JP2020091097A - 力覚センサ - Google Patents

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和人 大下
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元 志方
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Toshiki Nakamura
俊季 中村
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Abstract

【課題】加えられた荷重の向き・大きさ・範囲・分布などの状況を検知できる力覚センサを提供する。【解決手段】基材と、基材上において互いに所定の間隔をおいて固定されており、加わった荷重に応じて所定の出力を行う複数の感圧部材と、複数の感圧部材に接触する接触領域を有する操作部材とを備え、操作部材に対する操作に応じて複数の感圧部材に荷重が加えられる。また、複数の感圧部材からの出力情報に基づいて操作部材へ加わった荷重の状況を検知する演算部を備える。【選択図】図1

Description

本発明は、操作部材に対する操作によって加えられた荷重を検知可能な力覚センサに関する。
特許文献1に記載の荷重検出装置は、突起状の受圧部を有する荷重センサと、受圧部を上面側に向けて荷重センサを収納するケースと、荷重センサの上面側に配置され、荷重を受けて荷重センサを高さ方向に押圧する弾性体とを有している。これにより、良好なハンドリング性と小型化を実現でき、良好なセンサ感度を備えた荷重検出装置を提供できるとしている。
特開2015−161531号公報
しかしながら、特許文献1に記載の荷重検出装置では、荷重センサによって高さ方向における押圧力を検出することはできるものの、弾性体に対して加えられた荷重の向き・範囲・分布などの状況を検出することはできなかった。よって、この荷重検出装置を、例えば、遠隔操作される構造体に組み込んだとしても、この構造体に加えられる荷重の状況が明らかでないため、この検出結果に基づいて行う感触伝達は細かさに欠け、リアルな感触を再現することは困難であった。
そこで本発明は、加えられた荷重の向き・大きさ・範囲・分布などの状況を検知できる力覚センサを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の力覚センサは、基材と、基材上において互いに所定の間隔をおいて固定されており、加わった荷重に応じて所定の出力を行う複数の感圧部材と、複数の感圧部材に接触する接触領域を有する操作部材とを備え、操作部材に対する操作に応じて複数の感圧部材に荷重が加えられることを特徴としている。
これにより、操作部材に加えられた荷重の状況を検知することができる。
本発明の力覚センサにおいて、複数の感圧部材からの出力情報に基づいて操作部材へ加わった荷重の状況を検知する演算部を備えることが好ましい。
これにより、操作部材に加えられた荷重の向き・大きさ・範囲・分布などの状況を正確に算出することができる。
本発明の力覚センサにおいて、複数の感圧部材は、それぞれ、複数の歪み検知素子を備えることが好ましい。
これにより、感圧部材ごとに、複数の方向で生じた歪みの大きさを検知できるため、操作部材に加えられた荷重の状況を精密に算出することが可能となる。
本発明の力覚センサにおいて、複数の感圧部材のそれぞれにおいて、複数の歪み検知素子は、感圧部材の平面中心に関して対称に配置されていることが好ましい。
これにより、各感圧部材で生じた歪みを精度良く検知できるため、力覚センサとしての検知精度を高めることができる。
本発明の力覚センサにおいて、複数の感圧部材は、基材の平面中心に関して対称となるように4つ配置され、それぞれの感圧部材は、その平面中心に関して対称となるように配置された4つの歪み検知素子を備えることが好ましい。
これにより、各感圧部材において、基材の平面座標上の歪みの分布を算出できるため、これらに基づいて操作部材に加わった荷重を精度良く演算することが可能となる。
本発明の力覚センサにおいて、操作部材は複数の感圧部材を覆うように基材に装着されることが好ましい。
これにより、操作部材に対する操作によって加わる荷重を複数の感圧部材で検知できるため、複雑に加えられた荷重の状況を検知することができる。
本発明の力覚センサにおいて、操作部材は弾性を有することが好ましい。
これにより、操作者にリアルな感触を与えつつ、加えられた荷重の状況を精度良く検知することができる。
本発明によると、操作部材に加えられた荷重の向き・大きさ・範囲・分布などの状況を検知できる力覚センサを提供することができる。
本発明の実施形態に係る力覚センサの構成を示す側面図である。 本発明の実施形態に係る力覚センサの構成を示す平面図である。 本発明の実施形態に係る力覚センサの機能ブロック図である。 (A)、(B)は力覚センサの適用例を示す図である。 本発明の実施形態における第1の感圧部材の構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態における第1の感圧部材が備える歪み検知素子の回路図である。 本発明の実施形態における4つの感圧部材の構成を示す平面図である。 (A)〜(E)は力覚センサに加えられた外力の方向を示す図である。 変形例における4つの感圧部材の構成を示す平面図である。 変形例における4つの感圧部材の構成を示す平面図である。 変形例における第1の感圧部材が備える歪み検知素子の回路図である。
以下、本発明の実施形態に係る力覚センサについて図面を参照しつつ詳しく説明する。
図1は本実施形態に係る力覚センサ10の構成を示す側面図、図2は力覚センサ10の構成を示す平面図、図3は力覚センサ10の機能ブロック図である。図4(A)、(B)は力覚センサ10の適用例を示す図である。操作部材12は、図1においては破線で仮想的に示し、図2では省略している。各図には、基準座標としてX−Y−Z座標が示されている。Z方向は上方向であり、X−Y面はZ方向に直交する面である。以下の説明において、Z方向に沿って見た状態を平面視ということがある。
図1又は図2に示すように、本実施形態に係る力覚センサ10は、基材11と、基材11上に配置された4つの感圧部材20、30、40、50と、これらの感圧部材を覆うように基材11に装着された操作部材12とを備える
なお、本実施形態では、感圧部材が4つの例を示しているが、感圧部材の数は2つ、3つ、又は、5つ以上でもよく、その数と配置は、力覚センサの仕様等に応じて任意に設定できる。
基材11は例えば回路基板であり、図3に示す演算部61と制御部62を構成する集積回路、これに接続される配線等が配置されている。制御部62はインターフェース部を有しており、例えば演算部61による演算結果を外部の表示装置63へ与えて表示させる。
操作部材12は、弾性を有する材料、例えば、ウレタンゴム、シリコーンゴムなどの合成ゴムからなり、4つの感圧部材20、30、40、50のそれぞれの操作体25、35、45、55の上部をZ方向上側から覆うように配置されており、好ましくは、X−Y面方向の端部12aが基材11に対して接着によって固定されている。操作部材12は、その内面12bが、第1の感圧部材20の操作体25、第2の感圧部材30の操作体35、第3の感圧部材40の操作体45、第4の感圧部材50の操作体55に接触する接触領域を構成する。
操作部材12は、例えば図4(A)に示すような人体モデルの指Fの表皮F1を構成する。この構成においては、基板11や、基板11上に固定された4つの感圧部材20、30、40、50は、指Fの内部に配置される。
また、図1に示す操作部材12に代えて、図4(B)に示す構成の操作部材112も可能である。この操作部材112は、操作本体112aと、操作本体112aから下方に延びる腕部112bとを備え、操作本体112aと腕部112bのいずれも硬性材料、例えば金属で構成する。一方、基材111上には2つの感圧部材120、130が配置されており、第1の感圧部材120の操作体125と、第2の感圧部材130の操作体135との間に操作部材112の腕部112bが配置される。ここで、基材111と2つの感圧部材120、130は、それぞれ、図2に示す、基材11と4つの感圧部材20〜50と同様の構成を備える。操作部材112において、腕部112bの側面112cは、2つの感圧部材120、130のそれぞれの操作体125、135に接触する接触領域を構成する。このような構成において、操作本体112aに外力が加わると、腕部112bは操作本体112aとともにZ方向に対して傾き、これにともなって操作体125、135が傾斜する。
図2に示すように、4つの感圧部材20、30、40、50は、平面視正方形の外形形状を有する支持台22、32、42、52をそれぞれ有し、その外縁部が接着によって基材11に固定されている。4つの感圧部材20、30、40、50は一定の間隔で、基材11の平面の中心11cに関して対称に配置されている。より具体的には、第1の感圧部材20と第2の感圧部材30、第2の感圧部材30と第3の感圧部材40、第3の感圧部材40と第4の感圧部材50、及び、第4の感圧部材50と第1の感圧部材20は、それぞれ、X方向及びY方向の両方において、距離Lをおいて互いに離間するように基材11上に配置されている。また、Y方向において、第1の感圧部材20と第3の感圧部材40は、距離2Lをおくように配置され、X方向において、第2の感圧部材30と第4の感圧部材50も距離2Lをおいて配置されている。
ここで、距離Lは用途、仕様などに応じて任意に設定できる。
図5と図6を参照して感圧部材の構成について説明する。図5は、第1の感圧部材20の構成を示す斜視図、図6は、第1の感圧部材20が備える歪み検知素子の回路図である。図7は、4つの感圧部材20、30、40、50の構成を示す平面図である。
ここで、4つの感圧部材20、30、40、50は互いに同一の構成を有するため、第1の感圧部材20のみについて説明し、ほかの感圧部材30、40、50の詳細な説明は省略する。
第1の感圧部材20は、合成樹脂で形成された支持台22を有している。この支持台22には、X方向に延びるプラスX変形部23a及びマイナスX変形部23bと、Y方向に延びるプラスY変形部24a及びマイナスY変形部24bとが一体に形成されている。支持台22の平面中心には、同心状に上向きに突出する操作体25が一体に設けられている。この操作体25は、プラスX変形部23a及びマイナスX変形部23bの中心であり、かつ、プラスY変形部24a及びマイナスY変形部24bの中心となる位置に配置されている。
指などによって操作部材12が操作されたときに、操作部材12の内面12bに接触した操作体25に対して、操作力に対応する荷重が加えられると、その操作方向と操作力に対応して、プラスX変形部23a、マイナスX変形部23b、プラスY変形部24a、及び、マイナスY変形部24bに撓みが発生する。
図5に示すように、支持台22には、プラスX変形部23aの上表面にプラスX歪みセンサ26aが取り付けられ、マイナスX変形部23bの上表面にマイナスX歪みセンサ26bが取り付けられている。また、プラスY変形部24aの上表面にプラスY歪みセンサ27aが、マイナスY変形部24bの上表面にマイナスY歪みセンサ27bが取り付けられている。これらの歪みセンサ26a、26b、27a、27bは、支持台22の平面中心に位置する操作体25に関して互いに対称に配置されている。
なお、歪みセンサ26a、26b、27a、27bは、変形部23a、23b、24a、24bの下表面にそれぞれ取り付けられていてもよい。
歪みセンサ26a、26b、27a、27bは、それぞれが設けられた変形部23a、23b、24a、24bで生じた歪みや撓みを検知する歪み検知素子であり、抵抗膜として形成される。図6に示すように、歪みセンサ26a、26b、27a、27bは互いに接続され、ブリッジ回路が構成される。
操作体25が、図5に示すθx方向もしくはθy方向、又は、これら以外の向きに倒れるように押圧されると、その押圧方向及び押圧する力に応じて、プラスX変形部23a、マイナスX変形部23b、プラスY変形部24a、及び、マイナスY変形部24bに撓みが発生し、それぞれの歪みセンサ26a、26b、27a、27bの抵抗値が変化する。また、操作体25が、下方向に押圧されたときも、押圧する力に応じて、変形部23a、23b、24a、24bに撓みが発生し、それぞれの歪みセンサ26a、26b、27a、27bの抵抗値が変化する。このような抵抗値の変化に応じて、図6に示すブリッジ回路からX操作出力及びY操作出力が得られる。
第1の感圧部材20の歪みセンサ26a、26b、27a、27bの抵抗値の変化に対応して得られる、X操作出力とY操作出力は、演算部61に与えられる。これと同様に、感圧部材30、40、50のそれぞれにおける歪みセンサの抵抗値の変化に対応する、X操作出力とY操作出力も、演算部61に与えられる。演算部61は、4つの感圧部材20、30、40、50から与えられた出力情報に基づいて、操作部材12へ加わった荷重の状況を検知する。
ここで、図7に示すように、第2の感圧部材30の支持台32には、第1の感圧部材20における、プラスX歪みセンサ26a、マイナスX歪みセンサ26b、プラスY歪みセンサ27a、及び、マイナスY歪みセンサ27bと同様に、プラスX歪みセンサ36a、マイナスX歪みセンサ36b、プラスY歪みセンサ37a、及び、マイナスY歪みセンサ37bが取り付けられている。これと同様に、第3の感圧部材40の支持台42には、プラスX歪みセンサ46a、マイナスX歪みセンサ46b、プラスY歪みセンサ47a、及び、マイナスY歪みセンサ47bが取り付けられ、第4の感圧部材50の支持台52には、プラスX歪みセンサ56a、マイナスX歪みセンサ56b、プラスY歪みセンサ57a、及び、マイナスY歪みセンサ57bが取り付けられている。
以上の構成の力覚センサ10では、例えば図8(A)〜(E)に示すような外力によって加えられた荷重の向き・大きさ・範囲・分布などの状況を検知することができる。ここで、図8(A)〜(E)は図1に対応する側面図であり、力覚センサ10に加えられた外力の方向を示す図であり、操作部材12の図示は省略している。図8(A)〜(E)に示すのは一部の例であり、これ以外の荷重、例えば、図8(A)〜(E)に示す外力が組み合わさった力による荷重の状況も検知することができる。また、図8(A)〜(E)についての以下の説明では、Z方向が鉛直方向に沿うように力覚センサ10を載置した場合を想定して述べるが、力覚センサ10の載置方向はこれに限定されない。
まず、図8(A)に示すように、操作部材12を上方向から下向きに押したときは、4つの感圧部材20、30、40、50のすべてに下向きの力D1が作用し、それぞれが有する歪みセンサにおいて抵抗値に変化が生じる。また、操作部材12を上方向と左方向から押しつぶそうとするような操作が行われると、前記力D1に加えて、水平方向の力としてX方向に沿った力D2が作用する。この場合には力D2によって、4つの感圧部材20、30、40、50のプラスX歪みセンサとマイナスX歪みセンサの抵抗値の変化が重畳される。
このようにして各歪みセンサに生じた抵抗値の変化に基づいて、演算部61は操作部材12へ加わった荷重の向き・大きさ・範囲・分布などの状況を検知することができる。
図8(B)では、左右両方向からの力として、X方向のプラス方向とマイナス方向に沿った2つの力D3、D4が示されている。このような外力が加わるようなケースとしては、操作部材12を左右方向からつまむような動作が想定される。このような力D3、D4が同時に加わるような操作が行われたとき、4つの感圧部材20、30、40、50のプラスX歪みセンサ及びマイナスX歪みセンサのすべてにおいて抵抗値に変化が生じ、各歪みセンサに生じた抵抗値変化に基づいて、演算部61は操作部材12へ加わった荷重の向き・大きさ・範囲・分布などの状況を検知することができる。
図8(C)では、左右両方向に沿った力として、X方向のマイナス方向とプラス方向に沿った2つの力D5、D6が示されている。このような外力が加わるようなケースとしては、操作部材12を左右方向に広げるような動作が想定される。このような力D5、D6が同時に加わるような操作が行われたとき、4つの感圧部材20、30、40、50のプラスX歪みセンサ及びマイナスX歪みセンサのすべてにおいて抵抗値に変化が生じ、各歪みセンサに生じた抵抗値変化に基づいて、演算部61は操作部材12へ加わった荷重の向き・大きさ・範囲・分布などの状況を検知することができる。
図8(D)では、X−Y面に平行な面内で回転する力D7が示されている。このような外力が加わるようなケースとしては、操作部材12を、鉛直軸を中心にひねるような動作が想定される。または、操作部材12に対して感圧部材20、30、40、50に順に押圧力が作用するような回転力が与えられる動作が想定される。このような力D7が加わるような操作が行われたとき、4つの感圧部材20、30、40、50のすべての歪みセンサにおいて順に抵抗値に変化が生じる。このようにして各歪みセンサに生じた抵抗値の変化に基づいて、演算部61は操作部材12へ加わった荷重の向き・大きさ・範囲・分布などの状況を検知することができる。
図8(E)では、互いに異なる方向の力D8、D9、D10が示されている。このような外力が加わるようなケースとしては、操作部材12に対して、ひねりながら押す動作や、複数の指で異なる動きを与える動作などが想定される。このような力D8〜D10が同時に加わるような操作が行われたとき、4つの感圧部材20、30、40、50のすべての歪みセンサにおいて抵抗値に変化が生じる。このようにして各歪みセンサに生じた抵抗値の変化に基づいて、演算部61は操作部材12へ加わった荷重の向き・大きさ・範囲・分布などの状況を検知することができる。
以上のように構成されたことから、上記実施形態によれば、操作部材12に加えられた荷重の向き・大きさ・範囲・分布などの状況を精度良く検知することができる。
また、基材11の平面中心11cに関して対称となるように4つの感圧部材20、30、40、50を配置し、それぞれの感圧部材において、その平面中心に関して対称となるように4つの歪み検知素子を設けている。このため、各感圧部材において、基材11の平面座標上の歪みの分布を算出できるため、これらに基づいて操作部材12に加わった荷重を精度良く演算することが可能となる。
4つの感圧部材20、30、40、50を覆うように、操作部材12を基材11に装着しているため、操作部材12に対する操作によって加わる荷重を4つの感圧部材で検知できるようになることから、複雑に加えられた荷重の状況を検知することができる。
操作部材12が弾性を有することにより、操作者にリアルな感触を与えつつ、加えられた荷重の状況を精度良く検知することができる。
以下に変形例について説明する。
図9と図10は、変形例における4つの感圧部材の構成を示す平面図である。上記実施形態では、各感圧部材において、X方向とY方向に1対ずつの歪みセンサを配置していたが、一方の方向のみに一対の歪みセンサを配置して、他方の方向の歪みセンサを省略してもよい。例えば、図9に示すように、基材11の平面中心11cを囲むように、それぞれの感圧部材に一対の歪みセンサを配置してもよい。また、図10に示すように、基材11の平面中心11cに向かう方向に沿って、それぞれの感圧部材に一対の歪みセンサを配置してもよい。このような構成により、少ない点数の歪みセンサで、操作部材12に加えられた荷重の状況を検知することができる。
図11は、別の変形例における第1の感圧部材が備える歪み検知素子の回路図である。上記実施形態では、図6に示すブリッジ回路からX操作出力とY操作出力を得ていたが、これに加えてZ操作出力を得るようにすることもでき、これにより、Z方向に沿った荷重を含めて、より詳細な状況を検知することが可能となる。
図11に示す例では、図6と同様に4つの歪みセンサ26a、26b、27a、27bが互いに接続され、ブリッジ回路が構成されており、このブリッジ回路全体として合成抵抗29が構成される。この合成抵抗29とVcc電源の間には、2つの状態S1、S2のいずれか一方に切り替えるための切り替えスイッチSWが設けられる。切り替えスイッチSWが状態S1であるときは、Vcc電源と合成抵抗29は直接接続され、切り替えによって状態S2になったときは、Vcc電源と合成抵抗29は固定抵抗28を介して接続される。切り替えスイッチSWと固定抵抗28は基材11上に設けられ、固定抵抗28と合成抵抗29との間からZ操作出力が得られる。切り替えスイッチSWは制御部62によって制御され、一定時間ごとに2つの状態S1、S2が切り替えられる。または、操作者の操作によって切り替えても良い。
この変形例においては、例えば操作体25がZ方向に沿って押し下げられた場合、4つの歪みセンサ26a、26b、27a、27bが同じように伸び(または縮む)ため、合成抵抗29が大きくなる。したがって、状態S2においては、固定抵抗28と合成抵抗29の間から取り出されるZ操作出力に変化が生じ、この出力情報に基づいて、演算部61において、操作部材12へ加わったZ方向の状況が検知される。一方、状態S1にしている期間ではX操作出力とY操作出力が得られる。2つの状態S1、S2を順次切り替えて、Z操作出力と、X操作出力及びY操作出力とを得ることにより、操作部材12に加えられた荷重の状況を3次元で捉えることが可能となる。
実際の測定では、2つの状態S1、S2が所定周期で繰り返され、状態S1が設定されているときに、演算部61でX操作出力とY出力を監視され、状態S2が設定されているときに、演算部61でZ操作出力が監視される。
または使用用途に応じて、状態S1で固定したまま使用してもよいし、状態S2で固定したまま使用してもよい。
本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。
以上のように、本発明に係る力覚センサは、操作部材に加えられた荷重の向き・大きさ・範囲・分布などの状況を検知できる点で有用である。
10 力覚センサ
11 基材
11c 平面中心
12 操作部材
12b 内面(接触領域)
20 第1の感圧部材
22、32、42、52 支持台
23a プラスX変形部
23b マイナスX変形部
24a プラスY変形部
24b マイナスY変形部
25、35、45、55 操作体
26a、36a、46a、56a プラスX歪みセンサ
26b、36b、46b、56b マイナスX歪みセンサ
27a、37a、47a、57a プラスY歪みセンサ
27b、37b、47b、57b マイナスY歪みセンサ
30 第2の感圧部材
40 第3の感圧部材
50 第4の感圧部材
61 演算部
62 制御部
63 表示装置
111 基材
112 操作部材
112a 操作本体
112b 腕部
112c 側面
120 第1の感圧部材
125、135 操作体
130 第2の感圧部材

Claims (7)

  1. 基材と、
    前記基材上において互いに所定の間隔をおいて固定されており、加わった荷重に応じて所定の出力を行う複数の感圧部材と、
    前記複数の感圧部材に接触する接触領域を有する操作部材とを備え、
    前記操作部材に対する操作に応じて前記複数の感圧部材に前記荷重が加えられることを特徴とする力覚センサ。
  2. 前記複数の感圧部材からの出力情報に基づいて前記操作部材へ加わった荷重の状況を検知する演算部を備える請求項1に記載の力覚センサ。
  3. 前記複数の感圧部材は、それぞれ、複数の歪み検知素子を備える請求項2に記載の力覚センサ。
  4. 前記複数の感圧部材のそれぞれにおいて、前記複数の歪み検知素子は、前記感圧部材の平面中心に関して対称に配置されている請求項3に記載の力覚センサ。
  5. 前記複数の感圧部材は、前記基材の平面中心に関して対称となるように4つ配置され、それぞれの感圧部材は、その平面中心に関して対称となるように配置された4つの前記歪み検知素子を備える請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の力覚センサ。
  6. 前記操作部材は前記複数の感圧部材を覆うように前記基材に装着される請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の力覚センサ。
  7. 前記操作部材は弾性を有する請求項6に記載の力覚センサ。
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