JP2017058186A

JP2017058186A - 光触覚センサ

Info

Publication number: JP2017058186A
Application number: JP2015181723A
Authority: JP
Inventors: 力山崎; Tsutomu Yamazaki
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2015-09-15
Filing date: 2015-09-15
Publication date: 2017-03-23

Abstract

【課題】簡易な構成で外部からの圧力を検知することができる光触覚センサを提供する。
【解決手段】光触覚センサ１は、発光素子４、受光素子５、粘弾性部材６、反射部材７、信号処理装置８等を備える。発光素子４は、反射部材７に向けて出射光Ｏを出射する。受光素子５は、反射部材７に反射した出射光Ｏを反射光Ｒとして受光する。粘弾性部材６が押圧されることにより、粘弾性部材６の表面が発光素子４および受光素子５に近づく方向に凹み、反射光強度Ｒsが変化する。信号処理装置８は、反射光強度Ｒsの変化を演算して、粘弾性部材６に加えられた圧力を検知する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子と受光素子とを備えた光触覚センサに関する。

一般に、内部にカーボン粒子が分散された感圧導電性ゴムを用いて、該感圧導電性ゴムに加えられた圧力を検知する触覚センサが知られている（例えば、非特許文献１参照）。非特許文献１に記載された触覚センサは、加圧状態に応じた感圧導電性ゴムの電気抵抗値の変化に基づいて圧力を検知する。

小山健太朗, "感圧導電性ゴムを用いた小型触覚センサの開発", [online]，中央大学，[平成２７年８月２０日検索]，インターネット〈URL:http://ir.c.chuo-u.ac.jp/repository/search/binary/p/3509/s/1207/〉

ところで、非特許文献１に記載された触覚センサでは、専用の制御ボードを用いて、複数個設けた感圧導電性ゴムの抵抗値をサンプリング周期毎に測定することにより、圧力を検知している。この場合、触覚センサをコントロールするための専用の制御ボードを用いているので、触覚センサのシステム全体のサイズが大きくなってしまうという問題がある。また、触覚センサ自体も複雑でコストが高くなるという問題もある。

本発明は前述の問題に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、簡易な構成で外部からの圧力を検知することができる光触覚センサを提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、光を出射する発光素子と、前記発光素子から出射された光に基づく反射光を受光する受光素子と、前記発光素子と前記受光素子とを覆って設けられ透光性および粘弾性を有する粘弾性部材と、前記粘弾性部材の表面に設けられ前記発光素子から出射された光を反射する反射部材と、前記受光素子から出力される反射光信号に基づいて前記粘弾性部材の変形を検知する信号処理装置と、を備える構成としている。

請求項２の発明では、前記粘弾性部材は、押圧されることにより、その表面が前記発光素子および前記受光素子に近付く方向に凹み、前記反射部材により反射され前記受光素子が受光する反射光の強度は、前記粘弾性部材が凹むことによって変化し、前記信号処理装置は、前記反射光強度に基づいて前記粘弾性部材に加えられた押圧量を検知する構成としている。

請求項１の発明によれば、光触覚センサは、粘弾性を有する粘弾性部材を用いているので、外部からの圧力に応じて粘弾性部材が変形する。この場合、発光素子から出射される出射光は、粘弾性部材の表面に設けられた反射部材によって反射されるので、粘弾性部材の変形に応じて受光素子が受光する反射光の強度は変化する。この結果、信号処理装置は、受光素子から出力される反射光信号に基づいて、粘弾性部材の変形を検知することができる。

また、粘弾性部材に微小な変形が生じたときでも、この変形に応じて受光素子が受光する反射光の強度を変化させることができる。このため、粘弾性部材に作用する微小な押し量も検出することができ、検出感度を高めることができる。

また、光触覚センサは、電気抵抗値を測定するための専用の制御ボードを備える必要が無く、発光素子と受光素子とを備えることにより粘弾性部材の変形を検知している。これにより、光触覚センサ全体の構成を簡略化することができるので、光触覚センサ全体のサイズを小さくすることができ、さらにコストを抑えることができる。

請求項２の発明によれば、反射部材により反射され受光素子が受光する反射光の強度は、粘弾性部材が凹むことによって変化する。このため、信号処理装置は、例えば粘弾性部材が押圧されていない状態の反射光強度と、粘弾性部材が押圧されて凹んでいる状態の反射光強度とを比較することにより、粘弾性部材に加えられた厚さ方向の微小な押圧量を検知することができる。

本発明の第１の実施の形態による光触覚センサを示す断面図である。図１の光触覚センサを示すブロック図である。反射光強度と反射部材までの距離との関係を示す特性線図である。光触覚センサを押圧したときの説明図である。本発明の第２の実施の形態による光触覚センサを示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態による光触覚センサについて、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

まず、図１ないし図４に、第１の実施の形態による光触覚センサ１を示す。光触覚センサ１は、基板３、発光素子４、受光素子５、粘弾性部材６、反射部材７、信号処理装置８等を備える。ここで、発光素子４、受光素子５、信号処理装置８は、１ポート光インターフェースを構成している。また、図２に示すように、受光素子５と信号処理装置８とは、例えばＡＳＩＣ（Application Specific IC）２を用いて、一体化された集積回路として構成されている。

基板３は、絶縁材料を用いて形成された平板であり、例えばプリント配線基板が用いられている。基板３の表面（上面）には、発光素子４と受光素子５と信号処理装置８とが実装される。

発光素子４は、基板３の表面に実装され、後述の発光素子駆動部９で出力された発光信号Ｓtに基づいて、近赤外線（例えば波長λ＝８５０ｎｍ）や可視光線の光を出射光Ｏとして出射する。一般的には、発光素子４の光軸は、例えば基板３に対して垂直方向（図１の上方向）であるが、基板３の垂直方向から斜めに傾斜していてもよい。発光素子４としては、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）等が用いられる。

受光素子５は、発光素子４の隣に位置し基板３の表面に実装されている。この受光素子５は、発光素子４から出射された光が反射部材７によって反射された反射光Ｒを受光する。そして、受光素子５は、反射光Ｒの反射光強度Ｒsに応じた電流を反射光信号Ｓrとして信号処理装置８の反射光信号増幅部１０に出力する。受光素子５としては、例えばフォトダイオード（ＰＤ）、フォトトランジスタ等が用いられる。なお、発光素子４と受光素子５との間には、発光素子４からの出射光Ｏが直接的に受光素子５に入射されるのを防止するために、遮光部材を設けてもよい。

粘弾性部材６は、基板３の表面に位置して、発光素子４および受光素子５を覆って設けられている。この粘弾性部材６は、発光素子４から出力される出射光Ｏを透過可能な透光性を有し、外部からの押圧に対して粘弾性を有する絶縁性の樹脂材料により形成され、基板３の表面を封止している。即ち、粘弾性部材６は、例えばゴムやシリコンを用いた高分子材料等といった、外部から荷重を受けた場合に変形し、荷重の除去によって元の形状に復元する透明な低反発材料を用いて厚膜状に形成されている。なお、粘弾性部材６は、発光素子４および受光素子５を覆っていれば、球形状、円錐状、直方体状等の他の形状にしてもよい。

反射部材７は、粘弾性部材６の表面に位置して設けられている。この反射部材７は、例えば黒色顔料等のような塗料やメッキからなる低反射率の膜部材によって形成され、粘弾性部材６の上面（基板３と反対側の面）に設けられている。反射部材７は、発光素子４から出射された出射光Ｏを受光素子５に向けて反射させるものである。この場合、受光素子５の出力の飽和を抑制するために、反射部材７は、粘弾性部材６が非押圧状態であるときに、例えば反射光Ｒの反射光強度Ｒsを受光素子５の検出レンジの少なくとも１／２以下、好ましくは１／５以下にする低反射率の材料により形成されている。これにより、反射部材７は、出射光Ｏの一部を反射（乱反射）させる。なお、反射部材７は、黒色顔料以外の低反射率材料を用いる構成としてもよい。

図２に示すように、信号処理装置８は、発光素子駆動部９、反射光信号増幅部１０、Ａ／Ｄコンバータ１１および演算処理部１２等を備えている。この信号処理装置８は、例えば受光素子５と共に基板３に実装され、受光素子５と一体化したＡＳＩＣ２を構成している。信号処理装置８は、発光素子駆動部９を用いて発光素子４を駆動し、反射光信号増幅部１０を用いて反射部材７からの反射光Ｒに応じた反射光信号Ｓrを演算処理部１２に向けて出力する。これにより、信号処理装置８は、受光素子５から出力される反射光信号Ｓrに基づいて、粘弾性部材６の変形を検知する。

発光素子駆動部９は、演算処理部１２と協働して発光制御手段を構成する。発光素子駆動部９は、発光素子４に接続され、演算処理部１２からの制御信号に基づいて発光信号Ｓtを出力する。具体的には、発光素子駆動部９は、発光素子４を発光させるための駆動電流を、発光素子４に供給する。

反射光信号増幅部１０は、受光素子５に接続され、受光素子５から反射光信号Ｓrが入力される。反射光信号増幅部１０は、反射光信号Ｓrに対して電流−電圧変換を行い、電流−電圧変換された反射光信号Ｓrを増幅する。

Ａ／Ｄコンバータ１１は、演算処理部１２の一部を構成し、受光素子５に接続されている。このＡ／Ｄコンバータ１１は、受光素子５から供給された反射光信号Ｓrをアナログ信号からデジタル信号に変換する。

演算処理部１２は、例えばマイクロプロセッサであり、発光素子４の発光を制御する処理、受光素子５から出力される反射光信号Ｓrに基づいて粘弾性部材６の押圧量を検知する処理、光触覚センサ１の全体的な制御等を行う。

具体的には、演算処理部１２は、発光素子４の出射光Ｏの強度（レベル）やタイミングを制御するための制御信号を発光素子駆動部９に供給し、この制御信号に対応するように発光素子４を発光させる。ここで、発光素子駆動部９は、例えば発光信号Ｓtとしてパルス状の駆動電流を発光素子４にそれぞれ供給する。発光信号Ｓtのパルスは予め決められた一定の発光周期を有し、発光素子４はパルス発光する。

また、演算処理部１２には、反射部材７からの反射光Ｒに応じた反射光信号ＳrがＡ／Ｄコンバータ１１を介して入力される。このとき、演算処理部１２は、反射光信号Ｓrを、発光素子４の発光タイミング毎にＡ／Ｄコンバータ１１を用いてデジタル信号に変換して取り出す。このため、演算処理部１２には、発光タイミング毎に抽出したパルス状の反射光信号Ｓrが包絡線検波したものに変換されて入力される。

そして、演算処理部１２は、反射光信号Ｓrの反射光強度Ｒsに基づいて、粘弾性部材６に加えられた押圧量を検知する。具体的には、演算処理部１２は、粘弾性部材６が押圧される前の反射光強度Ｒsと、粘弾性部材６が押圧された後の反射光強度Ｒsとを比較し、これらの強度差ΔＲsを算出する。このとき、強度差ΔＲsは、粘弾性部材６の変形量、即ち反射部材７と素子４，５との間の距離Ｌに応じた値になる。このため、演算処理部１２は、強度差ΔＲsに基づいて、粘弾性部材６に加えられた押圧量を検知する。なお、演算処理部１２は、反射光強度Ｒsの強度差ΔＲsに限らず、反射光強度Ｒsそのものによって、粘弾性部材６に加えられた押圧量を検知してもよい。

なお、信号処理装置８は、Ａ／Ｄコンバータ１１を用いて反射光信号Ｓrをアナログ信号から多値化デジタル信号に変換する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、信号処理装置は、Ａ／Ｄコンバータを設けずに、反射光信号Ｓrをアナログ信号のまま処理する構成としてもよい。

次に、図３および図４を用いて、光触覚センサ１による押圧力の検知動作について説明する。

まず、粘弾性部材６が押圧されていない場合について説明する。光触覚センサ１が駆動すると、発光素子４は基板３の上方に向けて発光信号Ｓtに基づく光（出射光Ｏ）を出射する。出射光Ｏは、反射部材７により反射され、反射光Ｒとして受光素子５によって受光される。受光素子５は、反射光Ｒの強度（反射光強度Ｒs）に応じた反射光信号Ｓrを出力する。

Ａ／Ｄコンバータ１１は、受光素子５からの反射光信号Ｓrを、アナログ信号からデジタル信号に変換する。そして、演算処理部１２は、反射光信号Ｓrに基づいて、粘弾性部材６に対象物Ｏbjが加えた押圧量を検知する。この場合、粘弾性部材６は押圧されていないので、受光素子５と反射部材７との間の距離Ｌは遠く、反射光強度Ｒsは弱い値を示す（図３参照）。

なお、図３に示すように、反射光強度Ｒsは、受光素子５と反射部材７との間の距離Ｌに略反比例した特性となる。このため、例えば反射光Ｒの反射光強度Ｒsが受光素子５の検出レンジ（最大値）の１／１０よりも低下すると、受光素子５と反射部材７との間の距離Ｌが変化しても、反射光強度Ｒsの変化は小さくなる。一方、反射光強度Ｒsが受光素子５の検出レンジの１／２よりも上昇すると、受光素子５の出力が飽和し易くなる。従って、粘弾性部材６が非押圧状態であるときには、反射光Ｒの反射光強度Ｒsが受光素子５の検出レンジの１／２以下（好ましくは１／５以下）で、かつ受光素子５の検出レンジの１／１０以上となる位置に、反射部材７は配置される。

次に、対象物Ｏbjが光触覚センサ１を押圧する場合について説明する。

図４に示すように、対象物Ｏbjが粘弾性部材６を押圧することにより、粘弾性部材６の外周部が潰れて、厚さ寸法（距離Ｌ）が縮小する。即ち、粘弾性部材６の表面は発光素子４および受光素子５に近付く方向（基板３側の方向）に凹む。これにより、反射部材７に反射された反射光Ｒは、粘弾性部材６が凹むことにより、その反射光強度Ｒsが変化する（上昇する）。この場合、粘弾性部材６の厚さ寸法が縮小しているので、受光素子５と反射部材７との間の距離Ｌは近く、反射光強度Ｒsは強い値を示す（図３参照）。

そして、演算処理部１２は、粘弾性部材６が押圧される前の反射光強度Ｒsと、粘弾性部材６が押圧された後の反射光強度Ｒsとの強度差ΔＲsを算出して、この強度差ΔＲsに基づいて、粘弾性部材６に加えられた押圧量を検知する。

かくして、第１の実施の形態によれば、光触覚センサ１は、粘弾性を有する粘弾性部材６を用いているので、外部からの圧力に応じて粘弾性部材６が変形する。この場合、発光素子４から出射される出射光Ｏは、粘弾性部材６の表面に設けられた反射部材７によって反射されるので、粘弾性部材６の変形に応じて受光素子が受光する反射光Ｒの反射光強度Ｒsは変化する。この結果、信号処理装置８は、受光素子５から出力される反射光信号Ｓrに基づいて、粘弾性部材６の変形を検知することができる。

また、粘弾性部材６に微小な変形が生じたときでも、この変形に応じて受光素子５が受光する反射光Ｒの反射光強度Ｒsを変化させることができる。このため、粘弾性部材６に作用する微小な押し量も検出することができ、検出感度を高めることができる。

また、光触覚センサ１は、電気抵抗値を測定するための専用の制御ボードを備える必要が無く、発光素子４と受光素子５とを備えることにより粘弾性部材６の変形を検知している。これにより、光触覚センサ１全体の構成を簡略化することができるので、光触覚センサ１全体のサイズを小さくすることができ、さらにコストを抑えることができる。

また、反射部材７により反射され受光素子５が受光する反射光Ｒの反射光強度Ｒsは、粘弾性部材６が凹むことによって変化する。このため、信号処理装置８は、例えば粘弾性部材６が押圧されていない状態の反射光強度Ｒsと、粘弾性部材６が押圧されて凹んでいる状態との反射光強度Ｒsとを比較することにより、粘弾性部材６に加えられた厚さ方向の微小な押圧量を検知することができる。

次に、図５に、本発明の第２の実施の形態による光触覚センサを示す。第２の実施の形態の特徴は、基板と発光素子と受光素子とを中空のケース内に設けて、該ケース上にガラス板を挟んで粘弾性部材を設ける構成としたことにある。なお、第２の実施の形態では、前述した第１の実施の形態と同一の構成については同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２の実施の形態による光触覚センサ２１は、基板３、発光素子４、受光素子５、信号処理装置８、ケース２２、ガラス板２３、粘弾性部材２４、反射部材２５等を備える。

ケース２２は、光触覚センサ２１の基端側（基板３側）に位置して、光触覚センサ２１の外殻を構成している。ケース２２は、中空のボックス構造をなし、先端側（反射部材２５側）が開口した断面コ字状に形成されている。このケース２２内には、基板３、発光素子４、受光素子５、信号処理装置８が設けられている。

ガラス板２３は、ケース２２と粘弾性部材２４との間に位置して、ケース２２の開口を閉塞する蓋体として設けられている。ガラス板２３は、透光性を有する薄板からなり、発光素子４から出射された出射光Ｏと、反射部材２５により反射された反射光Ｒとを透過させるものである。なお、ガラス板２３は、透光性を有するガラスセラミックスや樹脂材料等を用いて形成してもよい。

粘弾性部材２４は、ガラス板２３の表面に位置して、ガラス板２３を覆うように略半球状に設けられている。この粘弾性部材２４は、発光素子４から出力される光を透過可能な透光性を有し、外部からの押圧に対して粘弾性を有する絶縁性の樹脂材料により形成されている。

反射部材２５は、粘弾性部材２４の表面に位置して設けられている。この反射部材２５は、例えば黒色顔料等のような塗料やメッキからなる低反射率の膜部材を用いて粘弾性部材２４の上面に設けられ、略半球状に形成されている。反射部材２５は、発光素子４から出射された出射光Ｏを受光素子５に向けて反射させるものである。

かくして、第２の実施の形態でも、第１の実施の形態とほぼ同様な作用効果を得ることができる。第２の実施の形態によれば、ガラス板２３をケース２２と粘弾性部材２４との間に設ける構成とした。これにより、ガラス板２３は、粘弾性部材２４が押圧された際に、押圧力が発光素子４および受光素子５に作用するのを抑制することができる。この結果、発光素子４および受光素子５に過大な力が加わることを防止できるので、光触覚センサ２１の信頼性を高めることができる。

なお、前記第１の実施の形態では、発光素子４は、出射光Ｏを基板３に対して垂直方向に出射する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、発光素子は、出射光が放射角をもつように出射する構成としてもよい。このことは、第２の実施の形態についても同様である。

１，２１光触覚センサ
４発光素子
５受光素子
６，２４粘弾性部材
７，２５反射部材
８信号処理装置

Claims

光を出射する発光素子と、
前記発光素子から出射された光に基づく反射光を受光する受光素子と、
前記発光素子と前記受光素子とを覆って設けられ透光性および粘弾性を有する粘弾性部材と、
前記粘弾性部材の表面に設けられ前記発光素子から出射された光を反射する反射部材と、
前記受光素子から出力される反射光信号に基づいて前記粘弾性部材の変形を検知する信号処理装置と、
を備える構成としてなる光触覚センサ。
前記粘弾性部材は、押圧されることにより、その表面が前記発光素子および前記受光素子に近付く方向に凹み、
前記反射部材により反射され前記受光素子が受光する反射光の強度は、前記粘弾性部材が凹むことによって変化し、
前記信号処理装置は、前記反射光強度に基づいて前記粘弾性部材に加えられた押圧量を検知する請求項１に記載の光触覚センサ。