JP2011059094A

JP2011059094A - 圧電素子振動型センサによる滑り検出技術、及び検出装置

Info

Publication number: JP2011059094A
Application number: JP2009235710A
Authority: JP
Inventors: Toshio Fukuda; 敏男福田; Masahiro Nakajima; 正博中島; Shota Kosaka; 祥太小坂
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-09-14
Filing date: 2009-09-14
Publication date: 2011-03-24

Abstract

【目的】物体との滑り量・滑り方向検出の技術及び装置に関する。この技術は、柔軟材の変形を基づいて滑り量・滑り方向を検出するものであり、物体とセンサ素子の滑り検出を行うために用いられる。
【構成】滑り状態における最大静止摩擦力から動摩擦力への移り変わりの境界を判定するために、滑りに伴う柔軟材の変形を剛体の移動により検出するものであり、物体とセンサ素子間の滑り状態、つまり、滑り量・滑り方向を検出するための感度を備えている。また、柔軟材の変形を剛体とセンサ素子の移動の関係から、滑り方向の検出を行う技術及び装置である。
センサ素子の固定条件の関係から、一つのセンサでも滑り方向の検出が可能である。また、複数のセンサ素子をアレイ上にしておくことにより、面状態における物体の滑り移動を検出することができる。また、センサ素子の共振点を変化させることにより、様々な重さの物体に対して検出を行うことが可能な技術及び装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、物体との滑り量・滑り方向検出の技術及び装置に関する。この技術は、柔軟材の変形を基づいて滑り量・滑り方向を検出するものであり、物体とセンサ素子の滑り検出を行うために用いられる。

特許文献１では、圧電振動型センサにおいて、外力に応じて変化する弾性体を介して、センサ本体部と被検出たいとの間に介在させた状態にて、検出電極の出力変化を検出するセンシング装置が開発されている。特許文献２では、圧電振動型センサにおいて、１つの圧電振動型素子が、他の圧電振動型素子に伝達されないようにする装置が開発されている。
滑り検出装置は、圧力センサを基に種々提案されている。特許文献３では、複数のエレメントからなる圧力センサを用いて、圧力中心位置を演算することにより、滑り検出を行うことを特徴としている。特許文献４では、複数のエレメントからなる圧力センサを用いて、圧力中心位置を演算することにより、一定の滑りを発生させながら、任意の物体の操りに低陽していることを特徴としている。特許文献５では、複数のエレメントからなる圧力センサを用いて、圧力時間変化量を算出することにより、滑り検出を行うことを特徴としている。特許文献６では、複数のエレメントからなる圧力センサを用いて、圧力時間変化量を算出することにより、ずれ応力を算出し、滑り検出を行うことを特徴としている。
また、特許文献７では、圧力分布を算出し、圧力分布の中心位置の移動速度を算出することにより、滑り検出を行うことを特徴としている。特許文献８では、圧力分布を算出し、圧力分布の中心での振動パワーを含む滑り判定関数に基づいて、滑り検出を行うことを特徴としている。

特許公開２００６−０７８４２９号特許公開２００７−１７１０５９号特許公開２００９−０３６５５７号特許公開２００９−０３４７４４号特許公開２００９−０３４７４３号特許公開２００９−０３４７４２号特許公開２００７−２５３２６６号特許公開２００７−２５３２６６号

滑り検出は、物体とセンサが接触する際に、せん断方向の検出を必要とするため、の及び切断するためには電子線を十分に照射する必要がある。従って、単純な圧力センサなどを用いる方法では、十分な検出精度が得られず、また単純な構造及び原理では検出が困難であった。

本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねてきた結果、次なる構成の本発明に想到した。
即ち、柔軟材中に剛体を埋め込むことにより、滑り時の柔軟材の変形をセンサ素子により検出する、ことを特教とする技術。
上記の構成において、柔軟材は滑りの際に十分な変形が生じる硬さが好ましい。
また、剛体のサイズはセンサに加わる力及び移動力を局所的に伝達する役目を担うために、センサのサイズよりも小さくできることが好ましい。

上記のように構成された装置によれば、滑りに伴う柔軟材の変形を剛体の移動により検出するものであり、物体とセンサ素子間の滑り状態、つまり滑り量・滑り方向を検出するための感度を備えている。
弾性体の接触領域で発生する不均一な滑りのことを初期滑りといい、固着から滑りに変化する際に生じる現象である。（１）物体と素子間に固着が生じる。（２）固着領域が減少してゆくと、ある時点に達した際に初期滑りが生じる。（固着と滑りが混在している状態）（３）固着がさらに減少してゆくと、素子と物体間では滑りのみ（全滑り）となる。素子と物体の間に働く摩擦力が、（２）から（３）の変化で最大静止摩擦力から動摩擦力に移り変わる。この移り変わりの境界を判定するために、柔軟材の変形を剛体とセンサ素子の移動の関係から、滑り方向検出を行うものである。
センサ素子の固定条件の関係から、一つのセンサでも滑り方向の検出が可能である。
また、複数のセンサ素子をアレイ上にしておくことにより、面状態における物体の滑り移動を検出することができる。
また、センサ素子の共振点を変化させることにより、様々な重さの物体に対して検出を行うことが可能である。

本センサ素子は、片端を折り曲げ、ＰＤＭＳの土台に差し込む構造とし、片持ち張り状態で振動する。外力が加わると柔軟材を介して、センサ素子の振動形態が変化するために、センサ出力が変化する。この振動形態は、センサ素子へ働く外力の位置によって、変化するため、センサ出力も外力の働く位置によって変化する。

本センサ素子の大きさは、３×７ｍｍとする。また、図２のように、センサ素子の片側を折り曲げ、柔軟な素材であるＰＤＭＳに差し込んで固定する。入力用・出力用・ＧＮＤ用には銅線を利用する。

図４（ａ）のように、センサ素子上面には、全体を覆うように柔軟材で覆う。また、図４（ｂ）のように、アレイ化することにより、滑り分布の検出可能である。さらに、図４（ｄ）のように、表面の柔軟材には剛体として球体を取り付ける。

滑り検出のための原理は、図５のように、センサ素子表面上にある柔軟材の変形による、ゲルとセンサ素子との接触状態の変化を利用する。垂直荷重のみが働いている場合、ゲルとセンサ素子との接触位置は素子中心部であると考えられる。滑りが発生し、摩擦力が働く際には、それぞれ摩擦力の働く方向にゲルが変形する。この変形に伴い、センサ出力が変化することにより、最大静止摩擦力から動摩擦力への移り変わりの境界を判定する。

ゲルの変形により、それぞれセンサ素子支持部・先端部付近で接触し、荷重が働くと、それぞれ異なった出力が得られると考えられる。この特徴を生かせば滑りの方向の検出が可能である。

突起物体をセンサ表面上で移動させ、滑りを発生させる実験を行った。図６にように、突起がセンサ素子支持部方向から移動させた場合と、先端部方向から移動させた場合とで、センサ出力が異なるものとなった。つまり、センサ素子に働く外力の位置によって、センサ出力が異なることがわかる。

センサ素子への荷重位置によるセンサ出力の違いを利用し、物体の滑り方向を推定するために、図３のように、センサ上面の柔軟材内に剛体として球体を取り付ける構造を提案する。球体により、摩擦力によるセンサ素子への荷重位置の変化を顕著にすることにより、滑り時の出力変化に十分な感度を備えている。

上記したセンサを用いて、物体の挟み込みおよび滑り検出実験を行った。実験方法は、図７（ａ）のように、支えてある状態の物体をハンドグリッパで挟み込み、その後物体の支えを除去するという手順で行った。球体の移動によるセンサ出力の変化の違いを確認するために、図７（ｂ）（ｃ）のように、センサ素子支持部分を上方にした場合と、下方にした場合の２条件で実験を行った。また、同条件で、物体が滑り落ちる場合と、落ちない場合のさらに２条件を追加して実験を行った。

図８（ａ）、（ｃ）と（ｂ）、（ｄ）を比較すると、物体の支えを除去した後のセンサ出力がセンサ取り付け方向によって異なることがわかる。センサ素子支持部が上方にある場合は、センサ出力は上昇し、下方にある場合は下降している。物体の支えを除去した後に、柔軟材内の球体がそれぞれ先端部・支持部の方向に移動していることによるものである。

図１はセンサの固定条件に応じて、物体の移動に伴う出力変化を示した原理の例を示す。（ａ）：センサ表面（ｂ）：センサ内部（柔軟材がない場合）（ｃ）：センサ断面図２は元のセンサ構造を示したものである。（ａ）：上面図（ｂ）：断面図図３は改良後のセンサ構造を示したものである。（ａ）：上面図（ｂ）：断面図図４は作製したセンサ構造の断面図の例を示す（ａ）：センサ表面（ｂ）：センサ内部（柔軟材がない場合）（ｃ）：センサ断面（柔軟材内に金属球がない場合）（ｄ）：センサ断面（柔軟材内に金属球がある場合）図５はセンサ素子により滑り検出を行う実験の模式図を示す。（ａ）：垂直荷重がセンサ素子中心部付近で働いている場合のゲルとセンサ素子との接触状態（ｂ）：垂直荷重がセンサ素子先端部付近で働いている場合のゲルとセンサ素子との接触状態（ｃ）：垂直荷重がセンサ素子支持部付近で働いている場合のゲルとセンサ素子との接触状態図６は図５の実験結果を示す。図７はハンドグリッパを用いた物体挟み込みによる滑り検出実験の模式図を示す。（ａ）：実験手順（ｂ）：センサ素子支持部分が上方になるように取り付けた場合（ｃ）：センサ素子支持部分が下方になるように取り付けた場合図８は図７の実験結果を示す。（ａ）：センサ素子支持部が上方になるように取り付けた際の、滑りを伴う場合のセンサ出力（ｂ）：センサ素子支持部が下方になるように取り付けた際の、滑りを伴う場合のセンサ出力（ｃ）：センサ素子支持部が上方になるように取り付けた際の、滑りを伴わない場合のセンサ出力（ｄ）：センサ素子支持部が下方になるように取り付けた際の、滑りを伴わない場合のセンサ出力

１：センサ素子
２：柔軟材
３：ＰＤＭＳ
４：ポリイミドテープ
５：入力用銅線
６：出力用銅線
７：ＧＮＤ用銅線
８：金属球

Claims

圧電振動型センサ素子をセンサ表面の柔軟材フィルムによって覆い、柔軟材フィルム内に組み込んだ剛体との接触位置変化により、柔軟材フィルムと物体間に生じた滑り量・滑り方向を検出する技術。
圧電振動型センサ素子をセンサ表面の柔軟材フィルムによって覆い、柔軟材フィルム内に組み込んだ剛体との接触位置変化により、柔軟材フィルムと物体間に生じた滑り量・滑り方向を検出する装置。
滑り量・滑り方向を検出するために、柔軟材内に剛体を仕込むことで、高感度かつ安定した滑り検出を行う技術。
滑り量・滑り方向を検出するために、柔軟材内に剛体を仕込むことで、高感度かつ安定した滑り検出を行う装置。
圧電振動型センサ素子とは、入力・出力の２つの圧電素子からなり、センサに伴う接触状態により、一定の入力に対する出力変化を検出する、ことを特教とする請求項１に記載の装置。
柔軟材とは、センサと物体の摩擦係数を確保し、安定な把持操作を行うとともに、滑りに伴い変形し得るだけの柔軟性を有する材料である、ことを特教とする請求項１に記載の装置。
剛体とは、センサ素子よりも小さいサイズの剛体であり、センサと直接接触する、ことを特教とする請求項１に記載の装置。
圧電振動型センサ素子とは、入力・出力の２つの圧電素子からなり、センサに伴う接触状態により、一定の入力に対する出力変化を検出する、ことを特教とする請求項２に記載の装置。
柔軟材とは、センサと物体の摩擦係数を確保し、安定な把持操作を行うとともに、滑りに伴い変形し得るだけの柔軟性を有する材料である、ことを特教とする請求項２に記載の装置。
剛体とは、センサ素子よりも小さいサイズの剛体であり、センサと直接接触する、ことを特教とする請求項２に記載の装置。