JP2010014512A - 感圧センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】接触時の柔らかい感触を実現しつつ、接触に対する感度を確保することができ、且つ湾曲した面に対する設置を容易にすることができる感圧センサを提供することを課題とする。
【解決手段】感圧センサ101は、弾性材からなり表面に沿った通路11a及び12aを内部に有するシート部材1と、光の透過性を有し通路11a及び12aに封入されて光導波路21及び22を形成する液体媒体の蛍光塗料2と、通路11a及び12aに光を導入する光ファイバ5a及び5bと、光ファイバ5a及び5bにより導入されて通路11a及び12a内の蛍光塗料2を透過した光を検知する1次元ラインセンサ6c及び6dとを備える。
【選択図】図1
【解決手段】感圧センサ101は、弾性材からなり表面に沿った通路11a及び12aを内部に有するシート部材1と、光の透過性を有し通路11a及び12aに封入されて光導波路21及び22を形成する液体媒体の蛍光塗料2と、通路11a及び12aに光を導入する光ファイバ5a及び5bと、光ファイバ5a及び5bにより導入されて通路11a及び12a内の蛍光塗料2を透過した光を検知する1次元ラインセンサ6c及び6dとを備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、ロボットのハンド及びアーム等に用いられる光学式の感圧センサに関する。
従来から、ロボットのハンドやアーム等に用いられ、このハンドやアームが物体に接触した際、この接触を検出するためのセンサとして、光ファイバを採用した光学式のセンサが提案されている。このセンサは、ロボットのハンドやアーム等の表面に複数設けられた光ファイバが物体に接触し、光ファイバが加圧されることで生じる光ファイバ中の光強度の変化等を検出することにより、物体との接触を検出するものである。
例えば、特許文献1には、複数の光ファイバに複数の光ファイバを交差させて配置し、各光ファイバの一方端から光を入射させ、他方端に設けた光センサで光の強度を検出することにより、物体との接触位置を検出する光学式触覚センサが示されている。
この光学式触覚センサは、各光ファイバの交点を検出点としている。この検出点において交差し重なっている光ファイバには、物体と接触した際に変形が発生する。そこで、この光学式触覚センサは、この変形により生じる光の強度の減衰を光センサにより検出し、さらに変形した光ファイバを特定することにより、物体と接触している検出点を特定するものである。
例えば、特許文献1には、複数の光ファイバに複数の光ファイバを交差させて配置し、各光ファイバの一方端から光を入射させ、他方端に設けた光センサで光の強度を検出することにより、物体との接触位置を検出する光学式触覚センサが示されている。
この光学式触覚センサは、各光ファイバの交点を検出点としている。この検出点において交差し重なっている光ファイバには、物体と接触した際に変形が発生する。そこで、この光学式触覚センサは、この変形により生じる光の強度の減衰を光センサにより検出し、さらに変形した光ファイバを特定することにより、物体と接触している検出点を特定するものである。
しかしながら、特許文献1における光学式触覚センサにおける光ファイバは比較的固い材質からなる。一方、人体と接触するロボットのハンドやアームに光学式触覚センサが使用される場合、光学式触覚センサには、その表面に柔らかい触感が求められる。このため、光ファイバの表面には軟質の保護材等を貼り付ける必要が生じる。さらに、ロボットのハンドやアームは、人体を保護する目的でその表面をシリコンラバー等の軟材によって覆われるが、この光学式触覚センサをロボットのハンドやアームに設置する際には、この軟材の表面に光ファイバを貼り付け、さらにその上に保護材を貼り付けることになる。
また、ロボットのハンドやアームは、その表面が円柱面や球面等の湾曲した面で構成されている。
そこで、腕曲した面に設けられた軟材に対して、変形を生じさせないように光ファイバを貼り付けることは非常に困難であり、工数の増大による生産性の低下とコストの上昇を招くという問題がある。
さらに、比較的固い材質からなる光ファイバの上に、保護材のような軟質な材質のものを貼り付けると、保護材が力を吸収するため光ファイバは加圧により変形しにくくなり、光学式触覚センサの感度が低下するという問題がある。
そこで、腕曲した面に設けられた軟材に対して、変形を生じさせないように光ファイバを貼り付けることは非常に困難であり、工数の増大による生産性の低下とコストの上昇を招くという問題がある。
さらに、比較的固い材質からなる光ファイバの上に、保護材のような軟質な材質のものを貼り付けると、保護材が力を吸収するため光ファイバは加圧により変形しにくくなり、光学式触覚センサの感度が低下するという問題がある。
この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、接触時の柔らかい感触を実現しつつ、接触に対する感度を確保することができ、且つ湾曲した面に対する設置を容易にすることのできる光学式の感圧センサを提供することを目的とする。
上述の問題点を解決するため、この発明に係る感圧センサは、弾性材からなり、導入部と導出部とを有し表面に沿って延びる通路を、内部に有するシート部材と、光の透過性を有し、通路に封入されて光導波路を形成する液体媒体と、通路の導入部に光を導入する光導入手段と、光導入手段により通路の導入部に導入され、液体媒体を透過した光を、通路の導出部において検知する受光手段とを備えることを特徴とする。
このため、この感圧センサは、弾性材からなるシート部材の内部に液体媒体からなる光導波路を一体に形成した構成を有する。また、この感圧センサは、物体との接触時におけるシート部材を介した通路の変形、すなわち光導波路の変形による、光導波路を伝播する光の変化を検知するものである。そこで、弾性材からなるシート部材は湾曲した面に容易に設置することができる。また、シート部材の内部の通路に形成された液体媒体からなる光導波路はシート部材の湾曲等の変形に追随した形状を有することができ、設置時におけるシート部材の変形により光導波路の横断面に変形や閉塞等が発生しない。このため、シート部材の湾曲等の変形によって、光導波路を伝播する光は影響を受けず、受光手段による確実な光の検知を可能にする。さらに、弾性材からなるシート部材は、人体との接触時に柔らかい感触を実現しており、これにより、シート部材の表面に保護材等が必要なくなるため、感圧センサの感度を確保することができる。
液体媒体は、蛍光色素を含み、通路に導入される光は平行光であってもよい。蛍光色素を含む液体媒体を平行光が透過する際、平行光は非常に高い直進性を有するため、光の伝播損失、つまり減衰率を低く抑えることができる。このため、シート部材の湾曲等により通路に曲がりが生じていても、光導入手段により通路に導入された光は、通路を伝播した後、光の強度の減衰が抑えられた状態で受光手段によって確実に検知される。
通路は、交差する2つの方向に延びる通路からなっていてもよい。通路を伝播した光を検知して物体との接触により変形した通路を特定することにより、シート部材における物体と接触した位置を異なる2方向から特定することができる、すなわち2次元的に特定することができる。
受光手段は、受光した光の強度を電気信号に変換するラインセンサを有し、ラインセンサは、通路の導出部に設けられていてもよい。ラインセンサにより、通路を伝播した光の強度が検知される。
通路は、交差する2つの方向に延びる通路からなっていてもよい。通路を伝播した光を検知して物体との接触により変形した通路を特定することにより、シート部材における物体と接触した位置を異なる2方向から特定することができる、すなわち2次元的に特定することができる。
受光手段は、受光した光の強度を電気信号に変換するラインセンサを有し、ラインセンサは、通路の導出部に設けられていてもよい。ラインセンサにより、通路を伝播した光の強度が検知される。
通路の導出部と受光手段との間に光ファイバをさらに備え、受光手段は、受光した光の強度を電気信号に変換するラインセンサを有し、ラインセンサは、光導入手段により導入され液体媒体を透過した光を、光ファイバを介して検知してもよい。ラインセンサにより、通路を伝播した光の強度が光ファイバを介して検知される。また、ラインセンサをシート部材から離れた位置に設けることができる。このため、物体との接触を有するシート部材には衝撃等が発生する可能性があるが、物体との接触部からラインセンサを離した配置することにより、衝撃によるラインセンサの破損等を防止することができる。さらに、ラインセンサを1箇所に集中して配置することにより、感圧センサを備えるロボット等の機械を感圧センサからの情報を基に制御する制御装置とラインセンサとの接続に関する回路が簡易になる。
光導入手段は、平行光を発する光源を有してもよい。
光導入手段は、平行光を発する光源を有してもよい。
この発明によれば、光学式の感圧センサは、接触時の柔らかい感触を実現しつつ、接触に対する感度を確保することができ、且つ湾曲した面に対する設置を容易にすることができる。
以下に、この発明の実施の形態について、添付図面に基づいて説明する。
実施の形態1.
まず、図1、図2及び図3を用いて、この発明の実施の形態1に係る光学式の感圧センサ101の構成を示す。
図1を参照すると、感圧センサ101は、矩形状をした軟質な弾性材からなるシート部材1を備える。
ここで、図2を参照すると、シート部材1は、2つの矩形状をした第1シート11及び第2シート12が互いの表面で接合されて形成されている。なお、第1シート11及び第2シート12は、シリコンラバー等からなり、第2シート12における外周の4辺である端部付近において光の透過性を有している。
実施の形態1.
まず、図1、図2及び図3を用いて、この発明の実施の形態1に係る光学式の感圧センサ101の構成を示す。
図1を参照すると、感圧センサ101は、矩形状をした軟質な弾性材からなるシート部材1を備える。
ここで、図2を参照すると、シート部材1は、2つの矩形状をした第1シート11及び第2シート12が互いの表面で接合されて形成されている。なお、第1シート11及び第2シート12は、シリコンラバー等からなり、第2シート12における外周の4辺である端部付近において光の透過性を有している。
さらに、第1シート11の表面には、この表面の長手方向(図1参照)に沿って、溝形状をした通路11aが平行に複数形成され、通路11aは第1シート11の両端に及んでいる。なお、通路11aは、第1シート11に対して、レーザー加工や化学エッチング等により形成される。
また、第2シート12の表面には、第1シート11と同様にして、この表面の短手方向(図1参照)に沿って、溝形状をした通路12aが平行に複数形成され、通路12aは第2シート12の両端に及んでいる。さらに、第1シート11及び第2シート12は、通路11a及び12aが形成された面同士を対向させて接合されている。このとき、通路11aの方向及び通路12aの方向は互いに直交しており、通路11a及び12aは、シート部材1の内部において、シート部材1の表面1fに沿った直交する複数の通路をそれぞれ形成している。
また、第2シート12の表面には、第1シート11と同様にして、この表面の短手方向(図1参照)に沿って、溝形状をした通路12aが平行に複数形成され、通路12aは第2シート12の両端に及んでいる。さらに、第1シート11及び第2シート12は、通路11a及び12aが形成された面同士を対向させて接合されている。このとき、通路11aの方向及び通路12aの方向は互いに直交しており、通路11a及び12aは、シート部材1の内部において、シート部材1の表面1fに沿った直交する複数の通路をそれぞれ形成している。
次に、図1に戻り、シート部材1の通路11a及び12aには、蛍光色素を含む液体媒体である蛍光塗料2がそれぞれ封入されている。蛍光塗料2は通路11a及び12aのそれぞれの端部より注入される。そして、蛍光塗料2の通路11a及び12aへの充填後、通路11a及び12aの両端部はシート部材1の焼き付け等により閉じられ、蛍光塗料2がシート部材1の通路11a及び12a内に封入される。
なお、蛍光塗料2は、水やアルコール等の溶媒に対する溶解性を有する蛍光色素を、水やアルコール等に溶解させて生成されている。例えば、蛍光絵の具をアルコールに溶解させ、不純物を濾過して生成されるような溶液などでよい。この蛍光塗料2は、光の透過性を有する液体媒体であり、平行光を照射されると、その内部において、光の伝播損失(光の減衰)が抑えられた直進性の良好な光の伝播を行う。よって、蛍光塗料2が封入された通路11a及び12aは、光の伝播損失(光の減衰)が抑制された光導波路21及び22をそれぞれ形成する。
なお、蛍光塗料2は、水やアルコール等の溶媒に対する溶解性を有する蛍光色素を、水やアルコール等に溶解させて生成されている。例えば、蛍光絵の具をアルコールに溶解させ、不純物を濾過して生成されるような溶液などでよい。この蛍光塗料2は、光の透過性を有する液体媒体であり、平行光を照射されると、その内部において、光の伝播損失(光の減衰)が抑えられた直進性の良好な光の伝播を行う。よって、蛍光塗料2が封入された通路11a及び12aは、光の伝播損失(光の減衰)が抑制された光導波路21及び22をそれぞれ形成する。
また、シート部材1における外周の4辺には、コの字形状の断面を有する固定台3(図2及び図3参照)が設けられている。固定台3は、弾性材からなり、コの字形状断面の凹部においてシート部材1の4つの端部、第1端部1a,第2端部1b,第3端部1c,第4端部1dを狭持するように設けられている(図2及び図3参照)。さらにシート部材1、すなわち、第2シート12における固定台3に狭持される部位は光の透過性を有している。また、固定台3は、シート部材1の4つの端部、第1端部1a,第2端部1b,第3端部1c,第4端部1dにそれぞれ対応した長さを有する4つの部材、第1部材3a、第2部材3b、第3部材3c及び第4部材3dにより構成されている。なお、固定台3の第1部材3a及び第2部材3bにおいて、例えば、図2に示す第1部材3aの部位3a1のように、シート部材1の上方となる部位は光の透過性を有する材料から形成されている。また、シート部材1は、固定台3に狭持されて固定台3の設置面との間に僅かな隙間を形成しており、設置面に対して上下方向に撓むことができるようになっている(図2及び図3参照)。
また、固定台3における第1部材3a及び第2部材3bには、これらに沿って光ファイバ5a及び5bがそれぞれ設けられている。光ファイバ5a及び5bは、例えば、図2に示す第1部材3aの部位3a1のように、第1部材3a及び第2部材3bにおけるシート部材1の上方となる部位に配置されており、光導入手段を構成している。なお、この光導入手段である光ファイバ5a及び5bは、ガラス管などであってもよく、内部に光を伝播させ、さらに内部の光を外部に透過させることができるものであればよい。
よって、図2を参照すると、光ファイバ5aからその外部に透過した光は、シート部材1の第2シート12を透過し、通路11aにおける光ファイバ5aと対向する部位である導入部11aaにおいて通路11aに導入される。また、図3を参照すると、光ファイバ5bからその外部に透過した光は、通路11aと同様にして、第2シート12を透過し、導入部12aaにおいて通路12aに導入される。
さらに、図1に戻り、固定台3における第1部材3a及び第2部材3bの交差部、すなわち光ファイバ5a及び5bの交差部には、平行光を発するLED(発光ダイオード)4が光源として設けられている。LED4は光ファイバ5a及び5bと同じ高さに設けられており、LED4の発する光が光ファイバ5a及び5bの内部を進行するようになっている。なお、LED4は、この感圧センサ101が設置される図示しないロボット等の機械における制御装置7と電気的に接続され、制御装置7によってその電源のON−OFFが制御される。
よって、図2を参照すると、光ファイバ5aからその外部に透過した光は、シート部材1の第2シート12を透過し、通路11aにおける光ファイバ5aと対向する部位である導入部11aaにおいて通路11aに導入される。また、図3を参照すると、光ファイバ5bからその外部に透過した光は、通路11aと同様にして、第2シート12を透過し、導入部12aaにおいて通路12aに導入される。
さらに、図1に戻り、固定台3における第1部材3a及び第2部材3bの交差部、すなわち光ファイバ5a及び5bの交差部には、平行光を発するLED(発光ダイオード)4が光源として設けられている。LED4は光ファイバ5a及び5bと同じ高さに設けられており、LED4の発する光が光ファイバ5a及び5bの内部を進行するようになっている。なお、LED4は、この感圧センサ101が設置される図示しないロボット等の機械における制御装置7と電気的に接続され、制御装置7によってその電源のON−OFFが制御される。
また、固定台3において、シート部材1を挟んで第1部材3a及び第2部材3bにそれぞれ対向する第3部材3c及び第4部材3dには、これらに沿って光の強度を検知する1次元ラインセンサ6c及び6dがそれぞれ設けられている。1次元ラインセンサ6c及び6dは、例えば、図2に示す第3部材3cの部位3c1のように、第3部材3c及び第4部材3dにおけるシート部材1の上方となる部位に配置されており、受光手段を構成している。なお、1次元ラインセンサ6c及び6dは、多数の受光素子が一列に並べられたもので、受光した一列分の光の強度を電気信号に変換することができる撮像素子のことである。すなわち、1次元ラインセンサ6c及び6dは、シート部材1の通路11a及び12aのそれぞれの光の強度を検知し、この検知した光の強度を、受光しているか否かを示す1/0のデジタル信号に変換するものである。なお、光の強度の1/0のデジタル信号への変換は光の強度の所定の閾値を基準にして行われ、光の強度は、所定の閾値以上の場合に受光していることを示す信号値「1」に変換され、所定の閾値より小さい場合に受光していないことを示す信号値「0」に変換される。
よって、図2を参照すると、1次元ラインセンサ6cは、シート部材1の通路11a内を透過した後、1次元ラインセンサ6cと対向する部位である導出部11abにおいて第2シート12を透過した光を検知する。また、図3を参照すると、1次元ラインセンサ6dも、1次元ラインセンサ6cと同様にして、導出部12abにおいて第2シート12を透過した通路12aの光を検知する。
よって、図2を参照すると、1次元ラインセンサ6cは、シート部材1の通路11a内を透過した後、1次元ラインセンサ6cと対向する部位である導出部11abにおいて第2シート12を透過した光を検知する。また、図3を参照すると、1次元ラインセンサ6dも、1次元ラインセンサ6cと同様にして、導出部12abにおいて第2シート12を透過した通路12aの光を検知する。
さらに、図1に戻り、1次元ラインセンサ6c及び6dは、制御装置7に電気的に接続されている。なお、制御装置7には、1次元ラインセンサ6c及び6dから1/0のデジタル信号及びそれに対応する通路の情報が送られる。さらに、制御装置7は、送られた1/0のデジタル信号と、シート部材1の通路11a及び12aのそれぞれの通路の位置とを対応づけ、その対応づけた結果に基づき図示しないロボット等の機械を制御する。なお、制御装置7による対応づけの詳細は後述にて示す。
次に、図1、図2及び図3を用いて、この発明の実施の形態1に係る感圧センサ101の動作を示す。
図1を参照すると、感圧センサ101が設けられる図示しないロボット等の機械が始動されると、制御装置7によりLED4の電源がONされる。なお、LED4は、この機械の作動中はON状態を維持する。
LED4から発せられる平行光は光ファイバ5a及び5bの内部を進行し、この光ファイバ5a及び5bから漏れ出た平行光のそれぞれが、シート部材1の第2シート12(図2及び図3参照)を透過して、導入部11aa及び12aa(図2及び図3参照)において通路11a及び12aに伝播する。通路11a及び12aに伝播した平行光は、通路11aの蛍光塗料2及び通路12aの蛍光塗料2内をそれぞれ方向A及びBに進行する。
図1を参照すると、感圧センサ101が設けられる図示しないロボット等の機械が始動されると、制御装置7によりLED4の電源がONされる。なお、LED4は、この機械の作動中はON状態を維持する。
LED4から発せられる平行光は光ファイバ5a及び5bの内部を進行し、この光ファイバ5a及び5bから漏れ出た平行光のそれぞれが、シート部材1の第2シート12(図2及び図3参照)を透過して、導入部11aa及び12aa(図2及び図3参照)において通路11a及び12aに伝播する。通路11a及び12aに伝播した平行光は、通路11aの蛍光塗料2及び通路12aの蛍光塗料2内をそれぞれ方向A及びBに進行する。
さらに、方向A及びBに進行する通路11a及び12a内の平行光は、シート部材1の第3端部1cに位置する通路11aの導出部11ab(図2参照)及び第4端部1dに位置する通路12aの導出部12ab(図3参照)において第2シート12(図2及び図3参照)を透過して、1次元ラインセンサ6c及び6dによってそれぞれ受光される。1次元ラインセンサ6c及び6dは受光した光の強度を1/0のデジタル信号に変換し、変換したデジタル信号とそれに対応する通路の情報とを制御装置7に送る。制御装置7は、以下に示すように、送られた1/0のデジタル信号とそれに対応する通路の位置とを対応づけ、さらに、対応づけた結果に基づき図示しないロボット等の機械を制御する。
また、説明の便宜上、通路11aに平行な方向Aに向かう軸をY軸と規定し、Y軸に対して垂直下方向の方向Bに向かう軸をX軸と規定する。
また、説明の便宜上、通路11aに平行な方向Aに向かう軸をY軸と規定し、Y軸に対して垂直下方向の方向Bに向かう軸をX軸と規定する。
例えば、感圧センサ101が図示しない物体に接触し、点Pにおいてシート部材1が部分的に撓むか又は押しつぶされると、シート部材1内部の通路11a及び12aのうち、点Pで交差する通路11a1及び12a1が変形を受けるか又は押しつぶされる。通路11a1及び通路12a1を伝播するそれぞれの光は、点Pにおける通路の変形により減衰が大きくなるため、1次元ラインセンサ6cにおいて検知される通路11a1の光の強度、及び1次元ラインセンサ6dにおいて検知される通路12a1の光の強度は減少し、所定の閾値より小さくなる。
そこで、1次元ラインセンサ6c及び6dは、通路11a1及び12a1から受光した光の強度を、受光していないことを示す信号値「0」のデジタル信号にそれぞれ変換する。また、その他の通路から受光した光の強度については、所定の閾値以上であるため、受光していることを示す信号値「1」のデジタル信号にそれぞれ変換される。例えば、通路11aの通路11a2及び通路12aの通路12a2における信号値が「1」となる。
さらに、1次元ラインセンサ6c及び6dは、通路11a及び12aのそれぞれにおいて変換したデジタル信号値「0」或いは「1」を対応する通路の情報と共に、制御装置7に送る。
また、制御装置7には、シート部材1における通路11a及び12aの位置情報とこれらの通路の各交点の位置情報とがX軸及びY軸に基づく2次元の座標により予め記憶されている。そこで、制御装置7は、通路11aにおける信号値及び通路12aにおける信号値から、通路11a及び12aの各交点における光の強度の信号値を設定する。
さらに、1次元ラインセンサ6c及び6dは、通路11a及び12aのそれぞれにおいて変換したデジタル信号値「0」或いは「1」を対応する通路の情報と共に、制御装置7に送る。
また、制御装置7には、シート部材1における通路11a及び12aの位置情報とこれらの通路の各交点の位置情報とがX軸及びY軸に基づく2次元の座標により予め記憶されている。そこで、制御装置7は、通路11aにおける信号値及び通路12aにおける信号値から、通路11a及び12aの各交点における光の強度の信号値を設定する。
例えば、信号値「0」を示す通路11a1及び信号値「0」を示す通路12a1の交点Pにおける光の強度の信号値を「00」とし、信号値「0」を示す通路11a1及び信号値「1」を示す通路12a2の交点Qにおける光の強度の信号値を「01」とする。また、信号値「1」を示す通路11a2及び信号値「0」を示す通路12a1の交点Rにおける光の強度の信号値を「10」とし、信号値「1」を示す通路11a2及び信号値「1」を示す通路12a2の交点Sにおける光の強度の信号値を「11」とする。
これらの4点P,Q,R,Sにおいて、図示しない物体との接触によりシート部材1の変形を受けた点Pの光の強度の信号値が「00」であるように、通路11a及び12aの各交点において、光の強度の信号値が「00」である交点がシート部材1の変形した点である。また、光の強度の信号値が「01」,「10」,「11」である交点は、シート部材1に変形が生じていない点である。
これらの4点P,Q,R,Sにおいて、図示しない物体との接触によりシート部材1の変形を受けた点Pの光の強度の信号値が「00」であるように、通路11a及び12aの各交点において、光の強度の信号値が「00」である交点がシート部材1の変形した点である。また、光の強度の信号値が「01」,「10」,「11」である交点は、シート部材1に変形が生じていない点である。
よって、制御装置7は、通路11a及び12aの各交点の座標と光の強度の信号値とを対応づけ、光の強度の信号値が「00」である交点、すなわち、物体との接触等によりシート部材1の変形を受けた点Pの2次元の位置を特定する。
従って、制御装置7は、通路11aにおいて信号値「0」を示す通路と通路12aにおいて信号値「0」を示す通路との交点において、物体との接触等によりシート部材1が変形していると判定し、これらの通路の交点の座標と判定結果とを対応づけて、シート部材1が変形している点を特定する。
また、制御装置7は、上述のようにして特定した物体との接触点を示す点Pの2次元の位置に基づき、図示しないロボット等の機械を制御する。
従って、制御装置7は、通路11aにおいて信号値「0」を示す通路と通路12aにおいて信号値「0」を示す通路との交点において、物体との接触等によりシート部材1が変形していると判定し、これらの通路の交点の座標と判定結果とを対応づけて、シート部材1が変形している点を特定する。
また、制御装置7は、上述のようにして特定した物体との接触点を示す点Pの2次元の位置に基づき、図示しないロボット等の機械を制御する。
このように、実施の形態1に係る感圧センサ101は、弾性材からなり、導入部11aa及び12aa並びに導出部11ab及び12abを有し表面に沿って延びる通路11a及び12aを、内部に有するシート部材1と、光の透過性を有し通路11a及び12aに封入されて光導波路21及び22を形成する蛍光塗料2と、通路11aの導入部11aa及び通路12aの導入部12aaに光を導入する光ファイバ5a及び5bと、光ファイバ5a及び5bにより導入部11aa及び12aaに導入されて通路11a及び12a内の蛍光塗料2を透過した光を通路11aの導出部11ab及び通路12aの導出部12abにおいて検知する1次元ラインセンサ6c及び6dとを備える。
これによって、感圧センサ101は、弾性材からなるシート部材1の内部に液体媒体の蛍光塗料2からなる光導波路21及び22を一体に形成した構成を有する。なお、弾性材からなるシート部材1は湾曲した面に容易に設置することができる。また、シート部材1の内部に形成され、蛍光塗料2が封入された通路11a及び12aはシート部材1の湾曲等の変形に追随した形状を有することができ、設置時におけるシート部材1の変形により通路11a及び12aの横断面に変形や閉塞等が発生しない。このため、シート部材1の湾曲等の変形によって、通路11a及び12aを伝播する光は影響を受けず、1次元ラインセンサ6c及び6dによる確実な光の検知を可能にする。さらに、弾性材からなるシート部材1は、人体との接触時に柔らかい感触を実現しており、これにより、シート部材1の表面に保護材等が必要なくなるため、感圧センサ101の感度を確保することができる。
また、蛍光色素を含む蛍光塗料2内をLED4から発せられる平行光が透過する際、平行光は非常に高い直進性を有する。すなわち、蛍光塗料2は、内部を透過する平行光に対して、光の伝播損失、つまり減衰率を低く抑えることができる。よって、蛍光塗料2をシート部材1の通路11a及び12aのそれぞれに封入して光導波路21及び22を形成することにより、シート部材1の湾曲等で通路11a及び12aに曲がりが生じていても、光ファイバ5a及び5bにより通路11a及び12aに導入された光は、通路11a及び12aを伝播した後、光の強度の減衰が抑えられた状態で1次元ラインセンサ6c及び6dによって確実に検知される。
また、通路11a及び12aを互いに交差した直交する配置とし、物体との接触により変形した通路11a1及び12a1を特定することによって、物体との接触位置を2次元の座標により特定することができる。
また、通路11a及び12aを互いに交差した直交する配置とし、物体との接触により変形した通路11a1及び12a1を特定することによって、物体との接触位置を2次元の座標により特定することができる。
また、感圧センサ101は、シート部材1に形成した通路11a及び12aのそれぞれに蛍光塗料2を注入するだけで、シート部材1の内部に光導波路21及び22を形成することができる、従って、感圧センサ101の製造が簡単になるため、コストを低減することが可能になる。
また、感圧センサ101をロボットの指の円筒部に設置した例が、図5によって示される。感圧センサ101は、固定台3における第1部材3a及び第3部材3cをつき合わせるようにして円筒面の外周に巻き付けて設置することができる。
また、感圧センサ101をロボットの指の円筒部に設置した例が、図5によって示される。感圧センサ101は、固定台3における第1部材3a及び第3部材3cをつき合わせるようにして円筒面の外周に巻き付けて設置することができる。
実施の形態2.
この発明の実施の形態2に係る光学式の感圧センサ102は、実施の形態1における1次元ラインセンサ6c及び6dがシート部材1の通路11a及び12aから光を直接受光して光の強度を検知していたものを、1次元ラインセンサがシート部材1の通路11a及び12aから光を直接受光せずに光ファイバを介して間接的に受光するようにしたものである。
なお、以下の実施の形態において、前出した図における参照符号と同一の符号は、同一または同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
まず、図4を用いて、この発明の実施の形態2に係る感圧センサ102の構成を示す。
感圧センサ102は、実施の形態1と同様にして、通路11a及び12aを有するシート部材1を備え、通路11a及び12aの内部には蛍光塗料2が封入されている。
この発明の実施の形態2に係る光学式の感圧センサ102は、実施の形態1における1次元ラインセンサ6c及び6dがシート部材1の通路11a及び12aから光を直接受光して光の強度を検知していたものを、1次元ラインセンサがシート部材1の通路11a及び12aから光を直接受光せずに光ファイバを介して間接的に受光するようにしたものである。
なお、以下の実施の形態において、前出した図における参照符号と同一の符号は、同一または同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
まず、図4を用いて、この発明の実施の形態2に係る感圧センサ102の構成を示す。
感圧センサ102は、実施の形態1と同様にして、通路11a及び12aを有するシート部材1を備え、通路11a及び12aの内部には蛍光塗料2が封入されている。
さらに、シート部材1の端部における第1端部1a及び第2端部1bには、固定台3が設けられ、固定台3は第1部材3a及び第2部材3bにより構成されている。
また、固定台3の第1部材3a及び第2部材3bには、これらに沿って光ファイバ5a及び5bがそれぞれ設けられている。
さらに、固定台3において、光ファイバ5a及び5bの交差部には、LED4が設けられ、制御装置7と電気的に接続されている。
また、シート部材1において、固定台3の第1部材3a及び第2部材3bにそれぞれ対向するシート部材1の第3端部1c及び第4端部1dには、光ファイバ9a及び9bが接続されている。
また、固定台3の第1部材3a及び第2部材3bには、これらに沿って光ファイバ5a及び5bがそれぞれ設けられている。
さらに、固定台3において、光ファイバ5a及び5bの交差部には、LED4が設けられ、制御装置7と電気的に接続されている。
また、シート部材1において、固定台3の第1部材3a及び第2部材3bにそれぞれ対向するシート部材1の第3端部1c及び第4端部1dには、光ファイバ9a及び9bが接続されている。
光ファイバ9aは、一方の端部において、シート部材1の通路11aから光を受光するように配置されており、さらに、光ファイバ9aの他方の端部は、1次元ラインセンサ6cに接続されている。
また、光ファイバ9bは、一方の端部において、シート部材1の通路12aから光を受光するように配置されており、さらに、光ファイバ9bの他方の端部は、1次元ラインセンサ6dに接続されている。
さらに、1次元ラインセンサ6c及び6dは、制御装置7と電気的に接続されている。
よって、1次元ラインセンサ6c及び6dは、光ファイバ9a及び9bの長さの分だけ、シート部材1から離れた位置に設けることができる。
また、この発明の実施の形態2に係る感圧センサ102のその他の構成は、実施の形態1と同様であるため、説明を省略する。
また、光ファイバ9bは、一方の端部において、シート部材1の通路12aから光を受光するように配置されており、さらに、光ファイバ9bの他方の端部は、1次元ラインセンサ6dに接続されている。
さらに、1次元ラインセンサ6c及び6dは、制御装置7と電気的に接続されている。
よって、1次元ラインセンサ6c及び6dは、光ファイバ9a及び9bの長さの分だけ、シート部材1から離れた位置に設けることができる。
また、この発明の実施の形態2に係る感圧センサ102のその他の構成は、実施の形態1と同様であるため、説明を省略する。
次に、図4を用いて、この発明の実施の形態2に係る感圧センサ102の動作を示す。
感圧センサ102においてLED4の電源がONされると、実施の形態1と同様にして、LED4から発する平行光は、光ファイバ5a及び5bの内部を進行し、シート部材1の通路11a及び12aにそれぞれ伝播する。伝播した平行光は、通路11a及び12aの蛍光塗料2内をそれぞれ方向A及びBに進行し、さらには光ファイバ9a及び9bの内部に伝播する。この伝播した平行光は、光ファイバ9a及び9b内をそれぞれ進行し、光ファイバ9a及び9bの末端に設けられた1次元ラインセンサ6c及び6dによってその光の強度が検知される。1次元ラインセンサ6c及び6dによって検知された光の強度は1/0のデジタル信号にそれぞれ変換された後、制御装置7に送られる。制御装置7は、実施の形態1と同様にして、送られた信号を演算処理し、図示しないロボット等の機械を制御する。
また、この発明の実施の形態2に係る感圧センサ102のその他の動作は、実施の形態1と同様であるため、説明を省略する。
感圧センサ102においてLED4の電源がONされると、実施の形態1と同様にして、LED4から発する平行光は、光ファイバ5a及び5bの内部を進行し、シート部材1の通路11a及び12aにそれぞれ伝播する。伝播した平行光は、通路11a及び12aの蛍光塗料2内をそれぞれ方向A及びBに進行し、さらには光ファイバ9a及び9bの内部に伝播する。この伝播した平行光は、光ファイバ9a及び9b内をそれぞれ進行し、光ファイバ9a及び9bの末端に設けられた1次元ラインセンサ6c及び6dによってその光の強度が検知される。1次元ラインセンサ6c及び6dによって検知された光の強度は1/0のデジタル信号にそれぞれ変換された後、制御装置7に送られる。制御装置7は、実施の形態1と同様にして、送られた信号を演算処理し、図示しないロボット等の機械を制御する。
また、この発明の実施の形態2に係る感圧センサ102のその他の動作は、実施の形態1と同様であるため、説明を省略する。
このように、実施の形態2に係る感圧センサ102において、上記実施の形態1の感圧センサ101と同様な効果が得られる。
また、シート部材1の通路11a及び12aのそれぞれを伝播した光を、1次元ラインセンサ6c及び6dが光ファイバ9a及び9bを介して受光する構成とすることにより、1次元ラインセンサ6c及び6dをシート部材1から離れた位置に設けることができる。よって、物体との接触によりシート部材1には衝撃が発生する可能性があるが、シート部材1から1次元ラインセンサ6c及び6dは離れて配置されるため、接触の衝撃による1次元ラインセンサ6c及び6dの破損等を防止することができる。さらに、1次元ラインセンサ6c及び6dを1箇所に集中して配置することにより、制御装置7と1次元ラインセンサ6c及び6dとの接続に関する回路を簡易にすることができる。
また、シート部材1の通路11a及び12aのそれぞれを伝播した光を、1次元ラインセンサ6c及び6dが光ファイバ9a及び9bを介して受光する構成とすることにより、1次元ラインセンサ6c及び6dをシート部材1から離れた位置に設けることができる。よって、物体との接触によりシート部材1には衝撃が発生する可能性があるが、シート部材1から1次元ラインセンサ6c及び6dは離れて配置されるため、接触の衝撃による1次元ラインセンサ6c及び6dの破損等を防止することができる。さらに、1次元ラインセンサ6c及び6dを1箇所に集中して配置することにより、制御装置7と1次元ラインセンサ6c及び6dとの接続に関する回路を簡易にすることができる。
また、他の実施形態として、実施の形態1及び2においてシート部材1は2つの矩形状をした第1シート11及び第2シート12が接合されたものであったが、図5の感圧センサ103のように、2つの半球面状をしたシートを接合して、半球面状のシート部材を形成してもよい。このとき、半球面状のシート部材の円周状の縁部に固定台3の各部材3a,3b,3c,3dが設けられる。これにより、ロボットの指の先端等の球面状をした部材への感圧センサ103の設置がさらに容易になる。
また、実施の形態1及び2において、シート部材1には、直交する通路11a及び12aが形成されていたが、通路11a及び12aは直交していなくてもよい。通路11a及び12aが平行でなく交差する形態であれば、感圧センサに対する接触位置を2次元で特定することができる。
また、実施の形態1及び2において、シート部材1には、直交する通路11a及び12aが形成されていたが、通路11a及び12aは平行であってもよい。平行な通路11a及び12aを有するシート部材は、感圧センサに対する接触のみを感知するだけでよい場合や接触位置の特定が1次元によるものでよい場合などにおいて、適用することができる。
また、実施の形態1及び2において、シート部材1には、直交する通路11a及び12aが形成されていたが、通路11a及び12aは平行であってもよい。平行な通路11a及び12aを有するシート部材は、感圧センサに対する接触のみを感知するだけでよい場合や接触位置の特定が1次元によるものでよい場合などにおいて、適用することができる。
また、実施の形態1及び2において、通路11aが第1シート11に形成され、通路12aが第2シート12に形成されていたが、通路11a及び12aの両方を第1シート11或いは第2シート12に形成してもよい。
また、実施の形態1及び2において、通路11aが形成された第1シート11及び通路12aが形成された第2シート12を接合してシート部材1を形成していたが、1つのシートに対しその表面に沿った孔を内部に形成してシート部材としてもよい。
また、実施の形態1及び2において、1次元ラインセンサ6c及び6dは受光した光の強度を1/0のデジタル信号に変換するものであったが、多階調のデジタル信号に変換するものであってもよい。このとき、制御装置7は、1次元ラインセンサ6c及び6dから送られる多階調のデジタル信号に基づき、通路11a及び12aのそれぞれにおける光の伝播の異常、すなわち通路11a及び12aの変形を判別するようにすればよい。
また、実施の形態1及び2において、感圧センサ101及び102に、光ファイバ5a及び5bに光を導入するための光源としてLED4を設けていたが、外部の光源から光を導入できるような状態であれば、光源を設けなくてもよい。
また、実施の形態1及び2において、通路11aが形成された第1シート11及び通路12aが形成された第2シート12を接合してシート部材1を形成していたが、1つのシートに対しその表面に沿った孔を内部に形成してシート部材としてもよい。
また、実施の形態1及び2において、1次元ラインセンサ6c及び6dは受光した光の強度を1/0のデジタル信号に変換するものであったが、多階調のデジタル信号に変換するものであってもよい。このとき、制御装置7は、1次元ラインセンサ6c及び6dから送られる多階調のデジタル信号に基づき、通路11a及び12aのそれぞれにおける光の伝播の異常、すなわち通路11a及び12aの変形を判別するようにすればよい。
また、実施の形態1及び2において、感圧センサ101及び102に、光ファイバ5a及び5bに光を導入するための光源としてLED4を設けていたが、外部の光源から光を導入できるような状態であれば、光源を設けなくてもよい。
また、実施の形態1及び2において、感圧センサ101及び102に対する物体との接触位置のみを特定していたが、物体との接触位置において作用した力を求めるようにしてもよい。例えば、シート部材1の硬度を調節し、シート部材1に作用する力と力の作用による通路11a及び12aの横断面の変形量との関係を特定することができる。さらに、通路11a及び12aの横断面の変形量と、この変形量に対応した通路11a及び12aを伝播する光の強度の減衰率との関係を特定することができる。これらにより、シート部材1に作用する力と力の作用する通路11a及び12aを伝播する光の強度の減衰率との関係を特定することができる。さらに、1次元ラインセンサ6c及び6dを受光する光の強度を多階調のデジタル信号に変換できるものにすることよって、通路11a及び12aの各交点における光の強度を多階調のデジタル信号に変換し、変換した光の強度を示す信号に基づき、各交点における光の減衰率を特定することができる。よって、特定された光の減衰率から各交点において作用する力が求められる。
1 シート部材、2 蛍光塗料(液体媒体)、4 LED(光源)、5a,5b 光ファイバ(光導入手段)、6c,6d 1次元ラインセンサ(受光手段)、9a,9b 光ファイバ、11a,11a1,11a2,12a,12a1,12a2 通路、21,22 光導波路、11aa,12aa 導入部、11ab,12ab 導出部、101,102,103 感圧センサ。
Claims (6)
- 弾性材からなり、導入部と導出部とを有し表面に沿って延びる通路を、内部に有するシート部材と、
光の透過性を有し、前記通路に封入されて光導波路を形成する液体媒体と、
前記通路の前記導入部に光を導入する光導入手段と、
前記光導入手段により前記通路の前記導入部に導入され、前記液体媒体を透過した光を、前記通路の前記導出部において検知する受光手段と
を備える光学式の感圧センサ。 - 前記液体媒体は、蛍光色素を含み、
前記通路に導入される前記光は平行光である請求項1に記載の感圧センサ。 - 前記通路は、交差する2つの方向に延びる通路からなる請求項1または2に記載の感圧センサ。
- 前記受光手段は、受光した光の強度を電気信号に変換するラインセンサを有し、
前記ラインセンサは、前記通路の前記導出部に設けられる請求項1〜3のいずれか一項に記載の感圧センサ。 - 前記通路の前記導出部と前記受光手段との間に光ファイバをさらに備え、
前記受光手段は、受光した光の強度を電気信号に変換するラインセンサを有し、
前記ラインセンサは、前記光導入手段により導入され前記液体媒体を透過した光を、前記光ファイバを介して検知する請求項1〜3のいずれか一項に記載の感圧センサ。 - 前記光導入手段は、平行光を発する光源を有する請求項1〜5のいずれか一項に記載の感圧センサ。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008174167A JP2010014512A (ja) | 2008-07-03 | 2008-07-03 | 感圧センサ |
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JP2008174167A Pending JP2010014512A (ja) | 2008-07-03 | 2008-07-03 | 感圧センサ |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN103500042A (zh) * | 2013-09-30 | 2014-01-08 | 合肥京东方光电科技有限公司 | 一种光触控屏以及显示装置 |
-
2008
- 2008-07-03 JP JP2008174167A patent/JP2010014512A/ja active Pending
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CN103500042A (zh) * | 2013-09-30 | 2014-01-08 | 合肥京东方光电科技有限公司 | 一种光触控屏以及显示装置 |
WO2015043293A1 (zh) * | 2013-09-30 | 2015-04-02 | 京东方科技集团股份有限公司 | 光触控屏以及显示装置 |
US10139939B2 (en) | 2013-09-30 | 2018-11-27 | Boe Technology Group Co., Ltd. | Optical touch screen and display device |
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