JP5678669B2 - Ultrasonic sensor, tactile sensor, and gripping device - Google Patents

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Description

本発明は、超音波を発信する超音波センサー、および超音波センサーから発信された超音波により接触物の接触を検出する触覚センサー、および触覚センサーを備えた把持装置に関する。   The present invention relates to an ultrasonic sensor that transmits ultrasonic waves, a tactile sensor that detects contact of a contact object with ultrasonic waves transmitted from the ultrasonic sensor, and a gripping device including the tactile sensor.

従来、ロボットのアームなどにより、重量や摩擦係数が未知である対象物を把持する際に、対象物の接触により作用する応力を検出するセンサーが知られている(例えば、特許文献1参照)。   2. Description of the Related Art Conventionally, a sensor that detects a stress that is applied by contact with an object when an object with an unknown weight or friction coefficient is gripped by a robot arm or the like is known (for example, see Patent Document 1).

この特許文献1に記載の触覚センサーは、センサー基板に開設される開口の縁部から延伸するカンチレバー構造の構造体を有し、この構造体は、平板状の感応部と、感応部とセンサー基板とを連結するヒンジ部とから構成される。そして、この構造体の感応部には導電性磁性体膜が形成され、ヒンジ部には、ピエゾ抵抗膜が形成され、導電性磁性体膜とピエゾ抵抗膜とが導通されている。また、ヒンジ部には電極が設けられ、圧力によりヒンジ部が曲がることで、ヒンジ部のピエゾ抵抗で発生する電流が電極から流れる構成となっている。そして、この触覚センサーは、センサー基板上に上記のような構造体が複数形成され、これらの構造体のうち一部がセンサー基板に対して起立し、他の一部がセンサー基板に対して平行に保持されている。また、このセンサー基板上には、弾性体が設けられ、起立した構造体は、弾性体に埋め込まれている。そして、起立した構造体により剪断力が測定可能となり、基板面に平行な構造体により正圧力が測定可能となる。ここで、この触覚センサーでは、センサー基板に対して起立した構造体により剪断力が検出され、センサー基板に対して平行に保持される構造体により正圧力が検出される。また、起立した構造体は、平板状の構造体を磁力により折り曲げることで形成されている。   The tactile sensor described in Patent Document 1 has a cantilever structure that extends from an edge of an opening formed in a sensor substrate. The structure includes a flat plate-like sensitive portion, a sensitive portion, and a sensor substrate. And a hinge portion connecting the two. A conductive magnetic film is formed on the sensitive part of the structure, a piezoresistive film is formed on the hinge part, and the conductive magnetic film and the piezoresistive film are electrically connected. In addition, an electrode is provided in the hinge portion, and the hinge portion is bent by pressure, so that a current generated by the piezoresistance of the hinge portion flows from the electrode. In this tactile sensor, a plurality of structures as described above are formed on the sensor substrate, and some of these structures stand up with respect to the sensor substrate and the other part is parallel to the sensor substrate. Is held in. Further, an elastic body is provided on the sensor substrate, and the upright structure is embedded in the elastic body. The shearing force can be measured by the standing structure, and the positive pressure can be measured by the structure parallel to the substrate surface. Here, in this tactile sensor, a shearing force is detected by a structure standing up with respect to the sensor substrate, and a positive pressure is detected by a structure held parallel to the sensor substrate. Further, the standing structure is formed by bending a flat structure by a magnetic force.

特開2006−208248号公報JP 2006-208248 A

ところで、上記特許文献1に記載のような触覚センサーでは、センサー基板に対して起立させる構造体と、センサー基板に対して平行に保持する構造体とが分離され、起立した構造体により剪断力が検出され、基板に対して平行な構造体により正圧力が検出される。このような剪断力検出用の構造体は、正圧力検出用の構造体を磁力により曲げる必要があり、複雑な立体構造を有しているため、生産性が悪く、生産コストも増大するという問題がある。   By the way, in the tactile sensor as described in Patent Document 1, the structure that stands up with respect to the sensor substrate is separated from the structure that is held parallel to the sensor substrate, and shear force is generated by the standing structure. A positive pressure is detected by a structure that is detected and parallel to the substrate. Such a structure for detecting a shear force needs to bend the structure for detecting a positive pressure by a magnetic force, and has a complicated three-dimensional structure, so that the productivity is low and the production cost increases. There is.

本発明は、上記のような問題に鑑みて、簡単な構成で、接触物の接触検出が可能な超音波センサー、触覚センサー、および把持装置を提供することを目的とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide an ultrasonic sensor, a tactile sensor, and a gripping device that can detect contact of a contact object with a simple configuration.

本発明の超音波センサーは、基板と、前記基板上に設けられた複数の超音波素子と、前記複数の超音波素子と接して配置される弾性変形可能な弾性膜と、前記弾性膜の内部に設けられ、超音波を反射可能な超音波反射体と、を備え、前記超音波反射体は、前記超音波素子に対向する素子対向面を、前記複数の超音波素子の各々に対応して複数有することを特徴とする。
ここで、本発明で述べる、「超音波素子に対向する素子対向面」とは、素子対向面の法線方向への射影空間内に超音波素子が存在していることを意味する。
An ultrasonic sensor of the present invention includes a substrate, a plurality of ultrasonic elements provided on the substrate, an elastically deformable elastic film disposed in contact with the plurality of ultrasonic elements, and an inside of the elastic film And an ultrasonic reflector capable of reflecting ultrasonic waves, wherein the ultrasonic reflector has an element facing surface facing the ultrasonic element corresponding to each of the plurality of ultrasonic elements. It is characterized by having a plurality.
Here, the “element facing surface facing the ultrasonic element” described in the present invention means that the ultrasonic element exists in a projection space in the normal direction of the element facing surface.

この発明では、超音波反射体は複数の素子対向面を有し、基板には、これらの素子対向面に対向して複数の超音波素子が設けられている。このような構造では、超音波素子から超音波を発信し、超音波素子に対向する素子対向面で反射された超音波を当該超音波素子で受信し、超音波発信タイミングから超音波受信タイミングまでの時間(TOFデータ)を計測することで、超音波素子から素子対向面までの距離を検出することが可能となる。
そして、弾性膜に接触物が接触して弾性膜が弾性変形すると、超音波反射体は、弾性膜の変形に応じた位置に移動される。この時、弾性膜の変形前のTOFデータと、弾性膜の変形後のTOFデータとの差分を算出することで、各素子対向面の移動方向および移動量をもとめることができる。また、各素子対向面の移動方向および移動量が分かれば、超音波反射体全体としての移動方向および移動距離をも分析することが可能となり、弾性膜に作用する応力をも算出することが可能となる。
このような構成では、超音波素子が配設された基板上に弾性膜を形成し、弾性膜中に超音波反射体を埋設させる構成であるため、例えば立体的な検出部材を基板上に形成するような構成に比べて、構成を簡略化でき、生産性も良好となり、生産コストも低減させることができる。
In the present invention, the ultrasonic reflector has a plurality of element facing surfaces, and the substrate is provided with a plurality of ultrasonic elements facing these element facing surfaces. In such a structure, an ultrasonic wave is transmitted from the ultrasonic element, and an ultrasonic wave reflected by the element facing surface facing the ultrasonic element is received by the ultrasonic element, from the ultrasonic wave transmission timing to the ultrasonic wave reception timing. By measuring the time (TOF data), it is possible to detect the distance from the ultrasonic element to the element facing surface.
When the contact object comes into contact with the elastic film and the elastic film is elastically deformed, the ultrasonic reflector is moved to a position corresponding to the deformation of the elastic film. At this time, by calculating the difference between the TOF data before deformation of the elastic film and the TOF data after deformation of the elastic film, the movement direction and movement amount of each element facing surface can be obtained. If the moving direction and moving amount of each element facing surface are known, it is possible to analyze the moving direction and moving distance of the entire ultrasonic reflector, and it is possible to calculate the stress acting on the elastic film. It becomes.
In such a configuration, the elastic film is formed on the substrate on which the ultrasonic element is disposed, and the ultrasonic reflector is embedded in the elastic film. For example, a three-dimensional detection member is formed on the substrate. Compared to such a configuration, the configuration can be simplified, the productivity can be improved, and the production cost can be reduced.

本発明の超音波センサーでは、前記基板の表面に沿う一軸をX軸とし、前記基板の表面に沿い、X軸に直交する方向をY軸およびZ軸とした際に、前記超音波反射体は、前記基板に最も近い位置に位置する頂部と、前記頂部からX軸における+X方向に連続して設けられる第一素子対向面と、前記頂部からX軸における−X方向に連続して設けられる第二素子対向面と、を有し、前記第一素子対向面は、Y軸に対して平行な直線と、XZ平面で+X方向に向かうに従って前記基板から離れる第一傾斜角度で傾斜した直線と、で規定される平面であり、前記第二素子対向面は、Y軸に対して平行な直線と、XZ平面で−X方向に向かうに従って前記基板から離れる第二傾斜角度で傾斜した直線と、で規定される平面であり、前記基板上には、前記第一素子対向面に対向する第一超音波素子、および前記第二素子対向面に対向する第二超音波素子がX軸に沿って配設されていることが好ましい。   In the ultrasonic sensor according to the present invention, when the one axis along the surface of the substrate is an X axis and the direction orthogonal to the X axis is along the surface of the substrate and the Y axis and the Z axis, the ultrasonic reflector is , A top located closest to the substrate, a first element facing surface continuously provided in the + X direction on the X axis from the top, and a first element provided continuously in the −X direction on the X axis from the top. Two element facing surfaces, and the first element facing surface is a straight line parallel to the Y axis, and a straight line inclined at a first tilt angle that moves away from the substrate toward the + X direction on the XZ plane, The second element facing surface is a straight line parallel to the Y axis and a straight line inclined at a second inclination angle away from the substrate as it goes in the -X direction on the XZ plane. A plane that is defined, on the substrate, It is preferable that the first ultrasonic element facing the first element opposing surfaces, and the second ultrasonic element facing the second element facing surfaces are disposed along the X axis.

この発明では、超音波反射体の第一素子対向面および第一超音波素子により、超音波反射体が移動した際の第一素子対向面の法線方向への移動量(第一法線ベクトル)が算出可能となり、第二素子対向面および第二超音波素子により、超音波反射体が移動した際の第二素子対向面の法線方向の移動量(第二法線ベクトル)が算出可能となる。また、第一法線ベクトルの第二傾斜角度方向へのベクトル成分(第一成分ベクトル)、第二法線ベクトルの第一傾斜角度方向へのベクトル成分(第二成分ベクトル)をそれぞれ算出することが可能となる。ここで、これらの第一成分ベクトルおよび第二成分ベクトルは、Y軸に沿う方向(以降、Y軸方向と称す)の移動量成分が含まれてないため、これらをベクトル合成することで、超音波反射体のXZ平面内で移動ベクトル(XZ移動ベクトル)を算出することが可能となる。したがって、このXZ移動ベクトルを、それぞれ、X軸に平行なベクトル成分と、Zに沿う方向(以降Z軸方向と称す)に平行なベクトル成分に分解することで、超音波反射体のZ軸方向への移動量、X軸に沿う方向(以降、X軸方向と称す)への移動量をそれぞれ算出することが可能となり、弾性膜のZ軸方向に作用する力(正圧力)と、弾性膜のX軸方向に作用する力(X方向剪断力)と、を算出することが可能となる。すなわち、上記のような構成の超音波反射体および超音波素子を用いることで、ベクトル演算のみにより容易に超音波反射体のZ軸方向への移動量、X軸方向への移動量、正圧力、およびX方向剪断力を算出することができる。   In the present invention, the amount of movement in the normal direction of the first element facing surface when the ultrasonic reflector is moved by the first element facing surface and the first ultrasonic element of the ultrasonic reflector (the first normal vector). ) Can be calculated, and the movement amount (second normal vector) in the normal direction of the second element facing surface when the ultrasonic reflector moves can be calculated by the second element facing surface and the second ultrasonic element. It becomes. Also, a vector component (first component vector) in the second inclination angle direction of the first normal vector and a vector component (second component vector) in the first inclination angle direction of the second normal vector are calculated. Is possible. Here, the first component vector and the second component vector do not include a movement amount component in the direction along the Y axis (hereinafter referred to as the Y axis direction). It is possible to calculate a movement vector (XZ movement vector) in the XZ plane of the acoustic wave reflector. Therefore, the XZ movement vector is decomposed into a vector component parallel to the X-axis and a vector component parallel to a direction along the Z (hereinafter referred to as the Z-axis direction). , The amount of movement in the direction along the X-axis (hereinafter referred to as the X-axis direction) can be calculated, the force acting on the elastic film in the Z-axis direction (positive pressure), and the elastic film The force acting in the X-axis direction (X-direction shear force) can be calculated. That is, by using the ultrasonic reflector and the ultrasonic element configured as described above, the amount of movement of the ultrasonic reflector in the Z-axis direction, the amount of movement in the X-axis direction, and the positive pressure can be easily performed only by vector calculation. , And the X-direction shear force can be calculated.

本発明の超音波センサーでは、前記第一傾斜角度および前記第二傾斜角度は、X軸に対して45度であることが好ましい。   In the ultrasonic sensor of the present invention, it is preferable that the first tilt angle and the second tilt angle are 45 degrees with respect to the X axis.

この発明では、第一傾斜角度および第二傾斜角度は、それぞれX軸に対して45度に設定されている。このため、第一成分ベクトルと第一法線ベクトルとが同一となり、第二成分ベクトルと第二法線ベクトルが同一となる。したがって、上述したようなベクトル演算をより簡略化することができ、より容易に超音波反射体のZ軸方向への移動量、X軸方向への移動量、正圧力、およびX方向剪断力を算出することができる。   In the present invention, the first inclination angle and the second inclination angle are each set to 45 degrees with respect to the X axis. For this reason, the first component vector and the first normal vector are the same, and the second component vector and the second normal vector are the same. Accordingly, the vector calculation as described above can be simplified, and the amount of movement of the ultrasonic reflector in the Z-axis direction, the amount of movement in the X-axis direction, the positive pressure, and the X-direction shear force can be more easily determined. Can be calculated.

本発明の超音波センサーでは、前記超音波反射体は、前記頂部からY軸における+Y方向に連続して設けられる第三素子対向面と、前記頂部からY軸における−Y方向に連続して設けられる第四素子対向面と、を有し、前記第三素子対向面は、X軸に対して平行な直線と、YZ平面で+Y方向に向かうに従って前記基板から離れる第三傾斜角度で傾斜した直線と、で規定される平面であり、前記第四素子対向面は、X軸に対して平行な直線と、YZ平面で−Y方向に向かうに従って前記基板から離れる第四傾斜角度で傾斜した直線と、で規定される平面であり、前記基板上には、前記第三素子対向面に対向する第三超音波素子、および前記第四素子対向面に対向する第四超音波素子がY軸方向に沿って配設されていることが好ましい。   In the ultrasonic sensor of the present invention, the ultrasonic reflector is provided continuously from the top in the + Y direction on the Y axis and continuously from the top to the −Y direction on the Y axis. A fourth element facing surface, wherein the third element facing surface is a straight line that is parallel to the X axis and a straight line that is inclined at a third tilt angle that moves away from the substrate toward the + Y direction on the YZ plane. And the fourth element facing surface is a straight line that is parallel to the X axis and a straight line that is inclined at a fourth inclination angle that moves away from the substrate toward the -Y direction on the YZ plane. A third ultrasonic element facing the third element facing surface and a fourth ultrasonic element facing the fourth element facing surface in the Y-axis direction on the substrate. It is preferable to arrange along.

この発明では、上記に加えてさらに、X軸方向の移動成分が含まれない、第三素子対向面の法線方向への移動量(第三法線ベクトル)、および第四素子対向面の法線方向への移動量(第四法線ベクトル)が算出可能となり、これらの第三法線ベクトルの第四傾斜角度方向へのベクトル成分(第三成分ベクトル)、第四法線ベクトルの第三傾斜角度方向へのベクトル成分(第四成分ベクトル)が算出することが可能となる。したがって、これらの第三成分ベクトルおよび第四成分ベクトルの合成ベクトルから超音波反射体のYZ平面内での移動ベクトル(YZ移動ベクトル)を算出することが可能となり、このYZ移動ベクトルから、超音波反射体のY軸方向への移動量や、弾性膜のY軸方向に作用する力(Y方向剪断力)をも容易に算出することが可能となる。また、上記発明により算出されるX方向剪断力と、Y方向剪断力に基づいて、XY平面内での剪断力の大きさ、および剪断力の方向をも容易に算出することができる   In the present invention, in addition to the above, the amount of movement in the normal direction of the third element facing surface (third normal vector) and the method of the fourth element facing surface that do not include the moving component in the X-axis direction The amount of movement in the line direction (fourth normal vector) can be calculated, and the vector component (third component vector) in the fourth inclination angle direction of these third normal vectors, the third of the fourth normal vectors. It is possible to calculate a vector component (fourth component vector) in the tilt angle direction. Therefore, it is possible to calculate a movement vector (YZ movement vector) of the ultrasonic reflector in the YZ plane from the combined vector of the third component vector and the fourth component vector. From this YZ movement vector, the ultrasonic wave can be calculated. The amount of movement of the reflector in the Y-axis direction and the force acting in the Y-axis direction of the elastic film (Y-direction shearing force) can be easily calculated. Further, based on the X-direction shear force and the Y-direction shear force calculated by the above invention, the magnitude of the shear force in the XY plane and the direction of the shear force can be easily calculated.

本発明の超音波センサーでは、前記第三傾斜角度および前記第四傾斜角度は、Y軸に対して45度であることが好ましい。   In the ultrasonic sensor according to the aspect of the invention, it is preferable that the third inclination angle and the fourth inclination angle are 45 degrees with respect to the Y axis.

この発明では、上記発明と同様に、第三傾斜角度および第四傾斜角度が、それぞれ、Y軸に対して45度に設定されているため、第三成分ベクトルと第三法線ベクトルとが同一となり、第四成分ベクトルと第四法線ベクトルが同一となる。したがって、上述したようなベクトル演算をさらに簡略化することができ、より容易に超音波反射体のY軸方向への移動量、およびY方向剪断力を算出することができる。   In the present invention, as in the above-described invention, the third inclination angle and the fourth inclination angle are set to 45 degrees with respect to the Y axis, respectively, so that the third component vector and the third normal vector are the same. Thus, the fourth component vector and the fourth normal vector are the same. Therefore, the vector calculation as described above can be further simplified, and the movement amount of the ultrasonic reflector in the Y-axis direction and the Y-direction shear force can be calculated more easily.

本発明の超音波センサーでは、前記頂部は、前記基板の表面に対して平行な第五素子対向面であり、前記基板上には、前記第五素子対向面に対向する第五超音波素子が配設されていることが好ましい。   In the ultrasonic sensor of the present invention, the top portion is a fifth element facing surface parallel to the surface of the substrate, and a fifth ultrasonic element facing the fifth element facing surface is provided on the substrate. It is preferable that it is disposed.

この発明では、第五素子対向面と、第五超音波素子とにより、超音波反射体のZ軸方向の移動量を算出することが可能となる。
ここで、上記したように、XZ移動ベクトルやYZ移動ベクトルから、超音波反射体のZ軸方向の移動量を算出することができるが、基板に最も近い位置の頂部(第五素子対向面)の移動量を第五超音波素子により算出することで、超音波反射体のZ軸方向への移動量をより高精度に検出することができる。このような第五素子対向面および第五超音波素子により検出された超音波反射体のZ軸方向への移動量を用いて、超音波反射体のX軸方向移動量やY軸方向移動量を算出することで、より精度の高い移動量を算出することができ、正圧力および剪断力を算出する際にもより精度の高い値を算出することが可能となる。
In the present invention, the amount of movement of the ultrasonic reflector in the Z-axis direction can be calculated by the fifth element facing surface and the fifth ultrasonic element.
Here, as described above, the amount of movement of the ultrasonic reflector in the Z-axis direction can be calculated from the XZ movement vector and the YZ movement vector, but the apex at the position closest to the substrate (fifth element facing surface). The amount of movement of the ultrasonic reflector in the Z-axis direction can be detected with higher accuracy by calculating the amount of movement by the fifth ultrasonic element. Using the amount of movement of the ultrasonic reflector detected by the fifth element facing surface and the fifth ultrasonic element in the Z-axis direction, the amount of movement of the ultrasonic reflector in the X-axis direction and the amount of movement in the Y-axis direction By calculating the above, it is possible to calculate a more accurate movement amount, and it is possible to calculate a more accurate value when calculating the positive pressure and the shearing force.

本発明の超音波センサーでは、前記超音波反射体は、四角錐台形状であることが好ましい。   In the ultrasonic sensor of the present invention, it is preferable that the ultrasonic reflector has a quadrangular pyramid shape.

この発明では、超音波反射体が第一〜第五素子対向面を有する四角錐台形状であるため、上記のように、超音波反射体のZ軸方向移動量、X軸方向移動量、およびY軸方向移動量を高精度に検出することができる。
また、これらの素子対向面がそれぞれ平面で構成される場合、超音波の反射面を大きくすることができる。例えば、所定面積を有する超音波素子から全方位拡散性の超音波(指向性を有さない超音波)を発信させ、球状の超音波反射体により超音波を反射させる場合、超音波反射体の表面のうち、超音波を当該超音波素子の方向に反射させることができる部分は1点のみとなる。これに対して、四角錐台形状の超音波反射体では、各超音波対向面のうち、法線方向に当該超音波素子が存在する領域内で反射された超音波が当該超音波素子に反射されて受信されることとなる。これにより、超音波の受信感度が良好となり、検出精度を向上させることができる。
In this invention, since the ultrasonic reflector has a quadrangular frustum shape having first to fifth element facing surfaces, as described above, the Z-axis direction movement amount, the X-axis direction movement amount of the ultrasonic reflector, and The amount of movement in the Y-axis direction can be detected with high accuracy.
In addition, when these element facing surfaces are each formed of a flat surface, the ultrasonic reflection surface can be increased. For example, when an omnidirectional diffusing ultrasonic wave (an ultrasonic wave having no directivity) is transmitted from an ultrasonic element having a predetermined area and the ultrasonic wave is reflected by a spherical ultrasonic reflector, Of the surface, only one point can reflect the ultrasonic wave in the direction of the ultrasonic element. In contrast, in the case of a quadrangular pyramid shaped ultrasonic reflector, the ultrasonic wave reflected in the region where the ultrasonic element exists in the normal direction of each ultrasonic facing surface is reflected to the ultrasonic element. Will be received. As a result, the ultrasonic wave reception sensitivity is improved, and the detection accuracy can be improved.

本発明の超音波センサーでは、前記基板上には、前記弾性膜、前記超音波反射体、および前記超音波反射体の複数の前記素子対向面に対向する複数の前記超音波素子により構成されたセンサー本体が複数アレイ状に配置されたことが好ましい。   In the ultrasonic sensor of the present invention, the elastic film, the ultrasonic reflector, and a plurality of the ultrasonic elements facing the element-opposing surfaces of the ultrasonic reflector are formed on the substrate. It is preferable that the sensor bodies are arranged in a plurality of arrays.

この発明では、1つのセンサー本体により、そのセンサー本体内の弾性膜に接触物が接触した際の弾性膜の歪み量や応力を測定することができ、このようなセンサー本体をアレイ状に配置することで、例えば一定面積を有する接触面のどの位置に接触物が接触しても、いずれかのセンサー本体により応力を検出することができる。   In the present invention, it is possible to measure the amount of strain and stress of the elastic film when a contact object comes into contact with the elastic film in the sensor body by one sensor body, and such sensor bodies are arranged in an array. Thus, for example, regardless of the position of the contact surface on the contact surface having a certain area, the stress can be detected by any sensor body.

本発明の超音波センサーでは、前記基板上の隣り合う前記センサー本体の間には、空気中に超音波を発信するとともに、接触物にて反射された超音波を受信する近接検出用超音波素子が設けられたことが好ましい。   In the ultrasonic sensor according to the present invention, an ultrasonic element for proximity detection that transmits ultrasonic waves in the air and receives ultrasonic waves reflected by a contact object between the adjacent sensor bodies on the substrate. Is preferably provided.

この発明では、超音波センサーには、近接検出用超音波素子が設けられ、超音波センサーに近接する接触物までの距離を検出することができる。このような構成では、例えば、近接検出用超音波素子にて検出された超音波センサーと接触物との距離が、予め設定された規定値となった状態で、各超音波素子から超音波を出力させるなどの制御も可能となり、省エネルギー化を図ることも可能となる。   In this invention, the ultrasonic sensor is provided with an ultrasonic element for proximity detection, and the distance to the contact object close to the ultrasonic sensor can be detected. In such a configuration, for example, in a state in which the distance between the ultrasonic sensor detected by the proximity detecting ultrasonic element and the contact object is a predetermined specified value, ultrasonic waves are transmitted from each ultrasonic element. Control such as output is also possible, and energy saving can be achieved.

本発明の触覚センサーは、上述のような超音波センサーと、前記超音波センサーの各超音波素子の超音波の発信および受信を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。   The tactile sensor of the present invention includes the ultrasonic sensor as described above, and a control unit that controls transmission and reception of ultrasonic waves of each ultrasonic element of the ultrasonic sensor.

この発明では、触覚センサーは、上述のような超音波センサーを備えている。したがって、制御部により、超音波センサーの超音波の送受信を制御することで、上述のように、簡単な構成で、弾性膜に接触物が接触した際の剪断力や押圧力といった応力を検出することができる。   In the present invention, the tactile sensor includes the ultrasonic sensor as described above. Therefore, by controlling the ultrasonic transmission / reception of the ultrasonic sensor by the control unit, the stress such as the shearing force or the pressing force when the contact object contacts the elastic film is detected with a simple configuration as described above. be able to.

本発明の触覚センサーでは、前記制御部は、前記超音波素子から超音波を発信させる超音波発信制御部と、前記超音波素子の超音波の発信タイミングから、前記超音波反射体により反射された超音波が前記超音波素子により受信される受信タイミングまでの時間を計測する時間計測部と、前記時間計測部により計測された時間に基づいて、前記超音波反射体の移動量および移動方向を算出する移動量算出部と、を備えたことが好ましい。   In the tactile sensor of the present invention, the control unit is reflected by the ultrasonic reflector from an ultrasonic wave transmission control unit that transmits ultrasonic waves from the ultrasonic element, and an ultrasonic wave transmission timing of the ultrasonic element. Based on the time measured by the time measurement unit that measures the time until the ultrasonic wave is received by the ultrasonic element and the time measured by the time measurement unit, the moving amount and moving direction of the ultrasonic reflector are calculated. It is preferable that a movement amount calculation unit is provided.

この発明では、超音波発信制御部により各超音波素子の超音波発信タイミングが制御され、時間計測部により、超音波発信タイミングから超音波受信タイミングまでの時間を計測し、移動量算出部により、計測された時間に基づいて、超音波反射体の移動量を算出する。
このため、各超音波素子に対して超音波発信タイミングから超音波受信タイミングまでの時間を計測することで、各超音波素子に対応する超音波反射体の素子対向面の移動ベクトルを算出することができる。したがって、上述したように、これらの移動ベクトルを合成することで、超音波反射体全体としての移動量および移動ベクトルを容易に算出することができる。
In this invention, the ultrasonic transmission timing of each ultrasonic element is controlled by the ultrasonic transmission control unit, the time from the ultrasonic transmission timing to the ultrasonic reception timing is measured by the time measurement unit, and the movement amount calculation unit Based on the measured time, the amount of movement of the ultrasonic reflector is calculated.
Therefore, by calculating the time from the ultrasonic wave transmission timing to the ultrasonic wave reception timing for each ultrasonic element, the movement vector of the element facing surface of the ultrasonic reflector corresponding to each ultrasonic element is calculated. Can do. Therefore, as described above, by combining these movement vectors, it is possible to easily calculate the movement amount and the movement vector as the entire ultrasonic reflector.

本発明の触覚センサーでは、前記制御部は、前記移動量算出部により算出された前記超音波反射体の移動量および移動方向と、前記弾性膜のヤング率とに基づいて、前記弾性膜に作用する応力を算出する応力算出部を備えることが好ましい。   In the tactile sensor of the present invention, the control unit acts on the elastic film based on the moving amount and moving direction of the ultrasonic reflector calculated by the moving amount calculating unit and the Young's modulus of the elastic film. It is preferable to provide a stress calculation unit for calculating the stress to be performed.

この発明では、応力算出部は、弾性膜のヤング率と、移動量算出部により算出された超音波反射体の移動量とを乗算することで、弾性膜に作用する応力を算出する。つまり、移動量算出部により算出される超音波反射体のZ軸方向への移動量と弾性膜のヤング率とに基づいて、正圧力を算出することができ、超音波反射体のXY平面方向での移動量と弾性膜のヤング率とに基づいて、剪断力を算出することができる。   In the present invention, the stress calculation unit calculates the stress acting on the elastic film by multiplying the Young's modulus of the elastic film by the movement amount of the ultrasonic reflector calculated by the movement amount calculation unit. That is, the positive pressure can be calculated based on the amount of movement of the ultrasonic reflector in the Z-axis direction calculated by the movement amount calculation unit and the Young's modulus of the elastic film, and the XY plane direction of the ultrasonic reflector The shearing force can be calculated on the basis of the amount of movement at and the Young's modulus of the elastic film.

本発明の触覚センサーでは、前記超音波センサーは、前記基板上に、前記弾性膜、前記超音波反射体、および前記超音波反射体の複数の前記素子対向面に対向する複数の前記超音波素子が配置されて構成されたセンサー本体を複数備えるとともに、これらの複数のセンサー本体がアレイ状に配置されて構成され、当該触覚センサーは、前記弾性膜に作用する応力に対する、前記弾性膜に接触した接触物の状態が記録された相関データを記憶する記憶部と、前記応力算出部により算出された前記応力と、前記相関データに基づいて、前記接触物の状態を判別する接触物判別部と、を備えることが好ましい。   In the tactile sensor of the present invention, the ultrasonic sensor includes a plurality of the ultrasonic elements facing the element facing surfaces of the elastic film, the ultrasonic reflector, and the ultrasonic reflector on the substrate. And a plurality of sensor bodies are arranged in an array, and the tactile sensor is in contact with the elastic film against stress acting on the elastic film. A storage unit that stores correlation data in which the state of the contact object is recorded; the stress calculated by the stress calculation unit; and a contact object determination unit that determines the state of the contact object based on the correlation data; It is preferable to provide.

ここで、記憶部に記憶される、前記弾性膜に作用する応力に対する、前記弾性膜に接触した接触物の状態が記録された相関データとは、例えば、弾性膜に作用する応力に対する接触物の接触面の粗さが記録されたデータであってもよく、弾性膜に作用する応力に対する接触物の材質の種別が記録されたデータであってもよい。また、例えば接触物が弾性体である場合、弾性膜に作用する応力に対する弾性体の柔らかさが記録されるものであってもよい。   Here, the correlation data in which the state of the contact object in contact with the elastic film with respect to the stress acting on the elastic film, which is stored in the storage unit, is recorded, for example, of the contact object with respect to the stress acting on the elastic film. It may be data in which the roughness of the contact surface is recorded, or data in which the material type of the contact object with respect to the stress acting on the elastic film is recorded. For example, when the contact object is an elastic body, the softness of the elastic body against the stress acting on the elastic film may be recorded.

この発明では、接触物判別部は、記憶部から上記のような相関データを読み出し、この相関データから、応力算出部で算出された応力に対する接触物の状態を判別する。
このような構成では、例えば、相関データとして、応力に対する接触物の接触面の粗さデータが記録されている場合、弾性膜に接触した接触物の粗さを求めることができ、粗さからさらに接触物の接触面の素材を求めることもできる。また、相関データとして、応力に対する接触物の接触面の素材が記録されている場合では、算出された応力から、直接接触物の接触面における素材を検出することもできる。さらには、相関データとして、例えば、応力に対する接触物の柔らかさデータが記録されている場合、例えばパン生地の捏ね状態などを、触覚センサーで判別して最適な捏ね状態であるか否かを判断することもできる。
In this invention, a contact thing discrimination | determination part reads the above correlation data from a memory | storage part, and discriminate | determines the state of the contact thing with respect to the stress calculated in the stress calculation part from this correlation data.
In such a configuration, for example, when the roughness data of the contact surface of the contact object with respect to the stress is recorded as the correlation data, the roughness of the contact object in contact with the elastic film can be obtained. The material of the contact surface of the contact object can also be obtained. Further, when the material of the contact surface of the contact object with respect to the stress is recorded as the correlation data, the material on the contact surface of the contact object can be directly detected from the calculated stress. Furthermore, as the correlation data, for example, when softness data of the contact object with respect to stress is recorded, for example, the kneading state of the bread dough is discriminated by a touch sensor to determine whether or not the optimum kneading state is determined. You can also

本発明の把持装置は、上述のような触覚センサーを備え、対象物を把持する把持装置であって、前記対象物を把持するとともに、前記対象物に接触する接触面に前記触覚センサーが設けられる少なくとも一対の把持アームと、前記触覚センサーから出力される信号に基づいて、前記対象物のすべり状態を検出する把持検出手段と、前記すべり状態に基づいて、前記把持アームの駆動を制御する駆動制御手段と、を備えることを特徴とする。   A gripping device of the present invention is a gripping device that includes the above-described tactile sensor and grips an object, and grips the object, and the touch sensor is provided on a contact surface that contacts the object. At least a pair of grip arms, grip detection means for detecting the slip state of the object based on a signal output from the tactile sensor, and drive control for controlling the drive of the grip arm based on the slip state And means.

この発明では、上記したように、触覚センサーにより、把持の対象物を把持した際の剪断力を計測することで、対象物が把持アームから滑り落ちている状態であるか、把持されている状態であるかを計測することが可能となる。すなわち、対象物を把持する動作において、対象物を十分に把持できていない状態では、動摩擦力に応じた剪断力が働き、把持力を強めるほど、この剪断力も大きくなる。一方、把持力を強め、静摩擦力に応じた剪断力が検出される状態では、対象物の把持が完了した状態であり、把持力を強めた場合でも静摩擦力は一定であるため、剪断力も変化しない。したがって、例えば、対象物の把持力を徐々に増加させ、剪断力が変化しなくなった時点を検出することで、対象物を破損させることなく、最低限の把持力のみで対象物を把持することができる。
また、上述したように、把持装置を構成する触覚センサーは、基板上に、超音波素子、超音波反射体が埋設された弾性膜を積層させただけの簡単な構成を有するものであり、容易に製造可能であり、このような触覚センサーを用いた把持装置においても、同様に簡単な構成とすることができ、製造も容易となる。
In the present invention, as described above, by measuring the shearing force when the object to be grasped is measured by the tactile sensor, the object is in a state of sliding off from the grasping arm or in a state of being grasped. It becomes possible to measure whether or not. That is, in the operation of gripping the target object, in a state where the target object is not sufficiently gripped, a shearing force corresponding to the dynamic friction force works, and the shearing force increases as the gripping force increases. On the other hand, when the gripping force is increased and the shearing force corresponding to the static frictional force is detected, the gripping of the object is completed, and the static frictional force is constant even when the gripping force is increased, so the shearing force also changes. do not do. Therefore, for example, by gradually increasing the gripping force of the object and detecting when the shearing force no longer changes, the object can be gripped with a minimum gripping force without damaging the object. Can do.
Further, as described above, the tactile sensor constituting the gripping device has a simple configuration in which an elastic film in which an ultrasonic element and an ultrasonic reflector are embedded is laminated on a substrate, and is easy. Even in a gripping device using such a tactile sensor, the structure can be similarly simplified, and the manufacture is facilitated.

本発明に係る第一実施形態の触覚センサーのセンサー本体の概略構成を示す平面図である。It is a top view which shows schematic structure of the sensor main body of the tactile sensor of 1st embodiment which concerns on this invention. 第一実施形態のセンサー本体をXZ平面で断面した断面図である。It is sectional drawing which cut the sensor main body of 1st embodiment in the XZ plane. 第一実施形態のセンサー本体をYZ平面で断面した断面図である。It is sectional drawing which cut the sensor main body of 1st embodiment in the YZ plane. 第一実施形態の触覚センサーの概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the tactile sensor of 1st embodiment. 図2において、接触物が弾性膜に接触して超音波反射体が移動した状態を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a state in which the ultrasonic reflector is moved by the contact object coming into contact with the elastic film. 超音波反射体が初期状態から所定位置に移動した際の、超音波反射体の移動量を算出するための説明図である。It is explanatory drawing for calculating the movement amount of an ultrasonic reflector when an ultrasonic reflector moves to a predetermined position from an initial state. 第一実施形態の触覚センサーの応力算出処理のフローチャートである。It is a flowchart of the stress calculation process of the tactile sensor of the first embodiment. 第二実施形態における超音波反射体が初期状態から所定位置に移動した際の、超音波反射体の移動量を算出するための説明図である。It is explanatory drawing for calculating the movement amount of an ultrasonic reflector when the ultrasonic reflector in 2nd embodiment moves to the predetermined position from the initial state. 第三実施形態の触覚センサーにおけるセンサーアレイの構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the sensor array in the tactile sensor of 3rd embodiment. 図9におけるセンサーアレイのうち、互いに隣接する2つのセンサー本体の断面構造を示した断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a cross-sectional structure of two sensor bodies adjacent to each other in the sensor array in FIG. 9. 第三実施形態の触覚センサーにおける制御部の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the control part in the tactile sensor of 3rd embodiment. 第四実施形態の把持装置の概略構成を示す装置ブロック図である。It is an apparatus block diagram which shows schematic structure of the holding | gripping apparatus of 4th embodiment. 第四実施形態の把持装置の把持動作における触覚センサーに作用する正圧力および剪断力の関係を示す図を示す。The figure which shows the relationship between the positive pressure and shear force which act on the tactile sensor in the holding | grip operation | movement of the holding | gripping apparatus of 4th embodiment is shown. 第四実施形態の制御装置の制御による把持装置の把持動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the holding | grip operation | movement of the holding | grip apparatus by control of the control apparatus of 4th embodiment. 第四実施形態の把持装置の把持動作時において、アーム駆動部への駆動制御信号、触覚センサーから出力される検出信号の発信タイミングを示すタイミング図である。It is a timing diagram which shows the transmission timing of the drive control signal to an arm drive part, and the detection signal output from a tactile sensor at the time of holding | grip operation | movement of the holding | gripping apparatus of 4th embodiment. 第五実施形態に係るアイロンの概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the iron which concerns on 5th embodiment. 第五実施形態のアイロンの動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the iron of 5th embodiment.

[第一実施形態]
以下、本発明に係る第一実施形態の触覚センサーについて、図面に基づいて説明する。
〔1.触覚センサーの構成〕
図1は、第一実施形態の触覚センサー1におけるセンサー本体10(超音波センサー)の概略構成を示す平面図であり、図2は、センサー本体10をXZ平面で断面した断面図であり、図3は、センサー本体10でYZ平面に断面した断面図である。
[First embodiment]
Hereinafter, a tactile sensor according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[1. (Configuration of tactile sensor)
FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of a sensor body 10 (ultrasonic sensor) in the tactile sensor 1 of the first embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the sensor body 10 taken along the XZ plane. 3 is a cross-sectional view of the sensor body 10 taken along the YZ plane.

触覚センサー1は、少なくとも1つ以上のセンサー本体10を備えた超音波センサーと、後述する制御部30(図4参照)と、を備えて構成されている。センサー本体10は、図1に示すように、基板11上、支持膜14、超音波素子20、および弾性膜15を積層することで構成されており、弾性膜15の内部には、超音波反射体16が埋設されている。この触覚センサー1は、弾性膜15に接触物が接触した際に加わる正圧力および剪断力を検出するセンサーである。
なお、第一実施形態では、超音波センサーとして、センサー本体10が1つ設けられた例を示すが、これに限定されず、超音波センサーとして、これらのセンサー本体10が複数設けられる構成としてもよい。また、複数のセンサー本体10がアレイ状に配設された構成を有する超音波センサーについては、後述の第三実施形態において説明する。
The tactile sensor 1 includes an ultrasonic sensor including at least one sensor body 10 and a control unit 30 (see FIG. 4) described later. As shown in FIG. 1, the sensor body 10 is configured by laminating a support film 14, an ultrasonic element 20, and an elastic film 15 on a substrate 11, and an ultrasonic reflection is formed inside the elastic film 15. The body 16 is embedded. The tactile sensor 1 is a sensor that detects a positive pressure and a shearing force applied when a contact object comes into contact with the elastic film 15.
In the first embodiment, an example in which one sensor main body 10 is provided as an ultrasonic sensor is shown. However, the present invention is not limited to this, and a configuration in which a plurality of these sensor main bodies 10 are provided as an ultrasonic sensor is also possible. Good. An ultrasonic sensor having a configuration in which a plurality of sensor bodies 10 are arranged in an array will be described in a third embodiment described later.

(1−1.基板の構成)
基板11は、例えばSiにより形成され、厚み寸法が例えば200μmに形成されている。この基板11には、図1〜図3に示すように、1つの超音波反射体16に対して、5つの開口部111が形成されている。具体的には、図1に示すように、基板11を厚み方向から見た平面視(センサー平面視)において、超音波反射体の設置位置を原点とし、図1の左右方向にX軸、上下方向にY軸を設定した場合、開口部111は、座標位置(a,0)、(−a,0)、(0,a)、(0,−a)、(0,0)にそれぞれ設けられている。
なお、この開口部111は、基板11の厚み方向から当該基板11を見る平面視(センサー平面視)において、円形状に形成されているが、例えば矩形上などに形成されていてもよい。また、基板11厚み方向を貫通する開口部111を例示したが、例えば、基板11の弾性膜15側の面(図2、図3における上側)にエッチング等により凹状溝を形成して開口部111とする構成としてもよい。さらには、基板11上に支持膜14を形成する構成を例示したが、基板11の弾性膜15とは反対側の面(図2、図3の下側)からエッチング等により凹状溝を形成し、溝底部を支持膜14とし溝内部を開口部111とする構成としてもよい。
(1-1. Configuration of substrate)
The substrate 11 is made of, for example, Si and has a thickness dimension of, for example, 200 μm. As shown in FIGS. 1 to 3, the substrate 11 has five openings 111 for one ultrasonic reflector 16. Specifically, as shown in FIG. 1, in the plan view (sensor plan view) when the substrate 11 is viewed from the thickness direction, the installation position of the ultrasonic reflector is the origin, and the X axis is When the Y axis is set in the direction, the openings 111 are provided at the coordinate positions (a, 0), (−a, 0), (0, a), (0, −a), and (0, 0), respectively. It has been.
The opening 111 is formed in a circular shape in a plan view (sensor plan view) when the substrate 11 is viewed from the thickness direction of the substrate 11, but may be formed on a rectangle, for example. Further, although the opening 111 penetrating the substrate 11 in the thickness direction is illustrated, for example, a concave groove is formed by etching or the like on the surface of the substrate 11 on the elastic film 15 side (the upper side in FIGS. 2 and 3). It is good also as a structure. Furthermore, although the structure which forms the support film 14 on the board | substrate 11 was illustrated, the concave groove | channel was formed by the etching etc. from the surface (lower side of FIG. 2, FIG. 3) on the opposite side to the elastic film 15 of the board | substrate 11. FIG. The groove bottom may be the support film 14 and the inside of the groove may be the opening 111.

(1−2.超音波素子の構成)
超音波素子20(20A,20B,20C,20D,20E)は、センサー平面視において、開口部111の内側領域に配置されている。ここで、座標(a,0)には、第一超音波素子20Aが配置され、座標(−a,0)には、第二超音波素子20Bが配置され、座標(0,a)には、第三超音波素子20Cが配置され、座標(0,−a)には、第四超音波素子20Dが配置され、座標(0,0)には、第五超音波素子20Eが配置されている。
これらの超音波素子20は、開口部111と、開口部111を閉塞する支持膜14(メンブレン141)と、膜状の圧電膜21と、圧電膜21を挟んで配置される下部電極22および上部電極23と、により構成されている。
(1-2. Configuration of ultrasonic element)
The ultrasonic element 20 (20A, 20B, 20C, 20D, 20E) is disposed in an inner region of the opening 111 in the sensor plan view. Here, the first ultrasonic element 20A is arranged at the coordinates (a, 0), the second ultrasonic element 20B is arranged at the coordinates (−a, 0), and the coordinates (0, a) are arranged. The third ultrasonic element 20C is arranged, the fourth ultrasonic element 20D is arranged at the coordinates (0, -a), and the fifth ultrasonic element 20E is arranged at the coordinates (0, 0). Yes.
These ultrasonic elements 20 include an opening 111, a support film 14 (membrane 141) that closes the opening 111, a film-like piezoelectric film 21, a lower electrode 22 disposed between the piezoelectric film 21, and an upper part And the electrode 23.

支持膜14は、図示は省略するが、基板11上に例えば厚み寸法が3μmに成膜されるSiO層と、このSiO層上に積層される厚み寸法が例えば400nmのZrO層との2層構造により形成されている。ここで、ZrO層は、後述する超音波素子20の焼成形成時に、圧電膜21の剥離を防止するために形成される層である。すなわち、圧電膜21が例えばPZTにより形成される場合、焼成時にZrO層が形成されていないと、圧電膜21に含まれるPbがSiO層に拡散して、SiO層の融点が下がり、SiO層の表面に気泡が生じ、この気泡によりPZTが剥離してしまう。また、ZrO層がない場合、圧電膜21の歪みに対する撓み効率が低下するなどの問題もある。これに対して、ZrO層がSiO層上に形成される場合、圧電膜21の剥離、撓み効率の低下などの不都合を回避することが可能となる。
また、以降の説明において、図1に示すようなセンサー平面視において、支持膜14のうち、開口部111を閉塞する領域をメンブレン141と称す。
Although not shown, the support film 14 is composed of an SiO 2 layer formed on the substrate 11 with a thickness of 3 μm, for example, and a ZrO 2 layer with a thickness of 400 nm stacked on the SiO 2 layer, for example. It is formed by a two-layer structure. Here, the ZrO 2 layer is a layer formed in order to prevent the piezoelectric film 21 from being peeled off when the ultrasonic element 20 described later is baked and formed. That is, when the piezoelectric film 21 is formed by, for example, PZT, the no ZrO 2 layer is formed during firing, Pb contained in the piezoelectric film 21 is diffused into the SiO 2 layer, it lowers the melting point of the SiO 2 layer, Bubbles are generated on the surface of the SiO 2 layer, and PZT is peeled off by the bubbles. Further, when there is no ZrO 2 layer, there is a problem that the bending efficiency with respect to the distortion of the piezoelectric film 21 is lowered. On the other hand, when the ZrO 2 layer is formed on the SiO 2 layer, it is possible to avoid inconveniences such as peeling of the piezoelectric film 21 and a decrease in the bending efficiency.
In the following description, a region of the support film 14 that closes the opening 111 in the sensor plan view as shown in FIG.

圧電膜21は、例えばPZT(ジルコン酸チタン酸鉛:lead zirconate titanate)を厚み寸法が例えば500nmとなる膜状に成膜することで形成される。なお、本実施形態では、圧電膜21としてPZTを用いるが、膜の応力変化により電荷を発生することが可能な素材であれば、いかなる素材を用いてもよく、例えばチタン酸鉛(PbTiO)、ジルコン酸鉛(PbZrO)、チタン酸鉛ランタン((Pb、La)TiO)、窒化アルミ(AlN)、酸化亜鉛(ZnO)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などを用いてもよい。 The piezoelectric film 21 is formed, for example, by forming PZT (lead zirconate titanate) into a film shape having a thickness dimension of, for example, 500 nm. In the present embodiment, PZT is used as the piezoelectric film 21, but any material can be used as long as it is a material capable of generating an electric charge by changing the stress of the film, for example, lead titanate (PbTiO 3 ). Lead zirconate (PbZrO 3 ), lead lanthanum titanate ((Pb, La) TiO 3 ), aluminum nitride (AlN), zinc oxide (ZnO), polyvinylidene fluoride (PVDF), and the like may be used.

下部電極22および上部電極23は、圧電膜21の膜厚み方向を挟んで形成される電極であり、下部電極22は、圧電膜21のメンブレン141に対向する面に形成され、上部電極23は、下部電極22が形成される面とは反対側の面に形成されている。   The lower electrode 22 and the upper electrode 23 are electrodes formed across the film thickness direction of the piezoelectric film 21, the lower electrode 22 is formed on the surface of the piezoelectric film 21 facing the membrane 141, and the upper electrode 23 is It is formed on the surface opposite to the surface on which the lower electrode 22 is formed.

下部電極22は、厚み寸法が例えば200nmに形成される膜状の電極であり、メンブレン141内に形成される。この下部電極22としては、導電性を有する導電薄膜であれば、いかなるものであってもよいが、本実施形態では、例えば、Ti/Ir/Pt/Tiの積層構造膜を用いる。
また、上部電極23は、厚み寸法が例えば50nmに形成される膜状の電極である。この上部電極23は、圧電膜21の上面を覆って形成される。
The lower electrode 22 is a film-like electrode having a thickness dimension of, for example, 200 nm, and is formed in the membrane 141. The lower electrode 22 may be any conductive thin film having conductivity, but in the present embodiment, for example, a laminated structure film of Ti / Ir / Pt / Ti is used.
The upper electrode 23 is a film-like electrode having a thickness dimension of, for example, 50 nm. The upper electrode 23 is formed so as to cover the upper surface of the piezoelectric film 21.

また、図1に示すように、支持膜14上には、下部電極22の外周部から延出する下部電極線22A、および上部電極23の外周部から延出する上部電極線23Aが、それぞれ形成されている。これらの電極線22A,23Aは、例えば基板11の外周部に設けられる図示しない端子パッドまで引き出され、端子パッドから後述する制御部30に接続される。   Further, as shown in FIG. 1, a lower electrode line 22 </ b> A extending from the outer periphery of the lower electrode 22 and an upper electrode line 23 </ b> A extending from the outer periphery of the upper electrode 23 are formed on the support film 14, respectively. Has been. These electrode wires 22A and 23A are led to a terminal pad (not shown) provided on the outer peripheral portion of the substrate 11, for example, and connected to a control unit 30 described later from the terminal pad.

そして、このような超音波素子20は、制御部30から入力される信号(交流電圧)により振動し、弾性膜15に超音波を発信する。具体的には、制御部30から下部電極22および上部電極23間に交流電圧が印可されると、圧電膜21が印可電圧に応じて伸縮する。これにより、支持膜14が振動して超音波が弾性膜15側に発信される。なお、本実施形態では、超音波素子20から全方向に放射状に拡散する拡散型超音波が出力される。
また、超音波素子20は、弾性膜15から入力された超音波を受信して、受信信号を制御部30に出力する。具体的には、電極21,22間に電圧が印可されていない状態で、弾性膜15から超音波を入力されて支持膜14が振動すると、圧電膜21が支持膜14の振動により伸縮する。この伸縮量に応じて圧電膜21の下部電極22側および上部電極23側で電位差が発生し、下部電極22および上部電極23に圧電膜21からの電流が流れて電気信号(受信信号)が出力される。
Such an ultrasonic element 20 vibrates by a signal (AC voltage) input from the control unit 30 and transmits ultrasonic waves to the elastic film 15. Specifically, when an AC voltage is applied from the control unit 30 between the lower electrode 22 and the upper electrode 23, the piezoelectric film 21 expands and contracts according to the applied voltage. Thereby, the support film 14 vibrates and ultrasonic waves are transmitted to the elastic film 15 side. In the present embodiment, diffusion ultrasonic waves that diffuse radially in all directions are output from the ultrasonic element 20.
Further, the ultrasonic element 20 receives the ultrasonic wave input from the elastic film 15 and outputs a reception signal to the control unit 30. Specifically, when an ultrasonic wave is input from the elastic film 15 and the support film 14 vibrates in a state where no voltage is applied between the electrodes 21 and 22, the piezoelectric film 21 expands and contracts due to the vibration of the support film 14. A potential difference is generated between the lower electrode 22 side and the upper electrode 23 side of the piezoelectric film 21 in accordance with the expansion / contraction amount, and a current from the piezoelectric film 21 flows through the lower electrode 22 and the upper electrode 23 to output an electric signal (received signal). Is done.

(1−3.弾性膜および超音波反射体の構成)
弾性膜15は、上述のような支持膜14、超音波素子20を覆って形成される膜であり、超音波素子20の保護膜としても機能する。この弾性膜15としては、本実施形態では、例えばPDMS(PolyDiMethylSiloxane)を用いるが、これに限定されず、弾性を有する合成樹脂など、その他の弾性素材により形成されるものであってもよい。また、弾性膜15の厚み寸法としては、特に限定されないが、例えば300μmに形成されている。
(1-3. Configuration of elastic film and ultrasonic reflector)
The elastic film 15 is a film formed so as to cover the support film 14 and the ultrasonic element 20 as described above, and also functions as a protective film for the ultrasonic element 20. In this embodiment, for example, PDMS (PolyDiMethylSiloxane) is used as the elastic film 15, but the elastic film 15 is not limited thereto, and may be formed of other elastic materials such as elastic synthetic resin. Further, the thickness dimension of the elastic film 15 is not particularly limited, but is, for example, 300 μm.

また、弾性膜15の表面には、図2および図3に示すように、接触層151が形成されている。この接触層151は、接触物が接触して剪断方向に変位した際、その剪断力を弾性膜15に伝達させて歪ませるために、常に一定の摩擦係数を保つ必要があり、交換可能なフィルム材などにより形成されることが好ましい。また、超音波素子20から発信された超音波が接触層151により反射されると、弾性膜15の内部で超音波が乱反射してしまい、各超音波素子20での測定精度が低下してしまうおそれがある。このため、接触層151は、超音波を吸収または表面で散乱させる形状に形成されることが好ましい。このような接触層151としては、例えば、フェルトや不織布、内部にシリカなどを混合させて多孔質にしたポリマーを接着したPETフィルムなどを例示することができる。   Further, a contact layer 151 is formed on the surface of the elastic film 15 as shown in FIGS. The contact layer 151 needs to always maintain a constant coefficient of friction in order to transmit the shearing force to the elastic film 15 to be distorted when the contact object comes into contact and is displaced in the shearing direction. It is preferably formed of a material or the like. Moreover, when the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic element 20 is reflected by the contact layer 151, the ultrasonic wave is irregularly reflected inside the elastic film 15, and the measurement accuracy in each ultrasonic element 20 is lowered. There is a fear. For this reason, the contact layer 151 is preferably formed in a shape that absorbs or scatters ultrasonic waves on the surface. As such a contact layer 151, for example, a felt or nonwoven fabric, a PET film to which a polymer made by mixing silica or the like into a porous structure, and the like are bonded can be exemplified.

そして、座標(0,0)の位置には、弾性膜15の内部に超音波反射体16が埋設されている。この超音波反射体16は、弾性膜15と異なる音響インピーダンスを有している。したがって、弾性膜15を進む超音波は超音波反射体16の表面で反射される。
この超音波反射体16は、図1〜図3に示すように、正四角錐台形状に形成される。なお、本実施形態では、外周表面の形状が正四角錐台形状となる器状の超音波反射体16を例示するが、例えばブロック状の四角錐台形状の超音波反射体を用いてもよい。
The ultrasonic reflector 16 is embedded in the elastic film 15 at the position of the coordinates (0, 0). The ultrasonic reflector 16 has an acoustic impedance different from that of the elastic film 15. Accordingly, the ultrasonic wave traveling through the elastic film 15 is reflected by the surface of the ultrasonic reflector 16.
As shown in FIGS. 1 to 3, the ultrasonic reflector 16 is formed in a regular quadrangular pyramid shape. In the present embodiment, the vessel-shaped ultrasonic reflector 16 whose outer peripheral surface has a regular quadrangular pyramid shape is illustrated, but for example, a block-shaped square frustum-shaped ultrasonic reflector may be used.

具体的には、超音波反射体16は、基板11に対向する頂部である第五素子対向面161Eを中心として4つの台形状の素子対向面161A〜161Dを備えている。
図1、図2に示すように、第一素子対向面161Aは、第五素子対向面161Eの+X方向側に連続し、XZ平面において+X方向に向かうに従って基板11から離れる方向に45度の角度で傾斜する直線と、Y軸に平行な直線とで規定される平面である。第二素子対向面161Bは、第五素子対向面161Eの−X方向側に連続し、XZ平面において−X方向に向かうに従って基板11から離れる方向に45度の角度で傾斜する直線と、Y軸に平行な直線とで規定される平面である。
また、図1、図3に示すように、第三素子対向面161Cは、第五素子対向面161Eの+Y方向側に連続し、YZ平面において+Y方向に向かうに従って基板11から離れる方向に45度の角度で傾斜する直線と、X軸に平行な直線とで規定される平面である。第四素子対向面161Dは、第五素子対向面161Eの−Y方向側に連続し、YZ平面において−Y方向に向かうに従って基板11から離れる方向に45度の角度で傾斜する直線と、X軸に平行な直線とにより規定される平面である。
ここで、図2、図3に示すように、超音波素子20A〜20Eは、各素子対向面161A〜161Eの法線方向上に位置するものであり、すなわち各素子対向面161A〜161Eの法線方向への射影空間内に位置している。
Specifically, the ultrasonic reflector 16 includes four trapezoidal element facing surfaces 161 </ b> A to 161 </ b> D around a fifth element facing surface 161 </ b> E that is a top portion facing the substrate 11.
As shown in FIGS. 1 and 2, the first element facing surface 161 </ b> A is continuous to the + X direction side of the fifth element facing surface 161 </ b> E, and has an angle of 45 degrees in the direction away from the substrate 11 toward the + X direction on the XZ plane. Is a plane defined by a straight line inclined at and a straight line parallel to the Y-axis. The second element facing surface 161B is continuous to the −X direction side of the fifth element facing surface 161E, and a straight line inclined at an angle of 45 degrees in the direction away from the substrate 11 toward the −X direction on the XZ plane, and the Y axis It is a plane defined by a straight line parallel to.
As shown in FIGS. 1 and 3, the third element facing surface 161 </ b> C is continuous to the + Y direction side of the fifth element facing surface 161 </ b> E and is 45 degrees away from the substrate 11 toward the + Y direction on the YZ plane. It is a plane defined by a straight line inclined at an angle of 5 and a straight line parallel to the X axis. The fourth element facing surface 161D is continuous to the −Y direction side of the fifth element facing surface 161E, and a straight line inclined at an angle of 45 degrees in the direction away from the substrate 11 toward the −Y direction on the YZ plane, and the X axis Is a plane defined by a straight line parallel to.
Here, as shown in FIGS. 2 and 3, the ultrasonic elements 20 </ b> A to 20 </ b> E are positioned on the normal direction of the element facing surfaces 161 </ b> A to 161 </ b> E, that is, the method of the element facing surfaces 161 </ b> A to 161 </ b> E. It is located in the projection space in the line direction.

(1−4.制御部の構成)
図4は、触覚センサー1の概略構成を示すブロック図である。
制御部30は、図4に示すように、素子切替回路31と、送受信切替回路32と、送受信切替制御部33と、超音波信号発信回路34と、時間計測部35と、記憶部36と、演算処理部37と、を備えている。なお、素子切替回路31、送受信切替回路32、送受信切替制御部33、および超音波信号発信回路34により本発明の超音波発信制御部が構成される。
(1-4. Configuration of control unit)
FIG. 4 is a block diagram illustrating a schematic configuration of the touch sensor 1.
As shown in FIG. 4, the control unit 30 includes an element switching circuit 31, a transmission / reception switching circuit 32, a transmission / reception switching control unit 33, an ultrasonic signal transmission circuit 34, a time measurement unit 35, a storage unit 36, And an arithmetic processing unit 37. The element switching circuit 31, the transmission / reception switching circuit 32, the transmission / reception switching control unit 33, and the ultrasonic signal transmission circuit 34 constitute an ultrasonic transmission control unit of the present invention.

素子切替回路31は、センサー本体10の5つの超音波素子20のうち、駆動させる超音波素子20を切り替えるスイッチング回路である。
本実施形態の触覚センサー1では、1つの超音波素子20から超音波の送受信が実施されている間、他の超音波素子20への駆動信号の出力、および他の超音波素子20からの受信信号の受信は実施しない。これにより、駆動対象となった超音波素子20では、他の超音波素子20から発信された超音波を受信してしまい、ノイズが検出される不都合や、駆動対象以外の超音波素子20から受信信号が検出されてしまう不都合を回避できる。
この素子切替回路31は、例えば、各超音波素子20の下部電極線22Aおよび上部電極線23Aに接続される端子群を備え、送受信切替制御部33から入力される指令信号に基づいて、指令信号に対応する超音波素子20に対応した端子群と、送受信切替回路32とを接続する。また、駆動させない超音波素子20に対応した端子群は、例えば、下部電極線22Aおよび上部電極線23Aの双方をGNDに接続するなどすることで、駆動させない構成としてもよい。
The element switching circuit 31 is a switching circuit that switches the ultrasonic element 20 to be driven among the five ultrasonic elements 20 of the sensor body 10.
In the tactile sensor 1 of the present embodiment, while transmission / reception of ultrasonic waves from one ultrasonic element 20 is being performed, output of drive signals to other ultrasonic elements 20 and reception from other ultrasonic elements 20 are performed. No signal is received. As a result, the ultrasonic element 20 to be driven receives the ultrasonic waves transmitted from the other ultrasonic elements 20, and the inconvenience of detecting noise or reception from the ultrasonic elements 20 other than the drive target. The inconvenience that a signal is detected can be avoided.
The element switching circuit 31 includes, for example, a group of terminals connected to the lower electrode line 22A and the upper electrode line 23A of each ultrasonic element 20, and based on the command signal input from the transmission / reception switching control unit 33, the command signal And a terminal group corresponding to the ultrasonic element 20 corresponding to 1 and the transmission / reception switching circuit 32 are connected. The terminal group corresponding to the ultrasonic element 20 that is not driven may be configured not to be driven by connecting both the lower electrode line 22A and the upper electrode line 23A to GND, for example.

送受信切替回路32は、送受信切替制御部33から入力されるモード切替信号に基づいて、接続状態を切り替えるスイッチング回路である。
具体的には、送受信切替制御部33から超音波発信モードに切り替える旨の制御信号が入力された場合、送受信切替回路32は、超音波信号発信回路34から入力された駆動信号を、センサー本体10の超音波素子20A〜20Eに出力可能なスイッチング状態に切り替わる。
一方、送受信切替回路32は、送受信切替制御部33から超音波受信モードに切り替える旨の制御信号が入力された場合、センサー本体10の超音波素子20A〜20Eから入力される受信信号を時間計測部35に出力可能なスイッチング状態に切り替わる。
The transmission / reception switching circuit 32 is a switching circuit that switches the connection state based on a mode switching signal input from the transmission / reception switching control unit 33.
Specifically, when a control signal for switching to the ultrasonic transmission mode is input from the transmission / reception switching control unit 33, the transmission / reception switching circuit 32 receives the drive signal input from the ultrasonic signal transmission circuit 34 as the sensor body 10. Are switched to a switching state capable of being output to the ultrasonic elements 20A to 20E.
On the other hand, when a control signal for switching to the ultrasonic reception mode is input from the transmission / reception switching control unit 33, the transmission / reception switching circuit 32 receives the reception signals input from the ultrasonic elements 20A to 20E of the sensor body 10 as a time measurement unit. 35 is switched to a switching state in which output is possible.

送受信切替制御部33は、各超音波素子20から超音波を発信させる超音波発信モードと、超音波素子20にて超音波を受信させる超音波受信モードと、を切り替える。
具体的には、送受信切替制御部33は、例えば触覚センサー1の電源がON状態に切り替わると、まず、超音波発信モードに切り替える処理を実施する。この処理では、送受信切替制御部33は、送受信切替回路32に超音波発信モードに切り替える旨の制御信号を出力し、超音波信号発信回路34から駆動信号を出力させる旨の制御信号を出力する。また、送受信切替制御部33は、図示しない計時部(タイマー)により計測される時間を監視し、超音波発信モードから所定の発信時間経過後に、超音波受信モードに切り替える処理を実施する。ここで発信時間は、超音波素子20から例えば1〜2周波数のバースト波が発信される時間程度に設定されていればよい。超音波受信モードでは、送受信切替制御部33は、送受信切替回路32に超音波受信モードに切り替える旨の制御信号を出力して、送受信切替回路32を、超音波素子20から入力される受信信号を時間計測部35に入力可能な接続状態にスイッチングさせる。
The transmission / reception switching control unit 33 switches between an ultrasonic transmission mode in which ultrasonic waves are transmitted from each ultrasonic element 20 and an ultrasonic reception mode in which ultrasonic waves are received by the ultrasonic elements 20.
Specifically, for example, when the power of the tactile sensor 1 is switched to the ON state, the transmission / reception switching control unit 33 first performs a process of switching to the ultrasonic transmission mode. In this process, the transmission / reception switching control unit 33 outputs a control signal for switching to the ultrasonic transmission mode to the transmission / reception switching circuit 32, and outputs a control signal for outputting a drive signal from the ultrasonic signal transmission circuit 34. The transmission / reception switching control unit 33 monitors the time measured by a timer (not shown) and performs a process of switching from the ultrasonic transmission mode to the ultrasonic reception mode after a predetermined transmission time has elapsed. Here, the transmission time should just be set to about the time when the burst wave of 1-2 frequency is transmitted from the ultrasonic element 20, for example. In the ultrasonic reception mode, the transmission / reception switching control unit 33 outputs a control signal for switching to the ultrasonic reception mode to the transmission / reception switching circuit 32, and the transmission / reception switching circuit 32 receives the reception signal input from the ultrasonic element 20. The time measurement unit 35 is switched to a connection state that can be input.

超音波信号発信回路34は、発信モードにおいて、送受信切替制御部33から駆動信号を出力させる旨の制御信号が入力されると、超音波素子20を駆動させるための駆動信号(駆動パルス)を送受信切替回路32に出力する。   The ultrasonic signal transmission circuit 34 transmits and receives a drive signal (drive pulse) for driving the ultrasonic element 20 when a control signal for outputting a drive signal is input from the transmission / reception switching control unit 33 in the transmission mode. Output to the switching circuit 32.

時間計測部35は、計時部にて計測される時間を監視し、超音波が受信されまでの時間を計測する。
具体的には、時間計測部35は、送受信切替制御部33が超音波発信モードに切り替える処理を実施した超音波発信タイミング、すなわち超音波素子20から超音波が発信されてからの時間をカウントする。なお、送受信切替制御部33は、超音波発信タイミングで、計時部でカウントされる時間をリセットする。そして、送受信切替制御部33が超音波受信モードに切り替える処理を実施し、超音波素子20で受信された反射超音波に応じた受信信号が送受信切替回路32から時間計測部35に入力されると、時間計測部35は、その入力されたタイミングでの時間(TOFデータ:Time Of Flightデータ)を取得する。また、取得したTOFデータは、演算処理部37に入力される。
The time measuring unit 35 monitors the time measured by the time measuring unit and measures the time until the ultrasonic wave is received.
Specifically, the time measuring unit 35 counts the ultrasonic transmission timing at which the transmission / reception switching control unit 33 performs the process of switching to the ultrasonic transmission mode, that is, the time from when the ultrasonic wave is transmitted from the ultrasonic element 20. . The transmission / reception switching control unit 33 resets the time counted by the time measuring unit at the ultrasonic transmission timing. Then, when the transmission / reception switching control unit 33 performs a process of switching to the ultrasonic reception mode and a reception signal corresponding to the reflected ultrasonic wave received by the ultrasonic element 20 is input from the transmission / reception switching circuit 32 to the time measurement unit 35. The time measuring unit 35 acquires time (TOF data: Time Of Flight data) at the input timing. The acquired TOF data is input to the arithmetic processing unit 37.

記憶部36は、演算処理部37の各種処理を実施するための各種プログラムや各種データなどを記憶する。
具体的には、記憶部36には、弾性膜15のヤング率、弾性膜15における超音波の音速、演算処理部37により実施される各種プログラムなどが予め記憶される。また、演算処理部37で算出された各種データが記憶される構成などとしてもよい。さらに、記憶部36には、超音波反射体16の各素子対向面161の傾斜角度が記録されてもよい。
The storage unit 36 stores various programs and various data for performing various processes of the arithmetic processing unit 37.
Specifically, the storage unit 36 stores in advance the Young's modulus of the elastic film 15, the sound velocity of the ultrasonic waves in the elastic film 15, various programs executed by the arithmetic processing unit 37, and the like. In addition, a configuration in which various data calculated by the arithmetic processing unit 37 is stored may be employed. Furthermore, the inclination angle of each element facing surface 161 of the ultrasonic reflector 16 may be recorded in the storage unit 36.

演算処理部37は、移動量算出部371と、応力算出部372とを備えている。具体的には、演算処理部37は、中央演算回路やメモリーなどの演算回路、記憶回路などにより構成されるものであり、例えば記憶部36に記憶される移動量算出プログラムが中央演算回路に読み出されて処理が実行されることで、移動量算出部371として機能し、記憶部36に記憶される応力算出プログラムが中央演算回路に読み出されて処理が実行されることで、応力算出部372として機能する。   The arithmetic processing unit 37 includes a movement amount calculation unit 371 and a stress calculation unit 372. Specifically, the arithmetic processing unit 37 includes a central arithmetic circuit, an arithmetic circuit such as a memory, a storage circuit, and the like. For example, a movement amount calculation program stored in the storage unit 36 is read by the central arithmetic circuit. When the processing is executed and executed, it functions as the movement amount calculation unit 371, and the stress calculation program stored in the storage unit 36 is read by the central processing circuit and executed, so that the stress calculation unit It functions as 372.

移動量算出部371は、時間計測部35から入力されたTOFデータと、記憶部36に予め記憶されている弾性膜15中での音速とに基づいて、超音波反射体の移動量、すなわち弾性膜15の歪み量を算出する。
応力算出部372は、移動量算出部371により算出された弾性膜15の歪み量と、記憶部36に予め記憶されている弾性膜15のヤング率とに基づいて、弾性膜15に作用する応力を算出する。
移動量算出部371の歪み量の算出方法(超音波反射体16の移動量算出方法)、および応力算出部372の応力算出方法の詳細については、後述する。
The movement amount calculation unit 371 is based on the TOF data input from the time measurement unit 35 and the sound velocity in the elastic film 15 stored in advance in the storage unit 36, that is, the movement amount of the ultrasonic reflector, that is, the elasticity. The amount of distortion of the film 15 is calculated.
The stress calculation unit 372 is a stress acting on the elastic film 15 based on the strain amount of the elastic film 15 calculated by the movement amount calculation unit 371 and the Young's modulus of the elastic film 15 stored in advance in the storage unit 36. Is calculated.
Details of the strain amount calculation method of the movement amount calculation unit 371 (the movement amount calculation method of the ultrasonic reflector 16) and the stress calculation method of the stress calculation unit 372 will be described later.

〔2.触覚センサーの動作〕
次に、上記のような触覚センサー1による、正圧力および剪断力の測定動作について、図5、図6、図7に基づいて、詳細に説明する。なお、本実施形態では、弾性膜15の歪みによる超音波反射体16の回転は十分に小さく、無視出来るものとして以下説明する。また、超音波反射体16のY軸方向への移動量の検出、弾性膜15に作用するY軸方向への剪断力の検出は、X軸方向への移動量の検出、弾性膜15に作用するY軸方向への剪断力の検出と同様の処理により算出することができるため、ここでの説明は省略する。
図5は、図2において、接触物Lが弾性膜15に接触して超音波反射体16が移動した状態を示す断面図である。図6は、超音波反射体16が初期状態から所定位置に移動した際の、超音波反射体16の移動量を算出するための説明図である。図5および図6において、二点鎖線で示される超音波反射体16は、接触物Lが接触していない初期位置Pを示すものであり、実線で示される超音波反射体16は接触物Lの接触による移動位置Pを示すものである。図7は、第一実施形態の触覚センサー1における応力算出処理のフローチャートである。
[2. Operation of the tactile sensor
Next, the measurement operation of the positive pressure and the shearing force by the tactile sensor 1 as described above will be described in detail with reference to FIG. 5, FIG. 6, and FIG. In the present embodiment, the following description will be made assuming that the rotation of the ultrasonic reflector 16 due to the distortion of the elastic film 15 is sufficiently small and can be ignored. Further, the detection of the amount of movement of the ultrasonic reflector 16 in the Y-axis direction and the detection of the shearing force in the Y-axis direction acting on the elastic film 15 are the detection of the amount of movement in the X-axis direction and the action of the elastic film 15. Since it can be calculated by the same processing as the detection of the shearing force in the Y-axis direction, description here is omitted.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a state in which the ultrasonic reflector 16 is moved by the contact L contacting the elastic film 15 in FIG. FIG. 6 is an explanatory diagram for calculating the amount of movement of the ultrasonic reflector 16 when the ultrasonic reflector 16 has moved from the initial state to a predetermined position. 5 and 6, the ultrasonic reflector 16 indicated by a two-dot chain line indicates an initial position P 0 where the contact L does not contact, and the ultrasonic reflector 16 indicated by a solid line indicates the contact It shows the movement position P 1 by L contact. FIG. 7 is a flowchart of the stress calculation process in the tactile sensor 1 of the first embodiment.

触覚センサー1による正圧力および剪断力を検出動作では、図7に示すように、まず、制御部30は、素子設定変数nを初期化(n=0)する処理を行う(ステップS1)。
この後、制御部30は、素子設定変数nに対応する超音波素子を駆動させてTOFデータを取得する処理を実施する。
In the operation of detecting the positive pressure and the shearing force by the tactile sensor 1, as shown in FIG. 7, first, the control unit 30 performs a process of initializing the element setting variable n (n = 0) (step S1).
Thereafter, the control unit 30 performs a process of driving the ultrasonic element corresponding to the element setting variable n and acquiring TOF data.

具体的には、制御部30の送受信切替制御部33は、超音波発信モードに切り替える。すなわち、送受信切替制御部33は、素子切替回路31を、第n超音波素子20への信号の送受信が可能な状態にスイッチングさせ、他の超音波素子20への駆動信号の送信、他の超音波素子20からの受信信号の受信を遮断する。また、送受信切替制御部33は、送受信切替回路32を、駆動信号を超音波素子20に出力可能な状態にスイッチングさせるとともに、超音波信号発信回路34にて駆動信号を生成させ、送受信切替回路32に出力させる。これにより、第n超音波素子20から1〜2バースト波の超音波が発信される(ステップS2)。また、この超音波発信タイミングで、送受信切替制御部33は、タイマーをリセットする。   Specifically, the transmission / reception switching control unit 33 of the control unit 30 switches to the ultrasonic transmission mode. That is, the transmission / reception switching control unit 33 switches the element switching circuit 31 to a state in which signals can be transmitted / received to / from the nth ultrasonic element 20, transmits drive signals to the other ultrasonic elements 20, The reception of the reception signal from the sound wave element 20 is blocked. In addition, the transmission / reception switching control unit 33 switches the transmission / reception switching circuit 32 to a state in which the drive signal can be output to the ultrasonic element 20, and causes the ultrasonic signal transmission circuit 34 to generate the drive signal. To output. Thereby, ultrasonic waves of 1-2 burst waves are transmitted from the nth ultrasonic element 20 (step S2). Further, at this ultrasonic wave transmission timing, the transmission / reception switching control unit 33 resets the timer.

この後、送受信切替回路32は、超音波受信モードに切り替え、送受信切替回路32を超音波素子20から入力された受信信号を時間計測部35に出力可能な状態にスイッチングする(ステップS3)。
これにより、時間計測部35は、受信信号が入力されると、タイマーの時間を取得、すなわち、超音波が、超音波素子20から発信されて超音波反射体16により反射されて超音波素子20に戻ってくるまでの時間(TOFデータ)を取得する(ステップS4)。また、時間計測部35は、取得したTOFデータを記憶部36に記憶させる。
ここで、記憶部36には、先に記憶されたTOFデータと、新たに記憶されたTOFデータとの比較処理を実施するために、取得したTOFデータを蓄積して記憶する。例えば、記憶部36には、ループm−1回目に取得したTOFデータと、ループm回目に取得したTOFデータとが記憶される。
Thereafter, the transmission / reception switching circuit 32 switches to the ultrasonic reception mode, and switches the transmission / reception switching circuit 32 to a state in which the reception signal input from the ultrasonic element 20 can be output to the time measuring unit 35 (step S3).
As a result, when the reception signal is input, the time measuring unit 35 acquires the time of the timer, that is, the ultrasonic wave is transmitted from the ultrasonic element 20 and reflected by the ultrasonic reflector 16, and the ultrasonic element 20. The time (TOF data) until returning to is acquired (step S4). The time measuring unit 35 stores the acquired TOF data in the storage unit 36.
Here, the storage unit 36 accumulates and stores the acquired TOF data in order to perform a comparison process between the previously stored TOF data and the newly stored TOF data. For example, the storage unit 36 stores the TOF data acquired for the loop m−1 and the TOF data acquired for the loop m.

次に、制御部30は、素子設定変数nの値が5(センサー本体10に設けられる超音波素子20の数)以上であるか否かを判断する(ステップS5)。
ここで、制御部30は、素子設定変数nが4以下であると判断した場合、素子設定変数nに1を加算し(ステップS6)、ステップS2〜ステップS4の処理を繰り返し実施する。
Next, the control unit 30 determines whether or not the value of the element setting variable n is 5 (the number of ultrasonic elements 20 provided in the sensor body 10) or more (step S5).
Here, when the control unit 30 determines that the element setting variable n is 4 or less, the control unit 30 adds 1 to the element setting variable n (step S6), and repeatedly performs the processing of steps S2 to S4.

一方、制御部30は、素子設定変数nが5であると判断すると、取得したTOFデータが、前回取得したTOFデータと比べて変動しているか否かを判断する(ステップS7)。なお、例えば電源投入時など、触覚センサー1を初めて駆動させた状態では、ループ1回目に取得したTOFデータしか記憶されていないので、ステップS1の処理に戻り、再度ステップS1〜ステップS5の処理を実施してループ2回目のTOFデータを取得する。
また、記憶部36に記憶されたTOFデータに変動がない場合、すなわち、ループm−1回目のTOFデータと、ループm回目のTOFデータとの差が予め設定された閾値の範囲内である場合、制御部30は、再びステップS1〜ステップS5の処理(ループm+1回目の処理)を実施させる。
On the other hand, when determining that the element setting variable n is 5, the control unit 30 determines whether the acquired TOF data is fluctuated as compared with the previously acquired TOF data (step S7). Note that, when the tactile sensor 1 is driven for the first time, for example, when the power is turned on, only the TOF data acquired in the first loop is stored, so the processing returns to step S1 and the processing of steps S1 to S5 is performed again. Perform the second loop of TOF data.
Further, when there is no change in the TOF data stored in the storage unit 36, that is, when the difference between the loop m-1st TOF data and the loop mth TOF data is within a preset threshold range. The control unit 30 again performs the processes of Steps S1 to S5 (the process of loop m + 1).

このステップS7において、ループm−1回目のTOFデータと、ループm回目のTOFデータとの差が閾値以上である場合、制御部30は、これらのTOFデータの変動量を算出する処理を実施する(ステップS8)。
このように、取得したTOFデータに変動がある場合、触覚センサー1は、弾性膜15に接触物Lが接触して、図5に示すように、弾性膜15が弾性変形していることを意味する。
In this step S7, when the difference between the loop m-1st TOF data and the loop mth TOF data is equal to or larger than the threshold value, the control unit 30 performs a process of calculating the fluctuation amount of these TOF data. (Step S8).
Thus, when there is a change in the acquired TOF data, the tactile sensor 1 means that the contact object L is in contact with the elastic film 15 and the elastic film 15 is elastically deformed as shown in FIG. To do.

この後、移動量算出部371は、算出されたTOFデータの変動量に基づいて、超音波反射体16の移動量を算出する(ステップS9)
このステップS9では、以下のようにして超音波反射体16の移動量が算出される。
すなわち、超音波反射体16が初期位置Pに位置する状態でのTOFデータがTであり、超音波反射体16が位置Pに移動した際のTOFデータがTである場合、移動量算出部371は、次式によりTOFデータの変動量に対する移動量Mを算出する。
Thereafter, the movement amount calculation unit 371 calculates the movement amount of the ultrasonic reflector 16 based on the calculated fluctuation amount of the TOF data (step S9).
In step S9, the movement amount of the ultrasonic reflector 16 is calculated as follows.
That is, if the TOF data in a state where the ultrasonic reflector 16 is located at the initial position P 0 is T 0 and the TOF data when the ultrasonic reflector 16 is moved to the position P 1 is T 1 , the movement The amount calculation unit 371 calculates a movement amount M with respect to the variation amount of the TOF data by the following equation.

[数1]

[Equation 1]

上記式(1)において、cは、弾性膜15中の音速であり、記憶部36に予め記憶されている。
ここで、各超音波素子20(20A〜20E)から発信された超音波のうち、素子対向面161(161A〜161E)で反射されて、元の超音波素子20(20A〜20E)に戻る超音波成分は、素子対向面161(161A〜161E)に対して垂直に入射した超音波である。例えば、第一超音波素子20Aから発信された超音波のうち、第一素子対向面161Aに垂直に入射する超音波成分が、第一超音波素子20Aに向かって反射され、第一超音波素子20Aで受信される。
したがって、上記により求められる移動量Mは、各素子対向面161の法線方向への移動量であり、図6において、第一素子対向面161Aの法線方向への移動に対応する第一法線ベクトル(A)、第二素子対向面161Bの法線方向の移動に対応する第二法線ベクトル(B)で示される。
In the above formula (1), c is the speed of sound in the elastic film 15 and is stored in the storage unit 36 in advance.
Here, of the ultrasonic waves transmitted from the respective ultrasonic elements 20 (20A to 20E), the ultrasonic waves reflected by the element facing surfaces 161 (161A to 161E) and returned to the original ultrasonic elements 20 (20A to 20E). The sound wave component is an ultrasonic wave incident perpendicularly to the element facing surface 161 (161A to 161E). For example, of the ultrasonic waves transmitted from the first ultrasonic element 20A, an ultrasonic component incident perpendicularly to the first element facing surface 161A is reflected toward the first ultrasonic element 20A, and the first ultrasonic element Received at 20A.
Therefore, the amount of movement M obtained as described above is the amount of movement of each element facing surface 161 in the normal direction. In FIG. 6, the first method corresponding to the movement of the first element facing surface 161A in the normal direction. The line vector (A) is indicated by the second normal vector (B) corresponding to the movement in the normal direction of the second element facing surface 161B.

また、本実施形態の触覚センサー1において、超音波反射体16の素子対向面161A,161Bは、X軸に対して45度の角度で傾斜している。このため、これらの図6に示すように、第一法線ベクトル(A)および第二法線ベクトル(B)の合成ベクトルが超音波反射体16のXZ平面における移動ベクトル(XZ移動ベクトル(C))となり、以下のベクトル式が成立する。   In the tactile sensor 1 of the present embodiment, the element facing surfaces 161A and 161B of the ultrasonic reflector 16 are inclined at an angle of 45 degrees with respect to the X axis. Therefore, as shown in FIG. 6, the combined vector of the first normal vector (A) and the second normal vector (B) is a movement vector (XZ movement vector (C )), And the following vector expression is established.

[数2]

[Equation 2]

したがって、移動量算出部371は、上記(2)式に示すベクトル式に基づいて、XZ移動ベクトル(C)を算出する。さらに、移動量算出部371は、このXZ移動ベクトル(C)を、X軸方向の成分であるX剪断方向ベクトル(x)と、Z軸方向の成分である正圧方向ベクトル(z)とに分解する。
ここで、X剪断方向ベクトル(x)の絶対値が超音波反射体16のX軸方向への移動量となり、弾性膜15のX軸方向への歪み量となる。また、正圧方向ベクトル(z)の絶対値が超音波反射体16のZ軸方向への移動量となり、弾性膜15のZ軸方向への歪み量となる。
Therefore, the movement amount calculation unit 371 calculates the XZ movement vector (C) based on the vector expression shown in the expression (2). Further, the movement amount calculation unit 371 converts the XZ movement vector (C) into an X shear direction vector (x) that is a component in the X axis direction and a positive pressure direction vector (z) that is a component in the Z axis direction. Decompose.
Here, the absolute value of the X shear direction vector (x) is the amount of movement of the ultrasonic reflector 16 in the X-axis direction, and the amount of distortion of the elastic film 15 in the X-axis direction. The absolute value of the positive pressure direction vector (z) is the amount of movement of the ultrasonic reflector 16 in the Z-axis direction and the amount of distortion of the elastic film 15 in the Z-axis direction.

さらに、移動量算出部371は、第五超音波素子20Eから発信された超音波が第五素子対向面161Eで反射されて第五超音波素子20Eにまで戻るまでのTOFデータの変動量を算出し、式(1)に基づいて、第五素子対向面161Eの移動量を算出する。
この第五素子対向面161Eの移動量は、超音波反射体16のZ軸方向への移動量であるが、第一素子対向面161A〜第四素子対向面161Dの移動に基づいて算出された値よりも高精度な値となる。これは、第五素子対向面161Eと第五超音波素子20Eとの距離が、他の素子対向面161A〜161Dと、これらの素子対向面161A〜161Dに対応する超音波素子20A〜20Dとの距離に比べて小さく、超音波の減衰等が抑えられるためである。
したがって、移動量算出部371は、第五素子対向面161Eおよび第五超音波素子20Eにより算出した超音波反射体16のZ軸方向の測定移動量と、式(2)に基づいて算出されたZ軸方向の算出移動量とを比較し、これらの差が予め設定された規定値以上となる場合、測定移動量をZ軸方向の移動量として設定する。また、この場合、移動量算出部371は、測定移動量に基づいた正圧方向ベクトル(z)を設定し、式(2)に基づいてX剪断方向ベクトル(x)を補正する処理をしてもよい。
Further, the movement amount calculation unit 371 calculates the amount of change in the TOF data until the ultrasonic wave transmitted from the fifth ultrasonic element 20E is reflected by the fifth element facing surface 161E and returns to the fifth ultrasonic element 20E. And based on Formula (1), the movement amount of the 5th element opposing surface 161E is calculated.
The amount of movement of the fifth element facing surface 161E is the amount of movement of the ultrasonic reflector 16 in the Z-axis direction, and was calculated based on the movement of the first element facing surface 161A to the fourth element facing surface 161D. The value is more accurate than the value. This is because the distance between the fifth element facing surface 161E and the fifth ultrasonic element 20E is between the other element facing surfaces 161A to 161D and the ultrasonic elements 20A to 20D corresponding to these element facing surfaces 161A to 161D. This is because it is smaller than the distance and the attenuation of ultrasonic waves and the like can be suppressed.
Therefore, the movement amount calculation unit 371 is calculated based on the measured movement amount in the Z-axis direction of the ultrasonic reflector 16 calculated by the fifth element facing surface 161E and the fifth ultrasonic element 20E, and the equation (2). The calculated movement amount is compared with the calculated movement amount in the Z-axis direction, and when these differences are equal to or larger than a predetermined value set in advance, the measurement movement amount is set as the movement amount in the Z-axis direction. In this case, the movement amount calculation unit 371 sets a positive pressure direction vector (z) based on the measured movement amount, and corrects the X shear direction vector (x) based on Expression (2). Also good.

なお、上記において、超音波反射体16がZX方向にのみ移動する場合を例示して、移動量算出部371により、超音波反射体16のZ軸方向への移動量(弾性膜15のZ軸方向への歪み量)および超音波反射体16のX軸方向への移動量(弾性膜15のX軸方向への歪み量)を算出したが、超音波反射体16のY軸方向への移動量も同様の手法により、算出することができる。   In the above, the case where the ultrasonic reflector 16 moves only in the ZX direction is exemplified, and the movement amount calculation unit 371 moves the ultrasonic reflector 16 in the Z axis direction (Z axis of the elastic film 15). The amount of distortion in the direction) and the amount of movement of the ultrasonic reflector 16 in the X-axis direction (the amount of distortion of the elastic film 15 in the X-axis direction) were calculated, but the movement of the ultrasonic reflector 16 in the Y-axis direction was calculated. The amount can be calculated by a similar method.

つまり、移動量算出部371は、第三素子対向面161Cおよび第三超音波素子20Cにより取得されるTOFデータの変動量から第三素子対向面161Cの法線方向への移動量である第三法線ベクトルを算出し、第四素子対向面161Dおよび第四超音波素子20Dにより取得されるTOFデータの変動量から第四素子対向面161Dの法線方向への移動量である第四法線ベクトルを算出する。
また、第三素子対向面161Cおよび第四素子対向面161Dは、Y軸に対してそれぞれ45度で傾斜しているため、第三法線ベクトルおよび第四法線ベクトルの合成ベクトルが超音波反射体16のYZ移動ベクトルとなる。
したがって、移動量算出部371は、YZ移動ベクトルを算出し、このYZ移動ベクトルをさらにZ軸方向成分の正圧方向ベクトルと、Y軸方向成分のY剪断方向ベクトルに分解する。この正圧方向ベクトルが弾性膜15のZ軸方向の歪み量となり、Y剪断方向ベクトルが弾性膜15のZ軸方向の歪み量となる。
That is, the movement amount calculation unit 371 is the third movement amount that is the movement amount in the normal direction of the third element facing surface 161C from the variation amount of the TOF data acquired by the third element facing surface 161C and the third ultrasonic element 20C. A normal vector is calculated, and the fourth normal line, which is the amount of movement in the normal direction of the fourth element facing surface 161D from the variation amount of the TOF data acquired by the fourth element facing surface 161D and the fourth ultrasonic element 20D. Calculate the vector.
In addition, since the third element facing surface 161C and the fourth element facing surface 161D are inclined at 45 degrees with respect to the Y axis, the combined vector of the third normal vector and the fourth normal vector is reflected by ultrasonic waves. This is the YZ movement vector of the body 16.
Therefore, the movement amount calculation unit 371 calculates a YZ movement vector, and further decomposes the YZ movement vector into a positive pressure direction vector of the Z-axis direction component and a Y shear direction vector of the Y-axis direction component. This positive pressure direction vector becomes the amount of strain in the Z-axis direction of the elastic film 15, and the Y shear direction vector becomes the amount of strain in the Z-axis direction of the elastic film 15.

また、移動量算出部371は、上記のように算出されたX剪断方向ベクトルおよびY剪断方向ベクトルを合成することで、XY平面内での超音波反射体16の移動方向および移動量を算出してもよい。
そして、移動量算出部371は、算出された超音波反射体16の移動量を記憶部36に記憶する。
The movement amount calculation unit 371 calculates the movement direction and the movement amount of the ultrasonic reflector 16 in the XY plane by combining the X shear direction vector and the Y shear direction vector calculated as described above. May be.
Then, the movement amount calculation unit 371 stores the calculated movement amount of the ultrasonic reflector 16 in the storage unit 36.

このステップS9の後、制御部30の応力算出部372は、弾性膜15に作用する応力を算出する(ステップS10)。
具体的には、応力算出部372は、記憶部36に記憶された弾性膜15のヤング率を読み出し、移動量算出部371により算出された弾性膜15のX軸方向への歪み量にヤング率を乗算することで、X軸方向への剪断力を算出する。
また、応力算出部372は、移動量算出部371により算出された弾性膜15のZ軸方向への歪み量にヤング率を乗算することで、正圧力を算出する。
同様にして、応力算出部372は、移動量算出部371により算出された弾性膜15のY軸方向への歪み量にヤング率を乗算することで、Y軸方向への剪断力を算出する。なお、XY平面での超音波反射体の移動量を算出した場合では、その移動量のヤング率を乗算することで、X軸方向の剪断力およびY軸方向の剪断力の合力を算出することもできる。
そして、応力算出部372は、算出された正圧力および剪断力を記憶部36に記憶する。
After step S9, the stress calculation unit 372 of the control unit 30 calculates the stress acting on the elastic film 15 (step S10).
Specifically, the stress calculation unit 372 reads the Young's modulus of the elastic film 15 stored in the storage unit 36, and calculates the Young's modulus as the amount of strain in the X-axis direction of the elastic film 15 calculated by the movement amount calculation unit 371. Is multiplied by the shearing force in the X-axis direction.
Further, the stress calculation unit 372 calculates a positive pressure by multiplying the amount of strain in the Z-axis direction of the elastic film 15 calculated by the movement amount calculation unit 371 by the Young's modulus.
Similarly, the stress calculation unit 372 calculates the shear force in the Y-axis direction by multiplying the amount of strain in the Y-axis direction of the elastic film 15 calculated by the movement amount calculation unit 371 by the Young's modulus. When the movement amount of the ultrasonic reflector in the XY plane is calculated, the resultant force of the shear force in the X-axis direction and the shear force in the Y-axis direction is calculated by multiplying the Young's modulus of the movement amount. You can also.
Then, the stress calculation unit 372 stores the calculated positive pressure and shear force in the storage unit 36.

〔3.第一実施形態の作用効果〕
上述したように、上記第一実施形態の触覚センサー1では、センサー本体10と、センサー本体10を制御する制御部30とを備えている。また、センサー本体10は、基板11と、基板11上に設けられる5つの超音波素子20(20A〜20E)と、これらの超音波素子20を覆う弾性膜15と、弾性膜15内に埋設される超音波反射体16とを備え、超音波反射体16は、各超音波素子20(20A〜20E)に対向する素子対向面161を備えている。
このような構成の触覚センサーでは、各超音波素子20から得られるTOFデータの変動量に基づいて、超音波反射体16の各素子対向面161の移動量および移動方向を検出することができ、これらの移動量と弾性膜15のヤング率を乗算することで、弾性膜15に作用する応力を算出することができる。
また、基板11上に超音波素子20および弾性膜15を積層するだけの構成であるため、例えば立体的な剪断力検出構造体を設ける場合などに比べて、構成を簡単にでき、生産性を向上させることができ、生産コストをも低減させることができる。
[3. Effect of First Embodiment)
As described above, the tactile sensor 1 according to the first embodiment includes the sensor body 10 and the control unit 30 that controls the sensor body 10. The sensor body 10 is embedded in the substrate 11, five ultrasonic elements 20 (20 </ b> A to 20 </ b> E) provided on the substrate 11, an elastic film 15 covering these ultrasonic elements 20, and the elastic film 15. The ultrasonic reflector 16 includes an element facing surface 161 that faces each of the ultrasonic elements 20 (20A to 20E).
The tactile sensor having such a configuration can detect the amount of movement and the direction of movement of each element facing surface 161 of the ultrasonic reflector 16 based on the amount of fluctuation of the TOF data obtained from each ultrasonic element 20, By multiplying these movement amounts by the Young's modulus of the elastic film 15, the stress acting on the elastic film 15 can be calculated.
In addition, since the configuration is such that the ultrasonic element 20 and the elastic film 15 are simply laminated on the substrate 11, the configuration can be simplified and productivity can be improved as compared with the case where a three-dimensional shear force detection structure is provided, for example. The production cost can be reduced.

そして、本実施形態の触覚センサー1では、超音波反射体16は、正四角錐台形状に形成されており、正四角錐台形状を構成する第一素子対向面161Aが、基板11に対向する頂部である第五素子対向面161Eの+X側に設けられ、+X方向に向かうに従って基板11から離れる方向に45度で傾斜し、かつY軸に平行な傾斜面により形成されている。また、正四角錐台形状を構成する第二素子対向面161Bが、第五素子対向面161Eの−X側に設けられ、−X方向に向かうに従って基板11から離れる方向に45度で傾斜し、かつY軸に平行な傾斜面により形成されている。
このような構成では、第一超音波素子20Aおよび第一素子対向面161Aにより取得されるTOFデータの変動量および第二超音波素子20Bおよび第二素子対向面161Bにより取得されるTOFデータの変動量から、第一素子対向面161Aの法線方向への移動量である第一法線ベクトル(A)および第二素子対向面161Bの法線方向への移動量である第二法線ベクトル(B)を算出することができる。また、第一素子対向面161A、第二素子対向面161BがそれぞれX軸に対して45度で傾斜しているため、移動量算出部371は、これらの第一法線ベクトル(A)および第二法線ベクトル(B)の合成ベクトルを算出するだけで、容易に超音波反射体16のXZ移動ベクトル(C)を算出することができる。また、移動量算出部371は、このXZ移動ベクトルを式(2)に示すように、正圧方向ベクトル(z)と、X剪断力方向ベクトル(x)に分解することで、弾性膜15のZ軸方向の歪み量およびX軸方向の歪み量を容易に算出することができる。
In the tactile sensor 1 according to the present embodiment, the ultrasonic reflector 16 is formed in a regular quadrangular pyramid shape, and the first element facing surface 161 </ b> A constituting the regular quadrangular pyramid shape is a top portion facing the substrate 11. It is provided on the + X side of a certain fifth element facing surface 161E, is inclined by 45 degrees in a direction away from the substrate 11 toward the + X direction, and is formed by an inclined surface parallel to the Y axis. The second element facing surface 161B constituting the regular quadrangular pyramid shape is provided on the −X side of the fifth element facing surface 161E, and is inclined at 45 degrees in a direction away from the substrate 11 toward the −X direction. It is formed by an inclined surface parallel to the Y axis.
In such a configuration, the fluctuation amount of the TOF data acquired by the first ultrasonic element 20A and the first element facing surface 161A and the fluctuation amount of the TOF data acquired by the second ultrasonic element 20B and the second element facing surface 161B. The first normal vector (A) that is the amount of movement in the normal direction of the first element facing surface 161A and the second normal vector (the amount of movement in the normal direction of the second element facing surface 161B are B) can be calculated. Further, since the first element facing surface 161A and the second element facing surface 161B are inclined at 45 degrees with respect to the X axis, the movement amount calculation unit 371 calculates the first normal vector (A) and the first The XZ movement vector (C) of the ultrasonic reflector 16 can be easily calculated simply by calculating the combined vector of the two normal vectors (B). Further, the movement amount calculation unit 371 decomposes the XZ movement vector into a positive pressure direction vector (z) and an X shearing force direction vector (x) as shown in the equation (2), so that the elastic film 15 The strain amount in the Z-axis direction and the strain amount in the X-axis direction can be easily calculated.

また、同様に、第三超音波素子20Cおよび第三素子対向面161Cにより取得されるTOFデータの変動量および第四超音波素子20Dおよび第四素子対向面161Dにより取得されるTOFデータの変動量から、第三素子対向面161Cの法線方向への移動量である第三法線ベクトルおよび第四素子対向面161Dの法線方向への移動量である第四法線ベクトルを算出することができる。このため、移動量算出部371は、これらの第三法線ベクトルおよび第四法線ベクトルの合成ベクトルを算出するだけで、容易に超音波反射体16のYZ移動ベクトルを算出することができ、弾性膜15のY軸方向の歪み量を容易に算出することができる。   Similarly, the fluctuation amount of the TOF data acquired by the third ultrasonic element 20C and the third element facing surface 161C and the fluctuation amount of the TOF data acquired by the fourth ultrasonic element 20D and the fourth element facing surface 161D. The third normal vector, which is the amount of movement of the third element facing surface 161C in the normal direction, and the fourth normal vector, which is the amount of movement of the fourth element facing surface 161D in the normal direction, are calculated. it can. For this reason, the movement amount calculation unit 371 can easily calculate the YZ movement vector of the ultrasonic reflector 16 only by calculating the combined vector of the third normal vector and the fourth normal vector. The amount of strain in the Y-axis direction of the elastic film 15 can be easily calculated.

さらに、同様にして、第五超音波素子20Eおよび第五素子対向面161Eにより取得されるTOFデータの変動量から、第五素子対向面161Eの法線方向への移動量、すなわち超音波反射体16のZ軸方向への移動量を直接測定することができる。
ここで、第五素子対向面161Eは、超音波反射体16のうち頂部を構成し、基板11に最も近接する位置に配置されるものであり、その直下に第五超音波素子20Eが設けられている。このため、他の素子対向面161A〜161Dと、これに対応する超音波素子20A〜20Dとの距離比べて、第五素子対向面161Eと第五超音波素子20Eとの距離は近く、弾性膜15中における超音波の減衰等がなく、精度の高いTOFデータを取得することができる。したがって、このようなTOFデータを用いて、超音波反射体16のZ軸方向の移動量を測定することで、高精度に移動量を測定することができる。
また、このような高精度に測定されたZ軸方向の移動量に基づいて、超音波反射体16のXY剪断方向の移動量を補正することもでき、より精度の高い測定を実施することができる。
Further, similarly, the amount of movement in the normal direction of the fifth element facing surface 161E, that is, the ultrasonic reflector, from the variation amount of the TOF data acquired by the fifth ultrasonic element 20E and the fifth element facing surface 161E. The amount of movement of 16 in the Z-axis direction can be directly measured.
Here, the fifth element facing surface 161E constitutes the top of the ultrasonic reflector 16 and is disposed at a position closest to the substrate 11, and the fifth ultrasonic element 20E is provided directly below the fifth element facing surface 161E. ing. Therefore, the distance between the fifth element facing surface 161E and the fifth ultrasonic element 20E is shorter than the distance between the other element facing surfaces 161A to 161D and the corresponding ultrasonic elements 20A to 20D, and the elastic film 15, there is no attenuation of ultrasonic waves and the like, and highly accurate TOF data can be acquired. Therefore, by measuring the amount of movement of the ultrasonic reflector 16 in the Z-axis direction using such TOF data, the amount of movement can be measured with high accuracy.
Further, based on the amount of movement in the Z-axis direction measured with such high accuracy, the amount of movement of the ultrasonic reflector 16 in the XY shear direction can also be corrected, and more accurate measurement can be performed. it can.

また、上述したように、正四角錐台形状の超音波反射体16を用いる構成では、各素子対向面161が平面により形成されるため、超音波の反射領域を拡大させることができる。例えば、超音波反射体として、例えば球形状を有する構造とした場合、超音波素子20から発信された超音波のうち、当該超音波素子20に反射される超音波は、球面のうちの一点により反射される超音波のみとなるため、受信信号が小さく検出精度が悪化する。円錐台形状を有する構造である場合でも、超音波素子20から発信された超音波のうち、当該超音波素子20に反射される超音波は、曲面のうちの一直線上により反射される超音波のみとなる。これに対して、四角錐台形状の超音波反射体16では、素子対向面161のうち、超音波素子20に対向する面積領域内で反射される超音波が超音波素子20に入力されるので、球面形状や円錐台形状の超音波反射体を用いる場合に比べて受信信号が大きくなり、検出精度を向上させることができる。   In addition, as described above, in the configuration using the regular quadrangular pyramid shaped ultrasonic reflector 16, each element facing surface 161 is formed by a flat surface, so that the ultrasonic reflection region can be enlarged. For example, when the ultrasonic reflector has a structure having a spherical shape, for example, among the ultrasonic waves transmitted from the ultrasonic element 20, the ultrasonic wave reflected by the ultrasonic element 20 is based on one point of the spherical surface. Since only the reflected ultrasonic waves are used, the received signal is small and the detection accuracy is deteriorated. Even in the case of a structure having a truncated cone shape, among the ultrasonic waves transmitted from the ultrasonic element 20, the ultrasonic wave reflected by the ultrasonic element 20 is only the ultrasonic wave reflected by a straight line of the curved surface. It becomes. On the other hand, in the quadrangular pyramid-shaped ultrasonic reflector 16, the ultrasonic wave reflected in the area region facing the ultrasonic element 20 in the element facing surface 161 is input to the ultrasonic element 20. Compared with the case of using an ultrasonic reflector having a spherical shape or a truncated cone shape, the received signal becomes larger and the detection accuracy can be improved.

そして、本実施形態の触覚センサー1では、制御部30は、超音波発信制御部を構成する送受信切替回路32、送受信切替制御部33および超音波信号発信回路34と、各超音波素子20から取得される受信信号に基づいて、TOFデータを取得する時間計測部35と、時間計測部35で取得されたTOFデータの変動量に基づいて、超音波反射体の移動量および移動方向を算出する移動量算出部371とを備えている。
このような触覚センサー1では、上述したように、時間計測部35により取得されたTOFデータに基づいて、超音波反射体16の各素子対向面161の法線方向の移動量である法線ベクトルを算出でき、これらの法線ベクトルに基づいて超音波反射体16のZ軸方向への移動量、X軸方向への移動量、Y軸方向への移動量、すなわち弾性膜15のXYZ各軸方向の歪み量をそれぞれ容易に算出することができる。
And in the tactile sensor 1 of this embodiment, the control part 30 is acquired from the transmission / reception switching circuit 32, the transmission / reception switching control part 33, the ultrasonic signal transmission circuit 34, and each ultrasonic element 20 which comprise an ultrasonic transmission control part. Based on the received signal, the time measuring unit 35 for acquiring the TOF data, and the movement for calculating the moving amount and moving direction of the ultrasonic reflector based on the fluctuation amount of the TOF data acquired by the time measuring unit 35 A quantity calculation unit 371.
In such a tactile sensor 1, as described above, based on the TOF data acquired by the time measuring unit 35, a normal vector that is the amount of movement in the normal direction of each element facing surface 161 of the ultrasonic reflector 16. And the amount of movement of the ultrasonic reflector 16 in the Z-axis direction, the amount of movement in the X-axis direction, the amount of movement in the Y-axis direction, that is, the XYZ axes of the elastic film 15 based on these normal vectors. It is possible to easily calculate the amount of distortion in each direction.

また、制御部30は、応力算出部372を備え、移動量算出部371により算出された弾性膜15の歪み量と弾性膜15のヤング率から弾性膜15に作用する応力、すなわち弾性膜15に作用する剪断力、正圧力を容易に算出することができる。   Further, the control unit 30 includes a stress calculation unit 372, and the stress acting on the elastic film 15 from the strain amount of the elastic film 15 calculated by the movement amount calculation unit 371 and the Young's modulus of the elastic film 15, that is, the elastic film 15 The acting shear force and positive pressure can be easily calculated.

[第二実施形態]
次に、本発明の第二実施形態の触覚センサー1について、図面に基づいて説明する。
上記第一実施形態では、超音波反射体16の第一素子対向面161Aおよび第二素子対向面161BがX軸に対して45度に傾斜し、第三素子対向面161Cおよび第四素子対向面161DがY軸に対して45度に傾斜する構成を例示した。
これに対して、第二実施形態では、超音波反射体16の第一素子対向面161Aおよび第二素子対向面161Bが、X軸に対して0度<θ<90度(θ≠45度)に形成される例を示す。なお、第三素子対向面161Cおよび第四素子対向面161DがY軸に対して0度<θ<90度(θ≠45度)に形成される場合も同様であるため、ここでの説明は省略する。
[Second Embodiment]
Next, a tactile sensor 1 according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
In the first embodiment, the first element facing surface 161A and the second element facing surface 161B of the ultrasonic reflector 16 are inclined at 45 degrees with respect to the X axis, and the third element facing surface 161C and the fourth element facing surface. The configuration in which 161D is inclined at 45 degrees with respect to the Y axis is illustrated.
On the other hand, in the second embodiment, the first element facing surface 161A and the second element facing surface 161B of the ultrasonic reflector 16 have 0 degree <θ <90 degrees (θ ≠ 45 degrees) with respect to the X axis. An example formed is shown below. The same applies to the case where the third element facing surface 161C and the fourth element facing surface 161D are formed at 0 degree <θ <90 degrees (θ ≠ 45 degrees) with respect to the Y axis. Omitted.

上記第一実施形態のように、θ=45度に形成される場合では、第一法線ベクトル(A)および第二法線ベクトル(B)の合成ベクトルが超音波反射体16のXZ移動ベクトルとなったが、第二実施形態のように、θ≠45度である場合、移動量算出部371は、上記ステップS9において、異なる処理によりXZ移動ベクトルを算出する。
図8は、第二実施形態における超音波反射体16が初期状態から所定位置に移動した際の、超音波反射体16の移動量を算出するための説明図である。なお、第二実施形態の触覚センサー1は、超音波反射体16の第一素子対向面161Aおよび第二素子対向面161Bの傾斜角度が異なる点を除いて、上記第一実施形態と同様の構成であるため、各構成に同符号を付し、その説明を省略する。
As in the first embodiment, when the angle θ is formed at 45 degrees, the combined vector of the first normal vector (A) and the second normal vector (B) is the XZ movement vector of the ultrasonic reflector 16. However, when θ ≠ 45 degrees as in the second embodiment, the movement amount calculation unit 371 calculates the XZ movement vector by different processing in step S9.
FIG. 8 is an explanatory diagram for calculating the amount of movement of the ultrasonic reflector 16 when the ultrasonic reflector 16 in the second embodiment moves from the initial state to a predetermined position. The tactile sensor 1 of the second embodiment has the same configuration as that of the first embodiment except that the first element facing surface 161A and the second element facing surface 161B of the ultrasonic reflector 16 are different in inclination angle. Therefore, the same reference numerals are given to the respective components, and the description thereof is omitted.

第二実施形態の触覚センサー1では、弾性膜15に接触物Lが接触すると、接触物Lから弾性膜15にZ軸方向への正圧力や、XY方向に沿う剪断力を受けると、図8に示すように、弾性膜15が弾性変形して歪み、弾性膜15の内部に埋設された超音波反射体も弾性膜15の弾性変形に応じて位置が移動する。   In the tactile sensor 1 according to the second embodiment, when the contact object L comes into contact with the elastic film 15, when the elastic object 15 receives a positive pressure in the Z-axis direction or a shearing force along the XY direction from the contact object L, FIG. As shown in FIG. 4, the elastic film 15 is elastically deformed and distorted, and the position of the ultrasonic reflector embedded in the elastic film 15 is moved according to the elastic deformation of the elastic film 15.

ここで、第一超音波素子20Aから発信された超音波のうち、第一素子対向面161Aで反射されて第一超音波素子20Aに戻る超音波成分は、第一素子対向面161Aに対して垂直に入射した超音波である。したがって、上記第一実施形態と同様に、移動量算出部371は、式(1)に基づいて、第一法線ベクトル(A)及び第二法線ベクトル(B)を算出する。
一方、超音波反射体16のXZ移動ベクトル(C)は、第一素子対向面161Aの第二素子対向面161Bの傾斜角度(第一傾斜角度θ)に沿うベクトル成分(第一成分ベクトル(A´))と、第二素子対向面161Bの第一素子対向面161Aの傾斜角度(第二傾斜角度θ)に沿うベクトル成分(第二成分ベクトル(B´))との合成ベクトルにより表される。
Here, of the ultrasonic waves transmitted from the first ultrasonic element 20A, the ultrasonic component reflected by the first element facing surface 161A and returning to the first ultrasonic element 20A is directed to the first element facing surface 161A. Ultrasound incident perpendicularly. Therefore, similarly to the first embodiment, the movement amount calculation unit 371 calculates the first normal vector (A) and the second normal vector (B) based on the equation (1).
On the other hand, the XZ movement vector (C) of the ultrasonic reflector 16 is a vector component (first component vector ( 1 ) along the inclination angle (first inclination angle θ 1 ) of the second element facing surface 161B of the first element facing surface 161A. A ′)) and a vector vector (second component vector (B ′)) along the tilt angle (second tilt angle θ 2 ) of the first element facing surface 161A of the second element facing surface 161B. Is done.

したがって、移動量算出部371は、図8に示すように、第一法線ベクトル(A)を分解して第一成分ベクトル(A´)を算出し、第二法線ベクトル(B)を分解して第二成分ベクトル(B´)を算出する。これには、制御部30の記憶部36に、第一傾斜角度θ、および第二傾斜角度θを予め記憶しておき、移動量算出部371は、これらの傾斜角度θ,θを読み出し、下記式(3)により第一成分ベクトル(A´)および第二成分ベクトル(B´)を算出する。 Therefore, as shown in FIG. 8, the movement amount calculation unit 371 decomposes the first normal vector (A) to calculate the first component vector (A ′), and decomposes the second normal vector (B). Then, the second component vector (B ′) is calculated. For this purpose, the first tilt angle θ 1 and the second tilt angle θ 2 are stored in advance in the storage unit 36 of the control unit 30, and the movement amount calculation unit 371 stores these tilt angles θ 1 , θ 2. And the first component vector (A ′) and the second component vector (B ′) are calculated by the following equation (3).

[数3]

[Equation 3]

この後、移動量算出部371は、第一成分ベクトル(A´)および第二成分ベクトル(B´)を合成してXZ移動ベクトル(C)を算出し、このXZ移動ベクトル(C)を分解して、正圧方向ベクトル(z)およびX剪断方向ベクトル(x)を算出する。   Thereafter, the movement amount calculation unit 371 calculates the XZ movement vector (C) by combining the first component vector (A ′) and the second component vector (B ′), and decomposes the XZ movement vector (C). Then, the positive pressure direction vector (z) and the X shear direction vector (x) are calculated.

[第二実施形態の作用効果]
上記第二実施形態のような触覚センサー1でも、第一実施形態と同様の作用効果を得ることができる。これに加え、第二実施形態では、超音波反射体16の各素子対向面161の傾斜角度が0度<θ<90度であるいかなる場合であっても、精度よく正圧方向ベクトル(z)およびX剪断方向ベクトル(x)を算出することができる。
したがって、例えば、超音波反射体16の傾斜角度を0度<θ<45度に設定することもでき、この場合、第一実施形態に比べて超音波反射体16のZ軸方向の厚み寸法を小さくでき、触覚センサー1のさらなる小型化を促進することができる。
[Operational effects of the second embodiment]
Even with the tactile sensor 1 as in the second embodiment, it is possible to obtain the same effects as the first embodiment. In addition, in the second embodiment, the positive pressure direction vector (z) is accurately obtained in any case where the inclination angle of each element facing surface 161 of the ultrasonic reflector 16 is 0 degree <θ <90 degrees. And the X shear direction vector (x) can be calculated.
Therefore, for example, the inclination angle of the ultrasonic reflector 16 can be set to 0 degree <θ <45 degrees. In this case, the thickness dimension of the ultrasonic reflector 16 in the Z-axis direction is set as compared with the first embodiment. The size can be reduced, and further downsizing of the touch sensor 1 can be promoted.

[第三実施形態]
次に、本発明の第三実施形態の触覚センサーについて、図面に基づいて説明する。
図9は、第三実施形態の触覚センサーにおけるセンサーアレイの構成を示す図である。図10は、図9におけるセンサーアレイ10A(超音波センサー)のうち、互いに隣接する2つのセンサー本体10の断面構造を示した断面図である。なお、第一および第二実施形態と同様の構成については、同符号を付し、その説明を省略する。
第三実施形態の触覚センサー1Aは、第一及び第二実施形態のセンサー本体10を、X軸方向およびY軸方向に沿って均等に配置したアレイ構造を有するセンサーアレイ10Aを備えている。
[Third embodiment]
Next, a tactile sensor according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration of a sensor array in the tactile sensor according to the third embodiment. FIG. 10 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure of two sensor bodies 10 adjacent to each other in the sensor array 10A (ultrasonic sensor) in FIG. In addition, about the structure similar to 1st and 2nd embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.
The tactile sensor 1A of the third embodiment includes a sensor array 10A having an array structure in which the sensor main bodies 10 of the first and second embodiments are evenly arranged along the X-axis direction and the Y-axis direction.

ここで、超音波センサーを構成するセンサーアレイ10Aにおいて、各センサー本体10の基板11および支持膜14は共通部材であり、1つの基板11上に支持膜14が形成され、この支持膜14上に図9に示すように、矩形上の区画に区分された各センサー本体10が形成されている。
そして、センサーアレイ10Aの互いに隣り合うセンサー本体10の間には、図10に示すように、近接検出用超音波素子40が設けられている。
Here, in the sensor array 10A constituting the ultrasonic sensor, the substrate 11 and the support film 14 of each sensor body 10 are common members, and the support film 14 is formed on one substrate 11, and the support film 14 is formed on the support film 14. As shown in FIG. 9, each sensor main body 10 divided into rectangular sections is formed.
And between the sensor bodies 10 adjacent to each other in the sensor array 10A, a proximity detecting ultrasonic element 40 is provided as shown in FIG.

この近接検出用超音波素子40は、基板11に形成される開口部111と、開口部111を閉塞する支持膜14(メンブレン141)と、メンブレン141の内部領域に配置される膜上の圧電膜41と、圧電膜41を挟んで配置される下部電極42および上部電極43と、により構成されている。また、この近接検出用超音波素子40上には、弾性膜15は形成されない。したがって、近接検出用超音波素子40に交流電圧を印可すると、超音波は、センサーアレイ10A直上に空気を伝搬して発信される。   The proximity detecting ultrasonic element 40 includes an opening 111 formed in the substrate 11, a support film 14 (membrane 141) that closes the opening 111, and a piezoelectric film on a film disposed in the inner region of the membrane 141. 41, and a lower electrode 42 and an upper electrode 43 arranged with the piezoelectric film 41 interposed therebetween. Further, the elastic film 15 is not formed on the proximity detecting ultrasonic element 40. Therefore, when an AC voltage is applied to the proximity detection ultrasonic element 40, the ultrasonic wave is transmitted by propagating air directly above the sensor array 10A.

ここで、圧電膜41、下部電極42、および上部電極43は、超音波素子20を構成する圧電膜21、下部電極22、および上部電極23と同様の構成素材により構成されている。また、センサー平面視において、近接検出用超音波素子40の開口部111およびメンブレン141は、超音波素子20の開口部111およびメンブレン141よりも大きい面積に形成されており、圧電膜41、下部電極42、および上部電極43も、圧電膜21、下部電極22、および上部電極23より大きい面積を有している。これにより、近接検出用超音波素子40は、超音波素子20よりも大音圧の超音波を出力可能であり、より遠方にまで超音波を送出することができる。
このような触覚センサー1Aでは、センサーアレイ10Aの直上に接触物Lが近接すると、近接検出用超音波素子40から発信された超音波は、接触物Lで反射され、近接検出用超音波素子40で受信される。
Here, the piezoelectric film 41, the lower electrode 42, and the upper electrode 43 are made of the same material as the piezoelectric film 21, the lower electrode 22, and the upper electrode 23 that constitute the ultrasonic element 20. Further, in the sensor plan view, the opening 111 and the membrane 141 of the proximity detecting ultrasonic element 40 are formed to have a larger area than the opening 111 and the membrane 141 of the ultrasonic element 20, and the piezoelectric film 41, the lower electrode, and the like. 42 and the upper electrode 43 also have larger areas than the piezoelectric film 21, the lower electrode 22, and the upper electrode 23. As a result, the proximity detecting ultrasonic element 40 can output ultrasonic waves having a higher sound pressure than the ultrasonic element 20 and can transmit ultrasonic waves to a farther distance.
In such a tactile sensor 1A, when the contact object L approaches immediately above the sensor array 10A, the ultrasonic wave transmitted from the proximity detection ultrasonic element 40 is reflected by the contact object L, and the proximity detection ultrasonic element 40 is detected. Received at.

なお、図9において、センサー本体10毎に弾性膜15が分離される構成を例示したが、これに限定されず、例えば支持膜14全体を覆う弾性膜15が設けられる構成としてもよい。この場合、近接検出用超音波素子40の直上領域のみ、弾性膜15に開口を設け、この開口から距離検出用の超音波を発信させる構成とすればよい。   In FIG. 9, the configuration in which the elastic film 15 is separated for each sensor body 10 is illustrated, but the configuration is not limited thereto, and for example, a configuration in which the elastic film 15 covering the entire support film 14 may be provided. In this case, the elastic film 15 may be provided with an opening only in the region immediately above the proximity detecting ultrasonic element 40, and a distance detecting ultrasonic wave may be transmitted from the opening.

図11は、触覚センサー1Aにおける制御部30Aの概略構成を示すブロック図である。
制御部30Aは、図11に示すように、第一および第二実施形態の各構成に加え、演算処理部37は、距離算出部373を備えている。
この距離算出部373は、近接検出用超音波素子40から出力される受信信号に基づいて、時間計測部35でTOFデータが取得されると、このTOFデータに基づいて、センサーアレイ10Aと接触物Lとの距離を算出する。具体的には、制御部30Aの記憶部36には、空気中の音速が予め記憶されており、時間計測部35は、取得したTOFデータと記憶部36から読み出した空気中の音速とに基づいて、センサーアレイ10Aと接触物Lとの距離を算出する。
FIG. 11 is a block diagram illustrating a schematic configuration of the control unit 30A in the tactile sensor 1A.
As shown in FIG. 11, the control unit 30A includes a distance calculation unit 373 in addition to the components of the first and second embodiments.
When the time measurement unit 35 acquires TOF data based on the reception signal output from the proximity detection ultrasonic element 40, the distance calculation unit 373 and the sensor array 10A and the contact object are acquired based on the TOF data. The distance from L is calculated. Specifically, the speed of sound in the air is stored in advance in the storage unit 36 of the control unit 30A, and the time measurement unit 35 is based on the acquired TOF data and the speed of sound in the air read from the storage unit 36. Thus, the distance between the sensor array 10A and the contact L is calculated.

また、制御部30Aの送受信切替制御部33は、触覚センサー1Aの電源がON状態にされると、触覚センサー1Aを待機モードに設定する。この待機状態では、送受信切替制御部33は、超音波素子20を停止させ、近接検出用超音波素子40のみを駆動させる。すなわち、送受信切替制御部33は、周期的に、近接検出用超音波素子40から超音波を発信させる超音波発信モードと、近接検出用超音波素子40にて反射超音波を受信させる超音波受信モードとに切り替える。なお、近接検出用超音波素子40の超音波発信モードでは、超音波信号発信回路34は、超音波素子20を駆動させるための駆動電圧より大きい駆動電圧を設定して、駆動信号として出力する。   The transmission / reception switching control unit 33 of the control unit 30A sets the tactile sensor 1A to the standby mode when the power of the tactile sensor 1A is turned on. In this standby state, the transmission / reception switching control unit 33 stops the ultrasonic element 20 and drives only the proximity detecting ultrasonic element 40. That is, the transmission / reception switching control unit 33 periodically transmits an ultrasonic transmission mode in which ultrasonic waves are transmitted from the proximity detection ultrasonic element 40 and ultrasonic reception in which reflected ultrasonic waves are received by the proximity detection ultrasonic element 40. Switch to mode. In the ultrasonic wave transmission mode of the proximity detection ultrasonic element 40, the ultrasonic signal transmission circuit 34 sets a drive voltage larger than the drive voltage for driving the ultrasonic element 20 and outputs it as a drive signal.

そして、送受信切替制御部33は、時間計測部35において近接検出用超音波素子40から出力された受信信号に基づくTOFデータが取得されると、距離算出部373により算出されるセンサーアレイ10Aと接触物Lとの距離を監視する。そして、送受信切替制御部33は、このセンサーアレイ10Aと接触物Lとの距離が予め設定された閾値以下になったことを判断すると、駆動モードに設定する。この駆動モードでは、上記第一および第二実施形態と同様に、周期的に、超音波素子20から超音波を発信させる超音波発信モードと、超音波素子20にて反射超音波を受信させる超音波受信モードとに切り替える。これにより、制御部30Aは、上記第一および第二実施形態と同様に、接触物Lが弾性膜15に接触した際の弾性膜15に作用する応力を算出する処理を実施する。この時、送受信切替制御部33は、近接検出用超音波素子40の駆動を停止させる。
そして、送受信切替制御部33は、応力算出部372により算出される応力(正圧力および剪断力)が「0」になったと判断すると、再び待機モードに移行させ、超音波素子20を停止させて、近接検出用超音波素子40を駆動させる。
When the time measurement unit 35 acquires TOF data based on the reception signal output from the proximity detection ultrasonic element 40, the transmission / reception switching control unit 33 contacts the sensor array 10A calculated by the distance calculation unit 373. The distance to the object L is monitored. When the transmission / reception switching control unit 33 determines that the distance between the sensor array 10A and the contact object L is equal to or less than a preset threshold value, the transmission / reception switching control unit 33 sets the driving mode. In this drive mode, as in the first and second embodiments, an ultrasonic wave transmission mode in which ultrasonic waves are periodically transmitted from the ultrasonic element 20 and an ultrasonic wave in which reflected ultrasonic waves are received by the ultrasonic element 20 are used. Switch to sound wave reception mode. Thereby, control part 30A performs the process which calculates the stress which acts on the elastic film 15 when the contact thing L contacts the elastic film 15, like said 1st and 2nd embodiment. At this time, the transmission / reception switching control unit 33 stops driving the proximity detecting ultrasonic element 40.
When the transmission / reception switching control unit 33 determines that the stress (positive pressure and shearing force) calculated by the stress calculation unit 372 has become “0”, the transmission / reception switching control unit 33 shifts to the standby mode again and stops the ultrasonic element 20. Then, the proximity detecting ultrasonic element 40 is driven.

[第三実施形態の作用効果]
上記第三実施形態の触覚センサー1Aでは、上記第一実施形態の作用効果に加え、次の効果を奏することができる。すなわち、触覚センサー1Aは、複数のセンサー本体10をアレイ状に配設したセンサーアレイ10Aを備える。このため、複数のセンサー本体10により広範囲に亘って正圧力および剪断力の検出を実施することができる。
[Operational effects of the third embodiment]
In the tactile sensor 1A of the third embodiment, in addition to the operational effects of the first embodiment, the following effects can be achieved. That is, the tactile sensor 1A includes a sensor array 10A in which a plurality of sensor bodies 10 are arranged in an array. For this reason, it is possible to detect the positive pressure and the shearing force over a wide range by the plurality of sensor bodies 10.

また、隣り合うセンサー本体10間には、近接検出用超音波素子40が設けられている。このため、近接検出用超音波素子40から発信された超音波が、接触物Lにより反射されて戻ってきたか否かを判断することで、触覚センサー1A近傍に接触物Lがあるか否かを判別することができる。
さらに、制御部30Aには距離算出部373が設けられているので、近接検出用超音波素子40から出力される受信データに基づいて計測されるTOFデータを用いて、センサーアレイ10Aから接触物Lまでの距離を算出することができる。
In addition, a proximity detection ultrasonic element 40 is provided between adjacent sensor bodies 10. For this reason, it is determined whether or not the ultrasonic wave transmitted from the proximity detecting ultrasonic element 40 is reflected by the contact object L and returned, thereby determining whether or not the contact object L exists in the vicinity of the tactile sensor 1A. Can be determined.
Furthermore, since the distance calculation unit 373 is provided in the control unit 30A, the contact object L from the sensor array 10A is measured using the TOF data measured based on the reception data output from the proximity detection ultrasonic element 40. Can be calculated.

さらには、送受信切替制御部33は、距離算出部373により算出される接触物Lまでの距離が予め設定された閾値以上である場合に、超音波素子20の駆動を停止させ、接触物Lまでの距離が予め設定された閾値より小さくなった際に、超音波素子20を駆動させる。このように、超音波素子20の駆動を切り替えることで、省電力化を図ることができる。   Further, the transmission / reception switching control unit 33 stops the driving of the ultrasonic element 20 when the distance to the contact object L calculated by the distance calculation unit 373 is equal to or greater than a preset threshold value, and until the contact object L is reached. When the distance becomes smaller than a preset threshold, the ultrasonic element 20 is driven. Thus, power saving can be achieved by switching the driving of the ultrasonic element 20.

[第四実施形態]
次に、上述した触覚センサー1,1Aを用いた装置の応用例として、触覚センサー1Aを備えた把持装置について、図面に基づいて説明する。
[Fourth embodiment]
Next, as an application example of the apparatus using the touch sensor 1 or 1A described above, a gripping apparatus including the touch sensor 1A will be described with reference to the drawings.

図12は、本発明に係る第四実施形態の把持装置の概略構成を示す装置ブロック図である。
図12において、把持装置50は、少なくとも一対の把持アーム51を備え、この把持アーム51により、接触物L(把持対象物)を把持する装置である。この把持装置50としては、例えば製品を製造する製造工場などにおいて、ベルトコンベアーなどにより搬送された対象物を把持して持ち上げる装置である。そして、この把持装置50は、前記把持アーム51と、把持アーム51を駆動するアーム駆動部52と、アーム駆動部52の駆動を制御する制御装置54と、を備えて構成されている。
FIG. 12 is an apparatus block diagram showing a schematic configuration of a gripping apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
In FIG. 12, a gripping device 50 is a device that includes at least a pair of gripping arms 51 and grips a contact object L (a gripping target object) with the gripping arms 51. The gripping device 50 is a device that grips and lifts an object conveyed by a belt conveyor or the like, for example, in a manufacturing factory that manufactures products. The gripping device 50 includes the gripping arm 51, an arm driving unit 52 that drives the gripping arm 51, and a control device 54 that controls the driving of the arm driving unit 52.

一対の把持アーム51は、それぞれ先端部に接触面である把持面53を備え、この把持面53を接触物Lに当接させて把持することで接触物Lを把持し、持ち上げる。ここで、本実施形態において、把持アーム51が一対設けられる構成を例示するが、これに限定されず、例えば3本の把持アーム51により、接触物Lを3点支持により把持する構成などとしてもよい。   Each of the pair of gripping arms 51 includes a gripping surface 53 that is a contact surface at the tip, and grips and lifts the contact object L by holding the gripping surface 53 in contact with the contact object L. Here, in the present embodiment, a configuration in which a pair of gripping arms 51 is provided is illustrated, but the present invention is not limited to this. For example, a configuration in which the gripping object L is gripped by three-point support by the three gripping arms 51 may be used. Good.

把持アーム51に設けられる把持面53は、表面には、第三実施形態において説明した触覚センサー1Aが設けられており、触覚センサー1Aの表面部の弾性膜15が露出されている。そして、把持アーム51は、この弾性膜15を接触物Lに接触させ、接触物Lに所定の圧力(正圧力)を印加することで、接触物Lを把持する。このような把持アーム51では、把持面53に設けられる触覚センサー1Aにより、接触物Lに印加する正圧力、および把持した際に接触物Lが把持面53から滑り落ちようとする剪断力を検出し、正圧力や剪断力に応じた電気信号を制御装置54に出力する。   The grip surface 53 provided on the grip arm 51 is provided with the touch sensor 1A described in the third embodiment on the surface, and the elastic film 15 on the surface portion of the touch sensor 1A is exposed. The gripping arm 51 grips the contact object L by bringing the elastic film 15 into contact with the contact object L and applying a predetermined pressure (positive pressure) to the contact object L. In such a grip arm 51, the tactile sensor 1 </ b> A provided on the grip surface 53 detects a positive pressure applied to the contact object L and a shearing force that the contact object L tries to slide down from the grip surface 53 when gripped. Then, an electrical signal corresponding to the positive pressure and shearing force is output to the control device 54.

アーム駆動部52は、一対の把持アーム51を互いに近接離隔する方向に移動させる装置である。このアーム駆動部52としては、把持アーム51を移動可能に保持する保持部材55と、把持アーム51を移動させる駆動力を発生する駆動源56と、駆動源の駆動力を把持アーム51に伝達させる駆動伝達部57を備えている。
保持部材55は、例えば把持アーム51の移動方向に沿う案内溝を備え、この案内溝内で把持アーム51を保持することで、把持アーム51を移動可能に保持する。また、保持部材55は、鉛直方向に移動可能に設けられている。
駆動源56は、例えば駆動モーターであり、制御装置54から入力される駆動制御信号に応じて駆動力を発生させる。
駆動伝達部57は、例えば複数のギアにより構成され、駆動源56で発生した駆動力を把持アーム51および保持部材55に伝達させ、把持アーム51および保持部材55を移動させる。
なお、本実施形態では、一例として上記構成を示したが、これに限定されるものではない。すなわち、把持アーム51を保持部材55の案内溝に沿って移動させる構成に限らず、把持アームを回動可能に保持する構成などとしてもよい。駆動源56としても駆動モーターに限られず、例えば油圧ポンプなどにより駆動される構成としてもよく、駆動伝達部57としても、例えば駆動力を歯車により伝達する構成に限らず、ベルトやチェーンにより伝達する構成、油圧などにより駆動されるピストンを備えた構成などとしてもよい。
The arm drive unit 52 is a device that moves the pair of gripping arms 51 in a direction in which they are close to and away from each other. The arm driving unit 52 includes a holding member 55 that holds the gripping arm 51 movably, a drive source 56 that generates a driving force that moves the gripping arm 51, and a driving force of the driving source that is transmitted to the gripping arm 51. A drive transmission unit 57 is provided.
The holding member 55 includes, for example, a guide groove along the moving direction of the grip arm 51, and holds the grip arm 51 in a movable manner by holding the grip arm 51 in the guide groove. The holding member 55 is provided so as to be movable in the vertical direction.
The drive source 56 is, for example, a drive motor, and generates a driving force in accordance with a drive control signal input from the control device 54.
The drive transmission unit 57 is configured by, for example, a plurality of gears, transmits the driving force generated by the drive source 56 to the grip arm 51 and the holding member 55, and moves the grip arm 51 and the holding member 55.
In the present embodiment, the above configuration is shown as an example, but the present invention is not limited to this. That is, the configuration is not limited to the configuration in which the grip arm 51 is moved along the guide groove of the holding member 55, and the configuration may be such that the grip arm is rotatably held. The drive source 56 is not limited to a drive motor, and may be configured to be driven by, for example, a hydraulic pump. The drive transmission unit 57 is not limited to a configuration in which a drive force is transmitted by a gear, but is transmitted by a belt or a chain. It is good also as a structure provided with the piston driven by a structure, hydraulic pressure, etc.

制御装置54は、把持アーム51の把持面53に設けられる触覚センサー1A、およびアーム駆動部52に接続され、把持装置50における接触物Lの把持動作の全体を制御する。
具体的には、制御装置54は、図12に示すように、アーム駆動部52および触覚センサー1Aに接続され、把持装置50の全体動作を制御する。この制御装置54は、触覚センサー1Aから入力される剪断力検出信号、および正圧力検出信号を読み取る信号検出手段541、接触物Lの滑り状態を検出する把持検出手段542、およびアーム駆動部52に把持アーム51の駆動を制御するための駆動制御信号を出力する駆動制御手段543を備えている。また、この制御装置54としては、例えばパーソナルコンピューターなどの汎用コンピューターを用いることもでき、例えばキーボードなどの入力装置や、接触物Lの把持状態を表示させる表示部などを備える構成としてもよい。
また、信号検出手段541、把持検出手段542、および駆動制御手段543は、プログラムとして例えばメモリーなどの記憶部に記憶され、CPUなどの演算回路により適宜読み出されて実行されるものであってもよく、例えばICなどの集積回路により構成され、入力された電気信号に対して所定の処理を実施するものであってもよい。
The control device 54 is connected to the tactile sensor 1 </ b> A provided on the gripping surface 53 of the gripping arm 51 and the arm driving unit 52, and controls the entire gripping operation of the contact object L in the gripping device 50.
Specifically, as shown in FIG. 12, the control device 54 is connected to the arm driving unit 52 and the tactile sensor 1 </ b> A, and controls the entire operation of the gripping device 50. The control device 54 includes a signal detection unit 541 that reads a shearing force detection signal and a positive pressure detection signal input from the tactile sensor 1A, a gripping detection unit 542 that detects a sliding state of the contact object L, and an arm driving unit 52. Drive control means 543 for outputting a drive control signal for controlling the drive of the gripping arm 51 is provided. Moreover, as this control apparatus 54, general purpose computers, such as a personal computer, can also be used, for example, it is good also as a structure provided with the display part etc. which display input devices, such as a keyboard, and the holding state of the contact thing L, for example.
The signal detection unit 541, the grip detection unit 542, and the drive control unit 543 may be stored in a storage unit such as a memory as a program, and may be appropriately read and executed by an arithmetic circuit such as a CPU. For example, it may be constituted by an integrated circuit such as an IC and perform predetermined processing on the input electric signal.

信号検出手段541は、触覚センサー1Aに接続され、触覚センサー1Aから入力される正圧力検出信号や剪断力検出信号などを取得する。この信号検出手段541にて認識された検出信号は、例えば図示しないメモリーなどの記憶部に出力されて記憶されるとともに、把持検出手段542に出力される。   The signal detection unit 541 is connected to the tactile sensor 1A, and acquires a positive pressure detection signal, a shear force detection signal, and the like input from the tactile sensor 1A. The detection signal recognized by the signal detection unit 541 is output to and stored in a storage unit such as a memory (not shown), and is output to the grip detection unit 542.

把持検出手段542は、剪断力検出信号に基づいて、把持アーム51により接触物Lを把持したか否かを判断する。
ここで、図13に、把持装置50の把持動作における触覚センサーに作用する正圧力および剪断力の関係を示す図を示す。
図13において、正圧力が所定値に達するまでは、正圧力の増加に応じて剪断力が増加する。この状態は、接触物Lと把持面53との間に動摩擦力が作用している状態であり、把持検出手段542は、接触物Lが把持面53から滑り落ちている滑り状態で、把持が未完了であると判断する。一方、正圧力が所定値以上となると、正圧力を増大させても剪断力が増加しない状態となる。この状態は、接触物Lと把持面53との間に静摩擦力が作用している状態であり、把持検出手段542は、接触物Lが把持面53により把持された把持状態であると判断する。
具体的には、剪断力検出信号の値が、静摩擦力に対応した所定の閾値を越える場合に、把持が完了したと判断する。
The grip detection unit 542 determines whether the contact object L is gripped by the grip arm 51 based on the shearing force detection signal.
Here, FIG. 13 shows a diagram showing the relationship between the positive pressure and the shearing force acting on the tactile sensor in the gripping operation of the gripping device 50.
In FIG. 13, until the positive pressure reaches a predetermined value, the shearing force increases as the positive pressure increases. This state is a state in which a dynamic frictional force is acting between the contact object L and the gripping surface 53, and the gripping detection means 542 is in a slipping state where the contact object L has slipped off the gripping surface 53, and gripping is not performed. Judged to be incomplete. On the other hand, when the positive pressure exceeds a predetermined value, the shear force does not increase even if the positive pressure is increased. This state is a state in which a static frictional force is acting between the contact object L and the gripping surface 53, and the grip detection unit 542 determines that the contact object L is gripped by the gripping surface 53. .
Specifically, when the value of the shearing force detection signal exceeds a predetermined threshold corresponding to the static friction force, it is determined that the gripping has been completed.

駆動制御手段543は、把持検出手段542にて検出された電気信号に基づいてアーム駆動部52の動作を制御する。   The drive control unit 543 controls the operation of the arm drive unit 52 based on the electrical signal detected by the grip detection unit 542.

次に、制御装置54の動作について図面に基づいて説明する。
図14は、制御装置54の制御による把持装置50の把持動作を示すフローチャートである。図15は、把持装置50の把持動作時において、アーム駆動部52への駆動制御信号、触覚センサー1Aから出力される検出信号の発信タイミング示すタイミング図である。
Next, operation | movement of the control apparatus 54 is demonstrated based on drawing.
FIG. 14 is a flowchart showing a gripping operation of the gripping device 50 under the control of the control device 54. FIG. 15 is a timing chart showing the transmission timing of the drive control signal to the arm drive unit 52 and the detection signal output from the tactile sensor 1A during the gripping operation of the gripping device 50.

把持装置50で接触物Lを把持するためには、まず制御装置54の駆動制御手段543は、各把持アーム51を互いに近接させる方向に移動させる旨の駆動制御信号をアーム駆動部52に出力する(把持動作)。これにより、把持アーム51の把持面53が接触物Lに近接する(図14:ステップS11)。   In order to grip the contact object L with the gripping device 50, first, the drive control means 543 of the control device 54 outputs a drive control signal to the arm drive unit 52 to move the gripping arms 51 in the direction of approaching each other. (Gripping operation). As a result, the gripping surface 53 of the gripping arm 51 approaches the contact object L (FIG. 14: Step S11).

次に、制御装置54の把持検出手段542は、接触物Lが把持面53に接触したか否かを判断する(図14:ステップS12)。具体的には、制御装置54は、信号検出手段541で正圧力検出信号の入力が検知されたか否かを判断する。ここで、正圧力検出信号が検出されない場合は、把持面53が接触物Lに接触していないと判断し、駆動制御手段543は、ステップS11を継続して、駆動制御信号を出力し、把持アーム51をさらに駆動させる。   Next, the grip detection unit 542 of the control device 54 determines whether or not the contact object L has contacted the grip surface 53 (FIG. 14: Step S12). Specifically, the control device 54 determines whether or not an input of a positive pressure detection signal is detected by the signal detection unit 541. Here, when the positive pressure detection signal is not detected, it is determined that the gripping surface 53 is not in contact with the contact object L, and the drive control unit 543 continues the step S11 to output the drive control signal and perform gripping. The arm 51 is further driven.

一方、把持面53が接触物Lに接触する(図15:タイミングT1)と、触覚センサー1Aの弾性膜15が歪み、その歪み量に基づいて算出された正圧力に対応する正圧力検出信号が出力される。
駆動制御手段543は、把持検出手段542において、正圧力検出信号を検出すると、把持アーム51の近接移動(接触物Lへの押圧)を停止させる(図14:ステップS13、図15:タイミングT2)。また、駆動制御手段543は、アーム駆動部52に駆動制御信号を出力し、把持アーム51を上方に持ち上げる動作(持上げ動作)を実施させる(図14:ステップS14、図15:タイミングT2〜T3)。
On the other hand, when the gripping surface 53 comes into contact with the contact object L (FIG. 15: timing T1), the elastic film 15 of the tactile sensor 1A is distorted, and a positive pressure detection signal corresponding to the positive pressure calculated based on the amount of distortion is generated. Is output.
When the grip detection unit 542 detects a positive pressure detection signal, the drive control unit 543 stops the proximity movement (pressing on the contact object L) of the grip arm 51 (FIG. 14: step S13, FIG. 15: timing T2). . Further, the drive control means 543 outputs a drive control signal to the arm drive unit 52 to perform an operation (lifting operation) for lifting the grip arm 51 upward (FIG. 14: step S14, FIG. 15: timings T2 to T3). .

ここで、接触物Lを持ち上げる際に、弾性膜15が剪断力により剪断方向に歪み、触覚センサー1Aでは、その歪み量に応じた剪断力が算出され、その剪断力に対応する剪断力検出信号が出力される。
把持検出手段542は、信号検出手段541に入力される剪断力検出信号に基づいて、滑りがあるか否かを判断する(ステップS15)。
Here, when the contact object L is lifted, the elastic film 15 is distorted in the shearing direction by the shearing force, and the tactile sensor 1A calculates a shearing force corresponding to the amount of strain, and a shearing force detection signal corresponding to the shearing force. Is output.
The grip detection unit 542 determines whether or not there is a slip based on the shearing force detection signal input to the signal detection unit 541 (step S15).

この時、把持検出手段542において、滑りがあると判断されると、駆動制御手段543は、アーム駆動部52を制御して、把持アーム51を、把持面53を接触物Lに押し付ける方向に移動させて、把持力(正圧力)を増大させる(図14:ステップS16)。
すなわち、制御装置54は、図15におけるタイミングT3において、駆動制御手段543にて把持動作を実施させ、接触物Lへの正圧力を増大させ、信号検出手段541にて、再び触覚センサー1Aから出力される剪断力検出信号を検出する。以上のような滑り検知動作(タイミングT2〜T6)を繰り返し、剪断力検出信号が、所定の閾値S1以上となった場合(タイミングT6)に、ステップS15において、滑りがない、すなわち把持が完了したと判断し、滑り検知動作を停止させる。
At this time, if it is determined by the grip detection means 542 that there is a slip, the drive control means 543 controls the arm drive unit 52 to move the grip arm 51 in a direction to press the grip surface 53 against the contact object L. Thus, the gripping force (positive pressure) is increased (FIG. 14: Step S16).
That is, the control device 54 causes the drive control means 543 to perform a gripping operation at a timing T3 in FIG. 15 to increase the positive pressure on the contact object L, and the signal detection means 541 outputs again from the touch sensor 1A. The detected shear force detection signal is detected. When the slip detection operation (timing T2 to T6) as described above is repeated and the shearing force detection signal is equal to or greater than a predetermined threshold value S1 (timing T6), there is no slip, that is, gripping is completed in step S15. The slip detection operation is stopped.

[第四実施形態の作用効果]
上述したような第四実施形態の把持装置50では、上記第三実施形態の触覚センサー1Aを備えている。このような触覚センサー1Aは、上述したように、任意位置における剪断力および正圧力を容易に精度よく検出することができるものであるため、把持装置50においても精度の高い剪断力検出信号および正圧力検出信号に基づいて、正確な把持動作を実施することができる。
また、このような触覚センサー1Aでは、X軸方向およびY軸方向の双方に対して剪断力を検出することができる。したがって、第四実施形態では、接触物Lを持ち上げる際の剪断力を測定したが、例えばベルトコンベアー上で搬送される対象物に対して把持を実施する際に、搬送方向への剪断力をも測定することができる。
[Effects of Fourth Embodiment]
The gripping device 50 according to the fourth embodiment as described above includes the tactile sensor 1A according to the third embodiment. As described above, the tactile sensor 1A can easily and accurately detect the shearing force and the positive pressure at an arbitrary position. Therefore, the gripping device 50 can accurately detect the shearing force detection signal and the positive pressure. An accurate gripping operation can be performed based on the pressure detection signal.
Moreover, with such a tactile sensor 1A, it is possible to detect a shearing force in both the X-axis direction and the Y-axis direction. Therefore, in the fourth embodiment, the shearing force when lifting the contact object L is measured. However, for example, when the object to be transported on the belt conveyor is gripped, the shearing force in the transporting direction is also measured. Can be measured.

[第五実施形態]
上記第四実施形態では、触覚センサー1Aが設けられた把持装置を、触覚センサーを備えた装置の一例として例示したが、これに限定されない。
第五実施形態では、触覚センサー1,1Aを用いた装置の他の応用例として、触覚センサー1Aを備えたアイロンについて、図面に基づいて説明する。
図16は、第五実施形態のアイロンの概略構成を示すブロック図である。
[Fifth embodiment]
In the fourth embodiment, the gripping device provided with the tactile sensor 1A is exemplified as an example of a device including the tactile sensor. However, the present invention is not limited to this.
In the fifth embodiment, an iron provided with a touch sensor 1A will be described with reference to the drawings as another application example of an apparatus using the touch sensors 1 and 1A.
FIG. 16 is a block diagram showing a schematic configuration of the iron of the fifth embodiment.

アイロン60は、ヒーター61と、ベース部62と、ベース部62に設けられた温度センサー63と、ベース部62に設けられた触覚センサー1Aと、ヒーター駆動回路64と、を備えている。このアイロン60のヒーター駆動回路64は、温度センサー63および触覚センサー1Aからの信号に基づいてヒーター61に印加する電圧を制御し、ベース部62を対象布地に対して最適な温度に加熱する。   The iron 60 includes a heater 61, a base portion 62, a temperature sensor 63 provided on the base portion 62, a tactile sensor 1 </ b> A provided on the base portion 62, and a heater drive circuit 64. The heater drive circuit 64 of the iron 60 controls the voltage applied to the heater 61 based on signals from the temperature sensor 63 and the tactile sensor 1A, and heats the base portion 62 to an optimum temperature for the target fabric.

ヒーター61は、ヒーター駆動回路64から印可された電圧により発熱し、ベース部62を加熱する。
ベース部62は、対象布地に接触して、対象布地の皺を伸ばす部分であり、ヒーター61により加熱される。そして、このベース部62の一部には、図16に示すように、触覚センサー1Aが設けられ、触覚センサー1Aの弾性膜15が、対象布地に接触可能に露出されている。
また、ベース部62には、温度センサー63が設けられており、この温度センサー63は、ベース部62の温度を検出してヒーター駆動回路64に出力する。
The heater 61 generates heat by the voltage applied from the heater drive circuit 64 and heats the base portion 62.
The base portion 62 is a portion that comes into contact with the target fabric and stretches the wrinkles of the target fabric, and is heated by the heater 61. Then, as shown in FIG. 16, a touch sensor 1 </ b> A is provided on a part of the base portion 62, and the elastic film 15 of the touch sensor 1 </ b> A is exposed so as to be in contact with the target fabric.
The base unit 62 is provided with a temperature sensor 63, and this temperature sensor 63 detects the temperature of the base unit 62 and outputs it to the heater drive circuit 64.

ヒーター駆動回路64は、触覚センサー1A、温度センサー63、およびヒーター61に接続され、触覚センサー1Aおよび温度センサー63からの信号に基づいてヒーター61に印加する電圧を制御する。このヒーター駆動回路64は、図16に示すように、本発明の記憶部であるメモリー641と、信号検出部642と、布地判別部643と、温度制御部644と、を備えている。
このヒーター駆動回路64としては、例えばCPU等の演算回路や、記憶回路を備えたコンピューターとして構成され、布地判別部643や温度制御部644が、演算回路による演算処理により実行されるソフトウェアとして機能される構成としてもよく、例えばICなどの集積回路により構成され、入力された電気信号に対して所定の処理を実施するものであってもよい。
The heater driving circuit 64 is connected to the tactile sensor 1A, the temperature sensor 63, and the heater 61, and controls the voltage applied to the heater 61 based on signals from the tactile sensor 1A and the temperature sensor 63. As shown in FIG. 16, the heater drive circuit 64 includes a memory 641 that is a storage unit of the present invention, a signal detection unit 642, a fabric determination unit 643, and a temperature control unit 644.
The heater drive circuit 64 is configured, for example, as a computer having a calculation circuit such as a CPU or a storage circuit, and the fabric determination unit 643 and the temperature control unit 644 function as software executed by calculation processing by the calculation circuit. For example, an integrated circuit such as an IC may be used, and a predetermined process may be performed on the input electric signal.

メモリー641は、本発明の相関データである応力−粗さ値データを記憶している。この応力−粗さ値データには、触覚センサー1Aにより検出された応力に応じた、対象布地の粗さ値が記録されているデータであり、例えば、剪断力に対応する粗さ値が、正圧力毎に記録されている。
また、メモリー641には、粗さ値に対応したベース部62の最適温度が記録された粗さ−温度データが記憶されていてもよい。
The memory 641 stores stress-roughness value data that is correlation data of the present invention. The stress-roughness value data is data in which the roughness value of the target fabric is recorded in accordance with the stress detected by the tactile sensor 1A. For example, the roughness value corresponding to the shearing force is correct. Recorded for each pressure.
The memory 641 may store roughness-temperature data in which the optimum temperature of the base unit 62 corresponding to the roughness value is recorded.

信号検出部642は、触覚センサー1Aに接続され、触覚センサー1Aから入力される正圧力検出信号や剪断力検出信号などを取得する。この信号検出部642にて検出された検出信号は、メモリー641に出力されて記憶されるとともに、布地判別部643に出力される。   The signal detection unit 642 is connected to the touch sensor 1A, and acquires a positive pressure detection signal, a shear force detection signal, and the like input from the touch sensor 1A. The detection signal detected by the signal detection unit 642 is output and stored in the memory 641 and also output to the fabric discrimination unit 643.

布地判別部643は、信号検出部642から入力された剪断力および正圧力、およびメモリー641に記憶された応力−粗さ値データに基づいて、対象布地の種別を判別する。
例えば、本実施形態では、応力−粗さ値データとして、正圧力毎に、剪断力に対応する粗さが記憶されている。この場合では、布地判別部643は、正圧力に対応した応力−粗さ値データをメモリー641から読み出し、この応力−粗さ値データから剪断力に対応した粗さ値を取得する。
そして、布地判別部643は、取得した粗さ値を温度制御部644に出力する。
The fabric discrimination unit 643 discriminates the type of the target fabric based on the shearing force and positive pressure input from the signal detection unit 642 and the stress-roughness value data stored in the memory 641.
For example, in this embodiment, the roughness corresponding to the shearing force is stored for each positive pressure as the stress-roughness value data. In this case, the fabric discriminating unit 643 reads out the stress-roughness value data corresponding to the positive pressure from the memory 641 and acquires the roughness value corresponding to the shearing force from the stress-roughness value data.
Then, the fabric discrimination unit 643 outputs the acquired roughness value to the temperature control unit 644.

温度制御部644は、布地判別部643から入力された粗さ値、および温度センサー63により検出されるベース部62の温度に基づいて、ヒーター61への印加電圧を制御する。
具体的には、温度制御部644は、メモリー641から粗さ−温度データを読み出し、布地判別部643から入力された粗さ値に応じたベース部62の最適温度を取得する。そして、温度制御部644は、温度センサー63から入力された検出温度と最適温度との差分値から、ベース部62を最適温度に設定するために必要なヒーター61への印加電圧値を算出して、ヒーター61に印加する。
The temperature control unit 644 controls the voltage applied to the heater 61 based on the roughness value input from the fabric determination unit 643 and the temperature of the base unit 62 detected by the temperature sensor 63.
Specifically, the temperature control unit 644 reads roughness-temperature data from the memory 641 and acquires the optimum temperature of the base unit 62 according to the roughness value input from the fabric determination unit 643. Then, the temperature control unit 644 calculates an applied voltage value to the heater 61 necessary for setting the base unit 62 to the optimum temperature from the difference value between the detected temperature and the optimum temperature input from the temperature sensor 63. Apply to heater 61.

[アイロンの動作]
次に、上記のようなアイロン60の動作について説明する。
図17は、第五実施形態のアイロンの動作を示すフローチャートである。
利用者によりアイロン60に電力が供給されると、触覚センサー1Aの近接検出用超音波素子40が駆動される。これにより、上記第三実施形態において説明したように、触覚センサー1Aは、対象布地と触覚センサー1A(ベース部62)との距離を算出する。そして、対象布地とベース部62との距離が予め設定された距離以内になると、触覚センサー1Aは、駆動モードに移行する(ステップS21)。
[Iron operation]
Next, the operation of the iron 60 as described above will be described.
FIG. 17 is a flowchart showing the operation of the iron according to the fifth embodiment.
When power is supplied to the iron 60 by the user, the proximity detecting ultrasonic element 40 of the tactile sensor 1A is driven. Accordingly, as described in the third embodiment, the touch sensor 1A calculates the distance between the target fabric and the touch sensor 1A (base portion 62). When the distance between the target fabric and the base portion 62 is within a preset distance, the touch sensor 1A shifts to the drive mode (step S21).

この後、アイロン60のヒーター駆動回路64は、対象布地がベース部62に接触したか否かを判断する(ステップS22)。具体的には、ヒーター駆動回路64は、信号検出部642で正圧力検出信号の入力が検知されたか否かを判断する。ここで、正圧力検出信号が検出されない場合は、ベース部62に対象布地が接触していないと判断する。この場合は、ヒーター駆動回路64は、ステップS22を継続し、対象布地とベース部62との接触判断処理を継続する。   Thereafter, the heater drive circuit 64 of the iron 60 determines whether or not the target fabric has contacted the base portion 62 (step S22). Specifically, the heater drive circuit 64 determines whether or not the signal detection unit 642 detects the input of a positive pressure detection signal. Here, when the positive pressure detection signal is not detected, it is determined that the target fabric is not in contact with the base portion 62. In this case, the heater drive circuit 64 continues step S22 and continues the contact determination process between the target fabric and the base portion 62.

また、ステップS22において、信号検出部642が正圧力検出信号の入力が検知した場合、さらに、剪断力検出信号の入力を検出し、剪断力の大きさが0より大きいか否かを判断する(ステップS23)。
つまり、正圧力の大きさは、利用者がアイロン60を対象布地に押し付ける強さにより変化するため、正圧力のみでは対象布地の種別を判別することはできない。したがって、剪断力の大きさが0である場合は、継続してステップS23の処理を実行する。
一方、ステップS23により、剪断力検出信号により検出された剪断力の大きさが0より大きい場合、布地判別部643は、メモリー641から、正圧力に対応した応力−粗さ値データを読み出し、剪断力に対応した粗さ値を取得する(ステップS24)。
In step S22, when the signal detection unit 642 detects the input of the positive pressure detection signal, the signal detection unit 642 further detects the input of the shear force detection signal and determines whether the magnitude of the shear force is greater than zero ( Step S23).
That is, since the magnitude of the positive pressure changes depending on the strength with which the user presses the iron 60 against the target fabric, the type of the target fabric cannot be determined only by the positive pressure. Therefore, when the magnitude of the shearing force is 0, the process of step S23 is continued.
On the other hand, when the magnitude of the shearing force detected by the shearing force detection signal is greater than 0 in step S23, the fabric determination unit 643 reads the stress-roughness value data corresponding to the positive pressure from the memory 641, and shears. A roughness value corresponding to the force is acquired (step S24).

この後、温度制御部644は、メモリー641から粗さ−温度データを読み出し、ステップS24で取得された粗さ値に対応した温度を取得し、最適温度として設定する(ステップS25)。
さらに、温度制御部644は、温度センサー63により検出された検出温度と、ステップS25により設定された最適温度との差分値から、ベース部62を最適温度に設定するために必要なヒーター61への印可電圧値を算出し、ヒーター61にその電圧値を印可する(ステップS26)。
これにより、アイロン60は、対象布地の種別に応じて、ベース部62の温度を、自動で設定することが可能となる。
Thereafter, the temperature control unit 644 reads the roughness-temperature data from the memory 641, acquires the temperature corresponding to the roughness value acquired in step S24, and sets it as the optimum temperature (step S25).
Furthermore, the temperature control unit 644 applies the difference between the detected temperature detected by the temperature sensor 63 and the optimum temperature set in step S25 to the heater 61 necessary for setting the base unit 62 to the optimum temperature. An applied voltage value is calculated, and the voltage value is applied to the heater 61 (step S26).
Thereby, the iron 60 can automatically set the temperature of the base portion 62 according to the type of the target fabric.

[第五実施形態の作用効果]
上述したような第五実施形態のアイロン60では、上記第三実施形態の触覚センサー1Aを備えている。このような触覚センサー1Aは、上述したように、任意位置における剪断力および正圧力を容易に精度よく検出することができるものであるため、アイロン60においても、ベース部62に対象布地が接触した際の正圧力および剪断力を高精度で検出することができる。
[Effects of Fifth Embodiment]
The iron 60 of the fifth embodiment as described above includes the touch sensor 1A of the third embodiment. As described above, the tactile sensor 1A can easily and accurately detect the shearing force and the positive pressure at an arbitrary position. Therefore, even in the iron 60, the target fabric is in contact with the base portion 62. The positive pressure and shear force at the time can be detected with high accuracy.

そして、アイロン60のヒーター駆動回路64は、布地判別部643により、検出された正圧力および剪断力に対応した、対象布地の粗さを判別することができる。したがって、判断された対象布地の粗さから、対象布地の種別を判断することができ、温度制御部644は、布地の種別に対応してベース部62の温度を設定することができる。したがって、アイロン60において、布地に対応してベース部62の温度を自動で設定することができ、対象布地の種別に応じて、温度設定を変更する煩雑な作業を省略することができる。   And the heater drive circuit 64 of the iron 60 can discriminate the roughness of the target fabric corresponding to the detected positive pressure and shearing force by the fabric discriminating unit 643. Therefore, the type of the target fabric can be determined from the determined roughness of the target fabric, and the temperature control unit 644 can set the temperature of the base unit 62 corresponding to the type of the fabric. Therefore, in the iron 60, the temperature of the base part 62 can be automatically set corresponding to the fabric, and the complicated work of changing the temperature setting according to the type of the target fabric can be omitted.

なお、上記第五実施形態では、メモリー641に、正圧力および剪断力に応じた粗さ値が記録された応力−粗さ値データを記憶する例を示したが、例えば、正圧力および剪断力に応じた対象布地の種類を記録した応力−布地種別データがメモリー641に記憶される構成などとしてもよい。この場合では、布地判別部643は、正圧力および剪断力に応じて、対象布地の種別を直接判別し、温度制御部644は、判別された布地の種別に対応した温度を取得する。
また、相関データとして、正圧力および剪断力に対応したベース部62の最適温度が記憶された応力−温度データが記憶されていてもよく、この場合では、粗さ−温度データを記憶する必要がなくなり、より少ないデータ量で、ベース部62の温度を自動で設定可能なアイロン60を提供することができる。
In the fifth embodiment, an example in which the stress-roughness data in which the roughness value corresponding to the positive pressure and the shearing force is recorded is stored in the memory 641 is described. However, for example, the positive pressure and the shearing force are stored. The memory 641 may be configured to store the stress-fabric type data in which the type of the target fabric corresponding to the data is recorded. In this case, the fabric determination unit 643 directly determines the type of the target fabric according to the positive pressure and the shearing force, and the temperature control unit 644 acquires a temperature corresponding to the determined type of fabric.
Further, as the correlation data, stress-temperature data in which the optimum temperature of the base portion 62 corresponding to the positive pressure and the shearing force is stored may be stored. In this case, it is necessary to store the roughness-temperature data. Thus, it is possible to provide the iron 60 capable of automatically setting the temperature of the base portion 62 with a smaller amount of data.

さらに、上記アイロン60では、ヒーター駆動回路64により自動でベース部62の温度が設定される例を示したが、例えば、ベース部62の温度を自動設定する自動モードと、手動により温度を設定する手動モードと、を適宜切り替え可能な構成としてもよい。   Further, in the iron 60, an example in which the temperature of the base portion 62 is automatically set by the heater driving circuit 64 has been shown. However, for example, an automatic mode in which the temperature of the base portion 62 is automatically set and a temperature is set manually. It is good also as a structure which can be switched to manual mode suitably.

〔その他の実施形態〕
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
[Other Embodiments]
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and modifications, improvements, and the like within the scope that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.

例えば、上記実施形態において、正四角錐形状の超音波反射体16が設けられた触覚センサー1,1Aを例示したが、これに限定されず、例えば球面形状や円錐台形状に形成されるものであってもよい。ただし、この場合、上述したように、超音波の反射位置が狭くなり受信信号が小さくなるので、例えば超音波の出力値を増大させたり、受信信号を増幅させる増幅回路を別途設けたりする必要がある。   For example, in the above embodiment, the tactile sensors 1 and 1A provided with the regular quadrangular pyramid-shaped ultrasonic reflector 16 are illustrated, but the present invention is not limited to this, and may be formed in a spherical shape or a truncated cone shape, for example. May be. However, in this case, as described above, since the reflection position of the ultrasonic wave becomes narrow and the reception signal becomes small, for example, it is necessary to increase the output value of the ultrasonic wave or separately provide an amplification circuit for amplifying the reception signal. is there.

また、正四角錐台形状の超音波反射体16を用いることで、X軸方向、およびX軸方向に直交するY軸方向に沿った剪断力を検出可能な構成としたが、例えば、超音波反射体16を弾性膜15の厚みに対して直交する方向に断面した断面形状がひし形状となるものであってもよい。この場合、X軸方向と、X軸方向に交差するY´軸方向とに作用する剪断力をそれぞれ算出することができる。
また、検出すべき剪断力の方向が予め決まっており、その方向が一方向のみである場合では、2つの素子対向面を有する超音波反射体と、各素子対向面に対向する2つの超音波素子とが設けられていればよく、より構成を簡単にできる。
さらに、検出対象となる剪断力の方向が予め決まっており、その方向が3方向以上である場合、これらの各方向に対してそれぞれ一対の素子対向面を有する多角錐台形状の超音波反射体を用いてもよい。
Further, by using a regular quadrangular pyramid shaped ultrasonic reflector 16, the shear force along the X-axis direction and the Y-axis direction perpendicular to the X-axis direction can be detected. A cross-sectional shape obtained by cross-sectioning the body 16 in a direction orthogonal to the thickness of the elastic film 15 may be a rhombus shape. In this case, the shear force acting on the X-axis direction and the Y′-axis direction intersecting the X-axis direction can be calculated.
In addition, when the direction of the shearing force to be detected is predetermined and the direction is only one direction, an ultrasonic reflector having two element facing surfaces and two ultrasonic waves facing each element facing surface It is only necessary to provide an element, and the configuration can be simplified.
Furthermore, when the direction of the shearing force to be detected is determined in advance and there are three or more directions, a polygonal frustum-shaped ultrasonic reflector having a pair of element facing surfaces in each of these directions. May be used.

そして、上記実施形態では、超音波反射体16には、頂部に第五素子対向面161Eが設けられ、基板11には、第五素子対向面161Eに対向する第五超音波素子20Eが設けられる構成としたが、第五素子対向面161Eや第五超音波素子20Eが設けられない構成、例えば四角錐形状の超音波反射体を用いてもよい。このような構成では、上述したように、正圧力に対して第一〜第四素子対向面161A〜161Dおよび第一〜第四超音波素子20A〜20Dにより取得されるTOFデータに基づいて算出することが可能であり、かつ第五超音波素子20Eが設けられない分、構成をより簡略化することができる。また、超音波反射体16に第五素子対向面161Eが設けられない構成とすることで、超音波反射体16の体積をも小型化でき、触覚センサー1,1Aの小型化を図ることができる。   In the above embodiment, the ultrasonic reflector 16 is provided with the fifth element facing surface 161E at the top, and the substrate 11 is provided with the fifth ultrasonic element 20E facing the fifth element facing surface 161E. Although the configuration is adopted, a configuration in which the fifth element facing surface 161E and the fifth ultrasonic element 20E are not provided, for example, a quadrangular pyramid shaped ultrasonic reflector may be used. In such a configuration, as described above, the positive pressure is calculated based on the TOF data acquired by the first to fourth element facing surfaces 161A to 161D and the first to fourth ultrasonic elements 20A to 20D. The configuration can be further simplified because the fifth ultrasonic element 20E is not provided. Further, by adopting a configuration in which the fifth element facing surface 161E is not provided on the ultrasonic reflector 16, the volume of the ultrasonic reflector 16 can be reduced, and the tactile sensors 1 and 1A can be reduced in size. .

また、上記第一から第四実施形態の触覚センサー1,1Aでは、1つの超音波素子20から放射状に拡散する超音波を発信する構成を例示したが、例えば、各超音波素子20の代わりに、複数の超音波素子をアレイ状に配列した超音波アレイを配置する構成としてもよい。このような超音波アレイでは、各超音波素子から超音波を発信させるタイミングを遅延させることで、所望の方向に平面波として伝搬するビーム状の超音波を発信可能となる。したがって、各超音波アレイから、これらの超音波アレイに対応した素子対向面に向かって超音波を発信させてもよい。このような構成では、弾性膜15の歪みが大きく、超音波反射体16が大きく変位した場合、各超音波素子の駆動タイミングを調整して、超音波の発信角度を適宜調整する必要が生じるが、複数の超音波素子から発信される超音波が互いに強め合うことで、大音圧の超音波を発信させることが可能となる。このため、各超音波アレイにおいて、大きい反射超音波を受信することができ、信号検出精度を向上させることができる。また、大音圧の超音波を発信することができるため、超音波反射体16として、球形状や円錐台形状のものを用いた場合でも、比較的大きい音圧の反射超音波を受信することができる。   Further, in the tactile sensors 1 and 1A of the first to fourth embodiments, the configuration in which ultrasonic waves that diffuse radially from one ultrasonic element 20 are illustrated, but for example, instead of each ultrasonic element 20 An ultrasonic array in which a plurality of ultrasonic elements are arranged in an array may be arranged. In such an ultrasonic array, by delaying the timing of transmitting ultrasonic waves from each ultrasonic element, it becomes possible to transmit beam-shaped ultrasonic waves that propagate as plane waves in a desired direction. Therefore, ultrasonic waves may be transmitted from the respective ultrasonic arrays toward the element facing surfaces corresponding to these ultrasonic arrays. In such a configuration, when the elastic film 15 is largely distorted and the ultrasonic reflector 16 is largely displaced, it is necessary to adjust the driving timing of each ultrasonic element and adjust the ultrasonic wave transmission angle appropriately. Since ultrasonic waves transmitted from a plurality of ultrasonic elements strengthen each other, a high sound pressure ultrasonic wave can be transmitted. For this reason, each ultrasonic array can receive a large reflected ultrasonic wave, and the signal detection accuracy can be improved. In addition, since ultrasonic waves having a high sound pressure can be transmitted, even when a spherical reflector or a truncated cone is used as the ultrasonic reflector 16, a reflected ultrasonic wave having a relatively large sound pressure is received. Can do.

また、第三実施形態において、センサーアレイ10A内に配置される各センサー本体10は、基板11および支持膜14が共通部材とされる構成としたが、例えばセンサー本体10毎に基板11および支持膜14が設けられる構成としてもよい。この場合、例えば、別途センサー載置用基板を用意し、このセンサー載置用基板にセンサー本体10をアレイ状に配置することでセンサーアレイを構成すればよい。   In the third embodiment, each sensor body 10 arranged in the sensor array 10A is configured such that the substrate 11 and the support film 14 are common members. For example, the substrate 11 and the support film are provided for each sensor body 10. 14 may be provided. In this case, for example, a sensor mounting substrate may be prepared separately, and the sensor array may be configured by arranging the sensor main bodies 10 in an array on the sensor mounting substrate.

さらに、第四実施形態において、把持装置50として、一対の把持アーム51が設けられる構成を例示したが、3本以上の把持アームを互いに近接離間する方向に移動させて接触物Lを把持する構成としてもよい。また、アーム駆動部により駆動される駆動アームと、駆動しない固定アームまたは固定壁とを備え、駆動アームを固定アーム(固定壁)側に移動させて対象物を把持する構成などとしてもよい。   Further, in the fourth embodiment, the configuration in which the pair of gripping arms 51 is provided as the gripping device 50 is illustrated, but the configuration in which the contact object L is gripped by moving three or more gripping arms in the direction of approaching and separating from each other. It is good. Moreover, it is good also as a structure etc. which are provided with the drive arm driven by an arm drive part, and the fixed arm or fixed wall which is not driven, and moves a drive arm to the fixed arm (fixed wall) side.

さらには、第四実施形態では、触覚センサー1Aを、接触物Lを把持する把持装置50に適用する例を示し、第五実施形態では、触覚センサー1Aを備えたアイロン60を例示したが、これに限定されない。例えば、触覚センサー1Aを、例えば入力装置などとして適用してもよい。入力装置として用いる場合は、例えばノート型パソコンや、パーソナルコンピューターに組み込むことができる。具体的には、板状の入力装置本体に設けられる表面部に触覚センサー1Aを設ける構成などが例示できる。このような入力装置では、表面部上で利用者の指を動かしたり、タッチペンなどを動かしたりすると、これらの動きにより剪断力や正圧力が発生する。この剪断力および正圧力を触覚センサー1Aにより検出することで、利用者の指やタッチペンの接触位置座標、移動方向を検出して電気信号として出力することができる。
また、接触物判別部として、メモリー641に記憶された応力−粗さデータに基づいて、布地の種別(粗さ値)を判別する布地判別部643を例示したが、これに限らない。例えば、触覚センサー1,1Aを、パン製造装置に設け、パン生地の柔らかさ(捏ね状態)を判断する接触物判別部を設ける構成としてもよい。この場合、接触部判別部は、パン生地に対して加えた応力と、その応力に対して最適弾性力との関係データをメモリーに記憶する。そして、接触物判別部は、触覚センサー1,1Aで検出された正圧力や剪断力が、最適弾性力を中心とした所定閾値以内であれば、捏ね状態が最適であると判断する。このような構成のパン製造装置では、パン生地の捏ね状態を一定に維持することができ、安定した品質のパン生地を製造することができる。
Further, in the fourth embodiment, an example in which the tactile sensor 1A is applied to the gripping device 50 that grips the contact object L is shown. In the fifth embodiment, the iron 60 provided with the tactile sensor 1A is illustrated. It is not limited to. For example, the touch sensor 1A may be applied as an input device, for example. When used as an input device, it can be incorporated into, for example, a notebook personal computer or a personal computer. Specifically, the structure etc. which provide the tactile sensor 1A in the surface part provided in a plate-shaped input device main body can be illustrated. In such an input device, when a user's finger is moved on the surface portion or a touch pen is moved, shearing force and positive pressure are generated by these movements. By detecting this shearing force and positive pressure with the tactile sensor 1A, it is possible to detect the contact position coordinates and the moving direction of the user's finger or touch pen and output them as electrical signals.
Moreover, although the cloth discrimination | determination part 643 which discriminate | determines the classification (roughness value) of a fabric based on the stress-roughness data memorize | stored in the memory 641 was illustrated as a contact thing discrimination | determination part, it is not restricted to this. For example, the tactile sensors 1 and 1A may be provided in the bread manufacturing apparatus, and a contact object determining unit that determines the softness (kneading state) of the bread dough may be provided. In this case, the contact part determination part stores in the memory the relationship data between the stress applied to the bread dough and the optimum elastic force against the stress. Then, the contact object determination unit determines that the kneading state is optimal when the positive pressure and shearing force detected by the tactile sensors 1 and 1A are within a predetermined threshold value centered on the optimal elastic force. In the bread manufacturing apparatus having such a configuration, the kneaded state of the dough can be kept constant, and a stable quality dough can be manufactured.

上記各実施形態において、基板11上に複数の超音波素子20を配置した触覚センサー1,1Aを例示したが、これに限定されない。すなわち、超音波素子20は、基板11の上方に配置されていればよく、例えば基板11上に中間層を積層し、その上に超音波素子20が配置される構成などとしてもよい。
また、超音波素子20上に、弾性膜15と同一音響インピーダンスを有する保護膜を積層して、その保護膜上に弾性膜15が積層される構成などとしてもよい。
In each of the above embodiments, the tactile sensors 1 and 1A in which a plurality of ultrasonic elements 20 are arranged on the substrate 11 are exemplified, but the present invention is not limited to this. That is, the ultrasonic element 20 may be disposed above the substrate 11. For example, an intermediate layer may be stacked on the substrate 11 and the ultrasonic element 20 may be disposed thereon.
Alternatively, a configuration may be adopted in which a protective film having the same acoustic impedance as the elastic film 15 is laminated on the ultrasonic element 20 and the elastic film 15 is laminated on the protective film.

以上、本発明を実施するための最良の構成について具体的に説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、当業者が様々な変形および改良を加えることができるものである。   Although the best configuration for carrying out the present invention has been specifically described above, the present invention is not limited to this. That is, the present invention has been illustrated and described primarily with respect to particular embodiments, but the present invention is not limited to the embodiments described above without departing from the scope of the technical idea and object of the present invention. Various modifications and improvements can be made by a trader.

1,1A…触覚センサー、10…センサー本体、11…基板、15…弾性膜、16…超音波反射体、20…超音波素子、20A…第一超音波素子、20B…第二超音波素子、20C…第三超音波素子、20D…第四超音波素子、20E…第五超音波素子、30,30A…制御部、31…超音波発信制御部を構成する素子切替回路、32…超音波発信制御部を構成する送受信切替回路、33…超音波発信制御部を構成する送受信切替制御部、34…超音波発信制御部を構成する超音波信号発信回路、35…時間計測部、40…近接検出用超音波素子、50…把持装置、51…把持アーム、53…接触面である把持面、161…素子対向面、161A…第一素子対向面、161B…第二素子対向面、161C…第三素子対向面、161D…第四素子対向面、161E…頂部である第五素子対向面、371…移動量算出部、372…応力算出部、542…把持検出手段、543…駆動制御手段、641…記憶部を構成するメモリー、643…接触物判別部を構成する布地判別部、L…接触物。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,1A ... Tactile sensor, 10 ... Sensor main body, 11 ... Board | substrate, 15 ... Elastic film, 16 ... Ultrasonic reflector, 20 ... Ultrasonic element, 20A ... First ultrasonic element, 20B ... Second ultrasonic element, 20C: Third ultrasonic element, 20D: Fourth ultrasonic element, 20E: Fifth ultrasonic element, 30, 30A: Control unit, 31: Element switching circuit constituting ultrasonic transmission control unit, 32: Ultrasonic transmission Transmission / reception switching circuit constituting the control unit, 33... Transmission / reception switching control unit constituting the ultrasonic transmission control unit, 34... Ultrasonic signal transmission circuit constituting the ultrasonic transmission control unit, 35. Ultrasonic element 50 ... gripping device 51 ... gripping arm 53 ... gripping surface which is a contact surface 161 ... element facing surface 161A ... first element facing surface 161B ... second element facing surface 161C ... third Element facing surface, 161D ... fourth element Opposing surface, 161E... Fifth element facing surface which is the top, 371... Movement amount calculating unit, 372... Stress calculating unit, 542 .. grip detection means, 543... Drive control means, 641. Cloth discrimination part which comprises a contact thing discrimination | determination part, L ... contact thing.

Claims (13)

基板と、
前記基板上に設けられた複数の超音波素子と、
前記複数の超音波素子上に配置される弾性変形可能な弾性膜と、
前記弾性膜の内部に設けられ、超音波を反射可能な超音波反射体と、
を備え、
前記超音波反射体は、前記超音波素子に対向する素子対向面を、前記複数の超音波素子の各々に対応して複数有し、
前記基板の表面に沿う一軸をX軸とし、前記基板の表面に沿いX軸に直交する方向をY軸、およびX軸とY軸に直交する方向をZ軸とした際に、
前記超音波反射体は、
前記基板に最も近い位置に位置する頂部と、
前記頂部からX軸における+X方向に連続して設けられる第一素子対向面と、
前記頂部からX軸における−X方向に連続して設けられる第二素子対向面と、
を有し、
前記第一素子対向面は、Y軸に対して平行な直線と、XZ平面で+X方向に向かうに従って前記基板から離れる第一傾斜角度で傾斜した直線と、で規定される平面であり、
前記第二素子対向面は、Y軸に対して平行な直線と、XZ平面で−X方向に向かうに従って前記基板から離れる第二傾斜角度で傾斜した直線と、で規定される平面であり、
前記基板上には、前記第一素子対向面に対向する第一超音波素子、および前記第二素子対向面に対向する第二超音波素子がX軸に沿って配設されている
ことを特徴とする超音波センサー。
A substrate,
A plurality of ultrasonic elements provided on the substrate;
An elastically deformable elastic film disposed on the plurality of ultrasonic elements;
An ultrasonic reflector provided inside the elastic film and capable of reflecting ultrasonic waves;
With
The ultrasonic reflector, said element surface facing the ultrasonic element, a plurality of perforated in correspondence to each of the plurality of ultrasonic elements,
When an axis along the surface of the substrate is an X axis, a direction perpendicular to the X axis along the surface of the substrate is a Y axis, and a direction perpendicular to the X axis and the Y axis is a Z axis,
The ultrasonic reflector is
A top located closest to the substrate;
A first element facing surface provided continuously from the top in the + X direction on the X axis;
A second element facing surface provided continuously from the top in the -X direction on the X axis;
Have
The first element facing surface is a plane defined by a straight line parallel to the Y-axis and a straight line inclined at a first inclination angle that moves away from the substrate toward the + X direction on the XZ plane,
The second element facing surface is a plane defined by a straight line parallel to the Y-axis and a straight line inclined at a second inclination angle that moves away from the substrate toward the −X direction on the XZ plane,
A first ultrasonic element facing the first element facing surface and a second ultrasonic element facing the second element facing surface are disposed along the X-axis on the substrate. Ultrasonic sensor.
請求項に記載の超音波センサーにおいて、
前記第一傾斜角度および前記第二傾斜角度は、X軸に対して45度である
ことを特徴とする超音波センサー。
The ultrasonic sensor according to claim 1 ,
The ultrasonic sensor, wherein the first inclination angle and the second inclination angle are 45 degrees with respect to the X axis.
請求項または請求項に記載の超音波センサーにおいて、
前記超音波反射体は、
前記頂部からY軸における+Y方向に連続して設けられる第三素子対向面と、
前記頂部からY軸における−Y方向に連続して設けられる第四素子対向面と、
を有し、
前記第三素子対向面は、X軸に対して平行な直線と、YZ平面で+Y方向に向かうに従って前記基板から離れる第三傾斜角度で傾斜した直線と、で規定される平面であり、
前記第四素子対向面は、X軸に対して平行な直線と、YZ平面で−Y方向に向かうに従って前記基板から離れる第四傾斜角度で傾斜した直線と、で規定される平面であり、
前記基板上には、前記第三素子対向面に対向する第三超音波素子、および前記第四素子対向面に対向する第四超音波素子がY軸に沿って配設されている
ことを特徴とする超音波センサー。
The ultrasonic sensor according to claim 1 or 2 ,
The ultrasonic reflector is
A third element facing surface provided continuously from the top in the + Y direction on the Y axis;
A fourth element facing surface provided continuously from the top in the -Y direction on the Y axis;
Have
The third element facing surface is a plane defined by a straight line parallel to the X-axis and a straight line inclined at a third inclination angle that moves away from the substrate toward the + Y direction on the YZ plane,
The fourth element facing surface is a plane defined by a straight line that is parallel to the X axis and a straight line that is inclined at a fourth inclination angle away from the substrate as it goes in the -Y direction on the YZ plane,
A third ultrasonic element facing the third element facing surface and a fourth ultrasonic element facing the fourth element facing surface are arranged along the Y axis on the substrate. Ultrasonic sensor.
請求項に記載の超音波センサーにおいて、
前記第三傾斜角度および前記第四傾斜角度は、Y軸に対して45度である
ことを特徴とする超音波センサー。
The ultrasonic sensor according to claim 3 .
The ultrasonic sensor, wherein the third inclination angle and the fourth inclination angle are 45 degrees with respect to the Y axis.
請求項から請求項のいずれかに記載の超音波センサーにおいて、
前記頂部は、前記基板の表面に対して平行な第五素子対向面であり、
前記基板上には、前記第五素子対向面に対向する第五超音波素子が配設されている
ことを特徴とする超音波センサー。
The ultrasonic sensor according to any one of claims 1 to 4 ,
The top is a fifth element facing surface parallel to the surface of the substrate;
An ultrasonic sensor, wherein a fifth ultrasonic element facing the fifth element facing surface is disposed on the substrate.
請求項に記載の超音波センサーにおいて、
前記超音波反射体は、四角錐台形状である
ことを特徴とする超音波センサー。
The ultrasonic sensor according to claim 5 ,
The ultrasonic reflector has a quadrangular frustum shape.
請求項1から請求項のいずれかに記載の超音波センサーにおいて、
前記基板上には、
前記弾性膜、前記超音波反射体、および前記超音波反射体の複数の前記素子対向面に対向する複数の前記超音波素子により構成されたセンサー本体が複数アレイ状に配置された
ことを特徴とする超音波センサー。
The ultrasonic sensor according to any one of claims 1 to 6 ,
On the substrate,
A plurality of sensor bodies configured by the elastic film, the ultrasonic reflector, and a plurality of the ultrasonic elements facing the plurality of element facing surfaces of the ultrasonic reflector are arranged in a plurality of arrays. Ultrasonic sensor to do.
請求項に記載の超音波センサーにおいて、
前記基板上の隣り合う前記センサー本体の間には、空気中に超音波を発信するとともに、接触物にて反射された超音波を受信する近接検出用超音波素子が設けられた
ことを特徴とする超音波センサー。
The ultrasonic sensor according to claim 7 ,
A proximity detection ultrasonic element for transmitting ultrasonic waves in the air and receiving ultrasonic waves reflected by a contact object is provided between adjacent sensor bodies on the substrate. Ultrasonic sensor to do.
請求項1から請求項のいずれかに記載の超音波センサーと、
前記超音波センサーの各超音波素子の超音波の発信および受信を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする触覚センサー。
The ultrasonic sensor according to any one of claims 1 to 8 ,
A control unit that controls transmission and reception of ultrasonic waves of each ultrasonic element of the ultrasonic sensor;
A tactile sensor characterized by comprising:
請求項に記載の触覚センサーおいて、
前記制御部は、
前記超音波素子から超音波を発信させる超音波発信制御部と、
前記超音波素子の超音波の発信タイミングから、前記超音波反射体により反射された超音波が前記超音波素子により受信される受信タイミングまでの時間を計測する時間計測部と、
前記時間計測部により計測された時間に基づいて、前記超音波反射体の移動量および移動方向を算出する移動量算出部と、
を備えたことを特徴とする触覚センサー。
In the tactile sensor according to claim 9 ,
The controller is
An ultrasonic transmission control unit for transmitting ultrasonic waves from the ultrasonic element;
A time measuring unit for measuring a time from an ultrasonic wave transmission timing of the ultrasonic element to a reception timing at which the ultrasonic wave reflected by the ultrasonic reflector is received by the ultrasonic element;
Based on the time measured by the time measuring unit, a moving amount calculating unit that calculates a moving amount and a moving direction of the ultrasonic reflector,
A tactile sensor characterized by comprising:
請求項10に記載の触覚センサーにおいて、
前記制御部は、
前記移動量算出部により算出された前記超音波反射体の移動量および移動方向と、前記弾性膜のヤング率とに基づいて、前記弾性膜に作用する応力を算出する応力算出部を備える
ことを特徴とする触覚センサー。
The tactile sensor according to claim 10 ,
The controller is
A stress calculating unit that calculates a stress acting on the elastic film based on the moving amount and moving direction of the ultrasonic reflector calculated by the moving amount calculating unit and the Young's modulus of the elastic film; Features tactile sensor.
請求項11に記載の触覚センサーにおいて、
前記超音波センサーは、前記基板上に、前記弾性膜、前記超音波反射体、および前記超音波反射体の複数の前記素子対向面に対向する複数の前記超音波素子が配置されて構成されたセンサー本体を複数備えるとともに、前記複数のセンサー本体がアレイ状に配置されて構成され、
当該触覚センサーは、
前記弾性膜に作用する応力に対する、前記弾性膜に接触した接触物の状態が記録された相関データを記憶する記憶部と、
前記応力算出部により算出された前記応力と、前記相関データに基づいて、前記接触物の状態を判別する接触物判別部と、
を備えたことを特徴とする触覚センサー。
The tactile sensor according to claim 11 .
The ultrasonic sensor is configured such that the elastic film, the ultrasonic reflector, and a plurality of the ultrasonic elements facing the element facing surfaces of the ultrasonic reflector are arranged on the substrate. A plurality of sensor bodies are provided, and the plurality of sensor bodies are arranged in an array.
The tactile sensor
A storage unit for storing correlation data in which a state of a contact object in contact with the elastic film is recorded with respect to stress acting on the elastic film;
A contact object determination unit that determines the state of the contact object based on the stress calculated by the stress calculation unit and the correlation data;
A tactile sensor characterized by comprising:
請求項から請求項12のいずれかに記載の触覚センサーを備え、対象物を把持する把持装置であって、
前記対象物を把持するとともに、前記対象物に接触する接触面に前記触覚センサーが設けられる少なくとも一対の把持アームと、
前記触覚センサーから出力される信号に基づいて、前記対象物のすべり状態を検出する把持検出手段と、
前記すべり状態に基づいて、前記把持アームの駆動を制御する駆動制御手段と、
を備えることを特徴とする把持装置。
A gripping device comprising the tactile sensor according to any one of claims 9 to 12 , and gripping an object,
At least a pair of gripping arms that grips the object and is provided with the tactile sensor on a contact surface that contacts the object;
Grip detection means for detecting a slip state of the object based on a signal output from the tactile sensor;
Drive control means for controlling the drive of the gripping arm based on the sliding state;
A gripping device comprising:
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US10668627B2 (en) 2017-09-26 2020-06-02 Toyota Research Institute, Inc. Deformable sensors and methods for detecting pose and force against an object
JP7202263B2 (en) * 2019-06-24 2023-01-11 朝日インテック株式会社 Catheters, catheter sets, and medical devices
WO2022030715A1 (en) * 2020-08-04 2022-02-10 한국과학기술원 Tactile sensor, tactile stimulation detection method using same, and robot skin and robot which comprise same
JPWO2022269984A1 (en) * 2021-06-22 2022-12-29

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6034295A (en) * 1983-08-03 1985-02-21 株式会社日立製作所 Sensor for cutaneous sensation
US5553500A (en) * 1994-10-26 1996-09-10 Bonneville Scientific Incorporated Triaxial normal and shear force sensor
JP4035515B2 (en) * 2004-05-18 2008-01-23 ミネベア株式会社 Optical displacement sensor and external force detection device
JP4876240B2 (en) * 2005-01-28 2012-02-15 国立大学法人 東京大学 Tactile sensor and manufacturing method thereof

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