JP2006337315A - 触覚センサ及び触覚センサの感度調節方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 長期に亘り検出精度が低下することなく、高分解能であっても十分な感度で検出できる触覚センサを提供する。
【解決手段】 押圧により抵抗値が変化するシート状の感圧導電性部材３と、感圧導電性部材３の一側面に配置され、感圧導電性部材のインピーダンスを検出する電圧印加電極５と電圧検出電極６でなる電極セル７の複数がマトリクス状に配列された複層フレキシブル基板でなる電極シート２を備えて構成され、列方向に配列された複数の電圧印加電極５が列毎に相互に接続され、外部からの電圧を同時に印加する複数のリードパターン５ａが電極セル７が設けられた第一基板２ａに形成され、行方向に配列された複数の電圧検出電極６が行毎に相互に接続され、外部に検出電圧を出力する複数のリードパターン６ａが第二基板２ｂに形成される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、産業用ロボットや次世代ロボットのハンド等に設けられ、対象物との接触圧及び接触位置を検出し、或いは、分布型圧力を検出するセンサとして使用され、足型やベッド上での姿勢を検出するための触覚センサ、及び、触覚センサの感度調節方法に関する。

従来、触覚センサは、図５に示すように、互いに平行な複数本の電極パターン２０ａ，２０ｂが形成された一対の電極シート２０を、その電極パターンが直交するように配置し、加えられる圧力により電気抵抗値が変化するシート状の感圧導電性部材３０を両電極シートの間に挿入してそれぞれ接着することにより構成されていた。

前記感圧導電性部材は、絶縁性のゴム材料中に金属等の導電性粒子３０ａを均等に分散させてシート状に成形したもので、無加圧時には導電性粒子は互いに接触せず、体積抵抗、表面抵抗ともに高い抵抗値を示すが、加圧時には導電性粒子が次第に接触し始めて電気抵抗値が変化する。

上述の触覚センサは、一方の電極シートの一本の電極パターンつまり電圧印加電極に電圧を印加し、他方の電極シートの一本の電極パターンつまり電圧検出電極から出力される電流値を計測して、両電極パターンの対向部位の感圧導電性部材の電気抵抗値を検出することにより、両電極間部位に加えられる圧力を算出するものである。
特開２００４−３３３２７３号公報 特開２００５−１００１６号公報

上述した従来の触覚センサによれば、シート状の感圧導電性部材を挟み込んで接着するサンドウィッチ構造を採用していたが、加えられる圧力の検出位置を精度良く求めるためには感圧導電性部材に対する両電極シートの位置関係を厳密に設定しなければならず、製造上の困難さがあるばかりでなく、そのような接触センサを長期に亘り使用すると電極シートと感圧導電性部材の接着が弱まり、剥離やずれが発生して検出精度が低下するという問題があった。

また、圧力検出部位における感度は、感圧導電性部材の電気抵抗値の変化のし易さにより決まり、図５に示す触覚センサでは、上下の電極パターンの交差領域の面積とその間に挟まれている感圧導電性部材の厚さによって決定される。

しかし、高感度に設定するには電極パターンを幅広に構成するか感圧導電性部材の厚みを薄くする必要があるところ、高分解能で検出するためには電極パターンの幅を広くすることはできず、また感圧導電性部材の特性を維持しながら薄型に構成することも困難であるという問題があり、高分解能を実現するために電極パターンを幅狭に構成すると、上述した剥離やずれにより検出精度が低下するという問題が顕著に現われるという不都合があった。

そこで、検出された電流を増幅する増幅回路を設けることにより、微小な電流値であっても確実に検出できるように構成することも考えられるが、この場合には元々感度の悪い信号を増幅するためにＳ／Ｎ比が悪く、根本的な高感度化にはならないという問題もあった。

一方、人間の手が様々な高度な作業を行ない得るのは、圧力分布を敏感に検出できる感度のよい触覚と、物体と柔軟に接触できる柔軟な皮膚によるところが大であるため、ロボットハンドに使用される触覚センサとしても、更なる改良の余地があった。

本発明の目的は、上述の従来の問題点に鑑み、長期に亘り検出精度が低下することなく、高分解能であっても十分な感度で検出できる触覚センサ及び触覚センサの感度調節方法を提供する点にある。

上述の目的を達成するため、本発明による触覚センサの第一の特徴構成は、押圧により抵抗値が変化するシート状の感圧導電性部材と、前記感圧導電性部材の一側面に配置され、前記感圧導電性部材のインピーダンスを検出する電圧印加電極と電圧検出電極でなる電極セルの複数がマトリクス状に配列された電極シートを備えて構成される点にある。

上述の構成によれば、電圧印加電極と電圧検出電極でなる複数の電極セルが配列された電極シートを感圧導電性部材への加圧面とは反対側の面に配置すれば、当該電極シートそのものに撓むような力が掛けられるようなことがないために剥離やずれが発生することは極めて少なく、長期に亘り使用しても検出精度を良好に保つことができるようになるのである。さらには、電極セルを微細に構成しても同一の電極シート上に電圧印加電極と電圧検出電極が配置されているので、感圧導電性部材に対する両電極の相対位置が常に一定に確保され、検出精度を良好に保ちながら分解能の高い触覚センサを構成することができるようになるのである。

同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記電極シートが複層フレキシブル基板で構成されている点にある。

上述の構成によれば、電極セルを構成する電圧印加電極及び電圧検出電極と外部回路とを接続するリードパターンの配置の自由度を確保でき、電極シートを小面積に構成でき、触覚センサをより一層小型化できるようになる。

同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記電極シートが複層フレキシブル基板で構成され、行方向または列方向に配列された複数の電圧印加電極が行または列毎に相互に接続され、外部からの電圧を同時に印加する複数のリードパターンと、列方向または行方向に配列された複数の電圧検出電極が列または行毎に相互に接続され、外部に検出電圧を出力する複数のリードパターンの何れかが前記電極セルの配列された層とは異なる層に形成されている点にある。

上述の構成によれば、外部回路と接続するためのリードパターンの何れかを電極セルの配列された層とは異なる層に形成することにより、そのような配線領域を占めることによる電極シートの面積の拡大を招くことなく、電極セルを高密度に配列することができるようになるのである。

同第四の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、上述の第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、前記電極セルが線対象に形成され、前記電極シートに等しい姿勢で配列されている点にある。

上述の構成によれば、感圧導電性部材に対してどのような部位が押圧されても、精度良く安定した出力を得ることができるようになるのである。

同第五の特徴構成は、同請求項５に記載した通り、上述の第一から第四の何れかの特徴構成に加えて、前記感圧導電性部材の他側面にエラストマーゲル状物質でなる被加圧層が設けられている点にある。

感圧導電性部材が直接に押圧される場合には、当に押圧位置のみに対する圧力が検出されるのであるが、それであると人間の肌と同等の圧力分布の検出ができず、また、物体との柔軟な接触も困難となるため、そのままロボットハンド等に使用することは困難である。そこで、感圧導電性部材をエラストマーでなる被加圧層で被覆することにより、被加圧層に対する押圧位置から感圧導電性部材の対応する位置及びその周辺位置に圧力が伝達され、その結果、人間の肌と同様に圧力分布の検出ができるようになるのであり、物体との柔軟な接触も可能になるのである。

本発明による触覚センサの感度調節方法の特徴構成は、上述の第一から第五の何れかの特徴構成による触覚センサの感度調節方法であって、前記電極シートに配列された電極セルの前記電圧印加電極と前記電圧検出電極との相対距離、または、前記電圧印加電極と前記電圧検出電極との対向長さを調節する点にある。

上述した何れかの触覚センサに対して、電極セルを構成する電圧印加電極と電圧検出電極の間の相対距離または対向長さを変えることにより、それら電極間に感圧導電性部材で形成される電流経路の長さまたは面積を変化させ、これにより適切な感度に調整することができるようになる。

以上説明した通り、本発明によれば、長期に亘り検出精度が低下することなく、高分解能であっても十分な感度で検出できる触覚センサ及び触覚センサの感度調節方法を提供することができるようになった。

以下に本発明による触覚センサの実施形態を説明する。図３（ａ）に示すように、触覚センサ１は、押圧により抵抗値が変化するシート状の感圧導電性部材３と、前記感圧導電性部材３の一側面に接着された電極シート２と、前記感圧導電性部材３の他側面に接着された柔軟性のあるエラストマーとしてのエラストマーゲル状物質でなる被加圧層４を備えて構成される。

前記感圧導電性部材３は、シリコーン樹脂等の絶縁性のゴム材料中に金属や炭素等の導電性粒子を均等に分散させてシート状に成形したもので、無加圧時には導電性粒子は互いに接触せず、体積抵抗、表面抵抗ともに１０^７Ω以上の高い電気抵抗値を示すが、加圧時には導電性粒子が次第に接触し始めて電気抵抗値が滑らかに変化する。即ち、ゴムの弾性を生かして圧力変化によるゴムの歪みに伴って電気抵抗値が変化することから、加圧時にはその圧力に対応する低電気抵抗値を示すが無加圧時には元に戻り高電気抵抗値を示す。

前記電極シート２は、図２（ａ）に示すように、前記感圧導電性部材３のインピーダンスを検出する二層フレキシブル基板で構成され、前記感圧導電性部材３への対向面側の第一基板２ａに電圧印加電極５と電圧検出電極６でなる電極セル７の複数がマトリクス状に配列されるとともに、列方向に配列された複数の電圧印加電極５が列毎に相互に接続され、外部からの電圧を同時に印加する複数のリードパターン５ａが形成されている。

図２（ｂ）に示すように、前記電極シート２を構成する他方の第二基板２ｂには、前記第一基板２ａに行方向に配列形成された複数の電圧検出電極６が、行毎に相互に接続され、外部に検出電圧を出力する複数のリードパターン６ａが形成されている。前記電圧検出電極６とリードパターン６ａとはスルーホール６ｂを介して導通が確保されている。

前記電極セル７は、図１に示すように、パターン幅１．６ｍｍ、セルサイズ３．４ｍｍ×１．８ｍｍの矩形形状の電圧印加電極５と、その電圧印加電極５の内部で、電圧印加電極５と一定の距離だけ離間するように配置された電圧検出電極６で構成されている。従って、両電極パターンの間隙である電気的絶縁部分に対向する感圧導電性部材３が電気抵抗の計測対象部分となる。加圧された感圧導電性部材３の変形によって両電極５、６の間隙に対向する部分には前記導電性粒子の接触による導電経路ができ、この経路に沿って両電極間に流れる電流値に基づいて算出される抵抗値により圧力が検出される。

上述の電極セル７では、両電極５、６の間隙である電気的絶縁部分の面積を大にすることで検出電流を増加させて感度を高めるべく、当該電気的絶縁部分を凹凸に入り組んだパターンとしてある。即ち、前記電極シート２に配列された電極セル７の前記電圧印加電極５と前記電圧検出電極６との相対距離、または、前記電圧印加電極５と前記電圧検出電極６との対向長さを調節することにより感度の調節が可能になる。このような感度の調節は使用する感圧導電性部材３の圧力−電気抵抗特性や検出対象物、電極セルのサイズ、さらには用途等により適宜設定されるものである。

図２（ａ）に示すように、前記電極シート２には、上述の電極セル７が７０セルだけマトリクス状に配列され、前記電圧印加電極５の任意の列に電圧を印加したときに前記電圧検出電極６の任意の行から検出される電流により対応する電極セル７における圧力が算出される。列方向に配列された電極セル７は、その電圧印加電極５の一辺が共用され、行方向の間隔が０．２ｍｍに設定されており、上述のリードパターンを含めた全パターン面積に対する計測点面積の割合が約８２パーセントと高密度に構成されている。

前記電極セル７は両電極５、６が縦横の中心線に対して線対象に形成され、前記電極シート２に等しい姿勢で配列されているため、何れの電極セル７においても出力特性が等しく、従って、前記感圧導電性部材３に対してどのような部位が押圧されても、精度良く安定した出力を得ることができる。

前記被加圧層４は、超軟質のウレタンゲルシートで構成され、前記被加圧層４の上面から加えられた圧力が周囲に伝播して前記感圧導電性部材３を歪ませ、その抵抗値分布を算出することにより図３（ｂ）に示すような圧力分布が得られるのである。図３（ｂ）では、触覚センサを構成する各電極セルに対応して分割された区画毎に検出される圧力を濃度パターンで示した圧力分布であり、濃度が濃いほど圧力が高いことが示される。

上述の触覚センサに加えられる力を、以下の（数１）で示す連立方程式に基づいて求める。

ここに、Ｘ_ｉには検出値（検出電流を電圧に変換した値を検出値とする）のレンジ０Ｖ〜１０Ｖ（電気抵抗値∞〜５ｋΩに相当する）を１０等分した範囲を割り当てている。即ち、Ｘ_０には０から１Ｖ、Ｘ_ｉにはｉ〜（ｉ＋１）Ｖを割り当てている。例えば検出値が４．５ＶであったときにはＸ_０＝Ｘ_１＝Ｘ_２＝Ｘ_３＝１．０、Ｘ_４＝０．５、Ｘ_５＝Ｘ_６＝Ｘ_７＝Ｘ_８＝Ｘ_９＝０．０を上述の（数１）に代入して圧力ｆを求めるのである。尚、係数ａ_ｉは触覚センサに加える力をロードセルで計測し、触覚センサの出力と比較することにより求められる。その結果、図４に示すように、数パーセントの誤差で圧力が検出できることが明らかになった。

以下に別実施形態を説明する。上述の実施形態では、前記感圧導電性部材３への対向面側の第一基板２ａに電圧印加電極５と電圧検出電極６でなる電極セル７の複数がマトリクス状に配列されるとともに、列方向に配列された複数の電圧印加電極５が列毎に相互に接続され、外部からの電圧を同時に印加する複数のリードパターン５ａが形成され、他方の第二基板２ｂに、前記第一基板２ａに行方向に配列形成された複数の電圧検出電極６が、行毎に相互に接続され、外部に検出電圧を出力する複数のリードパターン６ａが形成されたものを説明したが、前記電極シートが複層フレキシブル基板で構成され、行方向または列方向に配列された複数の電圧印加電極が行または列毎に相互に接続され、外部からの電圧を同時に印加する複数のリードパターンと、列方向または行方向に配列された複数の電圧検出電極が列または行毎に相互に接続され、外部に検出電圧を出力する複数のリードパターンの何れかが前記電極セルの配列された層とは異なる層に形成されているものであれば、配線領域を占めることによる電極シートの面積の拡大を招くことなく、電極セルを高密度に配列することができるようになる。

さらに、前記電極シートを複層フレキシブル基板で構成することにより、電極セルを構成する電圧印加電極及び電圧検出電極と外部回路とを接続するリードパターンの配置の自由度を確保でき、電極シートを小面積に構成でき、触覚センサをより一層小型化できるようになる。例えば、電極セルのみ第一層の基板に形成し、電圧印加電極及び電圧検出電極と外部回路とを接続するリードパターンを夫々第一層以外の基板に形成することにより全体として電極シートを小面積に構成することができる。

上述の実施形態では、被加圧層としてウレタンゲルを使用したものを説明したが、ウレタンゲルに限るものではなくエラストマーゲル状物質で構成されるものであれば他の素材を使用するものであってもよく、さらに柔軟性のあるエラストマーを使用することも可能である。また、その柔軟性や厚み等の諸特性も用途に応じて適宜設定することができる。

また、シート状の感圧導電性部材の組成、厚み、電極セルのサイズ、電極パターンの幅、電圧印加電極と前記電圧検出電極の形状等は、本発明の作用効果が奏される範囲において適宜変更して構成できることが可能である。

上述の触覚センサは、極限作業から家庭内での家事まで人間の作業を補完可能なヒューマノイドロボットのハンドに好適なもので、５本指を持つロボットハンドであれば、その形状に合わせて触覚センサを分割構成することができる。また、対象物との接触圧及び接触位置を検出し、或いは、分布型圧力を検出するセンサとして、さらには足型やベッド上での姿勢を検出するための触覚センサ等に広く使用することができる。

電極セルの構成図 電極セルが配置された電極シートの説明図であり、（ａ）は電極シートの全体のパターン図、（ｂ）は第二基板のパターン図を示す 触覚センサの説明図であり、（ａ）は触覚センサの構成の説明図、（ｂ）は検出された圧力の分布図を示す 触覚センサの特性図 従来例を示す触覚センサの構成図

符号の説明

１：触覚センサ
２：電極シート
２ａ：第一基板
２ｂ：第二基板
３：感圧導電性部材
４：被加圧層
５：電圧印加電極
６：電圧検出電極
７：電極セル

Claims (6)

1. 押圧により抵抗値が変化するシート状の感圧導電性部材と、前記感圧導電性部材の一側面に配置され、前記感圧導電性部材のインピーダンスを検出する電圧印加電極と電圧検出電極でなる電極セルの複数がマトリクス状に配列された電極シートを備えて構成される触覚センサ。
2. 前記電極シートが複層フレキシブル基板で構成されている請求項１記載の触覚センサ。
3. 前記電極シートが複層フレキシブル基板で構成され、行方向または列方向に配列された複数の電圧印加電極が行または列毎に相互に接続され、外部からの電圧を同時に印加する複数のリードパターンと、列方向または行方向に配列された複数の電圧検出電極が列または行毎に相互に接続され、外部に検出電圧を出力する複数のリードパターンの何れかが前記電極セルの配列された層とは異なる層に形成されている請求項１記載の触覚センサ。
4. 前記電極セルが線対象に形成され、前記電極シートに等しい姿勢で配列されている請求項１から３の何れかに記載の触覚センサ。
5. 前記感圧導電性部材の他側面にエラストマーでなる被加圧層が設けられている請求項１から４の何れかに記載の触覚センサ。
6. 請求項１から５の何れかに記載された触覚センサの感度調節方法であって、前記電極シートに配列された電極セルの前記電圧印加電極と前記電圧検出電極との相対距離、または、前記電圧印加電極と前記電圧検出電極との対向長さを調節する触覚センサの感度調節方法。