワーク上のプロセッサ要素510は、ネットワーク上で隣接するプロセッサ要素510のデータと自己のデータとを結合しながら、結合されたデータを、ネットワーク上の他方に隣接するプロセッサ要素510に出力する。ネットワークの端部にあるプロセッサ要素510は、ネットワーク上にあるプロセッサ要素510のデータを結合して得られたデータを、演算器701に出力する。演算器701は得られたデータを、必要に応じて処理して、メモリ702に書き込む。統制用演算器703は、メモリ702にアクセスし、メモリ702に書き込まれたデータを取得する。統制用演算器703は、メモリ702に書き込まれた複数のネットワークに関するデータを処理することによって、所定の領域における圧力およびせん断力に関する情報を得る。   The second method is to access the result of data processing performed on the network formed by the processor element 510. First, a command is issued from the control computing unit 703 to the predetermined processor element 510 to form a predetermined network and perform data processing via the general-purpose bus. Upon receiving the command, the processor element 510 forms a specific network, for example, a specific row direction or a 45 ° diagonal network in accordance with the command. The processor element 510 on the network combines the data of the processor element 510 adjacent on the network with its own data, and outputs the combined data to the processor element 510 adjacent to the other on the network. The processor element 510 at the end of the network outputs data obtained by combining the data of the processor elements 510 on the network to the computing unit 701. The computing unit 701 processes the obtained data as necessary, and writes it in the memory 702. The control computing unit 703 accesses the memory 702 and acquires data written in the memory 702. The control computing unit 703 obtains information on the pressure and shear force in a predetermined area by processing data on a plurality of networks written in the memory 702.

第2の方法では、統制用演算器703が、個々のプロセッサ要素510にアクセスする必要がないため、統制用演算器703の負担が少ない。なお、第1の方法と第2の方法とは、状況に応じて使い分けられてもよい。   In the second method, since the control computing unit 703 does not need to access the individual processor elements 510, the burden on the control computing unit 703 is small. Note that the first method and the second method may be properly used depending on the situation.

なお、指定されたネットワークと演算器701とが直接接続されていない場合、すなわち、指定されたネットワークと演算器701とを接続するために、データの収集対象ではないプロセッサ要素510を介した接続が必要となる場合がある。そのような場合には、データの収集対象ではないプロセッサ要素510がデータをスルーする処理を行うように、プロセッサ要素510を制御すればよい。   In addition, when the designated network and the computing unit 701 are not directly connected, that is, in order to connect the designated network and the computing unit 701, connection via the processor element 510 that is not a data collection target is performed. It may be necessary. In such a case, the processor element 510 may be controlled so that the processor element 510 that is not a data collection target performs processing to pass through the data.

統制用演算器703は、クロックバスおよび汎用バス(いずれも図8では図示を省略)によってプロセッサ要素510に接続されている。これらのバスを介して、統制用演算器703は、プロセッサ要素510の制御を行う。また、統制用演算器703は、得られたデータの処理を行い、処理したデータを必要に応じて外部に出力する。なお、広い領域に触覚センサを配置する場合、複数の触覚センサ装置600を並べ、それらから得られたデータを上位の演算器で処理してもよい。   The control computing unit 703 is connected to the processor element 510 by a clock bus and a general-purpose bus (both not shown in FIG. 8). The control computing unit 703 controls the processor element 510 via these buses. Further, the control computing unit 703 processes the obtained data and outputs the processed data to the outside as necessary. In addition, when arrange | positioning a tactile sensor in a wide area | region, the some tactile sensor apparatus 600 may be arranged, and the data obtained from them may be processed with a high-order arithmetic unit.

統制用演算器703とプロセッサ要素510との関係を図9に模式的に示す。なお、図6および図7の例では、1つのプロセッサ要素510に4つの触覚センサ100が接続されているが、図9では4つのうちの1つのみを図示する。プロセッサ要素510は、A/D変換器511と、プログラムメモリ512と、演算器513と、メモリ514と、ゲートスイッチ515とを備える。なお、プロセッサ要素510は、必要に応じて他の回路や素子を含んでもよい。   FIG. 9 schematically shows the relationship between the control calculator 703 and the processor element 510. 6 and 7, four tactile sensors 100 are connected to one processor element 510, but only one of the four is shown in FIG. The processor element 510 includes an A / D converter 511, a program memory 512, a computing unit 513, a memory 514, and a gate switch 515. The processor element 510 may include other circuits and elements as necessary.

A/D変換器511は、予め決められた閾値を基準として、触覚センサ100の出力をデジタル化する。ここでは、たとえば、2段階(2値化)、4段階、8段階、16段階、またはそれ以上の段階にデジタル化する。デジタル化されたデータは、演算器513に入力される。   The A / D converter 511 digitizes the output of the tactile sensor 100 with reference to a predetermined threshold. Here, for example, digitization is performed in two stages (binarization), four stages, eight stages, sixteen stages, or more. The digitized data is input to the calculator 513.

演算器513は、プログラムメモリ512に記録されているプログラムを実行する。演算器513は、隣接する8つのプロセッサ要素510のメモリ514’に、ゲートスイッチ515を介して接続することが可能である。演算器513は、必要に応じてゲートスイッチ515のゲートを開閉し、近傍のプロセッサ要素510のメモリ514’に記録されたデータにアクセスする。また、演算器513は、必要に応じてゲートスイッチ515のゲートを開閉し、任意の経路のネットワークを構築する。なお、外縁部にあるプロセッサ要素510のうちの一部のプロセッサ要素510のゲートスイッチ515は、演算器701に接続される。演算器701には、プログラムメモリ701a(プロセッサ要素510のプログラムメモリ512に相当)が接続されている。演算器701も、プログラムメモリ701aに記録されているプログラムに従って、隣接するプロセッサ要素510から受け取ったデータを処理してメモリ702に格納する。   The computing unit 513 executes a program recorded in the program memory 512. The computing unit 513 can be connected to the memory 514 ′ of the adjacent eight processor elements 510 via the gate switch 515. The computing unit 513 opens and closes the gate of the gate switch 515 as necessary, and accesses the data recorded in the memory 514 ′ of the nearby processor element 510. The computing unit 513 opens and closes the gate of the gate switch 515 as necessary to construct a network of an arbitrary path. Note that the gate switches 515 of some of the processor elements 510 at the outer edge are connected to the computing unit 701. A program memory 701a (corresponding to the program memory 512 of the processor element 510) is connected to the computing unit 701. The computing unit 701 also processes the data received from the adjacent processor element 510 according to the program recorded in the program memory 701a and stores it in the memory 702.

なお、各演算器513および演算器701が実行するプログラムは、すべて同一であってもよいし、異なってもよい。   It should be noted that the programs executed by each computing unit 513 and computing unit 701 may all be the same or different.

統制用演算器703は、クロックバス704および汎用バス705によって、演算器513および演算器701に接続される。統制用演算器703は、クロックバス704を介してクロック信号を出力して演算器のプログラムカウンタを動かし、演算器にプログラムを実行させる。   The control computing unit 703 is connected to the computing unit 513 and the computing unit 701 by a clock bus 704 and a general-purpose bus 705. The control arithmetic unit 703 outputs a clock signal via the clock bus 704, moves the program counter of the arithmetic unit, and causes the arithmetic unit to execute the program.

統制用演算器703は、所定の情報、たとえば、クロック毎の処理手順や、ゲート開閉手順や、データのデジタル化のための閾値や、校正データなどを、汎用バス705を介して、演算器513および演算器701に入力する。統制用演算器703から演算器513および演算器701に予め転送されるプログラムに含まれる処理としては、たとえば、以下のような処理が挙げられる。
A.触覚センサのデータを取得しろ。
B.触覚センサのデータを二値化しろ。
C.左右のプロセッサ要素とネットワーク接続しろ。
D.左隣のプロセッサ要素が有するデータと自己が有するデータとを加算しろ。
E.左右のプロセッサ要素とのネットワーク接続を解除しろ。
The control arithmetic unit 703 receives predetermined information such as a processing procedure for each clock, a gate opening / closing procedure, a threshold value for digitizing data, calibration data, and the like via the general-purpose bus 705. And input to the calculator 701. Examples of processing included in a program that is transferred in advance from the computing unit for control 703 to the computing unit 513 and the computing unit 701 include the following processes.
A. Get tactile sensor data.
B. Binarize the tactile sensor data.
C. Connect the left and right processor elements to the network.
D. Add the data of the processor element on the left and the data of its own.
E. Disconnect the network connection with the left and right processor elements.

演算器513は、送られてきたプログラムを適切に解釈する。たとえば、送られてきたプログラムに含まれるそれぞれの処理を、所定のクロックタイミングに沿った処理に置き換える。実行すべき処理が上記の「A.センサデータを取得しろ。」である場合には、以下のように、所定のクロックタイミング毎に解釈した手順で処理を実行すればよい。なお、以下の処理およびクロック数は一例である。
A−1.センサに電流を流す(4クロック)
A−2.抵抗値を測定する(8クロック)
A−3.離散化する(40クロック)
A−4.校正する(90クロック)
A−5.メモリに保存する(2クロック)
The computing unit 513 properly interprets the transmitted program. For example, each process included in the transmitted program is replaced with a process according to a predetermined clock timing. When the process to be executed is “A. Acquire sensor data.”, The process may be executed according to a procedure interpreted at each predetermined clock timing as follows. The following processing and the number of clocks are examples.
A-1. Apply current to the sensor (4 clocks)
A-2. Measure the resistance value (8 clocks)
A-3. Discretize (40 clocks)
A-4. Calibrate (90 clocks)
A-5. Save to memory (2 clocks)

演算器701は、プロセッサ要素510から入力されたデータを処理し、メモリ702に格納する。メモリ702に格納されたデータは、統制用演算器703によって読み出され、処理される。   The computing unit 701 processes the data input from the processor element 510 and stores it in the memory 702. Data stored in the memory 702 is read and processed by the control computing unit 703.

多数の触覚センサを備える触覚センサ装置では、すべての触覚センサユニットのデータを逐一収集して処理すると、処理に時間がかかるとともに統制用演算器に多大な負担がかかるという問題がある。これに対し、本発明の触覚センサ装置600では、分散処理が可能であるため、すべての触覚センサユニットのデータを逐一収集しなくても、触覚センサユニットに加えられた圧力に関する情報を得ることが可能である。たとえば、多数の触覚センサユニットの一部のみに圧力が加えられている場合、圧力が加えられた触覚センサユニットのデータのみをプロセッサ要素が抽出し、抽出されたデータが統制用演算器に入力されてもよい。   In a tactile sensor device having a large number of tactile sensors, if data of all tactile sensor units are collected and processed one by one, there is a problem that it takes time to process and a great burden is placed on the control calculator. On the other hand, since the tactile sensor device 600 of the present invention can perform distributed processing, it is possible to obtain information on the pressure applied to the tactile sensor unit without collecting data of all the tactile sensor units. Is possible. For example, when pressure is applied to only a part of a large number of tactile sensor units, the processor element extracts only the data of the tactile sensor units to which pressure is applied, and the extracted data is input to the control computing unit. May be.

以下、本発明の触覚センサ装置600におけるデータ処理の一例について説明する。まず、プロセッサ要素510は、触覚センサユニット500の各触覚センサ100から、圧力に対応する抵抗値のデータ(アナログデータ)を取得し、A/D変換器511によってデータをデジタル化する。次に、デジタル化されたデータを、メモリ514に予め格納しておいた校正データで校正し、校正されたデータをメモリ514に書き込む。このような処理は、触覚センサユニット500に含まれる4つの触覚センサ100のそれぞれについて行われる。   Hereinafter, an example of data processing in the tactile sensor device 600 of the present invention will be described. First, the processor element 510 acquires resistance value data (analog data) corresponding to the pressure from each tactile sensor 100 of the tactile sensor unit 500, and digitizes the data by the A / D converter 511. Next, the digitized data is calibrated with the calibration data stored in advance in the memory 514, and the calibrated data is written in the memory 514. Such processing is performed for each of the four tactile sensors 100 included in the tactile sensor unit 500.

なお、4つの触覚センサ100のデータを用いて、図6(a)に示す、押圧力、X軸方向におけるせん断力、およびY軸方向におけるせん断力を算出してもよい。ここで、図6(a)のX軸方向に対向する2つの触覚センサ100から得られるデータをそれぞれAおよびBとし、図6(a)のY軸方向に対向する2つの触覚センサ100から得られるデータをそれぞれCおよびDとする。一例では、データA、B、CおよびDの平均値を、図6(a)に示す押圧力に対応するデータとしてもよい。また、データAとBとの差を、X軸方向におけるせん断力に対応するデータとしてもよい。同様に、データCとDとの差を、Y軸方向におけるせん断力に対応するデータとしてもよい。なお、これらのデータ処理にあたり、必要に応じて、データの符号を反転させたり、データに所定の係数を掛けたりしてもよい。これらの処理は、ソフトウェアで行ってもよいし、処理を行うための回路を組んでハードウェアで行ってもよい。ソフトウェアで処理する方法は、柔軟性が高いというメリットがある。一方、ハードウェアで行う方法は、処理を高速化できるというメリット、および、プロセッサ要素を簡略化できるというメリットがある。   Note that the pressing force, the shearing force in the X-axis direction, and the shearing force in the Y-axis direction shown in FIG. 6A may be calculated using data of the four tactile sensors 100. Here, the data obtained from the two tactile sensors 100 facing in the X-axis direction in FIG. 6A are respectively A and B, and the data obtained from the two tactile sensors 100 facing in the Y-axis direction in FIG. The data to be obtained are C and D, respectively. In one example, the average value of the data A, B, C, and D may be data corresponding to the pressing force shown in FIG. Further, the difference between the data A and B may be data corresponding to the shearing force in the X-axis direction. Similarly, the difference between the data C and D may be data corresponding to the shearing force in the Y-axis direction. In the data processing, the sign of the data may be inverted or a predetermined coefficient may be applied to the data as necessary. These processes may be performed by software, or may be performed by hardware by assembling a circuit for performing the process. The software processing method has the advantage of high flexibility. On the other hand, the method performed by hardware has an advantage that processing can be speeded up and an advantage that processor elements can be simplified.

本発明の触覚センサ装置は、一例では、圧力のみをモニタしてもよい。その場合、触覚センサユニット500のうち、押圧を検知した部分の触覚センサユニット500のデータのみを処理してもよい。そのような処理を行うための方法としては、たとえば、押圧を検知した一群の触覚センサユニット500のデータの重心計算と、それに続くラドン変換とを行う方法が挙げられる。   In one example, the tactile sensor device of the present invention may monitor only the pressure. In that case, you may process only the data of the tactile sensor unit 500 of the part which detected the press among the tactile sensor units 500. FIG. As a method for performing such a process, for example, there is a method of performing a centroid calculation of data of a group of tactile sensor units 500 that detect a press and a subsequent radon conversion.

重心計算の方法に特に限定はなく、公知の方法を適用してもよい。以下に、触覚センサユニット500が[Nx列]×[Ny行]に配列されている領域について、重心計算を行う方法の一例を説明する。なお、以下の説明では、簡略化のために、触覚センサユニット500が触覚センサ100を1つだけ備える場合について説明する。重心(Cx,Cy)は、以下の式によって求められる。 The method for calculating the center of gravity is not particularly limited, and a known method may be applied. Hereinafter, an example of a method for calculating the center of gravity for an area where the tactile sensor units 500 are arranged in [Nx columns] × [Ny rows] will be described. In the following description, a case where the tactile sensor unit 500 includes only one tactile sensor 100 will be described for simplification. The center of gravity (C x , C y ) is obtained by the following equation.

Figure 2008026178
Figure 2008026178

以上の式によって重心を求めることが可能である。なお、切り出される[Nx列]×[Ny行]の領域は、状況に応じて決定される。たとえば、物体が接触する領域が既知の場合は、その付近だけを切り出してもよい。また、前の時刻に接触した領域が既知の場合には、現時刻もその付近に物体が接触していると仮定して、前の時刻に接触した領域よりも若干広い領域を切り出してもよい。また、接触領域を全領域から限定する処理を予め行ってもよい。   The center of gravity can be obtained by the above formula. Note that the area of [Nx column] × [Ny row] to be cut out is determined according to the situation. For example, when the area where the object contacts is known, only the vicinity thereof may be cut out. If the area touched at the previous time is known, an area slightly wider than the area touched at the previous time may be cut out on the assumption that the object is also in contact with the current time. . Moreover, you may perform previously the process which restricts a contact area from all the areas.

演算器513および演算器701を用いて、各行の総和My、および各列の総和Mxを計算することが可能である。このような処理は、たとえば以下の手順で行うことが可能である。
1.触覚センサから得られたデータを二値化する。
2.行方向にネットワーク接続し、データの値が「1」であるユニットの個数を数える。この処理を、それぞれの行について行う。
3.列方向にネットワーク接続し、データの値が「1」であるユニットの個数を数える。この処理を、それぞれの列について行う。
By using an arithmetic unit 513 and operation unit 701, it is possible to calculate the sum M x of each row sum M y, and each column of. Such processing can be performed by the following procedure, for example.
1. The data obtained from the tactile sensor is binarized.
2. A network connection is made in the row direction, and the number of units whose data value is “1” is counted. This process is performed for each row.
3. Network connection is made in the column direction, and the number of units whose data value is “1” is counted. This process is performed for each column.

行方向のデータの加算は、1つの行内に含まれるNx個の演算器513が全加算器の各桁を担当するような加算回路を構築することによって行うことが可能である。このような加算回路を用いて、演算器701から最も離れた演算器513から順次データを加算することによって、行方向のデータの総和Myを表すビット列が得られる。列方向のデータの総和Mxも同様の手順で計算できる。 The addition of data in the row direction can be performed by constructing an adder circuit in which Nx arithmetic units 513 included in one row take charge of each digit of the full adder. Using such adder circuit, by adding the data sequentially from the most distant calculator 513 from the arithmetic unit 701, the bit string representing the sum M y in the row direction of the data is obtained. The total sum M x of the data in the column direction can be calculated in the same procedure.

以上のようにして重心が求められる。重心の算出に引き続いてデータ処理を行うことによって、押圧されている部分の形状を認識することも可能である。形状認識は、たとえばCTスキャンなどで用いられるラドン変換を適用することによって行ってもよい。   The center of gravity is obtained as described above. It is also possible to recognize the shape of the pressed part by performing data processing following the calculation of the center of gravity. The shape recognition may be performed by applying a Radon transform used in, for example, a CT scan.

ラドン変換では、重心を通る所定のサンプリング方向のデータを加算し、それに基づいて形状認識を行う。たとえば、図10(a)に示す形状の領域801の内側全体が押圧された場合、その重心を通る複数のサンプリング方向(図10(a)の方向a、bおよびc)のデータを加算することによって、図10(b)に示すようなデータが得られる。図10(b)のデータ(形状の特徴量)と、予め登録しておいた様々な形状の特徴量とを比較することによって、押圧されている領域の形状を推定することが可能になる。このとき、サンプリング方向の数が多いほど形状認識の精度が高まるが、処理の負担が大きくなるため、サンプリング方向の数は適当な値に設定される。   In the Radon transform, data in a predetermined sampling direction passing through the center of gravity is added, and shape recognition is performed based thereon. For example, when the entire inside of the region 801 having the shape shown in FIG. 10A is pressed, data of a plurality of sampling directions (directions a, b and c in FIG. 10A) passing through the center of gravity are added. Thus, data as shown in FIG. 10B is obtained. It is possible to estimate the shape of the pressed area by comparing the data (feature feature amount) of FIG. 10B with the feature amounts of various shapes registered in advance. At this time, the accuracy of shape recognition increases as the number of sampling directions increases, but the processing load increases, so the number of sampling directions is set to an appropriate value.

サンプリング方向のデータを加算する場合、サンプリング方向に沿ったネットワークを形成し、そのネットワーク上にある触覚センサユニットのデータを加算する。データの加算は、上述した方法や公知の方法で行うことが可能である。なお、サンプリング方向に完全に一致したネットワークを形成できない場合には、サンプリング方向に最も近いネットワークを形成して処理を行えばよい。   When adding data in the sampling direction, a network is formed along the sampling direction, and the data of the tactile sensor units on the network are added. The addition of data can be performed by the above-described method or a known method. If a network that completely matches the sampling direction cannot be formed, the network closest to the sampling direction may be formed for processing.

また、本発明の触覚センサ装置では、得られたデータをフィルタ処理することによって、押圧されている領域の輪郭を抽出したり、ノイズを減らしたりすることも可能である。たとえば、3列×3行の9つの触覚センサユニットでネットワークを構築し、その領域内のデータの1次微分(または差分)を行うことによって輪郭を抽出することが可能である。そのような処理は、画像処理の分野でよく知られている。フィルタ処理において、たとえば、画像処理でよく知られているゾーベルフィルタ(Sobel Filter)や、プレヴィットフィルタ(Prewitt Filter)を適用してもよい。   In the tactile sensor device of the present invention, it is also possible to extract the contour of the pressed area or reduce noise by filtering the obtained data. For example, it is possible to extract a contour by constructing a network with nine tactile sensor units of 3 columns × 3 rows, and performing first-order differentiation (or difference) of data in the region. Such processing is well known in the field of image processing. In the filter processing, for example, a Sobel filter well-known in image processing or a Previtt filter may be applied.

なお、本発明の触覚センサでは、図11に示すように、すべての触覚センサ100が、同一の方向に向けて配置されてもよい。図11には、プロセッサ要素を示していないが、プロセッサ要素は、1つ以上の触覚センサ100に接続される。また、以上の例では、触覚センサ100を用いた触覚センサ装置について説明したが、触覚センサ100以外の他のセンサを用いてもよい。   In the tactile sensor of the present invention, as shown in FIG. 11, all the tactile sensors 100 may be arranged in the same direction. Although the processor element is not shown in FIG. 11, the processor element is connected to one or more tactile sensors 100. In the above example, the tactile sensor device using the tactile sensor 100 has been described, but other sensors other than the tactile sensor 100 may be used.

本発明の触覚センサ装置におけるデータの処理では、撮像素子などの画像処理において提案されている方法を用いてもよい。たとえば、特開2001−195564号公報、特開2003−218338号公報、および電子情報通信学会論文誌「ビジョンチップのための動的再構成可能なSIMDプロセッサ」(Vol.J86−D−II, No.11, pp.1575−1585, 2003年11月)に開示されている方法を用いてもよい。   In the data processing in the tactile sensor device of the present invention, a method proposed in image processing such as an image sensor may be used. For example, JP 2001-195564 A, JP 2003-218338 A, and the IEICE Transactions on Dynamically Reconfigurable SIMD Processors for Vision Chips (Vol. J86-D-II, No. 11, pp. 1575-1585, November 2003) may be used.

本発明の触覚センサ装置は、触覚センサを備える義手や義足、および触覚センサを備えるロボットの人工皮膚に用いることが可能である。また、本発明の触覚センサ装置は、ハンドル、階段、通路などに埋め込んで、人の動きを感知・予測する装置の一部として用いることもできる。また、上述したように、発明の触覚センサ装置を用いて、押圧されている領域の輪郭を抽出することも可能である。たとえば、図12(a)に示すような物体が触覚センサ装置上に配置された場合、取得されたデータを処理することによって、図12(b)に示すように、押圧されている領域の輪郭のデータを得ることが可能である。そのため、本発明の触覚センサ装置は、その上に置かれた物体の形状や輪郭を認識する装置として用いることもできる。   The tactile sensor device of the present invention can be used for artificial hands and prosthetic legs having a tactile sensor, and artificial skin of a robot having a tactile sensor. The tactile sensor device of the present invention can be embedded in a handle, a staircase, a passage or the like and used as a part of a device that senses and predicts human movement. As described above, it is also possible to extract the contour of the pressed area using the tactile sensor device of the invention. For example, when an object as shown in FIG. 12A is arranged on the tactile sensor device, the acquired data is processed to obtain the contour of the pressed area as shown in FIG. It is possible to obtain the data. Therefore, the tactile sensor device of the present invention can be used as a device for recognizing the shape and contour of an object placed thereon.

[触覚センサの製造方法]
本発明の触覚センサ装置は、半導体素子の製造に用いられている公知の方法を組み合わせて形成できる。以下、触覚センサ300を例に挙げて製造方法の一例を説明する。なお、各触覚センサユニットのプロセッサ要素は、触覚センサと同一の基板上に直接形成してもよいし、回路が組み込まれた素子を基板上にマウントすることによって配置してもよい。
[Manufacturing method of tactile sensor]
The tactile sensor device of the present invention can be formed by combining known methods used for manufacturing semiconductor elements. Hereinafter, an example of the manufacturing method will be described using the tactile sensor 300 as an example. Note that the processor element of each tactile sensor unit may be formed directly on the same substrate as the tactile sensor, or may be arranged by mounting an element incorporating a circuit on the substrate.

製造工程を図13(a)〜(f)に示す。なお、図13(a)、(c)および(e)は上面図であり、図13(b)、(d)および(f)はそれらに対応する断面図である。   A manufacturing process is shown to Fig.13 (a)-(f). 13A, 13C, and 13E are top views, and FIGS. 13B, 13D, and 13F are cross-sectional views corresponding thereto.

まず、Si単結晶からなる基板101(厚さ400μm)上に、SiO2層221(厚さ400nm)およびSi層(厚さ20nm)が形成されたSOI基板((100)面)を用意する。この基板上に、Si層(厚さ80nm)をエピタキシャル成長させて、Si層222(厚さ100nm)を形成する。次に、SiGe層223、Si層224、SiGe層225、およびSi層226を順次エピタキシャル成長させ、積層部202を形成する。エピタキシャル成長は、通常の条件で行うことができる。たとえば、基板温度550℃、成長速度60nm/hの条件で行うことができる。また、Geはクヌーセンセルで供給してもよく、SiはEB蒸着で供給してもよい。 First, an SOI substrate ((100) surface) in which a SiO 2 layer 221 (thickness 400 nm) and a Si layer (thickness 20 nm) are formed on a substrate 101 (thickness 400 μm) made of Si single crystal is prepared. A Si layer (thickness 80 nm) is epitaxially grown on the substrate to form a Si layer 222 (thickness 100 nm). Next, the SiGe layer 223, the Si layer 224, the SiGe layer 225, and the Si layer 226 are sequentially epitaxially grown to form the stacked unit 202. Epitaxial growth can be performed under normal conditions. For example, it can be performed under conditions of a substrate temperature of 550 ° C. and a growth rate of 60 nm / h. Ge may be supplied by a Knudsen cell, and Si may be supplied by EB vapor deposition.

このようにして、図13(a)および(b)に示すように、基板101上に多層膜を形成する。次に、図13(c)および(d)に示すように、多層膜の一部をエッチングして、3種類の溝11、12および13を形成する。それらの溝は、フォトリソグラフィーとエッチングとを組み合わせることによって形成できる。溝11は、第1および第2の折り曲げ部331および332(図3(b)参照)に対応する位置に形成される。溝11は、Si層226とSiGe層225とをエッチングすることによって形成できる。溝12は、第3の折り曲げ部333(図3(b)参照)に対応する位置に形成される。溝12は、Si層226、SiGe層225およびSi層224をエッチングすることによって形成できる。溝13は、積層部202を切り出して起立部303を形成するための溝である。溝13は、SiO2層221に到達するように形成される。溝13は、Si層226、SiGe層225、Si層224、SiGe層223およびSi層222をエッチングすることによって形成できる。Si層は、たとえばNH3水溶液でエッチングできる。また、SiGe層は、たとえばHF/H22/CH3COOHの混合水溶液でエッチングできる。また、溝13を形成する場合には、Si層およびSiGe層をHF/HNO3/CH3COOHの混合水溶液でエッチングしてもよい。 In this way, a multilayer film is formed on the substrate 101 as shown in FIGS. Next, as shown in FIGS. 13C and 13D, a part of the multilayer film is etched to form three types of grooves 11, 12, and 13. These grooves can be formed by combining photolithography and etching. The groove 11 is formed at a position corresponding to the first and second bent portions 331 and 332 (see FIG. 3B). The groove 11 can be formed by etching the Si layer 226 and the SiGe layer 225. The groove 12 is formed at a position corresponding to the third bent portion 333 (see FIG. 3B). The groove 12 can be formed by etching the Si layer 226, the SiGe layer 225, and the Si layer 224. The groove 13 is a groove for cutting the stacked portion 202 to form the upright portion 303. The groove 13 is formed so as to reach the SiO 2 layer 221. The groove 13 can be formed by etching the Si layer 226, the SiGe layer 225, the Si layer 224, the SiGe layer 223, and the Si layer 222. The Si layer can be etched with, for example, an NH 3 aqueous solution. The SiGe layer can be etched with, for example, a mixed aqueous solution of HF / H 2 O 2 / CH 3 COOH. When forming the groove 13, the Si layer and the SiGe layer may be etched with a mixed aqueous solution of HF / HNO 3 / CH 3 COOH.

次に、Si層226上の所定の位置に、第1および第2の電極341および342を形成する。このとき、電極に接続された配線(図示せず)も形成する。これらの電極および配線は、蒸着法などの公知の方法で形成できる。   Next, first and second electrodes 341 and 342 are formed at predetermined positions on the Si layer 226. At this time, a wiring (not shown) connected to the electrode is also formed. These electrodes and wiring can be formed by a known method such as vapor deposition.

次に、起立部303となる部分に対応する位置に存在するSiO2層221を除去する。SiO2層221の除去は、溝13を介してウェットエッチングで行うことができる。エッチング液には、たとえばフッ酸(HF水溶液)を用いることができる。起立部303となる部分の下方に存在するSiO2層221を除去すると、3つの折れ曲がり部で半導体層が折れ曲がる。 Next, the SiO 2 layer 221 present at the position corresponding to the portion that becomes the standing portion 303 is removed. The removal of the SiO 2 layer 221 can be performed by wet etching through the groove 13. For example, hydrofluoric acid (HF aqueous solution) can be used as the etching solution. When the SiO 2 layer 221 existing below the portion that becomes the upright portion 303 is removed, the semiconductor layer is bent at the three bent portions.

溝11の部分では、SiGe層223が、それよりも格子定数が小さい2つのSi層222(厚さ100nm)とSi層224(厚さ200nm)とで挟まれている。したがって、厚いSi層224がSiGe223に及ぼす応力は、薄いSi層222がSiGe層223に及ぼす応力よりも大きく、そのために、それらの3つの層はSi層224側に折れ曲がる。一方、溝12の部分では、Si層222およびSiGe層223のみが存在するため、それら2つの層がSi層222側に折れ曲がる。このようにして、3つの箇所で半導体層が折り曲げられ、図3に示すような起立部303が形成される。   In the groove 11 portion, the SiGe layer 223 is sandwiched between two Si layers 222 (thickness 100 nm) and Si layer 224 (thickness 200 nm) having a smaller lattice constant. Therefore, the stress that the thick Si layer 224 exerts on the SiGe 223 is larger than the stress that the thin Si layer 222 exerts on the SiGe layer 223, and therefore, these three layers bend toward the Si layer 224 side. On the other hand, since only the Si layer 222 and the SiGe layer 223 are present in the groove 12, the two layers are bent toward the Si layer 222 side. In this way, the semiconductor layer is bent at three locations, and the standing portion 303 as shown in FIG. 3 is formed.

次に、基板101および起立部303を覆うように被膜104を形成する。被膜104は、たとえば、被膜104の材料を基板101上に塗布したのち、その材料を硬化させることによって形成できる。被膜104の材料は、スピンコート法のような公知の方法で塗布できる。被膜104の材料の硬化の方法は、その材料に応じて選択される。このようにして触覚センサ300が形成される。   Next, the film 104 is formed so as to cover the substrate 101 and the upright portion 303. The coating 104 can be formed, for example, by applying the material of the coating 104 on the substrate 101 and then curing the material. The material of the film 104 can be applied by a known method such as a spin coating method. The method of curing the material of the coating 104 is selected according to the material. In this way, the tactile sensor 300 is formed.

なお、触覚センサ300以外の他の触覚センサも、同様の方法で形成できる。触覚センサ100、200および400を形成する場合の溝のパターンを、それぞれ、図14(a)、(b)および(c)に示す。図14(a)において、溝13は、SiO2層まで到達する溝である。なお、図14(b)では、第1の折り曲げ部に幅が狭い2本の溝11を形成しているが、幅が広い1本の溝11としてもよい。 Note that other tactile sensors other than the tactile sensor 300 can be formed by the same method. The groove patterns for forming the tactile sensors 100, 200 and 400 are shown in FIGS. 14A, 14B and 14C, respectively. In FIG. 14A, the groove 13 is a groove reaching the SiO 2 layer. In FIG. 14B, two narrow grooves 11 are formed in the first bent portion, but a single wide groove 11 may be used.

上記製造方法によれば、複数の触覚センサを同一基板上に同時に形成することが可能であり、本発明の触覚センサユニットを容易に製造できる。なお、上記製造方法は一例であり、本発明の触覚センサは他の方法で形成してもよい。たとえば、基板上の各層は、その層に応じて、蒸着法、CVD法、その他の各種エピタキシャル法で形成できる。また、折り曲げ部に形成される溝を形成する際のエッチング法は、積層部を構成する半導体層に応じて任意の方法を適用できる。   According to the manufacturing method, a plurality of tactile sensors can be simultaneously formed on the same substrate, and the tactile sensor unit of the present invention can be easily manufactured. In addition, the said manufacturing method is an example and you may form the tactile sensor of this invention by another method. For example, each layer on the substrate can be formed by vapor deposition, CVD, or other various epitaxial methods depending on the layer. As an etching method for forming the groove formed in the bent portion, an arbitrary method can be applied depending on the semiconductor layer constituting the stacked portion.

上記実施形態では、Si層とSiGe層とを積層した多層膜を用いる例について説明したが、III−V族化合物半導体を用いても同様のセンサを形成できる。なお、折れ曲がり部の角度は、半導体層の厚さや組成、溝の幅によって制御できる。たとえば、In0.2Ga0.8As層とGaAs層とで構成された折れ曲がり部の場合であって、それらが上述した厚さ程度の層である場合には、GaAs層の曲率半径は、通常、以下の式で近似される。
R=(a/Δa)・{(t1+t2)/2}
ここで、aはGaAs層の格子定数であり、5.6533オングストロームである。また、Δaは、In0.2Ga0.8As層の格子定数(5.7343オングストローム)とGaAs層の格子定数との差である。また、t1はIn0.2Ga0.8As層の厚さ(単位:オングストローム)であり、t2はGaAs層の厚さ(単位:オングストローム)である。
In the above-described embodiment, the example using the multilayer film in which the Si layer and the SiGe layer are stacked has been described. However, a similar sensor can be formed using a III-V group compound semiconductor. Note that the angle of the bent portion can be controlled by the thickness and composition of the semiconductor layer and the width of the groove. For example, in the case of a bent portion composed of an In 0.2 Ga 0.8 As layer and a GaAs layer, and when these are layers having the thicknesses described above, the radius of curvature of the GaAs layer is usually as follows: It is approximated by the formula.
R = (a / Δa) · {(t1 + t2) / 2}
Here, a is a lattice constant of the GaAs layer and is 5.6533 angstroms. Δa is the difference between the lattice constant (5.7343 Å) of the In 0.2 Ga 0.8 As layer and the lattice constant of the GaAs layer. T1 is the thickness of the In 0.2 Ga 0.8 As layer (unit: angstrom), and t2 is the thickness of the GaAs layer (unit: angstrom).

以上、本発明の実施形態について例を挙げて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の技術的思想に基づいて他の実施形態に適用できる。   The embodiments of the present invention have been described above by way of examples, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be applied to other embodiments based on the technical idea of the present invention.

本発明の触覚センサ装置は、外圧を感知する装置として様々な分野に適用できる。   The tactile sensor device of the present invention can be applied to various fields as a device for sensing external pressure.

本発明で用いられる触覚センサの一例を模式的に示す(a)斜視図および(b)断面図である。It is (a) perspective view and (b) sectional view showing typically an example of a tactile sensor used by the present invention. 本発明で用いられる触覚センサの他の一例を模式的に示す(a)斜視図および(b)断面図である。It is (a) perspective view and (b) sectional drawing which show typically another example of the tactile sensor used by this invention. 本発明で用いられる触覚センサのその他の一例を模式的に示す(a)斜視図および(b)断面図である。It is the (a) perspective view and (b) sectional drawing which show typically another example of the tactile sensor used by this invention. 本発明で用いられる触覚センサのその他の一例の一部を模式的に示す(a)斜視図および(b)断面図である。It is (a) perspective view and (b) sectional view showing typically some other examples of a tactile sensor used by the present invention. 図4の触覚センサの構造を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the structure of the tactile sensor of FIG. 本発明で用いられる触覚センサユニットの一例について、(a)構成を模式的に示す上面図、および(b)触覚センサの配置を示す斜視図である。1A is a top view schematically showing a configuration of an example of a touch sensor unit used in the present invention, and FIG. 2B is a perspective view showing an arrangement of touch sensors. 本発明の触覚センサ装置の一例の構成を模式的に示す上面図である。It is a top view which shows typically the structure of an example of the tactile sensor apparatus of this invention. 図7に示した触覚センサ装置について、プロセッサ要素および演算器等の結合状態を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the combined state of a processor element, a calculator, etc. about the tactile sensor apparatus shown in FIG. 図7に示した触覚センサ装置について、各構成要素の関係を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the relationship of each component about the tactile sensor apparatus shown in FIG. 本発明の触覚センサユニットを用いて押圧部の形状を認識する方法の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the method of recognizing the shape of a press part using the tactile sensor unit of this invention. 本発明の触覚センサ装置の他の例を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the other example of the tactile sensor apparatus of this invention. 本発明の触覚センサ装置を用いて物体の輪郭を認識する方法の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the method of recognizing the outline of an object using the tactile sensor apparatus of this invention. 本発明の触覚センサ装置の製造方法の一例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically an example of the manufacturing method of the tactile sensor apparatus of this invention. 本発明の触覚センサ装置の製造方法の他の例を模式的に示す上面図である。It is a top view which shows typically the other example of the manufacturing method of the tactile sensor apparatus of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

11、12、13 溝
100、200、300、400 触覚センサ
101 基板
102、202 積層部
103、203、303、403 起立部
104 被膜
121、221 SiO2
122、223、225 SiGe層
123、222、224、226 Si層
124 p−Si層(ピエゾ抵抗素子)
231、331、332、333、431、432、433 折り曲げ部
232 ピエゾ抵抗素子
303a 対向部
303b 先端部
341、342、441、442 電極(検出手段)
403a スライド部
440 カバー
443 誘電体層
500 触覚センサユニット
510 プロセッサ要素
600 触覚センサ装置
701 演算器
702 メモリ
703 統制用演算器
11, 12, 13 Groove 100, 200, 300, 400 Tactile sensor 101 Substrate 102, 202 Laminated portion 103, 203, 303, 403 Standing portion 104 Coating 121, 221 SiO 2 layer 122, 223, 225 SiGe layer 123, 222, 224, 226 Si layer 124 p-Si layer (piezoresistive element)
231, 331, 332, 333, 431, 432, 433 Bending part 232 Piezoresistive element 303a Opposing part 303b Tip part 341, 342, 441, 442 Electrode (detection means)
403a Slide unit 440 Cover 443 Dielectric layer 500 Touch sensor unit 510 Processor element 600 Touch sensor device 701 Calculator 702 Memory 703 Control calculator

Claims (5)

複数の触覚センサユニットを含む触覚センサ装置であって、
前記触覚センサユニットは、少なくとも1つの触覚センサと、前記少なくとも1つの触覚センサからの出力を処理するプロセッサ要素とを含み、
前記触覚センサユニットの前記プロセッサ要素は、前記触覚センサから得たデータを伝達することができるように、隣接する前記触覚センサユニットの前記プロセッサ要素に接続されており、
前記触覚センサは、基板と前記基板の上に配置された被膜とを含み、前記被膜に加えられた力を検出するセンサであり、
前記触覚センサは、前記基板の上に前記基板側から順に配置された第1および第2の層を含む積層部と、前記第1および第2の層を前記第2の層側に曲げることによって形成された起立部と、前記起立部の変形を検出するための検出手段とをさらに含み、
前記積層部および前記起立部は、それぞれ、互いに格子定数が異なる複数の層を含み、
前記第1および第2の層は、前記複数の層における格子定数の差によって生じた力によって曲げられており、
前記起立部と前記被膜とが接触しており、
前記被膜に力が加えられることによって前記起立部が変形する、触覚センサ装置。
A tactile sensor device including a plurality of tactile sensor units,
The tactile sensor unit includes at least one tactile sensor and a processor element that processes output from the at least one tactile sensor;
The processor element of the tactile sensor unit is connected to the processor element of the adjacent tactile sensor unit so that data obtained from the tactile sensor can be transmitted;
The tactile sensor includes a substrate and a film disposed on the substrate, and detects a force applied to the film.
The tactile sensor includes a laminated portion including first and second layers arranged in order from the substrate side on the substrate, and bending the first and second layers to the second layer side. And further comprising a formed upright portion and a detecting means for detecting deformation of the upright portion,
Each of the stacked portion and the standing portion includes a plurality of layers having different lattice constants from each other,
The first and second layers are bent by a force generated by a difference in lattice constant in the plurality of layers,
The upright part and the coating are in contact with each other;
The tactile sensor device, wherein the upright portion is deformed when a force is applied to the coating.
1つの領域内に存在する複数の前記触覚センサユニットに含まれる前記触覚センサの出力データの特徴量が、前記領域内にある少なくとも1つの前記プロセッサ要素によって抽出されて出力される請求項1に記載の触覚センサ装置。   The feature amount of the output data of the tactile sensor included in the plurality of tactile sensor units existing in one area is extracted and output by at least one processor element in the area. Tactile sensor device. 前記領域内に存在する複数の前記プロセッサ要素がネットワークを形成することによって、前記特徴量が抽出される請求項2に記載の触覚センサ装置。   The tactile sensor device according to claim 2, wherein the feature amount is extracted when a plurality of the processor elements existing in the region form a network. 前記複数の触覚センサユニットがマトリクス状に配置されており、
外縁部以外の位置に配置された前記触覚センサユニットの前記プロセッサ要素は、前記触覚センサから得たデータを伝達することができるように、隣接する4つ以上の前記触覚センサユニットの前記プロセッサ要素に接続されている請求項1〜3のいずれかに記載の触覚センサ装置。
The plurality of tactile sensor units are arranged in a matrix,
The processor element of the tactile sensor unit arranged at a position other than the outer edge can transmit data obtained from the tactile sensor to the processor elements of four or more adjacent tactile sensor units. The tactile sensor device according to claim 1, which is connected.
複数の前記プロセッサ要素に接続された演算器をさらに備える請求項1〜4のいずれかに記載の触覚センサ装置。   The tactile sensor device according to claim 1, further comprising a computing unit connected to the plurality of processor elements.
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