JP2024004884A - 触覚センサ及び触覚センサを備えた装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光出射部から入射された光の発光量の変化や光の照明特性の変化の影響を受けにくい高精度な触覚センサを提供する。【解決手段】光を出射する光出射部である発光素子１１０から入射された光を所定方向に導光するために所定方向に延在して設けられ、所定方向において互いに対向する一対の面１２２及び１２３を有する層内層間導光部１２０ａと、層内層間導光部１２０ａの一方の面１２２を介して入射した光を一方の面１２２に向けて散乱させるマーカー１３１を備える透光弾性体１３０と、層内層間導光部１２０ａの他方の面１２３の側に設けられ、受光面１４１１に複数の受光素子を備える受光部１４１と、層内層間導光部１２０ａの他方の面１２３と受光部１４１との間に設けられ、マーカー１３１からの光を受光部１４１の受光面１４１１における異なる位置に離間して投影するように光学的に開口された複数の開口部１５３を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、触覚センサ及び当該触覚センサを備えた装置に関するものである。

柔軟物や未知の形状物などの物体の把持等の際に、圧力やせん断力などを検出する触覚センサが利用される。例えば、特許文献１に記載されているような光学式触覚センサを、ロボットハンドに取り付けて用いられる。具体的に、特許文献１には、光源からの光が内部に供給される接触変形部に外力が作用した際の透光部の変位に伴う光量の状態変化に基づき外力の大きさを求める光学式触覚センサが開示されている。

特開２０１９－１９７０３７号公報

しかしながら、特許文献１の触覚センサでは、光源などの光出射部から入射された光の発光量の変化や、光出射部から受光部までの途中経路の変形に伴う光の導波効率の変化（照明特性の変化）によって、外力を正確に検出できないという問題があった。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、光出射部から入射された光の発光量の変化や光の照明特性の変化の影響を受けにくい高精度な触覚センサを提供することを目的とする。

本発明の触覚センサは、光を出射する光出射部と、前記光出射部と光学的に結合された光学端を介して前記光出射部から入射された光を所定方向に導光するために前記所定方向に延在して設けられ、前記所定方向において互いに対向する一対の面を有する導光部と、前記一対の面のうちの一方の面を介して前記導光部と光学的に結合し、前記一方の面を介して入射した光を前記一方の面に向けて散乱させるマーカーを備える透光弾性部と、前記一対の面のうちの他方の面の側に設けられ、受光面に複数の受光素子を備える受光部と、前記他方の面と前記受光部との間に設けられ、前記マーカーからの光を前記受光部の前記受光面における異なる位置に離間して投影するように光学的に開口された複数の開口部と、を備えることを特徴とする。
また、本発明は、上述した触覚センサを備えた装置を含む。

本発明によれば、光出射部から入射された光の発光量の変化や光の照明特性の変化の影響を受けにくい高精度な触覚センサを提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る光学式触覚センサの概略構成の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る光学式触覚センサにおいて、図１に示す外皮を取り除いた状態を上方から見た図である。 本発明の第１の実施形態に係る光学式触覚センサにおいて、外皮が物体と接触して外力を受けている状態の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る光学式触覚センサにおいて、透光弾性体が垂直方向の外力を受けた場合のマーカーの移動に伴って受光部の受光面上に投影されるスポットの移動の様子を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る光学式触覚センサにおいて、透光弾性体がせん断方向の外力を受けた場合のマーカーの移動に伴って受光部の受光面上に投影されるスポットの移動の様子を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る光学式触覚センサの透光弾性体を上方から見た図である。 本発明の第１の実施形態に係る光学式触覚センサの遮光膜を上方から見た図である。 本発明の第１の実施形態に係る光学式触覚センサにおいて、マーカーからの散乱光の光路の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る光学式触覚センサにおいて、複数の開口部を透過したマーカーからの光によって、受光部の受光面上に投影されるスポットの分布を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る光学式触覚センサにおいて、複数の開口部を透過したマーカーからの光によって、受光部の受光面上に投影されるスポットの分布を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る光学式触覚センサの概略構成の一例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る光学式触覚センサの概略構成の一例を示す図である。 本発明の第５の実施形態に係るロボットアーム搬送装置の概略構成の一例を示す図である。

以下に、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（実施形態）について説明する。

（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態について説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る光学式触覚センサ１００－１の概略構成の一例を示す図である。光学式触覚センサ１００－１は、図１に示すように、発光素子１１０、導光部１２０、透光弾性体１３０、受光センサユニット１４０、遮光フィルム１５０、回路基板１６０、外皮１７０、及び、外力演算部１８０を備えて構成されている。導光部１２０は、層内層間導光部１２０ａ及び支持導光部１２０ｂを有する。また、図１には、光学式触覚センサ１００－１の各構成部の配置関係を明確にするためのｘｙｚ座標系を図示している。

発光素子１１０は、光を出射する光出射部に相当する発光素子である。本実施形態においては、発光素子１１０は、支持導光部１２０ｂを介して層内層間導光部１２０ａの内部に光を照射するＬＥＤなどの光源で構成されている。

導光部１２０は、発光素子１１０と光学的に結合された光学端１２１を介して発光素子１１０から入射された光を所定方向に導光するために所定方向に延在して設けられた層内層間導光部１２０ａと、層内層間導光部１２０ａをカバーガラス１４３から離間して支持する支持導光部１２０ｂとを、有している。
層内層間導光部１２０ａは、光学端１２１を介して採光された光を受光センサユニット１４０と重なるアレイ領域まで層内を導光し、アレイ領域において、マーカー１３１と受光部１４１との層間を導光するように構成された、導光部１２０の部分である。層内層間導光部１２０ａは、所定の厚みを有した板状が採用され、透光性を有した光学部材が採用される。また、層内層間導光部１２０ａは、光学端１２１を介して入射した光を所定方向に導光するための透光性を有した光学部材であると換言される。一方、支持導光部１２０ｂは、受光部１４１、透光弾性体１３０、マーカー１３１、発光素子１１０との所定の距離を担保して離間するように、層内層間導光部１２０ａを支持する。本実施形態の支持導光部１２０ｂは、発光素子１１０からの光を採光するために発光素子１１０と光学的に結合した光学端１２１を有するとともに、採光した光を層内層間導光部１２０ａに導光するための導光性を有している。支持導光部１２０ｂは、透光弾性体１３０と一体的に弾性変形せずに、カバーガラス１４３との間で所定間隔を維持して層内層間導光部１２０ａを支持するスペーサ部材と換言される。支持導光部１２０ｂは、変形と光線の変位とのリニアリティの観点から、層内層間導光部１２０ａと同様に実質的に変形しない剛体であることが好ましい。しかしながら、支持導光部１２０ｂは、層内層間導光部１２０ａと同様に、透光弾性体１３０の変形に応じて変形する形態も、本実施形態の変形例として含まれる。なお、所定方向は、図１に示すｘｚ面においてｘ方向を含む。層内層間導光部１２０ａは、所定方向において互いに対向する一対の面１２２及び１２３を有する。層内層間導光部１２０ａの構成材料としては、発光素子１１０から入射された光の波長に対して透明であって、透光弾性体１３０に対して十分に硬い、アクリルやＰＣ、ガラス等が望ましい。
なお、導光部１２０は、層内層間導光部１２０ａを含むが、支持導光部１２０ｂを含まない形態も、本実施形態に含まれる。すなわち、支持導光部１２０ｂのかわりに、発光素子１１０または発光素子１１０から光を導光し出射する光ファイバ端を、回路基板１６０とは反対側に設けられた支持部（１２０ｃ：不図示）に設ける形態である。この場合、支持部（１２０ｃ：不図示）は、層内層間導光部１２０ａを支持する点では支持導光部１２０ｂと共通するが、光学端１２１を有さない点で支持導光部１２０ｂと相違する。この場合、層内層間導光部１２０ａが光学端１２１を備える。

透光弾性体１３０は、層内層間導光部１２０ａにおける一対の面１２２及び１２３のうちの一方の面１２２を介して層内層間導光部１２０ａと光学的に結合している透光弾性部である。透光弾性体１３０は、さらに、一方の面１２２を介して入射した光を一方の面１２２に向けて散乱させるマーカー１３１を備えるとともに、透光性を有する弾性体で構成されている。透光弾性体１３０は、層内層間導光部１２０ａにおける一方の面１２２に、平板状のシリコンゲル等で構成された透光弾性体が貼り合わされて形成されている。なお、透光弾性体１３０の構成材料としては、シリコン系やウレタン系を含む、光透過性を有する各種のエラストマや樹脂を用いることができる。また、図１に示す例では、マーカー１３１は、透光弾性体１３０の層内層間導光部１２０ａとの貼り合わせ面とは反対側の面（上面）に、埋め込まれて形成されている。本実施形態においては、マーカー１３１は、散乱性を有しており、照明光を受けると、広い角度で拡散させる性質を持つ。マーカー１３１の構成材料としては、各種の樹脂やセラミック、インク等の散乱性材料を用いることができるが、蛍光材料やＬＥＤ等を用いてもよい。蛍光材料やＬＥＤの場合、マーカー１３１からの光を波長で識別することができるため、受光部１４１の受光面１４１１までの光路中に後述するような波長フィルタを挿入することでＳＮ比を向上させることができる。透光弾性体１３０は、マーカー１３１からの光を開口部１５３を介して受光部１４１に伝搬可能な光学特性として透光性を有している。透光弾性体１３０は、マーカー１３１の前後の光路の直進性の観点から、伝送する光の波長に対して散乱性が低減された透明体を用いることが可能である。

受光センサユニット１４０は、受光部１４１、パッケージ１４２、及び、カバーガラス１４３を備えて構成されている。受光部１４１は、層内層間導光部１２０ａにおける一対の面１２２及び１２３のうちの他方の面１２３の側に設けられ、受光面１４１１に２次元状に複数の受光素子を備える受光部である。受光部１４１は、受光面１４１１で受光した光の分布に関する２次元の画像信号である第１の情報を外力演算部１８０に出力する。具体的に、本実施形態では、受光部１４１は、受光面１４１１で受光した光の光量分布を２次元の画像信号（第１の情報）に変換する。受光センサユニット１４０では、受光部１４１がパッケージ１４２の内部に搭載され、パッケージ１４２をカバーガラス１４３によって封止することで形成されている。この際、層内層間導光部１２０ａは、カバーガラス１４３と隙間を空けて対向するように保持されている。マーカー１３１に蛍光材料を用いる場合は、カバーガラス１４３の表面に、発光素子１１０の発光波長に対しては非透過で、蛍光波長に対しては透過する膜を波長フィルタとして設ける形態が採用される。かかる形態によれば、マーカー１３１からの蛍光成分を波長選択して受光面１４１１に導くことができ、受光部１４１での検知信号のＳＮ比を向上することが可能である。

遮光フィルム１５０は、カバーガラス１４３と対向する層内層間導光部１２０ａの他方の面１２３に貼り付けられている。遮光フィルム１５０は、層内層間導光部１２０ａにおける他方の面１２３に貼り付けられた透明基材１５１の表面（下面）に、遮光膜１５２が成膜されて形成されている。本実施形態においては、遮光フィルム１５０は、透明基材１５１の表面（下面）に、例えば遮光膜１５２としてのアルミ膜が成膜され、アルミ膜がエッチングによって部分的に除去され、除去された部分がアレイ状の複数の開口部１５３として作用する。この際、遮光膜１５２としてのアルミ膜は、同時に、層内層間導光部１２０ａの内部に光を閉じ込める反射膜としての機能を持つ。複数の開口部１５３は、層内層間導光部１２０ａの他方の面１２３と受光部１４１との間に設けられ、マーカー１３１からの光を受光部１４１の受光面１４１１における異なる位置に離間して投影するように光学的に開口された開口部である。また、本実施形態においては、複数の開口部１５３は、複数の開口部１５３の間の領域（遮光膜１５２の形成領域）よりも高い透過率を有する。

回路基板１６０は、各種の電気部品が実装されている。回路基板１６０上には、受光センサユニット１４０や発光素子１１０が実装されている。

外皮１７０は、透光弾性体１３０の上方に設けられ、物体との接触によって変形可能なものである。物体との接触によって外皮１７０が受ける力は、外皮１７０を介して透光弾性体１３０に伝えられる。外皮１７０において透光弾性体１３０と接触する面は、接触する部分で散乱を起こさないように、発光素子１１０からの光の波長に対して吸収特性を持たせることが望ましい。これは、外皮１７０において散乱を起こすと、これがマーカー１３１による散乱像に重畳して、ＳＮ比を低下させるからである。また、外皮１７０において透光弾性体１３０と接触する部分は、層内層間導光部１２０ａ及び透光弾性体１３０の内部での光の導波を妨げないように、接触面積を減らす構造をとることが望ましい。例えば、外皮１７０において透光弾性体１３０と接触する部分に、微細な凹凸や複数の突起を形成するようにしてもよい。外皮１７０の構成材料としては、例えば、布や樹脂フィルム、ゴム等を用いることができる。

外力演算部１８０は、受光部１４１から出力された、受光面１４１１で受光した光の分布に関する２次元の画像信号（第１の情報）基づいて、透光弾性体１３０が受ける外力に関する第２の情報を演算する演算部である。具体的に、本実施形態では、外力演算部１８０は、透光弾性体１３０が受ける外力に関する第２の情報として、力ベクトル分布を算出する。

図２は、本発明の第１の実施形態に係る光学式触覚センサ１００－１において、図１に示す外皮１７０を取り除いた状態を上方（＋ｚ方向）から見た図である。図２において、図１に示す構成と同様の構成については同じ符号を付しており、その詳細な説明は省略する。また、図２には、図１に示すｘｙｚ座標系に対応するｘｙｚ座標系を図示している。

発光素子１１０は、光学式触覚センサ１００－１の周囲に配置された支持導光部１２０ｂの各辺に、２個ずつ間隔を置いて配置されている。発光素子１１０を複数配置することで、層内層間導光部１２０ａの内部の光量分布が均一化され、場所ごとの検出感度のばらつきを低減し検出精度をより一層担保することができる。発光素子１１０から導光部１２０の内部に入射した光束は、導光部１２０の一方の面１２２、他方の面１２３において、多重反射を繰り返し導波される。また、透光弾性体１３０に入射した光束は、空気と接する透光弾性体１３０の上面で反射し、再度、層内層間導光部１２０ａに入射する。また、層内層間導光部１２０ａから遮光フィルム１５０に入射した光束も、反射性の遮光膜１５２で反射され、再度、層内層間導光部１２０ａに入射する。このように多重反射を繰り返しながら、透光弾性体１３０の内部が照明される。

透光弾性体１３０内のマーカー１３１は、照明を受けて、散乱により広い配光角の発散光を放射する。1つのマーカー１３１からの発散光の一部は、遮光フィルム１５０における複数の開口部１５３のうちの２つの開口部を通り、導波される光束よりも小さな入射角で空気との界面に入射して透過する。そして、空気との界面を透過した光束は、カバーガラス１４３を透過し、受光部１４１の受光面１４１１上に、光量が局所的に大きい領域であるスポット（後述する図４のスポット４００）を２つ形成する。

また、マーカー１３１からの発散光のうち、遮光フィルム１５０の遮光膜１５２によって反射された光束は、透光弾性体１３０の上面を透過し、外皮１７０によって吸収される。また、外皮１７０が物体と接触し、外皮１７０を介して透光弾性体１３０が外力を受けると、透光弾性体１３０が変形する。透光弾性体１３０の変形に伴って、透光弾性体１３０に設けられたマーカー１３１が移動する。

図３は、本発明の第１の実施形態に係る光学式触覚センサ１００－１において、外皮１７０が物体２０と接触して外力を受けている状態の一例を示す図である。図３において、図１及び図２に示す構成と同様の構成については同じ符号を付しており、その詳細な説明は省略する。また、図３には、図１に示すｘｙｚ座標系に対応するｘｙｚ座標系を図示している。

図３に示すように、外皮１７０が物体２０と接触し、外皮１７０を介して透光弾性体１３０が外力を受けると透光弾性体１３０が変形し、透光弾性体１３０に設けられたマーカー１３１が変位する。この際、マーカー１３１の変位方向（移動方向）は、外力の方向と概略同じになる。

次に、外力演算部１８０において、外力によるマーカー１３１の移動量を検出し、外力を算出する手法について説明する。

図４は、本発明の第１の実施形態に係る光学式触覚センサ１００－１において、透光弾性体１３０が垂直方向の外力Ｆを受けた場合のマーカー１３１の移動に伴って受光部１４１の受光面１４１１上に投影されるスポット４００の移動の様子を示す図である。図４において、図１～図３に示す構成と同様の構成については同じ符号を付しており、その詳細な説明は省略する。

図４において、スポット４００－１は、隣接する２つの開口部１５３のうちの第１の開口部１５３－１を透過したマーカー１３１からの光によって、受光部１４１の受光面１４１１上において光量が局所的に大きい領域である第１のスポットである。また、スポット４００－２は、隣接する２つの開口部１５３のうちの第２の開口部１５３－２を透過したマーカー１３１からの光によって、受光部１４１の受光面１４１１上において光量が局所的に大きい領域である第２のスポットである。図４では、第１のスポット４００－１の中心位置４１１と第２のスポット４００－２の中心位置４１２との距離を距離４２０として図示している。また、図４では、第１のスポット４００－１の中心位置４１１と第２のスポット４００－２の中心位置４１２との間の中心位置を中心位置４３０として図示している。

図４において、マーカー１３１と開口部１５３との距離と、開口部１５３から受光部１４１の受光面１４１１までの距離との比率により、１つのマーカー１３１により形成される２つのスポット４００の間の距離４２０が変化する。図４に示すように、透光弾性体１３０の上面に対して垂直方向に外力Ｆを受けた場合、マーカー１３１は下方向に移動し、マーカー１３１と開口部１５３と距離が縮まる。その結果、２つのスポット４００の間の距離４２０は増加する。このため、外力演算部１８０は、受光部１４１で得られた２次元の画像信号である第１の情報に基づいて、例えば距離４２０を算出することにより、垂直方向の外力Ｆを演算することができる。

図５は、本発明の第１の実施形態に係る光学式触覚センサ１００－１において、透光弾性体１３０がせん断方向の外力Ｆを受けた場合のマーカー１３１の移動に伴って受光部１４１の受光面１４１１上に投影されるスポット４００の移動の様子を示す図である。図５において、図１～図４に示す構成と同様の構成については同じ符号を付しており、その詳細な説明は省略する。

図５において、外皮１７０を介して透光弾性体１３０がせん断方向の外力Ｆを受けた場合、マーカー１３１は、図５に示すように、透光弾性体１３０の面内方向に移動する。その結果、中心位置４３０は、せん断方向の外力Ｆに対して逆の方向に移動する。このため、外力演算部１８０は、受光部１４１で得られた２次元の画像信号である第１の情報に基づいて、例えば中心位置４３０の平均値を算出することにより、せん断方向の外力Ｆを演算することができる。

なお、マーカー１３１と開口部１５３との距離に対して、開口部１５３から受光部１４１の受光面１４１１までの距離を所定距離より大きくとることで、マーカー１３１の移動量に対する２つのスポット４００（スポット対）の移動量の割合を担保することができる。これにより、光学式触覚センサ１００－１における感度は向上するが、隣接するマーカー１３１によるスポット４００と重なりやすくなる。そのため、必要な感度と空間分解能のバランスにより、適切な設計値を選択することが好適である。開口部１５３から受光部１４１の受光面１４１１までの所定距離は、触覚センサの小型化と検出感度との関係から適宜決定される。

次に、複数のマーカー１３１及び開口部１５３の配置について説明する。
図６は、本発明の第１の実施形態に係る光学式触覚センサ１００－１の透光弾性体１３０を上方（＋ｚ方向）から見た図である。図６において、図１～図５に示す構成と同様の構成については同じ符号を付しており、その詳細な説明は省略する。また、図６には、図１に示すｘｙｚ座標系に対応するｘｙｚ座標系を図示している。

図６に示すように、透光弾性体１３０に備えられたマーカー１３１は、ピッチＰで縦横（ｙ方向及びｘ方向）に２次元格子状で配置されている。また、図６には、透光弾性体１３０のｘｙ平面における中心に位置するマーカー１３１をマーカー１３１ｃとして図示している。

図７は、本発明の第１の実施形態に係る光学式触覚センサ１００－１の遮光膜１５２を上方（＋ｚ方向）から見た図である。図７において、図１、図３～図５に示す構成と同様の構成については同じ符号を付しており、その詳細な説明は省略する。また、図７には、図１に示すｘｙｚ座標系に対応するｘｙｚ座標系を図示している。

図７に示すように、遮光膜１５２に設けられた複数の開口部１５３は、列ごとに左右に±Ｐ／８だけずらした配置となっている。

ここで、マーカー１３１及び開口部１５３の配置と、光学式触覚センサ１００－１の内部における屈折率の望ましい設定について説明する。

図８は、本発明の第１の実施形態に係る光学式触覚センサ１００－１において、マーカー１３１からの散乱光の光路の一例を示す図である。図８において、図１～図７に示す構成と同様の構成については同じ符号を付しており、その詳細な説明は省略する。

光束が屈折率ｎ１の媒質から屈折率ｎ２の媒質に出る場合、界面への入射角θが以下の（１）式で表される臨界角θｃを超えると全反射となり、界面を超えることができない。

１つのマーカー１３１から受光部１４１の受光面１４１１上にスポット対を投影する２つの開口部１５３－１及び１５３－２に対しては、当該１つのマーカー１３１からの散乱光が臨界角θｃを下回る角度で入射するように配置する。また、上述した２つの開口部１５３－１及び１５３－２以外の開口部１５３に対しては、当該１つのマーカー１３１からの散乱光が臨界角θｃを超えるように配置する。

図８において、スポット対を投影する２つの開口部１５３－１及び１５３－２を透過する光束（実線）は、空気界面を透過して受光部１４１に至る。これに対して、２つの開口部１５３－１及び１５３－２以外の開口部１５３に向かう光束（点線）は、空気界面において全反射条件となり、層内層間導光部１２０ａの内部に戻される。このようにマーカー１３１及び開口部１５３を配置することにより、外力の検出に寄与しない余計なスポットが受光部１４１の受光面１４１１上に形成されなくなり、外力の誤検出を防ぐことができる。

図９は、本発明の第１の実施形態に係る光学式触覚センサ１００－１において、複数の開口部１５３を透過したマーカー１３１からの光によって、受光部１４１の受光面１４１１上に投影されるスポット４００の分布を示す図である。図９において、図１、図３～図５及び図８に示す構成と同様の構成については同じ符号を付しており、その詳細な説明は省略する。また、図９には、図１に示すｘｙｚ座標系に対応するｘｙｚ座標系を図示している。

図９に示すように、受光部１４１の受光面１４１１上に投影されるスポット４００は、縦ピッチ（ｙ方向のピッチ）がＰで、且つ横ピッチ（ｘ方向のピッチ）がＰ／２となっている。また、図９において、図６に示す透光弾性体１３０のｘｙ平面における中心に位置するマーカー１３１ｃによって受光部１４１の受光面１４１１上に投影された２つのスポット４００を、第１のスポット４００－１及び第２のスポット４００－２とする。

ここで、一例として、透光弾性体１３０のｘｙ平面における中心位置（図６に示す透光弾性体１３０のマーカー１３１ｃの位置）の１点のみに垂直方向の外力Ｆが加わった場合を考える。

図１０は、本発明の第１の実施形態に係る光学式触覚センサ１００－１において、複数の開口部１５３を透過したマーカー１３１からの光によって、受光部１４１の受光面１４１１上に投影されるスポット４００の分布を示す図である。具体的に、図１０は、透光弾性体１３０のｘｙ平面における中心位置（図６に示す透光弾性体１３０のマーカー１３１ｃの位置）に垂直方向の外力Ｆが加わった場合の受光部１４１の受光面１４１１上に投影されるスポット４００の分布を示す図である。図１０において、図９に示す構成と同様の構成については同じ符号を付しており、その詳細な説明は省略する。また、図１０には、図９に示すｘｙｚ座標系に対応するｘｙｚ座標系を図示している。

図６に示すマーカー１３１ｃの位置に垂直方向の外力Ｆが加わると、図１０に示すように、第１のスポット４００－１及び第２のスポット４００－２は、それぞれ、第１のスポット４００－１´ 及び第２のスポット４００－２´ のように離間するように動く。そして、外力演算部１８０は、第１のスポット４００－１´ と第２のスポット４００－２´ との離間量により、垂直方向の外力Ｆが加わったと判別することができる。

次に、外力演算部１８０の動作について詳しく説明する。
外力演算部１８０は、それぞれのマーカー１３１に対応する２つのスポット４００（スポット対）について、以下のようにして垂直方向及びせん断方向の外力算出を行い、外力の分布を出力する。外力演算部１８０において、各スポット４００の中心位置（図４及び図５に示す中心位置４１１や中心位置４１２等）は、スポット４００を含む領域の光量分布を所定の閾値で二値化し、その重心として算出することができる。あるいは、外力演算部１８０において、各スポット４００の中心位置（図４及び図５に示す中心位置４１１や中心位置４１２等）は、スポット４００を含む領域の光量分布で重みづけを行った重心として算出してもよい。ここでは、スポット対を構成する２つのスポット４００を、スポットＡ（例えば、図４及び図５に示す「第１のスポット４００－１」に相当）、及び、スポットＢ（例えば、図４及び図５に示す「第２のスポット４００－２」に相当）とする。

スポットＡの中心位置のｘ座標及びｙ座標において、無荷重状態からの変化量を、それぞれΔＡｘ及びΔＡｙとする。また、スポットＢの中心位置のｘ座標及びｙ座標において、無荷重状態からの変化量を、それぞれΔＢｘ及びΔＢｙとする。そして、外力演算部１８０は、以下の（２）式を用いて、垂直方向の外力Ｆｚを演算により算出する。

上述した（２）式のＫｚは、予め定められた、スポット対間の距離（例えば、図４及び図５に示す距離４２０）の変化から外力に変換する感度係数である。Ｋｚの設定は、設計値を用いてもよいし、既知の外力による実測値を用いて校正をしてもよい。

また、外力演算部１８０は、以下の（３）式及び（４）式を用いて、それぞれ、せん断方向の外力Ｆｘ及びＦｙを演算により算出する。

上述した（３）式のＫｘ及び（４）式のＫｙは、それぞれｘ方向及びｙ方向において、予め定められた、スポット対の中心位置（例えば、図４及び図５に示す中心位置４３０）の変化から外力に変換する感度係数である。Ｋｘ及びＫｙの設定は、設計値を用いてもよいし、既知の外力による実測値を用いて校正をしてもよい。

第１の実施形態の光学式触覚センサ１００－１では、層内層間導光部１２０ａの一方の面１２２を介して光学的に結合した透光弾性体１３０は、層内層間導光部１２０ａの一方の面１２２を介して入射した光を一方の面１２２に向けて散乱させるマーカー１３１を備える。そして、層内層間導光部１２０ａの他方の面１２３と受光部１４１との間には、マーカー１３１からの光を受光部１４１の受光面１４１１における異なる位置に離間して投影するように光学的に開口された複数の開口部１５３を設けている。
かかる構成によれば、複数の開口部１５３を介して受光部１４１の受光面１４１１における異なる位置に離間して投影された光の分布を用いて、外力を算出することができる。これにより、光出射部である発光素子１１０から入射された光の発光量の変化や光の照明特性の変化の影響を受けにくい高精度な触覚センサを提供することができる。さらに、光出射部からの光をレンズを用いて受光部の受光面に結像する触覚センサでは、光学部材の厚みや結像のための光路長が必要なために薄型化はできないが、本実施形態の光学式触覚センサ１００－１は、レンズレスであるために薄型化が可能である。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、以下に記載する第２の実施形態の説明では、上述した第１の実施形態と共通する事項については説明を省略し、上述した第１の実施形態と異なる事項について説明を行う。

図１１は、本発明の第２の実施形態に係る光学式触覚センサ１００－２の概略構成の一例を示す図である。図１１において、図１に示す構成と同様の構成については同じ符号を付しており、その詳細な説明は省略する。また、図１１には、図１に示すｘｙｚ座標系に対応するｘｙｚ座標系を図示している。

図１１に示す第２の実施形態に係る光学式触覚センサ１００－２は、図１に示す第１の実施形態に係る光学式触覚センサ１００－１に対して、直線偏光フィルム１９１及び直線偏光フィルム１９２を追加したものである。

直線偏光フィルム１９１は、発光素子１１０と層内層間導光部１２０ａ（より詳細には、支持導光部１２０ｂ）との間に設けられ、ｘ方向の偏光のみを透過する直線偏光子である。

直線偏光フィルム１９２は、層内層間導光部１２０ａの他方の面１２３と受光部１４１との間に設けられ（より詳細には、カバーガラス１４３の表面（上面）に設けられ）、ｙ方向の偏光のみ透過する直線偏光子である。

変形面で鏡面反射した導波光束の一部が、臨界角θｃを下回って開口部１５３に入射するほど、外力によって透光弾性体１３０の変形面が変形した場合、開口部１５３を透過した光束は、カバーガラス１４３の表面（上面）に形成された直線偏光フィルム１９２によって減衰される。一方、マーカー１３１からの散乱光は、無偏光に近くなるので、直線偏光フィルム１９２を透過して受光部１４１で検出される。

第２の実施形態に係る光学式触覚センサ１００－２によれば、第１の実施形態における効果に加えて、透光弾性体１３０の大きな変形を受けた場合でも、受光部１４１において不要な迷光の検出を避けることができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。なお、以下に記載する第３の実施形態の説明では、上述した第１及び第２の実施形態と共通する事項については説明を省略し、上述した第１及び第２の実施形態と異なる事項について説明を行う。

図１２は、本発明の第３の実施形態に係る光学式触覚センサ１００－３の概略構成の一例を示す図である。図１２において、図１に示す構成と同様の構成については同じ符号を付しており、その詳細な説明は省略する。また、図１２には、図１に示すｘｙｚ座標系に対応するｘｙｚ座標系を図示している。

図１２に示す第３の実施形態に係る光学式触覚センサ１００－３は、図１に示す第１の実施形態に係る光学式触覚センサ１００－１に対して、遮光フィルム１５０を異なる構成で形成したものである。

第３の実施形態に係る光学式触覚センサ１００－３の遮光フィルム１５０は、受光センサユニット１４０のカバーガラス１４３の表面（上面）に設けられている。具体的に、光学式触覚センサ１００－３の遮光フィルム１５０は、例えばステンレス基材で構成される遮光部１５４に、微小な複数の開口部１５３が形成されて構成されている。なお、光学式触覚センサ１００－３の遮光フィルム１５０は、これに限らず、例えば、ガラス基板上に複数の開口部１５３がパターニングされた酸化クロム膜で構成される遮光部１５４を用いることもできる。また、光学式触覚センサ１００－３の遮光フィルム１５０の表面は、反射を防止するため、低反射塗料が塗布されている。光学式触覚センサ１００－３の遮光フィルム１５０において、開口部１５３以外の領域に到達した光束は、低反射の遮光部１５４によって減衰される。

第３の実施形態に係る光学式触覚センサ１００－３によれば、第１の実施形態における効果に加えて、層内層間導光部１２０ａが全反射を利用した導波となり、光利用効率を向上させることができる。さらに、マーカー１３１からの散乱光のうち、受光部１４１の受光面１４１１上においてスポット４００の形成に寄与しない光束を、低反射の遮光部１５４で低減することができるため、受光部１４１でのＳＮ比を向上させることができる。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。なお、以下に記載する第４の実施形態の説明では、上述した第１～第３の実施形態と共通する事項については説明を省略し、上述した第１～第３の実施形態と異なる事項について説明を行う。

上述した第１～第３の実施形態に係る光学式触覚センサ１００では、層内層間導光部１２０ａに対して光を出射する光出射部として、ＬＥＤなどの光源で構成されている発光素子１１０を適用した形態であった。本発明においては、上述した第１～第３の実施形態に限定されるものではない。第４の実施形態に係る光学式触覚センサ１００では、層内層間導光部１２０ａに対して光を出射する光出射部として、発光素子１１０に替えて、例えば光学式触覚センサ１００の外部に設けられた発光素子に対して光学的に結合されている光ファイバ１１０を適用する。

第４の実施形態においても、上述した第１の実施形態と同様に、光出射部（光ファイバ１１０）から入射された光の発光量の変化や光の照明特性の変化の影響を受けにくい高精度な触覚センサを提供することができる。

（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。なお、以下に記載する第５の実施形態の説明では、上述した第１～第４の実施形態と共通する事項については説明を省略し、上述した第１～第４の実施形態と異なる事項について説明を行う。

第５の実施形態は、上述した第１～第４の実施形態のうちのいずれかの実施形態に係る光学式触覚センサ１００を備えたロボットアーム搬送装置に関するものである。

図１３は、本発明の第５の実施形態に係るロボットアーム搬送装置１０の概略構成の一例を示す図である。ロボットアーム搬送装置１０は、図１３に示すように、上述した第１～第４の実施形態のうちのいずれかの実施形態に係る光学式触覚センサ１００、ロボットアーム２００、及び、制御部３００を備えて構成されている。

ロボットアーム２００は、ロボットアーム搬送装置１０において動作可能な可動部であり、図１３に示すように、把持部２１０の先端に、上述した第１～第４の実施形態のうちのいずれかの実施形態に係る光学式触覚センサ１００が取り付けられている。ロボットアーム２００は、光学式触覚センサ１００が先端に取り付けられた把持部２１０において被搬送物である物体２０を把持する。また、本実施形態においては、ロボットアーム２００は、物体２０を基板３０に形成された穴部３１に挿入する動作を行っており、その動作は制御部３００によって制御される。

ロボットアーム２００の把持部２１０の先端に取り付けられた光学式触覚センサ１００は、物体２０を介して基板３０から受ける外力を検出する。図１３に示す例において、物体２０が基板３０の上面における穴部３１以外の部分に接触している場合、光学式触覚センサ１００に外力が作用するため、物体２０の位置が穴部３１の位置から外れていることが検出される。このため、制御部３００は、物体２０を基板３０の上面に沿って移動させるように、光学式触覚センサ１００の出力を用いてロボットアーム２００の動作を制御する。

そして、物体２０が基板３０の穴部３１の上方に位置すると、それまで光学式触覚センサ１００に作用していた外力がなくなるため、物体２０の位置が基板３０の穴部３１の位置に一致したことが検出される。このため、制御部３００は、物体２０を穴部３１の内部に挿入するように、光学式触覚センサ１００の出力を用いてロボットアーム２００の動作を制御する。

このように、ロボットアーム搬送装置１０は、可動部であるロボットアーム２００（より詳細には、把持部２１０）と、光学式触覚センサ１００と、光学式触覚センサ１００の出力を用いてロボットアーム２００の動作を制御する制御部３００を備えている。なお、第５の実施形態においては、図１３に示すロボットアーム搬送装置１０に限定されるものではない。例えば、ロボットアーム搬送装置１０以外の装置であって、光学式触覚センサ１００の出力を用いて可動部の動作を制御する各種の装置も、第５の実施形態として適用可能である。

第５の実施形態によれば、可動部の高精度な制御や、高感度なマンマシンインターフェースを実現することができる。

本発明の実施形態の開示は、以下の構成を含む。
［構成１］
光を出射する光出射部と、
前記光出射部と光学的に結合された光学端を介して前記光出射部から入射された光を所定方向に導光するために前記所定方向に延在して設けられ、前記所定方向において互いに対向する一対の面を有する導光部と、
前記一対の面のうちの一方の面を介して前記導光部と光学的に結合し、前記一方の面を介して入射した光を前記一方の面に向けて散乱させるマーカーを備える透光弾性部と、
前記一対の面のうちの他方の面の側に設けられ、受光面に複数の受光素子を備える受光部と、
前記他方の面と前記受光部との間に設けられ、前記マーカーからの光を前記受光部の前記受光面における異なる位置に離間して投影するように光学的に開口された複数の開口部と、
を備えることを特徴とする触覚センサ。
［構成２］
前記光出射部は、光源であることを特徴とする構成１に記載の触覚センサ。
［構成３］
前記光出射部は、光源に光学的に結合されている光ファイバであることを特徴とする構成１に記載の触覚センサ。
［構成４］
前記複数の開口部は、前記複数の開口部の間の領域よりも高い透過率を有することを特徴とする構成１乃至３のいずれか１項に記載の触覚センサ。
［構成５］
前記他方の面と前記受光部との間に直線偏光子を更に備えることを特徴とする構成１乃至４のいずれか１項に記載の触覚センサ。
［構成６］
前記受光部は、前記受光面で受光した光の分布に関する第１の情報を出力することを特徴とする構成１乃至５のいずれか１項に記載の触覚センサ。
［構成７］
前記受光部は、前記第１の情報に基づいて前記透光弾性部が受ける外力に関する第２の情報を演算する演算部に対して、前記第１の情報を出力することを特徴とする構成６に記載の触覚センサ。
［構成８］
前記演算部を更に備えることを特徴とする構成７に記載の触覚センサ。
［構成９］
動作可能な可動部と、
構成１乃至８のいずれか１項に記載の触覚センサと、
前記触覚センサの出力を用いて前記可動部の動作を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする装置。

なお、上述した本発明の実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１００：光学式触覚センサ、１１０：発光素子、１２０：導光部、１２１：光学端、１２２：一方の面、１２３：他方の面、１３０：透光弾性体、１３１：マーカー、１４０：受光センサユニット、１４１：受光部、１４１１：受光面、１４２：パッケージ、１４３：カバーガラス、１５０：遮光フィルム、１５１：透明基材、１５２：遮光膜、１５３：開口部、１６０：回路基板、１７０：外皮、１８０：外力演算部

Claims (9)

1. 光を出射する光出射部と、
   前記光出射部と光学的に結合された光学端を介して前記光出射部から入射された光を所定方向に導光するために前記所定方向に延在して設けられ、前記所定方向において互いに対向する一対の面を有する導光部と、
   前記一対の面のうちの一方の面を介して前記導光部と光学的に結合し、前記一方の面を介して入射した光を前記一方の面に向けて散乱させるマーカーを備える透光弾性部と、
   前記一対の面のうちの他方の面の側に設けられ、受光面に複数の受光素子を備える受光部と、
   前記他方の面と前記受光部との間に設けられ、前記マーカーからの光を前記受光部の前記受光面における異なる位置に離間して投影するように光学的に開口された複数の開口部と、
   を備えることを特徴とする触覚センサ。
2. 前記光出射部は、光源であることを特徴とする請求項１に記載の触覚センサ。
3. 前記光出射部は、光源に光学的に結合されている光ファイバであることを特徴とする請求項１に記載の触覚センサ。
4. 前記複数の開口部は、前記複数の開口部の間の領域よりも高い透過率を有することを特徴とする請求項１に記載の触覚センサ。
5. 前記他方の面と前記受光部との間に直線偏光子を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の触覚センサ。
6. 前記受光部は、前記受光面で受光した光の分布に関する第１の情報を出力することを特徴とする請求項１に記載の触覚センサ。
7. 前記受光部は、前記第１の情報に基づいて前記透光弾性部が受ける外力に関する第２の情報を演算する演算部に対して、前記第１の情報を出力することを特徴とする請求項６に記載の触覚センサ。
8. 前記演算部を更に備えることを特徴とする請求項７に記載の触覚センサ。
9. 動作可能な可動部と、
   請求項１乃至８のいずれか１項に記載の触覚センサと、
   前記触覚センサの出力を用いて前記可動部の動作を制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする装置。

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