JP5364886B2 - Tactile sensor - Google Patents

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Abstract

Disclosed is a tactile sensor in which the damage of a sensor section can be prevented more reliably even when an elastic body is highly deformed. Specifically disclosed is a tactile sensor (1) comprising an elastic body (2) and a plurality of sensor units (3) embedded in the elastic body (2). Each of the sensor units (3) comprises a sensor section (4) and a protective film (5) that covers the sensor section (4). The protective film (5) is formed from a polyparaxylene (a trade name: Parylene) by means of CVD (chemical vapor deposition) and has a thickness of about 1 µm. An inner space (17) is formed around the sensor section (4). In the inner space (17), a fluid (18) having a predetermined viscosity, such as a silicone oil, is filled.

Description

本発明は、触覚センサに関し、例えば把持力や摩擦力などを計測する場合に好適なものである。   The present invention relates to a tactile sensor, and is suitable for measuring gripping force, frictional force, and the like, for example.

従来、この種の把持力や摩擦力などを計測する触覚センサとして、内部に粘性流体を有し、応力を受けて変形を生じる弾性体としてのカプセルと、カプセルの内面に位置し、カプセルに変形が生じたときに発生する粘性流体との相対的な動きを検出する変形検出手段とを有する変形検出部材が開示されている(例えば、特許文献1)。上記カプセルは、応力を受けることにより変形する素材で構成されている。また、変形検出手段は、板状体と、前記板状体の根元であってカプセルの内面に固定された一端部に貼付された歪検出素子とからなる。   Conventionally, as a tactile sensor that measures this kind of gripping force and frictional force, it has a viscous fluid inside, and it is located on the inner surface of the capsule and deforms into a capsule. There is disclosed a deformation detection member having a deformation detection means for detecting a relative movement with a viscous fluid generated when the occurrence of the problem (for example, Patent Document 1). The capsule is made of a material that is deformed by receiving stress. The deformation detection means includes a plate-like body and a strain detection element attached to one end fixed to the inner surface of the capsule at the base of the plate-like body.

このように構成された変形検出部材は、カプセルに変形が生じたときに発生する粘性流体との相対的な動きを、カプセルの内面に位置する変形検出手段によって検出する。すなわち、カプセルに対しせん断力(カプセルの面に対し平行にはたらく力)が加わると、カプセルは変形する。このとき、粘性流体は、カプセルの変形と共に流動し、板状体を変形させる。この板状体の変形を歪検出素子で検出する。   The deformation detection member configured as described above detects a relative movement with the viscous fluid generated when the capsule is deformed by the deformation detection means located on the inner surface of the capsule. That is, when a shearing force is applied to the capsule (a force acting parallel to the capsule surface), the capsule is deformed. At this time, the viscous fluid flows with the deformation of the capsule and deforms the plate-like body. The deformation of the plate-like body is detected by a strain detection element.

このため、特許文献1に記載された変形検出部材では、カプセルに生じた変形が直接に変形手段へ伝達されることがないため、変形手段が損傷を受けにくく、壊れ難い変形検出部材を提供できるという効果が得られる。   For this reason, in the deformation | transformation detection member described in patent document 1, since the deformation | transformation which arose in the capsule is not directly transmitted to a deformation | transformation means, a deformation | transformation means cannot receive damage easily and can provide the deformation | transformation detection member which is hard to break. The effect is obtained.

特開2005−291908号公報JP 2005-291908 A

しかしながら、上記特許文献1では、カプセルの内面にセンサ部としての変形検出手段を配置する構成としているため、触覚センサを微小化、及び薄膜化することが困難であるという問題がある。従って、上記特許文献1に係る変形検出部材を触覚センサとして使用する場合、例えばロボットの表面へ実装することは不可能である。   However, in the above-mentioned Patent Document 1, since the deformation detection means as the sensor unit is arranged on the inner surface of the capsule, there is a problem that it is difficult to make the tactile sensor small and thin. Therefore, when the deformation detection member according to Patent Document 1 is used as a tactile sensor, it is impossible to mount it on the surface of a robot, for example.

そこで、本発明は上記した問題点に鑑み、微小化、及び薄膜化することができる触覚センサを提供することを目的とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a tactile sensor that can be miniaturized and thinned.

本発明の請求項1に係る発明は、弾性体と、前記弾性体内に支持されたセンサ部と、前記センサ部を覆う保護膜とを備え、前記保護膜によって前記センサ部の周囲に内部空間が形成されていることを特徴とする。   The invention according to claim 1 of the present invention includes an elastic body, a sensor part supported in the elastic body, and a protective film covering the sensor part, and an internal space is formed around the sensor part by the protective film. It is formed.

本発明の請求項2に係る発明は、前記内部空間内に、流体を充填したことを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, the internal space is filled with a fluid.

本発明の請求項3に係る発明は、前記弾性体の内部に流路が形成されており、前記流路に前記センサ部を設けたことを特徴とする。   The invention according to claim 3 of the present invention is characterized in that a flow path is formed inside the elastic body, and the sensor section is provided in the flow path.

本発明の請求項4に係る発明は、前記流路が、中央において直交する2本の交差流路と、前記交差流路の端部同士を連通する連通路とを有し、前記センサ部が、前記中央からの距離が等しい位置に配置されたことを特徴とする。   In the invention according to claim 4 of the present invention, the flow path has two cross flow paths that are orthogonal to each other in the center, and a communication path that communicates the ends of the cross flow paths. The distance from the center is the same.

本発明の請求項5に係る発明は、前記流路は、平行に形成された幅がそれぞれ異なる複数の平行流路からなることを特徴とする。   The invention according to claim 5 of the present invention is characterized in that the flow path includes a plurality of parallel flow paths formed in parallel and having different widths.

本発明の請求項6に係る発明は、前記センサ部が、シリコン薄膜で形成したカンチレバーを有し、前記カンチレバーの表面にピエゾ抵抗層が形成されていることを特徴とする。   The invention according to claim 6 of the present invention is characterized in that the sensor section has a cantilever formed of a silicon thin film, and a piezoresistive layer is formed on the surface of the cantilever.

本発明の請求項7に係る発明は、前記保護膜がポリパラキシリレンにより形成されていることを特徴とする。   The invention according to claim 7 of the present invention is characterized in that the protective film is formed of polyparaxylylene.

本発明の請求項8に係る発明は、前記流体がシリコンオイルであることを特徴とする。   The invention according to claim 8 of the present invention is characterized in that the fluid is silicone oil.

本発明の請求項1によれば、内部空間の形状を保護膜で保持することにより、内部空間をセンサ部の周囲に保持した状態でセンサ部を弾性体内に埋め込むことができるので、微小化、薄膜化を実現することができる。   According to the first aspect of the present invention, by holding the shape of the internal space with the protective film, the sensor unit can be embedded in the elastic body in a state in which the internal space is held around the sensor unit. Thin film can be realized.

本発明の請求項2によれば、内部空間内に流体を充填した触角センサを提供することができる。また、充填された流体によって、間接的に外力をセンサ部へ伝達するので、センサ部の損傷をより確実に防ぐことができる。   According to claim 2 of the present invention, it is possible to provide a tactile sensor in which fluid is filled in the internal space. Further, since the external force is indirectly transmitted to the sensor unit by the filled fluid, the sensor unit can be more reliably prevented from being damaged.

本発明の請求項3によれば、流体の流れの大きさ及び方向を制御し、これにより、接触位置に対する応答を変えることができるので、すべりなどのせん断力だけでなく、接触力及び接触位置を特定することができる。   According to the third aspect of the present invention, the magnitude and direction of the fluid flow can be controlled, and thereby the response to the contact position can be changed. Therefore, not only the shearing force such as slip but also the contact force and the contact position. Can be specified.

本発明の請求項4によれば、交差流路に配置されたセンサ部の応答の差に基づいて、接触力の大きさ及び接触位置をより確実に特定することができる。   According to the fourth aspect of the present invention, the magnitude of the contact force and the contact position can be more reliably specified based on the difference in the response of the sensor units arranged in the cross channel.

本発明の請求項5によれば、流路幅の異なる複数の流路を有することにより、各流路で外力を伝達する流体の速度が異なるので、異なる周波数帯域の力変化を独立して計測することができる。   According to claim 5 of the present invention, by having a plurality of flow paths having different flow path widths, the speed of the fluid transmitting the external force is different in each flow path, so that force changes in different frequency bands are measured independently. can do.

本発明の請求項6によれば、薄いシリコン薄膜で形成することで、ヒンジ部を回転中心として容易に変形し得るので、小型化を実現することができる。   According to the sixth aspect of the present invention, by forming the thin silicon thin film, the hinge portion can be easily deformed with the rotation center as the center of rotation, so that downsizing can be realized.

本発明の請求項7によれば、CVD法により、流体上により確実に保護膜を形成することができる。   According to the seventh aspect of the present invention, the protective film can be more reliably formed on the fluid by the CVD method.

本発明の請求項8によれば、CVD法により保護膜を形成する際、シリコンオイルを蒸発させずに残すことができるので、センサ部の周囲に流体を容易に保持することができる。   According to the eighth aspect of the present invention, when forming the protective film by the CVD method, the silicon oil can be left without being evaporated, so that the fluid can be easily held around the sensor portion.

本発明の第1実施形態に係る触覚センサの全体構成を示す縦断面図である。It is a longitudinal section showing the whole tactile sensor composition concerning a 1st embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態に係る触覚センサの製造方法を段階的に示す図(1)であり、(A)斜視図、(B)断面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure (1) which shows the manufacturing method of the tactile sensor which concerns on 1st Embodiment of this invention in steps, (A) A perspective view, (B) It is sectional drawing. 本発明の第1実施形態に係る触覚センサの製造方法を段階的に示す図(2)であり、(A)斜視図、(B)断面図である。It is a figure (2) which shows the manufacturing method of the tactile sensor concerning a 1st embodiment of the present invention in steps, (A) a perspective view, and (B) sectional view. 本発明の第1実施形態に係る触覚センサの製造方法を段階的に示す図(3)であり、(A)斜視図、(B)断面図である。It is a figure (3) which shows the manufacturing method of the tactile sensor concerning a 1st embodiment of the present invention in steps, (A) a perspective view and (B) sectional view. 本発明の第1実施形態に係る触覚センサの製造方法を段階的に示す図(4)であり、(A)斜視図、(B)断面図である。It is a figure (4) which shows the manufacturing method of the tactile sensor concerning a 1st embodiment of the present invention in steps, (A) a perspective view, and (B) sectional view. 本発明の第1実施形態に係る触覚センサの製造方法を段階的に示す図(5)であり、(A)斜視図、(B)断面図である。It is a figure (5) which shows the manufacturing method of the tactile sensor concerning a 1st embodiment of the present invention in steps, (A) a perspective view and (B) sectional view. 本発明の第1実施形態に係る触覚センサの製造方法を段階的に示す図(6)であり、(A)斜視図、(B)断面図である。It is a figure (6) which shows the manufacturing method of the tactile sensor concerning a 1st embodiment of the present invention in steps, (A) a perspective view, and (B) sectional view. 本発明の第1実施形態に係る触覚センサの製造方法を段階的に示す図(7)であり、(A)斜視図、(B)断面図である。It is a figure (7) which shows the manufacturing method of the tactile sensor concerning a 1st embodiment of the present invention in steps, (A) a perspective view, and (B) sectional view. 本発明の第1実施形態に係る触覚センサの使用状態を示す断面図であり、(A)せん断力が生じた直後の状態、(B)せん断力が一定に保持されている状態を示す図である。It is sectional drawing which shows the use condition of the tactile sensor which concerns on 1st Embodiment of this invention, (A) The state immediately after shearing force arises, (B) The figure which shows the state by which the shearing force is kept constant. is there. 本発明の第1実施形態に係る触覚センサの評価を行った実験装置(1)を示す図であり、(A)側面図、(B)正面図である。It is a figure which shows the experimental apparatus (1) which evaluated the tactile sensor which concerns on 1st Embodiment of this invention, (A) Side view, (B) Front view. 本発明の第1実施形態に係る触覚センサにおけるせん断力に対する抵抗値変化を示すグラフである。It is a graph which shows the resistance value change with respect to the shear force in the tactile sensor which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係る触覚センサにおいて、接触力3.0N、初期せん断力0Nの場合のせん断力と抵抗値変化率との関係を示すグラフである。In the tactile sensor according to the first embodiment of the present invention, it is a graph showing the relationship between the shear force and the resistance value change rate when the contact force is 3.0N and the initial shear force is 0N. 本発明の第1実施形態に係る触覚センサにおける接触力に伴う接触面積の変化を示す図であり、(A)触覚センサをアクリル平板に押し付けた状態の側面図、(B)接触力と接触面積との変化を示すグラフである。It is a figure which shows the change of the contact area with the contact force in the tactile sensor which concerns on 1st Embodiment of this invention, (A) The side view of the state which pressed the tactile sensor against the acrylic flat plate, (B) Contact force and contact area It is a graph which shows the change with. 本発明の第1実施形態に係る触覚センサにおける接触力とせん断力に対する感度の関係を示すグラフであり、(A)接触力と抵抗値変化率との関係、(B)接触面積と感度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship of the sensitivity with respect to the contact force and shear force in the tactile sensor which concerns on 1st Embodiment of this invention, (A) Relationship between contact force and resistance value change rate, (B) Contact area and sensitivity. It is a graph which shows a relationship. 本発明の第1実施形態に係る触覚センサにおける初期せん断力とセンサ感度との関係を示すグラフであり、(A)せん断力と抵抗値変化率との関係、(B)初期せん断力と感度との関係を示す図である。It is a graph which shows the relationship between the initial shear force and sensor sensitivity in the tactile sensor which concerns on 1st Embodiment of this invention, (A) Relationship between shear force and resistance value change rate, (B) Initial shear force and sensitivity, It is a figure which shows the relationship. 本発明の第1実施形態に係る触覚センサの評価を行った実験装置(2)を示す図であり、(A)せん断力の変化が遅い場合、(B)せん断力の変化が速い場合を示す図である。It is a figure which shows the experimental apparatus (2) which evaluated the tactile sensor which concerns on 1st Embodiment of this invention, (A) When the change of shear force is slow, (B) The case where the change of shear force is fast is shown. FIG. 本発明の第1実施形態に係る触覚センサの評価を行った実験装置(3)の概略を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the outline of the experimental apparatus (3) which evaluated the tactile sensor which concerns on 1st Embodiment of this invention. 上記実験装置(3)に用いた触角センサの表面の形状を示す側面図である。It is a side view which shows the shape of the surface of the tactile sensor used for the said experimental apparatus (3). 本発明の第1実施形態に係る触覚センサにおける時間と抵抗値変化率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the time and resistance value change rate in the tactile sensor which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係る触覚センサにおける周波数と応答との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the frequency and response in the tactile sensor which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係る触覚センサの全体構成の概略を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the outline of the whole structure of the tactile sensor which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係る触覚センサにおいて、接触位置に対する各センサ部の応答を示すグラフである。It is a graph which shows the response of each sensor part with respect to a contact position in the tactile sensor which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係る触覚センサにおいて、接触位置の各領域を示す平面図である。It is a top view which shows each area | region of a contact position in the tactile sensor which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係る触覚センサにおける接触位置と各センサ部の応答との関係を示すグラフであり、(A)接触位置が図23に示すX=15の領域である場合、(B)接触位置が図23に示すX=-15の領域である場合を示す図である。It is a graph which shows the relationship between the contact position in the tactile sensor which concerns on 2nd Embodiment of this invention, and the response of each sensor part, (A) When a contact position is the area | region of X = 15 shown in FIG. FIG. 24 is a diagram showing a case where the contact position is an area of X = −15 shown in FIG. 23. 本発明の第2実施形態に係る触覚センサにおける接触位置と各センサ部の応答との関係を示すグラフであり、(A)接触位置が図23に示すY=15の領域である場合、(B)接触位置が図23に示すY=-15の領域である場合を示す図である。It is a graph which shows the relationship between the contact position in the tactile sensor which concerns on 2nd Embodiment of this invention, and the response of each sensor part, (A) When a contact position is the area | region of Y = 15 shown in FIG. FIG. 24 is a diagram showing a case where the contact position is a region of Y = −15 shown in FIG. 23. 本発明の第3実施形態に係る触覚センサの全体構成の概略を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the outline of the whole structure of the tactile sensor which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 本発明の変形例(1)に係る触覚センサの概略を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the outline of the tactile sensor which concerns on the modification (1) of this invention. 本発明の変形例(2)に係る触覚センサの概略を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the outline of the tactile sensor which concerns on the modification (2) of this invention. 本発明の変形例(3)に係る触覚センサの概略を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the outline of the tactile sensor which concerns on the modification (3) of this invention.

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
(1)第1実施形態
(1−1)全体構成
図1に示す触覚センサ1は、弾性体2と、前記弾性体2内に埋め込まれた複数のセンサユニット3とを備える。センサユニット3は、センサ部4、及び、前記センサ部4を覆う保護膜5を備える。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(1) First Embodiment (1-1) Overall Configuration A tactile sensor 1 shown in FIG. 1 includes an elastic body 2 and a plurality of sensor units 3 embedded in the elastic body 2. The sensor unit 3 includes a sensor unit 4 and a protective film 5 that covers the sensor unit 4.

弾性体2は、センサユニット3を保持すると共に、外力によって弾性変形し得るように形成されており、湾曲した設置面(図示しない)にも取付け可能に構成されている。本実施形態では、弾性体2は、シート状に形成されており、基板6と、当該基板6上に設けられた壁部7と、表面に配置された表面部8と、シート部30とを有する。   The elastic body 2 is configured to hold the sensor unit 3 and be elastically deformable by an external force, and is configured to be attached to a curved installation surface (not shown). In this embodiment, the elastic body 2 is formed in a sheet shape, and includes a substrate 6, a wall portion 7 provided on the substrate 6, a surface portion 8 disposed on the surface, and a sheet portion 30. Have.

基板6は、ポリイミド基板6上に図示しないCu薄膜を形成したものが用いられる。壁部7は、後述する流体を一時的に保持し得るように構成されている。本実施形態では、壁部7は、基板6上の所定の底面6aを囲むように、センサ部4を中心として、当該センサ部4の周囲に立設されており、高さhは、センサ部4の高さより高く形成されている。この壁部7は、せん断力(表面部8の表面に平行な方向にはたらく力)Fsによって弾性変形し得るようにシート部30と同様の柔軟性を有することが好ましく、シリコンゴム、例えばPDMS(Polydimethylsiloxane;ポリジメチルシロキサン)を用いて形成することができる。本実施形態の場合、壁部7は、PDMSの主剤と硬化剤とからなる二液を所定の混合比率、例えば、50:1で混合して硬化し、所定形状に成形される。壁部7の高さhは適宜選択することができ、例えば1mm以下とすることもできる。このように構成された壁部7は、同じPDMSを用いて基板6上に接着される。   The substrate 6 is formed by forming a Cu thin film (not shown) on the polyimide substrate 6. The wall part 7 is comprised so that the fluid mentioned later can be hold | maintained temporarily. In the present embodiment, the wall portion 7 is erected around the sensor portion 4 around the sensor portion 4 so as to surround a predetermined bottom surface 6a on the substrate 6, and the height h is defined as the sensor portion. It is formed higher than the height of 4. The wall portion 7 preferably has the same flexibility as the sheet portion 30 so that it can be elastically deformed by a shearing force (force acting in a direction parallel to the surface of the surface portion 8) Fs. Polydimethylsiloxane (polydimethylsiloxane) can be used. In the case of the present embodiment, the wall portion 7 is molded into a predetermined shape by mixing and curing two liquids composed of a main agent of PDMS and a curing agent at a predetermined mixing ratio, for example, 50: 1. The height h of the wall 7 can be selected as appropriate, and can be, for example, 1 mm or less. The wall 7 configured in this way is bonded onto the substrate 6 using the same PDMS.

表面部8は、後述する流体に上記せん断力Fsや接触力(表面部8の表面に対し垂直方向にはたらく力)Fcを効率的に伝達し得るように構成されている。この表面部8は、後述する流体に、外力をより強く伝達するため、壁部7より硬い材料で構成してもよく、例えば、壁部7とは主剤と硬化剤の混合比率を変えたPDMSで形成された所定厚さ(例えば400μm)を有する薄膜層を用いることができる。本実施形態では、この表面部8は、混合比率が10:1のPDMSを硬化して形成されている。当該表面部8は、PDMSを用いて壁部7上に接着される。   The surface portion 8 is configured to efficiently transmit the shear force Fs and the contact force (force acting in a direction perpendicular to the surface of the surface portion 8) Fc to the fluid described later. The surface portion 8 may be made of a material harder than the wall portion 7 in order to transmit external force more strongly to the fluid described later. For example, the wall portion 7 is a PDMS in which the mixing ratio of the main agent and the curing agent is changed. A thin film layer having a predetermined thickness (for example, 400 μm) formed in (1) can be used. In the present embodiment, the surface portion 8 is formed by curing PDMS having a mixing ratio of 10: 1. The said surface part 8 is adhere | attached on the wall part 7 using PDMS.

センサ部4は、シリコン薄膜で形成されたカンチレバー10を有する。当該カンチレバー10の表面には、ピエゾ抵抗層11が薄く形成されている。センサ部4は、カンチレバー10をnmオーダーの薄いシリコン薄膜で形成することで、ヒンジ部12を回転中心として容易に変形し得るように構成されている。   The sensor unit 4 has a cantilever 10 formed of a silicon thin film. A thin piezoresistive layer 11 is formed on the surface of the cantilever 10. The sensor unit 4 is configured so that the cantilever 10 can be easily deformed with the hinge unit 12 as a rotation center by forming the cantilever 10 with a thin silicon thin film of the order of nm.

カンチレバー10は、平板部13と、当該平板部13の基端13aの角部に一端が連結された一対のヒンジ部12と、当該ヒンジ部12の他端に連結された基部14とからなる。平板部13は、ヒンジ部12を介して基部14に対し直角に起立している。   The cantilever 10 includes a flat plate portion 13, a pair of hinge portions 12 having one end connected to a corner portion of the base end 13 a of the flat plate portion 13, and a base portion 14 connected to the other end of the hinge portion 12. The flat plate portion 13 stands upright at a right angle to the base portion 14 via the hinge portion 12.

また、カンチレバー10には、ヒンジ部12を除いた表面に、金属薄膜としてAu薄膜が形成されている。さらに、平板部13には、磁性体としてNi薄膜15が形成されている。これにより、センサ部4は、ヒンジ部12の変形のみを抵抗値として計測可能に構成されている。   Further, the cantilever 10 is formed with an Au thin film as a metal thin film on the surface excluding the hinge portion 12. Furthermore, a Ni thin film 15 is formed on the flat plate portion 13 as a magnetic material. Thereby, the sensor part 4 is comprised so that measurement of only a deformation | transformation of the hinge part 12 as a resistance value is possible.

保護膜5は、CVD(Chemical Vapor Deposition)を用いて、ポリパラキシレン(商品名パリレン)を1μm程度の厚さで形成したものである。この保護膜5は、センサ部4の周囲に形成された内部空間17を保持し得るように形成されている。本実施形態の場合、保護膜5は、第1保護膜5aと第2保護膜5bとからなり、第1保護膜5aでセンサ部4の表面と、底面6aと、壁部7とを覆い、第2保護膜5bで壁部7の開口部分を塞ぐことにより、第1保護膜5aと第2保護膜5bとの間に密閉された内部空間17を形成している。   The protective film 5 is made of polyparaxylene (trade name Parylene) with a thickness of about 1 μm by using CVD (Chemical Vapor Deposition). The protective film 5 is formed so as to hold an internal space 17 formed around the sensor unit 4. In the case of this embodiment, the protective film 5 includes a first protective film 5a and a second protective film 5b, and covers the surface of the sensor unit 4, the bottom surface 6a, and the wall 7 with the first protective film 5a. By closing the opening of the wall 7 with the second protective film 5b, a sealed internal space 17 is formed between the first protective film 5a and the second protective film 5b.

内部空間17には、流体18、すなわち、空気などの気体や、シリコンオイルやシリコンゴムなどの所定の粘度を有する液体が充填されている。   The internal space 17 is filled with a fluid 18, that is, a gas such as air, or a liquid having a predetermined viscosity such as silicon oil or silicon rubber.

このように構成されたセンサ部4は、接着剤によって基部14が基板6上に固定されると共に、導電性接着剤によって基部14上に形成されたAu薄膜16と基板6上のCu薄膜とが電気的に接続される。   In the sensor unit 4 configured in this manner, the base 14 is fixed on the substrate 6 by an adhesive, and the Au thin film 16 formed on the base 14 by the conductive adhesive and the Cu thin film on the substrate 6 are combined. Electrically connected.

(1−2)製造方法
上記した触覚センサ1は、以下の手順により製造することができる。尚、触覚センサ1は、1個の弾性体2に複数のセンサユニット3を同時に埋め込むことができるものであるが、説明の便宜上、1個のセンサユニット3を埋め込む場合についてのみ、説明することとする。
(1-2) Manufacturing Method The touch sensor 1 described above can be manufactured by the following procedure. The tactile sensor 1 can embed a plurality of sensor units 3 in one elastic body 2 at the same time. However, for convenience of explanation, only the case where one sensor unit 3 is embedded will be described. To do.

まず、センサ部4の製造方法について説明する。図2に示すように、表面から順にSi層22、SiO2層23、Si層24からなるSOI(Silicon On Insulator)基板21を形成する。各層の厚さは、順に290nm、400nm、300μmであり、ダイシングソーを用いて1×1(インチ)2に切り出す。このSOI基板21をHF(フッ化水素)溶液中で1分間洗浄し、SOI基板21の表面の自然酸化膜を除去する。 First, a method for manufacturing the sensor unit 4 will be described. As shown in FIG. 2, an SOI (Silicon On Insulator) substrate 21 including an Si layer 22, an SiO 2 layer 23, and an Si layer 24 is formed in this order from the surface. The thickness of each layer is 290 nm, 400 nm, and 300 μm in order, and is cut into 1 × 1 (inch) 2 using a dicing saw. This SOI substrate 21 is washed in an HF (hydrogen fluoride) solution for 1 minute, and the natural oxide film on the surface of the SOI substrate 21 is removed.

その後、すぐにn型不純物試薬P-59230(OCD,東京応化)をSOI基板21の表面にスピンコートして、当該SOI基板21を熱酸化炉を用いて熱拡散し、ピエゾ抵抗層11を形成する(図3)。   Immediately thereafter, n-type impurity reagent P-59230 (OCD, Tokyo Ohka) is spin-coated on the surface of the SOI substrate 21, and the SOI substrate 21 is thermally diffused using a thermal oxidation furnace to form the piezoresistive layer 11. (Figure 3).

次いで、SOI基板21の表面に残留した不純物と、熱拡散によって生じたSiO2をHF溶液中で1分間洗浄し、除去する。 Next, impurities remaining on the surface of the SOI substrate 21 and SiO 2 generated by thermal diffusion are washed and removed in an HF solution for 1 minute.

その後、すぐにSOI基板21の表面にAu薄膜16を蒸着する。蒸着には、真空蒸着装置を用いる。ここで、AuとSiO2とは、密着性が悪いので、HF溶液による洗浄の直後にSOI基板21の表面にAu薄膜16を蒸着する必要がある。 Thereafter, the Au thin film 16 is immediately deposited on the surface of the SOI substrate 21. A vacuum vapor deposition apparatus is used for vapor deposition. Here, since Au and SiO 2 have poor adhesion, it is necessary to deposit the Au thin film 16 on the surface of the SOI substrate 21 immediately after cleaning with the HF solution.

Au薄膜16を蒸着した後、スパッタ装置を用いてSOI基板21の表面にNi薄膜15を形成する。このときのNi薄膜15、Au薄膜16、及びSi層22の厚さは、それぞれ、350nm、50nm、及び、290nmとした。   After the Au thin film 16 is deposited, the Ni thin film 15 is formed on the surface of the SOI substrate 21 using a sputtering apparatus. At this time, the thicknesses of the Ni thin film 15, the Au thin film 16, and the Si layer 22 were set to 350 nm, 50 nm, and 290 nm, respectively.

次に、Ni薄膜15、Au薄膜16、及びSi層22をエッチングすることにより、最終的にカンチレバー10となるカンチレバー形成部10aを形成する。ここで、Ni/Au薄膜16に対してはウェットエッチングを用い、Si層22に対してはICP-RIE(Inductive Coupled Plasma-RIE;誘導結合型反応性イオンエッチング)によるドライエッチングを用い、パターニングを行う。   Next, the Ni thin film 15, the Au thin film 16, and the Si layer 22 are etched to form a cantilever forming portion 10 a that finally becomes the cantilever 10. Here, wet etching is used for the Ni / Au thin film 16, and patterning is performed for the Si layer 22 using dry etching by ICP-RIE (Inductive Coupled Plasma-RIE). Do.

続いて、パターニング終了後、カンチレバー10の基部14に相当する部分14a、及びヒンジ部12に相当する部分12aからNi薄膜15を除去し、さらに、ヒンジ部12に相当する部分12aからAu薄膜16を除去する(図4)。このようにして、Au薄膜16を電極として形成した。   Subsequently, after the patterning is completed, the Ni thin film 15 is removed from the portion 14a corresponding to the base portion 14 of the cantilever 10 and the portion 12a corresponding to the hinge portion 12, and the Au thin film 16 is further removed from the portion 12a corresponding to the hinge portion 12. Remove (Figure 4). Thus, the Au thin film 16 was formed as an electrode.

次に、カンチレバー形成部10aの直下におけるSOI基板21の最下層のSi層24を、基部14に相当する部分14aを除いて、ICP-RIEによってエッチングし、さらにSiO2層23をHF蒸気によって除去する(図5)。当該Si層24をエッチングするには、SOI基板21の裏面に図示しないAl薄膜を蒸着し、これをパターニングしたものをマスクとして用いた。Al薄膜及びNi薄膜15のエッチングに用いるエッチャントは、同じものを用いることができるため、Al薄膜をパターニングする前にSOI表面をフォトレジスト(OFPR800-100CP)にてコーティングしている。 Next, the lowermost Si layer 24 of the SOI substrate 21 immediately below the cantilever forming portion 10a is etched by ICP-RIE except for the portion 14a corresponding to the base portion 14, and the SiO 2 layer 23 is removed by HF vapor. (Figure 5). In order to etch the Si layer 24, an Al thin film (not shown) was vapor-deposited on the back surface of the SOI substrate 21 and patterned to be used as a mask. Since the same etchant can be used for etching the Al thin film and the Ni thin film 15, the SOI surface is coated with a photoresist (OFPR800-100CP) before patterning the Al thin film.

次いで、弾性体2の製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the elastic body 2 will be described.

図6において、基板6は、銅/ポリイミド基板としてのフレキシブル銅張積層板(KN28SE09C,信越化学工業)の表面にフォトレジスト(OFPR800-23CP)を用いてマスクを施し、ウェットエッチングによって銅をパターニングすることで作成した。   In FIG. 6, a substrate 6 is a copper / polyimide substrate with a copper-clad laminate (KN28SE09C, Shin-Etsu Chemical) masked with photoresist (OFPR800-23CP) and patterned by wet etching. It was created by that.

当該基板6上に二液式接着剤(AralditeR ラピッド,ハンツマン・ジャパン)を塗布し、センサ部4を基板6上に固定した。その後、二液式導電性接着剤(D-753,藤倉化成)を用いてセンサ部4のAu薄膜16と図示しない銅配線とを電気的に接続し、110℃の恒温器にて30分間ベークすることで、二液式導電性接着剤を硬化させ、配線を完了した。尚、銅配線は、センサ部4の抵抗値変化を計測するため、図示しないが、ホイーストンブリッジを用いた増幅回路に電気的に接続されている。   A two-component adhesive (Araldite® Rapid, Huntsman Japan) was applied on the substrate 6, and the sensor unit 4 was fixed on the substrate 6. Then, the two-component conductive adhesive (D-753, Fujikura Kasei) is used to electrically connect the Au thin film 16 of the sensor unit 4 to the copper wiring (not shown) and baked for 30 minutes in a 110 ° C incubator. As a result, the two-component conductive adhesive was cured and the wiring was completed. The copper wiring is electrically connected to an amplifier circuit using a Wheatstone bridge (not shown) in order to measure a change in resistance value of the sensor unit 4.

一方、図6に示すように、主剤と硬化剤の混合比率50:1のPDMSを硬化し、高さ1mmの壁部7を形成する。この壁部7は、基板6上に配線したセンサ部4の周囲の底面6aを囲むように配置される。当該壁部7は、壁部7の表面に混合比率50:1のPDMSを塗り、配置完了後に70℃の恒温器中にて60分硬化し、基板6上に固定される。   On the other hand, as shown in FIG. 6, PDMS having a mixing ratio of 50: 1 of the main agent and the curing agent is cured to form a wall portion 7 having a height of 1 mm. The wall portion 7 is disposed so as to surround the bottom surface 6 a around the sensor portion 4 wired on the substrate 6. The wall portion 7 is coated with PDMS having a mixing ratio of 50: 1 on the surface of the wall portion 7, cured for 60 minutes in a thermostat at 70 ° C. after the arrangement is completed, and fixed on the substrate 6.

次に、基板6の下部より磁場(本図中矢印方向)を加えてカンチレバー形成部10aを起立させてセンサ部4を形成し、この状態で、CVD法によりパリレンを形成して厚さ1μmの第1保護膜5aを形成する(図6)。磁場は、ネオジム磁石(NE009,二六製作所)を用いて加える。   Next, a magnetic field (in the direction of the arrow in the figure) is applied from the lower part of the substrate 6 to erect the cantilever forming part 10a to form the sensor part 4, and in this state, parylene is formed by CVD to a thickness of 1 μm. A first protective film 5a is formed (FIG. 6). The magnetic field is applied using a neodymium magnet (NE009, 26 Manufacturing Co., Ltd.).

続いて、壁部7で囲まれ、第1保護膜5aで覆われた領域17aに、流体18としてPDMSの主剤を流し込む。当該PDMSの主剤は、粘度が110×10-6[m2/s]、密度が1.03[kg/mm3]であり、微小な力でもカンチレバー10を変形させ得る。 Subsequently, the main agent of PDMS is poured as a fluid 18 into a region 17a surrounded by the wall 7 and covered with the first protective film 5a. The main agent of the PDMS has a viscosity of 110 × 10 −6 [m 2 / s] and a density of 1.03 [kg / mm 3 ], and can deform the cantilever 10 even with a minute force.

次に、流し込んだ流体18上にCVD法により再びパリレンを形成して、壁部7の開口を塞ぐように厚さ1μmの第2保護膜5bを形成し、流体18を壁部7で囲まれた領域17a内に保持する(図7)。これにより、第1保護膜5aと第2保護膜5bとからなる保護膜5で内部空間17が密閉され、当該内部空間17内に流体18が満たされた状態となる。尚、PDMSの主剤は、蒸気圧が非常に高いため、真空蒸着で第2保護膜5bとしてのパリレンを形成する場合にも、状態の変化が少ないので、表面に直接高分子膜を形成することができる。   Next, parylene is formed again on the poured fluid 18 by the CVD method to form a second protective film 5b having a thickness of 1 μm so as to close the opening of the wall portion 7. The fluid 18 is surrounded by the wall portion 7. Held within the region 17a (FIG. 7). Thereby, the internal space 17 is sealed with the protective film 5 composed of the first protective film 5a and the second protective film 5b, and the fluid 18 is filled in the internal space 17. Since the main component of PDMS has a very high vapor pressure, there is little change in the state when parylene is formed as the second protective film 5b by vacuum deposition, so a polymer film should be formed directly on the surface. Can do.

最後に、混合比率10:1のPDMSを硬化して作成した厚さ400μmの表面部8を壁部7上に配置し、壁部7と表面部8との間に、混合比率50:1のPDMSを流し込んで硬化させシート部30を形成する(図8)。このようにして製造された触覚センサ1は、基板6に銅/ポリイミド基板6を用いると共に、混合比50:1の柔軟性を有するPDMSを壁部7に用いることにより、湾曲した設置面にも容易に貼り付けることができる。   Finally, a surface portion 8 having a thickness of 400 μm prepared by curing PDMS having a mixing ratio of 10: 1 is placed on the wall portion 7, and a mixing ratio of 50: 1 is placed between the wall portion 7 and the surface portion 8. PDMS is poured and cured to form the sheet portion 30 (FIG. 8). The tactile sensor 1 manufactured in this way uses a copper / polyimide substrate 6 as the substrate 6 and also uses a flexible PDMS with a mixing ratio of 50: 1 for the wall portion 7 so that it can be applied to a curved installation surface. Can be easily pasted.

(1−3)作用及び効果
上記のように構成された触覚センサ1では、予めセンサ部4に対し、所定の入力電圧が印加されている。この状態で、表面部8の表面すなわちセンサ表面に平行な力、すなわちせん断力Fsが加わった場合、壁部7が表面部8を当該せん断力Fsの方向にずらすようにして変形する。ここで、壁部7は、柔軟性を有する材料で形成されていることにより、せん断力Fsが小さくても、加えられたせん断力Fsの方向へ確実に変形し得る。
(1-3) Action and Effect In the tactile sensor 1 configured as described above, a predetermined input voltage is applied to the sensor unit 4 in advance. In this state, when a force parallel to the surface of the surface portion 8, that is, the sensor surface, that is, a shear force Fs is applied, the wall portion 7 is deformed so as to shift the surface portion 8 in the direction of the shear force Fs. Here, since the wall portion 7 is formed of a flexible material, the wall portion 7 can be reliably deformed in the direction of the applied shear force Fs even if the shear force Fs is small.

この変形により、センサユニット3内の流体18は、移動する。流体18の移動により、当該流体18とカンチレバー10の外縁との間に摩擦力が生じる。この摩擦力によって、センサ部4は、加えられたせん断力Fsの方向へヒンジ部12を回転中心として平板部13が傾く(図9(A))。   Due to this deformation, the fluid 18 in the sensor unit 3 moves. As the fluid 18 moves, a frictional force is generated between the fluid 18 and the outer edge of the cantilever 10. Due to this frictional force, the sensor part 4 tilts the flat plate part 13 with the hinge part 12 as the center of rotation in the direction of the applied shearing force Fs (FIG. 9A).

センサ部4は、ピエゾ抵抗層11が形成されているので、ヒンジ部12が変形することにより、抵抗値が変化する。この抵抗値の変化は、出力電流を測定することにより、計測することができる。ここで、触覚センサ1は、ヒンジ部12を除いてカンチレバー10がAu薄膜で覆われていることにより、ヒンジ部12の変形のみを抵抗値として計測可能に構成されている。   Since the piezoresistive layer 11 is formed in the sensor unit 4, the resistance value changes when the hinge unit 12 is deformed. This change in resistance value can be measured by measuring the output current. Here, the tactile sensor 1 is configured such that only the deformation of the hinge portion 12 can be measured as a resistance value by covering the cantilever 10 with an Au thin film except for the hinge portion 12.

また、触覚センサ1の特徴的な作用として、センサ部4を流体18の流れによって変形させることとしたことにより、せん断力Fsが一定の場合、流体18の流れが止まるため、せん断力Fsが生じたままの状態であってもカンチレバー10を変形前の初期の状態へと戻すことができる(図9(B))。これにより、触覚センサ1は、せん断力Fsの変化を計測することができる。また、触覚センサ1は、大きなせん断力Fsが加わった状態から力の変化を計測することができる。   Further, as a characteristic action of the tactile sensor 1, since the sensor unit 4 is deformed by the flow of the fluid 18, when the shear force Fs is constant, the flow of the fluid 18 stops, so that the shear force Fs is generated. Even in the state where it is left, the cantilever 10 can be returned to the initial state before the deformation (FIG. 9B). Thereby, the tactile sensor 1 can measure a change in the shearing force Fs. The tactile sensor 1 can measure a change in force from a state in which a large shear force Fs is applied.

因みに、従来の触覚センサ1では、物体の把持において、物体とセンサ表面との接触面に生じるすべりの計測や、センサ表面に加えられる振動を計測する場合には、加重の時間変化を求める必要がある。ところが、本実施形態に係る触覚センサ1は、せん断力Fsの変化に応答する機構であり、出力の時間差分をソフト上で算出する必要がないため、多数のセンサを集積する場合に、より効率的に計測することができる。   Incidentally, in the conventional tactile sensor 1, when measuring the slip generated on the contact surface between the object and the sensor surface or measuring the vibration applied to the sensor surface in grasping the object, it is necessary to obtain the time change of the weight. is there. However, the tactile sensor 1 according to the present embodiment is a mechanism that responds to a change in the shearing force Fs, and it is not necessary to calculate the time difference of the output on the software, so that it is more efficient when integrating a large number of sensors. Can be measured automatically.

上記したように、本実施形態に係る触覚センサ1は、弾性体2が大きく変形しても、流体18の形状を保護膜5で保持することにより、弾性体2が直接センサ部4に接触することをより確実に防ぐことができる。従って、触覚センサ1は、センサ部4の損傷をより確実に防ぐことができるので、壊れ難い触覚センサ1を提供することができる。   As described above, in the tactile sensor 1 according to this embodiment, even when the elastic body 2 is greatly deformed, the elastic body 2 directly contacts the sensor unit 4 by holding the shape of the fluid 18 with the protective film 5. This can be prevented more reliably. Therefore, the tactile sensor 1 can more reliably prevent the sensor unit 4 from being damaged, and thus can provide the tactile sensor 1 that is not easily broken.

また、センサユニット3を弾性体2内に埋め込む際、流体18を保護膜5で保持することができる構成とした。これにより、触覚センサ1は、流体18をセンサ部4の周囲に保持した状態でセンサユニット3を弾性体2内に埋め込むことができるので、微小化、薄膜化を実現することができる。また、触覚センサ1では、センサユニット3を小型化し、一度に複数のセンサユニット3を弾性体2内に埋め込むことができる。   In addition, when the sensor unit 3 is embedded in the elastic body 2, the fluid 18 can be held by the protective film 5. Thereby, the tactile sensor 1 can embed the sensor unit 3 in the elastic body 2 in a state where the fluid 18 is held around the sensor unit 4, thereby realizing miniaturization and thinning. In the tactile sensor 1, the sensor unit 3 can be downsized and a plurality of sensor units 3 can be embedded in the elastic body 2 at a time.

また、触覚センサ1では、流体18をセンサ部4の周囲に保持する構成としたことにより、内部空間17内に充填された流体18によって、間接的に外力をセンサ部4へ伝達するので、センサ部4の損傷をより確実に防ぐことができる。   Further, in the tactile sensor 1, the fluid 18 is held around the sensor unit 4, so that external force is indirectly transmitted to the sensor unit 4 by the fluid 18 filled in the internal space 17. Damage to the portion 4 can be prevented more reliably.

図10に示す実験装置35を用いて、本実施形態に係る触覚センサ1の評価を行った。実験装置35は、αβ軸ゴニオステージ(GH-40B15,シグマ光機)36に固定した半径30mmの半円柱部材37の円弧表面に触覚センサ1を取り付け、アクリル平板38に押し付けると共に、Z軸ステージ(TSD-603,シグマ光機)39を利用し、押し付け力を6軸力計(IFS-67M25A25140,ニッタ)40にて計測し得るように構成されている。尚、触覚センサ1は、平板部13がアクリル平板に対し垂直となるように固定した。この状態で、半円柱状部材を、図中矢印方向に移動し、これにより、触覚センサ1に加わったせん断力Fsを上記6軸力計で計測した。なぞり動作の速度は、10mm/sとした。   Evaluation of the tactile sensor 1 according to the present embodiment was performed using the experimental apparatus 35 shown in FIG. The experimental device 35 has a tactile sensor 1 attached to an arc surface of a semi-cylindrical member 37 having a radius of 30 mm fixed to an αβ axis goniometer stage (GH-40B15, Sigma Kogyo) 36, pressed against an acrylic flat plate 38, and a Z axis stage ( TSD-603, Sigma Kogyo) 39 is used, and the pressing force can be measured with a 6-axis force meter (IFS-67M25A25140, NITTA) 40. The tactile sensor 1 was fixed so that the flat plate portion 13 was perpendicular to the acrylic flat plate. In this state, the semi-cylindrical member was moved in the direction of the arrow in the figure, and thereby the shear force Fs applied to the tactile sensor 1 was measured with the six-axis force meter. The speed of the tracing operation was 10 mm / s.

図11は、センサ表面に初期せん断力Fintとして0.4Nを加えた後、1.3Nのせん断力Fsを加えた場合における、触覚センサ1の抵抗値変化率と、6軸力計40にて計測したせん断力Fsの変化の関係を示す。このとき、触覚センサ1をアクリル平板38に押し付ける力、すなわち、接触力Fcは3.0Nとした。本図より、触覚センサ1は、せん断力Fsが加えられた後、約2秒後にその抵抗値が初期値に戻り、その後せん断力Fsが変化するまでその状態が保たれることが確認された。   FIG. 11 shows the resistance change rate of the tactile sensor 1 and the 6-axis force meter 40 when 0.4 N is applied as the initial shear force Fint to the sensor surface and then the shear force Fs of 1.3 N is applied. The relationship of change in shear force Fs is shown. At this time, the force for pressing the touch sensor 1 against the acrylic flat plate 38, that is, the contact force Fc was set to 3.0N. From this figure, it was confirmed that the resistance value of the tactile sensor 1 returned to the initial value after about 2 seconds after the shearing force Fs was applied, and then maintained until the shearing force Fs changed. .

図12は、センサ表面に加えられる初期せん断力Fsが0Nの状態で、-0.6Nから-4.6Nまでせん断力Fsを加えた際の抵抗値変化率のピーク値を比較した結果を示す。ただし、接触力Fcは3.0Nとした。本図は、図11の結果を元に、二次関数による近似曲線を当てはめている。触覚センサ1の抵抗値変化率と近似曲線との相関係数は、R2=0.99であり、本実施形態に係る触覚センサ1は、センサ表面に加えられたせん断力Fsの2乗値と比例関係にあることが確認された。ただし、本図の結果において、-0.6Nから-1.7Nまでのせん断力Fsと抵抗値変化率の関係、及び、-1.7Nから-4.6Nまでのせん断力Fsと抵抗値変化率の関係はそれぞれ線形近似が可能である。それぞれの場合のせん断力Fsに対するセンサの感度は、DFs>-1.7N=1.22×10-2N-1,DFs<-1.7N=0.56×10-2N-1であり、相関係数はともにR2=0.99となった。この点から本実施形態に係る触覚センサ1は、それぞれの領域において線形応答をする触覚センサ1として、応答特性を評価することが可能といえる。 FIG. 12 shows a result of comparing the peak values of the resistance value change rate when the shear force Fs is applied from −0.6 N to −4.6 N in a state where the initial shear force Fs applied to the sensor surface is 0 N. However, the contact force Fc was set to 3.0N. In this figure, an approximate curve by a quadratic function is applied based on the result of FIG. The correlation coefficient between the rate of change of the resistance value of the touch sensor 1 and the approximate curve is R 2 = 0.99, and the touch sensor 1 according to the present embodiment is proportional to the square value of the shear force Fs applied to the sensor surface. The relationship was confirmed. However, in the result of this figure, the relationship between the shear force Fs from -0.6N to -1.7N and the resistance value change rate, and the relationship between the shear force Fs from -1.7N to -4.6N and the resistance value change rate are Each can be linearly approximated. The sensitivity of the sensor to the shear force Fs in each case is D Fs> -1.7N = 1.22 × 10 -2 N -1 , D Fs <-1.7N = 0.56 × 10 -2 N -1 and the correlation coefficient Both had R 2 = 0.99. From this point, it can be said that the tactile sensor 1 according to the present embodiment can evaluate the response characteristics as the tactile sensor 1 that performs a linear response in each region.

この結果を元に、以下では触覚センサ1の応答特性として、せん断力Fsに対する抵抗値変化率の感度の変化を評価するため、触覚センサ1が線形応答すると近似できる-1.0Nから-3.0Nまでのせん断力Fsに対して触覚センサ1の抵抗値変化率を計測した。   Based on this result, the response characteristics of the tactile sensor 1 are evaluated below as the response characteristics of the tactile sensor 1 to evaluate the change in the sensitivity of the resistance change rate to the shear force Fs. The resistance change rate of the tactile sensor 1 was measured with respect to the shearing force Fs.

図13(A)に接触力3.0Nが加わった際の触覚センサ1とアクリル平板との接触面の様子を示す。本図からも明らかなように、触覚センサ1は、センサ表面に加えられた圧力により大きく変形する。また、本図(B)に2.0N、3.0N、4.0Nの接触力Fcをセンサ表面にそれぞれ加えた際の接触面の面積A[mm2]の変化を示す。計測した2.0Nから4.0Nまでの範囲において、接触面積A[mm2]は接触力Fcに対して線形に減少する。この結果から、触覚センサ1の感度は接触力Fcの2乗に反比例することから、接触力Fcが増加した場合にセンサ感度の向上が見受けられると考えられる。 FIG. 13A shows the state of the contact surface between the tactile sensor 1 and the acrylic flat plate when a contact force of 3.0 N is applied. As is clear from this figure, the tactile sensor 1 is greatly deformed by the pressure applied to the sensor surface. In addition, FIG. (B) shows changes in the area A [mm 2 ] of the contact surface when a contact force Fc of 2.0N, 3.0N, and 4.0N is applied to the sensor surface. In the measured range from 2.0 N to 4.0 N, the contact area A [mm 2 ] decreases linearly with respect to the contact force Fc. From this result, since the sensitivity of the tactile sensor 1 is inversely proportional to the square of the contact force Fc, it is considered that the sensor sensitivity can be improved when the contact force Fc increases.

この結果を元に接触力Fcの変化に伴うせん断力Fsに対するセンサ感度の変化を計測した結果を図14(A)に、接触力Fcとセンサ感度の関係を本図(B)に示す。本図が示すとおり、せん断力Fsに対するセンサ感度と触覚センサ1の接触面積との間には、線形関係が存在し、接触力Fc及び接触面積の増加とともにセンサ感度が上昇しているのが確認できる。接触面積とセンサ感度との間に線形関係が生まれた理由としては、せん断力Fsの計測において、触覚センサ1の線形応答領域を用いた点が考えられる。   FIG. 14 (A) shows the result of measuring the change in sensor sensitivity with respect to the shear force Fs accompanying the change in the contact force Fc, and FIG. 14 (B) shows the relationship between the contact force Fc and the sensor sensitivity. As shown in this figure, there is a linear relationship between the sensor sensitivity to the shear force Fs and the contact area of the tactile sensor 1, and it is confirmed that the sensor sensitivity increases as the contact force Fc and the contact area increase. it can. A possible reason for the linear relationship between the contact area and the sensor sensitivity is that the linear response region of the tactile sensor 1 is used in the measurement of the shear force Fs.

続いて、センサ表面に予めせん断力Fsを加えた状態でのセンサ感度の変化を計測した。図15は、触覚センサ1に0N、0.3N、0.6Nの初期せん断力Fintをそれぞれ加えた場合におけるセンサ感度の変化を示す。本図(A)は、各条件でのせん断力Fsと抵抗値変化率の関係、(B)は初期せん断力Fintとセンサ感度との関係である。本図(B)が示すとおり、初期せん断力Fintが増加した場合にセンサ感度は減少する傾向にある。これは、初期変位によって接触面の状態が変化したことが原因であると考えられる。但し、初期変位によるセンサ感度の変化は最大でも10%程度であるので、測定した範囲においては、ほぼ影響がないと考えられる。この結果より、触覚センサ1は、物体加重などに因らず接触面でのせん断力Fsの変化を計測することが可能であることが確認できた。従って、触覚センサ1は、物体を把持した際のすべりによるせん断力Fsの変化、なぞり動作における表面構造の変化を検出することができる。 Subsequently, a change in sensor sensitivity in a state where a shearing force Fs was previously applied to the sensor surface was measured. Figure 15 shows 0N tactile sensor 1, 0.3 N, a change in sensor sensitivity in the case of adding each initial shearing force F int of 0.6 N. This figure (A) shows the relationship between the shear force Fs and the resistance value change rate under each condition, and (B) shows the relationship between the initial shear force F int and the sensor sensitivity. As shown in this figure (B), the sensor sensitivity tends to decrease when the initial shear force Fint increases. This is considered to be caused by the change in the state of the contact surface due to the initial displacement. However, since the change in sensor sensitivity due to the initial displacement is about 10% at the maximum, it is considered that there is almost no influence in the measured range. From this result, it was confirmed that the tactile sensor 1 can measure the change in the shearing force Fs on the contact surface regardless of the object weight. Therefore, the tactile sensor 1 can detect a change in the shearing force Fs due to slipping when the object is gripped, and a change in the surface structure during the tracing operation.

次に、触覚センサ1に加えられたせん断力Fsの速度変化と、触覚センサ1内の流体18の流れの大きさとの関係を調べた。図16に示すように、触覚センサ1は、コップ45を把持している半円柱部材46,46の円弧表面に取り付けられている。当該コップ45に水を注ぐことにより、触覚センサ1に対してせん断力Fsを加える。本図中、aが触覚センサ1の抵抗値の時間変化を示しており、bが触覚センサ1に加えられたせん断力Fsの時間変化を示す。本図(A)では、水を緩やかに注ぐことによって0.08N/secのせん断力Fs変化を与えているが、触覚センサ1の応答はほとんど生じていない。これに対し、本図(B)では、水を100cc注ぎ、コップが滑り落ちるように把持力を設定した。触覚センサ1が水を注いでいる間は無反応であるにもかかわらず、すべりが生じた瞬間にのみ応答を示していることがわかる。   Next, the relationship between the change in velocity of the shear force Fs applied to the tactile sensor 1 and the magnitude of the flow of the fluid 18 in the tactile sensor 1 was examined. As shown in FIG. 16, the tactile sensor 1 is attached to the arc surfaces of the semi-cylindrical members 46 and 46 holding the cup 45. By pouring water into the cup 45, a shearing force Fs is applied to the tactile sensor 1. In this figure, a shows the time change of the resistance value of the tactile sensor 1, and b shows the time change of the shearing force Fs applied to the tactile sensor 1. In this figure (A), although the shear force Fs change of 0.08 N / sec is given by pouring water gently, the response of the tactile sensor 1 hardly occurs. On the other hand, in this figure (B), 100 cc of water was poured and the gripping force was set so that the cup slipped. Although the tactile sensor 1 does not react while water is being poured, it can be seen that the response is shown only at the moment when the slip occurs.

この結果より、触覚センサ1に生じる流れの大きさは、センサ表面に加えられたせん断力Fsの速度変化によって決まることが確認された。すなわち、せん断力Fsの速度変化が大きいほど流れの速度が大きくなる一方で、せん断力Fsの速度変化が遅くなり、流体の流れの強さがセンサ部4の剛性に比べて十分に弱くなった場合、加えたせん断力Fsの絶対値が同じ場合でもセンサ部4は抵抗変化しなくなる。従って、触覚センサ1では、一定速度でのせん断力Fsの変化のみを計測可能であることが確認できた。この特徴は数値処理をすることなく力の変化を計測し、把持状態で生じるすべりや、なぞり動作など瞬間的な力の変化に反射的に対応することが可能であることを示す。   From this result, it was confirmed that the magnitude of the flow generated in the tactile sensor 1 is determined by the speed change of the shearing force Fs applied to the sensor surface. That is, as the speed change of the shearing force Fs increases, the flow speed increases, while the speed change of the shearing force Fs slows down, and the strength of the fluid flow is sufficiently weak compared to the rigidity of the sensor unit 4. In this case, even if the absolute value of the applied shear force Fs is the same, the sensor unit 4 does not change in resistance. Accordingly, it was confirmed that the tactile sensor 1 can measure only the change in the shearing force Fs at a constant speed. This characteristic shows that it is possible to measure a change in force without performing numerical processing, and to respond reflexively to an instantaneous change in force such as a slip generated in a gripping state or a tracing operation.

次に、図17に示す実験装置50により、本実施形態に係る触覚センサ1がハイパスフィルタとして用いることができることを確認した。センサ表面には、図18に示す所定の凹凸を有する表面部51を設け、アクリル平板52に接触力10Nで押し付けた状態で、速度[15mm/sec]でなぞり動作を行った。アクリル平板52の表面には、測定対象物としての凸部53が形成されている。比較例として、センサ部4の周囲を混合比率10:1のPDMSで覆った触覚センサ1を用いた。その結果を図19及び図20に示す。同図から明らかなように、比較例(図中a)では、センサ表面とアクリル平板52の平坦な表面との摩擦などの影響による低周波数の応答が確認できた。これに対し、本実施形態に係る触覚センサ1(図中b)では、低周波数における応答はほとんど認められず、凸部53との接触による応答のみを確認することができた。上記結果から、本実施形態に係る触覚センサ1を、ハイパスフィルタとして用いることができることが確認できた。   Next, it was confirmed by the experimental apparatus 50 shown in FIG. 17 that the tactile sensor 1 according to this embodiment can be used as a high-pass filter. A surface portion 51 having predetermined unevenness as shown in FIG. 18 was provided on the sensor surface, and a tracing operation was performed at a speed of [15 mm / sec] while being pressed against the acrylic flat plate 52 with a contact force of 10 N. On the surface of the acrylic flat plate 52, a convex portion 53 is formed as an object to be measured. As a comparative example, a tactile sensor 1 in which the periphery of the sensor unit 4 was covered with PDMS having a mixing ratio of 10: 1 was used. The results are shown in FIG. 19 and FIG. As is clear from the figure, in the comparative example (a in the figure), a low frequency response due to the influence of friction between the sensor surface and the flat surface of the acrylic flat plate 52 was confirmed. On the other hand, in the tactile sensor 1 according to the present embodiment (b in the figure), almost no response at low frequencies was observed, and only a response due to contact with the convex portion 53 could be confirmed. From the above results, it was confirmed that the tactile sensor 1 according to this embodiment can be used as a high-pass filter.

(2)第2実施形態
図21に示す触覚センサ60は、壁部7で囲まれた領域17a内に流路61が形成されている点において、上記第1実施形態と異なる。上記第1実施形態と同様の構成については、同様の符号を付し、簡単のため、説明を省略する。
(2) Second Embodiment A tactile sensor 60 shown in FIG. 21 is different from the first embodiment in that a flow path 61 is formed in a region 17a surrounded by a wall 7. The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted for simplicity.

当該流路61は、壁部7で囲まれた領域の中央において直交する2本の交差流路62と、当該交差流路62の端部同士をそれぞれ連通する連通路63とを有する。これにより、流路61は、平面視において、田の字形に形成されている。前記交差流路62には、中央Oからの距離が等しい位置にそれぞれセンサ部4が合計4個(4A,4B,4C,4D)設けられている。尚、本図には図示しないが、触覚センサ60は、保護膜5、当該保護膜5によって形成された内部空間17に充填された流体18、及び表面部8を備える。   The flow path 61 includes two cross flow paths 62 that are orthogonal to each other in the center of the region surrounded by the wall portion 7 and a communication path 63 that communicates the ends of the cross flow paths 62 with each other. As a result, the channel 61 is formed in a square shape in plan view. A total of four sensor units 4 (4A, 4B, 4C, 4D) are provided in the crossing channel 62 at positions where the distance from the center O is equal. Although not shown in the drawing, the tactile sensor 60 includes a protective film 5, a fluid 18 filled in an internal space 17 formed by the protective film 5, and a surface portion 8.

このように構成したことにより、触覚センサ60は、流体18の流れの大きさ及び方向を制御し、これにより、接触位置に対する応答を変えることができるので、すべりなどのせん断力Fsだけでなく、接触力Fc及び接触位置を特定することができる。   By configuring in this way, the tactile sensor 60 controls the magnitude and direction of the flow of the fluid 18, thereby changing the response to the contact position, so that not only the shearing force Fs such as slip, The contact force Fc and the contact position can be specified.

本実施形態に係る触覚センサ60に対して、図21中のC点に接触力Fcを加えた場合における、4個のセンサ部4(4a,4b,4c,4d)の抵抗値変化の様子を図22に示す。この結果は、C点に0.5Nの圧力を加えた場合の応答である。図21に示すように、C点に加えた接触力Fcによって生じた流れは、まずセンサ部4aに伝わり、その後、中央の交差部を経てセンサ部4b,4c,4dへと分散する。このため、図22では、センサ部4aの出力がセンサ部4b,4c,4dに比べ大きくなる。また、センサ部4b,4c,4dでは、出力がほぼ同一であることが確認された。このように、各センサ部4における出力の大きさの変化を計測することで、接触位置及び接触力Fcの大きさを特定することができる。   21 shows how the resistance values of the four sensor units 4 (4a, 4b, 4c, 4d) change when the contact force Fc is applied to the point C in FIG. 21 with respect to the tactile sensor 60 according to the present embodiment. As shown in FIG. This result is a response when a pressure of 0.5 N is applied to the C point. As shown in FIG. 21, the flow generated by the contact force Fc applied to the point C is first transmitted to the sensor unit 4a, and then dispersed to the sensor units 4b, 4c and 4d via the central intersection. For this reason, in FIG. 22, the output of the sensor unit 4a is larger than that of the sensor units 4b, 4c, and 4d. In addition, it was confirmed that the outputs of the sensor units 4b, 4c, and 4d were almost the same. Thus, by measuring the change in the magnitude of the output from each sensor unit 4, the magnitude of the contact position and the contact force Fc can be specified.

また、図24及び図25は、図23に示す連通路63の各点に対し、0.5Nの接触力Fcを加えた場合における各センサ部4(4a,4b,4c,4d)の抵抗値の変化の様子を示す。この結果からも、接触位置からの距離によって、センサ部4(4a,4b,4c,4d)の応答の絶対値が変化することが確認された。この結果より、本実施形態に係る触覚センサ60では、接触位置、及び接触力Fcの大きさを計測することができることが確認できた。   24 and 25 show the resistance values of the sensor portions 4 (4a, 4b, 4c, 4d) when a contact force Fc of 0.5 N is applied to each point of the communication path 63 shown in FIG. Shows the state of change. Also from this result, it was confirmed that the absolute value of the response of the sensor unit 4 (4a, 4b, 4c, 4d) changes depending on the distance from the contact position. From this result, it was confirmed that the tactile sensor 60 according to the present embodiment can measure the contact position and the magnitude of the contact force Fc.

(3)第3実施形態
図26に示す触覚センサ70は、壁部7に囲まれた領域17a内に流路71が形成されている点において、上記第1実施形態と異なる。上記第1実施形態と同様の構成については、同様の符号を付し、簡単のため、説明を省略する。
(3) Third Embodiment A tactile sensor 70 shown in FIG. 26 is different from the first embodiment in that a flow path 71 is formed in a region 17a surrounded by a wall portion 7. The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted for simplicity.

当該流路は、壁部7で囲まれた領域17aにおいて一方向に平行に形成された複数(本図では、第1〜第4流路)の平行流路72(72a,72b,72c,72d)からなる。この平行流路72は、両端において互いに連通しており、当該流路の幅がそれぞれ異なる。すなわち、平行流路72は、第1流路72aに対し第2流路72bの幅が広く、当該第2流路72bに対し第3流路72cの幅が広く形成されている。各流路72a,72b,72c,72dには、端部から同じ距離となる位置にセンサ部4がそれぞれ設けられている。尚、本図には、図示しないが、触覚センサ70は、保護膜5、当該保護膜5によって形成された内部空間17に充填された流体18、及び表面部8を備える。   The flow paths are a plurality of (first to fourth flow paths in this figure) parallel flow paths 72 (72a, 72b, 72c, 72d) formed in parallel in one direction in the region 17a surrounded by the wall portion 7. ). The parallel flow paths 72 communicate with each other at both ends, and the widths of the flow paths are different. That is, in the parallel flow path 72, the second flow path 72b is wider than the first flow path 72a, and the third flow path 72c is wider than the second flow path 72b. Each flow path 72a, 72b, 72c, 72d is provided with a sensor part 4 at a position at the same distance from the end part. Although not shown in the drawing, the tactile sensor 70 includes a protective film 5, a fluid 18 filled in an internal space 17 formed by the protective film 5, and a surface portion 8.

このように構成したことにより、触覚センサ70では、加えられたせん断力Fsの大きさが一定の場合であっても流路幅が狭まることで流路72中に生じる流れが強くなる。このため、触覚センサ70では、センサ部4を配置する流路幅を変化させることでセンサ部4が応答する周波数帯域を制御することができる。従って、触覚センサ70では、流路幅の異なる複数の流路72を有することにより、異なる周波数帯域の力変化を独立して計測することができる。   With this configuration, in the tactile sensor 70, even if the applied shear force Fs is constant, the flow generated in the flow path 72 becomes stronger because the flow path width is narrowed. For this reason, in the tactile sensor 70, the frequency band to which the sensor unit 4 responds can be controlled by changing the flow path width in which the sensor unit 4 is disposed. Therefore, the tactile sensor 70 has a plurality of flow paths 72 having different flow path widths, so that force changes in different frequency bands can be measured independently.

(4)変形例
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。
(4) Modifications The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately changed within the scope of the gist of the present invention.

例えば、上記した実施形態では、保護膜5でセンサ部4の周囲に密閉された内部空間17を形成し、当該内部空間17に流体18を充填する構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図27に示すように、触覚センサ80を構成してもよい。触覚センサ80は、弾性体としての基板6及びシート部材84を備え、センサ部4を設けた基板6上の所定範囲83に疎水処理面81が形成されていると共に、当該範囲83外に親水性処理面82が形成されている。これにより、触覚センサ80では、当該疎水処理面81に流体18を配置して、流体18の表面張力により所定量の流体18を当該範囲83に載置し、当該流体18上に保護膜5を形成することにより、前記範囲83内に流体18を保持することができる。この場合、保護膜5を形成した後、基板6上を例えばシリコンゴムで形成したシート部材84で覆うことにより、触覚センサ80を得ることができる。従って、予め壁部7でセンサ部4の周囲を覆う必要がないので、製造工数を低減することができる。   For example, in the above-described embodiment, the description has been given of the configuration in which the protective film 5 forms the sealed internal space 17 around the sensor unit 4 and fills the internal space 17 with the fluid 18. However, the present invention is not limited to this. Is not to be done. For example, a tactile sensor 80 may be configured as shown in FIG. The tactile sensor 80 includes a substrate 6 as an elastic body and a sheet member 84, a hydrophobic treatment surface 81 is formed in a predetermined range 83 on the substrate 6 provided with the sensor unit 4, and hydrophilicity outside the range 83. A processing surface 82 is formed. Thus, in the tactile sensor 80, the fluid 18 is disposed on the hydrophobic treatment surface 81, a predetermined amount of the fluid 18 is placed in the range 83 by the surface tension of the fluid 18, and the protective film 5 is placed on the fluid 18. By forming, the fluid 18 can be held in the range 83. In this case, after forming the protective film 5, the tactile sensor 80 can be obtained by covering the substrate 6 with a sheet member 84 formed of, for example, silicon rubber. Therefore, since it is not necessary to previously cover the periphery of the sensor unit 4 with the wall unit 7, the number of manufacturing steps can be reduced.

また、図28に示す触覚センサ90では、前記範囲83の外縁に溝91が形成されている。当該溝91で前記範囲83を囲むことにより、触覚センサ90では、範囲83に流体18を載置することができる。   In the tactile sensor 90 shown in FIG. 28, a groove 91 is formed on the outer edge of the range 83. By surrounding the range 83 with the groove 91, the fluid 18 can be placed in the range 83 in the tactile sensor 90.

さらに、図29に示す触覚センサ95では、前記範囲83が、当該範囲83外よりも一段高く形成されている。このように範囲83を形成することにより、流体18の表面張力を利用して当該範囲83内に流体18を載置することができる。   Furthermore, in the tactile sensor 95 shown in FIG. 29, the range 83 is formed one step higher than the outside of the range 83. By forming the range 83 in this way, the fluid 18 can be placed in the range 83 using the surface tension of the fluid 18.

また、上記した実施形態では、内部空間17に流体18を充填する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、内部空間17を真空としてもよい。内部空間17を真空とした触覚センサの応答を利用して、流体18を充填した触覚センサにおける流体18によって生じる誤差を補正することができる。   In the above-described embodiment, the case where the internal space 17 is filled with the fluid 18 has been described. However, the present invention is not limited to this, and the internal space 17 may be vacuumed. An error caused by the fluid 18 in the tactile sensor filled with the fluid 18 can be corrected using the response of the tactile sensor in which the internal space 17 is evacuated.

また、上記した実施形態では、保護膜5はポリパラキシレンで形成した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、絶縁性、柔軟性、密閉性、基板6との固着可能性、真空蒸着可能性を有する材料であれば、保護膜5に適用することができる。   In the above-described embodiment, the case where the protective film 5 is formed of polyparaxylene has been described. However, the present invention is not limited to this, and the insulating property, flexibility, sealing property, possibility of fixing to the substrate 6, vacuum Any material having the possibility of vapor deposition can be applied to the protective film 5.

また、上記した実施形態では、壁部と表面部とは異なる材料で構成する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、壁部と表面部とを同一の材料で構成してもよく、また、一体化された構成としてもよい。   In the above-described embodiment, the case where the wall portion and the surface portion are made of different materials has been described. However, the present invention is not limited to this, and the wall portion and the surface portion may be made of the same material. Moreover, it is good also as an integrated structure.

1 触覚センサ
2 弾性体
4 センサ部
5 保護膜
17 内部空間
18 流体
61 流路
62 交差流路
63 連通路
O 中央
10 カンチレバー
11 ピエゾ抵抗層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Tactile sensor 2 Elastic body 4 Sensor part 5 Protective film
17 Internal space
18 Fluid
61 flow path
62 Crossing channel
63 Communication path O Center
10 Cantilever
11 Piezoresistive layer

Claims (8)

弾性体と、前記弾性体内に支持されたセンサ部と、前記センサ部を覆う保護膜とを備え、前記保護膜によって前記センサ部の周囲に内部空間が形成されていることを特徴とする触覚センサ。 A tactile sensor comprising: an elastic body; a sensor unit supported in the elastic body; and a protective film covering the sensor unit, wherein an inner space is formed around the sensor unit by the protective film. . 前記内部空間内に、流体を充填したことを特徴とする請求項1記載の触覚センサ。 The tactile sensor according to claim 1, wherein the internal space is filled with a fluid. 前記弾性体は、内部に流路が形成されており、前記流路に前記センサ部を設けたことを特徴とする請求項2記載の触覚センサ。 The tactile sensor according to claim 2, wherein the elastic body has a flow path formed therein, and the sensor portion is provided in the flow path. 前記流路は、中央において直交する2本の交差流路と、前記交差流路の端部同士を連通する連通路とを有し、
前記センサ部が、前記中央からの距離が等しい位置に配置されたことを特徴とする請求項3記載の触覚センサ。
The flow path has two cross flow paths orthogonal to each other at the center, and a communication path that connects the ends of the cross flow paths.
The tactile sensor according to claim 3, wherein the sensor unit is disposed at a position where the distance from the center is equal.
前記流路は、平行に形成された幅がそれぞれ異なる複数の平行流路からなることを特徴とする請求項3記載の触覚センサ。 The tactile sensor according to claim 3, wherein the flow path includes a plurality of parallel flow paths formed in parallel and having different widths. 前記センサ部は、シリコン薄膜で形成したカンチレバーを有し、前記カンチレバーの表面にピエゾ抵抗層が形成されていることを特徴とする請求項1〜5のうちいずれか1項に記載の触覚センサ。 6. The tactile sensor according to claim 1 , wherein the sensor unit includes a cantilever formed of a silicon thin film, and a piezoresistive layer is formed on a surface of the cantilever. 前記保護膜はポリパラキシリレンにより形成されていることを特徴とする請求項1〜6のうちいずれか1項に記載の触覚センサ。 The tactile sensor according to claim 1, wherein the protective film is made of polyparaxylylene. 前記流体がシリコンオイルであることを特徴とする請求項のうちいずれか1項に記載の触覚センサ。 The tactile sensor according to any one of claims 2 to 5 , wherein the fluid is silicon oil.
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