(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
剪断力を検出する剪断力検出素子であって、
前記剪断力の検出方向に直交し、互いに平行する一対の直線部を有する開口部を備えた支持体と、
前記支持体上に形成されて前記開口部を閉塞するとともに、可撓性を有する支持膜と、
前記支持体を基板厚み方向から見る平面視において、前記開口部の一対の前記直線部のうち少なくともいずれか一方の直線部に沿い、前記開口部の内外に跨って、前記支持膜上に設けられるとともに、湾曲することで電気信号を出力する圧電体部と、
前記圧電体部および前記支持膜を覆う弾性層と、
を具備したことを特徴とする剪断力検出素子。
【請求項２】
請求項１に記載の剪断力検出素子において、
前記圧電体部および前記開口部は、前記平面視において、長辺の長さ寸法が短辺の長さ寸法以上となる長方形状に形成され、
前記開口部の前記直線部は、当該開口部の長辺であり、
前記圧電体部の長辺に沿う圧電体長手方向と、前記開口部の長辺に沿う開口部長手方向は、同一方向である
ことを特徴とする剪断力検出素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の剪断力検出素子において、
前記開口部の前記検出方向の中心部において、前記直線部と平行に設けられるとともに、前記直線部の直線方向に沿って当該剪断力検出素子を見る断面視において、前記検出方向に沿って前記剪断力が加えられた際の前記支持膜の変形状態に変曲点を生じさせるコンプライアンス部が設けられる
ことを特徴とする剪断力検出素子。
【請求項４】
請求項３に記載の剪断力検出素子において、
前記支持体は、前記開口部の前記検出方向の中心部に前記直線部と平行に設けられる支持補強部を備え、
前記コンプライアンス部は、前記支持補強部上に設けられる
ことを特徴とする剪断力検出素子。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載の剪断力検出素子において、
前記圧電体部は、前記開口部の一対の直線部の双方に対してそれぞれ設けられる
ことを特徴とする剪断力検出素子。
【請求項６】
請求項５に記載の剪断力検出素子において、
２つの前記圧電体部から出力される前記電気信号の差および和の少なくともいずれか一方を出力する演算回路を備える
ことを特徴とする剪断力検出素子。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれかに記載の剪断力検出素子において、
前記弾性層は、前記検出方向に沿って複数配設されるとともに、前記支持膜よりも剛性が大きい複数の弾性部材を備える
ことを特徴とする剪断力検出素子。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれかに記載の剪断力検出素子を複数備えた触覚センサーであって、
前記剪断力検出素子の前記直線部が、所定の第一方向に沿って設けられる第一方向剪断力検出部と、
前記剪断力検出素子の前記直線部が、前記第一方向とは異なる第二方向に沿って設けられる第二方向剪断力検出部と、
を備えることを特徴とする触覚センサー。
【請求項９】
請求項８に記載の触覚センサーにおいて、
対象物に接触した際の前記支持膜の面方向に対して直交する接触方向の圧力を検出する正圧検出部を備え、
前記正圧検出部は、
前記支持体に開口形成される正圧検出用開口部と、
この正圧検出用開口部を閉塞するとともに、可撓性を有する支持膜と、
前記支持体を基板厚み方向から見る平面視において、前記正圧検出用開口部の内側で、前記支持膜上に設けられるとともに、湾曲することで電気信号を出力する正圧検出用圧電体と、
前記正圧圧電体および前記支持膜を覆う弾性層と、
を有することを特徴とする触覚センサー。
【請求項１０】
請求項８または請求項９の触覚センサーを備えて、前記対象物を把持する把持装置であって、
前記対象物を把持するとともに、前記対象物に接触する接触面に前記触覚センサーが設けられる少なくとも一対の把持アームと、
前記触覚センサーから出力される前記電気信号に基づいて、前記対象物のすべり状態を検出する把持検出手段と、
前記すべり状態に基づいて、前記把持アームの駆動を制御する駆動制御手段と、
を備えることを特徴とする把持装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、剪断方向の応力を検出する剪断力検出素子、この剪断力検出素子を備えた触覚センサー、およびこの触覚センサーを備えた把持装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ロボットのアームなどにより、重量や摩擦係数が未知である対象物を把持して持ち上げる把持装置が知られている。このような把持装置では、対象物を破損することなく、かつ対象物を滑り落とすことなく把持するためには、把持面に対して直交する方向に作用する力（正圧）と、把持面の面方向（剪断方向）に作用する力（剪断力）を検出する必要があり、これらの力を検出するセンサーが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この特許文献１に記載の触覚センサーは、センサー基板に開設される開口の縁部から延伸するカンチレバー構造の構造体を有し、この構造体は、平板状の感応部と、感応部とセンサー基板とを連結するヒンジ部とから構成される。そして、この構造体の感応部には導電性磁性体膜が形成され、ヒンジ部には、ピエゾ抵抗膜が形成され、導電性磁性体膜とピエゾ抵抗膜とが導通している。また、ヒンジ部には電極が設けられ、圧力によりヒンジ部が曲がることで、ヒンジ部のピエゾ抵抗で発生する電流が電極から流れる構成となっている。そして、この触覚センサーは、センサー基板上に上記のような構造体が複数形成され、これらの構造体のうち一部がセンサー基板に対して起立し、他の一部がセンサー基板に対して平行に保持されている。また、このセンサー基板上には、弾性体が設けられ、起立した構造体は、弾性体に埋め込まれている。そして、起立した構造体により剪断力が測定可能となり、基板面に平行な構造体により正圧が測定可能となる。
【０００４】
このような触覚センサーを製造するためには、センサー基板の表面に熱拡散法などによりＰ型抵抗領域を形成し、スパッタリングにより導電性磁性体層をパターニングする。そして、導電性磁性体層をマスクとして、イオンエッチングにより不純物層およびＳｉ層を除去し、さらにヒンジ部の表面に形成される導電性磁性体膜をエッチングし、この後、反応性イオンエッチングなどにより、構造体の外形を成形する開口を形成する。そして、センサー基板の裏面側から磁場を加えることで、複数の構造体の一部を起立させ、触覚センサーを製造する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２０８２４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記特許文献１に記載のような触覚センサーでは、カンチレバー構造の構造体を起立させた複雑な立体構造を有しており、その製造においても、磁場を加えてカンチレバー構造の構造体を湾曲させるなど、複雑な製造工程を有し、生産性が悪いという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記のような問題に鑑みて、簡単な構成で剪断力の測定が可能な剪断力検出素子、触覚センサー、および把持装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の剪断力検出素子は、剪断力を検出する剪断力検出素子であって、前記剪断力の検出方向に直交し、互いに平行する一対の直線部を有する開口部を備えた支持体と、前記支持体上に形成されて前記開口部を閉塞するとともに、可撓性を有する支持膜と、前記支持体を基板厚み方向から見る平面視において、前記開口部の一対の前記直線部のうち少なくともいずれか一方の直線部に沿い、前記開口部の内外に跨って、前記支持膜上に設けられるとともに、湾曲することで電気信号を出力する圧電体部と、前記圧電体部および前記支持膜を覆う弾性層と、を具備したことを特徴とする。
【０００９】
この発明では、剪断力検出素子は、支持体上に、開口部を塞ぐ状態に支持膜が形成され、この支持膜上に、開口部の内外に跨って圧電体部が積層され、さらにその上層に弾性層が積層されている。ここで、以降の説明において、開口部内の領域の支持膜をメンブレンと称する。
このような剪断力検出素子では、弾性膜に対象物が接触し、開口部の一方向と直交する方向に力が加わると、弾性層に歪みが生じる。そして、この弾性層の歪みによりメンブレン全体が撓み、圧電体部から電気信号（電流）が出力される。したがって、例えばこのような剪断力検出素子を、対象物を把持するための把持面に設けることで、剪断力検出素子から出力される電気信号により、接触した対象物から把持面に加えられる剪断力を測定することが可能となる。
また、本発明の剪断力検出素子では、支持体上に支持膜、圧電体部、弾性層を積層するだけの構成であるため、例えば磁場を加えて一部の構成を加工するなどの煩雑な製造方法が不要であり、各構成を積層するだけの簡単な方法により製造することができる。したがって、剪断力検出素子の生産性が良好となり、製造に要するコストも低減させることができる。また、例えばカンチレバー形状の構造体を立設させる構成では、構造体を立設させる分、厚み寸法が増大するが、本発明では、支持体上に膜状の支持膜、圧電体部、弾性層を積層する構成であるため、厚み寸法の増大を抑えることができ、剪断力検出素子の小型化を図ることができる。
【００１０】
本発明の剪断力検出素子では、前記圧電体部および前記開口部は、前記平面視において、長辺の長さ寸法が短辺の長さ寸法以上となる長方形状に形成され、前記開口部の前記直線部は、当該開口部の長辺であり、前記圧電体部の長辺に沿う圧電体長手方向と、前記開口部の長辺に沿う開口部長手方向は、同一方向であることが好ましい。
【００１１】
支持体に開口部が長方形状に形成されている場合、弾性層に接触した対象物により、開口部の長手方向に沿う向きの剪断力を受けた場合では、メンブレンに撓みが生じにくく、開口部の長手方向に対して直交する向きの剪断力を受けた場合では、メンブレンにこの長手方向に直交する向きで撓みが生じやすくなる。
この時、開口部の長手方向に沿った一側縁に圧電体部を設け、開口部長手方向と圧電体部長手方向とを一致させることで、メンブレンのどの位置が撓んだとしても、圧電体部によりその撓みを検出することができる。また、圧電体部を、その長手方向が、開口部の長手方向に対して直交する方向となるように配置した場合、圧電体部が支持膜の撓みを阻害するおそれもあり、精度の高い剪断力の検出が困難となる。これに対して、上記のように、圧電体部の長手方向と開口部の長手方向とを一致させる構成では、圧電体部により支持膜の撓みを阻害することがなく、支持膜は、対象物からの剪断力に応じて撓むことができる。したがって、剪断力の検出精度をより向上させることが可能となる。
【００１２】
本発明の剪断力検出素子は、前記開口部の前記検出方向の中心部において、前記直線部と平行に設けられるとともに、前記直線部の直線方向に沿って当該剪断力検出素子を見る断面視において、前記剪断方向に沿って前記剪断力が加えられた際の前記支持膜の変形状態に変曲点を生じさせるコンプライアンス部が設けられることを特徴とする。
ここで、コンプライアンス部としては、例えば、支持膜上に剪断方向の中心位置に直線部と平行に溝を形成するなどして、メンブレンの他部よりも厚み寸法が薄くすることで形成されていてもよく、また支持膜上に形成される例えば圧電体部や補強膜など積層体の形成位置により、積層体が設けられていない部分をコンプライアンス部とする構成としてもよい。さらには、支持膜上に形成される例えば圧電体部や補強部などの積層体と、支持膜とのトータル膜厚に差を生じさせることでコンプライアンス部を形成する構成などとしてもよい。すなわち、コンプライアンス部は、メンブレンに変曲点を生じさせる構成であればいかなる構成であってもよい。
【００１３】
弾性層に対象物が接触して剪断力が加えられた際、例えば、開口部の直線部を第一辺、第二辺とし、第一辺から第二辺に向かう検出方向に剪断力が加わる場合、弾性層では、次のような力が作用する。すなわち、弾性層の第二辺側では、支持体が設けられる一方の面とは反対方向側に盛り上る力が発生し、第一辺側では、支持体の開口部内に入り込む力が発生する。ここで、コンプライアンス部が設けられている場合、このコンプライアンス部での開口部の軸方向（支持膜の面方向に対する法線方向）に沿う変位が小さくなり、ほぼ一定位置に保持され、かつ、コンプライアンス部が伸縮することで、このコンプライアンス部を変曲点としてメンブレンが撓む。これにより、コンプライアンス部を挟んでメンブレンの第一辺側では、開口部側に凹状に撓み、メンブレンの第二辺側では、支持体から離れる方向に凸状に撓む。したがって、全体として、コンプライアンス部をほぼ中心として略点対称となる撓みが形成される。すなわち、支持膜を直線部の直線方向に沿って見た断面視において、支持膜は、コンプライアンス部を略中心とした１波長分のｓｉｎ波形状に変形される。このような撓みが形成されると、例えば、メンブレン全体が開口部側に入り込み、半波長のｓｉｎ波形状に変形する場合に比べて、圧電体部の変位量を大きくすることができ、圧電体部から出力される電気信号も大きくなる。このような大きな信号値を取得することで、ノイズなどの影響が少ないより精度の高い剪断力の検出を実施することが可能となる。
【００１４】
本発明の剪断力検出素子では、前記支持体は、前記開口部の前記検出方向の中心部に前記直線部と平行に設けられる支持補強部を備え、前記コンプライアンス部は、前記支持補強部上に設けられることが好ましい。
【００１５】
この発明では、支持補強部上に設けられるコンプライアンス部は、支持補強膜により保持されているため、剪断力が加えられたとしても定位置に保持される。このため、例えば、開口部の直線部を第一辺、第二辺とし、第一辺から第二辺に向かう検出方向に剪断力が加わる場合に、コンプライアンス部を境に第一辺側のメンブレンの撓み形状と第二辺側のメンブレンの撓み形状とを、より精度良く対称形状にすることができる。
ここで、直線部の直線方向に沿って剪断力検出素子を見た断面視において、メンブレンの撓みが、第一辺側と第二辺側とで点対称とならない場合では、例えば、第一辺側の撓みが小さいと、第一辺に沿って設けられる圧電体部から出力される電気信号が弱くなり、剪断力の検出精度が低下する。これに対して、本発明では、支持補強部により、コンプライアンス部が定位置に保持され、メンブレンの撓みを、コンプライアンス部を挟んで略点対称とすることができるため、第一辺側および第二辺側の撓み量が同一値となる。したがって、圧電体部が第一辺側に形成される場合であっても、第二辺側に形成される場合であっても、メンブレンの撓み量を精度良く検出することができる。
【００１６】
本発明の剪断力検出素子では、前記圧電体部は、前記開口部の一対の直線部の双方に対してそれぞれ設けられることが好ましい。
上記のようにコンプライアンス部が形成される場合、直線部の直線方向に沿って見る断面視において、コンプライアンス部を変曲点として、メンブレンの第一辺側と第二辺側とで、より点対称に近似する撓み形状が形成される。したがって、第一辺および第二辺に対して圧電体部を設け、これらの２つの圧電体部により撓みを検出することで、メンブレンの撓みに対する正確な電気信号を得ることができる。
【００１７】
ここで、本発明では、２つの前記圧電体部から出力される前記電気信号の差および和の少なくともいずれか一方を出力する演算回路を備えることが好ましい。
上記のように第一辺および第二辺にそれぞれ圧電体部が形成される場合、剪断力が加わると、メンブレンの第一辺側と第二辺側とで略点対称となる撓みが形成される。したがって、第一辺に設けられる圧電体部および第二辺に設けられる圧電体部からそれぞれ撓み量に対する電気信号が出力されることとなる。したがって、これらの圧電体部から出力される電気信号の絶対値を加算することで、より大きな電気信号を得ることができ、より精度の高い剪断力検出を実施することが可能となる。
ここで、各圧電体部から出力される電子信号の絶対値の和を得るためには、加算回路を用いてもよく、減算回路を用いてもよい。
圧電体部は、圧電膜と、膜上面に形成される上部電極と、膜下面に形成される下部電極とにより形成される。ここで、加算回路を用いる場合、第一辺側の圧電体部の上部電極と第二辺側の圧電体部の下部電極を第一の接続線により接続し、第一辺側の圧電体部の下部電極と第二辺側の圧電体部の上部電極を第二の接続線により接続し、これら第一接続線および第二の接続線を加算回路に接続する。また、減算回路を用いる場合では、第一辺側の圧電体部の上部電極と第二辺側の圧電体部の上部電極を第一の接続線により接続し、第一辺側の圧電体部の下部電極と第二辺側の圧電体部の下部電極を第二の接続線により接続し、これら第一接続線および第二の接続線を減算回路に接続する。
各圧電体部では、上述したように、撓み方向が逆となるため、第一辺側の圧電体部から出力される電気信号と、第二辺側の圧電体部から出力される電気信号とでは、正負符号が逆となる。これに対して、上記のような加算回路や減算回路を用いることで、各電気信号の正負符号を揃えて、各電器信号の絶対値の和を演算することが可能となる。
【００１８】
本発明の剪断力検出素子では、前記弾性層は、前記検出方向に沿って複数配設されるとともに、前記支持膜よりも剛性が大きい複数の弾性部材を備えることが好ましい。
ここで、弾性部材は、板状に形成され、板面方向が前記直線部の直線方向と平行で、かつ板厚み方向が検出方向となるように配設されるものであってもよく、棒状部材がメンブレン内に複数立設される構成などとしてもよい。
このような弾性部材を用いる構成では、弾性部材に対象物が接触して剪断力が働くと、モーメント力により各弾性部材が傾斜する。そして、弾性部材の傾斜により、弾性部材と支持膜との連結部が傾斜し、メンブレンに撓みが発生する。このような構成では、モーメント力を利用してメンブレンの撓み量を大きくすることができ、圧電体部からより大きな電気信号を出力させることが可能となる。
【００１９】
本発明の触覚センサーは、上述したような剪断力検出素子を複数備えた触覚センサーであって、前記剪断力検出素子の前記直線部が、所定の第一方向に沿って設けられる第一方向剪断力検出部と、前記剪断力検出素子の前記直線部が、前記第一方向とは異なる第二方向に沿って設けられる第二方向剪断力検出部と、を備えることを特徴とする。
【００２０】
上記したような剪断力検出素子は、圧電体部が設けられる開口部の直線部に対して直交する方向を検出方向として、この検出方向に作用する剪断力を検出する。したがって、上述のように、この直線部が異なる第一方向剪断力検出部と、第二方向剪断力検出部とを設けることで、それぞれ異なる方向の剪断力を検出することができる。このような剪断力検出素子を複数設ける構成とすることで、触覚センサーが設けられるセンサー面内において、あらゆる方向に作用する剪断力を検出することができる。また、各剪断力検出素子は、上述したように、支持体に支持膜、圧電体部、および弾性層を積層させただけの簡単な構成であり、容易に製造可能な素子であるため、このような剪断力検出素子を用いた触覚センサーも、同様に簡単な構成とすることができ、製造も容易となる。
【００２１】
本発明の触覚センサーでは、対象物に接触した際の前記支持膜の面方向に対して直交する接触方向の圧力を検出する正圧検出部を備え、前記正圧検出部は、前記支持体に開口形成される正圧検出用開口部と、この正圧検出用開口部を閉塞するとともに、可撓性を有する支持膜と、前記支持体を基板厚み方向から見る平面視において、前記正圧検出用開口部の内側で、前記支持膜上に設けられるとともに、湾曲することで電気信号を出力する正圧検出用圧電体と、前記正圧圧電体および前記支持膜を覆う弾性層と、を有することが好ましい。
この発明では、センサー面に作用する剪断力に加えて、前記センサー面に対して直交する方向の圧力（以降、正圧と称す）をも検出することができる。また、このような触覚センサーを用いることで、例えば物体を把持する装置などにおいて、把持時に正圧と滑り力とを計測することができ、触覚センサーから出力される電気信号に基づいて把持動作を制御することで、把持対象物を破損させず、かつ落とさないように把持することが可能となる。さらに、正圧検出部は、剪断力検出素子と同様に、支持体に支持膜、正圧検出量圧電体、および弾性層を設ける構成であり、上述した剪断力検出素子と同様の簡単な積層構造を有している。したがって、剪断力検出素子の製造と同時に正圧検出部を製造することもでき、触覚センサーの製造効率をより効率化することができる。
【００２２】
本発明の把持装置は、上述のような触覚センサーを備え、前記対象物を把持する把持装置であって、前記対象物を把持するとともに、前記対象物に接触する接触面に前記触覚センサーが設けられる少なくとも一対の把持アームと、前記触覚センサーから出力される前記電気信号に基づいて、前記対象物のすべり状態を検出する把持検出手段と、前記すべり状態に基づいて、前記把持アームの駆動を制御する駆動制御手段と、を備えることを特徴とする。
【００２３】
この発明では、上記したように、触覚センサーにより、把持の対象物を把持した際の剪断力を計測することで、対象物が把持アームから滑り落ちている状態であるか、把持されている状態であるかを計測することが可能となる。すなわち、対象物を把持する動作において、対象物を十分に把持できていない状態では、動摩擦力に応じた剪断力が働き、把持力を強めるほど、この剪断力も大きくなる。一方、把持力を強め、静摩擦力に応じた剪断力が検出される状態では、対象物の把持が完了した状態であり、把持力を強めた場合でも静摩擦力は一定であるため、剪断力も変化しない。したがって、例えば、対象物の把持力を徐々に増加させ、剪断力が変化しなくなった時点を検出することで、対象物を破損させることなく、最低限の把持力のみで対象物を把持することができる。
また、上述したように、把持装置を構成する触覚センサーは、支持体に支持膜、圧電体部、および弾性層を積層させただけの簡単な構成の剪断力検出素子を備える簡単な構成を有するものであり、容易に製造可能であるため、このような触覚センサーを用いた把持装置においても、同様に簡単な構成とすることができ、製造も容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る第一実施形態の剪断力検出素子の概略構成を示す断面図である。
【図２】第一実施形態の剪断力検出素子の平面図である。
【図３】剪断力検出素子に把持対象物が接触し、剪断力が加えられた状態を示す図であり、（Ａ）は、剪断力検出用メンブレンの変形前の状態を示す図、（Ｂ）は、剪断力により剪断力検出用メンブレンが変形した状態を示す図である。る。
【図４】剪断力検出用圧電膜で発生する電位差を示す図であり、（Ａ）は、剪断力検出用圧電膜が変形していない状態、（Ｂ）は、剪断力検出用圧電膜が伸長された状態、（Ｃ）は、剪断力検出用圧電膜が圧縮された状態を示す図である。
【図５】第一実施形態の剪断力検出素子の演算回路の概略構成を示す回路図である。
【図６】剪断力検出素子から出力される電気信号の発信波形の例を示す図であり、図５中の点Ｓａでの発信波形を示す図であり、（Ｂ）は、図５中の点Ｓｂでの発信波形を示す図である。
【図７】第二実施形態の剪断力検出素子を示す図であり、（Ａ）は、剪断力検出用開口部の短辺方向に沿って断面した断面図、（Ｂ）は、剪断力検出素子の平面図である。
【図８】第三実施形態の剪断力検出素子を剪断力検出用開口部の短辺方向に沿って断面した断面図であり、（Ａ）は、剪断力が加わっていない状態を示す図、（Ｂ）は、剪断力が加えられた状態を示す図である。
【図９】第四実施形態の触覚センサーの一部を拡大した平面図である。
【図１０】触覚センサーの変形例を示す平面図である。
【図１１】第四実施形態の正圧検出部の概略構成を示す図であり、（Ａ）は、正圧検出部をセンサー基板の基板厚み方向で断面した際の断面図、（Ｂ）は、センサー平面視における正圧検出部の平面図である。
【図１２】第五実施形態の把持装置の概略構成を示す装置ブロック図である。
【図１３】把持装置の把持動作における触覚センサーに作用する正圧および剪断力の関係を示す図を示す。
【図１４】制御装置の制御による把持装置の把持動作を示すフローチャートである。
【図１５】把持装置の把持動作時において、アーム駆動部への駆動制御信号、触覚センサーから出力される検出信号の発信タイミング示すタイミング図である。
【図１６】他の実施形態における触覚センサーの一部を示す平面図である。
【図１７】さらに他の実施形態におけるバイモルフの剪断力検出用圧電体を有する剪断力検出素子を示す図であり（Ａ）は、短辺方向に沿う断面図であり、（Ｂ）は、センサー平面視における平面図である。
【図１８】さらに他の実施形態における剪断力検出素子の構成を示す図であり、（Ａ）は、短辺方向に沿って断面した断面図、（Ｂ）は、センサー平面視における平面図である。
【図１９】さらに他の実施形態における剪断力検出素子の構成を示す平面図である。
【図２０】さらに他の実施形態における剪断力検出素子の構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
〔第一実施形態〕
以下、本発明に係る第一実施形態の剪断力検出素子について、図面に基づいて説明する。
（１．剪断力検出素子の構成）
図１は、本実施形態の剪断力検出素子２００の概略構成を示す断面図であり、図２は、剪断力検出素子２００の平面図である。
【００２６】
剪断力検出素子２００は、図１に示すように、支持体であるセンサー基板１１上に、支持膜１４、本発明の圧電体部を構成する剪断力検出用圧電体２１０、および弾性層である弾性膜１５を積層することで構成されている。この剪断力検出素子２００は、弾性膜１５に対象物が接触し、対象物が剪断方向に移動した際に、その剪断力を検出する素子である。
【００２７】
センサー基板１１は、例えばＳｉにより形成され、厚み寸法が例えば２００μｍに形成されている。このセンサー基板１１には、図１および図２に示すように、本発明の開口部である剪断力検出用開口部１１１が形成されている。この剪断力検出用開口部１１１は、平面視長方形状に形成されており、長方形を構成する長辺が本発明の直線部を構成する。ここで、この剪断力検出用開口部１１１の長辺に沿う方向が本発明の直線部の直線方向であり、この方向をＹ方向として設定する。また、剪断力検出用開口部１１１の短辺に沿う方向が、本発明の検出方向であり、この検出方向をＸ方向として設定する。
また、本実施形態では、この剪断力検出用開口部１１１は、長辺寸法Ｌが５００μｍ、短辺寸法Ｗが１００μｍに形成されている。なお、剪断力検出用開口部１１１の寸法は、長辺寸法Ｌおよび短辺寸法Ｗの比がＬ／Ｗ≧２となるように形成されていればよく、上記寸法には限られない。すなわち、例えば剪断力検出素子２００において、長辺寸法Ｌおよび短辺寸法Ｗの比がＬ／Ｗ＜２となるように剪断力検出用開口部１１１を形成した場合、弾性膜１５のＹ方向への撓みにより、支持膜１４もＹ方向に対して撓みが生じてしまい、Ｘ方向のみの撓み検出が困難となる。これに対して、長辺寸法Ｌおよび短辺寸法Ｗの比がＬ／Ｗ≧２とすることで、支持膜１４のＹ方向への撓みを軽減することができ、Ｘ方向に対する剪断力を精度よく検出することができる。
【００２８】
支持膜１４は、図示は省略するが、センサー基板１１上に例えば厚み寸法が３μｍに成膜されるＳｉＯ２層と、このＳｉＯ２層上に積層される厚み寸法が例えば４００ｎｍのＺｒＯ２層との２層構造により形成されている。ここで、ＺｒＯ２層は、後述する剪断力検出用圧電体２１０の焼成形成時に剪断力検出用圧電膜２１１の剥離を防止するために形成される層である。すなわち、剪断力検出用圧電膜２１１が例えばＰＺＴにより形成される場合、焼成時にＺｒＯ２層が形成されていないと、剪断力検出用圧電膜２１１に含まれるＰｂがＳｉＯ２層に拡散して、ＳｉＯ２層の融点が下がり、ＳｉＯ２層の表面に気泡が生じ、この気泡によりＰＺＴが剥離してしまう。また、ＺｒＯ２層がない場合、剪断力検出用圧電膜２１１の歪みに対する撓み効率が低下するなどの問題もある。これに対して、ＺｒＯ２層がＳｉＯ２層上に形成される場合、剪断力検出用圧電膜２１１の剥離、撓み効率の低下などの不都合を回避することが可能となる。
また、以降の説明において、図２に示すようなセンサー平面視において、支持膜１４のうち、剪断力検出用開口部１１１を閉塞する領域を剪断力検出用メンブレン１４１と称す。
【００２９】
剪断力検出用圧電体２１０は、膜状の剪断力検出用圧電膜２１１と、この剪断力検出用圧電膜２１１膜厚み方向にそれぞれ形成される剪断力検出用下部電極２１２および剪断力検出用上部電極２１３と、を備えている。
剪断力検出用圧電膜２１１は、例えばＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛：lead zirconate titanate）を厚み寸法が例えば５００ｎｍとなる膜状に成膜することで形成される。なお、本実施形態では、剪断力検出用圧電膜２１１としてＰＺＴを用いるが、膜の応力変化により電荷を発生することが可能な素材であれば、いかなる素材を用いてもよく、例えばチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ、Ｌａ）ＴｉＯ３）、窒化アルミ（ＡｌＮ）、酸化亜鉛(ＺｎＯ)、ポリフッ化ビニリデン(ＰＶＤＦ)などを用いてもよい。この剪断力検出用圧電膜２１１は、剪断力により支持膜が撓むと、その撓み量に応じて剪断力検出用下部電極２１２および剪断力検出用上部電極２１３の間で電位差が発生する。これにより、剪断力検出用下部電極２１２および剪断力検出用上部電極２１３に剪断力検出用圧電膜２１１からの電流が流れ、電気信号が出力される。
【００３０】
剪断力検出用下部電極２１２および剪断力検出用上部電極２１３は、剪断力検出用圧電膜２１１の膜厚み方向を挟んで形成される電極であり、剪断力検出用下部電極２１２は、剪断力検出用圧電膜２１１の剪断力検出用メンブレン１４１に対向する面に形成され、剪断力検出用上部電極２１３は、剪断力検出用下部電極２１２が形成される面とは反対側の面に形成されている。
剪断力検出用下部電極２１２は、厚み寸法が例えば２００ｎｍに形成される膜状の電極である。この剪断力検出用下部電極２１２としては、導電性を有する導電薄膜であれば、いかなるものであってもよいが、本実施形態では、例えば、Ti/Ir/Pt/Tiの積層構造膜を用いる。
また、剪断力検出用上部電極２１３は、厚み寸法が例えば５０ｎｍに形成される膜状の電極である。この剪断力検出用上部電極２１３としても、導電性薄膜であれば、いかなる素材を用いてもよいが、本実施形態では、Ｉｒ薄膜を用いる。
【００３１】
また、この剪断力検出用圧電体２１０は、剪断力検出用開口部１１１の長手方向（Ｙ方向）と同一方向に長手となる矩形状に形成され、剪断力検出用開口部１１１の長辺１１１Ａに沿って一対設けられている。また、各剪断力検出用圧電体２１０（２１０Ａ，２１０Ｂ）は、平面視において、剪断力検出用開口部１１１の長辺１１１Ａを挟んで、剪断力検出用開口部１１１の内外に跨って配置されている。
【００３２】
この剪断力検出用圧電体２１０において、剪断力検出用下部電極２１２は、基板部１１３から剪断力検出用メンブレン１４１内に、Ｘ方向に沿って形成される。具体的には、−Ｘ方向側に配置される剪断力検出用圧電体２１０Ａでは、剪断力検出用下部電極２１２は、剪断力検出用圧電膜２１１の＋Ｘ側の端縁から＋Ｘ方向に僅かに突出して形成され、＋Ｘ方向側に配置される剪断力検出用圧電体２１０Ｂでは、剪断力検出用下部電極２１２は、剪断力検出用圧電膜２１１の−Ｘ側の端縁から−Ｘ方向に僅かに突出して形成される。ここで、剪断力検出用下部電極２１２のＹ方向に沿う端縁（下部電極先端縁２１２１）から剪断力検出用開口部１１１の長辺１１１Ａまでの距離寸法は、剪断力検出用開口部１１１の短辺寸法Ｗの１／２より小さく、例えば４０μｍに形成されている。したがって、−Ｘ方向から剪断力検出用メンブレン１４１内に配置される剪断力検出用下部電極２１２と、＋Ｘ方向から剪断力検出用メンブレン１４１内に配置される剪断力検出用下部電極２１２との間には、所定寸法（例えば２０μｍ）の隙間が形成されている。この部分は、剪断力検出用下部電極２１２の他、剪断力検出用圧電膜２１１や剪断力検出用上部電極２１３も積層されておらず、支持膜１４において、最も柔らかく変形しやすいコンプライアンス部１４３となる。
【００３３】
そして、この剪断力検出用下部電極２１２上に、剪断力検出用下部電極２１２のＸ方向に沿う一対の端縁（下部電極側縁２１２２）間を覆って、Ｙ方向に長手となる剪断力検出用圧電膜２１１が形成される。さらに、この剪断力検出用圧電膜２１１上に、剪断力検出用圧電膜２１１のＸ方向に沿う一対の端縁（圧電膜側縁２１１１）間を覆って、Ｙ方向に長手となる剪断力検出用上部電極２１３が形成される。この剪断力検出用上部電極２１３は、例えば剪断力検出用開口部１１１の一対の対向する短辺１１１Ｂ間に亘って形成され、短辺１１１Ｂ近傍からＸ方向に延出して引出部２１３１形成される。このような剪断力検出用圧電体２１０であれば、剪断力検出用下部電極２１２および剪断力検出用上部電極２１３が直接接触する部分がないため、各電極３１２，３１３を絶縁膜で被覆するなどすることなく、容易に剪断力検出用圧電体２１０から出力される電気信号を取り出すことができる。
【００３４】
このような剪断力検出用圧電体２１０では、剪断力検出用下部電極２１２、剪断力検出用圧電膜２１１、および剪断力検出用上部電極２１３が膜方向に沿って重なり合っている部分が、支持膜の撓み量の検出する圧電積層部２１４となる。
ここで、圧電積層部２１４は、Ｙ方向に長手となる矩形状に形成され、図２に示すようなセンサー平面視において、Ｙ方向の長さ寸法Ｌｐが剪断力検出用開口部１１１の長辺１１１Ａの長さ寸法Ｌより小さく、かつ、Ｘ方向に沿う端縁（下部電極側縁２１２２）から剪断力検出用開口部１１１の短辺１１１Ｂまでの距離寸法ＬＧが、少なくとも剪断力検出用開口部１１１の短辺寸法Ｗよりも大きく形成されている。なお、本実施形態では、距離寸法ＬＧは１２０μｍに形成されている。
これは、距離寸法ＬＧが剪断力検出用開口部１１１の短辺寸法Ｗ以下となる場合、Ｘ方向の撓み検出精度が低下するおそれがあるためである。すなわち、長方形状の剪断力検出用メンブレン１４１において、剪断力検出用開口部１１１の短辺１１１Ｂ上の支持膜１４は、基板部１１３に固定されているため、弾性膜１５の撓んだとしても変位しない。したがって、短辺１１１Ｂ近傍では、剪断力に対して撓みが生じないため、この領域の支持膜１４の撓みを検出した場合、正確な剪断力の測定が困難となる。これに対して、上記のように、距離寸法ＬＧが剪断力検出用開口部１１１の短辺寸法Ｗより大きくなる場合、剪断力に応じた撓みを支持膜１４に生じさせることができ、かつ、Ｘ方向の剪断力により支持膜１４にＹ方向の撓みが発生しないため、精度の高い剪断力測定を実施することが可能となる。
【００３５】
また、圧電積層部２１４は、剪断力検出用メンブレン１４１の内部と外部に亘って形成されるが、圧電積層部２１４の剪断力検出用メンブレン１４１内のＸ方向に沿う寸法Ｗｐ１が、圧電積層部２１４のＹ方向に沿う寸法Ｌｐの１／３以下に形成されていることが好ましい。例えば、本実施形態では、Ｗｐ１＝３０μｍ、Ｌｐ＝２６０μｍに形成されている。これは、圧電積層部２１４の剪断力検出用メンブレン１４１内のＸ方向に沿う寸法Ｗｐが、圧電積層部２１４のＹ方向に沿う寸法Ｌｐの１／３よりも大きく形成される場合、圧電積層部２１４において、Ｙ方向の剪断力の影響を受ける可能性が大きくなるためである。これに対して、上記のように、３Ｗｐ１≦Ｌｐとなるように、圧電積層部２１４の寸法を形成することで、Ｙ方向の剪断力の影響を除外し、Ｘ方向の剪断力により支持膜１４および圧電積層部２１４を撓ませることが可能となる。
【００３６】
そして、圧電積層部２１４は、剪断力検出用メンブレン１４１の外部において、Ｘ方向に沿う寸法Ｗｐ２が、支持膜１４および圧電積層部２１４の膜厚寸法の和の５倍以上に形成されることが好ましい。本実施形態では、支持膜１４および圧電積層部２１４の膜厚総和が約４．１５μｍであり、寸法Ｗｐ２が例えば２５μｍに形成されている。
ここで、圧電積層部２１４の剪断力検出用メンブレン１４１の外部におけるＸ方向に沿う寸法Ｗｐ２が、支持膜１４および圧電積層部２１４の膜厚総和の５倍よりも小さい寸法である場合、次のような問題がある。すなわち、剪断力検出用メンブレン１４１が剪断力により変形する際、各層が剪断力により剪断力検出用開口部１１１内に入り込もうとするモーメント力、または剪断力検出用開口部１１１から離れる方向に浮き上がろうとするモーメント力が発生する。これらのモーメント力は、支持膜１４、剪断力検出用下部電極２１２、剪断力検出用圧電膜２１１、および剪断力検出用上部電極２１３のそれぞれに作用して、剪断力検出用メンブレン１４１および剪断力検出用圧電体２１０を変形させる。この時、剪断力検出用圧電体２１０における圧電積層部２１４の剪断力検出用メンブレン１４１の外部の領域において、剪断力検出用開口部１１１の縁（長辺１１１Ａ）から離れるに従って剪断力検出用メンブレン１４１の変形に係る応力も小さくなる。ここで、圧電積層部２１４における剪断力検出用メンブレン１４１の外部に形成される部分のＸ方向寸法Ｗｐ２がＷｐ２＜５ｔ（ｔは、膜厚総和）となる場合、剪断力検出用メンブレン１４１の変形に係る応力を十分に受けることができないため、安定した剪断力検出用メンブレン１４１の変形が得られない。また、剪断力検出用圧電体２１０を構成する各膜３１１，３１２，３１３が剥離するおそれもある。これに対して、寸法Ｗｐ２がＷｐ２≧５ｔとなるように剪断力検出用圧電体２１０を形成することで、剪断力検出用メンブレン１４１の変形を安定させることができ、剥離などの不都合も回避することができる。
【００３７】
弾性膜１５は、上述のような支持膜１４、剪断力検出用圧電体２１０を覆って形成される膜である。この弾性膜１５としては、本実施形態では、例えばＰＤＭＳ（PolyDiMethylSiloxane）を用いるが、これに限定されず、弾性を有する合成樹脂など、その他の弾性素材により形成されるものであってもよい。また、弾性膜１５の厚み寸法としては、特に限定されないが、例えば３００μｍに形成されている。
この弾性膜１５は、剪断力検出用圧電体２１０の保護膜として機能するとともに、当該弾性膜１５に加わる剪断力を剪断力検出用メンブレン１４１に伝達して撓ませる。そして、この弾性膜１５の撓みにより、剪断力検出用メンブレン１４１が撓むことで、剪断力検出用圧電体２１０も撓み、その撓み量に応じた電気信号が出力される。
【００３８】
（２．剪断力検出素子の動作）
次に上記のような剪断力検出素子の動作について、図面に基づいて説明する。
図３は、剪断力検出素子に把持対象物Ａが接触し、矢印Ｐ１の方向に応力（剪断力）が加えられた状態を示す図であり、（Ａ）は、剪断力検出用メンブレン１４１の変形前の状態を示す図、（Ｂ）は、剪断力により剪断力検出用メンブレン１４１が変形した状態を示す図である。
【００３９】
剪断力検出素子２００は、図３（Ａ）に示すように、弾性膜１５に対象物Ａが接触し、矢印Ｐ１の方向に剪断力が加えられると、図３（Ｂ）に示すように、剪断力検出用メンブレン１４１に撓みが発生する。
すなわち、弾性膜１５に剪断力が発生すると、剪断力検出用メンブレン１４１の−Ｘ側の面では、矢印Ｍ１に示すように、剪断力検出用開口部１１１内に入り込むモーメント力が発生し、＋Ｘ側の面では、矢印Ｍ２に示すように、剪断力検出用開口部１１１から浮き上がろうとするモーメント力が発生する。
この時、剪断力検出用メンブレン１４１の中心位置には、剪断力検出用メンブレン１４１の他部よりも膜厚寸法が小さく、柔らかく形成されるコンプライアンス部１４３が形成されているため、このコンプライアンス部１４３が変曲点となり、１波長分のｓｉｎ波形状に剪断力検出用メンブレン１４１が撓む。
【００４０】
図４は、剪断力検出用圧電膜２１１で発生する電位差を模式的に示す図であり、（Ａ）は、剪断力検出用圧電膜２１１が変形していない状態、（Ｂ）は、剪断力検出用圧電膜２１１が伸長された状態、（Ｃ）は、剪断力検出用圧電膜２１１が圧縮された状態を示す図である。
上記のような剪断力検出素子２００により剪断力を検出するためには、予め剪断力検出用上部電極２１３および剪断力検出用下部電極２１２間に電圧を印加し、図４（Ａ）に示すように、分極させておく。この状態で、図３（Ｂ）に示すように、剪断力検出用メンブレン１４１に撓みが発生すると、剪断力検出用圧電膜２１１に電位差が発生する。
具体的には、図３（Ａ）の矢印Ｐ１に示すような剪断力が加わった場合、図３（Ｂ）の−Ｘ方向側の剪断力検出用圧電体２１０の剪断力検出用圧電膜２１１は、剪断力検出用メンブレン１４１と同様に、矢印Ｍ１に示すようなモーメント力が加わるため、図４（Ｂ）に示すように、剪断力検出用圧電膜２１１に引っ張り応力が発生し、膜厚も小さくなる。これにより、剪断力検出用圧電膜２１１では、分極モーメント量が低下し、剪断力検出用上部電極２１３との接触面に正電荷、剪断力検出用下部電極２１２との接触面に負電荷が発生する。このため、剪断力検出用下部電極２１２から剪断力検出用上部電極２１３に向かう方向に電流が流れ、電気信号として出力される。
【００４１】
一方、図３（Ｂ）の＋Ｘ方向側の剪断力検出用圧電体２１０の剪断力検出用圧電膜２１１は、矢印Ｍ２に示すようなモーメント力が加わるため、図４（Ｃ）に示すように、剪断力検出用圧電膜２１１に圧縮応力が発生し、膜厚も大きくなる。これにより、剪断力検出用圧電膜２１１では、分極モーメント量が増大し、剪断力検出用上部電極２１３に負電荷、剪断力検出用下部電極２１２に正電荷が発生する。このため、剪断力検出用上部電極２１３から剪断力検出用下部電極２１２に向かう方向に電流が流れ、電気信号として出力される。
【００４２】
（３．剪断力検出素子の出力回路）
また、上記のような剪断力検出素子２００は、−Ｘ方向側の剪断力検出用圧電体２１０から出力される剪断力検出信号、および＋Ｘ方向側の剪断力検出用圧電体２１０から出力される剪断力検出信号を加算する演算回路２２０を備えている。
この演算回路２２０は、例えばセンサー基板１１上に形成されていてもよく、センサー基板１１とは別体として設けられ、センサー基板１１上に形成される剪断力検出用下部電極２１２および剪断力検出用上部電極２１３に接続される構成などとしてもよい。なお、センサー基板１１と別体として設けられる場合では、例えば剪断力検出素子２００が取り付けられる装置などに収納される構成などとしてもよい。
【００４３】
図５は、剪断力検出素子２００の演算回路２２０の概略構成を示す回路図である。
本実施形態の剪断力検出素子２００の演算回路２２０では、−Ｘ方向側の剪断力検出用圧電体２１０Ａの剪断力検出用下部電極２１２、および＋Ｘ方向側の剪断力検出用圧電体２１０Ｂの剪断力検出用上部電極２１３を接続した接続線２２１Ａと、−Ｘ方向側の剪断力検出用圧電体２１０Ａの剪断力検出用上部電極２１３、および＋Ｘ方向側の剪断力検出用圧電体２１０Ｂの剪断力検出用下部電極２１２を接続した接続線２２１Ｂと、をそれぞれ増幅器（Ａｍｐ）２２２に出力する。
ここで、図３（Ｂ）に示すように、剪断力検出用圧電体２１０Ａと剪断力検出用圧電体２１０Ｂとでは、撓み方向が逆となるため、これらの剪断力検出用圧電体２１０Ａおよび剪断力検出用圧電体２１０Ｂから出力される電流は、正負が逆転する。したがって、上記のように、剪断力検出用圧電体２１０Ａの剪断力検出用上部電極２１３と、剪断力検出用圧電体２１０Ｂの剪断力検出用下部電極２１２とを接続し、剪断力検出用圧電体２１０Ａの剪断力検出用下部電極２１２と、剪断力検出用圧電体２１０Ｂの剪断力検出用上部電極２１３とを接続することで、剪断力検出用圧電体２１０Ａ，２１０Ｂから出力される電流の正負符号を揃えることができる。
【００４４】
また、これら剪断力検出用圧電体２１０Ａ，２１０Ｂから出力される電流を増幅器２２２で増幅させた後、積分器２２３に入力することで図６に示すような発信波形を得ることができる。
図６（Ａ）は、図５中の点Ｓａでの発信波形を示す図であり、（Ｂ）は、図５中の点Ｓｂでの発信波形を示す図である。
剪断力検出素子２００は、弾性膜１５に対象物Ａが当接してＸ方向に剪断力が発生するタイミングｔ１で、図６（Ａ）に示すように、例えば正の電気信号が出力される。また、例えば対象物Ａが弾性膜１５から離れて剪断力がなくなるタイミングｔ２で、弾性膜１５が弾性により元の位置に戻るため、剪断力検出用メンブレン１４１も元の位置に戻り、この時発生する剪断力検出用圧電体２１０の変形により、負の電気信号が出力される。このような電気信号を積分器２２３に入力することで、図６（Ｂ）に示すような、剪断力検出信号が得られる。この剪断力検出信号では、剪断力が作用している期間中、剪断力に応じた信号が連続的に出力される。
【００４５】
（４．第一実施形態の作用効果）
上述したように、上記第一実施形態の剪断力検出素子２００は、剪断力検出用開口部１１１が形成されるセンサー基板１１上に、支持膜１４を積層する。そして、この支持膜１４上に、剪断力検出用開口部１１１の長辺１１１Ａに沿って剪断力検出用メンブレン１４１の内外に跨って配置される剪断力検出用圧電体２１０を積層し、さらに、その上層に弾性膜１５を積層形成している。このような構成の剪断力検出素子では、弾性膜１５に剪断力が加わると、剪断力検出用メンブレン１４１がモーメント力により撓み、剪断力検出用圧電体２１０から剪断力に応じた電気信号が出力される。したがって、このような電気信号を検出することで、容易に剪断力を測定することが可能となる。
また、センサー基板１１上に、支持膜１４、剪断力検出用圧電体２１０、および弾性膜１５を積層するだけの簡単な構造であるため、各層を例えばスパッタリングなどによる積層、エッチングなどによるパターニングにより容易に形成することができる。したがって、例えば、基板の一部を剪断力の方向に合わせて折り曲げるなどの加工が不要であり、簡単な製造工程により剪断力検出素子を製造することができ、製造効率を向上させることができる。
【００４６】
また、剪断力検出用開口部１１１は、長方形状に形成され、長方形の長辺１１１Ａに沿って剪断力検出用圧電体２１０が配置されている。
このような剪断力検出用開口部１１１上に形成される剪断力検出用メンブレン１４１は、長辺方向への撓みが生じにくくなる。したがって、剪断力検出用圧電体２１０から出力される電気信号としても、長辺方向の撓みによるノイズを除去でき、検出方向である短辺方向（Ｘ方向）の剪断力を精度よく検出することができる。
【００４７】
また、剪断力検出用開口部１１１の一対の長辺１１１Ａに対応して、一対の剪断力検出用圧電体２１０Ａ，２１０Ｂが設けられている。そして、剪断力検出用メンブレン１４１の中心部には、これらの剪断力検出用圧電体２１０Ａ，２１０Ｂが積層されないコンプライアンス部１４３が形成されている。
したがって、剪断力検出用メンブレン１４１は、剪断力検出用開口部１１１の短辺方向に沿って断面した図４（Ｂ）に示すような断面視において、コンプライアンス部１４３を中心に点対称となる撓み、すなわち１波長分のｓｉｎ波状の撓みが発生する。これにより、剪断力検出用メンブレン１４１内の撓み部分における傾斜角度が大きくなり、剪断力検出用圧電体２１０の撓み量も大きくなる。したがって、剪断力検出信号としてより大きな電気信号を出力することができ、剪断力検出精度を向上させることができる。
【００４８】
また、コンプライアンス部１４３を挟んで、一対の剪断力検出用圧電体２１０Ａ，２１０Ｂが設けられている。ここで、剪断力検出用メンブレン１４１は、剪断力が加えられると、コンプライアンス部１４３を挟んで、略点対称となる変形が発生するが、例えば剪断力検出用開口部１１１の長辺方向に沿う撓みが加わるなどにより、左右非対称となる場合もある。このような場合でも、コンプライアンス部１４３を挟む２つの領域にそれぞれ剪断力検出用圧電体２１０Ａ，２１０Ｂを設けることで、剪断力の検出精度を向上させることができる。例えば、コンプライアンス部１４３を挟んで−Ｘ方向側の剪断力検出用メンブレン１４１の撓み量が小さく、＋Ｘ方向側の剪断力検出用メンブレン１４１の撓み量が大きい場合、仮に剪断力検出用圧電体２１０Ａのみしか設けられていない場合、剪断力が小さいと判断される場合がある。これに対して、コンプライアンス部１４３を挟んで剪断力検出用圧電体２１０Ａ，２１０Ｂが設けられている場合、剪断力検出用圧電体２１０Ａから出力される電気信号が小さい場合でも、剪断力検出用圧電体２１０Ｂから大きい電気信号が出力されることとなり、剪断力の検出精度を向上させることができる。
【００４９】
さらに、剪断力検出素子２００は、剪断力検出用圧電体２１０Ａの剪断力検出用上部電極２１３と、剪断力検出用圧電体２１０Ｂの剪断力検出用下部電極２１２とを接続し、剪断力検出用圧電体２１０Ａの剪断力検出用下部電極２１２と、剪断力検出用圧電体２１０Ｂの剪断力検出用上部電極２１３とを接続することで、各剪断力検出用圧電体２１０Ａから出力される信号を加算する演算回路２２０を備えている。このような演算回路２２０により、より大きな剪断力検出信号を得ることができ、剪断力検出精度をより一層向上させることができる。
【００５０】
〔第二実施形態〕
次に本発明に係る第二実施形態の剪断力検出素子２００Ａについて、図面に基づいて説明する。
図７は、第二実施形態の剪断力検出素子２００Ａを示す図であり、（Ａ）は、剪断力検出用開口部１１１の短辺方向に沿って断面した断面図、（Ｂ）は、剪断力検出素子２００Ａの平面図である。なお、以降の実施形態の説明において、上記第一実施形態と同様の構成については同符号を付し、その説明を省略または簡略する。
【００５１】
第二実施形態は、第一実施形態の剪断力検出素子２００の構成の一部を変更したものである。
すなわち、第二実施形態の剪断力検出素子２００Ａは、第一実施形態と同様にセンサー基板１１上に、支持膜１４、剪断力検出用圧電体２１０（２１０Ａ，２１０Ｂ）、および弾性膜１５を積層することにより構成される。
ここで、第二実施形態の剪断力検出素子２００Ａのセンサー基板１１に形成される剪断力検出用開口部１１１は、短辺方向（Ｘ方向）の中心位置に、長辺１１１Ａに平行する支持補強部１１４が形成されている。
【００５２】
また、支持膜１４上には、剪断力検出用圧電体２１０Ａ，２１０Ｂおよび、これらの剪断力検出用圧電体２１０Ａ，２１０Ｂの間で、かつ図７（Ｂ）に示すようなセンサー平面視において、支持補強部１１４と重なる位置に、補強膜２３０が形成されている。この補強膜２３０は、コンプライアンス部１４３の変化を抑制するものであればよく、例えば剪断力検出用圧電体２１０の形成時に、下部電極、圧電膜、および上部電極を積層することで構成されるものであってもよく、例えば圧電膜のみが積層されることで形成されるものであってもよく、さらには、他の膜部材であってもよい。
【００５３】
上記のような第二実施形態の剪断力検出素子２００Ａでは、支持補強部１１４上に形成される支持膜１４が本発明のコンプライアンス部として機能する。
すなわち、剪断力検出用メンブレン１４１に剪断力が加わると、支持補強部１１４が形成される位置は定位置となり、この支持補強部１１４上の支持膜１４を中心として、−Ｘ方向側および＋Ｘ方向側にｓｉｎ波形状の撓みが形成される。
また、補強膜２３０が設けられない構成としてもよいが、この場合、支持補強部１１４近傍において、剪断力検出用メンブレン１４１の撓み量が大きくなり、正常なｓｉｎ波形状の撓みが形成されない場合がある。これに対して、補強膜２３０が設ける構成とすることで、支持補強部１１４近傍の剪断力検出用メンブレン１４１の撓み量を抑えることができ、支持補強部１１４を挟んで−Ｘ方向側と＋Ｘ方向側とにおいて、撓み形状を略同一に揃えることができる。
このような剪断力検出素子２００Ａでは、剪断力検出用圧電体２１０Ａから出力される電気信号と、剪断力検出用圧電体２１０Ｂから出力される電気信号とが、符号が異なるが絶対値が略同一値となり、信頼性の高い剪断力を検出することができる。
【００５４】
〔第三実施形態〕
次に、本発明に係る第三実施形態の剪断力検出素子について、図面に基づいて説明する。
図８は、第三実施形態の剪断力検出素子２００Ｂを剪断力検出用開口部１１１の短辺方向に沿って断面した断面図であり、（Ａ）は、剪断力が加わっていない状態を示す図、（Ｂ）は、剪断力が加えられた状態を示す図である。
第三実施形態は、第一実施形態の剪断力検出素子２００において、弾性膜１５を変形したものであるため、センサー基板１１、支持膜１４、剪断力検出用圧電体２１０の構成については、その説明を省略する。
【００５５】
第三実施形態の剪断力検出素子２００Ｂでは、支持膜１４または剪断力検出用圧電体２１０の上層に複数の弾性部材１５１が形成されている。
この弾性部材１５１は、板状部材であり、剪断力が加わっていない状態において、図８（Ａ）に示すように、板面方向が支持膜１４の面方向および剪断力検出用開口部１１１の短辺方向（剪断力検出方向）に対して直交するように、支持膜１４および剪断力検出用圧電体２１０上に立設されている。そして、複数の弾性部材１５１が平行に、かつ剪断力検出方向に沿って敷き詰められることで本発明の弾性層を形成している。
なお、弾性部材１５１としては、棒状に形成され、支持膜１４に対して直交する方向に立設される構成としてもよいが、この場合、Ｙ方向に対する剪断力をも支持膜１４に伝達してしまい、Ｘ方向に対する剪断力のみを検出する場合には不適切となる。これに対して、本実施形態のように、板状の弾性部材１５１を、Ｘ方向に複数並設することで、Ｘ方向に対する剪断力のみを良好に支持膜１４に伝達することが可能となる。
【００５６】
このような弾性部材１５１は、支持膜１４の剛性よりも強く形成されており、また、板面方向に対する剛性が、板厚み方向に対する剛性よりも強く形成されている。このため、把持面５に対象物Ａが接触し、剪断力が加えられると、図８（Ｂ）に示すように、各弾性部材１５１にモーメント力が作用し、これにより支持膜１４および剪断力検出用圧電体２１０が変形する。
【００５７】
上記のような第三実施形態の剪断力検出素子２００Ｂでは、上記第一実施形態と同様に、簡単な構成で剪断力を構成できる。これに加えて、剪断力検出素子２００Ｂでは、各弾性部材１５１をモーメント力により回動させ、これらの弾性部材１５１の回動により支持膜１４が変形させる。このため、対象物Ａから受ける剪断力に対して、支持膜１４の撓み量をより大きくすることができ、剪断力検出素子２００Ｂからより大きな剪断力検出信号を出力させることが可能となる。したがって、剪断力の検出精度をより高めることができる。
【００５８】
〔第四実施形態〕
次に、上述したような剪断力検出素子の応用例として、第一実施形態の剪断力検出素子２００を備えた触覚センサーについて、図面に基づいて説明する。
【００５９】
（触覚センサーの構成）
図９は、第四実施形態の触覚センサーの一部を拡大した平面図である。
図９に示すように、触覚センサー１０は、正圧検出部１２と、上記第一実施形態の剪断力検出素子２００が配置される第一剪断力検出部１３Ａおよび第二剪断力検出部１３Ｂと、を複数備えている。
正圧検出部１２は、例えば正方形状に形成されるセンサー素子であり、触覚センサー１０のセンサー平面に対して直交する圧力を検出する。
第一剪断力検出部１３Ａは、上述した第一実施形態と同様に、Ｙ方向に沿って長手となる剪断力検出素子２００であり、Ｘ方向に対して発生する剪断力を検出する。
第二剪断力検出部１３Ｂは、上述した剪断力検出素子２００の配置方向を変更したものであり、Ｘ方向に沿って長手となる剪断力検出素子２００であり、Ｙ方向に対して発生する剪断力を検出する。
【００６０】
これらの検出部１２，１３Ａ，１３Ｂは、本発明の支持体を構成するセンサー基板１１上に、２次元アレイ構造に配置されている。
具体的には、図２に示すように、センサー基板１１の面内の所定の矩形範囲内において、正圧検出部１２は、矩形範囲の角部に相当する位置および矩形対角線上に配置され、これらの正圧検出部１２に隣接する位置に所定の一方向に沿って長手となる第一剪断力検出部１３Ａおよび第一剪断力検出部１３Ａの長手方向と直交する方向に長手となる第二剪断力検出部１３Ｂが配置されている。すなわち、センサー基板１１の面内にＸ方向、Ｙ方向の座標軸を設定した場合、正圧検出部１２は、ｎ，ｍを自然数として、（Ｘ，Ｙ）＝（４ｎ，４ｍ），（４ｎ，４ｍ＋３），（４ｎ＋１，４ｍ＋１），（４ｎ＋１，４ｍ＋２），（４ｎ＋２，４ｍ＋１），（４ｎ＋２，４ｍ＋２），（４ｎ＋３，４ｍ），（４ｎ＋３，４ｍ＋３）となる位置に配置される。また、第一剪断力検出部１３Ａは、(Ｘ，Ｙ)＝（４ｎ，４ｍ＋１），（４ｎ＋１，４ｍ＋３），（４ｎ＋２，４ｍ），（４ｎ＋３，４ｍ＋２）の位置に配置され、第二剪断力検出部１３Ｂは、（Ｘ，Ｙ）＝（４ｎ，４ｍ＋２），（４ｎ＋１，４ｍ），（４ｎ＋２，４ｍ＋３），（４ｎ＋３，４ｍ＋１）となる位置に配置される。このように、センサー基板１１の面内に一様に正圧検出部１２、第一剪断力検出部１３Ａおよび第二剪断力検出部１３Ｂを設けることで、センサー基板１１上のどの位置に対象物Ａが当接した場合でも、正圧および剪断力を検出することが可能となる。
【００６１】
なお、正圧検出部１２、第一剪断力検出部１３Ａおよび第二剪断力検出部１３Ｂの配置構造としては図９のパターンに限られず、例えば図１０に示すように、その他のアレイ構造に形成されるものであってもよい。
図１０は、触覚センサーにおける正圧検出部１２、および剪断力検出部１３の他の配置例を示す図である。
すなわち、図１０に示す触覚センサー１０では、センサー基板１１上の所定位置に正圧検出部１２を配置され、この正圧検出部１２の外周に、放射状に例えば４５度間隔で剪断力検出部１３が配置されている。この場合、Ｘ方向の剪断力を検出する第一剪断力検出部１３Ａ、Ｙ方向の剪断力を検出する第二剪断力検出部１３Ｂに加え、傾きが＋１となる方向の剪断力を検出する第三剪断力検出部１３Ｃ、および傾きが−１となる方向の剪断力を検出する第四剪断力検出部１３Ｄが設けられる構成となる。
【００６２】
（正圧検出部の構成）
次に、触覚センサー１０を構成する正圧検出部１２の構成について、図面に基づいて説明する。図１１は、正圧検出部１２の概略構成を示す図であり、（Ａ）は、正圧検出部１２をセンサー基板１１の基板厚み方向で断面した際の断面図、（Ｂ）は、センサー平面視における正圧検出部１２の平面図である。
【００６３】
図１１に示すように、正圧検出部１２は、センサー基板１１上に、支持膜１４、本発明の正圧検出用圧電体を構成する正圧検出用圧電体３１０、本発明の弾性層を構成する弾性膜１５を積層することで構成されている。
ここで、正圧検出部１２を構成するセンサー基板１１、支持膜１４、および弾性膜１５は、剪断力検出部１３Ａ，１３Ｂを構成する剪断力検出素子２００を構成するセンサー基板１１、支持膜１４、および弾性膜１５と共通である。すなわち、１つのセンサー基板１１上に、剪断力検出素子２００を構成する前記剪断力検出用開口部１１１、および正圧検出用開口部である正方形状の正圧検出用開口部１１２が形成されている。また、このセンサー基板１１上を覆うように、センサー基板１１の全面に支持膜１４および弾性膜１５が形成されている。したがって、ここでのセンサー基板１１、支持膜１４、および弾性膜１５の詳細な説明は省略する。
また、以降の説明において、図１１（Ｂ）に示すようなセンサー平面視において、正圧検出用開口部１１２の内周側領域に重なる支持膜１４を正圧検出用メンブレン１４２と称する。
【００６４】
正圧検出用圧電体３１０は、正圧検出用圧電膜３１１と、正圧検出用圧電膜３１１および支持膜１４の間に配置される正圧検出用下部電極３１２と、正圧検出用圧電膜３１１および弾性膜１５の間に配置される正圧検出用上部電極３１３を備えている。これらの正圧検出用圧電膜３１１、正圧検出用下部電極３１２、および正圧検出用上部電極３１３は、上述した剪断力検出素子２００の剪断力検出用圧電膜２１１、剪断力検出用下部電極２１２、剪断力検出用上部電極２１３と同様の素材により形成することができる。
【００６５】
正圧検出用下部電極３１２は、厚み寸法が例えば２００ｎｍに形成される膜状の電極である。この正圧検出用下部電極３１２は、正方形状に形成される正圧検出用開口部１１２の中心部から所定の一辺に向かう方向（本実施形態では、−Ｘ方向）に延出して形成されている。また、正圧検出用上部電極３１３は、厚み寸法が例えば５０ｎｍに形成される膜状の電極である。この正圧検出用上部電極３１３は、正圧検出用開口部１１２の中心部から、正圧検出用下部電極３１２の延出する方向とは反対方向（図１１中、紙面右側方向）に延出して形成されている。
そして、これらの正圧検出用上部電極３１３および正圧検出用下部電極３１２は、それぞれ支持膜１４上に形成される図示しないパターン電極に接続されて、例えばフレキシブル基板などの導通部材を介して、例えば触覚センサー１０からの信号を処理する制御装置などに接続されている。
【００６６】
（正圧検出部の動作）
上記のような正圧検出部１２では、予め正圧検出用上部電極３１３および正圧検出用下部電極３１２間に電圧を印加し、分極させておく。この状態で、触覚センサー１０に基板厚み方向の圧力（正圧）が加えられると、その正圧により正圧検出用メンブレン１４２が正圧検出用開口部１１２側に撓む。これにより、正圧検出用メンブレン１４２上に形成される正圧検出用圧電体３１０も撓み、正圧検出用圧電膜３１１に電位差が発生する。したがって、正圧検出用上部電極３１３および正圧検出用下部電極３１２に電位差に基づいた電流が流れ、触覚センサー１０から正圧検出信号として出力される。
【００６７】
（第四実施形態の作用効果）
上述したような第四実施形態の触覚センサー１０では、上記第一実施形態の剪断力検出素子２００が配置されている。このような剪断力検出素子２００は、上述したように、各層を例えばスパッタリングなどによる積層、エッチングなどによるパターニングにより容易に形成することができる。したがって、剪断力検出素子２００を図９や図１０に示すようなアレイ構造に配置した触覚センサー１０においても、上記剪断力検出素子２００と同様の作用効果が得られ、簡単な構成で、薄型化および小型化を図ることができ、製造効率も向上させることができる。
【００６８】
これに加えて、触覚センサー１０では、１つのセンサー基板１１上を本発明の支持体、および正圧検出用支持体として用い、センサー基板１１上の全面に支持膜１４、および弾性膜１５を形成して、正圧検出部１２、剪断力検出部１３Ａ，１３Ｂを構成している。このため、正圧検出部１２および剪断力検出部１３Ａ，１３Ｂを1つずつ製造して、基板上に配置する構成などに比べて、一度にセンサー基板１１上にアレイ構造に配置された各検出部１２，１３Ａ，１３Ｂを有する触覚センサー１０を製造することができ、製造効率やコスト面を向上させることができる。
【００６９】
そして、上記のような触覚センサー１０には、上記のような剪断力検出素子２００の配置方向を異ならせた第一剪断力検出部１３Ａおよび第二剪断力検出部１３Ｂを複数備えた触覚センサー１０が設けられている。
このような触覚センサー１０では、Ｘ方向およびＹ方向の双方に対して剪断力を検出することができる。すなわち、触覚センサー１０のセンサー面に沿って作用するあらゆる方向の剪断力を検出することができる。
【００７０】
また、触覚センサー１０は、正圧検出部１２を備えている。したがって、触覚センサー１０のセンサー面に作用する剪断力だけでなく、センサー面に直交する圧力をも検出することができ、触覚センサー１０に対象物Ａが接触した際の各方向に作用する力を適切に検出することができる。
【００７１】
〔第五実施形態〕
次に、第四実施形態の触覚センサー１０の応用例として、触覚センサー１０を備えた把持装置について、図面に基づいて説明する。
【００７２】
図１２は、本発明に係る第五実施形態の把持装置の概略構成を示す装置ブロック図である。
図１２において、把持装置１は、少なくとも一対の把持アーム２を備え、この把持アーム２により、把持対象物Ａを把持する装置である。この把持装置１としては、例えば製品を製造する製造工場などにおいて、ベルトコンベアーなどにより搬送された対象物を把持して持ち上げる装置である。そして、この把持装置１は、前記把持アーム２と、把持アーム２を駆動するアーム駆動部３と、アーム駆動部３の駆動を制御する制御装置４と、を備えて構成されている。
【００７３】
一対の把持アーム２は、それぞれ先端部に接触面である把持面５を備え、この把持面５を対象物Ａに当接させて把持することで対象物Ａを把持し、持ち上げる。ここで、本実施形態において、把持アーム２が一対設けられる構成を例示するが、これに限定されず、例えば３本の把持アーム２により、対象物Ａを３点支持により把持する構成などとしてもよい。
【００７４】
把持アーム２に設けられる把持面５は、表面には、第四実施形態において説明した触覚センサー１０が設けられており、触覚センサー１０の表面部の弾性膜１５（図１、図１１参照）が露出形成されている。そして、把持アーム２は、この弾性膜１５を対象物Ａに接触させ、対象物Ａに所定の圧力（正圧）を印加することで、対象物Ａを把持する。このような把持アーム２では、把持面５に設けられる触覚センサー１０により、対象物Ａに印加する正圧、および把持した際に対象物Ａが把持面５から滑り落ちようとする剪断力を検出し、正圧や剪断力に応じた電気信号を制御装置４に出力する。
【００７５】
アーム駆動部３は、一対の把持アーム２を互いに近接離隔する方向に移動させる装置である。このアーム駆動部３としては、把持アーム２を移動可能に保持する保持部材６と、把持アーム２を移動させる駆動力を発生する駆動源７と、駆動源の駆動力を把持アーム２に伝達させる駆動伝達部８を備えている。
保持部材６は、例えば把持アーム２の移動方向に沿う案内溝を備え、この案内溝内で把持アーム２を保持することで、把持アーム２を移動可能に保持する。また、保持部材６は、鉛直方向に移動可能に設けられている。
駆動源７は、例えば駆動モーターであり、制御装置４から入力される駆動制御信号に応じて駆動力を発生させる。
駆動伝達部８は、例えば複数のギアにより構成され、駆動源７で発生した駆動力を把持アーム２および保持部材６に伝達させ、把持アーム２および保持部材６を移動させる。
なお、本実施形態では、一例として上記構成を示したが、これに限定されるものではない。すなわち、把持アーム２を保持部材６の案内溝に沿って移動させる構成に限らず、把持アームを回動可能に保持する構成などとしてもよい。駆動源７としても駆動モーターに限られず、例えば油圧ポンプなどにより駆動される構成としてもよく、駆動伝達部８としても、例えば駆動力を歯車により伝達する構成に限らず、ベルトやチェーンにより伝達する構成、油圧などにより駆動されるピストンを備えた構成などとしてもよい。
【００７６】
制御装置４は、把持アーム２の把持面５に設けられる触覚センサー１０、およびアーム駆動部３に接続され、把持装置１における対象物Ａの把持動作の全体を制御する。
具体的には、制御装置４は、図１２に示すように、アーム駆動部３および触覚センサー１０に接続され、把持装置１の全体動作を制御する。この制御装置４は、触覚センサー１０から入力される剪断力検出信号、および正圧検出信号を読み取る信号検出手段４１、対象物Ａの滑り状態を検出する把持検出手段４２、およびアーム駆動部３に把持アーム２の駆動を制御するための駆動制御信号を出力する駆動制御手段４３を備えている。また、この制御装置４としては、例えばパーソナルコンピューターなどの汎用コンピューターを用いることもでき、例えばキーボードなどの入力装置や、対象物Ａの把持状態を表示させる表示部などを備える構成としてもよい。
また、信号検出手段４１、把持検出手段４２、および駆動制御手段４３は、プログラムとして例えばメモリーなどの記憶部に記憶され、ＣＰＵなどの演算回路により適宜読み出されて実行されるものであってもよく、例えばＩＣなどの集積回路により構成され、入力された電気信号に対して所定の処理を実施するものであってもよい。
【００７７】
信号検出手段４１は、触覚センサー１０に接続され、触覚センサー１０から入力される正圧検出信号や剪断力検出信号などを認識する。この信号検出手段４１にて認識された検出信号は、例えば図示しないメモリーなどの記憶部に出力されて記憶されるとともに、把持検出手段４２に出力される。
【００７８】
把持検出手段４２は、剪断力検出信号に基づいて、把持アーム２により対象物Ａを把持したか否かを判断する。
ここで、図１３に、把持装置１の把持動作における触覚センサーに作用する正圧および剪断力の関係を示す図を示す。
図１３において、正圧が所定値に達するまでは、正圧の増加に応じて剪断力が増加する。この状態は、対象物Ａと把持面５との間に動摩擦力が作用している状態であり、把持検出手段４２は、対象物Ａが把持面５から滑り落ちている滑り状態で、把持が未完了であると判断する。一方、正圧が所定値以上となると、正圧を増大させても剪断力が増加しない状態となる。この状態は、対象物Ａと把持面５との間に静摩擦力が作用している状態であり、把持検出手段４２は、対象物Ａが把持面５により把持された把持状態である判断する。
具体的には、剪断力検出信号の値が、静摩擦力に対応した所定の閾値を越える場合に、把持が完了したと判断する。
【００７９】
駆動制御手段４３は、把持検出手段４２にて検出された電気信号に基づいてアーム駆動部３の動作を制御する。
【００８０】
次に、制御装置４の動作について図面に基づいて説明する。
図１４は、制御装置４の制御による把持装置１の把持動作を示すフローチャートである。図１５は、把持装置１の把持動作時において、アーム駆動部３への駆動制御信号、触覚センサー１０から出力される検出信号の発信タイミング示すタイミング図である。
【００８１】
把持装置１で対象物Ａを把持するためには、まず制御装置４の駆動制御手段４３は、各把持アーム２を互いに近接させる方向に移動させる旨の駆動制御信号をアーム駆動部３に出力する（把持動作）。これにより、把持アーム２の把持面５が対象物Ａに近接する（図１４：ステップＳ１）。
【００８２】
次に、制御装置４の把持検出手段４２は、対象物Ａが把持面５に接触したか否かを判断する（図１４：ステップＳ２）。具体的には、制御装置４は、信号検出手段４１で正圧検出信号の入力が検知されたか否かを判断する。ここで、正圧検出信号が検出されない場合は、把持面５が対象物Ａに接触していないと判断し、駆動制御手段４３は、ステップＳ１を継続して、駆動制御信号を出力し、把持アーム２を駆動させる。
【００８３】
一方、把持面５が対象物Ａに接触する（図１５：タイミングＴ１）と、触覚センサー１０の正圧検出部１２の正圧検出用メンブレン１４２が撓み、その撓み量に応じた正圧検出信号が出力される。
駆動制御手段４３は、把持検出手段４２において、正圧検出信号を検出すると、把持アーム２の近接移動（対象物Ａへの押圧）を停止させる（図１４：ステップＳ３、図１５：タイミングＴ２）。また、駆動制御手段４３は、アーム駆動部３に駆動制御信号を出力し、把持アーム２を上方に持ち上げる動作（持上げ動作）を実施させる（図１４：ステップＳ４、図１５：タイミングＴ２〜Ｔ３）。
【００８４】
ここで、対象物Ａを持ち上げる際に、弾性膜１５が剪断力により撓み、剪断力検出部１３Ａ，１３Ｂを構成する剪断力検出素子２００の剪断力検出用メンブレン１４１にも撓みが生じる。したがって、剪断力検出部１３Ａ，１３Ｂから剪断力検出用メンブレン１４１の撓みに応じた剪断力検出信号が出力される。
把持検出手段４２は、信号検出手段４１に入力される剪断力検出信号に基づいて、滑りがあるか否かを判断する（ステップＳ５）。
【００８５】
この時、把持検出手段４２において、滑りがあると判断されると、駆動制御手段４３は、アーム駆動部３を制御して、把持アーム２を、把持面５を対象物Ａに押し付ける方向に移動させて、把持力（正圧）を増大させる（図１４：ステップＳ６）。
すなわち、制御装置４は、図１５におけるタイミングＴ３において、駆動制御手段４３にて把持動作を実施させ、対象物Ａへの正圧を増大させ、信号検出手段４１にて、再び剪断力検出部１３Ａ，１３Ｂから出力される剪断力検出信号を検出する。以上のような滑り検知動作（タイミングＴ２〜Ｔ６）を繰り返し、剪断力検出信号が、所定の閾値Ｓ１以上となった場合（タイミングＴ６）に、ステップＳ５において、滑りがない、すなわち把持が完了したと判断し、滑り検知動作を停止させる。
【００８６】
（第五実施形態の作用効果）
上述したような第五実施形態の把持装置１では、上記第四実施形態の触覚センサー１０を備えている。このような触覚センサー１０は、上述したように、簡単な構成で、薄型化および小型化を図ることができ、製造効率も向上させることができるものであるため、把持装置１においても同様の作用効果を得ることができる。
そして、上記のような把持装置１の把持面５には、触覚センサー１０が設けられている。したがって、触覚センサー１０にて、対象物Ａを把持した際の正圧および剪断力を精度よく検出することができ、これらの検出された正圧および剪断力に基づいて、対象物Ａの破損や滑りをなくした精度のよい把持動作を実施することができる。
また、このような触覚センサー１０では、Ｘ方向およびＹ方向の双方に対して剪断力を検出することができる。したがって、上記実施形態では、対象物Ａを持ち上げる際の剪断力を測定したが、例えばベルトコンベアー上で搬送される対象物に対して把持を実施する際に、搬送方向への剪断力をも測定することができる。
【００８７】
〔その他の実施形態〕
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
【００８８】
例えば、上記第一から第三実施形態では、１つの長方形状の剪断力検出用開口部１１１の一対の長辺１１１Ａに対してそれぞれ剪断力検出用圧電体２１０（２１０Ａ，２１０Ｂ）を設ける構成としたが、これに限定されるものではなく、例えば図１６に示すように、剪断力検出用開口部１１１の一対の長辺１１１Ａのうち、いずれか一方に剪断力検出用圧電体２１０を設ける構成などとしてもよい。
この場合、各剪断力検出素子２００の短辺方向の寸法をより小さく形成でき、剪断力検出素子２００、および触覚センサー１０をより小型にすることが可能となる。
【００８９】
また、図１６のように、剪断力検出用開口部１１１の一対の長辺１１１Ａのうち、いずれか一方に剪断力検出用圧電体２１０を設ける構成では、１つの剪断力検出素子２００から出力される剪断力検出信号が小さくなるおそれがある。これに対して、図１７に示すように、１つの長辺１１１Ａに対して、２つの剪断力検出用圧電膜２１１を重ねた、いわゆるバイモルフを備えた剪断力検出素子２００Ｃを設ける構成としてもよい。この図１７は、他の実施形態におけるバイモルフの剪断力検出用圧電体２１０を有する剪断力検出素子２００Ｃを示す図であり（Ａ）は、短辺方向に沿う断面図であり、（Ｂ）は、センサー平面視における平面図である。
具体的には、剪断力検出素子２００Ｃでは、剪断力検出用開口部１１１の一対の長辺１１１Ａのうち、例えば−Ｘ方向側の長辺１１１Ａに沿って剪断力検出用圧電体２１０Ｃが形成されている。このような剪断力検出用圧電体２１０Ｃは、支持膜１４上に剪断力検出用下部電極２１２、第一層圧電膜２１５、中間電極２１６、第二層圧電膜２１７、剪断力検出用上部電極２１３を順に積層することで容易に形成可能である。また、第一層圧電膜２１５および第二層圧電膜２１７からそれぞれ電気信号が出力されるため、剪断力検出素子２００Ｃから出力される剪断力検出信号としても、これらの電気信号の和が出力されるため、大きな信号値を得ることができる。したがって、図１６に示すような１つの剪断力検出用開口部１１１に対して、図１７に示すような１つの剪断力検出用圧電体２１０Ｃを設けることで、剪断力検出精度を低下させることなく、剪断力検出素子２００Ｃおよび触覚センサー１０の小型化を図ることができる。
また、図１７に示すような剪断力検出素子２００Ｃを用いた場合には、図５で示したような、２つの剪断力検出用圧電体２１０Ａ，２１０Ｂの電極を接続する演算回路２２０が不要となり、回路構成をより簡略化することができる。
【００９０】
さらに、第一実施形態において、剪断力検出用圧電体２１０Ａ，２１０Ｂがそれぞれ別体として構成され、それぞれ剪断力検出用上部電極２１３および剪断力検出用下部電極２１２を備える構成としたが、例えば図１８に示すような構成としてもよい。図１８は、他の実施形態における剪断力検出素子の構成を示す図であり、（Ａ）は、短辺方向（Ｘ方向）に沿って断面した断面図、（Ｂ）は、センサー平面視における平面図である。
【００９１】
図１８に示す剪断力検出素子２００Ｄは、支持膜１４上に、剪断力検出用開口部１１１の一対の長辺１１１Ａに沿ってそれぞれ剪断力検出用圧電体２１０Ａおよび剪断力検出用圧電体２１０Ｂが設けられる。−Ｘ方向側に配置される剪断力検出用圧電体２１０Ａは、剪断力検出用下部電極２１２Ａ、剪断力検出用圧電膜２１１Ａ、および剪断力検出用上部電極２１３Ａを備え、＋Ｘ方向側に配置される剪断力検出用圧電体２１０Ｂは、剪断力検出用下部電極２１２Ｂ、剪断力検出用圧電膜２１１Ｂ、および剪断力検出用上部電極２１３Ｂを備えている。
ここで、−Ｘ方向側に配置される剪断力検出用下部電極２１２Ａは、剪断力検出用圧電膜２１１Ａよりも＋Ｘ方向側に突出して形成されている。一方、＋Ｘ方向側に配置される剪断力検出用下部電極２１２Ｂの−Ｘ方向側端縁は、剪断力検出用圧電膜２１１Ｂの−Ｘ方向側端縁よりも＋Ｘ方向側に位置している。すなわち、剪断力検出用下部電極２１２Ｂの−Ｘ方向側端縁は、剪断力検出用圧電膜２１１Ｂにより覆われている。そして、この剪断力検出用下部電極２１２Ｂの−Ｘ方向側端部には、±Ｙ方向に剪断力検出用メンブレン１４１の外側領域まで延びる第一電極接続部２１２Ｂ１が連続して形成されている。
【００９２】
また、−Ｘ方向側に配置される剪断力検出用圧電体２１０Ａの剪断力検出用上部電極２１３Ａは、Ｙ方向に沿って長手状に形成され、剪断力検出用圧電膜２１１Ａを覆って配置されている。そして、この剪断力検出用上部電極２１３Ａの＋Ｙ方向側端部および−Ｙ方向側端部には、それぞれ＋Ｘ方向に、第一電極接続部２１２Ｂ１まで延びる第二電極接続部２１３Ａ１が連続して形成されている。つまり、この第二電極接続部２１３Ａ１は、延出先端部が第一電極接続部２１２Ｂ１上に積層されることで、剪断力検出用上部電極２１３Ａと剪断力検出用下部電極２１２Ｂとが導通されている。
【００９３】
さらに、＋Ｘ方向側に配置される剪断力検出用圧電体２１０Ｂの剪断力検出用上部電極２１３Ｂは、剪断力検出用圧電膜２１１Ｂ上から−Ｘ方向側に、剪断力検出用圧電膜２１１Ａの＋Ｘ方向側端縁から＋Ｘ方向側に突出する剪断力検出用下部電極２１２Ａの＋Ｘ方向側端部上まで延びて形成されている。つまり、剪断力検出用上部電極２１３Ｂは、−Ｘ方向側端部が剪断力検出用下部電極２１２Ａ上に積層されることで、剪断力検出用上部電極２１３Ｂと剪断力検出用下部電極２１２Ａとが導通されている。
【００９４】
以上のような構成の剪断力検出素子２００Ｄでは、上記第一実施形態の図９に示すような演算回路２２０の一部が剪断力検出用メンブレン１４１上または剪断力検出用メンブレン１４１近傍に形成されることとなる。したがって、剪断力検出用圧電体２１０Ａ，２１０Ｂから出力される電気信号を加算して増幅された剪断力検出信号を得ることができる。また、この剪断力検出素子２００Ｄでは、剪断力検出用下部電極２１２Ａおよび剪断力検出用上部電極２１３Ｂのうちいずれか一方と、剪断力検出用下部電極２１２Ｂおよび剪断力検出用上部電極２１３Ａのうちいずれか一方とに引き出し線や、電極パターンを接続することで、剪断力検出信号を得ることができるため、構成を簡単にでき、配線接続工程や配線パターン形成工程も容易に実施することができる。
【００９５】
そして、上記第一ないし第三実施形態、および図１６ないし図１８の実施形態において、１つの剪断力検出素子２００、２００Ａ，２００Ｂ，２００Ｃ，２００Ｄにより、Ｘ方向に作用する剪断力を検出する構成を例示したが、図１９に示すように、Ｘ方向およびＹ方向の双方に対する剪断力を検出する構成としてもよい。図１９は、Ｘ方向およびＹ方向の剪断力を検出可能な剪断力検出素子２００Ｅを示す平面図である。
すなわち、図１９に示すように、センサー基板１１に正方形状の剪断力検出用開口部１１１Ｃを形成し、この剪断力検出用開口部１１１Ｃを閉塞する支持膜１４を形成する。そして、剪断力検出用開口部１１１Ｃの各辺に対して、それぞれ剪断力検出用メンブレン１４１の内側および外側に跨る剪断力検出用圧電体２１０Ｃ，２１０Ｄ，２１０Ｅ，２１０Ｆを形成する。このような構成の剪断力検出素子２００Ｅでは、Ｙ方向と平行な辺に沿って形成される剪断力検出用圧電体２１０Ｃ，２１０ＤによりＸ方向の剪断力を検出し、Ｘ方向と平行な辺に沿って形成される剪断力検出用圧電体２１０Ｅ，２１０ＦによりＹ方向の剪断力を検出する。
このような構成の剪断力検出素子２００では、Ｘ方向およびＹ方向に対する剪断力を１つの剪断力検出素子２００Ｅにより検出することが可能となるので、触覚センサー１０の小型化を図ることができる。
【００９６】
また、第一実施形態において、剪断力検出用圧電体２１０Ａおよび剪断力検出用圧電体２１０Ｂから出力される電気信号を加算する演算回路２２０を例示したが、これに限定されない。例えば、剪断力検出用圧電体２１０Ａから出力される電気信号と、剪断力検出用圧電体２１０Ｂから出力される電気信号とを、それぞれ減算回路に出力し、減算回路にてその差を演算することで剪断力を検出する構成としてもよい。この場合でも、剪断力検出用圧電体２１０Ａおよび剪断力検出用圧電体２１０Ｂから出力される電気信号はそれぞれ正負符号が異なる値となるため、減算回路にて減算させることで、結果として絶対値の大きい出力値を得ることができる。
【００９７】
さらに、上記各実施形態において、剪断力検出用上部電極２１３および剪断力検出用下部電極２１２は、それぞれが接触しないように、センサー平面視において互いに重ならない位置に設ける構成としたが、これに限らない。例えば、剪断力検出用上部電極２１３および剪断力検出用下部電極２１２の間に絶縁膜を形成するなどすれば、センサー平面視において、これら剪断力検出用上部電極２１３および剪断力検出用下部電極２１２の一部が重なる位置に設けられる構成としてもよい。
【００９８】
第二実施形態において、支持補強部１１４の上方に補強膜２３０を成膜する構成としたが、例えば補強膜２３０が設けられない構成としてもよい。
また、第三実施形態において、板状の弾性部材１５１をＸ方向に沿って並設させる構成を例示したが、この板状の弾性部材１５１におけるＹ方向の寸法は、例えば剪断力検出用開口部１１１の長辺１１１Ａと同一長さ寸法に形成されるものであってもよく、長辺１１１Ａよりも短く形成され、Ｙ方向に沿って並設される構成などとしてもよい。
【００９９】
さらに、第一から第五実施形態において、剪断力検出素子２００を構成する剪断力検出用開口部１１１は、平面視長方形状に形成される構成としたが、これに限定されない。剪断力検出用開口部１１１の形状としては、剪断力が剪断力検出方向（第一〜第三実施形態では、Ｘ方向）に沿って作用した際に、剪断力検出用メンブレン１４１にｓｉｎ波形状の撓みを発生させる形状であればよい。したがって、例えば、図２０に示すように、一対の互いに平行する直線部１１１Ｄ１を備え、これら直線部１１１Ｄ１の両端部間を半円１１１Ｄ２により連結した形状の剪断力検出用開口部１１１Ｄが形成されるものであってもよい。このような剪断力検出用開口部１１１Ｄでは、直線部１１１Ｄ１に沿って、剪断力検出用圧電体２１０を形成することで、直線部１１１Ｄ１に直交する方向に作用する剪断力を検出することができる。
【０１００】
そして、第一実施形態において、剪断力検出用メンブレン１４１上の剪断力検出用圧電体２１０が形成されない位置がコンプライアンス部１４３を構成する例と示したが、これに限定されない。例えば、剪断力検出用メンブレン１４１において、短辺１１１Ｂ,１１１Ｂ間の中心位置で、長辺１１１Ａに平行する凹溝を形成する構成としてもよい。この場合、この凹溝部分の厚み寸法が支持膜１４の他の領域に比べて薄く、柔らかくなることでコンプライアンス部１４３が構成される。
【０１０１】
また、本発明の支持体として、一枚のセンサー基板１１により構成される例を示したが、各剪断力検出部１３Ａ，１３Ｂ、および正圧検出部１２に対してそれぞれ１つの支持基板（支持体）を備え、センサー基板上にこれらの支持基板を固定することで、触覚センサー１０を形成する構成としてもよい。
【０１０２】
さらに、把持装置１として、一対の把持アーム２が設けられる構成を例示したが、３本以上の把持アームを互いに近接離間する方向に移動させて対象物Ａを把持する構成としてもよい。また、アーム駆動部により駆動される駆動アームと、駆動しない固定アームまたは固定壁とを備え、駆動アームを固定アーム（固定壁）側に移動させて対象物を把持する構成などとしてもよい。
【０１０３】
さらには、剪断力検出素子２００、２００Ａ，２００Ｂ，２００Ｃ，２００Ｄ，２００Ｅを、対象物Ａを把持する把持装置１に適用する例を示したが、これに限定されない。例えば、剪断力検出素子２００、２００Ａ，２００Ｂ，２００Ｃ，２００Ｄ，２００Ｅを備えた触覚センサー１０を、例えば入力装置や、剪断力を測定する測定装置などとして適用してもよい。入力装置として用いる場合は、例えばノート型パソコンや、パーソナルコンピューターに組み込むことができる。具体的には、板状の入力装置本体に設けられる表面部に触覚センサー１０を設ける構成などが例示できる。このような入力装置では、表面部上で利用者の指を動かしたり、タッチペンなどを動かしたりすると、これらの動きにより剪断力が発生する。この剪断力を触覚センサー１０により検出することで、利用者の指やタッチペンの接触位置座標、移動方向を検出して電気信号として出力することができる。また、剪断力測定装置としては、例えばタイヤのグリップ力を測定する測定装置などにも適用することができる。
【符号の説明】
【０１０４】
１…把持装置、２…把持アーム、５…接触面である把持面、１０…触覚センサー、１２…正圧検出部、１３Ａ…第一剪断力検出部、１３Ｂ…第二剪断力検出部、１４…支持膜、１５…弾性層を構成する弾性膜、４２…把持検出手段、４３…駆動制御手段、１１１…正圧検出用開口部である第一開口部、１１１，１１１Ｃ,１１１Ｄ…開口部を構成する剪断力検出用開口部、１１１Ａ…長辺、１１４…支持補強部、１４３…コンプライアンス部、１５１…弾性層を構成する弾性部材、２００…剪断力検出素子、２１０…圧電体部である剪断力検出用圧電体、２２０…演算回路、３１０…正圧検出用圧電体、Ａ…対象物。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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