JP2004226380A - 触覚センサ及び分布型触覚センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】高い空間分解能を備えるとともに、構成が単純で作成が容易な触覚センサを提供する。
【解決手段】本発明の触覚センサは、基板２上に対象物との接触感覚を検出する検出部３０と、該検出部３０から出力された信号を処理する処理回路７とを備えている。上記検出部３０は、引張り力および圧縮力を検出する第１の感圧素子４と、上記第１の感圧素子４上に形成され、上記対象物と接触する接触面を有する弾性接触子５とを備えている。さらに、弾性接触子５において、上記対象物との接触面は、上記第１の感圧素子４と接している面と平行であり、かつ、上記対象物との接触面の中心位置（弾性接触子上部中心９）は、上記第１の感圧素子と接している面の中心位置（弾性接触子下部中心１０）からずれている。
【選択図】 図１
【解決手段】本発明の触覚センサは、基板２上に対象物との接触感覚を検出する検出部３０と、該検出部３０から出力された信号を処理する処理回路７とを備えている。上記検出部３０は、引張り力および圧縮力を検出する第１の感圧素子４と、上記第１の感圧素子４上に形成され、上記対象物と接触する接触面を有する弾性接触子５とを備えている。さらに、弾性接触子５において、上記対象物との接触面は、上記第１の感圧素子４と接している面と平行であり、かつ、上記対象物との接触面の中心位置（弾性接触子上部中心９）は、上記第１の感圧素子と接している面の中心位置（弾性接触子下部中心１０）からずれている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボットハンド等の表面に取り付けられ、そのロボットハンドが物体を把持するときに加えられる力の検出が可能な触角センサに関するものである。また、本発明は、この触覚センサが平面上に配置された分布型触覚センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ロボットハンド等に取り付けて、そのハンドに対して垂直方向に加わる力の分布を検出する分布型圧覚センサとして、検出素子に導電性を有するゴムまたはプラスチックをマトリックス状に配置するものがある。また、高精度な分布型圧覚センサとして静電容量型のものがあるが、これは、電極を上下にマトリックス状に配置し、上下の電極間の距離が変動することによる静電容量の変化を検出することにより、垂直方向に加わる力のみの分布を検出するものである。
【０００３】
これに対し、垂直方向のみでなく、水平方向の力、すなわちハンドに加わるせん断力や滑り覚を検出する分布型圧覚センサもある。その一例として、特許文献１に記載されているような、中心に突起部のある梁を構成し、突起部に対象物体が接触し、梁が撓んだときの撓み量を梁に設置した歪みゲージで検出するものがある。ロボットの把持制御において、ハンドに加わるせん断力や滑り覚を検出し制御に用いることは非常に有効である。しかしながら、特許文献１に記載のセンサの場合、１つの触覚センサ素子について梁の撓みを検出するために複数の歪みゲージ（実施例では、４つの歪みゲージ）が備えられており、その歪みゲージからの検出信号は、１つの処理回路で処理される。そのため、せん断力や滑り覚を検出するためには、処理するデータが多くなってしまい複雑化するという問題点がある。
【０００４】
せん断力や滑り覚を検出することができる触覚センサのうち、その構成が比較的単純なものとしては、特許文献２に記載された皮膚感覚センサを挙げることができる。この皮膚感覚センサは、水平方向に配置された少なくとも２つの感圧素子の上部に突出部を有する接触子を構成している。この接触子は可撓性（弾性）部材であるため、対象物体と接触子とが接触することにより、接触子が変形する。このような構成の接触子にせん断力が加えられると、２つの感圧素子に加わる力に差が生ずる。この原理を利用して、２つの感圧素子が受ける力の平均値から圧力感（垂直方向の力）を求め、水平方向の力を２つの感圧素子が受ける力の差分値の直流成分、もしくは低周波成分からせん断感（せん断力）を求め、そして、上記差分値の交流成分もしくは高周波成分からすべり感（滑り覚）を求めることによって、各力を検出している。このような構成の皮膚感覚センサを触覚センサ素子として２次元的に配置することで、分布型触覚センサを構成することができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平２−７５９２４号公報（平成２年３月１５日公開）
【０００６】
【特許文献２】
特公平４−４８５９７号公報（昭和６０年２月２１日公開）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ロボットハンド等が触覚センサから得られる触覚情報を用いてより確実な把持制御を行うためには、高空間分解能を有する触覚センサであることが求められる。上述のような分布型触覚センサでは、空間分解能はセンサ素子のピッチに依存する。すなわち、隣接する２つセンサ素子のピッチ（間隔）が小さいほど、高い空間分解能を得ることができる。
【０００８】
しかしながら、上述の分布型触覚センサでは、２つの感圧素子が同一面上に並列に配列された触覚センサ素子が用いられているため、触覚センサ素子同士のピッチは、感圧素子同士のピッチの２倍となってしまう。それゆえ、上述の分布型触覚センサの空間分解能は、１つの感圧素子のみを有する圧覚センサ素子が配置された分布型圧覚センサの空間分解能の２分の１となり、減少してしまう。
【０００９】
また、直交する２方向のせん断力を検出するために、マトリックス状に配置された感圧素子上に各触覚センサ素子を設ける場合、隣接する２つの感圧素子を用いて１方向のせん断力を検出する触覚センサ素子とする。しかし、この場合、感圧素子がマトリックス状に制限されているため、それぞれの方向の触覚センサ素子の配置パターンが制限され、加えて空間分解能も減少してしまう。
【００１０】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、せん断力および滑り覚を検出可能な触覚センサについて、高い空間分解能を備えるとともに、構成が単純で作成が容易なものを提供することを目的とする。また、本発明は、上記触覚センサが平面上に配置された分布型触覚センサを提供するものでもある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の触覚センサは、上記の課題を解決するために、基板と、該基板上に対象物との接触感覚を検出する検出部と、該検出部に接続され、該検出部から出力された信号を処理する処理回路とを備えた触覚センサにおいて、上記検出部は、引張り力および圧縮力を検出する第１の感圧素子と、上記第１の感圧素子上に形成され、上記対象物と接触する接触面を有する第１の接触子とを備え、さらに、上記第１の接触子において、上記対象物との接触面は、上記第１の感圧素子と接している面と平行であり、かつ、上記対象物との接触面の中心位置は、上記第１の感圧素子と接している面の中心位置からずれていることを特徴としている。
【００１２】
ここで、「上記対象物との接触面の中心位置が、上記第１の感圧素子と接している面の中心位置からずれている」とは、上記第１の感圧素子と接触している面を上記対象物と接触する面と同一面上に平行移動させた場合に、お互いの中心位置が一致しないということを意味する。つまり、上記第１の接触子の形状は、上記対象物との接触面と、上記第１の感圧素子と接している面とが水平方向にずれた形状になっていると言ってもよい。このような特徴を有する第１の接触子の形状の一例としては、水平方向にずれている２つの面の中心位置を通過する垂直断面の形状が台形になっているものを挙げることができる。
【００１３】
上記第１の接触子において、上述のように「上記対象物との接触面の中心位置が、上記第１の感圧素子と接している面の中心位置からずれている」ことによって、対象物から付加された上記中心位置のずれの方向に働く力を、その下層に配置された第１の感圧素子が圧縮力、あるいは引張り力として感知することができる。
【００１４】
上記構成の触覚センサによれば、上記第１の感圧素子が、第１の接触子における上述の２つの面の中心位置のずれ方向に働く力を感知し、その感知した力に関する信号を処理回路が適宜処理することによって、せん断力や滑り覚を検出することができる。このように、上記触覚センサは、１つ接触子（第１の接触子）に対して、１つの感圧素子（第１の感圧素子）のみでせん断力を検出することができるため、２つの感圧素子を同一平面上に配置してせん断力を検知する従来の方法と比較して、高い空間分解能を得ることができる。それに加えて、その構成が単純であるため、容易に作成することができるという利点も有している。
【００１５】
上記触覚センサは、圧力を検出する第２の感圧素子と、上記第２の感圧素子上に形成され、上記対象物と接触する突出部が設けられた第２の接触子とをさらに有し、上記第２の感圧素子及び上記第２の接触子の一部分は、上記基板と上記第１の感圧素子との間に挟まれて配置されていることが好ましい。
【００１６】
上記の構成によれば、上記第２の接触子は、触覚センサ、より具体的には、第２の接触子と第２の感圧素子との接触面に垂直方向に加わる力を検出することができる。従って、上記第１の感圧素子及び上記第２の感圧素子を備えた上記触覚センサは、垂直方向の力、せん断力、滑り覚を同時に検出することができる。
【００１７】
そして、上記触覚センサにおいては、上記第２の感圧素子、さらにそれに積層されて形成されている上記第２の接触子の一部分が、同一平面上に並べて配置されているのではなく、上基板と上第１の感圧素子との間に挟まれて配置されている。つまり、第１の感圧素子と第２の感圧素子とは、その一部の領域が積層された階段状の構成となっている。
【００１８】
このように、第１及び第２という２つの感圧素子を上下２段構成にして配置することで、同一平面上に配置するよりも、感圧素子同士のピッチを狭くすることができ、空間分解能を高める（最高で２倍にする）ことができる。
【００１９】
上記触覚センサにおいて、上記第１の接触子は、弾性部材からなることが好ましい。
【００２０】
上記の構成によれば、上記第１の接触子が弾性を有するため、せん断力が加わった場合に、上記第１の接触子は圧縮されたり、引っ張られたりして容易に変形する。上記第１の感圧素子はその変形をせん断力として検出するため、より確実にせん断力を検出することができる。
【００２１】
上記第１の接触子において、上記対象物との接触面の面積は、上記第１の感圧素子と接している面の面積よりも小さいことが好ましい。
【００２２】
上記の構成によれば、上記第１の接触子と上記第２の接触子の突出部とがより近い位置になるように、各感圧素子および各接触子を配置しても、加圧時に上記第１の接触子と上記第２の接触子の突出部とが接触することを避けることができる。すなわち、同じ大きさのせん断力が加わった場合に、上記対象物との接触面が小さければ、上記第１の接触子の変形量が小さくなる。そのため、第２の感圧素子及び第２の接触子において、基板と第１の感圧素子との間に挟まれている部分の面積を大きくしても、加圧時に上記第１の接触子と上記第２の接触子の突出部とが接触することを避けることができる。
【００２３】
それゆえ、上記触覚センサを用いて分布型触覚センサを作成すれば、空間分解能をより高くすることができ、ひいては、より感度が高く小型化された分布型触覚センサを得ることができる。
【００２４】
上記触覚センサは、上記第１の感圧素子の出力と上記第２の感圧素子の出力との差分の直流成分または低周波成分を、上記対象物から加えられたせん断力として検出するものであってもよい。
【００２５】
上記の構成によれば、上記第１の感圧素子に付加された圧縮力あるいは引張り力から、せん断力を正確に検出することができる。また、上記の構成によれば、垂直方向の力とせん断力とを同時に検出することができる。
【００２６】
上記触覚センサは、上記第１の感圧素子の出力と上記第２の感圧素子の出力との差分の交流成分または高周波成分を、上記対象物から加えられた滑り覚として検出するものであってもよい。
【００２７】
上記の構成によれば、上記第１の感圧素子に付加された圧縮力あるいは引張り力から、滑り覚を正確に検出することができる。
【００２８】
本発明の分布型触覚センサは、上述の触覚センサが平面上に配置されていることを特徴とするものである。
【００２９】
上記の構成によれば、空間分解能の高い本発明の触覚センサが平面上に配置されているため、空間分解能の高い分布型触覚センサを得ることができ、対象物から加えられた力をより正確に把握することができる。また、簡単な構成で垂直方向の圧力、せん断力、滑り覚を同時に検出できる触覚センサを用いて、分布型触覚センサを得ることができるため、作成が容易である。なお、ここで「触覚センサが平面上に配置されている」とは、複数個の触覚センサが同一平面上に２次元的に配置されているということを意味する。
【００３０】
上記分布型触覚センサにおいて、各触覚センサの第１の感圧素子および第２の感圧素子は、それぞれマトリックス状に配置された電極で形成されていることが好ましい。
【００３１】
上記の構成によれば、マトリックス状に配置された電極で静電容量型の感圧マトリックスを形成し、この感圧マトリックス２つを適当な位置関係で配置させることによって、分布型触覚センサに２次元的に配置されている各触覚センサの第１の感圧素子および第２の感圧素子として機能させることができる。このような構成の分布型触覚センサは、既存の静電容量型の感圧マトリックスを２枚上下に積層するのみで、第１及び第２の感圧素子を形成することができる。そのため、均等な位置に触覚センサが配置された分布型触覚センサを容易に作成することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態について以下に説明するが、本発明はこの記載に限定されるものではない。
【００３３】
図１は、本実施の形態にかかる触覚センサの構成を説明するためのものであり、触覚センサの断面を透視した状態で示す断面図である。図１に示すように、本触覚センサは、支持体１の上に設置されたプラスチックなどからなる基板２上に、対象物との接触感覚を検出する検出部３０と、該検出部３０に接続され、該検出部３０に付加される圧力に比例した信号を処理する処理回路７とが備えられている。上記検出部３０は、静電容量型、感圧ゴムなどからなる第１の感圧素子４、ピエゾ素子、静電容量型、あるいは感圧ゴムなどからなる第２の感圧素子３、第１の感圧素子４の上部に設けられた弾性接触子（第１の接触子）５、第２の感圧素子３の上部に設けられた接触子（第２の接触子）６、及び処理回路７、各感圧素子３、４、各接触子５、６の間の空間を埋めるために設けられたスペーサ８などを備えている。
【００３４】
上記検出部３０の各部材及び処理回路７の配置状態について、図１及び図２を用いて以下に説明する。なお、図２は、本触覚センサを上部から見た場合の平面透視図である。
【００３５】
図１に示すように、基板２上には、処理回路７と第２の感圧素子３とが並列した状態で設けられている。上記第２の感圧素子３の上面、すなわち基板２と接している面に対向する面の面上には、検出対象となる対象物が接触する接触子６が配置されている。上記接触子６には、その上面の中央部に円柱形状の突出部１１が設けられている。そして、この突出部１１の上面が検出対象物との接触面となり、該検出対象物から付加される垂直方向の力を第２の感圧素子３が感知し、付加される圧力に比例した信号ｐ２を処理回路７に対して出力している。
【００３６】
また、処理回路７及び、上下に重ねて設けられている第２の感圧素子および接触子６の一部分の上部には、シリコーンゴムなどでできたスペーサ８が設けられている。このスペーサ８の上面には、静電容量型などで形成された第１の感圧素子４が重ねて配置されている。この第１の感圧素子４は、圧縮、引張りの両方の力を検出することが可能である。さらに上記第１の感圧素子４の上面、すなわちスペーサ８との接触面の反対側の面には、シリコーンゴムや磨耗に強いタイプの合成ゴムなどの可撓性を有する弾性体でできた弾性接触子５が配置されている。
【００３７】
上記弾性接触子５は、図１に示すように、その上面（すなわち、検出対象物と接触する面）が、上記第１の感圧素子４と接触している面と平行となっており、かつ、図２に示すように、上記上面の中心位置（弾性接触子上部中心９）が、上記第１の感圧素子４と接触している面の中心位置（弾性接触子下部中心１０）から矢印Ａの右方向にずれている。言い換えれば、弾性接触子５の垂直縦断面の形状は台形であり、そして、その上面（すなわち、検出対象物との接触面）が、図２に示すように矢印Ｘ方向に平行に移動して、弾性接触子上部中心９が弾性接触子下部中心１０の真上にこない形状となっている。
【００３８】
弾性接触子５が、上述のような形状を有していることによって、対象物からせん断力が付加された場合に、矢印Ａ方向（すなわち、弾性接触子上部中心９と弾性接触子下部中心１０との水平方向におけるずれ方向）に変形しやすい。これにより、上記Ａ方向のせん断力を、第１の感圧素子４が検出する引張り力、圧縮力として検出することができる。このようにして、本触覚センサでは、１つの弾性接触子５に対して１つの感圧素子（第１の感圧素子４）のみでせん断力検出することができる。それゆえ、触覚センサを複数個配置させて分布型触覚センサを形成する場合に、触覚センサ素子同士のピッチを、感圧素子同士のピッチと同程度とすることができる。
【００３９】
本触覚センサにおいて、上記第２の感圧素子３及び上記接触子６の一部の領域は、基板２と第１の感圧素子４との間に挟まれて配置されている。すなわち、図２に示すように、上記接触センサを上部から見た場合に、第２の感圧素子３および接触子６が配置されている領域と、第１の感圧素子４および弾性接触子５が配置されている領域とで、その一部領域のみが重なるように上下２段構成で配置されている。そして、上記触覚センサにおいて、第１の感圧素子４と第２の感圧素子３との相対位置は、対象物の正確な触覚情報を得るために、対象物の加圧時に、２つの接触子５、６同士が接触しない位置となっている。なお、第１の感圧素子４及び第２の感圧素子３は、弾性接触子５あるいは接触子６の下部に重なるように配置されているため、図２おいては図示されていない。また、図２では、便宜上スペーサ８も省略されている。
【００４０】
上記の構成の触覚センサを用いて分布型触覚センサを作成すれば、一平面上に並列に配置された二つの感圧素子を用いた従来の触覚センサで分布型触覚センサを構成する場合と比較して、空間分解能を２倍にすることができるため、対象物の触覚情報をより正確に得ることができる。
【００４１】
また、上記弾性接触子５において、上記対象物との接触面（弾性接触子５の上面）の面積は、上記第１の感圧素子４との接触面（弾性接触子５の下面）の面積よりも小さいことが好ましい。
【００４２】
これによれば、図２において、接触子６が配置されている領域と、弾性接触子５が配置されている領域との重複領域の面積がより大きくなるように、各感圧素子３、４および各接触子５、６をより近い位置に配置しても、加圧時に上記弾性接触子５と上記接触子６の突出部１１とが接触することを避けることができる。そして、弾性接触子５と接触子６とは、互いに接触しない最小の距離だけ離れて配置されていることが好ましい。これによって、触覚センサの大きさをより小型化することができ、この触覚センサを平面上に複数個配置して構成される分布型触覚センサの空間分解能を向上させることができる。
【００４３】
ここで、上記の「弾性接触子５と接触子６とが、互いに接触しない最小の距離」は、弾性接触子５の変形量に応じて決定される。それゆえ、弾性接触子５と接触子６とをより近い位置に配置させるためには、弾性接触子５の素材について可撓性が小さいものを選択すればよい。また、本実施の形態では、図２に示すように、接触子６は弾性接触子５の下部中心１０を通過する長軸上を外した位置に配置さているが、弾性接触子５の変形量が小さければ、接触子６が弾性接触子５の上記長軸上に配置されていても構わない。ここで、上記長軸とは、弾性接触子５の下部中心１０を矢印Ａ方向に移動させて得られる軸のことを意味する。
【００４４】
なお、本実施の形態においては、接触子６の対象物との接触面（すなわち、突出部１１の上面）、及び弾性接触子５の対象物との接触面（すなわち、上面）は、ともに円形の形状となっているが、本発明は、これに限定されることなく、例えば楕円状あるいは方形状などであってもよい。また、上記突出部１１の高さは、上記第１の接触子の上記基板２からの高さと等しくなっていることが好ましい。すなわち、弾性接触子５、接触子６の各接触面が同一平面上にあることが好ましい。これによって、対象物の垂直方向の圧力およびせん断力、滑り覚を同時に検出することができる。
【００４５】
上記触覚センサにおいて、第１の感圧素子４および第２の感圧素子３は、基板２上の処理回路７に接続されており、対象物から付加される圧力に比例した信号ｐ１あるいはｐ２を処理回路７に対してそれぞれ出力する。より具体的には、接触子６に加わった力の垂直成分は、第２の感圧素子３から信号ｐ２として処理回路７に出力される。
【００４６】
また、弾性接触子５にせん断力が加わった場合、図２に示すように、弾性接触子上部中心９が弾性接触子下部中心１０の真上にないため、弾性接触子５は上記上部中心９と下部中心１０とのずれ方向（矢印Ａ方向）に変形しやすい。これによって、第１の感圧素子４は、せん断力を引張り力、圧縮力として検出することができる。本触覚センサの場合、弾性接触子５は図２中のＸ軸プラス方向に変形しやすく、第１の感圧素子４には、Ｘ軸プラス方向のせん断力は引張り力として、Ｘ軸マイナス方向のせん断力は圧縮力として力が付加される。上記第１の感圧素子４は、引張り力、圧縮力の両方を検出することができるため、Ｘ軸プラス、マイナス両方向のせん断力を検出することができる。そして、弾性接触子５に加わった力のせん断力成分は、第１の感圧素子４から信号ｐ１として処理回路７に入力される。
【００４７】
続いて、処理回路７のより具体的な構成について、図３を用いて以下に説明する。図３は処理回路７の内部の構成を示すブロック図である。図３に示すように、処理回路７は、２つの前処理回路１２・１３、差分回路１４、弁別回路１５を備えている。前処理回路１２は、上述の検出部３０の第１の感圧素子４から出力された信号ｐ１を、これに比例した信号θ１に変換する。前処理回路１３は、上述の検出部３０の第２の感圧素子３から出力された信号ｐ２を、これに比例した信号θ２に変換する。
【００４８】
前処理回路１２において変換された信号θ１は、続いて差分回路１４に入力される。前処理回路１３において変換された信号θ２は、θ１と同様に差分回路に入力されるとともに、そのまま圧力信号（垂直方向の圧力信号）ｐとして出力される。差分回路１４では、信号θ１とθ２との差に基づく信号Ｄが演算され、出力される。弁別回路１５は、信号Ｄの直流成分もしくは低周波成分の大きさに比例した信号をせん断力信号Ｓとして出力する。また、信号Ｄの交流成分もしくは高周波成分の大きさに比例した信号を滑り覚信号Ｆとして出力する。
【００４９】
ここで、上述の本実施の形態の触覚センサの動作について、以下にまとめて説明する。対象物が弾性接触子５の上面及び接触子６の突出部１１の接触面に触れると、接触子６に垂直に加わる力の情報が、第２の感圧素子３に加わる圧力に比例した信号ｐとして得られる。また、弾性接触子５に接触する物体が水平方向に動こうとする力、すなわちせん断力に関する力の情報は、第１の感圧素子４に加わる圧力から第２の感圧素子３に加わる圧力を引くことによって、せん断力信号Ｓとして得られる。さらに、弾性接触子５に接触する対象物の水平方向に滑る感覚である滑り覚に関する力の情報は、弾性接触子５と対象物の摩擦によるスティックスリップ振動の周波数に基づく滑り覚信号Ｆとして得られる。
【００５０】
上述の本実施の形態に係る触覚センサによれば、１つのセンサで圧力覚、せん断力覚、滑り覚を同時に検出することができる。そして、上記触覚センサにおいては、弾性接触子５の上面の中心（上部中心９）と下面の中心（下部中心１０）とがずれていることによって、そのずれ方向のせん断力を、第１の感圧素子４に付加される引張り力、圧縮力として検出することができ、１つの弾性接触子５に対して、１つの感圧素子（第１の感圧素子４）のみでせん断力を検出することができる。また、せん断力成分を検出する第１の感圧素子４と、垂直方向の圧力を検出する第２の感圧素子３とが、上下２段の構成となっているため、２つの感圧素子を一平面上に並べて配置する場合と比較して、空間分解能を高めることができる。
【００５１】
また、上記触覚センサにおいては、弾性接触子５の表面に高摩擦の可撓性材料膜層を形成してもよい。これによれば、対象物と弾性接触子５との接触が確実となり、せん断力覚、滑り覚の検出感度を向上させることができる。
【００５２】
次に、上述の触覚センサを平面上に複数個配置して構成される分布型触覚センサについて、図４、５を用いて説明する。この分布型触覚センサは、センサに対象物が接触した場合の触覚分布情報を得ることができる。
【００５３】
図４は、上記分布型触覚センサに設けられ、各触覚センサの感圧素子を形成する感圧マトリックス１６・１７の配置状態示す模式図である。感圧マトリクス１６は、せん断力検出用の静電容量型感圧マトリックスであり、引張り、圧縮両方向の力を検出することができる。この感圧マトリクス１６は、上記分布型触覚センサに２次元的に配置された各触覚センサにおいて、上述の第１の感圧素子４として機能する。図４に示すように、上記感圧マトリックス１６は、平行に配置された複数の上側電極１６’と、同じく平行に配置された複数の下側電極１６”とが直交するようにマトリックス状に配置されており、上部電極１６’と下部電極１６”との間の距離が変動することによる静電容量の変化を圧力情報として検出する。すなわち、上部電極１６’と下部電極１６”とが重なり合う箇所が圧力情報を取得できる箇所であり、当該箇所（感圧箇所と称する）が各触覚センサの第１の感圧素子４となる。
【００５４】
感圧マトリクス１７は、垂直方向の圧力検出用の静電容量型感圧マトリックスであり、上述の感圧マトリックス１６と同様に、平行に配置された複数の上側電極１７’と、同じく平行に配置された複数の下側電極１７”とが直交するようにマトリックス状に配置されている。そして、上部電極１７’と下部電極１７”との間の距離が変動することによる静電容量の変化を圧力情報として検出することができる。この感圧マトリクス１７は、上記分布型触覚センサに２次元的に配置された各触覚センサにおいて、上述の第２の感圧素子３として機能する。より詳しくは、上部電極１７’と下部電極１７”とが重なり合う箇所が圧力情報を取得できる箇所であり、当該箇所（感圧箇所と称する）が各触覚センサの第２の感圧素子３となる。
【００５５】
図４に示すように、感圧マトリックス１６及び感圧マトリックス１７は、一マス分ずらして上下に配置されている。すなわち、上方から見た場合に、感圧マトリックス１６の感圧箇所と、感圧マトリックス１７の感圧箇所とが、一致することなく、交互に配置された状態になっている。上記各感圧箇所の上部には、各接触子が変形時においても接触しないように接触子が形成されることで、対象物からの垂直成分の圧力、及びせん断力、滑り覚の分布を検出することができる。
【００５６】
図５は、本実施の形態に係る分布型触覚センサの平面構成を模式的に示す平面図である。図５に示す分布型触覚センサは、Ｘ方向、Ｙ方向という、２次元（平面的）に直交する２方向のせん断力の分布を検出することができる。図５に示す格子状の実線は、感圧マトリックス１６の上部電極１６’および下部電極１６”であり、格子状の点線は、感圧マトリックス１７の上部電極１７’および下部電極１７”である。そして、格子状の実線の交差部分上の斜線を付した部分１８が、各触覚センサ素子において第１の感圧素子４としての役割を果たしている。また、格子状の点線の交差部分上の斜線を付した部分１９が、各触覚センサ素子において第２の感圧素子３としての役割を果たしている。
【００５７】
すなわち、上記の斜線を付した部分１８は、せん断力検出用の感圧マトリックス１６の感圧箇所であり、上記の斜線を付した部分１９は、垂直方向の圧力検出用の感圧マトリックス１７の感圧箇所である。上記感圧箇所１８上には、弾性接触子２０ａあるいは弾性接触子２０ｂがそれぞれ交互に形成されている。上記弾性接触子２０ａは、その楕円形状の下部面の長軸がＸ方向であり、弾性接触子２０ａの真下に形成されている感圧箇所１８は、Ｘ方向のせん断力を検出することができる。一方、上記弾性接触子２０ｂは、その楕円形状の下部面の長軸がＹ軸方向であり、弾性接触子２０ｂの真下に形成されている感圧箇所１８は、Ｙ軸方向のせん断力を検出することができる。従って、上記分布型触覚センサは、Ｘ・Ｙ両方向のせん断力分布を検出可能である。
【００５８】
また、各感圧箇所１９上には、接触子２１が形成されており、該接触子２１に付加された垂直方向の圧力（垂直力）を検出することができる。そして、隣接するせん断力検出用の感圧箇所１８、及び垂直力検出用感圧箇所１９の各出力は、図３に示すような処理回路に入力される。これによって、垂直方向の圧力信号、せん断力信号、滑り各信号を得ることができ、感圧マトリックスの全領域について同様の処理を行うことで、各力の分布を検出することができる。
【００５９】
すなわち、実線枠Ｂあるいは実線枠Ｃで囲まれた部分のように、隣接する２つの感圧素子が上述の触覚センサを形成していると言うことができる。ここで、実線枠Ｂで囲まれた部分の触覚センサは、Ｘ軸方向のせん断力を検出可能なセンサであり、実線Ｃで囲まれた部分の触覚センサは、Ｙ軸方向のせん断力を検出可能な触覚センサである。そして、本実施の形態の分布型触覚センサは、上記２種類の触覚センサが交互に配置され、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向のせん断力および滑り覚を検出することができるとともに、垂直方向の圧力を検出することもできる。
【００６０】
なお、本実施の形態では、上下に配置された２枚の感圧マトリックス１６・１７は、図４、５に示すように、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向にそれぞれずらされている。しかしながら、本発明では、弾性接触子２０ａあるいは２０ｂが対象物と接触し変形する場合に、弾性接触子２０ａあるいは２０ｂと接触子１９とが接触しないのであれば、Ｘ軸方向またはＹ軸方向のどちらか一方のみにずらしてもよい。
【００６１】
また、感圧マトリックス１６と感圧マトリックス１７とは、図５に示すように、感圧マトリックス１６に格子状に配置された各弾性接触子２０ａ・２０ｂのちょうど中央部に、感圧マトリックス１７に格子状に配置された各接触子１９が配置されるようにずらされて配置されていてもよいが、必ずしもちょうど中央部ではなく、何れか１つの弾性接触子により近い位置に片寄って配置されるようにずらされていてもよい。なお、空間分解能を高めるためには、１つの触覚センサ素子を構成する弾性接触子２０ａ（あるいは２０ｂ）と、接触子１９とが変形後接触しない最小の距離だけ離れてずらされていることが好ましい。
【００６２】
これらの構成によれば、上記感圧マトリックス１６・１７の配置を基準にして配置される各触覚センサにおいて、第２の感圧素子３及び接触子６の一部の領域が、基板２と第１の感圧素子４との間に挟まれた配置状態となる。その結果、一定の空間内により多くの感圧素子を配置することができるため、感圧素子のピッチを小さくでき、ひいては各触覚センサ素子のピッチを小さくすることができるため、高い空間分解能を得ることができる。なお、２つの感圧マトリックスにおいて、一方の感圧素子（第２の感圧素子３）は、垂直力のみを検出するためのものである。そのため、垂直力の検出はせん断方向に変形する必要がなく、接触面が小さくても良い事から、第２の感圧素子３は、基板２と第１の感圧素子４との間に挟まれた状態でも構わない。
【００６３】
また、本実施の形態に係る分布型触覚センサは、Ｘ軸、Ｙ軸両方向のせん断力を検出するものであるが、本発明はこれに限定されることなく、弾性接触子の長軸方向をＸ軸方向のみ、あるいはＹ軸方向のみとする一方向のセンシングを行うセンサであってもよい。
【００６４】
さらに、本発明の分布型触覚センサにおいて、上記触覚センサの配置方法は、平面上に２次元的に配置されていれば、特に限定はされないが、上記触覚センサは等間隔で規則的に配置されていることが好ましい。これによれば、センサに付加される力の分布をより正確に入手することができる。そして、上記分布型触覚センサにおいては、対象物から力が付加された時に、隣接する各接触子同士が接触しない最小の距離だけ離れて、各触覚センサが配置されることがより好ましい。これによれば、空間分解能を向上させることができ、より正確な力の分布を検出することができる。
【００６５】
上述の分布型触覚センサは、既存の静電容量型の感圧マトリックスを２枚上下に積層した後に、各感圧箇所に接触子や処理回路などを形成することによって、容易に作成することができる。加えて、感圧素子が上下２段の構成となっているため、一平面上に並んで配置された２つの感圧素子で各力の検出を行う触覚センサ素子を用いた分布型触覚センサと比較して、空間分解能を倍にすることができる。
【００６６】
【発明の効果】
以上のように、本発明の触覚センサは、基板と、該基板上に対象物との接触感覚を検出する検出部と、該検出部に接続され、該検出部から出力された信号を処理する処理回路とを備えた触覚センサにおいて、上記検出部は、引張り力および圧縮力を検出する第１の感圧素子と、上記第１の感圧素子上に形成され、上記対象物と接触する接触面を有する第１の接触子とを備え、さらに、上記第１の接触子において、上記対象物との接触面は、上記第１の感圧素子と接している面と平行であり、かつ、上記対象物との接触面の中心位置は、上記第１の感圧素子と接している面の中心位置からずれていることを特徴としている。
【００６７】
上記触覚センサは、１つ接触子（第１の接触子）に対して、１つの感圧素子（第１の感圧素子）のみでせん断力を検出することができるため、２つの感圧素子を同一平面上に配置してせん断力を検知する従来の方法と比較して、高い空間分解能を得ることができる。それに加えて、その構成が単純であるため、容易に作成することができるという利点も有している。
【００６８】
また、上記触覚センサは、圧力を検出する第２の感圧素子と、上記第２の感圧素子上に形成され、上記対象物と接触する突出部が設けられた第２の接触子とをさらに有し、上記第２の感圧素子及び上記第２の接触子の一部分は、上記基板と上記第１の感圧素子との間に挟まれて配置されていることが好ましい。
【００６９】
上記触覚センサにおいては、第１の感圧素子と第２の感圧素子とが、その一部の領域が積層された階段状の構成となっている。このように、第１及び第２という２つの感圧素子を上下２段構成にして配置することで、同一平面上に配置するよりも、感圧素子同士のピッチを狭くすることができ、空間分解能を高める（最高で２倍にする）ことができる。
【００７０】
本発明の分布型触覚センサは、上述の触覚センサが平面上に配置されていることを特徴とするものである。
【００７１】
上記の構成によれば、空間分解能の高い本発明の触覚センサが平面上に配置されているため、空間分解能の高い分布型触覚センサを得ることができ、対象物から加えられた力をより正確に把握することができる。
【００７２】
さらに、上記分布型触覚センサにおいて、各触覚センサの第１の感圧素子および第２の感圧素子は、それぞれマトリックス状に配置された電極で形成されていることが好ましい。
【００７３】
上記の構成によれば、既存の静電容量型の感圧マトリックスを２枚上下に積層するのみで、第１及び第２の感圧素子を形成することができる。そのため、均等な位置に触覚センサが配置された分布型触覚センサを容易に作成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態である触覚センサの断面を透視した状態で示す断面図である。
【図２】図１に示す触覚センサを上部から見た場合の平面透視図である。
【図３】図１に示す触覚センサに備えられた処理回路の内部構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施の一形態である分布型触覚センサに設けられた感圧マトリックスの配置状態を示す模式図である。
【図５】本発明の実施の一形態である分布型触覚センサの平面構成を模式的に示す平面図である。
【符号の説明】
１ 支持体
２ 基板
３ 第２の感圧素子
４ 第１の感圧素子
５ 弾性接触子（第１の接触子）
６ 接触子（第２の接触子）
７ 処理回路
８ スペーサ
９ 弾性接触子上部中心
１０ 弾性接触子下部中心
１１ 突出部
１２・１３ 前処理回路
１４ 差分回路
１５ 弁別回路
１６・１７ 感圧マトリックス
１６’・１７’ 上部電極
１６”・１７” 下部電極
１８・１９ 感圧箇所
２０ａ・２０ｂ 弾性接触子
２１ 接触子
３０ 検出部
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボットハンド等の表面に取り付けられ、そのロボットハンドが物体を把持するときに加えられる力の検出が可能な触角センサに関するものである。また、本発明は、この触覚センサが平面上に配置された分布型触覚センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ロボットハンド等に取り付けて、そのハンドに対して垂直方向に加わる力の分布を検出する分布型圧覚センサとして、検出素子に導電性を有するゴムまたはプラスチックをマトリックス状に配置するものがある。また、高精度な分布型圧覚センサとして静電容量型のものがあるが、これは、電極を上下にマトリックス状に配置し、上下の電極間の距離が変動することによる静電容量の変化を検出することにより、垂直方向に加わる力のみの分布を検出するものである。
【０００３】
これに対し、垂直方向のみでなく、水平方向の力、すなわちハンドに加わるせん断力や滑り覚を検出する分布型圧覚センサもある。その一例として、特許文献１に記載されているような、中心に突起部のある梁を構成し、突起部に対象物体が接触し、梁が撓んだときの撓み量を梁に設置した歪みゲージで検出するものがある。ロボットの把持制御において、ハンドに加わるせん断力や滑り覚を検出し制御に用いることは非常に有効である。しかしながら、特許文献１に記載のセンサの場合、１つの触覚センサ素子について梁の撓みを検出するために複数の歪みゲージ（実施例では、４つの歪みゲージ）が備えられており、その歪みゲージからの検出信号は、１つの処理回路で処理される。そのため、せん断力や滑り覚を検出するためには、処理するデータが多くなってしまい複雑化するという問題点がある。
【０００４】
せん断力や滑り覚を検出することができる触覚センサのうち、その構成が比較的単純なものとしては、特許文献２に記載された皮膚感覚センサを挙げることができる。この皮膚感覚センサは、水平方向に配置された少なくとも２つの感圧素子の上部に突出部を有する接触子を構成している。この接触子は可撓性（弾性）部材であるため、対象物体と接触子とが接触することにより、接触子が変形する。このような構成の接触子にせん断力が加えられると、２つの感圧素子に加わる力に差が生ずる。この原理を利用して、２つの感圧素子が受ける力の平均値から圧力感（垂直方向の力）を求め、水平方向の力を２つの感圧素子が受ける力の差分値の直流成分、もしくは低周波成分からせん断感（せん断力）を求め、そして、上記差分値の交流成分もしくは高周波成分からすべり感（滑り覚）を求めることによって、各力を検出している。このような構成の皮膚感覚センサを触覚センサ素子として２次元的に配置することで、分布型触覚センサを構成することができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平２−７５９２４号公報（平成２年３月１５日公開）
【０００６】
【特許文献２】
特公平４−４８５９７号公報（昭和６０年２月２１日公開）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ロボットハンド等が触覚センサから得られる触覚情報を用いてより確実な把持制御を行うためには、高空間分解能を有する触覚センサであることが求められる。上述のような分布型触覚センサでは、空間分解能はセンサ素子のピッチに依存する。すなわち、隣接する２つセンサ素子のピッチ（間隔）が小さいほど、高い空間分解能を得ることができる。
【０００８】
しかしながら、上述の分布型触覚センサでは、２つの感圧素子が同一面上に並列に配列された触覚センサ素子が用いられているため、触覚センサ素子同士のピッチは、感圧素子同士のピッチの２倍となってしまう。それゆえ、上述の分布型触覚センサの空間分解能は、１つの感圧素子のみを有する圧覚センサ素子が配置された分布型圧覚センサの空間分解能の２分の１となり、減少してしまう。
【０００９】
また、直交する２方向のせん断力を検出するために、マトリックス状に配置された感圧素子上に各触覚センサ素子を設ける場合、隣接する２つの感圧素子を用いて１方向のせん断力を検出する触覚センサ素子とする。しかし、この場合、感圧素子がマトリックス状に制限されているため、それぞれの方向の触覚センサ素子の配置パターンが制限され、加えて空間分解能も減少してしまう。
【００１０】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、せん断力および滑り覚を検出可能な触覚センサについて、高い空間分解能を備えるとともに、構成が単純で作成が容易なものを提供することを目的とする。また、本発明は、上記触覚センサが平面上に配置された分布型触覚センサを提供するものでもある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の触覚センサは、上記の課題を解決するために、基板と、該基板上に対象物との接触感覚を検出する検出部と、該検出部に接続され、該検出部から出力された信号を処理する処理回路とを備えた触覚センサにおいて、上記検出部は、引張り力および圧縮力を検出する第１の感圧素子と、上記第１の感圧素子上に形成され、上記対象物と接触する接触面を有する第１の接触子とを備え、さらに、上記第１の接触子において、上記対象物との接触面は、上記第１の感圧素子と接している面と平行であり、かつ、上記対象物との接触面の中心位置は、上記第１の感圧素子と接している面の中心位置からずれていることを特徴としている。
【００１２】
ここで、「上記対象物との接触面の中心位置が、上記第１の感圧素子と接している面の中心位置からずれている」とは、上記第１の感圧素子と接触している面を上記対象物と接触する面と同一面上に平行移動させた場合に、お互いの中心位置が一致しないということを意味する。つまり、上記第１の接触子の形状は、上記対象物との接触面と、上記第１の感圧素子と接している面とが水平方向にずれた形状になっていると言ってもよい。このような特徴を有する第１の接触子の形状の一例としては、水平方向にずれている２つの面の中心位置を通過する垂直断面の形状が台形になっているものを挙げることができる。
【００１３】
上記第１の接触子において、上述のように「上記対象物との接触面の中心位置が、上記第１の感圧素子と接している面の中心位置からずれている」ことによって、対象物から付加された上記中心位置のずれの方向に働く力を、その下層に配置された第１の感圧素子が圧縮力、あるいは引張り力として感知することができる。
【００１４】
上記構成の触覚センサによれば、上記第１の感圧素子が、第１の接触子における上述の２つの面の中心位置のずれ方向に働く力を感知し、その感知した力に関する信号を処理回路が適宜処理することによって、せん断力や滑り覚を検出することができる。このように、上記触覚センサは、１つ接触子（第１の接触子）に対して、１つの感圧素子（第１の感圧素子）のみでせん断力を検出することができるため、２つの感圧素子を同一平面上に配置してせん断力を検知する従来の方法と比較して、高い空間分解能を得ることができる。それに加えて、その構成が単純であるため、容易に作成することができるという利点も有している。
【００１５】
上記触覚センサは、圧力を検出する第２の感圧素子と、上記第２の感圧素子上に形成され、上記対象物と接触する突出部が設けられた第２の接触子とをさらに有し、上記第２の感圧素子及び上記第２の接触子の一部分は、上記基板と上記第１の感圧素子との間に挟まれて配置されていることが好ましい。
【００１６】
上記の構成によれば、上記第２の接触子は、触覚センサ、より具体的には、第２の接触子と第２の感圧素子との接触面に垂直方向に加わる力を検出することができる。従って、上記第１の感圧素子及び上記第２の感圧素子を備えた上記触覚センサは、垂直方向の力、せん断力、滑り覚を同時に検出することができる。
【００１７】
そして、上記触覚センサにおいては、上記第２の感圧素子、さらにそれに積層されて形成されている上記第２の接触子の一部分が、同一平面上に並べて配置されているのではなく、上基板と上第１の感圧素子との間に挟まれて配置されている。つまり、第１の感圧素子と第２の感圧素子とは、その一部の領域が積層された階段状の構成となっている。
【００１８】
このように、第１及び第２という２つの感圧素子を上下２段構成にして配置することで、同一平面上に配置するよりも、感圧素子同士のピッチを狭くすることができ、空間分解能を高める（最高で２倍にする）ことができる。
【００１９】
上記触覚センサにおいて、上記第１の接触子は、弾性部材からなることが好ましい。
【００２０】
上記の構成によれば、上記第１の接触子が弾性を有するため、せん断力が加わった場合に、上記第１の接触子は圧縮されたり、引っ張られたりして容易に変形する。上記第１の感圧素子はその変形をせん断力として検出するため、より確実にせん断力を検出することができる。
【００２１】
上記第１の接触子において、上記対象物との接触面の面積は、上記第１の感圧素子と接している面の面積よりも小さいことが好ましい。
【００２２】
上記の構成によれば、上記第１の接触子と上記第２の接触子の突出部とがより近い位置になるように、各感圧素子および各接触子を配置しても、加圧時に上記第１の接触子と上記第２の接触子の突出部とが接触することを避けることができる。すなわち、同じ大きさのせん断力が加わった場合に、上記対象物との接触面が小さければ、上記第１の接触子の変形量が小さくなる。そのため、第２の感圧素子及び第２の接触子において、基板と第１の感圧素子との間に挟まれている部分の面積を大きくしても、加圧時に上記第１の接触子と上記第２の接触子の突出部とが接触することを避けることができる。
【００２３】
それゆえ、上記触覚センサを用いて分布型触覚センサを作成すれば、空間分解能をより高くすることができ、ひいては、より感度が高く小型化された分布型触覚センサを得ることができる。
【００２４】
上記触覚センサは、上記第１の感圧素子の出力と上記第２の感圧素子の出力との差分の直流成分または低周波成分を、上記対象物から加えられたせん断力として検出するものであってもよい。
【００２５】
上記の構成によれば、上記第１の感圧素子に付加された圧縮力あるいは引張り力から、せん断力を正確に検出することができる。また、上記の構成によれば、垂直方向の力とせん断力とを同時に検出することができる。
【００２６】
上記触覚センサは、上記第１の感圧素子の出力と上記第２の感圧素子の出力との差分の交流成分または高周波成分を、上記対象物から加えられた滑り覚として検出するものであってもよい。
【００２７】
上記の構成によれば、上記第１の感圧素子に付加された圧縮力あるいは引張り力から、滑り覚を正確に検出することができる。
【００２８】
本発明の分布型触覚センサは、上述の触覚センサが平面上に配置されていることを特徴とするものである。
【００２９】
上記の構成によれば、空間分解能の高い本発明の触覚センサが平面上に配置されているため、空間分解能の高い分布型触覚センサを得ることができ、対象物から加えられた力をより正確に把握することができる。また、簡単な構成で垂直方向の圧力、せん断力、滑り覚を同時に検出できる触覚センサを用いて、分布型触覚センサを得ることができるため、作成が容易である。なお、ここで「触覚センサが平面上に配置されている」とは、複数個の触覚センサが同一平面上に２次元的に配置されているということを意味する。
【００３０】
上記分布型触覚センサにおいて、各触覚センサの第１の感圧素子および第２の感圧素子は、それぞれマトリックス状に配置された電極で形成されていることが好ましい。
【００３１】
上記の構成によれば、マトリックス状に配置された電極で静電容量型の感圧マトリックスを形成し、この感圧マトリックス２つを適当な位置関係で配置させることによって、分布型触覚センサに２次元的に配置されている各触覚センサの第１の感圧素子および第２の感圧素子として機能させることができる。このような構成の分布型触覚センサは、既存の静電容量型の感圧マトリックスを２枚上下に積層するのみで、第１及び第２の感圧素子を形成することができる。そのため、均等な位置に触覚センサが配置された分布型触覚センサを容易に作成することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態について以下に説明するが、本発明はこの記載に限定されるものではない。
【００３３】
図１は、本実施の形態にかかる触覚センサの構成を説明するためのものであり、触覚センサの断面を透視した状態で示す断面図である。図１に示すように、本触覚センサは、支持体１の上に設置されたプラスチックなどからなる基板２上に、対象物との接触感覚を検出する検出部３０と、該検出部３０に接続され、該検出部３０に付加される圧力に比例した信号を処理する処理回路７とが備えられている。上記検出部３０は、静電容量型、感圧ゴムなどからなる第１の感圧素子４、ピエゾ素子、静電容量型、あるいは感圧ゴムなどからなる第２の感圧素子３、第１の感圧素子４の上部に設けられた弾性接触子（第１の接触子）５、第２の感圧素子３の上部に設けられた接触子（第２の接触子）６、及び処理回路７、各感圧素子３、４、各接触子５、６の間の空間を埋めるために設けられたスペーサ８などを備えている。
【００３４】
上記検出部３０の各部材及び処理回路７の配置状態について、図１及び図２を用いて以下に説明する。なお、図２は、本触覚センサを上部から見た場合の平面透視図である。
【００３５】
図１に示すように、基板２上には、処理回路７と第２の感圧素子３とが並列した状態で設けられている。上記第２の感圧素子３の上面、すなわち基板２と接している面に対向する面の面上には、検出対象となる対象物が接触する接触子６が配置されている。上記接触子６には、その上面の中央部に円柱形状の突出部１１が設けられている。そして、この突出部１１の上面が検出対象物との接触面となり、該検出対象物から付加される垂直方向の力を第２の感圧素子３が感知し、付加される圧力に比例した信号ｐ２を処理回路７に対して出力している。
【００３６】
また、処理回路７及び、上下に重ねて設けられている第２の感圧素子および接触子６の一部分の上部には、シリコーンゴムなどでできたスペーサ８が設けられている。このスペーサ８の上面には、静電容量型などで形成された第１の感圧素子４が重ねて配置されている。この第１の感圧素子４は、圧縮、引張りの両方の力を検出することが可能である。さらに上記第１の感圧素子４の上面、すなわちスペーサ８との接触面の反対側の面には、シリコーンゴムや磨耗に強いタイプの合成ゴムなどの可撓性を有する弾性体でできた弾性接触子５が配置されている。
【００３７】
上記弾性接触子５は、図１に示すように、その上面（すなわち、検出対象物と接触する面）が、上記第１の感圧素子４と接触している面と平行となっており、かつ、図２に示すように、上記上面の中心位置（弾性接触子上部中心９）が、上記第１の感圧素子４と接触している面の中心位置（弾性接触子下部中心１０）から矢印Ａの右方向にずれている。言い換えれば、弾性接触子５の垂直縦断面の形状は台形であり、そして、その上面（すなわち、検出対象物との接触面）が、図２に示すように矢印Ｘ方向に平行に移動して、弾性接触子上部中心９が弾性接触子下部中心１０の真上にこない形状となっている。
【００３８】
弾性接触子５が、上述のような形状を有していることによって、対象物からせん断力が付加された場合に、矢印Ａ方向（すなわち、弾性接触子上部中心９と弾性接触子下部中心１０との水平方向におけるずれ方向）に変形しやすい。これにより、上記Ａ方向のせん断力を、第１の感圧素子４が検出する引張り力、圧縮力として検出することができる。このようにして、本触覚センサでは、１つの弾性接触子５に対して１つの感圧素子（第１の感圧素子４）のみでせん断力検出することができる。それゆえ、触覚センサを複数個配置させて分布型触覚センサを形成する場合に、触覚センサ素子同士のピッチを、感圧素子同士のピッチと同程度とすることができる。
【００３９】
本触覚センサにおいて、上記第２の感圧素子３及び上記接触子６の一部の領域は、基板２と第１の感圧素子４との間に挟まれて配置されている。すなわち、図２に示すように、上記接触センサを上部から見た場合に、第２の感圧素子３および接触子６が配置されている領域と、第１の感圧素子４および弾性接触子５が配置されている領域とで、その一部領域のみが重なるように上下２段構成で配置されている。そして、上記触覚センサにおいて、第１の感圧素子４と第２の感圧素子３との相対位置は、対象物の正確な触覚情報を得るために、対象物の加圧時に、２つの接触子５、６同士が接触しない位置となっている。なお、第１の感圧素子４及び第２の感圧素子３は、弾性接触子５あるいは接触子６の下部に重なるように配置されているため、図２おいては図示されていない。また、図２では、便宜上スペーサ８も省略されている。
【００４０】
上記の構成の触覚センサを用いて分布型触覚センサを作成すれば、一平面上に並列に配置された二つの感圧素子を用いた従来の触覚センサで分布型触覚センサを構成する場合と比較して、空間分解能を２倍にすることができるため、対象物の触覚情報をより正確に得ることができる。
【００４１】
また、上記弾性接触子５において、上記対象物との接触面（弾性接触子５の上面）の面積は、上記第１の感圧素子４との接触面（弾性接触子５の下面）の面積よりも小さいことが好ましい。
【００４２】
これによれば、図２において、接触子６が配置されている領域と、弾性接触子５が配置されている領域との重複領域の面積がより大きくなるように、各感圧素子３、４および各接触子５、６をより近い位置に配置しても、加圧時に上記弾性接触子５と上記接触子６の突出部１１とが接触することを避けることができる。そして、弾性接触子５と接触子６とは、互いに接触しない最小の距離だけ離れて配置されていることが好ましい。これによって、触覚センサの大きさをより小型化することができ、この触覚センサを平面上に複数個配置して構成される分布型触覚センサの空間分解能を向上させることができる。
【００４３】
ここで、上記の「弾性接触子５と接触子６とが、互いに接触しない最小の距離」は、弾性接触子５の変形量に応じて決定される。それゆえ、弾性接触子５と接触子６とをより近い位置に配置させるためには、弾性接触子５の素材について可撓性が小さいものを選択すればよい。また、本実施の形態では、図２に示すように、接触子６は弾性接触子５の下部中心１０を通過する長軸上を外した位置に配置さているが、弾性接触子５の変形量が小さければ、接触子６が弾性接触子５の上記長軸上に配置されていても構わない。ここで、上記長軸とは、弾性接触子５の下部中心１０を矢印Ａ方向に移動させて得られる軸のことを意味する。
【００４４】
なお、本実施の形態においては、接触子６の対象物との接触面（すなわち、突出部１１の上面）、及び弾性接触子５の対象物との接触面（すなわち、上面）は、ともに円形の形状となっているが、本発明は、これに限定されることなく、例えば楕円状あるいは方形状などであってもよい。また、上記突出部１１の高さは、上記第１の接触子の上記基板２からの高さと等しくなっていることが好ましい。すなわち、弾性接触子５、接触子６の各接触面が同一平面上にあることが好ましい。これによって、対象物の垂直方向の圧力およびせん断力、滑り覚を同時に検出することができる。
【００４５】
上記触覚センサにおいて、第１の感圧素子４および第２の感圧素子３は、基板２上の処理回路７に接続されており、対象物から付加される圧力に比例した信号ｐ１あるいはｐ２を処理回路７に対してそれぞれ出力する。より具体的には、接触子６に加わった力の垂直成分は、第２の感圧素子３から信号ｐ２として処理回路７に出力される。
【００４６】
また、弾性接触子５にせん断力が加わった場合、図２に示すように、弾性接触子上部中心９が弾性接触子下部中心１０の真上にないため、弾性接触子５は上記上部中心９と下部中心１０とのずれ方向（矢印Ａ方向）に変形しやすい。これによって、第１の感圧素子４は、せん断力を引張り力、圧縮力として検出することができる。本触覚センサの場合、弾性接触子５は図２中のＸ軸プラス方向に変形しやすく、第１の感圧素子４には、Ｘ軸プラス方向のせん断力は引張り力として、Ｘ軸マイナス方向のせん断力は圧縮力として力が付加される。上記第１の感圧素子４は、引張り力、圧縮力の両方を検出することができるため、Ｘ軸プラス、マイナス両方向のせん断力を検出することができる。そして、弾性接触子５に加わった力のせん断力成分は、第１の感圧素子４から信号ｐ１として処理回路７に入力される。
【００４７】
続いて、処理回路７のより具体的な構成について、図３を用いて以下に説明する。図３は処理回路７の内部の構成を示すブロック図である。図３に示すように、処理回路７は、２つの前処理回路１２・１３、差分回路１４、弁別回路１５を備えている。前処理回路１２は、上述の検出部３０の第１の感圧素子４から出力された信号ｐ１を、これに比例した信号θ１に変換する。前処理回路１３は、上述の検出部３０の第２の感圧素子３から出力された信号ｐ２を、これに比例した信号θ２に変換する。
【００４８】
前処理回路１２において変換された信号θ１は、続いて差分回路１４に入力される。前処理回路１３において変換された信号θ２は、θ１と同様に差分回路に入力されるとともに、そのまま圧力信号（垂直方向の圧力信号）ｐとして出力される。差分回路１４では、信号θ１とθ２との差に基づく信号Ｄが演算され、出力される。弁別回路１５は、信号Ｄの直流成分もしくは低周波成分の大きさに比例した信号をせん断力信号Ｓとして出力する。また、信号Ｄの交流成分もしくは高周波成分の大きさに比例した信号を滑り覚信号Ｆとして出力する。
【００４９】
ここで、上述の本実施の形態の触覚センサの動作について、以下にまとめて説明する。対象物が弾性接触子５の上面及び接触子６の突出部１１の接触面に触れると、接触子６に垂直に加わる力の情報が、第２の感圧素子３に加わる圧力に比例した信号ｐとして得られる。また、弾性接触子５に接触する物体が水平方向に動こうとする力、すなわちせん断力に関する力の情報は、第１の感圧素子４に加わる圧力から第２の感圧素子３に加わる圧力を引くことによって、せん断力信号Ｓとして得られる。さらに、弾性接触子５に接触する対象物の水平方向に滑る感覚である滑り覚に関する力の情報は、弾性接触子５と対象物の摩擦によるスティックスリップ振動の周波数に基づく滑り覚信号Ｆとして得られる。
【００５０】
上述の本実施の形態に係る触覚センサによれば、１つのセンサで圧力覚、せん断力覚、滑り覚を同時に検出することができる。そして、上記触覚センサにおいては、弾性接触子５の上面の中心（上部中心９）と下面の中心（下部中心１０）とがずれていることによって、そのずれ方向のせん断力を、第１の感圧素子４に付加される引張り力、圧縮力として検出することができ、１つの弾性接触子５に対して、１つの感圧素子（第１の感圧素子４）のみでせん断力を検出することができる。また、せん断力成分を検出する第１の感圧素子４と、垂直方向の圧力を検出する第２の感圧素子３とが、上下２段の構成となっているため、２つの感圧素子を一平面上に並べて配置する場合と比較して、空間分解能を高めることができる。
【００５１】
また、上記触覚センサにおいては、弾性接触子５の表面に高摩擦の可撓性材料膜層を形成してもよい。これによれば、対象物と弾性接触子５との接触が確実となり、せん断力覚、滑り覚の検出感度を向上させることができる。
【００５２】
次に、上述の触覚センサを平面上に複数個配置して構成される分布型触覚センサについて、図４、５を用いて説明する。この分布型触覚センサは、センサに対象物が接触した場合の触覚分布情報を得ることができる。
【００５３】
図４は、上記分布型触覚センサに設けられ、各触覚センサの感圧素子を形成する感圧マトリックス１６・１７の配置状態示す模式図である。感圧マトリクス１６は、せん断力検出用の静電容量型感圧マトリックスであり、引張り、圧縮両方向の力を検出することができる。この感圧マトリクス１６は、上記分布型触覚センサに２次元的に配置された各触覚センサにおいて、上述の第１の感圧素子４として機能する。図４に示すように、上記感圧マトリックス１６は、平行に配置された複数の上側電極１６’と、同じく平行に配置された複数の下側電極１６”とが直交するようにマトリックス状に配置されており、上部電極１６’と下部電極１６”との間の距離が変動することによる静電容量の変化を圧力情報として検出する。すなわち、上部電極１６’と下部電極１６”とが重なり合う箇所が圧力情報を取得できる箇所であり、当該箇所（感圧箇所と称する）が各触覚センサの第１の感圧素子４となる。
【００５４】
感圧マトリクス１７は、垂直方向の圧力検出用の静電容量型感圧マトリックスであり、上述の感圧マトリックス１６と同様に、平行に配置された複数の上側電極１７’と、同じく平行に配置された複数の下側電極１７”とが直交するようにマトリックス状に配置されている。そして、上部電極１７’と下部電極１７”との間の距離が変動することによる静電容量の変化を圧力情報として検出することができる。この感圧マトリクス１７は、上記分布型触覚センサに２次元的に配置された各触覚センサにおいて、上述の第２の感圧素子３として機能する。より詳しくは、上部電極１７’と下部電極１７”とが重なり合う箇所が圧力情報を取得できる箇所であり、当該箇所（感圧箇所と称する）が各触覚センサの第２の感圧素子３となる。
【００５５】
図４に示すように、感圧マトリックス１６及び感圧マトリックス１７は、一マス分ずらして上下に配置されている。すなわち、上方から見た場合に、感圧マトリックス１６の感圧箇所と、感圧マトリックス１７の感圧箇所とが、一致することなく、交互に配置された状態になっている。上記各感圧箇所の上部には、各接触子が変形時においても接触しないように接触子が形成されることで、対象物からの垂直成分の圧力、及びせん断力、滑り覚の分布を検出することができる。
【００５６】
図５は、本実施の形態に係る分布型触覚センサの平面構成を模式的に示す平面図である。図５に示す分布型触覚センサは、Ｘ方向、Ｙ方向という、２次元（平面的）に直交する２方向のせん断力の分布を検出することができる。図５に示す格子状の実線は、感圧マトリックス１６の上部電極１６’および下部電極１６”であり、格子状の点線は、感圧マトリックス１７の上部電極１７’および下部電極１７”である。そして、格子状の実線の交差部分上の斜線を付した部分１８が、各触覚センサ素子において第１の感圧素子４としての役割を果たしている。また、格子状の点線の交差部分上の斜線を付した部分１９が、各触覚センサ素子において第２の感圧素子３としての役割を果たしている。
【００５７】
すなわち、上記の斜線を付した部分１８は、せん断力検出用の感圧マトリックス１６の感圧箇所であり、上記の斜線を付した部分１９は、垂直方向の圧力検出用の感圧マトリックス１７の感圧箇所である。上記感圧箇所１８上には、弾性接触子２０ａあるいは弾性接触子２０ｂがそれぞれ交互に形成されている。上記弾性接触子２０ａは、その楕円形状の下部面の長軸がＸ方向であり、弾性接触子２０ａの真下に形成されている感圧箇所１８は、Ｘ方向のせん断力を検出することができる。一方、上記弾性接触子２０ｂは、その楕円形状の下部面の長軸がＹ軸方向であり、弾性接触子２０ｂの真下に形成されている感圧箇所１８は、Ｙ軸方向のせん断力を検出することができる。従って、上記分布型触覚センサは、Ｘ・Ｙ両方向のせん断力分布を検出可能である。
【００５８】
また、各感圧箇所１９上には、接触子２１が形成されており、該接触子２１に付加された垂直方向の圧力（垂直力）を検出することができる。そして、隣接するせん断力検出用の感圧箇所１８、及び垂直力検出用感圧箇所１９の各出力は、図３に示すような処理回路に入力される。これによって、垂直方向の圧力信号、せん断力信号、滑り各信号を得ることができ、感圧マトリックスの全領域について同様の処理を行うことで、各力の分布を検出することができる。
【００５９】
すなわち、実線枠Ｂあるいは実線枠Ｃで囲まれた部分のように、隣接する２つの感圧素子が上述の触覚センサを形成していると言うことができる。ここで、実線枠Ｂで囲まれた部分の触覚センサは、Ｘ軸方向のせん断力を検出可能なセンサであり、実線Ｃで囲まれた部分の触覚センサは、Ｙ軸方向のせん断力を検出可能な触覚センサである。そして、本実施の形態の分布型触覚センサは、上記２種類の触覚センサが交互に配置され、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向のせん断力および滑り覚を検出することができるとともに、垂直方向の圧力を検出することもできる。
【００６０】
なお、本実施の形態では、上下に配置された２枚の感圧マトリックス１６・１７は、図４、５に示すように、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向にそれぞれずらされている。しかしながら、本発明では、弾性接触子２０ａあるいは２０ｂが対象物と接触し変形する場合に、弾性接触子２０ａあるいは２０ｂと接触子１９とが接触しないのであれば、Ｘ軸方向またはＹ軸方向のどちらか一方のみにずらしてもよい。
【００６１】
また、感圧マトリックス１６と感圧マトリックス１７とは、図５に示すように、感圧マトリックス１６に格子状に配置された各弾性接触子２０ａ・２０ｂのちょうど中央部に、感圧マトリックス１７に格子状に配置された各接触子１９が配置されるようにずらされて配置されていてもよいが、必ずしもちょうど中央部ではなく、何れか１つの弾性接触子により近い位置に片寄って配置されるようにずらされていてもよい。なお、空間分解能を高めるためには、１つの触覚センサ素子を構成する弾性接触子２０ａ（あるいは２０ｂ）と、接触子１９とが変形後接触しない最小の距離だけ離れてずらされていることが好ましい。
【００６２】
これらの構成によれば、上記感圧マトリックス１６・１７の配置を基準にして配置される各触覚センサにおいて、第２の感圧素子３及び接触子６の一部の領域が、基板２と第１の感圧素子４との間に挟まれた配置状態となる。その結果、一定の空間内により多くの感圧素子を配置することができるため、感圧素子のピッチを小さくでき、ひいては各触覚センサ素子のピッチを小さくすることができるため、高い空間分解能を得ることができる。なお、２つの感圧マトリックスにおいて、一方の感圧素子（第２の感圧素子３）は、垂直力のみを検出するためのものである。そのため、垂直力の検出はせん断方向に変形する必要がなく、接触面が小さくても良い事から、第２の感圧素子３は、基板２と第１の感圧素子４との間に挟まれた状態でも構わない。
【００６３】
また、本実施の形態に係る分布型触覚センサは、Ｘ軸、Ｙ軸両方向のせん断力を検出するものであるが、本発明はこれに限定されることなく、弾性接触子の長軸方向をＸ軸方向のみ、あるいはＹ軸方向のみとする一方向のセンシングを行うセンサであってもよい。
【００６４】
さらに、本発明の分布型触覚センサにおいて、上記触覚センサの配置方法は、平面上に２次元的に配置されていれば、特に限定はされないが、上記触覚センサは等間隔で規則的に配置されていることが好ましい。これによれば、センサに付加される力の分布をより正確に入手することができる。そして、上記分布型触覚センサにおいては、対象物から力が付加された時に、隣接する各接触子同士が接触しない最小の距離だけ離れて、各触覚センサが配置されることがより好ましい。これによれば、空間分解能を向上させることができ、より正確な力の分布を検出することができる。
【００６５】
上述の分布型触覚センサは、既存の静電容量型の感圧マトリックスを２枚上下に積層した後に、各感圧箇所に接触子や処理回路などを形成することによって、容易に作成することができる。加えて、感圧素子が上下２段の構成となっているため、一平面上に並んで配置された２つの感圧素子で各力の検出を行う触覚センサ素子を用いた分布型触覚センサと比較して、空間分解能を倍にすることができる。
【００６６】
【発明の効果】
以上のように、本発明の触覚センサは、基板と、該基板上に対象物との接触感覚を検出する検出部と、該検出部に接続され、該検出部から出力された信号を処理する処理回路とを備えた触覚センサにおいて、上記検出部は、引張り力および圧縮力を検出する第１の感圧素子と、上記第１の感圧素子上に形成され、上記対象物と接触する接触面を有する第１の接触子とを備え、さらに、上記第１の接触子において、上記対象物との接触面は、上記第１の感圧素子と接している面と平行であり、かつ、上記対象物との接触面の中心位置は、上記第１の感圧素子と接している面の中心位置からずれていることを特徴としている。
【００６７】
上記触覚センサは、１つ接触子（第１の接触子）に対して、１つの感圧素子（第１の感圧素子）のみでせん断力を検出することができるため、２つの感圧素子を同一平面上に配置してせん断力を検知する従来の方法と比較して、高い空間分解能を得ることができる。それに加えて、その構成が単純であるため、容易に作成することができるという利点も有している。
【００６８】
また、上記触覚センサは、圧力を検出する第２の感圧素子と、上記第２の感圧素子上に形成され、上記対象物と接触する突出部が設けられた第２の接触子とをさらに有し、上記第２の感圧素子及び上記第２の接触子の一部分は、上記基板と上記第１の感圧素子との間に挟まれて配置されていることが好ましい。
【００６９】
上記触覚センサにおいては、第１の感圧素子と第２の感圧素子とが、その一部の領域が積層された階段状の構成となっている。このように、第１及び第２という２つの感圧素子を上下２段構成にして配置することで、同一平面上に配置するよりも、感圧素子同士のピッチを狭くすることができ、空間分解能を高める（最高で２倍にする）ことができる。
【００７０】
本発明の分布型触覚センサは、上述の触覚センサが平面上に配置されていることを特徴とするものである。
【００７１】
上記の構成によれば、空間分解能の高い本発明の触覚センサが平面上に配置されているため、空間分解能の高い分布型触覚センサを得ることができ、対象物から加えられた力をより正確に把握することができる。
【００７２】
さらに、上記分布型触覚センサにおいて、各触覚センサの第１の感圧素子および第２の感圧素子は、それぞれマトリックス状に配置された電極で形成されていることが好ましい。
【００７３】
上記の構成によれば、既存の静電容量型の感圧マトリックスを２枚上下に積層するのみで、第１及び第２の感圧素子を形成することができる。そのため、均等な位置に触覚センサが配置された分布型触覚センサを容易に作成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態である触覚センサの断面を透視した状態で示す断面図である。
【図２】図１に示す触覚センサを上部から見た場合の平面透視図である。
【図３】図１に示す触覚センサに備えられた処理回路の内部構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施の一形態である分布型触覚センサに設けられた感圧マトリックスの配置状態を示す模式図である。
【図５】本発明の実施の一形態である分布型触覚センサの平面構成を模式的に示す平面図である。
【符号の説明】
１ 支持体
２ 基板
３ 第２の感圧素子
４ 第１の感圧素子
５ 弾性接触子（第１の接触子）
６ 接触子（第２の接触子）
７ 処理回路
８ スペーサ
９ 弾性接触子上部中心
１０ 弾性接触子下部中心
１１ 突出部
１２・１３ 前処理回路
１４ 差分回路
１５ 弁別回路
１６・１７ 感圧マトリックス
１６’・１７’ 上部電極
１６”・１７” 下部電極
１８・１９ 感圧箇所
２０ａ・２０ｂ 弾性接触子
２１ 接触子
３０ 検出部
Claims (8)
- 基板と、該基板上に対象物との接触感覚を検出する検出部と、該検出部に接続され、該検出部から出力された信号を処理する処理回路とを備えた触覚センサにおいて、
上記検出部は、引張り力および圧縮力を検出する第１の感圧素子と、上記第１の感圧素子上に形成され、上記対象物と接触する接触面を有する第１の接触子とを備え、
さらに、上記第１の接触子において、上記対象物との接触面は、上記第１の感圧素子と接している面と平行であり、かつ、上記対象物との接触面の中心位置は、上記第１の感圧素子と接している面の中心位置からずれていることを特徴とする触覚センサ。 - 上記触覚センサは、圧力を検出する第２の感圧素子と、
上記第２の感圧素子上に形成され、上記対象物と接触する突出部が設けられた第２の接触子とをさらに有し、
上記第２の感圧素子及び上記第２の接触子の一部分は、上記基板と上記第１の感圧素子との間に挟まれて配置されていることを特徴とする請求項１記載の触覚センサ。 - 上記第１の接触子は、弾性部材からなることを特徴とする請求項１または２記載の触覚センサ。
- 上記第１の接触子において、上記対象物との接触面の面積は、上記第１の感圧素子と接している面の面積よりも小さいことを特徴とする請求項１または２記載の触覚センサ。
- 上記触覚センサは、上記第１の感圧素子の出力と上記第２の感圧素子の出力との差分の直流成分または低周波成分を、上記対象物から加えられたせん断力として検出することを特徴とする請求項２ないし４の何れか１項に記載の触覚センサ。
- 上記触覚センサは、上記第１の感圧素子の出力と上記第２の感圧素子の出力との差分の交流成分または高周波成分を、上記対象物から加えられた滑り覚として検出することを特徴とする請求項２ないし５の何れか１項に記載の触覚センサ。
- 請求項１ないし６の何れか１項に記載の触覚センサが平面上に配置された分布型触覚センサ。
- 上記分布型触覚センサにおいて、各触覚センサの第１の感圧素子および第２の感圧素子は、それぞれマトリックス状に配置された電極で形成されていることを特徴とする請求項７記載の分布型触覚センサ。
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