JP2018141668A - ケーブル状圧力センサおよびそれを用いた触覚センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 柔軟性および伸縮性に優れるとともに細径化が可能なケーブル状圧力センサおよびそれを用いた触覚センサを提供すること。【解決手段】 ケーブル状圧力センサ１１，３１，４１，５１，６１を、柔軟性を備えた細長い円筒状の圧電体１２，３２，４２，６２と、圧電体１２，３２，４２，６２の内面に形成された内部導体層１３，３３，４３，６３と、圧電体１２，３２，４２，６２の外面に形成された外部導体層１４，３４，４４，６４からなるセンサ電線５１ａで構成した。また、外部導体層６４の外周を絶縁性シース６５で被覆した。【選択図】 図１１

Description

本発明は、圧電性を備えたケーブル状圧力センサおよびそれを用いた触覚センサに関する。

従来から、例えば人の手に装着される手袋のような織物に触覚センサを取り付けて織物にかかる圧力を検出したり、触覚センサを変形させて織物を動かしたりすることが行われている（例えば、特許文献１参照）。この触覚センサは、対向する両面が平面になった紐状の圧電材料の両面にそれぞれ電極膜を形成し、両電極膜の外側をそれぞれ絶縁皮膜で覆って構成された圧電性ファイバを縦糸と横糸のように交互に織りあわせて織布状に形成されている。このような触覚センサは、被検出物の表面に沿って撓む必要があるため全方向に対して変形できる柔軟性が要求される。しかしながら、前述した圧電性ファイバは、扁平に形成されているため、厚み方向には撓み易いが、幅方向には撓み難くいという問題がある。

また、軸周りのどの方向にでも撓み易い同軸ケーブル形のケーブル状圧力センサも開発されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に記載されたケーブル状圧力センサは、芯電極の周囲に可撓性感圧体を形成し、さらに可撓性感圧体の周囲に可撓性外側電極を形成した構成になっている。そして、芯電極と可撓性外側電極の間に直流の高電圧を印加することにより可撓性感圧体に分極を生じさせて圧電性を付与している。可撓性感圧体に圧電性を付与することにより、ケーブル状圧力センサに圧力が加わったときに、芯電極と可撓性外側電極の間に電圧が誘起され、この電圧からケーブル状圧力センサに加わった圧力を検出することができる。

特開２００２−２０３９９６号公報 特開２００８−１５１６３８号公報

織布状の触覚センサは、前述したように柔軟性が求められる他、伸縮性が大きいことや厚みが薄いことも必要になる。しかしながら、前述した従来のケーブル状圧力センサでは、芯電極が金属線で構成されているため、柔軟性を高めたり、直径を小さくしたりすることに制限があり、さらに軸方向の伸縮性にも乏しい。このため、前述したケーブル状圧力センサは織布状の触覚センサに用いることには適してはいない。

本発明は、前述した問題に対処するためになされたもので、その目的は、柔軟性および伸縮性に優れるとともに細径化が可能なケーブル状圧力センサおよびそれを用いた触覚センサを提供することである。なお、下記本発明の各構成要件の記載においては、本発明の理解を容易にするために、実施形態の対応箇所の符号を括弧内に記載しているが、本発明の構成要件は、実施形態の符号によって示された対応箇所の構成に限定解釈されるべきものではない。

前述した目的を達成するため、本発明に係るケーブル状圧力センサ（１１，３１，４１，５１，６１）の構成上の特徴は、柔軟性を備えた細長い円筒状の圧電体（１２，３２，４２，６２）と、圧電体の内面に形成された内部導体層（１３，３３，４３，６３）と、圧電体の外面に形成された外部導体層（１４，３４，４４，６４）とからなる円筒状のセンサ電線（５１ａ）を備えたことにある。

本発明に係るケーブル状圧力センサでは、円筒状の圧電体の内部には、金属線でなく、圧電体の内面に沿って形成された内部導体層が位置している。このため内部導体層を薄く形成することができ、これによって、ケーブル状圧力センサの柔軟性および伸縮性を大きくすることができるとともに軽量化も図れる。また、内部導体層の内部は空間にしたままでもよいし、軟質の繊維などを充填してもよいが、空間にした場合、この部分の径を小さくすることで、ケーブル状圧力センサの外径を小さくすることもできる。さらに、ケーブル状圧力センサの感度を向上させるためには、圧電体が変形し易くなっていることが好ましいが、本発明に係るケーブル状圧力センサは、内部を空間のままにすることで、径方向への変形がより生じ易くなり、これによって感度の向上も図れる。また、内部を空間にすることで大幅なコスト削減が可能になる。

圧電体を構成する材料としては、ポリ乳酸、フッ化ビニリデン、シアン化ビニリデン、ポリアミド、シアン化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレンおよびそれらの発泡体や各重合体、それらの共重合体およびそれらの積層体、さらには発泡体なども用いることができる。また、内部導体層および外部導体層を構成する材料としては、銅、銀、白金、アルミニウムなどの金属やそれらの合金など伝導性を有する種々の材料を用いることができ、銀、アルミニウムを用いる場合には、蒸着によって層を形成することが好ましい。さらに、内部導体層および外部導体層を構成する材料として、導電性ポリマー、導電性塗料などを用いることもでき、これによるとさらに柔軟性が増すようになる。なお、１本のセンサ電線を用いる場合には、そのセンサ電線だけで本発明に係るケーブル状圧力センサが構成される。

本発明に係るケーブル状圧力センサ（３１，４１）の他の構成上の特徴は、圧電体は、平帯状の圧電フィルム（１２ａ，４２ａ）を円筒状に巻き付けることによって形成されており、内部導体層（３３，４３）は、圧電フィルムの一方の面側に形成され圧電フィルムが円筒状に巻き付けられるときに内面側に位置するよう配置された内部帯状層（１３ａ，４３ａ）で構成されていることにある。

本発明に係るケーブル状圧力センサでは、一方の面に内部帯状層が形成された平帯状の圧電フィルムを巻き付けることで円筒状の圧電体と内部導体層を形成している。このようにすることにより、圧電体および内部導体層の形成が容易になる。また、ケーブル状圧力センサを構成する圧電体の外径を任意に設定できる。なお、この場合の圧電体は、平帯状の圧電フィルムの幅方向の両縁部を真っ直ぐ重ね合わせるようにして円筒状に形成してもよいし、平帯状の圧電フィルムを螺旋状に捩じ曲げて円筒状に形成してもよい。

本発明に係るケーブル状圧力センサ（３１，４１）のさらに他の構成上の特徴は、内部帯状層は、圧電フィルムの一方の面の幅方向の中央部分に形成され、圧電フィルムは内部帯状層が形成されていない縁部（１２ｂ，４２ｂ）どうしが接触して円筒状の圧電体に形成されていることにある。本発明によると、内部導体層が圧電体の外面に露出することを確実に防止できるため、良好なケーブル状圧力センサを得ることができる。なお、圧電フィルムの縁部どうしがは、重なり合っていてもよいし、端面どうしが接触していてもよい。

本発明に係るケーブル状圧力センサ（４１）のさらに他の構成上の特徴は、圧電体（４２）は、平帯状の圧電フィルム（４２ａ）の幅方向の縁部（４２ｂ）どうしを接触させて円筒状に巻き付けることによって形成されており、内部導体層（４３）は、圧電フィルムの一方の面の幅方向の縁部を除いた中央部分に形成され圧電フィルムが円筒状に巻き付けられるときに内面側に位置するよう配置された内部帯状層（４３ａ）で構成され、外部導体層（４４）は、圧電フィルムの他方の面の幅方向の縁部を除いた中央部分に形成され圧電フィルムが円筒状に巻き付けられるときに外面側に位置するよう配置された外部帯状層（４４ａ）で構成されていることにある。

本発明では、両面の幅方向の中央部分にそれぞれ内部帯状層と、外部帯状層とが形成された平帯状の圧電フィルムを巻き付けることでケーブル状圧力センサを構成するセンサ電線が円筒状に形成されている。このようにすることにより、圧電体、内部導体層および外部導体層の形成が容易になる。また、センサ電線の外径を任意に設定できる。本発明においては、圧電フィルムの接合される両縁部は接着や溶着により固定することが好ましい。なお、この場合の圧電体は、平帯状の圧電フィルムの幅方向の両縁部を真っ直ぐにして重ねて円筒状に形成してもよいし、平帯状の圧電フィルムを螺旋状に捩じ曲げて円筒状に形成してもよい。また、この場合も、圧電フィルムの縁部どうしがは、重なり合っていてもよいし、端面どうしが接触していてもよい。

本発明に係るケーブル状圧力センサ（５１）のさらに他の構成上の特徴は、複数のセンサ電線（５１ａ）を撚り合わせて撚糸状に形成されていることにある。本発明によると、撚りが入ることによってケーブル状圧力センサは外力によってより曲がり易くなるとともに伸縮しやすくなる。また、ケーブル状圧力センサが曲がったときに、大きく曲がる部分が生じ、これによって大きな出力電圧が発生するため、ケーブル状圧力センサの感度が向上する。さらに、ケーブル状圧力センサを複数のセンサ電線で構成することで、１部のセンサ電線が切れても、他のセンサ電線で、ケーブル状圧力センサとしての機能を維持することができる。

本発明に係るケーブル状圧力センサのさらに他の構成上の特徴は、外部導体層（６４）の外周が絶縁性シース（６５）で被覆されていることにある。本発明によると、圧電体、内部導体層および外部導体層からなるセンサ電線が絶縁性シースによって保護されるため、センサ電線を適正な状態に維持できるとともに、破損を防止できる。ケーブル状圧力センサが複数のセンサ電線で構成されている場合は、複数のセンサ電線全体が絶縁性シースに被覆されていてもよいし、各センサ電線全体がそれぞれ絶縁性シースに被覆されていてもよい。なお、絶縁性シースを構成する材料としては、熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー、加硫ゴムなどを用いることができる。

本発明に係るケーブル状圧力センサのさらに他の構成上の特徴は、センサ電線の直径が０．２ｍｍ〜０．８ｍｍに設定されていることにある。本発明によると、極細のケーブル状圧力センサが得られる。

本発明に係る触覚センサ（１０）の構成上の特徴は、ケーブル状圧力センサが布状に組み付けられて形成されていることにある。本発明によると、柔軟性および伸縮性に優れた軽量の触覚センサを得ることができる。また、この触覚センサは、ケーブル状圧力センサを、縦糸と横糸として織って織布状に形成されていてもよいし、ケーブル状圧力センサを編んで編み物状に形成されていてもよい。

本発明の第１実施形態に係る触覚センサの一部を示した斜視図である。 触覚センサを構成するケーブル状圧力センサを示した断面図である。 ロボットに備わっている検出部を示した構成図である。 触覚センサに圧力がかかるときの状態を示しており、（ａ）は圧力がかかる前の断面図、（ｂ）は圧力がかかったときの断面図である。 第１実施形態の変形例で用いられる圧電フィルムと内部帯状層を示した平面図である。 本発明の第２実施形態に係る触覚センサを構成するケーブル状圧力センサを示しており、（ａ）は側面図、（ｂ）は断面図である。 センサ中心部を示した側面図である。 第本発明の第３実施形態に係る触覚センサを構成するケーブル状圧力センサを示しており、（ａ）は側面図、（ｂ）は断面図である。 第３実施形態で用いられる圧電フィルム、内部帯状層および外部帯状層を示した断面図である。 本発明の第４実施形態に係る触覚センサを構成するケーブル状圧力センサを示しており、（ａ）は側面図、（ｂ）は断面図である。 第５実施形態に係る触覚センサを構成するケーブル状圧力センサを示した断面図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態を図面を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る触覚センサ１０の一部を示している。この触覚センサ１０は、例えば、農作物を収穫するためのロボット（図示せず）の手の形をした把持部に取り付けられて、ロボットの把持部が農作物を把持する際の圧力を検出して、把持部が農作物を把持する際の把持力を制御するために用いられるもので、把持部を覆う手袋の形に形成されている。

触覚センサ１０は、ケーブル状圧力センサ１１（図２参照）が縦糸１１ａと横糸１１ｂになるように編み込まれて織布状に形成され、その織布を手袋の形状に縫製することで製造されている。それぞれの縦糸１１ａおよび横糸１１ｂを構成するケーブル状圧力センサ１１は、図２に示したように、円筒状の圧電体１２の内周面に薄い内部導体層１３を形成するとともに、圧電体１２の外周面に薄い外部導体層１４を形成して構成されている。

圧電体１２は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）からなり柔軟性および伸縮性を有する極細の円筒体で構成されており、その内径は、０．１５ｍｍ〜０．６０ｍｍ、好ましくは、０．３０ｍｍで、外径は、０．２５ｍｍ〜０．６５ｍｍ、好ましくは０．３２ｍｍに設定されている。内部導体層１３は、銀からなる薄い膜で構成されており、蒸着により圧電体１２の内周面に形成されている。内部導体層１３の厚みは、０．５μｍ〜２．０μｍ、好ましくは０．５μｍ程度になっている。外部導体層１４は、内部導体層１３と同様、銀の蒸着によって、圧電体１２の外周面に形成されている。外部導体層１４の厚みは内部導体層１３の厚みと略同じである。

圧電体１２は、例えば、公知の引き抜き法によって成形される。この場合、ポリフッ化ビニリデンからなる成形材料を、開口を備えた外径ダイスの開口と、その開口の内部に配置された内径プラグとの間の隙間を通過させながら掴み機具で引っ張ることで設定された直径および肉厚の円筒形に成形している。そして、真空チャンバを用いた公知のアーク蒸着法によって、圧電体１２の内面および外面に設定された厚みの内部導体層１３と外部導体層１４を形成している。

また、ポリフッ化ビニリデンは、高い電圧が付与されて分極すると圧電効果が発生する高分子材料であり、これに外力を加えると電気が発生し、電圧を加えると歪が発生する特性を備えている。圧電体１２には分極処理が施されており、圧電体１２に外部から力が加わったときに内部導体層１３と外部導体層１４の間に電圧が誘起される。また、内部導体層１３と外部導体層１４の間に電圧をかけると、圧電体１２に変形（歪み）が生じる。なお、図示は省略しているが、手袋状に形成された触覚センサ１０の表面は、絶縁性の樹脂フィルムからなる保護カバーで覆われている。

図３は、触覚センサ１０が取り付けられるロボットに備わった検出部２０を示している。この検出部２０には、触覚センサ１０の他、検出回路２１、Ａ／Ｄ変換回路２２およびＣＰＵ２３が備わっている。検出回路２１は、インピーダンス変換回路、増幅回路およびローパスフィルタを備えている。そして、検出回路２１は、ロボットの把持部が農作物を把持したときに、触覚センサ１０から送られる検出信号のレベルを所定のレベルに整合したのちに増幅するとともに、システム応答の限界である遮断周波数よりも高い周波数の成分を減衰させて遮断して遮断周波数よりも低い周波数の成分をＡ／Ｄ変換回路２２に送る。

Ａ／Ｄ変換回路２２は、検出回路２１から送られた信号をデジタル信号に変換してＣＰＵ２３に送る。ＣＰＵ２３は、検出部２０が行う各種の処理を実行する。ここで、ＣＰＵ２３は、触覚センサ１０に圧力が加わったときに、触覚センサ１０を構成する縦糸１１ａと横糸１１ｂに発生する圧電気から電圧を生じた縦糸１１ａと横糸１１ｂのそれぞれの位置と電圧の大きさを算出することで触覚センサ１０のどの部分にどの程度の圧力が加わったかを求める。また、検出部２０には、ＣＰＵ２３が実行するプログラムを記憶するＲＯＭ、ＣＰＵ２３の処理に使用されるデータなどを一時的に記憶するＲＡＭ等が備わっている他、ロボットを操作するための操作ボタンやスイッチを備えた操作部および駆動部などが備わっている。

このように、本実施形態に係る触覚センサ１０は、ケーブル状圧力センサ１１を、縦糸１１ａと横糸１１ｂとして織布状に編んで形成されている。そして、各ケーブル状圧力センサ１１は、円筒状の圧電体１２の内周面に薄い内部導体層１３を形成するとともに、圧電体１２の外周面に薄い外部導体層１４を形成して構成されており、圧電体１２は柔軟性および伸縮性を備えたポリフッ化ビニリデンからなる極細の円筒状に形成されている。このため、ケーブル状圧力センサ１１は、軸周りのどの方向にでも容易に変形でき、軸方向にも伸縮できるとともに、断面形状が変化するように径方向にも容易に変形できる。そして、触覚センサ１０は、変形自在な薄い織布状になり、被検出物である農作物の表面が凹凸に形成されていても、その形状に沿って撓むことができ、ロボットの把持部が農作物を把持した際に、農作物から受ける力およびその分布を感度よく検出できるようになる。

また、圧電体１２をポリフッ化ビニリデンで構成したため、ケーブル状圧力センサ１１は、良好な圧電性を得ることができる。図４（ａ），（ｂ）は、触覚センサ１０に圧力がかかるときの重なり合った縦糸１１ａと横糸１１ｂを構成する２つのケーブル状圧力センサ１１の状態を示しており、図４（ａ）は圧力がかかる前の状態を示し、図４（ｂ）は、圧力がかかったときの状態を示している。圧力がかかる前は、各ケーブル状圧力センサ１１の断面形状は、殆ど変形のない真円に近い状態になっているが、圧力がかかると、各ケーブル状圧力センサ１１は、圧力の大きさに応じて押し潰されその断面形状は、楕円形に変化していく。

このとき、楕円形に変形したケーブル状圧力センサ１１の圧電体１２における長軸側の両側部分（図４（ｂ）の断面の左右両側）は、内面側に圧縮応力が生じ、外面側に引っ張り応力が生じるように歪む。なお、圧電体１２は、変形量に応じた電圧を発生する。このため、圧力がかかり大きく変形したケーブル状圧力センサ１１にはより大きな電圧が発生するようになり、触覚センサ１０は良好な検出感度を発揮できる。さらに、内部導体層１３および外部導体層１４を銀の蒸着層で構成したため、極薄の層に形成することができる。これにともなって、ケーブル状圧力センサ１１の細径化、軽量化およびコストの低減化が図れる。また、触覚センサ１０が検出した圧力値に基づいて、ＣＰＵ２３の制御により、ロボットの駆動部は、把持部を駆動する。

（第１実施形態の変形例）
前述した第１実施形態の変形例として、図５に示した圧電フィルム１２ａを用いて圧電体１２を形成することができる。圧電フィルム１２ａは、ポリフッ化ビニリデンからなる細長い矩形のシートで構成されており、その一方の面の幅方向の中央部分に、内部導体層１３を形成するための内部帯状層１３ａが形成されている。圧電体１２は、圧電フィルム１２ａの幅方向の両縁部１２ｂを重ねるように巻き付けて円筒状に形成され、内部帯状層１３ａは、圧電フィルム１２ａの重ね合される両縁部１２ｂを除いた部分に形成される。そして、圧電体１２の外周面には、前述したケーブル状圧力センサ１１と同様、外部導体層１４が形成される。

圧電フィルム１２ａを円筒状に巻き付ける場合には、例えば、溶解または蒸発させやすい材料からなる芯線の周囲に、内部帯状層１３ａが形成された圧電フィルム１２ａを巻き付けて円筒状に形成したのちに、芯線を溶解または蒸発させて除去する方法を用いることができる。この芯線の直径は、０．１５ｍｍ〜０．５５ｍｍ、好ましくは０．３０ｍｍとすることが好ましい。外部導体層１４は、前述した第１実施形態と同様、銀の蒸着によって形成することができるが、他の金属のメッキ層を用いたり、導電体樹脂を塗布することで形成したりしてもよい。導電体樹脂は毛細管現象を利用して含浸させてもよい。また、この変形例では、圧電フィルム１２ａの幅を３．５ｍｍ、長さを２００ｍとして、圧電体１２、内部導体層１３および外部導体層１４からなる円筒体を少し太めに形成しておき、円筒状に形成したのちに引っ張ることで設定された直径および肉厚にしている。

なお、圧電フィルム１２ａの各部分の寸法としては、長さが１０ｍｍ〜１０００ｍｍ、好ましくは１００ｍｍ〜５００ｍｍで、幅が１ｍｍ〜１０ｍｍ、好ましくは１．５ｍｍ〜５ｍｍで、厚みが８μｍ〜１２０μｍ、好ましくは１５μｍ〜４０μｍ、最も好ましいのは２０μｍに設定することである。また、前述のように圧電フィルム１２ａの幅を３．５ｍｍとしたときに、内部帯状層１３ａの幅は１．３ｍｍ〜１．７ｍｍに設定し、内部帯状層１３ａの両側の縁部１２ｂの幅は０．９ｍｍ〜１．１ｍｍに設定することが好ましい。この場合、内部導体層１３には、長手方向に延びる隙間が生じる。また、図５では、圧電フィルム１２ａの長手方向の両端部には、内部帯状層１３ａが形成されていないが、内部帯状層１３ａは、圧電フィルム１２ａの長手方向の両端部まで延びていてもよい。さらに、他の変形例として、前述した芯線の表面にメッキなどにより、通電層を形成して内部導体層とし、芯線をそのまま残してもよい。

（第２実施形態）
図６（ａ），（ｂ）は、本発明の第２実施形態に係る触覚センサ（図示せず）を構成するケーブル状圧力センサ３１を示している。ケーブル状圧力センサ３１は、前述したケーブル状圧力センサ１１と同様、円筒状の圧電体３２の内周面に薄い内部導体層３３を形成するとともに、圧電体３２の外周面に薄い外部導体層３４を形成して構成されているが、圧電体３２と、内部導体層３３はそれぞれ細長い材料を螺旋状に巻き付けることで円筒状に形成されている。

このケーブル状圧力センサ３１の製造には、図５に示したように、内部帯状層１３ａが形成された圧電フィルム１２ａと同様の内部帯状層が形成された圧電フィルムが用いられる。そして、この圧電フィルムを、内部帯状層が内側になるようにして螺旋状に丸めて円筒状にし、重なり合う圧電フィルムの縁部どうしを接合する。これによって、図７に示した圧電体３２と内部導体層３３（図６（ｂ）参照）からなるセンサ中心部３１ａが得られる。なお、内部導体層３３の幅方向の縁部間には螺旋状に延びる隙間３３ａが形成されている。この場合の圧電フィルムの巻き付けも、前述した溶解または蒸発させやすい材料からなる芯線を用いて行うことができる。つぎに、圧電体３２の外周面に外部導体層３４を形成してケーブル状圧力センサ３１が得られる。外部導体層３４も銀の蒸着、他の金属のメッキや導電体樹脂の塗布などで形成する。

また、圧電体３２の内径および外径は前述した圧電体１２と略同じで、内部導体層３３および外部導体層３４の厚みは、前述した内部導体層１３および外部導体層１４の厚みと略同じである。このように構成された複数のケーブル状圧力センサ３１を二組に分け、一方が縦糸で他方が横糸になるように組み付けて織布状に形成することで、図１に示した触覚センサ１０と同様の触覚センサが得られる。

本実施形態に係るケーブル状圧力センサ３１によると、内部導体層３３が予め圧電フィルムに形成された内部帯状層で構成されるため、形成が容易になる。また、圧電フィルムの巻き付けに用いる芯線の直径や圧電フィルムの巻き方を変更することで、ケーブル状圧力センサ３１を構成する各部分の形状や内径、外径、厚みなどの寸法を任意に設定できる。なお、ケーブル状圧力センサ３１を用いて形成された触覚センサによっても前述した触覚センサ１０と同様の作用効果が得られる。

（第３実施形態）
図８（ａ），（ｂ）は、本発明の第３実施形態に係る触覚センサ（図示せず）を構成するケーブル状圧力センサ４１を示している。ケーブル状圧力センサ４１は、円筒状の圧電体４２の内周面に薄い内部導体層４３を形成するとともに、圧電体４２の外周面に薄い外部導体層４４を形成して構成されている。このケーブル状圧力センサ４１では、圧電体４２、内部導体層４３および外部導体層４４のすべてが細長い材料を螺旋状に巻き付けることで円筒状または略円筒状に形成されている。圧電体４２は円筒状に形成されているが、内部導体層４３と外部導体層４４はそれぞれコイルばねのように隙間４３ｂ，４４ｂのある螺旋状に形成されている。

このケーブル状圧力センサ４１を製造する際には、まず、図９に示したように、圧電フィルム４２ａの一方の面（図８では上面）の幅方向の中央に、銀の薄層からなる内部帯状層４３ａを形成するとともに、圧電フィルム４２ａの他方の面（図９では下面）の幅方向の中央に、銀の薄層からなる外部帯状層４４ａを形成してセンサ材料４１ａとする。ついで、このセンサ材料４１ａを、内部帯状層４３ａが内側、外部帯状層４４ａが外側になるようにして螺旋状に丸めて円筒状にし、重なり合う圧電フィルム４２ａの縁部４２ｂどうしを接合する。これによって、圧電体４２、内部導体層４３および外部導体層４４からなるケーブル状圧力センサ４１が得られる。この場合の圧電フィルム４２ａの縁部４２ｂどうしの接合は、接着や、圧着によって行うことが好ましい。また、センサ材料４１ａの巻き付けは、前述した溶解または蒸発させやすい材料からなる芯線を用いて行うことができる。

また、圧電体４２の内径および外径は前述した圧電体１２と略同じで、内部導体層４３および外部導体層４４の厚みは、前述した内部導体層１３および外部導体層１４の厚みと略同じである。このように構成された複数のケーブル状圧力センサ４１を二組に分け、一方が縦糸で他方が横糸になるように組み付けて織布状に形成することで触覚センサが得られる。

本実施形態に係るケーブル状圧力センサ４１によると、内部導体層４３と外部導体層４４が、予め圧電フィルム４２ａに形成された内部帯状層４３ａと外部帯状層４４ａで構成されるため形成が容易になる。また、この場合も、センサ材料４１ａの巻き付けに用いられる芯線の直径やセンサ材料４１ａの巻き方を変更することで、ケーブル状圧力センサ４１を構成する各部分の形状や内径、外径、厚みなどの寸法を任意に設定できる。なお、ケーブル状圧力センサ４１を用いて形成された触覚センサによっても前述した触覚センサ１０と同様の作用効果が得られる。また、本実施形態の変形例として、センサ材料４１ａを螺旋状に巻き付けるのではなく、縁部４２ｂどうしを真っ直ぐにしたまま接合して円筒状に形成することもできる。

（第４実施形態）
図１０（ａ），（ｂ）は、本発明の第４実施形態に係る触覚センサ（図示せず）を構成するケーブル状圧力センサ５１を示している。ケーブル状圧力センサ５１は、複数のセンサ電線５１ａを撚り合わせて撚糸状にして形成されており、各センサ電線５１ａは、前述した第１実施形態のケーブル状圧力センサ１１と同じもので構成されているが、極細にする必要がある。センサ電線５１ａは、外径が０．１８ｍｍで、内径が０．１６ｍｍ程度にすることが好ましい。そして、このように構成された複数のケーブル状圧力センサ５１を二組に分け、一方が縦糸で他方が横糸になるように組み付けて織布状に形成することで触覚センサが得られる。

本実施形態に係る触覚センサでは、ケーブル状圧力センサ５１が、複数のセンサ電線５１ａで構成されているため、強度が大きくなるとともに、感度がよくなる。また、撚りが入ることによって各ケーブル状圧力センサ５１は外力によってより曲がり易くなるとともに軸方向に伸縮し易くなるため、ケーブル状圧力センサ５１によって構成される触覚センサは被検出物に沿ってより撓み易くなる。さらに、ケーブル状圧力センサ５１を複数のセンサ電線５１ａで構成することで、一部のセンサ電線５１ａが切れても、他のセンサ電線５１ａで、ケーブル状圧力センサ５１としての機能を維持することができる。

また、ケーブル状圧力センサ５１およびそれを用いた触覚センサのそれ以外の作用効果は、前述したケーブル状圧力センサ１１およびそれを用いた触覚センサ１０の作用効果と同様である。さらに、ケーブル状圧力センサ５１の変形例として、各センサ電線５１ａとして用いるセンサ電線を、ケーブル状圧力センサ１１に代えて、ケーブル状圧力センサ３１または４１で構成してもよい。

（第５実施形態）
図１１は、本発明の第５実施形態に係る触覚センサ（図示せず）を構成するケーブル状圧力センサ６１の断面を示している。ケーブル状圧力センサ６１は、円筒状の圧電体６２の内周面に薄い内部導体層６３を形成するとともに、圧電体６２の外周面に薄い外部導体層６４を形成し、さらに外部導体層６４の外周面に絶縁性シース６５を形成して構成されている。圧電体６２、内部導体層６３および外部導体層６４からなる中心部分は、前述したケーブル状圧力センサ１１と同じ構成をしている。なお、外部導体層６４は、極細、例えば直径が０．０８ｍｍの銅線またはメッキ銅線を圧電体６２の外周面に巻き付けて構成してもよい。

絶縁性シース６５は、極薄のポリエステルテープを外部導体層６４の外周面に巻き付けて形成されており、厚みは１５μｍ〜１００μｍ、好ましくは５０μｍ程度に設定されている。そして、このように構成された複数のケーブル状圧力センサ６１を縦糸と横糸になるように編み付けて織布状に形成することで触覚センサが得られる。本実施形態に係る触覚センサでは、各ケーブル状圧力センサ６１の強度が増すため、破損が防止され長寿命化が図れる。また、ケーブル状圧力センサ６１およびそれを用いた触覚センサのそれ以外の作用効果は、前述したケーブル状圧力センサ１１およびそれを用いた触覚センサ１０の作用効果と同様である。また、ケーブル状圧力センサ６１の変形例として、中心部分を、ケーブル状圧力センサ１１に代えて、ケーブル状圧力センサ３１，４１，５１のいずれかで構成してもよい。

また、本発明は、前述した各実施形態に限るものでなく適宜、変更して実施することが可能である。例えば、前述した実施形態では、触覚センサ１０等を農作物を収穫するためのロボットの把持部に取り付けられる手袋形のものとしているが、本発明に係る触覚センサは、これに限らず、種々の機械、器具に形を代えて利用することができる。例えば、医療用の義手や義足、リハビリテーション用のマッサージ器具、超音波探傷検査での検査器具など種々の分野で利用することができる。この場合、触覚センサの形状は目的に応じたものにする。要は、外部からの圧力を測定したり、圧電体を変形させることで目的を達成したりする機械器具であれば触覚センサの利用が可能である。

また、前述したケーブル状圧力センサ１１，３１等を構成する各部分の材質や寸法についても適宜変更が可能である。例えば、ケーブル状圧力センサ１１，３１等の直径は、８μｍ〜１００μｍの範囲に設定することができる。さらに、前述した各実施形態では、触覚センサ１０等の縦糸１１ａと横糸１１ｂをすべて、ケーブル状圧力センサ１１，３１，４１，５１，６１のいずれかで構成しているが、縦糸１１ａと横糸１１ｂの一方をケーブル状圧力センサ１１，３１，４１，５１，６１のいずれかで構成し、他方を一般の繊維などで構成してもよい。この場合、横糸１１ｂとして、ケーブル状圧力センサ１１，３１，４１，５１，６１のいずれかを用いる方がより好ましい。さらに、内部導体層１３，３３等の内部に、柔軟性および伸縮性に優れた極細の繊維などを充填してもよい。

１０…触覚センサ、１１，３１，４１，５１，６１…ケーブル状圧力センサ、１２，３２，４２，６２…圧電体、１２ａ，４２ａ…圧電フィルム、１２ｂ，４２ｂ…縁部、１３，３３，４３，６３…内部導体層、１３ａ，４３ａ…内部帯状層、１４，３４，４４，６４…外部導体層、４４ａ…外部帯状層、５１ａ…センサ電線、６５…絶縁性シース。

Claims (8)

1. 柔軟性を備えた細長い円筒状の圧電体と、前記圧電体の内面に形成された内部導体層と、前記圧電体の外面に形成された外部導体層とからなる円筒状のセンサ電線を備えたことを特徴とするケーブル状圧力センサ。
2. 前記圧電体は、平帯状の圧電フィルムを円筒状に巻き付けることによって形成されており、前記内部導体層は、前記圧電フィルムの一方の面側に形成され前記圧電フィルムが円筒状に巻き付けられるときに内面側に位置するよう配置された内部帯状層で構成されている請求項１に記載のケーブル状圧力センサ。
3. 前記内部帯状層は、前記圧電フィルムの一方の面の幅方向の中央部分に形成され、前記圧電フィルムは前記内部帯状層が形成されていない縁部どうしが接触して円筒状の前記圧電体に形成されている請求項２に記載のケーブル状圧力センサ。
4. 前記圧電体は、平帯状の圧電フィルムの幅方向の縁部どうしを接触させて円筒状に巻き付けることによって形成されており、前記内部導体層は、前記圧電フィルムの一方の面の幅方向の前記縁部を除いた中央部分に形成され前記圧電フィルムが円筒状に巻き付けられるときに内面側に位置するよう配置された内部帯状層で構成され、前記外部導体層は、前記圧電フィルムの他方の面の幅方向の前記縁部を除いた中央部分に形成され前記圧電フィルムが円筒状に巻き付けられるときに外面側に位置するよう配置された外部帯状層で構成されている請求項１に記載のケーブル状圧力センサ。
5. 複数の前記センサ電線を撚り合わせて撚糸状に形成されている請求項１ないし４のうちのいずれか一つに記載のケーブル状圧力センサ。
6. 前記外部導体層の外周が絶縁性シースで被覆されている請求項１ないし５のうちのいずれか一つに記載のケーブル状圧力センサ。
7. 前記センサ電線の外径が０．２ｍｍ〜０．８ｍｍに設定されている請求項１ないし６のうちのいずれか一つに記載のケーブル状圧力センサ。
8. 請求項１ないし７のうちのいずれか一つに記載のケーブル状圧力センサが布状に組み付けられて形成されている触覚センサ。

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