(57)【要約】【課題】荷重を検出する力覚センサにおいて、単位の検出素子の面積が大きくなると、メンブレンの面積が大きくなり荷重によるメンブレンの変形が大きくなるという課題があった。【解決手段】本発明の静電容量型の力覚センサ１０１は、下電極１０４と、上電極１０７を含み可撓性を有する可動部と、可動部を可動に支持し上下電極間にギャップ１０６を形成する支持部１０５ｂで構成されたセルが複数ある。複数のセルは、１以上のセルを含むエレメントにグループ分けされ、同一のエレメントではセルは互いに電気的に接続されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電容量型の力覚センサであって、
下電極と、上電極を含み可撓性を有する可動部と、前記可動部を可動に支持し前記上電極と前記下電極との間にギャップを形成する支持部と、で構成されたセルが複数あり、
前記複数のセルは、少なくとも１つの前記セルを含むエレメントにグループ分けされ、同一のエレメントでは前記セルは互いに電気的に接続されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項２】
同一のエレメントでは、前記下電極と前記上電極はそれぞれ互いに電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の力覚センサ。
【請求項３】
静電容量型の力覚センサであって、
下電極と、上電極を含み可撓性を有する可動部と、前記可動部を可動に支持し前記上電極と前記下電極との間にギャップを形成する支持部と、で構成されたエレメントが設けられ、
前記支持部は複数の部分からなり、
前記支持部の複数の部分に対応して、前記可動部と前記上電極と前記ギャップは、それぞれ複数の部分に分かれ、
前記エレメントにおいて、前記上電極の複数の部分は互いに電気的に接続されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項４】
異なるエレメントの間では、前記下電極と前記上電極のうちの少なくとも一方は電気的に分離されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の力覚センサ。
【請求項５】
前記エレメントは、少なくとも一部において、前記支持部に比べて縦弾性係数の小さい弾性体の表面材料で覆われていること特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の力覚センサ。
【請求項６】
前記表面材料は、シリコーンゴム、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）、ＰＤＭＳ（ジメチルポリシロキサン）、ウレタンゴムのうちから選択されたものであることを特徴とする請求項５に記載の力覚センサ。
【請求項７】
前記下電極は基板の上に設けられていることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の力覚センサ。
【請求項８】
前記上電極は可撓性を有するメンブレンにより支えられ、前記支持部は前記メンブレンを支持することを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の力覚センサ。
【請求項９】
前記支持部は、酸化シリコンまたは窒化シリコンからなることを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の力覚センサ。
【請求項１０】
前記上電極と前記下電極との間に交流電圧を印加する発振回路と、前記上電極と前記下電極との間に流れる電流の大きさを検出する回路を更に有することを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載の力覚センサ。
【請求項１１】
前記電流の大きさを検出する回路は、前記上電極と前記下電極との間に流れる電流を電圧信号に変換する回路と、前記電圧信号の包絡線を検波する回路を含むことを特徴とする請求項１０に記載の力覚センサ。
【請求項１２】
対象物を取扱うための装置であって、
対象物と接触して該対象物を取扱う部分に請求項１から１１の何れか１項に記載の力覚センサが設けられ、
前記力覚センサからの対象物との接触荷重に係わる信号を用いて対象物に対する取扱いを制御することを特徴とする装置。
【請求項１３】
対象物を把持するための把持装置であって、
対象物と接触して該対象物を把持する部分に請求項１から１１の何れか１項に記載の力覚センサが設けられ、
前記力覚センサからの対象物との接触荷重に係わる信号を用いて対象物を把持する把持力を制御す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、ある程度の剛性を有する固体などの有形物との接触荷重などを検出する力覚センサ、それを用いた把持装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
力覚センサの用途は、例えば製品の製造ラインで用いられるロボットハンドの把持力の検出である。把持とはワークをロボットハンドでつかむことを意味する。ロボットハンドの把持力を検出し、検出情報に基づき、ワークを把握する力の制御にフィードバックをかけることで、把持力制御の精度向上が期待できる。
【０００３】
接触荷重を検出する力覚センサの一方式として静電容量型がある。この方式の代表的な構成では、可撓性をもつメンブレンが支持部（本明細書ではスペーサないしポストとも記す）を介して基板に可動に設けられている。メンブレンと基板のそれぞれに電極が設けられており（本明細書ではメンブレン側の電極を上電極、基板側の電極を下電極と記す）、上電極はメンブレンとともに変形する構造となっている。固体などとの接触によりメンブレンに荷重が印加されるとメンブレンが撓み、上下電極間の距離が変化する。上下電極間の距離を静電容量で検出して電気信号に変換することで、印加された荷重の大きさを検出する。メンブレンと上下電極とスペーサで構成される構造単位は、セルと呼ばれる。
【０００４】
力覚センサの機能としては、荷重を測定するもの、荷重の分布を測定するもの、荷重の方向（引っ張り方向ないし圧縮方向やせん断方向）を測定するものがある。いずれの場合も、センサ表面の形状や構造により、検出したい方向や位置の荷重に対して、選択的に検出素子の変形部が変形するように構成する。従来方式では、単位の検出素子は１つのセルで構成されていた（特許文献１参照）。
【０００５】
組み立てロボットの把持力の検出に用いる力覚センサでは、ワークとの接触面はセンサとして機能すると同時に、ワークを把持するメカ部材としても機能する。力覚センサに加わる荷重によりセンサ表面が変形すると、ワーク把持位置のずれの一因となるため、荷重による表面の変形部の変形量が小さい力覚センサが望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２５０７０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、従来方式の力覚センサでは、単位の検出素子を１つのセルで構成しているため、セルのメンブレンの面積が検出素子の面積に依存していた。従って、検出素子の面積が大きくなると、メンブレンの面積が大きくなり、単位荷重あたりのメンブレンの変形量が大きくなることがある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を鑑みて、本発明の力覚センサは次のような構成を有する。静電容量型の力覚センサであって、下電極と、上電極を含み可撓性を有する可動部と、前記可動部を可動に支持し前記上電極と前記下電極との間にギャップを形成する支持部と、で構成されたセルが複数あり、前記複数のセルは、少なくとも１つの前記セルを含むエレメントにグループ分けされ、同一のエレメントでは前記セルは互いに電気的に接続されている。また、静電容量型の力覚センサであって、下電極と、上電極を含み可撓性を有する可動部と、前記可動部を可動に支持し前記上電極と前記下電極との間にギャップを形成する支持部と、で構成されたエレメントが設けられ、前記支持部は複数の部分からなり、前記支持部の複数の部分に対応して、前記可動部と前記上電極と前記ギャップは、それぞれ複数の部分に分かれ、前記エレメントにおいて、前記上電極の複数の部分は互いに電気的に接続されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、単位の検出素子においてメンブレンないし可動部を複数部分に分割できるため、分割部分のメンブレンの面積を自由に設計できる。従って、分割部分のメンブレンの面積を小さくすることで、単位荷重に対する該メンブレンの変形量を小さくすることができ、従来方式と比較して表面の変形部の変形量が小さい力覚センサが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例１を説明する図である。
【図２】本発明の作用・効果を説明する図である。
【図３】本発明の実施例２を説明する図である。
【図４】本発明の実施例３を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明では、力覚センサの単位の検出素子を、複数のセル（ないしエレメントの複数の部分）の電気的に並列接続したものにより構成する。エレメントは、少なくとも一部において、支持部に比べて縦弾性係数の小さい弾性体の表面材料で覆われてもよい。ここにおいて、複数のセルが、少なくとも１つのセルを含むエレメントにグループ分けされ、同一のエレメントではセルは互いに電気的に接続されている。或いは、同一のエレメントにおいて、上電極の複数の部分は互いに電気的に接続されている。セルが互いに電気的に接続されるとは、典型的には、下電極と上電極がそれぞれ互いに電気的に接続されていることである。複数のエレメントがある場合、異なるエレメントの間では、下電極と上電極のうちの少なくとも一方は電気的に分離されている。これにより、可動部であるメンブレンの面積を単位の検出素子の面積に対して自由ないし柔軟に設計できるようになる。メンブレンの面積を小さく設計することで、単位荷重に対するメンブレンの変形量を小さくすることができ、荷重に対する表面変形量が小さい力覚センサを実現できる。組み立てロボットの把持部などに力覚センサを設けて、把持力などによる荷重の検出を行う場合、力覚センサの表面変形がワークなどの取扱い対象物の把持位置等の精度低下の原因となりやすい。しかし、荷重に対して表面変形量の少ない本発明の力覚センサによりそれが解決される。
【００１２】
以下、図と共に本発明の実施の形態を説明する。
（実施例１）
図１は、本発明による静電容量型の力覚センサの実施例１を説明する図である。図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ‘断面図、図１（ｃ）はＢ−Ｂ’断面図である。
【００１３】
力覚センサ１０１は、基板１０２、絶縁層１０３、下電極１０４、メンブレン層１０５、ギャップ１０６、上電極１０７、上電極配線１０８、引き出し配線１０９、１１０、パッド１１１、１１２、１１３を備える。さらに、フレキ基板１１４、パッド１１５、１１６、１１７、ワイヤ１１８、１１９、１２０、デバイスボード１２１、ワイヤ保護材料１２２、弾性体１２３も備える。なお、上電極１０７、上電極配線１０８、引き出し配線１０９、パッド１１１、パッド１１５、ワイヤ１１８は、力覚センサ１０１の中に複数あるが、説明のために区別する場合は、１０７ａ、１０７ｂのように記す。
【００１４】
基板１０２は、単結晶シリコンの板材料であり、基板１０２の上に絶縁層１０３が形成されている。絶縁層１０３は単結晶シリコンの基板１０２を熱酸化することで成膜できる。絶縁層１０３の上には、下電極１０４が形成されている。下電極１０４はＡｌの真空蒸着により形成できる。メンブレン層１０５は、プラズマＣＶＤ法による窒化シリコン膜あるいは酸化シリコン膜であり、その一部が下電極１０４に対し、ギャップ１０６を介して支持されている。このようなメンブレン層１０５の構造は、ギャップ１０６と同等の形状のＣｒ層（犠牲層）を始めに形成し、Ｃｒ層の上にメンブレン層１０５を成膜したのちに、Ｃｒ層をエッチングにより除去することで構成できる。メンブレン層１０５の中で、ギャップ１０６上の部分をメンブレン１０５ａ、ギャップ１０６の側壁となる部分を側壁部（支持部）１０５ｂと記す。上記窒化シリコン膜や酸化シリコン膜は形成しやすく、必要とされる可撓性や剛性を得やすい。上電極１０７はメンブレン層１０５上に形成された電極で、Ａｌの真空蒸着により形成できる。
【００１５】
図１（ａ）の構成では、ギャップ１０６は円形状の例であり、その典型的な直径は１０マイクロメートルから数１００マイクロメートル、メンブレン１０５ａの典型的な厚さは１００ナノメートルから数マイクロメートルである。また、上電極１０７の典型的な厚さは１０ナノメートルから数マイクロメートルである。従って、メンブレン１０５ａは、上電極１０７とともに可撓性を有する。なお、直径や厚さの寸法の範囲は一例であり、これに限定されるわけではない。１つのギャップ１０６の周りに設けられている下電極１０４、メンブレン１０５ａ、上電極１０７は、荷重を検出する検出素子の最小の構成単位であるセルを構成する。１つの力覚センサ１０１は複数のセルを有する。
【００１６】
図１の例では、全てのセルの下電極１０４は、電気的に接続されている。一方、上電極１０７は、その一部同士が上電極配線１０８によって電気的に接続されている。図１の例では、９つある上電極１０７ａは、上電極配線１０８ａによって電気的に接続されている。同様に上電極１０７ｂは上電極配線１０８ｂによって接続されている。なお図１では９つのセルが電気的に接続された例を示したが、接続できるセルの数に限定はない。上電極配線１０８は、Ａｌの真空蒸着により形成できるため、上電極１０７と同一の工程で形成できる。  下電極同士とともに上電極同士が接続されたセルの集合（グループ）をエレメントと呼ぶ。エレメントは複数の可変コンデンサが並列接続されたものであり、荷重の最小検出単位である。エレメントは力覚センサ１０１に１つ以上あればよいが、複数設けることで荷重の分布が測定できる。図１（ａ）は、各辺の方向に２つのエレメントを配置した例を示す。ただし、１つのエレメントが１つのセルで構成される構成を排除するものではない。
【００１７】
各エレメントの上電極１０７は、引き出し配線１０９を介してパッド１１１に引き出される。下電極１０４は、下電極引き出し配線１１０を介してパッド１１２に接続される。パッド１１２上は、メンブレン層１０５が開口しており、パッド１１２の表面が外部に露出している。また、基板１０２の上には、パッド１１３が形成されている。パッド１１３の部分の絶縁層１０３、メンブレン層１０５は開口しており、パッド１１３の表面が外部に露出している。パッド１１３は基板１０２を接地するためのものである。このようなパッド１１１、１１２、１１３は、絶縁層１０３とメンブレン層１０５に必要な開口部を設けた後に、上電極配線１０８とともに、Ａｌの真空蒸着により形成できるため、上電極１０７と同一の工程で形成できる。
【００１８】
基板１０２は、デバイスボード１２１上に固定されている、デバイスボード１２１上にはフレキ基板１１４が固定されている。フレキ基板１１４の上には、パッド１１５、１１６、１１７が、パッド１１１、１１２、１１３のそれぞれと対向するように設けられていて、ワイヤ１１８、１１９、１２０を介して互いに接続されている。これらワイヤの周辺には、保護部材１２２が設けられており、外部環境より受ける損傷を低減している。
【００１９】
セルが配置されている領域の上面には、弾性体１２３の表面材料が形成される。弾性体１２３は、ワークがセンサ表面に接触した際の荷重を、メンブレン層１０５に分散する機能を有する。弾性体１２３の働きにより、ワークの表面がメンブレン側壁部１０５ｂに接触してメンブレン１０５ａの変形が阻害される場合でも、弾性体１２３がメンブレン１０５ａに沿って変形することでメンブレン１０５ａが変形し、荷重を検出することができる。従って、弾性体１２３の表面材料は、側壁部１０５ｂの材料である窒化シリコン膜あるいは酸化シリコン膜の縦弾性係数よりも小さい材料がより適している。具体的な材料としては、シリコーンゴム、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）、ＰＤＭＳ（ジメチルポリシロキサン）、ウレタンゴムなどのうちから選択される。
【００２０】
本実施例の力覚センサの特徴は、複数のセルを電気的に接続して（ここでは、下電極と上電極がそれぞれ互いに電気的に接続されている。換言すると、複数のセルで１つの下電極を共有し、かつそれら複数のセルのそれぞれの上電極を互いに電気的に接続している）１つのエレメントとして機能させる点にある。前述したように、構成を次のように捉えることもできる。１つのエレメントの支持部が複数の部分からなり、支持部の複数の部分に対応して、可動部（ないしメンブレン）と上電極とギャップが、それぞれ複数の部分に分かれている。そして、こうした部分を含む１つのエレメントにおいて、上電極の複数の部分は互いに電気的に接続されている。以下では、このように構成することで、荷重に対するメンブレン変形を小さくすることができる理由を説明する。
【００２１】
図２は、本発明の力覚センサのメンブレンの変形量と、メンブレンの形状や荷重との関係を説明する図である。図１と同等の構成要素には同一の番号を付す。図２（ａ）はメンブレンの断面図である。メンブレン２０１は、図１におけるメンブレン１０５ａと上電極１０７とを合成して表現したものであり、合成したヤング率をＥ、ポアソン比をνとする。図２（ｂ）に示されるように、セルすなわちメンブレン２０１は、円形状とし、一辺の長さが２Ａの正方形のエレメント内に一辺あたりＮ個に分割されて正方格子状に配置されるものとする。
【００２２】
図２（ｃ）は、Ｎ分割されたメンブレンのうちの１つの部分の断面図である。センサの面積すなわち荷重に対して感度のある領域の面積をＳ、メンブレン２０１の半径をａとする。エレメントに荷重Ｆが均等に印加された時にメンブレン２０１に加わる圧力Ｐは、以下の式で表される。
Ｓ＝４Ａ２                      （１）
ａ＝Ａ／Ｎ                      （２）
Ｐ＝Ｆ／Ｓ＝Ｆ／（２Ａ）２        （３）
【００２３】
圧力Ｐによる、メンブレン２０１のセルの中心から半径方向に距離ｒ離れた点での変形量δは、メンブレン厚さをtとすると、次の式で表される。
δ＝３／１６・（（１−ν２）／（Ｅ・ｔ３））・（（Ａ／Ｎ）２−ｒ２）２・Ｐ      （４）
式（４）においては、変形量δが最大となるのはｒ＝０すなわちメンブレン２０１の中心部であり、これをδmaxとすると、次の式が得られる。
δmax＝３／１６・（（１−ν２）／（Ｅ・ｔ３））・（Ａ／Ｎ）４・Ｐ      （５）
式（５）により、エレメントをＮ分割することにより、メンブレンの変形量δmaxは、次の式のごとく分割数Ｎの４乗に反比例して小さくなることがわかる。
δmax∝１／Ｎ４      （６）
以上の理由により、荷重Ｆに対するメンブレンの変形量δが小さい力覚センサが実現できる。
【００２４】
なお、基板１０２としては、単結晶シリコン材料以外に、ガラス基板がある。基板１０２を絶縁性の材料で構成した場合は、絶縁体１０３は省略することも可能である。絶縁層１０３は、単結晶シリコンの熱酸化による形成以外に、プラズマＣＶＤ法による酸化シリコン膜や窒化シリコン膜の堆積、あるいは低圧ＣＶＤ法による窒化シリコン膜の堆積でも形成できる。下電極１０４、上電極１０７、上電極配線１０８は、Ａｌの真空蒸着以外に、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉの真空蒸着や、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉのスパッタにより形成することも可能である。これらの材料を多層構造にすることも可能である。多層構造にした場合、密着性向上や膜応力制御性の向上が期待できる。基板１０２の導電性を下電極として利用する場合は、下電極１０４を省略し、基板１０２を下電極として使用することもできる。ギャップ１０６は、図１（ａ）に示した円形状の他に、三角形、四角形、多角形の形状もあり得る。またギャップ１０６は、全てのセルのギャップ１０６が空間的に独立している必要はなく。その一部あるいは全部が通路を介して空間的に接続していてもよい。
【００２５】
弾性体の表面材料について説明する。形成方法としては、熱硬化型の材料をセンサ１０１の表面に塗布した後に、熱を加えて硬化させる方法がある。主にシリコーンゴムを用いるときは、この方法が適用できる。或いは、予めシート状に加工した弾性体材料を、接着剤でセンサチップ１０１上に固定する方法もある。接着剤は、熱硬化型、常温硬化型、粘着剤を塗布したテープなどが適用できる。この方法は、弾性体材料の材料合成や成型工程と、センサチップの製造工程とを別に行えるため、製造工程中の温度や圧力等についての制約が互いの工程に影響を与えることがない。センサチップ上に弾性体原料とプライマ・接着剤とを載せたものを一緒に釜に入れ、焼き固める焼き付けという方法もある。この方法は、他の形成方法に比べて、弾性体とセンサチップとの接着力が強いという特徴がある。
【００２６】
弾性体の厚さは、ギャップ１０６の高さより厚いことが好ましい。ギャップ１０６より薄い場合は、ワークによる荷重により、メンブレン１０５と下電極１０４とが接触するより先に、ワークとメンブレン側壁部１０５ｂとが接触して、メンブレンの変形を阻害する可能性がある。ギャップ１０６の高さは、５０ナノメートルから１０マイクロメートルの範囲が一般的である。一方で、弾性体が厚くなるにつれて、ワークの荷重の分散度合いが大きくなったり、センサの表面に沿う方向の力（せん断方向の力）に対して弾性体が変形したりしやすくなる。このような観点からは、弾性体は薄い方がよい。また、弾性体の形成方法による弾性体厚さの制約もある。上述の形成方法によると、１００マイクロメートル以上の厚さであれば、加工が容易となる。以上から、弾性体の厚さは、１００マイクロメートル以上が現実的である。
【００２７】
実施例１では、弾性体１２３は、全てのセルを連続的に覆うように形成したが、エレメントごとに分割して覆ってもよい。また、弾性体１２３を図１のフレキ基板１１４のある方向に延長して、保護部材１２２を兼用するように覆ってもよい。硬さについては、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜のヤング率は数十から２００GPaであり、弾性体の硬さはこれより柔らかい方が好ましい。実際に成膜するシリコーンゴムやＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）、ＰＤＭＳ（ジメチルポリシロキサン）、ウレタンゴムの硬さは、ヤング率で１MPaから１GPaの範囲である。把持したワークが把持力によりメンブレン層１０５と上電極１０７に沿って変形する場合は、弾性体１２３を省略することも可能である。また、ワークを把持するのに、弾性体の表面材料の表面が適当な粗さを持つほうが好ましい場合は、ある程度の表面粗さを持たせてもよい。
【００２８】
また、図２では、正方形のエレメントに対して均等の間隔で同形状のセルを複数配置した例を説明した。しかし、異なる形状のセルを配置した場合や、複数のエレメントの形状がそれぞれ多角形や円形状、あるいは多角形と円形状とを組み合わせた場合でも、ギャップ上のメンブレンの変形量を小さくする効果は得られる。
【００２９】
（実施例２）
図３は本発明による力覚センサの実施例２の構造を説明する図である。図３（ａ）は上面図、図３（ｂ）はＡ−Ａ‘断面図、図３（ｃ）はＢ−Ｂ’断面図である。
【００３０】
力覚センサ３０１は、基板３０２、絶縁層３０３、ポスト（支持部）３０４、メンブレン層３０５、ギャップ３０６、上電極３０７、引き出し配線３０８、パッド３０９、３１０を備える。さらに、フレキ基板３１１、パッド３１２、３１３、ワイヤ３１４、３１５、デバイスボード３１６、ワイヤ保護材料３１７、弾性体３１８を有する。
【００３１】
基板３０２は、導電性を有する単結晶シリコンの板材料であり、下電極としての機能を有する。基板３０２の上に絶縁層３０３が形成されている。絶縁層３０３は単結晶シリコン３０２を熱酸化することで成膜できる。絶縁層３０３の一部には、ポスト３０４が形成されている。ポスト３０４は、ギャップ３０６上のメンブレン層３０５を可動に支持する支持部、ないしギャップ３０６の底面に対してメンブレン層３０５を隔てるスペーサとして機能するものである。
【００３２】
メンブレン層３０５は単結晶シリコン膜であり、その一部がポスト３０４を介して、絶縁層３０３に接続している。図３（ｂ）に示すように、ポスト３０４が無い部分は、絶縁層３０３とメンブレン層３０５との間にギャップ３０６がある。このようなメンブレン層３０５の構造は、以下の方法で作ることができる。まず、基板３０２を熱酸化して、酸化シリコン膜を形成した後に酸化シリコン膜の一部をギャップ３０６の形状にエッチングにより除去する。こうしてポスト構造を形成する。このポスト構造の表面に、ＳＯＩ基板のハンドル層面を直接接合により貼りつけ、ＳＯＩ基板のハンドル層とボックス層をエッチングにより除去することでメンブレン層３０５が得られる。メンブレン層３０５の中で、ギャップ３０６上の部分をメンブレン３０５ａ、３０５ｂなどと記す。
【００３３】
上電極３０７はメンブレン層３０５上に形成された電極で、Ａｌを真空蒸着することにより形成できる。図３（ａ）の例では、ギャップ３０６は円形状であり、その典型的な直径は１０マイクロメートルから数１００マイクロメートルである。メンブレン３０５ａの典型的な厚さは１００ナノメートルから数マイクロメートル、上電極３０７の典型的な厚さは１０ナノメートルから数マイクロメートルである。従って、メンブレン３０５ａは、上電極３０７とともに可撓性を有する。なお、直径や厚さの寸法の範囲は一例でありこれに限定されるわけではない。１つのギャップ３０６上に構成されているメンブレン３０５ａ、上電極１０７は、荷重を検出する素子の最小の構成単位のセルを構成する。１つの力覚センサ３０１は複数のセルを有し、エレメントは１つ以上のセルを有する。エレメントは力覚センサ３０１に１つ以上あればよいが、複数設けることもできる。この場合は荷重の分布が測定できる。図１（ａ）は、各辺の方向に、それぞれ９つのセルを含む２つのエレメントを配置した例を示す。
【００３４】
図３の例では、下電極は基板３０２で構成されているため、全てのセルが下電極において電気的に接続されている。また、複数あるセルのうち一部は、上電極が電気的に接続されている。これらのセルの集合がエレメントを構成する。図３では、上電極３０７ａを上電極とするセルの集まりが１つのエレメントであり、上電極３０７ｂを上電極とするセルの集まりが１つのエレメントとなる。このように、複数のセルを電気的に接続して１つのエレメントを構成する点に本実施例の力覚センサの特徴がある。エレメントは複数の可変コンデンサが並列接続されたものであり、荷重の最小検出単位となる。
【００３５】
上電極３０７は、それぞれのエレメントについて、引き出し配線３０８を介してパッド３０９に引き出される。基板３０２の上には、パッド３１０が形成されている。パッド３１０上の絶縁層３０３は開口しており、パッド３１０の表面が外部に露出している。基板３０２は、デバイスボード３１６上に固定されている。デバイスボード３１６上にはフレキ基板３１１が固定されている。フレキ基板３１１の上には、パッド３１２、３１３が、パッド３０９、３１０のそれぞれと対向するように設けられていて、ワイヤ３１４、３１５を介して互いに接続されている。これらワイヤボンドの周辺には、保護部材３１７が設けられており、外部環境より受ける損傷を低減している。
【００３６】
セルが配置されている領域の上面には、弾性体３１８の表面材料が形成される。弾性体３１８の材料は、実施例１の弾性体１２３と同様であるため、説明を省略する。弾性体３１８は、ワークがセンサ表面に接触した際の荷重を、メンブレン層３０５に分散する機能を有する。弾性体３１８の働きにより、ワークの表面がポスト３０４に接触してメンブレン３０５ａの変形が阻害される場合でも、弾性体３１８がメンブレン３０５ａに沿って変形することでメンブレン３０５ａが変形し、荷重を検出することができる。荷重に対するメンブレン変形を小さくすることができる理由は、実施例１の説明と同様であるため省略する。
【００３７】
（実施例３）
図４は、本発明の力覚センサを用いて把持装置を構成した実施例を示す。ハンド４０１にはフィンガ４０２が複数設けられている。フィンガ４０２は並進運動あるいは回転運動が可能な機構となっていて、複数あるフィンガ４０２の間隔が変化することで、ワーク４０５を把持する機構となっている。複数あるフィンガ４０２のうち少なくとも１つには、ワーク４０５が接触する位置に力覚センサ４０３が設けられている。力覚センサは実施例１あるいは実施例２に示したものが利用可能である。フィンガ４０２のうち、力覚センサ４０３が設けられないものには、パッド４０４が設けられる。パッド４０４は力覚センサ４０３と同様にワーク４０５と接触する位置に設けられている。
【００３８】
パッド４０４の役割は、フィンガ４０２の表面形状、摩擦係数や弾性率を、力覚センサ４０３が設けられたフィンガと同様なものにすることにある。このため、例えば、実施例１の弾性体１２３を設けたもの、あるいは実施例２の弾性体３１８を設けたものがよい。図４は、力覚センサ４０３が複数あるフィンガのうちの１つのみに設けられた例を示しているが、複数のフィンガに設けてもよい。この場合は、複数のセンサ出力を比較することで、ワークの把持位置の偏心などワークの把持姿勢の検出ができる。
【００３９】
また、フィンガ４０２による把持動作は、図４の例では、フィンガ４０２間の距離が狭くなることでワーク４０５を把持する場合を説明した。しかし、その他に、円環形状のワークの内側に複数のフィンガを入れた後にフィンガ間の距離を広げて把持する動作、あるいはフィンガにワークを接触させてずれ動かすような動作にも、力覚センサ４０３は利用できる。すなわち、広い意味で対象物を取扱うための装置にも力覚センサは利用できて、力覚センサからの対象物との接触荷重に係わる信号を用いて対象物に対する取扱いを制御することができる。これらの場合も、フィンガとワークとの間に力覚センサ４０３を配置すればよい。ワークは、ある程度の剛性を有する固体などの有形物であり、金属片、風船の如きもの、ゼリー状物、生物など、種々であり得る。
【００４０】
力覚センサ４０３の出力は、センサ回路４０６を介して電気信号に変換される。センサ回路４０６は、力覚センサの上下電極間の静電容量を検出する回路である。例えば、好適例として、交流の電圧信号を力覚センサ４０３に印加する発振回路、力覚センサに流れる電流を電圧信号に変換する検出回路、検出回路の出力（交流電圧信号）の包絡線を検出する検波回路からなる。ただし、原理的な構成としては、交流電圧を印加する発振回路、力覚センサの上電極と下電極との間に流れる電流の大きさを検出する回路を含めばよい。交流の電圧信号の周波数は、ギャップ上の上電極を含む可動部の固有周波数から十分に離れた周波数であるのが好ましい。これにより、可動部は実質的に振動しないで、ワークの状態（力覚センサに対して静止状態または動的状態）にかかわらずワークの接触荷重を精度よく検出することができる。
【００４１】
センサ回路４０６の出力は比較器４０７に入力される。比較器４０７には把持力の目標値（把持力トルク信号）が入力され、把持力の目標値からセンサ回路４０６の出力値を減算した値すなわち偏差量がコントローラ４０８に出力される。コントローラ４０８では、入力された偏差量に応じてハンド４０１のフィンガ４０２を駆動する信号を生成する。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、接触荷重などの大きさやその分布を検出する力覚センサなどに用いることができる。
【符号の説明】
【００４３】
１０１、３０１・・力覚センサ、１０２、３０２・・基板、１０４・・下電極、１０５、３０５・・メンブレン層、１０５ｂ、３０４・・支持部（側壁部、ポスト、スペーサ）、１０６、１０６ａ、１０６ｂ、３０６・・ギャップ、１０７、１０７ａ、１０７ｂ、３０７・・上電極、１２３、３１８・・弾性体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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