JP2012247403A - 応力検出素子、センサーモジュール、および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】生産性が良好で、かつ応力の検出精度が高い応力検出素子、センサーモジュール、および電子機器を提供する。
【解決手段】応力検出素子１００は、互いに平行する第一直線部１１１Ａ及び第二直線部１１１Ｂを有する開口部１１１を備えたセンサー基板１１と、開口部１１１を閉塞する支持膜１２と、第一直線部１１１Ａに沿い、かつ、開口部１１１の内外に跨って支持膜１２上に設けられる第一圧電素子１３Ａと、第一直線部１１１Ａに沿い、かつ、開口部１１１の内外に跨って支持膜１２上に設けられる第一弾性部１４１Ａと、平面視において、第二直線部１１１Ｂに沿い、かつ、開口部１１１の内外に跨って支持膜１２に設けられる第二弾性部１４１Ｂと、を具備し、第一弾性部１４１Ａの第一弾性端部１４３Ａ、及び第二弾性部１４１Ｂの第二弾性端部１４３Ｂは、弾性間ギャップＧｘを介して対向する。
【選択図】図１

Description

本発明は、剪断方向に作用する剪断力、および剪断方向に直交する方向に作用する押圧力の双方を検出する応力検出素子、応力検出素子を備えたセンサーモジュール、およびセンサーモジュールを備えた電子機器に関する。

従来、ロボットのアームなどにより、重量や摩擦係数が未知である対象物を把持して持ち上げる把持装置が知られている。このような把持装置では、対象物を破損することなく、かつ対象物を滑り落とすことなく把持するためには、把持面に対して直交する方向に作用する力（押圧力）と、把持面の面方向（剪断方向）に作用する力（剪断力）を検出する必要があり、これらの力を検出するセンサーが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に記載の触覚センサーは、センサー基板に開設される開口の縁部から延伸するカンチレバー構造の構造体を有し、この構造体は、平板状の感応部と、感応部とセンサー基板とを連結するヒンジ部とから構成される。そして、この構造体の感応部には導電性磁性体膜が形成され、ヒンジ部には、ピエゾ抵抗膜が形成され、導電性磁性体膜とピエゾ抵抗膜とが導通されている。また、ヒンジ部には電極が設けられ、圧力によりヒンジ部が曲がることで、ヒンジ部のピエゾ抵抗で発生する電流が電極から流れる構成となっている。そして、この触覚センサーは、センサー基板上に上記のような構造体が複数形成され、これらの構造体のうち一部がセンサー基板に対して起立し、他の一部がセンサー基板に対して平行に保持されている。また、このセンサー基板上には、弾性体が設けられ、起立した構造体は、弾性体に埋め込まれている。

特開２００６−２０８２４８号公報

ところで、上記特許文献１に記載のような触覚センサーでは、カンチレバー構造の構造体を起立させた複雑な立体構造を有しており、その製造においても、磁場を加えてカンチレバー構造の構造体を湾曲させるなど、複雑な製造工程を有し、生産性が悪いという問題がある。

これに対して、開口部を有する基板上に、開口部を閉塞するようにメンブレンを設け、当該メンブレンの内外に亘って圧電素子を配置し、その上部を弾性膜で覆う応力検出素子が考えらえている。このような応力検出素子は、開口部が形成された基板上にメンブレンを形成する膜部材、圧電素子、及び弾性膜を積層形成するものであるため、製造が容易で小型化も可能となる。
しかしながら、このような応力検出素子では、弾性膜に加わった際にメンブレンの撓み量が小さいと、圧電素子から出力される信号値が小さくなり、検出精度が低下するおそれがあるという課題がある。

本発明は、上記のような課題に鑑みて、生産性が良好で、かつ応力の検出精度が高い応力検出素子、センサーモジュール、および電子機器を提供することを目的とする。

本発明の応力検出素子は、剪断力を検出する応力検出素子であって、互いに平行する第一直線部及び第二直線部を有する開口部を備えた支持体と、前記支持体上に形成されて前記開口部を閉塞する支持膜と、前記支持膜を膜厚み方向から見た平面視において、前記第一直線部に沿い、かつ、前記開口部の内側領域から外側領域に跨って前記支持膜上に設けられ、湾曲することで電気信号を出力する第一圧電素子と、前記平面視において、前記第一直線部に沿い、かつ、前記開口部の内側領域から外側領域に跨って前記支持膜上に設けられる第一弾性部と、前記平面視において、前記第二直線部に沿い、かつ、前記開口部の内側領域から外側領域に跨って前記支持膜上に設けられる第二弾性部と、を具備し、前記第一弾性部の前記開口部の内側領域の端辺である第一弾性端部、及び前記第二弾性部の前記開口部の内側領域の端辺である第二弾性端部の間には、弾性部間ギャップが設けられたことを特徴とする。
ここで、本発明における「互いに平行する第一直線部及び第二直線部」とは、僅かな誤差を許容するものであり、第一直線部及び第二直線部が完全に平行となる構成に加え、例えば第一直線部に対して第二直線部が僅かに傾斜して略平行となる構成も含むものである。

本発明では、応力検出素子は、第一直線部及び第二直線部を有する開口部が設けられた支持体上に、開口部を塞ぐ状態に支持膜が形成され、この支持膜上に、開口部の第一直線部の内外に跨って第一圧電体素子が積層されている。また、支持体上には、第一直線部を跨ぐ第一弾性部と、第二直線部を跨ぐ第二弾性部とが積層されている。ここで、以降の説明において、開口部内の領域の支持膜をメンブレンと称する。
このような応力検出素子では、第一弾性部及び第二弾性部に剪断力が加わると、当該剪断力が加わった方向（剪断力検出方向）に沿って第一弾性部及び第二弾性部が弾性変形し、メンブレンに歪みが生じる。本発明では、このようなメンブレンの撓み量を第一圧電素子により検出することで剪断力を測定することが可能となる。
ここで、検出精度を向上させるためには、メンブレンをｓｉｎ波状に撓ませる必要がある。例えば、第一直線部から第二直線部に向かう方向に剪断力が作用する場合では、メンブレンの第一直線部側が開口部側に入り込み、メンブレンの第二直線部側が開口部から離れる方向に浮き上がるように変形される。一方、第二直線部から第一直線部に向かう方向に剪断力が作用する場合では、メンブレンの第一直線部側が浮き上がり、メンブレンの第二直線部側が開口部に入り込むように変形される。このようなメンブレンの変形を検出することで、剪断力の大きさに加えて、剪断力が働く方向をも検出することが可能となる。

ところで、メンブレン全体を覆うように弾性体が設けられる構成とした場合、メンブレンの第一直線部側の撓みと、第二直線部側の撓みとの間の変曲点を形成する部位近傍が、弾性部の剛性により変形を阻害され、撓み量が少なくなってしまう。この場合、第一圧電素子から出力される信号値も小さくなるため、剪断力の検出精度が低下してしまう。
これに対して、本発明によれば、第一弾性部と、第二弾性部との間に弾性部間ギャップが設けられている。すなわち、メンブレンの中央部には、第一弾性部も第二弾性部も積層されていない部位が存在する。このような構成では、第一弾性部及び第二弾性部の間は、支持膜に弾性部が積層されていないため、メンブレンの変位を阻害するものがない。したがって、第一弾性部より形成されるメンブレンの撓みと、第二弾性部により形成されるメンブレンの撓みと間に変曲点を好適に形成することができる。これにより、例えば、第一弾性部及び第二弾性部に、第一直線部から第二直線部に向かう剪断力が加わった場合、メンブレンの第一弾性部が設けられた位置は、大きく開口部側に変位し、第二弾性部が設けられた位置は、大きく開口部から離れる方向に変位し、結果として、振幅の大きいｓｉｎ波状の撓みを形成することができる。このため、第一圧電素子から出力される信号値も大きくなり、検出精度を向上させることができる。
また、本発明の応力検出素子は、支持体上に支持膜、第一圧電素子、第一弾性部、及び第二弾性部を積層させるだけの簡単な構成を有するものであるため、製造が容易で、かつ製造コストも低減できる。

本発明の応力検出素子では、前記第一弾性部の前記第一弾性端部、及び前記第二弾性部の前記第二弾性端部は、前記平面視において、前記第一直線部及び前記第二直線部と平行であることが好ましい。
なお、本発明において、「第一弾性端部及び第二弾性端部が、第一直線部及び第二直線部と平行である」とは、上記発明と同様に、完全な平行状態に加え、第一弾性端部及び第二弾性端部の少なくともいずれか一方が、第一直線部や第二直線部に対して僅かに傾斜するような略平行状態をも含むものである。

本発明では、第一弾性端部及び第二弾性端部は、第一直線部及び第二直線部を平行に設けられている。
ここで、第一弾性端部と第二弾性端部が平行でない場合、メンブレンの撓みが場所によって異なる形状となるおそれがある。例えば、第一直線部から第二直線部に向かう＋Ｘ方向に沿って剪断力を加え、Ｘ方向に直交する方向をＹ方向に沿って、メンブレンの撓み状態を見ると、第一弾性端部及び第二弾性端部が平行でない場合では、メンブレン上のＹ＝ａの位置における撓み形状と、Ｙ＝ｂ（ｂ≠ａ）の位置における撓み形状が異なる形状となる場合がある。このような場合、正確な剪断力を検出することができない。また、第一弾性端部及び第二弾性端部が平行であったとしても、第一直線部（第二直線部）に平行でない場合も同様に、メンブレンの位置によって撓み形状が異なる形状となる場合がある。
これに対して、本発明では、上述のように、第一弾性端部、第二弾性端部、第一直線部、及び第二直線部が平行となるため、Ｙ座標によらず、Ｘ方向へのメンブレンの撓み形状が同一となり、正確な剪断力を検出することができる。

本発明の応力検出素子では、前記平面視において、前記開口部の前記第一直線部から前記第一弾性端部までの距離、及び前記第二直線部から前記第二弾性端部までの距離が等しいことが好ましい。
本発明では、第一直線部から第一弾性端部までの距離、第二直線部から第二弾性端部までの距離が等しいため、第一弾性部がメンブレンに与える応力と、第二弾性部がメンブレンに与える応力とは、方向が異なり、かつ略同一の大きさの応力となる。したがって、メンブレンの第一直線部側の撓み量と、第二直線部側の撓み量とが略同一の撓み量となり、かつ撓み方向が逆となる。このため、メンブレンの中心点を変曲点としたｓｉｎ波状に、当該メンブレンを撓ませることができ、剪断力の検出精度をさらに向上させることができる。

本発明の応力検出素子では、前記開口部の前記第一直線部から前記第一弾性端部までの距離、及び前記第二直線部から前記第二弾性端部までの距離は、前記第一直線部から前記第二直線部までの距離の１０％から３０％であることが好ましい。
本発明では、前記第一直線部から第一弾性端部までの距離、及び前記第二直線部から前記第二弾性端部までの距離が前記第一直線部から前記第二直線部までの距離の１０％から３０％の範囲内となるように、第一弾性部及び第二弾性部が設けられている。メンブレンの撓み量を大きくするためには、メンブレンをｓｉｎ波状に撓ませる必要がある。すなわち、メンブレン上の第一直線部から第二直線部に向かう方向を＋Ｘ方向とし、第一直線部のＸ座標を０、第二直線部のＸ座標をＴとした場合、Ｘ＝Ｔ／４、３Ｔ／４において、メンブレンの振幅が最大となり、Ｘ＝Ｔ／２が変曲点となることが好ましい。
ここで、前記第一直線部から第一弾性端部までの距離、及び前記第二直線部から前記第二弾性端部までの距離が前記第一直線部から前記第二直線部までの距離の１０％未満の場合、第一弾性部及び第二弾性部からの応力が適切にメンブレンに伝達されず、メンブレンの撓み量が小さくなる。一方、前記第一直線部から第一弾性端部までの距離、及び前記第二直線部から前記第二弾性端部までの距離が前記第一直線部から前記第二直線部までの距離の３０％より大きい場合、メンブレンの振幅が最大となるＸ＝Ｔ／４、３Ｔ／４の位置が、第一弾性部及び第二弾性部が積層されることで、十分な振幅を稼ぐことができず、メンブレンの撓み量が小さくなる。これに対して、本発明のように、前記第一直線部から第一弾性端部までの距離、及び前記第二直線部から前記第二弾性端部までの距離が前記第一直線部から前記第二直線部までの距離の１０％〜３０％となる場合では、メンブレンの撓みが阻害されず、かつ、第一弾性部及び第二弾性部から十分な応力がメンブレンに伝達されることになる。特に、前記第一直線部から第一弾性端部までの距離、及び前記第二直線部から前記第二弾性端部までの距離が２０％〜２５％程度、すなわち、メンブレンの振幅が最大となるＸ＝Ｔ／４、３Ｔ／４の位置近傍に、第一弾性端部及び第二弾性端部が設けられる構成とすることで、メンブレンの撓み量を最大にすることができる。この場合、第一圧電素子からより強い信号を出力させることができ、検出精度をより向上させることができる。

本発明の応力検出素子では、前記第一弾性部は、前記第一圧電素子を覆って設けられることが好ましい。
第一弾性部が、第一圧電素子の一部のみに積層される構成では、第一圧電素子のうち、第一弾性部が積層されない部分での撓み量が減退する。この場合、第一圧電素子の撓みが小さくなり、出力される信号も弱くなる。これに対して、本発明では、第一弾性部が第一圧電素子全体を覆う構成であるため、第一圧電素子の撓みが大きくなり、信号強度を強くでき、検出精度をより向上させることができる。

本発明の応力検出素子では、前記平面視において、前記第二直線部に沿い、かつ、前記開口部の内側領域から外側領域に跨って前記支持膜上に設けられ、湾曲することで電気信号を出力する第二圧電素子を備えたことが好ましい。
本発明では、第二直線部に沿って、第二圧電素子が設けられているため、第一圧電素子及び第二圧電素子の双方の信号値の加算値により剪断力を検出することができ、検出精度をさらに向上させることができる。

本発明の応力検出素子では、前記開口部は、前記第一直線部及び前記第二直線部に対して直交する第三直線部及び第四直線部を有し、当該応力検出素子は、前記平面視において、前記第三直線部に沿い、かつ、前記開口部の内側領域から外側領域に跨って前記支持膜上に設けられ、湾曲することで電気信号を出力する第三圧電素子と、前記平面視において、前記第三直線部に沿い、かつ、前記開口部の内側領域から外側領域に跨って前記支持膜上に設けられる第三弾性部と、前記平面視において、前記第四直線部に沿い、かつ、前記開口部の内側領域から外側領域に跨って前記支持膜上に設けられる第四弾性部と、を具備し、前記第三弾性部の前記開口部の内側領域の端辺である第三弾性端部、及び前記第四弾性部の前記開口部の内側領域の端辺である第四弾性端部の間には、第二弾性部間ギャップが設けられることが好ましい。

本発明では、開口部が、第一直線部及び第二直線部に直交する第三直線部及び第四直線部を有し、第三直線部に沿って第三圧電素子が設けられ、第三直線部の内外に跨る第三弾性部、及び第四直線部の内外に跨る第四弾性部が設けられている。このような構成では、第一直線部から第二直線部に向かうＸ方向の剪断力の検出に加え、第三直線部から第四直線部に向かうＹ方向の剪断力を第三圧電素子により検出することができる。
また、第一圧電素子及び第三圧電素子からの信号に基づいて、Ｘ方向に沿う剪断力の方向、大きさ、Ｙ方向に沿う剪断力の方向、大きさが算出されれば、これらをベクトル演算することで、２次元平面内で作用する剪断力の方向、及び大きさを算出することが可能となる。

本発明の応力検出素子では、前記平面視において、前記第四直線部に沿い、かつ、前記開口部の内側領域から外側領域に跨って前記支持膜上に設けられ、湾曲することで電気信号を出力する第四圧電素子を備えることが好ましい。
本発明では、上述した発明と同様に、第三圧電素子及び第四圧電素子の双方から出力された信号値に基づいて、第三直線部から第四直線部に向かうＹ方向の剪断力をより正確に検出することができる。

本発明の応力検出素子では、前記第一弾性部、前記第二弾性部、前記第三弾性部、及び前記第四弾性部は、一体形成されることが好ましい。
本発明によれば、第一弾性部、第二弾性部、第三弾性部、及び第四弾性部が一体形成されている。このような構成では、弾性部間ギャップを形成するために、これら一体形成された弾性部にスリット状の空隙を設けることで、容易に上記構成の応力検出素子を形成することができ、製造効率の向上、及び構成の簡略化を図ることができる。

本発明のセンサーモジュールは、上述したような応力検出素子を複数備えるとともに、これらの応力検出素子がアレイ状に配列されたセンサーアレイを備えることを特徴とする。
本発明では、センサーモジュールは、応力検出素子をアレイ状に配列したセンサーアレイを備えている。ここで応力検出素子は、上述したように、製造が容易であり、かつ高い剪断力検出精度を有するため、センサーモジュールにおいても、製造が容易であり、かつ複数の応力検出素子を用いた高精度な剪断力検出を行うことができる。

本発明の電子機器は、上述したようなセンサーモジュールと、前記センサーモジュールから出力された信号に基づいて、信号処理を実施する信号処理部と、を備えることを特徴とする。
本発明の電子機器は、上述したセンサーモジュールを備えている。したがって、信号処理部では、センサーモジュールから出力された高精度な剪断力検出信号に基づいて、各種処理を実施することができる。

本発明に係る第一実施形態の応力検出素子の概略構成を示す平面図。 第一実施形態の応力検出素子の概略構成を示す断面図。 応力検出素子に対象物が接触した状態を示す図であり、（Ａ）は、メンブレンの変形前の状態を示す図、（Ｂ）は、剪断力によりメンブレンが変形した状態を示す図。 応力検出素子に対象物が接触した状態を示す図であり、（Ａ）は、正圧力によりメンブレンが変形した状態を示す図、（Ｂ）は、剪断力及び正圧力の双方によりメンブレンが変形した状態を示す図。 圧電膜で発生する電位差を模式的に示す図であり、（Ａ）は、圧電膜が変形していない状態、（Ｂ）は、圧電膜が伸長された状態、（Ｃ）は、圧電膜が圧縮された状態を示す図。 第二実施形態の触覚センサーの一部を拡大した平面図。 第二実施形態の触覚センサーの一部を断面した断面図。 第三実施形態の把持装置の概略構成を示す装置ブロック図。 把持装置の把持動作における触覚センサーに作用する押圧力および剪断力の関係を示す図。 第四実施形態のアイロンの概略構成を示すブロック図。 第五実施形態のノート型パソコンの概略構成を示す斜視図。 他の実施形態における応力検出素子を示す平面図。

［第一実施形態］
以下、本発明に係る第一実施形態の応力検出素子について、図面に基づいて説明する。
〔１．応力検出素子の構成〕
図１は、第一実施形態の応力検出素子１００の概略構成を示す平面図であり、図２は、応力検出素子１００の断面図である。

応力検出素子１００は、図１に示すように、本発明の支持体であるセンサー基板１１上に、支持膜１２、圧電素子１３、および本発明の第一弾性部、第二弾性部、第三弾性部、及び第四弾性部を構成する弾性体１４を積層することで構成されている。この応力検出素子１００は、対象物が弾性体１４に接触した際に加わる剪断力及び正圧力を検出する素子である。

（センサー基板の構成）
センサー基板１１は、例えばＳｉにより形成され、厚み寸法が例えば２００μｍに形成されている。このセンサー基板１１には、図１および図２に示すように、開口部１１１が形成されている。この開口部１１１は、センサー基板１１の厚み方向から当該センサー基板１１を見る平面視（センサー平面視）において、正方形状に形成されており、当該正方形の各辺が第一直線部１１１Ａ、第二直線部１１１Ｂ、第三直線部１１１Ｃ、第四直線部１１１Ｄを構成する。本実施形態では、この開口部１１１は、例えば一辺の長さ寸法Ｌが５００μｍに形成されている。

（支持膜の構成）
支持膜１２は、図示は省略するが、センサー基板１１上に例えば厚み寸法が３μｍに成膜されるＳｉＯ_２層と、このＳｉＯ_２層上に積層される厚み寸法が例えば４００ｎｍのＺｒＯ_２層との２層構造により形成されている。ここで、ＺｒＯ_２層は、後述する圧電素子１３の焼成形成時に、圧電膜１３２の剥離を防止するために形成される層である。すなわち、圧電膜１３２が例えばＰＺＴにより形成される場合、焼成時にＺｒＯ_２層が形成されていないと、圧電膜１３２に含まれるＰｂがＳｉＯ_２層に拡散して、ＳｉＯ_２層の融点が下がり、ＳｉＯ_２層の表面に気泡が生じ、この気泡によりＰＺＴが剥離してしまう。また、ＺｒＯ_２層がない場合、圧電膜１３２の歪みに対する撓み効率が低下するなどの問題もある。これに対して、ＺｒＯ_２層がＳｉＯ_２層上に形成される場合、圧電膜１３２の剥離、撓み効率の低下などの不都合を回避することが可能となる。
また、以降の説明において、図１に示すようなセンサー平面視において、支持膜１２のうち、開口部１１１を閉塞する領域をメンブレン１２１と称す。

（圧電素子の構成）
圧電素子１３（第一圧電素子１３Ａ〜第四圧電素子１３Ｄ）は、メンブレン１２１上で、開口部１１１の各直線部１１１Ａ〜１１１Ｄに沿って、各直線部１１１Ａ〜１１１Ｄの直線方向と同一方向に長手となる矩形状に形成される。また、各圧電素子１３は、センサー平面視において、開口部１１１の各直線部１１１Ａ〜１１１Ｄを挟んで、開口部１１１の内側領域から外側領域に跨って配置されている。ここで、本実施形態において、第一直線部１１１Ａに沿って設けられる圧電素子１３が第一圧電素子１３Ａであり、第二直線部１１１Ｂに沿って設けられる圧電素子１３が第二圧電素子１３Ｂであり、第三直線部１１１Ｃに沿って設けられる圧電素子１３が第三圧電素子１３Ｃであり、第四直線部１１１Ｄに沿って設けられる圧電素子１３が第四圧電素子１３Ｄである。
これらの圧電素子１３は、下部電極１３１、圧電膜１３２、及び上部電極１３３が積層されて構成されている。

圧電膜１３２は、例えばＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛：lead zirconate titanate）を厚み寸法が例えば５００ｎｍとなる膜状に成膜することで形成される。なお、本実施形態では、圧電膜１３２としてＰＺＴを用いるが、膜の応力変化により電荷を発生することが可能な素材であれば、いかなる素材を用いてもよく、例えばチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ、Ｌａ）ＴｉＯ_３）、窒化アルミ（AlN）、酸化亜鉛(ZnO)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などを用いてもよい。この圧電膜１３２は、剪断力により支持膜が撓むと、その撓み量に応じて下部電極１３１および上部電極１３３の間で電位差が発生する。これにより、下部電極１３１および上部電極１３３に圧電膜１３２からの電流が流れ、電気信号が出力される。

下部電極１３１および上部電極１３３は、圧電膜１３２の膜厚み方向を挟んで形成される電極であり、下部電極１３１は、圧電膜１３２のメンブレン１２１に対向する面に形成され、上部電極１３３は、下部電極１３１が形成される面とは反対側の面に形成されている。

下部電極１３１は、厚み寸法が例えば２００ｎｍに形成される膜状の電極であり、圧電素子１３が形成される各直線部１１１Ａ〜１１１Ｄに直交する方向に沿って、メンブレン１２１内外に跨って形成される。この下部電極１３１としては、導電性を有する導電薄膜であれば、いかなるものであってもよいが、本実施形態では、例えば、Ti/Ir/Pt/Tiの積層構造膜を用いる。

また、上部電極１３３は、厚み寸法が例えば５０ｎｍに形成される膜状の電極である。この上部電極１３３は、圧電膜１３２の長手方向の端部間を覆って、圧電素子１３が形成される各直線部１１１Ａ〜１１１Ｄと平行に形成される。そして、この上部電極１３３の長手方向の端部に引出部１３３Ａが形成されている。このような電極パターンにより、下部電極１３１および上部電極１３３が直接接触する部分がなく、絶縁膜などにより電極の被覆をすることもなく、容易に圧電素子１３から出力される電気信号を取り出すことができる。
また、この上部電極１３３としても、下部電極１３１と同様に導電性薄膜であれば、いかなる素材を用いてもよいが、本実施形態では、Ｉｒ薄膜を用いる。
このような圧電素子１３では、下部電極１３１、圧電膜１３２、および上部電極１３３が膜方向に沿って重なり合っている部分が、支持膜の撓み量を検出する圧電積層部１３４となる。

（弾性体の構成）
弾性体１４は、上述のような支持膜１２、圧電素子１３を覆って形成される膜である。この弾性体１４としては、本実施形態では、例えばＰＤＭＳ（PolyDiMethylSiloxane）を用いるが、これに限定されず、弾性を有する合成樹脂など、その他の弾性素材により形成されるものであってもよい。また、弾性体１４の厚み寸法としては、特に限定されないが、例えば３００μｍに形成されている。

この弾性体１４は、センサー平面視において、開口部１１１の中心領域に正方形状のスリット１４１が形成されている。すなわち、弾性体１４は、第一直線部１１１Ａに沿って開口部１１１の内外に跨って設けられる第一弾性部１４１Ａと、第二直線部１１１Ｂの開口部１１１の内外に跨って設けられる第二弾性部１４１Ｂと、第三直線部１１１Ｃの開口部１１１の内外に跨って設けられる第三弾性部１４１Ｃと、第四直線部１１１Ｄの開口部１１１の内外に跨って設けられる第四弾性部１４１Ｄと、を備えている。そして、第一弾性部１４１Ａの開口部１１１の内周側端部（第一弾性端部１４３Ａ）、第二弾性部１４１Ｂの開口部１１１の内周側端部（第二弾性端部１４３Ｂ）、第三弾性部１４１Ｃの開口部１１１の内周側端部（第三弾性端部１４３Ｃ）、及び、第四弾性部１４１Ｄの開口部１１１の内周側端部（第四弾性端部１４３Ｄ）により、スリット１４１が形成されている。
ここで、第一弾性端部１４３Ａ及び第二弾性端部１４３Ｂは、第一直線部１１１Ａ（第二直線部１１１Ｂ）と平行であり、弾性間ギャップＧｘを介して互いに対向する。また、第三弾性端部１４３Ｃ及び第四弾性端部１４３Ｄは、第三直線部１１１Ｃ（第四直線部１１１Ｄ）と平行であり、弾性間ギャップＧｙ（第二弾性間ギャップ）を介して互いに対向する。

また、第一弾性部１４１Ａ（第二弾性部１４１Ｂ）において、第一直線部１１１Ａ（第二直線部１１１Ｂ）から第一弾性端部１４３Ａ（第二弾性端部１４３Ｂ）までの距離Ｌは、開口部１１１の開口寸法（第一直線部１１１Ａから第二直線部１１１Ｂまでの距離）Ｌｗの１０％〜３０％程度に形成されていることが形成されていることが好ましく、より好ましくは、２０％〜２５％である。
第一直線部１１１Ａ（１１１Ｂ）から第一弾性端部１４３Ａ（第二弾性端部１４３Ｂ）までの距離Ｌが、開口寸法Ｌｗの１０％未満である場合、弾性体１４に剪断力や応力が作用して弾性変形した際に、第一弾性部１４１Ａ（第二弾性部１４１Ｂ）からメンブレン１２１に弾性変形に応じた応力が十分に伝達されず、メンブレン１２１の撓み量が小さくなる。一方、第一直線部１１１Ａ（第二直線部１１１Ｂ）から第一弾性端部１４３Ａ（第二弾性端部１４３Ｂ）までの距離Ｌが、開口寸法Ｌｗの３０％より大きい場合、中空部１４４のサイズが小さくなる。この場合、中空部１４４が設けられる部分に対応したメンブレン１２１の撓みが第一弾性部１４１Ａ，第二弾性部１４１Ｂにより阻害され、メンブレン１２１の撓み量が小さくなる。以上のように、メンブレン１２１の撓みが小さくなると、第一圧電素子１３Ａや第二圧電素子１３Ｂから出力される信号値も小さくなり、検出精度が悪化する。
これに対して、第一直線部１１１Ａ（第二直線部１１１Ｂ）から第一弾性端部１４３Ａ（第二弾性端部１４３Ｂ）までの距離Ｌが、開口寸法Ｌｗの１０％〜３０％、より好ましくは、２０〜２５％の範囲内である場合、第一弾性端部１４３Ａ，第二弾性端部１４３Ｂが、メンブレン１２１が撓みの最大となる部位の近傍に位置し、メンブレン１２１の撓み量が大きくなる。このため、第一圧電素子１３Ａや第二圧電素子１３Ｂから出力される信号も大きくなり、検出精度を向上させることが可能となる。
また、同様の理由におり、第三弾性部１４１Ｃ，第四弾性部１４１Ｄに対して、第三直線部１１１Ｃ（第四直線部１１１Ｄ）から第三弾性端部１４３Ｃ（第四弾性端部１４３Ｄ）までの距離Ｌは、開口部１１１の開口寸法（第三直線部１１１Ｃから第四直線部１１１Ｄまでの距離）Ｌｗの１０％〜３０％程度に形成されていることが形成されていることが好ましく、より好ましくは、２０％〜２５％である。
なお、本実施形態では、開口部１１１の１辺の長さ寸法（第一直線部１１１Ａから第二直線部１１１Ｂまでの距離、第三直線部から第四直線部までの距離）Ｌｗが５００μｍであり、開口部の各直線部１１１Ａ〜１１１Ｄから、スリット１４１までの距離Ｌが１００μｍである。

〔２．応力検出素子の動作〕
次に上記のような応力検出素子１００の動作について、図面に基づいて説明する。
応力検出素子１００では、Ｘ方向に沿って剪断力が加えられた際には、第一圧電素子１３Ａ及び第二圧電素子１３Ｂによりその剪断力が検出され、Ｙ方向に沿って剪断力が加えられた際には、第三圧電素子１３Ｃ及び第四圧電素子１３Ｄによりその剪断力が検出される。また、センサー基板１１に対して直交する押圧力が加えられた際には、第一圧電素子１３Ａ，第二圧電素子１３Ｂ，第三圧電素子１３Ｃ，第四圧電素子１３Ｄによりその押圧力が検出される。
ここでは、一例として、メンブレン１２１のＸ方向に向う剪断力が加えられた場合、及び剪断力に加えて正圧力が加えられた場合における、剪断力の検出方向について説明する。なお、Ｙ方向に向かって剪断力が加えられた場合については、同様の動作により剪断力が検出されるものであるから、その説明を省略する。
図３は、応力検出素子１００に対象物Ｚが接触した状態を示す図であり、（Ａ）は、メンブレン１２１の変形前の状態を示す図、（Ｂ）は、剪断力によりメンブレン１２１が変形した状態を示す図である。また、図４（Ａ）は、図３（Ａ）の状態から、正圧力が加えられた際のメンブレン１２１の変形状態を示す図であり、図４（Ｂ）は、図３（Ａ）の状態から、＋Ｘ方向への剪断力と正圧力との双方が加えられた際のメンブレン１２１の変形状態を示す図である。

応力検出素子１００は、図３（Ａ）に示すように、弾性体１４に対象物Ｚが接触し、矢印Ｐ１の方向に剪断力が加えられると、図３（Ｂ）に示すように、メンブレン１２１に撓みが発生する。
すなわち、弾性体１４に剪断力が発生すると、第一弾性部１４１Ａによりメンブレン１２１の−Ｘ側の面が開口部１１１側に押し込まれるため、矢印Ｍ１に示すように、開口部１１１内に入り込むモーメント力が発生する。一方、＋Ｘ側の面では、第二弾性部１４１Ｂによりメンブレン１２１の＋Ｘ側の面が開口部１１１から離れる方向に引き離され、矢印Ｍ２に示すように、開口部１１１から浮き上がろうとするモーメント力が発生する。
これにより、スリット１４１が設けられる位置、より具体的には、メンブレン１２１の中心点に変曲点が現れ、当該メンブレン１２１がｓｉｎ波状に湾曲する。

また、弾性体１４に正圧力のみが加えられる場合では、図４（Ａ）に示すように、第一弾性部１４１Ａ及び第二弾性部１４１Ｂがメンブレン１２１を開口部側に押し込むため、メンブレン１２１は、開口部１１１側に沈み込むように撓む。
そして、弾性体１４に剪断力と正圧力との双方が加えられる場合は、図３（Ｂ）に示すようなメンブレン１２１の変形状態と、図４（Ａ）に示すようなメンブレン１２１の変形状態とが同時に起こり、結果として、図４（Ｂ）に示すように、メンブレン１２１全体が開口部１１１内に沈み込み、かつｓｉｎ波状の撓みが発生する。

上記のようにメンブレン１２１が撓むと、各圧電素子１３では、メンブレン１２１の撓み方向、及び撓み量に応じた電気信号を出力する。
図５は、圧電膜１３２で発生する電位差を模式的に示す図であり、（Ａ）は、圧電膜１３２が変形していない状態、（Ｂ）は、圧電膜１３２が伸長された状態、（Ｃ）は、圧電膜１３２が圧縮された状態を示す図である。
上記のような応力検出素子１００により押圧力および剪断力を検出するためには、予め上部電極１３３および下部電極１３１間に電圧を印加し、図５（Ａ）に示すように、電圧を印加して分極させておく。この状態で、メンブレン１２１に撓みが発生すると、圧電膜１３２に電位差が発生する。
ここで、圧電素子１３が開口部１１１側に撓む場合、圧電膜１３２には、図５（Ｂ）に示すように、圧電膜１３２の面内方向に引っ張り応力が発生し、膜厚も小さくなる。これにより、圧電膜１３２では、分極モーメント量が低下し、上部電極１３３との接触面に初期の分極値との差を相殺するだけの正電荷、下部電極１３１との接触面に負電荷が発生する。このため、下部電極１３１から上部電極１３３に向かう方向に電流が流れ、電気信号として出力される。
一方、圧電素子１３が開口部１１１から離れる方向に撓む場合、図５（Ｃ）に示すように、圧電膜１３２に圧縮応力が発生し、圧電膜１３２の膜厚は大きくなる。これにより、圧電膜１３２では、分極モーメント量が増大し、上部電極１３３に負電荷、下部電極１３１に正電荷が発生する。このため、上部電極１３３から下部電極１３１に向かう方向に電流が流れ、電気信号として出力される。

〔３．応力検出素子における応力算出方法〕
次に、上述のように応力検出素子１００が動作した際の正圧力及び剪断力の算出方法について説明する。
本実施形態の応力検出素子１００では、例えば当該応力検出素子１００の製造時において、弾性体１４に対して押圧力のみを加え、加えた押圧力を変化させて、各押圧力に対する圧電素子１３から出力される信号値（基準正圧信号値（Ｖ_ｔｏｐ））を測定しておく。ここで、メンブレン１２１は均一膜に形成され、各圧電素子１３は、メンブレン１２１の中心から等距離となる位置にそれぞれ設けられ、かつ、各圧電素子１３が同形状に形成されているため、正圧力のみを加えた場合、各圧電素子１３から出力される基準正圧信号値Ｖ_ｔｏｐは、同値となる。
また、弾性体１４に対してＸ方向の剪断力のみを加え、加えた剪断力を変化させて、各剪断力に対する各第一圧電素子１３Ａ及び第二圧電素子１３Ｂから出力される信号値（基準Ｘ剪断信号値（Ｖ_Ａ０，Ｖ_Ｂ０））を測定しておく。同様に、弾性体１４に対してＹ方向の剪断力のみを加え、加えた剪断力を変化させて、各剪断力に対する各第三圧電素子１３Ｃ及び第四圧電素子１３Ｄから出力される信号値（基準Ｙ剪断信号値（Ｖ_Ｃ０，Ｖ_Ｄ０））を測定しておく。さらに、この時、Ｘ方向に沿う剪断力に対する信号差分値の絶対値である基準Ｘ差分絶対値（｜Ｖ_Ａ０−Ｖ_Ｂ０｜）、及びＹ方向に沿う剪断力に対する信号差分値の絶対値である基準Ｙ差分絶対値（｜Ｖ_Ｃ０−Ｖ_Ｄ０｜）を算出しておく。

そして、対象物Ｚが弾性体１４に接触し、図４（Ｂ）や図５に示すようにメンブレン１２１が変形した際の各圧電素子１３（１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ）からの信号出力値（Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂ，Ｖ_Ｃ，Ｖ_Ｄ）を測定する。
ここで、第一圧電素子１３Ａ及び第二圧電素子１３Ｂは、Ｘ方向の剪断力と、正圧力との合計に基づいた信号値が出力され、第三圧電素子１３Ｃ及び第四圧電素子１３Ｄは、Ｙ方向の剪断力と、正圧力との合計に基づいた信号値が出力される。すなわち、各圧電素子１３の信号出力値（Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂ，Ｖ_Ｃ，Ｖ_Ｄ）は、以下の式（１）〜（４）に示すように、基準正圧信号値Ｖ_ｔｏｐ及び基準Ｘ剪断信号値（Ｖ_Ａ０，Ｖ_Ｂ０）の合成、又は、基準正圧信号値Ｖ_ｔｏｐ及び基準Ｙ剪断信号値（Ｖ_Ｃ０，Ｖ_Ｄ０）との合成で表される。

［数１］
Ｖ_Ａ＝Ｖ_ｔｏｐ＋Ｖ_Ａ０ …（１）
Ｖ_Ｂ＝Ｖ_ｔｏｐ＋Ｖ_Ｂ０ …（２）
Ｖ_Ｃ＝Ｖ_ｔｏｐ＋Ｖ_Ｃ０ …（３）
Ｖ_Ｄ＝Ｖ_ｔｏｐ＋Ｖ_Ｄ０ …（４）

したがって、式（１）と式（２）の差により「Ｖ_ｔｏｐ」を消去することで、Ｘ方向の剪断力の方向を判断でき、差分値の絶対値からＸ方向の剪断力の大きさを判断することが可能となる。また、「Ｖ_Ａ０」及び「Ｖ_Ｂ０」は、正負の符号が逆で、絶対値がほぼ同じとなるため、式（１）または式（２）から、「Ｖ_ｔｏｐ」を算出でき、正圧力の大きさを求めることが可能となる。
同様にして、式（３）と式（４）の差から、Ｙ方向の剪断力の方向、及び大きさを求めることができ、求めた「Ｖ_Ｃ０」、「Ｖ_Ｄ０」を式（３）または式（４）に代入することで、正圧力の大きさに対応した「Ｖ_ｔｏｐ」を求めることが可能となる。

〔４．第一実施形態の作用効果〕
上述したように、上記第一実施形態の応力検出素子１００は、第一直線部１１１Ａ及び第二直線部１１１Ｂを有する開口部１１１が設けられたセンサー基板１１と、開口部１１１を閉塞するメンブレン１２１を備えた支持膜１２と、第一直線部１１１Ａに沿い、かつ当該第一直線部１１１Ａを跨いでメンブレン１２１の内外に亘って設けられる圧電素子１３と、第一直線部１１１Ａを跨いでメンブレン１２１の内外に亘って設けられる第一弾性部１４１Ａと、第二直線部１１１Ｂを跨いでメンブレン１２１の内外に亘って設けられる第二弾性部１４１Ｂと、を備えている。このような構成では、Ｘ方向に沿って、第一弾性部１４１Ａ及び第二弾性部１４１Ｂに対象物Ｚが接触して剪断力が加えられると、例えば＋Ｘ方向に向かう剪断力が加えられた場合、第一弾性部１４１Ａがメンブレン１２１を開口部１１１側に押し込み、第二弾性部１４１Ｂがメンブレン１２１を開口部１１１から離れる方向に引き離す。また、−Ｘ方向に剪断力が加えられた場合では、第一弾性部１４１Ａがメンブレン１２１を開口部１１１から引き離し、第二弾性部１４１Ｂがメンブレン１２１を開口部１１１に押し込む。以上のように、第一弾性部１４１Ａ及び第二弾性部１４１Ｂがそれぞれ逆方向となる力をメンブレン１２１に及ぼすと、メンブレン１２１の中心位置（弾性間ギャップＧｘに対応する位置）が変曲点を形成して、メンブレン１２１全体がｓｉｎ波状に撓む。
この時、第一弾性部１４１Ａの第一弾性端部１４３Ａ及び第二弾性部１４１Ｂの第二弾性端部１４３Ｂの間には、弾性間ギャップＧｘが設けられ、弾性間ギャップＧｘでは、メンブレン１２１上に弾性体１４が設けられないので、メンブレン１２１の変形が弾性体１４により阻害されることなく、変形しやすい状態となり、メンブレン１２１の撓み量が大きくなる。このため、第一圧電素子１３Ａの撓みも大きくなり、第一圧電素子１３Ａから出力される信号値も大きくなり、検出精度をより向上させることができる。
また、応力検出素子１００は、上述のように、センサー基板１１上に支持膜１２、圧電素子１３、弾性体１４を積層させることで容易に形成することができるため、製造効率が良好であり、製造コストも少なくできる。

また、本実施形態の応力検出素子１００では、第一弾性部１４１Ａの第一弾性端部１４３Ａ、第二弾性部１４１Ｂの第二弾性端部１４３Ｂ、第一直線部１１１Ａ、及び第二直線部１１１Ｂはそれぞれ平行である。さらに、第一直線部１１１Ａから第一弾性端部１４３Ａまでの距離Ｌと、第二直線部１１１Ｂから第二弾性端部１４３Ｂまでの距離Ｌとが同じである。
このため、弾性体１４にＸ方向の剪断力を作用させた際に、Ｙ座標によらず、メンブレン１２１の撓み形状を一様にでき、精度の高い剪断力及び正圧力の検出を実施できる。

更に、上述した距離Ｌは、開口部１１１の１辺の長さ寸法（第一直線部１１１Ａから第二直線部１１１Ｂまでの距離Ｌｗ）の２０％に形成されている。すなわち、距離Ｌは、距離Ｌｗの１０％〜３０％の範囲内に形成されている。
このため、メンブレン１２１を撓ませるために要する十分な応力を、第一弾性部１４１Ａ及び第二弾性部１４１Ｂから当該メンブレン１２１に伝達させることができ、かつ、変曲点近傍であるメンブレン１２１の中心領域に弾性体１４が形成されないため、メンブレン１２１の撓みを阻害することもない。したがって、第一弾性部１４１Ａおよび第二弾性部１４１Ｂにより、メンブレン１２１を好適に撓ませることができ、検出精度をより向上させることができる。

また、第一弾性部１４１Ａ、第二弾性部１４１Ｂ、第三弾性部１４１Ｃ、及び第四弾性部１４１Ｄは、それぞれ、第一圧電素子１３Ａ、第二圧電素子１３Ｂ、第三圧電素子１３Ｃ、及び第四圧電素子１３Ｄを覆って形成されている。
このような構成では、第一弾性部１４１Ａ、第二弾性部１４１Ｂ、第三弾性部１４１Ｃ、及び第四弾性部１４１Ｄにより、各圧電素子１３を保護することができ、かつ各圧電素子１３を安定して撓ませることができる。

また、本実施形態では、開口部１１１の各直線部１１１Ａ〜第四直線部１１１Ｄに対応して、それぞれ、第一圧電素子１３Ａ、第二圧電素子１３Ｂ、第三圧電素子１３Ｃ、及び第四圧電素子１３Ｄが設けられている。
このため、第一圧電素子１３Ａ及び第二圧電素子１３Ｂの双方から出力される信号により、より精度よく、Ｘ方向の剪断力を検出することができ、第三圧電素子１３Ｃ及び第四圧電素子１３Ｄの双方から出力される信号により、より精度よくＹ方向の剪断力を検出することができる。

さらに、応力検出素子１００を用いることで、これらの各圧電素子１３から出力される信号値（Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂ，Ｖ_Ｃ，Ｖ_Ｄ）から、Ｖ_Ａ０及びＶ_Ｂ０の差分値_、Ｖ_Ｃ０及びＶ_Ｄ０の差分値を算出することで、容易に剪断力の方向、及び大きさを算出することができるとともに、容易に正圧力をも算出することができる。

さらに、第一弾性部１４１Ａ、第二弾性部１４１Ｂ、第三弾性部１４１Ｃ、及び第四弾性部１４１Ｄは、弾性体１４のうち、センサー平面視でメンブレン１２１の中心領域に重なる位置に、正方形状のスリット１４１を形成することで形成されており、一体的に形成されている。このような構成とすることで、弾性体１４の成膜が容易にでき、応力検出素子１００の製造効率を向上させ、製造コストを低減させることができる。

［第二実施形態］
次に、上述したような応力検出素子１００の応用例として、応力検出素子１００を備えたセンサーモジュールである触覚センサーについて、図面に基づいて説明する。

図６は、第二実施形態の触覚センサーの一部を拡大した平面図である。
図７は、触覚センサーの一部を断面した断面図である。

図６に示すように、触覚センサー２００は、上記第一実施形態の応力検出素子１００を複数備えている。これらの応力検出素子１００は、本発明の支持体を構成するセンサー基板１１上に、マトリクス状に配置されたセンサーアレイ２１０を備えている。ここで、これらの応力検出素子１００において、センサー基板１１、支持膜１２、および弾性体１４は、共通の部材により構成されている。すなわち、１つのセンサー基板１１にマトリクス状に配置される複数の開口部１１１が形成されており、このセンサー基板１１の一面側の全面に、連続する支持膜１２が形成されている。これにより、各開口部１１１を覆うメンブレン１２１が形成される。また、支持膜１２上に設けられる弾性体１４も、各応力検出素子１００において共通であり、支持膜１２の全面を覆って弾性体１４が形成され、各応力検出素子１００の開口部１１１の中心領域にスリット１４１が形成される。

また、各応力検出素子１００間には、図７に示すように、弾性体１４に、規制溝１４２が形成されている。この規制溝１４２は、対象物が接触する弾性体１４の表面から支持膜１２に向かって、所定の深さ寸法で形成されている。このような触覚センサー２００では、規制溝１４２により、各応力検出素子１００の弾性体１４が分離され、応力検出素子１００の弾性体１４の撓みが、隣り合う応力検出素子１００の弾性体１４に伝達されない。

なお、図７では、弾性体１４の規制溝１４２は、対象物に接触可能な接触面からの深さ寸法が、例えば弾性体１４の膜厚の３／４程度となるように形成されている例を示すがこれに限定されず、規制溝１４２が支持膜１２の表面まで形成される構成などとしてもよい。
さらには、図６に示すセンサー平面視において、規制溝１４２が各応力検出素子１００を囲う矩形環状に形成される例を示したが、これに限定されず、例えば、センサー平面視において、各応力検出素子１００を囲う略円環状に形成される構成などとしてもよい。

（第二実施形態の作用効果）
上述したような第二実施形態の触覚センサー２００は、複数の応力検出素子１００を備え、これらの応力検出素子１００がマトリクス状に配置される二次元アレイ構造に構成されている。
このため、この触覚センサー２００を、対象物に接触する例えばセンサー面に設けることで、対象物がセンサー面に与える剪断力および押圧力を検出することができる。

そして、隣り合う応力検出素子１００間において、弾性体１４に規制溝１４２が形成されている。このため、所定の応力検出素子１００の弾性体１４にのみ剪断力や押圧力などの応力が加えられて弾性体１４が撓んだ場合でも、その弾性体１４の撓みが隣り合う応力検出素子１００の弾性体１４に伝搬される不都合を抑制することができる。従って、触覚センサー２００の任意の位置に作用する剪断力および応力を正確に検出することができる。

［第三実施形態］
次に、上述した触覚センサー２００を用いた電子機器の一例として、把持装置の構成を図面に基づいて説明する。

図８は、本発明に係る第三実施形態の把持装置の概略構成を示す装置ブロック図である。
図８において、把持装置３００は、少なくとも一対の把持アーム３１０を備え、この把持アーム３１０により、対象物Ｚを把持する装置である。この把持装置３００としては、例えば製品を製造する製造工場などにおいて、ベルトコンベアーなどにより搬送された対象物を把持して持ち上げる装置である。そして、この把持装置３００は、前記把持アーム３１０と、把持アーム３１０を駆動するアーム駆動部３２０と、アーム駆動部３２０の駆動を制御する制御装置３３０（信号処理部）と、を備えて構成されている。

一対の把持アーム３１０は、それぞれ先端部に接触面である把持面３１１を備え、この把持面３１１を対象物Ｚに当接させて把持することで対象物Ｚを把持し、持ち上げる。ここで、本実施形態において、把持アーム３１０が一対設けられる構成を例示するが、これに限定されず、例えば３本の把持アーム３１０により、対象物Ｚを３点支持により把持する構成などとしてもよい。

把持アーム３１０に設けられる把持面３１１は、表面には、第二実施形態において説明した触覚センサー２００が設けられており、触覚センサー２００の表面部の弾性体１４が露出されている。そして、把持アーム３１０は、この弾性体１４を対象物Ｚに接触させ、対象物Ｚに所定の圧力（正圧力）を印加することで、対象物Ｚを把持する。このような把持アーム３１０では、把持面３１１に設けられる触覚センサー２００により、対象物Ｚに印加する正圧力、および把持した際に対象物Ｚが把持面３１１から滑り落ちようとする剪断力を検出し、正圧力や剪断力に応じた電気信号を制御装置３３０に出力する。

アーム駆動部３２０は、一対の把持アーム３１０を互いに近接離隔する方向に移動させる装置である。このアーム駆動部３２０としては、把持アーム３１０を移動可能に保持する保持部材３２１と、把持アーム３１０を移動させる駆動力を発生する駆動源３２２と、駆動源の駆動力を把持アーム３１０に伝達させる駆動伝達部３２３を備えている。
保持部材３２１は、例えば把持アーム３１０の移動方向に沿う案内溝を備え、この案内溝内で把持アーム３１０を保持することで、把持アーム３１０を移動可能に保持する。また、保持部材３２１は、鉛直方向に移動可能に設けられている。
駆動源３２２は、例えば駆動モーターであり、制御装置３３０から入力される駆動制御信号に応じて駆動力を発生させる。
駆動伝達部３２３は、例えば複数のギアにより構成され、駆動源３２２で発生した駆動力を把持アーム３１０および保持部材３２１に伝達させ、把持アーム３１０および保持部材３２１を移動させる。
なお、本実施形態では、一例として上記構成を示したが、これに限定されるものではない。すなわち、把持アーム３１０を保持部材３２１の案内溝に沿って移動させる構成に限らず、把持アームを回動可能に保持する構成などとしてもよい。駆動源３２２としても駆動モーターに限られず、例えば油圧ポンプなどにより駆動される構成としてもよく、駆動伝達部３２３としても、例えば駆動力を歯車により伝達する構成に限らず、ベルトやチェーンにより伝達する構成、油圧などにより駆動されるピストンを備えた構成などとしてもよい。

制御装置３３０は、把持アーム３１０の把持面３１１に設けられる触覚センサー２００、およびアーム駆動部３２０に接続され、把持装置３００における対象物Ｚの把持動作の全体を制御する。
具体的には、制御装置３３０は、図８に示すように、アーム駆動部３２０および触覚センサー２００に接続され、把持装置３００の全体動作を制御する。この制御装置３３０は、触覚センサー２００の各応力検出素子１００における各圧電素子１３から入力される検出信号を読み取る信号取得手段３３１、剪断力及び正圧力を算出する応力算出手段３３２、対象物Ｚの滑り状態を検出する把持検出手段３３３、およびアーム駆動部３２０に把持アーム３１０の駆動を制御するための駆動制御信号を出力する駆動制御手段３３４を備えている。また、制御装置３３０は、応力検出素子１００の製造時において計測された、正圧力と基準正圧信号値（Ｖ_ｔｏｐ）とを関連付けた正圧関係データ、及び、剪断力と、基準Ｘ剪断信号値（Ｖ_Ａ０，Ｖ_Ｂ０）、基準Ｙ剪断信号値（Ｖ_Ｃ０，Ｖ_Ｄ０）、基準Ｘ差分絶対値（｜Ｖ_Ａ０−Ｖ_Ｂ０｜）、基準Ｙ差分絶対値（｜Ｖ_Ｃ０−Ｖ_Ｄ０｜）とを関連付けた剪断関係データが記憶された記憶手段（図示略）を備えている。
この制御装置３３０としては、例えばパーソナルコンピューターなどの汎用コンピューターを用いることもでき、例えばキーボードなどの入力装置や、対象物Ｚの把持状態を表示させる表示部などを備える構成としてもよい。
また、信号取得手段３３１、把持検出手段３３３、および駆動制御手段３３４は、プログラムとして例えばメモリーなどの記憶部に記憶され、ＣＰＵなどの演算回路により適宜読み出されて実行されるものであってもよく、例えばＩＣなどの集積回路により構成され、入力された電気信号に対して所定の処理を実施するものであってもよい。

信号取得手段３３１は、触覚センサー２００に接続され、触覚センサー２００の各応力検出素子１００における各圧電素子１３から入力される検出信号を取得する。この信号取得手段３３１にて認識された検出信号は、記憶手段に出力されて記憶されるとともに、把持検出手段３３３に出力される。

応力算出手段３３２は、信号取得手段３３１にて取得された各検出信号Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂの差分値（Ｖ_Ａ−Ｖ_Ｂ）を算出し、その正の値であるか負の値であるかを判断する。ここで、例えば、差分値が正の値である場合は、弾性体１４に＋Ｘ方向に剪断力が作用していると判断し、負の値である場合は、−Ｘ方向に剪断力が作用していると判断する。
また、上述したように、式（１）及び式（２）から、｜Ｖ_Ａ−Ｖ_Ｂ｜＝｜Ｖ_Ａ０−Ｖ_Ｂ０｜を導くことができる。したがって、応力算出手段３３２は、算出した信号差分値の絶対値（｜Ｖ_Ａ−Ｖ_Ｂ｜）と、剪断関係データとに基づいて、剪断力の大きさ、基準Ｘ剪断信号値Ｖ_Ａ０、Ｖ_Ｂ０を求めることができる。
さらに、応力算出手段３３２は、式（１）又は式（２）に基準Ｘ剪断信号値Ｖ_Ａ０、Ｖ_Ｂ０を代入することで、基準正圧信号値Ｖ_ｔｏｐを算出し、正圧関連データから、基準正圧信号値Ｖ_ｔｏｐに対応した正圧力を求める。

把持検出手段３３３は、応力算出手段３３２により算出された正圧力及び剪断力に基づいて、把持アーム３１０により対象物Ｚを把持したか否かを判断する。
ここで、図９に、把持装置３００の把持動作における触覚センサーに作用する正圧力および剪断力の関係を示す図を示す。
図９において、正圧力が所定値に達するまでは、正圧力の増加に応じて剪断力が増加する。この状態は、対象物Ｚと把持面３１１との間に動摩擦力が作用している状態であり、把持検出手段３３３は、対象物Ｚが把持面３１１から滑り落ちている滑り状態で、把持が未完了であると判断する。一方、正圧力が所定値以上となると、正圧力を増大させても剪断力が増加しない状態となる。この状態は、対象物Ｚと把持面３１１との間に静摩擦力が作用している状態であり、把持検出手段３３３は、対象物Ｚが把持面３１１により把持された把持状態であると判断する。
具体的には、剪断力の値が、静摩擦力に対応した所定の閾値を越える場合に、把持が完了したと判断する。

駆動制御手段３３４は、把持検出手段３３３にて検出された電気信号に基づいてアーム駆動部３２０の動作を制御する。

（第三実施形態の作用効果）
上述したような第六実施形態の把持装置３００では、上記第五実施形態の触覚センサー２００を備えている。このような触覚センサー２００は、上述したように、剪断力および正圧力を容易に精度よく検出することができるものであるため、把持装置３００においても精度の高い剪断力検出信号および正圧力検出信号に基づいて、正確な把持動作を実施することができる。
また、このような触覚センサー２００では、Ｘ方向およびＹ方向の双方に対して剪断力を検出することができる。したがって、第三実施形態では、対象物Ｚを持ち上げる際の剪断力を測定したが、例えばベルトコンベアー上で搬送される対象物に対して把持を実施する際に、搬送方向への剪断力をも測定することができる。

［第四実施形態］
上記第三実施形態では、電子機器として、触覚センサー２００が設けられた把持装置を例示したが、これに限定されない。
第四実施形態では、触覚センサー２００を用いた装置の他の応用例として、触覚センサー２００を備えたアイロンについて、図面に基づいて説明する。
図１０は、第四実施形態のアイロンの概略構成を示すブロック図である。

アイロン４００は、ヒーター４１０と、ベース部４２０と、ベース部４２０に設けられた温度センサー４３０と、ベース部４２０に設けられた触覚センサー２００と、ヒーター駆動回路４４０（信号処理部）と、を備えている。このアイロン４００のヒーター駆動回路４４０は、温度センサー４３０および触覚センサー２００からの信号に基づいてヒーター４１０に印加する電圧を制御し、ベース部４２０を対象布地に対して最適な温度に加熱する。

ヒーター４１０は、ヒーター駆動回路４４０から印可された電圧により発熱し、ベース部４２０を加熱する。
ベース部４２０は、対象布地に接触して、対象布地の皺を伸ばす部分であり、ヒーター４１０により加熱される。そして、このベース部４２０の一部には、図１０に示すように、触覚センサー２００が設けられ、触覚センサー２００の弾性体１４が、対象布地に接触可能に露出されている。
また、ベース部４２０には、温度センサー４３０が設けられており、この温度センサー４３０は、ベース部４２０の温度を検出してヒーター駆動回路４４０に出力する。

ヒーター駆動回路４４０は、触覚センサー２００、温度センサー４３０、およびヒーター４１０に接続され、触覚センサー２００および温度センサー４３０からの信号に基づいてヒーター４１０に印加する電圧を制御する。このヒーター駆動回路４４０は、図１０に示すように、メモリー４４１と、信号検出部４４２と、布地判別部４４３と、温度制御部４４４と、を備えている。
このヒーター駆動回路４４０としては、例えばＣＰＵ等の演算回路や、記憶回路を備えたコンピューターとして構成され、布地判別部４４３や温度制御部４４４が、演算回路による演算処理により実行されるソフトウェアとして機能される構成としてもよく、例えばＩＣなどの集積回路により構成され、入力された電気信号に対して所定の処理を実施するものであってもよい。

メモリー４４１は、上記第三実施形態の記憶手段と同様に、正圧関係データや剪断関係データを記憶している。また、メモリー４４１は、触覚センサー２００により検出された応力に応じた、対象布地の粗さ値が記録されている応力−粗さ値データが記憶されている。この応力−粗さ値データとしては、例えば、剪断力に対応する粗さ値が、正圧力毎に記録されている。
また、メモリー４４１には、粗さ値に対応したベース部４２０の最適温度が記録された粗さ−温度データが記憶されていてもよい。

信号検出部４４２は、触覚センサー２００に接続され、触覚センサー２００から入力される検出信号（Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂ，Ｖ_Ｃ，Ｖ_Ｄ）を取得する。また、信号検出部４４２は、第三実施形態における応力算出手段３３２と同様の手法にて、取得した検出信号、及び正圧関係データ、剪断関係データ、及び式（１）〜（４）に基づいて、正圧力及び剪断力を算出する。

布地判別部４４３は、信号検出部４４２により算出された剪断力および正圧力、およびメモリー４４１に記憶された応力−粗さ値データに基づいて、対象布地の種別を判別する。
例えば、本実施形態では、応力−粗さ値データとして、正圧力毎に、剪断力に対応する粗さが記憶されている。この場合では、布地判別部４４３は、正圧力に対応した応力−粗さ値データをメモリー４４１から読み出し、この応力−粗さ値データから剪断力に対応した粗さ値を取得する。
そして、布地判別部４４３は、取得した粗さ値を温度制御部４４４に出力する。

温度制御部４４４は、布地判別部４４３から入力された粗さ値、および温度センサー４３０により検出されるベース部４２０の温度に基づいて、ヒーター４１０への印加電圧を制御する。
具体的には、温度制御部４４４は、メモリー４４１から粗さ−温度データを読み出し、布地判別部４４３から入力された粗さ値に応じたベース部４２０の最適温度を取得する。そして、温度制御部４４４は、温度センサー４３０から入力された検出温度と最適温度との差分値から、ベース部４２０を最適温度に設定するために必要なヒーター４１０への印加電圧値を算出して、ヒーター４１０に印加する。

（第四実施形態の作用効果）
上述したような第四実施形態のアイロン４００では、上記第三実施形態の触覚センサー２００を備えている。このような触覚センサー２００は、上述したように、剪断力および正圧力を容易に精度よく検出することができるものであるため、アイロン４００においても、ベース部４２０に対象布地が接触した際の正圧力および剪断力を高精度で検出することができる。

そして、アイロン４００のヒーター駆動回路４４０は、布地判別部４４３により、検出された正圧力および剪断力に対応した、対象布地の粗さを判別することができる。したがって、判断された対象布地の粗さから、対象布地の種別を判断することができ、温度制御部４４４は、布地の種別に対応してベース部４２０の温度を設定することができる。したがって、アイロン４００において、布地に対応してベース部４２０の温度を自動で設定することができ、対象布地の種別に応じて、温度設定を変更する煩雑な作業を省略することができる。

なお、上記第四実施形態では、メモリー４４１に、正圧力および剪断力に応じた粗さ値が記録された応力−粗さ値データを記憶する例を示したが、例えば、正圧力および剪断力に応じた対象布地の種類を記録した応力−布地種別データがメモリー４４１に記憶される構成などとしてもよい。この場合では、布地判別部４４３は、正圧力および剪断力に応じて、対象布地の種別を直接判別し、温度制御部４４４は、判別された布地の種別に対応した温度を取得する。
また、相関データとして、正圧力および剪断力に対応したベース部４２０の最適温度が記憶された応力−温度データが記憶されていてもよく、この場合では、粗さ−温度データを記憶する必要がなくなり、より少ないデータ量で、ベース部４２０の温度を自動で設定可能なアイロン４００を提供することができる。

さらに、上記アイロン４００では、ヒーター駆動回路４４０により自動でベース部４２０の温度が設定される例を示したが、例えば、ベース部４２０の温度を自動設定する自動モードと、手動により温度を設定する手動モードと、を適宜切り替え可能な構成としてもよい。

［第五実施形態］
次に、第五実施形態について、図面に基づいて説明する。
第五実施形態では、本発明の電子機器の他の例として、触覚センサー２００が設けられたノート型パソコン５００を例示する。

図１１は、第六実施形態のノート型パソコン５００の構成を模式的に示す斜視図である。
図１１において、ノート型パソコン５００は、装置本体５１０と、表示部５２０と、第一の入力部５３０と、第二の入力部５４０とを備えている。
表示部５２０は、例えば液晶パネルや有機パネルなどにより構成され、装置本体５１０の内部に収容された図示略の演算制御部に接続され、この演算制御部により、種々の操作画像やその他の情報を表示するように構成されている。

第一の入力部５３０は、キーボードやテンキー等で構成される。
第二の入力部５４０は、第一の入力部５３０よりも手前側の位置に設けられており、この第二の入力部５４０に、上述の触覚センサー２００が用いられている。図１１に示されるように第二の入力部５４０の表面には、触覚センサー２００の弾性体１４の表面を露出させておき、この弾性体１４の表面上で、利用者が指を動かしたり、タッチペンなどを動かしたりすると、これらの動きにより剪断力や正圧力が発生する。この剪断力および正圧力を検出することで、利用者の指やタッチペンの接触位置座標、移動方向を検出して電気信号として出力することができる。そして、出力された電気信号に基づいて、利用者が所望する入力操作の内容を正確に認識することができ、ノート型パソコン５００の操作性を向上させることができる。

〔その他の実施形態〕
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

例えば、上記第一実施形態において、Ｘ方向の剪断力及びＹ方向の剪断力の双方を検出可能な応力検出素子１００を例示したが、例えば、図１２に示すように、Ｘ方向の剪断力および正圧力を検出する応力検出素子であってもよい。
図１２において、応力検出素子１００Ａは、Ｘ方向の剪断力と押圧力を検出する検出素子であり、互いに平行となる一対の直線部（第一直線部１１１Ａ，第二直線部１１１Ｂ）を有する開口部１１１を備えたセンサー基板１１と、支持膜１２と、圧電素子１３（第二圧電素子１３Ｂ）と、弾性体１４とを備えている。なお、図１２には、開口部１１１が矩形状に形成される例を示すが、Ｘ方向に剪断力が加わった際に、メンブレン１２１にｓｉｎ波形状の撓みを発生させる形状であればよい。したがって、例えば、第一直線部１１１Ａ、第二直線部１１１Ｂ、およびこれらの第一直線部１１１Ａ，第二直線部１１１Ｂの両端部間を結ぶ半円形状の曲線部を備えた開口部１１１が形成されるものであってもよい。

また、応力検出素子１００、１００Ａにおいて、第一圧電素子１３Ａ及び第二圧電素子１３Ｂの双方によりＸ方向の剪断力及び正圧力を検出する構成を例示したが、第一直線部１１１Ａに沿ってのみ第一圧電素子１３Ａが設けられ、他方の第二直線部１１１Ｂには圧電素子が設けられない構成としてもよい。

さらに、上記応力検出装置１００、１００Ａでは、スリット１４１により形成される中空部１４４が外部と連通してメンブレン１２１の一部が外部に露出する構成であり、各弾性部１４１Ａ，１４１Ｂ，１４１Ｃ，１４１Ｄに対象物が接触することで、メンブレン１２１に対象物からの剪断力が伝達される構成としたが、これに限定されない。例えば、各弾性部１４１Ａ，１４１Ｂ，１４１Ｃ，１４１Ｄの上部に、対象物と接触する接触膜を設け、当該接触膜によりスリット１４１が閉塞されるような構成としてもよい。このような接触膜としては、各弾性部１４１Ａ，１４１Ｂ，１４１Ｃ，１４１Ｄと同一の素材により形成することができる。このような接触膜を設けることで、メンブレン１４１と対象物との接触を防止でき、メンブレン１４１を保護することができる。

そして、第二実施形態において、図９および図１０に示すように、隣り合う応力検出素子１００間で弾性体１４に規制溝１４２を形成する構成を示したが、これに限定されない。例えば規制溝１４２が形成されない構成としてもよく、この場合、応力検出素子１００間の距離を確保することで、隣り合う応力検出素子１００の弾性体１４からの撓み伝搬を低減することが可能となる。また、隣り合う応力検出素子１００間で、弾性体１４よりも剛性が強い領域分離部材を設ける構成としてもよい。このような構成では、規制溝１４２が設けられる構成に比べて弾性体１４の周囲に剛性の強い領域分割部材が形成されるため、弾性体１４の撓み量が減少するが、隣り合う応力検出素子１００からの弾性体１４の撓み伝搬を低減することができる。

さらに、第一実施形態において、上部電極１３３および下部電極１３１は、それぞれが接触しないように、センサー平面視において互いに重ならない位置に設ける構成としたが、これに限らない。例えば、上部電極１３３および下部電極１３１の間に絶縁膜を形成するなどすれば、センサー平面視において、これら上部電極１３３および下部電極１３１の一部が重なる位置に設けられる構成としてもよい。

また、本発明の支持体として、一枚のセンサー基板１１により構成される例を示したが、各応力検出素子１００に対してそれぞれ１つの支持基板（支持体）が設けられ、センサー基板上にこれらの支持基板を固定することで、触覚センサー２００を形成する構成としてもよい。

以上、本発明を実施するための最良の構成について具体的に説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、当業者が様々な変形および改良を加えることができるものである。

１１…センサー基板（支持体）、１２…支持膜、１３Ａ…第一圧電素子、１３Ｂ…第二圧電素子、１３Ｃ…第三圧電素子、１３Ｄ…第四圧電素子、１１１…開口部、１１１Ａ…第一直線部、１１１Ｂ…第二直線部、１１１Ｃ…第三直線部、１１１Ｄ…第四直線部、１４１Ａ…第一弾性部、１４１Ｂ…第二弾性部、１４１Ｃ…第三弾性部、１４１Ｄ…第四弾性部、１４３Ａ…第一弾性端部、１４３Ｂ…第二弾性端部、Ｇｘ…弾性間ギャップ、Ｇｙ…弾性間ギャップ（第二弾性間ギャップ）、２００…触覚センサー（センサーモジュール）、２１０…センサーアレイ、３００…把持装置（電子機器）、３３０…制御装置（信号処理部）、４００…アイロン（電子機器）、４４０…ヒーター駆動回路（信号処理部）、５００…ノート型パソコン（電子機器）。

Claims (11)

1. 剪断力を検出する応力検出素子であって、
   互いに平行する第一直線部及び第二直線部を有する開口部を備えた支持体と、
   前記支持体上に形成されて前記開口部を閉塞する支持膜と、
   前記支持膜を膜厚み方向から見た平面視において、前記第一直線部に沿い、かつ、前記開口部の内側領域から外側領域に跨って前記支持膜上に設けられ、湾曲することで電気信号を出力する第一圧電素子と、
   前記平面視において、前記第一直線部に沿い、かつ、前記開口部の内側領域から外側領域に跨って前記支持膜上に設けられる第一弾性部と、
   前記平面視において、前記第二直線部に沿い、かつ、前記開口部の内側領域から外側領域に跨って前記支持膜上に設けられる第二弾性部と、
   を具備し、
   前記第一弾性部の前記開口部の内側領域の端辺である第一弾性端部、及び前記第二弾性部の前記開口部の内側領域の端辺である第二弾性端部の間には、弾性部間ギャップが設けられた
   ことを特徴とする応力検出素子。
2. 請求項１に記載の応力検出素子において、
   前記第一弾性部の前記第一弾性端部、及び前記第二弾性部の前記第二弾性端部は、前記平面視において、前記第一直線部及び前記第二直線部と平行である
   ことを特徴とする応力検出素子。
3. 請求項２に記載の応力検出素子において、
   前記平面視において、前記開口部の前記第一直線部から前記第一弾性端部までの距離、及び前記第二直線部から前記第二弾性端部までの距離が等しい
   ことを特徴とする応力検出素子。
4. 請求項３に記載の応力検出素子において、
   前記開口部の前記第一直線部から前記第一弾性端部までの距離、及び前記第二直線部から前記第二弾性端部までの距離は、前記第一直線部から前記第二直線部までの距離の１０％から３０％である
   ことを特徴とする応力検出素子。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の応力検出素子において、
   前記第一弾性部は、前記第一圧電素子を覆って設けられる
   ことを特徴とする応力検出素子。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の応力検出素子において、
   前記平面視において、前記第二直線部に沿い、かつ、前記開口部の内側領域から外側領域に跨って前記支持膜上に設けられ、湾曲することで電気信号を出力する第二圧電素子を備えた
   ことを特徴とする応力検出素子。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載の応力検出素子において、
   前記開口部は、前記第一直線部及び前記第二直線部に対して直交する第三直線部及び第四直線部を有し、
   当該応力検出素子は、
   前記平面視において、前記第三直線部に沿い、かつ、前記開口部の内側領域から外側領域に跨って前記支持膜上に設けられ、湾曲することで電気信号を出力する第三圧電素子と、
   前記平面視において、前記第三直線部に沿い、かつ、前記開口部の内側領域から外側領域に跨って前記支持膜上に設けられる第三弾性部と、
   前記平面視において、前記第四直線部に沿い、かつ、前記開口部の内側領域から外側領域に跨って前記支持膜上に設けられる第四弾性部と、
   を具備し、
   前記第三弾性部の前記開口部の内側領域の端辺である第三弾性端部、及び前記第四弾性部の前記開口部の内側領域の端辺である第四弾性端部の間には、第二弾性部間ギャップが設けられた
   ことを特徴とする応力検出素子。
8. 請求項７に記載の応力検出素子において、
   前記平面視において、前記第四直線部に沿い、かつ、前記開口部の内側領域から外側領域に跨って前記支持膜上に設けられ、湾曲することで電気信号を出力する第四圧電素子を備えた
   ことを特徴とする応力検出素子。
9. 請求項７または請求項８に記載の応力検出素子において、
   前記第一弾性部、前記第二弾性部、前記第三弾性部、及び前記第四弾性部は、一体形成された
   ことを特徴とする応力検出素子。
10. 請求項１から請求項９のいずれかに記載の応力検出素子を複数備えるとともに、これらの応力検出素子がアレイ状に配列されたセンサーアレイを備えた
    ことを特徴とするセンサーモジュール。
11. 請求項１０に記載のセンサーモジュールと、
    前記センサーモジュールから出力された信号に基づいて、信号処理を実施する信号処理部と、
    を備えることを特徴とする電子機器。

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