JP2002031574A

JP2002031574A - 触覚センサ

Info

Publication number: JP2002031574A
Application number: JP2000216285A
Authority: JP
Inventors: Hidenobu Nakanishi; 秀信中西
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2000-07-17
Filing date: 2000-07-17
Publication date: 2002-01-31

Abstract

(57)【要約】【課題】圧覚およびすべり覚の両方を同時に検出する
ことができるとともに、表面状態の凹凸も検出可能とす
る。【解決手段】圧電素子１２と、一定の周波数で発振す
る振動子１１とが絶縁部材１３を介した積層構造で一体
的に接合され、圧電素子１２の両端の電極１２ａ，１２
ｂに出力信号を取り出す手段が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定物の表面状
態、すなわち、表面上の凹凸状態やすべり覚の検出が可
能な触覚センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、被測定物の表面状態を検出す
る方法として、圧電セラミックスやＰＶＤＦ（圧電フィ
ルム）等の圧電素子を用いて被測定物の表面上をなぞる
ことにより、圧電素子の一対の電極より信号を取り出し
て、すべり覚の検出を行う方法が知られている。

【０００３】図２０は、このような圧電素子を用いた触
覚センサの従来の構造の一例を示している。すなわち、
圧電素子４００の両端に検出用電極４０１，４０２を配
置し、表面状態を検出する電極、すなわちこの例では電
極４０２に接触子４０３を配置している。

【０００４】このような構造の触覚センサを用い、被測
定物の表面上をなぞる動作、つまり表面上を水平方向に
移動させる動作を行うと、両電極４０１，４０２間の出
力電圧は、表面状態に応じて図１６に符号２０２によっ
て示す波形として出力される。また、この触覚センサを
被測定物の表面に対して垂直方向に押し当てた場合、押
し当てた瞬間のみ、インパルス波形として、両電極４０
１，４０２間から電圧が出力される。これは、圧電素子
４００の物理的変形に伴い、微分型の電圧を出力するた
めである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の触覚センサを用いた圧覚およびすべり覚の検出
方法では、以下に示す課題が発生する。

【０００６】すなわち、圧電素子４００を触覚センサと
して使用した場合、圧電素子４００の両端電極４０１，
４０２から出力される電圧は微分型出力であるため、圧
電素子４００に継続して圧力を加えても変化量の電圧し
か出力できず、圧電素子４００単体では継続した圧覚を
検出できない。圧電素子４００を触覚センサとして使用
した場合、圧電素子４００の復元力以上の圧力を常時加
えると、圧電素子４００が復元しないため、検出感度が
低下する。圧電素子４００を複数接合した複合化構造に
すると、電極数が増加し、センサ構造が複雑になる。圧
電素子４００単体では、被測定物における表面状態の凹
凸を検出することができない。

【０００７】本発明はかかる問題点を解決すべく創案さ
れたもので、その目的は、圧覚およびすべり覚の両方を
同時に検出することができるとともに、表面状態の凹凸
も検出可能な触覚センサを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の触覚センサは、圧電素子と一定の周波数で
発振する振動子とが絶縁部材を介した積層構造で一体的
に接合され、前記圧電素子の両端の電極に出力信号を取
り出す手段が設けられていることを特徴とする。このよ
うに、振動子を一定の周波数で発振させておくことによ
り、圧電素子には常に一定の振動が伝わることから、被
測定物に押し当てた状態での圧覚の検出と、被測定物の
表面をすべらせたときのすべり覚の検出を同時に行うこ
とが可能となる。

【０００９】また、本発明の触覚センサは、圧電素子と
一定の周波数で発振する振動子とが積層構造で一体的に
接合されるとともに、前記圧電素子の接合面側の電極と
前記振動子の接合面側の電極とが共通電極として形成さ
れ、前記圧電素子の両端の電極に出力信号を取り出す手
段が設けられていることを特徴とする。すなわち、圧電
素子の接合面側の電極と振動子の接合面側の電極とを共
通電極とすることで、センサ構造を簡略化することがで
きる。

【００１０】また、本発明の触覚センサは、上記各構成
において、圧電素子の被測定面側に緩衝材が設けられて
いることを特徴とする。または、振動子の取付面側に緩
衝材が設けられていることを特徴とする。このように、
緩衝材を設けることで、触覚センサを被測定物に押し当
てたときの押し圧の増加による、振動子または圧電素子
の振動の減衰や停止を抑制することができる。

【００１１】また、本発明の触覚センサは、振動子の接
合面に対して、小型の圧電素子が複数個配置されている
ことを特徴とする。このように、小型の圧電素子を複数
個、例えば格子状に配置することにより、触覚センサ表
面の押し圧の分布、および被測定物の表面の凹凸状態を
検出することができる。特に、凹凸状態が検出できるこ
とにより、この触覚センサを指紋認識センサとして用い
ることが可能となる。

【００１２】また、本発明の触覚センサは、圧電素子と
一定の周波数で発振する振動子とが絶縁部材を介して隣
接させた状態の平面構造で一体的に接合され、前記圧電
素子の両端の電極に出力信号を取り出す手段が設けられ
ていることを特徴とする。このように、振動子を一定の
周波数で発振させておくことにより、圧電素子には常に
一定の振動が伝わることから、被測定物に押し当てた状
態での圧覚の検出と、被測定物の表面をすべらせたとき
のすべり覚の検出を同時に行うことが可能となる。

【００１３】また、本発明の触覚センサは、圧電素子と
一定の周波数で発振する振動子とが絶縁部材を介して隣
接させた状態の平面構造で一体的に接合されるととも
に、前記圧電素子の接合面側の電極と前記振動子の接合
面側の電極とが共通電極として形成され、前記圧電素子
の両端の電極に出力信号を取り出す手段が設けられてい
ることを特徴とする。すなわち、圧電素子の接合面側の
電極と振動子の接合面側の電極とを共通電極とすること
で、センサ構造を簡略化することができる。

【００１４】また、本発明の触覚センサは、上記各構成
において、振動子を含む圧電素子の被測定面側に緩衝材
が設けられていることを特徴とする。または、圧電素子
を含む振動子の取付面側に緩衝材が設けられていること
を特徴とする。このように、緩衝材を設けることで、触
覚センサを被測定物に押し当てたときの押し圧の増加に
よる、振動子または圧電素子の振動の減衰や停止を抑制
することができる。

【００１５】また、本発明の触覚センサは、小型化され
た前記振動子および前記圧電素子が平面状に複数個配置
されていることを特徴とする。このように、小型の振動
子および圧電素子を複数個、例えば格子状に配置するこ
とにより、触覚センサ表面の押し圧の分布、および被測
定物の表面の凹凸状態を検出することができる。特に、
凹凸状態が検出できることにより、この触覚センサを指
紋認識センサとして用いることが可能となる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。

【００１７】図１および図２は、本発明の触覚センサの
実施形態１を示す断面および斜視図である。

【００１８】本実施形態１の触覚センサＡ１は、両面
（図では上下両面）に一対の電極１１ａ，１１ｂを有
し、一定の周波数で発振する振動子１１と、同じく両面
（図では上下両面）に一対の電極１２ａ，１２ｂを有
し、圧覚およびすべり覚などの触覚を検出するための圧
電素子１２とが、絶縁シート１３を介して積層された構
造となっている。ここで、振動子１１は、振動子として
の機能を持つ圧電素子を使用してもよい。

【００１９】また、圧電素子１２の被測定面側である電
極１２ｂには、圧電素子１２および電極１２ｂを保護す
るための保護シート１４が設けられている。この保護シ
ート１４は、電極１２ｂの磨耗や破損を防ぐためのもの
で、耐久性のある材質であれば、絶縁シート１３と同等
のものでもよい。

【００２０】本実施形態１の触覚センサＡ１は、振動子
１１の一方の電極１１ａ側を、例えばロボット用ハンド
等に取り付けるためのセンサ取付板１５に取り付けて使
用する。なお、振動子１１、圧電素子１２、各電極１１
ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ、絶縁シート１３および保
護シート１４の各部品は、接着剤等により接着して、積
層構造とする。

【００２１】次に、上記構成の触覚センサＡ１を用て圧
覚およびすべり覚を検出するための回路構成を、図１５
に示すブロック図を参照して説明する。

【００２２】同図において、一定の周波数で発振する発
振回路１０１の出力が、振動子１１の各電極１１ａ，１
１ｂに接続されており、圧電素子１２の各電極１２ａ，
１２ｂが増幅回路１０２を介して、第１スイッチ回路１
０３の共通端子ａに接続されている。また、第１スイッ
チ回路１０３の一方の端子ｂは、５０Hzまたは６０Hzの
電源周波数およびその２倍の周波数（１００Hzまたは１
２０Hz）を除去するためのバンドエリミネーションフィ
ルタ（ノイズカットフィルタ）１０４、および機構的な
共振周波数（メカ共振周波数）を除去するためのバンド
エリミネーションフィルタ（ノイズカットフィルタ）１
０５を介して、第２スイッチ回路１０６の端子ｂに接続
されている。また、第１スイッチ回路１０３の他方の端
子ｃは、第２スイッチ回路１０６の他方の端子ｃに直接
接続されている。

【００２３】また、第２スイッチ回路１０６の共通端子
ａは、発振回路１０１の発振周波数のみの信号を通過さ
せるバンドパスフィルタ１０７と、すべり覚を検出する
ための差動アンプ１１０のプラス入力端子とに接続され
ており、バンドパスフィルタ１０７の出力は、交流波形
を直流波形に変換する波形整形回路１０８と、差動アン
プ１１０のマイナス入力端子とに接続されている。そし
て、波形整形回路１０８の出力端子１０９から、圧覚レ
ベルの信号が出力され、差動アンプ１１０の出力端子１
１１から、すべり覚レベルの信号が出力されるようにな
っている。

【００２４】上記回路構成において、発振回路１０１
は、一定周波数で振動を行うが、この周波数は、すべり
覚を同時に検出する必要があるため、数ｋHzから数１０
ｋHz程度で振動させると効果的である。

【００２５】次に、上記構成の検出回路によって、被測
定物に対する圧覚とすべり覚とを検出する処理動作につ
いて、図１６に示す各部の信号波形図を参照して説明す
る。

【００２６】図１５に示す触覚センサＡ１全体を被測定
物（図示省略）に対して垂直方向に押し当てると、押し
圧に応じて、振動子１１の振動が圧電素子１２に伝達さ
れる。この伝達された信号波形は、図１６中の符号２０
１で示すような信号波形となる。つまり、周波数は発振
回路１０１の発振周波数と同じであり、その振幅が、押
し圧によって変化する信号波形となっている。

【００２７】一方、この触覚センサＡ１全体を被測定物
に押し当てた状態で、水平方向になぞりながら移動させ
ると、すべり覚の出力信号は、その表面状態に応じて変
化する図１６中の符号２０２で示すような信号波形とな
る。

【００２８】本実施形態１の触覚センサＡ１では、圧覚
とすべり覚とを同時に検出することができるため、圧電
素子１２の両端の電極１２ａ，１２ｂ間には、図１６中
の符号２０１で示す圧覚の信号波形と、図１６中の符号
２０２で示すすべり覚の信号波形とが合成された、図１
６中の符号２０３で示す信号波形が出力されることにな
る。この出力信号２０３は微小信号であるため、増幅回
路１０２によって数１００ｍＶ〜数Ｖ程度まで増幅した
後、第１スイッチ回路１０３の共通端子ａに入力され
る。

【００２９】ここで、第１スイッチ回路１０３および第
２スイッチ回路１０４の各共通端子ａが端子ｂ側に接続
されている場合、出力信号２０３は、各バンドエリミネ
ーションフィルタ１０４，１０５によってノイズが除去
された後、第２スイッチ回路１０６からバンドパスフィ
ルタ１０７に入力される。最初のバンドエリミネーショ
ンフィルタ１０４で電源周波数成分のノイズを除去し、
次のバンドエリミネーションフィルタ１０５で、本触覚
センサＡ１をメカ部に取り付けた場合のメカ特有の共振
周波数で共振が発生した周波数成分を除去することで、
出力信号２０３の信頼性を向上させることができる。

【００３０】一方、このような電源周波数によるノイズ
成分やメカ共振周波数によるノイズ成分が無視できる程
度のものである場合には、第１スイッチ回路１０３およ
び第２スイッチ回路１０４の各共通端子ａを端子ｃ側に
接続すればよい。これにより、出力信号２０３は、第１
スイッチ回路１０３から第２スイッチ回路１０４を直接
経由して、バンドパスフィルタ１０７に入力される。

【００３１】バンドパスフィルタ１０７に入力された信
号波形２０３は、圧覚を示す信号波形２０１とすべり覚
を示す信号波形２０２の合成波形である。そのため、こ
のバンドパスフィルタ１０７により、発振回路１０１で
発振した発振周波数のみの信号を通過させることで、圧
覚検出用の信号波形２０４，２０５等を分離する。ここ
で、細い実線で示す信号波形２０４は、圧覚の検出信号
が大きい場合の信号レベルを示し、太い実線で示す信号
波形２０５は、圧覚の検出信号が小さい場合の信号レベ
ルを示している。この信号レベルを参照することで、圧
覚の強弱を検出することができる。そのため、この信号
波形２０４（２０５）は、圧覚の強弱の検出を容易にす
るために、検出波形整形回路１０８において交流波形か
ら直流波形に変換し、出力端子１０９から圧覚レベルの
信号として出力する。

【００３２】一方、すべり覚を検出するためには、バン
ドパスフィルタ１０７に入力された合成波形である信号
波形２０３から、圧覚の信号波形２０４（２０５）を引
算すればよい。そのため、合成波形である信号波形２０
３を差動アンプ１１０のプラス入力端子に入力し、分離
した圧覚検出用の信号波形２０４（２０５）を差動アン
プ１１０のマイナス入力端子に入力することで、その出
力端子１１１には、すべり覚の信号波形２０６が得られ
ることになる。

【００３３】このように、既知の周波数で発振する振動
子１１と、この振動子１１と積層構造に配置された圧電
素子１２の両端の電極１２ａ，１２ｂから出力信号を取
り出す手段（図１５に示す回路構成）とを用いることに
より、触覚センサＡ１を被測定物に押し当てたときの圧
覚の検出と、被測定物の表面をすべらせたときのすべり
覚の検出とを同時に行うことができるものである。

【００３４】なお、本実施形態１では、図１５に示す各
ブロック１０１〜１１１を電気回路系として記載してい
るが、ＤＳＰ（ディジタル・シグナル・プロセッサ）等
を用いたディジタル・フィルタ等のソフト処理でも実現
可能であり、この場合には、回路系の小型化および汎用
化とコストダウンとを図ることができる。

【００３５】次に、図３ないし図１４を用いて、本発明
の触覚センサの他の実施形態について説明する。

【００３６】図３は、本発明の触覚センサの実施形態２
を示す断面図である。

【００３７】本実施形態２の触覚センサＡ２は、図１お
よび図２に示した触覚センサＡ１に設けられている保護
シート１４の代わりに、保護シートより厚めの硬質ゴム
等の材質を使用した緩衝材１６を設けた構造としたもの
である。その他の構成は、図１および図２に示す触覚セ
ンサＡ１と同様であるので、ここでは同部材に同符号を
付すこととし、詳細な説明を省略する。

【００３８】ここで、緩衝材１６を設けたことによる機
能（作用）について説明する。

【００３９】圧覚を検出する場合、本来は、図１７に符
号３５０として示す太い実線のように、センサ自体が検
出できる上限値（出力電圧ｄ１）まで一方向に増加（ま
たは減少）する曲線をとることが望ましい。すなわち、
この例では、ｄ点の押し圧レベルまで一定レベルで増加
し、ｄ点以上では、検出の上限値となるため、出力電圧
はｄ１が限界出力電圧となる。しかしながら、圧電素子
をセンサとして使用した場合や、発振器側に振動子を使
用した場合、圧電素子や振動子の復元力以上の圧力を常
時加えると、圧電素子や振動子が復元することができな
いため、検出感度が低下するといった問題が発生する。
図１７中の符号３５１で示す曲線は、この現象を示すも
ので、押し圧がｃ点になるまでは、押し圧の増加に伴っ
て出力も増加しているが、押し圧がｃ点を超えた時点
で、出力が減少に転じている。そのため、このような現
象が発生すると、押し圧のａ点およびｂ点で同じ出力電
圧ａ１が発生するため、押し圧がａ点であるのかｂ点で
あるのかの区別がつかないといった不具合を生じる。

【００４０】しかしながら、緩衝材１６を設けた本実施
形態２の触覚センサＡ２によれば、圧電素子１２や振動
子１１の復元力以上の圧力を触覚センサＡ２に常時加え
ても、緩衝材１６がこの圧力を吸収するため、圧電素子
１２や振動子１１が復元することができるので、検出感
度の低下を抑える効果が得られる。

【００４１】図４は、本発明の触覚センサの実施形態３
を示す断面図である。

【００４２】本実施形態３の触覚センサＡ３は、図１お
よび図２に示した触覚センサＡ１において、センサ取付
板１５と振動子１１の電極１１ａとの間に、緩衝材１６
を設けた構造としたものである。その他の構成は、図１
および図２に示す触覚センサＡ１と同様であるので、こ
こでは同部材に同符号を付すこととし、詳細な説明を省
略する。

【００４３】このような構造の触覚センサＡ３も、図３
に示す触覚センサＡ２と同様の効果を得ることができる
が、圧電素子１２の電極１２ｂが被測定物に直接接触
（正確には、保護シート１４を介して接触）するため、
図３に示す触覚センサＡ２に比べて、すべり覚の検出感
度を向上させることができる。また、メカ特有の共振信
号を減衰させる効果もある。

【００４４】図５は、本発明の触覚センサの実施形態４
を示す断面図である。

【００４５】本実施形態４の触覚センサＡ４は、図４に
示す実施形態３の触覚センサＡ３において、振動子１１
と圧電素子１２との間に介挿されていた絶縁シート１３
を取り除き、圧電素子１２の接合面側の電極１２ａと、
振動子１１の接合面側の電極１１ｂとを共通電極１７と
したものである。これにより、触覚センサＡ４の構造を
簡略化することができる。

【００４６】図６は、本発明の触覚センサの実施形態５
を示す断面図である。

【００４７】本実施形態５の触覚センサＡ５は、両面
（図では上下両面）に一対の電極１１ａ，１１ｂを有
し、一定の周波数で発振する振動子１１と、同じく両面
（図では上下両面）に一対の電極１２ａ，１２ｂを有
し、圧覚およびすべり覚などの触覚を検出するための圧
電素子１２とが、絶縁部材２１を介して隣接させた平面
構造として一体的に接合されている。そして、振動子１
１の上面（正確には電極１１ａの上面）および圧電素子
１２の上面（正確には電極１２ａの上面）に、絶縁シー
ト２２を介して振動伝達用基板２３が設けられた構造と
なっている。また、被測定面側である振動子１１の電極
１１ｂおよび圧電素子１２の電極１２ｂには、電極１１
ｂ，１２ｂを保護するための保護シート２４が設けられ
ている。

【００４８】この保護シート２４は、電極１１ｂ，１２
ｂの磨耗や破損を防ぐためのもので、耐久性のある材質
であれば、絶縁部材２１と同等のものでもよい。

【００４９】また、振動伝達用基板２３は、振動子１１
の振動を圧電素子１２に伝達させ、センサ本体の基盤と
なるものであれば、どの材質の物を使用してもかまわな
い。材質の例としては、セラミックスや金属板などを使
用することができる。なお、振動伝達用基板２３に絶縁
部材を用いた場合には、絶縁シート２２を省略すること
ができる。

【００５０】本実施形態５の触覚センサＡ５の動作機能
としては、図１に示す触覚センサＡ１と同様の機能を有
しており、本触覚センサＡ５を被測定物に対して垂直に
押し当てたとき、振動子１１の振動が振動伝達用基板２
３を通じて圧電素子１２に伝達される。圧電素子１２
は、この伝達量を検出して圧覚を検出する。さらに、被
測定物の表面上を水平方向になぞりながら移動させる
と、被測定物の表面状態に応じて圧電素子１２の両端電
極１２ａ，１２ｂに電圧が発生する。この電圧により、
圧電素子とすべり覚とを同時に検出することができる。

【００５１】図７は、本発明の触覚センサの実施形態６
を示す断面図である。

【００５２】本実施形態６の触覚センサＡ６は、図６に
示す実施形態５の触覚センサＡ５において、振動伝達用
基板２３とセンサ取付板１５との間に、緩衝材２５を設
けた構造としたものである。その他の構成は、図６に示
す触覚センサＡ５と同様であるので、ここでは同部材に
同符号を付すこととし、詳細な説明を省略する。このよ
うな構造（緩衝材２５を設けた構造）の触覚センサＡ６
も、図４に示す積層構造の触覚センサＡ３と同様の効果
を得ることができる。

【００５３】図８は、本発明の触覚センサの実施形態７
を示す断面図である。

【００５４】本実施形態７の触覚センサＡ７は、図６に
示す実施形態５の触覚センサＡ５において、絶縁シート
２２を緩衝材２５に変更した構造としたものである。こ
のような構造（緩衝材２５を設けた構造）の触覚センサ
Ａ７も、図４に示す積層構造の触覚センサＡ３と同様の
効果を得ることができる。

【００５５】なお、図示は省略しているが、図６および
図７の触覚センサＡ５，Ａ６において、絶縁シート２２
を取り除き、振動伝達用基板２３を導電性の金属板等と
することにより、振動子１１の一方の電極１１ａと圧電
素子１２の一方の電極１２ａとを共通化した構造とする
ことで、触覚センサＡ５，Ａ６の構造の簡略化とコスト
ダウンを図ることができる。

【００５６】図９は、本発明の触覚センサの実施形態８
を示す断面図である。

【００５７】本実施形態８の触覚センサＡ８は、図１な
いし図５に示す各実施形態１〜４の触覚センサＡ１〜Ａ
４において、圧電素子１２を小型化（１２１ａ１・・
・，１２１ｂ１・・・，・・・，１２１ｎ１・・・）
し、格子状に複数個配置した構造としたものである。

【００５８】このような構造の触覚センサＡ８によれ
ば、圧覚およびすべり覚の検出部が、複数個の圧電素子
１２１ａ１・・・，１２１ｂ１・・・，・・・，１２１
ｎ１・・・を格子状に配置した構造であるため、被測定
物４０の表面４１に本触覚センサＡ８を押し当てたとき
のセンサ内の圧力分布を計測することが可能となり、ロ
ボットハンド等で物を把持するときの制御などに広く利
用することが可能となる。また、図１０に示すように、
各圧電素子１２１ａ１・・・，１２１ｂ１・・・，・・
・，１２１ｎ１・・・をさらに小型化すれば、被測定物
４０の表面４１の凹凸状態（例えば指紋等）を検出する
ことができる。

【００５９】図１１は、図９に示す触覚センサＡ８のＢ
−Ｂ断面を下方から見た図である。すなわち、各圧電素
子１２１ａ１・・・，１２１ｂ１・・・，・・・，１２
１ｎ１・・・が格子状に配置されている。この例では、
縦横５列の計２５個の圧電素子が配置されている。この
ような構造の触覚センサＡ８が、例えば被測定物のコー
ナー部等の線形エッジの表面部分（図中斜線を付して示
す）４５に接触した場合、この表面部分４５に強く接触
する圧電素子１２１ａ１，１２１ｂ２，１２１ｃ３，１
２１ｄ４，１２１ｄ５では、強い接触圧を検出するが、
他の圧電素子部分では、ほとんど接触圧を検出しない。
この結果から、表面部分４５の状態は、本触覚センサＡ
８に対して約４５度の角度でコーナー部を検出している
状態であることが容易に分かる。

【００６０】また、図１２は、図９に示す触覚センサＡ
８を用いて、被測定物の表面のコーナー部を検出した場
合の実施例であり、被測定物の表面部４７のコーナー部
位置４７ａに、本触覚センサＡ８が移動したとき、表面
部４７に全体が強く接触する圧電素子１２１ａ１〜１２
１ａ５，１２１ｂ３〜１２１ｂ５，１２１ｃ４〜１２１
ｃ５，１２１ｄ５では、強い接触圧を検出し、また、表
面部４７のコーナー部位置４７ａに接触する圧電素子１
２１ａ１，１２１ｂ２，１２１ｃ３，１２１ｄ４，１２
１ｄ５では、中程度の接触圧を検出し、その他の圧電素
子部分では、ほとんど接触圧を検出しない。この結果か
ら、本触覚センサＡ８が表面部分４７のコーナー部位置
４７ａを検出していることが容易に分かる。同様の方法
を用いると、被測定物の表面上の突起の検出や、表面上
が平坦か否かの検出も容易に行える。

【００６１】図１３および図１４は、本発明の触覚セン
サの実施形態９を示す断面図および図１３のＣ−Ｃ断面
を下方から見た図である。

【００６２】本実施形態９の触覚センサＡ９は、図９に
示す実施形態８の触覚センサＡ８において、振動子と各
圧電素子とが積層構造となっているものを、平面構造と
したものである。

【００６３】基本構造例としては、まず、被測定物の表
面と接触する側である保護シート１４の上に、電極付き
の小型圧電素子１２１ａ１・・・，１２１ｂ１・・・，
・・・，１２１ｅ１・・・を格子状に複数個配置（この
例では、縦横５列に配置）し、その中央部にのみ１個の
小型振動子１１１を配置した構造としている。すなわ
ち、圧電素子１２１ａ１・・・，１２１ｂ１・・・，・
・・，１２１ｅ１・・・は、中央部の振動子１１１を除
いて、その周囲を取り囲むように同一平面上に計２４個
配置された平面構造となっている。また、振動子１１１
と各圧電素子１２１ａ１・・・，１２１ｂ１・・・，・
・・，１２１ｅ１・・・の電極は、本来、個別に必要と
なるが、構造を簡略化するため、図１３および図１４に
示す例では、片側の電極（図１３中、上部の電極）を共
通電極５１としている。さらに、振動伝達用基板２３と
緩衝材２５とを積層構造にして、センサ取付板１５に取
り付けた構造としている。

【００６４】本実施形態９の触覚センサＡ９の動作機能
としては、実施形態８の触覚センサＡ８と同様の機能を
有しており、被測定物の表面に本触覚センサＡ９を押し
当てたときのセンサ内の圧力分布を検出できるととも
に、被測定物の表面上の凹凸状態を検出することができ
る。また、振動子１１１は、圧電素子でも代用可能であ
るため、構造を統一化、単純化できる。このため、本触
覚センサＡ９の内部回路に、振動子として使用する圧電
素子の配線を動的に切り換える回路を構成すれば、本
来、振動子１１１の位置のセンシングが行えないとこ
ろ、振動子として使用する圧電素子を例えば１２１ｂ２
に切り換えることにより、検出不可能箇所を無くすこと
ができる。

【００６５】以上説明したように、従来では、被測定物
の表面状態を検出するためには、触覚センサを被測定物
の表面上を移動させながら検出する必要があったが、本
発明によれば、触覚センサを移動させなくても、被測定
物における表面状態の凹凸を検出することができるもの
である。

【００６６】次に、上記した各実施形態の触覚センサＡ
１〜Ａ９のいずれか（以下、触覚センサＡと略記する）
を、操作者（人）によりロボットを遠隔操作するシステ
ムに適用した場合の具体例について、図１８を参照して
説明する。

【００６７】このシステム構成としては、まずロボット
側では、ロボット本体７０に付属するロボットハンド７
１により、把持物７２の表面に接触したり、把持する動
作を行うものとする。そのため、ロボットハンド７１の
指先部７１ａに、本発明の触覚センサＡを取り付けた構
造とする。

【００６８】一方、遠隔操縦者８０側としては、ロボッ
ト本体７０の頭部等に取り付けられたカメラ７４の映像
等を表示するヘッド・マウント・ディスプレイ（ＨＭ
Ｄ）８１と、ロボットハンド７１を遠隔操作により制御
するためのデータグローブ８２とで構成する。そして、
データグローブ８２には、遠隔操縦者８０の指９１の手
の甲側９１ａが当たる部分に、指９１に拘束力を提示す
るための力覚提示アクチュエータ８３が取り付けられ、
また、遠隔操縦者８０の指９１の指先９１ｂ（手のひら
側）が当たる部分に、把持物７２の表面状態を提示する
触覚提示アクチュエータ８４が配置されている。

【００６９】ここで、力覚提示アクチュエータ８３によ
る拘束力の提示方法の一例としては、油圧や空気圧等の
圧力制御により拘束力を提示する方法等が利用できる。
また、触覚提示アクチュエータ８４による触覚圧の提示
方法の一例としては、触覚圧によりスピーカ等の振動子
により振動を指先に伝達することで提示を行う方法等が
利用できる。

【００７０】動作機能としては、遠隔操縦者８０が、ロ
ボット本体７０の頭部等に取り付けられたカメラ７４の
画像をＨＭＤ８１で確認しながら、データグローブ８２
によりロボットハンド７１を操作する。なお、このとき
の遠隔操作の命令は、図示は省略しているが、無線等の
通信手段を用いて行う。

【００７１】一方、ロボット側では、データグローブ８
２の操作に従って、把持物７２に接触したり、把持動作
を行ったりする。この際、ロボットハンド７１に取り付
けてある触覚センサＡが、把持物７２の表面７２ａに接
触した場合、その接触圧や表面状態の情報をセンシング
し、そのセンシング情報が、データグローブ８２内の力
覚提示アクチュエータ８３や触覚提示アクチュエータ８
４にフィードバックされる。すなわち、力覚提示アクチ
ュエータ８３では、ロボットハンド７１によって把持物
７２を強く把持するに従って、曲げに対する拘束力が強
くなるように作用する。また、触覚提示アクチュエータ
８４では、把持物７２の表面７２ａが平坦面の場合には
ほとんど振動せず（微小振動程度）、表面が粗面（凸凹
面）である程、振動が大きくなるように作用する。遠隔
操縦者８０は、これらの情報を指で直接感じながらデー
タグローブ８２をさらに操作し、ロボットハンド７１の
把持圧等を制御する。

【００７２】図１９は、遠隔操縦によりロボットハンド
７１で把持物７２を移動させる場合の動作を説明するた
めのフローチャートである。以下、このフローチャート
に従って、把持物７２を移動させる動作を説明する。

【００７３】ステップＳ１では、まず、ＨＭＤ８１で移
動対象となる把持物７２を探し出す。把持物７２を探し
出すと、次のステップＳ２では、データグローブを操作
して、ロボットハンド７１を把持物７２の近傍まで移動
させる。この後、ステップＳ３では、データグローブを
操作して、把持物７２に接触するまでロボットハンド７
１をゆっくり移動させる。

【００７４】この移動の過程において、次のステップＳ
４では、ロボットハンド７１の指先に取り付けてある触
覚センサＡのセンシング情報を、データグローブ８２内
の力覚提示アクチュエータ８３と触覚提示アクチュエー
タ８４とにフィードバックさせる。

【００７５】次のステップＳ５では、力覚提示アクチュ
エータ８３と触覚提示アクチュエータ８４との提示によ
り、遠隔操縦者８０が把持物７２に接触したかどうかを
判断する。ここで、接触していないと判断した場合（ス
テップＳ５でＮｏと判断した場合）には、ステップＳ３
に戻る。

【００７６】一方、接触していると判断した場合（ステ
ップＳ５でＹｅｓと判断した場合）には、次のステップ
Ｓ６にて、適切な把持圧かどうかを判断する。適切でな
い場合（把持圧が不足している場合）はステップＳ３に
戻る。

【００７７】一方、適切な把持圧である場合には、デー
タグローブ８２を操作し、ロボットハンド７１により把
持物７２を目的位置まで移動させる。把持物７２を目的
位置まで移動させると、次のステップＳ８では、把持物
７２を放す動作を行う。この動作は、ステップＳ９での
判断において、力覚提示アクチュエータ８３と触覚提示
アクチュエータ８４からの提示情報から、遠隔操縦者８
０が把持圧を感じないと判断するまでステップＳ８の動
作を繰り返す。そして、把持圧を感じなくなったら、ス
テップＳ１０にて把持物７２の移動を完了する。

【００７８】このように、本発明によれば、ロボットの
遠隔操作や遠隔地間でのコミュニケーションツールへの
応用に対して、十分に対応できる触覚センサを提供する
ことができる。

【００７９】

【発明の効果】本発明の触覚センサによれば、圧電素子
と一定の周波数で発振する振動子とを絶縁部材を介した
積層構造で一体的に接合し、圧電素子の両端の電極に出
力信号を取り出す手段を設けた構成としている。すなわ
ち、振動子を一定の周波数で発振させておくことによ
り、圧電素子には常に一定の振動が伝わることから、被
測定物に押し当てた状態での圧覚の検出と、被測定物の
表面をすべらせたときのすべり覚の検出を同時に行うこ
とができる。

【００８０】また、本発明の触覚センサによれば、圧電
素子と一定の周波数で発振する振動子とを積層構造で一
体的に接合するとともに、圧電素子の接合面側の電極と
振動子の接合面側の電極とを共通電極として形成し、圧
電素子の両端の電極に出力信号を取り出す手段を設けた
構成としている。すなわち、圧電素子の接合面側の電極
と振動子の接合面側の電極とを共通電極とすることで、
センサ構造を簡略化することができる。

【００８１】また、本発明の触覚センサによれば、圧電
素子の被測定面側、または、振動子の取付面側に緩衝材
を設けた構成としている。このように、緩衝材を設ける
ことで、触覚センサを被測定物に押し当てたときの押し
圧の増加による、振動子または圧電素子の振動の減衰や
停止を抑制することができる。

【００８２】また、本発明の触覚センサによれば、振動
子の接合面に対して、小型の圧電素子を複数個配置した
構成としている。このように、小型の圧電素子を複数
個、例えば格子状に配置することにより、触覚センサ表
面の押し圧の分布、および被測定物の表面の凹凸状態を
検出することができる。特に、凹凸状態が検出できるこ
とにより、この触覚センサを指紋認識センサ等として用
いることができる。

【００８３】また、本発明の触覚センサによれば、圧電
素子と一定の周波数で発振する振動子とを絶縁部材を介
して隣接させた状態の平面構造で一体的に接合し、圧電
素子の両端の電極に出力信号を取り出す手段を設けた構
成としている。このように、振動子を一定の周波数で発
振させておくことにより、圧電素子には常に一定の振動
が伝わることから、被測定物に押し当てた状態での圧覚
の検出と、被測定物の表面をすべらせたときのすべり覚
の検出を同時に行うことができる。

【００８４】また、本発明の触覚センサによれば、圧電
素子と一定の周波数で発振する振動子とを絶縁部材を介
して隣接させた状態の平面構造で一体的に接合するとと
もに、圧電素子の接合面側の電極と振動子の接合面側の
電極とを共通電極として形成し、圧電素子の両端の電極
に出力信号を取り出す手段を設けた構成としている。す
なわち、圧電素子の接合面側の電極と振動子の接合面側
の電極とを共通電極とすることで、センサ構造を簡略化
することができる。

【００８５】また、本発明の触覚センサによれば、振動
子を含む圧電素子の被測定面側、または、圧電素子を含
む振動子の取付面側に緩衝材を設けた構成としている。
このように、緩衝材を設けることで、触覚センサを被測
定物に押し当てたときの押し圧の増加による、振動子ま
たは圧電素子の振動の減衰や停止を抑制することができ
る。

【００８６】また、本発明の触覚センサによれば、小型
化された振動子および圧電素子を平面状に複数個配置し
た構成としている。このように、小型の振動子および圧
電素子を複数個、例えば格子状に配置することにより、
触覚センサ表面の押し圧の分布、および被測定物の表面
の凹凸状態を検出することができる。特に、凹凸状態が
検出できることにより、この触覚センサを指紋認識セン
サとして用いることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の触覚センサの実施形態１を示す断面で
ある。

【図２】本発明の触覚センサの実施形態１を示す斜視図
である。

【図３】本発明の触覚センサの実施形態２を示す断面図
である。

【図４】本発明の触覚センサの実施形態３を示す断面図
である。

【図５】本発明の触覚センサの実施形態４を示す断面図
である。

【図６】本発明の触覚センサの実施形態５を示す断面図
である。

【図７】本発明の触覚センサの実施形態６を示す断面図
である。

【図８】本発明の触覚センサの実施形態７を示す断面図
である。

【図９】本発明の触覚センサの実施形態８を示す被測定
物を含む断面図である。

【図１０】図９に示す実施形態８の触覚センサの変形例
を示す被測定物を含む断面図である。

【図１１】図９に示す触覚センサのＢ−Ｂ断面を下方か
ら見た図である。

【図１２】図９に示す触覚センサを用いて、被測定物の
表面のコーナー部を検出した場合の実施例を示す説明図
である。

【図１３】本発明の触覚センサの実施形態９を示す断面
図である。

【図１４】図１３に示す触覚センサのＣ−Ｃ断面を下方
から見た図である。

【図１５】本発明の触覚センサを用て圧覚およびすべり
覚を検出するための回路構成を示すブロック図である。

【図１６】図１５に示す検出回路の各部の信号波形図で
ある。

【図１７】押圧と圧覚の出力電圧との関係を示すグラフ
である。

【図１８】本発明の触覚センサを、ロボットを遠隔操作
するシステムに適用した場合の具体例を示す説明図であ
る。

【図１９】遠隔操縦によりロボットハンドで把持物を移
動させる場合の動作を説明するためのフローチャートで
ある。

【図２０】従来の触覚センサの断面図である。

【符号の説明】

Ａ，Ａ１〜Ａ９触覚センサ１１振動子１２圧電素子１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ電極１３，２２絶縁シート１４，２４保護シート１５センサ取付板１６，２５緩衝材２１絶縁部材２３振動伝達用基板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電素子と一定の周波数で発振する振動
子とが絶縁部材を介した積層構造で一体的に接合され、
前記圧電素子の両端の電極に出力信号を取り出す手段が
設けられていることを特徴とする触覚センサ。
【請求項２】圧電素子と一定の周波数で発振する振動
子とが積層構造で一体的に接合されるとともに、前記圧
電素子の接合面側の電極と前記振動子の接合面側の電極
とが共通電極として形成され、前記圧電素子の両端の電
極に出力信号を取り出す手段が設けられていることを特
徴とする触覚センサ。
【請求項３】前記圧電素子の被測定面側に緩衝材が設
けられていることを特徴とする請求項１または２に記載
の触覚センサ。
【請求項４】前記振動子の取付面側に緩衝材が設けら
れていることを特徴とする請求項１または２に記載の触
覚センサ。
【請求項５】前記振動子の接合面に対して、小型の圧
電素子が複数個配置されていることを特徴とする請求項
１ないし４のいずれかに記載の触覚センサ。
【請求項６】圧電素子と一定の周波数で発振する振動
子とが絶縁部材を介して隣接させた状態の平面構造で一
体的に接合され、前記圧電素子の両端の電極に出力信号
を取り出す手段が設けられていることを特徴とする触覚
センサ。
【請求項７】圧電素子と一定の周波数で発振する振動
子とが絶縁部材を介して隣接させた状態の平面構造で一
体的に接合されるとともに、前記圧電素子の接合面側の
電極と前記振動子の接合面側の電極とが共通電極として
形成され、前記圧電素子の両端の電極に出力信号を取り
出す手段が設けられていることを特徴とする触覚セン
サ。
【請求項８】前記振動子を含む前記圧電素子の被測定
面側に緩衝材が設けられていることを特徴とする請求項
６または７に記載の触覚センサ。
【請求項９】前記圧電素子を含む前記振動子の取付面
側に緩衝材が設けられていることを特徴とする請求項６
または７に記載の触覚センサ。
【請求項１０】小型化された前記振動子および前記圧
電素子が平面状に複数個配置されていることを特徴とす
る請求項６ないし９のいずれかに記載の触覚センサ。