JP5470533B2

JP5470533B2 - 触覚センサおよびそれを備えたロボット

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Publication number: JP5470533B2
Application number: JP2010033924A
Authority: JP
Inventors: 春生野間
Original assignee: ATR Advanced Telecommunications Research Institute International
Current assignee: ATR Advanced Telecommunications Research Institute International
Priority date: 2010-02-18
Filing date: 2010-02-18
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2030-02-18
Also published as: JP2011169749A

Description

この発明は、触覚センサおよびそれを備えたロボットに関するものである。

従来、カンチレバーを有する触覚センサが知られている（特許文献１）。この触覚センサは、基板と、４個のカンチレバーと、エラストマーとを備える。４個のカンチレバーは、基板上に設けられる。エラストマーは、４個のカンチレバーを覆うように基板上に設けられる。そして、エラストマーは、基板の面内方向において４個のカンチレバーが配置された領域をカバーする範囲にだけ配置されている。また、エラストマーは、印加された剪断力の大きさに応じて変形する。

特開２００９−２９４１４０号公報

しかし、従来の触覚センサにおいては、エラストマーが大きく変形すると、カンチレバーが破損するという問題がある。また、エラストマーが繰返し変形することによって、エラストマーと基板との間に隙間が発生し、その発生した隙間から水分および空気等が浸透して密着しなくなると、エラストマーが基板から剥がれるという問題もある。

そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、検知部の破損および弾性部材の剥離を防止可能な触覚センサを提供することである。

また、この発明の目的は、検知部の破損および弾性部材の剥離を防止可能な触覚センサを備えたロボットを提供することである。

この発明によれば、触覚センサは、基板と、ｎ（ｎは正の整数）個の検知部と、弾性部材と、周辺部材とを備える。ｎ個の検知部は、基板上に設けられ、力を検知する。弾性部材は、ｎ個の検知部上に位置するｎ個の突出部を有し、基板およびｎ個の検知部を覆うように配置される。周辺部材は、弾性部材に接して弾性部材上に設けられるとともに、基板の面内方向においてｎ個の突出部の各々と所望の間隔を隔ててｎ個の突出部の周囲に設けられ、弾性部材の硬度よりも大きい硬度を有する。そして、ｎ個の検知部の各々は、１個以上のカンチレバーを含む。また、所望の間隔は、検知部を破損させる破損力よりも小さい剪断力が検知部に印加されるように決定されている。

好ましくは、弾性部材は、シリコーンからなる。

好ましくは、ｎ個の突出部の各々は、基板の法線方向において基板から離れる方向へテーパ形状からなる断面形状を有する。ｎ個の突出部の各々の基板と反対側の先端部は、法線方向において基板から離れる方向へ略放物線状に突出した断面形状を有し、周辺部材の表面から突出している。

また、この発明によれば、ロボットは、把持部と、触覚センサとを備える。把持部は、対象物を把持する。触覚センサは、把持部の対象物に接する面に配置される。そして、触覚センサは、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の触覚センサからなる。

この発明の実施の形態による触覚センサにおいては、周辺部材は、弾性部材のｎ個の突出部と所望の間隔を隔ててｎ個の突出部の周囲および弾性部材上に設けられている。そして、弾性部材のｎ個の突出部は、周辺部材から突出している。その結果、基板の面内方向における任意の方向から剪断力が検出対象物によって突出部に印加されると、突出部の基板の面内方向への変形は、検知部を破損させる破損力よりも小さい剪断力が検知部に印加されるように周辺部材によって制限される。また、周辺部材は、周辺部材と基板との間に配置された弾性部材を基板の方向へ押す。その結果、弾性部材と基板との間に隙間が形成されることはなく、水分および空気等が弾性部材と基板との間に浸透することが抑制される。

従って、検知部の破損および弾性部材の剥離を防止できる。

この発明の実施の形態による触覚センサの斜視図である。図１に示す線ＩＩ−ＩＩ間における触覚センサの断面図である。図２に示す検知部の斜視図である。図３に示すセンサ素子の断面図である。図３に示すセンサ素子の平面図である。エラストマおよび金属プレートの一部の拡大図である。図１および図２に示す触覚センサの製造方法を示す第１の工程図である。図１および図２に示す触覚センサの製造方法を示す第２の工程図である。図１および図２に示す触覚センサの製造方法を示す第３の工程図である。図１および図２に示す触覚センサの製造方法を示す第４の工程図である。図１および図２に示す触覚センサの製造方法を示す第５の工程図である。図１および図２に示す触覚センサの製造方法を示す第６の工程図である。図１および図２に示す触覚センサの製造方法を示す第７の工程図である。図１および図２に示す触覚センサの製造方法を示す第８の工程図である。図１および図２に示す触覚センサの製造方法を示す第９の工程図である。図１および図２に示す触覚センサの製造方法を示す第１０の工程図である。図１および図２に示す触覚センサの製造方法を示す第１１の工程図である。図１および図２に示す触覚センサの製造方法を示す第１２の工程図である。図１および図２に示す触覚センサの製造方法を示す第１３の工程図である。変形率と、剪断力または圧力との関係を示す図である。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に示す触覚センサの動作を説明する概念図である。検知部の他の構成を示す構成図である。この発明の実施の形態によるロボットが備えるアームの斜視図である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、この発明の実施の形態による触覚センサの斜視図である。また、図２は、図１に示す線ＩＩ−ＩＩ間における触覚センサの断面図である。

図１および図２を参照して、この発明の実施の形態による触覚センサ１０は、基板１と、酸化膜２と、検知部３と、弾性部材４と、金属プレート５とを備える。

触覚センサ１０は、方向ＤＲ１において、例えば、１ｃｍの長さＬ１を有し、方向ＤＲ２において、例えば、２ｃｍの長さＬ２を有し、例えば、１．５ｍｍの厚みＤ１を有する。

基板１は、例えば、単結晶シリコンからなる。酸化膜２は、例えば、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなり、例えば、１μｍの膜厚を有する。そして、酸化膜２は、基板１の一主面上に形成される。

検知部３は、検知部３１，３２を含む。検知部３１，３２の各々は、酸化膜２上に配置されるとともに、弾性部材４によって覆われる。

弾性部材４は、検知部３１，３２上にそれぞれ位置する突出部４１，４２を有し、基板１、酸化膜２および検知部３１，３２を覆うように配置される。そして、弾性部材４は、例えば、エラストマーであるＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン：ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）樹脂（＝シリコーン）からなる。

なお、図１および図２においては、２個の検知部３１，３２のみが図示されているが、触覚センサ１０は、実際には、６個の検知部を備える。そして、弾性部材４は、６個の検知部上にそれぞれ位置する６個の突出部４１〜４６を有する。

突出部４１〜４６の各々は、基板１の法線方向において基板１から遠ざかる方向へ突出した形状を有する。より具体的には、突出部４１〜４６の各々は、基板１の法線方向において基板１から遠ざかる方向へテーパ形状からなる断面形状を有する。また、突出部４１〜４６の各々は、基板１と反対側の先端部が基板１の法線方向において基板１から離れる方向へ略放物線状に突出した断面形状を有し、金属プレート５の表面から突出している。そして、弾性部材４の６個の突出部４１〜４６は、例えば、３行×２列に配置される。

金属プレート５は、例えば、アルミニウムからなり、弾性部材４の突出部４１〜４６間において基板１の法線方向から弾性部材４に接して配置される。この場合、金属プレート５は、基板１の面内方向において突出部４１〜４６の各々と所望の間隔を隔てて突出部４１〜４６の周囲に配置される。そして、金属プレート５は、酸化膜２と金属プレート５との間に配置された弾性部材４の部分を基板１の方向へ押し付ける。

図３は、図２に示す検知部３１の斜視図である。図３を参照して、検知部３１は、４個のセンサ素子３１１〜３１４を含む。センサ素子３１１は、カンチレバーＣＬ１と、電極Ｅ１１，Ｅ１２とを含む。センサ素子３１２は、カンチレバーＣＬ２と、電極Ｅ２１，Ｅ２２とを含む。センサ素子３１３は、カンチレバーＣＬ３と、電極Ｅ３１，Ｅ３２とを含む。センサ素子３１４は、カンチレバーＣＬ４と、電極Ｅ４１，Ｅ４２とを含む。

電極Ｅ１１，Ｅ１２は、カンチレバーＣＬ１の両端部に接続される。電極Ｅ２１，Ｅ２２は、カンチレバーＣＬ２の両端部に接続される。電極Ｅ３１，Ｅ３２は、カンチレバーＣＬ３の両端部に接続される。電極Ｅ４１，Ｅ４２は、カンチレバーＣＬ４の両端部に接続される。

そして、センサ素子３１１〜３１４は、共通の基板１上に配置され、上述したように共通の弾性部材４（４１）によって覆われる。

以下、基板１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、基板１の表面に垂直な方向にＺ軸を定義する。そして、基板１の表面に向かう方向をＺ軸の正の方向とする。

基板１には、カンチレバーＣＬ１〜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と、ブリッジ回路の出力電圧を増幅する増幅器と、増幅器の出力電圧をディジタル信号の出力値に変換するＡＤ変換器（アナログディジタル変換器）とを含む出力回路（図示せず）が形成されている。

そして、ブリッジ回路は、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４にそれぞれ接続された電極Ｅ１１，Ｅ１２；Ｅ２１，Ｅ２２；Ｅ３１，Ｅ３２；Ｅ４１，Ｅ４２を介してカンチレバーＣＬ１〜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。

センサ素子３１１のカンチレバーＣＬ１とセンサ素子３１３のカンチレバーＣＬ３とが互いに対向し、センサ素子３１２のカンチレバーＣＬ２とセンサ素子３１４のカンチレバーＣＬ４とが互いに対向する。また、センサ素子３１１，３１３とセンサ素子３１２，３１４とが互いに直交する向きに配置される。

なお、図２に示す検知部３２、および弾性部材４の４個の突出部４３〜４６によって覆われた４個の検知部の各々も、図３に示す検知部３１と同じ構成からなる。

図４は、図３に示すセンサ素子３１１の断面図である。図４を参照して、センサ素子３１１のカンチレバーＣＬ１は、湾曲した断面形状からなり、例えば、２０〜３０μｍの高さＨ１および３００μｍの長さＬ２を有する。そして、カンチレバーＣＬ１は、ノンドープ層３１１１と、ドープ層３１１２と、応力制御層３１１３と、絶縁層３１１４とからなる。ノンドープ層３１１１は、ｉ型の結晶シリコンからなり、例えば、２．５μｍの膜厚を有する。ドープ層３１１２は、ボロン（Ｂ）ドープの結晶シリコンからなる。そして、ドープ層３１１２は、１０^２０ｃｍ^−３のＢ原子を含む。応力制御層３１１３は、例えば、クロム（Ｃｒ）からなり、例えば、１００ｎｍの膜厚を有する。絶縁層３１１４は、例えば、シリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）からなり、例えば、３００ｎｍの膜厚を有する。電極Ｅ１１，Ｅ１２の各々は、例えば、金（Ａｕ）とＣｒとの積層膜（Ａｕ／Ｃｒ）からなり、例えば、全体で２４０ｎｍの膜厚を有する。

ノンドープ層３１１１は、一方端が酸化膜２に接して酸化膜２上に配置される。ドープ層３１１２は、ノンドープ層３１１１の一部に接してノンドープ層３１１１中に配置される。そして、ドープ層３１１２の抵抗がピエゾ抵抗となる。応力制御層３１１３は、ノンドープ層３１１１の一部、ドープ層３１１２の一部および絶縁層３１１４の一部に接してノンドープ層３１１１、ドープ層３１１２および絶縁層３１１４上に配置される。絶縁層３１１４は、開口部を有し、ノンドープ層３１１１およびドープ層３１１２に接してノンドープ層３１１１およびドープ層３１１２上に配置される。電極Ｅ１１，Ｅ１２は、ドープ層３１１２および絶縁層３１１４に接してドープ層３１１２および絶縁層３１１４上に配置される。この場合、電極Ｅ１１，Ｅ１２のＣｒがドープ層３１１２および絶縁層３１１４に接する。

なお、図３に示すセンサ素子３１２〜３１４の各々も、図４に示すセンサ素子３１１と同じ断面構造からなる。そして、電極Ｅ２１，Ｅ２２；Ｅ３１，Ｅ３２；Ｅ４１，Ｅ４２の各々も、例えば、Ａｕ／Ｃｒからなる。

図５は、図３に示すセンサ素子３１１の平面図である。図５を参照して、センサ素子３１１のカンチレバーＣＬ１は、略四角形からなる平面構造を有する。そして、ドープ層３１１２は、カンチレバーＣＬ１のうち、電極Ｅ１１，Ｅ１２の近傍に配置される。また、ノンドープ層３１１１および応力制御層３１１３には、６個の穴３１１５が開けられている。更に、電極Ｅ１１，Ｅ１２は、所定の間隔を隔ててカンチレバーＣＬ１の両端部に接続される。

なお、図３に示すセンサ素子３１２〜３１４の各々も、図５に示すセンサ素子３１１と同じ平面構造からなる。

図６は、弾性部材４および金属プレート５の一部の拡大図である。図６を参照して、弾性部材４の突出部４１は、例えば、１ｍｍφの直径を有する。また、突出部４１のうち、放物線状に突出した部分以外の部分は、例えば、１ｍｍの高さＨ２（＝酸化膜２からの高さ）を有する。この１ｍｍの高さＨ２は、突出部４１が基板１の法線方向から基板１に近づく方向へ変形したときに検知部３１，３２を破損させる破損力よりも小さい剪断力が検知部３１，３２に印加されるように決定された高さである。

また、金属プレート５と突出部４１との間隔ｄは、例えば、１００〜２００μｍに設定される。この１００〜２００μｍの間隔ｄは、突出部４１が基板１の面内方向へ変形したときに検知部３１，３２を破損させる破損力よりも小さい剪断力が検知部３１，３２に印加されるように決定された間隔である。

更に、突出部４１のうち、基板１と反対側へ放物線状に湾曲した部分は、基板１の法線方向において、例えば、１００〜２００μｍの長さＬ３を有する。即ち、突出部４１のうち、金属プレート５の表面から突出した部分は、基板１の法線方向において、長さＬ３を有する。

更に、弾性部材４のうち、酸化膜２と金属プレート５との間に配置された部分は、例えば、１００μｍの厚みｔを有する。

なお、図１に示す弾性部材４の突出部４２〜４６の各々も、図６に示す突出部４１と同じ寸法を有し、金属プレート５と突出部４１との間隔ｄと同じ間隔を金属プレート５との間で有する。

図７から図１９は、それぞれ、図１および図２に示す触覚センサ１０の製造方法を示す第１〜第１３の工程図である。なお、図７から図１５は、触覚センサ１０における検知部３１に含まれる１つのセンサ素子３１１の部分のみが示されるが、他のセンサ素子３１２〜３１４および他の検知部（検知部３２および突出部４３〜４６に覆われる検知部）も同時に同様の方法によって形成される。また、図７から図１５において、（ａ）は、断面図を示し、（ｂ）は、平面図を示す。

図７を参照して、触覚センサ１０の製造が開始されると、ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板１００を準備する。

ＳＯＩ基板１００は、結晶シリコンからなる基板１と、埋め込み酸化膜１０１と、結晶シリコン膜１０２とを含む。結晶シリコン膜１０２は、例えば、２．５μｍの厚みを有する。また、埋め込み酸化膜１０１は、例えば、ＳｉＯ_２からなる。

その後、例えば、プラズマＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｕｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法およびフォトリソグラフィを用いて、開口部を有するＳｉＯ_２膜１０３が結晶シリコン膜１０２上に形成される（図８参照）。

そして、ＳｉＯ_２膜１０３をマスクとして熱拡散またはイオン注入によってＢ原子を結晶シリコン膜１０２の一部に添加する。これによって、ドープ層３１１２が形成され、ドープ層３１１２は、例えば、１０^２０ｃｍ^−３のＢ原子を含む（図９参照）。

引き続いて、Ｓｉ_３Ｎ_４膜１０４を結晶シリコン膜１０２およびドープ層３１１２を覆うように形成する（図１０参照）。

そして、Ｓｉ_３Ｎ_４膜１０４をフォトリソグラフィを用いてパターンニングし、絶縁層３１１４を形成する（図１１）。

その後、蒸着およびフォトリソグラフィを用いて応力制御層３１１３（Ｃｒ）を結晶シリコン膜１０２および絶縁層３１１４上に形成する（図１２参照）。

そして、蒸着およびフォトリソグラフィを用いて電極Ｅ１１，Ｅ１２を形成する（図１３参照）。その後、基板１上に配置された取出電極（図示せず）に電極Ｅ１１，Ｅ１２を接続するための配線（Ａｕ／Ｃｒからなる）を蒸着およびフォトリソグラフィを用いて形成する。

引き続いて、フォトリソグラフィを用いてドープ層３１１２、応力制御層３１１３、絶縁相３１１４および電極Ｅ１１，Ｅ１２以外の結晶シリコン膜１２０をエッチングするとともに、応力制御層３１１３の一部および応力制御層３１１３の下側に配置された結晶シリコン膜１０２の一部をエッチングする。これによって、穴３１１５が形成される（図１４参照）。

なお、エッチングとしては、例えば、ウェットエッチング法が用いられる。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）が用いられる。

そして、エッチングによって、埋め込み酸化膜１０１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）が用いられる。これによって、カンチレバーＣＬ１が形成される（図１５参照）。

ドープ層３１１２は、結晶シリコン膜１０２にＢを添加することによって形成されている。また、ドープ層３１１２におけるＢの濃度は、０．２原子％（＝１０^２０ｃｍ^−３）に設定されている。これによって、ドープ層３１１２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だけ小さくなっている。

その結果、ノンドープ層３１１１とドープ層３１１２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。従って、ドープ層３１１２の抵抗がピエゾ抵抗となる。

また、Ｃｒからなる応力制御層３１１３がノンドープ層３１１１上に形成されているため、埋め込み酸化膜１０１の所定の領域を除去すると、ノンドープ層３１１１と応力制御層３１１３との境界面の歪みが緩和するように、ノンドープ層３１１１の一方端側が上方に向かって湾曲する。これによって、ＸＹ平面において略Ｕ字状であり、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（図１５参照）。

なお、カンチレバーＣＬ１のＸＺ平面における曲率半径は、例えば、約４００μｍである。

その後、図１５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なう。そして、フリーズドライ（真空凍結乾燥）を行なう。これによって、複数の検知部３１，３２が基板１上に形成される。

引き続いて、金型１１０を基板１上に設置し、基板１、酸化膜２および検知部３１，３２と金型１１０との間の隙間１２０に弾性部材（ＰＤＭＳ）を流し込み、その流し込んだ弾性部材（ＰＤＭＳ）をオーブンによって加熱し、弾性部材（ＰＤＭＳ）を硬化させる（図１６参照）。

これによって、弾性部材４が基板１上に形成され、酸化膜２、および検知部３１，３２が弾性部材４によって覆われる（図１７参照）。

そして、金型１３０を弾性部材４の突出部４１，４２に設置し、アルミニウム等をスパッタリングによって弾性部材４上に形成する（図１８参照）。

これによって、金属プレート５が形成され、触覚センサ１０が完成する（図１９参照）。

図２０は、変形率と、剪断力または圧力との関係を示す図である。なお、図２０は、１ｍｍの厚みを有するエラストマーの底部に、１００μｍの長さを有するカンチレバーを４５度の角度で設置したときのカンチレバーの変形率と、剪断力または圧力との関係を示す。

図２０の（ａ），（ｂ）において、縦軸は、変形率を表し、横軸は、剪断力を表す。また、図２０の（ｃ），（ｄ）において、縦軸は、変形率を表し、横軸は、圧力を表す。更に、図２０の（ａ）は、左右方向（即ち、基板１の面内方向）に剪断力を印加したときのカンチレバーの左右方向の変形率と剪断力との関係を示し、図２０の（ｂ）は、左右方向（即ち、基板１の面内方向）に剪断力を印加したときのカンチレバーの上下方向（即ち、基板１の法線方向）の変形率と剪断力との関係を示す。

更に、図２０の（ｃ）は、上下方向（即ち、基板１の法線方向）に圧力を印加したときのカンチレバーの左右方向（即ち、基板１の面内方向）の変形率と圧力との関係を示し、図２０の（ｄ）は、上下方向（即ち、基板１の法線方向）に圧力を印加したときのカンチレバーの上下方向（即ち、基板１の法線方向）の変形率と圧力との関係を示す。

更に、直線ｋ１，ｋ５は、ヤング率が０．０４［ＭＰａ］であるときの変形率と、剪断力との関係を示し、直線ｋ２，ｋ６は、ヤング率が０．６［ＭＰａ］であるときの変形率と、剪断力との関係を示し、直線ｋ３，ｋ７は、ヤング率が１０［ＭＰａ］であるときの変形率と、剪断力との関係を示し、直線ｋ４，ｋ８は、ヤング率が１００［ＭＰａ］であるときの変形率と、剪断力との関係を示す。

更に、直線ｋ９，ｋ１３は、ヤング率が０．０４［ＭＰａ］であるときの変形率と、圧力との関係を示し、直線ｋ１０，ｋ１４は、ヤング率が０．６［ＭＰａ］であるときの変形率と、圧力との関係を示し、直線ｋ１１，ｋ１５は、ヤング率が１０［ＭＰａ］であるときの変形率と、圧力との関係を示し、直線ｋ１２，ｋ１６は、ヤング率が１００［ＭＰａ］であるときの変形率と、圧力との関係を示す。

図２０の（ａ）を参照して、剪断力が左右方向（即ち、基板１の面内方向）からエラストマーに印加された場合、カンチレバーの左右方向（即ち、基板１の面内方向）の変形率は、剪断力の増加に対して直線的に大きくなる（直線ｋ１〜ｋ４参照）。より具体的には、カンチレバーの左右方向（即ち、基板１の面内方向）の変形率は、ヤング率が０．０４［ＭＰａ］であるとき、約７（％）から約８００（％）まで直線的に大きくなり（直線ｋ１参照）、ヤング率が０．６［ＭＰａ］であるとき、約０．５（％）から約５０（％）まで直線的に大きくなる（直線ｋ２参照）。また、カンチレバーの左右方向（即ち、基板１の面内方向）の変形率は、ヤング率が１０［ＭＰａ］であるとき、約０．０３（％）から約３（％）まで直線的に大きくなり（直線ｋ３参照）、ヤング率が１００［ＭＰａ］であるとき、約０．００３（％）から約０．３（％）まで直線的に大きくなる（直線ｋ４参照）。

図２０の（ｂ）を参照して、剪断力が左右方向（即ち、基板１の面内方向）からエラストマーに印加された場合、カンチレバーの上下方向（基板１の法線方向）の変形率は、剪断力の増加に対して直線的に大きくなる（直線ｋ５〜ｋ８参照）。より具体的には、カンチレバーの上下方向（即ち、基板１の面内方向）の変形率は、ヤング率が０．０４［ＭＰａ］であるとき、約５×１０^−１３（％）から約６×１０^−１１（％）まで直線的に大きくなり（直線ｋ５参照）、ヤング率が０．６［ＭＰａ］であるとき、約４×１０^−１４（％）から約４×１０^−１２（％）まで直線的に大きくなる（直線ｋ６参照）。また、カンチレバーの上下方向（即ち、基板１の面内方向）の変形率は、ヤング率が１０［ＭＰａ］であるとき、約２×１０^−１５（％）から約２×１０^−１３（％）まで直線的に大きくなり（直線ｋ７参照）、ヤング率が１００［ＭＰａ］であるとき、約１．３×１０^−１６（％）から約１．３×１０^−１４（％）まで直線的に大きくなる（直線ｋ８参照）。

従って、剪断力が左右方向（即ち、基板１の面内方向）からエラストマーに印加された場合、カンチレバーは、左右方向（即ち、基板１の面内方向）に大きく変形し、上下方向（即ち、基板１の法線方向）には、殆ど変形しない。

図２０の（ｃ）を参照して、圧力が上下方向（即ち、基板１の法線方向）からエラストマーに印加された場合、カンチレバーの左右方向（即ち、基板１の面内方向）の変形率は、圧力の増加に対して直線的に大きくなる（直線ｋ９〜ｋ１２参照）。より具体的には、より具体的には、カンチレバーの左右方向（即ち、基板１の面内方向）の変形率は、ヤング率が０．０４［ＭＰａ］であるとき、約２．５×１０^−１３（％）から約３×１０^−１１（％）まで直線的に大きくなり（直線ｋ９参照）、ヤング率が０．６［ＭＰａ］であるとき、約２×１０^−１４（％）から約２×１０^−１２（％）まで直線的に大きくなる（直線ｋ１０参照）。また、カンチレバーの左右方向（即ち、基板１の面内方向）の変形率は、ヤング率が１０［ＭＰａ］であるとき、約８×１０^−１６（％）から約８×１０^−１４（％）まで直線的に大きくなり（直線ｋ１１参照）、ヤング率が１００［ＭＰａ］であるとき、約１×１０^−１６（％）から約１×１０^−１４（％）まで直線的に大きくなる（直線ｋ１２参照）。

図２０の（ｄ）を参照して、圧力が上下方向（即ち、基板１の法線方向）からエラストマーに印加された場合、カンチレバーの上下方向（即ち、基板１の法線方向）の変形率は、圧力の増加に対して直線的に大きくなる（直線ｋ１３〜ｋ１６参照）。より具体的には、より具体的には、カンチレバーの上下方向（即ち、基板１の法線方向）の変形率は、ヤング率が０．０４［ＭＰａ］であるとき、約２（％）から約２００（％）まで直線的に大きくなり（直線ｋ１３参照）、ヤング率が０．６［ＭＰａ］であるとき、約０．１１（％）から約１１（％）まで直線的に大きくなる（直線ｋ１４参照）。また、カンチレバーの上下方向（即ち、基板１の法線方向）の変形率は、ヤング率が１０［ＭＰａ］であるとき、約０．００６（％）から約０．９（％）まで直線的に大きくなり（直線ｋ１５参照）、ヤング率が１００［ＭＰａ］であるとき、約０．０００８（％）から約０．０８（％）まで直線的に大きくなる（直線ｋ１６参照）。

従って、圧力が上下方向（即ち、基板１の法線方向）からエラストマーに印加された場合、カンチレバーは、上下方向（即ち、基板１の法線方向）に大きく変形し、左右方向（即ち、基板１の面内方向）には、殆ど変形しない。

そして、弾性部材４を構成するＰＤＭＳは、約１．５［ＭＰａ］のヤング率を有する。従って、剪断力が左右方向からＰＤＭＳに印加された場合、カンチレバーの左右方向の変形率は、直線ｋ２と直線ｋ３との間の直線に従って、剪断力の増加に対して大きくなり、カンチレバーの上下方向の変形率は、直線ｋ６と直線ｋ７との間の直線に従って、剪断力の増加に対して大きくなる。また、圧力が上下方向からＰＤＭＳに印加された場合、カンチレバーの左右方向の変形率は、直線ｋ１０と直線ｋ１１との間の直線に従って、圧力の増加に対して大きくなり、カンチレバーの上下方向の変形率は、直線ｋ１４と直線ｋ１５との間の直線に従って、圧力の増加に対して大きくなる。

その結果、１００［ｋＰａ］の剪断力が左右方向からＰＤＭＳに印加された場合、カンチレバーは、左右方向へ約１０％変形し、上下方向へ殆ど変形しない。また、１００［ｋＰａ］の剪断力が上下方向からＰＤＭＳに印加された場合、カンチレバーは、上下方向へ約５％変形し、左右方向へ殆ど変形しない。

このように、剪断力および圧力がそれぞれ面内方向および法線方向から弾性部材４に印加された場合、カンチレバーＣＬ１〜ＣＬ４の変形率は、左右方向へ約１０％であり、上下方向へ約５％である。

従って、触覚センサ１０の検知部３１，３２は、弾性部材４の突出部４１〜４６に印加された力（剪断力）を検知できる。

図２１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２１を参照して、出力回路２００は、外部抵抗Ｒ１〜Ｒ３と、直流電源２１０と、増幅器２２０と、ＡＤ変換器２３０とを含む。

外部抵抗Ｒ１〜Ｒ３は、カンチレバーＣＬ１の電極Ｅ１１，Ｅ１２に接続される。そして、カンチレバーＣＬ１、外部抵抗Ｒ１〜Ｒ３および直流電源２１０は、ブリッジ回路ＢＲＧを構成する。

ブリッジ回路ＢＲＧの出力電圧は、増幅器２２０に与えられる。増幅器２２０は、ブリッジ回路ＢＲＧの出力電圧を増幅し、その増幅した出力電圧をＡＤ変換器２３０へ出力する。

ＡＤ変換器２３０は、増幅器２２０から受けた出力電圧をアナログ信号からディジタル信号に変換し、その変換したディジタル信号を出力する。

カンチレバーＣＬ１の変形によって、カンチレバーＣＬ１のピエゾ抵抗が変化する。ブリッジ回路ＢＲＧおよび増幅器２２０は、このピエゾ抵抗の変化量を電圧の変化として検出する。そして、ＡＤ変換器２３０は、増幅器２２０からの出力電圧をディジタル信号の出力値に変換する。

なお、図３に示すカンチレバーＣＬ２〜ＣＬ４の各々にも、図２１に示す出力回路２００が接続されている。そして、出力回路２００は、上述した方法によって、カンチレバーＣＬ２〜ＣＬ４の変形をディジタル信号の出力値として検出する。

図２２は、図１に示す触覚センサ１０の動作を説明する概念図である。なお、図２２においては、検知部３１を例にして触覚センサ１０の動作を説明する。

図２２を参照して、剪断力がＺ軸の正の方向から弾性部材４の突出部４１に印加された場合、突出部４１は、Ｚ軸の正の方向に縮む（図２２の（ａ）参照）。その結果、検知部３１のカンチレバーＣＬ１〜ＣＬ４は、曲率半径が大きくなるように変形する。そして、出力回路２００は、上述した方法によって、カンチレバーＣＬ１〜ＣＬ４のピエゾ抵抗の変化量を検出して出力する。この場合、４個のカンチレバーＣＬ１〜ＣＬ４におけるピエゾ抵抗の変化量は、ほぼ同じになる。従って、４個のカンチレバーＣＬ１〜ＣＬ４に対応する４個の出力回路２００は、ほぼ同じ４個の出力値を出力する。その結果、剪断力がＺ軸の正の方向に印加されたことが検知される。また、４個の出力値の大きさから、印加された剪断力の大きさが検知される。

また、剪断力がＸ軸の負の方向から弾性部材４の突出部４１に印加された場合、突出部４１は、金属プレート５（５１）に接するまでＸ軸の負の方向へ変形する（図２２の（ｂ）参照）。その結果、カンチレバーＣＬ１は、曲率半径が小さくなるように変形し、カンチレバーＣＬ３は、曲率半径が大きくなるように変形し、カンチレバーＣＬ２，ＣＬ４は、殆ど変形しない。そして、出力回路２００は、カンチレバーＣＬ１〜ＣＬ４のピエゾ抵抗の変化量を検出して出力する。この場合、カンチレバーＣＬ１におけるピエゾ抵抗の変化量は、例えば、＋ΔＲ１になり、カンチレバーＣＬ３におけるピエゾ抵抗の変化量は、例えば、−ΔＲ２になり、カンチレバーＣＬ２，ＣＬ４におけるピエゾ抵抗の変化量は、ほぼ零である。

従って、カンチレバーＣＬ１に対応する出力回路２００は、＋ΔＲ１の変化量を示すディジタル信号の出力値を出力し、カンチレバーＣＬ３に対応する出力回路２００は、−ΔＲ２の変化量を示すディジタル信号の出力値を出力し、カンチレバーＣＬ２，ＣＬ４に対応する出力回路２００は、ほぼ零を示すディジタル信号の出力値を出力する。その結果、剪断力がＸ軸の負の方向に印加されたことが検知される。また、＋ΔＲ１の大きさおよび−ΔＲ２の大きさに基づいて、印加された剪断力の大きさが検知される。

更に、剪断力がＸ軸の正の方向から弾性部材４の突出部４１に印加された場合、突出部４１は、金属プレート５（５２）に接するまでＸ軸の正の方向へ変形する（図２２の（ｃ）参照）。その結果、カンチレバーＣＬ１は、曲率半径が大きくなるように変形し、カンチレバーＣＬ３は、曲率半径が小さくなるように変形し、カンチレバーＣＬ２，ＣＬ４は、殆ど変形しない。そして、出力回路２００は、カンチレバーＣＬ１〜ＣＬ４のピエゾ抵抗の変化量を検出して出力する。この場合、カンチレバーＣＬ１におけるピエゾ抵抗の変化量は、例えば、−ΔＲ３になり、カンチレバーＣＬ３におけるピエゾ抵抗の変化量は、例えば、＋ΔＲ４になり、カンチレバーＣＬ２，ＣＬ４におけるピエゾ抵抗の変化量は、ほぼ零である。

従って、カンチレバーＣＬ１に対応する出力回路２００は、−ΔＲ３の変化量を示すディジタル信号の出力値を出力し、カンチレバーＣＬ３に対応する出力回路２００は、＋ΔＲ４の変化量を示すディジタル信号の出力値を出力し、カンチレバーＣＬ２，ＣＬ４に対応する出力回路２００は、ほぼ零を示すディジタル信号の出力値を出力する。その結果、剪断力がＸ軸の正の方向に印加されたことが検知される。また、−ΔＲ３の大きさおよび＋ΔＲ４の大きさに基づいて、印加された剪断力の大きさが検知される。

なお、剪断力がＸ軸またはＺ軸に沿って弾性部材４に印加された場合について触覚センサ１０の動作を説明したが、剪断力がＹ軸に沿って弾性部材４に印加された場合、および剪断力がＸＹ平面において任意の方向から弾性部材４にに印加された場合も、剪断力の印加方向および大きさが上述した動作によって検知される。

また、他の検知部３２（および突出部４３〜４６によって覆われた検知部）における剪断力の検知も、上述した動作によって行なわれる。

剪断力がＺ軸の正の方向から突出部４１に印加された場合、弾性部材４の変形量は、基板１の法線方向における各位置において異なる。即ち、弾性部材４のうち、突出部４１が最も大きく変形し、検知部３１を覆う部分は、突出部４１よりも小さく変形し、基板１に最も近い部分は、殆ど変形しない。

そして、突出部４１〜４６の高さＨ２は、上述したように、突出部４１〜４６が基板１の法線方向から基板１に近づく方向へ変形したときに検知部３１，３２を破損させる破損力よりも小さい剪断力が検知部３１，３２に印加されるように決定された高さである。

従って、剪断力がＺ軸の正の方向から突出部４１〜４６に印加された場合、カンチレバーＣＬ１〜ＣＬ４が破損することはない。

また、剪断力がＸ軸に沿って突出部４１〜４６に印加された場合、突出部４１〜４６は、金属プレート５（５１）または５（５２）に接するまでＸ軸の方向へ変形する。そして、上述したように、突出部４１〜４６と金属プレート５（５１）または５（５２）との間隔ｄは、検知部３１，３２を破損させる破損力よりも小さい剪断力が検知部３１，３２に印加されるように決定された間隔である。その結果、金属プレート５（５１）または５（５２）は、突出部４１〜４６のＸ軸方向への変形を制限し、検知部３１，３２を破損させる破損力が検知部３１，３２に印加されることはない。

従って、剪断力がＸ軸に沿って突出部４１〜４６に印加された場合、カンチレバーＣＬ１〜ＣＬ４が破損することはない。

更に、金属プレート５は、突出部４１〜４６と間隔ｄを隔てて突出部４１〜４６の周囲に設けられているので、剪断力がＸＹ平面の任意の方向から弾性部材４に印加されても、上述した理由によって、カンチレバーＣＬ１〜ＣＬ４が破損することはない。

更に、弾性部材４のうち、突出部４１〜４６以外の部分の上には、金属プレート５が配置されているので、突出部４１〜４６の近傍および弾性部材４の周縁において、弾性部材４と基板１との間に隙間が形成されることはなく、水分および空気等が弾性部材４と基板１との間に浸透することが抑制される。

従って、弾性部材４の剥離を防止できる。

図２３は、検知部３１の他の構成を示す構成図である。上記においては、検知部３１，３２の各々は、４個のセンサ素子３１１〜３２４を含むと説明したが、この発明の実施の形態においては、これに限らず、検知部３１は、３個のセンサ素子３１１〜３１３を含んでいてもよい。

この場合、３個のセンサ素子３１１〜３１３の３個のカンチレバーＣＬ１〜ＣＬ３は、相互に１２０度の角度を成すように配置される。つまり、３個のカンチレバーＣＬ１〜ＣＬ３は、相互に異なる向きを向くように配置される。

なお、検知部３１が３個のセンサ素子３１１〜３１３からなる場合、検知部３２および突出部４３〜４６によって覆われる４個の検知部の各々も、図２３に示すように、相互に１２０度の角度を成すように配置された３個のカンチレバーＣＬ１〜ＣＬ３を含む３個のセンサ素子３１１〜３１３からなる。

そして、一般的には、検知部３１，３２および突出部４３〜４６によって覆われる４個の検知部の各々は、１個以上のカンチレバーを含んでいればよい。

各検知部が１個以上のカンチレバーを含んでいれば、突出部４１〜４６に印加された剪断力の向き、または大きさを検知できるからである。

なお、各検知部が２個以上のカンチレバーを含む場合、２個のカンチレバーは、好ましくは、互いに異なる向きに配置される。

触覚センサ１０においては、突出部４１〜４６の各々は、金属プレート５から突出している。その結果、突出部４１〜４６は、検出対象物に接触し易くなる。

従って、検出対象物を高感度に検知できる。

図２４は、この発明の実施の形態によるロボットが備えるアームの斜視図である。図２４を参照して、この発明の実施の形態によるロボットは、アーム３００を備える。アーム３００は、触覚センサ１０と、把持部３１０，３２０とを含む。

触覚センサ１０は、把持部３１０の把持部３２０側の表面に配置される。そして、触覚センサ１０は、把持部３１０，３２０が物体を把持すると、物体と接触し、突出部４１〜４６に印加された剪断力を上述した方法によって検出する。

そうすると、ロボットの制御部（図示せず）は、触覚センサ１０が検知した剪断力の大きさおよび方向に基づいて、物体を正確に把持しているかを判定する。そして、ロボットの制御部（図示せず）は、把持部３１０，３２０が物体を正確に把持していないと判定したとき、物体を正確に把持するように把持部３１０，３２０を制御する。

このように、触覚センサ１０は、ロボットのアーム３００の把持部３１０，３２０に設置され、把持部３１０，３２０による物体の把持に用いられる。

また、触覚センサ１０は、自動車のタイヤの路面との接触面に配置されてもよい。そして、触覚センサ１０は、自動車の幅方向等、自動車の進行方向と異なる方向から印加される剪断力を上述した方法によって検知する。

そうすると、自動車の制御部（図示せず）は、触覚センサ１０によって検知された剪断力の大きさおよび方向に基づいて、タイヤの滑りを検知する。そして、自動車の制御部（図示せず）は、タイヤの滑りを視覚情報として運転者に与える。

このように、触覚センサ１０は、タイヤの滑りを検知するために設置されてもよい。

なお、触覚センサ１０がタイヤに設置される場合、触覚センサ１０は、地面との接触によって突出部４１〜４６が破損する可能性があるが、このような破損を防止するために、触覚センサ１０は、突出部４１〜４６および金属プレート５を覆うカバー部材を更に備えていてもよい。

上記においては、触覚センサ１０は、弾性部材４の突出部４１〜４６の周囲に金属プレート５を備えると説明したが、この発明の実施の形態においては、これに限らず、触覚センサ１０は、弾性部材４よりも硬度が大きい部材を金属プレート５に代えて備えていればよい。

弾性部材４よりも大きい硬度を有する部材が突出部４１〜４６の周囲に配置されていれば、弾性部材４よりも大きい硬度を有する部材は、ＸＹ平面内における任意の方向への突出部４１〜４６の移動を制限できるからである。

そして、弾性部材４よりも大きい硬度を有する部材は、上述したアルミニウム以外に、例えば、エポキシ樹脂（ＮＴＴＡＴＡＴ６００１、硬度：１０ＭＰａ）、エンジニアリングプラスチック（三輝工業ＭＣナイロン９０１）、ステンレス等の金属板、およびセラミック等からなり、一般的には、弾性部材４の硬度の１０倍以上の硬度を有する材料からなっていればよい。

弾性部材４よりも大きい硬度を有する部材がエポキシ樹脂、エンジニアリングプラスチックおよびセラミックのいずれかからなる場合、図１８においては、図１６に示すような隙間１２０を有する金型を用いて、エポキシ樹脂、エンジニアリングプラスチックおよびセラミックの材料が隙間に流し込まれ、その流し込まれた材料を硬化させることによって、弾性部材４よりも大きい硬度を有する部材が金属プレート５に代えて形成される。

また、上記においては、触覚センサ１０は、６個の検知部を備えると説明したが、この発明の実施の形態においては、これに限らず、触覚センサ１０は、ｎ（ｎは正の整数）個の検知部を備えていればよい。この場合、弾性部材４は、ｎ個の検知部をそれぞれ覆うｎ個の突出部を有する。

そして、ｎ個の検知部およびｎ個の突出部は、碁盤目状に配置されてもよく、市松模様状に配置されてもよく、一般的には、任意の模様状に配置されてもよい。

更に、この発明の実施の形態においては、金属プレート５は、「周辺部材」を構成する。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、触覚センサに適用される。

１基板、２酸化膜、３，３１，３２検知部、４弾性部材、５，５１，５２金属プレート、１０触覚センサ、４１〜４６突出部、１００ＳＯＩ基板、１０１埋め込み酸化膜、１０２結晶シリコン膜、３１１１ノンドープ層、３１１２ドープ層、１１０，１３０金型、１２０隙間、３００アーム、３１０，３２０把持部、３１１〜３１４センサ素子。

Claims

基板と、
前記基板上に設けられ、力を検知するｎ（ｎは正の整数）個の検知部と、
前記ｎ個の検知部上に位置するｎ個の突出部を有し、前記基板および前記ｎ個の検知部を覆うように配置された弾性部材と、
前記弾性部材に接して前記弾性部材上に設けられるとともに、前記基板の面内方向において前記ｎ個の突出部の各々と所望の間隔を隔てて前記ｎ個の突出部の周囲に設けられ、前記弾性部材の硬度よりも大きい硬度を有する周辺部材とを備え、
前記ｎ個の検知部の各々は、１個以上のカンチレバーを含み、
前記所望の間隔は、前記検知部を破損させる破損力よりも小さい剪断力が前記検知部に印加されるように決定されている、触覚センサ。
前記弾性部材は、シリコーンからなる、請求項１に記載の触覚センサ。
前記ｎ個の突出部の各々は、前記基板の法線方向において前記基板から離れる方向へテーパ形状からなる断面形状を有し、
前記ｎ個の突出部の各々の前記基板と反対側の先端部は、前記法線方向において前記基板から離れる方向へ略放物線状に突出した断面形状を有し、前記周辺部材の表面から突出している、請求項１に記載の触覚センサ。
対象物を把持する把持部と、
前記把持部の前記対象物に接する面に配置された触覚センサとを備え、
前記触覚センサは、
基板と、
前記基板上に設けられ、力を検知するｎ（ｎは正の整数）個の検知部と、
前記ｎ個の検知部上に位置するｎ個の突出部を有し、前記基板および前記ｎ個の検知部を覆うように配置された弾性部材と、
前記弾性部材に接して前記弾性部材上に設けられるとともに、前記基板の面内方向において前記ｎ個の突出部の各々と所望の間隔を隔てて前記ｎ個の突出部の周囲に設けられ、前記弾性部材の硬度よりも大きい硬度を有する周辺部材とを含み、
前記ｎ個の検知部の各々は、１個以上のカンチレバーを含み、
前記所望の間隔は、前記検知部を破損させる破損力よりも小さい剪断力が前記検知部に印加されるように決定されている、ロボット。