JP5148219B2

JP5148219B2 - 触覚センサユニットおよびその製造方法

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Publication number: JP5148219B2
Application number: JP2007237654A
Authority: JP
Inventors: 俊介吉田; 春生野間; 晃一溝田; 克己樋口; 岳金島
Original assignee: Nitta Corp; ATR Advanced Telecommunications Research Institute International
Current assignee: Nitta Corp; ATR Advanced Telecommunications Research Institute International
Priority date: 2007-09-13
Filing date: 2007-09-13
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2027-09-13
Also published as: JP2009068988A

Description

本発明は、触覚センサユニットおよびその製造方法に関する。

マルチモーダルなインタラクション環境を実現するために、コンピュータからユーザに情報を提示する機能とともに、コンピュータが外界の状況を知覚する機能の研究開発が行われている。人の皮膚のように接触面の圧力および剪断力を同時に検出することが可能な触覚センサは、遠隔地の物理的な接触状況を把握するため、およびロボットが確実に物を操作しかつ安全に人と接するために必要である。

このような機能を実現する触覚センサとして、ナノ薄膜生成技術により作製される微小な４本のカンチレバー（片持ち梁）を用いて圧力および剪断力を同時に検出可能な多軸触覚センサの開発が進められている（非特許文献１参照）。
「ナノ薄膜生成技術を応用した集積多軸触覚センサによる形状認識手法の検討」日本ＶＲ学会第１１回大会，pp.261-262,2006

しかしながら、上記の多軸触覚センサは微小なカンチレバーからなるため、製造条件のばらつきにより印加された圧力および剪断力と出力値との関係を一定にすることが困難である。そのため、圧力および剪断力を同時にかつ高精度に検出することが可能な触覚センサは実現されていなかった。

本発明の目的は、圧力および剪断力を同時にかつ高精度に検出することが可能な触覚センサユニットおよびその製造方法を提供することである。

（１）第１の発明に係る触覚センサユニットは、印加された圧力ならびに互いに異なる方向の第１および第２の剪断力に対応する出力値を与える触覚センサと、触覚センサに印加される圧力と触覚センサの出力値との関係を示す第１の関数またはその第１の関数の第１の係数群、触覚センサに印加される第１の剪断力と触覚センサの出力値との関係を示す第２の関数またはその第２の関数の第２の係数群、および触覚センサに印加される第２の剪断力と触覚センサの出力値との関係を示す第３の関数またはその第３の関数の第３の係数群を予め記憶する記憶手段と、使用時に、記憶手段に記憶された第１、第２および第３の関数または第１、第２および第３の係数群に基づいて、第１、第２および第３の関数を用いて触覚センサの出力値を圧力、第１の剪断力および第２の剪断力を示す検出値に変換する出力変換手段とを備え、触覚センサは、基板と、基板上に異なる向きに設けられ、半導体材料からなるカンチレバーをそれぞれ有する少なくとも３つのセンサ素子と、少なくとも３つのセンサ素子を被覆する弾性を有する被覆層と、少なくとも３つのセンサ素子のカンチレバーのピエゾ抵抗の変化により変化する信号をそれぞれ出力する出力回路とを含み、触覚センサの出力値は、少なくとも３つのセンサ素子に対応して出力回路から出力される少なくとも３つの信号を含み、第１の係数群は、少なくとも３つの信号にそれぞれ対応して予め決定された値をそれぞれ有する複数の第１の係数および他の第１の係数を含み、第１の関数は、少なくとも３つの信号とそれぞれに対応する第１の係数との積和に他の第１の係数を加算する演算式の二乗であり、第２の係数群は、少なくとも３つの信号にそれぞれ対応して予め決定された値をそれぞれ有する複数の第２の係数および他の第２の係数を含み、第２の関数は、少なくとも３つの信号とそれぞれに対応する第２の係数との積和に他の第２の係数を加算する演算式の二乗であり、第３の係数群は、少なくとも３つの信号にそれぞれ対応して予め決定された値をそれぞれ有する複数の第３の係数および他の第３の係数を含み、第３の関数は、少なくとも３つの信号とそれぞれに対応する第３の係数との積和に他の第３の係数を加算する演算式の二乗であるものである。

その触覚センサユニットの触覚センサにおいては、基板上に半導体材料からなるカンチレバーをそれぞれ有する少なくとも３つのセンサ素子が異なる向きに設けられ、それらのセンサ素子が弾性を有する被覆層で被覆される。それにより、触覚センサの被覆層に圧力、第１の剪断力および第２の剪断力が印加されると、センサ素子から印加された圧力、第１の剪断力および第２の剪断力に対応する出力値が与えられる。

記憶手段には、触覚センサに印加される圧力と触覚センサの出力値との関係を示す第１の関数またはその第１の関数の第１の係数群、触覚センサに印加される第１の剪断力と触覚センサの出力値との関係を示す第２の関数またはその第２の関数の第２の係数群、および触覚センサに印加される第２の剪断力と触覚センサの出力値との関係を示す第３の関数またはその第３の関数の第３の係数群が予め記憶される。触覚センサユニットの使用時には、記憶手段に記憶された第１、第２および第３の関数または第１、第２および第３の係数群に基づいて、第１、第２および第３の関数を用いて出力変換手段により触覚センサの出力値が圧力、第１の剪断力および第２の剪断力を示す検出値に変換される。

それにより、触覚センサの特性にばらつきがある場合または複数のセンサ素子間で特性が異なる場合にも、触覚センサに印加される圧力、第１の剪断力および第２の剪断力を同時にかつ簡単な処理で高精度に検出することができる。

（２）センサ素子の各々は、基板上に第１の膜からなる支持部および第２の膜からなる可動部をこの順に備え、第２の膜は半導体材料からなり、第１の格子定数を有する第１の層と、第１の格子定数よりも小さな第２の格子定数を有する第２の層とを順に含み、第１および第２の層の少なくとも一方は、不純物元素の添加により一導電型を有し、第１の格子定数と第２の格子定数との差に起因して可動部が湾曲するとともに、可動部の一部が支持部を介して基板に固定され、可動部がカンチレバーであってもよい。

この場合、各センサ素子のピエゾ抵抗の変化量を検出することにより、被覆層の表面に印加される圧力、第１の剪断力および第２の剪断力をより高感度で検出することができる。

（３）触覚センサユニットは、触覚センサに印加される圧力、第１の剪断力および第２の剪断力と触覚センサの出力値とに基づいて第１、第２および第３の係数群を算出する算出手段をさらに備えてもよい。

この場合、任意のタイミングで触覚センサに印加される圧力、第１の剪断力および第２の剪断力と触覚センサの出力値とに基づいて第１、第２および第３の係数群が算出手段により算出され、算出された第１、第２および第３の係数群をそれぞれ含む第１、第２および第３の関数、または第１、第２および第３の係数群が記憶手段に記憶される。それにより、任意のタイミングで触覚センサに印加される圧力、第１の剪断力および第２の剪断力と触覚センサの出力値との関係を修正することができる。

（４）第２の発明に係る触覚センサユニットの製造方法は、印加された圧力ならびに互いに異なる方向の第１および第２の剪断力に対応する出力値を与える触覚センサと、触覚センサに印加される圧力と触覚センサの出力値との関係を示す第１の関数またはその第１の関数の第１の係数群、触覚センサに印加される第１の剪断力と触覚センサの出力値との関係を示す第２の関数またはその第２の関数の第２の係数群、および触覚センサに印加される第２の剪断力と触覚センサの出力値との関係を示す第３の関数またはその第３の関数の第３の係数群を予め記憶するための記憶手段と、触覚センサの出力値を記憶手段に記憶された第１、第２および第３の関数または第１、第２および第３の係数群に基づいて、第１、第２および第３の関数を用いて圧力、第１の剪断力および第２の剪断力を示す検出値に変換する出力変換手段とを作製する工程と、触覚センサに圧力、第１の剪断力および第２の剪断力を印加するとともに触覚センサの出力値を取得する工程と、印加される圧力、第１の剪断力および第２の剪断力と取得される出力値とに基づいて第１、第２および第３の係数群を算出する工程と、算出された第１、第２および第３の係数群をそれぞれ含む第１、第２および第３の関数、または第１、第２および第３の係数群を記憶手段に記憶させる工程とを備え、触覚センサは、基板と、基板上に異なる向きに設けられ、半導体材料からなるカンチレバーをそれぞれ有する少なくとも３つのセンサ素子と、少なくとも３つのセンサ素子を被覆する弾性を有する被覆層と、少なくとも３つのセンサ素子のカンチレバーのピエゾ抵抗の変化により変化する信号をそれぞれ出力する出力回路とを含み、触覚センサの出力値は、少なくとも３つのセンサ素子に対応して出力回路から出力される少なくとも３つの信号を含み、第１の係数群は、少なくとも３つの信号にそれぞれ対応して予め決定された値をそれぞれ有する複数の第１の係数および他の第１の係数を含み、第１の関数は、少なくとも３つの信号とそれぞれに対応する第１の係数との積和に他の第１の係数を加算する演算式の二乗であり、第２の係数群は、少なくとも３つの信号にそれぞれ対応して予め決定された値をそれぞれ有する複数の第２の係数および他の第２の係数を含み、第２の関数は、少なくとも３つの信号とそれぞれに対応する第２の係数との積和に他の第２の係数を加算する演算式の二乗であり、第３の係数群は、少なくとも３つの信号にそれぞれ対応して予め決定された値をそれぞれ有する複数の第３の係数および他の第３の係数を含み、第３の関数は、少なくとも３つの信号とそれぞれに対応する第３の係数との積和に他の第３の係数を加算する演算式の二乗であるものである。

その製造方法によれば、触覚センサ、記憶手段および出力変換手段が作製される。次に、触覚センサに圧力、第１の剪断力および第２の剪断力が印加されるとともに触覚センサの出力値が取得される。そして、印加される圧力、第１の剪断力および第２の剪断力と取得される出力値とに基づいて触覚センサに印加される圧力と触覚センサの出力値との関係を示す第１の関数の第１の係数群、触覚センサに印加される第１の剪断力と触覚センサの出力値との関係を示す第２の関数の第２の係数群、および触覚センサに印加される第２の剪断力と触覚センサの出力値との関係を示す第３の関数の第３の係数群が算出される。その後、算出された第１、第２および第３の係数群をそれぞれ含む第１、第２および第３の関数、または第１、第２および第３の係数群が記憶手段に記憶される。

このようにして製造された触覚センサユニットの触覚センサにおいては、基板上に半導体材料からなるカンチレバーをそれぞれ有する少なくとも３つのセンサ素子が異なる向きに設けられ、それらのセンサ素子が弾性を有する被覆層で被覆される。それにより、触覚センサの被覆層に圧力、第１の剪断力および第２の剪断力が印加されると、センサ素子から印加された圧力、第１の剪断力および第２の剪断力に対応する出力値が与えられる。

記憶手段には、第１、第２および第３の係数群をそれぞれ含む第１、第２および第３の関数、または第１、第２および第３の係数群が予め記憶される。触覚センサユニットの使用時には、記憶手段に記憶された第１、第２および第３の関数または第１、第２および第３の係数群に基づいて、第１、第２および第３の関数を用いて出力変換手段により触覚センサの出力値が圧力、第１の剪断力および第２の剪断力を示す検出値に変換される。

本発明によれば、触覚センサの特性にばらつきがある場合または複数のセンサ素子間で特性が異なる場合にも、触覚センサに印加される圧力、第１の剪断力および第２の剪断力を同時にかつ高精度に検出することができる。

以下、本発明の実施の形態に係る触覚センサユニットおよびその製造方法について図面を参照しながら説明する。

（１）触覚センサシステム
図１は本発明の一実施の形態に係る触覚センサシステムを製造するための触覚センサ製造システムの構成を示すブロック図である。

図１に示す触覚センサ製造システムは、触覚センサユニット１、関数算出部２および測定装置３により構成される。

触覚センサユニット１は、触覚センサ２００、出力変換部３００および関数記憶部４００により構成される。

触覚センサ２００の構成については後述する。出力変換部３００は、マイクロコンピュータまたはゲートアレイ等により構成される。関数記憶部４００は、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）または不揮発性ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等により構成される。関数算出部２は、パーソナルコンピュータまたはゲートアレイ等により構成される。なお、触覚センサユニット１が関数算出部２を内蔵してもよい。

測定装置３は、触覚センサユニット１の触覚センサ２００に圧力および剪断力を印加するとともに、触覚センサ２００に実際に印加された圧力および剪断力を測定する。以下、測定装置３により触覚センサ２００に印加された圧力および剪断力の測定値を印加値Ｆと呼ぶ。

触覚センサ２００は、印加された圧力および剪断力に応じたデジタル信号を出力する。以下、触覚センサ２００から出力されるデジタル信号を出力値Ｓと呼ぶ。

関数算出部２は、触覚センサ２００の出力値Ｓおよび測定装置３から出力される印加値Ｆに基づいて後述する方法で出力値Ｓと印加値Ｆとの関係を示す関数Ｇまたはその係数Ｃを算出する。本実施の形態では、関数算出部２は、関数Ｇとして一次式または二次式の係数を算出する。

関数記憶部４００は、関数算出部２により算出された関数Ｇまたはその係数Ｃを記憶する。本実施の形態では、関数記憶部４００は、関数Ｇとして一次関数または二次関数の係数を記憶する。

出力変換部３００は、触覚センサユニット１の使用時に、触覚センサ２００の出力値Ｓを関数記憶部４００に記憶される関数Ｇまたはその係数Ｃを用いて圧力および剪断力に対応する値に変換する。以下、出力変換部３００から出力される圧力および剪断力に対応する値を検出値Ｆｃと呼ぶ。

（２）触覚センサ２００の構成
図２は触覚センサユニット１の触覚センサ２００を示す概略斜視図である。

図２に示すように、触覚センサ２００は、複数のセンサ素子２０１，２０２，２０３，２０４を含む。本実施の形態では、触覚センサ２００は、４つのセンサ素子２０１，２０２，２０３，２０４を含む。

センサ素子２０１，２０２，２０３，２０４は、それぞれカンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４を含む。センサ素子２０１，２０２，２０３，２０４は、共通の結晶シリコン基板１０１に形成され、共通のエラストマー膜１０５により被覆されている。

以下、結晶シリコン基板１０１の表面に平行で互いに直交する２つの方向にＸ軸およびＹ軸を定義し、結晶シリコン基板１０１の表面に垂直な方向にＺ軸を定義する。結晶シリコン基板１０１の表面に向かう方向をＺ軸の正の方向とする。

結晶シリコン基板１０１には、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４のピエゾ抵抗の変化量をアナログ電圧の変化量に変換するブリッジ回路、ブリッジ回路の出力電圧を増幅する増幅器および増幅器の出力電圧をデジタル信号の出力値に変換するＡＤ変換器（アナログデジタル変換器）を含む出力回路（図示せず）が形成されている。詳細については後述する。

センサ素子２０１のカンチレバーＣＬ１とセンサ素子２０３のカンチレバーＣＬ３とが互いに対向し、センサ素子２０２のカンチレバーＣＬ２とセンサ素子２０４のカンチレバーＣＬ４とが互いに対向する。また、センサ素子２０１，２０３とセンサ素子２０２，２０４とは互いに直交する向きに配置されている。

本実施の形態においては、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３がＸ軸方向に沿うようにセンサ素子２０１，２０３が配置され、カンチレバーＣＬ３，ＣＬ４がＹ軸方向に沿うようにセンサ素子２０２，２０４が配置されている。ＸＹ面に沿って剪断力が印加され、Ｚ軸の正の方向に圧力が印加される。

（３）センサ素子の製造方法の一例
図３〜図８は図２の触覚センサ２００に含まれる１つのセンサ素子の製造方法の一例を示す工程図であり、（ａ）は模式的断面図、（ｂ）は模式的平面図である。図９はカンチレバーＣＬ１に接続される出力回路の一例を示す回路図である。

図３には、１つのセンサ素子２０１のみが示されるが、他のセンサ素子２０２，２０３，２０４もセンサ素子２０１と同時に同様の方法で形成される。

まず、図３に示すように、ＳＯＩ（Silicon On Insulator：絶縁体上シリコン）基板１０００を用意する。ＳＯＩ基板１０００は、結晶シリコン基板１０１、埋め込み酸化膜１０２および結晶シリコン膜１０３を有する。結晶シリコン膜１０３の厚さは、例えば、２００ｎｍである。埋め込み酸化膜１０２は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる。

次に、図４に示すように、熱拡散またはイオン注入により結晶シリコン膜１０３にホウ素（Ｂ）を添加する。これにより、結晶シリコン膜１０３は、ノンドープ層１０３ａとｐ型のドープ層１０３ｂとに分かれる。ドープ層１０３ｂの厚さは、例えば、１００ｎｍである。また、ドープ層１０３ｂにおけるホウ素の濃度は、例えば、０．２原子％（１０^２０／ｃｍ^３）である。

次に、図５に示すように、ＳＯＩ基板１０００の一端側でドープ層１０３ｂ上に、フォトリソグラフィ、および蒸着またはスパッタリングにより矩形の電極１０４ａ，１０４ｂを形成する。電極１０４ａ，１０４ｂは、例えば、アルミニウム（Ａｌ）からなる。

次に、図６に示すように、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、電極１０４ａ，１０４ｂ下の領域および中央部の略Ｕ字状の領域を除くノンドープ層１０３ａおよびドープ層１０３ｂを除去する。なお、エッチングとしては、例えば、ウェットエッチング法を用いることができる。エッチング液としては、例えば、２，６−ヒドロキシナフトエ酸（ＨＮＡ）を用いることができる。なお、上記略Ｕ字状に残されたノンドープ層１０３ａおよびドープ層１０３ｂが後述するカンチレバーＣＬ１となる。

次に、図７に示すように、エッチングにより埋め込み酸化膜１０２の所定の領域を除去する。エッチング液としては、例えば、フッ化水素（ＨＦ）を用いることができる。

ここで、上述したように、ドープ層１０３ｂは、結晶シリコン膜１０３（図２）にホウ素を添加することにより形成されている。また、ドープ層１０３ｂにおけるホウ素の濃度は、０．２原子％（１０^２０／ｃｍ^３）に設定されている。これにより、ドープ層１０３ｂの格子定数は、シリコン（Ｓｉ）の格子定数（約５．４２９５Å）に比べて約０．００２８Å小さくなっている。

この場合、ノンドープ層１０３ａとドープ層１０３ｂとの境界面において格子定数の差に起因して歪みが発生する。そのため、埋め込み酸化膜１０２の上記所定の領域を除去した場合、上記境界面の歪みを緩和するように、図７に示すようにノンドープ層１０３ａおよびドープ層１０３ｂの一端側が上方に向かって湾曲する。これにより、ＸＹ平面において略Ｕ字状でかつＸＺ平面において湾曲するカンチレバーＣＬ１が形成される。

なお、例えば、カンチレバーＣＬ１のＸＺ平面における曲率半径は約４００μｍであり、カンチレバーＣＬ１の長手方向の長さは約６００μｍである。また、ノンドープ層１０３ａとドープ層１０３ｂとの間に発生する歪みは、例えば、約５×１０^−４である。

次に、図７の状態で、水洗浄、ＩＰＡ（イソプロピルアルコール）置換、およびｔ−ブチルアルコール置換を行う。その後、フリーズドライ（真空凍結乾燥）を行う。

次に、図８に示すように、結晶シリコン基板１０１上で、埋め込み酸化膜１０２、ノンドープ層１０３ａ、ドープ層１０３ｂおよび電極１０４ａ，１０４ｂをエラストマー層１０５に埋設する。これにより、センサ素子２０１が完成する。なお、エラストマー層１０５としては、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂またはシリコン樹脂等を用いることができる。本実施の形態においては、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン：polydimethylsiloxane）樹脂を用いる。

このようにして作製されたセンサ素子２０１においては、略Ｕ字形状を有するｐ型のドープ層１０３ｂの一端に電極１０４ａが形成され、他端に電極１０４ｂが形成されている。これにより、ドープ層１０３ｂを、ピエゾ抵抗素子として機能させることができる。

エラストマー層１０５に圧力または剪断力が印加されると、エラストマー層１０５の内部応力が変化し、カンチレバーＣＬ１が変形する。それにより、ドープ層１０３ｂのピエゾ抵抗が変化する。

図９に示すように、カンチレバーＣＬ１の電極１０４ａ，１０４ｂには、外部抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３が接続され、カンチレバーＣＬ１、外部抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３および直流電源２１１によりブリッジ回路２１０が構成されている。ブリッジ回路２１０の出力電圧は増幅器２３０に与えられ、増幅器２３０の出力電圧がＡＤ変換器２４０に入力される。なお、図２のカンチレバーＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４にも、図９の出力回路と同様の出力回路が接続される。

ここで、カンチレバーＣＬ１の変形によりカンチレバーＣＬ１のピエゾ抵抗が変化する。このピエゾ抵抗の変化量がブリッジ回路２１０および増幅器２３０により電圧の変化として検出される。さらに、増幅器２３０の出力電圧がＡＤ変換器２４０によりデジタル信号の出力値Ｓ１に変換される。その結果、圧力および剪断力の大きさを検出することができる。

また、カンチレバーＣＬ１は、一端側が斜め上方に向かって湾曲している。このため、エラストマー層１０５において、図８に示す矢印Ａの方向に剪断力が印加された場合、カンチレバーＣＬ１は曲率半径が大きくなるように変形する。一方、エラストマー層１０５において、図８に示す矢印Ｂの方向に剪断力が印加された場合、カンチレバーＣＬ１は曲率半径が小さくなるように変形する。さらに、エラストマー層１０５において、図８に矢印Ｃの方向に圧力が印加された場合、カンチレバーＣＬ１は曲率半径が大きくなるように変形する。

そのため、矢印Ａの方向に剪断力が印加された場合と矢印Ｂの方向に剪断力が印加された場合とでは、ドープ層１０３ｂのピエゾ抵抗の変化の方向（増加する方向または減少する方向）が逆になる。また、矢印Ｃの方向に圧力が印加された場合は、ドープ層１０３ｂのピエゾ抵抗の変化の方向がそのカンチレバーＣＬ１の近傍の他のカンチレバー（図２におけるカンチレバーＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４）のピエゾ抵抗の変化の方向と同じになる。つまり、ピエゾ抵抗の変化の方向および変化量を検出することにより、エラストマー層１０５に印加される剪断力および圧力の方向および大きさを判別することができる。

他のセンサ素子２０２，２０３，２０４の動作は、センサ素子２０１の動作と同様である。

（４）触覚センサ２００による圧力および剪断力の検出
図２の触覚センサ２００において、センサ素子２０１，２０２，２０３，２０４の出力値をそれぞれＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４とする。ここで、Ｓ＝（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）である。

触覚センサ２００においては、センサ素子２０１，２０３が互いに対向しかつＸ軸方向に沿うように配置され、センサ素子２０２，２０４が互いに対向しかつＹ軸方向に沿うように配置されている。この場合、４つのセンサ素子２０１，２０２，２０３，２０４の出力値Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４に基づいて、触覚センサ２００に印加される圧力および剪断力を検出することができる。

（５）測定装置３の構成
図１０は図１の測定装置３の構成の一例を示す模式図である。図１０において、測定装置３は、コンピュータ３０、Ｚ軸駆動装置３１、６軸力センサ３２、加圧軸３３、円盤状の加圧板３４、ＸＹステージ３５およびＸＹ軸駆動装置３６により構成される。

ＸＹステージ３５上に触覚センサ２００が設置される。加圧軸３３は、Ｚ軸駆動装置３１の下部に６軸力センサ３２を介してＺ軸に沿って取り付けられる。加圧軸３３の下端に加圧板３４がＸＹ平面に平行に取り付けられる。Ｚ軸駆動装置３１およびＸＹ軸駆動装置３６は、コンピュータ３０により制御される。

コンピュータ３０は、Ｚ軸駆動装置３１に圧力の目標値Ｆｐを与えるとともに、ＸＹ軸駆動装置３６にＸ軸方向およびＹ軸方向の剪断力の目標値Ｆｓｘ，Ｆｓｙを与える。

Ｚ軸駆動装置３１は、目標値Ｆｐに基づいて、加圧板３４が触覚センサ２００に接した状態で矢印Ｐで示すように加圧軸３３を＋Ｚ軸方向に駆動する。それにより、触覚センサ２００に圧力が印加される。

また、ＸＹ軸駆動装置３６は、目標値Ｆｓｘに基づいて、矢印Ｑで示すようにＸＹステージ３５を＋Ｘ軸方向および−Ｘ軸方向に駆動する。それにより、触覚センサ２００に±Ｘ軸方向の剪断力が印加される。さらに、ＸＹ軸駆動装置３６は、目標値Ｆｓｙに基づいて、加圧板３４が触覚センサ２００に接した状態でＸＹステージ３５を＋Ｙ軸方向および−Ｙ軸方向に駆動する。それにより、触覚センサ２００に±Ｙ軸方向の剪断力が印加される。

６軸力センサ３２は、±Ｘ軸方向、±Ｙ軸方向および±Ｚ軸方向の力を測定し、測定値Ｆ’を出力する。コンピュータ３０は、６軸力センサ３２の測定値Ｆ’を印加値Ｆとして出力する。

（６）関数Ｇおよび係数Ｃの算出処理
関数Ｇおよび係数Ｃの算出処理は、触覚センサユニット１の製造時または製造後で出荷前の調整時に行われる。

印加値Ｆは、Ｘ軸方向の剪断力の印加値Ｆｘ、Ｙ軸方向の剪断力の印加値ＦｙおよびＺ軸方向の圧力の印加値Ｆｚからなる。また、関数Ｇは触覚センサ２００の出力値ＳとＸ軸方向の剪断力の印加値Ｆｘとの関係を示す関数Ｇｘ、触覚センサ２００の出力値ＳとＹ軸方向の剪断力の印加値Ｆｙとの関係を示す関数Ｇｙおよび触覚センサ２００の出力値ＳとＺ軸方向の圧力の印加値Ｆｚとの関係を示す関数Ｇｚからなる。さらに、触覚センサ２００の出力値Ｓはセンサ素子２０１，２０２，２０３，２０４の出力値Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４からなる。すなわち、印加値Ｆ、関数Ｇおよび出力値Ｓは次のようになる。

Ｆ＝（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ）
Ｇ＝（Ｇｘ，Ｇｙ，Ｇｚ）
Ｓ＝（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）
Ｆｘ＝Ｇｘ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４） …（ａ１）
Ｆｙ＝Ｇｙ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４） …（ａ２）
Ｆｚ＝Ｇｚ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４） …（ａ３）
まず、関数Ｇを算出するための教師データの取得処理を説明する。ここで、測定装置３による測定回数をＮとする。各測定で得られる印加値ＦをＦ_ｉとし、触覚センサ２００の出力値ＳをＳ_ｉとする。ここで、ｉは１からＮまでの自然数である。印加値Ｆ_ｉと出力値Ｓ_ｉとの組み合わせ（Ｆ_ｉ，Ｓ_ｉ）を教師データと呼ぶ。

図１１は関数Ｇの決定処理を示すフローチャートである。まず、測定装置３のＸＹステージ３５上に触覚センサ２００を設置する。また、測定装置３のコンピュータ３０に測定回数Ｎを入力するとともに触覚センサ２００に印加する圧力および剪断力の範囲を入力する。

最初に、コンピュータ３０は変数ｉをＮに設定する（ステップＳ１０１）。次に、コンピュータ３０は、入力された範囲内において触覚センサ２００に印加する圧力および剪断力を決定する（ステップＳ１０２）。この場合、入力された範囲内で圧力および剪断力をランダムに選択してもよく、あるいは均一に分散するように選択してもよい。

次いで、Ｚ軸駆動装置３１が加圧軸３３をＺ軸方向に駆動する（ステップＳ１０３）。また、ＸＹ軸駆動装置３６がＸＹステージ３５をＸ軸方向およびＹ軸方向に駆動する（ステップＳ１０４）。それにより、触覚センサ２００に圧力および剪断力が印加される。

この状態で６軸力センサ３２が±Ｘ軸方向、±Ｙ軸方向および±Ｚ軸方向の力を測定する（ステップＳ１０５）。コンピュータ３０は、６軸力センサ３２の測定値Ｆ’が決定された圧力および剪断力にほぼ達したか否かを判定する（ステップＳ１０６）。測定値Ｆ’が決定された圧力および剪断力にほぼ達していない場合には、ステップＳ１０３に戻り、ステップＳ１０３〜Ｓ１０６の処理を繰り返す。

測定値Ｆ’が決定された圧力および剪断力にほぼ達した場合には、コンピュータ３０は測定値Ｆ’を印加値Ｆ_ｉとして図１の関数算出部２に出力する。関数算出部２は、印加値Ｆ_ｉを記憶する（ステップＳ１０７）。また、関数算出部２は、このときの触覚センサ２００の出力値Ｓ_ｉを記憶する（ステップＳ１０８）。それにより、関数算出部２に、教師データ（Ｆ_ｉ，Ｓ_ｉ）が記憶される。

次に、コンピュータ３０は、変数ｉから１を減算する（ステップＳ１０９）。その後、コンピュータ３０は、変数ｉが０となったか否かを判定する（ステップＳ１１０）。変数ｉが０でない場合には、ステップＳ１０２に戻り、ステップＳ１０２〜Ｓ１１０の処理を繰り返す。

変数ｉが０の場合には、関数算出部２はＮ組の教師データ（Ｆ_１，Ｓ_１）〜（Ｆ_Ｎ，Ｓ_Ｎ）を用いて後述する方法で関数Ｇを算出する（ステップＳ１１１）。

次に、教師データ（Ｆ_１，Ｓ_１）〜（Ｆ_Ｎ，Ｓ_Ｎ）を用いた関数Ｇの算出方法について説明する。

各組の教師データ（Ｆ_ｉ，Ｓ_ｉ）により次の関数Ｇが定義される。

Ｆ_ｉ＝Ｇ（Ｓ_ｉ） …（ａ４）
実際には、印加値Ｆ_ｉおよび出力値Ｓ_ｉには種々の誤差が含まれるため、すべの組の教師データ（Ｆ_ｉ，Ｓ_ｉ）に共通の関数Ｇは求まらない。そこで、すべての組の教師データ（Ｆ_ｉ，Ｓ_ｉ）で最も誤差が小さくなるように単一の関数Ｇを算出する。

単一の関数Ｇを用いることにより生じる誤差ｅ_ｉを次式のように定義する。

ｅ_ｉ＝Ｆ_ｉ−Ｇ（Ｓ_ｉ） …（ａ５）
次式のように、すべての誤差ｅ_ｉの自乗和Ｅが最小になる場合、すべての組の教師データ（Ｆ_ｉ，Ｓ_ｉ）について誤差ｅ_ｉが最小となる。

Σｅ_ｉ ^２＝Ｅ≧０ …（ａ６）
上式において、Σはｉ＝１からｉ＝Ｎまでの和を表す。上式の自乗和Ｅは０以上になるので、自乗和Ｅを関数Ｇｘ，Ｇｙ，Ｇｚで偏微分した値が０となる変曲点で自乗和Ｅが最小となる。

∂Ｅ／∂Ｇｘ＝∂Ｅ／∂Ｇｙ＝∂Ｅ／∂Ｇｚ＝０ …（ａ７）
したがって、自乗和Ｅが最小となるように最小自乗法により関数Ｇｘ，Ｇｙ，Ｇｚを算出する。算出された関数Ｇｘ，Ｇｙ，Ｇｚは図１の関数記憶部４００に記憶される。

触覚センサ２００の出力値ＳとＸ軸方向の剪断力の印加値Ｆｘとの関係を示す関数Ｇｘ、触覚センサ２００の出力値ＳとＹ軸方向の剪断力の印加値Ｆｙとの関係を示す関数Ｇｙおよび触覚センサ２００の出力値ＳとＺ軸方向の圧力の印加値Ｆｚとの関係を示す関数Ｇｚをそれぞれ線形の１次式とすると、関数Ｇｘ，Ｇｙ，Ｇｚは次式で表される。

Ｆｘ＝Ｇｘ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）
＝［Ｓ１Ｓ２Ｓ３Ｓ４１］［Ｃ１ｘＣ２ｘＣ３ｘＣ４ｘＣ５ｘ］^Ｔ
…（ｂ１）
＝Ｃ１ｘ・Ｓ１＋Ｃ２ｘ・Ｓ２＋Ｃ３ｘ・Ｓ３＋Ｃ４ｘ・Ｓ４＋Ｃ５ｘ
Ｆｙ＝Ｇｙ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）
＝［Ｓ１Ｓ２Ｓ３Ｓ４１］［Ｃ１ｙＣ２ｙＣ３ｙＣ４ｙＣ５ｙ］^Ｔ
＝Ｃ１ｙ・Ｓ１＋Ｃ２ｙ・Ｓ２＋Ｃ３ｙ・Ｓ３＋Ｃ４ｙ・Ｓ４＋Ｃ５ｙ
…（ｂ２）
Ｆｚ＝Ｇｚ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）
＝［Ｓ１Ｓ２Ｓ３Ｓ４１］［Ｃ１ｚＣ２ｚＣ３ｚＣ４ｚＣ５ｚ］^Ｔ
＝Ｃ１ｚ・Ｓ１＋Ｃ２ｚ・Ｓ２＋Ｃ３ｚ・Ｓ３＋Ｃ４ｚ・Ｓ４＋Ｃ５ｚ
…（ｂ３）
上記のように、Ｎ組の教師データ（Ｆ_ｉ，Ｓ_ｉ）を用いて最小自乗法により係数Ｃ１ｘ〜Ｃ５ｘ，Ｃ１ｙ〜Ｃ５ｙ，Ｃ１ｚ〜Ｃ５ｚを算出することができる。算出された係数Ｃ１ｘ〜Ｃ５ｘ，Ｃ１ｙ〜Ｃ５ｙ，Ｃ１ｚ〜Ｃ５ｚは、図１の関数記憶部４００に記憶される。ここで、係数Ｃは、係数Ｃ１ｘ〜Ｃ５ｘ，Ｃ１ｙ〜Ｃ５ｙ，Ｃ１ｚ〜Ｃ５ｚを要素とする行列式である。

なお、関数Ｇｘ，Ｇｙ，Ｇｙをそれぞれ２次式とすると、関数Ｇｘ，Ｇｙ，Ｇｙは次式で表される。

Ｆｘ＝Ｇｘ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）
＝（Ｃ１ｘ・Ｓ１＋Ｃ２ｘ・Ｓ２＋Ｃ３ｘ・Ｓ３＋Ｃ４ｘ・Ｓ４＋Ｃ５ｘ）^２
…（ｃ１）
Ｆｙ＝Ｇｙ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）
＝（Ｃ１ｙ・Ｓ１＋Ｃ２ｙ・Ｓ２＋Ｃ３ｙ・Ｓ３＋Ｃ４ｙ・Ｓ４＋Ｃ５ｙ）^２
…（ｃ２）
Ｆｚ＝Ｇｚ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）
＝（Ｃ１ｚ・Ｓ１＋Ｃ２ｚ・Ｓ２＋Ｃ３ｚ・Ｓ３＋Ｃ４ｚ・Ｓ４＋Ｃ５ｚ）^２
…（ｃ３）
（７）出力変換処理
出力変換部３００による出力変換処理は、触覚センサユニット１を用いて実際に圧力および剪断力を検出する際に行われる。

図１２は出力変換部３００による出力変換処理を示すフローチャートである。

触覚センサ２００に圧力および剪断力が印加された状態で、出力変換部３００は、関数記憶部４００から関数Ｇを読み出す（ステップＳ１２１）。ここで、Ｇ＝（Ｇｘ，Ｇｙ，Ｇｚ）である。本実施の形態では、出力変換部３００は、関数記憶部４００から１次式または２次式の係数Ｃを読み出す。

また、出力変換部３００は、触覚センサ２００の出力値Ｓを読み込む（ステップＳ１２２）。ここで、Ｓ＝（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）である。

そして、出力変換部３００は、関数Ｇを用いて出力値Ｓから検出値Ｆｃを次式により算出する（ステップＳ１２３）。それにより、触覚センサユニット１から検出値Ｆｃが出力される。ここで、検出値Ｆｃは、Ｘ軸方向の剪断力の検出値Ｆｃｘ、Ｙ軸方向の剪断力の検出値ＦｃｙおよびＺ軸方向の圧力の検出値Ｆｃｚからなる。すなわち、Ｆｃ＝（Ｆｃｘ，Ｆｃｙ，Ｆｃｚ）である。

Ｆｃｘ＝Ｇｘ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４） …（ｄ１）
Ｆｃｙ＝Ｇｙ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４） …（ｄ２）
Ｆｃｚ＝Ｇｚ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４） …（ｄ３）
本実施の形態では、図１の関数記憶部４００に１次式の係数Ｃ１ｘ〜Ｃ５ｘ，Ｃ１ｙ〜Ｃ５ｙ，Ｃ１ｚ〜Ｃ５ｚが記憶される。したがって、検出値Ｆｃｘ，Ｆｃｙ，Ｆｃｚは次式より算出される。

Ｆｃｘ＝Ｃ１ｘ・Ｓ１＋Ｃ２ｘ・Ｓ２＋Ｃ３ｘ・Ｓ３＋Ｃ４ｘ・Ｓ４＋Ｃ５ｘ
…（ｅ１）
Ｆｃｙ＝Ｃ１ｙ・Ｓ１＋Ｃ２ｙ・Ｓ２＋Ｃ３ｙ・Ｓ３＋Ｃ４ｙ・Ｓ４＋Ｃ５ｙ
…（ｅ２）
Ｆｃｚ＝Ｃ１ｚ・Ｓ１＋Ｃ２ｚ・Ｓ２＋Ｃ３ｚ・Ｓ３＋Ｃ４ｚ・Ｓ４＋Ｃ５ｚ
…（ｅ３）
なお、図１の関数記憶部４００に２次式の係数Ｃ１ｘ〜Ｃ５ｘ，Ｃ１ｙ〜Ｃ５ｙ，Ｃ１ｚ〜Ｃ５ｚが記憶される場合には、検出値Ｆｃｘ，Ｆｃｙ，Ｆｃｚは次式より算出される。

Ｆｃｘ＝（Ｃ１ｘ・Ｓ１＋Ｃ２ｘ・Ｓ２＋Ｃ３ｘ・Ｓ３＋Ｃ４ｘ・Ｓ４＋Ｃ５ｘ）^２ …（ｆ１）
Ｆｃｙ＝（Ｃ１ｙ・Ｓ１＋Ｃ２ｙ・Ｓ２＋Ｃ３ｙ・Ｓ３＋Ｃ４ｙ・Ｓ４＋Ｃ５ｙ）^２ …（ｆ２）
Ｆｃｚ＝（Ｃ１ｚ・Ｓ１＋Ｃ２ｚ・Ｓ２＋Ｃ３ｚ・Ｓ３＋Ｃ４ｚ・Ｓ４＋Ｃ５ｚ）^２ …（ｆ３）
（８）実施の形態の効果
本実施の形態に係る触覚センサユニット１においては、触覚センサ２００への印加値Ｆと触覚センサ２００からの出力値Ｓとの関係を示す関数Ｇまたは係数Ｃが関数記憶部４００に予め記憶される。そして、触覚センサユニット１の実際の使用時に、触覚センサ２００からの出力値Ｓが関数記憶部４００に記憶された関数Ｇまたは係数Ｃを用いて検出値Ｆｃに変換される。それにより、触覚センサ２００の特性にばらつきがある場合またはセンサ素子２０１，２０２，２０３，２０４間で特性が異なる場合にも、触覚センサ２００に印加される圧力および剪断力を同時にかつ高精度に検出することができる。

（９）構造摸型によるシミュレーション
（ａ）構造模型の作製
ここで、上記実施の形態に係る触覚センサユニット１により同時にかつ高精度で圧力および剪断力を検出可能であることを実証するためにシミュレーションを行った。このシミュレーションでは、触覚センサ２００を模擬した構造模型を用いた。

構造模型は次のように作製した。燐青銅（幅５ｍｍ、長さ２０ｍｍおよび厚さ０．１ｍｍ）を素材として数十ミリメートルのカンチレバーを４つ形成した。各カンチレバーに予め反り（高さ方向に１０ｍｍ程度）を持たせた。４つのカンチレバーを図２の触覚センサ２００の立体構造と相似形になるようにプレート上に対向させて配置し、プレートにネジ止めした。各カンチレバーの下面には、歪みゲージ（東京測器研究所製ＦＬＡ−５−１１−３Ｌ；全体の幅３ｍｍ、全体の長さ１０ｍｍ、ゲージ部の幅１．５ｍｍおよび長さ５ｍｍ）を瞬間接着剤にて固定した。これらのカンチレバーをプレート面からの厚みが１２ｍｍ程度になるようにシリコーンゴム（信越化学工業製ＫＥ−１０９；ヤング率０．８４ＭＰａ）で覆った。

（ｂ）構造模型を用いたシミュレーションの方法
上記の構造模型に圧力および剪断力を印加し、歪みゲージより得られる値を観察することにより、想定した変形の傾向が観察できるか否かを確認した。

まず、構造模型に圧力および剪断力を同時かつ正確に印加するために加圧実験装置として図１０の測定装置３を用意した。ＸＹステージ３５上に構造模型を設置し、直径３０ｍｍの加圧板３４の中心を構造模型のほぼ中央に配置した。加圧軸３３には６軸力センサ３２（ニッタ製ＩＦＳ−２０Ｅ１２Ａ１５−Ｉ２５−ＥＸ）が取り付けられている。加圧板３４により構造模型に印加されている圧力および剪断力が６軸力センサ３２により常に測定される。測定装置３は、印加される圧力および剪断力の目標値Ｆｐ，Ｆｓｘ，Ｆｓｙと６軸力センサ３２による測定値Ｆ’とを比較し、比較結果に基づいてフィードバック制御により加圧軸３３およびＸＹステージ３５の移動量を調整する。

なお、測定装置３の精度上、コンピュータ３０より与えられる圧力および剪断力の目標値Ｆｐ，Ｆｓｘ，Ｆｓｙと構造模型に実際に印加された圧力および剪断力との間には若干の誤差が生じる。そこで、以降の測定では、６軸力センサ３２の測定値Ｆ’を構造模型に実際に印加された真の印加値Ｆとする。

（ｃ）歪みの測定方法
歪みゲージの抵抗変化を検出するためには、一般的にはブリッジ回路および増幅器により抵抗変化を電圧変化に変換する手法が採られる。ここでも、同様に、ブリッジ回路およびストレインアンプ（ＴＥＡＣ製ＳＡ−１５０）を用いて抵抗変化を電圧変化に変換し、その電圧をＡＤ変換器（ＣＯＮＴＥＣ製ＡＩ−１６０８ＡＹ−ＵＳＢ）を介してコンピュータ３０に入力した。なお、本シミュレーションでは、１０．５Ｖが２０００μの歪みに相当する。

（ｄ）構造模型への印加値Ｆおよび構造模型からの出力値Ｓの測定方法
上記の測定装置３を用いて構造模型に圧力および剪断力を印加し、印加値Ｆと構造模型の出力値Ｓとの関係を観察した。

図２の触覚センサ２００と同様に、第１番目および第３番目のカンチレバーの向く方向を±Ｘ軸方向と定義し、第２番目および第４番目のカンチレバーの向く方向を±Ｙ軸方向と定義する。

圧力の目標値Ｆｐは、３段階（７．１ｋＰａ、１４．１ｋＰａおよび２１．２ｋＰａ）に設定した。剪断力の目標値Ｆｓｘ，Ｆｓｙは、圧力と同程度の力を最大値として５段階に設定した。剪断力は＋Ｘ軸方向、−Ｘ軸方向、＋Ｙ軸方向および−Ｙ軸方向の４方向に印加した。

また、上記実施の形態における触覚センサ２００と同様に第１番目〜第４番目のカンチレバーの出力値をＳ１、Ｓ２、Ｓ３およびＳ４とする。

ここで、圧力および剪断力の印加時には、目標値Ｆｐ，Ｆｓｘ，Ｆｓｙ付近で加圧軸３３およびＸＹステージ３５を５秒程度停止させ、停止中に６軸力センサ３２の測定値を１秒間隔で３回取得した。このように取得した６軸力センサ３２の測定値の平均値を印加値Ｆとして用いた。

構造模型の各カンチレバーの変形量を歪みゲージ、ストレインアンプおよびＡＤ変換器を介して電圧値で取得した。各カンチレバーについて上記停止時間に１００ｍ秒間隔で取得した電圧値のデータのうち３０フレーム分のデータの平均値を出力値Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４として用いた。

（ｅ）構造模型への印加値Ｆおよび構造模型からの出力値Ｓの測定結果
（ｅ−１）圧力の印加値とカンチレバーの出力値との関係
図１３は圧力の印加値と各カンチレバーの出力値との関係を示す図である。図１３の横軸は構造模型に印加したＺ軸方向の圧力の印加値Ｆｚを示し、縦軸は４つのカンチレバーからの出力値Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を示す。上記のように、構造模型に３段階の圧力を４回ずつ印加し、合計１２回の測定における４つのカンチレバーからの出力値Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を取得した。

なお、実際には、若干の剪断力も生じているが、ここでは、その影響を考慮した図示はしていない。生じていた剪断力の絶対値の平均は１．００ｋＰａであり、標準偏差は０．５０であった。

図１３に示すように、出力値Ｓ１，Ｓ２，Ｓ４については、圧力の変化に対してほぼ同様に線形に変化していることがわかる。一方、出力値Ｓ３については、他の出力値Ｓ１，Ｓ２，Ｓ４と異なる変化が得られた。この原因としては、カンチレバーごとのわずかな構造の違い、歪みゲージの接着状態の違い等が考えられる。しかしながら、出力値Ｓ３についても、切片０の回帰直線との相関係数は０．８２と比較的高くなった。

（ｅ−２）剪断力の印加値とカンチレバーの出力値との関係
図１４はＸ軸方向の剪断力の印加値と各カンチレバーの出力値との関係を示す図である。図１５はＹ軸方向の剪断力の印加値と各カンチレバーの出力値との関係を示す図である。

図１４の横軸は構造模型に印加した±Ｘ軸方向の剪断力の印加値Ｆｘを示し、縦軸は４つのカンチレバーからの出力値Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を示す。また、図１５の横軸は構造模型に印加した±Ｙ軸方向の剪断力の印加値Ｆｙを示し、縦軸は４つのカンチレバーからの出力値Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を示す。

構造模型に３段階の圧力および５段階の剪断力の組み合わせで合計１５回の測定を直交する４方向（±Ｘ軸方向および±Ｙ軸方向）で合計６０回行った。

図１４から、±Ｘ軸方向の剪断力について、出力値Ｓ１，Ｓ２の組は変化するが、出力値Ｓ３，Ｓ４の組はほとんど変化しないことがわかる。逆に、図１５から、±Ｙ軸方向の剪断力について、出力値Ｓ３，Ｓ４の組は変化するが、出力値Ｓ１，Ｓ２の組はほとんど変化しないことがわかる。

以上の結果から、対向するカンチレバーの組ごとに独立して各軸方向の剪断力の検出が可能であることが読み取れる。また、各軸方向の出力値Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の変化傾向には線形関数との強い相関があることも読み取れる。

なお、図１４および図１５の結果を図１３の結果と比較すると、剪断力の変化に対する出力値Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の変化は、圧力の変化に対する出力値Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の変化に比べて大きくなっている。それにより、上記実施の形態の触覚センサ２００における検出原理では、圧力に比べて剪断力がより強く反応することがわかる。

（ｆ）カンチレバーからの出力値による圧力および剪断力の検出値の推定
（ｆ−１）関係を求める実験
上記のシミュレーションより、構造模型への印加値Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと構造模型からの出力値Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４との間には、一定の関係性が見られることがわかった。

そこで、上記のシミュレーションにより取得した合計７２組の教師データを用いて上式（ａ４）〜（ａ７），（ｂ１）〜（ｂ３）より、印加値Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと出力値Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４との関係を示す１次式の係数Ｃを算出した。同様に、合計７２組の教師データを用いて上式（ａ４）〜（ａ７），（ｃ１）〜（ｃ３）より、印加値Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと出力値Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４との関係を示す２次式の係数Ｃを算出した。

さらに、算出された１次式の係数Ｃを用いて上式（ｅ１）〜（ｅ３）より構造模型の出力値Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４から圧力の検出値Ｆｃｚおよび剪断力の検出値Ｆｃｘ，Ｆｃｙを推定した。同様に、算出された２次式の係数Ｃを用いて上式（ｆ１）〜（ｆ３）より構造模型の出力値Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４から圧力の検出値Ｆｃｚおよび剪断力の検出値Ｆｃｘ，Ｆｃｙを推定した。

表１に実際の印加値Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと推定された検出値Ｆｃｘ，Ｆｃｙ，Ｆｚとの差の絶対値平均を示し、括弧内にそれらの標準偏差を示す。単位はｋＰａである。

表１の結果から、２次式によれば１次式よりも実際の印加値Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと推定された検出値Ｆｃｘ，Ｆｃｙ，Ｆｚとの間の関係性を良く表していることがわかる。

（ｆ−２）推定実験
次に、上記の測定とは別に取得した合計９０組のデータを用いて、上記の印加値Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと出力値Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４との関係を示す１次式および２次式の係数Ｃから、圧力および剪断力に対する検出値Ｆｃｘ，Ｆｃｙ，Ｆｃｚを算出した。この場合、剪断力を印加する方向としてＸＹ平面内でＺ軸を中心として０度から２７０度の範囲より６方向を選択した。

図１６はＺ軸方向の圧力の印加値と検出値との関係を示す図である。図１７はＸ軸方向の剪断力の印加値と検出値との関係を示す図である。図１８はＹ軸方向の剪断力の印加値と検出値との関係を示す図である。

図１６〜図１８の横軸は実際の圧力の印加値Ｆｚおよび剪断力の印加値Ｆｘ，Ｆｙを示し、縦軸は出力値Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４から算出された圧力の検出値Ｆｃｚおよび剪断力の検出値Ｆｃｘ，Ｆｃｙを示す。

図１６〜図１８において、点線で示された真の値からの検出値Ｆｃｘ，Ｆｃｙ，Ｆｃｚの乖離が小さいほど誤差が少ない。

図１７および図１８の結果によれば、剪断力については、１次式を用いた場合にも２次式を用いた場合にも、検出値の精度が高くなった。

一方、図１６の結果によれば、圧力については、関数Ｇを１次式とした場合に、印加値Ｆｚと検出値Ｆｃｚとの誤差の絶対値平均が３．１６ｋＰａとなり、標準偏差が２．６０となった。関数Ｇを２次式とした場合には、印加値Ｆｚと検出値Ｆｃｚとの誤差の絶対値平均が５．０ｌｋＰａとなり、標準偏差が５．２２となった。それにより、圧力については、１次式を用いた検出値Ｆｃｚの精度が２次式を用いた検出値Ｆｃｚの精度よりも高くなった。これは、圧力については、教師データの個数が少なかったためであると推察される。したがって、高い精度で圧力および剪断力を検出するためには、より多くの教師データを取得することが望ましい。

（ｇ）評価
上記のシミュレーションの結果から、予め構造模型への圧力および剪断力の印加値Ｆｘ，Ｆｘ，Ｆｚと構造模型からの出力値Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４との関係を示す関数Ｇまたは係数Ｃを算出することにより、構造模型からの出力値Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４から構造模型への圧力および剪断力の検出値Ｆｃｘ，Ｆｃｙ，Ｆｃｚを同時にかつ高精度に検出可能であることがわかった。

また、４つのカンチレバーのうちいずれかのカンチレバーの特性が他のカンチレバーの特性と異なる場合でも、構造模型に印加される圧力および剪断力の検出値Ｆｃｘ，Ｆｃｙ，Ｆｃｚを同時にかつ高精度に検出することができることがわかった。

したがって、上記実施の形態に係る触覚センサユニット１によれば、触覚センサ２００の特性にばらつきがある場合またはセンサ素子２０１，２０２，２０３，２０４間で特性が異なる場合にも、触覚センサ２００に印加される圧力および剪断力の検出値Ｆｃｘ，Ｆｃｙ，Ｆｃｚを同時にかつ高精度に検出することができることがわかった。

（１０）請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。

上記実施の形態では、触覚センサ２０１，２０２，２０３，２０４が３つ以上の触覚センサの例であり、関数記憶部４００が記憶手段の例であり、出力変換部３００が出力変換手段の例である。また、結晶シリコン基板１０１が基板の例であり、埋め込み酸化膜１０２が第１の膜または支持部の例であり、結晶シリコン膜１０３が第２の膜の例であり、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４が可動部の例であり、ノンドープ層１０３ａが第１の層の例であり、ドープ層１０３ｂが第２の層の例であり、エラストマー層１０５が被覆層の例である。
さらに、Ｘ軸方向の剪断力が第１の剪断力の例であり、Ｙ軸方向の剪断力が第２の剪断力の例であり、センサ素子２０１，２０２，２０３，２０４の出力値Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４が少なくとも３つの信号の例であり、式ｃ１の関数Ｇｘが第１の関数の例であり、係数Ｃ１ｘ，Ｃ２ｘ，Ｃ３ｘ，Ｃ４ｘ，Ｃ５ｘが第１の係数群の例であり、係数Ｃ１ｘ，Ｃ２ｘ，Ｃ３ｘ，Ｃ４ｘが複数の第１の係数の例であり、係数Ｃ５ｘが他の第１の係数の例であり、式ｃ２の関数Ｇｙが第２の関数の例であり、係数Ｃ１ｙ，Ｃ２ｙ，Ｃ３ｙ，Ｃ４ｙ，Ｃ５ｙが第２の係数群の例であり、係数Ｃ１ｙ，Ｃ２ｙ，Ｃ３ｙ，Ｃ４ｙが複数の第２の係数の例であり、係数Ｃ５ｙが他の第２の係数の例であり、式ｃ３の関数Ｇｚが第３の関数の例であり、係数Ｃ１ｚ，Ｃ２ｚ，Ｃ３ｚ，Ｃ４ｚ，Ｃ５ｚが第３の係数群の例であり、係数Ｃ１ｚ，Ｃ２ｚ，Ｃ３ｚ，Ｃ４ｚが複数の第３の係数の例であり、係数Ｃ５ｚが他の第３の係数の例である。

（１１）他の実施の形態
上記実施の形態では、触覚センサ２００が４つのセンサ素子２０１，２０２，２０３，２０４を有するが、触覚センサ２００が３つのセンサ素子を有してもよい。この場合には、３つのセンサ素子が互いに約１２０度の向きに配置されることが好ましい。

さらに、センサ素子２０１，２０２，２０３，２０４のカンレレバーＣＬ１〜ＣＬ３の形状はＵ字形状に限らず、Ｖ字形状、Ｗ字形状、他の任意の形状に形成することができる。

本発明は、圧力および剪断力を検出するため等に効果的に用いることができる。

本発明の一実施の形態に係る触覚センサシステムを製造するための触覚センサ製造システムの構成を示すブロック図である。触覚センサを示す概略斜視図である。触覚センサの製造方法の一例を示す工程図である。触覚センサの製造方法の一例を示す工程図である。触覚センサの製造方法の一例を示す工程図である。触覚センサの製造方法の一例を示す工程図である。触覚センサの製造方法の一例を示す工程図である。触覚センサの製造方法の一例を示す工程図である。カンチレバーに接続される出力回路の一例を示す回路図である。図１の測定装置の構成の一例を示す模式図である。関数の決定処理を示すフローチャートである。出力変換部による出力変換処理を示すフローチャートである。圧力の印加値と各カンチレバーの出力値との関係を示す図である。Ｘ軸方向の剪断力の印加値と各カンチレバーの出力値との関係を示す図である。Ｙ軸方向の剪断力の印加値と各カンチレバーの出力値との関係を示す図である。Ｚ軸方向の圧力の印加値と検出値との関係を示す図である。Ｘ軸方向の剪断力の印加値と検出値との関係を示す図である。Ｙ軸方向の剪断力の印加値と検出値との関係を示す図である。

符号の説明

１触覚センサユニット
２関数算出部
３測定装置
１００触覚センサ
１０１結晶シリコン基板
１０２埋め込み酸化膜
１０３結晶シリコン膜
１０３ａノンドープ層
１０３ｂドープ層
１０４ａ，１０４ｂ電極
１０５エラストマー層
２００触覚センサユニット
２０１〜２０４センサ素子
３００出力変換部
４００関数記憶部
ＣＬ１〜ＣＬ４カンチレバー
Ｓ，Ｓ１〜Ｓ４出力値
Ｇ，Ｇ１〜Ｇ４関数
Ｃ，Ｃ１ｘ〜Ｃ５ｘ，Ｃ１ｙ〜Ｃ５ｙ，Ｃ１ｚ〜Ｃ５ｚ係数
Ｆ，Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ印加値
Ｆｃ，Ｆｃｘ，Ｆｃｙ，Ｆｃｚ検出値
Ｆ’ 測定値

Claims

印加された圧力ならびに互いに異なる方向の第１および第２の剪断力に対応する出力値を与える触覚センサと、
前記触覚センサに印加される圧力と前記触覚センサの出力値との関係を示す第１の関数またはその第１の関数の第１の係数群、前記触覚センサに印加される第１の剪断力と前記触覚センサの出力値との関係を示す第２の関数またはその第２の関数の第２の係数群、および前記触覚センサに印加される第２の剪断力と前記触覚センサの出力値との関係を示す第３の関数またはその第３の関数の第３の係数群を予め記憶する記憶手段と、
使用時に、前記記憶手段に記憶された前記第１、第２および第３の関数または前記第１、第２および第３の係数群に基づいて、前記第１、第２および第３の関数を用いて前記触覚センサの出力値を圧力、第１の剪断力および第２の剪断力を示す検出値に変換する出力変換手段とを備え、
前記触覚センサは、
基板と、
前記基板上に異なる向きに設けられ、半導体材料からなるカンチレバーをそれぞれ有する少なくとも３つのセンサ素子と、
前記少なくとも３つのセンサ素子を被覆する弾性を有する被覆層と、
前記少なくとも３つのセンサ素子の前記カンチレバーのピエゾ抵抗の変化により変化する信号をそれぞれ出力する出力回路とを含み、
前記触覚センサの出力値は、前記少なくとも３つのセンサ素子に対応して前記出力回路から出力される少なくとも３つの信号を含み、
前記第１の係数群は、前記少なくとも３つの信号にそれぞれ対応して予め決定された値をそれぞれ有する複数の第１の係数および他の第１の係数を含み、前記第１の関数は、前記少なくとも３つの信号とそれぞれに対応する第１の係数との積和に前記他の第１の係数を加算する演算式の二乗であり、
前記第２の係数群は、前記少なくとも３つの信号にそれぞれ対応して予め決定された値をそれぞれ有する複数の第２の係数および他の第２の係数を含み、前記第２の関数は、前記少なくとも３つの信号とそれぞれに対応する第２の係数との積和に前記他の第２の係数を加算する演算式の二乗であり、
前記第３の係数群は、前記少なくとも３つの信号にそれぞれ対応して予め決定された値をそれぞれ有する複数の第３の係数および他の第３の係数を含み、前記第３の関数は、前記少なくとも３つの信号とそれぞれに対応する第３の係数との積和に前記他の第３の係数を加算する演算式の二乗であることを特徴とする触覚センサユニット。
前記センサ素子の各々は、前記基板上に第１の膜からなる支持部および第２の膜からなる可動部をこの順に備え、前記第２の膜は半導体材料からなり、第１の格子定数を有する第１の層と、第１の格子定数よりも小さな第２の格子定数を有する第２の層とを順に含み、前記第１および第２の層の少なくとも一方は、不純物元素の添加により一導電型を有し、前記第１の格子定数と前記第２の格子定数との差に起因して前記可動部が湾曲するとともに、前記可動部の一部が前記支持部を介して前記基板に固定され、前記可動部が前記カンチレバーであることを特徴とする請求項１記載の触覚センサユニット。
前記触覚センサに印加される圧力、第１の剪断力および第２の剪断力と前記触覚センサの出力値とに基づいて前記第１、第２および第３の係数群を算出する算出手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２記載の触覚センサユニット。
印加された圧力ならびに互いに異なる方向の第１および第２の剪断力に対応する出力値を与える触覚センサと、前記触覚センサに印加される圧力と前記触覚センサの出力値との関係を示す第１の関数またはその第１の関数の第１の係数群、前記触覚センサに印加される第１の剪断力と前記触覚センサの出力値との関係を示す第２の関数またはその第２の関数の第２の係数群、および前記触覚センサに印加される第２の剪断力と前記触覚センサの出力値との関係を示す第３の関数またはその第３の関数の第３の係数群を予め記憶するための記憶手段と、前記記憶手段に記憶された前記第１、第２および第３の関数または前記第１、第２および第３の係数群に基づいて、前記第１、第２および第３の関数を用いて前記触覚センサの出力値を圧力、第１の剪断力および第２の剪断力を示す検出値に変換する出力変換手段とを作製する工程と、
前記触覚センサに圧力、第１の剪断力および第２の剪断力を印加するとともに前記触覚センサの出力値を取得する工程と、
前記印加される圧力、第１の剪断力および第２の剪断力と前記取得される出力値とに基づいて前記第１、第２および第３の係数群を算出する工程と、
前記算出された前記第１、第２および第３の係数群をそれぞれ含む第１、第２および第３の関数、または前記第１、第２および第３の係数群を前記記憶手段に記憶させる工程とを備え、
前記触覚センサは、
基板と、
前記基板上に異なる向きに設けられ、半導体材料からなるカンチレバーをそれぞれ有する少なくとも３つのセンサ素子と、
前記少なくとも３つのセンサ素子を被覆する弾性を有する被覆層と、
前記少なくとも３つのセンサ素子の前記カンチレバーのピエゾ抵抗の変化により変化する信号をそれぞれ出力する出力回路とを含み、
前記触覚センサの出力値は、前記少なくとも３つのセンサ素子に対応して前記出力回路から出力される少なくとも３つの信号を含み、
前記第１の係数群は、前記少なくとも３つの信号にそれぞれ対応して予め決定された値をそれぞれ有する複数の第１の係数および他の第１の係数を含み、前記第１の関数は、前記少なくとも３つの信号とそれぞれに対応する第１の係数との積和に前記他の第１の係数を加算する演算式の二乗であり、
前記第２の係数群は、前記少なくとも３つの信号にそれぞれ対応して予め決定された値をそれぞれ有する複数の第２の係数および他の第２の係数を含み、前記第２の関数は、前記少なくとも３つの信号とそれぞれに対応する第２の係数との積和に前記他の第２の係数を加算する演算式の二乗であり、
前記第３の係数群は、前記少なくとも３つの信号にそれぞれ対応して予め決定された値をそれぞれ有する複数の第３の係数および他の第３の係数を含み、前記第３の関数は、前記少なくとも３つの信号とそれぞれに対応する第３の係数との積和に前記他の第３の係数を加算する演算式の二乗であることを特徴とする触覚センサユニットの製造方法。