JP5504391B2 - 触覚センサアレイ - Google Patents

Description

本発明は、複数の触覚センサからなる触覚センサアレイに関する。

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（特許文献１および非特許文献１参照）。微小な４本のカンチレバーは互いに９０度異なる向きで配置されている。
特開２００８−００８８５４号 「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

上記の多軸触覚センサを多数平面上または曲面上に配列することにより触覚センサアレイを構成することができる。このような触覚センサアレイに物体を接触させた場合、複数の触覚センサにより検出される圧力および剪断力の分布に基づいて物体の大きさ、形状および荷重の分布等を検出することが可能となる。

各触覚センサは、上記のように、４本の微小なカンチレバーにより構成される。この場合、１つの触覚センサの領域内で最大の力が加わる位置が異なると、検出される圧力および剪断力が異なる。そのため、触覚センサアレイに接触する物体の位置が１つの触覚センサの大きさよりも微小な量ずれただけでも、各触覚センサにより検出される圧力および剪断力が異なる。

しかしながら、上記のような触覚センサアレイでは、複数の触覚センサにより検出される圧力および剪断力の分布に基づいて物体の大きさ、形状および荷重の分布等を検出するものであるため、物体の位置が１つの触覚センサの大きさよりも微小な量ずれた場合に個々の触覚センサにより検出される圧力および剪断力が異なることは望ましくない。

本発明の目的は、接触する物体の位置が微小な量ずれた場合でも複数の触覚センサにより検出される圧力および剪断力の分布を正確に検出することが可能な触覚センサアレイを提供することである。

（１）第１の発明に係る触覚センサアレイは、基板と、基板上に配列され、印加された圧力および剪断力を検出する複数の触覚センサとを備え、複数の触覚センサの各々は、基板上に異なる向きに設けられたカンチレバーからなる少なくとも３つ以上のセンサ素子と、少なくとも３つ以上のセンサ素子を被覆するように基板上に形成された弾性材料層と、少なくとも３つ以上のセンサ素子の上方における弾性材料層の領域上に設けられ、弾性材料層よりも硬質または弾性材料層と同じ硬さの突起部とを備え、各触覚センサの突起部は、他の触覚センサの突起部とは独立して設けられ、凸レンズ形状に形成されるとともに基板に平行な下面を有するものである。

本発明に係る触覚センサアレイにおいては、基板上に複数の触覚センサアレイが配列されている。各触覚センサにおいては、少なくとも３つのカンチレバーからなる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材料層で被覆されている。また、弾性材料層よりも硬質または弾性材料層と同じ硬さの突起部が少なくとも３つ以上のセンサ素子の上方における弾性材料層の領域に設けられている。突起部は、凸レンズ形状に形成されるとともに基板に平行な下面を有する。

各触覚センサにおいて、突起部が押された場合、最大の力が加えられた位置にかかわらず（突起部のいずれの位置が押された場合でも）、基板に平行な突起部の下面で弾性材料層に均等な力が加えられる。それにより、各触覚センサにおいて最大の力が加えられる位置が触覚センサの大きさよりも微小な量ずれた場合でも、触覚センサにより検出される圧力および剪断力が異ならない。したがって、本発明に係る触覚センサアレイにおいては、接触する物体の位置が微小な量ずれた場合でも、複数の触覚センサにより検出される圧力および剪断力の分布を正確に検出することが可能となる。

（２）第２の発明に係る触覚センサアレイは、基板と、基板上に配列され、印加された圧力および剪断力を検出する複数の触覚センサとを備え、複数の触覚センサの各々は、基板上に異なる向きに設けられたカンチレバーからなる少なくとも３つ以上のセンサ素子と、少なくとも３つ以上のセンサ素子を被覆するように基板上に形成された弾性材料層とを備え、弾性材料層に各触覚センサの周囲を取り囲む溝部が設けられ、溝部は、少なくとも３つ以上のセンサ素子のカンチレバーの少なくとも先端部を取り囲むように形成されたものである。

本発明に係る触覚センサアレイにおいては、基板上に複数の触覚センサアレイが配列されている。各触覚センサにおいては、少なくとも３つのカンチレバーからなる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材料層で被覆されている。また、弾性材料層に各触覚センサの周囲を取り囲む溝部が設けられている。

溝部は、少なくとも３つ以上のセンサ素子のカンチレバーの少なくとも先端部を取り囲むように形成される。この場合、触覚センサアレイが押された場合、各触覚センサにおいて溝部で取り囲まれた弾性材料層の部分が独立して変形することができる。それにより、各触覚センサにおいて最大の力が加えられる位置が触覚センサの大きさよりも微小な量ずれた場合でも、触覚センサにより検出される圧力および剪断力が異ならない。したがって、本発明に係る触覚センサアレイにおいては、接触する物体の位置が微小な量ずれた場合でも、複数の触覚センサにより検出される圧力および剪断力の分布を正確に検出することが可能となる。

（３）第３の発明に係る触覚センサアレイは、基板と、基板上に配列され、印加された圧力および剪断力を検出する複数の触覚センサとを備え、複数の触覚センサの各々は、基板上に異なる向きに設けられたカンチレバーからなる少なくとも３つ以上のセンサ素子と、少なくとも３つ以上のセンサ素子を被覆するように基板上に形成された弾性材料層とを備え、弾性材料層内に各触覚センサの周囲を取り囲む枠部材が設けられ、枠部材は、少なくとも３つ以上のセンサ素子のカンチレバーの少なくとも先端部を取り囲むように形成されたものである。

本発明に係る触覚センサアレイにおいては、基板上に複数の触覚センサアレイが配列されている。各触覚センサにおいては、少なくとも３つのカンチレバーからなる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材料層で被覆されている。また、弾性材料層内に各触覚センサの周囲を取り囲む枠部材が設けられている。

枠部材は、少なくとも３つ以上のセンサ素子のカンチレバーの少なくとも先端部を取り囲むように形成される。この場合、触覚センサアレイが押された場合、各触覚センサにおいて枠部材で取り囲まれた弾性材料層の部分が一体的に変形することができる。それにより、各触覚センサにおいて最大の力が加えられる位置が触覚センサの大きさよりも微小な量ずれた場合でも、触覚センサにより検出される圧力および剪断力が異ならない。したがって、本発明に係る触覚センサアレイにおいては、接触する物体の位置が微小な量ずれた場合でも、複数の触覚センサにより検出される圧力および剪断力の分布を正確に検出することが可能となる。

（４）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導電性（ｎ型またはｐ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たものであってもよい。

この場合、各触覚センサの各ピエゾ抵抗の変化量を検出することのより、弾性材料層に印加される圧力および剪断力をより高感度に検出することができる。

本発明によれば、接触する物体の位置が微小な量ずれた場合でも複数の触覚センサにより検出される圧力および剪断力の分布を正確に検出することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態に係る触覚センサアレイについて図面を参照しながら説明する。

（１）第１の実施の形態
（１−１）触覚センサアレイ
図１は本発明の一実施の形態に係る触覚センサアレイの平面図である。また、図２は図１の触覚センサアレイの側面図である。

図１および図２に示すように、触覚センサアレイ１００は、マトリクス状に配置された複数の触覚センサ２００により構成される。各触覚センサ２００の大きさは、例えば１ｍｍ程度と小さい。本実施の形態では、複数の触覚センサ２００が互いに直交する行および列に沿って配列されているが、これに限定されるものではなく、例えば、隣接する２つの行の触覚センサ２００が半ピッチ分ずれるように配置されてもよく、隣接する２つの列の触覚センサ２００が半ピッチ分ずれるように配置されてもよい。

図２に示すように、複数の触覚センサ２００は、例えば結晶シリコンからなる共通の基板１０１上に形成され、例えばエラストマーからなる共通の弾性樹脂層１０５により被覆されている。各触覚センサ２００は、後述するように、上面に突起部２０５を有する。

例えば、指３００で触覚センサアレイ１００の表面を押すと、複数の触覚センサ２００に圧力および剪断力が加わる。複数の触覚センサ２００の各々により検出される圧力および剪断力に基づいて、指３００の大きさ、形状および荷重の分布を測定することができる。

（１−２）触覚センサ２００の構成
図３は触覚センサアレイ１００における１つの触覚センサ２００の斜視図、図４は図３の触覚センサ２００の平面図、図５は図３の触覚センサ２００の断面図である。

図３および図４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、共通の基板１０１上に形成され、共通の弾性樹脂層１０５により被覆されている。

以下、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、基板１０１の表面に垂直な方向にＺ軸を定義する。基板１０１の表面に向かう方向をＺ軸の正の方向とする。

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。

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。

カンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４の上方でカンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４の上端の上方を含む弾性樹脂層１０５上の円形領域に凸レンズ形状（略半球状）の突起部２０５が形成されている。突起部２０５の下面は基板１０１と平行な平面からなる。突起部２０５は、弾性樹脂層１０５の材料よりも硬質の樹脂または金属等の材料により形成されてもよく、あるいは弾性材料層１０５と同じ硬さの材料により形成されてもよい。

突起部２０５の直径は対向するカンチレバーＣＬ１，ＣＬ３間の距離および対向するカンチレバーＣＬ２，ＣＬ４間の距離よりも大きく１つの触覚センサ２００の大きさ（１辺の長さ）よりも小さくてもよい。あるいは、突起部２０５の直径は対向するカンチレバーＣＬ１，ＣＬ３間の距離および対向するカンチレバーＣＬ２，ＣＬ４間の距離と同じかまたはそれよりも小さくてもよい。突起部２０５の最も高い部分が触覚センサ２００の中心に位置することが好ましいが、突起部２０５が隣接する他の触覚センサ２００の領域内に入らない範囲で突起部２０５の最も高い部分が触覚センサ２００の中心からずれていてもよい。

触覚センサ２００の使用時には、突起部２０５に対して、ＸＹ面に沿った剪断力が印加され、Ｚ軸の正の方向に圧力が印加される。

（１−３）触覚センサアレイ１００の製造方法の一例
図６〜図１２は本実施の形態に係る触覚センサアレイ１００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６〜図１２は、触覚センサアレイ１００の１つの触覚センサ２００に含まれる１つのセンサ素子２０１の部分のみが示されるが、他のセンサ素子２０２，２０３，２０４および他の触覚センサ２００のセンサ素子２０１〜２０４も同時に同様の方法で形成される。

まず、図６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、例えば、結晶シリコンからなる基板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７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８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９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１０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６）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１０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１０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１１に示すように、基板１０１上に例えばエラストマーからなる弾性樹脂を塗布し、硬化させることにより、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をからなる弾性樹脂層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。

さらに、図１２に示すように、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４（図３参照）の先端の上方における弾性樹脂層１０５の円形領域に凸レンズ状（略半球状）の突起部２０５を接着剤を用いて接着する。突起部２０５の材料としては、例えばエラストマーを用いることができる。エラストマーとしては、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。具体的には、例えば、第一工業製薬株式会社製の製品名「ＥＩＭＦＬＥＸ ＥＦ−２４１」を用いる。

あるいは、図１１の工程において、弾性樹脂層１０５の材料となる樹脂を基板１０１上に塗布する。一方、微小な凹レンズ状（略半球状）の複数の凹部を有する型を準備し、凹部内に突起部２０５の材料となる樹脂を充填する。そして、基板１０１上に型を押圧した状態で基板１０１上の樹脂および型の凹部内の樹脂を硬化させることにより、弾性樹脂層１０５の上面に突起部２０５を形成する。

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。

弾性樹脂層１０５に圧力または剪断力が印加されると、弾性樹脂層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。

（１−４）触覚センサ２００の動作
図１３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１３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３および図４のカンチレバーＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４にも、図１３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。

図５に示したように、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３は、一端側が斜め上方に向かって湾曲している。カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３は、一端側が対向するように配置されている。このため、図５の突起部２０５において、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し、カンチレバーＣＬ３は曲率半径が小さくなるように変形する。一方、突起部２０５において、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し、カンチレバーＣＬ３は曲率半径が大きくなるように変形する。さらに、突起部２０５において、矢印Ｃの方向に圧力が印加された場合、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３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、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３のドープ層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、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４のドープ層１０３ｂのピエゾ抵抗の変化の方向が同じになる。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、突起部２０５を介して弾性樹脂層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。

他のカンチレバーＣＬ２，ＣＬ４の動作は、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３の動作と同様である。

（１−５）触覚センサ２００の突起部２０５の効果
次に、触覚センサ２００の突起部２０５の効果について説明する。

図１４（ａ），（ｂ）は突起部２０５が設けられない弾性樹脂層１０５を指で押した場合のカンチレバーＣＬ１，ＣＬ３の変形を示す断面図である。図１５は本実施の形態における触覚センサ２００の突起部２０５を指で押した場合のカンチレバーＣＬ１，ＣＬ３の変形を示す断面図である。

ここで、指３００で触覚センサ２００を垂直に押した場合について説明する。

図１４（ａ）に示すように、弾性樹脂層１０５のカンチレバーＣＬ３に近い位置に最も大きな力が加えられると、カンチレバーＣＬ１の変形は小さく、カンチレバーＣＬ３が大きく変形する。

図１４（ｂ）に示すように、弾性樹脂層１０５のカンチレバーＣＬ１に近い位置に最も大きな力が加えられると、カンチレバーＣＬ１が大きく変形し、カンチレバーＣＬ３の変形は小さい。

本来、弾性樹脂層１０５に垂直に圧力が印加された場合には、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３が同程度に変形することが望ましい。しかしながら、図１４（ａ），（ｂ）に示すように、弾性樹脂層１０５において最も大きな力が加えられる位置が微小にずれただけで、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３の変形が異なることになる。

これに対して、本実施の形態における触覚センサ２００では、図１５に示すように、指３００で突起部２０５が押された場合、突起部２０５において最も大きな力が加えられた位置に関わらず、突起部２０５の平面からなる下面で弾性樹脂層１０５に均等な力が加えられる。したがって、最も大きな力が加えられた位置が異なってもカンチレバーＣＬ１，ＣＬ３の変形は異ならない。

突起部２０５に垂直に圧力が印加された場合には、最も大きな力が加えられる位置が突起部２０５の中心からずれている場合でも、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３の変形は同程度となる。

また、突起部２０５に剪断力が印加された場合にも、突起部２０５において最も大きな力が加わえられる位置に関わらず、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３はそれぞれ同じ態様で変形する。例えば、図５の矢印Ａの方向の剪断力が印加された場合には、突起部２０５において最も大きな力が加えられる位置に関わらず、カンチレバーＣＬ１が下方に変形し、カンチレバーＣＬ３が上方に変形する。また、図５の矢印Ｂの方向の剪断力が印加された場合には、突起部２０５において最も大きな力が加わえられる位置に関わらず、カンチレバーＣＬ１が上方に変形し、カンチレバーＣＬ３が下方に変形する。

このように、触覚センサ２００において最大の力が加えられる位置が触覚センサ２００の大きさよりも微小な量ずれた場合でも、触覚センサ２００により検出される圧力および剪断力が異ならない。したがって、本実施の形態に係る触覚センサアレイ１００においては、接触する物体の位置が微小な量ずれた場合でも複数の触覚センサ２００により検出される圧力および剪断力の分布を正確に検出することが可能となる。

（２）参考形態
図１６は参考形態に係る触覚センサアレイ１００における１つの触覚センサ２００の断面図である。

図１６の触覚センサ２００が図４の触覚センサ２００と異なるのは次の点である。

突起部２０５が設けられる代わりに、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４の上端の上方を含む弾性樹脂層１０５の内部の円形領域に円形の板状部材２０６が埋め込まれている。板状部材２０６は、弾性樹脂層１０５の材料よりも硬質の樹脂または金属等の材料により形成されてもよく、あるいは弾性樹脂層１０５と同じ硬さの材料により形成されてもよい。板状部材２０６の材料として、例えばポリスチレン樹脂、アクリル樹脂、アルミニウムまたは銅を用いることができる。

この板状部材２０６は、次のようにして、弾性樹脂層１０５に埋め込むことができる。第１の実施の形態における図１１の工程で、基板１０１上に弾性樹脂層１０５の材料である樹脂を薄く塗布し、その樹脂上に板状部材２０６を載置し、さらに板状部材２０６を覆うように樹脂を薄く塗布する。その後、樹脂を硬化させることにより弾性樹脂層１０５を形成する。

あるいは、図１１の工程で、基板１０１上に弾性樹脂層１０５の材料である樹脂を塗布し、樹脂の硬化中に上部から板状部材２０６を埋め込んでもよい。

板状部材２０６の直径は対向するカンチレバーＣＬ１，ＣＬ３間の距離および対向するカンチレバーＣＬ２，ＣＬ４間の距離よりも大きく１つの触覚センサ２００の大きさ（１辺の長さ）よりも小さくてもよい。あるいは、板状部材２０６の直径は対向するカンチレバーＣＬ１，ＣＬ３間の距離および対向するカンチレバーＣＬ２，ＣＬ４間の距離と同じかまたはそれよりも小さくてもよい。板状部材２０６の中心が触覚センサ２００の中心に位置することが好ましいが、板状部材２０６が隣接する他の触覚センサ２００の領域内に入らない範囲で板状部材２０６の中心が触覚センサ２００の中心からずれていてもよい。

触覚センサ２００の使用時には、板状部材２０６を覆う弾性樹脂層１０５の表面に対して、ＸＹ面に沿った剪断力が印加され、Ｚ軸の正の方向に圧力が印加される。

本参考形態における触覚センサ２００では、板状部材２０６上の弾性樹脂層１０５の部分が押された場合、板状部材２０６上において最も大きな力が加えられた位置に関わらず、板状部材２０６の平面からなる下面で弾性樹脂層１０５に均等な力が加えられる。したがって、最も大きな力が加えられた位置が異なってもカンチレバーＣＬ１，ＣＬ３の変形は異ならない。

このように、触覚センサ２００において最大の力が加えられる位置が触覚センサ２００の大きさよりも微小な量ずれた場合でも、触覚センサ２００により検出される圧力および剪断力が異ならない。したがって、本参考形態に係る触覚センサアレイ１００においては、接触する物体の位置が微小な量ずれた場合でも複数の触覚センサ２００により検出される圧力および剪断力の分布を正確に検出することが可能となる。

（３）第２の実施の形態
図１７は本発明の第２の実施の形態に係る触覚センサアレイ１００における１つの触覚センサ２００の平面図、図１８は図１７の触覚センサ２００の断面図である。

図１７および図１８の触覚センサ２００が図３および図４の触覚センサ２００と異なるのは次の点である。

突起部２０５が設けられる代わりに、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４を取り囲むように、弾性樹脂層１０５に環状の溝部２０７が形成されている。

この環状の溝部２０７は、第１の実施の形態における図１１の工程後に、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４を取り囲む弾性樹脂層１０５の領域を環状にカッターで切り取ることにより形成される。

あるいは、図１１の工程において、弾性樹脂層１０５の材料となる樹脂を基板１０１上に塗布する。一方、微小な複数の環状の凸部を有する型を用意する。そして、基板１０１上に型を押圧した状態で基板１０１上の樹脂を硬化させることにより、弾性樹脂層１０５を形成する。

環状の溝部２０７の内径は対向するカンチレバーＣＬ１，ＣＬ３の外側の端部間の距離および対向するカンチレバーＣＬ２，ＣＬ４の外側の端部間の距離よりも大きいことが好ましい。環状の溝部２０７の中心が触覚センサ２００の中心に位置することが好ましいが、環状の溝部２０７が隣接する他の触覚センサ２００の領域内に入らない範囲で環状の溝部２０７の中心が触覚センサ２００の中心からずれていてもよい。また、隣接する複数の触覚センサ２００の溝部２０７の一部が重複していてもよい。さらに、環状の溝部２０７の深さは、基板１０１に到達する深さよりも浅くてよい。

触覚センサ２００の使用時には、環状の溝部２０７で取り囲まれた弾性樹脂層１０５の部分の表面に対して、ＸＹ面に沿った剪断力が印加され、Ｚ軸の正の方向に圧力が印加される。

この場合、触覚センサアレイ１００の各触覚センサ２００における弾性樹脂層１０５の部分が独立して変形することができる。それにより、触覚センサ２００において最大の力が加えられる位置が触覚センサ２００の大きさよりも微小な量ずれた場合でも、触覚センサ２００により検出される圧力および剪断力が異ならない。したがって、本実施の形態に係る触覚センサアレイ１００においては、接触する物体の位置が微小な量ずれた場合でも複数の触覚センサ２００により検出される圧力および剪断力の分布を正確に検出することが可能となる。

（４）第３の実施の形態
図１９は本発明の第３の実施の形態に係る触覚センサアレイ１００における１つの触覚センサ２００の平面図、図２０は図１９の触覚センサ２００の断面図である。

図１７および図１８の触覚センサ２００が図３および図４の触覚センサ２００と異なるのは次の点である。

突起部２０５が設けられる代わりに、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４を取り囲むように、環状の枠部材２０８が弾性樹脂層１０５内に設けられている。

環状の枠部材２０８は、次のようにして設ける。第３の実施の形態における環状の溝部２０７と同様にして弾性樹脂層１０５に環状の溝部を形成し、環状の枠部材２０８を環状の溝部内に嵌め込む。

あるいは、図１１の工程で基板１０１上に弾性樹脂層１０５の材料である樹脂を塗布し、樹脂の硬化中に環状の枠部材２０８を嵌め込んでもよい。

触覚センサ２００の使用時には、環状の枠部材２０８で取り囲まれた弾性樹脂層１０５の部分の表面に対して、ＸＹ面に沿った剪断力が印加され、Ｚ軸の正の方向に圧力が印加される。

この場合、触覚センサアレイ１００の各触覚センサ２００における枠部材２０８内の弾性樹脂層１０５の部分が一体的に変形する。それにより、触覚センサ２００において最大の力が加えられる位置が触覚センサ２００の大きさよりも微小な量ずれた場合でも、触覚センサ２００により検出される圧力および剪断力が異ならない。したがって、本実施の形態に係る触覚センサアレイ１００においては、接触する物体の位置が微小な量ずれた場合でも複数の触覚センサ２００により検出される圧力および剪断力の分布を正確に検出することが可能となる。

（５）他の実施の形態
上記実施の形態では、各触覚センサ２００が４つのセンサ素子２０１，２０２，２０３，２０４を有するが、各触覚センサ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。

上記実施の形態では、複数の触覚センサ２００が平面状の基板１０１上に配置されているが、複数の触覚センサ２００が曲面状の基板上に配置されてもよい。

第１の実施の形態では、円形の突起部２０５が用いられているが、突起部２０５の平面形状は円形に限らず、楕円形でもよく、三角形、四角形または六角形等の多角形であってもよい。

参考形態では、円形の板状部材２０６が用いられているが、板状部材２０６の平面形状は円形に限らず、楕円形でもよく、三角形、四角形または六角形等の多角形であってもよい。

第２の実施の形態では、円環状の溝部２０７が用いられているが、溝部２０７の平面形状は円環状に限らず、複数のカンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４を取り囲むような形状であれば、楕円形でもよく、三角形、四角形または六角形等の多角形であってもよい。溝部２０７の一部が途切れていてもよい。

第３の実施の形態では、円環状の枠部材２０８が用いられているが、枠部材２０８の平面形状は円環状に限らず、複数のカンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４を取り囲むような形状であれば、楕円形でもよく、三角形、四角形または六角形等の多角形であってもよい。枠部材２０８の一部が途切れていてもよい。

第１の実施の形態における突起部２０５と第２の実施の形態における溝部２０７とを組み合わせてもよく、第１の実施の形態における突起部２０５と第３の実施の形態における枠部材２０８とを組み合わせてもよい。また、参考形態における板状部材２０６と第２の実施の形態における溝部２０７とを組み合わせてもよく、参考形態における板状部材２０６と第３の実施の形態における枠部材２０８とを組み合わせてもよい。

（６）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、基板１０１が基板の一例であり、弾性樹脂層１０５が弾性材料層の一例であり、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の膜または可動部の例であり、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の層の例である。

本発明は、例えば、工場における検品作業、行動計測等に用いるシート状の３軸触覚センサ、ロボットハンド等に用いる３軸触覚センサアレイ、圧力および剪断力を利用した接触型ユーザインタフェース等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アレイの平面図である。 図１の触覚センサアレイの側面図である。 触覚センサアレイにおける１つの触覚センサの斜視図である。 図３の触覚センサの平面図である。 図３の触覚センサの断面図である。 本実施の形態に係る触覚センサアレイの製造方法の一例を示す工程図である。 本実施の形態に係る触覚センサアレイの製造方法の一例を示す工程図である。 本実施の形態に係る触覚センサアレイの製造方法の一例を示す工程図である。 本実施の形態に係る触覚センサアレイの製造方法の一例を示す工程図である。 本実施の形態に係る触覚センサアレイの製造方法の一例を示す工程図である。 本実施の形態に係る触覚センサアレイの製造方法の一例を示す工程図である。 本実施の形態に係る触覚センサアレイ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。 突起部が設けられない弾性樹脂層を指で押した場合のカンチレバーの変形を示す断面図である。 本実施の形態における触覚センサの突起部を指で押した場合のカンチレバーの変形を示す断面図である。 参考形態に係る触覚センサアレイにおける１つの触覚センサの断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る触覚センサアレイにおける１つの触覚センサの平面図である。 図１７の触覚センサの断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る触覚センサアレイにおける１つの触覚センサの平面図である。 図１９の触覚センサの断面図である。

符号の説明

１００ 触覚センサアレイ
１０１ 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 弾性樹脂層
２０１，２０２，２０３，２０４ センサ素子
２００ 触覚センサ
２０５ 突起部
２０６ 板状部材
２０７ 溝部
２０８ 枠部材
２１０ ブリッジ回路
２１１ 直流電源
２３０ 増幅器
２４０ ＡＤ変換器
３００ 指
１０００ ＳＯＩ基板
ＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４ カンチレバー
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ 外部抵抗

Claims (4)

1. 基板と、
   前記基板上に配列され、印加された圧力および剪断力を検出する複数の触覚センサとを備え、
   前記複数の触覚センサの各々は、
   前記基板上に異なる向きに設けられたカンチレバーからなる少なくとも３つ以上のセンサ素子と、
   前記少なくとも３つ以上のセンサ素子を被覆するように前記基板上に形成された弾性材料層と、
   前記少なくとも３つ以上のセンサ素子の上方における前記弾性材料層の領域上に設けられ、前記弾性材料層よりも硬質または前記弾性材料層と同じ硬さの突起部とを備え、
   各触覚センサの前記突起部は、他の触覚センサの前記突起部とは独立して設けられ、凸レンズ形状に形成されるとともに前記基板に平行な下面を有することを特徴とする触覚センサアレイ。
2. 基板と、
   前記基板上に配列され、印加された圧力および剪断力を検出する複数の触覚センサとを備え、
   前記複数の触覚センサの各々は、
   前記基板上に異なる向きに設けられたカンチレバーからなる少なくとも３つ以上のセンサ素子と、
   前記少なくとも３つ以上のセンサ素子を被覆するように前記基板上に形成された弾性材料層とを備え、
   前記弾性材料層に各触覚センサの周囲を取り囲む溝部が設けられ、
   前記溝部は、前記少なくとも３つ以上のセンサ素子のカンチレバーの少なくとも先端部を取り囲むように形成されたことを特徴とする触覚センサアレイ。
3. 基板と、
   前記基板上に配列され、印加された圧力および剪断力を検出する複数の触覚センサとを備え、
   前記複数の触覚センサの各々は、
   前記基板上に異なる向きに設けられたカンチレバーからなる少なくとも３つ以上のセンサ素子と、
   前記少なくとも３つ以上のセンサ素子を被覆するように前記基板上に形成された弾性材料層とを備え、
   前記弾性材料層内に各触覚センサの周囲を取り囲む枠部材が設けられ、
   前記枠部材は、前記少なくとも３つ以上のセンサ素子のカンチレバーの少なくとも先端部を取り囲むように形成されたことを特徴とする触覚センサアレイ。
4. 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、前記第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導電性を有し、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たことを特徴とする請求項１〜３に記載の触覚センサアレイ。

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