WO2015133113A1 - 触覚センサおよび手触り感の評価方法 - Google Patents

触覚センサおよび手触り感の評価方法 Download PDF

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WO2015133113A1
WO2015133113A1 PCT/JP2015/001073 JP2015001073W WO2015133113A1 WO 2015133113 A1 WO2015133113 A1 WO 2015133113A1 JP 2015001073 W JP2015001073 W JP 2015001073W WO 2015133113 A1 WO2015133113 A1 WO 2015133113A1
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measurement object
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displacement
tactile sensor
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PCT/JP2015/001073
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高尾　英邦
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国立大学法人香川大学
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    • G01L5/0028—Force sensors associated with force applying means
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    • G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material

Definitions

  • the present invention relates to a tactile sensor and a touch feeling evaluation method. More specifically, the present invention relates to a tactile sensor for the purpose of quantifying the feeling of touch that humans feel, and a method for evaluating the feel of touch based on data acquired by the tactile sensor.
  • tactile sensors have been developed that mimic human tactile engineering. Above all, a tactile sensor formed by semiconductor micromachining technology has the advantage that a large number of sensor parts can be arranged at high density and position resolution is high because many sensor signals can be read out with few wires. .
  • a tactile sensor formed by a semiconductor micromachining technology for example, a tactile sensor using a deformation of a thin silicon diaphragm (Patent Document 1) and a tactile sensor using a deformation of a hinge structure (Patent Document 2) are known.
  • the conventional tactile sensors described in Patent Documents 1 and 2 have a structure in which the surface of the substrate is used as a sensing surface, and a measurement object is brought into contact with the surface of the substrate. read. Therefore, the structure for sensing is constructed in the thickness direction of the substrate.
  • a tactile sensor using the surface of the substrate as a sensing surface has a small allowable displacement due to limitations on the material properties and thickness of the substrate. Further, since the contact is erected on the substrate, the tip shape cannot be freely designed, and the tip shape suitable for various measuring objects cannot be obtained. Therefore, there is a problem that the detection performance of fine irregularities on the surface of the measurement object is poor, and it is difficult to evaluate a delicate touch feeling.
  • an object of the present invention is to provide a tactile sensor that can tolerate a large displacement of a contact and can detect fine irregularities, flexibility, and the like on the surface of an object to be measured. It is another object of the present invention to provide a tactile sensor capable of sensing while keeping the force applied to the measurement object substantially constant and capable of performing stable measurement. Furthermore, it aims at providing the method of evaluating a touch feeling based on the data acquired with the tactile sensor.
  • a tactile sensor includes a sensor portion formed on a substrate, and the sensor portion is parallel to the substrate including a side portion of the substrate, and the tip protrudes from a side surface of the substrate. And a suspension that supports the contact with respect to the frame, and a displacement detector that detects a displacement of the contact.
  • the tactile sensor according to a second aspect of the present invention is the touch sensor according to the first aspect, wherein the suspension is a first suspension that allows displacement in a direction perpendicular to the side surface of the contactor and the side surface of the contactor.
  • the displacement detector includes a first strain detecting element that detects strain of the first suspension and a second strain that detects strain of the second suspension. And a detection element.
  • the tactile sensor of the third invention is characterized in that, in the first or second invention, a tip of the contact is formed in an arc shape.
  • the frame is provided with an abutting portion that faces the contact with a gap having a predetermined width.
  • the frame has a pair of abutment surfaces formed at positions sandwiching the contact, and the contact has the contact
  • a pair of contact surfaces facing the contact surface is formed, and the pair of contact surfaces are inclined with respect to the side surfaces so as to spread toward the side surfaces of the substrate, and the pair of contact surfaces are The contact surfaces are provided parallel to the pair of contact surfaces with a predetermined width.
  • a tactile sensor according to a sixth aspect of the present invention is characterized in that, in the first, second, third, fourth, or fifth aspect, a plurality of the sensor units are provided.
  • the tactile sensor according to a seventh aspect of the present invention is characterized in that, in the sixth aspect, the plurality of sensor portions are formed in arc shapes having different radii at the tips of the respective contacts.
  • the tactile sensor according to an eighth aspect of the present invention is characterized in that, in the sixth aspect, the plurality of sensor units have different amounts of protrusion of the contacts from the side surface of the substrate.
  • the touch feeling evaluation method of the ninth invention is a method for evaluating the touch feeling of a measurement object based on a data string consisting of the surface shape and friction force of the measurement object, wherein the surface shape and the friction force are evaluated. The correlation coefficient is obtained, and the touch feeling is evaluated using the correlation coefficient as an index.
  • the touch feeling evaluation method of the tenth invention is a method for evaluating the touch feeling of a measurement object based on a data string consisting of the surface shape and frictional force of the measurement object, wherein the surface has various phase differences. A correlation coefficient between the shape and the frictional force is obtained, and a touch feeling is evaluated using a phase difference at which the correlation coefficient reaches a peak as an index.
  • an evaluation method for a feeling of touch which is a method for evaluating a feeling of touch of a measurement object based on a data string including a surface shape of the measurement object and a friction force, and the surface shape and the friction force. The difference spatial frequency distribution is obtained, and the touch feeling is evaluated using the difference spatial frequency distribution as an index.
  • the contact is parallel to the substrate and the tip protrudes from the side surface of the substrate, the side surface of the substrate serves as a sensing surface and contacts the measurement object. Is displaced in a plane parallel to the substrate.
  • the sensor portion can be structured to have a planar extension along the substrate, so that the change by pattern design is easy and the degree of freedom in structural design is high. As a result, a large displacement of the contact can be allowed, and fine unevenness and flexibility on the surface of the measurement object can be detected.
  • the contact is arranged so that its tip protrudes from the side of the substrate, sensing can be performed while keeping the force applied to the measurement object almost constant, and the contact state between the contact and the measurement object is stable.
  • the displacement of the contact in the pushing direction can be detected by the first strain detecting element, and the displacement of the contact in the lateral displacement direction can be detected by the second strain detecting element. From the displacement in the pushing direction and / or the displacement in the lateral displacement direction of the contact, the surface shape, surface roughness, frictional force, flexibility, etc. of the measurement object can be measured.
  • the tactile sensor when the tactile sensor is slid while being pressed against the object to be measured, the contact is displaced following the irregularities in the wavelength band approximately equal to the radius of the tip. Therefore, the surface shape of the measurement object can be measured by selecting the wavelength band according to the radius of the contact tip.
  • the displacement of the contact can be limited within a predetermined amount, and the sensor portion can be prevented from being destroyed by the excessive displacement of the contact.
  • the pair of contact surfaces are inclined so as to spread toward the side surface of the substrate. Therefore, when the contactor is pushed in, the gap between the contact surface and the contacted surface is narrowed. According to the width of the narrowed gap, the displacement of the contact in the lateral displacement direction can be further restricted, and the sensor portion can be prevented from being destroyed due to the excessive displacement of the contact.
  • the movement distance and movement speed of the tactile sensor can be measured from the period of unevenness of the measurement object measured by each sensor unit.
  • the tips of the contacts of each sensor part are formed in arc shapes with different radii, the contacts are displaced following the irregularities in the same wavelength band as the radius of the tip. Therefore, the surface shape of the measurement object can be decomposed into each wavelength band and measured by each sensor unit. The surface roughness of the measurement object can be detected using the surface shape decomposed into each wavelength band as an index.
  • the tactile sensor when the tactile sensor is pressed against the measurement object, the difference between the displacement in the pushing direction of the contact having a small tip radius and the displacement in the pushing direction of the contact having a large tip radius is calculated. Flexibility can be measured.
  • the displacement in the pushing direction of the contact having a large protruding amount is compared with the displacement in the pushing direction of the contact having a small protruding amount. The flexibility of the measurement object can be measured.
  • each contactor has a different amount of protrusion, so different forces can be applied to the object to be measured. The difference in feel when touching and stroking weakly can be measured at the same time.
  • the touch feeling can be evaluated based on the data acquired by the tactile sensor.
  • FIG. 1 is a plan view of a tactile sensor according to a first embodiment of the present invention. It is explanatory drawing of the distortion
  • FIG. 4C is an illustration of a spatial waveform reproduced by the surface shape detection method.
  • a frictional force detection method Comprising: It is a front view of the state which slid the tactile sensor along the surface of the measuring object. It is a top view of the touch sensor concerning a 2nd embodiment of the present invention. It is a top view of the touch sensor concerning a 3rd embodiment of the present invention.
  • the tactile sensor 1 according to the first embodiment of the present invention is obtained by processing a substrate B such as an SOI substrate by a semiconductor micromachining technique to form a sensor unit S.
  • the sensor unit S includes a frame 10, a contact 20, and a suspension 30 that supports the contact 20 with respect to the frame 10.
  • the dimension of the sensor part S is not specifically limited, it is several mm to several tens of mm square.
  • the contact 20 and the suspension 30 are formed by etching the substrate B with a predetermined pattern to remove unnecessary portions.
  • the frame 10 is the remaining part of the substrate B after removing unnecessary portions, and has a shape surrounding the contact 20 and the suspension 30.
  • the sensor unit S uses one side surface of the substrate B as a sensing surface (a surface in contact with the measurement object).
  • the frame 10 only needs to include the side portion (upper portion in FIG. 1) of the substrate B having the sensing surface, and the shape thereof is not particularly limited.
  • the surface constituting the sensing surface is referred to as a reference surface 11.
  • the contact 20 is a rod-shaped member, and is arranged in parallel to the substrate B, that is, in the same plane as the substrate B.
  • the frame 10 has an opening formed in a part of the side portion having the sensing surface, and the tip of the contact 20 is inserted into the opening.
  • the contact 20 is arranged such that its tip protrudes outward from the reference surface 11 (side surface of the substrate B).
  • the contact 20 is arranged such that its central axis is perpendicular to the reference plane 11.
  • the suspension 30 includes a plurality of first suspensions 31 and a plurality of second suspensions 32.
  • the first suspension 31 is a beam-like member, and is spanned between the contact 20 and the island portion 33.
  • the second suspension 32 is a beam-like member, and spans between the island portion 33 and the frame 10. The contact 20 is supported with respect to the frame 10 by the first suspension 31, the second suspension 32, and the island portion 33.
  • the first suspension 31 is arranged perpendicular to the central axis of the contact 20, that is, horizontally with respect to the sensing surface (reference surface 11). Therefore, the first suspension 31 allows displacement in the vertical direction (displacement in the x direction in FIG. 1) (hereinafter referred to as “displacement in the pushing direction”) with respect to the sensing surface (reference surface 11) of the contact 20. .
  • a total of ten first suspensions 31 are provided on both sides of the contact 20, but the number is not particularly limited. The number and width of the first suspensions 31 may be set so that the necessary elasticity can be obtained.
  • the second suspension 32 is arranged parallel to the central axis of the contact 20, that is, perpendicular to the sensing surface (reference surface 11). Therefore, the second suspension 32 allows horizontal displacement (displacement in the y direction in FIG. 1) with respect to the sensing surface (reference surface 11) of the contact 20 (hereinafter referred to as “displacement in the lateral displacement direction”). .
  • a total of eight second suspensions 32 are provided on each side of each island 33, but the number is not particularly limited. The number and width of the second suspensions 32 may be set so that the elasticity necessary for the second suspension 32 is obtained.
  • the contact 20 When the sensing surface of the tactile sensor 1 is pressed against the measurement object, the contact 20 is displaced in the pushing direction (x direction). When the sensing surface of the touch sensor 1 is slid while being pressed against the measurement object, the contact 20 is displaced in the pushing direction (x direction) and further displaced in the lateral displacement direction (y direction). In order to detect such a displacement of the contact 20, the sensor unit S is provided with displacement detectors 41 and 42.
  • the displacement detectors 41 and 42 include a first strain detection element 41 that detects the strain of the first suspension 31 and a second strain detection element 42 that detects the strain of the second suspension 32.
  • the first and second strain detection elements 41 and 42 are piezoresistive elements, and the first and second suspensions 31 and 32 are manufactured by an integrated circuit manufacturing process such as impurity diffusion and ion implantation, a metal wiring formation technique, or the like. Formed on the surface.
  • first strain detection elements 41a and 41b are formed on the surfaces of two first suspensions 31 among the plurality of first suspensions 31, respectively.
  • the first strain detection elements 41a and 41b are formed in a step shape, and have a shape along one side from one end to the center of the first suspension 31 and along the other side from the center to the other end. is doing.
  • the first strain detection element 41a formed on one first suspension 31 and the first strain detection element 41b formed on the other first suspension 31 have shapes that are line-symmetric.
  • the first strain detection elements 41a and 41b are connected in series on the surface of the substrate B, and a voltage Vdd is applied to both ends to read the voltage Vout between the first strain detection elements 41a and 41b.
  • a circuit (not shown in FIGS. 1 and 2) is formed. Since the voltage Vout varies depending on the differential between the first strain detection elements 41a and 41b, the strain of the first suspension 31 can be detected by reading the voltage Vout. Accordingly, the displacement of the contact 20 in the pushing direction (x direction) can be detected.
  • second strain detection elements 42a and 42b are formed on the surfaces of two of the plurality of second suspensions 32, respectively.
  • the second strain detection elements 42a and 42b are formed in a step shape.
  • a circuit for reading the voltage Vout between the second strain detecting elements 42a and 42b by connecting the second strain detecting elements 42a and 42b in series on the surface of the substrate B and applying a voltage Vdd to both ends (FIGS. 1 and 2). (Not shown) is formed.
  • the strain of the second suspension 32 can be detected by reading the voltage Vout, and the displacement of the contact 20 in the lateral displacement direction (y direction) can be detected therefrom.
  • FIG. 4 shows an enlarged view of the tip of the contact 20.
  • a semicircular contact portion 21 is provided at the tip of the contact 20.
  • the tip of the contactor 20 only needs to be formed in an arc shape, and the contact portion 21 is not limited to a semicircular shape, and may have a sector shape with a central angle smaller or larger than 180 °.
  • the contact portion 21 having a characteristic shape can be provided at the tip of the contact 20 because the contact 20 is arranged in parallel to the substrate B and etched in a predetermined pattern. This is because the shape is formed.
  • the tip of the contact In the case of a contact that is perpendicular to the substrate, the tip of the contact must be flat or formed into a quadrangular pyramid shape by anisotropic etching, and it can be designed arbitrarily, such as a smooth curved surface. The shape cannot be formed.
  • the contact 20 When the contact 20 is not pushed in, the top of the contact portion 21 protrudes from the reference surface 11 by a predetermined protrusion amount v.
  • the contact 20 When the object to be measured is brought into contact with the sensing surface, the contact 20 is displaced by a maximum v in the pushing direction (x direction). That is, the tip of the contact 20 is not pushed into the inside from the reference surface 11. In this manner, the displacement of the contact 20 in the pushing direction (x direction) can be limited to a predetermined amount by the frame 10, and the destruction of the sensor unit S due to the excessive displacement of the contact 20 can be prevented.
  • the contact 20 is arranged so that the tip thereof slightly protrudes from the reference surface 11, sensing can be performed while the force (contact surface pressure) applied to the measurement object by the contact 20 is kept almost constant. Stable measurement can be performed while stably maintaining the contact state between the object 20 and the measurement object.
  • the frame 10 and the contact 20 have the following structure.
  • the end surfaces of the opening of the frame 10 are contact surfaces 12 and 12.
  • the pair of contact surfaces 12 and 12 are formed at positions where the contact 20 is sandwiched.
  • the contact 20 is formed with a pair of abutted surfaces 22, 22 facing the abutting surfaces 12, 12.
  • the pair of contact surfaces 12, 12 are arranged in a square shape and are inclined with respect to the sensing surface so as to spread toward the sensing surface.
  • the pair of abutted surfaces 22 and 22 are also arranged in a C shape and are inclined with respect to the sensing surface so as to spread toward the sensing surface.
  • the pair of contact surfaces 22 and 22 are provided in parallel to the pair of contact surfaces 12 and 12 with a gap of a predetermined width.
  • the contact surface 12 and the contacted surface 22 are formed by removing the space between the frame 10 and the contact 20 into a line having a predetermined width by etching.
  • the contact 20 When the contact 20 is not pushed in, the contact surface 12 and the contacted surface 22 are separated by a minimum width that can be processed by etching, for example.
  • the gap between the contact surface 12 and the contacted surface 22 becomes narrower.
  • the displacement of the contact 20 in the lateral displacement direction (y direction) can be further limited according to the width of the narrowed gap. That is, the width of the gap can be made narrower than the processing accuracy, and the displacement of the contact 20 in the lateral displacement direction (y direction) can be limited by the width. As a result, it is possible to prevent the sensor unit S from being destroyed due to excessive displacement of the contact 20.
  • the maximum values of displacement in the pushing direction (x direction) and lateral displacement (y direction) of the contact 20 are set, and the protrusion amount v of the contact 20 from the reference surface 11 is set.
  • the width of the gap between the contact surface 12 and the contacted surface 22 may be set.
  • what is necessary is just to design the shape of the 1st suspension 31 and the 2nd suspension 32 so that the maximum displacement of the contactor 20 can be accept
  • the sensor unit S can have a structure extending in a planar shape along the substrate B. Therefore, compared to the case where the structure is constructed in the thickness direction of the substrate B as in the prior art, the change due to the pattern design is changed. Easy and has a high degree of freedom in structural design. As a result, a large displacement of the contact 20 can be allowed, and fine irregularities and flexibility on the surface of the measurement object can be detected. Further, since the measurement object does not directly contact the electric circuit portion, it is possible to prevent the sensor unit S from being damaged by the measurement.
  • the SOI substrate has a three-layer structure of a support substrate (silicon), an oxide film layer (silicon dioxide), and an active layer (silicon), and the thickness thereof is, for example, 300 ⁇ m.
  • the substrate is cleaned and oxidized.
  • a diffusion layer pattern to be a circuit portion is formed and phosphorus diffusion is performed.
  • a chromium thin film is sputtered on the back surface of the substrate, and the chromium film is etched into a pattern for releasing the movable structure (contactor 20 and suspension 30).
  • the oxide film on the upper surface is removed, and etching is performed by ICP-RIE to form a movable structure portion.
  • the intermediate oxide film and the resist are removed to release the movable structure.
  • a detection method using the touch sensor 1 will be described.
  • the sensing surface is pressed against the measurement object, or the sensing surface is slid while being pressed against the measurement object.
  • the contact 20 is displaced, and the first suspension 31 and the second suspension 32 are distorted.
  • the first strain detecting element 41 detects the displacement of the contact 20 in the pushing direction (x direction)
  • the second strain detecting element 42 detects the displacement of the contact 20 in the lateral displacement direction (y direction). From the displacement of the contact 20 in the pushing direction (x direction) and / or the displacement in the lateral displacement direction (y direction), the surface shape, surface roughness, frictional force, flexibility, etc. of the measurement object can be measured.
  • details will be described in order.
  • ⁇ Surface shape detection method> a method for detecting the surface shape of the measurement object using the tactile sensor 1 will be described.
  • the sensing surface of the tactile sensor 1 is pressed against the surface of the measurement object O, and the reference surface 11 is brought into contact with the measurement object O.
  • the reference surface 11 is arranged on a plane connecting the peaks of the unevenness on the surface of the measurement object O.
  • the contact part 20 contacts the surface of the measuring object O, and the contact 20 is pushed in by the reaction force.
  • the sensing surface of the tactile sensor 1 is swung along the surface of the measuring object O while pressing the sensing surface against the surface of the measuring object O. Then, the contact 20 is displaced in the pushing direction along the unevenness of the surface of the measurement object O, and the first suspension 31 is distorted. At this time, the first strain detecting element 41 detects a time change and a distance change of the displacement in the pushing direction of the contact 20.
  • the surface shape (spatial waveform) of the surface of the measuring object O is reproducible from the time change and distance change of the pushing direction displacement of the contactor 20.
  • the contact 20 is displaced following the unevenness of the wavelength band approximately equal to the radius of the contact portion 21. That is, the smaller the radius of the contact portion 21, the smaller the unevenness of the wavelength, and the fine unevenness on the surface of the measurement object can be detected. Further, as the radius of the contact portion 21 is larger, the smaller unevenness is not followed, and the unevenness (swell) having a large wavelength obtained by removing the fine unevenness on the surface of the measurement object can be detected.
  • the surface shape of the measuring object O can be measured by selecting the wavelength band (frequency band) according to the radius of the contact portion 21.
  • the contact 20 can be measured even when the tactile sensor 1 is slid while being pressed against the measurement object O. It operates smoothly without being caught by the object O. Therefore, the contact 20 is displaced following the unevenness on the surface of the measurement object, and the surface shape of the measurement object O can be measured with high accuracy.
  • ⁇ Friction force detection method> a method for detecting the frictional force of the measurement object using the tactile sensor 1 will be described.
  • the tactile sensor 1 is swung along the surface of the measurement object O while pressing the sensing surface against the surface of the measurement object O.
  • the contact 20 is displaced in the pushing direction by the reaction force received from the measuring object O, and the first suspension 31 is distorted.
  • the displacement in the pushing direction of the contact 20 at this time is detected by the first strain detection element 41.
  • the contact 20 is laterally displaced by the frictional force acting between the contact portion 21 and the measurement object O, and the second suspension 32 is distorted.
  • the displacement in the lateral displacement direction of the contact 20 at this time is detected by the second strain detection element 42.
  • the reaction force Fx applied to the contact 20 can be calculated from the displacement of the contact 20 in the pushing direction. Further, since the elastic modulus of the second suspension 32 is known, the frictional force Fy applied to the contact 20 can be calculated from the displacement of the contact 20 in the lateral displacement direction. From the calculated reaction force Fx and friction force Fy, the dynamic friction coefficient ⁇ of the surface of the measurement object O can be calculated according to the following formula 1.
  • a force acting in a direction parallel to the surface of the measurement object O such as a feeling of catching of the fiber measurement object O, can also be detected.
  • the tactile sensor 2 As shown in FIG. 8, the tactile sensor 2 according to the second embodiment of the present invention includes two sensor units S1 and S2. Since the structure of each sensor part S1, S2 is the same as that of the sensor part S of the touch sensor 1 of 1st Embodiment, the same code
  • Each sensor part S1, S2 is arranged to have a common sensing surface. That is, the contacts 20 of the sensor units S1 and S2 are arranged in parallel, and their tips are arranged on a common sensing surface.
  • the tactile sensor 2 When the tactile sensor 2 is slid while being pressed against the measurement object O, the surface shape of the measurement object O can be detected by the sensor portions S1 and S2.
  • the contacts 20 of the two sensor units S1 and S2 are separated by a predetermined distance, the period of the unevenness of the measurement object O measured by each sensor unit S1 and S2 is shifted by the distance. Arise. Based on the deviation, the moving distance and moving speed of the touch sensor 2 with respect to the measuring object O can be measured.
  • the measurement ranges of the sensor units S1 and S2 can be shifted by setting the suspensions 30 of the sensor units S1 and S2 to different elastic moduli. Then, the measurement range can be widened in the single tactile sensor 2.
  • the tactile sensor 2 of this embodiment is a structure provided with two sensor parts S1 and S2, it is good also as a structure provided with a 3 or more some sensor part.
  • the tactile sensor 3 As shown in FIG. 9, the tactile sensor 3 according to the third embodiment of the present invention includes two sensor units S3 and S4. Since the basic structure of each sensor part S3 and S4 is the same as that of the sensor part S of the tactile sensor 1 of 1st Embodiment, the same code
  • the tactile sensor 3 of the present embodiment is characterized in that the tips of the contacts 20 of the two sensor portions S3 and S4 are formed in arc shapes with different radii. That is, the tip end of the contact 20 of the one sensor unit S3, and semicircular contact portion 21 of radius r 3 are mounted on the front end of the contact 20 of the other sensor unit S4, than the radius r 3 semicircular contact portion 21 having a radius r 4 is provided less.
  • the protrusion amount v from the reference surface 11 of each contactor 20 is set to the same amount.
  • the radii r 3 and r 4 of the contact portion 21 and the protruding amount v of the contact 20 may be set according to the measurement object O and the purpose of measurement, and are not limited.
  • the radius r 3 is set to 100 ⁇ m
  • the radius r 4 is set to 50 ⁇ m
  • the protrusion amount v is set to 50 ⁇ m.
  • the surface shape of the measuring object O is a shape having a swell component with a large wavelength and a fine component with a short wavelength.
  • the contact 20 is displaced following the irregularities in the wavelength band of the same degree as the radius of the contact portion 21. That is, the contact 20 having the contact portion 21 with the large radius r 3 is displaced following the irregularities of the long wavelength band, and the contact 20 having the contact portion 21 with the small radius r 4 is the long wavelength band and the short wavelength. Displaces following the unevenness combined with the belt.
  • the sensor portion S3, equipped with a contact 20 having a contact portion 21 of larger radius r 3 is a short wavelength band (high frequency band) long wavelength band to remove (low frequency band ) Spatial waveform can be measured. That is, the sensor unit S3 can extract only the undulation component of the surface shape of the measurement object O.
  • the sensor unit S4 comprising a contact 20 having a contact portion 21 of smaller radius r 4 is a short wavelength band (high frequency band) and long wavelength (low frequency band)
  • the spatial waveform (swelling component) measured by the sensor unit S3 by removing (subtracting) the spatial waveform (swelling component) measured by the sensor unit S3 from the spatial waveform (swelling component + fine component) measured by the sensor unit S4, as shown in FIG.
  • the spatial waveform of only the short wavelength band (high frequency band) that is, the fine component of the surface shape of the measurement object O can be obtained.
  • the tip of the contact piece 20 of each sensor unit S3, S4 are formed in an arcuate shape different radii r 3, r 4, the radius r 3 (r 4) of each contact 20 contact portion 21 Displaces following the irregularities in the same wavelength band. Therefore, the surface shape of the measurement object O can be decomposed into each wavelength band and measured by the sensor units S3 and S4. The surface roughness of the measuring object O can be detected using the surface shape decomposed into each wavelength band as an index.
  • the spatial waveform component in the long wavelength band when the spatial waveform component in the long wavelength band is large, it can be determined that the surface of the measurement object O is rough, and when the spatial waveform component in the short wavelength band is large, the surface of the measurement object O is determined to be smooth. it can.
  • the structure provided with a 3 or more some sensor part is set as the structure provided with a 3 or more some sensor part, and the kind of radius of the front-end
  • the surface shape of the measuring object O can be decomposed
  • the sensor part is decomposed into three parts: a short wavelength band (high frequency band), a medium wavelength band (medium frequency band), and a long wavelength band (low frequency band). Spatial waveform can be measured.
  • ⁇ Flexibility detection method> a method for detecting the flexibility of the measurement object using the tactile sensor 3 will be described.
  • the sensing surface of the tactile sensor 3 is pressed against the surface of the measurement object O. If it does so, the contactor 20 of each sensor part S3 and S4 will contact the surface of the measuring object O, and will be pushed in by the reaction force.
  • the displacement of the contactor 20 in the pushing direction is caused by the flexibility of the measuring object O. Different. Specifically, when the measuring object O is hard, both the contact 20 having the contact portion 21 having the large radius r 3 and the contact 20 having the contact portion 21 having the small radius r 4 are displaced in the pushing direction. The same level.
  • the contact 20 having the contact portion 21 having a large radius r 3 has a larger displacement in the pushing direction.
  • the tactile sensor 3 when the tactile sensor 3 is pressed against the measuring object O, the displacement in the pushing direction of the contact 20 having a small tip radius r 4 and the pushing direction of the contact 20 having a large tip radius r 3 are detected.
  • the flexibility of the measuring object O can be measured from the difference from the displacement.
  • the tactile sensor 4 As shown in FIG. 11, the tactile sensor 4 according to the fourth embodiment of the present invention includes two sensor units S5 and S6. Since the basic structure of each sensor part S5 and S6 is the same as that of the sensor part S of the tactile sensor 1 of 1st Embodiment, the same code
  • the tactile sensor 4 is characterized in that the protruding amounts of the two contact portions S5 and S6 from the reference surface 11 of the respective contacts 20 are set to different amounts. That is, the contact 20 of the one sensor unit S5 is set to the projection amount v 5, the contact 20 of the other sensor unit S6 is set to a smaller projection amount v 6 than the projection amount v 5. In addition, the radius r of the contact part 21 of each contactor 20 is set to the same dimension.
  • the protrusion amounts v 5 and v 6 of the contact 20 and the radius r of the contact portion 21 may be set according to the measurement object O and the purpose of measurement, and are not limited.
  • the protrusion amount v 5 is set to 50 ⁇ m
  • the protrusion amount v 6 is set to 10 ⁇ m
  • the radius r is set to 50 ⁇ m.
  • ⁇ Flexibility detection method> a method for detecting the flexibility of the measurement object using the tactile sensor 4 will be described.
  • the sensing surface of the tactile sensor 4 is pressed against the surface of the measurement object O. If it does so, the contactor 20 of each sensor part S5 and S6 will contact the surface of the measuring object O, and will be pushed in by the reaction force. The displacement in the pushing direction of each contact 20 at this time is measured.
  • the tactile sensor 4 When the tactile sensor 4 is pressed against the measurement object O, the surface shape of the measurement object O is deformed by the contact 20 protruding from the reference surface 11.
  • the displacement in the pushing direction of the contact 20 is determined by the balance between the elastic force generated by the distortion of the first suspension 31 and the elastic force generated by the deformation of the measurement object O. Therefore, when the measuring object O is hard, the measuring object O is not deformed so much and the displacement of the contact 20 in the pushing direction becomes large.
  • the measuring object O When the measuring object O is soft, the measuring object O is greatly deformed, and the displacement of the contact 20 in the pushing direction is reduced.
  • the difference in the tip position of each contact 20 changes depending on the flexibility of the measuring object O. Specifically, when the measurement object O is hard, the measurement object O is not deformed so much, and therefore the difference in the tip position of each contact 20 becomes small. In addition, when the measuring object O is soft, since the projection amount v part contacting to 5 is large contact 20 of the measuring object O is largely deformed, the difference between the tip position of each contact 20 is increased.
  • the difference in the tip position of each contact 20, That is, the strain amount ⁇ Z generated in the measurement object O is obtained by the following formula 2. Using the strain amount ⁇ Z as an index, the flexibility of the measuring object O can be measured.
  • the tactile sensor 4 when the tactile sensor 4 is pressed against the measurement object O, the displacement F 5 in the pushing direction of the contact 20 having the large protruding amount v 5 and the pushing direction of the contact 20 having the small protruding amount v 6 are pressed. By comparing with the displacement F 6 , the flexibility of the measuring object O can be measured.
  • ⁇ Friction force detection method> a method for detecting the frictional force of the measurement object using the tactile sensor 4 will be described.
  • the sensing surface of the tactile sensor 4 is swung along the surface of the measuring object O while pressing the sensing surface against the surface of the measuring object O. If it does so, the contactor 20 of each sensor part S5 and S6 will contact the surface of the measuring object O, and will be pushed in by the reaction force. Further, the contact 20 of each sensor unit S5, S6 is laterally displaced by the frictional force acting between the measuring object O. At this time, the displacement of each contactor 20 in the pushing direction and the displacement in the lateral displacement direction are measured.
  • each sensor part S and S6 can measure the frictional force when different contact surface pressure is applied to the measuring object O.
  • the projection amount v 5 is large contact 20 it is possible to apply a greater contact pressure to the measurement object O, the sensor portion S5, can measure the frictional force in the case of increasing the contact surface pressure.
  • the projection amount v 6 is smaller contact 20 it is possible to apply a small contact surface pressure in the measurement object O, the sensor portion S6 can measure the frictional force of Lowering the contact surface pressure.
  • the shape and properties of the surface of the measurement object O may change, and the frictional force and feel may change. It is possible to simultaneously measure the difference in touch feeling when the object to be measured O is strongly boiled and weakly boiled.
  • the suspension 30 is configured by the first suspension 31 disposed horizontally with respect to the sensing surface and the second suspension 32 disposed perpendicular to the sensing surface. It may be configured.
  • the suspension may be disposed obliquely with respect to the sensing surface.
  • the displacement detector that detects the displacement of the contact 20 is not limited to the piezoresistive element.
  • the displacement detector may be configured to detect the capacitance between the contact 20 and the frame 10 by utilizing the fact that the distance between the contact 20 and the frame 10 changes due to the displacement of the contact 20. .
  • the tip of the contact 20 is not limited to the arc shape, and may be formed in other shapes. For example, a sharp needle shape, wavefront shape, or left-right asymmetric shape may be used. Moreover, when measuring the feeling of being caught by the measurement object as an important parameter, the tip of the contact 20 may be formed in a bowl shape so that the measurement object can be easily caught.
  • a contact portion having another shape may be provided instead of the contact surface 12 in the above embodiment.
  • the contact portion may be disposed so as to face the contact 20 with a gap having a predetermined width. Only an excessive displacement in the pushing direction of the contact 20 may be limited, or only an excessive displacement in the lateral displacement direction of the contact 20 may be limited.
  • a glass plate or the like is provided on the front and back surfaces of the substrate B while providing a gap having a predetermined width with respect to the front and back surfaces of the contact 20.
  • a plate material may be attached.
  • Detection test Using the tactile sensor 1 according to the first embodiment, a displacement detection test of the contact 20 was performed.
  • the tactile sensor 1 was fixed in a horizontal state (sensing surface in a vertical state). Further, the voltage Vdd applied to the first strain detection element 41 and the second strain detection element 42 was 10 V, respectively.
  • a cutting mat for work was used as the measuring object O. The act of sliding while pressing the side surface of the cutting mat for work against the sensing surface of the touch sensor 1 was repeated three times.
  • FIG. 12 shows time changes of the voltage Vout output from the circuit including the first strain detection element 41 and the voltage Vout output from the circuit including the second strain detection element 42. From FIG. 12, the change of the output voltage was observed from both the first detection element 41 that detects the displacement of the contactor 20 in the pushing direction and the second detection element 42 that detects the displacement of the contactor 20 in the lateral displacement direction. . Thus, it was confirmed that the first detection element 41 and the second detection element 42 can detect the displacement in the pushing direction and the displacement in the lateral displacement direction of the contact 20 on the same time axis.
  • FIG. 13 shows temporal changes in the voltage Vout output from the circuit including the first strain detection element 41 of the sensor unit S4 and the voltage Vout output from the circuit including the second strain detection element 42.
  • FIG. 13A shows a case where the measurement object is a copy sheet
  • FIG. 13B shows a case where the measurement object is a straw half paper.
  • the output voltage of the first strain detection element 41 represents the surface shape of the measurement object.
  • the output voltage of the second strain detection element 42 represents the frictional force of the measurement object.
  • the horizontal axis is time, since the tactile sensor 3 is moved at a constant speed with respect to the measurement object, the horizontal axis is synonymous with the position coordinates on the surface of the measurement object.
  • the tactile sensor 3 can acquire a data string composed of the surface shape and frictional force of the measurement object.
  • the output voltage 5 mV of the first strain detecting element 41 corresponds to the surface shape amplitude of about 10 ⁇ m. From FIG. 13, it can be seen that according to the tactile sensor 3, the amplitude of the surface shape can be measured with a resolution of about 1 ⁇ m. Compared to the copy paper (FIG. 13A), the straw half paper (FIG. 13B) has a larger surface shape amplitude and frictional force amplitude. These indicate that the straw half paper has a larger surface roughness.
  • the waveform of the surface shape and the waveform of the frictional force are very similar, and are in a phase shifted relationship.
  • a frictional force peak appears just before the surface shape peak.
  • the arrow in FIG. 13 shows an example of the position of the peak of the surface shape and the peak of the frictional force adjacent thereto.
  • the contact portion 21 is caught by a convex portion (surface shape peak) on the surface of the measurement object, and the frictional force increases immediately before the convex portion.
  • the frictional force can be measured only as an average value of the entire measurement object.
  • the tactile sensor 3 the local frictional force of the measurement object can be measured.
  • the change in frictional force can be measured along with the surface shape. Therefore, the above new knowledge could be obtained.
  • FIG. 14 is a scatter diagram in which the horizontal axis represents the surface shape and the vertical axis represents the frictional force.
  • FIG. 14A shows a case where the measurement object is a copy sheet
  • FIG. 14B shows a case where the measurement object is a straw half paper.
  • the correlation coefficient of straw half paper is lower than that of copy paper. It can be said that the higher the correlation coefficient, the smooth hand feeling, and the lower the correlation coefficient, the rough hand feeling.
  • the feeling of touch can be quantified using the correlation coefficient between the surface shape and the frictional force as an index.
  • FIG. 15A shows a case where the measurement object is a copy sheet
  • FIG. 15B shows a case where the measurement object is a straw half paper.
  • the copy paper (FIG. 15A) has a higher correlation coefficient.
  • the peak value of the correlation coefficient is higher in the case of the straw half paper (FIG. 15B).
  • the phase difference at which the correlation coefficient reaches a peak differs between copy paper and straw half paper.
  • the straw half paper has a peak correlation coefficient with a larger phase difference than the copy paper. It can be said that the feeling of touch is smoother when the phase difference having a peak correlation coefficient is smoother, and the feeling of touch is more rough when the phase difference having a peak correlation coefficient is larger. In this way, the hand feeling can be quantified using the phase difference at which the correlation coefficient reaches a peak as an index.
  • FIG. 16 shows the difference spatial frequency distribution between the surface shape and the frictional force.
  • FIG. 16A shows a case where the measurement object is a copy sheet
  • FIG. 16B shows a case where the measurement object is a straw half paper. It is considered that the information on the feeling of touch is included in the similarity and phase difference between the waveform of the surface shape and the waveform of the frictional force. Therefore, we paid attention to the difference spatial frequency distribution in which similarity and phase difference appear.
  • the difference spatial frequency distribution was obtained by subtracting the signal waveform of the frictional force from the signal waveform of the surface shape to obtain a difference waveform and Fourier transforming the difference waveform.
  • the straw half paper is made of a relatively rough fiber, and the contact portion 21 receives a frictional force that occasionally gets caught by the fiber, so that there are many high-frequency components in both the original surface shape and the frictional force waveform. Further, the waveform of the surface shape and the waveform of the frictional force have low similarity and a large phase difference. Therefore, it can be said that the touch feeling is smoother as the high frequency component is smaller, and the touch feeling is rougher as the high frequency component is larger. Thus, the feeling of touch can be evaluated using the difference spatial frequency distribution between the surface shape and the frictional force as an index.
  • paper is used as the measurement object, but it can also be applied to other measurement objects such as hair and skin.
  • Tactile sensor B Substrate S Sensor unit 10 Frame 11 Reference surface 12 Contact surface 20 Contact member 21 Contact portion 22 Contacted surface 30 Suspension 31 First suspension 32 Second suspension 33 Island portion 41 First strain detection element 42 First strain detection element

Landscapes

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Abstract

　接触子の大きな変位を許容でき、測定対象物表面の微細な凹凸や柔軟性等を検知できる触覚センサを提供する。　センサ部Ｓは、基板Ｂの側部を含むフレーム１０と、基板Ｂに対して平行、かつ、先端が基板Ｂの側面から突出するように配置された接触子２０と、接触子２０をフレーム１０に対して支持するサスペンション３０と、接触子２０の変位を検出する変位検出器４１、４２とを備える。基板Ｂの側面がセンシング面となり、測定対象物Ｏに接触した接触子２０は基板Ｂに対して平行な面内で変位する。そのため、センサ部Ｓを基板Ｂに沿って平面状に広がりを有する構造にできるので、構造設計の自由度が高い。その結果、接触子２０の大きな変位を許容でき、測定対象物Ｏ表面の微細な凹凸や柔軟性等を検知できる。

Description

触覚センサおよび手触り感の評価方法
　本発明は、触覚センサおよび手触り感の評価方法に関する。さらに詳しくは、人間が感じる手触り感の定量化を目的とした触覚センサ、および触覚センサで取得したデータを元に手触り感を評価する方法に関する。
　人間の触覚を工学的に模した触覚センサとして種々のものが開発されている。中でも、半導体マイクロマシニング技術により形成した触覚センサは、多くのセンサ信号を少ない配線で読み出せることから、多数のセンサ部を高密度に配置することが可能であり、位置分解能が高いという長所を有する。
　半導体マイクロマシニング技術により形成された触覚センサとして、例えば、薄型シリコンダイヤフラムの変形を利用した触覚センサ（特許文献１）や、ヒンジ構造の変形を利用した触覚センサ（特許文献２）が知られている。特許文献１、２に記載された従来の触覚センサは、基板の表面をセンシング面とし、基板の表面に測定対象物を接触させる構造であり、主に基板に対して垂直方向の力による変形を読み取る。そのため、センシングのための構造は基板の厚み方向に構築される。
　しかし、基板の表面をセンシング面とした触覚センサは、基板の材料特性や厚みの制限から許容される変位が小さい。また、接触子を基板に立設させるため、その先端形状を自由に設計することができず、種々の測定対象物に適した先端形状にすることができない。そのため、測定対象物表面の微細な凹凸の検知性能が乏しく、繊細な手触り感の評価を行うのは困難であるという問題がある。
　また、触覚や触感の安定的な検知には、触覚センサが測定対象物に一定の力（接触面圧）を与えた状態を保ちながらセンシングを行う必要があるが、従来の触覚センサはそのような測定状況を保つことは困難である。
特開２００４－１６３１６６号公報 特開２００６－２０８２４８号公報
　本発明は上記事情に鑑み、接触子の大きな変位を許容でき、測定対象物表面の微細な凹凸や柔軟性等を検知できる触覚センサを提供することを目的とする。
　また、測定対象物に与える力をほぼ一定に保ちながらセンシングでき、安定的な測定ができる触覚センサを提供することを目的とする。
　さらに、触覚センサで取得したデータを元に手触り感を評価する方法を提供することを目的とする。
　第１発明の触覚センサは、基板に形成されたセンサ部を備え、前記センサ部は、前記基板の側部を含むフレームと、前記基板に対して平行、かつ、先端が該基板の側面から突出するように配置された接触子と、前記接触子を前記フレームに対して支持するサスペンションと、前記接触子の変位を検出する変位検出器と、を備えることを特徴とする。
　第２発明の触覚センサは、第１発明において、前記サスペンションは、前記接触子の前記基板の側面に対して垂直方向の変位を許容する第１サスペンションと、前記接触子の前記基板の側面に対して水平方向の変位を許容する第２サスペンションと、からなり、前記変位検出器は、前記第１サスペンションの歪を検出する第１歪検出素子と、前記第２サスペンションの歪を検出する第２歪検出素子と、からなることを特徴とする。
　第３発明の触覚センサは、第１または第２発明において、前記接触子の先端が円弧状に形成されていることを特徴とする。
　第４発明の触覚センサは、第１、第２または第３発明において、前記フレームには、前記接触子に対して所定幅の間隙を開けて対向する当接部が設けられていることを特徴とする。
　第５発明の触覚センサは、第１、第２または第３発明において、前記フレームには、前記接触子を挟む位置に一対の当接面が形成されており、前記接触子には、前記当接面に対向する一対の被当接面が形成されており、前記一対の当接面は、前記基板の側面に向かって広がるように、該側面に対して傾斜しており、前記一対の被当接面は、前記一対の当接面に対して所定幅の間隙を開けて平行に設けられていることを特徴とする。
　第６発明の触覚センサは、第１、第２、第３、第４または第５発明において、複数の前記センサ部を備えることを特徴とする。
　第７発明の触覚センサは、第６発明において、前記複数のセンサ部は、それぞれの前記接触子の先端が異なる半径の円弧状に形成されていることを特徴とする。
　第８発明の触覚センサは、第６発明において、前記複数のセンサ部は、前記接触子の前記基板の側面からの突出量が、それぞれ異なる量に設定されていることを特徴とする。
　第９発明の手触り感の評価方法は、測定対象物の表面形状および摩擦力からなるデータ列を元に、該測定対象物の手触り感を評価する方法であって、前記表面形状と前記摩擦力の相関係数を求め、前記相関係数を指標として手触り感を評価することを特徴とする。
　第１０発明の手触り感の評価方法は、測定対象物の表面形状および摩擦力からなるデータ列を元に、該測定対象物の手触り感を評価する方法であって、種々の位相差における前記表面形状と前記摩擦力の相関係数を求め、前記相関係数がピークとなる位相差を指標として手触り感を評価することを特徴とする。
　第１１発明の手触り感の評価方法は、測定対象物の表面形状および摩擦力からなるデータ列を元に、該測定対象物の手触り感を評価する方法であって、前記表面形状と前記摩擦力の差分空間周波数分布を求め、前記差分空間周波数分布を指標として手触り感を評価することを特徴とする。
　第１発明によれば、接触子が基板に対して平行であり、先端が基板の側面から突出するように配置されているので、基板の側面がセンシング面となり、測定対象物に接触した接触子は基板に対して平行な面内で変位する。そのため、センサ部を基板に沿って平面状に広がりを有する構造にできるので、パターン設計による変更が容易であり構造設計の自由度が高い。その結果、接触子の大きな変位を許容でき、測定対象物表面の微細な凹凸や柔軟性等を検知できる。また、接触子はその先端が基板の側面から突出するように配置されるので、測定対象物に与える力をほぼ一定に保ちながらセンシングでき、接触子と測定対象物との間の接触状態を安定的に維持して安定的な測定ができる。
　第２発明によれば、第１歪検出素子により接触子の押し込み方向の変位を検出し、第２歪検出素子により接触子の横ずれ方向の変位を検出できる。接触子の押し込み方向の変位および／または横ずれ方向の変位から、測定対象物の表面形状、表面粗さ、摩擦力、柔軟性等を測定できる。
　第３発明によれば、触覚センサを測定対象物に押し当てながら摺動させた場合に、接触子は先端の半径と同程度の波長帯の凹凸に追従して変位する。そのため、接触子先端の半径により波長帯を選択して、測定対象物の表面形状を測定できる。
　第４発明によれば、フレームに当接部が設けられているので、接触子の変位を所定量以内に制限することができ、接触子の過大変位によるセンサ部の破壊を防止できる。
　第５発明によれば、一対の当接面が基板の側面に向かって広がるように傾斜しているので、接触子が押し込まれると当接面と被当接面との間隙が狭くなる。狭くなった間隙の幅に従い接触子の横ずれ方向の変位をさらに制限することができ、接触子の過大変位によるセンサ部の破壊を防止できる。
　第６発明によれば、触覚センサを測定対象物に押し当てながら摺動させた場合に、各センサ部で測定した測定対象物の凹凸の周期から、触覚センサの移動距離や移動速度を測定できる。
　第７発明によれば、各センサ部の接触子の先端が異なる半径の円弧状に形成されているので、各接触子は先端の半径と同程度の波長帯の凹凸に追従して変位する。そのため、各センサ部により測定対象物の表面形状を各波長帯に分解して測定できる。各波長帯に分解された表面形状を指標として測定対象物の表面粗さを検出できる。また、触覚センサを測定対象物に押し当てた場合に、先端の半径が小さい接触子の押し込み方向の変位と、先端の半径が大きい接触子の押し込み方向の変位との差から、測定対象物の柔軟性を測定できる。
　第８発明によれば、触覚センサを測定対象物に押し当てた場合に、突出量が大きい接触子の押し込み方向の変位と、突出量が小さい接触子の押し込み方向の変位とを比較することで、測定対象物の柔軟性を測定できる。また、触覚センサを測定対象物に押し当てながら摺動させた場合に、各接触子は突出量が異なることから測定対象物に対して異なる力を加えることができるため、測定対象物を強く撫でたときと弱く撫でたときの手触り感の違いを同時に測定できる。
　第９、１０、１１発明によれば、触覚センサで取得したデータを元に手触り感を評価できる。
本発明の第１実施形態に係る触覚センサの平面図である。 同触覚センサの歪検出素子の説明図であって、（Ａ）図はサスペンションの歪がない場合、（Ｂ）図はサスペンションの歪がある場合を示す図である。 歪検出回路の回路図である。 同触覚センサの接触子の先端部の拡大図である。 同触覚センサの製造工程の説明図である。 表面形状検出方法の説明図であって、（Ａ）触覚センサを測定対象物に押し当てた状態の正面図、（Ｂ）触覚センサを測定対象物の表面に沿って褶動させた状態の正面図、（Ｃ）表面形状検出方法によって再現した空間波形の例示である。 摩擦力検出方法の説明図であって、触覚センサを測定対象物の表面に沿って褶動させた状態の正面図である。 本発明の第２実施形態に係る触覚センサの平面図である。 本発明の第３実施形態に係る触覚センサの平面図である。 表面粗さ検出方法の説明図であって、（Ａ）測定対象物の表面形状を示す図、（Ｂ）センサ部Ｓ３により測定された空間波形、（Ｃ）センサ部Ｓ４により測定された空間波形、（Ｄ）センサ部Ｓ４により測定された空間波形からセンサ部Ｓ３により測定された空間波形を除去して得られた空間波形である。 本発明の第４実施形態に係る触覚センサの平面図である。 検出試験における第１、第２歪検出素子の出力電圧の時間変化を示すグラフである。 手触り感の評価試験における第１、第２歪検出素子の出力電圧の時間変化を示すグラフであって、（Ａ）コピー用紙の場合、（Ｂ）わら半紙の場合である。 表面形状と摩擦力の相関を示す散布図であって、（Ａ）コピー用紙の場合、（Ｂ）わら半紙の場合である。 種々の位相差における表面形状と摩擦力の相関係数を示すグラフであって、（Ａ）コピー用紙の場合、（Ｂ）わら半紙の場合である。 表面形状と摩擦力の差分空間周波数分布を示すグラフであって、（Ａ）コピー用紙の場合、（Ｂ）わら半紙の場合である。
　つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
（第１実施形態）
　＜構造＞
　図１に示すように、本発明の第１実施形態に係る触覚センサ１は、ＳＯＩ基板等の基板Ｂを半導体マイクロマシニング技術により加工してセンサ部Ｓを形成したものである。センサ部Ｓは、フレーム１０と、接触子２０と、接触子２０をフレーム１０に対して支持するサスペンション３０とを備えている。センサ部Ｓの寸法は特に限定されないが、数mmから十数mm四方である。
　後述のごとく、基板Ｂを所定のパターンでエッチングして不要部分を除去することで接触子２０およびサスペンション３０が形成されている。フレーム１０は、不要部分を除去した後の基板Ｂの残部であり、接触子２０およびサスペンション３０を囲う形状をしている。センサ部Ｓは、基板Ｂの一側面をセンシング面（測定対象物と接触する面）としている。本実施形態では、基板Ｂの側面のうち図１における上端面をセンシング面としている。フレーム１０は、センシング面を有する基板Ｂの側部（図１における上側部分）が含まれていればよく、その形状は特に限定されない。なお、フレーム１０の側面のうち、センシング面を構成する面を基準面１１と称する。
　接触子２０は、棒状の部材であり、基板Ｂに対して平行に、すなわち基板Ｂと同一平面内に配置されている。フレーム１０は、センシング面を有する側部の一部に開口が形成されており、その開口部に接触子２０の先端部が挿入されている。そして、接触子２０は、その先端が基準面１１（基板Ｂの側面）から外部に突出するように配置されている。また、接触子２０は、その中心軸が基準面１１に対して垂直に配置されている。
　サスペンション３０は、複数の第１サスペンション３１と複数の第２サスペンション３２とからなる。フレーム１０で囲まれた空間内には、接触子２０を挟む位置に２つの島部３３が形成されている。第１サスペンション３１は、梁状の部材であり、接触子２０と島部３３との間に架け渡されている。第２サスペンション３２は、梁状の部材であり、島部３３とフレーム１０との間に架け渡されている。第１サスペンション３１、第２サスペンション３２および島部３３により、接触子２０がフレーム１０に対して支持されている。
　第１サスペンション３１は、接触子２０の中心軸に対して垂直、すなわち、センシング面（基準面１１）に対して水平に配置されている。そのため、第１サスペンション３１は、接触子２０のセンシング面（基準面１１）に対して垂直方向の変位（図１におけるｘ方向の変位）（以下、「押し込み方向の変位」という。）を許容する。本実施形態では、第１サスペンション３１は、接触子２０の両側に５本ずつ合計１０本設けられているが、その本数は特に限定されない。第１サスペンション３１として必要な弾性が得られるように、その本数や幅を設定すればよい。
　第２サスペンション３２は、接触子２０の中心軸に対して平行、すなわち、センシング面（基準面１１）に対して垂直に配置されている。そのため、第２サスペンション３２は、接触子２０のセンシング面（基準面１１）に対して水平方向の変位（図１におけるｙ方向の変位）（以下、「横ずれ方向の変位」という。）を許容する。本実施形態では、第２サスペンション３２は、各島部３３の両側に２本ずつ合計８本設けられているが、その本数は特に限定されない。第２サスペンション３２として必要な弾性が得られるように、その本数や幅を設定すればよい。
　触覚センサ１のセンシング面を測定対象物に押し当てると、接触子２０が押し込み方向（ｘ方向）に変位する。また、触覚センサ１のセンシング面を測定対象物に押し当てながら摺動させると、接触子２０が押し込み方向（ｘ方向）に変位し、さらに横ずれ方向（ｙ方向）に変位する。このような接触子２０の変位を検出するために、センサ部Ｓには変位検出器４１、４２が備えられている。
　変位検出器４１、４２は、第１サスペンション３１の歪を検出する第１歪検出素子４１と、第２サスペンション３２の歪を検出する第２歪検出素子４２とからなる。本実施形態において、第１、第２歪検出素子４１、４２はピエゾ抵抗素子であり、不純物拡散やイオン注入などの集積回路製造工程や金属配線形成技術等によって第１、第２サスペンション３１、３２の表面に形成される。
　図２（Ａ）に示すように、複数の第１サスペンション３１のうち２本の第１サスペンション３１の表面には、それぞれ第１歪検出素子４１ａ、４１ｂが形成されている。第１歪検出素子４１ａ、４１ｂは、階段状に形成されており、第１サスペンション３１の一端から中央までは一方の側部に沿い、中央から他端までは他方の側部に沿う形状を有している。また、一方の第１サスペンション３１に形成された第１歪検出素子４１ａと、他方の第１サスペンション３１に形成された第１歪検出素子４１ｂとは、それぞれ線対称となる形状を有する。
　図２（Ｂ）に示すように、第１サスペンション３１に歪が生じると、一方の第１歪検出素子４１ａは圧縮応力により抵抗が小さくなり、他方の第１歪検出素子４１ａは引張応力により抵抗が大きくなる。
　図３に示すように、基板Ｂの表面には、第１歪検出素子４１ａ、４１ｂを直列に接続して両端に電圧Vddをかけ、第１歪検出素子４１ａと４１ｂの間の電圧Voutを読み取る回路（図１および図２においては図示せず）が形成されている。電圧Voutは、第１歪検出素子４１ａ、４１ｂの差動により変化するため、電圧Voutを読み取ることで第１サスペンション３１の歪を検出できる。これより接触子２０の押し込み方向（ｘ方向）の変位を検出できる。
　同様に、複数の第２サスペンション３２のうち２本の第２サスペンション３２の表面には、それぞれ第２歪検出素子４２ａ、４２ｂが形成されている。第２歪検出素子４２ａ、４２ｂは、階段状に形成されている。第２サスペンション３２に歪が生じると、一方の第２歪検出素子４２ａは圧縮応力により抵抗が小さくなり、他方の第２歪検出素子４２ａは引張応力により抵抗が大きくなる。基板Ｂの表面には、第２歪検出素子４２ａ、４２ｂを直列に接続して両端に電圧Vddをかけ、第２歪検出素子４２ａと４２ｂの間の電圧Voutを読み取る回路（図１および図２においては図示せず）が形成されている。電圧Voutを読み取ることで第２サスペンション３２の歪を検出でき、これより接触子２０の横ずれ方向（ｙ方向）の変位を検出できる。
　図４に接触子２０の先端部の拡大図を示す。図４に示すように、接触子２０の先端には半円形の接触部２１が設けられている。なお、接触子２０の先端が円弧状に形成されていればよく、接触部２１は半円形に限られず、中心角が180°よりも小さいまたは大きい扇形であってもよい。
　なお、接触子２０の先端に形状に特徴のある接触部２１を設けることができるのは、接触子２０を基板Ｂに対して平行に配置し、所定のパターンでエッチングすることにより接触子２０の形状を形成するからである。基板に対して垂直な接触子の場合には、接触子の先端は、平らに形成するか、異方性エッチングにより四角錘形に形成せざるを得ず、なめらかな曲面等、任意に設計された形状を形成することはできない。
　接触子２０が押し込まれていない状態では、接触部２１の頂部は基準面１１から所定の突出量ｖだけ突出している。センシング面に測定対象物を接触させると、接触子２０は、押し込み方向（ｘ方向）に最大ｖだけ変位する。すなわち、接触子２０の先端は、基準面１１より内部には押し込まれない。このように、フレーム１０により接触子２０の押し込み方向（ｘ方向）の変位を所定量以内に制限することができ、接触子２０の過大変位によるセンサ部Ｓの破壊を防止できる。
　また、接触子２０はその先端が基準面１１からわずかに突出するように配置されるので、接触子２０が測定対象物に与える力（接触面圧）をほぼ一定に保ちながらセンシングでき、接触子２０と測定対象物との間の接触状態を安定的に維持して安定的な測定ができる。
　接触子２０の横ずれ方向（ｙ方向）の変位を所定量以内に制限するために、フレーム１０および接触子２０は以下の構造を有する。フレーム１０の開口部の端面は当接面１２、１２となっている。この一対の当接面１２、１２は、接触子２０を挟む位置に形成されている。一方、接触子２０には、当接面１２、１２に対向する一対の被当接面２２、２２が形成されている。
　一対の当接面１２、１２は、ハの字形に配置されており、センシング面に向かって広がるように、センシング面に対して傾斜している。また、一対の被当接面２２、２２も同様に、ハの字形に配置されており、センシング面に向かって広がるように、センシング面に対して傾斜している。そして、一対の被当接面２２、２２は、一対の当接面１２、１２に対して所定幅の間隙を開けて平行に設けられている。この当接面１２および被当接面２２は、フレーム１０と接触子２０との間をエッチングにより所定幅の線状に除去することで形成される。
　接触子２０が押し込まれていない状態では、当接面１２と被当接面２２とは、例えばエッチングにより加工が可能な最小限の幅だけ離間している。接触子２０に測定対象物が接触して押し込まれると、当接面１２と被当接面２２との間隙が狭くなる。その狭くなった間隙の幅に従い接触子２０の横ずれ方向（ｙ方向）の変位をさらに制限することができる。すなわち、加工精度以上に間隙の幅を狭くすることができ、その幅で接触子２０の横ずれ方向（ｙ方向）の変位を制限することができる。その結果、接触子２０の過大変位によるセンサ部Ｓの破壊を防止できる。
　なお、測定の目的に応じて、接触子２０の押し込み方向（ｘ方向）の変位および横ずれ方向（ｙ方向）の変位の最大値を設定し、接触子２０の基準面１１からの突出量ｖや、当接面１２と被当接面２２との間隙の幅を設定すればよい。また、接触子２０の最大変位を許容できるように、第１サスペンション３１および第２サスペンション３２の形状を設計すればよい。
　以上のように、接触子２０が基板Ｂに対して平行であり、その先端が基板Ｂの側面から突出するように配置されているので、基板Ｂの側面がセンシング面となり、測定対象物に接触した接触子２０は基板Ｂに対して平行な面内で変位する。そのため、上述のようにセンサ部Ｓを基板Ｂに沿って平面状に広がりを有する構造にできるので、従来のように基板Ｂの厚み方向に構造を構築する場合に比べて、パターン設計による変更が容易であり構造設計の自由度が高い。その結果、接触子２０の大きな変位を許容でき、測定対象物表面の微細な凹凸や柔軟性等を検知できる。また、電気回路部分に測定対象物が直接接触することがないため、測定によりセンサ部Ｓが損傷することを防止できる。
　＜製造方法＞
　つぎに、図５に基づき、ＳＯＩ基板を用いた触覚センサ１の製造方法を説明する。
　ここで、ＳＯＩ基板は、支持基板（シリコン）、酸化膜層（二酸化ケイ素）、活性層（シリコン）の３層構造を有しており、その厚みは例えば300μmである。
　まず、基板を洗浄し、酸化処理を行う。つぎに、回路部となる拡散層パターンを形成し、リン拡散を行う。つぎに、基板の裏面にクロム薄膜をスパッタリングし、可動構造部（接触子２０およびサスペンション３０）をリリースするパターンにクロム膜をエッチングする。つぎに、上面の酸化膜を除去し、ＩＣＰ－ＲＩＥでエッチングして可動構造部を形成する。最後に、中間酸化膜とレジストを除去して可動構造部をリリースする。
　＜検出方法＞
　つぎに、触覚センサ１による検出方法を説明する。
　触覚センサ１により検出を行う際には、センシング面を測定対象物に押し当てたり、センシング面を測定対象物に押し当てながら摺動させたりする。そうすると、接触子２０が変位するとともに、第１サスペンション３１や第２サスペンション３２に歪が生じる。その歪から、第１歪検出素子４１により接触子２０の押し込み方向（ｘ方向）の変位を検出し、第２歪検出素子４２により接触子２０の横ずれ方向（ｙ方向）の変位を検出する。接触子２０の押し込み方向（ｘ方向）の変位および／または横ずれ方向（ｙ方向）の変位から、測定対象物の表面形状、表面粗さ、摩擦力、柔軟性等を測定できる。以下、順に詳細を説明する。
　＜表面形状検出方法＞
　まず、触覚センサ１を用いた測定対象物の表面形状の検出方法を説明する。
　図６（Ａ）に示すように、触覚センサ１のセンシング面を測定対象物Ｏの表面に押し当てて、基準面１１を測定対象物Ｏに接触させる。そうすると、基準面１１は、測定対象物Ｏの表面の凹凸のピークを結んだ平面に配置される。そして、接触子２０は、その接触部２１が測定対象物Ｏの表面に接触し、その反力により押し込まれる。
　つぎに、図６（Ｂ）に示すように、触覚センサ１のセンシング面を測定対象物Ｏの表面に押し当てながら、測定対象物Ｏの表面に沿って褶動させる。そうすると、接触子２０は、測定対象物Ｏの表面の凹凸に沿って押し込み方向に変位し、第１サスペンション３１に歪が生じる。この際の接触子２０の押し込み方向変位の時間変化や距離変化を第１歪検出素子４１により検出する。
　そして、図６（Ｃ）に示すように、接触子２０の押し込み方向変位の時間変化や距離変化から、測定対象物Ｏの表面の表面形状（空間波形）を再現することができる。
　ここで、接触子２０は接触部２１の半径と同程度の波長帯の凹凸に追従して変位する。すなわち、接触部２１の半径が小さいほど波長の小さい凹凸に追従し、測定対象物表面の微細な凹凸を検知できる。また、接触部２１の半径が大きいほど小さい凹凸には追従しなくなり、測定対象物表面の微細な凹凸を除去した波長の大きい凹凸（うねり）を検知できる。このようにして、接触部２１の半径により波長帯（周波数帯）を選択して、測定対象物Ｏの表面形状を測定できる。
　また、接触子２０の円弧状の先端（接触部２１）と測定対象物Ｏとが接触するので、触覚センサ１を測定対象物Ｏに押し当てながら摺動させても、接触子２０が測定対象物Ｏに引っかかることなくスムーズに動作する。そのため、接触子２０が測定対象物表面の凹凸に追従して変位し、測定対象物Ｏの表面形状を精度よく測定できる。
　＜摩擦力検出方法＞
　つぎに、触覚センサ１を用いた測定対象物の摩擦力の検出方法を説明する。
　図７に示すように、触覚センサ１のセンシング面を測定対象物Ｏの表面に押し当てながら、測定対象物Ｏの表面に沿って褶動させる。そうすると、接触子２０は、測定対象物Ｏから受ける反力により押し込み方向に変位し、第１サスペンション３１に歪が生じる。この際の接触子２０の押し込み方向変位を第１歪検出素子４１により検出する。また、接触子２０は接触部２１と測定対象物Ｏとの間に働く摩擦力により横ずれし、第２サスペンション３２に歪が生じる。この際の接触子２０の横ずれ方向変位を第２歪検出素子４２により検出する。
　第１サスペンション３１の弾性率は既知であるため、接触子２０の押し込み方向変位から、接触子２０にかかる反力Fxを算出できる。また、第２サスペンション３２の弾性率は既知であるため、接触子２０の横ずれ方向変位から、接触子２０にかかる摩擦力Fyを算出できる。算出された反力Fxおよび摩擦力Fyから、下記数１に従い、測定対象物Ｏの表面の動摩擦係数μを算出できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　なお、以上と同様の操作により、繊維質の測定対象物Ｏの引っ掛かり感等、測定対象物Ｏの表面に対して平行な方向に働く力を検出することもできる。
（第２実施形態）
　図８に示すように、本発明の第２実施形態に係る触覚センサ２は、２つのセンサ部Ｓ１、Ｓ２を備えたものである。各センサ部Ｓ１、Ｓ２の構成は第１実施形態の触覚センサ１のセンサ部Ｓと同様であるので、同一部材に同一符号を付して説明を省略する。
　各センサ部Ｓ１、Ｓ２は、共通のセンシング面を有するよう配置されている。すなわち、各センサ部Ｓ１、Ｓ２の接触子２０は平行に配置されており、その先端が共通のセンシング面に配置されている。
　触覚センサ２を測定対象物Ｏに押し当てながら摺動させると、各センサ部Ｓ１、Ｓ２で測定対象物Ｏの表面形状を検出できる。ここで、２つのセンサ部Ｓ１、Ｓ２の接触子２０は所定の距離だけ離れているので、各センサ部Ｓ１、Ｓ２で測定した測定対象物Ｏの凹凸の周期は、その距離の分だけズレが生じる。そのズレを元に、触覚センサ２の測定対象物Ｏに対する移動距離や移動速度を測定できる。
　また、各センサ部Ｓ１、Ｓ２のサスペンション３０を異なる弾性率に設定することで、各センサ部Ｓ１、Ｓ２の測定レンジをずらすことができる。そうすると、単一の触覚センサ２において、測定レンジを広くすることができる。
　なお、本実施形態の触覚センサ２は２つのセンサ部Ｓ１、Ｓ２を備える構成であるが、３つ以上の複数のセンサ部を備える構成としてもよい。
（第３実施形態）
　図９に示すように、本発明の第３実施形態に係る触覚センサ３は、２つのセンサ部Ｓ３、Ｓ４を備えたものである。各センサ部Ｓ３、Ｓ４の基本的な構成は第１実施形態の触覚センサ１のセンサ部Ｓと同様であるので、同一部材に同一符号を付して説明を省略する。
　本実施形態の触覚センサ３は、２つのセンサ部Ｓ３、Ｓ４のそれぞれの接触子２０の先端が、異なる半径の円弧状に形成されているところに特徴を有する。すなわち、一方のセンサ部Ｓ３の接触子２０の先端には、半径ｒ３の半円形の接触部２１が設けられており、他方のセンサ部Ｓ４の接触子２０の先端には、半径ｒ３よりも小さい半径ｒ４の半円形の接触部２１が設けられている。なお、各接触子２０の基準面１１からの突出量ｖは同じ量に設定されている。
　接触部２１の半径ｒ３、ｒ４や接触子２０の突出量ｖは、測定対象物Ｏや測定の目的に応じて設定すればよく、限定されない。例えば、半径ｒ３は100μm、半径ｒ４は50μm、突出量ｖは50μmに設定される。
　＜表面粗さ検出方法＞
　つぎに、触覚センサ３を用いた測定対象物の表面粗さの検出方法を説明する。
　図１０（Ａ）に示すように、測定対象物Ｏの表面形状が、波長の大きいうねり成分と、波長の短い微細成分とを有する形状であるとする。触覚センサ３のセンシング面を測定対象物Ｏの表面に押し当てながら、測定対象物Ｏの表面に沿って褶動させると、各センサ部Ｓ３、Ｓ４の接触子２０は、測定対象物Ｏの表面の凹凸に沿って押し込み方向に変位する。
　ここで、接触子２０は接触部２１の半径と同程度の波長帯の凹凸に追従して変位する。すなわち、大きい半径ｒ３の接触部２１を有する接触子２０は、長波長帯の凹凸に追従して変位し、小さい半径ｒ４の接触部２１を有する接触子２０は、長波長帯と短波長帯とを合わせた凹凸に追従して変位する。
　したがって、図１０（Ｂ）に示すように、大きい半径ｒ３の接触部２１を有する接触子２０を備えるセンサ部Ｓ３は、短波長帯（高周波数帯）を除去した長波長帯（低周波数帯）の空間波形を測定できる。すなわち、センサ部Ｓ３は、測定対象物Ｏの表面形状のうねり成分だけを抽出することができる。
　また、図１０（Ｃ）に示すように、小さい半径ｒ４の接触部２１を有する接触子２０を備えるセンサ部Ｓ４は、短波長帯（高周波数帯）と長波長帯（低周波数帯）とを合わせた空間波形を測定できる。すなわち、センサ部Ｓ４は、測定対象物Ｏの表面形状のうねり成分と微細成分を合わせた波形を抽出することができる。
　そして、センサ部Ｓ４で測定された空間波形（うねり成分＋微細成分）から、センサ部Ｓ３で測定された空間波形（うねり成分）を除去（減算）することで、図１０（Ｄ）に示すような、短波長帯（高周波数帯）のみの空間波形、すなわち測定対象物Ｏの表面形状の微細成分を求めることができる。
　このように、各センサ部Ｓ３、Ｓ４の接触子２０の先端が異なる半径ｒ３、ｒ４の円弧状に形成されているので、各接触子２０は接触部２１の半径ｒ３（ｒ４）と同程度の波長帯の凹凸に追従して変位する。そのため、各センサ部Ｓ３、Ｓ４により測定対象物Ｏの表面形状を各波長帯に分解して測定できる。各波長帯に分解された表面形状を指標として測定対象物Ｏの表面粗さを検出できる。
　例えば、長波長帯の空間波形の成分が多い場合には測定対象物Ｏの表面が粗いと判断でき、短波長帯の空間波形の成分が多い場合には測定対象物Ｏの表面が滑らかと判断できる。
　なお、３つ以上の複数のセンサ部を備える構成とし、接触子２０の先端の半径の種類をより多くしてもよい。そうすることで、測定対象物Ｏの表面形状を、より多数の波長帯（周波数帯）に分解することができ、表面粗さの特定に供することができる。例えば、接触部２１の半径が異なる３つのセンサ部を設ければ、短波長帯（高周波数帯）、中波長帯（中周波数帯）、長波長帯（低周波数帯）の３つに分解した空間波形を測定できる。
　＜柔軟性検出方法＞
　つぎに、触覚センサ３を用いた測定対象物の柔軟性の検出方法を説明する。
　測定対象物Ｏの柔軟性を検出するには、触覚センサ３のセンシング面を測定対象物Ｏの表面に押し当てる。そうすると、各センサ部Ｓ３、Ｓ４の接触子２０は測定対象物Ｏの表面に接触し、その反力により押し込まれる。
　本実施形態では、２つのセンサ部Ｓ３、Ｓ４のそれぞれの接触子２０の先端が異なる半径の円弧状に形成されていることから、測定対象Ｏの柔軟性により接触子２０の押し込み方向の変位が異なる。具体的には、測定対象物Ｏが硬い場合には、大きい半径ｒ３の接触部２１を有する接触子２０も、小さい半径ｒ４の接触部２１を有する接触子２０も、押し込み方向の変位が同程度となる。また、測定対象物Ｏが柔らかい場合には、小さい半径ｒ４の接触部２１を有する接触子２０は測定対象物Ｏに突き刺さりやすいため、小さい半径ｒ４の接触部２１を有する接触子２０に比べて、大きい半径ｒ３の接触部２１を有する接触子２０の方が、押し込み方向の変位が大きくなる。
　このことから、触覚センサ３を測定対象物Ｏに押し当てた場合に、先端の半径ｒ４が小さい接触子２０の押し込み方向の変位と、先端の半径ｒ３が大きい接触子２０の押し込み方向の変位との差から、測定対象物Ｏの柔軟性を測定できる。
（第４実施形態）
　図１１に示すように、本発明の第４実施形態に係る触覚センサ４は、２つのセンサ部Ｓ５、Ｓ６を備えたものである。各センサ部Ｓ５、Ｓ６の基本的な構成は第１実施形態の触覚センサ１のセンサ部Ｓと同様であるので、同一部材に同一符号を付して説明を省略する。
　本実施形態の触覚センサ４は、２つのセンサ部Ｓ５、Ｓ６のそれぞれの接触子２０の基準面１１からの突出量が、それぞれ異なる量に設定されているところに特徴を有する。すなわち、一方のセンサ部Ｓ５の接触子２０は突出量ｖ５に設定されており、他方のセンサ部Ｓ６の接触子２０は、突出量ｖ５よりも小さい突出量ｖ６に設定されている。なお、各接触子２０の接触部２１の半径ｒは同じ寸法に設定されている。
　接触子２０の突出量ｖ５、ｖ６や接触部２１の半径ｒは、測定対象物Ｏや測定の目的に応じて設定すればよく、限定されない。例えば、突出量ｖ５は50μm、突出量ｖ６は10μm、半径ｒは50μmに設定される。
　＜柔軟性検出方法＞
　つぎに、触覚センサ４を用いた測定対象物の柔軟性の検出方法を説明する。
　測定対象物Ｏの柔軟性を検出するには、触覚センサ４のセンシング面を測定対象物Ｏの表面に押し当てる。そうすると、各センサ部Ｓ５、Ｓ６の接触子２０は測定対象物Ｏの表面に接触し、その反力により押し込まれる。このときの各接触子２０の押し込み方向の変位を測定する。
　測定対象物Ｏに触覚センサ４を押し当てると、基準面１１より突出した接触子２０におされて測定対象物Ｏの表面形状が変形する。接触子２０の押し込み方向の変位は、第１サスペンション３１の歪により生じる弾性力と、測定対象物Ｏの変形により生じる弾性力との釣り合いにより定まる。そのため、測定対象物Ｏが硬い場合には、測定対象物Ｏがあまり変形せず、接触子２０の押し込み方向の変位が大きくなる。測定対象物Ｏが柔らかい場合には、測定対象物Ｏが大きく変形し、接触子２０の押し込み方向の変位が小さくなる。
　本実施形態では、２つのセンサ部Ｓ５、Ｓ６のそれぞれの接触子２０の突出量が異なることから、測定対象Ｏの柔軟性に依存して各接触子２０の先端位置の差が変化する。具体的には、測定対象物Ｏが硬い場合には、測定対象物Ｏがあまり変形しないため、各接触子２０の先端位置の差が小さくなる。また、測定対象物Ｏが柔らかい場合には、測定対象物Ｏの突出量ｖ５が大きい接触子２０に接触する部分が大きく変形するため、各接触子２０の先端位置の差が大きくなる。
　センサ部Ｓ５で測定された接触子２０の押し込み方向の変位をX5、センサ部Ｓ６で測定された接触子２０の押し込み方向の変位をX6とすると、各接触子２０の先端位置の差、すなわち、測定対象物Ｏに生じた歪量ΔZは、下記数２により求められる。この歪量ΔZを指標として、測定対象物Ｏの柔軟性を測定できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　以上のように、触覚センサ４を測定対象物Ｏに押し当てた場合の、突出量ｖ５が大きい接触子２０の押し込み方向の変位F5と、突出量ｖ６が小さい接触子２０の押し込み方向の変位F6とを比較することで、測定対象物Ｏの柔軟性を測定できる。
　＜摩擦力検出方法＞
　つぎに、触覚センサ４を用いた測定対象物の摩擦力の検出方法を説明する。
　測定対象物Ｏの摩擦力を検出するには、触覚センサ４のセンシング面を測定対象物Ｏの表面に押し当てながら、測定対象物Ｏの表面に沿って褶動させる。そうすると、各センサ部Ｓ５、Ｓ６の接触子２０は測定対象物Ｏの表面に接触し、その反力により押し込まれる。また、各センサ部Ｓ５、Ｓ６の接触子２０は測定対象物Ｏとの間に働く摩擦力により横ずれする。このときの各接触子２０の押し込み方向の変位および横ずれ方向の変位を測定する。
　各センサ部Ｓ５、Ｓ６の接触子２０は突出量が異なることから、測定対象物Ｏに対して異なる力を加えることができる。そのため、各センサ部Ｓ、Ｓ６は、測定対象物Ｏに異なる接触面圧をかけたときの摩擦力を測定できる。
　具体的には、突出量ｖ５が大きい接触子２０は測定対象物Ｏに大きい接触面圧をかけることができるため、センサ部Ｓ５は接触面圧を大きくした場合の摩擦力を測定できる。一方、突出量ｖ６が小さい接触子２０は測定対象物Ｏに小さい接触面圧をかけることができるため、センサ部Ｓ６は接触面圧を小さくした場合の摩擦力を測定できる。
　測定対象物Ｏを強く撫でたときと弱く撫でたときとでは、測定対象物Ｏの表面の形状や性質が変化し、摩擦力や手触り感が変化する場合がある。このような、測定対象物Ｏを強く撫でたときと弱く撫でたときの手触り感の違いを同時に測定できる。
（その他の実施形態）
　上記実施形態では、サスペンション３０を、センシング面に対して水平に配置された第１サスペンション３１と、センシング面に対して垂直に配置された第２サスペンション３２とからなる構成としたが、これ以外の構成でもよい。例えば、サスペンションをセンシング面に対して斜めに配置してもよい。
　また、接触子２０の変位を検出する変位検出器は、ピエゾ抵抗素子に限られない。例えば、接触子２０の変位により接触子２０とフレーム１０との距離が変化することを利用して、変位検出器を接触子２０とフレーム１０との間の静電容量を検出する構成としてもよい。
　また、接触子２０の先端は円弧状に限られず、他の形状に形成されてもよい。例えば、先鋭的な針状や波面状、左右非対称の形状にしてもよい。また、測定対象物の引っ掛かり感を重要なパラメータとして測定する場合には、接触子２０の先端を鉤状に形成し、測定対象物に引っかかりやすくしてもよい。
　接触子２０の過大変位を制限するために、上記実施形態における当接面１２に代えて、他の形状の当接部を設けてもよい。当接部は、接触子２０に対して所定幅の間隙を開けて対向するよう配置されていればよく。接触子２０の押し込み方向の過大変位のみを制限する構成としてもよいし、接触子２０の横ずれ方向の過大変位のみを制限する構成としてもよい。
　また、接触子２０の基板Ｂの厚み方向の過大変位を制限するために、接触子２０の表面および裏面に対して所定幅の間隙を設けつつ、基板Ｂの表面および裏面に硝子板等の板材を張り付けてもよい。
（検出試験）
　上記第１実施形態にかかる触覚センサ１を用いて、接触子２０の変位の検出試験を行った。
　触覚センサ１は水平状態（センシング面を垂直状態）として固定した。また、第１歪検出素子４１および第２歪検出素子４２にかける電圧Vddをそれぞれ10Vとした。測定対象物Ｏとして工作用カッティングマットを用いた。触覚センサ１のセンシング面に工作用カッティングマットの側面を押し当てながら摺動させる行為を３回繰り返した。
　第１歪検出素子４１を含む回路から出力された電圧Voutと、第２歪検出素子４２を含む回路から出力された電圧Voutの時間変化を図１２に示す。図１２より、接触子２０の押し込み方向の変位を検出する第１検出素子４１からも、接触子２０の横ずれ方向の変位を検出する第２検出素子４２からも、出力電圧の変化が見られた。これより、第１検出素子４１および第２検出素子４２により、接触子２０の押し込み方向の変位および横ずれ方向の変位を同一の時間軸上で検出できることが確認された。
（手触り感の評価試験）
　上記第３実施形態にかかる触覚センサ３を用いて、手触り感の評価試験を行った。
　一方のセンサ部Ｓ３の接触部２１の半径ｒ３を100μm、他方のセンサ部Ｓ４の接触部２１の半径ｒ４を50μmとし、両方の接触子２０の突出量ｖを50μmとした。また、第１歪検出素子４１および第２歪検出素子４２にかける電圧Vddをそれぞれ10Vとした。
　測定対象物としてコピー用紙とわら半紙の２種類の紙を用意した。人間の手触りでは、コピー用紙はスベスベであり、わら半紙はザラザラである。触覚センサ３のセンシング面を測定対象物である紙に押し当てながら一定の速度（1mm/sec）で摺動させた。
　図１３に、センサ部Ｓ４の第１歪検出素子４１を含む回路から出力された電圧Voutと、第２歪検出素子４２を含む回路から出力された電圧Voutの時間変化を示す。図１３（Ａ）は測定対象物がコピー用紙の場合、図１３（Ｂ）は測定対象物がわら半紙の場合である。第１歪検出素子４１の出力電圧は測定対象物の表面形状を表す。第２歪検出素子４２の出力電圧は測定対象物の摩擦力を表す。また、横軸は時間であるが、触覚センサ３を測定対象物に対して一定の速度で移動させているため、横軸は測定対象物表面の位置座標と同義である。このように、触覚センサ３により測定対象物の表面形状および摩擦力からなるデータ列を取得できる。
　第１歪検出素子４１の出力電圧5mVは、表面形状の振幅の約10μmに相当する。図１３より、本触覚センサ３によれば表面形状の振幅を約1μmの分解能で測定できることが分かる。コピー用紙の場合（図１３（Ａ））に比べて、わら半紙の場合（図１３（Ｂ））の方が、表面形状の振幅も、摩擦力の振幅も大きい。これらは、わら半紙の方が表面の凹凸が大きいことを示す。
　図１３から分かるように、表面形状の波形と摩擦力の波形は、よく似た波形であり、位相がずれた関係にある。そして、表面形状のピークの直前に摩擦力のピークが現れる。図１３における矢印は、表面形状のピークとそれに隣接する摩擦力のピークの位置の一例を示す。この理由は、接触部２１が測定対象物表面の凸部（表面形状のピーク）に引っ掛るため、その凸部の直前で摩擦力が大きくなるためと考えられる。従来、摩擦力は測定対象物全体の平均値としてしか測定できなかった。本触覚センサ３によれば、測定対象物の局所的な摩擦力を測定することができる。しかも、表面形状とともに摩擦力の変化を測定できる。そのため、上記のような新たな知見を得ることができた。
　図１４に、横軸を表面形状、縦軸を摩擦力とした散布図を示す。図１４（Ａ）は測定対象物がコピー用紙の場合、図１４（Ｂ）は測定対象物がわら半紙の場合である。それぞれの場合における表面形状と摩擦力の相関係数rを求めると、コピー用紙の場合はr=0.64、わら半紙の場合はr=0.42であった。ここで、２組の数値からなるデータ列{(xi,yi)}(i=1,2,…,n)の相関係数rを下記数３で定義した。なお、相関係数の定義として他の定義を採用してもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　わら半紙の相関係数はコピー用紙の相関係数に比べて低い。相関係数が高い方が、手触り感がスベスベであるといえ、相関係数が低い方が、手触り感がザラザラであるいえる。このように、表面形状と摩擦力の相関係数を指標として手触り感を定量化できる。
　前述のごとく、表面形状の波形と摩擦力の波形は位相がずれた関係にある。そこで、それぞれの波形の位相を0～0.1秒の間で0.01秒ずつずらして、種々の位相差における表面形状と摩擦力の相関係数を求めた。その結果を図１５に示す。図１５（Ａ）は測定対象物がコピー用紙の場合、図１５（Ｂ）は測定対象物がわら半紙の場合である。
　図１５から分かるように、位相をずらさない場合には、コピー用紙の場合（図１５（Ａ））の方が、相関係数が高い。しかし、相関係数のピーク値はわら半紙の場合（図１５（Ｂ））の方が高い。また、相関係数がピークとなる位相差はコピー用紙とわら半紙で異なっている。わら半紙はコピー用紙に比べて大きい位相差で相関係数がピークとなる。相関係数がピークとなる位相差が小さい方が、手触り感がスベスベであるといえ、相関係数がピークとなる位相差が大きい方が、手触り感がザラザラであるいえる。このように、相関係数がピークとなる位相差を指標として手触り感を定量化できる。
　図１６に、表面形状と摩擦力の差分空間周波数分布を示す。図１６（Ａ）は測定対象物がコピー用紙の場合、図１６（Ｂ）は測定対象物がわら半紙の場合である。表面形状の波形と摩擦力の波形との相似性や位相差に手触り感の情報が含まれると考えられる。そこで、相似性や位相差が表れる差分空間周波数分布に着目した。差分空間周波数分布は、表面形状の信号波形から摩擦力の信号波形を減算して差分波形を求め、その差分波形をフーリエ変換して得た。
　コピー用紙の場合（図１６（Ａ））は、低周波数成分が多く、高周波数成分が少ないことが分かる。これは、コピー用紙が比較的細かい繊維から作られており、滑らかな表面形状を有するため、もともとの表面形状と摩擦力の両波形に高周波成分が少ないからである。また、表面形状の波形と摩擦力の波形は相似性が高く、位相差が小さいからである。一方、わら半紙の場合（図１６（Ｂ））は、低周波数成分のみならず、高周波数成分も存在することが分かる。これは、わら半紙が比較的荒い繊維から作られており、接触部２１が繊維に時折引っかかる様な摩擦力を受けるため、もともとの表面形状と摩擦力の両波形に高周波成分が多いからである。また、表面形状の波形と摩擦力の波形は相似性が低く、位相差が大きいからである。よって、高周波数成分が少ないほど手触り感がスベスベであるといえ、高周波数成分が多いほど手触り感がザラザラであるいえる。このように、表面形状と摩擦力の差分空間周波数分布を指標として手触り感を評価できる。
　なお、以上の手触り感の評価試験では測定対象物として紙を採用したが、他の測定対象物、例えば、毛髪や肌などにも適用できる。
　１～４　触覚センサ
　Ｂ　　　基板
　Ｓ　　　センサ部
　１０　　フレーム
　１１　　基準面
　１２　　当接面
　２０　　接触子
　２１　　接触部
　２２　　被当接面
　３０　　サスペンション
　３１　　第１サスペンション
　３２　　第２サスペンション
　３３　　島部
　４１　　第１歪検出素子
　４２　　第１歪検出素子

Claims (11)

  1. 　基板に形成されたセンサ部を備え、
    前記センサ部は、
    前記基板の側部を含むフレームと、
    前記基板に対して平行、かつ、先端が該基板の側面から突出するように配置された接触子と、
    前記接触子を前記フレームに対して支持するサスペンションと、
    前記接触子の変位を検出する変位検出器と、を備える
    ことを特徴とする触覚センサ。
  2. 　前記サスペンションは、
    前記接触子の前記基板の側面に対して垂直方向の変位を許容する第１サスペンションと、
    前記接触子の前記基板の側面に対して水平方向の変位を許容する第２サスペンションと、からなり、
    前記変位検出器は、
    前記第１サスペンションの歪を検出する第１歪検出素子と、
    前記第２サスペンションの歪を検出する第２歪検出素子と、からなる
    ことを特徴とする請求項１記載の触覚センサ。
  3. 　前記接触子の先端が円弧状に形成されている
    ことを特徴とする請求項１または２記載の触覚センサ。
  4. 　前記フレームには、前記接触子に対して所定幅の間隙を開けて対向する当接部が設けられている
    ことを特徴とする請求項１、２または３記載の触覚センサ。
  5. 　前記フレームには、前記接触子を挟む位置に一対の当接面が形成されており、
    前記接触子には、前記当接面に対向する一対の被当接面が形成されており、
    前記一対の当接面は、前記基板の側面に向かって広がるように、該側面に対して傾斜しており、
    前記一対の被当接面は、前記一対の当接面に対して所定幅の間隙を開けて平行に設けられている
    ことを特徴とする請求項１、２または３記載の触覚センサ。
  6. 　複数の前記センサ部を備える
    ことを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載の触覚センサ。
  7. 　前記複数のセンサ部は、それぞれの前記接触子の先端が異なる半径の円弧状に形成されている
    ことを特徴とする請求項６記載の触覚センサ。
  8. 　前記複数のセンサ部は、前記接触子の前記基板の側面からの突出量が、それぞれ異なる量に設定されている
    ことを特徴とする請求項６記載の触覚センサ。
  9. 　測定対象物の表面形状および摩擦力からなるデータ列を元に、該測定対象物の手触り感を評価する方法であって、
    前記表面形状と前記摩擦力の相関係数を求め、
    前記相関係数を指標として手触り感を評価する
    ことを特徴とする手触り感の評価方法。
  10. 　測定対象物の表面形状および摩擦力からなるデータ列を元に、該測定対象物の手触り感を評価する方法であって、
    種々の位相差における前記表面形状と前記摩擦力の相関係数を求め、
    前記相関係数がピークとなる位相差を指標として手触り感を評価する
    ことを特徴とする手触り感の評価方法。
  11. 　測定対象物の表面形状および摩擦力からなるデータ列を元に、該測定対象物の手触り感を評価する方法であって、
    前記表面形状と前記摩擦力の差分空間周波数分布を求め、
    前記差分空間周波数分布を指標として手触り感を評価する
    ことを特徴とする手触り感の評価方法。
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