JP2019200189A - 圧力センサ、圧力センサモジュール、及びロボットハンド - Google Patents

Abstract

【課題】圧力の変動を精度良く測定可能な圧力センサを提供すること。また、対象ワークの把持荷重の変動を捉えることが可能な圧力センサを備えることによって、様々なワークに適用可能な動作自由度の高いロボットハンドを提供すること。【解決手段】本発明に係る圧力センサは、カーボンナノチューブからなる第１の導電膜が形成される第１の金属基材と、カーボンナノチューブからなり、前記第１の導電膜に対向して配置される第２の導電膜が形成される第２の金属基材と、前記第１の導電膜及び前記第２の導電膜が接触した際の電気抵抗を検出する抵抗検出手段と、前記第１の金属基材及び第２の金属基材と前記抵抗検出手段とに接続される電線と、を有しており、前記抵抗検出手段が検出した抵抗値に基づいて、前記導電膜に印加された圧力を測定する。【選択図】図２

Description

本発明は、カーボンナノチューブを用いた圧力センサに関する。

従来、カーボンナノチューブの特性を利用して、カーボンナノチューブ（を含有する層）に印加された圧力を測定する、圧力センサが知られている。例えば、特許文献１には、絶縁用のポリ塩化ビニルのフィルムを黄銅試験片に取り付けたうえで、これにカーボンナノチューブフィルムを取り付けたものと、カーボンナノチューブフィルムを取り付けた黄銅試験片の反対側に金属歪みゲージを取り付けたものを用いて、加圧時のカーボンナノチューブフィルムの寸法変化から、圧力を測定する圧力センサが記載されている。

また、特許文献２には、耐熱性を有する被覆膜が形成されたカーボンナノチューブが電極間に垂直に配置されたセンサ素子体を収容する収容部材と、該収容部材の開口部にカーボンナノチューブの先端を覆う受圧部であるダイアフラムを有し、負荷が作用した状態で該ダイアフラムを介してカーボンナノチューブが歪むことで、抵抗値の変化を検出して圧力を測定する、圧力センサが記載されている。

また、特許文献３には、カーボンナノチューブ及び電気絶縁物質を含有する薄膜層と、これに当接する第１電極及び第２電極を備え、前記薄膜層に圧力が印加されると、前記電極間の電流量が増加する、感圧素子が記載されている。

一方、近年は産業用ロボットの活用が進んでおり、特に、人の傍らで作業可能な協働ロボットの開発、活用が進められている。当該協働ロボットのハンド部は、ワークを把持するためのチャッキングユニットが設けられるが、このチャッキングユニットは、一般的に、いわゆるエアチャック方式が多く採用される。

一般的なエアチャック式では、対象のワークの大きさ、形状、材質によって、独自のチャッキングユニットを設計する必要があり、ワークの種類が増えるとチャッキングユニット自体を交換する必要が生じ、協働ロボット本来の作業自由度を阻害するという問題がある。

また、エアチャック式のチャッキングユニットでは、把持荷重の変動を捉えることができないため、協働ロボットが把持しているワークを滑らせて落下させる、協働ロボットの動作の自由度が限定的になる（例えば、把持の途中にワークを持ち替えるなどができないなど）、といった問題もある。

この点、ロボットハンドのマニピュレーターに圧力センサを配置することによって、把持荷重を常時計測し、また、把持荷重の変動を捉えるようにしたうえで、ワークの大きさ、形状、材質、或いはワークの把持状態に応じて、マニピュレーターの把持力を制御すれば、上記のような問題が解消されると考えられる。

しかしながら、既存の圧力センサは上記の用途に適さないという実情がある。例えば、特許文献１に記載の技術のように、荷重によるカーボンナノチューブフィルムの寸法変化から圧力を測定する方法では、ロボットハンドの把持に用いるような数ミリ部位毎の圧力差異を検知することができない。

また、特許文献２に記載の圧力センサは、ロボットハンドによるワークの把持状態の把
握に用いる場合、把持対象のワークとダイアフラムとの接触位置によって、ダイアフラムの撓み状態が変動する場合があり、適正な把持荷重を捉えることが困難となる。

また、特許文献３に記載のように、カーボンナノチューブを含有する樹脂を薄膜層とする感圧素子では、圧力センサとして使用するうちに、薄膜層内部でカーボンナノチューブ間の接触状態が変化し、圧力応答性にいわゆるヒステリシスが発生する。このため、ロボットハンドの把持システムに使用した場合、ワークの把持に支障をきたす。

特表２００６−５２１２１２号公報 特開２０１５−４５５４４号公報 特開２０１３−１３４２０８号公報

上記のような実情に鑑みて、本発明は、圧力の変動を精度良く測定可能な圧力センサを提供することを目的の一つとする。また、本発明の他の目的は、対象ワークの把持荷重の変動を捉えることが可能な圧力センサを備えることによって、様々なワークに適用可能な動作自由度の高いロボットハンドを提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明に係る圧力センサは、カーボンナノチューブからなる第１の導電膜が形成される第１の金属基材と、カーボンナノチューブからなり、前記第１の導電膜に対向して配置される第２の導電膜が形成される第２の金属基材と、前記第１の導電膜及び前記第２の導電膜が接触した際の電気抵抗を検出する抵抗検出手段と、前記第１の金属基材及び第２の金属基材と前記抵抗検出手段とに接続される電線と、を有しており、前記抵抗検出手段が検出した抵抗値に基づいて、前記導電膜に印加された圧力を測定する。

上記のような構成により、圧力センサに対する荷重（Ｆ）と抵抗（Ｒ）との関係（以下、Ｆ−Ｒ特性ともいう）に基づいて、計測される抵抗値から圧力が測定される。具体的には、例えば、「圧力＝荷重／接触面積」の演算をして圧力を求めてもよい。この場合、上記のようにカーボンナノチューブからなる導電膜を複数用いて、該導電膜の接触によって抵抗を検出する構成であることにより、カーボンナノチューブの導電膜同士を接触させる荷重に応じて、抵抗値が数Ωから数ｋΩの変化幅を持つことができ、荷重に対して比較的リニア性を有する抵抗値の変化を得ることができる。

なお、抵抗を検出する場合には、導電膜の接触部分を流れる電流値を測定して、測定された電流値で印加電圧を除することで検出してもよいことは当然である。また、上記構成においては荷重も当然に測定可能であるため、圧力センサは荷重センサとしてもよい。

また、カーボンナノチューブは、数μｍから数百μｍの多様な長さから選択することが可能であり、当該長さの選択により一の導電膜内におけるカーボンナノチューブ間の接触状態を、所望のＦ−Ｒ特性に応じて設定することができる。

また、導電膜が形成される基材は金属製であるため、電線を当該金属基材に接続することができる。このことにより、電線をカーボンナノチューブに接続した場合（例えば、基材が樹脂などの絶縁体である場合にそのようにすることが考えられる）に比べ、電線の接続部（以下、端子ともいう）における寄生抵抗を抑制することができる。寄生抵抗が大き
くなると、荷重と抵抗の応答性に占める寄生抵抗の割合が大きくなり、荷重変化に対する感度が低下し易くなるため、このように寄生抵抗を抑制することが望ましい。

また、前記圧力センサは、前記第１の導電膜と前記第２の導電膜が形成されている面が対向するように、前記の各基材を支持する、支持体をさらに有していてもよい。任意の形状の支持体を用いることで、圧力センサの形状の自由度を高めることができる。

また、前記第１の導電膜と前記第２の導電膜との間に所定の空間が形成されるように、前記の各金属基材が支持されるようにしてもよい。このような構成により、無荷重の状態ではカーボンナノチューブ導電膜同士は接触しないことになるため、荷重のかかりはじめにおける抵抗の検出を精度良く行うことが可能になる。

また、前記所定の空間において、前記第１の導電膜と前記第２の導電膜間に誘電体が設けられており、前記第１の導電膜と前記第２の導電膜との接触は、該誘電体を介して間接的に行われるものであってもよい。例えば、電解液、誘電体ゲル、誘電体シートなどをカーボンナノチューブ導電膜の間に介在させることで、抵抗感度を調整することが可能になり、低荷重から高荷重の領域でＦ−Ｒ特性のリニア性を高めることが可能になる。また、カーボンナノチューブ導電膜間の復元性を補助することで、圧力センサのヒステリシスを低減することができる。なお、当該誘電体は、金属基材と接触すると金属基材に腐食が生じる、ノイズが発生して抵抗値が変動する、などのおそれがあるため、カーボンナノチューブ導電膜間のみに配置するとよい。

また、前記カーボンナノチューブの長さは、１０μｍ以上、かつ、１０００μｍ以下であってもよい。カーボンナノチューブ導電膜を形成する個々のカーボンナノチューブの長さは、導電膜内のカーボンナノチューブの接触抵抗、導電パターン内のカーボンナノチューブの特定方向への配向性などの観点から、長すぎても短すぎても望ましくない。Ｆ−Ｒ特性に基づいて、発生する抵抗を制御するのに、カーボンナノチューブは上記の範囲内の長さであることが好ましく、より好ましくは１００μｍから５００μｍの範囲内の長さである。

また、前記の各導電膜の導電率は１０Ｓ／ｃｍ以上、かつ、１０００Ｓ／ｃｍ以下であってもよい。導電率が１０Ｓ／ｃｍを下回ると、導電率が低いことで、所望するＦ−Ｒ特性が得難くなる。また、１０００Ｓ／ｃｍを上回るとカーボンナノチューブ導電膜の接触による抵抗変化が大きくなり過ぎ、所望するＦ−Ｒ特性が得難くなる。また、前記の各金属基材の導電率が、前記の各導電膜の導電率を上回るようにしてもよい。

また、前記の各圧力センサはロボットハンドのマニピュレーター部に配置され、該ロボットハンドが物体を把持する際の圧力を測定するものであってもよい。本発明に係る圧力センサの特徴に鑑みて、このような用途に適用することが好適である。

また、前記の課題を解決するため、前記の各圧力センサを複数配列させて、圧力センサモジュールとしてもよい。このような圧力センサモジュールを用いることで、圧力の印加及びその変動を計測する箇所の範囲を任意に設定することが可能になる。

また、前記の課題を解決するため、前記の圧力センサ、又は、圧力センサモジュールを、マニピュレーター部に備えたロボットハンドを構成してもよい。

なお、上記の手段は、技術的な矛盾が生じない限りにおいて、自由に組み合わせて実施することができる。

本発明によれば、圧力の変動を精度良く測定可能な圧力センサを提供することができる。また、対象ワークの把持荷重の変動を捉えることが可能な圧力センサを備えることによって、様々なワークに適用可能な動作自由度の高いロボットハンドを提供することができる。

図１は、適用例に係る圧力センサの構成例を模式的に示すブロック図である。 図２Ａは、適用例に係る圧力センサ素子の概略を示す斜視図である。図２Ｂは適用例に係る圧力センサ素子の概略を示す断面図である。 図３Ａは、適用例に係る圧力センサの金属基材と電線との接続部を示す図である。図３Ｂは、適用例に係る圧力センサの端子部分の構成例を示す第１の図である。図３Ｃは、適用例に係る圧力センサの端子部分の構成例を示す第２の図である。 図４は、適用例に係る圧力センサが荷重を受けた状態を示す図である。 図５は、適用例に係る圧力センサが受ける荷重と計測される抵抗値の関係を示すグラフである。 図６は、実施例に係るロボットハンドの構成例を模式的に示す図である。 図７は、実施例に係る圧力センサモジュールにおける圧力センサの配列を示す図である。 図８は、実施例に係るロボットハンドの把持動作の流れを示すフローチャートである。 図９Ａは、変形例に係る導電パターン形状の例を示す第１の図である。図９Ｂは、変形例に係る導電パターン形状の例を示す第２の図である。図９Ｃは、変形例に係る導電パターン形状の例を示す第３の図である。図９Ｄは、変形例に係る導電パターン形状の例を示す第４の図である。 図１０Ａは、変形例に係る基材の形状の例を示す第１の図である。図１０Ｂは、変形例に係る基材の形状の例を示す第２の図である。 図１１Ａは、変形例に係る圧力センサ素子の概略を示す斜視図である。図１１Ｂは変形例に係る圧力センサ素子の概略を示す断面図である。 図１２Ａは、複数の金属基板がベース部材に形成される変形例に係る第１の図である。図１２Ｂは、複数の金属基板がベース部材に形成される変形例に係る第２の図である。 図１３Ａは、異なる導電性を有する複数の導電膜を用いて導電パターンが形成される変形例の模式図である。図１３Ｂは、変形例に係る圧力センサが受ける荷重と計測される抵抗値の関係を示すグラフである。 図１４Ａは、圧力センサモジュールの配列パターンの変形例を示す第１の図である。図１４Ｂは、圧力センサモジュールの配列パターンの変形例を示す第２の図である。図１４Ｃは、圧力センサモジュールの配列パターンの変形例を示す第３の図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態の一例について説明する。

＜適用例＞
（適用例の構成）
本発明は例えば、図１に示すような圧力センサとして適用することができる。図１は本適用例に係る圧力センサ９の構成例を模式的に示すブロック図である。圧力センサ９は圧力センサ素子部９１、抵抗計９２、抵抗−圧力変換部９３を有している。

図２Ａ〜図２Ｂは圧力センサ素子部９１の概略を示す図であり、図２Ａは圧力センサ素子部９１の斜視図、図２Ｂは同断面図を示している。図２Ａ、図２Ｂに示すように、圧力センサ素子部９１は、導電膜９１１ａ、９１１ｂが設けられた２つの金属基材９１２ａ、９１２ｂが、支持体９１３ａ、９１３ｂによって、導電膜が設けられた面同士が対向するように支持される構成となっている。

導電膜９１１ａ、９１１ｂは、多数のカーボンナノチューブが絡み合って形成されており、カーボンナノチューブからなるシートである。形状は特に限定されないが、例えば５ｍｍ角の正方形とすることができる。この他の多角形、円形、としてもよく、格子状に形成されたものであってもよい。

なお、導電膜９１１ａ、９１１ｂを形成するカーボンナノチューブは金属型カーボンナノチューブであればよく、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブのいずれであってもよい。また、カーボンナノチューブの製造方法は、特に限定せず、例えば、ＣＶＤ法、スーパーグロースＣＶＤ法、レーザーアブレーション法、ＤＩＰＳ法、ＨｉＰＣＯ法、Ｃｏｍｂａｔ法、アーク法などによって製造することができる。また、カーボンナノチューブ一本当たりの長さは、例えば、１０μｍから１０００μｍの間の長さとすることができ、１００μｍから５００μｍの間とすることが好ましい。

導電膜９１１ａ、９１１ｂの厚みは、例えば、３μｍから１００μｍとすることができる。厚みが３μｍを下回ると、導電膜の導電性が低下し、所望するＦ−Ｒ特性が得難くなる。また、厚みが１００μｍを上回ると導電膜の剛性が高くなり、低荷重の場合の応答性が損なわれ易くなるため、厚みは上記の範囲内とすることが望ましい。

また、導電膜９１１ａ、９１１ｂの導電率は、例えば、１０Ｓ／ｃｍから１０００Ｓ／ｃｍとすることができる。導電率が１０Ｓ／ｃｍを下回ると、導電率が低いことで、所望するＦ−Ｒ特性が得難くなる。また、１０００Ｓ／ｃｍを上回るとカーボンナノチューブ導電膜の接触による抵抗変化が大きくなり過ぎ、所望するＦ−Ｒ特性が得難くなる。

各導電膜は、例えば、カーボンナノチューブ分散液（例えば、カーボンナノチューブ含有量１ｗｔ％の水溶液）を、基材上に直接、或いは他の平坦な場所に、バーコート法、スピンコート法などの公知の手法で塗布し、これを乾燥させて作製することができる。この際、カーボンナノチューブ導電膜を設けない箇所には、マスキングするなどしてもよい。なお、導電膜作製時に、数Ｔの磁場を印加し、カーボンナノチューブを磁場配向させることで、導電率を調整してもよい。このように配向させることで、個体間のＦ−Ｒ特性のバラつきを小さくでき、かつ、圧力センサ自体のヒステリシスも小さくできる。また、同様の目的で、導電膜を形成する際に用いるカーボンナノチューブ分散液の粘度を高め、当該高粘度のカーボンナノチューブ分散液を塗布することで、せん断をかけて配向（いわゆるシェア配向）させてもよい。

金属基材９１２ａ、９１２ｂの材質は、金属であれば特に限定は無く用いることができるが、カーボンナノチューブ導電膜の導電率を上回るものであることが望ましい。加工性の観点から、銅、銅合金、アルミ、及びアルミ合金などが好ましく、押圧に対する復元力を有するという観点（即ち、ヒステリシスの低減の観点）から、ベリリウム銅、リン青銅、チタン銅、洋白などがさらに好ましい。

金属基材９１２ａ、９１２ｂの形状は、例えば、金属基材の材質がベリリウム銅である場合、形状は５ｍｍ角の正方形とすることができ、厚みは０．００５ｍｍ（５μｍ）から０．０１０ｍｍ（１０μｍ）とすることができる。ただし、金属基材９１２ａ、９１２ｂの形状は、任意に設定することができ、例えば以下の式１に基づいて形状を設定してもよ
い。なお、以下の説明では、簡単のため金属基材を梁と見なして、金属基材の撓み＝δとして説明する。

上記式１において、「Ｗ」は荷重、「ｌ」は梁（即ち、金属基材）の長さ、「Ｅ」は縦弾性係数、「Ｉ」は断面二次モーメントを示している。なお、断面二次モーメントＩは、梁（即ち、金属基材）の厚みと幅で定まる。

上記の式１に基づいて、想定される荷重に対して、所望の曲げ性、復元性を有するように、金属基材の縦弾性係数に対して、長さ、厚みを調整して得られる形状とすればよい。即ち、想定される荷重Ｗに対して、どの程度の撓みδを設定するかを定めて、長さｌ、厚み及び幅（断面二次モーメントＩ）を求めるとよい。

また、金属基材９１２ａ、９１２ｂの押圧荷重に対する曲げ量を調整するために、金属基材の断面形状を適宜変更し、断面二次モーメントを最適化するなどしてもよい。

また、金属基材９１２ａ、９１２ｂは同一の形状のものを対向配置してもよいが、異なる材質、形状寸法のものを対向配置してもよい。圧力センサ９を用いる（設置する）箇所の材質、形状、ロボットハンドに用いる場合には把持対象物に対する適性など、に応じて、適宜組み合わせを選択することができる。

また、金属基材９１２ａ、９１２ｂのそれぞれには、電線９１５ａ、９１５ｂが接続されて端子が形成される。端子の構成例を図３Ａ〜図３Ｃに示す。図３Ａは、端子と電線の配置関係を示す図であり、図３Ｂは電線をはんだによって金属基材に溶接した状態を示す図、図３Ｃは電線をカシメによって金属基材に固定した状態を示す図である。なお、電線９１５ａ、９１５ｂの他端は抵抗計９２に接続されている。これにより導電膜９１１ａ、９１１ｂが互いに接触すると電流が生じ、荷重に応じた抵抗値を計測することが可能になる。

支持体９１３ａ、９１３ｂは、導電膜９１１ａ、９１１ｂ同士の間に空間が生じるようにして、金属基材９１２ａ、９１２ｂを支持する部材である。材質は、電気的に絶縁する必要があるため、例えば、ウレタンゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴム、ニトリルゴム、熱可塑性エラストマーなどから選択することができる。なお、支持体９１３ａ、９１３ｂは、金属基材９１２ａ、９１２ｂと同様に、荷重に対して変形することが望ましいが、その際、センサのＦ−Ｒ特性を毀損しないよう、支持体の断面二次モーメントが適正となるよう設計することが好ましい。

（圧力計測の方法）
次に、本適用例に係る圧力センサ９による、圧力の測定について説明する。図４は、圧力センサ素子部９１が荷重を受けた状態を示す図であり、図５は、Ｆ−Ｒ特性を示すグラフである。図４に示すように、圧力センサ素子部９１に対して荷重が印加されると、金属基材９１２ａが撓み、導電膜９１１ａが導電膜９１１ｂと接触する。この際、図示しない電源から電線を介して導電膜９１１ａ、９１１ｂに電圧が印加されていると、導電膜が接触することによって電流が流れ、抵抗が生じる。

そして、当該抵抗が抵抗計９２によって計測され、計測された抵抗値を抵抗−圧力変換
部９３によって、圧力値に変換する処理を行うことで、圧力センサ素子部９１に印加された荷重に基づいて圧力が測定される。圧力値への変換処理は、例えば、「圧力＝荷重／接触面積」の演算処理であってもよい。

ここで、圧力センサ素子部９１に対する荷重が増加すると、導電膜９１１ａはより強く導電膜９１１ｂに接触するため、導電膜９１１ａと導電膜９１１ｂとの接触面積が増加するとともに、導電膜９１１ａを形成するカーボンナノチューブと導電膜９１１ｂを形成するカーボンナノチューブとの接触箇所が増加し、計測される抵抗値が変化する（図５参照）。このように荷重に応じて変動する抵抗値を計測するため、荷重、ひいては圧力の変動を精度よく測定することができる。

なお、抵抗−圧力変換部９３によって、得られた抵抗値を圧力値に変換する処理は、試験などで予め得ていたＦ−Ｒ特性から得られる荷重に基づいて行うようにすればよい。予め得ていたＦ−Ｒ特性から荷重を求めるのには、例えば、抵抗−荷重検量線、抵抗−荷重変換テーブルなどを用いる事ができる。

なお、抵抗−圧力変換部９３によって得られた圧力値は図示しない出力手段によって出力されるようにしてもよい。出力手段は、例えば、圧力値を表示する装置であってもよいし、他の機器、装置に値を送信する通信手段であってもよい。また、複数の出力方法を組み合わせたものであってもよい。

本適用例によれば、一般的な導電性粒子を樹脂やゴムに分散させてなる感圧導電性素子と比べ、圧力センサのヒステリシスを大幅に低減させることができる。上記のような感圧導電性素子は、繰返しの荷重応答を与えると、導電粒子の分散状態が変化し、荷重に対する抵抗応答性が変動する（一般的には、ヒステリシスとして±３０％から±５０％程度変化する）。このレベルのヒステリシスは、Ｆ−Ｒ特性の感度低下を招き、ゼロ点補正だけではＦ−Ｒ特性の復帰が困難となる。一方で、本適用例の圧力センサによれば、上記のような分散状態の変化を起因とするヒステリシスは生じず、必要によりゼロ点補正を行うことで、Ｆ−Ｒ特性の復帰を容易に行うことができる。

また、導電率がカーボンナノチューブ導電膜よりも高い金属基材に端子を設ける構成であるため、導電膜に直接端子を形成する場合に比べて寄生抵抗を低減することができ、荷重変化に対する感度が低下することを抑止することができる。

＜実施例＞
以下に、この発明を実施するための形態の他の一例を、さらに説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（構成）
図６は、本実施例に係るロボットハンド１の構成例を模式的に示す図である。図６に示すように、本実施例に係るロボットハンド１は、いわゆる協働ロボットであり、主たる構成として、マニピュレーター部１１とアーム部１２と、制御部１３とを有している。

マニピュレーター部１１のワークＷを把持する側には、複数の圧力センサが配列された圧力センサモジュール（図示せず）が配置されている。図７に圧力センサモジュールにおける圧力センサの配列の例を示す。本実施例では圧力センサモジュールは、１５個の圧力センサが３×５のマトリクス状に配列されたものである。

なお、圧力センサモジュールの各圧力センサの構成は、上述の適用例で説明した圧力セ
ンサ９と同様の構成であるため、構成についての詳細な説明は省略する。圧力センサで測定された圧力値は制御部１３に入力される。

各圧力センサは、例えば次のような方法により作製される。まず、カーボンナノチューブ分散液を金属基材にバーコート、スピンコートなどの公知の手法で、５ｍｍ角の正方形が形成されるように塗布し、例えば常温で乾燥させる。この際、カーボンナノチューブ導電膜を設けない箇所には、マスキングするなどしてもよい。以下では、金属基材において導電膜が形成されている箇所を導電パターンとも表記する。なお、乾燥後の導電パターンのカーボンナノチューブ含有率は９５ｗｔ％以上となるようにする。９５ｗｔ％を下回ると、導電性が損なわれやすく、所望するＦ−Ｒ特性が得られない場合がある。

次に、次にカーボンナノチューブ導電パターンが設けられた金属基材を圧力センサの所定の形状にサイジングする。本実施例では例えば７ｍｍ角の正方形とする。
また、導電パターンが設けられた金属基材に、はんだ、カシメ、圧着、導電ペースト、及び導電テープなどの公知の手法を用いて、電線を接続することにより、端子を設ける。
なお、サイジングと端子の形成は、いずれを先に実施しても構わない。

そして、サイジングした導電膜及び基材からなるシートを対面するように配置し、支持体に取り付ける。この際、対面するシートの空隙間隔は、１ｍｍ程度となるようにする。

マニピュレーター部１１は、複数のサーボモーターなどのアクチュエーター（図示せず）によって開閉可能に構成されており、開状態から閉状態となることで、把持対象となるワークＷを把持する。

アーム部１２は、複数の可動部１２１を有する構成であり、それぞれの可動部はアクチュエーター（図示せず）によって回動可能に構成されている。これによって、所定の稼働範囲内でマニピュレーター部１１を移動させることができる。

制御部１３は、ＣＰＵ（プロセッサ）、主記憶装置（メモリ）、補助記憶装置（ハードディスクなど）、入力装置（キーボード、マウス、コントローラ、タッチパネルなど）、出力装置（液晶ディスプレイ、スピーカーなど）などを具備する情報処理装置である。各種情報の入出力、演算処理などを行い、アクチュエーターなどを制御することにより、ロボットハンド全体を制御する。制御部１３は汎用のコンピュータシステムにより構成されていてもよい。

制御部１３は、記憶装置に記憶されているプログラムに従って、或いはユーザーからの入力を受け付けて、マニピュレーター部１１及び、アーム部１２を制御し、稼働範囲内においてワークＷの把持、移動、開放などを実行させる。

（マニピュレーター部の把持動作）
マニピュレーター部１１が、ワークＷの性状に応じて適切に把持動作を行うためには、マニピュレーター部１１の閉動作を適切に行わなければならない。即ち、マニピュレーター部１１がワークＷを把持する際の力（以下、把持力ともいう）が適切に制御される必要がある。このため、本実施例では、マニピュレーター部１１に設置された圧力センサモジュールにより、当該把持力を測定し、これに基づいてマニピュレーター部１１を開閉するアクチュエーターを制御することで、適切なワークＷの把持を実現する。

把持力の測定は、圧力センサモジュールを構成する各圧力センサに直流電圧を印加し、個々の圧力センサに加わる荷重に応じて定まる抵抗値に基づいて圧力を算出して行う。また、マトリクス状に配列されている圧力センサ間において隣接する圧力センサの抵抗値の
変動から、ワークＷの把持時の荷重移動が検出できる。即ち、ワークＷがすべった場合、その事実及び、すべり量を検出することができる。

なお、各圧力センサに印加する電圧は直流に限らず、交流であってもよい。なお、カーボンナノチューブ導電パターンをＬＣＲ回路と見立て、交流の共振周波数帯（例えば、１００ｋＨｚ近傍）で抵抗を計測した場合、インピーダンス（Ｚ）≒抵抗（Ｒ）として得られる傾向があるため、インダクタンス（Ｌ）成分とキャパシタンス（Ｃ）成分の影響が極小化されると考えられる。このため、計測値のバラつき抑制の観点から、交流電圧を印加する場合には共振周波数帯で抵抗値を計測することが望ましい。

（ワークの把持及び圧力測定の流れ）
次に、図８に基づいて、本実施例におけるロボットハンド１がワークＷを把持する際の、把持動作及び圧力測定の流れを説明する。図８は、ロボットハンドの把持動作の流れを示すフローチャートである。図８に示すように、ロボットハンド１の制御部１３は、所定のプログラム或いはユーザーの入力に従い、マニピュレーター部１１でワークＷを把持する（ステップＳ１０１）。次に圧力センサモジュールの各圧力センサの抵抗値を取得し（ステップＳ１０２）、把持力及びワークＷのすべり量を算出する（ステップＳ１０３）。把持力及びワークＷのすべり量は、計測された圧力値と、予め計測されていたＦ−Ｒ特性に基づいて行われる。

続けて、ステップＳ１０３で算出された把持力及びワークＷのすべり量から、ワークＷの把持状態が適正か否かを判定する（ステップＳ１０４）。把持状態が適切であるか否かの判定は、予め設定した把持力及びすべり量の管理幅に基づいて行われる。具体的には、各値に閾値を設定しておくとよい。また、別途カメラでマニピュレーター部１１を撮影するようにし、当該撮影画像から、把持しているワークＷの変形（即ち、把持荷重が適正かどうか）、ワークＷの位置（即ち、ワークＷのすべりの有無、すべり量）の情報を取得し、複合的に判定するようにしてもよい。

ステップＳ１０４で、把持状態が適切でないと判定された場合には、制御部１３はマニピュレーター部１１の把持動作に係るアクチュエーターの出力を調整する（ステップＳ１０５）。そして、ステップＳ１０２に戻り。以後の処理を繰り返す。

一方、ステップＳ１０４で把持状態が適切であると判定された場合には、そのままの把持状態を維持する、或いは次の動作を実行し（ステップＳ１０６）、本ルーティンを一旦終了する。なお、本ルーティンは、停止の指示があるまで、常時繰り返されるようにしてもよい。

以上、説明したような本実施例に係るロボットハンド１によれば、多様な形状のワークＷを把持することができ、また、把持時のすべりを検知することで、ワークＷの落下防止や、ワークＷの持ち替えなどの複雑な動作が可能なロボットハンドを得る事ができる。

＜変形例１＞
なお、圧力センサモジュールを構成する各圧力センサについて、上記実施例以外の構成のものを用いることも可能である。例えば、上記実施例では、圧力センサの導電パターン及び金属基材はともに矩形状であったが、これ以外の形状とすることも可能である。図９Ａ〜図９Ｄは、矩形状の金属基材に設けられる導電パターンの他の形状の例を模式的に示す図である。図中のハッチング部分が導電パターンの形状を示している。導電パターンは、図９Ａに示すように他の形状の多角形であってもよいし、図９Ｂに示すように円形であってもよい。また、図９Ｃに示すように格子状であってもよいし、図９Ｄに示すように櫛歯状であってもよい。また、この他の形状とすることも可能である。

図１０Ａ〜図１０Ｂは、導電パターンが形成される基材の他の形状を模式的に示す図である。図９Ａ〜図９Ｄと同様に、導電パターンはハッチングで示されている。基材は、図１０Ａに示すように、他の形状の多角形であってもよいし、図１０Ｂに示すように円形であってもよい。

また、導電パターンと基材の形状は任意に組み合わせ可能であり、例えば、正八角形の基材に円形の導電パターンを形成することも可能である。圧力センサモジュールとした際の形状適合性、Ｆ−Ｒ応答性の最適化の観点、などに基づきそれぞれの形状を適宜選択できる。

＜変形例２＞
また、上記の各例では、対向する導電パターン間は中空の空間（即ち、空気層）となっていたが、該空間に、電解液、誘電体ゲル、誘電体シートなどの誘電体を介在させてもよい。なお、当該誘電体は、金属基材と接触すると金属基材に腐食が生じる、ノイズが発生して抵抗値が変動する、などのおそれがあるため、カーボンナノチューブ導電膜間のみに配置するとよい。また、電解液、誘電体ゲルを用いる場合には、これを収納する箇所を密封構造に形成するとよい。このように、誘電体を導電パターン間に介在させることで、導電パターンの抵抗感度を任意に調整することが可能となり、低荷重から高荷重の領域でＦ−Ｒ特性のリニア性を高めることができる。また、導電パターン間の復元性を補助することで、圧力センサのヒステリシスを低減することができる。

＜変形例３＞
また、圧力センサを構成する金属基材は、荷重印加側の金属基材と、これに対向する金属基材とは、異なる材質のものを用いてもよい。例えば、同一材料からなる金属基材を使用すると、荷重印加側の金属基材の縦弾性係数が大きい（即ち、曲げ量が小さくなる）ために、カーボンナノチューブ導電パターンの面接触性が損なわれるような場合には、荷重印加側の金属基材を、縦弾性係数が非荷重印加側の金属基材のそれよりも小さい材質のものにしてもよい。このようにすると、非荷重印加側の金属基材が、押圧荷重に対する支持体としても機能することになるため、カーボンナノチューブ導電パターンの面接触性を改善することもできる。

＜変形例４＞
また、上記の各例では圧力センサは、導電膜が形成される金属基材と、これを支持する支持体とを備える構成であったが、これに加えてベース部材をさらに備え、金属基材が該ベース部材に形成される構成としてもよい。本変形例に係る圧力センサの圧力センサ素子部３１の概略を図１１Ａ〜図１１Ｂに示す。図１１Ａは圧力センサ素子部３１の斜視図、図１１Ｂは同断面図を示している。図１１Ａ、図１１Ｂに示すように、圧力センサ素子部３１は、導電膜３１１ａ、３１１ｂが設けられた２つの金属基材３１２ａ、３１２ｂが、それぞれベース部材３１３ａ、３１３ｂに配置され、ベース部材３１３ａ、３１３ｂが支持体３１４ａ、３１４ｂによって支持される構成となっている。

上記のようにベース部材３１３ａ、３１３ｂを備える構成であると、荷重が印加された時に金属基材のたわみ変形力及びたわみ変形量が補完される。また圧力除荷時に、金属基材の復元力が補完される。このため、Ｆ−Ｒ応答におけるヒステリシスを改善することができる。なお、ベース部材の材質は、樹脂であってもよいし、金属であってもよい。ベース部材として樹脂を用いる場合には、例えば、ウレタンゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴム、ニトリルゴム、熱可塑性エラストマーなどを用いる事ができる。

＜変形例５＞
また、上記の変形例４のように、ベース部材を有する構成の場合、一つのベース部材に対して、複数の金属基材が配置される構成であってもよい。図１２に、複数の金属基材がベース部材に形成される例を模式的に示す。図１２Ａ、図１２Ｂに示すように、用いる金属基材の数、及び形状には特に制限がなく、任意の構成とすることが可能である。

このような構成にすると、例えばベース部材の材質を樹脂とした場合には、荷重印加面を複数に分割することができ、圧力センサのサイズを変えることなく検知分解能を向上させることが可能となる。なお、ベース部材が金属である場合には、金属基材とベース部材との間に絶縁手段を設けることで、同様の効果を得ることができる。

また、複数の金属基材を一つのベース部材に形成する場合には、金属部材に形成される導電膜をそれぞれ異なる導電性を有するものとしてもよい。図１３Ａは、それぞれ異なる導電性を有する導電膜が形成された第１金属基材２１と第１金属基材２２を一つのベース部材に形成した場合の模式図を示している。また、図１３Ｂは、ベース部材に対して印加される荷重と、計測される抵抗の関係を示すグラフである。図１３Ｂに示すように、異なる導電性の導電膜で計測された抵抗値を合成抵抗として観測することで、低荷重から高荷重の領域でＦ−Ｒ特性のリニア性を任意に調整することができる。

＜変形例６＞
また、上記実施例では、圧力センサモジュールは、３×５のマトリクスで圧力センサが配列されていたが、これ以外の配列パターンで圧力センサモジュールを構成することも可能である。また、圧力センサモジュールを構成する各圧力センサも矩形状に限られず、様々な形状の圧力センサによって配列パターンを構成可能である。さらに、異なる形状、異なるＦ−Ｒ特性の圧力センサを組み合わせて配列パターンを構成してもよい。

図１４Ａ〜図１４Ｃは、圧力センサモジュールの配列パターンの変形例を示す模式図であり、配列パターンを構成する各センサを図形によって略式に記載している。図１４Ａは、平面視で円形（例えば、直径７ｍｍ）の圧力センサを円形に配列した圧力センサモジュールを示す。また、図１４Ｂは、平面視で六角形（５ｍｍ角相当面積）の圧力センサを、いわゆるハニカム構造で配列した圧力センサモジュールを示す。図１４Ｃは、異なる形状の圧力センサを組み合わせて配列した圧力センサモジュールを示す。

把持対象ワークの大きさ、形状、材質、把持途中の荷重変動、荷重移動の検知に関して、ターゲットがある程度限定される場合、これに最適化するようにして圧力センサの配列パターンを適宜調整すれば、最適な把持制御を実現することができる。

＜その他＞
上記の実施例の説明は、本発明を例示的に説明するものに過ぎず、本発明は上記の具体的な形態には限定されない。本発明は、その技術的思想の範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上記の各例では、圧力の測定は、得られた荷重に基づいて「圧力＝荷重／接触面積」の演算を行うことによって求めることを例示したが、Ｆ−Ｒ特性の代わりに、予め圧力（Ｐ）−抵抗（Ｒ）特性を求めておき、これによって直接圧力値を求めるようにしてもよい。また、上記の各例では、圧力センサから出力される値は圧力値であったが、圧力値ではなく、荷重値を出力するようにしてもよい。即ち、本稿において圧力センサは荷重センサとも表記することができる。

また、上記実施例では、一つのアーム及びマニピュレーターを有するロボットハンドを例示したが、複数のアームを有するロボットに本発明に係る圧力センサを適用することも当然に可能である。

本発明の一の態様は、カーボンナノチューブからなる第１の導電膜（９１１ａ）が形成される第１の金属基材（９１２ａ）と、カーボンナノチューブからなり、前記第１の導電膜に対向して配置される第２の導電膜（９１１ｂ）が形成される第２の金属基材（９１２ｂ）と、前記第１金属基材及び第２の金属基材のそれぞれに設けられる端子と、前記第１の導電膜及び前記第２の導電膜が接触した際の電気抵抗を検出する抵抗検出手段（９２）と、前記第１の金属基材及び第２の金属基材と前記抵抗検出手段とに接続される電線（９１５ａ；９１５ｂ）と、を有しており、前記抵抗検出手段が検出した抵抗値に基づいて、前記導電膜に印加された圧力を測定する、圧力センサ（９）である。

１・・・ロボットハンド
１１・・・マニピュレーター部
１２・・・アーム部
１３・・・制御部
３１３ａ、３１３ｂ・・・ベース部材
９・・・圧力センサ
９１１ａ、９１１ｂ・・・導電膜
９１２ａ、９１２ｂ・・・基材
９１３ａ、９１３ｂ・・・支持体
９１５ａ、９１５ｂ・・・電線
Ｗ・・・ワーク

Claims (10)

1. カーボンナノチューブからなる第１の導電膜が形成される第１の金属基材と、
   カーボンナノチューブからなり、前記第１の導電膜に対向して配置される第２の導電膜が形成される第２の金属基材と、
   前記第１の導電膜及び前記第２の導電膜が接触した際の電気抵抗を検出する抵抗検出手段と、
   前記第１の金属基材及び第２の金属基材と前記抵抗検出手段とに接続される電線と、を有しており、
   前記抵抗検出手段が検出した抵抗値に基づいて、前記導電膜に印加された荷重を測定する、圧力センサ。
2. 前記第１の導電膜と前記第２の導電膜が形成されている面が対向するように、前記の各金属基材を支持する、支持体をさらに有する
   ことを特徴とする、請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記第１の金属基材と前記第２の金属基材との間に所定の空間が形成されるようにして、前記の各金属基材が支持される
   ことを特徴とする、請求項２に記載の圧力センサ。
4. 前記所定の空間において、前記第１の導電膜と前記第２の導電膜間に誘電体が設けられており、前記第１の導電膜と前記第２の導電膜との接触は、該誘電体を介して間接的に行われる
   ことを特徴とする、請求項３に記載の圧力センサ。
5. 前記カーボンナノチューブの長さが、１０μｍ以上、かつ、１０００μｍ以下である
   ことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の圧力センサ。
6. 前記の各導電膜の導電率は１０Ｓ／ｃｍ以上、かつ、１０００Ｓ／ｃｍ以下である
   ことを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の圧力センサ。
7. 前記の各金属基材の導電率が、前記の各導電膜の導電率を上回る
   ことを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の圧力センサ。
8. ロボットハンドのマニュピレーター部に配置され、該ロボットハンドが物体を把持する際の荷重を測定する
   ことを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の圧力センサ。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の圧力センサを複数配列させてなる、圧力センサモジュール。
10. 請求項１から７のいずれか一項に記載の圧力センサ、又は、請求項９に記載の圧力センサモジュールを、マニュピレーター部に備えたロボットハンド。