专利名称：片状触觉传感器系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及例如安装在机器人的表面部(例如，手部或整个身体表面)上并检测与对象物的接触的片状触觉传感器系统。
背景技术：
类人机器人地开发正在进行。类人机器人被要求进行与人接触或者自主地回避障碍物或者抓持对象物进行移动等的高水平的动作。这样的动作需要触觉，因此近年来，在机器人的手部或机器人的整个身体表面上设置触觉传感器的研究正在进行(例如，专利文献I、专利文献2)。机器人所被要求的动作，例如有抓住物体这样的动作。图18是示出机器人10的手部12将物13举起的情形的图。在图18中，在机器人10的手部12上设置有检测与对象物13的接触的接触传感器单元14。机器人10通过基于由接触传感器单元14检测到的接触力的反馈控制而以适当的力将对象物13抓住并举起。作为在机器人10的手部12与对象物13之间作用的力，具有垂直于机器人10的手部12的把持面作用的垂直应力、以及在机器人10的手部12的表面的切线方向上作用的剪切力(偏移应力、切线应力)。当检测垂直应力时，使用检测在垂直方向上作用的力的已有的力检测传感器即可。另一方面，检测剪切力不一定很简单。在此，在专利文献I中，如图19所示，公开了检测来自物体的剪切力的传感器单元14。专利文献I中公开的传感器单元14如下构成。传感器单元14具有从物体受到剪切力而变形的变形部件31、以及内置在变形构件31中的变形传感器32。变形传感器32具有作为悬臂被垂直立起的平板32a、以及被粘贴在该平板32a上的变形测量器32b。若在变形构件31的表面上作用剪切力(切线应力)，变形部件31就变形。响应于该变形,悬臂32a也变形。通过使用变形测量器32b检测此时的悬臂32a的变形量，来检测作用于变形构件31的表面的剪切力。另外，专利文献2公开了触觉传感器装置20，如图20所示，该触觉传感器装置具有将从基部16经由铰链垂直立起的悬臂41内置在由硅构成的弹性体42中的构造。的确，如果像专利文献I和专利文献2那样将立起的悬臂内置在变形部件中，则能够检测出作用于变形构件上的剪切力。在先技术文献专利文献专利文献I :日本专 利文献特开2008-281403号公报专利文献2 日本专利文献特开2006-208248号公报
发明内容
本发明要解决的问题然而，例如在如专利文献2那样的单侧支撑梁的悬臂41的情况下，存在下述问题如果静电引力超过恢复力，就会发生作为感应部的单侧支撑梁电极由于吸合(pull-in)而粘附的故障。在制造时或安装时，这种由吸合引起的故障容易发生。另外，在如专利文献I那样的结构的情况下，需要将作为悬臂的平板32a在变形部件31中朝向预定方向并垂直立起。可以预见到这在制造时会相当困难。如果在制造时悬臂32a躺下或者未朝向预定方向，检测分辨率和检测精度就会极其变差，难以保证产品质量。另外，在考虑将触觉传感器系统安装在机器人10的表面上的情况下，机器人10的表面上存在曲面或凹凸。如果想要在这样的位置安装悬臂式传感器单元，随着变形构件的变形，悬臂电极会发生弯曲。从而，诸如会发生在安装时使悬臂维持躺下的状态等等，难以在维持适当的状态下安装到机器人表面上，若是专利文献1、2公开的现有技术的传感器装置的构成，则不适合作为安装在机器人的手部或整个身体表面上的触觉传感器系统，并且是不现实的。用于解决问题的技术手段本发明的片状触觉传感器系统的特征在于，包括多个垂直应力检测传感器单元,每个所述垂直应力检测传感器单元能够检测垂直应力；以及片层部，所述片层部包括被层叠的三个片层，并且所述片层部通过与对象物接触而变形并将该接触力传递至所述垂直应力检测单元；所述片层部具有外部片层部，所述外部片层部构成外表面；力检测片层部，所述力检测片层部内置所述垂直应力检测单元或者紧接在所述垂直应力检测单元的上方配置；以及介质层，所述介质层被夹在所述外部片层部与所述力检测片层部之间，并且将来自所述外部片层部的作用力传递至所述力检测片层部；其中，所述外部片层部与所述力检测片层部具有彼此在相对方向上突起的多个突起部，并且所述外部片层部和所述力检测片层部以使彼此的突起部隔着所述介质层啮合的方式被相对配置，每个所述垂直应力检测传感器单元具有中央部检测传感器构件，所述中央部检测传感器构件紧接在设置于所述力检测片部上的突起部的中央部的下方配置；以及至少两个边缘部检测传感器构件，所述至少两个边缘部检测传感器构件以将所述中央部检测传感器构件夹在中间的方式紧接在设置于所述力检测片部上的突起部的边缘部的下方配置。
图I是示出接触传感器系统的剖面图的图；图2是示出将构成片层部的外侧层、中间层以及内侧层分离后的状态的图；图3是从上方观看片状触觉传感器系统时的透视图；图4是从表面侧观看检测传感器装置时的立体图；图5是检测传感器装置的剖面图；图6是例示了将片状触觉传感器系统形成为袋状的情况的图；图7是示出在片状触觉传感器系统的外表面上施加了垂直应力的情况的图；图8是示出在片状触觉传感器系统的外表面上施加了剪切力的情况的图；图9是示出通过片状触觉传感器系统检测X方向、Y方向、倾斜方向的剪切力的情况的图；图10是将在力检测突起部的前端连续地形成了外表面的情况作为对比例示出的图；图11是第二实施方式的剖面图；图12是示出被分割了的电极的立体图；图13是示出在电极之间设置了电介质的情况的图；图14是示出电极板间距离d以及电极板间电荷量Q响应所施加的力而发生变化的情形的图；图15是用于说明将电容变化数字转换为频率变化的步骤的图；图16是例示了用于独立地检测各敏感构件的结构的图；图17是例示了用于独立地检测各敏感构件的结构的图；图18是示出机器人的手部将物举起的情形的图；图19是示出现有技术的传感器单元的图；图20是示出现有技术的传感器单元的图。
具体实施例方式对本发明的实施方式进行图示，并且参照图中的各构件所标记的符号进行说明。(第一实施方式)对本发明的片状触觉传感器系统100涉及的第一实施方式进行说明。图I是示出片状触觉传感器系统的剖面图的图。图2是示出将外部片层部、介质层部以及力检测片层部分离后的状态的立体分解图。图3是从上方观看片状触觉传感器系统时的透视图。本发明是用于检测当对象物接触到片层部的外表面时所作用的力的触觉传感器系统。片状接触传感器系统100包括片层部200和垂直应力检测传感器单元300，垂直应力检测传感器单元300检测作用于片层部200的外表面上的力。
片层部200为三层构造。片层部200具有外部片层部210、介质层部220、以及力检测片层部230。介质层部220具有柔软性，并被夹在外部片层部210与力检测片层部230之间。在此，介质层部220由弹性体、粘性体或粘弹性体构成。介质层部220比外部片层部210以及力检测片层部230更柔软。S卩，在介质层部220由弹性体构成的情况下，介质层部220具有比外部片层部210和力检测片层部230小的弹性系数。另外，介质层部220也可以是溶胶等粘性流体、凝胶等粘弹性体。对于介质层部220，可举出用硅树脂或弹性体等树脂材料构成的例子。接着，对外部片层部210以及力检测片层部230进行说明。在此，为了便于说明，将图I的从上向下的方向设为Z轴，将从左向右的方向设为Y轴。另外，将图3的从下向上的方向设为X轴。外部片层部210是被配置到在触觉传感器系统100的最外侧的片。外部片层部210是具有在对象物与外表面接触时平缓地变形的程度的弹性的弹性体,例如由硅橡胶等形成。外部片层部210的外表面是无凹凸的平缓的面。并且，在外部片层部210的内侧面，设置有朝向内方向(在图I中，为-Z方向)凸起的突起部212。将设置在外部片层部210上的突起部称作外侧突起部212。在Y方向和X方向上均以一定的周期设置有多个外侧突起部212。外侧突起部212为略圆锥形状。但是，也可以施加例如将突起部212的顶点弄圆或者形成为截去顶部那样的裁头圆锥形状等的变更。在力检测片层部230的内侧面，设置有朝向内方向(在图I中，为+Z方向)凸起的突起部232。将设置在力检测片层部230上的突起部称作力检测突起部232。力检测突起部232具有与外侧突起部212相同的形状，在Y方向和X方向上均以一定的周期设置有多个力检测突起部232。并且，外侧突起部212和力检测突起部232以在将外部片层部210和力检测片层部230相对配置时隔着介质层部220相互啮合的方式被设置。S卩，外侧突起部212和力检测突起部232的至少相互的斜面夹着介质层部220而相对。
外侧突起部212和力检测突起部232过于紧密啮合也不好，反之，啮合过于疏松也不好。外侧突起部212和力检测突起部232之间的间隔Dl被调整为可使外部片层部210的位移或变形从外侧突起 部212经由介质层部220被传递为力检测突起部232的变形的程度。若增加介质层部220的厚度，传感器的分辨率就会下降但耐冲击性提高。另外，外侧突起部212的顶部和力检测突起部232的顶部之间的间隔D2例如是介质层部220的厚度的例如I至5倍的程度。若缩小此该间隔D2，则能够提高传感器的灵敏度。垂直应力检测传感器单元300被埋设在力检测片层部230中。在此，垂直应力检测传感器单元300紧接在各力检测突起部232的下方而配置。一个垂直应力检测传感器单元300具有一个中央部检测传感器装置310、以及四个边缘部检测传感器装置321、322、323、324。中央部检测传感器装置310紧接在力检测突起部232的中央部的下方而配置。另外，边缘部检测传感器装置321、322、323、324紧接在力检测突起部232的边缘部的下方而配置。边缘部检测传感器装置321、322、323、324被配置在Y方向和X方向的各方向上。在此，将隔着中央部检测传感器装置310而配置在-Y方向上的边缘部检测传感器装置作为-Y边缘部检测传感器装置321，并将隔着中央部检测传感器装置310而配置在+Y方向上的边缘部检测传感器装置作为+Y边缘部检测传感器装置322。同样地，将隔着中央部检测传感器装置310而配置在-X方向上的边缘部检测传感器装置作为-X边缘部检测传感器装置323，并将隔着中央部检测传感器装置310而配置在+X方向上的边缘部检测传感器装置作为+X边缘部检测传感器装置324。中央部检测传感器装置310与边缘部检测传感器装置321、322、323、324仅在配置位置上有所不同，而在结构上相同。在此，对检测传感器装置400的结构进行说明。为了便于说明，将检测传感器装置的构件的符号设为从400起的以4开头的号码，但是，检测传感器装置400具有与中央部检测传感器装置310以及边缘部检测传感器装置321、322、323、324 相同的结构。图4是从表面侧观看检测传感器装置400时的立体图。图5是检测传感器装置400的剖面图。如图5所示，检测传感器装置400具有使用接合层460将传感器构造部410和半导体基板450贴合的构造。传感器构造部410具有构造主体部(Main Structure Body)420、第一传感器电极430、以及第二传感器电极440。构造主体部420由Si形成。从表面侧观看，在构造主体部420的中心部设置有与对象物接触的凸状的力检测部421，力检测部421的周围为凹状的薄壁部422。由于薄壁部422具有弹性，因此构造主体部420作为动作膜发挥功能。
S卩，如果力检测部421被施加力，构造主体部420就会弯曲。在此，由力检测部421构成了接触感应面。作为薄壁部422的周围的周缘部成为支承动作膜的支撑框部423。另外，在构造主体部420的背面形成有凹部424。第一传感器电极430被设置在形成于构造主体部420的背面上的凹部424中。第一传感器电极430成为与动作膜 一同位移的可动电极。第二传感器电极440紧接在接合层460的上方而设置。第一传感器电极430与第二传感器电极440之间的间隔由凹部424的深度规定。第二传感器电极440为固定电极，由彼此相对配置的第一传感器电极430和第二传感器电极440构成了电容元件。第二传感器电极440经由形成于接合层460上的通孔461而与半导体基板450的重布线层451连接。第一、第二传感器电极430、440被密封于传感器装置400的内侧。半导体基板450中制作有用于信号处理的集成电路452。集成电路452对来自传感器构造部410的传感器信号进行信号处理，并从被引出到半导体基板的背面上的外部端子453输出数据信号。当实际将片状触觉传感器系统100安装到机器人10上时，将力检测片层部230的背面粘贴在机器人10的身体表面上即可。另外，如图6所示，也可以将片状触觉传感器系统100形成为袋状，以便套在机器人10的手部12上。使用图7、图8、图9对本第一实施方式的作用进行说明。图7示出了对片状触觉传感器系统100的外表面施加了垂直应力的情况。如图7所示，当对外表面垂直作用了垂直应力时，外部片层210被压下。外部片层210的变形经由介质层部220被传递至力检测片层部230，从而力检测片层部230以被压下的方式发生变形。若力检测片层部230被压下，埋在力检测片层部230中的垂直应力检测传感器单元300就被施加垂直应力。在此，垂直应力大致均匀地作用于力检测突起部232的中央部的紧接下方和力检测突起部232的边缘部。从而，在一个垂直应力检测传感器单元300中，中央部检测传感器装置310和边缘部检测传感器装置321、322、323、324检测出大致相等的力。如此，当中央部检测传感器装置310和边缘部检测传感器装置321、322、323、324检测出大致相等的力时，能够检测出外表面被施加了垂直应力。接下来，图8示出了外表面被作用剪切力(切线应力、偏移应力)的情况。在此，假设施加了+Y轴方向的剪切力。在此情况下,夕卜表面被朝向+Y方向拉伸，因此外部片层部210向+Y方向位移。此时，外侧突起部212与外部片层部210 —起也向+Y方向偏移。于是，被外侧突起部212推压，介质层部220也向+Y方向位移。通过该介质层部220的位移，力检测突起部232向+Y方向被推压。
此时，由于外侧突起部212为朝向顶端逐渐变细的形状，因此突起的根部由于高刚性而强力推压介质层部220。另一方面，由于外侧突起部212的前端部分的刚性小，因此推压介质层部220的力较弱。另外，由于力检测突起部232为朝向顶端逐渐变细的形状，因此越接近前端，受力时就越容易变形。从而，力检测突起部232以前 端部分更多地向+Y方向位移的方式发生变形。若力检测突起部232以前端部更多地向+Y方向位移的方式发生变形，则如图8所示，在力检测突起部232的-Y方向上，以使力检测突起部232的边缘部被上拉的方式作用有力。另外，在力检测突起部232的+Y方向上，以使力检测突起部232的边缘部被压下的方式作用有力。从而，-Y边缘部检测传感器装置321检测出上拉力，在此情况下，检测力为负。另外，+Y边缘部检测传感器装置322检测出压下方向的力，在此情况下，检测力为正。如此，当-Y边缘部检测传感器装置321和+Y边缘部检测传感器装置322检测出相反的力时，能够检测出外表面被施加了剪切力(切线应力、偏移应力)。此外，根据检测值的正负关系，还能够检测出剪切力的方向。如图9所示，边缘部检测传感器装置321、322隔着中央部检测传感器装置310被配置在-Y方向(321)和+Y方向(322)上，因此能够检测出Y方向的剪切力。另外，边缘部检测传感器装置323、324隔着中央部检测传感器装置310被配置在-X方向(323)和+X方向(324)上，因此能够检测出X方向的剪切力。并且，像相对于X轴和Y轴具有角度那样的倾倾斜方向的剪切力能够分解为Y方向和X方向，因此，通过将Y方向排列的传感器装置321、322和X方向排列的传感器装置323、324双方的传感器值合成，还能够检测出倾斜方向的力。根据具有这种结构的第一实施方式，能够实现以下的效果。(I)在本第一实施方式中，通过紧接在力检测突起部232的下方分别配置中央部检测传感器装置310和边缘部检测传感器装置321、322、323、324，能够检测出施加到外表面上的力。特别是，通过由隔着中央部检测传感器装置310被配置在相反方向上的两个边缘部检测传感器装置进行的差动检测，还能够检测出施加到外表面上的剪切力。在现有技术中，在变形构件中埋入了立起的悬臂，但在这种悬臂方式中存在由于悬臂躺下而无法检测的问题。就这一点而言,在本实施方式中，由于在力的检测中使用垂直力传感器400 (中央部检测传感器装置310、边缘部检测传感器装置321、322、323、324)，因此难以发生像悬臂方式那样的故障。从而能够维持检测分辨率、检测精度，并保持高的产品质量。(2)在现有技术的接触传感器装置中，例如如图20所示，在外表面上直接存在凹凸。
在本实施方式中也可以考虑不设置外部片层部210以及介质层部220，而使得表面具有突起232的力检测片层部230暴露于外部。然而，若将这种构 造安装在机器人10的手部12或身体表面，表面就会变得凹凸不平。如此一来，例如与人接触时，会产生凹凸不平或粗糙感，从而触感变差。就这一点而言，在本实施方式中，由于能够使外部片层部210的外表面为无凹凸的平滑面，因此特别适合于被要求与人接触的类人机器人。(3)通过外部片层部210被设置外侧突起部212，并且力检测片层部230被设置力检测突起部232，能够将施加于外部片层部210上的剪切力经由介质层部220传递至力检测关起部232。并且，通过由边缘部检测传感器装置321、322、323、324对由于力检测突起部232变形而产生的上拉力和压下力进行差动检测，能够高灵敏度地检测出施加于外片层部210上的剪切力。(4)如果外部片层部210与力检测片层部230仅以使彼此的突起相啮合的方式重合而不在两者之间夹持介质层部220，则力检测突起部232就会没有变形的空间，或者力检测突起部232的变形量非常小。由此就无法检测出剪切力，或者检测灵敏度非常低。就这一点而言，在本实施方式中，通过将柔软的介质层部220配置在外部片层部210与力检测片层部230之间，力检测突起部232的变形变得充分大。由此能够提高剪切力的检测分辨率、检测精度。(5)片层部200的构造由于将三个层贴合即可，因此制造简单。例如，如图10所示，也可以考虑在力检测突起部232的前端连续地形成外表面而构成一体的片部，但很难高精确且大量制造这种片部。(6)由于将外侧突起部212以及力检测突起部232的形状形成为逐朝向顶端逐渐变细的形状，因此能够增大力检测突起部232相对于剪切力的变形量，能够提高检测分辨率、检测精度。(7)由于将力检测突起部232形成为圆锥形状，因此能够扩大突起部232的底面积。例如，在将力检测突起部形成为圆柱形状的情况下，为了使其对剪切力敏锐地反应而发生变形，必须将该圆柱的截面积设得充分小。在此情况下，突起的中央与边缘部之间的间隔变窄，难以将中央部检测传感器装置310和边缘部检测传感器装置321、322、323、324配置在期望的位置上。就这一点而言，在本实施方式中，由于将力检测突起部232形成为圆锥形状而能够扩大突起部的底面积，因此当在中央配置中央部检测传感器装置310并在边缘部配置边缘部检测传感器装置321、322、323、324时，能够使配置空间具有余裕，消除了制造上的困难。(第二实施方式)在上述第一实施方式中，对中央部检测传感器构件和边缘部检测传感器构件为独立的传感器装置的情况进行了例示。相对于此，第二实施方式具有下述特征对于一个突起部相应地配置一个传感器装置，并将多个敏感构件组装到该一个传感器装置中。图11是第二实施方式的剖面图。图12是示出被分割了的电极的立体图。如图11的剖面图所示，对应于一个力检测突起部232，设置有一个传感器装置500。并且，传感器装置500中的电 极分离为多个。在此，第二传感器电极被分割。具体地，第二传感器电极被分割为位于与力检测突起部的中央部的正下方对应的位置处的中央电极511、以及位于力检测突起部232的边缘部的正下方的边缘部电极。如图12的电极部分的立体图所示，第二传感器电极被分割为五个。S卩，五个分割电极为中央电极511、以及相对于中央电极位于-Y方向(512)、+Y方向(513)、-X方向(514)、+X方向(515)上的各电极。在这种结构中，能够检测出各个被分割的电极对的电容。如果使用图11的剖面图表示，能够分别独立地检测出第一传感器电极430与中央电极511之间的间隙dl、第一传感器电极430与-Y方向电极512之间的间隙d2、以及第一传感器电极430与+Y方向电极513之间的间隙d3。在此，使用一个传感器装置构成垂直应力检测传感器单元，并通过电极的分割实现中央部检测传感器构件以及边缘部检测传感器构件。在这种结构中，若外表面被施加剪切力，与在第一实施方式中说明的情况同样地，力检测突起部232也发生变形。并且，随着力检测突起部232的变形，第一传感器电极430发生倾斜。第一传感器电极430的倾斜可通过空隙dl与空隙d3之间的差动检测来检测出。由此能够检测出施加到外表面上的剪切力。(第三实施方式)在第一实施方式中，将中央部检测传感器装置310与边缘部检测传感器装置321 324设为相同，但也可以使中央部检测传感器装置310的传感器灵敏度与边缘部检测传感器装置321 324的传感器灵敏度不相同。例如，在中央部检测传感器装置310的电极间配置低介电常数的电介质，在边缘部检测传感器装置321 324的电极间配置高介电常数的电介质。另外，在使用一个传感器装置500构成垂直应力检测传感器单元的情况下，如图13所示，使各电极对之间夹持的电介质的介电常数不同。在图13中，在中央电极511上形成低介电常数膜521，在-Y方向电极与+Y方向电极上形成高介电常数膜522。当诸如由垂直应力和剪切力合成的那样的力作用于外表面的情况下，如果剪切力的检测分辨率低于垂直应力的检测分辨率，就会产生无法适当地检测出剪切力的问题。就这一点而言，通过将边缘部检测传感器装置(构件)321 324的灵敏度设定得高于中央部检测传感器装置(构件)310的灵敏度，即使在施加了垂直应力和剪切力的合成力的情况下，也能够适当地检测出垂直应力和剪切力。(第四实施方式)
在第一实施方式 第三实施方式中，传感器构造部410与半导体基板450被构成为一体(单芯片化)。根据这样的结构，能够通过组装到半导体基板450中的集成电路452对来自传感器构造部410的传感器信号进行信 号处理。如此，若各个传感器装置能够执行信号处理，就能够减小作为主机的信息集成装置(没有图示)的信号处理负荷。即使在触觉传感器系统100中配置了许多传感器装置也能够减小信息集成装置的处理负担的增加，因此就算是具有许多触觉传感器装置的大系统也能够高速响应。在此，对将来自传感器构造部410的传感器信号转换为数字信号的情况的一例进行例示。传感器构造部410的上表面构成与对象物接触的力检测部(感应面)421。传感器构造部410具有相对配置的电极板430、440，如果力检测部421被推压，两个电极板430、440之间的间隔d就发生变化。由电极板间隔d的变化引起的电容变化成为模拟感应信号。例如，如图14所示，假设从时刻Tl起至时刻T2在力检测部421上施加强力，从时刻T3起至时刻T4在力检测部421上施加弱力。如此一来，响应于被施加的力，电极板间距离d发生变化。响应于电极板间距离d的变化，电极板间积累的电荷量Q发生变化。响应被施加的力而变化的电极板间电荷量Q作为模拟感应信号被传送至集成电路 452。具体而言，积累在第二传感器电极440中的电荷经由重布线层451而由集成电路452检测到。集成电路452对来自传感器构造部410的模拟感应信号进行数字转换。使用图15对将电容变化数字转换为频率变化的情形进行说明。集成电路452每当获取来自传感器构造部410的感应信号时，以一定的周期输出选择信号Set、重置信号Rst。选择信号Sct是被配置在电极板440与集成电路452之间的开关的接通信号。重置信号Rst是用于将电极板440的电荷暂时设为GND并进行重置的信号。根据选择信号Set，电极板间电荷量Q以一定的周期被取出。将如此取出的电极板间电荷量Q经由预定电阻转换成电压\。将该Vq与预定的参考电压Vref进行对比。生成具有Vq超过了 Vref的时间宽度的脉冲信号Vout。此时，如果电荷的取出速度是固定的，则Vq的高度与Vout的脉冲宽幅具有正的相关性。通过脉冲生成器(参照图17)将Vout转换预定频率的脉冲信号。通过对每单位时间的脉冲数进行计数，能够将施加于传感器构造部410的力测量
为数字量。将如此通过频率转换而被数字化的感应信号作为数字感应信号。如此生成的数字感应信号从各传感器装置400被传送至信息集成装置(没有图示)。当发送信号时，也可以使用总线的两根信号线以差动串行传输的方式进行传输。如此，通过从传感器装置400向信息集成装置发送数字信号，即使传感器装置400与信息集成装置之间的布线长度长，也不容易受到噪声的影响。例如，如果在机器人的整个身体表面上设置传感器装置400，总的布线长度就会相当长，因此抗噪声性变得重要。与直接发送模拟信号的情况相比，本 实施方式的结构更适合于具有许多传感器装置400的传感器系统。(变形例I)在一个传感器装置中组装多个敏感构件的情况下，将通过图16、图17所示的结构来取出各敏感构件的感应信号作为例子进行列举。在图16中，能够分别独立地检测出第一传感器电极430与中央电极511之间的间隙dl、第一传感器电极430与-Y方向电极512之间的间隙d2、以及第一传感器电极430与+Y方向电极513之间的间隙d3。对于各电极511、512、513，设置有重置开关610和选择开关620。重置开关610以及选择开关620的源-漏区域是形成在P型井之中的N型井。并且，如图16所示，重置开关610的漏极610D和选择开关620的源极610S被共用。重置开关610的源极6IOS与GND连接。另外，选择开关620的漏极610D与AD转换器640连接。在图16中，使用符号610G表不重置开关610的栅极,使用符号610G表不选择开关的栅极。在传感器电极被分割为五个的情况下，取出来自哪个电极511、512、513、514、515的信号依赖于将哪个选择开关620设为接通。另外，在设置选择开关时，也可以如图17所示，将X方向的选择线651和Y方向的选择线652设为栅格状，并通过分别选择行选择开关621和列选择开关622来选择期望的电极511 515。本发明不限于上述的实施方式，可在不脱离本发明主旨的范围内进行适当变更。在上述实施方式中，对根据两个电极板间的距离的变化来检测垂直应力的情况进行了例示，但传感器装置(敏感构件)的结构只要能够检测出垂直应力即可，不特别进行限定。作为传感器装置的结构，优选将传感器构造部作为MEMS (Micro ElectroMechanical Systems :微机电系统)集成在基板上,而且将集成电路也集成在半导体基板上，并将传感器构造部的MEMS和集成电路的半导体基板接合来作为一个集成的传感器元件芯片。但是，传感器装置不一定必须被集成化，例如传感器构造部和信号处理部也可以分别为独立个体，并相互接近配置。在上述实施方式中，对将垂直应力检测传感器单元埋设在力检测片层部中的情况进行了例示，但由于只要能够检测出力检测突起部的变形即可，因此也可以将垂直应力检测传感器单元紧接在力检测片层部的下方配置。符号说明10 :机器人，12 :手部， 13 :对象物，14 :接触传感器单元，16 :基部，20 :触觉传感器装置，31 :变形部件，32 :变形传感器，32a:平板(悬臂)，32b :变形测量器，41 :悬臂，42 :弹性体，100 :片状触觉传感器系统，200 :片层部，210 :外部片层部，212 :外侧突起部，220 :介质层部，230 :力检测片层部，232 :力检测突起部，300 :垂直应力检测传感器单元，310 :中央部检测传感器装置，321、322、323、324 :边缘部检测传感器装置，400 :检测传感器装置，410 :传感器构造部，420 :构造主体部，421 :力检测部，422 :薄壁部，423 :支撑框部，424 :凹部，430 :传感器电极，440 :传感器电极，450 :半导体基板，451 :重布线层，452 :集成电路，453 :外部端子，460 :接合层，461 :通孔，500 :传感器装置，511 :中央电极，511、512、513、514、515 :电极，521 :低介电常数膜，522 :高介电常数膜，610 :重置开关，610D :漏极，610S 源极，610G :栅极，620 :选择开关，620D :漏极，620S :源极，620G :栅极，621 :行选择开关，622 :列选择开关，640 :AD转换器，651 :X方向选择线，652 :Y方向选择线。
权利要求
1.一种片状触觉传感器系统，所述片状触觉传感器系统检测与对象物接触时的垂直应力和剪切力，其特征在于，包括 多个垂直应力检测传感器单元，每个所述垂直应力检测传感器单元能够检测垂直应力；以及 片层部，所述片层部包括被层叠的三个片层，并且所述片层部通过与对象物接触而变形并将该接触力传递至所述垂直应力检测单元； 所述片层部具有 外部片层部，所述外部片层部构成外表面； 力检测片层部，所述力检测片层部内置所述垂直应力检测单元或者紧接在所述垂直应力检测单元的上方配置；以及 介质层，所述介质层被夹在所述外部片层部与所述力检测片层部之间，并且将来自所述外部片层部的作用力传递至所述力检测片层部； 其中，所述外部片层部与所述力检测片层部具有彼此在相对方向上突起的多个突起部，并且所述外部片层部和所述力检测片层部以使彼此的突起部隔着所述介质层啮合的方式被相对配置， 每个所述垂直应力检测传感器单元具有 中央部检测传感器构件，所述中央部检测传感器构件紧接在设置于所述力检测片部上的突起部的中央部的下方配置；以及 至少两个边缘部检测传感器构件，所述至少两个边缘部检测传感器构件以将所述中央部检测传感器构件夹在中间的方式紧接在设置于所述力检测片部上的突起部的边缘部的下方配置。
2.如权利要求I所述的片状触觉传感器系统，其特征在于， 当在与所述片层部的面平行的面上设定彼此正交的X轴和Y轴时，所述边缘部检测传感器构件被分别排列在Y轴方向和X轴方向上。
3.如权利要求I或2所述的片状触觉传感器系统，其特征在于， 所述介质层是具有比所述外部片层部和所述力检测片层部的弹性系数小的弹性系数的弹性体，或者是具有粘性的粘性体。
4.如权利要求I至3中任一项所述的片状触觉传感器系统，其特征在于，所述突起部为朝向顶端逐渐变细的形状。
5.如权利要求4所述的片状触觉传感器系统，其特征在于，所述突起部为圆锥形。
6.如权利要求I至5中任一项所述的片状触觉传感器系统，其特征在于，所述中央部检测传感器构件与所述边缘部检测传感器构件具有互不相同的检测灵敏度。
7.如权利要求6所述的片状触觉传感器系统，其特征在于， 所述边缘部检测传感器构件的检测灵敏度高于所述中央部检测传感器构件的检测灵敏度。
8.如权利要求I至7中任一项所述的片状触觉传感器系统，其特征在于，所述中央部检测传感器构件和所述边缘部检测传感器构件为电容式压力传感器。
9.如权利要求8所述的片状触觉传感器系统，其特征在于， 配置在构成所述中央部检测传感器构件的两片电极之间的电介质的介电常数与配置在构成所述边缘部检测传感器构件的两片电极之间的电介质的介电常数不同。
10.如权利要求9所述的片状触觉传感器系统，其特征在于， 配置在构成所述中央部检测传感器构件的两片电极之间的电介质的介电常数小于配置在构成所述边缘部检测传感器构件的两片电极之间的电介质的介电常数。
11.如权利要求I至10中任一项所述的片状触觉传感器系统，其特征在于，所述中央部检测传感器构件与所述边缘部检测传感器构件为彼此独立的个体。
12.如权利要求I至10中任一项所述的片状触觉传感器系统，其特征在于，所述中央部检测传感器构件和所述边缘部检测传感器构件内置在一个传感器装置中。
全文摘要
片状触觉传感器系统包括片层部(200)和可检测垂直应力的多个垂直应力检测传感器单元(300)。片层部(200)具有外部片层部(210)、内置有垂直应力检测单元(300)的力检测片层部(230)、以及被夹在外部片层部(210)与力检测片层部(230)之间的介质层(220)。外部片层部(210)与力检测片层部(230)具有彼此在相对方向上突起的多个突起部(212、232)，并且外部片层部(210)与力检测片层部(230)以使彼此的突起部(212、232)隔着介质层(220)啮合的方式被相对配置。每个垂直应力检测传感器单元(300)具有紧接在设置于力检测片部(230)上的突起部(232)的中央部的下方配置的中央部检测传感器装置(310)、以及紧接在设置于力检测片部(230)上的突起部(232)的边缘部的下方配置的至少两个边缘部检测传感器装置(321～324)。
文档编号G01L5/00GK102713546SQ20098016293
公开日2012年10月3日 申请日期2009年10月14日 优先权日2009年10月14日
发明者中山贵裕, 卷幡光俊, 室山真德, 山口宇唯, 山田整, 松崎荣, 江刺正喜, 田中秀治, 藤吉基弘, 野野村裕 申请人:丰田自动车株式会社, 国立大学法人东北大学