(57)【要約】【課題】センサ装置の用途に応じてセンサ特性を異なるようにする。【解決手段】センサシステムは、複数のセンサ装置を具備する。センサ装置は、センサ素子と、外表面を構成する外層部と、センサ素子と外層部との間に設けられた内層部と、を有する。内層部および外層部の形状の組み合わせ、または、内層部および外層部の物性の組み合わせを変化させることにより、各センサ装置の検出対象または用途に応じてセンサ装置ごとに検出特性が異なる。【選択図】図5
2011085435.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセンサ装置を具備するセンサシステムであって、
前記センサ装置は、センサ素子と、外表面を構成する外層部と、前記センサ素子と前記外層部との間に設けられた内層部と、を有し、
前記内層部および前記外層部の形状の組み合わせ、または、前記内層部および前記外層部の物性の組み合わせを変化させることにより、各センサ装置の検出対象または用途に応じてセンサ装置ごとに検出特性が異なっている
ことを特徴とするセンサシステム。
【請求項２】
請求項1に記載のセンサシステムにおいて、
前記内層部および前記外層部の硬さの組み合わせを変えることにより、外部から作用する力に対するセンサ装置ごとの応答速度および感受特性を変化させる
ことを特徴とするセンサシステム。
【請求項３】
請求項1に記載のセンサシステムにおいて、
前記内層部および前記外層部の厚みの組み合わせを変えることにより、外部から作用する力に対するセンサ装置ごとの応答速度および感受特性を変化させる
ことを特徴とするセンサシステム。
【請求項４】
請求項1に記載のセンサシステムにおいて、
前記内層部および前記外層部の熱伝導率および熱容量の組み合わせを変えることにより、外部から作用する熱に対するセンサ装置ごとの応答速度および感受特性を変化させる
ことを特徴とするセンサシステム。
【請求項５】
請求項1から請求項4のいずれかに記載のセンサシステムにおいて、
複数のセンサ装置が一次元的または二次元的に配設されており、
外部からの力または熱に対する応答速度が速いセンサ装置の方が、応答速度が遅いセンサ装置よりも多く配設されている
ことを特徴とするセンサシステム。
【請求項６】
請求項1から請求項5のいずれかに記載のセンサシステムにおいて、
前記内層部および前記外層部はセンサ装置ごとに分離している
ことを特徴とするセンサシステム。
【請求項７】
請求項1から請求項5のいずれかに記載のセンサシステムにおいて、
複数のセンサ装置で前記外層部が共通化されている
ことを特徴とするセンサシステム。
【請求項８】
請求項1から請求項5のいずれかに記載のセンサシステムにおいて、
複数のセンサ装置で前記内層部が共通化されている
ことを特徴とするセンサシステム。
【請求項９】
請求項1から請求項8のいずれかに記載のセンサシステムにおいて、
各センサ装置の内層部および外層部が側面部に垂直面を有する板蒲鉾形状であり、
複数のセンサ装置が横方向に並置されている
ことを特徴とするセンサシステム。
【請求項１０】
請求項1から請求項9のいずれかに記載のセンサシステムにおいて、
外層部の外表面に筋状の突起部が設けられている
ことを特徴とするセンサシステム。
【請求項１１】
請求項1から請求項9のいずれかに記載のセンサシステムにおいて、
外層部の外表面に複数の柱状突起部が設けられている
ことを特徴とするセンサシステム。
【請求項１２】
請求項1から請求項9のいずれかに記載のセンサシステムにおいて、
外層部の外表面に同心円あるいはスパイラル状の筋状突起部が設けられている
ことを特徴とするセンサシステム。
【請求項１３】
請求項1から請求項9のいずれかに記載のセンサシステムにおいて、
外層部の外表面が球状または錐台状の突起部で覆われている
ことを特徴とするセンサシステム。
【請求項１４】
請求項1から請求項9のいずれかに記載のセンサシステムにおいて、
センサ装置は外部に突き出た針状体を有し、
前記針状体は、その根元部が内層部に埋設され、先端部が外層部から外部へ突き出ている
ことを特徴とするセンサシステム。
【請求項１５】
請求項14に記載のセンサシステムにおいて、
前記針状体の根元部は幅広に広がった形状である
ことを特徴とするセンサシステム。
【請求項１６】
請求項14または請求項15に記載のセンサシステムにおいて、
前記針状体は、接地面に対して傾斜するように設けられている
ことを特徴とするセンサシステム。
【請求項１７】
請求項14または請求項15に記載のセンサシステムにおいて、
前記針状体は、接地面に対して垂直に設けられている
ことを特徴とするセンサシステム。
【請求項１８】
請求項14から請求項17のいずれかに記載のセンサシステムにおいて、
一つのセンサ装置に複数の針状体が設けられている
ことを特徴とするセンサシステム。
【請求項１９】
請求項18に記載のセンサシステムにおいて、
針状体は、それぞれ異なる向きに設けられている
ことを特徴とするセンサシステム。
【請求項２０】
請求項1から請求項19のいずれかに記載のセンサシステムにおいて、
一つのセンサ装置は、複数のセンサ素子を有し、各センサ素子からの検出結果の差分を利用する
ことを特徴とするセンサシステム。
【請求項２１】
請求項20に記載のセンサシステムにおいて、
外層部の一部が内層部の内側に向かって舌形状に延び、複数のセンサ素子が舌形状部を挟むように配置されている
ことを特徴とするセンサシステム。
【請求項２２】
請求項1から請求項21のいずれかに記載のセンサシステムにおいて、
センサ素子は、その表面に凹凸を有する
ことを特徴とするセンサシステム。
【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）に設けられ、対象物との接触を検出する触覚センサ装置に関する。
【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】
人間は、りんごと梨とのように大きさや重さがよく似たもの同士であっても手触りで両者を区別することができる。
ヒューマノイドロボットにも今後はこのような高度なセンシング機能が要求されるが、そのためには様々な種類の触覚センサが必要となる。
例えば、垂直応力、剪断力、滑り、びびり振動、摩擦などの多種類の要素を同時に検知することが必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【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】
【０００５】
微差を区別する高度なセンシング機能は数多くの種類のセンサを設けることで実現できると考えられるが、多種類のセンサを多数用意しなければならない。
これでは製造コストが莫大に増加してしまうという問題が生じる。
また、微細な多種類のセンサを管理することは非常に手間がかかるという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のセンサシステムは、
複数のセンサ装置を具備するセンサシステムであって、
前記センサ装置は、センサ素子と、外表面を構成する外層部と、前記センサ素子と前記外層部との間に設けられた内層部と、を有し、
前記内層部および前記外層部の形状の組み合わせ、または、前記内層部および前記外層部の物性の組み合わせを変化させることにより、各センサ装置の検出対象または用途に応じてセンサ装置ごとに検出特性が異なっている
ことを特徴とする。
【０００７】
本発明では、
前記内層部および前記外層部の硬さの組み合わせを変えることにより、外部から作用する力に対するセンサ装置ごとの応答速度および感受特性を変化させる
ことが好ましい。
【０００８】
本発明では、
前記内層部および前記外層部の厚みの組み合わせを変えることにより、外部から作用する力に対するセンサ装置ごとの応答速度および感受特性を変化させる
ことが好ましい。
【０００９】
本発明では、
前記内層部および前記外層部の熱伝導率および熱容量の組み合わせを変えることにより、外部から作用する熱に対するセンサ装置ごとの応答速度および感受特性を変化させる
ことが好ましい。
【００１０】
本発明では、
複数のセンサ装置が一次元的または二次元的に配設されており、
外部からの力または熱に対する応答速度が速いセンサ装置の方が、応答速度が遅いセンサ装置よりも多く配設されている
ことが好ましい。
【００１１】
本発明では、
前記内層部および前記外層部はセンサ装置ごとに分離している
ことが好ましい。
【００１２】
本発明では、
複数のセンサ装置で前記外層部が共通化されている
ことが好ましい。
【００１３】
本発明では、
複数のセンサ装置で前記内層部が共通化されている
ことが好ましい。
【００１４】
本発明では、
各センサ装置の内層部および外層部が側面部に垂直面を有する板蒲鉾形状であり、
複数のセンサ装置が横方向に並置されている
ことが好ましい。
【００１５】
本発明では、
外層部の外表面に筋状の突起部が設けられている
ことが好ましい。
【００１６】
本発明では、
外層部の外表面に複数の柱状突起部が設けられている
ことが好ましい。
【００１７】
本発明では、
外層部の外表面に同心円あるいはスパイラル状の筋状突起部が設けられている
ことが好ましい。
【００１８】
本発明では、
外層部の外表面が球状または錐台状の突起部で覆われている
ことが好ましい。
【００１９】
本発明では、
センサ装置は外部に突き出た針状体を有し、
前記針状体は、その根元部が内層部に埋設され、先端部が外層部から外部へ突き出ている
ことが好ましい。
【００２０】
本発明では、
前記針状体の根元部は幅広に広がった形状である
ことが好ましい。
【００２１】
本発明では、
前記針状体は、接地面に対して傾斜するように設けられている
ことが好ましい。
【００２２】
本発明では、
前記針状体は、接地面に対して垂直に設けられている
ことが好ましい。
【００２３】
本発明では、
一つのセンサ装置に複数の針状体が設けられている
ことが好ましい。
【００２４】
本発明では、
針状体は、それぞれ異なる向きに設けられている
ことが好ましい。
【００２５】
本発明では、
一つのセンサ装置は、複数のセンサ素子を有し、各センサ素子からの検出結果の差分を利用する
ことが好ましい。
【００２６】
本発明では、
外層部の一部が内層部の内側に向かって舌形状に延び、複数のセンサ素子が舌形状部を挟むように配置されている
ことが好ましい。
【００２７】
本発明では、
センサ素子は、その表面に凹凸を有する
ことが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】多数のセンサ装置を配置した触覚センサシステムをロボットのハンドに適用した様子を示す図。
【図２】バスに複数のセンサ装置を配置した様子を示す図。
【図３】センサ素子を表面側からみた斜視図。
【図４】センサ素子の断面図。
【図５】センサ装置の断面図。
【図６】内層部、外層部が有する弾性定数、ダンピングファクターを表現した図。
【図７】内層部と外層部との硬さの組み合わせを変えた場合の検出信号の例を示す図。
【図８】内層部と外層部との硬さの組み合わせを変えた場合の検出信号の例を示す図。
【図９】内層部と外層部との硬さの組み合わせを変えた場合の検出信号の例を示す図。
【図１０】内層部と外層部との硬さの組み合わせを変えた場合の検出信号の例を示す図。
【図１１】第2実施形態を示す図。
【図１２】内層部および外層部がともに熱伝導率が高めで比熱が小さい場合の検出信号の例を示す図。
【図１３】内層部および外層部がともに熱伝導率が低めで比熱が大きい場合の検出信号の例を示す図。
【図１４】内層部および外層部のいずれか一方の熱伝導率が低めで比熱が大きく、いずれか他方の熱伝導率が高めで比熱が小さい場合の検出信号の例を示す図。
【図１５】内層部の熱伝導率が低めで比熱が大きく、外層部の熱伝導率が高めで比熱が大きく、熱が連続パルスのようにかかった場合の検出信号の例を示す図。
【図１６】二つのセンサ装置を組み合わせた例を示す図。
【図１７】第4実施形態を示す図。
【図１８】第4実施形態において、第1センサ装置の応答を示す図。
【図１９】第4実施形態において、第2センサ装置の応答を示す図。
【図２０】第5実施形態を示す図。
【図２１】第5実施形態において、第1センサ装置の応答を示す図。
【図２２】第5実施形態において、第2センサ装置の応答を示す図。
【図２３】互いに異なる検出特性を有するセンサ装置を一次元的に並べる例を示す図。
【図２４】互いに異なる検出特性を有するセンサ装置を一次元的に並べる例を示す図。
【図２５】一次元配列に対して上下の幅を加えるようにした場合の配置例を示す図。
【図２６】互いに異なる検出特性を有するセンサ装置を二次元的に並べる例を示す図。
【図２７】互いに異なる検出特性を有するセンサ装置を二次元的に並べる例を示す図。
【図２８】センサ装置200の外表面に接線応力がかかった場合を示す図。
【図２９】対比説明のための図。
【図３０】第8実施形態において、センサ装置の設置形態を示す図。
【図３１】第8実施形態において、センサ装置の設置形態を示す図。
【図３２】第8実施形態において、センサ装置の設置形態を示す図。
【図３３】第8実施形態において、センサ装置の設置形態を示す図。
【図３４】第8実施形態において、センサ装置の設置形態を示す図。
【図３５】第9実施形態において、センサ装置の形状の例を示す図。
【図３６】第9実施形態において、センサ装置の形状の例を示す図。
【図３７】第9実施形態において、センサ装置の形状の例を示す図。
【図３８】第9実施形態において、センサ装置の形状の例を示す図。
【図３９】第9実施形態において、センサ装置の形状の例を示す図。
【図４０】第9実施形態において、センサ装置の形状の例を示す図。
【図４１】第10実施形態として、センサ装置に針状体を設けた場合を示す図。
【図４２】第10実施形態として、センサ装置に針状体を設けた場合を示す図。
【図４３】第10実施形態として、センサ装置に針状体を設けた場合を示す図。
【図４４】第10実施形態として、センサ装置に針状体を設けた場合を示す図。
【図４５】第10実施形態として、センサ装置に針状体を設けた場合を示す図。
【図４６】第10実施形態として、センサ装置に針状体を設けた場合を示す図。
【図４７】第11実施形態として、一つのセンサ装置内に複数のセンサ素子を設けた場合を示す図。
【図４８】第11実施形態として、一つのセンサ装置内に複数のセンサ素子を設けた場合を示す図。
【図４９】第11実施形態として、一つのセンサ装置内に複数のセンサ素子を設けた場合を示す図。
【図５０】第11実施形態として、一つのセンサ装置内に複数のセンサ素子を設けた場合を示す図。
【図５１】第11実施形態として、一つのセンサ装置内に複数のセンサ素子を設けた場合を示す図。
【図５２】第11実施形態として、一つのセンサ装置内に複数のセンサ素子を設けた場合を示す図。
【図５３】第11実施形態として、一つのセンサ装置内に複数のセンサ素子を設けた場合を示す図。
【図５４】第11実施形態として、一つのセンサ装置内に複数のセンサ素子を設けた場合を示す図。
【図５５】第11実施形態として、一つのセンサ装置内に複数のセンサ素子を設けた場合を示す図。
【図５６】第12実施形態として、内層部および外層部の形状の例を示す図。
【図５７】第12実施形態として、内層部および外層部の形状の例を示す図。
【図５８】第12実施形態として、内層部および外層部の形状の例を示す図。
【図５９】第12実施形態として、内層部および外層部の形状の例を示す図。
【図６０】第12実施形態として、内層部および外層部の形状の例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
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）
図1は、多数のセンサ装置を配置した触覚センサシステムをロボットのハンドに適用した様子を示す図である。
【００３０】
本実施形態のセンサ装置は、図1に示すようにロボット10のハンド11あるいはロボットの体表面全体に配置され、全体として触覚センサシステム100を構成するためのものである。
各バス110には複数の触覚センサ装置200が設けられている。
そして、情報中継装置120および集線装置130を介して総てのバス110は情報統合装置140に接続されている。
【００３１】
例えばロボット10のハンド11が対象物（不図示）を掴むなどしてロボット10の表面が対象物に接触すると、各センサ装置200が接触を検知する。
さらに各センサ装置200は、センサ信号のデジタル信号処理を実行する。
そして、デジタル信号処理済みのセンサ信号が各センサ装置200から情報統合装置140に送信される。
情報統合装置140では、センサ装置200からの情報を統合して、どの位置にどの程度の力がかかっているかを検出する。
【００３２】
図2は、バス110に複数のセンサ装置200を配置した様子を示す図である。
図2に示されるように、センサ装置200は、センサ素子400と、センサ素子400を包む内層部500と、外表面を構成する外層部600と、を有する。
まず、センサ素子400について説明する。
【００３３】
図3は、センサ素子400を表面側からみた斜視図である。
図4は、センサ素子400の断面図である。
【００３４】
図4に示すように、センサ素子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。
【００３５】
表側からみて、構造本体部420の中心部には凸状の力伝達部421が設けられ、力伝達部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、力伝達部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、力伝達部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。
【００３６】
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。
【００３７】
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はセンサ素子400の内側に封止されている。
【００３８】
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450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。
【００３９】
なお、上記では、力検知センサを例示したが、センサ素子400としては、圧力検知素子、加速度検知素子、変位検知素子、振動検知素子、温度検知素子であってもよい。
ここでいう変位検知素子とは、外力は小さいが変位が大きな状態を検知する伸展感応型のセンサをいう。
また、振動検知素子とは、力や変位の振動成分を特徴的に検知するセンサをいい、外表面に対象物がこすれたり滑ったりした際のびびり振動などを検知する。
【００４０】
上記のようにセンサ素子400が検出する対象は様々異なっていてもよいが、センサ素子400の表面には凹凸を設けることが好ましい。
このようにセンサ素子400の表面に凹凸があることにより、センサ素子400と内層部500との結合が強くなり、外層部600の表面にかかった力がセンサ素子400に伝達されやすくなる。
また、センサ素子400の表面に凹凸があることにより、内層部500からセンサ素子400に熱が伝わりやすくなる。
【００４１】
また、上記のように、センサ電極430、440、集積回路452がセンサ素子400の内部に封止されるようにすることが好ましい。
内層部500および外層部600を柔軟な樹脂で形成した場合、水分や有機溶剤等が外層部600および内層部500に浸透してくる恐れがある。
このような場合であっても、センサ電極430、440、集積回路452が封止されているので、センサ素子400は十分な耐久性を有する。
【００４２】
図5は、一つのセンサ装置200の断面図である。
センサ素子400は、内層部500に包まれており、さらに内層部500の外側が外層部600によって被覆されている。
内層部500および外層部600は、ともに柔軟樹脂で構成されている。
このとき、外層部600は、図5に示すように、内層部500を完全に包みこんでいてもよい。
【００４３】
触覚センサシステム100には、多数のセンサ装置200が設けられているところ、それぞれのセンサ装置200の用途に応じて、内層部500および外層部600の形状や特性を変化させてセンサ装置200ごとのセンサ特性（感受特性）を異なるようにする。
すなわち、内層部500および外層部600の厚み（形状）、弾性定数、ダンピングファクタ、熱伝導率、熱容量等（物理的性質）の組合せを変える。
これにより、外層部表面からセンサ素子400へ伝わる力や熱の伝達分布を変え、センサ装置200の応答性を変えることができる。
図6は、内層部500、外層部600が有する弾性定数、ダンピングファクターを表現した図である。
【００４４】
内層部500および外層部600を構成する材料としては、シリコーン、ゴム、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、 ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン(PS)、ポリ酢酸ビニルなどが例として挙げられる。
【００４５】
図7、図8、図9、図10は、内層部500と外層部600との硬さの組み合わせを変えた場合の検出信号の例を示す図である。
図7は、内層部500および外層部600がともに硬めの樹脂で構成されている場合の例である。
ここでいう硬めとは、弾性定数が高く、ダンピングファクターが小さいことをいう。
内層部500および外層部600がともに硬めの樹脂で構成されている場合、外部からの刺激が高速にセンサ素子400に伝達される。
すなわち、検出速度が速くなり、外部刺激に対する応答が速くなる。
【００４６】
図8は、内層部500および外層部600がともに柔らかい樹脂で構成されている場合の例である。
ここでいう、柔らかいとは、弾性定数が低く、ダンピングファクターが大きいことをいう。
内層部および外層部がともに柔らかい樹脂で構成されている場合、外部からの刺激がゆっくりとセンサ素子400に伝達される。
すなわち、応答速度が遅く、時間積分的な検出が可能となる。
【００４７】
図9は、内層部500および外層部600のいずれか一方が柔らかな樹脂であり、いずれか他方が硬めの樹脂で構成されている場合の例である。
この場合、外部からの刺激に対する応答速度は速めであるが、比較的大きな変位がセンサ素子400に伝わるようになる。
すなわち、応答速度、検出感度を中程度に調整できる。
また、内層部500が同じでも、センサ装置200ごとに外層部600を変えることでセンサ装置200ごとの応答性を調整できる。
同様に、外層部600が同じでも、センサ装置200ごとに内層部500を変えることでセンサ装置200ごとの応答性を調整できる。
【００４８】
図10は、内層部500が柔らかな樹脂で構成され、外層部600が硬めの樹脂で構成されており、力が連続パルスのようにかかった場合の例である。
印加された力が、位置的にも、時間的にも平均化されて検出されるようになり、検出信号を単純化することができる。
【００４９】
このように内層部500と外層部600とで硬さの組み合わせを変えることにより、センサ装置の応答速度、検出感度を異ならせることができる。
これにより、同一のセンサ素子400を量産した上で、内層部500および外層部600を変えることで種々の用途のセンサ装置200を用意することができる。
【００５０】
（第2実施形態）
第2実施形態として、図11に示すように、内層部500と外層部600とで厚み、熱伝導率、比熱を変えることにより、温度の検出特性を変える場合を説明する。
図12は、内層部500および外層部600がともに熱伝導率が高めで比熱が小さい場合の例である。
この場合、温度応答性を速くできる。
【００５１】
図13は、内層部500および外層部600がともに熱伝導率が低めで比熱が大きい場合の例である。
この場合、温度応答性を遅くできる。
【００５２】
図14は、内層部500および外層部600のいずれか一方の熱伝導率が低めで比熱が大きく、いずれか他方の熱伝導率が高めで比熱が小さい場合の例である。
この場合、温度応答性を中程度に調整することができる。
【００５３】
図15は、内層部500の熱伝導率が低めで比熱が大きく、外層部600の熱伝導率が高めで比熱が大きく、熱が連続パルスのようにかかった場合の例である。
図15に示すように、この場合、熱を平均化して検出することができる。
【００５４】
このように内層部500と外層部600とで熱伝導率、比熱の組み合わせを変えることにより、センサ装置の応答速度、検出感度を異ならせることができる。
これにより、同一のセンサ素子400を量産した上で内層部500および外層部を変えることで種々の用途のセンサ装置を用意することができる。
【００５５】
（第3実施形態）
次に、互いに異なる検出特性を有するセンサ装置を組み合わせた場合について説明する。
図16は、二つのセンサ装置を組み合わせた例である。
なお、図16に示す例では、センサ装置は、底面が平らになるように成形されている。
また、底面部201は硬めの材料で形成されており、外層部600は内層部500の全体を包まないで、内層部500の上面側を覆っている。
【００５６】
図16において、左側のセンサ装置を第1センサ装置210とし、右側のセンサ装置を第2センサ装置220とする。
第1センサ装置210は、外層部610が柔らかくて厚めであり、内層部510が硬めで薄い。
この第1センサ装置210の外表面に外力Fa、Fb、Fcが図16に示すように印加されたとする。
すると、Fbはセンサ素子400で検知されるが、Fa、Fcはセンサ素子400の外側へ逃げてしまってセンサ素子400で検出されない。
このように第1センサ装置210では、中央付近に印加される力Fbを選択的に検知する。
このように第1センサ装置210は、検知領域が中央付近だけであるので、被測定体の角や表面の凹凸、ざらざら度などを検知するのに適している。
【００５７】
第2センサ装置220は、外層部620が柔らかくて薄めであり、内層部520が硬めで厚い。
この第2センサ装置220に外力Fa、Fb、Fcが印加されたとする。
第2センサ装置220では、Fbはもちろん、Fa、Fcもセンサ素子400に伝わる。
そのため、第2センサ装置220は、中央付近に印加される力Fbのみならず、周辺領域にかかった力Fa、Fcも検知する。
このように第2センサ装置220は、中央部分のみならず総ての領域にかかる力を検知するので、被測定体の重さや硬さなどの全体的な特徴を検知するのに適している。
【００５８】
図16に示すように、第1センサ装置210と第2センサ装置220とを並置して組み合わせることにより、被測定の重さ、硬さ、形状、表面状態がそれぞれ分かる。
その結果被測定体を判別できる。
【００５９】
例えば、ペットボトルとガラス瓶とではどちらも丸みを帯びており角が少なく、表面も滑らかである。
しかし、硬さが異なる。
第1センサ装置210と第2センサ装置220とを組み合わせることにより、ペットボトルとガラス瓶との硬さの違いを検知して、両者を区別することができる。
【００６０】
また、カボチャとカブとは同じような硬さと重さを持つが、表面形状が異なっており、カボチャは表面凸凹が多く、カブは表面が滑らかである。
このような表面形状の違いも、第1センサ装置210と第2センサ装置220とを組み合わせることにより検知できる。
【００６１】
なお、第1センサ装置210と第2センサ装置220とでは、外層部610、620と内層部510、520との厚みの総和を同じにできる。
したがって、被測定体からみて、第1センサ装置210と第2センサ装置220とは同じ高さになる。
これにより、2つのセンサ装置210、220が同時に測定体に接するようになるので、一方だけに接触力が伝達されるのを防ぎ、誤検出を少なくすることができる。
【００６２】
（第4実施形態）
次に、図17を参照して説明する。
図17において、第1センサ装置210は、外層部610が硬めで厚い樹脂で構成され、内層部510が硬めで薄い樹脂で構成されている。
ここでいう硬めとは、弾性定数が中程度、ダンピングファクターが中程度の材料を意味している。
この場合、第１センサ装置210は、外部からの刺激に対して、検出の応答速度が遅めになる（図18参照）。
そのため、第１センサ装置210は、被測定体からかかる平均的な力や被測定体の重さなどを検知する。
【００６３】
第2センサ装置220は、外層部620が硬めで薄い樹脂で構成され、内層部520は硬めで厚い樹脂で構成されている。
この場合、第2センサ装置220は、外部からの刺激に対して、検出の応答速度が速い（図19参照）。
そのため、第2センサ装置220では、例えばロボット10が指を動かしながら被測定物に触れた時に感じる角、凹凸、ざらざら感などを検知することができる。
【００６４】
図17のように第1センサ装置210と第2センサ装置220とを組み合わせることにより、時間的変化が遅い力と時間的変化が速い力とをそれぞれ区別して検知することができる。
これにより、被測定体の材質、加工形状、表面状態が分かり、被測定体を特定することができるようになる。
【００６５】
例えば、りんごと梨とは重さも硬さも近いが、りんごの表面はつるつるしているのに対し、梨の表面はざらざらしているという違いがある。
そこで、センサ装置210、220をこすりつけるように梨の表面に接触させると、表面がざらざらの梨の場合には振動する力が第2センサ装置220で検出される。
第2センサ装置220でこの周波数の高い振動が検知された場合には被測定物が梨であることを判断できる。
【００６６】
また、リンゴとトマトとでは、両者とも表面はつるつるしているが、柔らかさが異なっている。
従って、リンゴと同じようにさすったときにざらざら感に特有な周波数の高い振動が検知されずに、大きな変形が検知された場合、被測定体がトマトであることが判別できる。
【００６７】
（第5実施形態）
次に、図20を参照して説明する。
図20において、第1センサ装置210の外層部610は厚めであって、熱伝導が低く、熱容量が大きい。
また、第1センサ装置210の内層部510は薄めであって、熱伝導率が高く、熱容量が小さい。
この場合、第１センサ装置210の温度応答性は遅くなる。
すると、被測定体との接触が連続的に繰り返されたり、被測定体の温度が短い時間で変化していても、第１センサ装置210は被測定体との接触を平均化した温度を検知する（図21参照）。
これにより、たとえば風等によって引き起こされる振動による温度変化の影響を小さくすることができる。
【００６８】
第2センサ装置220の外層部620は薄めであって、熱伝導が低く、熱容量が大きい。
また、第2センサ装置220の内層部520は厚めであって、熱伝導率が高く、熱容量が小さい。
この場合、第2センサ装置220の温度応答性は速くなり、時間的に短い温度変化を検知できる（図22参照）。
すると、例えば、第2センサ装置220は熱の流れも検知することができる。
【００６９】
図20のように第１センサ装置210と第2センサ装置220とを組み合わせることにより、時間的変化が遅い温度と時間的変化が速い温度をそれぞれ検知することができる。
したがって、被測定体の温度、材質、熱的な大きさを検知することができる。
【００７０】
例えば、木のブロックと鉄のブロックとでは、両者が同じ温度であっても温度が伝わる速度および温度が維持される時間が異なる。
ロボット10のハンド11が木のブロックをさわった時、第2センサ装置220による検出温度はゆっくり上がる。
また、ロボット10のハンド11が鉄のブロックをさわった時、第2センサ装置220による検出温度は急激に上がる。
一方、第１センサ装置210にあっては、被測定物が木と鉄との場合でも差異は少なく、どちらの場合も検出温度はゆっくりと上がる。
このように第１センサ装置210と第2センサ装置220とを組み合わせることにより、被測定体の温度、熱伝導率、熱容量が分かり、被測定体を判別できる。
【００７１】
（第6実施形態）
第6実施形態として、互いに異なる検出特性を有するセンサ装置を並べる並べ方のパターンについて説明する。
図23、図24は、互いに異なる検出特性を有するセンサ装置を一次元的に並べる場合である。
図23に側面図を示し、図24に平面図を示す。
ここで、検出速度が速い方のセンサ装置をH型とし、検出速度が遅い方のセンサ装置をL型とする。
H型センサ装置とL型センサ装置とを一次元的に並べる場合には、HLH, HLH, HLH・・・とする。
【００７２】
Ｈ型センサ装置は応答速度が速いので空間分解能が高い。
一方、Ｌ型センサ装置は応答速度が遅いので、空間分解能が低い。
そこで、Ｈ型センサ装置の方を多くすることにより、空間的分解能を上げることができる。
また、一方、Ｌ型センサ装置は、一つでより広い空間を検知できるので、Ｈ型センサ装置よりも少ない数で良い。
したがって、H型センサ装置とL型センサ装置とを並べる場合は、この前記配置パターンが有効である。
【００７３】
図25は、前記一次元配列に対して上下の幅を加えるようにした場合である。
これを1.5次元配列と称する。
この場合、前記一次元配列のL型センサ装置の四方がH型センサ装置で囲まれるようにH型センサ装置を追加するとよい。
これにより、幅方向の空間分解能を加えることができる。
【００７４】
図26は、互いに異なる検出特性を有するセンサ装置を二次元的に並べる場合である。
図26において、Ｌ型センサ装置を中心に四方向にＨ型センサ装置を配置した5個のセンサ装置からなるユニットを並べている。
【００７５】
また、平面的に並べるにあたっては、図27のように並べてもよい。
図27においては、Ｌ型センサ装置を中心に三方向にＨ型センサ装置を配置した4個のセンサ装置からなるユニットを並べている。
このような構成によれば、互いに隣り合うユニットによる検出結果を使って空間分解能をさらに向上させることができる。
【００７６】
（第7実施形態）
第7実施形態としては、センサ装置の外表面に接線応力（ずれ応力、剪断力）がかかった場合にこれを検出できることを説明する。
図28は、センサ装置200の外表面に接線応力がかかった場合を示す図である。
センサ装置200の外表面に接線応力がかかると、外層部600および内層部500は接線応力の方向に変形させられる。
そして、センサ素子400の表面に凹凸が有ることにより、内層部500からセンサ素子400表面に力が伝わるときに、垂直応力の成分を持つようになる。
これにより、外表面にかかった接線応力をセンサ素子400で検出することができる。
【００７７】
図29は、対比説明のための図である。
図29においては、センサ素子の表面が平坦である場合を示す。
センサ素子表面に凹凸が無い場合、外表面にほぼ平行に印加された力はセンサ面に平行のまま伝わる。
したがって、センサ素子ではこの力を検知することができない。
【００７８】
また、センサ装置200は繰り返し力を印加されるものであるので、かなりの耐久性が要求される。
この点、センサ素子表面に凹凸が有ることにより、内層部500とセンサ素子表面との間に働く剥離応力が減少し、内層部500とセンサ素子400とが剥離しにくくなる。
したがって、センサ装置200の耐久性が飛躍的に向上し、信頼性が格段に良くなる。
【００７９】
なお、上記では力を検出する場合を説明したが、検出対象が熱である場合にもセンサ素子400の表面に凹凸を設けておくことは有効である。
外表面に熱が印加された場合も、センサ素子表面に凹凸があると内層部からの熱伝導が格段に良くなる。
これにより、応答性が良く、高精度な熱測定が可能となる。
【００８０】
（第8実施形態）
次に、センサ装置の設置形態について説明する。
図30において、シート202の上に複数のセンサ装置200が配置されている。
シート202は、柔軟性樹脂で形成されている。
ここで、個々のセンサ装置200は互いに完全に分離独立したものである。
すなわち、各センサ装置200は独立した内層部500および外層部600をそれぞれ有しており、隣接するセンサ装置同士は内層部500および外層部600を共有しない。
【００８１】
また、図30において個々のセンサ装置200の外表面に着目するとき、シート202に接着されている部分を除いて外層部600の外表面は外部と接触可能になっている。
このような構成によれば、外層部600の外表面のうち外部と接触可能な領域が広くなり、各センサ装置200の知覚領域が広くなる。
【００８２】
次に、図31において、シート202の上に複数のセンサ装置200が配置されている。
ここで、複数のセンサ装置200で外層部600は共通化されている。
すなわち、センサ素子400を内層部500で包んだものをシート202の上に配置し、空隙を埋めるように外層部600を形成する。
このような構成によれば、センサ装置200がシート202から外れにくく、安定性がよい。
【００８３】
また、図32、図33、図34のような形態にしてもよい。
図32においては、シート202の上にセンサ素子400を配置し、各センサ素子400の上に内層部500を形成する。
そしてさらに、隙間を埋めるように外層部600を形成している。
図33においては、内層部500を形成するにあたって、シート202と内層部500との接着面積が広くなるようにサイドを広めにとるように形成している。
図34においては、センサ素子400ごとに内層部500を孤立させずに、複数のセンサ素子400にまたがった内層部500を形成している。
【００８４】
（第9実施形態）
次に、センサ装置の形状のパターンについて説明する。
図35においては、センサ装置200の内層部500および外層部600をいわゆる板蒲鉾形としている。
すなわち、中央部が最頂部となり両端部に向けて円弧状に傾斜する形態となっている。
なお、側面については垂直な平坦面にしておくことが好ましい。
センサ装置200をこのような形状にすることにより、センサ装置200を並べて配置しやすくなる。
【００８５】
図36においては、外層部600の外表面に筋状の突起部601を設けている。
筋状突起部601は、一つのセンサ装置200に一つでもよく、または図36に示すように外表面を覆うように複数設けてもよい。
このような構成によれば、被測定体に対して摩擦力が大きくなって滑りにくくなる。
そして、センサ装置200と被測定体とが接触した状態で相対移動した場合、筋状突起部601に一方向の振動が発生する。
これにより、被測定体の粗さや起伏などの表面形状を高分解能で検出することができる。
【００８６】
図37においては、外層部600の外表面に複数の柱状突起部602を設けている。
柱状突起部602は格子状に設けてもよい。
センサ装置200と被測定体とが接触した状態で相対移動した場合、柱状突起部602に振動が発生する。
これにより、被測定体の粗さや起伏などの表面形状を高分解能で検出することができる。
【００８７】
図38においては、外層部600の外表面に同心円あるいはスパイラル状の筋状突起部603を設けている。
センサ装置200と被測定体とが接触した状態で相対移動した場合、筋状突起部603に振動が発生する。
これにより、被測定体の粗さや起伏などの表面形状を高分解能で検出することができる。
この構成によれば、格子状に柱状突起部を設けた場合に比べて、相対移動の方向に関係なく均等な摩擦力を発生させることができる。
【００８８】
図39においては、外層部600の外表面が球状または錐台状の突起部604で覆われている。
図40は、図39の断面図である。
このような構成において、センサ装置200と被測定体とが接触した状態で相対移動した場合、突起部604に振動が発生する。
突起部604が球状であることにより、被測定体の形状や相対移動の方向に関わらず、球状突起部604は振動または変形しやすくなる。
したがって、被測定体の粗さや起伏などの表面形状を高分解能で検出することができる。
【００８９】
（第10実施形態）
次に、第10実施形態として、センサ装置200に外部に長く突き出た針状体700を設ける場合を説明する。
図41において、センサ装置200は針状体700を有する。
針状体700の根元部701は幅広に広がっている。
針状体700の根元部701は、センサ素子400のセンサ面の直上に位置するように内層部500の中に埋設されている。
針状体700は、内層部500および外層部600から外部へ長く突き出ている。
針状体700は、接地面202に対して垂直ではなく、やや傾斜するように設けられている。
【００９０】
このように針状体700を有するセンサ装置200は、人間の体毛や昆虫の触覚のように、ロボット10の体表面から少し離れた物体の存在を検知する。
または、針状体700を有するセンサ装置200は、ロボット10の表面付近の風の流れなどを検知する。
【００９１】
ここで、センサ素子400そのものに長い触覚棒状体を接合することは難しく、接合部分に応力が集中するので壊れやすい。
この点、針状体700の根元701を内層部500に埋設することにより、針状体700を容易に設けることができる。
さらに、針状体700の根元付近が内層部500および外層部600によって支持されるので、針状体700が堅固に保持される。
これにより、センサ装置200の耐久性および信頼性を向上させることができる。
【００９２】
また、針状体700は傾斜するように設けられているので、傾斜方向の力を受け流すことができ、針状体700の耐久性が増す。
【００９３】
また、外層部600の弾性を変えることにより、針状体700の機械的伝達特性を調整し、センサ装置200としての検出特性を変えることができる。
例えば外層部600を硬くするあるいは厚くすることにより、針状体700が曲がりにくくなり、力の大きさの検出レンジが拡大する。
【００９４】
針状体700を形成する材料としては、樹脂でもよく、細い金属であってもよい（図42）
【００９５】
図43は、針状体700を接地面に対して垂直に設けた場合を例示している。
このように針状体700を垂直に設けることにより、3軸（X、Y、Z軸）方向の力の検知が可能になる。
【００９６】
図44は、一つのセンサ装置200に複数の針状体700を設けた場合を例示している。
このとき、各針状体700をそれぞれ異なる方向にすることが好ましく、図44においては、一本は垂直に設け、２本は互いに反対方向に傾斜するように設けている。
この構成によれば、3軸（X、Y、Z軸）方向の力をバランスよく検知できる。
【００９７】
図45においては、内層部500に複数のセンサ素子400が埋設されている。
すなわち、一の針状体700の根元に複数のセンサ素子400が配設されている。
このような構成において、針状体にX軸方向あるいはY軸方向の力がかかった場合、力の方向に応じて各センサ素子400には異なる分力がかかる。
したがって、各センサ素子400による検出結果の差分をとることにより、X軸方向あるいはY軸方向の力が検知できる。
【００９８】
なお、図45においては内層部内にそれぞれが独立した複数のセンサ素子400を設ける場合を例示したが、図46に示すように、一つのセンサ素子400内において電極401を分割しておき、それぞれの電極401ごとにセンサ信号を取り出せるようにしておいてもよい。
【００９９】
（第11実施形態）
第11実施形態として、一つのセンサ装置内に複数のセンサ素子400を設ける場合を説明する。
図47において、二つのセンサ素子400を用いている。
ここで、各センサ素子400はそれぞれ内層部500に包まれている。
そして、内層部500に包まれた各センサ素子400は一つの外層部600のなかに埋設され、一対のセンサ素子ペアとなっている。
なお、図47においては、センサ素子同士は互いのセンサ面が対向するように配置されている。
【０１００】
このような構成により、各センサ素子400からの検出結果の差分を利用することができる。
このように複数のセンサ素子400を用いて検出結果の差分を利用することにより、たとえば、応力分布を高分解能で検知できるようになる。
また、センサ素子400が温度検出素子である場合には、複数のセンサ素子400からの検出結果の差分を利用することで温度検出特性を改善することができる。
【０１０１】
なお、図48にように、外層部600を帯状またはシート状に形成し、内層部500に包まれたセンサ素子400を一つの外層部600のなかに複数設けるようにしてもよい。
【０１０２】
図49においては、一つの内層部500の中に二つのセンサ素子400が埋設されている。
センサ素子同士は互いの裏面を対向させ、センサ面同士が反対方向を向くように配置されている。
外層部600を設けるにあたっては、図49に示すように、センサ素子ペアを包んだ内層部500をセンサ装置200ごとに独立した外層部600で包むようにしてもよい。
または、図50に示すように外層部600を帯状またはシート状に形成し、そのなかに内層部500に包まれたセンサ素子ペアを配置してもよい。
このとき、センサ素子ペアのセンサ面が外層部の幅方向に向くようにしてもよく（図50）、あるいは、センサ面が外層部の厚み方向に向くようにしてもよい（図51）。
【０１０３】
三つ以上のセンサ素子400をペアにしてもよく、図52、図53は、一つの内層部500の中に四つのセンサ素子400を設けた場合を例示した図である。
【０１０４】
外層部600を設けるにあたっては、図54に示すように、センサ装置200がそれぞれ独立するようにシート体の上にそれぞれ孤立するように並べてもよい。
または、図55に示すように、外層部600の外表面に凹凸が現れるようにしてもよい。
【０１０５】
（第12実施形態）
第12実施形態として、内層部500および外層部600の形状のパターンについて説明する。
図56、図57において、外層部600の一部が内層部500の内側に向かって舌形状に延びている。
この舌形状を舌片部605とする。
そして、複数のセンサ素子400が内層部に包まれており、センサ素子400はこの舌片部605を挟むように配置されている。
このような構成において、外層部600の外表面に力が作用すると外層部600が変形し、このとき舌片部605も変形する。
複数のセンサ素子400は、舌片部605の変形を鋭敏に検知する。
【０１０６】
また、図56、図57においては内層部500がそれぞれ分離している場合を例示したが、図58に示すように、内層部500が連続的に繋がっていてもよい。
【０１０７】
なお、舌片部605を挟むようにセンサ素子400を配置するのではなく、図59、図60に示すように、舌片部605から離間した位置にセンサ素子400を配置するようにしてもよい。
【０１０８】
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、センサ素子にかかった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、センサ素子の構成としては、検出対象となる物理量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。
【０１０９】
触覚センサ装置の構成としては、センサ部をMEMS（Micro Electro Mechanical Systems）として構成要素を基板に集積化し、さらに、信号処理部も半導体基板に集積化し、センサ部のMEMSと信号処理部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、触覚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。
【符号の説明】
【０１１０】
10…ロボット、11…ハンド、100…触覚センサシステム、110…バス、120…情報中継装置、130…集線装置、140…情報統合装置、200、210、220…センサ装置、201…底面部、202…シート、400…センサ素子、401…電極、410…センサ構造部、420…構造本体部、421…力伝達部、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、510、520…内層部、600、610、620…外層部、601…筋状突起部、602…柱状突起部、603…筋状突起部、604…球状突起部、605…舌片部、700…針状体、701…根元部。
【図１】
2011085435.tif 000003
【図２】
2011085435.tif 000004
【図３】
2011085435.tif 000005
【図４】
2011085435.tif 000006
【図５】
2011085435.tif 000007
【図６】
2011085435.tif 000008
【図７】
2011085435.tif 000009
【図８】
2011085435.tif 000010
【図９】
2011085435.tif 000011
【図１０】
2011085435.tif 000012
【図１１】
2011085435.tif 000013
【図１２】
2011085435.tif 000014
【図１３】
2011085435.tif 000015
【図１４】
2011085435.tif 000016
【図１５】
2011085435.tif 000017
【図１６】
2011085435.tif 000018
【図１７】
2011085435.tif 000019
【図１８】
2011085435.tif 000020
【図１９】
2011085435.tif 000021
【図２０】
2011085435.tif 000022
【図２１】
2011085435.tif 000023
【図２２】
2011085435.tif 000024
【図２３】
2011085435.tif 000025
【図２４】
2011085435.tif 000026
【図２５】
2011085435.tif 000027
【図２６】
2011085435.tif 000028
【図２７】
2011085435.tif 000029
【図２８】
2011085435.tif 000030
【図２９】
2011085435.tif 000031
【図３０】
2011085435.tif 000032
【図３１】
2011085435.tif 000033
【図３２】
2011085435.tif 000034
【図３３】
2011085435.tif 000035
【図３４】
2011085435.tif 000036
【図３５】
2011085435.tif 000037
【図３６】
2011085435.tif 000038
【図３７】
2011085435.tif 000039
【図３８】
2011085435.tif 000040
【図３９】
2011085435.tif 000041
【図４０】
2011085435.tif 000042
【図４１】
2011085435.tif 000043
【図４２】
2011085435.tif 000044
【図４３】
2011085435.tif 000045
【図４４】
2011085435.tif 000046
【図４５】
2011085435.tif 000047
【図４６】
2011085435.tif 000048
【図４７】
2011085435.tif 000049
【図４８】
2011085435.tif 000050
【図４９】
2011085435.tif 000051
【図５０】
2011085435.tif 000052
【図５１】
2011085435.tif 000053
【図５２】
2011085435.tif 000054
【図５３】
2011085435.tif 000055
【図５４】
2011085435.tif 000056
【図５５】
2011085435.tif 000057
【図５６】
2011085435.tif 000058
【図５７】
2011085435.tif 000059
【図５８】
2011085435.tif 000060
【図５９】
2011085435.tif 000061
【図６０】
2011085435.tif 000062