JP2020060478A - 触知センサ - Google Patents

Abstract

【課題】十分な柔軟性を確保しながら変形に対して高い感度を有する、触知センサ２２の提供。【解決手段】この触知センサ２２は、変形によりインダクタンスを変化させる素子３８と、前記素子３８が埋設され、当該素子３８とともに弾性変形可能な第一変形層３４と、前記第一変形層３４上に配置され、磁性材を含み弾性変形可能な表面層３２とを備える。前記素子３８はコイル４０を備える。好ましくは、前記磁性材は扁平状である。【選択図】図２

Description

本発明は、触知センサに関する。

近年、人が有する柔軟性や接触感覚を併せ持つロボットの開発が進められている。このロボットにおいては、人の触覚機能の発現のために触知センサが用いられる。人が有する柔軟性が考慮され、この触知センサにおいては、エラストマーやゴムのような軟質な素材が用いられる。

例えば、下記の特許文献１は、触知センサとして、図５に示されるような変形測定装置２を提案する。この変形測定装置２は、変形可能であって、磁場勾配を生じさせるように磁性体が散在する第一の層４と、変形可能であって、第一の層４と略平行に配置される第二の層６と、磁場を生成するための部材８と、磁束密度を測定するためのセンサ１０と、を備える。

この変形測定装置２では、図５（ｂ）に示されるように、指で第一の層４を押し込むと部材８によって生成される磁場の磁束密度が変化する。磁束密度は、センサ１０において測定される。磁束密度の測定結果に基づいて、第一の層４の変形量が制御部１２において計算される。

図５に示された変形測定装置２では、磁場を生成するための部材８は、第二の層６の裏面において基板１４上に配置される。この変形測定装置２では、第一の層４と第二の層６とで構成される部分が柔軟層であり、磁場を生成するための部材８と基板１４とで構成される部分が感知回路層である。

この変形測定装置２では、柔軟層の変形に伴う、第一の層４と感知回路層との距離の変化が、この感知回路層に埋め込まれた、磁場を生成するための部材８が生成する磁束密度の変化に基づいて検知される。

特開２０１８−１７５３６号公報

図５に示された変形測定装置２では、柔軟性の確保のために厚い柔軟層を採用すると、この柔軟層の変形に対する感度が低下する。これに対して薄い柔軟層を採用すると感度は向上するが、柔軟性が損なわれる。柔軟性を確保しながら、高い感度を達成できる、触知センサが求められている。

本発明は、このような実状に鑑みてなされたものであり、十分な柔軟性を確保しながら変形に対して高い感度を有する、触知センサを提供することを目的とする。

本発明に係る触知センサは、変形によりインダクタンスを変化させる素子と、前記素子が埋設され、当該素子とともに弾性変形可能な第一変形層と、前記第一変形層上に配置され、磁性材を含み弾性変形可能な表面層とを備え、前記素子がコイルを備える。
この触知センサでは、表面層が押し付けられこの表面層が弾性変形すると、第一変形層が弾性変形する。素子は第一変形層に埋設されるので、表面層が変形すると素子も変形する。この触知センサでは、素子そのものの変形によりインダクタンスが変化するとともに、磁性材を含む表面層がこの変化率を向上させる。この触知センサは、変形に対して高い感度を有する。素子それ自体の変形がインダクタンス変化に反映されるので、この触知センサは、弾性変形可能な表面層又は第一変形層の厚さを確保することができる。言い換えれば、素子それ自体の変形を阻害しない範囲で、この触知センサは表面層又は第一変形層の厚さを確保することができる。この触知センサは、十分な柔軟性を確保しながら、変形に対して高い感度を有することができる。

好ましくは、この触知センサでは、前記磁性材は扁平状である。かかる構成により、この触知センサは、表面層に散在する磁性材の配向を促すことができる。磁性材の配向は、変形に対する感度を向上させる。この触知センサは、より十分な柔軟性を確保しながら、変形に対してより高い感度を有することができる。

好ましくは、この触知センサでは、前記素子はアモルファス金属繊維からなるコア材を備え、前記コア材は前記コイルに沿って配置される。アモルファス金属繊維には結晶磁気異方性がないので、かかる構成により、素子の変形に伴うインダクタンス変化がさらに増大する。この触知センサでは、変形に対する感度がさらに向上する。この触知センサは、より十分な柔軟性を確保しながら、変形に対してより高い感度を有することができる。

好ましくは、この触知センサは弾性変形可能な第二変形層を備え、前記第二変形層上に前記第一変形層が配置され、前記第二変形層は前記第一変形層よりも柔軟である。かかる構成により、第一変形層が十分に変形できるので、表面層を押し込む力が効果的に素子に作用する。この押し込みによる変形が素子の変形に十分に反映されるので、この触知センサでは、変形に対する感度がさらに向上する。この触知センサは、より十分な柔軟性を確保しながら、変形に対してより高い感度を有することができる。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、十分な柔軟性を確保しながら変形に対して高い感度を有する、触知センサが得られる。

図１は、本発明の一実施形態に係る触知センサの一例が示された概略図である。 図２は、触知センサの使用状態を説明する図である。 図３は、触知センサによって得られる押し込み量とインダクタンスとの関係が示されたグラフである。 図４は、図１の触知センサにおける表面層に散在する磁性材の配向状態が示された電子顕微鏡写真である。 図５は、従来の触知センサとしての変形測定装置が示された概略図である。

以下、適宜図面が参照されつつ、好ましい実施形態に基づいて本発明が詳細に説明される。

図１は、本発明の実施形態にかかる触知センサ２２の一例を示す。この図１において、上下方向はこの触知センサ２２の厚さ方向である。この触知センサ２２では、例えば、人の指で表面を押し込むことによる生じる変形が検知される。この触知センサ２２は、本体２４と、検知部２６と、制御部２８とを備える。

本体２４は、全体として軟質である。本体２４は、基板３０上にセットされる。この基板３０は、本体２４よりも硬質である。この触知センサ２２では、基板３０は本体２４を支持できればよく、この基板３０に特に制限はない。

この触知センサ２２では、本体２４は、厚さ方向に積層された複数の層で構成される。この本体２４は、表面層３２と、第一変形層３４とを備える。

表面層３２は、本体２４の上面を構成する。表面層３２は、第一変形層３４上に配置される。図１に示されるように、この触知センサ２２では、表面層３２は第一変形層３４に積層される。

表面層３２は、シート状である。この触知センサ２２では、この表面層３２の厚さは１ｍｍ程度である。

表面層３２は、軟質な素材からなる。表面層３２は、弾性変形可能である。この素材としては、ゴム及びエラストマーが挙げられる。この触知センサ２２では、表面層３２が弾性変形可能であれば、この表面層３２を構成する素材に特に制限はない。この触知センサ２２の表面層３２は、シリコンゴムを基材とし、柔軟性を有する架橋ゴムからなる。

本発明において「柔軟性」とは、例えば、人の指で押し込む力によって、容易に変形できる程度の硬さを意味する。

図１には示されていないが、この触知センサ２２では、表面層３２は磁性材を含む。この表面層３２において磁性材は、分散している。この触知センサ２２では、表面層３２全体の質量に対するこの表面層３２に含まれる磁性材の質量の比率、すなわち、磁性材の含有率は６０質量％程度である。この磁性材の含有率は、触知センサ２２の仕様が考慮され適宜決められる。

第一変形層３４は、表面層３２の下側に位置し、後述する第二変形層３６上に配置される。図１に示されるように、この触知センサ２２では、第一変形層３４は第二変形層３６に積層される。

第一変形層３４は、シート状である。この触知センサ２２では、第一変形層３４の厚さは３ｍｍ〜４ｍｍの範囲にある。

第一変形層３４は、軟質な素材からなる。第一変形層３４は、弾性変形可能である。この素材としては、ゴム及びエラストマーが挙げられる。この触知センサ２２では、第一変形層３４が弾性変形可能であれば、この第一変形層３４を構成する素材に特に制限はない。この触知センサ２２の第一変形層３４は、シリコンゴムを基材とし柔軟性を有する架橋ゴムからなる。この触知センサ２２では、第一変形層３４は磁性材を含まない。この第一変形層３４は、表面層３２の柔軟性と同程度の柔軟性を有する、又は、この表面層３２よりも柔軟である。

この触知センサ２２では、本体２４は素子３８を備える。素子３８は、細長い紐状を呈し、弾性変形可能である。素子３８は、変形によりインダクタンスを変化させる。

素子３８は、少なくともコイル４０を備える。コイル４０は、エナメル線（素線）を螺旋巻きすることにより構成される。この触知センサ２２では、コイル４０の直径は０．３ｍｍ〜０．４ｍｍの範囲にある。このコイル４０を構成する素線の直径は、０．１ｍｍ以下である。このコイル４０は、極小コイルである。

この触知センサ２２では、素子３８は第一変形層３４に埋設される。言い換えれば、素子３８は第一変形層３４で覆われる。この素子３８は、表面層３２が積層される第一変形層３４の上面に平行な方向に沿って延在するようにこの第一変形層３４内にセットされる。図１において、両矢印Ｄは表面層３２から素子３８までの距離を表す。この触知センサ２２では、この距離Ｄは通常、０．５ｍｍ〜２ｍｍの範囲で設定される。

図示されないが、触知センサ２２は多数本の素子３８を備える。この触知センサ２２では、これら素子３８は、第一変形層３４において、一定の間隔をあけて並列されてもよく、格子状に配置されてもよい。第一変形層３４に埋設される素子３８の本数及び配置は、触知センサ２２の仕様が考慮され適宜決められる。

この触知センサ２２では、図２に示されるように、本体２４の表面を指で押し込むと、本体２４は変形する。この触知センサ２２では、この本体２４の変形には、素子３８の変形が伴われる。素子３８が変形すると、この素子３８のインダクタンスが変化する。

この触知センサ２２では、検知部２６は素子３８のコイル４０に接続される。検知部２６は、素子３８のインダクタンスを検知する。この検知部２６は、この検知したインダクタンスを信号として時系列で出力することができる。この検知部２６としては、ＬＣＲメーターが挙げられる。

前述したように、この触知センサ２２では、本体２４の表面が押し込まれ素子３８が変形すると、インダクタンスが変化する。この触知センサ２２では、この変形に伴うインダクタンス変化がこの検知部２６によって検知される。

この触知センサ２２では、制御部２８は検知部２６に接続される。この検知部２６から出力される信号は、制御部２８に入力される。この制御部２８は、入力した信号を処理し、例えば、本体２４の押し込み量を算出する。この触知センサ２２では、この制御部２８は、例えば、コンピュータ等の演算処理装置又はその一部などからなる。

前述したように、この触知センサ２２は、本体２４、検知部２６及び制御部２８を備える。本発明においては、触知センサ２２が本体２４のみで構成されてもよい。この場合、本体２４のみで構成された触知センサ２２が、例えば、検知部２６に相当する検知手段としてのＬＣＲメーターと、制御部２８に相当する制御手段としての演算処理装置とにそれぞれ接続される。

この触知センサ２２では、表面層３２が押し付けられこの表面層３２が弾性変形すると、第一変形層３４が弾性変形する。素子３８は第一変形層３４に埋設されるので、表面層３２が変形すると、図２に示されるように素子３８も変形する。この触知センサ２２では、素子３８そのものの変形によりインダクタンスが変化する。

図３は、触知センサ２２の本体２４に冶具（図示されず）を押し込んだ際の、冶具の押し込み量と、その押し込み量を与えた際のインダクタンスの計測値との関係を表すグラフである。グラフの縦軸はインダクタンスであり、横軸は押し込み量である。この図３には、図１に示された触知センサ２２による測定結果が、表面層３２を設けていない別の触知センサ（以下、参照センサ）の測定結果と対比して表されている。図示されないが、この参照センサは、表面層３２を設けていない他は触知センサ２２の構成と同等の構成を有する。

図３に示されるように、触知センサ２２においても、参照センサにおいても、押し込み量の増加に伴い、インダクタンスは減少する。すなわち、変形の程度がインダクタンス変化として検知される。特に、磁性材を含む表面層３２を備える触知センサ２２では、この表面層３２が設けられていない参照センサに比して、押し込み量の変化に対するインダクタンスの変化の比率、すなわち、インダクタンスの変化率は大きい。この触知センサ２２では、磁性材を含む表面層３２がこの変化率を向上させる。この触知センサ２２は、変形に対して高い感度を有する。

さらに素子３８それ自体の変形がインダクタンス変化に反映されるので、この触知センサ２２は、弾性変形可能な表面層３２又は第一変形層３４の厚さを確保することができる。言い換えれば、素子３８それ自体の変形を阻害しない範囲で、この触知センサ２２は表面層３２又は第一変形層３４の厚さを確保することができる。この触知センサ２２は、十分な柔軟性を確保しながら、変形に対して高い感度を有することができる。

この触知センサ２２では、表面層３２が磁性材を含み、磁性材の一部が表面層３２の上面に露出するので、この表面層３２の粘着性が効果的に抑えられる。この触知センサ２２によれば、相手材との粘着も効果的に防止される。

この触知センサ２２では、図１に示されるように、本体２４は第一変形層３４の下側に第二変形層３６を備えることができる。この触知センサ２２において第一変形層３４は、この第二変形層３６上に配置される。

この触知センサ２２では、第二変形層３６に第一変形層３４が積層され、この第二変形層３６は基板３０に積層される。第二変形層３６は、第一変形層３４と基板３０との間に位置する。

第二変形層３６は、シート状である。この触知センサ２２では、第二変形層３６の厚さは４ｍｍ程度である。

第二変形層３６は、軟質な素材からなる。第二変形層３６は、弾性変形可能である。この素材としては、ゴム及びエラストマーが挙げられる。この触知センサ２２では、第二変形層３６が弾性変形可能であれば、この第二変形層３６を構成する素材に特に制限はない。この触知センサ２２の第二変形層３６は、シリコンゴムを基材とし柔軟性を有する架橋ゴムからなる。この触知センサ２２では、第二変形層３６は磁性材を含まない。

この触知センサ２２では、第二変形層３６は第一変形層３４よりも柔軟である。第一変形層３４が十分に変形できるので、表面層３２を押し込む力が効果的に素子３８に作用する。この押し込みによる変形が素子３８の変形に十分に反映されるので、この触知センサ２２では、変形に対する感度がさらに向上する。この触知センサ２２は、より十分な柔軟性を確保しながら、変形に対してより高い感度を有することができる。この観点から、この触知センサ２２は弾性変形可能な第二変形層３６を備え、この第二変形層３６上に第一変形層３４が配置され、この第二変形層３６が第一変形層３４よりも柔軟であるのが好ましい。

前述したように、この触知センサ２２では、表面層３２は磁性材を含む。変形に対する感度の向上の観点から、この触知センサ２２では、この磁性材としては軟磁性の金属粉が好ましい。この金属粉としては、球状のアトマイズ粉及び扁平状のアトマイズ粉が挙げられる。

図４には、表面層３２の断面の電子顕微鏡写真が示される。この図４において、上下方向は表面層３２の厚さ方向である。図示されないが、この図４の上側に、表面層３２の上面、すなわち本体２４の上面が位置し、この図４の下側に、この表面層３２の下面が位置する。この触知センサ２２では、この表面層３２の下面が第一変形層３４の上面に載せられる。

この図４においては、表面層３２に含まれる磁性材４２の分散状態が示される。この磁性材４２の分散状態の説明のために、図４（ａ）に示された写真のレプリカが図４（ｂ）に示される。

図４に示された表面層３２の磁性材４２は、扁平状のアトマイズ粉である。この図４に示されるように、この表面層３２の、厚さ方向に沿った断面では、磁性材４２、すなわち、扁平状のアトマイズ粉が左右方向に延びる筋として認められる。つまり、この触知センサ２２の表面層３２では、扁平状のアトマイズ粉は、その盤面４４が表面層３２の上面又は下面に対向するように分散している。言い換えれば、磁性材４２は向きを揃えて表面層３２に分散している。この触知センサ２２では、磁性材４２が向きを揃えて表面層３２に分散している状態が、磁性材４２が配向している状態である。なお、この表面層３２における磁性材４２の向きは、加圧成形により表面層３２を形成することにより得ることができる。

前述したように、この触知センサ２２では、素子３８は、表面層３２が積層される第一変形層３４の上面に平行な方向に沿って延在するようにこの第一変形層３４内にセットされる。したがって、この触知センサ２２では、扁平状のアトマイズ粉を磁性材４２として用いた場合、この磁性材４２の向きがこの素子３８の延在方向に沿うように、表面層３２に散在する磁性材４２の向きが整えられる。つまり、この触知センサ２２では、表面層３２に散在する磁性材４２の配向が促される。

この触知センサ２２は、扁平状のアトマイズ粉を磁性材４２として用いることにより、表面層３２に散在する磁性材４２の配向を促すことができる。この磁性材４２の配向は、変形に対する感度を向上させる。この触知センサ２２は、より十分な柔軟性を確保しながら、変形に対してより高い感度を有することができる。この観点から、この触知センサ２２では、磁性材４２は扁平状である、詳細には、この磁性材４２は扁平状のアトマイズ粉であるのが好ましい。

この触知センサ２２では、素子３８は前述のコイル４０に加えてコア材４６を備えることができる。コア材４６は、コイル４０に沿って配置される。具体的には、図１に示されるように、コア材４６はコイル４０の中心に挿通される。

この触知センサ２２では、コア材４６はアモルファス金属繊維からなる。このアモルファス金属繊維としては、愛知製鋼製の「センシィ（登録商標）」が例示される。

アモルファス金属繊維には結晶磁気異方性がないので、コア材４６としてアモルファス金属繊維を用いることにより、この触知センサ２２では、素子３８の変形に伴うインダクタンス変化がさらに増大する。この触知センサ２２では、変形に対する感度がさらに向上する。この触知センサ２２は、より十分な柔軟性を確保しながら、変形に対してより高い感度を有することができる。この観点から、この触知センサ２２では、素子３８は、コイル４０に加えて、アモルファス金属繊維からなるコア材４６を備え、このコア材４６がこのコイル４０に沿って配置されるのが好ましい。変形に対する感度の向上の観点から、素子３８がコイル４０及びコア材４６を備える場合は、コア材４６はコイル４０の中心に挿通されるのがより好ましい。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、十分な柔軟性を確保しながら変形に対して高い感度を有する、触知センサ２２が得られる。

今回開示した実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は前述の実施形態に限定されるものではなく、この技術的範囲には特許請求の範囲に記載された構成と均等の範囲内でのすべての変更が含まれる。

以上説明された触知センサは、義手などの医療用途に適用できる。さらにこの触知センサは、例えば、ハンドルのような人が触れる自動車用部品に適用し、ドライバーと自動車とのコミュニケーションツールとして用いることができる。

２：変形測定装置、２２：触知センサ、２４：本体、２６：検知部、２８：制御部、３０：基板、３２：表面層、３４：第一変形層、３６：第二変形層、３８：素子、４０：コイル、４２：磁性材、４４：盤面、４６：コア材

Claims (4)

1. 変形によりインダクタンスを変化させる素子と、
   前記素子が埋設され、当該素子とともに弾性変形可能な第一変形層と、
   前記第一変形層上に配置され、磁性材を含み弾性変形可能な表面層と
   を備え、
   前記素子がコイルを備える、触知センサ。
2. 前記磁性材が扁平状である、請求項１に記載の触知センサ。
3. 前記素子がアモルファス金属繊維からなるコア材を備え、
   前記コア材が前記コイルに沿って配置される、請求項１又は２に記載の触知センサ。
4. 弾性変形可能な第二変形層を備え、
   前記第二変形層上に前記第一変形層が積層され、
   前記第二変形層が前記第一変形層よりも柔軟である、請求項１から３のいずれかに記載の触知センサ。