JP2008064458A

JP2008064458A - 感圧センサ

Info

Publication number: JP2008064458A
Application number: JP2004373510A
Authority: JP
Inventors: Sumiaki Ichikawa; 純章市川
Original assignee: Tokyo University of Science
Current assignee: Tokyo University of Science
Priority date: 2004-12-24
Filing date: 2004-12-24
Publication date: 2008-03-21
Also published as: WO2006068194A1

Abstract

【課題】変形を伴う部分に取り付けが可能で、かつ、外部から作用する圧力のみならず、取付部位の変形状態に関する情報を得ることのできる感圧センサを提供する。
【解決手段】感圧センサ１００は、作用する圧力に応じて電気抵抗値を変化させる感圧体と前記感圧体に接合された一対の電極とを有する複数の感圧素子１０１を、伸縮性材料からなる板状部材１０４に縦横の格子状に埋設し、縦方向に並んだ感圧素子１０１の一方の端子を伸縮性を有する導線１０２で接続し、横方向に並んだ感圧素子１０１の他方の端子を伸縮性を有する導線１０３で接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、感圧センサに関し、特に、外部から作用する圧力を検知すると共に、取付対象物の変形状態を検知するうえで好適な感圧センサに関する。

従来より、例えば特許文献１に開示されるような分布型触覚センサが知られている。この接触センサは、感圧導電性被覆が設けられた複数の第１導線と、この第１導線と同じ構成の第２導線とを縦横２方向に織物状に配置している。かかる構成によれば、接触センサの一部に圧力が作用すると、その部分において交差する第１導線及び第２導線の感圧導電性被覆の抵抗値が減少するので、それら導線間の抵抗値も変化する。したがって、時分割で各第１導線と各第２導線との間の抵抗値を測定することにより、圧力が作用した位置を検知することができる。
特開平５−２９６７０９号公報

ところで、特許文献１には、上記接触センサは、織物状に組み合わせて構成されているので柔軟性があり、取付対象面に段差等があってもその形状に沿って配置できることが記載されている。しかしながら、接触センサを構成する導線を伸縮性を材料で構成することは特許文献１には何ら記載されていない。このため、この接触センサを取付対象面の形状に沿って正しく配置することは難しく、さらに、例えばロボットの関節部分のように変形を伴う部分に適用することも難しい。また、ロボットの関節部分などに適用する場合には、外部から作用する圧力のみならず、変形状態を検知することも望まれるが、上記特許文献１の接触センサでは、そのような変形状態の検知を行うことはできない。

そこで、本発明は、変形を伴う部分に取り付けが可能で、かつ、外部から作用する圧力のみならず、取付部位の変形状態に関する情報を得ることのできる感圧センサを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、請求項１に記載された発明に係る感圧センサは、作用する圧力に応じて電気特性値を変化させる感圧体と、前記感圧体に接続された一対の電極とを有する複数の感圧素子を、伸縮性材料からなる板状部材に埋設し、前記複数の感圧素子の一方の電極同士を第１の導線で接続すると共に、他方の電極同士を第２の導線で接続してなることを特徴とする。

本発明によれば、感圧素子を伸縮性材料からなる板状部材に埋設して感圧センサを構成したので、この板状部材の伸縮性によって、変形を伴う部位に感圧センサを取り付けることができる。また、感圧センサの取付部位が変形すると、それに伴って板状部材が弾性変形して感圧素子に応力が作用するので、この応力を感圧素子が検知することにより、取付部位の変形状態に関する情報を得ることができる。

また、請求項２に記載された発明に係る感圧センサは、作用する圧力に応じて電気特性値を変化させる感圧体と、前記感圧体に接続された一対の電極と、前記一対の電極のうち何れか一方の電極に接続されたダイオードとを有する複数の感圧素子を、伸縮性材料からなる板状部材に埋設し、前記複数の感圧素子の前記一方の電極に接続されたダイオード同士を第１の導線で接続すると共に、他方の電極同士を第２の導線で接続してなることを特徴とする。

本発明によれば、上記請求項１と同様の作用が得られると共に、一方の電極にダイオードが接続され、このダイオード同士を第１の導線で接続したので、ある感圧素子による圧力の検出結果に、他の感圧素子の電気特性値の変化の影響が及ぶのを防止できる。

また、請求項３に記載された発明は、請求項１又は２記載の感圧センサにおいて、前記感圧体は一方の電極を包み込むように設けられ、他方の電極はこの感圧体を包み込むように設けられていることを特徴とする。このようにすれば、感圧素子に対して何れの方向から圧力が作用しても、その圧力を検知することが可能となる。

また、請求項４に記載された発明は、請求項１〜３のうち何れか１項記載の感圧センサにおいて、前記一方の電極は球状に形成されていることを特徴とする。

また、請求項５に記載された発明は、請求項１〜４記載のうち何れか１項記載の感圧センサにおいて、前記導線は伸縮可能に構成されていることを特徴とする。

また、請求項６に記載された発明は、請求項１〜５記載の感圧センサにおいて、前記感圧素子は縦横の格子状に配列され、前記第１の導線は、縦横何れか一方の方向に並んだ感圧素子同士を接続し、前記第２の導線は、縦横何れか他方の方向に並んだ感圧素子同士を接続することを特徴とする。

また、請求項７に記載された発明は、請求項１〜６のうち何れか１項記載の感圧センサにおいて、前記感圧体は、作用する圧力に応じて電気特性値を変化させる感圧性材料からなることを特徴とする。

本発明によれば、変形を伴う部位に取り付けが可能で、かつ、外部から作用する圧力のみならず、取付部位の変形状態に関する情報を得ることが可能な感圧センサを提供することができる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態の感圧センサ１００の全体構成を示す斜視図である。同図に示すように、感圧センサ１００は、例えば発泡ウレタン等の伸縮可能な弾性材料からなる板状部材１０４の内部に感圧素子１０１を縦横の格子状に配置し、縦方向（図１の左右方向）に並んだ感圧素子１０１の一方の端子を伸縮可能な導線１０２で接続し、横縦方向に並んだ感圧素子１０１の他方の端子を伸縮可能な導線１０３で接続した構成である。なお、本実施形態では、導線１０２，１０３をコイル状に形成することにより伸縮性を持たせているが、これに限らず、例えば、素材自体が伸縮可能な導電性部材により導線１０２，１０３を構成してもよい。

図２は本実施形態の感圧センサ１００が備える感圧素子１０１の詳細構成を示しており、図２（ａ）は立面図、図２（ｂ）は断面図である。同図に示すように、本実施形態の感圧素子１０１は、ダイオード２０３の一方の端子に球状の電極２０４を取り付け、その表面を感圧導電性ゴム２０２で覆い、さらに、感圧導電性ゴム２０２の周囲を包み込むように電極２０１を設けて構成される。そして、各感圧素子１０１のダイオード２０３の他方の端子同士を接続するように導線１０２（請求項２の第１の導線に相当）が接続され、各感圧素子１０１の電極２０１同士を接続するように導線１０３（請求項２の第２の導線に相当）が接続される。なお、後述するように、ダイオード２０３を含まない構成も本発明の範囲に含まれる。

ここで、感圧導電性ゴムについて説明する。

図３は感圧導電性ゴムの動作原理を模式的に示す図であり、同図（ａ）は外部圧力が作用しない状態を示し、図３（ｂ）は外部圧力が作用した状態を示す。同図に示すように感圧導電性ゴムは例えばシリコンゴムなどの弾性体３０１に、金属粉や粉末状炭素などの微細な導電性物質３０２を混入させたものであり、同図（ａ）に示すように外部圧力が作用しない状態では導電性物質３０２の間に弾性体３０１が介在するため、感圧導電性ゴムの電気抵抗値は非常に高い。一方、同図（ｂ）に示すように、感圧導電性ゴムに圧力が作用すると、加圧部分において導電性物質３０２同士が接触することにより電気抵抗が減少する。感圧導電性ゴムは、このような原理により、作用する圧力に応じて電気抵抗値を変化させる特性を有する。

図４は、本実施形態で用いられる感圧導電性ゴムに作用する圧力と、感圧導電性ゴムの電気抵抗値との関係を表すグラフである。このグラフに示すように圧力（押し付け力）が所定の閾値を超えるまでは、電気抵抗値は非常に高いが、圧力が前記閾値を超えると抵抗値が急激に低下する。このような感圧導電性ゴムの性質を利用し、感圧導電性ゴム２０２の電気抵抗値を測定することで、感圧センサ１００のどの感圧素子１０１に圧力が作用したかを検知することができる。

なお、感圧導電性ゴムは混入する金属の種類及び混入量が異なると、作用する圧力（押し付け力）に対する抵抗値の変化特性が異なる。図５は、感圧素子１０１が備える感圧導電性ゴム２０２に付加する金属を鉄、銅、アルミニウム、ニッケルとし、また、それぞれの混入量を変化させた場合の、押しつけ力に対して反応する感圧素子１０１の個数を示すグラフであり、横軸は押し付け力、縦軸は押し付け力に対して抵抗値変化を示す感圧素子１０１の個数割合（反応割合）を示している。なお、凡例のパーセンテージ（％）は単位体積あたりのゴムの重量に対する付加された金属粉の重量割合を示している。

同図に示すように、混入する金属粉の種類や混入量によって特性は変化し、例えば、ニッケルを混入した場合には、圧力が一定値を超えると反応割合が急激に増加する（特に混入量が１８８％，２５０％の場合）のに対して、例えば鉄を混入した場合には、圧力の増加に対して反応割合は比較的なだらかに増加する。したがって、例えばゴムにニッケル粉を混合した場合には、圧力が一定値を超えると抵抗値が急峻に変化する動作をする感圧導電性ゴムが得られ、このような感圧導電性ゴムは外部から作用する圧力の有無を高感度に検知するのに好適である。一方、例えばゴムに鉄を混入した場合には、圧力変化に対して抵抗値がなだらかに変化する感圧導電性ゴムが得られ、作用する圧力の大きさを検知するのに好適である。

以上のように、感圧素子１０１の感圧導電性ゴム２０２に圧力が作用すると、その部分で感圧導電性ゴム２０２の電気抵抗値が減少する。そして、本実施形態では、球体状の電極２０４を感圧導電性ゴム２０２で包み込み、さらに感圧導電性ゴム２０２を金属箔の電極で包み込むことにより感圧素子１０１を構成しているので、感圧素子１０１に対してどの方向から応力が作用しても、その応力による抵抗値の減少を検出することができる。すなわち、本実施形態における感圧素子１０１は、何れの方向から圧力が作用してもその圧力を検出することが可能な構成となっている。

ただし、電極２０１を、感圧導電性ゴム２０２を包み込むように設ける代わりに、感圧導電性ゴム２０２の特定の箇所にのみ貼付することにより、特定の方向の応力のみを検知するような指向性を持たせることもできる。

また、感圧導電性ゴム２０２の厚さに応じて、感圧素子１０１の圧力検出感度を調整することが可能であり、さらに、感圧導電性ゴム２０２の厚さを位置に応じて変化させることにより、圧力が作用する方向によって抵抗値変化の感度を変えること、つまり、圧力の検出感度に指向性を持たせることも可能である。

なお、本実施形態では、本発明の感圧体として感圧導電性ゴム２０２を用いているが、これに限らず、圧力に応じて電気抵抗値を変化させる材料であればよい。あるいは、圧力に応じて静電容量を変化させる素子を本発明の感圧体として用いることも可能である。要するに、作用する圧力に応じて電気抵抗値あるいは静電容量など何らかの電気特性値を変化させるものであれば本発明の感圧体として用いることができる。

図６は、本実施形態の感圧センサ１００の等価回路図である。同図に示すように、感圧センサ１００は、複数本の導線１０２（１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄ，・・・）と、導線１０３（１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃ，１０３Ｄ，・・・）とを格子状に配置し、それらの交差位置において、導線１０２，１０３の間に、感圧導電性ゴム２０２とダイオード２０３とを直列に接続した構成である。そして、同図に示すように、例えば、導線１０２及び導線１０３に夫々アナログスイッチ１１０，１１１を接続し、所定電圧Ｖを切換器１１０によって何れか１本の導線１０２に順次切り替えて印加しながら、切換器１１１によって何れか１本の導線１０３に流れる電流を電流検出器１１２で検出することにより、時分割で各感圧素子１０１の抵抗値を求め、これにより、感圧センサ１００のどの位置に圧力が作用したのかを検知することができる。

なお、感圧導電性ゴム２０２と直列にダイオード２０３を設けているのは、複数個の感圧センサ１００に同時に圧力が作用した場合にも、それらの圧力作用位置を正しく検知できるようにするためである。すなわち、例えば図６において感圧素子１０１Ａの抵抗値を検出する場合、切換器１１０により電圧Ｖを銅線１０３Ａに接続し、切換器１１１により電流検出器１１２を電線１０２Ａに接続することにより、感圧素子１０１Ａを流れる電流を測定することになる。このとき、感圧素子１０１Ｂ，１０１Ｃ，１０１Ｄにも同時に圧力が作用したとする。この場合、これら感圧素子１０１Ｂ，１０１Ｃ，１０１Ｄの抵抗値が減少するので、各感圧素子１０１にダイオード２０３が設けられていなければ、導線１０３Ａ→感圧素子１０１Ｄ→導線１０２Ｃ→感圧素子１０１Ｃ→導線１０３Ｄ→感圧素子１０１Ｂ→導線１０２Ａ→電流検出器１１２という経路で電流が流れるため、感圧素子１０１Ａに圧力が作用していなくても、測定される抵抗値が減少し、感圧素子１０１Ａに圧力が作用していると誤検出してしまうことになる。これに対して本実施形態では、感圧導電性ゴム２０２と直列に、電圧Ｖに対して順方向にダイオード２０３を設けることで、上記経路のうち感圧素子１０１Ｃを流れる電流をダイオード２０３により阻止し、これにより、上記のような誤検出を防止できる。

このように、ある感圧素子１０１の検出結果を得ようとする際に、他の感圧素子１０１の抵抗値が減少していると、当該他の感圧素子１０１を逆方向に流れる電流の経路が形成されることにより上記検出結果に影響が及ぶことがあるが、本実施形態では、この逆方向の電流をダイオード２０３で阻止することにより、当該他の感圧素子１０１による影響を防止できるのである。ただし、ダイオード２０３を設ける代わりに、信号処理によって他の感圧素子１０１による影響を除去することも可能であり、本発明は、そのようにダイオード２０３が設けられない構成も含むものである。

ところで、本願発明者は、感圧素子１０１の板状部材１０４への埋め込みの深さによって感圧センサの外部圧力に対する応答性が変化することを実験により見出した。図７は、その実験結果を示すものであり、板状部材１０４の異なる深さ（４ｍｍ、１ｍｍ、−１ｍｍ、−４ｍｍ）に感圧素子１０１を配置し、板状部材１０４の表面から圧力を加えた場合の抵抗値の変化を示している。なお、負の値（−１ｍｍ，−４ｍｍ）は、感圧素子１０１が板状部材１０４の表面から突出していることを意味する。同図に示すように、突出量が大きい場合（−４ｍｍ）を除いて、感圧素子１０１を表面近くに設置することで小さい圧力に対して高い感度で抵抗値が変化する傾向にあることがわかる。

このように、感圧素子１０１を板状部材１０４の表面付近に設置すると小さい外部圧力に対しても反応するため、外部から作用する圧力を高感度に検出したい場合に適している。これに対して、感圧素子１０１を板状部材１０４の深部に設置すると小さい外部圧力に反応しにくくなるため、取付箇所の形状変化を検出する場合に適している。さらに、感圧素子１０１を多層に板状部材１０４の中に埋め込むことで、外部から作用する圧力と、取付対象物の形状変化の双方を検知できるようにすることも可能である。

以上説明したように、本実施形態の感圧センサ１００は、感圧素子１０１を、伸縮性を有する板状の板状部材１０４に埋め込んだ構成であるため、感圧センサ１００を取り付けた部位の曲げ、ねじれ、伸縮等の変形に対して追従することができる。そのため、例えば、工業用ロボット等の関節部のような変形を伴う部位に適用することができる。

また、感圧素子１０１が板状部材１０４の内部に埋設されているため、板状部材１０４の変形により生じた内部応力が感圧素子１０１に作用する。このため、本発明の感圧センサ１００を上記したロボットの関節部など、変形等の伴う場所に取り付けることにより、その変形状態に関する情報を得ることが可能になる。

ここで、感圧センサ１００により関節型ロボットの関節の変形状態を検出した一例を示す。ここでは、関節型ロボットのアーム部を模した部材の外周に感圧センサ１００を巻き付け、このロボットアームの関節を動かして感圧センサ１００により検出結果を調べた。このロボットアームの関節部は自在継手に回転の自由度を加えた構造になっている。なお、本実施例では感圧センサ１００の感圧素子１０１の間隔を９ｍｍとし、ロボットアームは直径１１４ｍｍのものを用いている。

図８は一自由度の曲げ運動を行い、２０度おきに関節の角度を増加させていった場合の、感圧センサ１００の各感圧素子１０１による検出結果の分布を表す図であり、黒く塗りつぶした位置の感圧素子１０１の抵抗値が減少したことを示している。同図から分かるように、曲げ角度が８０度を超えたあたりから感圧素子１０１の反応が明確に現れるようになり、曲げ角度が１００度まで到達すると、感圧センサが圧縮される内側と、引っ張りを受ける外側の感圧素子が大きく反応している。このように従来の感圧センサでは得ることのできなかった取付対象の形状変化に関する情報についても得ることが可能となる。

次に、上記と同様に感圧センサ１００をロボットアームの関節に取り付けて、一自由度の曲げ運動（条件１）、二自由度の曲げ運動（条件２）、１８０度ねじった状態での一自由度曲げ運動（条件３）、関節に直径１５ｍｍの丸棒を挟んだ状態での一自由度の曲げ運動（条件４）、及び、平板を押しつけられた状態での一自由度曲げ運動（条件５）について感圧センサ１００の応答を測定した。その結果を図９に示す。なお、図９でも図８と同様に、抵抗値が変化した感圧素子１０１を黒く塗りつぶして示している。

上記条件１〜３は外力が加えられていない状態で関節を様々に変形させた場合の応答であるが、図９からわかるように、関節の変形状態に応じて異なる応答が得られている。また、条件４〜５は一自由度の曲げ運動（条件１）のもとで外力が加わった条件となっている。条件１と４、５を比較すると、条件４、条件５では一自由度曲げ（条件１）の反応箇所とほぼ同一の場所に加えて、条件１では反応（抵抗値変化）が見られなかった感圧素子１０１にも反応が現れていることがわかる。このような結果から、本実施形態の感圧センサ１００の各感圧素子１０１による検出結果の分布パターンに基づいて、取付対象物の変形と、外部から作用する圧力とを区別して両者を適切に検知できることがわかる。

本発明の一実施形態である感圧センサの斜視図である。本実施形態の感圧センサを構成する感圧素子を示す図であり、（ａ）は立面図、（ｂ）は断面図である。本実施形態の感圧センサが備える感圧体の動作原理を表す模式図である。本実施形態において感圧体を構成する感圧導電性ゴムに作用する圧力と電気抵抗の関係を示すグラフである。感圧導電性ゴムに混入する導電体の種類及び混入量を比較したグラフである。本実施形態の感圧センサの等価回路図である。感圧素子の埋め込み深さを変化させた場合の、圧力に対する抵抗値変化を示す図である。感圧センサをロボットアームの関節に取り付けて、関節を曲げた場合の各曲げ角度での感圧センサの応答を示す図である。感圧センサをロボットアームの関節に取り付けて、部材の関節を複数自由度で変形させた場合と、さらに、外部からの圧力を加えた場合の感圧センサの応答を示す図である。

符号の説明

１００感圧センサ
１０１感圧素子
１０２，１０３導線
１０４板状部材
２０１，２０４電極
２０２感圧導電性ゴム
２０３ダイオード

Claims

作用する圧力に応じて電気特性値を変化させる感圧体と、前記感圧体に接続された一対の電極とを有する複数の感圧素子を、伸縮性材料からなる板状部材に埋設し、前記複数の感圧素子の一方の電極同士を第１の導線で接続すると共に、他方の電極同士を第２の導線で接続してなることを特徴とする感圧センサ。
作用する圧力に応じて電気特性値を変化させる感圧体と、前記感圧体に接続された一対の電極と、前記一対の電極のうち何れか一方の電極に接続されたダイオードとを有する複数の感圧素子を、伸縮性材料からなる板状部材に埋設し、前記複数の感圧素子の前記一方の電極に接続されたダイオード同士を第１の導線で接続すると共に、他方の電極同士を第２の導線で接続してなることを特徴とする感圧センサ。
前記感圧体は一方の電極を包み込むように設けられ、他方の電極はこの感圧体を包み込むように設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の感圧センサ。
前記一方の電極は球状に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項記載の感圧センサ。
前記導線は伸縮可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜４記載のうち何れか１項感圧センサ。
前記感圧素子は縦横の格子状に配列され、前記第１の導線は、縦横何れか一方の方向に並んだ感圧素子同士を接続し、前記第２の導線は、縦横何れか他方の方向に並んだ感圧素子同士を接続することを特徴とする請求項１〜５のうち何れか１項記載の感圧センサ。
前記感圧体は、作用する圧力に応じて電気特性値を変化させる感圧性材料からなることを特徴とする請求項１〜６のうち何れか１項記載の感圧センサ。