JP2006078429A - Sensing device - Google Patents

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Kohei Motoo
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a tactile sensor of vibration mode, that is, having a wide range of detectable conditions for contact or detectable external forces. <P>SOLUTION: The tactile sensor, equipped with the body of tactile sensor having an elastic metal, a ferromagnetic body membrane formed on the surface of the elastic metal, and a first electrode and a second electrode formed on the ferromagnetic body membrane, a driving voltage impression circuit section impressing driving voltage to the first electrode, and a detecting circuit section for detecting the output from the second electrode, changes the frequency of the driving voltage impressed on the first electrode, by forcing the body of tactile sensor so as to resonate in a plurality of resonance modes and arranges an elastic body to a part contacting the test bodies in the body of tactile sensor, while the spring constant of the elastic body modulus changes according to the change in the external force. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、触覚センサに関する。この触覚センサは振動型センサであり、触覚センサとして好適に用いられる。   The present invention relates to a tactile sensor. This tactile sensor is a vibration type sensor and is preferably used as a tactile sensor.

圧電バイモルフ素子などを利用した触覚センサが種々提案されている（特許文献１〜特許文献５参照）。
また、特許文献６には、センサ本体部の振動を利用した触覚センサが提案されている。この触覚センサは弾性金属と、該弾性金属の表面に形成された強磁性体膜と、該強磁性体膜の上に形成された第１の電極及び第２の電極と、を備える触覚センサ本体部と、第１の電極へ駆動電圧を印加する駆動電圧印加回路部と、第２の電極の出力を検出する検出回路部と、を備えてなる。そして、第２の電極の出力に基づき、センサ本体部と被検体との接触状態の変化を検出する。 Various tactile sensors using a piezoelectric bimorph element have been proposed (see Patent Documents 1 to 5).
Patent Document 6 proposes a tactile sensor using vibration of a sensor main body. This tactile sensor includes an elastic metal, a ferromagnetic film formed on the surface of the elastic metal, and a first electrode and a second electrode formed on the ferromagnetic film. , A drive voltage application circuit unit that applies a drive voltage to the first electrode, and a detection circuit unit that detects the output of the second electrode. Based on the output of the second electrode, a change in the contact state between the sensor main body and the subject is detected.

特開２００２−３１５７４号公報JP 2002-31574 A 特開平１０−２３９１７３号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-239173 特表平８−５０１８９９号公報Japanese National Patent Publication No. 8-501899 特開２０００−７１１９１号公報JP 2000-71191 A 特開２００２−２３６０５９号公報JP 2002-236059 A 特開２００３−３４４１４９号公報JP 2003-344149 A

上記特許文献６に記載の触覚センサはＤＮＡ分子、細胞及び微生物等の微小な被検体に対する接触状態を検出するためのものであるため、高い感度にチューニングされている。従って、検出できる接触状態、即ち検出できる外力の範囲が狭い。   Since the tactile sensor described in Patent Document 6 is for detecting a contact state with a minute object such as a DNA molecule, a cell, and a microorganism, it is tuned to high sensitivity. Accordingly, the detectable contact state, that is, the range of the external force that can be detected is narrow.

本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねてきた結果、次なる構成の本発明に想到した。
即ち、基材と、該基材に設けられた圧電部と、該圧電部に電気的に接続された駆動用電極及び検出用電極と、を備える触覚センサ本体部と、
前記駆動用電極へ駆動電圧を印加する駆動電圧印加回路部と、
前記検出用電極の出力を検出する検出回路部とを備え、
前記駆動電圧の印加により前記圧電部が振動し、当該振動を前記検出回路部が前記検出用電極からの出力でもって検出することができるセンシング装置において、
前記触覚センサ本体部が少なくとも２以上の共振モードのうちの一つの共振モードで共振するように、前記駆動用電極へ印加する駆動電圧の周波数を変化させる加振周波数設定部を備え、
前記触覚センサ本体部に加わる外力を緩和する緩衝部材を、前記触覚センサ本体部と被検出体との間に介在させた状態で、前記共振周波数設定部によって設定された１つの共振モードで前記触覚センサ本体部を共振させる、ことを特教とするセンシング装置。
上記の構成において、緩衝部材は、外力が加わることで変形して、触覚センサ本体部に加わる外力を緩和することができる高分子材料またはスポンジからなるのが好ましい。
また、緩衝部材は、触覚センサ本体部において被検体へ接触する部分に配設可能な弾性体であり、該弾性体の弾性係数(バネ係数)は外力の変化に応じて変化するものであるのが好ましい。
また、検出用電極の出力が所定の閾値を下回ったとき、前記加振周波数設定部は、共振モードの次数を大きくするように、前記駆動電圧の周波数を設定できたり、また、前記検出用電極の出力が別の閾値を上回ったとき、前記加振周波数設定部は、共振モードの次数を小さくするように、前記駆動電圧の周波数を設定することができるのが好ましい。
また、センシング装置は、前記触覚センサ本体部に加わる外力を算出することができる外力算出部を備えるのが好ましい。更に、センシング装置は、前記外力算出部から算出される外力から、前記緩衝部材の弾性係数を算出することができる弾性係数算出部を備えるのが好ましい。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have arrived at the present invention having the following configuration.
That is, a tactile sensor main body including a base material, a piezoelectric portion provided on the base material, and a driving electrode and a detection electrode electrically connected to the piezoelectric portion;
A drive voltage application circuit for applying a drive voltage to the drive electrode;
A detection circuit unit for detecting the output of the detection electrode;
In the sensing device in which the piezoelectric unit vibrates by application of the driving voltage, and the vibration can be detected by the detection circuit unit with an output from the detection electrode.
An excitation frequency setting unit configured to change a frequency of a driving voltage applied to the driving electrode so that the tactile sensor body unit resonates in one resonance mode of at least two resonance modes;
The tactile sensation is set in one resonance mode set by the resonance frequency setting unit in a state where a buffer member for reducing external force applied to the tactile sensor main body is interposed between the tactile sensor main body and the detected object. A sensing device that specializes in resonating the sensor body.
In the above configuration, it is preferable that the buffer member is made of a polymer material or sponge that can be deformed by an external force and can relax the external force applied to the tactile sensor main body.
Further, the buffer member is an elastic body that can be disposed in a portion of the tactile sensor main body that contacts the subject, and the elastic coefficient (spring coefficient) of the elastic body changes in accordance with a change in external force. Is preferred.
In addition, when the output of the detection electrode falls below a predetermined threshold, the excitation frequency setting unit can set the frequency of the drive voltage so as to increase the order of the resonance mode, or the detection electrode It is preferable that the excitation frequency setting unit can set the frequency of the drive voltage so as to reduce the order of the resonance mode when the output exceeds the other threshold.
The sensing device preferably includes an external force calculator that can calculate an external force applied to the tactile sensor main body. Furthermore, it is preferable that the sensing device includes an elastic coefficient calculation unit that can calculate an elastic coefficient of the buffer member from an external force calculated from the external force calculation unit.

上記のように構成されたセンシング装置によれば、緩衝部材が触覚センサ本体部に加わる外力を緩和することができる。仮に、触覚センサ本体部と被検出体との間に緩衝部材が無い場合、触覚センサ本体部に加わる外力によって、触覚センサ本体部が共振モードで共振することができない虞があり、検出用電極は十分に出力できない虞がある。しかし、触覚センサ本体部と被検出体との間に介在する緩衝部材が、触覚センサ本体部に加わる外力を緩和することで、前記触覚センサ本体部が共振モードで共振することが可能となり、検出用電極は十分に出力できる。そして、加振周波数設定部は、触覚センサ本体部が少なくとも２以上の共振モードのうちの一つの共振モードで共振するように、駆動用電極へ印加する駆動電圧の周波数を変化させるので、一つの共振モードでのみ共振する構成に比べて、検出することができる接触状態、即ち、検出することができる外力の範囲を広くすることができる。
また、駆動電圧の印加により圧電部が振動し、触覚センサ本体部が共振モードで共振し、当該触覚センサ本体部の振動を検出回路部が検出用電極からの出力でもって検出することができるので、例えば、駆動電圧を印加しても検出用電極からの出力が不十分な場合、圧電部、検出回路部等が故障していることが分かり、修理等の対応が可能となる。それにより、センシング装置の品質が維持されることになる。 According to the sensing device configured as described above, the external force applied to the tactile sensor main body by the buffer member can be reduced. If there is no buffer member between the tactile sensor body and the body to be detected, the external force applied to the tactile sensor body may cause the tactile sensor body to not resonate in the resonance mode. There is a possibility that it cannot output sufficiently. However, the buffer member interposed between the tactile sensor main body and the body to be detected relieves the external force applied to the tactile sensor main body, so that the tactile sensor main body can resonate in the resonance mode, and detection The electrode can output sufficiently. The excitation frequency setting unit changes the frequency of the drive voltage applied to the drive electrode so that the tactile sensor main body resonates in one resonance mode of at least two resonance modes. Compared to a configuration that resonates only in the resonance mode, a contact state that can be detected, that is, a range of external force that can be detected can be widened.
In addition, the piezoelectric part vibrates by the application of the drive voltage, the tactile sensor body part resonates in the resonance mode, and the detection circuit part can detect the vibration of the tactile sensor body part with the output from the detection electrode. For example, if the output from the detection electrode is insufficient even when the drive voltage is applied, it can be seen that the piezoelectric portion, the detection circuit portion, etc. are out of order, and repair or the like can be handled. Thereby, the quality of the sensing device is maintained.

この発明のセンシング装置としての触覚センサ１の構成を図１に示す。図１（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ触覚センサの拡大側面図、要部平面図、及び要部底面図である。
触覚センサ１は触覚センサ本体部３、駆動電圧印加回路部１１、検出回路部１３、加振周波数設定部としての共振周波数調整部１５及び緩衝部材としての弾性体２０を備えてなる。
触覚センサ本体部３は基材５となる弾性材料の表面に圧電材料膜６を形成する。
ここに、基材５は弾性がありかつ導電性を有するものとする。基材５が弾性を有することにより振動が生じ、また導電性を有することによりその表面の圧電材料膜６へ均等に電圧を印加することができる。かかる特性を有する材料としてチタンその他の金属を挙げることができる。また、弾性を有する導電性樹脂を用いることもできる。弾性を有する樹脂の表面へ金属層を形成したもの基材として用いてもよい。
基材５は複数の共振モードを有するものとし、その範囲で材質、形状、厚さなどを任意に選択できる。 A configuration of a tactile sensor 1 as a sensing device of the present invention is shown in FIG. 1A, 1B, and 1C are an enlarged side view, a principal plan view, and a principal bottom view of the tactile sensor, respectively.
The tactile sensor 1 includes a tactile sensor main body 3, a drive voltage application circuit unit 11, a detection circuit unit 13, a resonance frequency adjustment unit 15 as an excitation frequency setting unit, and an elastic body 20 as a buffer member.
The tactile sensor main body 3 forms a piezoelectric material film 6 on the surface of an elastic material to be a base 5.
Here, the base material 5 is elastic and has conductivity. Since the base material 5 has elasticity, vibration is generated, and since the base material 5 has conductivity, a voltage can be applied uniformly to the piezoelectric material film 6 on the surface. Examples of materials having such characteristics include titanium and other metals. Alternatively, an elastic conductive resin can be used. You may use as a base material which formed the metal layer on the surface of resin which has elasticity.
The substrate 5 has a plurality of resonance modes, and the material, shape, thickness, and the like can be arbitrarily selected within the range.

基材５の表面に圧電部としての圧電材料により膜６を形成する。
圧電材料としてＰＺＴ（チタンジルコン酸鉛）やチタン酸バリウムなどの周知の材料を用いることができる。圧電材料膜６の膜厚は第２の電極からの出力、基板の振動に対するＱ値、振幅などを考慮して適宜選択される。
圧電材料膜６は少なくとも基材の一部分に形成されればよい。 A film 6 is formed on the surface of the substrate 5 with a piezoelectric material as a piezoelectric portion.
As the piezoelectric material, a known material such as PZT (lead titanium zirconate) or barium titanate can be used. The film thickness of the piezoelectric material film 6 is appropriately selected in consideration of the output from the second electrode, the Q value with respect to the vibration of the substrate, the amplitude, and the like.
The piezoelectric material film 6 may be formed on at least a part of the substrate.

駆動用電極としての第１の電極７及び検出用電極としての第２の電極８は基材の共振を阻害しないように膜６上に形成される。従って、これら電極は薄膜状にすることが好ましい。薄膜状の電極は真空蒸着、スパッタリング及びその他の周知の方法で形成することができる。
第１の電極７及び第２の電極８の形成材料も特に限定されるものではないが、圧電材料膜との接着性がよくかつ接触抵抗の小さい材料を選択することが好ましい。かかる電極の材料として、アルミニウム、金、ニッケル、ＩＴＯなどを挙げることができる。
第１の電極７及び第２の電極８の形成位置、及びその形状も特に限定されるものではないが、図１（Ｂ）、（ｃ）に示すように、基板のほぼ中央に、周縁部分から少々マージンをとって形成することが好ましい。基板の周縁部分に対してマージンをとるのは、第１の電極７と第２の電極８とのショートを確実に防止するためである。 The first electrode 7 as the drive electrode and the second electrode 8 as the detection electrode are formed on the film 6 so as not to disturb the resonance of the substrate. Accordingly, these electrodes are preferably formed into a thin film. The thin film electrode can be formed by vacuum deposition, sputtering, and other known methods.
The material for forming the first electrode 7 and the second electrode 8 is not particularly limited, but it is preferable to select a material having good adhesion to the piezoelectric material film and low contact resistance. Examples of the material for the electrode include aluminum, gold, nickel, ITO, and the like.
The formation positions and the shapes of the first electrode 7 and the second electrode 8 are not particularly limited. However, as shown in FIGS. 1B and 1C, a peripheral portion is provided at substantially the center of the substrate. Therefore, it is preferable to form with a little margin. The reason for taking a margin with respect to the peripheral portion of the substrate is to surely prevent a short circuit between the first electrode 7 and the second electrode 8.

駆動電圧印加回路部１１は第１の電極と基材５との間へ駆動電圧として交流を印加し、もって基材５を共振させる。共振が可能であれば、基材５の保持の態様は片持ちはりであっても両持ちはりであってもよい。この発明では、基材５の共振モードを変更するために、共振周波数調整部１５が備えられ、第１の電極７へ印加される駆動電圧の周波数が調整される。
触覚センサ本体部３が共振状態あるとき、これに外力がかかると第２の電極８と基材５との間に電圧が発生する。この電圧を検出回路部１３で検出する。この電圧は外力の大きさの変化に対して一定の関係をもって変化する。 The drive voltage application circuit unit 11 applies alternating current as a drive voltage between the first electrode and the base material 5 to resonate the base material 5. As long as resonance is possible, the holding mode of the base material 5 may be a cantilever or a both-side support. In the present invention, in order to change the resonance mode of the substrate 5, the resonance frequency adjusting unit 15 is provided, and the frequency of the drive voltage applied to the first electrode 7 is adjusted.
When the tactile sensor main body 3 is in a resonance state, a voltage is generated between the second electrode 8 and the substrate 5 when an external force is applied thereto. This voltage is detected by the detection circuit unit 13. This voltage changes with a certain relationship to the change in the magnitude of the external force.

この発明では、触覚センサ本体部３に対して弾性体２０を介して外力がかかる構成とした。換言すれば、触覚センサ本体部３において被検体へ接触する部分に弾性体２０を介在させるようにした。この弾性体２０は、図２Ａに示すように、外力Ｆの強さに対するその変形量ｘが直線関係になく、その結果、図２Ｂに示すように、外力Ｆの変化にともないそのばね定数ｋが変化（累積的に増加）する材料からなる。かかる材料としてポリウレタン等の高分子材料からなるゲルを挙げることができる。そのほか、スポンジ材料（高分子材料に限られない）を用いることもできる。
柔軟なゲルを触覚センサ本体部３と被検体との間に介在させることにより、触覚センサ本体部３に加わる外力を緩和させることができ、更に触覚センサは被検体に対する接触感が柔らかとなる。そのため、人、動物、植物などへの接触を図るときに好適なものとなる。 In the present invention, an external force is applied to the touch sensor main body 3 via the elastic body 20. In other words, the elastic body 20 is interposed in the portion of the touch sensor main body 3 that contacts the subject. As shown in FIG. 2A, the deformation amount x of the elastic body 20 with respect to the strength of the external force F is not in a linear relationship. As a result, as shown in FIG. Consists of materials that change (cumulatively increase). An example of such a material is a gel made of a polymer material such as polyurethane. In addition, a sponge material (not limited to a polymer material) can be used.
By interposing a flexible gel between the tactile sensor body 3 and the subject, the external force applied to the tactile sensor body 3 can be relaxed, and the tactile sensor has a soft touch to the subject. Therefore, it is suitable for making contact with people, animals, plants and the like.

弾性体と触覚センサ本体部との間に空間があることが好ましい。これは、触覚センサ本体部３の無負荷状態の振動時に弾性体２０からの影響を排除するためである。そして、弾性体２０を介して被検体へ触覚センサ本体３を接触させたとき、弾性体２０が触覚センサ本体３へ触れることとなる。
なお、無負荷状態において触覚センサ本体部３と弾性体２０とを接触状態とすることもできる。この場合、両者の接触を考慮して、触覚センサ本体部３に印加する駆動電圧の共振周波数が調整される。 It is preferable that there is a space between the elastic body and the tactile sensor main body. This is to eliminate the influence from the elastic body 20 when the tactile sensor body 3 is vibrated in an unloaded state. When the tactile sensor main body 3 is brought into contact with the subject via the elastic body 20, the elastic body 20 comes into contact with the tactile sensor main body 3.
Note that the tactile sensor main body 3 and the elastic body 20 can be brought into contact with each other in an unloaded state. In this case, the resonance frequency of the drive voltage applied to the tactile sensor main body 3 is adjusted in consideration of the contact between the two.

かかる構成の触覚センサの特性について説明する。
センサは直径2tsの円柱形基板の表面に厚みtpの圧電材料膜を成膜したものとする（図３参照）。
圧電解析より、(1)アクチュエータ電極への入力電圧とその時のはりに生じる曲げモーメントとの関係と、(2)たわみuの時のセンサ電極の出力電圧を導出する。解析モデルを図４に示す。圧電基本式は、Sx：ひずみ，Yp：圧電薄膜のヤング率，σx：応力，d31：圧電定数，Er：電界，Dr：電束密度，ε3：誘電率とすると
となり、アクチュエータ電極へ電圧を印加した時、それによって生じるはりの曲げモーメントmxは、Vi：入力電圧とすると、(1)式より
となる。たわみuの時のセンサ電極の電圧Vは、Cp：静電容量とすると、(2)式より
となる。 The characteristics of the tactile sensor having such a configuration will be described.
Sensor shall depositing the piezoelectric material layer having a thickness t p on the surface of the cylindrical substrate having a diameter of 2t s (see FIG. 3).
From the piezoelectric analysis, (1) the relationship between the input voltage to the actuator electrode and the bending moment generated in the beam at that time, and (2) the output voltage of the sensor electrode at the time of deflection u are derived. The analysis model is shown in FIG. The basic piezoelectric equation is S x : Strain, Y p : Young's modulus of piezoelectric thin film, σ x : Stress, d 31 : Piezoelectric constant, E r : Electric field, D r : Electric flux density, ε 3 : Dielectric constant
When a voltage is applied to the actuator electrode, the bending moment m x of the resulting beam is V i : Input voltage
It becomes. The voltage V of the sensor electrode at the time of deflection u is C p : Capacitance.
It becomes.

はりのたわみuを、モード解析法を用いて導出する。解析モデルは、一端固定、他端弾性支持はりとした(図５参照)。弾性支持としたのは、ゲルに力を加えた時、ゲルの弾性定数が変化し、それによりたわみuが変化すると考えたからである。はりのたわみuは、このはりの基準関数をUr(x)，基準座標をξr(t)とすると
で表される。ここで，基準座標は，ωr：固有振動数，Pr：換算外力，Mr：換算質量，Xr：任意定数，c：減衰係数，l：長さ，E：ヤング率，I：断面2次モーメント，ρ：密度，A：断面積とすると
で表される。Prは、バネ定数をkとし、バネから受ける力と逆圧電効果による力Pを考慮すると
となり、はりのたわみは
となる。振動型センサは共振周波数で使われるので、ω=ωrとし、共振している時、他の振動モードの影響は非常に小さいため、それを無視すると
となる。 Deflection of the beam u is derived using the mode analysis method. The analysis model was fixed at one end and elastically supported at the other end (see FIG. 5). The reason why the elastic support is adopted is that it is considered that when a force is applied to the gel, the elastic constant of the gel changes, and the deflection u changes accordingly. The deflection u of the beam is given by U r (x) as the reference function of this beam and ξ r (t) as the reference coordinate.
It is represented by Here, the reference coordinates are ω r : natural frequency, P r : reduced external force, M r : reduced mass, X r : arbitrary constant, c: damping coefficient, l: length, E: Young's modulus, I: cross section Second moment, ρ: density, A: cross section
It is represented by P r is the spring constant k, and the force received from the spring and the force P due to the inverse piezoelectric effect are taken into account.
And the deflection of the beam
It becomes. Since vibration type sensors are used at the resonance frequency, ω = ω r and when resonating, the influence of other vibration modes is very small.
It becomes.

共振しているセンサの出力電圧は、(15)式を(4)式に代入して
となり、(3)式と(12)式より
となり、(18)式を(17)式に代入して
となる。感度をVrのkに関する導関数と定義すると、感度Srは
となる。
センサの解析結果を用い、共振モードとしての1-4次モードの(1)センサ出力とバネ定数の関係、(2)感度とバネ定数の関係について考察する。 The output voltage of the resonating sensor is calculated by substituting equation (15) into equation (4).
From Equations (3) and (12)
Substituting equation (18) into equation (17)
It becomes. Defining sensitivity as the derivative of V r with respect to k, the sensitivity S r is
It becomes.
Using the sensor analysis results, we will discuss (1) the relationship between the sensor output and the spring constant, and (2) the relationship between the sensitivity and the spring constant in the 1-4th order mode as the resonance mode.

1-4次モードのセンサ出力-バネ定数曲線を(19)式より導出した(図６参照)。さらに、振動モードとセンサ出力-バネ定数曲線の関係をより明確にするために、バネ定数が0の時（即ち、外力が０のとき）のセンサ出力を1次モードの値に合わせたグラフを図７に示す。このグラフより、振動モードによってセンサの特性が大きく異なることがわかる。
図６より、共振モードのうちの１次モードによる検出中においては、第２の電極８からの出力電圧が第１の閾値Ｓ１以下になると、振動モードを２次モードに変更し当該モードでの検出を行うことが好ましいことがわかる。同様に、２次モードによる検出中に出力電圧が第２の閾値Ｓ２以下になると、振動モードを３次モードとすることが好ましい。３次モードによる検出中に出力電圧が第３の閾値Ｓ３以下になると、振動モードを４次モードとすることが好ましい。また、２次モードによる検出中に出力電圧が第４の閾値Ｓ４以上になると、振動モードを１次モードとすることが好ましい。３次モードによる検出中に出力電圧が第５の閾値Ｓ５以上になると、振動モードを２次モードとすることが好ましい。４次モードによる検出中に出力電圧が第６の閾値Ｓ６以上になると、振動モードを３次モードとすることが好ましい。従って、共振周波数調整部１５は、触覚センサ本体部３が４つの共振モードで共振するように第１の電極７へ印加する駆動電圧の周波数を変化させることが可能であり、閾値に対する大小によって、設定された１つの共振モードで触覚センサ本体部３を共振させることができる。共振周波数調整部１５は、触覚センサ本体部３が少なくとも２以上の共振モードのうちの一つの共振モードで共振するように、第１の電極７へ印加する駆動電圧の周波数を変化させることができるので、一つの共振モードでのみ共振する構成に比べて、検出することができる接触状態、即ち、検出することができる外力の範囲を広くすることができる。
なお、触覚センサ本体部３が共振する４つの共振モードのうちの一つの共振モードの選定については、被検体及び弾性体等の種類等に応じて予め設定してもよい。更には、共振モードを変更可能な制御装置を付加する構成を追加してもよい。この場合、共振周波数調整部１５及び共振モードを変更可能な制御装置が、加振周波数設定部として機能することになる。
これにより、広いばね定数の範囲おいて正確な検出が可能となる。ばね定数と外力とは一対一の関係にあるので、ばね定数から外力を特定することができる。即ち、この発明によれば広い範囲の外力を正確に測定可能である。 The sensor output-spring constant curve in the 1-4th order mode was derived from equation (19) (see FIG. 6). Furthermore, in order to clarify the relationship between the vibration mode and the sensor output-spring constant curve, a graph in which the sensor output when the spring constant is 0 (that is, when the external force is 0) is matched to the value of the primary mode is shown. As shown in FIG. From this graph, it can be seen that the characteristics of the sensor differ greatly depending on the vibration mode.
From FIG. 6, during the detection in the primary mode of the resonance modes, when the output voltage from the second electrode 8 becomes equal to or lower than the first threshold value S1, the vibration mode is changed to the secondary mode. It can be seen that detection is preferable. Similarly, when the output voltage becomes equal to or lower than the second threshold value S2 during detection in the secondary mode, the vibration mode is preferably set to the tertiary mode. When the output voltage becomes equal to or lower than the third threshold value S3 during the detection in the tertiary mode, the vibration mode is preferably set to the quaternary mode. In addition, when the output voltage becomes equal to or higher than the fourth threshold value S4 during detection in the secondary mode, the vibration mode is preferably set to the primary mode. When the output voltage becomes equal to or higher than the fifth threshold value S5 during detection in the tertiary mode, the vibration mode is preferably set to the secondary mode. When the output voltage becomes equal to or higher than the sixth threshold value S6 during detection in the fourth-order mode, the vibration mode is preferably set to the third-order mode. Therefore, the resonance frequency adjusting unit 15 can change the frequency of the drive voltage applied to the first electrode 7 so that the tactile sensor main body unit 3 resonates in four resonance modes. The tactile sensor main body 3 can be made to resonate in one set resonance mode. The resonance frequency adjusting unit 15 can change the frequency of the drive voltage applied to the first electrode 7 so that the tactile sensor main body 3 resonates in one resonance mode of at least two resonance modes. Therefore, as compared with a configuration in which resonance occurs only in one resonance mode, a contact state that can be detected, that is, a range of external force that can be detected can be widened.
The selection of one of the four resonance modes in which the tactile sensor main body 3 resonates may be set in advance according to the type of the subject and the elastic body. Furthermore, you may add the structure which adds the control apparatus which can change a resonance mode. In this case, the resonance frequency adjusting unit 15 and the control device capable of changing the resonance mode function as the excitation frequency setting unit.
As a result, accurate detection is possible within a wide range of spring constants. Since the spring constant and the external force are in a one-to-one relationship, the external force can be specified from the spring constant. That is, according to the present invention, it is possible to accurately measure a wide range of external forces.

1-4次モードの感度-バネ定数曲線を図７と(19)式より導出した(図８)。図８より、k<0.8では1次モードの、0.8<k<3.4では2次モードの、3.4<k<7.3では3次モードの、7.3<kでは4次モードの感度が最も高い事がわかる。すなわち、他の振動モードと比較した場合、振動モードが高いほどバネ定数の高い範囲で高感度である事がわかる。   The sensitivity-spring constant curve of the first-order mode was derived from FIG. 7 and equation (19) (FIG. 8). From FIG. 8, it can be seen that the sensitivity of the primary mode is highest when k <0.8, the secondary mode when 0.8 <k <3.4, the third mode when 3.4 <k <7.3, and the fourth mode when 7.3 <k. . That is, when compared with other vibration modes, it can be seen that the higher the vibration mode, the higher the sensitivity in a range where the spring constant is higher.

次に、上記の特性を確認するための実施例について説明する。
実験に使用するセンサを水熱法を用いて製作した。水熱法を用いたのは曲面形状の基板であっても表面に均質に成膜できるからである。センサの製作プロセスを図９に示す．基板には直径：1mm，長さ5mmのチタン金属を用いた．PZT薄膜の膜厚は25μmとした。 Next, an example for confirming the above characteristics will be described.
The sensor used for the experiment was fabricated using the hydrothermal method. The hydrothermal method is used because even a curved substrate can be uniformly formed on the surface. Figure 9 shows the sensor manufacturing process. The substrate used was titanium metal with a diameter of 1 mm and a length of 5 mm. The thickness of the PZT thin film was 25 μm.

振動モードによって、センサの特性がどのように変化するかを調査するため、実験を行った。実験システムを図１０に示す。片持ちはりにゲルを付け、センサをそのゲルに接触させた時のはり先端の変位をレーザ変位計(Keyence, LC-2420)を用いて計測した。片持ちはりには幅：5mm，厚み：1mmのアルミの四角柱を用い、ゲルには幅：5mm，厚み5mm，長さ：7.5mmのポリウレタンを用いた。
ゲルの特性を図１１及び図１２に示す。
また、片持ちはりの先端の変位uは
を用いて力Ｆに変換した。ここで、EI：曲げ剛性、l：長さである。 An experiment was conducted to investigate how the sensor characteristics change depending on the vibration mode. The experimental system is shown in FIG. A gel was attached to a cantilever beam, and the displacement of the beam tip when the sensor was brought into contact with the gel was measured using a laser displacement meter (Keyence, LC-2420). Aluminum canopy was used for the cantilever beam with a width of 5 mm and a thickness of 1 mm, and the gel was made of polyurethane with a width of 5 mm, a thickness of 5 mm and a length of 7.5 mm.
The characteristics of the gel are shown in FIGS.
Also, the displacement u of the tip of the cantilever is
To force F. Here, EI: bending rigidity, l: length.

実験結果を図１３に示す。これより、1次モードと比較して、2次モードの方がより大きな力に対してセンサ出力の変化量が大きく、広範囲で力計測が可能である事がわかる。図１４は、力が0の時のセンサ出力を1次モードの値に合わせたグラフである。図７と比較すると、定性的に一致している事がわかる。   The experimental results are shown in FIG. From this, it can be seen that the change amount of the sensor output is larger for the greater force in the secondary mode than in the primary mode, and force measurement is possible in a wide range. FIG. 14 is a graph in which the sensor output when the force is 0 is matched with the value of the primary mode. Comparing with FIG. 7, it can be seen that they match qualitatively.

センサの応用として、ロボットフィンガを設計し、その実験を行った。
ロボットフィンガの斜視図を図１５，その内部構造を図１６に示す。センサ数は9個とした。
図１７(a),(b),(c),(d)に実験用ロボットフィンガとその構造を示す。まず、センサをクランプ側の中央と指先側の中央に配列した(a)。次に、より正確に接触位置を把握するためにフレームを作製した(b)。次に、センサの上面のみがゲルと接触するようにフレームとゲルを組み合わせた(c)。最後に、(a)と(c)を組み合わせ、ロボットフィンガとした(d)。 As a sensor application, a robot finger was designed and tested.
FIG. 15 is a perspective view of the robot finger, and FIG. 16 shows its internal structure. The number of sensors was nine.
FIGS. 17 (a), (b), (c), and (d) show experimental robot fingers and their structures. First, the sensors were arranged at the center on the clamp side and the center on the fingertip side (a). Next, a frame was fabricated in order to grasp the contact position more accurately (b). Next, the frame and the gel were combined so that only the upper surface of the sensor was in contact with the gel (c). Finally, (a) and (c) were combined into a robot finger (d).

図１７のロボットフィンガを用いて実験を行った。実験システムを図１８に示す。直径5mmのアルミニウムの丸棒を用い、クランプ側から7mm，14mm，21mmの位置の中央に100gと200gの荷重を加えた。実験結果を図１９−２１に示す。図１９及び図２１より、接触位置とセンサの反応位置が対応している事がわかる。また、荷重を大きくする事により、もう一方のセンサも徐々に反応して行く事がわかる。図２０より、間に荷重を加えた場合，両方のセンサが反応している事がわかる。以上より、このロボットフィンガは接触位置と接触力が認識可能である事がわかる。   Experiments were performed using the robot fingers of FIG. The experimental system is shown in FIG. A 100 mm and 200 g load was applied to the center of the 7 mm, 14 mm, and 21 mm positions from the clamp side using a 5 mm diameter aluminum round bar. The experimental results are shown in FIGS. 19 and 21 that the contact position and the sensor reaction position correspond to each other. It can also be seen that the other sensor gradually reacts by increasing the load. FIG. 20 shows that both sensors are reacting when a load is applied between them. From the above, it can be seen that this robot finger can recognize the contact position and the contact force.

図２２にこの発明のセンサを用いた玩具３０を示す。なお、図１と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
この実施例の玩具３０では、触覚センサ本体部３の全体がゲル状の弾性体３１で覆われ、幼児がこれを把持可能となっている。検出回路部１３で検出された第２の電極の出力電圧とそのときの共振モードとに基づき、ばね定数特定部４１は、図６の関係を参照して、把持された状態の弾性体３１のばね定数を特定する。
加振周波数設定部としての共振モード切替部４３は、第２の電極８の出力が所定の閾値を下回ったときに共振モードの次数を大きくするように、また、第２の電極８の出力が所定の閾値を上回ったときに共振モードの次数を小さくするように、加振周波数設定部としての共振周波数調整部１５を制御する。これにより、切り替えられた共振モードを実現する周波数の駆動電圧が駆動電圧印加回路部１１より第１の電極７に供給されることとなる。それとともに、切り替えられた共振モードに応じて発光表示部３５のランプを選択的に点灯させる。例えば、１次共振モードのときは１つのランプを点灯し、２次共振モードのときは２つのランプを点灯し、３次共振モードのときは４つのランプを点灯し、４次共振モードのときは４つのランプを点灯する。 FIG. 22 shows a toy 30 using the sensor of the present invention. Note that the same elements as those in FIG.
In the toy 30 of this embodiment, the entire tactile sensor main body 3 is covered with a gel-like elastic body 31 so that an infant can hold it. Based on the output voltage of the second electrode detected by the detection circuit unit 13 and the resonance mode at that time, the spring constant specifying unit 41 refers to the relationship of FIG. Specify the spring constant.
The resonance mode switching unit 43 as the excitation frequency setting unit increases the order of the resonance mode when the output of the second electrode 8 falls below a predetermined threshold, and the output of the second electrode 8 The resonance frequency adjusting unit 15 serving as the excitation frequency setting unit is controlled so that the order of the resonance mode is reduced when a predetermined threshold value is exceeded. As a result, a drive voltage having a frequency for realizing the switched resonance mode is supplied from the drive voltage application circuit unit 11 to the first electrode 7. At the same time, the lamp of the light emitting display unit 35 is selectively turned on according to the switched resonance mode. For example, one lamp is lit in the first resonance mode, two lamps are lit in the second resonance mode, four lamps are lit in the third resonance mode, and in the fourth resonance mode. Lights up four lamps.

このように構成された玩具によれば、センサ本体部３を把持する力の強さに応じて発光表示部３の発光態様が変化することとなるので、幼児は玩具に対し強い関心を示し、幼児の保護者の購買意欲を喚起することとなる。この実施例では選択された共振モードに応じてランプの点灯数を変化させているが、発光色を変化させるようにすることもできる。また、発光の代わりに、音声出力をしてその周波数、振幅等を変化させてもよい。
この発明の玩具ではセンサ本体部３がゲルで覆われているので感触が柔らかく、特に幼児向けのものとして好適である。また、センサ本体部３の構造がシンプルであるため、機械的剛性及び耐久性が高く、玩具として好適である。 According to the toy configured in this manner, the light emission mode of the light emitting display unit 3 changes according to the strength of the force to grip the sensor main body unit 3, so that the infant shows a strong interest in the toy, It will arouse the purchase motivation of parents of infants. In this embodiment, the number of lamps to be lit is changed in accordance with the selected resonance mode, but the emission color can also be changed. Further, instead of light emission, sound may be output and its frequency, amplitude, etc. may be changed.
In the toy of the present invention, the sensor main body 3 is covered with a gel, so that the touch is soft and particularly suitable for infants. Moreover, since the structure of the sensor main body 3 is simple, the mechanical rigidity and durability are high, and it is suitable as a toy.

次に、複数の触覚センサを集積した集積センサ５０及びその製造方法について説明する。
まず、図２３に示すように、円柱や四角柱等の細長い基材に圧電薄膜を成膜する。その後、電極を両面に蒸着するし、分割して触覚センサ本体部５１を得る。
他方、図２４に示すように、触覚センサ本体部５１の一端を挿入する孔をあけた土台を準備し、これに配線をプリントする。そして、土台の各孔へ触覚センサ本体部５１を挿入することによりこれを組付ける。その後、電極に対して駆動電圧印加回路及び検出回路からの配線をつなぎ（図示省略）、ゲル５３で触覚センサ本体部５１を全体的に覆う。
このようにして集積センサ５０を容易に形成することができる。 Next, an integrated sensor 50 in which a plurality of tactile sensors are integrated and a manufacturing method thereof will be described.
First, as shown in FIG. 23, a piezoelectric thin film is formed on an elongated base material such as a cylinder or a quadrangular prism. Thereafter, electrodes are vapor-deposited on both sides and divided to obtain the tactile sensor main body 51.
On the other hand, as shown in FIG. 24, a base having a hole into which one end of the tactile sensor main body 51 is inserted is prepared, and wiring is printed thereon. And this is assembled | attached by inserting the tactile sensor main-body part 51 in each hole of a base. Thereafter, wiring from the drive voltage application circuit and the detection circuit is connected to the electrodes (not shown), and the touch sensor main body 51 is entirely covered with the gel 53.
In this way, the integrated sensor 50 can be easily formed.

次に他の集積センサ６０の説明をする。
図２５に示すように、この集積センサ６０は平板状の触覚センサ本体部６１が振動可能なようにその周縁部を土台７１へ固定して、その上に弾性体７５を被覆した構成である。
触覚センサ本体部６１は図２６に示すように形成される。まず、チタン製の基板６２にスリット６３を形成する。このスリット６３は基板６２の１つの縁で終了し、もって基板はその一体性が保たれている。これにより、基板６２の取り扱いが容易になる。その後、圧電材料により圧電薄膜を成膜する。そして、基板６２の上下面の同じ位置にアルミニウムを蒸着して電極とする。これにより、スリット６３、仮想線６４及び基板の周縁で囲まれた部分に平板状の触覚センサ本体部６１が形成される。この実施例では９つの触覚センサ本体部６１が集積されている。 Next, another integrated sensor 60 will be described.
As shown in FIG. 25, the integrated sensor 60 has a configuration in which a peripheral portion is fixed to a base 71 so that a flat tactile sensor main body 61 can vibrate, and an elastic body 75 is covered thereon.
The tactile sensor main body 61 is formed as shown in FIG. First, the slit 63 is formed in the titanium substrate 62. The slit 63 ends at one edge of the substrate 62, so that the substrate maintains its integrity. This facilitates handling of the substrate 62. Thereafter, a piezoelectric thin film is formed from the piezoelectric material. And aluminum is vapor-deposited in the same position of the upper and lower surfaces of the board | substrate 62, and it is set as an electrode. As a result, a flat tactile sensor main body 61 is formed in a portion surrounded by the slit 63, the virtual line 64, and the periphery of the substrate. In this embodiment, nine touch sensor main body portions 61 are integrated.

図２７は土台７１の構成を示し、図２７（Ａ）はその上面図、図２７（Ｂ）はその側面図である。
この土台７１はリブ７２を備えている。
かかる土台７１のリブ７２へ、図２５に示すように、基板６２を固定する。このとき、各触覚センサ本体部６１の一対の縁部（図２６では図中上下方向の縁部）がリブ７２で固定される。これにより、各触覚センサ本体部６１は機械的に独立したものとなる。他方、各触覚センサ本体部６１の他方の縁部はスリット６３で物理的に分離されている。
最後に、図２５に示すように、ゲルなどの弾性体７５を触覚センサ本体部６１へ被覆して集積センサ６０が完成する。この実施例では、基板の全体に弾性体７５を被覆したが、触覚センサ本体部６１毎に弾性体７５を被覆してもよい。 27 shows the structure of the base 71, FIG. 27 (A) is a top view thereof, and FIG. 27 (B) is a side view thereof.
The base 71 includes a rib 72.
The substrate 62 is fixed to the rib 72 of the base 71 as shown in FIG. At this time, a pair of edges (the edges in the vertical direction in the figure in FIG. 26) of each tactile sensor main body 61 are fixed by the ribs 72. Thereby, each tactile sensor main body 61 becomes mechanically independent. On the other hand, the other edge of each tactile sensor main body 61 is physically separated by a slit 63.
Finally, as shown in FIG. 25, the integrated sensor 60 is completed by covering the tactile sensor main body 61 with an elastic body 75 such as gel. In this embodiment, the entire substrate is covered with the elastic body 75, but the elastic body 75 may be covered for each tactile sensor main body 61.

このように固定された各触覚センサ本体部６１は一方の電極へ駆動電圧を印加することにより振動可能となる。そして、その周波数を調整することにより任意の次数で共振させることができる。他方の電極からは出力電圧が得られる。この実施例の触覚センサにおいても、共振モードの次数を大きくすることにより、感度が低下することが確認できた。これにより、触覚センサ本体部へ印加する駆動電圧の周波数に変化を与えて共振モードを調整することにより、検出することができる外力の範囲を広くすることができる。
かかる構成の集積センサ６０によれば、これを構成する全ての機械的要素が板状であり、それらを単に積層することにより形成される。従って、その製造が極めて容易になる。 Each of the tactile sensor main bodies 61 thus fixed can be vibrated by applying a driving voltage to one of the electrodes. And it can be made to resonate by arbitrary orders by adjusting the frequency. An output voltage is obtained from the other electrode. Also in the tactile sensor of this example, it was confirmed that the sensitivity was lowered by increasing the order of the resonance mode. Thereby, the range of the external force which can be detected can be widened by changing the frequency of the drive voltage applied to the tactile sensor main body and adjusting the resonance mode.
According to the integrated sensor 60 having such a configuration, all the mechanical elements constituting the integrated sensor 60 are plate-like, and are formed by simply laminating them. Therefore, its manufacture becomes extremely easy.

この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
例えば、次のような回路構成を追加しても良い。
即ち、検出回路部１３にメモリを接続させるとともに、当該メモリに制御装置を接続させる回路を追加する。この場合、触覚センサ本体部３に加わる外力と検出回路部１３の出力との関係を予め実験でもって把握し、当該外力と検出回路部１３の出力とを関係付けた関連データを当該メモリに記憶させる。制御装置は、メモリから読み出した関連データに基づき、検出回路部１３の出力に対応する外力の大きさを把握することができる。それにより、制御装置は、メモリから読み出した関連データに基づき、触覚センサ本体部３に加わる外力を算出することができるので、制御装置およびメモリは、外力算出部として機能することになる。
更に、他の変形例として、次のような構成を採用しても良い。即ち、弾性体の変位量と、触覚センサ本体部３に加わる外力と、検出回路部１３との出力関係を予め実験で把握する。そして、弾性体の変位量、外力、検出回路部１３の出力の関係を導出した関係データを当該メモリに記憶させる。制御装置は、当該メモリから関係データを読み出すことで、検出回路部１３の出力から弾性体の変位量と外力の関係を把握できる。この場合、制御装置およびメモリは算出される外力と変位量との関係から、弾性体の弾性係数を算出することができる。その結果、制御装置およびメモリは、弾性係数算出部として機能することになる。 The present invention is not limited to the description of the embodiments and examples of the invention described above. Various modifications may be included in the present invention as long as those skilled in the art can easily conceive without departing from the description of the scope of claims.
For example, the following circuit configuration may be added.
In other words, a memory is connected to the detection circuit unit 13 and a circuit for connecting a control device to the memory is added. In this case, the relationship between the external force applied to the tactile sensor main body 3 and the output of the detection circuit unit 13 is grasped in advance through experiments, and related data relating the external force and the output of the detection circuit unit 13 is stored in the memory. Let The control device can grasp the magnitude of the external force corresponding to the output of the detection circuit unit 13 based on the related data read from the memory. Thereby, since the control device can calculate the external force applied to the tactile sensor main body 3 based on the related data read from the memory, the control device and the memory function as an external force calculation unit.
Further, as another modification, the following configuration may be adopted. That is, the output relationship between the displacement of the elastic body, the external force applied to the tactile sensor main body 3 and the detection circuit unit 13 is grasped in advance by experiments. Then, relational data derived from the relation between the displacement of the elastic body, the external force, and the output of the detection circuit unit 13 is stored in the memory. The control device can grasp the relationship between the displacement amount of the elastic body and the external force from the output of the detection circuit unit 13 by reading the relation data from the memory. In this case, the control device and the memory can calculate the elastic coefficient of the elastic body from the relationship between the calculated external force and the displacement amount. As a result, the control device and the memory function as an elastic coefficient calculation unit.

図１はこの発明の触覚センサの構造を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing the structure of a tactile sensor according to the present invention. 図２は弾性体の特性を示し、図２Ａは変形量と外力との関係を示し、図２Ｂは外力とばね定数との関係をしめす。2 shows the characteristics of the elastic body, FIG. 2A shows the relationship between the deformation amount and the external force, and FIG. 2B shows the relationship between the external force and the spring constant. 図３はこの発明の触覚センサの特性を説明するのに用いるモデルを示す。FIG. 3 shows a model used to explain the characteristics of the tactile sensor of the present invention. 図４はこの発明の触覚センサの特性を説明するのに用いるモデルを示す。FIG. 4 shows a model used to explain the characteristics of the tactile sensor of the present invention. 図５はこの発明の触覚センサの特性を説明するのに用いるモデルを示す。FIG. 5 shows a model used to explain the characteristics of the tactile sensor of the present invention. 図６はこの発明の触覚センサの出力と弾性体のばね定数との関係を、共振モード別に示す。FIG. 6 shows the relationship between the output of the tactile sensor of the present invention and the spring constant of the elastic body for each resonance mode. 図７は外力がゼロのときの触覚センサの出力を基準として各共振モードにおけるセンサ出力とばね定数との関係を示す。FIG. 7 shows the relationship between the sensor output and the spring constant in each resonance mode based on the output of the tactile sensor when the external force is zero. 各共振モードにおけるばね定数と感度との関係を示す。The relationship between the spring constant and sensitivity in each resonance mode is shown. 図９は実施例の触覚センサの製造方法を示す。FIG. 9 shows a method for manufacturing the tactile sensor of the embodiment. 図１０は実施例の触覚センサの特性の測定方法を示す。FIG. 10 shows a method for measuring the characteristics of the tactile sensor of the embodiment. 図１１は実施例で用いた弾性体の変形量と外力との関係を示す。FIG. 11 shows the relationship between the amount of deformation of the elastic body used in the example and the external force. 図１２は同じく外力とばね定数との関係を示す。FIG. 12 similarly shows the relationship between the external force and the spring constant. 図１３は各共振モードにおける実施例の触覚センサの外力とセンサ出力との関係をしめす。FIG. 13 shows the relationship between the external force of the tactile sensor of the embodiment and the sensor output in each resonance mode. 図１４は外力がゼロのときの実施例の触覚センサの出力を基準として各共振モードにおけるセンサ出力とばね定数との関係を示す。FIG. 14 shows the relationship between the sensor output and the spring constant in each resonance mode based on the output of the tactile sensor of the embodiment when the external force is zero. 図１５は実施例のロボットフィンガを示す斜視図である。FIG. 15 is a perspective view showing the robot finger of the embodiment. 図１６は同じくロボットフィンガの内部構造を示す。FIG. 16 also shows the internal structure of the robot finger. 図１７は実施例のロボットフィンガの構造を示す分解斜視図である。FIG. 17 is an exploded perspective view showing the structure of the robot finger of the embodiment. 図１８は図１７のロボットフィンガの特性検査の実験方法を示す図である。FIG. 18 is a diagram showing an experimental method for characteristic inspection of the robot finger of FIG. 図１９は図１８による実験の結果を示す。FIG. 19 shows the result of the experiment according to FIG. 図２０は図１８による実験の結果を示す。FIG. 20 shows the results of the experiment according to FIG. 図２１は図１８による実験の結果を示す。FIG. 21 shows the result of the experiment according to FIG. 図２２は実施例の玩具の構造を示す。FIG. 22 shows the structure of the toy according to the embodiment. 図２３は実施例の集積センサを製造する方法を説明する図である。FIG. 23 is a diagram illustrating a method for manufacturing the integrated sensor of the example. 図２４は同じく集積センサを製造する方法を説明する図である。FIG. 24 is a view for explaining a method of manufacturing an integrated sensor. 図２５は他の実施例の集積センサを示す図であり、図２５Ａは上面図、図２５Ｂは側面図である。FIG. 25 is a view showing an integrated sensor of another embodiment, FIG. 25A is a top view, and FIG. 25B is a side view. 図２６は他の実施例の集積センサを製造する方法を説明する図である。FIG. 26 is a diagram for explaining a method of manufacturing an integrated sensor according to another embodiment. 図２７は同じく他の実施例の集積センサに使用される土台の構成を示す。FIG. 27 shows the structure of the base used for the integrated sensor of another embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

１ 触覚センサ（センシング装置）
３、５１、６１ 触覚センサ本体部
５ 基材
６ 圧電材料膜（圧電部）
７ 第１の電極（駆動用電極）
８ 第２の電極（検出用電極）
１１ 駆動電圧印加回路部
１３ 検出回路部
１５ 共振周波数調整部（加振周波数設定部）
２０、３１ 弾性体（緩衝部材）
４３ 共振モード切替部（加振周波数設定部） 1 Tactile sensor (sensing device)
3, 51, 61 Tactile sensor body 5 Base material 6 Piezoelectric material film (piezoelectric part)
7 First electrode (drive electrode)
8 Second electrode (detection electrode)
11 Drive voltage application circuit unit 13 Detection circuit unit 15 Resonance frequency adjustment unit (excitation frequency setting unit)
20, 31 Elastic body (buffer member)
43 Resonance mode switching unit (excitation frequency setting unit)

Claims (5)

基材と、該基材に設けられた圧電部と、該圧電部に電気的に接続された駆動用電極及び検出用電極と、を備える触覚センサ本体部と、
前記駆動用電極へ駆動電圧を印加する駆動電圧印加回路部と、
前記検出用電極の出力を検出する検出回路部とを備え、
前記駆動電圧の印加により前記圧電部が振動し、当該振動を前記検出回路部が前記検出用電極からの出力でもって検出することができるセンシング装置において、
前記触覚センサ本体部が少なくとも２以上の共振モードのうちの一つの共振モードで共振するように、前記駆動用電極へ印加する駆動電圧の周波数を変化させる加振周波数設定部を備え、
前記触覚センサ本体部に加わる外力を緩和する緩衝部材を、前記触覚センサ本体部と被検出体との間に介在させた状態で、前記加振周波数設定部によって設定された１つの共振モードで前記触覚センサ本体部を共振させる、ことを特教とするセンシング装置。 A tactile sensor main body comprising: a base material; a piezoelectric portion provided on the base material; and a driving electrode and a detection electrode electrically connected to the piezoelectric portion;
A drive voltage application circuit for applying a drive voltage to the drive electrode;
A detection circuit unit for detecting the output of the detection electrode;
In the sensing device in which the piezoelectric unit vibrates by application of the driving voltage, and the vibration can be detected by the detection circuit unit with an output from the detection electrode.
An excitation frequency setting unit configured to change a frequency of a driving voltage applied to the driving electrode so that the tactile sensor body unit resonates in one resonance mode of at least two resonance modes;
In a state where a buffer member for relaxing external force applied to the tactile sensor main body is interposed between the tactile sensor main body and the detected body, the resonance frequency set by the excitation frequency setting unit is set in the one resonance mode. A sensing device that specializes in resonating the tactile sensor body. 前記緩衝部材は、前記触覚センサ本体部において被検体へ接触する部分に配設可能な弾性体であり、該弾性体の弾性係数は外力の変化に応じて変化するものである、ことを特教とする請求項１に記載のセンシング装置。   The shock-absorbing member is an elastic body that can be disposed in a portion of the tactile sensor main body that contacts the subject, and the elastic coefficient of the elastic body changes according to a change in external force. The sensing device according to claim 1. 前記緩衝部材は、外力が加わることで変形して、触覚センサ本体部に加わる外力を緩和することができる材料からなる、ことを特教とする請求項１または２に記載のセンシング装置。   3. The sensing device according to claim 1, wherein the buffer member is made of a material that can be deformed by an external force applied to relax the external force applied to the tactile sensor main body. 4. 前記検出用電極の出力が所定の閾値を下回ったとき、
前記加振周波数設定部は、共振モードの次数を大きくするように、前記駆動電圧の周波数を設定できたり、また、前記検出用電極の出力が別の閾値を上回ったとき、前記加振周波数設定部は、共振モードの次数を小さくするように、前記駆動電圧の周波数を設定することができる、ことを特教とする請求項１乃至３のいずれか一に記載のセンシング装置。 When the output of the detection electrode falls below a predetermined threshold,
The excitation frequency setting unit can set the frequency of the drive voltage so as to increase the order of the resonance mode, or when the output of the detection electrode exceeds another threshold, the excitation frequency setting 4. The sensing device according to claim 1, wherein the unit is capable of setting the frequency of the driving voltage so as to reduce the order of the resonance mode. 5. 請求項１乃至４のいずれか一に記載のセンシング装置において、前記触覚センサ本体部に加わる外力を算出することができる外力算出部を備える、ことを特教とするセンシング装置。   5. The sensing device according to claim 1, further comprising an external force calculation unit capable of calculating an external force applied to the tactile sensor main body. 6.
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