(57)【要約】【課題】接触荷重の大きさなどを検出する力覚センサの受圧面の上方向に、電気配線を引き出すための部分などが突出することを抑制する技術を提供すること。【解決手段】力覚センサ１０１において、セルが基板１０２の一面に形成され、基板１０２の一面に対して実装部材１１９の一面が接着されている。基板１０２の一面の反対側の他方の面、或いは実装部材１１９の一面の反対側の他方の面、或いは基板１０２の一面の反対側の他方の面に配置される荷重分散板４２２の上面、が受圧面１２４とされている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接触荷重検出用のセルが基板の一面に形成され、前記基板の一面に対して実装部材の一面が接着され、
前記基板の一面の反対側の他方の面、或いは前記実装部材の一面の反対側の他方の面、或いは前記基板の一面の反対側の他方の面に配置される荷重分散板の上面、が荷重を受ける受圧面となっていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項２】
前記セルは、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を含むセルであ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】
前記支持部は、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２に記載の力覚センサ。
【請求項４】
前記セルは複数設けられ、２つ以上の前記セルの上電極が互いに電気的に接続され、２つ以上の前記セルの下電極が互いに電気的に接続されることで、前記２つ以上のセルが電気的に並列接続された１つのエレメントを形成し、前記エレメントは１つ以上設けられていることを特徴とする請求項２または３に記載の力覚センサ。
【請求項５】
前記接着を行う層が、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、エポキシのうちの少なくとも１つを含む弾性体であ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】
前記実装部材は、ガラスエポキシまたは紙エポキシまたは紙フェノールまたはテフロン（登録商標）またはセラミックで作製された回路基板または基板であることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の力覚センサ。
【請求項７】
前記実装部材は、金属材または木材で形成されていることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の力覚センサ。
【請求項８】
前記基板は、単結晶シリコン材料の基板またはガラス基板であ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】
前記受圧面の上に、酸化シリコン、窒化シリコン、ゴム、金属、ガラス材のうちの少なくとも１つで形成された膜が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】
前記上電極と前記下電極の一方は第１の基準電位に接続され、前記上電極と前記下電極の他方は直流抵抗器を介して第２の基準電位に接続され、
前記直流抵抗器に接続された前記他方の電極の電位の変化速度を検出することにより、前記セルの静電容量を検出する回路を有することを特徴とする請求項２から４の何れか１項に記載の力覚センサ。
【請求項１１】
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有することを特徴とする請求項２から４の何れか１項に記載の力覚センサ。
【請求項１２】
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１１に記載の力覚センサ。
【請求項１３】
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１２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１４】
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１２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１５】
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１４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。この方式の一構成例では、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】
これらセル構造は、シリコンなどの半導体や、ガラス等の材料からなるセンサ基板の上に、半導体プロセスを用いて形成することができる。これをセンサチップと呼ぶ。センサチップには、セル構造に加えて、上電極や下電極をセンサチップ外に設けられた電気回路に配線するための電気パッドが設けられる。セル構造と電気パッドとは、同一の製造プロセスで一括に形成することができる。この場合は、セル構造と電気パッドとは同一のセンサ基板面に形成される。
【０００５】
チップ基板上の電気パッドからは、プリント基板、あるいはフレキシブル基板上の電気パッドに対して配線が引き出される。配線引き出しの方法は、特許文献１に開示があるように、ボールボンディングで引き出す方法、ワイヤボンディングで引き出す方法がある。いずれの配線引き出し方法も、電極パッドに対して上方向に配線を引き出す必要があり、配線引き出し部が電極パッドに対して突出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４９６９８２２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
力覚センサの受圧面の周辺は、荷重の伝達機構に係らない構造部材が受圧面より突出していないことが望まれる。受圧面の周辺に凸部がある場合、そこに固体等が接触することで接触荷重が分散し、接触荷重の測定誤差の要因になるためである。しかしながら、従来の力覚センサでは、受圧面と同じ面の電気パッドから電気配線を引き出すため、引き出し部がセンサの受圧面の上方向に突出するということがある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題に鑑み、本発明の力覚センサは、接触荷重検出用のセルが基板の一面に形成され、前記基板の一面に対して実装部材の一面が接着され、前記基板の一面の反対側の他方の面、或いは前記実装部材の一面の反対側の他方の面、或いは前記基板の一面の反対側の他方の面に配置される荷重分散板の上面、が荷重を受ける受圧面となっている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の力覚センサでは、受圧面とは異なる面に設けられた電気パッドなどから、電気配線を引き出すことができるため、引き出し部がセンサの受圧面の上方向に突出することが防止ないし抑制される。
【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】本発明の把持装置を説明する図である。
【図７】駆動回路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、力覚センサの検出素子を、基板の一面に１以上設けた接触荷重検出用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、前記基板の一面に実装部材の一面が接着され、前記基板の一面の反対側の他方の面、或いは前記実装部材の一面の反対側の他方の面が、接触荷重を受ける受圧面とされている。または、前記基板の一面の反対側の他方の面に配置される荷重分散板の上面が荷重を受ける受圧面となっている。これにより、接触荷重の大きさなどを検出する力覚センサの受圧面の周辺部に、凸部が形成されることを防止ないし抑制している。前記セルは、典型的には、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を含む静電容量型のセルである。しかしながら、圧電型などのセルを用いることもできる。
【００１２】
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の上面図であり説明のために透視図を用いている。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。また、基板１０２からみて、メンブレン層１０５方向を上方向と定め、下電極１０４、上電極１０９の上下関係を規定する。よって、図面の上下方向と、実際の電極の上下方向とは、必ずしも一致しない。
【００１３】
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。
【００１４】
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。このため、メンブレン１０７は、上電極１０９とともに可撓性を有する。ただし、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。
【００１５】
１つのギャップ１０６を形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。
【００１６】
上電極同士が接続された１以上の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、荷重出力の最小単位である。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、１２９ａ、１２９ｂ、１２９ｃ、１２９ｄとする。上述した様に、同一のエレメントに属するセルでは、下電極は互いに電気的に接続され、下電極も互いに電気的に接続される。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。
【００１７】
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。
【００１８】
図１（ｂ）に図示されるように、基板１０２のエレメント１２９ａの下面は、弾性体１２３ａによって実装部材であるデバイスボード１１９に接着されている。同様に、エレメント１２９ｂ、１２９ｃ、１２９ｄの下面は、弾性体１２３ｂ、１２３ｃ、１２３ｄによってデバイスボード１１９に接着されている。このように、本実施例の力覚センサは、基板１０２のセル構造が形成された面とデバイスボード１１９の一面とが接着されている。図１（ｂ）において、荷重を受ける面（受圧面１２４）は、基板１０２の上面（セル構造が形成された面の反対側の面）である。センサの受圧面１２４の荷重は、基板１０２を介して弾性体１２３、デバイスボード１１９に伝播する。
【００１９】
メンブレン１０７は、受圧面１２４に加わる荷重により撓み変形を生じる。このとき弾性体１２３は、メンブレンの変形形状に追従し、基板１０２の荷重をデバイスボード１１９に伝播させる機能を担う。メンブレン１０７の周辺部を支持する側壁部１０８は、下電極１０４の直上に形成されているため、前記荷重による変形は困難である。よって、メンブレン１０７の変形形状は、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１２３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、基板１０２からの荷重を伝播する。同時に、弾性体１２３は、基板１０２とデバイスボード１１９とを接着する接着層の機能を有する。
【００２０】
弾性体１２３は、上記の荷重伝播機能を果たすためには、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。すなわち、前記接着を行う層は、好適には、シリコーンゴム、ＥＰＤＭ、ＰＤＭＳ、ウレタンゴム、エポキシのうちの少なくとも１つを含む弾性体である。
【００２１】
デバイスボード１１９は、ガラスエポキシまたは紙エポキシまたは紙フェノールまたはテフロン（登録商標）またはセラミックで作製された回路基板または基板である。また、デバイスボード１１９は、金属材または木材で形成されてもよい。デバイスボード１１９上には、パッド１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、１２１、１２２が、基板１０２のパッド１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ、１１４、１１６と対向する位置に設けられている。基板１０２上のパッドとデバイスボード１１９上のパッドとの間には、導電材１２５が設けられている。導電材１２５は、金属粒子を含む樹脂である。導電材１２５の樹脂中の金属粒子の配置密度は、図１の断面方向が平面方向（基板の面方向）に比べて高くなっている。このため断面方向には電気抵抗が低く、平面方向には電気抵抗が高い。
【００２２】
よって、導電材１２５によって、パッド１１２ａとパッド１２０ａとは電気的に接続されるが、パッド１１２ａに対して、その他のパッドが電気的に接続されることはない。同様に、パッド１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ、１１４、１１６は、それぞれ、パッド１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、１２１、１２２に電気的に接続される。このような導電材１２５の構造は、樹脂中に金属粒子を均一に分散させたものを、導通を取る方向に圧縮することで作ることができる。また、予め導電方向が決められているフィルム状の導電部材を用いても同じような構成が可能である。また、等方性の導電材料を、接続する電極毎に個別に形成しても電気的に接続することが可能である。すなわち、等方性の導電材料を、接続する電極（パッド）と電極（パッド）との間に形成し、電気的に接続することができる。等方性の導電材料を用いる場合は、絶縁をとる電極間は、電気的に接続しないように導電材料を空間的に分離して設ける。
【００２３】
駆動回路１２６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１２６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１２６内の電気的な信号は、配線群１２７により接続されたコネクタ１２８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。
【００２４】
図２は、基板１０２の上面に加わる把持力と、エレメント１２９ａ、１２９ｂ、１２９ｃ、１２９ｄに加わる荷重との関係を説明する図である。図２は、基板１０２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１２９の下面すなわち下電極１０４が形成された面である。
【００２５】
基板１０２に加わる把持力をＦｔとする。把持力Ｆｔは、エレメント１２９ａ、１２９ｂ、１２９ｃ、１２９ｄおよび弾性体１２３ａ、１２３ｂ、１２３ｃ、１２３ｄ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、基板１０２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一様にすることがある。例えば、エレメント１２９ａに属するメンブレン１０７ａのそれぞれに加わる荷重を一様にすることである。エレメント内の荷重を一様にすることで、メンブレン一部のみが撓むことを防ぐ。なお、基板１０２の上に、エレメントを１つだけ設けて、弾性体１２３、デバイスボード１１９を重ねた構造によっても、エレメント内の荷重を一様にする効果は得られる。
【００２７】
本実施例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、荷重に対するメンブレン変形を小さくできる点である。以下にその原理を説明する。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
このとき、メンブレン３０１の半径をａとすると、次の式で表される。
ａ＝Ａ／Ｎ                      （２）
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に加わる圧力をＰとする。圧力Ｐと荷重Ｆとの関係は、次の式で表される。
Ｆ／（２Ａ）２＝Ｐ        （３）
【００３１】
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（４）
式（４）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  （５）
式（５）により、メンブレンの変形量δmaxは、メンブレン３０１の半径の４乗に反比例することがわかる。エレメントをＮ分割することにより、メンブレンの変形量δmaxは、分割数Ｎの４乗に反比例する。
δmax∝１／Ｎ４      （６）
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。
【００３２】
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２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。
【００３３】
本実施例では、受圧面１２４の上面に直接荷重が入力される構造になっている。しかし、受圧面１２４の上面に、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜などを形成したり、ゴム、金属、ガラス材などの膜を形成したりすることで、受圧面１２４の保護や摩擦係数の調整をすることもできる。
【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の上面図であり説明のために透視図を用いている。図４（ｂ）は、Ａ−Ａ’断面、図４（ｃ）はＢ−Ｂ’断面、図４（ｄ）はＣ−Ｃ’断面である。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４０９ａ、４０９ｂのように記載する。一方、区分しない場合は、上電極４０９のように記載する。
【００３５】
図４の力覚センサの基板４０２は、基板４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃ、４０２ｄ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４０２は単結晶シリコンの板材料であり、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。
【００３６】
絶縁層４０３の上には、下電極４０４が形成されている。下電極４０４はＡｌの真空蒸着により形成できる。メンブレン層４０５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４０４に対向して、ギャップ４０６を介して支持されている。このようなメンブレン層４０５の構造は、ギャップ４０６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４０５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４０５の中で、特に、ギャップ４０６上の部分をメンブレン４０７、ギャップ４０６の側壁となる部分を側壁部４０８と記す。上電極４０９はメンブレン層４０５上に形成された電極で、Ａｌの真空蒸着により形成できる。
【００３７】
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。また、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。このため、メンブレン４０７は、上電極４０９とともに可撓性を有する。
【００３８】
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。対応のみ説明すると、力覚センサ４０１、ギャップ４０６、メンブレン４０７、上電極４０９、上電極配線４１０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。
【００３９】
本実施例では、基板４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃ、４０２ｄ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４０９は、引き出し配線４１１を介してパッド４１２に引き出される。下電極４０４は、下電極引き出し配線４１３を介してパッド４１４に接続される。パッド４１４上のメンブレン層４０５には開口部があり、パッド４１４の表面が外部に露出している。また、基板４０２の上には、パッド４１５が形成されている。パッド４１５上の絶縁層４０３、メンブレン層４０５には開口部があり、パッド４１５の表面が外部に露出している。
【００４０】
パッド４１５は基板４０２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４１２、４１４、４１５は、予め絶縁層４０３とメンブレン層４０５に必要な開口部を形成しておくことで、上電極４０９を形成するＡｌの真空蒸着と同一の工程で形成できる。
【００４１】
図４（ｂ）に図示するように、基板４０２ａは、エレメントが形成された面とデバイスボード４１６の一面とが向き合うように、弾性体４２０ａによってデバイスボード４１６に接着されている。同様に、基板４０２ｂ、４０２ｃ、４０２ｄは、弾性体４２０ｂ、４２０ｃ、４２０ｄによってデバイスボード４１６に接着されている。このように、本実施例の力覚センサは、基板４０２のセル構造が形成された面とデバイスボード４１６の一面とが接着されている。
【００４２】
図４（ｂ）、（ｃ）に図示されるように、基板４０２の上面には荷重分散板４２２が配置される。荷重分散板４２２の上面が荷重を受ける面（受圧面４２３）である。受圧面４２３への荷重は、基板４０２を介して弾性体４２０、デバイスボード４１６に伝播する。荷重によるメンブレン４０７の変形と弾性体４２０の機能は、実施例１のメンブレン１０７と弾性体１２３と同等であるため説明を省略する。
【００４３】
デバイスボード４１６上には、パッド４１７ａ、４１８ａ、４１９ａが、基板４０２上のパッド４１２ａ、４１４ａ、４１５ａと対向するように設けられている。これら対向する電極は、導電材４２１ａによって電気的に接続される。導電材４２１ａの詳細は、導電材１２５と同等であるため説明を省略する。同様に、パッド４１７ｂ、４１８ｂ、４１９ｂとパッド４１２ｂ、４１４ｂ、４１５ｂとは導電材４２１ｂによって、電気的に接続されている。また、パッド４１７ｃ、４１８ｃ、４１９ｃとパッド４１２ｃ、４１４ｃ、４１５ｃとは導電材導電材４２１ｃによって、パッド４１７ｄ、４１８ｄ、４１９ｄとパッド４１２ｄ、４１４ｄ、４１５ｄとは導電材導電材４２１ｄによって、電気的に接続されている。駆動回路４２４の機能は、パッド４１８ａ、４１８ｂ、４１８ｃ、４１８ｄにそれぞれ対するパッド４１７ａ、４１７ｂ、４１７ｃ、４１７ｄの各容量の大きさを検出することである。また、パッド４１８ａ、４１８ｂ、４１８ｃ、４１８ｄ、４１９ａ、４１９ｂ、４１９ｃ、４１９ｄに基準電位を与えることである。
【００４４】
駆動回路４２４内の電気的な信号は、配線群４２５により接続されたコネクタ４２６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４０１に入力され、また容量信号は、力覚センサ４０１より外部に出力される。
【００４５】
本実施例では、基板４０２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４１６と荷重分散板４２２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４２４、配線群４２５、コネクタ４２６を設けることで、デバイスボード４１６の面積を小さくすることができ、センサの外寸を小さくすることができる。なお、図４（ａ）では、基板４０２のパッドが形成された領域が、デバイスボード４１６の中心方向に向くように、配置されているが、バイスボード４１６の外周方向に向くように配置することも可能である。
【００４６】
（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の上面図であり、説明のために透視図を用いている。図５（ｂ）はＡ−Ａ’断面、図５（ｃ）はＢ−Ｂ’断面、図５（ｄ）はＣ−Ｃ’断面をあらわす。実施例１と同等の構成要素には同一の番号を付して対応のみを説明し、詳細説明を省略する。基板１０２に設けられたセル構造および電極構造は、実施例１と同じである。基板１０２のエレメント１２９が設けられた面と、基材５０２とが弾性体１２３によって接着されている。基材５０２はセンサを実装するデバイスボード、あるいは、ロボットハンドの指先のように把持力を発生させる部材そのものでもよい。いずれの場合も、荷重を受ける面は、基板１０２上の受圧面１２４である。
【００４７】
フレキシブル基板５０３には、基板１０２に形成されたパッド１１２ａと対向するようにパッド５０４ａが設けられており、導電材１２５によって電気的に接続されている。同様に、フレキシブル基板５０３のパッド５０４ｂ、５０４ｃ、５０４ｄ、５０５、５０６はそれぞれパッド１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ、１１５、１１６に電気的に接続される。フレキシブル基板の各パッドからは、電気配線が引き出されていて、図示しない駆動回路に接続される。
【００４８】
（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が設けられている。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。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の受圧面１２４と同じ材料を用いるとよい。
【００４９】
図６の例では、力覚センサ６０３が複数あるフィンガのうちの１つ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。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。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。
【００５０】
力覚センサ６０３の出力は、駆動回路（ないしセンサ回路）６０６を介して電気信号に変換される。駆動回路６０６は、力覚センサの上下電極間の静電容量など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。
【００５１】
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。
【００５２】
図７は、駆動回路６０６の構成例を説明する図である。図７の点ａ、点ｂと、図６の点ａ、点ｂとはそれぞれ同一の点を表す。可変容量７０５は、把持センサの静電容量を表す。可変容量７０５の一端はグランド等の第１の基準電位に接続され、他端は抵抗（直流抵抗器）７０１を介して第２の基準電圧Ｖｄｃに接続される。点ａの電圧は、比較器７０２のプラス側の端子に入力され、マイナス側の端子の比較電圧Ｖｔｈと比較される。比較器７０２の出力電圧Ｖｏは、点ａの電圧が比較電圧Ｖｔｈに比べて低い場合はＬレベルの電圧となり、逆の場合はＨレベルの電圧となる。
【００５３】
スイッチ７０３が導通状態の時は、点ａの電圧はグランドであり、可変容量７０５の電荷はゼロである。この状態から、スイッチ７０３が絶縁状態になると、可変容量７０５は基準電圧Ｖｄｃにより充電され、点ａの電圧はグランドからＶｄｃに可変容量７０５の容量に応じた変化速度で変化する。点ａの電圧がＶｔｈより高くなると、出力電圧ＶｏはＨレベルの電圧となる。パルス幅カウンタ７０４で、出力電圧ＶｏがＨレベルになるまでの時間をカウントすることで、可変容量７０５の容量を検出することができる。スイッチ７０３を周期的に切り替えることで、容量を繰り返し検出することができる。上述した様に、この検出結果は、比較器６０７に入力され、コントローラ６０８により、上記偏差量に応じてハンド６０１を駆動する信号（把持力の指令値）が生成・決定される。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
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】
【００５５】
１０１・・力覚センサ、１０２・・基板、１１９・・実装部材（デバイスボード）、１２４・・受圧面、１２９・・エレメント、４２２・・荷重分散板
【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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