片狀觸覺傳感器系統的製作方法

2023-08-03 12:00:56

專利名稱：片狀觸覺傳感器系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及例如安裝在機器人的表面部(例如，手部或整個身體表面)上並檢測與對象物的接觸的片狀觸覺傳感器系統。
背景技術：
類人機器人地開發正在進行。類人機器人被要求進行與人接觸或者自主地迴避障礙物或者抓持對象物進行移動等的高水平的動作。這樣的動作需要觸覺，因此近年來，在機器人的手部或機器人的整個身體表面上設置觸覺傳感器的研究正在進行(例如，專利文獻I、專利文獻2)。機器人所被要求的動作，例如有抓住物體這樣的動作。圖18是示出機器人10的手部12將物13舉起的情形的圖。在圖18中，在機器人10的手部12上設置有檢測與對象物13的接觸的接觸傳感器單元14。機器人10通過基於由接觸傳感器單元14檢測到的接觸力的反饋控制而以適當的力將對象物13抓住並舉起。作為在機器人10的手部12與對象物13之間作用的力，具有垂直於機器人10的手部12的把持面作用的垂直應力、以及在機器人10的手部12的表面的切線方向上作用的剪切力(偏移應力、切線應力)。當檢測垂直應力時，使用檢測在垂直方向上作用的力的已有的力檢測傳感器即可。另一方面，檢測剪切力不一定很簡單。在此，在專利文獻I中，如圖19所示，公開了檢測來自物體的剪切力的傳感器單元14。專利文獻I中公開的傳感器單元14如下構成。傳感器單元14具有從物體受到剪切力而變形的變形部件31、以及內置在變形構件31中的變形傳感器32。變形傳感器32具有作為懸臂被垂直立起的平板32a、以及被粘貼在該平板32a上的變形測量器32b。若在變形構件31的表面上作用剪切力(切線應力)，變形部件31就變形。響應於該變形,懸臂32a也變形。通過使用變形測量器32b檢測此時的懸臂32a的變形量，來檢測作用於變形構件31的表面的剪切力。另外，專利文獻2公開了觸覺傳感器裝置20，如圖20所示，該觸覺傳感器裝置具有將從基部16經由鉸鏈垂直立起的懸臂41內置在由矽構成的彈性體42中的構造。的確，如果像專利文獻I和專利文獻2那樣將立起的懸臂內置在變形部件中，則能夠檢測出作用於變形構件上的剪切力。在先技術文獻專利文獻專利文獻I :日本專 利文獻特開2008-281403號公報專利文獻2 日本專利文獻特開2006-208248號公報

發明內容
本發明要解決的問題然而，例如在如專利文獻2那樣的單側支撐梁的懸臂41的情況下，存在下述問題如果靜電引力超過恢復力，就會發生作為感應部的單側支撐梁電極由於吸合(pull-in)而粘附的故障。在製造時或安裝時，這種由吸合引起的故障容易發生。另外，在如專利文獻I那樣的結構的情況下，需要將作為懸臂的平板32a在變形部件31中朝向預定方向並垂直立起。可以預見到這在製造時會相當困難。如果在製造時懸臂32a躺下或者未朝向預定方向，檢測解析度和檢測精度就會極其變差，難以保證產品質量。另外，在考慮將觸覺傳感器系統安裝在機器人10的表面上的情況下，機器人10的表面上存在曲面或凹凸。如果想要在這樣的位置安裝懸臂式傳感器單元，隨著變形構件的變形，懸臂電極會發生彎曲。從而，諸如會發生在安裝時使懸臂維持躺下的狀態等等，難以在維持適當的狀態下安裝到機器人表面上，若是專利文獻1、2公開的現有技術的傳感器裝置的構成，則不適合作為安裝在機器人的手部或整個身體表面上的觸覺傳感器系統，並且是不現實的。用於解決問題的技術手段本發明的片狀觸覺傳感器系統的特徵在於，包括多個垂直應力檢測傳感器單元,每個所述垂直應力檢測傳感器單元能夠檢測垂直應力；以及片層部，所述片層部包括被層疊的三個片層，並且所述片層部通過與對象物接觸而變形並將該接觸力傳遞至所述垂直應力檢測單元；所述片層部具有外部片層部，所述外部片層部構成外表面；力檢測片層部，所述力檢測片層部內置所述垂直應力檢測單元或者緊接在所述垂直應力檢測單元的上方配置；以及介質層，所述介質層被夾在所述外部片層部與所述力檢測片層部之間，並且將來自所述外部片層部的作用力傳遞至所述力檢測片層部；其中，所述外部片層部與所述力檢測片層部具有彼此在相對方向上突起的多個突起部，並且所述外部片層部和所述力檢測片層部以使彼此的突起部隔著所述介質層嚙合的方式被相對配置，每個所述垂直應力檢測傳感器單元具有中央部檢測傳感器構件，所述中央部檢測傳感器構件緊接在設置於所述力檢測片部上的突起部的中央部的下方配置；以及至少兩個邊緣部檢測傳感器構件，所述至少兩個邊緣部檢測傳感器構件以將所述中央部檢測傳感器構件夾在中間的方式緊接在設置於所述力檢測片部上的突起部的邊緣部的下方配置。


圖I是示出接觸傳感器系統的剖面圖的圖；圖2是示出將構成片層部的外側層、中間層以及內側層分離後的狀態的圖；圖3是從上方觀看片狀觸覺傳感器系統時的透視圖；圖4是從表面側觀看檢測傳感器裝置時的立體圖；圖5是檢測傳感器裝置的剖面圖；圖6是例示了將片狀觸覺傳感器系統形成為袋狀的情況的圖；圖7是示出在片狀觸覺傳感器系統的外表面上施加了垂直應力的情況的圖；圖8是示出在片狀觸覺傳感器系統的外表面上施加了剪切力的情況的圖；圖9是示出通過片狀觸覺傳感器系統檢測X方向、Y方向、傾斜方向的剪切力的情況的圖；圖10是將在力檢測突起部的前端連續地形成了外表面的情況作為對比例示出的圖；圖11是第二實施方式的剖面圖；圖12是示出被分割了的電極的立體圖；圖13是示出在電極之間設置了電介質的情況的圖；圖14是示出電極板間距離d以及電極板間電荷量Q響應所施加的力而發生變化的情形的圖；圖15是用於說明將電容變化數字轉換為頻率變化的步驟的圖；圖16是例示了用於獨立地檢測各敏感構件的結構的圖；圖17是例示了用於獨立地檢測各敏感構件的結構的圖；圖18是示出機器人的手部將物舉起的情形的圖；圖19是示出現有技術的傳感器單元的圖；圖20是示出現有技術的傳感器單元的圖。
具體實施例方式對本發明的實施方式進行圖示，並且參照圖中的各構件所標記的符號進行說明。(第一實施方式)對本發明的片狀觸覺傳感器系統100涉及的第一實施方式進行說明。圖I是示出片狀觸覺傳感器系統的剖面圖的圖。圖2是示出將外部片層部、介質層部以及力檢測片層部分離後的狀態的立體分解圖。圖3是從上方觀看片狀觸覺傳感器系統時的透視圖。本發明是用於檢測當對象物接觸到片層部的外表面時所作用的力的觸覺傳感器系統。片狀接觸傳感器系統100包括片層部200和垂直應力檢測傳感器單元300，垂直應力檢測傳感器單元300檢測作用於片層部200的外表面上的力。
片層部200為三層構造。片層部200具有外部片層部210、介質層部220、以及力檢測片層部230。介質層部220具有柔軟性，並被夾在外部片層部210與力檢測片層部230之間。在此，介質層部220由彈性體、粘性體或粘彈性體構成。介質層部220比外部片層部210以及力檢測片層部230更柔軟。S卩，在介質層部220由彈性體構成的情況下，介質層部220具有比外部片層部210和力檢測片層部230小的彈性係數。另外，介質層部220也可以是溶膠等粘性流體、凝膠等粘彈性體。對於介質層部220，可舉出用矽樹脂或彈性體等樹脂材料構成的例子。接著，對外部片層部210以及力檢測片層部230進行說明。在此，為了便於說明，將圖I的從上向下的方向設為Z軸，將從左向右的方向設為Y軸。另外，將圖3的從下向上的方向設為X軸。外部片層部210是被配置到在觸覺傳感器系統100的最外側的片。外部片層部210是具有在對象物與外表面接觸時平緩地變形的程度的彈性的彈性體,例如由矽橡膠等形成。外部片層部210的外表面是無凹凸的平緩的面。並且，在外部片層部210的內側面，設置有朝向內方向(在圖I中，為-Z方向)凸起的突起部212。將設置在外部片層部210上的突起部稱作外側突起部212。在Y方向和X方向上均以一定的周期設置有多個外側突起部212。外側突起部212為略圓錐形狀。但是，也可以施加例如將突起部212的頂點弄圓或者形成為截去頂部那樣的裁頭圓錐形狀等的變更。在力檢測片層部230的內側面，設置有朝向內方向(在圖I中，為+Z方向)凸起的突起部232。將設置在力檢測片層部230上的突起部稱作力檢測突起部232。力檢測突起部232具有與外側突起部212相同的形狀，在Y方向和X方向上均以一定的周期設置有多個力檢測突起部232。並且，外側突起部212和力檢測突起部232以在將外部片層部210和力檢測片層部230相對配置時隔著介質層部220相互嚙合的方式被設置。S卩，外側突起部212和力檢測突起部232的至少相互的斜面夾著介質層部220而相對。
外側突起部212和力檢測突起部232過於緊密嚙合也不好，反之，嚙合過於疏鬆也不好。外側突起部212和力檢測突起部232之間的間隔Dl被調整為可使外部片層部210的位移或變形從外側突起 部212經由介質層部220被傳遞為力檢測突起部232的變形的程度。若增加介質層部220的厚度，傳感器的解析度就會下降但耐衝擊性提高。另外，外側突起部212的頂部和力檢測突起部232的頂部之間的間隔D2例如是介質層部220的厚度的例如I至5倍的程度。若縮小此該間隔D2，則能夠提高傳感器的靈敏度。垂直應力檢測傳感器單元300被埋設在力檢測片層部230中。在此，垂直應力檢測傳感器單元300緊接在各力檢測突起部232的下方而配置。一個垂直應力檢測傳感器單元300具有一個中央部檢測傳感器裝置310、以及四個邊緣部檢測傳感器裝置321、322、323、324。中央部檢測傳感器裝置310緊接在力檢測突起部232的中央部的下方而配置。另外，邊緣部檢測傳感器裝置321、322、323、324緊接在力檢測突起部232的邊緣部的下方而配置。邊緣部檢測傳感器裝置321、322、323、324被配置在Y方向和X方向的各方向上。在此，將隔著中央部檢測傳感器裝置310而配置在-Y方向上的邊緣部檢測傳感器裝置作為-Y邊緣部檢測傳感器裝置321，並將隔著中央部檢測傳感器裝置310而配置在+Y方向上的邊緣部檢測傳感器裝置作為+Y邊緣部檢測傳感器裝置322。同樣地，將隔著中央部檢測傳感器裝置310而配置在-X方向上的邊緣部檢測傳感器裝置作為-X邊緣部檢測傳感器裝置323，並將隔著中央部檢測傳感器裝置310而配置在+X方向上的邊緣部檢測傳感器裝置作為+X邊緣部檢測傳感器裝置324。中央部檢測傳感器裝置310與邊緣部檢測傳感器裝置321、322、323、324僅在配置位置上有所不同，而在結構上相同。在此，對檢測傳感器裝置400的結構進行說明。為了便於說明，將檢測傳感器裝置的構件的符號設為從400起的以4開頭的號碼，但是，檢測傳感器裝置400具有與中央部檢測傳感器裝置310以及邊緣部檢測傳感器裝置321、322、323、324 相同的結構。圖4是從表面側觀看檢測傳感器裝置400時的立體圖。圖5是檢測傳感器裝置400的剖面圖。如圖5所示，檢測傳感器裝置400具有使用接合層460將傳感器構造部410和半導體基板450貼合的構造。傳感器構造部410具有構造主體部(Main Structure Body)420、第一傳感器電極430、以及第二傳感器電極440。構造主體部420由Si形成。從表面側觀看，在構造主體部420的中心部設置有與對象物接觸的凸狀的力檢測部421，力檢測部421的周圍為凹狀的薄壁部422。由於薄壁部422具有彈性，因此構造主體部420作為動作膜發揮功能。
S卩，如果力檢測部421被施加力，構造主體部420就會彎曲。在此，由力檢測部421構成了接觸感應面。作為薄壁部422的周圍的周緣部成為支承動作膜的支撐框部423。另外，在構造主體部420的背面形成有凹部424。第一傳感器電極430被設置在形成於構造主體部420的背面上的凹部424中。第一傳感器電極430成為與動作膜 一同位移的可動電極。第二傳感器電極440緊接在接合層460的上方而設置。第一傳感器電極430與第二傳感器電極440之間的間隔由凹部424的深度規定。第二傳感器電極440為固定電極，由彼此相對配置的第一傳感器電極430和第二傳感器電極440構成了電容元件。第二傳感器電極440經由形成於接合層460上的通孔461而與半導體基板450的重布線層451連接。第一、第二傳感器電極430、440被密封於傳感器裝置400的內側。半導體基板450中製作有用於信號處理的集成電路452。集成電路452對來自傳感器構造部410的傳感器信號進行信號處理，並從被引出到半導體基板的背面上的外部端子453輸出數據信號。當實際將片狀觸覺傳感器系統100安裝到機器人10上時，將力檢測片層部230的背面粘貼在機器人10的身體表面上即可。另外，如圖6所示，也可以將片狀觸覺傳感器系統100形成為袋狀，以便套在機器人10的手部12上。使用圖7、圖8、圖9對本第一實施方式的作用進行說明。圖7示出了對片狀觸覺傳感器系統100的外表面施加了垂直應力的情況。如圖7所示，當對外表面垂直作用了垂直應力時，外部片層210被壓下。外部片層210的變形經由介質層部220被傳遞至力檢測片層部230，從而力檢測片層部230以被壓下的方式發生變形。若力檢測片層部230被壓下，埋在力檢測片層部230中的垂直應力檢測傳感器單元300就被施加垂直應力。在此，垂直應力大致均勻地作用於力檢測突起部232的中央部的緊接下方和力檢測突起部232的邊緣部。從而，在一個垂直應力檢測傳感器單元300中，中央部檢測傳感器裝置310和邊緣部檢測傳感器裝置321、322、323、324檢測出大致相等的力。如此，當中央部檢測傳感器裝置310和邊緣部檢測傳感器裝置321、322、323、324檢測出大致相等的力時，能夠檢測出外表面被施加了垂直應力。接下來，圖8示出了外表面被作用剪切力(切線應力、偏移應力)的情況。在此，假設施加了+Y軸方向的剪切力。在此情況下,夕卜表面被朝向+Y方向拉伸，因此外部片層部210向+Y方向位移。此時，外側突起部212與外部片層部210 —起也向+Y方向偏移。於是，被外側突起部212推壓，介質層部220也向+Y方向位移。通過該介質層部220的位移，力檢測突起部232向+Y方向被推壓。
此時，由於外側突起部212為朝向頂端逐漸變細的形狀，因此突起的根部由於高剛性而強力推壓介質層部220。另一方面，由於外側突起部212的前端部分的剛性小，因此推壓介質層部220的力較弱。另外，由於力檢測突起部232為朝向頂端逐漸變細的形狀，因此越接近前端，受力時就越容易變形。從而，力檢測突起部232以前 端部分更多地向+Y方向位移的方式發生變形。若力檢測突起部232以前端部更多地向+Y方向位移的方式發生變形，則如圖8所示，在力檢測突起部232的-Y方向上，以使力檢測突起部232的邊緣部被上拉的方式作用有力。另外，在力檢測突起部232的+Y方向上，以使力檢測突起部232的邊緣部被壓下的方式作用有力。從而，-Y邊緣部檢測傳感器裝置321檢測出上拉力，在此情況下，檢測力為負。另外，+Y邊緣部檢測傳感器裝置322檢測出壓下方向的力，在此情況下，檢測力為正。如此，當-Y邊緣部檢測傳感器裝置321和+Y邊緣部檢測傳感器裝置322檢測出相反的力時，能夠檢測出外表面被施加了剪切力(切線應力、偏移應力)。此外，根據檢測值的正負關係，還能夠檢測出剪切力的方向。如圖9所示，邊緣部檢測傳感器裝置321、322隔著中央部檢測傳感器裝置310被配置在-Y方向(321)和+Y方向(322)上，因此能夠檢測出Y方向的剪切力。另外，邊緣部檢測傳感器裝置323、324隔著中央部檢測傳感器裝置310被配置在-X方向(323)和+X方向(324)上，因此能夠檢測出X方向的剪切力。並且，像相對於X軸和Y軸具有角度那樣的傾傾斜方向的剪切力能夠分解為Y方向和X方向，因此，通過將Y方向排列的傳感器裝置321、322和X方向排列的傳感器裝置323、324雙方的傳感器值合成，還能夠檢測出傾斜方向的力。根據具有這種結構的第一實施方式，能夠實現以下的效果。(I)在本第一實施方式中，通過緊接在力檢測突起部232的下方分別配置中央部檢測傳感器裝置310和邊緣部檢測傳感器裝置321、322、323、324，能夠檢測出施加到外表面上的力。特別是，通過由隔著中央部檢測傳感器裝置310被配置在相反方向上的兩個邊緣部檢測傳感器裝置進行的差動檢測，還能夠檢測出施加到外表面上的剪切力。在現有技術中，在變形構件中埋入了立起的懸臂，但在這種懸臂方式中存在由於懸臂躺下而無法檢測的問題。就這一點而言,在本實施方式中，由於在力的檢測中使用垂直力傳感器400 (中央部檢測傳感器裝置310、邊緣部檢測傳感器裝置321、322、323、324)，因此難以發生像懸臂方式那樣的故障。從而能夠維持檢測解析度、檢測精度，並保持高的產品質量。(2)在現有技術的接觸傳感器裝置中，例如如圖20所示，在外表面上直接存在凹凸。
在本實施方式中也可以考慮不設置外部片層部210以及介質層部220，而使得表面具有突起232的力檢測片層部230暴露於外部。然而，若將這種構 造安裝在機器人10的手部12或身體表面，表面就會變得凹凸不平。如此一來，例如與人接觸時，會產生凹凸不平或粗糙感，從而觸感變差。就這一點而言，在本實施方式中，由於能夠使外部片層部210的外表面為無凹凸的平滑面，因此特別適合於被要求與人接觸的類人機器人。(3)通過外部片層部210被設置外側突起部212，並且力檢測片層部230被設置力檢測突起部232，能夠將施加於外部片層部210上的剪切力經由介質層部220傳遞至力檢測關起部232。並且，通過由邊緣部檢測傳感器裝置321、322、323、324對由於力檢測突起部232變形而產生的上拉力和壓下力進行差動檢測，能夠高靈敏度地檢測出施加於外片層部210上的剪切力。(4)如果外部片層部210與力檢測片層部230僅以使彼此的突起相嚙合的方式重合而不在兩者之間夾持介質層部220，則力檢測突起部232就會沒有變形的空間，或者力檢測突起部232的變形量非常小。由此就無法檢測出剪切力，或者檢測靈敏度非常低。就這一點而言，在本實施方式中，通過將柔軟的介質層部220配置在外部片層部210與力檢測片層部230之間，力檢測突起部232的變形變得充分大。由此能夠提高剪切力的檢測解析度、檢測精度。(5)片層部200的構造由於將三個層貼合即可，因此製造簡單。例如，如圖10所示，也可以考慮在力檢測突起部232的前端連續地形成外表面而構成一體的片部，但很難高精確且大量製造這種片部。(6)由於將外側突起部212以及力檢測突起部232的形狀形成為逐朝向頂端逐漸變細的形狀，因此能夠增大力檢測突起部232相對於剪切力的變形量，能夠提高檢測解析度、檢測精度。(7)由於將力檢測突起部232形成為圓錐形狀，因此能夠擴大突起部232的底面積。例如，在將力檢測突起部形成為圓柱形狀的情況下，為了使其對剪切力敏銳地反應而發生變形，必須將該圓柱的截面積設得充分小。在此情況下，突起的中央與邊緣部之間的間隔變窄，難以將中央部檢測傳感器裝置310和邊緣部檢測傳感器裝置321、322、323、324配置在期望的位置上。就這一點而言，在本實施方式中，由於將力檢測突起部232形成為圓錐形狀而能夠擴大突起部的底面積，因此當在中央配置中央部檢測傳感器裝置310並在邊緣部配置邊緣部檢測傳感器裝置321、322、323、324時，能夠使配置空間具有餘裕，消除了製造上的困難。(第二實施方式)在上述第一實施方式中，對中央部檢測傳感器構件和邊緣部檢測傳感器構件為獨立的傳感器裝置的情況進行了例示。相對於此，第二實施方式具有下述特徵對於一個突起部相應地配置一個傳感器裝置，並將多個敏感構件組裝到該一個傳感器裝置中。圖11是第二實施方式的剖面圖。圖12是示出被分割了的電極的立體圖。如圖11的剖面圖所示，對應於一個力檢測突起部232，設置有一個傳感器裝置500。並且，傳感器裝置500中的電 極分離為多個。在此，第二傳感器電極被分割。具體地，第二傳感器電極被分割為位於與力檢測突起部的中央部的正下方對應的位置處的中央電極511、以及位於力檢測突起部232的邊緣部的正下方的邊緣部電極。如圖12的電極部分的立體圖所示，第二傳感器電極被分割為五個。S卩，五個分割電極為中央電極511、以及相對於中央電極位於-Y方向(512)、+Y方向(513)、-X方向(514)、+X方向(515)上的各電極。在這種結構中，能夠檢測出各個被分割的電極對的電容。如果使用圖11的剖面圖表示，能夠分別獨立地檢測出第一傳感器電極430與中央電極511之間的間隙dl、第一傳感器電極430與-Y方向電極512之間的間隙d2、以及第一傳感器電極430與+Y方向電極513之間的間隙d3。在此，使用一個傳感器裝置構成垂直應力檢測傳感器單元，並通過電極的分割實現中央部檢測傳感器構件以及邊緣部檢測傳感器構件。在這種結構中，若外表面被施加剪切力，與在第一實施方式中說明的情況同樣地，力檢測突起部232也發生變形。並且，隨著力檢測突起部232的變形，第一傳感器電極430發生傾斜。第一傳感器電極430的傾斜可通過空隙dl與空隙d3之間的差動檢測來檢測出。由此能夠檢測出施加到外表面上的剪切力。(第三實施方式)在第一實施方式中，將中央部檢測傳感器裝置310與邊緣部檢測傳感器裝置321 324設為相同，但也可以使中央部檢測傳感器裝置310的傳感器靈敏度與邊緣部檢測傳感器裝置321 324的傳感器靈敏度不相同。例如，在中央部檢測傳感器裝置310的電極間配置低介電常數的電介質，在邊緣部檢測傳感器裝置321 324的電極間配置高介電常數的電介質。另外，在使用一個傳感器裝置500構成垂直應力檢測傳感器單元的情況下，如圖13所示，使各電極對之間夾持的電介質的介電常數不同。在圖13中，在中央電極511上形成低介電常數膜521，在-Y方向電極與+Y方向電極上形成高介電常數膜522。當諸如由垂直應力和剪切力合成的那樣的力作用於外表面的情況下，如果剪切力的檢測解析度低於垂直應力的檢測解析度，就會產生無法適當地檢測出剪切力的問題。就這一點而言，通過將邊緣部檢測傳感器裝置(構件)321 324的靈敏度設定得高於中央部檢測傳感器裝置(構件)310的靈敏度，即使在施加了垂直應力和剪切力的合成力的情況下，也能夠適當地檢測出垂直應力和剪切力。(第四實施方式)
在第一實施方式 第三實施方式中，傳感器構造部410與半導體基板450被構成為一體(單晶片化)。根據這樣的結構，能夠通過組裝到半導體基板450中的集成電路452對來自傳感器構造部410的傳感器信號進行信 號處理。如此，若各個傳感器裝置能夠執行信號處理，就能夠減小作為主機的信息集成裝置(沒有圖示)的信號處理負荷。即使在觸覺傳感器系統100中配置了許多傳感器裝置也能夠減小信息集成裝置的處理負擔的增加，因此就算是具有許多觸覺傳感器裝置的大系統也能夠高速響應。在此，對將來自傳感器構造部410的傳感器信號轉換為數位訊號的情況的一例進行例示。傳感器構造部410的上表面構成與對象物接觸的力檢測部(感應面)421。傳感器構造部410具有相對配置的電極板430、440，如果力檢測部421被推壓，兩個電極板430、440之間的間隔d就發生變化。由電極板間隔d的變化引起的電容變化成為模擬感應信號。例如，如圖14所示，假設從時刻Tl起至時刻T2在力檢測部421上施加強力，從時刻T3起至時刻T4在力檢測部421上施加弱力。如此一來，響應於被施加的力，電極板間距離d發生變化。響應於電極板間距離d的變化，電極板間積累的電荷量Q發生變化。響應被施加的力而變化的電極板間電荷量Q作為模擬感應信號被傳送至集成電路 452。具體而言，積累在第二傳感器電極440中的電荷經由重布線層451而由集成電路452檢測到。集成電路452對來自傳感器構造部410的模擬感應信號進行數字轉換。使用圖15對將電容變化數字轉換為頻率變化的情形進行說明。集成電路452每當獲取來自傳感器構造部410的感應信號時，以一定的周期輸出選擇信號Set、重置信號Rst。選擇信號Sct是被配置在電極板440與集成電路452之間的開關的接通信號。重置信號Rst是用於將電極板440的電荷暫時設為GND並進行重置的信號。根據選擇信號Set，電極板間電荷量Q以一定的周期被取出。將如此取出的電極板間電荷量Q經由預定電阻轉換成電壓\。將該Vq與預定的參考電壓Vref進行對比。生成具有Vq超過了 Vref的時間寬度的脈衝信號Vout。此時，如果電荷的取出速度是固定的，則Vq的高度與Vout的脈衝寬幅具有正的相關性。通過脈衝生成器(參照圖17)將Vout轉換預定頻率的脈衝信號。通過對每單位時間的脈衝數進行計數，能夠將施加於傳感器構造部410的力測量
為數字量。將如此通過頻率轉換而被數位化的感應信號作為數字感應信號。如此生成的數字感應信號從各傳感器裝置400被傳送至信息集成裝置(沒有圖示)。當發送信號時，也可以使用總線的兩根信號線以差動串行傳輸的方式進行傳輸。如此，通過從傳感器裝置400向信息集成裝置發送數位訊號，即使傳感器裝置400與信息集成裝置之間的布線長度長，也不容易受到噪聲的影響。例如，如果在機器人的整個身體表面上設置傳感器裝置400，總的布線長度就會相當長，因此抗噪聲性變得重要。與直接發送模擬信號的情況相比，本 實施方式的結構更適合於具有許多傳感器裝置400的傳感器系統。(變形例I)在一個傳感器裝置中組裝多個敏感構件的情況下，將通過圖16、圖17所示的結構來取出各敏感構件的感應信號作為例子進行列舉。在圖16中，能夠分別獨立地檢測出第一傳感器電極430與中央電極511之間的間隙dl、第一傳感器電極430與-Y方向電極512之間的間隙d2、以及第一傳感器電極430與+Y方向電極513之間的間隙d3。對於各電極511、512、513，設置有重置開關610和選擇開關620。重置開關610以及選擇開關620的源-漏區域是形成在P型井之中的N型井。並且，如圖16所示，重置開關610的漏極610D和選擇開關620的源極610S被共用。重置開關610的源極6IOS與GND連接。另外，選擇開關620的漏極610D與AD轉換器640連接。在圖16中，使用符號610G表不重置開關610的柵極,使用符號610G表不選擇開關的柵極。在傳感器電極被分割為五個的情況下，取出來自哪個電極511、512、513、514、515的信號依賴於將哪個選擇開關620設為接通。另外，在設置選擇開關時，也可以如圖17所示，將X方向的選擇線651和Y方向的選擇線652設為柵格狀，並通過分別選擇行選擇開關621和列選擇開關622來選擇期望的電極511 515。本發明不限於上述的實施方式，可在不脫離本發明主旨的範圍內進行適當變更。在上述實施方式中，對根據兩個電極板間的距離的變化來檢測垂直應力的情況進行了例示，但傳感器裝置(敏感構件)的結構只要能夠檢測出垂直應力即可，不特別進行限定。作為傳感器裝置的結構，優選將傳感器構造部作為MEMS (Micro ElectroMechanical Systems :微機電系統)集成在基板上,而且將集成電路也集成在半導體基板上，並將傳感器構造部的MEMS和集成電路的半導體基板接合來作為一個集成的傳感器元件晶片。但是，傳感器裝置不一定必須被集成化，例如傳感器構造部和信號處理部也可以分別為獨立個體，並相互接近配置。在上述實施方式中，對將垂直應力檢測傳感器單元埋設在力檢測片層部中的情況進行了例示，但由於只要能夠檢測出力檢測突起部的變形即可，因此也可以將垂直應力檢測傳感器單元緊接在力檢測片層部的下方配置。符號說明10 :機器人，12 :手部， 13 :對象物，14 :接觸傳感器單元，16 :基部，20 :觸覺傳感器裝置，31 :變形部件，32 :變形傳感器，32a:平板(懸臂)，32b :變形測量器，41 :懸臂，42 :彈性體，100 :片狀觸覺傳感器系統，200 :片層部，210 :外部片層部，212 :外側突起部，220 :介質層部，230 :力檢測片層部，232 :力檢測突起部，300 :垂直應力檢測傳感器單元，310 :中央部檢測傳感器裝置，321、322、323、324 :邊緣部檢測傳感器裝置，400 :檢測傳感器裝置，410 :傳感器構造部，420 :構造主體部，421 :力檢測部，422 :薄壁部，423 :支撐框部，424 :凹部，430 :傳感器電極，440 :傳感器電極，450 :半導體基板，451 :重布線層，452 :集成電路，453 :外部端子，460 :接合層，461 :通孔，500 :傳感器裝置，511 :中央電極，511、512、513、514、515 :電極，521 :低介電常數膜，522 :高介電常數膜，610 :重置開關，610D :漏極，610S 源極，610G :柵極，620 :選擇開關，620D :漏極，620S :源極，620G :柵極，621 :行選擇開關，622 :列選擇開關，640 :AD轉換器，651 :X方向選擇線，652 :Y方向選擇線。
權利要求
1.一種片狀觸覺傳感器系統，所述片狀觸覺傳感器系統檢測與對象物接觸時的垂直應力和剪切力，其特徵在於，包括 多個垂直應力檢測傳感器單元，每個所述垂直應力檢測傳感器單元能夠檢測垂直應力；以及 片層部，所述片層部包括被層疊的三個片層，並且所述片層部通過與對象物接觸而變形並將該接觸力傳遞至所述垂直應力檢測單元； 所述片層部具有 外部片層部，所述外部片層部構成外表面； 力檢測片層部，所述力檢測片層部內置所述垂直應力檢測單元或者緊接在所述垂直應力檢測單元的上方配置；以及 介質層，所述介質層被夾在所述外部片層部與所述力檢測片層部之間，並且將來自所述外部片層部的作用力傳遞至所述力檢測片層部； 其中，所述外部片層部與所述力檢測片層部具有彼此在相對方向上突起的多個突起部，並且所述外部片層部和所述力檢測片層部以使彼此的突起部隔著所述介質層嚙合的方式被相對配置， 每個所述垂直應力檢測傳感器單元具有 中央部檢測傳感器構件，所述中央部檢測傳感器構件緊接在設置於所述力檢測片部上的突起部的中央部的下方配置；以及 至少兩個邊緣部檢測傳感器構件，所述至少兩個邊緣部檢測傳感器構件以將所述中央部檢測傳感器構件夾在中間的方式緊接在設置於所述力檢測片部上的突起部的邊緣部的下方配置。
2.如權利要求I所述的片狀觸覺傳感器系統，其特徵在於， 當在與所述片層部的面平行的面上設定彼此正交的X軸和Y軸時，所述邊緣部檢測傳感器構件被分別排列在Y軸方向和X軸方向上。
3.如權利要求I或2所述的片狀觸覺傳感器系統，其特徵在於， 所述介質層是具有比所述外部片層部和所述力檢測片層部的彈性係數小的彈性係數的彈性體，或者是具有粘性的粘性體。
4.如權利要求I至3中任一項所述的片狀觸覺傳感器系統，其特徵在於，所述突起部為朝向頂端逐漸變細的形狀。
5.如權利要求4所述的片狀觸覺傳感器系統，其特徵在於，所述突起部為圓錐形。
6.如權利要求I至5中任一項所述的片狀觸覺傳感器系統，其特徵在於，所述中央部檢測傳感器構件與所述邊緣部檢測傳感器構件具有互不相同的檢測靈敏度。
7.如權利要求6所述的片狀觸覺傳感器系統，其特徵在於， 所述邊緣部檢測傳感器構件的檢測靈敏度高於所述中央部檢測傳感器構件的檢測靈敏度。
8.如權利要求I至7中任一項所述的片狀觸覺傳感器系統，其特徵在於，所述中央部檢測傳感器構件和所述邊緣部檢測傳感器構件為電容式壓力傳感器。
9.如權利要求8所述的片狀觸覺傳感器系統，其特徵在於， 配置在構成所述中央部檢測傳感器構件的兩片電極之間的電介質的介電常數與配置在構成所述邊緣部檢測傳感器構件的兩片電極之間的電介質的介電常數不同。
10.如權利要求9所述的片狀觸覺傳感器系統，其特徵在於， 配置在構成所述中央部檢測傳感器構件的兩片電極之間的電介質的介電常數小於配置在構成所述邊緣部檢測傳感器構件的兩片電極之間的電介質的介電常數。
11.如權利要求I至10中任一項所述的片狀觸覺傳感器系統，其特徵在於，所述中央部檢測傳感器構件與所述邊緣部檢測傳感器構件為彼此獨立的個體。
12.如權利要求I至10中任一項所述的片狀觸覺傳感器系統，其特徵在於，所述中央部檢測傳感器構件和所述邊緣部檢測傳感器構件內置在一個傳感器裝置中。
全文摘要
片狀觸覺傳感器系統包括片層部(200)和可檢測垂直應力的多個垂直應力檢測傳感器單元(300)。片層部(200)具有外部片層部(210)、內置有垂直應力檢測單元(300)的力檢測片層部(230)、以及被夾在外部片層部(210)與力檢測片層部(230)之間的介質層(220)。外部片層部(210)與力檢測片層部(230)具有彼此在相對方向上突起的多個突起部(212、232)，並且外部片層部(210)與力檢測片層部(230)以使彼此的突起部(212、232)隔著介質層(220)嚙合的方式被相對配置。每個垂直應力檢測傳感器單元(300)具有緊接在設置於力檢測片部(230)上的突起部(232)的中央部的下方配置的中央部檢測傳感器裝置(310)、以及緊接在設置於力檢測片部(230)上的突起部(232)的邊緣部的下方配置的至少兩個邊緣部檢測傳感器裝置(321～324)。
文檔編號G01L5/00GK102713546SQ20098016293
公開日2012年10月3日 申請日期2009年10月14日 優先權日2009年10月14日
發明者中山貴裕, 卷幡光俊, 室山真德, 山口宇唯, 山田整, 松崎榮, 江刺正喜, 田中秀治, 藤吉基弘, 野野村裕 申請人:豐田自動車株式會社, 國立大學法人東北大學