JP4087238B2 - 触覚センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、触覚センサに関し、特に産業用のロボットハンドなどに適用して物体を掴んだとき、その物体の接触位置及び接触圧を同時に測定する触覚センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、分布型触覚センサとして、たとえば特開平７−１２８１６３号公報（特許文献１）に開示されたセンサが提案されている。図３４は、この公報に開示された従来の触覚センサの原理を説明するための図である。
【０００３】
図３４を参照して、触覚センサは、白色弾性シート３０と、透明板３１と、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）素子３２と、光源３４とを有している。透明板３１の一方面側には白色弾性シート３０が、他方面側にはＣＣＤ素子３２がそれぞれ配設されている。白色弾性シート３０は、裏面突起３５よりなる凹凸部と表面突起３３とを有している。白色弾性シート３０の裏面突起３５の凸部は透明板３１に接している。光源３４は、透明板３１の側面から光を入射可能なように透明板３１の側部に配置されている。
【０００４】
この触覚センサの動作においては、まず光源３４により透明板３１の側面から光が入射される。透明板３１に入射した光は全反射をしながら透明板３１中に閉じこめられる。接触物体が離れた状態にあるとき白色弾性シート３０は裏面突起３５の凸部で透明板３１に点接触する。接触物体が白色弾性シート３０の表面突起部３３に押しつけられるときその力に応じて裏面突起３５の凹凸面が崩れ白色弾性シート３０の裏面突起３５の凸部は透明板３１と広い面積で接触するようになる。その結果、透明板３１の表面における光の全反射の条件が崩れ、光は白色弾性シート３０の裏面突起３５の凸部に反射して散乱する。この散乱した光を透明板３１の反対側に配設されたＣＣＤ素子３２により受光し、信号処理することにより、接触物体の形状情報および接触圧情報を得ることができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−１２８１６３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の触覚センサは基本的には以上のように構成され動作する。したがって、機器が大型化・複雑化し、正確な信号検出ができないという問題点があった。以下、その問題点を説明する。
【０００７】
透明板３１をはさんで白色弾性シート３０とＣＣＤ素子３２とが配置されているため、装置全体の構成が非常に大きくなる。また、従来の触覚センサによれば、一方向から接触する物体の形状情報などを検出することはできるが、それとは反対方向から接触する物体の形状情報などを同時に検出するためには、別途、光源３４と透明板３１と白色弾性シート３０とが必要となるため機器が大型化する。
【０００８】
また、１つの表面突起３３に対して白色弾性シート３０の４点（裏面突起３５の４つの凸部）を透明板３１に接触させることにより検出信号が得られる。このため、より正確な検出を行うためには、表面突起３３を小さくして多数配置する必要がある。しかし、この場合、裏面突起３５の凸部の個数は表面突起３３の個数の４倍必要となるため、さらに多数の裏面突起３５の凸部が必要となり、これが小型化を制限するという問題点もある。また、正確な検出には別途何らかの光学系が必要となる。
【０００９】
また、従来の触覚センサの構成では、白色弾性シート３０に対して垂直に圧力が加わった場合に生じる裏面突起３５の変形量と、平行に圧力が加わった場合に生じる変形量とを区別することができない。その区別を行おうとすると、せん断方向の圧力に対して変形量を大きくして位置ずれを検出する必要があり、さらに機器が大型化・複雑化する可能性がある。
【００１０】
加えて、光源３４からＣＣＤ素子３２にいたる経路に空気層を介しているため、可動部材の変形によって生じるごみなどが光学系内及び検出側の透明板表面に付着すると、正確な検出ができなくなる。また、温度により空気層に対流が発生すると、信号の光にゆらぎが生じるため正確な検出ができなくなる。
【００１１】
さらに、ＣＣＤ素子３２による検出位置が実際の変形位置（表面突起部３３）に対して離れていると、正確な検出を行うためには、検出部へ光を集光させるための種々の光学系が必要で、また、それらの位置合わせを正確に行う必要が生じる。また、ＣＣＤ素子３２による検出に反射光を用いているため、光の利用効率は悪くなり、正確な信号検出ができないという問題点もある。
【００１２】
本発明は、上記に鑑みなされたもので、装置が小型で物体の圧接位置と圧力とを正確に検出でき、かつ両面の圧接位置と圧力とを検出することのできる触覚センサを提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の触覚センサは、光源と、光源から出射した光を導く透明板と、外圧の作用により可動する複数の可動部材とを備えた触覚センサであって、可動部材は、外圧を直接受ける触覚部と、透明板からの光を透過する突起部と、透明板から突起部へ透過した光を受光するための受光素子とを有し、その受光素子は触覚部と突起部との間に設けられていることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明の触覚センサによれば、透明板の一方側にのみ受光素子と触覚部と突起部とを配置することができるため、透明板の両側に受光素子と触覚部とが位置する従来例よりもセンサ全体の厚みを非常に薄く小型にすることが可能である。
【００１５】
また、受光素子が触覚部と突起部とにより密閉される構成であるため、封止部材が必要ないとともに、受光部材にごみなどが付着しないので、正確な検出が可能となる。
【００１６】
また、１つの触覚部、突起部に対して多数の力の方向と大きさの信号を独立して検出することが可能であり、また多数の触覚部を配置できるため、分解能が向上する。
【００１７】
上記の触覚センサにおいて好ましくは、突起部は、透明板の表面に接触し、かつ変形可能な弾性体からなっている。
【００１８】
これにより簡略な構成のセンサを得ることができる。
上記の触覚センサにおいて好ましくは、透明板の表面には窪みが形成されている。窪み内に存在し、かつ透明板からの光を透過するように、変形可能な弾性体がさらに備えられている。突起部は、弾性体の表面に接触している。
【００１９】
このように透明板の窪み内に弾性体を配置するため、精度良く弾性体の形状を形成することが可能となる。また、弾性体を配置する位置も窪みの位置により決定することが可能であるため非常に精度良く形状、位置決めを行うことが可能である。また、弾性体を透明板の窪み内に流し込むことが可能であるため生産性に優れている。
【００２０】
上記の触覚センサにおいて好ましくは、触覚部と受光素子と突起部とのそれぞれの個数は１：１：１に対応しており、受光素子が、１つの突起部に対して少なくとも２つの受光領域を有している。
【００２１】
このように触覚部と受光素子と突起部とのそれぞれの個数が１：１：１になるように構成されているため、１つの触覚部、突起部に対して多方向の力の大きさの信号検出が可能であり、また多数の触覚部を配置できるため、分解能が向上する。
【００２２】
上記の触覚センサにおいて好ましくは、触覚部に外圧の作用がない状態では、透明板側から突起部側へ入射する光は、受光素子を分割するそれぞれの受光領域に入射する。
【００２３】
これにより、それぞれの受光領域の光量変化の相関関係を演算しやすいため力の大きさおよび方向を容易に検出することが可能である。
【００２４】
上記の触覚センサにおいて好ましくは、１つの透明板をはさんで上下に突起部が配置されている。
【００２５】
これにより、光源および透明板を別途設置する必要が無いため、センサの厚み方向を小さくし、部品点数を削減することが可能となる。
【００２６】
上記の触覚センサにおいて好ましくは、１つの透明板をはさんで上下に突起部が配置されているとき、透明板の上面に形成された窪みの中心と下面に形成された窪みの中心とは、上面と下面との双方に垂直な線上にはない。
【００２７】
このように透明板の上面と下面とに設けられた各窪みの位置がずれているため、透明板を薄くすることが可能であり、センサ厚みの薄型化が可能である。
【００２８】
上記の触覚センサにおいて好ましくは、透明板と突起部との一部が接着されている。
【００２９】
これにより、機器の振動によって突起部と透明板とが非接触状態になり検出不能になることを防止することが可能である。
【００３０】
上記の触覚センサにおいて好ましくは、弾性体と突起部との一部が接着されている。
【００３１】
これにより、機器の振動によって突起部と弾性体とが非接触状態になり検出不能になることを防止することが可能である。
【００３２】
上記の触覚センサにおいて好ましくは、窪み内に存在する変形可能な弾性体と透明板との線膨張係数が略等しい。
【００３３】
これにより、温度の変化に対して弾性体と透明板の相対的な変形が小さくなるため、温度変化による受光部への出力変動を抑止することが可能である。
【００３４】
上記の触覚センサにおいて好ましくは、触覚部に外圧の作用がない状態では、透明板側から突起部側へ入射する光は受光素子上において略円状に入射する。
【００３５】
これにより、センサの面方向の力の検出に対して感度を高くすることが可能である。
【００３６】
上記の触覚センサにおいて好ましくは、触覚部に外圧の作用がない状態では、透明板側から突起部側へ入射する光によって受光素子上に照射される照射領域の重心近傍に光量の小さい領域がある。
【００３７】
これにより、センサの面方向の力の検出に対して感度を高くすることが可能である。また、受光部を透明板からより近傍に配置することが可能であるため、薄型化が可能である。また、透明板に窪みを設けてその窪みに弾性体を設ける場合には、受光部から透明板までの距離を大きくすることが可能であるため、可動変位量を大きくすることが可能となり、利便性が増す。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
【００３９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における触覚センサの構成を概略的に示す模式図である。図１を参照して、本実施の形態における触覚センサは、基本的には、透明板１と、光源５と、複数の突起部３と、複数の受光部（受光素子）４と、複数の触覚部７と、光反射部６と、支持部材２とを有している。
【００４０】
光源５は、透明板１の内部に光を入射可能なように配置されている。透明板１は、光源から出射した光を導くものである。複数の突起部３の各々は、透明板１の一部に接するように配置されている。複数の受光部４の各々は、複数の突起部３の各々に取り付けられている。複数の触覚部７の各々は、外圧を直接受ける部分であり、複数の受光部４の各々に取り付けられている。触覚部７と受光部４と突起部３とのそれぞれの個数は１：１：１に対応している。突起部３と受光部４と触覚部７との３つの部材により触覚センサにおける可動部材が構成されており、この可動部材が複数形成されている。なお、この可動部材は外圧の作用により可動する部分である。
【００４１】
支持部材２は、透明板１の表面を覆うように設けられており、かつ触覚部７が外圧の作用に伴って支持部材２に対して変位可能なように触覚部７を支えている。光反射部６は、透明板１内に入射された光を反射するためのものであり、突起部３が接触している透明板１の面と光源５から光が入射する面以外の面に配置されている。
【００４２】
受光部４は、透明板１からの光を受光できるように図１に示すｙ軸方向に垂直な面（突起部３が接触する透明板１の面に対して平行な面）に図中下向きの受光面を有している。受光面についての詳細な説明は後述する。
【００４３】
支持部材２と触覚部７とは一体の部材で形成されていても良いし、別体の部材で形成されていても良い。すなわち、ある可動部材に外圧が作用した場合にその隣にある可動部材に外圧が伝わらない構成とすることが好ましい。例えば、可動部材のピッチが小さい場合は、支持部材２を触覚部７より高剛性とし、弾性部材で触覚部７と支持部材２とを接続することが好ましい。このような構成とすることで、外圧が作用した場合に、外圧が隣に位置する可動部材には伝わることがないため、正確な検出が可能となる。
【００４４】
一方、可動部材のピッチがある程度大きく、隣りに位置する可動部材に外圧の影響がない場合は、支持部材２と触覚部７とは同一の材料で一体で構成されてもよく、その厚さの違いによって弾性度を規定することが可能である。この場合も、触覚部７と支持部材２との接続部は厚さを小さくして、触覚部７に外圧が加わった場合でも、可動部材にのみ外圧を伝達する構成とするのが良い。
【００４５】
複数の突起部３の各々は、透明板１の表面に略点接触し、かつ光を透過し、透明板１の屈折率と等しい屈折率を有している。また、触覚部７に作用する外圧に伴い突起部３は弾性変形し、それにより突起部３と透明板１との接触面積が変化するように構成されている。
【００４６】
図２は、図１の触覚センサにおける突起部を拡大して示す断面図である。図１および図２を参照して、触覚部７に外圧が作用していないとき、透明板１から突起部３に透過した光２０が突起部３内を全反射して受光部４に照射されるような外形形状を突起部３は有している。また、突起部３の一部は透明板１に接着固定されていても良い。このとき、接着剤は透明板１および突起部３の屈折率と等しい屈折率を有することが好ましい。
【００４７】
以上のように、基本的には、突起部３と透明板１とは同一の材料を使用して、屈折率を同一とし、形状によって、突起部３が透明板１より大きな摩擦係数を有するような構成とすることが好ましい。このような構成とすることで、突起部３が容易に弾性変形可能となり、それにより図１のｙ方向（突起部３が接触する透明板１の面に対して垂直な方向）およびｘ方向（突起部３が接触する透明板１の面に対して平行な方向）に力の大きさに応じて変形することが可能となる。
【００４８】
図３は、図１において受光素子をｙ方向から見た図である。図３を参照して、受光部４は４つの受光領域１０〜１３に分割され、それぞれの受光領域１０〜１３が受光した光量に応じて電圧が発生する。また、４つの受光領域１０〜１３の各面積がほぼ等しくなっている。これにより、受光部４は、１つの突起部３に対して少なくとも２つの受光領域１０〜１３を有している。
【００４９】
次に、本実施の形態の触覚センサの動作を図４〜９を用いて説明する。
図４〜図９では、理解しやすいように触覚部の一部を抜き出して説明する。
【００５０】
図４を参照して、透明板１の一方の端面に投光された光は、透明板１と空気との屈折率の比から透明板１の内部において、透明板１の上面と下面との間で全反射を繰り返す。そして、透明板１と突起部３とが接触している部分から突起部３へ一部の光が透過し、突起部３内で全反射して受光部４に到達する。受光部４に到達した光は受光領域１０〜１３のそれぞれに照射され、電圧が発生する。この電圧を比較することにより触覚部７に加えられた力を検出する原理である。
【００５１】
はじめに触覚部７に外圧の作用が無い時について説明する。この時、図５のように受光部４に照射される光の照射領域１４は円形となる。その円形の光の照射領域１４が、受光部４を分割するそれぞれの受光領域１０〜１３に分布するように、かつ受光領域１０〜１３のそれぞれにて受光される光量が等しくなるように受光部４は配置されている。
【００５２】
図６を参照して、触覚部７のｙ方向に力が加わったときには、触覚部７はｙ方向に変位する。それに伴い突起部３はｙ方向に変形しながら移動し、それにより透明板１に圧接される。このとき、透明板１と突起部３との接触している面積は、外圧の作用が無い時よりも大きくなり、かつ突起部３の外形が変形する。従って、透明板１から突起部３へ透過する光量が多くなり、かつ透明板１から透過して受光部４に入射する光の方向は一部、受光部４に対して垂直な方向ではなくなる。このため、図７に示すように、受光部４に照射される光の照射領域１４の半径は図５と比較して大きくなる。これにより、受光領域１０〜１３のそれぞれに受光される光量は図５の場合よりも増加するとともに、受光領域１０〜１３のそれぞれに受光される光量はほぼ等しくなる。これらの受光量を検出して、演算する機能が備えられていれば、触覚部７にｙ方向の力が加わったと検出することが可能である。
【００５３】
また図８を参照して、触覚部７のｘ方向に力が加わったときには、触覚部７はｘ方向に移動する。それに伴い突起部３と受光部４とはｘ方向に移動して、突起部３と透明板１との接触部分は図に示すように変形する。このため、透明板１から突起部３へ透過した光は受光部４に対して垂直な方向からずれる。さらに、図９に示すように、受光部４に照射される光の照射領域１４の重心は受光領域１０〜１３を分割する分割線の中心から外れる。このため、それぞれの受光領域１０〜１３に受光される光量に差が発生する。これにより、例えば受光領域１０、１１、１２、１３のそれぞれの信号を互いに比較すれば触覚部７のｘ方向に加えられた力の検出が可能となる。
【００５４】
なお、本明細書において、受光部４に照射される光の照射領域１４の重心とは、照射領域１４内における光の強度の強度中心と定義する。
【００５５】
ｚ方向の力が加わったときについてもｘ方向の検出原理と同様である。もちろん、面内の任意の方向についても受光領域１０〜１３のそれぞれの信号を比較すれば、検出が可能である。さらに正確に検出しようとすれば、分割数を増やした受光部４を構成して、中心の分割線に対して対称となる位置の受光領域について、差分をとって演算を行うことが良い。
【００５６】
また、ここで説明した透明板１の構成は厚み方向に一定の厚さを有しているが、光源から離れるほど厚みを薄くなるように断面を傾斜して構成することで、光源５からの距離の違いによる光量のばらつきをなくすことができる。さらに、透明板１の受光部４側に対向しない面を荒らし、光を散乱させることで、光の利用効率を向上させても良い。
【００５７】
本実施の形態によれば、図１に示すように透明板１の一方側にのみ受光部４と触覚部７と突起部３とを配置することができるため、図３４に示すように透明板３１の両側にＣＣＤ素子（受光部）３２と表面突起部（触覚部）３３とが位置する従来例よりもセンサ全体の厚みを非常に薄く小型にすることが可能である。
【００５８】
また、受光部４が触覚部７と突起部３とにより密閉される構成であるため、封止部材が必要ないとともに、受光部４にごみなどが付着しないので、正確な検出が可能となる。
【００５９】
また、１つの触覚部７、突起部３に対して多数の力の方向と大きさとの信号を独立して検出することが可能であり、また多数の触覚部を配置できるため、分解能が向上する。
【００６０】
（実施の形態２）
図１０は、本発明の実施の形態２における触覚センサの突起部付近を拡大して概略的に示す模式図である。また図１１は、図１０の触覚センサの触覚部に外力が作用していない時の受光素子上における光の照射状態を示す図である。
【００６１】
図１０を参照して、本実施の形態の触覚センサの構成は、実施の形態１の構成と比較して突起部３の形状において異なる。この突起部３は、図１１に示すように、触覚部７に外圧の作用がない状態では、透明板１側から突起部３側へ入射する光によって受光部４上に照射される照射領域１１４の重心近傍に光量の小さい領域１２４が存在するような形状とされている。このとき、受光部４から透明板１までのｙ方向の距離（突起部３の長さ）を、実施の形態１の構成よりも短くすることが可能である。
【００６２】
上記の光量の小さい領域１２４においては、光量が全くなくてもよく、その場合には、照射領域１１４は環形状となる。
【００６３】
なお、これ以外の構成については実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一の構成要素については同一の符号を付しその説明を省略する。
【００６４】
次に、本実施の形態の触覚センサの動作を説明する。なお、理解しやすいように触覚部の一部を抜き出して説明する。
【００６５】
はじめに図４に示すように触覚部７に外圧の作用がない場合について説明する。このとき図１１に示すように受光部４に照射される光の照射領域１１４は、その重心近傍に光量の小さい（または光量のない）領域１２４が存在するような形状となる。その光の照射領域１１４が、受光部４を分割するそれぞれの受光領域１０〜１３に分布するように、かつ受光領域１０〜１３のそれぞれにて受光される光量が等しくなるように受光部４は配置されている。
【００６６】
次に触覚部７に外力が加わったときに外力を検出する方法について図６、８、１２、１３によって説明する。触覚部７のｙ方向に力が加わったときについての突起部３の動作は、図６を用いて説明した実施の形態１の動作と同様であるため、その説明を省略する。このとき、透明板１から突起部３へ透過する光量が多くなり、かつ透明板１から透過して受光部４に入射する光の方向は一部、受光部４に対して垂直な方向ではなくなる。このため、図１２に示すように、受光部４に照射される光の照射領域１１４の半径が図１１と比較して大きくなる。これにより、受光領域１０〜１３のそれぞれに受光される光量は図１１の場合よりも増加するとともに、受光領域１０〜１３のそれぞれに受光される光量はほぼ等しくなる。従って、これらの受光量を検出して、演算する機能が備えられていれば、触覚部７にｙ方向の力が加わったと検出することが可能である。
【００６７】
また触覚部７のｘ方向に力が加わったときについての突起部３の動作は図８を用いて説明した実施の形態１の動作と同様であるため、その説明を省略する。このとき、図１３に示すように、受光部４に照射される光の照射領域１１４の重心は受光領域１０〜１３を分割する分割線の中心から外れる。また、光量の小さい（または光量のない）領域１２４は力の加わる方向と逆方向に移動する。従って、それぞれの受光領域１０〜１３に受光される光量に差が大きく発生する。これにより、例えば受光領域１０、１１、１２、１３のそれぞれの信号を互いに比較すれば触覚部７のｘ方向に加えられた力の検出が可能となる。
【００６８】
ｚ方向の力が加わったときについてもｘ方向の検出原理と同様である。もちろん、面内の任意の方向についても受光領域１０〜１３のそれぞれの信号を比較すれば、検出が可能である。さらに正確に検出しようとすれば、分割数を増やした受光素子を構成して、中心の分割線に対して対称となる位置の受光部について、差分をとって演算を行うことが良い。
【００６９】
本実施の形態によれば、受光部４から透明板１までのｙ方向の距離（突起部３の長さ）を、実施の形態１の構成よりも短くすることが可能である。これにより、センサの面方向の力の検出に対して感度を高くすることが可能である。また、受光部４を透明板１のより近傍に配置することが可能であるため、センサの薄型化が可能である。
【００７０】
（実施の形態３）
上記の実施の形態１および２においては、可動部材（突起部３、受光部４、触覚部７）が透明板１の片側に配置された構成について説明したが、透明板１の両側に可動部材が配置されていても良い。以下、透明板１の両側に可動部材が配置された構成について説明する。
【００７１】
図１４は、本発明の実施の形態３における触覚センサにて可動部材が透明板をはさんで上下に配置された状態を示す模式図である。図１４を参照して、透明板１の両側に触覚センサにおける可動部材が配置されている。この可動部材は、突起部３と受光部４と触覚部７との３つの部材により構成されている。
【００７２】
なお、これ以外の構成については実施の形態１または２の構成とほぼ同じであるため、同一の構成要素については同一の符号を付しその説明を省略する。
【００７３】
図１４に示す構成によれば、上下の触覚部７の各々に力が加わったとき、透明板１の光は上下の突起部３のそれぞれに透過するため、透明板１の上下の力のそれぞれを検出することが可能である。
【００７４】
この図１４に示す触覚センサは、たとえば図１５に示すようにロボットのグリッパ１８の指に装着され、このグリッパ１８の指と一体形に構成される。このように上下の力の検出が可能なセンサであれば狭い隙間５０の空間を指の先端で検出しながら挿入することが可能である。また、例えば、図１６に示すように流体５１内にロボットのグリッパ１８を配置したとき、流体５１の流れを検出することが可能である。
【００７５】
本実施の形態によれば、光源および透明板を別途設置することなく透明板１の上下の力の検出が可能であるため、センサの厚み方向を小さくし、部品点数を削減することが可能となる。
【００７６】
（実施の形態４）
図１７は、本発明の実施の形態４における触覚センサの構成を概略的に示す模式図である。図１７を参照して、本実施の形態における触覚センサは、基本的には、透明板１と、光源５と、複数の突起部３と、複数の受光部４と、複数の触覚部７と、光反射部６と、支持部材２と、弾性体８とを有している。
【００７７】
光源５は、透明板１の内部に光を入射可能なように配置されている。透明板１は、光源から出射した光を導くものである。透明板１の表面には窪み９が設けられている。窪み９内には透明な弾性体８が充填されており、この弾性体８は透明板１と等しい屈折率を有している。又、透明板１と弾性体８の線膨張係数が等しい。従って、弾性体と透明板の相対的な変形が小さくなるため、温度変化による受光部へ入射する光の変動を抑止することが可能である。複数の透明な突起部３の各々は、その一部がこの弾性体８に接触するように配置されている。また、触覚部７は、外圧を直接受ける部分であり、外圧の作用に伴い変位するよう構成されており、かつ支持部材２により支持されている。触覚部７と突起部３との間には光の受光部４が配置されている。触覚部７と受光部４と突起部３とのそれぞれの個数は１：１：１に対応している。突起部３と受光部４と触覚部７との３つの部材により触覚センサにおける可動部材が構成されており、この可動部材が複数形成されている。なお、この可動部材は外圧の作用により可動する部分である。
【００７８】
この受光部４はｙ軸に垂直な面に透明板からの光を受光できるように図中下向きに受光面を有している。受光面についての詳細な説明は後述する。
【００７９】
窪み９がある透明板１の面と光源５から光が入射する面以外の面においては、透明板１内の光を反射する光反射部６が設けられている。この光反射部６は、透明板１内に入射された光を反射するためのものである。
【００８０】
また、支持部材２は、透明板１の表面を覆うように設けられており、かつ触覚部７が外圧の作用に伴って支持部材２に対して変位可能なように触覚部７を支えている。
【００８１】
ここでは、支持部材２と触覚部７とは一体の部材で形成されていても良く、別体の部材で形成されていても良い。すなわち、ある可動部材に外圧が作用した場合にその隣にある可動部材に外圧が伝わらない構成とすることが好ましい。例えば、可動部材のピッチが小さい場合は、支持部材２を触覚部７より高剛性とし、弾性部材で触覚部７と支持部材２とを接続することが好ましい。このような構成とすることで、外圧が作用した場合に、外圧が隣に位置する可動部材には伝わることがないため、正確な検出が可能となる。
【００８２】
一方、可動部材のピッチがある程度大きく、隣りに位置する可動部材に外圧の影響がない場合は、支持部材２と触覚部７とは同一の材料で一体で構成されてもよく、その厚さの違いによって弾性度を規定することが可能である。この場合も、触覚部７と支持部材２との接続部は厚さを小さくして、触覚部７に外圧が加わった場合でも、可動部材にのみ外圧を伝達する構成とするのが良い。
【００８３】
可動部材の一部をなしている突起部３も支持部材２に複数突設されている。複数の突起部３の各々は、弾性体８の表面に略点接触し、かつ光を透過し、透明板１の屈折率と略等しい屈折率を有している。また、触覚部７に作用する外圧に伴い突起部３は弾性体８を変形させ、それにより突起部３と弾性体８との接触面積および接触状態が変化するように構成されている。
【００８４】
触覚部７に外圧が作用していないとき、透明板１から弾性体８へ透過した光２０が突起部３内に入射して、突起部３内で全反射して受光部４に照射されるような外形形状を突起部３と弾性体８とは有している。
【００８５】
また、突起部３の一部は弾性体８に接着固定されていても良い。このとき、接着剤は突起部３の屈折率と等しくすることが好ましい。このようにすれば、機器の振動により突起部３が弾性体８から非接触状態になり検出不能となることを防止することができる。
【００８６】
このような構成とすることで、弾性体８が容易に弾性変形可能となり、それにより図１７のｙ方向（窪み９が設けられた透明板１の面に対して垂直な方向）、ｘ方向（窪み９が設けられた透明板１の面に対して平行な方向）およびｚ方向（窪み９が設けられた透明板１の面に対して平行な方向）に力の大きさに応じて変形することが可能となる。
【００８７】
図１８は、図１７において受光部４をｙ方向から見た図である。図１８を参照して、受光部４は４つの受光領域１０〜１３に分割され、それぞれの受光領域１０〜１３が受光した光量に応じて電圧が発生する。また、４つの受光面の面積がほぼ等しくなっている。
【００８８】
次に、本実施の形態の触覚センサの動作を図１９〜２４を用いて説明する。
図１９〜図２４では、理解しやすいように触覚部の一部を抜き出して説明する。
【００８９】
図１９を参照して、可動部材の触覚部７に外圧の作用が無いとき、透明板１の一方の端面に投光された光は、透明板１と弾性体８と空気との屈折率の比から透明板１と弾性体８との内部において、透明板１の上面と下面との間で全反射を繰り返す。そして、弾性体８と突起部３が接触している部分から突起部３へ一部の光が透過し、突起部３内で全反射して受光部４に到達する。受光部４に到達した光は受光領域１０〜１３のそれぞれに照射され、それにより電圧が発生する。この電圧を比較することにより触覚部７に加えられた力を検出する原理である。
【００９０】
はじめに触覚部７に外圧の作用がないときについて説明する。このとき、図２０のように受光部４に照射される光の照射領域１４は円形となる。その円形の光の照射領域１４が、受光部４を分割するそれぞれの受光領域１０〜１３に分布するように、かつ受光領域１０〜１３のそれぞれにて受光される光量が等しくなるように受光部４は配置されている。
【００９１】
図２１を参照して、触覚部７のｙ方向に力が加わったときには、触覚部７はｙ方向に変位する。それに伴い突起部３はｙ方向に移動し、弾性体８が突起部３に圧接され、変形していく。このとき、弾性体８の外形が変形することにより、突起部３と弾性体８の接触している面積は、外圧の作用がないときよりも大きくなる。
【００９２】
このため、図２２に示すように、受光部４に照射される光の照射領域１４は円を描きかつ、弾性体８から突起部３へ透過する光量が、外圧の作用がないときよりも多くなる。これにより、それぞれの受光領域１０〜１３に受光される光量が増加し、かつそれぞれの受光領域１０〜１３の光量はほぼ等しくなる。例えば、受光領域１０〜１３の出力をそれぞれａ、ｂ、ｃ、ｄとする。これらを検出して、（ａ＋ｂ）―（ｃ＋ｄ）と（ａ＋ｃ）―（ｂ＋ｄ）の各演算結果は略０となる。さらに（ａ＋ｂ）＋（ｃ＋ｄ）の演算結果は、外圧が無いときよりも大きな値になる。従って、触覚部７にｙ方向の力が加わったと検出することが可能である。
【００９３】
また図２３を参照して、触覚部７のｘ方向に力が加わったときには、触覚部７はｘ方向に移動する。それに伴い突起部３と受光部４とはｘ方向に移動して、突起部３と弾性体８との接触部分は図２４に示すように受光部４に照射される光の照射領域１４内に光量の高い領域１５が存在する。従って、受光部４に照射される光の照射領域１４の光量の分布に偏りが生じ、偏りは触覚部７が変位した方向と反対の方向に移動することになる。
【００９４】
従って、受光領域１０〜１３を分割する分割線の中心から光量の分布が均等でなくなるため、４つの受光領域１０〜１３のそれぞれに受光される光量に差が発生する。前記と同様に（ａ＋ｂ）―（ｃ＋ｄ）と（ａ＋ｃ）―（ｂ＋ｄ）の演算すると、（ａ＋ｂ）―（ｃ＋ｄ）は略０となり、（ａ＋ｃ）―（ｂ＋ｄ）＜０となり、触覚部７にｘ方向の力が加わったと検出することが可能である。
【００９５】
ｚ方向の力が加わったときについてもｘ方向の検出原理と同様である。もちろん、面内の任意の方向についても受光領域１０〜１３のそれぞれの信号を比較すれば、検出が可能である。さらに正確に検出しようとすれば、分割数を増やした受光部４を構成して、中心の分割線に対して対称となる位置の受光領域について、差分をとって演算を行うことが良い。
【００９６】
以上、外圧を受けない状態で受光部４において光の照射領域１４が円を描くようにし、受光部４の受光領域１０〜１３に均等に光が入射する構成することにより任意の方向の力の大きさおよび方向の検出が可能である。
【００９７】
また、ここで説明した透明板１の構成は厚み方向に一定の厚さを有しているが、光源５から離れるほど厚みを薄くなるように断面を傾斜して構成することで、光源５からの距離の違いによる光量のばらつきをなくすことができる。さらに、透明板１の受光部４側に対向しない面を荒らし、光を散乱させることで、光の利用効率を向上させても良い。
【００９８】
本実施の形態によれば、図１７に示すように透明板１の一方側にのみ受光部４と触覚部７と突起部３とを配置することができるため、図３４に示すように透明板３１の両側に受光素子３２と触覚部３３とが位置する従来例よりもセンサ全体の厚みを非常に薄く小型にすることが可能である。
【００９９】
また、受光部４が触覚部７と突起部３とにより密閉される構成であるため、封止部材が必要ないとともに、受光部４にごみなどが付着しないので、正確な検出が可能となる。
【０１００】
また、１つの触覚部７、突起部３に対して多数の力の方向と大きさの信号を独立して検出することが可能であり、また多数の触覚部７を配置できるため、分解能が向上する。
【０１０１】
また、透明板１の窪み９内に弾性体８を配置するため、精度良く弾性体８の形状を形成することが可能となる。また、弾性体８を配置する位置も窪み９の位置により決定することが可能であるため非常に精度良く形状、位置決めを行うことが可能である。また、弾性体８を透明板１の窪み９内に流し込むことが可能であるため生産性に優れている。
【０１０２】
（実施の形態５）
図２５は、本発明の実施の形態５における触覚センサの突起部付近を拡大して概略的に示す模式図である。また図２６は、図２５の触覚センサの触覚部に対して外力が作用していないときの受光部に照射される光の状態を示す図である。
【０１０３】
図２５を参照して、本実施の形態の触覚センサの構成は、実施の形態４の構成と比較して突起部３の形状において異なる。この突起部３は、透明板１から受光部４までのｙ方向の距離が実施の形態４と比較して大きくなっている。これにより、触覚部７に外圧の作用がない状態では、図２６に示すように受光部４に照射される光の照射領域１１４の重心近傍に光量の小さい領域１２４が存在する。この光量の小さい領域１２４においては、光量が全くなくてもよく、その場合には、照射領域１１４は環形状となる。
【０１０４】
なお、これ以外の構成については実施の形態４の構成とほぼ同じであるため、同一の構成要素については同一の符号を付しその説明を省略する。
【０１０５】
次に、本実施の形態の触覚センサの動作を説明する。なお、理解しやすいように触覚部の一部を抜き出して説明する。
【０１０６】
はじめに図２５に示すように触覚部７に外圧の作用がない場合について説明する。このとき図２６に示すように受光部４に照射される光の照射領域１１４は、その重心近傍に光量の小さい（または光量のない）領域１２４が存在するような形状となる。その光の照射領域１１４が、受光部４を分割するそれぞれの受光領域１０〜１３に分布するように、かつ受光領域１０〜１３のそれぞれにて受光される光量が等しくなるように受光部４は配置されている。
【０１０７】
次に触覚部７に外力が作用したときに外力を検出する方法について図２７〜３０によって説明する。触覚部７のｙ方向に力が加わったときについての突起部３の動作は実施の形態４で説明した動作と同様であるため、その説明を省略する。このとき、透明板１から突起部３へ透過する光量が多くなり、かつ図２８に示すように、光の照射領域１１４が広くなり、光量の小さい（または光量のない）領域１２４が小さくなる。このとき、それぞれの受光領域１０〜１３に受光される光量が増加し、かつそれぞれの受光領域１０〜１３に照射される光量はほぼ等しくなる。例えば、受光領域１０〜１３の出力をそれぞれｅ、ｆ、ｇ、ｈとする。これらを検出して、（ｅ＋ｆ）―（ｇ＋ｈ）と（ｅ＋ｇ）―（ｆ＋ｈ）との各演算結果は略０なる。さらに（ｅ＋ｆ）＋（ｇ＋ｈ）の演算結果が、外圧が無いときより大きな値になる。従って、触覚部７にｙ方向の力が加わったと検出することが可能である。
【０１０８】
このとき光の照射領域１１４は光の強度増加と共に面積が増加するため、受光領域１０〜１３に照射される光量変化は大きい。従って、本実施例は触覚部７に加わる外力に対して感度が良い。
【０１０９】
また触覚部７のｘ方向に外力が作用したときについての突起部３の動作は実施の形態４で説明した動作と同じであるため、その説明を省略する。このとき、図３０に示すように、受光部４に照射される光の照射領域１１４内に光量の高い領域１１５が存在する。従って、光の照射領域１１４の光量の分布に偏りが生じ、偏りは触覚部７が変位した方向と反対の方向に移動することになる。
【０１１０】
従って、受光領域１０〜１３を分割する分割線の中心から光量の分布が均等でなくなるため、４つ受光領域１０〜１３のそれぞれに受光される光量に差が発生する。前記と同様に（ｅ＋ｆ）―（ｇ＋ｈ）と（ｅ＋ｇ）―（ｆ＋ｈ）との演算をすると、（ｅ＋ｆ）―（ｇ＋ｈ）は略０となり、（ｅ＋ｇ）―（ｆ＋ｈ）＜０となり、触覚部７にｘ方向の力が加わったと検出することが可能である。
【０１１１】
ｚ方向の外力が作用したときについてもｘ方向の検出原理と同様である。もちろん、面内の任意の方向についても受光領域１０〜１３のそれぞれの信号を比較すれば、検出が可能である。このように受光部上の光の領域の中心部に光量が少ない領域があるとき、透明板１から受光部４までのｙ方向の距離が大きいため、センサの可動変位量を大きくすることが可能である。
【０１１２】
（実施の形態６）
上記の実施の形態４および５においては、可動部材（突起部３、受光部４、触覚部７）が透明板１の片側に配置された構成について説明したが、透明板１の両側に可動部材が配置されていても良い。以下、透明板１の両側に可動部材が配置された構成について説明する。
【０１１３】
図３１は、本発明の実施の形態６における触覚センサにて可動部材が透明板をはさんで上下に配置された状態を示す模式図である。図３１を参照して、透明板１の両側に触覚センサにおける可動部材が配置されている。この可動部材は、突起部３と受光部４と触覚部７との３つの部材により構成されている。
【０１１４】
また、透明板１の上面２５および下面２６の双方に窪み９が形成されており、各窪み９内に弾性体８が設けられている。
【０１１５】
上面２５にある透明板１の窪み９の配置を図３２に下面２６の窪み９の配置を図３３に示す。図３２および図３３を参照して、上面２５にあるそれぞれの窪み９の中心のｘｚ面内の座標と下面２６にある窪み９の中心のｘｚ面内の座標は一致しないほうが好ましい。つまり、透明板１の上面２５に形成された窪み９の中心と下面２６に形成された窪み９の中心とは、上面２５と下面２６との双方に垂直な線上にはないことが好ましい。そうすることにより、上面と下面の窪みが重ならないため、透明板１の厚さを薄くすることが可能となる。
【０１１６】
また、以上透明弾性体８の代替で窪み９に動作範囲内で液体状態にある物質を注入し、上面を弾性体からなる透明な膜で物質を封入してもよい。
【０１１７】
なお、これ以外の構成については実施の形態４または５の構成とほぼ同じであるため、同一の構成要素については同一の符号を付しその説明を省略する。
【０１１８】
図３１に示す構成によれば、上下の触覚部７に力が加わったとき、透明板１の光はそれぞれの上下の突起部３に透過するため、透明板１の上下の力の検出が可能である。
【０１１９】
また、光源及び透明板等を別途設置する必要がないため、部品点数の削減及びセンサの薄型化が可能である。
【０１２０】
今回開示された実施の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と考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【０１２１】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の触覚センサによれば、透明板の一方側にのみ受光素子と触覚部と突起部とを配置することができるため、透明板の両側に受光素子と触覚部とが位置する従来例よりもセンサ全体の厚みを非常に薄く小型にすることが可能である。
【０１２２】
また、受光素子が触覚部と突起部とにより密閉される構成であるため、封止部材が必要ないとともに、受光部材にごみなどが付着しないので、正確な検出が可能となる。
【０１２３】
また、１つの触覚部、突起部に対して多数の力の方向と大きさの信号を独立して検出することが可能であり、また多数の触覚部を配置できるため、分解能が向上する。
【０１２４】
また、透明板の窪み内に弾性体を配置するため、精度良く弾性体の形状を形成することが可能となる。また、弾性体を配置する位置も窪みの位置により決定することが可能であるため非常に精度良く形状、位置決めを行うことが可能である。また、弾性体を透明板の窪み内に流し込むことが可能であるため生産性に優れている。
【０１２５】
また、触覚部に外圧の作用がない状態では、透明板側から突起部側へ入射する光は、受光素子を分割するそれぞれの受光領域に入射するため、それぞれの受光領域の光量変化の相関関係を演算しやすく力の大きさおよび方向を容易に検出することが可能である。
【０１２６】
また、１つの透明板をはさんで上下に突起部が配置されているため、光源および透明板を別途設置する必要が無く、センサの厚み方向を小さくし、部品点数を削減することが可能となる。
【０１２７】
また、１つの透明板をはさんで上下に突起部が配置されているとき、透明板の上面に形成された窪みの中心と下面に形成された窪みの中心とは、上面と下面との双方に垂直な線上にはないため、上面と下面とに設けられた各窪みの位置がずれ、透明板を薄くすることが可能であり、センサ厚みの薄型化が可能である。
【０１２８】
また、透明板と突起部との一部、もしくは弾性体と突起部との一部が接着されているため、機器の振動によって突起部と透明板とが非接触状態になり検出不能になることを防止することが可能である。
【０１２９】
また、窪み内に存在する変形可能な弾性体と透明板の線膨張係数が略等しいため、温度の変化に対して弾性体と透明板の相対的な変形が小さくなり、温度変化による受光部へ入射する光の変動を抑止することが可能である。
【０１３０】
また、触覚部に外圧の作用がない状態では、透明板側から突起部側へ入射する光は受光素子上において略円状に入射するため、センサの面方向の力の検出に対して感度を高くすることが可能である。
【０１３１】
また、触覚部に外圧の作用がない状態では、透明板側から突起部側へ入射する光によって受光素子上に照射される照射領域の重心近傍に光量の小さい領域があるため、センサの面方向の力の検出に対して感度を高くすることが可能である。また、受光部を透明板からより近傍に配置することが可能であるため、薄型化が可能である。また、受光部から透明板までの距離を大きくすることが可能であるため、可動変位量を大きくすることが可能となり、利便性が増す。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１における触覚センサの構成を概略的に示す模式図である。
【図２】 図１の触覚センサにおける突起部を拡大して示す断面図である。
【図３】 図１において受光部４をｙ方向から見た図である。
【図４】 本発明の実施の形態１における触覚センサの触覚部に外力が作用していない状態を概略的に示す模式図である。
【図５】 本発明の実施の形態１における触覚センサの触覚部に外力が作用していない状態において、受光素子上の光の照射状態を示す図である。
【図６】 本発明の実施の形態１における触覚センサの触覚部にｙ方向の外力が作用した状態を概略的に示す模式図である。
【図７】 本発明の実施の形態１における触覚センサの触覚部にｙ方向の外力が作用した状態において、受光素子上の光の照射状態を示す図である。
【図８】 本発明の実施の形態１における触覚センサの触覚部にｘ方向の外力が作用した状態を概略的に示す模式図である。
【図９】 本発明の実施の形態１における触覚センサの触覚部にｘ方向の外力が作用した状態において、受光素子上の光の照射状態を示す図である。
【図１０】 本発明の実施の形態２における触覚センサの突起部付近を拡大して概略的に示す模式図である。
【図１１】 本発明の実施の形態２における触覚センサの触覚部に外力が作用していない状態において、受光素子上の光の照射状態を示す図である。
【図１２】 本発明の実施の形態２における触覚センサの触覚部にｙ方向の外力が作用した状態において、受光素子上の光の照射状態を示す図である。
【図１３】 本発明の実施の形態２における触覚センサの触覚部にｘ方向の外力が作用した状態において、受光素子上の光の照射状態を示す図である。
【図１４】 本発明の実施の形態３における触覚センサにて可動部材が透明板をはさんで上下に配置された状態を示す模式図である。
【図１５】 本発明における触覚センサをロボットのグリッパの指に搭載し、狭い隙間内での動作を示した図である。
【図１６】 本発明における触覚センサをロボットのグリッパの指に搭載し、流体中での動作を示した図である。
【図１７】 本発明の実施の形態４における触覚センサの構成を概略的に示す模式図である。
【図１８】 図１７において受光部４をｙ方向から見た図である。
【図１９】 本発明の実施の形態４における触覚センサの触覚部に外力が作用していない状態を概略的に示す模式図である。
【図２０】 本発明の実施の形態４における触覚センサの触覚部に外力が作用していない状態において、受光素子上の光の照射状態を示す図である。
【図２１】 本発明の実施の形態４における触覚センサの触覚部にｙ方向の外力が作用した状態を概略的に示す模式図である。
【図２２】 本発明の実施の形態４における触覚センサの触覚部にｙ方向の外力が作用した状態において、受光素子上の光の照射状態を示す図である。
【図２３】 本発明の実施の形態４における触覚センサの触覚部にｘ方向の外力が作用した状態を概略的に示す模式図である。
【図２４】 本発明の実施の形態４における触覚センサの触覚部にｘ方向の外力が作用した状態において、受光素子上の光の照射状態を示す図である。
【図２５】 本発明の実施の形態５における触覚センサの触覚部に外力が作用していない状態を概略的に示す模式図である。
【図２６】 本発明の実施の形態５における触覚センサの触覚部に外力が作用していない状態において、受光素子上の光の照射状態を示す図である。
【図２７】 本発明の実施の形態５における触覚センサの触覚部にｙ方向の外力が作用した状態を概略的に示す模式図である。
【図２８】 本発明の実施の形態５における触覚センサの触覚部にｙ方向の外力が作用した状態において、受光素子上の光の照射状態を示す図である。
【図２９】 本発明の実施の形態５における触覚センサの触覚部にｘ方向の外力が作用した状態を概略的に示す模式図である。
【図３０】 本発明の実施の形態５における触覚センサの触覚部にｘ方向の外力が作用した状態において、受光素子上の光の照射状態を示す図である。
【図３１】 本発明の実施の形態６における触覚センサにて可動部材が透明板をはさんで上下に配置された状態を示す模式図である。
【図３２】 図３１の触覚センサにおいて透明板の上面にある窪みの配置を示す図である。
【図３３】 図３１の触覚センサにおいて透明板の下面にある窪みの配置を示す図である。
【図３４】 従来の触覚センサの構成図である。
【符号の説明】
１ 透明板、２ 支持部材、３ 突起部、４ 受光部、５ 光源、６ 光反射部、７ 触覚部、８ 弾性体、１０〜１３ 受光領域、１４，１１４ 照射領域、１５ 光量の高い領域、１８ グリッパ、２０ 光、２５ 上面、２６ 下面、１２４ 光量の小さい（または光量のない）領域。
【発明の属する技術分野】
本発明は、触覚センサに関し、特に産業用のロボットハンドなどに適用して物体を掴んだとき、その物体の接触位置及び接触圧を同時に測定する触覚センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、分布型触覚センサとして、たとえば特開平７−１２８１６３号公報（特許文献１）に開示されたセンサが提案されている。図３４は、この公報に開示された従来の触覚センサの原理を説明するための図である。
【０００３】
図３４を参照して、触覚センサは、白色弾性シート３０と、透明板３１と、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）素子３２と、光源３４とを有している。透明板３１の一方面側には白色弾性シート３０が、他方面側にはＣＣＤ素子３２がそれぞれ配設されている。白色弾性シート３０は、裏面突起３５よりなる凹凸部と表面突起３３とを有している。白色弾性シート３０の裏面突起３５の凸部は透明板３１に接している。光源３４は、透明板３１の側面から光を入射可能なように透明板３１の側部に配置されている。
【０００４】
この触覚センサの動作においては、まず光源３４により透明板３１の側面から光が入射される。透明板３１に入射した光は全反射をしながら透明板３１中に閉じこめられる。接触物体が離れた状態にあるとき白色弾性シート３０は裏面突起３５の凸部で透明板３１に点接触する。接触物体が白色弾性シート３０の表面突起部３３に押しつけられるときその力に応じて裏面突起３５の凹凸面が崩れ白色弾性シート３０の裏面突起３５の凸部は透明板３１と広い面積で接触するようになる。その結果、透明板３１の表面における光の全反射の条件が崩れ、光は白色弾性シート３０の裏面突起３５の凸部に反射して散乱する。この散乱した光を透明板３１の反対側に配設されたＣＣＤ素子３２により受光し、信号処理することにより、接触物体の形状情報および接触圧情報を得ることができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−１２８１６３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の触覚センサは基本的には以上のように構成され動作する。したがって、機器が大型化・複雑化し、正確な信号検出ができないという問題点があった。以下、その問題点を説明する。
【０００７】
透明板３１をはさんで白色弾性シート３０とＣＣＤ素子３２とが配置されているため、装置全体の構成が非常に大きくなる。また、従来の触覚センサによれば、一方向から接触する物体の形状情報などを検出することはできるが、それとは反対方向から接触する物体の形状情報などを同時に検出するためには、別途、光源３４と透明板３１と白色弾性シート３０とが必要となるため機器が大型化する。
【０００８】
また、１つの表面突起３３に対して白色弾性シート３０の４点（裏面突起３５の４つの凸部）を透明板３１に接触させることにより検出信号が得られる。このため、より正確な検出を行うためには、表面突起３３を小さくして多数配置する必要がある。しかし、この場合、裏面突起３５の凸部の個数は表面突起３３の個数の４倍必要となるため、さらに多数の裏面突起３５の凸部が必要となり、これが小型化を制限するという問題点もある。また、正確な検出には別途何らかの光学系が必要となる。
【０００９】
また、従来の触覚センサの構成では、白色弾性シート３０に対して垂直に圧力が加わった場合に生じる裏面突起３５の変形量と、平行に圧力が加わった場合に生じる変形量とを区別することができない。その区別を行おうとすると、せん断方向の圧力に対して変形量を大きくして位置ずれを検出する必要があり、さらに機器が大型化・複雑化する可能性がある。
【００１０】
加えて、光源３４からＣＣＤ素子３２にいたる経路に空気層を介しているため、可動部材の変形によって生じるごみなどが光学系内及び検出側の透明板表面に付着すると、正確な検出ができなくなる。また、温度により空気層に対流が発生すると、信号の光にゆらぎが生じるため正確な検出ができなくなる。
【００１１】
さらに、ＣＣＤ素子３２による検出位置が実際の変形位置（表面突起部３３）に対して離れていると、正確な検出を行うためには、検出部へ光を集光させるための種々の光学系が必要で、また、それらの位置合わせを正確に行う必要が生じる。また、ＣＣＤ素子３２による検出に反射光を用いているため、光の利用効率は悪くなり、正確な信号検出ができないという問題点もある。
【００１２】
本発明は、上記に鑑みなされたもので、装置が小型で物体の圧接位置と圧力とを正確に検出でき、かつ両面の圧接位置と圧力とを検出することのできる触覚センサを提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の触覚センサは、光源と、光源から出射した光を導く透明板と、外圧の作用により可動する複数の可動部材とを備えた触覚センサであって、可動部材は、外圧を直接受ける触覚部と、透明板からの光を透過する突起部と、透明板から突起部へ透過した光を受光するための受光素子とを有し、その受光素子は触覚部と突起部との間に設けられていることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明の触覚センサによれば、透明板の一方側にのみ受光素子と触覚部と突起部とを配置することができるため、透明板の両側に受光素子と触覚部とが位置する従来例よりもセンサ全体の厚みを非常に薄く小型にすることが可能である。
【００１５】
また、受光素子が触覚部と突起部とにより密閉される構成であるため、封止部材が必要ないとともに、受光部材にごみなどが付着しないので、正確な検出が可能となる。
【００１６】
また、１つの触覚部、突起部に対して多数の力の方向と大きさの信号を独立して検出することが可能であり、また多数の触覚部を配置できるため、分解能が向上する。
【００１７】
上記の触覚センサにおいて好ましくは、突起部は、透明板の表面に接触し、かつ変形可能な弾性体からなっている。
【００１８】
これにより簡略な構成のセンサを得ることができる。
上記の触覚センサにおいて好ましくは、透明板の表面には窪みが形成されている。窪み内に存在し、かつ透明板からの光を透過するように、変形可能な弾性体がさらに備えられている。突起部は、弾性体の表面に接触している。
【００１９】
このように透明板の窪み内に弾性体を配置するため、精度良く弾性体の形状を形成することが可能となる。また、弾性体を配置する位置も窪みの位置により決定することが可能であるため非常に精度良く形状、位置決めを行うことが可能である。また、弾性体を透明板の窪み内に流し込むことが可能であるため生産性に優れている。
【００２０】
上記の触覚センサにおいて好ましくは、触覚部と受光素子と突起部とのそれぞれの個数は１：１：１に対応しており、受光素子が、１つの突起部に対して少なくとも２つの受光領域を有している。
【００２１】
このように触覚部と受光素子と突起部とのそれぞれの個数が１：１：１になるように構成されているため、１つの触覚部、突起部に対して多方向の力の大きさの信号検出が可能であり、また多数の触覚部を配置できるため、分解能が向上する。
【００２２】
上記の触覚センサにおいて好ましくは、触覚部に外圧の作用がない状態では、透明板側から突起部側へ入射する光は、受光素子を分割するそれぞれの受光領域に入射する。
【００２３】
これにより、それぞれの受光領域の光量変化の相関関係を演算しやすいため力の大きさおよび方向を容易に検出することが可能である。
【００２４】
上記の触覚センサにおいて好ましくは、１つの透明板をはさんで上下に突起部が配置されている。
【００２５】
これにより、光源および透明板を別途設置する必要が無いため、センサの厚み方向を小さくし、部品点数を削減することが可能となる。
【００２６】
上記の触覚センサにおいて好ましくは、１つの透明板をはさんで上下に突起部が配置されているとき、透明板の上面に形成された窪みの中心と下面に形成された窪みの中心とは、上面と下面との双方に垂直な線上にはない。
【００２７】
このように透明板の上面と下面とに設けられた各窪みの位置がずれているため、透明板を薄くすることが可能であり、センサ厚みの薄型化が可能である。
【００２８】
上記の触覚センサにおいて好ましくは、透明板と突起部との一部が接着されている。
【００２９】
これにより、機器の振動によって突起部と透明板とが非接触状態になり検出不能になることを防止することが可能である。
【００３０】
上記の触覚センサにおいて好ましくは、弾性体と突起部との一部が接着されている。
【００３１】
これにより、機器の振動によって突起部と弾性体とが非接触状態になり検出不能になることを防止することが可能である。
【００３２】
上記の触覚センサにおいて好ましくは、窪み内に存在する変形可能な弾性体と透明板との線膨張係数が略等しい。
【００３３】
これにより、温度の変化に対して弾性体と透明板の相対的な変形が小さくなるため、温度変化による受光部への出力変動を抑止することが可能である。
【００３４】
上記の触覚センサにおいて好ましくは、触覚部に外圧の作用がない状態では、透明板側から突起部側へ入射する光は受光素子上において略円状に入射する。
【００３５】
これにより、センサの面方向の力の検出に対して感度を高くすることが可能である。
【００３６】
上記の触覚センサにおいて好ましくは、触覚部に外圧の作用がない状態では、透明板側から突起部側へ入射する光によって受光素子上に照射される照射領域の重心近傍に光量の小さい領域がある。
【００３７】
これにより、センサの面方向の力の検出に対して感度を高くすることが可能である。また、受光部を透明板からより近傍に配置することが可能であるため、薄型化が可能である。また、透明板に窪みを設けてその窪みに弾性体を設ける場合には、受光部から透明板までの距離を大きくすることが可能であるため、可動変位量を大きくすることが可能となり、利便性が増す。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
【００３９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における触覚センサの構成を概略的に示す模式図である。図１を参照して、本実施の形態における触覚センサは、基本的には、透明板１と、光源５と、複数の突起部３と、複数の受光部（受光素子）４と、複数の触覚部７と、光反射部６と、支持部材２とを有している。
【００４０】
光源５は、透明板１の内部に光を入射可能なように配置されている。透明板１は、光源から出射した光を導くものである。複数の突起部３の各々は、透明板１の一部に接するように配置されている。複数の受光部４の各々は、複数の突起部３の各々に取り付けられている。複数の触覚部７の各々は、外圧を直接受ける部分であり、複数の受光部４の各々に取り付けられている。触覚部７と受光部４と突起部３とのそれぞれの個数は１：１：１に対応している。突起部３と受光部４と触覚部７との３つの部材により触覚センサにおける可動部材が構成されており、この可動部材が複数形成されている。なお、この可動部材は外圧の作用により可動する部分である。
【００４１】
支持部材２は、透明板１の表面を覆うように設けられており、かつ触覚部７が外圧の作用に伴って支持部材２に対して変位可能なように触覚部７を支えている。光反射部６は、透明板１内に入射された光を反射するためのものであり、突起部３が接触している透明板１の面と光源５から光が入射する面以外の面に配置されている。
【００４２】
受光部４は、透明板１からの光を受光できるように図１に示すｙ軸方向に垂直な面（突起部３が接触する透明板１の面に対して平行な面）に図中下向きの受光面を有している。受光面についての詳細な説明は後述する。
【００４３】
支持部材２と触覚部７とは一体の部材で形成されていても良いし、別体の部材で形成されていても良い。すなわち、ある可動部材に外圧が作用した場合にその隣にある可動部材に外圧が伝わらない構成とすることが好ましい。例えば、可動部材のピッチが小さい場合は、支持部材２を触覚部７より高剛性とし、弾性部材で触覚部７と支持部材２とを接続することが好ましい。このような構成とすることで、外圧が作用した場合に、外圧が隣に位置する可動部材には伝わることがないため、正確な検出が可能となる。
【００４４】
一方、可動部材のピッチがある程度大きく、隣りに位置する可動部材に外圧の影響がない場合は、支持部材２と触覚部７とは同一の材料で一体で構成されてもよく、その厚さの違いによって弾性度を規定することが可能である。この場合も、触覚部７と支持部材２との接続部は厚さを小さくして、触覚部７に外圧が加わった場合でも、可動部材にのみ外圧を伝達する構成とするのが良い。
【００４５】
複数の突起部３の各々は、透明板１の表面に略点接触し、かつ光を透過し、透明板１の屈折率と等しい屈折率を有している。また、触覚部７に作用する外圧に伴い突起部３は弾性変形し、それにより突起部３と透明板１との接触面積が変化するように構成されている。
【００４６】
図２は、図１の触覚センサにおける突起部を拡大して示す断面図である。図１および図２を参照して、触覚部７に外圧が作用していないとき、透明板１から突起部３に透過した光２０が突起部３内を全反射して受光部４に照射されるような外形形状を突起部３は有している。また、突起部３の一部は透明板１に接着固定されていても良い。このとき、接着剤は透明板１および突起部３の屈折率と等しい屈折率を有することが好ましい。
【００４７】
以上のように、基本的には、突起部３と透明板１とは同一の材料を使用して、屈折率を同一とし、形状によって、突起部３が透明板１より大きな摩擦係数を有するような構成とすることが好ましい。このような構成とすることで、突起部３が容易に弾性変形可能となり、それにより図１のｙ方向（突起部３が接触する透明板１の面に対して垂直な方向）およびｘ方向（突起部３が接触する透明板１の面に対して平行な方向）に力の大きさに応じて変形することが可能となる。
【００４８】
図３は、図１において受光素子をｙ方向から見た図である。図３を参照して、受光部４は４つの受光領域１０〜１３に分割され、それぞれの受光領域１０〜１３が受光した光量に応じて電圧が発生する。また、４つの受光領域１０〜１３の各面積がほぼ等しくなっている。これにより、受光部４は、１つの突起部３に対して少なくとも２つの受光領域１０〜１３を有している。
【００４９】
次に、本実施の形態の触覚センサの動作を図４〜９を用いて説明する。
図４〜図９では、理解しやすいように触覚部の一部を抜き出して説明する。
【００５０】
図４を参照して、透明板１の一方の端面に投光された光は、透明板１と空気との屈折率の比から透明板１の内部において、透明板１の上面と下面との間で全反射を繰り返す。そして、透明板１と突起部３とが接触している部分から突起部３へ一部の光が透過し、突起部３内で全反射して受光部４に到達する。受光部４に到達した光は受光領域１０〜１３のそれぞれに照射され、電圧が発生する。この電圧を比較することにより触覚部７に加えられた力を検出する原理である。
【００５１】
はじめに触覚部７に外圧の作用が無い時について説明する。この時、図５のように受光部４に照射される光の照射領域１４は円形となる。その円形の光の照射領域１４が、受光部４を分割するそれぞれの受光領域１０〜１３に分布するように、かつ受光領域１０〜１３のそれぞれにて受光される光量が等しくなるように受光部４は配置されている。
【００５２】
図６を参照して、触覚部７のｙ方向に力が加わったときには、触覚部７はｙ方向に変位する。それに伴い突起部３はｙ方向に変形しながら移動し、それにより透明板１に圧接される。このとき、透明板１と突起部３との接触している面積は、外圧の作用が無い時よりも大きくなり、かつ突起部３の外形が変形する。従って、透明板１から突起部３へ透過する光量が多くなり、かつ透明板１から透過して受光部４に入射する光の方向は一部、受光部４に対して垂直な方向ではなくなる。このため、図７に示すように、受光部４に照射される光の照射領域１４の半径は図５と比較して大きくなる。これにより、受光領域１０〜１３のそれぞれに受光される光量は図５の場合よりも増加するとともに、受光領域１０〜１３のそれぞれに受光される光量はほぼ等しくなる。これらの受光量を検出して、演算する機能が備えられていれば、触覚部７にｙ方向の力が加わったと検出することが可能である。
【００５３】
また図８を参照して、触覚部７のｘ方向に力が加わったときには、触覚部７はｘ方向に移動する。それに伴い突起部３と受光部４とはｘ方向に移動して、突起部３と透明板１との接触部分は図に示すように変形する。このため、透明板１から突起部３へ透過した光は受光部４に対して垂直な方向からずれる。さらに、図９に示すように、受光部４に照射される光の照射領域１４の重心は受光領域１０〜１３を分割する分割線の中心から外れる。このため、それぞれの受光領域１０〜１３に受光される光量に差が発生する。これにより、例えば受光領域１０、１１、１２、１３のそれぞれの信号を互いに比較すれば触覚部７のｘ方向に加えられた力の検出が可能となる。
【００５４】
なお、本明細書において、受光部４に照射される光の照射領域１４の重心とは、照射領域１４内における光の強度の強度中心と定義する。
【００５５】
ｚ方向の力が加わったときについてもｘ方向の検出原理と同様である。もちろん、面内の任意の方向についても受光領域１０〜１３のそれぞれの信号を比較すれば、検出が可能である。さらに正確に検出しようとすれば、分割数を増やした受光部４を構成して、中心の分割線に対して対称となる位置の受光領域について、差分をとって演算を行うことが良い。
【００５６】
また、ここで説明した透明板１の構成は厚み方向に一定の厚さを有しているが、光源から離れるほど厚みを薄くなるように断面を傾斜して構成することで、光源５からの距離の違いによる光量のばらつきをなくすことができる。さらに、透明板１の受光部４側に対向しない面を荒らし、光を散乱させることで、光の利用効率を向上させても良い。
【００５７】
本実施の形態によれば、図１に示すように透明板１の一方側にのみ受光部４と触覚部７と突起部３とを配置することができるため、図３４に示すように透明板３１の両側にＣＣＤ素子（受光部）３２と表面突起部（触覚部）３３とが位置する従来例よりもセンサ全体の厚みを非常に薄く小型にすることが可能である。
【００５８】
また、受光部４が触覚部７と突起部３とにより密閉される構成であるため、封止部材が必要ないとともに、受光部４にごみなどが付着しないので、正確な検出が可能となる。
【００５９】
また、１つの触覚部７、突起部３に対して多数の力の方向と大きさとの信号を独立して検出することが可能であり、また多数の触覚部を配置できるため、分解能が向上する。
【００６０】
（実施の形態２）
図１０は、本発明の実施の形態２における触覚センサの突起部付近を拡大して概略的に示す模式図である。また図１１は、図１０の触覚センサの触覚部に外力が作用していない時の受光素子上における光の照射状態を示す図である。
【００６１】
図１０を参照して、本実施の形態の触覚センサの構成は、実施の形態１の構成と比較して突起部３の形状において異なる。この突起部３は、図１１に示すように、触覚部７に外圧の作用がない状態では、透明板１側から突起部３側へ入射する光によって受光部４上に照射される照射領域１１４の重心近傍に光量の小さい領域１２４が存在するような形状とされている。このとき、受光部４から透明板１までのｙ方向の距離（突起部３の長さ）を、実施の形態１の構成よりも短くすることが可能である。
【００６２】
上記の光量の小さい領域１２４においては、光量が全くなくてもよく、その場合には、照射領域１１４は環形状となる。
【００６３】
なお、これ以外の構成については実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一の構成要素については同一の符号を付しその説明を省略する。
【００６４】
次に、本実施の形態の触覚センサの動作を説明する。なお、理解しやすいように触覚部の一部を抜き出して説明する。
【００６５】
はじめに図４に示すように触覚部７に外圧の作用がない場合について説明する。このとき図１１に示すように受光部４に照射される光の照射領域１１４は、その重心近傍に光量の小さい（または光量のない）領域１２４が存在するような形状となる。その光の照射領域１１４が、受光部４を分割するそれぞれの受光領域１０〜１３に分布するように、かつ受光領域１０〜１３のそれぞれにて受光される光量が等しくなるように受光部４は配置されている。
【００６６】
次に触覚部７に外力が加わったときに外力を検出する方法について図６、８、１２、１３によって説明する。触覚部７のｙ方向に力が加わったときについての突起部３の動作は、図６を用いて説明した実施の形態１の動作と同様であるため、その説明を省略する。このとき、透明板１から突起部３へ透過する光量が多くなり、かつ透明板１から透過して受光部４に入射する光の方向は一部、受光部４に対して垂直な方向ではなくなる。このため、図１２に示すように、受光部４に照射される光の照射領域１１４の半径が図１１と比較して大きくなる。これにより、受光領域１０〜１３のそれぞれに受光される光量は図１１の場合よりも増加するとともに、受光領域１０〜１３のそれぞれに受光される光量はほぼ等しくなる。従って、これらの受光量を検出して、演算する機能が備えられていれば、触覚部７にｙ方向の力が加わったと検出することが可能である。
【００６７】
また触覚部７のｘ方向に力が加わったときについての突起部３の動作は図８を用いて説明した実施の形態１の動作と同様であるため、その説明を省略する。このとき、図１３に示すように、受光部４に照射される光の照射領域１１４の重心は受光領域１０〜１３を分割する分割線の中心から外れる。また、光量の小さい（または光量のない）領域１２４は力の加わる方向と逆方向に移動する。従って、それぞれの受光領域１０〜１３に受光される光量に差が大きく発生する。これにより、例えば受光領域１０、１１、１２、１３のそれぞれの信号を互いに比較すれば触覚部７のｘ方向に加えられた力の検出が可能となる。
【００６８】
ｚ方向の力が加わったときについてもｘ方向の検出原理と同様である。もちろん、面内の任意の方向についても受光領域１０〜１３のそれぞれの信号を比較すれば、検出が可能である。さらに正確に検出しようとすれば、分割数を増やした受光素子を構成して、中心の分割線に対して対称となる位置の受光部について、差分をとって演算を行うことが良い。
【００６９】
本実施の形態によれば、受光部４から透明板１までのｙ方向の距離（突起部３の長さ）を、実施の形態１の構成よりも短くすることが可能である。これにより、センサの面方向の力の検出に対して感度を高くすることが可能である。また、受光部４を透明板１のより近傍に配置することが可能であるため、センサの薄型化が可能である。
【００７０】
（実施の形態３）
上記の実施の形態１および２においては、可動部材（突起部３、受光部４、触覚部７）が透明板１の片側に配置された構成について説明したが、透明板１の両側に可動部材が配置されていても良い。以下、透明板１の両側に可動部材が配置された構成について説明する。
【００７１】
図１４は、本発明の実施の形態３における触覚センサにて可動部材が透明板をはさんで上下に配置された状態を示す模式図である。図１４を参照して、透明板１の両側に触覚センサにおける可動部材が配置されている。この可動部材は、突起部３と受光部４と触覚部７との３つの部材により構成されている。
【００７２】
なお、これ以外の構成については実施の形態１または２の構成とほぼ同じであるため、同一の構成要素については同一の符号を付しその説明を省略する。
【００７３】
図１４に示す構成によれば、上下の触覚部７の各々に力が加わったとき、透明板１の光は上下の突起部３のそれぞれに透過するため、透明板１の上下の力のそれぞれを検出することが可能である。
【００７４】
この図１４に示す触覚センサは、たとえば図１５に示すようにロボットのグリッパ１８の指に装着され、このグリッパ１８の指と一体形に構成される。このように上下の力の検出が可能なセンサであれば狭い隙間５０の空間を指の先端で検出しながら挿入することが可能である。また、例えば、図１６に示すように流体５１内にロボットのグリッパ１８を配置したとき、流体５１の流れを検出することが可能である。
【００７５】
本実施の形態によれば、光源および透明板を別途設置することなく透明板１の上下の力の検出が可能であるため、センサの厚み方向を小さくし、部品点数を削減することが可能となる。
【００７６】
（実施の形態４）
図１７は、本発明の実施の形態４における触覚センサの構成を概略的に示す模式図である。図１７を参照して、本実施の形態における触覚センサは、基本的には、透明板１と、光源５と、複数の突起部３と、複数の受光部４と、複数の触覚部７と、光反射部６と、支持部材２と、弾性体８とを有している。
【００７７】
光源５は、透明板１の内部に光を入射可能なように配置されている。透明板１は、光源から出射した光を導くものである。透明板１の表面には窪み９が設けられている。窪み９内には透明な弾性体８が充填されており、この弾性体８は透明板１と等しい屈折率を有している。又、透明板１と弾性体８の線膨張係数が等しい。従って、弾性体と透明板の相対的な変形が小さくなるため、温度変化による受光部へ入射する光の変動を抑止することが可能である。複数の透明な突起部３の各々は、その一部がこの弾性体８に接触するように配置されている。また、触覚部７は、外圧を直接受ける部分であり、外圧の作用に伴い変位するよう構成されており、かつ支持部材２により支持されている。触覚部７と突起部３との間には光の受光部４が配置されている。触覚部７と受光部４と突起部３とのそれぞれの個数は１：１：１に対応している。突起部３と受光部４と触覚部７との３つの部材により触覚センサにおける可動部材が構成されており、この可動部材が複数形成されている。なお、この可動部材は外圧の作用により可動する部分である。
【００７８】
この受光部４はｙ軸に垂直な面に透明板からの光を受光できるように図中下向きに受光面を有している。受光面についての詳細な説明は後述する。
【００７９】
窪み９がある透明板１の面と光源５から光が入射する面以外の面においては、透明板１内の光を反射する光反射部６が設けられている。この光反射部６は、透明板１内に入射された光を反射するためのものである。
【００８０】
また、支持部材２は、透明板１の表面を覆うように設けられており、かつ触覚部７が外圧の作用に伴って支持部材２に対して変位可能なように触覚部７を支えている。
【００８１】
ここでは、支持部材２と触覚部７とは一体の部材で形成されていても良く、別体の部材で形成されていても良い。すなわち、ある可動部材に外圧が作用した場合にその隣にある可動部材に外圧が伝わらない構成とすることが好ましい。例えば、可動部材のピッチが小さい場合は、支持部材２を触覚部７より高剛性とし、弾性部材で触覚部７と支持部材２とを接続することが好ましい。このような構成とすることで、外圧が作用した場合に、外圧が隣に位置する可動部材には伝わることがないため、正確な検出が可能となる。
【００８２】
一方、可動部材のピッチがある程度大きく、隣りに位置する可動部材に外圧の影響がない場合は、支持部材２と触覚部７とは同一の材料で一体で構成されてもよく、その厚さの違いによって弾性度を規定することが可能である。この場合も、触覚部７と支持部材２との接続部は厚さを小さくして、触覚部７に外圧が加わった場合でも、可動部材にのみ外圧を伝達する構成とするのが良い。
【００８３】
可動部材の一部をなしている突起部３も支持部材２に複数突設されている。複数の突起部３の各々は、弾性体８の表面に略点接触し、かつ光を透過し、透明板１の屈折率と略等しい屈折率を有している。また、触覚部７に作用する外圧に伴い突起部３は弾性体８を変形させ、それにより突起部３と弾性体８との接触面積および接触状態が変化するように構成されている。
【００８４】
触覚部７に外圧が作用していないとき、透明板１から弾性体８へ透過した光２０が突起部３内に入射して、突起部３内で全反射して受光部４に照射されるような外形形状を突起部３と弾性体８とは有している。
【００８５】
また、突起部３の一部は弾性体８に接着固定されていても良い。このとき、接着剤は突起部３の屈折率と等しくすることが好ましい。このようにすれば、機器の振動により突起部３が弾性体８から非接触状態になり検出不能となることを防止することができる。
【００８６】
このような構成とすることで、弾性体８が容易に弾性変形可能となり、それにより図１７のｙ方向（窪み９が設けられた透明板１の面に対して垂直な方向）、ｘ方向（窪み９が設けられた透明板１の面に対して平行な方向）およびｚ方向（窪み９が設けられた透明板１の面に対して平行な方向）に力の大きさに応じて変形することが可能となる。
【００８７】
図１８は、図１７において受光部４をｙ方向から見た図である。図１８を参照して、受光部４は４つの受光領域１０〜１３に分割され、それぞれの受光領域１０〜１３が受光した光量に応じて電圧が発生する。また、４つの受光面の面積がほぼ等しくなっている。
【００８８】
次に、本実施の形態の触覚センサの動作を図１９〜２４を用いて説明する。
図１９〜図２４では、理解しやすいように触覚部の一部を抜き出して説明する。
【００８９】
図１９を参照して、可動部材の触覚部７に外圧の作用が無いとき、透明板１の一方の端面に投光された光は、透明板１と弾性体８と空気との屈折率の比から透明板１と弾性体８との内部において、透明板１の上面と下面との間で全反射を繰り返す。そして、弾性体８と突起部３が接触している部分から突起部３へ一部の光が透過し、突起部３内で全反射して受光部４に到達する。受光部４に到達した光は受光領域１０〜１３のそれぞれに照射され、それにより電圧が発生する。この電圧を比較することにより触覚部７に加えられた力を検出する原理である。
【００９０】
はじめに触覚部７に外圧の作用がないときについて説明する。このとき、図２０のように受光部４に照射される光の照射領域１４は円形となる。その円形の光の照射領域１４が、受光部４を分割するそれぞれの受光領域１０〜１３に分布するように、かつ受光領域１０〜１３のそれぞれにて受光される光量が等しくなるように受光部４は配置されている。
【００９１】
図２１を参照して、触覚部７のｙ方向に力が加わったときには、触覚部７はｙ方向に変位する。それに伴い突起部３はｙ方向に移動し、弾性体８が突起部３に圧接され、変形していく。このとき、弾性体８の外形が変形することにより、突起部３と弾性体８の接触している面積は、外圧の作用がないときよりも大きくなる。
【００９２】
このため、図２２に示すように、受光部４に照射される光の照射領域１４は円を描きかつ、弾性体８から突起部３へ透過する光量が、外圧の作用がないときよりも多くなる。これにより、それぞれの受光領域１０〜１３に受光される光量が増加し、かつそれぞれの受光領域１０〜１３の光量はほぼ等しくなる。例えば、受光領域１０〜１３の出力をそれぞれａ、ｂ、ｃ、ｄとする。これらを検出して、（ａ＋ｂ）―（ｃ＋ｄ）と（ａ＋ｃ）―（ｂ＋ｄ）の各演算結果は略０となる。さらに（ａ＋ｂ）＋（ｃ＋ｄ）の演算結果は、外圧が無いときよりも大きな値になる。従って、触覚部７にｙ方向の力が加わったと検出することが可能である。
【００９３】
また図２３を参照して、触覚部７のｘ方向に力が加わったときには、触覚部７はｘ方向に移動する。それに伴い突起部３と受光部４とはｘ方向に移動して、突起部３と弾性体８との接触部分は図２４に示すように受光部４に照射される光の照射領域１４内に光量の高い領域１５が存在する。従って、受光部４に照射される光の照射領域１４の光量の分布に偏りが生じ、偏りは触覚部７が変位した方向と反対の方向に移動することになる。
【００９４】
従って、受光領域１０〜１３を分割する分割線の中心から光量の分布が均等でなくなるため、４つの受光領域１０〜１３のそれぞれに受光される光量に差が発生する。前記と同様に（ａ＋ｂ）―（ｃ＋ｄ）と（ａ＋ｃ）―（ｂ＋ｄ）の演算すると、（ａ＋ｂ）―（ｃ＋ｄ）は略０となり、（ａ＋ｃ）―（ｂ＋ｄ）＜０となり、触覚部７にｘ方向の力が加わったと検出することが可能である。
【００９５】
ｚ方向の力が加わったときについてもｘ方向の検出原理と同様である。もちろん、面内の任意の方向についても受光領域１０〜１３のそれぞれの信号を比較すれば、検出が可能である。さらに正確に検出しようとすれば、分割数を増やした受光部４を構成して、中心の分割線に対して対称となる位置の受光領域について、差分をとって演算を行うことが良い。
【００９６】
以上、外圧を受けない状態で受光部４において光の照射領域１４が円を描くようにし、受光部４の受光領域１０〜１３に均等に光が入射する構成することにより任意の方向の力の大きさおよび方向の検出が可能である。
【００９７】
また、ここで説明した透明板１の構成は厚み方向に一定の厚さを有しているが、光源５から離れるほど厚みを薄くなるように断面を傾斜して構成することで、光源５からの距離の違いによる光量のばらつきをなくすことができる。さらに、透明板１の受光部４側に対向しない面を荒らし、光を散乱させることで、光の利用効率を向上させても良い。
【００９８】
本実施の形態によれば、図１７に示すように透明板１の一方側にのみ受光部４と触覚部７と突起部３とを配置することができるため、図３４に示すように透明板３１の両側に受光素子３２と触覚部３３とが位置する従来例よりもセンサ全体の厚みを非常に薄く小型にすることが可能である。
【００９９】
また、受光部４が触覚部７と突起部３とにより密閉される構成であるため、封止部材が必要ないとともに、受光部４にごみなどが付着しないので、正確な検出が可能となる。
【０１００】
また、１つの触覚部７、突起部３に対して多数の力の方向と大きさの信号を独立して検出することが可能であり、また多数の触覚部７を配置できるため、分解能が向上する。
【０１０１】
また、透明板１の窪み９内に弾性体８を配置するため、精度良く弾性体８の形状を形成することが可能となる。また、弾性体８を配置する位置も窪み９の位置により決定することが可能であるため非常に精度良く形状、位置決めを行うことが可能である。また、弾性体８を透明板１の窪み９内に流し込むことが可能であるため生産性に優れている。
【０１０２】
（実施の形態５）
図２５は、本発明の実施の形態５における触覚センサの突起部付近を拡大して概略的に示す模式図である。また図２６は、図２５の触覚センサの触覚部に対して外力が作用していないときの受光部に照射される光の状態を示す図である。
【０１０３】
図２５を参照して、本実施の形態の触覚センサの構成は、実施の形態４の構成と比較して突起部３の形状において異なる。この突起部３は、透明板１から受光部４までのｙ方向の距離が実施の形態４と比較して大きくなっている。これにより、触覚部７に外圧の作用がない状態では、図２６に示すように受光部４に照射される光の照射領域１１４の重心近傍に光量の小さい領域１２４が存在する。この光量の小さい領域１２４においては、光量が全くなくてもよく、その場合には、照射領域１１４は環形状となる。
【０１０４】
なお、これ以外の構成については実施の形態４の構成とほぼ同じであるため、同一の構成要素については同一の符号を付しその説明を省略する。
【０１０５】
次に、本実施の形態の触覚センサの動作を説明する。なお、理解しやすいように触覚部の一部を抜き出して説明する。
【０１０６】
はじめに図２５に示すように触覚部７に外圧の作用がない場合について説明する。このとき図２６に示すように受光部４に照射される光の照射領域１１４は、その重心近傍に光量の小さい（または光量のない）領域１２４が存在するような形状となる。その光の照射領域１１４が、受光部４を分割するそれぞれの受光領域１０〜１３に分布するように、かつ受光領域１０〜１３のそれぞれにて受光される光量が等しくなるように受光部４は配置されている。
【０１０７】
次に触覚部７に外力が作用したときに外力を検出する方法について図２７〜３０によって説明する。触覚部７のｙ方向に力が加わったときについての突起部３の動作は実施の形態４で説明した動作と同様であるため、その説明を省略する。このとき、透明板１から突起部３へ透過する光量が多くなり、かつ図２８に示すように、光の照射領域１１４が広くなり、光量の小さい（または光量のない）領域１２４が小さくなる。このとき、それぞれの受光領域１０〜１３に受光される光量が増加し、かつそれぞれの受光領域１０〜１３に照射される光量はほぼ等しくなる。例えば、受光領域１０〜１３の出力をそれぞれｅ、ｆ、ｇ、ｈとする。これらを検出して、（ｅ＋ｆ）―（ｇ＋ｈ）と（ｅ＋ｇ）―（ｆ＋ｈ）との各演算結果は略０なる。さらに（ｅ＋ｆ）＋（ｇ＋ｈ）の演算結果が、外圧が無いときより大きな値になる。従って、触覚部７にｙ方向の力が加わったと検出することが可能である。
【０１０８】
このとき光の照射領域１１４は光の強度増加と共に面積が増加するため、受光領域１０〜１３に照射される光量変化は大きい。従って、本実施例は触覚部７に加わる外力に対して感度が良い。
【０１０９】
また触覚部７のｘ方向に外力が作用したときについての突起部３の動作は実施の形態４で説明した動作と同じであるため、その説明を省略する。このとき、図３０に示すように、受光部４に照射される光の照射領域１１４内に光量の高い領域１１５が存在する。従って、光の照射領域１１４の光量の分布に偏りが生じ、偏りは触覚部７が変位した方向と反対の方向に移動することになる。
【０１１０】
従って、受光領域１０〜１３を分割する分割線の中心から光量の分布が均等でなくなるため、４つ受光領域１０〜１３のそれぞれに受光される光量に差が発生する。前記と同様に（ｅ＋ｆ）―（ｇ＋ｈ）と（ｅ＋ｇ）―（ｆ＋ｈ）との演算をすると、（ｅ＋ｆ）―（ｇ＋ｈ）は略０となり、（ｅ＋ｇ）―（ｆ＋ｈ）＜０となり、触覚部７にｘ方向の力が加わったと検出することが可能である。
【０１１１】
ｚ方向の外力が作用したときについてもｘ方向の検出原理と同様である。もちろん、面内の任意の方向についても受光領域１０〜１３のそれぞれの信号を比較すれば、検出が可能である。このように受光部上の光の領域の中心部に光量が少ない領域があるとき、透明板１から受光部４までのｙ方向の距離が大きいため、センサの可動変位量を大きくすることが可能である。
【０１１２】
（実施の形態６）
上記の実施の形態４および５においては、可動部材（突起部３、受光部４、触覚部７）が透明板１の片側に配置された構成について説明したが、透明板１の両側に可動部材が配置されていても良い。以下、透明板１の両側に可動部材が配置された構成について説明する。
【０１１３】
図３１は、本発明の実施の形態６における触覚センサにて可動部材が透明板をはさんで上下に配置された状態を示す模式図である。図３１を参照して、透明板１の両側に触覚センサにおける可動部材が配置されている。この可動部材は、突起部３と受光部４と触覚部７との３つの部材により構成されている。
【０１１４】
また、透明板１の上面２５および下面２６の双方に窪み９が形成されており、各窪み９内に弾性体８が設けられている。
【０１１５】
上面２５にある透明板１の窪み９の配置を図３２に下面２６の窪み９の配置を図３３に示す。図３２および図３３を参照して、上面２５にあるそれぞれの窪み９の中心のｘｚ面内の座標と下面２６にある窪み９の中心のｘｚ面内の座標は一致しないほうが好ましい。つまり、透明板１の上面２５に形成された窪み９の中心と下面２６に形成された窪み９の中心とは、上面２５と下面２６との双方に垂直な線上にはないことが好ましい。そうすることにより、上面と下面の窪みが重ならないため、透明板１の厚さを薄くすることが可能となる。
【０１１６】
また、以上透明弾性体８の代替で窪み９に動作範囲内で液体状態にある物質を注入し、上面を弾性体からなる透明な膜で物質を封入してもよい。
【０１１７】
なお、これ以外の構成については実施の形態４または５の構成とほぼ同じであるため、同一の構成要素については同一の符号を付しその説明を省略する。
【０１１８】
図３１に示す構成によれば、上下の触覚部７に力が加わったとき、透明板１の光はそれぞれの上下の突起部３に透過するため、透明板１の上下の力の検出が可能である。
【０１１９】
また、光源及び透明板等を別途設置する必要がないため、部品点数の削減及びセンサの薄型化が可能である。
【０１２０】
今回開示された実施の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と考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【０１２１】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の触覚センサによれば、透明板の一方側にのみ受光素子と触覚部と突起部とを配置することができるため、透明板の両側に受光素子と触覚部とが位置する従来例よりもセンサ全体の厚みを非常に薄く小型にすることが可能である。
【０１２２】
また、受光素子が触覚部と突起部とにより密閉される構成であるため、封止部材が必要ないとともに、受光部材にごみなどが付着しないので、正確な検出が可能となる。
【０１２３】
また、１つの触覚部、突起部に対して多数の力の方向と大きさの信号を独立して検出することが可能であり、また多数の触覚部を配置できるため、分解能が向上する。
【０１２４】
また、透明板の窪み内に弾性体を配置するため、精度良く弾性体の形状を形成することが可能となる。また、弾性体を配置する位置も窪みの位置により決定することが可能であるため非常に精度良く形状、位置決めを行うことが可能である。また、弾性体を透明板の窪み内に流し込むことが可能であるため生産性に優れている。
【０１２５】
また、触覚部に外圧の作用がない状態では、透明板側から突起部側へ入射する光は、受光素子を分割するそれぞれの受光領域に入射するため、それぞれの受光領域の光量変化の相関関係を演算しやすく力の大きさおよび方向を容易に検出することが可能である。
【０１２６】
また、１つの透明板をはさんで上下に突起部が配置されているため、光源および透明板を別途設置する必要が無く、センサの厚み方向を小さくし、部品点数を削減することが可能となる。
【０１２７】
また、１つの透明板をはさんで上下に突起部が配置されているとき、透明板の上面に形成された窪みの中心と下面に形成された窪みの中心とは、上面と下面との双方に垂直な線上にはないため、上面と下面とに設けられた各窪みの位置がずれ、透明板を薄くすることが可能であり、センサ厚みの薄型化が可能である。
【０１２８】
また、透明板と突起部との一部、もしくは弾性体と突起部との一部が接着されているため、機器の振動によって突起部と透明板とが非接触状態になり検出不能になることを防止することが可能である。
【０１２９】
また、窪み内に存在する変形可能な弾性体と透明板の線膨張係数が略等しいため、温度の変化に対して弾性体と透明板の相対的な変形が小さくなり、温度変化による受光部へ入射する光の変動を抑止することが可能である。
【０１３０】
また、触覚部に外圧の作用がない状態では、透明板側から突起部側へ入射する光は受光素子上において略円状に入射するため、センサの面方向の力の検出に対して感度を高くすることが可能である。
【０１３１】
また、触覚部に外圧の作用がない状態では、透明板側から突起部側へ入射する光によって受光素子上に照射される照射領域の重心近傍に光量の小さい領域があるため、センサの面方向の力の検出に対して感度を高くすることが可能である。また、受光部を透明板からより近傍に配置することが可能であるため、薄型化が可能である。また、受光部から透明板までの距離を大きくすることが可能であるため、可動変位量を大きくすることが可能となり、利便性が増す。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１における触覚センサの構成を概略的に示す模式図である。
【図２】 図１の触覚センサにおける突起部を拡大して示す断面図である。
【図３】 図１において受光部４をｙ方向から見た図である。
【図４】 本発明の実施の形態１における触覚センサの触覚部に外力が作用していない状態を概略的に示す模式図である。
【図５】 本発明の実施の形態１における触覚センサの触覚部に外力が作用していない状態において、受光素子上の光の照射状態を示す図である。
【図６】 本発明の実施の形態１における触覚センサの触覚部にｙ方向の外力が作用した状態を概略的に示す模式図である。
【図７】 本発明の実施の形態１における触覚センサの触覚部にｙ方向の外力が作用した状態において、受光素子上の光の照射状態を示す図である。
【図８】 本発明の実施の形態１における触覚センサの触覚部にｘ方向の外力が作用した状態を概略的に示す模式図である。
【図９】 本発明の実施の形態１における触覚センサの触覚部にｘ方向の外力が作用した状態において、受光素子上の光の照射状態を示す図である。
【図１０】 本発明の実施の形態２における触覚センサの突起部付近を拡大して概略的に示す模式図である。
【図１１】 本発明の実施の形態２における触覚センサの触覚部に外力が作用していない状態において、受光素子上の光の照射状態を示す図である。
【図１２】 本発明の実施の形態２における触覚センサの触覚部にｙ方向の外力が作用した状態において、受光素子上の光の照射状態を示す図である。
【図１３】 本発明の実施の形態２における触覚センサの触覚部にｘ方向の外力が作用した状態において、受光素子上の光の照射状態を示す図である。
【図１４】 本発明の実施の形態３における触覚センサにて可動部材が透明板をはさんで上下に配置された状態を示す模式図である。
【図１５】 本発明における触覚センサをロボットのグリッパの指に搭載し、狭い隙間内での動作を示した図である。
【図１６】 本発明における触覚センサをロボットのグリッパの指に搭載し、流体中での動作を示した図である。
【図１７】 本発明の実施の形態４における触覚センサの構成を概略的に示す模式図である。
【図１８】 図１７において受光部４をｙ方向から見た図である。
【図１９】 本発明の実施の形態４における触覚センサの触覚部に外力が作用していない状態を概略的に示す模式図である。
【図２０】 本発明の実施の形態４における触覚センサの触覚部に外力が作用していない状態において、受光素子上の光の照射状態を示す図である。
【図２１】 本発明の実施の形態４における触覚センサの触覚部にｙ方向の外力が作用した状態を概略的に示す模式図である。
【図２２】 本発明の実施の形態４における触覚センサの触覚部にｙ方向の外力が作用した状態において、受光素子上の光の照射状態を示す図である。
【図２３】 本発明の実施の形態４における触覚センサの触覚部にｘ方向の外力が作用した状態を概略的に示す模式図である。
【図２４】 本発明の実施の形態４における触覚センサの触覚部にｘ方向の外力が作用した状態において、受光素子上の光の照射状態を示す図である。
【図２５】 本発明の実施の形態５における触覚センサの触覚部に外力が作用していない状態を概略的に示す模式図である。
【図２６】 本発明の実施の形態５における触覚センサの触覚部に外力が作用していない状態において、受光素子上の光の照射状態を示す図である。
【図２７】 本発明の実施の形態５における触覚センサの触覚部にｙ方向の外力が作用した状態を概略的に示す模式図である。
【図２８】 本発明の実施の形態５における触覚センサの触覚部にｙ方向の外力が作用した状態において、受光素子上の光の照射状態を示す図である。
【図２９】 本発明の実施の形態５における触覚センサの触覚部にｘ方向の外力が作用した状態を概略的に示す模式図である。
【図３０】 本発明の実施の形態５における触覚センサの触覚部にｘ方向の外力が作用した状態において、受光素子上の光の照射状態を示す図である。
【図３１】 本発明の実施の形態６における触覚センサにて可動部材が透明板をはさんで上下に配置された状態を示す模式図である。
【図３２】 図３１の触覚センサにおいて透明板の上面にある窪みの配置を示す図である。
【図３３】 図３１の触覚センサにおいて透明板の下面にある窪みの配置を示す図である。
【図３４】 従来の触覚センサの構成図である。
【符号の説明】
１ 透明板、２ 支持部材、３ 突起部、４ 受光部、５ 光源、６ 光反射部、７ 触覚部、８ 弾性体、１０〜１３ 受光領域、１４，１１４ 照射領域、１５ 光量の高い領域、１８ グリッパ、２０ 光、２５ 上面、２６ 下面、１２４ 光量の小さい（または光量のない）領域。
Claims (12)
- 光源と、前記光源から出射した光を導く透明板と、外圧の作用により可動する複数の可動部材とを備えた触覚センサであって、
前記可動部材は、
外圧を直接受ける触覚部と、
前記透明板からの光を透過する突起部と、
前記透明板から前記突起部へ透過した光を受光するための受光素子とを有し、
前記受光素子は前記触覚部と前記突起部との間に設けられていることを特徴とする、触覚センサ。 - 前記突起部は、前記透明板の表面に接触し、かつ変形可能な弾性体からなっていることを特徴とする、請求項１に記載の触覚センサ。
- 前記透明板の表面には窪みが形成されており、
前記窪み内に存在し、かつ前記透明板からの光を透過する、変形可能な弾性体をさらに備え、
前記突起部は、前記弾性体の表面に接触していることを特徴とする、請求項１に記載の触覚センサ。 - 前記触覚部と前記受光素子と前記突起部とのそれぞれの個数は１：１：１に対応しており、前記受光素子が、１つの前記突起部に対して少なくとも２つの受光領域を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の触覚センサ。
- 前記触覚部に外圧の作用がない状態では、前記透明板側から前記突起部側へ入射する光は、前記受光素子を分割するそれぞれの前記受光領域に入射することを特徴とする、請求項４に記載の触覚センサ。
- １つの前記透明板をはさんで上下に前記突起部が配置されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の触覚センサ。
- １つの透明板をはさんで上下に前記突起部が配置されているとき、前記透明板の上面に形成された前記窪みの中心と下面に形成された前記窪みの中心とは、前記上面と前記下面との双方に垂直な線上にはないことを特徴とする、請求項３に記載の触覚センサ。
- 前記透明板と前記突起部との一部が接着されていることを特徴とする請求項２に記載の触覚センサ。
- 前記弾性体と前記突起部との一部が接着されていることを特徴とする請求項３に記載の触覚センサ。
- 前記弾性体と前記透明板との線膨張係数が略等しいことを特徴とする、請求項３に記載の触覚センサ。
- 前記触覚部に外圧の作用がない状態では、前記透明板側から前記突起部側へ入射する光は前記受光素子上において略円状に入射することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の触覚センサ。
- 前記触覚部に外圧の作用がない状態では、前記透明板側から前記突起部側へ入射する光によって前記受光素子上に照射される照射領域の重心近傍に光量の小さい領域があることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の触覚センサ。
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