(57)【要約】【課題】  物体との接触箇所に生じる微少変形を好適に測定することのできる触覚センサ及びその製造方法を提供する。【解決手段】  触覚センサ１０は、ヒンジ部によって支持された感応部を備える構造体と、感応部の姿勢を検出する検出部と、構造体のうち少なくとも感応部を覆う弾性体１４と、を備える。この触覚センサ１０は、ヒンジ部及び感応部の表面にピエゾ抵抗膜を形成する工程と、感応部に導体且つ磁性体である物質膜を形成する工程と、構造体に対して磁場を加える工程と、構造体のうち少なくとも感応部を弾性体により覆う工程と、によって製造することができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒンジ部によって支持された感応部を備える構造体と、
前記感応部の姿勢を検出する検出部と、
前記構造体のうち少なくとも前記感応部を覆う弾性体と、
を備えることを特徴とする触覚センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の触覚センサにおいて、
前記感応部は平板状に形成される、
ことを特徴とする触覚センサ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の触覚センサにおいて、
前記構造体はカンチレバー構造を有する、
ことを特徴とする触覚センサ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の触覚センサにおいて、
前記構造体を少なくとも２つ備え、
前記各構造体は、前記感応部の姿勢の変化方向が互いに異なるよう設けられる、
ことを特徴とする触覚センサ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の触覚センサにおいて、
前記構造体は前記ヒンジ部を少なくとも２つ備え、
前記各ヒンジ部表面にはピエゾ抵抗が形成され、
前記感応部は前記各ヒンジ部のピエゾ抵抗を電気的に結合し、
前記検出部は前記各ヒンジ部の抵抗値の合計を前記感応部の姿勢として検知する、
ことを特徴とする触覚センサ。
【請求項６】
請求項５に記載の触覚センサにおいて、
前記各ヒンジ部は同一形状を有し、同一面上に平行して設けられる、
ことを特徴とする触覚センサ。
【請求項７】
ヒンジ部によって支持された感応部を備える構造体と、
前記感応部の姿勢を検出する検出部と、
前記構造体のうち少なくとも前記感応部を覆う弾性体と、
を備える触覚センサの製造方法であって、
前記ヒンジ部及び前記感応部の表面にピエゾ抵抗膜を形成する工程と、
前記感応部に導体且つ磁性体である物質膜を形成する工程と、
前記構造体に対して磁場を加える工程と、
前記構造体のうち少なくとも前記感応部を弾性体により覆う工程と、
を含むことを特徴とする触覚センサの製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の触覚センサの製造方法において、
前記磁場を加える工程は、前記構造体に対して磁場を掛けた状態で、少なくとも前記ヒンジ部の周囲に固体膜を形成する工程を含む、
ことを特徴とする触覚センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は触覚センサ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットハンドによって物体を好適に操作するためには、把持力はもちろん、接触面に生じる摩擦力などの各種接触状態を計測する必要がある。このため、これらの接触状態を物体との接触箇所において直接計測する触覚センサが必要となる。
【０００３】
この点、下記特許文献１には、指状に形成された弾性体中に複数の歪みゲージを埋め込み、それら歪みゲージによって物体と弾性体との接触状態を検出する接触センサの構成が開示されている。この構成によれば、物体と弾性体との接触によって弾性体が変形すると、それにより歪みゲージも変形するので、この歪みゲージの変形量を該歪みゲージの出力から得ることで、物体と弾性体との接触状態を検出できる。
【特許文献１】特開２０００−２５４８８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
歪みゲージにより弾性体の微少変形を測定しようとすれば、歪みゲージを剛性の高い平板上に貼り付ける必要があるが、歪みゲージを剛性の高い平板とともに弾性体に埋め込むと、弾性体の変形を妨げてしまう。一方、このような平板を用いず、歪みゲージを直接弾性体に埋め込むと、歪みゲージの抵抗が変化し難く、弾性体の微少変形を測定することができない。このため、上記従来技術では、いずれにしても弾性体の微少変形を測定することが困難である。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、物体との接触箇所に生じる微少変形を好適に測定することのできる触覚センサ及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る触覚センサは、ヒンジ部によって支持された感応部を備える構造体と、前記感応部の姿勢を検出する検出部と、前記構造体のうち少なくとも前記感応部を覆う弾性体と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、弾性体により覆われる感応部はヒンジ部により支持されるので、弾性体の変形が構造体によって妨げられ難く、故に、弾性体における物体との接触部分に生じる微少変形を好適に測定することができる。
【０００８】
なお、前記感応部は平板状に形成されてよい。こうすれば、弾性体の微少変形を、効率的に感応部の姿勢変更に転換することができ、弾性体に生じる微少変形を好適に測定することができる。また、弾性体の変形のうち、平板状の感応部の厚さ方向の成分を好適に計測できるようになる。
【０００９】
また、前記構造体はカンチレバー（片持ち梁）構造を有してよい。こうすれば、弾性体の微少変形をより妨げないようにできる。
【００１０】
また、前記構造体が少なくとも２つ備えられ、前記各構造体が、前記感応部の姿勢の変化方向が互いに異なるよう設けられるようにしてもよい。こうすれば、弾性体における複数方向の変形を計測することができる。
【００１１】
また、前記構造体が前記ヒンジ部を少なくとも２つ備え、前記各ヒンジ部表面にはピエゾ抵抗が形成され、前記感応部は前記各ヒンジ部のピエゾ抵抗を電気的に結合し、前記検出部は前記各ヒンジ部の抵抗値の合計を前記感応部の姿勢として検知するようにしてもよい。こうすれば、ヒンジ部に形成されたピエゾ抵抗の端部の電圧及び電流を計測することで、各ヒンジ部の抵抗値の合計を取得することができ、これにより感応部の姿勢を検知できる。
【００１２】
この場合、前記各ヒンジ部が同一形状を有し、同一面上に平行して設けられるようにしてもよい。こうすれば、感応部が、各ヒンジ部が設けられた面に平行な動きをした場合に、一方のヒンジ部が延び、他方のヒンジ部が縮むことになる。このため、各ヒンジ部の抵抗値の合計が変化し難くなり、このような感応部の動きが検知部により検知され難くできる。
【００１３】
また、本発明に係る触覚センサの製造方法は、ヒンジ部によって支持された感応部を備える構造体と、前記感応部の姿勢を検出する検出部と、前記構造体のうち少なくとも前記感応部を覆う弾性体と、を備える触覚センサの製造方法であって、前記ヒンジ部及び前記感応部の表面にピエゾ抵抗膜を形成する工程と、前記感応部に導体且つ磁性体である物質膜を形成する工程と、前記構造体に対して磁場を加える工程と、前記構造体のうち少なくとも前記感応部を弾性体により覆う工程と、を含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、上記磁場を加える工程において、磁場と上記導体且つ磁性体である物質膜とが作用し、感応部の姿勢が変化する。そして、このようにして姿勢が変化した感応部を弾性体により覆うことができる。
【００１５】
なお、前記磁場を加える工程は、前記構造体に対して磁場を掛けた状態で、少なくとも前記ヒンジ部の周囲に固体膜を形成する工程を含んでよい。こうすれば、弾性体により感応部を覆う際に、感応部の姿勢が変化したり、或いは破損したりする事態を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図面に基づき詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の実施形態に係る触覚センサの全体構造を示す斜視図である。また、図２は、図１に示す触覚センサ１０に備えられる構造体１２の拡大斜視図である。この構造体１２の二次元配列であるセンサ基板１６が弾性体１４中に埋め込まれることで、本実施形態に係る触覚センサ１０が得られる。構造体１２を備えるセンサ基板１６は、いわゆるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術によって形成されており、シリコンを主材料としている。一方、弾性体１４は、例えばゴム等を主成分としている。
【００１８】
図２に示すように、構造体１２はセンサ基板１６中に開設された開口２０ｄの縁部から延伸するカンチレバー（片持ち梁）構造を有している。このカンチレバー構造は、平板状の感応部２０ｃと、該感応部２０ｃの基部にその一端が連結され、他端が開口２０ｄの縁部に連結された一対のヒンジ部２０ａ及び２０ｂと、から構成されている。感応部２０及びヒンジ２０ａ，２０ｂからなるカンチレバー構造は、同図ではセンサ基板１６の表面から起立しており、感応面の法線方向がセンサ基板１６の表面に対して略平行となっている。センサ基板１６に備えられる構造体１２には、このようにカンチレバー構造が起立した状態で弾性体１４に埋め込まれるものの他、起立しない状態、すなわち感応部２０ｃの法線方向がセンサ基板１６の表面に対して垂直の状態で弾性体１４に埋め込まれるものも含まれる。
【００１９】
すなわち、図１に示すように、センサ基板１６では、図１に示す構造を有する構造体１２が二次元配列を構成している。そして、この配列の３列おきに、図中Ｙ方向に感応部２０ｃの法線方向が向いた状態の構造体１２Ｙが形成され、それらの隣の列には図中Ｘ方向に感応部２０ｃの法線方向が向いた状態の構造体１２Ｘが形成され、さらにそれらの隣の列には図中Ｚ方向に感応部２０ｃの法線方向が向いた状態の構造体１２Ｚが形成されている。ここで、構造体１２Ｘ及び１２Ｙは、センサ基板１６に対して起立した状態のカンチレバー構造を有しており、構造体１２Ｚは、センサ基板１６に対して起立していない状態のカンチレバー構造を有している。また、図１においてＸ及びＹ方向は互いに垂直であって、いずれもセンサ基板１６に平行な方向である。また、Ｚ方向はセンサ基板１６の法線方向である。
【００２０】
後述するように、構造体１２Ｘは弾性体１４の変形のうちＸ方向の成分を分離して検知し、構造体１２Ｙは弾性体１４の変形のうちＹ方向の成分を分離して検知し、構造体１２Ｚは弾性体１４の変形のうちＺ方向の成分を分離して検知する。このため、これらの検知出力を総合することで、弾性体１４に加えられた力の向き及び場所を容易に得ることができる。
【００２１】
ここで、構造体１２についてさらに詳細に説明する。図３は、カンチレバー構造が起立する前の状態の構造体１２（特に１２Ｘ及び１２Ｙ）を示す平面図である。同図に示すように、構造体１２は、感応部２０ｃとヒンジ部２０ａ，２０ｂと電極２０ｅ，２０ｆを備えており、感応部２０ｃは、センサ基板１６に設けられた開口２０ｄの中央に配置されており、極薄い矩形平板状に形成され、その表面に導電性磁性体膜が形成されている。ヒンジ部２０ａ，２０ｂは、ともに極薄い長方形の平板状の同一形状に形成され、その表面にピエゾ抵抗膜が形成されている。また、各一端は開口２０ｄの縁部と繋がっており、各他端は感応部２０ｃの一辺に繋がっており、ともに同一面上に形成され、両者は平行に離間して設けられている。感応部２０ｃの導電性磁性体膜はヒンジ部２０ａ，２０ｂのピエゾ抵抗膜と導通している。また、開口２０ｄの縁部周縁のうち、ヒンジ部２０ａ，２０ｂが連結された部分には、感応部２０ｃと同じ導電性磁性体膜からなる電極２０ｅ，２０ｆが設けられており、電極２０ｅはヒンジ部２０ａと、電極２０ｆはヒンジ部２０ｂと導通している。このため、電極２０ｅから、ヒンジ部２０ａのピエゾ抵抗膜を通じて感応部２０ｃの導電性磁性体膜に至り、さらにそこからヒンジ部２０ｂのピエゾ抵抗膜を通じて電極２０ｆに至る電気回路が形成されている。このため、電極２０ｅ及び２０ｆ間に電圧を掛け、その電流値を計測することにより、ヒンジ部２０ａ及び２０ｂの抵抗値の合計を得ることができる。上述したように構造体１２は弾性体１４中に埋め込まれるから、弾性体１４の変形に応じて感応部２０ｃの姿勢は変化する。このとき、ヒンジ部２０ａ，２０ｂの屈曲量も変化し、それに応じてヒンジ部２０ａ及び２０ｂの抵抗値の合計も変化する。このため、ヒンジ部２０ａ及び２０ｂの抵抗値の合計を計測することで、弾性体１４の変形量を得ることができる。なお、ヒンジ部２０ａ，２０ｂ及び感応部２０ｃからなる部分は、ヒンジ部２０ａ，２０ｂと同一平面且つ両者から等距離の直線に関し、左右対称に形成されているから、後述のようにヒンジ部２０ａが伸張する場合にはヒンジ部２０ｂがそれに応じて縮み、ヒンジ部２０ｂが伸張する場合にはヒンジ部２０ａがそれに応じて縮む。この結果、感応部２０ｃに対してＸ正又は負方向に力が加えられても、ヒンジ部２０ａ，２０ｂの抵抗値の合計が変化し難いようになっている。
【００２２】
なお、ヒンジ部２０ａ，２０ｂの厚さは感応部２０ｃの幅の１００分の１未満であり、１μｍ以下の厚さで形成されている。このため、他の方向と比較して、厚み方向に顕著に変形する。１μｍ以下で極薄く作成されたヒンジ部２０ａ，２０ｂは弾性変形する領域が広く、破損することなく大きく変形することができる。
【００２３】
また、カンチレバー構造の直下には可動域（空間領域）が形成され、この領域に弾性体１４が流入することになる。この空間領域は、例えば感応部２０ｃの面積よりも長さ及び幅ともに（例えば１０μｍ以上）広い。これにより、感応部２０ｃは全方向にその姿勢変更が許容される。
【００２４】
また、構造体１２の二次元配列であるセンサ基板１６は弾性体１４中に埋め込まれる。弾性体１４中に埋め込まれたカンチレバー構造は弾性体１４の変形に従って姿勢変化する。この姿勢変化を検知することで、弾性体１４の変形を検出することができる。弾性体１４は、カンチレバー構造を保護する役割を果たすとともに、１つのカンチレバー構造の検知範囲を、その周囲に拡大する役割を果たしている。
【００２５】
ここで、触覚センサ１０の製造方法について説明する。図４乃至図９は、触覚センサ１０の製造過程における構造体１２の縦断面を示しており、図４乃至図７は、図３におけるＡ−Ａ’線における縦断面を示し、図８及び図９は、図３におけるＢ−Ｂ’線における縦断面を示している。図４乃至図９において、網点は不純物層を示し、斜線はシリコン層を示し、網掛けは導電性磁性体膜を示している。また、シリコン層に挟まれた白抜きの部分は酸化膜（ＳｉＯ２）を示している。
【００２６】
本実施形態に係る触覚センサ１０を製造する場合、まずＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウェハを用意し、図４に示すように、その表面に熱拡散法等により不純物をドープし、Ｐ型の抵抗領域（網点部分）を形成する。次に、スパッタリングによりＣｒ／Ｎｉ等の導電性磁性体層をパターニングし、導電性磁性体層をマスクとして、その他の領域を反応性イオンエッチング等によりエッチングする（図５参照）。これにより、導電性磁性体膜が形成されていない領域について、不純物層及びシリコン層を除去することができる。次に、ヒンジ部２０ａ（２０ｂも同様）の表面に形成された導電性磁性体膜を選択的にエッチングする（図６参照）。その後、反応性イオンエッチング等により、センサ基板１６の裏面のうち、開口２０ｄの部分、及び感応部２０ｃ並びにヒンジ部２０ａ，２０ｂの裏面側の部分をエッチングし、さらにその部分に現れる酸化膜をＨＦガス等を用いてエッチングする（図７参照）。こうして、センサ基板１６の主材料であるＳＯＩウェハに開口２０ｄを形成するとともに、その縁部から延伸する２本の薄膜状のヒンジ部２０ａ，２０ｂにより、薄膜状の感応部２０ｃを支持する構造を得ることができる。
【００２７】
本実施形態では、このようにして形成された構造体１２を備えるセンサ基板１６に対し、その裏面側から磁場Ｂを加えている。これにより、各構造体１２の感応部２０ｃ上に形成された導電性磁性体膜と磁場Ｂとが作用し、感応部２０ｃが起立する。このとき、構造体１２のうち、構造体１２Ｘ及び１２Ｙについては感応部２０ｃ上に導電性磁性体膜を形成し、構造体１２Ｚについては感応部２０ｃ上に導電性磁性体膜を形成しないようにしている。このため、構造体１２Ｘ及び１２Ｙについてのみ、感応部２０ｃが起立し、構造体１２Ｚについては、感応部２０ｃは起立しない。センサ基板１６に対して磁場Ｂを加え、各構造体１２の感応部２０ｃを選択的に起立させた状態で、本実施形態では、パリレンＣ等の固体膜を蒸着させている。これにより、感応部２０ｃの姿勢を維持し、また構造体１２を保護するようにしている。なお、流動性の高い（粘性の低い）弾性体材料を、長時間を掛けて流入させる等すれば、この固体膜を蒸着させる工程は不要である。その後、液状の弾性体材料をセンサ基板１６上に流し込み、センサ基板１６全体を弾性体１４で覆うようにしている（図９参照）。
【００２８】
本実施形態によれば、弾性体１４により覆われる感応部２９ｃはヒンジ部２０ａ，２０ｂにより支持されるので、弾性体１４の変形が構造体１２によって妨げられ難く、故に、弾性体１２における物体との接触部分に生じる微少変形を好適に測定することができる。
【００２９】
また、感応部２０ｃを平板状に形成し、ヒンジ部２０ａ及び２０ｂにより、感応部２０ｃをその厚さ方向に顕著に傾動容易に設けているので、弾性体１４内部の変形のうち、感応部２０ｃの厚さ方向の成分を分離して検知できるようになる。
【００３０】
また、ヒンジ部２０ａ及び２０ｂは同一形状であって、同一面上に形成されているので、感応部２０ｃに対して横向きに力が加わった場合、一方のヒンジ部２０が延び、他方のヒンジ部２０が縮むことになる。このため、ヒンジ部２０ａ及び２０ｂの抵抗値の合計は不変となり、このような力が検知出力に影響を与えることを防ぐことができる。
【実施例】
【００３１】
本実施形態の有効性を実証するため、図１０に示す寸法のピエゾ抵抗付きカンチレバー構造の２×２個の二次元配列を作成し、それを弾性体に埋め込むことによって、表面積１９×１９ｍｍ２、厚さ２ｍｍの触覚センサを作成した。弾性体にピエゾ抵抗付きカンチレバーの配列を埋め込む際には、配列全面にパリレンＣ層を約１μｍ蒸着させた。配列を覆う弾性体としては、剛性が比較的高い凝固剤とゴムとを体積分量で１：５の割合で混合したＰＤＭＳ（Poly Dimethyl Siloxane）を用いた。
【００３２】
また、データ測定の容易のため、配列を銅基板上に接着し、銅基板上に形成した回路に配線した。実験では、この回路に半導体パラメータアナライザを接続して各種測定を行った。
【００３３】
具体的には、まず０．７〜６．６ｋＰａの範囲の剪断応力を弾性体表面に加えた。剪断応力を加える場合には、弾性体の表面を覆うようにガラス基板を接着し、これに細いワイヤを固定し、ワイヤを引くことにより弾性体表面を変形させた。ワイヤには初期状態で０．２Ｎの加重を加え、実験中、これが緩むことがないようにした。
【００３４】
さらに、０〜５．５ｋＰａの圧力を弾性体表面に加えた。圧力を加える際には、弾性体表面をガラス基板にて覆い、さらにガラス基板上にアクリル四角柱を載置し、このアクリル四角柱の頂部に錘を置くことで、弾性体表面を均等に加圧することとした。
【００３５】
図１１は、図２におけるＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向に力を加えた場合における、ヒンジ部の抵抗値の合計の変化率を示している。同図（ａ）において、黒色の三角はＸ正方向に剪断応力を加えた場合を示し、黒色の丸はＸ負方向に剪断応力を加えた場合を示し、黒色の三角はＹ正方向に剪断応力を加えた場合を示し、十字はＹ負方向に剪断応力を加えた場合を示している。さらに、点線はＸ正方向の剪断応力に対するセンサ応答の近似曲線を示しており、実線はＸ負方向の剪断応力に対するセンサ応答の近似曲線を示している。また、同図（ｂ）において、×印はＺ方向に圧力を加えた場合を示している。
【００３６】
同図（ａ）に示すように、Ｘ方向への剪断応力に対して決定係数Ｒ２＝０．９８３という高い線形性を示し、同方向への剪断応力に対する抵抗値変化率がΔｒ／ｒ＝１．３５×１０−３×τという応答を示した。但し、Δｒ／ｒはセンサの初期抵抗値に対する抵抗値の変化率であり、τ［ｋＰａ］は触覚センサに加えられた応力の大きさである。
【００３７】
また、同図（ａ）及び（ｂ）より、触覚センサのＸ方向の剪断応力に対するＸ方向の応答と比して、Ｙ方向及びＺ方向の応答は非常に低いことが示される。従って、本実施形態に係る触覚センサは、弾性体表面に加えられた力のうち任意の成分を分離検出することができることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態に係る触覚センサの概略全体構成を示す図である。
【図２】触覚センサに含まれる構造体の拡大斜視図である。
【図３】製造途中の構造体の平面図である。
【図４】触覚センサの製造工程を示す縦断面図である。
【図５】触覚センサの製造工程を示す縦断面図である。
【図６】触覚センサの製造工程を示す縦断面図である。
【図７】触覚センサの製造工程を示す縦断面図である。
【図８】触覚センサの製造工程を示す縦断面図である。
【図９】触覚センサの製造工程を示す縦断面図である。
【図１０】実施例に係る構造体の寸法を示す図である。
【図１１】センサ表面に複数方向の力を加えた場合における、ヒンジ部の抵抗値の合計の変化率を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  触覚センサ、１２  構造体、１４  弾性体、１６  センサ基板、２０ａ，２０ｂ  ヒンジ部、２０ｃ  感応部、２０ｄ  開口、２０ｅ，２０ｆ  電極。
【図１】
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【図２】
2006208248.tif 000004
【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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