(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物と接触したときの垂直応力および剪断力を検出する触覚センサシステムであって、
垂直応力を検出可能な複数の垂直応力検出センサユニットと、
積層された三つのシート層からなり、対象物との接触によって変形するとともにその接触力を前記垂直応力検出センサユニットに伝達するシート層部と、を備え、
前記シート層部は、
外表面を構成する外装シート層部と、
前記垂直応力検出センサユニットを内蔵するかまたは前記垂直応力検出センサユニットの直上に配置されている力検知シート層部と、
前記外装シート層部と前記力検知シート層部との間に挟持され前記外装シート層部からの作用力を前記力検知シート層部に伝達する媒介層と、を有し、
前記外装シート層部と前記力検知シート層部とは互いに対向方向に突起した突起部を複数有し、かつ、前記外装シート層部と前記力検知シート層部とは互いの突起部が前記媒介層を間にして噛み合うように対向配置され、
それぞれの前記垂直応力検出センサユニットは、
前記力検知シート層部に設けられた突起部の中央部の直下に配置された中央部検出センサ要素と、
前記力検知シート層部に設けられた突起部の縁部の直下において前記中央部検出センサ要素を間に挟むようにして配置された少なくとも二つの縁部検出センサ要素と、を有する
ことを特徴とするシート状触覚センサシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のシート状触覚センサシステムにおいて、
前記シート層部の面に平行な面上において互いに直交するＸ軸とＹ軸とを設定するとき、
前記縁部検出センサ要素が、Ｙ軸方向とＸ軸方向とにそれぞれ配列されている
ことを特徴とするシート状触覚センサシステム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のシート状触覚センサシステムにおいて、
前記媒介層は、前記外装シート層部および前記力検知シート層部よりも小さい弾性率を有する弾性体、または、粘性を有する粘性体である
ことを特徴とするシート状触覚センサシステム。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載のシート状触覚センサシステムにおいて、
前記突起部は、先細りする形状である
ことを特徴とするシート状触覚センサシステム。
【請求項５】
請求項４に記載のシート状触覚センサシステムにおいて、
前記突起部は、円錐形状である
ことを特徴とするシート状触覚センサシステム。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載のシート状触覚センサシステムにおいて、
前記中央部検出センサ要素と前記縁部検出センサ要素とでは、検出感度が互いに異なっている
ことを特徴とするシート状触覚センサシステム。
【請求項７】
請求項６に記載のシート状触覚センサシステムにおいて、
前記縁部検出センサ要素の方が前記中央部検出センサ要素よりも検出感度が高い
ことを特徴とするシート状触覚センサシステム。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれかに記載のシート状触覚センサシステムにおいて、
前記中央部検出センサ要素および前記縁部検出センサ要素は、静電容量式の圧力センサである
ことを特徴とするシート状触覚センサシステム。
【請求項９】
請求項８に記載のシート状触覚センサシステムにおいて、
前記中央部検出センサ要素を構成する２枚の電極間に配置された誘電体の誘電率と前記縁部検出センサ要素を構成する２枚の電極間に配置された誘電体の誘電率とは異なっている
ことを特徴とするシート状触覚センサシステム。
【請求項１０】
請求項９に記載のシート状触覚センサシステムにおいて、
前記中央部検出センサ要素を構成する２枚の電極間に配置された誘電体の誘電率の方が前記縁部検出センサ要素を構成する２枚の電極間に配置された誘電体の誘電率よりも小さい
ことを特徴とするシート状触覚センサシステム。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０のいずれかに記載のシート状触覚センサシステムにおいて、
前記中央部検出センサ要素と前記縁部検出センサ要素とは互いに別体である
ことを特徴とするシート状触覚センサシステム。
【請求項１２】
請求項１から請求項１０のいずれかに記載のシート状触覚センサシステムにおいて、
一つのセンサ装置に前記中央部検出センサ要素と前記縁部検出センサ要素とが内蔵されている
ことを特徴とするシート状触覚センサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばロボットの表面部（例えばハンド部や体表面全体）に実装され、対象物との接触を検出するシート状触覚センサシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒューマノイドロボットの開発が進んでいる。
ヒューマノイドロボットには、人と触れ合ったり、障害物を自律的に回避したり、対象物を把持して移動させるなどの高度な動作が要求される。
このような動作には触覚が必要であるので、近年、ロボットのハンド部あるいはロボットの体表面全体に触覚センサを設ける研究が進んでいる（例えば特許文献１、特許文献２）。【０００３】
ロボットに要求される動作として例えば物体を掴むという動作がある。
図18は、ロボット10のハンド部12が物13を持ち上げる様子を示す図である。
図18において、ロボット10のハンド部12には対象物13との接触を検出する接触センサユニット14が設けられている。
ロボット10は、接触センサユニット14にて検出される接触力に基づいたフィードバック制御により対象物13を適切な力で掴んで持ち上げる。【０００４】
ロボット10のハンド部12と対象物13との間に働く力としては、ロボット10のハンド部12の把持面に対して垂直に働く垂直応力と、ロボット10のハンド部12の表面の接線方向に働く剪断力（ずれ応力、接線応力）と、がある。
垂直応力を検出する場合には垂直方向に作用する力を検出する既存の力検知センサを使えばよい。
その一方、剪断力を検出することは必ずしも簡単ではない。【０００５】
ここで特許文献1には、図19に示すように、物体からの剪断力を検出するセンサユニット14が開示されている。
特許文献1に開示されたセンサユニット14は、次のような構成である。
センサユニット14は、物体から剪断力を受けて変形する変形部材31と、
変形部材31に埋設された歪センサ32と、を有している。
歪センサ32は、カンチレバーとして垂直に立てられた平板32aと、この平板32aに貼り付けられた歪みゲージ32bと、を有する。【０００６】
変形部材31の表面に剪断力（接線応力）が働くと、変形部材31が歪む。
この歪に応じてカンチレバー32aも歪む。
このときのカンチレバー32aの変形量を歪ゲージ32bで検出することにより、変形部材31の表面に作用した剪断力を検出する。【０００７】
また、特許文献2は、図20に示すように、基部16からヒンジを介して垂直に立ち上げたカンチレバー41をシリコンからなる弾性体42の中に埋め込んだ構造の触覚センサ装置20を開示している。【０００８】
たしかに特許文献1および特許文献2のように、起立させたカンチレバーを変形部材の中に埋設しておけば、変形部材に作用する剪断力を検出することはできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開2008−281403号公報
【特許文献２】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】
【００１０】
しかしながら、例えば特許文献２のような片持ち梁のカンチレバー41の場合、静電引力が復元力を上回ってしまうと、感応部である片持ち梁電極がプルインにより貼り付いてしまうという故障が発生するという問題がある。
製造時や実装時にはこのようなプルインによる故障が生じやすい。【００１１】
また、特許文献1のような構成の場合、カンチレバーである平板32aを変形部材31の中で所定方向を向けつつ垂直に立てる必要がある。
これは、製造時に相当の困難があることが予想される。
製造時にカンチレバー32aが寝てしまったり、所定の方向を向かなかったりすると、検出分解能や検出精度が極端に悪くなり、製品品質を保つことが困難になる。【００１２】
また、触覚センサユニットをロボット10の表面に実装することを考えた場合、ロボット10の表面には曲面や凹凸がある。
このようなところにカンチレバー式のセンサユニットを実装しようとすると、変形部材の変形とともにカンチレバー電極が曲がってしまうことになる。
したがって、実装時にカンチレバーが寝たままになってしまうなど、適切な状態を維持したままでロボット表面に実装することが難しい。【００１３】
特許文献1、2に開示された従来のセンサ装置の構成では、ロボットのハンド部や体表面全体に実装する触覚センサシステムとして不適であり、現実的ではない。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明のシート状触覚センサシステムは、
対象物と接触したときの垂直応力および剪断力を検出する触覚センサシステムであって、
垂直応力を検出可能な複数の垂直応力検出センサユニットと、
積層された三つのシート層からなり、対象物との接触によって変形するとともにその接触力を前記垂直応力検出センサユニットに伝達するシート層部と、を備え、
前記シート層部は、
外表面を構成する外装シート層部と、
前記垂直応力検出センサユニットを内蔵するかまたは前記垂直応力検出センサユニットの直上に配置されている力検知シート層部と、
前記外装シート層部と前記力検知シート層部との間に挟持され前記外装シート層部からの作用力を前記力検知シート層部に伝達する媒介層と、を有し、
前記外装シート層部と前記力検知シート層部とは互いに対向方向に突起した突起部を複数有し、かつ、前記外装シート層部と前記力検知シート層部とは互いの突起部が前記媒介層を間にして噛み合うように対向配置され、
それぞれの前記垂直応力検出センサユニットは、
前記力検知シート層部に設けられた突起部の中央部の直下に配置された中央部検出センサ要素と、
前記力検知シート層部に設けられた突起部の縁部の直下において前記中央部検出センサ要素を間に挟むようにして配置された少なくとも二つの縁部検出センサ要素と、を有する
ことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】接触センサシステムの断面図を示す図。
【図２】シート層部を構成する外側層と、中間層と、内側層と、を分離させた状態を示す図。
【図３】シート状触覚センサシステムを上方から見たときの透視図。
【図４】検出センサ装置を表面側からみた斜視図。
【図５】検出センサ装置の断面図。
【図６】シート状触覚センサシステムを袋状に形成した場合を例示した図。
【図７】シート状触覚センサシステムの外表面に垂直応力がかかった場合を示した図。
【図８】シート状触覚センサシステムの外表面に剪断力がかかった場合を示した図。
【図９】シート状触覚センサシステムによってX方向、Y方向、斜め方向の剪断力を検出する様子を示す図。
【図１０】対比例として、力検知突起部の先端に連続して外表面を形成した場合を示す図。
【図１１】第2実施形態の断面図。
【図１２】分割された電極を示す斜視図。
【図１３】電極の間に誘電体を設けた場合を示す図。
【図１４】印加された力に応じて極板間距離dおよび極板間電荷量Qが変化する様子を示す図。
【図１５】静電容量変化を周波数変化にデジタル変換する手順を説明するための図。
【図１６】各センシング要素を独立に検出するための構成を例示した図。
【図１７】各センシング要素を独立に検出するための構成を例示した図。
【図１８】ロボットのハンド部が物を持ち上げる様子を示す図。
【図１９】従来のセンサユニットを示す図。
【図２０】従来のセンサユニットを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施の形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
（第1実施形態）
本発明のシート状触覚センサシステム100に係る第1実施形態について説明する。
図1は、シート状触覚センサシステムの断面図を示す図である。
図2は、外装シート層部と、媒介層部と、力検知シート層部と、を分離させた状態を示す分解斜視図である。
図3は、シート状触覚センサシステムを上方から見たときの透視図である。
【００１７】
本発明は、シート層部の外表面に対象物が接触したときに作用する力を検出する触覚センサシステムである。
シート状接触センサシステム100は、シート層部200と、シート層部200の外表面に作用する力を検出する垂直応力検出センサユニット300と、を備えている。
【００１８】
シート層部200は、三層構造である。
シート層部200は、外装シート層部210と、媒介層部220と、力検知シート層部230と、を有する。
媒介層部220は、柔軟性を有し、外装シート層部210と力検知シート層部230との間に挟まれている。
【００１９】
ここで、媒介層部220は、弾性体、粘性体または粘弾性体で構成されている。
媒介層部220は、外装シート層部210および力検知シート層部230よりも柔らかい。
すなわち、媒介層部220が弾性体で構成される場合には、外装シート層部210および力検知シート層部230よりも小さい弾性率を有する。
また、媒介層部220は、ゾルなどの粘性流体、ゲルなどの粘弾性体であってもよい。
媒介層部220は、シリコン樹脂またはエラストマーなどの樹脂材料で構成することが例として挙げられる。
【００２０】
次に、外装シート層部210および力検知シート層部230について説明する。
ここで、説明の都合上、図1の上から下向きにZ軸とし、左から右にY軸とする。
また、図3の下から上向きにX軸とする。
【００２１】
外装シート層部210は、触覚センサシステム100の一番外側に配置されるシートである。
外装シート層部210は、外表面に対象物が接触した際にゆるやかに変形する程度の弾性を有する弾性体であり、たとえばシリコンゴムなどで形成される。
外装シート層部210の外表面は、凹凸が無いなめらかな面である。
そして、外装シート層部210の内側面には内方向（図１中では-Z方向）へ向けて凸の突起部212が設けられている。
外装シート層部210に設けられた突起部を外側突起部212と称する。
外側突起部212は、Y方向にもX方向にも一定の周期で複数設けられている。
【００２２】
外側突起部212は、略円錐形状である。
ただし、突起部212の頂点を丸くしたり、頂部をカットしたような裁頭円錐形状にするなどの変更を加えてもよい。
【００２３】
力検知シート層部230の内側面には内方向（図１中では+Z方向）に向けて凸の突起部232が設けられている。
力検知シート層部230に設けられた突起部を力検知突起部232と称する。
力検知突起部232は、外側突起部212と同様の形状であり、Y方向にもX方向にも一定の周期で複数設けられている。
そして、外側突起部212と力検知突起部232とは、外装シート層部210と力検知シート層部230とを対向配置させたときに媒介層部220を間にして互いに噛み合うように設けられている。
【００２４】
すなわち、外側突起部212と力検知突起部232とは、少なくとも互いの斜面が媒介層部220を挟んで対向するようになっている。
外側突起部212と力検知突起部232とは、密に噛み合い過ぎてもよくなく、逆に噛み合いが粗過ぎてもよくない。
外側突起部212と力検知突起部232との間隔D1は、外装シート層部210の変位または変形が外側突起部212から媒介層部220を介して力検知突起部232の変形に伝わる程度に調整されている。
媒介層部220の厚みを増すと、センサの分解能は下がるが耐衝撃性が向上する。
また、外側突起部212の頂部と力検知突起部232の頂部との間隔D2は、例えば、媒介層部220の厚みに対して、例えば、１倍から５倍程度である。この間隔D2を小さくするとセンサの感度を上げることができる。
【００２５】
垂直応力検出センサユニット300は、力検知シート層部230に埋設されている。
ここで、垂直応力検出センサユニット300は、各力検知突起部232の直下に配置されている。
一つの垂直応力検出センサユニット300は、一つの中央部検出センサ装置310と、4つの縁部検出センサ装置321、322、323、324と、を有する。
中央部検出センサ装置310は、力検知突起部232の中央部の直下に配置されている。
また、縁部検出センサ装置321、322、323、324は、力検知突起部232の縁部の直下に配置されている。
【００２６】
縁部検出センサ装置321、322、323、324としては、Y方向とX方向のそれぞれに配置されている。
ここで、中央部検出センサ装置310を間にしてマイナスY方向に配置された縁部検出センサ装置をマイナスY縁部検出センサ装置321とし、プラスY方向に配置された縁部検出センサ装置をプラスY縁部検出センサ装置322とする。
同様に、中央部検出センサ装置310を間にしてマイナスX方向に配置された縁部検出センサ装置をマイナスX縁部検出センサ装置323とし、プラスX方向に配置された縁部検出センサ装置をプラスX縁部検出センサ装置324とする。
【００２７】
中央部検出センサ装置310と縁部検出センサ装置321、322、323、324とは、配置位置に違いがあるだけで構成は同じである。
ここで、検出センサ装置400の構成を説明する。
なお、説明の都合上、検出センサ装置の要素の符号を400番台にするが、検出センサ装置400は、中央部検出センサ装置310および縁部検出センサ装置321、322、323、324と同じ構成である。
【００２８】
図4は、検出センサ装置400を表面側からみた斜視図である。
図5は、検出センサ装置400の断面図である。
図5に示すように、検出センサ装置400は、センサ構造部410と半導体基板450とが接着層460で貼り合わされた構造である。
センサ構造部410は、構造本体部（Main Structure Body）420と、第１センサ電極430と、第2センサ電極440と、を有する。
構造本体部420は、Siで形成されている。
【００２９】
表側からみて、構造本体部420の中心部には対象物と接触する凸状の力検知部421が設けられ、力検知部421の周囲は凹状の薄肉部422となっている。
薄肉部422が弾性を有することにより、構造本体部420が作動膜として機能するようになる。
すなわち、力検知部421に力がかかると構造本体部420がたわむようになっている。
ここに、力検知部421により接触センシング面が構成されている。
薄肉部422の周囲である周縁部は、作動膜を支持する支持枠部423となっている。
また、構造本体部420の裏面には、凹部424が形成されている。
【００３０】
第1センサ電極430は、構造本体部420の裏面に形成された凹部424に設けられている。
第1センサ電極430は作動膜とともに変位する可動電極となる。
【００３１】
第2センサ電極440は、接着層460の直上に設けられている。
第1センサ電極430と第2センサ電極440との間隔は、凹部424の深さによって規定される。
第2センサ電極440が固定電極となっており、互いに対向配置された第1センサ電極430と第2センサ電極440とが静電容量素子を構成している。
第2センサ電極440は、接着層460に形成されたビア461を介して半導体基板450の再配線層451に接続されている。
第1、第2センサ電極430、440はセンサ装置400の内側に封止されている。
【００３２】
半導体基板450には信号処理用の集積回路452が作りこまれている。
集積回路452は、センサ構造部410からのセンサ信号を信号処理し、半導体基板の裏面に引き出された外部端子453からデータ信号を出力する。
【００３３】
シート状触覚センサシステム100を実際にロボット10に実装するにあたっては、力検知シート層部230の裏面をロボット10の体表面に貼り付ければよい。
または、図6に示すように、ロボット10のハンド部12にかぶせるような場合のためにシート状触覚センサシステム100を袋状に形成しておいてもよい。
【００３４】
本第1実施形態の作用を図7、図8、図9を用いて説明する。
図7は、シート状触覚センサシステム100に対し、外表面に垂直応力がかかった場合を示している。
図7に示すように、外表面に対して垂直に垂直応力が作用した場合、外装シート層210は押し下げられる。
外装シート層210の変形は媒介層部220を介して力検知シート層部230に伝わり、力検知シート層部230が押し下げられたように変形する。
力検知シート層部230が押し下げられると、力検知シート層部230に埋め込まれた垂直応力検出センサユニット300に垂直応力がかかる。
ここでは、力検知突起部232の中央部の直下と力検知突起部232の縁部とでは垂直応力がほぼ均等に作用する。
したがって、一つの垂直応力検出センサユニット300において、中央部検出センサ装置310と縁部検出センサ装置321、322、323、324とはほぼ等しい力を検出する。
このように、中央部検出センサ装置310と縁部検出センサ装置321、322、323、324とでほぼ等しい力を検出した場合、外表面には垂直応力がかかっていることが検知できる。
【００３５】
次に、図8は、外表面に剪断力（接線応力、ずれ応力）が働いた場合を示している。
ここでは、プラスY軸方向の剪断力がかかったとする。
この場合、外表面はプラスY方向に引っ張られるので、外装シート層部210はプラスY方向に変位する。
このとき、外装シート層部210とともに外側突起部212もプラスＹ方向にずれる。
【００３６】
すると、外側突起部212に押されて媒介層部220もプラスＹ方向に変位する。
この媒介層部220の変位によって力検知突起部232がプラスＹ方向に押されることになる。
このとき、外側突起部212は先細りの形状であるので、突起の根元部分は高い剛性によって媒介層部220を強く押す。
一方、外側突起部212の先端部分は剛性が小さいので媒介層部220を押す力は弱い。
また、力検知突起部232は先細りの形状であるので、先端にいくほど力を受けたときに変形しやすい。
したがって、先端部分がより大きくプラスY方向に変位するように力検知突起部232は変形する。
【００３７】
力検知突起部232の先端部がより大きくプラスY方向に変位するように変形すると、図8に示すように、力検知突起部232のマイナスY方向においては力検知突起部232の縁部が引き上げられるように力が作用する。
また、力検知突起部232のプラスY方向においては力検知突起部232の縁部が押し下げられるように力が作用することになる。
したがって、マイナスY縁部検出センサ装置321では引き上げられる力を検出し、この場合、検出力は負になる。
また、プラスY縁部検出センサ装置322では押し下げ方向の力を検出し、この場合、検出力は正になる。
このように、マイナスY縁部検出センサ装置321とプラスY縁部検出センサ装置322とで反対の力が検出された場合、外表面には剪断力（接線応力、ずれ応力）がかかっていることが検知できる。
また、検出値の正負の関係から、剪断力の方向についても検知することできる。
【００３８】
なお、図9に示すように、縁部検出センサ装置321、322は、中央部検出センサ装置310を挟んで-Y方向（321）と+Y方向（322）とに配置されているので、Y方向の剪断力が検出できる。
また、縁部検出センサ装置323、324は、中央部検出センサ装置310を挟んで-X方向（323）と+X方向（324）とに配置されているので、X方向の剪断力が検出できる。
そして、X軸およびY軸に対して角度を有するような斜め方向の剪断力は、Y方向とX方向とに分解できるので、Y方向配列のセンサ装置321、322とX方向配列のセンサ323、324との両方のセンサ値を合成することにより、斜め方向の力も検出できる。
【００３９】
このような構成を備える第1実施形態によれば次の効果を奏することができる。
（１）本第1実施形態では、力検知突起部232の直下に中央部検出センサ装置310と縁部検出センサ装置321、322、323、324とをそれぞれ配置することにより、外表面にかかる力を検出できる。
特に、中央部検出センサ装置310を挟んで反対方向に配置された二つの縁部検出センサ装置による差動検出によって外表面にかかる剪断力も検出できる。
従来は、起立させたカンチレバーを変形部材の中に埋め込んでいたが、このようなカンチレバー方式ではカンチレバーが寝てしまって検出不能になってしまう問題があった。
この点、本実施形態では、力の検出には垂直力センサ400（中央部検出センサ装置310、縁部検出センサ装置321、322、323、324）を使用するので、カンチレバー式のような故障が生じにくい。
したがって、検出分解能、検出精度を維持し、製品品質を高く保つことができる。
【００４０】
（２）従来の接触センサ装置では、例えば図20のように、外表面に凹凸がそのまま現れていた。
本実施形態でも、外装シート層部210および媒介層部220を設けることなく、表面に突起232を有する力検知シート層部230を外部に露出させることも考えられる。
しかしながら、ロボット10のハンド部12や体表面にこのような構造を実装するとなると、表面がデコボコになってしまう。
これでは例えば人間と触れ合う場合にはデコボコやざらざらする感じがしてさわった感触がよくないということになる。
この点、本実施形態では、外装シート層部210の外表面は凹凸が無いなめらかな面にできるので、人間と接触することが求められるヒューマノイドロボットに特に好適となる。
【００４１】
（３）外装シート層部210に外側突起部212を設け、かつ、力検知シート層部230に力検知突起部232を設けたことにより、外装シート層部210にかかる剪断力を媒介層部220を介して力検知突起部232に伝えることができる。
そして、力検知突起部232の変形によって生じる引き上げ力と押し下げ力とを縁部検出センサ装置321、322、323、324で差動検出することにより、外装シート層部210にかかる剪断力を感度よく検出することができる。
【００４２】
（４）媒介層部220を挟まないで外装シート層部210と力検知シート層部230とで互いの突起が噛み合うように合わせただけでは、力検知突起部232が変形する余地がない、または力検知突起部232の変形量が極めて少ないということになる。これでは、剪断力を検出不能となるか、または検出感度が極めて低いということになる。
この点、本実施形態では、外装シート層部210と力検知シート層部230との間に柔らかい媒介層部220を介在配置させていることにより、力検知突起部232の変形が十分に大きくなる。
これにより、剪断力の検出分解能、検出精度を高くすることができる。
【００４３】
（５）シート層部200の構造は、三つの層を貼り合わせるだけでよいので、製造が簡単である。
例えば、図10のように、力検知突起部232の先端に連続して外表面を形成し、一体的なシート部を構成することも考えられるが、このようなシートを精度よく大量に製造することは極めて難しい。
【００４４】
（６）外側突起部212および力検知突起部232の形状を先細り形状にしているので、剪断力に対する力検知突起部232の変形量を大きくすることができ、検出分解能、検出精度を高くすることができる。
【００４５】
（７）力検知突起部232を円錐形状としているので、突起部232の底面積を広くとることができる。
例えば、力検知突起部を円柱形状にした場合、剪断力に対して鋭敏に反応して変形するようにするためにはその円柱の断面積を十分に小さくしなければならない。この場合、突起の中央と縁部とでの間隔が狭くなり、中央部検出センサ装置310と縁部検出センサ装置321、322、323、324を所望の位置に配設することが難しくなる。
この点、本実施形態では、力検知突起部232を円錐形状として突起部の底面積を広くできるので、中央に中央部検出センサ装置310を配置して、縁部に縁部検出センサ装置321、322、323、324を配置するにあたり、配置スペースに余裕を持たせることができ、製造の困難が解消される。
【００４６】
（第2実施形態）
前記第1実施形態においては、中央部検出センサ要素と縁部検出センサ要素とが独立のセンサ装置である場合を例示した。
これに対し、第2実施形態においては、一つの突起部に対して一つのセンサ装置を対応して配置し、この一つのセンサ装置の中に複数のセンシング要素を組み込んでいることを特徴とする。
【００４７】
図11は、第2実施形態の断面図である。
図12は、分割された電極を示す斜視図である。
【００４８】
図11の断面図に示すように、一つの力検知突起部232に対応して一つのセンサ装置500が設けられている。
そして、センサ装置500のなかの電極が複数に分離している。
ここでは第2センサ電極が分割されている。
具体的には、第2センサ電極は、力検知突起部の中央部の直下に対応する位置に有る中央電極511と、力検知突起部232の縁部の直下にある縁部電極とに分割されている。
図12の電極部分の斜視図に示されるように、第2センサ電極は５つに分割されている。
すなわち、５つの分割電極とは、中央電極511と、中央電極に対して、-Y方向（512）、+Y方向（513）、-X方向（514）、+X方向（515）の各電極である。
【００４９】
このような構成において、それぞれの分割された電極ペアに対し、それぞれの静電容量を検出できるようになっている。
図11の断面図で示すならば、第1センサ電極430と中央電極511とのギャップd1と、第１センサ電極430と-Y方向電極512との間のギャップd2と、第１センサ電極430と+Y方向電極513との間のギャップd3と、はそれぞれ独立に検出できるようになっている。
【００５０】
ここに、一つのセンサ装置によって垂直応力検出センサユニットが構成され、電極の分割により、中央部検出センサ要素および縁部検出センサ要素が実現される。
【００５１】
このような構成においても、外表面に剪断力がかかると、第1実施形態で説明したのと同様に力検知突起部232が変形する。
そして、力検知突起部232の変形とともに第1センサ電極430が傾斜することになる。
第1センサ電極430の傾斜は、ギャップd1とギャップd3との差動検出によって検知される。
これにより、外表面にかかる剪断力を検知することができる。
【００５２】
（第3実施形態）
第1実施形態においては中央部検出センサ装置310と縁部検出センサ装置321−324とは同一であるとしたが、中央部検出センサ装置310と縁部検出センサ装置321−324とでセンサの感度を異ならせてもよい。
たとえば、中央部検出センサ装置310の電極間には低誘電率の誘電体を配置し、縁部検出センサ装置321−324の電極間には高誘電率の誘電体を配置する。
また、垂直応力検出センサユニットを一つのセンサ装置500で構成する場合には、図13に示すように、各電極ペアの間に挟む誘電体の誘電率を異ならせる。
図13では、中央電極511に低誘電率膜521を形成し、-Y方向電極と+Y方向電極とに高誘電率膜522を形成している。
【００５３】
垂直応力と剪断力とが合成されたような力が外表面に作用した場合、垂直応力の検出分解能に比べて剪断力の検出分解能が低いと、剪断力が適切に検出できないという問題が生じる。
この点、縁部検出センサ装置（要素）321−324の感度を中央部検出センサ装置（要素）310の感度よりも高く設定することにより、垂直応力と剪断力との合成力がかかった場合でも両方を適切に検出することができる。
【００５４】
（第4実施形態）
第1実施形態から第3実施形態においては、センサ構造部410と半導体基板450とを一体化（ワンチップ化）させている。
このような構成によれば、半導体基板450に組み込んだ集積回路452により、センサ構造部410からのセンサ信号を信号処理できる。
このように、個々のセンサ装置にて信号処理を実行できれば、ホストとしての情報統合装置（不図示）の信号処理負荷を少なくすることができる。
触覚センサシステム100に多数のセンサ装置を配置したとしても情報統合装置の処理負担の増加を小さくできるので、多数の触覚センサ装置を有する大きなシステムでありながらも高速応答が可能になる。
【００５５】
ここで、センサ構造部410からのセンサ信号をデジタル信号に変換する場合の一例を例示する。
【００５６】
センサ構造部410の上面が対象物と接触する力検知部（センサ面）421となっている。
センサ構造部410は、対向配置された電極板430、440を有し、力検知部421が押されると、2枚の電極板430、440の間隔dが変化する。
電極板間隔dの変化による静電容量変化がアナログセンサ信号となる。
【００５７】
例えば、図14に示すように、時刻T1から時刻T2に強い力が力検知部421に印加され、時刻T3から時刻T4に弱い力が力検知部421に印加されたとする。
すると、印加された力に応じて極板間距離dが変化する。
極板間距離dの変化に応じて、極板間に蓄積される電荷量Qが変化する。
印加される力に応じて変化する極板間電荷量Qがアナログセンサ信号として集積回路452に送られる。
具体的には、第2センサ電極440に蓄積された電荷が再配線層451を介して集積回路452で検出される。
【００５８】
集積回路452は、センサ構造部410からのアナログセンサ信号をデジタル変換する。
静電容量変化を周波数変化にデジタル変換する様子を図15を用いて説明する。
集積回路452は、センサ構造部410からのセンサ信号を取り出すにあたって、選択信号Sctと、リセット信号Rstと、を一定周期で出す。
選択信号Sctは、電極板440と集積回路452との間に配置されたスイッチのON信号である。
リセット信号Rstは、電極板440の電荷を一旦GNDにしてリセットするための信号である。
【００５９】
選択信号Sctにより、極板間電荷量Qが一定周期で取り出される。
このように取り出された極板間電荷量Qを所定の抵抗を介して電圧VQに変換する。
このVQを所定の参照電圧Vrefと対比する。
VQがVrefを超えている時間幅を有するパルス信号Voutを生成する。
このとき、電荷の取り出し速度が一定であれば、VQの高さとVoutのパルス幅は正の相関を持つ。
パルスジェネレータ（図17参照）によってVoutを所定周波数のパルス信号に変換する。
単位時間あたりのパルス数をカウントすることにより、センサ構造部410にかかる力をデジタル量として計測することができる。
このように周波数変換によってデジタル化されたセンサ信号をデジタルセンサ信号とする。
【００６０】
このようにして生成されたデジタルセンサ信号は、各センサ装置400から情報統合装置（不図示）に送信される。
信号送信にあたっては、バスの二本の信号ラインによって差動シリアル伝送で伝送してもよい。
このように、センサ装置400から情報統合装置へデジタル信号を送信することにより、センサ装置400と情報統合装置との配線長が長くてもノイズの影響を受けにくくなる。
例えばロボットの体表面全体にセンサ装置400を設けるとすると全体の配線長はかなりの長さになるのでノイズ耐性が重要になる。
アナログ信号のままで送信する場合に比べて、本実施形態の構成は多数のセンサ装置400を備えるセンサシステムに好適である。
【００６１】
（変形例1）
一つのセンサ装置の中に複数のセンシング要素を組み込んでいる場合には、図16、図17に示す構成によって各センシング要素のセンサ信号を取り出すことが例として挙げられる。
図16において、第1センサ電極430と中央電極511とのギャップd1と、第１センサ電極430と-Y方向電極512との間のギャップd2と、第1センサ電極430と+Y方向電極513との間のギャップd3と、をそれぞれ独立に検出できるようになっている。
各電極511、512、513に対して、リセットスイッチ610と選択スイッチ620とが設けられている。
リセットスイッチ610および選択スイッチ620のソース・ドレイン領域はPウェルの中に形成されたNウェルである。
そして、図16に示されるように、リセットスイッチ610のドレイン610Dと選択スイッチ620のソース610Sは共通化されている。
【００６２】
リセットスイッチ610のソース610SはGNDに接続されている。
また、選択スイッチ620のドレイン610Dは、AD変換器640に接続されている。
なお、図16中において、リセットスイッチ610のゲートを610Gで表し、選択スイッチのゲートを610Gで表わす。
【００６３】
センサ電極は5つに分割されているところ、どの電極511、512、513、514、515からの信号を取り出すかは、どの選択スイッチ620をONにするかによる。
また、選択スイッチを設けるにあたっては、図17に示すように、Ｘ方向の選択線651とＹ方向の選択線652とを格子状に設けておき、行選択スイッチ621と列選択スイッチ622とをそれぞれ選択するようにして、所望の電極511−515が選択されるようにしてもよい。
【００６４】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
上記実施形態においては、垂直応力を二枚の電極板の距離の変化から検出する場合を例示したが、センサ装置（センシング要素）の構成としては、垂直応力を検出できるものであれば特に限定されるものではない。
センサ装置の構成としては、センサ構造部をMEMS（Micro Electro Mechanical Systems）として基板に集積化し、さらに、集積回路も半導体基板に集積化し、センサ構造部のMEMSと集積回路の半導体基板とを接合して一つの集積化されたセンサ素子チップとすることが好ましい。
ただし、センサ装置は必ずしも集積化されていなくてもよく、たとえばセンサ構造部と信号処理部とがそれぞれ別体であって、互いに近接して配置されていてもよい。
【００６５】
上記実施形態では、垂直応力検出センサユニットが力検知シート層部に埋設されている場合を例示したが、力検知突起部の変形を検知できればよいので、垂直応力検出センサユニットは力検知シート層部の直下に配置されていてもよい。
【符号の説明】
【００６６】
10…ロボット、12…ハンド部、13…対象物、14…接触センサユニット、16…基部、20…触覚センサ装置、31…変形部材、32…歪センサ、32a…平板（カンチレバー）、32b…歪ゲージ、41…カンチレバー、42…弾性体、100…シート状触覚センサシステム、200…シート層部、210…外装シート層部、212…外側突起部、220…媒介層部、230…力検知シート層部、232…力検知突起部、300…垂直応力検出センサユニット、310…中央部検出センサ装置、321、322、323、324…縁部検出センサ装置、400…検出センサ装置、410…センサ構造部、420…構造本体部、421…力検知部、422…薄肉部、423…支持枠部、424…凹部、430…センサ電極、440…センサ電極、450…半導体基板、451…再配線層、452…集積回路、453…外部端子、460…接着層、461…ビア、500…センサ装置、511…中央電極、511、512、513、514、515…電極、521…低誘電率膜、522…高誘電率膜、610…リセットスイッチ、610D…ドレイン、610S…ソース、610G…ゲート、620…選択スイッチ、620D…ドレイン、620S…ソース、620G…ゲート、621…行選択スイッチ、622…列選択スイッチ、640…AD変換器、651…X方向選択線、652…Y方向選択線。
【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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