(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚肉部（１４）と、該厚肉部（１４）に取り囲まれた空洞部（１６）と、該空洞部（１６）を架橋して前記厚肉部（１４）上に形成されたメンブレン（１８）と、を有する基板（１２）と、
前記メンブレン（１８）における厚肉部（１４）と反対の一面（１２ａ）上に、下部電極（３２）、圧電体膜（３４）、上部電極（３６）の順に積層形成された圧電素子（３０）と、を備え、
前記圧電素子（３０）は、互いに電気的に分離されて複数形成されており、
複数の前記圧電素子（３０）のうち、一部の前記圧電素子（３０）の上部電極（３６）上には、電気絶縁性材料からなる突起部（３８）が形成され、該突起部（３８）を有する圧電素子（３０）は、前記圧電素子（３０）が積層された垂直方向に加わる垂直圧力を検出するための垂直圧力検出素子（４０）とされており、
複数の前記圧電素子（３０）のうち、前記垂直圧力検出素子（４０）とは別の圧電素子（３０）として、超音波の送信及び超音波の受信の少なくとも一方に用いられる超音波素子（４２）を有し、該超音波素子（４２）は、前記垂直方向に直交する水平方向において、少なくとも前記基板（１２）の空洞部（１６）上に設けられていることを特徴とする把持用センサ。
【請求項２】
前記垂直圧力検出素子（４０）は、前記水平方向において、前記基板（１２）の厚肉部（１４）上に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の把持用センサ。
【請求項３】
前記水平方向において、前記垂直圧力検出素子（４０）の隣には、前記別の圧電素子（７４，４２）が設けられ、
互いに隣り合う前記垂直圧力検出素子（４０）及び前記別の圧電素子（７４，４２）において、それぞれの少なくとも上部電極（３６）により、前記水平方向に加わるせん断力を静電容量値の変化として検出するためのせん断力検出素子（７２）が構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の把持用センサ。
【請求項４】
前記垂直圧力検出素子（４０）の上部電極（３６）は、前記水平方向において矩形状をなし、
前記垂直圧力検出素子（４０）の上部電極（３６）の矩形４辺に対して、前記別の圧電素子（７４，４２）の上部電極（３６）が対向配置され、
前記垂直圧力検出素子（４０）の上部電極（３６）に対向配置された前記別の圧電素子（７４，４２）の上部電極（３６）は、互いに電気的に分離されていることを特徴とする請求項３に記載の把持用センサ。
【請求項５】
前記圧電素子（３０）のうち、少なくとも前記せん断力検出素子（７２）を構成する前記垂直圧力検出素子（４０）及び前記別の圧電素子（７４，４２）の上部電極（３６）上には、該上部電極（３６）と電気的に接続され、前記水平方向において矩形状をなす柱部（７６）が形成され、
前記垂直圧力検出素子（４０）の柱部（７６）の矩形４辺に対して、前記別の圧電素子（７４，４２）の柱部（７６）が対向配置され、
前記せん断力検出素子（７２）は、前記上部電極（３６）と前記柱部（７６）とにより構成され、
前記垂直圧力検出素子（４０）において、前記突起部（３８）は、前記柱部（７６）を介して前記上部電極（３６）上に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の把持用センサ。
【請求項６】
前記垂直圧力検出素子（４０）の柱部（７６）のほうが、該垂直圧力検出素子（４０）に隣り合う別の圧電素子（７４，４２）の柱部（７６）よりも、前記水平方向における断面積が小さいことを特徴とする請求項５に記載の把持用センサ。
【請求項７】
前記柱部（７６）は、前記上部電極（３６）よりもヤング率の低い材料を用いて形成されることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の把持用センサ。
【請求項８】
前記基板（１２）は、前記空洞部（１６）を複数有し、
各空洞部（１６）上に位置する超音波素子（４２）は、互いに電気的に分離されており、複数の前記超音波素子（４２）として、超音波を送信する超音波素子（４２ａ）を少なくとも１つ有しつつ、超音波を受信する超音波素子（４２ａ，４２ｂ）を複数有することを特徴とすることを特徴とする請求項３〜７いずれか１項に記載の把持用センサ。
【請求項９】
前記圧電素子（３０）として、複数の前記垂直圧力検出素子（４０）を有し、
前記水平方向において、複数の前記垂直圧力検出素子（４０）は分散して設けられていることを特徴とする請求項１〜８いずれか１項に記載の把持用センサ。
【請求項１０】
請求項１に記載の把持用センサ（１０）を、超音波を送信する前記超音波素子（４２ａ）と、超音波を受信する複数の前記超音波素子（４２ａ，４２ｂ）とを有するように備えるとともに、
前記超音波素子（４２ａ）から超音波が送信され、該超音波の反射波が前記超音波素子（４２ａ，４２ｂ）にて受信されるまでの時間情報に基づいて、ロボットハンドにより把持される把持対象物までの距離を算出する距離算出手段（Ｓ１３）と、
前記時間情報と、前記超音波素子（４２ａ，４２ｂ）にて受信した反射波の振幅を示す振幅情報に基づいて、前記把持対象物の硬度を算出する硬度算出手段（Ｓ１４）と、
複数の前記超音波素子（４２ａ，４２ｂ）にて受信した反射波の位相差を示す位相差情報に基づいて、前記把持対象物の位置及び大きさを算出する実体像算出手段（Ｓ１５）と、
前記距離算出手段（Ｓ１３）にて算出された距離と、前記硬度算出手段（Ｓ１４）にて算出された硬度と、前記実体像算出手段（Ｓ１５）にて算出された位置及び大きさとを用いて、前記把持対象物を把持するためのロボットハンドの駆動を制御する把持制御手段（Ｓ１６）と、
前記垂直圧力検出素子（４０）の検出信号に基づいて、前記把持制御手段（Ｓ１６）による駆動制御が完了した時点での垂直圧力を算出する垂直圧力算出手段（Ｓ１８）と、
前記垂直圧力算出手段（Ｓ１８）にて算出された垂直圧力を用いて、前記ロボットハンドによる把持対象物の把持状態をフィードバック制御する把持補正手段（Ｓ２０）と、を備えることを特徴とするロボットハンド駆動制御装置。
【請求項１１】
請求項３に記載の把持用センサ（１０）を、超音波を送信する前記超音波素子（４２ａ）と、超音波を受信する複数の前記超音波素子（４２ａ，４２ｂ）とを有するように備えるとともに、
前記超音波素子（４２ａ）から超音波が送信され、該超音波の反射波が前記超音波素子（４２ａ，４２ｂ）にて受信されるまでの時間情報に基づいて、ロボットハンドにより把持される把持対象物までの距離を算出する距離算出手段（Ｓ１３）と、
前記時間情報と、前記超音波素子（４２ａ，４２ｂ）にて受信した反射波の振幅を示す振幅情報に基づいて、前記把持対象物の硬度を算出する硬度算出手段（Ｓ１４）と、
複数の前記超音波素子（４２ａ，４２ｂ）にて受信した反射波の位相差を示す位相差情報に基づいて、前記把持対象物の位置及び大きさを算出する実体像算出手段（Ｓ１５）と、
前記距離算出手段（Ｓ１３）にて算出された距離と、前記硬度算出手段（Ｓ１４）にて算出された硬度と、前記実体像算出手段（Ｓ１５）にて算出された位置及び大きさとを用いて、前記把持対象物を把持するためのロボットハンドの駆動を制御する把持制御手段（Ｓ１６）と、
前記垂直圧力検出素子（４０）の検出信号に基づいて、前記把持制御手段（Ｓ１６）による駆動制御が完了した時点での垂直圧力を算出する垂直圧力算出手段（Ｓ１８）と、
前記せん断力検出素子（７２）の検出した静電容量値に基づいて、前記把持制御手段（Ｓ１６）による駆動制御が完了した時点での前記水平方向に加わるせん断力を算出するせん断力算出手段（Ｓ２１）と、
前記垂直圧力算出手段（Ｓ１８）にて算出された垂直圧力と、前記せん断力算出手段（Ｓ２１）にて算出されたせん断力とを用いて、前記ロボットハンドによる把持対象物の把持状態をフィードバック制御する把持補正手段（Ｓ２０）と、を備えることを特徴とするロボットハンド駆動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、把持用センサ、及び、該把持用センサを備えるロボットハンド駆動制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ロボットハンドなど把持対象物を把持する際に用いられる把持用センサとして、例えば特許文献１に示されるように、距離センサと触覚センサを備えるものが知られている。
【０００３】
また、触覚センサとしては、例えば特許文献２に示す形態のものが知られている。特許文献２に示される触覚センサは、基板上に、基板側から順に配置された第１の層及び第２の層を含む積層部と、第１の層及び第２の層を第２の層側に曲げることによって形成された起立部と、起立部の変形を検出するための検出手段を有する。積層部及び起立部は、それぞれ、互いに格子定数が異なる複数の層を含み、第１の層及び第２の層は、複数の層における格子定数の差によって生じた力によって曲げられている。また、積層部及び起立部は被膜によって覆われており、被膜に力が加えられると起立部が変形するようになっている。上記検出手段としては、ピエゾ抵抗効果や電極間の静電容量の変化に基づいて起立部の変形を検出する素子を採用することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２９４００１号公報
【特許文献２】特許第４４０３４０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、距離センサとして、撮像により把持対象物の距離などを検知する視覚センサを採用しており、この視覚センサはロボットハンドのベース部に接続されている。一方、触覚センサは、ロボットハンドの指先に設けられ、これにより、指先に加わる力が検出できるようになっている。すなわち、距離センサと触覚センサが別個に設けられている。
【０００６】
また、特許文献２に示される触覚センサを用いる場合も、基板に対して起立した構造を有するため、距離センサとの集積化が困難である。すなわち、距離センサと触覚センサとが、別個に設けられることとなる。
【０００７】
このように従来の把持用センサでは、距離センサと触覚センサとを別個に設けなければならず、部品点数が多いため、体格を小型化するのが困難であった。また、製造コストを低減するのが困難であった。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑み、部品点数を削減することのできる把持用センサ及びロボットハンド駆動制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成する為に請求項１に記載の把持用センサは、
厚肉部（１４）と、該厚肉部（１４）に取り囲まれた空洞部（１６）と、該空洞部（１６）を架橋して厚肉部（１４）上に形成されたメンブレン（１８）と、を有する基板（１２）と、
メンブレン（１８）における厚肉部（１４）と反対の一面（１２ａ）上に、下部電極（３２）、圧電体膜（３４）、上部電極（３６）の順に積層形成された圧電素子（３０）と、を備え、
圧電素子（３０）は、互いに電気的に分離されて複数形成されており、
複数の圧電素子（３０）のうち、一部の圧電素子（３０）の上部電極（３６）上には、電気絶縁性材料からなる突起部（３８）が形成され、該突起部（３８）を有する圧電素子（３０）は、圧電素子（３０）が積層された垂直方向に加わる垂直圧力を検出するための垂直圧力検出素子（４０）とされており、
複数の圧電素子（３０）のうち、垂直圧力検出素子（４０）とは別の圧電素子（３０）として、超音波の送信及び超音波の受信の少なくとも一方に用いられる超音波素子（４２）を有し、該超音波素子（４２）は、垂直方向に直交する水平方向において、少なくとも基板（１２）の空洞部（１６）上に設けられていることを特徴とする。
【００１０】
本発明では、メンブレン（１８）上に複数の圧電素子（３０）が形成され、この圧電素子（３０）の一部を、垂直圧力検出素子（４０）として機能させ、垂直圧力検出素子（４０）を除く圧電素子（３０）の少なくとも一部を、超音波素子（４２）として機能させる。したがって、把持用センサとして、距離センサとしての超音波センサ（４２）と、触覚センサとしての垂直圧力検出素子（４０）とを備えながらも、部品点数を削減することができる。また、部品点数削減により、体格の小型化や、製造コストの低減を図ることができる。
【００１１】
請求項２に記載のように、
垂直圧力検出素子（４０）は、水平方向において、基板（１２）の厚肉部（１４）上に設けられると良い。
【００１２】
水平方向において厚肉部（１４）が形成された部分は、基板（１２）の他の部分、例えばメンブレン（１８）における空洞部（１６）上の部分、に較べて剛性が高いため、精度よく垂直圧力を検出することができる。
【００１３】
請求項３に記載のように、
水平方向において、垂直圧力検出素子（４０）の隣には、別の圧電素子（７４，４２）が設けられ、
互いに隣り合う垂直圧力検出素子（４０）及び別の圧電素子（７４，４２）において、それぞれの少なくとも上部電極（３６）により、水平方向に加わるせん断力を静電容量値の変化として検出するためのせん断力検出素子（７２）が構成されることが好ましい。
【００１４】
これによれば、垂直圧力検出素子（４０）を利用して、静電容量式のせん断力検出素子（７２）を構成する。したがって、垂直圧力検出素子（４０）を利用せずにせん断力検出素子（７２）を設ける構成に較べて、構成を簡素化することができる。これにより、例えば水平方向において体格の小型化を図ることができる。
【００１５】
請求項４に記載のように、
垂直圧力検出素子（４０）の上部電極（３６）は、水平方向において矩形状をなし、
垂直圧力検出素子（４０）の上部電極（３６）の矩形４辺に対して、別の圧電素子（７４，４２）の上部電極（３６）が対向配置され、
垂直圧力検出素子（４０）の上部電極（３６）に対向配置された別の圧電素子（７４，４２）の上部電極（３６）は、互いに電気的に分離されると良い。
【００１６】
これによれば、水平方向の２軸において、せん断力を検出することができる。すなわち、垂直圧力と合わせて３軸力を検出することができる。
【００１７】
請求項５に記載のように、
圧電素子（３０）のうち、少なくともせん断力検出素子（７２）を構成する垂直圧力検出素子（４０）及び別の圧電素子（７４，４２）の上部電極（３６）上には、該上部電極（３６）と電気的に接続され、水平方向において矩形状をなす柱部（７６）が形成され、
垂直圧力検出素子（４０）の柱部（７６）の矩形４辺に対して、別の圧電素子（７４，４２）の柱部（７６）が対向配置され、
せん断力検出素子（７２）は、上部電極（３６）と柱部（７６）とにより構成され、
垂直圧力検出素子（４０）において、突起部（３８）は、柱部（７６）を介して上部電極（３６）上に形成されることが好ましい。
【００１８】
これによれば、上部電極（３６）と柱部（７６）により、せん断力検出素子（７２）を構成する１組の容量電極が構成される。したがって、せん断力検出素子（７２）が上部電極（３６）のみからなる構成に較べて、容量電極の対向面積を大きくし、初期の静電容量値を大きくすることができる。また、容量電極が変形しやすいため、容量電極の対向距離の変化量を大きくすることができる。
【００１９】
請求項６に記載のように、
前記垂直圧力検出素子（４０）の柱部（７６）のほうが、該垂直圧力検出素子（４０）に隣り合う別の圧電素子（７４，４２）の柱部（７６）よりも、前記水平方向における断面積が小さい構成とすると良い。
【００２０】
これによれば、垂直圧力検出素子（４０）の柱部（７６）が変形しやすいため、水平方向の２軸において、せん断力の検出感度を向上することができる。
【００２１】
請求項７に記載のように、柱部（７６）は、上部電極（３６）よりもヤング率の低い材料を用いて形成されると良い。これによれば、上部電極（３６）のみにより、同じ高さの容量電極を形成する構成に較べて、容量電極を変形しやすくすることができる。
【００２２】
請求項８に記載のように、
基板（１２）は、空洞部（１６）を複数有し、
各空洞部（１６）上に位置する超音波素子（４２）は、互いに電気的に分離されており、複数の超音波素子（４２）として、超音波を送信する超音波素子（４２ａ）を少なくとも１つ有しつつ、超音波を受信する超音波素子（４２ａ，４２ｂ）を複数有することが好ましい。
【００２３】
これによれば、１つの基板（１２）に、少なくとも１つの送信用の超音波素子（４２ａ）と、複数の受信用の超音波素子（４２ａ，４２ｂ）が集積されるため、１つの基板（１２）、すなわち１つの把持用センサ（１０）の出力から、把持対象物の実態像（大きさや位置）を掴むことができる。
【００２４】
請求項９に記載のように、
前記圧電素子（３０）として、複数の前記垂直圧力検出素子（４０）を有し、
前記水平方向において、複数の前記垂直圧力検出素子（４０）は分散して設けられると良い。
【００２５】
これによれば、把持対象物の形状や大きさによらず、垂直圧力などを検出することができる。
【００２６】
次に、請求項１０に記載のロボットハンド駆動制御装置は、
請求項１に記載の把持用センサ（１０）を、超音波を送信する超音波素子（４２ａ）と、超音波を受信する複数の超音波素子（４２ａ，４２ｂ）とを有するように備えるとともに、
超音波素子（４２ａ）から超音波が送信され、該超音波の反射波が超音波素子（４２ａ，４２ｂ）にて受信されるまでの時間情報に基づいて、ロボットハンドにより把持される把持対象物までの距離を算出する距離算出手段（Ｓ１３）と、
時間情報と、超音波素子（４２ａ，４２ｂ）にて受信した反射波の振幅を示す振幅情報に基づいて、把持対象物の硬度を算出する硬度算出手段（Ｓ１４）と、
複数の超音波素子（４２ａ，４２ｂ）にて受信した反射波の位相差を示す位相差情報に基づいて、把持対象物の位置及び大きさを算出する実体像算出手段（Ｓ１５）と、
距離算出手段（Ｓ１３）にて算出された距離と、硬度算出手段（Ｓ１４）にて算出された硬度と、実体像算出手段（Ｓ１５）にて算出された位置及び大きさとを用いて、把持対象物を把持するためのロボットハンドの駆動を制御する把持制御手段（Ｓ１６）と、
垂直圧力検出素子（４０）の検出信号に基づいて、把持制御手段（Ｓ１６）による駆動制御が完了した時点での垂直圧力を算出する垂直圧力算出手段（Ｓ１８）と、
垂直圧力算出手段（Ｓ１８）にて算出された垂直圧力を用いて、ロボットハンドによる把持対象物の把持状態をフィードバック制御する把持補正手段（Ｓ２０）と、を備えることを特徴とする。
【００２７】
このように本発明によれば、把持対象物との距離だけでなく、把持対象物の硬度を算出することができる。このため、算出された硬度に応じた圧力や速度で把持対象物を掴むことができる。また、把持対象物の位置及び大きさを算出することもできるため、精度よく把持対象物を掴むことができる。
【００２８】
また、垂直圧力を算出し、算出した垂直圧力に基づいて、ロボットハンドによる把持対象物の把持状態を補正（フィードバック制御）することができる。
【００２９】
次に、請求項１１に記載のロボットハンド駆動制御装置は、
請求項３に記載の把持用センサ（１０）を、超音波を送信する前記超音波素子（４２ａ）と、超音波を受信する複数の前記超音波素子（４２ａ，４２ｂ）とを有するように備えるとともに、
前記超音波素子（４２ａ）から超音波が送信され、該超音波の反射波が前記超音波素子（４２ａ，４２ｂ）にて受信されるまでの時間情報に基づいて、ロボットハンドにより把持される把持対象物までの距離を算出する距離算出手段（Ｓ１３）と、
前記時間情報と、前記超音波素子（４２ａ，４２ｂ）にて受信した反射波の振幅を示す振幅情報に基づいて、前記把持対象物の硬度を算出する硬度算出手段（Ｓ１４）と、
複数の前記超音波素子（４２ａ，４２ｂ）にて受信した反射波の位相差を示す位相差情報に基づいて、前記把持対象物の位置及び大きさを算出する実体像算出手段（Ｓ１５）と、
前記距離算出手段（Ｓ１３）にて算出された距離と、前記硬度算出手段（Ｓ１４）にて算出された硬度と、前記実体像算出手段（Ｓ１５）にて算出された位置及び大きさとを用いて、前記把持対象物を把持するためのロボットハンドの駆動を制御する把持制御手段（Ｓ１６）と、
前記垂直圧力検出素子（４０）の検出信号に基づいて、前記把持制御手段（Ｓ１６）による駆動制御が完了した時点での垂直圧力を算出する垂直圧力算出手段（Ｓ１８）と、
前記せん断力検出素子（７２）の検出した静電容量値に基づいて、前記把持制御手段（Ｓ１６）による駆動制御が完了した時点での前記水平方向に加わるせん断力を算出するせん断力算出手段（Ｓ２１）と、
前記垂直圧力算出手段（Ｓ１８）にて算出された垂直圧力と、前記せん断力算出手段（Ｓ２１）にて算出されたせん断力とを用いて、前記ロボットハンドによる把持対象物の把持状態をフィードバック制御する把持補正手段（Ｓ２０）と、を備えることを特徴とする。
【００３０】
これによれば、請求項１０に記載の発明の作用効果に加えて、せん断力を算出することができる。このため、上記した垂直圧力とせん断力に基づいて、ロボットハンドによる把持対象物の把持状態を、より精度よく補正（フィードバック制御）することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】第１実施形態に係る把持用センサの概略構成を示す平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【図３】図１に示す把持用センサを備えたロボットハンド駆動制御装置の概略構成を示すブロック図である。
【図４】把持対象物をロボットハンドにより把持する手順を示すフローチャートである。
【図５】把持用センサの変形例を示す平面図である。
【図６】把持用センサの変形例を示す平面図である。
【図７】第２実施形態に係る把持用センサのうち、領域Ａ１の概略構成を示す平面図である。
【図８】図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図９】せん断力検出素子の周辺を拡大した断面図である。
【図１０】図７に示す把持用センサを備えたロボットハンド駆動制御装置の概略構成を示すブロック図である。
【図１１】把持対象物をロボットハンドにより把持する手順を示すフローチャートである。
【図１２】把持用センサの変形例を示す平面図である。
【図１３】把持用センサのその他変形例を示す断面図である。この断面図は、図７のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に対応している。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下に示す各実施形態において、共通乃至関連する要素には同一の符号を付与するものとする。以下においては、圧電素子３０を構成する下部電極３２、圧電体膜３４、上部電極３６の積層方向を垂直方向と示し、該垂直方向に直交する直交方向を水平方向と示す。
（第１実施形態）
先ず、把持用センサについて説明する。
【００３３】
図１及び図２に示す把持用センサ１０は、基板１２に圧電素子３０が形成され、この圧電素子３０として、垂直圧力検出素子４０と超音波素子４２を有する点を主たる特徴とする。
【００３４】
基板１２は、厚肉部１４と、水平方向において厚肉部１４に取り囲まれた空洞部１６と、空洞部１６を架橋して厚肉部１４上に形成されたメンブレン１８と、を有する。そして、メンブレン１８のうち、空洞部１６を架橋する部分が、基板１２において厚肉部１４の形成された部分よりも薄い薄肉部１８ａとされ、この薄肉部１８ａは変形可能に設けられている。
【００３５】
本実施形態では、図２に示すように、基板１２が、単結晶シリコンからなる支持基板２０に、酸化シリコンなどの絶縁膜２２を介して、単結晶シリコンからなる半導体層２４が配置されたＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板と、半導体層２４における絶縁膜２２と反対の面上に形成された酸化シリコンなどの絶縁膜２６とにより構成されている。基板１２において、絶縁膜２６側の表面を一面１２ａ、一面１２ａと反対の支持基板２０側の表面を裏面１２ｂとすると、空洞部１６は、半導体層２４を底部として支持基板２０及び絶縁膜２２を貫通し、基板１２の裏面１２ｂに開口している。このような空洞部１６は、基板１２を裏面１２ｂ側から周知の方法でエッチングすることで形成することができる。基板１２のうち、半導体層２４及び絶縁膜２６がメンブレン１８をなしており、空洞部１６を架橋している。したがって、水平方向において、空洞部１６を取り囲む支持基板２０及び絶縁膜２２の部分が、厚肉部１４となっている。また、基板１２において厚肉部１４の形成された部分とは、上記厚肉部１４と厚肉部１４上に位置するメンブレン１８からなる。
【００３６】
また、本実施形態では、基板１２に、一面１２ａから支持基板２０の途中まで到達する深さをもってトレンチ２８が形成されている。トレンチ２８は、平面略正方形の基板１２（チップ）を、水平方向に沿う面積が略等しい４つの領域Ａ１〜Ａ４に区画するように、平面十字状に設けられている。このトレンチ２８により、相互の領域Ａ１〜Ａ４において振動伝達が抑制される。トレンチ２８にて区画された各領域Ａ１〜Ａ４は、上記した基板１２の構造を有している。すなわち、各領域Ａ１〜Ａ４には、空洞部１６が形成されており、空洞部１６を架橋するメンブレン１８の部分が薄肉部１８ａとなっている。なお、図１では、各領域Ａ１〜Ａ４の薄肉部１８ａを、破線で囲まれた領域として示している。
【００３７】
圧電素子３０は、基板１２の一面１２ａ上に、下部電極３２、圧電体膜３４、上部電極３６の順に積層形成されてなる。このような圧電素子３０によれば、圧電体膜３４の圧電効果により、印加された外力を、電極３２，３６間に生じる電圧として検出することができる。一方、電極３２，３６間に電圧を印加すると、圧電体膜３４の逆圧電効果により、圧電体膜３４自体を変形させることができる。
【００３８】
本実施形態では、圧電体膜３４として、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる膜を採用している。なお、圧電体膜３４を挟む電極３２，３６としては、ＰｔやＣｕのスパッタ、めっき、導電ペーストの焼き付けなどにより形成されたものを採用することができる。
【００３９】
この圧電素子３０は、同一の基板１２上において、互いに電気的に分離されて複数形成されている。複数の圧電素子３０の一部は、メンブレン１８の薄肉部１８ａ上に形成されており、複数の圧電素子３０の一部は、メンブレン１８を介して厚肉部１４上に形成されている。そして、互いに電気的に分離された複数の圧電素子３０として、垂直圧力検出素子４０と超音波素子４２を有している。また、複数の圧電素子３０の電極３２，３６は、基板１２の一面１２ａ上に形成された図示しないパッド（外部接続用電極）と電気的に接続されている。電極３２，３６とパッドとの電気的な接続は、基板１２の一面１２ａ上に形成された図示しない配線を用いても良い。また、絶縁膜２６に形成された図示しないコンタクトホール、及び、半導体層２４の表層に形成された図示しない拡散層を用いても良い。また、絶縁膜２６が多層膜の場合、絶縁膜２６内に設けられた内層配線を用いても良い。さらには、図示しない貫通電極により、基板１２の裏面１２ｂに形成されたパッドと電気的に接続されても良い。
【００４０】
垂直圧力検出素子４０は、把持用センサ１０に対して垂直方向に加わる垂直圧力（接触圧とも言う）を検出すべく、圧電素子３０のうち、上部電極３６上に、樹脂やゴムなどの電気絶縁性材料からなる突起部３８を有している。このため、後述するロボットハンドが把持対象物を掴むと、把持対象物は、圧電素子３０のうち、垂直圧力検出素子４０の突起部３８に接触する。このため、垂直圧力検出素子４０において、圧電体膜３４の圧電効果により、垂直圧力を、電極３２，３６間に生じる電圧として検出することができる。
【００４１】
本実施形態において、垂直圧力検出素子４０は、メンブレン１８の薄肉部１８ａ上に設けられず、メンブレン１８を介して、基板１２の厚肉部１４上に設けられている。また、各領域Ａ１〜Ａ４に垂直圧力検出素子４０がそれぞれ設けられており、図１に示すように、各領域Ａ１〜Ａ４において、平面矩形状の薄肉部１８ａを取り囲むように、矩形の四辺に対応して垂直圧力検出素子４０がそれぞれ設けられている。すなわち各領域Ａ１〜Ａ４に、４つの垂直圧力検出素子４０がそれぞれ設けられており、各垂直圧力検出素子４０は互いに電気的に分離されている。
【００４２】
超音波素子４２は、超音波の送信及び超音波の受信（送信した超音波の反射波の受信）の少なくとも一方に用いられるものであり、水平方向において、少なくとも基板１２の空洞部１６上に設けられている。すなわち、メンブレン１８の薄肉部１８ａ上に設けられている。このため、送信用の超音波素子４２では、電極３２，３６に駆動信号が印加されると、圧電体膜３４の逆圧電効果により圧電体膜３４自体が変形し、これによりメンブレン１８の薄肉部１８ａが垂直方向に振動して、外部に超音波を送信することができる。一方、受信用の超音波素子４２では、超音波を受けてメンブレン１８の薄肉部１８ａが垂直方向に振動すると圧電体膜３４に歪が生じ、圧電体膜３４の圧電効果により、超音波を、電極３２，３６間に生じる電圧として検出する、すなわち超音波を受信することができる。
【００４３】
本実施形態では、各領域Ａ１〜Ａ４において、メンブレン１８の薄肉部１８ａ上に超音波素子４２が形成されている。より詳しくは、図１に示すように平面矩形状の薄肉部１８ａ全域を覆うように、薄肉部１８ａに対応した矩形状を有して形成されている。各領域Ａ１〜Ａ４において、超音波素子４２と垂直圧力検出素子４０との間には所定の空隙が設けられている。そして、また、４つの超音波素子４２は互いに電気的に分離されており、領域Ａ１の超音波素子４２のみが送信と受信が可能な送受信用素子４２ａとされ、残りの領域Ａ２〜Ａ４の超音波素子４２は、受信専用の受信用素子４２ｂとなっている。すなわち、同一の基板１２に、超音波を送信できる超音波素子４２（４２ａ）を１つと、超音波を受信できる超音波素子４２（４２ａ，４２ｂ）を４つ有している。このように、超音波を受信できる超音波素子４２を複数有すると、位相差から、把持対象物との距離や硬度だけでなく、位置や大きさといった把持対象物の実態像を検出することができる。
【００４４】
次に、上記した把持用センサ１０を備えるロボットハンド駆動制御装置の構成について説明する。
【００４５】
図３に示すように、ロボットハンド駆動制御装置５０は、上記した把持用センサ１０以外にも、制御回路５２、発振回路５４、ドライバ５６、受信回路５８，６２、Ａ／Ｄ変換回路６０，６４，６８、処理回路６６、メモリ７０を備えている。
【００４６】
制御回路５２は、図示しない中央演算装置（ＣＰＵ）、ＣＰＵが実行する各種プログラムが格納されたリードオンメモリ（ＲＯＭ）、ＣＰＵがＲＯＭに格納された各プログラムにしたがって実行する各種演算のための作業領域として用いられるランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）等を備えている。そして、発振回路５４に対し、超音波素子４２ａを駆動させる駆動信号の生成を指示する機能、送受信素子４２ａの送信／受信を切り替える機能、把持対象物の有無、距離、硬度、位置、及び形状を算出する機能、算出した距離、硬度、位置、及び形状を用いて、ロボットハンドを動かすアクチュエータ１００の駆動を制御する機能、垂直圧力を算出する機能、算出された垂直圧力に基づいて、アクチュエータ１００の駆動を補正（フィードバック制御）する機能などを有している。
【００４７】
発振回路５４は、制御回路５２からの指示信号を受けると、所定周波数の駆動信号を出力する。ドライバ５６は、発振回路５４からの駆動信号により送受信素子４２ａを駆動する駆動回路であり、これにより、送受信素子４２ａから所定周波数の超音波が送信される。なお、本実施形態では、ドライバ５６が、トランスなどの電力増幅回路を含んでいる。
【００４８】
受信回路５８，６２は、対応する超音波素子４２ａ，４２ｂの受信信号を増幅するアンプや、増幅された受信信号に対してフィルタ処理を行うフィルタなどを含む。そして、受信回路５８，６２にて処理された信号は、Ａ／Ｄ変換回路６０，６４を経て、制御回路５２に入力される。なお、図３では、受信用素子４２ｂと、該受信用素子４２ｂの受信信号を処理する受信回路６２及びＡ／Ｄ変換回路６４とを、便宜上、１つずつのみ示している。しかしながら、上記したように、把持用センサ１０は受信用素子４２ｂを３つ有しており、ロボットハンド駆動制御装置５０は、３つの受信用素子４２ｂと、各受信用素子４２ｂに対応する受信回路６２及びＡ／Ｄ変換回路６４を有している。
【００４９】
処理回路６６も、受信回路５８，６２同様、対応する垂直圧力検出素子４０の出力信号を増幅するアンプや、増幅された信号に対してフィルタ処理を行うフィルタなどを含む。そして、処理回路６６にて処理された信号は、Ａ／Ｄ変換回路６８を経て、制御回路５２に入力される。なお、図３では、垂直圧力検出素子４０と、処理回路６６及びＡ／Ｄ変換回路６８とを、便宜上、１つずつのみ示している。しかしながら、上記したように、把持用センサ１０は各領域Ａ１〜Ａ４に４つの垂直圧力検出素子４０、すなわち計１６個の垂直圧力検出素子４０を有しており、ロボットハンド駆動制御装置５０は、１６個の垂直圧力検出素子４０と、各垂直圧力検出素子４０に対応する処理回路６６及びＡ／Ｄ変換回路６８を有している。
【００５０】
メモリ７０は、書き換え可能な不揮発性メモリであり、ロボットハンドを動かすアクチュエータ１００の駆動を制御するためのパラメータが格納されている。具体的には、把持用センサ１０にて検出することができないパラメータ、例えば把持対象物の重量を示す情報と、把持対象物の摩擦係数を示す情報などが格納されている。また、硬度を算出する際の距離と振幅と対応関係を示すマップ、硬度、把持対象物の重量、及び摩擦係数と、垂直圧力との関係を示すマップなどが格納されている。
【００５１】
次に、制御回路５２が所定のプログラムにしたがって実行する、ロボットハンドの把持対象物を掴む動作について、図４を用いて説明する。
【００５２】
先ずロボットハンド駆動制御装置５０の電源がオンされると、制御回路５２は、発振回路５４に対し、駆動信号を出力すべく指示信号を出力する。発振回路５４は、制御回路５２から指示を受け、所定周波数の駆動信号を出力する（ステップＳ１０）。
【００５３】
生成された駆動信号（電圧信号）は、ドライバ５６を介して送受信用素子４２ａに伝達される。これにより、送受信用素子４２ａは垂直方向に振動し、振動がメンブレン１８の薄肉部１８ａに伝達され、外部に超音波として送信される。この超音波の周波数は駆動信号の周波数と一致している。
【００５４】
送信処理の開始後、所定時間が経過すると、制御回路５２は、送受信用素子４２ａが受信回路５８に接続されるように切り替える。そして、制御回路５２は、受信回路５８，６２及びＡ／Ｄ変換回路６０，６４を経て取得した超音波を受信できる素子４２ａ，４２ｂの受信信号の振幅が、所定の閾値より大きいか否か、すなわち、把持対象物からの反射波を受信した超音波素子４２ａ，４２ｂがあるか否かを判定する（ステップＳ１１）。
【００５５】
ステップＳ１１において、反射波を受信した超音波素子４２ａ，４２ｂがないと判定した場合、制御回路５２は、対応する計測時間を経過したか否かを判定する（ステップＳ１２）。そして、計測時間を経過していなければステップＳ１１に戻る。一方、計測時間を超えたと判定した場合は、ステップＳ１０に戻る。なお、計測時間とは、把持対象物による反射波が検出可能なタイミング（検出可能開始タイミング）から検出可能終了までの時間であり、本実施形態では予め設定されている。
【００５６】
ステップＳ１１において、反射波を受信した超音波素子４２ａ，４２ｂがあると判定した場合、制御回路５２は、送受信用素子４２ａから超音波が送信され、該超音波の反射波が、いずれかの超音波素子４２ａ，４２ｂにて受信されるまでの時間情報に基づいて、ロボットハンドにより把持される把持対象物までの距離を算出する（ステップＳ１３）。このステップＳ１３が、特許請求の範囲に記載の距離算出手段に相当する。なお、以下においては、全ての超音波素子４２ａ，４２ｂにおいて反射波を受信したものとする。
【００５７】
次いで、制御回路５２は、上記した時間情報と、超音波素子４２ａ，４２ｂにて受信した反射波の振幅を示す振幅情報に基づいて、把持対象物の硬度（予想硬度）を算出する（ステップＳ１４）。このステップＳ１４が、特許請求の範囲に記載の硬度算出手段に相当する。超音波は、対象物が硬いほどその反射量が多くなり、受信信号の振幅は大きくなる。一方、対象物が軟らかいほど反射量が少なくなり、受信信号の振幅が小さくなる。また、受信信号の振幅は、対象物との距離にも依存する。したがって、時間情報、すなわち距離と、振幅とから、メモリ７０に格納されたマップにより、制御回路５２は、把持対象物の硬度（予想硬度）を算出することができる。
【００５８】
また、ステップＳ１１にて、反射波を受信した超音波素子４２ａ，４２ｂが複数あると判定した場合、制御回路５２は、複数の超音波素子４２ａ，４２ｂにて受信した反射波の位相差を示す位相差情報に基づいて、把持対象物の位置及び大きさ、すなわち把持対象物の実態像を算出する（ステップＳ１５）。このステップＳ１５が、特許請求の範囲に記載の実態像算出手段に相当する。なお、超音波素子４２ａ，４２ｂにおいて、素子間の位相差を検出してプロットしていくと、把持対象物の位置だけでなく、大きさもわかる。このため、大きさを算出するには、超音波を受信できる超音波素子４２ａ，４２ｂの個数が多いほど好ましい。
【００５９】
そして、制御回路５２は、ステップＳ１３にて算出した距離と、ステップＳ１４にて算出した硬度と、ステップＳ１５にて算出した位置及び大きさとを用いて、ロボットハンドが把持対象物を把持するように、モータ等のアクチュエータ１００の駆動を制御する（ステップＳ１６）。このステップＳ１６が、特許請求の範囲に記載の把持制御手段に相当する。本実施形態では、算出した硬度情報を用いるため、把持対象物を掴むスピードや圧力を硬度に応じて設定することができる。なお、本実施形態では、制御回路５２が、メモリ７０に格納された把持対象物の重量、摩擦係数の情報を読み出し、これら情報もアクチュエータ１００の駆動制御に用いる。このため、把持対象物に応じたロボットハンドの高精度の動作が可能となる。
【００６０】
次いで、制御回路５２は、ロボットハンドの把持動作が完了したか否かを判定する（ステップＳ１７）。この判定は、アクチュエータ１００が、ステップＳ１６で指示した所定動作を完了したか否かで判定される。例えばアクチュエータ１００としてサーボモータを用いると、サーボモータが回転角度を検出するエンコーダーを備えているため、エンコーダーの出力から、モータが所定位置に到達したか否か、すなわちロボットハンドの把持動作が完了か否かを検出することができる。
【００６１】
ステップＳ１７で把持動作完了と判定すると、制御回路５２は、垂直圧力検出素子４０の検出信号に基づいて、垂直圧力を算出する（ステップＳ１８）。このステップＳ１８が、特許請求の範囲に記載の垂直圧力算出手段に相当する。
【００６２】
そして、制御回路５２は、ステップＳ１８で算出した垂直圧力が所定の閾値を超えたか否かで、ロボットハンドが把持対象物に接触しているか否かを判定する（ステップＳ１９）。このステップＳ１９で、接触していないと判定した場合、ステップＳ１０に戻る。
【００６３】
一方、ステップＳ１９において、接触ありと判定した場合、制御回路５２は、ステップＳ１８で算出した垂直圧力を用いて、ロボットハンドによる把持対象物の把持状態をフィードバック制御する（ステップＳ２０）。このステップＳ２０が、特許請求の範囲に記載の把持補正手段に相当する。例えば、制御回路５２は、ステップＳ１８にて算出した垂直圧力が、メモリ７０に格納された推奨垂直圧力と異なる場合には、垂直圧力が推奨垂直圧力となるように、アクチュエータ１００をフィードバック制御する。すなわち、把持対象物を掴んだロボットハンドの把持力を調整する。なお、推奨垂直圧力とは、硬度、把持対象物の重量、及び摩擦係数との対応関係が、マップとしてメモリ７０に格納されている。
【００６４】
以上が、ロボットハンドにより把持対象物を掴む動作である。この動作の完了後、図示しない別のフローにしたがって、例えば把持対象物を所定位置に移送し、位置決め配置する動作が実行される。
【００６５】
次に、本実施形態に係る把持用センサ１０及びロボットハンド駆動制御装置５０について、特徴部分の効果を説明する。
【００６６】
本実施形態では、メンブレン１８上に複数の圧電素子３０が形成され、この圧電素子３０の一部を、垂直圧力検出素子４０として機能させ、垂直圧力検出素子４０を除く圧電素子３０の少なくとも一部を、超音波素子４２として機能させる。したがって、把持用センサ１０として、距離センサとしての超音波素子４２と、触覚センサとしての垂直圧力検出素子４０とを備えながらも、部品点数を削減することができる。また、部品点数削減により、体格の小型化や、製造コストの低減を図ることができる。
【００６７】
特に本実施形態では、垂直圧力検出素子４０を、水平方向において、メンブレン１８を介して厚肉部１４上に設けている。厚肉部１４は、基板１２の他の部分、例えば空洞部１６上の位置するメンブレン１８の薄肉部１８ａ、に較べて剛性が高いため、精度よく垂直圧力を検出することができる。
【００６８】
また、本実施形態では、基板１２が空洞部１６を複数有しており、各空洞部１６上の薄肉部１８ａをそれぞれ覆うように形成された超音波素子４２は、互いに電気的に分離されている。また、同一の基板１２に、複数の超音波素子４２として、超音波を送信する送受信用素子４２ａと、超音波を受信する複数の超音波素子４２ａ，４２ｂが集積されている。このため、１つの把持用センサ１０から、把持対象物との距離や硬度だけでなく、把持対象物の実態像（大きさや位置）を掴むことができる。すなわち、ロボットハンドの動作を、把持対象物に応じて高精度に制御することができる。
【００６９】
また、本実施形態では、圧電素子３０として、複数の垂直圧力検出素子４０を有し、水平方向において、複数の垂直圧力検出素子４０が分散して設けられている。このため、把持対象物の形状や大きさによらず、垂直圧力を検出することができる。
【００７０】
また、本実施形態では、把持用センサ１０が備える超音波素子４２ａ，４２ｂにより、把持対象物との距離だけでなく、把持対象物の硬度を算出することができる。このため、把持対象物の硬さが不明でも、算出された硬度に応じた圧力や速度で把持対象物を掴むことができる。また、把持対象物の位置及び大きさを算出することもできるため、精度よく把持対象物を掴むことができる。さらには、垂直圧力検出素子４０により、垂直圧力を算出することができる。このため、把持対象物を掴んだ後に、算出した垂直圧力に基づいて、ロボットハンドの動作を補正（フィードバック制御）することができる。
【００７１】
（変形例）
上記実施形態では、基板１２の裏面１２ｂ側から形成された空洞部１６の例を示した。しかしながら、空洞部１６は、基板１２の一面１２ａ側から形成されてもよい。
【００７２】
把持用センサ１０における圧電素子３０の配置（垂直圧力検出素子４０及び超音波素子４２の配置）は上記例に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、把持用センサ１０が、超音波素子４２として、送受信用素子４２ａを１つ、受信用素子４２ｂを３つ有する例を示した。しかしながら、把持用センサ１０としては、超音波の送信及び超音波の受信の少なくとも一方に用いられる超音波素子４２を少なくとも１つ有するものであれば良い。例えば超音波の送信のみに用いられる超音波素子４２を１つ有し、受信用素子４２ｂを複数有する構成としても良い。また、１つの基板１２に形成される垂直圧力検出素子４０の個数も特に限定されない。
【００７３】
図５に示す例では、把持用センサ１０が、基板１２に空洞部１６（図示せず）を１つのみ有しており、メンブレン１８における空洞部１６上の薄肉部１８ａを覆うように１つの超音波素子４２が形成されている。また、基板１２には、垂直圧力検出素子４０が１つ形成されている。このように、把持用センサ１０が１つの超音波素子４２を有する構成の場合、ロボットハンド駆動制御装置５０として、位相差から把持対象物の実態像（位置及び大きさ）を算出するには、複数の把持用センサ１０（複数のチップ）を備えれば良い。
【００７４】
一方、図６に示す例では、圧電素子３０が、領域Ａ１における基板１２の一面１２ａほぼ全面においてマトリクス状（行列状）に設けられている。具体的には、９行×９列の配置となっており、各圧電素子３０は、水平方向において略正方形をなしている。そして、厚肉部１４上に位置する圧電素子３０の一部、詳しくは、最外周を１周目として２周目の圧電素子３０が、一つ置きに垂直圧力検出素子４０となっている。また、それ以外の圧電素子３０は、超音波素子４２となっている。これら複数の超音波素子４２は、下部電極３２同士、上部電極３６同士が、それぞれ同電位となるように、ロボットハンド駆動制御装置５０において制御される。すなわち、構造上分割されているものの、電気的には１つの超音波素子４２として振る舞う。なお、他の領域Ａ２〜Ａ４でも同様の構成となっている。図６に示す構成は、図５のように、基板１２に１つの空洞部１６のみを有する構成にも適用することができる。
【００７５】
上記実施形態では、メモリ７０に、把持対象物の重量や摩擦係数に関するデータが格納される例を示した。しかしながら、把持用センサ１０と別のセンサとして、ロボットハンド駆動制御装置５０が、荷重センサ、表面状態（摩擦係数）を検出するセンサを備え、これらセンサからの信号に基づいて、把持対象物の重量や表面状態（摩擦係数）を算出する構成としても良い。
【００７６】
上記実施形態では、トレンチ２８を空隙としたが、トレンチ２８内を、振動減衰部材にて埋めた構成としても良い。このような振動減衰部材としては、減衰定数が高い材料、好ましくは、弾性率が低く、密度が小さい材料が好適である。例えば、ゴム系材料、発泡樹枝などの気孔を含む樹脂などを用いることができる。また、トレンチ２８を有さない構成としても良い。しかしながら、トレンチ２８を設けたほうが、水平方向において体格を小型化することができる。
【００７７】
（第２実施形態）
本実施形態において、上記実施形態に示した把持用センサ１０及びロボットハンド駆動制御装置５０と共通する部分についての説明は割愛する。第１実施形態では、把持用センサ１０が、触覚センサとして垂直圧力検出素子４０のみを有する例を示した。
【００７８】
これに対し、本実施形態では、把持用センサ１０が、触覚センサとして、垂直圧力検出素子４０とともに、せん断力検出素子７２も備える点を特徴とする。また、ロボットハンド駆動制御装置５０が、上記した垂直圧力とともにせん断力検出素子７２にて検出されたせん断力を用いて、ロボットハンドの把持状態をフィードバック制御する点を特徴とする。
【００７９】
図７及び図８に示すように、本実施形態に係る把持用センサ１０は、第１実施形態と同じ態様の超音波素子４２を備えている。なお、図７では、基板１２のうち、領域Ａ１のみを示しているが、残りの領域Ａ２〜Ａ４も、領域Ａ１と同様の構成を有している。
【００８０】
また、第１実施形態同様、メンブレン１８を介して、基板１２の厚肉部１４上には、垂直圧力検出素子４０が設けられている。本実施形態では、図７に示すように、平面矩形状の薄肉部１８ａ（平面矩形状の超音波素子４２）を取り囲むように、複数（図７では１２個）の垂直圧力検出素子４０が所定ピッチを有しつつ矩形環状に設けられている。これら垂直圧力検出素子４０は、互いに電気的に分離されており、個別に垂直圧力の検出が可能となっている。
【００８１】
また、水平方向において、垂直圧力検出素子４０の隣には、垂直圧力検出素子４０及び超音波素子４２とは別の圧電素子７４が設けられている。そして、互いに隣り合う垂直圧力検出素子４０及び圧電素子７４において、それぞれの少なくとも上部電極３６同士により、水平方向に加わるせん断力（すべり角とも言う）を静電容量値の変化として検出するためのせん断力検出素子７２が構成されている。
【００８２】
本実施形態では、垂直圧力検出素子４０の上部電極３６、ひいては垂直圧力検出素子４０全体が、水平方向において矩形状（略正方形）をなしており、垂直圧力検出素子４０の上部電極３６の矩形各辺に対して、互いに電気的に分離された圧電素子７４がそれぞれ配置されている。そして、垂直圧力検出素子４０の上部電極３６の４辺に対して、圧電素子７４の上部電極３６がそれぞれ対向配置されている。
【００８３】
また、圧電素子３０のうち、少なくともせん断力検出素子７２を構成する垂直圧力検出素子４０及び圧電素子７４の上部電極３６上には、水平方向において矩形状をなし、垂直方向において所定高さを有する柱部７６がそれぞれ形成されている。本実施形態では、超音波素子４２の感度を向上するために、超音波素子４２には柱部７６を設けず、垂直圧力検出素子４０及び圧電素子７４のみに柱部７６を設けている。この柱部７６は、対応する上部電極３６と電気的に接続されており、垂直圧力検出素子４０の柱部７６の矩形４辺に対して、互いに電気的に分離された圧電素子７４の柱部７６がそれぞれ対向配置されている。そして、図９に示すように、せん断力検出素子７２を構成する容量電極は、垂直圧力検出素子４０の上部電極３６及び柱部７６と、圧電素子７４の上部電極３６及び柱部７６により構成されている。なお、垂直圧力検出素子４０において、突起部３８は、柱部７６を介して上部電極３６上に形成されている。
【００８４】
本実施形態では、１つの垂直圧力検出素子４０に対し、４つの圧電素子７４が設けられている。１つの垂直圧力検出素子４０に対応する４つの圧電素子７４は互いに電気的に分離されており、異なる垂直圧力検出素子４０に対応する圧電素子７４も互いに電気的に分離されている。このように、１つの垂直圧力検出素子４０につき、４つのせん断力検出素子７２が形成されている。圧電素子７４は、図７に示すように、平面長方形をなしており、短手方向の幅が垂直圧力検出素子４０の幅とほぼ等しく、長手方向の幅が垂直圧力検出素子４０の幅よりも長くなっている。このため、垂直圧力検出素子４０の柱部７６のほうが、圧電素子７４の柱部７６よりも、水平方向における断面積が小さくなっている。
【００８５】
なお、矩形状の柱部７６の直交する２辺にそれぞれ沿う方向と、矩形状の上部電極３６の直交する２辺にそれぞれ沿う方向は互いに一致している。柱部７６の構成材料としては、上部電極３６と電気的に接続される材料、すなわち後述するせん断力検出素子７２の容量電極を形成できるものであれば採用することができる。例えば、ポリアセチレンやポリチオフェンなどの導電性樹脂、ドープドポリシリコン、銅合金などがある。好ましくは、水平方向に変形しやすいように、上部電極３６よりもヤング率の低い材料を用いて形成されると良い。
【００８６】
次に、本実施形態に係るロボットハンド駆動制御装置５０の構成について、図１０を用いて説明する。
【００８７】
図１０に示すように、ロボットハンド駆動制御装置５０は、第１実施形態に示したロボットハンド駆動制御装置５０に対し、把持用センサ１０が、せん断力検出素子７２も有している。そして、せん断力検出素子７２の検出した静電容量値を電圧信号に変換するＣ−Ｖ変換回路７８と、Ａ／Ｄ変換回路８０をさらに備えている。なお、Ｃ−Ｖ変換回路７８については周知構成のものを採用することができるため、詳細な説明は割愛する。
【００８８】
次に、制御回路５２が所定のプログラムにしたがって実行する、ロボットハンドの把持対象物を掴む動作について、図１１を用いて説明する。
【００８９】
ステップＳ１０からステップＳ１９までは、第１実施形態に示す図４と同じである。ステップＳ１９において、接触ありと判定した場合、制御回路５２は、せん断力検出素子７２の検出した静電容量値に基づいて、水平方向に加わるせん断力を算出する（ステップＳ２１）。このステップＳ２１が、特許請求の範囲に記載のせん断力算出手段に相当する。
【００９０】
そして、制御回路５２は、ステップＳ１８で算出した垂直圧力と、ステップＳ２１で算出したせん断力とを用いて、ロボットハンドによる把持対象物の把持状態をフィードバック制御する（ステップＳ２０）。このステップＳ２０が、特許請求の範囲に記載の把持補正手段に相当する。例えば、制御回路５２は、第１実施形態同様、ステップＳ１８にて算出した垂直圧力が、メモリ７０に格納された推奨垂直圧力と異なる場合には、垂直圧力が推奨垂直圧力となるように、アクチュエータ１００をフィードバック制御する。すなわち、把持対象物を掴んだロボットハンドの把持力を調整する。また、ステップＳ１９にて算出したせん断力が所定の閾値未満である場合には、把持対象物を落とす虞があるため、垂直圧力が高まる方向に、アクチュエータ１００をフィードバック制御する。例えば、せん断力の閾値もメモリ７０に格納されている。
【００９１】
次に、本実施形態に係る把持用センサ１０及びロボットハンド駆動制御装置５０について、特徴部分の効果を説明する。
【００９２】
本実施形態では、垂直圧力検出素子４０を利用して、静電容量式のせん断力検出素子７２が構成されている。したがって、垂直圧力検出素子４０を利用せずに、せん断力検出素子７２を設ける構成に較べて、把持用センサ１０の構成を簡素化することができる。これにより、例えば水平方向において体格の小型化を図ることができる。
【００９３】
また、本実施形態では、１つの垂直圧力検出素子４０に対し、４つの圧電素子７４がそれぞれ対向配置されている。また、垂直圧力検出素子４０の容量電極（上部電極３６及び柱部７６）は平面矩形状をなしており、該容量電極の矩形４辺に対して、互いに電気的に分離された圧電素子７４の容量電極（上部電極３６及び柱部７６）がそれぞれ対向配置されている。したがって、水平方向の２軸（図７に示す紙面左右方向と紙面上下方向）において、せん断力を検出することができる。すなわち、垂直圧力と合わせて３軸力を検出することができる。
【００９４】
特に本実施形態では、上記したように、せん断力検出素子７２を構成する垂直圧力検出素子４０及び圧電素子７４の上部電極３６上に、柱部７６が形成されている。このため、せん断力検出素子７２を構成する容量電極が上部電極３６のみからなる構成に較べて、容量電極の対向面積を大きくし、初期の静電容量値を大きくすることができる。また、柱部７６を設けることで、容量電極の垂直方向の長さが長くなり、容量電極が変形しやすくなるため、容量電極の対向距離の変化量を大きくすることができる。
【００９５】
さらに本実施形態では、垂直圧力検出素子４０の柱部７６のほうが、圧電素子７４の柱部７６よりも、水平方向における断面積が小さくされている。これにより、垂直圧力検出素子４０の柱部７６が変形しやすいため、水平方向の２軸において、せん断力の検出感度を向上することができる。なお、上部電極３６よりもヤング率の低い材料を用いて柱部７６を形成すると、上部電極３６のみによって同じ高さの容量電極を形成する構成に較べて、容量電極を変形しやすくすることができる。
【００９６】
また、本実施形態では、把持用センサ１０が、せん断力検出素子７２を有しており、ロボットハンド駆動制御装置５０は、せん断力検出素子７２の検出信号から、せん断力を算出するせん断力算出手段（ステップＳ２１）を備える。このため、把持対象物を掴んだ後に、垂直圧力とせん断力に基づいて、ロボットハンドによる把持対象物の把持状態を、より精度よく補正（フィードバック制御）することができる。
【００９７】
（変形例）
上記実施形態では、せん断力検出素子７２を構成する垂直圧力検出素子４０及び圧電素子７４が、容量電極の構成要素として、上部電極３６及び柱部７６をそれぞれ有する例を示した。しかしながら、柱部７６を有さず、容量電極が上部電極３６のみにより構成されても良い。
【００９８】
本実施形態においても、把持用センサ１０における圧電素子３０の配置（垂直圧力検出素子４０、超音波素子４２、せん断力検出素子７２、及び圧電素子７４の配置）は上記例に限定されるものではない。少なくとも１つの垂直圧力検出素子４０、少なくとも１つの超音波素子４２、垂直圧力検出素子４０を利用した少なくとも１つのせん断力検出素子７２を有せば良い。上記実施形態では、垂直圧力検出素子４０と圧電素子７４とによりせん断力検出素子７２を構成したが、圧電素子７４を設けず、垂直圧力検出素子４０と超音波素子４２とによりせん断力検出素子７２を構成しても良い。
【００９９】
例えば図１２に示す例では、圧電素子３０が、領域Ａ１における基板１２の一面１２ａほぼ全面においてマトリクス状（行列状）に設けられている。具体的には、１２行×１２列の配置となっている。詳しくは、図７に示した構成において、垂直圧力検出素子４０を中心とし、４辺に圧電素子７４を対向配置させた十字状の配置を、厚肉部１４上だけでなく、メンブレン１８の薄肉部１８ａ上においても繰り返し構造としている。そして、厚肉部１４上に設けられた垂直圧力検出素子４０を除く圧電素子３０を、超音波素子４２としている。これら複数の超音波素子４２は、超音波の送信時（ステップＳ１０）、又は、超音波の受信時（ステップＳ１１）に、下部電極３２同士、上部電極３６同士が同電位となるように、ロボットハンド駆動制御装置５０において制御される。すなわち、構造上分割されているものの、電気的には１つの超音波素子４２として振る舞う。一方、せん断力の算出時（ステップＳ２１）に、超音波素子４２のうち、水平方向に沿う２軸（図１２の紙面左右方向と紙面上下方向）で垂直圧力検出素子４０の隣り合う超音波素子４２のみ、その容量電極（上部電極３６及び柱部７６）がせん断力検出に用いられるように、ロボットハンド駆動制御装置５０において制御される。なお、他の領域Ａ２〜Ａ４でも同様の構成となっている。図１２に示す構成は、図５のように、基板１２に１つの空洞部１６のみを有する構成にも適用することができる。
【０１００】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
【０１０１】
上記実施形態では、垂直圧力検出素子４０が、基板１２の厚肉部１４上に形成される例を示したが、垂直圧力検出素子４０が、メンブレン１８の薄肉部１８ａ上に形成された構成とすることもできる。しかしながら、薄肉部１８ａは変形可能に設けられているため、垂直圧力の検出ばらつきや、薄肉部１８ａのダメージ等が考えられる。したがって、上記実施形態に示すように、厚肉部１４上に垂直圧力検出素子４０を設けることが好ましい。
【０１０２】
上記実施形態では、せん断力検出素子７２として、静電容量式の例を示した。しかしながら、例えば図１３に示すように、接触式のスイッチを接触タイミングがずれるように複数設けてなるせん断力検出素子を採用することもできる。図１３は、図７のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿う断面図であり、その断面構造は、垂直圧力検出素子４０と垂直圧力検出素子４０に隣り合う圧電素子７４との間隔が一定でない点を除けば図７（第２実施形態）と同じである。図１３に示す断面図には、３つの垂直圧力検出素子４０が示されており、紙面左側から、圧電素子７４との間隔がＤ１、Ｄ２（＞Ｄ１）、Ｄ３（＞Ｄ２）となっている。このため、せん断力が小さいときには、例えば間隔Ｄ１の垂直圧力検出素子４０の柱部７６のみが、隣り合う圧電素子７４の柱部７６に接触する。すなわち、垂直圧力検出素子４０と圧電素子７４の上部電極３６が電気的に接続される（ショートする）。また、せん断力が中程度のときには、例えば間隔Ｄ１と間隔Ｄ２の垂直圧力検出素子４０の柱部７６が、隣り合う圧電素子７４の柱部７６に接触する。また、せん断力が大きいときには、間隔Ｄ１、間隔Ｄ２、間隔Ｄ３の垂直圧力検出素子４０の柱部７６が、隣り合う圧電素子７４の柱部７６に接触する。したがって、どの間隔の垂直圧力検出素子４０まで隣り合う圧電素子７４とショートしているかにより、せん断力がどの程度かを算出することができる。例えば、間隔とせん断力との対応関係を示すマップがメモリ７０に格納され、制御回路５２は、このマップに基づいてせん断力を算出する。
【０１０３】
すなわち、把持用センサ１０が、
圧電素子３０として、複数の垂直圧力検出素子４０を有し、
垂直圧力検出素子４０の隣には別の圧電素子７４（超音波素子４２でも良い）が設けられ、水平方向において、複数の垂直圧力検出素子４０は分散しており、
互いに隣り合う垂直圧力検出素子４０及び別の圧電素子７４において、上部電極３６上には、該上部電極３６と電気的に接続された柱部７６が形成され、
垂直圧力検出素子４０において、突起部３８は、柱部７６を介して上部電極３６上に形成されており、
各垂直圧力検出素子４０の柱部７６と、該垂直圧力検出素子４０に隣り合う別の圧電素子７４の柱部７６との間隔は、水平方向のうちの少なくとも１軸方向において、多段（間隔Ｄ１〜Ｄ３）に設定された構成としても良い。
【符号の説明】
【０１０４】
１０・・・把持用センサ
１２・・・基板
１２ａ・・・一面
１４・・・厚肉部
１６・・・空洞部
１８・・・メンブレン
３０・・・圧電素子
３８・・・突起部
４０・・・垂直圧力検出素子
４２・・・超音波素子
５０・・・ロボットハンド駆動制御装置
７２・・せん断力検出素子
７４・・・圧電素子（別の圧電素子）
７６・・・柱部
【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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