JP4106689B2 - 表面触感計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、物体表面の触感に関する情報を得られる表面触感計測装置に関する。

物体表面の性状を測定する装置として各種の装置が考えられている（例えば、特許文献１）。図７は、その一例である表面性状計測装置５０の概略斜視図である。
表面性状計測装置５０は、試料５１を載置したサンプルステージ５２と、Ｌ字型のロボットアーム５３と、ロボットアーム５３の下面５３ａに固着したセンサー部５４と、ロボットアーム５３をサンプルステージ５２の長手方向（矢印Ａの方向）に移動するスライド機構（図示せず）とを備えている。

図８は、表面性状計測装置５０のセンサー部５４近傍の概略斜視図である。なお、図はセンサー部５４を斜め下方から見た図となっている。センサー部５４は人の指先とほぼ同じ大きさの円形状である。ロボットアーム５３の下面５３ａに銅板５４ａを介して母材５４ｂが立設する。母材５４ｂは加硫ゴム製である。母材５４の底面には圧電素子からなる受感材５４ｃを固着する。圧電素子としては、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）フィルムが用いられる。模擬指紋材５４ｄは、銅板５４ａとで、母材５４ｂと受感材５４ｃとを包囲する。模擬指紋材５４ｄは、人の肌や指紋の表面の粗さを模すためのものであり、アセテートフィルムが用いられる。

以上のように構成された表面性状計測装置５０においては、センサー部５４を試料５１の表面に接触させ、ロボットアーム５３を図７の矢印Ａの方向に３０〜５００ｍｍ／ｓｅｃで平行移動させる。そして、センサー部５４の試料５１表面との接触面における機械的歪みを受感材５４ｃの圧電素子で電圧信号に変換して取り出し、オシロスコープ（図示せず）などを用いて電圧信号をモニターしたり、取り込んだりする。この取り込んだ電圧信号に所定の処理を施して、物体表面性状を定量的に得る。
特開２００２−１８１６９３号公報

しかしながら、図７の表面性状計測装置５０では、センサー部５４を移動させながら機械的歪みを検出するので、センサー部５４の模擬指紋材５４ｄを試料５１の表面に必ず接触させて移動する必要がある。そのため、ロボットアーム５３やセンサー部５４の構成を単純化することができないため、装置構成が大掛かりとなる。
また、表面性状計測装置５０の受感材５４ｃから出力される電圧信号は、微小信号であるにも拘らず、センサー部５４をロボットアーム５３で平行移動させるため、センサー部５４の移動によりセンサー部５４に生じうる電気的なノイズを拾うこともある。
また、表面性状計測装置５０には、外部からの電気的なノイズや微振動に対する対策がなされておらず、受感材５４ｃにより変換出力される電圧信号中に、電気的なノイズや微振動によるノイズが混入されることもある。
また、センサー部５４の試料５１との接触面は略平面であるので、試料５１の表面の微小な凹凸に対応して、受感材５４ｃの電圧信号が出力しない可能性もありうる。

そこで、本発明は、上記課題に鑑み、試料表面を人の指先でなぞったときに感じ取る触感に匹敵する情報を、より皮膚感覚に近く、しかも正確に得ることができるようにした表面触感計測装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、試料表面との触感を検知するセンサー部と、試料を載置するサンプル台とを備えた表面触感計測装置において、上記センサー部に対して上記サンプル台を移動する移動機構と、上記移動機構を挟んで所定の間隔を開けて配設した一対の基体と、該基体にそれぞれ固着して立設した支柱と、該支柱間に高さ調整可能に架設した横木とで構築された門型の枠組みと、上記一対の基体と上記移動機構と上記支柱とを配置した除振台と、を備え、上記横木に上記センサー部が固着され、上記センサー部は上記サンプル台上の試料表面と接触するラバーと該ラバーの側面に装着した圧電素子とを備え、上記移動機構は、サンプル台に固着するナットと、ナットに螺合して挿着する螺旋棒と、螺旋棒を回転駆動する駆動部と、螺旋棒に平行に配設した一対のレールとを備えていて、横木の高さ調整によりセンサー部をサンプル台上に載置した試料の表面に接触させつつ、駆動部による螺旋棒の回転に伴いナットがレール上を平行移動してサンプル台が移動することで、表面触感を計測することを特徴とする。
好ましくは、前記ラバーの底面は平面であるか、ラバーの底面に所定の大きさの突起が配列されているかの何れかである。
好ましくは、前記ラバーはシリコンラバーである。
好ましくは、前記圧電素子はポリフッ化ビニリデン製のフィルムである。

本発明は、上記構成を有することにより、センサー部を移動させずにサンプル台を移動させることで、センサー部の移動に伴うノイズをセンサー部が拾うことなく正確な表面触感を精度よく検知できる。また、センサー部は移動しないで、試料表面に接触させておくことが可能となるので、センサー部の構成や装置そのもののを小型化できる。特に、センサー部の試料表面との接触側の底面を平面でなく、複数の突起を配列した面とすることで、サンプル台の移動をスムーズに行うことができる。また、表面に微小な凹凸がある試料についてもその凹凸に対応して触覚を検知することができる。
特に、ラバーを、人の指の皮膚に近いシリコンラバーとすることで、人の皮膚感覚に近い状態でデータを得ることができる。また、圧電素子をポリフッ化ビニリデン製のフィルムとすることで、人の皮膚感覚に近い検出感度で検出することができる。また、センサー部を、基体と支柱と横木で構築して横木を位置調整できる枠組みとすることで、試料の大きさに拘わらず、計測を行うことができる。さらに、枠組みと移動機構とを除振台に載置することで、外部振動を除去できて表面触感を計測することができる。この移動機構を螺旋棒とナットとで基本的に構築すれば、装置を小型化し得る。そして、移動機構において、螺旋棒の一端に結合部を設け、この結合部が振動を低減する錘を兼用することで、移動機構に伴う振動を生じさせることなく、ノイズの少ない安定した表面触感を計測することができる。

本発明の表面触感計測装置は、センサー部を移動させずに、移動機構により試料を移動するように構成したので、センサー部の移動に伴い生じうるノイズを可及的に低減する。また、センサー部は常に試料表面に容易に接触させておくことができるので、センサー部ひいては装置全体を小型化することができる。また、センサー部を、試料表面と接触するラバーと、その側面、特に両側面に装着した圧電素子とで構成することで、センサー部を小型化できる。ラバーや圧電素子は人の指の感覚に匹敵する材料を選択することで、より正確な触覚を検知できる。また、基体と支柱と高さ調整可能な横木とで枠組みを構築し、センサー部を横木の底面に固着することで、装置構成を小型化でき、しかも試料の厚さに拘わらず計測することができる。移動機構を螺旋棒とナットとで基本的に構成することで装置全体を小型化できる。さらに、枠組みや移動機構を除振台に載置することで外部振動を遮断することができる。移動機構において、螺旋棒の一端に結合部を介在することで、安定してスライド台を移動させることができる。
以上のように、本発明の表面触感計測装置によれば、より皮膚感覚に近く、しかも正確に表面触感に関する情報を得ることができる。その得られる情報は、試料表面を人の指先でなぞったときに感じる触感に匹敵する。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
図１は表面触感計測装置の好ましい一例を示す概略斜視図、図２は図１の表面触感計測装置の右側面図、図３は図１の表面触感計測装置の正面図である。
図１の表面触感計測装置１は、試料２を載置するサンプル台３と、サンプル台３を搭載して装置の長手方向（図の矢印Ｂの方向）に移動する移動機構４と、試料２の表面との触感を検知するセンサー部５を備えている。

移動機構４を挟んで所定の間隔を開けて一対の基体６が配設される。各基体６の所定の箇所に支柱７が立設される。例えば、各基体６には、サンプル台３の移動方向に、所定の長さだけ溝６ａが掘られている。一方、支柱７の該当箇所にはネジ穴が穿設してある。基体６の外側で、かつサンプル台３の移動方向における所定の位置に、支柱７を配置し固定する。すなわち、支柱７のネジ穴にネジ７ａを挿入して基体６に支柱７を固着する。
支柱７の間に横木８を渡して架設する。例えば、支柱７には鉛直方向に所定の長さだけ溝７ｂが掘られている。一方、横木８の支柱７側の面にはネジ穴が穿設してある。横木８を所定の高さに位置調整してその両端のネジ穴に溝７ｂからネジ８ａを挿入して横木８を支柱７間に架け渡して固定する。

このように、基体６と支柱７と横木８とを組み立てて門型の枠組みが構築される。横木８の底面にセンサー部５を固着する。例えば、横木８の上面に挿入板８ｂを介在させてネジ８ｃを鉛直下向きに挿入してセンサー部５をネジ留めする。
また、移動機構４、基体６及び支柱７は、例えばアルミ製の除振台９上に配置されており、外部からの振動、特に微振動が伝達しないようにすることが好ましい。除振台９の上面の両サイドには金属製の取っ手９ａが設けられている。さらには、除振台９の底面に、例えばその四隅に、耐震ゴムのインシュレーター９ｂ、すなわち、円柱の足が配置されることで、外部振動を完全に遮断することが好ましい。

ところで、センサー部５は、サンプル台３上の試料表面と接触するラバー５ａと、ラバー５ａの両側面に装着した圧電素子５ｂとで構成される。圧電素子５ｂの装着面の法線方向は、サンプル台２の移動方向である。ラバー５ａは銅板５ｃを介在して横木８の底面にネジ８ｃでネジ留めされる。ここで、ラバー５ａの材質は指の皮膚に最も近い材質が好ましく、例えばシリコンラバーなどが挙げられる。また、圧電素子５ｂは、人の皮膚触覚に最も対応した変換特性を示すＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）が好ましい。ラバー５ａも圧電素子５ｂも人の特性に近いものを用いることにより、人の触感に近いデータを検出することができる。さらに、圧電素子５ｂをラバー５ａの両側面に装着することで、より正確な触感に関するデータを得ることができる。

ここで、各圧電素子５ｂは、試料２との接触により生じるラバー５ａの機械的歪みを検出する。この検出結果を処理してセンサー部５の特性として人の指により近い特性を得ることができる。また、圧電素子５ｂの端子間電圧を各配線５ｄで取り出す。配線５ｄの一端は、横木８の上面の端子台８ｄに固着した各出力端子５ｅに接続する。このとき、配線５ｄは、接着剤、例えばシリコンボンドで横木８に接着させることで、圧電素子５ｂが出力する微弱信号にノイズを含ませないようにすることができる。また、配線５ｄ同士を互いに交差するように巻くことで、配線５ｄに電流が流れることに起因するノイズを発生しないようにする。

次に、移動機構４について説明する。
移動機構４は、例えば、図１に示すように、スイッチボックス４１のスイッチ４２でＯＮ、ＯＦＦされるモータ４３を動力源として、モータ４３の回転力を例えば歯車４４で伝達して作用する。モータ４３は、電気的、磁気的な電気ノイズを発生しにくいＤＣステッピングモータであることが好ましい。また、モータ４３の動力源のエネルギー源、すなわち商用周波数ＡＣ電源として、ノイズを発生しない電源を用いるのが好ましい。

図４は移動機構４の概略斜視図である。
図４の移動機構４は、一対の基体６の間に配置される。移動機構４は、一対の基体６に平行、すなわち、サンプル台３を移動する方向に螺旋棒４ａを配置する。螺旋棒４ａの一端は、結合部４ｂを介してトランス４ｃに結合する。結合部４ｂは、螺旋棒４ａとトランス４ｃとを接続するだけでなく、所定の重量を有しており振動を可及的に低減する。トランス４ｃは、結合部４ｂを介してモータ４３の回転力を螺旋棒４ａに伝達する。一方、螺旋棒４ａの他端は支持部（図示せず）で回転可能に支持される。トランス４ｃや歯車４４などで駆動部が構成される。

螺旋棒４ａにはナット４ｄが螺合する。ナット４ｄには挟掴部４ｅが固着している。挟掴部４ｅは、ナット４ｄを上部から螺着する上板４ｆと、その両側部にＬ字型の側板４ｇとからなる。上板４ｆは、例えばアルミ製のサンプル台３をネジで固着する。ここで、アルミ製とするのは、軽量化を図ったためである。固着用のネジの材質をプラスチックなどの絶縁材料とし、場合には上板４ｆとサンプル台３との間に絶縁シートを介在させることで、サンプル台３を電気的に浮かせて、センサー部５に対して電気的なノイズが可及的に入り込まないようにする。側板４ｇの鍔４ｈは、螺旋棒４ａを挟んで平行に配列した一対のレール４ｉとそれぞれ係合する。

以上のように構成された移動機構４は次のように作用する。モータ４３の回転力がトランス４ｃ及び結合部４ｂを介して螺旋棒４ａに伝達されると、螺旋棒４ａが回転する。すると、ナット４ｄは、挟掴部４ｅ及びサンプル台３と共に、矢印Ｂの方向に移動する。また、モータ４３の回転を逆転させれば、ナット４ｄは、挟掴部４ｅ及びサンプル台３と共に、矢印Ｂとは逆の方向に移動する。

また、本発明における表面触感計測装置１においては、ナット４ｄは、螺旋棒４ａとの間に複数のボールを封入した所謂ボールねじナットであることが好ましい。また、ボールねじナットの螺旋棒４ａの挿入方向の側面には潤滑装置を設けてあることが好ましい。この潤滑装置は、潤滑油をファイバーネットに貯蔵しており、潤滑油を調整して螺旋棒４ａとナット４ｂとの間に塗布することができるようにした装置である。
これにより、モータ４３からトランス４ｃ及び結合部４ｂを介して螺旋棒４ａに伝達された回転力が、螺旋棒４ａとナット４ｄとの螺合で抵抗を受けずに、螺旋棒４ａが回転してナット４ｄ、挟掴部４ｅ及びサンプル台３が移動しやすくなるとともに、サンプル台３に振動を可及的に与えない。

次に、表面触感計測装置１を用いて試料２の表面の触感を検知する手順を説明する。
準備として、サンプル台３に試料２を載せた状態で、センサー部５の底面、すなわち、ラバー５ａの底面が試料２の表面と接触する高さに横木８を合わせてネジ８ａでネジ留めする。その際、支柱７に印字などして設けた目盛り７ｃ（図３参照）を活用することで高さ調整を容易に行うことができる。

準備完了後、モータ４３を回転させる。すると、モータ４３の回転力が、歯車４４、トランス４ｃ及び結合部４ｂに順次伝達されて、螺旋棒４ａが回転する。螺旋棒４ａの回転により、ナット４ｄ、挟掴部４ｅ及びサンプル台３がその回転方向に対応する方向に移動する。移動速度が高速例えば１０〜１５０ｍｍ／ｓｅｃで例えば１０ｍｍ／ｓｅｃ毎に可変となるように、モータ４３、歯車４４、トランス４ｃ等が組み合わされることが好ましい。その際、サンプル台３に載せた試料２の移動で、試料２がラバー５ａと摺動する。このとき、ラバー５ａには機械的歪みが生じる。この生じた機械的歪みを圧電素子５ｂで電気信号に変換して、出力端子５ｅに取り付けたＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ：高速フーリエ変換）アナライザー（図示せず）に所定のサンプリング周波数で取り込む。

ＦＦＴアナライザーに取り込んだ電気信号に対して、その絶対値の平均値、中及び高周波数成分に対する中周波数成分のスペクトルの分析比、分散などの演算処理が施される。演算処理された結果は、人の物体表面の触感に対応した指標とされている。その結果、粗滑感や乾湿感などの感情因子の官能性評価値と相関関係の高い定量測定を行うことができる。

以上の発明を実施するための最良の形態の別形態として、例えば、センサー部の構造を次のようにすることもできる。
図５はセンサー部の別形態の底面図、図６はその側面図である。図５及び図６のセンサー部１０は、図１のセンサー部５と同じように、試料表面と接触するラバー１０ａと、ラバー１０ａの側面、すなわち、サンプル台２の移動方向を法線方向とする面にそれぞれ装着した圧電素子１０ｂとで構成される。ラバー１０ａは銅板１０ｃを介在して横木８の底面に固着される。図１のセンサー部５の試料表面との接触面は平面であるのに対して、このラバー１０ａの底面側には所定の大きさの半球面状の突起１０ａ１が配列してある。図では、サンプル台３の移動方向に３個、それに垂直な方向に１２個の合計３６個配列されているが、別に突起１０ａ１の数は図示した場合に限定されることなく、一列であってもよい。また、突起１０ａ１はその下面が丸みを帯びた形状となっているが、図示の場合に限定されるものではない。このように、ラバー１０ａの底面に突起１０ａ１を配列したことで、試料２の接触面積を必要な大きさとし、スムーズに移動機構４によりサンプル台３を移動できる。また、試料２の表面を摩擦力で損傷することなく、試料２の表面の触覚に関する情報を得ることができる。

一方で、センサー部１０においては、センサー部５と異なり、圧電素子１０ｂの出力端子からの配線１０ｄがラバー１０ａに接着剤１０ｅで固着している。接着剤１０ｅとしては、シリコンボンド等が挙げられる。これで、配線１０ｄの不意の変位によるノイズを可及的に低減する。

以上の説明においては、モータ４３の制御はスイッチ４２で行うようにしたが、コンピュータにモータ４３を接続しておき、このコンピュータに内蔵したプログラムで制御することで、例えば、モータ４３の回転速度や回転数を任意に選択でき、時系列にこれらを変化させることができる。
また、以上の説明においては、基体６、支柱７及び横木８で構築した枠組みに、センサー部５，１０を移動しないように支持固定しているが、枠組みはこの場合に限定されることなく様々な枠組みであっても構わない。また、圧電素子５ｂ，１０ｂに電気的、磁気的なノイズが入らないように、除振台９の上に、基体６、支柱７、横木８、センサー部５，１０、サンプル台３、試料２及び移動機構４を、シールドボックスで覆うようにしてもよい。
このように、本発明は、上記した例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更でき、これらも本発明の範囲に含まれる。

本発明の表面触感計測装置の好ましい一例を示す概略斜視図である。 図１の表面触感計測装置の右側面図である。 図１の表面触感計測装置の正面図である。 図１の表面触感計測装置の移動機構の概略斜視図である。 図１の表面触感計測装置におけるセンサー部の別形態の底面図である。 図５のセンサー部の別形態の側面図である。 本発明に関する背景技術である表面性状計測装置の概略斜視図である。 図７のセンサー部の概略斜視図である。

符号の説明

１ 表面触感計測装置
２ 試料
３ サンプル台
４ 移動機構
４３ モータ
４ａ 螺旋棒
４ｂ 結合部
４ｃ トランス
４ｄ ナット
４ｅ 挟掴部
４ｆ 上板
４ｇ 側板
４ｉ レール
５，１０ センサー部
５ａ，１０ａ ラバー
１０ａ１ 突起
５ｂ，１０ｂ 圧電素子
５ｃ，１０ｃ 銅板
６ 基体
７ 支柱
８ 横木
９ 除振台

Claims (4)

1. 試料表面との触感を検知するセンサー部と、試料を載置するサンプル台とを備えた表面触感計測装置において、
   上記センサー部に対して上記サンプル台を移動する移動機構と、
   上記移動機構を挟んで所定の間隔を開けて配設した一対の基体と、該基体にそれぞれ固着して立設した支柱と、該支柱間に高さ調整可能に架設した横木とで構築された門型の枠組みと、
   上記一対の基体と上記移動機構と上記支柱とを配置した除振台と、
   を備え、
   上記横木に上記センサー部が固着され、
   上記センサー部が、上記サンプル台上の試料表面と接触するラバーと該ラバーの側面に装着した圧電素子とを備え、
   上記移動機構が、上記サンプル台に固着するナットと、該ナットに螺合して挿着する螺旋棒と、該螺旋棒を回転駆動する駆動部と、上記螺旋棒に平行に配設した一対のレールとを備え、
   上記横木の高さ調整により上記センサー部を上記サンプル台上に載置した試料の表面に接触させつつ、上記駆動部による上記螺旋棒の回転に伴い上記ナットが上記レール上を平行移動して上記サンプル台が移動することで、表面触感を計測することを特徴とする、表面触感装置。
2. 前記ラバーの底面は平面であるか、ラバーの底面に所定の大きさの突起が配列されているかの何れかであることを特徴とする、請求項１に記載の表面触感計測装置。
3. 前記ラバーはシリコンラバーであることを特徴とする、請求項１または２に記載の表面触感計測装置。
4. 前記圧電素子はポリフッ化ビニリデン製のフィルムであることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載の表面触感計測装置。

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