(57)【要約】【課題】簡略な構成で剪断力の測定が可能な触覚センサー素子を提供すること。【解決手段】開口部１１Ａ〜１１Ｄを有する基板１０と、開口部１１Ａ〜１１Ｄを覆う支持膜１２と、支持膜１２上、かつ開口部１１Ａ〜１１Ｄ上方に配置された検出部１３Ａ〜１３Ｄと、検出部１３Ａ，１３Ｂ上に配置された弾性部材１６Ａと、検出部１３Ｃ，１３Ｄ上に配置された弾性部材１６Ｂと、を備え、基板１０厚み方向で見た平面視で、開口部１１Ａの重心と開口部１１Ｂの重心とを結ぶ線分と、開口部１１Ｃの重心と開口部１１Ｄの重心とを結ぶ線分とは離間し、かつ非平行であり、弾性部材１６Ａは、前記平面視で、検出部１３Ａ，１３Ｂ、並びに検出部１３Ａ，１３Ｂとに挟まれる領域の支持膜１２の上を覆い、弾性部材１６Ｂは、前記平面視において、検出部１３Ｃ，１３Ｄ、並びに検出部１３Ｃ，１３Ｄとに挟まれる領域の支持膜１２の上を覆う触覚センサー素子２。【選択図】図１
2013036760.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の開口部、第二の開口部、第三の開口部および第四の開口部を有する基板と、
前記第一の開口部、前記第二の開口部、前記第三の開口部および前記第四の開口部を覆う支持膜と、
前記支持膜上、かつ前記第一の開口部の上方に配置された第一の検出部と、
前記支持膜上、かつ前記第二の開口部の上方に配置された第二の検出部と、
前記支持膜上、かつ前記第三の開口部の上方に配置された第三の検出部と、
前記支持膜上、かつ前記第四の開口部の上方に配置された第四の検出部と、
前記第一の検出部および前記第二の検出部の上に配置された弾性変形する第一の弾性部材と、
前記第三の検出部および前記第四の検出部の上に配置された弾性変形する第二の弾性部材と、
を備え、
前記第一の検出部、前記第二の検出部、前記第三の検出部および前記第四の検出部のそれぞれは、前記支持膜側から順に下部電極、圧電体および上部電極が積層されて構成された圧電積層部を備え、
前記基板の厚み方向で見た平面視において、前記第一の開口部の重心と前記第二の開口部の重心とを結ぶ線分と、前記第三の開口部の重心と前記第四の開口部の重心とを結ぶ線分とは離間し、かつ非平行であり、
前記第一の弾性部材は、前記平面視において、少なくとも、前記第一の検出部、前記第二の検出部、並びに前記第一の検出部と前記第二の検出部とに挟まれる領域の支持膜の上を覆い、
前記第二の弾性部材は、前記平面視において、少なくとも、前記第三の検出部、前記第四の検出部、並びに前記第三の検出部と前記第四の検出部とに挟まれる領域の支持膜の上を覆い、
前記第一の弾性部材および前記第二の弾性部材の表面は、前記基板面と平行に形成されている
ことを特徴とする触覚センサー素子。
【請求項２】
請求項１に記載の触覚センサー素子において、
前記基板の厚み方向で見た平面視における前記第一の弾性部材の重心は、前記平面視における前記第一の開口部の重心と前記第二の開口部の重心とを結ぶ線分を直径とする円の内部に位置し、
前記平面視における前記第二の弾性部材の重心は、前記平面視における前記第三の開口部の重心と前記第四の開口部の重心とを結ぶ線分を直径とする円の内部に位置する
ことを特徴とする触覚センサー素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の触覚センサー素子において、
前記第一の開口部と前記第二の開口部は、前記基板の厚み方向で見た平面視において前記第一の弾性部材の重心を通る直線に対して線対称に配置され、
前記第三の開口部と前記第四の開口部は、前記平面視において前記第二の弾性部材の重心を通る直線に対して線対称に配置されている
ことを特徴とする触覚センサー素子。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれかに記載の触覚センサー素子において、
前記基板は、さらに第五の開口部、第六の開口部、第七の開口部および第八の開口部を有し、
前記支持膜は、さらに前記第五の開口部、前記第六の開口部、前記第七の開口部および前記第八の開口部を覆い、
前記支持膜上、かつ前記第五の開口部の上方に配置された第五の検出部と、前記支持膜上、かつ前記第六の開口部の上方に配置された第六の検出部と、前記支持膜上、かつ前記第七の開口部の上方に配置された第七の検出部と、前記支持膜上、かつ前記第八の開口部の上方に配置された第八の検出部と、をさらに備え、
前記第一の弾性部材は、前記基板の厚み方向で見た平面視において、少なくとも、前記第一の検出部、前記第二の検出部、前記第五の検出部、前記第六の検出部、並びに前記第一の検出部と前記第二の検出部と前記第五の検出部と前記第六の検出部とを頂点とする第一の４角形領域の支持膜の上を覆い、
前記第二の弾性部材は、前記基板の厚み方向で見た平面視において、少なくとも、前記第三の検出部、前記第四の検出部、前記第七の検出部、前記第八の検出部、並びに前記第三の検出部と前記第四の検出部と前記第七の検出部と前記第八の検出部とを頂点とする第二の４角形領域の支持膜の上を覆い、
前記前記第五の検出部、前記第六の検出部、前記第七の検出部および前記第八の検出部の検出部のそれぞれは、前記支持膜側から順に下部電極、圧電体および上部電極が積層されて構成された圧電積層部を備え、
前記平面視における前記第一の弾性部材の重心は、前記平面視における前記第一の４角形領域に位置し、
前記平面視における前記第二の弾性部材の重心は、前記平面視における前記第二の４角形領域に位置し、
前記平面視において前記第一の開口部の重心と前記第五の開口部の重心とを結ぶ線分と、前記第二の開口部の重心と前記第六の開口部の重心とを結ぶ線分とは離間しており、
前記第一の検出部および前記第五の検出部は、電気的に直列に接続され、かつ
前記第二の検出部および前記第六の検出部は、電気的に直列に接続されており、
前記平面視において前記第三の開口部の重心と前記第七の開口部の重心とを結ぶ線分と、前記第四の開口部の重心と前記第八の開口部の重心とを結ぶ線分とは離間しており、
前記第三の検出部および前記第七の検出部は、電気的に直列に接続され、かつ
前記第四の検出部および前記第八の検出部は、電気的に直列に接続されている
ことを特徴とする触覚センサー素子。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれかに記載の触覚センサー素子において、
前記第一の弾性部材の表面に前記基板面と平行な表面を有し、前記第一の弾性部材よりも剛性が大きい第一剛性層が配置され、
前記第二の弾性部材の表面に前記基板面と平行な表面を有し、前記第二の弾性部材よりも剛性が大きい第二剛性層が配置される
ことを特徴とする触覚センサー素子。
【請求項６】
請求項１から請求項３までのいずれかに記載の触覚センサー素子と、
前記第一の検出部、前記第二の検出部、前記第三の検出部および前記第四の検出部の各々から電気信号を受信して当該電気信号の極性に基づいて、前記第一の弾性部材および前記第二の弾性部材に作用する剪断力を検出する処理部と、を備える
ことを特徴とする触覚センサー装置。
【請求項７】
請求項４に記載の触覚センサー素子と、
前記第一の検出部および前記第五の検出部からの電気信号と、前記第二の検出部および前記第六の検出部からの電気信号と、前記第三の検出部および前記第七の検出部からの電気信号と、前記第四の検出部および前記第八の検出部からの電気信号を受信して当該電気信号の極性に基づいて、前記第一の弾性部材および前記第二の弾性部材に作用する剪断力を検出する処理部と、を備える
ことを特徴とする触覚センサー装置。
【請求項８】
請求項６または請求項７に記載の触覚センサー装置を備えて、対象物を把持する把持装置であって、
前記対象物を把持するとともに、前記対象物に接触する接触面に前記触覚センサー装置が配置される少なくとも一対の把持アームと、
前記触覚センサー装置から出力される前記電気信号に基づいて、前記対象物のすべり状態を検出する把持検出手段と、
前記すべり状態に基づいて、前記把持アームの駆動を制御する駆動制御手段と、
を備えることを特徴とする把持装置。
【請求項９】
請求項６または請求項７に記載の触覚センサー装置を備えたことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触覚センサー素子、この触覚センサー素子を備えた触覚センサー装置、この触覚センサー装置を備えた把持装置およびこの触覚センサー装置を備えた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ロボットのアームなどにより、重量や摩擦係数が未知である対象物を把持して持ち上げる把持装置が知られている。このような把持装置では、対象物を破損することなく、かつ対象物を滑り落とすことなく把持するためには、把持面に対して直交する方向に作用する力（正圧）と、把持面の面方向（剪断方向）に作用する力（剪断力）を検出する必要があり、これらの力を検出するセンサーが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この特許文献１に記載の触覚センサーは、センサー基板に開設される開口の縁部から延伸するカンチレバー構造の構造体を有し、この構造体は、平板状の感応部と、感応部とセンサー基板とを連結するヒンジ部とから構成される。そして、この構造体の感応部には導電性磁性体膜が形成され、ヒンジ部には、ピエゾ抵抗膜が形成され、導電性磁性体膜とピエゾ抵抗膜とが導通している。また、ヒンジ部には電極が設けられ、圧力によりヒンジ部が曲がることで、ヒンジ部のピエゾ抵抗で発生する電流が電極から流れる構成となっている。そして、この触覚センサーは、センサー基板上に上記のような構造体が複数形成され、これらの構造体のうち一部がセンサー基板に対して起立し、他の一部がセンサー基板に対して平行に保持されている。また、このセンサー基板上には、弾性体が配置され、起立した構造体は、弾性体に埋め込まれている。そして、起立した構造体により剪断力が測定可能となり、基板面に平行な構造体により正圧が測定可能となる。
【０００４】
このような触覚センサーを製造するためには、センサー基板の表面に熱拡散法などによりＰ型抵抗領域を形成し、スパッタリングにより導電性磁性体層をパターニングする。そして、導電性磁性体層をマスクとして、イオンエッチングにより不純物層およびＳｉ層を除去し、さらにヒンジ部の表面に形成される導電性磁性体膜をエッチングし、この後、反応性イオンエッチングなどにより、構造体の外形を成形する開口を形成する。そして、センサー基板の裏面側から磁場を加えることで、複数の構造体の一部を起立させ、触覚センサーを製造する。
【０００５】
また、特許文献２には、カンチレバーを含むセンサー素子を複数備える触覚センサーが記載されている。特許文献２の触覚センサーの当該カンチレバーは、結晶シリコン膜にホウ素をドーピングして当該結晶シリコン膜にドープ層とノンドープ層とを形成し、両層の境界面において格子定数の差に起因して生ずる歪みを緩和させる際に当該シリコン膜が湾曲する性質を利用して形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２０８２４８号公報
【特許文献２】特開２００９−２９４１４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上述の特許文献１や特許文献２に記載のような触覚センサーでは、カンチレバー構造の構造体を起立させた複雑な立体構造を有している。そして、その製造においても、特許文献１では、磁場を加えてカンチレバー構造の構造体を湾曲させたり、特許文献２では、ドーピングによって結晶シリコン膜を湾曲させたりするなど、複雑な製造工程を有し、生産性が悪いという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記のような問題に鑑みて、簡略な構成で剪断力の測定が可能な触覚センサ素子、この触覚センサー素子を備えた触覚センサー装置、この触覚センサー装置を備えた把持装置およびこの触覚センサー装置を備えた電子機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の触覚センサー素子は、
第一の開口部、第二の開口部、第三の開口部および第四の開口部を有する基板と、前記第一の開口部、前記第二の開口部、前記第三の開口部および前記第四の開口部を覆う支持膜と、前記支持膜上、かつ前記第一の開口部の上方に配置された第一の検出部と、前記支持膜上、かつ前記第二の開口部の上方に配置された第二の検出部と、前記支持膜上、かつ前記第三の開口部の上方に配置された第三の検出部と、前記支持膜上、かつ前記第四の開口部の上方に配置された第四の検出部と、前記第一の検出部および前記第二の検出部の上に配置された弾性変形する第一の弾性部材と、前記第三の検出部および前記第四の検出部の上に配置された弾性変形する第二の弾性部材と、を備え、前記第一の検出部、前記第二の検出部、前記第三の検出部および前記第四の検出部のそれぞれは、前記支持膜側から順に下部電極、圧電体および上部電極が積層されて構成された圧電積層部を備え、前記基板の厚み方向で見た平面視において、前記第一の開口部の重心と前記第二の開口部の重心とを結ぶ線分と、前記第三の開口部の重心と前記第四の開口部の重心とを結ぶ線分とは離間し、かつ非平行であり、前記第一の弾性部材は、前記平面視において、少なくとも、前記第一の検出部、前記第二の検出部、並びに前記第一の検出部と前記第二の検出部とに挟まれる領域の支持膜の上を覆い、前記第二の弾性部材は、前記平面視において、少なくとも、前記第三の検出部、前記第四の検出部、並びに前記第三の検出部と前記第四の検出部とに挟まれる領域の支持膜の上を覆い、前記第一の弾性部材および前記第二の弾性部材の表面は、前記基板面と平行に形成されていることを特徴とする。
【００１０】
この発明では、触覚センサー素子に対して、第一弾性部材および第二の弾性部材側から押圧力が付与され、その状態からさらに前記基板面に沿う方向に剪断力が付与されると、第一弾性部材および第二の弾性部材は、当該剪断力の方向に弾性変形する。この際、第一の弾性部材および第二の弾性部材には、基板厚さ方向の断面視で、基板とは反対方向に引っ張られる引張力が加わる領域や、基板方向へさらに押し下げられる圧縮力が加わる領域が、当該剪断力の加わる向きに応じて生じる。ここで、当該剪断力の加わる向きを＋Ｘ方向、それとは反対の向きを−Ｘ方向とすると、＋Ｘ方向側の第一の弾性部材および第二の弾性部材の領域には、圧縮力が加わり、−Ｘ方向側の第一の弾性部材および第二の弾性部材の領域には、引張力が生じる。
引張力が加わる領域で第一の弾性部材および第二の弾性部材に覆われている検出部では、支持膜にも引張力が加わり、支持膜が押圧されていない状態に戻ろうとする。一方、圧縮力が加わる領域で第一の弾性部材および第二の弾性部材に覆われている別の検出部では、支持膜にも圧縮力が加わり、支持膜がさらに撓もうとする。
このように第一の弾性部材および第二の弾性部材の領域に応じて各検出部の支持膜の変位方向が反対方向になるので、各検出部の圧電積層部から出力される電気信号（電圧）の極性の正負が逆の関係になる。検出部ごとに電気信号を出力させ、当該電気信号の極性の正負を読み取ることで、剪断力を検出することができる。
【００１１】
そして、この発明では、基板の厚み方向で見た平面視において、第一の弾性部材は、少なくとも、第一の検出部、第二の検出部、並びに第一の検出部と第二の検出部とに挟まれる領域の支持膜の上を覆う。そのため、第一弾性部材の弾性変形に伴う引張力又は圧縮力が、当該弾性部材に覆われている第一の検出部および第二の検出部に対して加わり易くなる。特に、第一の検出部と第二の検出部とを結ぶ線分方向に剪断力が付与されると、当該線分上の検出部に対して引張力又は圧縮力が加わり易いので、支持膜の変位が大きくなり、当該電気信号の出力が大きくなる。
一方、第二の弾性部材は、前記平面視において、少なくとも、第三の検出部、第四の検出部、並びに第三の検出部と第四の検出部とに挟まれる領域の支持膜の上を覆う。そのため、第二の弾性部材の弾性変形に伴う引張力又は圧縮力が、当該弾性部材に覆われている第三の検出部および第四の検出部に対して加わり易くなる。特に、第三の検出部と第四の検出部とを結ぶ線分方向に剪断力が付与されると、当該線分上の検出部に対して引張力又は圧縮力が加わり易いので、支持膜の変位が大きくなり、当該電気信号の出力が大きくなる。
【００１２】
そして、この発明では、基板の厚み方向で見た平面視において、第一の開口部の重心と第二の開口部の重心とを結ぶ線分と、第三の開口部の重心と第四の開口部の重心とを結ぶ線分とは離間し、かつ非平行である。そのため、触覚センサー素子に対して剪断力が付与された際に、第一の検出部と第二の検出部とで検出する剪断力方向と、第三の検出部と第四の検出部とで検出する剪断力方向とを異ならせることができる。第一の検出部と第二の検出部とで検出できないような剪断力方向であっても、第三の検出部と第四の検出部とで検出できる。多方向の剪断力であっても、剪断力方向を、第一の検出部と第二の検出部とで検出可能な力の方向と、第三の検出部と第四の検出部とで検出可能な力の方向とに分けてそれぞれ検出し、それらの合力として剪断力を判定すればよいので、検出が可能である。
【００１３】
また、この発明では、第一の弾性部材および第二の弾性部材の表面は、基板面と平行に形成されているので、当該弾性部材が押圧されて剪断力が加わった時に、当該弾性部材が当該基板面と平行を維持して変形するようになる。そのため、検出部に対して当該弾性部材から局所的に引張力又は圧縮力が加わるのを防止できる。なお、本発明において、当該弾性部材の表面が当該基板面と平行というときは、厳密に平行である場合に限られない。当該弾性部材の変形時に検出部に対して局所的に引張力又は圧縮力が加わるのを防止できるような角度で形成されている場合も当該平行に含まれる。例えば、基板面と当該弾性部材の表面とが１０度程度の角度を成している場合も、当該平行に含まれる。
【００１４】
したがって、このような触覚センサー素子を、対象物が接触する接触面に設けることで、各検出部から出力される電気信号により、接触した対象物から接触面に付与される剪断力の方向を判定できる。また、電気信号の大きさから、剪断力の大きさを演算することができる。
よって、本発明の触覚センサー素子は、上述のような簡略な構成でありながら多方向の剪断力の測定が可能である。
さらに、各検出部は、例えば磁場を加えて一部の構成を加工するなどの煩雑な製造工程が不要であり、各構成を積層するだけの簡単な方法により製造できる。それゆえ、触覚センサー素子の生産性が良好となり、製造に要するコストも低減できる。
また、例えばカンチレバー形状の構造体を立設させる構成では、構造体を立設させる分、厚み寸法が増大する。しかし、本発明では、基板上に支持膜、圧電積層部、および弾性部材を積層する構成であるため、厚み寸法の増大を抑えることができ、触覚センサー素子の小型化を図ることができる。
【００１５】
本発明の触覚センサー素子では、前記基板の厚み方向で見た平面視における前記第一の弾性部材の重心は、前記平面視における前記第一の開口部の重心と前記第二の開口部の重心とを結ぶ線分を直径とする円の内部に位置し、前記平面視における前記第二の弾性部材の重心は、前記平面視における前記第三の開口部の重心と前記第四の開口部の重心とを結ぶ線分を直径とする円の内部に位置することが好ましい。
【００１６】
この発明では、基板の厚み方向で見た平面視において、第一の弾性部材の重心は、第一の開口部の重心と第二の開口部の重心とを結ぶ線分を直径とする円の内部に位置している。そのため、第一の弾性部材の重心を通るある直線であって、第一の開口部の重心と第二の開口部の重心とを結ぶ線分とは重ならない直線を挟んで、第一の開口部上の第一の検出部および第二の開口部上の第二の検出部が位置する。そうすると、当該直線の手前側から奥側へと向かう剪断力に対して、圧縮力が加わる第一の弾性部材の領域と引張力が加わる第一の弾性部材の領域に検出部がそれぞれ配置されていることになり、より明確な反対符号の極性を有する電気信号を取り出すことができる。第二の弾性部材の重心についても、前記平面視における第三の開口部の重心と第四の開口部の重心とを結ぶ線分を直径とする円の内部に位置する。そのため、第一の検出部および第二の検出部の場合と同様に、より明確な反対符号の極性を有する電気信号を取り出すことができる。
その結果、触覚センサー素子の剪断力の測定精度が向上する。
【００１７】
本発明の触覚センサー素子では、前記第一の開口部と前記第二の開口部は、前記基板の厚み方向で見た平面視において前記第一の弾性部材の重心を通る直線に対して線対称に配置され、前記第三の開口部と前記第四の開口部は、前記平面視において前記第二の弾性部材の重心を通る直線に対して線対称に配置されていることが好ましい。
【００１８】
この発明では、第一の検出部および第二の検出部が、基板の厚み方向で見た平面視における第一弾性部材の重心を通る直線に対して、線対称に配置されている。そのため、圧縮力が加わる第一弾性部材の領域と引張力が加わる第一弾性部材の領域に検出部がそれぞれバランスよく配置されていることになる。その結果、第一の検出部の電気信号の極性と第二の検出部の電気信号の極性との判別がより明確になる。また、第三の検出部および第四の検出部が、基板の厚み方向で見た平面視における第二の弾性部材の重心を通る直線に対して、線対称に配置されている。そのため、第一の検出部および第二の検出部の場合と同様に、より明確な反対符号の極性を有する電気信号を取り出すことができる。
その結果、触覚センサー素子の剪断力の測定精度が向上する。
【００１９】
本発明の触覚センサー素子では、前記基板は、さらに第五の開口部、第六の開口部、第七の開口部および第八の開口部を有し、前記支持膜は、さらに前記第五の開口部、前記第六の開口部、前記第七の開口部および前記第八の開口部を覆い、前記支持膜上、かつ前記第五の開口部の上方に配置された第五の検出部と、前記支持膜上、かつ前記第六の開口部の上方に配置された第六の検出部と、前記支持膜上、かつ前記第七の開口部の上方に配置された第七の検出部と、前記支持膜上、かつ前記第八の開口部の上方に配置された第八の検出部と、をさらに備え、前記第一の弾性部材は、前記基板の厚み方向で見た平面視において、少なくとも、前記第一の検出部、前記第二の検出部、前記第五の検出部、前記第六の検出部、並びに前記第一の検出部と前記第二の検出部と前記第五の検出部と前記第六の検出部とを頂点とする第一の４角形領域の支持膜の上を覆い、前記第二の弾性部材は、前記基板の厚み方向で見た平面視において、少なくとも、前記第三の検出部、前記第四の検出部、前記第七の検出部、前記第八の検出部、並びに前記第三の検出部と前記第四の検出部と前記第七の検出部と前記第八の検出部とを頂点とする第二の４角形領域の支持膜の上を覆い、前記前記第五の検出部、前記第六の検出部、前記第七の検出部および前記第八の検出部の検出部のそれぞれは、前記支持膜側から順に下部電極、圧電体および上部電極が積層されて構成された圧電積層部を備え、前記平面視における前記第一の弾性部材の重心は、前記平面視における前記第一の４角形領域に位置し、前記平面視における前記第二の弾性部材の重心は、前記平面視における前記第二の４角形領域に位置し、前記平面視において前記第一の開口部の重心と前記第五の開口部の重心とを結ぶ線分と、前記第二の開口部の重心と前記第六の開口部の重心とを結ぶ線分とは離間しており、前記第一の検出部および前記第五の検出部は、電気的に直列に接続され、かつ前記第二の検出部および前記第六の検出部は、電気的に直列に接続されており、前記平面視において前記第三の開口部の重心と前記第七の開口部の重心とを結ぶ線分と、前記第四の開口部の重心と前記第八の開口部の重心とを結ぶ線分とは離間しており、前記第三の検出部および前記第七の検出部は、電気的に直列に接続され、かつ前記第四の検出部および前記第八の検出部は、電気的に直列に接続されていることが好ましい。
【００２０】
この発明では、第一の開口部、第二の開口部、第五の開口部および第六の開口部の４つの開口部について、第一の開口部および第五の開口部の重心間を結ぶ線分と第二の開口部および第六の開口部の重心間を結ぶ線分とが離間するように配置されている。第一の弾性部材は、このような４つの開口部の上方に形成されている、第一の検出部、第二の検出部、第五の検出部および第六の検出部に対して、上記所定の位置関係でこれらを覆うように配置されている。そのため、第一の弾性部材の弾性変形に伴う引張力又は圧縮力が、４つの検出部に対して加わり易くなる。
さらに、第一の検出部および第五の検出部は、電気的に直列に接続され、かつ第二の検出部および第六の検出部は、電気的に直列に接続されている。そのため、第一の検出部および第五の検出部から出力される電気信号、並びに第二の検出部および第六の検出部から出力される電気信号は、各検出部から出力される電気信号の加算値となる。そのため、１つずつの検出部から出力される場合と比べて、電気信号が大きくなる。第三の検出部、第四の検出部、第七の検出部および第八の検出部についても、これと同様に出力される電気信号の加算値となる。
よって、触覚センサー素子の剪断力の測定精度が向上する。
【００２１】
本発明の触覚センサー素子では、前記第一の弾性部材の表面に前記基板面と平行な表面を有し、前記第一の弾性部材よりも剛性が大きい第一剛性層が配置され、前記第二の弾性部材の表面に前記基板面と平行な表面を有し、前記第二の弾性部材よりも剛性が大きい第二剛性層が配置されていることが好ましい。
【００２２】
この発明では、第一の弾性部材表面に第一の剛性層が配置されているので、第一の剛性層に対して接触物が接触して剪断力が加わると、その剪断力が第一の弾性部材に対して局所的に伝達されることを防止できる。また、第二の弾性部材表面には、第二の剛性層が配置されているので、第一の弾性部材と同様に、剪断力が第二の弾性部材に対して局所的に伝達されることを防止できる。つまり、第一の弾性部材および第二の弾性部材における上述の圧縮力又は引張力が各検出部に対してより確実に加わるようにすることができる。
その結果、触覚センサー素子の剪断力の測定精度が向上する。
【００２３】
本発明の触覚センサー装置は、上述の本発明の触覚センサー素子と、前記第一の検出部前記第二の検出部、前記第三の検出部および前記第四の検出部の各々から電気信号を受信して当該電気信号の極性に基づいて、前記第一の弾性部材および前記第二の弾性部材に作用する剪断力を検出する処理部と、を備えることを特徴とする。
【００２４】
この発明では、上述したように、本発明の触覚センサー素子は、簡略な構成でありながら多方向の剪断力の検出が可能である。そして、触覚センサー装置では、処理部が前記複数の検出部ごとの電気信号に基づき、前記第一の弾性部材および第二の弾性部材に作用する剪断力を判定するので、簡略な構成でありながら、正確な剪断力の測定が可能となる。
【００２５】
本発明の触覚センサー装置は、上述の本発明の触覚センサー素子と、前記第一の検出部および前記第五の検出部からの電気信号と、前記第二の検出部および前記第六の検出部からの電気信号と、前記第三の検出部および前記第七の検出部からの電気信号と、前記第四の検出部および前記第八の検出部からの電気信号を受信して当該電気信号の極性に基づいて、前記第一の弾性部材および前記第二の弾性部材に作用する剪断力を検出する処理部と、を備えることが好ましい。
【００２６】
この発明では、上述したように、本発明の触覚センサー素子は、簡略な構成でありながら多方向の剪断力の検出が可能である。そして、複数の検出部は、上述したように、所定の組合せごとに電気的に直列に接続されているので、電気信号は、加算値として出力される。さらに、触覚センサー装置では、処理部が、出力された電気信号に基づいて前記弾性層第一の弾性部材および第二の弾性部材に作用する剪断力を判定するので、簡略な構成でありながら、正確な剪断力の測定が可能となる。
【００２７】
本発明の把持装置は、上述の本発明の触覚センサー装置を備えて、対象物を把持する把持装置であって、前記対象物を把持するとともに、前記対象物に接触する接触面に前記触覚センサー装置が配置される少なくとも一対の把持アームと、前記触覚センサー装置から出力される前記電気信号に基づいて、前記対象物のすべり状態を検出する把持検出手段と、前記すべり状態に基づいて、前記把持アームの駆動を制御する駆動制御手段と、を備えることを特徴とする。
【００２８】
この発明では、上述したように、触覚センサー装置により、把持の対象物を把持した際の剪断力を計測することで、対象物が把持アームから滑り落ちている状態であるか、把持されている状態であるかを計測することが可能となる。すなわち、対象物を把持する動作において、対象物を十分に把持できていない状態では、動摩擦力に応じた剪断力が働き、把持力を強めるほど、この剪断力も大きくなる。一方、把持力を強め、静摩擦力に応じた剪断力が検出される状態では、対象物の把持が完了した状態であり、把持力を強めた場合でも静摩擦力は一定であるため、剪断力も変化しない。したがって、例えば、対象物の把持力を徐々に増加させ、剪断力が変化しなくなった時点を検出することで、対象物を破損させることなく、最低限の把持力のみで対象物を把持することができる。
また、上述したように、把持装置を構成する触覚センサー装置において、触覚センサー素子の複数の検出部を第一弾性部材および第二の弾性部材で覆った構成を有するものであり、簡略な構成で、かつ容易に製造可能である。そのため、このような触覚センサー装置を用いた把持装置においても、同様に簡略な構成とすることができ、製造も容易となる。
【００２９】
本発明の電子機器は、上述の本発明の触覚センサー装置を備えたことを特徴とする。
【００３０】
この発明では、上述の触覚センサー装置により、接触物が当該接触センサー素子に接触した際の押圧力や剪断力を測定できる。したがって、本発明の電子機器は、上述の触覚センサー装置により検出される正確な情報に基づいて各種動作を実施することができ、高性能化を図ることができる。
また、上述したように、電子機器が備える触覚センサー装置は、複数の検出部を第一弾性部材および第二の弾性部材で覆った構成を有するものであり、簡略な構成で、かつ容易に製造可能であるため、このような触覚センサー素子を用いた電子機器においても、同様に簡略な構成とすることができ、製造も容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第一実施形態に係る触覚センサー装置を示す平面図。
【図２】（Ａ）剪断力が付与される前の第一実施形態に係る触覚センサー素子を示す一部断面図。                                                                        （Ｂ）剪断力が付与された状態の第一実施形態に係る触覚センサー素子を示す一部断面図。
【図３】第一実施形態に係る触覚センサーの平面視における弾性部材の配置を示す平面図。
【図４】第一実施形態に係る触覚センサー素子の平面視における基板の外周位置を示す概略図。
【図５】第二実施形態に係る触覚センサー装置を示す平面図。
【図６】第三実施形態に係る触覚センサー装置を示す平面図。
【図７】第四実施形態に係る触覚センサー装置を示す平面図。
【図８】第五実施形態に係る把持装置の概略構成を示す装置ブロック図。
【図９】第五実施形態に係る把持装置の把持動作における触覚センサーに作用する正圧力および剪断力の関係を示す図。
【図１０】第五実施形態に係る制御装置の制御による把持装置の把持動作を示すフローチャート。
【図１１】第五実施形態に係る把持装置の把持動作時において、アーム駆動部への駆動制御信号、触覚センサーから出力される検出信号の発信タイミングを示すタイミング図。
【図１２】第六実施形態に係る触覚センサー装置を示す平面図。
【図１３】第六実施形態に係る近接センサーの概略構成を示すブロック図
【図１４】第六実施形態に係るアイロンの概略構成を示すブロック図。
【図１５】第六実施形態に係るアイロンの動作を示すフローチャート。
【図１６】第七実施形態に係るノート型パソコンの概略構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
［第一実施形態］
以下、本発明に係る第一実施形態の触覚センサー素子および触覚センサー装置について、図面に基づいて説明する。
図１は、第一実施形態の触覚センサー装置１の概略構成を示す平面図である。
図２は、触覚センサー素子２の概略構成を示す一部断面図であり、図１のＩＩ−ＩＩ線方向に見た場合の図である。図２（Ａ）は、触覚センサー素子２に対して剪断力が付与されていない状態を示し、図２（Ｂ）は、触覚センサー素子２に対して剪断力が付与された状態を示す。
【００３３】
〔１．触覚センサーの構成〕
触覚センサー装置１は、触覚センサー素子２と処理部２０（図１参照）と、を備えて構成されている。
触覚センサー素子２は、図１に示すように、４つの開口部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄを有する基板１０と、開口部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄを覆う支持膜１２と、支持膜１２上かつ開口部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄのそれぞれの上方に配置された４つの検出部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄと、検出部１３Ａ，１３Ｂの上に配置された第一の弾性部材１６Ａと、検出部１３Ｃ，１３Ｄの上に配置された第二の弾性部材１６Ｂと、第一の弾性部材１６Ａの上に配置された第一の剛性層１７Ａと、第二の弾性部材１６Ｂの上に配置された第二の剛性層１７Ｂと、を備える。触覚センサー素子２は、剛性層１７Ａ，１７Ｂに接触物が接触した際に加わる正圧力、および剪断力の検出センサーである。
【００３４】
基板１０は、例えばＳｉ（シリコン）により形成され、厚み寸法が例えば２００μｍに形成されている。
４つの開口部は、第一の開口部１１Ａ，第二の開口部１１Ｂ，第三の開口部１１Ｃ，第四の開口部１１Ｄで構成される。これらの開口部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄは、基板１０の厚み方向で見た平面視（以下、センサー平面視という。）において、次のように形成されている。
【００３５】
開口部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄは、図１に示すように、センサー平面視において、第一の開口部１１Ａの重心および第二の開口部１１Ｂの重心を結ぶ線分と、第三の開口部１１Ｃの重心および第四の開口部１１Ｄの重心を結ぶ線分とが離間し、かつ非平行となるように形成されている。
また、第一の開口部１１Ａおよび第二の開口部１１Ｂは、図１に示すように、センサー平面視において、四角形状の第一の弾性部材１６Ａの重心Ｋ１に対して、左右側にそれぞれ形成されている。具体的には、第一の開口部１１Ａと第二の開口部１１Ｂとが、第一の弾性部材１６Ａの重心Ｋ１を通る直線Ｌ１に対して線対称に配置されている。
さらに、第三の開口部１１Ｃおよび第四の開口部１１Ｄ、図１に示すように、センサー平面視において、四角形状の第二の弾性部材１６Ｂの重心Ｋ２に対して、上下側にそれぞれ形成されている。具体的には、第三の開口部１１Ｃと第四の開口部１１Ｄとが、第二の弾性部材１６Ｂの重心Ｋ２を通る直線Ｌ２に対して線対称に配置されている。
直線Ｌ１と直線Ｌ２とは交差する。
【００３６】
図３は、第一の弾性部材１６Ａと第一の開口部１１Ａおよび第二の開口部１１Ｂとの位置関係を説明するための平面図であって、センサー平面視と同じ視点から見た状態である。なお、図３において、第一の弾性部材１６Ａ、第一の開口部１１Ａおよび第二の開口部１１Ｂ以外の部材や部位は省略している。
第一の弾性部材１６Ａの重心Ｋ１は、図３に示すように、第一の開口部１１Ａの重心ｋ１と第二の開口部１１Ｂの重心ｋ２とを結ぶ線分を直径とする円Ｃ１の内部に位置している。
第二の弾性部材１６Ｂと第三の開口部１１Ｃおよび第四の開口部１１Ｄとの位置関係も、図３と同様の位置関係となっている。
【００３７】
なお、開口部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄは、センサー平面視において、円形状に形成されているが、例えば多角形状などに形成されていてもよい。また、基板１０厚み方向を貫通する開口部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄを例示したが、例えば、基板１０の弾性部材１６Ａ，１６Ｂ側の面（図２（Ａ）、（Ｂ）における上側）にエッチング等により凹状溝を形成して開口部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄとする構成としてもよい。さらには、基板１０上に支持膜１２を形成する構成を例示したが、基板１０の弾性部材１６Ａ，１６Ｂとは反対側の面（図２の下側）からエッチング等により凹状溝を形成し、溝底部を支持膜１２とし溝内部を開口部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄとする構成としてもよい。
【００３８】
支持膜１２は、基板１０上に形成されている。支持膜１２は、開口部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄを覆う。なお、本実施形態では、支持膜１２は、共通の部材で開口部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄを覆うが、これに限定されない。例えば、開口部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄのそれぞれを覆う部材を、別部材とし、各開口部間で支持膜１２が分離した形態であっても良い。
支持膜１２は、図示は省略するが、基板１０上に例えば厚み寸法が３μｍに成膜されるＳｉＯ２層と、このＳｉＯ２層上に積層される厚み寸法が例えば４００ｎｍのＺｒＯ２層との２層構造により形成されている。ここで、ＺｒＯ２層は、後述する検出部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄの焼成形成時に、後述する圧電体１４１の剥離を防止するために形成される層である。すなわち、圧電体１４１が例えばＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛：lead zirconate titanate）により形成される場合、焼成時にＺｒＯ２層が形成されていないと、圧電体１４１に含まれるＰｂがＳｉＯ２層に拡散して、ＳｉＯ２層の融点が下がり、ＳｉＯ２層の表面に気泡が生じ、この気泡によりＰＺＴが剥離してしまう。また、ＺｒＯ２層がない場合、圧電体１４１の歪みに対する撓み効率が低下するなどの問題もある。これに対して、ＺｒＯ２層がＳｉＯ２層上に形成される場合、圧電体１４１の剥離、撓み効率の低下などの不都合を回避することが可能となる。
以降の説明において、図１に示すようなセンサー平面視において、または図２に示すように、支持膜１２のうち、開口部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄを閉塞する領域をメンブレン１２１と称する。
【００３９】
（１−２．検出部の構成）
４つの検出部は、第一の検出部１３Ａ，第二の検出部１３Ｂ，第三の検出部１３Ｃ，第四の検出部１３Ｄで構成される。第一の検出部１３Ａ，第二の検出部１３Ｂ，第三の検出部１３Ｃ，第四の検出部１３Ｄは、センサー平面視において、それぞれ、第一の開口部１１Ａ，第二の開口部１１Ｂ，第三の開口部１１Ｃ，第四の開口部１１Ｄの内側領域に配置されている。
第一の検出部１３Ａは、図２に示すように、メンブレン１２１上、かつ第一の開口部１１Ａの上方に配置されている。第二の検出部１３Ｂは、図２に示すように、メンブレン１２１上、かつ第二の開口部１１Ｂの上方に配置されている。そのため、検出部１３Ａ，１３Ｂは、センサー平面視において、第一の弾性部材１６Ａの重心Ｋ１に対して、左右側にそれぞれ配置されていることになる。さらには、図１に示すように、センサー平面視において、第一の検出部１３Ａと第二の検出部１３Ｂとが、第一弾性部材１６Ａの重心Ｋ１を通る直線Ｌ１に対して線対称に配置されている。
第三の検出部１３Ｃは、メンブレン１２１上、かつ第三の開口部１１Ｃの上方に配置されている。第四の検出部１３Ｄは、メンブレン１２１上、かつ第四の開口部１１Ｄの上方に配置されている。そのため、検出部１３Ｃ，１３Ｄは、センサー平面視において、第二の弾性部材１６Ｂの重心Ｋ２に対して、上下側にそれぞれ配置されていることになる。さらには、図１に示すように、センサー平面視において、第三の検出部１３Ｃと第四の検出部１３Ｄとが、第二の弾性部材１６Ｂの重心Ｋ２を通る直線Ｌ２に対して線対称に配置されている。
【００４０】
第一の検出部１３Ａおよび第二の検出部１３Ｂは、図２に示すように、支持膜１２側から順に下部電極１４２、圧電体１４１および上部電極１４３が積層されて構成された圧電積層部１４を備える。なお、圧電積層部１４は、メンブレン１２１の下側に接触して形成されていてもよい。また、第三の検出部１３Ｃおよび第四の検出部１３Ｄも、図示省略するが、第一の検出部１３Ａおよび第二の検出部１３Ｂと同様の圧電積層部１４を備える。
【００４１】
圧電体１４１は、例えばＰＺＴを厚み寸法が例えば５００ｎｍとなる膜状に成膜することで形成される。なお、本実施形態では、圧電体１４１としてＰＺＴを用いるが、膜の応力変化により電荷を発生することが可能な素材であれば、いかなる素材を用いてもよい。このような素材としては、例えば、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ、Ｌａ）ＴｉＯ３）、窒化アルミ（ＡｌＮ）、酸化亜鉛(ＺｎＯ)、ポリフッ化ビニリデン(ＰＶＤＦ)が挙げられる。
【００４２】
下部電極１４２、および上部電極１４３は、圧電体１４１の膜厚み方向を挟んで形成される電極であり、下部電極１４２は、圧電体１４１のメンブレン１２１に対向する面に形成され、上部電極１４３は、下部電極１４２が形成される面とは反対側の面に形成されている。
【００４３】
下部電極１４２は、厚み寸法が例えば２００ｎｍに形成される膜状の電極であり、メンブレン１２１上に形成される。下部電極１４２としては、導電性を有する導電薄膜であれば、いかなるものであってもよいが、本実施形態では、例えば、Ｔｉ/Ｉｒ/Ｐｔ/Ｔｉの積層構造膜を用いる。
また、上部電極１４３は、厚み寸法が例えば５０ｎｍに形成される膜状の電極である。この上部電極１４３は、圧電体１４１の上面を覆って形成される。上部電極１４３としても、導電性薄膜であれば、いかなる素材を用いてもよいが、本実施形態では、Ｉｒ薄膜を用いる。
【００４４】
出力部１５は、弾性部材１６Ａ，１６Ｂの弾性変形に応じて各検出部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄから電気信号を取り出して出力するためのものである。出力部１５は、例えば、基板１０の外周部に検出部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ毎に設置されている。
上述の支持膜１２上には、下部電極１４２の外周部から延出する電極線１４２Ａが形成されている。出力部１５は、端子パッドとして形成され、電極線１４２Ａは、当該端子パッドまで引き出され、当該端子パッドから後述する処理部２０に接続される。
さらに、支持膜１２上には、上部電極１４３の外周部から延出する電極線（図示略）が形成されている。この電極線は、例えば基板１０の外周部に検出部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ毎に配置される別の端子パッド（図示略）まで引き出され、この別の端子パッドから後述する処理部２０に接続される。よって、本実施形態では、出力部は、電極線１４２Ａ用の端子パッドと、上部電極１４３の外周部から延出する電極線用の別の端子パッドとで、一対の端子パッドが構成される。そして、一対の端子パッドが、各検出部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄのそれぞれに対して配置されている。そのため、触覚センサー素子２では、各検出部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄのそれぞれから個別に電気信号が取り出される。
【００４５】
第一の弾性部材１６Ａおよび第二の弾性部材１６Ｂは、直方体状に形成され、センサー平面視において四角形状に形成されている。第一の弾性部材１６Ａは、第一の検出部１３Ａおよび第二の検出部１３Ｂを覆う部材であり、第二の弾性部材１６Ｂは、第三の検出部１３Ｃおよび第四の検出部１３Ｄを覆う部材である。
より具体的には、第一の弾性部材１６Ａは、センサー平面視において、少なくとも、第一の検出部１３Ａ、第二の検出部１３Ｂ、並びに第一の検出部１３Ａと第二の検出部１３Ｂとに挟まれる領域の支持膜１２の上を覆う。そのため、第一の弾性部材１６Ａは、センサー平面視において、第一の検出部１３Ａおよび第二の検出部１３Ｂ上だけでなく、第一の検出部１３Ａおよび第二の検出部１３Ｂ同士を結ぶ線分上も覆う。
また、第二の弾性部材１６Ｂは、センサー平面視において、少なくとも、第三の検出部１３Ｃ、第四の検出部１３Ｄ、並びに第三の検出部１３Ｃと第四の検出部１３Ｄとに挟まれる領域の支持膜１２の上を覆う。そのため、第二の弾性部材１６Ｂは、センサー平面視において、第三の検出部１３Ｃおよび第四の検出部１３Ｄ上だけでなく、第三の検出部１３Ｃおよび第四の検出部１３Ｄ同士を結ぶ線分上も覆う。
【００４６】
弾性部材１６Ａ，１６Ｂの表面は、基板１０面と平行に形成されている。なお、ここでの平行についても、上述の説明と同様の考え方である。
この弾性部材１６Ａ，１６Ｂは、各検出部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄの保護膜として機能するとともに、弾性部材１６Ａ，１６Ｂに加わる押圧力や剪断力をメンブレン１２１に伝達して撓ませる。そして、この弾性部材１６Ａ，１６Ｂの撓みにより、メンブレン１２１が撓むことで、各検出部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄも撓み、その撓み量に応じた電気信号が出力される。
この弾性部材１６Ａ，１６Ｂとしては、本実施形態では、例えばシリコーンゴムを用いるが、これに限定されず、弾性を有する合成樹脂など、その他の弾性素材により形成されるものであってもよい。また、弾性部材１６Ａ，１６Ｂの厚み寸法としては、特に限定されないが、例えば３００μｍに形成されている。
弾性部材１６Ａ，１６Ｂと基板１０とは、図示しない接着層などで接着されていることが好ましい。
【００４７】
第一の剛性層１７Ａは、第一の弾性部材１６Ａの表面を覆い、第一の弾性部材１６Ａよりも剛性が大きい層である。
第二の剛性層１７Ｂは、第二の弾性部材１６Ｂの表面を覆い、第二の弾性部材１６Ｂよりも剛性が大きい層である。
剛性層１７Ａ，１７Ｂは、接触物が触覚センサー素子２に対して接触して剪断方向に変位した際、その剪断力が弾性部材１６Ａ，１６Ｂに対して局所的に伝達されることを防ぐための層である。
剛性層１７Ａ，１７Ｂの表面は、基板１０面と平行に形成されている。なお、ここでの平行についても、上述の説明と同様の考え方である。
剛性層１７Ａ，１７Ｂとしては、本実施形態では、例えば、アクリル板を用いるが、これに限定されず、剛性を有する合成樹脂や金属など、その他の剛性を有する素材により形成されるものであってもよい。例えば、コーティングを施して、弾性部材１６Ａ，１６Ｂ表面に剛性を有する合成樹脂からなる剛性層１７Ａ，１７Ｂを形成しても良い。
また、剛性層１７Ａ，１７Ｂの厚み寸法としては、特に限定されないが、例えば、１００μｍに形成されている。
弾性部材１６Ａ，１６Ｂと剛性層１７Ａ，１７Ｂとは、図示しない接着層などで接着されていることが好ましい。
【００４８】
処理部２０は、各検出部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄから出力される電気信号を受信し、これに基づいて触覚センサー装置１に付与される押圧力および剪断力を検出する。処理部２０は、上述のように各検出部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄのそれぞれに対して配置されている一対の端子パッドと接続され、各検出部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄのそれぞれから電気信号を受信する。
処理部２０は、記憶部２１と、演算部２２と、を備えている。
記憶部２１は、剪断力方向および押圧方向に応じた出力電圧極性パターンや演算部２２の各種処理を実施するための各種プログラム等を記憶する。
演算部２２は、受信した各検出部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄの電気信号（電圧）と、記憶部２１に記憶された当該出力電圧極性パターンに基づいて剪断力の方向を判定する。
ここで、出力される電圧の大きさに対する剪断力および押圧力の関係を予め算出しておき、記憶部２１に記憶させておくことで、演算部２２は、剪断力および押圧力も演算することができる。
【００４９】
（２．触覚センサー素子の動作）
次に、上述の触覚センサー素子２の動作について、図面に基づいて説明する。
各検出部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄにおいては、剛性層１７Ａ，１７Ｂに押圧力が付与され、さらにその状態で剪断力が所定方向に付与されると、弾性部材１６Ａ，１６Ｂが弾性変形し、メンブレン１２１がその膜厚方向に変位する。
【００５０】
図４は、センサー平面視における基板１０の外周位置を示すための平面図である。
ここで、図４に示すように、センサー平面視における基板１０の外周位置をＤ１〜Ｄ８と表す。例えば、図１において、左側から右側への方向は、図４のＤ１からＤ５へ向かう方向に相当し、このような方向をＤ１⇒Ｄ５と表記し、他の方向についても同様とする。
【００５１】
図２は、触覚センサー素子２に接触物が接触し、Ｄ１⇒Ｄ５方向に応力（剪断力）が加えられた際の、第一の検出部１３Ａおよび第二の検出部１３Ｂが設置されている部位における状態を示す図である。第一の検出部１３Ａおよび第二の検出部１３Ｂが設置されている部位においては、図２に示すように、Ｄ１⇒Ｄ５方向の剪断力は、第一の検出部１３Ａから第二の検出部１３Ｂへ向かう方向の剪断力であり、その方向を矢印Ｐ１で表す。なお、矢印Ｐ１方向は、図１の直線Ｌ１と直行する方向でもある。
図２（Ａ）は、矢印Ｐ１方向へ剪断力が付与される前の状態を示す図であり、図２（Ｂ）は、矢印Ｐ１方向へ剪断力が付与されて第一の弾性部材１６Ａが変形した状態を示す図である。
【００５２】
触覚センサー素子２にＤ１⇒Ｄ５方向の剪断力が加えられると、第一の検出部１３Ａおよび第二の検出部１３Ｂが設置されている部位では、図２（Ｂ）に示すように、第一弾性部材１６Ａに圧縮力および引張力が発生し、メンブレン１２１が撓んで変位する。
ここで、当該剪断力の矢印Ｐ１の先端へ向かう方向を＋Ｘ方向、それとは反対の向きを−Ｘ方向とする。
第一弾性部材１６Ａの第一の検出部１３Ａ側（−Ｘ方向側）は、矢印Ｐ１の方向に向かって伸ばされ、第一の検出部１３Ａのメンブレン１２１には、押圧力で下方に押されていた状態から、押圧力が加えられてない状態の位置に戻ろうとする引張力が発生する。つまり、第一の検出部１３Ａのメンブレン１２１は、矢印Ｍ１方向に変位する。
また、第一弾性部材１６Ａの第二の検出部１３Ｂ側（＋Ｘ方向側）は、さらに下方に押圧され、第二の検出部１３Ｂのメンブレン１２１には、下方への圧縮力が発生する。つまり、第二の検出部１３Ｂのメンブレン１２１は、矢印Ｍ２方向に変位する。
【００５３】
このように矢印Ｍ１や矢印Ｍ２の方向にメンブレン１２１が変位すると、圧電体１４１の下部電極１４２側の面と上部電極１４３側の面とで電位差が発生し、下部電極１４２および上部電極１４３から圧電体１４１の変位量に応じた電気信号（電圧）が出力される。ここで、第一の検出部１３Ａと第二の検出部１３Ｂとでは、メンブレン１２１の変位方向が逆となるため、第一の検出部１３Ａから出力される電圧と第二の検出部１３Ｂから出力される電圧は、正負が逆の関係になる。
【００５４】
一方で、触覚センサー素子２にＤ１⇒Ｄ５方向の剪断力が加えられた際の、第三の検出部１３Ｃおよび第四の検出部１３Ｄが設置されている部位では、次のような挙動を示す。
第三の検出部１３Ｃおよび第四の検出部１３Ｄは、Ｄ１⇒Ｄ５方向において第二の弾性部材１６Ｂの中間付近に位置する。第二の弾性部材１６Ｂ内のこのような位置では、Ｄ１⇒Ｄ５方向に剪断力が加えられても第二の弾性部材１６Ｂに圧縮力および引張力がほとんど生じない。そのため、第三の検出部１３Ｃおよび第四の検出部１３Ｄの各メンブレン１２１の変位もほとんど生じず、第三の検出部１３Ｃから出力される電圧と第四の検出部１３Ｄから出力される電圧は、微量であるか、もしくは出力されない。微量な電圧の出力が得られても、第三の検出部１３Ｃおよび第四の検出部１３Ｄから出力される電圧極性は同じである。
【００５５】
したがって、触覚センサー素子２にＤ１⇒Ｄ５方向の剪断力が加えられた際は、第一の検出部１３Ａおよび第二の検出部１３Ｂから出力される電圧の大きさに基づいて剪断力の大きさを検出し、電圧の極性の関係に基づいて剪断力の向きを検出できる。
【００５６】
図２（Ｂ）に示す矢印Ｐ１方向の剪断力を開放すると、第一の検出部１３Ａから出力される電圧と第二の検出部１３Ｂから出力される電圧は、剪断力を加えたときのそれぞれの電圧と正負が逆転する。
【００５７】
次に、触覚センサー素子２に付与する剪断力の方向を変化させた場合の、各検出部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄの出力信号の極性パターンを表１に示す。表１中、各検出部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄからの出力電圧極性について、「＋」は正の極性、「−」は負の極性、「０」は出力が微量もしくは無い状態であることを示す。各検出部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄのメンブレン１２１に引張力が発生する場合には、「＋」となり、圧縮力が発生する場合には、「−」となる。
また、触覚センサー素子２に押圧力を付与した場合の各検出部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄの出力信号の極性も表１に示す。
処理部２０の記憶部２１には、上述の表１のような出力電圧極性パターンを記憶させておき、演算部２２は、受信した電圧の極性と出力電圧極性パターンとに基づいて剪断力の方向を判定する。
【００５８】
【表１】
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【００５９】
表１に示すように、剪断力方向に応じて、各検出部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄから出力される電圧の極性が異なるので、処理部２０にてこれらの極性に基づいて剪断力方向を判定できる。
ここで、処理部２０における剪断力方向の判定について、例を挙げて説明する。
第一の検出部１３Ａから正の極性の電圧が出力され、第二の検出部１３Ｂから負の極性の電圧が出力され、第三の検出部１３Ｃおよび第四の検出部１３Ｄから微量な電圧が出力された場合、処理部２０の演算部２２は、入力されたこれらの電気信号の極性と、記憶部２１に記憶された出力電圧極性パターンに基づいて剪断力の方向を判定する。この例の場合、出力電圧極性パターンの表１より、Ｄ１⇒Ｄ５方向に剪断力が付与されていると判定できる。
なお、触覚センサー素子１０Ａに対する押圧力が付与されると、各検出部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄのメンブレン１２１は、下方に撓むので、出力電圧の極性は、いずれも負となる。よって、このような出力電圧極性パターンとなった場合には、処理部２０は、押圧力が付与されたと判定できる。
【００６０】
別の例として、第一の検出部１３Ａおよび第二の検出部１３Ｂから微量な電圧が出力され、第三の検出部１３Ｃから負の極性の電圧が出力され、第四の検出部１３Ｄから正の極性の電圧が出力された場合で説明する。この場合、出力電圧極性パターンの表１より、Ｄ３⇒Ｄ７方向に剪断力が付与されていると判定できる。Ｄ３⇒Ｄ７方向は、図１において、上方向の力であり、Ｄ１⇒Ｄ５方向と略直交する方向である。Ｄ３⇒Ｄ７方向の剪断力が触覚センサー素子２に対して付与された場合、各検出部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄの挙動が、Ｄ１⇒Ｄ５方向の場合と反対になる。つまり、Ｄ３⇒Ｄ７方向の剪断力が付与されると、第三の検出部１３Ｃのメンブレン１２１には圧縮力が発生し、第四の検出部１３Ｄのメンブレン１２１には引張力が発生し、第一の検出部１３Ａおよび第二の検出部１３Ｂでは、メンブレン１２１が変位しない。その結果、表１のような出力電圧極性となる。
【００６１】
さらに別の例として、第一の検出部１３Ａおよび第四の検出部１３Ｄから正の極性の電圧が出力され、第二の検出部１３Ｂおよび第三の検出部１３Ｃから負の極性の電圧が出力された場合で考える。この場合、出力電圧極性パターンの表１より、Ｄ２⇒Ｄ６方向、すなわち、図１のセンサー平面視において右上方向の剪断力が、触覚センサー素子２に対して付与されていると判定できる。Ｄ２⇒Ｄ６方向の剪断力が付与された場合、触覚センサー素子２では、Ｄ２⇒Ｄ４方向の力と、Ｄ２⇒Ｄ８方向の力と、に分けて検出される。
Ｄ２⇒Ｄ４方向は、Ｄ１⇒Ｄ５方向と平行であり、Ｄ２⇒Ｄ８方向は、Ｄ３⇒Ｄ７方向と平行なので、Ｄ２⇒Ｄ６方向の剪断力が付与された場合、各検出部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄは、Ｄ１⇒Ｄ５方向およびＤ３⇒Ｄ７方向の剪断力が付与され場合に応じた検出を行う。第一の検出部１３Ａおよび第二の検出部１３Ｂは、Ｄ１⇒Ｄ５方向の剪断力を検出し、第三の検出部１３Ｃおよび第四の検出部１３Ｄは、Ｄ３⇒Ｄ７方向の剪断力を検出し、それに応じた極性の電気信号を出力する。このようにして、Ｄ２⇒Ｄ６方向のような斜め方向の剪断力は、Ｄ２⇒Ｄ４（Ｄ１⇒Ｄ５）方向の力とＤ２⇒Ｄ８（Ｄ３⇒Ｄ７）方向の力との合力として、検出できる。
【００６２】
〔第一実施形態の作用効果〕
触覚センサー装置１は、触覚センサー素子２と、処理部２０と、を備える。触覚センサー素子２は、第一の検出部１３Ａ、第二の検出部１３Ｂ、第三の検出部１３Ｃおよび第四の検出部１３Ｄを備え、各検出部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄは、圧電積層部１４を備える。第一の検出部１３Ａおよび第二の検出部１３Ｂは、第一の弾性部材１６Ａに覆われ、第三の検出部１３Ｃおよび第四の検出部１３Ｄは、第二の弾性部材１６Ｂに覆われている。
第一弾性部材１６Ａおよび第二の弾性部材１６Ｂが剪断力の方向へ弾性変形すると、各検出部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄの各メンブレン１２１は、第一の弾性部材１６Ａおよび第二の弾性部材１６Ｂに対する位置に応じて、上方向又は下方向に変位する。そして、各メンブレン１２１の変位量に応じた電気信号（電圧）が出力され、その極性は、剪断力の方向に対する各検出部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄの位置に応じて正負が異なる。そして、処理部２０は、出力部１５を介して受信した電気信号に基づいて、剪断力の方向を判定するとともに、剪断力の大きさを演算できる。また、第一の弾性部材１６Ａおよび第二の弾性部材１６Ｂが押圧された際も、各メンブレン１２１が下方向に変位する。その際の各検出部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄの電気信号により、処理部２０は、押圧力付与を判定するとともに、押圧力の大きさを演算できる。
よって、本実施形態によれば、従来技術のような複雑な立体構造と比べてより簡略な構造でありながら押圧力および剪断力の測定が可能な触覚センサー装置１を提供できる。
【００６３】
触覚センサー装置１では、センサー平面視において、第一の開口部１１Ａの重心と第二の開口部１１Ｂの重心とを結ぶ線分と、第三の開口部１１Ｃの重心と第四の開口部１１Ｄの重心とを結ぶ線分とは離間し、かつ非平行である。そのため、触覚センサー素子２に対して剪断力が付与された際に、第一の検出部１３Ａと第二の検出部１３Ｂとで検出する剪断力方向と、第三の検出部１３Ｃと第四の検出部１３Ｄとで検出する剪断力方向とを異ならせることができる。第一の検出部１３Ａと第二の検出部１３Ｂとで検出できないような剪断力方向であっても、第三の検出部１３Ｃと第四の検出部１３Ｄとで検出できる。多方向の剪断力であっても、剪断力方向を、第一の検出部１３Ａと第二の検出部１３Ｂとで検出可能な力の方向と、第三の検出部１３Ｃと第四の検出部１３Ｄとで検出可能な力の方向とに分けてそれぞれ検出し、それらの合力として剪断力を判定すればよいので、検出が可能である。
よって、触覚センサー装置１は、簡略な構造でありながら、付与される３軸方向の力を検出できる。ここで、３軸方向の力は、触覚センサー装置１に対する押圧力および触覚センサー装置１の基板１０の面方向の剪断力である。
【００６４】
触覚センサー装置１では、第一の弾性部材１６Ａは、センサー平面視において、少なくとも、第一の検出部１３Ａ、第二の検出部１３Ｂ、並びに第一の検出部１３Ａと第二の検出部１３Ｂとに挟まれる領域の支持膜１２の上を覆う。第二の弾性部材１６Ｂは、センサー平面視において、少なくとも、第三の検出部１３Ｃ、第四の検出部１３Ｄ、並びに第三の検出部１３Ｃと第四の検出部１３Ｄとに挟まれる領域の支持膜１２の上を覆う。特に、第一の検出部１３Ａと第二の検出部１３Ｂとを結ぶ線分方向や第三の検出部１３Ｃと第四の検出部１３Ｄとを結ぶ線分方向に剪断力が付与されると、当該線分上の検出部に対して引張力又は圧縮力が加わり易いので、支持膜の変位が大きくなり、当該電気信号の出力が大きくなる。その結果、触覚センサー装置１の剪断力の測定精度が向上する。
【００６５】
触覚センサー装置１では、センサー平面視において、第一の弾性部材１６Ａの重心Ｋ１は、第一の開口部１１Ａの重心と第二の開口部１１Ｂの重心とを結ぶ線分を直径とする円の内部に位置している。そのため、第一の弾性部材１６Ａの重心Ｋ１を通るとともに、第一の開口部１１Ａの重心と第二の開口部１１Ｂの重心とを結ぶ線分とは重ならない直線Ｌ１を挟んで、第一の開口部１１Ａ上の第一の検出部１３Ａおよび第二の開口部１１Ｂ上の第二の検出部１３Ｂが位置する。そうすると、当該直線Ｌ１に交差する方向の剪断力に対して、第一の弾性部材１６Ａの圧縮力が加わる領域と引張力が加わる領域に検出部１３Ａ，１３Ｂがそれぞれ配置されていることになり、より明確な反対符号の極性を有する電気信号を取り出すことができる。第二の弾性部材１６Ｂの重心についても、センサー平面視における第三の開口部１１Ｃの重心と第四の開口部１１Ｄの重心とを結ぶ線分を直径とする円の内部に位置する。そのため、第一の検出部１３Ａおよび第二の検出部１３Ｂの場合と同様に、より明確な反対符号の極性を有する電気信号を取り出すことができる。その結果、触覚センサー装置１の剪断力の測定精度が向上する。
【００６６】
触覚センサー装置１では、センサー平面視において、第一弾性部材１６Ａの重心Ｋ１を通る直線Ｌ１に対して、第一の検出部１３Ａと第二の検出部１３Ｂとが線対称に配置され、第二の弾性部材１６Ｂの重心Ｋ２を通る直線Ｌ２に対して第三の検出部１３Ｃと第四の検出部１３Ｄとが線対称に配置されている。そのため、剪断力が、弾性部材１６Ａ，１６Ｂに加わった際に、弾性部材１６Ａ，１６Ｂの圧縮力が加わる領域と、引張力が加わる領域とに各検出部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄがそれぞれバランスよく配置されていることになる。その結果、電気信号の極性の判別がより明確になり、触覚センサー装置１の剪断力の測定精度が向上する。
【００６７】
触覚センサー装置１では、第一の剛性層１７Ａおよび第二の剛性層１７Ｂが配置されているので、剪断力が、弾性部材１６Ａ，１６Ｂに対して局所的に伝達されることを防止できる。つまり、弾性部材１６Ａ，１６Ｂにおける上述の圧縮力又は引張力が各検出部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄに対してより確実に加わるようにすることができる。その結果、触覚センサー装置１の剪断力の測定精度が向上する。
【００６８】
［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態に係る触覚センサー装置素子について説明する。
図５は、第二実施形態に係る触覚センサー装置１Ａを示す平面図である。
第二実施形態に係る触覚センサー装置１Ａは、第一実施形態の触覚センサー装置１よりも多くの検出部を備え、さらに、検出部が電気的に直列に接続されている点で、第一実施形態に係る触覚センサー装置１と異なる。なお、第二実施形態以降の説明にあたり、第一実施形態と同一の構成については、同符号を付し、その説明を省略または簡略する。
【００６９】
触覚センサー装置１Ａは、触覚センサー素子２Ａと処理部２０（図５参照）と、を備えて構成されている。
触覚センサー素子２Ａは、図５に示すように、８つの開口部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅ，１１Ｆ，１１Ｇ，１１Ｈを有する基板１０と、開口部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅ，１１Ｆ，１１Ｇ，１１Ｈを覆う支持膜１２と、支持膜１２上かつ開口部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅ，１１Ｆ，１１Ｇ，１１Ｈのそれぞれの上方に配置された８つの検出部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅ，１３Ｆ，１３Ｇ，１３Ｈと、検出部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｅ，１３Ｆの上に配置された第一の弾性部材１６Ａと、検出部１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｇ，１３Ｈの上に配置された第二の弾性部材１６Ｂと、第一の弾性部材１６Ａの上に配置された第一の剛性層１７Ａと、第二の弾性部材１６Ｂの上に配置された第二の剛性層１７Ｂと、を備える。
【００７０】
８つの開口部は、第一の開口部１１Ａ，第二の開口部１１Ｂ，第三の開口部１１Ｃ，第四の開口部１１Ｄ，第五の開口部１１Ｅ，第六の開口部１１Ｆ，第七の開口部１１Ｇ，第八の開口部１１Ｈで構成される。これらの開口部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅ，１１Ｆ，１１Ｇ，１１Ｈ（以下、これらの開口部をまとめていう場合は、開口部１１Ａ〜１１Ｈと示す。）は、基板１０の厚み方向で見たセンサー平面視において、次のように形成されている。
【００７１】
開口部１１Ａ〜１１Ｈは、図５に示すように、センサー平面視において、円形状に形成されている。
また、第二実施形態においても、開口部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ（以下、これらの開口部をまとめていう場合は、開口部１１Ａ〜１１Ｄと示す。）は、図５に示すように、センサー平面視において、第一の開口部１１Ａの重心および第二の開口部１１Ｂの重心を結ぶ線分と、第三の開口部１１Ｃの重心および第四の開口部１１Ｄの重心を結ぶ線分とが離間し、かつ非平行となるように形成されている。ここで、第二実施形態では、第一の開口部１１Ａの重心および第二の開口部１１Ｂの重心を結ぶ線分と、第三の開口部１１Ｃの重心および第四の開口部１１Ｄの重心を結ぶ線分の両者を伸ばして直線とした場合、両直線は、略直交する。
第二実施形態においては、さらに、センサー平面視において、第一の開口部１１Ａの重心と第五の開口部１１Ｅの重心を結ぶ線分と、第二の開口部１１Ｂの重心と第六の開口部１１Ｆの重心を結ぶ線分とは離間している。また、センサー平面視において、第三の開口部１１Ｃの重心と第七の開口部１１Ｇの重心とを結ぶ線分と、第四の開口部１１Ｄの重心と第八の開口部１１Ｈの重心とを結ぶ線分とは離間している。
【００７２】
図５に示すように、センサー平面視において、第一の開口部１１Ａおよび第五の開口部１１Ｅは、直線Ｌ１に対して左側に配置され、第二の開口部１１Ｂおよび第六の開口部１１Ｆは、直線Ｌ１に対して右側に配置されている。具体的には、第一の開口部１１Ａと第二の開口部１１Ｂとが、直線Ｌ１に対して線対称に配置され、第五の開口部１１Ｅと第六の開口部１１Ｆとが、直線Ｌ１に対して線対称に配置されている。
さらに、図５に示すように、センサー平面視において、第三の開口部１１Ｃおよび第七の開口部１１Ｇは、直線Ｌ２に対して上側に配置され、第四の開口部１１Ｄ、および第八の開口部１１Ｈは、直線Ｌ２に対して下側に配置されている。具体的には、第三の開口部１１Ｃと第四の開口部１１Ｄとが、直線Ｌ２に対して線対称に配置され、第五の開口部１１Ｅと第六の開口部１１Ｆとが、直線Ｌ２に対して線対称に配置されている。
【００７３】
支持膜１２は、基板１０上に形成されている。支持膜１２は、開口部１１Ａ〜１１Ｈを覆う。なお、本実施形態では、支持膜１２は、共通の部材で開口部１１Ａ〜１１Ｈを覆うが、これに限定されない。例えば、開口部１１Ａ〜１１Ｈのそれぞれを覆う部材を、別部材とし、各開口部間で支持膜１２が分離した形態であっても良い。
第一実施形態と同様に、図５に示すようなセンサー平面視において、支持膜１２のうち、開口部１１Ａ〜１１Ｈを閉塞する領域をメンブレン１２１と称する。
【００７４】
８つの検出部は、第一の検出部１３Ａ，第二の検出部１３Ｂ，第三の検出部１３Ｃ，第四の検出部１３Ｄ、第五の検出部１３Ｅ、第六の検出部１３Ｆ、第七の検出部１３Ｇおよび第八の検出部１３Ｈで構成される。第一の検出部１３Ａ，第二の検出部１３Ｂ，第三の検出部１３Ｃ，第四の検出部１３Ｄ、第五の検出部１３Ｅ、第六の検出部１３Ｆ、第七の検出部１３Ｇおよび第八の検出部１３Ｈ（以下、これらの検出部をまとめていう場合は、検出部１３Ａ〜１３Ｈと示す。）は、センサー平面視において、それぞれ、開口部１１Ａ〜１１Ｈの内側領域に配置されている。
開口部１１Ａ〜１１Ｈと検出部１３Ａ〜１３Ｈの配置関係は次の通りである。
第一の検出部１３Ａ：メンブレン１２１上、かつ第一の開口部１１Ａの上方
第二の検出部１３Ｂ：メンブレン１２１上、かつ第二の開口部１１Ｂの上方
第三の検出部１３Ｃ：メンブレン１２１上、かつ第三の開口部１１Ｃの上方
第四の検出部１３Ｄ：メンブレン１２１上、かつ第四の開口部１１Ｄの上方
第五の検出部１３Ｅ：メンブレン１２１上、かつ第五の開口部１１Ｅの上方
第六の検出部１３Ｆ：メンブレン１２１上、かつ第六の開口部１１Ｆの上方
第七の検出部１３Ｇ：メンブレン１２１上、かつ第七の開口部１１Ｇの上方
第八の検出部１３Ｈ：メンブレン１２１上、かつ第八の開口部１１Ｈの上方
【００７５】
また、図５に示すように、センサー平面視において、第一の検出部１３Ａと第二の検出部１３Ｂとが、直線Ｌ１に対して線対称に配置され、第五の検出部１３Ｅと第六の検出部１３Ｆとが直線Ｌ１に対して線対称に配置されている。
さらに、図５に示すように、センサー平面視において、第三の検出部１３Ｃと第四の検出部１３Ｄとが、直線Ｌ２に対して線対称に配置され、第七の検出部１３Ｇと第八の検出部１３Ｈとが直線Ｌ２に対して線対称に配置されている。直線Ｌ１と直線Ｌ２とは略直交する。
【００７６】
検出部１３Ａ〜１３Ｈは、各々、圧電積層部１４を備える。
第一の検出部１３Ａおよび第五の検出部１３Ｅは、電気的に直列に接続され、第二の検出部１３Ｂおよび第六の検出部１３Ｆは、電気的に直列に接続され、第三の検出部１３Ｃおよび第七の検出部１３Ｇは、電気的に直列に接続され、第四の検出部１３Ｄおよび第八の検出部１３Ｈは、電気的に直列に接続されている。このような電気的接続は、図５に示すように、検出部同士を、電極線１４２Ａにて接続することでなされる。
第一の検出部１３Ａ、第二の検出部１３Ｂ、第三の検出部１３Ｃおよび第四の検出部１３Ｄは、それぞれ出力部１５に接続されている。出力部１５と検出部１３Ａ〜１３Ｄとの接続は、第一実施形態と同様である。なお、第二実施形態においても、出力部１５は、圧電積層部１４の下部電極に対応するものであり、上部電極に対応する出力部は、第一実施形態と同様に図示を省略する。
【００７７】
第一の弾性部材１６Ａは、センサー平面視において、少なくとも、第一の検出部１３Ａ、第二の検出部１３Ｂ、第五の検出部１３Ｅ、第六の検出部１３Ｆ、並びに第一の検出部１３Ａと前記第二の検出部１３Ｂと第五の検出部１３Ｅと第六の検出部１３Ｆとを頂点とする第一の４角形領域の支持膜１２の上を覆う。そのため、第一の弾性部材１６Ａは、センサー平面視において、第一の検出部１３Ａ、第二の検出部１３Ｂ、第五の検出部１３Ｅおよび第六の検出部１３Ｆの上だけでなく、これらを互いに結ぶ線分上も覆う。
また、第一の弾性部材１６の重心Ｋ１は、センサー平面視における前記第一の４角形領域に位置する。
【００７８】
第二の弾性部材１６Ｂは、センサー平面視において、少なくとも、第三の検出部１３Ｃ、第四の検出部１３Ｄ、第七の検出部１３Ｇ、第八の検出部１３Ｈ、並びに第三の検出部１３Ｃと第四の検出部１３Ｄと第七の検出部１３Ｇと第八の検出部１３Ｈとを頂点とする第二の４角形領域の支持膜１２の上を覆う。そのため、第二の弾性部材１６Ｂは、センサー平面視において、第三の検出部１３Ｃ、第四の検出部１３Ｄ、第七の検出部１３Ｇおよび第八の検出部１３Ｈの上だけでなく、これら互いに結ぶ線分上も覆う。
また、第二の弾性部材の重心Ｋ２は、センサー平面視における前記第二の４角形領域に位置する。
【００７９】
弾性部材１６Ａ，１６Ｂの表面には、第一実施形態と同様に、剛性層１７Ａ，１７Ｂが形成されている。
処理部２０は、第一実施形態と同様の構成を備え、出力部１５を介して検出部１３Ａ〜１３Ｈから出力される電気信号を受信し、これに基づいて触覚センサー装置１Ａに付与される押圧力および剪断力を検出する。
【００８０】
次に、第二実施形態における触覚センサー素子２Ａの動作について説明する。
まず、第一実施形態で説明した、図４のＤ１⇒Ｄ５方向の剪断力が付与された場合で説明する。この場合、第一の検出部１３Ａおよび第五の検出部１３Ｅでは、正の極性の電気信号が発生し、第二の検出部１３Ｂおよび第六の検出部１３Ｆでは、負の極性の電気信号が発生する。そうすると、第一の検出部１３Ａおよび第五の検出部１３Ｅの電気信号は、加算されて一方の出力部１５から出力され、第二の検出部１３Ｂおよび第六の検出部１３Ｆの電気信号は、加算されて他方の出力部１５から出力される。
また、第三の検出部１３Ｃでは、正の極性の電気信号が発生し、第七の検出部１３Ｇでは、負の極性の電気信号が発生する。第四の検出部１３Ｄでは、正の極性の電気信号が発生し、第八の検出部１３Ｈでは、負の極性の電気信号が発生する。ここで、上述の通り、第三の検出部１３Ｃと第七の検出部１３Ｇとが電気的に接続され、第四の検出部１３Ｄと第八の検出部１３Ｈとが電気的に接続されていることにより、電気信号は、加算されて、微量であるか、または検出されない。
【００８１】
Ｄ１⇒Ｄ５方向と直行する方向の剪断力が付与された場合であれば、検出される電気信号は、Ｄ１⇒Ｄ５方向の場合と、反対の関係になる。
また、Ｄ２⇒Ｄ６方向、すなわち、図５のセンサー平面視において右上方向の剪断力が、触覚センサー素子２Ａに付与された場合には、上記第一実施形態と同様にして、Ｄ２⇒Ｄ４（Ｄ１⇒Ｄ５）方向の力とＤ２⇒Ｄ８（Ｄ３⇒Ｄ７）方向の力とをそれぞれ分けて検出し、その合力とすることで斜め方向の剪断力も検出できる。
【００８２】
〔第二実施形態の作用効果〕
第二実施形態では、第一実施形態で説明した効果に加えて、次のような効果を奏する。
触覚センサー装置１Ａでは、検出部１３Ａ〜１３Ｈが、上記所定の関係で電気的に直列に接続されているので、出力される電気信号は、検出部１３Ａ〜１３Ｈから出力される電気信号の加算値となる。そのため、１つずつの検出部１３Ａ〜１３Ｈから電気信号が出力される場合に比べて、電気信号が大きくなり、剪断力の測定精度が向上する。
【００８３】
［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態に係る触覚センサー装置素子について説明する。
図６は、第三実施形態に係る触覚センサー装置１Ｂを示す平面図である。
第三実施形態に係る触覚センサー装置１Ｂは、第一実施形態の触覚センサー素子２の構成をさらにもう一つ加えた構成の触覚センサー素子２Ｂを備える。
なお、第三実施形態以降の説明にあたり、第一実施形態と同一の構成については、同符号を付し、その説明を省略または簡略する。
【００８４】
触覚センサー素子２Ｂは、図６に示すように、第一実施形態の触覚センサー素子２におけるＤ１⇒Ｄ５方向の剪断力を検出する検出部１３Ａ，１３Ｂに関するブロックＢ１（開口部１１Ａ，１１Ｂ，メンブレン１２１等を含む）と、第一実施形態の触覚センサー素子２におけるＤ３⇒Ｄ７方向の剪断力を検出する検出部１３Ｃ，１３Ｄに関するブロックＢ２（開口部１１Ｃ，１１Ｄ，メンブレン１２１等を含む）とを、さらに一つずつ備える。
【００８５】
触覚センサー装置１Ｂでは、このように、Ｄ１⇒Ｄ５方向の剪断力を検出するブロックＢ１およびＤ３⇒Ｄ７方向の剪断力を検出するブロックＢ２を２つずつ備えるので、剪断力の検出可能な箇所が増え、剪断力の測定精度が向上する。
【００８６】
［第四実施形態］
次に、本発明の第四実施形態に係る触覚センサー装置素子について説明する。
図７は、第四実施形態に係る触覚センサー装置１Ｃを示す平面図である。
第四実施形態に係る触覚センサー装置１Ｃは、第二実施形態の触覚センサー素子２Ａの構成をさらにもう一つ加えた構成の触覚センサー素子２Ｃを備える。
なお、第四実施形態以降の説明にあたり、第一実施形態および第二実施形態と同一の構成については、同符号を付し、その説明を省略または簡略する。
【００８７】
触覚センサー素子２Ｃは、図７に示すように、第二実施形態の触覚センサー素子２ＡにおけるＤ１⇒Ｄ５方向の剪断力を検出する検出部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｅ，１３Ｆに関するブロックＢ３（開口部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｅ，１１Ｆ，メンブレン１２１等を含む）と、第二実施形態の触覚センサー素子２ＡにおけるＤ３⇒Ｄ７方向の剪断力を検出する検出部１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｇ，１３Ｈに関するブロックＢ４（開口部１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｇ，１１Ｈ、メンブレン１２１等を含む）とを、さらに一つずつ備える。
【００８８】
触覚センサー装置１Ｃでは、このように、Ｄ１⇒Ｄ５方向の剪断力を検出するブロックＢ３およびＤ３⇒Ｄ７方向の剪断力を検出するブロックＢ４を２つずつ備えるので、剪断力の検出可能な箇所が増え、剪断力の測定精度が向上する。
【００８９】
［第五実施形態］
次に、上述した触覚センサー装置１を用いた装置の応用例として、触覚センサー装置１を備えた把持装置について、図面に基づいて説明する。
【００９０】
図８は、本発明に係る第五実施形態の把持装置の概略構成を示す装置ブロック図である。
図８において、把持装置５０は、少なくとも一対の把持アーム５１を備え、この把持アーム５１により、把持対象物Ｚを把持する装置である。この把持装置５０としては、例えば製品を製造する製造工場などにおいて、ベルトコンベアーなどにより搬送された対象物を把持して持ち上げる装置である。そして、この把持装置５０は、前記把持アーム５１と、把持アーム５１を駆動するアーム駆動部５２と、アーム駆動部５２の駆動を制御する制御装置５４と、を備えて構成されている。
【００９１】
一対の把持アーム５１は、それぞれ先端部に接触面である把持面５３を備え、この把持面５３を把持対象物Ｚに当接させて把持することで把持対象物Ｚを把持し、持ち上げる。ここで、本実施形態において、把持アーム５１が一対設けられる構成を例示するが、これに限定されず、例えば３本の把持アーム５１により、把持対象物Ｚを３点支持により把持する構成などとしてもよい。
【００９２】
把持アーム５１に設けられる把持面５３は、表面には、第一実施形態において説明した触覚センサー装置１が設けられており、触覚センサー装置１の剛性層１７Ａ，１７Ｂが露出されている。そして、把持アーム５１は、この剛性層１７Ａ，１７Ｂを把持対象物Ｚに接触させ、把持対象物Ｚに所定の圧力（正圧力）を印加することで、把持対象物Ｚを把持する。このような把持アーム５１では、把持面５３に設けられる触覚センサー装置１により、把持対象物Ｚに印加する正圧力、および把持した際に把持対象物Ｚが把持面５３から滑り落ちようとする剪断力を検出し、正圧力や剪断力に応じた電気信号を制御装置５４に出力する。具体的には、触覚センサー装置１の処理部２０にて、各検出部１３Ａ〜１３Ｄから出力される電気信号を受信して、演算部２２にて正圧力や剪断力を算出する。処理部２０は、この算出結果を剪断力検出信号、および正圧力検出信号として制御装置５４へと出力する。
【００９３】
アーム駆動部５２は、一対の把持アーム５１を互いに近接する方向、又は離隔する方向に移動させる装置である。このアーム駆動部５２としては、把持アーム５１を移動可能に保持する保持部材５５と、把持アーム５１を移動させる駆動力を発生する駆動源５６と、駆動源の駆動力を把持アーム５１に伝達させる駆動伝達部５７を備えている。
保持部材５５は、例えば把持アーム５１の移動方向に沿う案内溝を備え、この案内溝内で把持アーム５１を保持することで、把持アーム５１を移動可能に保持する。また、保持部材５５は、鉛直方向に移動可能に設けられている。
駆動源５６は、例えば駆動モーターであり、制御装置５４から入力される駆動制御信号に応じて駆動力を発生させる。
駆動伝達部５７は、例えば複数のギアにより構成され、駆動源５６で発生した駆動力を把持アーム５１および保持部材５５に伝達させ、把持アーム５１および保持部材５５を移動させる。
なお、本実施形態では、一例として上記構成を示したが、これに限定されるものではない。すなわち、把持アーム５１を保持部材５５の案内溝に沿って移動させる構成に限らず、把持アームを回動可能に保持する構成などとしてもよい。駆動源５６としても駆動モーターに限られず、例えば油圧ポンプなどにより駆動される構成としてもよく、駆動伝達部５７としても、例えば駆動力を歯車により伝達する構成に限らず、ベルトやチェーンにより伝達する構成、油圧などにより駆動されるピストンを備えた構成などとしてもよい。
【００９４】
制御装置５４は、把持アーム５１の把持面５３に設けられる触覚センサー装置１、およびアーム駆動部５２に接続され、把持装置５０における把持対象物Ｚの把持動作の全体を制御する。
具体的には、制御装置５４は、図８に示すように、アーム駆動部５２および触覚センサー装置１に接続され、把持装置５０の全体動作を制御する。この制御装置５４は、触覚センサー装置１から入力される剪断力検出信号、および正圧力検出信号を読み取る信号検出手段５４１、把持対象物Ｚの滑り状態を検出する把持検出手段５４２、およびアーム駆動部５２に把持アーム５１の駆動を制御するための駆動制御信号を出力する駆動制御手段５４３を備えている。また、この制御装置５４としては、例えばパーソナルコンピューターなどの汎用コンピューターを用いることもでき、例えばキーボードなどの入力装置や、把持対象物Ｚの把持状態を表示させる表示部などを備える構成としてもよい。
また、信号検出手段５４１、把持検出手段５４２、および駆動制御手段５４３は、プログラムとして例えばメモリーなどの記憶部に記憶され、ＣＰＵなどの演算回路により適宜読み出されて実行されるものであってもよく、例えばＩＣなどの集積回路により構成され、入力された電気信号に対して所定の処理を実施するものであってもよい。
【００９５】
信号検出手段５４１は、触覚センサー装置１に接続され、触覚センサー装置１から入力される正圧力検出信号や剪断力検出信号などを取得する。この信号検出手段５４１にて認識された検出信号は、例えば図示しないメモリーなどの記憶部に出力されて記憶されるとともに、把持検出手段５４２に出力される。
【００９６】
把持検出手段５４２は、剪断力検出信号に基づいて、把持アーム５１により把持対象物Ｚを把持したか否かを判断する。
ここで、図９に、把持装置５０の把持動作における触覚センサーに作用する正圧力および剪断力の関係を示す図を示す。
図９において、正圧力が所定値に達するまでは、正圧力の増加に応じて剪断力が増加する。この状態は、把持対象物Ｚと把持面５３との間に動摩擦力が作用している状態であり、把持検出手段５４２は、把持対象物Ｚが把持面５３から滑り落ちている滑り状態で、把持が未完了であると判断する。一方、正圧力が所定値以上となると、正圧力を増大させても剪断力が増加しない状態となる。この状態は、把持対象物Ｚと把持面５３との間に静摩擦力が作用している状態であり、把持検出手段５４２は、把持対象物Ｚが把持面５３により把持された把持状態であると判断する。
具体的には、剪断力検出信号の値が、静摩擦力に対応した所定の閾値を越える場合に、把持が完了したと判断する。
【００９７】
駆動制御手段５４３は、把持検出手段５４２にて検出された電気信号に基づいてアーム駆動部５２の動作を制御する。
【００９８】
次に、制御装置５４の動作について図面に基づいて説明する。
図１０は、制御装置５４の制御による把持装置５０の把持動作を示すフローチャートである。図１１は、把持装置５０の把持動作時において、アーム駆動部５２への駆動制御信号、触覚センサー装置１から出力される検出信号の発信タイミングを示すタイミング図である。
【００９９】
把持装置５０で把持対象物Ｚを把持するためには、まず制御装置５４の駆動制御手段５４３は、各把持アーム５１を互いに近接させる方向に移動させる旨の駆動制御信号をアーム駆動部５２に出力する（把持動作）。これにより、把持アーム５１の把持面５３が把持対象物Ｚに近接する（図１０：ステップＳ１１）。
【０１００】
次に、制御装置５４の把持検出手段５４２は、把持対象物Ｚが把持面５３に接触したか否かを判断する（図１０：ステップＳ１２）。具体的には、制御装置５４は、信号検出手段５４１で正圧力検出信号の入力が検知されたか否かを判断する。ここで、正圧力検出信号が検出されない場合は、把持面５３が把持対象物Ｚに接触していないと判断し、駆動制御手段５４３は、ステップＳ１１を継続して、駆動制御信号を出力し、把持アーム５１をさらに駆動させる。
【０１０１】
一方、把持面５３が把持対象物Ｚに接触する（図１１：タイミングＴ１）と、触覚センサー装置１の弾性部材１６Ａ，１６Ｂが歪み、その歪み量に基づいて算出された正圧力に対応する正圧力検出信号が出力される。
駆動制御手段５４３は、把持検出手段５４２において、正圧力検出信号を検出すると、把持アーム５１の近接移動（把持対象物Ｚへの押圧）を停止させる（図１０：ステップＳ１３、図１１：タイミングＴ２）。また、駆動制御手段５４３は、アーム駆動部５２に駆動制御信号を出力し、把持アーム５１を上方に持ち上げる動作（持上げ微動作）を実施させる（図１０：ステップＳ１４、図１１：タイミングＴ２〜Ｔ３）。
【０１０２】
ここで、把持対象物Ｚを持ち上げる際に、弾性部材１６Ａ，１６Ｂが剪断力により剪断方向に歪み、触覚センサー装置１では、その歪み量に応じた剪断力が算出され、その剪断力に対応する剪断力検出信号が出力される。
把持検出手段５４２は、信号検出手段５４１に入力される剪断力検出信号に基づいて、滑りがあるか否かを判断する（図１０：ステップＳ１５）。
【０１０３】
この時、把持検出手段５４２において、滑りがあると判断されると、駆動制御手段５４３は、アーム駆動部５２を制御して、把持アーム５１を、把持面５３を把持対象物Ｚに押し付ける方向に移動させて、把持力（正圧力）を増大させる（図１０：ステップＳ１６）。
すなわち、制御装置５４は、図１１におけるタイミングＴ３において、駆動制御手段５４３にて把持動作を実施させ、把持対象物Ｚへの正圧力を増大させ、信号検出手段５４１にて、再び触覚センサー装置１から出力される剪断力検出信号を検出する。以上のような滑り検知動作（タイミングＴ２〜Ｔ６）を繰り返し、剪断力検出信号が、所定の閾値Ａ１以上となった場合（タイミングＴ６）に、ステップＳ１５において、滑りがない、すなわち把持が完了したと判断し、滑り検知動作を停止させる。
【０１０４】
〔第五実施形態の作用効果〕
上述したような第五実施形態の把持装置５０では、上記第一実施形態の触覚センサー装置１を備えている。このような触覚センサー装置１は、上述したように、簡略な構造であっても剪断力および正圧力を検出することができるものであるため、把持装置５０においても剪断力検出信号および正圧力検出信号に基づいて、正確な把持動作を実施することができる。
【０１０５】
触覚センサー装置１は、上述したように、センサー平面視において上下方向だけでなく、左右方向や斜め方向の剪断力を検出することができる。したがって、第五実施形態では、把持対象物Ｚを持ち上げる際の剪断力を測定したが、例えばベルトコンベアー上で搬送される対象物に対して把持を実施する際に、搬送方向への剪断力をも測定することができる。
【０１０６】
［第六実施形態］
上記第五実施形態では、触覚センサー装置１が設けられた把持装置を例示したが、これに限定されない。触覚センサー装置を用いた装置の他の応用例として、アイロンについて、図面に基づいて説明する。
第六実施形態では、図１４に示すような概略構成を備えるアイロン６０が、接触物との距離を検出する近接センサー７０（図１２参照）を備えた触覚センサー装置１Ｄを用いる。
【０１０７】
図１２は、触覚センサー装置１Ｄの概略構成を示す平面図である。
触覚センサー装置１Ｄは、第三実施形態で説明した触覚センサー素子２Ｂが、さらに近接センサー７０を備えた構成を有する。近接センサー７０は、近接検出用超音波素子７１と、制御部８０と、を備えている。
この近接検出用超音波素子７１は、図１２に示すように、基板１０に形成される開口部７１１と、開口部７１１を閉塞する支持膜７２（メンブレン７２１）と、メンブレン７２１の内部領域に配置される圧電積層部７３と、により構成されている。開口部７１１は、上述の開口部１１Ａ〜１１Ｄと同様に形成されている。圧電積層部７３は、上述の第一実施形態の圧電積層部１４と同様に、圧電体と、当該圧電体を挟んで配置される下部電極および上部電極と、により構成されている。
近接検出用超音波素子７１上には、弾性部材１６Ａ，１６Ｂは配置されていない。したがって、近接検出用超音波素子７１に交流電圧を印加すると、超音波は、触覚センサー装置１Ｄ直上に空気を伝搬して発信される。具体的には、制御部８０（図１３参照）から、圧電積層部７３の下部電極および上部電極間に交流電圧が印加されると、圧電体が印加電圧に応じて伸縮する。これにより、メンブレン７２１が振動し、超音波が接触物側に発信される。
触覚センサー装置１Ｄの直上に接触物が近接すると、近接検出用超音波素子７１から発信された超音波は、接触物で反射され、近接検出用超音波素子７１で受信される。
【０１０８】
図１３は、触覚センサー装置１Ｄにおける制御部８０の概略構成を示すブロック図である。制御部８０は、図１３に示すように、送受信切替回路８１と、送受信切替制御部８２と、超音波信号発信回路８３と、時間計測部８４と、記憶部８５と、演算処理部８６と、を備えている。
【０１０９】
送受信切替回路８１は、送受信切替制御部８２から入力されるモード切替信号に基づいて、接続状態を切り替えるスイッチング回路である。
具体的には、送受信切替制御部８２から超音波発信モードに切り替える旨の制御信号が入力された場合、送受信切替回路８１は、超音波信号発信回路８３から入力された駆動信号を、触覚センサー装置１Ｄの近接検出用超音波素子７１に出力可能なスイッチング状態に切り替わる。
一方、送受信切替回路８１は、送受信切替制御部８２から超音波受信モードに切り替える旨の制御信号が入力された場合、触覚センサー装置１Ｄの近接検出用超音波素子７１から入力される受信信号を時間計測部８４に出力可能なスイッチング状態に切り替わる。
【０１１０】
送受信切替制御部８２は、近接検出用超音波素子７１から超音波を発信させる超音波発信モードと、近接検出用超音波素子７１にて超音波を受信させる超音波受信モードと、を切り替える。
具体的には、送受信切替制御部８２は、例えば、アイロン６０に電源が入り、触覚センサー装置１Ｄの電源がＯＮ状態に切り替わると、まず、超音波発信モードに切り替える処理を実施する。
この処理では、送受信切替制御部８２は、送受信切替回路８１に超音波発信モードに切り替える旨の制御信号を出力し、超音波信号発信回路８３から駆動信号を出力させる旨の制御信号を出力する。
また、送受信切替制御部８２は、図示しない計時部（タイマー）により計測される時間を監視し、超音波発信モードから所定の発信時間経過後に、超音波受信モードに切り替える処理を実施する。ここで発信時間は、近接検出用超音波素子７１から例えば１〜２周波数のバースト波が発信される時間程度に設定されていればよい。
超音波受信モードでは、送受信切替制御部８２は、送受信切替回路８１に超音波受信モードに切り替える旨の制御信号を出力して、送受信切替回路８１を、近接検出用超音波素子７１から入力される受信信号を時間計測部８４に入力可能な接続状態にスイッチングさせる。
【０１１１】
超音波信号発信回路８３は、発信モードにおいて、送受信切替制御部８２から駆動信号を出力させる旨の制御信号が入力されると、近接検出用超音波素子７１を駆動させるための駆動信号（駆動パルス）を送受信切替回路８１に出力する。
【０１１２】
時間計測部８４は、計時部にて計測される時間を監視し、超音波が受信されるまでの時間を計測する。
具体的には、時間計測部８４は、送受信切替制御部８２が超音波発信モードに切り替える処理を実施した超音波発信タイミング、すなわち近接検出用超音波素子７１から超音波が発信されてからの時間をカウントする。
なお、送受信切替制御部８２は、超音波発信タイミングで、計時部でカウントされる時間をリセットする。そして、送受信切替制御部８２が超音波受信モードに切り替える処理を実施し、近接検出用超音波素子７１で受信された反射超音波に応じた受信信号が送受信切替回路８１から時間計測部８４に入力されると、時間計測部８４は、その入力されたタイミングでの時間（ＴＯＦデータ：Time Of Flightデータ）を取得する。また、取得したＴＯＦデータは、演算処理部８６に入力される。
【０１１３】
記憶部８５は、演算処理部８６の各種処理を実施するための各種プログラムや各種データなどを記憶する。
具体的には、記憶部８５には、空気中の音速や、演算処理部８６により実施される各種プログラムなどが予め記憶される。また、演算処理部８６で算出された各種データが記憶される構成などとしてもよい。
【０１１４】
演算処理部８６は、距離算出部８６１を備えている。
この距離算出部８６１は、近接検出用超音波素子７１から出力される受信信号に基づいて、時間計測部８４でＴＯＦデータが取得されると、触覚センサー装置１Ｄと接触物との距離を算出する。具体的には、時間計測部８４は、取得したＴＯＦデータと記憶部８５から読み出した空気中の音速とに基づいて、触覚センサー装置１Ｄと接触物との距離を算出する。
【０１１５】
図１４は、本実施形態のアイロンの概略構成を示すブロック図である。
図１４に示すように、アイロン６０は、ヒーター６１と、ベース部６２と、ベース部６２に設けられた温度センサー６３と、ベース部６２に設けられた触覚センサー装置１Ｄと、ヒーター駆動回路６４と、を備えている。このアイロン６０のヒーター駆動回路６４は、温度センサー６３および触覚センサー装置１Ｄからの信号に基づいてヒーター６１に印加する電圧を制御し、ベース部６２を対象布地に対して最適な温度に加熱する。
【０１１６】
ヒーター６１は、ヒーター駆動回路６４から印加された電圧により発熱し、ベース部６２を加熱する。
ベース部６２は、対象布地に接触して、対象布地の皺を伸ばす部分であり、ヒーター６１により加熱される。そして、このベース部６２の一部には、図１４に示すように、触覚センサー装置１Ｄが設けられ、触覚センサー装置１Ｄの剛性層１７Ａ，１７Ｂが、対象布地に接触可能に露出されている。
また、ベース部６２には、温度センサー６３が設けられており、この温度センサー６３は、ベース部６２の温度を検出してヒーター駆動回路６４に出力する。
【０１１７】
ヒーター駆動回路６４は、触覚センサー装置１Ｄ、温度センサー６３、およびヒーター６１に接続され、触覚センサー装置１Ｄおよび温度センサー６３からの信号に基づいてヒーター６１に印加する電圧を制御する。このヒーター駆動回路６４は、図１４に示すように、記憶部としてのメモリー６４１と、信号検出部６４２と、布地判別部６４３と、温度制御部６４４と、を備えている。
このヒーター駆動回路６４としては、例えばＣＰＵ等の演算回路や、記憶回路を備えたコンピューターとして構成され、布地判別部６４３や温度制御部６４４が、演算回路による演算処理により実行されるソフトウェアとして機能される構成としてもよい。例えば、ヒーター駆動回路６４としては、ＩＣなどの集積回路により構成され、入力された電気信号に対して所定の処理を実施するものであってもよい。
【０１１８】
メモリー６４１は、相関データである応力−粗さ値データを記憶している。この応力−粗さ値データには、触覚センサー装置１Ｄにより検出された応力に応じた、対象布地の粗さ値が記録されているデータであり、例えば、剪断力に対応する粗さ値が、正圧力毎に記録されている。
また、メモリー６４１には、粗さ値に対応したベース部６２の最適温度が記録された粗さ−温度データが記憶されていてもよい。
【０１１９】
信号検出部６４２は、触覚センサー装置１Ｄに接続され、触覚センサー装置１Ｄから入力される正圧力検出信号や剪断力検出信号などを取得する。具体的には、触覚センサー装置１Ｄの処理部２０にて、各検出部１３Ａ〜１３Ｄから出力される電気信号を受信して、演算手段にて正圧力や剪断力を算出し、この算出結果を剪断力検出信号、および正圧力検出信号として信号検出部６４２へと出力する。
この信号検出部６４２にて検出された検出信号は、メモリー６４１に出力されて記憶されるとともに、布地判別部６４３に出力される。
【０１２０】
布地判別部６４３は、信号検出部６４２から入力された剪断力および正圧力、およびメモリー６４１に記憶された応力−粗さ値データに基づいて、対象布地の種別を判別する。
例えば、本実施形態では、応力−粗さ値データとして、正圧力毎に、剪断力に対応する粗さが記憶されている。この場合では、布地判別部６４３は、正圧力に対応した応力−粗さ値データをメモリー６４１から読み出し、この応力−粗さ値データから剪断力に対応した粗さ値を取得する。
そして、布地判別部６４３は、取得した粗さ値を温度制御部６４４に出力する。
【０１２１】
温度制御部６４４は、布地判別部６４３から入力された粗さ値、および温度センサー６３により検出されるベース部６２の温度に基づいて、ヒーター６１への印加電圧を制御する。
具体的には、温度制御部６４４は、メモリー６４１から粗さ−温度データを読み出し、布地判別部６４３から入力された粗さ値に応じたベース部６２の最適温度を取得する。そして、温度制御部６４４は、温度センサー６３から入力された検出温度と最適温度との差分値から、ベース部６２を最適温度に設定するために必要なヒーター６１への印加電圧値を算出して、ヒーター６１に印加する。
【０１２２】
〔アイロンの動作〕
次に、上記のようなアイロン６０の動作について説明する。
図１５は、第六実施形態のアイロンの動作を示すフローチャートである。
利用者によりアイロン６０に電力が供給されると、近接センサー７０の近接検出用超音波素子７１が駆動される。時間計測部８４において近接検出用超音波素子７１から出力された受信信号に基づくＴＯＦデータが取得されると、距離算出部８６１は、記憶部８５から読み出した空気中の音速とに基づいて、対象布地と触覚センサー装置１Ｄ（ベース部６２）との距離を算出する。そして、対象布地とベース部６２との距離が予め設定された距離以内になると、触覚センサー装置１Ｄは、駆動モードに移行する（ステップＳ２１）。駆動モードでは、処理部２０は、各検出部１３Ａ〜１３Ｄから出力される電気信号を処理可能な状態となる。
【０１２３】
この後、アイロン６０のヒーター駆動回路６４は、対象布地がベース部６２に接触したか否かを判断する（ステップＳ２２）。具体的には、ヒーター駆動回路６４は、信号検出部６４２で正圧力検出信号の入力が検知されたか否かを判断する。ここで、正圧力検出信号が検出されない場合は、ベース部６２に対象布地が接触していないと判断する。この場合は、ヒーター駆動回路６４は、ステップＳ２２を継続し、対象布地とベース部６２との接触判断処理を継続する。
【０１２４】
また、ステップＳ２２において、信号検出部６４２が正圧力検出信号の入力を検知した場合、さらに、剪断力検出信号の入力を検出し、剪断力の大きさが０より大きいか否かを判断する（ステップＳ２３）。
つまり、正圧力の大きさは、利用者がアイロン６０を対象布地に押し付ける強さにより変化するため、正圧力のみでは対象布地の種別を判別することはできない。したがって、剪断力の大きさが０である場合は、継続してステップＳ２３の処理を実行する。
一方、ステップＳ２３により、剪断力検出信号により検出された剪断力の大きさが０より大きい場合、布地判別部６４３は、メモリー６４１から、正圧力に対応した応力−粗さ値データを読み出し、剪断力に対応した粗さ値を取得する（ステップＳ２４）。
【０１２５】
この後、温度制御部６４４は、メモリー６４１から粗さ−温度データを読み出し、ステップＳ２４で取得された粗さ値に対応した温度を取得し、最適温度として設定する（ステップＳ２５）。
さらに、温度制御部６４４は、温度センサー６３により検出された検出温度と、ステップＳ２５により設定された最適温度との差分値から、ベース部６２を最適温度に設定するために必要なヒーター６１への印加電圧値を算出し、ヒーター６１にその電圧値を印加する（ステップＳ２６）。
これにより、アイロン６０は、対象布地の種別に応じて、ベース部６２の温度を、自動で設定することが可能となる。
【０１２６】
(第六実施形態の作用効果)
上述したような第六実施形態のアイロン６０では、上述の触覚センサー装置１Ｄを備えており、この触覚センサー装置１Ｄは、第三実施形態の触覚センサー装置１Ｂの構成を備えている。触覚センサー装置１Ｂは、上述したように、簡略な構造であっても剪断力および正圧力を検出することができるため、アイロン６０においても、ベース部６２に対象布地が接触した際の正圧力および剪断力を検出することができる。
【０１２７】
そして、アイロン６０のヒーター駆動回路６４は、布地判別部６４３により、検出された正圧力および剪断力に対応した、対象布地の粗さを判別することができる。したがって、判断された対象布地の粗さから、対象布地の種別を判断することができ、温度制御部６４４は、布地の種別に対応してベース部６２の温度を設定することができる。したがって、アイロン６０において、布地に対応してベース部６２の温度を自動で設定することができ、対象布地の種別に応じて、温度設定を変更する煩雑な作業を省略することができる。
【０１２８】
なお、上記第六実施形態では、メモリー６４１に、正圧力および剪断力に応じた粗さ値が記録された応力−粗さ値データを記憶する例を示したが、例えば、正圧力および剪断力に応じた対象布地の種類を記録した応力−布地種別データがメモリー６４１に記憶される構成などとしてもよい。この場合では、布地判別部６４３は、正圧力および剪断力に応じて、対象布地の種別を直接判別し、温度制御部６４４は、判別された布地の種別に対応した温度を取得する。
また、相関データとして、正圧力および剪断力に対応したベース部６２の最適温度が記憶された応力−温度データが記憶されていてもよく、この場合では、粗さ−温度データを記憶する必要がなくなり、より少ないデータ量で、ベース部６２の温度を自動で設定可能なアイロン６０を提供することができる。
【０１２９】
さらに、上記アイロン６０では、ヒーター駆動回路６４により自動でベース部６２の温度が設定される例を示したが、例えば、ベース部６２の温度を自動設定する自動モードと、手動により温度を設定する手動モードと、を適宜切り替え可能な構成としてもよい。
【０１３０】
［第七実施形態］
次に、本発明の第七実施形態として、上述したような触覚センサーを備えた電子機器について説明する。この第七実施形態では、電子機器としてのノート型パソコン９０を例示する。
【０１３１】
図１６は、第七実施形態のノート型パソコン９０の構成を模式的に示す斜視図である。
図１６において、ノート型パソコン９０は、装置本体９１と、表示部９２と、第一入力部９３と、第二入力部９４とを備えている。
表示部９２は、例えば液晶パネルや有機パネルなどにより構成され、装置本体９１の内部に収容された図示略の演算制御部に接続され、この演算制御部により、種々の操作画像やその他の情報を表示するように構成されている。
【０１３２】
第一入力部９３は、キーボードやテンキー等で構成される。
第二入力部９４は、第一入力部９３よりも手前側の位置に設けられており、この第二入力部９４に、上述の触覚センサー装置１が用いられている。図１６に示されるように第二入力部９４の表面には、触覚センサー装置１の剛性層１７Ａ，１７Ｂの表面を覆う板状部材９５を載せて配置し、この板状部材９５の表面上で、利用者が指を動かしたり、タッチペンなどを動かしたりすると、これらの動きにより剪断力や正圧力が発生する。この剪断力および正圧力を触覚センサー装置１により検出することで、利用者の指やタッチペンの接触位置座標、移動方向を検出して電気信号として出力することができる。そして、出力された電気信号に基づいて、利用者が所望する入力操作の内容を正確に認識することができ、ノート型パソコン９０の操作性を向上させることができる。
【０１３３】
〔その他の実施形態〕
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
【０１３４】
上述の実施形態では、触覚センサー装置１等の弾性部材１６Ａ，１６Ｂの表面に剛性層１７Ａ，１７Ｂが配置されている構成について説明したが、剛性層１７Ａ，１７Ｂが配置されていない構成としてもよい。
また、弾性部材１６Ａ，１６Ｂの表面に対して共通の剛性層を配置する構成としても良い。
【０１３５】
また、支持膜１２は、各々の開口部の間で分離した形態であっても良い。例えば、第一開口部１１Ａを覆う支持膜１２と、第二開口部１１Ｂを覆う支持膜１２とが、連続していなくても良い。ただし、この場合、弾性部材１６Ａ，１６Ｂは、支持膜１２が形成されていない領域の基板上、かつ第一開口部１１Ａと第二開口部１１Ｂとで挟まれる領域を連続して覆うように配置される。
【０１３６】
触覚センサー素子における検出部の配置は、上述の実施形態で説明したものに限定されない。例えば、図１に示すようなセンサー平面視において、重心Ｋ１を通る第一弾性部材１６Ａの対角線上に検出部を設ける構成としてもよい。
【０１３７】
上述の実施形態では、触覚センサー素子の開口部は、共通の基板に形成されている態様で説明したが、これに限定されない。例えば、第一実施形態の変形として、触覚センサー素子２の第一の開口部１１Ａおよび第二の開口部１１Ｂが、第一副基板に形成され、各開口部に対して検出部が配置された第一の検出部ユニットと、第三の開口部１１Ｃおよび第四の開口部１１Ｄが、第二副基板に形成され、これらの各開口部に対して検出部が配置された第二の検出部ユニットとを、共通基板に対して取り付けた構成とすることもできる。また、このような共通基板に第一副基板および第二副基板の形状に応じた凹溝をそれぞれ形成しておき、当該凹溝内に、第一の検出部ユニットおよび第二の検出部ユニットをそれぞれ収容させる構成としてもよい。
【０１３８】
上述の実施形態では、弾性部材１６Ａ，１６Ｂが、センサー平面視で、四角状のものを例に挙げて説明したが、これに限られない。例えば、センサー平面視で、円形状や楕円形状、その他多角形状の弾性部材１６Ａ，１６Ｂであってもよい。
【０１３９】
上述のとおり説明した、触覚センサー素子２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、いずれも上述の説明で示した例に限定されず、その他の形態に対しても適用できる。
【０１４０】
第五実施形態において、把持装置５０として、一対の把持アーム５１が配置される構成を例示したが、３本以上の把持アームを互いに近接離間する方向に移動させて把持対象物Ｚを把持する構成としてもよい。また、アーム駆動部により駆動される駆動アームと、駆動しない固定アームまたは固定壁とを備え、駆動アームを固定アーム（固定壁）側に移動させて対象物を把持する構成などとしてもよい。
【０１４１】
また、第六実施形態では、接触物判別部として、メモリー６４１に記憶された応力−粗さ値データに基づいて、布地の種別（粗さ値）を判別する布地判別部６４３を例示したが、これに限らない。例えば、触覚センサー装置１等を、パン製造装置に設け、パン生地の柔らかさ（捏ね状態）を判断する接触物判別部を設ける構成としてもよい。この場合、接触部判別部は、パン生地に対して加えた応力と、その応力に対して最適弾性力との関係データをメモリーに記憶する。そして、接触物判別部は、触覚センサー装置１等で検出された正圧力や剪断力が、最適弾性力を中心とした所定閾値以内であれば、捏ね状態が最適であると判断する。このような構成のパン製造装置では、パン生地の捏ね状態を一定に維持することができ、安定した品質のパン生地を製造することができる。
【０１４２】
そして、上述の圧電積層部１４，７３として、膜上の圧電体、下部電極、上部電極を備える構成を例示したが、膜状に限られず、例えばバルク状の圧電体や、電極を用いてもよい。
【０１４３】
また、上述の実施形態で説明した電子機器は、ノート型パソコンを例に挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、ＰＤＡ（Personal Data Assistance）や携帯ゲーム機や携帯電話、パーソナルコンピューターや電子辞書などにおける入力装置として、本発明の触覚センサーを適用することも可能である。
【０１４４】
以上、本発明を実施するための最良の構成について具体的に説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、当業者が様々な変形および改良を加えることができるものである。
【符号の説明】
【０１４５】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…触覚センサー装置、２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ…触覚センサー素子、１０…基板、１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅ，１１Ｆ，１１Ｇ，１１Ｈ…開口部、１２…支持膜、１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅ，１３Ｆ，１３Ｇ，１３Ｈ…検出部、１４…圧電積層部、１４１…圧電体、１４２…下部電極、１４３…上部電極、１６Ａ，１６Ｂ…弾性部材、１７Ａ，１７Ｂ…剛性層、２０…処理部、５０…把持装置、５１…把持アーム、５４２…把持検出手段、５４３…駆動制御手段、９０…ノート型パソコン（電子機器）。
【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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【図１５】
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【図１６】
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