(57)【要約】      （修正有）【課題】ＭＥＭＳ技術等を用いて形成される可動構造を有する微小３次元構造体要素が膜状弾性体内へ配置された３次元構造体において、上記膜状弾性体の柔軟性を阻害することなく効果的に活用できるような構造を提供する。【解決手段】可動構造を有する複数の微小３次元構造体要素としてのカンチレバー２を膜状弾性体３の内部に、各カンチレバーの変形の方向が互いに異なるように配置し、かつこのカンチレバー２に外力検知機能を持たせることで、外力の作用により膜状弾性体３に生じた弾性変形を検知できる構造とする。【選択図】図１
2007218906.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動構造を有する複数の微小３次元構造体要素と、
上記それぞれの微小３次元構造体要素を互いに独立させてその内部に配置する膜状弾性体とを備える、３次元構造体。
【請求項２】
上記それぞれの微小３次元構造体要素は、外力の作用により上記膜状弾性体に生じる弾性変形に基づく上記可動構造の動作を検知する外力検知機能を有する、請求項１に記載の３次元構造体。
【請求項３】
上記それぞれの微小３次元構造体要素は、上記可動構造を動作させることによりその周囲の上記膜状弾性体に対して外力を伝達し、当該膜状弾性体を弾性変形させる外力伝達機能を有する、請求項１に記載の３次元構造体。
【請求項４】
上記それぞれの微小３次元構造体要素は、その外周全体が上記膜状弾性体により覆われている、請求項１に記載の３次元構造体。
【請求項５】
上記それぞれの微小３次元構造体要素は一の方向に変形可能な構造を有し、
一の上記微小３次元構造体要素における変形の方向と、他の一の上記微小３次元構造体要素における変形の方向とが異なるように、上記膜状弾性体内に独立して配置される、請求項１に記載の３次元構造体。
【請求項６】
可動構造を有する複数の微小３次元構造体要素が、連結部材にて互いに連結された複数の微小３次元構造体要素群と、
上記それぞれの微小３次元構造体要素群を互いに独立させてその内部に配置する膜状弾性体とを備える、３次元構造体。
【請求項７】
上記各々の微小３次元構造体要素群において、上記連結部材は、上記膜状弾性体よりもその弾性率が高い弾性体により形成されている、請求項６に記載の３次元構造体。
【請求項８】
犠牲層上に固定された可動構造を有する複数の微小３次元構造体要素と、上記犠牲層への上記それぞれの微小３次元構造体要素の固定部分を、膜状弾性体内に配置し、
上記犠牲層を除去して、上記各々の微小３次元構造体要素が互いに独立して上記膜状弾性体内に配置された３次元構造体を製造する、３次元構造体の製造方法。
【請求項９】
上記それぞれの微小３次元構造体要素の上記膜状弾性体内への配置は、複数の上記微小３次元構造体要素が、連結部材にて互いに連結された複数の微小３次元構造体要素群と、上記それぞれの微小３次元構造体要素群を固定する上記犠牲層における上記それぞれの固定部分を、上記膜状弾性体内へ配置することにより行い、
その後、上記犠牲層の除去を行うことにより、上記各々の微小３次元構造体要素群を互いに独立して上記膜状弾性体内に配置させる、請求項８に記載の３次元構造体の製造方法。
【請求項１０】
上記犠牲層を除去した後、上記膜状弾性体における当該犠牲層の除去部分に、上記膜状弾性体と同じ材料により形成された弾性体を配置する、請求項８に記載の３次元構造体の製造方法。
【請求項１１】
上記膜状弾性体の表面より少なくとも上記犠牲層の一部が露出するように、上記膜状弾性体内への上記それぞれの３次元微小構造体要素の配置を行う、請求項８に記載の３次元構造体の製造方法。
【請求項１２】
上記それぞれの微小３次元構造体要素の上記膜状弾性体内への配置は、流動可能な状態の弾性体内へ上記それぞれの微小３次元構造体要素及び上記犠牲層への固定部分を配置し、当該配置状態にて上記弾性体を硬化させることにより行う、請求項８に記載の３次元構造体の製造方法。
【請求項１３】
上記犠牲層は、Ｓｉ又はＳｉＯ２により形成されている、請求項８に記載の３次元構造体の製造方法。
【請求項１４】
曲面形状又は多面形状を有する上記犠牲層上に形成された上記それぞれの微小３次元構造体要素を、曲面形状又は多面形状を有する上記膜状弾性体内に配置する、請求項８に記載の３次元構造体の製造方法。
【請求項１５】
上記犠牲層を除去した後、弾性材料により形成されたフレキシブル基材を、上記犠牲層が除去された側の表面における上記膜状弾性体に配置する、請求項８に記載の３次元構造体の製造方法。
【請求項１６】
上記犠牲層の除去部分に上記弾性体を配置した後、弾性材料により形成されたフレキシブル基材を、当該弾性体が配置された側の表面における上記膜状弾性体に配置する、請求項１０に記載の３次元構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術あるいはＮＥＭＳ（Nano Electro Mechanical Systems）技術を用いて３次元的に形成された構造体およびその製造方法に関し、特に、可動構造を有する微小３次元構造体要素が弾性体内へ配置された３次元構造体およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボット技術の研究、開発においては、ロボットハンドにより対象物を如何にして確実に制御するのかということが、重要な課題の一つとなっている。具体的には、ロボットハンドにより対象物を掴むという動作に着目すれば、対象物を掴む握力を検出するだけでなく、この掴むという動作によりハンド表面に生じるせん断応力をも検出することが、ロボットハンドの確実な制御のためには必要となる。これは、対象物とハンド表面との間に生じる摩擦力をこのせん断応力により検出することで、最適な摩擦力の制御を行って対象物の確実な制御を実現することに役立つからである。
【０００３】
近年、このようなせん断応力を検出することを目的とした触覚センサが開発されつつある（例えば、非特許文献１参照）。このような従来の触覚センサの一例について、図１９に示す模式斜視図を用いて以下に説明する。
【０００４】
図１９に示すように、触覚センサ５０１は、数百ｎｍ程度の薄膜で形成された複数のピエゾ抵抗カンチレバー５０２（そのヒンジ部にピエゾ抵抗体を備えたカンチレバー）と、その上面においてこれらのカンチレバー５０２が固定された一枚の基板部材５０３と、この基板部材５０３の上面に固定されたそれぞれのカンチレバーを埋め込むようにその内部に配置する膜状弾性体５０４とにより構成されている。
【０００５】
このカンチレバー５０２は、その一端が基板部材５０３への固定部として形成され、その他端がカンチレバー５０２を形成する薄膜の厚み方向にのみ変形可能な可動部として形成されており、各々のカンチレバー５０２は、図示しない端子部および配線を通して、図示しない制御装置に電気的に接続されている。例えば、膜状弾性体５０４内にせん断応力が生じた場合、このせん断応力がカンチレバー５０２の可動部を動作させて変形させることで、このせん断応力を検出することが可能となっている。なお、それぞれのカンチレバー５０２には、上記可動部の変形を検出するためのピエゾ抵抗部が形成されている。また、膜状弾性体５０４に作用する様々な方向のせん断応力を検出するために、それぞれのカンチレバー５０２は、可動部の変形方向が異なるように、例えば、図示Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向のそれぞれの方向にその変形方向が配置されるように、基板部材５０３上に固定された状態で、膜状弾性体５０４内に配置されている。
【０００６】
このように触覚センサ５０１が構成されていることにより、膜状弾性体５０４が対象物等に接触することにより、膜状弾性体５０４内に生じる様々な向きのせん断応力を、それぞれのカンチレバー５０２により検出することが可能となっている。なお、このような膜状弾性体５０４は、外力付加により容易に弾性変形するような材料として、例えばＰＤＭＳ（Polydimethylsiloxane）により形成されており、また、基板部材５０３には、ＳＯＩウェハが用いられ、ＳｉあるいはＳｉＯ２により形成されている。
【非特許文献１】Kentaro Noda, Kazunori Hoshino, Kiyoshi Matsumoto, Isao Shimoyama, “300nm-thick cantilevers in PDMS for tactile sensing”, Proc. IEEE MEMS'05, pp. 283-286, 2005.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このような従来の構造の触覚センサ５０１では、それぞれのカンチレバー５０２を、基板部材５０３となるＳＯＩウェハ上に薄膜部材として２次元的に形成した後、エッチング処理などを通じて片持ち梁構造を形成し、その後、磁界等の場あるいは力やその他の手段を用いて片持ち梁構造を直立状態とさせるなどの工程を経て、最終的にＰＤＭＳにより形成された膜状弾性体５０４に埋め込まれることで形成されている。従って、膜状弾性体５０４内へ埋め込まれた状態においては、それぞれのカンチレバー５０２の配置を固定する基板部材５０３が、必ず存在することになる。
【０００８】
このような触覚センサ５０１を、ロボットハンドの表面等の曲面に配置して使用する場合には、このように硬い材料である基板部材５０３が存在していることにより、曲面部分への配置等の使用が制限されるという問題がある。
【０００９】
従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、ＭＥＭＳ技術あるいはＮＥＭＳ技術を用いて形成された可動構造を有する微小３次元構造体要素が膜状弾性体内へ配置された３次元構造体において、上記可動構造の動作の円滑化を向上させながら、上記膜状弾性体の柔軟性を効果的に活用できるような３次元構造体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】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【００１１】
本発明の第１態様によれば、可動構造を有する複数の微小３次元構造体要素と、
上記それぞれの微小３次元構造体要素を互いに独立させてその内部に配置する膜状弾性体とを備える、３次元構造体を提供する。
【００１２】
本発明の第２態様によれば、上記それぞれの微小３次元構造体要素は、外力の作用により上記膜状弾性体に生じる弾性変形に基づく上記可動構造の動作を検知する外力検知機能を有する、第１態様に記載の３次元構造体を提供する。
【００１３】
本発明の第３態様によれば、上記それぞれの微小３次元構造体要素は、上記可動構造を動作させることによりその周囲の上記膜状弾性体に対して外力を伝達し、当該膜状弾性体を弾性変形させる外力伝達機能を有する、第１態様に記載の３次元構造体を提供する。
【００１４】
本発明の第４態様によれば、上記それぞれの微小３次元構造体要素は、その外周全体が上記膜状弾性体により覆われている、第１態様に記載の３次元構造体を提供する。
【００１５】
本発明の第５態様によれば、上記それぞれの微小３次元構造体要素は一の方向に変形可能な構造を有し、
一の上記微小３次元構造体要素における変形の方向と、他の一の上記微小３次元構造体要素における変形の方向とが異なるように、上記膜状弾性体内に独立して配置される、第１態様に記載の３次元構造体を提供する。
【００１６】
本発明の第６態様によれば、可動構造を有する複数の微小３次元構造体要素が、連結部材にて互いに連結された複数の微小３次元構造体要素群と、
上記それぞれの微小３次元構造体要素群を互いに独立させてその内部に配置する膜状弾性体とを備える、３次元構造体を提供する。
【００１７】
本発明の第７態様によれば、上記各々の微小３次元構造体要素群において、上記連結部材は、上記膜状弾性体よりもその弾性率が高い弾性体により形成されている、第６態様に記載の３次元構造体を提供する。
【００１８】
本発明の第８態様によれば、犠牲層上に固定された可動構造を有する複数の微小３次元構造体要素と、上記犠牲層への上記それぞれの微小３次元構造体要素の固定部分を、膜状弾性体内に配置し、
上記犠牲層を除去して、上記各々の微小３次元構造体要素が互いに独立して上記膜状弾性体内に配置された３次元構造体を製造する、３次元構造体の製造方法を提供する。
【００１９】
本発明の第９態様によれば、上記それぞれの微小３次元構造体要素の上記膜状弾性体内への配置は、複数の上記微小３次元構造体要素が、連結部材にて互いに連結された複数の微小３次元構造体要素群と、上記それぞれの微小３次元構造体要素群を固定する上記犠牲層における上記それぞれの固定部分を、上記膜状弾性体内へ配置することにより行い、
その後、上記犠牲層の除去を行うことにより、上記各々の微小３次元構造体要素群を互いに独立して上記膜状弾性体内に配置させる、第８態様に記載の３次元構造体の製造方法を提供する。
【００２０】
本発明の第１０態様によれば、上記犠牲層を除去した後、上記膜状弾性体における当該犠牲層の除去部分に、上記膜状弾性体と同じ材料により形成された弾性体を配置する、第８態様に記載の３次元構造体の製造方法を提供する。
【００２１】
本発明の第１１態様によれば、上記膜状弾性体の表面より少なくとも上記犠牲層の一部が露出するように、上記膜状弾性体内への上記それぞれの３次元微小構造体要素の配置を行う、第８態様に記載の３次元構造体の製造方法を提供する。
【００２２】
本発明の第１２態様によれば、上記それぞれの微小３次元構造体要素の上記膜状弾性体内への配置は、流動可能な状態の弾性体内へ上記それぞれの微小３次元構造体要素及び上記犠牲層への固定部分を配置し、当該配置状態にて上記弾性体を硬化させることにより行う、第８態様に記載の３次元構造体の製造方法を提供する。
【００２３】
本発明の第１３態様によれば、上記犠牲層は、Ｓｉ又はＳｉＯ２により形成されている、第８態様に記載の３次元構造体の製造方法を提供する。
【００２４】
本発明の第１４態様によれば、曲面形状あるいは多面形状を有する上記犠牲層上に形成された上記それぞれの微小３次元構造体要素を、曲面形状あるいは多面形状を有する上記膜状弾性体内に配置する、第８態様に記載の３次元構造体の製造方法を提供する。
【００２５】
本発明の第１５態様によれば、上記犠牲層を除去した後、弾性材料により形成されたフレキシブル基材を、上記犠牲層が除去された側の表面における上記膜状弾性体に配置する、第８態様に記載の３次元構造体の製造方法を提供する。
【００２６】
本発明の第１６態様によれば、上記犠牲層の除去部分に上記弾性体を配置した後、弾性材料により形成されたフレキシブル基材を、当該弾性体が配置された側の表面における上記膜状弾性体に配置する、第１０態様に記載の３次元構造体の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、ＳｉやＳｉＯ２等の比較的硬い犠牲層上に形成された複数の微小３次元構造体要素を、膜状弾性体内に配置させて、その後、この犠牲層を除去して、３次元構造体を製造しているため、当該３次元構造体において、それぞれの微小３次元構造体要素が互いに物理的に独立して配置された状態とすることができる。このような構造においては、膜状弾性体の柔軟性を阻害することなく、膜状弾性体に付加された外力を各々の微小３次元構造体要素に個別的かつ確実に伝えること、あるいは、それぞれの微小３次元構造体要素からその周囲の膜状弾性体に力を確実に伝達すること等を行うことができる。従って、柔軟性を有する膜状弾性体の機能を効果的に活用することができる３次元構造体を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、添付図面においては、同じ部品や装置には同じ参照符号を付している。
【００２９】
（第１実施形態）
本発明の第１の実施形態にかかる３次元構造体の一例である触覚センサ１（あるいは触覚センサ構造体１）の模式的な構造を示す模式斜視図を図１に示す。
【００３０】
図１に示すように、本第１実施形態の触覚センサ１は、可動構造を有する微小３次元構造体要素の一例である複数のカンチレバー２が、互いに独立して膜状弾性体３内に配置された構成を有している。すなわち、それぞれのカンチレバー２が基板部材等の他の部材により互いに連結されることなく、その外周全体が膜状弾性体３により覆われた状態にて、膜状弾性体３内に埋め込まれた構成を有している。
【００３１】
触覚センサ１の模式説明図である図２に示すように、それぞれのカンチレバー２は、例えば数百ｎｍ程度の厚さにて薄膜状に形成されており、その一端（固定端）を固定部２ｂとし、その他端（自由端）を可動部２ａとして、可動構造、すなわち片持ち梁構造にて形成されている。カンチレバー２は、その幅方向に対して厚み寸法が十分に薄くなるように形成されており、固定部２ｂに対して可動部２ａを厚み方向に変形可能となっている。さらに、それぞれのカンチレバー２は、可動部２ａと固定部２ｂとを接続し、その変形により可動部２ａが動作するような接続部の一例であるヒンジ部２ｃが設けられており、このヒンジ部２ｃには、可動部２ａの動作角度を電気的に検出するためのピエゾ抵抗部が設けられている。
【００３２】
また、図１に示すように、触覚センサ１には、その可動部２ａの変形の方向が異なる３種類のカンチレバー２が備えられており、例えば、図示Ｘ軸方向をその変形の方向とするＸ軸方向用カンチレバー２Ｘと、図示Ｙ軸方向をその変形の方向とするＹ軸方向用カンチレバー２Ｙと、図示Ｚ軸方向をその変形の方向とするＺ軸方向用カンチレバー２Ｚとが備えられている。なお、図１において、Ｘ軸方向とＹ軸方向は、膜状弾性体３の表面沿いの方向において互いに直交する方向であり、さらにＸ軸方向及びＹ軸方向に直交する方向がＺ軸方向となっている。
【００３３】
また、膜状弾性体３は、外力の付加等により弾性変形し、その弾性変形がカンチレバー２の可動部２ａを動作（変形）させるような柔軟性を有する弾性材料により形成されており、このような弾性材料としては、例えば透明又は着色されたＰＤＭＳ（Polydimethylsiloxane）が用いられる。また、膜状弾性体３は、それぞれのカンチレバー２が直接的に外部の物体等と接触して損傷を受けることが無いように保護する機能も有しており、それぞれのカンチレバー２全体を覆うような厚み寸法、例えば１〜２ｍｍ以下程度の厚さ寸法に形成されており、後述するカンチレバー２の応力検出機能を効果的に達成しながら、柔軟性と強度とを両立することができるように、例えば１００μｍ〜１ｍｍ程度の厚さ寸法に形成されていることがより望ましい。
【００３４】
さらに、図１においては図示しないが、それぞれのカンチレバー２における固定部２ｂには端子部が設けられており、これらの端子部には制御装置に電気的に接続するための配線が個別に設けられて、各々のカンチレバー２における可動部２ａの動作角度を電気的に検出することが可能となっている。
【００３５】
このような構成を有する触覚センサ１においては、膜状弾性体３に外力が付加されることにより、その内部に生じるせん断応力または圧力を、その応力が生じる方向をその変形方向とする可動部２ａを有するカンチレバー２の可動部２ａが動作変形されることでもって検出することが可能となっている。なお、図１におけるＸ軸方向用カンチレバー２ＸとＹ軸方向用カンチレバー２Ｙは、膜状弾性体３の表面沿いの方向に生じる力を検出するセンサとして機能し、Ｚ軸方向用カンチレバー２Ｚは、膜状弾性体３のＺ軸方向の力、すなわち圧力を検出するセンサとして機能する。
【００３６】
ここで、このようなカンチレバー２により応力を検出する原理について、図２に示す触覚センサ１の模式説明図を用いて説明する。
【００３７】
図２に示すように、触覚センサ１において、膜状弾性体３の表面に沿った外力が作用されると、膜状弾性体３において水平方向にせん断応力τが生じ、膜状弾性体３が弾性的に変形されて、水平方向にせん断歪みγが生じることになる。膜状弾性体３内に配置されているカンチレバー２は、その可動部２ａが膜状弾性体３と一体的に歪むこととなり、その結果、せん断歪みγだけその変形方向（例えば図示Ｘ軸方向）に変形される、すなわち弾性的に変形されることとなる。このようなせん断歪みγは、膜状弾性体３の膜厚方向の位置によって変化せず略均一であることから、膜状弾性体３内の膜厚方向におけるカンチレバー２の配置位置によって可動部２ａの変形量は変化しないことになる。このような観点からは、膜厚方向におけるカンチレバー２の配置位置は自由に設定することができるが、膜状弾性体３自体が曲げられて曲面形状にて使用されることを考慮すれば、図２２の模式図に示すように、曲げによる影響が最も少ない膜厚方向の中立軸Ｎ上にカンチレバー２を配置させることが好ましく、例えば、カンチレバー２の固定部２ｂが中立軸Ｎ上に位置されるように配置されることが好ましい。また、このように中立軸Ｎ上に配置させることで、カンチレバー２を確実に保護することができる。
【００３８】
一方、カンチレバー２のヒンジ部２ｃには、ピエゾ抵抗部が設けられている。このピエゾ抵抗部は、可動部２ａの変形量に応じてその電気的な抵抗値が変化するという機能を有しているとともに、このような変形量と抵抗値の相関性が予め測定されて、図示しない上記制御装置に相関性データとして入力保持されている。従って、このせん断応力τにより膜状弾性体３に生じたせん断歪みγがカンチレバー２を変形させた量に基づくピエゾ抵抗部の抵抗変化を検出することで、外力作用により膜状弾性体３に生じるせん断応力τを検出することができる。なお、このような可動部２ａの変形量検出による応力検出の原理によれば、膜状弾性体３の表面沿いの方向の力を検出するＸ軸方向用カンチレバー２Ｘ及びＹ軸方向用カンチレバー２Ｙにおける可動部の起き上がり角度は、９０度に設定されることが好ましく、圧力を検出するＺ軸方向用カンチレバー２Ｚにおける可動部の起き上がり角度は、０度に設定されることが好ましい。
【００３９】
次に、このような機能を有する触覚センサ１の製造方法について、以下に図面を用いて説明する。当該説明にあたり、まず、１個のカンチレバー２のみを模式的に示す模式断面図である図３Ａ〜図３Ｄを用いてカンチレバー２の製造方法について説明する。
【００４０】
まず、図３Ａに示すように、例えば、３００μｍ厚さのＳｉ下層１１、４００ｎｍ厚さのＳｉＯ２層１２、及び２９０ｎｍ厚さのＳｉ上層１３により構成されるＳＯＩウェハ１０を用い、例えば急速熱拡散法を用いて、Ｓｉ上層１３における上１００ｎｍの部分を、ピエゾ抵抗層（部）１４として形成する。
【００４１】
さらに、その上にＣｒ／Ｎｉ層１５をスパッタリングにより形成し、その後、所定の形状にパターニングして、図３Ｂに示すように、このＣｒ／Ｎｉ層１５をマスクとして用い、ピエゾ抵抗層１４及びＳｉ上層１３をＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）にてエッチングを行う。
【００４２】
その後、図３Ｃに示すように、ピエゾ抵抗層１４のショートを防止するために、カンチレバー２の固定部２ｂと可動部２ａをつなぐ部分であるヒンジ部に相当する部分を覆うように配置されているＣｒ／Ｎｉ層１５を、エッチングにより除去する。
【００４３】
さらにその後、図３Ｄに示すように、ＳＯＩウェハ１０の裏面側より、Ｓｉ下層１１に対してＤＲＩＥにてエッチングを行い、さらに、フッ酸（ＨＦ）ガスを用いてＳｉＯ２層をエッチングすることにより、カンチレバー２において可動部２ａ、すなわち自由端となるべき構造部を、Ｓｉ下層１１及びＳｉＯ２層から開放させた状態とさせる。これで、カンチレバー２としての基本的な構造が完成する。
【００４４】
ここで、図３Ｄに示すカンチレバー２の模式上面図を図４に示す。図４に示すように、カンチレバー２は、例えばその可動部２ａにおける幅寸法ｄ１が１１０μｍ、可動部２ａにおいてＣｒ／Ｎｉ層１５が形成されている部分の長さ寸法ｄ２が３００μｍ、可動部２ａと固定部２ｂとの間のヒンジ部２ｃの長さ寸法ｄ３が１５０μｍというような大きさに形成されており、カンチレバー２全体の長さ寸法が４５０μｍ、全体の幅寸法が１５０μｍとなっている。また、ピエゾ抵抗層１４の厚さ寸法が１００ｎｍ、Ｃｒ／Ｎｉ層１５の厚さ寸法が５ｎｍ／１５０ｎｍとされている。また、図４に示すように、カンチレバー２の固定部２ｂには、外部との間で電気信号の受け渡しを行うための端子部４が形成されている。さらに、可動部２ａと固定部２ｂとの間のヒンジ部２ｃは、図示平面的に中空部分が設けられている。なお、図４におけるＡ−Ａ線断面を示す模式断面図が図３Ｄとなっている。また、このようにヒンジ部２ｃが、中空部分が設けられるように２本の構造体に分割されていることにより、それぞれの構造体に対して付与される傾き等の出力を、それぞれのピエゾ抵抗層の出力間で打ち消し合うことで、カンチレバー２における一方向のみの変形量を正確に検出することが可能となる。なお、このようなヒンジ部２ｃにおける上記構造体の幅寸法は、例えば３０μｍに形成される。なお、本明細書において微小３次元構造体要素の「微小」とは、例えば、１００μｍ〜１ｍｍ程度の厚さに形成された膜状弾性体３内に複数の３次元構造体要素（すなわち、カンチレバー２）が配置されても、膜状弾性体３が有する柔軟性に実質的な影響がほとんど生じないような３次元構造体要素の大きさを示すものであり、例えば、数百μｍ以下の大きさを示す。また、このようなカンチレバー２は、膜状弾性体３の厚さ寸法に応じて、その柔軟性に実質的な影響を与えないような大きさに、数百μｍ以下でより小さな大きさに形成されることが望ましい。
【００４５】
次に、このようにＳＯＩウェハ１０上において形成されたそれぞれのカンチレバー２を、膜状弾性体３内に配置して触覚センサ１を製造する方法について、具体的に説明する。以降の説明においては、その説明の理解を容易なものとするために、例えば、ＳＯＩウェハ１０上に２個のカンチレバー２が形成され、これら２個のカンチレバー２を膜状弾性体３内に配置させるような場合について説明する。また、この製造方法の手順を示すフローチャートを図５に示し、さらにそれぞれの工程を説明するための模式断面図を図６から図１０に示す。
【００４６】
まず、図６の模式断面図に示すように、ＳＯＩウェハ１０上には、２個のカンチレバー２が形成されており、それぞれのカンチレバー２における端子部４には、配線５が接続されている。このようなＳＯＩウェハ１０を弾性材料の一例であるＰＤＭＳにて形成されたスペーサ１６にて支持させた状態で容器１７内に配置する（図５のフローチャートにおけるステップＳ１）。この場合において、スペーサ１６は、その高さ寸法がカンチレバー２の可動部２ａの長さ寸法よりも大きいものを用いる必要があり、例えば０．８ｍｍ高さのものが用いられる。また、それぞれのスペーサ１６によるＳＯＩウェハ１０の支持位置は、後述するようにそれぞれのカンチレバー２の可動部２ａの動作により干渉が生じないような位置とされる。
【００４７】
その後、図５のステップＳ２において、容器１７内の空間に磁界Ｍを付与する。このように磁界が、それぞれのカンチレバー２の可動部２ａに形成されているＣｒ／Ｎｉ層１５に作用することで、例えば、それぞれの可動部２ａを図示下方に押し下げるトルクが発生し、その結果、図７に示すように、それぞれの可動部２ａが略鉛直方向に配置されるように下方に回動（変形）された状態となる。このような磁界Ｍとしては、例えば、３５０ｍＴの強度の磁界が付与される。
【００４８】
このように磁界Ｍが付与された状態において、それぞれのカンチレバー２の表面に姿勢保持および強度補強部材として例えばパリレン−Ｃを蒸着して、カンチレバー２の表面全体にパリレン層１８を形成する（ステップＳ３）。このようなパリレン層１８は、カンチレバー２における回動姿勢（あるいは変形姿勢）を保持する機能およびカンチレバー２の強度を補強する機能を有しており、その後、容器１７内の空間への磁界Ｍの付与を解除しても（ステップＳ４）、それぞれのカンチレバー２において、可動部２ａが略鉛直下方に配置された姿勢が保たれた状態とされ、また製造の後工程においてカンチレバー２を外力による変形あるいは破損等より保護することができる。なお、姿勢保持および強度補強部材としては、真空蒸着法によって成膜が可能な非導電体膜を用いることができる。このような非導電体膜としては、例えば、パレリン−Ｃやパレリン−Ｎなどを用いることができる。
【００４９】
次に、図８に示すように、容器１７内に流動状態の弾性体ＰＤＭＳ１９を注入する（ステップＳ５）。このＰＤＭＳ１９の注入は、少なくともそれぞれのカンチレバー２及びＳＯＩウェハ１０へのカンチレバー２の固定部分が、注入されたＰＤＭＳ１９内に浸積されて埋設されるように行われる。ただし、ＳＯＩウェハ１０の図示上面が注入されたＰＤＭＳ１９より露出されるように当該注入が行われることが望ましい。なお、このような容器１７内におけるＰＤＭＳ１９の注入面の管理（高さ位置の管理）は、容器１７及びカンチレバー２の埋設体積を管理すること、及びＰＤＭＳ１９の注入量を管理することにより実施される。なお、ステップＳ４の磁界付与は、このステップＳ５の後に行われるような場合であってもよい。
【００５０】
その後、容器１７内に注入されたＰＤＭＳ１９が硬化すると、ＰＤＭＳ１９より露出された状態にあるＳＯＩウェハ１０の表面に付着しているパリレン層１８の部分的な除去が行われる（ステップＳ６）。このようなパリレン層１８の部分的な除去は、例えば、Ｏ２プラズマエッチング法という方法によって行われる。
【００５１】
次に、容器１７の上面よりＤＲＩＥによるエッチング処理を施すことで、ＰＤＭＳ１９より露出された状態にあるＳＯＩウェハ１０のＳｉ下層１１を除去し、その後、フッ酸（ＨＦ）ガスを用いたエッチング処理を施すことで、Ｓｉ下層１１が除去されることで露出状態とされたＳｉＯ２層１２を除去する（ステップＳ７）。その結果、図９に示すように、それぞれのカンチレバー２のＳＯＩウェハ１０への固定部分が除去されて、ＰＤＭＳ１９の表面においてそれぞれの凹部２０が形成された状態となる。従って、それぞれのカンチレバー２を固定していたＳｉＯ２層１２とＳｉ下層１１とが除去されることで、ＰＤＭＳ１９内において、個々のカンチレバー２が互いに独立して配置された状態とされる。すなわち、このような製造方法においては、ＳＯＩウェハ１０におけるＳｉＯ２層１２及びＳｉ下層１１は、最終的に除去される犠牲層としての役割を担う層となっている。なお、このような犠牲層の除去は、ＤＲＩＥによるエッチング以外にも、ＸｅＦ２ガスエッチングによっても行うことができる。
【００５２】
その後、図１０に示すように、ＰＤＭＳ１９の表面に形成されたそれぞれの凹部２０内に流動状態のＰＤＭＳ１９を注入して、ＰＤＭＳ１９の補充を行う（ステップＳ８）。当該補充の後、注入されたＰＤＭＳ１９を硬化させることによりＰＤＭＳにより形成された膜状弾性体３が形成される。なお、このような膜状弾性体３は、その厚さ寸法として例えば２ｍｍに形成される。その後、この膜状弾性体３を容器１７から取り出すことで（ステップＳ９）、膜状弾性体３内に複数のカンチレバー２が独立して配置された構造を有する触覚センサ１が完成する。なお、本明細書において「独立して配置」とは、隣接する２つのカンチレバー２が物理的に分離されて配置されている状態を示し、少なくとも一方のカンチレバー２の作動が、他方のカンチレバー２に対して直接的に影響を与えないように分離して配置されている状態を示す。
【００５３】
なお、このようにそれぞれの凹部２０への注入に用いられる弾性材料は、先に注入された弾性材料であるＰＤＭＳ１９と同じ材料を用いることが好ましいが、一体的に形成される膜状弾性体３の弾性に影響を与えない程度であれば、異なる弾性材料が用いられるような場合であってもよい。このような考え方は、スペーサ１６の形成材料についても共通するものである。
【００５４】
また、上述の製造方法の説明においては、容器１７内に流動状態のＰＤＭＳ１９が注入されることで、それぞれのカンチレバー２が膜状弾性体３内に埋め込まれるような場合について説明を行っているが、本第１実施形態の製造方法は、このような場合についてのみ限定されるものではない。このような場合に変えて、例えば、それぞれのカンチレバー２が形成されたＳＯＩウェハ１０に対して、ＰＤＭＳを転写するという手段を用いて、ＰＤＭＳ内にそれぞれのカンチレバー２を埋設するような場合であってもよい。また、それぞれのカンチレバーが形成されたＳＯＩウェハより、カンチレバーを個片化して切り出した後、それぞれのカンチレバーを膜状弾性体内に所望のピッチにて埋設するような場合であってもよい。このような手法によれば、カンチレバー製造時にピッチと埋設されるピッチとを異ならせることができ、特に、埋設ピッチを製造時のピッチよりも拡げるような場合に有効な手法である。
【００５５】
また、ＳＯＩウェハ１０上に形成されたそれぞれのカンチレバー２に対して、一括して磁界を付与して、その後パリレン層１８を形成することで、その姿勢を保持させるような場合について説明したが、磁界の付与及び姿勢の保持は、各々のカンチレバー２に対して個別的に行われるような場合であってもよい。また、カンチレバー２において、例えばＺ軸方向用カンチレバー２Ｚのように、可動部２ａの姿勢を変える必要の無いものに対しては、磁界の付与が行われなくてもよい。なお、このように可動部２ａの姿勢を変える必要の無いものに対しては、Ｃｒ／Ｎｉ層自体を設けないような構造とするような場合であってもよい。このような構造を採用することで、磁界の付与／非付与の個別的な制御を不要とすることができるからである。また、磁性体（Ｃｒ／Ｎｉ層１５）で覆われた部分の面積によって、回動（変形）角度、すなわち起き上がり角度を調整することもできる。このような方法によれば、センサの角度などをその用途や目的に応じて最適化することが可能となる。なお、面積だけでなく、磁性体が形成される位置、例えばカンチレバーの先端か中央かなどの位置によっても起き上がり角度を調整することができる。
【００５６】
上述の説明においては、３次元構造体の一例として触覚センサ１について説明を行っている。しかしながら、本発明の３次元構造体は、このような触覚センサについてのみ限定されるものではない。３次元構造体は、ＭＥＭＳ技術あるいはＮＥＭＳ技術等を用いて比較的硬い材料であるＳｉあるいはＳｉＯ２等の基板を犠牲層として形成されたカンチレバー２等に代表されるような複数の微小３次元構造体要素が膜状弾性体内に配置され、その後、犠牲層を除去することで、それぞれの微小３次元構造体要素を互いに独立させて膜状弾性体内に配置させた構造を有するものであれば良い。このような構造を有するものであれば、本第１実施形態の製造方法を適用することで、その構造体を製造することが可能である。
【００５７】
また、このような微小３次元構造体要素は、少なくともその一部が可動する可動構造を有しており、膜状弾性体内へ配置された状態において、外力の作用等によりその周囲に配置されている弾性体とともに可動する構造を有するような構造体要素である。ただし、このような微小３次元構造体要素が膜状弾性体内に埋設されて形成される３次元構造体が、可動部（可動構造）の変形を検出するセンサ等の用途に限られず用いられるような場合、例えば、集積回路やフォトセンサなどの可動部の変形を伴わないような用途において用いられるような場合にあっては、それぞれの微小３次元構造体要素が、可動構造を有していないような場合であってもよく、本発明の製造方法を適用して３次元構造体を製造することができる。
【００５８】
さらに、微小３次元構造体要素は、３次元構造体に対する外力の作用により弾性体に生じる弾性変形（例えばせん断歪み）に基づくその可動構造の動作（変形）を検知する外力検知機能を有していることが好ましい。あるいは、その可動構造を動作（変形）させることによりその周囲に配置されている弾性体に対して外力を伝達し、当該弾性体を弾性変形させる外力伝達機能を有しているような場合であってもよい。このような外力検知機能は、例えばカンチレバーを例とすれば、触覚センサとしての機能に代表され、また、外力伝達機能は、カンチレバーをアクチュエータとして作動させることで、膜状弾性体を部分的に弾性変形させるような機能である。このように、微小３次元構造体要素が、外力検知機能や外力伝達機能を有すれば、互いに独立して膜状弾性体内に埋め込まれた状態にて当該機能を個別的にかつ確実に発揮することが可能となる。なお、カンチレバーにおけるピエゾ抵抗層（部）が、このような機能を有する外力検知部である。また、カンチレバーを外力伝達部としても機能させることも可能である。カンチレバーを外力伝達部として機能させるには、可動部を動作させる機構、例えば圧電素子を別途備えさせるか、あるいは、磁気異方性を用いて磁場を印加して可動部を動作させることにより実現することができる。さらにカンチレバーに外力検知機能と外力伝達機能とを併せて備えさせることで、外力検知機能により外力の検知を受けて外力伝達機能により情報伝達させるようにすることもできる。
【００５９】
また、３次元構造体は、このようにセンサやアクチュエータとして適用される以外に、集積回路、ディスプレイ（有機ＥＬ）などにも適用することができる。また、このような触覚センサは、ロボットの皮膚感覚センサとしての用途以外にも、大面積（特に曲面形状を有する）の物体の表面に膜状弾性体を接触させて物体表面の形状を測定する計測器用プローブ、コンピュータ入力用のポインティングデバイス、タブレット、並びにバーチャルリアリティ実現用の入力および出力装置としての用途にも適用可能である。また、３次元構造体は、可動構造を有する微小３次元構造体要素を温度や加速度を検知する構造体要素として機能させるような温度センサや加速度センサとして構成させることもできる。さらに、温度検知機能を有する微小３次元構造体要素と、他の機能を有する微小３次元構造体要素とを混在させて膜状弾性体内に配置させてセンサを一体的に構成することで、温度補償センサを構成することもできる。
【００６０】
ここで、このような触覚センサ１をロボットハンドの表面に配置された皮膚感覚センサとして適用した場合におけるシミュレーションに基づく実施例について説明する。
まず、シミュレーションにあたって、カンチレバー２の可動部２ａの変位量に対するピエゾ抵抗層１４における抵抗値変化を製作した触覚センサ１にて測定した。せん断力２．５ｋＰａを加重した場合、変位量ΔＬは次式で表される。なお、Ｌはカンチレバーの長さ寸法である。
【００６１】
ΔＬ＝Ｌ×τ／Ｅ＝５００μｍ×２．５ｋＰａ／８００ｋＰａ＝１．５μｍ
この時の抵抗値変化は１０Ω程度であり、抵抗値検出におけるノイズ等の影響により１Ωオーダーの計測が限界であると仮定すると、抵抗値変化から求まる理論的な変位量の検出下限値はΔＬ＝０．１５μｍとなる。なお、抵抗値検出精度が向上すれば、さらに小さな変位量まで検出することが可能となる。
【００６２】
ここで、一例として、１リットルペットボトルを、皮膚感覚センサを介してロボットハンドにて掴む場合を想定する。１リットルペットボトルを手で掴んだ場合、必要なせん断力は、（１ｋｇ×９．８ｍ／ｓ２）／９８ｃｍ２＝１ｋＰａとなる（手のひらの面積を７ｃｍ×１４ｃｍと設定）。このせん断力を加重した場合における変位量の分布をシミュレーションにより計算した。その結果、上記変位量の検出下限値以上の変位量が生じるのは、加重点よりの距離が０．７ｃｍ以内の領域であることが求められた。
【００６３】
以上のシミュレーション結果からは、カンチレバー２の検出能力（感度）は、０．７ｃｍ以内であることが分かり、膜状弾性体内３にカンチレバー２を１．４ｃｍピッチ以内で配置すれば、ペットボトルを掴む程度の力を検出できることが分かる。
【００６４】
また、同様に１００ｇの対象物をロボットハンドにて掴む場合を想定したシミュレーションによる計算では、膜状弾性体内３にカンチレバー２を０．４ｃｍピッチ以内で配置すれば対象物によるせん断力を検出できることが分かる。
【００６５】
なお、このように変位量検出下限値を用いて、カンチレバーの配置間隔（ピッチ）を決定することができるが、さらに膜状弾性体の厚みと膜状弾性体を形成する材料のヤング率を考慮して、カンチレバーの配置間隔を決定することが好ましい。
【００６６】
また、上述の説明においては、カンチレバー２における端子部４の構造について簡単に説明を行ったが、カンチレバーをより確実に機能させるための端子部の構造について、本第１実施形態の変形例にかかるカンチレバー９２の模式上面図を示す図２０と、図２０におけるカンチレバー９２のＤ−Ｄ線断面図を示す図２１を用いて、以下に説明する。
【００６７】
まず、図２０及び図２１に示すように、カンチレバー９２は、可動部９２ａと、固定部９２ｂと、可動部９２ａを動作可能に両者を接続する接続部の一例であるヒンジ部９２ｃにより構成されている。また、固定部９２ｂは、配線が接続される端子部９４が形成されており、この端子部９４が電極部として機能するために、Ｃｒ／Ｎｉ層１５の上面を覆うようにメッキＣｕ層９６が形成されている。
【００６８】
このようなメッキＣｕ層９６はその剛性がその他の層と比して高い層であるのに対して、変形機能を有するヒンジ部９２ｃの剛性は低くなっている。従って、仮にこのように剛性が低いヒンジ部９２ｃが、剛性の高い固定部９２ｂ、すなわち端子部９４に直接接続されているような構造を考えた場合、それぞれのカンチレバーが形成されたＳＯＩウェハ１０をＰＤＭＳ１９内に埋め込んだ後、ＳＯＩウェハ１０のＳｉ下層１１の除去がＤＲＩＥによるエッチング処理にて行われる際に、カンチレバーの周囲に配置されるＰＤＭＳ１９にプラズマによる熱変形が生じ、場合によってはカンチレバーのヒンジ部に応力が付加され、当該応力がヒンジ部と端子部との接続部分に集中して、当該応力集中により接続部分が損傷を受けるようなことも考えられる。このような接続部分への応力集中により損傷の発生を防止するため、カンチレバー９２には以下のような工夫を施している。
【００６９】
図２０及び図２１に示すように、カンチレバー９２の端子部９４において、Ｃｒ／Ｎｉ層１５を覆うようにメッキＣｕ層９６が配置されているが、ヒンジ部９２ｃとの接続部分及びその周囲における端子部９４においては、メッキＣｕ層９６が配置されず、Ｃｒ／Ｎｉ層１５が露出された部分であるヒンジ接続端部９４ａが形成されている。このようなヒンジ接続端部９４ａは、厚み方向に見た場合、ピエゾ抵抗層１４とＳｉ上層１３とＣｒ／Ｎｉ層１５とにより構成されており、その厚さ方向における剛性が、メッキＣｕ層９６が形成されている部分における端子部９４よりも低く設定され、さらに、ヒンジ部９２ｃよりも高く設定されている。すなわち、ヒンジ部９２ｃの端子部９４への接続部分の剛性が両者の中間的なものとなるように設定されている。このようにヒンジ接続端部９４ａが設けられていることにより、カンチレバー９２に外力が作用された場合に、ヒンジ部９２ｃと共にヒンジ接続端部９４ａがある程度動くようにさせることができ、Ｓｉ下層１１の除去の際等に生じる応力を分散させることが可能となる。なお、図２０に示すように、例えば平面的に１５０μｍ×３０μｍの大きさのヒンジ部９２ｃに対して、このようなヒンジ接続端部９４ａは、平面的に２７５μｍ×５０μｍの大きさに形成される。また、図２０において、符号９５で表される部分は、可動部９２ａをＳｉ下層１１から切り離して動作可能とさせるための空間であるエッチングホール９５となっている。
【００７０】
また、３次元構造体は、平面状に形成されるような場合のみに限られるものではなく、例えば、図１１に示すように、曲面状に形成される、あるいは配置されるような場合であってもよい。図１１に示すように、犠牲層３４を半球殻状に形成し、その外周面上に複数の微小３次元構造体要素３２を配列させて形成し、本第１実施形態の製造方法等を用いて、同じく半球殻状に形成される膜状弾性体３３内にこれらの微小３次元構造体要素３２が配置されるように、３次元構造体３１を形成することができる。また、複数の微小３次元構造体要素３２が形成された平面状の犠牲層３４を、複数枚組み合わせることで多面形状の犠牲層を構成して、曲面状の３次元構造体を形成することもできる。
【００７１】
例えば、微小３次元構造体要素３２をカンチレバーとして形成して、３次元構造体３１を触覚センサとして構成することで、ロボットハンド等の表面に密着するように曲面状の配置を実現することができる。また、このように曲面状の配置形態に適用されることで、Ｓｉ下層１１やＳｉＯ２層１２等の比較的硬い層を犠牲層として最終的には除去するような手法を採用する本第１実施形態による３次元構造体の効果をより有効に得ることができる。なお、例えば、厚さ１ｍｍのＰＤＭＳにより形成された膜状弾性体３においては、巻き付け対象物の最小半径が約１．１ｍｍ程度であり、ロボットハンド等の表面に密着させて配置させるための十分な柔軟性を有している。
【００７２】
また、図１２に示すように、曲面状に配置される３次元構造体４１の裏面において、当該配置を確実なものとするためにいわゆる裏打ち等のベース基材４４が設けられるような場合であってもよい。このようなベース基材は、それぞれの微小３次元構造体要素４２をその内部に配置する膜状弾性体４３よりも硬く、ＳＯＩウェハ等よりも柔軟な材料により形成されたフレキシブルな基材であることが好ましい。
【００７３】
また、図示しないが、複数のＺ軸方向用カンチレバーを独立した膜状弾性体内に配置させて圧力センサを形成し、複数のＸ軸方向用カンチレバー及びＹ軸方向用カンチレバーが別の膜状弾性体内に配置された触覚センサを形成して、それぞれの膜状弾性体の積層構造を有するセンサを構成することもできる。このようにセンサを多層構造に形成することで、それぞれのカンチレバーの配置密度を高めることができ、高感度なセンサを提供することができる。
【００７４】
次に、このような触覚センサにおいて、それぞれのカンチレバーに接続された配線の配置等について以下に説明する。
【００７５】
図６の模式断面図に示すように、触覚センサ１におけるそれぞれのカンチレバー２の端子部４には、電気信号の入出力を行うための配線５が接続されている。一方、このような配線５は最終的には、カンチレバー２と共に膜状弾性体３内に埋め込まれるように配置されることとなる。しかしながら、膜状弾性体３に外力が付加されて弾性変形が行われるような場合にあっては、この配線に対しても応力が付加されることとなり、その大きさ等によっては断線あるいは接続不良等を引き起こす可能性がある。このような配線の断線等を防止するための手段について以下に説明する。
【００７６】
まず、本第１実施形態の変形例にかかる触覚センサ５１の模式斜視図を図１３に示す。また、図１３の触覚センサ５１における１個のカンチレバー５２のＢ−Ｂ線の模式断面図を図１４に示す。
【００７７】
図１３及び図１４に示すように、カンチレバー５２の端子部５４には配線５５が接続されており、さらに、この配線５５は、曲線状、例えば螺旋状に配置された状態で膜状弾性体５３内に埋め込まれている。このように配線５５が配置されていることにより、上記螺旋状の部分が配線遊び部５５ａとなって、配線５５に構造的な弾性機能を与えることができる。その結果、膜状弾性体５３の弾性変形に伴い配線５５に付加される応力をこの配線遊び部５５ａにて弾性的に吸収することができ、断線等の発生を確実に防止することができる。なお、このような配線の形状に関しては、線形状（ワイヤー形状）のものを図示しているが、配線パターンを銅等の導体の薄膜で形成（描画）した箔形状のものでもよい。また、端子部５４にメッキを施すことにより強度の向上を図ることがより好ましい。
【００７８】
また、このような断線を防止するための別の手段としては、図１５における別の変形例にかかる触覚センサ６１におけるカンチレバー６２の模式断面図に示すような手段がある。具体的には、図１５に示すように、膜状弾性体６３内において、カンチレバー６２の端子部６４と配線６５が膜状弾性体６３に接触しないように配線用空洞部６６を設けることで、膜状弾性体６３より配線６５に対して応力が伝わらないようにすることで、断線等の発生を確実に防止するという手段である。
【００７９】
次に、このような触覚センサにおいて、膜状弾性体内に埋め込まれた状態のカンチレバーにおける可動部と、この可動部に接している膜状弾性体との間の一体的な動作をより確実なものとするための手段、すなわち、可動部とその周囲の弾性体との相対運動を防止するための手段について説明する。
【００８０】
本第１実施形態の変形例にかかる触覚センサとして、このような相対運動防止手段が採られている触覚センサ７１の模式斜視図を図１６に示し、図１６の触覚センサ７１における１個のカンチレバー７２のＣ−Ｃ線の模式断面図を図１７に示す。
【００８１】
図１６及び図１７に示すように、カンチレバー７２の可動部７２ａの表面には、係合部の一例である複数の突起部７２ｃが設けられており、これらの突起部７２ｃがその周囲の膜状弾性体７３と係合し、可動部７２ａとその周囲の膜状弾性体７３との一体性をより向上させている。このような状態で、膜状弾性体７３が弾性変形されると、可動部７２ａとその周囲の膜状弾性体７３との間の相対運動を確実に防止しながら、当該弾性変形を確実に可動部７２ａに伝えることができ、触覚センサ７１としての機能をより高めることができる。なお、このような突起部７２ｃは、その機能から相対運動防止用突起部（係合部）ということもできる。また、図１７においては、カンチレバー７２の可動部７２ａにおける一方の面にのみ突起部７２ｃが設けられるような場合について示しているが、他方の面あるいは両方の面に設けられるような場合であってもよい。
【００８２】
また、図２３の模式図に示すように、膜状弾性体１０３の表面に他の部材を配置させるような構成を採用することもできる。具体的には、図２３に示す触覚センサ１０１においては、複数のカンチレバー１０２が埋設された膜状弾性体１０３の表面に、応力集中層１０４が形成されている。
【００８３】
図２３に示すように、この応力集中層１０４は、膜状弾性体１０３の表面を覆う表層部１０４ａと、膜状弾性体１０３の内部に向けて突出して埋め込まれた複数の柱部１０４ｂとにより一体的に形成されている。また、応力集中層１０４は、膜状弾性体１０３よりも剛性が高い弾性材料により形成されている。また、それぞれのカンチレバー１０２は、隣接配置される柱部１０４ｂの間に可動部の一部が位置されるように配置されている。
【００８４】
このような応力集中層１０４が設けられていることにより、触覚センサ１０１の表面においてせん断応力が作用すると、比較的剛性の高い材料にて形成されている応力集中層１０４にせん断応力が集中的に作用し、それぞれの柱部１０４ｂとその間に位置される膜状弾性体１０３の部分にせん断応力が作用されることになる。その結果、それぞれのカンチレバー１０２において、可動部を動作させやすくすることができ、触覚センサ１０１におけるせん断応力検出の感度を向上させることができる。
【００８５】
上記第１実施形態によれば、ＳＯＩウェハ１０等の比較的硬い基材上に形成された複数のカンチレバー２を、膜状弾性体３内に配置させて、その後、このＳＯＩウェハ１０においてカンチレバー２とはならない部分を犠牲層として除去して、触覚センサ１を製造しているため、触覚センサ１において、それぞれのカンチレバー２は互いに独立して配置された状態とすることができる。従って、膜状弾性体３に外力が作用された場合に、膜状弾性体３内に生じる部分的なせん断歪みを、当該部分に配置されているカンチレバー２の可動部２ａを動作変形させることで確実に伝えることができ、カンチレバー２においてその変形量を確実に検出することができる。特に、従来の触覚センサ５０１において存在するＳｉ等の比較的硬い材料にて形成されている基板部材５０３が、本第１実施形態の触覚センサ１では存在しないため、膜状弾性体３の柔軟性の機能を活用して曲面状に配置された触覚センサを形成することができ、さらにカンチレバー２はその配置および形状を従来例と同様に精度よく効率的に製造できるという特長を損なうことはないので、力や歪み量の検出を精度よくかつ安価にて行うことが可能となり、その適用範囲を広げることができる。
【００８６】
（第２実施形態）
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、本発明の第２の実施形態にかかる３次元構造体の一例である触覚センサ８１の構成を示す模式斜視図を図１８に示す。
【００８７】
図１８に示すように、本第２実施形態の触覚センサ８１は、一例としてカンチレバーにて表される複数の微小３次元構造体要素が個別に独立して膜状弾性体内に配置されるのではなく、複数の微小３次元構造体要素が連結部材にて互いに連結された微小３次元構造体要素群が、個別に独立して複数個、膜状弾性体内に配置されるような構成を有している。本第２実施形態においては、このように「構造体要素」が「構造体要素群」として取り扱われる以外の構成については、上記第１実施形態の構成と同様であるため、以下、この構成の相違点についてのみ、説明を行うものとする。
【００８８】
具体的には、図１８に示すように、触覚センサ８１においては、４個のカンチレバー８２が共通の部材である連結部材８５に固定されて、微小３次元構造体要素群の一例であるカンチレバー群８４が構成されている。また、このような複数のカンチレバー群８４が、膜状弾性体８３内に互いに独立するように配置されて埋設されている。
【００８９】
このような連結部材８５は、それぞれのカンチレバー８２を互いの動作した場合でも干渉しないような配列でもって固定できるような大きさに形成されており、このように固定できるような大きさであればできるだけ小さく形成されることが好ましい。また、連結部材８５は、Ｓｉ等の材料にて形成することができるが、弾性を有する樹脂材料や金属材料などで形成されることが好ましい。連結部材８５が必要限度において小さく形成され、かつ、弾性を有する材料にて形成されることで、膜状弾性体８３の弾性が損なわれずに、よりフレキシブルな触覚センサ８１を提供することができるからである。
【００９０】
しかしながら、連結部材８５は、一群のカンチレバー８２を確実に連結して、膜状弾性体８３内におけるそれぞれの可動性を確実なものにするという役割も担っている。すなわち、カンチレバー群８４において、互いに隣接するカンチレバー８２同士の相対的な可動関係を、膜状弾性体８３の弾性変形に拘わらず保持するような役割、言い換えれば、膜状弾性体８３のせん断歪を精度よくカンチレバー８２の可動部８２ａの動きに伝えるという役割を、連結部材８５は担っている。このような観点からは、連結部材８５はできるだけ高い剛性を備えていることが好ましい。
【００９１】
このように連結部材８５には、膜状弾性体８３の弾性を損なわない弾性および形状寸法を有すること、及び、センサとしての応答性を向上させるための高い剛性を備えること、という要件が求められる。そのため、連結部材８５を形成する材料は、その外形寸法が２×２ｍｍ２程度以下で膜状弾性体８３を形成する弾性材料よりもその弾性率が高い弾性材料であることが好ましい。ここで、「弾性率」とは、ひずみに対する応力の比である。従って、高い剛性を有する材料は、高い弾性率を有することになる。なお、このような連結部材８５は、その製造工程において、裏面に配置されているＳｉ下層をエッチング（例えば、ＤＲＩＥ）する際に、Ｓｉ下層の一部に金属によってマスキング処理を施して、当該マスキング処理が施された部分をエッチング効果から保護することで形成される。
【００９２】
本第２実施形態のように触覚センサ８１において連結部材８５が設けられていることにより、Ｘ軸方向やＹ軸方向のカンチレバー８２が受けるＺ軸方向の圧力の影響を低減することができ、また、触覚センサ８１自体が折り曲げられること等により膜状弾性体８３が変形されることに起因する影響も減少させることができる。
【００９３】
また、このような本第２実施形態の触覚センサ８１と上記第１実施形態の触覚センサ１は、それぞれの特性に応じてその適用場所を使い分けることができる。例えば、ロボット用のセンサ等においては、胴体部および腕部等の比較的曲面が少なく曲率も小さいような形状の部分では、連結部材８５が用いられた上記第２実施形態の触覚センサ８１を適用することができ、一方、指先等の曲面が多くまた曲率が大きい形状の部分では微小３次元構造体を単独かつ密度高く配置した構成である上記第１実施形態の触覚センサ１を適用することができる。
【００９４】
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【００９５】
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる触覚センサの構成を示す模式斜視図
【図２】図１の触覚センサにおける外力検出機能を説明する模式説明図
【図３Ａ】図１の触覚センサが備えるカンチレバーの製造方法を説明する模式断面図であって、ＳＯＩウェハ上にピエゾ層が形成された状態を示す図
【図３Ｂ】カンチレバーの製造方法を説明する模式説明図であって、Ｃｒ／Ｎｉ層が形成された状態を示す図
【図３Ｃ】カンチレバーの製造方法を説明する模式説明図であって、Ｃｒ／Ｎｉ層が部分的に除去された状態を示す図
【図３Ｄ】カンチレバーの製造方法を説明する模式説明図であって、カンチレバーの基本的構造が完成した状態を示す図
【図４】図３Ｄのカンチレバーの模式上面図
【図５】図１の触覚センサの製造方法における手順を示すフローチャート
【図６】触覚センサの製造方法を説明する模式断面図であって、それぞれのカンチレバーが形成されたＳＯＩウェハを示す図
【図７】触覚センサの製造方法を説明する模式断面図であって、ＳＯＩウェハが容器内に配置され、磁界が付与されている状態を示す図
【図８】触覚センサの製造方法を説明する模式断面図であって、容器内にＰＤＭＳが注入されている状態を示す図
【図９】触覚センサの製造方法を説明する模式断面図であって、Ｓｉ下層及びＳｉＯ２層が除去された状態を示す図
【図１０】触覚センサの製造方法を説明する模式断面図であって、凹部にＰＤＭＳが補充されている状態を示す図
【図１１】上記第１実施形態の変形例にかかる曲面状に配置された３次元構造体を示す模式斜視図
【図１２】上記第１実施形態の別の変形例にかかるベース基材が配置された３次元構造体を示す模式斜視図
【図１３】上記第１実施形態の変形例にかかる触覚センサにおけるカンチレバーの配線構造を示す模式斜視図
【図１４】図１３の触覚センサにおけるＢ−Ｂ線模式断面図
【図１５】上記第１実施形態の別の変形例にかかる触覚センサにおけるカンチレバーの配線構造を示す模式断面図
【図１６】上記第１実施形態の変形例にかかる触覚センサにおけるカンチレバーの相対運動防止構造を示す模式斜視図
【図１７】図１６の触覚センサにおけるＣ−Ｃ線模式断面図
【図１８】本発明の第２の実施形態にかかる触覚センサの構成を示す模式斜視図
【図１９】従来の触覚センサの構成を示す模式斜視図
【図２０】上記第１実施形態の変形例にかかるカンチレバーの模式上面図
【図２１】図２０のカンチレバーにおけるＤ−Ｄ線模式断面図
【図２２】図１のカンチレバーが膜状弾性体の中立軸上に配置された状態を示す模式図
【図２３】上記第１実施形態の変形例にかかる触覚センサの構成を示す模式図
【符号の説明】
【００９７】
１  触覚センサ
２  カンチレバー
２ａ  可動部
２ｂ  固定部
２ｃ  ヒンジ部
３  膜状弾性体
４  端子部
５  配線
１０  ＳＯＩウェハ
１１  Ｓｉ下層
１２  ＳｉＯ２層
１３  Ｓｉ上層
１４  ピエゾ抵抗層
１５  Ｃｒ／Ｎｉ層
１６  スペーサ
１７  容器
１８  パリレン層
１９  ＰＤＭＳ
２０  凹部
８４  カンチレバー群
８５  連結部材
９４ａ  ヒンジ接続端部
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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