JP4068482B2

JP4068482B2 - Tactile sensor

Info

Publication number: JP4068482B2
Application number: JP2003055205A
Authority: JP
Inventors: 昇男佐藤; 克之町田; 智志重松; 浩季森村
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; NTT Inc USA
Current assignee: NTT Inc; NTT Inc USA
Priority date: 2003-03-03
Filing date: 2003-03-03
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2023-03-03
Also published as: JP2004264172A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボットハンドの物体把持機構や、指紋などの微細な凹凸を有する物体の表面形状やこの動きを検知する触覚センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、様々なセンサが開発され重要な役割を担っている。２足歩行ロボットのような機械では、加速度センサを利用してロボットの姿勢を釣り合いがとれた状態で制御し、角度センサを利用して肘の回動を検出して制御している。このようなロボットの中で、物体を把持するロボットの手においては、触覚センサを利用して、破壊せずかつ滑り落とさないような適度な握力で、把持対象の物体を握ることを可能としている。
【０００３】
上述した触覚センサとして、３軸方向の力を検出するものがある。この触覚センサについて、図８，９を用いて説明する。図８に示すように、対象物８０１を把持するロボットハンド８０２には、対象物８０１と接触する部分に触覚センサ８０３を備えている。触覚センサ８０３は、３軸方向の力を検出できるものである（非特許文献１参照）。
触覚センサ８０３は、圧電素子により加わった力の方向を検出する複数の素子８０４（図９）が、例えばマトリクス状に配列されたものである。
【０００４】
素子８０４は、凹部８０９ａを備えた基板８０９の上に圧電薄膜８０５が設けられ、圧電薄膜８０５の上面が、ゴムなどの弾性を有する薄膜からなる保護膜８１０で覆われたものである。圧電薄膜８０５は、凹部８０９ａの上部において、可動部８０７と、可動部８０７の４隅を枠部８０６に連結するブリッジ８０８ａ，８０８ｂ，８０８ｃ，８０８ｄとを備えている。これらの構成は、圧電薄膜８０５を、例えば公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とにより加工することで形成できる。
【０００５】
このように構成された素子８０４の保護膜８１０の上面に外部から力が加わると、ゴム膜８１０の変形に連動して可動部８０７が変位する。この可動部８０７の変位により、各ブリッジ８０８ａ，８０８ｂ，８０８ｃ，８０８ｄが変形して歪む。上述したように、ブリッジ８０８ａ，８０８ｂ，８０８ｃ，８０８ｄは、圧電材料から構成されているため、応力が加わって歪むことにより、これらの両端において電位差が生じる。この電気的な変化を、各ブリッジ８０８ａ，８０８ｂ，８０８ｃ，８０８ｄ個別に検出することで、可動部８０７の変位方向や変位量を検出することが可能となる。
【０００６】
例えば、可動部８０７が、基板８０９の平面の法線方向に変位した場合、ブリッジ８０８ａ，８０８ｂ，８０８ｃ，８０８ｄは同様に伸張し、各ブリッジにおける電気的な変化は、等しくなる。従って、ブリッジ８０８ａ，８０８ｂ，８０８ｃ，８０８ｄの電気的な変化が等しい場合、可動部８０７は、基板８０９の平面の法線方向に変位していることになる。
【０００７】
また、可動部８０７が、図９に示す矢印の方向に変位した場合、ブリッジ８０８ａ，８０８ｂは同様に伸張し、ブリッジ８０８ｃ，８０８ｄは同様に圧縮する。このため、ブリッジ８０８ａ，８０８ｂの電気的変化は等しく、ブリッジ８０８ｃ，８０８ｄの電気的変化は等しく、ブリッジ８０８ａ，８０８ｂの電気的変化とブリッジ８０８ｃ，８０８ｄの電気的変化とは異なる状態となる。従って、これらブリッジの電気的状態が検出された場合、可動部８０７は、図９に示す矢印の方向に変位していることになる。
【０００８】
このように、図９に示す素子８０４では、４つのブリッジ８０８ａ，８０８ｂ，８０８ｃ，８０８ｄの電気的な変化を測定することで、可動部８０７の変位が検出できる。可動部８０７の変位は、保護膜８１０を介して外部より力を受けた結果起こるものなので、図９に示す素子によれば、４つのブリッジ８０８ａ，８０８ｂ，８０８ｃ，８０８ｄの電気的な変化を測定することで、外部より受けた力の方向が検出できる。
【０００９】
また、対象物の表面形状を検出するセンサもある。図１０は、表面形状を検出するセンサの構成例を模式的に示す斜視図（ａ）及び断面図（ｂ）である。これは、センサチップ１００１の検出面で、表面形状の検出対象となる例えば指１００６をスイープさせ、センサチップ１００１により指紋を検出しようとしたものである（特許文献１，２参照）。
【００１０】
センサチップ１００１の検出面には、複数のセンサ素子１００２が配列されている。例えば、センサチップ１００１は、検出面に、５０μｍ角程度のセンサ素子１００２が、１０×２５６個マトリクス状に配列された、ラインセンサである。
【００１１】
センサ素子１００２は、図１０（ｂ）に示すように、シリコンなどの基板１００３の上に、センサ電極１００４を備え、これを絶縁膜１００５で覆ったものである。このように構成されたセンサ素子１００２の絶縁膜１００５表面に指１００６が接する（近づく）と、指１００６の表面とセンサ電極１００４と間に静電容量が形成される。この静電容量の大きさは、センサ電極１００４とこれに対向する指１００６の表面との距離に依存し、指紋の凹凸に対応するものとなる。
【００１２】
センサ素子１００２が配列されているセンサチップ１００１の検出面で、例えば、指１００６をＦの方向にスイープ（移動）させると、各瞬間における指紋の凹凸が線状に検出される。これらをつなぎ合わせることで、面上の指紋画像が得られる。
図１０に示すセンサチップ１００１によれば、指などのように表面に導電性を有する対象物の、微細な凹凸形状や動きを検出することができる。
【００１３】
また、対象物の表面形状を検出するセンサとしては、図１１に示すような素子も提案されている（特許文献３参照）。図１１の素子は、基板１１０１の上に、まず、マトリクス状に配列された複数の下部電極１１０２と、これらの上方に配置された変形可能な上部電極１１０３とを備えている。上部電極１１０３は、隣り合う下部電極１１０２の間に配設された、平面視格子状の支持部材１１０４に支持されている。このように支持された上部電極１１０３は、可撓性を有し、下部電極１１０２に対向する領域が、下部電極１１０２の平面の法線方向に変形可能なものとなっている。
【００１４】
また、下部電極１１０２のほぼ中央部の上方に当たる上部電極１１０３の上には、突起１１０５が設けられている。このように構成されたセンサは、１つの下部電極１１０２が設けられた領域が、１つのセンサセルを構成しており、突起１１０５は、センサセル毎に設けられている。
【００１５】
図１１に示すセンサでは、突起１１０５が形成されている上部電極１１０３の上面に、検出対象の指などが接触すると、まず、指の表面が突起１１０５を下部電極１１０２の方向に押し下げ、突起１１０５が上部電極１１０３を押し下げて変形させる。この結果、上部電極１１０３の下面と下部電極１１０２との間隔が変化し、これらの間の静電容量が変化する。この静電容量の変化を、各センサセル毎に取り出して合成することで、指紋の凹凸に対応する濃淡画像のデータが得られる。
【００１６】
図１１に示すセンサは、変形可能な上部電極１１０３を備えるようにしている。このような構造体を形成する場合、一般には、まず、支持部材１１０４を形成した後、センサセルの部分の空間を犠牲膜で充填して支持部材１１０４の上面がほぼ平坦な状態とし、この上に、上部電極１１０３を形成してから、上記犠牲膜を除去して上部電極１１０３の下に空間を設けるようにしている。従って、上部電極１１０３には、図１１（ｂ），図１１（ｃ）に示すように、開口部１１０７が設けられている。
【００１７】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を本件の出願時までに発見するには至らなかった。
【００１８】
【特許文献１】
特開平１０−０９１７６９号公報
【特許文献２】
特開２００２−０４２１３６号公報
【特許文献３】
特開２００２−３２８００３号公報
【非特許文献１】
B.J.Kane et al., "A traction stress sensor array for use in high-resolution roboticstactile imaging" Journal of microelectromechanical systems, vol.9, No.4, Dec.2000, pp.425-434.
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ロボットハンドを実現する場合、ロボットハンドが把持しようとする対象物との摩擦の状態も把握できる方が好ましい。この摩擦の状態を把握するためには、対象物の表面状態や凹凸の状態を検出可能とすることも１つの方法である。
【００２０】
しかしながら、図９に示すセンサでは、対象物の表面形状や表面の凹凸状態などを検出することが困難である。
一方、図１０及び図１１に示すセンサでは、対象物の表面形状や表面の凹凸状態を検出することはできるが、加わる力の方向を検出することができない。
このように、従来のセンサでは、対象物の表面状態とともに、加わる力の方向も検出できるセンサが実現されていない。
【００２１】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、接触する対象物の表面形状を検出できるとともに、対象物から受ける力の方向も検出できる触覚センサを提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る触覚センサは、基板の上に配列された複数のセンサセルを備え、このセンサセルは、基板の上に固定された下部電極と、この下部電極の上方に配置されて変形可能な上部電極と、基板の上で上部電極を支持する支持部材と、下部電極の中央部の上方の上部電極の上に設けられた突起とを少なくとも備え、センサセルのいずれか２つは、突起の周囲の上部電極に形成されてセンサセルの領域内で基板平面内で各々異なる方向に偏在する開口部を備えるものである。
この触覚センサによれば、配列された複数のセンサセルの中に、突起に加わる力の方向によって上部電極の変化状態が異なるセンサセルが、含まれている。
【００２３】
上記触覚センサにおいて、突起の周囲の上部電極に形成され、センサセルの領域内で均等に配置された複数の開口部を備える基準センサセルと、突起の周囲の上部電極に形成され、センサセルの領域内で基板平面内の第１方向に偏在する第１開口部を備える第１センサセルと、突起の周囲の上部電極に形成され、センサセルの領域内で基板平面内の第１方向とは反時計回りに４５度異なる第２方向に偏在する第２開口部を備える第２センサセルと、突起の周囲の上部電極に形成され、センサセルの領域内で基板平面内の第１方向とは反時計回りに９０度異なる第３方向に偏在する第３開口部を備える第３センサセルと、突起の周囲の上部電極に形成され、センサセルの領域内で基板平面内の第１方向とは反時計回りに１３５度異なる第４方向に偏在する第４開口部を備える第４センサセルと、突起の周囲の上部電極に形成され、センサセルの領域内で基板平面内の第１方向とは反時計回りに１８０度異なる第５方向に偏在する第５開口部を備える第５センサセルと、突起の周囲の上部電極に形成され、センサセルの領域内で基板平面内の第１方向とは反時計回りに２２５度異なる第６方向に偏在する第６開口部を備える第６センサセルと、突起の周囲の上部電極に形成され、センサセルの領域内で基板平面内の第１方向とは反時計回りに２７０度異なる第７方向に偏在する第７開口部を備える第７センサセルと、突起の周囲の上部電極に形成され、センサセルの領域内で基板平面内の第１方向とは反時計回りに３１５度異なる第８方向に偏在する第８開口部を備える第８センサセルとを備えるようにしてもよい。
【００２４】
また、上記触覚センサは、基板は集積回路を備えた半導体基板を含み、下部電極及び支持部材は、集積回路の上に形成された層間絶縁膜の上に形成され、集積回路は、センサセルの下部電極及び上部電極の間の容量を検出して電気信号に変換出力する容量検出回路と、容量検出回路より変換出力された電気信号を処理する制御回路とを含むものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態における触覚センサの構成例を模式的に示す断面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。図１では、触覚センサ１００の一部を示しており、図１（ａ）では、３つのセンサセルの部分を示している。
以下、本触覚センサ１００について説明する。まず、単結晶シリコンなどの半導体基板１０１の上に、層間絶縁膜１０２が形成され、この上に複数の下部電極１０３が配列されている。下部電極１０３は、図１（ｂ）に示すように、マトリクス状に配列されている。下部電極１０３は、触覚センサ１００の検出領域に配列されている。
【００２６】
下部電極１０３の上方には、所定の間隔を開けて上部電極１０５が形成され、上部電極１０５は、支持部材１０４に支持されている。上部電極１０５は、複数の下部電極１０３が配列されている検出領域の全域にわたって設けられている。支持部材１０４は、隣り合う下部電極１０３の間において基板１０１と上部電極との間に延在し、上部電極１０５を支持している。本実施の形態では、支持部材１０４は、格子状に形成され、格子状に形成された支持部材１０４のマスの１つが、上述した１つのセンサセルに対応している。なお、上部電極１０５は、センサセル毎に分離して設けられていても良い。
【００２７】
このように構成されたセンサセル毎に、上部電極１０５の下部電極１０３と対向する面とは反対側の面の上に突起１０６が固定されている。突起１０６は、下部電極１０３の上方に配置されている。
また、本触覚センサは、層間絶縁膜１０２の下の半導体基板１０１の上に、検出回路（容量検出回路）１０７及び制御回路１０８を備えている。これらは、半導体基板１０１の上に形成されている集積回路の一部で構成されている。また、検出回路１０７は、上記センサセル毎に設けられている。
【００２８】
このように構成された本触覚センサによれば、突起１０６が対象物に触れることで上部電極１０５が変形する。この結果、下部電極１０３と上部電極１０５との距離が変化し、これらの間の容量が変化する。この容量変化の差は、検出回路１０７により電気信号として変換され、変換された電気信号は制御回路１０８により処理される。
ここで、指先の指紋は皮膚の凹凸により形成されているので、指紋を形成している突部に突起１０６が触れた場合と、凹部に突起１０６が触れた場合とで、この下の上部電極１０５の変形量が異なることになる。この変形量の違いは、上述した容量変化の差の違いとして検出されることになる。
【００２９】
従って、複数配列されたセンサセル各々から得られる異なる検出結果の分布を、センサセルの配列状態を反映して配列して濃淡の分布とすることで、指紋の形状を画像情報として形成することができる。なお、これらの画像情報の生成は、制御回路１０８で行えばよい。
また、突起１０６を設けることで、突起が形成されていない場合に比較して、対象物の接触により１つのセンサセルの上部電極１０５が変形する量が増加し、感度の向上を見込めるようになる。
【００３０】
加えて、図１に示す触覚センサでは、上述したセンサセル毎に、上部電極１０５にセンサセル領域内で均等に配置された開口部１１０，または突起１０６の周囲のセンサセルの領域内で偏在して配置された８種類の開口部１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄ，１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ，１１２ｄのいずれかを備えるようにした。これらの開口部は、３×３（＝９）個のセンサセルの集団毎に繰り返されて配置されている。これらの８個の開口部は、突起１０６を中心に突起１０６の周囲において偏在しており、点対称な状態となっていない。
【００３１】
例えば、図１（ｂ）の平面図に示すように、同図の中央部に配置されているセンサセルにおいては、下部電極１０３の外側の領域の４隅に、同じ大きさの開口部１１０が設けられている。また、中央のセンサセルの右隣のセンサセルにおいては、下部電極１０３の右側の領域に、図面視縦長の開口部１１１ａが設けられている。また、中央のセンサセルの上のセンサセルにおいては、下部電極１０３の上側の領域に、図面視横長の開口部１１１ｂが設けられている。
【００３２】
また、中央のセンサセルの左隣のセンサセルにおいては、下部電極１０３の左側の領域に、図面視縦長の開口部１１１ｃが設けられている。また、中央のセンサセルの下のセンサセルにおいては、下部電極１０３の下側の領域に、図面視横長の開口部１１１ｄが設けられている。
従って、まず、開口部１１１ｂは、開口部１１１ａの偏在方向から反時計回りに９０度の方向に偏在している。また、開口部１１１ｃは、開口部１１１ａの偏在方向から反時計回りに１８０度の方向に偏在している。また、開口部１１１ｄは、開口部１１１ａの偏在方向から反時計回りに２７０度の方向に偏在している。なお、偏在しているとは、突起１０６を中心とした状態を示している。
【００３３】
また、上記中央のセンサセルの右上のセンサセルにおいては、下部電極１０３の右上隅の領域に、左方向と下方向に延在する部分を備えた開口部１１２ａが設けられている。また、中央のセンサセルの左上のセンサセルにおいては、下部電極１０３の左上隅の領域に、右方向と下方向に延在する部分を備えた開口部１１２ｂが設けられている。また、中央のセンサセルの左下のセンサセルにおいては、下部電極１０３の左下隅の領域に、右方向と上方向に延在する部分を備えた開口部１１２ｃが設けられている。
【００３４】
また、中央のセンサセルの右下のセンサセルにおいては、下部電極１０３の右下隅の領域に、左方向と上方向に延在する部分を備えた開口部１１２ｄが設けられている。
従って、開口部１１２ａは、開口部１１１ａの偏在方向から反時計回りに４５度の方向に偏在している。また、開口部１１２ｂは、開口部１１１ａの偏在方向から反時計回りに１３５度の方向に偏在している。また、開口部１１２ｃは、開口部１１１ａの偏在方向から反時計回りに２２５度の方向に偏在している。また、開口部１１２ｄは、開口部１１１ａの偏在方向から反時計回りに３１５度の方向に偏在している。
【００３５】
このように、本実施の形態においては、上部電極１０５の、センサセルに対応する領域に開口部を設け、複数のセンサセルのいずれかに設けられた開口部は、他のセンサセルに設けられている開口部とは開口形状が異なるようにした。なお、上述では、互いに４５度ずつ異なる８方向に偏在する開口部を備えた８個のセンサセルを設けるようにしたが、これに限定されるものではなく、互いに９０度ずつ異なる４方向に偏在する開口部を備えた４個のセンサセルを設けるようにしても良い。また、開口部の偏在方向が不均等に分割されている複数のセンサセルを設けるようにしても良い。
【００３６】
ここで、上記開口部１１１ａが設けられているセンサセルを代表し、この動作例について説明する。ここでは、指などの検出対象物の表面が、上部電極１０５の上方より接近し、図２（ａ）に示すように、突起１０６に対して開口部１１１ａが形成されている方向Ｆへの力を加える場合を例にする。
【００３７】
図２に示すセンサセルでは、突起１０６の力が加わる方向Ｆの先に、開口部１１１ａが設けられており、この領域では、上部電極１０５の部材が存在していない状態となっている。突起１０６に対してＦの方向への力が加わると、上部電極１０５は、図２（ａ）の紙面において、左側の支持部材１０４に近い部分により大きな応力が加わることになる。従って、この領域に開口部１１１ａを備えている図２に示すセンサセルでは、図２（ａ）に示すように、上部電極１０５が、開口部１１１ａが形成されている側で大きく下降する。
【００３８】
これに対し、開口部１１１ａが形成されていない他のセンサセルでは、左側の支持部材１０４に近い部分の上部電極１０５が、上述したように大きく下降するようなことはない。また、方向Ｆへ加わる力は、上部電極１０５の図２（ｂ）の紙面における上、下、左などの、開口部１１１ａが形成されている領域以外には、開口部１１１ａが形成されている領域ほどは作用しない。
従って、開口部１１１ａが形成されていない他のセンサセルにおいては、方向Ｆへ加わる力によっては、図２に示すセンサセルほど、上部電極１０５が下方に変形しない。
【００３９】
言い換えると、開口部１１１ａの偏在している方向Ｆへの力が突起１０６に加わると、開口部１１１ａを備えるセンサセルの上部電極１０５が、選択的に他のセンサセルの上部電極に比較して大きく下方へ変形する。この結果、方向Ｆへ力が加わると、開口部１１１ａを備えるセンサセルほど、下部電極１０３と上部電極１０５との間に形成される静電容量の変化が大きい。
従って、他のセンサセルに比較して、開口部１１１ａを備えるセンサセルの検出回路１０７が検出する静電容量の変化が大きいことにより、図２に示す方向Ｆへの力が本触覚センサの検出面に加わったことが、本触覚センサによれば検出できる。
【００４０】
上述では、開口部１１１ａを備えるセンサセルを例にして説明したが、他の開口部を備えるセンサセルについても同様である。
例えば、図３（ａ）に示すように、領域３００に９個のセンサセル３０１〜３０９を正方配列することで、まず、開口部１１１ａを備えるセンサセル３０１によって、右方向への力が選択的に検出できる。また、開口部１１２ａを備えるセンサセル３０２によって、右上方向への力が選択的に検出できる。また、開口部１１１ｂを備えるセンサセル３０３によって、上方向への力が選択的に検出できる。
【００４１】
また、開口部１１２ｂを備えるセンサセル３０４によって、左上方向への力が選択的に検出できる。また、開口部１１１ｃを備えるセンサセル３０５によって、左方向への力が選択的に検出できる。また、開口部１１２ｃを備えるセンサセル３０６によって、左下方向への力が選択的に検出できる。また、開口部１１１ｄを備えるセンサセル３０７によって、下方向への力が選択的に検出できる。また、開口部１１２ｄを備えるセンサセル３０８によって、右下方向への力が選択的に検出できる。
【００４２】
加えて、センサセル３０９においては、図１（ｂ）に示したように、突起１０６を中心に、４つの開口部１１０を備えるので、上部電極１０５の平面方向への力に対して突起１０６が動きにくい。すなわち、図３に示すいずれの矢印の方向への力に対しても、他のセンサセル３０１〜３０９と比較して、感度が小さなものとなる。また、いずれの場合の検出も、他のセンサセル３０１〜３０９と比較して、小さなものとなる。従って、センサセル３０９は、この周囲の８つのセンサセル３０１〜３０８に対する参照（基準）用のセンサセルとして用いることができる。
【００４３】
このような９つのセンサセルからなるセンサセルユニットに外部から力がかかった場合、各センサセルからの容量を対応する検出回路１０７（図１）により検出し、この大きさに比例して各方向のベクトルを制御回路１０８（図１）において演算処理することで、図３（ｂ）に示す方向Ｆへの力であっても、力の加わった方向が検出できる。
【００４４】
上述では、正方配列された９つのセンサセルからなる領域を１つのユニットとした例を示したが、より広いエリアを用いて以下のように処理してもよい。対象物がセンサセルに比べて比較的大きく、より正確に力の向きを検知したい場合は、複数のセンサセルユニット４００からの情報を総計する処理を行えばよい。図４に示すように、複数のセンサセルユニット４００において同じ種類の複数のセンサセル，例えば複数のセンサセル４０１から検出回路４０１ａによって取り出した力の大きさを示す信号を、部分制御回路４１１によって演算処理（集計）する。
【００４５】
同様にして、他の同じ種類のセンサセルからの結果も部分制御回路４１２，４１３などによって演算処理する。これらの部分制御回路４１１，４１２，４１３によって、各々演算処理された結果得られたベクトルの情報を、制御回路４２０によって演算処理することで、すべてのベクトルの和を求める。これによって、より広い領域で平均した力の向きと大きさを検出できる。検出回路や制御回路は対象物からの力の向きや大きさなどの情報をデジタル信号化できるので、通信経路を介した遠方からの操作、及び遠方への情報伝達なども可能となる。
【００４６】
また、加わった力の時間変化についても、つぎに示すことにより検出することができる。図５のように離れた位置にある２つのセンサセルユニット５００ａ，５００ｂを考える。ある時刻ｔにおけるセンサセルユニット５００ａに加わった力Ａの向きと大きさ（ベクトル量）を回路５０１ａによって検出する。同様に時刻ｔ＋Δｔにおける力Ｂの向きと大きさ（ベクトル量）を回路５０１ｂによって検出する。
【００４７】
制御回路５１０において、これらのベクトル量の引き算をすることで、時間Δｔの間に変化した力（方向と大きさ）が求められる。また、センサセルユニット５００ａとセンサセルユニット５００ｂの間の位置を予め把握しておくことで、時間Δｔの間に対象物が移動した量、すなわち速度（方向と大きさ）を検出することができる。
【００４８】
上述したように構成されたセンサセルユニット５００を備えた触覚センサ６００を図６（ａ）に示す。図６（ａ）における触覚センサ６００は、上記に説明した力の方向を検出するセンサセルユニット５００と、基板に鉛直方向の力のみを検出する複数のセンサセル部分６０１とから構成されている。センサセル部分６０１は、例えば、すべてのセンサセルが、図３に示すセンサセル３０９に対応するものとなっている。
【００４９】
図６（ａ）に示す触覚センサ６００によれば、センサセル部分６０１によって、対象物表面の凹凸（形状）が検出され、センサセルユニット５００によって、対象物表面より触覚センサ６００が受けた力の方向が検出される。触覚センサ６００を、ロボットハンドの表面に設けることで、対象物を把持したときに、まず、検出された力の大きさや測定された対象物の表面状態により、対象物の表面における摩擦力が推定できる。また、対象物表面の凹凸形状の位置変化や、力の方向の変化によって、対象物の時間的な動作の状態を把握することも可能である。この触覚センサからの結果をロボットハンドの動作にフィードバックすることで、より人間の手に近い形態で対象物の把持が実現できる。
【００５０】
また、本発明の触覚センサは、スイープ型の指紋センサに適用することもできる。図６（ｂ）に示すように、指紋センサ６１０は、上記に説明したセンサセルユニット５００と、基板に鉛直方向の力のみを検出するセンサセル部分６１１から構成されている。このように構成された指紋センサ６１０の上で、指を図の矢印Ｆの方向にスイープした場合、複数のセンサセルユニット５００により指が移動した向きＦを検出することができる。さらに、複数のセンサセルユニット５０とセンサセル部分６１１によって、指紋の凹凸形状が検出できる。
【００５１】
これら２つの情報をあわせることで、指が移動した方向（経路）と指紋パターンを一義的に決定できる。従って、従来のように、画像処理などによって指紋パターンの同一部分をつなぎあわせて１つの画像とする計算が必要ない。また、図６（ｃ）のように、図６（ａ）に示す指紋センサ６００を指の先端部より小型な指紋センサ６３０とし、図の矢印Ｆのように円を描くように指をスイープさせて指紋画像を取得することも可能である。
【００５２】
ここで、図１に示した、触覚センサの製造方法について、簡単に説明する。
まず、半導体基板１０１を用意し、この上に、制御回路１０８と検出回路１０７などを構成する集積回路を公知のＣＭＯＳプロセスによって作製する。これらの集積回路を形成し、層間絶縁膜１０２を形成したら、この上に、０．１μｍ厚のチタン膜と０．１μｍ厚の金膜の２層膜からなるシード層を蒸着法などにより形成する。この後、公知のフォトリソグラフィ技術によりレジストパターニングを行い、下部電極１０３が設けられる部分に電解メッキ法により膜厚１μｍの金からなる第１の金属膜を形成し、この後、レジストパターンを除去する。同様にして、支持部材１０４が設けられる部分に、膜厚２μｍの金からなる第２の金属膜を形成する。
【００５３】
この後、第１の金属膜と第２の金属膜をマスクとしてシード層を選択的にエッチングする。このようにして、第１の金属膜とシード層の一部からなる下部電極１０３と、第２の金属膜とシード層の一部からなり下部電極１０３から絶縁分離された支持部材１０４を形成する。このようにして、図１（ｂ）の平面図に示すように、格子状の支持部材１０４と、支持部材１０４で囲まれた領域の中心部に下部電極１０３が配置された状態が得られる。
【００５４】
続いて、半導体基板１０１の上で下部電極１０３を覆い、かつ支持部材１０４の上面を露出させるように犠牲膜を形成する。すなわち、支持部材１０４のマスの中を犠牲膜で充填する。犠牲膜の表面と支持部材１０４の上面は同一平面を成すように平坦化する。この状態で、犠牲膜及び支持部材１０４の上面に、前述した下部電極１０３の形成などと同様にして、シード層を形成し、この上に、電解メッキ法により膜厚１μｍの金からなり、所定の箇所に所定の形状の開口部を備えた第３の金属膜を形成する。
【００５５】
この開口部は、センサセル領域内で均等に配置された開口部１１０，または突起１０６の周囲のセンサセルの領域内で偏在して配置された８種類の開口部１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄ，１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ，１１２ｄのいずれかとなるものである。
【００５６】
ついで、第３の金属膜をマスクとして、シード層を選択的にエッチングすることにより図１に示すような開口部１１１ａ〜１１１ｄなどを備えた上部電極１０５を形成する。
この後、上部電極１０５に形成された開口部を通して上記犠牲膜をエッチング除去することにより、上部電極１０５と下部電極１０３が離間した状態、すなわち、下部電極１０３と上部電極１０５との間に空間がある状態が得られる。
【００５７】
次に、感光性を有する樹脂膜を、上部電極１０５の上に形成し、この樹脂膜を公知のフォトリソグラフィ技術によってパターニングすることで、突起１０６が形成できる。上述した樹脂膜の形成は、例えば、ＳＴＰ（Spin coating film Transfer and Hot pressing）法などの貼り合わせ方法を用いれば可能である。ＳＴＰ法は、上記樹脂膜を予めシート状の基材の上に形成しておき、これを所望とする膜形成面に貼り付け、基材のみを剥離することで、所望とする膜形成面に樹脂膜を貼り付ける技術である。
また、上部電極１０５を保護膜で覆った後、突起１０６を形成するようにしても良い。
【００５８】
ところで、図１では、正方配列された９個のセンサセルにおいて、この中央部のセンサセルは、周辺部に均等に配置された開口部１１０を上部電極１０５に備え、上，下，左，右及び右上，左上，左下，右下の８つのセンサセルでは、各々の方向に偏在する開口部を上部電極１０５に備えるようにしたが、これに限るものではない。複数のセンサセルのいずれかが、上部電極にセンサセルの領域内で偏在して配置された開口部を備えるようにすれば、力の方向を検出できる触覚センサとすることが可能である。
【００５９】
例えば、検出領域に配列されたセンサセルのいずれか１つは、図１（ｂ）に示す開口部１１１ａが形成された方向検出用のセンサセルとし、他のすべてのセンサセルは、周辺部に均等に配置された開口部１１０を上部電極１０５に備えた基準センサセルとして、触覚センサを構成するようにしても良い。この場合、下部電極１０３から見た開口部１１１ａの方向への力が検出される触覚センサとなる。この触覚センサを、各々４５度ずつ回転させて８個配列させて用いることで、図１に示した触覚センサと同様の効果が得られる。
【００６０】
また、複数の方向検出用のセンサセルが配列されている検出領域の中に、１つの基準センサセルを備えて触覚センサを構成するようにしても良い。この場合、方向検出用のセンサセルの上部電極を特に大きく撓ませる方向の力が加わった場合、基準センサセルからは、他の方向検出用のセンサセルとは異なる信号が得られるため、上記方向が検出できることになる。
【００６１】
また、上述する基準センサセルにおいては、上部電極に開口部を設けず、方向検出用センサセルにおいては、上部電極にセンサセルの領域内で偏在する開口部を設けるようにしても良い。
また、検出領域の中に配列された複数の基準センサセルの中に、開口部の偏在状態が異なる各々２つの方向検出用のセンサセルを設けて、触覚センサとしても良く、これらの組み合わせは種々のものが考えられる。
【００６２】
また、上述では、方向検出用のセンサセルの上部電極に、矩形または２つの矩形を組み合わせた開口部を偏在させるようにしたが、これに限るものではない。例えば、図７に示すように、上部電極７０５のセンサセルの上部に、センサセルの領域内で偏在する開口部７１１を設けるようにしても良い。この開口部７１１により、四角形の開口領域７５１の内側の一辺に連結部７５２で連結される可動部７５３が形成された状態となる。また、可動部７５３のほぼ中央部に、図示しない突起が設けられるようになる。この場合においても、開口部７１１は、突起を中心に突起の周囲において偏在しており、点対称な状態となっていない。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、検出領域に配列されているセンサセルのいずれか２つは、突起の周囲の上部電極に、センサセルの領域内で基板平面内で各々異なる方向に偏在して配置された開口部を備えるようにした。従って、本発明によれば、配列された複数のセンサセルの中に、突起に加わる力の方向によって上部電極の変化状態が異なるセンサセルが、含まれていることになる。この結果、本発明の触覚センサによれば、配列されているセンサセルによって接触する対象物の表面形状を検出できるとともに、偏在して配置された開口部を備えるセンサセルとこれ以外のセンサセルとの検出状態の比較により、対象物から受ける力の方向も検出できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における触覚センサの構成例を模式的に示す断面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。
【図２】本発明の実施の形態における触覚センサの一部構成例を模式的に示す断面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。
【図３】本発明の実施の形態における触覚センサの動作概念を模式的に示す平面図である。
【図４】本発明の実施の形態における触覚センサの動作概念を模式的に示す斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態における触覚センサの動作概念を模式的に示す斜視図である。
【図６】本発明の実施の形態における触覚センサの構成例を模式的に示す斜視図である。
【図７】本発明の他の実施の形態における触覚センサの一部構成例を模式的に示す平面図である。
【図８】ロボットハンドの構成を簡単に示す斜視図である。
【図９】従来の触覚センサの構成を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図１０】表面形状を検出するセンサの構成例を模式的に示す斜視図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図１１】対象物の表面形状を検出するセンサの構成を示す断面図（ａ），及び平面図（ｂ），（ｃ）である。
【符号の説明】
１０１…半導体基板、１０２…層間絶縁膜、１０３…下部電極、１０４…支持部材、１０５…上部電極、１０６…突起、１０７…検出回路、１０８…制御回路、１１０…開口部、１１１ａ〜１１１ｄ，１１２ａ〜１１２ｄ…開口部。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an object gripping mechanism of a robot hand, a surface shape of an object having fine irregularities such as a fingerprint, and a tactile sensor for detecting this movement.
[0002]
[Prior art]
In recent years, various sensors have been developed and play an important role. In a machine such as a biped robot, an acceleration sensor is used to control the robot in a balanced state, and an angle sensor is used to detect and control the rotation of the elbow. Among such robots, the hand of the robot that grips the object can use the tactile sensor to grip the object to be gripped with an appropriate gripping force that does not break or slide down. .
[0003]
Some of the above-described tactile sensors detect forces in three axial directions. This tactile sensor will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 8, the robot hand 802 that holds the object 801 is provided with a tactile sensor 803 at a portion in contact with the object 801. The tactile sensor 803 can detect triaxial force (see Non-Patent Document 1).
The tactile sensor 803 includes a plurality of elements 804 (FIG. 9) that detect the direction of a force applied by a piezoelectric element, for example, arranged in a matrix.
[0004]
In the element 804, a piezoelectric thin film 805 is provided on a substrate 809 having a recess 809a, and the upper surface of the piezoelectric thin film 805 is covered with a protective film 810 made of an elastic thin film such as rubber. The piezoelectric thin film 805 includes a movable portion 807 and bridges 808 a, 808 b, 808 c, and 808 d that connect the four corners of the movable portion 807 to the frame portion 806 in the upper portion of the concave portion 809 a. These structures can be formed by processing the piezoelectric thin film 805 by, for example, a known photolithography technique and etching technique.
[0005]
When an external force is applied to the upper surface of the protective film 810 of the element 804 configured as described above, the movable portion 807 is displaced in conjunction with the deformation of the rubber film 810. Due to the displacement of the movable portion 807, the bridges 808a, 808b, 808c, and 808d are deformed and distorted. As described above, the bridges 808a, 808b, 808c, and 808d are made of a piezoelectric material. By detecting this electrical change individually for each of the bridges 808a, 808b, 808c, and 808d, the displacement direction and the displacement amount of the movable portion 807 can be detected.
[0006]
For example, when the movable portion 807 is displaced in the normal direction of the plane of the substrate 809, the bridges 808a, 808b, 808c, and 808d are similarly expanded, and the electrical change in each bridge becomes equal. Therefore, when the electrical changes of the bridges 808a, 808b, 808c, and 808d are equal, the movable portion 807 is displaced in the normal direction of the plane of the substrate 809.
[0007]
When the movable portion 807 is displaced in the direction of the arrow shown in FIG. 9, the bridges 808a and 808b are similarly expanded, and the bridges 808c and 808d are similarly compressed. Therefore, the electrical changes of the bridges 808a and 808b are equal, the electrical changes of the bridges 808c and 808d are equal, and the electrical changes of the bridges 808a and 808b are different from the electrical changes of the bridges 808c and 808d. Therefore, when the electrical state of these bridges is detected, the movable part 807 is displaced in the direction of the arrow shown in FIG.
[0008]
As described above, in the element 804 shown in FIG. 9, the displacement of the movable portion 807 can be detected by measuring the electrical changes of the four bridges 808a, 808b, 808c, and 808d. Since the displacement of the movable portion 807 occurs as a result of receiving a force from the outside through the protective film 810, the electrical change of the four bridges 808a, 808b, 808c, and 808d is measured according to the element shown in FIG. By doing so, the direction of the force received from the outside can be detected.
[0009]
There is also a sensor that detects the surface shape of an object. FIG. 10 is a perspective view (a) and a cross-sectional view (b) schematically showing a configuration example of a sensor for detecting the surface shape. This is an attempt to detect a fingerprint by the sensor chip 1001 by sweeping, for example, a finger 1006 to be a surface shape detection target on the detection surface of the sensor chip 1001 (see Patent Documents 1 and 2).
[0010]
A plurality of sensor elements 1002 are arranged on the detection surface of the sensor chip 1001. For example, the sensor chip 1001 is a line sensor in which 10 × 256 sensor elements 1002 of about 50 μm square are arranged in a matrix on the detection surface.
[0011]
As shown in FIG. 10B, the sensor element 1002 includes a sensor electrode 1004 on a substrate 1003 made of silicon or the like, and this is covered with an insulating film 1005. When the finger 1006 contacts (approaches) the surface of the insulating film 1005 of the sensor element 1002 configured in this manner, a capacitance is formed between the surface of the finger 1006 and the sensor electrode 1004. The magnitude of the capacitance depends on the distance between the sensor electrode 1004 and the surface of the finger 1006 facing the sensor electrode 1004, and corresponds to the unevenness of the fingerprint.
[0012]
For example, when the finger 1006 is swept (moved) in the direction of F on the detection surface of the sensor chip 1001 on which the sensor elements 1002 are arranged, the unevenness of the fingerprint at each moment is detected in a linear form. By connecting them together, a fingerprint image on the surface can be obtained.
According to the sensor chip 1001 shown in FIG. 10, it is possible to detect a minute uneven shape and movement of an object having conductivity on the surface such as a finger.
[0013]
Further, as a sensor for detecting the surface shape of an object, an element as shown in FIG. 11 has been proposed (see Patent Document 3). The element shown in FIG. 11 includes a plurality of lower electrodes 1102 arranged in a matrix and a deformable upper electrode 1103 disposed above them, on a substrate 1101. The upper electrode 1103 is supported by a support member 1104 having a lattice shape in a plan view disposed between adjacent lower electrodes 1102. The upper electrode 1103 supported in this manner has flexibility, and a region facing the lower electrode 1102 can be deformed in the normal direction of the plane of the lower electrode 1102.
[0014]
Further, a protrusion 1105 is provided on the upper electrode 1103 that is substantially above the center of the lower electrode 1102. In the sensor configured as described above, a region where one lower electrode 1102 is provided constitutes one sensor cell, and the protrusion 1105 is provided for each sensor cell.
[0015]
In the sensor shown in FIG. 11, when a finger or the like to be detected comes into contact with the upper surface of the upper electrode 1103 on which the protrusion 1105 is formed, the surface of the finger first pushes the protrusion 1105 toward the lower electrode 1102, and the protrusion 1105 The upper electrode 1103 is pushed down to be deformed. As a result, the distance between the lower surface of the upper electrode 1103 and the lower electrode 1102 changes, and the capacitance between them changes. By extracting and synthesizing the change in capacitance for each sensor cell, grayscale image data corresponding to the fingerprint irregularities can be obtained.
[0016]
The sensor shown in FIG. 11 includes a deformable upper electrode 1103. In the case of forming such a structure, generally, after forming the support member 1104, the space of the sensor cell portion is filled with a sacrificial film so that the upper surface of the support member 1104 is almost flat. After the upper electrode 1103 is formed, the sacrificial film is removed to provide a space below the upper electrode 1103. Therefore, the upper electrode 1103 is provided with an opening 1107 as shown in FIGS. 11B and 11C.
[0017]
The applicant has not found any prior art documents related to the present invention by the time of filing of the present application other than the prior art documents specified by the prior art document information described in the present specification.
[0018]
[Patent Document 1]
JP 10-091769 A
[Patent Document 2]
JP 2002-042136 A
[Patent Document 3]
JP 2002-328003 A
[Non-Patent Document 1]
BJKane et al., "A traction stress sensor array for use in high-resolution roboticstactile imaging" Journal of microelectromechanical systems, vol.9, No.4, Dec.2000, pp.425-434.
[0019]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, when realizing a robot hand, it is preferable that the state of friction with an object to be grasped by the robot hand can be grasped. In order to grasp the state of friction, it is one method to make it possible to detect the surface state and uneven state of the object.
[0020]
However, with the sensor shown in FIG. 9, it is difficult to detect the surface shape of the target object, the surface irregularity state, and the like.
On the other hand, the sensors shown in FIGS. 10 and 11 can detect the surface shape of the object and the surface irregularity state, but cannot detect the direction of the applied force.
Thus, in the conventional sensor, the sensor which can also detect the direction of the applied force with the surface state of the object has not been realized.
[0021]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a tactile sensor that can detect the surface shape of an object to be contacted and can also detect the direction of a force received from the object. Objective.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
A tactile sensor according to the present invention includes a plurality of sensor cells arranged on a substrate, the sensor cell including a lower electrode fixed on the substrate, beneath A sensor cell comprising at least a deformable upper electrode disposed above the electrode, a support member for supporting the upper electrode on the substrate, and a protrusion provided on the upper electrode above the central portion of the lower electrode, Either Two Is formed in the upper electrode around the protrusion in the area of the sensor cell In different directions in the plane of the board It has an unevenly distributed opening.
According to this tactile sensor, the sensor cells in which the change state of the upper electrode differs depending on the direction of the force applied to the protrusion are included in the plurality of arranged sensor cells.
[0023]
In the tactile sensor, a reference sensor cell formed on the upper electrode around the protrusion and having a plurality of openings evenly arranged in the sensor cell region, and formed on the upper electrode around the protrusion, in the sensor cell region. A first sensor cell having a first opening unevenly distributed in a first direction in the substrate plane and an upper electrode around the protrusion, and 45 in the sensor cell region counterclockwise from the first direction in the substrate plane. The second sensor cell having the second opening unevenly distributed in the second direction and the upper electrode formed around the protrusion are different from the first direction in the substrate plane by 90 degrees counterclockwise within the sensor cell region. A third sensor cell having a third opening unevenly distributed in the third direction and a fourth electrode formed in the upper electrode around the protrusion and differing 135 degrees counterclockwise from the first direction in the substrate plane within the sensor cell region. direction A fourth sensor cell having an unevenly distributed fourth opening and an upper electrode formed around the protrusion are unevenly distributed in a fifth direction which is 180 degrees counterclockwise from the first direction in the substrate plane within the sensor cell region. A fifth sensor cell having a fifth opening, and a sixth sensor cell formed in the upper electrode around the protrusion and unevenly distributed in a sixth direction that is 225 degrees counterclockwise from the first direction in the substrate plane in the sensor cell region. A sixth sensor cell having an opening, and a seventh opening formed in the upper electrode around the protrusion, and unevenly distributed in a seventh direction that is 270 degrees counterclockwise from the first direction in the substrate plane in the sensor cell region And an eighth opening that is formed in the upper electrode around the protrusion and is unevenly distributed in an eighth direction that is 315 degrees counterclockwise from the first direction in the substrate plane in the region of the sensor cell. 8th sensor cell It may be provided with.
[0024]
In the tactile sensor, the substrate includes a semiconductor substrate provided with an integrated circuit, the lower electrode and the support member are formed on an interlayer insulating film formed on the integrated circuit, and the integrated circuit is formed below the sensor cell. It includes a capacitance detection circuit that detects the capacitance between the electrode and the upper electrode, converts it into an electrical signal, and a control circuit that processes the electrical signal converted and output from the capacitance detection circuit.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view (a) and a plan view (b) schematically showing a configuration example of a tactile sensor according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 shows a part of the tactile sensor 100, and FIG. 1 (a) shows parts of three sensor cells.
Hereinafter, the tactile sensor 100 will be described. First, an interlayer insulating film 102 is formed on a semiconductor substrate 101 such as single crystal silicon, and a plurality of lower electrodes 103 are arranged thereon. The lower electrodes 103 are arranged in a matrix as shown in FIG. The lower electrode 103 is arranged in the detection region of the touch sensor 100.
[0026]
An upper electrode 105 is formed above the lower electrode 103 at a predetermined interval, and the upper electrode 105 is supported by the support member 104. The upper electrode 105 is provided over the entire detection region where the plurality of lower electrodes 103 are arranged. The support member 104 extends between the adjacent lower electrodes 103 between the substrate 101 and the upper electrode, and supports the upper electrode 105. In the present embodiment, the support member 104 is formed in a lattice shape, and one of the masses of the support member 104 formed in the lattice shape corresponds to one sensor cell described above. The upper electrode 105 may be provided separately for each sensor cell.
[0027]
For each sensor cell configured as described above, the protrusion 106 is fixed on the surface of the upper electrode 105 opposite to the surface facing the lower electrode 103. The protrusion 106 is disposed above the lower electrode 103.
In addition, the tactile sensor includes a detection circuit (capacitance detection circuit) 107 and a control circuit 108 on the semiconductor substrate 101 under the interlayer insulating film 102. These are constituted by a part of an integrated circuit formed on the semiconductor substrate 101. The detection circuit 107 is provided for each sensor cell.
[0028]
According to the tactile sensor thus configured, the upper electrode 105 is deformed when the protrusion 106 touches the object. As a result, the distance between the lower electrode 103 and the upper electrode 105 changes, and the capacitance between them changes. This difference in capacitance change is converted as an electric signal by the detection circuit 107, and the converted electric signal is processed by the control circuit 108.
Here, since the fingerprint of the fingertip is formed by the unevenness of the skin, the upper electrode under this has a case where the protrusion 106 touches the protrusion forming the fingerprint and a case where the protrusion 106 touches the recess. The amount of deformation 105 is different. This difference in deformation amount is detected as the difference in capacitance change described above.
[0029]
Accordingly, the distribution of different detection results obtained from each of the plurality of sensor cells arranged is arranged to reflect the arrangement state of the sensor cells to obtain a light and shade distribution, whereby the shape of the fingerprint can be formed as image information. The generation of these image information may be performed by the control circuit 108.
In addition, by providing the protrusion 106, the amount of deformation of the upper electrode 105 of one sensor cell due to contact with the object increases as compared with the case where the protrusion is not formed, and an improvement in sensitivity can be expected.
[0030]
In addition, in the tactile sensor shown in FIG. 1, for each sensor cell described above, the openings 110 arranged evenly in the sensor cell region on the upper electrode 105, or the sensor cell region around the protrusion 106 are unevenly arranged. In addition, any one of the eight types of openings 111a, 111b, 111c, 111d, 112a, 112b, 112c, and 112d is provided. These openings are repeatedly arranged for each group of 3 × 3 (= 9) sensor cells. These eight openings are unevenly distributed around the protrusion 106 around the protrusion 106 and are not in a point-symmetric state.
[0031]
For example, as shown in the plan view of FIG. 1B, in the sensor cell arranged at the center of the figure, openings 110 of the same size are provided at the four corners of the region outside the lower electrode 103. It has been. Further, in the sensor cell adjacent to the right of the central sensor cell, a vertically long opening 111a is provided in the region on the right side of the lower electrode 103. Further, in the sensor cell above the central sensor cell, an opening 111b that is horizontally long in the drawing is provided in the region above the lower electrode 103.
[0032]
In the sensor cell adjacent to the left of the central sensor cell, an opening 111c that is vertically long in the drawing is provided in the left region of the lower electrode 103. In the sensor cell below the center sensor cell, an opening 111d that is horizontally long as viewed in the drawing is provided in a region below the lower electrode 103.
Accordingly, first, the opening 111b is unevenly distributed in the direction of 90 degrees counterclockwise from the uneven distribution direction of the opening 111a. Further, the opening 111c is unevenly distributed in the direction of 180 degrees counterclockwise from the uneven distribution direction of the opening 111a. Further, the opening 111d is unevenly distributed in the direction of 270 degrees counterclockwise from the uneven distribution direction of the opening 111a. Note that being unevenly distributed means a state centered on the protrusion 106.
[0033]
In the upper right sensor cell of the central sensor cell, an opening 112a having a portion extending in the left direction and the lower direction is provided in the upper right corner region of the lower electrode 103. Further, in the upper left sensor cell of the central sensor cell, an opening 112b having a portion extending in the right direction and the lower direction is provided in the upper left corner region of the lower electrode 103. In the lower left sensor cell of the central sensor cell, an opening 112c having a portion extending in the right direction and the upward direction is provided in the lower left corner region of the lower electrode 103.
[0034]
In the lower right sensor cell of the central sensor cell, an opening 112d having a portion extending in the left direction and the upper direction is provided in the lower right corner region of the lower electrode 103.
Therefore, the opening 112a is unevenly distributed in the direction of 45 degrees counterclockwise from the uneven distribution direction of the opening 111a. Further, the opening 112b is unevenly distributed in a direction of 135 degrees counterclockwise from the uneven distribution direction of the opening 111a. Further, the opening 112c is unevenly distributed in the direction of 225 degrees counterclockwise from the uneven distribution direction of the opening 111a. Further, the opening 112d is unevenly distributed in the direction of 315 degrees counterclockwise from the uneven distribution direction of the opening 111a.
[0035]
As described above, in the present embodiment, an opening is provided in the region corresponding to the sensor cell of the upper electrode 105, and the opening provided in one of the plurality of sensor cells is an opening provided in another sensor cell. The opening shape is different from the part. In the above description, eight sensor cells having openings that are unevenly distributed in eight directions 45 degrees apart from each other are provided. However, the present invention is not limited to this, and the sensor cells are unevenly distributed in four directions different from each other by 90 degrees. You may make it provide four sensor cells provided with the opening part. Moreover, you may make it provide the some sensor cell by which the uneven distribution direction of an opening part is divided | segmented unevenly.
[0036]
Here, a typical example of the sensor cell provided with the opening 111a will be described. Here, the force in the direction F in which the surface of the detection object such as a finger approaches from above the upper electrode 105 and the opening 111a is formed with respect to the protrusion 106 as shown in FIG. Take the case of adding.
[0037]
In the sensor cell shown in FIG. 2, an opening 111a is provided at the tip of the direction F in which the force of the protrusion 106 is applied. In this region, the member of the upper electrode 105 is not present. When a force in the direction F is applied to the protrusion 106, a large stress is applied to the upper electrode 105 in a portion close to the left support member 104 on the paper surface of FIG. Therefore, in the sensor cell shown in FIG. 2 provided with the opening 111a in this region, as shown in FIG. 2A, the upper electrode 105 is greatly lowered on the side where the opening 111a is formed.
[0038]
On the other hand, in the other sensor cell in which the opening 111a is not formed, the upper electrode 105 in the portion close to the left support member 104 is not greatly lowered as described above. Further, the force applied in the direction F is that the opening 111a is formed in a region other than the region where the opening 111a is formed, such as the upper, lower, left, and the like of the upper electrode 105 in FIG. 2B. It does not work as much as the area.
Therefore, in other sensor cells in which the opening 111a is not formed, the upper electrode 105 is not deformed downward as much as the sensor cell shown in FIG.
[0039]
In other words, when a force in the direction F in which the opening 111a is unevenly applied is applied to the protrusion 106, the upper electrode 105 of the sensor cell including the opening 111a is selectively lowered downward compared to the upper electrode of another sensor cell. Transforms into As a result, when a force is applied in the direction F, the change in the capacitance formed between the lower electrode 103 and the upper electrode 105 increases as the sensor cell includes the opening 111a.
Therefore, the force in the direction F shown in FIG. 2 is applied to the detection surface of the tactile sensor due to a large change in the capacitance detected by the detection circuit 107 of the sensor cell having the opening 111a as compared with other sensor cells. This addition can be detected by the tactile sensor.
[0040]
In the above description, the sensor cell including the opening 111a has been described as an example, but the same applies to sensor cells including other openings.
For example, as shown in FIG. 3A, by arranging nine sensor cells 301 to 309 in a square shape in the region 300, first, the force in the right direction is selectively detected by the sensor cell 301 having the opening 111a. it can. Further, the force in the upper right direction can be selectively detected by the sensor cell 302 having the opening 112a. Further, the upward force can be selectively detected by the sensor cell 303 having the opening 111b.
[0041]
Further, the force in the upper left direction can be selectively detected by the sensor cell 304 having the opening 112b. Further, the force in the left direction can be selectively detected by the sensor cell 305 including the opening 111c. Further, the force in the lower left direction can be selectively detected by the sensor cell 306 including the opening 112c. Moreover, the downward force can be selectively detected by the sensor cell 307 including the opening 111d. Further, the force in the lower right direction can be selectively detected by the sensor cell 308 including the opening 112d.
[0042]
In addition, in the sensor cell 309, as shown in FIG. 1B, since the four openings 110 are provided around the protrusion 106, the protrusion 106 moves with respect to the force in the plane direction of the upper electrode 105. Hateful. That is, the sensitivity in the direction of any arrow shown in FIG. 3 is small compared to the other sensor cells 301 to 309. Moreover, the detection in any case becomes small compared with the other sensor cells 301-309. Therefore, the sensor cell 309 can be used as a reference (standard) sensor cell for the eight surrounding sensor cells 301 to 308.
[0043]
When an external force is applied to such a sensor cell unit composed of nine sensor cells, the capacitance from each sensor cell is detected by the corresponding detection circuit 107 (FIG. 1), and a vector in each direction in proportion to this size. Is calculated by the control circuit 108 (FIG. 1), so that the direction in which the force is applied can be detected even if the force is in the direction F shown in FIG. 3B.
[0044]
In the above description, an example in which a region composed of nine sensor cells arranged in a square is used as one unit has been described. However, the following processing may be performed using a wider area. When the object is relatively large compared to the sensor cell and it is desired to detect the direction of the force more accurately, a process of summing up information from the plurality of sensor cell units 400 may be performed. As shown in FIG. 4, a plurality of sensor cells of the same type in a plurality of sensor cell units 400, for example, a signal indicating the magnitude of the force extracted from the plurality of sensor cells 401 by the detection circuit 401 a is processed by the partial control circuit 411 ( Tally.
[0045]
Similarly, the results from other sensor cells of the same type are also processed by the partial control circuits 412 and 413. These partial control circuits 411, 412, and 413 perform arithmetic processing on the vector information obtained as a result of the arithmetic processing by the control circuit 420, thereby obtaining the sum of all vectors. As a result, the direction and magnitude of the force averaged over a wider area can be detected. Since the detection circuit and the control circuit can convert information such as the direction and magnitude of the force from the object into a digital signal, an operation from a distant place through a communication path and information transmission to a distant place are also possible.
[0046]
In addition, the time change of the applied force can also be detected by the following. Consider two sensor cell units 500a and 500b that are located at a distance as shown in FIG. The circuit 501a detects the direction and magnitude (vector quantity) of the force A applied to the sensor cell unit 500a at a certain time t. Similarly, the direction and magnitude (vector amount) of the force B at time t + Δt are detected by the circuit 501b.
[0047]
In the control circuit 510, the force (direction and magnitude) changed during the time Δt is obtained by subtracting these vector quantities. Further, by grasping in advance the position between the sensor cell unit 500a and the sensor cell unit 500b, the amount of movement of the object during the time Δt, that is, the speed (direction and size) can be detected. .
[0048]
A tactile sensor 600 including the sensor cell unit 500 configured as described above is shown in FIG. The tactile sensor 600 in FIG. 6A includes the sensor cell unit 500 that detects the direction of the force described above and a plurality of sensor cell portions 601 that detect only the force in the vertical direction on the substrate. In the sensor cell portion 601, for example, all the sensor cells correspond to the sensor cell 309 shown in FIG.
[0049]
According to the tactile sensor 600 shown in FIG. 6A, the unevenness (shape) of the object surface is detected by the sensor cell portion 601, and the direction of the force received by the tactile sensor 600 from the object surface by the sensor cell unit 500 is detected. Is detected. By providing the tactile sensor 600 on the surface of the robot hand, when the object is gripped, first, the frictional force on the surface of the object is estimated based on the magnitude of the detected force and the measured surface state of the object. it can. It is also possible to grasp the state of temporal movement of the object by changing the position of the uneven shape on the surface of the object or changing the direction of the force. By feeding back the result from the tactile sensor to the operation of the robot hand, the object can be grasped in a form closer to a human hand.
[0050]
The tactile sensor of the present invention can also be applied to a sweep type fingerprint sensor. As shown in FIG. 6B, the fingerprint sensor 610 includes the sensor cell unit 500 described above and a sensor cell portion 611 that detects only a vertical force on the substrate. When the finger is swept in the direction of the arrow F in the figure on the fingerprint sensor 610 configured as described above, the direction F in which the finger has moved can be detected by the plurality of sensor cell units 500. Furthermore, the uneven shape of the fingerprint can be detected by the plurality of sensor cell units 50 and the sensor cell portions 611.
[0051]
By combining these two pieces of information, the direction (path) in which the finger has moved and the fingerprint pattern can be uniquely determined. Therefore, unlike the prior art, there is no need to perform calculation to connect the same part of the fingerprint pattern by image processing or the like into one image. Further, as shown in FIG. 6C, the fingerprint sensor 600 shown in FIG. 6A is changed to a fingerprint sensor 630 that is smaller than the tip of the finger, and the finger is swept in a circle as indicated by an arrow F in the figure. It is also possible to acquire a fingerprint image.
[0052]
Here, a method for manufacturing the tactile sensor shown in FIG. 1 will be briefly described.
First, a semiconductor substrate 101 is prepared, and an integrated circuit constituting the control circuit 108, the detection circuit 107, and the like is manufactured thereon by a known CMOS process. After these integrated circuits are formed and the interlayer insulating film 102 is formed, a seed layer composed of a two-layer film of a 0.1 μm-thick titanium film and a 0.1 μm-thick gold film is formed thereon by vapor deposition or the like. . Thereafter, resist patterning is performed by a known photolithography technique, a first metal film made of gold having a thickness of 1 μm is formed by electrolytic plating on a portion where the lower electrode 103 is provided, and then the resist pattern is removed. . Similarly, a second metal film made of gold having a thickness of 2 μm is formed on the portion where the support member 104 is provided.
[0053]
Thereafter, the seed layer is selectively etched using the first metal film and the second metal film as a mask. In this manner, the lower electrode 103 made of the first metal film and part of the seed layer and the support member 104 made of the second metal film and part of the seed layer and insulated from the lower electrode 103 are formed. . In this way, as shown in the plan view of FIG. 1B, a state is obtained in which the lattice-shaped support member 104 and the lower electrode 103 are arranged at the center of the region surrounded by the support member 104.
[0054]
Subsequently, a sacrificial film is formed on the semiconductor substrate 101 so as to cover the lower electrode 103 and expose the upper surface of the support member 104. That is, the mass of the support member 104 is filled with the sacrificial film. The surface of the sacrificial film and the upper surface of the support member 104 are planarized so as to form the same plane. In this state, a seed layer is formed on the upper surface of the sacrificial film and the support member 104 in the same manner as the formation of the lower electrode 103 described above, and the seed layer is made of gold having a thickness of 1 μm by an electrolytic plating method. A third metal film having an opening of a predetermined shape is formed at the location.
[0055]
The openings are eight openings 111a, 111b, 111c, 111d, 112a, which are arranged unevenly in the area of the sensor 110 around the protrusion 110 or the area of the sensor cell around the protrusion 106. One of 112b, 112c, and 112d.
[0056]
Next, the upper electrode 105 having openings 111a to 111d as shown in FIG. 1 is formed by selectively etching the seed layer using the third metal film as a mask.
Thereafter, the sacrificial film is removed by etching through the opening formed in the upper electrode 105, whereby the upper electrode 105 and the lower electrode 103 are separated from each other, that is, a space is formed between the lower electrode 103 and the upper electrode 105. A state is obtained.
[0057]
Next, a resin film having photosensitivity is formed on the upper electrode 105, and the protrusion 106 can be formed by patterning the resin film by a known photolithography technique. The above-described resin film can be formed by using a bonding method such as STP (Spin coating film Transfer and Hot pressing). In the STP method, the above resin film is formed on a sheet-like base material in advance, and this is applied to a desired film forming surface, and only the base material is peeled off, so that the desired film forming surface is formed. This is a technique for attaching a resin film.
Further, the protrusion 106 may be formed after the upper electrode 105 is covered with a protective film.
[0058]
By the way, in FIG. 1, in the nine sensor cells arranged in a square, the sensor cell in the central part includes the opening 110 arranged uniformly in the peripheral part in the upper electrode 105, and the upper, lower, left, right and upper right. In the upper left, lower left, and lower right eight sensor cells, the upper electrode 105 is provided with openings that are unevenly distributed in the respective directions. However, the present invention is not limited to this. If any one of the plurality of sensor cells is provided with an opening that is unevenly arranged in the upper electrode in the region of the sensor cell, a tactile sensor capable of detecting the direction of force can be obtained.
[0059]
For example, any one of the sensor cells arranged in the detection region is a direction detection sensor cell in which the opening 111a shown in FIG. 1B is formed, and all other sensor cells are equally arranged in the peripheral portion. The tactile sensor may be configured as a reference sensor cell having the opening 110 formed in the upper electrode 105. In this case, the tactile sensor detects a force in the direction of the opening 111a viewed from the lower electrode 103. By using eight tactile sensors rotated by 45 degrees and arranging them in the same manner, the same effect as the tactile sensor shown in FIG. 1 can be obtained.
[0060]
Further, a tactile sensor may be configured by providing one reference sensor cell in a detection region in which a plurality of direction detection sensor cells are arranged. In this case, if a force in a direction that greatly deflects the upper electrode of the direction detection sensor cell is applied, a signal different from that of the other direction detection sensor cell is obtained from the reference sensor cell, so that the direction can be detected. become.
[0061]
In the reference sensor cell described above, an opening may not be provided in the upper electrode, and in the direction detection sensor cell, an opening may be provided in the upper electrode that is unevenly distributed in the region of the sensor cell.
In addition, a plurality of reference sensor cells arranged in the detection region may be provided with two sensor cells for direction detection, each having a different uneven distribution of openings, and may be used as a tactile sensor. Can be considered.
[0062]
Further, in the above description, the upper part electrode of the direction detecting sensor cell is unevenly distributed with the opening part combining the rectangle or the two rectangles, but the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 7, an opening 711 that is unevenly distributed in the region of the sensor cell may be provided above the sensor cell of the upper electrode 705. By this opening 711, a movable portion 753 connected by a connecting portion 752 is formed on one side inside the rectangular opening region 751. In addition, a protrusion (not shown) is provided at substantially the center of the movable portion 753. Also in this case, the opening 711 is unevenly distributed around the protrusion around the protrusion and is not in a point-symmetric state.
[0063]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, any of the sensor cells arranged in the detection region Two In the area of the sensor cell, on the upper electrode around the protrusion In different directions in the plane of the board An opening that is unevenly distributed is provided. Therefore, according to the present invention, sensor cells in which the change state of the upper electrode differs depending on the direction of the force applied to the protrusions are included in the plurality of arranged sensor cells. As a result, according to the tactile sensor of the present invention, it is possible to detect the surface shape of the target object that is contacted by the arranged sensor cells, and the detection state of the sensor cell having the unevenly arranged opening and the other sensor cells As a result of the comparison, an excellent effect that the direction of the force received from the object can be detected can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view (a) and a plan view (b) schematically showing a configuration example of a tactile sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view (a) and a plan view (b) schematically showing a partial configuration example of a tactile sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a plan view schematically showing an operation concept of the tactile sensor in the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a perspective view schematically showing an operation concept of a tactile sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a perspective view schematically showing an operation concept of the tactile sensor in the embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a perspective view schematically showing a configuration example of a tactile sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a plan view schematically showing a partial configuration example of a tactile sensor according to another embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a perspective view simply showing a configuration of a robot hand.
9A and 9B are a plan view and a cross-sectional view showing a configuration of a conventional tactile sensor.
FIGS. 10A and 10B are a perspective view and a cross-sectional view schematically showing a configuration example of a sensor that detects a surface shape. FIGS.
FIG. 11 is a cross-sectional view (a) and plan views (b) and (c) showing the configuration of a sensor for detecting the surface shape of an object.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Semiconductor substrate, 102 ... Interlayer insulation film, 103 ... Lower electrode, 104 ... Support member, 105 ... Upper electrode, 106 ... Projection, 107 ... Detection circuit, 108 ... Control circuit, 110 ... Opening, 111a-111d, 112a -112d ... opening.

Claims

A plurality of sensor cells arranged on a substrate;
The sensor cell is
A lower electrode fixed on the substrate;
A deformable upper electrode disposed above the lower electrode;
A support member for supporting the upper electrode on the substrate;
At least a protrusion provided on the upper electrode above the central portion of the lower electrode,
Any two of the sensor cells are provided with openings formed in the upper electrode around the protrusion and are unevenly distributed in different directions in the substrate plane in the sensor cell region.

The tactile sensor according to claim 1,
A reference sensor cell comprising a plurality of openings evenly arranged in the area of the sensor cell in the upper electrode around the protrusion;
A first sensor cell that is formed on the upper electrode around the protrusion and includes a first opening that is unevenly distributed in a first direction within the plane of the substrate within the area of the sensor cell;
A second opening formed in the upper electrode around the protrusion and having a second opening unevenly distributed in a second direction 45 degrees counterclockwise from the first direction in the substrate plane in the sensor cell region; A sensor cell;
A third opening formed in the upper electrode around the protrusion and having a third opening that is unevenly distributed in a third direction that is 90 degrees counterclockwise from the first direction in the substrate plane within the sensor cell region; A sensor cell;
A fourth opening is formed in the upper electrode around the protrusion, and includes a fourth opening that is unevenly distributed in a fourth direction that is 135 degrees counterclockwise from the first direction in the substrate plane in the sensor cell region. A sensor cell;
A fifth opening is formed in the upper electrode around the protrusion and includes a fifth opening that is unevenly distributed in a fifth direction that is 180 degrees counterclockwise from the first direction in the substrate plane in the sensor cell region. A sensor cell;
A sixth opening formed in the upper electrode around the protrusion and having a sixth opening unevenly distributed in a sixth direction that is 225 degrees counterclockwise from the first direction in the plane of the substrate in the sensor cell region; A sensor cell;
A seventh opening formed in the upper electrode around the protrusion and having a seventh opening unevenly distributed in a seventh direction that is 270 degrees counterclockwise from the first direction in the substrate plane in the sensor cell region; A sensor cell;
An eighth opening formed in the upper electrode around the protrusion and including an eighth opening that is unevenly distributed in an eighth direction that is 315 degrees counterclockwise from the first direction in the plane of the substrate in the sensor cell region; A tactile sensor comprising a sensor cell.

The tactile sensor according to claim 1 or 2,
The substrate includes a semiconductor substrate with an integrated circuit,
The lower electrode and the support member are formed on an interlayer insulating film formed on the integrated circuit,
The integrated circuit comprises:
A capacitance detection circuit that detects a capacitance between the lower electrode and the upper electrode of the sensor cell and converts it into an electrical signal; and
And a control circuit that processes the electrical signal converted and output from the capacitance detection circuit.

The tactile sensor according to claim 3,
The capacitance detection circuit includes two or more sensor cells including openings that are unevenly distributed in the different directions. Detecting the above-mentioned capacity and converting it to an electrical signal,
The control circuit detects the direction of the force received from the object by performing arithmetic processing on the electrical signal converted and output from the capacitance detection circuit.
A tactile sensor characterized by that.