JP2008032522A

JP2008032522A - 光ファイバを用いた触覚センサ

Info

Publication number: JP2008032522A
Application number: JP2006205960A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yoshida; 崇吉田; Hiroyuki Kajimoto; 裕之梶本
Original assignee: Nitta Corp
Current assignee: Nitta Corp
Priority date: 2006-07-28
Filing date: 2006-07-28
Publication date: 2008-02-14
Also published as: EP1883008A2; US20080047364A1; EP1883008A3; US7444887B2

Abstract

【課題】センサ構成を簡略化すると共に、光ファイバの高集積化を図る。
【解決手段】センサシートの複数の感圧点に対応した位置には光ファイバ１３の一端面が配置されており、光ファイバ１３は束ねられた状態で検出部３０に接続される。検出部３０は、光ファイバ１３の他端面での輝度変化を撮影するカメラ３２を有している。光ファイバー１３の他端面と光源３１とを内包する光通過部材３３が配置されており、光通過部材３３の上面及び側面は反射防止部材３４で覆われている。そして、光通過部材３３は光ファイバ１３のコアの屈折率とほぼ同じ屈折率を有している。
【選択図】図３

Description

本発明は、光ファイバを用いた触覚センサに関するものである。

多数の光ファイバ対が発泡ウレタン等の弾性部材の内部に配置された触覚センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。上記の触覚センサでは、各感圧点ごとに発光用光ファイバと受光用光ファイバとの２本の光ファイバが配置されている。そして、発光用光ファイバの先端と受光用光ファイバの先端とが各感圧点近傍において近接するように配置されている。従って、上記の触覚センサでは、外部から加えられた力によって弾性部材の各感圧点に対応した部分が撓んだ場合に、その力の大きさに応じて発光用光ファイバの先端から出射された光の輝度が変化する特性を利用して、各感圧点に加えられた力が検出される。また同様の触覚センサには、各感圧点ごとに１本の光ファイバが配置されたものがある。上記の触覚センサでは、１本の光ファイバが発光用光ファイバ及び受光用光ファイバの役割を有しており、光ファイバの端部での入射光線の方向と反射光線の方向とを分けるためにビームスプリッタが用いられる。
特表２００２−５０７２７９号公報

各感圧点ごとに１本の光ファイバが配置された触覚センサでは、必要となる光ファイバの数が少なくなるので製造コストを低減できる。また、各感圧点では、発光用光ファイバの先端と受光用光ファイバの先端とが近接するように配置する必要がなくなるので、製造方法の簡略化及びセンサの精度の向上を図ることができる。しかしながら、ビームスプリッタを用いることで、製造コストが増加すると共にセンサ構成が複雑になってしまう。

そこで、本発明の主な目的は、センサ構成を簡略化すると共に光ファイバの高集積化を図ることができる光ファイバを用いた触覚センサを提供することである。

課題を解決するための手段および発明の効果

本発明の光ファイバを用いた触覚センサは、複数の感圧点を有する弾性部材と、コアと前記コアの周囲に配置されたクラッドとから構成され、且つ、その一端面が前記弾性部材の内部における前記複数の感圧点のそれぞれに対応した位置に配置された複数の光ファイバと、前記複数の光ファイバの他端面に向かって光を発光する光源と、前記光ファイバの他端面及び前記光源を内包すると共に、前記コアの屈折率とほぼ同じ屈折率を有する光通過部材と、前記複数の光ファイバの他端面での輝度変化を撮影する撮影機構と、前記光通過部材の端部において前記光通過部材の内部の光の反射を妨げる反射防止部材と、前記光通過部材の端部において外部からの光の入射を妨げる光遮断部材と、前記撮影機構で撮影された前記光ファイバの他端面での輝度変化に基づいて前記弾性部材に加えられた力を検知する力検知手段とを備えている。

この構成によると、各感圧点ごとに１本の光ファイバが配置されると共にビームスプリッタが不要になることでセンサ構成をさらに簡略化することができる。また、光ファイバの他端面での輝度変化を撮影機構で撮影することで、光ファイバの高集積化が可能になる。

本発明の光ファイバを用いた触覚センサでは、前記複数の光ファイバの他端面の配置パターンは、前記弾性部材における複数の感圧点の配置パターンと同じであってもよい。

この構成によると、複数の光ファイバの他端面が弾性部材における複数の感圧点と同じパターンで配置されており、撮影機構で撮影された画像がそのまま弾性部材上での圧力分布になるので、ソフトウェアによる補正処理等の煩雑な作業が不要になる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る光ファイバを用いた触覚センサの概略構成を示す図である。図２は、センサシートの内部の構成を示す断面図である。

図１に示す触覚センサ１は、遮光カバー５内に収納されたセンサシート１０と、センサシート１０から引き出された複数の光ファイバ１３が接続された検出部３０が設けられた電子回路基板３０ａと、電子回路基板３０ａに接続されており、検出部３０での検出結果に基づいてセンサシート１０上での圧力分布を検知するパソコン５０とを有している。センサシート１０には、複数の感圧点（図１では丸印で図示されている）が同一面内において略格子状に配置されている。触覚センサ１では、センサシート１０の各感圧点ごとに１本の光ファイバ１３が配置されている。

センサシート１０は、図２に示すように、例えばウレタンフォーム等の光散乱特性を有する材質（例えば発泡ウレタンなど）で形成された上層１１及び下層１２と、これらの間に配置された複数の光ファイバ１３とを有している。光ファイバ１３は、プラスチック製であり、コアとその周囲に配置されたクラッドとから構成されている。図２では１本の光ファイバ１３だけが図示されている。

次に、検出部３０の構成について、図３を参照して説明する。図３（ａ）は検出部の外観斜視図であり、図３（ｂ）は検出部の分解斜視図である。

複数の光ファイバ１３が束ねられた状態で接続された検出部３０は、図３（ａ）に示すように、略立方体形状を有している。検出部３０は、図３（ｂ）に示すように、束ねられた状態の光ファイバ１３の他端面に向かって光を発光する４つの光源３１と、光ファイバ１３の他端面での輝度変化を撮影するカメラ３２と、光ファイバー１３の他端面及び光源３１を内包する立方体形状の光通過部材３３と、光通過部材３３の上面及び側面に配置された反射防止部材３４とを有している。ここで、図３（ｂ）は、光通過部材３３の端部に接触するように配置された反射防止部材３４が、光通過部材３３の端部から離隔された状態が図示されている。

光源３１は、例えば発光ダイオードが用いられるが、光ファイバ１３を介してセンサシート１０の内部に光を供給できれば、レーザ光源などの他の光源を用いることができる。カメラ３２は、光通過部材３３の下面に近接する位置において、光ファイバ１３の他端面に対向するように配置されている。

光通過部材３３は、光ファイバ１３のコアの屈折率とほぼ同じ屈折率を有している。そのため、光通過部材３３の屈折率と光ファイバ１３のコアの屈折率とが異なる場合に、光源３１から発光された光が光ファイバ１３の他端面で反射され、その反射光をカメラ３２が検出してしまうことで、光ファイバ１３の他端面での輝度変化を正確に検出できなくなるのを防止することができる。

反射防止部材３４は、光通過部材３３の端部において光通過部材３３の内部の光の反射を妨げるものであり、光通過部材３３内での光の乱反射を防止することができる。但し、カメラ３２が配置された光通過部材３３の下面は、反射防止部材３４で覆わなくてもよい。また、反射防止部材３４は、光通過部材３３の端部において外部からの光の入射を防止することができる。なお、カメラ３２が配置された光通過部材３３の下面は、光遮断部材ではなく反射のみを防止する部材であれば覆われていてもよい。また、反射防止部材３４は、同時に、外部からの光の入射を防止する光遮断部材であってもよいし、光通過部材３３の端部において反射防止部材と別の部材の光遮断部材が配置されてもよい。

このように構成された触覚センサ１では、光源３１から発光された光は、光ファイバ１３の他端面から入射し、各感圧点に対応した位置に配置された光ファイバ１３の一端面からセンサシート１０内に出射される。その光はセンサシート１０内で散乱され、その一部は光ファイバ１３の一端面から再び入射する。そして、光ファイバ１３の他端面での輝度変化がカメラ３２により撮影され、その輝度変化に基づいてセンサシート１０上での圧力分布が検知される。

また、本実施の形態では、複数の光ファイバ１３の他端面の配置パターンは、図４に示すように、センサシート１０における複数の感圧点の配置パターンと同じである。図４は、図３（ｂ）の光通過部材３３の下面側から束ねられた状態の複数の光ファイバ１３の他端面を見た図である。つまり、複数の光ファイバ１３の他端面は、センサシート１０における複数の感圧点の配置位置をそのまま縮小した形で固定部材４０で固定されている。ここで、固定部材４０の材質は、例えばエポキシ樹脂やゴムなどが用いられるが、光ファイバ１３を固定できるものであればよい。

以上説明したように、本実施の形態の光ファイバを用いた触覚センサ１では、各感圧点毎に１本の光ファイバが配置されていると共に、ビームスプリッタが不要になることでセンサ構成をさらに簡略化することができる。また、光ファイバ１３の他端面での光の輝度変化をカメラ３１で撮影することで、光ファイバ１３の高集積化が可能になる。

また、複数の光ファイバ１３の他端面の配置パターンがセンサシート１０における複数の感圧点の配置パターンと同じであり、カメラ３１で撮影された画像がそのままセンサシート１０上での圧力分布になるので、ソフトウェアによる補正処理等の煩雑な作業が不要になる。

以上、本発明の好適な一実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。例えば、上述の実施の形態では、センサシート１０における複数の感圧点は略格子状に配置されているが、複数の感圧点の配置は変更可能である。従って、図５（ａ）に示すような配置パターンで複数の感圧点が配置されたセンサシート１１０であってもよい。また、この場合は、複数の光ファイバ１３の他端面の配置パターンは、図５（ｂ）に示すように、センサシート１１０における複数の感圧点の配置パターンと同じであることが好ましい。

また、複数の光ファイバ１３の他端面の配置パターンは、センサシートにおける複数の感圧点の配置パターンと異なっていてもよい。例えば、複数の光ファイバ１３が無造作に束ねられてもよいが、この場合は、カメラが撮影する複数の光ファイバ１３の他端面の位置と、センサシートにおける複数の感圧点の位置とは対応していない。そのため、センサの製造時において、カメラが撮影する複数の光ファイバ１３の他端面のそれぞれの配置と、センサシートにおける複数の感圧点の位置とを対応させる作業が必要になる。上記の作業には、例えばロボットを利用して、センサシート上の感圧点を順次加圧し、そのときにカメラが撮影した画像において、輝度が上昇した光ファイバの他端面と加圧された感圧点の位置とを関連付け、その関連情報をプロセッサ等に記録するなどの方法がある。

本発明の実施の形態に係る光ファイバを用いた触覚センサの概略構成を示す図である。センサシートの内部の構成を示す断面図である。図３（ａ）は検出部の外観斜視図であり、図３（ｂ）は検出部の分解斜視図である。複数の光ファイバの他端面の配置パターンを示す図である。センサシート及び複数の光ファイバの他端面の配置パターンの変形例を示す図である。

符号の説明

１触覚センサ
１０、１１０センサシート
１３光ファイバ
３０検出部
３１光源
３２カメラ
３３光通過部材
３４反射防止部材

Claims

複数の感圧点を有する弾性部材と、
コアと前記コアの周囲に配置されたクラッドとから構成され、且つ、その一端面が前記弾性部材の内部における前記複数の感圧点のそれぞれに対応した位置に配置された複数の光ファイバと、
前記複数の光ファイバの他端面に向かって光を発光する光源と、
前記光ファイバの他端面及び前記光源を内包すると共に、前記コアの屈折率とほぼ同じ屈折率を有する光通過部材と、
前記複数の光ファイバの他端面での輝度変化を撮影する撮影機構と、
前記光通過部材の端部において前記光通過部材の内部の光の反射を妨げる反射防止部材と、
前記光通過部材の端部において外部からの光の入射を妨げる光遮断部材と、
前記撮影機構で撮影された前記光ファイバの他端面での輝度変化に基づいて前記弾性部材に加えられた力を検知する力検知手段とを備えていることを特徴とする光ファイバを用いた触覚センサ。
前記複数の光ファイバの他端面の配置パターンは、前記弾性部材における複数の感圧点の配置パターンと同じであることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバを用いた触覚センサ。