JP2022177203A - 触覚センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】３次元情報が得られる触覚センサを提供する。【解決手段】曲面を有する支持部材と、前記支持部材上に配置されたセンサ本体と、前記センサ本体を被覆し、物体に接すると前記物体から受けた力を前記センサ本体に伝達する緩衝部材と、を備え、前記センサ本体は、絶縁層と、前記絶縁層の一方の面に直接、金属、合金、又は、金属の化合物から形成された第１機能層と、前記絶縁層の他方の面に直接、金属、合金、又は、金属の化合物から形成された第２機能層と、前記第１機能層の一方の面に直接形成され、長手方向を第１方向に向けて並置された複数の第１抵抗部と、前記第２機能層の他方の面に直接形成され、長手方向を前記第１方向と交差する第２方向に向けて並置された複数の第２抵抗部と、各々の前記第１抵抗部及び各々の前記第２抵抗部の両端部に設けられた１対の電極と、を有する。【選択図】図２
Description
本発明は、触覚センサに関する。
近年、ロボットハンド等に用いる触覚センサの研究開発が行われており、様々な方式の触覚センサが知られている。
例えば、プリント基板の端面からみて、プリント基板の一方の面に、所定方向（Ｘ軸方向）に所定ピッチで金属箔が形成され、他方の面に金属箔が全面に貼着されたプリント基板を、その厚さ方向（Ｙ軸方向）に絶縁材を挟んで複数積層した触覚センサが挙げられる。
この触覚センサでは、積層されたプリント基板の端面に導電性シートを被着している。そして、導電性シートの一部を加圧すると、加圧された部分のＸ軸に位置する金属箔部分とＹ軸に位置する金属箔部分とが導電性シートを介して導通することにより、加圧部分の位置を電気的に検出できる（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、上記の触覚センサでは、ＸＹ方向の２次元情報は得られるものの、Ｚ方向も含めた３次元情報を得ることはできなかった。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、３次元情報が得られる触覚センサを提供することを目的とする。
本触覚センサは、曲面を有する支持部材と、前記支持部材上に配置されたセンサ本体と、前記センサ本体を被覆し、物体に接すると前記物体から受けた力を前記センサ本体に伝達する緩衝部材と、を備え、前記センサ本体は、絶縁層と、前記絶縁層の一方の面に直接、金属、合金、又は、金属の化合物から形成された第１機能層と、前記絶縁層の他方の面に直接、金属、合金、又は、金属の化合物から形成された第２機能層と、前記第１機能層の一方の面に直接形成され、長手方向を第１方向に向けて並置された複数の第１抵抗部と、前記第２機能層の他方の面に直接形成され、長手方向を前記第１方向と交差する第２方向に向けて並置された複数の第２抵抗部と、各々の前記第１抵抗部及び各々の前記第２抵抗部の両端部に設けられた１対の電極と、を有し、前記第１抵抗部及び前記第２抵抗部は、Ｃｒ、ＣｒＮ、及びＣｒ２Ｎを含む膜から形成され、前記第１抵抗部及び前記第２抵抗部は、α－Ｃｒを主成分とし、前記第１機能層及び前記第２機能層は、前記α－Ｃｒの結晶成長を促進させ、前記α－Ｃｒを主成分とする膜を成膜する機能を有し、前記物体から受けた力が前記センサ本体に伝達され、前記第１抵抗部及び／又は前記第２抵抗部が押圧されると、押圧された前記第１抵抗部及び／又は前記第２抵抗部の前記１対の電極間の抵抗値が押圧力の大きさに応じて連続的に変化する。
開示の技術によれば、３次元情報が得られる触覚センサを提供できる。
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
〈第１の実施の形態〉
図１は、第１の実施の形態に係る触覚センサを例示する斜視図である。図２は、第１の実施の形態に係る触覚センサを例示する分解斜視図である。図１及び図２を参照するに、触覚センサ５は、センサ本体１と、支持部材２と、緩衝部材３とを有している。
図１は、第１の実施の形態に係る触覚センサを例示する斜視図である。図２は、第１の実施の形態に係る触覚センサを例示する分解斜視図である。図１及び図２を参照するに、触覚センサ５は、センサ本体１と、支持部材２と、緩衝部材３とを有している。
触覚センサ５において、センサ本体１は、支持部材２上に配置され、緩衝部材３により被覆されている。つまり、センサ本体１は、支持部材２と緩衝部材３に挟持されている。センサ本体１については後述する。
支持部材２は、金属や樹脂等から形成された、曲面を有する部材である。支持部材２の形状は、曲面を有する部材であれば特に限定されないが、例えば半球状とすることができる。支持部材２を人間の指先に近い形状（曲面部や偏平部を有する形状）としてもよい。
緩衝部材３は、センサ本体１を被覆して機械的に保護すると共に、物体に接すると物体から受けた力をセンサ本体１に伝達する部材である。緩衝部材３は、弾性体から形成することが好ましく、具体的な材料としては、例えば、シリコーンゴム等のゴムや、ポリウレタン等の高分子材料が挙げられる。なお、弾性体とは、力を加えるとひずみが生じるが、力を除去すれば元の形状に戻る物体を指す。
図３は、第１の実施の形態に係る触覚センサのセンサ本体を例示する平面図であり、支持部材２に貼り付ける前の状態を示している。図４は、第１の実施の形態に係る触覚センサのセンサ本体を例示する断面図であり、図３のＡ－Ａ線に沿う断面を示している。
図３及び図４を参照するに、センサ本体１は、基材１０と、抵抗体３０（複数の抵抗部３１及び３２）と、複数の端子部４１及び４２とを有している。図３では、便宜上、センサ本体１の平面形状を略正方形としているが、センサ本体１は支持部材２に貼り付けやすいような平面形状に適宜加工することができる。
なお、本実施の形態では、便宜上、センサ本体１において、基材１０の抵抗部３１が設けられている側を上側又は一方の側、抵抗部３２が設けられている側を下側又は他方の側とする。又、各部位の抵抗部３１が設けられている側の面を一方の面又は上面、抵抗部３２が設けられている側の面を他方の面又は下面とする。但し、センサ本体１は天地逆の状態で用いることができ、又は任意の角度で配置することができる。又、平面視とは対象物を基材１０の上面１０ａの法線方向から視ることを指し、平面形状とは対象物を基材１０の上面１０ａの法線方向から視た形状を指すものとする。
基材１０は、抵抗体３０等を形成するためのベース層となる絶縁性の部材であり、可撓性を有する。基材１０の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、５μｍ～５００μｍ程度とすることができる。特に、基材１０の厚さが５μｍ～２００μｍであると、抵抗部３１及び３２のひずみ感度誤差を少なくすることができる点で好ましい。
基材１０は、例えば、ＰＩ（ポリイミド）樹脂、エポキシ樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）樹脂、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）樹脂、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂、ポリオレフィン樹脂等の絶縁樹脂フィルムから形成することができる。なお、フィルムとは、厚さが５００μｍ以下程度であり、可撓性を有する部材を指す。
ここで、『絶縁樹脂フィルムから形成する』とは、基材１０が絶縁樹脂フィルム中にフィラーや不純物等を含有することを妨げるものではない。基材１０は、例えば、シリカやアルミナ等のフィラーを含有する絶縁樹脂フィルムから形成しても構わない。
但し、基材１０が可撓性を有する必要がない場合には、基材１０に、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２（ＹＳＺも含む）、Ｓｉ、Ｓｉ２Ｎ３、Ａｌ２Ｏ３（サファイヤも含む）、ＺｎＯ、ペロブスカイト系セラミックス（ＣａＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３）等の材料を用いても構わない。
抵抗体３０は、基材１０上に形成されており、押圧力に応じて連続的に抵抗値が変化する受感部である。抵抗体３０は、基材１０の上面１０ａ及び下面１０ｂに直接形成されてもよいし、基材１０の上面１０ａ及び下面１０ｂに他の層を介して形成されてもよい。
抵抗体３０は、基材１０を介して積層された複数の抵抗部３１及び３２を含んでいる。すなわち、抵抗体３０は、複数の抵抗部３１及び３２の総称であり、抵抗部３１及び３２を特に区別する必要がない場合には抵抗体３０と称する。なお、図３では、便宜上、抵抗部３１及び３２を梨地模様で示している。
複数の抵抗部３１は、基材１０の上面１０ａに、長手方向をＸ方向に向けて所定間隔でＹ方向に並置された薄膜である。複数の抵抗部３２は、基材１０の下面１０ｂに、長手方向をＹ方向に向けて所定間隔でＸ方向に並置された薄膜である。但し、複数の抵抗部３１と複数の抵抗部３２とは平面視で直交している必要はなく、交差していればよい。
抵抗体３０は、例えば、Ｃｒ（クロム）を含む材料、Ｎｉ（ニッケル）を含む材料、又はＣｒとＮｉの両方を含む材料から形成することができる。すなわち、抵抗体３０は、ＣｒとＮｉの少なくとも一方を含む材料から形成することができる。Ｃｒを含む材料としては、例えば、Ｃｒ混相膜が挙げられる。Ｎｉを含む材料としては、例えば、Ｃｕ－Ｎｉ（銅ニッケル）が挙げられる。ＣｒとＮｉの両方を含む材料としては、例えば、Ｎｉ－Ｃｒ（ニッケルクロム）が挙げられる。
ここで、Ｃｒ混相膜とは、Ｃｒ、ＣｒＮ、Ｃｒ２Ｎ等が混相した膜である。Ｃｒ混相膜は、酸化クロム等の不可避不純物を含んでもよい。
抵抗体３０の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、０．０５μｍ～２μｍ程度とすることができる。特に、抵抗体３０の厚さが０．１μｍ以上であると、抵抗体３０を構成する結晶の結晶性（例えば、α－Ｃｒの結晶性）が向上する点で好ましい。又、抵抗体３０の厚さが１μｍ以下であると、抵抗体３０を構成する膜の内部応力に起因する膜のクラックや基材１０からの反りを低減できる点で更に好ましい。
抵抗体３０の幅は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、０．１μｍ～１０００μｍ程度とすることができる。隣接する抵抗体３０のピッチは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、１ｍｍ～１００ｍｍ程度とすることができる。なお、図３及び図４では、抵抗部３１を１０本、抵抗部３２を１０本図示しているが、抵抗部３１及び３２は、実際には数１００～数１０００本程度設けられる。
例えば、抵抗体３０がＣｒ混相膜である場合、安定な結晶相であるα－Ｃｒ（アルファクロム）を主成分とすることで、抵抗体３０の温度係数の安定化や、押圧力に対する抵抗体３０の感度の向上を実現できる。ここで、主成分とは、対象物質が抵抗体を構成する全物質の５０質量％以上を占めることを意味するが、抵抗体３０の温度係数の安定化や、押圧力に対する抵抗体３０の感度の向上を実現する観点から、抵抗体３０はα－Ｃｒを８０重量％以上含むことが好ましい。なお、α－Ｃｒは、ｂｃｃ構造（体心立方格子構造）のＣｒである。
端子部４１は、基材１０の上面１０ａにおいて、各々の抵抗部３１の両端部から延在しており、平面視において、抵抗部３１よりも拡幅して略矩形状に形成されている。端子部４１は、押圧力により生じる抵抗部３１の抵抗値の変化を外部に出力するための１対の電極であり、例えば、外部接続用のフレキシブル基板やリード線等が接合される。端子部４１の上面を、端子部４１よりもはんだ付け性が良好な金属で被覆してもよい。なお、抵抗部３１と端子部４１とは便宜上別符号としているが、両者は同一工程において同一材料により一体に形成することができる。
端子部４２は、基材１０の下面１０ｂにおいて、各々の抵抗部３２の両端部から延在しており、平面視において、抵抗部３２よりも拡幅して略矩形状に形成されている。端子部４２は、押圧力により生じる抵抗部３２の抵抗値の変化を外部に出力するための１対の電極であり、例えば、外部接続用のフレキシブル基板やリード線等が接合される。端子部４２の上面を、端子部４２よりもはんだ付け性が良好な金属で被覆してもよい。なお、抵抗部３２と端子部４２とは便宜上別符号としているが、両者は同一工程において同一材料により一体に形成することができる。
なお、基材１０を貫通する貫通配線（スルーホール）を設け、端子部４１及び４２を基材１０の上面１０ａ側又は下面１０ｂ側に集約してもよい。
抵抗部３１を被覆し端子部４１を露出するように基材１０の上面１０ａにカバー層（絶縁樹脂層）を設けても構わない。又、抵抗部３２を被覆し端子部４２を露出するように基材１０の下面１０ｂにカバー層（絶縁樹脂層）を設けても構わない。カバー層を設けることで、抵抗部３１及び３２に機械的な損傷等が生じることを防止できる。又、カバー層を設けることで、抵抗部３１及び３２を湿気等から保護することができる。なお、カバー層は、端子部４１及び４２を除く部分の全体を覆うように設けてもよい。
カバー層は、例えば、ＰＩ樹脂、エポキシ樹脂、ＰＥＥＫ樹脂、ＰＥＮ樹脂、ＰＥＴ樹脂、ＰＰＳ樹脂、複合樹脂（例えば、シリコーン樹脂、ポリオレフィン樹脂）等の絶縁樹脂から形成することができる。カバー層は、フィラーや顔料を含有しても構わない。カバー層の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、２μｍ～３０μｍ程度とすることができる。
センサ本体１を製造するためには、まず、基材１０を準備し、基材１０の上面１０ａに図３に示す平面形状の抵抗部３１及び端子部４１を形成する。抵抗部３１及び端子部４１の材料や厚さは、前述の通りである。抵抗部３１と端子部４１とは、同一材料により一体に形成することができる。
抵抗部３１及び端子部４１は、例えば、抵抗部３１及び端子部４１を形成可能な原料をターゲットとしたマグネトロンスパッタ法により成膜し、フォトリソグラフィによってパターニングすることで形成できる。抵抗部３１及び端子部４１は、マグネトロンスパッタ法に代えて、反応性スパッタ法や蒸着法、アークイオンプレーティング法、パルスレーザー堆積法等を用いて成膜してもよい。
抵抗部３１の温度係数の安定化や、押圧力に対する抵抗部３１の感度の向上を実現する観点から、抵抗部３１及び端子部４１を成膜する前に、下地層として膜厚が１ｎｍ～１００ｎｍ程度の機能層を真空成膜することが好ましい。機能層は、例えば、コンベンショナルスパッタ法により成膜できる。なお、機能層は、機能層の上面全体に抵抗部３１及び端子部４１を形成後、フォトリソグラフィによって抵抗部３１及び端子部４１と共に図３に示す平面形状にパターニングされる。
本願において、機能層とは、少なくとも上層である抵抗部の結晶成長を促進する機能を有する層を指す。機能層は、更に、基材１０に含まれる酸素や水分による抵抗部の酸化を防止する機能や、基材１０と抵抗部との密着性を向上する機能を備えていることが好ましい。機能層は、更に、他の機能を備えていてもよい。
基材１０を構成する絶縁樹脂フィルムは酸素や水分を含むため、特に抵抗部がＣｒを含む場合、Ｃｒは自己酸化膜を形成するため、機能層が抵抗部の酸化を防止する機能を備えることは有効である。
機能層の材料は、少なくとも上層である抵抗部の結晶成長を促進する機能を有する材料であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、Ｃｒ（クロム）、Ｔｉ（チタン）、Ｖ（バナジウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｙ（イットリウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｃ（炭素）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｃｕ（銅）、Ｂｉ（ビスマス）、Ｆｅ（鉄）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｒｅ（レニウム）、Ｏｓ（オスミウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）、Ｃｏ（コバルト）、Ｍｎ（マンガン）、Ａｌ（アルミニウム）からなる群から選択される１種又は複数種の金属、この群の何れかの金属の合金、又は、この群の何れかの金属の化合物が挙げられる。
上記の合金としては、例えば、ＦｅＣｒ、ＴｉＡｌ、ＦｅＮｉ、ＮｉＣｒ、ＣｒＣｕ等が挙げられる。又、上記の化合物としては、例えば、ＴｉＮ、ＴａＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＯ２等が挙げられる。
機能層は、例えば、機能層を形成可能な原料をターゲットとし、チャンバ内にＡｒ（アルゴン）ガスを導入したコンベンショナルスパッタ法により真空成膜することができる。コンベンショナルスパッタ法を用いることにより、基材１０の上面１０ａをＡｒでエッチングしながら機能層が成膜されるため、機能層の成膜量を最小限にして密着性改善効果を得ることができる。
但し、これは、機能層の成膜方法の一例であり、他の方法により機能層を成膜してもよい。例えば、機能層の成膜の前にＡｒ等を用いたプラズマ処理等により基材１０の上面１０ａを活性化することで密着性改善効果を獲得し、その後マグネトロンスパッタ法により機能層を真空成膜する方法を用いてもよい。
機能層の材料と抵抗部３１及び端子部４１の材料との組み合わせは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できる。例えば、機能層としてＴｉを用い、抵抗部３１及び端子部４１としてα－Ｃｒ（アルファクロム）を主成分とするＣｒ混相膜を成膜することが可能である。
この場合、例えば、Ｃｒ混相膜を形成可能な原料をターゲットとし、チャンバ内にＡｒガスを導入したマグネトロンスパッタ法により、抵抗部３１及び端子部４１を成膜することができる。或いは、純Ｃｒをターゲットとし、チャンバ内にＡｒガスと共に適量の窒素ガスを導入し、反応性スパッタ法により、抵抗部３１及び端子部４１を成膜してもよい。
これらの方法では、Ｔｉからなる機能層がきっかけでＣｒ混相膜の成長面が規定され、安定な結晶構造であるα－Ｃｒを主成分とするＣｒ混相膜を成膜できる。又、機能層を構成するＴｉがＣｒ混相膜中に拡散することにより、抵抗部３１の温度係数の安定化や、押圧力に対する抵抗部３１の感度の向上を実現できる。なお、機能層がＴｉから形成されている場合、Ｃｒ混相膜にＴｉやＴｉＮ（窒化チタン）が含まれる場合がある。
なお、抵抗部３１がＣｒ混相膜である場合、Ｔｉからなる機能層は、抵抗部３１の結晶成長を促進する機能、基材１０に含まれる酸素や水分による抵抗部３１の酸化を防止する機能、及び基材１０と抵抗部３１との密着性を向上する機能の全てを備えている。機能層として、Ｔｉに代えてＴａ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｆｅを用いた場合も同様である。
このように、抵抗部３１の下層に機能層を設けることにより、抵抗部３１の結晶成長を促進することが可能となり、安定な結晶相からなる抵抗部３１を作製できる。その結果、センサ本体１において、抵抗部３１の温度係数の安定化や、押圧力に対する抵抗部３１の感度の向上を実現することができる。又、機能層を構成する材料が抵抗部３１に拡散することにより、センサ本体１において、抵抗部３１の温度係数の安定化や、押圧力に対する抵抗部３１の感度の向上を実現することができる。
次に、基材１０の下面１０ｂに図３に示す平面形状の抵抗部３２及び端子部４２を形成する。抵抗部３２及び端子部４２は、抵抗部３１及び端子部４１と同様の方法で形成することができる。抵抗部３２及び端子部４２を成膜する前に、下地層として、基材１０の下面１０ｂに機能層を成膜することが好ましい点も同様である。
抵抗部３１及び端子部４１並びに抵抗部３２及び端子部４２を形成後、必要に応じ、基材１０の上面１０ａに抵抗部３１を被覆し端子部４１を露出するカバー層を、基材１０の下面１０ｂに抵抗部３２を被覆し端子部４２を露出するカバー層を設けてもよい。これにより、センサ本体１が完成する。
カバー層は、例えば、基材１０の上面１０ａに抵抗部３１を被覆し端子部４１を露出するように半硬化状態の熱硬化性の絶縁樹脂フィルムをラミネートし、加熱して硬化させて作製することができる。又、カバー層は、例えば、基材１０の下面１０ｂに抵抗部３２を被覆し端子部４２を露出するように半硬化状態の熱硬化性の絶縁樹脂フィルムをラミネートし、加熱して硬化させて作製することができる。カバー層は、絶縁樹脂フィルムのラミネートに代えて、液状又はペースト状の熱硬化性の絶縁樹脂を塗布し、加熱して硬化させて作製してもよい。
図５に示すように、触覚センサ５及び制御装置７により触覚センサモジュール８を実現できる。触覚センサモジュール８において、触覚センサ５は、例えば、ロボットハンドの指先に取り付けられ、制御装置７によりロボットが物体を把持した際の物体との接触個所や把持力等を検出することができる。複数の触覚センサ５をロボットハンドの複数の指先に取り付けてもよい。例えば、ロボットハンドの２本の指先の各々に触覚センサ５を取り付け、ロボットハンドの２本の指先で物体を把持した際に、各々の触覚センサ５の出力に基づいて、制御装置７によりロボットが対象物を把持した際の物体との接触位置や把持力等を検出できる。
触覚センサモジュール８において、触覚センサ５におけるセンサ本体１の各々の端子部４１及び４２は、例えば、フレキシブル基板やリード線等を用いて、制御装置７に接続されている。
制御装置７は、センサ本体１の端子部４１及び４２を介して得られた情報に基づいて、触覚センサ５のセンサ本体１が押圧された位置の座標や押圧力の大きさを検出することができる。例えば、センサ本体１の抵抗部３１はＸ座標の検出に用いることができ、抵抗部３２はＹ座標の検出に用いることができる。
図６に示すように、制御装置７は、例えば、アナログフロントエンド部７１と、信号処理部７２とを含む構成とすることができる。
アナログフロントエンド部７１は、例えば、入力信号選択スイッチ、ブリッジ回路、増幅器、アナログ／デジタル変換回路（Ａ／Ｄ変換回路）等を備えている。アナログフロントエンド部７１は、温度補償回路を備えていてもよい。
アナログフロントエンド部７１では、例えば、センサ本体１の全ての端子部４１及び４２が入力信号選択スイッチに接続され、入力信号選択スイッチにより１対の電極が選択される。入力信号選択スイッチで選択された１対の電極は、ブリッジ回路に接続される。
すなわち、ブリッジ回路の１辺が入力信号選択スイッチで選択された１対の電極間の抵抗部で構成され、他の３辺が固定抵抗で構成される。これにより、ブリッジ回路の出力として、入力信号選択スイッチで選択された１対の電極間の抵抗部の抵抗値に対応した電圧（アナログ信号）を得ることができる。なお、入力信号選択スイッチは、信号処理部７２から制御可能に構成されている。
ブリッジ回路から出力された電圧は、増幅器で増幅された後、Ａ／Ｄ変換回路によりデジタル信号に変換され、信号処理部７２に送られる。アナログフロントエンド部７１が温度補償回路を備えている場合には、温度補償されたデジタル信号が信号処理部７２に送られる。入力信号選択スイッチを高速で切り替えることで、センサ本体１の全ての端子部４１及び４２の抵抗値に対応するデジタル信号を極短時間で信号処理部７２に送ることができる。
信号処理部７２は、アナログフロントエンド部７１から送られた情報に基づいて、センサ本体１が押圧された位置の座標や押圧力の大きさを検出することができる。
又、複数の抵抗部３１の抵抗値や複数の抵抗部３２の抵抗値が変化した場合には、センサ本体１が複数位置で押圧されたことを検出できる。
なお、押圧力の大きさが小さい場合等には、抵抗部３１及び抵抗部３２のうち、押圧される側に近い方の抵抗部のみが押圧され、押圧される側から遠い方の抵抗部は押圧されない場合がある。この場合には、押圧される側に近い方の抵抗部の１対の電極間の抵抗値のみが押圧力の大きさに応じて連続的に変化するが、この場合も、信号処理部７２は、押圧される側に近い方の抵抗部の抵抗値の変化の大小に基づいて、押圧力の大きさを検出することができる。
つまり、抵抗部３１及び／又は抵抗部３２が押圧されると、押圧された抵抗部（抵抗部３１及び／又は抵抗部３２）の１対の電極間の抵抗値が押圧力の大きさに応じて連続的に変化する。そして、信号処理部７２は、抵抗部３１と抵抗部３２の一方が押圧されたか両方が押圧されたかにかかわらず、押圧された抵抗部の抵抗値の変化の大小に基づいて、押圧力の大きさを検出することができる。
信号処理部７２は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、メインメモリ等を含む構成とすることができる。
この場合、信号処理部７２の各種機能は、ＲＯＭ等に記録されたプログラムがメインメモリに読み出されてＣＰＵにより実行されることによって実現できる。但し、信号処理部７２の一部又は全部は、ハードウェアのみにより実現されてもよい。又、信号処理部７２は、物理的に複数の装置等により構成されてもよい。
図７は、触覚センサが物体に触れたときにセンサ本体に伝達される力を模式的に示す図である。図７（ａ）は斜視図であり、図７（ｂ）はセンサ本体が力を検出する様子を平面図で模式的に示したものである。
図７（ａ）に示すように、触覚センサ５が物体３００に触れると、緩衝部材３が変形してセンサ本体１に力が伝達される。緩衝部材３が変形することで、図７（ｂ）のＢ部に示すように、センサ本体１において、力を点データではなく面データとして検出できる。これにより、指先のどの位置で、どの程度の力で物体を把持しているかを検出できる。なお、Ｂ部では、中心に近いほど力が大きく、周辺に行くに従って力が小さくなる様子を、異なる梨地模様で模式的に示している。
又、ロボットハンドの複数の指先の各々に触覚センサ５を取り付け、ロボットハンドの複数の指先で物体を把持した場合、各々の触覚センサ５の出力に基づいて、ロボットが把持した物体の重心を検出できる。
このように、触覚センサ５において、緩衝部材３が物体に接すると、緩衝部材３が変形して物体から受けた力をセンサ本体１に伝達し、抵抗部３１及び３２が押圧される。センサ本体１の抵抗部３１及び３２が押圧されると、押圧された抵抗部３１及び３２が押圧力に応じて撓み、押圧された抵抗部３１及び３２の１対の電極間の抵抗値が押圧力の大きさに応じて連続的に変化する。すなわち、触覚センサ５では、３次元情報（押圧された位置の座標と、押圧力の大きさ）を得ることができる。
触覚センサモジュール８において、センサ本体１で得られた３次元情報は制御装置７に送られ、制御装置７はセンサ本体１で得られた３次元情報に基づいて、センサ本体１が押圧された位置の座標と共に、押圧力の大きさを検出することができる。
特に、抵抗部３１及び３２がＣｒ混相膜から形成されている場合は、抵抗部３１及び３２がＣｕ－ＮｉやＮｉ－Ｃｒから形成されている場合と比べ、力に対する抵抗値の感度（同一の押圧力に対する抵抗部３１及び３２の抵抗値の変化量）が大幅に向上する。抵抗部３１及び３２がＣｒ混相膜から形成されている場合、力に対する抵抗値の感度は、抵抗部３１及び３２がＣｕ－ＮｉやＮｉ－Ｃｒから形成されている場合と比べ、おおよそ５～１０倍程度となる。そのため、抵抗部３１及び３２をＣｒ混相膜から形成することで、押圧された位置の座標の検出精度を向上できると共に、力を高感度で検出できる。
又、力に対する抵抗値の感度が高いことで、力が小であることを検出した場合には所定の動作を行い、力が中であることを検出した場合には他の動作を行い、力が大であることを検出した場合には更に他の動作を行うような制御の実現が可能となる。或いは、力が小又は中であることを検出した場合には動作を行わず、力が大であることを検出した場合にのみ所定の動作を行うような制御の実現が可能となる。
又、力に対する抵抗値の感度が高いと、Ｓ／Ｎの高い信号を得ることができる。そのため、アナログフロントエンド部７１のＡ／Ｄ変換回路において平均化を行う回数を低減しても精度よく信号検出ができる。Ａ／Ｄ変換回路において平均化を行う回数を低減することで、１回のＡ／Ｄ変換に必要な時間を短縮できるため、入力信号選択スイッチを更に高速で切り替えることが可能となる。その結果、触覚センサ５に入力される速い動きも検出することができる。
〈第１の実施の形態の変形例１〉
第１の実施の形態の変形例１では、センサ本体の抵抗部をジグザグパターンにする例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例１において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
第１の実施の形態の変形例１では、センサ本体の抵抗部をジグザグパターンにする例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例１において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
図８は、第１の実施の形態の変形例１に係るセンサ本体を例示する平面図であり、図３に対応する平面を示している。図８を参照するに、センサ本体１Ａは、抵抗体３０が抵抗体３０Ａに置換された点が、センサ本体１（図３及び図４参照）と相違する。
抵抗体３０Ａは、抵抗部３１Ａ及び３２Ａを含んでいる。抵抗部３１Ａは、１対の端子部４１の間に形成されたジグザグのパターンである。又、抵抗部３２Ａは、１対の端子部４２の間に形成されたジグザグのパターンである。抵抗部３１Ａ及び３２Ａの材料や厚さは、例えば、抵抗部３１及び３２の材料や厚さと同様とすることができる。
このように、抵抗部３１Ａ及び３２Ａをジグザグパターンにすることで、直線状のパターンにした場合と比べて、１対の端子部４１間の抵抗値及び１対の端子部４２間の抵抗値を高くできる。その結果、押圧された際の１対の端子部４１間の抵抗値の変化量及び１対の端子部４２間の抵抗値の変化量が大きくなるため、押圧された位置の座標の検出精度を更に向上できると共に、力を更に高感度で検出できる。
又、１対の端子部４１間の抵抗値及び１対の端子部４２間の抵抗値を高くできるため、センサ本体１Ａを低消費電力化することが可能である。
以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。
例えば、センサ本体１では、絶縁層である基材１０の上面１０ａに抵抗部３１を設け、下面１０ｂに抵抗部３２を設ける例を示したが、絶縁層の一方の側に抵抗部３２を設け、他方の側に抵抗部３２を設ける構造であれば、これには限定されない。例えば、基材１０の上面１０ａに抵抗部３１を設け、基材１０の上面１０ａに抵抗部３１を被覆する絶縁層を設け、絶縁層上に抵抗部３２を設けてもよい。又、抵抗部３１を設けた第１基材と、抵抗部３２を設けた第２基材を作製し、抵抗部３１と抵抗部３２を内側に向けて、絶縁層を挟んで抵抗部３１を設けた第１基材と抵抗部３２を設けた第２基材を貼り合わせてもよい。又、抵抗部３１を設けた第１基材と、抵抗部３２を設けた第２基材を作製し、抵抗部３１を設けた第１基材と抵抗部３２を設けた第２基材を同一方向に積層してもよい。センサ本体１Ａについても同様である。
１、１Ａ センサ本体、２ 支持部材、３ 緩衝部材、５ 触覚センサ、７ 制御装置、８ 触覚センサモジュール、１０ 基材、１０ａ 基材の上面、１０ｂ 基材の下面、３０、３０Ａ 抵抗体、３１、３１Ａ、３２、３２Ａ 抵抗部、４１、４２ 端子部、７１ アナログフロントエンド部、７２ 信号処理部
Claims (3)
- 曲面を有する支持部材と、
前記支持部材上に配置されたセンサ本体と、
前記センサ本体を被覆し、物体に接すると前記物体から受けた力を前記センサ本体に伝達する緩衝部材と、を備え、
前記センサ本体は、
絶縁層と、
前記絶縁層の一方の面に直接、金属、合金、又は、金属の化合物から形成された第１機能層と、
前記絶縁層の他方の面に直接、金属、合金、又は、金属の化合物から形成された第２機能層と、
前記第１機能層の一方の面に直接形成され、長手方向を第１方向に向けて並置された複数の第１抵抗部と、
前記第２機能層の他方の面に直接形成され、長手方向を前記第１方向と交差する第２方向に向けて並置された複数の第２抵抗部と、
各々の前記第１抵抗部及び各々の前記第２抵抗部の両端部に設けられた１対の電極と、を有し、
前記第１抵抗部及び前記第２抵抗部は、Ｃｒ、ＣｒＮ、及びＣｒ２Ｎを含む膜から形成され、
前記第１抵抗部及び前記第２抵抗部は、α－Ｃｒを主成分とし、
前記第１機能層及び前記第２機能層は、前記α－Ｃｒの結晶成長を促進させ、前記α－Ｃｒを主成分とする膜を成膜する機能を有し、
前記物体から受けた力が前記センサ本体に伝達され、前記第１抵抗部及び／又は前記第２抵抗部が押圧されると、押圧された前記第１抵抗部及び／又は前記第２抵抗部の前記１対の電極間の抵抗値が押圧力の大きさに応じて連続的に変化する触覚センサ。 - 前記第１抵抗部の抵抗値の変化及び前記第２抵抗部の抵抗値の変化に基づいて、前記第１方向及び前記第２方向の位置検出が可能である請求項１に記載の触覚センサ。
- 各々の前記第１抵抗部及び各々の前記第２抵抗部は、前記１対の電極の間に形成されたジグザグのパターンであり、任意の１の前記第１抵抗部は任意の１の前記第２抵抗部と１点のみで交差する請求項１又は２に記載の触覚センサ。
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