JP7265767B2 - 触覚センサ及び荷重解析装置 - Google Patents

Description

本発明は、触覚センサ及びこれを備える荷重解析装置に関する。

ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）プロセスで作製した微小なカンチレバーを有する触覚センサが知られている。例えば、特許文献１には、３つ以上のカンチレバーを含むセンサ素子と、センサ素子を被覆する弾性材料とを有する触覚センサが、基板上に複数配列されて構成された触覚センサアレイが開示されている。特許文献１に開示された触覚センサは、複数のカンチレバーの各々に対応した出力値に基づいて、弾性材料に付加される圧力や剪断力を検出可能に構成されている。

特許第５５０４３９１号公報

特許文献１に開示された構造のように触覚センサをアレイ状に配置するか否かにかかわらず、従来の触覚センサの構造では、ある一点での荷重を得たい場合には、カンチレバーの直上に付加された荷重を求めることになる。つまり、求めたい荷重の付加範囲が広くなればなる程、必要なカンチレバーの数が増大してしまう。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、付加された荷重を少数のカンチレバーで解析することができる触覚センサ及びこれを備える荷重解析装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る触覚センサは、
基板、並びに、前記基板の上方に設けられた第１カンチレバー及び第２カンチレバーを有するセンサ素子と、
前記センサ素子を上方から覆うとともに、前記第１カンチレバー及び前記第２カンチレバーを封止する弾性体と、
を備え、前記弾性体に付加された荷重を前記センサ素子で検出する触覚センサであって、
前記第１カンチレバー及び前記第２カンチレバーは、所定の軸線方向に沿って配置されるとともに、前記軸線方向における位置が互いに異なり、
前記弾性体は、上方から見て前記センサ素子よりも大きく、
前記第１カンチレバー及び前記第２カンチレバーを封止する封止部と、
前記封止部よりも上方に位置し、検出対象の物体が接触する接触部と、を有し、
前記接触部は、前記封止部よりも硬さが小さい。

前記第１カンチレバーの先端と、前記第２カンチレバーの先端とは、同じ方向に向いていてもよい。

上記目的を達成するため、本発明の第２の観点に係る荷重解析装置は、
基板、並びに、前記基板の上方に設けられた第１カンチレバー及び第２カンチレバーを有するセンサ素子と、前記センサ素子を上方から覆うとともに前記第１カンチレバー及び前記第２カンチレバーを封止する弾性体と、を備え、前記弾性体に付加された荷重を前記センサ素子で検出する触覚センサであって、前記第１カンチレバー及び前記第２カンチレバーが所定の軸線方向に沿って配置されるとともに前記軸線方向における位置が互いに異なり、前記弾性体が上方から見て前記センサ素子よりも大きい触覚センサと、
前記第１カンチレバーに基づく第１出力値、及び、前記第２カンチレバーに基づく第２出力値を前記センサ素子から取得し、前記第１出力値と前記第２出力値の比である出力比を求める制御手段と、
前記第１出力値及び前記第２出力値に対する前記軸線方向における荷重付加位置の特性を示す特性情報を予め記憶する記憶手段と、を備え、
前記制御手段は、求めた前記出力比と、前記特性情報とに基づいて、前記軸線方向における前記第１カンチレバー及び前記第２カンチレバーの間隔よりも広い範囲で前記荷重付加位置を特定可能である。

前記制御手段は、特定した前記荷重付加位置と、前記特性情報とに基づいて、特定した前記荷重付加位置において付加された荷重を求めてもよい。

前記出力比として、前記第１出力値及び前記第２出力値の一方を他方で除算した値を第１出力比とし、前記第１出力比の逆数を第２出力比とした場合、
前記制御手段は、前記第１出力比が予め前記記憶手段に記憶された設定範囲外の場合、前記第２出力比に基づいて前記荷重付加位置を特定してもよい。
前記荷重解析装置において、前記第１カンチレバーの先端と、前記第２カンチレバーの先端とは、同じ方向に向いていてもよい。

本発明によれば、付加された荷重を少数のカンチレバーで解析することができる。

本発明の一実施形態に係る触覚センサの概略平面図を含む、荷重解析装置の構成図である。 図１に示すＡ－Ａ線での触覚センサの概略断面図である。 触覚センサの部分断面図である。 荷重解析処理の一例を示すフローチャートである。 （ａ）は、１つのカンチレバーに対応した出力値の位置依存性を示すグラフの図であり、（ｂ）は、当該出力値の荷重依存性を示すグラフの図である。 第１カンチレバー及び第２カンチレバーの各々に対応した出力値の位置依存性を示すグラフの図である。 （ａ）及び（ｂ）は、出力比とＸ方向における位置との関係を示すグラフの図である。 （ａ）は、変形例１に係る触覚センサの概略断面図であり、（ｂ）は、変形例２に係る触覚センサの概略平面図である。 変形例１に係る弾性体を説明するための図であり、１つのカンチレバーに対応した出力値の位置依存性を示すグラフの図である。

本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

（全体構成）
本実施形態に係る荷重解析装置１は、図１に示すように、触覚センサ１００と、制御装置２００と、を備える。以下では、図中に示す、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸を用いて構成を適宜説明する。各軸方向において、矢印が向く方向を正（＋）の方向とする。Ｘ軸及びＹ軸は、後述する基板１０の主面（図３における上面）と平行に設定され、Ｚ軸は、当該主面と垂直に設定されている。

触覚センサ１００は、図１～図３に示すように、センサ素子２０と、センサ素子２０を上方から覆う弾性体３０と、を備える。センサ素子２０は、図３に示すように、基板１０及び基板１０上に積層された後述の各層を含む。例えば、センサ素子２０は、図１に示すように、平面視で矩形状をなす。図１に破線で示すように、弾性体３０は、上方（＋Ｚ方向）から見てセンサ素子２０よりも大きい。例えば、弾性体３０は、平面視で矩形状に形成されている。

センサ素子２０は、開口Ｈ１及び開口Ｈ２を有するフレーム２１と、開口Ｈ１内に位置する第１カンチレバーＣ１と、開口Ｈ２内に位置する第２カンチレバーＣ２と、を備える。第１カンチレバーＣ１及び第２カンチレバーＣ２は、それぞれ、Ｘ方向に長尺の平板状に形成されている。第１カンチレバーＣ１は、一端が開口Ｈ１の端部に固定され、他端（先端）が＋Ｘ方向に延びている。第２カンチレバーＣ２は、一端が開口Ｈ２の端部に固定され、他端（先端）が＋Ｘ方向に延びている。第１カンチレバーＣ１及び第２カンチレバーＣ２は、各々の長手方向がＸ方向に沿って配置されるとともに、Ｘ方向における位置が互いに異なるように配置されている。

この実施形態では、一例として、第１カンチレバーＣ１と第２カンチレバーＣ２は、Ｚ方向から見て、同じ軸線（Ｘ軸と平行な軸線）上に設けられていると共に、その長さ及び大きさが同じに設定されている。第１カンチレバーＣ１及び第２カンチレバーＣ２の各々は、Ｘ方向の長さが、例えば０．３ｍｍに設定されている。

フレーム２１は、具体的には、図３に示すように、基板１０上に各層が積層されて構成されている。当該各層は、基板１０に近いほうから順に、絶縁層１１、シリコン（Ｓｉ）層１２、抵抗層１３、及び金属層１４を有する。第１カンチレバーＣ１は、このように形成されるフレーム２１の各層のうち、開口Ｈ１内に突出するシリコン層１２及び抵抗層１３から構成されている。なお、図示しないが、第２カンチレバーＣ２も同様に、開口Ｈ２内に突出するシリコン層１２及び抵抗層１３から構成される。また、抵抗層１３は、ピエゾ抵抗効果を利用した半導体ひずみゲージにおける抵抗体として構成されてもよいし、等方性導体を用いた金属ひずみゲージ（例えば、ニッケル・クロム合金や銅・ニッケル系合金からなる箔型又は線型ひずみゲージ）における抵抗体として構成されてもよい。

基板１０には、第１カンチレバーＣ１及び第２カンチレバーＣ２の各々の抵抗の変化量をアナログ電圧に変換するブリッジ回路や、デジタル信号の出力値を制御装置２００へ供給する出力回路などが実装されている。この出力回路は、例えば、ブリッジ回路の出力電圧を増幅する増幅器や、増幅器の出力電圧をデジタル信号の出力値に変換するＡＤＣ（Analog to Digital Converter）を備える。基板１０は、金属層１４を介して、抵抗層１３と電気的に接続されている。具体的に、基板１０のＡＤＣからは、第１カンチレバーＣ１の変形に基づく出力値Ｓ_１と、第２カンチレバーＣ２の変形に基づく出力値Ｓ_２とが制御装置２００に供給される。なお、以下では、第１カンチレバーＣ１及び第２カンチレバーＣ２を区別なく、カンチレバーＣと総称し、カンチレバーＣの変形に基づく出力値を出力値Ｓと呼ぶ場合がある。

弾性体３０は、例えばエラストマーからなり、センサ素子２０を上方から覆って設けられている。弾性体３０は、図１に示すように、上方（＋Ｚ方向）から見てセンサ素子２０よりも大きい。弾性体３０は、図２に示すように、開口Ｈ１及び開口Ｈ２の各々の中にも充填されており、第１カンチレバーＣ１及び第２カンチレバーＣ２を封止している。つまり、第１カンチレバーＣ１の上面及び下面を含む外面は、弾性体３０と当接している。同様に、第２カンチレバーＣ２の上面及び下面を含む外面は、弾性体３０と当接している。弾性体３０の上面は、検出対象の物体２が接触する接触面３０ａとして機能する。接触面３０ａは、例えば、ＸＹ平面と平行に設定されている。接触面３０ａから物体２が接触面３０ａに接触することにより、触覚センサ１００に荷重が付加される。

制御装置２００は、センサ素子２０の基板１０と電気的に接続され、基板１０から供給される出力値Ｓに基づいて触覚センサ１００に付加された荷重を解析する。制御装置２００は、例えばマイクロコンピュータから構成され、記憶部２０１と、制御部２０２とを有する。記憶部２０１は、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等から構成されている。記憶部２０１のＲＯＭ内には、各々後述するが、荷重解析処理を実行するための動作プログラム、位置特性データＤ、設定範囲Ｔ、比例定数ｋ等のデータが格納されている。制御部２０２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等から構成され、記憶部２０１に格納されている動作プログラムを実行して、荷重解析処理を実行する。

ここで、触覚センサ１００の接触面３０ａに検出対象の物体２が接触し、カンチレバーＣが変形すると、カンチレバーＣの抵抗が変化する。この抵抗の変化量が、前述のブリッジ回路及び増幅器により電圧の変化として検出される。さらに、増幅器によって出力電圧がＡＤＣによりデジタル信号の出力値Ｓに変換される。制御部２０２は、この出力値Ｓ（具体的には、第１カンチレバーＣ１に対応する出力値Ｓ_１と、第２カンチレバーＣ２に対応する出力値Ｓ_２）を取得し、取得した出力値Ｓに基づいて触覚センサ１００に付加された荷重を解析する。

（製造方法）
次に、触覚センサ１００の製造方法の一例について説明する。
まず、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用意する。ＳＯＩ基板は、例えば、基板１０、絶縁層１１及びシリコン層１２を有する。具体的に、ＳＯＩ基板は、Ｓｉからなる基板１０上に酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる絶縁層１１（埋め込み酸化膜）を形成し、さらに、絶縁層１１上にＳｉからなるシリコン層１２を形成することにより得られる。

続いて、シリコン層１２上に不純物（例えばホウ素）をドーピングしてシリコン層１２の一部をＮ型又はＰ型半導体とした抵抗層１３を形成する。なお、抵抗層１３は、前述の通り、金属ひずみゲージにおける抵抗体として形成されてもよい。そして、形成した抵抗層１３上に、フォトリソグラフィと、蒸着又はスパッタリングとにより金属層１４のパターンを形成する。その後、フォトリソグラフィ及びエッチングにより、シリコン層１２及び抵抗層１３の不要部分を除去する。当該不要部分は、後に第１カンチレバーＣ１及び第２カンチレバーＣ２を構成する部分における絶縁層１１よりも上の部分に相当する。

続いて、エッチングにより絶縁層１１の不要部分を除去する。当該不要部分は、後に第１カンチレバーＣ１及び第２カンチレバーＣ２を構成する部分と、基板１０との間の隙間部分に相当する。ここまでの工程によってセンサ素子２０が形成される。つまり、開口Ｈ１及び開口Ｈ２を有するフレーム２１と、第１カンチレバーＣ１と、第２カンチレバーＣ２とが形成される。

続いて、基板１０上に例えばエラストマーからなる弾性樹脂を、当該弾性樹脂で絶縁層１１、シリコン層１２、抵抗層１３及び金属層１４を埋設するように塗布し、硬化させることにより、弾性体３０を形成する。エラストマーとしては、例えば、ＰＤＭＳ（polydimethylsiloxane）樹脂を使用することができるが、その構成は任意であり、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹脂等を用いることができる。以上の工程により、触覚センサ１００を製造することができる。

（荷重解析手法）
続いて、後述の荷重解析処理の理解を容易にするため、本実施形態に係る荷重解析手法について説明する。弾性体３０の接触面３０ａから、－Ｙ方向への荷重ｗ（垂直荷重）が触覚センサ１００に付加される場合を考える。

１つのカンチレバーＣからの出力値Ｓ［ｐｐｍ］は、図５（ａ），（ｂ）に示すように、Ｘ方向の位置ｘ［ｍｍ］と、荷重ｗ［Ｎ］とに依存する。すなわち、Ｓ＝ｆ（ｘ，ｗ）と表せる。なお、グラフ縦軸の「抵抗変化」は、出力値Ｓに対応する。また、出力値Ｓ［ｐｐｍ］は、基板１０のＡＤＣから制御部２０２が取得するデジタル信号の出力値と同義、又は対応する値である。
ここで、出力値Ｓの位置ｘに対する依存性と、出力値Ｓの荷重ｗに対する依存性とが独立しているものと見做せば、近似して、Ｓ＝ｆ（ｘ）ｆ（ｗ）と変形することができる。また、図５（ｂ）に示すように、荷重ｗに対する出力値Ｓの依存性は、線形を示しているため、ｆ（ｘ）＝ｋｗ（ｋは比例定数）と表すことができる。

以上により、出力値Ｓは、Ｓ＝ｋｗｆ（ｘ）と表すことができる。第１カンチレバーＣ１に基づく出力値をＳ_１とし、第２カンチレバーＣ２に基づく出力値Ｓ_２とすれば、上述の通り、第１カンチレバーＣ１及び第２カンチレバーＣ２のＸ方向の長さや、両者を覆う弾性体３０は同様であるため、荷重ｗに対する出力値Ｓ_１，Ｓ_２の依存性も同様と見做せる。したがって、Ｓ_１＝ｋｗｆ_１（ｘ）、Ｓ_２＝ｋｗｆ_２（ｘ）と表すことができる。
これらの比は、Ｓ_１／Ｓ_２＝ｆ_１（ｘ）／ｆ_２（ｘ）となり、位置ｘにのみ依存する。したがって、ｆ_１（ｘ）、ｆ_２（ｘ）を実験やシミュレーションによって予め測定しておけば、位置ｘを特定することができる。

本実施形態では、一例として、第１カンチレバーＣ１と第２カンチレバーＣ２のＸ方向における間隔Ｐを、図５（ａ）における出力値Ｓが正のピークをとる位置と、負のピークをとる位置との間隔の半分（Ｐ＝１．３ｍｍ）に設定した。この場合の出力値Ｓ_１，Ｓ_２の位置ｘの依存性は、図６のようになる。また、図６に示す結果から求めた、出力比Ｓ_２／Ｓ_１（以下、第１出力比と呼ぶ）と位置ｘとの関係は、図７（ａ）のようになり、出力比Ｓ_１／Ｓ_２（以下、第２出力比と呼ぶ）と位置ｘとの関係は、図７（ｂ）のようになる。ここで、間隔Ｐは、図２に示すように、例えば、第１カンチレバーＣ１のＸ方向における中心位置と、第２カンチレバーＣ２のＸ方向における中心位置との間隔である。なお、本実施形態のように、第１カンチレバーＣ１と第２カンチレバーＣ２とが、同じ向き（＋Ｘ方向）に向いている場合は、第１カンチレバーＣ１の先端と、第２カンチレバーＣ２の先端との間隔として捉えることもできる。

第１カンチレバーＣ１と第２カンチレバーＣ２とのＸ方向における間隔Ｐを、Ｐ＝１．３ｍｍに設定した場合、垂直荷重が付加された位置ｘの検出可能範囲Ｑ（図２参照）は、図７（ａ），（ｂ）を参照して分かるように、ｘ＝－５ｍｍからｘ＝６ｍｍまでの、約１１ｍｍとなる。したがって、弾性体３０の接触面３０ａは、そのＸ方向における長さが検出可能範囲Ｑよりも長く設定されている。なお、検出可能範囲Ｑは、図６に示す、位置ｘに依存して変化する出力値Ｓ_１，Ｓ_２を示すグラフにおいて、任意の位置ｘに対して出力値Ｓ_１，Ｓ_２の双方が存在する範囲に対応する。この検出可能範囲Ｑは、間隔Ｐや、第１及び第２カンチレバーＣ１，Ｃ２や弾性体３０の特性に応じて定まるが、前述の設定（Ｐ＝１．３ｍｍ）では、間隔Ｐの約８．５倍（Ｑ／Ｐ≒８．５）の長さに亘る範囲となる。
以上を考慮すると、弾性体３０のＸ方向における長さは、間隔Ｐの少なくとも５倍以上あることが好ましい。さらに、弾性体３０のＸ方向における長さは、間隔Ｐの８倍以上や間隔Ｐの８．５倍以上であることがより好ましい。

以上のように測定及び算出可能な、図６に示す、出力値Ｓ_１と位置ｘの関係を表すデータ（以下、第１関係データＤ１と呼ぶ。）や、出力値Ｓ_２と位置ｘの関係を表すデータ（以下、第２関係データＤ２と呼ぶ。）を予め記憶部２０１に記憶しておく。併せて、図７（ａ）に示す第１出力比と位置ｘの関係を表すデータ（以下、第１出力比データＲ１と呼ぶ。）と、図７（ｂ）に示す第２出力比と位置ｘの関係を表すデータ（以下、第２出力比データＲ２と呼ぶ。）を予め記憶部２０１に記憶しておく。制御部２０２は、これらのデータと、触覚センサ１００から取得した出力値Ｓ_１，Ｓ_２に基づき、Ｘ方向における垂直荷重の付加位置（位置ｘ）を特定（推定）する。

また、位置ｘが特定できれば、ｆ_１（ｘ），ｆ_２（ｘ）は、第１及び第２関係データＤ１，Ｄ２によって既知であるため、特定した位置ｘにおける荷重ｗは、ｗ＝Ｓ_１／｛ｋｆ_１（ｘ）｝もしくはｗ＝Ｓ_２／｛ｋｆ_２（ｘ）｝から求める（推定する）ことができる。

この実施形態では、記憶部２０１に予め記憶された位置特性データＤは、第１関係データＤ１、第２関係データＤ２、第１出力比データＲ１および第２出力比データＲ２を含んで構成されている。なお、制御部２０２は、記憶部２０１に記憶された第１関係データＤ１及び第２関係データＤ２から、第１出力比データＲ１及び第２出力比データＲ２を算出することができるため、記憶部２０１に予め記憶される位置特性データＤは、少なくとも第１関係データＤ１及び第２関係データＤ２を含んでいればよい。

なお、第１，第２関係データＤ１，Ｄ２は、図６のグラフを近似した関数を表す数式のデータであってもよいし、出力値と特定対象の位置ｘとが対応して構成されたテーブルデータであってもよい。同様に、第１，第２出力比データＲ１，Ｒ２は、図７（ａ），（ｂ）のグラフを近似した関数を表す数式のデータであってもよいし、出力比と特定対象の位置ｘとが対応して構成されたテーブルデータであってもよい。以下、制御部２０２が記憶部２０１に記憶された動作プログラムに従って実行する荷重解析処理について、図４を参照して説明する。

（荷重解析処理）
荷重解析処理において、まず、制御部２０２は、触覚センサ１００から出力値Ｓ_１及び出力値Ｓ_２を取得する（ステップＡ１）。続いて、制御部２０２は、第１出力比Ｓ_２／Ｓ_１を算出する（ステップＡ２）。

続いて、制御部２０２は、算出した第１出力比Ｓ_２／Ｓ_１が、予め定められた設定範囲Ｔ内であるか否かを判別する（ステップＡ３）。設定範囲Ｔは、図７（ａ）に示すように、位置ｘに対して緩やかに変化する出力比の範囲（つまり、算出した第１出力比Ｓ_２／Ｓ_１基づき、良好に位置ｘを特定可能な範囲）して予め実験等により定められ、記憶部２０１のＲＯＭ内に記憶されている。
制御部２０２は、算出した第１出力比Ｓ_２／Ｓ_１が設定範囲Ｔ内である場合（ステップＡ３；Ｙｅｓ）、記憶部２０１に記憶された第１出力比データＲ１を用い、算出した第１出力比Ｓ_２／Ｓ_１に対応する位置ｘを特定する（ステップＡ４）。つまり、図７（ａ）において、算出した第１出力比Ｓ_２／Ｓ_１に対応する位置ｘを特定する。なお、図７（ａ）に示すように、算出した第１出力比Ｓ_２／Ｓ_１の値に対応する位置ｘは２つあるが、制御部２０２は、ステップＡ１で取得した出力値Ｓ_１が正の値であるか負の値であるかに応じて、適切な位置ｘを特定可能である。

一方、算出した第１出力比Ｓ_２／Ｓ_１が設定範囲Ｔ外である場合（ステップＡ３；Ｎｏ）、位置ｘに対して出力比の変化が急峻であるか、第１出力比の分母であるＳ_１が０となり特異点が生じていると言えるため、第１出力比データＲ１を用いて良好に位置ｘを特定することが困難である。
したがって、この場合、制御部２０２は、第２出力比Ｓ_１／Ｓ_２を算出し（ステップＡ５）、記憶部２０１に記憶された第２出力比データＲ２を用い、算出した第２出力比Ｓ_１／Ｓ_２に対応する位置ｘを特定する（ステップＡ６）。つまり、図７（ｂ）において、算出した第２出力比Ｓ_１／Ｓ_２に対応する位置ｘを特定する。なお、図７（ｂ）に示すように、算出した第２出力比Ｓ_１／Ｓ_２の値に対応する位置ｘは２つあるが、制御部２０２は、ステップＡ１で取得した出力値Ｓ_２が正の値であるか負の値であるかに応じて、適切な位置ｘを特定可能である。

なお、図７（ａ）と図７（ｂ）とを比較して分かるように、第１出力比Ｓ_２／Ｓ_１に基づいて位置ｘの特定が困難な箇所（例えば、ｘ＝－１付近や、ｘ＝５付近）は、第２出力比Ｓ_１／Ｓ_２に基づいて位置ｘを良好に特定可能な箇所となっている。この逆も同様である。

ステップＡ４又はＡ６で位置ｘを特定すると、制御部２０２は、特定した位置ｘと、出力値Ｓ_１及び第１関係データＤ１（もしくは、出力値Ｓ_２及び第２関係データＤ２）に基づき、特定した位置ｘにおける荷重ｗを求める（ステップＡ７）。前述のように、荷重ｗは、ｗ＝Ｓ_１／｛ｋｆ_１（ｘ）｝もしくはｗ＝Ｓ_２／｛ｋｆ_２（ｘ）｝から求めることができる。以上が荷重解析処理である。

以上に説明した触覚センサ１００は、例えば、ロボットハンド部分での対象物体との力学的関係を検出するセンサとして用いられる。但し、触覚センサ１００は、ロボットハンドに用いられるものに限られず、工具や道具に設けられ、人間の部位（例えば、手や足）の接触を検出するものであってもよい。

本発明は以上の実施形態及び図面によって限定されるものではない。本発明の要旨を変更しない範囲で、適宜、変形（構成要素の削除も含む）を加えることが可能である。以下に変形の一例を説明する。

（変形例１）
弾性体は、上方から見てセンサ素子２０よりも大きければ、上記実施形態の形状に限られず、形状を適宜変更することができる。一例として、図８（ａ）に、上記実施形態とは異なる形状の弾性体３０Ｍを有する、変形例１に係る触覚センサ１０１を示す。変形例１に係る弾性体３０Ｍは、第１カンチレバーＣ１及び第２カンチレバーＣ２を封止する封止部３１と、封止部３１よりも上方に位置し、検出対象の物体２が接触する接触部３２と、を有する。
接触部３２は、下方（－Ｚ方向）に向かって開口する、断面略Ｕ字状に形成されている。例えば、接触部３２は、下方に向かって開口する四角筒状に形成されており、その内部空間内に封止部３１及びセンサ素子２０が位置している。接触部３２の上面は、検出対象の物体２が接触する接触面３０ａとして機能する。接触面３０ａは、例えば、ＸＹ平面と平行に設定されている。変形例１に係る弾性体３０Ｍにおいても、その接触面３０ａは、Ｘ方向における長さが検出可能範囲Ｑ（図２参照）よりも長く設定されている。
封止部３１は、一例として、Ｚ方向から見てセンサ素子２０と、概ね同じ大きさで立方体状に形成されている。封止部３１は、上端部が接触部３２と接続され、下端部において第１カンチレバーＣ１及び第２カンチレバーＣ２を封止している。封止部３１の側面には、Ｘ方向に凹む溝３１ａが形成されている。この溝３１ａによって封止部３１は、Ｘ方向に弾性変形し易くなる。これにより、接触部３２に荷重を付加した場合における、当該荷重に対する位置ｘの依存性を顕著にすることが可能となる。

また、接触部３２の硬さ（硬度）は、封止部３１の硬さよりも小さく設定されるのが好ましい。ここで、図９に接触部３２の硬さを変えた場合における、１つのカンチレバーに対応した出力値のＸ方向の位置ｘ［ｍｍ］に対する依存性を示す。「四角」のプロットによるグラフ（グラフ３）は、接触部３２の硬さが「１５」である場合を示しており、「丸」のプロットによるグラフ（グラフ４）は、接触部３２の硬さが「７」である場合を示している。なお、グラフ３及びグラフ４共に、封止部３１の硬さは「１５」に設定した。また、硬さは、「ＪＩＳ Ｋ ６２５３」に準拠したデュロメータで計測したものである。グラフ３とグラフ４とを比較して分かるように、接触部３２の硬さが小さいほうが、位置ｘに対する出力値Ｓ（縦軸の抵抗変化に対応）の変化量を稼ぐことができるため、前述の荷重解析処理によって、良好に位置ｘの特定や、特定した位置ｘにおける垂直荷重を求めることができる。

なお、前述した手法で良好に荷重を解析することができる限りにおいては、弾性体３０Ｍにおける封止部３１及び接触部３２の各々の硬さを同じに設定してもよい。また、図２に示す実施形態に係る弾性体３０において、検出対象の物体２が接触する接触部の硬さを、第１及び第２カンチレバーＣ１，Ｃ２を封止する封止部の硬さよりも小さく設定してもよい。
つまり、センサ素子２０を上方から覆う弾性体は、上方から見てセンサ素子２０よりも大きく、そのＸ方向における長さが検出可能範囲Ｑよりも長ければ、形状の変更や、硬さが異なる部分の有無は、目的に応じて任意である。

（変形例２）
以上の実施形態では、第１カンチレバーＣ１及び第２カンチレバーＣ２の各々の先端が同じ方向（＋Ｘ方向）に向いている例を示したが、これに限られない。図８（ｂ）に示す、変形例２に係る触覚センサ１０２のように、互いの先端が逆向きとなる第１カンチレバーＣ１及び第２カンチレバーＣ２を有するセンサ素子２０Ｍを備えていてもよい。図８（ｂ）に示す例では、第１カンチレバーＣ１及び第２カンチレバーＣ２が、センサ素子２０Ｍに形成された開口Ｈ内に位置する。第１カンチレバーＣ１は、一端が開口Ｈの端部に固定され、他端（先端）が＋Ｘ方向に延びている。第２カンチレバーＣ２は、一端が開口Ｈの端部に固定され、他端（先端）が第１カンチレバーＣ１とは逆の－Ｘ方向に延びている。また、図８（ｂ）に示すように、第１カンチレバーＣ１及び第２カンチレバーＣ２は、各々の長手方向がＸ方向に沿っていれば、Ｙ方向における位置がずれていてもよい。
つまり、図６及び図７を参照して説明したように、出力比の位置ｘに対する依存性を予め実験等により求めることができ、算出した出力比に基づいて位置ｘを特定することができれば、第１カンチレバーＣ１及び第２カンチレバーＣ２の配置は任意である。具体的には、第１カンチレバーＣ１及び第２カンチレバーＣ２は、所定の軸線方向（本例ではＸ方向）に沿って配置されるとともに、間隔Ｐ（Ｐ＞０）を空けて、当該軸線方向における位置が互いに異なっていればよい。

（他の変形例）
以上では、説明の理解を容易にするため、一対のカンチレバーＣをＸ方向に沿って配置した例を示したが、これに加えて、Ｘ方向と交差する方向（好ましくは、Ｙ方向）に沿う一対のカンチレバーＣをセンサ素子２０に設けても良いことは、言うまでもない。例えば、Ｙ方向に沿う一対のカンチレバーＣをさらに設けた場合、Ｙ方向においても前述の荷重解析処理を実行することにより、Ｘ方向における荷重の付加位置、及び当該位置における荷重だけでなく、Ｙ方向における荷重の付加位置、及び当該位置における荷重を求めることができる。この場合は、弾性体３０の接触面３０ａは、そのＹ方向における長さも、Ｙ方向における検出可能範囲よりも長く設定される。
このようにすれば、所定の軸線方向における荷重の付加位置や当該位置での荷重の大きさだけでなく、ＸＹ平面に亘る垂直荷重（Ｚ方向の荷重）の分布や、Ｚ方向の圧力や、ＸＹ面に沿った剪断力など、種々の応力を解析することができる。

以上では、カンチレバーＣ（第１カンチレバーＣ１，第２カンチレバーＣ２）がＸ方向に長尺の平板状に形成されている例を説明したが、その形状や大きさは任意である。例えば、カンチレバーＣは、平面視で三角形状に形成されていてもよい。また、カンチレバーＣは、ＸＹ平面に対して傾斜した形状であってもよい。また、前述の荷重解析処理を実行することにより、所定の軸線方向における荷重の付加位置及び当該位置における荷重の大きさを求めることができる限りにおいては、第１カンチレバーＣ１と第２カンチレバーＣ２との大きさや形状が異なっていてもよい。また、以上では、カンチレバーＣが固定端から自由端（先端）に向かって長尺に形成されている例を説明したが、これに限られない。カンチレバーＣは、固定端から自由端に向かう長さ（例えばＸ方向の長さ）よりも、その幅（例えばＹ方向の長さ）が大きくてもよい。

以上では、弾性体３０，３０Ｍの接触面３０ａがＸＹ平面と平行に設定されている例を説明したが、これに限られない。前述の荷重解析処理を実行することにより、所定の軸線方向における荷重の付加位置及び当該位置における荷重の大きさを求めることができる限りにおいては、接触面３０ａは、曲面や、隆起した部分を含んでいてもよい。

以上では、所定の軸線方向（例えばＸ方向）における垂直荷重（Ｚ方向の荷重）の大きさを算出する例を示したが、算出対象の荷重は、Ｚ軸に対して斜めに加わる荷重であってもよい。算出対象の荷重に対する位置ｘの依存性を、図６に示すように予め実験等により求めることができれば、算出対象の荷重の付加方向は任意である。

以上の荷重解析処理では、第１出力比Ｓ_２／Ｓ_１が設定範囲Ｔ外である場合に、第２出力比Ｓ_１／Ｓ_２を求める例を説明したが、第２出力比Ｓ_１／Ｓ_２が設定範囲外である場合に、第１出力比Ｓ_２／Ｓ_１を求めてもよいことは勿論である。この場合の設定範囲は、図７（ｂ）に基づいて定めればよい。

センサ素子２０は、少なくとも第１カンチレバーＣ１及び第２カンチレバーＣ２を含み、ＳＯＩ基板から製造されるものであれば良い。以上の例では、基板１０に形成されるものとした各種回路（ブリッジ回路や、増幅器及びＡＤＣを含む出力回路）の少なくとも一部は、基板１０の外部に設けられていてもよい。例えば、センサ素子２０は、前述の製造方法を経て、一体（例えば１つのチップ状）に形成されたものであればよく、このようなセンサ素子２０を上方から覆う弾性体３０は、上方から見てセンサ素子２０よりも大きければよい。変形例１に係る弾性体３０Ｍや、変形例２に係るセンサ素子２０Ｍについても同様である。

（１）以上に説明した触覚センサ１００（触覚センサ１０１，１０２も同様。以下略。）は、センサ素子２０（センサ素子２０Ｍも同様。以下略。）と、弾性体３０（弾性体３０Ｍも同様。以下略。）とを備え、弾性体３０に付加された荷重（例えば、Ｚ方向の荷重）をセンサ素子２０で検出する。センサ素子２０は、基板１０、並びに、基板１０の上方に設けられた第１カンチレバーＣ１及び第２カンチレバーＣ２を有する。弾性体３０は、センサ素子２０を上方から覆うとともに、第１カンチレバーＣ１及び第２カンチレバーＣ２を封止する。第１カンチレバーＣ１及び第２カンチレバーＣ２は、所定の軸線方向（例えばＸ方向）に沿って配置されるとともに、前記軸線方向における位置が互いに異なる。また、弾性体３０は、上方から見てセンサ素子２０よりも大きい。なお、第１カンチレバーＣ１及び第２カンチレバーＣ２が所定の軸線方向（例えばＸ方向）に沿って配置されるとは、第１カンチレバーＣ１の固定端から自由端（先端）に向かう方向と、第２カンチレバーＣ２の固定端から自由端（先端）に向かう方向とが、当該軸線方向に沿っている態様であればよく、図２や図８（ａ）に示すように、第１カンチレバーＣ１の先端と第２カンチレバーＣ２の先端とが同じ方向に向く態様と、図８（ｂ）に示すように、第１カンチレバーＣ１の先端と第２カンチレバーＣ２の先端とが互いに逆方向に向く態様を含むことは勿論である。

上記（１）の構成によれば、弾性体３０におけるカンチレバーＣの直上以外の離れた箇所に接触した場合でも、弾性体３０の横変形や曲げ変形によりカンチレバーＣに力が伝達される。これにより、図６に示すように、カンチレバーＣの出力値に軸線方向における位置の依存性を与えることができる。したがって、前述の荷重解析手法により、カンチレバーＣの長さや間隔Ｐに比べて、広範な検出可能範囲Ｑにおける荷重を解析することができる。つまり、荷重を検出したい範囲におけるカンチレバーＣの数を低減することができ、付加された荷重を少数のカンチレバーＣで解析することができる。カンチレバーＣの数を低減することができれば、センサ素子２０に形成する配線の複雑化、及びセンサ素子２０の大型化を抑制することができ、さらには、計測時の消費電力や発熱も低減することが可能である。
また、例えば、ロボットハンドにより物体を把持する時の接触状態を計測する時に、従来であれば多数のセンサの設置が必要であるため設置場所や配線の取回しに問題があったが、以上に説明した構成によれば、できるだけ少ないセンサの設置で済み、設置の自由度が飛躍的に上がる。

（２）また、第１カンチレバーＣ１の先端と、第２カンチレバーＣ２の先端とは、同じ方向に向いていてもよい。
（３）また、弾性体３０の前記軸線方向（例えばＸ方向）における長さは、前記軸線方向における第１カンチレバーＣ１及び第２カンチレバーＣ２の間隔Ｐの５倍以上であってもよい。さらに、弾性体３０の前記軸線方向における長さは、間隔Ｐの８倍以上や間隔Ｐの８．５倍以上であることがより好ましい。
（４）特に、変形例１で説明した弾性体３０Ｍは、第１カンチレバーＣ１及び第２カンチレバーＣ２を封止する封止部３１と、封止部３１よりも上方に位置し、検出対象の物体２が接触する接触部３２と、を有する。そして、接触部３２は、封止部３１よりも硬さが小さい。

（５）以上に説明した荷重解析装置１は、触覚センサ１００と、制御手段（例えば制御部２０２）と、記憶手段（例えば記憶部２０１）とを備える。制御手段は、第１出力値（出力値Ｓ_１）及び第２出力値（出力値Ｓ_２）をセンサ素子２０から取得し、第１出力値と第２出力値の比である出力比を求める。記憶手段は、第１出力値及び第２出力値に対する前記軸線方向における荷重付加位置（位置ｘ）の特性を示す位置特性データＤ（特性情報の一例）を予め記憶する。制御手段は、求めた出力比と、位置特性データＤとに基づいて、前述の間隔Ｐよりも広い範囲（検出可能範囲Ｑ）で荷重付加位置（位置ｘ）を特定可能である。

（６）具体的に、制御手段は、特定した荷重付加位置（位置ｘ）と、位置特性データＤとに基づいて、特定した荷重付加位置（位置ｘ）において付加された荷重ｗを求める。
（７）また、第１出力値及び第２出力値の一方を他方で除算した値を第１出力比とし、第１出力比の逆数を第２出力比とした場合、制御手段は、第１出力比が予め記憶手段に記憶された設定範囲Ｔ外の場合、第２出力比に基づいて荷重付加位置を特定する。

以上の説明では、本発明の理解を容易にするために、公知の技術的事項の説明を適宜省略した。

１…荷重解析装置、２…物体
１００，１０１，１０２…触覚センサ
１０…基板、１１…絶縁層、１２…シリコン層、１３…抵抗層、１４…金属層
２０，２０Ｍ…センサ素子
２１…フレーム、Ｈ１，Ｈ２，Ｈ…開口
Ｃ…カンチレバー（Ｃ１…第１カンチレバー、Ｃ２…第２カンチレバー）
３０，３０Ｍ…弾性体、３０ａ…接触面
２００…制御装置、２０１…記憶部、２０２…制御部
Ｄ…位置特性データ、Ｔ…設定範囲
Ｐ…間隔、Ｑ…検出可能範囲

Claims (7)

1. 基板、並びに、前記基板の上方に設けられた第１カンチレバー及び第２カンチレバーを有するセンサ素子と、
   前記センサ素子を上方から覆うとともに、前記第１カンチレバー及び前記第２カンチレバーを封止する弾性体と、
   を備え、前記弾性体に付加された荷重を前記センサ素子で検出する触覚センサであって、
   前記第１カンチレバー及び前記第２カンチレバーは、所定の軸線方向に沿って配置されるとともに、前記軸線方向における位置が互いに異なり、
   前記弾性体は、上方から見て前記センサ素子よりも大きく、
   前記第１カンチレバー及び前記第２カンチレバーを封止する封止部と、
   前記封止部よりも上方に位置し、検出対象の物体が接触する接触部と、を有し、
   前記接触部は、前記封止部よりも硬さが小さい、
   触覚センサ。
2. 基板、並びに、前記基板の上方に設けられた第１カンチレバー及び第２カンチレバーを有するセンサ素子と、前記センサ素子を上方から覆うとともに前記第１カンチレバー及び前記第２カンチレバーを封止する弾性体と、を備え、前記弾性体に付加された荷重を前記センサ素子で検出する触覚センサであって、前記第１カンチレバー及び前記第２カンチレバーが所定の軸線方向に沿って配置されるとともに前記軸線方向における位置が互いに異なり、前記弾性体が上方から見て前記センサ素子よりも大きい触覚センサと、
   前記第１カンチレバーに基づく第１出力値、及び、前記第２カンチレバーに基づく第２出力値を前記センサ素子から取得し、前記第１出力値と前記第２出力値の比である出力比を求める制御手段と、
   前記第１出力値及び前記第２出力値に対する前記軸線方向における荷重付加位置の特性を示す特性情報を予め記憶する記憶手段と、を備え、
   前記制御手段は、求めた前記出力比と、前記特性情報とに基づいて、前記軸線方向における前記第１カンチレバー及び前記第２カンチレバーの間隔よりも広い範囲で前記荷重付加位置を特定可能である、
   荷重解析装置。
3. 前記制御手段は、特定した前記荷重付加位置と、前記特性情報とに基づいて、特定した前記荷重付加位置において付加された荷重を求める、
   請求項２に記載の荷重解析装置。
4. 前記出力比として、前記第１出力値及び前記第２出力値の一方を他方で除算した値を第１出力比とし、前記第１出力比の逆数を第２出力比とした場合、
   前記制御手段は、前記第１出力比が予め前記記憶手段に記憶された設定範囲外の場合、前記第２出力比に基づいて前記荷重付加位置を特定する、
   請求項２又は３に記載の荷重解析装置。
5. 前記第１カンチレバーの先端と、前記第２カンチレバーの先端とは、同じ方向に向いている、
   請求項２乃至４のいずれか１項に記載の荷重解析装置。
6. 前記弾性体は、
   前記第１カンチレバー及び前記第２カンチレバーを封止する封止部と、
   前記封止部よりも上方に位置し、検出対象の物体が接触する接触部と、を有し、
   前記接触部は、前記封止部よりも硬さが小さい、
   請求項２乃至５のいずれか１項に記載の荷重解析装置。
7. 前記第１カンチレバーの先端と、前記第２カンチレバーの先端とは、同じ方向に向いている、
   請求項１に記載の触覚センサ。

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