(57)【要約】【課題】新規な構造を有する多数の触覚センサを備えることが可能な触覚センサ装置を提供する。【解決手段】複数の触覚センサユニットを含み、触覚センサユニットは、触覚センサ１００と、触覚センサ１００からの出力を処理するプロセッサ要素とを含む。プロセッサ要素は、触覚センサから得たデータを伝達できるように、隣接する触覚センサユニットのプロセッサ要素に接続されている。触覚センサ１００は、基板１０１と基板１０１の上に配置された被膜１０４とを含み、被膜１０４に加えられた力を検出する。触覚センサ１００は、基板１０１側から順に配置されたＳｉＧｅ層１２２およびＳｉ層１２３を含む積層部１０２と、ＳｉＧｅ層１２２およびＳｉ層１２３をＳｉ層１２３側に曲げることによって形成された起立部１０３と、起立部１０３の変形を検出するための検出手段とをさらに含む。被膜１０４に力が加えられることによって起立部１０３が変形する。【選択図】図１
2008026178.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の触覚センサユニットを含む触覚センサ装置であって、
前記触覚センサユニットは、少なくとも１つの触覚センサと、前記少なくとも１つの触覚センサからの出力を処理するプロセッサ要素とを含み、
前記触覚センサユニットの前記プロセッサ要素は、前記触覚センサから得たデータを伝達することができるように、隣接する前記触覚センサユニットの前記プロセッサ要素に接続されており、
前記触覚センサは、基板と前記基板の上に配置された被膜とを含み、前記被膜に加えられた力を検出するセンサであり、
前記触覚センサは、前記基板の上に前記基板側から順に配置された第１および第２の層を含む積層部と、前記第１および第２の層を前記第２の層側に曲げることによって形成された起立部と、前記起立部の変形を検出するための検出手段とをさらに含み、
前記積層部および前記起立部は、それぞれ、互いに格子定数が異なる複数の層を含み、
前記第１および第２の層は、前記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おり、
前記起立部と前記被膜とが接触しており、
前記被膜に力が加えられることによって前記起立部が変形する、触覚センサ装置。
【請求項２】
１つの領域内に存在する複数の前記触覚センサユニットに含まれる前記触覚センサの出力データの特徴量が、前記領域内にある少なくとも１つの前記プロセッサ要素によって抽出されて出力される請求項１に記載の触覚センサ装置。
【請求項３】
前記領域内に存在する複数の前記プロセッサ要素がネットワークを形成することによって、前記特徴量が抽出される請求項２に記載の触覚センサ装置。
【請求項４】
前記複数の触覚センサユニットがマトリクス状に配置されており、
外縁部以外の位置に配置された前記触覚センサユニットの前記プロセッサ要素は、前記触覚センサから得たデータを伝達することができるように、隣接する４つ以上の前記触覚センサユニットの前記プロセッサ要素に接続されている請求項１〜３のいずれかに記載の触覚センサ装置。
【請求項５】
複数の前記プロセッサ要素に接続された演算器をさらに備える請求項１〜４のいずれかに記載の触覚センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触覚センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
触覚センサは、ロボットの手や、対象物の表面形状を検出するセンサとして用いられている。近年、センサに加えられた力の方向を検出する触覚センサも提案されている（たとえば特許文献１）。このセンサは、基板と、基板表面と平行になるように基板の上方に配置された支持部材と、基板上および支持部材上とに配置された２つの電極とを備える。そして、２つの電極間の静電容量に基づいてセンサに加えられた力を検出する。
【特許文献１】特開２００４−２６４１７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来のセンサは、センサが形成されている基板の表面と平行な方向の力に対する感度が十分ではなかった。また、触覚センサを覆うようにエラストマーなどの弾性体が形成されている場合、その弾性体に加わった力を感度よく検出することが容易ではなかった。
【０００４】
このような状況を考慮し、本発明は、従来の触覚センサとは全く異なる新規な構造を有する触覚センサを用いた触覚センサ装置を提供することを目的の１つとする。また、本発明は、多数の触覚センサを備えることが可能な触覚センサ装置を提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明の触覚センサ装置は、複数の触覚センサユニットを含む触覚センサ装置であって、前記触覚センサユニットは、少なくとも１つの触覚センサと、前記少なくとも１つの触覚センサからの出力を処理するプロセッサ要素とを含み、前記触覚センサユニットの前記プロセッサ要素は、前記触覚センサから得たデータを伝達することができるように、隣接する前記触覚センサユニットの前記プロセッサ要素に接続されている。前記触覚センサは、基板と前記基板の上に配置された被膜とを含み、前記被膜に加えられた力を検出するセンサであり、前記触覚センサは、前記基板の上に前記基板側から順に配置された第１および第２の層を含む積層部と、前記第１および第２の層を前記第２の層側に曲げることによって形成された起立部と、前記起立部の変形を検出するための検出手段とをさらに含み、前記積層部および前記起立部は、それぞれ、互いに格子定数が異なる複数の層を含み、前記第１および第２の層は、前記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おり、前記起立部と前記被膜とが接触しており、前記被膜に力が加えられることによって前記起立部が変形する。
【０００６】
なお、特に説明がない限り、この明細書において、所定の物体の「上に積層」または「上に配置」とは、物体の上に直接積層（または配置）されている場合に加え、物体の上に他の層や空間を介して積層（または配置）されている場合を含む意味である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、被膜に加えられた力を検出できる触覚センサ装置が得られる。この触覚センサ装置によれば、被膜に加えられた力の大きさおよび方向に関する情報を得ることが可能である。また、この触覚センサ装置によれば、基板の表面に平行な方向に加えられた力と、基板の表面に垂直な方向に加えられた力とに関する情報を得ることができる。この触覚センサ装置は、基板から立ち上がった起立部の変形を検出することによって被膜に加えられた力を検出するため、従来の触覚センサ装置とは異なり、基板表面に平行な方向に加えられた力を高分解能で検出できる。また、ロボットハンドの先端などにこの触覚センサを用いることによって、器用に物を持ったり、握手などの動作をさせたりすることも可能である。
【０００８】
本発明の触覚センサ装置では、触覚センサを複数個組み合わせることによって、被膜に加えられた力の方向を２次元または３次元で検出できる。このような触覚センサを複数個含む本発明のセンサ装置は、任意の面積の外圧を検出することが可能である。特に、本発明の触覚センサ装置は、触覚センサを微細に形成できる、複数のセンサを高密度に配置できる、３次元方向の力を検出できる、といった特徴を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下で説明する例は本発明の一例であり、本発明は以下の説明に限定されない。
【００１０】
［触覚センサ装置］
本発明の触覚センサ装置は、複数の触覚センサユニットを含む。１つの触覚センサユニットは、少なくとも１つの触覚センサと、それら少なくとも１つの触覚センサからの出力を処理するプロセッサ要素とを含む。触覚センサユニットのプロセッサ要素は、触覚センサから得たデータを伝達することができるように、隣接する触覚センサユニットのプロセッサ要素に接続されている。
【００１１】
触覚センサは、基板と基板の上に配置された被膜とを含み、被膜に加えられた力を検出するセンサである。触覚センサは、基板の上に基板側から順に配置された第１および第２の層を含む積層部と、第１および第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とをさらに含む。
【００１２】
上記積層部および起立部は、それぞれ、互いに格子定数が異なる複数の層を含む。上記第１および第２の層は、上記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。起立部と上記被膜とは接触している。そして、上記被膜に力が加えられることによって起立部が変形する。
【００１３】
プロセッサ要素は、演算器とメモリとを含む。プロセッサ要素の演算器には、算術論理演算器（ＡＬＵ）と呼ばれるような簡単な演算器を適用してもよい。
【００１４】
プロセッサ要素は、それが含まれる触覚センサユニット内の触覚センサのデータを処理する。また、プロセッサ要素は、必要に応じて、それが含まれる触覚センサユニットに隣接する触覚センサユニットのプロセッサ要素内のデータを用いて、データ処理を行う。
【００１５】
本発明の触覚センサ装置では、１つの領域内に存在する複数の触覚センサユニットに含まれる触覚センサの出力データの特徴量が、その領域内にある少なくとも１つのプロセッサ要素によって抽出されて出力されることが好ましい。この場合、当該領域内に存在する複数のプロセッサ要素がネットワークを形成することによって、出力データの特徴量が抽出されてもよい。たとえば、１つの触覚センサユニットのデータが「１」（触覚センサで検知された力が閾値以上）である場合、その触覚センサユニットのプロセッサ要素は、自己が属する触覚センサユニットを含み且つデータが「１」である触覚センサユニットの範囲を決定し、その範囲のデータの特徴量を算出して出力してもよい。複数の触覚センサのデータの特徴量を予め抽出してから出力することによって、データ処理の負荷を分散させることができ、出力するデータの転送量の削減と、高速な後処理とが可能となる。
【００１６】
本発明の触覚センサ装置では、複数の触覚センサユニットがマトリクス状に配置されていてもよい。この場合、外縁部以外の位置に配置された触覚センサユニットのプロセッサ要素は、触覚センサから得たデータを伝達することができるように、隣接する４つ以上の触覚センサユニットのプロセッサ要素に接続されていてもよい。たとえば、外縁部以外の位置に配置された触覚センサのプロセッサ要素は、その行および列方向に隣接する４つの触覚センサユニットのプロセッサ要素に接続されていてもよい。また、外縁部以外の位置に配置された触覚センサユニットのプロセッサ要素は、その斜め方向に隣接する４つの触覚センサユニットのプロセッサ要素に接続されていてもよい。また、外縁部以外の位置に配置された触覚センサのプロセッサ要素は、その行列方向に隣接する４つの触覚センサユニットと斜め方向に隣接する４つの触覚センサユニットの合計８つの触覚センサユニットのプロセッサ要素に接続されていてもよい。このように、プロセッサ要素同士が網目状のネットワークを構成してデータの授受をすることによって、データの特徴量の抽出などが可能となる。
【００１７】
なお、複数の触覚センサユニットの配置は、マトリクス状に限らず、他の配置であってもよい。たとえば、ハニカム形状の格子点の位置に触覚センサユニットを配置してもよい。この場合、外縁部以外の位置に配置された触覚センサユニットのプロセッサ要素は、隣接する３つの触覚センサユニットのプロセッサ要素に接続されてもよい。また、ハニカム形状の各六角形の中央の位置に触覚センサユニットを配置してもよい。
【００１８】
本発明の触覚センサ装置は、複数のプロセッサ要素に接続された演算器をさらに備えてもよい。この演算器は、汎用バスやクロックバスによって、プロセッサ要素に接続され、プロセッサ要素の制御などを行う。また、この演算器は、データ収集用のネットワーク（必要に応じて途中にメモリやゲートスイッチや他の演算器を含む）などによってプロセッサ要素に接続され、プロセッサ要素から出力されるデータの収集・処理を行う。以下、この演算器を「統制用演算器」という場合がある。なお、統制用演算器は、触覚センサ装置の一部であってもよいし、触覚センサ装置の外部にあってもよい。
【００１９】
本発明の触覚センサ装置は、複数のプロセッサ要素と統制用演算器とを接続するネットワーク上に配置された他の演算器およびメモリをさらに備えてもよい。この他の演算器に、統制用演算器の一部の機能を行わせることによって、統制用演算器の負担を軽くすることができる。
【００２０】
［触覚センサ］
以下、触覚センサユニットに含まれる触覚センサについて説明する。触覚センサユニットには、少なくとも１つの触覚センサが含まれる。１つの触覚センサユニットに含まれる触覚センサの数は１つであってもよいし、２つであってもよいし、３つであってもよいし、４つであってもよいし、それ以上であってもよい。４つの触覚センサを９０°ずつずらして配置することによって、せん断力の方向を検出できる。
【００２１】
以下、１つの触覚センサの構造について説明する。触覚センサは、基板と基板（および積層部）の上に配置された被膜とを含み、被膜に加えられた力を検出する触覚センサであって、基板の上に基板側から順に配置された第１および第２の層を含む積層部と、第１および第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とを含む。積層部および起立部は、それぞれ、互いに格子定数が異なる複数の層を含む。第１および第２の層は、上記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。起立部と被膜とは接触しており、被膜に力が加えられることによって起立部が変形する。
【００２２】
本発明の触覚センサでは、起立部の変形を検出手段で検出することによって、被膜に加えられた力を検出できる。検出手段は、基板上（積層部上）および起立部上に形成された２つの電極間の静電容量に基づいて起立部の変形を検出してもよい。なお、この場合、それぞれの電極は、複数の電極によって構成された電極群であってもよい。電極群を用いることによって、力の方向を検出することが容易になる。また、検出手段は、起立部または起立部と積層部との境界に形成されたピエゾ抵抗素子の抵抗値に基づいて起立部の変形を検出してもよい。この場合、ウィートストーンブリッジなどの公知の回路を用いて温度変化の影響を補償してもよい。また、検出手段は、その他の公知の方法、たとえば磁気を用いる方法などで起立部の変形を検出してもよい。被膜に加えられた力の大きさは、たとえば、被膜に加えられた力の大きさと検出手段で測定される測定値との関係について予め検量線を作成することによって求めることができる。
【００２３】
基板は、その上に形成される積層部に応じて選択される。たとえば、Ｓｉを含む半導体層で積層部が構成される場合、好ましい基板の一例はＳｉ基板である。また、積層部がIII−Ｖ族化合物半導体を主要な層として含む場合、好ましい基板の一例はＧａＡｓ基板などのIII−Ｖ族化合物半導体基板である。
【００２４】
積層部は、格子定数が異なる材料からなる複数の層を含む。それらの層の格子定数の差によって層内に生じる歪み（内部応力）によって、積層部を構成する層の少なくとも一部が折り曲げられ、起立部が形成されている。格子定数が異なる複数の層は、たとえば半導体層で構成される。そのような層の組み合わせとしては、たとえば、Ｓｉ層とＳｉＧｅ層との組み合わせや、組成および／または組成比が異なるIII−Ｖ族化合物半導体などが挙げられる。III−Ｖ族化合物半導体の組み合わせとしては、たとえば、ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＧａＮ／ＩｎＧａＮが挙げられる。
【００２５】
格子定数が大きい層Ａと格子定数が小さい層Ｂとを隣接させると、層Ｂに曲がろうとする内部応力が発生する。また、格子定数が大きい層Ａと格子定数が小さい層Ｂとを、厚い層Ａ／層Ｂ／薄い層Ａというように積層させると、厚い層Ａが層Ｂに及ぼす応力の方が薄い層Ａが層Ｂに及ぼす応力よりも大きいため、トータルでは薄い層Ａ側に曲がろうとする応力が発生する。同様に、厚い層Ｂ／層Ａ／薄い層Ｂという積層膜では、トータルでは厚い層Ｂ側に曲がろうとする応力が発生する。このような関係を利用して、積層された複数の層を所定の方向に折り曲げることができる。
【００２６】
積層部の一部を基板から分離して起立部を形成するため、基板と積層部との間には、選択的に除去される層（犠牲層）が形成される。積層部がＳｉを含む半導体で形成される場合、犠牲層は、たとえばＳｉＯ2で形成できる。また、積層部がIII−Ｖ族化合物半導体で形成される場合には、犠牲層は、たとえばＡｌ0.5Ｇａ0.5ＡｓとＡｌＡｓとを交互に複数層積層した膜で形成できる。
【００２７】
被膜は、通常、積層部および起立部を覆うように形成される。起立部と基板との間は、被膜で充填されていてもよいし、空間であってもよい。被膜は、被膜に加えられた力によって変形する材料で形成され、通常は弾性体である。被膜の材料、被膜の厚さ、素子の形状や大きさは、センサに求められる用途に応じて選択される。
【００２８】
本発明の触覚センサでは、検出手段は、起立部に形成されたピエゾ抵抗素子を含んでもよい。この構成では、ピエゾ抵抗素子の抵抗値をモニタすることによって起立部の変形を検出できる。
【００２９】
本発明の触覚センサでは、積層部と起立部との境界に位置する第１の折り曲げ部において、第１および第２の層が第２の層側に折り曲げられており、検出手段は、第１の折り曲げ部に形成されたピエゾ抵抗素子を含んでもよい。この構成では、ピエゾ抵抗素子の抵抗値をモニタすることによって起立部の変形（傾き）を検出できる。
【００３０】
本発明の触覚センサでは、積層部と起立部との境界に位置する第１の折り曲げ部と、起立部中の第２の折り曲げ部とにおいて、第１および第２の層が第２の層側に折り曲げられており、起立部は、第２の折り曲げ部によって基板の表面と対向するように配置された対向部を含み、検出手段は、互いに対向するように基板上（積層部上）と対向部上とに配置された第１および第２の電極を含み、第１の電極と第２の電極との間の静電容量の変化に基づいて起立部の変形が検出されてもよい。この場合、起立部は、第３の折り曲げ部において第１および第２の層を第１の層側に折り曲げることによって形成された先端部を含み、先端部が被膜と接触していてもよい。この構成では、被膜に加えられた力を先端部によって感度よく検出できる。
【００３１】
本発明の触覚センサでは、起立部は、起立部に接触する被膜の移動に応じて基板上（積層部上）をスライドするスライド部を含み、検出手段は、互いに対向するように基板上（積層部上）とスライド部上とに配置された第１および第２の電極を含み、第１の電極と第２の電極との間の静電容量の変化に基づいて起立部の変形が検出されてもよい。スライド部は、たとえば、積層部と起立部との境界に位置する第１の折り曲げ部と、起立部中の第２および第３の折り曲げ部とで第１および第２の層を折り曲げることによって形成できる。
【００３２】
本発明の触覚センサでは、被膜がエラストマーからなるものであってもよい。エラストマーの好ましい一例は、シリコーンゴムである。シリコーンゴムの硬度（ＪＩＳ−Ａ硬度）は、たとえば２０〜８０の範囲にある。硬化前のシリコーンゴムの粘度は、たとえば１〜５００Ｐａ・ｓの範囲にある。なお、被膜は、被膜に加えられた力に応じて変形し、その力を起立部に伝えるものであればよい。したがって、被膜は、樹脂やポリマーで形成されてもよい。
【００３３】
また、被膜は、多層構造を有してもよい。たとえば、基板に近いほど柔らかい材料（たとえば低密度のシリコーンゴム）で形成し、表面に近いほど硬い材料（たとえば高密度のシリコーンゴム）で形成してもよい。
【００３４】
本発明の触覚センサユニットは、本発明の触覚センサを複数個含む。複数のセンサは、必要に応じて所定の位置および所定の方向に配置される。たとえば、複数個の触覚センサを線状に配置してもよいし、２次元的に配置してもよい。また、複数個の触覚センサを同一の向きに配置してもよいし、向きを変えて配置してもよい。また、基板表面に水平な方向に加わる力の検出に適している触覚センサと、基板表面に垂直な方向に加わる力の検出に適している触覚センサを組み合わせてもよい。
【００３５】
本発明の触覚センサ装置は、外圧を認識する装置として様々な分野に適用できる。たとえば、通路や階段に埋め込んで、その上を移動する物を認識するセンサ装置として用いてもよい。また、物体の外形や凹凸を認識するセンサ装置として用いてもよい。本発明の触覚センサ装置では、半導体プロセスを用いて微小なセンサを高密度に配置できるため、触覚センサ装置を、指紋や手相といった微小な凹凸を認識する装置として用いることも可能である。また、機械の操作部（たとえば自動車のステアリング）などに埋め込んで、操縦者の状態を判断するためのセンサ装置として用いてもよい。また、工業用ロボットのロボットハンドやヒューマノイド型ロボットの人工皮膚に用いられるセンサ装置として用いてもよい。また、義手や義足の触覚センサ装置として用いてもよい。
【００３６】
以下、本発明の触覚センサ装置の一例について説明する。なお、以下の説明では、同様の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略する場合がある。また、以下の図面では、理解を容易にするため、被膜などの図示を省略する場合がある。
【００３７】
［触覚センサの一例］
本発明の装置で用いられる触覚センサの一例について、その形状を模式的に示す斜視図を図１（ａ）に示し、断面図を図１（ｂ）に示す。図１の触覚センサ１００は、基板１０１と、基板１０１上に形成されたＳｉＯ2層１２１および積層部１０２と、起立部１０３と、被膜１０４（図１（ａ）では図示せず）とを備える。
【００３８】
基板１０１は、シリコン基板である。積層部１０２は、基板１０１側から順に積層されたＳｉＧｅ層１２２（厚さ２０ｎｍ）およびアンドープのＳｉ層１２３（厚さ３４０ｎｍ）を含む。起立部１０３は、ＳｉＧｅ層（第１の層）１２２とＳｉ層（第２の層）１２３とをＳｉ層１２３側に折り曲げることによって形成されている。ＳｉＧｅ層１２２はＳｉ層１２３よりも格子定数が大きいため、これらの層は内部の歪みによって基板１０１から離れる方向に曲がっている。
【００３９】
起立部１０３は、ＳｉＧｅ層１２２およびＳｉ層１２３を曲げることによって形成されており、Ｕ字状の形状を有する。起立部１０３のＳｉ層１２３上には、ボロンドープのｐ−Ｓｉ層１２４が形成されている。Ｕ字状のｐ−Ｓｉ層１２４の両端は、それぞれ、積層部１０２上に形成された電極１２５および１２６に接続されている。ｐ−Ｓｉ層１２４は、ピエゾ抵抗素子として機能し、起立部１０３の変形によって抵抗が変化する。すなわち、ｐ−Ｓｉ層１２４は、起立部１０３の変形を検出する検出手段として機能する。
【００４０】
被膜１０４は、たとえばシリコーンゴムで形成される。被膜１０４は、積層部１０２および起立部１０３を覆うように、および基板１０１と起立部１０３との間を充填するように形成される。なお、基板１０１と起立部１０３との間は空洞であってもよい。
【００４１】
被膜１０４が押されると、被膜１０４に生じるせん断力によって起立部１０３が変形し、ｐ−Ｓｉ層１２４の抵抗値が変化する。この抵抗値は、被膜１０４が押される方向によって増加または減少する。たとえば、図１（ｂ）の方向Ａの力と方向Ｂの力とでは、ｐ−Ｓｉ層１２４が曲がる方向が異なるため、抵抗値の変化の方向（増加または減少）が反対となる。そのため、ｐ−Ｓｉ層１２４の抵抗値の変化の方向（増加または減少）と、変化の大きさとを測定することによって、被膜１０４が押す力の方向と大きさとを推定できる。
【００４２】
［触覚センサの他の一例］
本発明で用いられる触覚センサの他の一例について、その形状を模式的に示す斜視図を図２（ａ）に示し、断面図を図２（ｂ）に示す。図２の触覚センサ２００は、基板１０１と、基板１０１上に形成されたＳｉＯ2層２２１（厚さ４００ｎｍ）および積層部２０２と、起立部２０３と、被膜１０４（図２（ａ）では図示せず）とを備える。
【００４３】
積層部２０２は、基板１０１側から順に積層されたＳｉ層２２２（厚さ１００ｎｍ）、ＳｉＧｅ層２２３（厚さ３０ｎｍ、Ｇｅ量２１原子％）、Ｓｉ層２２４（厚さ２００ｎｍ）、ＳｉＧｅ層２２５（厚さ３０ｎｍ、Ｇｅ量２１原子％）、およびＳｉ層２２６（厚さ１００ｎｍ）を含む。
【００４４】
起立部２０３は、積層部２０２と起立部２０３との境界に位置する第１の折り曲げ部２３１においてＳｉ層（第１の層）２２２およびＳｉＧｅ層（第２の層）２２３（およびＳｉ層２２４）を、ＳｉＧｅ層２２３側に折り曲げることによって形成されている。起立部２０３は、たとえば、基板表面に対してほぼ垂直になるように形成される。第１の折り曲げ部２３１には、ピエゾ抵抗素子（ストレインゲージ）２３２が形成されている。ピエゾ抵抗素子２３２は、たとえばｐ形Ｓｉなどの公知の材料で形成できる。
【００４５】
被膜１０４は、起立部２０３を覆うように形成されている。被膜１０４に力が加えられると、起立部２０３が変形し、折り曲げ部２３１に形成されたピエゾ抵抗素子２３２の抵抗が変化する。この抵抗の変化から、被膜１０４に加えられた力の大きさおよび方向を検出できる。
【００４６】
［触覚センサの他の一例］
本発明で用いられる触覚センサの他の一例について、その形状を模式的に示す斜視図を図３（ａ）に示す。図３（ａ）には、２つの触覚センサ３００が対向するように配置された例を示す。また、１つの触覚センサ３００の断面図を図３（ｂ）に示す。触覚センサ３００は、基板１０１と、基板１０１上に形成されたＳｉＯ2層２２１および積層部２０２と、起立部３０３と、被膜１０４（図示せず）とを備える。
【００４７】
積層部２０２は、実施形態２で説明した積層部２０２と同じ構造を有する。Ｓｉ層（第１の層）２２２およびＳｉＧｅ層（第２の層）２２３は、積層部２０２と起立部３０３との境界に位置する第１の折り曲げ部３３１と、起立部３０３中の第２の折り曲げ部３３２において、ＳｉＧｅ層２２３側に約９０°に折り曲げられている（谷折り）。起立部３０３は、第２の折り曲げ部３３２によって基板１０１の表面と対向するように配向された対向部３０３ａを含む。
【００４８】
また、起立部３０３は、第３の折り曲げ部３３３においてＳｉ層２２２およびＳｉＧｅ層２２３をＳｉ層２２２側に約９０°折り曲げる（山折り）ことによって形成された先端部３０３ｂを含む。先端部３０３ｂは、基板１０１の表面に対してほぼ垂直に配置されている。なお、先端部３０３ｂは省略してもよい。
【００４９】
触覚センサ３００の検出手段は、互いに対向するように積層部２０２上と対向部３０３ａ上とに形成された第１および第２の電極３４１および３４２を含む。２つの電極は、導電性材料（たとえばＡｕのような金属）で形成できる。
【００５０】
被膜１０４は、少なくとも、起立部３０３のＳｉ層２２２の表面と接触するように配置される。被膜１０４は、積層部２０２と対向部３０３ａとの間を充填するように配置されてもよいが、両者の間は空間であってもよい。図３（ａ）のように複数の触覚センサ３００を対向するように配置し、粘度が高い被膜材料を用いることによって、積層部２０２と対向部３０３ａとの間を空間とすることが可能である。
【００５１】
被膜１０４に力が加えられると、起立部３０３が変形する。被膜１０４に加えられた力の方向に応じて、第２の電極３４２は、基板１０１の表面に対して平行な方向（図３（ｂ）のＡ方向）または垂直な方向（図３（ｂ）のＢ方向）に移動する。その結果、第１の電極３４１と第２の電極３４２との間の静電容量が変化する。この静電容量の変化をモニタすることによって、被膜１０４に加えられた力を検出できる。なお、第１の電極３４１と第２の電極３４２の少なくとも一方の電極を分割し、複数の短冊状の電極としてもよい（実施形態４の電極においても同様である）。短冊状の電極を図３（ｂ）のＡ方向に並べることによって、平行な方向の移動による容量の変化と、垂直な方向の移動による容量の変化とを分離しやすくなる。また、平行の方向の移動による容量の変化についても、移動の方向の判断が容易になる。
【００５２】
［触覚センサの他の一例］
本発明で用いられる触覚センサの他の一例について、その主要部の形状を模式的に示す斜視図を図４（ａ）に示す。図４（ａ）の触覚センサ４００は、基板１０１と、基板１０１上に形成されたＳｉＯ2層２２１および積層部２０２と、起立部４０３と、カバー４４０（図５に示す）と、被膜１０４（図示せず）とを備える。触覚センサ４００の起立部４０３の一部断面図を図４（ｂ）に示す。
【００５３】
積層部２０２は、実施形態２で説明した積層部２０２と同じ構造を有する。Ｓｉ層２２２およびＳｉＧｅ層２２３（およびＳｉ層２２４）の一部は、第１の折り曲げ部４３１と第２の折り曲げ部４３２とにおいて、ＳｉＧｅ層２２３側に折り曲げられている。また、Ｓｉ層２２２およびＳｉＧｅ層２２３の一部は、第３の折り曲げ部４３３においてＳｉ層２２２側に折り曲げられている。起立部４０３は、Ｓｉ層２２２およびＳｉＧｅ層２２３が折り曲げられることによって形成されたスライド部４０３ａを含む。スライド部４０３ａは、起立部４０３に接触する被膜１０４の移動に応じて積層部２０２上をスライドする。
【００５４】
被膜１０４は、スライド部４０３ａが基板１０１上を移動できるように、第２の折り曲げ部４３２からスライド部４０３ａにはできるだけ接触しないように形成される。そのため、図５に示すように、触覚センサ４００は、スライド部４０３ａを覆うように配置されたカバー４４０を備える。カバー４４０は、３つの折り曲げ部において、Ｓｉ層２２２およびＳｉＧｅ層２２３をＳｉＧｅ層２２３側に折り曲げることによって形成できる。被膜１０４の材料として粘度が高いものを用いることによって、スライド部４０３ａに被膜１０４が付着することを防止できる。
【００５５】
触覚センサ４００の検出手段は、互いに対向するように積層部２０２上とスライド部４０３ａ上に形成された第１および第２の電極４４１および４４２を含む。２つの電極は、導電性材料（たとえばＡｕのような金属）で形成できる。２つの電極が短絡しないように、電極の表面には、たとえばＳｉＯ2からなる誘電体層４４３を形成する。
【００５６】
被膜１０４に力が加わると、起立部４０３が変形し、スライド部４０３ａがスライドする。その結果、第１の電極４４１と第２の電極４４２との間の静電容量が変化する。この静電容量の変化をモニタすることによって、被膜１０４に加わった力を検出できる。
【００５７】
［触覚センサユニットの一例］
本発明で用いられる触覚センサユニットの一例の上面図を図６（ａ）に示す。図６（ａ）の触覚センサユニット５００は、方向が９０°ずつずれるように配置された４つの触覚センサ１００と、それらの触覚センサ１００から得られる情報を処理するプロセッサ要素５１０とを備える。図６（ａ）の触覚センサユニットの４つの触覚センサ１００の配置を示す斜視図を、図６（ｂ）に示す。
【００５８】
４つの触覚センサ１００は、プロセッサ要素５１０に接続されている。また、プロセッサ要素５１０は、それが属する触覚センサユニット５００に隣接する触覚センサユニットのプロセッサ要素と、配線５０１によって接続されている。また、プロセッサ要素５１０は、クロックバスおよび汎用バスを介して、後述する統制用演算器に接続されている。
【００５９】
触覚センサ１００を、Ｓｉ基板などの半導体基板上に形成する場合、触覚センサ１００とプロセッサ要素５１０とを同一基板上に形成することが可能である。触覚センサ１００とプロセッサ要素５１０とを結ぶ配線は、半導体プロセスで形成できる。
【００６０】
触覚センサユニット５００によれば、図６（ａ）に示すように、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の２軸のせん断力と、押圧力とを検出できる。本発明の触覚センサ装置は、複数の触覚センサユニット５００を備える。
【００６１】
［触覚センサ装置の一例］
本発明の触覚センサ装置の一例を図７に示す。図７の触覚センサ装置６００は、１つの基板上に形成されてもよいし、複数の基板を用いて形成されてもよい。
【００６２】
図７の触覚センサ装置６００は、マトリクス状に配置された複数の触覚センサユニット５００と、演算器７０１と、メモリ７０２と、統制用演算器７０３とを含む。なお、図７では、触覚センサユニット５００のプロセッサ要素５１０、演算器７０１、メモリ７０２、および統制用演算器７０３を結ぶ配線（ネットワーク）の図示を省略している。プロセッサ要素５１０、演算器７０１、メモリ７０２、および統制用演算器７０３を結ぶ配線（ネットワーク）を図８に示す。
【００６３】
外周部以外の位置に配置された触覚センサユニット５００のプロセッサ要素５１０は、行方向および列方向に隣接する４つの触覚センサユニット５００および斜め方向に隣接する４つの触覚センサユニット５００の、合計８つの触覚センサユニット５００のプロセッサ要素５１０に接続されている。
【００６４】
マトリックス状に配置されたプロセッサ要素５１０のうち、列の端部および行の端部に存在するプロセッサ要素５１０は、１対１で対応するように演算器７０１に接続される。複数の演算器７０１は、プロセッサ要素５１０から取得し必要に応じて処理したデータを、メモリ７０２に格納する。統制用演算器７０３は、メモリ７０２に格納されたデータを取得して処理する。メモリ７０２は、シフトレジスターとして用いられてもよい。メモリ７０２と統制用演算器７０３、または、演算器７０１とメモリ７０２と統制用演算器７０３とは、ワンチップ化されてもよい。
【００６５】
統制用演算器７０３がプロセッサ要素５１０のデータにアクセスする方法としては、たとえば以下の２つの方法が挙げられる。
【００６６】
第１の方法は、汎用バスを使ってアクセスする方法である。この場合、プロセッサ要素５１０の行列番号（座標）を指定し、特定のプロセッサ要素５１０のデータにアクセスする。しかし、この方法は、各プロセッサ要素５１０にアクセスする必要があるため、統制用演算器７０３の負担が大きいという問題がある。
【００６７】
第２の方法は、プロセッサ要素５１０によって形成されたネットワークで行われるデータ処理の結果に、アクセスする方法である。まず、汎用バスを介して、統制用演算器７０３から所定のプロセッサ要素５１０に対して、所定のネットワークを形成してデータ処理を行うように指令が出される。指令を受けたプロセッサ要素５１０は、指令に従って特定のネットワーク、たとえば特定の列方向や、斜め４５°方向のネットワークを形成する。ネットワーク上のプロセッサ要素５１０は、ネットワーク上で隣接するプロセッサ要素５１０のデータと自己のデータとを結合しながら、結合されたデータを、ネットワーク上の他方に隣接するプロセッサ要素５１０に出力する。ネットワークの端部にあるプロセッサ要素５１０は、ネットワーク上にあるプロセッサ要素５１０のデータを結合して得られたデータを、演算器７０１に出力する。演算器７０１は得られたデータを、必要に応じて処理して、メモリ７０２に書き込む。統制用演算器７０３は、メモリ７０２にアクセスし、メモリ７０２に書き込まれたデータを取得する。統制用演算器７０３は、メモリ７０２に書き込まれた複数のネットワークに関するデータを処理することによって、所定の領域における圧力およびせん断力に関する情報を得る。
【００６８】
第２の方法では、統制用演算器７０３が、個々のプロセッサ要素５１０にアクセスする必要がないため、統制用演算器７０３の負担が少ない。なお、第１の方法と第２の方法とは、状況に応じて使い分けられてもよい。
【００６９】
なお、指定されたネットワークと演算器７０１とが直接接続されていない場合、すなわち、指定されたネットワークと演算器７０１とを接続するために、データの収集対象ではないプロセッサ要素５１０を介した接続が必要となる場合がある。そのような場合には、データの収集対象ではないプロセッサ要素５１０がデータをスルーする処理を行うように、プロセッサ要素５１０を制御すればよい。
【００７０】
統制用演算器７０３は、クロックバスおよび汎用バス（いずれも図８では図示を省略）によってプロセッサ要素５１０に接続されている。これらのバスを介して、統制用演算器７０３は、プロセッサ要素５１０の制御を行う。また、統制用演算器７０３は、得られたデータの処理を行い、処理したデータを必要に応じて外部に出力する。なお、広い領域に触覚センサを配置する場合、複数の触覚センサ装置６００を並べ、それらから得られたデータを上位の演算器で処理してもよい。
【００７１】
統制用演算器７０３とプロセッサ要素５１０との関係を図９に模式的に示す。なお、図６および図７の例では、１つのプロセッサ要素５１０に４つの触覚センサ１００が接続されているが、図９では４つのうちの１つのみを図示する。プロセッサ要素５１０は、Ａ／Ｄ変換器５１１と、プログラムメモリ５１２と、演算器５１３と、メモリ５１４と、ゲートスイッチ５１５とを備える。なお、プロセッサ要素５１０は、必要に応じて他の回路や素子を含んでもよい。
【００７２】
Ａ／Ｄ変換器５１１は、予め決められた閾値を基準として、触覚センサ１００の出力をデジタル化する。ここでは、たとえば、２段階（２値化）、４段階、８段階、１６段階、またはそれ以上の段階にデジタル化する。デジタル化されたデータは、演算器５１３に入力される。
【００７３】
演算器５１３は、プログラムメモリ５１２に記録されているプログラムを実行する。演算器５１３は、隣接する８つのプロセッサ要素５１０のメモリ５１４’に、ゲートスイッチ５１５を介して接続することが可能である。演算器５１３は、必要に応じてゲートスイッチ５１５のゲートを開閉し、近傍のプロセッサ要素５１０のメモリ５１４’に記録されたデータにアクセスする。また、演算器５１３は、必要に応じてゲートスイッチ５１５のゲートを開閉し、任意の経路のネットワークを構築する。なお、外縁部にあるプロセッサ要素５１０のうちの一部のプロセッサ要素５１０のゲートスイッチ５１５は、演算器７０１に接続される。演算器７０１には、プログラムメモリ７０１ａ（プロセッサ要素５１０のプログラムメモリ５１２に相当）が接続されている。演算器７０１も、プログラムメモリ７０１ａに記録されているプログラムに従って、隣接するプロセッサ要素５１０から受け取ったデータを処理してメモリ７０２に格納する。
【００７４】
なお、各演算器５１３および演算器７０１が実行するプログラムは、すべて同一であってもよいし、異なってもよい。
【００７５】
統制用演算器７０３は、クロックバス７０４および汎用バス７０５によって、演算器５１３および演算器７０１に接続される。統制用演算器７０３は、クロックバス７０４を介してクロック信号を出力して演算器のプログラムカウンタを動かし、演算器にプログラムを実行させる。
【００７６】
統制用演算器７０３は、所定の情報、たとえば、クロック毎の処理手順や、ゲート開閉手順や、データのデジタル化のための閾値や、校正データなどを、汎用バス７０５を介して、演算器５１３および演算器７０１に入力する。統制用演算器７０３から演算器５１３および演算器７０１に予め転送されるプログラムに含まれる処理としては、たとえば、以下のような処理が挙げられる。
Ａ．触覚センサのデータを取得しろ。
Ｂ．触覚センサのデータを二値化しろ。
Ｃ．左右のプロセッサ要素とネットワーク接続しろ。
Ｄ．左隣のプロセッサ要素が有するデータと自己が有するデータとを加算しろ。
Ｅ．左右のプロセッサ要素とのネットワーク接続を解除しろ。
【００７７】
演算器５１３は、送られてきたプログラムを適切に解釈する。たとえば、送られてきたプログラムに含まれるそれぞれの処理を、所定のクロックタイミングに沿った処理に置き換える。実行すべき処理が上記の「Ａ．センサデータを取得しろ。」である場合には、以下のように、所定のクロックタイミング毎に解釈した手順で処理を実行すればよい。なお、以下の処理およびクロック数は一例である。
Ａ−１．センサに電流を流す（４クロック）
Ａ−２．抵抗値を測定する（８クロック）
Ａ−３．離散化する（４０クロック）
Ａ−４．校正する（９０クロック）
Ａ−５．メモリに保存する（２クロック）
【００７８】
演算器７０１は、プロセッサ要素５１０から入力されたデータを処理し、メモリ７０２に格納する。メモリ７０２に格納されたデータは、統制用演算器７０３によって読み出され、処理される。
【００７９】
多数の触覚センサを備える触覚センサ装置では、すべての触覚センサユニットのデータを逐一収集して処理すると、処理に時間がかかるとともに統制用演算器に多大な負担がかかるという問題がある。これに対し、本発明の触覚センサ装置６００では、分散処理が可能であるため、すべての触覚センサユニットのデータを逐一収集しなくても、触覚センサユニットに加えられた圧力に関する情報を得ることが可能である。たとえば、多数の触覚センサユニットの一部のみに圧力が加えられている場合、圧力が加えられた触覚センサユニットのデータのみをプロセッサ要素が抽出し、抽出されたデータが統制用演算器に入力されてもよい。
【００８０】
以下、本発明の触覚センサ装置６００におけるデータ処理の一例について説明する。まず、プロセッサ要素５１０は、触覚センサユニット５００の各触覚センサ１００から、圧力に対応する抵抗値のデータ（アナログデータ）を取得し、Ａ／Ｄ変換器５１１によってデータをデジタル化する。次に、デジタル化されたデータを、メモリ５１４に予め格納しておいた校正データで校正し、校正されたデータをメモリ５１４に書き込む。このような処理は、触覚センサユニット５００に含まれる４つの触覚センサ１００のそれぞれについて行われる。
【００８１】
なお、４つの触覚センサ１００のデータを用いて、図６（ａ）に示す、押圧力、Ｘ軸方向におけるせん断力、およびＹ軸方向におけるせん断力を算出してもよい。ここで、図６（ａ）のＸ軸方向に対向する２つの触覚センサ１００から得られるデータをそれぞれＡおよびＢとし、図６（ａ）のＹ軸方向に対向する２つの触覚センサ１００から得られるデータをそれぞれＣおよびＤとする。一例では、データＡ、Ｂ、ＣおよびＤの平均値を、図６（ａ）に示す押圧力に対応するデータとしてもよい。また、データＡとＢとの差を、Ｘ軸方向におけるせん断力に対応するデータとしてもよい。同様に、データＣとＤとの差を、Ｙ軸方向におけるせん断力に対応するデータとしてもよい。なお、これらのデータ処理にあたり、必要に応じて、データの符号を反転させたり、データに所定の係数を掛けたりしてもよい。これらの処理は、ソフトウェアで行ってもよいし、処理を行うための回路を組んでハードウェアで行ってもよい。ソフトウェアで処理する方法は、柔軟性が高いというメリットがある。一方、ハードウェアで行う方法は、処理を高速化できるというメリット、および、プロセッサ要素を簡略化できるというメリットがある。
【００８２】
本発明の触覚センサ装置は、一例では、圧力のみをモニタしてもよい。その場合、触覚センサユニット５００のうち、押圧を検知した部分の触覚センサユニット５００のデータのみを処理してもよい。そのような処理を行うための方法としては、たとえば、押圧を検知した一群の触覚センサユニット５００のデータの重心計算と、それに続くラドン変換とを行う方法が挙げられる。
【００８３】
重心計算の方法に特に限定はなく、公知の方法を適用してもよい。以下に、触覚センサユニット５００が［Ｎｘ列］×［Ｎｙ行］に配列されている領域について、重心計算を行う方法の一例を説明する。なお、以下の説明では、簡略化のために、触覚センサユニット５００が触覚センサ１００を１つだけ備える場合について説明する。重心（Ｃx，Ｃy）は、以下の式によって求められる。
【００８４】
【数１】
2008026178.tif 000003
【００８５】
以上の式によって重心を求めることが可能である。なお、切り出される［Ｎｘ列］×［Ｎｙ行］の領域は、状況に応じて決定される。たとえば、物体が接触する領域が既知の場合は、その付近だけを切り出してもよい。また、前の時刻に接触した領域が既知の場合には、現時刻もその付近に物体が接触していると仮定して、前の時刻に接触した領域よりも若干広い領域を切り出してもよい。また、接触領域を全領域から限定する処理を予め行ってもよい。
【００８６】
演算器５１３および演算器７０１を用いて、各行の総和Ｍy、および各列の総和Ｍxを計算することが可能である。このような処理は、たとえば以下の手順で行うことが可能である。
１．触覚センサから得られたデータを二値化する。
２．行方向にネットワーク接続し、データの値が「１」であるユニットの個数を数える。この処理を、それぞれの行について行う。
３．列方向にネットワーク接続し、データの値が「１」であるユニットの個数を数える。この処理を、それぞれの列について行う。
【００８７】
行方向のデータの加算は、１つの行内に含まれるＮｘ個の演算器５１３が全加算器の各桁を担当するような加算回路を構築することによって行うことが可能である。このような加算回路を用いて、演算器７０１から最も離れた演算器５１３から順次データを加算することによって、行方向のデータの総和Ｍyを表すビット列が得られる。列方向のデータの総和Ｍxも同様の手順で計算できる。
【００８８】
以上のようにして重心が求められる。重心の算出に引き続いてデータ処理を行うことによって、押圧されている部分の形状を認識することも可能である。形状認識は、たとえばＣＴスキャンなどで用いられるラドン変換を適用することによって行ってもよい。
【００８９】
ラドン変換では、重心を通る所定のサンプリング方向のデータを加算し、それに基づいて形状認識を行う。たとえば、図１０（ａ）に示す形状の領域８０１の内側全体が押圧された場合、その重心を通る複数のサンプリング方向（図１０（ａ）の方向ａ、ｂおよびｃ）のデータを加算することによって、図１０（ｂ）に示すようなデータが得られる。図１０（ｂ）のデータ（形状の特徴量）と、予め登録しておいた様々な形状の特徴量とを比較することによって、押圧されている領域の形状を推定することが可能になる。このとき、サンプリング方向の数が多いほど形状認識の精度が高まるが、処理の負担が大きくなるため、サンプリング方向の数は適当な値に設定される。
【００９０】
サンプリング方向のデータを加算する場合、サンプリング方向に沿ったネットワークを形成し、そのネットワーク上にある触覚センサユニットのデータを加算する。データの加算は、上述した方法や公知の方法で行うことが可能である。なお、サンプリング方向に完全に一致したネットワークを形成できない場合には、サンプリング方向に最も近いネットワークを形成して処理を行えばよい。
【００９１】
また、本発明の触覚センサ装置では、得られたデータをフィルタ処理することによって、押圧されている領域の輪郭を抽出したり、ノイズを減らしたりすることも可能である。たとえば、３列×３行の９つの触覚センサユニットでネットワークを構築し、その領域内のデータの１次微分（または差分）を行うことによって輪郭を抽出することが可能である。そのような処理は、画像処理の分野でよく知られている。フィルタ処理において、たとえば、画像処理でよく知られているゾーベルフィルタ（Ｓｏｂｅｌ  Ｆｉｌｔｅｒ）や、プレヴィットフィルタ（Ｐｒｅｗｉｔｔ  Ｆｉｌｔｅｒ）を適用してもよい。
【００９２】
なお、本発明の触覚センサでは、図１１に示すように、すべての触覚センサ１００が、同一の方向に向けて配置されてもよい。図１１には、プロセッサ要素を示していないが、プロセッサ要素は、１つ以上の触覚センサ１００に接続される。また、以上の例では、触覚センサ１００を用いた触覚センサ装置について説明したが、触覚センサ１００以外の他のセンサを用いてもよい。
【００９３】
本発明の触覚センサ装置におけるデータの処理では、撮像素子などの画像処理において提案されている方法を用いてもよい。たとえば、特開２００１−１９５５６４号公報、特開２００３−２１８３３８号公報、および電子情報通信学会論文誌「ビジョンチップのための動的再構成可能なＳＩＭＤプロセッサ」（Ｖｏｌ．Ｊ８６−Ｄ−II，  Ｎｏ．１１，  ｐｐ．１５７５−１５８５，  ２００３年１１月）に開示されている方法を用いてもよい。
【００９４】
本発明の触覚センサ装置は、触覚センサを備える義手や義足、および触覚センサを備えるロボットの人工皮膚に用いることが可能である。また、本発明の触覚センサ装置は、ハンドル、階段、通路などに埋め込んで、人の動きを感知・予測する装置の一部として用いることもできる。また、上述したように、発明の触覚センサ装置を用いて、押圧されている領域の輪郭を抽出することも可能である。たとえば、図１２（ａ）に示すような物体が触覚センサ装置上に配置された場合、取得されたデータを処理することによって、図１２（ｂ）に示すように、押圧されている領域の輪郭のデータを得ることが可能である。そのため、本発明の触覚センサ装置は、その上に置かれた物体の形状や輪郭を認識する装置として用いることもできる。
【００９５】
［触覚センサの製造方法］
本発明の触覚センサ装置は、半導体素子の製造に用いられている公知の方法を組み合わせて形成できる。以下、触覚センサ３００を例に挙げて製造方法の一例を説明する。なお、各触覚センサユニットのプロセッサ要素は、触覚センサと同一の基板上に直接形成してもよいし、回路が組み込まれた素子を基板上にマウントすることによって配置してもよい。
【００９６】
製造工程を図１３（ａ）〜（ｆ）に示す。なお、図１３（ａ）、（ｃ）および（ｅ）は上面図であり、図１３（ｂ）、（ｄ）および（ｆ）はそれらに対応する断面図である。
【００９７】
まず、Ｓｉ単結晶からなる基板１０１（厚さ４００μｍ）上に、ＳｉＯ2層２２１（厚さ４００ｎｍ）およびＳｉ層（厚さ２０ｎｍ）が形成されたＳＯＩ基板（（１００）面）を用意する。この基板上に、Ｓｉ層（厚さ８０ｎｍ）をエピタキシャル成長させて、Ｓｉ層２２２（厚さ１００ｎｍ）を形成する。次に、ＳｉＧｅ層２２３、Ｓｉ層２２４、ＳｉＧｅ層２２５、およびＳｉ層２２６を順次エピタキシャル成長させ、積層部２０２を形成する。エピタキシャル成長は、通常の条件で行うことができる。たとえば、基板温度５５０℃、成長速度６０ｎｍ／ｈの条件で行うことができる。また、Ｇｅはクヌーセンセルで供給してもよく、ＳｉはＥＢ蒸着で供給してもよい。
【００９８】
このようにして、図１３（ａ）および（ｂ）に示すように、基板１０１上に多層膜を形成する。次に、図１３（ｃ）および（ｄ）に示すように、多層膜の一部をエッチングして、３種類の溝１１、１２および１３を形成する。それらの溝は、フォトリソグラフィーとエッチングとを組み合わせることによって形成できる。溝１１は、第１および第２の折り曲げ部３３１および３３２（図３（ｂ）参照）に対応する位置に形成される。溝１１は、Ｓｉ層２２６とＳｉＧｅ層２２５とをエッチングすることによって形成できる。溝１２は、第３の折り曲げ部３３３（図３（ｂ）参照）に対応する位置に形成される。溝１２は、Ｓｉ層２２６、ＳｉＧｅ層２２５およびＳｉ層２２４をエッチングすることによって形成できる。溝１３は、積層部２０２を切り出して起立部３０３を形成するための溝である。溝１３は、ＳｉＯ2層２２１に到達するように形成される。溝１３は、Ｓｉ層２２６、ＳｉＧｅ層２２５、Ｓｉ層２２４、ＳｉＧｅ層２２３およびＳｉ層２２２をエッチングすることによって形成できる。Ｓｉ層は、たとえばＮＨ3水溶液でエッチングできる。また、ＳｉＧｅ層は、たとえばＨＦ／Ｈ2Ｏ2／ＣＨ3ＣＯＯＨの混合水溶液でエッチングできる。また、溝１３を形成する場合には、Ｓｉ層およびＳｉＧｅ層をＨＦ／ＨＮＯ3／ＣＨ3ＣＯＯＨの混合水溶液でエッチングしてもよい。
【００９９】
次に、Ｓｉ層２２６上の所定の位置に、第１および第２の電極３４１および３４２を形成する。このとき、電極に接続された配線（図示せず）も形成する。これらの電極および配線は、蒸着法などの公知の方法で形成できる。
【０１００】
次に、起立部３０３となる部分に対応する位置に存在するＳｉＯ2層２２１を除去する。ＳｉＯ2層２２１の除去は、溝１３を介してウェットエッチングで行うことができる。エッチング液には、たとえばフッ酸（ＨＦ水溶液）を用いることができる。起立部３０３となる部分の下方に存在するＳｉＯ2層２２１を除去すると、３つの折れ曲がり部で半導体層が折れ曲がる。
【０１０１】
溝１１の部分では、ＳｉＧｅ層２２３が、それよりも格子定数が小さい２つのＳｉ層２２２（厚さ１００ｎｍ）とＳｉ層２２４（厚さ２００ｎｍ）とで挟まれている。したがって、厚いＳｉ層２２４がＳｉＧｅ２２３に及ぼす応力は、薄いＳｉ層２２２がＳｉＧｅ層２２３に及ぼす応力よりも大きく、そのために、それらの３つの層はＳｉ層２２４側に折れ曲がる。一方、溝１２の部分では、Ｓｉ層２２２およびＳｉＧｅ層２２３のみが存在するため、それら２つの層がＳｉ層２２２側に折れ曲がる。このようにして、３つの箇所で半導体層が折り曲げられ、図３に示すような起立部３０３が形成される。
【０１０２】
次に、基板１０１および起立部３０３を覆うように被膜１０４を形成する。被膜１０４は、たとえば、被膜１０４の材料を基板１０１上に塗布したのち、その材料を硬化させることによって形成できる。被膜１０４の材料は、スピンコート法のような公知の方法で塗布できる。被膜１０４の材料の硬化の方法は、その材料に応じて選択される。このようにして触覚センサ３００が形成される。
【０１０３】
なお、触覚センサ３００以外の他の触覚センサも、同様の方法で形成できる。触覚センサ１００、２００および４００を形成する場合の溝のパターンを、それぞれ、図１４（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に示す。図１４（ａ）において、溝１３は、ＳｉＯ2層まで到達する溝である。なお、図１４（ｂ）では、第１の折り曲げ部に幅が狭い２本の溝１１を形成しているが、幅が広い１本の溝１１としてもよい。
【０１０４】
上記製造方法によれば、複数の触覚センサを同一基板上に同時に形成することが可能であり、本発明の触覚センサユニットを容易に製造できる。なお、上記製造方法は一例であり、本発明の触覚センサは他の方法で形成してもよい。たとえば、基板上の各層は、その層に応じて、蒸着法、ＣＶＤ法、その他の各種エピタキシャル法で形成できる。また、折り曲げ部に形成される溝を形成する際のエッチング法は、積層部を構成する半導体層に応じて任意の方法を適用できる。
【０１０５】
上記実施形態では、Ｓｉ層とＳｉＧｅ層とを積層した多層膜を用いる例について説明したが、III−Ｖ族化合物半導体を用いても同様のセンサを形成できる。なお、折れ曲がり部の角度は、半導体層の厚さや組成、溝の幅によって制御できる。たとえば、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層とＧａＡｓ層とで構成された折れ曲がり部の場合であって、それらが上述した厚さ程度の層である場合には、ＧａＡｓ層の曲率半径は、通常、以下の式で近似される。
Ｒ＝（ａ／Δａ）・｛（ｔ１＋ｔ２）／２｝
ここで、ａはＧａＡｓ層の格子定数であり、５．６５３３オングストロームである。また、Δａは、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層の格子定数（５．７３４３オングストローム）とＧａＡｓ層の格子定数との差である。また、ｔ１はＩｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層の厚さ（単位：オングストローム）であり、ｔ２はＧａＡｓ層の厚さ（単位：オングストローム）である。
【０１０６】
以上、本発明の実施形態について例を挙げて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の技術的思想に基づいて他の実施形態に適用できる。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
本発明の触覚センサ装置は、外圧を感知する装置として様々な分野に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明で用いられる触覚センサの一例を模式的に示す（ａ）斜視図および（ｂ）断面図である。
【図２】本発明で用いられる触覚センサの他の一例を模式的に示す（ａ）斜視図および（ｂ）断面図である。
【図３】本発明で用いられる触覚センサのその他の一例を模式的に示す（ａ）斜視図および（ｂ）断面図である。
【図４】本発明で用いられる触覚センサのその他の一例の一部を模式的に示す（ａ）斜視図および（ｂ）断面図である。
【図５】図４の触覚センサの構造を模式的に示す斜視図である。
【図６】本発明で用いられる触覚センサユニットの一例について、（ａ）構成を模式的に示す上面図、および（ｂ）触覚センサの配置を示す斜視図である。
【図７】本発明の触覚センサ装置の一例の構成を模式的に示す上面図である。
【図８】図７に示した触覚センサ装置について、プロセッサ要素および演算器等の結合状態を模式的に示す図である。
【図９】図７に示した触覚センサ装置について、各構成要素の関係を模式的に示す図である。
【図１０】本発明の触覚センサユニットを用いて押圧部の形状を認識する方法の一例を示す図である。
【図１１】本発明の触覚センサ装置の他の例を模式的に示す斜視図である。
【図１２】本発明の触覚センサ装置を用いて物体の輪郭を認識する方法の一例を示す図である。
【図１３】本発明の触覚センサ装置の製造方法の一例を模式的に示す断面図である。
【図１４】本発明の触覚センサ装置の製造方法の他の例を模式的に示す上面図である。
【符号の説明】
【０１０９】
１１、１２、１３  溝
１００、２００、３００、４００  触覚センサ
１０１  基板
１０２、２０２  積層部
１０３、２０３、３０３、４０３  起立部
１０４  被膜
１２１、２２１  ＳｉＯ2層
１２２、２２３、２２５  ＳｉＧｅ層
１２３、２２２、２２４、２２６  Ｓｉ層
１２４  ｐ−Ｓｉ層（ピエゾ抵抗素子）
２３１、３３１、３３２、３３３、４３１、４３２、４３３  折り曲げ部
２３２  ピエゾ抵抗素子
３０３ａ  対向部
３０３ｂ  先端部
３４１、３４２、４４１、４４２  電極（検出手段）
４０３ａ  スライド部
４４０  カバー
４４３  誘電体層
５００  触覚センサユニット
５１０  プロセッサ要素
６００  触覚センサ装置
７０１  演算器
７０２  メモリ
７０３  統制用演算器
【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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