JP2013170896A

JP2013170896A - 触覚センサ

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Publication number: JP2013170896A
Application number: JP2012034357A
Authority: JP
Inventors: Hidekuni Takao; 英邦高尾
Original assignee: Kagawa University NUC
Current assignee: Kagawa University NUC
Priority date: 2012-02-20
Filing date: 2012-02-20
Publication date: 2013-09-02
Anticipated expiration: 2032-02-20
Also published as: JP6048947B2

Abstract

【課題】測定対象物の摩擦力、柔軟度、表面粗さを検出できる触覚センサを提供する。
【解決手段】気体圧力室１３が形成された基板１０と、気体圧力室１３の上面の隔壁を構成するダイヤフラム２０と、基板１０の上面に固定され上端に基準面３１を有する固定子３０と、ダイヤフラム２０の上面に設けられた接触子４０と、接触子４０の垂直変位および／または傾きを検出する検出素子２１〜２５とを備える。基準面３１を基準とした操作において、接触子４０の垂直変位や傾きを検出することで、測定対象物Ｏの摩擦力、柔軟度、表面粗さを検出できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、触覚センサに関する。さらに詳しくは、測定対象物の摩擦力、柔軟度、表面粗さを検出できる触覚センサに関する。

多様な環境を検出して自己判断により動作するロボットには、人間の皮膚のような触覚センサが必要となる。従来の触覚センサとしては、圧力分布を検出できる触覚センサ（特許文献１）、３軸力覚分布を検出できる触覚センサ（非特許文献１）、温度分布を検出できる触覚センサ（非特許文献２）などが知られている。
しかし、人間のもつ皮膚感覚レベルで検出するためには、さらに測定対象物の摩擦力、柔軟度、表面粗さを検出することが必要とされている。

特開２００４−１６３１６６号公報

H.Takao, H.Okada, et al., Proc. IEEESensors2011, pp.663-666, Limerick, Ireland, Nov. 2011. H.Takao, M.Yawata, K.Sawada, M.Ishida,Sensors and Actuators A Physical, Vol. 160, pp.69-77, 2010.

本発明は上記事情に鑑み、測定対象物の摩擦力、柔軟度、表面粗さを検出できる触覚センサを提供することを目的とする。

第１発明の触覚センサは、気体圧力室が形成された基板と、前記気体圧力室の上面の隔壁を構成するダイヤフラムと、前記基板の上面に固定され、上端に基準面を有する固定子と、前記ダイヤフラムの上面に設けられた接触子と、該接触子の垂直変位および／または傾きを検出する検出素子と、を備えることを特徴とする。
第２発明の触覚センサは、第１発明において、前記固定子と前記接触子との間には、該接触子が揺動可能な隙間が設けられていることを特徴とする。
第３発明の触覚センサは、第１発明において、前記固定子と前記接触子との間には、該接触子の揺動を抑制し、該接触子が前記基準面に対する垂直移動が可能な隙間が設けられていることを特徴とする。
第４発明の触覚センサは、第１発明において、前記基板には、前記気体圧力室の内部と外部とを連通する圧力調整孔が形成されていることを特徴とする。
第５発明の検出方法は、請求項１、２または４記載の触覚センサを用いた測定対象物の摩擦力の検出方法であって、前記気体圧力室内の圧力を、前記接触子の上端が前記基準面より突出する圧力とし、前記触覚センサを前記測定対象物の表面に押し当てて、前記接触子にその上端を前記基準面と同一平面まで押し下げる垂直荷重をかけ、その状態で前記触覚センサを前記測定対象物の表面に沿って褶動させた際の前記接触子の傾きを検出し、前記接触子の傾きから該接触子の上端にかかる動摩擦力を算出し、該動摩擦力から前記測定対象物の表面の摩擦力を算出することを特徴とする。
第６発明の検出方法は、請求項１、２、３または４記載の触覚センサを用いた測定対象物の柔軟度の検出方法であって、前記気体圧力室内の圧力を、前記接触子の上端が前記基準面より突出する圧力とし、前記触覚センサを前記測定対象物に対して所定の力で押し込んだ際の前記接触子の垂直変位を検出することを特徴とする。
第７発明の検出方法は、請求項１、２、３または４記載の触覚センサを用いた測定対象物の柔軟度の検出方法であって、前記気体圧力室内の圧力を、前記接触子の上端が前記基準面より突出する圧力とし、前記触覚センサを前記測定対象物に対して押し込み、前記接触子の上端が前記測定対象物に接触してから、該接触子の上端が前記基準面と同一平面まで押し下げられるまでの、前記触覚センサの押し込み距離を検出することを特徴とする。
第８発明の検出方法は、請求項４記載の触覚センサを用いた測定対象物の柔軟度の検出方法であって、前記触覚センサを前記測定対象物の表面に押し当て、前記気体圧力室内の圧力を、前記接触子の上端が前記基準面と同一平面となる圧力とし、前記気体圧力室内の圧力を所定の圧力だけ増圧した際の前記接触子の垂直変位を検出することを特徴とする。
第９発明の検出方法は、請求項４記載の触覚センサを用いた測定対象物の柔軟度の検出方法であって、前記触覚センサを前記測定対象物の表面に押し当てて、前記基準面を該測定対象物に接触させ、前記気体圧力室内の圧力を、所定の圧力に調整し、前記接触子の上端が前記基準面と同一平面となるまで前記気体圧力室内の圧力を減圧した際の圧力差を検出することを特徴とする。
第１０発明の検出方法は、請求項１、２、３または４記載の触覚センサを用いた測定対象物の表面粗さの検出方法であって、前記気体圧力室内の圧力を、前記接触子の上端が前記基準面より突出する圧力とし、前記触覚センサを前記測定対象物の表面に押し当てて、前記基準面を該測定対象物に接触させ、その状態で前記触覚センサを前記測定対象物の表面に沿って褶動させた際の前記接触子の垂直変位の変化を検出することを特徴とする。

第１発明によれば、基準面を基準とした操作において、接触子の垂直変位や傾きを検出することで、測定対象物の摩擦力、柔軟度、表面粗さを検出できる。
第２発明によれば、接触子が揺動可能であるので、接触子の傾きを検出することで、測定対象物の摩擦力を検出できる。
第３発明によれば、接触子の揺動が抑制されており、接触子の垂直移動のみによりダイヤフラムが変形するので、測定対象物の柔軟度、表面粗さを高精度で検出できる。
第４発明によれば、圧力調整孔を通して気体圧力室内の圧力を変更できるので、圧力変化を用いた種々の検出方法に対応できる。
第５発明によれば、基準面を基準とした操作により、測定対象物の摩擦力を検出できる。
第６発明によれば、基準面を基準とした操作により、測定対象物の柔軟度を検出できる。
第７発明によれば、基準面を基準とした操作により、測定対象物の柔軟度を検出できる。
第８発明によれば、基準面を基準とした操作により、測定対象物の柔軟度を検出できる。
第９発明によれば、基準面を基準とした操作により、測定対象物の柔軟度を検出できる。
第１０発明によれば、基準面を基準とした操作により、測定対象物の表面粗さを検出できる。

本発明の第１実施形態に係る触覚センサの縦断面図である。同触覚センサの平面図である。歪検出回路の回路図である。摩擦力検出方法の説明図であって、（ａ）気体圧力室を正圧とした状態、（ｂ）触覚センサを測定対象物に押し当てた状態、（ｃ）触覚センサを測定対象物の表面に沿って褶動させた状態を示す縦断面図である。柔軟度検出方法１の説明図であって、（ａ）測定対象物が硬い場合、（ｂ）測定対象物が柔らかい場合を示す縦断面図である。柔軟度検出方法２の説明図であって、（ａ）触覚センサを測定対象物に接触させた状態、（ｂ）触覚センサを測定対象物に押し込んだ状態を示す縦断面図である。柔軟度検出方法３の説明図であって、（ａ）気体圧力室内の圧力を接触子の上端が基準面と同一平面となる圧力とした状態、（ｂ）気体圧力室内の圧力を増圧した状態を示す縦断面図である。柔軟度検出方法４の説明図であって、（ａ）触覚センサを測定対象物に押し当てた状態、（ｂ）気体圧力室内の圧力を減圧した状態を示す縦断面図である。本発明の第２実施形態に係る触覚センサの縦断面図である。表面粗さ検出方法の説明図であって、（ａ）気体圧力室を正圧とした状態、（ｂ）触覚センサを測定対象物に押し当てた状態、（ｃ）触覚センサを測定対象物の表面に沿って褶動させた状態を示す縦断面図である。（ａ）表面粗さ検出方法によって再現した空間波形の例示、（ｂ）空間波形から得られた空間周波数の分布の例示である。

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
（第１実施形態）
図１および図２に示すように、本発明の第１実施形態に係る触覚センサ１は、半導体マイクロマシニング技術を用いて形成されたセンサであり、主に基板１０と、ダイヤフラム２０と、固定子３０と、接触子４０とから構成されている。なお、触覚センサ１は、固定子３０および接触子４０が設けられた面（図１における上面）が測定対象物と接触する接触面である。

基板１０は、基層１１と支持層１２の２層構造となっており、基層１１の上に支持層１２が積層されている。また、支持層１２の中央部分は円柱状に除去されている。これにより、基板１０には、基層１１を底面とし、支持層１２を側壁とした円柱状の凹部が形成されている。
基板１０は触覚センサ１の骨格をなす部材であり、測定対象物の反力に耐えうる剛性を有している。なお、基層１１および支持層１２としては厚さ数百μmのシリコンウエハなどが用いられる。

支持層１２の上面にはダイヤフラム２０が接合されている。このダイヤフラム２０は、基板１０に形成された凹部の上部開口を閉塞している。そのため、基板１０とダイヤフラム２０とで、円柱状の気体圧力室１３が形成されている。ダイヤフラム２０は気体圧力室１３の上面の隔壁を構成しており、気体圧力室１３の内部と外部の気圧差により撓むようになっている。
なお、ダイヤフラム２０は、厚さ数μm〜数十μm程度のシリコンなどで形成されている。

基層１１には、気体圧力室１３の内部と外部とを連通する圧力調整孔１４が形成されている。
この圧力調整孔１４には、空気などの気体供給源Ｓが圧力調整手段Ａを介して接続されている。そして、気体供給源Ｓから供給された気体を圧力調整孔１４を通して気体圧力室１３へ導入することで、気体圧力室１３内の圧力を調整できるようになっている。

なお、基層１１に圧力調整孔１４を形成しない構成としてもよい。この場合には、気体圧力室１３内に所定の圧力で気体が封止されるように形成される。

ダイヤフラム２０の上面には、平面視において支持層１２と同位置に、支持層１２と同形状の固定子３０が設けられている。そのため、固定子３０は、基板１０に対してダイヤフラム２０の端部を介して固定されている。また、固定子３０の上面は平面となっている。以下では、固定子３０の上面を基準面３１と称する。

また、ダイヤフラム２０の上面には、平面視において気体圧力室１３の中央に円柱状の接触子４０が設けられている。換言すれば、固定子３０の円柱状の除去部分の中央に接触子４０が設けられている。そして、固定子３０と接触子４０との間には、接触子４０が揺動可能な隙間が設けられている。また、接触子４０の厚みは固定子３０の厚みと同じであり、接触子４０の上面は平面となっている。
これら固定子３０および接触子４０は、厚さ数百μmの光硬化樹脂などで形成されており、外力による撓みが少ない剛性を有している。

ダイヤフラム２０は、気体圧力室１３の内部と外部の気圧差により撓み、接触子４０が外力により傾いたり垂直移動したりすることにより歪む。このようなダイヤフラム２０の変形を検出するために、ダイヤフラム２０の表面には歪検出素子２１〜２５が形成されている。
歪検出素子２１〜２５は、例えば、ピエゾ抵抗素子より構成される半導体材料からなる素子であり、既知の集積化技術を用いてダイヤフラム２０の表面に形成される。なお、歪検出素子２１〜２５は、特許請求の範囲に記載の検出素子に相当する。

図２に示すように、ダイヤフラム２０には５つの歪検出素子２１〜２５が形成されている。図２における左右方向をｘ軸方向とし、上下方向をｙ軸方向とし、紙面対して垂直な方向をｚ軸方向とすると、歪検出素子２１、２２は接触子４０を挟むようにｘ軸に沿って形成されており、歪検出素子２３、２４は接触子４０を挟むようにｙ軸に沿って形成されている。また、歪検出素子２５は歪検出素子２１〜２４と干渉しない位置に形成されている。以下では、歪検出素子２１、２２をｘ軸歪検出素子と称し、歪検出素子２３、２４をｙ軸歪検出素子と称し、歪検出素子２５をｚ軸歪検出素子と称する。

また、ダイヤフラム２０には、平面視において接触子４０の中央に基準抵抗２６が形成されている。なお、基準抵抗２６は、ダイヤフラム２０の歪みの影響を受けることがない位置に形成されていればよく、例えば固定子３０の下面領域内に形成されてもよい。

ダイヤフラム２０には、歪検出素子２１〜２５および基準抵抗２６を含む歪検出回路２７（図１および図２においては図示せず）が形成されている。
図３に示すように、歪検出回路２７は、ｘ軸歪検出素子２１、２２を直列に接続して両端に電圧Vddをかけ、ｘ軸歪検出素子２１と２２の間の電圧Vxを読み取れるように形成されている。同様に、ｙ軸歪検出素子２３、２４を直列に接続して両端に電圧Vddをかけ、ｙ軸歪検出素子２３と２４の間の電圧Vyを読み取れるように形成されている。また、ｚ軸歪検出素子２５と基準抵抗２６を直列に接続して両端に電圧Vddをかけ、ｚ軸歪検出素子２５と基準抵抗２６の間の電圧Vzを読み取れるように形成されている。

電圧Vxはｘ軸歪検出素子２１、２２の差動により変化するため、電圧Vxを読み取ることでダイヤフラム２０のｘ軸方向の歪みを検出できる。これより接触子４０のｘ軸方向の傾きを検出できる。同様に電圧Vyはｙ軸歪検出素子２３、２４の差動により変化するため、電圧Vyを読み取ることでダイヤフラム２０のｙ軸方向の歪みを検出できる。これより接触子４０のｙ軸方向の傾きを検出できる。さらに、電圧Vzはｚ軸歪検出素子２５の電気抵抗の変化により変化するため、電圧Vzを読み取ることでダイヤフラム２０のz軸方向の歪みを検出できる。これより接触子４０の垂直変位や、気体圧力室１３の内部と外部の気圧差によるダイヤフラム２０の撓みを検出できる。

〈摩擦力検出方法〉
つぎに、触覚センサ１を用いた測定対象物の摩擦力の検出方法を説明する。
図４（ａ）に示すように、まず、気体圧力室１３に気体を供給して正圧とし、ダイヤフラム２０を上に凸となるように撓ませる。そして、接触子４０の上端が基準面３１より突出した状態とする。
なお、圧力調整孔１４を有さない触覚センサの場合には、気体圧力室１３内に正圧の気体を封止したものを用いる。

つぎに、図４（ｂ）に示すように、触覚センサ１の接触面（固定子３０および接触子４０が設けられた面）を測定対象物Ｏの表面に押し当てて、接触子４０の上端が基準面３１と同一平面となるように力を加える。このとき、接触子４０には、その上端を基準面３１と同一平面まで押し下げる一定の垂直荷重Fzがかかる。
ここで、接触子４０の上端が基準面３１と同一平面まで押し下げられたか否かは、ｚ軸歪検出素子２５によりダイヤフラム２０が平坦になったか否かを検出することにより行われる。また、垂直荷重Fzは、ダイヤフラム２０の弾性率や気体圧力室１３内の圧力から既知である。

つぎに、図４（ｃ）に示すように、触覚センサ１を測定対象物Ｏの表面に押し当てた状態のまま、測定対象物Ｏの表面に沿って褶動させる。そうすると、接触子４０は、上端かかる動摩擦力Fxyにより傾き、それによりダイヤフラム２０に歪が生じる。この接触子４０の傾きをｘ軸歪検出素子２１、２２およびｙ軸歪検出素子２３、２４により検出する。

例えば、触覚センサ１をｘ軸方向（図４における左右方向）に褶動させた場合には、接触子４０はｘ軸方向に傾き、ダイヤフラム２０にｘ軸方向の歪が生じる。より詳細には、接触子４０が傾く側のダイヤフラム２０の表面（ｘ軸歪検出素子２１が形成される部分）には圧縮応力が働き、その反対側のダイヤフラム２０の表面（ｘ軸歪検出素子２２が形成される部分）には引張応力が働く。このような圧縮応力および引張応力によりｘ軸歪検出素子２１、２２の抵抗が変化し、ダイヤフラム２０のｘ軸方向の歪みを検出できる。

ダイヤフラム２０の弾性率は既知であるため、接触子４０の傾きから接触子４０の上端にかかる動摩擦力Fxyを算出できる。
そして、測定対象物Ｏと接触子４０の上端との動摩擦係数をμとすると、垂直荷重Fzと動摩擦力Fxyとの関係は数１の通りに表されるから、算出した垂直荷重Fzと動摩擦力Fxyとから測定対象物Ｏの表面の動摩擦係数μを算出できる。
（数１）
Fxy = μFz

このように、触覚センサ１は接触子４０が揺動可能であるので、接触子４０の傾きをダイヤフラム２０の歪から検出することで、測定対象物Ｏの動摩擦係数μを検出できる。この動摩擦係数μを指標として測定対象物の摩擦力を検出できる。
また、触覚センサ１を測定対象物Ｏに対して押し当てて褶動するという簡易な操作で測定対象物Ｏの摩擦力を検出できる。

なお、気体圧力室１３内の圧力を一定とすれば、測定対象物Ｏによらず垂直荷重Fzは一定となるので、垂直荷重Fzを算出しなくても、複数の測定対象物Ｏの相対的な摩擦力の大小を検出できる。

〈柔軟度検出方法１〉
つぎに、触覚センサ１を用いた測定対象物の柔軟度の検出方法を説明する。
まず、気体圧力室１３に気体を供給して正圧とし、ダイヤフラム２０を上に凸となるように撓ませる。そして、接触子４０の上端が基準面３１より突出した状態とする。
なお、圧力調整孔１４を有さない触覚センサの場合には、気体圧力室１３内に正圧の気体を封止したものを用いる。

つぎに、図５に示すように、触覚センサ１の接触面を測定対象物Ｏに対して所定の力Fで押し込む。
なお、触覚センサ１をロボットアームなどの他の装置に取り付け、その装置により触覚センサ１を所定の力Fで押し込むように制御する。

例えば、図５（ａ）に示すように、測定対象物Ｏが硬い場合には、触覚センサ１を押し込んでも測定対象物Ｏの表面形状は変形しない。そのため、接触子４０には、その上端が基準面３１と同一平面となるような反力が加わる。

また、図５（ｂ）に示すように、測定対象物Ｏが柔らかい場合には、測定対象物Ｏの表面形状が固定子３０の押圧力により変形する。そして、測定対象物Ｏは固定子３０の除去部分に食い込んで、接触子４０を下方に押し込む。
このように、測定対象物Ｏの柔軟度によって接触子４０の垂直変位が異なる。

そのため、ダイヤフラム２０の歪をｚ軸歪検出素子２５で検出して、接触子４０の垂直変位を検出することにより、接触子４０の垂直変位を指標とした測定対象物Ｏの柔軟度を検出できる。
また、触覚センサ１を測定対象物Ｏに対して押し当てるという簡易な操作で測定対象物Ｏの柔軟度を検出できる。

〈柔軟度検出方法２〉
つぎに、触覚センサ１を用いた測定対象物の柔軟度の他の検出方法を説明する。
まず、気体圧力室１３に気体を供給して正圧とし、ダイヤフラム２０を上に凸となるように撓ませる。そして、接触子４０の上端が基準面３１より突出した状態とする。
なお、圧力調整孔１４を有さない触覚センサの場合には、気体圧力室１３内に正圧の気体を封止したものを用いる。

つぎに、図６（ａ）に示すように、触覚センサ１の接触子４０の上端を測定対象物Ｏに接触させる。そして、図６（ｂ）に示すように、接触子４０の上端が基準面３１と同一平面となるまで、触覚センサ１を測定対象物Ｏに対して押し込む。
このとき、接触子４０の上端が測定対象物Ｏに接触してから（図６（ａ）の状態）、接触子４０の上端が基準面３１と同一平面まで押し下げられるまでの（図６（ｂ）の状態）、触覚センサ１の押し込み距離ｄを検出する。

ここで、接触子４０の上端が測定対象物Ｏに接触したか否かは、ｚ軸歪検出素子２５によりダイヤフラム２０が平坦になり始めたか否かを検出することにより行われる。また、接触子４０の上端が基準面３１と同一平面まで押し下げられたか否かは、ｚ軸歪検出素子２５によりダイヤフラム２０が平坦になったか否かを検出することにより行われる。
また、触覚センサ１をロボットアームなどの他の装置に取り付け、その装置により触覚センサ１を測定対象物Ｏに押し込み、その装置により押し込み距離ｄを検出する。

一般に、測定対象物Ｏは、触覚センサ１を押し込んでいくに従って弾性力が増す。したがって、上記押し込み距離ｄは、測定対象物Ｏの弾性力が、接触子４０の上端を基準面３１と同一平面まで押し下げるのに必要な力と等しくなるのに必要な押し込み距離を意味する。そのため、測定対象物Ｏの柔軟度によって押し込み距離ｄが異なる。

例えば、測定対象物Ｏが硬い場合には、測定対象物Ｏに触覚センサ１があまり食い込まないため、押し込み距離ｄは短くなる。なお、測定対象物Ｏに触覚センサ１が全く食い込まない場合には、押しこみ距離ｄは、触覚センサ１に測定対象物Ｏを接触させる前の状態における接触子４０の上端の基準面３１に対する突出高さと同じとなる。
一方、測定対象物Ｏが柔らかい場合には、測定対象物Ｏに触覚センサ１が食い込むため、押し込み距離ｄは長くなる。

このように、触覚センサ１の押し込み距離ｄを指標として測定対象物Ｏの柔軟度を検出できる。
また、触覚センサ１を測定対象物Ｏに対して押し当てるという簡易な操作で測定対象物Ｏの柔軟度を検出できる。

〈柔軟度検出方法３〉
つぎに、触覚センサ１を用いた測定対象物の柔軟度のさらに他の検出方法を説明する。
まず、触覚センサ１の接触面を測定対象物Ｏの表面に押し当てる。
ここで、触覚センサ１の接触面が測定対象物Ｏに接触したか否かは、接触子４０にかかる荷重によりダイヤフラム２０に若干の歪が生じることをｚ軸歪検出素子２５により検出することにより行われる。

つぎに、図７（ａ）に示すように、気体圧力室１３に気体を供給または排出して、接触子４０の上端が基準面３１と同一平面となった状態とする。このときの気体圧力室１３内の圧力をP₀とする。
ここで、接触子４０の上端が基準面３１と同一平面まで押し下げられたか否かは、ｚ軸歪検出素子２５によりダイヤフラム２０が平坦になったか否かを検出することにより行われる。

つぎに、図７（ｂ）に示すように、気体圧力室１３に気体を供給して、気体圧力室１３内の圧力をP₀から所定の圧力Pだけ増圧する。そうすると、気体圧力室１３内の圧力はP₀+Pとなり、ダイヤフラム２０が上に凸となるように撓み、接触子４０が上方に押し上げられる。そして、接触子４０が所定の力Fで測定対象物Ｏに押し込まれる。このときのダイヤフラム２０の歪をｚ軸歪検出素子２５で検出して、接触子４０の垂直変位を検出する。

一般に、測定対象物Ｏは、接触子４０を押し込んでいくに従って弾性力が増す。したがって、接触子４０の垂直変位は、測定対象物Ｏの弾性力が、接触子４０の押し込み力Fと等しくなるのに必要な距離を意味する。そのため、測定対象物Ｏの柔軟度によって接触子４０の垂直変位が異なる。

例えば、測定対象物Ｏが硬い場合には、測定対象物Ｏに接触子４０があまり食い込まないため、接触子４０の垂直変位は短くなる。
一方、測定対象物Ｏが柔らかい場合には、測定対象物Ｏに接触子４０が食い込むため、接触子４０の垂直変位は長くなる。

このように、接触子４０の垂直変位を指標として測定対象物Ｏの柔軟度を検出できる。
また、触覚センサ１を測定対象物Ｏに対して押し当てるという簡易な操作で測定対象物Ｏの柔軟度を検出できる。

〈柔軟度検出方法４〉
つぎに、触覚センサ１を用いた測定対象物の柔軟度のさらに他の検出方法を説明する。
まず、気体圧力室１３に気体を供給して正圧とし、ダイヤフラム２０を上に凸となるように撓ませる。そして、接触子４０の上端が基準面３１より突出した状態とする。

つぎに、図８（ａ）に示すように、触覚センサ１を測定対象物Ｏの表面に押し当てて、基準面３１を測定対象物Ｏに接触させる。そして、気体圧力室１３に気体を供給または排出して、気体圧力室１３内の圧力が所定の圧力P₁となるように調節する。気体圧力室１３内の圧力を所定の圧力P₁に設定すると、接触子４０は所定の力F₁で測定対象物Ｏに押し込まれる。
ここで、気体圧力室１３内の圧力は圧力調整手段Ａにより調整される。

つぎに、図８（ｂ）に示すように、気体圧力室１３から気体を排出して、接触子４０の上端が基準面３１と同一平面となるまで気体圧力室１３内の圧力を減圧する。そして接触子４０の上端が基準面３１と同一平面となったときの気体圧力室１３内の圧力P2を検出する。
ここで、気体圧力室１３内の圧力は圧力調整手段Ａにより検出する。

例えば、測定対象物Ｏが硬い場合には、気体圧力室１３内の圧力がP₁の状態において測定対象物Ｏに接触子４０があまり食い込まないため、P₁とP₂の圧力差は小さくなる。
一方、測定対象物Ｏが柔らかい場合には、気体圧力室１３内の圧力がP₁の状態において測定対象物Ｏに接触子４０が食い込むため、P₁とP₂の圧力差は大きくなる。

このように、気体圧力室１３内の圧力差を指標として測定対象物Ｏの柔軟度を検出できる。
また、触覚センサ１を測定対象物Ｏに対して押し当てるという簡易な操作で測定対象物Ｏの柔軟度を検出できる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る触覚センサ２は、後述の測定対象物の表面粗さの検出に適した実施形態である。
図９に示すように、触覚センサ２は、第１実施形態に係る触覚センサ１に比べて固定子３０および接触子４０の形状が異なっている。より詳細には、固定子３０の上部が接触子４０に向かって庇状に突出しており、接触子４０が細い円柱状となっている。固定子３０と接触子４０との間の隙間は狭くなっており、接触子４０の揺動を抑制し、かつ接触子４０が基準面３１に対して垂直移動可能となっている。

このように接触子４０は揺動が抑制されているため、接触子４０の傾きを検出する必要がない。そのため、ダイヤフラム２０には、ｘ軸歪検出素子２１、２２およびｙ軸歪検出素子２３、２４が形成されておらず、ｚ軸歪検出素子２５および基準抵抗２６が形成されている。なお、基準抵抗２６は、ダイヤフラム２０の歪みの影響を受けることがない位置に形成されていればよく、例えば接触子４０または固定子３０の下面領域内に形成すればよい。

その余の構成は第１実施形態に係る触覚センサ１と同様であるので、同一部材に同一符号を付して説明を省略する。
なお、本実施形態においても、基層１１に圧力調整孔１４を形成した構成としてもよいし、基層１１に圧力調整孔１４を形成しない構成としてもよい。基層１１に圧力調整孔１４を形成しない場合には、気体圧力室１３内に所定の圧力で気体が封止されるように形成される。

〈表面粗さ検出方法〉
つぎに、触覚センサ２を用いた測定対象物の表面粗さの検出方法を説明する。
図１０（ａ）に示すように、まず、気体圧力室１３に気体を供給して正圧とし、ダイヤフラム２０を上に凸となるように撓ませる。そして、接触子４０の上端が基準面３１より突出した状態とする。
なお、圧力調整孔１４を有さない触覚センサの場合には、気体圧力室１３内に正圧の気体を封止したものを用いる。

つぎに、図１０（ｂ）に示すように、触覚センサ２の接触面を測定対象物Ｏの表面に押し当てて、基準面３１を測定対象物Ｏに接触させる。そうすると、基準面３１は、測定対象物Ｏの表面の凹凸のピークを結んだ平面に配置される。そして、接触子４０は、その上端が測定対象物Ｏの表面に接触し、その反力により押し下げられる。

つぎに、図１０（ｃ）に示すように、触覚センサ２を測定対象物Ｏの表面に押し当てた状態のまま、測定対象物Ｏの表面に沿って褶動させる。そうすると、接触子４０は、測定対象物Ｏの表面の凹凸に沿って垂直移動する。この際の接触子４０の垂直変位の時間変化や距離変化をｚ軸歪検出素子２５により検出する。

図１１（ａ）に示すように、接触子４０の垂直変位の時間変化により、測定対象物Ｏの表面の空間波形を再現することができる。この接触子４０の垂直変位の時間変化をフーリエ変換することで、図１１（ｂ）に示すような、測定対象物Ｏの表面の空間周波数fの分布を得ることができる。この空間周波数fの分布を指標として測定対象物Ｏの表面粗さを検出できる。

例えば、長波長の空間波形、すなわち低い空間周波数fの成分が多い場合には（図１１（ｂ）における破線）、測定対象物Ｏの表面が粗いと判断でき、短波長の空間波形、すなわち高い空間周波数fの成分が多い場合には（図１１（ｂ）における一点鎖線）、測定対象物Ｏの表面が滑らかと判断できる。
なお、表面粗さの判定は、再現した測定対象物Ｏの表面の空間波形を統計的に分類するなど、他の方法で判定してもよい。

以上のように、触覚センサ２を測定対象物Ｏに対して押し当てて褶動するという簡易な操作で測定対象物Ｏの表面粗さを検出できる。

上記の表面粗さ検出方法は、第１実施形態に係る触覚センサ１を用いても実施できる。ただし、接触子４０が揺動するため、それにより生じる誤差を考慮する必要がある。一方、本実施形態に係る触覚センサ２は、接触子４０の揺動が抑制されており、接触子４０の垂直移動のみによりダイヤフラム２０が歪むので、測定対象物Ｏの表面粗さを高精度で検出できる。

また、接触子４０の上端を測定対象物Ｏの凹凸に比べて十分に細くすれば、接触子４０が測定対象物Ｏの凹凸に追従しやすくなり、測定対象物Ｏの表面の空間波形の再現性が向上するので好ましい。また、基準面３１を測定対象物Ｏの凹凸に比べて十分に広くすれば、触覚センサ２自体が測定対象物Ｏの凹凸に沿って上下動したり傾いたりしなくなるので、測定対象物Ｏの表面の空間波形の再現性が向上するので好ましい。

また、本実施形態に係る触覚センサ２は、前述の柔軟度検出方法も実施できる。この場合にも、接触子４０の揺動が抑制されており、接触子４０の垂直移動のみによりダイヤフラム２０が歪むので、測定対象物Ｏの柔軟度を高精度で検出できる。
なお、柔軟度を検出する場合には、接触子４０の上面にある程度の広さをもたせた方が、測定対象物Ｏからの反力が強くなるので好ましい。

以上のように、本発明に係る触覚センサは、基準面を基準とした操作において、接触子４０の傾きや垂直変位をダイヤフラム２０の歪から検出することで、測定対象物Ｏの摩擦力、柔軟度、表面粗さを検出できる。
また、圧力調整孔１４を通して気体圧力室１３内の圧力を変更できるので、圧力変化を用いた種々の検出方法に対応できる。

（その他の実施形態）
固定子３０や接触子４０の上面の広さや厚みは、測定対象物Ｏや検出方法に応じて、適宜設定されるものである。
また、固定子３０と接触子４０の厚みは異なっていてもよい。例えば、接触子４０を固定子３０より厚くすれば、気体圧力室１３内を大気圧としても、接触子４０の上端が基準面３１より突出した状態となる。

また、固定子３０の除去部分の形状は円柱状に限られず、四角柱状など他の形状にしてもよいし、接触子４０の形状は円柱形に限られず、四角柱状など他の形状にしてもよい。また、気体圧力室１３の形状は円柱状に限られず、四角柱状など他の形状にしてもよい。
また、接触子４０の上面は平面に限らず、丸みを帯びた形状、例えば半球状としてもよい。

また、接触子４０の垂直変位や傾きを検出する検出素子は、ダイヤフラム２０に形成された歪検出素子２１〜２５のようにダイヤフラムの変形を検出する検出素子の他に、空隙変化による静電容量の変化などを読み出して接触子４０の垂直変位や傾きを検出するものであってもよい。

また、複数の触覚センサを直線上あるいは平面状に並べた構成としてもよい。このようにすれば、測定対象物Ｏの摩擦力、柔軟度、表面粗さを直線的あるいは平面的に検出することができる。

１、２触覚センサ
１０基板
１１基層
１２支持層
１３気体圧力室
１４圧力調整孔
２０ダイヤフラム
２１〜２５歪検出素子
２６基準抵抗
２７歪検出回路
３０固定子
３１基準面
４０接触子

Claims

気体圧力室が形成された基板と、
前記気体圧力室の上面の隔壁を構成するダイヤフラムと、
前記基板の上面に固定され、上端に基準面を有する固定子と、
前記ダイヤフラムの上面に設けられた接触子と、
該接触子の垂直変位および／または傾きを検出する検出素子と、を備える
ことを特徴とする触覚センサ。
前記固定子と前記接触子との間には、該接触子が揺動可能な隙間が設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の触覚センサ。
前記固定子と前記接触子との間には、該接触子の揺動を抑制し、該接触子が前記基準面に対する垂直移動が可能な隙間が設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の触覚センサ。
前記基板には、前記気体圧力室の内部と外部とを連通する圧力調整孔が形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の触覚センサ。
請求項１、２または４記載の触覚センサを用いた測定対象物の摩擦力の検出方法であって、
前記気体圧力室内の圧力を、前記接触子の上端が前記基準面より突出する圧力とし、
前記触覚センサを前記測定対象物の表面に押し当てて、前記接触子にその上端を前記基準面と同一平面まで押し下げる垂直荷重をかけ、
その状態で前記触覚センサを前記測定対象物の表面に沿って褶動させた際の前記接触子の傾きを検出し、
前記接触子の傾きから該接触子の上端にかかる動摩擦力を算出し、
該動摩擦力から前記測定対象物の表面の摩擦力を算出する
ことを特徴とする検出方法。
請求項１、２、３または４記載の触覚センサを用いた測定対象物の柔軟度の検出方法であって、
前記気体圧力室内の圧力を、前記接触子の上端が前記基準面より突出する圧力とし、
前記触覚センサを前記測定対象物に対して所定の力で押し込んだ際の前記接触子の垂直変位を検出する
ことを特徴とする検出方法。
請求項１、２、３または４記載の触覚センサを用いた測定対象物の柔軟度の検出方法であって、
前記気体圧力室内の圧力を、前記接触子の上端が前記基準面より突出する圧力とし、
前記触覚センサを前記測定対象物に対して押し込み、
前記接触子の上端が前記測定対象物に接触してから、該接触子の上端が前記基準面と同一平面まで押し下げられるまでの、前記触覚センサの押し込み距離を検出する
ことを特徴とする検出方法。
請求項４記載の触覚センサを用いた測定対象物の柔軟度の検出方法であって、
前記触覚センサを前記測定対象物の表面に押し当て、
前記気体圧力室内の圧力を、前記接触子の上端が前記基準面と同一平面となる圧力とし、
前記気体圧力室内の圧力を所定の圧力だけ増圧した際の前記接触子の垂直変位を検出する
ことを特徴とする検出方法。
請求項４記載の触覚センサを用いた測定対象物の柔軟度の検出方法であって、
前記触覚センサを前記測定対象物の表面に押し当てて、前記基準面を該測定対象物に接触させ、
前記気体圧力室内の圧力を、所定の圧力に調整し、
前記接触子の上端が前記基準面と同一平面となるまで前記気体圧力室内の圧力を減圧した際の圧力差を検出する
ことを特徴とする検出方法。
請求項１、２、３または４記載の触覚センサを用いた測定対象物の表面粗さの検出方法であって、
前記気体圧力室内の圧力を、前記接触子の上端が前記基準面より突出する圧力とし、
前記触覚センサを前記測定対象物の表面に押し当てて、前記基準面を該測定対象物に接触させ、
その状態で前記触覚センサを前記測定対象物の表面に沿って褶動させた際の前記接触子の垂直変位の変化を検出する
ことを特徴とする検出方法。