WO2020085277A1 - 触覚センサ - Google Patents

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WO2020085277A1
WO2020085277A1 PCT/JP2019/041253 JP2019041253W WO2020085277A1 WO 2020085277 A1 WO2020085277 A1 WO 2020085277A1 JP 2019041253 W JP2019041253 W JP 2019041253W WO 2020085277 A1 WO2020085277 A1 WO 2020085277A1
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WO
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displacement
tactile sensor
hair
bristles
detector
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Application number
PCT/JP2019/041253
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English (en)
French (fr)
Inventor
高尾　英邦
Original Assignee
国立大学法人香川大学
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Publication date
Application filed by 国立大学法人香川大学 filed Critical 国立大学法人香川大学
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Priority to US17/309,004 priority patent/US11815411B2/en
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • G01L5/161—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance
    • G01L5/162—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance of piezoresistors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • 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. More specifically, the present invention relates to a tactile sensor for the purpose of quantifying the tactile sensation felt by humans.
  • the tactile sensor formed by the semiconductor micromachining technology has an advantage that a large number of sensor parts can be arranged at high density and a high position resolution can be obtained because many sensor signals can be read with a small amount of wiring. .
  • Patent Document 1 discloses a tactile sensor having a contactor whose tip portion is minute. By sliding the tactile sensor while pressing it against the object to be measured and detecting the displacement of the contact, it is possible to detect the fine irregularities on the surface of the object to be measured and the frictional force in the minute area.
  • mechanoreceptors There are multiple mechanoreceptors on human skin.
  • the action of mechanoreceptors gives the sensation of touching a substance.
  • human skin is classified into hairless skin such as fingertips and soles and haired skin such as arms and shins.
  • the mechanoreceptors that are present are partially different between hairless and hairy skin.
  • Hair follicle cells are mentioned as a mechanoreceptor peculiar to hairy skin. It is thought that hair follicle cells provide sensations peculiar to hairy skin, such as the perception of liquid level and static electricity.
  • the tactile sensor of Patent Document 1 has a contact imitating a fingerprint of a fingertip and can quantify the tactile sensation of hairless skin.
  • sensors for quantifying the sensation peculiar to hairy skin have not been sufficiently developed at present.
  • an object of the present invention is to provide a tactile sensor capable of detecting a sensation peculiar to hairy skin.
  • a tactile sensor includes a base portion, a displacement portion, a displacement portion support body that supports the displacement portion so as to be displaceable in at least a first direction with respect to the base portion, and a first portion that is perpendicular to the first direction.
  • Straight hairs arranged along two directions, a hair fixing portion to which a base end of the hair is fixed, and the hair fixing portion including the first direction and the second direction with respect to the displacement portion
  • a bristles fixing part support that supports the bristles in a plane, a displacement detector that detects a displacement of the displacement part with respect to the base part, and a swivel detector that detects a swivel of the bristles fixing part with respect to the displacement part.
  • a tactile sensor of a second invention is the tactile sensor of the first invention, wherein the displacement part supporter supports the displacement part so as to be displaceable also in the second direction with respect to the base part, and the displacement detector is the displacement part.
  • a tactile sensor according to a third aspect of the present invention is characterized in that, in the first or second aspect, the bristles are integrally formed with the bristles fixing portion.
  • a tactile sensor of a fourth invention is the tactile sensor according to the first or second invention, wherein the hair fixing portion is formed with a concave insertion portion, and the base end portion of the hair is inserted into the insertion portion. It is characterized by The tactile sensor of the fifth invention is characterized in that, in the fourth invention, two rows of comb teeth arranged facing each other are formed on the inner wall of the insertion portion.
  • a tactile sensor according to a sixth aspect of the present invention is the tactile sensor according to the fifth aspect, wherein each of the plurality of teeth forming the comb tooth is inclined in a hair inserting direction from a base end toward a tip.
  • a tactile sensor of a seventh invention is the tactile sensor according to the first or second invention, wherein the bristles are fixed to the bristles fixing portion with an adhesive.
  • the shearing force acting on the hair can be obtained from the detection value of the displacement detector, and the moment acting on the hair can be obtained from the detection value of the turning detector. From the shearing force and the moment acting on the hair, it is possible to detect the sensations peculiar to haired skin, such as the perception of liquid level and static electricity.
  • the axial force acting on the hair can be obtained from the detection value of the second displacement detector. Static electricity can be detected from the axial force acting on the hair.
  • the bristles and the bristles are integrally formed, the number of parts is small and the manufacturing process of the tactile sensor can be simplified.
  • the bristles and the other parts of the tactile sensor are separate members, various materials and shapes can be adopted as the bristles to be mounted on the tactile sensor.
  • the hair can be firmly fixed to the hair fixing portion by sandwiching the base end portion of the hair with the two rows of comb teeth.
  • the teeth of the comb teeth are inclined in the inserting direction, it is easy to insert the bristles into the inserting portion, and it is difficult to pull them out.
  • the hair and the other part of the tactile sensor are separate members, various materials and shapes can be adopted as the hair mounted on the tactile sensor.
  • FIG. 3A is an explanatory diagram of the first and second strain detection elements when the vertical beam of the hair fixing portion support has no strain.
  • FIG. 6B is an explanatory diagram of the first and second strain detection elements when the vertical beam of the bristle fixing portion support has strain. It is a circuit diagram of a distortion detection circuit.
  • FIG. 7A is an explanatory diagram of the third and fourth strain detection elements when the vertical beam of the displacement part support has no strain.
  • FIG. 6B is an explanatory diagram of the third and fourth strain detection elements when the vertical beam of the displacement part support has strain. It is explanatory drawing which shows the measurement principle of the surface tension of a liquid.
  • FIG. 6A is an enlarged view of a hair fixing portion of a tactile sensor according to another embodiment.
  • FIG. 6B is an enlarged view of the hair fixing portion of the tactile sensor according to still another embodiment. It is a graph which shows the result of the characteristic evaluation of a tactile sensor.
  • FIG. 6A is a graph showing the output signals of the moment and the shearing force when the shearing force is applied to the point at the distance L1 from the center of the moment.
  • FIG. 6B is a graph showing the output signals of the moment and the shearing force when the shearing force is applied to the point at the distance L2 from the center of the moment.
  • FIG. 6B is a graph showing output signals of moment and shearing force when an aqueous ethanol solution (50% by mass) is used as the liquid to be measured. It is a graph which shows the surface tension (experimental value) calculated
  • a tactile sensor 1 As shown in FIG. 1, a tactile sensor 1 according to an embodiment of the present invention is formed by processing a semiconductor substrate such as an SOI substrate by a semiconductor micromachining technique.
  • the tactile sensor 1 has a hair 10, a hair fixing portion 20, a displacement portion 30, and a base portion 40.
  • a bristle fixing unit support 50 that supports the bristle fixing unit 20 with respect to the displacing unit 30 is provided between the bristle fixing unit 20 and the displacing unit 30.
  • a displacement part support body 60 that supports the displacement part 30 with respect to the base part 40 is provided between the displacement part 30 and the base part 40.
  • x-direction, y-direction, and z-direction are defined as shown in FIG.
  • the x direction, the y direction, and the z direction are also referred to as the first direction, the second direction, and the third direction, respectively.
  • the y direction is perpendicular to the x direction.
  • the z direction is perpendicular to the xy plane (plane including the x direction and the y direction).
  • the flat tactile sensor 1 is arranged parallel to the xy plane.
  • the z direction corresponds to the thickness direction of the tactile sensor 1.
  • the tactile sensor 1 detects an external force acting on the hair 10.
  • the external force in the direction (x direction) perpendicular to the longitudinal direction of the bristles 10 is referred to as “shearing force”.
  • the external force along the longitudinal direction (y direction) of the bristles 10 is referred to as “axial force”.
  • the shearing force on the bristles 10 creates a moment that causes the bristles 10 to pivot in the xy plane.
  • the parts other than the bristles 10 are referred to as “sensor main body”.
  • the overall size of the sensor body is not particularly limited, but is 1 to 20 mm square.
  • Hair 10 is a linear elongated member.
  • the bristles 10 may be elastic.
  • the bristles 10 may have a substantially linear shape when no external force is applied. Like human hair, the hair 10 may have some curvature.
  • the length of the bristles 10 is not particularly limited, but is 1 to 20 mm.
  • the thickness of the bristles 10 is not particularly limited, but is 1 to 100 ⁇ m. The thickness of the bristles 10 may be set so as to obtain a desired rigidity.
  • the hair 10 is arranged outside the base 40 along the y direction. Further, the base end of the hair 10 is fixed to the hair fixing portion 20.
  • the bristles 20 pivot in the xy plane when a moment is applied to the bristles 10.
  • the bristle fixing unit 20 and the displacement unit 30 are connected via a bristle fixing unit support 50.
  • the bristle fixing portion support 50 is composed of one or more vertical beams 51.
  • Each of the vertical beams 51 has elasticity and has a property similar to that of a leaf spring.
  • each vertical beam 51 is arranged along the y direction.
  • the vertical beam 51 allows the hair fixing portion 20 to pivot in the xy plane. That is, the bristle fixing unit 20 is supported so as to be rotatable with respect to the displacement unit 30 in the xy plane.
  • the bristles 10 and the bristles 20 pivot about a bristles support 50 (more specifically, a narrow portion 51a described later).
  • three vertical beams 51 are provided, but the number and size thereof are not particularly limited.
  • the number and size of the vertical beams 51 may be set so that the elasticity necessary for the bristle fixing portion support 50 is obtained.
  • each vertical beam 51 is thinner than the other portions. As described above, by providing the narrow portion 51a (see FIG. 2A) on the vertical beam 51, the vertical beam 51 is likely to be distorted. Even when the moment generated on the bristles 10 is small, the bristles fixing portion 20 is likely to rotate. Therefore, the moment generated in the hair 10 can be detected with high sensitivity.
  • the displacement part 30 is a rod-shaped member, and its central axis is arranged along the y direction.
  • the displacement portion 30 is displaced in the x direction when a shearing force acts on the bristles 10. Further, the displacement portion 30 is displaced in the y direction when an axial force acts on the bristles 10.
  • the base 40 is a rectangular frame surrounded by edge members on all sides. An opening is formed in the center of the one edge member 41 that constitutes the base portion 40. The inside and outside of the base 40 communicate with each other through this opening.
  • the hair fixing portion 20 is arranged in the opening of the base portion 40. Further, the displacement portion 30 is arranged in the internal space of the base portion 40.
  • the displacement section 30 and the base section 40 are connected via a displacement section support body 60.
  • the displacement portion support body 60 includes a plurality of vertical beams 61, a plurality of horizontal beams 62, and two island portions 63. In the internal space of the base portion 40, two island portions 63 are arranged at positions sandwiching the displacement portion 30. Each vertical beam 61 is bridged between the base portion 40 and the island portion 63. Each horizontal beam 62 is bridged between the island portion 63 and the displacement portion 30.
  • Each vertical beam 61 has elasticity and has the same property as a leaf spring. Further, each vertical beam 61 is arranged along the y direction. Therefore, the vertical beam 61 allows the displacement portion 30 to be displaced in the x direction.
  • Each horizontal beam 62 has elasticity and has the same property as a leaf spring. Further, each horizontal beam 62 is arranged along the x direction. Therefore, the horizontal beam 62 allows the displacement portion 30 to be displaced in the y direction. That is, the displacement portion 30 is supported so as to be displaceable in the x direction and the y direction with respect to the base portion 40.
  • two vertical beams 61 are provided on each side of each island 63, for a total of eight, but the number and size thereof are not particularly limited.
  • three horizontal beams 62 are provided on each side of the displacement portion 30, three in total, but the number and size thereof are not particularly limited.
  • the number and dimensions of the vertical beams 61 and the horizontal beams 62 may be set so that the displacement portion support body 60 can have the required elasticity.
  • both ends of each vertical beam 61 are thinner than the other portions.
  • the vertical beam 61 is likely to be distorted. Even when the shearing force acting on the bristles 10 is small, the displacement portion 30 is likely to be displaced in the x direction. Therefore, the shearing force acting on the hair 10 can be detected with high sensitivity.
  • both ends of each horizontal beam 62 are thinner than the other parts. As described above, by providing the narrow portion on the horizontal beam 62, the horizontal beam 62 is likely to be distorted. Even when the axial force acting on the bristles 10 is small, the displacement portion 30 is easily displaced in the y direction. Therefore, the axial force acting on the hair 10 can be detected with high sensitivity.
  • the bristle fixing section 20 and the base section 40 have the following structures in order to limit the rotation of the bristle fixing section 20 within a predetermined amount.
  • the bristle fixing part 20 is arranged in an opening formed in the edge member 41.
  • the side surface of the opening portion faces the side surface of the bristle fixing portion 20.
  • a predetermined space is provided between the side surface of the opening and the side surface of the bristle fixing portion 20.
  • the displacement section 30 and the base section 40 have the following structures in order to limit the displacement of the displacement section 30 within a predetermined amount.
  • a T-shaped protrusion 31 is formed at one end of the displacement portion 30.
  • the base portion 40 is formed with a limiting portion 42 having a shape surrounding the protruding portion 31.
  • a predetermined space is provided between the protruding portion 31 and the limiting portion 42.
  • a swirl detector 70 is provided in the tactile sensor 1 in order to detect swiveling of the hair fixing unit 20 with respect to the displacement unit 30.
  • the turning detector 70 includes first and second strain detecting elements 71 and 72 that detect the strain of the vertical beam 51.
  • Piezoresistive elements can be used as the first and second strain detection elements 71 and 72.
  • the piezoresistive element is formed on the surface of the vertical beam 51 by an integrated circuit manufacturing process such as impurity diffusion and ion implantation, and a metal wiring forming technique.
  • one vertical beam 51 among the plurality of vertical beams 51 has a first strain detection element 71 formed on the surface of the narrow portion 51a.
  • the second strain detecting element 72 is formed on the surface of the narrow portion 51a of the other vertical beam 51.
  • a strain detection circuit (not shown in FIGS. 1 and 2) that detects strain of the vertical beam 51 is formed on the surface of the tactile sensor 1.
  • the distortion detection circuit reads the voltage Vout between the first distortion detection element 71 and the second distortion detection element 72 by connecting the first and second distortion detection elements 71 and 72 in series and applying the voltage Vdd to both ends. Circuit.
  • the voltage Vout changes due to the differential between the first and second strain detection elements 71 and 72.
  • the strain amount of the vertical beam 51 can be detected.
  • the turning detector 70 can detect the turning amount of the bristle fixing unit 20 with respect to the displacement unit 30. Further, the moment generated on the bristles 10 can be obtained from the turning amount of the bristles 20.
  • the turning detector 70 may be configured to detect turning of the bristle fixing unit 20 in the yz plane.
  • the resistances of both the first and second strain detection elements 71 and 72 become smaller or larger. Based on this, the turning amount of the bristle fixing unit 20 in the yz plane may be detected. Then, the moment in the yz plane generated on the hair 10 can be obtained.
  • a displacement detector 80 is provided in the tactile sensor 1 in order to detect the displacement of the displacement unit 30 with respect to the base 40.
  • the displacement detector 80 has a first displacement detector 81 that detects the displacement of the displacement unit 30 in the x direction, and a second displacement detector 82 that detects the displacement of the displacement unit 30 in the y direction.
  • the first displacement detector 81 includes third and fourth strain detection elements 83 and 84 that detect strain of the vertical beam 61.
  • the second displacement detector 82 includes fifth and sixth strain detecting elements 85 and 86 that detect the strain of the horizontal beam 62. Piezoresistive elements can be used as the third to sixth strain detecting elements 83 to 86.
  • one vertical beam 61 of the plurality of vertical beams 61 has a third strain detection element 83 formed on the surface of the narrow portion 61a.
  • a fourth strain detection element 84 is formed on the surface of the narrow portion 61a of the other vertical beam 61.
  • the third and fourth strain detection elements 83 and 84 are arranged along one side of the narrow portion 61a.
  • the third and fourth strain detection elements 83, 84 are arranged on the opposite side portions.
  • the third strain detection element 83 is arranged on the left side portion
  • the fourth strain detection element 84 is arranged on the right side portion.
  • the vertical beam 61 is distorted.
  • the resistance of the third strain detecting element 83 decreases due to the compressive stress
  • the resistance of the fourth strain detecting element 84 increases due to the tensile stress. If the displacement direction of the displacement portion 30 is reversed, the resistance of the third strain detecting element 83 increases due to the tensile stress, and the resistance of the fourth strain detecting element 84 decreases due to the compressive stress.
  • a strain detection circuit that detects strain of the vertical beam 61 is formed on the surface of the tactile sensor 1. This distortion detection circuit is similar to the distortion detection circuit of the turning detector 70.
  • the first displacement detector 81 can detect the displacement of the displacement portion 30 with respect to the base portion 40 in the x direction. Further, the shearing force acting on the hair 10 can be obtained from the displacement of the displacement portion 30 in the x direction.
  • the configurations of the fifth and sixth strain detection elements 85 and 86 of the second displacement detector 82 and the strain detection circuit are the configurations of the third and fourth strain detection elements 83 and 84 of the first displacement detector 81 and the strain detection circuit. Is the same as.
  • the second displacement detector 82 can detect the displacement of the displacement portion 30 with respect to the base portion 40 in the y direction. Further, the axial force acting on the hair 10 can be obtained from the displacement of the displacement portion 30 in the y direction.
  • the turning detector 70 may be configured to detect the displacement of the displacement unit 30 in the z direction.
  • the resistances of the third and fourth strain detection elements 83 and 84 are both reduced or increased. Based on this, the displacement amount of the displacement unit 30 in the z direction may be detected. Then, the shearing force acting on the hair 10 in the z direction can be obtained.
  • 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 its thickness is, for example, 300 ⁇ m.
  • the substrate is cleaned and an oxidation process is performed to form a surface oxide film.
  • the surface oxide film is processed to form a diffusion layer pattern to be a circuit portion, and phosphorus diffusion is performed.
  • a chromium thin film is sputtered on the back surface of the substrate, and the chromium thin film is processed into a pattern for releasing the movable structure portion.
  • the surface oxide film is removed and etching is performed by ICP-RIE to form a movable structure portion.
  • the back surface is etched by ICP-RIE.
  • the intermediate oxide film and the resist are removed to release the movable structure section.
  • the bristles 10 of this embodiment are formed by processing a semiconductor substrate. Therefore, the bristles 10 are integrally formed with the bristles 20. With such a configuration, the tactile sensor 1 has a small number of parts, and the manufacturing process of the tactile sensor 1 can be simplified.
  • Detection method Next, a detection method by the tactile sensor 1 will be described.
  • the hair 10 is brought into contact with an object to be measured and an external force is applied.
  • the bristle fixing portion support 50 is distorted.
  • the distortion is detected by the turning detector 70 to obtain the moment.
  • shearing force or axial force acts on the bristles 10 the displacement portion support body 60 is distorted.
  • the strain is detected by the displacement detector 80 to obtain the shearing force and the axial force.
  • the surface tension of the liquid, static electricity, etc. can be measured from the moment, shearing force, and axial force acting on the bristles 10. The details will be described below in order.
  • Fig. 5 shows the measurement principle of the liquid surface tension.
  • a distributed load due to the surface tension of the liquid acts on the hair 10.
  • the surface tension acting on the hair 10 is a uniformly distributed load w.
  • an evenly distributed load w acts on the tip portion (portion of length x) of the cantilever having the length L
  • the shearing force Fs and the moment M acting on the bristles 10 are expressed by the following equations (1) and (2). ).
  • the tactile sensor 1 can determine the surface tension w of the liquid.
  • the electrostatic attractive force acting on the electrostatic hair 10 can be directly obtained from the shearing force or the axial force detected by the tactile sensor 1. In addition, as described below, by using the resonance frequency of the bristles 10, the electrostatic attractive force can be measured with higher sensitivity.
  • FIG. 6 shows the principle of electrostatic attraction measurement.
  • the tactile sensor 1 is vibrating in the x direction by the vibrating device.
  • Resonating bristles 10 can be considered as a simple spring mass model composed of an equivalent mass m and a spring (spring constant k).
  • the resonance frequency f 0 of the hair 10 is expressed by the following equation (4).
  • the spring constant k ′ can be obtained from the resonance frequency shift amount ⁇ f.
  • the spring constant k ′ is represented by the force gradient of the electrostatic attractive force F. Therefore, the electrostatic attractive force F can be obtained from the spring constant k ′. In this way, the electrostatic attractive force F can be obtained from the change in the resonance frequency of the hair 10.
  • the force gradient is attractive
  • the spring constant k ′ becomes negative and the resonance frequency shifts in the negative direction.
  • the spring constant k ′ becomes positive and the resonance frequency shifts in the positive direction.
  • the tactile sensor 1 it is possible to detect a minute air flow.
  • the shearing force acting on the hair 10 can be obtained from the detection value of the first displacement detector 81, and the moment acting on the hair 10 can be obtained from the detection value of the turning detector 70.
  • the surface tension and static electricity of the liquid can be detected from the shearing force and the moment acting on the bristles 10.
  • the axial force acting on the hair 10 can be obtained from the detection value of the second displacement detector 82. Static electricity or the like can be detected from the axial force acting on the hair 10.
  • the tactile sensor 1 can detect the sensations peculiar to hairy skin, such as the perception of liquid level and static electricity.
  • the tactile sensor 1 When measuring the surface tension of the liquid, the tactile sensor 1 does not need to detect the axial force acting on the hair 10. Therefore, in the tactile sensor 1 used for such a purpose, it is sufficient that the displacement portion 30 can be displaced at least in the x direction.
  • the displacement portion 30 may not be displaceable in the y direction.
  • the second displacement detector 82 that detects the displacement of the displacement unit 30 in the y direction may be omitted.
  • the bristles 10 and the sensor body may be configured as separate members. By doing so, various materials and shapes can be adopted as the hair 10 mounted on the tactile sensor 1. For example, human hair can be used as the hair 10.
  • the bristles 10 are fixed to the bristles 20 after the sensor body is formed.
  • a concave insertion portion 21 may be formed in the bristle fixing portion 20.
  • the hair 10 is fixed to the hair fixing portion 20 by inserting the base end portion of the hair 10 into the insertion portion 21.
  • the two rows of comb teeth arranged to face each other may be formed on the inner wall of the insertion portion 21.
  • the hair 10 can be firmly fixed to the hair fixing portion 20 by sandwiching the base end portion of the hair 10 between the two rows of comb teeth.
  • the plurality of teeth forming the comb teeth may be perpendicular to the insertion direction of the bristles 10.
  • the plurality of teeth forming the comb teeth may be inclined in the bristle insertion direction from the base end toward the tip. If the teeth of the comb teeth are inclined in the insertion direction, the bristles 10 are easily inserted into the insertion portion 21 and are hard to come off.
  • the hair 10 may be fixed to the hair fixing portion 20 with an adhesive. At this time, it is not always necessary to form the insertion portion 21 in the hair fixing portion 20.
  • the bristle fixing portion support 50 and the displacement portion support 60 may be formed of members other than beams as long as desired elasticity can be obtained.
  • the turning detector 70 and the displacement detector 80 are not limited to piezoresistive elements.
  • the turning detector 70 detects the electrostatic capacitance between the bristle fixing unit 20 and the base 40 by utilizing the fact that the distance between the bristle fixing unit 20 and the base 40 changes due to the turning of the bristle fixing unit 20. It may be configured.
  • the displacement detector 80 may be configured to detect the electrostatic capacitance between the displacement section 30 and the base section 40.
  • the method for manufacturing the tactile sensor 1 is not limited to semiconductor micromachining technology.
  • modeling technology using a three-dimensional printer can also be adopted.
  • the semiconductor substrate was processed to manufacture the tactile sensor 1 shown in FIG.
  • a p-type SOI substrate having a supporting substrate of 300 ⁇ m, an oxide film layer of 0.5 ⁇ m, and an active layer of 50 ⁇ m was used.
  • the sensor body has a width of 6.3 mm and a length of 4.8 mm.
  • Hair 10 is 5 mm long and 10 ⁇ m wide.
  • the material of the hair 10 is silicon.
  • the width of the hair 10 is 10 ⁇ m, its rigidity is about the same as that of human hair having an average thickness of 50 ⁇ m.
  • the minimum force that humans can perceive is 10 ⁇ N, and the moment is considered to be 10 nNm.
  • the target sensitivity of the tactile sensor 1 was set to a force of 10 ⁇ N and a moment of 10 nNm.
  • the width of the beam (narrow portion) on which the piezoresistive elements forming the turning detector 70 and the displacement detector 80 are arranged is 13 ⁇ m.
  • the sensitivity of the tactile sensor 1 was measured using the Micromechanical Testing And Assembly System (FEMTO TOOLS). As a result, the axial force was 5 ⁇ m, the shearing force was 1 ⁇ m, and the moment was 3 nNm. From this, it was confirmed that the tactile sensor 1 achieved the target sensitivity.
  • FEMTO TOOLS Micromechanical Testing And Assembly System
  • FIG. 10 (A) shows a graph of output signals of moment and shear force obtained by the tactile sensor 1 when water (ethanol concentration 0 mass%) was used as the liquid to be measured.
  • FIG. 10B shows a graph of the output signals of the moment and the shear force obtained by the tactile sensor 1 when the aqueous ethanol solution (ethanol concentration 50% by mass) is used as the liquid to be measured.
  • the moment M and the shearing force Fs generated by the surface tension were acquired from the difference between the signals before and after the hair 10 separated from the droplet. Comparing FIG. 10 (A) and FIG. 10 (B), it can be seen that a difference occurs in the moment M and the shearing force Fs due to the difference in the liquid to be measured.
  • the moment M and the shearing force Fs were acquired with the tactile sensor 1 for each liquid to be measured, and the surface tension w was calculated based on the equation (3).
  • the results are shown in FIG. 11 as experimental values.
  • the horizontal axis of the graph in FIG. 11 is the ethanol concentration, and the vertical axis is the surface tension.
  • the graph of FIG. 11 shows the surface of the aqueous ethanol solution quoted from the International Alcohol Table (Translated by the Institute of Metrology, Industrial Technology Institute: International Legal Metrology Organization (OIML), International Alcohol Table (Japanese version), p. 16, 1977).
  • the values of tension are shown as literature values. Comparing the experimental values with the literature values, it can be seen that the tendency of the surface tension with respect to the ethanol concentration is almost the same. The error between the experimental value and the literature value was about 14% on average. From this, it was confirmed that the tactile sensor 1 can measure the surface tension of the liquid almost accurately.
  • the tactile sensor 1 was used to measure static electricity.
  • the tactile sensor 1 was placed on a vibration device and vibrated in the x direction.
  • a vibrating device a vibrating device using a piezo actuator was used.
  • the vibrating device can vibrate the tactile sensor 1 at a desired frequency. Further, the output signal from the tactile sensor 1 was subjected to frequency analysis by a spectrum analyzer.
  • the amplitude of the moment obtained by the tactile sensor 1 was obtained while changing the vibration frequency to the tactile sensor 1 without applying electrostatic attraction.
  • an electrostatic attractive force of 1 ⁇ N was applied to the bristles 10 of the tactile sensor 1 in the x direction. Under this condition, the amplitude of the moment obtained by the tactile sensor 1 was obtained while changing the vibration frequency to the tactile sensor 1.
  • the results are shown in the graph in FIG.
  • the horizontal axis of the graph of FIG. 12 is the vibration frequency to the tactile sensor 1.
  • the vertical axis represents the amplitude of the moment obtained by the tactile sensor 1. It can be seen that the resonant frequency of the bristles 10 shifts in the negative direction when an electrostatic attractive force is applied. From this, it was confirmed that the electrostatic attractive force can be measured from the change in the resonance frequency of the hair 10. It was also confirmed that the sensitivity can be increased about 10 times as compared with the case where the electrostatic attractive force is directly obtained from the shearing force detected by the tactile sensor 1.

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Abstract

有毛皮膚に特有の感覚を検知できる触覚センサを提供する。　触覚センサ（１）は、基部（４０）と、変位部（３０）と、変位部（３０）を基部（４０）に対して第１方向に変位可能に支持する変位部支持体（６０）と、第２方向に沿って配置された直線状の毛（１０）と、毛（１０）の基端が固定された毛固定部（２０）と、毛固定部（２０）を変位部（３０）に対して旋回可能に支持する毛固定部支持体（５０）と、変位部（３０）の基部（４０）に対する変位を検出する変位検出器（８０）と、毛固定部（２０）の変位部（３０）に対する旋回を検出する旋回検出器（７０）とを備える。毛（１０）に作用する剪断力とモーメントとから、液面、静電気などの知覚といった有毛皮膚に特有の感覚を検知できる。

Description

触覚センサ
　本発明は、触覚センサに関する。さらに詳しくは、本発明は、人間が感じる触覚の定量化を目的とした触覚センサに関する。
　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。
　特許文献１には先端部が微小な接触子を有する触覚センサが開示されている。触覚センサを測定対象物に押し当てながら摺動させ、接触子の変位を検出することで、測定対象物表面の微細な凹凸および微小領域の摩擦力を検知できる。
国際公開第２０１５／１３３１１３号
　人間の皮膚には複数の機械受容器が存在する。機械受容器の働きによって物質に触れたときの感覚が得られる。また、人間の皮膚は指先、足の裏などの無毛皮膚と、腕、すねなどの有毛皮膚とに分類される。無毛皮膚と有毛皮膚とでは存在する機械受容器が一部異なっている。有毛皮膚に特有の機械受容器として毛包細胞が挙げられる。液面、静電気の知覚といった有毛皮膚に特有の感覚は毛包細胞により得られると考えられている。
　特許文献１の触覚センサは、指先の指紋を模した接触子を有するものであり、無毛皮膚の触覚を定量化できる。一方で、有毛皮膚に特有の感覚を定量化するセンサは、現状では十分に開拓されていない。
　本発明は上記事情に鑑み、有毛皮膚に特有の感覚を検知できる触覚センサを提供することを目的とする。
　第１発明の触覚センサは、基部と、変位部と、前記変位部を前記基部に対して少なくとも第１方向に変位可能に支持する変位部支持体と、前記第１方向に対して垂直な第２方向に沿って配置された直線状の毛と、前記毛の基端が固定された毛固定部と、前記毛固定部を前記変位部に対して前記第１方向および前記第２方向を含む面内で旋回可能に支持する毛固定部支持体と、前記変位部の前記基部に対する変位を検出する変位検出器と、前記毛固定部の前記変位部に対する旋回を検出する旋回検出器と、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、前記変位部支持体は、前記変位部を前記基部に対して前記第２方向にも変位可能に支持し、前記変位検出器は、前記変位部の前記第１方向の変位を検出する第１変位検出器と、前記変位部の前記第２方向の変位を検出する第２変位検出器と、を備え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、前記毛は前記毛固定部に一体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または第２発明において、前記毛固定部には凹形の差込部が形成されており、前記毛の基端部は前記差込部に差し込まれていることを特徴とする。
　第５発明の触覚センサは、第４発明において、前記差込部の内壁には、対向して配置された二列の櫛歯が形成されていることを特徴とする。
　第６発明の触覚センサは、第５発明において、前記櫛歯を構成する複数の歯は、それぞれ基端から先端に向かって前記毛の差し込み方向に傾斜していることを特徴とする。
　第７発明の触覚センサは、第１または第２発明において、前記毛は前記毛固定部に接着剤で固定されていることを特徴とする。
　第１発明によれば、変位検出器の検出値から毛に作用する剪断力を求めることができ、旋回検出器の検出値から毛に作用するモーメントを求めることができる。毛に作用する剪断力とモーメントとから、液面、静電気などの知覚といった有毛皮膚に特有の感覚を検知できる。
　第２発明によれば、第２変位検出器の検出値から毛に作用する軸力を求めることができる。毛に作用する軸力から、静電気などを検知できる。
　第３発明によれば、毛と毛固定部とが一体形成されているので、部品点数が少なく、触覚センサの製造工程を簡素化できる。
　第４発明によれば、毛と触覚センサのその他の部分とが別部材であるので、触覚センサに搭載される毛として種々の素材、形状のものを採用できる。
　第５発明によれば、二列の櫛歯により毛の基端部を挟むことで、毛固定部に対して毛をしっかりと固定できる。
　第６発明によれば、櫛歯の歯が差し込み方向に傾斜しているので、毛を差込部に差し込みやすく、抜けにくい。
　第７発明によれば、毛と触覚センサのその他の部分とが別部材であるので、触覚センサに搭載される毛として種々の素材、形状のものを採用できる。
本発明の一実施形態に係る触覚センサの平面図である。 図（Ａ）は毛固定部支持体の縦梁に歪がない場合の第１、第２歪検出素子の説明図である。図（Ｂ）は毛固定部支持体の縦梁に歪がある場合の第１、第２歪検出素子の説明図である。 歪検出回路の回路図である。 図（Ａ）は変位部支持体の縦梁に歪がない場合の第３、第４歪検出素子の説明図である。図（Ｂ）は変位部支持体の縦梁に歪がある場合の第３、第４歪検出素子の説明図である。 液体の表面張力の測定原理を示す説明図である。 静電引力の測定原理を示す説明図である。 図（Ａ）は他の実施形態に係る触覚センサの毛固定部の拡大図である。図（Ｂ）はさらに他の実施形態に係る触覚センサの毛固定部の拡大図である。 触覚センサの特性評価の結果を示すグラフである。 図（Ａ）はモーメント中心から距離Ｌ１の点に剪断力を加えたときのモーメント、剪断力の出力信号を示すグラフである。図（Ｂ）はモーメント中心から距離Ｌ２の点に剪断力を加えたときのモーメント、剪断力の出力信号を示すグラフである。 図（Ａ）は測定対象液として水を用いたときのモーメント、剪断力の出力信号を示すグラフである。図（Ｂ）は測定対象液としてエタノール水溶液（５０質量％）を用いたときのモーメント、剪断力の出力信号を示すグラフである。 触覚センサの出力信号から求めた表面張力（実験値）、および国際アルコール表から引用した表面張力（文献値）を示すグラフである。 静電引力の印加前後のモーメントの振幅を示すグラフである。
　つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
　（触覚センサ）
　図１に示すように、本発明の一実施形態に係る触覚センサ１はＳＯＩ基板などの半導体基板を半導体マイクロマシニング技術により加工して形成したものである。
　触覚センサ１は毛１０と、毛固定部２０と、変位部３０と、基部４０とを有している。毛固定部２０と変位部３０との間には、毛固定部２０を変位部３０に対して支持する毛固定部支持体５０が設けられている。変位部３０と基部４０との間には、変位部３０を基部４０に対して支持する変位部支持体６０が設けられている。これらの構成部材は半導体基板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形成される。したがって、触覚センサ１は全体として平板状である。
　本明細書では、図１に示すようにｘ方向、ｙ方向、ｚ方向を定義する。ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向は、それぞれ第１方向、第２方向、第３方向ともいう。ｙ方向はｘ方向に対して垂直である。また、ｚ方向はｘ－ｙ平面（ｘ方向およびｙ方向を含む面）に対して垂直である。平板状の触覚センサ１はｘ－ｙ平面と平行に配置されている。ｚ方向は触覚センサ１の厚さ方向に相当する。
　触覚センサ１は毛１０に作用する外力を検知する。毛１０に作用する外力のうち、毛１０の長手方向に対して垂直な方向（ｘ方向）の外力を「剪断力」と称する。また、毛１０の長手方向（ｙ方向）に沿った外力を「軸力」と称する。毛１０に剪断力が作用すると、毛１０をｘ－ｙ平面内で旋回させるモーメントが生じる。
　触覚センサ１の構成部材のうち、毛１０以外の部分を「センサ本体部」と称する。センサ本体部の全体的な寸法は特に限定されないが、１～２０ｍｍ四方である。
　毛１０は直線状の細長い部材である。毛１０は弾性を有してもよい。毛１０は外力が作用していない状態において略直線状であればよい。人毛のように、毛１０が多少の湾曲を有してもよい。毛１０の長さは特に限定されないが、１～２０ｍｍである。また、毛１０の太さは特に限定されないが、１～１００μｍである。毛１０に所望の剛性が得られるようにその太さを設定してもよい。
　毛１０は基部４０の外部においてｙ方向に沿って配置されている。また、毛１０の基端は毛固定部２０に固定されている。毛固定部２０は毛１０にモーメントが生じた場合にｘ－ｙ平面内で旋回する。
　毛固定部２０と変位部３０とは毛固定部支持体５０を介して接続されている。毛固定部支持体５０は一または複数の縦梁５１からなる。各縦梁５１は弾性を有しており、板ばねと同様の性質を有する。また、各縦梁５１はｙ方向に沿って配置されている。縦梁５１は毛固定部２０のｘ－ｙ平面内での旋回を許容する。すなわち、毛固定部２０は変位部３０に対してｘ－ｙ平面内で旋回可能に支持されている。ここで、毛１０および毛固定部２０は毛固定部支持体５０（より詳細には、後述の幅狭部５１ａ）を中心として旋回する。
　本実施形態では、縦梁５１が３本設けられているが、その本数および寸法は特に限定されない。毛固定部支持体５０として必要な弾性が得られるように、縦梁５１の本数および寸法を設定すればよい。
　また、本実施形態では、各縦梁５１の一端部が他の部分よりも細くなっている。このように、縦梁５１に幅狭部５１ａ（図２（Ａ）参照）を設けることで、縦梁５１に歪が生じやすくなる。毛１０に生じたモーメントが小さい場合でも毛固定部２０が旋回しやすい。そのため、毛１０に生じたモーメントを高感度で検知できる。
　変位部３０は棒状の部材であり、その中心軸がｙ方向に沿って配置されている。変位部３０は毛１０に剪断力が作用した場合にｘ方向に変位する。また、変位部３０は毛１０に軸力が作用した場合にｙ方向に変位する。
　基部４０は四方を縁部材で囲った矩形の枠である。基部４０を構成する一の縁部材４１にはその中央に開口が形成されている。この開口を介して基部４０の内部と外部とが連通している。基部４０の開口部に毛固定部２０が配置されている。また、基部４０の内部空間に変位部３０が配置されている。
　変位部３０と基部４０とは変位部支持体６０を介して接続されている。変位部支持体６０は複数の縦梁６１と、複数の横梁６２と、２つの島部６３とからなる。基部４０の内部空間には、変位部３０を挟む位置に２つの島部６３が配置されている。各縦梁６１は基部４０と島部６３との間に架け渡されている。各横梁６２は島部６３と変位部３０との間に架け渡されている。
　各縦梁６１は弾性を有しており、板ばねと同様の性質を有する。また、各縦梁６１はｙ方向に沿って配置されている。したがって、縦梁６１は変位部３０のｘ方向の変位を許容する。各横梁６２は弾性を有しており、板ばねと同様の性質を有する。また、各横梁６２はｘ方向に沿って配置されている。したがって、横梁６２は変位部３０のｙ方向の変位を許容する。すなわち、変位部３０は基部４０に対してｘ方向およびｙ方向に変位可能に支持されている。
　本実施形態では、縦梁６１は、各島部６３の両側に２本ずつ合計８本設けられているが、その本数および寸法は特に限定されない。また、横梁６２は変位部３０の両側に３本ずつ合計６本設けられているが、その本数および寸法は特に限定されない。変位部支持体６０として必要な弾性が得られるように、縦梁６１および横梁６２の本数および寸法を設定すればよい。
　また、本実施形態では、各縦梁６１の両端部が他の部分よりも細くなっている。このように、縦梁６１に幅狭部６１ａ（図４（Ａ）参照）を設けることで、縦梁６１に歪が生じやすくなる。毛１０に作用する剪断力が小さい場合でも変位部３０がｘ方向に変位しやすい。そのため、毛１０に作用する剪断力を高感度で検知できる。
　同様に、各横梁６２の両端部は他の部分よりも細くなっている。このように、横梁６２に幅狭部を設けることで、横梁６２に歪が生じやすくなる。毛１０に作用する軸力が小さい場合でも変位部３０がｙ方向に変位しやすい。そのため、毛１０に作用する軸力を高感度で検知できる。
　毛固定部２０の旋回を所定量以内に制限するために、毛固定部２０および基部４０はつぎの構造を有する。毛固定部２０は縁部材４１に形成された開口部に配置されている。開口部の側面は毛固定部２０の側面と対向している。開口部の側面と毛固定部２０の側面との間には所定の間隔が空けられている。毛固定部２０の旋回量が多くなると、毛固定部２０が基部４０に接触して、それ以上旋回しなくなる。これにより、毛固定部２０の過旋回による触覚センサ１の損傷を防止できる。
　変位部３０の変位を所定量以内に制限するために、変位部３０および基部４０はつぎの構造を有する。変位部３０の一端部にはＴ字形の突出部３１が形成されている。また、基部４０には突出部３１を囲う形状の制限部４２が形成されている。突出部３１と制限部４２との間には所定の間隔が空けられている。変位部３０の変位量が多くなると、突出部３１が制限部４２に接触して、それ以上変位しなくなる。これにより、変位部３０の過変位による触覚センサ１の損傷を防止できる。
　毛固定部２０の変位部３０に対する旋回を検出するために、触覚センサ１には旋回検出器７０が設けられている。旋回検出器７０は縦梁５１の歪を検出する第１、第２歪検出素子７１、７２からなる。
　第１、第２歪検出素子７１、７２としてピエゾ抵抗素子を用いることができる。ピエゾ抵抗素子は不純物拡散、イオン注入などの集積回路製造工程、金属配線形成技術などによって縦梁５１の表面に形成される。
　図２（Ａ）に示すように、複数の縦梁５１のうち一の縦梁５１には、幅狭部５１ａの表面に第１歪検出素子７１が形成されている。また、他の一の縦梁５１には、幅狭部５１ａの表面に第２歪検出素子７２が形成されている。
　図２（Ｂ）に示すように、毛固定部２０が変位部３０に対して旋回すると、縦梁５１に歪が生じる。この際、第１歪検出素子７１は圧縮応力により抵抗が小さくなり、第２歪検出素子７２は引張応力により抵抗が大きくなる。なお、毛固定部２０の旋回方向が逆になると、第１歪検出素子７１は引張応力により抵抗が大きくなり、第２歪検出素子７２は圧縮応力により抵抗が小さくなる。
　図３に示すように、触覚センサ１の表面には縦梁５１の歪を検出する歪検出回路（図１および図２においては図示せず）が形成されている。歪検出回路は、第１、第２歪検出素子７１、７２を直列に接続して両端に電圧Ｖddをかけ、第１歪検出素子７１と第２歪検出素子７２との間の電圧Ｖoutを読み取る回路である。電圧Ｖoutは第１、第２歪検出素子７１、７２の差動により変化する。電圧Ｖoutを読み取ることで縦梁５１の歪量を検出できる。これにより、旋回検出器７０で毛固定部２０の変位部３０に対する旋回量を検出できる。また、毛固定部２０の旋回量から、毛１０に生じたモーメントを求めることができる。
　なお、縦梁５１が一本の場合は、縦梁５１の一方の側部に沿って第１歪検出素子７１を配置し、他方の側部に沿って第２歪検出素子７２を配置すればよい。また、毛固定部２０のｙ－ｚ平面内での旋回を検出するよう旋回検出器７０を構成してもよい。毛固定部２０がｙ－ｚ平面内で旋回する場合には、第１、第２歪検出素子７１、７２の抵抗が両方とも小さくなるか、大きくなる。これに基づいて、毛固定部２０のｙ－ｚ平面内での旋回量を検出してもよい。そうすれば、毛１０に生じたｙ－ｚ平面内のモーメントを求めることができる。
　図１に示すように、変位部３０の基部４０に対する変位を検出するために、触覚センサ１には変位検出器８０が設けられている。変位検出器８０は、変位部３０のｘ方向の変位を検出する第１変位検出器８１と、変位部３０のｙ方向の変位を検出する第２変位検出器８２とを有している。第１変位検出器８１は縦梁６１の歪を検出する第３、第４歪検出素子８３、８４からなる。第２変位検出器８２は横梁６２の歪を検出する第５、第６歪検出素子８５、８６からなる。第３～第６歪検出素子８３～８６としてピエゾ抵抗素子を用いることができる。
　図４（Ａ）に示すように、複数の縦梁６１のうち一の縦梁６１には、幅狭部６１ａの表面に第３歪検出素子８３が形成されている。また、他の一の縦梁６１には、幅狭部６１ａの表面に第４歪検出素子８４が形成されている。第３、第４歪検出素子８３、８４は、それぞれ幅狭部６１ａの一方の側部に沿って配置されている。ここで、第３、第４歪検出素子８３、８４は互いに逆側の側部に配置されている。図４（Ａ）に示す例では、第３歪検出素子８３は左側の側部に配置されており、第４歪検出素子８４は右側の側部に配置されている。
　図４（Ｂ）に示すように、変位部３０が基部４０に対してｘ方向に変位すると、縦梁６１に歪が生じる。この際、第３歪検出素子８３は圧縮応力により抵抗が小さくなり、第４歪検出素子８４は引張応力により抵抗が大きくなる。なお、変位部３０の変位方向が逆になると、第３歪検出素子８３は引張応力により抵抗が大きくなり、第４歪検出素子８４は圧縮応力により抵抗が小さくなる。
　触覚センサ１の表面には縦梁６１の歪を検出する歪検出回路が形成されている。この歪検出回路は旋回検出器７０の歪検出回路と同様である。第１変位検出器８１で基部４０に対する変位部３０のｘ方向の変位を検出できる。また、変位部３０のｘ方向の変位から、毛１０に作用する剪断力を求めることができる。
　第２変位検出器８２の第５、第６歪検出素子８５、８６の構成および歪検出回路は、第１変位検出器８１の第３、第４歪検出素子８３、８４の構成および歪検出回路と同様である。第２変位検出器８２で基部４０に対する変位部３０のｙ方向の変位を検出できる。また、変位部３０のｙ方向の変位から、毛１０に作用する軸力を求めることができる。
　なお、変位部３０のｚ方向の変位を検出するよう旋回検出器７０を構成してもよい。変位部３０がｚ方向に変位する場合には、第３、第４歪検出素子８３、８４の抵抗が両方とも小さくなるか、大きくなる。これに基づいて、変位部３０のｚ方向の変位量を検出してもよい。そうすれば、毛１０に作用するｚ方向の剪断力を求めることができる。
　（製造方法）
　つぎに、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、その厚さは例えば３００μｍである。
　まず、基板を洗浄し、酸化処理を行い、表面酸化膜を形成する。つぎに、表面酸化膜を加工して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、可動構造部をリリースするパターンにクロム薄膜を加工する。つぎに、表面酸化膜を除去し、ＩＣＰ－ＲＩＥでエッチングして可動構造部を形成する。形成した可動構造部の周辺にレジストを充填して保護した後に、裏面をＩＣＰ－ＲＩＥでエッチングする。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。
　なお、本実施形態の毛１０は半導体基板を加工して形成されている。そのため、毛１０は毛固定部２０に一体形成されている。このような構成であるので、触覚センサ１は部品点数が少なく、触覚センサ１の製造工程を簡素化できる。
　（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、毛１０を測定対象物に接触させるなどして外力を与える。毛１０にモーメントが生じると、毛固定部支持体５０に歪が生じる。その歪を旋回検出器７０で検出してモーメントを求める。また、毛１０に剪断力、軸力が作用すると、変位部支持体６０に歪が生じる。その歪を変位検出器８０で検出して剪断力、軸力を求める。毛１０に作用するモーメント、剪断力、軸力から、液体の表面張力、静電気などを測定できる。以下、順に詳細を説明する。
・液体の表面張力
　図５に液体の表面張力の測定原理を示す。触覚センサ１の毛１０が液体の表面から離脱するとき、毛１０には液体の表面張力による分布荷重が作用する。ここで、毛１０に作用する表面張力は等分布荷重ｗであると仮定する。長さＬの片持ち梁の先端部（長さｘの部分）に等分布荷重ｗが作用したとすると、毛１０に作用する剪断力ＦｓおよびモーメントＭは、以下の式（１）、（２）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　式（２）より求めた長さｘを式（１）に代入すると、式（３）に示すように等分布荷重ｗが求まる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　式（３）中、長さＬは既知であり、剪断力ＦｓおよびモーメントＭは触覚センサ１で測定できる。よって、触覚センサ１により液体の表面張力ｗを求めることができる。
・静電気
　毛１０に作用する静電引力は、触覚センサ１で検出される剪断力または軸力から直接的に求めることができる。そのほか、以下に説明するように、毛１０の共振周波数を利用することで、より高い感度で静電引力を測定できる。
　図６に静電引力の測定原理を示す。触覚センサ１は加振装置によりｘ方向に振動している。共振している毛１０は等価質量ｍとばね（ばね定数ｋ）とで構成された単純なばねマスモデルで考えることができる。このとき、毛１０の共振周波数ｆ0は以下の式（４）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　毛１０にｘ方向の静電引力Ｆが作用したとする。共振している毛１０に対して力勾配が印加された状態は、毛１０のばねマスに対して擬似的なばね（ばね定数ｋ’）が並列に接続されたと考えることができる。式（５）で表されるように、毛１０の共振周波数は、静電引力Ｆが作用していないときの周波数ｆ0からΔｆだけシフトする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　式（５）から分かるように、共振周波数のシフト量Δｆからばね定数ｋ’を求めることができる。式（６）に示すように、ばね定数ｋ’は静電引力Ｆの力勾配で表される。したがって、ばね定数ｋ’から静電引力Ｆを求めることができる。このように、毛１０の共振周波数の変化から、静電引力Ｆを求めることができる。なお、力勾配が引力のときは、ばね定数ｋ’が負となり共振周波数が負の方向にシフトする。力勾配が斥力のときは、ばね定数ｋ’が正となり共振周波数が正の方向にシフトする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　そのほか、触覚センサ１を用いれば、微小な空気流などを検出することもできる。
　以上のように、第１変位検出器８１の検出値から毛１０に作用する剪断力を求めることができ、旋回検出器７０の検出値から毛１０に作用するモーメントを求めることができる。毛１０に作用する剪断力とモーメントとから、液体の表面張力、静電気などを検知できる。また、第２変位検出器８２の検出値から毛１０に作用する軸力を求めることができる。毛１０に作用する軸力から、静電気などを検知できる。このように、触覚センサ１は液面、静電気などの知覚といった有毛皮膚に特有の感覚を検知できる。
〔その他の実施形態〕
　液体の表面張力を測定する場合、触覚センサ１は毛１０に作用する軸力を検出する必要がない。そのため、このような目的で用いられる触覚センサ１は、変位部３０が少なくともｘ方向に変位可能であればよい。変位部３０はｙ方向に変位不可能であってもよい。変位部３０のｙ方向の変位を検出する第２変位検出器８２はなくてもよい。
　毛１０とセンサ本体部とを別部材として構成してもよい。そうすれば、触覚センサ１に搭載される毛１０として種々の素材、形状のものを採用できる。例えば、毛１０として人毛を用いることができる。
　この場合、毛１０はセンサ本体部の形成後に毛固定部２０に固定される。図７（Ａ）に示すように、毛固定部２０に凹形の差込部２１を形成してもよい。毛１０の基端部を差込部２１に差し込むことで、毛１０が毛固定部２０に固定される。
　差込部２１の内壁に、対向して配置された二列の櫛歯を形成してもよい。二列の櫛歯により毛１０の基端部を挟むことで、毛固定部２０に対して毛１０をしっかりと固定できる。
　図７（Ａ）に示すように、櫛歯を構成する複数の歯は、それぞれ毛１０の差し込み方向に対して垂直であってもよい。図７（Ｂ）に示すように、櫛歯を構成する複数の歯は、それぞれ基端から先端に向かって毛の差し込み方向に傾斜してもよい。櫛歯の歯を差し込み方向に傾斜させれば、毛１０を差込部２１に差し込みやすく、抜けにくい。
　また、毛１０を毛固定部２０に接着剤で固定してもよい。この際、毛固定部２０には必ずしも差込部２１を形成する必要はない。
　毛固定部支持体５０および変位部支持体６０は、所望の弾性を得られれば、梁以外の部材で構成してもよい。
　旋回検出器７０および変位検出器８０は、ピエゾ抵抗素子に限定されない。例えば、毛固定部２０の旋回により毛固定部２０と基部４０との距離が変化することを利用して、旋回検出器７０を毛固定部２０と基部４０との間の静電容量を検出する構成としてもよい。同様に、変位検出器８０を、変位部３０と基部４０との間の静電容量を検出する構成としてもよい。
　触覚センサ１の製造方法は半導体マイクロマシニング技術に限定されない。例えば３次元プリンターによる造形技術も採用できる。
（設計・製作）
　半導体基板を加工して、図１に示す触覚センサ１を製作した。半導体基板として、支持基板３００μｍ、酸化膜層０．５μｍ、活性層５０μｍのｐ型ＳＯＩ基板を用いた。センサ本体部は横６．３ｍｍ、縦４．８ｍｍである。
　毛１０は長さ５ｍｍ、幅１０μｍである。なお、毛１０の素材はシリコンである。毛１０の幅を１０μｍとすることで、その剛性は平均的な太さである直径５０μｍの人毛と同程度となる。
　人間が知覚可能な最小の力は１０μＮ、モーメントは１０ｎＮｍと考えられている。これに基づき、触覚センサ１の目標感度を、力１０μＮ、モーメント１０ｎＮｍに設定した。これを実現するために、旋回検出器７０および変位検出器８０を構成するピエゾ抵抗素子が配置される梁（幅狭部）の幅を１３μｍとした。
（特性評価）
　製作した触覚センサ１の特性評価を行った。その結果を図８に示す。図８のグラフは横軸が時間、縦軸がモーメント、軸力、剪断力の出力信号である。触覚センサ１により毛１０に作用するモーメント、軸力、剪断力をそれぞれ検出できることが確認された。また、他軸感度は２．３％と十分に低いことが確認された。
　Micromechanical Testing And Assembly System（ＦＥＭＴＯ　ＴＯＯＬＳ）を用いて触覚センサ１の感度を測定した。その結果、軸力５μｍ、剪断力１μｍ、モーメント３ｎＮｍであった。これより、触覚センサ１は目標感度を達成していることが確認された。
（独立検出評価）
　前記の特性評価のみでは、モーメントと剪断力とを独立して検出できているとは断定できない。そこで、モーメントおよび剪断力の独立検出評価を行った。まず、特定の剪断力Ｆｓを毛１０の一点に加えた。このとき、毛１０のモーメント中心から力点までの距離をＬ１とした。このときのモーメントＭ１および剪断力Ｆｓの出力信号を図９（Ａ）に示す。
　つぎに、同一の剪断力Ｆｓを毛１０の他の一点に加えた。このとき、毛１０のモーメント中心から力点までの距離をＬ２とした。Ｌ２はＬ１の２倍の長さである。したがって、毛１０に作用するモーメントＭ２はＭ１の２倍になる。このときのモーメントＭ２および剪断力Ｆｓの出力信号を図９（Ｂ）に示す。
　図９（Ａ）と図９（Ｂ）とを比較して分かるように、剪断力Ｆｓの大きさに変化は見られない。一方、モーメントＭ２はＭ１の２倍となっている。これより、触覚センサ１はモーメントと剪断力とを独立して検出できることが確認された。
（表面張力測定）
　つぎに、触覚センサ１を用いて表面張力の測定を行った。
　表面表力の測定対象液として水および種々の濃度（１０～１００質量％の範囲で１０質量％刻み）のエタノール水溶液を用いた。マイクロシリンジの先端に測定対象液の液滴を形成した。このとき、液滴が常に同じ大きさとなるように調整した。触覚センサ１の毛１０をその先端が液滴の中心に達するまで挿入した。つぎに、マイクロシリンジをｘ方向に一定速度で移動させた。毛１０の先端部が液滴の表面に達した後、毛１０は液滴の表面張力によりたわむ。液滴がさらに移動すると、毛１０が液滴の表面から離脱する。
　図１０（Ａ）に、測定対象液として水（エタノール濃度０質量％）を用いたときに、触覚センサ１で得られたモーメント、剪断力の出力信号のグラフを示す。図１０（Ｂ）に、測定対象液としてエタノール水溶液（エタノール濃度５０質量％）を用いたときに、触覚センサ１で得られたモーメント、剪断力の出力信号のグラフを示す。毛１０が液滴から離脱した前後における信号の差分から、表面張力により生じるモーメントＭ、剪断力Ｆｓを取得した。図１０（Ａ）と図１０（Ｂ）とを比較すると、測定対象液の相違により、モーメントＭ、剪断力Ｆｓに違いが生じることが分かる。
　各測定対象液について触覚センサ１でモーメントＭ、剪断力Ｆｓを取得し、式（３）に基づき表面張力ｗを求めた。その結果を実験値として図１１に示す。図１１のグラフの横軸はエタノール濃度であり、縦軸は表面張力である。図１１のグラフには、国際アルコール表（工業技術院計量研究所訳編：国際法定計量機関（ＯＩＭＬ)、国際アルコール表（日本語版）、ｐ．１６、１９７７）より引用したエタノール水溶液の表面張力の値を文献値として示している。実験値と文献値とを比較すると、エタノール濃度に対する表面張力の傾向がほぼ一致していることが分かる。実験値と文献値との誤差は平均で約１４％であった。これより、触覚センサ１は液体の表面張力をほぼ正確に測定できることが確認された。
（静電気測定試験）
　つぎに、触覚センサ１を用いて静電気の測定を行った。
　触覚センサ１を加振装置に載せてｘ方向に振動させた。加振装置としてピエゾアクチュエータにより加振するものを用いた。加振装置により触覚センサ１を所望の周波数で振動させることができる。また、触覚センサ１からの出力信号をスペクトルアナライザにより周波数解析した。
　静電引力を加えずに、触覚センサ１への加振周波数を変更しつつ、触覚センサ１で得られたモーメントの振幅を求めた。つぎに、触覚センサ１の毛１０に対してｘ方向に１μＮの静電引力を加えた。この条件下で、触覚センサ１への加振周波数を変更しつつ、触覚センサ１で得られたモーメントの振幅を求めた。
　これらの結果を図１２のグラフに示す。図１２のグラフの横軸は触覚センサ１への加振周波数である。縦軸は触覚センサ１で得られたモーメントの振幅である。毛１０の共振周波数は、静電引力を加えると負の方向にシフトすることが分かる。これより、毛１０の共振周波数の変化から、静電引力を測定できることが確認された。また、触覚センサ１で検出される剪断力から直接的に静電引力を求める場合に比べて、感度を１０倍程度高くできることが確認された。
　１　　触覚センサ
　１０　毛
　２０　毛固定部
　３０　変位部
　４０　基部
　５０　毛固定部支持体
　６０　変位部支持体
　７０　旋回検出器
　８０　変位検出器
　８１　第１変位検出器
　８２　第２変位検出器

Claims (7)

  1. 　基部と、
    変位部と、
    前記変位部を前記基部に対して少なくとも第１方向に変位可能に支持する変位部支持体と、
    前記第１方向に対して垂直な第２方向に沿って配置された直線状の毛と、
    前記毛の基端が固定された毛固定部と、
    前記毛固定部を前記変位部に対して前記第１方向および前記第２方向を含む面内で旋回可能に支持する毛固定部支持体と、
    前記変位部の前記基部に対する変位を検出する変位検出器と、
    前記毛固定部の前記変位部に対する旋回を検出する旋回検出器と、を備える
    ことを特徴とする触覚センサ。
  2. 　前記変位部支持体は、前記変位部を前記基部に対して前記第２方向にも変位可能に支持し、
    前記変位検出器は、
    前記変位部の前記第１方向の変位を検出する第１変位検出器と、
    前記変位部の前記第２方向の変位を検出する第２変位検出器と、を備える
    ことを特徴とする請求項１記載の触覚センサ。
  3. 　前記毛は前記毛固定部に一体形成されている
    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. 　前記毛固定部には凹形の差込部が形成されており、
    前記毛の基端部は前記差込部に差し込まれている
    ことを特徴とする請求項１または２記載の触覚センサ。
  5. 　前記差込部の内壁には、対向して配置された二列の櫛歯が形成されている
    ことを特徴とする請求項４記載の触覚センサ。
  6. 　前記櫛歯を構成する複数の歯は、それぞれ基端から先端に向かって前記毛の差し込み方向に傾斜している
    ことを特徴とする請求項５記載の触覚センサ。
  7. 　前記毛は前記毛固定部に接着剤で固定されている
    ことを特徴とする請求項１または２記載の触覚センサ。
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