(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３つの軸方向の力と、前記３つの軸の軸まわりのモーメントを検出するための多軸触覚センサであって、
基板と、
前記基板の表面と略同一の面内に設けられた複数のセンサ素子と、
前記複数のセンサ素子の周囲を覆い、前記複数のセンサ素子に外力を伝達する伝達材と、
を備え、
前記複数のセンサ素子は、
前記基板の表面に対して平行方向の力を検出するように、所定部位に抵抗層を備えた梁構造を有する、少なくとも３つのせん断力検出素子と、
前記基板の表面に対して垂直方向の力を検出するように、所定部位に抵抗層を備えた梁構造を有する、少なくとも３つの押圧力検出素子と、を含む、少なくとも６つのセンサ素子を含み、
前記６つのセンサ素子の前記梁構造はそれぞれ、その長手方向が放射状となるように前記基板に配置されており、
前記３つの軸の軸まわりのモーメントのうち、前記少なくとも１つの軸の軸まわりのモーメントは、前記複数のセンサ素子のうち、前記放射状の配置における中心を基準として回転対称の位置に配置されている、２つ以上のセンサ素子の出力に基づいて検出される、多軸触覚センサ。
【請求項２】
前記３つの押圧力検出素子は、前記放射状の配置における中心を基準として３回対称の位置に配置されており、前記３つの軸の軸まわりのモーメントのうち、少なくとも１つの軸の軸まわりのモーメントは、前記３回対称の位置に配置されている前記３つの押圧力検出素子の出力に基づいて検出される、請求項１に記載の多軸触覚センサ。
【請求項３】
前記複数のセンサ素子は、
前記基板の表面に対して平行方向の力を検出するように、所定部位に抵抗層を備えた梁構造を有する、少なくとも４つのせん断力検出素子と、
前記基板の表面に対して垂直方向の力を検出するように、所定部位に抵抗層を備えた梁構造を有する、少なくとも４つの押圧力検出素子と、を含む、少なくとも８つのセンサ素子を含み、
前記８つのセンサ素子の前記梁構造はそれぞれ、その長手方向が放射状となるように前記基板に配置されており、
前記３つの軸の軸まわりのモーメントのうち、少なくとも２つの軸の軸まわりのモーメントは、前記複数のセンサ素子のうち、前記放射状の配置における中心を基準として回転対称の位置に配置されている、４つ以上の前記押圧力検出素子の出力に基づいて検出され、
前記３つの軸方向の力はそれぞれ、前記複数のセンサ素子のうち、前記放射状の配置における中心点を基準として回転対称の位置に配置されている、２つ以上の前記センサ素子の出力に基づいて検出される、請求項１に記載の多軸触覚センサ。
【請求項４】
前記３つ軸の軸まわりのモーメントはそれぞれ、前記複数のセンサ素子のうち、前記放射状の配置における中心を基準として４回対称の位置に配置されている、４つの前記センサ素子の出力に基づいて検出され、
前記３つの軸方向の力のうち、少なくとも１つの軸方向の力は、前記複数のセンサ素子のうち、前記放射状の配置における中心点を基準として４回対称の位置に配置されている、４つの前記押圧力検出素子の出力に基づいて検出される、請求項３に記載の多軸触覚センサ。
【請求項５】
前記複数のセンサ素子の前記梁構造はそれぞれ、両端が前記基板に支持された、互いに平行で、かつ前記基板に対して平行に配置された、２本の梁から構成されており、
前記２本の梁は、前記外力によって伸張または圧縮変形する表面に第１の抵抗層が形成された第１の検出部を有する第１の梁と、
前記外力によって前記第１の検出部とは逆に圧縮または伸張変形する表面に第２の抵抗層が形成された第２の検出部を有する第２の梁と、により構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の多軸触覚センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多軸触覚センサに関する。より詳細には、３つの軸方向の力と、少なくとも１つの軸まわりのモーメントを検出するための多軸触覚センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、多軸触覚センサが知られている。
特許文献１には、ＭＥＭＳプロセスを用いて、基板の表面と略同一の面内に複数のセンサ素子を形成した触覚センサが開示されている。この特許文献１に記載されている触覚センサは、薄型の構造でせん断力を検出することが可能な、非常に優れた触覚センサである。この特許文献１には、ｘ軸方向の力とｙ軸方向の力を検出する触覚センサが具体的に開示されている。
一方、例えばロボットや医療分野などにおいて、詳細な接触情報を得るために、３軸方向の力と、各軸まわりのモーメントを測定するための６軸の触覚センサ等、多くの検出軸を有する触覚センサが求められている。また、このような触覚センサについては、小型化が求められることが多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許５８６７６８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１には、前述のとおり、ｘ軸方向とｙ軸方向の力を検出する構成については具体的に開示されている。また、３つ以上のセンサ素子を設け、梁を放射状に配置することによりさらにモーメントを測定するように構成してもよいことについても示唆されている。しかしながら、特許文献１には、基板の一面上にセンサ素子を形成する態様のセンサにおいて、ｘ軸方向およびｙ軸方向の力に加えて、ｚ軸方向の力および、軸まわりのモーメントを検出する場合の具体的な構成については記載されていない。よって、ｘ軸方向およびｙ軸方向の力に加えて、ｚ軸方向の力および、軸まわりモーメントも検出する場合において、基板の一面上に、どのような種類のセンサ素子を形成すればよいのか、また、高い感度で検出可能とするためには、種類の異なるセンサを、具体的にどのようなレイアウトで配置すればよいのかという応用用途については、別途検討しなければならない。【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、小型で、かつ検出感度が高い、３つの軸方向の力と、少なくとも１つの軸まわりのモーメントを検出するための多軸触覚センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）本発明は、３つの軸方向の力と、前記３つの軸のうち、少なくとも１つの軸の軸まわりのモーメントを検出するための多軸触覚センサであって、基板と、前記基板の表面と略同一の面内に設けられた複数のセンサ素子と、前記複数のセンサ素子の周囲を覆い、前記複数のセンサ素子に外力を伝達する伝達材と、を備え、前記複数のセンサ素子は、前記基板の表面に対して平行方向の力を検出するように、所定部位に抵抗層を備えた梁構造を有する、少なくとも３つのせん断力検出素子と、前記基板の表面に対して垂直方向の力を検出するように、所定部位に抵抗層を備えた梁構造を有する、少なくとも１つの押圧力検出素子と、を含む、少なくとも４つのセンサ素子を含み、前記４つのセンサ素子の前記梁構造はそれぞれ、その長手方向が放射状となるように前記基板に配置されており、前記少なくとも１つの軸の軸まわりのモーメントは、前記複数のセンサ素子のうち、前記放射状の配置における中心を基準として回転対称の位置に配置されている、２つ以上のセンサ素子の出力に基づいて検出される。【０００７】
（２）（１）の多軸触覚センサは、３つの軸方向の力と、前記３つの軸の軸まわりのモーメントを検出するための多軸触覚センサであって、前記複数のセンサ素子は、前記基板の表面に対して平行方向の力を検出するように、所定部位に抵抗層を備えた梁構造を有する、少なくとも３つのせん断力検出素子と、前記基板の表面に対して垂直方向の力を検出するように、所定部位に抵抗層を備えた梁構造を有する、少なくとも３つの押圧力検出素子と、を含む、少なくとも６つのセンサ素子を含み、前記６つのセンサ素子の前記梁構造はそれぞれ、その長手方向が放射状となるように前記基板に配置されており、前記３つの軸の軸まわりのモーメントのうち、少なくとも１つの軸の軸まわりのモーメントは、前記複数のセンサ素子のうち、前記放射状の配置における中心を基準として回転対称の位置に配置されている、２つ以上の前記センサ素子の出力に基づいて検出されてもよい。【０００８】
（３）（２）の多軸触覚センサにおいて、前記３つの押圧力検出素子は、前記放射状の配置における中心を基準として３回対称の位置に配置されており、前記３つの軸の軸まわりのモーメントのうち、少なくとも１つの軸の軸まわりのモーメントは、前記３回対称の位置に配置されている前記３つの押圧力検出素子の出力に基づいて検出されてもよい。
【０００９】
（４）（２）の多軸触覚センサは、３つの軸方向の力と、前記３つの軸の軸まわりのモーメントを検出するための多軸触覚センサであって、前記複数のセンサ素子は、前記基板の表面に対して平行方向の力を検出するように、所定部位に抵抗層を備えた梁構造を有する、少なくとも４つのせん断力検出素子と、前記基板の表面に対して垂直方向の力を検出するように、所定部位に抵抗層を備えた梁構造を有する、少なくとも４つの押圧力検出素子と、を含む、少なくとも８つのセンサ素子を含み、前記８つのセンサ素子の前記梁構造はそれぞれ、その長手方向が放射状となるように前記基板に配置されており、前記３つの軸の軸まわりのモーメントのうち、少なくとも２つの軸の軸まわりのモーメントは、前記複数のセンサ素子のうち、前記放射状の配置における中心を基準として回転対称の位置に配置されている、４つ以上の前記押圧力検出素子の出力に基づいて検出され、前記３つの軸方向の力はそれぞれ、前記複数のセンサ素子のうち、前記放射状の配置における中心点を基準として回転対称の位置に配置されている、２つ以上の前記センサ素子の出力に基づいて検出されてもよい。【００１０】
（５）（４）の多軸触覚センサにおいて、前記３つ軸の軸まわりのモーメントはそれぞれ、前記複数のセンサ素子のうち、前記放射状の配置における中心を基準として４回対称の位置に配置されている、４つの前記センサ素子の出力に基づいて検出され、前記３つの軸方向の力のうち、少なくとも１つの軸方向の力は、前記複数のセンサ素子のうち、前記放射状の配置における中心点を基準として４回対称の位置に配置されている、４つの前記押圧力検出素子の出力に基づいて検出されてもよい。【００１１】
（６）（１）〜（５）の多軸触覚センサにおいて、前記複数のセンサ素子の前記梁構造はそれぞれ、両端が前記基板に支持された、互いに平行で、かつ前記基板に対して平行に配置された、２本の梁から構成されており、前記２本の梁は、前記外力によって伸張または圧縮変形する表面に第１の抵抗層が形成された第１の検出部を有する第１の梁と、前記外力によって前記第１の検出部とは逆に圧縮または伸張変形する表面に第２の抵抗層が形成された第２の検出部を有する第２の梁と、により構成されていてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、小型で、かつ検出感度が高い、３つの軸方向の力と、少なくとも１つの軸まわりのモーメントを検出するための多軸触覚センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係る多軸触覚センサの外観図である。
【図２】図１に示される多軸触覚センサの概略的な断面を示す図である。
【図３】図２に示されるセンサ基板の上面図である。
【図４】せん断力検出素子の概略的な構成を示す斜視図である。
【図５Ａ】図４のせん断力検出素子を上面から見たときの概略的な図である。
【図５Ｂ】図５ＡにおけるＬ−Ｌ断面を示す断面図である。
【図６Ａ】せん断力検出素子にｘ方向の外力が加わったときの、２本の梁の変形状態を示す図である。
【図６Ｂ】図６ＡにおけるＬ−Ｌ断面を示す断面図である。
【図７】２本の梁の変形に基づいて、せん断力を検出する計測回路を示す回路図である。
【図８】押圧力検出素子の概略的な構成を示す斜視図である。
【図９Ａ】図８の押圧力検出素子を上面から見たときの概略的な図である。
【図９Ｂ】図９ＡにおけるＬ−Ｌ断面を示す断面図である。
【図１０】押圧力検出素子に押圧力が加わったときの、２本の梁の変形状態を示す図である。
【図１１】センサ基板の一面上に多数のセンサ素子を形成する態様の多軸触覚センサにおいて、検討すべき点を説明するための図である。
【図１２】センサ素子の好適な配置例を示す図である。
【図１３】センサ素子の別の配置例を示す第１の変形例を示す図である。
【図１４】複数のセンサ素子の配置に関する第２の変形例を示す図である。
【図１５】複数のセンサ素子の配置に関する第３の変形例を示す図である。
【図１６】梁構造の変形例を示す図である。
【図１７】梁構造の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る多軸触覚センサ１の外観図である。
【００１５】
多軸触覚センサ１は、後述のセンサ基板２（図１においては不図示）が固定的に載置されたベース基板３を備えている。そして、弾性体４によってセンサ基板２が覆われている。ベース基板３には、外部配線５が接続されている。
【００１６】
図２は、図１に示される多軸触覚センサ１の概略的な断面を示す図である。
図２に示されるように、本実施形態の多軸触覚センサ１は、第１の基板としてのベース基板３と、ベース基板３の上に載置された第２の基板としてのセンサ基板２とを備えている。
ベース基板３と、センサ基板２は、ワイヤボンディングにより電気的に接続されている。具体的には、ボンディングワイヤ１６が、ベース基板３のパッド１４と、センサ基板２の電極部１５とを接続している。
【００１７】
センサ基板２は、ＳＯＩ基板からなる。センサ基板２の表面と略同一の面内には、後述するＭＥＭＳプロセスにより、複数のセンサ素子が形成されている。複数のセンサ素子が形成されているセンサ基板２は、多軸触覚センサ１のセンサチップを構成する。
【００１８】
センサ基板２の複数のセンサ素子の周囲を覆うように、伝達材としての弾性体４が設けられている。弾性体４は、各センサ素子に外力を伝達する機能を有する。この弾性体４は、外力が加わることにより弾性変形し、外力が除去されると弾性回復するものであればよく、例えば、ゴム（熱硬化性エラストマー）、熱可塑性エラストマー、ゲル等の、各種の材料を適用することが可能である。なお、少なくともセンサ基板２およびワイヤボンディング部を直接覆う部分については、絶縁性を有する材料を用いることが好ましい。
本実施形態においては、弾性体４としてシリコーンゴムを用いる。シリコーンゴムは、本実施形態の多軸触覚センサ１に適用する上で、低圧縮永久歪、幅広い温度特性、絶縁性といった好ましい材料特性を有している。
なお、弾性体４のさらに外側に、別の材料からなる外装体、例えば、硬質の材料からなる硬質外装体を設けてもよい。
【００１９】
図３に、図２に示されるセンサ基板２の上面図を示す。
センサ基板２の表面には、複数のセンサ素子として、せん断力検出素子２０と、押圧力検出素子３０が形成されている。本実施形態においては、せん断力検出素子２０として、４つのせん断力検出素子２１〜２４が形成されている。また、押圧力検出素子３０として、４つの押圧力検出素子３１〜３４が形成されている。
【００２０】
せん断力検出素子２１〜２４は、センサ基板２の表面に対して平行方向の力を検出する。より具体的には、せん断力検出素子２１、２３は、図３に示されるｘ軸方向の力を検出する。せん断力検出素子２２、２４は、図３に示されるｙ軸方向の力を検出する。ここでは、図３における紙面右側の方向を、ｘ軸における正の方向、図３における紙面上側の方向を、ｙ軸における正の方向として定義している。
【００２１】
押圧力検出素子３１〜３４は、センサ基板２の表面に対して直交する方向の力を検出する。すなわち、押圧力検出素子３１〜３４は、図３に示されるｚ軸方向の力を検出する。ここでは、図３における紙面奥行き方向、すなわちセンサ基板２の表面を押圧する方向を負の方向として定義している。
各センサ素子は、ピエゾ抵抗型センサにより構成されている。各センサ素子は、所定部位にピエゾ抵抗層を備える梁構造（ビーム構造）を有する。
【００２２】
ここで、本実施形態における多軸触覚センサ１は、複数のセンサ素子の各梁構造の長手方向が、放射状となるように配置されている。この点については追って詳細に説明する。
【００２３】
図４は、せん断力検出素子２１の概略的な構成を示す斜視図である。図５Ａは、図４のせん断力検出素子２１を上面から見たときの概略的な図である。図５Ｂは、図５ＡにおけるＬ−Ｌ断面を示す断面図である。図４、図５Ａにおいては、梁構造の周辺およびセンサ素子の周囲を覆う、弾性体４の図示は省略している。
【００２４】
ここで、せん断力検出素子２１〜２４は全て同じ構造である。よって、その代表として、せん断力検出素子２１の構造を説明する。
せん断力検出素子２１は、梁構造として、２本の梁４１、５１を備える。２本の梁４１、５１は、両端が支持された両持ち梁となっており、互いに略平行に、かつセンサ基板２の表面に対して略平行に配置されている。
第１の梁４１には、ｘ方向の外力によって伸張または圧縮変形する部分としての第１の検出部４２に、第１の抵抗層４３が形成されている。第２の梁５１には、ｘ方向の外力によって第１の抵抗層４３とは逆に圧縮または伸張変形する部分としての第２の検出部５２に、第２の抵抗層５３が形成されている。
本実施形態においては、図４〜５に示されるように、第１の抵抗層４３、第２の抵抗層５３はそれぞれ、第１の梁４１、第２の梁５１の互いに対向する表面、すなわち対向面に設けられている。
なお、２本の梁４１、５１の端部付近には、導電層としての電極部１５が被覆されているため、この部分は、ピエゾ抵抗型センサとしては不感部となる。よって、図５Ａにおいて、導電層としての電極部１５が被覆されていない部分、換言すると、図５Ａにおいて、第１の抵抗層４３、第２の抵抗層５３が視認できる部分が、第１の検出部４２、第２の検出部５２となっている。
【００２５】
ここで、せん断力検出素子２１の動作原理を説明する。
図６Ａは、図５Ａに対応する図であり、せん断力検出素子２１にｘ方向の外力が加わったときの、２本の梁の変形状態を示す図である。図６Ｂは、図６ＡにおけるＬ−Ｌ断面を示す断面図である。図７は、２本の梁の変形に基づいて、せん断力を検出する計測回路を示す回路図である。
【００２６】
図５Ａ、図５Ｂに示されるように、多軸触覚センサ１の弾性体４に外力が加わっていない状態のときには、梁構造としての第１の梁４１、第２の梁５１は直線形状を維持している。これに対して、弾性体４にｘ軸方向の力が加わった場合には、図６Ａ、図６Ｂに示されるように、弾性体に覆われた第１の梁４１、第２の梁５１は、梁の中心部がｘ方向に移動するような形で撓む。すなわち、第１の梁４１の第１の検出部４２は、第１の抵抗層４３が設けられた表面側が伸張する方向に変形する。他方、第２の梁５１の第２の検出部５２は、第２の抵抗層５３が設けられた表面側が圧縮する方向に変形する。このように、第１の検出部４２、第２の検出部５２は、伸張と圧縮の対となる。
【００２７】
ここで、第１の検出部４２が設けられた第１の梁４１と、第２の検出部５２が設けられた第２の梁５１は、機械特性が略等しいため、所定の外力に対する梁の変形量も略等しい。よって、所定の外力が加わったときの、第１の検出部４２の第１の抵抗層４３の抵抗値の変化量と、第２の検出部５２の第２の抵抗層５３の抵抗値の変化量は、絶対値が同じで、正負が逆の値となる。
【００２８】
そして、このような外力に応じた抵抗値の変化を、図７に示されるブリッジ回路により測定する。
まず、図５Ａ、図５Ｂに示されるように、多軸触覚センサ１の弾性体４に外力が加わっていない状態のときにおいては、第１の梁４１の第１の検出部４２の抵抗値Ｒ１と、第２の梁５１の第２の検出部５２の抵抗値Ｒ２は等しい。すなわち、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒの状態となっている。この状態のときに、入力電圧Ｖｉｎ＝Ｖの電圧を印加すると、出力電圧Ｖｏｕｔ＝Ｖ／２となる。
【００２９】
これに対して、図６Ａ、図６Ｂに示されるように、弾性体４にｘ軸方向の力が加わった場合には、第１の梁４１の第１の検出部４２の抵抗値Ｒ１、第２の梁５１の第２の検出部５２の抵抗値Ｒ２が、正負が逆の方向に、同じ値だけ変化する。すなわち、Ｒ１＝Ｒ＋ΔＲとなり、Ｒ２＝Ｒ−ΔＲとなる。その結果、入力電圧Ｖｉｎ＝Ｖの電圧を印加したときの出力電圧Ｖｏｕｔは、外力が加わっていない状態のときに比べて、ΔＲ・Ｖ／２Ｒだけ変化する。すなわち、電圧変化量として、ΔＶ＝ΔＲ・Ｖ／２Ｒが得られる。
この電圧変化量ΔＶに基づいて、梁構造の変形具合に応じた、ｘ軸方向のせん断力を検出することができる。
【００３０】
このように、２本の梁４１、５１を用いた、正負逆方向に変化する抵抗値変化を計測する手法を採用することにより、温度変化による抵抗値の変動や他軸との干渉を、効果的にキャンセルすることが可能となる。
【００３１】
なお、せん断力検出素子２３も、同様の動作原理により、電圧変化量ΔＶを得ることができる。また、ｙ軸方向の力を検出するせん断力検出素子２２、２４についても、梁構造の長手方向がｙ軸に対して垂直となるように配置されているが、その動作原理は、ｘ軸方向の力を検出するせん断力検出素子２１、２３と同様である。
【００３２】
ここで、せん断力検出素子２１は、ｘ軸の正の方向に向かう力が加わった時に、電圧変化量ΔＶが正の値を出力するように設定されている。せん断力検出素子２２は、ｙ軸の負の方向に向かう力が加わった時に、電圧変化量ΔＶが正の値を出力するように設定されている。せん断力検出素子２３は、ｘ軸の負の方向に向かう力が加わった時に、電圧変化量ΔＶが正の値を出力するように設定されている。せん断力検出素子２４は、ｙ軸の正の方向に向かう力が加わった時に、電圧変化量ΔＶが正の値を出力するように設定されている。
【００３３】
次に、押圧力検出素子３０（３１〜３４）について説明する。
図８は、押圧力検出素子３１の概略的な構成を示す斜視図である。図９Ａは、図８の押圧力検出素子３１を上面から見たときの概略的な図である。図９Ｂは、図９ＡにおけるＬ−Ｌ断面を示す断面図である。図８、図９Ａにおいては、梁構造の周辺およびセンサ素子の周囲を覆う、弾性体４の図示は省略している。
【００３４】
ここで、押圧力検出素子３１〜３４は全て同じ構造である。よって、その代表として、押圧力検出素子３１の構造を説明する。
押圧力検出素子３１は、梁構造として、２本の梁６１、７１を備える。２本の梁６１、７１は、両端が支持された両持ち梁となっており、互いに略平行に、かつセンサ基板２の表面に対して略平行に配置されている。
第３の梁６１には、ｚ方向の外力によって伸張または圧縮変形する部分としての第３の検出部６２に、第３の抵抗層６３が形成されている。第４の梁７１には、ｚ方向の外力によって第３の抵抗層６３とは逆に圧縮または伸張変形する部分としての第４の検出部７２に、第４の抵抗層７３が形成されている。
本実施形態においては、図８、図９Ｂに示されるように、第３および第４の抵抗層６３、７３は、第３および第４の梁６１、７１上に、全体に亘って設けられている。
しかしながら、第３の梁６１の中間領域には、導電層としての不感部形成導電層８８が被覆されている。また、第４の梁７１の端部付近には、導電層としての電極部１５が被覆されている。したがって、これらの導電層が被覆されている部分は、ピエゾ抵抗型センサとしては不感部となる。
よって、第３の梁６１の第３の検出部６２は、第３の梁６１の端部付近領域となり、第４の梁７１の第４の検出部７２は、第４の梁７１の中間領域となっている。すなわち、図９Ａにおいて、導電層としての不感部形成導電層８８および電極部１５が被覆されていない梁の部分、換言すると、図９Ａにおいて、第３の抵抗層６３、第４の抵抗層７３が視認できる梁の部分が、第３の検出部６２、第４の検出部７２となっている。
【００３５】
ここで、押圧力検出素子３１の動作原理を説明する。
図１０は、図９Ｂに対応する図であり、押圧力検出素子３１に押圧力が加わったときの、２本の梁の変形状態を示す図である。
【００３６】
押圧力検出素子３１については、押圧力が加わった時に、第３の梁６１、第４の梁７１の中心部が押圧方向に移動するような形で撓む。これにより、第３の梁６１の端部付近領域に設けられた第３の検出部６２は、第３の抵抗層６３が設けられた表面側が伸張する方向に変形し、第４の梁７１の中間領域に設けられた第４の検出部７２は、第４の抵抗層７３が設けられた表面側が圧縮する方向に変形する。すなわち、第３の検出部６２、第４の検出部７２は、伸張と圧縮の対となる。
【００３７】
この第３の検出部６２の第３の抵抗層６３の抵抗値の変化量と、第４の検出部７２の第４の抵抗層７３の抵抗値の変化量は、所定の外力が加わったときにおいて、絶対値が同じで、正負が逆の値となるように設計されている。
よって、押圧力検出素子３１においても、せん断力検出素子２１と同様に、図７に示されるようなブリッジ回路を用いることにより、ｚ方向の押圧力を検出するための電圧変化量ΔＶを得ることができる。
【００３８】
ここで、押圧力検出素子３１〜３４は、ｚ軸の正の方向に向かう力が加わった時に、電圧変化量ΔＶが正の値を出力するように設定されている。換言すると、押圧方向、すなわちｚ軸の負の方向に力が加わった場合に、電圧変化量ΔＶが負の値を出力するように設定されている。
【００３９】
ここで、図３に戻って、上述のブリッジ回路を構成するための、センサ基板２における電極パターンについて説明する。
図３に示すように、センサ基板２の電極部１５は、複数の領域に分割されている。具体的には、Ｖｂｒｄｇ、Ｖｘ１、Ｖｘ２、Ｖｙ１、Ｖｙ２、Ｖｚ１、Ｖｚ２、Ｖｚ３、Ｖｚ４、Ｇｘ１、Ｇｘ２、Ｇｙ１、Ｇｙ２、Ｇｚ１、Ｇｚ２、Ｇｚ３、Ｇｚ４として示される、１７箇所の電極領域が形成されている。
ここで、例えばせん断力検出素子２１に加わるｘ軸方向のせん断力を検出するための電圧変化量ΔＶｘ１を検出するために、Ｖｂｒｄｇ、Ｖｘ１、Ｇｘ１が、入力電圧Ｖｉｎ用の電極部、出力電圧Ｖｏｕｔ用の電極部、ＧＮＤ用の電極部として用いられて、ブリッジ回路が構成される。同様に、全８つのセンサ素子について、以下の電極部が、入力電圧Ｖｉｎ用の電極部、出力電圧Ｖｏｕｔ用の電極部、ＧＮＤ用の電極部として用いられて、ブリッジ回路が構成される。なお、Ｖｂｒｄｇは、入力電圧Ｖｉｎ用の共通電極部となっている。
【００４０】
（１）せん断力検出素子２１用（ΔＶｘ１検出用）電極部：Ｖｂｒｄｇ、Ｖｘ１、Ｇｘ１
（２）せん断力検出素子２２用（ΔＶｙ１検出用）電極部：Ｖｂｒｄｇ、Ｖｙ１、Ｇｙ１
（３）せん断力検出素子２３用（ΔＶｘ２検出用）電極部：Ｖｂｒｄｇ、Ｖｘ２、Ｇｘ２
（４）せん断力検出素子２４用（ΔＶｙ２検出用）電極部：Ｖｂｒｄｇ、Ｖｙ２、Ｇｙ２
（５）押圧力検出素子３１用（ΔＶｚ１検出用）電極部：Ｖｂｒｄｇ、Ｖｚ１、Ｇｚ１
（６）押圧力検出素子３２用（ΔＶｚ２検出用）電極部：Ｖｂｒｄｇ、Ｖｚ２、Ｇｚ２
（７）押圧力検出素子３３用（ΔＶｚ３検出用）電極部：Ｖｂｒｄｇ、Ｖｚ３、Ｇｚ３
（８）押圧力検出素子３４用（ΔＶｚ４検出用）電極部：Ｖｂｒｄｇ、Ｖｚ４、Ｇｚ４
【００４１】
本実施形態の多軸触覚センサ１のセンサ基板２は、例えば特許文献１に記載されているような公知のＭＥＭＳプロセスにより製造される。例えば、ＳＯＩ基板に対して、エッチング、不純物のドーピング、成膜等のプロセスを行うことにより、ピエゾ抵抗層、導電層（電極部）の形成、梁構造の形成を行う。これにより、センサ基板２の表面と略同一の面内には、複数のセンサ素子が形成される。
【００４２】
ＭＥＭＳプロセスによりセンサ基板２上に複数のセンサ素子を形成した後、センサ基板２をベース基板３上に載置する。そして、センサ基板２とベース基板３をボンディングワイヤ１６によって接続した上で、弾性体４でセンサ基板２を覆う。このとき、ＭＥＭＳプロセスにより形成されたセンサ基板２の開口部や梁の周囲にも、弾性体４を充填する。なお、センサ基板２の開口部や梁の周囲への弾性体４の充填作業は、センサ基板２をベース基板３に載置する前に実施してもよい。
【００４３】
上述のＭＥＭＳプロセスを用いることにより、比較的簡易なプロセスで、センサ基板２の表面に対して平行な方向の力と、直交する方向の力とを検出することが可能で、さらに後述する軸まわりのモーメントを検出することが可能な、多軸触覚センサ１を形成することができる。
【００４４】
次に、図１１を用いて、センサ基板の一面上に多数のセンサ素子を形成する態様の多軸触覚センサにおいて、検討すべき点について説明する。
【００４５】
上述のようなＭＥＭＳプロセスを用いて多軸触覚センサを構成する場合、一つの基板上に多数のセンサ素子を配置しなければならない。このとき、例えばｘ軸方向、ｙ軸方向のせん断力を検出する各センサ素子を任意のレイアウトで配置すると、弾性体に力が加わった時に、他軸干渉が発生する。
【００４６】
例えば、図１１に示されるように、多軸触覚センサ１０１に対して、矢印Ａで示されるようなｚ軸方向の力を加えると、弾性体４は、厚さ方向に圧縮される。ここで、弾性体４として用いられる、ゴムやエラストマーは、通常、非圧縮性材料である。例えばシリコーンゴムの場合、ポアソン比が０．５程度の非圧縮性材料である。よって、弾性体４が厚さ方向に圧縮された場合、弾性体４は、矢印Ｂで示されるような方向、すなわち、センサ基板１０２の表面と水平な方向に膨らむ。
この膨らみによって生じる放射状の方向に向かうせん断力は、センサ素子を構成する梁を歪ませ、他軸干渉の原因となる。そして、このような他軸干渉の発生している、任意のレイアウトで配置された複数のせん断力検出素子の出力を、何の考慮も無く組み合わせて、例えばｚ軸まわりのモーメントを算出した場合、その算出されたモーメントの値は、精度の高いものとはならない。
【００４７】
なお、上述のような、他軸干渉の影響が大きいハードウェアの場合、出荷段階で他軸干渉の校正を行うことにより、ある程度の精度を有するセンサとして出荷することも可能ではある。しかしながら、初期状態で他軸干渉の影響が大きく、出荷段階で大きな校正をかけている場合は、センサを構成する部材の経時変化によってズレ量が徐々に大きくなり、精度が低下していく可能性がある。
よって、ハードウェアとして、他軸干渉を極力生じさせない構成とすることが好ましい。
【００４８】
本発明は、３つの軸方向の力と、少なくとも１つの軸の軸まわりのモーメントを検出することができる、小型で検出感度の高い多軸触覚センサの構成を、具体的に鋭意検討した結果、実現したものである。
【００４９】
具体的には、本実施形態における多軸触覚センサ１は、せん断力検出素子２０および押圧力検出素子３０の各梁構造の長手方向が放射状となるように、せん断力検出素子２０および押圧力検出素子３０を配置し、さらに、特定の配置関係にある、せん断力検出素子２０および押圧力検出素子３０の出力を用いて、軸方向の力や軸まわりのモーメントを検出する。よって、各梁構造の長手方向が放射状となっているため、上述のような他軸干渉の問題が発生し難く、さらに、特定の配置関係にあるせん断力検出素子２０および押圧力検出素子３０の出力を用いて、軸方向の力や軸まわりのモーメントを検出するため、検出感度が高い。
【００５０】
すなわち、本実施形態の多軸触覚センサ１は、後述の好適な例および、第１〜３の変形例に示すように、少なくともｘ軸、ｙ軸、ｚ軸といった３つの軸方向の力と、３つの軸のうち、少なくとも１つの軸の軸まわりのモーメントを検出するためのセンサであり、センサ基板２の表面には、複数のセンサ素子が形成されている。そして、複数のセンサ素子は、センサ基板２の表面に対して平行方向の力、すなわちｘ方向、ｙ方向の力を検出するための抵抗層を備えた梁構造を有する、少なくとも３つのせん断力検出素子２０と、センサ基板２の表面に対して垂直方向の力、すなわちｚ方向の力を検出するための抵抗層を備えた梁構造を有する、少なくとも１つの押圧力検出素子３０と、を含む、少なくとも４つのセンサ素子を備え、この少なくとも４つのセンサ素子の梁構造はそれぞれ、その長手方向が放射状となるようにセンサ基板２上に配置されている。さらに、３つの軸のうち、少なくとも１つの軸の軸まわりのモーメントは、複数のセンサ素子のうち、前述の放射状の配置における中心を基準として回転対称の位置に配置されている、２つ以上のセンサ素子の出力に基づいて検出される。
このような構成により、３つの軸方向の力と、３つの軸のうち、少なくとも１つの軸の軸まわりのモーメントを検出することができる、小型の多軸触覚センサを実現することができる。
【００５１】
図１２は、本実施形態の多軸触覚センサ１における、センサ素子の好適な配置例を示す図である。なお、電極のパターンについては図示を省略している。
この例では、センサ基板２に、複数のセンサ素子として、４つのせん断力検出素子２０（２１、２２、２３、２４）と、４つの押圧力検出素子３０（３１、３２、３３、３４）とが形成されている。
そして、これらの８つのセンサ素子は、それぞれのセンサ素子の梁構造の長手方向が、放射状となるようにセンサ基板２に配置されている。ここで、本実施形態のせん断力検出素子２０、押圧力検出素子３０のように、各センサ素子の梁構造が２本の梁によって形成されている場合は、１つのセンサ素子を構成する２本の梁からなる梁構造の中心線が放射状となるように、各センサ素子がセンサ基板２に配置される。
【００５２】
そして、図１２に示されるように、４つのせん断力検出素子２１、２２、２３、２４は、回転対称の関係で配置されている。この例では、センサ基板２の略中心位置を基準軸として４回対称、すなわち、基準軸の周りを９０°回転させると自らと重なるような態様で、せん断力検出素子２１、２２、２３、２４が配置されている。
また、４つの押圧力検出素子３１、３２、３３、３４についても、回転対称の関係で配置されている。この例では、センサ基板２の略中心位置を基準軸として４回対称、すなわち、基準軸の周りを９０°回転させると自らと重なるような態様で、押圧力検出素子３１、３２、３３、３４が配置されている。
さらに詳細には、４つのせん断力検出素子２１、２２、２３、２４と、４つの押圧力検出素子３１、３２、３３、３４は、交互に４５°間隔で配置されている。
【００５３】
このような構成を採用することにより、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の軸まわりのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを検出することができる。
具体的には、せん断力検出素子２１、２３の出力に基づきｘ軸方向の力Ｆｘを、せん断力検出素子２２と２４の出力に基づきｙ軸方向の力Ｆｙを、押圧力検出素子３１、３２、３３、３４の出力に基づきｚ軸方向の力Ｆｚを、押圧力検出素子３１、３２、３３、３４の出力に基づきｘ軸まわりのモーメントＭｘを、押圧力検出素子３１、３２、３３、３４の出力に基づきｙ軸まわりのモーメントＭｙを、せん断力検出素子２１、２２、２３、２４の出力に基づきｚ軸まわりのモーメントＭｚを、検出することができる。
【００５４】
さらに具体的には、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の軸まわりのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚは、以下の式（１）〜（６）によって求められる電圧出力ＶＦｘ、ＶＦｙ、ＶＦｚ、ＶＭｘ、ＶＭｙ、ＶＭｚに基づき算出される。ここで、ΔＶは、各センサ素子に外力が加わった時に前述のブリッジ回路により検出される電圧変化量である。すなわち、電圧変化量ΔＶｘ１、ΔＶｙ１、ΔＶｘ２、ΔＶｙ２はそれぞれ、せん断力検出素子２１、２２、２３、２４の出力としての、前述のブリッジ回路により検出される電圧変化量であり、電圧変化量ΔＶｚ１、ΔＶｚ２、ΔＶｚ３、ΔＶｚ４はそれぞれ、押圧力検出素子３１、３２、３３、３４の出力としての、前述のブリッジ回路により検出される電圧変化量である。
【００５５】
ＶＦｘ＝（ΔＶｘ１−ΔＶｘ２）／２      …（１）
ＶＦｙ＝（ΔＶｙ１−ΔＶｙ２）／２      …（２）
ＶＦｚ＝（ΔＶｚ１＋ΔＶｚ２＋ΔＶｚ３＋ΔＶｚ４）／４      …（３）
ＶＭｘ＝（ΔＶｚ１＋ΔＶｚ４−ΔＶｚ２−ΔＶｚ３）／４      …（４）
ＶＭｙ＝（ΔＶｚ３＋ΔＶｚ４−ΔＶｚ１−ΔＶｚ２）／４      …（５）
ＶＭｚ＝−（ΔＶｘ１＋ΔＶｘ２＋ΔＶｙ１＋ΔＶｙ２）／４    …（６）
【００５６】
このように、３つのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚのうち、少なくとも２つのモーメントＭｘ、Ｍｙは、複数のセンサ素子のうち、放射状の配置における中心を基準として回転対称（４回対称）の位置に配置されている、４つのセンサ素子の出力に基づいて検出されることにより、非常に高い感度でモーメントを検出している。
また、モーメントＭｚも、複数のセンサ素子のうち、放射状の配置における中心を基準として回転対称（４回対称）の位置に配置されている、４つのセンサ素子（せん断力検出素子２１、２２、２３、２４）の出力（ΔＶｘ１、ΔＶｙ１、ΔＶｘ２、ΔＶｙ２）に基づいて検出されることにより、非常に高い感度でモーメントを検出している。なお、Ｍｚは、複数のセンサ素子のうち、放射状の配置における中心を基準として回転対称（２回対称）の位置に配置されている、２つのセンサ素子（せん断力検出素子２１、２３のペア、またはせん断力検出素子２２、２４のペア）の出力（ΔＶｘ１とΔＶｘ２、またはΔＶｙ１とΔＶｙ２）に基づき、モーメントを検出してもよい。この場合、４つのセンサ素子の出力に基づいて検出する場合と比較するとやや感度が劣るものの、回転対称の位置に配置されたセンサ素子を用いているため、高い感度でモーメントを検出することが可能である。
【００５７】
また、３つの軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚはそれぞれ、複数のセンサ素子のうち、放射状の配置における中心点を基準として回転対称（２回対称）の位置に配置されている、２つ以上のセンサ素子の出力に基づいて検出されることにより、非常に高い感度で軸方向の力を検出している。なお、押圧力Ｆｚについては、複数のセンサ素子のうち、放射状の配置における中心を基準として回転対称（４回対称）の位置に配置されている、４つのセンサ素子（押圧力検出素子３１、３２、３３、３４）の出力に基づいて検出されることにより、さらに高い感度で軸方向の力を検出することが可能である。
なお、上述のＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚはそれぞれ、電圧出力ＶＦｘ、ＶＦｙ、ＶＦｚ、ＶＭｘ、ＶＭｙ、ＶＭｚを主成分として求められる。なお、校正においては、主成分以外の電圧出力も加味されて、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚの値が補正されてもよい。
【００５８】
このように、各センサ素子の各梁構造の長手方向が放射状となるように、各センサ素子を所定のレイアウトにより配置し、さらに、回転対称の関係にある、複数のセンサ素子の出力を組み合わせることにより、他軸干渉の影響を最小化した上で、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の軸方向の力と、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の軸まわりのモーメントを、高い感度で検出することができる、多軸触覚センサを提供することができる。
【００５９】
すなわち、図１２に示される本実施形態の多軸触覚センサ１は、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸といった３つの軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと、３つの軸の軸まわりのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを検出することが可能である。そして、センサ基板２の表面には、少なくとも４つのせん断力検出素子２１、２２、２３、２４と、少なくとも４つの押圧力検出素子３１、３２、３３、３４と、を含む、少なくとも８つのセンサ素子が設けられ、８つのセンサ素子の梁構造はそれぞれ、その長手方向が放射状となるようにセンサ基板２上に配置されている。さらに、３つの軸の軸まわりのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚのうち、少なくとも２つの軸の軸まわりのモーメントＭｘ、Ｍｙは、複数のセンサ素子のうち、前述の放射状の配置における中心を基準として回転対称の位置に配置されている、４つの押圧力検出素子３１、３２、３３、３４の出力に基づいて検出される。また、３つの軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚはそれぞれ、複数のセンサ素子のうち、前述の放射状の配置における中心を基準として回転対称の位置に配置されている、２つ以上のセンサ素子の出力に基づいて検出される。
なお、上述のように、モーメントＭｚも、複数のセンサ素子のうち、放射状の配置における中心を基準として回転対称の位置に配置されている、４つのせん断力検出素子２１、２２、２３、２４の出力に基づいて検出される態様とし、非常に高い感度でモーメントを検出してもよい。
なお、上述のように、押圧力Ｆｚについては、複数のセンサ素子のうち、放射状の配置における中心を基準として回転対称の位置に配置されている、４つの押圧力検出素子３１、３２、３３、３４の出力に基づいて検出される態様とし、非常に高い感度で軸方向の力を検出してもよい。
これにより、小型で、かつ検出感度が高い、３つの軸方向の力と、３つの軸まわりのモーメントを検出することが可能な多軸触覚センサを提供することができる。
【００６０】
＜第１の変形例＞
図１３は、センサ素子の別の配置例を示す第１の変形例である。なお、電極のパターンについては図示を省略している。
この例では、センサ基板２に、複数のセンサ素子として、３つのせん断力検出素子２１、２２、２４と、３つの押圧力検出素子３１、３５、３４とが形成されている。
そして、これらの６つのセンサ素子は、それぞれのセンサ素子の梁構造の長手方向が、放射状となるようにセンサ基板２に配置されている。
【００６１】
そして、図１３に示されるように、せん断力検出素子２１、２２、２４は、図１２のせん断力検出素子２１、２２、２４と同じ位置に配置されている。付言すると、少なくとも２つのせん断力検出素子２２、２４は、回転対称の関係で配置されている。つまり、センサ基板２の略中心位置を基準軸として２回対称、すなわち、基準軸の周りを１８０°回転させると自らと重なるような態様で、せん断力検出素子２０が配置されている。
そして、３つの押圧力検出素子のうち、２つの押圧力検出素子３１、３４は、図１２の押圧力検出素子３１、３４と同じ位置に配置されている。そして、押圧力検出素子３５は、図１２の例において、せん断力検出素子２３が配置されていた位置に設けられている。
【００６２】
このような構成を採用することにより、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の軸まわりのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを検出することができる。
具体的には、せん断力検出素子２１の出力に基づきｘ軸方向の力Ｆｘを、せん断力検出素子２２と２４の出力に基づきｙ軸方向の力Ｆｙを、押圧力検出素子３１、３５、３４の出力に基づきｚ軸方向の力Ｆｚを、押圧力検出素子３１、３５、３４の出力に基づきｘ軸まわりのモーメントＭｘを、押圧力検出素子３１、３４の出力に基づきｙ軸まわりのモーメントＭｙを、せん断力検出素子２２、２４の出力に基づきｚ軸まわりのモーメントＭｚを、検出することができる。
【００６３】
なお、各センサ素子に対応するブリッジ回路からの電圧変化量ΔＶを検出する点、電圧変化量ΔＶの組み合わせにより電圧出力ＶＦ、ＶＭを求める点、電圧出力ＶＦ、ＶＭに基づき、軸方向の力Ｆおよび軸まわりのモーメントＭを求める点については、前述の方法と同様であるため、省略する。なお、ｘ軸まわりのモーメントを求めるための電圧出力ＶＭｘについては、押圧力検出素子３１、３５、３４の抵抗値をそれぞれ検出し、押圧力検出素子３１および３４の出力の平均値と、押圧力検出素子３５の出力との組み合わせに基づいて検出してもよい。すなわち、ｘ軸まわりのモーメントＭｘは、３つの押圧力検出素子３１、３５、３４の配置位置と出力に基づいて検出されてもよい。
【００６４】
以上のように、第１の変形例によれば、多軸触覚センサ１は、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸といった３つの軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと、３つの軸まわりのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを検出することが可能である。そして、センサ基板２の表面には、少なくとも３つのせん断力検出素子２１、２２、２４と、少なくとも３つの押圧力検出素子３１、３５、３４と、を含む、少なくとも６つのセンサ素子が設けられ、６つのセンサ素子の梁構造はそれぞれ、その長手方向が放射状となるようにセンサ基板２上に配置されている。さらに、３つの軸のうち、少なくとも１つの軸の軸まわりのモーメントＭｚは、複数のセンサ素子のうち、前述の放射状の配置における中心を基準として回転対称の位置に配置されている、２つのセンサ素子２２、２４の出力に基づいて検出される。
これにより、小型で、かつ検出感度が高い、３つの軸方向の力と、３つの軸まわりのモーメントを検出することが可能な多軸触覚センサを提供することができる。このとき、回転対称の位置に配置されているセンサ素子の出力により検出される、ｙ軸方向の力Ｆｙと、ｚ軸まわりのモーメントＭｚに対する検出感度は特に高い。
【００６５】
なお、本変形例における３つの押圧力検出素子３１、３５、３４は、放射状の配置の中心位置と、押圧力検出素子３５の位置とを基準にして、回転対称の関係で配置してもよい。例えば、センサ基板２の略中心位置を基準軸として３回対称、すなわち、基準軸の周りを１２０°回転させると自らと重なるような態様で、押圧力検出素子３１、３５、３４を配置してもよい。具体的には、放射状の配置の中心位置と、押圧力検出素子３５の位置とを基準として（押圧力検出素子３５の位置は図１３に示される位置のままとして）、押圧力検出素子３５が配置されている位置から反時計回り１２０°の位置に押圧力検出素子３１を配置し、押圧力検出素子３５が配置されている位置から時計回り１２０°の位置に押圧力検出素子３４を配置する。
この場合は、ｚ軸方向の力Ｆｚが、前述の放射状の配置における中心を基準として回転対称の位置に配置されている、３つの押圧力検出素子３１、３５、３４の出力に基づいて検出される。また、ｘ軸まわりのモーメントＭｘが、前述の放射状の配置における中心を基準として回転対称の位置に配置されている、３つの押圧力検出素子３１、３５、３４の配置位置と出力に基づいて検出される。このように、３つの押圧力検出素子３１、３５、３４が３回対称の位置に配置され、放射状の配置の中心位置に対してバランスが良く配置されることにより、高い感度で、ｚ軸方向の力Ｆｚや、ｘ軸まわりのモーメントＭｘを得ることができる。
【００６６】
＜第２の変形例＞
図１４は、複数のセンサ素子の配置に関する第２の変形例である。
この変形例においては、図１３に示される第１の変形例と比較すると、押圧力検出素子３１、３４が配置されていない。
このような構成であっても、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと、ｚ軸まわりのモーメントＭｚを検出することができる。
具体的には、せん断力検出素子２１の出力に基づきｘ軸方向の力Ｆｘを、せん断力検出素子２２、２４の出力に基づきｙ軸方向の力Ｆｙを、押圧力検出素子３５の出力に基づきｚ軸方向の力Ｆｚを、せん断力検出素子２２、２４の出力に基づきｚ軸まわりのモーメントＭｚを検出することができる。
【００６７】
以上のように、第２の変形例によれば、多軸触覚センサ１は、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸といった３つの軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと、３つの軸のうち１つの軸まわりのモーメントＭｚを検出することが可能である。そして、センサ基板２の表面には、３つのせん断力検出素子２１、２２、２４と、１つの押圧力検出素子３５と、を含む、４つのセンサ素子が設けられ、４つのセンサ素子の梁構造はそれぞれ、その長手方向が放射状となるようにセンサ基板２上に配置されている。さらに、３つの軸のうち、少なくとも１つの軸の軸まわりのモーメントＭｚは、複数のセンサ素子のうち、前述の放射状の配置における中心を基準として回転対称の位置に配置されている、２つのセンサ素子２２、２４の出力に基づいて検出される。
これにより、小型で、かつ検出感度が高い、３つの軸方向の力と、１つの軸まわりのモーメントを検出することが可能な多軸触覚センサを提供することができる。このとき、回転対称の位置に配置されているセンサ素子の出力により検出される、ｙ軸方向の力Ｆｙと、ｚ軸まわりのモーメントＭｚに対する検出感度は特に高い。
【００６８】
＜第３の変形例＞
図１５は、複数のセンサ素子の配置に関する第３の変形例である。
この変形例においては、図１２に示される実施形態と比較すると、せん断力検出素子２１、２２、２３、２４、押圧力検出素子３１、３２、３３、３４が、全て反時計回りに４５°回転した位置に配置されている。
この場合においても、センサ基板２の方向と、ｘ軸、ｙ軸方向の関係は変化するものの、基本的には図１２に示される実施形態と同様の手法により、３つの軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと、３つの軸まわりのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚ求めることができる。
【００６９】
なお、弾性体４は、前述の放射状の配置の中心位置に対応する表面の部分が凸となるように膨らんでいてもよい。すなわち、伝達材としての弾性体４の表面は膨らみを有し、この膨らみの最も高い位置と、前述の放射状の配置の中心位置とは、多軸触覚センサ１の上面視において、略一致していてもよい。
これにより、弾性体４が対象と接触する初期の段階において、まずは弾性体４の凸の部分が接触しやすくなり、せん断方向の力については、放射状に配置された梁構造の延びる方向と平行な方向の力のみが生じる状況となる。これにより、例えば押圧力のみがかかっているときにおいて、せん断力検出素子から出力される電圧変化量は極めて小さくなる。よって、ハードウェアとして、他軸干渉を極力生じさせない構成とすることができる。
なお、本実施形態の梁構造においては、第１の梁４１と第２の梁５１の互いに対向する表面、すなわち内側面に、第１および第２の抵抗層４３、５３が形成されているが、第１の梁４１と第２の梁５１の外側面（互いの梁から遠い表面）に、第１および第２の抵抗層を形成してもよい。
また、梁構造として、図１６に示されるような、第１の梁１４１の端部領域に第１の抵抗層１４３を有する第１の検出部１４２を設け、第２の梁１５１の端部領域に第２の抵抗層１５３を有する第２の検出部１５２を設けた、一対の梁構造を採用してもよい。この場合においても、図１６に示されるように、第１の梁１４１と第２の梁１５１の互いに対向する表面、すなわち内側面に、第１および第２の抵抗層１４３、１５３を形成してもよいし、第１の梁１４１と第２の梁１５１の外側面（互いの梁から遠い表面）に、第１および第２の抵抗層を形成してもよい。
また、梁構造として、図１７に示されるような、１つの梁２４１を備え、その検出部２４２の両側面に抵抗層２４３、２４４を備える梁構造を採用しても良い。
さらに、梁構造として、片持ち梁による梁構造や、３本の梁による梁構造を採用してもよい。
【００７０】
また、軸方向の力および軸まわりのモーメントを検出する上で、各センサ素子の出力として、ブリッジ回路を用いた出力ではなく、第１の抵抗層および第２の抵抗層の各抵抗値に基づく値を用いてもよい。
なお、本実施形態に示されるセンサ素子に加えて、追加のセンサ素子を配置することも可能である。
【００７１】
本実施形態の多軸触覚センサ１によれば、以下の効果を奏する。
（１）本実施形態に係る多軸触覚センサ１は、３つの軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと、３つの軸の軸まわりのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚうち、少なくとも１つの軸の軸まわりのモーメントを検出するための多軸触覚センサ１であって、センサ基板２と、センサ基板２の表面と略同一の面内に設けられた複数のセンサ素子と、複数のセンサ素子の周囲を覆い、複数のセンサ素子に外力を伝達する伝達材としての弾性体４と、を備え、複数のセンサ素子は、センサ基板２の表面に対して平行方向の力を検出するように、所定部位に第１の抵抗層４３、第２の抵抗層５３を備えた梁構造を有する、少なくとも３つのせん断力検出素子２０と、センサ基板２の表面に対して垂直方向の力を検出するように、所定部位に第３の抵抗層６３、第４の抵抗層７３を備えた梁構造を有する、少なくとも１つの押圧力検出素子３０と、を含む、少なくとも４つのセンサ素子を含み、４つのセンサ素子の梁構造はそれぞれ、その長手方向が放射状となるようにセンサ基板２に配置されており、少なくとも１つの軸の軸まわりのモーメントは、複数のセンサ素子のうち、放射状の配置における中心を基準として回転対称の位置に配置されている、２つ以上のセンサ素子の出力に基づいて検出される。
これにより、小型で、かつ検出感度が高い、３つの軸方向の力と、少なくとも１つの軸まわりのモーメントを検出するための多軸触覚センサを提供することができる。
【００７２】
（２）本実施計形態の多軸触覚センサ１は、３つの軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと、３つの軸の軸まわりのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを検出するための多軸触覚センサであって、複数のセンサ素子は、少なくとも３つのせん断力検出素子２０と、少なくとも３つの押圧力検出素子３０と、を含む、少なくとも６つのセンサ素子を含み、６つのセンサ素子の梁構造はそれぞれ、その長手方向が放射状となるようにセンサ基板２に配置されており、３つの軸の軸まわりのモーメントのうち、少なくとも１つの軸の軸まわりのモーメントは、複数のセンサ素子のうち、放射状の配置における中心を基準として回転対称の位置に配置されている、２つ以上のセンサ素子の出力に基づいて検出される。
これにより、小型で、かつ検出感度が高い、３つの軸方向の力と、少なくとも３つの軸まわりのモーメントを検出するための多軸触覚センサを提供することができる。
【００７３】
（３）本実施形態の多軸触覚センサ１において、３つの押圧力検出素子３１、３５、３４が、放射状の配置における中心を基準として３回対称の位置に配置されており、ｘ軸の軸まわりのモーメントは、３回対称の位置に配置されている３つの押圧力検出素子３１、３５、３４の出力に基づいて検出される。
これにより、小型で、かつ検出感度が高い、３つの軸方向の力と、少なくとも３つの軸まわりのモーメントを検出するための多軸触覚センサを提供することができる。
【００７４】
（４）本実施形態の多軸触覚センサ１は、３つの軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと、３つの軸の軸まわりのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを検出するための多軸触覚センサであって、複数のセンサ素子は、少なくとも４つのせん断力検出素子２１、２２、２３、２４と、少なくとも４つの押圧力検出素子３１、３２、３３、３４と、を含む、少なくとも８つのセンサ素子を含み、８つのセンサ素子の梁構造はそれぞれ、その長手方向が放射状となるようにセンサ基板２に配置されており、３つの軸の軸まわりのモーメントのうち、少なくとも２つの軸の軸まわりのモーメントは、複数のセンサ素子のうち、放射状の配置における中心を基準として回転対称の位置に配置されている、４つ以上の押圧力検出素子３１、３２、３３、３４の出力に基づいて検出され、３つの軸方向の力はそれぞれ、複数のセンサ素子のうち、放射状の配置における中心点を基準として回転対称の位置に配置されている、２つ以上のセンサ素子の出力に基づいて検出される。
これにより、小型で、かつ極めて検出感度が高い、３つの軸方向の力と、少なくとも３つの軸まわりのモーメントを検出するための多軸触覚センサを提供することができる。
【００７５】
（５）本実施形態の多軸触覚センサ１は、３つの軸の軸まわりのモーメントはそれぞれ、複数のセンサ素子のうち、放射状の配置における中心を基準として４回対称の位置に配置されている、４つのセンサ素子の出力に基づいて検出され、３つの軸方向の力のうち、少なくとも１つの軸方向の力は、複数のセンサ素子のうち、放射状の配置における中心点を基準として４回対称の位置に配置されている、４つの押圧力検出素子の出力に基づいて検出される。
これにより、（４）よりもさらに検出感度が高い、３つの軸方向の力と、少なくとも３つの軸まわりのモーメントを検出するための多軸触覚センサを提供することができる。
【００７６】
（６）本実施形態の多軸触覚センサ１における、複数のセンサ素子の梁構造はそれぞれ、両端がセンサ基板２に支持された、互いに平行で、かつセンサ基板２に対して平行に配置された、２本の梁から構成されており、２本の梁は、外力によって伸張または圧縮変形する表面に第１の抵抗層が形成された第１の検出部を有する第１の梁と、外力によって第１の検出部とは逆に圧縮または伸張変形する表面に第２の抵抗層が形成された第２の検出部を有する第２の梁と、により構成されている。
これにより、温度変化による抵抗値の変動や多軸との干渉を、効果的にキャンセルすることが可能となる。
【００７７】
なお、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の目的を達成できる範囲で変形、改良などを行っても、本発明の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７８】
１…多軸触覚センサ
２…センサ基板
４…弾性体
１５…電極部
２０（２１、２２、２３、２４）…せん断力検出素子
３０（３１、３２、３３、３４、３５）…押圧力検出素子
４１…第１の梁
４２…第１の検出部
４３…第１の抵抗層
５１…第２の梁
５２…第２の検出部
５３…第２の抵抗層
６１…第３の梁
６２…第３の検出部
６３…第３の抵抗層
７１…第４の梁
７２…第４の検出部
７３…第４の抵抗層
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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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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