JP5655925B2 - 応力検出素子、触覚センサー、および把持装置 - Google Patents
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本発明は、剪断方向に作用する剪断力、および剪断方向に直交する方向に作用する押圧力の双方を検出する応力検出素子、この応力検出素子を備えた触覚センサー、およびこの触覚センサーを備えた把持装置に関する。
従来、ロボットのアームなどにより、重量や摩擦係数が未知である対象物を把持して持ち上げる把持装置が知られている。このような把持装置では、対象物を破損することなく、かつ対象物を滑り落とすことなく把持するためには、把持面に対して直交する方向に作用する力（押圧力）と、把持面の面方向（剪断方向）に作用する力（剪断力）を検出する必要があり、これらの力を検出するセンサーが知られている（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１に記載の触覚センサーは、センサー基板に開設される開口の縁部から延伸するカンチレバー構造の構造体を有し、この構造体は、平板状の感応部と、感応部とセンサー基板とを連結するヒンジ部とから構成される。そして、この構造体の感応部には導電性磁性体膜が形成され、ヒンジ部には、ピエゾ抵抗膜が形成され、導電性磁性体膜とピエゾ抵抗膜とが導通されている。また、ヒンジ部には電極が設けられ、圧力によりヒンジ部が曲がることで、ヒンジ部のピエゾ抵抗で発生する電流が電極から流れる構成となっている。そして、この触覚センサーは、センサー基板上に上記のような構造体が複数形成され、これらの構造体のうち一部がセンサー基板に対して起立し、他の一部がセンサー基板に対して平行に保持されている。また、このセンサー基板上には、弾性体が設けられ、起立した構造体は、弾性体に埋め込まれている。そして、起立した構造体により剪断力が測定可能となり、基板面に平行な構造体により押圧力が測定可能となる。ここで、この触覚センサーでは、センサー基板に対して起立した構造体により剪断力が検出され、センサー基板に対して平行に保持される構造体により押圧力が検出される。
ところで、上記特許文献１に記載のような触覚センサーでは、センサー基板に対して起立させる構造体と、センサー基板に対して平行に保持する構造体とが分離され、起立した構造体により剪断力が検出され、基板に対して平行な構造体により押圧力が検出される。しかしながら、このように、剪断力検出用の構造体と、押圧力検出用の構造体とを別領域に形成すると、センサーサイズが大型化してしまい、小型の触覚センサーには適さないという問題がある。
また、特許文献１の触覚センサーでは、所定の１点に対して、剪断力および押圧力のいずれか一方のみしか検出することができない。例えば、剪断力検出用の構造体では、剪断力のみ検出され、押圧力は、この構造体の近傍に位置する押圧力検出用の構造体で検出される。このため、剪断力検出用の構造体が設けられる位置に作用する正確な押圧力を検出することができないという問題がある。
また、特許文献１の触覚センサーでは、所定の１点に対して、剪断力および押圧力のいずれか一方のみしか検出することができない。例えば、剪断力検出用の構造体では、剪断力のみ検出され、押圧力は、この構造体の近傍に位置する押圧力検出用の構造体で検出される。このため、剪断力検出用の構造体が設けられる位置に作用する正確な押圧力を検出することができないという問題がある。
本発明は、上記のような問題に鑑みて、小型化が可能で、かつ剪断力および押圧力を正確に検出可能な応力検出素子、触覚センサー、および把持装置を提供することを目的とする。
本発明の応力検出素子は、剪断方向に作用する剪断力、および前記剪断方向に直交する押圧力を検出する応力検出素子であって、前記剪断力の検出方向に直交し、互いに平行する一対の直線部を有する開口部を備えた支持体と、前記支持体上に形成されて前記開口部を閉塞するとともに、可撓性を有する支持膜と、前記支持体を前記支持膜の膜厚み方向から見る平面視において、前記開口部の一対の前記直線部のうち少なくともいずれか一方の直線部に沿い、前記開口部の内外に跨って、前記支持膜上に設けられるとともに、湾曲することで電気信号を出力する第一圧電体部と、前記平面視において、前記開口部の内側で、前記第一圧電体部から離間して設けられ、湾曲することで電気信号を出力する第二圧電体部と、前記第一圧電体部、前記第二圧電体部、および前記支持膜を覆う弾性膜と、を具備したことを特徴とする。
この発明では、応力検出素子は、支持体上に、開口部を塞ぐ状態に支持膜が形成され、この支持膜上に、開口部の内外に跨って第一圧電体部が積層され、開口部の内側に第二圧電体部が積層され、さらにその上層に弾性膜が積層されている。ここで、以降の説明において、開口部内の領域の支持膜をメンブレンと称する。
このような応力検出素子では、弾性膜に対象物が接触し、開口部の直線部の直線方向と直交する方向（剪断力検出方向）に剪断力が加わると、弾性膜および支持膜に歪みが生じる。そして、この弾性膜の歪みによりメンブレン全体が撓み、第一圧電体部から電気信号が出力される。また、弾性膜に対象物が接触した際に、メンブレンに対して直交する厚み方向に押圧力が加わると、弾性膜および支持膜が厚み方向に撓み、これにより第二圧電体部から電気信号が出力される。
ここで、剪断力および押圧力を検出するために、それぞれ別の素子を設ける場合では、例えば剪断力検出用の素子が設けられる位置に加えられる押圧力や、押圧力検出用の素子が設けられる位置に加えられる剪断力は、正確に検出することができない。これに対して、上記のように１つのメンブレン上に剪断力を検出するための第一圧電体部、および押圧力を検出するための第二圧電体部を設けることで、このメンブレンに作用する剪断力および押圧力の双方を正確に検出することができる。
また、剪断力検出用の素子、および押圧力検出用の素子をそれぞれ別体として形成する場合、剪断力および押圧力を検出するセンサーを構成するために、２つ素子分のスペースを確保する必要があり、センサーサイズが大型化する。これに対して本発明では、１つの素子分のスペースで剪断力および押圧力の双方を検出可能であり、センサーサイズを小型化することができる。
このような応力検出素子では、弾性膜に対象物が接触し、開口部の直線部の直線方向と直交する方向（剪断力検出方向）に剪断力が加わると、弾性膜および支持膜に歪みが生じる。そして、この弾性膜の歪みによりメンブレン全体が撓み、第一圧電体部から電気信号が出力される。また、弾性膜に対象物が接触した際に、メンブレンに対して直交する厚み方向に押圧力が加わると、弾性膜および支持膜が厚み方向に撓み、これにより第二圧電体部から電気信号が出力される。
ここで、剪断力および押圧力を検出するために、それぞれ別の素子を設ける場合では、例えば剪断力検出用の素子が設けられる位置に加えられる押圧力や、押圧力検出用の素子が設けられる位置に加えられる剪断力は、正確に検出することができない。これに対して、上記のように１つのメンブレン上に剪断力を検出するための第一圧電体部、および押圧力を検出するための第二圧電体部を設けることで、このメンブレンに作用する剪断力および押圧力の双方を正確に検出することができる。
また、剪断力検出用の素子、および押圧力検出用の素子をそれぞれ別体として形成する場合、剪断力および押圧力を検出するセンサーを構成するために、２つ素子分のスペースを確保する必要があり、センサーサイズが大型化する。これに対して本発明では、１つの素子分のスペースで剪断力および押圧力の双方を検出可能であり、センサーサイズを小型化することができる。
本発明の応力検出素子では、前記開口部の前記直線部は、一対の第一直線部と、前記第一直線部に直交する一対の第二直線部と、を備え、前記第一圧電体部は、一対の前記第一直線部のうちの少なくともいずれか一方、および一対の前記第二直線部のうちの少なくともいずれか一方に沿ってそれぞれ設けられることが好ましい。
この発明では、第一直線部に配置される第一圧電体部により、第一直線部に直交する第一剪断方向に作用する剪断力を検出することができ、第二直線部に配置される第一圧電体部により、第二直線部に直交する第二剪断方向に作用する剪断力を検出することができる。これにより、１つの応力検出素子により、メンブレンの面内に作用するあらゆる剪断力を検出することができる。
この発明では、第一直線部に配置される第一圧電体部により、第一直線部に直交する第一剪断方向に作用する剪断力を検出することができ、第二直線部に配置される第一圧電体部により、第二直線部に直交する第二剪断方向に作用する剪断力を検出することができる。これにより、１つの応力検出素子により、メンブレンの面内に作用するあらゆる剪断力を検出することができる。
本発明の応力検出素子では、前記第一圧電体部は、一対の前記直線部の双方に沿って、それぞれ設けられることが好ましい。
弾性膜に対象物が接触して剪断力が加えられた際、例えば、開口部の一対の直線部のうち一方を第一辺、他方を第二辺とし、第一辺から第二辺に向かう検出方向に剪断力が加わる場合、弾性膜では、次のような力が作用する。すなわち、弾性膜の第二辺側では、支持体が設けられる一方の面とは反対方向側に盛り上る力が発生し、第一辺側では、支持体の開口部内に入り込む力が発生する。したがって、これらの第一辺および第二辺の双方に第一圧電体部を設けることで、２つの第一圧電体部により剪断方向に働く剪断力を検出することができ、１つの第一圧電体部により剪断力を検出する場合に比べて、より大きい信号値（電流値）により剪断力を検出することができ、検出精度を向上させることができる。
開口部に、一対の第一直線部と、これらの第一直線部に直交する一対の第二直線部が設けられる場合においても、同様に、これらの一対の第一直線部および一対の第二直線部に沿ってそれぞれ第一圧電体部を設けることで、第一直線部に直交する第一剪断力と、第二直線部に直交する第二剪断力とを、大きい信号値により検出することができ、これらの剪断力の検出精度を高めることができる。
弾性膜に対象物が接触して剪断力が加えられた際、例えば、開口部の一対の直線部のうち一方を第一辺、他方を第二辺とし、第一辺から第二辺に向かう検出方向に剪断力が加わる場合、弾性膜では、次のような力が作用する。すなわち、弾性膜の第二辺側では、支持体が設けられる一方の面とは反対方向側に盛り上る力が発生し、第一辺側では、支持体の開口部内に入り込む力が発生する。したがって、これらの第一辺および第二辺の双方に第一圧電体部を設けることで、２つの第一圧電体部により剪断方向に働く剪断力を検出することができ、１つの第一圧電体部により剪断力を検出する場合に比べて、より大きい信号値（電流値）により剪断力を検出することができ、検出精度を向上させることができる。
開口部に、一対の第一直線部と、これらの第一直線部に直交する一対の第二直線部が設けられる場合においても、同様に、これらの一対の第一直線部および一対の第二直線部に沿ってそれぞれ第一圧電体部を設けることで、第一直線部に直交する第一剪断力と、第二直線部に直交する第二剪断力とを、大きい信号値により検出することができ、これらの剪断力の検出精度を高めることができる。
本発明の応力検出素子では、前記第二圧電体部は、前記平面視において、前記開口部の中心位置に設けられ、前記支持膜上には、前記平面視において、前記第二圧電体部の中心点を通り、かつ前記剪断力の検出方向に平行する仮想線分に対して線対称となる位置にそれぞれ支持梁が設けられることが好ましい。
この発明では、第二圧電体部を支持する少なくとも一対の支持梁が、第一圧電体部の中心点を通り、かつ剪断力検出方向に平行する仮想線分に対して線対称となる位置に設けられている。このため、弾性膜に応力が加わった際に、メンブレンが均等に撓み、精度よく剪断力および押圧力を検出することができる。
ここで、本発明の応力検出素子では、前記開口部は、矩形状に形成され、前記支持梁は、前記開口部の対角線上に形成されることが好ましい。
この発明では、支持梁は、矩形状の開口部の対角線上に沿ってそれぞれ形成されている。開口部の互いに対向する二辺を、それぞれ第一辺および第二辺とし、第一辺から第二辺に向かう剪断力検出方向に沿って剪断力が加わる際、メンブレンが、剪断力検出方向に沿って、略ｓｉｎ波形状に撓むことで精度よく剪断力を検出することが可能となる。ここで、第二圧電体部の支持梁が、例えば第一辺の両端に向かって、前記仮想線分に対して線対称に形成される場合、これらの支持梁により、剪断力検出方向に直交する方向に対して、メンブレンの撓み量を均一にすることができるが、剪断力検出方向に対して第二圧電体部よりも第一辺側の剛性が支持梁の強度分だけ強くなり、メンブレンの撓みが不均一になる場合がある。これに対して、本発明のように、開口部の対角線上に沿って支持梁が形成されることで、メンブレンの撓みをよりｓｉｎ波形状に近づけることができ、より精度の高い剪断力の測定を実施することができる。
さらに、本発明の応力検出素子では、前記第二圧電体部は、前記支持膜上に形成される第二下部電極層、この第二下部電極層の上層に形成される第二圧電体層、および、この第二圧電体層の上層に形成される第二上部電極層を備え、前記支持梁は、前記第二下部電極層に接続される第二下部電極線、および、前記第二上部電極層に接続される第二上部電極線を備えることが好ましい。
この発明では、支持梁は、第二下部電極層に接続される第二下部電極線、および第二上部電極層に接続される第二上部電極線を備えている。ここで、前記仮想線分に対して線対称となる一対の支持梁のみが形成される場合では、一対の支持梁のうち一方を第二下部電極線、他方を第二上部電極線とすることができる。また、矩形状の開口部の対角線に沿って、第二圧電体部から延びる４つの支持梁が設けられる場合、４つの支持梁のうち１つを第二下部電極線、他の１つを第二上部電極線、他の２つを例えば電圧印加に用いられないダミー電極線としてもよく、４つの支持梁のうち２つを第二下部電極線、他の２つを第二上部電極線としてもよい。
このような構成では、第二圧電体部から出力される電流が流れる電極線を支持梁として用いることができ、別途支持梁を設けることなく、構成を簡単にすることができる。
このような構成では、第二圧電体部から出力される電流が流れる電極線を支持梁として用いることができ、別途支持梁を設けることなく、構成を簡単にすることができる。
本発明の触覚センサーは、上述のような応力検出素子を複数備えるとともに、これらの応力検出素子がアレイ状に配列されることを特徴とする。
この発明では、触覚センサーは、上記したような応力検出素子がアレイ状に配列され、これらのアレイ状に配列される複数の応力検出素子を備えている。したがって、このような触覚センサーを、対象物に接触する例えばセンサー面に設けることで、対象物がセンサー面に与える剪断力および押圧力を検出することができる。この時、例えば、剪断力用の検出素子と、押圧力用の検出素子とを交互に配設した従来の触覚センサーでは、剪断力用の検出素子の配設位置に作用する押圧力を正確に検出することが困難であるが、本発明では、上記のように１つの応力検出素子により、剪断力および押圧力の双方を検出することが可能であるため、１点に作用する剪断力および押圧力の双方を精度良く検出することができる。
また、例えば剪断力検出用の素子と押圧力検出用の素子とを交互に配設したセンサーアレイ形状とした場合、単位面積当たりに配置される剪断力検出用の領域、押圧力検出用の領域は、それぞれ前記単位面積の約半分の面積となる。これに対して、本発明では、応力検出用素子をアレイ状に配設することで、前記単位面積の全面積を剪断力検出用および押圧力検出用の領域として使用することができる。したがって、単位面積当たりにおける応力の分析能も向上し、剪断力および押圧力を精度よく検出することが可能となる。
また、例えば剪断力検出用の素子と押圧力検出用の素子とを交互に配設したセンサーアレイ形状とした場合、単位面積当たりに配置される剪断力検出用の領域、押圧力検出用の領域は、それぞれ前記単位面積の約半分の面積となる。これに対して、本発明では、応力検出用素子をアレイ状に配設することで、前記単位面積の全面積を剪断力検出用および押圧力検出用の領域として使用することができる。したがって、単位面積当たりにおける応力の分析能も向上し、剪断力および押圧力を精度よく検出することが可能となる。
本発明の触覚センサーでは、前記弾性膜は、隣り合う前記応力検出素子間において、前記弾性膜間の撓み伝達を規制する規制溝が設けられることが好ましい。
この発明では、互いに隣り合って配設される応力検出素子間において、弾性膜に規制溝が形成されている。ここで、規制溝としては、弾性膜の厚み寸法に対して例えば３／４程度の深さ寸法で形成され、隣り合う前記応力検出素子間において弾性膜が連続するものであってもよく、支持膜に達する深さに形成され、隣合う応力検出素子の弾性膜がそれぞれ独立しているものであってもよい。
この発明では、規制溝が形成されることで、隣接する応力検出素子に作用した剪断力や押圧力が弾性膜を介して伝達され、ノイズ成分として検出されることがなく、１つの応力検出素子に係る剪断力および押圧力をより精度良く検出することができる。
この発明では、規制溝が形成されることで、隣接する応力検出素子に作用した剪断力や押圧力が弾性膜を介して伝達され、ノイズ成分として検出されることがなく、１つの応力検出素子に係る剪断力および押圧力をより精度良く検出することができる。
本発明の把持装置は、触覚センサーを備え、対象物を把持する把持装置であって、前記対象物を把持するとともに、前記対象物に接触する接触面に前記触覚センサーが設けられる少なくとも一対の把持アームと、前記触覚センサーから出力される前記電気信号に基づいて、前記対象物のすべり状態を検出する把持検出手段と、前記すべり状態に基づいて、前記把持アームの駆動を制御する駆動制御手段と、を備えることを特徴とする。
この発明では、上記したように、触覚センサーにより、把持の対象物を把持した際の剪断力および押圧力の双方を精度良く検出することができ、検出されたこれらの剪断力および押圧力に基づいて、対象物が把持アームから滑り落ちている状態であるか、把持されている状態であるかを適切に判断することが可能となる。すなわち、対象物を把持する動作において、対象物を十分に把持できていない状態では、動摩擦力に応じた剪断力が働き、把持力を強めるほど、この剪断力も大きくなる。一方、把持力を強め、静摩擦力に応じた剪断力が検出される状態では、対象物の把持が完了した状態であり、把持力を強めた場合でも静摩擦力は一定であるため、剪断力も変化しない。したがって、例えば、対象物の把持力を徐々に増加させ、剪断力が変化しなくなった時点を検出することで、対象物を破損させることなく、最低限の把持力のみで対象物を把持することができる。
［第一実施形態］
以下、本発明に係る第一実施形態の応力検出素子について、図面に基づいて説明する。
〔１．応力検出素子の構成〕
図１は、第一実施形態の応力検出素子２００の概略構成を示す平面図であり、図２は、応力検出素子２００の断面図である。
以下、本発明に係る第一実施形態の応力検出素子について、図面に基づいて説明する。
〔１．応力検出素子の構成〕
図１は、第一実施形態の応力検出素子２００の概略構成を示す平面図であり、図２は、応力検出素子２００の断面図である。
応力検出素子２００は、図１に示すように、支持体であるセンサー基板１１上に、支持膜１４、本発明の第一圧電体部を構成する剪断力検出用圧電体２１０、本発明の第二圧電体部である押圧力検出用圧電体３１０、および弾性膜である弾性膜１５を積層することで構成されている。この応力検出素子２００は、対象物が弾性膜１５に接触した際に加わる押圧力および剪断力を検出する素子である。
（１−１．センサー基板の構成）
センサー基板１１は、例えばＳｉにより形成され、厚み寸法が例えば２００μｍに形成されている。このセンサー基板１１には、図１および図２に示すように、開口部１１１が形成されている。この開口部１１１は、センサー基板１１の厚み方向から当該センサー基板１１を見る平面視（センサー平面視）において、正方形状に形成されており、正方形の辺１１１Ａ，１１１Ｂが本発明の第一直線部を構成し、辺１１１Ｃ，１１１Ｄが本発明の第二直線部を構成する。本実施形態では、この開口部１１１は、例えば一辺の長さ寸法Ｌが５００μｍに形成されている。
センサー基板１１は、例えばＳｉにより形成され、厚み寸法が例えば２００μｍに形成されている。このセンサー基板１１には、図１および図２に示すように、開口部１１１が形成されている。この開口部１１１は、センサー基板１１の厚み方向から当該センサー基板１１を見る平面視（センサー平面視）において、正方形状に形成されており、正方形の辺１１１Ａ，１１１Ｂが本発明の第一直線部を構成し、辺１１１Ｃ，１１１Ｄが本発明の第二直線部を構成する。本実施形態では、この開口部１１１は、例えば一辺の長さ寸法Ｌが５００μｍに形成されている。
（１−２．支持膜の構成）
支持膜１４は、図示は省略するが、センサー基板１１上に例えば厚み寸法が３μｍに成膜されるＳｉＯ2層と、このＳｉＯ2層上に積層される厚み寸法が例えば４００ｎｍのＺｒＯ2層との２層構造により形成されている。ここで、ＺｒＯ2層は、後述する剪断力検出用圧電体２１０や押圧力検出用圧電体３１０の焼成形成時に、剪断力検出用圧電膜２１１や押圧力検出用圧電膜３１１の剥離を防止するために形成される層である。すなわち、剪断力検出用圧電膜２１１および押圧力検出用圧電膜３１１が例えばＰＺＴにより形成される場合、焼成時にＺｒＯ2層が形成されていないと、剪断力検出用圧電膜２１１に含まれるＰｂがＳｉＯ2層に拡散して、ＳｉＯ2層の融点が下がり、ＳｉＯ2層の表面に気泡が生じ、この気泡によりＰＺＴが剥離してしまう。また、ＺｒＯ2層がない場合、剪断力検出用圧電膜２１１の歪みに対する撓み効率が低下するなどの問題もある。これに対して、ＺｒＯ2層がＳｉＯ2層上に形成される場合、剪断力検出用圧電膜２１１の剥離、撓み効率の低下などの不都合を回避することが可能となる。
また、以降の説明において、図１に示すようなセンサー平面視において、支持膜１４のうち、開口部１１１を閉塞する領域をメンブレン１４１と称す。
支持膜１４は、図示は省略するが、センサー基板１１上に例えば厚み寸法が３μｍに成膜されるＳｉＯ2層と、このＳｉＯ2層上に積層される厚み寸法が例えば４００ｎｍのＺｒＯ2層との２層構造により形成されている。ここで、ＺｒＯ2層は、後述する剪断力検出用圧電体２１０や押圧力検出用圧電体３１０の焼成形成時に、剪断力検出用圧電膜２１１や押圧力検出用圧電膜３１１の剥離を防止するために形成される層である。すなわち、剪断力検出用圧電膜２１１および押圧力検出用圧電膜３１１が例えばＰＺＴにより形成される場合、焼成時にＺｒＯ2層が形成されていないと、剪断力検出用圧電膜２１１に含まれるＰｂがＳｉＯ2層に拡散して、ＳｉＯ2層の融点が下がり、ＳｉＯ2層の表面に気泡が生じ、この気泡によりＰＺＴが剥離してしまう。また、ＺｒＯ2層がない場合、剪断力検出用圧電膜２１１の歪みに対する撓み効率が低下するなどの問題もある。これに対して、ＺｒＯ2層がＳｉＯ2層上に形成される場合、剪断力検出用圧電膜２１１の剥離、撓み効率の低下などの不都合を回避することが可能となる。
また、以降の説明において、図１に示すようなセンサー平面視において、支持膜１４のうち、開口部１１１を閉塞する領域をメンブレン１４１と称す。
（１−３．剪断力検出用圧電体の構成）
剪断力検出用圧電体２１０は、メンブレン１４１上で、開口部１１１の各辺１１１Ａ〜１１１Ｄに沿って、各辺１１１Ａ〜１１１Ｄの直線方向と同一方向に長手となる矩形状に形成される。また、各剪断力検出用圧電体２１０は、センサー平面視において、開口部１１１の各辺１１１Ａ〜１１１Ｄを挟んで、開口部１１１の内外に跨って配置されている。
これらの剪断力検出用圧電体２１０は、膜状の剪断力検出用圧電膜２１１と、この剪断力検出用圧電膜２１１膜厚み方向にそれぞれ形成される剪断力検出用下部電極２１２および剪断力検出用上部電極２１３と、を備えている。
剪断力検出用圧電体２１０は、メンブレン１４１上で、開口部１１１の各辺１１１Ａ〜１１１Ｄに沿って、各辺１１１Ａ〜１１１Ｄの直線方向と同一方向に長手となる矩形状に形成される。また、各剪断力検出用圧電体２１０は、センサー平面視において、開口部１１１の各辺１１１Ａ〜１１１Ｄを挟んで、開口部１１１の内外に跨って配置されている。
これらの剪断力検出用圧電体２１０は、膜状の剪断力検出用圧電膜２１１と、この剪断力検出用圧電膜２１１膜厚み方向にそれぞれ形成される剪断力検出用下部電極２１２および剪断力検出用上部電極２１３と、を備えている。
剪断力検出用圧電膜２１１は、例えばＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛：lead zirconate titanate）を厚み寸法が例えば５００ｎｍとなる膜状に成膜することで形成される。なお、本実施形態では、剪断力検出用圧電膜２１１としてＰＺＴを用いるが、膜の応力変化により電荷を発生することが可能な素材であれば、いかなる素材を用いてもよく、例えばチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ3）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ、Ｌａ）ＴｉＯ3）、窒化アルミ（AlN）、酸化亜鉛(ZnO)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などを用いてもよい。この剪断力検出用圧電膜２１１は、剪断力により支持膜が撓むと、その撓み量に応じて剪断力検出用下部電極２１２および剪断力検出用上部電極２１３の間で電位差が発生する。これにより、剪断力検出用下部電極２１２および剪断力検出用上部電極２１３に剪断力検出用圧電膜２１１からの電流が流れ、電気信号が出力される。
剪断力検出用下部電極２１２および剪断力検出用上部電極２１３は、剪断力検出用圧電膜２１１の膜厚み方向を挟んで形成される電極であり、剪断力検出用下部電極２１２は、剪断力検出用圧電膜２１１のメンブレン１４１に対向する面に形成され、剪断力検出用上部電極２１３は、剪断力検出用下部電極２１２が形成される面とは反対側の面に形成されている。
剪断力検出用下部電極２１２は、厚み寸法が例えば２００ｎｍに形成される膜状の電極であり、剪断力検出用圧電体２１０が形成される辺１１１Ａ〜１１１Ｄに直交する方向に沿って、メンブレン１４１内外に跨って形成される。この剪断力検出用下部電極２１２としては、導電性を有する導電薄膜であれば、いかなるものであってもよいが、本実施形態では、例えば、Ti/Ir/Pt/Tiの積層構造膜を用いる。
また、剪断力検出用上部電極２１３は、厚み寸法が例えば５０ｎｍに形成される膜状の電極である。この剪断力検出用上部電極２１３は、剪断力検出用圧電膜２１１の長手方向の端部（圧電膜端縁２１１１）間を覆って、剪断力検出用圧電体２１０が形成される辺１１１Ａ〜１１１Ｄと平行に形成される。そして、この剪断力検出用上部電極２１３の長手方向の端部に引出部２１３１が形成されている。このような電極パターンにより、剪断力検出用下部電極２１２および剪断力検出用上部電極２１３が直接接触する部分がなく、絶縁膜などにより電極の被覆をすることもなく、容易に剪断力検出用圧電体２１０から出力される電気信号を取り出すことができる。
また、この剪断力検出用上部電極２１３としても、剪断力検出用下部電極２１２と同様に導電性薄膜であれば、いかなる素材を用いてもよいが、本実施形態では、Ｉｒ薄膜を用いる。
また、この剪断力検出用上部電極２１３としても、剪断力検出用下部電極２１２と同様に導電性薄膜であれば、いかなる素材を用いてもよいが、本実施形態では、Ｉｒ薄膜を用いる。
このような剪断力検出用圧電体２１０では、剪断力検出用下部電極２１２、剪断力検出用圧電膜２１１、および剪断力検出用上部電極２１３が膜方向に沿って重なり合っている部分が、支持膜の撓み量を検出する圧電積層部２１４となる。
ここで、圧電積層部２１４は、メンブレン１４１の内部と外部に亘って形成されるが、圧電積層部２１４のメンブレン１４１内の剪断力検出方向（例えば、剪断力検出用圧電体２１０Ａ，２１０ＢではＸ方向、剪断力検出用圧電体２１０Ｃ，２１０ＤではＹ方向）に沿う寸法Ｗp1が、圧電積層部２１４の長手方向（例えば、剪断力検出用圧電体２１０Ａ，２１０ＢではＹ方向、剪断力検出用圧電体２１０Ｃ，２１０ＤではＸ方向）に沿う寸法Ｌpの１／３以下に形成されていることが好ましい。例えば、本実施形態では、Ｗp1＝３０μｍ、Ｌp＝２６０μｍに形成されている。これは、圧電積層部２１４のメンブレン１４１内の剪断力検出方向に沿う寸法Ｗp1が、圧電積層部２１４の長手方向に沿う寸法Ｌpの１／３よりも大きく形成される場合、圧電積層部２１４において、圧電積層部２１４の長手方向に沿う剪断力の影響を受ける可能性が大きくなるためである。これに対して、上記のように、３Ｗp1≦Ｌpとなるように、圧電積層部２１４の寸法を形成することで、圧電積層部２１４の長手方向に沿う剪断力の影響を除外し、剪断力検出方向の剪断力のみを精度良く検出することが可能となる。
ここで、圧電積層部２１４は、メンブレン１４１の内部と外部に亘って形成されるが、圧電積層部２１４のメンブレン１４１内の剪断力検出方向（例えば、剪断力検出用圧電体２１０Ａ，２１０ＢではＸ方向、剪断力検出用圧電体２１０Ｃ，２１０ＤではＹ方向）に沿う寸法Ｗp1が、圧電積層部２１４の長手方向（例えば、剪断力検出用圧電体２１０Ａ，２１０ＢではＹ方向、剪断力検出用圧電体２１０Ｃ，２１０ＤではＸ方向）に沿う寸法Ｌpの１／３以下に形成されていることが好ましい。例えば、本実施形態では、Ｗp1＝３０μｍ、Ｌp＝２６０μｍに形成されている。これは、圧電積層部２１４のメンブレン１４１内の剪断力検出方向に沿う寸法Ｗp1が、圧電積層部２１４の長手方向に沿う寸法Ｌpの１／３よりも大きく形成される場合、圧電積層部２１４において、圧電積層部２１４の長手方向に沿う剪断力の影響を受ける可能性が大きくなるためである。これに対して、上記のように、３Ｗp1≦Ｌpとなるように、圧電積層部２１４の寸法を形成することで、圧電積層部２１４の長手方向に沿う剪断力の影響を除外し、剪断力検出方向の剪断力のみを精度良く検出することが可能となる。
そして、圧電積層部２１４は、メンブレン１４１の外部において、剪断力検出方向に沿う寸法Ｗp2が、支持膜１４および圧電積層部２１４の膜厚寸法の和の５倍以上に形成されることが好ましい。本実施形態では、支持膜１４および圧電積層部２１４の膜厚総和が約４．１５μｍであり、寸法Ｗp2が例えば２５μｍに形成されている。
ここで、圧電積層部２１４のメンブレン１４１の外部におけるＸ方向に沿う寸法Ｗp2が、支持膜１４および圧電積層部２１４の膜厚総和の５倍よりも小さい寸法である場合、次のような問題がある。すなわち、メンブレン１４１が剪断力により変形する際、各層が剪断力により開口部１１１内に入り込もうとするモーメント力、または開口部１１１から離れる方向に浮き上がろうとするモーメント力が発生する。これらのモーメント力は、支持膜１４、剪断力検出用下部電極２１２、剪断力検出用圧電膜２１１、および剪断力検出用上部電極２１３のそれぞれに作用して、メンブレン１４１および剪断力検出用圧電体２１０を変形させる。この時、剪断力検出用圧電体２１０における圧電積層部２１４のメンブレン１４１の外部の領域において、開口部１１１の縁（辺１１１Ａ〜１１１Ｄ）から離れるに従ってメンブレン１４１の変形に係る応力も小さくなる。ここで、圧電積層部２１４におけるメンブレン１４１の外部に形成される部分のＸ方向寸法Ｗp2がＷp2＜５ｔ（ｔは、膜厚総和）となる場合、メンブレン１４１の変形に係る応力を十分に受けることができないため、安定したメンブレン１４１の変形が得られない。また、剪断力検出用圧電体２１０を構成する各膜３１１，３１２，３１３が剥離するおそれもある。これに対して、寸法Ｗp2がＷp2≧５ｔとなるように剪断力検出用圧電体２１０を形成することで、メンブレン１４１の変形を安定させることができ、剥離などの不都合も回避することができる。
ここで、圧電積層部２１４のメンブレン１４１の外部におけるＸ方向に沿う寸法Ｗp2が、支持膜１４および圧電積層部２１４の膜厚総和の５倍よりも小さい寸法である場合、次のような問題がある。すなわち、メンブレン１４１が剪断力により変形する際、各層が剪断力により開口部１１１内に入り込もうとするモーメント力、または開口部１１１から離れる方向に浮き上がろうとするモーメント力が発生する。これらのモーメント力は、支持膜１４、剪断力検出用下部電極２１２、剪断力検出用圧電膜２１１、および剪断力検出用上部電極２１３のそれぞれに作用して、メンブレン１４１および剪断力検出用圧電体２１０を変形させる。この時、剪断力検出用圧電体２１０における圧電積層部２１４のメンブレン１４１の外部の領域において、開口部１１１の縁（辺１１１Ａ〜１１１Ｄ）から離れるに従ってメンブレン１４１の変形に係る応力も小さくなる。ここで、圧電積層部２１４におけるメンブレン１４１の外部に形成される部分のＸ方向寸法Ｗp2がＷp2＜５ｔ（ｔは、膜厚総和）となる場合、メンブレン１４１の変形に係る応力を十分に受けることができないため、安定したメンブレン１４１の変形が得られない。また、剪断力検出用圧電体２１０を構成する各膜３１１，３１２，３１３が剥離するおそれもある。これに対して、寸法Ｗp2がＷp2≧５ｔとなるように剪断力検出用圧電体２１０を形成することで、メンブレン１４１の変形を安定させることができ、剥離などの不都合も回避することができる。
弾性膜１５は、上述のような支持膜１４、剪断力検出用圧電体２１０を覆って形成される膜である。この弾性膜１５としては、本実施形態では、例えばＰＤＭＳ（PolyDiMethylSiloxane）を用いるが、これに限定されず、弾性を有する合成樹脂など、その他の弾性素材により形成されるものであってもよい。また、弾性膜１５の厚み寸法としては、特に限定されないが、例えば３００μｍに形成されている。
この弾性膜１５は、剪断力検出用圧電体２１０の保護膜として機能するとともに、当該弾性膜１５に加わる剪断力をメンブレン１４１に伝達して撓ませる。そして、この弾性膜１５の撓みにより、メンブレン１４１が撓むことで、剪断力検出用圧電体２１０も撓み、その撓み量に応じた電気信号が出力される。
この弾性膜１５は、剪断力検出用圧電体２１０の保護膜として機能するとともに、当該弾性膜１５に加わる剪断力をメンブレン１４１に伝達して撓ませる。そして、この弾性膜１５の撓みにより、メンブレン１４１が撓むことで、剪断力検出用圧電体２１０も撓み、その撓み量に応じた電気信号が出力される。
（１−４．押圧力検出用圧電体の構成）
押圧力検出用圧電体３１０は、メンブレン１４１上で、開口部１１１の中心位置に形成される。この押圧力検出用圧電体３１０は、本発明の第二圧電体層である押圧力検出用圧電膜３１１と、押圧力検出用圧電膜３１１および支持膜１４の間に配置される、本発明の第二下部電極層である押圧力検出用下部電極３１２と、押圧力検出用圧電膜３１１および弾性膜１５の間に配置される、本発明の第二上部電極層である押圧力検出用上部電極３１３と、を備えている。
押圧力検出用圧電体３１０は、メンブレン１４１上で、開口部１１１の中心位置に形成される。この押圧力検出用圧電体３１０は、本発明の第二圧電体層である押圧力検出用圧電膜３１１と、押圧力検出用圧電膜３１１および支持膜１４の間に配置される、本発明の第二下部電極層である押圧力検出用下部電極３１２と、押圧力検出用圧電膜３１１および弾性膜１５の間に配置される、本発明の第二上部電極層である押圧力検出用上部電極３１３と、を備えている。
これらの押圧力検出用圧電膜３１１、押圧力検出用下部電極３１２、および押圧力検出用上部電極３１３は、それぞれ正方形状に形成され、押圧力検出用下部電極３１２、押圧力検出用圧電膜３１１、押圧力検出用上部電極３１３の順で積層形成されている。なお、本実施形態では、押圧力検出用圧電体３１０は、正方形状の開口部１１１に対応して、メンブレン１４１の撓みが不安定にならないように、剛性のバランスを考慮して正方形状に形成する例を示すが、押圧力検出用圧電体３１０が例えば円形状に形成される構成などとしてもよい。
これらの押圧力検出用圧電膜３１１、押圧力検出用下部電極３１２、および押圧力検出用上部電極３１３は、上述した応力検出素子２００の剪断力検出用圧電膜２１１、剪断力検出用下部電極２１２、剪断力検出用上部電極２１３と同様の素材により、同一厚み寸法により形成されている。つまり、剪断力検出用圧電体２１０および押圧力検出用圧電体３１０は、応力検出素子２００の製造時において、例えばスパッタリングなどにより同時に成膜され、フォトリソグラフィ法などによりパターニングされることで同時に形成される。
これらの押圧力検出用圧電膜３１１、押圧力検出用下部電極３１２、および押圧力検出用上部電極３１３は、上述した応力検出素子２００の剪断力検出用圧電膜２１１、剪断力検出用下部電極２１２、剪断力検出用上部電極２１３と同様の素材により、同一厚み寸法により形成されている。つまり、剪断力検出用圧電体２１０および押圧力検出用圧電体３１０は、応力検出素子２００の製造時において、例えばスパッタリングなどにより同時に成膜され、フォトリソグラフィ法などによりパターニングされることで同時に形成される。
また、押圧力検出用下部電極３１２には、図１に示すように、−Ｘ−Ｙ方向の頂点３１２Ａから、メンブレン１４１の−Ｘ−Ｙ方向の頂点１１２Ａに向かって、本発明の第二下部電極線であり、本発明の支持梁としても機能する押圧力検出用下部電極線３１４が形成されている。また、押圧力検出用下部電極３１２の−Ｘ＋Ｙ方向の頂点３１２Ｂから、メンブレン１４１の−Ｘ＋Ｙ方向の頂点１１２Ｂに向かって、本発明の支持梁として機能するダミー電極線３１６Ａが形成されている。さらに、押圧力検出用上部電極３１３には、＋Ｘ＋Ｙ方向の頂点３１３Ｃから、メンブレン１４１の＋Ｘ＋Ｙ方向の頂点１１２Ｃに向かって、本発明の第二上部電極線であり、本発明の支持梁としても機能する押圧力検出用上部電極線３１５が形成されている。そして、押圧力検出用上部電極３１３の＋Ｘ−Ｙ方向の頂点３１３Ｄから、メンブレン１４１の＋Ｘ−Ｙ方向の頂点１１２Ｄに向かって、本発明の支持梁として機能するダミー電極線３１６Ｂが形成されている。
すなわち、正方形状の開口部１１１の対角線に沿って、押圧力検出用下部電極線３１４、押圧力検出用上部電極線３１５、および２つのダミー電極線３１６Ａ，３１６Ｂが形成されている。このように、各電極線３１４，３１５，３１６Ａ，３１６Ｂをパターニングすることにより、メンブレン１４１の剛性のバランスが安定化し、例えば、押圧力を受けた際にメンブレン１４１の＋Ｘ側が−Ｘ側よりも大きく撓むなどといった不都合が回避される。
すなわち、正方形状の開口部１１１の対角線に沿って、押圧力検出用下部電極線３１４、押圧力検出用上部電極線３１５、および２つのダミー電極線３１６Ａ，３１６Ｂが形成されている。このように、各電極線３１４，３１５，３１６Ａ，３１６Ｂをパターニングすることにより、メンブレン１４１の剛性のバランスが安定化し、例えば、押圧力を受けた際にメンブレン１４１の＋Ｘ側が−Ｘ側よりも大きく撓むなどといった不都合が回避される。
そして、これらの押圧力検出用下部電極線３１４および押圧力検出用上部電極線３１５は、それぞれ例えば支持膜１４の側縁部に接続される図示しないフレキシブル基板などの導通部材を介して、例えば応力検出素子２００からの信号を処理する制御装置などに接続されている。
〔２．応力検出素子の動作〕
次に上記のような応力検出素子２００の動作について、図面に基づいて説明する。
応力検出素子２００では、Ｘ方向に沿って剪断力が加えられた際には、剪断力検出用圧電体２１０Ａ，２１０Ｂによりその剪断力が検出され、Ｙ方向に沿って剪断力が加えられた際には、剪断力検出用圧電体２１０Ｃ，２１０Ｄによりその剪断力が検出される。また、センサー基板１１に対して直交する押圧力が加えられた際には、押圧力検出用圧電体３１０によりその押圧力が検出される。
ここでは、一例として、メンブレン１４１の面方向に直交する押圧力と、Ｘ方向に向う剪断力とが加えられた場合における、剪断力検出用圧電体２１０Ａ，２１０Ｂによる剪断力の検出方向について説明する。なお、Ｙ方向に向かって剪断力が加えられた場合については、同様の動作により剪断力が検出されるものであるから、その説明を省略する。
図３は、剪断力検出素子に把持対象物Ｚが接触した状態を示す図であり、（Ａ）は、メンブレン１４１の変形前の状態を示す図、（Ｂ）は、応力（押圧力および剪断力）によりメンブレン１４１が変形した状態を示す図である。
次に上記のような応力検出素子２００の動作について、図面に基づいて説明する。
応力検出素子２００では、Ｘ方向に沿って剪断力が加えられた際には、剪断力検出用圧電体２１０Ａ，２１０Ｂによりその剪断力が検出され、Ｙ方向に沿って剪断力が加えられた際には、剪断力検出用圧電体２１０Ｃ，２１０Ｄによりその剪断力が検出される。また、センサー基板１１に対して直交する押圧力が加えられた際には、押圧力検出用圧電体３１０によりその押圧力が検出される。
ここでは、一例として、メンブレン１４１の面方向に直交する押圧力と、Ｘ方向に向う剪断力とが加えられた場合における、剪断力検出用圧電体２１０Ａ，２１０Ｂによる剪断力の検出方向について説明する。なお、Ｙ方向に向かって剪断力が加えられた場合については、同様の動作により剪断力が検出されるものであるから、その説明を省略する。
図３は、剪断力検出素子に把持対象物Ｚが接触した状態を示す図であり、（Ａ）は、メンブレン１４１の変形前の状態を示す図、（Ｂ）は、応力（押圧力および剪断力）によりメンブレン１４１が変形した状態を示す図である。
応力検出素子２００は、図３（Ａ）に示すように、弾性膜１５に対象物Ｚが接触し、矢印Ｐ１の方向に剪断力が加えられると、図３（Ｂ）に示すように、メンブレン１４１に撓みが発生する。
すなわち、弾性膜１５に剪断力が発生すると、メンブレン１４１の−Ｘ側の面では、矢印Ｍ１に示すように、開口部１１１内に入り込むモーメント力が発生し、＋Ｘ側の面では、矢印Ｍ２に示すように、開口部１１１から浮き上がろうとするモーメント力が発生する。また、弾性膜１５に対象物Ｚが接触して、矢印Ｐ２の方向に押圧力が加えられることで、図３中の矢印Ｆ１に示すような力が加えられるため、図（３）に示すように、メンブレン１４１に開口部１１１の内部に沈み込むような撓みが発生する。
なお、図示は省略するが、押圧力が加えられず、剪断力のみが作用する場合では、メンブレン１４１は、１波長分の略ｓｉｎ波形状に撓み、剪断力が加えられず、押圧力のみが作用する場合では、メンブレン１４１は、全体が開口部１１１内に凸となる円弧状に撓む。
すなわち、弾性膜１５に剪断力が発生すると、メンブレン１４１の−Ｘ側の面では、矢印Ｍ１に示すように、開口部１１１内に入り込むモーメント力が発生し、＋Ｘ側の面では、矢印Ｍ２に示すように、開口部１１１から浮き上がろうとするモーメント力が発生する。また、弾性膜１５に対象物Ｚが接触して、矢印Ｐ２の方向に押圧力が加えられることで、図３中の矢印Ｆ１に示すような力が加えられるため、図（３）に示すように、メンブレン１４１に開口部１１１の内部に沈み込むような撓みが発生する。
なお、図示は省略するが、押圧力が加えられず、剪断力のみが作用する場合では、メンブレン１４１は、１波長分の略ｓｉｎ波形状に撓み、剪断力が加えられず、押圧力のみが作用する場合では、メンブレン１４１は、全体が開口部１１１内に凸となる円弧状に撓む。
図４は、剪断力検出用圧電膜２１１および押圧力検出用圧電膜３１１で発生する電位差を模式的に示す図であり、（Ａ）は、圧電膜２１１，３１１が変形していない状態、（Ｂ）は、圧電膜２１１，３１１が伸長された状態、（Ｃ）は、圧電膜２１１，３１１が圧縮された状態を示す図である。また、図５は、＋Ｘ方向に剪断力が加えられた際、−Ｘ方向に剪断力が加えられた際、および押圧力が加えられた際に、剪断力検出用圧電体２１０Ａ，２１０Ｂおよび押圧力検出用圧電体３１０から出力される電流の検出パターンを示す図である。
上記のような応力検出素子２００により押圧力および剪断力を検出するためには、予め剪断力検出用上部電極２１３および剪断力検出用下部電極２１２間、押圧力検出用上部電極３１３および押圧力検出用下部電極３１２間に電圧を印加し、図４（Ａ）に示すように、電圧を印加して分極させておく。この状態で、メンブレン１４１に撓みが発生すると、剪断力検出用圧電膜２１１および押圧力検出用圧電膜３１１に電位差が発生する。
上記のような応力検出素子２００により押圧力および剪断力を検出するためには、予め剪断力検出用上部電極２１３および剪断力検出用下部電極２１２間、押圧力検出用上部電極３１３および押圧力検出用下部電極３１２間に電圧を印加し、図４（Ａ）に示すように、電圧を印加して分極させておく。この状態で、メンブレン１４１に撓みが発生すると、剪断力検出用圧電膜２１１および押圧力検出用圧電膜３１１に電位差が発生する。
ここで、＋Ｘ方向に向かう剪断力のみが弾性膜１５に加えられた場合、剪断力検出用圧電体２１０Ａの剪断力検出用圧電膜２１１には、図４（Ｂ）に示すように、剪断力検出用圧電膜２１１の面内方向に引っ張り応力が発生し、膜厚も小さくなる。これにより、剪断力検出用圧電膜２１１では、分極モーメント量が低下し、剪断力検出用上部電極２１３との接触面に初期の分極値との差を相殺するだけの正電荷、剪断力検出用下部電極２１２との接触面に負電荷が発生する。このため、剪断力検出用下部電極２１２から剪断力検出用上部電極２１３に向かう方向に電流が流れ、電気信号として出力される。
一方、＋Ｘ方向側の剪断力検出用圧電体２１０の剪断力検出用圧電膜２１１は、モーメント力により、図４（Ｃ）に示すように、剪断力検出用圧電膜２１１に圧縮応力が発生し、膜厚も大きくなる。これにより、剪断力検出用圧電膜２１１では、分極モーメント量が増大し、剪断力検出用上部電極２１３に負電荷、剪断力検出用下部電極２１２に正電荷が発生する。このため、剪断力検出用上部電極２１３から剪断力検出用下部電極２１２に向かう方向に電流が流れ、電気信号として出力される。
また、剪断力のみが加えられ押圧力が加えられない場合には、押圧力検出用圧電体３１０からは電流が検出されない。したがって、この場合、図５の（ｉ）に示すような電流検出パターンの信号値が得られる。また、−Ｘ方向に沿う剪断力が加えられた場合、メンブレンが逆方向に撓むため、図５（ii）に示すような電流検出パターンの信号値が得られる。
一方、＋Ｘ方向側の剪断力検出用圧電体２１０の剪断力検出用圧電膜２１１は、モーメント力により、図４（Ｃ）に示すように、剪断力検出用圧電膜２１１に圧縮応力が発生し、膜厚も大きくなる。これにより、剪断力検出用圧電膜２１１では、分極モーメント量が増大し、剪断力検出用上部電極２１３に負電荷、剪断力検出用下部電極２１２に正電荷が発生する。このため、剪断力検出用上部電極２１３から剪断力検出用下部電極２１２に向かう方向に電流が流れ、電気信号として出力される。
また、剪断力のみが加えられ押圧力が加えられない場合には、押圧力検出用圧電体３１０からは電流が検出されない。したがって、この場合、図５の（ｉ）に示すような電流検出パターンの信号値が得られる。また、−Ｘ方向に沿う剪断力が加えられた場合、メンブレンが逆方向に撓むため、図５（ii）に示すような電流検出パターンの信号値が得られる。
一方、押圧力のみが加えられ、剪断力が加えられなかった場合、押圧力検出用圧電体３１０は、開口部１１１に入り込む方向に凸状に湾曲する。この場合、押圧力検出用圧電膜３１１は、図４（Ｃ）に示すように圧縮変形し、押圧力検出用上部電極３１３から押圧力検出用下部電極３１２に向かう方向に電流が流れる。したがって、図５の(iii)に示すような電流検出パターンの信号値が得られる。
そして、図３（Ｂ）に示すように、応力検出素子２００に剪断力および押圧力の双方が加えられてメンブレン１４１が撓んだ場合、各剪断力検出用圧電体２１０Ａ，２１０Ｂ，２１０Ｃ，２１０Ｄ、および押圧力検出用圧電体３１０から出力される信号値により、剪断力および押圧力が演算される。
ここで、剪断力検出用圧電体２１０Ａから出力される信号値Ａ、剪断力検出用圧電体２１０Ｂから出力される信号値Ｂ、剪断力検出用圧電体２１０Ｃから出力される信号値Ｃ、剪断力検出用圧電体２１０Ｄから出力される信号値Ｄ、押圧力検出用圧電体３１０から出力される信号値Ｅを用いると、Ｘ方向に沿う剪断力Ｓx、Ｙ方向に沿う剪断力Ｓy、および押圧力Ｏは、次式により演算することが可能となる。なお、下記（１）式〜（３）式において、ｋ1、ｋ2は、それぞれ定数である。なお、式（１）（２）において、ｓｉｇｎ（Ｍ−Ｎ）とは、（Ｍ−Ｎ）の値が負である場合に「−１」を返し、正である場合に「＋１」を返し、０である場合に「０」を返す演算式を意味する。また、ＡＢＳ（Ｍ−Ｎ）とは、（Ｍ−Ｎ）の絶対値を意味する。
ここで、剪断力検出用圧電体２１０Ａから出力される信号値Ａ、剪断力検出用圧電体２１０Ｂから出力される信号値Ｂ、剪断力検出用圧電体２１０Ｃから出力される信号値Ｃ、剪断力検出用圧電体２１０Ｄから出力される信号値Ｄ、押圧力検出用圧電体３１０から出力される信号値Ｅを用いると、Ｘ方向に沿う剪断力Ｓx、Ｙ方向に沿う剪断力Ｓy、および押圧力Ｏは、次式により演算することが可能となる。なお、下記（１）式〜（３）式において、ｋ1、ｋ2は、それぞれ定数である。なお、式（１）（２）において、ｓｉｇｎ（Ｍ−Ｎ）とは、（Ｍ−Ｎ）の値が負である場合に「−１」を返し、正である場合に「＋１」を返し、０である場合に「０」を返す演算式を意味する。また、ＡＢＳ（Ｍ−Ｎ）とは、（Ｍ−Ｎ）の絶対値を意味する。
Ｓｘ＝ｓｉｇｎ（Ａ−Ｂ）×（ａｂｓ（Ａ−Ｂ）−ｋ
１
×Ｅ）・・・（１）
Ｓｙ＝ｓｉｇｎ（Ｃ−Ｄ）×（ａｂｓ（Ｃ−Ｄ）−ｋ １ ×Ｅ）・・・（２）
Ｏ＝Ｅ−ｋ ２ ×（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）／４ ・・・（３）
Ｓｙ＝ｓｉｇｎ（Ｃ−Ｄ）×（ａｂｓ（Ｃ−Ｄ）−ｋ １ ×Ｅ）・・・（２）
Ｏ＝Ｅ−ｋ ２ ×（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）／４ ・・・（３）
〔３．応力検出素子の出力回路〕
上記のような応力検出素子２００は、−Ｘ方向側の剪断力検出用圧電体２１０Ａから出力される信号値Ａ、および＋Ｘ方向側の剪断力検出用圧電体２１０Ｂから出力される信号値Ｂを加減算して出力する出力回路と、−Ｙ方向側の剪断力検出用圧電体２１０Ｃから出力される信号値Ｃ、および＋Ｙ方向側の剪断力検出用圧電体２１０Ｄから出力される信号値Ｄを加減算して出力する出力回路と、を備えている。
これらの出力回路は、例えばセンサー基板１１上に形成されていてもよく、センサー基板１１とは別体として設けられ、センサー基板１１上に形成される剪断力検出用下部電極２１２および剪断力検出用上部電極２１３に接続される構成などとしてもよい。なお、センサー基板１１と別体として設けられる場合では、例えば応力検出素子２００が取り付けられる装置などに収納される構成などとしてもよい。
上記のような応力検出素子２００は、−Ｘ方向側の剪断力検出用圧電体２１０Ａから出力される信号値Ａ、および＋Ｘ方向側の剪断力検出用圧電体２１０Ｂから出力される信号値Ｂを加減算して出力する出力回路と、−Ｙ方向側の剪断力検出用圧電体２１０Ｃから出力される信号値Ｃ、および＋Ｙ方向側の剪断力検出用圧電体２１０Ｄから出力される信号値Ｄを加減算して出力する出力回路と、を備えている。
これらの出力回路は、例えばセンサー基板１１上に形成されていてもよく、センサー基板１１とは別体として設けられ、センサー基板１１上に形成される剪断力検出用下部電極２１２および剪断力検出用上部電極２１３に接続される構成などとしてもよい。なお、センサー基板１１と別体として設けられる場合では、例えば応力検出素子２００が取り付けられる装置などに収納される構成などとしてもよい。
図６は、応力検出素子２００の剪断力検出用圧電体２１０Ａ，２１０Ｂから出力される信号値を加減算して出力する出力回路２２０の概略構成を示す回路図である。なお、剪断力検出用圧電体２１０Ｃ，２１０Ｄから出力される信号値を加減算して出力する出力回路は、出力回路２２０と同様の構成であるため、ここでの説明は省略する。
本実施形態の応力検出素子２００の出力回路２２０において、剪断力検出用圧電体２１０Ａの剪断力検出用下部電極２１２には接続線２２４Ａ１が接続され、剪断力検出用圧電体２１０Ａの剪断力検出用上部電極２１３には、接続線２２４Ａ２が接続され、剪断力検出用圧電体２１０Ｂの剪断力検出用下部電極２１２には、接続線２２４Ｂ１が接続され、剪断力検出用圧電体２１０Ｂの剪断力検出用上部電極２１３には、接続線２２４Ｂ２が接続されている。そして、この出力回路２２０は、前記接続線２２４Ａ１，２２１Ａ２，２２１Ｂ１，２２１Ｂ２の接続状態を切り替えるスイッチング回路２２１と、増幅器（Ａｍｐ）２２２と、積分器２２３と、を備えている。この出力回路２２０では、このスイッチング回路２２１の切り替え状態により、加算回路および減算回路のいずれか一方として機能する。
本実施形態の応力検出素子２００の出力回路２２０において、剪断力検出用圧電体２１０Ａの剪断力検出用下部電極２１２には接続線２２４Ａ１が接続され、剪断力検出用圧電体２１０Ａの剪断力検出用上部電極２１３には、接続線２２４Ａ２が接続され、剪断力検出用圧電体２１０Ｂの剪断力検出用下部電極２１２には、接続線２２４Ｂ１が接続され、剪断力検出用圧電体２１０Ｂの剪断力検出用上部電極２１３には、接続線２２４Ｂ２が接続されている。そして、この出力回路２２０は、前記接続線２２４Ａ１，２２１Ａ２，２２１Ｂ１，２２１Ｂ２の接続状態を切り替えるスイッチング回路２２１と、増幅器（Ａｍｐ）２２２と、積分器２２３と、を備えている。この出力回路２２０では、このスイッチング回路２２１の切り替え状態により、加算回路および減算回路のいずれか一方として機能する。
具体的には、剪断力を検出する場合は、図６（Ａ）に示すように、スイッチング回路２２１は、接続線２２４Ａ１および接続線２２４Ｂ２、接続線２２４Ａ２および接続線２２４Ｂ１をそれぞれ接続し、上記（２）式または（３）式に示すように、信号値Ａと信号値Ｂとを減算する。
これは、図３（Ｂ）に示すように、剪断力が作用した際には、剪断力検出用圧電体２１０Ａと剪断力検出用圧電体２１０Ｂとでは、撓み方向が逆となるためであり、これらの剪断力検出用圧電体２１０Ａおよび剪断力検出用圧電体２１０Ｂから出力される電流は、正負が逆転する。したがって、信号値Ａと信号値Ｂとの差を出力するように、剪断力検出用圧電体２１０Ａの剪断力検出用上部電極２１３と、剪断力検出用圧電体２１０Ｂの剪断力検出用下部電極２１２とを接続し、剪断力検出用圧電体２１０Ａの剪断力検出用下部電極２１２と、剪断力検出用圧電体２１０Ｂの剪断力検出用上部電極２１３とを接続することで、剪断力検出用圧電体２１０Ａ，２１０Ｂから出力される電流の正負符号を揃えて、その信号を増幅器（Ａｍｐ）２２２に出力する。
これは、図３（Ｂ）に示すように、剪断力が作用した際には、剪断力検出用圧電体２１０Ａと剪断力検出用圧電体２１０Ｂとでは、撓み方向が逆となるためであり、これらの剪断力検出用圧電体２１０Ａおよび剪断力検出用圧電体２１０Ｂから出力される電流は、正負が逆転する。したがって、信号値Ａと信号値Ｂとの差を出力するように、剪断力検出用圧電体２１０Ａの剪断力検出用上部電極２１３と、剪断力検出用圧電体２１０Ｂの剪断力検出用下部電極２１２とを接続し、剪断力検出用圧電体２１０Ａの剪断力検出用下部電極２１２と、剪断力検出用圧電体２１０Ｂの剪断力検出用上部電極２１３とを接続することで、剪断力検出用圧電体２１０Ａ，２１０Ｂから出力される電流の正負符号を揃えて、その信号を増幅器（Ａｍｐ）２２２に出力する。
また、これら剪断力検出用圧電体２１０Ａ，２１０Ｂから出力される電流を増幅器２２２で増幅させた後、積分器２２３に入力することで図７に示すような発信波形を得ることができる。
図７（Ａ）は、図６中の点Ｓａでの発信波形を示す図であり、（Ｂ）は、図６中の点Ｓｂでの発信波形を示す図である。
応力検出素子２００は、弾性膜１５に対象物Ｚが当接してＸ方向に剪断力が発生するタイミングｔ１で、図７（Ａ）に示すように、例えば正の電気信号が出力される。また、例えば対象物Ｚが弾性膜１５から離れて剪断力がなくなるタイミングｔ２で、弾性膜１５が弾性により元の位置に戻るため、メンブレン１４１も元の位置に戻り、この時発生する剪断力検出用圧電体２１０の変形により、負の電気信号が出力される。このような電気信号を積分器２２３に入力することで、図７（Ｂ）に示すような、剪断出力信号（Ａ−Ｂ）が得られる。この剪断出力信号では、剪断力が作用している期間中、剪断力に応じた信号が連続的に出力される。
図７（Ａ）は、図６中の点Ｓａでの発信波形を示す図であり、（Ｂ）は、図６中の点Ｓｂでの発信波形を示す図である。
応力検出素子２００は、弾性膜１５に対象物Ｚが当接してＸ方向に剪断力が発生するタイミングｔ１で、図７（Ａ）に示すように、例えば正の電気信号が出力される。また、例えば対象物Ｚが弾性膜１５から離れて剪断力がなくなるタイミングｔ２で、弾性膜１５が弾性により元の位置に戻るため、メンブレン１４１も元の位置に戻り、この時発生する剪断力検出用圧電体２１０の変形により、負の電気信号が出力される。このような電気信号を積分器２２３に入力することで、図７（Ｂ）に示すような、剪断出力信号（Ａ−Ｂ）が得られる。この剪断出力信号では、剪断力が作用している期間中、剪断力に応じた信号が連続的に出力される。
そして、実際の剪断力では、上記のように、剪断力検出用圧電体２１０Ａ，２１０Ｂに基づいて得られる剪断出力信号（Ａ−Ｂ）と、押圧力検出用圧電体３１０から得られる信号値Ｅとを用い、（１）式に基づいて、図示しない演算回路により信号値の演算が実施され、剪断力検出信号Ｓxとして出力される。
一方、押圧力を検出する場合は、図６（Ｂ）に示すように、スイッチング回路２２１は、接続線２２４Ａ１および接続線２２４Ｂ１、接続線２２４Ａ２および接続線２２４Ｂ２をそれぞれ接続する。そして、スイッチング回路２２１から出力される信号を、増幅器２２２、積分器２２３に出力して、剪断力検出用圧電体２１０Ａおよび剪断力検出用圧電体２１０Ｂから出力される信号値Ａ，Ｂを加算した信号値（Ａ＋Ｂ）を得る。
また、この時、剪断力検出用圧電体２１０Ｃおよび剪断力検出用圧電体２１０Ｄに接続される出力回路も同様に、剪断力検出用圧電体２１０Ｃからの信号値と剪断力検出用圧電体２１０Ｄからの信号値Ｄとを加算した信号値（Ｃ＋Ｄ）を得る。
そして、図示しない演算回路に、上述した信号値（Ａ＋Ｂ），（Ｃ＋Ｄ）と、押圧力検出用圧電体３１０から得られる信号値Ｅとを出力し、（３）式に基づいて演算が実施され、押圧力検出信号が出力される。
また、この時、剪断力検出用圧電体２１０Ｃおよび剪断力検出用圧電体２１０Ｄに接続される出力回路も同様に、剪断力検出用圧電体２１０Ｃからの信号値と剪断力検出用圧電体２１０Ｄからの信号値Ｄとを加算した信号値（Ｃ＋Ｄ）を得る。
そして、図示しない演算回路に、上述した信号値（Ａ＋Ｂ），（Ｃ＋Ｄ）と、押圧力検出用圧電体３１０から得られる信号値Ｅとを出力し、（３）式に基づいて演算が実施され、押圧力検出信号が出力される。
〔４．第一実施形態の作用効果〕
上述したように、上記第一実施形態の応力検出素子２００は、開口部１１１が形成されるセンサー基板１１上に、支持膜１４が設けられ、この支持膜１４上に、開口部１１１の各辺１１１Ａ〜１１１Ｄに沿ってメンブレン１４１の内外に跨って配置される剪断力検出用圧電体２１０が形成される。また、メンブレン１４１の内側には、剪断力検出用圧電体２１０から離れて押圧力検出用圧電体３１０が形成される。さらに、これらの支持膜１４、各圧電体２１０，３１０の上層に弾性膜１５が積層形成される。このような構成の応力検出素子２００では、弾性膜１５に剪断力および押圧力が加わることで、メンブレン１４１も撓み、剪断力検出用圧電体２１０から剪断力に応じた電気信号、押圧力検出用圧電体３１０から押圧力に応じた電気信号が出力される。したがって、これらの電気信号を検出することで、１つのメンブレン１４１に作用する剪断力および押圧力の双方を正確に検出することができる。また、剪断力および押圧力を検出するために、剪断力を検出するための検出素子、および押圧力を検出するための検出素子の２つの素子を設ける場合に比べて、上記応力検出素子２００では１つの素子で剪断力および押圧力の双方を検出することができ、センサーサイズを小型化することができる。
上述したように、上記第一実施形態の応力検出素子２００は、開口部１１１が形成されるセンサー基板１１上に、支持膜１４が設けられ、この支持膜１４上に、開口部１１１の各辺１１１Ａ〜１１１Ｄに沿ってメンブレン１４１の内外に跨って配置される剪断力検出用圧電体２１０が形成される。また、メンブレン１４１の内側には、剪断力検出用圧電体２１０から離れて押圧力検出用圧電体３１０が形成される。さらに、これらの支持膜１４、各圧電体２１０，３１０の上層に弾性膜１５が積層形成される。このような構成の応力検出素子２００では、弾性膜１５に剪断力および押圧力が加わることで、メンブレン１４１も撓み、剪断力検出用圧電体２１０から剪断力に応じた電気信号、押圧力検出用圧電体３１０から押圧力に応じた電気信号が出力される。したがって、これらの電気信号を検出することで、１つのメンブレン１４１に作用する剪断力および押圧力の双方を正確に検出することができる。また、剪断力および押圧力を検出するために、剪断力を検出するための検出素子、および押圧力を検出するための検出素子の２つの素子を設ける場合に比べて、上記応力検出素子２００では１つの素子で剪断力および押圧力の双方を検出することができ、センサーサイズを小型化することができる。
また、上記応力検出素子２００では、開口部１１１は、Ｙ方向に平行する一対の辺１１１Ａ，１１１Ｂ、Ｘ方向に平行する一対の辺１１１Ｃ，１１１Ｄを備え、これらの辺１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃ，１１１Ｄに対応して、それぞれ剪断力検出用圧電体２１０Ａ，２１０Ｂ，２１０Ｃ，２１０Ｄが設けられている。
このような構成の応力検出素子２００では、剪断力検出用圧電体２１０Ａ、２１０ＢによりＸ方向の剪断力を検出することができ、剪断力検出用圧電体２１０Ｃ，２１０ＤによりＹ方向の剪断力を検出することができる。すなわち、１つの応力検出素子２００により、Ｘ方向およびＹ方向に対して作用する剪断力をそれぞれ検出することができる。また、これらの剪断力を検出することで、メンブレン１４１の面方向に作用するあらゆる方向の剪断力を検出することができる。
このような構成の応力検出素子２００では、剪断力検出用圧電体２１０Ａ、２１０ＢによりＸ方向の剪断力を検出することができ、剪断力検出用圧電体２１０Ｃ，２１０ＤによりＹ方向の剪断力を検出することができる。すなわち、１つの応力検出素子２００により、Ｘ方向およびＹ方向に対して作用する剪断力をそれぞれ検出することができる。また、これらの剪断力を検出することで、メンブレン１４１の面方向に作用するあらゆる方向の剪断力を検出することができる。
さらに、互いに対向する一対の辺１１１Ａ，１１１Ｂの双方にＸ方向の剪断力を検出するための剪断力検出用圧電体２１０Ａ，２１０Ｂが形成され、互いに対向する一対の辺１１１Ｃ，１１１Ｄの双方にＹ方向の剪断力を検出するための剪断力検出用圧電体２１０Ｃ，２１０Ｄが形成されている。
このため、メンブレン１４１のＸ方向の撓みを２つの剪断力検出用圧電体２１０Ａ，２１０Ｂにより検出し、Ｙ方向の撓みを２つの剪断力検出用圧電体２１０Ｃ，２１０Ｄにより検出することができる。したがって、これらの信号値の絶対値を加算することで、より大きな信号値を得ることができ、より精度の高い正確な剪断力を検出することができる。
このため、メンブレン１４１のＸ方向の撓みを２つの剪断力検出用圧電体２１０Ａ，２１０Ｂにより検出し、Ｙ方向の撓みを２つの剪断力検出用圧電体２１０Ｃ，２１０Ｄにより検出することができる。したがって、これらの信号値の絶対値を加算することで、より大きな信号値を得ることができ、より精度の高い正確な剪断力を検出することができる。
そして、押圧力検出用圧電体３１０は、メンブレン１４１の中心位置に設けられ、この押圧力検出用圧電体３１０から、開口部１１１の対角線に沿って支持梁である押圧力検出用下部電極線３１４、押圧力検出用上部電極線３１５、およびダミー電極線３１６Ａ，３１６Ｂがそれぞれ形成されている。
すなわち、押圧力検出用下部電極線３１４およびダミー電極線３１６Ａは、メンブレン１４１の中心点を通るＸ方向に平行なＸ仮想線Ｌｘ（図１参照）に対して線対称となる位置に設けられ、押圧力検出用上部電極線３１５およびダミー電極線３１６Ｂも、メンブレン１４１の中心点を通るＸ仮想線に対して、線対称となる位置に設けられている。また、押圧力検出用下部電極線３１４およびダミー電極線３１６Ｂは、メンブレン１４１の中心点を通るＹ方向に平行なＹ仮想線Ｌｙ（図１参照）に対して線対称となる位置に設けられ、押圧力検出用上部電極線３１５およびダミー電極線３１６Ａも、メンブレン１４１の中心点を通るＹ仮想線に対して、線対称となる位置に設けられている。このように、電極線３１４，３１５，３１６Ａ，３１６Ｂを設けることで、メンブレン１４１の撓みを安定化させることができる。
すなわち、押圧力検出用下部電極線３１４およびダミー電極線３１６Ａは、メンブレン１４１の中心点を通るＸ方向に平行なＸ仮想線Ｌｘ（図１参照）に対して線対称となる位置に設けられ、押圧力検出用上部電極線３１５およびダミー電極線３１６Ｂも、メンブレン１４１の中心点を通るＸ仮想線に対して、線対称となる位置に設けられている。また、押圧力検出用下部電極線３１４およびダミー電極線３１６Ｂは、メンブレン１４１の中心点を通るＹ方向に平行なＹ仮想線Ｌｙ（図１参照）に対して線対称となる位置に設けられ、押圧力検出用上部電極線３１５およびダミー電極線３１６Ａも、メンブレン１４１の中心点を通るＹ仮想線に対して、線対称となる位置に設けられている。このように、電極線３１４，３１５，３１６Ａ，３１６Ｂを設けることで、メンブレン１４１の撓みを安定化させることができる。
つまり、押圧力検出用圧電体から信号を取得するためには、電極線３１４，３１５を接続する必要があるが、これらの電極線３１４，３１５がＸ仮想線に対して線対称となる位置に設けられていない場合、例えば電極線３１４，３１５が−Ｙ方向側に位置する開口部１１１の頂点１１２Ａ，１１２Ｄに向かって形成される場合、メンブレン１４１の電極線３１４，３１５が形成される−Ｙ方向側と、電極線３１４，３１５が設けられない＋Ｙ方向側とで、異なる剛性となる。このため、メンブレン１４１の−Ｙ方向側の領域が撓みにくく、＋Ｙ方向側の領域が撓みやすくなり、安定した撓みを得ることができない。
この場合、例えばＸ方向の剪断力を検出する際に、剪断力検出用圧電体２１０Ａや剪断力検出用圧電体２１０Ｂの＋Ｙ方向側の領域が−Ｙ方向側の領域よりも大きく撓み、剪断力の検出精度が低下してしまう。
ここで、押圧力検出用下部電極線３１４および押圧力検出用上部電極線３１５を、−Ｘ方向側に位置する開口部１１１の頂点１１２Ａ，１１２Ｂに向かって形成することで、メンブレン１４１のＹ方向に対する剛性は一様にすることができ、Ｘ方向の剪断力を検出する場合には、検出精度を向上させることができる。しかしながら、この場合は、メンブレン１４１の−Ｘ方向側の領域が撓みにくく、＋Ｘ方向側の領域が撓みやすくなるため、Ｙ方向の剪断力の検出精度が低下してしまう。
これに対して、上記実施形態のように、ダミー電極線３１６Ａ，３１６Ｂを形成し、各電極線３１４，３１５，３１６Ａ，３１６Ｂを、Ｘ仮想線Ｌｘ、Ｙ仮想線Ｌｙに対して線対称となるように、すなわち、開口部１１１の対角線に沿うように形成することで、Ｘ方向およびＹ方向の双方に対して、メンブレン１４１の撓みを安定化させることができ、Ｘ方向およびＹ方向の剪断力の検出精度、押圧力の検出精度を向上させることができる。
この場合、例えばＸ方向の剪断力を検出する際に、剪断力検出用圧電体２１０Ａや剪断力検出用圧電体２１０Ｂの＋Ｙ方向側の領域が−Ｙ方向側の領域よりも大きく撓み、剪断力の検出精度が低下してしまう。
ここで、押圧力検出用下部電極線３１４および押圧力検出用上部電極線３１５を、−Ｘ方向側に位置する開口部１１１の頂点１１２Ａ，１１２Ｂに向かって形成することで、メンブレン１４１のＹ方向に対する剛性は一様にすることができ、Ｘ方向の剪断力を検出する場合には、検出精度を向上させることができる。しかしながら、この場合は、メンブレン１４１の−Ｘ方向側の領域が撓みにくく、＋Ｘ方向側の領域が撓みやすくなるため、Ｙ方向の剪断力の検出精度が低下してしまう。
これに対して、上記実施形態のように、ダミー電極線３１６Ａ，３１６Ｂを形成し、各電極線３１４，３１５，３１６Ａ，３１６Ｂを、Ｘ仮想線Ｌｘ、Ｙ仮想線Ｌｙに対して線対称となるように、すなわち、開口部１１１の対角線に沿うように形成することで、Ｘ方向およびＹ方向の双方に対して、メンブレン１４１の撓みを安定化させることができ、Ｘ方向およびＹ方向の剪断力の検出精度、押圧力の検出精度を向上させることができる。
そして、応力検出素子２００の剪断力検出用圧電体２１０Ａおよび剪断力検出用圧電体２１０Ｂの出力回路２２０は、剪断力検出用下部電極２１２に接続される接続線２２４Ａ１，２２１Ｂ１、剪断力検出用上部電極２１３に接続される接続線２２４Ａ２，２２１Ｂ２の接続状態を切り替えるスイッチング回路２２１を備えている。そして、剪断力を検出する際には、スイッチング回路２２１の接続状態を図６（Ａ）に示すように、接続線２２４Ａ１と接続線２２４Ｂ２とを接続し、接続線２２４Ａ２と接続線２２４Ｂ１とを接続して、剪断力検出用圧電体２１０Ａからの信号値Ａと、剪断力検出用圧電体２１０Ｂからの信号値Ｂとの差を出力回路２２０から出力する。これにより、Ｘ方向の剪断力の検出時に、より大きな信号値を得ることができ、（１）式（Ｙ方向の剪断力に対しては（２）式）に基づいて、より正確な剪断力を測定することができる。
また、押圧力を検出する際には、スイッチング回路２２１の接続状態を図６（Ｂ）に示すように、接続線２２４Ａ１と接続線２２４Ｂ１とを接続し、接続線２２４Ａ２と接続線２２４Ｂ２とを接続して、剪断力検出用圧電体２１０Ａからの信号値Ａと、剪断力検出用圧電体２１０Ｂからの信号値Ｂとの和を出力回路２２０から出力する。これにより、（３）式に基づいて、容易に正確な押圧力を測定することができる。
また、押圧力を検出する際には、スイッチング回路２２１の接続状態を図６（Ｂ）に示すように、接続線２２４Ａ１と接続線２２４Ｂ１とを接続し、接続線２２４Ａ２と接続線２２４Ｂ２とを接続して、剪断力検出用圧電体２１０Ａからの信号値Ａと、剪断力検出用圧電体２１０Ｂからの信号値Ｂとの和を出力回路２２０から出力する。これにより、（３）式に基づいて、容易に正確な押圧力を測定することができる。
［第二実施形態］
次に、上述したような応力検出素子２００の応用例として、応力検出素子２００を備えた触覚センサーについて、図面に基づいて説明する。
次に、上述したような応力検出素子２００の応用例として、応力検出素子２００を備えた触覚センサーについて、図面に基づいて説明する。
図８は、第二実施形態の触覚センサーの一部を拡大した平面図である。
図９は、触覚センサーの一部を断面した断面図である。
図９は、触覚センサーの一部を断面した断面図である。
図８に示すように、触覚センサー１０は、上記第一実施形態の応力検出素子２００を複数備えている。
これらの応力検出素子２００は、本発明の支持体を構成するセンサー基板１１上に、マトリクス状に配置されている。ここで、これらの応力検出素子２００において、センサー基板１１、支持膜１４、および弾性膜１５は、共通の部材により構成されている。すなわち、１つのセンサー基板１１にマトリクス状に配置される複数の開口部１１１が形成されており、このセンサー基板１１の一面側の全面に、連続する支持膜１４が形成されている。これにより、各開口部１１１を覆うメンブレン１４１が形成され、このメンブレン１４１上に、剪断力検出用圧電体２１０および押圧力検出用圧電体３１０が形成されている。また、支持膜１４上には、支持膜１４の全面を覆って弾性膜１５が形成されている。
これらの応力検出素子２００は、本発明の支持体を構成するセンサー基板１１上に、マトリクス状に配置されている。ここで、これらの応力検出素子２００において、センサー基板１１、支持膜１４、および弾性膜１５は、共通の部材により構成されている。すなわち、１つのセンサー基板１１にマトリクス状に配置される複数の開口部１１１が形成されており、このセンサー基板１１の一面側の全面に、連続する支持膜１４が形成されている。これにより、各開口部１１１を覆うメンブレン１４１が形成され、このメンブレン１４１上に、剪断力検出用圧電体２１０および押圧力検出用圧電体３１０が形成されている。また、支持膜１４上には、支持膜１４の全面を覆って弾性膜１５が形成されている。
また、各応力検出素子２００間には、図９に示すように、弾性膜１５に、規制溝１５１が形成されている。この規制溝１５１は、対象物が接触する弾性膜１５の一面側から支持膜１４に向かって、所定の深さ寸法で形成されている。このような触覚センサー１０では、規制溝１５１により、各応力検出素子２００の弾性膜１５が分離され、応力検出素子２００の弾性膜１５の撓みが、隣り合う応力検出素子２００の弾性膜１５に伝達されない。
なお、図９では、弾性膜１５の規制溝１５１は、対象物に接触可能な接触面からの深さ寸法が、例えば弾性膜１５の膜厚の３／４程度となるように形成されている例を示すがこれに限定されず、例えば図１０のような構成であってもよい。図１０は、弾性膜１５に形成される規制溝の他の例を示す図である。
すなわち、この図１０に示すように、弾性膜１５の接触面から支持膜１４の表面に亘って規制溝１５１が形成される構成などとしてもよい。この場合、より確実に、隣り合う応力検出素子２００間での弾性膜１５の撓みの伝搬を防ぐことができる。
さらには、図８に示すセンサー平面視において、規制溝１５１が各応力検出素子２００を囲う矩形環状に形成される例を示したが、これに限定されず、例えば、センサー平面視において、各応力検出素子２００を囲う略円環状に形成される構成などとしてもよい。
すなわち、この図１０に示すように、弾性膜１５の接触面から支持膜１４の表面に亘って規制溝１５１が形成される構成などとしてもよい。この場合、より確実に、隣り合う応力検出素子２００間での弾性膜１５の撓みの伝搬を防ぐことができる。
さらには、図８に示すセンサー平面視において、規制溝１５１が各応力検出素子２００を囲う矩形環状に形成される例を示したが、これに限定されず、例えば、センサー平面視において、各応力検出素子２００を囲う略円環状に形成される構成などとしてもよい。
（第二実施形態の作用効果）
上述したような第二実施形態の触覚センサー１０は、複数の応力検出素子２００を備え、これらの応力検出素子２００がマトリクス状に配置される二次元アレイ構造に構成されている。
このため、この触覚センサー１０を、対象物に接触する例えばセンサー面に設けることで、対象物がセンサー面に与える剪断力および押圧力を検出することができる。
また、例えば、剪断力用の検出素子と、押圧力用の検出素子とを交互に配設することで形成されるセンサーでは、１点に作用する剪断力および押圧力の双方を検出することができない。例えば、剪断力検出用の検出素子が設けられる位置では、押圧力を検出することができない。しかしながら、本実施形態のように、１つの応力検出素子２００を用いる構成とすることで、触覚センサー１０の任意の点に作用する剪断力と押圧力との双方を検出することができる。
さらに、例えば剪断力用の検出素子と、押圧力用の検出素子とを交互に配設したセンサーでは、単位面積当たりにおける剪断力を検出可能な領域は、単位面積のほぼ半分の面積であり、押圧力を検出可能な領域は残りの半分の面積となる。また、Ｘ方向の剪断力を検出するための検出素子と、Ｙ方向の剪断力を検出するための検出素子と、押圧力を検出するための検出素子とを交互に設ける場合では、Ｘ方向の剪断力を検出可能な面積、Ｙ方向の剪断力を検出可能な面積、押圧力を検出可能な面積は、それぞれ単位面積の１／３となってしまう。これに対して、上記第二実施形態の触覚センサー１０では、単位面積のほぼ全面積において、Ｘ方向の剪断力、Ｙ方向の剪断力、および押圧力を検出できる。したがって、単位面積当たりの応力分析能も向上し、精度の高い応力検出を実施することができる。
上述したような第二実施形態の触覚センサー１０は、複数の応力検出素子２００を備え、これらの応力検出素子２００がマトリクス状に配置される二次元アレイ構造に構成されている。
このため、この触覚センサー１０を、対象物に接触する例えばセンサー面に設けることで、対象物がセンサー面に与える剪断力および押圧力を検出することができる。
また、例えば、剪断力用の検出素子と、押圧力用の検出素子とを交互に配設することで形成されるセンサーでは、１点に作用する剪断力および押圧力の双方を検出することができない。例えば、剪断力検出用の検出素子が設けられる位置では、押圧力を検出することができない。しかしながら、本実施形態のように、１つの応力検出素子２００を用いる構成とすることで、触覚センサー１０の任意の点に作用する剪断力と押圧力との双方を検出することができる。
さらに、例えば剪断力用の検出素子と、押圧力用の検出素子とを交互に配設したセンサーでは、単位面積当たりにおける剪断力を検出可能な領域は、単位面積のほぼ半分の面積であり、押圧力を検出可能な領域は残りの半分の面積となる。また、Ｘ方向の剪断力を検出するための検出素子と、Ｙ方向の剪断力を検出するための検出素子と、押圧力を検出するための検出素子とを交互に設ける場合では、Ｘ方向の剪断力を検出可能な面積、Ｙ方向の剪断力を検出可能な面積、押圧力を検出可能な面積は、それぞれ単位面積の１／３となってしまう。これに対して、上記第二実施形態の触覚センサー１０では、単位面積のほぼ全面積において、Ｘ方向の剪断力、Ｙ方向の剪断力、および押圧力を検出できる。したがって、単位面積当たりの応力分析能も向上し、精度の高い応力検出を実施することができる。
そして、隣り合う応力検出素子２００間において、弾性膜１５に規制溝１５１が形成されている。このため、所定の応力検出素子２００の弾性膜１５にのみ剪断力や押圧力などの応力が加えられて弾性膜１５が撓んだ場合でも、その弾性膜１５の撓みが隣り合う応力検出素子２００の弾性膜１５に伝搬される不都合を抑制することができる。従って、触覚センサー１０の任意の位置に作用する剪断力および応力を正確に検出することができる。
〔第三実施形態〕
次に、上述した触覚センサー１０を用いた装置の応用例として、触覚センサー１０を備えた把持装置について、図面に基づいて説明する。
次に、上述した触覚センサー１０を用いた装置の応用例として、触覚センサー１０を備えた把持装置について、図面に基づいて説明する。
図１１は、本発明に係る第三実施形態の把持装置の概略構成を示す装置ブロック図である。
図１１において、把持装置１は、少なくとも一対の把持アーム２を備え、この把持アーム２により、把持対象物Ｚを把持する装置である。この把持装置１としては、例えば製品を製造する製造工場などにおいて、ベルトコンベアーなどにより搬送された対象物を把持して持ち上げる装置である。そして、この把持装置１は、前記把持アーム２と、把持アーム２を駆動するアーム駆動部３と、アーム駆動部３の駆動を制御する制御装置４と、を備えて構成されている。
図１１において、把持装置１は、少なくとも一対の把持アーム２を備え、この把持アーム２により、把持対象物Ｚを把持する装置である。この把持装置１としては、例えば製品を製造する製造工場などにおいて、ベルトコンベアーなどにより搬送された対象物を把持して持ち上げる装置である。そして、この把持装置１は、前記把持アーム２と、把持アーム２を駆動するアーム駆動部３と、アーム駆動部３の駆動を制御する制御装置４と、を備えて構成されている。
一対の把持アーム２は、それぞれ先端部に接触面である把持面５を備え、この把持面５を対象物Ｚに当接させて把持することで対象物Ｚを把持し、持ち上げる。ここで、本実施形態において、把持アーム２が一対設けられる構成を例示するが、これに限定されず、例えば３本の把持アーム２により、対象物Ｚを３点支持により把持する構成などとしてもよい。
把持アーム２に設けられる把持面５は、表面には、第二実施形態において説明した触覚センサー１０が設けられており、触覚センサー１０の表面部の弾性膜１５が露出形成されている。そして、把持アーム２は、この弾性膜１５を対象物Ｚに接触させ、対象物Ｚに所定の圧力（押圧力）を印加することで、対象物Ｚを把持する。このような把持アーム２では、把持面５に設けられる触覚センサー１０により、対象物Ｚに印加する押圧力、および把持した際に対象物Ｚが把持面５から滑り落ちようとする剪断力を検出し、押圧力や剪断力に応じた電気信号を制御装置４に出力する。
アーム駆動部３は、一対の把持アーム２を互いに近接離隔する方向に移動させる装置である。このアーム駆動部３としては、把持アーム２を移動可能に保持する保持部材６と、把持アーム２を移動させる駆動力を発生する駆動源７と、駆動源の駆動力を把持アーム２に伝達させる駆動伝達部８を備えている。
保持部材６は、例えば把持アーム２の移動方向に沿う案内溝を備え、この案内溝内で把持アーム２を保持することで、把持アーム２を移動可能に保持する。また、保持部材６は、鉛直方向に移動可能に設けられている。
駆動源７は、例えば駆動モーターであり、制御装置４から入力される駆動制御信号に応じて駆動力を発生させる。
駆動伝達部８は、例えば複数のギアにより構成され、駆動源７で発生した駆動力を把持アーム２および保持部材６に伝達させ、把持アーム２および保持部材６を移動させる。
なお、本実施形態では、一例として上記構成を示したが、これに限定されるものではない。すなわち、把持アーム２を保持部材６の案内溝に沿って移動させる構成に限らず、把持アームを回動可能に保持する構成などとしてもよい。駆動源７としても駆動モーターに限られず、例えば油圧ポンプなどにより駆動される構成としてもよく、駆動伝達部８としても、例えば駆動力を歯車により伝達する構成に限らず、ベルトやチェーンにより伝達する構成、油圧などにより駆動されるピストンを備えた構成などとしてもよい。
保持部材６は、例えば把持アーム２の移動方向に沿う案内溝を備え、この案内溝内で把持アーム２を保持することで、把持アーム２を移動可能に保持する。また、保持部材６は、鉛直方向に移動可能に設けられている。
駆動源７は、例えば駆動モーターであり、制御装置４から入力される駆動制御信号に応じて駆動力を発生させる。
駆動伝達部８は、例えば複数のギアにより構成され、駆動源７で発生した駆動力を把持アーム２および保持部材６に伝達させ、把持アーム２および保持部材６を移動させる。
なお、本実施形態では、一例として上記構成を示したが、これに限定されるものではない。すなわち、把持アーム２を保持部材６の案内溝に沿って移動させる構成に限らず、把持アームを回動可能に保持する構成などとしてもよい。駆動源７としても駆動モーターに限られず、例えば油圧ポンプなどにより駆動される構成としてもよく、駆動伝達部８としても、例えば駆動力を歯車により伝達する構成に限らず、ベルトやチェーンにより伝達する構成、油圧などにより駆動されるピストンを備えた構成などとしてもよい。
制御装置４は、把持アーム２の把持面５に設けられる触覚センサー１０、およびアーム駆動部３に接続され、把持装置１における対象物Ｚの把持動作の全体を制御する。
具体的には、制御装置４は、図１１に示すように、アーム駆動部３および触覚センサー１０に接続され、把持装置１の全体動作を制御する。この制御装置４は、触覚センサー１０から入力される剪断力検出信号、および押圧力検出信号を読み取る信号検出手段４１、対象物Ｚの滑り状態を検出する把持検出手段４２、およびアーム駆動部３に把持アーム２の駆動を制御するための駆動制御信号を出力する駆動制御手段４３を備えている。また、この制御装置４としては、例えばパーソナルコンピューターなどの汎用コンピューターを用いることもでき、例えばキーボードなどの入力装置や、対象物Ｚの把持状態を表示させる表示部などを備える構成としてもよい。
また、信号検出手段４１、把持検出手段４２、および駆動制御手段４３は、プログラムとして例えばメモリーなどの記憶部に記憶され、ＣＰＵなどの演算回路により適宜読み出されて実行されるものであってもよく、例えばＩＣなどの集積回路により構成され、入力された電気信号に対して所定の処理を実施するものであってもよい。
具体的には、制御装置４は、図１１に示すように、アーム駆動部３および触覚センサー１０に接続され、把持装置１の全体動作を制御する。この制御装置４は、触覚センサー１０から入力される剪断力検出信号、および押圧力検出信号を読み取る信号検出手段４１、対象物Ｚの滑り状態を検出する把持検出手段４２、およびアーム駆動部３に把持アーム２の駆動を制御するための駆動制御信号を出力する駆動制御手段４３を備えている。また、この制御装置４としては、例えばパーソナルコンピューターなどの汎用コンピューターを用いることもでき、例えばキーボードなどの入力装置や、対象物Ｚの把持状態を表示させる表示部などを備える構成としてもよい。
また、信号検出手段４１、把持検出手段４２、および駆動制御手段４３は、プログラムとして例えばメモリーなどの記憶部に記憶され、ＣＰＵなどの演算回路により適宜読み出されて実行されるものであってもよく、例えばＩＣなどの集積回路により構成され、入力された電気信号に対して所定の処理を実施するものであってもよい。
信号検出手段４１は、触覚センサー１０に接続され、触覚センサー１０から入力される押圧力検出信号や剪断力検出信号などを認識する。この信号検出手段４１にて認識された検出信号は、例えば図示しないメモリーなどの記憶部に出力されて記憶されるとともに、把持検出手段４２に出力される。
把持検出手段４２は、剪断力検出信号に基づいて、把持アーム２により対象物Ｚを把持したか否かを判断する。
ここで、図１２に、把持装置１の把持動作における触覚センサーに作用する押圧力および剪断力の関係を示す図を示す。
図１２において、押圧力が所定値に達するまでは、押圧力の増加に応じて剪断力が増加する。この状態は、対象物Ｚと把持面５との間に動摩擦力が作用している状態であり、把持検出手段４２は、対象物Ｚが把持面５から滑り落ちている滑り状態で、把持が未完了であると判断する。一方、押圧力が所定値以上となると、押圧力を増大させても剪断力が増加しない状態となる。この状態は、対象物Ｚと把持面５との間に静摩擦力が作用している状態であり、把持検出手段４２は、対象物Ｚが把持面５により把持された把持状態であると判断する。
具体的には、剪断力検出信号の値が、静摩擦力に対応した所定の閾値を越える場合に、把持が完了したと判断する。
ここで、図１２に、把持装置１の把持動作における触覚センサーに作用する押圧力および剪断力の関係を示す図を示す。
図１２において、押圧力が所定値に達するまでは、押圧力の増加に応じて剪断力が増加する。この状態は、対象物Ｚと把持面５との間に動摩擦力が作用している状態であり、把持検出手段４２は、対象物Ｚが把持面５から滑り落ちている滑り状態で、把持が未完了であると判断する。一方、押圧力が所定値以上となると、押圧力を増大させても剪断力が増加しない状態となる。この状態は、対象物Ｚと把持面５との間に静摩擦力が作用している状態であり、把持検出手段４２は、対象物Ｚが把持面５により把持された把持状態であると判断する。
具体的には、剪断力検出信号の値が、静摩擦力に対応した所定の閾値を越える場合に、把持が完了したと判断する。
駆動制御手段４３は、把持検出手段４２にて検出された電気信号に基づいてアーム駆動部３の動作を制御する。
次に、制御装置４の動作について図面に基づいて説明する。
図１３は、制御装置４の制御による把持装置１の把持動作を示すフローチャートである。図１４は、把持装置１の把持動作時において、アーム駆動部３への駆動制御信号、触覚センサー１０から出力される検出信号の発信タイミング示すタイミング図である。
図１３は、制御装置４の制御による把持装置１の把持動作を示すフローチャートである。図１４は、把持装置１の把持動作時において、アーム駆動部３への駆動制御信号、触覚センサー１０から出力される検出信号の発信タイミング示すタイミング図である。
把持装置１で対象物Ｚを把持するためには、まず制御装置４の駆動制御手段４３は、各把持アーム２を互いに近接させる方向に移動させる旨の駆動制御信号をアーム駆動部３に出力する（把持動作）。これにより、把持アーム２の把持面５が対象物Ｚに近接する（図１３：ステップＳ１）。
次に、制御装置４の把持検出手段４２は、対象物Ｚが把持面５に接触したか否かを判断する（図１３：ステップＳ２）。具体的には、制御装置４は、信号検出手段４１で押圧力検出信号の入力が検知されたか否かを判断する。この時、制御装置４は、応力検出素子２００に制御信号を出力し、出力回路２２０のスイッチング回路２２１を、図６（Ｂ）に示すような押圧力検出用の切り替え状態とし、演算回路から押圧力検出信号を出力させる。ここで、押圧力検出信号が検出されない場合は、把持面５が対象物Ｚに接触していないと判断し、駆動制御手段４３は、ステップＳ１を継続して、駆動制御信号を出力し、把持アーム２を駆動させる。
一方、把持面５が対象物Ｚに接触する（図１４：タイミングＴ１）と、触覚センサー１０のメンブレン１４１が撓み、その撓み量に応じた押圧力検出信号が出力される。
駆動制御手段４３は、把持検出手段４２において、押圧力検出信号を検出すると、把持アーム２の近接移動（対象物Ｚへの押圧）を停止させる（図１３：ステップＳ３、図１４：タイミングＴ２）。また、駆動制御手段４３は、アーム駆動部３に駆動制御信号を出力し、把持アーム２を上方に持ち上げる動作（持上げ動作）を実施させる（図１３：ステップＳ４、図１４：タイミングＴ２〜Ｔ３）。この時、制御装置４は、応力検出素子２００に制御信号を出力し、出力回路２２０のスイッチング回路２２１を、図６（Ａ）に示すような剪断力検出用の切り替え状態とし、演算回路から剪断力検出信号を出力させる。
駆動制御手段４３は、把持検出手段４２において、押圧力検出信号を検出すると、把持アーム２の近接移動（対象物Ｚへの押圧）を停止させる（図１３：ステップＳ３、図１４：タイミングＴ２）。また、駆動制御手段４３は、アーム駆動部３に駆動制御信号を出力し、把持アーム２を上方に持ち上げる動作（持上げ動作）を実施させる（図１３：ステップＳ４、図１４：タイミングＴ２〜Ｔ３）。この時、制御装置４は、応力検出素子２００に制御信号を出力し、出力回路２２０のスイッチング回路２２１を、図６（Ａ）に示すような剪断力検出用の切り替え状態とし、演算回路から剪断力検出信号を出力させる。
ここで、対象物Ｚを持ち上げる際に、弾性膜１５が剪断力により撓み、応力検出素子２００のメンブレン１４１にも撓みが生じる。したがって、応力検出素子２００の剪断力検出用圧電体２１０からメンブレン１４１の撓みに応じた剪断力検出信号が出力される。
把持検出手段４２は、信号検出手段４１に入力される剪断力検出信号に基づいて、滑りがあるか否かを判断する（ステップＳ５）。
把持検出手段４２は、信号検出手段４１に入力される剪断力検出信号に基づいて、滑りがあるか否かを判断する（ステップＳ５）。
この時、把持検出手段４２において、滑りがあると判断されると、駆動制御手段４３は、アーム駆動部３を制御して、把持アーム２を、把持面５を対象物Ｚに押し付ける方向に移動させて、把持力（押圧力）を増大させる（図１３：ステップＳ６）。
すなわち、制御装置４は、図１４におけるタイミングＴ３において、駆動制御手段４３にて把持動作を実施させ、対象物Ｚへの押圧力を増大させ、信号検出手段４１にて、再び応力検出素子２００の剪断力検出用圧電体２１０から出力される剪断力検出信号を検出する。以上のような滑り検知動作（タイミングＴ２〜Ｔ６）を繰り返し、剪断力検出信号が、所定の閾値Ｓ１以上となった場合（タイミングＴ６）に、ステップＳ５において、滑りがない、すなわち把持が完了したと判断し、滑り検知動作を停止させる。
すなわち、制御装置４は、図１４におけるタイミングＴ３において、駆動制御手段４３にて把持動作を実施させ、対象物Ｚへの押圧力を増大させ、信号検出手段４１にて、再び応力検出素子２００の剪断力検出用圧電体２１０から出力される剪断力検出信号を検出する。以上のような滑り検知動作（タイミングＴ２〜Ｔ６）を繰り返し、剪断力検出信号が、所定の閾値Ｓ１以上となった場合（タイミングＴ６）に、ステップＳ５において、滑りがない、すなわち把持が完了したと判断し、滑り検知動作を停止させる。
（第三実施形態の作用効果）
上述したような第三実施形態の把持装置１では、上記第二実施形態の触覚センサー１０を備えている。このような触覚センサー１０は、上述したように、任意位置における剪断力および押圧力を精度良く検出することができるものであるため、把持装置１においても精度の高い剪断力検出信号および押圧力検出信号に基づいて、正確な把持動作を実施することができる。
また、このような触覚センサー１０では、Ｘ方向およびＹ方向の双方に対して剪断力を検出することができる。したがって、第三実施形態では、対象物Ｚを持ち上げる際の剪断力を測定したが、例えばベルトコンベアー上で搬送される対象物に対して把持を実施する際に、搬送方向への剪断力をも測定することができる。
上述したような第三実施形態の把持装置１では、上記第二実施形態の触覚センサー１０を備えている。このような触覚センサー１０は、上述したように、任意位置における剪断力および押圧力を精度良く検出することができるものであるため、把持装置１においても精度の高い剪断力検出信号および押圧力検出信号に基づいて、正確な把持動作を実施することができる。
また、このような触覚センサー１０では、Ｘ方向およびＹ方向の双方に対して剪断力を検出することができる。したがって、第三実施形態では、対象物Ｚを持ち上げる際の剪断力を測定したが、例えばベルトコンベアー上で搬送される対象物に対して把持を実施する際に、搬送方向への剪断力をも測定することができる。
〔その他の実施形態〕
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、上記第一実施形態において、Ｘ方向の剪断力、Ｙ方向の剪断力、および押圧力の３つの力を検出可能な素子を例示したが、例えば、図１５に示すように、Ｘ方向の剪断力および押圧力のみを検出する応力検出素子であってもよい。
図１５において、応力検出素子２００Ａは、Ｘ方向の剪断力と押圧力を検出する検出素子であり、互いに平行となる一対の直線部（辺１１１Ａ，１１１Ｂ）を有する開口部１１１を備えたセンサー基板１１と、支持膜１４と、剪断力検出用圧電体２１０と、押圧力検出用圧電体３１０と、弾性膜１５とを備えている。なお、図１５には、開口部１１１が矩形状に形成される例を示すが、Ｘ方向に剪断力が加わった際に、メンブレン１４１にｓｉｎ波形状の撓みを発生させる形状であればよい。したがって、例えば、辺１１１Ａ、１１１Ｂ、およびこれらの辺１１１Ａ，１１１Ｂの両端部間を結ぶ半円形状の曲線部を備えた開口部１１１が形成されるものであってもよい。
また、この応力検出素子２００Ａでは、辺１１１Ａに沿って剪断力検出用圧電体２１０が設けられ、他方の辺１１１Ｂには剪断力検出用圧電体２１０が設けられない。なお、一対の辺１１１Ａ，１１１Ｂの双方に剪断力検出用圧電体２１０が設けられる構成としてもよい。
図１５において、応力検出素子２００Ａは、Ｘ方向の剪断力と押圧力を検出する検出素子であり、互いに平行となる一対の直線部（辺１１１Ａ，１１１Ｂ）を有する開口部１１１を備えたセンサー基板１１と、支持膜１４と、剪断力検出用圧電体２１０と、押圧力検出用圧電体３１０と、弾性膜１５とを備えている。なお、図１５には、開口部１１１が矩形状に形成される例を示すが、Ｘ方向に剪断力が加わった際に、メンブレン１４１にｓｉｎ波形状の撓みを発生させる形状であればよい。したがって、例えば、辺１１１Ａ、１１１Ｂ、およびこれらの辺１１１Ａ，１１１Ｂの両端部間を結ぶ半円形状の曲線部を備えた開口部１１１が形成されるものであってもよい。
また、この応力検出素子２００Ａでは、辺１１１Ａに沿って剪断力検出用圧電体２１０が設けられ、他方の辺１１１Ｂには剪断力検出用圧電体２１０が設けられない。なお、一対の辺１１１Ａ，１１１Ｂの双方に剪断力検出用圧電体２１０が設けられる構成としてもよい。
さらに、この応力検出素子２００Ａでは、押圧力検出用圧電体３１０に接続される押圧力検出用下部電極線３１４および押圧力検出用上部電極線３１５は、メンブレン１４１の中心点を通り、Ｙ方向に平行するＹ仮想線Ｌｙに沿って形成されている。
なお、この応力検出素子２００Ａでは、Ｘ方向に沿う剪断力と押圧力とのみを検出するため、剪断力検出方向であるＸ方向と平行するＸ仮想線Ｌｘに対して線対称な位置に押圧力検出用下部電極線３１４および押圧力検出用上部電極線３１５が設けられていればよい。したがって、例えば押圧力検出用下部電極線３１４が開口部１１１の−Ｘ＋Ｙ方向側頂点１１２Ｂに向かって延出し、押圧力検出用上部電極線３１５が開口部１１１の−Ｘ−Ｙ方向側頂点１１２Ａに向かって延出して形成される構成であってもよく、第一実施形態の応力検出素子２００のように、ダミー電極線３１６Ａ，３１６Ｂを設け、開口部１１１の対角線に沿って各電極線３１４，３１５，３１６Ａ，３１６Ｂをパターニングする構成としてもよい。
なお、この応力検出素子２００Ａでは、Ｘ方向に沿う剪断力と押圧力とのみを検出するため、剪断力検出方向であるＸ方向と平行するＸ仮想線Ｌｘに対して線対称な位置に押圧力検出用下部電極線３１４および押圧力検出用上部電極線３１５が設けられていればよい。したがって、例えば押圧力検出用下部電極線３１４が開口部１１１の−Ｘ＋Ｙ方向側頂点１１２Ｂに向かって延出し、押圧力検出用上部電極線３１５が開口部１１１の−Ｘ−Ｙ方向側頂点１１２Ａに向かって延出して形成される構成であってもよく、第一実施形態の応力検出素子２００のように、ダミー電極線３１６Ａ，３１６Ｂを設け、開口部１１１の対角線に沿って各電極線３１４，３１５，３１６Ａ，３１６Ｂをパターニングする構成としてもよい。
上記のような応力検出素子２００Ａにおいても、上記第一実施形態の応力検出素子２００と同様の作用効果が得られ、メンブレン１４１に作用するＸ方向に作用する剪断力と、押圧力との双方を精度よく測定することができ、センサーサイズの小型化をも図ることができる。
また、上記第一実施形態では、図６に示すように、剪断力検出用圧電体２１０Ａと剪断力検出用圧電体２１０Ｂとの接続状態を切り替えるスイッチング回路２２１を設ける構成としたが、これに限定されない。例えば、各剪断力検出用圧電体２１０Ａ，２１０Ｂ，２１０Ｃ，２１０Ｄ、押圧力検出用圧電体３１０から出力される信号値Ａ，Ｂ，Ｃ、Ｄ，Ｅをそれぞれ演算回路や、剪断力や押圧力の計算を実施する制御装置に出力し、これらの演算回路や制御装置にて上記（１）〜（３）式に基づいて剪断力および押圧力を算出する構成としてもよい。
また、押圧力検出用圧電体３１０が設けられる位置として、メンブレン１４１の中心位置としたが、これに限定されない。押圧力検出用圧電体３１０としては、開口部１１１の内側で、剪断力検出用圧電体２１０と分離されて形成されていれば、いずれの位置に設けられていてもよいが、メンブレン１４１に均等に押圧力が加わった際に、最も膜厚み方向に対する変位量が大きくなる位置に設けられていることが好ましい。上記第一実施形態の応力検出素子２００では、押圧力が加わった際に、メンブレン１４１の中心点の変位量が最も大きくなる。このため、押圧力検出用圧電体３１０は、メンブレン１４１の中心点に設けられることが好ましい。一方、例えば、開口部１１１の１つの辺１１１Ａに沿ってのみ剪断力検出素子２１０が設けられ、他の辺１１１Ｂ，１１１Ｃ，１１１Ｄには剪断力検出素子２１０が設けられない構成の場合、メンブレン１４１の辺１１１Ａ側の剛性が強くなる。このような場合では、均一な押圧力を付与した場合、メンブレン１４１の辺１１１Ｂ側の変位量が最も大きくなるため、押圧力検出用圧電体３１０をメンブレン１４１の中心位置よりも辺１１１Ｂ側に設ける構成とすることが好ましい。
そして、第二実施形態において、図９および図１０に示すように、隣り合う応力検出素子２００間で弾性膜１５に規制溝１５１を形成する構成を示したが、これに限定されない。例えば規制溝１５１が形成されない構成としてもよく、この場合、応力検出素子２００間の距離を確保することで、隣り合う応力検出素子２００の弾性膜１５からの撓み伝搬を低減することが可能となる。また、隣り合う応力検出素子２００間で、弾性膜１５よりも剛性が強い領域分離部材を設ける構成としてもよい。このような構成では、規制溝１５１が設けられる構成に比べて弾性膜１５の周囲に剛性の強い領域分割部材が形成されるため、弾性膜１５の撓み量が減少するが、隣り合う応力検出素子２００からの弾性膜１５の撓み伝搬を低減することができる。
さらに、第一実施形態において、剪断力検出用上部電極２１３および剪断力検出用下部電極２１２は、それぞれが接触しないように、センサー平面視において互いに重ならない位置に設ける構成としたが、これに限らない。例えば、剪断力検出用上部電極２１３および剪断力検出用下部電極２１２の間に絶縁膜を形成するなどすれば、センサー平面視において、これら剪断力検出用上部電極２１３および剪断力検出用下部電極２１２の一部が重なる位置に設けられる構成としてもよい。
また、本発明の支持体として、一枚のセンサー基板１１により構成される例を示したが、各応力検出素子２００に対してそれぞれ１つの支持基板（支持体）が設けられ、センサー基板上にこれらの支持基板を固定することで、触覚センサー１０を形成する構成としてもよい。
さらに、把持装置１として、一対の把持アーム２が設けられる構成を例示したが、３本以上の把持アームを互いに近接離間する方向に移動させて対象物Ｚを把持する構成としてもよい。また、アーム駆動部により駆動される駆動アームと、駆動しない固定アームまたは固定壁とを備え、駆動アームを固定アーム（固定壁）側に移動させて対象物を把持する構成などとしてもよい。
さらには、応力検出素子２００を、対象物Ｚを把持する把持装置１に適用する例を示したが、これに限定されない。例えば、応力検出素子２００を備えた触覚センサー１０を、例えば入力装置などとして適用してもよい。入力装置として用いる場合は、例えばノート型パソコンや、パーソナルコンピューターに組み込むことができる。具体的には、板状の入力装置本体に設けられる表面部に触覚センサー１０を設ける構成などが例示できる。このような入力装置では、表面部上で利用者の指を動かしたり、タッチペンなどを動かしたりすると、これらの動きにより剪断力や押圧力が発生する。この剪断力および押圧力を触覚センサー１０により検出することで、利用者の指やタッチペンの接触位置座標、移動方向を検出して電気信号として出力することができる。
以上、本発明を実施するための最良の構成について具体的に説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、当業者が様々な変形および改良を加えることができるものである。
１…把持装置、２…把持アーム、５…接触面である把持面、１０…触覚センサー、１１…本発明の支持体を構成するセンサー基板、１４…支持膜、１５…弾性膜、４２…把持検出手段、４３…駆動制御手段、１１１…開口部、１１１Ａ，１１１Ｂ…本発明の第一直線部を構成する辺、１１１Ｃ,１１１Ｄ…本発明の第二直線部を構成する辺、１５１…規制溝、２００，２００Ａ…応力検出素子、２１０…本発明の第一圧電体部である剪断力検出用圧電体、２２０…出力回路、３１０…本発明の第二圧電体部である押圧力検出用圧電体、３１１…本発明の第二圧電体層である押圧力検出用圧電膜、３１２…本発明の第二下部電極層である押圧力検出用下部電極、３１３…本発明の第二上部電極層である押圧力検出用上部電極、３１４…本発明の第二下部電極線であり、本発明の支持梁としても機能する押圧力検出用下部電極線、３１５…本発明の第二上部電極線であり、本発明の支持梁としても機能する押圧力検出用上部電極線、３１６Ａ，３１６Ｂ…本発明の支持梁として機能するダミー電極線、Ｚ…対象物。
Claims (9)
- 互いに平行である一対の第一直線部を外周縁に有する開口部を備えた支持体と、
前記支持体上に形成されて前記開口部を閉塞する支持膜と、
前記支持体を前記支持膜の膜厚み方向から見る平面視において、前記開口部の外周縁の前記一対の第一直線部のうち少なくとも一方の第一直線部の一部に重なり前記開口部の内外に跨る領域であって、かつ前記支持膜上に設けられた第一圧電体部と、
前記平面視において、前記開口部の内側かつ前記第一圧電体部から離間した位置であって、かつ前記支持膜上に設けられた第二圧電体部と、
前記第一圧電体部、前記第二圧電体部、および前記支持膜を覆う弾性膜と、
前記第一圧電体部から出力される信号値および前記第二圧電体部から出力される信号値に基づいて応力検出信号を出力する出力回路と、
を具備したことを特徴とする応力検出素子。 - 請求項１に記載の応力検出素子において、
前記開口部は、前記一対の第一直線部と、前記一対の第一直線部に直交する方向に沿う一対の第二直線部と、を外周縁に備え、
前記第一圧電体部は、前記支持膜上であって、前記平面視において、前記一対の第一直線部のうちの少なくとも一方の第一直線部の一部に重なり前記開口部の内外に跨る領域、および前記一対の第二直線部のうちの少なくとも一方の第二直線部の一部に重なり前記開口部の内外に跨る領域のそれぞれに設けられる
ことを特徴とする応力検出素子。 - 請求項１または請求項２に記載の応力検出素子において、
前記第一圧電体部は、前記一対の第一直線部および前記一対の第二直線部のうちの少なくとも一方の一対の双方に対して、それぞれ設けられる
ことを特徴とする応力検出素子。 - 請求項１から請求項３のいずれかに記載の応力検出素子において、
前記第二圧電体部は、前記平面視において、前記開口部の中心位置に設けられ、
前記支持膜上には、前記平面視において、前記第二圧電体部の中心点を通り、かつ前記一対の第一直線部に直交する直線に対して線対称となる位置に、それぞれ支持梁が設けられる
ことを特徴とする応力検出素子。 - 請求項４に記載の応力検出素子において、
前記開口部は、前記平面視において、矩形状に形成され、
前記支持梁は、前記平面視において、前記開口部の対角線上に形成される
ことを特徴とする応力検出素子。 - 請求項４または請求項５に記載の応力検出素子において、
前記第二圧電体部は、前記支持膜上に形成される第二下部電極層、この第二下部電極層の上層に形成される第二圧電体層、および、この第二圧電体層の上層に形成される第二上部電極層を備え、
前記支持梁は、前記第二下部電極層に接続される第二下部電極線、および、前記第二上部電極層に接続される第二上部電極線を備える
ことを特徴とする応力検出素子。 - 請求項１から請求項６のいずれかに記載の応力検出素子を複数備えるとともに、前記応力検出素子がアレイ状に配列される
ことを特徴とする触覚センサー。 - 請求項７に記載の触覚センサーにおいて、
前記弾性膜は、隣り合う前記応力検出素子の間の位置に、前記弾性膜間の撓み伝達を規制する規制溝が設けられる
ことを特徴とする触覚センサー。 - 請求項７または請求項８の触覚センサーを備え、対象物を把持する把持装置であって、
前記対象物を把持するとともに、前記対象物に接触する接触面に前記触覚センサーが設けられる少なくとも２本の把持アームと、
前記触覚センサーから出力される前記応力検出信号に基づいて、前記対象物のすべり状態を検出する把持検出手段と、
前記すべり状態に基づいて、前記把持アームの駆動を制御する駆動制御手段と、
を備えることを特徴とする把持装置。
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