JP2011185858A - 触覚センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 コイルを変形させることなしにインダクタンスを大きく変化させることにより，耐久性に優れた高感度の触覚センサを提供する。
【解決手段】 複数のコイルとコイルに対向配置した複数のコンデンサ電極と、コイルとコンデンサ電極の間に触覚などの外力の大きさに応じてコイルとの接触面積が変化する変形自在な導電性の弾性体を配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、外力に応じて信号を出力する触覚センサ，特にロボットハンドのエンドエフェクタや携帯情報機器などにおいて好適に用いることのできる触角センサに関する。

従来、触覚センサとしては、歪みゲージなどの圧力センサを転用したもの、スイッチアレイをゴムなどの可撓性部材で覆った構造のもの、または感圧ゴム、感圧ポリマーなどの機能性可撓性部材を用いたものが使用されていた。

触覚センサとしては、感圧ゴムなどを用いたものが開示されている（例えば、非特許文献１参照）。前記文献によれば、前記触覚センサによって接触圧力、接触した素子数、及び接触温度を識別して認識できる。

同様に、シリコンゴムの空洞中の空気の共鳴周波数の変化によって、３軸応力を検出し、これによって接触を感知する触覚センサが開示されている（例えば、非特許文献２参照）。また、誘導結合を用いることにより、ワイヤレスでパワー供給及び触覚信号の送出を可能としたセンサチップが開示されている。

また、検知能力を向上させることを目的として、コイルとコンデンサとが直列に接続されているＬＣ直列共振回路から構成されたものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。ＬＣ直列共振回路のコイルの変形に伴うインダクタンス変化から外部の触圧を感知するものである。外部から前記コイルに対して触圧が加わると、前記コイルは変形してその巻線間隔あるいは面積が変化する。一般に、コイルのインダクタンスはその巻線間隔及び面積に応じて変化する。このため、前記コイルの変形に応じて前記コイルの巻線間隔あるいは面積が変化すると、前記コイルのインダクタンスは巻数変化あるいは面積変化に敏感に反応して変化する。したがって、触圧に対する前記コイルのインダクタンス変化をモニタリングすることにより、触圧を感知することができる（例えば、非特許文献３参照）。

電気学会論文誌E, No.4, pp.189-193, 1999 Intl. Conference on Solid-State Sensors and Actuators, pp.129-132, 1997 IEEE Intl. Conference on Robotics and Automation, pp. 957-961, 1999

特許第３４７２８２７号

しかしながら、歪みゲージなどの圧力センサを転用したもの、スイッチアレイをゴムなどの可撓性部材で覆った構造のもの、または感圧ゴム、感圧ポリマーなどの機能性可撓性部材を用いたものでは、触覚センサとしての機能を十分に発揮することができず、ロボットハンドのエンドエフェクタや携帯電話端末などの新規な用途における触覚センサとしては不十分なものであるという問題があった。また、このような課題に対して検知能力を向上させることを目的とした従来のＬＣ直列共振回路による触覚センサにおいても、例えば触覚センサに微弱な触圧が加わることによりコイルのインダクタンスがほとんど変化しないときには、ＬＣ直列共振回路の共振周波数はほとんど変動しない。よって、触覚センサは、コイルのインダクタンスがほとんど変化しない微弱な触圧を検出することができず、感度が低いという問題があった。さらに、触圧によってコイルの面積が変化する際には、巻線に大きな応力がかかる。薄膜により形成されているコイルは繰り返し応力によってダメージを受けやすく、最悪の場合には断線するという問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、コイルを変形させることなしにインダクタンスを大きく変化させることにより，耐久性に優れた高感度の触覚センサを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明における代表的な構成は次の通りである。。
触覚センサは複数のコイルが、２次元平面上に配列された下部基板と、下部基板と空間を介して対向する上部基板からなり、上部基板の表面には、コイルと対向するように複数のコンデンサ電極とコンデンサ電極を皮膜する絶縁膜が配置されてなり、外力の印加による上下基板間のインピーダンス変化から接触を検出する触覚センサであって、対向するコンデンサ電極とコイルの間に配設され、触圧などの外力の大きさに応じてコイルとの接触面積が変化する変形自在な導電性の弾性体からなることを特徴とするものである。
本発明の他の代表的な構成は次の通りである。
触覚センサは複数のコイルと複数のコンデンサ電極がそれぞれ直列に接続されてなるＬＣ共振回路により構成されたことを特徴とするものである。
本発明の他の代表的な構成は次の通りである。
触覚センサはコイルと下部基板間に絶縁膜を配設し、かつコイルの巻線間および上部基板と下部基板間を絶縁性物質で充填したことを特徴とするものである。
本発明の他の代表的な構成は次の通りである。
触覚センサは上部基板と下部基板間に弾性支持体を配設したことを特徴とするものである。
本発明の他の代表的な構成は次の通りである。
触覚センサは弾性支持体に磁性粉末を添加したことを特徴とするものである。
本発明の他の代表的な構成は次の通りである。
触覚センサは上部基板のコンデンサ部が支持梁を介して上部基板と接続されていることを特徴とするものである。
本発明の他の代表的な構成は次の通りである。
触覚センサは２次元平面上に配置された前記コイルに対して、それぞれのコイルの直上に突起形状からなる接触子を個別に配設したことを特徴とするものである。
本発明の他の代表的な構成は次の通りである。
触覚センサは複数のコイルと複数のコンデンサ電極がそれぞれ直列に接続されてなるＬＣ共振回路により構成された触覚センサであって、それぞれが互いに異なる共振周波数を有する複数のＬＣ直列回路を具えたことを特徴とするものである。
本発明の他の代表的な構成は次の通りである。
触覚センサは導電性の弾性体が導電性ゲルであることを特徴とするものである。
本発明の他の代表的な構成は次の通りである。
触覚センサはコイルが形成する曲線がアルキメデスの螺旋であることを特徴とするものである。

請求項１記載の発明によると、触圧がコイル面と垂直に作用した場合、導電性の弾性体はその物質が持つポアソン比に応じて変形する。触圧が加わると導電性の弾性体はコイルの径方向に押し広げられる。このようにして、触圧が強くなるとコイルの中心から徐々に導通部分が広がっていくため、コイルの巻数も徐々に減少していくことになる。コイルのインダクタンスは巻数の２乗に比例するため、巻数の変化はインダクタンスに大きく影響する。一方、導電性弾性体の変形はコンデンサ部の電極面積を変化させることになるので、キャパシタンスに影響する。すなわち、コイル自身の形状変化なしにインダクタンスおよびキャパシタンスを大きく変化させることができ、その結果、高感度で信頼性の高い触圧の検出が可能になるという効果がある。
請求項２記載の発明によると、複数のコイルと複数のコンデンサ電極がそれぞれ直列に接続されてなるＬＣ共振回路により構成し、共振周波数の変化量を計測することで外力の変化を検出することが可能になる。
請求項３記載の発明によると、コイルと下部基板間に絶縁膜を配設し、かつコイルの巻線間および上部基板と下部基板間を絶縁性物質で充填することによりコイルの耐電圧が向上するのでより多くの電流を流すことができ、出力される信号が大きくなるので、より高精度な触圧の検出が可能になるという効果がある。
請求項４記載の発明によると、弾性支持体によりコイル間の弾性率を調整することができるので、コイル中央部に配設された導電性の弾性体には弾性率制約の必要がなく、導電性の弾性体には幅広い材料の選択が可能になるという効果がある。
請求項５記載の発明によると、コイルの周囲に配置された磁性体の作用によってインダクタンスを高めることができ、信号のＳ／Ｎ比が向上するという効果がある。
請求項６記載の発明によると、基板材と一体化して梁構造を作製することができるので、より高精度にコイル間の弾性率を調整することが可能になるという効果がある。
請求項７記載の発明によると、２次元平面上に配置されたコイルに対して、それぞれのコイルの直上に突起形状からなる接触子を個別に配設することにより接触子はそれぞれ干渉することなく独立に動くことができるので、触圧を受けた接触子の直下のセンサへのみ触圧を伝えることができ、その結果、検出信号のクロストークを格段に低減することができ、より高精度な触圧の検出が可能になるという効果がある。
請求項８記載の発明によると、周波数掃引電気信号を入力し、シフトした周波数をモニタすることで、触圧が印加されたコイルを特定できるため、触圧のみならず接触位置の検出も可能になるという効果がある。
請求項９記載の発明によると、ゴム等の弾性体に比べて大きく変形する材料を利用することができるため、インダクタンスの変化も大きくなり、その結果、高感度な触圧の検出が可能になるという効果がある。
請求項１０記載の発明によると、アルキメデスの螺旋は旋回角に比例して中心との距離が離れていくため、導電性弾性体の変形量（接触面積の広がり）に対して巻き線長さの変化量は比例することになる。したがって巻線の変化を予想することができ、設計が容易になるという効果がある。

本発明の実施例における触覚センサの断面図 本発明の実施例における触圧印加時の触覚センサの断面図 本発明の実施例におけるコイルの巻き線と導電性弾性体の接触状態を示す平面図 本発明の実施例における絶縁性物質を付加したときの触覚センサの断面図 本発明の実施例における弾性体を付加したときの触覚センサの断面図 本発明の実施例における支持梁を付加したときの触覚センサの断面図 本発明の実施例における支持梁の配置および形状の一例を示す平面図 本発明の実施例における接触子の配置および形状の一例を示す触覚センサの断面図 本発明の実施例における周波数掃引電気信号印加時の周波数シフトを示す図 本発明の触覚センサの製造方法の一例を説明するための断面図（１） 本発明の触覚センサの製造方法の一例を説明するための断面図（２） 本発明の触覚センサの製造方法の一例を説明するための断面図（３） 本発明の触覚センサの製造方法の一例を説明するための断面図（４）

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、特許請求項１および請求項２に関わる本発明の触覚センサの断面図である。図１において、１は上部基板、２は下部基板、３はコンデンサ電極、４はコイル、５は導電性弾性体、６は絶縁膜である。複数個のコンデンサ電極３とコイル４が紙面の横方向と奥行き方向に２次元的に配置されており、対向するコンデンサ電極３とコイル４が整列するように上部基板１と下部基板２の位置合わせが行われている。対向するコンデンサ電極３とコイル４の中心部には導電性弾性体５が配設されている。上部基板１および下部基板２の材料としては、ガラスやポリイミドなどの絶縁性基板の他に、コイル４と基板間に絶縁膜６を配置することでシリコン基板や金属板を使用することもできる。コイル４の材料としては、銅が一般的であるが、導電率の高い材料が好適であるのはいうまでもない。導電性弾性体５としては、導電性ゲルが好適であり、例えば、スチレン系エラストマーからなる機材樹脂に鉱物油系軟化剤、導電性フィラーを添加したものなどがあり、軟化剤の割合を変えることで弾性率を調整することができる。また、天然ゴム、合成ゴム等の各種ゴム原料に金属又は第四族元素等を配合した導電性ゴムもポアソン比（横ひずみ／ 縦ひずみ）が比較的大きく適用可能である。さらに、複数のコンデンサ電極はそれぞれが直列接続されており、一方は入力端子（図示せず）、他方は出力端子（図示せず）に接続されている。また複数のコイル４については外側の端部はすべて接地されている。コイル４の中央に電気的に接続された導電性弾性体５とコンデンサ電極の間には静電容量をもつため、直列のＬＣ回路を構成することとなる。

以上の構成において、外力として触圧が印加された状態を図２に示す。図２において、触圧が印加されると、導電性弾性体５は触圧により押し潰されて、コイル４の面内方向に対して押し広げられる。この結果、コイルの巻き線は中心部から短絡エリアが広がっていくにしたがって、徐々に巻数が減少することになる。図３は、導電性弾性体５とコイル４の巻線との接触の状態変化を平面図で示したもので、特許請求項１０に関わるコイルパターンである。図中に示したコイルの巻線パターンの作成にはアルキメデスの螺旋の式（数式１）を用いた。ここでｒは旋回中心からの距離、θは旋回角度、ａ、ｂは定数である。ｂを変えることによって巻線の間隔を調整することができる。また、アルキメデスの螺旋は旋回角に比例して中心との距離が離れていくため、導電性弾性体６の変形量（接触面積の広がり）に対して巻線長さの変化量は比例することになる。したがって巻線の変化を予想することができ、設計が容易になるため、本発明に好適な曲線であるといえる。この巻線長さの変化は，巻数の変化となり、インダクタンスは巻き数の２乗に比例するため、接触面積が増えることでインダクタンス変化させることができる。なお、実際の触覚センサシステムでは、図示しない処理回路によって、インダクタンスおよびキャパシタンスの変化をＬＣ直列回路のインピーダンス変化として計算し、触圧の変化として信号を出力する。

（数１）
ｒ＝ａ＋ｂ・θ

図４は、特許請求項３に関わる触覚センサの断面図である。図１で示した構造の空隙部分に絶縁性物質７を充填した構成となっている。絶縁性物質７としては、電気絶縁性ポリウレタン樹脂や電気絶縁性ゴム弾性体などが使用される。
図５は特許請求項４に関わる触覚センサの断面図である。８は弾性支持体である。対向する上部基板１と下部基板２間の空間の一部に弾性支持体８を配置している。弾性支持体８の種類によってコンデンサ電極―コイル間の弾性率を調整することができる。このように弾性支持体８を別途配置することで導電性弾性体５の弾性率を調整する必要がなくなるため、例えば、不揮発性電解質であるイオン液体に単層カーボンナノチューブを練り込んでゲル化したような極端に柔らかい材料を使用することができるようになる。
さらに、弾性支持体にフェライトなどの磁性粉末を添加することで特許請求項５に関わる触覚センサを構成することができる。

図６は、特許請求項６に関わる触覚センサの断面図である。１は上部基板、１００は支持梁を介して上部基板１に接続された上部基板の一部であるコンデンサ部、２は下部基板、５は導電性弾性体、９は剛体支持体、１０は支持梁である。上部基板１の上方から下部基板２の方向に外力が加わると支持梁１０の剛性と導電性弾性体５の剛性に応じて上部基板のコンデンサ部１００が下部基板２方向に変位する。支持梁１０の剛性に関しては梁の幅や厚さなどの梁形状を変えることにより、調整することができる。

図７は、特許請求項６に関わる触覚センサの平面図である。複数のコイルは２次元状に配置することもできるが，ここでは、簡略化のため１次元配置のコイルについての平面図を示している。１は上部基板、１００は上部基板のコンデンサ部、１０は支持梁である。平面図で見ると梁形状は折り返していることがわかる。これは限られた空間でできるだけ剛性の調整範囲を広くするための工夫であり、直線形状など任意の形状にしても構わない。

図８は、特許請求項７に関わる触覚センサの断面図で、１１は接触子である。２次元平面上位に配置された前記コイルのそれぞれのコイルの直上に独立した接触子１１を配置している。接触子に関してはその材質、形状ともに制約はない。接触子１１はそれぞれ干渉することなく独立に動くことができるので、触圧を受けた接触子１１の直下のセンサへのみ触圧を伝えることができ、その結果、検出信号のクロストークを格段に低減することができる。

図９は、特許請求項８に関わる触覚センサ信号の周波数シフトの様子を示す図である。２次元に配置された複数のコイルに対して、それぞれの巻数やコイル径などを変えることでそれぞれのコイルが異なる共振周波数を有するようにしている。このような構成の触覚センサに対して周波数掃引電気信号を入力し、スペクトルアナライザーなどを用いて各コイル出力の周波数依存性を調べると、それぞれのコイルに対応した共振周波数（出力信号が低下した時の周波数）がわかる。例えば、図８中のコイルＡ、コイルＢ、コイルＣ、コイルＤにおいて、コイルに触圧が加わる（この場合コイルＣ）とコイルの共振周波数が変化するため、その周波数の近辺でシフトした共振周波数を有するコイルに触圧が加わったと判断することができおる。さらに周波数のシフト量は触圧に応じて連続的に変化することがわかっているので、シフトした周波数を分別することでコイルを特定すると同時に触圧の大きさを検出することができ、どの場所にどれ位の触圧が加わったかを検出することが可能になる。

図１０〜図１３は、本発明の触覚センサの製造方法の一例を説明するための工程図で、１４はセンサベース、１５は熱硬化性樹脂である。まず図１０により、シリコンウェハを材料とする下部基板２の表面にコイルめっき型を作製するまでのプロセスについて説明する。下部基板２上にフェライト粉末を含有したペーストを４０μｍの厚さでスクリーン印刷したのち、９００℃〜１０００℃で焼成し、絶縁性磁性膜を成膜する。次にコイル巻線材を電解めっきするためのシード電極１３として、Ｎｉ−Ｃｒ膜を５０ｎｍの厚さでスパッタリングする。さらにその表面に５０μｍ厚さのフォトレジストをコーティングし、フォトマスクによる露光、現像を行うことでコイルを形成するための開口部１６を有するレジスト型１２を形成する（図１０）。次に硫酸銅の電解めっきを行い、開口部１６に厚さ５０μｍのコイルを形成したのち、レジスト型１２を除去し、シード電極１３を露出させる（図１１）。続いてシード電極１３を介し短絡しているコイルを電気的に分離するため、シート層１３の露出部をスパッタリングにより除去し、さらに、コイルを形成した面にフェライト粉末を含有したペーストを６０μｍの厚さでスクリーン印刷し、絶縁性磁性膜１７を成膜したのち、硬化させ、コイルが露出するまで絶縁性磁性膜１７表面のフラット化を行い、コイル付下部基板が完成となる（図１２）。一方、ペアとなる上部基板１は、シリコンウェハの表面に銅や金などの金属薄膜でコンデンサ電極を形成したものであり、。下部基板２と同様にスパッタリング，蒸着などの成膜技術、フォトリソグラフィなどのパターニング技術を用いて作製する。請求項６に記載されている支持梁は、予め梁として残したい部分にレジストなどで保護膜を皮膜したのち、ＫＯＨ（水酸化カリウム溶液）を用いたウェットエッチングや反応性イオンエッチングによるドライエッチングによりシリコン基板を加工することで形成することができる。最後に上部基板１と下部基板２を対向させ、基板間のギャップが約０．５ｍｍになるように相当する厚さの導電性弾性体および支持梁または弾性支持体を配設してセンサベース１４上で全体をＰＤＭＳ（Ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）等の熱硬化性樹脂１５でパッケージングすることで触覚センサユニットを得ることができる。

１ 上部基板
１００ 支持梁を介して上部基板に接続された上部基板のコンデンサ部
２ 下部基板
３ コンデンサ電極
４ コイル
５ 導電性弾性体
６ 絶縁膜
７ 絶縁性物質
８ 弾性支持体
９ 剛性支持体スペーサ
１０ 支持梁
１１ 接触子
１２ レジスト型
１３ シード電極
１４ センサベース
１５ 熱硬化性樹脂
１６ コイルを形成するための開口部
１７ 絶縁性磁性膜

Claims (10)

1. 複数のコイルが、２次元平面上に配列された下部基板と、前記下部基板と空間を介して対向する上部基板からなり、前記上部基板の表面には、前記コイルと対向するように複数のコンデンサ電極と前記コンデンサ電極を皮膜する絶縁膜が配置されてなり、外力の印加による上下基板間のインピーダンス変化から接触を検出する触覚センサであって
   対向する前記コンデンサ電極と前記コイルの間に配設され、触圧などの外力の大きさに応じてコイルとの接触面積が変化する変形自在な導電性の弾性体からなることを特徴とする触覚センサ。
2. 前記複数のコイルと前記複数のコンデンサ電極がそれぞれ直列に接続されてなるＬＣ共振回路により構成されたことを特徴とする請求項１に記載の触覚センサ。
3. 前記コイルと前記下部基板間に絶縁膜を配設し、かつ前記コイルの巻線間および前記上部基板と前記下部基板間を絶縁性物質で充填したことを特徴とする請求項１または請求項２記載の触覚センサ。
4. 前記上部基板と前記下部基板間に弾性支持体を配設したことを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の触覚センサ。
5. 前記弾性支持体に磁性粉末を添加したことを特徴とする請求項４記載の触覚センサ。
6. 前記上部基板のコンデンサ部が支持梁を介して前記上部基板と接続されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の触覚センサ。
7. ２次元平面上に配置された前記コイルに対して、それぞれのコイルの直上に突起形状からなる接触子を個別に配設したことを特徴とする、請求項１または請求項２記載の触覚センサ。
8. 複数のコイルと複数のコンデンサ電極がそれぞれ直列に接続されてなるＬＣ共振回路により構成された触覚センサであって、それぞれが互いに異なる共振周波数を有する複数のＬＣ直列回路を具えたことを特徴とする、請求項１または２記載の触覚センサ。
9. 前記導電性の弾性体が導電性ゲルであることを特徴とする、請求項１記載の触覚センサ。
10. 前記コイルが形成する曲線がアルキメデスの螺旋であることを特徴とする、請求項１記載の触覚センサ。

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