JP2022181869A - 感圧センサ、ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】静的感度を有する感圧センサを提供すること。【解決手段】感圧センサは、超音波を送信または受信する第１超音波デバイスを有する第１基板と、超音波を送信または受信する第２超音波デバイスを有する第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に配置される中間層と、備え、前記第１基板は、前記中間層の第１面に接して配置され、前記第２基板は、前記中間層の第２面に接して配置され、前記第１超音波デバイスは、前記中間層を挟んで前記第２超音波デバイスの少なくとも一部と対向するように配置される。【選択図】図２

Description

本発明は、感圧センサ、及び、当該感圧センサを備えたロボットに関する。

従来、圧電素子に加わる圧力を電気信号として検出する感圧センサが知られている。
例えば、特許文献１には、感圧素子として圧電素子を用い、当該圧電素子における表裏面の少なくとも片面に弾性体層を設けた圧電センサが開示されている。

特開２０２０－５３５４９号公報

しかしながら、特許文献１の圧電素子を構成する圧電体は電荷応答型であるため、電荷が漏洩してしまい、直流成分のピーク値を維持し続けることが困難であった。このため、圧電素子を感圧素子として用いる感圧センサでは、一定圧力が印加され続けている状態を検出することが困難であるという課題があった。つまり、静的感度を有する感圧センサが求められていた。

本願に係る感圧センサは、超音波を送信または受信する第１超音波デバイスを有する第１基板と、超音波を送信または受信する第２超音波デバイスを有する第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に配置される中間層と、備え、前記第１基板は、前記中間層の第１面に接して配置され、前記第２基板は、前記中間層の第２面に接して配置され、前記第１超音波デバイスは、前記中間層を挟んで前記第２超音波デバイスの少なくとも一部と対向するように配置される。

本願に係るロボットは、上記の感圧センサと、アームと、前記アームと連結するエンドエフェクターと、を備え、前記感圧センサは、前記エンドエフェクターに取り付けられる。

実施形態１に係る感圧センサの平面図。 感圧センサの断面図。 圧力印加時における感圧センサの態様を示す断面図。 実施形態２に係る感圧センサの平面図。 感圧センサの断面図。 せん断力印加時における感圧センサの断面態様図。 実施形態３に係る感圧センサの平面図。 実施形態４に係る感圧センサの平面図。 実施形態５に係る感圧センサの断面図。 距離測定モード、圧力測定モードの切替え方法の流れを示すフローチャート図。 実施形態６に係る超音波デバイスの平面図。 実施形態７に係るロボットの外観図。

実施形態１
＊＊＊感圧センサの基本構成＊＊＊
図１は、実施形態１の感圧センサの平面図である。図２は、感圧センサの断面図である。本実施形態の感圧センサ１００は、超音波を送受信する超音波デバイスを用いた感圧センサであり、静的感度を備えている。

まず、感圧センサ１００の基本構成について、図１、図２を用いて説明する。
図１に示すように、感圧センサ１００は、平面的には略正方形をなしており、第１基板１０の表面が感圧面となる。第１基板１０の外形は、略正方形であり、中心に同心矩形の開口部１５を有している。開口部１５には、振動膜１３が露出している。振動膜１３の背面には、第１超音波デバイス３０が設けられている。
なお、以下、ＸＹ座標軸に示すように、第１基板１０の一辺に沿った方向をＸ軸プラス方向とし、当該一辺と交差する方向をＹ軸プラス方向として説明する。また、Ｘ軸Ｙ軸を含む面から垂直な方向をＺプラス方向とし、Ｚプラス方向を上方、Ｚマイナス方向を下方ともいう。Ｚプラス側の面を表面、Ｚマイナス側の面を裏面ともいう。

図２に示すように、感圧センサ１００は、第１基板１０と、第２基板２０との間に、中間層５を挟持した構成となっている。
第１基板１０は、好適例ではシリコン基板を用いる。なお、シリコン基板に限定するものではなく、外部からの圧力に耐え得る剛性を備えたリジッド基板であれば良い。
第１基板１０の裏面には、振動膜１３が設けられている。振動膜１３は、第１基板１０上に積層される第１層１１と、第１層１１上に積層される第２層１２とからなる２層構成となっている。好適例において、第１層１１は酸化シリコン（ＳｉＯ₂）層とし、第２層１２は酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）層としている。振動膜１３の膜厚は、送受信する超音波の共振周波数に基づいて設定することが好ましい。なお、この構成に限定するものではなく、超音波で共振可能な硬質材料であれば良い。

第１基板１０の開口部１５に設けられた振動膜１３の上には、第１超音波デバイス３０が設けられている。換言すれば、第１基板１０は、第１超音波デバイス３０を有する。
第１超音波デバイス３０は、第１電極１６、圧電体１７、第２電極１８などから構成されている。
振動膜１３の上に設けられる第１電極１６は、圧電体１７の駆動電極であり、導電性材料から構成される。導電性材料としては、例えば、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、ステンレス鋼等の金属材料、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）等の酸化スズ系導電材料、酸化亜鉛系導電材料、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ₃）、ニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ₃）、元素ドープチタン酸ストロンチウム等の酸化物導電材料や、導電性ポリマー等を用いることができる。

圧電体１７は、好適例では、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）による圧電体層を用いる。なお、これに限定するものではなく、同等の変位量を有する圧電材料を用いても良い。圧電体１７の上に設けられる第２電極１８は、圧電体１７の駆動電極であり、第１電極１６と同様の導電性材料から構成される。

第２基板２０、振動膜２３、及び、第２超音波デバイス４０は、第１基板１０、振動膜１３、第１超音波デバイス３０を上下反転させた構成である。詳しくは、第２基板２０上に、振動膜２３と第２超音波デバイス４０とが、この順番に積層される。第２基板２０は第１基板１０と同じ材料から構成され、その外形は、第１基板１０と同様に略正方形であり、中心に同心矩形の開口部２５を有している。換言すれば、第２基板２０は、第２超音波デバイス４０を有する。なお、第１基板１０、第２基板２０における開口部は必須ではなく、開口部がない構成であっても良い。各デバイスが基板に裏打ちされる構成であっても、超音波の送受信は可能である。

振動膜２３は、振動膜１３と同様、第１層２１と第２層２２とからなる２層構成であり、第１層２１は第１層１１に、第２層２２は第２層１２にそれぞれ対応しており、両者は同じ材料から構成される。
第２超音波デバイス４０は、第１超音波デバイス３０と同様、圧電体２７を第１電極２６と第２電極２８とで挟持する構成であり、圧電体２７は圧電体１７に、第１電極２６は第１電極１６に、第２電極２８は第２電極１８にそれぞれ対応しており、両者は同じ材料から構成される。

＊＊＊中間層の構成＊＊＊
中間層５は、弾性体であり、好適例ではシリコーン樹脂の一種であるＰＤＭＳ（Polydimethylsiloxane）を用いる。中間層５は、高弾性であることが好ましいため、例えば、弾性率が２．７ＭＰａのＰＤＭＳを用いる。なお、これに限定するものではなく、高弾性の材料であれば良く、例えば、シリコーン樹脂、天然ゴム、イソプレンゴム、ブチルゴム、アクリルゴム、ウレタンゴム、ウレアゴム、フッ素ゴム、ニトリルゴム、エラストマーなどを用いても良い。また、弾性率は、０．１ＭＰａ以上１０ＭＰａ以上の範囲内で、印加される圧力に応じて適宜設定することが好ましい。

図２に示すように、中間層５における第１基板１０側の面を第１面６としたときに、第１基板１０は、中間層５の第１面６に接して配置される。なお、図２では、解り易くするために第１超音波デバイス３０を厚く図示しているが、実際の当該デバイスの厚さは数μｍ～数十μｍであるため、第１基板１０面との段差は僅かである。
同様に、中間層５における第２基板２０側の面を第２面７としたときに、第２基板２０は、中間層５の第２面７に接して配置される。
そして、第１超音波デバイス３０は、中間層５を挟んで、第２超音波デバイス４０と対向して配置される。なお、全てが対向していなくても良く、平面的に両デバイスの一部が重なっていれば良い。平面的とは、Ｚプラス方向から第１超音波デバイス３０を透過観察することを指し、平面視ともいう。換言すれば、第１超音波デバイス３０は、中間層５を挟んで第２超音波デバイス４０の少なくとも一部と対向するように配置される。

＊＊＊超音波デバイスによる送受信態様＊＊＊
第１超音波デバイス３０は、超音波を送受信可能に構成されている。
まず、超音波を送信する際には、第１超音波デバイス３０に駆動信号として超音波域周波数のパルス信号が供給される。駆動信号は、不図示の配線を介して第１電極１６、第２電極１８から圧電体１７に印加される。ここで、第１基板１０の開口部１５から露出した振動膜１３は、周囲の第１基板１０に固定された部分を支点にして、厚み方向に振動可能に構成されているため、駆動信号により駆動された第１超音波デバイス３０の振動に応じて超音波振動する。

次いで、超音波を受信する際には、駆動信号は必要なく、第１電極１６、第２電極１８に接続する配線（図示せず）から出力される検出信号を検出する。詳しくは、第１超音波デバイス３０に超音波が入射すると、当該超音波により第１超音波デバイス３０を含む開口部１５の振動膜１３が振動する。この超音波振動により圧電体１７で圧電効果が生じ、振動の大きさに応じた検出信号が第１電極１６、第２電極１８を介して出力される。なお、駆動信号の供給、および、検出信号の受信は、例えば、ロボットのコントローラーなど、感圧センサ１００が取付けられた装置の制御部（図示せず）で制御される。

好適例として感圧センサ１００では、第１超音波デバイス３０を送信器、第２超音波デバイス４０を受信器としている。なお、これに限定するものではなく、第２超音波デバイス４０も、超音波を送受信可能に構成されているため、第２超音波デバイス４０を送信器とし、第１超音波デバイス３０を受信器としても良い。
感圧センサ１００により圧力検出を行う際には、第１超音波デバイス３０から発せられた超音波が中間層５を伝搬して、第２超音波デバイス４０に到達するまでの時間であるＴＯＦ（Time of flight）を計測する。ＴＯＦは、第１超音波デバイス３０と第２超音波デバイス４０との間の距離に応じて変化する。詳しくは、両デバイス間の距離が長ければＴＯＦは大きく（長く）なり、距離が短ければＴＯＦは小さく（短く）なる。なお、押圧がない初期状態における両超音波デバイス間の距離は、図２に示すように、第１の距離７０となっている。

＊＊＊圧力の検出方法＊＊＊
図３は、圧力印加時における感圧センサの態様を示す断面図であり、図２に対応している。図３は、感圧センサ１００が所定の装置の台座６０に取付けられた状態を図示しており、第２基板２０が台座６０に固定された状態で、第１基板１０上の対象物６１から押圧されている状態を示している。

対象物６１は、第１基板１０に密着した状態で矢印で示すＺマイナス方向の押圧力８０を感圧センサ１００に加えている。押圧力８０により、弾性体からなる中間層５が圧縮されて、第１超音波デバイス３０と第２超音波デバイス４０との間は、第１の距離７０よりも短い第２の距離７１となる。
よって、印加された押圧力に応じてＴＯＦが小さくなるため、計測したＴＯＦを用いて演算することにより、押圧力を求めることができる。詳しくは、中間層５の弾性率における押圧力と変形量との相関関係、及び、当該変形量とＴＯＦとの相関関係に基づく演算を行う。または、これらのパラメータを予めデータテーブル化しておき、当該テーブルから計測したＴＯＦに対応する押圧力を引き当てることでも良い。

以上述べた通り、本実施形態の感圧センサ１００によれば、以下の効果を得ることができる。
感圧センサ１００は、超音波を送信または受信する第１超音波デバイス３０を有する第１基板１０と、超音波を送信または受信する第２超音波デバイス４０を有する第２基板２０と、第１基板１０と第２基板２０との間に配置される中間層５と、を備え、第１基板１０は、中間層５の第１面６に接して配置され、第２基板２０は、中間層５の第２面７に接して配置され、第１超音波デバイス３０は、中間層５を挟んで第２超音波デバイス４０の少なくとも一部と対向するように配置される。

これによれば、第１超音波デバイス３０から超音波を送信した場合、超音波は中間層５を伝搬して、第２超音波デバイス４０で受信される。この際、中間層５の厚さは、第１基板１０に加わる外部からの押圧力に応じて変化するため、ＴＯＦを計測することにより、圧力を検出することができる。つまり、感圧センサ１００によれば、超音波の到達時間を計測する方法を採用することにより、一定圧力が印加され続けている状態の検出が困難であった従来の感圧センサと異なり、当該状態における圧力を検出することができる。
従って、静的感度を有する感圧センサ１００を提供することができる。

実施形態２
＊＊＊感圧センサの異なる態様－１＊＊＊
図４は、本実施形態に係る感圧センサの平面図であり、図１に対応している。図５は、感圧センサの断面図であり、図２に対応している。

実施形態１では、第１基板１０、第２基板２０共に１つずつの超音波デバイスを備える構成であったが、複数の超音波デバイスを備える構成であっても良い。
図４に示すように、本実施形態の感圧センサ１１０では、第１基板１０には第１超音波デバイス３１を１つ設け、第２基板２０には第２超音波デバイス４１と第３超音波デバイス４２の２つを設ける構成としている。以下、実施形態１と同じ構成部位には、同一の付番を付し、重複する説明は省略する。

第１基板１０に設けられる第１超音波デバイス３１は、基本的に実施形態１の第１超音波デバイス３０と同じ構成であるが、平面的に第１超音波デバイス３０よりも一回り小さく図示している。
第２基板２０には、第２超音波デバイス４１と、第３超音波デバイス４２とが離間して配置される。詳しくは、両デバイス間の間隙部分に重なり、かつ、両デバイスの一部に重なるように、第１超音波デバイス３１が配置されている。また、第２超音波デバイス４１と、第３超音波デバイス４２は、基本的に実施形態１の第２超音波デバイス４０と同じ構成であるが、平面的に第２超音波デバイス４０よりも小さく図示している。

図５に示すように、断面的には、第１超音波デバイス３１を頂点とする二等辺三角形において、底辺の２つの頂点に第２超音波デバイス４１と第３超音波デバイス４２とが位置する配置となっている。押圧がない初期状態では、Ｘ軸の延在方向において、第１超音波デバイス３１と第２超音波デバイス４１とは、寸法７５の重なりを持っている。同様に、第１超音波デバイス３１と第３超音波デバイス４２との間でも、寸法７５の重なりがある。換言すれば、第１超音波デバイス３１は、中間層５を挟んで、第２超音波デバイス４１の少なくとも一部と対向し、かつ、第３超音波デバイス４２の少なくとも一部と対向するように配置されている。

初期状態において、第１超音波デバイス３１と第２超音波デバイス４１との間の距離は距離７７ａであり、第１超音波デバイス３１と第３超音波デバイス４２との間の距離７８ａと同じとなっている。
また、第２基板２０には、第２超音波デバイス４１に対応する開口部２４と、第３超音波デバイス４２に対応する開口部２９とが設けられている。これらの構成以外は、実施形態１の感圧センサ１００と同様である。

＊＊＊せん断力の検出方法＊＊＊
図６は、せん断力印加時における感圧センサの態様を示す断面図であり、図３に対応している。図６は、感圧センサ１１０が所定の装置の台座６０に取付けられた状態を図示しており、第２基板２０が台座６０に固定された状態で、第１基板１０上の対象物６１から押圧されている状態を示している。

対象物６１は、第１基板１０に密着した状態で矢印で示す押圧力８１を感圧センサ１１０に加えている。押圧力８１は、ベクトル８１ｖに示すように、第１基板１０をＺマイナス方向に押付ける力と、第１基板１０をＸプラス方向（右方向）に動かす力との合力となっている。なお、押付け力の割合は僅かであり、第１基板１０を右方向に動かす力が主体である。この押圧力８１は、感圧センサ１１０においてはせん断力となる。詳しくは、第２基板２０を固定した状態で、第１基板１０を右に動かす力となる。

この押圧力８１により、中間層５が圧縮及び変形して、第１超音波デバイス３１と第２超音波デバイス４１との間の距離は、初期の距離７７ａよりも長い距離７７ｂとなる。よって、ＴＯＦは大きく（長く）なる。他方、第１超音波デバイス３１と第３超音波デバイス４２との間の距離は、初期の距離７８ａよりも短い距離７８ｂとなり、ＴＯＦは小さく（短く）なる。このように、ＴＯＦはせん断力とも相関性があることが解る。なお、受信感度もＴＯＦと相関関係があるため、パラメータに加えても良い。詳しくは、ＴＯＦが大きくなると、受信信号強度は小さくなる。他方、ＴＯＦが小さくなると、受信信号強度は大きくなる。
また、平面的には、第１超音波デバイス３１と第２超音波デバイス４１との重なりはなくなり、第１超音波デバイス３１と第３超音波デバイス４２との重なりは、初期の寸法７５よりも長い寸法７６の重なりとなっている。

よって、実施形態１で説明した圧力検出方法と同様に、計測したＴＯＦを用いて演算することにより、押圧力に加えて、Ｘ軸に沿った方向におけるせん断力も求めることができる。または、これらのパラメータを予めデータテーブル化しておき、当該テーブルから計測したＴＯＦに対応する押圧力、及びせん断力を引き当てることでも良い。

以上述べた通り、本実施形態の感圧センサ１１０によれば、実施形態１での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
感圧センサ１１０によれば、第２基板２０は、第２超音波デバイス４１と離間して配置された第３超音波デバイス４２をさらに有し、第１超音波デバイス３１は、中間層５を挟んで、第２超音波デバイス４１の少なくとも一部と対向し、かつ、第３超音波デバイス４２の少なくとも一部と対向するように配置される。

これによれば、第１超音波デバイス３１と第２超音波デバイス４１との間でのＴＯＦ計測、及び、第１超音波デバイス３１と第３超音波デバイス４２との間でのＴＯＦ計測から演算することにより、圧力に加えて、せん断力も検出することができる。
従って、静的感度を有し、せん断力も検出可能な感圧センサ１１０を提供することができる。

実施形態３
＊＊＊感圧センサの異なる態様－２＊＊＊
図７は、本実施形態に係る感圧センサの平面図であり、図４に対応している。

図７に示すように、本実施形態の感圧センサ１２０では、第２基板２０において、Ｘ軸の延在方向に配置された第２超音波デバイス４１、第３超音波デバイス４２に加えて、Ｙ軸の延在方向にも第４超音波デバイス４３、第５超音波デバイス４４を設けた点が、実施形態２の感圧センサ１１０と異なる。その他は、感圧センサ１１０と同様である。
以下、上記実施形態と同じ構成部位には、同一の付番を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態の感圧センサ１２０では、第２超音波デバイス４１と第３超音波デバイス４２とが離間する方向である第１方向としてのＸ軸の延在方向と交差する第２方向としてのＹ軸の延在方向に、第４超音波デバイス４３と第５超音波デバイス４４とを離間して配置している。詳しくは、図７に示すように、略正方形の第１超音波デバイス３１の４辺に対応して、第２超音波デバイス４１、第３超音波デバイス４２、第４超音波デバイス４３、第５超音波デバイス４４が配置されている。そして、第１超音波デバイス３１は、平面的に４つのデバイスの中央で、かつ、各デバイスの一部に重なるように配置されている。換言すれば、第１超音波デバイス３１は、中間層５を挟んで、第２超音波デバイス４１の少なくとも一部と対向し、第３超音波デバイス４２の少なくとも一部と対向し、第４超音波デバイス４３の少なくとも一部と対向し、第５超音波デバイス４４の少なくとも一部と対向するように配置される。

また、第４超音波デバイス４３、第５超音波デバイス４４は、第２超音波デバイス４１と同じ構成のデバイスである。よって、図７のＹ軸に沿ったｃ－ｃ断面の形状は、図５の断面形状と同じとなる。

以上述べた通り、本実施形態の感圧センサ１２０によれば、上記実施形態での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
感圧センサ１２０において、第２基板２０は、第４超音波デバイス４３、及び、第４超音波デバイス４３と離間して配置された第５超音波デバイス４４をさらに有し、第２超音波デバイス４１と第３超音波デバイス４２との離間方向をＸ軸の延在方向としたときに、第４超音波デバイス４３と第５超音波デバイス４４とは、Ｘ軸の延在方向と交差するＹ軸の延在方向に離間して配置され、第１超音波デバイス３１は、中間層５を挟んで、第２超音波デバイス４１の少なくとも一部と対向し、第３超音波デバイス４２の少なくとも一部と対向し、第４超音波デバイス４３の少なくとも一部と対向し、第５超音波デバイス４４の少なくとも一部と対向するように配置される。

これによれば、Ｘ軸の延在方向における圧力、せん断力検出に加えて、Ｙ軸の延在方向における圧力、せん断力も検出することができる。換言すれば、全方向における圧力、せん断力を検出できる。よって、力覚センサとして用いることができる。
従って、静的感度を有し、力覚センサとして利用可能な感圧センサ１２０を提供することができる。

実施形態４
＊＊＊感圧センサの異なる態様－３＊＊＊
図８は、本実施形態に係る感圧センサの平面図であり、図２に対応している。

図８に示す、本実施形態の感圧センサ１３０では、中間層５５が弾性体からなる第１部分５１と、液体または気体からなる第２部分５２とから構成される点が、実施形態１の感圧センサ１００と異なる。その他は、感圧センサ１００と同様である。以下、上記実施形態と同じ構成部位には、同一の付番を付し、重複する説明は省略する。

図８に示すように、中間層５５は、第１部分５１と、第２部分５２とから構成されている。第１部分５１は、実施形態１の中間層５と同様の弾性体から構成されており、平面的には額縁状をなしており、中央の第１超音波デバイス３０、第２超音波デバイス４０を含む領域が第２部分５２となっている。
第１超音波デバイス３０と第２超音波デバイス４０との対向部分を含む第２部分５２には、液体または気体が充填される。換言すれば、両デバイス間の超音波の送受信経路は、液体中または気体中となる。つまり、第１超音波デバイス３０は、第２部分５２を挟んで第２超音波デバイス４０の少なくとも一部と対向するように配置される。

第２部分５２を液体で構成する場合、好適な液体としては水、シリコンオイル、水ガラスなどを用いる。液体は、非圧縮性のため第１超音波デバイス３０と第２超音波デバイス４０との間の距離が縮まり難く、高圧力が印加されるような用途に好適である。また、液体の選択に際しては、液体中の音速も考慮することが望ましい。ちなみに、水中における音速は約１４９７ｍ／ｓであり、シリコンオイル中での音速は約１０００ｍ／ｓ、水ガラスでの音速は約２３５０ｍ／ｓである。

第２部分５２を気体で構成する場合、好適な気体としては空気、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、窒素などを用いる。気体は、一般的な弾性体より音速が低いため、第１超音波デバイス３０と第２超音波デバイス４０との間の距離が共通であれば、弾性体よりも気体の方がＴＯＦが長くなる。また、気体の選択に際しては、気体中の音速も考慮することが望ましい。ちなみに、空気中における音速は約３４５ｍ／ｓであり、アルゴン中での音速は約３１９ｍ／ｓ、ヘリウム中での音速は約８６６ｍ／ｓ、二酸化炭素中での音速は約２６２ｍ／ｓ、窒素中での音速は約３６２ｍ／ｓである。

なお、図８では、実施形態１の感圧センサ１００に適用した事例で説明したが、第２部分に液体または気体を用いる構成は、実施形態２の感圧センサ１１０、実施形態３の感圧センサ１２０にも適用しても良い。この場合、第１超音波デバイス３１と向い合う複数の超音波デバイスとの対向部分を含む部分を第２部分として、液体または気体を充填すれば良い。この構成であっても、感圧センサ１３０と同様の作用効果を得ることができる。

以上述べた通り、本実施形態の感圧センサ１３０によれば、上記実施形態での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
感圧センサ１３０によれば、中間層５５は、弾性体からなる第１部分５１と、液体または気体からなる第２部分５２とから構成され、第１超音波デバイス３０は、第２部分５２を挟んで第２超音波デバイス４０の少なくとも一部と対向するように配置される。

これによれば、第２部分５２を液体で構成した場合、液体は非圧縮性のため第１超音波デバイス３０と第２超音波デバイス４０との間の距離が縮まり難く、高圧力が印加されるような用途に好適である。よって、高圧力の測定に適した感圧センサ１３０を提供することができる。
また、第２部分５２を気体で構成した場合、気体は一般的な弾性体より音速が低いため、第１超音波デバイス３０と第２超音波デバイス４０との間の距離が共通であれば、弾性体よりも気体の方がＴＯＦが長く取れる。よって、駆動信号のクロック周波数を下げても弾性体を用いた際と同等の精度が担保できるため、検出回路の消費電力を抑制することができる。

実施形態５
＊＊＊感圧センサの拡張用途＊＊＊
図９は、本実施形態に係る感圧センサの断面図であり、図２、図３に対応している。図１０は、距離測定モード、圧力測定モードの切替え方法の流れを示すフローチャート図である。

前述したように、上記超音波デバイスは、超音波の送信、及び、受信が可能に設けられている。この機能を対象物との距離測定にも活用することができる。
図９の感圧センサ１００は、実施形態１の感圧センサ１００と同一であるが、第１超音波デバイス３０を距離センサとしても用いる点が実施形態１と異なる。その他は、実施形態１での説明と同様である。以下、上記実施形態と同じ構成部位には、同一の付番を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態では、感圧センサ１００を距離センサとして用いる距離測定モードと、圧力を測定する圧力測定モードとを切替えることにより、対象物との距離に応じて適切な検出が可能なモード切替え方法を採用している。詳しくは、距離測定モードで対象物との距離を測定し、対象物が近接して圧力検出が必要となったら圧力測定モードに切替える。
以下、図１０を中心に、適宜、図９を交えて説明する。なお、初期状態において、図９に示すように、対象物６１は、感圧センサ１００から離れた位置にあり、徐々に感圧センサ１００に近づいて来るものとする。

ステップＳ１１では、図９に示すように、第１超音波デバイス３０は、対象物６１に向かって超音波を送信し、対象物６１から反射してくる超音波を受信する。この際、送信から受信までのＴＯＦを計測することにより、対象物６１までの距離を測定できる。つまり、第１超音波デバイス３０は、中間層５とは反対の方向に超音波を送信し、対象物６１で反射された超音波を受信して、対象物６１との距離を計測する。換言すれば、第１超音波デバイス３０は、距離センサとして機能する。

ステップＳ１２では、測定した距離が、所定の距離以内であるか否か判定する。所定の距離は、例えば、数ミリ程度であり、対象物が第１基板１０に近接したことを判定する指標となる。所定の距離以内である場合は、ステップＳ１３に進む。所定の距離に達していない場合は、ステップＳ１１に戻り、対象物６１との距離を測定する。

ステップＳ１３では、圧力測定モードに切替えて、感圧測定を行う。詳しくは、第１超音波デバイス３０は、第２超音波デバイス４０に向かって超音波を送信し、第２超音波デバイス４０は超音波を受信するまでのＴＯＦを計測する。換言すれば、第１超音波デバイス３０、第２超音波デバイス４０は、圧力センサとして機能する。

ステップＳ１４では、計測したＴＯＦから押圧力を導出する。なお、押圧力の導出方法は、実施形態１での説明と同様である。

なお、図９では、実施形態１の感圧センサ１００に適用した事例で説明したが、第１超音波デバイスを距離センサとして用いることは、実施形態２の感圧センサ１１０、実施形態３の感圧センサ１２０にも適用しても良い。この場合、第１超音波デバイス３１を距離センサとして用いる。この構成であっても、本実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

以上述べた通り、本実施形態の感圧センサ１００、及び、モード切替え方法によれば、上記実施形態での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
感圧センサ１００によれば、第１超音波デバイス３０は、中間層５とは反対の方向に超音波を送信し、対象物６１で反射された超音波を受信して、対象物６１との距離を計測する。

これによれば、第１超音波デバイス３０を距離センサとして用いることにより、対象物６１との距離が解るので、近接したら圧力センサに切替えて、圧力検出を行うことができる。従って、距離測定モードと、圧力測定モードとを切替え可能な感圧センサ１００、及び、モード切替え方法を提供することができる。この方法によれば、例えば、ロボットのエンドフェクターに感圧センサ１００を用いた場合、対象物や障害物に触れる直前に検知することができるため、作業時における障害物との衝突回避や、ロボットの高速動作に寄与することができる。

実施形態６
＊＊＊感圧センサの異なる構成＊＊＊
図１１は、本実施形態に係る超音波デバイスの平面図であり、図１に対応している。詳しくは、図１１は、図１の第１超音波デバイス３０に対応している。

上記では、各超音波デバイスは、１つの圧電体を用いるものとして説明したが、アレイ状の複数の超音波素子からなる超音波素子群を超音波デバイスとして用いても良い。
図１１の第１超音波デバイス３５は、アレイ状に配置された複数の超音波素子３３から構成されている点が、図１の第１超音波デバイス３０と異なる。その他は、実施形態１での説明と同様であり、第１超音波デバイス３５は、図１の第１超音波デバイス３０と置換え可能である。以下、上記実施形態と同じ構成部位には、同一の付番を付し、重複する説明は省略する。

第１超音波デバイス３５は、Ｘプラス方向に４列、Ｙプラス方向に４行で配列された超音波素子３３から構成されている。つまり、第１超音波デバイス３５は、アレイ状に配置された１６個の超音波素子３３からなる超音波素子群として構成される。
超音波素子３３は、図１の第１超音波デバイス３０を小型化した物であり、各々が第１電極と第２電極との間に挟持された圧電体や、開口部を備えている。また、振動膜は、全ての超音波素子３３に共通で設けられている。つまり、それぞれの超音波素子３３が、超音波を送信または受信可能に設けられている。

また、Ｙ軸の延在方向には、４つの超音波素子３３の第１電極を電気的に接続する第１配線３８が、列ごとに設けられている。Ｘ軸の延在方向には、４つの超音波素子３３の第２電極を電気的に接続する第２配線３７が、行ごとに設けられている。これにより、第１超音波デバイス３５は、電気的に共通の駆動信号で超音波の送信が可能で、受信時には検出信号を送信することができる。なお、この配線態様に限定するものではなく、超音波素子３３ごとにスイッチング素子を設けて、超音波素子３３を個別にアクティブ駆動しても良い。

なお、図１１では、実施形態１の感圧センサ１００に適用した事例で説明したが、他の超音波デバイスにおいても同様に、複数の超音波素子３３からなる超音波素子群を超音波デバイスとして用いても良い。詳しくは、第１超音波デバイス３１、第２超音波デバイス４０，４１、第３超音波デバイス４２、第４超音波デバイス４３、第５超音波デバイス４４に適用しても良い。これらの構成であっても、本実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

以上述べた通り、本実施形態の感圧センサの第１超音波デバイス３５によれば、上記実施形態での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
第１超音波デバイス３５は、アレイ状の複数の超音波素子３３からなる超音波素子群であり、超音波素子３３は、超音波を送信または受信可能に設けられる。
この構成であっても、上記各実施形態の感圧センサ１００と同様の作用効果を得ることができる。

実施形態７
＊＊＊感圧センサを備えたロボット＊＊＊
図１２は、本実施形態に係るロボットの外観図である。

図１２に示すロボット５００は、６軸の垂直多関節ロボットであり、精密機器や、これを構成する部品（対象物）の給材、除材、搬送および組立等の作業を行うことができる。

ロボット５００は、基台１９０、基台１９０に接続されたロボットアーム２００、ロボットアーム２００の先端部に設けられたハンド４００などから構成される。また、ロボット５００は、ロボットアーム２００を駆動させる動力を発生させる複数の駆動源を有している。基台１９０は、ロボット５００を任意の設置箇所に取り付けるベース部分である。なお、基台１９０の設置箇所は、特に限定されず、例えば、床、壁、天井、移動可能な台車上などが挙げられる。

ロボットアーム２００は、第１アーム２１０、第２アーム２２０、第３アーム２３０、第４アーム２４０、第５アーム２５０、第６アーム２６０などから構成されており、これらが基台１９０側から先端側に向って、この順に連結されている。第１アーム２１０は、基台１９０に接続されている。また、図示しないが、第１アーム２１０と第２アーム２２０との接合部には関節部が設けられている。関節部には、モーターや、減速機が組込まれている。他のアーム間にも、同様に関節部が設けられている。そして、各駆動源は、図示しない制御装置により制御される。

そして、第６アーム２６０の先端には、例えば、各種部品等を把持するハンド４００が取り付けられている。ハンド４００は、エンドエフェクターであり、２本の指４１０，４１１を備えている。ハンド４００は、２本の指４１０，４１１により、例えば、対象物としての各種部品等を把持可能に設けられている。
ここで、指４１０の根元には、上記の感圧センサ１２０が取付けられている。もう１本の指４１１根元にも、感圧センサ１２０が取付けられている。前述したように、感圧センサ１２０は力覚センサとしての機能を備えているため、作業時における各種部品等の対象物からの圧力を精密に検出することができる。なお、指に取付けることに限定するものではなく、感圧センサ１２０は、エンドエフェクターに取付けられていれば良く、例えば、ハンド４００の手首部分に取付けられることであっても良い。よって、正確な作業を行うことが可能となり、リワークが減少し作業効率を向上させることができる。従って、作業効率が高く、正確な作業を行うことが可能なロボット５００を提供することができる。

また、感圧センサ１２０に変えて、感圧センサ１００，１１０を用いても良い。この構成であっても、上記と同様の作用効果を得ることができる。

５…中間層、６…第１面、７…第２面、１０…第１基板、１１…第１層、１２…第２層、１３…振動膜、１５…開口部、１６…第１電極、１７…圧電体、１８…第２電極、２０…第２基板、２１…第１層、２２…第２層、２３…振動膜、２４…開口部、２６…第１電極、２７…圧電体、２８…第２電極、２９…開口部、３０，３１…第１超音波デバイス、３３…超音波素子、３５…第１超音波デバイス、３７…第２配線、３８…第１配線、４０，４１…第２超音波デバイス、４２…第３超音波デバイス、４３…第４超音波デバイス、４４…第５超音波デバイス、５１…第１部分、５２…第２部分、５５…中間層、６０…台座、６１…対象物、１００，１１０，１２０，１３０…感圧センサ、１９０…基台、２００…ロボットアーム、４００…ハンド、４１０…指、４１１…指、５００…ロボット。

Claims (8)

1. 超音波を送信または受信する第１超音波デバイスを有する第１基板と、
   超音波を送信または受信する第２超音波デバイスを有する第２基板と、
   前記第１基板と前記第２基板との間に配置される中間層と、備え、
   前記第１基板は、前記中間層の第１面に接して配置され、
   前記第２基板は、前記中間層の第２面に接して配置され、
   前記第１超音波デバイスは、前記中間層を挟んで前記第２超音波デバイスの少なくとも一部と対向するように配置される、
   感圧センサ。
2. 前記第２基板は、前記第２超音波デバイスと離間して配置された第３超音波デバイスをさらに有し、
   前記第１超音波デバイスは、前記中間層を挟んで、前記第２超音波デバイスの少なくとも一部と対向し、かつ、前記第３超音波デバイスの少なくとも一部と対向するように配置される、
   請求項１に記載の感圧センサ。
3. 前記第２基板は、第４超音波デバイス、及び、前記第４超音波デバイスと離間して配置された第５超音波デバイスをさらに有し、
   前記第２超音波デバイスと第３超音波デバイスとの離間方向を第１方向としたときに、
   前記第４超音波デバイスと第５超音波デバイスとは、前記第１方向と交差する第２方向に離間して配置され、
   前記第１超音波デバイスは、前記中間層を挟んで、前記第２超音波デバイスの少なくとも一部と対向し、前記第３超音波デバイスの少なくとも一部と対向し、前記第４超音波デバイスの少なくとも一部と対向し、前記第５超音波デバイスの少なくとも一部と対向するように配置される、
   請求項２に記載の感圧センサ。
4. 前記中間層は、弾性体である、
   請求項１～３のいずれか一項に記載の感圧センサ。
5. 前記中間層は、弾性体からなる第１部分と、液体または気体からなる第２部分とから構成され、
   前記第１超音波デバイスは、前記第２部分を挟んで前記第２超音波デバイスの少なくとも一部と対向するように配置される、
   請求項１に記載の感圧センサ。
6. 前記第１超音波デバイスは、前記中間層とは反対の方向に超音波を送信し、対象物で反射された超音波を受信して、前記対象物との距離を計測する、
   請求項１に記載の感圧センサ。
7. 前記超音波デバイスは、アレイ状の複数の超音波素子からなる超音波素子群であり、
   前記超音波素子は、超音波を送信または受信可能に設けられる、
   請求項１～６のいずれか一項に記載の感圧センサ。
8. 請求項１～７のいずれか１項に記載の感圧センサと、
   アームと、
   前記アームと連結するエンドエフェクターと、を備え、
   前記感圧センサは、前記エンドエフェクターに取り付けられる、
   ロボット。

Images