JP2006250705A - 触覚センサー - Google Patents

Abstract

【課題】 外力の検出精度や耐久性に優れた触覚センサーを容易な製造方法により提供すること。
【解決手段】 第１の方向及びこの第１の方向と交差する第２の方向にそれぞれ2つづつ並んだ４つの感圧素子を一組として、当該一組の感圧素子が前記第１の方向及び第２の方向にアレイ状に配置されてなる感圧素子群と、当該感圧素子群の上に設けられた第１の板状弾性体１０５と、第１の板状弾性体１０５の上でかつ前記一組の感圧素子全体における中心位置の上に設けられた柱状体１０６と、柱状体１０６の上に設けられた第２の板状弾性体１０８と、第２の板状弾性体１０８の上に設けられた突起部１０９とを具備することを特徴とする触覚センサー。
【選択図】 図１

Description

本発明は触覚センサーに係わり、特に圧力分布を検知する触覚センサーに関する。

圧力分布センサーは、自動車座席の着座圧力分布測定、寝たきり患者用ベッドの体重分布測定、スポーツシューズの靴底圧力分布測定等に使われている。また、ロボットハンドの手先やシャーシ外壁などにも使われ、把持物保護や衝突時保護などに使われている。

従来の圧力分布センサーは、その法線方向の外力のみを検知するものがほとんどであり、センサーの接線方向の外力を検知するものはほとんど無かった。

接線及び法線の両方向の圧力分布を測定する方法として、センサー表面に法線方向に伸びる接触用凸部を設け、該凸部直下の複数のセンサーの検出圧力の比率で、接線及び法線の両方向の外力を検知する方法などがある（特許文献１参照）。

特許文献１に記載の触覚センサーは感圧導電性エラストマー部材を備え、この感圧導電性エラストマー部材は外圧によって抵抗が変化するゴムからなっている。この感圧導電性エラストマー部材の下には複数の電極があり、これらの電極を流れる電流に基づいて抵抗変化すなわち外圧変化を読み取る仕組みになっている。感圧導電性エラストマー部材の上には接触用凸部があり、この凸部の先端にかかる外力の方向により、凸部の下の感圧導電性エラストマー部材にかかる圧力が不均一になり、抵抗も不均一になるため、先端にかかった外力の方向が分かるのである。

しかしながら、特許文献１に記載された凸部は、接線方向の外力を精度良く検出するために相当の高さを必要とし、このため、凸部をセンサー上に実装することが難しく、また大変壊れやすく耐久性に劣るといった問題をかかえている。また、凸部にゴミ等が絡んでしまい、清潔性に劣る他、これにより外力の検出精度が劣化するといった問題もある。
特開平５−８１９７７号公報

以上述べたように、従来の触覚センサーでは、外力検出のために設けられる凸部が、接線方向の外力を精度良く検出するために相当の高さを必要とし、このため、凸部をセンサー上に実装することが難しく、また大変壊れやすく耐久性に劣るといった問題がある。また、凸部にゴミ等が絡んでしまい、清潔性に劣る他、これにより外力の検出精度が劣化するといった問題もある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、製造が容易で耐久性に優れ外力の検出精度が優れた触覚センサーを提供することである。

（構成）
上述した課題を解決すべく本発明は、複数の感圧素子群と、当該感圧素子群の上に設けられた第１の板状弾性体と、当該第１の板状弾性体の上に設けられた複数の柱状体と、当該複数の柱状体の上に設けられた第２の板状弾性体と、当該第２の板状弾性体の上に設けられた複数の突起部とを具備することを特徴とする触覚センサーを提供する。

また、本発明は、第１の方向及びこの第１の方向と交差する第２の方向にそれぞれ2つづつ並んだ４つの感圧素子を一組として、当該一組の感圧素子が前記第１の方向及び第２の方向にアレイ状に配置されてなる感圧素子群と、当該感圧素子群の上に設けられた第１の板状弾性体と、当該第１の板状弾性体の上でかつ前記一組の感圧素子全体における中心位置の上に設けられた柱状体と、当該柱状体の上に設けられた第２の板状弾性体と、当該第２の板状弾性体の上に設けられた複数の突起部とを具備することを特徴とする触覚センサーを提供する。

上述した本発明において、以下の構成要件を備えることが好ましい。

（１）前記複数の突起部は前記柱状体の上に相当する位置に設けられたこと。

（２）前記第１の板状弾性体と前記柱状体とは互いに接合されてなること。

（３）前記第２の板状弾性体と前記柱状体とは互いに接合されてなること。

（４）前記第１の板状弾性体と前記柱状体とは互いに同一の素材で一体成型されてなること。

（５）前記第２の板状弾性体と前記柱状体とは互いに同一の素材で一体成型されてなること。

（６）前記第１及び第２の板状弾性体と前記柱状体とは互いに同一の素材で一体成型されてなること。

（７）前記柱状体は円柱形状または角柱形状であること。

（８）前記感圧素子が可変静電容量素子であること。

（９）前記感圧素子が可変抵抗素子であること。

（１０）前記柱状体は弾性体であること。

（１１）前記感圧素子群を支持する基板と、この基板上に設けられ前記感圧素子に電気的に接続する配線とを備えること。

（１２）前記基板は絶縁性基板であること。

（１３）前記基板と前記第１の板状弾性体との間にスペーサーが設けられていること。

（１４）前記スペーサーは格子形状、ストライプ形状、または孤立した島形状であること。

（作用）
本発明の触覚センサーによれば、接線方向の力が加わった場合には、感圧素子群のうちの一部の感圧素子において第１の板状弾性体が変形するとともに、当該感圧素子の近くの別の感圧素子では第１の板状弾性体が変形しないか若しくは変形量が小さくなるため、その変形量を検出することにより、接線方向の力を正確に感知することが可能となる。また、法線方向の力が加わった場合には、感圧素子群のうちの一部の感圧素子において第１の板状弾性体が変形するとともに、当該感圧素子の近くの別の感圧素子でも第１の板状弾性体が変形するため、その変形量を検出することにより、法線方向の力を正確に感知することが可能となる。

また、本発明の触覚センサーによれば、柱状体上に第２の板状弾性体が設けられているので、第２の板状弾性体が複数の柱状体を安定して支持することにより実装性及び耐久性を向上させることが可能となる。また、第２の板状弾性体が柱状体を覆うことにより、柱状体以外の空隙部分にゴミ等が入り込むことを防止することができ、ゴミ等による清潔性の劣化を効果的に防止することが可能となる。さらにまた、空隙部分へのゴミ等の混入による問題を考慮する必要がなくなるので、柱状体の高さを高くすることができ、第１の板状弾性体の変形量を好適化して外力検出精度を向上させることが可能である。

本発明の触覚センサーは、例えばロボットハンドの先端等に取り付けられた場合、ロボットに人間並みの器用な動作をさせることが可能である。特に、接線方向の力を精度良く把握することができるので、触っている物体の表面形状や摩擦係数を正確に認識することが可能である。また、物体を把持する場合に接線方向の擦り量が分かるので、最小力で物体を把持でき、壊れやすい物や形が変形しやすい物を把持する際に触覚センサーとしての威力を効果的に発揮することができる。

本発明により、製造が容易で耐久性に優れ外力の検出精度が優れた触覚センサーを提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１及び図２はそれぞれ本発明の第１の実施形態に係る触覚センサーの構造を示す断面図及び平面図である。図１は図２のＡ−Ａ´’断面に沿った断面図である。本実施形態では、感圧静電容量方式を採用した例である。図１に示されるように、シリコンゴム基板101上に導電性の配線102が設けられている。シリコンゴム基板101上には配線102を覆うように絶縁膜103が設けられており、これにより電気的短絡が防止される。隣接する配線102間の絶縁膜103の上にはスペーサー104が設けられており、スペーサー104の上にはシリコンゴム105が貼り付けられている。このシリコンゴム105のシリコンゴム基板101側の面には導電性の配線107が形成されている。スペーサー104は、配線107と絶縁膜103間のギャップを保持する役割を果たしている。

配線107は配線102と対向しており、配線107と配線102とによりコンデンサーが形成されている。前述のように絶縁膜103が配線102と配線107との間の電気的短絡を防いでいる。一体成型により円柱型ブロック106がシリコンゴム105と一体的に形成されている。即ち、円柱型ブロック106もシリコンゴムからなる。円柱型ブロック106以外の空隙部分110は、空気あるいは液体で満たされていても良いし、円柱型ブロック106より軟らかいゴム状物質で満たされていても良い。円柱型ブロック106はセンサー表面の接線方向の力をコンデンサーに伝える働きをしている。

本実施形態では、円柱型ブロック106はカバーシリコンゴム108によって覆われている。カバーシリコンゴム108と円柱型ブロック106とは接着剤によって接合されている。カバーシリコンゴム108の上部には円柱型ブロック106の中心軸上に突起109が一体成型により形成されており、この突起109は接線方向の力を円柱型ブロック106に伝える働きをしている。なお、カバーシリコンゴム108は充分に薄く、一つの突起の移動を隣接の突起にほとんど伝えないようになっている。

図２に示すように、横方向に伸びる配線107と縦方向に伸びる配線102とがそれぞれ縦方向、横方向に配列されており、これらの配線107と配線102とが交差する領域201にコンデンサーがアレイ状に形成されている。これらのコンデンサー４つに対して円柱型ブロック106が一つずつアレイ状に設けられている。例えば、図２において配線107のうちの２本並びに配線102のうちの２本により、コンデンサーA、B、C、Dが形成されている。円柱型ブロック106は、これらの４つコンデンサー（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）に対して一つ形成されており、これらのコンデンサーの間の中央部（田の字の中心に相当。）に円柱型ブロック106の中心が位置している。なお、本実施形態では、突起109は円柱型ブロック106の中心軸上に設けられている。

次に、接線方向及び法線方向の力を検知する仕組みについて説明する。図４は、その仕組みを説明するための断面図である。図４（ａ）は接線方向の力を検出する場合、図４（ｂ）は法線方向の力を検出する場合について説明する断面図である。図４（ａ）、（ｂ）において、コンデンサーＡ、Ｂと、図示されていないがそれらの紙面奥行き方向に位置するコンデンサーＣ、Ｄによって１Ｕｎｉｔが構成されている。図４（ａ）では、左から２番目の突起に接線方向の外力が加わっている。このとき、図中、コンデンサーＡの静電容量Ｃ_Ａは大きくなり、コンデンサーＢの静電容量Ｃ_Ｂは小さくなる。Ｃ_Ａ−Ｃ_ＢまたはＣ_Ａ／Ｃ_Ｂを計算することにより、外力の接線方向の成分に関係する概算値を抽出することができる。この値は、接線方向の力に対して必ずしもリニアリティーはないが、参照表や換算式を利用して、接線方向の力そのものを導き出すことも可能である。

例えば、接線力ＦＳは、ｐ、ｑを実験から求める定数とするならば、ＦＳ＝−１＋ｐ×exp(ｑ×（Ｃ_Ａ−Ｃ_Ｂ）)と表すことができる。

また、法線方向の力を検出する場合については、図４（ｂ）に示すように、コンデンサーＡの静電容量Ｃ_Ａが大きくなるとともに、コンデンサーＢの静電容量Ｃ_Ｂも大きくなる。Ｃ_Ａ＋Ｃ_Ｂを計算することにより、外力の法線方向の成分に関係する概算値を求めることができる。この値も、法線方向の力に対して必ずしもリニアリティーはないが、参照表や換算式を利用して、法線方向の力そのものを導き出すことも可能である。

例えば、接線力ＦＳは、ｐ、ｑを実験から求める定数とするならば、ＦＳ＝−１＋ｐ×exp(ｑ×（Ｃ_Ａ+Ｃ_Ｂ）)と表すことができる。

本実施形態の触覚センサーによれば、上述したように接線方向の力及び法線方向の力を正確に検出することができ外力の面内分布を正確に得ることが可能である他、以下の効果を奏する。即ち、円柱型ブロック106上にカバーシリコンゴム108が設けられているので、カバーシリコンゴム108が複数の円柱型ブロック106を安定して支持することにより実装性及び耐久性を向上させることが可能となる。また、カバーシリコンゴム108が円柱型ブロック106を覆うことにより、円柱型ブロック106以外の空隙部分110にゴミ等が入り込むことを防止することができ、ゴミ等による清潔性の劣化を効果的に防止することが可能となる。さらにまた、空隙部分110へのゴミ等の混入による問題を考慮する必要がなくなるので、円柱型ブロック106の高さを高くすることができ、シリコンゴム105の変形量（静電容量の変化量）を好適化して外力検出精度を向上させることが可能である。

本実施形態の触覚センサーは、例えばロボットハンドの先端等に取り付けられた場合、ロボットに人間並みの器用な動作をさせることが可能である。特に、接線方向の力を精度良く把握することができるので、触っている物体の表面形状や摩擦係数を正確に認識することが可能である。また、物体を把持する場合に接線方向の擦り量が分かるので、最小力で物体を把持でき、壊れやすい物や形が変形しやすい物を把持する際に触覚センサーとしての威力を効果的に発揮することができる。

図５は、本実施形態に係る触覚センサーを動作させる回路を示す図である。図５に示すように、横方向に伸びる配線501と縦方向に伸びる配線502とがそれぞれ縦方向、横方向に配列されており、これらの配線はそれぞれ配線107と配線102とに相当している。コンデンサーが交差する各領域には、外部からの圧力によって静電容量が変化するコンデンサー503がそれぞれ設けられている。コンデンサーを構成している電極はそれぞれ配線501と配線502に接続しているが、これらの電極を省略して配線501と配線502が直接対向する構造とすることも可能である。即ち、配線501と配線502それ自身でコンデンサーを形成していてもよい。

504は信号源であり、この信号源504により5Ｖ振幅の1〜1000ｋＨｚの正弦波が発生されている。アナログスイッチによるセレクトスイッチ505によって、順次、配線502に上記正弦波が加えられていく。配線501の各々は、それぞれに対応するＣＶ（容量・電圧）変換回路506を介してＰＣ（パーソナルコンピュータ）507に接続されている。ＣＶ（容量・電圧）変換回路506には積分回路オペアンプ、整流回路、ＡＤコンバーター（ＡＤＣ）が含まれている。したがって、上記正弦波は、配線501と配線502の交差部のコンデンサ503を介してＣＶ（容量・電圧）変換回路506に入力され、積分回路オペアンプで増幅され、整流回路で直流化され、ＡＤコンバーターでデジタルデータに変えられ、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）507において各位置の圧力量が計算されかつ表示される。

図５において、コンデンサ503の静電容量をＣ１とするなら、図中のＣＶ（容量・電圧）変換回路506における積分回路オペアンプの出力端の電圧は、図中のＣｒｅｆとＣ１の比で決定されることになるので、容量を電圧に変えたことになる。

次に、本実施形態に係る触覚センサーの製造方法について説明する。図３はその製造方法を説明するための本実施形態の触覚センサーの分解斜視図である。即ち、図３に示すように、まず、シリコンゴム基板101上に導電性の配線102を形成する。次に、シリコンゴム基板101上に配線102を覆うように絶縁膜103（図３では図示せず。）を形成し、さらにその上に格子状のスペーサー104を設ける。スペーサー104の格子を構成する枠部は、隣接する配線102間の絶縁膜103上、並びに隣接する配線107間の下に位置するようにする。なお、格子状のスペーサー104の両面には接着剤が塗布されていて、格子状のスペーサー104は、その下の絶縁膜103と接合される。

次に、別に用意したシリコンゴム105の表面に導電性の配線107を形成し、この配線107がシリコンゴム基板101側を向くようにしてシリコンゴム105及び配線107をスペーサー104の上に貼り付ける。図３では、円柱型ブロック106とシリコンゴム105とは構造を把握しやすいように便宜上別体として描かれているが、図１に示すようにこれらは一体的に形成されている。もちろん、後述するようにこれらを別体としてそれぞれ用意してお互いに接着剤等により接合しても良い。

次に、突起109が片面に設けられたカバーシリコンゴム108を用意し、突起109が設けられていない面が円柱型ブロック106側を向くようにしてカバーシリコンゴム108を円柱型ブロック106の上に貼り付ける。

上述した製造方法において、シリコンゴム基板101、シリコンゴム105、カバーシリコンゴム108、円柱型ブロック106に用いられるシリコンゴムは、真空注型、ＬＩＭ（Liquid Injection Molding）成型で所望の形を作ることができる。即ち、真空注型により、金型の中を減圧して液体状の樹脂を注入し、液体状の樹脂を固化させて成型することができる。ＬＩＭにより同様に液体注入を行っても良い。これらの方法によれば、比較的薄い成型膜を作ることが可能である。その他、射出成型などの方法で所望の形を作ることも可能である。

また、シリコンゴムに限らず、天然ゴム、その他の弾性体材料を用いてもかまわない。これらの弾性体材料からなる部材を接着するための接着剤としては、ゴム系接着剤、或いはシリコン系接着剤を用いることが可能である。なお、スペーサー104は、プラスチックフィルムの打ち抜きやレーザーカットによる加工を用いて形成できる。

また、配線102や配線107は、銀ペースト、カーボンペースト、銅ペーストなどを印刷することにより形成することができる。アルミニウム、金、銅、ニッケル、或いはこれらの合金などの蒸着及びパターン加工により形成することもできる。パターン加工としては、ドライエッチングやウエットエッチングを用いることができる。さらにまた、上記金属をメッキすることにより配線を形成しても良いし、上記金属からなる導電性繊維を用いて配線を形成しても良い。

絶縁膜103としては、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ポリイミドなどのフィルムを用いることができ、このフィルムを配線102等に貼り付けることが可能である。また、これらのフィルム上に上記金属を蒸着やメッキ等により形成した後にパターン加工を行うことにより配線を形成し、これを当該配線が基板101側を向くようにして基板101に貼り付けても良い。さらにまた、ポリイミド系、アクリル系、エポキシ系、シリコン系樹脂からなる絶縁塗料を配線102等の上に塗布する方法等により絶縁膜103を形成することができる。

次に、上記した製造方法において、各部分の寸法例を具体的に示す。配線102、配線107の厚さはそれぞれ25μｍ、幅は200μｍ、間隔は50μｍである。絶縁膜103の厚さは１０μｍである。また、格子状のスペーサー104は、厚さが１００μｍ、スペーサー104の抜きの部分が幅２００μｍ角、格子部分の幅が５０μｍであり、格子ピッチとしては２５０μｍ角となる。シリコンゴム105の厚さは100μｍ、円柱型ブロック106は直径４００μm、高さ５００μｍである。また、カバーシリコンゴム108の厚さは１００μｍ、突起109の高さは２００μｍである。ここに挙げた寸法値はあくまで一つの例であって、これに限られるものではない。

（第２の実施形態）
本実施形態は、感圧静電容量方式の代わりに感圧可変抵抗方式を採用した例であり、各触点にコンデンサーではなく可変抵抗を付けたものである。図６は、本実施形態に係る触覚センサーの構造を示す断面図である。図１と同一部分には同一の符号を付して示す。

図６に示すように、シリコンゴム基板101上の配線102を覆うように可変抵抗膜603が設けられており、この可変抵抗膜603は導電ゴムや感圧インクによって構成することができ、例えば、導電ゴムはカーボン含有シリコンゴム等、感圧インクはカーボンファイバー含有弾性樹脂等の材料を用いることができる。導電ゴムを用いる場合は、縦横の配線102、配線107の交差部に導電ゴムを介在させることによって可変抵抗膜603を構成することができる。可変抵抗膜603としての導電ゴムは、交差部に選択的に設けられていても良いし、センサー部全面に設けられていても良い。また、感圧インクを用いる場合は、縦横の配線102、配線107を感圧インクにより構成すると良く、交差部に可変抵抗膜603を設ける必要は無い。図６に示す本実施形態の触覚センサーは、第１の実施形態と同様の方法により製造することが可能である。

次に、接線方向及び法線方向の力を検知する仕組みについて説明する。図７は、その仕組みを説明するための断面図である。図７（ａ）は接線方向の力を検出する場合、図７（ｂ）は法線方向の力を検出する場合について説明する断面図である。図７（ａ）、（ｂ）において、圧力感知部Ａ、Ｂと、図示されていないがそれらの紙面奥行き方向に位置するコンデンサーＣ、Ｄによって１Ｕｎｉｔが構成されている。図７（ａ）では、左から２番目の突起に接線方向の外力が加わっている。このとき、図中、圧力感知部Ａの抵抗値Ｒ_Ａは小さくなり、圧力感知部Ｂの抵抗値Ｒ_Ｂは大きくなる。Ｒ_Ｂ−Ｒ_ＡまたはＲ_Ｂ／Ｒ_Ａを計算することにより、外力の接線方向の成分に関係する概算値を抽出することができる。この値は、接線方向の力に対して必ずしもリニアリティーはないが、参照表や換算式を利用して、接線方向の力そのものを導き出すことも可能である。

例えば、接線力ＦＳは、ｐ、ｑを実験から求める定数とするならば、ＦＳ＝−１＋ｐ×exp(ｑ×（Ｒ_Ｂ−Ｒ_Ａ）)と表すことができる。

また、法線方向の力を検出する場合については、図７（ｂ）に示すように、圧力感知部Ａの抵抗値Ｒ_Ａが小さくなるとともに、圧力感知部Ｂの抵抗値Ｒ_Ｂも小さくなる。Ｒ_Ａ＋Ｒ_Ｂを計算することにより、外力の法線方向の成分に関係する概算値を求めることができる。この値も、法線方向の力に対して必ずしもリニアリティーはないが、参照表や換算式を利用して、法線方向の力そのものを導き出すことも可能である。

例えば、接線力ＦＳは、ｐ、ｑを実験から求める定数とするならば、ＦＳ＝−１＋ｐ×exp(ｑ×（Ｒ_Ｂ+Ｒ_Ａ）)と表すことができる。

本実施形態の触覚センサーによれば、上述したように接線方向の力及び法線方向の力を正確に検出することができ外力の面内分布を正確に得ることが可能である他、第１の実施形態と同様に、触覚センサーの実装性及び耐久性を向上させることが可能となる。また、ゴミ等による清潔性の劣化を効果的に防止することができ、シリコンゴム105の変形量（抵抗の変化量）を好適化して外力検出精度を向上させることが可能である。

また、第１の実施形態と同様に、例えばロボットハンドの先端等に取り付けられた場合、触っている物体の表面形状や摩擦係数を正確に認識することができ、ロボットに人間並みの器用な動作をさせることが可能である。特に、壊れやすい物や形が変形しやすい物を把持する際に触覚センサーとしての威力を効果的に発揮することができる。

図８は、本実施形態に係る触覚センサーを動作させる回路を示す図である。図８に示すように、横方向に伸びる配線801と縦方向に伸びる配線802とがそれぞれ縦方向、横方向に配列されており、これらの配線はそれぞれ配線107と配線102とに相当している。コンデンサーが交差する各領域には、外部からの圧力によって抵抗が変化する可変抵抗膜803がそれぞれ設けられている。可変抵抗膜803は配線802に接続している。

804は信号源であり、この信号源804により5Ｖ振幅の50〜500ｋＨｚの正弦波が発生されている。アナログスイッチによるセレクトスイッチ805によって、順次、配線802に上記正弦波が加えられていく。配線801の各々は、それぞれに対応するＩＶ（電流・電圧）変換回路806を介してＰＣ（パーソナルコンピュータ）807に接続されている。ＩＶ（電流・電圧）変換回路806には積分回路オペアンプ、整流回路、ＡＤコンバーター（ＡＤＣ）が含まれている。したがって、上記正弦波は、配線801と配線802の交差部の可変抵抗膜803を介してＩＶ（電流・電圧）変換回路806に入力され、積分回路オペアンプで増幅され、整流回路で直流化され、ＡＤコンバーターでデジタルデータに変えられ、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）807において各位置の圧力量が計算されかつ表示される。

図８において、可変抵抗膜803における圧力変化が抵抗変化になるので、各配線801の電流値をモニターすれば、圧力分布を得ることができる。即ち、各配線801を流れる電流の変化はＩＶ（電流・電圧）変換回路806によって電圧の変化に変えられ、これをＡＤ変換してＰＣ807に圧力情報を伝えることができる。

（第３の実施形態）
本実施形態は、円柱型ブロックを上下のシリコンゴムと一体的に形成した触覚センサーである。図９はその構造を示す断面図である。図１と同一部分には同一符号を付して示す。本実施形態の触覚センサーは、感圧静電容量方式にも感圧可変抵抗方式にも適用することが可能である。

図９（ａ）は、円柱型ブロックをその下のシリコンゴムと一体的に形成するだけでなく、カバーシリコンゴムとも一体的に形成する例を示す断面図である。この図に示すように、シリコンゴム部901と円柱型ブロック部902とカバーシリコンゴム部903とは一体成型で作られており、突起904もこれらと一体成型で形成されている。なお、円柱型ブロック部902以外の空隙部分910は、空気あるいは液体で満たされていても良いし、円柱型ブロック902より軟らかいゴム状物質で満たされていても良い。この構造によれば、第１、第２の実施形態による効果の他、シリコンゴム部がすべて一体的に形成されているので、強度及び耐久性を向上させることができ、その他に高い生産効率という効果を得ることができる。

図９（ａ）の構造を作製するには次の方法を用いることができる。即ち、金型にあらかじめ犠牲層となる金属を挿入しておき、樹脂注入固化後、樹脂とともに金型から犠牲層金属を取り出し、酸やアルカリで金属部のみを溶かすという手法がある。犠牲層は、金属でなくてもよく樹脂でもよい。この場合、注入樹脂と同化せず、溶媒が異なる樹脂を選択する必要がある。

図９（ｂ）は、円柱型ブロックをその下のシリコンゴムと一体的に形成するのではなく、カバーシリコンゴムと一体的に形成する例を示す図である。この図に示すように、円柱型ブロック部912とカバーシリコンゴム部913とは一体成型で作られており、突起914もこれらと一体成型で形成されている。この一体成型されたシリコンゴム体は、シリコンゴム部911上に配置されており、これらは第１の実施形態と同様の接着剤によって接合されている。円柱型ブロック912以外の空隙部分920は、空気あるいは液体で満たされていても良いし、円柱型ブロック912より軟らかいゴム状物質で満たされていても良い。この構造によれば、円柱型ブロック部912とカバーシリコンゴム部913とが一体的に形成されているので、第１、第２の実施形態による効果の他、突起と円柱型ブロックの生産効率化という効果を得ることができる。

（第４の実施形態）
本実施形態は、円柱型ブロックと上下のシリコンゴムとを別体で形成した触覚センサーである。図１０はその構造を示す断面図である。図１と同一部分には同一符号を付して示す。本実施形態の触覚センサーは感圧静電容量方式であるが、感圧可変抵抗方式にも適用することが可能である。

図１０に示すように、シリコンゴム部1105と円柱型ブロック部1106とカバーシリコンゴム部1108とは別体で形成されており、これらはお互いに第１の実施形態と同様の接着剤によって接合されている。突起1109はカバーシリコンゴム部1108と一体成型で形成されている。円柱型ブロック1106以外の空隙部分1110は、空気あるいは液体で満たされていても良いし、円柱型ブロック1106より軟らかいゴム状物質で満たされていても良い。この構造によれば、シリコンゴム部1105と円柱型ブロック部1106とカバーシリコンゴム部1108とが別体で形成されているので、第１、第２の実施形態による効果の他、突起の生産容易性という効果を得ることができる。

（第５の実施形態）
本実施形態は、上部に尖鋭な先端を有する円柱型ブロックの上にカバーシリコンゴムを載せて接合した例である。図１１はその構造を示す断面図である。図１、図１０と同一部分には同一符号を付して示す。本実施形態の触覚センサーは感圧静電容量方式であるが、感圧可変抵抗方式にも適用することが可能である。

図１１（ａ）は、シリコンゴム部と円柱型ブロックとカバーシリコンゴム部とが別体で形成された例を示す断面図である。この図に示すように、シリコンゴム部1105と円柱型ブロック1106´とカバーシリコンゴム部1108´とは別体で形成され、これらは第１の実施形態と同様の接着剤により接合されており、円柱型ブロック1106´は上部に尖鋭な先端を有し、この上にカバーシリコンゴム部1108´が接合されている。このカバーシリコンゴム部1108´が円柱型ブロック1106´の尖鋭な先端に沿って変形することにより、突起1109´がカバーシリコンゴム部1108´の表面に現れている。円柱型ブロック1106´に尖鋭な先端を形成する方法としては、円柱型ブロック1106´を成形する際の鋳型の形状を尖鋭な先端を備えたものとする方法の他、円柱型ブロック1106´を加工してその先端を尖鋭化させる方法を採用することが可能である。この構造によれば、第１、第２、第４の実施形態による効果の他、カバーシリコンゴム部1108´を円柱型ブロック1106´の尖鋭な先端に沿って変形させることにより突起1109´を形成するので、突起1109´をカバーシリコンゴム部1108´の直上に自己整合的に形成することができ、触覚センサーの圧力分布の検出精度を向上させることができる他、工程の簡略化を図ることが可能である。

図１１（ｂ）は、シリコンゴム部と円柱型ブロックとが一体でこれらとカバーシリコンゴム部1108´とが別体で形成された例を示す断面図である。図１１（ａ）と同一部分には同一符号を付して示す。この図に示すように、シリコンゴム部1115と円柱型ブロック1116とが一体で形成され、これらとカバーシリコンゴム部1108´とが別体で形成され、円柱型ブロック1116とカバーシリコンゴム部1108´とが第１の実施形態と同様の接着剤により接合されている。円柱型ブロック1116に尖鋭な先端を形成する方法としては、図１１（ａ）の場合と同様の方法を用いることができる。図１１（ａ）と同様に、カバーシリコンゴム部1108´が円柱型ブロック1116の尖鋭な先端に沿って変形することにより、突起1109´がカバーシリコンゴム部1108´の表面に現れている。この構造によれば、図１１（ａ）の場合と同様の効果を得ることができるとともに、円柱型ブロックの生産効率向上という効果を得ることができる。

（第６の実施形態）
本実施形態は、カバーシリコンゴム上部の突起の形成ピッチを変えた触覚センサーに関するものである。図１２は、その構造を示す断面図である。図１と同一部分には同一符号を付して示す。本実施形態の触覚センサーは、感圧静電容量方式にも感圧可変抵抗方式にも適用することが可能である。

図１２（ａ）は、隣接する円柱型ブロック部間のピッチの２倍のピッチでカバーシリコンゴム部1208上部に突起1209を設けた例を示し、図１２（ｂ）は、隣接する円柱型ブロック部間のピッチの２分の１のピッチでカバーシリコンゴム部1218上部に突起1219を設けた例を示す。これらの例では、円柱型ブロック106とシリコンゴム105とが一体的に形成され、カバーシリコンゴム部1208、1218は円柱型ブロック106に対して第１の実施形態と同様の接着剤により接合されているが、これに限られず、上記各実施形態に示した一体構造、別体構造を採用することも可能である。上記各実施形態による効果の他、図１２（ａ）の構造によれば、表面を滑らかに見せるという効果を得ることができ、図１２（ｂ）の構造によれば、摩擦係数を増加させ接線方向力を確実に捉えられるという効果を得ることができる。

（第７の実施形態）
本実施形態は、カバーシリコンゴム上部の突起の形成位置をランダムにした触覚センサー（図１３（ａ））、並びにカバーシリコンゴム上部の突起を省略する代わりにカバーシリコンゴム上面の摩擦係数を増加させて圧力を感知する触覚センサー（図１３（ｂ））に関するものである。図１と同一部分には同一符号を付して示す。本実施形態の触覚センサーは、感圧静電容量方式にも感圧可変抵抗方式にも適用することが可能である。

図１３（ａ）では、カバーシリコンゴム部1308上部には突起1309がランダムに形成されている。かかる構造によれば、上記各実施形態による効果の他、簡単に製造することができ、また突起がついた既製品を利用できるという効果を得ることができる。

また、図１３（ｂ）では、カバーシリコンゴム部1318の上面の摩擦係数が大きくなっている。摩擦係数を大きくするには、摩擦係数の大きな材料、例えばシリカ微粒子、アクリル微粒子等をカバーシリコンゴム部1318の上面に貼り付けたり、或いはサンドブラスト処理する等の方法を用いることが可能である。かかる構造によれば、上記各実施形態による効果の他、接線方向力を確実に捉えるという効果を得ることができる。

これらの例では、円柱型ブロック106とシリコンゴム105とが一体的に形成され、カバーシリコンゴム部1308、1318は円柱型ブロック106に対して第１の実施形態と同様の接着剤により接合されているが、これに限られず、上記各実施形態に示した一体構造、別体構造を採用することも可能である。

（第８の実施形態）
本実施形態は、ブロックの形状を円柱形状から角柱形状へ変えた触覚センサーに関するものである。図１４は、その構造を示す平面図である。図２と同一部分には同一符号を付して示す。本実施形態の触覚センサーは、感圧静電容量方式にも感圧可変抵抗方式にも適用することが可能である。

図１４に示すように、第１の実施形態に示した円柱型ブロック106の代わりに角柱型ブロック1406が用いられている。図１４のＢ−Ｂ´’断面に沿った断面図は図１と同様な図となる。カバーシリコンゴム108の上部には角柱型ブロック1406の中心軸上に突起1407が一体成型により形成されており、この突起1407は接線方向の力を角柱型ブロック1406に伝える働きをしている。なお、本実施形態では、角柱型ブロック1406の中心軸と垂直な方向の断面は正方形となっているが、これに限られず、長方形、平行四辺形、台形等の他の四角形や、三角形、五角形、六角形、八角形等のｎ角形（ｎは３以上の自然数。）としてもよい。

本実施形態によれば、上記各実施形態による効果の他、ブロックを角柱形状にしたことにより、角の部分よって田の字の各要素を確実に押し込むことができ、感度向上させるという効果を得ることができる。

（第９の実施形態）
本実施形態は、格子形状のスペーサーの代わりに、互いに平行なストライプ形状のスペーサー（図１５）や孤立した島形状のスペーサー（図１６）を用いた触覚センサーに関するものである。図３と同一部分には同一符号を付して示す。本実施形態の触覚センサーは、感圧静電容量方式にも感圧可変抵抗方式にも適用することが可能である。

図１５では、シリコンゴム基板101上には配線102間の領域の上に、ストライプ形状の複数のスペーサー1504が互いに平行に配置されている。このスペーサー1504上に、配線107が設けられたシリコンゴム205が貼り付けられている。この構造によれば、上記各実施形態による効果の他、配線とスペーサーどちらを先においても良くなり、製造の柔軟性が増し、スペーサーとシリコンゴム基板を一体成型することも可能になるという効果を得ることができる。

また、図１６では、シリコンゴム基板101上には配線102間の領域の上に、孤立した島形状の複数のスペーサー1604がマトリクス状に配置されている。このスペーサー1604上に、配線107が設けられたシリコンゴム205が貼り付けられている。この構造によれば、上記各実施形態による効果の他、Ｘ，Ｙ二種類の接線方向力の感度を均等にすることができるという効果を得ることができる。なお、図１６ではスペーサー1604の平面形状は正方形であったが、これに限られず、長方形、平行四辺形、台形等の他の四角形や、三角形、五角形、六角形、八角形等のｎ角形（ｎは３以上の自然数。）としてもよい。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記各実施形態において、円柱型や角柱型等のブロックはゴムのような弾性体であったが、必ずしも弾性体でなくともよく、例えば剛体であってもよい。

また、複数の感圧素子群における配列形態は、上記実施形態のような格子状、アレイ状配置に限られず、各感圧素子が六角形の中心及び頂点に位置するような配置等、他の配置であっても良い。さらに、このような二次元的な配列に限られず、直線または曲線に沿った一次元的な配列であってもよい。

さらにまた、上記実施形態では第１の板状弾性体第２の板状弾性体複数の柱状体等の間の接合には接着剤を用いたが、これに限られず、融着等の方法を用いることが可能である。

また、上記実施形態では基板の材料としてシリコンゴムを用いたが、これに限らず、他の絶縁性材料天然ゴム、イソプレンゴム、フッ素系ゴム等を用いることが可能である。また、カーボン含有ゴム等の半絶縁性材料等の半導体材料を用いることも可能である。

また、突起部と柱状体の中心位置とは必ずしも完全に一致している必要は無く、一組の感圧素子全体における中心位置と柱状体の中心位置も必ずしも完全に一致している必要は無い。触覚センサーの外力の検出精度に影響を与えない範囲でずれていても構わない。

その他、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る触覚センサーの構造を示す断面図。 図１の触覚センサーの構造を示す平面図。 本発明の第１の実施形態に係る触覚センサーの製造方法を説明するための触覚センサーの分解斜視図。 本発明の第１の実施形態における接線方向及び法線方向の力を検知する仕組みを説明するための触覚センサーの断面図。 本実施形態に係る触覚センサーを動作させる回路を示す図。 本発明の第２の実施形態に係る触覚センサーの構造を示す断面図。 本発明の第２の実施形態における接線方向及び法線方向の力を検知する仕組みを説明するための触覚センサーの断面図。 本発明の第２の実施形態に係る触覚センサーを動作させる回路を示す図。 本発明の第３の実施形態に係る触覚センサーの構造を示す断面図。 本発明の第４の実施形態に係る触覚センサーの構造を示す断面図。 本発明の第５の実施形態に係る触覚センサーの構造を示す断面図。 本発明の第６の実施形態に係る触覚センサーの構造を示す断面図。 本発明の第７の実施形態に係る触覚センサーの構造を示す断面図。 本発明の第８の実施形態に係る触覚センサーの構造を示す平面図。 本発明の第９の実施形態に係る触覚センサーの構造の一例を示す分解斜視図。 本発明の第９の実施形態に係る触覚センサーの構造の他の例を示す分解斜視図。

符号の説明

101…シリコンゴム基板
102…配線
103…絶縁膜
104…スペーサー
105…シリコンゴム
106…円柱型ブロック
107…配線
108…カバーシリコンゴム
109…突起
201…配線107と配線102とが交差する領域
501、801…配線
502、802…配線
503…コンデンサー
504、804…信号源
505、805…セレクトスイッチ
506…ＣＶ（容量・電圧）変換回路
507、807…ＰＣ（パーソナルコンピュータ）
603、803…可変抵抗膜
806…ＩＶ（電流・電圧）変換回路

Claims (15)

1. 複数の感圧素子群と、当該感圧素子群の上に設けられた第１の板状弾性体と、当該第１の板状弾性体の上に設けられた複数の柱状体と、当該複数の柱状体の上に設けられた第２の板状弾性体と、当該第２の板状弾性体の上に設けられた複数の突起部とを具備することを特徴とする触覚センサー。
2. 第１の方向及びこの第１の方向と交差する第２の方向にそれぞれ2つづつ並んだ４つの感圧素子を一組として、当該一組の感圧素子が前記第１の方向及び第２の方向にアレイ状に配置されてなる感圧素子群と、当該感圧素子群の上に設けられた第１の板状弾性体と、当該第１の板状弾性体の上でかつ前記一組の感圧素子全体における中心位置の上に設けられた柱状体と、当該柱状体の上に設けられた第２の板状弾性体と、当該第２の板状弾性体の上に設けられた複数の突起部とを具備することを特徴とする触覚センサー。
3. 前記複数の突起部は前記柱状体の上に相当する位置に設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の触覚センサー。
4. 前記第１の板状弾性体と前記柱状体とは互いに接合されてなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の触覚センサー。
5. 前記第２の板状弾性体と前記柱状体とは互いに接合されてなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の触覚センサー。
6. 前記第１の板状弾性体と前記柱状体とは互いに同一の素材で一体成型されてなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の触覚センサー。
7. 前記第２の板状弾性体と前記柱状体とは互いに同一の素材で一体成型されてなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の触覚センサー。
8. 前記第１及び第２の板状弾性体と前記柱状体とは互いに同一の素材で一体成型されてなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の触覚センサー。
9. 前記柱状体は円柱形状または角柱形状であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の触覚センサー。
10. 前記感圧素子が可変静電容量素子であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の触覚センサー。
11. 前記感圧素子が可変抵抗素子であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の触覚センサー。
12. 前記柱状体は弾性体であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の触覚センサー。
13. 前記感圧素子群を支持する基板と、この基板上に設けられ前記感圧素子に電気的に接続する配線とを備えることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の触覚センサー。
14. 前記基板と前記第１の板状弾性体との間にスペーサーが設けられていることを特徴とする請求項１３に記載の触覚センサー。
15. 前記スペーサーは格子形状、ストライプ形状、または孤立した島形状であることを特徴とする請求項１４に記載の触覚センサー。
    
    

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