WO2013065219A1 - 複合デバイスとロボットハンド駆動制御装置 - Google Patents

複合デバイスとロボットハンド駆動制御装置 Download PDF

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WO2013065219A1
WO2013065219A1 PCT/JP2012/005386 JP2012005386W WO2013065219A1 WO 2013065219 A1 WO2013065219 A1 WO 2013065219A1 JP 2012005386 W JP2012005386 W JP 2012005386W WO 2013065219 A1 WO2013065219 A1 WO 2013065219A1
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vertical pressure
ultrasonic
gripping
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piezoelectric
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PCT/JP2012/005386
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真紀子 杉浦
祐史 樋口
Original Assignee
株式会社デンソー
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    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1612—Programme controls characterised by the hand, wrist, grip control
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
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    • B06B1/0674—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface and a low impedance backing, e.g. air
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/22—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers
    • G01L5/226—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers to manipulators, e.g. the force due to gripping

Definitions

  • the present disclosure relates to a composite device and a robot hand drive control device including the composite device.
  • Patent Document 1 As a gripping sensor used when gripping an object to be gripped, such as a robot hand, one having a distance sensor and a tactile sensor is known as disclosed in Patent Document 1, for example.
  • the tactile sensor disclosed in Patent Document 2 includes a stacked portion including a first layer and a second layer arranged in order from the substrate side on the substrate, and the first layer and the second layer as the second layer. It has the standing part formed by bending to the side, and the detection means for detecting the deformation
  • Each of the stacked portion and the standing portion includes a plurality of layers having different lattice constants, and the first layer and the second layer are bent by a force generated by a difference in lattice constants in the plurality of layers.
  • the laminated part and the upright part are covered with a film, and when a force is applied to the film, the upright part is deformed.
  • the detection means an element that detects the deformation of the upright portion based on the piezoresistance effect or the change in the capacitance between the electrodes can be employed.
  • Patent Document 1 a visual sensor that detects a distance of a grasped object by imaging is adopted as a distance sensor, and this visual sensor is connected to a base portion of a robot hand.
  • the tactile sensor is provided at the fingertip of the robot hand so that the force applied to the fingertip can be detected. That is, the distance sensor and the tactile sensor are provided separately.
  • the distance sensor and the tactile sensor must be provided separately, and the number of parts is large, so that it is difficult to reduce the size of the physique. In addition, it has been difficult to reduce manufacturing costs.
  • JP 2004-294001 A Japanese Patent No. 4403406
  • This disclosure aims to provide a gripping sensor and a robot hand drive control device that can reduce the number of parts.
  • the composite device includes a thick part, a hollow part surrounded by the thick part, and a membrane formed on the thick part by bridging the hollow part. And a plurality of piezoelectric elements stacked in the order of a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode on one surface of the membrane opposite to the thick part, and the piezoelectric elements are electrically connected to each other.
  • a part of the piezoelectric elements is separated and has a protrusion made of an electrically insulating material, the protrusion is formed on the upper electrode, and the piezoelectric element is laminated with the piezoelectric element.
  • a vertical pressure detection element for detecting a vertical pressure applied in the vertical direction is provided, and the plurality of piezoelectric elements further include an ultrasonic element that performs at least one of transmission of ultrasonic waves and reception of ultrasonic waves. And the ultrasonic element is the vertical pressure detecting element.
  • The is another piezoelectric element, ultrasonic devices, in the horizontal direction orthogonal to the vertical direction, it is provided on at least the cavity portion of the substrate.
  • a plurality of piezoelectric elements are formed on the membrane, and a part of the piezoelectric elements is caused to function as a vertical pressure detecting element, and at least a part of the piezoelectric elements excluding the vertical pressure detecting element is used as an ultrasonic element.
  • an ultrasonic sensor as a distance sensor
  • a vertical pressure detection element as a tactile sensor as gripping sensors.
  • the size of the physique can be reduced and the manufacturing cost can be reduced.
  • the robot hand drive control device includes the composite device according to the first aspect of the present disclosure having the ultrasonic transmission element and a plurality of the ultrasonic reception elements, and the ultrasonic transmission.
  • Distance calculation for calculating the distance to the object to be gripped by the robot hand based on time information until the ultrasonic wave is transmitted from the element and the reflected wave of the ultrasonic wave is received by the ultrasonic wave receiving element
  • the entity image calculating means for calculating the position and size of the object to be grasped, the distance calculated by the distance calculating means, and the hardness calculating means Calculated in Gripping control means for controlling the driving of a robot hand for gripping the gripping object using the measured hardness and the position and size calculated by the entity image calculating means, and the vertical pressure detecting element Based on the detection signal, the vertical pressure calculation means for calculating the vertical pressure at the time when the drive control by the grip control means is completed, and the vertical pressure calculated by the vertical pressure calculation means, Gripping correction means for feedback-controlling the gripping state of the gripping object.
  • the robot hand drive control device not only the distance to the gripping object but also the hardness of the gripping object can be calculated. For this reason, the object to be grasped can be grasped at a pressure or speed corresponding to the calculated hardness. In addition, since the position and size of the gripping object can be calculated, the gripping object can be gripped with high accuracy. Also, it is possible to calculate the vertical pressure and correct (feedback control) the gripping state of the gripping object by the robot hand based on the calculated vertical pressure.
  • the robot hand drive control device includes the composite device according to the first aspect of the present disclosure having the ultrasonic transmission element and the plurality of ultrasonic reception elements, and the horizontal direction.
  • the another piezoelectric element is provided next to the vertical pressure detecting element, and the vertical pressure detecting element and the another piezoelectric element adjacent to each other provide a shearing force detecting element, and the shearing force detecting element includes: At least the upper electrode detects the shearing force applied in the horizontal direction as a change in capacitance value, and an ultrasonic wave is transmitted from the ultrasonic wave transmitting element, and a reflected wave of the ultrasonic wave is received by the ultrasonic wave receiving element.
  • Distance calculating means for calculating the distance to the grasped object to be grasped by the robot hand based on the time information until the operation is performed, the time information, and the reaction received by the ultrasonic receiving element. Based on the amplitude information indicating the amplitude of the wave, based on the phase difference information indicating the phase difference of the reflected wave received by the plurality of ultrasonic receiving elements, hardness calculation means for calculating the hardness of the gripping object, Entity image calculating means for calculating the position and size of the grasped object, the distance calculated by the distance calculating means, the hardness calculated by the hardness calculating means, and the entity image calculating means.
  • the grip control means for controlling the driving of the robot hand for gripping the gripping object using the determined position and size, and the drive control by the grip control means based on the detection signal of the vertical pressure detection element
  • Vertical pressure calculating means for calculating a vertical pressure at the time when the gripping control means is completed, and the horizontal direction at the time when drive control by the gripping control
  • the object to be grasped can be grasped at a pressure or speed corresponding to the calculated hardness.
  • the gripping object can be gripped with high accuracy.
  • the shear force can be calculated. For this reason, it is possible to more accurately correct (feedback control) the gripping state of the gripping object by the robot hand based on the above-described vertical pressure and shearing force.
  • FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of a gripping sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line II-II in FIG.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a schematic configuration of the robot hand drive control device including the gripping sensor shown in FIG.
  • FIG. 4 is a flowchart showing a procedure for gripping a gripping object by a robot hand
  • FIG. 5 is a plan view showing a modification of the gripping sensor
  • FIG. 6 is a plan view showing a modification of the gripping sensor
  • FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of a gripping sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line II-II in FIG.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a schematic configuration of the robot hand drive control device including the gripping sensor shown in FIG.
  • FIG. 4 is a flowchart showing a procedure for gripping a gripping object by a robot hand
  • FIG. 7 is a plan view showing a schematic configuration of a region A1 in the gripping sensor according to the second embodiment.
  • FIG. 8 is a sectional view taken along line VIII-VIII in FIG.
  • FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view of the periphery of the shear force detecting element.
  • FIG. 10 is a block diagram showing a schematic configuration of the robot hand drive control device including the gripping sensor shown in FIG.
  • FIG. 11 is a flowchart showing a procedure for gripping a gripping object by a robot hand
  • FIG. 12 is a plan view showing a modification of the gripping sensor
  • FIG. 13 is a cross-sectional view showing another modification of the grip sensor, and this cross-sectional view corresponds to the line XIII-XIII in FIG.
  • the composite device First, the composite device will be described. Here, the composite device is used when grasping or pushing an object. Furthermore, among the composite devices, there is a gripping sensor used when gripping an object.
  • a piezoelectric element 30 is formed on a substrate 12, and the piezoelectric element 30 includes a vertical pressure detecting element 40 and an ultrasonic element 42.
  • the substrate 12 includes a thick portion 14, a hollow portion 16 surrounded by the thick portion 14 in the horizontal direction, and a membrane 18 formed on the thick portion 14 by bridging the hollow portion 16. And the part which bridge
  • the substrate 12 is an SOI in which a semiconductor layer 24 made of single crystal silicon is disposed on a support substrate 20 made of single crystal silicon via an insulating film 22 such as silicon oxide. (Silicon On On Insulator) substrate and an insulating film 26 such as silicon oxide formed on the surface of the semiconductor layer 24 opposite to the insulating film 22.
  • the cavity 16 has the supporting substrate 20 and the insulating film 22 with the semiconductor layer 24 at the bottom. It penetrates and opens on the back surface 12 b of the substrate 12.
  • Such a cavity 16 can be formed by etching the substrate 12 from the back surface 12b side by a known method.
  • the semiconductor layer 24 and the insulating film 26 form the membrane 18 and bridge the cavity 16. Therefore, in the horizontal direction, the portions of the support substrate 20 and the insulating film 22 that surround the cavity 16 are the thick portions 14. Further, the portion where the thick portion 14 is formed in the substrate 12 includes the thick portion 14 and the membrane 18 positioned on the thick portion 14.
  • the trench 28 is formed in the substrate 12 with a depth that reaches the middle of the support substrate 20 from the one surface 12a.
  • the trench 28 is provided in a planar cross shape so as to divide the substantially square planar substrate 12 (chip) into four regions A1 to A4 having substantially the same area along the horizontal direction. Due to the trench 28, vibration transmission is suppressed in the mutual regions A1 to A4.
  • Each region A1 to A4 defined by the trench 28 has the structure of the substrate 12 described above. That is, the cavity 16 is formed in each of the regions A1 to A4, and the portion of the membrane 18 that bridges the cavity 16 is a thin portion 18a. In FIG. 1, the thin portion 18a of each of the regions A1 to A4 is shown as a region surrounded by a broken line.
  • the piezoelectric element 30 is formed by laminating the lower electrode 32, the piezoelectric film 34, and the upper electrode 36 in this order on the one surface 12 a of the substrate 12. According to such a piezoelectric element 30, the applied external force can be detected as a voltage generated between the electrodes 32 and 36 due to the piezoelectric effect of the piezoelectric film 34. On the other hand, when a voltage is applied between the electrodes 32 and 36, the piezoelectric film 34 itself can be deformed by the inverse piezoelectric effect of the piezoelectric film 34.
  • the piezoelectric film 34 for example, a film made of lead zirconate titanate (PZT) is employed.
  • the electrodes 32 and 36 sandwiching the piezoelectric film 34 may be formed by sputtering of Pt or Cu, plating, baking of a conductive paste, or the like.
  • a plurality of the piezoelectric elements 30 are formed on the same substrate 12 so as to be electrically separated from each other.
  • a part of the plurality of piezoelectric elements 30 is formed on the thin part 18 a of the membrane 18, and a part of the plurality of piezoelectric elements 30 is formed on the thick part 14 via the membrane 18.
  • the plurality of piezoelectric elements 30 that are electrically separated from each other include a vertical pressure detecting element 40 and an ultrasonic element 42.
  • the electrodes 32 and 36 of the plurality of piezoelectric elements 30 are electrically connected to pads (external connection electrodes) (not shown) formed on the one surface 12 a of the substrate 12.
  • a wiring (not shown) formed on the one surface 12a of the substrate 12 may be used.
  • a contact hole (not shown) formed in the insulating film 26 and a diffusion layer (not shown) formed in the surface layer of the semiconductor layer 24 may be used.
  • an inner layer wiring provided in the insulating film 26 may be used.
  • it may be electrically connected to a pad formed on the back surface 12b of the substrate 12 by a through electrode (not shown).
  • the vertical pressure detection element 40 is electrically insulated from resin, rubber, or the like on the upper electrode 36 of the piezoelectric element 30 in order to detect vertical pressure (also referred to as contact pressure) applied to the gripping sensor 10 in the vertical direction. It has the projection part 38 which consists of a property material. For this reason, when a robot hand 200 described later grips a gripping object, the gripping object comes into contact with the protrusion 38 of the vertical pressure detection element 40 in the piezoelectric element 30. Therefore, in the vertical pressure detection element 40, the vertical pressure can be detected as a voltage generated between the electrodes 32 and 36 due to the piezoelectric effect of the piezoelectric film 34.
  • the vertical pressure detection element 40 is not provided on the thin portion 18 a of the membrane 18, but is provided on the thick portion 14 of the substrate 12 via the membrane 18. Further, vertical pressure detecting elements 40 are provided in the respective areas A1 to A4, and as shown in FIG. 1, in each of the areas A1 to A4, rectangular rectangular sides are formed so as to surround the thin rectangular portion 18a. Correspondingly, a vertical pressure detecting element 40 is provided. That is, four vertical pressure detection elements 40 are provided in each of the regions A1 to A4, and the vertical pressure detection elements 40 are electrically separated from each other.
  • the ultrasonic element 42 is used for at least one of transmission of ultrasonic waves and reception of ultrasonic waves (reception of reflected waves of transmitted ultrasonic waves), and is provided on at least the cavity 16 of the substrate 12 in the horizontal direction. It has been. That is, it is provided on the thin portion 18 a of the membrane 18. For this reason, in the transmission ultrasonic element 42, when a drive signal is applied to the electrodes 32 and 36, the piezoelectric film 34 itself is deformed by the inverse piezoelectric effect of the piezoelectric film 34, and thereby the thin portion of the membrane 18. 18a can vibrate in the vertical direction and transmit ultrasonic waves to the outside.
  • the piezoelectric film 34 is distorted. Due to the piezoelectric effect of the piezoelectric film 34, the ultrasonic wave is It can be detected as a voltage generated between the electrodes 32 and 36, that is, an ultrasonic wave can be received.
  • the ultrasonic element 42 is formed on the thin portion 18a of the membrane 18 in each of the regions A1 to A4. More specifically, as shown in FIG. 1, a rectangular shape corresponding to the thin portion 18 a is formed so as to cover the entire flat rectangular thin portion 18 a. In each of the regions A1 to A4, a predetermined gap is provided between the ultrasonic element 42 and the vertical pressure detection element 40. Further, the four ultrasonic elements 42 are electrically separated from each other, and only the ultrasonic element 42 in the area A1 is set as a transmitting / receiving element 42a capable of transmitting and receiving, and the remaining ultrasonic elements 42 in the remaining areas A2 to A4 are used.
  • the sound wave element 42 is a reception element 42b dedicated to reception.
  • the same substrate 12 has one ultrasonic element 42 (42a) capable of transmitting ultrasonic waves and four ultrasonic elements 42 (42a, 42b) capable of receiving ultrasonic waves.
  • the ultrasonic elements 42 capable of receiving ultrasonic waves, it is possible to detect not only the distance and hardness from the gripping object but also the actual image of the gripping object such as position and size from the phase difference. it can.
  • the robot hand drive control device 50 includes a control circuit 52, an oscillation circuit 54, a driver 56, reception circuits 58 and 62, and A / D conversion circuits 60 and 64 in addition to the above-described gripping sensor 10. 68, a processing circuit 66, and a memory 70.
  • the control circuit 52 includes a central processing unit (CPU) (not shown), a read-on memory (ROM) in which various programs executed by the CPU are stored, and operations for various calculations that the CPU executes in accordance with the programs stored in the ROM.
  • a random access memory (RAM) used as an area is provided. Then, a function for instructing the oscillation circuit 54 to generate a drive signal for driving the ultrasonic element 42a, a function for switching transmission / reception of the transmission / reception element 42a, presence / absence of a gripping object, distance, hardness, position, and shape are set.
  • the function of controlling the drive of the actuator 100 that moves the robot hand 200 using the calculated distance, hardness, position, and shape, the function of calculating the vertical pressure, and the actuator 100 based on the calculated vertical pressure Has a function of correcting (feedback control).
  • the oscillation circuit 54 When receiving the instruction signal from the control circuit 52, the oscillation circuit 54 outputs a drive signal having a predetermined frequency.
  • the driver 56 is a drive circuit that drives the transmission / reception element 42a by a drive signal from the oscillation circuit 54, whereby ultrasonic waves having a predetermined frequency are transmitted from the transmission / reception element 42a.
  • the driver 56 includes a power amplifier circuit such as a transformer.
  • the reception circuits 58 and 62 include an amplifier that amplifies the reception signals of the corresponding ultrasonic elements 42a and 42b, a filter that performs filter processing on the amplified reception signals, and the like.
  • the signals processed by the receiving circuits 58 and 62 are input to the control circuit 52 via the A / D conversion circuits 60 and 64.
  • FIG. 3 for the sake of convenience, only one receiving element 42b and one receiving circuit 62 and A / D conversion circuit 64 for processing the received signal of the receiving element 42b are shown.
  • the gripping sensor 10 has three receiving elements 42b
  • the robot hand drive control device 50 includes three receiving elements 42b and receiving circuits corresponding to the receiving elements 42b. 62 and an A / D conversion circuit 64.
  • the processing circuit 66 also includes an amplifier that amplifies the output signal of the corresponding vertical pressure detection element 40, a filter that performs filter processing on the amplified signal, and the like.
  • the signal processed by the processing circuit 66 is input to the control circuit 52 via the A / D conversion circuit 68.
  • FIG. 3 only one vertical pressure detection element 40, one processing circuit 66, and one A / D conversion circuit 68 are shown for convenience.
  • the gripping sensor 10 has four vertical pressure detection elements 40, that is, a total of 16 vertical pressure detection elements 40 in each of the regions A1 to A4. It has 16 vertical pressure detection elements 40, a processing circuit 66 and an A / D conversion circuit 68 corresponding to each vertical pressure detection element 40.
  • the memory 70 is a rewritable nonvolatile memory and stores parameters for controlling the driving of the actuator 100 that moves the robot hand 200. Specifically, parameters that cannot be detected by the gripping sensor 10, for example, information indicating the weight of the gripping object and information indicating the friction coefficient of the gripping object are stored. In addition, a map indicating the correspondence between the distance and amplitude when calculating the hardness, a map indicating the relationship between the hardness, the weight of the object to be grasped, the friction coefficient, and the vertical pressure are stored.
  • the control circuit 52 When the power of the robot hand drive control device 50 is turned on, the control circuit 52 outputs an instruction signal to the oscillation circuit 54 to output a drive signal.
  • the oscillation circuit 54 receives an instruction from the control circuit 52 and outputs a drive signal having a predetermined frequency (step S10).
  • the generated drive signal (voltage signal) is transmitted to the transmitting / receiving element 42a via the driver 56.
  • the transmitting / receiving element 42a vibrates in the vertical direction, the vibration is transmitted to the thin portion 18a of the membrane 18, and is transmitted to the outside as an ultrasonic wave.
  • the frequency of this ultrasonic wave matches the frequency of the drive signal.
  • the control circuit 52 switches so that the transmission / reception element 42a is connected to the reception circuit 58. Then, the control circuit 52 determines whether or not the amplitude of the reception signal of the elements 42a and 42b that can receive the ultrasonic waves acquired through the reception circuits 58 and 62 and the A / D conversion circuits 60 and 64 is larger than a predetermined threshold value. That is, it is determined whether or not there are ultrasonic elements 42a and 42b that have received the reflected wave from the grasped object (step S11).
  • step S11 When it is determined in step S11 that there is no ultrasonic element 42a, 42b that has received the reflected wave, the control circuit 52 determines whether or not the corresponding measurement time has elapsed (step S12). If the measurement time has not elapsed, the process returns to step S11. On the other hand, if it is determined that the measurement time has been exceeded, the process returns to step S10. Note that the measurement time is the time from the timing at which the reflected wave from the grasped object can be detected (detectable start timing) to the end of detection, and is preset in this embodiment.
  • step S11 when it is determined that there are ultrasonic elements 42a and 42b that have received the reflected waves, the control circuit 52 transmits the ultrasonic waves from the transmitting / receiving element 42a, and the reflected waves of the ultrasonic waves are one of the ultrasonic waves. Based on the time information until it is received by the sound wave elements 42a and 42b, the distance to the gripping object gripped by the robot hand 200 is calculated (step S13).
  • This step S13 corresponds to the distance calculation means described in the claims. In the following description, it is assumed that reflected waves are received by all the ultrasonic elements 42a and 42b.
  • the control circuit 52 calculates the hardness (expected hardness) of the object to be grasped based on the above time information and amplitude information indicating the amplitude of the reflected wave received by the ultrasonic elements 42a and 42b (step S14). ).
  • This step S14 corresponds to the hardness calculating means described in the claims.
  • the control circuit 52 can calculate the hardness (expected hardness) of the object to be grasped from the time information, that is, the distance and the amplitude, using the map stored in the memory 70.
  • step S11 When it is determined in step S11 that there are a plurality of ultrasonic elements 42a and 42b that have received the reflected waves, the control circuit 52 indicates the phase difference of the reflected waves received by the plurality of ultrasonic elements 42a and 42b. Based on the phase difference information, the position and size of the gripping object, that is, the actual image of the gripping object is calculated (step S15).
  • This step S15 corresponds to the actual image calculation means described in the claims.
  • the ultrasonic elements 42a and 42b when the phase difference between the elements is detected and plotted, not only the position of the grasped object but also the size can be known. For this reason, in order to calculate the size, the larger the number of ultrasonic elements 42a and 42b that can receive ultrasonic waves, the better.
  • step S16 corresponds to the grip control means described in the claims.
  • the control circuit 52 reads information on the weight and friction coefficient of the object to be gripped stored in the memory 70, and these information are also used for driving control of the actuator 100. For this reason, the robot hand 200 according to the grasped object can be operated with high accuracy.
  • the control circuit 52 determines whether or not the gripping operation of the robot hand 200 has been completed (step S17). This determination is made based on whether or not the actuator 100 has completed the predetermined operation instructed in step S16. For example, when a servo motor is used as the actuator 100, since the servo motor includes an encoder that detects the rotation angle, whether or not the motor has reached a predetermined position from the output of the encoder, that is, the gripping operation of the robot hand 200 is completed. It is possible to detect whether or not.
  • step S17 If it is determined in step S17 that the gripping operation is complete, the control circuit 52 calculates the vertical pressure based on the detection signal of the vertical pressure detection element 40 (step S18). This step S18 corresponds to the vertical pressure calculating means described in the claims.
  • Step S19 the control circuit 52 determines whether or not the robot hand 200 is in contact with the grasped object based on whether or not the vertical pressure calculated in Step S18 exceeds a predetermined threshold (Step S19). If it is determined in step S19 that no contact has occurred, the process returns to step S10.
  • step S19 the control circuit 52 performs feedback control of the gripping state of the gripping object by the robot hand 200 using the vertical pressure calculated in step S18 (step S20).
  • step S20 corresponds to the grip correction means described in the claims.
  • the control circuit 52 performs feedback control on the actuator 100 so that the vertical pressure becomes the recommended vertical pressure. That is, the gripping force of the robot hand 200 that grips the gripping object is adjusted.
  • the recommended vertical pressure is stored in the memory 70 as a map of the correspondence relationship between the hardness, the weight of the object to be grasped, and the friction coefficient.
  • the above is the operation of grasping the object to be grasped by the robot hand 200. After completion of this operation, for example, according to another flow (not shown), for example, an operation of transferring the object to be gripped to a predetermined position and positioning it is executed.
  • a plurality of piezoelectric elements 30 are formed on the membrane 18, and a part of the piezoelectric elements 30 functions as the vertical pressure detection element 40, and at least a part of the piezoelectric elements 30 excluding the vertical pressure detection element 40.
  • the ultrasonic element 42 To function as the ultrasonic element 42. Therefore, the number of parts can be reduced while the ultrasonic sensor 42 as the distance sensor and the vertical pressure detection element 40 as the tactile sensor are provided as the gripping sensor 10. Further, by reducing the number of parts, the size of the physique can be reduced and the manufacturing cost can be reduced.
  • the vertical pressure detecting element 40 is provided on the thick portion 14 via the membrane 18 in the horizontal direction. Since the thick portion 14 has higher rigidity than other portions of the substrate 12, for example, the thin portion 18 a of the membrane 18 positioned on the cavity portion 16, the vertical pressure can be detected with high accuracy.
  • the substrate 12 has a plurality of cavities 16, and the ultrasonic elements 42 formed so as to cover the thin portions 18 a on the cavities 16 are electrically separated from each other. Yes. Further, on the same substrate 12, as a plurality of ultrasonic elements 42, a transmitting / receiving element 42a for transmitting ultrasonic waves and a plurality of ultrasonic elements 42a, 42b for receiving ultrasonic waves are integrated. For this reason, it is possible to grasp not only the distance from the gripping object and the hardness but also the actual image (size and position) of the gripping object from one gripping sensor 10. That is, the operation of the robot hand 200 can be controlled with high accuracy according to the object to be grasped.
  • the piezoelectric element 30 includes a plurality of vertical pressure detection elements 40, and the plurality of vertical pressure detection elements 40 are provided in a distributed manner in the horizontal direction. For this reason, the vertical pressure can be detected regardless of the shape and size of the grasped object.
  • the ultrasonic elements 42a and 42b included in the gripping sensor 10 can calculate not only the distance to the gripping object but also the hardness of the gripping object. For this reason, even if the hardness of the gripping object is unknown, the gripping object can be gripped at a pressure or speed corresponding to the calculated hardness. In addition, since the position and size of the gripping object can be calculated, the gripping object can be gripped with high accuracy. Further, the vertical pressure can be calculated by the vertical pressure detection element 40. For this reason, after grasping the grasped object, the operation of the robot hand 200 can be corrected (feedback control) based on the calculated vertical pressure.
  • the arrangement of the piezoelectric elements 30 in the gripping sensor 10 is not limited to the above example.
  • the gripping sensor 10 has one transmitting / receiving element 42a and three receiving elements 42b as the ultrasonic elements 42 has been described.
  • the gripping sensor 10 only needs to have at least one ultrasonic element 42 used for at least one of transmission of ultrasonic waves and reception of ultrasonic waves.
  • a configuration may be adopted in which one ultrasonic element 42 used only for transmitting ultrasonic waves and a plurality of receiving elements 42b are provided.
  • the number of vertical pressure detection elements 40 formed on one substrate 12 is not particularly limited.
  • the gripping sensor 10 has only one cavity 16 (not shown) in the substrate 12, and one membrane so as to cover the thin part 18 a on the cavity 16 in the membrane 18.
  • An ultrasonic element 42 is formed.
  • one vertical pressure detecting element 40 is formed on the substrate 12.
  • the robot hand drive control device 50 calculates the actual image (position and size) of the gripping object from the phase difference.
  • a plurality of gripping sensors 10 (a plurality of chips) may be provided.
  • the piezoelectric elements 30 are provided in a matrix (matrix) over almost the entire surface 12a of the substrate 12 in the region A1. Specifically, the arrangement is 9 rows ⁇ 9 columns, and each piezoelectric element 30 has a substantially square shape in the horizontal direction. A part of the piezoelectric elements 30 located on the thick portion 14, specifically, the piezoelectric elements 30 in the second round with the outermost circumference as the first round are the vertical pressure detecting elements 40 every other one.
  • the other piezoelectric elements 30 are ultrasonic elements 42.
  • the plurality of ultrasonic elements 42 are controlled by the robot hand drive control device 50 so that the lower electrodes 32 and the upper electrodes 36 have the same potential.
  • the memory 70 stores data relating to the weight of the object to be grasped and the friction coefficient.
  • the robot hand drive control device 50 includes a load sensor and a sensor that detects a surface state (friction coefficient), and the weight of the gripping object is based on signals from these sensors.
  • the surface state (coefficient of friction) may be calculated.
  • the trench 28 is a gap, but the trench 28 may be filled with a vibration damping member.
  • a vibration damping member a material having a high damping constant, preferably a material having a low elastic modulus and a low density is suitable.
  • a rubber material, a resin containing pores such as foamed dendrites, and the like can be used.
  • a configuration without the trench 28 may be adopted. However, if the trench 28 is provided, the size can be reduced in the horizontal direction.
  • the present embodiment is characterized in that the gripping sensor 10 includes a shear force detection element 72 as well as the vertical pressure detection element 40 as a tactile sensor. Further, the robot hand drive control device 50 performs feedback control of the gripping state of the robot hand 200 using the shear force detected by the shear force detection element 72 together with the above-described vertical pressure.
  • the gripping sensor 10 includes an ultrasonic element 42 having the same mode as that of the first embodiment.
  • the region A1 of the substrate 12 is shown, but the remaining regions A2 to A4 have the same configuration as the region A1.
  • a vertical pressure detecting element 40 is provided on the thick portion 14 of the substrate 12 via the membrane 18.
  • a plurality of (12 in FIG. 7) vertical pressure detection elements 40 are predetermined so as to surround the thin rectangular portion 18 a (planar rectangular ultrasonic element 42). It has a rectangular ring shape with a pitch. These vertical pressure detecting elements 40 are electrically separated from each other, and can detect the vertical pressure individually.
  • a piezoelectric element 74 different from the vertical pressure detection element 40 and the ultrasonic element 42 is provided next to the vertical pressure detection element 40. Then, in the vertical pressure detection element 40 and the piezoelectric element 74 that are adjacent to each other, a shear force (also referred to as a slip angle) applied in the horizontal direction by at least the upper electrodes 36 is detected as a change in capacitance value.
  • a force detection element 72 is configured.
  • the upper electrode 36 of the vertical pressure detection element 40 and thus the entire vertical pressure detection element 40, has a rectangular shape (substantially square) in the horizontal direction.
  • Piezoelectric elements 74 that are electrically separated from each other are arranged on the sides.
  • the upper electrode 36 of the piezoelectric element 74 is disposed opposite to the four sides of the upper electrode 36 of the vertical pressure detection element 40.
  • At least the vertical pressure detection element 40 and the upper electrode 36 of the piezoelectric element 74 constituting the shear force detection element 72 of the piezoelectric element 30 are rectangular in the horizontal direction and have a predetermined height in the vertical direction.
  • Each column portion 76 is formed.
  • the column part 76 is not provided in the ultrasonic element 42, but the column part 76 is provided only in the vertical pressure detection element 40 and the piezoelectric element 74.
  • the column portions 76 are electrically connected to the corresponding upper electrodes 36, and the column portions of the piezoelectric element 74 that are electrically separated from each other with respect to the four rectangular sides of the column portion 76 of the vertical pressure detection element 40.
  • the capacitive electrode constituting the shear force detecting element 72 is constituted by the upper electrode 36 and the column part 76 of the vertical pressure detecting element 40 and the upper electrode 36 and the column part 76 of the piezoelectric element 74. ing.
  • the protruding portion 38 is formed on the upper electrode 36 via the column portion 76.
  • piezoelectric elements 74 are provided for one vertical pressure detection element 40.
  • the four piezoelectric elements 74 corresponding to one vertical pressure detecting element 40 are electrically separated from each other, and the piezoelectric elements 74 corresponding to different vertical pressure detecting elements 40 are also electrically separated from each other.
  • four shear force detecting elements 72 are formed for one vertical pressure detecting element 40.
  • the piezoelectric element 74 has a planar rectangle, the width in the short direction is substantially equal to the width of the vertical pressure detection element 40, and the width in the longitudinal direction is larger than the width of the vertical pressure detection element 40. It is getting longer. For this reason, the column portion 76 of the vertical pressure detection element 40 has a smaller cross-sectional area in the horizontal direction than the column portion 76 of the piezoelectric element 74.
  • any material that can be electrically connected to the upper electrode 36 that is, a capacitor electrode of a shearing force detecting element 72 described later can be adopted.
  • conductive resins such as polyacetylene and polythiophene, doped polysilicon, and copper alloys.
  • a material having a lower Young's modulus than that of the upper electrode 36 is used so as to be easily deformed in the horizontal direction.
  • the gripping sensor 10 has a shearing force detecting element 72 as compared with the robot hand drive control device 50 shown in the first embodiment.
  • a CV conversion circuit 78 that converts the capacitance value detected by the shear force detection element 72 into a voltage signal and an A / D conversion circuit 80 are further provided. Note that a CV conversion circuit 78 having a well-known configuration can be employed, and thus a detailed description thereof is omitted.
  • Steps S10 to S19 are the same as those in FIG. 4 shown in the first embodiment. If it is determined in step S19 that there is contact, the control circuit 52 calculates the shear force applied in the horizontal direction based on the capacitance value detected by the shear force detection element 72 (step S21). This step S21 corresponds to the shearing force calculating means described in the claims.
  • step S20 corresponds to the grip correction means described in the claims.
  • the control circuit 52 controls the actuator so that the vertical pressure becomes the recommended vertical pressure. 100 is feedback controlled. That is, the gripping force of the robot hand 200 that grips the gripping object is adjusted.
  • the shearing force calculated in step S19 is less than a predetermined threshold value, the gripping object may be dropped, and therefore the actuator 100 is feedback-controlled in the direction in which the vertical pressure increases.
  • the threshold value of the shear force is also stored in the memory 70.
  • the electrostatic force type shearing force detecting element 72 is configured using the vertical pressure detecting element 40. Therefore, the configuration of the gripping sensor 10 can be simplified as compared with the configuration in which the shear force detection element 72 is provided without using the vertical pressure detection element 40. Thereby, size reduction of a physique can be achieved, for example in a horizontal direction.
  • each piezoelectric element 74 is arranged to face each vertical pressure detecting element 40.
  • the capacitive electrodes (upper electrode 36 and column portion 76) of the vertical pressure detecting element 40 have a planar rectangular shape, and the piezoelectric elements 74 that are electrically separated from each other with respect to the four rectangular sides of the capacitive electrode.
  • Capacitance electrodes (upper electrode 36 and column portion 76) are arranged to face each other. Therefore, the shearing force can be detected in two horizontal axes (the horizontal direction in the drawing and the vertical direction in the drawing shown in FIG. 7). That is, the triaxial force can be detected together with the vertical pressure.
  • the column portion 76 is formed on the vertical pressure detection element 40 and the upper electrode 36 of the piezoelectric element 74 constituting the shear force detection element 72. For this reason, compared with the configuration in which the capacitive electrode constituting the shear force detecting element 72 is composed only of the upper electrode 36, the opposing area of the capacitive electrode can be increased and the initial capacitance value can be increased. In addition, by providing the column portion 76, the length of the capacitor electrode in the vertical direction is increased and the capacitor electrode is easily deformed, so that the amount of change in the facing distance of the capacitor electrode can be increased.
  • the column portion 76 of the vertical pressure detection element 40 has a smaller cross-sectional area in the horizontal direction than the column portion 76 of the piezoelectric element 74.
  • the detection sensitivity of a shear force can be improved in two horizontal axes. If the column portion 76 is formed using a material having a Young's modulus lower than that of the upper electrode 36, the capacitor electrode can be easily deformed as compared with the configuration in which the capacitor electrode having the same height is formed only by the upper electrode 36. it can.
  • the gripping sensor 10 includes the shear force detection element 72, and the robot hand drive control device 50 calculates the shear force from the detection signal of the shear force detection element 72. Means (step S21). For this reason, after gripping the gripping object, the gripping state of the gripping object by the robot hand 200 can be more accurately corrected (feedback control) based on the vertical pressure and the shearing force.
  • the arrangement of the piezoelectric elements 30 (the arrangement of the vertical pressure detection element 40, the ultrasonic element 42, the shearing force detection element 72, and the piezoelectric element 74) in the gripping sensor 10 is not limited to the above example. Absent. It suffices to have at least one vertical pressure detection element 40, at least one ultrasonic element 42, and at least one shearing force detection element 72 using the vertical pressure detection element 40.
  • the shear force detecting element 72 is configured by the vertical pressure detecting element 40 and the piezoelectric element 74, but the shearing force detecting element 72 is configured by the vertical pressure detecting element 40 and the ultrasonic element 42 without providing the piezoelectric element 74. May be configured.
  • the piezoelectric elements 30 are provided in a matrix (matrix) over almost the entire surface 12a of the substrate 12 in the region A1. Specifically, the arrangement is 12 rows ⁇ 12 columns. Specifically, in the configuration shown in FIG. 7, the cross-shaped arrangement in which the vertical pressure detecting element 40 is the center and the piezoelectric elements 74 are opposed to the four sides is arranged not only on the thick part 14 but also on the thin wall of the membrane 18. The structure is also repeated on the portion 18a.
  • the piezoelectric element 30 excluding the vertical pressure detection element 40 provided on the thick part 14 is an ultrasonic element 42.
  • the plurality of ultrasonic elements 42 are arranged so that the lower electrodes 32 and the upper electrodes 36 have the same potential when transmitting ultrasonic waves (step S10) or receiving ultrasonic waves (step S11). It is controlled by the hand drive controller 50. That is, although it is divided in structure, it behaves electrically as one ultrasonic element 42. On the other hand, at the time of calculating the shear force (step S21), among the ultrasonic elements 42, the ultrasonic elements 42 adjacent to the vertical pressure detecting element 40 along the two axes along the horizontal direction (the horizontal direction in the drawing of FIG. 12 and the vertical direction of the drawing).
  • the configuration shown in FIG. 12 can also be applied to a configuration having only one cavity 16 in the substrate 12 as shown in FIG.
  • the vertical pressure detection element 40 is formed on the thick part 14 of the substrate 12 in the above embodiment.
  • the vertical pressure detection element 40 is formed on the thin part 18 a of the membrane 18.
  • the thin portion 18a is provided so as to be deformable, variations in detection of vertical pressure, damage to the thin portion 18a, and the like are conceivable. Therefore, it is preferable to provide the vertical pressure detection element 40 on the thick portion 14 as shown in the above embodiment.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view taken along the line XIII-XIII of FIG. 7, except that the cross-sectional structure is such that the interval between the vertical pressure detecting element 40 and the piezoelectric element 74 adjacent to the vertical pressure detecting element 40 is not constant. This is the same as FIG. 7 (second embodiment). In the cross-sectional view shown in FIG.
  • the column portions 76 of the vertical pressure detection elements 40 having the intervals D1, D2, and D3 are in contact with the column portions 76 of the adjacent piezoelectric elements 74. Therefore, it is possible to calculate how much the shearing force is based on the distance between the vertical pressure detecting elements 40 and the adjacent piezoelectric element 74. For example, a map indicating the correspondence between the interval and the shear force is stored in the memory 70, and the control circuit 52 calculates the shear force based on this map.
  • the gripping sensor 10 has a plurality of vertical pressure detection elements 40 as the piezoelectric elements 30, and another piezoelectric element 74 (which may be the ultrasonic element 42) is provided next to the vertical pressure detection elements 40.
  • the plurality of vertical pressure detection elements 40 are dispersed, and the vertical pressure detection element 40 and another piezoelectric element 74 adjacent to each other are electrically connected to the upper electrode 36 on the upper electrode 36.
  • the protrusion 38 is formed on the upper electrode 36 via the column part 76, and the vertical pressure detection element 40 includes the column part 76 and the vertical part 76.
  • the interval between the column portions 76 of the other piezoelectric elements 74 adjacent to the pressure detection element 40 may be set in multiple stages (intervals D1 to D3) in at least one axial direction in the horizontal direction.
  • the composite device includes a thick part, a hollow part surrounded by the thick part, and a membrane formed on the thick part by bridging the hollow part. And a plurality of piezoelectric elements stacked in the order of a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode on one surface of the membrane opposite to the thick part, and the piezoelectric elements are electrically connected to each other.
  • a part of the piezoelectric elements is separated and has a protrusion made of an electrically insulating material, the protrusion is formed on the upper electrode, and the piezoelectric element is laminated with the piezoelectric element.
  • a vertical pressure detection element for detecting a vertical pressure applied in the vertical direction is provided, and the plurality of piezoelectric elements further include an ultrasonic element that performs at least one of transmission of ultrasonic waves and reception of ultrasonic waves. And the ultrasonic element is the vertical pressure detecting element.
  • The is another piezoelectric element, ultrasonic devices, in the horizontal direction orthogonal to the vertical direction, it is provided on at least the cavity portion of the substrate.
  • a plurality of piezoelectric elements are formed on the membrane, and a part of the piezoelectric elements is caused to function as a vertical pressure detecting element, and at least a part of the piezoelectric elements excluding the vertical pressure detecting element is used as an ultrasonic element.
  • an ultrasonic sensor as a distance sensor
  • a vertical pressure detection element as a tactile sensor as gripping sensors.
  • the size of the physique can be reduced and the manufacturing cost can be reduced.
  • the composite device may be a grip sensor used when gripping a gripping object.
  • the vertical pressure detection element may be provided on the thick portion of the substrate in the horizontal direction.
  • the portion where the thick portion is formed in the horizontal direction has higher rigidity than other portions of the substrate, for example, the portion on the hollow portion of the membrane, so that the vertical pressure can be detected with high accuracy.
  • the another piezoelectric element may be provided next to the vertical pressure detecting element in the horizontal direction.
  • the vertical pressure detecting element and the another piezoelectric element adjacent to each other provide a shearing force detecting element.
  • the shearing force detecting element detects the shearing force applied in the horizontal direction as a change in capacitance value by at least the upper electrode.
  • a capacitance type shearing force detecting element is configured using the vertical pressure detecting element. Therefore, the configuration can be simplified as compared with the configuration in which the shear force detection element is provided without using the vertical pressure detection element. Thereby, size reduction of a physique can be achieved, for example in a horizontal direction.
  • the upper electrode of the vertical pressure detection element may have a rectangular shape in the horizontal direction.
  • the upper electrode of the other piezoelectric element is arranged to face each rectangular side of the upper electrode of the vertical pressure detecting element.
  • the upper electrodes of the other piezoelectric elements disposed opposite to the upper electrode of the vertical pressure detecting element are electrically separated from each other. According to this, a shear force can be detected in two horizontal axes. That is, the triaxial force can be detected together with the vertical pressure.
  • the vertical pressure detecting element constituting the shearing force detecting element and the upper electrode of the other piezoelectric element are electrically connected to the upper electrode and have a rectangular column shape in the horizontal direction. May be formed.
  • the column part of the other piezoelectric element is arranged to face each rectangular side of the column part of the vertical pressure detection element.
  • the shear force detecting element is constituted by the upper electrode and the column part.
  • the protrusion is formed on the upper electrode through the pillar. According to this, the upper electrode and the column portion constitute a set of capacitive electrodes that constitute the shear force detection element.
  • the facing area of the capacitive electrode can be increased and the initial capacitance value can be increased. Further, since the capacitor electrode is easily deformed, the amount of change in the facing distance of the capacitor electrode can be increased.
  • the column portion of the vertical pressure detection element may have a smaller cross-sectional area in the horizontal direction than the column portion of another piezoelectric element adjacent to the vertical pressure detection element. According to this, since the column part of the vertical pressure detection element is easily deformed, it is possible to improve the detection sensitivity of the shearing force in the two horizontal axes.
  • the column portion may be formed using a material having a Young's modulus lower than that of the upper electrode. According to this, compared with the structure which forms the capacitive electrode of the same height only by an upper electrode, a capacitive electrode can be made easy to deform
  • the hollow portion may have a plurality of hollow portions.
  • the ultrasonic element has a plurality of ultrasonic element portions. Each ultrasonic element portion is located on a corresponding cavity portion.
  • the plurality of ultrasonic element portions are electrically separated from each other.
  • the plurality of ultrasonic element portions include at least one ultrasonic transmission element that transmits ultrasonic waves and a plurality of ultrasonic reception elements that receive ultrasonic waves. According to this, since at least one ultrasonic wave element for transmission and a plurality of ultrasonic wave elements for reception are integrated on one board, gripping is performed from the output of one board, that is, one gripping sensor. The actual image (size and position) of the object can be grasped.
  • the vertical pressure detection element may have a plurality of vertical pressure detection element portions. In the horizontal direction, the plurality of vertical pressure detection element portions are provided in a distributed manner. According to this, vertical pressure or the like can be detected regardless of the shape and size of the grasped object.
  • the robot hand drive control device includes the composite device according to the first aspect of the present disclosure having the ultrasonic transmission element and a plurality of the ultrasonic reception elements, and the ultrasonic transmission.
  • Distance calculation for calculating the distance to the object to be gripped by the robot hand based on time information until the ultrasonic wave is transmitted from the element and the reflected wave of the ultrasonic wave is received by the ultrasonic wave receiving element
  • the entity image calculating means for calculating the position and size of the object to be grasped, the distance calculated by the distance calculating means, and the hardness calculating means Calculated in Gripping control means for controlling the driving of a robot hand for gripping the gripping object using the measured hardness and the position and size calculated by the entity image calculating means, and the vertical pressure detecting element Based on the detection signal, the vertical pressure calculation means for calculating the vertical pressure at the time when the drive control by the grip control means is completed, and the vertical pressure calculated by the vertical pressure calculation means, Gripping correction means for feedback-controlling the gripping state of the gripping object.
  • the robot hand drive control device not only the distance to the gripping object but also the hardness of the gripping object can be calculated. For this reason, the object to be grasped can be grasped at a pressure or speed corresponding to the calculated hardness. In addition, since the position and size of the gripping object can be calculated, the gripping object can be gripped with high accuracy. Also, it is possible to calculate the vertical pressure and correct (feedback control) the gripping state of the gripping object by the robot hand based on the calculated vertical pressure.
  • the robot hand drive control device includes the composite device according to the first aspect of the present disclosure having the ultrasonic transmission element and the plurality of ultrasonic reception elements, and the horizontal direction.
  • the another piezoelectric element is provided next to the vertical pressure detecting element, and the vertical pressure detecting element and the another piezoelectric element adjacent to each other provide a shearing force detecting element, and the shearing force detecting element includes: At least the upper electrode detects the shearing force applied in the horizontal direction as a change in capacitance value, and an ultrasonic wave is transmitted from the ultrasonic wave transmitting element, and a reflected wave of the ultrasonic wave is received by the ultrasonic wave receiving element.
  • Distance calculating means for calculating the distance to the grasped object to be grasped by the robot hand based on the time information until the operation is performed, the time information, and the reaction received by the ultrasonic receiving element. Based on the amplitude information indicating the amplitude of the wave, based on the phase difference information indicating the phase difference of the reflected wave received by the plurality of ultrasonic receiving elements, hardness calculation means for calculating the hardness of the gripping object, Entity image calculating means for calculating the position and size of the grasped object, the distance calculated by the distance calculating means, the hardness calculated by the hardness calculating means, and the entity image calculating means.
  • the grip control means for controlling the driving of the robot hand for gripping the gripping object using the determined position and size, and the drive control by the grip control means based on the detection signal of the vertical pressure detection element
  • Vertical pressure calculating means for calculating a vertical pressure at the time when the gripping control means is completed, and the horizontal direction at the time when drive control by the gripping control
  • the object to be grasped can be grasped at a pressure or speed corresponding to the calculated hardness.
  • the gripping object can be gripped with high accuracy.
  • the shear force can be calculated. For this reason, it is possible to more accurately correct (feedback control) the gripping state of the gripping object by the robot hand based on the above-described vertical pressure and shearing force.

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Abstract

　複合デバイスは、厚肉部（１４）と空洞部（１６）と該空洞部（１６）を架橋するメンブレン（１８）とを有する基板（１２）と、下部電極（３２）、圧電体膜（３４）、上部電極（３６）を有する複数の圧電素子（３０）と、を備える。一部の前記圧電素子（３０）は、上部電極（３６）上に形成された突起部（３８）を有し、当該一部の前記圧電素子（３０）は、垂直圧力検出素子（４０）を提供する。複数の前記圧電素子（３０）は、さらに、前記垂直圧力検出素子（４０）とは別の、超音波素子（４２、７４）を有する。該超音波素子（４２、７４）は、水平方向において、少なくとも前記基板（１２）の空洞部（１６）上に設けられている。

Description

複合デバイスとロボットハンド駆動制御装置 関連出願の相互参照
　本開示は、２０１１年１１月１日に出願された日本出願番号２０１１－２４０５２２号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。
　本開示は、複合デバイス、及び、該複合デバイスを備えるロボットハンド駆動制御装置に関するものである。
　ロボットハンドなど把持対象物を把持する際に用いられる把持用センサとして、例えば特許文献１に示されるように、距離センサと触覚センサを備えるものが知られている。
　また、触覚センサとしては、例えば特許文献２に示す形態のものが知られている。特許文献２に示される触覚センサは、基板上に、基板側から順に配置された第１の層及び第２の層を含む積層部と、第１の層及び第２の層を第２の層側に曲げることによって形成された起立部と、起立部の変形を検出するための検出手段を有する。積層部及び起立部は、それぞれ、互いに格子定数が異なる複数の層を含み、第１の層及び第２の層は、複数の層における格子定数の差によって生じた力によって曲げられている。また、積層部及び起立部は被膜によって覆われており、被膜に力が加えられると起立部が変形するようになっている。上記検出手段としては、ピエゾ抵抗効果や電極間の静電容量の変化に基づいて起立部の変形を検出する素子を採用することができる。
　特許文献１では、距離センサとして、撮像により把持対象物の距離などを検知する視覚センサを採用しており、この視覚センサはロボットハンドのベース部に接続されている。一方、触覚センサは、ロボットハンドの指先に設けられ、これにより、指先に加わる力が検出できるようになっている。すなわち、距離センサと触覚センサが別個に設けられている。
　また、特許文献２に示される触覚センサを用いる場合も、基板に対して起立した構造を有するため、距離センサとの集積化が困難である。すなわち、距離センサと触覚センサとが、別個に設けられることとなる。
　このように従来の把持用センサでは、距離センサと触覚センサとを別個に設けなければならず、部品点数が多いため、体格を小型化するのが困難であった。また、製造コストを低減するのが困難であった。
特開２００４－２９４００１号公報 特許第４４０３４０６号公報
　本開示は、部品点数を削減することのできる把持用センサ及びロボットハンド駆動制御装置を提供することを目的とする。
　本開示の第一の態様において、複合デバイスは、厚肉部と、該厚肉部に取り囲まれた空洞部と、該空洞部を架橋して前記厚肉部上に形成されたメンブレンと、を有する基板と、前記メンブレンにおける厚肉部と反対の一面上に、下部電極、圧電体膜、上部電極の順に積層形成された複数の圧電素子と、を備え、前記圧電素子は、互いに電気的に分離されており、一部の前記圧電素子は、電気絶縁性材料からなる突起部を有し、突起部は、上部電極上に形成され、当該一部の前記圧電素子は、前記圧電素子が積層された垂直方向に加わる垂直圧力を検出するための垂直圧力検出素子を提供し、複数の前記圧電素子は、さらに、超音波の送信及び超音波の受信の少なくとも一方を実施する超音波素子を有し、超音波素子は、前記垂直圧力検出素子とは別の圧電素子であり、該超音波素子は、前記垂直方向に直交する水平方向において、少なくとも前記基板の空洞部上に設けられている。
　上記の複合デバイスでは、メンブレン上に複数の圧電素子が形成され、この圧電素子の一部を、垂直圧力検出素子として機能させ、垂直圧力検出素子を除く圧電素子の少なくとも一部を、超音波素子として機能させる。したがって、把持用センサとして、距離センサとしての超音波センサと、触覚センサとしての垂直圧力検出素子とを備えながらも、部品点数を削減することができる。また、部品点数削減により、体格の小型化や、製造コストの低減を図ることができる。
　本開示の第二の態様において、ロボットハンド駆動制御装置は、前記超音波送信素子と複数の前記超音波受信素子とを有する本開示の第一の態様に記載の複合デバイスと、前記超音波送信素子から超音波が送信され、該超音波の反射波が前記超音波受信素子にて受信されるまでの時間情報に基づいて、ロボットハンドにより把持される把持対象物までの距離を算出する距離算出手段と、前記時間情報と、前記超音波素子にて受信した反射波の振幅を示す振幅情報に基づいて、前記把持対象物の硬度を算出する硬度算出手段と、複数の前記超音波素子にて受信した反射波の位相差を示す位相差情報に基づいて、前記把持対象物の位置及び大きさを算出する実体像算出手段と、前記距離算出手段にて算出された距離と、前記硬度算出手段にて算出された硬度と、前記実体像算出手段にて算出された位置及び大きさとを用いて、前記把持対象物を把持するためのロボットハンドの駆動を制御する把持制御手段と、前記垂直圧力検出素子の検出信号に基づいて、前記把持制御手段による駆動制御が完了した時点での垂直圧力を算出する垂直圧力算出手段と、前記垂直圧力算出手段にて算出された垂直圧力を用いて、前記ロボットハンドによる把持対象物の把持状態をフィードバック制御する把持補正手段と、を備える。
　上記のロボットハンド駆動制御装置において、把持対象物との距離だけでなく、把持対象物の硬度を算出することができる。このため、算出された硬度に応じた圧力や速度で把持対象物を掴むことができる。また、把持対象物の位置及び大きさを算出することもできるため、精度よく把持対象物を掴むことができる。また、垂直圧力を算出し、算出した垂直圧力に基づいて、ロボットハンドによる把持対象物の把持状態を補正（フィードバック制御）することができる。
　本開示の第三の態様において、ロボットハンド駆動制御装置は、前記超音波送信素子と複数の前記超音波受信素子とを有する本開示の第一の態様に記載の複合デバイスと、前記水平方向において、前記垂直圧力検出素子の隣には、前記別の圧電素子が設けられ、互いに隣り合う前記垂直圧力検出素子及び前記別の圧電素子は、せん断力検出素子を提供し、せん断力検出素子は、少なくとも上部電極により、前記水平方向に加わるせん断力を静電容量値の変化として検出し、前記超音波送信素子から超音波が送信され、該超音波の反射波が前記超音波受信素子にて受信されるまでの時間情報に基づいて、ロボットハンドにより把持される把持対象物までの距離を算出する距離算出手段と、前記時間情報と、前記超音波受信素子にて受信した反射波の振幅を示す振幅情報に基づいて、前記把持対象物の硬度を算出する硬度算出手段と、複数の前記超音波受信素子にて受信した反射波の位相差を示す位相差情報に基づいて、前記把持対象物の位置及び大きさを算出する実体像算出手段と、前記距離算出手段にて算出された距離と、前記硬度算出手段にて算出された硬度と、前記実体像算出手段にて算出された位置及び大きさとを用いて、前記把持対象物を把持するためのロボットハンドの駆動を制御する把持制御手段と、前記垂直圧力検出素子の検出信号に基づいて、前記把持制御手段による駆動制御が完了した時点での垂直圧力を算出する垂直圧力算出手段と、前記せん断力検出素子の検出した静電容量値に基づいて、前記把持制御手段による駆動制御が完了した時点での前記水平方向に加わるせん断力を算出するせん断力算出手段と、前記垂直圧力算出手段にて算出された垂直圧力と、前記せん断力算出手段にて算出されたせん断力とを用いて、前記ロボットハンドによる把持対象物の把持状態をフィードバック制御する把持補正手段と、を備える。
　上記のロボットハンド駆動制御装置において、把持対象物との距離だけでなく、把持対象物の硬度を算出することができる。このため、算出された硬度に応じた圧力や速度で把持対象物を掴むことができる。また、把持対象物の位置及び大きさを算出することもできるため、精度よく把持対象物を掴むことができる。また、垂直圧力を算出し、算出した垂直圧力に基づいて、ロボットハンドによる把持対象物の把持状態を補正（フィードバック制御）することができる。さらに、せん断力を算出することができる。このため、上記した垂直圧力とせん断力に基づいて、ロボットハンドによる把持対象物の把持状態を、より精度よく補正（フィードバック制御）することができる。
　本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
図１は、第１実施形態に係る把持用センサの概略構成を示す平面図であり、 図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線に沿う断面図であり、 図３は、図１に示す把持用センサを備えたロボットハンド駆動制御装置の概略構成を示すブロック図であり、 図４は、把持対象物をロボットハンドにより把持する手順を示すフローチャートであり、 図５は、把持用センサの変形例を示す平面図であり、 図６は、把持用センサの変形例を示す平面図であり、 図７は、第２実施形態に係る把持用センサのうち、領域Ａ１の概略構成を示す平面図であり、 図８は、図７のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線に沿う断面図であり、 図９は、せん断力検出素子の周辺を拡大した断面図であり、 図１０は、図７に示す把持用センサを備えたロボットハンド駆動制御装置の概略構成を示すブロック図であり、 図１１は、把持対象物をロボットハンドにより把持する手順を示すフローチャートであり、 図１２は、把持用センサの変形例を示す平面図であり、 図１３は、把持用センサのその他変形例を示す断面図であり、この断面図は、図７のＸＩＩＩ－ＸＩＩＩ線に対応している。
　以下、本実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下に示す各実施形態において、共通乃至関連する要素には同一の符号を付与するものとする。以下においては、圧電素子３０を構成する下部電極３２、圧電体膜３４、上部電極３６の積層方向を垂直方向と示し、該垂直方向に直交する直交方向を水平方向と示す。
（第１実施形態）
　先ず、複合デバイスについて説明する。ここで、複合デバイスは、対象物を掴んだり、押したりする際に用いられるものである。さらに、複合デバイスのうちでも、対象物を把持する際に用いられる把持用センサが挙げられる。
　ここでは、先ず、把持用センサについて説明する。
　図１及び図２に示す把持用センサ１０は、基板１２に圧電素子３０が形成され、この圧電素子３０として、垂直圧力検出素子４０と超音波素子４２を有する点を主たる特徴とする。
　基板１２は、厚肉部１４と、水平方向において厚肉部１４に取り囲まれた空洞部１６と、空洞部１６を架橋して厚肉部１４上に形成されたメンブレン１８と、を有する。そして、メンブレン１８のうち、空洞部１６を架橋する部分が、基板１２において厚肉部１４の形成された部分よりも薄い薄肉部１８ａとされ、この薄肉部１８ａは変形可能に設けられている。
　本実施形態では、図２に示すように、基板１２が、単結晶シリコンからなる支持基板２０に、酸化シリコンなどの絶縁膜２２を介して、単結晶シリコンからなる半導体層２４が配置されたＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板と、半導体層２４における絶縁膜２２と反対の面上に形成された酸化シリコンなどの絶縁膜２６とにより構成されている。基板１２において、絶縁膜２６側の表面を一面１２ａ、一面１２ａと反対の支持基板２０側の表面を裏面１２ｂとすると、空洞部１６は、半導体層２４を底部として支持基板２０及び絶縁膜２２を貫通し、基板１２の裏面１２ｂに開口している。このような空洞部１６は、基板１２を裏面１２ｂ側から周知の方法でエッチングすることで形成することができる。基板１２のうち、半導体層２４及び絶縁膜２６がメンブレン１８をなしており、空洞部１６を架橋している。したがって、水平方向において、空洞部１６を取り囲む支持基板２０及び絶縁膜２２の部分が、厚肉部１４となっている。また、基板１２において厚肉部１４の形成された部分とは、上記厚肉部１４と厚肉部１４上に位置するメンブレン１８からなる。
　また、本実施形態では、基板１２に、一面１２ａから支持基板２０の途中まで到達する深さをもってトレンチ２８が形成されている。トレンチ２８は、平面略正方形の基板１２（チップ）を、水平方向に沿う面積が略等しい４つの領域Ａ１～Ａ４に区画するように、平面十字状に設けられている。このトレンチ２８により、相互の領域Ａ１～Ａ４において振動伝達が抑制される。トレンチ２８にて区画された各領域Ａ１～Ａ４は、上記した基板１２の構造を有している。すなわち、各領域Ａ１～Ａ４には、空洞部１６が形成されており、空洞部１６を架橋するメンブレン１８の部分が薄肉部１８ａとなっている。なお、図１では、各領域Ａ１～Ａ４の薄肉部１８ａを、破線で囲まれた領域として示している。
　圧電素子３０は、基板１２の一面１２ａ上に、下部電極３２、圧電体膜３４、上部電極３６の順に積層形成されてなる。このような圧電素子３０によれば、圧電体膜３４の圧電効果により、印加された外力を、電極３２，３６間に生じる電圧として検出することができる。一方、電極３２，３６間に電圧を印加すると、圧電体膜３４の逆圧電効果により、圧電体膜３４自体を変形させることができる。
　本実施形態では、圧電体膜３４として、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる膜を採用している。なお、圧電体膜３４を挟む電極３２，３６としては、ＰｔやＣｕのスパッタ、めっき、導電ペーストの焼き付けなどにより形成されたものを採用することができる。
　この圧電素子３０は、同一の基板１２上において、互いに電気的に分離されて複数形成されている。複数の圧電素子３０の一部は、メンブレン１８の薄肉部１８ａ上に形成されており、複数の圧電素子３０の一部は、メンブレン１８を介して厚肉部１４上に形成されている。そして、互いに電気的に分離された複数の圧電素子３０として、垂直圧力検出素子４０と超音波素子４２を有している。また、複数の圧電素子３０の電極３２，３６は、基板１２の一面１２ａ上に形成された図示しないパッド（外部接続用電極）と電気的に接続されている。電極３２，３６とパッドとの電気的な接続は、基板１２の一面１２ａ上に形成された図示しない配線を用いても良い。また、絶縁膜２６に形成された図示しないコンタクトホール、及び、半導体層２４の表層に形成された図示しない拡散層を用いても良い。また、絶縁膜２６が多層膜の場合、絶縁膜２６内に設けられた内層配線を用いても良い。さらには、図示しない貫通電極により、基板１２の裏面１２ｂに形成されたパッドと電気的に接続されても良い。
　垂直圧力検出素子４０は、把持用センサ１０に対して垂直方向に加わる垂直圧力（接触圧とも言う）を検出すべく、圧電素子３０のうち、上部電極３６上に、樹脂やゴムなどの電気絶縁性材料からなる突起部３８を有している。このため、後述するロボットハンド２００が把持対象物を掴むと、把持対象物は、圧電素子３０のうち、垂直圧力検出素子４０の突起部３８に接触する。このため、垂直圧力検出素子４０において、圧電体膜３４の圧電効果により、垂直圧力を、電極３２，３６間に生じる電圧として検出することができる。
　本実施形態において、垂直圧力検出素子４０は、メンブレン１８の薄肉部１８ａ上に設けられず、メンブレン１８を介して、基板１２の厚肉部１４上に設けられている。また、各領域Ａ１～Ａ４に垂直圧力検出素子４０がそれぞれ設けられており、図１に示すように、各領域Ａ１～Ａ４において、平面矩形状の薄肉部１８ａを取り囲むように、矩形の四辺に対応して垂直圧力検出素子４０がそれぞれ設けられている。すなわち各領域Ａ１～Ａ４に、４つの垂直圧力検出素子４０がそれぞれ設けられており、各垂直圧力検出素子４０は互いに電気的に分離されている。
　超音波素子４２は、超音波の送信及び超音波の受信（送信した超音波の反射波の受信）の少なくとも一方に用いられるものであり、水平方向において、少なくとも基板１２の空洞部１６上に設けられている。すなわち、メンブレン１８の薄肉部１８ａ上に設けられている。このため、送信用の超音波素子４２では、電極３２，３６に駆動信号が印加されると、圧電体膜３４の逆圧電効果により圧電体膜３４自体が変形し、これによりメンブレン１８の薄肉部１８ａが垂直方向に振動して、外部に超音波を送信することができる。一方、受信用の超音波素子４２では、超音波を受けてメンブレン１８の薄肉部１８ａが垂直方向に振動すると圧電体膜３４に歪が生じ、圧電体膜３４の圧電効果により、超音波を、電極３２，３６間に生じる電圧として検出する、すなわち超音波を受信することができる。
　本実施形態では、各領域Ａ１～Ａ４において、メンブレン１８の薄肉部１８ａ上に超音波素子４２が形成されている。より詳しくは、図１に示すように平面矩形状の薄肉部１８ａ全域を覆うように、薄肉部１８ａに対応した矩形状を有して形成されている。各領域Ａ１～Ａ４において、超音波素子４２と垂直圧力検出素子４０との間には所定の空隙が設けられている。そして、また、４つの超音波素子４２は互いに電気的に分離されており、領域Ａ１の超音波素子４２のみが送信と受信が可能な送受信用素子４２ａとされ、残りの領域Ａ２～Ａ４の超音波素子４２は、受信専用の受信用素子４２ｂとなっている。すなわち、同一の基板１２に、超音波を送信できる超音波素子４２（４２ａ）を１つと、超音波を受信できる超音波素子４２（４２ａ，４２ｂ）を４つ有している。このように、超音波を受信できる超音波素子４２を複数有すると、位相差から、把持対象物との距離や硬度だけでなく、位置や大きさといった把持対象物の実態像を検出することができる。
　次に、上記した把持用センサ１０を備えるロボットハンド駆動制御装置の構成について説明する。
　図３に示すように、ロボットハンド駆動制御装置５０は、上記した把持用センサ１０以外にも、制御回路５２、発振回路５４、ドライバ５６、受信回路５８，６２、Ａ／Ｄ変換回路６０，６４，６８、処理回路６６、メモリ７０を備えている。
　制御回路５２は、図示しない中央演算装置（ＣＰＵ）、ＣＰＵが実行する各種プログラムが格納されたリードオンメモリ（ＲＯＭ）、ＣＰＵがＲＯＭに格納された各プログラムにしたがって実行する各種演算のための作業領域として用いられるランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）等を備えている。そして、発振回路５４に対し、超音波素子４２ａを駆動させる駆動信号の生成を指示する機能、送受信素子４２ａの送信／受信を切り替える機能、把持対象物の有無、距離、硬度、位置、及び形状を算出する機能、算出した距離、硬度、位置、及び形状を用いて、ロボットハンド２００を動かすアクチュエータ１００の駆動を制御する機能、垂直圧力を算出する機能、算出された垂直圧力に基づいて、アクチュエータ１００の駆動を補正（フィードバック制御）する機能などを有している。
　発振回路５４は、制御回路５２からの指示信号を受けると、所定周波数の駆動信号を出力する。ドライバ５６は、発振回路５４からの駆動信号により送受信素子４２ａを駆動する駆動回路であり、これにより、送受信素子４２ａから所定周波数の超音波が送信される。なお、本実施形態では、ドライバ５６が、トランスなどの電力増幅回路を含んでいる。
　受信回路５８，６２は、対応する超音波素子４２ａ，４２ｂの受信信号を増幅するアンプや、増幅された受信信号に対してフィルタ処理を行うフィルタなどを含む。そして、受信回路５８，６２にて処理された信号は、Ａ／Ｄ変換回路６０，６４を経て、制御回路５２に入力される。なお、図３では、受信用素子４２ｂと、該受信用素子４２ｂの受信信号を処理する受信回路６２及びＡ／Ｄ変換回路６４とを、便宜上、１つずつのみ示している。しかしながら、上記したように、把持用センサ１０は受信用素子４２ｂを３つ有しており、ロボットハンド駆動制御装置５０は、３つの受信用素子４２ｂと、各受信用素子４２ｂに対応する受信回路６２及びＡ／Ｄ変換回路６４を有している。
　処理回路６６も、受信回路５８，６２同様、対応する垂直圧力検出素子４０の出力信号を増幅するアンプや、増幅された信号に対してフィルタ処理を行うフィルタなどを含む。そして、処理回路６６にて処理された信号は、Ａ／Ｄ変換回路６８を経て、制御回路５２に入力される。なお、図３では、垂直圧力検出素子４０と、処理回路６６及びＡ／Ｄ変換回路６８とを、便宜上、１つずつのみ示している。しかしながら、上記したように、把持用センサ１０は各領域Ａ１～Ａ４に４つの垂直圧力検出素子４０、すなわち計１６個の垂直圧力検出素子４０を有しており、ロボットハンド駆動制御装置５０は、１６個の垂直圧力検出素子４０と、各垂直圧力検出素子４０に対応する処理回路６６及びＡ／Ｄ変換回路６８を有している。
　メモリ７０は、書き換え可能な不揮発性メモリであり、ロボットハンド２００を動かすアクチュエータ１００の駆動を制御するためのパラメータが格納されている。具体的には、把持用センサ１０にて検出することができないパラメータ、例えば把持対象物の重量を示す情報と、把持対象物の摩擦係数を示す情報などが格納されている。また、硬度を算出する際の距離と振幅と対応関係を示すマップ、硬度、把持対象物の重量、及び摩擦係数と、垂直圧力との関係を示すマップなどが格納されている。
　次に、制御回路５２が所定のプログラムにしたがって実行する、ロボットハンド２００の把持対象物を掴む動作について、図４を用いて説明する。
　先ずロボットハンド駆動制御装置５０の電源がオンされると、制御回路５２は、発振回路５４に対し、駆動信号を出力すべく指示信号を出力する。発振回路５４は、制御回路５２から指示を受け、所定周波数の駆動信号を出力する（ステップＳ１０）。
　生成された駆動信号（電圧信号）は、ドライバ５６を介して送受信用素子４２ａに伝達される。これにより、送受信用素子４２ａは垂直方向に振動し、振動がメンブレン１８の薄肉部１８ａに伝達され、外部に超音波として送信される。この超音波の周波数は駆動信号の周波数と一致している。
　送信処理の開始後、所定時間が経過すると、制御回路５２は、送受信用素子４２ａが受信回路５８に接続されるように切り替える。そして、制御回路５２は、受信回路５８，６２及びＡ／Ｄ変換回路６０，６４を経て取得した超音波を受信できる素子４２ａ，４２ｂの受信信号の振幅が、所定の閾値より大きいか否か、すなわち、把持対象物からの反射波を受信した超音波素子４２ａ，４２ｂがあるか否かを判定する（ステップＳ１１）。
　ステップＳ１１において、反射波を受信した超音波素子４２ａ，４２ｂがないと判定した場合、制御回路５２は、対応する計測時間を経過したか否かを判定する（ステップＳ１２）。そして、計測時間を経過していなければステップＳ１１に戻る。一方、計測時間を超えたと判定した場合は、ステップＳ１０に戻る。なお、計測時間とは、把持対象物による反射波が検出可能なタイミング（検出可能開始タイミング）から検出可能終了までの時間であり、本実施形態では予め設定されている。
　ステップＳ１１において、反射波を受信した超音波素子４２ａ，４２ｂがあると判定した場合、制御回路５２は、送受信用素子４２ａから超音波が送信され、該超音波の反射波が、いずれかの超音波素子４２ａ，４２ｂにて受信されるまでの時間情報に基づいて、ロボットハンド２００により把持される把持対象物までの距離を算出する（ステップＳ１３）。このステップＳ１３が、特許請求の範囲に記載の距離算出手段に相当する。なお、以下においては、全ての超音波素子４２ａ，４２ｂにおいて反射波を受信したものとする。
　次いで、制御回路５２は、上記した時間情報と、超音波素子４２ａ，４２ｂにて受信した反射波の振幅を示す振幅情報に基づいて、把持対象物の硬度（予想硬度）を算出する（ステップＳ１４）。このステップＳ１４が、特許請求の範囲に記載の硬度算出手段に相当する。超音波は、対象物が硬いほどその反射量が多くなり、受信信号の振幅は大きくなる。一方、対象物が軟らかいほど反射量が少なくなり、受信信号の振幅が小さくなる。また、受信信号の振幅は、対象物との距離にも依存する。したがって、時間情報、すなわち距離と、振幅とから、メモリ７０に格納されたマップにより、制御回路５２は、把持対象物の硬度（予想硬度）を算出することができる。
　また、ステップＳ１１にて、反射波を受信した超音波素子４２ａ，４２ｂが複数あると判定した場合、制御回路５２は、複数の超音波素子４２ａ，４２ｂにて受信した反射波の位相差を示す位相差情報に基づいて、把持対象物の位置及び大きさ、すなわち把持対象物の実態像を算出する（ステップＳ１５）。このステップＳ１５が、特許請求の範囲に記載の実態像算出手段に相当する。なお、超音波素子４２ａ，４２ｂにおいて、素子間の位相差を検出してプロットしていくと、把持対象物の位置だけでなく、大きさもわかる。このため、大きさを算出するには、超音波を受信できる超音波素子４２ａ，４２ｂの個数が多いほど好ましい。
　そして、制御回路５２は、ステップＳ１３にて算出した距離と、ステップＳ１４にて算出した硬度と、ステップＳ１５にて算出した位置及び大きさとを用いて、ロボットハンド２００が把持対象物を把持するように、モータ等のアクチュエータ１００の駆動を制御する（ステップＳ１６）。このステップＳ１６が、特許請求の範囲に記載の把持制御手段に相当する。本実施形態では、算出した硬度情報を用いるため、把持対象物を掴むスピードや圧力を硬度に応じて設定することができる。なお、本実施形態では、制御回路５２が、メモリ７０に格納された把持対象物の重量、摩擦係数の情報を読み出し、これら情報もアクチュエータ１００の駆動制御に用いる。このため、把持対象物に応じたロボットハンド２００の高精度の動作が可能となる。
　次いで、制御回路５２は、ロボットハンド２００の把持動作が完了したか否かを判定する（ステップＳ１７）。この判定は、アクチュエータ１００が、ステップＳ１６で指示した所定動作を完了したか否かで判定される。例えばアクチュエータ１００としてサーボモータを用いると、サーボモータが回転角度を検出するエンコーダーを備えているため、エンコーダーの出力から、モータが所定位置に到達したか否か、すなわちロボットハンド２００の把持動作が完了か否かを検出することができる。
　ステップＳ１７で把持動作完了と判定すると、制御回路５２は、垂直圧力検出素子４０の検出信号に基づいて、垂直圧力を算出する（ステップＳ１８）。このステップＳ１８が、特許請求の範囲に記載の垂直圧力算出手段に相当する。
　そして、制御回路５２は、ステップＳ１８で算出した垂直圧力が所定の閾値を超えたか否かで、ロボットハンド２００が把持対象物に接触しているか否かを判定する（ステップＳ１９）。このステップＳ１９で、接触していないと判定した場合、ステップＳ１０に戻る。
　一方、ステップＳ１９において、接触ありと判定した場合、制御回路５２は、ステップＳ１８で算出した垂直圧力を用いて、ロボットハンド２００による把持対象物の把持状態をフィードバック制御する（ステップＳ２０）。このステップＳ２０が、特許請求の範囲に記載の把持補正手段に相当する。例えば、制御回路５２は、ステップＳ１８にて算出した垂直圧力が、メモリ７０に格納された推奨垂直圧力と異なる場合には、垂直圧力が推奨垂直圧力となるように、アクチュエータ１００をフィードバック制御する。すなわち、把持対象物を掴んだロボットハンド２００の把持力を調整する。なお、推奨垂直圧力とは、硬度、把持対象物の重量、及び摩擦係数との対応関係が、マップとしてメモリ７０に格納されている。
　以上が、ロボットハンド２００により把持対象物を掴む動作である。この動作の完了後、図示しない別のフローにしたがって、例えば把持対象物を所定位置に移送し、位置決め配置する動作が実行される。
　次に、本実施形態に係る把持用センサ１０及びロボットハンド駆動制御装置５０について、特徴部分の効果を説明する。
　本実施形態では、メンブレン１８上に複数の圧電素子３０が形成され、この圧電素子３０の一部を、垂直圧力検出素子４０として機能させ、垂直圧力検出素子４０を除く圧電素子３０の少なくとも一部を、超音波素子４２として機能させる。したがって、把持用センサ１０として、距離センサとしての超音波素子４２と、触覚センサとしての垂直圧力検出素子４０とを備えながらも、部品点数を削減することができる。また、部品点数削減により、体格の小型化や、製造コストの低減を図ることができる。
　特に本実施形態では、垂直圧力検出素子４０を、水平方向において、メンブレン１８を介して厚肉部１４上に設けている。厚肉部１４は、基板１２の他の部分、例えば空洞部１６上の位置するメンブレン１８の薄肉部１８ａ、に較べて剛性が高いため、精度よく垂直圧力を検出することができる。
　また、本実施形態では、基板１２が空洞部１６を複数有しており、各空洞部１６上の薄肉部１８ａをそれぞれ覆うように形成された超音波素子４２は、互いに電気的に分離されている。また、同一の基板１２に、複数の超音波素子４２として、超音波を送信する送受信用素子４２ａと、超音波を受信する複数の超音波素子４２ａ，４２ｂが集積されている。このため、１つの把持用センサ１０から、把持対象物との距離や硬度だけでなく、把持対象物の実態像（大きさや位置）を掴むことができる。すなわち、ロボットハンド２００の動作を、把持対象物に応じて高精度に制御することができる。
　また、本実施形態では、圧電素子３０として、複数の垂直圧力検出素子４０を有し、水平方向において、複数の垂直圧力検出素子４０が分散して設けられている。このため、把持対象物の形状や大きさによらず、垂直圧力を検出することができる。
　また、本実施形態では、把持用センサ１０が備える超音波素子４２ａ，４２ｂにより、把持対象物との距離だけでなく、把持対象物の硬度を算出することができる。このため、把持対象物の硬さが不明でも、算出された硬度に応じた圧力や速度で把持対象物を掴むことができる。また、把持対象物の位置及び大きさを算出することもできるため、精度よく把持対象物を掴むことができる。さらには、垂直圧力検出素子４０により、垂直圧力を算出することができる。このため、把持対象物を掴んだ後に、算出した垂直圧力に基づいて、ロボットハンド２００の動作を補正（フィードバック制御）することができる。
　（変形例）
　上記実施形態では、基板１２の裏面１２ｂ側から形成された空洞部１６の例を示した。しかしながら、空洞部１６は、基板１２の一面１２ａ側から形成されてもよい。
　把持用センサ１０における圧電素子３０の配置（垂直圧力検出素子４０及び超音波素子４２の配置）は上記例に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、把持用センサ１０が、超音波素子４２として、送受信用素子４２ａを１つ、受信用素子４２ｂを３つ有する例を示した。しかしながら、把持用センサ１０としては、超音波の送信及び超音波の受信の少なくとも一方に用いられる超音波素子４２を少なくとも１つ有するものであれば良い。例えば超音波の送信のみに用いられる超音波素子４２を１つ有し、受信用素子４２ｂを複数有する構成としても良い。また、１つの基板１２に形成される垂直圧力検出素子４０の個数も特に限定されない。
　図５に示す例では、把持用センサ１０が、基板１２に空洞部１６（図示せず）を１つのみ有しており、メンブレン１８における空洞部１６上の薄肉部１８ａを覆うように１つの超音波素子４２が形成されている。また、基板１２には、垂直圧力検出素子４０が１つ形成されている。このように、把持用センサ１０が１つの超音波素子４２を有する構成の場合、ロボットハンド駆動制御装置５０として、位相差から把持対象物の実態像（位置及び大きさ）を算出するには、複数の把持用センサ１０（複数のチップ）を備えれば良い。
　一方、図６に示す例では、圧電素子３０が、領域Ａ１における基板１２の一面１２ａほぼ全面においてマトリクス状（行列状）に設けられている。具体的には、９行×９列の配置となっており、各圧電素子３０は、水平方向において略正方形をなしている。そして、厚肉部１４上に位置する圧電素子３０の一部、詳しくは、最外周を１周目として２周目の圧電素子３０が、一つ置きに垂直圧力検出素子４０となっている。また、それ以外の圧電素子３０は、超音波素子４２となっている。これら複数の超音波素子４２は、下部電極３２同士、上部電極３６同士が、それぞれ同電位となるように、ロボットハンド駆動制御装置５０において制御される。すなわち、構造上分割されているものの、電気的には１つの超音波素子４２として振る舞う。なお、他の領域Ａ２～Ａ４でも同様の構成となっている。図６に示す構成は、図５のように、基板１２に１つの空洞部１６のみを有する構成にも適用することができる。
　上記実施形態では、メモリ７０に、把持対象物の重量や摩擦係数に関するデータが格納される例を示した。しかしながら、把持用センサ１０と別のセンサとして、ロボットハンド駆動制御装置５０が、荷重センサ、表面状態（摩擦係数）を検出するセンサを備え、これらセンサからの信号に基づいて、把持対象物の重量や表面状態（摩擦係数）を算出する構成としても良い。
　上記実施形態では、トレンチ２８を空隙としたが、トレンチ２８内を、振動減衰部材にて埋めた構成としても良い。このような振動減衰部材としては、減衰定数が高い材料、好ましくは、弾性率が低く、密度が小さい材料が好適である。例えば、ゴム系材料、発泡樹枝などの気孔を含む樹脂などを用いることができる。また、トレンチ２８を有さない構成としても良い。しかしながら、トレンチ２８を設けたほうが、水平方向において体格を小型化することができる。
　（第２実施形態）
　本実施形態において、上記実施形態に示した把持用センサ１０及びロボットハンド駆動制御装置５０と共通する部分についての説明は割愛する。第１実施形態では、把持用センサ１０が、触覚センサとして垂直圧力検出素子４０のみを有する例を示した。
　これに対し、本実施形態では、把持用センサ１０が、触覚センサとして、垂直圧力検出素子４０とともに、せん断力検出素子７２も備える点を特徴とする。また、ロボットハンド駆動制御装置５０が、上記した垂直圧力とともにせん断力検出素子７２にて検出されたせん断力を用いて、ロボットハンド２００の把持状態をフィードバック制御する点を特徴とする。
　図７及び図８に示すように、本実施形態に係る把持用センサ１０は、第１実施形態と同じ態様の超音波素子４２を備えている。なお、図７では、基板１２のうち、領域Ａ１のみを示しているが、残りの領域Ａ２～Ａ４も、領域Ａ１と同様の構成を有している。
　また、第１実施形態同様、メンブレン１８を介して、基板１２の厚肉部１４上には、垂直圧力検出素子４０が設けられている。本実施形態では、図７に示すように、平面矩形状の薄肉部１８ａ（平面矩形状の超音波素子４２）を取り囲むように、複数（図７では１２個）の垂直圧力検出素子４０が所定ピッチを有しつつ矩形環状に設けられている。これら垂直圧力検出素子４０は、互いに電気的に分離されており、個別に垂直圧力の検出が可能となっている。
　また、水平方向において、垂直圧力検出素子４０の隣には、垂直圧力検出素子４０及び超音波素子４２とは別の圧電素子７４が設けられている。そして、互いに隣り合う垂直圧力検出素子４０及び圧電素子７４において、それぞれの少なくとも上部電極３６同士により、水平方向に加わるせん断力（すべり角とも言う）を静電容量値の変化として検出するためのせん断力検出素子７２が構成されている。
　本実施形態では、垂直圧力検出素子４０の上部電極３６、ひいては垂直圧力検出素子４０全体が、水平方向において矩形状（略正方形）をなしており、垂直圧力検出素子４０の上部電極３６の矩形各辺に対して、互いに電気的に分離された圧電素子７４がそれぞれ配置されている。そして、垂直圧力検出素子４０の上部電極３６の４辺に対して、圧電素子７４の上部電極３６がそれぞれ対向配置されている。
　また、圧電素子３０のうち、少なくともせん断力検出素子７２を構成する垂直圧力検出素子４０及び圧電素子７４の上部電極３６上には、水平方向において矩形状をなし、垂直方向において所定高さを有する柱部７６がそれぞれ形成されている。本実施形態では、超音波素子４２の感度を向上するために、超音波素子４２には柱部７６を設けず、垂直圧力検出素子４０及び圧電素子７４のみに柱部７６を設けている。この柱部７６は、対応する上部電極３６と電気的に接続されており、垂直圧力検出素子４０の柱部７６の矩形４辺に対して、互いに電気的に分離された圧電素子７４の柱部７６がそれぞれ対向配置されている。そして、図９に示すように、せん断力検出素子７２を構成する容量電極は、垂直圧力検出素子４０の上部電極３６及び柱部７６と、圧電素子７４の上部電極３６及び柱部７６により構成されている。なお、垂直圧力検出素子４０において、突起部３８は、柱部７６を介して上部電極３６上に形成されている。
　本実施形態では、１つの垂直圧力検出素子４０に対し、４つの圧電素子７４が設けられている。１つの垂直圧力検出素子４０に対応する４つの圧電素子７４は互いに電気的に分離されており、異なる垂直圧力検出素子４０に対応する圧電素子７４も互いに電気的に分離されている。このように、１つの垂直圧力検出素子４０につき、４つのせん断力検出素子７２が形成されている。圧電素子７４は、図７に示すように、平面長方形をなしており、短手方向の幅が垂直圧力検出素子４０の幅とほぼ等しく、長手方向の幅が垂直圧力検出素子４０の幅よりも長くなっている。このため、垂直圧力検出素子４０の柱部７６のほうが、圧電素子７４の柱部７６よりも、水平方向における断面積が小さくなっている。
　なお、矩形状の柱部７６の直交する２辺にそれぞれ沿う方向と、矩形状の上部電極３６の直交する２辺にそれぞれ沿う方向は互いに一致している。柱部７６の構成材料としては、上部電極３６と電気的に接続される材料、すなわち後述するせん断力検出素子７２の容量電極を形成できるものであれば採用することができる。例えば、ポリアセチレンやポリチオフェンなどの導電性樹脂、ドープドポリシリコン、銅合金などがある。好ましくは、水平方向に変形しやすいように、上部電極３６よりもヤング率の低い材料を用いて形成されると良い。
　次に、本実施形態に係るロボットハンド駆動制御装置５０の構成について、図１０を用いて説明する。
　図１０に示すように、ロボットハンド駆動制御装置５０は、第１実施形態に示したロボットハンド駆動制御装置５０に対し、把持用センサ１０が、せん断力検出素子７２も有している。そして、せん断力検出素子７２の検出した静電容量値を電圧信号に変換するＣ－Ｖ変換回路７８と、Ａ／Ｄ変換回路８０をさらに備えている。なお、Ｃ－Ｖ変換回路７８については周知構成のものを採用することができるため、詳細な説明は割愛する。
　次に、制御回路５２が所定のプログラムにしたがって実行する、ロボットハンド２００の把持対象物を掴む動作について、図１１を用いて説明する。
　ステップＳ１０からステップＳ１９までは、第１実施形態に示す図４と同じである。ステップＳ１９において、接触ありと判定した場合、制御回路５２は、せん断力検出素子７２の検出した静電容量値に基づいて、水平方向に加わるせん断力を算出する（ステップＳ２１）。このステップＳ２１が、特許請求の範囲に記載のせん断力算出手段に相当する。
　そして、制御回路５２は、ステップＳ１８で算出した垂直圧力と、ステップＳ２１で算出したせん断力とを用いて、ロボットハンド２００による把持対象物の把持状態をフィードバック制御する（ステップＳ２０）。このステップＳ２０が、特許請求の範囲に記載の把持補正手段に相当する。例えば、制御回路５２は、第１実施形態同様、ステップＳ１８にて算出した垂直圧力が、メモリ７０に格納された推奨垂直圧力と異なる場合には、垂直圧力が推奨垂直圧力となるように、アクチュエータ１００をフィードバック制御する。すなわち、把持対象物を掴んだロボットハンド２００の把持力を調整する。また、ステップＳ１９にて算出したせん断力が所定の閾値未満である場合には、把持対象物を落とす虞があるため、垂直圧力が高まる方向に、アクチュエータ１００をフィードバック制御する。例えば、せん断力の閾値もメモリ７０に格納されている。
　次に、本実施形態に係る把持用センサ１０及びロボットハンド駆動制御装置５０について、特徴部分の効果を説明する。
　本実施形態では、垂直圧力検出素子４０を利用して、静電容量式のせん断力検出素子７２が構成されている。したがって、垂直圧力検出素子４０を利用せずに、せん断力検出素子７２を設ける構成に較べて、把持用センサ１０の構成を簡素化することができる。これにより、例えば水平方向において体格の小型化を図ることができる。
　また、本実施形態では、１つの垂直圧力検出素子４０に対し、４つの圧電素子７４がそれぞれ対向配置されている。また、垂直圧力検出素子４０の容量電極（上部電極３６及び柱部７６）は平面矩形状をなしており、該容量電極の矩形４辺に対して、互いに電気的に分離された圧電素子７４の容量電極（上部電極３６及び柱部７６）がそれぞれ対向配置されている。したがって、水平方向の２軸（図７に示す紙面左右方向と紙面上下方向）において、せん断力を検出することができる。すなわち、垂直圧力と合わせて３軸力を検出することができる。
　特に本実施形態では、上記したように、せん断力検出素子７２を構成する垂直圧力検出素子４０及び圧電素子７４の上部電極３６上に、柱部７６が形成されている。このため、せん断力検出素子７２を構成する容量電極が上部電極３６のみからなる構成に較べて、容量電極の対向面積を大きくし、初期の静電容量値を大きくすることができる。また、柱部７６を設けることで、容量電極の垂直方向の長さが長くなり、容量電極が変形しやすくなるため、容量電極の対向距離の変化量を大きくすることができる。
　さらに本実施形態では、垂直圧力検出素子４０の柱部７６のほうが、圧電素子７４の柱部７６よりも、水平方向における断面積が小さくされている。これにより、垂直圧力検出素子４０の柱部７６が変形しやすいため、水平方向の２軸において、せん断力の検出感度を向上することができる。なお、上部電極３６よりもヤング率の低い材料を用いて柱部７６を形成すると、上部電極３６のみによって同じ高さの容量電極を形成する構成に較べて、容量電極を変形しやすくすることができる。
　また、本実施形態では、把持用センサ１０が、せん断力検出素子７２を有しており、ロボットハンド駆動制御装置５０は、せん断力検出素子７２の検出信号から、せん断力を算出するせん断力算出手段（ステップＳ２１）を備える。このため、把持対象物を掴んだ後に、垂直圧力とせん断力に基づいて、ロボットハンド２００による把持対象物の把持状態を、より精度よく補正（フィードバック制御）することができる。
　（変形例）
　上記実施形態では、せん断力検出素子７２を構成する垂直圧力検出素子４０及び圧電素子７４が、容量電極の構成要素として、上部電極３６及び柱部７６をそれぞれ有する例を示した。しかしながら、柱部７６を有さず、容量電極が上部電極３６のみにより構成されても良い。
　本実施形態においても、把持用センサ１０における圧電素子３０の配置（垂直圧力検出素子４０、超音波素子４２、せん断力検出素子７２、及び圧電素子７４の配置）は上記例に限定されるものではない。少なくとも１つの垂直圧力検出素子４０、少なくとも１つの超音波素子４２、垂直圧力検出素子４０を利用した少なくとも１つのせん断力検出素子７２を有せば良い。上記実施形態では、垂直圧力検出素子４０と圧電素子７４とによりせん断力検出素子７２を構成したが、圧電素子７４を設けず、垂直圧力検出素子４０と超音波素子４２とによりせん断力検出素子７２を構成しても良い。
　例えば図１２に示す例では、圧電素子３０が、領域Ａ１における基板１２の一面１２ａほぼ全面においてマトリクス状（行列状）に設けられている。具体的には、１２行×１２列の配置となっている。詳しくは、図７に示した構成において、垂直圧力検出素子４０を中心とし、４辺に圧電素子７４を対向配置させた十字状の配置を、厚肉部１４上だけでなく、メンブレン１８の薄肉部１８ａ上においても繰り返し構造としている。そして、厚肉部１４上に設けられた垂直圧力検出素子４０を除く圧電素子３０を、超音波素子４２としている。これら複数の超音波素子４２は、超音波の送信時（ステップＳ１０）、又は、超音波の受信時（ステップＳ１１）に、下部電極３２同士、上部電極３６同士が同電位となるように、ロボットハンド駆動制御装置５０において制御される。すなわち、構造上分割されているものの、電気的には１つの超音波素子４２として振る舞う。一方、せん断力の算出時（ステップＳ２１）に、超音波素子４２のうち、水平方向に沿う２軸（図１２の紙面左右方向と紙面上下方向）で垂直圧力検出素子４０の隣り合う超音波素子４２のみ、その容量電極（上部電極３６及び柱部７６）がせん断力検出に用いられるように、ロボットハンド駆動制御装置５０において制御される。なお、他の領域Ａ２～Ａ４でも同様の構成となっている。図１２に示す構成は、図５のように、基板１２に１つの空洞部１６のみを有する構成にも適用することができる。
　上記実施形態では、垂直圧力検出素子４０が、基板１２の厚肉部１４上に形成される例を示したが、垂直圧力検出素子４０が、メンブレン１８の薄肉部１８ａ上に形成された構成とすることもできる。しかしながら、薄肉部１８ａは変形可能に設けられているため、垂直圧力の検出ばらつきや、薄肉部１８ａのダメージ等が考えられる。したがって、上記実施形態に示すように、厚肉部１４上に垂直圧力検出素子４０を設けることが好ましい。
　上記実施形態では、せん断力検出素子７２として、静電容量式の例を示した。しかしながら、例えば図１３に示すように、接触式のスイッチを接触タイミングがずれるように複数設けてなるせん断力検出素子を採用することもできる。図１３は、図７のＸＩＩＩ－ＸＩＩＩ線に沿う断面図であり、その断面構造は、垂直圧力検出素子４０と垂直圧力検出素子４０に隣り合う圧電素子７４との間隔が一定でない点を除けば図７（第２実施形態）と同じである。図１３に示す断面図には、３つの垂直圧力検出素子４０が示されており、紙面左側から、圧電素子７４との間隔がＤ１、Ｄ２（＞Ｄ１）、Ｄ３（＞Ｄ２）となっている。このため、せん断力が小さいときには、例えば間隔Ｄ１の垂直圧力検出素子４０の柱部７６のみが、隣り合う圧電素子７４の柱部７６に接触する。すなわち、垂直圧力検出素子４０と圧電素子７４の上部電極３６が電気的に接続される（ショートする）。また、せん断力が中程度のときには、例えば間隔Ｄ１と間隔Ｄ２の垂直圧力検出素子４０の柱部７６が、隣り合う圧電素子７４の柱部７６に接触する。また、せん断力が大きいときには、間隔Ｄ１、間隔Ｄ２、間隔Ｄ３の垂直圧力検出素子４０の柱部７６が、隣り合う圧電素子７４の柱部７６に接触する。したがって、どの間隔の垂直圧力検出素子４０まで隣り合う圧電素子７４とショートしているかにより、せん断力がどの程度かを算出することができる。例えば、間隔とせん断力との対応関係を示すマップがメモリ７０に格納され、制御回路５２は、このマップに基づいてせん断力を算出する。
　すなわち、把持用センサ１０が、圧電素子３０として、複数の垂直圧力検出素子４０を有し、垂直圧力検出素子４０の隣には別の圧電素子７４（超音波素子４２でも良い）が設けられ、水平方向において、複数の垂直圧力検出素子４０は分散しており、互いに隣り合う垂直圧力検出素子４０及び別の圧電素子７４において、上部電極３６上には、該上部電極３６と電気的に接続された柱部７６が形成され、垂直圧力検出素子４０において、突起部３８は、柱部７６を介して上部電極３６上に形成されており、各垂直圧力検出素子４０の柱部７６と、該垂直圧力検出素子４０に隣り合う別の圧電素子７４の柱部７６との間隔は、水平方向のうちの少なくとも１軸方向において、多段（間隔Ｄ１～Ｄ３）に設定された構成としても良い。
　上記の開示は、以下の態様を有する。
　本開示の第一の態様において、複合デバイスは、厚肉部と、該厚肉部に取り囲まれた空洞部と、該空洞部を架橋して前記厚肉部上に形成されたメンブレンと、を有する基板と、前記メンブレンにおける厚肉部と反対の一面上に、下部電極、圧電体膜、上部電極の順に積層形成された複数の圧電素子と、を備え、前記圧電素子は、互いに電気的に分離されており、一部の前記圧電素子は、電気絶縁性材料からなる突起部を有し、突起部は、上部電極上に形成され、当該一部の前記圧電素子は、前記圧電素子が積層された垂直方向に加わる垂直圧力を検出するための垂直圧力検出素子を提供し、複数の前記圧電素子は、さらに、超音波の送信及び超音波の受信の少なくとも一方を実施する超音波素子を有し、超音波素子は、前記垂直圧力検出素子とは別の圧電素子であり、該超音波素子は、前記垂直方向に直交する水平方向において、少なくとも前記基板の空洞部上に設けられている。
　上記の複合デバイスでは、メンブレン上に複数の圧電素子が形成され、この圧電素子の一部を、垂直圧力検出素子として機能させ、垂直圧力検出素子を除く圧電素子の少なくとも一部を、超音波素子として機能させる。したがって、把持用センサとして、距離センサとしての超音波センサと、触覚センサとしての垂直圧力検出素子とを備えながらも、部品点数を削減することができる。また、部品点数削減により、体格の小型化や、製造コストの低減を図ることができる。
　代案として、前記複合デバイスは、把持対象物を把持する際に用いられる把持センサであってもよい。
　代案として、記垂直圧力検出素子は、前記水平方向において、前記基板の厚肉部上に設けられてもよい。この場合、水平方向において厚肉部が形成された部分は、基板の他の部分、例えばメンブレンにおける空洞部上の部分、に較べて剛性が高いため、精度よく垂直圧力を検出することができる。
　代案として、前記水平方向において、前記垂直圧力検出素子の隣には、前記別の圧電素子が設けられてもよい。互いに隣り合う前記垂直圧力検出素子及び前記別の圧電素子は、せん断力検出素子を提供する。せん断力検出素子は、少なくとも上部電極により、前記水平方向に加わるせん断力を静電容量値の変化として検出する。これによれば、垂直圧力検出素子を利用して、静電容量式のせん断力検出素子を構成する。したがって、垂直圧力検出素子を利用せずにせん断力検出素子を設ける構成に較べて、構成を簡素化することができる。これにより、例えば水平方向において体格の小型化を図ることができる。
　代案として、前記垂直圧力検出素子の上部電極は、前記水平方向において矩形状をなしてもよい。前記垂直圧力検出素子の上部電極の矩形形の各辺に対して、前記別の圧電素子の上部電極が対向配置される。前記垂直圧力検出素子の上部電極に対向配置された前記別の圧電素子の上部電極は、互いに電気的に分離されている。これによれば、水平方向の２軸において、せん断力を検出することができる。すなわち、垂直圧力と合わせて３軸力を検出することができる。
　代案として、少なくとも前記せん断力検出素子を構成する前記垂直圧力検出素子及び前記別の圧電素子の上部電極上には、該上部電極と電気的に接続され、前記水平方向において矩形状をなす柱部が形成されてもよい。前記垂直圧力検出素子の柱部の矩形の各辺に対して、前記別の圧電素子の柱部が対向配置される。前記せん断力検出素子は、前記上部電極と前記柱部とにより構成される。前記垂直圧力検出素子において、前記突起部は、前記柱部を介して前記上部電極上に形成されている。これによれば、上部電極と柱部により、せん断力検出素子を構成する１組の容量電極が構成される。したがって、せん断力検出素子が上部電極のみからなる構成に較べて、容量電極の対向面積を大きくし、初期の静電容量値を大きくすることができる。また、容量電極が変形しやすいため、容量電極の対向距離の変化量を大きくすることができる。
　代案として、前記垂直圧力検出素子の柱部のほうが、該垂直圧力検出素子に隣り合う別の圧電素子の柱部よりも、前記水平方向における断面積が小さくてもよい。これによれば、垂直圧力検出素子の柱部が変形しやすいため、水平方向の２軸において、せん断力の検出感度を向上することができる。
　代案として、前記柱部は、前記上部電極よりもヤング率の低い材料を用いて形成されてもよい。これによれば、上部電極のみにより、同じ高さの容量電極を形成する構成に較べて、容量電極を変形しやすくすることができる。
　代案として、前記空洞部は、複数の空洞部分を有してもよい。超音波素子は、複数の超音波素子部分を有する。各超音波素子部分は、対応する空洞部分上に位置する。複数の超音波素子部分は、互いに電気的に分離されている。複数の前記超音波素子部分は、超音波を送信する少なくとも一つの超音波送信素子と、超音波を受信する複数の超音波受信素子とを有する。これによれば、１つの基板に、少なくとも１つの送信用の超音波素子と、複数の受信用の超音波素子が集積されるため、１つの基板、すなわち１つの把持用センサの出力から、把持対象物の実態像（大きさや位置）を掴むことができる。
　代案として、前記垂直圧力検出素子は、複数の垂直圧力検出素子部分を有してもよい。前記水平方向において、複数の前記垂直圧力検出素子部分は分散して設けられている。これによれば、把持対象物の形状や大きさによらず、垂直圧力などを検出することができる。
　本開示の第二の態様において、ロボットハンド駆動制御装置は、前記超音波送信素子と複数の前記超音波受信素子とを有する本開示の第一の態様に記載の複合デバイスと、前記超音波送信素子から超音波が送信され、該超音波の反射波が前記超音波受信素子にて受信されるまでの時間情報に基づいて、ロボットハンドにより把持される把持対象物までの距離を算出する距離算出手段と、前記時間情報と、前記超音波素子にて受信した反射波の振幅を示す振幅情報に基づいて、前記把持対象物の硬度を算出する硬度算出手段と、複数の前記超音波素子にて受信した反射波の位相差を示す位相差情報に基づいて、前記把持対象物の位置及び大きさを算出する実体像算出手段と、前記距離算出手段にて算出された距離と、前記硬度算出手段にて算出された硬度と、前記実体像算出手段にて算出された位置及び大きさとを用いて、前記把持対象物を把持するためのロボットハンドの駆動を制御する把持制御手段と、前記垂直圧力検出素子の検出信号に基づいて、前記把持制御手段による駆動制御が完了した時点での垂直圧力を算出する垂直圧力算出手段と、前記垂直圧力算出手段にて算出された垂直圧力を用いて、前記ロボットハンドによる把持対象物の把持状態をフィードバック制御する把持補正手段と、を備える。
　上記のロボットハンド駆動制御装置において、把持対象物との距離だけでなく、把持対象物の硬度を算出することができる。このため、算出された硬度に応じた圧力や速度で把持対象物を掴むことができる。また、把持対象物の位置及び大きさを算出することもできるため、精度よく把持対象物を掴むことができる。また、垂直圧力を算出し、算出した垂直圧力に基づいて、ロボットハンドによる把持対象物の把持状態を補正（フィードバック制御）することができる。
　本開示の第三の態様において、ロボットハンド駆動制御装置は、前記超音波送信素子と複数の前記超音波受信素子とを有する本開示の第一の態様に記載の複合デバイスと、前記水平方向において、前記垂直圧力検出素子の隣には、前記別の圧電素子が設けられ、互いに隣り合う前記垂直圧力検出素子及び前記別の圧電素子は、せん断力検出素子を提供し、せん断力検出素子は、少なくとも上部電極により、前記水平方向に加わるせん断力を静電容量値の変化として検出し、前記超音波送信素子から超音波が送信され、該超音波の反射波が前記超音波受信素子にて受信されるまでの時間情報に基づいて、ロボットハンドにより把持される把持対象物までの距離を算出する距離算出手段と、前記時間情報と、前記超音波受信素子にて受信した反射波の振幅を示す振幅情報に基づいて、前記把持対象物の硬度を算出する硬度算出手段と、複数の前記超音波受信素子にて受信した反射波の位相差を示す位相差情報に基づいて、前記把持対象物の位置及び大きさを算出する実体像算出手段と、前記距離算出手段にて算出された距離と、前記硬度算出手段にて算出された硬度と、前記実体像算出手段にて算出された位置及び大きさとを用いて、前記把持対象物を把持するためのロボットハンドの駆動を制御する把持制御手段と、前記垂直圧力検出素子の検出信号に基づいて、前記把持制御手段による駆動制御が完了した時点での垂直圧力を算出する垂直圧力算出手段と、前記せん断力検出素子の検出した静電容量値に基づいて、前記把持制御手段による駆動制御が完了した時点での前記水平方向に加わるせん断力を算出するせん断力算出手段と、前記垂直圧力算出手段にて算出された垂直圧力と、前記せん断力算出手段にて算出されたせん断力とを用いて、前記ロボットハンドによる把持対象物の把持状態をフィードバック制御する把持補正手段と、を備える。
　上記のロボットハンド駆動制御装置において、把持対象物との距離だけでなく、把持対象物の硬度を算出することができる。このため、算出された硬度に応じた圧力や速度で把持対象物を掴むことができる。また、把持対象物の位置及び大きさを算出することもできるため、精度よく把持対象物を掴むことができる。また、垂直圧力を算出し、算出した垂直圧力に基づいて、ロボットハンドによる把持対象物の把持状態を補正（フィードバック制御）することができる。さらに、せん断力を算出することができる。このため、上記した垂直圧力とせん断力に基づいて、ロボットハンドによる把持対象物の把持状態を、より精度よく補正（フィードバック制御）することができる。
　本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

Claims (12)

  1. 　厚肉部（１４）と、該厚肉部（１４）に取り囲まれた空洞部（１６）と、該空洞部（１６）を架橋して前記厚肉部（１４）上に形成されたメンブレン（１８）と、を有する基板（１２）と、
    　前記メンブレン（１８）における厚肉部（１４）と反対の一面（１２ａ）上に、下部電極（３２）、圧電体膜（３４）、上部電極（３６）の順に積層形成された複数の圧電素子（３０）と、を備え、
    　前記圧電素子（３０）は、互いに電気的に分離されており、
    　一部の前記圧電素子（３０）は、電気絶縁性材料からなる突起部（３８）を有し、
    　突起部（３８）は、上部電極（３６）上に形成され、
    　当該一部の前記圧電素子（３０）は、前記圧電素子（３０）が積層された垂直方向に加わる垂直圧力を検出するための垂直圧力検出素子（４０）を提供し、
    　複数の前記圧電素子（３０）は、さらに、超音波の送信及び超音波の受信の少なくとも一方を実施する超音波素子（４２、７４）を有し、
    　超音波素子（４２、７４）は、前記垂直圧力検出素子（４０）とは別の圧電素子（３０）であり、
    　該超音波素子（４２、７４）は、前記垂直方向に直交する水平方向において、少なくとも前記基板（１２）の空洞部（１６）上に設けられている複合デバイス。
  2. 　前記複合デバイスは、把持対象物を把持する際に用いられる把持センサである請求項１に記載の複合デバイス。
  3. 　前記垂直圧力検出素子（４０）は、前記水平方向において、前記基板（１２）の厚肉部（１４）上に設けられている請求項１または２に記載の複合デバイス。
  4. 　前記水平方向において、前記垂直圧力検出素子（４０）の隣には、前記別の圧電素子（４２、７４）が設けられ、
    　互いに隣り合う前記垂直圧力検出素子（４０）及び前記別の圧電素子（４２、７４）は、せん断力検出素子（７２）を提供し、
    　せん断力検出素子（７２）は、少なくとも上部電極（３６）により、前記水平方向に加わるせん断力を静電容量値の変化として検出する請求項１－３のいずれかひとつに記載の複合デバイス。
  5. 　前記垂直圧力検出素子（４０）の上部電極（３６）は、前記水平方向において矩形状をなし、
    　前記垂直圧力検出素子（４０）の上部電極（３６）の矩形形の各辺に対して、前記別の圧電素子（４２、７４）の上部電極（３６）が対向配置され、
    　前記垂直圧力検出素子（４０）の上部電極（３６）に対向配置された前記別の圧電素子（４２、７４）の上部電極（３６）は、互いに電気的に分離されている請求項４に記載の複合デバイス。
  6. 　少なくとも前記せん断力検出素子（７２）を構成する前記垂直圧力検出素子（４０）及び前記別の圧電素子（４２、７４）の上部電極（３６）上には、該上部電極（３６）と電気的に接続され、前記水平方向において矩形状をなす柱部（７６）が形成され、
    　前記垂直圧力検出素子（４０）の柱部（７６）の矩形の各辺に対して、前記別の圧電素子（７４，４２）の柱部（７６）が対向配置され、
    　前記せん断力検出素子（７２）は、前記上部電極（３６）と前記柱部（７６）とにより構成され、
    　前記垂直圧力検出素子（４０）において、前記突起部（３８）は、前記柱部（７６）を介して前記上部電極（３６）上に形成されている請求項５に記載の複合デバイス。
  7. 　前記垂直圧力検出素子（４０）の柱部（７６）のほうが、該垂直圧力検出素子（４０）に隣り合う別の圧電素子（７４，４２）の柱部（７６）よりも、前記水平方向における断面積が小さい請求項６に記載の複合デバイス。
  8. 　前記柱部（７６）は、前記上部電極（３６）よりもヤング率の低い材料を用いて形成される請求項６又は請求項７に記載の複合デバイス。
  9. 　前記空洞部（１６）は、複数の空洞部分（１６）を有し、
    　超音波素子（４２）は、複数の超音波素子部分（４２）を有し、
    　各超音波素子部分（４２）は、対応する空洞部分（１６）上に位置し、
    　複数の超音波素子部分（４２）は、互いに電気的に分離されており、
    　複数の前記超音波素子部分（４２）は、超音波を送信する少なくとも一つの超音波送信素子（４２ａ）と、超音波を受信する複数の超音波受信素子（４２ａ，４２ｂ）とを有する請求項１～８いずれか１項に記載の複合デバイス。
  10. 　前記垂直圧力検出素子（４０）は、複数の垂直圧力検出素子部分（４０）を有し、
    　前記水平方向において、複数の前記垂直圧力検出素子部分（４０）は分散して設けられている請求項１～９いずれか１項に記載の複合デバイス。
  11. 　前記超音波送信素子（４２ａ）と複数の前記超音波受信素子（４２ａ，４２ｂ）とを有する請求項９に記載の複合デバイス（１０）と、
    　前記超音波送信素子（４２ａ）から超音波が送信され、該超音波の反射波が前記超音波受信素子（４２ａ，４２ｂ）にて受信されるまでの時間情報に基づいて、ロボットハンド（２００）により把持される把持対象物までの距離を算出する距離算出手段（Ｓ１３）と、
    　前記時間情報と、前記超音波素子（４２ａ，４２ｂ）にて受信した反射波の振幅を示す振幅情報に基づいて、前記把持対象物の硬度を算出する硬度算出手段（Ｓ１４）と、
    　複数の前記超音波素子（４２ａ，４２ｂ）にて受信した反射波の位相差を示す位相差情報に基づいて、前記把持対象物の位置及び大きさを算出する実体像算出手段（Ｓ１５）と、
    　前記距離算出手段（Ｓ１３）にて算出された距離と、前記硬度算出手段（Ｓ１４）にて算出された硬度と、前記実体像算出手段（Ｓ１５）にて算出された位置及び大きさとを用いて、前記把持対象物を把持するためのロボットハンド（２００）の駆動を制御する把持制御手段（Ｓ１６）と、
    　前記垂直圧力検出素子（４０）の検出信号に基づいて、前記把持制御手段（Ｓ１６）による駆動制御が完了した時点での垂直圧力を算出する垂直圧力算出手段（Ｓ１８）と、
    　前記垂直圧力算出手段（Ｓ１８）にて算出された垂直圧力を用いて、前記ロボットハンド（２００）による把持対象物の把持状態をフィードバック制御する把持補正手段（Ｓ２０）と、を備えるロボットハンド駆動制御装置。
  12. 　前記超音波送信素子（４２ａ）と複数の前記超音波受信素子（４２ａ，４２ｂ）とを有する請求項９に記載の複合デバイス（１０）と、前記水平方向において、前記垂直圧力検出素子（４０）の隣には、前記別の圧電素子（４２、７４）が設けられ、互いに隣り合う前記垂直圧力検出素子（４０）及び前記別の圧電素子（４２、７４）は、せん断力検出素子（７２）を提供し、せん断力検出素子（７２）は、少なくとも上部電極（３６）により、前記水平方向に加わるせん断力を静電容量値の変化として検出し、
    　前記超音波送信素子（４２ａ）から超音波が送信され、該超音波の反射波が前記超音波受信素子（４２ａ，４２ｂ）にて受信されるまでの時間情報に基づいて、ロボットハンド（２００）により把持される把持対象物までの距離を算出する距離算出手段（Ｓ１３）と、
    　前記時間情報と、前記超音波受信素子（４２ａ，４２ｂ）にて受信した反射波の振幅を示す振幅情報に基づいて、前記把持対象物の硬度を算出する硬度算出手段（Ｓ１４）と、
    　複数の前記超音波受信素子（４２ａ，４２ｂ）にて受信した反射波の位相差を示す位相差情報に基づいて、前記把持対象物の位置及び大きさを算出する実体像算出手段（Ｓ１５）と、
    　前記距離算出手段（Ｓ１３）にて算出された距離と、前記硬度算出手段（Ｓ１４）にて算出された硬度と、前記実体像算出手段（Ｓ１５）にて算出された位置及び大きさとを用いて、前記把持対象物を把持するためのロボットハンド（２００）の駆動を制御する把持制御手段（Ｓ１６）と、
    　前記垂直圧力検出素子（４０）の検出信号に基づいて、前記把持制御手段（Ｓ１６）による駆動制御が完了した時点での垂直圧力を算出する垂直圧力算出手段（Ｓ１８）と、
    　前記せん断力検出素子（７２）の検出した静電容量値に基づいて、前記把持制御手段（Ｓ１６）による駆動制御が完了した時点での前記水平方向に加わるせん断力を算出するせん断力算出手段（Ｓ２１）と、
    　前記垂直圧力算出手段（Ｓ１８）にて算出された垂直圧力と、前記せん断力算出手段（Ｓ２１）にて算出されたせん断力とを用いて、前記ロボットハンド（２００）による把持対象物の把持状態をフィードバック制御する把持補正手段（Ｓ２０）と、を備えるロボットハンド駆動制御装置。
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