(57)【要約】【課題】接触する対象物の表面形状を検出できるとともに、対象物から受ける力の方向も検出できる触覚センサを提供する。【解決手段】検出領域に配列されているセンサセルのいずれかは、突起１０６の周囲の上部電極１０５に、センサセルの領域内で偏在して配置された開口部１１１ａ〜１１１ｄ，１１２ａ〜１１２ｄを備え、配列された複数のセンサセルの中に、突起１０６に加わる力の方向によって上部電極１０５の変化状態が異なるセンサセルが、含まれているようにする。【選択図】        図１
2004264172.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に配列された複数のセンサセルを備え、
前記センサセルは、
前記基板の上に固定された下部電極と、
この固定電極の上方に配置されて変形可能な上部電極と、
前記基板の上で前記上部電極を支持する支持部材と、
前記下部電極の中央部の上方の前記上部電極の上に設けられた突起と
を少なくとも備え、
前記センサセルのいずれかは、前記突起の周囲の前記上部電極に形成されて前記センサセルの領域内で偏在する開口部を備える
ことを特徴とする触覚センサ。
【請求項２】
請求項１記載の触覚センサにおいて、
前記突起の周囲の前記上部電極に、前記センサセルの領域内で均等に配置された複数の開口部を備える基準センサセルと、
前記突起の周囲の前記上部電極に形成され、前記センサセルの領域内で前記基板平面内の第１方向に偏在する第１開口部を備える第１センサセルと、
前記突起の周囲の前記上部電極に形成され、前記センサセルの領域内で前記基板平面内の前記第１方向とは反時計回りに４５度異なる第２方向に偏在する第２開口部を備える第２センサセルと、
前記突起の周囲の前記上部電極に形成され、前記センサセルの領域内で前記基板平面内の前記第１方向とは反時計回りに９０度異なる第３方向に偏在する第３開口部を備える第３センサセルと、
前記突起の周囲の前記上部電極に形成され、前記センサセルの領域内で前記基板平面内の前記第１方向とは反時計回りに１３５度異なる第４方向に偏在する第４開口部を備える第４センサセルと、
前記突起の周囲の前記上部電極に形成され、前記センサセルの領域内で前記基板平面内の前記第１方向とは反時計回りに１８０度異なる第５方向に偏在する第５開口部を備える第５センサセルと、
前記突起の周囲の前記上部電極に形成され、前記センサセルの領域内で前記基板平面内の前記第１方向とは反時計回りに２２５度異なる第６方向に偏在する第６開口部を備える第６センサセルと、
前記突起の周囲の前記上部電極に形成され、前記センサセルの領域内で前記基板平面内の前記第１方向とは反時計回りに２７０度異なる第７方向に偏在する第７開口部を備える第７センサセルと、
前記突起の周囲の前記上部電極に形成され、前記センサセルの領域内で前記基板平面内の前記第１方向とは反時計回りに３１５度異なる第８方向に偏在する第８開口部を備える第８センサセル
とを備えたことを特徴とする触覚センサ。
【請求項３】
請求項１または２記載の触覚センサにおいて、
前記基板は集積回路を備えた半導体基板を含み、
前記下部電極及び支持部材は、前記集積回路の上に形成された層間絶縁膜の上に形成され、
前記集積回路は、
前記センサセルの前記下部電極及び前記上部電極の間の容量を検出して電気信号に変換出力する容量検出回路と、
前記容量検出回路より変換出力された前記電気信号を処理する制御回路と
を含むものである
ことを特徴とする触覚センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボットハンドの物体把持機構や、指紋などの微細な凹凸を有する物体の表面形状やこの動きを検知する触覚センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、様々なセンサが開発され重要な役割を担っている。２足歩行ロボットのような機械では、加速度センサを利用してロボットの姿勢を釣り合いがとれた状態で制御し、角度センサを利用して肘の回動を検出して制御している。このようなロボットの中で、物体を把持するロボットの手においては、触覚センサを利用して、破壊せずかつ滑り落とさないような適度な握力で、把持対象の物体を握ることを可能としている。
【０００３】
上述した触覚センサとして、３軸方向の力を検出するものがある。この触覚センサについて、図８，９を用いて説明する。図８に示すように、対象物８０１を把持するロボットハンド８０２には、対象物８０１と接触する部分に触覚センサ８０３を備えている。触覚センサ８０３は、３軸方向の力を検出できるものである（非特許文献１参照）。
触覚センサ８０３は、圧電素子により加わった力の方向を検出する複数の素子８０４（図９）が、例えばマトリクス状に配列されたものである。
【０００４】
素子８０４は、凹部８０９ａを備えた基板８０９の上に圧電薄膜８０５が設けられ、圧電薄膜８０５の上面が、ゴムなどの弾性を有する薄膜からなる保護膜８１０で覆われたものである。圧電薄膜８０５は、凹部８０９ａの上部において、可動部８０７と、可動部８０７の４隅を枠部８０６に連結するブリッジ８０８ａ，８０８ｂ，８０８ｃ，８０８ｄとを備えている。これらの構成は、圧電薄膜８０５を、例えば公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とにより加工することで形成できる。
【０００５】
このように構成された素子８０４の保護膜８１０の上面に外部から力が加わると、ゴム膜８１０の変形に連動して可動部８０７が変位する。この可動部８０７の変位により、各ブリッジ８０８ａ，８０８ｂ，８０８ｃ，８０８ｄが変形して歪む。上述したように、ブリッジ８０８ａ，８０８ｂ，８０８ｃ，８０８ｄは、圧電材料から構成されているため、応力が加わって歪むことにより、これらの両端において電位差が生じる。この電気的な変化を、各ブリッジ８０８ａ，８０８ｂ，８０８ｃ，８０８ｄ個別に検出することで、可動部８０７の変位方向や変位量を検出することが可能となる。
【０００６】
例えば、可動部８０７が、基板８０９の平面の法線方向に変位した場合、ブリッジ８０８ａ，８０８ｂ，８０８ｃ，８０８ｄは同様に伸張し、各ブリッジにおける電気的な変化は、等しくなる。従って、ブリッジ８０８ａ，８０８ｂ，８０８ｃ，８０８ｄの電気的な変化が等しい場合、可動部８０７は、基板８０９の平面の法線方向に変位していることになる。
【０００７】
また、可動部８０７が、図９に示す矢印の方向に変位した場合、ブリッジ８０８ａ，８０８ｂは同様に伸張し、ブリッジ８０８ｃ，８０８ｄは同様に圧縮する。このため、ブリッジ８０８ａ，８０８ｂの電気的変化は等しく、ブリッジ８０８ｃ，８０８ｄの電気的変化は等しく、ブリッジ８０８ａ，８０８ｂの電気的変化とブリッジ８０８ｃ，８０８ｄの電気的変化とは異なる状態となる。従って、これらブリッジの電気的状態が検出された場合、可動部８０７は、図９に示す矢印の方向に変位していることになる。
【０００８】
このように、図９に示す素子８０４では、４つのブリッジ８０８ａ，８０８ｂ，８０８ｃ，８０８ｄの電気的な変化を測定することで、可動部８０７の変位が検出できる。可動部８０７の変位は、保護膜８１０を介して外部より力を受けた結果起こるものなので、図９に示す素子によれば、４つのブリッジ８０８ａ，８０８ｂ，８０８ｃ，８０８ｄの電気的な変化を測定することで、外部より受けた力の方向が検出できる。
【０００９】
また、対象物の表面形状を検出するセンサもある。図１０は、表面形状を検出するセンサの構成例を模式的に示す斜視図（ａ）及び断面図（ｂ）である。これは、センサチップ１００１の検出面で、表面形状の検出対象となる例えば指１００６をスイープさせ、センサチップ１００１により指紋を検出しようとしたものである（特許文献１，２参照）。
【００１０】
センサチップ１００１の検出面には、複数のセンサ素子１００２が配列されている。例えば、センサチップ１００１は、検出面に、５０μｍ角程度のセンサ素子１００２が、１０×２５６個マトリクス状に配列された、ラインセンサである。
【００１１】
センサ素子１００２は、図１０（ｂ）に示すように、シリコンなどの基板１００３の上に、センサ電極１００４を備え、これを絶縁膜１００５で覆ったものである。このように構成されたセンサ素子１００２の絶縁膜１００５表面に指１００６が接する（近づく）と、指１００６の表面とセンサ電極１００４と間に静電容量が形成される。この静電容量の大きさは、センサ電極１００４とこれに対向する指１００６の表面との距離に依存し、指紋の凹凸に対応するものとなる。
【００１２】
センサ素子１００２が配列されているセンサチップ１００１の検出面で、例えば、指１００６をＦの方向にスイープ（移動）させると、各瞬間における指紋の凹凸が線状に検出される。これらをつなぎ合わせることで、面上の指紋画像が得られる。
図１０に示すセンサチップ１００１によれば、指などのように表面に導電性を有する対象物の、微細な凹凸形状や動きを検出することができる。
【００１３】
また、対象物の表面形状を検出するセンサとしては、図１１に示すような素子も提案されている（特許文献３参照）。図１１の素子は、基板１１０１の上に、まず、マトリクス状に配列された複数の下部電極１１０２と、これらの上方に配置された変形可能な上部電極１１０３とを備えている。上部電極１１０３は、隣り合う下部電極１１０２の間に配設された、平面視格子状の支持部材１１０４に支持されている。このように支持された上部電極１１０３は、可撓性を有し、下部電極１１０２に対向する領域が、下部電極１１０２の平面の法線方向に変形可能なものとなっている。
【００１４】
また、下部電極１１０２のほぼ中央部の上方に当たる上部電極１１０３の上には、突起１１０５が設けられている。このように構成されたセンサは、１つの下部電極１１０２が設けられた領域が、１つのセンサセルを構成しており、突起１１０５は、センサセル毎に設けられている。
【００１５】
図１１に示すセンサでは、突起１１０５が形成されている上部電極１１０３の上面に、検出対象の指などが接触すると、まず、指の表面が突起１１０５を下部電極１１０２の方向に押し下げ、突起１１０５が上部電極１１０３を押し下げて変形させる。この結果、上部電極１１０３の下面と下部電極１１０２との間隔が変化し、これらの間の静電容量が変化する。この静電容量の変化を、各センサセル毎に取り出して合成することで、指紋の凹凸に対応する濃淡画像のデータが得られる。
【００１６】
図１１に示すセンサは、変形可能な上部電極１１０３を備えるようにしている。このような構造体を形成する場合、一般には、まず、支持部材１１０４を形成した後、センサセルの部分の空間を犠牲膜で充填して支持部材１１０４の上面がほぼ平坦な状態とし、この上に、上部電極１１０３を形成してから、上記犠牲膜を除去して上部電極１１０３の下に空間を設けるようにしている。従って、上部電極１１０３には、図１１（ｂ），図１１（ｃ）に示すように、開口部１１０７が設けられている。
【００１７】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を本件の出願時までに発見するには至らなかった。
【００１８】
【特許文献１】
特開平１０−０９１７６９号公報
【特許文献２】
特開２００２−０４２１３６号公報
【特許文献３】
特開２００２−３２８００３号公報
【非特許文献１】
Ｂ．Ｊ．Ｋａｎｅ  ｅｔ  ａｌ．，  ”Ａ  ｔｒａｃｔｉｏｎ  ｓｔｒｅｓｓ  ｓｅｎｓｏｒ  ａｒｒａｙ  ｆｏｒ  ｕｓｅ  ｉｎ  ｈｉｇｈ−ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｒｏｂｏｔｉｃｓｔａｃｔｉｌｅ  ｉｍａｇｉｎｇ”  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍｓ，  ｖｏｌ．９，  Ｎｏ．４，  Ｄｅｃ．２０００，  ｐｐ．４２５−４３４．
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ロボットハンドを実現する場合、ロボットハンドが把持しようとする対象物との摩擦の状態も把握できる方が好ましい。この摩擦の状態を把握するためには、対象物の表面状態や凹凸の状態を検出可能とすることも１つの方法である。
【００２０】
しかしながら、図９に示すセンサでは、対象物の表面形状や表面の凹凸状態などを検出することが困難である。
一方、図１０及び図１１に示すセンサでは、対象物の表面形状や表面の凹凸状態を検出することはできるが、加わる力の方向を検出することができない。
このように、従来のセンサでは、対象物の表面状態とともに、加わる力の方向も検出できるセンサが実現されていない。
【００２１】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、接触する対象物の表面形状を検出できるとともに、対象物から受ける力の方向も検出できる触覚センサを提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る触覚センサは、基板の上に配列された複数のセンサセルを備え、このセンサセルは、基板の上に固定された下部電極と、この固定電極の上方に配置されて変形可能な上部電極と、基板の上で上部電極を支持する支持部材と、下部電極の中央部の上方の上部電極の上に設けられた突起とを少なくとも備え、センサセルのいずれかは、突起の周囲の上部電極に形成されてセンサセルの領域内で偏在する開口部を備えるものである。
この触覚センサによれば、配列された複数のセンサセルの中に、突起に加わる力の方向によって上部電極の変化状態が異なるセンサセルが、含まれている。
【００２３】
上記触覚センサにおいて、突起の周囲の上部電極に形成され、センサセルの領域内で均等に配置された複数の開口部を備える基準センサセルと、突起の周囲の上部電極に形成され、センサセルの領域内で基板平面内の第１方向に偏在する第１開口部を備える第１センサセルと、突起の周囲の上部電極に形成され、センサセルの領域内で基板平面内の第１方向とは反時計回りに４５度異なる第２方向に偏在する第２開口部を備える第２センサセルと、突起の周囲の上部電極に形成され、センサセルの領域内で基板平面内の第１方向とは反時計回りに９０度異なる第３方向に偏在する第３開口部を備える第３センサセルと、突起の周囲の上部電極に形成され、センサセルの領域内で基板平面内の第１方向とは反時計回りに１３５度異なる第４方向に偏在する第４開口部を備える第４センサセルと、突起の周囲の上部電極に形成され、センサセルの領域内で基板平面内の第１方向とは反時計回りに１８０度異なる第５方向に偏在する第５開口部を備える第５センサセルと、突起の周囲の上部電極に形成され、センサセルの領域内で基板平面内の第１方向とは反時計回りに２２５度異なる第６方向に偏在する第６開口部を備える第６センサセルと、突起の周囲の上部電極に形成され、センサセルの領域内で基板平面内の第１方向とは反時計回りに２７０度異なる第７方向に偏在する第７開口部を備える第７センサセルと、突起の周囲の上部電極に形成され、センサセルの領域内で基板平面内の第１方向とは反時計回りに３１５度異なる第８方向に偏在する第８開口部を備える第８センサセルとを備えるようにしてもよい。
【００２４】
また、上記触覚センサは、基板は集積回路を備えた半導体基板を含み、下部電極及び支持部材は、集積回路の上に形成された層間絶縁膜の上に形成され、集積回路は、センサセルの下部電極及び上部電極の間の容量を検出して電気信号に変換出力する容量検出回路と、容量検出回路より変換出力された電気信号を処理する制御回路とを含むものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態における触覚センサの構成例を模式的に示す断面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。図１では、触覚センサ１００の一部を示しており、図１（ａ）では、３つのセンサセルの部分を示している。
以下、本触覚センサ１００について説明する。まず、単結晶シリコンなどの半導体基板１０１の上に、層間絶縁膜１０２が形成され、この上に複数の下部電極１０３が配列されている。下部電極１０３は、図１（ｂ）に示すように、マトリクス状に配列されている。下部電極１０３は、触覚センサ１００の検出領域に配列されている。
【００２６】
下部電極１０３の上方には、所定の間隔を開けて上部電極１０５が形成され、上部電極１０５は、支持部材１０４に支持されている。上部電極１０５は、複数の下部電極１０３が配列されている検出領域の全域にわたって設けられている。支持部材１０４は、隣り合う下部電極１０３の間において基板１０１と上部電極との間に延在し、上部電極１０５を支持している。本実施の形態では、支持部材１０４は、格子状に形成され、格子状に形成された支持部材１０４のマスの１つが、上述した１つのセンサセルに対応している。なお、上部電極１０５は、センサセル毎に分離して設けられていても良い。
【００２７】
このように構成されたセンサセル毎に、上部電極１０５の下部電極１０３と対向する面とは反対側の面の上に突起１０６が固定されている。突起１０６は、下部電極１０３の上方に配置されている。
また、本触覚センサは、層間絶縁膜１０２の下の半導体基板１０１の上に、検出回路（容量検出回路）１０７及び制御回路１０８を備えている。これらは、半導体基板１０１の上に形成されている集積回路の一部で構成されている。また、検出回路１０７は、上記センサセル毎に設けられている。
【００２８】
このように構成された本触覚センサによれば、突起１０６が対象物に触れることで上部電極１０５が変形する。この結果、下部電極１０３と上部電極１０５との距離が変化し、これらの間の容量が変化する。この容量変化の差は、検出回路１０７により電気信号として変換され、変換された電気信号は制御回路１０８により処理される。
ここで、指先の指紋は皮膚の凹凸により形成されているので、指紋を形成している突部に突起１０６が触れた場合と、凹部に突起１０６が触れた場合とで、この下の上部電極１０５の変形量が異なることになる。この変形量の違いは、上述した容量変化の差の違いとして検出されることになる。
【００２９】
従って、複数配列されたセンサセル各々から得られる異なる検出結果の分布を、センサセルの配列状態を反映して配列して濃淡の分布とすることで、指紋の形状を画像情報として形成することができる。なお、これらの画像情報の生成は、制御回路１０８で行えばよい。
また、突起１０６を設けることで、突起が形成されていない場合に比較して、対象物の接触により１つのセンサセルの上部電極１０５が変形する量が増加し、感度の向上を見込めるようになる。
【００３０】
加えて、図１に示す触覚センサでは、上述したセンサセル毎に、上部電極１０５にセンサセル領域内で均等に配置された開口部１１０，または突起１０６の周囲のセンサセルの領域内で偏在して配置された８種類の開口部１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄ，１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ，１１２ｄのいずれかを備えるようにした。これらの開口部は、３×３（＝９）個のセンサセルの集団毎に繰り返されて配置されている。これらの８個の開口部は、突起１０６を中心に突起１０６の周囲において偏在しており、点対称な状態となっていない。
【００３１】
例えば、図１（ｂ）の平面図に示すように、同図の中央部に配置されているセンサセルにおいては、下部電極１０３の外側の領域の４隅に、同じ大きさの開口部１１０が設けられている。また、中央のセンサセルの右隣のセンサセルにおいては、下部電極１０３の右側の領域に、図面視縦長の開口部１１１ａが設けられている。また、中央のセンサセルの上のセンサセルにおいては、下部電極１０３の上側の領域に、図面視横長の開口部１１１ｂが設けられている。
【００３２】
また、中央のセンサセルの左隣のセンサセルにおいては、下部電極１０３の左側の領域に、図面視縦長の開口部１１１ｃが設けられている。また、中央のセンサセルの下のセンサセルにおいては、下部電極１０３の下側の領域に、図面視横長の開口部１１１ｄが設けられている。
従って、まず、開口部１１１ｂは、開口部１１１ａの偏在方向から反時計回りに９０度の方向に偏在している。また、開口部１１１ｃは、開口部１１１ａの偏在方向から反時計回りに１８０度の方向に偏在している。また、開口部１１１ｄは、開口部１１１ａの偏在方向から反時計回りに２７０度の方向に偏在している。なお、偏在しているとは、突起１０６を中心とした状態を示している。
【００３３】
また、上記中央のセンサセルの右上のセンサセルにおいては、下部電極１０３の右上隅の領域に、左方向と下方向に延在する部分を備えた開口部１１２ａが設けられている。また、中央のセンサセルの左上のセンサセルにおいては、下部電極１０３の左上隅の領域に、右方向と下方向に延在する部分を備えた開口部１１２ｂが設けられている。また、中央のセンサセルの左下のセンサセルにおいては、下部電極１０３の左下隅の領域に、右方向と上方向に延在する部分を備えた開口部１１２ｃが設けられている。
【００３４】
また、中央のセンサセルの右下のセンサセルにおいては、下部電極１０３の右下隅の領域に、左方向と上方向に延在する部分を備えた開口部１１２ｄが設けられている。
従って、開口部１１２ａは、開口部１１１ａの偏在方向から反時計回りに４５度の方向に偏在している。また、開口部１１２ｂは、開口部１１１ａの偏在方向から反時計回りに１３５度の方向に偏在している。また、開口部１１２ｃは、開口部１１１ａの偏在方向から反時計回りに２２５度の方向に偏在している。また、開口部１１２ｄは、開口部１１１ａの偏在方向から反時計回りに３１５度の方向に偏在している。
【００３５】
このように、本実施の形態においては、上部電極１０５の、センサセルに対応する領域に開口部を設け、複数のセンサセルのいずれかに設けられた開口部は、他のセンサセルに設けられている開口部とは開口形状が異なるようにした。なお、上述では、互いに４５度ずつ異なる８方向に偏在する開口部を備えた８個のセンサセルを設けるようにしたが、これに限定されるものではなく、互いに９０度ずつ異なる４方向に偏在する開口部を備えた４個のセンサセルを設けるようにしても良い。また、開口部の偏在方向が不均等に分割されている複数のセンサセルを設けるようにしても良い。
【００３６】
ここで、上記開口部１１１ａが設けられているセンサセルを代表し、この動作例について説明する。ここでは、指などの検出対象物の表面が、上部電極１０５の上方より接近し、図２（ａ）に示すように、突起１０６に対して開口部１１１ａが形成されている方向Ｆへの力を加える場合を例にする。
【００３７】
図２に示すセンサセルでは、突起１０６の力が加わる方向Ｆの先に、開口部１１１ａが設けられており、この領域では、上部電極１０５の部材が存在していない状態となっている。突起１０６に対してＦの方向への力が加わると、上部電極１０５は、図２（ａ）の紙面において、左側の支持部材１０４に近い部分により大きな応力が加わることになる。従って、この領域に開口部１１１ａを備えている図２に示すセンサセルでは、図２（ａ）に示すように、上部電極１０５が、開口部１１１ａが形成されている側で大きく下降する。
【００３８】
これに対し、開口部１１１ａが形成されていない他のセンサセルでは、左側の支持部材１０４に近い部分の上部電極１０５が、上述したように大きく下降するようなことはない。また、方向Ｆへ加わる力は、上部電極１０５の図２（ｂ）の紙面における上、下、左などの、開口部１１１ａが形成されている領域以外には、開口部１１１ａが形成されている領域ほどは作用しない。
従って、開口部１１１ａが形成されていない他のセンサセルにおいては、方向Ｆへ加わる力によっては、図２に示すセンサセルほど、上部電極１０５が下方に変形しない。
【００３９】
言い換えると、開口部１１１ａの偏在している方向Ｆへの力が突起１０６に加わると、開口部１１１ａを備えるセンサセルの上部電極１０５が、選択的に他のセンサセルの上部電極に比較して大きく下方へ変形する。この結果、方向Ｆへ力が加わると、開口部１１１ａを備えるセンサセルほど、下部電極１０３と上部電極１０５との間に形成される静電容量の変化が大きい。
従って、他のセンサセルに比較して、開口部１１１ａを備えるセンサセルの検出回路１０７が検出する静電容量の変化が大きいことにより、図２に示す方向Ｆへの力が本触覚センサの検出面に加わったことが、本触覚センサによれば検出できる。
【００４０】
上述では、開口部１１１ａを備えるセンサセルを例にして説明したが、他の開口部を備えるセンサセルについても同様である。
例えば、図３（ａ）に示すように、領域３００に９個のセンサセル３０１〜３０９を正方配列することで、まず、開口部１１１ａを備えるセンサセル３０１によって、右方向への力が選択的に検出できる。また、開口部１１２ａを備えるセンサセル３０２によって、右上方向への力が選択的に検出できる。また、開口部１１１ｂを備えるセンサセル３０３によって、上方向への力が選択的に検出できる。
【００４１】
また、開口部１１２ｂを備えるセンサセル３０４によって、左上方向への力が選択的に検出できる。また、開口部１１１ｃを備えるセンサセル３０５によって、左方向への力が選択的に検出できる。また、開口部１１２ｃを備えるセンサセル３０６によって、左下方向への力が選択的に検出できる。また、開口部１１１ｄを備えるセンサセル３０７によって、下方向への力が選択的に検出できる。また、開口部１１２ｄを備えるセンサセル３０８によって、右下方向への力が選択的に検出できる。
【００４２】
加えて、センサセル３０９においては、図１（ｂ）に示したように、突起１０６を中心に、４つの開口部１１０を備えるので、上部電極１０５の平面方向への力に対して突起１０６が動きにくい。すなわち、図３に示すいずれの矢印の方向への力に対しても、他のセンサセル３０１〜３０９と比較して、感度が小さなものとなる。また、いずれの場合の検出も、他のセンサセル３０１〜３０９と比較して、小さなものとなる。従って、センサセル３０９は、この周囲の８つのセンサセル３０１〜３０８に対する参照（基準）用のセンサセルとして用いることができる。
【００４３】
このような９つのセンサセルからなるセンサセルユニットに外部から力がかかった場合、各センサセルからの容量を対応する検出回路１０７（図１）により検出し、この大きさに比例して各方向のベクトルを制御回路１０８（図１）において演算処理することで、図３（ｂ）に示す方向Ｆへの力であっても、力の加わった方向が検出できる。
【００４４】
上述では、正方配列された９つのセンサセルからなる領域を１つのユニットとした例を示したが、より広いエリアを用いて以下のように処理してもよい。対象物がセンサセルに比べて比較的大きく、より正確に力の向きを検知したい場合は、複数のセンサセルユニット４００からの情報を総計する処理を行えばよい。図４に示すように、複数のセンサセルユニット４００において同じ種類の複数のセンサセル，例えば複数のセンサセル４０１から検出回路４０１ａによって取り出した力の大きさを示す信号を、部分制御回路４１１によって演算処理（集計）する。
【００４５】
同様にして、他の同じ種類のセンサセルからの結果も部分制御回路４１２，４１３などによって演算処理する。これらの部分制御回路４１１，４１２，４１３によって、各々演算処理された結果得られたベクトルの情報を、制御回路４２０によって演算処理することで、すべてのベクトルの和を求める。これによって、より広い領域で平均した力の向きと大きさを検出できる。検出回路や制御回路は対象物からの力の向きや大きさなどの情報をデジタル信号化できるので、通信経路を介した遠方からの操作、及び遠方への情報伝達なども可能となる。
【００４６】
また、加わった力の時間変化についても、つぎに示すことにより検出することができる。図５のように離れた位置にある２つのセンサセルユニット５００ａ，５００ｂを考える。ある時刻ｔにおけるセンサセルユニット５００ａに加わった力Ａの向きと大きさ（ベクトル量）を回路５０１ａによって検出する。同様に時刻ｔ＋Δｔにおける力Ｂの向きと大きさ（ベクトル量）を回路５０１ｂによって検出する。
【００４７】
制御回路５１０において、これらのベクトル量の引き算をすることで、時間Δｔの間に変化した力（方向と大きさ）が求められる。また、センサセルユニット５００ａとセンサセルユニット５００ｂの間の位置を予め把握しておくことで、時間Δｔの間に対象物が移動した量、すなわち速度（方向と大きさ）を検出することができる。
【００４８】
上述したように構成されたセンサセルユニット５００を備えた触覚センサ６００を図６（ａ）に示す。図６（ａ）における触覚センサ６００は、上記に説明した力の方向を検出するセンサセルユニット５００と、基板に鉛直方向の力のみを検出する複数のセンサセル部分６０１とから構成されている。センサセル部分６０１は、例えば、すべてのセンサセルが、図３に示すセンサセル３０９に対応するものとなっている。
【００４９】
図６（ａ）に示す触覚センサ６００によれば、センサセル部分６０１によって、対象物表面の凹凸（形状）が検出され、センサセルユニット５００によって、対象物表面より触覚センサ６００が受けた力の方向が検出される。触覚センサ６００を、ロボットハンドの表面に設けることで、対象物を把持したときに、まず、検出された力の大きさや測定された対象物の表面状態により、対象物の表面における摩擦力が推定できる。また、対象物表面の凹凸形状の位置変化や、力の方向の変化によって、対象物の時間的な動作の状態を把握することも可能である。この触覚センサからの結果をロボットハンドの動作にフィードバックすることで、より人間の手に近い形態で対象物の把持が実現できる。
【００５０】
また、本発明の触覚センサは、スイープ型の指紋センサに適用することもできる。図６（ｂ）に示すように、指紋センサ６１０は、上記に説明したセンサセルユニット５００と、基板に鉛直方向の力のみを検出するセンサセル部分６１１から構成されている。このように構成された指紋センサ６１０の上で、指を図の矢印Ｆの方向にスイープした場合、複数のセンサセルユニット５００により指が移動した向きＦを検出することができる。さらに、複数のセンサセルユニット５０とセンサセル部分６１１によって、指紋の凹凸形状が検出できる。
【００５１】
これら２つの情報をあわせることで、指が移動した方向（経路）と指紋パターンを一義的に決定できる。従って、従来のように、画像処理などによって指紋パターンの同一部分をつなぎあわせて１つの画像とする計算が必要ない。また、図６（ｃ）のように、図６（ａ）に示す指紋センサ６００を指の先端部より小型な指紋センサ６３０とし、図の矢印Ｆのように円を描くように指をスイープさせて指紋画像を取得することも可能である。
【００５２】
ここで、図１に示した、触覚センサの製造方法について、簡単に説明する。
まず、半導体基板１０１を用意し、この上に、制御回路１０８と検出回路１０７などを構成する集積回路を公知のＣＭＯＳプロセスによって作製する。これらの集積回路を形成し、層間絶縁膜１０２を形成したら、この上に、０．１μｍ厚のチタン膜と０．１μｍ厚の金膜の２層膜からなるシード層を蒸着法などにより形成する。この後、公知のフォトリソグラフィ技術によりレジストパターニングを行い、下部電極１０３が設けられる部分に電解メッキ法により膜厚１μｍの金からなる第１の金属膜を形成し、この後、レジストパターンを除去する。同様にして、支持部材１０４が設けられる部分に、膜厚２μｍの金からなる第２の金属膜を形成する。
【００５３】
この後、第１の金属膜と第２の金属膜をマスクとしてシード層を選択的にエッチングする。このようにして、第１の金属膜とシード層の一部からなる下部電極１０３と、第２の金属膜とシード層の一部からなり下部電極１０３から絶縁分離された支持部材１０４を形成する。このようにして、図１（ｂ）の平面図に示すように、格子状の支持部材１０４と、支持部材１０４で囲まれた領域の中心部に下部電極１０３が配置された状態が得られる。
【００５４】
続いて、半導体基板１０１の上で下部電極１０３を覆い、かつ支持部材１０４の上面を露出させるように犠牲膜を形成する。すなわち、支持部材１０４のマスの中を犠牲膜で充填する。犠牲膜の表面と支持部材１０４の上面は同一平面を成すように平坦化する。この状態で、犠牲膜及び支持部材１０４の上面に、前述した下部電極１０３の形成などと同様にして、シード層を形成し、この上に、電解メッキ法により膜厚１μｍの金からなり、所定の箇所に所定の形状の開口部を備えた第３の金属膜を形成する。
【００５５】
この開口部は、センサセル領域内で均等に配置された開口部１１０，または突起１０６の周囲のセンサセルの領域内で偏在して配置された８種類の開口部１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄ，１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ，１１２ｄのいずれかとなるものである。
【００５６】
ついで、第３の金属膜をマスクとして、シード層を選択的にエッチングすることにより図１に示すような開口部１１１ａ〜１１１ｄなどを備えた上部電極１０５を形成する。
この後、上部電極１０５に形成された開口部を通して上記犠牲膜をエッチング除去することにより、上部電極１０５と下部電極１０３が離間した状態、すなわち、下部電極１０３と上部電極１０５との間に空間がある状態が得られる。
【００５７】
次に、感光性を有する樹脂膜を、上部電極１０５の上に形成し、この樹脂膜を公知のフォトリソグラフィ技術によってパターニングすることで、突起１０６が形成できる。上述した樹脂膜の形成は、例えば、ＳＴＰ（Ｓｐｉｎ  ｃｏａｔｉｎｇ  ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  ａｎｄ  Ｈｏｔ  ｐｒｅｓｓｉｎｇ）法などの貼り合わせ方法を用いれば可能である。ＳＴＰ法は、上記樹脂膜を予めシート状の基材の上に形成しておき、これを所望とする膜形成面に貼り付け、基材のみを剥離することで、所望とする膜形成面に樹脂膜を貼り付ける技術である。
また、上部電極１０５を保護膜で覆った後、突起１０６を形成するようにしても良い。
【００５８】
ところで、図１では、正方配列された９個のセンサセルにおいて、この中央部のセンサセルは、周辺部に均等に配置された開口部１１０を上部電極１０５に備え、上，下，左，右及び右上，左上，左下，右下の８つのセンサセルでは、各々の方向に偏在する開口部を上部電極１０５に備えるようにしたが、これに限るものではない。複数のセンサセルのいずれかが、上部電極にセンサセルの領域内で偏在して配置された開口部を備えるようにすれば、力の方向を検出できる触覚センサとすることが可能である。
【００５９】
例えば、検出領域に配列されたセンサセルのいずれか１つは、図１（ｂ）に示す開口部１１１ａが形成された方向検出用のセンサセルとし、他のすべてのセンサセルは、周辺部に均等に配置された開口部１１０を上部電極１０５に備えた基準センサセルとして、触覚センサを構成するようにしても良い。この場合、下部電極１０３から見た開口部１１１ａの方向への力が検出される触覚センサとなる。この触覚センサを、各々４５度ずつ回転させて８個配列させて用いることで、図１に示した触覚センサと同様の効果が得られる。
【００６０】
また、複数の方向検出用のセンサセルが配列されている検出領域の中に、１つの基準センサセルを備えて触覚センサを構成するようにしても良い。この場合、方向検出用のセンサセルの上部電極を特に大きく撓ませる方向の力が加わった場合、基準センサセルからは、他の方向検出用のセンサセルとは異なる信号が得られるため、上記方向が検出できることになる。
【００６１】
また、上述する基準センサセルにおいては、上部電極に開口部を設けず、方向検出用センサセルにおいては、上部電極にセンサセルの領域内で偏在する開口部を設けるようにしても良い。
また、検出領域の中に配列された複数の基準センサセルの中に、開口部の偏在状態が異なる各々２つの方向検出用のセンサセルを設けて、触覚センサとしても良く、これらの組み合わせは種々のものが考えられる。
【００６２】
また、上述では、方向検出用のセンサセルの上部電極に、矩形または２つの矩形を組み合わせた開口部を偏在させるようにしたが、これに限るものではない。例えば、図７に示すように、上部電極７０５のセンサセルの上部に、センサセルの領域内で偏在する開口部７１１を設けるようにしても良い。この開口部７１１により、四角形の開口領域７５１の内側の一辺に連結部７５２で連結される可動部７５３が形成された状態となる。また、可動部７５３のほぼ中央部に、図示しない突起が設けられるようになる。この場合においても、開口部７１１は、突起を中心に突起の周囲において偏在しており、点対称な状態となっていない。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、検出領域に配列されているセンサセルのいずれかは、突起の周囲の上部電極に、センサセルの領域内で偏在して配置された開口部を備えるようにした。従って、本発明によれば、配列された複数のセンサセルの中に、突起に加わる力の方向によって上部電極の変化状態が異なるセンサセルが、含まれていることになる。この結果、本発明の触覚センサによれば、配列されているセンサセルによって接触する対象物の表面形状を検出できるとともに、偏在して配置された開口部を備えるセンサセルとこれ以外のセンサセルとの検出状態の比較により、対象物から受ける力の方向も検出できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における触覚センサの構成例を模式的に示す断面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。
【図２】本発明の実施の形態における触覚センサの一部構成例を模式的に示す断面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。
【図３】本発明の実施の形態における触覚センサの動作概念を模式的に示す平面図である。
【図４】本発明の実施の形態における触覚センサの動作概念を模式的に示す斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態における触覚センサの動作概念を模式的に示す斜視図である。
【図６】本発明の実施の形態における触覚センサの構成例を模式的に示す斜視図である。
【図７】本発明の他の実施の形態における触覚センサの一部構成例を模式的に示す平面図である。
【図８】ロボットハンドの構成を簡単に示す斜視図である。
【図９】従来の触覚センサの構成を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図１０】表面形状を検出するセンサの構成例を模式的に示す斜視図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図１１】対象物の表面形状を検出するセンサの構成を示す断面図（ａ），及び平面図（ｂ），（ｃ）である。
【符号の説明】
１０１…半導体基板、１０２…層間絶縁膜、１０３…下部電極、１０４…支持部材、１０５…上部電極、１０６…突起、１０７…検出回路、１０８…制御回路、１１０…開口部、１１１ａ〜１１１ｄ，１１２ａ〜１１２ｄ…開口部。
【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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