(57)【要約】【課題】単位荷重に対するメンブレンの変形量を小さくすることができ、検出感度を向上させることができる力覚センサなどを提供する。【解決手段】力覚センサ１０１は、下電極１０４と、上電極１０９を含み可撓性を有する可動部１０７と、可動部を可動に支持し上電極と下電極との間にギャップ１０６を形成する支持部１０８と、で構成されたセルが複数設けられている。複数のセルは、少なくとも１つのセルを含むエレメントにグループ分けされ、同一のエレメントではセルは互いに電気的に接続されている。エレメントの上面に、支持部に比してヤング率の低い弾性層１２７が設けられ、弾性層の上面に弾性層よりヤング率の高い荷重分散板１２８が設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電容量型の力覚センサであって、
下電極と、上電極を含み可撓性を有する可動部と、前記可動部を可動に支持し前記上電極と前記下電極との間にギャップを形成する支持部と、で構成されたセルが複数設けられ、前記複数のセルは、少なくとも１つの前記セルを含むエレメントにグループ分けされ、同一のエレメントでは前記セルは互いに電気的に接続され、
前記エレメントの上面に、前記支持部に比してヤング率の低い弾性層が設けられ、前記弾性層の上面に前記弾性層よりヤング率の高い荷重分散板が設けられていることを特徴とする力覚センサ。 
【請求項２】
前記エレメントが、２つ以上設けられていることを特徴とする請求項１に記載の力覚センサ。
【請求項３】
前記支持部が、酸化シリコンまたは窒化シリコンからなることを特徴とする請求項１または２に記載の力覚センサ。
【請求項４】
前記弾性層は、シリコーンゴム、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）、ＰＤＭＳ（ジメチルポリシロキサン）、ウレタンゴムのうちの少なくとも１つからなることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の力覚センサ。
【請求項５】
前記上電極と前記下電極との間に交流電圧を印加する発振回路と、前記上電極と前記下電極との間に流れる電流の大きさを検出する回路を更に有することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の力覚センサ。
【請求項６】
前記電流の大きさを検出する回路は、前記上電極と前記下電極との間に流れる電流を電圧信号に変換する回路と、前記電圧信号の包絡線を検波する回路を含むことを特徴とする請求項５に記載の力覚センサ。
【請求項７】
同一のエレメントでは、前記下電極と前記上電極はそれぞれ互いに電気的に接続されていることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の力覚センサ。
【請求項８】
異なるエレメントの間では、前記下電極と前記上電極のうちの少なくとも一方は電気的に分離されていることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の力覚センサ。
【請求項９】
前記下電極は基板の上に設けられていることを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の力覚センサ。
【請求項１０】
前記上電極は可撓性を有するメンブレンにより支えられ、前記支持部は前記メンブレンを支持することを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載の力覚センサ。
【請求項１１】
対象物を取扱うための装置であって、
対象物と接触して該対象物を取扱う部分に請求項１から１０の何れか１項に記載の力覚センサが設けられ、
前記力覚センサからの対象物との接触荷重に係わる信号を用いて対象物に対する取扱いを制御することを特徴とする装置。
【請求項１２】
対象物を把持するための把持装置であって、
対象物と接触して該対象物を把持する部分に請求項１から１０の何れか１項に記載の力覚センサが設けられ、
前記力覚センサからの対象物との接触荷重に係わる信号を用いて対象物を把持する把持力を制御することを特徴とする把持装置。
【請求項１３】
前記力覚センサは、前記対象物を把持する把持力の現在値を検出し、
前記把持力の現在値と把持力の目標値とを比較した結果に応じて、前記把持力の指令値が決定されることを特徴とする請求項１２に記載の把持装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ある程度の剛性を有する固体などの有形物との接触荷重などを検出する力覚センサ、それを用いた把持装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
力覚センサの用途は、例えば、製品の製造ラインで用いられるロボットハンドの把持力の検出である。把持とはワークをロボットハンドで把むことを意味し、把持力とはロボットハンドがワークを把持する力、すなわちロボットハンドとワークとの接触力を意味する。ロボットハンドの把持力を検出し、検出情報に基づき、ワークを把握する力の制御にフィードバックをかけることで、把持力制御の精度向上が期待できる。
【０００３】
荷重を検出する力覚センサの一方式として静電容量型がある。この方式の代表的な構成では、可撓性をもつメンブレン（可動部）が支持部を介して基板に可動に設けられている。メンブレンと基板のそれぞれに電極が設けられており（本明細書ではメンブレン側の電極を上電極、基板側の電極を下電極と記す）、上電極はメンブレンとともに変形（撓みなど）する構造となっている。すなわち、固体などとの接触によりメンブレンに荷重が印加されるとメンブレンが撓み、上下電極間の距離が変化する。上下電極間の距離は上下電極間の静電容量の変化として検出され、これを電気信号に変換することで、印加された荷重の大きさが検出される。メンブレンと上下電極とスペーサで構成される構造単位は、セルと呼ばれる。なお、本明細書では、スペーサは、説明のために側壁部またはポストと記載する場合があるが、スペーサ、側壁部、ポストは機能的には同一である。
【０００４】
力覚センサの機能としては、荷重を測定するもの、荷重の分布を測定するもの、荷重の方向（引っ張り方向ないし圧縮方向やせん断方向）を測定するものがある。いずれの場合も、センサ表面の形状や構造により、検出したい方向や位置の荷重に対して、選択的に検出素子（セル）の変形部が変形するように構成する。従来方式では、単位の検出素子は１つのセルで構成されていた（特許文献１参照）。
【０００５】
ロボットハンドの把持力の検出に用いる力覚センサの一形態として、ロボットハンドの指先に配置して、把持力を検出するとともに、ワークを把持する把持部材としても機能するものがある。この種の力覚センサに望まれる特性として、把持力によるセンサ表面の変形が小さいことが挙げられる。センサ表面の変形は、ワークの把持位置精度を低下させる一因となるからである。また、把持するワークは様々な形状や硬さを有するため、センサ表面との接触位置や面積は変化するが、把持力の検出感度が常に一定となることも重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２５０７０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、単位の検出素子を１つのセルで構成する従来方式の力覚センサでは、力覚センサの単位の検出素子の面積が大きくなると、メンブレンの面積も大きくなり、把持力に対する単位荷重あたりのメンブレン変形（撓み）が大きくなるという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題に鑑みて、本発明の力覚センサは次のような特徴を有する。静電容量型の力覚センサであって、下電極と、上電極を含み可撓性を有する可動部と、前記可動部を可動に支持し前記上電極と前記下電極との間にギャップを形成する支持部と、で構成されたセルが複数設けられている。前記複数のセルは、少なくとも１つの前記セルを含むエレメントにグループ分けされ、同一のエレメントでは前記セルは互いに電気的に接続されている。そして、前記エレメントの上面に、前記支持部に比してヤング率の低い弾性層が設けられ、前記弾性層の上面に前記弾性層よりヤング率の高い荷重分散板が設けられている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、単位の検出素子においてメンブレンないし可動部を１以上の部分に分割できるため、分割部分のメンブレンの面積の大きさを柔軟に設計できる。従って、分割部分のメンブレンの面積を小さくすることで、単位荷重に対する該メンブレンの変形量を小さくすることができる。また、弾性層を介して荷重分散板を重ねた構造によって、より均一かつ忠実に荷重を１以上の可動部に伝播することができ、検出感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例１を説明する図である。
【図２】荷重の分散を説明する図である。
【図３】メンブレンの変形形状を説明する図である。
【図４】本発明の実施例２を説明する図である。
【図５】本発明の実施例３を説明する図である。
【図６】本発明の把持装置の一例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明では、力覚センサの単位の検出素子を、１以上設けたセルを電気的に並列接続したもの（エレメント）により構成する。そして、弾性層を介して荷重分散板が重ねられている。ここにおいて、複数のセルが、少なくとも１つのセルを含むエレメントにグループ分けされ、同一のエレメントではセルは互いに電気的に接続されている。これにより、可動部であるメンブレンの面積を単位検出素子の面積に対して自由ないし柔軟に設計できるようになる。メンブレンの面積を小さく設計することで、単位荷重に対するメンブレンの変形量を小さくすることができ、荷重に対する表面変形が小さい力覚センサを実現できる。
【００１２】
組み立てロボットの把持部に力覚センサ設けて把持力の検出を行う場合、力覚センサの表面は把持力による変形が小さい方が、ワークの把持位置の精度が高い。よって、センサ表面が硬い力覚センサが望まれる。また、センサの検出特性として、センサとワークとの接触位置や面積によらず、把持力の検出感度が常に一定となることが望まれる。可撓性のメンブレン構造を有する静電容量型の力覚センサにおいて、メンブレンを複数に分割し面積を小さくすることで、把持力に対するメンブレン撓み量を小さくできる。また、分割されたメンブレンの１つ１つの静電容量は、電気的に並列接続して１つの検出エレメントとできる。加えて、メンブレンの上層に荷重分散板を設けることで、メンブレンへの荷重がより均一ないし一様にでき、一部のメンブレンのみがつぶれることを防ぐことができる。さらに、メンブレンと荷重分散板との間に、把持力により変形可能な弾性体を設けることで、荷重分散板に受けた把持力が、より忠実にメンブレンに伝播するようにセンサを構成することができる。
【００１３】
荷重分散板は複数のエレメントに亘って設けてもよいが、荷重分散板を各エレメントに分割して配置する形態も可能である。この場合、荷重分散板を分割して配置したエレメントのそれそれで、本発明の効果を得ることができる。ただし、荷重分散板を分割することは、本発明の効果を生じさせるための必須の要件ではない。荷重分散板が複数に分割されている場合は、各荷重分散板には１以上のエレメントが含まれていればよい。
【００１４】
以下、図と共に本発明の実施の形態を説明する。
（実施例１）
図１は、本発明による力覚センサの実施例１の構造を説明する図である。図１（ａ）は力覚センサ１０１の上面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ’断面図、図１（ｃ）はＢ−Ｂ’断面図、図１（ｄ）はＣ−Ｃ’断面図である。なお、力覚センサ１０１のなかに同一構成が複数ある場合の記載は、上電極１０９ａ、１０９ｂのように記載する。一方、区分しない場合は、上電極１０９のように記載する。
【００１５】
基板１０２は、単結晶シリコンの板材料であり、基板１０２の上に絶縁層１０３が形成されている。絶縁層１０３は、基板１０２を構成する単結晶シリコンを熱酸化することで成膜できる。絶縁層１０３の上には、下電極１０４が形成されている。下電極１０４はＡｌの真空蒸着などにより形成できる。メンブレン層１０５はプラズマＣＶＤ法による窒化シリコン膜あるいは酸化シリコン膜であり、その一部が、下電極１０４に対向して、ギャップ１０６を介して支持されている。このようなメンブレン層１０５の構造は、ギャップ１０６と同等の形状のＣｒ層を始めに形成し、Ｃｒ層の上にメンブレン層１０５を成膜したのちに、Ｃｒ層をエッチングにより除去することで形成できる。メンブレン層１０５の中で、特に、ギャップ１０６上の部分をメンブレン１０７と記し、ギャップ１０６の側壁となる部分を側壁部１０８と記す。側壁部は、メンブレン１０７を含む可動部を可動に支持する支持部をなす部分である。なお、側壁部１０８は、背景技術で説明したスペーサと同機能の部分である。上電極１０９はメンブレン層１０５上に形成された電極で、Ａｌの真空蒸着などにより形成できる。
【００１６】
図１（ａ）の例では、ギャップ１０６は、上から見て円形状であり、その典型的な直径は１０マイクロメートルから数１００マイクロメートルである。また、メンブレン１０７の典型的な厚さは１００ナノメートルから数マイクロメートル、上電極１０９の典型的な厚さは１０ナノメートルから数マイクロメートルである。従って、メンブレン１０７は、上電極１０９とともに可撓性を有する。これらの直径や厚さの寸法の範囲は一例であり、これらに限定されない。
【００１７】
１つのギャップ１０６を構成している周囲部分である下電極１０４、メンブレン１０７、上電極１０９は、荷重を検出する素子の最小の構成単位である。これをセルとよぶ。図１の例では、全てのセルの下電極１０４は、電気的に接続されている。一方、上電極１０９は、その一部同士が上電極配線１１０によって電気的に接続されている。具体的には、上電極１０９ａは、上電極配線１１０ａによって接続されている。同様に上電極１０９ｂは上電極配線１１０ｂによって、上電極１０９ｃは上電極配線１１０ｃによって、上電極１０９ｄは上電極配線１１０ｄによって、それぞれ接続されている。図１では９つのセルが電気的に接続されているが、接続できるセルの数に限定はない。上電極配線１１０は、Ａｌの真空蒸着などにより形成でき、上電極１０９と同一の工程で形成できる。
【００１８】
上電極同士が接続されたセルの集合をエレメントとよぶ。エレメントは、複数の可変コンデンサが並列接続されたものであり、荷重の最小検出単位である。図１は４つのエレメントで構成した例を示す。それぞれのエレメントを、１３２ａ、１３３ｂ、１３３ｃ、１３３ｄとする。上述した様に、同一のエレメントでは、下電極と上電極はそれぞれ互いに電気的に接続されている。また、異なるエレメントの間では、下電極と上電極のうちの少なくとも一方は電気的に分離されている。
【００１９】
上電極１０９は、エレメント毎に、引き出し配線１１１を介してパッド１１２に引き出される。下電極１０４は、下電極引き出し配線１１３を介してパッド１１４に接続される。パッド１１４上のメンブレン層１０５には開口部１１５があり、パッド１１４の表面が外部に露出している。また、基板１０２の上には、パッド１１６が形成されている。パッド１１６は、基板１０２を電気的に接続するために設けられる。パッド１１６をグランド等の基準電位に接続することで、基板１０２の電位が安定し、外部からの電気ノイズに対して力覚センサ１０１を強くすることができる。パッド１１６上の絶縁層１０３には開口部１１７があるとともに、メンブレン層１０５には開口部１１８があり、パッド１１６の表面が外部に露出している。パッド１１２、１１４、１１６は、予め絶縁層１０３とメンブレン層１０５に必要な開口部を形成しておくことで、上電極１０９を形成するＡｌの真空蒸着と同一の工程で形成できる。
【００２０】
基板１０２は、デバイスボード１１９上に固定されている。デバイスボード１１９上には、パッド１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、１２１、１２２が、パッド１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ、１１４、１１６のそれぞれと水平的なレベルで対向するように設けられている。これらの組は、ワイヤボンド１２３ａ、１２３ｂ、１２３ｃ、１２３ｄ、１２４、１２５を介して互いに接続されている。これらワイヤボンドの周辺には、保護部材１２６が設けられており、外部環境より受ける損傷の可能性を低減している。
【００２１】
セルが配置されている領域の上面には、弾性体１２７ａ、１２７ｂ、１２７ｃ、１２７ｄが形成され、さらに上面には、荷重分散板１２８が配置される。荷重分散板１２８は板状の部材であり、上面が把持力を受ける面となる。荷重分散板１２８は、上面が曲面などになっている構成もあり得る。また、荷重分散板１２８の上にさらに部材を設けて、センサ表面の摩擦係数を調整したり、センサ表面の劣化対策として、表面材料を容易に交換できるようにしたりする構成もあり得る。
【００２２】
弾性体１２７の機能は、メンブレン１０７の変形形状に追従し、荷重分散板１２８からの荷重を伝播することにある。メンブレンの周辺部を支持する側壁部１０８は、下電極１０４の直上に形成されるため、荷重による変形は困難である。よって、メンブレン１０７の変形は、周辺部の形状が維持されたまま中心部が凹形状となる。弾性体１２７は、自らが変形することにより、メンブレン１０７の変形に追従し、荷重分散板１２８からの荷重を伝播する。同時に弾性体１２７は、荷重分散板１２８と基板１０２上の構造体とを接着する機能を有する。
【００２３】
弾性体１２７は、荷重伝播材の観点から側壁部１０８よりも荷重に対して変形しやすい材料が良い。すなわち、側壁部１０８の窒化シリコン膜あるいは酸化シリコン膜のヤング率よりも小さいヤング率を有する材料が適している。これらの特性を満たし、かつ接着剤としての機能を有する材料の例としては、シリコーンゴムやＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）、ＰＤＭＳ（ジメチルポリシロキサン）、ウレタンゴム、エポキシなどがある。また、荷重分散板１２８は、弾性体１２７より高いヤング率を有する材料が適している。弾性体１２７より硬い表面材料で荷重を受けることで、荷重の分散効果を得ることができる。
【００２４】
駆動回路１２９と、パッド１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、１２１、１２２とは互いに電気的に接続されている。駆動回路１２９の機能は、パッド１２１、１２２の基準電位を与えること、パッド１２１に対する、パッド１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄの各容量の大きさを検出することである。この検出結果は、各エレメントにおける容量の大きさを表す。駆動回路１２９内の電気的な信号は、配線群１３０により接続されたコネクタ１３１を介して、センサ外部とやり取りが可能である。基準電位は、外部より力覚センサ１０１に入力され、また容量信号は、力覚センサ１０１より外部に出力される。
【００２５】
図２は、荷重分散板１２８の上面に加わる把持力と、エレメント１３２ａ、１３３ｂ、１３３ｃ、１３３ｄに加わる荷重との関係を説明する図である。図２は、荷重分散板１２８を斜め上方より見た図であり、斜線部の領域が、エレメント１３２の上面すなわちメンブレン１０７や上電極１０９が形成された面である。Ｆｔは、荷重分散板１２８に加わる把持力である。把持力Ｆｔは、弾性体１２７ａ、１２７ｂ、１２７ｃ、１２７ｄを介して、エレメント１３２ａ、１３３ｂ、１３３ｃ、１３３ｄに伝播する。各エレメントの荷重をＦａ、Ｆｂ、Ｆｃ、Ｆｄとすると、これらの合計は把持力Ｆｔと等しい。
Ｆｔ＝Ｆａ＋Ｆｂ＋Ｆｃ＋Ｆｄ        （１）
【００２６】
以上のように、荷重分散板１２８の機能の１つは、把持力Ｆｔを各エレメントに分配することであるが、別の機能としては、同一のエレメントに属するメンブレン間の荷重をより均一にすることがある。例えば、エレメント１３２ａに属するメンブレン１０７ａのそれぞれに加わる荷重を均一にすることである。エレメント内の荷重を均一にすることで、メンブレンの一部のみに荷重されることを防ぐ。
【００２７】
なお、基板１０２の上に、エレメントを１つだけ設けて、その上に、弾性体１２７、さらに、荷重分散板１２８を重ねた構造によっても、エレメント内の荷重を均一にする効果を得ることができる。本実施例のように複数エレメントで構成して、各エレメント間を荷重分散板１２８で跨ぐように構成することで、１つのエレメントの面積に比べてセンサ面積を大きく取ることが可能となる。
【００２８】
本発明の力覚センサの特徴の１つは、少なくとも１つのセルを電気的に接続して１つのエレメントとして機能させることで、荷重に対する各メンブレンの変形を小さくするという点である。以下にその原理を説明する。
【００２９】
図３は、本発明の力覚センサのメンブレンの変形量と、メンブレンの形状や荷重との関係を説明する図である。図３（ａ）はメンブレンの断面図である。メンブレン３０１は、図１におけるメンブレン１０７と上電極１０９とを合成して表現したものであり、合成したヤング率をＥ、ポアソン比をνとする。メンブレン３０１は側壁部１０８によりＮ個に分割支持されている。
【００３０】
図３（ｂ）に示されるように、セルすなわちメンブレン３０１の上面の形状は円形とし、一辺の長さが２Ａの正方形のエレメント内に一辺あたりＮ個に分割されて正方格子状に配置されるものとする。図３（ｃ）は、Ｎ分割されたメンブレンのうちの１つの部分の断面図である。
【００３１】
このとき、センサの面積すなわち荷重に対して感度のある領域の面積をＳ、メンブレン３０１の半径をａとする。エレメントに荷重Ｆが均等に印加された時にメンブレン３０１に加わる圧力Ｐは、以下の式で表される。
Ｓ＝４Ａ２                      （２）
ａ＝Ａ／Ｎ                      （３）
Ｐ＝Ｆ／Ｓ＝Ｆ／（２Ａ）２        （４）
【００３２】
圧力Ｐによる、メンブレン３０１の中心から半径方向に距離ｒ離れた点での変形量δは、メンブレン厚さをtとすると、次の式で表される。
δ＝３／１６・（（１−ν２）／（Ｅ・ｔ３））・（（Ａ／Ｎ）２−ｒ２）２・Ｐ    （５）
式（５）においては、変形量δが最大となるのはｒ＝０すなわちメンブレン３０１の中心部であり、これをδmaxとすると、次の式が得られる。
δmax＝３／１６・（（１−ν２）／（Ｅ・ｔ３））・（Ａ／Ｎ）４・Ｐ    （６）
式（６）により、エレメントを縦横でそれぞれＮ分割することにより、メンブレンの変形量δmaxは、次の式のごとく分割数Ｎの４乗に反比例して小さくなることがわかる。
δmax∝１／Ｎ４      （７）
以上の理由により、荷重Ｆに対するメンブレンの変形量δが小さい力覚センサが実現できる。
【００３３】
なお、基板１０２としては、単結晶シリコン材料以外に、ガラス基板がある。基板１０２を絶縁性の材料で構成した場合は、絶縁体１０３は省略することも可能である。絶縁層１０３は、単結晶シリコンの熱酸化による形成以外に、プラズマＣＶＤ法による酸化シリコン膜や窒化シリコン膜の堆積、あるいは低圧ＣＶＤ法による窒化シリコン膜の堆積でも形成できる。下電極１０４、上電極１０７、上電極配線１１０は、Ａｌの真空蒸着以外に、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉの真空蒸着や、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉのスパッタにより形成することも可能である。これらの材料を多層構造にすることも可能である。多層構造にした場合、密着性向上や膜応力制御性の向上が期待できる。基板１０２の導電性を下電極として利用する場合は、下電極１０４を省略し、基板１０２を下電極として使用することもできる。ギャップ１０６の平面形状は、図１（ａ）に示した円形状の他に、三角形、四角形、多角形の形状もあり得る。図１では、正方形のエレメントに対して均等の幅にセルを複数した場合を説明したが、セルの異なるものを配置した場合や、エレメントの平面形状が多角形や円形状、あるいは多角形と円形状とを組み合わせた形状でも、本発明の効果を得ることができる。また、ギャップ１０６は、全てのセルのギャップ１０６が空間的に独立している必要はなく、その一部あるいは全部が通路を介して空間的に接続していてもよい。
【００３４】
（実施例２）
図４は本発明の力覚センサの実施例２の構造を説明する図である。図４（ａ）は力覚センサ４０１の上面図、図４（ｂ）はＡ−Ａ’断面図、図４（ｃ）はＢ−Ｂ’断面図、図４（ｄ）はＣ−Ｃ’断面図である。ここでも、力覚センサ４０１のなかに同一構成が複数ある場合の記載は、上電極４０８ａ、４０８ｂのように記載する。一方、区分しない場合は、上電極４０８のように記載する。
【００３５】
基板４０２は、導電性を有する単結晶シリコンの板材料であり、下電極としての機能を有する。基板４０２の上に絶縁層４０３が形成されている。絶縁層４０３は、基板４０２を構成する単結晶シリコンを熱酸化することで成膜できる。絶縁層４０３の一部には、ポスト４０４が形成されている。ポスト４０４は背景技術で説明したスペーサと同等である。
【００３６】
メンブレン層４０５は単結晶シリコン膜であり、その一部がポスト４０４を介して、絶縁層４０３に接続している。図４（ｂ）に示すように、ポスト４０４が無い部分は、絶縁層４０３とメンブレン層４０５との間にはギャップ４０６がある。このようなメンブレン層４０５の構造は、以下の方法で作ることができる。まず、基板４０２を熱酸化して、酸化シリコン膜を形成した後に、酸化シリコン膜の一部をギャップ４０６の形状にエッチングして除去し、ポスト構造を形成する。この基板を再度熱酸化することで、ギャップ４０６の底部の絶縁層４０３を形成する。これらポスト４０４が形成された面に、別途準備したＳＯＩ基板のＳＯＩ層面を直接接合により貼りつけ、ＳＯＩ基板のハンドル層とボックス層をエッチングにより除去することで、メンブレン層４０５の構造が得られる。メンブレン層４０５の中で、ギャップ４０６上の部分をメンブレン４０７と記す。
【００３７】
上電極４０８は、メンブレン層４０５上に形成された電極で、Ａｌを真空蒸着することにより形成できる。図４（ａ）では、ギャップ４０６は円形状の例であり、その典型的な直径は１０マイクロメートルから数１００マイクロメートルである。メンブレン４０７の典型的な厚さは１００ナノメートルから数マイクロメートル、上電極の典型的な厚さは１０ナノメートルから数マイクロメートルである。従って、メンブレン４０７は、上電極４０８とともに可撓性を有する。これらの直径や厚さの寸法の範囲は一例であり、これらに限定されるわけではない。１つのギャップ４０６に構成されているメンブレン４０７、上電極４０８は、荷重を検出する素子の最小の構成単位であるセルである。図４（ａ）の構成例では、基板４０２に、２つのエレメントを配置している。それぞれのエレメントを、４２４ａ、４２４ｂと記す。
【００３８】
図４の例では、下電極は導電性を有する基板４０２で構成されているため、全てのセルが電気的に接続されている。また、複数あるセルのうち一部は、上電極間が電気的に接続されている。これらのセルの集合がエレメントである。図４では、上電極４０８ａを上電極とするセルの集まりが１つのエレメントであり、上電極４０８ｂを上電極とするセルの集まりが他のエレメントとなる。このように、複数のセルを電気的に接続して１つのエレメントを構成する。エレメントは複数の可変コンデンサが並列接続されたものであり、荷重の最小検出単位となる。
【００３９】
上電極４０８ａ、４０８ｂは、引き出し配線４０９ａ、４０９ｂを介してパッド４１０ａ、４１０ｂに引き出される。基板４０２の上には、パッド４１１が形成されている。パッド４１１は基板４０２を電気的に接続するために設けられ、その効果は実施例１のパッド１１６と同等である。パッド４１１上の絶縁層４０３には開口部４１２があり、パッド４１１の表面が外部に露出している。
【００４０】
基板４０２は、デバイスボード４１３上に固定されている。デバイスボード４１３上には、パッド４１４ａ、４１４ｂ、４１５が、パッド４１０ａ、４１０ｂ、４１１のそれぞれと対向するように設けられていて、ワイヤボンド４１６ａ、４１６ｂ、４１７を介して互いに接続されている。これらワイヤボンド４１６の周辺には、保護部材４１８が設けられており、外部環境より受ける損傷の可能性を低減している。
【００４１】
セルが配置されている領域の上面には、弾性体４１９が形成され、さらに上面には、荷重分散板４２０が配置される。弾性体４１９は実施例１の弾性体１２７と同等である。すなわち、弾性体４１９の機能は、メンブレン４０７の変形形状に追従し、荷重分散板４２０からの荷重を伝播することにある。メンブレン４０７の周辺部を支持するポスト４０４は、絶縁層４０３の直上に形成されるため、荷重による変形は困難である。よって、メンブレン４０７の変形は、周辺部の形状が維持されたまま中心部が凹形状となる。弾性体４１９は、自らが変形することにより、メンブレン４０７の変形に追従し、荷重分散板４２０からの荷重を伝播する。同時に弾性体４１９は、荷重分散板４２０と基板４０２上の構造体とを接着する機能を有する。
【００４２】
駆動回路４２１、パッド４１４ａ、４１４ｂ、４１５、配線群４２２、コネクタ４２３は、実施例１の駆動回路１２９、パッド１２０ａ、１２０ｂ、１２１、配線群１３０、コネクタ１３１と同等である。また、荷重分散板４２０、弾性体４１９ａ、４１９ｂ、エレメント４２４ａ、４２４ｂは、実施例１の荷重分散板１２８、弾性体１２７ａ、１２７ｂ、エレメント１３２ａ、１３２ｂと同等である。実施例１の式（１）すなわち荷重分散板４２０の上面に加わる把持力Ｆｔとエレメント４２４ａ、４２４ｂの各エレメントに伝播する荷重Ｆａと荷重Ｆｂとの合計は、把持力Ｆｔと等しい。
Ｆｔ＝Ｆａ＋Ｆｂ      （２）
【００４３】
また、荷重分散板４２０が、同一のエレメントに属するメンブレン間の荷重を均一にすること、１つのエレメントを複数のセルで構成することにより、荷重に対するメンブレン変形を小さくすることができる理由は、実施例１の説明と同様である。実施例１と実施例２との主な相違点は、セルないしエレメントの作製方法にある。
【００４４】
（実施例３）
図５は本発明の力覚センサの実施例３の構造を説明する図である。図５（ａ）は力覚センサ５０１の上面図、図５（ｂ）はＡ−Ａ’断面図、図５（ｃ）はＢ−Ｂ’断面図、図５（ｄ）はＣ−Ｃ’断面図である。ここでも、力覚センサ５０１のなかに同一構成が複数ある場合の記載は、上電極５０９ａ、５０９ｂのように記載する。一方、区分しない場合は、上電極５０９のように記載する。
【００４５】
図５の力覚センサの基板５０２は、基板５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃ、５０２ｄの４つで構成され、各基板上にセンサ構造が設けられている。基板５０２は単結晶シリコンの板材料であり、基板５０２の上に絶縁層５０３が形成されている。絶縁層５０３は基板５０２を構成する単結晶シリコンを熱酸化することで成膜できる。
【００４６】
絶縁層５０３の上には、下電極５０４が形成されている。下電極５０４はＡｌの真空蒸着により形成できる。メンブレン層５０５はプラズマＣＶＤ法による窒化シリコン膜あるいは酸化シリコン膜であり、その一部が、下電極５０４に対向して、ギャップ５０６を介して支持されている。このようなメンブレン層５０５の構造は、ギャップ５０６と同等の形状のＣｒ層を始めに形成し、Ｃｒ層の上にメンブレン層５０５を成膜したのちに、Ｃｒ層をエッチングにより除去することで、構成できる。メンブレン層５０５の中で、特に、ギャップ５０６上の部分をメンブレン５０７、ギャップ５０６の側壁となる部分を側壁部５０８と記す。上電極５０９は、メンブレン層５０５上に形成された電極で、Ａｌの真空蒸着により形成できる。
【００４７】
図５（ａ）では、ギャップ５０６は円形状の例であり、その典型的な直径は１０マイクロメートルから数１００マイクロメートルである。また、メンブレン５０７の典型的な厚さは１００ナノメートルから数マイクロメートル、上電極５０９の典型的な厚さは１０ナノメートルから数マイクロメートルである。従って、メンブレン５０７は、上電極５０９とともに可撓性を有する。これらの直径や厚さの寸法の範囲は一例であり、これらに限定されない。
【００４８】
本実施例においても、素子の最小の構成単位であるセル、荷重の最小検出単位であるエレメントの各部には、実施例１のものと同様の関係がある。対応のみを説明すると、力覚センサ５０１、ギャップ５０６、メンブレン５０７、上電極５０９、上電極配線５１０は、それぞれ、力覚センサ１０１、ギャップ１０６、メンブレン１０７、上電極１０９、上電極配線１１０に対応する。
【００４９】
本実施例では、基板５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃ、５０２ｄの各基板には、それぞれ１つのエレメントが設けられる。各エレメントに属する上電極５０９は、引き出し配線５１１を介してパッド５１２に引き出される。下電極５０４は、下電極引き出し配線５１３を介してパッド５１４に接続される。パッド５１４上のメンブレン層５０５には開口部があり、パッド５１４の表面が外部に露出している。また、基板５０２の上には、パッド５１５が形成されている。パッド５１５上の絶縁層５０３、メンブレン層５０５には開口部があり、パッド５１５の表面が外部に露出している。パッド５１５は基板５０２を電気的に接続するために設けられ、その役割は、実施例１のパッド１１６と同等である。パッド５１２、５１４、５１５は、予め絶縁層５０３とメンブレン層５０５に必要な開口部を形成しておくことで、上電極５０９を形成するＡｌの真空蒸着と同一の工程で形成できる。
【００５０】
基板５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃ、５０２ｄの各基板は、デバイスボード５１６上に固定されている。デバイスボード５１６上には、パッド５１７ａ〜５１７ｄ、５１８ａ〜５１８ｄ、５１９ａ〜５１９ｄが、基板５０２上のパッド５１２ａ〜５１２ｄ、５１４ａ〜５１４ｄ、５１５ａ〜５１５ｄのそれぞれと対向するように設けられている。そして、ワイヤボンド５２０ａ〜５２０ｄ、５２１ａ〜５２１ｄ、５２２ａ〜５２２ｄを介して互いに接続されている。これらワイヤボンドの周辺には、保護部材５２３ａ、５２３ｂ、５２３ｃ、５２３ｄが設けられており、外部環境より受ける損傷を低減している。
【００５１】
セルが配置されている領域の上面には、弾性体５２４ａ、５２４ｂ、５２４ｃ、５２４ｄが形成され、さらに上面には、荷重分散板５２５が配置される。荷重分散板５２５、弾性体５２４ａ〜５２４ｄの機能は、実施例１の荷重分散板１２８、弾性体１２７ａ〜１２７ｄと同等である。駆動回路５２６と、パッド５１７ａ〜５１７ｄ、５１８ａ〜５１８ｄ、５１９ａ〜５１９ｄとは互いに電気的に接続されている。駆動回路５２６の機能は、パッド５１８ａ〜５１８ｄ、５１９ａ〜５１９ｄに基準電位を与えること、パッド５１８ａ〜５１８ｄに対するパッド５１７ａ〜５１７ｄの各容量の大きさを検出することである。駆動回路５２６内の電気的な信号は、配線群５２７により接続されたコネクタ５２８を介して、センサ外部とやり取りが可能である。基準電位は、外部より力覚センサ５０１に入力され、また容量信号は、力覚センサ５０１より外部に出力される。
【００５２】
本実施例では、基板５０２が分割されているため、センサ中央部において、デバイスボード５１６と荷重分散板５２５との間に空間を設けることができる。この空間に駆動回路５２６、配線群５２７、コネクタ５２８を設けることで、デバイスボード５１６の面積を有効に使用して、小さくすることができる。本実施例では図１の実施例１の構成を適用したが、図４の実施例２の構成を本実施例に適用することもできる。
【００５３】
（実施例４）
図６は、本発明の力覚センサを用いて把持装置を構成した実施例を示す。ハンド６０１にはフィンガ６０２が複数設けられている。フィンガ６０２は並進運動あるいは回転運動が可能な機構となっていて、複数あるフィンガ６０２の間隔が変化することで、ワーク６０５を把持する機構となっている。複数あるフィンガ６０２のうち１つには、取扱いの対象物であるワーク６０５が接触する位置に力覚センサ６０３が設けられている。力覚センサ６０３は実施例１から実施例３に示したものなどが利用可能である。フィンガ６０２のうち、力覚センサ６０３が設けられないものには、パッド６０４が設けられる。パッド６０４は力覚センサ６０３と同様にワーク６０５と接触する位置に設けられている。
【００５４】
パッド６０４の役割は、フィンガ６０２の表面形状、摩擦係数、弾性率などを、力覚センサ６０３が設けられたフィンガと同様なものにすることにある。このため、例えば、実施例１の荷重分散板１２８と同じ材料を用いるとよい。図６は、力覚センサ６０３が複数あるフィンガのうちの１つのみに設けられた例を示しているが、複数のフィンガに設けてもよい、この場合は、複数のセンサ出力を比較することで、ワークの把持位置の偏心など、ワークの把持姿勢の検出ができる。
【００５５】
また、フィンガ６０２による把持動作は、図６の例では、フィンガ６０２間の距離が狭くなることでワーク６０５を把持する場合を説明した。しかし、その他に、円環形状の内側に複数のフィンガを入れた後にフィンガ間の距離を広げて把持する動作、フィンガにワークを接触させてずれ動かすような動作などにも、力覚センサ６０３は利用できる。すなわち、広い意味で対象物を取扱うための装置にも力覚センサは利用できて、力覚センサからの対象物との接触荷重に係わる信号を用いて対象物に対する取扱いを制御することができる。これらの場合も、フィンガとワークとの間に力覚センサ６０３を配置すればよい。ワークないし対象物は、ある程度の剛性を有する固体などの有形物であり、金属片、風船の如きもの、ゼリー状物、生物など、種々であり得る。
【００５６】
力覚センサ６０３の出力は、センサ回路６０６を介して電気信号に変換される。センサ回路６０６は、力覚センサの上下電極間の静電容量を検出する回路である。例えば、好適例として、交流の電圧信号を力覚センサ６０３に印加する発振回路、力覚センサに流れる電流を電圧信号に変換する検出回路、検出回路の出力（交流電圧信号）の包絡線を検出する検波回路からなる。ただし、原理的な構成としては、交流電圧を印加する発振回路、力覚センサの上電極と下電極との間に流れる電流の大きさを検出する回路を含めばよい。交流の電圧信号の周波数は、ギャップ上の上電極を含む可動部の固有周波数から十分に離れた周波数であるのが好ましい。これにより、可動部は実質的に振動しないで、ワークの状態（力覚センサに対して静止状態または動的状態）にかかわらずワークの接触荷重を精度良く検出することができる。
【００５７】
センサ回路６０６の出力は比較器６０７に入力される。比較器６０７には把持力の目標値（把持力トルク信号）が入力され、把持力の目標値からセンサ回路６０６の出力値（把持力の現在値を表す）を減算した値すなわち偏差量がコントローラ６０８に出力される。コントローラ６０８では、入力された偏差量に応じてハンド６０１のフィンガ６０２を駆動する信号（把持力の指令値）を生成・決定する。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、接触荷重などの大きさやその分布を検出する力覚センサなどに用いることができる。
【符号の説明】
【００５９】
１０１・・力覚センサ、１０４・・下電極、１０８・・支持部（側壁部、ポスト、スペーサ）、１０６・・ギャップ、１０７・・メンブレン（可動部）、１０９・・上電極（可動部）、１２７・・弾性層（弾性体）、１２８・・荷重分散板、６０１・・ハンド、６０２・・フィンガ
【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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