JP2005291927A - センサ - Google Patents

Abstract

【課題】センサの被検出量の微小な変化を検出することができるセンサを提供すること。
【解決手段】触覚センサ１は、太さがμｍ単位以下の寸法に形成されたコイル形状をなすコイル状炭素繊維が誘電性の媒体中に分散されることにより構成されるセンサ素子１０と、センサ素子１０に基準信号を出力する発振回路２０と、基準信号の入力に対するセンサ素子１０の抵抗成分及びリアクタンス成分のうち少なくとも一方の変化に基づくセンサ出力信号を検出する検波部３５とを備える。
【選択図】 図３

Description

本発明は、例えばセンサ素子に加わった応力や電磁波等の被検出量を検出するセンサに関するものである。

従来、例えば、物体に加わった応力を検出するために歪ゲージ（例えば、特許文献１参照）が用いられている。歪ゲージは、同歪ゲージが固着された物体に加わる応力に比例してその抵抗値が変化するセンサ素子である。歪ゲージを用いたセンサは、この歪ゲージの抵抗値の変化を電圧値の変化として検出することにより、物体に加わった応力を検出することができる。また、磁界の変化を検出するためには、例えば磁気抵抗素子（ＭＲＥ）を用いたセンサ（例えば、特許文献２参照）が使用されている。磁気抵抗素子は、その周囲の磁界の強度に比例してその抵抗値が変化するセンサ素子である。磁気抵抗素子を用いたセンサは、この磁気抵抗素子の抵抗値の変化を電圧値の変化として検出することにより、センサ周囲の磁界の強度を検出することができる。そして、これらセンサにより検出された応力や電磁波等の物理量（被検出量）は、例えばロボット等の制御対象を制御するための制御情報に用いられている。
特開２００４−４５１３８号公報 特開２００４−６９５４６号公報

近年、被検出量の微小な変化の検出を目的として、更に高感度なセンサの提供が望まれている。しかしながら、従来のセンサでは、センサ素子が有する電気的な特性（例えば、応力に対する抵抗変化の直線性）等から、被検出量の微小な変化を正確に検出できるとはいい難かった。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、センサの被検出量の微小な変化を検出することができるセンサを提供することにある。

上記課題を解決するために請求項１に記載の発明では、太さがμｍ単位以下の寸法に形成されたコイル形状をなす炭素繊維が誘電性の媒体中に分散されることにより構成されるセンサ素子と、前記センサ素子に基準信号を出力する基準信号入力手段と、前記基準信号の入力に対する前記センサ素子の抵抗成分及びリアクタンス成分のうち少なくとも一方の変化に基づくセンサ出力信号を検出する検出手段とを備えることを要旨とする。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のセンサにおいて、前記基準信号は、時間の経過とともに振幅が変化する交流信号であり、前記検出手段は、前記基準信号に基づく検波基準信号を用いて前記センサ出力信号を検波することを要旨とする。

請求項３に記載の発明では、請求項２に記載のセンサにおいて、前記検出手段は、前記検波基準信号の振幅及び位相のうち少なくとも一方を調整する信号調整手段を備えることを要旨とする。

請求項４に記載の発明では、請求項３に記載のセンサにおいて、前記信号調整手段は、前記検波基準信号を移相させることにより、前記センサ素子の抵抗成分及びリアクタンス成分が変化しない状態における前記センサ出力信号に前記検波基準信号の位相を一致させる移相器を備えることを要旨とする。

請求項５に記載の発明では、請求項３または請求項４に記載のセンサにおいて、前記検出手段は、前記検波基準信号と前記センサ出力信号とを比較することにより前記センサ出力信号を検波し、両信号間の位相差を検出することを要旨とする。

請求項６に記載の発明では、請求項３または請求項４に記載のセンサにおいて、前記信号調整手段は、前記センサ素子の抵抗成分及びリアクタンス成分が変化しない状態における前記センサ出力信号に対して９０°の位相差となるように前記検波基準信号を移相させて、直交信号を生成する直交用移相器を備え、前記検出手段は、前記検波基準信号を用いて前記センサ出力信号を検波する第１検波器と、前記直交信号を用いて前記センサ出力信号を検波する第２検波器とを備えることを要旨とする。

請求項７に記載の発明では、請求項１に記載のセンサにおいて、前記基準信号入力手段と前記センサ素子とは、該センサ素子のリアクタンス成分の変化により周波数が変動し、該センサ素子の抵抗成分の変化により振幅が変動する発振信号を出力する発振部を構成し、前記検出手段は、前記発振信号の周波数及び振幅のうち少なくとも一方を検出することを要旨とする。

請求項８に記載の発明では、請求項７に記載の発明において、前記基準信号入力手段は、前記発振信号の周波数を変化させるリアクタンス調整手段を備え、前記発振信号の周波数を変化させる旨の制御信号が入力された際には前記リアクタンス調整手段により前記発振信号の周波数を調整し、前記検出手段は、前記発振信号の周波数の変化量を検出する位相検波器を備え、該変化量を前記センサ素子におけるリアクタンス成分の変化として検出するとともに、該変化量に基づいて該周波数の変化を抑制するべく前記制御信号を出力することを要旨とする。

請求項９に記載の発明では、太さがμｍ単位以下の寸法に形成された弾力性を有する導電性繊維が誘電性の媒体中に分散されることにより構成されるセンサ素子と、前記センサ素子に基準信号を出力する基準信号入力手段と、前記基準信号の入力に対する前記センサ素子の抵抗成分及びリアクタンス成分のうち少なくとも一方の変化に基づくセンサ出力信号を検出する検出手段とを備えることを要旨とする。

請求項１０に記載の発明では、抵抗成分及びリアクタンス成分を有し、被検出量の変化に基づいて抵抗成分及びリアクタンス成分のうち少なくとも一方が変化するセンサ素子と、前記センサ素子に交流信号を出力する基準信号入力手段と、前記センサ素子の抵抗成分及びリアクタンス成分が変化しない状態において、前記交流信号の入力に対する前記センサ素子の抵抗成分及びリアクタンス成分のうち少なくとも一方の変化に基づくセンサ出力信号に対して９０°の位相差となるように前記交流信号を移相させて、直交信号を生成する直交用移相器を備え、前記交流信号に基づく検波基準信号を用いて前記センサ出力信号を検波する第１検波器と、前記直交信号を用いて前記センサ出力信号を検波する第２検波器とを備えることを要旨とする。

以下、本発明の作用について説明する。
請求項１に記載の発明によれば、センサ素子は、コイル形状をなす炭素繊維が誘電性の媒体中に分散されることにより構成されている。このため、センサ素子は、電気的特性として抵抗成分とリアクタンス成分とを有する。しかも、センサ素子を構成する炭素繊維は非常に小さなコイル状に形成されている。このため、センサ素子に外力（本明細書においては、応力等の機械的な力、及び電磁波等の電気的な力の総称として用いる）が加わると、その外力の微小な変位や変動にも応答して、該センサ素子の抵抗成分及びリアクタンス成分のうち少なくとも一方が変化する。センサ出力信号は、これら変化に基づいて定まることから、センサ素子に加わる外力の微小な変化に応答して変化する。検出手段は、こうしたセンサ出力信号を検出するため、センサ素子に加わる外力の微小な変化を検出することができる。すなわち、検出手段はセンサ素子の被検出量の微小な変化を検出することができる。

請求項２に記載の発明によれば、基準信号は、時間の経過とともに振幅が変化する交流信号である。このため、センサ素子において抵抗成分が変化した場合には、基準信号に対してセンサ出力信号の振幅が変化し、センサ素子においてリアクタンス成分が変化した場合には、検波基準信号とセンサ出力信号との間に位相差が生じる。検出手段は、検波基準信号を用いてセンサ出力信号を検波するため、センサ出力信号の振幅の変化からセンサ素子における抵抗成分の変化を検出し、検波基準信号とセンサ出力信号との位相差の変化からセンサ素子におけるリアクタンス成分の変化を検出することが可能となる。つまり、検出手段は、センサ素子における抵抗成分の変化、及びリアクタンス成分の変化のうち少なくとも一方を検出することが可能となる。したがって、例えば抵抗成分の変化とリアクタンス成分の変化とが検出手段によって総合的に検出されるようにすれば、被検出量の微小な変化が確実に検出され、センサの感度を向上させることができる。

請求項３に記載の発明によれば、信号調整手段は、検波基準信号の振幅及び位相のうち少なくとも一方を調整する。このため、例えば、センサ素子に外力が加わっていない状態におけるセンサ出力信号に検波基準信号の振幅や位相を一致させることができる。一般に、検出手段に入力されるセンサ出力信号は、基準信号に対して回路構成上の遅れが生じる場合がある。よって、例えば両信号の位相を一致させるようにすれば、回路の構成上生じる遅延成分等が排除され、被検出量の微小な変化を正確に検出することができる。

請求項４に記載の発明によれば、センサ素子の抵抗成分及びリアクタンス成分が変化しない状態におけるセンサ出力信号の位相と検波基準信号の位相とが一致する。このため、回路の構成上生じる遅延成分等が排除され、被検出量の微小な変化を正確に検出することができる。

請求項５に記載の発明によれば、検出手段は、検波基準信号とセンサ出力信号とを比較して、両信号の位相差を検出する。よって、両信号の位相差から、センサ素子におけるリアクタンス成分の変化を検出することができる。したがって、センサ素子のリアクタンス成分を変化させる外力の微小な変化を検出することができる。

請求項６に記載の発明によれば、検出手段は、いわゆる直交検波方式によりセンサ出力信号を検波する。このため、第１検波器から出力される信号と第２検波器から出力される信号とに基づいて、同相信号に対するセンサ出力信号の位相の変化及び同相信号に対するセンサ出力信号の振幅の変化を求めることができる。センサ出力信号の位相の変化は、センサ素子におけるリアクタンス成分の変化に、センサ出力信号の振幅の変化は、センサ素子における抵抗成分の変化にそれぞれ相当する。よって、センサ素子における抵抗成分の変化及びリアクタンス成分の変化をそれぞれ求めることができる。したがって、被検出量の変化を総合的に検出することができ、センサの感度を向上させることができる。

請求項７に記載の発明によれば、センサ素子のリアクタンス成分が変化した場合には発振信号の周波数が変化し、センサ素子の抵抗成分が変化した場合には発振信号の振幅が変化する。検出手段は、この発振信号の周期及び振幅のうち少なくとも一方の変化を検出する。このため、センサ素子におけるリアクタンス成分の変化及び抵抗成分のうち少なくとも一方を検出することができる。したがって、前記請求項１の作用と同様に、センサの被検出量の微小な変化を検出することができる。

請求項８に記載の発明によれば、発振信号の周波数の変化がセンサ素子におけるリアクタンス成分の変化として検出される。つまり、センサ素子のリアクタンス成分の変化分は、発振信号の周波数の変化分として間接的に検出される。このため、センサの被検出量の変化が微小なためにセンサ素子のリアクタンス成分の変化が微弱となっても、センサ素子に加わる外力を発振信号の周波数の変化として確実に検出することができる。

請求項９に記載の発明によれば、センサ素子は、弾性を有する導電性繊維が誘電性の媒体中に分散されることにより構成されている。センサ素子に外力が加わって導電性繊維が曲がると、導電性繊維内に歪が発生して抵抗成分が変化する。また、導電性繊維が曲がることにより、曲がる前に比較して、媒体と導電性繊維との位置関係が相違してリアクタンス成分が変化する。つまり、センサ素子は、電気的特性として抵抗成分とリアクタンス成分とを有する。しかも、センサ素子を構成する導電性繊維は非常に小さな形状に形成されている。このため、前記請求項１の作用と同様に、センサ素子に加わった外力の微小な変化を検出することができる。したがって、センサ素子の被検出量の微小な変化を検出することができる。

請求項１０に記載の発明によれば、センサ素子の抵抗成分及びリアクタンス成分のうち少なくとも一方の変化により変調された交流信号（センサ出力信号）の同相成分が第１検波器により検波され、センサ出力信号の直交成分が第２検波器により検波される。このため、センサ素子の抵抗成分の変化及びリアクタンス成分の変化の両方を検出することができる。よって、センサの被検出量を総合的に検出できる。したがって、センサの被検出量の微小な変化を確実に検出することができる。

本発明によれば、センサの被検出量の微小な変化を検出することができるセンサを提供することができる。

以下、本発明を触覚センサに具体化した一実施形態を図１〜図５にしたがって説明する。まず、センサ素子の構造について説明する。
＜センサ素子の構造＞
図１に示すように、センサ素子１０は、略直方体状に形成されたセンサ本体１１と、センサ本体１１における対向する側面にそれぞれ固着された一対の電極１２とから構成されている。これら電極１２は、センサ本体１１と電気的に接続されている。

センサ本体１１は、弾力性を有する誘電性の媒体（例えば、シリコーン樹脂）１１ａと、この媒体１１ａ中に分散された複数のコイル状炭素繊維１１ｂとから構成されている。コイル状炭素繊維１１ｂは、コイル状に形成された非晶質の炭素繊維であり、本実施形態におけるコイル状炭素繊維１１ｂは、太さ（繊維径）が１ｎｍ〜１０μｍ、直径（コイル径）が１ｎｍ〜５０μｍ、長さ（コイル長さ）が１０ｎｍ〜１０ｍｍとなるように形成されている。なお、本明細書における繊維径という概念には、断面円形状に形成された炭素繊維の直径に限らず、断面楕円形状に形成された炭素繊維の長辺の長さや、断面四角状に形成された炭素繊維の長辺の長さ等も含むものとする。

コイル状炭素繊維１１ｂは、コイル状に形成された導電性の繊維であるため、図２（ａ）に示すように、インダクタンス成分（Ｌ成分）、容量成分（Ｃ成分）、及び抵抗成分（Ｒ成分）をそれぞれ有している。これら成分は、ＬＣＲ共振回路を構成している。このため、コイル状炭素繊維１１ｂが媒体１１ａ中に分散した状態では、複数のコイル状炭素繊維１１ｂが容量成分（結合容量）により相互に結合された状態となっている。

＜センサ素子による検出の原理＞
このように構成されたセンサ素子１０に例えば押圧力（外力）が加わった場合、コイル状炭素繊維１１ｂのコイル長さは変化する。コイル状炭素繊維１１ｂのコイル長さ、つまりコイルのピッチが変化することにより、Ｒ成分及びリアクタンス成分（Ｌ成分及びＣ成分）は変化する。また、センサ素子１０の体積が変化することにより、結合容量も変化する。したがって、電極１２を介してＲ成分やリアクタンス成分を検出することにより、センサ素子１０に加わる外力を検出することができる。

以上から、センサ素子１０の等価回路は、図２（ｂ）に示すように、可変抵抗器、可変コンデンサ、及び可変インダクタンスにより構成されるＬＣＲ共振回路で表される。
＜触覚センサの構成＞
次に、センサ素子１０を備える触覚センサについて説明する。

図３に示すように、触覚センサ１は、基準信号入力手段としての発振回路２０と、センサ素子１０と、検出手段及び信号調整手段としての移相部３０と、検出手段としての検波部３５とを備えている。検波部３５は、第１検波器としての同相検波器３６及び第２検波器としての直交検波器３７を備えている。発振回路２０は、センサドライバ回路２１を介してセンサ素子１０に接続されている。センサ素子１０は、バッファ回路２２を介して検波部３５に接続されている。また、発振回路２０は、移相部３０を介して検波部３５に接続されている。

発振回路２０は、予め設定された周波数の交流信号（基準信号）をセンサドライバ回路２１に出力する。詳しくは、発振回路２０は、周波数ｆ０（本実施形態においては２００ｋＨｚ前後）及び振幅Ａの正弦波を出力する。なお、発振回路２０は、時間の経過に伴って振幅が変化する交流信号を出力する構成であればよく、正弦波を出力する構成に限定されない。例えば、発振回路２０は、三角波や方形波等を出力するように構成されてもよい。本実施形態における発振回路２０は、予め設定された周波数範囲内の周波数を生成可能なファンクションジェネレータＬＳＩにより構成されている。しかし、この構成に限定されず、発振回路２０は、所定の周波数の交流信号を出力する水晶発振回路を用いて構成されてもよい。

センサドライバ回路２１は、センサ素子１０の駆動が可能な振幅レベルに基準信号の振幅を変換して、センサ素子１０の一方の電極１２に出力する。センサドライバ回路２１は、センサ素子１０が有するインピーダンスの影響によって基準信号が歪むことを防止するために、入力インピーダンスが高く、出力インピーダンスが低くなるように構成される。本実施形態におけるセンサドライバ回路２１は、利得「１」の正相増幅器（いわゆるボルテージフォロワ）により構成されている。

バッファ回路２２は、センサ素子１０の他方の電極１２から入力される信号（センサ出力信号）を検波部３５に出力する回路である。バッファ回路２２は、検波部３５の回路構成によってセンサ出力信号が変動しないように、入力インピーダンスが高くなるように構成されている。また、センサ素子１０のセンサ出力信号は微小であるため、本実施形態におけるバッファ回路２２は、増幅器の機能を有している。具体的には、バッファ回路２２は、非反転型増幅器により構成されている。このため、利得の調整により増幅度が調整される。

移相部３０は、移相器３１及び直交用移相器としての９０°移相器３２を備えている。移相器３１は、発振回路２０から入力された基準信号の位相を遅らせたり進めたりする回路である。移相器３１は、入力された信号の全ての周波数成分を通過させるフィルタ（オールパスフィルタ）により構成されている。移相器３１は、この位相が相違させられた基準信号（検波基準信号としての同相信号）を検波部３５の同相検波器３６に出力するとともに、９０°移相器３２に出力する。移相器３１は、基準信号の位相を調整することにより、センサ素子１０に外力が加わっていない状態におけるセンサ出力信号の位相と同相信号の位相とを一致させる。

９０°移相器３２は、同相信号の位相を９０°だけ遅らせる回路である。すなわち、９０°移相器３２は、センサ素子１０に外力が加わっていない状態（Ｒ成分及びリアクタンス成分が変化しない状態）におけるセンサ出力信号に対して９０°の位相差となるように、基準信号を移相させる回路である。９０°移相器３２は、移相器３１と同様の構成を有し、移相器３１における位相の調整量が９０°に固定された構成となっている。９０°移相器３２は、入力された同相信号に対して９０°遅れた信号を直交信号として直交検波器３７に出力する。

検波部３５は、同相検波器３６及び直交検波器３７により、バッファ回路２２を介して入力されたセンサ出力信号を直交検波する。本実施形態においては、検波部３５は、直交検波の方式としてプロダクト検波を用いている。すなわち、検波部３５は、位相が９０°だけ互いに異なり、振幅及び周期が同一の２つの正弦波を用いてセンサ出力信号を検波する。

同相検波器３６は、同相信号によりセンサ出力信号を検波してオフセットアンプ回路３８に出力する。具体的には、同相検波器３６は、同相信号とセンサ出力信号とを乗算して出力する。例えば、同相信号として「Ａ・ｓｉｎ（ωｔ）（ここで、ω＝２πｆ０）」で示される正弦波が入力され、センサ出力信号として「Ａ’ｓｉｎ（ωｔ＋ψ）（ψ：センサ素子１０による位相遅れ）」で示される正弦波が入力された場合、同相検波器３６は、「Ａ・Ａ’・ｓｉｎ（ωｔ）・ｓｉｎ（ωｔ＋ψ）」で示される信号を出力する。同相検波器３６は、この信号成分のうち同相信号の２倍の周波数の信号成分「ｃｏｓ（２ωｔ＋ψ）」をローパスフィルタにより除去して、「α・ｃｏｓ（ψ）（αは、Ａ及びＡ’により定まる直流電圧であり、以下「振幅電圧」という）」として示される直流電圧（同相検波電圧Ｉ）を出力する。

一方、直交検波器３７は、直交信号によりセンサ出力信号を検波してオフセットアンプ回路３９に出力する。具体的には、直交検波器３７は、直交信号とセンサ出力信号とを乗算して出力する。例えば、直交信号として「Ａ・ｃｏｓ（ωｔ）（同相信号に対して９０°位相が遅れた信号）」で示される正弦波が入力され、センサ出力信号として「Ａ’ｓｉｎ（ωｔ＋ψ）」で示される正弦波が入力された場合、直交検波器３７は、「Ａ・Ａ’・ｃｏｓ（ωｔ）・ｓｉｎ（ωｔ＋ψ）」で示される信号を出力する。直交検波器３７は、この信号成分のうち直交信号の２倍の周波数の信号成分「ｓｉｎ（２ωｔ＋ψ）」をローパスフィルタにより除去して、「α’・ｓｉｎ（ψ）（α’は、Ａ及びＡ’により定まる定数）」として示される直流電圧（直交検波電圧Ｑ）を出力する。

オフセットアンプ回路３８は、基準電源４０で示される電圧を同相検波電圧Ｉから減算して検出電圧Ｖ１として出力する。同様に、オフセットアンプ回路３９は、基準電源４０で示される電圧を直交検波電圧Ｑから減算して検出電圧Ｖ２として出力する。なお、本実施形態におけるオフセットアンプ回路３８，３９は、減算増幅器により構成されている。オフセットアンプ回路３８やオフセットアンプ回路３９の減算量の調整により、センサ素子１０に外力が加わっていないときの検出電圧Ｖ１，Ｖ２の値は「０」に設定されている。

演算部５０は、入力された検出電圧Ｖ１、Ｖ２に基づいて、センサ素子１０に加わった外力の変化量や種類を求める。以下、触覚センサ１による被検出量の検出原理について、図４及び図５に基づいて具体的に説明する。ここでは、触覚センサ１に対して指によって外力が加えられた場合を例にして説明する。なお、検出電圧Ｖ１及び検出電圧Ｖ２は、同相検波電圧Ｉ及び直交検波電圧Ｑをそれぞれオフセットさせることにより得られる電圧値であり、これら検波電圧Ｉ，Ｑの挙動に連動して変動する。そこで、以下、同相検波電圧Ｉ及び直交検波電圧Ｑに基づく検出原理について説明する。

＜同相検波電圧Ｉ及び直交検波電圧Ｑに基づく検出原理＞
図４に示すように、センサ素子１０に外力が加わっていない状態において、同相検波電圧ＩをＸ成分、直交検波電圧ＱをＹ成分として極座標表示すると（ポイントＰ０）、原点ＯからポイントＰ０までの仮想線のＸ軸に対する傾きは位相遅れψ０、原点ＯからポイントＰ０までの長さは振幅電圧αとなる。なお、本実施形態においては、移相器３１により、センサ素子１０に外力が加わっていない状態におけるセンサ出力信号の位相と同相信号の位相とは一致しているため、位相遅れψは「０［ｒａｄ］」（ψ０＝０［ｒａｄ］）となる。ここでは、説明の便宜上、ψ０を図面上に表示している。

センサ素子１０に外力が加わった際、例えば、位相遅れψが増大するとともに振幅電圧αが減少して同相検波電圧Ｉ及び直交検波電圧ＱがポイントＰ１で示される場合、センサ素子１０のＲ成分及びＬ成分が増加し、Ｃ成分が減少したと推定される。詳しくは、振幅電圧αが振幅電圧α０から振幅電圧α１に減少していることから、センサ出力信号の振幅が減少したと推定され、Ｒ成分が増加したと推定される。また、位相遅れψが位相遅れψ０から位相遅れψ１に増加していることから、同相信号に対するセンサ出力信号の位相遅れψが増加したと推定され、Ｌ成分が増加するとともにＣ成分が減少したと推定される。

一方、センサ素子１０に外力が加わった際、例えば、位相遅れψが減少するとともに振幅電圧αが増大して同相検波電圧Ｉ及び直交検波電圧ＱがポイントＰ２で示される場合、センサ素子１０のＣ成分が増加し、Ｒ成分及びＬ成分が減少したと推定される。詳しくは、振幅電圧αが振幅電圧α０から振幅電圧α２に増大していることから、センサ出力信号の振幅が増大したと推定され、Ｒ成分が減少したと推定される。また、位相遅れψが位相遅れψ０から位相遅れψ１に減少していることから、同相信号に対するセンサ出力信号の位相遅れψが減少したと推定され、Ｃ成分が増加するとともにＬ成分が減少したと推定される。

このように、演算部５０は、センサ素子１０に外力が加わっていない状態からの振幅電圧α及び位相遅れψの変化傾向や変化量を算出することによって、センサ素子１０に外力が加わることにより変化する成分（Ｒ成分、リアクタンス成分）を検出することができる。振幅電圧α及び位相遅れψは、センサ素子１０に加わる外力の種類（指で押したのか、針で突いたのか等）やその大きさにより変動する。よって、振幅電圧α及び位相遅れψの変化パターンによってセンサ素子１０に加わる外力の種類や大きさを検出することができる。

＜触覚センサ１による外力の微小な変化の検出＞
センサ素子１０は、非常に小さなコイル状炭素繊維１１ｂが弾力性を有する媒体１１ａ中に分散されることにより構成されている。このため、センサ素子１０に外力が加わると、その外力の微小な変化により、媒体１１ａの体積が変化するとともに、コイル状炭素繊維１１ｂは圧縮または伸張する。このようにコイル状炭素繊維１１ｂの形状が変化することにより、コイル状炭素繊維１１ｂが有するＲ成分及びリアクタンス成分は変化する。また、媒体１１ａの体積変化によりＣ成分が変化する。したがって、センサ素子１０に加わる外力の微小な変化により、センサ素子１０のＲ成分及びリアクタンス成分が変化する。

これらＲ成分の変化及びリアクタンス成分の変化により、センサ出力信号が変化する。センサ出力信号の変化は、検波部３５における直交検波により検出される。そして、前述したように、Ｒ成分及びリアクタンス成分の変化傾向や変化量が求められる。したがって、触覚センサ１により、センサ素子１０に加わる外力の微小な変化を検出することができる。

図５には、センサ素子１０に対して指で外力を加えた場合における同相検波電圧Ｉと直交検波電圧Ｑとの測定結果を示す。図５（ａ）は、センサ素子１０の表面を指で押圧した場合を、図５（ｂ）は、センサ素子１０の表面を指で軽く触れた場合を、図５（ｃ）は、センサ素子１０の表面を指で撫でた場合をそれぞれ示す。各図に示すように、同相検波電圧Ｉ及び直交検波電圧Ｑは、センサ素子１０に加えられる外力の種類及び大きさにより影響を受けることが確かめられた。

したがって上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）センサ素子１０を構成するコイル状炭素繊維１１ｂは、繊維径が１ｎｍ〜１０μｍ、コイル径が１ｎｍ〜５０μｍ、コイル長さが１０ｎｍ〜１０ｍｍとなるように形成されている。このため、センサ素子１０は、センサ素子１０に加わる外力の微小な変化にも応答して、そのＲ成分及びリアクタンス成分を変化させる。検波部３５は、これらＲ成分やリアクタンス成分に基づいて変化するセンサ出力信号を検波する。したがって、触覚センサ１に加わる外力の微小な変化を検出することができる。

（２）発振回路２０は、正弦波からなる基準信号を出力する。検波部３５は、この時間の経過とともに振幅が変化する基準信号を用いてセンサ出力信号を直交検波する。このため、こうした触覚センサ１によれば、センサ素子１０のＲ成分の変化及びリアクタンス成分の変化の両方を検出することができる。よって、演算部５０は、これら両成分の変化により、センサ素子１０に加わった外力を総合的に検出することができる。つまり、こうした触覚センサ１では、Ｒ成分とリアクタンス成分とを共に変化させる外力が加わった場合は勿論、Ｒ成分のみを変化させる外力やリアクタンス成分のみを変化させる外力をも検出することができ、該外力の大きさや種類を演算部５０による演算処理によって求めることが可能となる。したがって、該触覚センサ１によれば、被検出量の微小な変化を確実に検出することができる。すなわち、高感度の触覚センサ１とすることができる。

また、演算部５０は、振幅電圧α及び位相遅れψを共に算出することができるため、Ｒ成分の変化量（＝Ａ’−Ａ）とリアクタンス成分の変化量（位相遅れψ）とを高精度に求めることができる。よって、例えば演算部５０が振幅電圧αのみを算出し、位相遅れψを算出しない場合、すなわちＲ成分の変化量のみを算出する場合においても、該Ｒ成分の変化量を高精度に求めることができる。つまり、この場合においても、演算部５０は、Ｒ成分の変化量に基づく外力の大きさや種類を求めることができることとなる。同様に、例えば演算部５０が位相遅れψのみを算出し、振幅電圧αを算出しない場合、すなわち、リアクタンス成分の変化量のみを算出する場合においても、該リアクタンス成分の変化量を高精度に求めることができる。つまり、この場合においても、演算部５０は、リアクタンス成分の変化量に基づく外力の大きさや種類を求めることができることとなる。

（３）移相器３１により、センサ素子１０に外力が加わっていない状態においては基準信号の位相とセンサ出力信号の位相とは同相となる。このため、検波部３５は、センサドライバ回路２１やバッファ回路２２による位相遅れψ、または外力が加わっていない状態におけるセンサ素子１０自身による位相遅れψを排除してセンサ出力信号を検波することができる。したがって、触覚センサ１の回路構成上生じる位相遅れψを考慮することなく、センサ素子１０に加わる外力を検出することができる。

（４）センサ出力信号にノイズ（電気信号の乱れ）が重畳してしまうと、その振幅は変化する。演算部５０は、同相検波電圧Ｉ（検出電圧Ｖ１）、直交検波電圧Ｑ（検出電圧Ｖ２）によりセンサ出力信号と基準信号との移相遅れψを求めるため、ノイズの影響を抑制しつつ被検出量の微小な変化を精度よく検出することができる。

（５）触覚センサ１は、バッファ回路２２及び移相器３１を備えている。これら回路は、製造ばらつきによるセンサ素子１０のＲ成分やリアクタンス成分のばらつきを吸収することができる。つまり、センサ素子１０のＲ成分のばらつきは主としてバッファ回路２２により、リアクタンス成分のばらつきは主として移相器３１により吸収できる。したがって、触覚センサ１の特性を揃えるための製造設備を構築する必要がなく、触覚センサ１の製造コストを抑制することができる。

なお、本発明の実施形態は以下のように変更してもよい。
・前記実施形態において、移相器３１には、発振回路２０から基準信号が入力されている。しかし、移相器３１には、発振回路２０に代わってセンサドライバ回路２１から基準信号に相当する信号が入力されてもよい。この場合、発振回路２０及びセンサドライバ回路２１が基準信号入力手段に相当する。このようにしても、基準信号に基づいてセンサ出力信号を検波することができる。

・前記実施形態において、触覚センサ１は、オフセットアンプ回路３８，３９を備えなくてもよい。このように構成しても、前記（１）〜（５）に示す効果と同様の効果を得ることができる。この場合、演算部５０は、同相検波電圧Ｉ及び直交検波電圧Ｑに基づいてセンサ素子１０に加えられる外力を求めるように変更される。なお、演算部５０により求められる振幅電圧α及び移相遅れψは、基準信号に対する相対的な変化量となる。

・前記実施形態において、触覚センサ１は、９０°移相器３２、直交検波器３７、及びオフセットアンプ回路３９を備えていなくてもよい。
この場合、演算部５０には前記同相検波電圧Ｉ（＝α・ｃｏｓ（ψ））のみが入力されることとなるものの、該演算部５０は、該同相検波電圧Ｉにおける振幅電圧αの変化量を近似的に求めることが可能となる。つまり、演算部５０は、リアクタンス成分の変化量については算出できないものの、Ｒ成分の変化量を近似的に算出することが可能となる。よって、こうした変更態様においても、演算部５０は、Ｒ成分の変化量に基づき、触覚センサ１に加わる外力の微小な変化を検出することが可能となる。しかも、このようにすれば、触覚センサ１の構成を簡単にすることができる。

また、例えば、同相検波器３６は、前記同相検波電圧Ｉを出力せず、同相信号に対するセンサ出力信号の振幅変化及び位相遅れψのうちの少なくとも一方を示す検波信号を出力するように変更されてもよい。このようにしても、演算部５０は、センサ素子１０におけるＲ成分の変化及びリアクタンス成分の変化の少なくとも一方を検出することができるため、触覚センサ１に加わる外力の微小な変化を検出することができる。

・センサ素子１０に加わった外力を検出する方法は、前記実施形形態における直交検波方式を用いた方法に限定されない。例えば、図６に示すように、センサドライバ回路２１は、センサ素子１０を介して接地されるとともにバッファ回路２２に接続されてもよい。この場合、演算部５０は、センサ素子１０の端子間電圧に基づいてセンサ素子１０に加わる外力を求めるように変更される。すなわち、センサ素子１０の端子間電圧（出力電圧）を直接検出する「出力電圧の直接検出方式」により、センサ素子１０に加わった外力を検出するようにしてもよい。このようにすれば、触覚センサ１の回路構成を簡単にすることができる。なお、このような構成におけるセンサ素子１０は、検出手段としても機能する。

・また、触覚センサ１は、図７に示すように、センサ素子１０がシャント抵抗Ｒｓ（検出手段）を介して接地されるともに、バッファ回路２２に接続されることにより構成されてもよい。センサ素子１０からの出力電流は、シャント抵抗Ｒｓにより電圧に変換される。演算部５０は、シャント抵抗Ｒｓの端子間電圧に基づいてセンサ素子１０に加わる外力を求めるように変更される。すなわち、センサ素子１０に流れる電流をシャント抵抗Ｒｓにより検出する「出力電流の直接検出方式」により、センサ素子１０に加わった外力を検出するようにしてもよい。このような構成にしても、触覚センサ１の回路構成を簡単にすることができる。

・また、触覚センサ１は、図８に示すように、センサ素子１０の一方の電極１２が接地されるとともに、他方の電極１２が定電流回路５５に接続されることにより構成されてもよい。ここで、定電流回路５５は、センサ素子１０に対して直流電流を流す回路である。演算部５０は、センサ素子１０の端子間電圧に基づいてセンサ素子１０に加わる外力を求めるように変更される。このように構成すれば、センサ素子１０におけるＲ成分やリアクタンス成分の変化により、センサ素子１０の端子間抵抗が変化する。この端子間抵抗の変化は、センサ素子１０の端子間電圧の変化として現れる。したがって、演算部５０は、センサ素子１０の端子間電圧により、センサ素子１０におけるＲ成分やリアクタンス成分の変化を求めることができる。すなわち、センサ素子１０に一定電流を流した状態で、センサ素子１０の端子間抵抗の変化を検出する「抵抗値変化検出方式」により、センサ素子１０に加わった外力を検出するようにしてもよい。

・更に、触覚センサ１は、図９に示すように、センサ素子１０を用いて発振部６０を構成し、該発振部６０から出力される発振信号の周波数の変化からセンサ素子１０に加わる外力を検出するように構成されてもよい。詳しくは、触覚センサ１は、発振ドライブ回路６１（基準信号入力手段）とセンサ素子１０とにより構成される発振部６０を備えてもよい。この発振部６０は、センサ素子１０のＲ成分及びリアクタンス成分の変化により周波数や振幅が変動する発振信号を出力するように構成される。

具体的には、発振部６０は、センサ素子１０のリアクタンス成分が容量性の場合には、図９（ａ）に示すように、センサ素子１０とコンデンサＣ１とが並列となるように構成される。一方、発振部６０は、センサ素子１０のリアクタンス成分が誘導性の場合には、図９（ｂ）に示すように、センサ素子１０とコイルＬ１とが直列となるように構成される。発振ドライブ回路６１は、リアクタンス調整手段としての可変コイルＬ２及び可変コンデンサＣ２を備えている。発振ドライブ回路６１は、後述する制御信号に基づいて可変コイルＬ２または可変コンデンサＣ２の値を調整可能に構成されている。このような構成により、発振部６０は、コイルＬ１、可変コイルＬ２、コンデンサＣ１、及び可変コンデンサＣ２のそれぞれの値で定まる周波数を有する発振信号を出力する。位相検波器６２（検出手段）は、予め設定された基準発振周波数に対して発振信号の周波数が大きくなったり小さくなったりした場合、その周波数の変化量に基づいて周波数の変動を抑制するべく制御信号を発振ドライブ回路６１に出力する。つまり、位相検波器６２は、発振信号の周波数が大きくなった場合には発振信号の周波数を小さくする旨の制御信号を、発振信号の周波数が小さくなった場合には発振信号の周波数を大きくする旨の制御信号を出力する。また、位相検波器６２は、制御信号を、センサ素子１０におけるリアクタンス成分の変化量として演算部５０に出力する。演算部５０は、制御信号に基づいてセンサ素子１０に加わる外力を求める。

このような構成によれば、センサ素子１０のリアクタンス成分の変化分は、発振信号の周波数の変化分を介して間接的に検出される。このため、触覚センサ１の被検出量の変化が微小なためにセンサ素子１０のリアクタンス成分の変化が微弱となっても、センサ素子１０に加わる外力を発振信号の周波数の変化として確実に検出することができる。また、位相検波器６２に加えて、発振信号の振幅を検出する回路を備えれば、演算部５０は、その振幅の変化に基づいて、センサ素子１０におけるＲ成分の変化をも求めることができる。

・前記実施形態における触覚センサ１は、移相器３１により、センサ素子１０に外力が加わっていない状態におけるセンサ出力信号の位相と同相信号の位相とを一致させている。しかし、触覚センサ１は、移相器３１によらないで、両信号の位相を一致させるように構成されてもよい。例えば、電気的な特性が同一のセンサ素子１０を別途用意し、このセンサ素子１０を移相器３１の代わりに用いてもよい。このようにしても、同相信号の位相とセンサ出力信号の位相とを一致させることができる。また、このように、同一のセンサ素子１０を２つ使用した場合、位相のみならず、センサ素子１０に外力が加わっていない状態におけるセンサ出力信号の振幅と同相信号の振幅とをも一致させることができる。したがって、製造ばらつきによるセンサ素子１０のＲ成分及びリアクタンス成分のばらつきを吸収することができる。

・前記実施形態において９０°移相器は、同相信号の位相を９０°だけ遅らせることにより直交用移相器として用いられている。しかし、９０°移相器３２は、移相器３１における基準信号の移相量に９０°加算した分だけ基準信号を移相させることにより直交用移相器として用いられてもよい。要するに、直交用移相器は、センサ素子１０に外力が加わっていない状態におけるセンサ出力信号に対して９０°の位相差となるように、基準信号を移相させる構成であればよい。

・前記実施形態において発振回路２０は、交流信号に代わって直流信号を出力するように変更されてもよい。この場合、演算部５０は、バッファ回路２２からの出力に基づいてセンサ素子１０に加わった外力を検出するように変更される。演算部５０は、直流信号の電圧値の変化からセンサ素子１０のＲ成分の変化を検出する。このような構成によると、触覚センサ１の回路構成を簡単にすることができる。特に、センサ素子１０のＲ成分を大きく変化させる外力がセンサ素子１０に加わった場合には、このような回路構成による検出が特に有効となる。

・センサ素子１０は、コイル状炭素繊維１１ｂのみ、コイル状炭素繊維１１ｂを含んだものに限定されない。例えば、センサ素子１０は、銅や銀等の金属材料、炭化チタン（ＴｉＣ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の合金材料、炭素材料、ポリアセチレン等の高分子材料などの導電性繊維が、線状、コイル状、または筒状等に形成されたものが媒体１１ａ中に分散された構成となっていてもよい。この導電性繊維の製造方法は特に限定されず、例えば気相成長法等が挙げられる。導電性繊維の具体例としては、前記コイル状炭素繊維１１ｂの他に、カーボンナノチューブ、ＶＧＣＦ（気相成長炭素繊維）、ＰＡＮ系炭素繊維やピッチ系炭素繊維等の炭素繊維、導電性ウィスカ等が挙げられる。これらは単独でセンサ素子１０を構成してもよいし、二種以上が組み合わされてセンサ素子１０を構成してもよい。これら導電性繊維は、太さがμｍ単位以下の寸法に形成されているため、コイル状炭素繊維１１ｂと同様に、被検出量の微小な変化にも反応してそのＲ成分やリアクタンス成分が変化する。つまり、センサ素子に外力が加わって導電性繊維が曲がると、導電性繊維内に歪が発生してＲ成分が変化するとともに、曲がる前に比較して媒体１１ａと導電性繊維との位置関係が相違することによりリアクタンス成分が変化する。これら導電性繊維を用いたセンサ素子を用いた触覚センサによっても、前記（１）〜（５）に示す効果と同様の効果を得ることができる。

また、センサ素子１０は、これら導電性繊維とコイル状炭素繊維１１ｂとの混合物が媒体１１ａ中に分散された構成となっていてもよい。例えば、ＶＧＣＦとコイル状炭素繊維１１ｂとの混合物が媒体１１ａ中に分散されたセンサ素子１０を適用した場合には、センサ出力信号が安定して被検出量の微小変化を精度よく検出することができることが、本願の発明者により実験で確認されている。また、センサ素子１０は、媒体１１ａ中に圧電体粉末が分散されることにより構成されてもよい。圧電体粉末の具体例としてはフェライト、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ₃）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ₃）、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰｂＺｒＴｉＯ₃）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ₃）等が挙げられる。このように構成しても、センサ素子１０からのセンサ出力信号が安定して被検出量の微小変化を精度よく検出することができる。

・コイル状炭素繊維１１ｂは、必ずしも非晶質である必要はなく、コイル状に形成された結晶質の炭素繊維によって構成されていてもよい。
・本発明によるセンサは、触覚センサ１以外の用途にも適用することができる。例えば、本発明のセンサは、歪センサ、微振動センサ、味覚センサ、光センサ、電磁波センサ、超音波センサ、温度センサ、湿度センサ、流量センサ、加速度センサ、角速度センサ等にも適用することができる。要するに、センサ素子１０のＲ成分、Ｌ成分、及びＣ成分のいずれかを変動させる被検出量であれば、本センサにより検出することが可能である。

次に、前記実施形態から把握できる技術的思想を以下に追記する。
（１）請求項１に記載のセンサにおいて、前記検出手段は、前記センサ素子の端子間における電圧を前記センサ出力信号として検出すること。

（２）請求項１に記載のセンサにおいて、前記センサ素子に直列に接続される抵抗素子を備え、前記検出手段は、前記抵抗素子の端子間電圧を前記センサ出力信号として検出すること。

（３）請求項１に記載のセンサにおいて、前記基準信号入力手段は、前記センサ素子に一定電流を流す定電流回路であり、前記検出手段は、前記センサ素子の端子間における抵抗値の変化を検出すること。

本発明の一実施形態におけるセンサ素子の斜視図。 （ａ）は、同センサ素子のＣＭＣの等価回路図、（ｂ）は、同センサ素子の等価回路図。 本発明の一実施形態における触覚センサの電気ブロック図。 同触覚センサによる検出原理を示すグラフ。 （ａ）は、センサ素子を指で押し下げた場合の検出結果を示すグラフ、（ｂ）は、同センサ素子を指で軽く触れた場合の検出結果を示すグラフ、（ｃ）は、同センサ素子を指で撫でた場合の検出結果を示すグラフ。 他の実施形態における触覚センサの電気ブロック図。 他の実施形態における触覚センサの電気ブロック図。 他の実施形態における触覚センサの電気ブロック図。 （ａ）、（ｂ）は、他の実施形態における触覚センサの電気ブロック図。

符号の説明

１…センサとしての触覚センサ、１０…センサ素子、１１ａ…媒体、２０…基準信号入力手段としての発振回路、３０…信号調整手段としての移相部、３１…検出手段としての移相器、３２…検出手段及び直交用移相器としての９０°移相器、３５…検出手段としての検波部、３６…検出手段及び第１検波器としての同相検波器、３７…検出手段及び第２検波器としての直交検波器、５５…基準信号入力手段としての電流回路、６０…発振部、６２…位相検波器、Ｒｓ…検出手段としてのシャント抵抗、Ｃ２…リアクタンス調整手段としての可変コンデンサ、Ｌ２…リアクタンス調整手段としての可変コイル。

Claims (10)

1. 太さがμｍ単位以下の寸法に形成されたコイル形状をなす炭素繊維が誘電性の媒体中に分散されることにより構成されるセンサ素子と、
   前記センサ素子に基準信号を出力する基準信号入力手段と、
   前記基準信号の入力に対する前記センサ素子の抵抗成分及びリアクタンス成分のうち少なくとも一方の変化に基づくセンサ出力信号を検出する検出手段とを備えるセンサ。
2. 前記基準信号は、時間の経過とともに振幅が変化する交流信号であり、
   前記検出手段は、前記基準信号に基づく検波基準信号を用いて前記センサ出力信号を検波する請求項１に記載のセンサ。
3. 前記検出手段は、前記検波基準信号の振幅及び位相のうち少なくとも一方を調整する信号調整手段を備える請求項２に記載のセンサ。
4. 前記信号調整手段は、前記検波基準信号を移相させることにより、前記センサ素子の抵抗成分及びリアクタンス成分が変化しない状態における前記センサ出力信号に前記検波基準信号の位相を一致させる移相器を備える請求項３に記載のセンサ。
5. 前記検出手段は、前記検波基準信号と前記センサ出力信号とを比較することにより前記センサ出力信号を検波し、両信号間の位相差を検出する請求項３または請求項４に記載のセンサ。
6. 前記信号調整手段は、前記センサ素子の抵抗成分及びリアクタンス成分が変化しない状態における前記センサ出力信号に対して９０°の位相差となるように前記検波基準信号を移相させて、直交信号を生成する直交用移相器を備え、
   前記検出手段は、前記検波基準信号を用いて前記センサ出力信号を検波する第１検波器と、前記直交信号を用いて前記センサ出力信号を検波する第２検波器とを備える請求項３または請求項４に記載のセンサ。
7. 前記基準信号入力手段と前記センサ素子とは、該センサ素子のリアクタンス成分の変化により周波数が変動し、該センサ素子の抵抗成分の変化により振幅が変動する発振信号を出力する発振部を構成し、
   前記検出手段は、前記発振信号の周波数及び振幅のうち少なくとも一方を検出する請求項１に記載のセンサ。
8. 前記基準信号入力手段は、前記発振信号の周波数を変化させるリアクタンス調整手段を備え、前記発振信号の周波数を変化させる旨の制御信号が入力された際には前記リアクタンス調整手段により前記発振信号の周波数を調整し、
   前記検出手段は、前記発振信号の周波数の変化量を検出する位相検波器を備え、該変化量を前記センサ素子におけるリアクタンス成分の変化として検出するとともに、該変化量に基づいて該周波数の変化を抑制するべく前記制御信号を出力する請求項７に記載のセンサ。
9. 太さがμｍ単位以下の寸法に形成された弾力性を有する導電性繊維が誘電性の媒体中に分散されることにより構成されるセンサ素子と、
   前記センサ素子に基準信号を出力する基準信号入力手段と、
   前記基準信号の入力に対する前記センサ素子の抵抗成分及びリアクタンス成分のうち少なくとも一方の変化に基づくセンサ出力信号を検出する検出手段とを備えるセンサ。
10. 抵抗成分及びリアクタンス成分を有し、被検出量の変化に基づいて抵抗成分及びリアクタンス成分のうち少なくとも一方が変化するセンサ素子と、
    前記センサ素子に交流信号を出力する基準信号入力手段と、
    前記センサ素子の抵抗成分及びリアクタンス成分が変化しない状態において、前記交流信号の入力に対する前記センサ素子の抵抗成分及びリアクタンス成分のうち少なくとも一方の変化に基づくセンサ出力信号に対して９０°の位相差となるように前記交流信号を移相させて、直交信号を生成する直交用移相器を備え、
    前記交流信号に基づく検波基準信号を用いて前記センサ出力信号を検波する第１検波器と、
    前記直交信号を用いて前記センサ出力信号を検波する第２検波器とを備えるセンサ。

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